本发明涉及磁头，尤其涉及利用了所谓GMR(巨磁电阻)效应的高 灵敏度磁头。

磁头的应用广泛，从音像设备，如磁带录音机或录象机，到信息处 理装置，如计算机。尤其在信息处理装置中，对记录有关图象数据或 音频数据处理的大量信息信号有不断的需求。有鉴于此，需要一种高 容量也即高记录密度的高速磁存储设备。这样的一种高容量磁存储设 备需要一种能以相对高的记录密度执行信息读写的磁头。

磁头的分辨率，即磁头能完成的最大记录密度，主要由磁头的间隙 宽度和从记录介质到间隙的距离决定。由线圈缠绕着磁心的感应磁头 可以达到大约65Mb/inch2的记录密度。然而，这样的记录密度鉴于将 来的、使用了甚小记录点的磁存储设备所需的20Gb/inch2或者更高的 记录密度来说是远远不够的。

为达到上述20Gb/inch2或者更高的记录密度，提供一种能高速探 测微弱磁信号的甚高敏感性的磁头是必要的。鉴于所需的分辨率、敏 感性和响应，基于电磁感应理论的感应磁头是不能达到这样高速微弱 磁信号探测的。

作为由细小记录点形成的能探测微弱磁信号的磁头，有一种建议的 磁头，其安装了磁电阻磁传感器。见1990年Elsevierd出版的、 P.Ciureanu与Gavrila著的、在电气电子工程39中的研究文章，“用 于数字记录的磁头”第七章中的例子。

图1以横截面方式表示了磁头10，它包括了所谓GMR(巨磁电阻) 的传感器，其中GMR传感器是最适合探测极微弱磁信号的磁电阻磁传 感器。此外，图2A和2B表示了用于磁头10的GMR传感器的构造。

参考图1，磁头10形成在Al2O3-TiC的陶瓷衬底11上，并且包括 形成在衬底11上的下磁蔽体12，和形成在下磁蔽体12的上磁屏蔽体 14，并由非磁绝缘薄膜13隔离其中。上层和下磁蔽体12和14在磁头 10前端部形成读间隙15，其中间隙15包括GMR磁传感器16。

在上磁屏蔽体14上，提供了磁极18，非磁绝缘薄膜17插入其中， 以及在磁头10前端部形成的在磁极18与上磁屏蔽体14的写间隙19。 应当指出，写线圈20放置在绝缘薄膜17上。

图2A和2B分别表示了无外部磁场和施加外部磁场H两种状态下图 1中的GMR磁传感器16。

参考图2A和2B，GMR磁传感器16包括了导电非磁材料如铜或银的 非磁主体16A以及形成在主体16A上的多个总体平坦的铁磁区16B，铁 磁区直径为几十个纳米，厚度2～4nm。铁磁区16B以最佳距离相互隔离 以进行交互作用。当无外部磁场施加在磁传感器16上时，由于交互作 用，出现了相邻铁磁区16B之间的静磁耦合。由于静磁耦合，如图2A 所示，在铁磁区16B磁化方向上，出现了反平行关系。

当电子流，从主体16A顶面上的电极A，以图2A的状态注入主体 16A内部时，那些在电子流中有向上自旋状态的电子，由于一个第一磁 化方向的铁磁区16B的作用，会散射开；另一方面，那些在电子流中 有向下自旋状态的电子，由于另一个第二、反磁化方向的铁磁区16B 的作用，也会散射开。因此，到达主体16A顶面上电极B的电子数会 减少，并且磁传感器16显示出高阻抗。

如图2B所示，当外部磁场H施加在GMR传感器上时，相反地，所 有铁磁区16B的磁化方向排列成一个方向，并且，相邻铁磁区16B之 间的静磁耦合变为无效。在这种状态下，尽管其它自旋状态的电子以 如图2A类似的情况散射，那些在电子流中有上自旋或下自旋状态的电 子可以通过主体16A顺利地到达电极B。这样，由于外部磁场H的施加， 磁传感器16降低了阻抗。

这样的GMR磁传感器16在另一方面引起问题。当在主体16A的电 极A和B之间施加电压以使得电子流流过主体16A时，电子流中的部 分电子会沿主体16A表面的短路路径P2通过，而非沿深入在主体16A 内部的正常路径P1通过。参看图3。当沿路径P2发生这样的电子流旁 路时，在电极A和B之间探测到的GMR磁传感器16阻抗的变化被流经 路径P2的电子流所掩盖。由于这样的掩盖，磁探测的灵敏性不可避免 地受到损害。

如图3所示，上述旁路P2问题可以通过在主体16A底部提供另一个 电极C，并探测电极A、C之间的阻抗而得到解决。然而，鉴于主体16A 厚度较小，其最好在50nm左右，此方案是不成功的。由于主体16A厚 度极小，电极A、C之间的阻抗实质上已接近为零。因此，没有可靠的 阻抗下降探测方式。

因此，本发明的总目的在于提供一个新颖的、有益的GMR磁头，并 解决上述问题。

本发明的另一个、也是一个更具体的目的在于提供一个包括GMR传 感器的磁头，其中可以对磁电阻的变化进行清楚可靠的观察。

本发明的另一个目的在于提供一个GMR传感器，其包括：

一个第一电极；

一个第一导电非磁层，在所述第一电极上提供；

多个形成在所述第一导电非磁层中的第一铁磁区，其相互分离；

一个第二导电非磁层，在所述第一导电非磁层上提供；

一个第三导电非磁层，在所述第二导电非磁层上提供；

多个形成在所述第三导电非磁层中的第二铁磁区，其相互分离；

一个第二电极，在所述第三导电非磁层上提供；

所述第一导电非磁层和第三导电非磁层相互分离一段距离，其引起 在第一铁磁区和第二铁磁区之间的交互作用；以及

一个隧道绝缘薄膜放置在所述第一导电非磁层和第三导电非磁层 之间；

本发明的另一个目的在于提供制造GMR磁传感器的方法，该GMR磁 传感器包括：一个第一电极；一个第一导电非磁层，在所述第一电极 上提供；多个形成在所述第一导电非磁层中的第一铁磁区，其相互分 离；一个第二导电非磁层，在所述第一导电非磁层上提供；一个第三 导电非磁层，在所述第二导电非磁层上提供；多个形成在所述第三导 电非磁层中的第二铁磁区，其相互分离；一个第二电极，在所述第三 导电非磁层上提供；所述第一导电非磁层和第三导电非磁层相互隔离 一段距离，其引起在第一铁磁区和第二铁磁区之间的交互作用；以及 一个隧道绝缘薄膜放置在所述第一导电非磁层和第三导电非磁层之 间，所述方法包括以下步骤：

通过形成含有构成所述第一导电非磁层的金属元素和构成所述第 一铁磁区的金属元素的第一金属薄膜；并且，以一定温度退火所述第 一金属薄膜，以使得，所述第一铁磁区及所述第一导电非磁层在所述 的第一金属薄膜内相互分离，以形成所述第一导电非磁层及所述第一 铁磁区；

通过形成含有构成所述第三导电非磁层的金属元素和构成所述第 二铁磁区的金属元素的第二金属薄膜；并且，以一定温度退火所述第 二金属薄膜，以使得，所述第二铁磁区及所述第三导电非磁层在所述 的第二金属薄膜中相互分离，以形成所述第三导电非磁层及所述第二 铁磁区；及

通过形成所述第二导电非磁层，并处理所述导电非磁层的表面，以 形成所述隧道绝缘薄膜。

本发明的另一个目的在于提供磁头，其包括：

一个第一磁屏蔽体；

一个第二磁屏蔽体，其形成在所述第一磁屏蔽上，在所述第一磁屏 蔽体及所述第二磁屏蔽体之间形成读间隙；及

一个GMR磁传感器，放置在所述读间隙中，所述GMR磁传感器包括：

一个第一电极；

一个第一导电非磁层，在所述第一电极上提供；

多个形成在所述第一导电非磁层中的第一铁磁区，其相互分离；

一个第二导电非磁层，在所述第一导电非磁层上提供；

一个第三导电非磁层，在所述第二导电非磁层上提供；

多个形成在所述第三导电非磁层中的第二铁磁区，其相互分离；

一个第二电极，在所述第三导电非磁层上提供；

所述第一导电非磁层和第三导电非磁层相互隔离一段距离，其引起 在第一铁磁区和第二铁磁区之间的交互作用；以及

一个隧道绝缘薄膜放置在所述第一导电非磁层和第三导电非磁层 之间。

根据本发明，由于在第一导电非磁层与第三导电非磁层之间，及在 第一铁磁区与第二铁磁区之间绝缘隔离薄膜的使用，在没有外部磁场 的情况下，GMR磁传感器的阻抗会增加。由于磁传感器阻抗的增加，因 施加外部磁场而引起的阻抗降低量的探测可以高精度和高可靠性地实 现。由于第一和第二铁磁区象小岛一样分散在不同的非磁层里，磁化 方向的改变可以很容易地实现，即使施加在GMR磁传感器的外磁场强 度很小。这样，使用本发明GMR磁传感器的磁头适合于探测极微弱磁 场，在超高磁记录密度情形下。

通过连同附图阅读下列详细描述，本发明的其它目的和进一步的特 点将显而易见。

图1是表示使用GMR磁传感器的常规磁头的图；

图2A和2B是表示常规GMR磁传感器原理的图；

图3是说明常规GMR磁传感器问题的图；

图4A和4B是解释本发明原理的图；

图5是表示根据本发明的一个实施例的GMR磁传感器的构造；

图6以放大的比例表示了图5中GMR磁传感器的一部分；

图7是表示图5中GMR磁传感器磁电阻的图；

图8A与8B是表示图5中磁传感器制造过程的图；以及

图9是表示图5中GMR磁传感器改进的框图。

图4A表示了本发明GMR磁传感器30的基本构造。此外，图4B表 示了在施加了外部磁场H的状态下的GMR磁传感器30。

参考图4A，GMR磁传感器30包括：第一导电非磁层32，其在第一 电极31上提供；多个形成在第一导电非磁层32中的第一铁磁区32A， 其相互分离；第二导电非磁层33，在第一导电非磁层上32提供；第三 导电非磁层35，在第二导电非磁层33上提供；多个形成在第三导电非 磁层35中的第二铁磁区35A，其相互隔离；第二电极36，在第三导电 非磁层35上提供；以及隧道绝缘薄膜34放置在第一导电非磁层32和 第三导电非磁层35之间。

根据本发明，由于磁传感器30阻抗太小而不能探测阻抗降低量的 问题可以通过在第一铁磁区32A与第二铁磁区35A之间放置隧道绝缘 薄膜34而得到成功解决，即使电子流被以垂直方向流向形成磁传感器 的层状结构。当电子流被以垂直方向流向上述的层状结构时，参考图3 说明，在层状结构表面部分电子流流动的问题不会出现在本发明的GMR 磁传感器中。

通过在第一铁磁区32A和第二铁磁区35A之间形成隧道绝缘薄膜 34，如图4B所示，由于外部磁场H的施加而大大增加，当磁化方向与 铁磁区32A和35A一致时，由铁磁隧道效应引起的隧道流，如图4B所 示，由于外部磁场H的施加而大大增加。因此，通过以相互隔离区的 形式，分别在非磁层32及35中形成上述第一第二铁磁区32A和35A， 磁化方向的转向可以相当容易。

在图4A和4B中的例子，隧道绝缘薄膜34形成在上述第二非磁层 33和第三非磁层35之间。然而，本发明并不局限于如此个别的结构。 例如，隧道绝缘薄膜34可以在第一非磁层32及第二非磁层33之间提 供。或者如图4A及4B所示，在非磁层33中形成隧道绝缘薄膜34′。

图5表示了根据本发明的一个实施例的GMR磁传感器40的结构。

参考图5，GMR磁传感器40在硅衬底41上构成，并且包括厚度约 200nm形成在硅衬底41上的下铜电极42以及形成在下电极42上的磁 层状结构43。在磁层状结构43上，上铜电极44以大约200nm厚度形 成，并且提供绝缘层45以覆盖磁层结构43的边墙。而且，在硅衬底 41及下电极42之间提供一层Al2O3(未画出)。

图6详细描述了图5中磁层状结构的一部分。

参考图6，在下层电极42上，银材料的非磁层43A以大约200nm 厚度形成，并且一定数量的钴-铁合金的铁磁区43B以扁平的磁盘状形 成在上述银材料的层43A中，其典型厚度为2-4nm，直径为几十个纳米。 非磁层43A被另一个厚度约4nm的铜材料的非磁层43C覆盖，并且薄 的Al2O3隧道绝缘薄膜43D形成在非磁层43C上，其厚度约0.5nm。

而且，具有类似于层43A的非磁层43E形成在隧道绝缘薄膜43D 上，并且层43C-43E多次形成在43E上。应当指出，层43E其中包括 铁磁区43F。

在层43A或43E中，应当注意，当无外部磁场施加于磁传感器40 上时，由于交相感应，铁磁区43B或43F被磁化成反平行的关系。此 外，同样是由于交相感应，反平行关系也出现在铁磁区43B的磁化方 向与相应铁磁区43F的磁化方向之间，铁磁区43B在非磁层43A中， 铁磁区43F在非磁层43E中。

在如此一个构造中，当外部磁场施加于磁传感器40上时，磁化方 向与对所有铁磁区43B和铁磁区43F的外磁场的方向相反。因此，垂 直流过隧道绝缘薄膜43D的电流大量增加，并且磁传感器40的阻抗减 少。

在图5或6的GMR磁传感器40中，隧道绝缘薄膜43D多次形成。 因此，当无外部磁场时，可得到高阻抗。此外，磁传感器40本质上与 参考图3描述的旁路或短路问题无关。因此，磁传感器40显示出非常 高的磁探测敏感性。

图7表示了磁传感器40磁电阻的变化。

参考图7，磁传感器40的相互隔离铁磁区43B或43F可以容易地 引起磁化方向的变向，并且当磁传感器40的外部磁场仅仅约为50Oe 时，出现的磁化方向一致。由于铁磁区43B以及43F磁化方向的一致， 磁传感器40的阻抗大量减少。如图7所示，当外部磁场值在+8Oe或 -8Oe时，磁传感器40的阻抗呈现出最大值。当外部磁场的量值超出 上述值时，磁传感器40的阻抗迅速下降。这样，阻抗量值下降量可达 0.5g。

接着，参考图8A及8B，将对图6中结构的制造过程进行描述。

参考图8A，通过以厚度约200nm进行铜的溅涂，在硅衬底(未画 出)表面(100)形成下层电极42。进一步，同层43A一样，通过溅涂 过程，系统钴-铁-银金属层43A′形成在下层电极42上，其厚度约 1.5nm。此外，非磁的铜材料层43C以溅涂过程形成在层43A′上，其厚 度约4nm。当43C层形成后，在图8B所述步骤上，Al2O3薄膜43D以溅 涂过程形成在43C层上，其厚度约0.5nm。

形成层43A′-43D的溅涂过程是在氩气氛中、压力为2310-5Pa的环 境下，通过把目标与衬底的距离设置在180mm，且RF功率为0.7W/cm2 来完成的。比如，形成上述的磁层结构43，溅涂过程要重复5次。

当磁层结构43形成后，上层电极44以铜的溅涂过程形成，其厚度 约200nm，并且如此形成的结构在温度约280℃中经过约一小时的热退 火过程。由于如此的热退火过程，出现了钴-铁合金的铁磁区43B与43F 在层43A′中的分离。留下了银材料的层43A或43E，得到了图6介绍的 结构。

在形成图6结构的过程中，应当指出，层43A′、43C和43D的喷涂 决不局限于上述的溅涂过程，也可以使用诸如离子束溅射、分子束外 延生长或真空蒸发沉淀等喷涂过程。此外，隧道绝缘薄膜43D由金属 层的氧化、氮化或硼化形成。比如，可以由铝形成非磁层43并且通过 铝层的氧化、氮化或硼化形成隧道绝缘薄膜43D。进一步，如此的氧化、 氮化或硼化过程可以在等离子环境中进行。

图9表示了图6结构的修改，其中与先前描述相同的部分指定了相 同的参照数字，其描述也因此省略。

参考图9，本实施例在非磁层43A或43E中使用颗粒状铁磁区43B′ 或43F′，其中，颗粒状铁磁区43B′或43F′的直径约1-10nm。由于粒状 的结构，铁磁区43B′或43F′极易热激发，并且通过静磁耦合，很难引 起在铁磁区43B′或43F′的磁化方向上反平行一致。另一方面，这些细 小铁磁区的磁化方向可以轻易由非常微弱的外磁场改变。

同样在图9的实施例中，可以通过穿插隧道绝缘薄膜以及在铁磁区 43B′和铁磁区43F′经过隧道绝缘薄膜使用铁磁隧道效应来增加磁传感 器的磁电阻。当存在很弱的外部磁场时，磁传感器增加的磁电阻可以 容易地、迅速地降低。应当指出，在日本公开的专利发布09-050614 中描述了如此粒状铁磁区的形成。

通过在图1中的磁头上使用图5和6或图9中的GMR磁传感器来取 代常规GMR磁传感器16，可以得到适用于超高密度磁记录的高灵敏度 磁传感器。

此外，本发明并不局限于上述的实施例，只要不离开本发明的范 围，可以进行各种变化和修改。