专利名称：低阻抗隧道磁阻效应元件及其制造和测试方法及测试设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测信号磁场并指示阻抗根据该磁场的变化的隧道磁阻(TMR)效应元件、一种配备该TMR效应元件的薄膜磁头、一种配备该薄膜磁头的磁头万向架组件(HGA)，以及一种配备该HGA的磁盘驱动设备。本发明还涉及该TMR效应元件的测试方法和检测装置以及制造方法。
背景技术：
随着磁盘驱动设备的容量越来越大而尺寸越来越小，薄膜磁头需要具有更高的灵敏度和更高的输出量。为了满足这种需求，阻抗变化率可期望达到当前正被应用于信号磁场读取的巨磁阻(GMR)效应的阻抗变化率的至少两倍的TMR效应日益受到关注。实际上，确实开发出了配备用于读取的TMR效应元件的薄膜磁头。
在TMR效应元件的结构中，在磁化方向固定的固定磁化方向层(固定层)与磁化方向可以根据施加的磁场而变化的自由磁场方向层(自由层)之间插入磁场隧道绝缘层，用作隧道效应的能量阻挡层。这一隧道绝缘层的存在使得TMR效应元件与其他MR(磁阻)效应元件相比具有更高的元件阻抗值。这种较高的元件阻抗值通常会使元件阻抗和寄生电容形成低通滤波电路，并导致元件的截止频率降低，妨碍对于高记录密度来说不可缺少的高频性能。此外，较高的元件阻抗还会使元件中形成导电性的电子的随机运动所造成的散粒噪声(shot noise)增大。作为结果，元件的输出SN比(信噪比)降低了。
另一方面，近年来引入了采用垂直磁记录系统的磁盘驱动设备来实现较高的记录密度。垂直磁记录系统具有比传统的纵向磁记录系统更高级别的介质噪声，并且因此对磁头的较低噪声比的需要相对减小。因此，在垂直磁记录系统中采用TMR效应元件来读取是非常有前景的，原因是可以有效地利用元件的较高输出量。然而，为了实现较高的记录密度，对于垂直磁记录系统来说，要满足对较高频率的需要并提高SN比，就不可避免地要减小元件阻抗。
此外，在TMR效应元件中，电流不仅流过金属，而且流过隧道绝缘层的电介质材料。隧道电流流过该电介质材料的特征使得元件阻抗的温度系数向负值一侧倾斜。当将温度系数为相对较大的负值的TMR效应元件用于磁头时，输出量可能由于外界温度变化所导致的阻抗变化而变得不稳定，如同在温度系数为正值的GMR头的情况下那样随着金属电导率而发生变化。尤其是，由于元件与介质之间的接触而带来的热的不均匀将成为一个问题。
作为针对这些问题的一个措施，日本专利公开No.2004-185676A公开了一种薄膜磁头，其包括元件(头)的阻抗值具有平坦温度斜度的TMR效应元件。此外，根据美国专利No.6,452,204和美国专利公开No.2002/0164828A1，将隧道结MR效应膜的阻抗值低至5×10-5Ωcm2或5×10-5Ωcm2以下以避免热的不均匀。此外，根据美国专利No.6,812,039，在形成隧道绝缘层期间金属层的氧化由UV(紫外)光支持，并且其阻抗值低至小于10kΩμm2。
此外，日本专利公开No.2004-234755A公开了一种薄膜磁头，其中将电阻器并联到TMR效应元件并且限定元件的阻抗值、电阻器的阻抗值，以及元件的阻抗值与元件的横截面面积的积RA。此外，日本专利公开No.2002-217471A公开了一种铁磁隧道结元件，其具有平行于隧道电流通道而形成的电流通道，并且该专利公开将在(隧道)绝缘层中形成的小孔描述为这种平行形成的电流通道。
在上述的TMR效应元件或具有这种元件的薄膜磁头的情况下，存在一个问题即使将元件的阻抗值或阻抗的温度系数限制于预定范围内，仍然会发生相当大的爆音噪声。
如上所述，需要减小TMR效应元件的阻抗。在这一方面，如日本专利公开No.2004-185676A中所描述的，例如，假定当“隧道阻挡层中的小孔的比例增加”时“元件(磁头)的绝对阻抗值减小”。作为结果，还假定可能“实现噪声的减小”。的确，依赖于阻抗的散粒噪声或其他噪声随着元件阻抗的减小而减小。
然而，另一方面，爆音噪声依赖于元件而增大，造成诸如依赖于噪声程度的再现输出中的错误之类的不便。也就是说，即使具有上述文献中所描述的符合元件阻抗的预定规范的元件，仍然会发生相当大的爆音噪声，并且因此很难通过减小噪声来提高SN比并避免再现输出的错误。
在此，作为发生于TMR效应元件中的爆音噪声，通常只有诸如Barkhausen噪声之类的、源于TMR效应元件中的磁化状态的磁因素才是已知的。然而，如上所述，出现爆音噪声，该爆音噪声起因和确定强度的因素实际上并不清楚，并且很难实现测量。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种充分减小了元件阻抗并且抑制了爆音噪声的TMR效应元件、一种配备该TMR效应元件的薄膜磁头、一种配备该薄膜磁头的HGA以及一种配备该HGA的磁盘驱动设备。
此外，本发明的另一个目的是提供了针对一种充分减小了元件阻抗并且抑制了爆音噪声的TMR效应元件的测试方法和测试装置以及制造方法。
在说明本发明之前，将定义用于本发明说明书的术语。在TMR效应元件或薄膜磁头(其形成于衬底的形成元件的表面上，元件形成于该衬底之上)的多层结构中，将其位于与参考层相关的形成元件的表面那一侧上的层或部分定义为“下部”或位于“下面”，并且将其位于与参考层相关的形成元件的表面一侧相对侧上的层或部分定义为“上部”或位于“上面”。
根据本发明，提供了一种TMR效应元件，其包括主要由金属氧化物形成的隧道阻挡层；以及两个堆叠在一起以便将该隧道阻挡层夹在中间的铁磁体层，该隧道阻挡层包括大量电荷位置，并且该隧道阻挡层中的大量电荷位置的密度n和由大量电荷位置捕获的电子的迁移率u满足关系式0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2其中nS1和nS2分别是在读取信号期间当元件阻抗为最小时的隧道电子的密度和当元件阻抗为最大时的隧道电子的密度，并且μ0是电子在未被捕获时的迁移率。
在此，电荷位置是用于捕获形成导电性的电子的位置，或者更具体的说，是邻近于可以捕获电子的金属阳离子或金属原子的区域。在处于电荷位置的中心的金属阳离子或金属原子周围生成氧缺陷(oxygen defect)。作为结果，在氧缺陷位置捕获的电子或从氧缺陷位置发射的电子成为电荷载流子。
根据本发明的隧道阻挡层由于包括大量的这种电荷位置而具有如同电阻器一样的适当特性。作为结果，根据本发明的TMR效应元件的元件阻抗与传统元件的阻抗相比足够小。
此外，当隧道阻挡层中的n和μ满足0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2时，能够可靠地避免曾经是一个传统问题的“爆音噪声由于阻抗低而增大”这一不利效应，稍后将对这一点进行描述。作为结果，改善了元件输出的高频特性，并且能够实现具有可用于诸如磁盘驱动设备之类的设备的SN比的TMR效应元件。
根据本发明，还提供了一种TMR效应元件，其包括一个主要由金属氧化物形成的隧道阻挡层；以及两个堆叠在一起以便将该隧道阻挡层夹在中间的铁磁体层，该隧道阻挡层包括大量的电荷位置，并且当在具有磁饱和的TMR元件的隧道阻挡层的表面的垂直方向上施加5微秒或更久的偏压时由于大量电荷位置的存在会产生电爆音输出电压。
本发明的发明人详细地分析了TMR效应元件中的需要减小的爆音噪声，并且首次成功地将爆音噪声分为元件的磁化状态所引起的输出电压和电爆音电压。此外，发明人通过发现电爆音输出电压与上述的电荷位置有关而提出本发明。也就是说，在存在电荷位置并且电爆音输出电压已经达到适当程度的TMR效应元件中，元件的阻抗值变得足够小并且可以确保具有可用于诸如磁盘驱动设备之类的设备的SN比。
此外，在传统技术中，爆音噪声的起因及其确定强度因素尚未完全清楚。因此，有可能实现了低阻抗，但却不能控制爆音噪声。相反，本发明可以通过从爆音噪声中分离出电爆音输出电压并评价该电爆音输出电压，来实现对噪声的测量并实现较低阻抗。这种元件一经制造，电爆音输出电压就是稳定且可以充分控制的。
在此，优选地使ΔVP满足关系式0＜ΔVP/ΔVS＜0.2其中ΔVP是电爆音输出电压的强度，并且ΔVS是元件的输出电压。通过满足这一关系式，能够利用电荷位置的存在来实现阻抗的减小，并可靠地避免爆音噪声由于阻抗减小而增大。作为结果，改善了元件输出的高频特性并且可以获得具有可用于诸如磁盘驱动设备之类的设备的SN比的TMR效应元件。
此外，隧道阻挡层优选地主要由Al、Ti、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Mo和W中的一种元素组成的金属或其中的两种或多种元素组成的合金与氧气的化合物形成，或者由在所述金属或合金中添加了具有比所述金属或合金更低的氧化自由能的Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P中的一种、两种或多种元素而获得的合金与氧气的化合物形成。
此外，隧道阻挡层优选地通过在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧(O3)和一氧化二氮(N2O)中的一种、两种或多种成分的气体中对金属层进行氧化而形成。在此，该金属层优选地主要由Al、Ti、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Mo和W中的一种元素组成的金属或其中的两种或多种元素组成的合金形成，或者由在所述金属或合金中添加了具有比所述金属或合金更低的氧化自由能的Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P中的一种、两种或多种元素而获得的合金形成。
作为用于对金属层进行氧化的气体，O3和N2O特别地具有比氧气更大的分子量，并且因此与使用常规的氧气相比能够生成更多的氧缺陷。作为结果，能够形成包括更多电荷位置的层。此外，即使在包括氧分子、氧原子和氧离子的气体中，也能够通过控制这些成分的局部气压以及金属层的温度等来形成足够多的电荷位置。
此外，如上所述，包括Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P所添加的具有较低的氧化自由能的元素有可能成为导致隧道阻挡层中电荷位置形成的金属阳离子或金属原子。也就是说，添加这些元素使得能够切实地形成层中的电荷位置。
根据本发明，还提供了一种薄膜磁头，其包括至少一个作为数据读取装置的上述TMR效应元件；以及至少一个作为数据写入装置的感应写入头元件。
根据本发明，还提供了一种HGA，其包括上述的薄膜磁头；用于为所述至少一个TMR效应元件以及所述至少一个感应写入头元件提供电流的跟踪导体；以及支持所述薄膜磁头的支持机构。
根据本发明，还提供了一种磁盘驱动设备，其包括至少一个上述的HGA；至少一个磁盘；以及用于控制所述至少一个TMR效应元件和所述至少一个感应写入头元件的读取和写入操作的记录/再现电路。
根据本发明，还提供了一种TMR效应元件的测试方法，其包括步给TMR效应元件施加外部磁场以使该TMR效应元件磁饱和；当在垂直于TMR效应元件的层表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，测量元件输出电压中产生的电爆音输出电压；并且根据该测量结果评价该TMR效应元件。在此，评价该TMR效应元件优选地包括判断电爆音输出电压ΔVP是否满足关系式0＜ΔVP/ΔVS＜0.2，其中ΔVS是所述元件的输出电压。
根据传统技术，TMR效应元件中生成爆音噪声的原因以及确定爆音噪声强度的因素实际上没有完全解释清楚，从而很难测试和估计元件中的噪声。然而，根据本发明的测试方法，能够将当元件由于施加了外部磁场而恰好磁饱和时产生的电爆音输出电压从元件的磁化状态所造成的噪声中分离出来。作为结果，有可能选择既能实现低阻抗又能确保具有可用于诸如磁盘驱动设备之类的设备的SN比的TMR效应元件。
根据本发明，还提供了一种TMR效应元件的制造方法，其包括步骤形成第一铁磁体层，并在所述第一铁磁体层上形成一个金属层；在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧和一氧化二氮中的一种、两种或多种成分的气体中对所述金属层进行氧化，以形成隧道阻挡层；在所述隧道阻挡层上形成第二铁磁体层，以形成隧道磁阻效应多层；利用所述隧道磁阻效应多层作为主要部分形成隧道磁阻效应元件；以及采用上述测试方法来选择所述隧道磁阻效应元件。
根据本发明，还提供了一种薄膜磁头的制造方法，其包括步骤通过采用一种制造方法在滑块晶片衬底上形成TMR效应元件，该制造方法包括步骤采用一种制造方法在滑块晶片衬底上形成隧道磁阻效应元件，所述制造方法包括步骤形成第一铁磁体层，并在所述第一铁磁体层上形成一个金属层；在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧(O3)和一氧化二氮(N2O)中的一种、两种或多种成分的气体中对所述金属层进行氧化，以形成隧道阻挡层；在所述隧道阻挡层上形成第二铁磁体层，以形成隧道磁阻效应多层；以及利用所述隧道磁阻效应多层作为主要部分形成隧道磁阻效应元件；将所述滑块晶片衬底切削成栅列，在该栅列上排列所述形成的隧道磁阻效应元件；对所述栅列进行抛光以便调整MR高度；以及采用上述测试方法选择所述栅列上的所述隧道磁阻效应元件。
根据本发明，还提供了一种薄膜磁头的制造方法，其包括步骤采用一种制造方法在滑块晶片衬底上形成隧道磁阻效应元件，所述制造方法包括步骤形成第一铁磁体层，并在所述第一铁磁体层上形成金属层；在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧(O3)和一氧化二氮(N2O)中的一种、两种或多种成分的气体中对所述金属层进行氧化，以形成隧道阻挡层；在所述隧道阻挡层上形成第二铁磁体层，以形成隧道磁阻效应多层；以及利用所述隧道磁阻效应多层作为主要部分形成隧道磁阻效应元件；将所述滑块晶片衬底切削成栅列，在该栅列上排列所述形成的隧道磁阻效应元件；对所述栅列进行抛光以便调整MR高度；将所述栅列切削并分隔成单独的薄膜磁头；以及采用上述测试方法来选择所述单独的薄膜磁头上的所述隧道磁阻效应元件。
根据本发明，还提供了一种TMR效应元件的测试设备，其包括磁场施加装置，用于给所述隧道磁阻效应元件施加外部磁场，以使所述隧道磁阻效应元件磁饱和；电压施加装置，用于给所述隧道磁阻效应元件施加5微秒或更久的偏压；测量装置，用于测量所述隧道磁阻效应元件的元件输出电压中产生的电爆音输出电压；以及评价装置，用于根据所述电爆音输出电压ΔVP和所述元件输出电压ΔVS的测量值来对所述隧道磁阻效应元件进行评价。在此，评价装置优选地包括用于判断电爆音输出电压ΔVP是否满足关系式0＜ΔVP/ΔVS＜0.2的装置。
根据以下对附图中所示出的本发明优选实施例的描述，本发明的更多目标和优点将变得明显。在不同的图中一些部件用相同的参考标号表示。
图1示出了示意性地说明了根据本发明的磁盘驱动设备的实施例的主要结构的透视图；图2示出了说明了根据本发明的HGA的实施例的透视图；图3a示出了连接到图2中的HGA的末端的薄膜磁头的透视图；图3b示出了示意性地说明了图3a的磁头元件的平面图；图4示出了沿图3b中的线A-A截取的截面图，其说明了根据图3b中的实施例的磁头元件；图5a-5c示出了沿图3b中的线A-A截取的截面图，其说明了图4中的实施例的磁头元件的制造步骤；图6示出了从磁头末端平面一侧观察的截面，其示意性地说明了图4中的TMR多层的层结构；图7示出了一幅曲线图，其说明了本发明的发明人所采用的分离爆音噪声的方法；图8示出了一幅曲线图，其说明了对多个配备了TMR效应元件的薄膜磁头进行的耐受电压测试的结果；图9示出了一幅曲线图，其说明了薄膜磁头的输出电压模式；
图10示出了一幅曲线图，其说明了电爆音输出电压与电介质击穿电压之间的关系；图11a示出了一幅特性曲线图，其说明了用于定义电爆音输出电压ΔVP的、作为电爆音输出电压的测量实例的元件输出；图11b示出了一幅特性曲线图，其说明了用于定义元件输出电压ΔVS的、元件阻抗MRR与所施加的磁场之间的关系；图12示出了ΔVP/ΔVS的结果与表1中BER(比特错误率)的测量结果之间的关系；图13a-13d示出了说明了形成图4中的实施例中的TMR多层的一部分步骤的截面图，并示出了从磁头末端表面一侧观察的截面；图14a示出了一幅流程图，其示意性地说明了根据本发明的薄膜磁头的制造方法的实施例；图14b示出了一幅流程图，其示意性地说明了制造方法的另一实施例；图15a、图15b示出了一幅透视图，其示意性地说明了根据本发明的选择薄膜磁头的测试设备的一部分结构；图16示出了一幅流程图，其示意性地说明了根据本发明的薄膜磁头的选择步骤；以及图17示出了一幅特性曲线图，其说明了对根据本发明的薄膜磁头的读取输出增益的频率特性的仿真结果。
具体实施例方式
参考附图，以下将详细地解释用于实现本发明的实施例。为各幅图中的相同元件分配了相同的参考标号。此外，图中组件内和组件之间的空间比例是任意设定的，为的是改善附图的可视性。
图1示出了示意性地说明了根据本发明的磁盘驱动设备的实施例的主要结构的透视图，并且图2示出了说明了根据本发明的HGA的实施例的透视图。此外，图3a示出了说明了连接到图2中的HGA的末端的薄膜磁头(滑块磁头)的透视图，并且图3b示出了示意性地说明了图3a中的磁头元件32的平面图。
在图1中，参考标号10表示多个绕主轴马达11的旋转轴旋转的磁盘，参考标号12表示用于在轨道上定位薄膜磁头(滑块磁头)21的装置托架设备，标号13表示用于分别控制该薄膜磁头的读取/写入操作的记录/再现电路。
装置托架设备12配备了多个驱动臂14。音圈马达(VCM)15使得这些驱动臂14可以绕枢承轴16旋转并且在沿着轴16的方向上堆叠在一起。HGA 17附着在每个驱动臂14的末端。每个HGA17配备有薄膜磁头(滑块磁头)21以便面对每个磁盘10的表面。磁盘10、驱动臂14、HGA 17和滑块磁头21也可以是单个的。
尽管图中没有示出，但记录/再现电路13配备有记录/再现控制LSI(大规模集成电路)、从该记录/再现控制LSI中接收记录数据的写入门(write gate)、从写入门向稍后描述的感应写入头元件输出信号的写电路、为稍后描述的TMR效应元件提供感应电流的恒流电路、对TMR效应元件的元件输出电压进行放大的放大器和向记录/再现控制LSI输出再现数据的解调电路。
如图2所示，HGA 17的构造为具有磁头元件的滑块磁头21固定在吊架20的末端，并且配线构件25的末端电连接到滑块磁头21的信号电极。
吊架20主要包括承重梁22、固定在该承重梁22上并具有弹性的挠曲件23、位于承重梁22的底部上的底盘24以及位于挠曲件23上并由跟踪导体和电连接到跟踪导体两端的连接垫构成的配线构件25。尽管没有示出，但还可以在吊架20的某些中间点上安装磁头驱动IC(集成电路)芯片。
如图3a所示，根据本实施例的薄膜磁头(滑块磁头)21配备了为获得适当的飞行高度而处理的空气轴承表面(ABS)30、在形成元件的表面31上形成的磁头元件32以及从在形成元件的表面31上形成的保护层44的表面上暴露出来的四个信号电极35。在此，磁头元件32包括TMR效应元件33和感应写入头元件34。此外，四个信号电极35以两个为一组分别连接到TMR效应元件33和感应写入头元件34。
如图3b所示，在TMR效应元件33和感应写入头元件34中，元件的一端到达ABS 30一侧的磁头末端表面300。利用这些面对磁盘的末端，通过感应信号场执行读取并通过施加信号场执行写入。
图4示出了沿图3b中的线A-A截取的截面图，其说明了根据图3b中的实施例的磁头元件32。为简化图形，图中线圈的匝数看起来小于图3b中的匝数。线圈层可以是单层、两层或多层，或者是螺旋线圈层。此外，图4一并示出了磁盘10的截面图。
在图4中，参考标号210表示具有ABS 30的滑块衬底，在写入和读取操作期间，该衬底以预定的飞行高度在旋转磁盘表面10a上方流体动力(hydrodynamically)地飞行。TMR效应元件33、感应写入头元件34、用于在元件之间进行磁屏蔽的元件间屏蔽层42和用于保护这些元件的保护层44主要形成于形成元件的表面31上，该表面是在将该滑块衬底210的ABS看作底部平面时的一个侧面。
TMR效应元件33包括TMR多层332、部署为将该多层夹在中间的下电极层330和上电极层334。TMR多层332以非常高的灵敏度感应来自磁盘10的信号场45。上电极层334和下电极层330还用作磁场屏蔽，并防止TMR多层332接收形成噪声的外部磁场。稍后将更详细地说明TMR多层332的结构(图6)。
本实施例中的感应写入头元件34用于垂直磁记录，并且其包括主磁极层340、辅磁极层345、主线圈层343和备用线圈层347。主磁极层340是用于将由主线圈层343和备用线圈347感生的磁通量会聚并引导到磁盘10(对其执行写入)的垂直磁记录层101的磁通路。在此，提供备用线圈层347以防止由于磁盘10中的软磁衬背层102的磁性而扰乱所记录的比特并防止再现输出的噪声增大，然而也可以省略备用线圈层347。
主磁极层340包括主磁极主层3400和主磁极辅层3401。在此，在磁头末端表面300一侧上的末端部分340a处主磁极层340的层厚度方向上的长度(厚度)仅对应于较小的该主磁极主层3400的层厚度。作为结果，能够产生对应于较高记录密度的精细写入场。
磁头末端表面300上的辅磁极层345的末端构成层截面比辅磁极层345的其他部分的层截面更大的尾部屏蔽部分3450。尾部屏蔽部分3450使尾部屏蔽部分3450的末端部分3450a与主磁极层340的末端部分340a之间的磁场坡度更陡峭。作为结果，所记录比特之间的磁性转换更陡峭，并且信号输出的抖动下降，从而能够减小读取过程中的错误率。主磁极层340的末端部分340a和磁盘表面10a一侧的尾部屏蔽部分3450的末端达到磁头末端表面300，并且在磁头末端表面300上涂上例如钻石形碳(DLC)作为极薄的保护膜。
磁盘10构成配备垂直磁记录层101和软磁衬背层102的垂直磁记录介质，在本实施例中考虑将感应写入头元件设计为用于垂直磁记录。
在本实施例中，感应写入头元件34和磁盘10设计为用于垂直磁记录，然而，感应写入头元件34和磁盘10也可以设计为用于传统的纵向磁记录。
图5a-5c示出了沿图3b中的线A-A截取的截面图，其说明了图4中的实施例中的磁头元件32的制造步骤。
在下文中，将利用同一幅图来说明本实施例中的薄膜磁头的制造步骤。首先，如图5a所示，例如采用溅射(sputtering)技术在例如由AlTic(Al2O3-TiC)形成的滑块衬底210上堆叠由AL2O3组成的、厚度大约为0.05-10μm的绝缘层40。接着，例如采用电镀技术在绝缘层40上形成例如由NiFe、NiFeCo、CoFe、FeN或FeZrN组成的、厚度大约为0.3-3μm的下电极层330。
接着，例如采用溅射技术、光刻方法和离子蚀刻技术形成TMR多层332和绝缘层333。稍后将详细地说明形成TMR多层332和绝缘层333的方法。
接着，例如采用电镀技术在TMR多层332和绝缘层333上形成例如由NiFe、NiFeCo、CoFe、FeN或FeZrN组成的、厚度大约为0.3-4μm的上电极层334，完成TMR效应元件33的制造。接着，例如采用溅射技术在上电极层334上形成例如由AL2O3组成的、厚度大约为0.1-2.0μm的下非磁层41。此外，例如采用溅射技术在下非磁层41上形成例如由NiFe、NiFeCo、CoFe、FeN或FeZrN组成的、厚度大约为0.3-4μm的元件间屏蔽层42。然后，例如采用溅射技术，例如用AL2O3形成绝缘膜，并采用化学机械抛光(CMP)等技术将该绝缘膜平面化。作为结果，在TMR效应元件的磁头末端表面300的相反一侧的位置形成平面层50。
接着，如图5b所示，例如采用溅射技术在元件间屏蔽层42上形成例如由AL2O3组成的、厚度大约为0.3-1.0μm的第一中间非磁层3460。此外，例如采用框架电镀技术在该第一中间非磁层3460上形成例如由Cu组成的、厚度大约为0.5-3μm的备用线圈层347。接着，形成硬化抗蚀层组成的、厚度大约为0.1-5μm的第一线圈感应层348，以便覆盖备用线圈层347并填满线圈层模型之间的缝隙。此外，例如采用溅射技术形成例如由AL2O3组成的、厚度大约为0.3-1.0μm的第二中间非磁层3461以便覆盖该线圈绝缘层348(备用线圈层347)。然后，例如采用CMP技术将第二中间非磁层3461平面化。
接着，如图5c所示，例如采用溅射技术或电镀技术形成例如由包括Ni、Fe和Co中的任意两种或三种元素的合金或以这些元素作为基本成分与预定的添加元素组成的合金组成的、厚度大约为0.01-0.5μm的主磁极主层3400，并且例如采用溅射技术或电镀技术在已平面化的第二中间非磁层3461上形成例如由包括Ni、Fe和Co中的任意两种或三种元素的合金或以这些元素作为基本成分与预定的添加元素组成的合金组成的、厚度大约为0.5-3μm的主磁极辅层3401。
接着，例如采用溅射技术在主磁极辅层3401上形成例如由AL2O3或DLC组成的、厚度大约为0.01-0.5μm的缝隙层341，并且在缝隙层341上形成例如由硬化抗蚀层组成的、厚度大约为0.1-5μm的第二线圈绝缘层3440，并且例如采用框架电镀技术在该第二线圈绝缘层3440上形成例如由Cu组成的、厚度大约为0.5-3μm的主线圈层343。此外，形成例如由硬化抗蚀层组成的、厚度大约为0.1-5μm的第三线圈绝缘层3441以便覆盖主线圈层343。
此外，形成例如由包括Ni、Fe和Co中的任意两种或三种元素的合金或以这些元素作为基本成分与预定的添加元素组成的合金组成的、厚度大约为0.5-5μm的辅磁极层345以便覆盖第三线圈绝缘层3441。通过上述步骤，完成感应写入头元件34的制造。最后，在形成例如由AL2O3组成的、用以覆盖TMR效应元件33和感应写入头元件34的绝缘膜之后，例如采用CMP技术使该绝缘膜平面化。作为结果，由此形成保护层44并完成磁头元件32的制造。
图6示出了从图4中的磁头末端表面300观察的截面，其示意性地说明了作为根据图4中的实施例的TMR效应元件33的主要部分的TMR多层332的层结构。
在同一幅图中，参考标号70表示下金属层，参考标号71表示基层，参考标号73表示固定层，参考标号74表示低阻抗隧道阻挡层，参考标号75表示自由层，并且参考标号76表示上金属层。在此，在下电极层330上形成下金属层70以便将TMR多层332电连接到下电极层330。此外，其上形成上电极层334的上金属层76将TMR多层332电连接到上电极层334。因此，当检测磁场时感应电流从垂直于上电极层与下电极层之间的TMR多层中的每个层表面的方向上流过。此外，形成绝缘层333以便包围MR多层332。
在图6中绝缘层333的位置上还可以提供侧面软磁层，以吸收来自在固定层73、低阻抗隧道阻挡层74和自由层75的磁轨宽度方向上的两侧上的相邻磁轨的噪声磁场。在这种情况下，在低于该侧面软磁层的位置并且至少在该侧面软磁层与固定层73和低阻抗隧道阻挡层74的磁轨宽度方向上的两个末端之间的一个位置提供侧面绝缘膜。该侧面绝缘膜使得至少能够避免感应电流不经过低阻抗隧道阻挡层74而流走并有效地得到TMR输出。
此外，还可以在固定层73、低阻抗隧道阻挡层74和自由层75的磁轨宽度方向上的两侧上的绝缘层333的位置提供由硬磁材料制成的层，并在该硬磁材料层与TMR多层332之间插入薄绝缘层以便将硬偏磁场施加到自由层75。或者还可以提供叠层内(instack)的偏磁多层，其包括顺序地堆叠在自由层75与上金属层76之间的偏磁非磁层、偏磁铁磁层和偏磁反铁磁层或其他偏磁装置。这些偏磁装置给自由层75施加交换偏磁磁场，并进一步提升自由层75的磁域稳定性。
通过基层71在下金属层70上形成反铁磁层72。堆叠在反铁磁层72上的固定层73包括顺序地堆叠在反铁磁层72上构成所谓地合成铁磁结构的第一铁磁膜73a、非磁膜73b和第二铁磁膜73c。通过与反磁层72的交换耦合给第一铁磁膜73a施加交换偏磁磁场，并且这可以稳定地固定整个固定层73的磁性。
形成于固定层73上的低阻抗隧道阻挡层74的结构是本发明的重要发明点，并且稍后将对此进行详细说明。
低阻抗隧道阻挡层74上堆叠的自由层75包括按次序堆叠在低阻抗隧道阻挡层74上的高极性膜75a和软磁膜75b。将低阻抗隧道阻挡层用作隧道效应的阻挡层，自由层75可以形成与固定层73耦合在一起的铁磁隧道。并且响应于施加的信号场，自由层75的磁化方向发生改变。当自由层75的磁化方向响应于信号磁场而改变时，由于自由层75的向上和向下旋转带的状态的密度发生改变，隧道电流增大/减小，并且因此，TMR多层332的电阻抗发生改变。通过测量这种阻抗变化可以可靠并以高灵敏度来检测较弱的局部的信号场。在此，高极性膜75a并不总是必要的，并且因此可以省略。当省略高极性膜75a时，可以实现相当于在与低阻抗隧道阻挡层74的接口中存在软磁膜75b时的阻抗变化速率。
以这种方式，由TMR多层构成的TMR效应元件的特性由铁磁隧道的耦合状态决定，并且特别地，很大程度上受到作为隧道阻挡层的绝缘层的性质的影响。通常，传统的TMR效应元件具有比诸如GMR效应元件之类的其他MR效应元件更高的元件阻抗值。这是由于对于传统的隧道绝缘(隧道阻挡)层，作为电介质材料的性质是决定性的，并且隧道电流接收到的阻抗将比较大。
相反，形成根据本实施例的低阻抗隧道阻挡层74，以便包括大量的电荷位置。在此，电荷位置是用于捕获形成导电性的电子的位置，或者更具体地说，电荷位置是可以捕获电子的临近金属阳离子或金属原子的区域。
此外，构成这种电荷位置的中心的金属阳离子或金属原子处于氧缺陷状态，并且在附近协同定位的氧原子(或离子)的数目小于初始的协同定位的数目。因此，这些金属阳离子或金属原子确实形成氧缺陷。作为结果，在缺陷位置产生电子以保持整体的电中性，并且在这些电子和由施加的电压所形成的外部电子中，在缺陷位置捕获的和从缺陷位置发送出去的电子将成为电荷载流子。如上所述，电荷位置包括氧缺陷，并且电荷位置中还包括两种结构，一种结构中在某种程度上使氧缺陷集中并且因此形成很小的空穴，另一种结构中由于低阻抗隧道阻挡层是极薄的层因此形成针孔或准针孔。然而，当固定层和自由层在低阻抗隧道阻挡层的缺陷位置彼此接触时，这种接触部分的结构不是根据本发明的针孔，并且不包括于电荷位置中。
如上所示，由于电荷位置的存在，低阻抗隧道阻挡层74获得了类似于适当的电阻抗元件的性质。作为结果，TMR多层332的元件阻抗与传统元件的元件阻抗相比足够小。应当注意，低阻抗隧道阻挡层74可以处于多晶态、单晶态和无定形态中的任一种形态。在所有的形态中都发生相似的现象和效应。
此外，低阻抗隧道阻挡层74是以这样一种方式形成的，即假定n(cm-3)是层中这种电荷位置的密度，并且μ(V-1-1)是这种电荷位置捕获的电子的迁移率，n和μ满足条件关系式(1)0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2稍后将对此进行详细说明。在此，nS1和nS2(cm-3)分别是对应于最小输出和最大输出的隧道电子的密度，并且μ0(V-1-1)是电子在未被捕获时的迁移率。
以这种方式，配备TMR多层332的TMR效应元件33具有足够小的元件阻抗，并且此外，元件中发生的爆音噪声限于该爆音噪声不会构成对再现输出的妨碍的程度。作为结果，避免了截止频率降低，可以比较容易地实现对较高记录密度来说必要的较高频率，另外，不仅减小了散粒噪声而且减小了爆音噪声，这确保了诸如磁盘驱动设备之类的设备可用的元件输出的SN比。
下面将说明本发明的背景以及上述的电荷位置中的n和μ的条件表达式(1)。
本发明的发明人分析了在TMR效应元件的输出中主要观察到的散粒噪声、1/f噪声和爆音噪声的细节，并且成功地将爆音噪声分为由元件的磁化状态所导致的输出电压和电爆音输出电压。
图7示出了说明了本发明的发明人采取的用于分离爆音噪声的方法的曲线图。
根据图7，分三个阶段实现噪声分离。在第一阶段，在没有外部磁场的情况下对配备TMR效应元件的薄膜磁头的输出电压产生的爆音噪声计数5秒。更具体地说，将一个1.2倍于没有来自流过感应电流的记录介质的信号场的情况下磁头的输出电压的平方根值的电压定义为用于计算爆音输出电压的阈值。在5秒的测量时间内对超过这一阈值的电压计数。将这一操作重复三次，以提高计算数据的确定性。在此，当没有观察到爆音噪声时，将受测薄膜磁头评价为没有爆音噪声的稳定元件。相反，如果观察到爆音噪声，则该受测薄膜磁头进入下面的第二阶段。
在第二阶段中，当给该薄膜磁头施加6kOe(大约480kA/m)的外部磁场时，如第一阶段那样对在薄膜磁头的输出电压中产生的爆音输出进行计数。在此，如果没有观察到爆音噪声，则认为在前面的第一阶段中观察到的爆音噪声是元件的磁化状态所引起的噪声。这种划分基于这样的事实，即当通过施加外部磁场而使元件中的磁性饱和时磁域壁运动所引起的巴克豪森(Barkhausen)噪声等将会消失。相反，如果观察到爆音噪声，则认为这种爆音噪声不是由元件的磁化状态所引起的，而是电噪声。
接着，在第三阶段，为了确认爆音噪声的重现，如第一阶段那样在没有外部磁场的情况下对爆音噪声进行计数。当如同第一阶段的情况那样观察到爆音噪声，则确认这种爆音噪声是电爆音噪声。如果观察到在第二阶段没有观察到的爆音噪声，则认为这种爆音噪声是由元件的磁化状态所引起的。
此外，本发明的发明人已经假定上述的电爆音噪声是需要控制的电爆音输出电压，并且已经发现TMR效应元件中的电爆音输出电压与存在于隧道绝缘层中的电荷位置有关。
图8示出了说明对多个配备TMR效应元件的薄膜磁头进行耐受电压测试的结果的曲线图。在此，在层厚度方向上的每个TMR效应元件的阻抗值与该层的面积的乘积为4.0Ωμm2，并且隧道结面积为0.11×0.11μm2。此外，图9示出了说明薄膜磁头的输出电压模式的曲线图。在此，在输出电压测量期间，在施加6kOe(大约480kA/m)的外部磁场的情况下，施加150mV的偏压。此外，图10示出了说明了电爆音输出电压与电介质击穿电压之间关系的曲线图。
根据图8，很清楚地将电介质击穿电压的值划分为两组。已知组A对应于隧道绝缘层中没有电荷位置的情况，组B对应于有电荷位置的情况。
根据图9，当在输出电压模式图Vb1和Vb2中观察到电爆音输出电压时，在输出电压模式图Va中没有爆音输出电压。只有在属于组B的如图10所示电介质击穿电压较小的薄膜磁头中才能观察到这种电爆音输出电压。因此，可以理解，电爆音输出电压是由隧道绝缘层中的电荷位置所引起的。在此，随着电荷位置数目的增加，薄膜磁头的阻抗值而减小，而电爆音输出电压的发生频率增大。
基于上述实验的结果，本发明的发明人假定将可能获得具有充分减小的阻抗值并具有受限的爆音噪声发生的TMR效应元件。作为结果，本发明的发明人提出本发明，其可以确实地形成隧道阻挡层中的电荷位置，但是要限制电荷位置，以便将电爆音输出电压减小到不会引起对元件输出的不利效应的程度。此外，本发明的发明人提出本发明，其特征在于采用图7所示的爆音噪声分离方法来测量和制造TMR效应元件。
在此，将说明电荷位置密度n和捕获电子的迁移率μ的条件表达式(1)。
通常将阻抗ρ表示为(2)ρ＝(neeμ)-1其中e是形成导电性的电子的电荷，ne是密度，μ是迁移率。在电爆音输出电压由电荷位置捕获电子形成的情况下，形成一个脉冲噪声的最大数目电子的密度ne为电荷位置的密度n。在此，电荷位置的数目由隧道阻挡层的尺寸、形状以及在形成隧道阻挡层时的各种条件所确定，并且因此，在形成该层之后，电荷位置的密度n就是一个恒定的值。此外，由于电荷位置的存在而产生的电爆音输出电压会受到所捕获电子的迁移率的瞬时变化的影响。也就是说，当电子经过隧道阻挡层时，当电子在电荷位置被捕获时和当电子未被捕获时的迁移率之间的差会影响电爆音输出电压。
在此，为了方便下面的说明，将清楚地定义在TMR效应元件读盘期间的电爆音输出电压ΔVP和元件输出电压ΔVS。图11a示出了说明了用作电爆音输出电压的测量例子的元件电压的特性曲线图，用于定义电爆音输出电压ΔVP。此外，图11b示出了说明了元件阻抗MRR与施加的磁场之间的关系的特性曲线图，用于定义元件输出电压ΔVS。
在图11a中，电爆音输出电压ΔVP定义为在测量时间TM期间观察到的电爆音输出电压的输出峰值位置的电压值与参考电压值之间的差的最大绝对值。也就是说，ΔVP对应于电爆音输出的峰值高度和波谷深度中的最大值。在另一方面，在图11b中，当元件阻抗值为MRRP时电爆音输出的最大值大于所述ΔVP(在假定电流为I时可转换为阻抗值ΔVP/I)。在此，MRRP是当给每个磁头施加外部磁场时的元件阻抗值，该外部磁场使得自由层的磁化方向匹配固定层的磁化方向。
应当注意，测量时间TM必须至少为5微秒，以确保爆音输出电压的确定性。当然，测量时间也可以长于5微秒，例如，在200微秒的量级上。
在另一方面，在TMR效应元件读盘期间当元件输出电压ΔVS(在假定电流为I时可转换为阻抗值ΔVP/I)为元件阻抗最大值MRRMAX与元件阻抗最小值MRRMIN之间的差时，以图11b中的元件阻抗值MRRS为中心。在此，MRRS是非磁场的元件阻抗值。
基于上述的定义，以下将讨论ΔVP和ΔVS的实际内容。假定当电子在隧道阻挡层中被捕获时的特定阻抗和迁移率分别为ρP1和μ，并且当电子在隧道阻挡层中未被捕获时的特定阻抗和迁移率分别为ρP2和μ0，则可以用表达式(2)来表示电爆音输出电压ΔVP(3)ΔVP＝(ρP1-ρP2)·l/S·I＝((neμ0)-1-(neμ)-1)·l/S·I其中S是隧道阻挡层的层面积，并且l是层的厚度，I是电流值。
另一方面，当固定层和自由层的极化产生的的上旋电子和下旋电子在费米级别上的状态密度之间的差产生阻抗变化时，在TMR效应元件读盘期间将产生元件输出电压ΔVS。也就是说，元件输出电压ΔVS可以表示为形成导电性的电子的密度的变化。在此，隧道电子的迁移率由隧道阻挡层的层厚度l等确定，并且其在电子未被捕获时等于上述的迁移率μ0。
在此，假定在读取信号期间当元件阻抗最小时特定阻抗和隧道电子密度分别为ρS1和nS2，并且当元件阻抗最大时特定阻抗和隧道电子密度分别为ρS2和nS2。于是，元件输出电压ΔVS可以表示为(4)ΔVP＝(ρS2-ρS1)·l/S·I＝((nS2eμ0)-1-(nS1eμ0)-1)·l/S·I接着，将说明元件输出电压ΔVS的允许范围。
表1示出了当实施例为四个薄膜磁头时，在数据读取期间电爆音噪声的输出电压ΔVP和元件输出电压ΔVS的测量结果，以及BER(比特误码率)。此外，图12是表1中示出的测量结果中的ΔVP/ΔVS与BER之间的曲线图。
表1表1由左开始，逐一示出了MRRP、MRRS、ΔVP和ΔVS的测量结果。此外，表1还一并示出了根据表达式(2)由这些测量值计算出的nμ、nμ0、nS1μ0和nS2μ0的值。此外，表1还在最右方示出了每个磁头读盘期间的BER的测量结果。根据表1，四个磁头H1、H2、H3和H4的元件阻抗值MRRP和MRRS分别在223.6Ω到239.5Ω和248.2Ω到264.4Ω的范围内并且元件输出电压ΔVS在3.11mV到3.66mV的范围内。也就是说，可以看到这四个磁头是在元件阻抗和元件输出上没有明显差别的同一级别的磁头。
图12示出了表1中的ΔVP/ΔVS的结果与BER的测量结果之间的关系。根据图12，尽管如上所述这四个磁头具有同一级别上的元件阻抗和元件输出，但是只有ΔVP/VS为0.2或0.2以上的磁头H4的BER超过了10-4.5。
在此，在实际制造现场，根据经验可以认为在相同测量条件下所测量的BER为10-4.5或10-4.5以下的磁头是没有缺陷的产品。因此，很明显，作为电爆音输出电压ΔVP的允许范围的上限的ΔVP/ΔVS的值必须小于0.2。
另一方面，由于还存在属于较低电介质击穿电压组并且尽管具有电荷位置但几乎不产生电爆音输出电压的TMR效应元件，电爆音输出电压ΔVP的下限是一个有限值，即该值大于信号输出的0％。因此，(5)0＜ΔVP/ΔVS＜0.2成为条件表达式。
利用式(3)和式(4)，ΔVP/ΔVS变为(6)ΔVP/ΔVS＝((neμ0)-1-(neμ)-1)·((nS2eμ0)-1-(nS1eμ0)-1)-1＝(nS1nS2μ0(μ-μ0))·(n(nS1-nS2)μμ0)-1并且因此，根据式(5)和式(6)，得出上述条件表达式(1)0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2因此，当电荷位置的密度n和所捕获电子的迁移率μ满足条件表达式(1)时，元件阻抗足够小，并且可以被限制在爆音噪声的产生不会构成对再现的任何影响的程度。
图13a和图13b示出了说明了形成图4中的实施例中的TMR多层332的一部分步骤的截面图，并如同图6的情况一样示出了从图4中磁头末端表面300一侧观察的截面图。
如图13a所示，采用电镀技术等在形成于滑块衬底(未示出)上的绝缘层(未示出)上形成例如用NiFe组成的厚度大约为2μm的下电极层330。接着，例如采用溅射技术在绝缘层上依次形成例如由Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、或W组成的厚度大约为5nm的下金属层70，例如由NiFe或NiCr组成的厚度大约为5nm的基层71，例如由PtMn、NiMn、IrMn、RuRhMn组成的厚度大约为5-15nm的反铁磁层72，例如由CoFe组成的厚度大约为2nm的第一铁磁膜73a，例如由Ru、Rh、Ir、Cr、Re和Cu中的一种、两种或多种组成的合金制成的厚度大约为0.8nm的非磁膜73b，以及例如由CoFe组成的厚度大约为3nm的第二铁磁膜73c。
接着，例如采用溅射技术在所形成的第二铁磁膜73c上形成例如由Al组成的厚度大约为0.5-0.6nm的金属膜。接着，在引入到真空设备中的包含氧分子、氧原子、氧离子、臭氧(O3)和一氧化二氮(N2O)中的一种、两种或多种成分的气体中对该金属层进行氧化，并且该金属层成为低阻抗隧道阻挡层74。在这些用于氧化的气体中，O3和N2O特别地具有比氧气更大的分子量，会产生比使用普通氧气时更多的氧缺陷，并且相应地可以形成包括更多电荷位置的层。当实际使用N2O时，通过将N2O的局部气压设定为0.1-1kPa，将N2O的流动率设定为200-1000sccm，并且根据RA(层厚度方向上的阻抗值与层面积的乘积)对氧化时间进行调整，氧缺陷的数量可以比在使用普通氧气的情况下增大50％-100％。另外，在包含氧分子、氧原子和氧离子的气体中，还可以通过控制这些成分的局部气压、金属层的温度等来形成足够的氧缺陷。
在此，金属膜还可以由Al、Ti、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Mo和W中的一种元素组成的金属或其中的两种或多种元素组成的合金形成，或者由在所述金属或合金中添加了具有比所述金属或合金更低的氧化自由能的Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P中的一种、两种或多种元素而获得的合金形成。这些所添加的具有较低的氧化自由能的元素有可能成为导致隧道阻挡层中电荷位置形成的金属阳离子或金属原子。也就是说，添加这些元素使得能够切实地形成层中的电荷位置。
接着，如图13b所示，例如采用溅射技术在所形成的低阻抗隧道阻挡层74上依次形成例如由CoFe组成的厚度大约为1nm的高极性膜75a，例如由NiFe组成的厚度大约为3nm的软磁膜75b，例如由Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo和W组成的厚度大约为16nm的上金属层76。
尽管未示出，但当如上所述在自由层75与上金属层76之间形成叠层内偏磁多层时，例如采用溅射技术在软磁膜75b上依次堆叠例如由Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W、Ru、Rh、Ir、Cr、Re、Cu、Pt、Au、Ag、Al和Si中的一种、两种或多种组成的合金制成的厚度大约为1nm的偏磁非磁层，例如由CoFe组成的厚度大约为5nm的偏磁铁磁层和例如由IrMn组成的厚度大约为7nm的偏磁反铁磁层。
接着，如图13c所示，将用于剥离(lift-off)等的光阻材料层暴于光中并使其显影，并由此在上金属层76(或偏磁反铁磁层)上形成光阻材料构图80。采用离子铣刻技术等以该光阻材料构图81作为掩模将图13c中以阴影示出的区域81去掉。接着，如图13d所示，例如采用溅射技术在上面形成例如由Al2O3组成的绝缘膜，并利用用于去除光阻材料构图80的剥离技术形成厚度大约为30nm的绝缘层333。此外，采用诸如电镀之类的技术在上面形成例如由NiFe组成的厚度大约为2μm的上电极层334。
尽管未示出，当在绝缘层333的位置提供硬偏磁装置时，在如上所示的离子铣刻处理之后，首先例如采用溅射技术形成例如由Al2O3组成的厚度大约为5-15nm的绝缘膜，并且然后堆叠例如由CoPt或CoCrPt组成的硬磁层。接着，采用用于去除光阻材料构图80的剥离技术在绝缘层333的位置形成硬偏磁装置。
当在绝缘层333的位置提供侧软磁层而非如上所述的硬磁层时，以同样的方式形成侧软磁层。然而，侧软磁层由例如由NiFe制成的软磁材料构成。此外，侧软磁膜包括诸如Al2O3之类的绝缘材料。
本例中反铁磁层72、固定层73和自由层75的材料和厚度并不限于以上所描述的这些，而是可以利用各种材料和厚度。此外，对于固定层73，不仅可以采用由三层膜组成的三层结构，也可以是由铁磁膜组成的单层结构，或具有不同数目层的多层结构。此外，对于自由层75，可以采用不具有任何高极性膜444a的单层结构，或除双层结构以外的具有三层或更多层的包括磁失真校正膜的多层结构。
图14a示出了示例性地说明了根据本发明的薄膜磁头的制造方法的实施例的流程图，并且图14b示出了示例性地说明了该制造方法的另一个实施例的流程图。
根据图14a，首先，在滑块晶片衬底的形成元件的表面上形成下电极层(步骤S1)，然后，形成TMR多层的固定层(步骤S2)，然后形成TMR多层的低阻抗隧道阻挡层(步骤S3)，然后形成TMR多层的自由层(步骤S4)，并且此外，形成上电极层(步骤S5)，并且至此完成TMR效应元件。接着，在形成元件间屏蔽层(步骤S6)之后，形成感应写入头元件(步骤S7)，形成保护层和信号电极(步骤S8)，并且然后完成晶片衬底步骤。
接着，将已经完成上述步骤的晶片衬底切削成栅列，在栅列上排列多个磁头元件(步骤S9)。接着，为了获得理想的MR高度，对这个栅列进行抛光以调整MR高度(步骤S10)。
在此，根据本发明的薄膜磁头配备了低阻抗隧道阻挡层，并且通过在低阻抗隧道阻挡层形成步骤(步骤S3)中形成和控制层中的电荷位置来实现较低的元件阻抗。为了确定薄膜磁头具有较低的元件阻抗并且电爆音输出电压是有限的，并且为了选择符合条件的薄膜磁头，在完成调整MR高度的轻击修光(rapping)步骤(步骤S10)之后执行选择步骤(步骤SS)。这一选择步骤的目的是只选择那些经过测试已知电爆音输出电压在预定范围内的薄膜磁头，并且稍后将对此进行详细说明(图16)。然后，对经过了用于调整MR高度的轻击修光之后的栅列切削并分隔成单个的滑块磁头(薄膜磁头)(步骤S11)，并且至此完成薄膜磁头的制造步骤。
如图14b所示，这一选择步骤(步骤SS)也可以在将栅列切削并分隔成滑块磁头之后执行(步骤S11’)。此外，这一选择步骤(步骤SS)还可以在完成形成图14a中的上电极层(步骤S5)到形成栅列(步骤S9)的各步骤之后执行。在任一种情况下，都已经形成了上电极层和下电极层，并且因此可以施加用于测试的偏压。此外，还可以将利用步骤S1-S11所形成的滑块磁头安装到吊架上，形成HGA，并执行选择步骤。
图15示出了示例性地说明了根据本发明的用于检测(选择)薄膜磁头(TMR效应元件)的测试设备的结构的一部分的透视图。
根据图15a，参考标号90表示栅列，在该栅列上多个薄膜磁头彼此连接并排列，并且参考标号91表示测试设备。
通过将由多个磁头元件组成的滑块晶片衬底切削并分隔成单个的栅列并且然后执行用于调整MR高度的轻击修光，获得栅列90。栅列90的每个磁头元件32配备TMR效应元件33和电连接到该TMR效应元件33的信号电极对35。
测试设备91配备可以电接触到TMR效应元件的信号电极对35的探针对91a、电连接到探针对91a以便提供偏压或感应电流的偏压和恒定电流源91b，电连接到探针对91a以测量来自TMR效应元件33的电压输出值的电压测量电路91c，电连接到该电压测量电路91c以将所测量输出电压的模拟信号转换为数字信号的A/D转换器91d，可以将足够使TMR效应元件33磁饱和的直流磁场施加到栅列90的亥姆霍兹线圈91e，驱动亥姆霍兹线圈91e的直流磁场电源91f，以及电连接到A/D转换器91d的数字计算机91g，该数字计算机91g连续地输入数字信号、提取TMR效应元件的元件输出电压中产生的爆音噪声、计算爆音输出电压并确定TMR效应元件的质量，并控制偏压和恒定电流源91b、A/D转换器91d和直流磁场电源91f的操作。
根据图15b，作为关于受测对象的替代方案，将栅列90切削并分隔成单个滑块磁头21，并且通过电连接到TMR效应元件32的信号电极对35的探针对91a来执行测试。测试设备的其他配置、操作和效果都与图15a中所示的那些相同。
图16示出了示例性地说明了根据本发明的薄膜磁头的选择步骤(测试方法)的流程图。
首先，开始利用亥姆霍兹线圈91e对栅列90(图15)施加饱和直流磁场(步骤SS1)。这一饱和直流磁场的特点是通过这种磁场，每个TMR效应元件33中的固定层的磁化方向与自由层的磁化方向之间的关系保持不变。
接着，将探针对91a电接触到栅列90中待测的TMR效应元件的信号电极对35，并且在这种条件下，通过偏压和恒定电流源91b给TMR效应元件施加5微秒的例如50-300mV，优选的为150-200mV的偏压(步骤SS2)。在此，施加偏压的持续时间可以长于5微秒，例如，可以在200微秒的量级上。
接着，利用电压测量电路91c测量来自TMR效应元件的输出电压，将输出电压输入到计算机91g中，并且测量TMR效应元件的输出电压中产生的电爆音输出电压ΔVP(步骤SS3)。
接着，停止给栅列90施加饱和直流磁场(步骤SS4)。然后给栅列90施加相当于信号场的磁场(步骤SS5)。
接着，利用偏压和恒定电流源91b，给TMR效应元件施加预定的感应电流(步骤SS6)。接着，利用电压测量电路91c测量TMR效应元件的输出电压，并且将该元件输出电压ΔVS载入计算机91g中(步骤SS7)。
接着，停止给栅列90施加相当于信号场的磁场(步骤SS8)。
计算电爆音输出电压ΔVP与元件输出电压ΔVS之间的比，并判断计算结果ΔVP/ΔVS是否大于0并小于0.2(步骤SS9)。
当ΔVP/ΔVS大于0并小于0.2时，TMR效应元件具有较低的阻抗并且判断其为具有有限电爆音输出电压的无缺陷产品(步骤SS10)，并且当ΔVP/ΔVS不在该范围内时，判断该TMR效应元件为缺陷产品(步骤SS11)。接着，逐一地对栅列90上的其他TMR效应元件执行类似的判断。
图17示出了说明了根据本发明的薄膜磁头的读盘输出增益的频率特性的仿真结果的特性曲线图。在图17中，特性曲线C是具有传统的隧道绝缘层的薄膜磁头的特性曲线。在此，假设隧道绝缘层的阻抗为400Ω并且寄生电容为1.5pF。此外，特性曲线D是根据本发明的具有低阻抗隧道阻挡层的薄膜磁头的特性曲线。在此，假设低阻抗隧道阻挡层的阻抗对应于将隧道阻挡层的阻抗400Ω和电荷位置的电导率的阻抗1500Ω并联。在此，两个阻抗的组合阻抗值为316Ω。因此，对应于特性曲线D的本发明的薄膜磁头具有与传统的薄膜磁头(对应于特性曲线C)相比减小的元件阻抗。同样将寄生电容假定为1.5pF。此外，假定两个磁头的有线连接部分的阻抗和连接长度都分别为76Ω和35mm，并且两个磁头的前置放大器的输入阻抗和寄生电容都分别为7Ω和5pF。
根据图17，在图中的整个频率范围内，除了极低的频率区域，根据本发明的薄膜磁头D具有大于传统磁头C的增益。也就是说，可以理解，由于应用了适当的低阻抗TMR效应元件，根据本发明的薄膜磁头具有改善的高频特性。
此外，在不偏离本发明的主旨和范围的情况下，可以对本发明进行许多不同的替换和修改。因此，只能如所附的权利要求及其等价所定义的那样对本发明进行限定。
权利要求
1.一种隧道磁阻效应元件，包括一隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及一两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置；并且所述隧道阻挡层中的所述大量电荷位置的密度n和由所述大量电荷位置所捕获的电子的迁移率μ满足关系0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2，其中nS1和nS2分别是在读取信号期间当元件阻抗为最小时的隧道电子的密度和当元件阻抗为最大时的隧道电子的密度，并且μ0是电子在未被捕获时的迁移率。
2.一种隧道磁阻效应元件，包括-隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及-两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置，以及当在垂直于具有磁饱和的所述隧道磁阻效应元件的所述隧道阻挡层的表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，由于所述大量电荷位置的存在产生电爆音输出电压。
3.根据权利要求2所述的隧道磁阻效应元件，其中ΔVP满足关系0＜ΔVP/ΔVS＜0.2其中ΔVP是所述电爆音输出电压的强度，ΔVS是元件输出电压。
4.根据权利要求1-3任意之一所述的隧道磁阻效应元件，其中所述隧道阻挡层主要由Al、Ti、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Mo和W中的一种元素组成的金属或其中的两种或多种元素组成的合金与氧的化合物形成，或者由在所述金属或合金中添加了具有比所述金属或合金更低的氧化自由能的Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P中的一种、两种或多种元素而获得的合金与氧的化合物形成。
5.根据权利要求1-3任意之一所述的隧道磁阻效应元件，其中所述隧道阻挡层通过在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧和一氧化二氮中的一种、两种或多种成分的气体中对金属层进行氧化而形成。
6.根据权利要求5所述的隧道磁阻效应元件，其中所述金属层主要由Al、Ti、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Mo和W中的一种元素组成的金属或两种或多种元素组成的合金形成，或由在所述金属或合金中添加了具有比所述金属或合金更低的氧化自由能的Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P中的一种、两种或多种元素而获得的合金形成。
7.一种薄膜磁头，包括-至少一个作为数据读取装置的隧道磁阻效应元件，包括-隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及-两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置；并且所述隧道阻挡层中的所述大量电荷位置的密度n和由所述大量电荷位置所捕获的电子的迁移率μ满足关系0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2其中nS1和nS2分别是在读取信号期间当元件阻抗为最小时的隧道电子的密度和当元件阻抗为最大时的隧道电子的密度，并且μ0是电子在未被捕获时的迁移率；以及-至少一个作为数据写入装置的感应写入头元件。
8.一种薄膜磁头，包括-至少一个作为数据读取装置的隧道磁阻效应元件，包括一隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及-两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置，以及当在垂直于具有磁饱和的所述隧道磁阻效应元件的所述隧道阻挡层的表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，由于所述大量电荷位置的存在产生电爆音输出电压；以及-至少一个作为数据写入装置的感应写入头元件。
9.一种头万向架装置，包括-薄膜磁头，包括-至少一个作为数据读取装置的隧道磁阻效应元件，包括-隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及-两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置；并且所述隧道阻挡层中的所述大量电荷位置的密度n和由所述大量电荷位置所捕获的电子的迁移率μ满足关系0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2其中nS1和nS2分别是在读取信号期间当元件阻抗为最小时的隧道电子的密度和当元件阻抗为最大时的隧道电子的密度，并且μ0是电子在未被捕获时的迁移率；以及-至少一个作为数据写入装置的感应写入头元件；-跟踪导体，用于为所述至少一个隧道磁阻效应元件和所述至少一个感应写入头元件供应电流；以及-支持机构，其支持所述薄膜磁头。
10.一种头万向架装置，包括-薄膜磁头，包括-至少一个作为数据读取装置的隧道磁阻效应元件，包括-隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及-两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置；以及当在垂直于具有磁饱和的所述隧道磁阻效应元件的所述隧道阻挡层的表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，由于所述大量电荷位置的存在产生电爆音输出电压；以及-至少一个作为数据写入装置的感应写入头元件；-跟踪导体，用于为所述至少一个隧道磁阻效应元件和所述至少一个感应写入头元件供应电流；以及-支持机构，其支持所述薄膜磁头。
11.一种磁盘驱动设备，包括-至少一个头万向架装置，包括-薄膜磁头，包括-至少一个作为数据读取装置的隧道磁阻效应元件，包括-隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及-两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置；并且所述隧道阻挡层中的所述大量电荷位置的密度n和由所述大量电荷位置所捕获的电子的迁移率μ满足关系0＜(nS1-1-nS2-1)-1·(μ0-μ)·(nμ)-1＜0.2其中nS1和nS2分别是在读取信号期间当元件阻抗为最小时的隧道电子的密度和当元件阻抗为最大时的隧道电子的密度，并且μ0是电子在未被捕获时的迁移率；-至少一个作为数据写入装置的感应写入头元件；-跟踪导体，用于为所述至少一个隧道磁阻效应元件和所述至少一个感应写入头元件供应电流；以及-支持机构，其支持所述薄膜磁头；-至少一个磁盘；以及-记录/再现电路，用于控制所述至少一个隧道磁阻效应元件和所述至少一个感应写入头元件的读取和写入操作。
12.一种磁盘驱动设备，包括-至少一个头万向架装置，包括-薄膜磁头，包括-至少一个作为数据读取装置的隧道磁阻效应元件，包括-隧道阻挡层，其主要由金属氧化物构成；以及-两个铁磁体层，其堆叠在一起以便将所述隧道阻挡层夹在中间；所述隧道阻挡层包括大量电荷位置；以及当在垂直于具有磁饱和的所述隧道磁阻效应元件的所述隧道阻挡层的表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，由于所述大量电荷位置的存在产生电爆音输出电压；-至少一个作为数据写入装置的感应写入头元件；-跟踪导体，用于为所述至少一个隧道磁阻效应元件和所述至少一个感应写入头元件供应电流；以及-支持机构，其支持所述薄膜磁头；-至少一个磁盘；以及-记录/再现电路，用于控制所述至少一个隧道磁阻效应元件和所述至少一个感应写入头元件的读取和写入操作。
13.一种隧道磁阻效应元件的测试方法，包括给所述隧道磁阻效应元件施加外部磁场，使所述隧道磁阻效应元件磁饱和；当在垂直于所述隧道磁阻效应元件的层表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，测量在元件输出电压中产生的电爆音输出电压；并且根据所述测量结果评价所述隧道磁阻效应元件。
14.根据权利要求13所述的测试方法，其中所述评价所述隧道磁阻效应元件的步骤包括判断所述电爆音输出电压ΔVP是否满足关系式0＜ΔVP/ΔVS＜0.2，其中ΔVS是所述元件的输出电压。
15.一种隧道磁阻效应元件的制造方法，包括步骤形成第一铁磁体层，并在所述第一铁磁体层上形成金属层；在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧和一氧化二氮中的一种、两种或多种成分的气体中对所述金属层进行氧化，以形成隧道阻挡层；在所述隧道阻挡层上形成第二铁磁体层，以形成隧道磁阻效应多层；利用所述隧道磁阻效应多层作为主要部分形成隧道磁阻效应元件；以及采用一种测试方法来选择所述隧道磁阻效应元件，所述测试方法包括步骤给所述隧道磁阻效应元件施加外部磁场，使所述隧道磁阻效应元件磁饱和；当在垂直于所述隧道磁阻效应元件的层表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，测量在元件输出电压中产生的电爆音输出电压；并且根据所述测量结果评价所述隧道磁阻效应元件。
16.根据权利要求15所述的制造方法，其中所述评价所述隧道磁阻效应元件的步骤包括判断所述电爆音输出电压ΔVP是否满足关系式0＜ΔVP/ΔVS＜0.2，其中ΔVS是所述元件的输出电压。
17.根据权利要求15所述的制造方法，其中所述金属层主要由Al、Ti、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Mo和W中的一种元素组成的金属或两种或多种元素组成的合金形成，或由在所述金属或合金中添加了具有比所述金属或合金更低的氧化自由能的Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P中的一种、两种或多种元素而获得的合金形成。
18.一种薄膜磁头的制造方法，包括步骤采用一种制造方法在滑块晶片衬底上形成隧道磁阻效应元件，所述制造方法包括步骤形成第一铁磁体层，并在所述第一铁磁体层上形成金属层；在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧和一氧化二氮中的一种、两种或多种成分的气体中对所述金属层进行氧化，以形成隧道阻挡层；在所述隧道阻挡层上形成第二铁磁体层，以形成隧道磁阻效应多层；以及利用所述隧道磁阻效应多层作为主要部分形成隧道磁阻效应元件；将所述滑块晶片衬底切削成栅列，在该栅列上排列所述形成的隧道磁阻效应元件；对所述栅列进行抛光以便调整MR高度；以及采用一种测试方法选择所述栅列上的所述隧道磁阻效应元件，所述测试方法包括步骤给所述隧道磁阻效应元件施加外部磁场，使所述隧道磁阻效应元件磁饱和；当在垂直于所述隧道磁阻效应元件的层表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，测量在元件输出电压中产生的电爆音输出电压；并且根据所述测量结果评价所述隧道磁阻效应元件。
19.一种薄膜磁头的制造方法，包括步骤采用一种制造方法在滑块晶片衬底上形成隧道磁阻效应元件，所述制造方法包括步骤形成第一铁磁体层，并在所述第一铁磁体层上形成金属层；在包括氧分子、氧原子、氧离子、臭氧和一氧化二氮中的一种、两种或多种成分的气体中对所述金属层进行氧化，以形成隧道阻挡层；在所述隧道阻挡层上形成第二铁磁体层，以形成隧道磁阻效应多层；以及利用所述隧道磁阻效应多层作为主要部分形成隧道磁阻效应元件；将所述滑块晶片衬底切削成栅列，在该栅列上排列所述形成的隧道磁阻效应元件；对所述栅列进行抛光以便调整MR高度；将所述栅列切削并分隔成单独的薄膜磁头；以及采用一种测试方法来选择所述单独的薄膜磁头上的所述隧道磁阻效应元件，所述测试方法包括步给所述隧道磁阻效应元件施加外部磁场，使所述隧道磁阻效应元件磁饱和；当在垂直于所述隧道磁阻效应元件的层表面的方向上施加5微秒或更久的偏压时，测量在元件输出电压中产生的电爆音输出电压；并且根据所述测量结果评价所述隧道磁阻效应元件。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的制造方法，其中所述金属层主要由Al、Ti、Mg、Hf、Zr、Si、Ta、Mo和W中的一种元素组成的金属或两种或多种元素组成的合金形成，或由在所述金属或合金中添加了具有比所述金属或合金更低的氧化自由能的Fe、Ni、Cr、Mn、Co、Rh、Pd、Cd、Ir、Zn、Ba、Ca、Li、Na、K和P中的一种、两种或多种元素而获得的合金形成。
21.一种隧道磁阻效应元件的测试设备，包括磁场施加装置，用于给所述隧道磁阻效应元件施加外部磁场，以使所述隧道磁阻效应元件磁饱和；电压施加装置，用于给所述隧道磁阻效应元件施加5微秒或更久的偏压；测量装置，用于测量所述隧道磁阻效应元件的元件输出电压中产生的电爆音输出电压；以及评价装置，用于根据所述电爆音输出电压ΔVP和所述元件输出电压ΔVS的测量值来对所述隧道磁阻效应元件进行评价。
22.根据权利要求21所述的测量设备，其中所述评价装置包括用于判断所述电爆音输出电压ΔVP是否满足关系式0＜ΔVP/ΔVS＜0.2的装置。
全文摘要
本发明提供了一种具有充分减小元件阻抗和充分限制爆音噪声的TMR(隧道磁阻)效应元件，其包括主要由包含大量电荷位置的金属氧化物构成的隧道阻挡层。该电荷位置的密度n和该电荷位置所捕获的电子的迁移率μ满足关系0＜(n
文档编号G11B5/39GK1848245SQ20061007205
公开日2006年10月18日 申请日期2006年4月4日 优先权日2005年4月5日
发明者猿木俊司, 稻毛健治, 桑岛哲哉, 清野浩, 田上胜通, 福田一正, 河野雅秀 申请人:Tdk株式会社