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CN101958123A - 具有垂直各向异性自由层和侧向屏蔽构件的磁传感器 - Google Patents

具有垂直各向异性自由层和侧向屏蔽构件的磁传感器 Download PDF

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CN101958123A
CN101958123A CN2010102270670A CN201010227067A CN101958123A CN 101958123 A CN101958123 A CN 101958123A CN 2010102270670 A CN2010102270670 A CN 2010102270670A CN 201010227067 A CN201010227067 A CN 201010227067A CN 101958123 A CN101958123 A CN 101958123A
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CN
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magnetic shield
magnetic
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layer
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CN2010102270670A
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D·V·季米特洛夫
Z·高
丁元俊
P·E·安德森
O·G·海诺宁
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Seagate Technology LLC
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Seagate Technology LLC
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Abstract

一种隧道磁阻读取器包括将上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件分隔开的传感器叠层。该传感器叠层包括具有基准磁化强度取向的基准磁性元件和具有垂直于该基准磁化强度取向的自由磁化强度取向的自由磁性元件。非磁性间隔层将基准磁性元件与自由磁性元件分隔开。第一侧向磁屏蔽构件和第二侧向磁屏蔽构件被设置在上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件之间，且传感器叠层在第一侧向磁屏蔽构件与第二侧向磁屏蔽构件之间。第一侧向磁屏蔽构件与第二侧向磁屏蔽构件使上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件电绝缘。

Description

具有垂直各向异性自由层和侧向屏蔽构件的磁传感器
背景技术
在电子数据存储和检索系统中，磁记录头可包括具有传感器的读取器部分，该传感器用于检索磁介质上所存储的磁编码信息。来自该介质表面的磁通量引起传感器的一个或多个感测层的磁化强度矢量的旋转，而这又引起传感器的电性质的改变。感测层通常称为自由层，因为感测层的磁化强度矢量可响应于外部磁通量自由旋转。通过使电流通过传感器并测量传感器两侧的电压，可检测传感器的电性质的变化。根据该器件的几何形状，感测电流可与该器件诸层共面地(CIP)通过，或与该器件诸层垂直地(CPP)通过。然后外部电路将电压信息转换成适当的格式，并在必要时处理该信息以恢复在该盘上编码的信息。
当前磁读头的结构是包含呈现一些类型的磁阻的铁磁材料的薄膜多层结构。一种磁阻传感器构造包括由定位于合成反铁磁体(SAF)与铁磁自由层之间或两个铁磁自由层之间的非磁性层(诸如薄绝缘势垒层或非磁性金属)构成的多层结构。磁传感器的电阻取决于磁性层的磁化强度的相对取向。
在记录密度提高的情况下，磁传感器的尺寸被减小以感测磁介质上的各个位的磁通量。减小磁传感器的尺寸的后果是保持磁传感器的诸磁性层的磁化强度的共面各向异性。例如，在较小尺寸下，自由层的一部分的磁化强度可能偏离该各向异性磁化方向，以使静磁能量最小化。随着尺寸继续减小，具有倾斜磁化强度的区域的相对分数会增大。此外，由热变化或外部磁场引起的倾斜方向的变化会增大传感器中的噪声和不稳定性。此外，当采用永磁体来偏置磁传感器中的诸磁性层时，基准层的磁化方向可离轴倾斜，从而减少该磁传感器所产生的信号。
发明内容
本发明涉及一种具有垂直各向异性自由层和侧向屏蔽构件的磁传感器。本发明可提高隧道磁阻(TMR)读取器的面密度容量。
在一个实施例中，隧道磁阻读取器包括将上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件分隔开的传感器叠层。该传感器叠层包括具有基准磁化方向的基准磁性元件和具有基本上垂直于该基准磁化方向的自由磁化方向的自由磁性元件。非磁性间隔层将基准磁性元件与自由磁性元件分隔开。第一侧向磁屏蔽构件和第二侧向磁屏蔽构件被设置在上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件之间，且传感器叠层在第一侧向磁屏蔽构件与第二侧向磁屏蔽构件之间。第一侧向磁屏蔽构件与第二侧向磁屏蔽构件使上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件电绝缘。
通过阅读下面的详细描述，这些以及各种其它的特征和优点将会显而易见。
附图说明
考虑以下联系如下附图的本发明的多个实施例的详细描述，能更完整地理解本发明，在附图中：
图1是包括具有垂直于平面各向异性的自由层组件和侧向屏蔽构件的隧道磁阻(TMR)读取器的正面视图；
图2是示出隧道磁阻(TMR)读取器上的电阻与自由层元件的磁状态之间关系的曲线图；
图3是包括具有垂直于平面各向异性的自由层组件和复合侧向屏蔽构件的隧道磁阻(TMR)读取器的正面视图；
图4是复合自由层元件的层示图；
图5是包括具有合成反铁磁体和反铁磁层的基准磁性元件以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件的传感器叠层的截面示意图；
图6是包括具有合成反铁磁体和反铁磁层的延长基准磁性元件以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件的传感器叠层的截面示意图；
图7是包括具有被钉扎层和反铁磁层的延长基准磁性元件以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件的传感器叠层的截面示意图；以及
图8是包括具有被钉扎层和硬磁层的延长基准磁性元件以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件的传感器叠层的截面示意图。
这些附图不一定按比例示出。附图中使用的相同数字表示相同部件。然而，将理解在给定附图中使用数字来指代部件不旨在限制用另一附图中同一数字标记的部件。
具体实施方式
在以下描述中，参照形成本说明书一部分的附图集，其中通过图示示出了若干特定实施例。应当理解的是，可构想和作出其他实施例，而不背离本公开内容的范围或精神。因此，以下详细描述不应按照限制的意义来理解。本文中所提供的定义用于便于对本文中频繁使用的某些术语的理解，而不是为了限制本公开内容的范围。
通过术语“约”，在说明书和权利要求中使用的表示部件大小、量以及物理性质的所有数字应被理解为在任何情况下被修改，除非另外指明。因此，除非相反地指明，否则在上述说明书和所附权利要求中陈述的数值参数是近似值，这些近似值可根据利用本文中公开的示教的本领域技术人员所寻求的期望性质而变化。
通过端点对数值范围的陈述包括包含在该范围内的所有数值(例如1到5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4以及5)以及该范围内的任何范围。
如说明书以及所附权利要求书中所使用地，单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括具有复数引用的实施例，除非该内容另外明确地指出。如说明书以及所附权利要求书中所使用地，术语“或”一般以包括“和/或”的意义来使用，除非该内容另外明确地指出。
应注意，诸如“上”、“下”、“在……上方”、“在……下方”等等之类的术语可用于本公开内容。这些术语不应当被理解为限制结构的位置或方向，而应当被用作提供这些结构之间的空间关系。为清楚起见，未描述诸如籽层或覆盖层之类的其他层，但当技术需要产生时也可包括它们。
本公开内容涉及一种具有垂直各向异性自由层和侧向屏蔽构件的磁传感器。本发明可提高隧道磁阻(TMR)读取器的面密度容量。此外，描述了多种传感器叠层构造。这些传感器叠层构造提高了读取器的性能。在本文描述的设计下，常规的永磁体侧屏蔽构件被排除，从而消除了在常规永磁体侧向屏蔽构件设计中存在的某些磁不对称性或倾斜。虽然本发明不限于此，但通过对下文提供的示例的讨论将获得对本公开内容的各个方面的理解。
图1是包括具有垂直于平面各向异性自由层组件30和侧向屏蔽构件18、20的隧道磁阻(TMR)读取器的正面视图。隧道磁阻(TMR)读取器10包括将上磁屏蔽构件14与下磁屏蔽构件24分隔开的传感器叠层12。该传感器叠层12包括具有基准磁化方向MR的基准磁性元件34、具有与该基准磁化方向基本垂直的自由磁化方向MF的自由磁性元件30、以及将基准磁性元件34与自由磁性元件30分隔开的非磁性间隔层32。
第一侧向磁屏蔽构件18和第二侧向磁屏蔽构件20设置在上磁屏蔽构件14与下磁屏蔽构件24之间。传感器叠层12在第一侧向磁屏蔽构件18与第二侧向磁屏蔽构件20之间，且第一侧向磁屏蔽构件18和第二侧向磁屏蔽构件20包括使上磁屏蔽构件14与下磁屏蔽构件24电绝缘的电绝缘层19、21。
在所示实施例中，自由磁性元件30在传感器叠层12上方，而基准磁性元件34在传感器叠层12下方。将理解，传感器叠层12可替代地包括传感器叠层12上方的基准磁性元件34和传感器叠层12下方的自由磁性元件30。
自由磁性元件30是具有磁化强度MF的单层或复合或多层结构，该磁化强度MF响应于外部磁场而旋转。自由磁性元件30具有磁化强度MF，由于自由磁性元件30的一个或多个层的垂直各向异性该磁化强度MF在静态情况下具有与自由磁性元件30的每一层的平面垂直的有效方向。虽然静态时的磁化强度MF的方向被示为指向传感器叠层12上方，但自由磁性元件30的一个或多个层可替代地提供在静态时指向传感器叠层12下方的有效磁化方向。当自由磁性元件30具有垂直于平面各向异性时，防止了靠近自由磁性元件30的一个或多个层的边缘的磁化强度的倾斜。这减少传感器叠层12中的噪声，从而改善了所产生的信号，并改善了传感器叠层12的稳定性。
间隔层32是设置在自由磁性元件30与基准磁性元件34之间的非磁性层。在一些实施例中，间隔层32是诸如Cu、Ag、Au或Ru之类的非磁性导电材料，从而使磁传感器10成为巨磁阻传感器。在其他实施例中，间隔层32是诸如由Mg、Al、Hf或Ti形成的氧化物之类的非磁性绝缘或半导电材料，从而使磁传感器10成为隧道磁阻传感器。
基准磁性元件34具有与磁性元件34的一个或多个层共面的固定磁化方向MR。自由磁性元件30的磁化方向MF在静态时与固定磁化方向MR垂直。基准磁性元件34可以是具有各向异性限定的磁化方向的单铁磁层。基准磁性元件34还可包括多个层的各种组合以提供具有固定方向的磁化强度MR，诸如铁磁被钉扎层与反铁磁钉扎层、合成铁磁被钉扎层(即通过诸如Ru之类的非磁性金属耦合的两个铁磁层)或耦合至反铁磁钉扎层的合成铁磁被钉扎层。基准层组件34的铁磁层可由诸如CoFe、NiFe或NiFeCo之类的铁磁合金制成，而反铁磁层可由PtMn、IrMn、NiMn或FeMn制成。在替代实施例中，基准磁性元件34被具有垂直于平面各向异性的第二自由层组件代替。
在操作中，感测电流Is经由导线/屏蔽构件14和24通过传感器叠层12，以使感测电流Is垂直通过传感器叠层12的一个或多个层的平面。因为磁化强度MF响应于外部磁场而旋转，所以传感器叠层12的电阻因变于磁化强度MF与MR之间的角度而变化。通过外部电路系统(未示出)在导线/屏蔽构件14与24之间测量传感器叠层12两端的电压，以检测传感器叠层12的电阻变化。关于图2示出和描述了传感器叠层12对外部磁场的响应以及传感器叠层12上电阻的相应变化。
图2是示出隧道磁阻(TMR)读取器12上的电阻与自由层元件30的磁化方向MF之间关系的曲线图。层示意图12a、12b以及12c示出了从正面观察时传感器叠层12的各个磁状态。层示意图12a示出了静态(即无外部磁场)时的磁化强度MF和磁化强度MR的状态，其中磁化强度MF垂直于自由层元件30的平面。在该状态下，传感器叠层12上的读回电压约为零。
层示意图12b示出了当传感器叠层12处于具有第一方向的外部磁场中时的磁化强度MF和MR的状态。外部磁场使磁化强度MF旋转，以使磁化强度MF与磁化强度MR平行。在该状态下，当施加感测电流Is时，传感器叠层12上的电压降为负，这在图2中绘制为低于零电阻线。
层示意图12c示出了当传感器叠层12处于具有与第一方向相反的第二方向的外部磁场中时的磁化强度MF和磁化强度MR的状态。外部磁场使磁化强度MF旋转，以使磁化强度MF与磁化强度MR反平行。在该状态下，当施加感测电流Is时，传感器叠层12上的电压降为负，这在图2中绘制为高于零电阻线。
图3是包括具有垂直于平面各向异性的自由层组件和复合侧向屏蔽构件18、20的隧道磁阻(TMR)读取器40的正表视图。隧道磁阻(TMR)读取器40包括将上磁屏蔽构件14与下磁屏蔽构件24分隔开的传感器叠层12。传感器叠层12包括具有基准磁化方向MR的基准磁性元件、具有与该基准磁化方向基本垂直的自由磁化方向MF的自由磁性元件、以及将该基准磁性元件与自由磁性元件分隔开的非磁性间隔层。如上所述。
第一复合侧向磁屏蔽构件18和第二复合侧向磁屏蔽构件20设置在上磁屏蔽构件14与下磁屏蔽构件24之间。传感器叠层12在第一复合侧向磁屏蔽构件18与第二复合侧向磁屏蔽构件20之间，且第一复合侧向磁屏蔽构件18和第二复合侧向磁屏蔽构件20包括使上磁屏蔽构件14与下磁屏蔽构件24电绝缘的电绝缘层19、21。
在所示实施例中，复合侧向磁屏蔽构件包括被非磁性间隔层分隔开的两个或多个磁性层。例如，第一复合侧向磁屏蔽构件18包括被非磁性间隔层34分隔开的第一磁性层31和第二磁性层33，而第二复合侧向磁屏蔽构件20包括被非磁性间隔层44分隔开的第一磁性层41和第二磁性层43。在一些实施例中，非磁性间隔层34、44是诸如Cu、Ag、Au或Ru之类的非磁性导电材料。在其他实施例中，非磁性间隔层34、44是诸如由Mg、Al、Hf或Ti形成的氧化物之类的非磁性绝缘或半导电材料。非磁性的绝缘或半导电的非磁性间隔层34、44帮助电绝缘层19、21使上磁屏蔽构件14与下磁屏蔽构件24电绝缘。
图4是复合自由磁性元件30的层示意图。此处描述的自由磁性元件30可以是复合自由磁性元件30。该复合自由磁性元件30可包括CoFeB材料的第一层35和TbCoFe材料的第二层36。除TbCoFe之外，还存在可用于提供垂直各向异性的其他材料。例如，这些材料的列表包括FePt、CoPt、Co/Pt多层、Co/Pd多层、Co/Cu多层、Co/Au多层、Co/Ni多层以及MnAl。在许多实施例中，认为第一层35与间隔层(图1中的32)接触是产生TMR效应的原因。此外，认为TbCoFe材料产生垂直各向异性。第一层35与第二层36材料之间的强交换耦合确保复合自由磁性元件30中的第一层35磁化强度与复合自由磁性元件30的平面垂直。
图5是包括具有合成反铁磁体SAF和反铁磁层77的基准层以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件30的传感器叠层50的截面示意图。上和下导线/屏蔽构件14和24、自由磁性元件30、间隔层32以及基准磁性元件74、75、76、77限定正面80。在一些实施例中，正面80基本平坦。例如，正面80或气承面(ABS)正对由传感器叠层50所感测的磁介质。
在本实施例中，合成反铁磁体SAF被反铁磁层77稳定化。例如，合成反铁磁体SAF可以是通过诸如Ru之类的非磁性导电间隔层75耦合的两个铁磁层74、76。合成反铁磁体SAF的铁磁层可由诸如CoFe、NiFe或NiFeCo之类的铁磁合金制成，而反铁磁层77可由PtMn、IrMn、NiMn或FeMn制成。
图6是包括具有合成反铁磁体SAF和反铁磁层77的延长基准磁性元件74、75、76、77以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件30的传感器叠层51的截面示意图。上和下导线/屏蔽构件14和24、自由磁性元件30、间隔层32以及基准磁性元件74、75、76、77限定正面80。在一些实施例中，正面80基本平坦。例如，正面80或气承面(ABS)正对由传感器叠层51所感测的磁介质。
在本实施例中，合成反铁磁体SAF通过反铁磁层77稳定化。例如，合成反铁磁体SAF可以是通过诸如Ru之类的非磁性导电间隔层75耦合的两个铁磁层74、76。合成反铁磁体SAF的铁磁层可由诸如CoFe、NiFe或NiFeCo之类的铁磁合金制成，而反铁磁层77可由PtMn、IrMn、NiMn或FeMn制成。
在本实施例中，基准磁性元件74、75、76、77相比于具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件30而言从正面延伸更大距离。换言之，自由磁性元件30的长度小于基准磁性元件74、75、76、77的长度。这提高了合成反铁磁体SAF的磁稳定性。
图7是包括具有被钉扎层74和反铁磁层77的延长基准磁性元件以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件30的传感器叠层52的截面示意图。上和下导线/屏蔽构件14和24、自由磁性元件30、间隔层32以及基准磁性元件74、77限定正面80。在一些实施例中，正面80基本平坦。例如，正面80或气承面(ABS)正对由传感器叠层52所感测的磁介质。
在本实施例中，基准磁性元件包括长度大于自由磁性元件30的单个被钉扎层74。该单个被钉扎层74通过反铁磁层77稳定化。作用在自由磁性元件30上的来自延长单个被钉扎层74的平面内磁场将很小，且将不会使其角度显著偏离垂直方向。
图8是包括具有被钉扎层74和硬磁层79的延长基准磁性元件以及具有垂直于平面各向异性的自由磁性元件30的传感器叠层53的截面示意图。上和下导线/屏蔽构件14和24、自由磁性元件30、间隔层32以及基准磁性元件74、79限定正面80。在一些实施例中，正面80基本平坦。例如，正面80或气承面(ABS)正对由传感器叠层53所感测的磁介质。
在本实施例中，基准磁性元件包括长度大于自由磁性元件30的单个被钉扎层74。该单个被钉扎层74通过硬磁层79稳定化。作用在自由磁性元件30上的来自延长单个被钉扎层74的平面内磁场将很小，且将不会使其角度显著偏离垂直方向。延长单个被钉扎层74可由诸如用于大TMR的CoFeB之类的铁磁材料形成，而硬磁层可由具有大的原位Hk和Hc的材料形成，如CoPt、CoCrPt和/或FePt。
因此，公开了具有垂直各向异性自由层和侧向屏蔽构件的磁传感器的实施例。上述实现以及其它实现在所附权利要求的范围内。本领域技术人员将理解本发明可利用除所公开内容之外的实施例来实施。出于说明而非限制目的给出了所公开的实施例，且本发明仅受限于所附权利要求。

Claims (20)

1.一种隧道磁阻读取器，包括：
将上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件分隔开的传感器叠层，所述传感器叠层包括具有基准磁化方向的基准磁性元件、具有与所述基准磁化方向基本垂直的自由磁化方向的自由磁性元件、以及将所述基准磁性元件与所述自由磁性元件分隔开的非磁性间隔层；以及
设置在所述上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件之间的第一侧向磁屏蔽构件和第二侧向磁屏蔽构件，所述传感器叠层在所述第一侧向磁屏蔽构件与所述第二侧向磁屏蔽构件之间，且所述第一侧向磁屏蔽构件和所述第二侧向磁屏蔽构件包括使所述上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件电绝缘的电绝缘层。
2.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述自由磁性元件包括CoFeB层和TbCoFe、FePt、CoPt或MnAl层。
3.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述非磁性间隔层是氧化物材料。
4.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述基准磁性元件包括利用反铁磁层稳定化的合成反铁磁体。
5.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述自由磁性层的长度小于所述基准磁性元件的长度。
6.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述基准磁性元件包括利用反铁磁层稳定化的被钉扎层。
7.如权利要求6所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述自由磁性层的长度小于所述基准磁性元件的长度。
8.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述基准磁性元件包括利用硬磁层稳定化的被钉扎层。
9.如权利要求8所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述自由磁性层的长度小于所述基准磁性元件的长度。
10.如权利要求8所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述被钉扎层包括CoFeB，而所述硬磁层包括CoPt、CoCrPt或FePt。
11.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述第一侧向磁屏蔽构件和第二侧向磁屏蔽构件包括被非磁性间隔层分隔开的多个磁性层。
12.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述非磁性间隔层是电绝缘的。
13.如权利要求1所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述非磁性间隔层是导电的。
14.一种隧道磁阻读取器，包括：
在上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件之间的传感器叠层，所述传感器叠层包括具有基准磁化方向的基准磁性元件、具有与所述基准磁化方向基本垂直的自由磁化方向的自由磁性元件、以及将所述基准磁性元件与所述自由磁性元件分隔开的非磁性间隔层；以及
将所述上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件分隔开的第一侧向磁屏蔽构件和第二侧向磁屏蔽构件，所述传感器叠层在所述第一侧向磁屏蔽构件与所述第二侧向磁屏蔽构件之间，且所述第一侧向磁屏蔽构件和所述第二侧向磁屏蔽构件包括被间隔层分隔开的两个或多个磁性层。
15.如权利要求14所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述非磁性间隔层是电绝缘的。
16.如权利要求14所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述非磁性间隔层是导电的。
17.如权利要求14所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述自由磁性层的长度小于所述基准磁性元件的长度。
18.一种隧道磁阻读取器，包括：
在上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件之间的传感器叠层，所述传感器叠层包括具有基准磁化方向的基准磁性元件、具有与所述基准磁化方向基本垂直的自由磁化方向的自由磁性元件、以及将所述基准磁性元件与所述自由磁性元件分隔开的非磁性间隔层，所述基准磁性元件包括两个或多个磁性层；以及
将所述上磁屏蔽构件与下磁屏蔽构件分隔开的第一侧向磁屏蔽构件和第二侧向磁屏蔽构件，所述传感器叠层在所述第一侧向磁屏蔽构件与所述第二侧向磁屏蔽构件之间，且所述第一侧向磁屏蔽构件和所述第二侧向磁屏蔽构件包括被间隔层分隔开的两个或多个磁性层。
19.如权利要求18所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述基准磁性元件包括利用反铁磁层稳定化的合成反铁磁体。
20.如权利要求18所述的隧道磁阻读取器，其特征在于，所述基准磁性元件包括利用硬磁层稳定化的被钉扎层。
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