CN1136540C - 改进的反向平行限定式自旋阀型传感器 - Google Patents

Abstract

具有NiO/Ni-Fe/Co/Ru/Co/Cu/Ni-Fe/顶盖层之结构的AP限定式SV型传感器，其中限定层包括第一和第二铁磁性层，由反向平行耦合层隔开。第一磁性限定层还包括Ni-Fe的第一限定次层和Co的第二限定次层，其中Ni-Fe的第一限定次层形成在并直接接触NiO反铁磁性(AFM)层。Ni-Fe的第一限定次层将Co的第二限定次层与NiO AFM层相隔离，使限定磁场和层叠的AP限定层的磁矩控制都大为改进。

Description

改进的反向平行限定式自旋阀型传感器

本发明一般地涉及自旋阀型(spin valve)磁换能器，用于从磁介质上读出信息信号，具体地说涉及一种改进的反向平行限定(pinned)式自旋阀型传感器，以及涉及包括这类传感器的磁记录系统。

各种计算机通常包括一些辅助存储装置，其中具有在其上可写入数据和由其读出数据的介质，以备后来利用该数据。直接存取型存储装置(磁盘驱动器)带有旋转磁盘，通常用于以磁方式在磁盘表面上存储数据。数据是在磁盘表面上的各同心径向隔开的磁道上记录的。包括读出用传感器的磁头则用于由在磁盘表面读出数据。

在高容量的磁盘驱动器中，磁电阻式读出用传感器通常称为MR头，是流行的读出传感器，因为它们能够按照比薄膜型感应磁头更大的线密度由磁盘的表面读出数据。MR传感器通过由作为MR层所传感的磁通的强度和方向的函数的，MR传感层(也称为MR元件)的电阻变化来检测磁场。

常规的MR传感器是根据各向异性的磁电阻(AMR)效应的原理工作的，其中MR元件电阻按在MR元件的磁化强度和流经MR元件的传感电流的方向之间的夹角的余弦的平方变化。由于来自经记录磁介质的外部磁场(信号磁场)使MR元件中的磁化强度方向变化，这又使MR元件的电阻变化以及使传感的电流或电压产生相应的变化，故可以由磁介质读出记录的数据。

另一种类型的MR传感器是呈现GMR效应的巨磁电阻(GMR)传感器。在GMR传感器中，MR传感层的电阻按照由一非磁性层(隔层)隔开的二磁性层之间的导电电子的与自旋相关的传导性和伴随的在磁性层和非磁性层之间界面以及各磁性层内部发生的与自旋相关的传输的函数发生变化。

仅利用由一层非磁性导电材料隔开的两层铁磁性材料的GMR传器通常称为呈现SV效应的旋转阀(SV)型传感器。在一SV型传感器中，其中一称之为限定层的铁磁性层具有的磁化强度通常是利用与反铁磁性(例如NiO或Fe-Mn)层的交互耦合而被限定的。被称之为自由层的另一铁磁性层的磁化强度不是固定的而根据来自经记录的磁介质的磁场(信号磁场)自由旋转。在SV型传感器中，SV效应按照限定层的磁化强度和自由层的磁化强度之间的夹角的余弦变化。由于来自经记录的磁介质的外部磁场(信号磁场)使自由层中的磁化强度方向变化，这又使SV传感器的电阻变化和使传感的电流或电压相应变化，故可由磁介质读出记录的数据。

图1表示一现有技术的SV传感器100，其含由一中心部分102使之分开的端部部分104和106。由一非磁性导电层115将自由层(自由铁磁性层)110与限定层(限定铁磁性层120)隔开。由于一反铁磁性(AFM)层R1使限定层120的磁化强度是固定的。自由层110、隔层115、限定层120以及AFM层121全都形成在中心区102。分别形成在端部区域104和106上的硬偏置层130和135对自由层110提供纵向偏置。引线140和145分别形成在硬偏置层130和135上，用以形成电连接回路，使传感电流能由电流源160流到MR传感器。检测装置170连接到引线140和145，其检测由于外部磁场(例如由存储在磁盘上的数据位于的磁场)在自由层110中引起变化又形成的电阻变化。

IBM的授权给Dieny等人的5206590号美国专利公开了一种根据SV效应原理工作的MR传感器，这里引用可供参考。

现在正在研制的一种反向平行的(AP)限定式旋转阀型传感器是另一种型式的旋转阀型传感器。图2表示的是由Fontana等人中请待审的08/697396号申请中所介绍的AP限定式SV型传感器，申请日为1996年8月23日，并已转让给本发明的受让人。在图2所示的AP限定式SV型传感器中，该限定层是一由非磁性耦合层隔开的两铁磁性层组成的层叠结构，这样两铁磁层的磁化强度沿一反向平行方向以及铁磁性方式很强地耦合在一起。在图2所示的AP限定式SV型传感器中的反铁磁性(AFM)层和层叠的限定层之间交互耦合明显地强于在图1所示SV传感器中的AFM层和单一的限定层之间的交互耦合。这种改进的交互耦合增加了在高温下的AP限定式SV型传感器的稳定性，从而使得能够利用耐腐蚀的反铁磁性材料例如NiO作为AFM层。

再来参阅图2，利用一非磁性导电隔离215将自由层210和层叠的AP限定层220隔开。由于由NiO构成的AFM层230使层叠的AP限定层220的磁化强度是固定的。该层叠的AP限定层220包括由一由非磁性材料构成的反向平行耦合层(APC)224使之彼此隔开的第一铁磁性层222(PF1)和第二铁磁性层226(PF2)。在层叠的AP限定层220中的两铁磁性层222、226是由Co构成的，APC层224是由R4构成的。AFM层230形成在一沉积在衬底250上的籽晶层240上。为了完成AP限定式SV型传感器，在自由层210上形成一顶盖层205。

图2中的AP限定式SV型传感器能够允许使用NiO材料作为AFM层，其主要优点是能提高AFM层230和AP限定层220之间的交互耦合的磁场强度。这一交互耦合磁场与两个AP限定铁磁层之间的磁矩差(净磁矩)成反比。

然而，由本发明的发明人对制造如图2所示的AP限定式SV型传感器(具有NiO/Co/Ru/Co/Cu/Ni-Fe/Ta的层叠结构)的实验表明，由于在NiO AFM层和Co第一铁磁性层之间的界面处发生界面间扩散和氧化，使得Co/APC/Co的层叠的AP限定结构的净磁矩是很难控制的。发生在上述界面处的界面扩散和氧化造成即使图2中所示的AP限定式SV传感器已经完全制成后，也会使第一铁磁性Co层的磁矩发生变化。第一铁磁性层的磁矩变化使得AP限定层的净磁矩变化。这些实验导致对于顺序制造的各个批量，各AP限定层的净磁矩变化2到3倍。AP限定结构的净磁矩的变化引起被限定磁场的很大变化，这样会牺牲SV传感器的稳定性。此外已经进行的实验表明，在NiO AFM层上沉积的Co具有很大的矫顽力，但是对NiO AFM层有低的交换限定。Co的很大的矫顽力使得难于复原限定层的磁化强度方向(如果需要复原的话)。如果限定层的磁化强度方向变得失去定向性，例如在磁盘驱动器中由于出现很大的非预期的磁场时，则可能需要这种复原。

因此，需要一种AP限定式SV传感器，其中的AP限定层具有可良好控制的可重现的净磁矩。

本发明的目的是提供一种改进的具有一AP限定层的AP限定式SV型传感器，其中该AP限定层的净磁矩和磁特性能良好控制。

本发明的另一个目的是提供一种具有由衬底/籽晶层/限定层/隔层/自由层构成的结构的AP限定式SV传感器，其中的限定层包括第一和第二铁磁性限定层，以及其中的第一铁磁性限定层再包括第一和第二铁磁性次层。

根据本发明的原理，提供的一种AP限定式SV型传感器具有优选的结构：衬底/籽晶层/NiO/Ni-Fe/Co/Ru/Co/Cu/Ni-Fe/顶盖层，其中该AP限定层包括由一反向平行耦合层使之彼此隔开的第一和第二铁磁性限定层。第一铁磁性限定层包括第一Ni-Fe次层和第二Co次层。第一Ni-Fe次层沉积在并与NiO AFM层直接接触。Ni-Fe次层的添加将Co层与NiO AFM层隔离，这使得能改进被限定磁场以对层叠的AP限定层结构的磁矩控制。以及降低第一限定层的矫顽力。

通过如下详细的书面介绍，将会使本发明上述以及其它目的、特点和优点变得更加明显。

为了更完整地理解本发明的实质和优点，以及优选的应用方式，结合附图，参阅如下的详细介绍。

图1是现有技术的SV型传感器的断面图；

图2是一种AP限定式SV型传感器的断面图；

图3是记录磁盘驱动系统的简化图；

图4是根据本发明的AP限定式SV型传感器中的空气支承表面示意图；

图5是本发明的AP限定式SV型传感器的另一实施例的空气支承表面示意图；

图6是本发明的AP限定式SV型传感器的第三实施例的空气支承表面示意图。

下面介绍用于实现本发明的目前认为是最佳实施例。这种介绍是为了说明本发明的一般原理，并不意在限定其中阐述的发明构思。

参阅图3，该图表示采用本发明的磁盘驱动器300。如果图3中所示，至少一个可旋转的磁盘312支承在主轴314上并由磁盘驱动用电动机318旋转。在每个磁盘上的磁记录介质为在盘片312上的同心环形纹面的数据磁道(未表示)的结构形式。

至少一个滑块313定位在该盘片312上，每个滑块313支承一个或多个读/写磁头321，其中该磁头321包括本发明的MR传感器。当盘片旋转时，滑块313在径向上移动进出盘片表面322的范围，使得磁头321可以访问盘片中记录所需数据的不同部分。每个滑块313通过一悬臂315安装驱动机构的转臂319上。悬臂315提供轻微的弹力，将滑块313偏置贴住盘片表面322。每个驱动转臂319固定到驱动装置327上。图3中所示的驱动装置可以是一音圈电动机(VCM)。该VCM包括一可在固定的磁场内运动的线圈，线圈运动的方向和速度是由控制器329提供的电动机电流信号控制的。

在磁盘存储系统的工作过程中，盘片312的旋转在滑块313和盘片表面322之间形成空气支承，包括磁头321的该滑块313表面面向盘片312的表面，其被称为一空气支承表面(ABS)，而盘片表面322对滑块作用一向上的力或升力。因此，在正常运行过程中，这种空气支承与悬臂315的轻微弹力相抗平衡，并支承滑块313使之脱开盘片表面并稍微高过，维持一很小的基本恒定的间隔。

磁盘存储系统中的各个组成部分在运行中由控制单元产生的控制信号例如存取控制信号和内部时钟信号所控制。通常控制单元329包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元329产生各种控制信号以便控制各种系统的运行，例如沿线323上的驱动电动机控制信号和沿线328上的磁头定位和栈道控制信号。沿线328上的控制信号提供所需的电流规范值以便以最佳方式将滑块313移动并定位到所需的磁盘312上的数据磁道。利用记录用通道325向/由该读/写磁头321传输读/写信号。

上面对一般的磁盘存储系统的介绍以及图3中的相应表示目的都仅用于一般说明。很明显，磁盘存储系统可以包括大量的磁盘和驱动机构，每个驱动机构可以支持很多的滑动块。

图4表示根据本发明优选实施例的AP限定式SV型传感器400中的空气支承表面(ABS)的示意图。SV型传感器400具有由一中心区402使之彼此分开的端部区域404和406。衬底450可以是任何一种适宜的衬底，包括玻璃、半导体材料或者陶瓷材料，例如氧化铝(AL₂O₃)。籽晶层440为在衬底450上的沉积层，用于改善后面沉积在籽晶层440上的各层的晶体结构或晶粒尺寸。取决于所用衬底的类型可能不需要籽晶层440。如果使用，籽晶层440可以由钛(Ta)、锆(Zr)、镍-钛(Ni-Fe)或AL₂O₃构成。在该优选实施例中，该籽晶层440是由Ta构成的。接着籽晶层440的沉积，由NiO材料构成的反铁磁性(AFM)材料形成在籽晶层之上。通过在存在含氧气体的情况下，利用离子束溅射-Ni靶，在籽晶层440上形成NiO AFM层430，其厚度通常为200～500埃，在此值下能达到所需的交换特性。接着在该AFM层430上形成一层叠的AP限定层420。AP限定层420包括分别为第一和第二限定铁磁层425和426。第一限定铁磁层425是一包括分别为第一和第二限定铁磁次层435和422。在该优选实施例中，第一次层435是一沉积在并与AFM层430相接触的薄Ni-Fe层，第二次层422是一沉积在第一次层43上的Co层。同样由Co构成的第二铁磁层426具有与Co层442相等的或近于相等的磁矩。由一非磁性材料的反向平行耦合(APC)层424使得第一和第二铁磁性限定层425和426彼此分开，该层424使限定层425和426以反铁磁性方式很强地耦合在一起。在层叠的AP限定层结构420中的限定层425和426它们的磁化方向反向平行，如由箭头421和423的尾端和箭头427的首端所表示的。限定层425和426的磁化强度的反向平行取向是由于通过反向平行耦合层426的反铁磁性交互耦合。由于这种反铁磁性耦合，和由于两个Co层422和424具有基本相同的厚度，每层中的磁矩进于彼此抵消，使得在层叠的AP层结构420中的净磁矩主要是由于通常厚度范围在2到30埃的Ni-Fe次层435的磁矩形成的。层叠的AP限定层结构420的很小的净磁矩导致交换磁场倍增超过这一状况，该状况是当如仅利用层422作为由AFM层430限定的单一限定层才出现的。

为了完成SV型传感器400，在第二限定层426上形成金属隔层415，在隔层415上形成一自由层410，以及在自由层410上形成一顶盖层405。在未施加磁场时，自由层410的磁化强度轴线的方向为由箭头412所表示的方向，即通常垂直于限定层435、422、426的磁化强度轴线421、423、427。

再来参阅图4，SV型传感器400还包括分别形成在端部区域404和405上的硬偏置层470和475，用以沿纵向对自由层410进行偏置。电引线460、465也分别形成在硬偏置层470和475之上，以便在SV型传感器400、电流源490以及检测装置480之间形成一电路回路。在该优选实施例中，当自由层410的磁化强度方向响应由记录介质施加的磁信号旋转时，利用检测电阻变化ΔR的检测装置480检测介质中的磁信号。

按照如下的方式将AP限定式SV传感器400进行组装。在存在氧的环境下，利用Ni靶通过进行离子束溅射在氧化铝衬底层450上沉积约425埃厚的NiO AFM层430。在氧化铝衬底上未采用籽晶层。接着，在试样处于按约20奥斯特施加的横向磁场时，利用离子束溅射沉积层叠的AP限定层420、隔层415、自由层410以及顶盖层405。Ni-Fe层435厚度约为10埃，Co层422厚度约为24埃，隔离424厚度约为5埃，Co层426厚度约为24埃，隔层415厚度约为22埃，自由层410厚度约为72埃，Ta顶盖层405厚度约为50埃。

在SV传感器400中的所有各层已经沉积之后，AFM层430可能还没有处于单一的反铁磁性磁畴状态，并且因Ni-Fe/Co/Ru/Co层叠的AP限定层420可能没有处于单一的铁磁性磁畴状态，导致磁阻范围降低。因此，在SV传感器400中的所有各层已经沉积之后，在15奥斯特的磁场中，将SV传感器400加热到NiO反铁磁性锁定(blocking)温度(约180℃)之上。这样大的磁场足以克服反向并行耦合层424的影响使得在层叠的AP限定层(结构)中的各铁磁性层的磁化强度方向旋转，使得两个限定铁磁性层425和426的磁化强度方向平行于施加的磁场，以及两个限定铁磁性层处于单一磁畴状态。然后在仍然施加磁场的情况下将试样冷却，使得能够维持层叠的AP限定层(结构)420中的NiO/Ni-Fe/Co部分的单一磁畴状态。在冷却到室温之后，取消施加的磁场，由于反向平行耦合层424的影响，第二限定铁磁性层426的磁化(强度)方向旋转到与第一限定铁磁性层425的磁化(强度)方向反向平行的方向。这样就将交换各向异性的方向定向一致，并且将层叠的AP限定层(结构)420置入一种基本上单一的磁畴状态，产生最大的磁阻。

再来参阅图4，如果两个铁磁性Co层422和426的厚度是相同的，则在理论上该层叠的AP限定层(结构)420的净磁矩将为薄Ni-Fe层435的磁矩。没有Ni-Fe层435，净磁矩的控制将取决于对Co层厚度的精确控制和取决于在NiO/Co界面的稳定性，而这种稳定性是极难控制的。在NiO AFM层430和第一Co层422之间引入Ni-Fe层435极大地改进了对第一Co层422的磁矩的控制。按照这种改进的结构，对两Co层422、426的磁矩控制减少为主要对Ni-Fe沉积层的控制。由于Co层422和426厚度相等，层叠的AP限定层(结构)420的净磁矩等于Ni-Fe层435的磁矩。薄的Ni-Fe层435能保证一小的可良好控制的净磁矩，这又保证在有磁场存在的情况下层叠的AP限定层(结构)420的磁化是稳定的，从而使得磁化方向是可预知的。

虽然，这里所介绍的本发明的最佳实施例采用相等厚度的两Co层422、426，但对于本技术领域的熟练人员来说很明显，Co层422和Ni-Fe层435的厚度的其它组合可使该层叠的AP限定层(结构)形成同样小的净磁矩。如果Co层422形成得更薄，则Ni-Fe层435厚度必须增加，以达到所需的净磁矩；如果Co层422形成得更厚，则需要相应较薄的Ni-Fe层435。

根据本发明的最佳实施例制成的AP限定式SV传感器具有明显改进的特性和成批具有重现性。该被限定磁场Hp(在该值的磁场中，限定层开始旋转)接近1100奥斯特，得以保证在SV传感器运行状态下AP限定层不发生旋转。在限定层和自由层之间的铁磁耦合磁场仅约4奥斯特，表明自由层响应于外部信号磁场具有高的旋转灵敏度。磁阻系数(ΔR/R)约4.3％，当多于20批时，批量变化小于+/-4％，这种批量变化即在一种制造批量中处理加工的SV传感器的特性相对不同批量中加工的SV传感器特性的变化。

图5表示一种AP限定式SV传感器500的另一实施例的ABS示意图，该传感器500具有由一中心区域502使之彼此分开的端部区域504和506。SV传感器500与SV传感器400相似，不过其中的自由层510为一多层结构。在该优选实施例中，SV传感器500的结构如下：

衬底/籽晶层/NiO/Ni-Fe/Co/Ru/Co/Cu/Co/Ni-Fe/顶盖层。如果需要采用在衬底550上沉积籽晶层540。通过在存在氧的环境下离子束溅射Ni靶在籽晶层540上沉淀NiO AFM层530。层叠的AP限定层520形成在AFM层530上。第一铁磁性限定层525是一复合层，包括一沉积在并与AFM层530相接触的薄Ni-Fe层535和沉积在Ni-Fe层535上的Co层522。同样由Co构成的第二铁磁性限定层526的磁矩等于或近于等于Co层522的磁矩。两Co层522、526由一非磁性材料的反向平行耦合层524分开，该耦合室524使得限定层525和526能以反铁磁性方式强耦合在一起。一金属隔层515形成在第二铁磁性限定层526上。在这一实施例中，自由层510为一多层结构，包括一薄Co层514和一Ni-Fe层513。Co层514形成在并与隔层515相接触，Ni-Fe层513形成在并与Co层514相接触。为制成SV传感器500，一顶盖层505形成在Ni-Fe层513上。在未施加磁场时，自由层510的磁化强度轴线方向为用箭头512所示的方向，即通常垂直于限定层535、522、526的磁化强度轴线521、523和527。

再来参阅图5，SV传感器500还包括分别形成在端部区域504和506中的硬偏置层570和575，用以沿纵向偏置自由层510。电引线560和565也分别形成在硬偏置层570和575上，以便在SV传感器500电流源590和检测装置580之间形成电路回路。

在这一实施例中，Co自由层514厚度约为16埃，Ni-Fe自由层513厚度约为29埃。关于这一实施例的磁阻系数ΔR/R的数值为7.5％。Δ/R的提高优于在图4中所示的优选实施例所达到的数值是由于，在复合的自由层514和隔层515之间的更好的界面特性。然而，采用复合的自由层增加了关于这种SV传感器的制造过程的复杂性。

图6表示与图4中所示相似的一种AP限定式SV传感器600的第三实施例的空气支承表面示意图，不过其中自由层610形成在SV传感器的底部(按近衬底)，包括第一和第二限定层625和626的AP限定层620形成在隔层615的顶部。在自由层610沉积之后，沉积隔层615，接着是Co层626、Ru APC层624、Co层622和Ni-Fe层635。然后AFM层630沉积在Ni-Fe层635上，接着沉积顶盖层605。AFM层630最好由NiO材料构成，虽然也可以由其它反铁磁性材料例如NIMN构成。硬偏置层670和675沿纵向偏置层610。电引线660、650分别形成在硬偏置层670和675上，以便在SV传感器600、电流源690和检测装置680之间形成电路回路。

虽然是参照各优选实施例具体表示和介绍了本发明，但本技术领域的熟练人员会理解，在不脱离本发明的构思、范围和原理的前提下，其结构和细节可以进行各种改变。因此，所公开的本发明应认为仅为了说明，它的范围只能按照所提出的权利要求来限定。

Claims (12)

1.一种自旋阀型磁电阻传感器，包括：

自由铁磁层；

反向平行(AP)限定层，包括：

反向平行耦合层；

由以所述反向平行耦合层使之彼此分开的第一和第二铁磁性

层，所述第一铁磁性层还包括第一和第二铁磁性次层；和

反铁磁性(AFM)层，与所述第一铁磁性次层相接触，用于限定所述第一铁磁性层的磁化强度；以及

隔层，设置在所述自由铁磁性层和所述AP限定层之间。

2.如权利要求1所述的自旋阀型磁电阻传感器，其特征在于，所述第二铁磁层是由钴构成的。

3.如权利要求2所述的自旋阀型磁电阻传感器，其特征在于，所述第一铁磁性次层是由Ni-Fe构成的，所述第二铁磁性次层是由Co构成的。

4.如权利要求3所述的自旋阀型磁电阻传感器，其特征在于，所述第一铁磁性次层的Ni-Fe厚度范围为2～30埃。

5.如权利要求1所述的自旋阀型磁电阻传感器，其特征在于，第一铁磁性层的厚度大于第二铁磁性层的厚度。

6.如权利要求1所述的自旋阀型磁电阻传感器，其特征在于，第一铁磁性层的厚度小于第二铁磁性层的厚度。

7.一种磁盘驱动系统，包括：

磁记录盘；

自旋阀型磁电阻传感器，用于读取以磁方式记录在盘上的数据，该自旋阀型传感器包括：

自由铁磁性层；

反向平行限定层，包括：

反向平行耦合层；

由所述反向平行耦合层隔离的第一和第二铁磁性层，所述

第一铁磁性层还包括第一和第二铁磁性次层；和

反铁磁性(AFM)层，用于限定所述第一和第二铁磁性次层的磁化强度，所述第一铁磁性次层与所述AFM层直接接触；以及

隔层，设置在所述自由铁磁性层和所述AP限定层之间；

驱动机构，用于移动所述自旋阀型传感器横跨该磁记录盘，这样自旋阀型传感器就能访问在磁记录盘上磁记录数据的不同区域，以及

检测装置，电连接到自旋阀型传感器，用于响应于根据磁记录数据产生的磁场，对由自由铁磁性层的磁化强度轴线相对于在层叠的反向平行限定层中的反向平行耦合的第一和第二铁磁性层的固定磁化强度的旋转引起的传感器的电阻变化进行检测。

8.如权利要求7所述的磁盘驱动系统，其特征在于，所述第二铁磁性层是由Co构成的。

9.如权利要求7所述的磁盘驱动系统，其特征在于，所述第一铁磁性次层是由Ni-Fe构成的，所述第二铁磁性次层是由Co构成的。

10.如权利要求9所述的磁盘驱动系统，其特征在于，所述第一铁磁性次层的Ni-Fe厚度范围为2～30埃。

11.如权利要求7所述的自旋阀型磁电阻传感器，其特征在于，第一铁磁性层的厚度大于第二铁磁性层的厚度。

12.如权利要求7所述的自旋阀型磁电阻传感器，其特征在于，第一铁磁性层的厚度小于第二铁磁性层的厚度。

Images