專利名稱：電流垂直于平面的磁阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流垂直于平面(current-perpendicular-to-plane，CPP)的磁阻傳感器，它使用方向垂直于構(gòu)成傳感器堆疊的層的平面的傳感電流工作。
背景技術(shù)：
一種類型的經(jīng)常被稱為“自旋閥”(SV)的常規(guī)磁阻傳感器，具有包括由非磁性間隔層分開的兩個(gè)鐵磁性層的疊層。一個(gè)鐵磁性層具有固定的磁化方向，例如通過與鄰近的反鐵磁性層交換耦合來固定，另一個(gè)鐵磁性層具有“自由”的磁化方向，以在外部磁場中旋轉(zhuǎn)。隨著將傳感電流施加到傳感器，相對于固定層磁化的自由層磁化的旋轉(zhuǎn)因電阻的改變而可以檢測。
用于所有電流磁性記錄硬盤驅(qū)動(dòng)器的SV磁阻傳感器使用方向與在傳感器層堆疊中的層的平面平行的傳感電流工作，因此它被稱為平面中電流(CIP)傳感器。在磁盤驅(qū)動(dòng)器CIP-SV讀出傳感器或頭中，在沒有外部磁場的情況下，固定或釘扎層的磁化通常垂直于磁盤平面，自由層的磁化通常平行于磁盤的平面。當(dāng)暴露于來自磁盤上所記錄數(shù)據(jù)的外部磁場時(shí)，自由層磁化將旋轉(zhuǎn)，使得電阻改變。
已經(jīng)提出了使用垂直于傳感器堆疊中層的平面的傳感電流(CPP)工作的SV型磁阻傳感器。CPP-SV讀出頭由A.Tanaka等人，“Spin-valve heads inthe current-perpendicular-to-plane mode for ultrahigh-density recording”，IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS，38(1)84-88 Part 1 JAN 2002描述。另一種CPP傳感器是磁性隧道結(jié)(MTJ)傳感器，其中非磁性間隔層是很薄的非磁性隧道勢壘層。在MTJ傳感器中，垂直通過各層的隧道電流取決于兩個(gè)鐵磁層的相對磁化取向。在MTJ磁阻讀出頭中，間隔層被電絕緣并且典型為氧化鋁(Al2O3)，而在CPP-SV磁阻讀出頭中，間隔層是導(dǎo)電的并且典型為銅。
在所有的CIP-SV、CPP-SV和MTJ讀出頭中，為了最大的讀出頭穩(wěn)定性和無磁滯響應(yīng)線性，在沒有外部磁場時(shí)自由層的磁化應(yīng)該保持在飽和單磁疇狀態(tài)。在此狀態(tài)下，在自由層中所有部分的局部磁化，包括端部或側(cè)面，基本上為“縱向”，即沿著自由層的長度方向和頭的交叉軌跡方向并與磁性記錄介質(zhì)平面平行。鐵磁偏移層一般用于獲得自由層的縱向偏磁。美國專利6023395描述了一種MTJ磁阻讀出頭，其具有位于傳感器堆疊中并穿過間隔層與自由層靜磁耦合的偏移鐵磁層。美國專利6473279也描述了具有位于傳感器堆疊中的縱向偏移層的CPP傳感器。
在CPP磁阻傳感器中具有堆疊內(nèi)偏移的一個(gè)限制是如果偏移層(biasing layer)被交換耦合，那么構(gòu)成偏移結(jié)構(gòu)的所有層，即偏移層、間隔層和反鐵磁層都必須導(dǎo)電并給傳感器堆疊加入很小的電阻。而且，與偏移層交換耦合的傳感器中的第二反鐵磁層在具有所施加的場時(shí)要求第二退火步驟以設(shè)定偏移層的磁化方向，因?yàn)槠茖雍妥钃鯇拥拇呕较蚧ハ啻怪薄?br>
我們所需要的是具有改善的傳感自由層堆疊內(nèi)偏移的CPP磁阻傳感器。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是具有兩個(gè)鐵磁層的磁性耦合結(jié)構(gòu)，兩個(gè)鐵磁層的面內(nèi)磁化方向跨過導(dǎo)電間隔層正交耦合，所述間隔層引起直接正交磁耦合。
此結(jié)構(gòu)用于CPP磁阻傳感器中的堆疊內(nèi)偏移，在這種情況下磁耦合結(jié)構(gòu)的一個(gè)鐵磁層是偏移鐵磁層，另一個(gè)鐵磁層是傳感自由層。反鐵磁層用于交換耦合偏移層以平行于傳感釘扎層的磁距固定它的磁距。因?yàn)樵趥鞲衅髦衅茖雍歪斣鷮拥拇啪嗍瞧叫械?，所以使用單個(gè)退火步驟來設(shè)定偏移層和釘扎層的磁化方向。這使得相同的反鐵磁材料用于交換耦合偏移層的反鐵磁層和交換耦合釘扎層的反鐵磁層。因?yàn)樽杂蓪哟呕恼淮篷詈鲜峭ㄟ^導(dǎo)電間隔層直接耦合的，所以間隔層、偏移層和交換耦合偏移層的反鐵磁層可以都延伸過傳感器堆疊的邊緣，由此減小傳感器的寄生電阻。
在結(jié)構(gòu)中用作磁耦合層的導(dǎo)電間隔層可以是XMn合金，其中X是Pt、Ni、Fe、Ir、Pd或Rh；元素Cr或Mn；稀土過渡金屬合金，例如TbFe、TbCo、GdFe和GdCo；或者非磁性過渡金屬，例如Cu、Ru、Ir、Rh和Os。優(yōu)選磁耦合層是厚度在大約15到50之間的PtMn。
為了更充分地理解本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合附圖參考下面的具體說明。
圖1是傳統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)的CPP傳感器的橫截面圖；圖2是本發(fā)明的CPP傳感器的橫截面圖；圖3是用于說明本發(fā)明正交磁耦合結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)的剖面圖；圖4是具有20PtMn磁耦合層和與PtMn反鐵磁交換耦合的Co80Fe20偏移層的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中用于20Co80Fe20自由層的B-H環(huán)；圖5是具有40Ni80Fe20自由層、20PtMn磁耦合層和與IrMn反鐵磁交換耦合的Co80Fe20偏移層的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中的M-H環(huán)；圖6是作為PtMn磁耦合層厚度函數(shù)在實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中自由層各向異性場Hk的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)有技術(shù)圖1是具有堆疊內(nèi)偏移的現(xiàn)有技術(shù)電流垂直于平面(CPP)傳感器100的剖面圖，當(dāng)從磁盤看時(shí)它被描述為磁盤驅(qū)動(dòng)器磁阻讀出頭。傳感器100包括在基板102上形成的層的堆疊101，就讀出頭來說基板102為底部磁屏蔽，它也用作底部電導(dǎo)線。在堆疊101上的頂部磁屏蔽116也用作頂部電導(dǎo)線。傳感器堆疊101位于通常為平面表面的屏蔽102、116之間的間隙中。在傳感器堆疊101側(cè)面的間隙材料170、172為絕緣材料，通常為如氧化鋁(Al2O3)的氧化物。傳感電流Is垂直流過兩個(gè)導(dǎo)線/屏蔽116、102之間的堆疊101中的層，如箭頭160所示?？梢栽诖疟P上分辯的數(shù)據(jù)軌道的寬度由傳感器堆疊101的軌道寬度(TW)決定。由屏蔽102、116提供的屏蔽幾何形狀沿下行軌道方向180(垂直于堆疊中的層)消弱來自鄰近記錄數(shù)據(jù)的磁轉(zhuǎn)變的磁通，并因此提高了傳感器的線性分辨率。
在傳感器堆疊101中的層包括具有固定橫向(進(jìn)入頁內(nèi))磁距或磁化方向107的釘扎鐵磁層106、具有可以響應(yīng)橫向外部磁場在層110面中旋轉(zhuǎn)的磁距或磁化方向111的自由鐵磁層110、以及在釘扎層106和自由層110之間的無磁性間隔層108。釘扎層106與反鐵磁層104交換耦合。由此固定釘扎層106的磁化方向107并且在所關(guān)心范圍內(nèi)的外部磁場(即來自記錄數(shù)據(jù)的磁場)存在時(shí)不會(huì)旋轉(zhuǎn)。對于CPP自旋閥(CPP-SV)傳感器，間隔層108是導(dǎo)電的，并且通常由銅形成。對于MTJ傳感器，間隔層108為電絕緣隧道勢壘層，一般為氧化鋁(Al2O3)。頂層130(一般由Ta或Ru形成)可以形成在反鐵磁層104的頂部。
傳感器堆疊101也包括縱向偏移堆疊140。偏移堆疊140包括偏移鐵磁層144，其具有面內(nèi)磁距145并通過非磁性導(dǎo)電間隔層142與自由層110隔開。反鐵磁層146形成在基板102上的合適的襯層148上并提供給偏移層144反鐵磁交換耦合以保證它的磁距145在存在所關(guān)心范圍內(nèi)的磁場時(shí)不旋轉(zhuǎn)。
偏移層144提供縱向偏移磁場以沿自由層長度方向111縱向穩(wěn)定自由層110的磁化。如虛線箭頭143所示，來自偏移層144的本身磁場或退磁磁場與自由層110的邊緣靜磁耦合，以穩(wěn)定自由層110的磁距并使傳感器輸出線性化。導(dǎo)電間隔層142使在偏移層144和自由層110之間的直接交換耦合最小化并使傳感電流Is垂直流過兩導(dǎo)線116、102之間堆疊中的層，如箭頭160所示。由于自由層110的縱向偏移通過跨過間隔層142與偏移層144的靜磁邊緣耦合而獲得，如虛線箭頭143所示，偏移層144和間隔層142不能延伸過TW而必須具有基本上與自由層110的邊緣連續(xù)的邊緣。
電導(dǎo)線/磁屏蔽102、116一般由坡莫合金(NiFe)或鐵硅鋁磁合金(FeAlSi)形成。釘扎層106、自由層110和偏移層144一般由Co、Fe和Ni的一種或多種合金形成，或者由兩種合金的雙層形成，例如CoFe-NiFe雙層。作為交換耦合偏移層144的選擇，偏移層可以是“硬磁的”或相對高矯磁性的鐵磁體，例如CoPt或CoCrPt，在這種情況下無需反鐵磁層146。反鐵磁層104、146通常由足夠厚的Mn合金層(PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn)形成。PtMn層需要比大約100更厚以在退火時(shí)成為化學(xué)有序的和反鐵磁性的，并且當(dāng)厚度大于約40時(shí)隨著沉積IrMn層成為反鐵磁的。這些反鐵磁Mn合金也可以包括少量的添加元素，例如Cr、V、Pt、Pd和Ni，通常添加這些元素來提高耐蝕性或增加電阻。
使用淀積、光刻工藝、離子研磨、反應(yīng)離子蝕刻和其它傳統(tǒng)SV和MTJ傳感器的制造技術(shù)，以常規(guī)方式制造傳感器。因?yàn)獒斣鷮?06的磁化方向107與偏移層144的磁化方向145垂直，反鐵磁層104、146必須由不同材料或具有不同厚度的相同材料制成以確保反鐵磁層104、146具有不同的阻塞溫度。在后者的情況下，兩層中更薄的層將具有更低的阻塞溫度。通常反鐵磁層104將具有高于反鐵磁層146阻塞溫度TBL的阻塞溫度TBH。磁性材料的阻塞溫度是靜磁距不再具有固定取向的溫度。就鐵磁/反鐵磁雙層來說，例如雙層106/104和140/146，阻塞溫度是在兩層中兩層之間的交換偏移場消失的溫度。
需要兩個(gè)退火步驟來設(shè)定兩個(gè)互相垂直的磁化方向107、145。在傳感器100制造期間或之后，將溫度提高到TBH以上且將傳感器暴露于沿方向107施加的外部磁場來設(shè)定釘扎層106的磁化方向。在溫度降低到TBH以下且外部施加磁場移開后，釘扎層106通過與反鐵磁層104交換耦合而具有沿方向107固定的磁化。接下來將溫度提高到TBL以上但低于TBH，并且將傳感器暴露到沿方向145施加的外部磁場來設(shè)定偏移層144的磁化方向。在溫度降低到TBL以下并且外部施加磁場移開后，偏移層144通過與反鐵磁層146交換耦合而具有沿方向145固定的磁化。
本發(fā)明圖2是本發(fā)明CPP傳感器200的剖面圖。它和現(xiàn)有技術(shù)CPP傳感器100結(jié)構(gòu)上基本相同，除了縱向偏移堆疊240代替了堆疊140。
偏移堆疊240包括具有面內(nèi)磁距或磁化方向245的偏移鐵磁層244，在無外部磁場時(shí)該磁距或磁化方向基本垂直于自由層210的磁距211，并基本上平行于釘扎層206的磁距207。這里所使用的“基本垂直”的意思是兩個(gè)磁距或磁化方向比平行更接近垂直。反鐵磁層246形成在基板202上的合適的襯層248上并給偏移層244提供反鐵磁交換耦合以確保在存在傳感器所關(guān)心范圍內(nèi)的外部磁場時(shí)它的磁距245不會(huì)旋轉(zhuǎn)。在無外部磁場時(shí)，通過由用作磁耦合層的導(dǎo)電間隔層242產(chǎn)生的直接正交磁耦合，使得自由層210的磁化方向211垂直于偏移層244的磁化方向245。
因?yàn)樽杂蓪?10的縱向偏移是通過間隔層242來自偏移層244的直接磁耦合，而不是在自由層和偏移層邊緣處的靜磁耦合，所以偏移層244和反鐵磁層246不需要成為傳感器堆疊201的一部分而可以延伸過傳感器200的TW。因?yàn)槟敲戳鬟^的偏移層244、反鐵磁層246和襯層248的面積的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于如果這些層具有和軌道寬度TW具有相同尺寸下的情形，所以這減小了傳感器的寄生阻抗。雖然圖2所示的實(shí)施例具有尺寸為TW的間隔層242，但是也可以選擇不對間隔層242構(gòu)圖并由此延伸過TW尺寸。層242、244、246和248不需要延伸過軌道寬度TW，而可以構(gòu)圖為TW尺寸，但這將導(dǎo)致更高的傳感器阻抗。
因?yàn)獒斣鷮?06的磁化方向207平行于偏移層244的磁化方向245，因此磁化方向207、245可以用單個(gè)退火步驟設(shè)定。這使得反鐵磁層204、246使用相同材料制造。偏移層244和自由層210的易磁化軸最初平行于在沉積期間所施加的磁場，即平行于方向207、245。然而，在退火后，偏移層244與反鐵磁層246交換偏移，且自由層210具有與退火方向垂直的90度旋轉(zhuǎn)的易磁化軸。
自由層210到偏移層244的正交磁耦合層由用作磁耦合層的導(dǎo)電間隔層242產(chǎn)生。間隔層242一般優(yōu)選為等原子Pt50Mn50層，其厚度小于約100，優(yōu)選在約15和50之間。該厚度適當(dāng)?shù)陀赑t50Mn50表現(xiàn)出反鐵磁交換偏移作用的厚度(該厚度一般大于100)。
在兩個(gè)Co90Fe10層之間已經(jīng)觀察到正交磁耦合，其中第一Co90Fe10層交換偏移到PtMn反鐵磁層且兩個(gè)Co90Fe10層由薄鈷鐵氧體(CoFe2O4)層隔開。參見S.Maat和B.Gurney的“90°coupling induced by exchange biasing inPtMn/CoFe10/CoFe2O4/CoFe10films”，J，Appl.Phys.，Vol.93，pp，7229-7231(2003)。然而，由于鈷鐵氧體是電絕緣體，包括它的結(jié)構(gòu)通常不用在CPP傳感器中。
本發(fā)明直接正交磁耦合的作用在各種PtMn間隔層厚度的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中說明。圖3是該實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的剖面圖。用于這些實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的磁耦合非常接近于90度。優(yōu)選由間隔層產(chǎn)生的磁耦合應(yīng)該接近于互相垂直，例如在大約80到100度之間。對于具有PtMn作為交換耦合到偏移層的反鐵磁層的結(jié)構(gòu)來說，襯層為30的Ta層，對于IrMn反鐵磁層來說，襯層為30Ta/20Cu的雙層。頂層為30Ru/80Ta的雙層。
圖4是具有20PtMn間隔層和與PtMn反鐵磁交換耦合的20Co80Fe20偏移層的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中用于20Co80Fe20自由層的B-H環(huán)。實(shí)線為沿易磁化軸(在零場中自由層磁距的優(yōu)選軸)的B-H環(huán)，在這種情況下它垂直于退火期間所施加的場的方向。退火方向平行于偏移層磁化方向。虛線是沿退火方向的B-H曲線。因此圖3示出了優(yōu)選或易磁化軸的自由層已經(jīng)安排它本身垂直于偏移層磁化方向。
圖5是具有40Ni80Fe20自由層、20PtMn間隔層和與IrMn反鐵磁交換耦合的20Co80Fe20偏移層的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中的M-H環(huán)。平行于退火方向(垂直于40Ni80Fe20自由層的易磁化軸)施加磁場。處于高磁場(圖4的右邊)的環(huán)示出IrMn釘扎偏移層的行為。該自由層的行為在零場附近示出?？梢钥闯鲈诖藚^(qū)域具有大斜率，表示閉環(huán)或者難磁化軸環(huán)。在零場附近缺少正方形的M-H環(huán)表明自由層的易磁化軸垂直于退火方向(其為偏移層的磁距方向)。對于此結(jié)構(gòu)，沿難磁化軸自由層飽和的場Hk是340Oe。
圖6是作為PtMn間隔層厚度函數(shù)在實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中自由層各向異性場Hk的曲線圖。需要高的Hk來確保自由層響應(yīng)是所施加場的線性函數(shù)。來自記錄介質(zhì)的典型的場大約小于150Oe，常規(guī)磁阻頭具有大約僅40Oe或更小Hk的自由層，而來自鄰近連接的難偏移層或堆疊內(nèi)偏移層的偏移場產(chǎn)生具有相同數(shù)量級(200-400Oe)的單方向各向異性場。圖5表示具有正交偏移的自由層對于約20的PtMn間隔層厚度能夠獲得高于約300Oe的Hk，以及對于約15的PtMn間隔層厚度能夠獲得高于約400Oe的Hk。
在上面實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中的PtMn間隔層一般為等原子的Pt50Mn50。然而，因?yàn)槠浜穸刃∮诋a(chǎn)生交換偏移作用所需要的厚度，所以PtMn間隔層可以具有相對寬的組分范圍，例如Pt原子百分比可以為約25到75之間。
為了在偏移層和自由層之間獲得正交耦合，在通過與反鐵磁體交換偏移產(chǎn)生的低的外部施加磁場中偏移層應(yīng)該具有固定的磁化方向。作為選擇，具有高剩磁的硬磁體可以用作偏移層，因?yàn)樗拇呕诘陀谒某C頑磁場的外部施加磁場中也將固定。
導(dǎo)電磁耦合間隔層需要表現(xiàn)出一定程度的反鐵磁相互作用以由界面自旋失效在第二鐵磁層中產(chǎn)生正交耦合。由此間隔層可以是反鐵磁或鐵磁材料。然而間隔層應(yīng)該低于它表現(xiàn)出與鄰近鐵磁層交換偏移相互作用的臨界厚度。于是正交耦合是能量最小化的結(jié)果。因此下面描述的材料也被認(rèn)為適合用作導(dǎo)電間隔層。
如果它們表現(xiàn)出低于它們具有反鐵磁交換偏移作用的厚度，其它的Mn合金可以適合用作提供正交磁耦合的間隔層。這些其它的Mn合金包括NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn和RhMn。這些Mn合金也可以包括少量的添加元素，例如Cr、V、Pt、Pd和Ni，通常添加這些元素來提高耐蝕性或增加電阻。
元素Cr或Mn也適合用作間隔層。盡管它們表現(xiàn)出反鐵磁有序，任一元素的薄層不會(huì)表現(xiàn)出與鄰近鐵磁層的交換偏移互作用。
某些導(dǎo)電鐵磁材料，例如稀土過渡金屬合金，也適于用作間隔層。它們包括TbFe、TbCo、GdFe和GdCo。
除了用于磁性耦合間隔層的上述材料，所有表現(xiàn)出反鐵磁互作用的材料、某些引起電子媒介間接交換耦合(RKKY耦合)的非磁性過渡金屬也是適合的，因?yàn)榻粨Q互作用可以在作為間隔厚度函數(shù)的反鐵磁值和鐵磁值之間振蕩。所以如果層的微觀結(jié)構(gòu)被做成間隔層的局部厚度快速波動(dòng)，那么反鐵磁值和鐵磁值可以共存在小于鐵磁疇壁寬的規(guī)模上。這種情況在磁性上類似于反鐵磁間隔，并也因此引起導(dǎo)致鐵磁層正交耦合的失效。這些非磁性間隔材料包括Cu、Ru、Ir、Rh和Os。參見J.C.Slonczewski的“Overview of interlayerexchange theory”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，150(1995)13-24。
在上述的實(shí)施例中和在實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)中，偏移鐵磁層交換偏移到反鐵磁層。然而，如上所述，偏移鐵磁層也可以是硬鐵磁體，例如CoPt或CoCrPt，在這種情況下不需要反鐵磁層。
雖然圖2示出的結(jié)構(gòu)具有在自由層210上面的釘扎鐵磁層206，但是這些層也可以反過來，在這種情況下堆疊240將位于自由層210和頂層230之間，堆疊240的層的順序也可以反過來，即磁性耦合間隔層242將位于自由層210的上面，偏移層244在間隔層242的上面，反鐵磁層246在偏移層244的上面和頂層230的下面。
而且，釘扎層206可以是公知的反平行釘扎(AP釘扎)結(jié)構(gòu)，也稱為“層疊的”釘扎層，如在美國專利5465185中所述。該結(jié)構(gòu)使釘扎層206與自由層210的靜磁耦合最小化。AP釘扎結(jié)構(gòu)包括鐵磁釘扎層、非磁性間隔層和鐵磁參考層。
雖然本發(fā)明參照優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行具體示出和描述，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下在形式和細(xì)節(jié)上可以進(jìn)行各種變化。因此，認(rèn)為所公開的發(fā)明僅作為說明性的和有限的，其范圍由附加的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種具有基板和多個(gè)鐵磁層的類型的磁性器件中的磁耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)形成在所述基板上并包括第一鐵磁層，其具有沿著第一方向取向的面內(nèi)磁化方向；第二鐵磁層，其磁耦合到所述第一鐵磁層并在沒有施加磁場時(shí)具有大致上垂直于所述第一方向取向的面內(nèi)磁化方向；以及導(dǎo)電間隔層，其在所述第一和第二鐵磁層之間，該間隔層引起所述第二鐵磁層到所述第一鐵磁層的大致上正交磁耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層是一種包括X和Mn的合金，其中X從Pt、Ni、Fe、Ir、Pd和Rh構(gòu)成的組中選擇。
3.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述XMn合金包括一種或多種從Cr、V、Pt、Pd和Ni構(gòu)成的組中選擇的元素。
4.如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層是厚度小于大約100埃的PtMn合金。
5.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其中所述PtMn合金具有大約15和50埃之間的厚度。
6.如權(quán)利要求4所述的結(jié)構(gòu)，其中所述PtMn合金包括具有大約25和75原子百分比之間的Pt的PtMn合金。
7.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層主要由Cr或Mn構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層基本上由從TbFe、TbCo、GdFe和GdCo構(gòu)成的組選擇的稀土過渡金屬合金構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述間隔層基本上由從Cu、Ru、Ir、Rh和Os構(gòu)成的組選擇的過渡金屬合金構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步包括與該第一鐵磁層交換耦合的反鐵磁層，用于在存在施加磁場時(shí)基本上防止所述第一鐵磁層的磁化旋轉(zhuǎn)。
11.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中所述第一鐵磁層是磁化方向在存在施加磁場時(shí)基本上防止發(fā)生旋轉(zhuǎn)的硬鐵磁體。
12.如權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)，其中該器件是電流垂直于平面的磁阻傳感器，并且其中所述第二鐵磁層是其磁化方向在存在施加磁場時(shí)自由旋轉(zhuǎn)的傳感自由層，所述自由層的磁化通過所述第一鐵磁層跨過所述間隔層被穩(wěn)定。
13.一種磁阻傳感器，當(dāng)垂直于傳感器中層的平面施加傳感電流時(shí)能夠感應(yīng)外部磁場，該傳感器包括基板；自由鐵磁層，其具有在不存在外部磁場時(shí)基本上沿著第一方向取向的面內(nèi)磁化方向，所述自由層磁化方向在存在外部磁場時(shí)基本上自由旋轉(zhuǎn)；釘扎鐵磁層，其具有沿著基本上垂直于所述第一方向的第二方向取向的面內(nèi)磁化方向；第一反鐵磁層，其交換耦合到所述釘扎層并在存在所關(guān)心范圍內(nèi)的外部磁場時(shí)防止釘扎層磁化方向的大幅旋轉(zhuǎn)；在所述自由層和所述釘扎層之間的非磁性間隔層；鐵磁偏移層，其磁耦合到所述自由層并在不存在外部磁場時(shí)具有基本上垂直于所述第一方向取向的面內(nèi)磁化方向；以及在所述偏移層和所述自由層之間的導(dǎo)電間隔層，所述偏移層和所述自由層之間的該間隔層引起所述自由層到所述偏移層的基本上正交磁耦合。
14.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中進(jìn)一步包括與所述偏移層交換耦合的第二反鐵磁層，用于在存在所考慮范圍的外部磁場時(shí)基本上防止所述偏移層的磁化方向的旋轉(zhuǎn)。
15.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述偏移層是磁化方向在存在所關(guān)心范圍的外部磁場時(shí)基本上防止發(fā)生旋轉(zhuǎn)的硬鐵磁體。
16.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述非磁性間隔層是導(dǎo)電的。
17.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述傳感器是磁性隧道結(jié)，且其中所述非磁性間隔層是電絕緣隧道勢壘。
18.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述釘扎層位于所述基板和所述自由層之間，并且該自由層位于所述釘扎層和所述偏移層之間。
19.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述釘扎層是反平行釘扎層。
20.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中所述傳感器是用于從磁記錄介質(zhì)上的軌道讀出磁記錄數(shù)據(jù)的磁阻讀出頭，其中所述基板是由導(dǎo)磁材料形成的并具有基本水平平坦表面的第一屏蔽，其中所述自由層、所述釘扎層和所述非磁性間隔層具有將傳感器軌道寬度限定為小于所述第一屏蔽的寬度的基本垂直側(cè)壁，并且其中所述偏移層在所述自由層下面所述基板上并延伸過傳感器軌道寬度。
21.如權(quán)利要求19所述的傳感器，其中在所述偏移層和所述自由層之間的導(dǎo)電間隔層在所述偏移層上并延伸過傳感器軌道寬度。
22.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中在所述偏移層和所述自由層之間的所述間隔層是包括X和Mn的合金，其中X從Pt、Ni、Fe、Ir、Pd和Rh構(gòu)成的組中選擇。
23.如權(quán)利要求22所述的傳感器，其中在所述偏移層和所述自由層之間的所述間隔層是厚度小于大約100埃的PtMn合金。
24.如權(quán)利要求23所述的傳感器，其中所述PtMn合金包括具有大約25和75之間原子百分比的Pt的PtMn合金。
25.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中在所述偏移層和所述自由層之間的所述間隔層基本上由Cr或Mn構(gòu)成。
26.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中在所述偏移層和所述自由層之間的所述間隔層基本上由從TbFe、TbCo、GdFe和GdCo構(gòu)成的組中選擇的稀土過渡金屬合金構(gòu)成。
27.如權(quán)利要求13所述的傳感器，其中在所述偏移層和所述自由層之間的所述間隔層基本上由從Cu、Ru、Rh、Ir和Os構(gòu)成的組中選擇的過渡金屬合金構(gòu)成。
28.一種電流垂直于平面的磁阻讀出頭，用于從磁記錄介質(zhì)上的軌道讀出磁記錄數(shù)據(jù)，該頭包括由導(dǎo)磁材料形成的并具有基本水平平坦表面的第一屏蔽；在所述第一屏蔽上且在不存在來自所述介質(zhì)的磁場時(shí)具有沿著固定方向取向的面內(nèi)磁化方向的鐵磁偏移層；在所述偏移層上的導(dǎo)電磁耦合層；在所述磁耦合層上并且跨過該磁耦合層被磁耦合到所述偏移層的自由鐵磁層，該自由層在不存在磁場時(shí)具有接近垂直于所述偏移層的固定磁化方向取向的面內(nèi)磁化方向，且在存在來自所述介質(zhì)的磁場時(shí)基本上自由旋轉(zhuǎn)；在所述自由層上的非磁性間隔層；具有平行于所述偏移層的所述固定磁化方向的面內(nèi)磁化方向的釘扎鐵磁層；交換耦合到所述釘扎層并在存在來自所述介質(zhì)的磁場時(shí)防止所述釘扎層的磁化方向大幅旋轉(zhuǎn)的反鐵磁層；以及其中所述自由層和所述釘扎層以及所述非磁性間隔層具有將傳感器軌道寬度限定為小于所述第一屏蔽的寬度的基本垂直側(cè)壁，并且其中所述偏移層延伸過所述傳感器軌道寬度。
29.如權(quán)利要求28所述的頭，其中該磁耦合層延伸過傳感器軌道寬度。
30.如權(quán)利要求28所述的頭，其中進(jìn)一步包括在所述第一屏蔽和所述偏移層之間并和所述偏移層交換耦合用于在存在來自所述介質(zhì)的磁場時(shí)基本防止所述偏移層的磁化方向旋轉(zhuǎn)的反鐵磁層，該反鐵磁層交換耦合到延伸過所述傳感器軌道寬度的所述偏移層。
31.如權(quán)利要求23所述的頭，其中交換耦合到所述偏移層的所述反鐵磁層由從PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PdPtMn和RhMn構(gòu)成的組選擇的材料形成。
32.如權(quán)利要求28所述的頭，其中該頭是自旋閥頭，該非磁性間隔層是導(dǎo)電的。
33.如權(quán)利要求28所述的頭，其中該頭是磁性隧道結(jié)頭，并且其中所述非磁性間隔層是隧道勢壘。
34.如權(quán)利要求28所述的頭，其中所述磁耦合層是包括X和Mn的合金，其中X從Pt、Ni、Fe、Ir、Pd和Rh構(gòu)成的組中選擇。
35.如權(quán)利要求34所述的頭，其中XMn合金包括從Cr、V、Pt、Pd和Ni構(gòu)成的組選擇的一種或多種元素。
36.如權(quán)利要求34所述的頭，其中所述磁耦合層是包括Pt和Mn的合金，并具有小于大約100埃的厚度。
37.如權(quán)利要求36所述的頭，其中所述PtMn合金具有大約15到50埃之間的厚度。
38.如權(quán)利要求36所述的頭，其中所述PtMn合金包括具有大約25到75原子百分比之間的Pt的PtMn合金。
39.如權(quán)利要求28所述的頭，其中磁耦合層基本上由Cr或Mn構(gòu)成。
40.如權(quán)利要求28所述的頭，其中磁耦合層包括從TbFe、TbCo、GdFe和GdCo構(gòu)成的組中選擇的稀土過渡金屬合金。
41.如權(quán)利要求28所述的傳感器，其中磁耦合層基本上由從Cu、Ru、Rh、Ir和Os構(gòu)成的組中選擇的過渡金屬合金構(gòu)成。
全文摘要
一種磁性耦合結(jié)構(gòu)，具有兩個(gè)鐵磁層，它們的面內(nèi)磁化方向跨過導(dǎo)電間隔層正交耦合，所述間隔層引起直接正交磁耦合。此結(jié)構(gòu)用于電流垂直于平面(CPP)磁阻傳感器中的堆疊內(nèi)偏移。此結(jié)構(gòu)的一個(gè)鐵磁層是偏移鐵磁層，另一個(gè)鐵磁層是傳感自由層。反鐵磁層交換耦合偏移層以平行于傳感釘扎層的磁距固定它的磁距。這使得使用單個(gè)退火步驟來設(shè)定偏移層和釘扎層的磁化方向。導(dǎo)電間隔層、偏移層和交換耦合偏移層的反鐵磁層可以都延伸過傳感器堆疊的邊緣。
文檔編號(hào)H01F10/30GK1670825SQ20041010072
公開日2005年9月21日 申請日期2004年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月16日
發(fā)明者馬修·J·卡里, 杰弗里·R·奇爾德里斯, 布魯斯·A·格尼, 斯蒂芬·馬特 申請人:日立環(huán)球儲(chǔ)存科技荷蘭有限公司