專利名稱：具有增強的引線穩(wěn)定化機制的自釘扎讀取傳感器結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁阻傳感器，特別涉及自釘扎磁阻傳感器中被釘扎層(pinnedlayer)的磁穩(wěn)定。
背景技術：
計算機的核心是磁盤驅動器，其包括磁盤、安裝有包括寫入和讀取頭的磁頭組件的滑塊、懸臂、及致動臂。滑塊通過懸臂偏向磁盤表面。當磁盤旋轉時，旋轉的磁盤使滑塊的空氣軸承表面(ABS)附近的空氣移動，導致滑塊在空氣軸承上飛行。當滑塊在空氣軸承上飛行時，致動臂擺動懸臂從而將磁頭組件置于旋轉磁盤上的選定的圓形磁道上方，這里通過寫入和讀取頭分別寫入和讀取信號場。寫入和讀取頭連接到根據計算機程序工作的處理電路從而實現寫入和讀取功能。
一種典型的高性能讀取頭采用磁阻讀取元件來從旋轉磁盤感測信號場。磁阻傳感器通過讀取元件的磁阻變化檢測磁場信號，該磁阻變化是讀取元件感應到的磁通量的強度和方向的函數。在過去十年中，這樣的讀取元件主要采取巨磁阻傳感器(GMR)的形式。最近，已經研究隧道結傳感器作為磁讀取元件使用。
GMR元件在本領域也稱為自旋閥磁阻元件，其包括由非磁性的導電隔離層分隔的一對鐵磁層。該鐵磁層中的一層的磁化被固定或“被釘扎”，同時另一層被偏置但響應磁場自由轉動。由于經過間隔層的電子的自旋相關散射，經過間隔層的電流依賴于自由和被釘扎磁層的磁化的相對取向。當自由和被釘扎層彼此平行磁化時電流最大，而磁化是反平行時電流最小。自由和被釘扎層通常在沒有磁場時被設定為彼此成90度從而相應于磁場信號產生最線性的電阻變化。現在使用的大多數GMR傳感器結合了平面內電流(current in plane)(CIP)設計，其中電流在上述層的平面內從傳感器的一側流到另一側。另一種被稱為電流垂直于平面(current perpendicular to plane)(CPP)的傳感器的GMR傳感器具有一種設計，其中電流在垂直于傳感器的平面的方向上流經傳感器。
磁隧道結傳感器(MTJ)包括由薄絕緣隧道阻擋層隔開的兩鐵磁層，并基于自旋極化電子隧道效應現象。絕緣隧道阻擋層足夠薄使得在鐵磁層之間發(fā)生量子力學隧道效應。隧道效應是電子自旋相關的，使MTJ的磁響應是兩鐵磁層的相對取向和自旋極化的函數。
GMR傳感器和TMR傳感器兩者都需要維持被釘扎層處于其釘扎狀態(tài)的機制。傳統(tǒng)上，這通過設置被釘扎層使得它與反鐵磁材料(例如PtMn)交換耦合來實現。盡管反鐵磁材料自身不是磁性的，但是當與磁性材料交換耦合時，它非常強地固定磁性層的磁化。為有效地固定被釘扎層的磁化，與傳感器的其它層相比反鐵磁層必須很厚。不斷提高的記錄密度需求要求更小的縫隙(gap)高度并且因此要求更薄的傳感器。厚AFM層對厚度預算是大的花費。另外反鐵磁材料在稱為阻隔溫度(blocking temperature)的給定溫度喪失其反鐵磁特性。因此，特定事件(例如靜電放電或滑塊撞擊磁盤)可使AFM的溫度提高到足以喪失被釘扎層的釘扎。這樣的事件導致磁頭失效。
為進一步改進被釘扎層的釘扎，最近磁頭用反平行耦合的被釘扎層(AP耦合被釘扎層)構造。在這種傳感器中，被釘扎層由一對由非磁性的耦合層(例如Ru)隔開的鐵磁層構成。該鐵磁層經常構造為具有彼此接近但不完全相同的磁厚度。兩個鐵磁層的反平行靜磁耦合大大增加了釘扎，磁厚度(magnetic thickness)的輕微差異產生凈磁力(net magnetism)，其允許AP耦合被釘扎層的磁方向在磁場中被設定。在這樣的AP耦合被釘扎層中，最遠離傳感器的間隔層的鐵磁層如前段中討論的那樣與AFM交換耦合。
更近以來，為減小傳感器的高度并因此增加數據密度，已經嘗試構造其中被釘扎層不要求與AFM交換耦合的傳感器。盡管一些這樣的傳感器已經使用薄PtMn籽層來初始化(initiate)被釘扎層中的所期望的晶體學結構，但是這種自釘扎傳感器中的PtMn的厚度太薄而不能交換耦合并釘扎被釘扎層。這種自釘扎傳感器通過被釘扎層的本征各向異性、靜磁耦合、及磁致伸縮的結合實現釘扎。兩反平行耦合的鐵磁層構造為具有盡可能接近的磁厚度。磁厚度越接近，層間的靜磁耦合越強。反平行耦合層也由具有強的正磁致伸縮的材料構造。磁致伸縮是材料的一種性能，即在材料被置于壓縮應力下時其在特定方向被磁化。磁頭的構造在傳感器上產生一定量的壓縮應力，當與被釘扎層的磁致伸縮結合時，輔助釘扎。這種自釘扎傳感器已經在極大降低傳感器厚度方面顯示出希望，然而其具有不穩(wěn)定性。這種傳感器的被釘扎層易于翻轉方向，一種導致磁頭失效的災難事件。因此，存在對通過使用自釘扎層降低厚度預算同時為自釘扎層提供改進的穩(wěn)定性以避免方位角翻轉(amplitude flipping)的機制的需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種磁阻結構，其用于改進磁阻傳感器中自釘扎層(selfpinned layer)的釘扎。本發(fā)明包括在具有凸起部分和自凸起部分橫向延伸的橫向對立凹進部分的屏蔽(shield)上構造的傳感器。本發(fā)明還包括在屏蔽的凸起部分上形成的磁阻元件。磁阻元件可以是例如GMR傳感器(CIP或CPP)或TMR。第一和第二壓縮層形成于屏蔽的凹進部分上面。第一和第二硬磁層形成在壓縮層上面。
屏蔽的凹進部分有利地允許壓縮層沉積得比沒有凹進部分時可能的更厚，并且沒有為后面的光刻工藝產生形貌問題。例如Cu的壓縮材料是在形成有間斷時傾向于擴展到間斷內而不是如一些其它材料可能的那樣自間斷縮回的材料。本發(fā)明人發(fā)現，這樣的壓縮材料在與被釘扎層的靜磁特性相結合時大大增強釘扎。本發(fā)明人還發(fā)現，壓縮層越厚，對釘扎的輔助越大。因此，屏蔽的凹進區(qū)域所允許的更厚的壓縮層提供了比別的情況下可能的釘扎輔助更大的釘扎輔助。
本發(fā)明的傳感器可以是GMR傳感器(CIP或CPP)，或者可以是隧道閥(tunnel valve)(TMR)。如果使用CPP GMR或TMR，那么屏蔽將與傳感器電聯系(communication)。雖然在屏蔽與傳感器之間可以包括或者不包括其它導電層，但是基本上屏蔽成為引線。如果傳感器是CIP GMR，那么屏蔽將通過絕緣間隙層與傳感器電絕緣。這種情形中，可以提供引線來傳導電流到傳感器的相對側面，從而向傳感器提供感測電流。
在CIP傳感器的情形中，在屏蔽和傳感器之間將有絕緣層；而在CPP或MTJ傳感器的情形中，在屏蔽和傳感器之間將有導電層或根本沒有層。構造在傳感器的每一側具有較厚的壓縮層的自釘扎傳感器將在壓縮層上方引起惡劣的形貌，因為該結構將不得不從傳感器的每一邊嚴重向上張開以容納該較厚的壓縮層。這將對后來的用于構造通常在讀元件之后構造的上屏蔽和寫入頭的光刻工藝產生問題。因此，在具有其上構造傳感器的凸起部分和容納更厚的壓縮材料的凹進側部的屏蔽上構造傳感器大大改進了在該結構頂部上的形貌，非常利于后來的工藝步驟。
根據本發(fā)明還提供一種數據存儲系統(tǒng)，包括與機架(housing)連接的電機；與所述電機連接的心軸；磁盤，其支撐在所述心軸上以圍繞其自身的軸旋轉；致動器；以及滑塊，其由所述致動器支撐以在所述盤表面作樞軸運動；形成在所述滑塊上的磁傳感器，所述磁傳感器包括第一磁屏蔽層，其具有凸起部分、以及自其橫向延伸的第一和第二橫向對立的低矮部分；磁阻傳感器，其形成于所述第一磁屏蔽層的所述凸起部分之上，所述磁阻傳感器具有反平行耦合的自釘扎層，并具有自由磁層；以及第一和第二壓縮層，其形成于所述屏蔽的所述第一和第二橫向對立的低矮部分之上。


為更充分理解本發(fā)明的本質和優(yōu)點以及應用的優(yōu)選模式，將參考下面結合附圖的詳細描述。
圖1是一種磁存儲系統(tǒng)的簡化的局部示意圖，本發(fā)明可以以該系統(tǒng)實施；圖2是滑塊的從線2-2獲得的放大的ABS視圖；圖3是根據本發(fā)明實施例的讀傳感器的從圖2的圓圈3取得的放大圖。
具體實施例方式
下面的描述是目前預期的實施本發(fā)明的優(yōu)選實施例。此描述為了說明本發(fā)明的基本原理給出，而不是要限制這里提出的發(fā)明概念。
現參考圖1，示出了實施本發(fā)明的盤驅動器100。如圖1所示，至少一個可旋轉的磁盤112支撐在心軸(spindle)114上，并被盤驅動電機118旋轉。每個盤上的磁記錄呈磁盤112上環(huán)狀圖形的同心數據軌道(未示出)的形式。
至少一個滑塊113置于磁盤112附近，每個滑塊113支撐一個或更多個磁頭組件121。磁盤旋轉時，滑塊113在盤表面122上方徑向移進和移出，使得磁頭組件121可以訪問磁盤的不同軌道，其中寫入需要的數據。每個滑塊113通過懸架(suspension)115附于致動臂119上。懸架115提供輕微的彈力(spring force)，其使滑塊113向著盤表面122偏置。每個致動臂119附于致動裝置127上。圖1所示的致動裝置127可以是音圈電機(VCM)。VCM包括可在固定磁場內移動的線圈，該線圈移動的方向和速度由控制器129提供的電機電流信號控制。
在盤存儲系統(tǒng)工作期間，磁盤112的旋轉在滑塊113和盤表面122之間形成對滑塊施加向上的力或升力的空氣軸承(air bearing)?？諝廨S承于是平衡懸架115的輕微彈力，并在正常工作中支撐滑塊113離開盤表面并略微在盤表面上方一小的基本恒定的間距。
盤存儲系統(tǒng)的各種構件在工作中由控制單元129產生的控制信號(例如訪問控制信號和內部時鐘信號)控制。通常，控制單元129包括邏輯控制電路、存儲裝置和微處理器?？刂茊卧?29產生控制信號來控制各種系統(tǒng)操作，例如線123上的驅動電機控制信號和線128上的磁頭位置和尋道控制信號。線128上的控制信號提供所需的電流分布(profile)來最優(yōu)地移動并定位滑塊113到盤112上的所需的數據磁道。寫入和讀取信號通過記錄通道(recordingchannel)125向寫入和讀取頭121或從寫入和讀取頭傳送。
以上對通常磁盤存儲系統(tǒng)的描述以及圖1的伴隨說明只是為陳述的目的。顯然盤存儲系統(tǒng)可包含大量盤和致動器，并且每個致動器可支撐許多滑塊。
參考圖2，從圖1的線2-2得到的滑塊113的ABS視圖表示磁頭121在滑塊上的布置。磁頭121通常置于滑塊的后緣(trailing edge)，因為這是滑塊121最接近磁盤飛行的位置。
圖3示出從圈3-3得到的極大地放大的視圖，其示出根據本發(fā)明的實施例的總地由301指代的磁傳感器。盡管參照圖3說明的特定實施例是隧道結磁阻傳感器(TMR)，但是本發(fā)明的傳感器也可以在使用CPP或CIP GMR傳感器的磁頭中實施。磁頭301包括第一屏蔽或下屏蔽303，其具有凸起的中心部分304和自凸起部分304凹進的橫向延伸的第一和第二側部305、307。
圖3中總地表示為309的磁阻元件包括反平行耦合的被釘扎層311，該層包括由反平行耦合層317分隔的第一和第二鐵磁層313、315。鐵磁層313、315可由多種鐵磁材料形成，并優(yōu)選由CoFe形成，并且具有盡可能彼此接近的磁厚度。反平行耦合層317可由若干非磁性材料形成，并優(yōu)選由約8埃厚的Ru構成。非磁性電絕緣勢壘(barrier)層319形成在AP被釘扎層311之上，并優(yōu)選由Al2O3形成，盡管許多其它電絕緣材料也能適合。自由磁層321形成在勢壘層319上并優(yōu)選由CoFe/NiFe構成，盡管其它材料也是適合的。第二屏蔽或上屏蔽323形成在自由層321之上并如圖3所示那樣向外橫向延伸。第二屏蔽優(yōu)選由與第一屏蔽相同的材料形成，但也可由一些其它磁性材料形成。盡管沒有要求，但是如果第一和第二屏蔽303、323由導電材料構成，則通過提供設置在讀取元件309與第一和第二屏蔽303、323之間的導電引線325、327可以實現改進的導電性。引線325、327可由很多導電材料構成，但優(yōu)選由Cu或Au構成。
繼續(xù)參考圖3，被釘扎層311的鐵磁層313、315具有如符號329、331表示的被釘扎成進入頁面和從頁面出來的磁化。盡管示出底部313的磁化是進入頁且頂部315是從頁出來，但是方向可以是相反的。當層313、315置于如箭頭333、335所示的壓縮應力下時，材料的正磁致伸縮輔助層313、315的釘扎。通過在磁場中退火被釘扎層提供進一步的釘扎輔助，從而設置層313、315的磁各向異性垂直于頁面。
自由層321具有如箭頭337所示的被偏置成垂直于被釘扎層311的磁化的磁化。盡管箭頭顯示為朝向右側，但是其也可指向左側。盡管自由層的磁化如337所示那樣被偏置，但是其在有磁場時能自由旋轉。下面將更詳細地討論偏置自由層的機制。
進一步參考圖3，第一和第二絕緣層339和341形成在凹進的側部305、307之上。盡管圖3所示的視圖顯示絕緣層是兩個不同層，但是本領域的技術人員將意識到此兩層可在進入頁面的一點處連接起來。
形成在絕緣層上方的第一和第二壓縮材料層343、345提供壓縮應力333、335以輔助被釘扎層311的釘扎。壓縮材料是一種材料，該材料在形成有間斷(例如由磁阻元件309提供的間斷)時，傾向于要擴展到該間斷內，而不是如一些其它材料將表現的那樣從該間斷縮回。例如Rh表現出這樣的壓縮特性，盡管也可以使用其它材料。壓縮材料343、345提供的壓縮力333、335大大增強了被釘扎層311的自釘扎，并有利地防止方位角翻轉。
形成在壓縮材料層上方的第一和第二硬偏置層(HB)347、349提供偏置以維持自由層321的自由磁取向337如期望的那樣取向。本領域的技術人員將意識到，HB層347、349應該設置成充分鄰近自由層321以實現自由層321的有效偏置。HB層347、349可為例如CoPt，并可包括CrMo籽層。HB層347、349也可為CoPtCr，并可包括Cr籽層。進一步，本發(fā)明預期構造其它硬磁材料的HB層。
第三和第四壓縮層351、353(可以為例如Rh)可設置在HB層347、349之上，接著是Ta覆蓋層(capping layer)355、357。另外，薄(約20埃)Ta籽層可設置在第三和第四壓縮層351、353下方。這些額外的壓縮層351、353能為避免方位角翻轉提供進一步的釘扎輔助。絕緣層359、361設置在Ta覆蓋層之上從而確保感測電流如期望的那樣只流經MR元件309。
本發(fā)明人發(fā)現，在自釘扎MR元件309的側面設置壓縮材料343、345極大地提高了引起不期望的方位角翻轉所需要的反轉磁場(switching field)。另外，本發(fā)明人發(fā)現，壓縮層343、345越厚，此反轉磁場變得越大。鑒于磁頭通常構造為具有相對平的底部引線，這樣的結構不允許較厚的壓縮層。這種情形中，提供厚壓縮層343、345、351、353將引起上屏蔽323在側部強烈向上張開，導致對于后來的制造工藝無法接受的形貌。本發(fā)明人已經加入創(chuàng)新的凹進部分339、341，從而為壓縮層343、345、351、353提供空間而不犧牲形貌。通過將絕緣層339、341構造進屏蔽303的凹進部分305、307，其上形成的穩(wěn)定化結構能夠以更大的厚度并以可控的方式制造，直到自釘扎層可被所提供的額外應力充分釘扎的程度。
磁傳感器301可通過首先在襯底(未示出)上沉積例如NiFe的磁性層形成。NiFe可通過包括電鍍的各種方法沉積。然后，MR元件309的層可沉積為完整的膜層，接著利用在將要成為MR元件309的區(qū)域之上的光致抗蝕劑掩模構圖?？墒褂秒x子研磨工藝來以可控的方式去除MR和屏蔽材料，形成MR元件309和凹進部分305、307。隨后，所希望的是用大仰角(high angle)離子研磨步驟從傳感器309和屏蔽303的凸起部分304的側面去除再沉積的材料。然后，絕緣層339、341、第一和第二壓縮層343、345、硬偏置層347、349、第三和第四壓縮層351、353、覆蓋層355、357、以及絕緣層359、361可被沉積。
構造磁頭301的另一工藝包括沉積屏蔽303，然后在將要成為凸起部分304的區(qū)域之上沉積掩模層(例如光致抗蝕劑)。然后可執(zhí)行離子研磨工藝，從而去除材料以形成屏蔽303的凸起部分304。接著，絕緣材料可沉積為完整膜，并且光致抗蝕劑可被剝離，留下絕緣層339、341。接下來，利用例如化學機械拋光的平坦化步驟可制備有利的平坦表面，其上將形成后繼層。作為選擇，光致抗蝕劑層可在完整膜絕緣層的沉積前去除，并且可使用CMP工藝來平坦化結構并從其上將構造MR元件303的凸起部分304去除絕緣體。
本領域的技術人員將意識到，本發(fā)明可用于GMR傳感器及TMR。如果GMR傳感器作為MR元件使用，則將在MR元件309與第一和第二屏蔽303、323之間設置稱為第一和第二間隙層的絕緣層。然后，將形成引線，以向MR元件309的每一側面提供感測電流。在此情形中，上壓縮層351、353和下壓縮層343、345二者可兼作提供感測電流的引線。
在本發(fā)明的一個示例性實施例中，第一和第二壓縮層均具有至少17埃的厚度，或至少200埃的厚度，或至少750埃的厚度。
可以看出，本發(fā)明通過為增加自釘扎MR傳感器中方位角翻轉的阻力提供釘扎方案克服了現有技術的很多困難。盡管上面已經描述了各種實施例，但應當理解這些只是作為例子提出而不是限制。因此，優(yōu)選實施例的寬度和范圍不應被任何上述示例性實施例限制，而應只根據權利要求及其等價物來定義。
權利要求
1.一種磁傳感器，包括第一磁屏蔽層，具有凸起部分、以及自此橫向延伸的第一和第二橫向對立的凹進部分；磁阻傳感器，其形成于所述第一磁屏蔽層的所述凸起部分之上，所述磁阻傳感器具有反平行耦合的自釘扎層，并具有自由磁層；以及第一和第二壓縮層，其形成于所述屏蔽的所述第一和第二凹進部分之上。
2.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述反平行被釘扎層包括被反平行耦合層分隔的具有正磁致伸縮的第一和第二鐵磁層，并且其中所述自釘扎層的釘扎由磁致伸縮與所述第一和第二鐵磁層之間的靜磁耦合的結合輔助。
3.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述自釘扎層在不存在與反鐵磁材料的交換耦合的輔助的情況下被釘扎。
4.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述第一和第二壓縮層包括Cu。
5.如權利要求1所述的磁傳感器，還包括第一和第二金屬層，其形成于所述第一和第二硬磁材料層之上。
6.如權利要求5所述的磁傳感器，其中所述第一和第二金屬層包括Rh。
7.如權利要求1所述的磁傳感器，還包括第一和第二硬磁層，其形成于所述屏蔽的所述凹進部分之上，所述第一和第二硬磁材料層包括CoPt，并且還包括第一和第二CrMo籽層。
8.如權利要求1所述的磁傳感器，還包括第一和第二硬磁層，其形成于所述屏蔽的所述凹進部分之上，所述第一和第二硬磁材料層包括CoPtCr并進一步包括第一和第二Cr籽層。
9.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述第一和第二壓縮層均具有至少200埃的厚度。
10.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述第一和第二壓縮層均具有至少750埃的厚度。
11.如權利要求1所述的磁傳感器，還包括設置于所述反平行被釘扎層和所述自由磁層之間的絕緣層。
12.如權利要求1所述的磁傳感器，還包括設置于所述反平行被釘扎層和所述自由磁層之間的導電層。
13.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述第一和第二鐵磁層包括具有正磁致伸縮的材料。
14.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述屏蔽層與所述反平行被釘扎層電聯系。
15.如權利要求1所述的磁傳感器，還包括設置于所述屏蔽和所述反平行被釘扎層之間的電絕緣層。
16.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述被釘扎層的所述鐵磁層中的至少一個包括CoFe。
17.如權利要求1所述的磁傳感器，其中所述第一和第二壓縮層具有至少17埃的厚度。
18.如權利要求1所述的磁傳感器，還包括第一和第二硬磁偏置層，其形成于所述第一和第二壓縮層之上；以及第三和第四壓縮層，其形成于所述第一和第二硬偏置層之上。
19.如權利要求18所述的磁傳感器，其中所述第三和第四壓縮層包括Rh。
20.一種數據存儲系統(tǒng)，包括與機架連接的電機；與所述電機連接的心軸；磁盤，其支撐在所述心軸上以圍繞其自身的軸旋轉；致動器；以及滑塊，其由所述致動器支撐以在所述盤表面上作樞軸運動；形成在所述滑塊上的磁傳感器，所述磁傳感器包括第一磁屏蔽層，其具有凸起部分、以及自其橫向延伸的第一和第二橫向對立的低矮部分；磁阻傳感器，其形成于所述第一磁屏蔽層的所述凸起部分之上，所述磁阻傳感器具有反平行耦合的自釘扎層，并具有自由磁層；以及第一和第二壓縮層，其形成于所述屏蔽的所述第一和第二橫向對立的低矮部分之上。
全文摘要
本發(fā)明涉及自釘扎磁阻傳感器，其在每側具有較厚的壓縮材料以輔助自釘扎。在傳感器區(qū)每側具有凹進部分的屏蔽能夠提供用于比其它情況下可能的更厚的壓縮層的空間。
文檔編號H01L43/08GK1658288SQ20051000934
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月17日 優(yōu)先權日2004年2月18日
發(fā)明者丁萌, 小羅伯特·E·方塔納, 何國山, 尼爾·L·羅伯特森, 岑清華 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司