專利名稱：具有反平行釘扎層和改進(jìn)的交換偏磁層的自旋閥磁致電阻傳感器，使用此傳感器的磁記 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及基于自旋閥效應(yīng)用于探測磁場的磁致電阻(MR)傳感器，尤其是涉及這種具有層疊的反平行釘扎層和用于對釘扎層釘扎的改進(jìn)的反鐵磁交換耦合層的傳感器，并涉及裝有這種傳感器的磁記錄系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的磁致電阻(MR)傳感器，例如用于磁記錄盤驅(qū)動器的、基于各向異性磁致電阻效應(yīng)而工作，其中讀出單元電阻分量隨讀出單元磁化方向與流過讀出單元的傳感器電流方向之間的夾角余弦平方而變化。由于來自記錄的磁介質(zhì)(單場)的外磁場引起讀出單元中磁化方向改變，隨后引起讀出單元電阻改變以及引起探測到的電流或電壓相應(yīng)地改變，所以能從磁介質(zhì)讀出記錄的數(shù)據(jù)。
在各種磁多層結(jié)構(gòu)中觀察到一種不同的顯著磁致電阻，稱之為巨磁電阻(GMR)，其基本特征是至少兩層鐵磁性金屬層由非鐵磁性金屬層所分隔。GMR效應(yīng)的物理基礎(chǔ)是外磁場引起相鄰鐵磁性層相對取向變化。由此引起與自旋相關(guān)的傳導(dǎo)電子散射改變以及結(jié)構(gòu)電阻改變。隨著鐵磁性層磁化相對排列的變化，結(jié)構(gòu)電阻也產(chǎn)生變化。
GMR特別有用的一種應(yīng)用是包括兩層由非磁性金屬層隔開的非耦合鐵磁性層的夾層結(jié)構(gòu)，其中鐵磁性層之一的磁化被釘扎。通過把該層淀積在反鐵磁層，例如鐵-錳(Fe-Me)層上，使兩層交換耦合，可以實現(xiàn)釘扎。結(jié)果使得自旋閥磁致電阻(SVMR)傳感器中，當(dāng)存在任何小的外磁場時，只有未被釘扎的或自由鐵磁性層能自由轉(zhuǎn)動。屬于IBM的美國專利5206590公開了一種基本的SVMR傳感器。屬于IBM的未審結(jié)的申請No.081139477，1993年10月15日申請的，描述了一種SVMR傳感器，釘扎層是兩層鐵磁膜被非磁性耦合膜所隔開的層疊結(jié)構(gòu)，以使兩層鐵磁性膜的磁化以反平行取向反鐵磁性地強(qiáng)耦合在一起。
多數(shù)早期公開的SVMR傳感器使用Fe-M、特別是Fe50Mn50作為淀積在釘扎層上的反鐵磁性層，用來交換耦合以此固定或釘扎被釘扎層的磁化。通過與Fe-Mn反鐵磁體的交換各向異性，該釘扎層的磁化被保持剛性以抵抗弱場激勵，例如由待探測的信號場產(chǎn)生的。Fe-Mn以0.08erg/cm2的界面能量與鎳-鐵(Ni-Fe)、鈷(Co)和鐵(Fe)耦合，由此能提供超過200奧斯特(Oe)的交換偏磁場，用于典型的釘扎層磁矩。此交換能量對提供相當(dāng)穩(wěn)定的SVMR傳感器是足夠的。但是，由于Fe-Mn腐蝕特性較差，所以希望開發(fā)腐蝕特性較好的SVMR。有多種腐蝕特性優(yōu)于Fe-Mn的反鐵磁體選擇物，可用于SVMR傳感器。但是，這些耐蝕反鐵磁性材料或是交換各向異性過小，或是在交換偏磁釘扎層中產(chǎn)生過高的矯頑力。在SVMR中使用氧化鎳(NiO)替代Fe-Mn已公開于Journalof the Magnetism Society of Japan，H.Hoyashi等，Vol.18，p.355(1994)和IEEE Transactions on Magnetics，T.C.Anthony等，Vol.MAG-30，p.3819(1994)。但是，只有約100Oe的交換偏磁場，這對于SVMR傳感器應(yīng)用來說太低了。而且，NiO導(dǎo)致對于單層釘扎層相對高的50Oe左右的矯頑力。這種低的交換場和高矯頑力的組合是不能接受的，因為釘扎層對于中等場強(qiáng)的使用是不穩(wěn)定的，包括由釘扎層自身產(chǎn)生的退磁場。
多數(shù)早期公開的SVMR傳感器也有位于底部的自由層或者與在頂部帶有釘扎層的傳感器基片相鄰。由于用于磁記錄盤驅(qū)動器的SVMR讀取傳感器需要以窄的磁軌寬度用于磁性介質(zhì)上，為了抑制磁疇噪聲，需要其有摻雜的自由層縱向偏磁的SVMR傳感器結(jié)構(gòu)。一種提出的方案要求自由層位于結(jié)構(gòu)頂部，并在底部有釘扎層或者與傳感器基片相鄰。但是，由于各層相互如何生長的差別，不能僅改變自旋閥層的淀積次序而獲取相同的膜特性。所有的SVMR傳感器均在自由層和釘扎層之間存在由例如靜磁相互作用、膜中的釘扎孔和電子效應(yīng)引起的中間層交換耦合場(Hi)。期望具有通常低Hi的SVMR傳感器。然而，具有位于底部的釘扎層的SVMR傳感器要求較薄的Fe-Mn層(如由90替換150)以此獲取低于25Oe左右的Hi。但是這些較薄的Fe-Mn層是不希望的，這是因為它們具有低的閉塞溫度(例如130℃，與160℃相比)。閉塞溫度是這樣的一個溫度，若高于它，則Fe-Mn反鐵磁層與鐵扎層之間的交換場就為零。
SVMR傳感器呈現(xiàn)出在非常小的厚度情況下具有期望的磁致電阻水平(在釘扎層與自由層的磁化平行和反平行排列之間的△R/R)。因此，為了實現(xiàn)非常高的記錄密度，在兩個MR屏蔽之間的MR讀取間隙必須非常細(xì)，典型地小于2000A。這種部位抑制了間隙材料的電連續(xù)性，必須使SVMR傳感器與一個或兩個MR屏蔽電絕緣。
對于SVMR傳感器所需的是要具有耐蝕的反鐵磁體，還要能提供對于釘扎層來說有良好的交換各向異性，具有高于約130℃的閉塞溫度。此反鐵磁體還應(yīng)能用作MR讀取間隙的絕緣材料。
根據(jù)本發(fā)明的SVMR傳感器使用與改進(jìn)的反鐵磁(AF)層疊層組合的反平行(AP)釘扎層。此結(jié)構(gòu)中，釘扎層包括由非磁性耦合膜隔開的兩層鐵磁膜，以使兩層鐵磁膜的磁化以反平行取向反鐵磁性地強(qiáng)耦合在一起。在自由層翻轉(zhuǎn)所需的弱場激勵下，此疊層的AP釘扎層是磁剛性的。當(dāng)兩鐵磁層在此AP釘扎層中的磁矩接近相同時，釘扎層的凈磁矩較小。結(jié)果，由于與凈磁矩成反比，所以交換場相應(yīng)地較大。疊層的AP釘扎層所具有的磁化被AF材料所固定或釘扎，后者的耐蝕性較強(qiáng)，但交換各向異性過弱，以致不能用于傳統(tǒng)的SVMR傳感器。在優(yōu)選實施例中，AF層是NiO并形成于作為基片的MR屏蔽之一上。由此，AF材料也用作MR間隙絕緣材料。當(dāng)制造SVMR傳感器時，AF層的定位和在SVMR傳感器底部交換耦合的疊層的AP釘孔層可使自由層的縱向偏磁得以改進(jìn)。
為了進(jìn)一步了解本發(fā)明的性質(zhì)和優(yōu)點，以下將結(jié)合附圖做進(jìn)一步說明。
圖1是使用本發(fā)明的SVMR傳感器的磁記錄盤驅(qū)動器的簡化框圖。
圖2是移去上蓋的圖1盤驅(qū)動器的頂視圖。
圖3是已有的SVMR傳感器的分解透視圖。
圖4是圖3的SVMR傳感器旋轉(zhuǎn)90度后的剖面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的SVMR傳感器的剖面圖。
圖6是使用NiO基疊層的AP釘扎結(jié)構(gòu)(NiO/Co/Ru/Co)的SVMR傳感器的M-H回線圖，在400Oe的磁場幅度范圍疊層AP釘扎層呈現(xiàn)小的翻轉(zhuǎn)。
圖7是使用NiO基疊層的AP釘扎結(jié)構(gòu)(NiO/Co/Ru/Co)的SVMR傳感器的磁致電阻與外磁場的曲線圖，在400Oe的磁場變化范圍內(nèi)，在最高場強(qiáng)處磁致電阻僅有微小的下降。
圖8是使用NiO基疊層的AP釘扎結(jié)構(gòu)(NiO/Co/Ru/Co)的SVMR傳感器的磁致電阻與外磁場的曲線圖，在1000Oe的磁場變化范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出600Oe的交換場，大于傳統(tǒng)的SVMR傳感器。
圖9是使用NiO基單層釘扎的結(jié)構(gòu)(NiO/Co)的SVMR傳感器的磁致電阻與外加磁場的曲線圖，在1200Oe的磁場變化范圍內(nèi)，呈現(xiàn)約100Oe的弱交換場。
圖10是本發(fā)明實施例的SVMR傳感器，其中NiO基疊層的AP釘扎層位于頂部。
圖11是下列傳感器的磁致電阻與外加磁場的曲線圖，(A)具有傳統(tǒng)的由Fe50Mn50層釘扎的單一Co層的SVMR傳感器，(B)具有由(Fe50Mn50)97Cr3層釘扎的傳統(tǒng)的Co/Ni-Fe釘扎層的SVMR傳感器，(C)具有由(Fe50Mn50)97Cr3層釘扎的疊層的AP釘扎層的SVMR傳感器。
現(xiàn)以磁盤存儲系統(tǒng)為例來說明本發(fā)明的SVMR傳感器，如圖1所示，盡管如此，本發(fā)明也可用于其它磁記錄系統(tǒng)，例如磁帶記錄系統(tǒng)，并用于磁隨機(jī)存取存儲系統(tǒng)，其中磁致電阻元件用作比特單元。
參看圖1，這里展示了已有技術(shù)中采用MR傳感器式的盤驅(qū)動器的剖面示意圖。該盤驅(qū)動器包括基座10，其上固定有盤驅(qū)動電機(jī)12和執(zhí)行機(jī)構(gòu)14，以及上蓋11?；?0和上蓋11為盤驅(qū)動器提供了基本密封的殼體。一般，在基座10與上蓋11之間設(shè)有一個密封墊13和一個小通氣孔(未示出)，用于平衡盤驅(qū)動器內(nèi)部與外部環(huán)境之間的氣壓。磁記錄盤16通過安放在軸轂18上來與驅(qū)動電機(jī)12相連，以便由電機(jī)12來旋轉(zhuǎn)。在盤16表面上有一層連續(xù)的潤滑薄膜50。讀/寫頭或傳感器25形成于承載體例如空氣支承滑塊20的拖尾端。傳感器25可以是感應(yīng)式讀寫傳感器，或者感應(yīng)式寫入傳感器并帶有將說明的類型的磁致電阻(MR)讀取傳感器?；瑝K20通過剛性臂22和懸架24與執(zhí)行機(jī)構(gòu)14相連。懸架24提供偏置力把滑塊20驅(qū)策于記錄盤16表面上。在盤驅(qū)動操作過程中，驅(qū)動電機(jī)12以恒速旋轉(zhuǎn)盤16，執(zhí)行機(jī)構(gòu)14通常是線性或旋轉(zhuǎn)音圈電機(jī)(VCM)，使滑塊20徑向橫跨盤16表面運(yùn)動，以致讀/寫頭25可以在盤16的不同數(shù)據(jù)軌跡上存取。
圖2是移走上蓋11的盤驅(qū)動器內(nèi)部的頂視圖，更詳細(xì)地展示了向滑塊20施力把它推向盤16的懸架24。此懸架可以是傳統(tǒng)類型的懸架，例如公知的Watrous懸架，如受讓人的美國專利4167765所述。此類懸架還提供滑塊的常平機(jī)構(gòu)，當(dāng)滑體在空氣支承上懸浮時能仰俯和轉(zhuǎn)動。被磁頭25從盤16檢測到的數(shù)據(jù)通過位于臂22的集成電路芯片15中的信號放大處理電路被處理成數(shù)據(jù)讀回信號。來自磁頭25的信號通過軟電纜17送至芯片15，芯片通過電纜19送出其輸出信號。
以上結(jié)合圖1和2對典型的磁盤存儲系統(tǒng)的說明僅僅出于概述目的。盤存儲系統(tǒng)可以包含大量的磁盤和操作機(jī)構(gòu)，每個操作機(jī)構(gòu)可以支承多個滑塊。此外，為了代替空氣支承滑塊，磁頭承載體可以是保持磁頭與盤接觸或接近接觸盤的一種，例如在液體支承和其它接觸的記錄盤驅(qū)動器中的。
參看圖3，已有的SVMR傳感器30包括合適的基片31，例如玻璃、陶瓷或半導(dǎo)體，例如其上淀積有籽晶或緩沖層33；第一軟磁材料薄層35；非磁性金屬分隔薄層37；第二磁性材料薄層39。MR傳感器30可以構(gòu)成圖1和2的盤驅(qū)動系統(tǒng)中的部分傳感器25，基片31可以是磁頭承載體或滑塊20的拖層端。在設(shè)有來自記錄的磁性介質(zhì)的外加磁場的情況下，鐵磁材料的兩層35、39的磁化按相互夾角最好約為90度的方式取向，分別如箭頭32和38所示。鐵磁性層35被稱為＂自由＂鐵磁層，在于其磁化方向可以對應(yīng)于外加磁場(例如來自磁性介質(zhì)的磁場h而自由地旋轉(zhuǎn)，如層35上的虛線箭頭所示。鐵磁性層39被稱為＂釘扎＂鐵磁層，因為其磁化方向被固定或釘扎在優(yōu)選的取向，如箭頭38所示。由具有相對高的電阻的交換偏磁反鐵磁性材料制成的薄膜層41與鐵磁層39直接接觸地被淀積，通過交換耦合提供偏磁場。層41由此把鐵磁層的磁化釘扎在優(yōu)選方向，以致在具有其強(qiáng)度在信號場范圍內(nèi)的外加磁場的情況下，不能旋轉(zhuǎn)其方向。交換偏磁層41一般是鐵-錳(Fe-Mn)。此材料的耐蝕性相當(dāng)差。但是，由于釘扎層一般具有與約30-100A的Ni-Fe相當(dāng)?shù)膬舸啪兀源瞬牧咸峁┝斯潭ㄡ斣鷮哟呕较蛩璩潭鹊慕粨Q耦合。
圖4是圖3所示結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)了90度后的剖面圖，以致釘扎層39的磁化方向位于紙面，如箭頭38所示。釘扎的鐵磁層39具有凈宏觀磁矩，如箭頭38所示。與此磁矩相關(guān)的磁場(如磁通量線36所示)對自由鐵磁層35具有作用，其磁化方向與釘扎層形成約90度角(進(jìn)入紙的箭頭35)。來自釘扎層39的此場引起自由層35中的磁化變均勻。由于SVMR傳感器中自由層35相對較短，所以在存在來自磁性介質(zhì)的外加信號場時，磁化的非均勻性會引起傳感器部分過早飽和。該SVMR是典型的自旋閥結(jié)構(gòu)，其中自由層35位于傳感器基片底部或與其相鄰。
在本發(fā)明的SVMR傳感器中，傳統(tǒng)的單層釘扎的鐵磁層被疊層結(jié)構(gòu)所代替，該疊層結(jié)構(gòu)包括至少兩層被非磁性薄膜分隔的鐵磁膜，該非磁性薄膜為兩鐵磁膜提供反平行耦合(APC)。此疊層的反平行(AP)釘扎層如未審結(jié)的美國專利申請No.08/139477所述。反平行耦合(APC)膜具有適合的類型和厚度，可使兩鐵磁膜相互反鐵磁性地耦合，在優(yōu)選實施例是約2-8的釕(Ru)。此疊層釘扎層靠近基片位于SVMR的底部，用于釘扎疊層釘扎層的反鐵磁性層(AF)選自具有相對高的耐蝕性的反鐵磁性材料的集合。AF層可以是具有相對弱的交換各向異性的材料，這將使其不適合用于傳統(tǒng)的SVMR傳感器。
如圖5所示，SVMR具有按下列順序的通常結(jié)構(gòu)基片/籽晶/AF/PF1/APC/PF2/SP/FR/CP?；?5可以是任何一種合適的物質(zhì)，包括玻璃、半導(dǎo)體材料或陶瓷材料如三氧化二鋁(Al2O3)。籽晶層55是任何一種改善后續(xù)層的晶體結(jié)構(gòu)或晶粒尺寸的淀積層，而且根據(jù)基片狀況也可不用。若使用，則籽晶層可由鉭(Ta)、鋯(Zr)、鎳-鐵(Ni-Fe)或AL2O3形成。反鐵磁性(AF)層57最好是氧化鎳(NiO)。通過任何一種傳統(tǒng)的方法，例如在含氧氣體中對NiO靶濺射或?qū)i靶濺射，達(dá)到期望的交換特性所需的厚度，一般為200＝500，在籽晶層55上淀NiO AF層57。PF1/APC/PF2疊層釘扎層70形成在AF層57上。兩鐵磁性層72、74(PF1和PF2)最好由Co形成，具有相同或近似相同的磁矩，并被非磁性材料的反平行耦合(APC)膜73隔開，以使PF1和PF2反鐵磁性地強(qiáng)烈耦合在一起。疊層AP釘扎層70中的兩Co膜72、74具有反平行的磁化方向取向，如箭頭75、76所示。兩膜72、74的磁化的反平行排列是因為通過APC膜73的反鐵磁性交換耦合。由于這種反鐵磁性耦合，而且兩Co膜72、74具有基本相同厚度，所以各膜磁矩幾乎相互抵消，以致在疊層的AP釘扎層70中只有極小的或者基本為零的磁矩。如果僅有層72被用做單一的被AF層57釘扎的釘扎層，則將會存在交換場的放大。
為了制成SVMR，在第二鐵磁膜74上形成金屬隔離層65(SP)，在隔離層65上形成自由鐵磁層63(FR)，在自由鐵磁層63上形成覆蓋層62(CP)。當(dāng)無外加磁場時，自由鐵磁層63的磁化軸取向于箭頭77所示方向上，亦即通常垂直于釘扎膜72、74的磁化軸75、76。
AF層57可以是任何一種耐蝕性較強(qiáng)的反鐵磁性材料。但是，它必須為疊層的釘扎層70提供足夠的交換能，對于以零點為中心的范圍至少約為+/-200Oe的外加磁場，使AF/PF1/APC/PF2結(jié)構(gòu)的上升或下降的磁化回線(M-H回線)一般為平坦的。滿足此條件時，PF1或PF2的磁化僅有小的旋轉(zhuǎn)或者無旋轉(zhuǎn)，因此在弱場情況下對SVMR傳感器的磁致電阻無不利影響。當(dāng)使用交換能小于Fe-Mn的AF層57時，采用圖5所示的疊層AP釘扎層可以達(dá)到此條件。
按下列方式制造具有NiO基AP釘扎層的SVMR傳感器。采用RF磁控濺射由NiO靶在干凈的玻璃基片上淀積420的NiOAF層。(在包含氧的反應(yīng)氣體存在的情況下使用Ni靶也能產(chǎn)生濺射淀積的NiO層)。在玻璃基片上不使用籽晶層。在有幾百Oe的磁場的條件下淀積NiO層，但淀積過程不一定要外加磁場。NiO層淀積之后，從NiO淀積系統(tǒng)中取出樣品，并在空氣中傳送于第二個淀積系統(tǒng)。把樣品送入第二淀積系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的離子來源用500eV的氫(Ar)離子剝蝕100秒。由此清潔了NiO表面，并導(dǎo)致去除了約10的表面材料。對疊層的Co/Ru/Co AP釘扎層剝蝕之后，把樣品置于外磁場中，同時通過DC磁控濺射淀積其余膜。淀積后，NiO AF層將不可能是單一的反鐵磁性疇?wèi)B(tài)，結(jié)果Co/Ru/Co釘扎層不會是單一的反鐵磁性疇?wèi)B(tài)，使磁致電阻幅度降低。因此，在膜淀積之后，在15KOe的磁場中把樣品加熱至高于NiO反鐵磁性閉塞溫度(約180℃)。此強(qiáng)場是以抵抗Ru的影響使Co/Ru/Co釘扎層的兩Co層的磁化旋轉(zhuǎn)，以致它們的磁化平行于外加磁場，兩Co層處于單疇?wèi)B(tài)。在外場仍存在的情況下冷卻樣品，以使釘扎層的NiO/Co部分(NiO AF層和相鄰的第一鐵磁膜)的單疇?wèi)B(tài)保留下來。在冷卻至室溫后，除去外加場，在Ru的影響下，釘扎層的第二Co膜的磁化旋轉(zhuǎn)成為反平行于與NiOAF層接觸的Co膜。這對準(zhǔn)交換各向異性的方向，使釘扎層基本上處于單疇?wèi)B(tài)，產(chǎn)生最大的磁致電阻。
圖6展示了具有疊層的AP釘扎層的SVMR傳感器的M-H回線，以4的Ru作為APC膜，以NiO作為AF層。其數(shù)據(jù)如圖6所示的SVMR傳感器具有圖5所示結(jié)構(gòu)，包括玻璃基片45，直接淀積在玻璃基片45而無籽晶層的420NiO層57(AF)，30A鈷(Co)的第一釘扎的磁膜72(PF1)，4ARu膜73(APC)，35CO的第二釘扎鐵磁膜74(PF2)，22.5銅(Cu)的隔離層65(SP)，由2A Co和56A Ni-Fe制成的自由鐵磁層63(FR)，和50鉭(Ta)覆蓋層62(CP)。由于NiO層57是在與形成其余膜分開的室淀積的，所以在PF1膜淀積之前，用離子來對NiO層57剝蝕100秒，清潔基表面。圖6中，在外加磁場為零時，磁化的大變化是自由層63的磁化方向反向。在外加磁場程度遠(yuǎn)離零時，在約為+/-400Oe的整個場幅范圍，磁化方向基本上是平坦的，這表明疊層的AP釘扎層70只有小的旋轉(zhuǎn)。
圖7展示了具有NiO基的疊層的AP釘扎層的SVMR傳感器的MR響應(yīng)特性。此SVMR傳感器與其MR響應(yīng)如圖7所示的傳感器相同，只有自由層63由10Co/56Ni-Fe制成，用以代替2Co/56Ni-Fe。圖7展示出當(dāng)外加磁場達(dá)到+400Oe時，釘扎層的僅有小量的旋轉(zhuǎn)，這表示為△R/R上的微小跌落。在其數(shù)據(jù)如圖6和7所示的實施例中，PF1/APC/PF2疊層的釘扎層的凈磁矩等同于僅有約10的Ni80Fe20。
圖8展示了具有與圖6所示相同結(jié)構(gòu)的NiO基疊層AP釘扎SVMR傳感器在+/-1000Oe的整個場幅范圍內(nèi)的磁致電阻。以420的NiO層作為AF層，交換各向異性能大約是0.02erg/cm2，以致獲得約600Oe的交換場HeX，如圖8所示。圖8展示出，即使在這樣的強(qiáng)場下，以SVMR傳感器的響應(yīng)由疊層AP釘扎層的可逆旋轉(zhuǎn)所支配，以致膜經(jīng)受這樣的強(qiáng)場時磁致電阻也不改變。因此，具有NiO基疊層的AP釘扎層的SVMR傳感器大大地超過了所期望的抵抗強(qiáng)場的穩(wěn)定性水平。與此響應(yīng)相反，圖9示出如果用傳統(tǒng)的單一層釘扎層作為NiOAF層，則明顯地違反了此規(guī)則。其MR響應(yīng)如圖9所示的SVMR傳感器具有單一的35A的Co層作為被420NiOAF層所釘扎的釘扎層。圖9示出交換場僅有約120Oe，在僅約200Oe的外加場范圍內(nèi)，釘扎層開始旋轉(zhuǎn)。
再次參看圖5，示意地展示了把SVMR傳感器連接于磁記錄系統(tǒng)中的傳感電路的裝置。設(shè)置電引線80以便在SVMR傳感器、電流源82和傳感裝置84之間形成電路通道。正如已有技術(shù)所周知的，為了提供最佳的SVMR傳感器響應(yīng)電路，可以要求附加的傳感元件，例如橫向和縱向的偏磁層(未示出)。在優(yōu)選實施例中，隨著自由鐵磁層63的磁化響應(yīng)于來自記錄介質(zhì)的外加磁信號而旋轉(zhuǎn)時，通過傳感裝置84探測電阻的改變△R，來檢測介質(zhì)中的磁信號。
在圖5所示的實施例中，盡管疊層的AP釘扎層70包括兩層單一APC膜73隔開的鐵磁膜72、74，但疊層的AP釘扎層70也可包括多層由APC膜隔開的鐵磁膜。根據(jù)為疊層的AP釘扎層70中的鐵磁膜72、74和APC膜73所選用的材料，APC膜有一個優(yōu)選的厚度，此時鐵磁膜72、74成為強(qiáng)烈的反鐵磁性耦合。對于優(yōu)選的Co/Ru組合，Ru AF耦合膜的厚度可以在2-8之間選擇。對于所選材料組合的振蕩耦合關(guān)系由Parkin等在Phys.Rev.Lett.Vol.64，p.2034(1990)中給出了詳細(xì)說明。盡管SVMR傳感器中的疊層的AP釘扎層已經(jīng)按以Co和Ru分別作為鐵磁性和APC膜的優(yōu)選材料給予了展示，但也可采用其它鐵磁材料(例如Co、Fe、Ni及其合金，例如Ni-Fe、Ni-Co和Fe-Co)和其它APC膜(例如鉻(Cr)、銠(Rh)、銥(Ir)、銅(Cu)及其合金)。對于這些材料的各種組合，如果并未預(yù)先知道，則必須確定振蕩交換耦合關(guān)系，以便選擇APC膜的厚度，確保兩鐵磁膜之間的反鐵磁性耦合。
如果形成疊層的AP釘扎層70的兩鐵磁膜72、74的厚度相同，由于各磁矩將精確地抵消，則在理論上釘扎層70的凈磁矩將為零。由于不可能把每層膜精確地形成為準(zhǔn)確的相同厚度，所以作為通常的淀積工藝的自然結(jié)果，疊層的AP釘扎層70的凈磁矩將很可能是小的但不為零的值。但是，可以期望把釘扎的鐵磁膜72、74之一仔細(xì)地淀積成厚度稍大于另一膜，以使在釘扎層中存在不為零的小凈磁矩。這將保證存在磁場時疊層的AP釘扎層70的磁化穩(wěn)定，以使其磁化方向可予測。
自由鐵磁層63也可包括與隔離層65相鄰的Co薄膜。盡管未在圖5中示出，但這是與圖6-8所示數(shù)據(jù)對應(yīng)的所述的優(yōu)選實施例的一部分。這些Co膜提高了SVMR傳感器的磁致電阻，但保持較薄，在2-20的范圍，使相對＂硬＂的Co磁性材料對傳感器的導(dǎo)磁率的影響降至最小，保持適當(dāng)?shù)淖杂蓪哟啪亍?br>
使用高耐蝕性、低交換各向異性AF材料使疊層的AP釘扎層自旋，在SVMR傳感器中提供了附加的優(yōu)點，亦即也可用作MR讀取間隙的間隙材料。參看圖5，在完整的SVMR結(jié)構(gòu)的制造中，例如包括SVMR讀取元件和感應(yīng)式寫入元件的集成讀/寫頭中，圖5所示的SVMR傳感層將位于一對MR屏蔽之間，一般由Ni80Fe20或者鐵硅鋁(Fe、Si和Al的磁性合金)構(gòu)成。電絕緣間隙材料位于屏蔽之間。但是，本發(fā)明中NiO AF層57提供一種附加優(yōu)點，即由于它是優(yōu)異的絕緣體，所以也可用作間隙材料。此時，第一MR蔽起基片45的作用。
圖10是與圖5類似的另一實施例，但是其中自由層63(FR)位于SVMR底部(靠近基片61)，AP釘扎層70位于SVMR傳感器頂部。AF層66淀積在第二釘扎鐵磁層74(PF2)上。此結(jié)構(gòu)也能使用低交換各向異性反鐵磁體。
圖11展示了圖10所示的SVMR傳感器實施例的磁改電阻與外加磁場的曲線關(guān)系，與其它SVMR傳感器相比，但其中耐蝕AF層是Fe-Mn和鉻的合金，如(Fe50Mn50)97Cr3，用以代替NiO。圖11中曲線A是具有以Fe50Mn50作為反鐵磁體的傳統(tǒng)單層釘扎層的SVMR傳感器，交換場約為220Oe。曲線B是具有以(Fe50Mn50)97Cr3作為反鐵磁體的傳統(tǒng)釘扎層的SVMR傳感器，交換場約為160Oe。盡管已熟知(Fe50Mn50)97Cr3可提供比Fe-Mn更強(qiáng)的耐蝕性，但曲線B清楚地表明在傳統(tǒng)的SVMR傳感器中是不期望使用它，因為交換場明顯降低。曲線C是根據(jù)本發(fā)明的采用具有(Fe50Mn50)97Cr3的Co/Ru/Co疊層AP釘扎層的SVMR傳感器，交換場約900Oe。(Fe50Mn50)97Cr3為SVMR傳感器提供了明顯改善的耐蝕性。為提供期望的耐蝕程度，選擇Cr量一般在約2-5％。
除了在SVMR傳感器中的疊層AP釘扎層采用NiO和(Fe50Mn50)97Cr3作為AF層之外，另一種材料除非提供必需的耐蝕性和足夠的交換各向異性，否則將不能用作SVMR傳感器中的AF材料，這就是(Ni1-xCox)O，其中X約在0和0.5之間。
盡管本發(fā)明是結(jié)合優(yōu)選實施例具體展示和說明的，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明了在不脫離本發(fā)明的精髓、范圍和指教的條件下，可以做出各種形式和細(xì)節(jié)上的變化。因此，所公開的發(fā)明僅被認(rèn)為是解釋性的，范圍的限制僅取決于權(quán)利要求書的限定。
權(quán)利要求
1.一種磁致電阻傳感器，包括第一鐵磁性材料層和第二鐵磁性材料層，由非磁性材料的隔離層隔開，外加磁場為零時，所述第一鐵磁材料層的磁化方向與所述第二鐵磁材料層磁化方向成一角度，第二鐵磁性材料層包括第一和第二鐵磁膜和位于其間的非磁性反平行耦合膜，該耦合膜與第一和第二鐵磁膜接觸以使第一和第二鐵磁膜反鐵磁性也耦合在一起，以致它們的磁化相互反平行地排列，并在有外加磁場時保持反平行；反鐵磁性材料的交換偏磁層，選自氧化鎳(Ni1-xCox)O和(Fe-Mn)合金和Cr的集合，其中X是0.0-0.5，所述交換偏磁層與第二鐵磁層中的一個鐵磁膜相鄰并接觸，當(dāng)存在外加磁場時使第二鐵磁層中的一個鐵磁膜的磁化保持在一個固定方向，從而當(dāng)外加磁場存在時第一層的磁化可自由旋轉(zhuǎn)的同時，第二層中的第一和第二鐵磁膜的磁化方向保持固定及相互反平行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻傳感器，其特征在于包括基片，而反鐵磁性材料的交換偏磁層形成在該基片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的磁致電阻傳感器，其特征在于包括位于基片與交換偏磁層之間的籽晶層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的磁致電阻傳感器，其特征在于基片是磁致電阻屏蔽。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻傳感器，其特征在于交換偏磁層基本上由氧化鎳構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻傳感器，其特征在于第二鐵磁層中的非磁性反平行耦合膜基本上由Ru構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的磁致電阻傳感器，其特征在于Ru膜厚度在約2-8A的范圍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻傳感器，其特征在于第二鐵磁層中的第一和第二鐵磁膜由選自Co、Fe、Ni及其合金的集合中的材料制成，第二鐵磁層中的非磁性反平行耦合膜由選自Ru、Cr、Rh、Ir及其合金的集合中的材料制成。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的磁致電阻傳感器，其特征在于第二鐵磁層中的第一和第二鐵磁膜基本上由鈷構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻傳感器，其特征在于第二鐵磁層的凈磁矩基本為零。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻傳感器，其特征在于第二鐵磁層中的第一和第二鐵磁膜的厚度基本上相同。
12.一種自旋閥磁致電阻傳感器，包括基片；反鐵磁性材料的交換偏磁層，選自氧化鎳(Ni1-xCox)O和(Fe-Mn)合金和Cr的集合，其中X是0.0-0.5，交換偏磁層形成在基片上；疊層的反平行釘扎層，與交換偏磁層相鄰，疊層的反平行釘扎層包括與交換偏磁層相鄰并反鐵磁性地耦合的第一鐵磁膜、第二鐵磁膜和位于第一和第二鐵磁膜之間并與其接觸的反平行耦合膜，該耦合膜使第一和第二鐵磁膜反鐵磁性地耦合在一起，以致它們的磁化相互反平行地排列，當(dāng)外加磁場存在時第一和第二鐵磁膜的磁化保持反平行并被交換偏磁層所釘扎；非磁性隔離層，與疊層的反平行層的第二鐵磁膜相鄰；自由的鐵磁性層，與隔離層相鄰接觸，當(dāng)不存在外加磁場時其易磁化軸通常垂直于疊層的反平行釘扎層中的第一和第二鐵磁膜的磁化軸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于包括位于基片和交換偏磁層之間的籽晶層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于基片是磁致電阻屏蔽。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于交換偏磁層基本由氧化鎳構(gòu)成。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于非磁性反平行耦合膜基本由Ru構(gòu)成。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于Ru膜厚度在約2-8的范圍。
18.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于疊層的反平行釘扎層中的第一和第二鐵磁膜由選自Co、Fe、Ni及其合金的集合中的材料制成，疊層的反平行釘扎層中的非磁性反平行耦合膜由選自Ru、Cr、Rh、Ir及其合金的集合中的材料制成。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于疊層的反平行釘扎層中的第一和第二鐵磁膜基本由鈷構(gòu)成。
20.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于疊層的反平行釘扎層的凈磁矩基本為零。
21.根據(jù)權(quán)利要求12的自旋閥磁致電阻傳感器，其特征在于疊層的反平行釘扎層中的第一和第二鐵磁膜具有基本相同的厚度。
22.一種磁記錄盤驅(qū)動器，包括磁記錄盤；與盤連接的電動機(jī)，用于旋轉(zhuǎn)盤；自旋閥磁致電阻傳感器，用于檢測對盤上的磁性記錄的數(shù)據(jù)，該傳感器包括反鐵磁性材料的交換偏磁層，選自氧化鎳(Ni1-xCox)O和(Fe-Mn)合金和Cr的集合；其中X是0.0-0.5；疊層的反平行釘扎層，與交換偏磁層相鄰，疊層的反平行釘扎層包括與交換偏磁層相鄰并反鐵磁性地耦合的第一鐵磁膜、第二鐵磁膜和位于第一和第二鐵磁膜之間并與其接觸的反平行耦合膜，該耦合膜使第一和第二鐵磁膜反鐵磁性地耦合在一起，以致它們的磁化相互反平行地排列，當(dāng)外加磁場存在時第一和第二鐵磁膜的磁化保持反平行并被交換偏磁層所釘扎；非磁性隔離層，與疊層的反平行層的第二鐵磁膜相鄰；自由的鐵磁性層，與隔離層相鄰接觸；支承自旋閥磁致電阻傳感器的承載體，該承載體具有傳感器固定于其上的基片；執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按通常為徑向橫跨盤的方式移動承載體，以使傳感器能存取盤上磁性記錄的數(shù)據(jù)的不同區(qū)域；把承載體連接于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置，保持承載體靠近盤；與傳感器電耦合的裝置，用于探測傳感器電阻的變化，此變化是自由鐵磁性層的磁化軸響應(yīng)于來自磁性記錄的盤的磁場相對于疊層的反平行釘扎層中的反平行耦合的第一和第二鐵磁膜的固定磁化方向的旋轉(zhuǎn)引起的。支承電動機(jī)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的磁盤驅(qū)動器，其特征在于包括位于承載體基片和交換偏磁層之間的籽晶層。
24.根據(jù)權(quán)利要求22 的磁盤驅(qū)動器，其特征在于基片是磁致電阻屏蔽，其中交換偏磁層形成在屏蔽上。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的磁盤驅(qū)動器，其特征在于交換偏磁層基本由氧化鎳構(gòu)成。
26.根據(jù)權(quán)利要求22的磁盤驅(qū)動器，其特征在于非磁性反平行耦合膜基本由Ru構(gòu)成。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的磁盤驅(qū)動器，其特征在于Ru膜厚度在約2-8的范圍。
28.根據(jù)權(quán)利要求22的磁盤驅(qū)動器，其特征在于疊層的反平行釘扎層中的第一和第二鐵磁膜由選自Co、Fe、Ni及其合金的集合中的材料制成，疊層的反平行釘扎層中的非磁性反平行耦合膜由選自Ru、Cr、Rh、Ir及其合金的集合中的材料制成。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的磁盤驅(qū)動器，其特征在于疊層的反平行釘扎層中的第一和第二鐵磁膜基本由鈷構(gòu)成。
30.根據(jù)權(quán)利要求22的磁盤驅(qū)動器，其特征在于疊層的反平行釘扎層的凈磁矩基本為零。
31.根據(jù)權(quán)利要求22的磁盤驅(qū)動器，其特征在于疊層的反平行釘扎層的第一和第二鐵磁膜具有基本相同的厚度。
全文摘要
自旋閥磁致電阻(SVMR)傳感器用與改進(jìn)的反鐵磁性(AF)交換偏磁層組合的疊層反平行(AP)釘扎層，其中包括由非磁性耦合膜隔開的兩層鐵磁膜，其磁化以反平行取向反鐵磁地強(qiáng)耦合起來。在旋轉(zhuǎn)SVMR傳感器的自由層所需的弱場內(nèi)此疊層AP釘扎層是磁剛性的，其中兩鐵磁層磁矩接近相同時，釘扎層凈磁矩較小。交換場較大，因其反比于凈磁矩。疊層AP釘扎層的磁化被AF材料固定或釘扎，后者耐蝕性強(qiáng)但交換各向異性過小而不能用于傳統(tǒng)SVMR傳感器。
文檔編號H01L43/10GK1153371SQ9611031
公開日1997年7月2日 申請日期1996年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月30日
發(fā)明者小R·E·馮塔納, B·A·古爾尼, T·林, V·S·施佩里奧蘇, C·H·曾, D·R·韋爾霍特 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司