CN100390863C - 具有Ru合金反平行间隔层的薄膜介质和磁致电阻传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有自由层和与所述自由层间隔开的反平行(AP)被钉扎层结构的磁头。所述AP被钉扎层结构包括至少两个被钉扎层，其具有彼此反平行的自钉扎的磁矩，所述被钉扎层通过AP耦合层分隔开，所述AP耦合层由Ru合金构成。Ru合金耦合层的使用比纯Ru间隔层显著增加了AP被钉扎层结构的钉扎场。

Description

具有Ru合金反平行间隔层的薄膜介质和磁致电阻传感器
技术领域
本发明涉及磁头和介质，更具体地，本发明涉及在这样的头和介质中使用Ru合金从而增强反平行交换耦合。
背景技术
计算机的核心是磁盘驱动器，其包括旋转磁盘、具有读和写头(也称为写入器(writer)和传感器)的滑块、旋转盘之上的悬臂、以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形道之上的致动臂。当盘不旋转时悬臂偏置滑块接触盘的表面，但是当盘旋转时，空气被邻近滑块气垫面(ABS)的旋转盘旋动，导致滑块骑在气垫上距旋转盘的表面一微小的距离。当滑块骑在此气垫上时，采用写和读头来写磁印(magnetic impression)到旋转盘且从旋转盘读磁信号场。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路从而实现写和读功能。
在大容量盘驱动器中，通常称为MR头的磁致电阻(MR)读传感器因为其与薄膜感应头相比以更大的道和线密度从盘的表面读取数据的能力而成为普遍使用的读传感器。MR传感器通过其MR检测层(也称为“MR元件”)的作为由MR层检测到的磁通量的强度和方向的函数的电阻的变化来检测磁场。
传统MR传感器根据各向异性磁致电阻(AMR)效应工作，AMR效应中MR元件电阻随MR元件的磁化与流经MR元件的检测电流(sense current)的方向之间的角度的余弦的平方而变化。因为来自于已记录的磁介质的外磁场(信号场)导致MR元件中磁化方向的变化，其又导致MR元件中电阻的变化和检测电流或电压的相应变化，所以可以从磁介质读出记录的数据。
另一类型的MR传感器是巨磁致电阻(GMR)传感器，其表现GMR效应。GMR传感器中，GMR传感器的电阻作为被非磁层(间隔层)分隔开的铁磁层之间的传导电子的自旋相关输运以及伴随的自旋相关散射的函数而变化，所述伴随的自旋相关散射发生在铁磁和非磁层的界面处以及铁磁层内。
只采用由非磁材料(例如铜)层分隔开的两层铁磁材料(例如Ni-Fe)的GMR传感器一般称为自旋阀(SV)传感器。在SV传感器中，被称为被钉扎层(基准层：reference layer)的铁磁层之一具有通常通过与反铁磁(例如NiO或Fe-Mn)层的交换耦合被钉扎的磁化。反铁磁层产生的钉扎场应比SV传感器在运行温度(约120℃)的退磁场(约200Oe)更大，从而确保在施加外场(例如来自盘上的记录的位的场)期间被钉扎层的磁化方向保持固定。但是，被称为自由层的另一铁磁层的磁化未被固定，且响应于来自被记录的磁介质的场(信号场)而自由转动。在此引用授权给Dieny等人的美国专利No.5206590作为参考，其公开了基于GMR效应工作的SV传感器。
为了检测来自旋转磁盘的磁信号场，一示例性高性能读头采用自旋阀传感器。图1A示出现有技术的SV传感器100，其包括通过非磁导电间隔层115与被钉扎层(被钉扎铁磁层)120分隔开的自由层(自由铁磁层)110。被钉扎层120的磁化通过反铁磁(AFM)层130被固定。
图1B示出具有磁通保持构造(flux keepered configuration)的另一现有技术SV传感器150。SV传感器150与图1A所示的SV传感器100基本相同，除了增加了通过非磁间隔层154与自由层110分隔开的由铁磁材料形成的保持层(keeper layer)152。保持层152为来自被钉扎层120的磁场提供磁通闭合路径，导致被钉扎层120与自由层110的减小的静磁相互作用。授权给Cain等人的美国专利No.5508867公开了具有磁通保持构造的SV传感器。
另一类型的SV传感器是反平行(AP)被钉扎SV传感器。在AP被钉扎SV传感器中，被钉扎层是两个铁磁层的层叠结构，所述两个铁磁层通过非磁耦合层分隔开，使得两个铁磁层的磁化以反平行取向被强烈地反铁磁耦合在一起。与采用图1A的SV传感器的被钉扎层结构所实现的相比，AP被钉扎SV传感器提供反铁磁(AFM)层对层叠的被钉扎层结构的改善的交换耦合。该改善的交换耦合提高了AP被钉扎SV传感器在高温下的稳定性，其允许对AFM层使用耐蚀反铁磁材料例如NiO。
参照图2A，AP被钉扎SV传感器200包括通过非磁导电间隔层215与层叠的AP被钉扎层结构220分隔开的自由层210。层叠的AP被钉扎层结构220的磁化通过AFM层230被固定。层叠的AP被钉扎层结构220包括通过非磁材料的反平行耦合层(APC)224分隔开的第一铁磁层226和第二铁磁层222。在层叠的AP被钉扎层结构220中的两个铁磁层226、222(FM1和FM2)具有反平行取向的磁化方向，如箭头227、223所示(分别离开和进入纸平面指向的箭头)。
SV传感器的最佳运行的关键要求是被钉扎层应垂直于气垫面地磁饱和。被钉扎层中未磁饱和导致减小的信号或动态范围。导致饱和缺失的因素包括在被钉扎层边缘处的退磁场、来自所记录的数据和来自纵向偏置(biasing)区域的磁场、电流感应的场、以及对自由层的耦合场。
对小传感器(宽数微米或更小)中被钉扎层的磁状态的分析表明，主要由于在传感器边缘处存在大的退磁场，导致被钉扎层的区域上磁化不均匀。图2B示出SV传感器250的透视图。SV传感器250由传感器条(stripe)260形成，其具有在ABS处的前边缘270且远离ABS地延伸至后边缘272。由于在传感器条260的前边缘270和后边缘272处的大的退磁场，仅在被钉扎层条的中心部分280实现了所期望的垂直磁化方向，而在所述条的边缘处磁化倾向于弯曲到与ABS平行的方向。这些弯曲区域的范围由被钉扎层的磁硬度(magnetic stiffness)控制。
如上所述，现有技术AP被钉扎SV传感器利用AFM以钉扎被钉扎层的磁化，使得当头从盘读数据、施加外磁场等时被钉扎层不在附近改变。AFM层通常很厚，约150-200
Figure C20061000360400061
由于大的总厚度，这样的传感器通常不用于需要薄磁头的应用。
因此，需要具有改善的AP钉扎、允许使用较薄AFM的AP被钉扎SV传感器。还需要一种提高AP被钉扎层的钉扎的方法。
使用AP被钉扎层的另一技术是磁介质的制造。其中细晶粒的多晶磁合金层用作有效记录层(active recording layer)的传统薄膜型磁介质根据磁材料的晶粒的磁畴(magnetic domain)的取向通常分为“纵向型”或“垂直型”。
计算机相关应用中通常采用的常规纵向记录的薄膜的硬盘型磁记录介质300的一部分以简化的横截面图的形式示意性地示于图3中，其包括：基本刚性的非磁金属衬底302，通常为铝(Al)或铝基合金例如铝镁(Al-Mg)合金，具有连续沉积或以其它方式形成在其表面302A上的镀层(platinglayer)304例如非晶镍磷(Ni-P)；一层或更多层多晶衬层(underlayer)306，通常为Cr或Cr基合金；磁记录层308，包括一层或更多层具有铂(Pt)、Cr、硼(B)等的一种或更多种的钴(Co)基合金；保护覆层310，通常包含碳(C)，例如类金刚石型碳(“DLC”)；以及润滑剂外涂层312，例如全氟聚醚(perfluoropolyether)。层304-310中的每个可通过合适的物理气相沉积(“PVD”)技术例如溅射来沉积，层312通常通过浸涂(dipping)或喷涂(spraying)来沉积。玻璃衬底也通常用于纵向介质。对于玻璃衬底上的介质，镀的NiP层304被省略，且额外的种子层添加到衬底表面302A与衬层306之间。
在介质300的运行中，磁层308通过写换能器(transducer)或写头被局部磁化，以记录且从而存储数据/信息在其中。写换能器或头产生高度集中的磁场，其基于将被存储的信息位改变方向。当写换能器产生的局部磁场大于记录介质层308的材料的矫顽力时，在该位置处的多晶材料的晶粒被磁化在所施加的磁场的方向上。写换能器对其施加的磁场被去除之后，晶粒保持其磁化。记录介质层308的磁化后来能够在读换能器或传感器中产生电响应，允许所存储的信息被读出。
一直在努力提高磁介质的面记录密度，即位密度或位/单位面积，以及信号介质噪声比(“SMNR”)。然而，当纵向介质的位密度增加到超过约50Gb/in2时，晶粒尺寸的必要减小接近超顺磁极限时遇到了磁化的热不稳定性。这样的热不稳定性尤其能够导致硬盘驱动器的输出信号的不期望的衰减，在极端情况下，导致全部数据丢失和磁位的崩溃。
与超高记录密度磁记录介质相关的极小晶粒尺寸导致的热不稳定性问题的一个建议的解决方案是提高晶体各向异性，以补偿较小的晶粒尺寸。然而，该方法受到写头提供的场的限制。
极小晶粒的磁记录介质的热不稳定性问题的另一建议的解决方案是通过铁磁记录层与另一铁磁层或反铁磁层的耦合来提供稳定化。
美国专利No.6280813描述了一种磁记录介质，其中磁记录层是越过非铁磁间隔膜反铁磁地耦合在一起的至少两层铁磁膜。在称为AFC介质的此类型磁介质中，两层反铁磁耦合的膜的磁矩反平行地取向，结果记录层的净剩余磁化厚度乘积(Mrt)是两铁磁膜的Mrt值的差。这允许Mrt如高位密度所要求地被降低，同时保持热稳定性所需要的必要的晶粒体积(V)。接近头的铁磁膜(主导层(master layer))通常比远离头的膜(从属层(slave layer))制地更厚，使得净Mrt大于零。铁磁层之间的界面交换能密度J是决定稳定性的潜在增加的关键参数。更高的J值允许使用更厚的从属层，使得对于相同的Mrt能够获得更高的V。
为了得到AFC介质的最优性能，重要的是具有磁层的通过间隔层的带有Co合金c轴面内排列的良好外延生长。由于Ru的晶格常数大于一般的Co合金，所以利用减小晶格参数的Ru合金能够实现跨间隔层的改进的外延。
因此，需要改进的方法用于提供热稳定的高面密度的磁记录介质例如纵向介质，该磁记录介质具有大的界面交换能密度J、最优微结构和结晶取向(即c轴面内排列)、以及垂直分隔开的铁磁层与提供铁磁层的反铁磁耦合(AFC)的非磁间隔层(例如Ru基材料)之间的减小的或优化的晶格失配，其中每个铁磁层由与制造纵向磁记录介质中常规采用的成分类似的铁磁合金成分形成，该方法能够以与用于形成高面密度磁记录介质的常规制造技术的生产成本相当的生产成本实现。还需要例如盘形式的改进的高面密度磁记录介质，该介质包括由非磁间隔层分隔开的至少一对反铁磁耦合的铁磁合金层，其中每个铁磁层由与纵向磁记录介质中常规使用的成分(例如Co基合金)类似的铁磁合金成分形成，且每个铁磁层与非磁间隔层之间的晶格失配被减小或优化，导致改进的热稳定性。
因此，本发明专注于并解决形成例如硬盘形式的高面记录密度磁记录介质时出现的问题，该介质利用铁磁层对之间的反铁磁耦合以提高热稳定性，同时提供与常规自动制造技术的所有方面的完全相容。另外，本发明的制造和实现能够以与现有技术的成本相当的成本获得。
发明内容
通过提供具有自由层和与该自由层间隔开的反平行(AP)被钉扎层结构的磁头，本发明克服了上述缺点和限制。该AP被钉扎层结构包括具有彼此反平行自钉扎的磁矩的至少两个被钉扎层，所述被钉扎层通过由Ru合金构成的AP耦合层分隔开。本发明者发现Ru合金耦合层的使用与纯Ru间隔层相比显著增加了AP被钉扎层结构的钉扎场。此增加的钉扎场又提供了头结构的更大的稳定性。
在一优选实施例中，Ru合金包括铁磁材料例如Fe、Co、CoFe、NiFe和Ni。AP耦合层的厚度优选在约4
Figure C20061000360400081
至20
Figure C20061000360400082
的范围。
这里描述的头可形成为在磁存储系统中使用的GMR头、CPP GMR传感器、CIP GMR传感器、CPP隧道阀传感器等的一部分。
Ru合金还具有用于磁记录介质的应用。这样的磁记录介质包括铁磁记录层、反铁磁耦合到该记录层的第二层、以及位于该记录层与该第二层之间的耦合层，该耦合层由包括Ru和铁磁金属的Ru合金构成。
本发明的其它方面和优点将从下面的详细说明变得明显，该说明结合附图以示例的方式示出本发明的原理。
附图说明
为了更全面地理解本发明的本质和优点及其优选使用模式，应结合附图参考下面的详细说明，附图中：
图1A是现有技术的自旋阀(SV)传感器的不按比例的气垫面视图；
图1B是现有技术的保持式SV传感器的不按比例的气垫面视图；
图2A是现有技术的AP被钉扎SV传感器的不按比例的气垫面视图；
图2B是现有技术的AP被钉扎SV传感器的不按比例的透视图；
图3是传统薄膜式纵向型磁盘记录介质的一部分的不按比例的局部横截面图；
图4是磁记录盘驱动器系统的简化图；
图5是滑块及合并式磁头的局部视图；
图6是沿图5的平面6-6截取的滑块的不按比例的局部ABS视图，示出合并式磁头的读和写元件；
图7是具有自旋阀传感器的读头的不按比例的放大立体图；
图8是根据本发明一实施例的CPP GMR传感器的不按比例的ABS图；
图9是图示，描绘AP被钉扎层结构的钉扎场与Ru合金AP耦合层中的CoFe含量的关系；
图10是图示，描绘AP被钉扎层结构的钉扎场与Ru合金AP耦合层中的CoFe含量的关系；
图11是根据本发明一实施例的CPP隧道阀传感器的不按比例的ABS图；
图12是根据本发明一实施例的CIP GMR传感器的不按比例的ABS图；
图13是根据一实施例的薄膜式纵向型磁盘记录介质的一部分的不按比例的局部横截面图。
具体实施方式
下面的说明是目前预期的实施本发明的优选实施方式。进行该说明是为了示出本发明的基本原理而不是用于限制这里要求保护的发明性概念。
现在参考图4，示出实现本发明的盘驱动器400。如图4所示，至少一个可旋转的磁盘412被支承在心轴(spindle)414上，且被盘驱动马达418所旋转。每个盘上的磁记录是盘412上的同心数据道(track)的环状图案(未示出)的形式。
至少一个滑块413位于盘412附近，每个滑块413支承一个或更多个磁读/写头421。下文将阐述有关这样的头421的更多信息。当盘旋转时，滑块413在盘表面422之上径向进出移动，使得头421可以存取磁盘的记录有所需数据的不同的道。每个滑块413借助于悬臂(suspension)415连到致动臂419。悬臂415提供轻微的弹力，该弹力偏置滑块413倚着盘表面422。每个致动臂419连到致动器装置427。如图4所示的致动器装置427可以是音圈马达(VCM)。VCM包括在固定磁场内可动的线圈，线圈移动的方向和速度通过由控制器429提供的马达电流信号被控制。
盘存储系统运行期间，盘412的旋转在滑块413与盘表面422之间产生气垫，其对滑块施加向上的力或举力。于是在正常运行期间该气垫平衡悬臂415的轻微的弹力，并支承滑块413离开盘表面且以小的基本恒定的距离位于盘表面稍微上方。
盘存储系统的各部件在运行中由控制单元429产生的控制信号来控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元429含有逻辑控制电路，存储装置和微处理器。控制单元429产生控制信号从而控制各种系统操作，例如线423上的驱动马达控制信号以及线428上的头定位和寻道控制信号。线428上的控制信号提供所需的电流曲线(current profile)，从而优化地移动和定位滑块413到盘412上的所需数据道。写和读信号借助于记录通道425传到读/写头且自读/写头传出。
上述普通磁盘存储系统的说明和附图4仅用于说明目的。显然地，盘存储系统可包含多个盘和致动器，且每个致动器可支承多个滑块。
图5是合并式磁头500的侧横截面正视图，其包括写头部分502和读头部分504，读头部分采用本发明的双自旋阀传感器506。图6是图5的ABS视图。自旋阀传感器506夹在非磁电绝缘的第一和第二读间隙层(gap layer)508和510之间，读间隙层夹在铁磁的第一和第二屏蔽层512和514之间。自旋阀传感器506的电阻响应于外磁场而改变。传导通过传感器的检测电流(Is)使得这些电阻变化表现为电势变化。然后这些电势变化作为读回信号通过图4所示的处理电路429被处理。
磁头500的写头部分502包括夹在第一和第二绝缘层516和518之间的线圈层522。第三绝缘层520可用于平坦化该头以消除第二绝缘层中由线圈层522导致的起伏。第一、第二和第三绝缘层在本领域中被称为“绝缘堆叠”。线圈层522以及第一、第二和第三绝缘层516、518和520被夹在第一和第二极片层(pole piece layer)524和526之间。第一和第二极片层524和526在背间隙(back gap)528处磁耦合，且具有在ABS处通过写间隙层534分隔开的第一和第二极尖530和532。由于第二屏蔽层514和第一极片层524是相同层，所以该头称为合并式(merged)头。在背负式(piggyback)头中，绝缘层位于第二屏蔽层与第一极片层之间。第一和第二焊料连接(未示出)将来自自旋阀传感器506的引线(未示出)连接到滑块413(图4)上的引线，第三和第四焊料连接(未示出)将来自线圈522的引线(未示出)连接到悬臂上的引线(未示出)。
图7是图5所示的读头500的放大立体ABS视图。读头500包括自旋阀传感器506。第一和第二硬偏置和引线层702和704连接到自旋阀传感器的第一和第二侧边缘706和708。该连接在本领域中称为毗邻结(contiguousjunction)且在美国专利5018037中全面描述，在此引用该专利的全部内容作为参考。第一硬偏置和引线层702包括第一硬偏置层710和第一引线层712，第二硬偏置和引线层704包括第二硬偏置层714和第二引线层716。硬偏置层710和714使得磁场通过自旋阀传感器506纵向延伸以稳定其中的磁畴。自旋阀传感器506以及第一和第二硬偏置和引线层702和704位于非磁电绝缘的第一和第二读间隙层508和510之间。第一和第二读间隙层508和510又位于铁磁的第一和第二屏蔽层512和514之间。
本发明提供一种具有增强的堆叠内偏置结构的新传感器结构，该堆叠内偏置结构具有改进的AP钉扎。该新颖结构使用Ru合金AP间隔层，与单独使用Ru相比，其提供被钉扎层之间的更高的AP交换耦合。很多类型的头可以使用这里描述的结构，该结构特别适于CPP GMR传感器、CIP GMR传感器、以及CPP隧道阀传感器。在下面的描述中，层的宽度(W)指的是道宽。传感器高度沿着进入纸面的方向。除非另外说明，否则各层的厚度与相关层的平面垂直地取得，并且仅以示例的方式给出，可以大于和/或小于所列出的厚度。类似地，这里列出的材料仅以示例的方式给出，本领域技术人员将理解，可以使用其它材料而不偏离本发明的精神和范围。
CPP GMR
图8描绘了根据一实施例的CPP GMR传感器800的ABS视图。“CPP”意味着检测电流(Is)在垂直于形成传感器800的层的平面的方向上从一屏蔽件流到另一屏蔽件。
如图8所示，第一屏蔽层(S1)802形成在衬底(未示出)上。第一屏蔽层802可以是任何适合的材料，例如坡莫合金(NiFe)。
种子层形成在第一屏蔽层802上。种子层辅助产生其上的层的适当的生长结构。从第一屏蔽层802起以堆叠形成的示例性材料为Ta层(SL1)804、NiFeCr层(SL2)806、NiFe层(SL3)808和PtMn层(SL4)810。这些材料的示例性厚度为Ta(30
Figure C20061000360400121
)、NiFeCr(20
Figure C20061000360400122
)、NiFe(8
Figure C20061000360400123
)、以及PtMn(30
Figure C20061000360400124
)。注意，种子层的堆叠可以变化，根据所需要的处理参数可以增加或省略层。
然后反平行(AP)被钉扎层结构812形成在种子层上。如图8所示，第一和第二AP被钉扎磁层(AP1)814和(AP2)816由薄的反平行耦合(APC)层818分隔开，使得AP被钉扎层814、816的磁矩彼此反平行地自钉扎。被钉扎层814、816具有称为磁致伸缩的性质。被钉扎层814、816的磁致伸缩是很高程度的正。由于其在ABS处的几何构型，传感器800还处于压应力下。正磁致伸缩与压应力的结合导致被钉扎层814、816呈现在道宽的垂直方向上的磁各向异性。通过Ru合金间隔层的该磁耦合使得被钉扎层814、816具有反平行取向的磁化。
在图8所示的实施例中，被钉扎层814、816的优选磁取向对于第一被钉扎层814为进入示出的结构的表面(垂直于传感器800的ABS)，对于第二被钉扎层816是从该表面出来。用于被钉扎层814、816的示例性材料是CoFe10(90％Co，10％Fe)、CoFe50(50％Co，50％Fe)等，其由Ru合金层818分隔开。第一和第二被钉扎层814、816的示例性厚度为约10
Figure C20061000360400125
和25
Figure C20061000360400126
之间。
Ru合金APC层818包括Ru和铁磁材料，优选Fe、Co、Ni、CoFe和NiFe。可用于本发明的Ru合金中的可能的材料列表以及它们的居里温度示于表1中，超过居里温度后它们将不再是铁磁性的。
表1
  材料   居里温度(K)
  Fe   1043
  Co   1388
  Ni   627
  Gd   292
  Dy   88
  MnAs   318
  MnBi   630
  MnSb   587
  CrO<sub>2</sub>   386
  MnOFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>   573
  FeOFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>   858
  NiOFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>   858
  CuOFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>   728
  MgOFe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>   713
  EuO   69
  Y<sub>3</sub>Fe<sub>5</sub>O<sub>12</sub>   560
Ru合金层818可为约4-20
Figure C20061000360400131
但优选选择为提供约10-30KOe以上的饱和场。在优选实施例中，被钉扎层814、816中的每个为约18
Figure C20061000360400132
其间有约5-7
Figure C20061000360400133
的Ru层818。优选地，该厚度大于4
Figure C20061000360400134
以避免沉积的结构中出现“针孔(pinhole)”。
本发明者已发现，通过增加少量百分比的铁磁金属，AP被钉扎层结构812的钉扎强度显著提高超过纯Ru APC层。图9是图示900，示出在具有下列材料和厚度的结构中Ru-Co10Fe90APC耦合层的各种成分的AP钉扎场：Ta(36/
Figure C20061000360400135
)/Cu(9
Figure C20061000360400136
)Co10Fe(90
Figure C20061000360400137
)/X Ru-Y Co10Fe(变化的)/Co10Fe(90
Figure C20061000360400138
)/Cu(9)/Ta(36
Figure C20061000360400142
)。注意，Ru合金产生的钉扎场很强，使得需要较厚的CoFe层来进行精确的测量。因此，针对90
Figure C20061000360400143
厚的NiFe层获得的实际结果然后被线性按比例缩减以表示18
Figure C20061000360400144
厚的CoFe层，从而产生图示900。示出的Ru合金的成分为0％CoFe(100％Ru)、9.2％CoFe、27.9％CoFe和33.6％CoFe。如图所示，钉扎场总体上随CoFe浓度的增加而增加。例如，在33.6％的CoFe浓度和6
Figure C20061000360400145
的厚度下，合金提供的钉扎场是相同厚度的纯Ru的4×(四倍)。
实施本发明的人员应注意，如示出钉扎场与0.6nm和0.8nm的Ru合金中的Co10Fe浓度的关系的图10的图示1000所示，钉扎场从5％CoFe相对稳定地增加至在约40％CoFe达到最大的点。超过40％，间隔层开始变为磁性，钉扎场开始逐渐变小。因此，至少当使用Co10Fe时，优选成分在约5和40％CoFe之间。
Ru合金APC层的使用提供数个优点。一大优点是伴随较高钉扎强度而来的稳定性。另一优点是因为可以使用较薄的层同时实现强的钉扎，所以设计者有更大的自由来选择头最需要的厚度。
为了形成Ru合金APC层818，材料可以从合金靶溅射。然而，更有利的是从两个靶共溅射Ru和合金材料，因为这允许制造者随时调节沉积速率，即提供实现所需成分的更大灵活性。
继续参照图8，第一间隔层(SP1)820形成在被钉扎层结构812之上。用于第一间隔层820的示例性材料包括Cu、CuOx、Cu/CoFeOx/Cu堆叠等。第一间隔层820可以为约10-30
Figure C20061000360400146
厚，优选约20
Figure C20061000360400147
优选实施例中，第一间隔层820形成为CuMOx(其中M是活性金属(reactive metal)例如Zr、Al等)的较厚的层。这用于通过限制CuMOx基质(matrix)中的电流来增加沿传感器的膜堆叠方向的电阻。
自由层(FL)822形成在第一间隔层820之上。自由层822的磁矩是软磁性的，因此易于根据外磁力而重新取向，例如盘介质上的数据施加的外磁力。自由层822的磁取向受盘介质上的数据位影响时的相对运动产生流经传感器800的检测电流的变化，从而产生信号。用于自由层822的示例性材料为CoFe/NiFe堆叠等。自由层822的示例性厚度为约10-40
Figure C20061000360400148
自由层822的磁取向必须在制造期间预置，否则该取向将不稳定且会随机变动，导致“混乱的”或噪声信号。该不稳定性是软磁材料的基本性质，使得它们易受任何外部磁干扰的影响。因此，应稳定化自由层822的磁取向，使得当其磁取向变动时，其以有序的(systematical)方式一致地变动而不是以随机的方式。还应稳定化自由层822的磁取向使得其较少受重新取向即反转的影响。所公开的结构稳定了自由层822。
第二间隔层(SP2)824形成在自由层822之上。用于第二间隔层824的示例性材料为Ta、Ru、Ta/Cu堆叠、Cu等。第二间隔层824的示例性厚度为约20-30
堆叠内(in-stack)偏置层(BL)826形成在第二间隔层824之上。偏置层826的磁化平行于道宽被钉扎，使得偏置层826起到永磁体的作用。偏置层826通过交换耦合稳定自由层822。该现象类似于被钉扎层的AP耦合，除了第二间隔层824必须不能太薄否则自由和偏置层会变成永久地被钉扎而使得磁头实际上无效。
用于偏置层826的示例性材料为NiFe10、CoNiNb、NiFeX(X＝Cr、Mo、Rh等)等。偏置层826的示例性厚度为约10-40
Figure C20061000360400152
优选地选择为使得其具有与自由层822的磁厚度相当的磁厚度从而提供磁通闭合结构，其中自由层边缘处的磁极被消除。还应注意，使用NiFe或NiFeX的情况下，Ni/Fe比值优选保持在约≥90/10从而获得大的负磁致伸缩，例如约-2×10E-5。该磁致伸缩与压应力一起在自由层产生大于约750Oe的Hk，在偏置层处优选地约1000Oe。
第二间隔层824的厚度构建为使得偏置层826产生的磁场进入自由层822，稳定自由层822的磁取向，优选使得自由和偏置层822、826的磁化反平行。图8所示的示例性实施例中第二间隔层824的这样的厚度为约20-30
Figure C20061000360400153
厚。另外，通过第二间隔层824在自由和偏置层822、826之间产生磁耦合，其增强了稳定效果。注意，尽管存在偏置层826的磁场，但自由层822的磁化仍保持软磁性，从而保持读取磁介质所必需的足够灵敏度。
与垂直于ABS相反，偏置层826的磁化优选平行于道宽被钉扎。这可以通过利用其它材料使得偏置层826具有负磁致伸缩来完成，例如上面所列出的那些材料，并优选具有≥90％的Ni含量。另外，Cr使得材料更加负性。当加入Nb时，材料变成非晶(未结晶)，导致其具有更负的磁致伸缩。与大的压应力(由层的几何构型产生)结合的该负的磁致伸缩产生平行于道宽W的磁各向异性，其又使得偏置层826的磁取向平行于道宽被钉扎。
帽层(CAP)828形成在偏置层826之上。用于帽层828的示例性材料为Ta、Ta/Ru堆叠等。帽层828的示例性厚度为20-30
Figure C20061000360400161
第二屏蔽层(S2)830形成在帽层828上。绝缘材料832例如Al2O3形成在传感器800的两侧。
注意，图8所示的结构仅表示传感器的一个可能构造，本领域技术人员将意识到其它构造是可行的。例如，可存在多个AP被钉扎层结构，自由层可位于种子层与AP被钉扎层结构之间等。因此，这里给出的结构仅用于说明目的，从而演示该新型Ru合金间隔层的一个可行应用。
CPP隧道阀
图11描绘根据一实施例的CPP隧道阀传感器1100的ABS视图。CPP隧道阀传感器1100总地具有与图8所示的结构相同的构造，除了第一间隔层820由电介质势垒材料形成，例如Al2O3、AlOx、MgOx等。第一间隔层820很薄，使得流经传感器1100的电流“隧穿”经过第一间隔层820。第一间隔层820的示例性厚度为3-6
Figure C20061000360400162
CIP GMR
图12描绘根据一实施例的CIP GMR传感器1200的ABS视图。“CIP”意味着检测电流(Is)沿平行于形成传感器1200的层的方向或在形成传感器1200的层的平面“内”流经所述层。CIP GMR传感器1200总地具有与图8和11所示的结构相同的构造，除了常规材料和厚度的引线1202形成在传感器1200的相对侧，且传感器1200夹在绝缘材料(G1)1204和(G2)1206之间。另一重要不同在于与垂直于道宽相反，电流跨道宽地流动。因为电流能流经所有层，所以期望减小流经偏置层826的电流的量，使得更多电流流经自由层822。为实现这点，可以选择电阻材料来形成偏置层826。优选地，选定来形成偏置层826的材料是非晶的，使得其具有高的电阻率。优选材料为(Co73Ni12)85Nb15。该材料还将具有大的磁致伸缩，其导致偏置层826的磁取向平行于道宽被钉扎。减小电流分流的另一方法是减小流经AP被钉扎层结构812的电流的量，使得更多电流流经自由层822。为实现这点，第二被钉扎层816可以制得小于第一被钉扎层814从而减小电流的分流。
磁记录介质
Ru合金间隔层还可以用作纵向和垂直磁介质中的耦合层。如上所述，超高密度磁介质的记录层可通过将铁磁记录层与另一层反铁磁耦合来稳定化，从而即使在高温下也为记录介质提供更多的稳定性。
图13描绘了实施Ru合金耦合层的示例性记录介质1300。根据一实施例的纵向记录的薄膜的硬盘型磁记录介质1300的一部分包括：基本刚性的非磁金属衬底1302，通常为铝(Al)或铝基合金例如铝镁(Al-Mg)合金，具有连续沉积或以其它方式形成在其表面1302A上的镀层(plating layer)1304，例如为非晶镍磷(Ni-P)；一层或更多层的多晶衬层(underlayer)1306，通常为Cr或Cr基合金；从属层(slave layer)1307，通常为钴(Co)基合金；Ru合金耦合层1308，例如为Ru和Co、Ni、Fe、CoFe、NiFe；磁记录层1309，通常包括一种或更多具有铂(Pt)、Cr、硼(B)等中的一种或更多种的钴(Co)基合金；保护覆层1310，通常包含碳(C)，例如类金刚石型碳(“DLC”)；以及润滑剂外涂层1312，例如为全氟聚醚(perfluoropolyether)。对于玻璃衬底上的介质，所镀的NiP层1304被省略，且额外的种子层增加在玻璃表面1302A与衬层1306之间。层1304-1310中的每层可通过合适的物理气相沉积(“PVD”)技术来沉积，例如溅射，层1312通常通过浸涂(dipping)或喷涂(spraying)来沉积。再次地，该结构仅以示例方式提供，实践本发明的人员将意识到，实施该新型耦合层的记录介质可具有更多或更少的层，且可以是可能的不同成分的。
与采用纯Ru所发现的相比，这里描述的Ru合金材料提供铁磁记录层与第二层之间更强的AFC。上面给出的实验结果将一般也适用于磁介质。类似地，所述介质能够以大致相同的方式制造。
还含有铁磁金属的Ru合金材料还被发现与常规材料例如Co合金构造的记录层更相容。
与上面所述的相似的厚度也可用于Ru合金耦合层。
上面已经介绍了所述介质的使用方法。
尽管上面已经描述了各种实施例，但是应理解，这些实施例仅以示例的方式而不是限制的方式给出。例如，这里介绍的结构和方法在它们应用于所有的MR头、AMR头、GMR头、自旋阀头等时是通用的。因此，优选实施例的广度和范围不应被任何一个上述示例性实施例所限制，而应仅根据权利要求及其等价物来定义。
本发明与美国专利申请No.10/602507和No.602504相关，在此引用其内容作为参考。

Claims (12)

1.一种磁存储系统，包括：
磁介质，包括：
铁磁记录层；
第二层，其与所述记录层反铁磁耦合；以及
反平行耦合层，其位于所述记录层与所述第二层之间，
其中所述反平行耦合层由包括Ru和铁磁金属的Ru合金构成；至少一个头，其用于从所述磁介质读取或向其写入，每个头具有：
传感器，包括：
自由层；
反平行被钉扎层结构，其与所述自由层间隔开，
其中所述反平行被钉扎层结构包括至少两个被钉扎层，其具有彼此反平行的自钉扎的磁矩，所述被钉扎层通过反平行耦合层分隔开，
其中所述反平行耦合层由Ru合金构成，且所述Ru合金包括选自Co、Ni、CoFe和NiFe构成的组的铁磁金属；
写入器，其结合到所述传感器；
滑块，其用于支承所述头；以及
控制单元，其耦接到所述头，用于控制所述头的运行。
2.一种磁头，包括：
自由层；
反平行被钉扎层结构，其与所述自由层间隔开，
其中所述反平行被钉扎层结构包括至少两个被钉扎层，其具有彼此反平行的自钉扎的磁矩，所述被钉扎层通过反平行耦合层分隔开，
其中所述反平行耦合层由Ru合金构成；且所述Ru合金包括选自Co、Ni、CoFe和NiFe构成的组的铁磁金属。
3.如权利要求2所述的头，其中所述Ru合金包括约5％和约40％之间重量的CoFe。
4.如权利要求2所述的头，其中所述AP耦合层的厚度小于
5.如权利要求2所述的头，其中所述AP耦合层的厚度在约
Figure C2006100036040002C2
和
Figure C2006100036040002C3
之间。
6.如权利要求2所述的头，其中所述AP耦合层的厚度在和
Figure C2006100036040003C2
之间。
7.如权利要求2所述的头，其中所述头构成GMR头的一部分。
8.如权利要求2所述的头，其中所述头构成CPP GMR传感器的一部分。
9.如权利要求2所述的头，其中所述头构成CIP GMR传感器的一部分。
10.如权利要求2所述的头，其中所述头构成隧道阀传感器的一部分。
11.一种磁存储系统，包括：
磁介质；
至少一个头，用于从所述磁介质读取或向其写入，每个头具有：
传感器，其具有如权利要求2所述的结构；
写入器，其结合到所述传感器；
滑块，其用于支承所述头；以及
控制单元，其耦接到所述头，用于控制所述头的运行。
12.一种磁头，包括：
自由层；
反平行被钉扎层结构，其与所述自由层间隔开，
其中所述反平行被钉扎层结构包括至少两个被钉扎层，其具有彼此反平行的自钉扎的磁矩，所述被钉扎层通过反平行耦合层分隔开，
其中所述反平行耦合层由Ru合金构成，所述Ru合金包含约60至95重量百分比的Ru和约5至40重量百分比的铁磁金属，所述铁磁金属选自包括Co、Ni、CoFe和NiFe的组，
其中所述反平行耦合层具有约
Figure C2006100036040003C3
和
Figure C2006100036040003C4
之间的厚度。
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