CN100502078C - 磁致电阻传感器和磁致电阻读头 - Google Patents

磁致电阻传感器和磁致电阻读头 Download PDF

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Abstract

磁致电阻传感器和磁致电阻读头。本发明涉及一种基于自旋累积效应的盘驱动器磁致电阻(MR)读头，其在读间隙中没有电端子和相关的绝缘层。自旋累积型MR读头具有位于下磁屏蔽件上绝缘层上的导电条带，该条带具有在头的检测端的面向盘的第一端以及在头的后端从所述检测端凹进的第二端。在头的检测端，上磁屏蔽件位于自由层上而没有绝缘层。在头的后端电阻检测电路电耦接到上屏蔽件和下屏蔽件。在头的后端，电端子位于被固定铁磁层上且与上屏蔽件电绝缘。在头的后端，电流供应电路电耦接到端子和下屏蔽件。

Description

磁致电阻传感器和磁致电阻读头
技术领域
本发明总地涉及磁致电阻(MR)传感器，例如用于磁记录盘驱动器的MR读取头，更特别地，涉及基于自旋累积效应(spin accumulation effect)的MR传感器。
背景技术
通常称为“自旋阀”(SV)传感器的一类常规MR传感器具有层的堆叠，该堆叠包括由非磁间隔层分隔开的两个铁磁层。一个铁磁层使其磁化方向例如通过与相邻反铁磁层的交换耦合被钉扎而被固定，另一铁磁层使其磁化方向在存在外磁场时“自由”转动。利用施加到传感器的检测电流，自由层磁化相对于被固定层磁化的转动可检测为电阻变化。用在所有当前磁记录硬盘驱动器中的SV MR读头以与传感器层堆叠中的层平面平行地传导的检测电流运行，所以其被称为面内电流(CIP)传感器。
已经提出了基于磁隧道结(MTJ)的一类MR读头。在MTJ MR读取头中，自由与被固定铁磁层之间的非磁间隔层是非磁隧道势垒层，通常由氧化铝形成。MTJ MR读头以垂直于传感器堆叠中的层平面(CPP)的隧穿电流运行，且垂直经过所述层的隧穿电流依赖于两个铁磁层中磁化的相对取向。
在两类MR读头中，没有外磁场时，被固定或被钉扎层的磁化一般垂直于盘的平面，自由层的磁化一般平行于盘的平面。当暴露于来自记录在盘上的数据位的外磁场时，自由层磁化将转动，引起电阻变化。自由和被固定铁磁层在面向盘的检测端位于两个磁屏蔽件之间。屏蔽件防止来自与正被读取的位相邻的位的磁场到达读头。屏蔽件锐化空间响应(spatial response)并改善读头沿数据道(data track)的分辨率。屏蔽件之间的间隔称为读间隙。读间隙的尺寸影响读头沿道的分辨率且因此影响沿道的位密度，所以期望保持读间隙尽可能小。
在US2005/0002128 A1和US 2004/0257714 A1中已经提出了一种基于“自旋累积”的MR传感器和读头。这类传感器基于F.J.Jedema等公布的实验结果，“Electrical detection of spin precession in a metallic mesoscopic spinvalve”，Nature，Vol.416，April 2002，pp.713-716。这类MR传感器具有导电条带，第一隧道势垒和自由铁磁层在该条带的前或检测端，第二隧道势垒和被固定铁磁层在该条带的后端。当电流从被固定铁磁层经第二隧道势垒进入条带的后端且被固定铁磁层沿一方向被磁化使得该层中自旋向上的电子的数量高于自旋向下的电子的数量时，则自旋向上的电子在第二隧道势垒下面累积。然而，由于该条带是非磁的，自旋累积程度指数地衰减，具有与该条带材料中电子的自旋扩散长度相等的特征长度水平。如果该条带的前端以大约等于或短于自旋扩散长度的距离定位，则自旋累积被检测为跨过前端的电压。该电压取决于自由铁磁层的磁化方向，从而当自由层暴露于外磁场时，跨过第一隧道势垒的电阻改变。
在所提出的基于自旋累积效应的MR读头中，电端子位于检测端，与自由层接触且因此在磁屏蔽件之间的读间隙中。因为穿过条带的后端导向的电流利用屏蔽件作为电引线，所以端子必须具有相关的绝缘层从而与屏蔽件电隔离。因此端子和绝缘层两者都增加了读间隙的尺寸。
所需要的是基于自旋累积效应的MR传感器，其具有最小化读间隙的尺寸的电引线结构。
发明内容
本发明涉及基于自旋累积效应的盘驱动器MR读头，其在读间隙中没有电端子和相关的绝缘层。导电条带位于下磁屏蔽件上的绝缘层上。在头的面向盘的检测端，上磁屏蔽件位于自由层上而没有绝缘层。上屏蔽件延伸到头的后端。电阻检测电路在头的后端电耦接到上屏蔽件和下屏蔽件。在头的后端，电端子位于被固定铁磁层上且与上屏蔽件电绝缘。电流供应电路在头的后端电耦接到该端子和下屏蔽件。因为没有与自由层接触的电端子，因而不需要相关的绝缘层，读间隙的尺寸被减小。
为了更充分理解本发明的本质和优点，应该参考下面结合附图的详细描述。
附图说明
图1是去掉罩的常规磁记录硬盘驱动器的示意性顶视图；
图2是沿图1的方向2-2截取的滑块和部分盘的放大端视图；
图3是沿图2的方向3-3的视图，示出了从盘观察时叠置在部分数据道上方的读/写头的端部；
图4A-4B分别示出了基于自旋累积效应的现有技术MR读头的透视和侧剖面图；
图5A是本发明传感器的透视图，描绘了移去上屏蔽件的MR读头；
图5B是图5A的MR读头沿截面5B-5B截取的侧剖视图。
具体实施方式
本发明的传感器可用作用于磁记录盘驱动器的磁致电阻(MR)读头，因此将参照图1-3简要描述常规盘驱动器的运行。然而，本发明的传感器完全可以应用为磁场传感器以及作为用于除了磁记录盘之外的磁记录媒质的读头。
图1是常规磁记录硬盘驱动器的结构图。该盘驱动器包括磁记录盘12和支承在盘驱动器外壳或基体16上的旋转的音圈马达(VCM)致动器14。盘12具有旋转中心13并通过安装到基体16的心轴马达(spindle motor)(未示出)沿方向15旋转。致动器14绕轴17旋转且包括刚性致动臂18。通常柔性的悬臂20包括挠曲元件23且连接到臂18的末端。头载具或气垫(air-bearing)滑块22附着到挠曲件23。磁记录读/写头24形成在滑块22的尾表面25上。挠曲件23和悬臂20使滑块能够在旋转的盘12产生的气垫上“俯仰(pitch)”和“横转(roll)”。通常，有多个盘堆叠在被心轴马达旋转的轴(hub)上，各个滑块和读/写头与每个盘表面相关联。
图2是沿图1的方向2-2截取的滑块22和部分盘12的放大端视图。滑块22附着到挠曲件23且具有面向盘12的气垫面(ABS)27和一般垂直于ABS的端面或尾表面25。ABS 27使得来自旋转的盘12的气流产生气垫，该气垫支承滑块20非常接近盘12的表面或几乎与其接触。读/写头24形成在滑块的尾表面25上且通过至尾表面25上的端子盘29的电连接连接到盘驱动器读/写电子组件。
图3是沿图2的方向3-3的视图，示出从盘12观察时叠置在数据道43上方的ABS 27上读/写头24的端部。读/写头24是滑块22上沉积且光刻构图的一系列薄膜。滑块22通常是陶瓷材料或硅的晶片，所述陶瓷材料例如为氧化铝(Al2O3)和钛碳化物(TiC)的复合材料。
写头包括由写间隙30分隔开的磁写极P1和P2。当写电流送往写头时，跨过写间隙30在沿数据道43的方向产生磁场从而磁化数据道区域。MR传感器或读头100位于通常由氧化铝形成的两个绝缘间隙层G1、G2之间。间隙层G1、G2位于磁屏蔽件S1和S2之间。屏蔽件通常由坡莫合金(NiFe)或山达斯特合金(FeAlSi)形成。当读头100检测来自数据道43的磁转变(数据“位”)时，屏蔽件S1、S2防止来自数据道中相邻转变的磁通到达读头。该屏蔽件锐化空间响应并改善读头100沿道方向的分辨率。S1与S2之间的间隔称为读间隙。读间隙的尺寸影响读头沿道的分辨率以及因此的沿道位密度，所以期望保持读间隙尽可能小。
图4A是基于自旋累积效应的MR读头的透视图，头的上磁屏蔽件S2被部分剖切。图4B是图4A的MR读头沿截面4B-4B截取的剖面图。已公开申请US 2005/0002128 A1和US 2004/0257714 A1描述了基于自旋累积效应的盘驱动器MR读头。用于头的衬底是滑块22的体(body)，S1形成在该体上且G1形成在S1上。头包括导电条带103，导电条带103具有ABS附近的第一或检测端103a以及从ABS凹进的第二或后端103b。条带103由导电材料例如铝(Al)、铜(Cu)或半导体材料例如GaAs形成。第一隧道势垒104沉积在第一端103a上，第二隧道势垒108沉积在第二端103b上。隧道势垒材料通常为氧化铝、氧化镁(MgO)或建议用于磁隧道结器件中的任何公知材料。
在头的第一或检测端，第一或检测铁磁层105形成在第一隧道势垒104上。在没有外磁场即来自盘的磁记录层中所记录的数据位的磁场时，检测铁磁层105使其面内磁矩或磁化方向105a通常取向为平行于ABS。检测铁磁层105被称为“自由”层，因为其磁化方向105a在存在来自记录数据的磁场时自由转动。在头的第二或后端，第二或“被固定”铁磁层109形成在第二隧道势垒108上。被固定铁磁层109使其面内磁矩或磁化方向109a基本取向为与磁化方向105a正交并平行于ABS且被阻止在存在关注范围内的磁场即来自记录数据的磁场时的转动。被固定的铁磁层109通常是被钉扎铁磁层，其与反铁磁钉扎层110交换耦合，导致层109的磁化方向109a被“钉扎”而在存在来自记录数据的磁场时不能转动。被固定层109也可以是公知的反平行被钉扎(AP被钉扎)结构，其也称为“层叠”被钉扎层，如美国专利5465185中所描述的。AP被钉扎结构包括铁磁被钉扎层、非磁间隔层和铁磁参考层。
自由层105和被固定层109通常由Co、Fe和Ni中的一种或多种的合金、或两种合金的双层例如CoFe-NiFe双层形成。反铁磁层110通常由足够厚的Mn合金层(PtMn、NiMn、FeMn、IrMn、PdMn、PtPdMn或RhMn)形成。PtMn层需要厚于约100
Figure C200610082730D0009140128QIETU
从而退火后变成化学有序且反铁磁性，IrMn层当其厚于约40
Figure C200610082730D0009140128QIETU
时沉积时就是反铁磁的。这些反铁磁Mn合金还可以包括少量的其它元素诸如Cr、V、Pt、Pd和Ni，其通常被加入来改善耐蚀性或增加电阻。尽管图4A-4B中没有示出，但是该头可以在检测端包括常规铁磁偏置层或多个层，用于偏置自由层105的磁矩从而沿平行于ABS的方向105a纵向地稳定化其磁矩并线性化头的输出。
图4A中，头的上磁屏蔽件S2以剖切方式示出从而可以示出头的检测端。电端子(electrical terminal)114位于自由层105上且朝向头的后端延伸。如图4B所示，端子114通过间隙层G2的通常为氧化铝的电绝缘材料与S2电绝缘。描绘为电压测量电路的电阻检测电路130在头的后端电耦接到端子114和导电屏蔽件S1。
如图4B所示，电流供应电路132电耦接到导电屏蔽件S1、S2。电接触层或引线111、112在头的后端分别位于被固定层109的下方和上方。电路132通过S2、接触层112、钉扎层110、被固定层109、隧道势垒108和接触层111向屏蔽件S1供应电流(由箭头120示出)。该电流路径通过围绕的通常为氧化铝的绝缘材料116与端子114电绝缘。当电流通过电路132经过头的后端时，隧道势垒108提供高的电子自旋相关电阻，这增加了注入到条带103的后端103b的电流的自旋极化。自旋累积，即自旋向上和自旋向下电子的不相等的密度，发生在条带103中，且沿条带103的长度向前端103a扩散。该自旋累积通过电路130被检测为跨过头的检测端的电压。当自由层105暴露于来自记录数据的外磁场同时电流在头的后端流过时，跨过隧道势垒104的电阻改变且通过电路130被检测。
如图4B所示，端子114和G2都位于S1与S2之间头的检测端。端子114和G2对读间隙的尺寸有贡献。因为S2必须位于ABS处且因为端子114必须与S2电隔离以避免电流供应电路132的短路，所以要求绝缘间隙层G2位于端子114与S2之间。
图5A是本发明传感器的透视图，描绘为移去上屏蔽件的MR读头。图5B是图5A的MR读头沿截面5B-5B截取的剖视图。在头的检测端，上磁屏蔽件S2位于自由层105上而没有绝缘间隙层G2。导电非磁间隔层118位于自由铁磁层105与磁屏蔽件S2之间。层118可以由材料如Ta、Rh、Cu或Au形成，并防止层105与S2之间的磁耦合或相互作用，同时提供层105与S2之间的电连接。S2包括S2之上的背部分S2’，从而S2延伸到头的后端，即从ABS处的检测端凹进的端。因此在头的后端S1与S2’之间的间隔大于在检测端(读间隙)S1与S2之间的间隔。S2和S2’示出为两个不同的层，但它们可以是单个保形层，沉积之后具有如图5A所示的一般形状。示出为电压测量电路的电阻检测电路230在头的后端电耦接到导电屏蔽件S1和S2’。
电流供应电路232在头的后端电耦接到电端子214和下屏蔽件S1。电端子214位于被固定铁磁层109上。如果被固定层109是被钉扎层，则反铁磁钉扎层110与被固定层109接触且端子214与钉扎层110接触。可选的电接触层(未示出，但类似于图4B中的层112)可以位于钉扎层110与端子214之间。电接触层111位于条带的后端103b下方，后者位于被固定层109下方。电路232通过端子214、可选的接触层(未示出)、钉扎层110、被固定层109、隧道势垒108和接触层111向屏蔽件S1提供电流(由箭头220示出)。该电路路径通过围绕的通常为氧化铝的绝缘材料116与S2电绝缘。
端子214、接触层111和可选的接触层112可以由Cu或在常规MR头中用作电引线的任何公知材料如Ta、Rh、Cu或Au形成。尽管两个电路230和232示出为具有通过下屏蔽件S1和接触层111至导电条带103的端部103b的电连接，但两个电路都可以利用合适的电引线直接连接到条带103。
如图5B所示，因为在头的检测端没有端子与自由层105接触，所以读间隙的尺寸通过端子的厚度被减小。另外，因为在读间隙中没有端子，所以不必将其与屏蔽件S2绝缘，因此在检测端不必具有间隙层G2，这进一步减小了读间隙的尺寸。
尽管本发明参照其优选实施例进行了特定示出和描述，但是本领域技术人员能够理解，在不脱离本发明的权利要求所定义的精神和范围的情况下可以进行形式和细节上的各种改变。因此，所公开的发明认为仅是说明性的且限制在仅如权利要求所限定的范围内。

Claims (16)

1.一种磁致电阻传感器，其能够检测外磁场且具有用于暴露到所述外磁场的检测端以及与所述检测端间隔开的后端，所述传感器包括：
导电衬底；
所述导电衬底上的第一电绝缘体；
导电条带，其在所述绝缘体上且具有在所述传感器的所述检测端的第一端以及在所述传感器的所述后端的第二端；
第一隧道势垒，其在所述第一端位于所述条带上；
检测铁磁层，其在所述第一隧道势垒上且具有在不存在外磁场时沿第一方向取向的面内磁化方向，所述检测铁磁层的磁化方向在存在外磁场时自由转动；
所述检测铁磁层上的导电层；
第二隧道势垒，其在所述第二端位于所述条带上；
被固定铁磁层，其在所述第二隧道势垒上且具有沿与所述第一方向正交的第二方向取向的面内磁化方向，当存在来自记录数据的磁场时该面内磁化方向被阻止转动；以及
电端子，其在所述被固定铁磁层上，所述电端子与所述检测铁磁层上的所述导电层电绝缘；由此当电流在所述传感器的所述后端被导引经过所述电端子、所述被固定铁磁层和所述第二隧道势垒进入所述条带的所述第二端时，所述检测铁磁层上的所述导电层与所述导电衬底之间的电阻变化的检测将指示在所述传感器的所述检测端处是否存在外磁场。
2.如权利要求1所述的传感器，还包括与所述被固定铁磁层交换耦合的反铁磁层，用于防止在存在来自记录数据的磁场时所述被固定铁磁层的磁化方向的转动，所述反铁磁层位于所述被固定铁磁层与所述电端子之间。
3.如权利要求1所述的传感器，还包括所述检测铁磁层与所述导电层之间的非磁间隔层。
4.如权利要求1所述的传感器，还包括在所述传感器的所述后端处所述条带的所述第二端与所述导电衬底之间的导电接触层，由此当电流被引导通过所述电端子、所述被固定铁磁层和所述第二隧道势垒进入所述条带的所述第二端时，该电流经过所述导电接触层进入所述衬底。
5.如权利要求4所述的传感器，还包括电耦接到所述电端子和所述衬底的电流供应电路。
6.如权利要求1所述的传感器，还包括电耦接到所述电端子和所述条带的所述第二端的电流供应电路。
7.如权利要求1所述的传感器，还包括电耦接到所述传感器的所述检测端处所述检测铁磁层上的所述导电层以及电耦接到所述衬底的电阻检测电路。
8.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器是用于从磁记录介质读取磁记录数据的磁致电阻读头，其中所述衬底是由导磁材料形成的第一屏蔽件(S1)，所述检测铁磁层上的所述导电层是由导磁材料形成的第二屏蔽件(S2)，在所述磁致电阻读头的所述检测端处第一屏蔽件(S1)与第二屏蔽件(S2)之间的间隔定义读间隙。
9.如权利要求8所述的传感器，其中所述第一电绝缘体是第一屏蔽件(S1)上的第一间隙层(G1)，且其中所述读间隙中没有第二间隙层(G2)。
10.如权利要求8所述的传感器，其中在所述磁致电阻读头的所述后端处第一屏蔽件(S1)与第二屏蔽件(S2)之间的间距大于所述读间隙。
11.一种基于自旋累积效应的磁致电阻读头，用于从磁记录介质读取磁记录数据，所述磁致电阻读头具有面向所述介质的检测端以及从所述检测端凹进的后端，所述磁致电阻读头包括：
头载具，其具有平坦的衬底；
第一磁屏蔽件(S1)，其在所述衬底上；
第一电绝缘间隙层(G1)，其在第一磁屏蔽件(S1)上；
导电条带，其在第一电绝缘间隙层(G1)上且具有在所述检测端的第一端以及在所述后端的第二端；
第一隧道势垒，其在所述磁致电阻读头的所述检测端处位于所述条带上；
自由铁磁层，其在所述第一隧道势垒上并且具有在不存在来自所述介质的磁场时沿第一方向取向且在存在来自所述介质的磁场时自由转动的面内磁化方向；
所述自由铁磁层上的非磁间隔层；
所述自由铁磁层上的第二磁屏蔽件(S2)；
第二隧道势垒，其在所述磁致电阻读头的所述后端处位于所述条带上；
被钉扎铁磁层，其在所述第二隧道势垒上并且具有沿与所述第一方向正交的第二方向取向且当存在来自所述介质的磁场时被阻止转动的面内磁化方向；
反铁磁钉扎层，其与所述被钉扎铁磁层交换耦合，用于防止所述被钉扎铁磁层的所述磁化方向的转动；以及
电端子，其在所述反铁磁钉扎层上，所述电端子与第二磁屏蔽件(S2)电绝缘；由此当电流在所述磁致电阻读头的所述后端被引导经过所述电端子、所述反铁磁钉扎层、所述被钉扎铁磁层和所述第二隧道势垒进入所述条带的所述第二端时，第二磁屏蔽件(S2)与第一磁屏蔽件(S1)之间的电阻变化的检测指示在所述磁致电阻读头的所述检测端处是否存在来自所述介质的磁场，
其中该第一方向平行于气垫面。
12.如权利要求11所述的头，还包括在所述磁致电阻读头的所述后端在所述条带的所述第二端与第一磁屏蔽件(S1)之间的导电接触层，由此当电流被引导经过所述电端子、所述反铁磁钉扎层、所述被钉扎铁磁层和所述第二隧道势垒进入所述条带的所述第二端时，该电流通过所述导电接触层进入第一磁屏蔽件(S1)。
13.如权利要求12所述的头，还包括在所述磁致电阻读头的所述后端电耦接到所述电端子和第一磁屏蔽件(S1)的电流供应电路。
14.如权利要求11所述的头，还包括在所述磁致电阻读头的所述后端电耦接到所述电端子和所述条带的所述第二端的电流供应电路。
15.如权利要求11所述的头，其中第二磁屏蔽件(S2)延伸到所述磁致电阻读头的所述后端，且还包括在所述磁致电阻读头的所述后端电耦接到第二磁屏蔽件(S2)和第一磁屏蔽件(S1)的电阻检测电路。
16.如权利要求15所述的头，其中在所述磁致电阻读头的所述后端处第一磁屏蔽件(S1)与第二磁屏蔽件(S2)之间的间距大于在所述磁致电阻读头的所述检测端处第一磁屏蔽件(S1)与第二磁屏蔽件(S2)之间的间距。
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