CN1043935C - 磁阻传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

基于自旋阀效应的MR读出传感器内的读出元件电阻的一个分量随两个相邻磁性层的磁化方向夹角的余弦值变化而变化。该读出元件含有由一非磁性金属层隔开的两个铁磁层。在两铁磁层之一上形成一个反铁磁材料层以对该铁磁层提供一个交互偏置磁场，使其磁化方向固定。在该铁磁层与该反铁磁层之间淀积一个软磁性夹层，将铁磁层与反铁磁层隔开，以增强交互耦合。铁磁材料是铁或铁合金。

Description

磁阻传感器及其制造方法
本发明涉及用以读出记录在磁性媒体上的信息信号的磁性换能器，具体涉及一种改进型磁阻读出换能器，它利用反铁磁交互耦合(exchange coupling)来对换能器提供一个纵向偏置磁场。
先有技术公开了一种称为“磁阻(MR)传感器”或“磁阻(MR)磁头”的磁读出换能器，它表明能在大的线性密度下从磁性表面上读出数据。MR传感器利用由磁性材料制成的读出元件上的电阻变化来检测磁场信号，该磁场信号是读出元件感测的磁通的强度和方向的函数。先有技术的MR传感器工作在各向异性磁阻(AMR)效应的基础上，此效应中，读出元件电阻的一个分量随磁化方向与流经读出元件的检知电流方向之间夹角的余弦平方而变。有关AMR效应的更详细的叙述可从1975年IEEE Trans.Mag.MAG-11,P.1039上D.A.Thompson等人的文章“记忆器、存储器以及有关的应用(Memory,storage,and Related Applications)”中找到。
Grunberg的美国专利4949039描述了一种分层的磁性结构，该分层磁性结构能产生出由于各磁性层中磁化的逆并联对准而引起的增强的MR放应。作为此种分层结构中可能使用的材料，Grunberg列出了铁磁过渡金属和合金；但未从表中指明优选的材料以用于获得良好的MR信号幅度。Grunberg还叙述了采用反铁磁型交互耦合来获得逆并联对准，其中，铁磁材料各个相邻层之间均由铬(Gr)或钇(Y)的薄夹层来分隔开。
转让给直接受让人的、1990年12月11日申请的共同未决的美国专利申请(系列号07/625343)中公开了一种MR传感器，从其中观察到，其内两个不耦合的铁磁层之间的电阻是随该两层磁化方向间夹角的余弦值变化的而变化，而与流经传感器的电流方向无关。根据选定的材料组合，此种机理产生出的磁致电阻在量值上可大于AMR的值，并称之为“自旋阀(spin valve)”(SV)磁致电阻。转让给直接受让人的、1991年2月8日申请的共同未决的美国专利申请(系列号07/652852)公开了一种基于上述效应的MR传感器，它包括有由一个非磁性金属材料薄膜层分隔开的两个铁薄膜磁材料层，其中，至少一个铁磁材料薄膜层是由钴(Co)或钴合金制成的。在外加磁场为零时，利用与一个反铁磁层的交互耦合，使一个铁磁层的磁化方向与另一个铁磁层的磁化方向保持垂直。
按照本发明的原理，一种以自旋阀效应为基础的MR读出传感器包括在一个合适的衬底上形成一个分层结构，该结构含有由一个非磁性金属材料薄膜层分隔开的第一和第二铁磁材料薄膜层，其至少一个铁磁材料薄膜层是由取自铁和铁合金组成的组群中的材料形成的。在外加磁场为零时，第一铁磁材料层的磁化方向基本上垂直于第二铁磁材料层的磁化方向。一个铁或铁合金铁磁材料层中的磁化方向被限制或维持在由跨越一薄软磁性材料夹层的相邻反铁磁层所提供出的反铁磁交互耦合的方向上。该铁材料的磁层和软磁性材料夹层组成一个双层，其中的磁化方向或取向本质上是固定的。另一个铁磁材料层中的磁化方向是能依随一个外加磁场而自由旋转的。由一个电流源对此MR传感器提供一个感测电流，由于铁磁材料的自由层中磁化方向的旋转是被感测的外加磁场的函数，所以在读出元件上会产生一个电压降，它与MR传感器的电阻变化成比例。在一个加磁场的作用下读出元件电阻变化的大小是自由层中磁化方向与固定层中磁化方向之间夹角的余弦值的函数，这代表存储在磁性媒体中的数据比特。
本发明的上述目的和其它目的可从下面对本发明的优选实施例详细叙述并结合以下附图将会更加明了。在附图中相同的编号表示相同的部件。
图1是体现本发明的一个磁盘存储系统的简化方框图；
图2是参照本发明原理的磁(致电)阻传感器的一个透视分解图；
图3示出图2所示的磁(致电)阻传感器的磁滞回线图；
图4是按照本发明原理的磁(致电)阻传感器一个实施例的透视分解图；
图5a-5d示出实施图4所示磁(致电)阻传感器的各种结构的磁滞回线图；
图6示出图4所示的磁(致电)阻传感器的交互磁场(exchangefield)与软磁性夹层厚度的关系曲线图；
图7示出图4所示的磁(致电)阻传感器的矫顽(磁)力与软磁性夹层厚度的关系曲线图；
图8示出图4所示的磁(致电)阻传感器的的交互能量(ex-change energy)与软磁性夹层厚度的关系曲线图；
图9是根据本发明原理构成的磁(致电)阻传感器又一个实施例的端视图。
现在，参看图1。虽然本发明被叙述为体现在图1中所示的一个磁盘存储系统中，但很明显，本发明也可应用于诸如磁带记录系统之类的其它磁记录系统中。至少有一个可旋转的磁盘12支承在心轴14上，并由一个磁盘驱动电机18驱动旋转。在每个磁盘上的磁记录媒体以磁盘12上的多个同心数据磁迹(图中未示出)的环形图案形式出现。
至少有一个滑块13位于磁盘12上，每一个滑块13支持一个或多个通常称为“读/写磁头”的磁性读/写换能器21。当磁盘旋转时，滑块13在磁盘表面22上沿径向前进或后退，以使磁头21能访问磁盘上记录有所希望数据的各不同部分。每个滑块13借助于一个悬浮件15依附于致动臂19。悬浮件15提供出一个轻微的弹性力，它使滑块13在弹力作用下顶着磁盘表面22。每个致动臂19固定在致动装置27上。图1中所示的致动装置例如可以是一个话音线圈电机(VCM)。该话音线圈电机包含有一个在固定磁场之内可移动的线圈，线圈移动的方向和速度由一个控制器所供给电机的电流来控制。
在磁盘存储系统工作期间，磁盘12的旋转在滑块13与磁盘表面22之间产生出一个空气支承，它在滑块13上施加了一个向上力或提升力。这样，该空气支承抵消掉悬浮件15的轻微弹性力，支撑住滑块13离开，使之略为处在磁盘表面上方，从而在工作期间保持一个微小的、基本上恒定的间隔。
磁盘存储系统的各个部分在的操作均由控制单元29产生的控制信号诸如访问控制信号和内部时钟信号来控制。通常，控制单元29包括例如逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元29产生控制信号诸如线23上的驱动电机控制信号和线28上的磁头位置搜索控制信号去控制各系统的操作。线28上的控制信号提供所希望的电流分布，以使选定的滑块13最佳地移动和定位到相关的磁盘12上所希望的数据磁迹上。读/写信号通过记录通道25来或去读/写磁头21。
上面结合图1描述的典型的磁盘存储系统都只是为了说明的目的。很显然，磁盘存储系统可容纳大量的磁盘和致动装置，且每个致动装置可支持许多滑块。
参看图2，一个MR传感器30包含有一个诸如玻璃、陶瓷或半导体之类的合适的衬底31；在它上面淀积上一层软铁磁材料的第一薄膜层33、一层非磁性金属材料的薄膜层35和一层铁磁材料的第二薄膜层37。两个铁磁材料层33、37的磁化方向在不存在外加磁场的情况下取向如图中的箭头32和38所示，相互间有着约90度的夹角。此外，第二铁磁材料层37的磁化方向是固定或定准在一个优选的取向方向上，如图中箭头38所示。虽然第二的磁材料层37的磁化方向保持固定的，但第一铁磁材料层33中的磁化方向可在外加磁场(例如图2上示出的磁场h)的作用下自由地转动，如图2中薄膜层33上虚线箭头所示。
由具有比较高电阻率的一种交互偏磁(exchange biasing)材料做成的一个薄膜层39，它淀积得与第二铁磁材料薄膜层37直接接触，以便由交互耦合提供出一个偏置磁场。在该优选实施例中，薄膜层39可用一种合适的反铁磁材料例如最好是铁-锰(FeMn)或镍-锰(NiMn)构成。在另一种方案中，图2中示明的结构也可以按相反的次序来淀积，即是首先淀积反铁磁层39，随后的次序是层37、35和33。在这种淀积次序逆反的结构中，可以利用一个转晶层来确保反铁磁层39具有所希望得到的结构。
根据本发明的这个优选实施例，铁磁层33、37之中的一层或两层可以含铁(Fe)或含一种铁合金。含非磁性金属隔垫层35含例如铜(Cu)，或含其它的诸如银(Ag)、金(Au)或其合金的合适的贵金属。一种基于自旋阀效应的MR传感器(其内的传感读出元件包含有铁磁材料/非磁性材料/铁磁材料或分层结构)已在上面引用的美国专利申请(系列号No.07/625343)中详细地叙述了，该处在这里作为参考文件。磁化方向固定的铁或铁合金层37可由例如含有FeMn的反铁磁层39交互偏磁(exchanged biased)；其中，使用一种低温退火方法，可使交互偏磁的量值大幅度地增加，有关这方面的内容将在下文详细描述。
在利用自旋阀结构的MR传感器中，希望交互各向异性(ex-change anisotropy)最大。对于基于自旋阀效应的一种最佳的MR传感器来说，固定层(或称“定准”层)37必须在被检测的磁场强度范围内保持近乎饱和状态。图3示出在铁薄膜上覆盖有在抛光的硅薄片上淀积一个FcMn的交互耦合偏置磁场的情况。特别是，具有Si/V(30A)/Fe(x)/FeMn(150A)/V(100A)结构(其中x=40和60)的薄膜呈现出约30Oe的交互量，该量值对应于在淀积的薄膜中约0.02erg-cm-2的交互能量。当薄膜在180℃的空气中低温退火约10分钟并在大约250Oe或高些的外加磁场中冷却时，交互磁场Hexch分别大致增加到135和150 Oe，这对应于约0.1erg-cm-2的产互作用自由能量(exchange intersction free energy)。低温退火的Fe/FeMn薄膜的交互各向异性大致与NiFe/FeMn的一样大，足以供MR传感器应用。
现在，再参看图4，图中示出根据本发明原理的一个MR传感器40，它包含有一个诸如玻璃、陶瓷或半导体之类的合适的衬底41，在衬底41上淀积一层软铁磁材料的第一薄膜层43、一层非磁性金属材料的薄膜层45及一层铁磁材料的第二薄膜层47。两个铁磁材料层43和47的磁化方向在无外加磁场下相互间约有90度的取向夹角，如图中箭头42和48所示。此外，第二铁磁材料层47的磁化方向是固定(或定准)的在一个优选的取向方向上，如图中箭头48所示。虽然，在第二铁磁材料层47的磁化方向是固定的，但第一铁磁材料层43中的磁化方向可在外加磁场(例如图4上示出的磁场h)的作用下自由地转动，如图4中薄膜层43上虚线箭头所示。
由具有相当高电阻率的反铁磁材料制作的一个薄膜层51被淀积得与第二铁磁材料薄膜层47相邻，以便在第二铁磁层47中提供出一个交互偏置磁场。一个软磁性材料层49淀积在第二铁磁层47与交互偏磁层51之间并将交互偏磁层51与第二铁磁层47分隔开。在该优选实施例中，薄膜层51包含一种合适的反铁磁材料，例如最好是FeMn或NiMn。另一个方案是，图4所示的结构可按相反的次序来淀积，即先淀积反铁磁层51，随后的次序是层49、47、45和43。在这种淀积次序逆反的结构中，在淀积反铁磁层51之前可先淀积上一层转晶层，以保证反铁磁层具有所希望得到的结构。
按照图4中所示的本发明的优选实施例，铁磁层43、47之中的一层或两层包含铁(Fe)或者一种铁合金。与交互偏置层51相邻的铁磁层47最好由铁或者一种铁合金构成，并且其厚度在10至100的范围内。软磁性材料分隔层(或夹层)49的厚度最好为10或更大些，其范围为10至40。非磁性金属隔垫层45包含例如铜(Cu)或者其它诸如银(Ag)或金(Au)或其合金之类合适的贵金属。非磁性隔垫层45的厚度要大得足以保证两个铁磁层43和47之间基本的磁去耦，便仍然要薄得足以小于传层电子的平均自由路径长度。第二铁磁层47和软磁性夹层49形成一个双层，其内由于同反铁磁层51的交互耦合，因此这双层中的磁化方向是固定的。
图4中所示的MR自旋阀传感器40的一个具体实例包含有一个铁材料铁磁层47和FeMn反铁磁层51，它们被一个溅射淀积在抛光的硅(Si)衬底上的NiFe软磁性层49分隔开。图5a-5d示出这些结构物在空气中低温退火和在外加磁场中冷却后的磁滞(M-H)回线图，可参照上面对图2和图3的描述。特别是，所试验的结构物是Si/V(30)/Fe(x)/Ni80Fe20(y)/Fe50Mn50(150)/V(100)，这里的x和y分别是铁磁层47的厚度和软磁性层49的厚度。图5a-5a中示出了软磁性层49厚度为y=0、10、20、30A时铁磁层47厚度为x=20、40、60A不同值下的各M-H回线。图6、图7和图8中分别示出了交互磁场(Hexch)、矫顽(磁)力(Hc)和界面耦合能量(A=HexchMst)随NiFe层厚度变化的曲线；式中，Ms则饱和磁化强度，t是铁磁层厚度。对于所有的取样值而言，磁滞回线的矩形比并不改变，数值为s=0.6。类似地，矫顽(磁)力矩形值在全部取样值中也没有改变，近似为sx=0.8。在考虑到所测量得的不同层的磁化情况时，图8表明，当Fe厚度等于或大于40及NiFe厚度等于或大于10时，交互能量的量值能保持于大约0.08erg/cm2。这个界面交互能量的值可以与NiFe/FeMn交互薄膜上所得到的值(一般地约为0.1erg/cm2)相比较。然而，明显低的铁磁薄膜层矫顽(磁)力可使磁化方向定准的铁磁层在最大的外加磁场50-200 Oe的范围内保持于近乎饱和的状态；这是Fe和NiFe层的厚度的函数。总的说来，插入一个软磁性层来分隔开铁磁层与反铁磁层已明显地改善了Fe/FeMn交互耦合膜的磁性能，而不明显地影响交互磁场的大小或铁磁薄膜层矩形比的大小或矫顽(磁)力矩形值的大小。具体地说，利用一个软磁性夹层扩展了外加磁场的范围，而在此范围内所述的结构完全起到一个MR传感器的作用。
现在，参看图9，该图示出按照本发明原理的又一个MR自旋阀传感器实施例。在淀积第一铁磁层43之前，先在衬底41上淀积一层诸如钽(Ta)、钌(Ru)或铬-钒(CrV)之类的合适的底层53。底层53的用途是使随后各层的质地、颗粒度和形态最佳化。在获得自旋阀结构的大的MR效应特性的过程中，薄膜层形态是十分关键的；这是因为，它允许在两个铁磁层43和47之间应用一个很薄的非磁性金属隔垫片45的缘故。底层53也须有高的电阻率，以使其对电流的分流作用最小。底层53也可以与上面所述的、参见图2和图4的淀积次序逆反式结构配合应用。如果衬底41的材料具有足够高的电阻率和足够平坦的表面，并有一种合适的结晶结构，则底层53可省去。
软铁磁材料的第一薄膜层43、非磁性金属材料的薄膜层45和铁磁性材料的第二薄膜层47先后淀积在底层53上。在无外加磁场的情况下，两个铁磁层43和47的磁化方向相互间约有90度的夹角取向。如上所述，第二铁磁材料层47的磁化方向由一个交互耦合所产生的偏置磁场定准好就位。例如将诸如NiFe之类的软磁性材料的薄膜层49直接淀积在第二铁磁层47之上；然后在该软磁性层49的上面直接淀积一层反铁磁层51。第二铁磁层47与软磁性夹层49形成一个双层，该双层与反铁磁层51的交互耦合，双层中的磁化方向是固定的。
铁磁层43和47可以用诸如钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)及其各自的合金，例如合金NiFe、NiCo和FeCo之类任一种合适的磁性材料制成。最好，与软磁性层49接触的第二的磁层47由铁或一种铁合金制成。铁磁层43和47的厚度可以在大约10至大约150的范围内选定。
如上讨论的，交互的双层49、51最好是反铁磁FeMn层51的厚度在大约50至大约150的范围内，与之接触的软铁磁层NiFe49的厚度范围为大约10至大约40。
非磁性隔垫层45最好是具有高电导率的金属。例如铜和贵金属金与能给出大的MR效应，铂(Pt)和钯(Pd)给出小的MR效应，而铬(Cr)和钽(Ta)显现很小的MR效应。鉴于上述的理由，隔垫层45的厚度最好在大约10至大约40的范围内。
然后，在该MR传感器上淀积一层诸如钽(Ta)或锆(Zr)之类高电阻率材料的顶层55。在MR传感器与电流源59和感测装置61之间没置导电引线57来形成导电通路。
虽然参照本发明的几个优选实施例已经具体地描述了本发明，但本领域的技术人员将会理解在不偏离本发明的精神、范畴和讲述的内容的情况下，可以做出各种形式上的细节上的变化。据此，这里所揭示的本发明应当仅仅认为是示例性的，其范畴的界限由所附的权利要求书来限定。

Claims (16)

1．一种磁阻传感器，其特征在于：
第一和第二铁磁材料层由一非磁性金属材料隔层分隔开，在无外加磁场时，所述的第一铁磁材料层的磁化方向基本上垂直于所述的第二铁磁材料层的磁化方向；
一层软磁性材料层与上述的第二铁磁材料层相邻并相接触；
一层反铁磁材料层与上述的软磁性材料层相邻并相接触，所述的反铁磁材料层与上述的第二铁磁材料层间被上述的软磁性材料层分隔开，上述的软磁性材料层与所述的第二铁磁材料层形成一个与所述的反铁磁材料层直接接触的双层，所述的反铁磁层用于在所述的双层中提供出一个偏置磁场，因而使所述的双层中的磁化方向固定住。
2．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的第一和第二铁磁材料层中的至少一个含有铁或一种铁合金。
3．根据权利要求2所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的第二铁磁材料层含有铁或一种铁合金。
4．根据权利要求3所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的软磁性材料层含有一种镍-铁(NiFe)合金。
5．根据权利要求4所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的反铁磁材料层含有一种铁-锰(FeMn)合金。
6．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的反铁磁材料层含有一种从铁-锰和镍-锰的构成组群构成中选择的材料。
7．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的软磁性材料层的厚度至少为10。
8．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的软磁性材料层的厚度是在大约10至大约40的范围内。
9．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的反铁磁材料层的厚度是在大约50至大约150的范围内。
10．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的第一和第二铁磁材料层的厚度是大约10至150的范围内。
11．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的非磁性金属隔垫层的厚度小于所述的非磁性金属隔垫层内传导电子的平均自由路径长度。
12．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的非磁性金属隔垫层的厚度是在大约10至大约40的范围内。
13．根据权利要求1所述的磁致电阻传感器，其特征在于，所述的非磁性金属隔垫层含有从银、金、铜及其各自的合金构成的组群选择的一种材料。
14．根据权利要求13所述的磁臻电阻传感器，其特征在于，所述的非磁性金属隔垫层包括一个铜薄膜层。
15．一种制造磁致电阻传感器的方法，其特征在于有以下步骤：
在一个衬底上形成一个分层的磁性结构物，该结构物含有由一个非磁性金属材料隔层分隔开的第一和第二铁磁材料层；
在所述的第二铁磁材料层上直接接触地淀积一层软磁材料层；
所述的分层磁性结构物在温度大约180℃空气中低温退火一段预定长度的时间；
在所述的软磁材料层上并与所述的软磁材料层直接接触地淀积一层反铁磁材料层；
所述的分层磁性结构物在一预定温度下在空气中低温退火一段预定长度的时间；及
使所述的分层磁性结构物在一个外加磁场中冷却。
16．根据权利要求15所述的制造方法，其特征在于，所述的软磁化材料层含有镍-铁(NiFe)材料。
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