CN105989857B

CN105989857B - 合成反铁磁读取器

Info

Publication number: CN105989857B
Application number: CN201510223858.9A
Authority: CN
Inventors: V·B·萨波日尼科夫; T·G·泊克希尔; M·S·U·帕特瓦瑞
Original assignee: Seagate Technology LLC
Current assignee: Seagate Technology LLC
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2015-01-30
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2035-01-30
Also published as: CN105989857A

Abstract

本申请公开了合成反铁磁读取器。本文公开的实施方式提供了一种装置，包括合成的反铁磁读取器结构，其中钉扎层的总磁矩显著大于参考层的总磁矩。在一种实施方式中，显著减小钉扎层的钉扎强度。

Description

合成反铁磁读取器

背景技术

在电子数据存储设备中，磁硬盘驱动器包含磁记录头，该磁记录头读取和写入在有形磁存储介质中编码的数据。磁记录头可包括呈现磁阻的薄膜多层结构。从磁存储介质的表面检测的磁通引起磁记录头内的磁阻(MR)传感器内的一个或多个传感层的磁化向量的旋转，这继而引起MR传感器的电阻率的变化。通过使电流穿过MR传感器并测量跨过MR传感器的电压的所产生的变化，可检测跨MR传感器的电阻率的变化。相关电路可将测量的电压变化信息转换成适当的格式，并处理该信息以恢复在磁存储介质上编码的数据。

发明内容

本文公开的实施方式提供一种装置，包括合成的反铁磁结构，其中钉扎层的总磁矩显著大于参考层的总磁矩。在一种实施方式中，显著减小钉扎层的钉扎强度。

提供本发明内容，以简化形式介绍下面在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题的其它特征、细节、功用和优点将从以下更具体撰写的各种实施方式的具体实施方式和如在附图中进一步图示并在所附权利要求中限定的实施方式中显而易见。

附图说明

图1图示包括本文公开的读取器的示例磁盘驱动器组件的平面图。

图2图示读取器中的磁化和磁化旋转的示例性三维视图。

图3图示在介质转变(transition)的沿磁道向下(downtrack)回读期间图2中读取器的自由层角导数的示例性图形描绘。

图4图示在介质转变的沿磁道向下回读期间图2中读取器的参考层角导数的示例性图形描绘。

图5图示介质转变的沿磁道向下回读期间在示例性读取器中的信号导数的图形描绘。

图6图示对于具有不同SAF比的读取器的PW50对SAF钉扎的示例性图形描绘。

具体实施方式

对于高数据密度和用于从磁存储介质读取数据的敏感的传感器，存在日益增加的需求。随着磁存储介质上数据密度的增加，具有增加的敏感性的巨磁阻(GMR)传感器包括两个软磁层，两个软磁层由薄导电的非磁间隔物层(诸如铜)分隔。隧道磁阻(TMR)传感器提供对GMR的扩展，其中电子跨过薄绝缘隧道势垒而与取向垂直于磁层的其自旋一起行进。

在TMR传感器中，传感器堆叠可位于顶部屏蔽和底部屏蔽之间。屏蔽将传感器堆叠和不想要的电磁干扰隔离，但还允许传感器堆叠受传感器正下方的数据位的磁场的直接影响。

在磁阻(MR)传感器(也被称为“读取传感器”)的一个实施方式中，传感器堆叠可包括种子层、反铁磁(AFM)层、合成的反铁磁(SAF)结构、隧穿势垒层、自由层(FL)以及覆盖层。SAF结构可包括多个薄铁磁层、正由薄的非磁层分离的一个或多个层对。例如，SAF结构可包括钉扎层(PL)、耦合隔离物层以及参考层(RL)。耦合隔离物层可由诸如钌的材料构成。PL是具有抑制的旋转的第一软磁层。在SAF结构的一侧，AFM层可位于邻近于SAF结构的PL，以防止它旋转。在SAF结构的另一侧，FL(响应于外部场而自由旋转的第二软层)可位于RL附近。

在一个实施方式中，钉扎PL使得PL的磁化的磁矩垂直于传感器堆叠的空气支承面(ABS)。类似地，钉扎RL使得RL的磁化的磁矩也垂直于ABS。然而，RL和PL的磁化方向相反或者彼此偏离180度。

另一方面，偏置FL，使得FL的磁化的磁矩与PL与RL的钉扎基本成90度。换言之，FL的磁化的方向平行于ABS的表面。具体而言，FL的磁化的方向通常平行于ABS的表面，并且在与磁化介质上方的MR传感器的运动垂直的方向的跨磁道方向上。在来自记录介质的磁场变化期间，RL的磁矩的方向和FL的磁矩的方向在相反方向上旋转。具体而言，在MR传感器的操作期间，MR传感器暴露于来自于记录介质的磁场范围，从正场到负场。随着场变化，堆叠的各种磁层的磁矩方向旋转，从而产生信号。

随着MR传感器在磁记录介质的表面上移动，PL的钉扎通常保持与MR传感器的ABS基本接近成90度。然而，取决于磁记录介质的磁化，FL的磁化变化，从而改变RL和FL的磁化之间的角，这产生了与由记录介质生成的隧穿磁阻成正比的信号。

为了正确地操作MR传感器，应当使MR传感器对边缘畴的形成稳定，因为畴壁运动导致使得数据恢复困难的电噪声。获得稳定化的一种方式是通过在MR传感器的每一侧上沿着跨磁道方向放置偏置结构，诸如具有高矫顽场的永久磁铁(PM)(即硬磁体)。来自PM的场稳定传感器，并且阻止边缘畴形成，以及提供合适的偏置。例如，MR传感器被放置在PM之间，使得PM在相反的方向上推动RL和PL的钉扎。

使用如上公开的MR传感器中的AFM/SAF结构增加读取器的屏蔽到屏蔽间距(SSS)。因为确定记录系统中信噪(SNR)比的MR传感器的脉冲宽度波动PW50取决于头部的SSS，实现较低的SSS导致较低的PW50和增加的信噪比。然而，已很大程度上耗尽通过减小SSS而减小SNR的方法。本文公开的实施方式提供增加MR传感器的SNR的替代方法。具体而言，本文公开的实施方式提供MR传感器，包括SAF结构，其中钉扎层的磁矩大于参考层的磁矩。由于所述设计，SAF显著地不平衡有利于(in favor of)PL。此外，显著减弱钉扎强度，以允许在回读期间的显著的PL磁化旋转。

可平衡SAF结构的磁矩，以在回读操作期间实现尽可能少的复合SAF结构磁矩中的运动。在这样一种实施方式中，如由SAF结构中PL和RL的磁矩厚度MrT给出的总磁矩(其是铁磁材料的每个单位体积的磁矩(Mr)和铁磁材料的物理厚度(T)的乘积)基本相同或相似，并且PL和RL的磁矩的方向基本彼此相反。结果，在回读操作期间施加到PL和RL的磁矩的转矩互相抵消，导致转矩的整体期望的值基本接近零。

在公开的实施方式中，对PL有利地使SAF结构不平衡，这是因为PL的磁矩显著高于RL的磁矩。当对PL有利地使SAF不平衡时，增加PL的MrT，其结果是在存在介质场时PL中的磁转矩高于存在介质场时RL中的磁转矩。因为MrT是磁矩和厚度的乘积，通过改变PL的厚度或者改变PL的磁矩，可以使SAF结构不平衡。从而，在一个实施方式中，与RL的磁矩相比，可增加PL的磁矩以使SAF结构不平衡。在另一个实施方式中，与RL的厚度相比，可增加PL的厚度以使SAF结构不平衡。

在本文公开的SAF结构的替代实施方式中，显著减小PL的钉扎强度，以便实现在介质场存在时的增加的SAF旋转。RL耦合到PL，因此当减小PL的钉扎强度时，给定的介质场强度能够由于PL的减小的钉扎强度而使RL旋转更多。由于SAF结构的不平衡和/或减小的钉扎强度，减小脉冲宽度PW50。从而，本文公开的实施方式允许为记录系统减小PW50并增加SNR，而不减小MR传感器的SSS。在又一个实施方式中，既显著减小PL的钉扎强度又采用不平衡的SAF结构。在又一个替代实施方式中，既显著减小PL的钉扎强度又采用不平衡的SAF结构。

MrT的不平衡通过如下式来量化：SAF比(SAF_R)＝PL的MrT/RL的MrT。通常，平衡SAF结构，使得SAF_R显著接近于1.0。同时，SAF_R可能在1.0周围稍微变化，具有大于1.1的SAF_R的SAF结构被认为是显著不平衡。例如，如果SAF_R是2，则PL的MrT是RL的MrT的量的两倍，因此，SAF结构中钉扎层的总磁矩MrT显著大于在这种SAF结构中的参考层的总磁矩MrT。

在一个实施方式中，SAF_R可从0.85-1.0的范围增加到1.1或1.1以上。通过将钉扎层的磁矩(Mr)和参考层的磁矩(MR)的比增加到1.1以上，同时保持钉扎层和参考层的厚度类似，SAF_R可增加到1.1或1.1以上。在替代的实施方式中，通过将钉扎层的厚度和参考层的厚度的比增加到1.1以上，同时保持钉扎层和参考层的磁矩(Mr)类似，SAF_R可增加到1.1或1.1以上。此外，在实施方式中的钉扎强度(以erg/cm²为单位测量)可减小多达3-10倍。

可结合各种不同类型的MR传感器(例如各向异性磁阻(AMR)传感器、TMR传感器、GMR传感器等)使用本文公开的实施方式。因此，讨论的实施方式也可适用于新的MR传感器设计，新的MR传感器设计基于新的物理现象，诸如横向自旋阀(LSV)、自旋霍尔效应(SHE)、自旋扭矩振荡(STO)等。

图1图示示例性的盘驱动器组件100的平面图。示例性的盘驱动器组件100包括在介质盘108上方放置的致动器臂110的远端上的滑块120。围绕旋转的致动器轴106旋转的旋转音圈电机用于在数据磁道(例如数据磁道140)上定位滑块120，并且围绕旋转的盘轴111旋转的主轴(spindle)电动机用于旋转介质盘108。具体参照视图A，介质盘108包括外径102与内径104，其之间是由圆形虚线图示的许多数据磁道，诸如数据磁道140。在操作期间，柔性电缆130为滑块120提供必要的电气连接路径，同时允许致动器臂110的枢转运动。

滑块120是具有执行各种各样功能的各种各样的层的层叠结构。滑块120包括写入器部分(未示出)和用于从介质盘108读取数据的一个或多个MR传感器。视图B图示当使用盘驱动组件100时面向介质盘108的ABS的示例性MR传感器130的侧面。从而，当可操作地附连到视图A中所示的滑块120时，视图B中所示的MR传感器130可围绕(例如围绕z轴)旋转达大约180度。

MR传感器130利用磁阻来从介质盘108读取数据。虽然MR传感器130的确切性质可广泛地变化，但TMR传感器被描述为可与目前公开的技术一起利用的MR传感器的一个示例。

MR传感器130包括位于顶部屏蔽114和底部屏蔽112之间的传感器堆叠132。顶部屏蔽114和底部屏蔽112隔离传感器堆叠132以使其免受电磁干扰，主要是z方向(沿磁道向下)干扰，并且充当连接到处理电子器件(未示出)的导电的第一和第二电导线。在一个实施方式中，底部屏蔽112和顶部屏蔽114允许传感器堆叠130受MR传感器130下方的数据位的磁场的直接影响，同时减小或阻止其它邻近数据位的磁场干扰。因此，随着位的物理尺寸继续减少，底部屏蔽和顶部屏蔽114之间的屏蔽到屏蔽间距(SSS)屏蔽112也应当减少。随着SSS减少，PW50也减少。

传感器堆叠132可包括发起传感器堆叠132的其它层中期望的颗粒结构的种子层138。传感器堆叠132还包括AFM层116和SAF结构117。SAF结构117包括钉扎层(PL)118、耦合间隔物层134和参考层(RL)122。PL 118是软磁层，具有在给定方向上由AFM层116偏置的磁取向。耦合间隔物层134邻近于PL 118，并且将PL 118与RL 122分离。RL 122包括层叠在一起并通过隔离物层134反铁磁地耦合到PL 118的至少两个软磁层。由于这种耦合，RL 122和PL 118的磁矩通常定向垂直于图1的平面并且彼此反向平行。

MR传感器100进一步包括具有磁矩的自由层(FL)124，自由层124在感兴趣的范围中施加的磁场的影响下自由旋转。根据另一个实施方式，FL 124的两个或多个软磁层通过无定形磁材料的薄层层叠在仪器。无定形磁材料增加软磁层的耦合强度，并改善MR传感器100的稳定性。

隧穿势垒层126将RL 122与FL堆叠124分离。隧穿势垒层126足够薄，以实现RL 122和FL 124之间的量子力学电子隧穿。电子隧穿是电子自旋相关的，使得读取头130的磁响应是FL 124和SAF结构117(即包括RL 122、PL 118和耦合间隔物层134的结构)的相对取向和自旋极化的函数。当SAF结构117和自由层堆叠124的磁矩反向平行时，电子隧穿的最低概率发生。因此，传感器堆叠132的电阻响应于施加的磁场而变化。

传感器堆叠132进一步包括覆盖层128。覆盖层128将自由层堆叠124与顶部屏蔽114磁分离。覆盖层128可包括几个单独的层(未示出)。此外，传感器堆叠132可位于沿跨磁道方向(沿x轴)的传感器堆叠132的两侧上的两个永磁体(PM)(未示出)之间。

介质盘108上的数据位在垂直于图1的平面的方向上(进入该图的平面的方向或离开该图的平面的方向)被磁化。从而，当MR传感器130在数据位上方通过时，自由层的磁矩旋转成进入图1的平面或者从图1的平面离开，从而改变MR传感器130的电阻。基于从耦合到AFM层116的第一电极流到耦合到覆盖层128的第二电极的电流，因此可确定正由MR传感器130感测的位的值(例如或者是1或者是0)。

根据一个实施方式，SAF结构117中PL 118的MrT大于SAF结构117中RL 122的MrT。如上所提供的，由于公开的设计，对PL 118有利地使SAF显著不平衡。分别与RL 122的磁矩或RL 122的厚度相比，通过增加PL 118的磁矩或者通过增加PL 118的厚度，可实现PL 118的增加的MrT。此外，还可显著地减小PL 118的钉扎强度，以便实现在介质场存在时的显著的SAF旋转。由于SAF结构117的不平衡和/或减小的钉扎强度，MR传感器130的脉冲宽度波动PW50减小，这导致在使用MR传感器117的记录系统中减小的信噪(SNR)比。从而，MR传感器130为记录系统提供增加的SNR而不减小传感器堆叠117的SSS。

图2图示在本文公开的实施方式中的读取器中磁化和磁化旋转的二维视图200。传感器堆叠中SAF结构的PL和RL的磁化由实线箭头图示，而磁化的旋转由虚线箭头图示。具体而言，RL的磁化由202图示，而PL的磁化202由204公开，而RL磁化的旋转由206图示，而PL磁化204的旋转由208图示。正如所图示的，RL的磁化202和PL的磁化204在方向上基本彼此相反(虽然不完全相反或处于180度)。另一方面，偏置传感器结构的FL，使得FL磁化218与PL磁化204和RL磁化202基本成90度。介质场212使FL磁化218如由旋转的方向220旋转。

在一个实施方式中，在对PL有利地使SAF结构不平衡的情况下，与RL磁化202相比，PL磁化204具有更高的磁矩。此外，减小PL的钉扎强度，使得在存在介质场212时，PL磁化204在方向208上更自由地旋转。PL通过位于包括PL的SAF结构的底部的AFM层被钉扎。

SAF结构可位于沿着产生PM场210的PM之间的跨磁道方向。PM场210用平行于图的平面并且通常水平取向的磁矩来偏置FL。这种偏置阻止FL磁化218飘移(这种飘移可将噪声引入到数据中)。PM场210偏置足够小，然而，FL磁化218可响应于对数据盘上存储的数据位施加的介质场212而改变。

介质场212沿逆时针方向对PL磁化204上施加力，并在顺时针方向对RL磁化202上施加力。在一个实施方式中，对PL有利地使SAF结构显著地不平衡，并且PL的钉扎强度显著减小。例如，可通过提供比RL厚的PL而使SAF结构不平衡。结果，PL磁化204和RL磁化202上有效合成的转矩是逆时针的。此外，减小的钉扎强度导致在存在介质场212时RL磁化202在与FL磁化218的旋转220相同的方向上但具有相移的增加的旋转。

由传感器堆叠形成的数据信号取决于跨RL和AFM生成的脉冲(RL脉冲)以及跨FL和AFM生成的脉冲(FL脉冲)。由于SAF和FL的不同的沿磁道向下位置，RL脉冲相对于FL脉冲相移，并且在形成数据场时，从主要在一侧的FL脉冲中减去RL脉冲。这导致缩小在RL侧上的数据信号脉冲，导致减小的PW50。

图3图示FL角导数(即ΔFL角/Δ位置)的图300，作为具有如本文公开的不平衡SAF结构的读取器中的沿磁道向下方向上的读取器位置的函数。具体而言，图300图示：随着介质正相对于读取器移动，在写入到介质中的数据位上方的读取器的单个转换期间，作为读取器位置变化(以nm为单位)的函数的FL角导数的变化。当读取器穿过转变时，FL磁化的位置变化，正如由FL磁化的角所反映。当读取器穿过转变时，FL峰值位置被描绘为在大约-57纳米处的虚线A，在该实施方式中具有以大约4.8度/5nm的FL磁化角导数。

图4图示读取器的RL角导数的图400，作为具有如本文公开的不平衡SAF结构的读取器中的沿磁道向下方向上的读取器位置的函数。具体而言，图400图示：随着介质正相对于读取器移动，在写入到介质中的数据位上方的读取器的单个转换期间，作为读取器位置变化(以nm为单位)的函数的RL角导数的变化。图400图示对于各种各样的不同钉扎强度(1.1，0.5，0.2和0.1erg/cm²)的对于1.8的SAF比(PL的MrT/RL的MrT)的读取器的RL角导数和位置之间的这种关系。

RL磁化的运动取决于SAF结构的钉扎强度，其中较低钉扎强度导致如图4中图示的较高曲线运动。如本文公开的SAF钉扎减小和对PL有利地使SAF再平衡导致RL磁化的较高运动，以及因此用于在存在介质场时的RL角偏差的较高幅度。如图4中图示，RL磁化的移动在FL磁化的方向上。

在信号形成中，RL脉冲相对于主要在一侧上的FL脉冲移位。结果，在RL侧上缩小信号脉冲。RL磁化角导数的最大值由虚线B示出。虚线A是最大FL磁化角导数的位置。因为RL脉冲在和FL脉冲相同的方向上移动，这种设计减小主要在RL侧上的FL磁化和RL磁化之间的相对角的变化。

图5图示示例性的转变回读导数(脉冲形状，通常正比于FL-RL角导数)的图500，作为具有如本文公开的不平衡SAF结构的读取器中的沿磁道向下方向上的读取器位置的函数。图500图示对于各种各样的不同钉扎强度(1.1，0.5，0.2和0.1erg/cm²)的对于1.8的SAF比(PL的MrT/RL的MrT)的读取器的转变回读导数和位置之间的这种关系。正如所图示的，在具有对PL有利地使SAF结构不平衡的读取器中的RL磁化旋转缩小SAF侧上的读取器脉冲，导致更窄的PW50。

图6图示对于各种各样的SAF比(0.85，1.2，1.5和1.8)的具有如本文公开的不平衡SAF结构的读取器中的PW50对SAF钉扎的图600。正如所图示的，对于较低的钉扎强度，具有较高SAF比的读取器导致较低的PW50。例如，在1.8的SAF比和小于0.2erg/cm²的SAF钉扎强度时，PW50和大约22.5-23nm一样低。与之相比，在1.2的SAF比和类似的钉扎强度时，PW50大约为25-25.5nm。从而，所公开的具有增加的SAF比的实施方式可减小PW50多达2-3nm。PW50中的这种减少相当于大约5-10nm的SSS的减小，而SSS的该减小可能难以实现。换言之，对于显著大于1.1的SAF比的值(诸如1.2，1.5，1.8等的SAF比)，所公开的实施方式在PW50中提供显著的减小。

以上说明书、示例和数据提供发明的示例性实施方式的结构和使用的完整描述。因为可作出发明的许多实施方式而不脱离发明的精神和范围，本发明存在于此后所附的权利要求中。此外，可在又一个实施方式中组合不同实施方式的结构特征而不脱离列举的权利要求。上述实施方式和其它实施方式在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于数据存储的装置，包括：

合成反铁磁SAF结构，其中所述合成反铁磁SAF结构中的钉扎层的总磁矩MrT大于所述合成反铁磁SAF结构中的参考层的总磁矩MrT，其中所述钉扎层的总磁矩MrT和所述参考层的总磁矩MrT之比大于1.1，并且其中所述钉扎层的钉扎强度低于0.9erg/cm²。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，与所述参考层的磁矩Mr相比，所述钉扎层的磁矩Mr更大，并且所述钉扎层的厚度与所述参考层的厚度基本相等。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，与所述参考层的厚度相比，所述钉扎层的厚度更大，并且所述钉扎层的磁矩Mr与所述参考层的磁矩Mr基本相等。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述合成反铁磁SAF结构用在MR传感器的传感器堆叠中。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述合成反铁磁SAF结构用在钉扎的底部屏蔽中。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述钉扎层的磁矩Mr与所述参考层的磁矩Mr之比大于1.1，并且其中钉扎层的厚度与参考层的厚度基本相等。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述合成反铁磁SAF结构的钉扎强度低于0.5erg/cm²。

8.一种控制传感器堆叠的脉冲宽度PW50的方法，所述方法通过控制所述传感器堆叠的合成反铁磁SAF结构中的具有低于0.9erg/cm²的钉扎强度的钉扎层的总磁矩MrT与参考层的总磁矩MrT之比来控制所述传感器堆叠的脉冲宽度PW50，其中使所述钉扎层的总磁矩MrT和所述参考层的总磁矩MrT的磁矩之比增加到高于1.1。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：使所述合成反铁磁SAF结构的钉扎强度减小到低于0.9erg/cm²。

10.根据权利要求8所述的方法，其中控制所述钉扎层的总磁矩MrT与所述参考层的总磁矩MrT之比进一步包括：控制所述钉扎层与所述参考层的磁矩相比的相对磁矩。

11.根据权利要求8所述的方法，其中控制所述钉扎层的总磁矩MrT与所述参考层的总磁矩MrT之比进一步包括：控制所述钉扎层与所述参考层的厚度相比的相对厚度。

12.一种控制传感器堆叠的脉冲宽度PW50的方法，所述方法通过减小所述传感器堆叠的合成反铁磁SAF结构的钉扎层的钉扎强度使所述合成反铁磁SAF结构不平衡来控制所述传感器堆叠的脉冲宽度PW50。

13.根据权利要求12所述的方法，其中使所述合成反铁磁SAF结构不平衡进一步包括：对钉扎层有利地使合成反铁磁SAF结构不平衡，以使所述钉扎层具有与参考层的总磁矩相比更高的总磁矩。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述钉扎层的钉扎强度低于0.9erg/cm²。

15.根据权利要求12所述的方法，其中使所述合成反铁磁SAF结构不平衡进一步包括：使所述合成反铁磁SAF结构不平衡以具有高于1.1的合成反铁磁SAF比。

16.根据权利要求15所述的方法，其中使所述合成反铁磁SAF结构不平衡进一步包括：将所述钉扎层的磁矩Mr与参考层的磁矩Mr之比增加到高于1.2。