CN1065062C - 自旋阀磁致电阻效应磁头及磁盘驱动器 - Google Patents

Abstract

按本发明的自旋阀磁致电阻效应磁头具有；一个自由磁性层；一个形成在自由磁性层上的非磁性层；一个形成在非磁性层上的钉扎磁性层；一个反铁磁性层，用来固定钉扎磁性层的磁化方向；和一对电极端子，用来在自由磁性层、非磁性层、钉扎磁性层及反铁磁性层中通过电流。其中，上述自由磁性层的特征在于它有一个NiFe层和一个形成在上述NiFe层上的CoFe层，该CoFe层为一层阻挡层，用来防止上述NiFe层和非磁性层之间的热扩散。

Description

自旋阀磁致电阻效应磁头及磁盘驱动器

本发明总的说来涉及自旋阀磁致电阻效应磁头及磁盘驱动器；更具体地说是涉及这样的自旋阀磁致电阻效应磁头，它依据自旋阀磁致电阻效应，可把由磁性介质读出的信号磁物的变化转换成电阻的变化率；还涉及使用自旋阀磁致电阻效应磁头的磁盘驱动器。

在磁传感器或磁头中，由NiFe制成的磁致电阻效应装置用作磁性材料。此外，由于要求磁传感器及磁头具有更高的灵敏度，一种巨磁致电阻(GMR)薄膜已引起人们的注意，以便获得高强度的读出信号。作为GMR薄膜一种的自旋阀磁致电阻效应薄膜受到特别注意，因为这种薄膜比较容易制造，并且在置入低磁场中时，薄膜中电阻的变化率要比通常的磁致电阻(MR)装置高。依据自旋阀磁致电阻效应工作的磁致电阻效应磁头已公开于USP No．5，206，590或USP NO．5，159，513。

图1A表示了常规磁致电阻效应磁头的一个实例，图1B是常规磁致电阻效应磁头的剖面视图。

如图1A、1B所示，Al₂O₃TiC基片1、铝层2、由钽制成的底层3、由NiFe层4a及Co层4b复合成的自由磁性层4、由Cu制成的非磁性金属层5、由Co制成的钉扎磁性层6以及由FeMn制成的反铁磁性层7沿薄膜厚度方向按上述顺序排列，以制成自旋阀磁致电阻效应装置。在本情况下，薄膜厚度方向用Z向表示。

由底层3到反铁磁性层7组成的多层结构中的各层都相应做成平面矩形的形状，由Au制成的一对电极端子8安排在多层结构上层反铁磁性层7两端的位置上。多层结构的位于两电极端子8之间的区域用作信号检测(或信号敏感)区域S。矩形形状的短边沿X向，而矩形形状的长边沿Y向。

由于钉扎磁性层6和反铁磁性层7之间的交换耦合，在钉扎磁性层6中能生成交换耦合磁场Hua，其磁化方向与X方向一致。因此，钉扎磁性层6是沿X方向固定磁化的，其磁化方向不会被沿X方向的信号磁场Hsig改变。

自由磁性层是指磁化方向M很容易被信号磁场Hsig改变的磁性层，而钉扎磁性层则指这样的磁性层，其磁化方向M与自由磁性层的磁化方向相比则不容易被外界信号磁场Hsig改变。

自由磁性层4由NiFe层4a及Co层4b两层复合而成，其原因如下。

首先，在自由磁性层4中获得的磁致电阻效应的输出是只使用NiFe制成的自由磁性层中的输出高两倍或更多。其次，Co层4b可起阻挡层的作用，以防止在非磁性金属层5和NiFe层4a之间的Co和NiFe的界面扩散，这种扩散是由于加热磁性层4a和5所致。

Co层4b本身是一个半硬磁性薄膜。但是，NiFe和Co的两层结构可以由于NiFe层4a及Co层4b之间的交换耦合而使层4软化。因此，两层结构可使层4具有自由磁性层的功能。具有两层结构的自由磁性层4的磁化方向M是沿Y向(或者，沿易磁化轴方向)，在信号磁场Hsig强度为零的情况下，它垂直于钉扎磁性层6的磁化方向(或X方向)，自由磁性层4中的磁化方向M随信号磁场Hsig而改变。

由底层3到反铁磁性层7组成的多层结构的总电阻与θ角的余弦cosθ成比例地变化，θ角是钉扎磁性层6的磁化方向与自由磁性层4的磁化方向的夹角。常值电流通过多层结构中位于一个电极端子8到另一个电极端子8之间的信号检测区域(或敏感区域)S。当总电阻改变时，在两个电极端子8之间的微分电压也改变。总电阻的变化可以通过检测微分电压的变化按照欧姆定律计算出来。

钉扎磁性层6的磁化方向与自由磁性层4的磁化方向做成相互垂直的原因是使总电阻随信号磁场Hsig线性变化。

为了防止在非磁性金属层5和NiFe层4a之间由于两层4a及5的加热而引起的Co及NiFe的扩散，要求Co层4b的厚度是30埃或更厚一些。

本发明者通过实验观察了外界磁场与自旋阀MR装置中电阻的关系，在这个自旋阀MR装置中组成自由磁性层4的Co层4b的薄膜厚度是30埃或更厚一些。

用作实验的第一个样品有着与图1A和图1B表示的自旋阀MR装置相同的层结构。即，由Ta制成的底层3的薄膜厚度是50埃。NiFe层4a的薄膜厚度是20埃，Co层4b的薄膜厚度是55埃，由Cu制成的非磁性金属层5的薄膜厚度是32埃，由Co制成的钉扎磁性层6的薄膜厚度是55埃，最后，由FeMn制成的反铁磁性层7的薄膜厚度是150埃。

作为实验的结果，得到了如图2所示的磁致电阻(MR)效应特性曲线。这些MR效应特性曲线是通过在-200奥斯特(Oe)到+200奥斯特(Oe)的范围内持续增加和减少外磁场强度而得到的。由图2可以看出，在外磁场强度为零的特定点附近，特性曲线的上升边和下降边之间的外磁场强度差大约是40奥斯特(Oe)。由于强度差等价于自旋阀MR装置中矫顽力Hc值的两倍，第一样品中的矫顽力Hc不小于20奥斯特(Oe)，并且自旋阀MR装置对信号磁场Hsig的灵敏度降低了。

矫顽力Hc增加到20奥斯特(Oe)的原因是因为自由磁性层4中存在有较厚薄膜的Co层4b。因此，本发明者试图用减薄Co层4b来减小自旋阀MR装置的矫顽力Hc。

实验用的第二个样品具有与图1A及图1B所示自旋阀MR装置置相同的层结构。即：由Ta制成的底层3的薄膜厚度是50埃，NiFe层4a的薄膜厚度是55埃，Co层4b的薄膜厚度是20埃，由Cu制成的非磁性金属层5的薄膜厚度是26埃，由Co制成的钉扎磁性层6的薄膜厚度是55埃，最后，由FeMn制成的反铁磁性层7的薄膜厚度是150埃。

实验结果，得到了图3所示的MR效应特性曲线，自旋阀MR装置中的矫顽力Hc降到了6奥斯特(Oe)，且此自旋阀MR装置中电阻的变化率ΔMR也比图2所示的提高了。

虽然如此，由于Co层4b减薄到20埃，在非磁性金属层5及NiFe层4a之间由于层4a和5的加热引起的Co和NiFe的界面扩散却不能防止，还有一个缺点，即软化自由磁性层4的性能也降低了。

另外，由美国专利第5408377号已知一种自旋阀磁致电阻传感器，它是利用直流磁控溅射蒸涂技术制造的。该传感器具有：一个玻璃基片；一层蒸涂在基片上、厚度50埃的Ta缓冲层，一个形成在缓冲层上的自由铁磁性层；一个形成在此自由铁磁性层上的Cu制的非磁性层；一个蒸涂在非磁性层上的钉扎磁性层；以及，一对电极端子，用来在自由铁磁性层、非磁性层及钉扎磁性层中通过电流。上述自由铁磁性层为层合结构，包括：形成在Ta缓冲层上、NiFe制的第一自由铁磁性层；蒸涂在第一自由铁磁性层上的反铁磁性耦合层；以及，形成在反铁磁性耦合层上的第二自由铁磁性层，它包括一层直接蒸涂在反铁磁性耦合层上的NiFe层和一层直接蒸涂在此NiFe层上的Co层。与前面结合图1A和1B讨论的现有磁致电阻效应磁头一样，非磁性层形成在Co层上，同样不能避免由于加热而引起的Co和NiFe的界面扩散问题。

本发明的目的是提供一种自旋阀磁致电阻效应磁头，其中可以防止在非磁性金属层及自由磁性层之间由于加热各层而引起的材料界面扩散并能输出高强度的读出信号，还提供一种使用这种磁头的磁性记录仪器。

依据本发明的自旋阀磁致电阻效应磁头的自由磁性层被制成由CoFe层及NiFe层复合成的双层结构，或者被制成由CoFe层和NiFe型合金层复合成的另一双层结构。

即使CoFe层的薄膜厚度等于或大于30埃，制成双层结构的自由磁性层仍具有软磁性质。此外，已经实验查明，具有CoFe层的自由磁性层减小了自旋阀磁致电阻效应装置的矫顽力。在这种情况下，为了减小矫顽力，最好将NiFe层的薄膜厚度做成10埃或更厚一些，在CoFe层中Co的组成比最好是90wt％，而铁则为10wt％。

由于CoFe层的薄膜厚度是等于或大于30埃，因而能可靠地防止在非磁性金属层和自由磁性层间由各层的加热引起的材料的界面扩散，自由磁性层的软磁性质就能保持住。

此外，实验还查明，由于采用了含有CoFe层的制成双层结构的自由磁性层，磁头中电阻随磁场强度变化的变化率也提高了。

在NiFe型合金层是由NiFeCr、NiFeNb或NiFeRh制造的情况下，由各向异性磁致电阻(AMR)效应导致的噪声也可减小。此外，由于NiFeCr、NiFeNb或NiFeRh的比电阻比NiFe的比电阻高，在磁头中的电流利用效率也可提高，并能输出高强度的读出信号。

此外，当钉扎磁性层也用和自由磁性层中CoFe层相同的组成材料制造时，在金属溅射操作中为形成每一层所耗用的靶材料的体积就能减少。

图1A是普通的自旋阀磁致电阻效应磁头的局部的透视图；

图1B是图1A所示的普通自旋阀磁致电阻效应磁头的横剖面图；

图2是特性曲线，表示图1所示的普通自旋阀磁致电阻效应磁头中磁场强度变化与电阻变化率之间的关系；

图3是特性曲线，表示在普通自旋阀磁致电阻效应磁头中，当自由磁性层中的Co层的薄膜厚度减薄时，磁场强度的变化与电阻的变化率之间的关系；

图4A是依据本发明实施例的自旋阀磁致电阻效应磁头的局部的透视图；

图4B是图4A所示自旋阀磁致电阻效应磁头的横剖面图；

图5是特性曲线，表示图4A所示自旋阀磁致电阻效应磁头中磁场强度变化与电阻变化率之间的关系；

图6是带有图4A所示自旋阀磁致电阻效应磁头的磁性记录装置的局部的横剖面图；

图7是磁盘驱动器的平面图，它主要由依据本发明的具有MR磁头的浮动块及磁盘组成。

依据本发明的自旋阀磁致电阻效应磁头的推荐实施例将参照图4A及图4B作详细说明。

如图4A和图4B所示，自旋阀磁致电阻效应装置(或称自旋阀磁致电阻效应磁头)包括：由Al₂O₃TiC或类似物制作的基片11，铝层12，由钽制作的底层13，由NiFe层14a和Co₉₀Fe₁₀层14b制成双层结构的自由磁性层14，由^Cu制作的非磁性金属层15，由Co₉₀Fe₁₀制成的钉扎磁性层16以及由FeMn制作的反铁磁性层17，它们沿薄膜叠置方向按上述次序排列。在本情况下，薄膜叠置方向用Z方向表示。

从底层13到反铁磁性层17范围内的多层结构的各层均相应制成平面矩形形状，由Au制成的一对电极端子18安排在多层结构上层反铁磁性层17两端的区域上。多层结构中位于两个电极端子18之间的区域就用作信号检测区域(或敏感区域)S。矩形形状的短边沿X方向，而长边沿Y方向。

在钉扎磁性层16中，由于钉扎磁性层16与反铁磁性层17之间的交换耦合，生成了一个交换耦合磁场Hua，其磁化方向与X方向一致。因此，钉扎磁性层16固定磁化于X方向，其磁化方向不会被信号磁场Hsig改变，而信号磁场的强度在X方向是变化的。

在自旋阀磁致电阻效应装置的上述结构中，自由磁性层14是由NiFe层14a及Co₉₀Fe₁₀层14b两层复合而成的。由于NiFe层14a及Co₉₀Fe₁₀层14b的交换耦合，自由磁性层14具有软磁性质，且Co₉₀Fe₁₀层14b还能阻止在NiFe层14a及非磁性金属层15之间由14a和15层的加热而导致的NiFe和Cu的界面扩散。

当CoFe磁体中Co对Fe的组成比是特定的组成比90／10以使CoFe磁体形成Co₉₀Fe₁₀磁体时，CoFe磁体的矫顽力Hc是最小的，虽然如此，如果在Co₉₀Fe₁₀层14b中Co与Fe的真实组成比与特定组成比之间的差别是百分之几以内的话，这种差别是允许的。

具有双层结构的自由磁性层14的磁化方向M1是沿Y方向的(或者说沿易磁化轴方向)，当信号磁场Hsig的强度是零时，它与钉扎磁性层16的磁化方向(X方向)是垂直的。当沿X方向的信号磁场Hsig的磁化分量作用到自旋阀磁致电阻效应装置上时，自由磁性层14的磁化方向M1就会改变。

从底层13到反铁磁性层17范围内的多层结构的总电阻与θ角的余弦(cosθ)成比例地变化，此处θ是钉扎磁性层16的磁化方向和自由磁性层14的磁化方向之间的夹角。常值电流从一个电极端子18到另一个电极端子18通过多层结构中的信号检测区域(或敏感区域)S。当总电阻改变时，在电极端子18之间的微分电压也随之改变。总电阻的变化可以通过检测微分电压差的变化根据欧姆定律计算出来。

下面说明在自旋阀磁致电阻效应装置中的磁致电阻(MR)特性。

如图5所示，自旋阀磁致电阻效应装置中的MR特性曲线(磁场强度的变化与电阻的变化率ΔMR之间的关系)在实验中是通过在-200奥斯特(Oe)到200奥斯特(Oe)的范围内持续提高和降低外磁场强度而得到的。实验结果表明，自旋阀磁致电阻效应装置的矫顽力Hc已显著地减小到4奥斯特(Oe)，并且几乎与NiFe的矫顽力相等。不仅如此，电阻的变化率ΔMR与图2所示的普通磁头相比也提高了，对信号磁场Hsig的灵敏度也改善了。

在自旋阀磁致电阻效应装置中矫顽力Hc得以减小的原因在于采用了Co₉₀Fe₁₀层14b作为双层结构的自由磁性层14中的一层。此外，由于Co₉₀Fe₁₀层14b的薄膜厚度是55埃，在NiFe层14a及非磁性金属层15之间由层14a及15的加热导致的NiFe和Cu的界面扩散就能被Co₉₀Fe₁₀层14b阻止。详细地说，如果Ni和Cu之间的固溶度是100，则Fe和Cu之间及Co和Cu之间的固溶度分别在4到5的范围内。因此，在Co₉₀Fe₁₀层14b及非磁性金属层15之间的CoFe和Cu的界面扩散不会发生。其结果是，自由磁性层14的软磁性质可以更好地保持。在这种情况下，要求将NiFe层14a的薄膜厚度做成10埃或更厚一些，以便减小自旋阀磁致电阻效应装置的矫顽力Hc。

在本实施例中使用了NiFe层14a。然而下述方法也是实用的，即用由NiFeCr、NiFeNb、NiFeRh或由NiFe和一种原子元素混合得到的类似物制成的合金，并由该合金制成的NiFe型合金层来替代NiFe层14a。在自旋阀磁致电阻效应中，导致噪声的各向异性磁致电阻(AMR)效应，在使用NiFe型合金层的情况下比使用NiFe层14a的情况下显著减小，因此，信噪比(S／N)可以更加提高。此外，由于NiFe型合金层的比电阻比NiFe层14a的比电阻高，在自旋阀磁致电阻效应装置中的电流利用效率也可更加提高，读出信号的输出强度也能更加提高。

下面，参照图6说明磁性记录仪器的磁头以及磁性记录介质，在磁头中采用了依据本发明的自旋阀磁致电阻效应装置。

如图6所示，磁盘驱动器的磁头包括基片(或浮动块)41。装在基片41上的再生头42及与再生头42相邻的记录头43。再生头42则包括有：第一磁屏蔽层44，在第一磁屏蔽层44上通过绝缘薄膜(图上未示出)安装的自旋阀MR效应装置45，由自旋阀MR效应装置45引出的电极端子(或引入端子46，覆盖自旋阀MR效应装置45及电极端子46的绝缘薄膜47，和在绝缘薄膜47上面的第二磁屏蔽层48。

自旋阀MR效应装置45的构造已示于图4A及4B。虽然如此，如果自旋阀MR效应装置45中各层的顺序是：基片11，铝层12，底层13，反铁磁性层17，钉扎磁性层16，非磁性金属层15及自由磁性层14；则此装置也是实用的。

记录头43包括：位于第二磁屏蔽层48上面的第三磁屏蔽层49，填塞于第二和第三磁屏蔽层48、49所包空间的绝缘层50，和埋入绝缘层50的线圈51。

第一、第二和第三磁屏蔽层44、48和49分别由一种软磁体构成，而在磁性记录介质52与第一、第二、第三磁屏蔽层44、48、49的每一层之间均形成了间隙。

如上所述，自旋阀MR效应装置45的自由磁性层14是做成双层结构，它由NiFe层14a及CoFe层14b复合而成，或者是由NiFe型合金层及CoFe层14b复合而成的其它双层结构；因此，自旋阀磁致电阻效应磁头的矫顽力可以变小。

此外，当NiFe层14a的薄膜厚度取10埃或更厚一些，且CoFe层14b中Co的组成比取在95到85wt％范围内，Fe的组成比取在5到15wt％的范围内；则自旋阀磁致电阻效应磁头的矫顽力Hc显著减小。特别是，当在CoFe层14b中Co的组成比取为90wt％，Fe的组成比取为10wt％时，矫顽力Hc减至最小。

此外，当NiFe层14a的薄膜厚度设为30埃或更厚一些，在NiFe层14a及非磁性金属层15之间由层14a及15的加热引起的NiFe和Cu的界面扩散，能被Co₉₀Fe₁₀层14b有效地阻止，因而自由磁性层14的软磁性质能更好地保持。

此外，由于磁头中装备了具有CoFe层14b的双层结构自由磁性层14，随磁场强度变化的磁头电阻变化率也可提高。

当NiFe型合金层是由NiFeCr、NiFeNb及NiFeRh制造时，磁头中由AMR效应引起的噪声可以降低。不仅如此，由于NiFeCr、NiFeNb或NiFeRh的比电阻比NiFe的比电阻高，在磁头中的电流利用效率也可提高，因而能输出具有高强度的读出信号。

如图7所示，磁盘驱动器60包括磁盘52、具有MR磁头的浮动块41以及支承浮动块41的弹簧臂53所组成。

Claims (12)

1．一种自旋阀磁致电阻效应磁头，它包括：

一个自由磁性层；

一个形成在自由磁性层上的非磁性层；

一个形成在非磁性层上的钉扎磁性层；

一个反铁磁性层，用来固定钉扎磁性层的磁化方向；和

一对电极端子，用来在自由磁性层、非磁性层、钉扎磁性层及反铁磁性层中通过电流；

其特征在于，上述自由磁性层包括：

一个NiFe层；和

一个形成在上述NiFe层上的CoFe层，该CoFe层为一层阻挡层，用来防止上述NiFe层和非磁性层之间的热扩散。

2．依据权利要求1所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征是NiFe层的薄膜厚度是10埃或更厚。

3．依据权利要求1所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征是：上述NiFe层为一NiFe型合金层，它附加地含有选自Cr、Nb和Rh的原子。

4．依据权利要求3所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征是NiFe型合金层的薄膜厚度是10埃或更厚。

5．依据权利要求1所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征在于：上述NiFe层为一NiFe型合金层，由一种合金制成，该合金是通过在NiFe中添加第三种原子元素而得到。

6．依据权利要求1或3所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征在于：在CoFe层中Co的组成比在95到85wt％的范围内，而CoFe层中Fe的组成比在5到15wt％的范围内。

7．依据权利要求1或3所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征在于：在CoFe层中Co的组成比是90wt％，而CoFe层中Fe的组成比是10wt％。

8．依据权利要求1所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征是其钉扎磁性层是由CoFe制造的。

9．依据权利要求1或3所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征是非磁性层是由Cu制造的。

10．依据权利要求1或3所述的自旋阀磁致电阻效应磁头，其特征是CoFe层的薄膜厚度是30埃或更厚。

11．一种自旋阀磁致电阻效应磁头，它包括：

一个钉扎磁性层；

一个形成在钉扎磁性层上的非磁性层；

一个形成在非磁性层上的自由磁性层；

一个反铁磁性层，用来固定钉扎磁性层的磁化方向；和

一对电极端子，用来在自由磁性层、非磁性层、钉扎磁性层及反铁磁性层中通过电流；

其特征在于，上述自由磁性层包括：

一个CoFe层；和

一个形成在上述CoFe层上的NiFe层，上述CoFe层为一层阻挡层，用来防止上述NiFe层和非磁性层之间的热扩散。

12．一种磁盘驱动器，它包含：

一个磁性记录介质，用来记录磁性记录信息；以及

一个自旋阀磁致电阻效应磁头，用来在磁性记录介质上写入磁性记录信息及从磁性记录介质上读出磁性记录信息，自旋阀磁致电阻效应磁头包括：

一个自由磁性层；

一个形成在自由磁性层上的非磁性层；

一个形成在非磁性层上的钉扎磁性层；

一个反铁磁性层，用来固定钉扎磁性层的磁化方向；和

一对电极端子，用来在自由磁性层、非磁性层、钉扎磁性层及反铁磁性层中通过电流；

其特征在于，上述自由磁性层包括：

一个NiFe层；和

一个形成在上述NiFe层上的CoFe层，该CoFe层为一层阻挡层，用来防止上述NiFe层和非磁性层之间的热扩散。

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