CN1122498A - 多层磁阻检测器 - Google Patents

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Abstract

磁阻读检测器，包括由一个平面阵列中的一或多个磁阻元件形成的磁阻检测元件，各个磁阻元件具有由至少被非磁层分隔的至少两个铁磁层构成的多层结构。该铁磁层借助在铁磁层的相对的边缘处的静磁耦合，而以反铁磁的方式耦合。借助间隔层而与磁阻检测元件分隔的一个底层提供了磁场，以把磁阻检测元件偏置在用于线性响应的所希望的非信号点。

Description

多层磁阻检测器
本发明一般地涉及用于读出记录在磁介质上的信息信号的磁传感器，且具体地涉及一种由多层铁磁结构呈现的大磁阻的磁阻读取检测器，在该多层铁磁结构中铁磁层以反铁磁的方式耦合。
在先有技术已知的，是利用被称为磁阻(MR)检测器或头的磁读取传感器来从磁介质上读取高密度记录数据。MR检测器借助用磁性材料制成的读取元件的电阻变化，来检测作为被该读取元件所感测的磁通量的强度和方向的函数的磁场信号。这些先有技术MR检测器，是根据各向异性磁阻(AMR)效应工作的，在该效应中读取元件的电阻与磁化和通过读取元件的检测电流之间的角度的余弦的平方(cos2)成正比。对该AMR效应更详细的描述见于D.A.Thompson等人在IEEE Trans.Mag.MAG—11，p.1039(1975)上的“Memory，Storage，and Related Applications”一文。
于1990年1月23日授予Takino等人的名称为“利用磁阻效应的磁传感器头”的美国专利第4,896,235号，公开了一种多层磁检测器，它采用了AMR并包括被一个非磁层分开的第一和第二磁层，其中至少一个磁层是由呈现AMR效应的材料制成的。在各个磁层中的易磁化轴被设定得与所加的磁信号相垂直，从而使该MR检测元件的检测电流在磁层中提供了一个与该易磁化轴相平行的磁场，以消除或减小在该检测器中的Barkhausen噪声。H.Suya-ma等人在IEEE Trans.Mag.，Vol.24，No.6，1988(2612—2614页)上题目为“用于高密度硬盘驱动器的薄膜MR头”的论文中，公布了一种与Takino等人公布的相似的多层MR检测器。
采用AMR效应的磁阻读取检测器一般比感应检测器优越，其理由有几个，其中最重要的一个是与检测器和磁介质之间的相对运动无关的更大的信号和信/噪比。然而，在大于5千兆/平方英寸的数据记录密度下，AMR检测器可能不能提供充分的灵敏度。在这些密度下的信号强度的损失，主要是由于在更高的记录密度所要求的MR检测器带的变薄引起的。另外，该AMR效应对于小于10nm的检测器带厚度会迅速地消失；例如在3nm的厚度下，ΔR/R为大约0.5％。
还已经描述了第二种不同的且更显著的磁阻效应，其中层状磁检测器的电阻的改变是由于在铁磁层之间经过分隔铁磁层的非磁层的传导电子的与自旋有关的传送和所伴随的在层界面上的与自旋有关的散射引起的。这种磁阻效应被称为“大磁阻”或“自旋阀”效应。用适当材料制成的这种MR检测器与采用AMR效应的检测器相比，提供了改善的灵敏度和更大的电阻变化。在这种类型的MR检测器中，在一对被非磁层分隔的铁磁层之间的平面内电阻，与两层中的磁化之间的角度的余弦(cos)成正比。
在G.Binasch等人在美国物理学会1 989年3月1日的Physi-cal Review B，Vol.39，No.7上的题目为“Enhanced Magnetore-sistance in Layered Magnetic Structures with Antiferromagnetic In-terlayer Exchange”的论文中，描述了由于在被铬制成的薄非磁中间层分开的相邻铁层之间的反铁磁交换耦合而造成的磁阻效应的大幅度增加。授予Grunberg的美国专利第4,949,039号，公布了一个层状磁结构，它产生了由在磁层中的磁化的反平行排列而引起的增大的磁阻效应。作为可能用于这种层状结构中的材料，Grun-berg列出了铁磁过渡金属和合金，但是没有从该清单中指出对于优越的MR信号幅度来说最佳的材料。
转让给本受让人的美国专利第5,206,590号，公开了一种MR检测器，其中观测到由一个非磁材料薄层分开的两个相邻铁磁层之间的电阻与两层的磁化之间的角度的余弦成正比，且与通过检测器的电流的方向无关。这种机制产生了一种磁阻，它取决于自旋阀效应，且对于选定的材料组合来说在幅度上大于AMR。
在上述美国专利中描述的这种自旋阀结构，要求在两个铁磁层之一中的磁化方向被固定在在选定的方向上，以使另一铁磁层中的磁化方向在无信号状态下与该固定层的磁化相垂直。另外，在AMR和自旋阀结构中，为了降低Barkhausen噪声，需要提供一个纵偏置场，以至少把读取元件的检测部分保持在单一的磁畴状态。因此，需要一个用于固定磁化方向并提供纵偏置场的装置。例如，如在上述专利申请和专利中所述的，能够使一个附加的反铁磁材料层与该铁磁层相接触，以提供一个交换耦合偏置场。或者，可利用一个相邻的硬磁层来为该铁磁层提供硬偏置。
因此，本发明的一个主要目的，是提供一种根据多层结构中的GMR效应的低场MR磁检测器。
本发明的另一目的，是提供一种MR检测器，其中不需要提供用于固定一个或多个铁磁层中的磁化方向的附加结构装置，也不需要为场检测元件提供纵偏置场。
这些和其他的目的和优点，是按照本发明的原理实现的，其中一个包含一个多层MR检测元件的MR读取检测器，它包括一个形成在一个适当的基底上的层状结构，该基底包括一个包含多个铁磁材料层的磁阻检测元件，各个铁磁层由一个非磁性导电材料层与相邻的层分开。该MR检测元件是通过在一个基底上，在适当的绝缘和保护底层上，交替地淀积铁磁材料层和非磁性导电材料层而形成的。该多层结构还被覆盖有保护层。在最佳实施例中，借助磁控管溅射技术，制备了具有交替的磁和非磁层的薄膜。当淀积完成时，利用光刻技术对所产生的薄膜结构制作出图案，以在基底的表面上形成一个具有点状结构的阵列。这些点具有大约为2微米(μm)或更小的主尺寸，并被分开了大约2μm。一个MR检测器读取元件包括单个或若干个点状结构。在各个点状结构中的铁磁层的边缘之间的弱反铁磁耦合，在各个铁磁层中，相对于相邻的铁磁层，提供了反平行的磁化排列。一个电流源给MR检测器提供了一个检测电流，它在检测元件上产生了与MR检测器的电阻变化成比例的电压降，该变化是由于铁磁层中的磁矩的转动而引起的并且是检测到的所加的外磁场的函数。MR检测器的电阻与两个相邻铁磁层的磁化之间的角度的余弦成正比。当铁磁层的磁化反平行排列，即沿着相反的方向时，该电阻具有最大值。当铁磁层的磁化平行排列，即沿着相同的方向时，该电阻具有最小值。
因此，本发明提供了一种MR检测器，其中磁阻检测元件由多个被非磁分隔层分开的相邻磁层组成，其中各个磁矩响应于所加的磁信号转动。由于这种响应是带有有限磁畴壁运动的磁矩转动，所以不需要纵偏置场来降低Barkhausen噪声。
从下面结合附图对本发明的最佳实施例所进行的详细描述，本发明的上述和其他目的、特征和优点将变得明显。在这些附图中，相同的标号被用来表示相同的部分，其中：
图1是体现本发明的一个磁盘存储系统的简化框图；
图2a和2b显示了根据本发明的原理的多层磁阻结构；
图3是曲线图，显示了对于图2所示的磁阻检测元件的最佳实施例的计算机模型的反铁磁作用场强，该场强是磁阻点结构主轴长度的函数；
图4是剖视图，显示了根据本发明的原理的多层磁阻结构的最佳实施例；
图5是根据本发明的原理的多层MR检测元件的最佳实施例的剖视图；
图6是平面图，显示了图5所示的多层磁阻检测元件的最佳实施例；
图7a和7b是曲线图，分别显示了对于图4所示的磁阻检测元件的图案化和未图案化的实施例的磁阻与所加的磁场的关系；
图8a—8d是曲线图，显示了对于图4的磁阻检测元件的图案化和未图案化实施例，沿着易磁化轴和难磁化轴的磁化与所加的磁场之间的关系；
图9a和9b是平面图，显示了图5所示的多层磁阻检测元件的其他实施例；
图10和11是剖视图，显示了图4和5所示的磁阻检测元件的其他最佳实施例的层状结构；且
图12是根据本发明的原理的磁阻磁检测系统的最佳实施例的剖视图。
现在参见图1，虽然本发明被描述为是如图1所示地在在一个磁盘存储系统中进行实施的，但显然本发明也能够被应用到诸如磁带记录系统的其他磁记录系统中，或是其中利用检测器来检测磁场的其他应用中。一个磁盘存储系统包括至少一个可转动的磁盘12，该盘12由一个转轴14进行支撑并由盘驱动马达18进行转动，而在盘12上有至少一个浮动块13，各个浮动块13支撑着一个或多个磁读/写传感器21，通常被称为读/写头。在各个盘上的磁记录介质是在盘12上的同心数据道(未显示)的环形图案的形式的。当盘转动时，浮动块13沿着径向在盘表面22上被移入或移出，以使头21能够对记录有所希望的数据的不同的盘部分进行存取。各个浮动块13借助一个悬挂装置15而与一个传动臂19相连。该悬挂装置15提供了轻微的弹簧力，该力对浮动块13进行偏置以使其抵住盘表面22。各个传动臂19与一个致动装置27相连。如图1所示，该致动装置可以是诸如一个音圈马达(VCM)。该VCM包括一个能够在一个固定磁场中移动的线圈，该线圈运动的方向和速度受到由一个控制器提供的马达电流信号的控制。
在该盘存储系统的工作期间，盘12的转动在浮动块13和盘表面22之间产生一个空气轴承，后者在浮动块上施加了一个向上的力或升力。该空气轴承与悬挂装置15的轻微的弹簧力达到了平衡，并支撑着浮动块13以使其脱离盘表面，并在工作中与盘表面之间有一个小且大体恒定的间隔。
该盘存储系统的各种部件在运行中由控制单元29产生的控制信号—诸如存取控制信号和内部时钟信号—进行控制。一般地，控制单元29包括诸如逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元29产生控制信号，诸如在线23上的驱动马达控制信号和线28上的头定位和寻找控制信号，以控制各种系统操作。在线28上的控制信号提供了所希望的电流特性，以便以最佳的方式将选定的浮动块13移动和定位到有关的盘12上的所希望的数据道上。读取和写入信号借助记录通道25被传送到读/写头21或从之传送出来。
以上对典型的磁盘存储系统的描述和图1的有关显示，都只是为了说明的目的。显然的是，盘存储系统可以包含大量的盘和致动器，且各个致动器可支持若干个浮动块。
现在参见图2a、2b和3。图2a是立体图，显示了一个多层磁阻结构30，后者包括被一个非磁性材料层35分开的两个磁性材料层31、33。非磁层35可以是一个导电材料或绝缘材料层，后者足够地薄以使传导电子能够通过隧道效应而在磁性材料层之间通过。磁层31、33是由诸如镍、铁或钴或它们的合金—诸如NiFe(坡莫合金)—的铁磁材料制成的。借助诸如溅射淀积，交替地淀积磁性和非磁性材料层，且各个层的厚度受到诸如一个石英监测器的控制。磁性结构30的横向尺寸可以是几个μm，但最好为大约2.0μm或更小。磁层31、33的厚度在10至100埃的范围内，而非磁性层35的厚度在10至400埃的范围内。
一般地，诸如图2a和2b所示的多层磁结构呈现出较大的层间磁耦合，后者随着间隔层的厚度以大约1nm的周期变化而从铁磁到反铁磁振荡。采用这种交换耦合的实际的MR检测器是难于制造的，因为这种交换耦合很大且它对于层厚度的变化极其灵敏。另一方面，在处于居里温度以下的温度的铁磁材料中，在磁畴中的磁矩被平行地排列，从而在层的一边形成了正或北极，并在相对的一边形成了负或南极，如图2中的正和负号所分别表示的。这由于静磁作用而不是交换作用而在相邻的层之间产生了如箭头34所示的弱的反铁磁耦合。净作用场是静磁作用和交换作用之和。如果交换作用是铁磁的，则它将部分或全部地抵消总是反铁磁的静磁作用。只有在净作用场是反铁磁的时候，才能够实现反铁磁顺序和GMR。
对作用场的控制能够以几种方法实现。一般地，交换作用的幅度随着磁层和间隔层的组份和厚度而变。通常，较厚的间隔层和磁层会导致较小的交换作用场。另外，随着例如图2a所示的长度l和宽度w的结构实际尺寸的减小，由于静磁耦合而引起的反铁磁场的强度增大。图3的曲线32和36分别显示了在由被一个20埃的Cu层分隔的两个20埃的相邻NiFe层组成的磁结构中该反铁磁作用场的强度和铁磁交换场的强度与尺寸的关系。对于图3所示的例子，在颗粒的主尺寸为大约6μm时，反铁磁作用场32与铁磁作用场36大体相等。对于具有小于6μm的主尺寸的颗粒，净作用场总是反铁磁的，从而保证了相邻铁磁层的磁化是反平行排列的。
图3的曲线32是一种模型计算的结果，在该模型中，假定两个扁球形颗粒被一个20埃的间隔层分隔并沿着球形的颗粒的中心轴彼此堆置，且磁化是均匀的并与各个颗粒的主轴平行。各个颗粒的短轴的长度即厚度是20埃。绘制出了该作用场的强度与颗粒的主直径的关系。当该主直径减小时，反铁磁作用场强度增大，因为层的边缘的相对影响随着颗粒变得不那么扁而增大。在反铁磁场强度幅度与颗粒的厚度之间，观测到类似但相反的关系。重要的物理参数是厚度直径比。另外，具有相同的厚度直径比的颗粒产生大体相同的静磁场强度。例如一对20μm宽和20埃厚的颗粒产生约15奥斯特(Oe)的静磁场强度(见图3)；类似地，一对1μm宽和10埃厚的颗粒也将产生约15Oe的静磁场强度。
现在参见图4、5和6，根据本发明的原理的一个多层磁结构40包括两个由铁磁材料制成并被一个由非磁材料制成的间隔层49所分隔的相邻的层47和51、一个覆盖层53和一个底层45；这些层被淀积在适当的基底41上的一个二氧化硅(SiO2)层43上。例如一个最佳实施例具有结构Ta(50)/NiFe(20)/Ag(40)/NiFe(20)/Ta(40)/SiO2(700)/Si。该Ta覆盖层53保护磁层不受腐蚀和其他可能由于暴露在大气中或随后的处理所造成的不利影响。Ta底层45为磁层47的淀积准备了二氧化硅层43并促进了在磁层中所需晶体和磁性质的形成。取决于磁层所用的材料，可以不需要覆盖层和底层中的一个或两个。
层状的磁结构40随后如图5所示地被作出图案并得到蚀刻，以产生出如图6所示的点阵50。该磁结构被蚀刻至二氧化硅层43的表面，以形成一个磁化点55的阵列，其中各个点具有如图4所示的层状结构。一个由导电材料制成的导电层57随后被淀积在该点阵上并填充点55之间的空间59，以提供通过该结构的导电性。点55的主尺寸(直径)最好是2.0μm或更小。虽然图5和6显示了点55之间的间隔是在点的直径的量级，这些点在实际中在不进行物理接触的情况下最好尽可能地接近并提供足够的间隔，以在边缘上的铁磁层之间提供所希望的静磁耦合。如果点55相接触或不足以分开，则会产生不希望的交换或静磁作用，从而造成低的信/噪比和降低的灵敏度。图案化的点阵50可利用众所周知的光刻和蚀刻技术—诸如离子碾磨(RIE)或湿蚀刻—来产生。
现在参见图7和8，制备出测试样品并对其测量磁阻，该测试样品包括磁膜，该磁膜具有上述的多层结构、材料和尺寸，并具有500埃的钽(Ta)覆盖层57。图7a绘制了对于带图案的膜50而言，磁阻与沿难磁化和易磁化轴施加的磁场强度的关系，其中Ta覆盖层被用作导电层。类似地，图7b是对于未带图案的膜40而言，磁阻与沿着难和易磁化轴所加的磁场强度的关系。各向异性MR效应(AMR)是分别沿着平行和垂直曲线81的差。巨MR效应(GMR)是两个曲线81、83的平均。未带图案的膜40呈现出具有小GMR分量的占据优势的AMR效应。相反，带图案的膜50呈现出带有小AMR分量的占据优势的GMR效应。带图案的膜几乎不呈现磁滞，而未带图案的膜沿着易磁化轴呈现出很大的磁滞。在带图案和未带图案的测试膜中的MR效应的测量幅度都很小，这是由于来自Ta覆盖层的电流分流和在多层磁结构与Ta覆盖层之间的不良电接触。这些是在实际的MR检测装置中易于解决的加工问题。在未带图案的、被覆盖的且具有相同或类似的结构的磁膜中，已知AMR效应的幅度在大约0.2至0.4％。在带图案的测试膜50中，AMR效应大约为GMR效应的7.6％，这意味着2.5至5.0％的GMR效应。该多层结构所呈现的MR效应，ΔR/R的幅度大体上由所选用的材料和磁层及非磁层的厚度确定。
图8a、8b、8c和8d分别描绘了对于带图案的膜50和未带图案的膜40磁化(M/Ms)与所加的场强(H)沿着难和易磁化轴方向的关系。由于在测试膜中测量的磁性材料的数量极其小，所以在测量数据中观测到了较大的背景噪声，特别是对于带图案的膜50。未带图案的膜40对于具有大约3Oe的感应各向异性场的铁磁耦合多层结构，呈现出了典型的难和易磁化轴滞后环。然而，点阵带图案的膜50的数据则表征了带有大约20Oe的作用场(相当于饱和场)的反铁磁排列的的多层结构，这与图7a和7b所示的磁阻曲线的饱和场相一致。对所检验的所有带图案的测试膜，都观测到极小的或零滞后和M/Ms与H的几乎为线性的关系，特别是沿着难磁化轴。图7a和7b所示的数据意味着该磁层是单个的磁畴。
参见图9a和9b，点阵不是呈现上述GMR效应的唯一图案。一般，只要在多层结构中有不连续或断裂从而使磁化的优先方向的某些分量(由结构的某些各向异性特性—诸如形状、晶体结构、表面特征—确定或是感应的)与该不连续相垂直时，就会出现多层结构中的磁层之间的反铁磁静磁作用。几乎是不倾向于发生反铁磁排列的只带图案的结构，是一种长的线形结构，它带有在各处都是平行的边缘且易磁化轴沿着该线的长度，例如典型的先有技术MR条形结构。不连续的频率和大小将确定层之间的作用场。在某些结构中会呈现复杂的多磁畴现象。其他的结构，诸如形成在多层膜中的孔或其他开口93的阵列91，如图9a所示，或诸如连接或接合点94的具有受调宽度的线，如图9b所示，可以提供简单的、大规模的GMR装置，且这些装置可被用于磁记录系统中的MR读取头以外的应用。
现在参见图10，其中显示了本发明的另一最佳实施例。由磁性材料制成的磁层47和51被一个非磁间隔层49所分隔。通过在磁层47、51和间隔层49之间加上一个由磁性材料制成的非常薄的层，使该结构的磁阻得到加强。例如，在结构40的间隔层49与NiFe层47、51的界面形成的由钴制成的薄层46、48，大大地增加了该结构的所测到的磁阻。
现在参见图11，本发明的另一最佳实施例包括一个由n个磁层构成的多层磁结构并具有如下的一般结构： Ta ( 100 ) / Σ j = 1 n - 1 [ NiFe ( x j ) / Ag ( y ) ] / NiFe ( x n ) / Ta ( 40 ) /SiO2(1000)/Si其中x，y＝10—400埃，n＝2—10且即偶数层的总厚度等于奇数层的总厚度。例如，由NiFe制成的磁层127、131、135、139与由Ag制成的非磁间隔层129、133、137和覆盖层141是交替的，在适当的Si基底121的SiO2表面层123上形成Ta底层125。可以用任何适合的铁磁材料，诸如Fe、Ni、Co或它们的合金来作为磁层的材料。类似地，可以用任何适当的非磁性材料，诸如Au或Cu，来作为用于非磁间隔层的材料。如上面结合图4和5所述的，利用光刻和碾磨或蚀刻技术，制备出点阵或其他适当形状的阵列，这些阵列具有10.0μm或更小的主尺寸且最大长度受到限制以使层之间的净作用是反铁磁的(如图3所示)。随后在点阵上淀积出一个导电层(如图5所示)，填充阵列中的点之间的空间，以提供通过该结构的导电性。其他的图案阵列，诸如在上面结合图9a和9b所示的，也是适当的。在其中在磁层中保持了连续性的图案结构中，诸如在孔的阵列91或具有受调宽度92的线中，不需要导电层57。对于这种类型的图案结构，只需要一个覆盖层。
现在参见图12，其中显示了包含根据本发明的原理的多层检测元件的MR磁检测器。MR检测器150包括设置在适当的基底151上的一个由磁性材料制成的磁偏置层153、一个非磁化间隔层155和多层MR检测层157。基底151可以是玻璃、石英、蓝宝石、氧化镁、硅、二氧化硅、Al2O3—TiC或其他适当的材料。一个底层152先被淀积在基底151上。底层152的目的，是使随后淀积的磁化层153和155的结构、晶粒大小和形态得到优化。底层152必须具有高电阻，以减小电流旁路效应。一般地，非磁性、高电阻材料，诸如氧化铝、钽(Ta)或钌(Ru)，是制作底层152的适当材料。在MR检测层157上，淀积有一个由Ta或其他适当材料—诸如SiO2或AlO2制成的覆盖层159，以提供腐蚀保护和与随后的层及加工步骤的隔离。
多层MR检测层157包括交替的磁和非磁性层，这些层已经图案化为点阵，例如如结合图4、5、10和11所描述的。在最佳实施例中，MR检测层157包括一个单个的、通常为正方形或矩形的点元件，后者具有适当的长度和宽度，由所希望的数据道宽度和在磁化层之间提供一个反铁磁作用场的要求所确定。多层MR检测层157最好包括1—10个由淀积在磁性材料底层上的磁和非磁性材料构成的双层。该磁层是由铁磁材料制成的，最好是由NiFe制成的，但也可以是由任何适当的铁磁材料制成的，诸如Ni、Co、Fe和基于例如Ni、Fe或Co的铁磁合金。间隔层最好由非磁的金属导电材料制成，诸如Au、Ag或Cu，但是也可以由任何具有适当的导电性或足够地薄以使传导电子能够通过的非磁材料制成。
偏置层153为MR检测层157提供了横向磁偏置场，以为检测器提供线性响应。如先有技术已知的，该偏置层可以由诸如CoPt或CoPtCr的硬磁材料制成(硬偏置)，或者盘由诸如NiFe或NiFeRh的软磁材料制成(软偏置)。间隔层155解除偏置层153与MR检测层157的磁耦合，并还使MR检测层的结构、晶粒大小和形态达到优化。间隔层155应该是非磁性的高电阻材料，诸如Ta、Zr、Ti、Y、Hf或具有所希望的晶体结构的其他适当材料。
MR检测器150的一个最佳实施例包括：一个图案化的多层MR检测层157，由在NiFe底层(20埃)上的5个NiFe(20埃)/Ag(35埃)双层组成；一个软偏置层153，它由淀积在Al2O3制成的底层152上的NiFe构成，并借助Ta制成的、具有大约50埃厚度的间隔层155而与MR检测层157相分隔。MR检测器150，通过溅射淀积或其他先有技术中已知的适当的淀积方法，被淀积在陶瓷基底151上。底层152的厚度最好在100埃至500埃的范围内。NiFe软偏置层153的厚度在50—300埃的范围内，且最好为100埃。由Cu或诸如Ta、Ag或Au的其他适当材料形成的MR检测器150的相对端部上的导电端161，将MR检测器通过连接导体167与电流源163和信号检测电路165相连。电流源163向MR检测器150提供检测电流，而MR检测器150检测当施加了外磁场时MR检测元件157的电阻的变化。在MR检测层157上，还可以淀积一个由诸如Ta或Zr的高电阻材料制成的覆盖层159。
虽然结合具体的最佳实施例而显示并描述了本发明，但本领域中的技术人员应该理解的是，在不脱离本发明的精神、范围和教导的情况下，能够在形式和细节上进行各种的改变。例如，虽然所分立的最佳实施例是未屏蔽的器件，但本发明的磁阻检测器同样可被应用到屏蔽或磁通量引导的结构中。因此，这里所分立的本发明只应该被理解为说明性的，且其范围只由所附权利要求书限定。

Claims (90)

1.一种多层磁阻检测器，其特征在于包括第一和第二铁磁材料层，由一非磁性材料层分隔，形成多层磁结构，所述第一和第二铁磁层在其相对的边缘上借助静磁耦合而以反铁磁的方式耦合，所述第一铁磁层中的磁化方向基本上与所述第二铁磁层中的磁化方向反平行，在各个铁磁层中的磁化方向根据所加的磁场而转动，所述磁阻检测器的电阻作为相邻铁磁层中的磁化方向之间角度变化的函数而变化。
2.根据权利要求1的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案以形成多个元件阵列，所述阵列的各个元件与相邻的元件相分隔，所述阵列的各个元件具有与所述多层磁结构相同的层状结构，在所述阵列上形成有一个由填充所述元件之间的空间的导电材料制成的导电层以在所述多层磁结构的平面中的所述元件之间提供导电性。
3.根据权利要求2的多层磁阻检测器，其特征在于所述阵列的各个所述元件具有所希望的形状，且其在所述多层磁结构的平面中的最大尺寸为10.0微米或更小。
4.根据权利要求3的多层磁阻检测器，其特征在于各个所述元件具有大体为圆形的形状。
5.根据权利要求3的多层磁阻检测器，其特征在于各个所述元件具有大体为矩形的形状。
6.根据权利要求1的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案以形成一个不连续阵列，这种不连续与所述铁磁层相垂直并与各个所述铁磁层中的磁各向异性方向相交。
7.根据权利要求6的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案，以形成通过所述多层磁结构的开口的阵列。
8.根据权利要求7的多层磁阻检测器，其特征在于所述开口的阵列形成一个通过所述多层磁结构的大体圆形的孔的阵列。
9.根据权利要求6的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案，以形成至少一个具有受到调节的宽度的带。
10.根据权利要求9的多层磁阻检测器，其特征在于具有得到调节的宽度的所述带包括一个由连接起来的、大体圆形的元件组成的阵列。
11.根据权利要求1的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构包括一个大体为圆形的、具有10.0微米的最大直径的元件。
12.根据权利要求1的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构具有大体为圆形的形状且其最大尺寸为10微米或更小。
13.根据权利要求1的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁材料包括一个从由铁、钴、镍、镍—铁和基于铁、钴、镍或镍—铁的铁磁合金组成的组中选出的材料。
14.根据权利要求13的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁材料包括镍—铁。
15.根据权利要求1的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁化间隔层包括一种导电材料。
16.根据权利要求15的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电材料是从由银、金、铜和钌以及银、金、铜或钌的导电合金组成的组中选出的材料。
17.根据权利要求16的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电材料是银。
18.根据权利要求16的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电材料是铜。
19.根据权利要求2的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电层包括从由铬、钽、银、金、铜、铝和钌组成的组中选出的非磁性导电材料。
20.根据权利要求19的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁性导电材料包括铬。
21.一种多层磁阻检测器，其特征在于它包括N个双层，其中各个双层包括形成在一层非磁性材料上的一层铁磁材料，所述N个双层形成在由所述铁磁材料形成的一个基底上而形成一个由铁磁材料和非磁性材料的交替层构成的多层磁结构，其顶层和底层由铁磁材料构成，各个铁磁层与相邻的铁磁层借助在其相对边缘上的静磁耦合而以反铁磁的方式耦合，铁磁层中的磁化与相邻铁磁层中的磁化反平行，各个铁磁层中的磁化的方向响应于所加的磁场而转动，所述磁阻检测器的电阻作为相邻铁磁层中的磁化方向之间的角度的改变的函数而改变。
22.根据权利要求21的多层磁阻检测器，其特征在于包括一个形成在所述多层磁结构的顶层上的覆盖层。
23.根据权利要求22的多层磁阻检测器，其特征在于所述覆盖层包括从由钽、二氧化硅和氧化铝组成的组中选出的非磁性高电阻材料。
24.根据权利要求22的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案以形成一个多个元件的阵列，所述阵列的各个元件与相邻的元件相分隔，所述阵列的各个元件具有与所述多层磁结构相同的层状结构，在所述阵列的上方形成有由填充所述元件之间的空间的导电材料构成的导电层以在所述多层磁结构的平面中的所述元件之间提供导电性。
25.根据权利要求24的多层磁阻检测器，其特征在于所述阵列的所述元件具有所希望的形状且其在所述多层磁结构的平面中的最大尺寸为10.0微米或更小。
26.根据权利要求25的多层磁阻检测器，其特征在于各个所述元件包括一个大体为圆形的、具有10.0微米的最大直径的元件。
27.根据权利要求25的多层磁阻检测器，其特征在于各个所述元件具有大体为矩形的形状。
28.根据权利要求21的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案以形成与所述铁磁层垂直并与各个所述铁磁层中的磁各向异性方向相交的的不连续性的阵列。
29.根据权利要求28的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案，以形成通过所述多层磁结构的孔的阵列。
30.根据权利要求29的多层磁阻检测器，其特征在于所述孔的阵列形成了通过所述多层磁结构的大体圆形的孔的阵列。
31.根据权利要求28的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构上被形成图案，以形成具有得到调节的宽度的至少一条带。
32.根据权利要求31的多层磁阻检测器，其特征在于具有得到调节的宽度的所述带包括一个由连接起来的大体为圆形的元件组成的阵列。
33.根据权利要求22的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁材料包括一个从由铁、钴、镍、镍—铁和基于铁、钴、镍或镍—铁的铁磁合金组成的组中选出的材料。
34.根据权利要求33的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁材料包括镍—铁。
35.根据权利要求22的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁性材料包括一种导电材料。
36.根据权利要求35的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电材料是从由银、金、铜和钌以及银、金、铜或钌的导电合金组成的组中选出的材料。
37.根据权利要求36的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电材料是银。
38.根据权利要求36的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电材料是铜。
39.根据权利要求24的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电层包括从由铬、钽、银、金、铜、铝和钌和铬、钽、银、金、铜、铝或钌的导电合金组成的组中选出的非磁性导电材料。
40.根据权利要求39的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁性导电材料包括铬。
41.根据权利要求39的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁性导电材料包括钽。
42.根据权利要求22的多层磁阻检测器，其特征在于N在2至10的范围内。
43.根据权利要求22的多层磁阻检测器，其特征在于奇数铁磁层的总厚度基本上等于偶数铁磁层的总厚度。
44.根据权利要求43的多层磁阻检测器，其特征在于其中铁磁材料构成的所述顶和底层的厚度基本上为在所述多层磁结构中的铁磁层的厚度的一半。
45.一种多层磁阻检测器，其特征在于包括以下部分的组合：
一个基底；
一个设置在所述基底的主表面上的隔离层；
由设置在所述隔离层上的磁性材料制成的偏置层；
设置在所述偏置层上的磁阻检测元件，它包括N个双层，其中各个双层包括一个形成在一层非磁性材料上的铁磁材料层，形成在由所述铁磁材料制成的底层上的所述N个双层因而形成了由交替的铁磁材料和非磁性材料层构成的多层磁结构，顶层和底层是由铁磁材料构成的，各个铁磁层与相邻的铁磁层通过在其相对的边缘处的静磁耦合而以反铁磁的方式相耦合，铁磁层中的磁化的取向基本上与在相邻铁磁层中的磁化的方向反平行，各个铁磁层中的磁化方向响应于所加的磁场而转动，所述磁阻检测器的电阻作为相邻的铁磁层中的磁化方向之间的角度变化的函数而变化，所述多层磁结构上被形成图案以形成一个多元件阵列，所述阵列的各个元件与相邻的元件相分隔，所述阵列的各个元件具有与所述多层磁结构相同的层状结构，在所述阵列上由填充在所述元件之间的空间中的导电材料构成了一个导电层，以在所述多层磁结构的平面中的元件之间提供导电性；
形成在所述多层磁结构的顶层之上的覆盖层；
一个设置在所述偏置层上并在所述偏置层和所述磁阻检测元件之间的非磁材料的间隔层，用于解除所述偏置层与所述磁阻检测元件的磁耦合。
46.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于双层的数目N处于1至10的范围内。
47.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于各个所述元件包括一个大体为圆形的、具有10.0微米的最大直径的元件。
48.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于各个所述元件包括一个大体为矩形的、最大尺寸为10微米或更小的元件。
49.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁材料包括从由铁、钴、镍、镍—铁和基于铁、钴、镍或镍—铁的铁磁合金组成的组中选出的材料。
50.根据权利要求49的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁材料包括镍—铁。
51.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁层包括导电材料，是从由银、金、铜和钌以及银、金、铜或钌的导电合金组成的组中选出的材料。
52.根据权利要求51的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电材料是银。
53.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述间隔层包括从由钽、锌、钛、钇和铪组成的组中选出的材料。
54.根据权利要求53的多层磁阻检测器，其特征在于所述间隔层包括钽。
55.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述偏置层包括由软磁性材料制成的层，以提供所述的磁偏置场。
56.根据权利要求55的多层磁阻检测器，其特征在于所述软磁性材料包括从由镍—铁和镍—铁—铑组成的组中选出的材料。
57.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述偏置层包括一个由硬磁材料制成的层，用于提供所述磁偏置场。
58.根据权利要求57的多层磁阻检测器，其特征在于所述硬磁材料包括从由钴—铂和钴—铂—铬组成的组中选出的材料。
59.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁层具有在大约10埃至大约100埃的范围内的厚度。
60.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁层具有在大约10埃至大约400埃的范围内的厚度。
61.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述导电层包括从由铬、钽、银、金、铜、铝和钌以及铬、钽、银、金、铜、铝和钌的导电合金组成的组中选出的非磁性导电材料。
62.根据权利要求61的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁性导电材料包括钽。
63.根据权利要求45的多层磁阻检测器，其特征在于所述多层磁结构中的奇数铁磁层的总厚度基本上等于偶数铁磁层的总厚度。
64.一种磁存储系统，其特征在于包括以下部分的组合：
一种磁存储介质，它具有多个在其表面上限定的、用于记录数据的道；
一个磁传感器，该磁传感器在所述磁传感器与所述磁存储介质进行相对运动期间处于与所述磁存储介质相接近的空间位置，所述磁传感器包括一个多层磁阻检测器，该多层磁阻检测器包括一个磁阻检测元件，该磁阻检测元件包括N个双层，其中各个双层包括一个形成在一层非磁性材料上的铁磁材料层，形成在由所述铁磁材料制成的底层上的所述N个双层因而形成了由交替的铁磁材料和非磁性材料层构成的多层磁结构，顶层和底层是由铁磁材料构成的，各个铁磁层与相邻的铁磁层通过在其相对的边缘处的静磁耦合而以反铁磁的方式相耦合，铁磁层中的磁化的取向基本上与在相邻铁磁层中的磁化的方向反平行，各个铁磁层中的磁化方向响应于所加的磁场而转动，所述磁阻检测器的电阻作为相邻的铁磁层中的磁化方向之间的角度变化的函数而变化，所述多层磁结构上被形成图案以形成一个多元件阵列，所述阵列的各个元件与相邻的元件相分隔，所述阵列的各个元件具有与所述多层磁结构相同的层状结构，在所述阵列上由填充在所述元件之间的空间中的导电材料构成了一个导电层，以在在所述多层磁结构的平面中的元件之间提供导电性，一个由磁性材料构成的用于为所述磁阻检测元件提供磁偏置场的偏置层，一个由设置在所述磁阻检测元件的所述底层和所述偏置层之间的非磁性材料构成的间隔层解除所述偏置层与所述磁阻检测元件的磁耦合，以及分别连接到所述磁阻检测元件的相对端部的引线，这些引线用于将所述多层磁阻检测器与外界的电路相连并用于将一个检测电流耦合到所述磁阻检测元件；
与所述磁传感器耦合的致动装置，用于把所述磁传感器移动到所述磁存储介质上的选定的数据道上；
与所述多层磁阻检测器耦合的检测装置，用于检测所述磁阻检测元件中的电阻响应于由所述多层磁阻检测器所截取的所加的磁场而出现的改变，该所加的磁场代表了记录在所述磁存储介质中的数据位。
65.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于双层的数目N在1至10的范围内。
66.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于各个所述元件包括一个大体为圆形的、具有10.0微米的最大直径的元件。
67.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于各个所述元件包括一个大体为矩形的、具有10微米或更小的最大尺寸的元件。
68.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述多层磁阻检测器包括一个单个元件，所述单个元件的最大尺寸大体等于数据道的宽度。
69.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述铁磁材料包括从由铁、钴、镍、镍—铁和基于铁、钴、镍或镍—铁的铁磁合金组成的组中选出的材料。
70.根据权利要求69的磁存储系统，其特征在于所述铁磁材料包括镍—铁。
71.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述非磁层包括导电材料，是从由银、金、铜和钌以及银、金、铜或钌的导电合金组成的组中选出的材料。
72.根据权利要求71的磁存储系统，其特征在于所述导电材料是银。
73.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述间隔层包括从由钽、锌、钛、钇和铪组成的组中选出的材料。
74.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述偏置层包括由软磁性材料制成的层，以提供所述的磁偏置场，所述软磁性材料包括从由镍—铁—铬、镍—铁—铌、镍—铁和镍—铁—铑组成的组中选出的材料。
75.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述偏置层包括一个由硬磁材料制成的层，用于提供所述磁偏置场，所述硬磁材料从由钴—铂和钴—铂—铬组成的组中选出。
76.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述铁磁层具有在大约10埃至大约100埃的范围内的厚度。
77.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述非磁层具有在大约10埃至大约400埃的范围内的厚度。
78.根据权利要求64的磁存储系统，其特征在于所述导电层包括从由铬、钽、银、金、铜、铝和钌以及铬、钽、银、金、铜、铝或钌的导电合金组成的组中选出的非磁性导电材料。
79.一种多层磁阻装置的制作方法，其特征在于包括以下步骤：
在一个适当的基底上形成由铁磁材料构成的底层；
形成多个双层，各个所述双层包括一个由非磁性材料构成的第一层和在所述第一层上形成的由所述铁磁材料构成的第二层，所述多个双层形成在由所述铁磁材料构成的所述底层上；
在所产生的多层磁结构上形成图案以形成多个元件阵列，所述阵列的各个元件与相邻的元件相分隔，所述阵列的各个元件具有与所述多层磁结构相同的结构；以及
在所述阵列上形成由填充所述元件之间的空间的导电材料构成的导电层，用于在位于多层磁结构的平面中的所述元件之间提供导电性。
80.根据权利要求79的方法，其特征在于所述铁磁层具有在大约10埃至大约100埃范围内的厚度。
81.根据权利要求79的方法，其特征在于所述非磁层具有在大约10埃至大约400埃范围内的厚度。
82.一种多层磁阻检测器，其特征在于包括以下部分的组合：
一个基底；
一个设置在所述基底的主表面上的隔离层；
由设置在所述隔离层上的磁性材料制成的偏置层；
设置在所述偏置层上的磁阻检测元件，它包括N个双层，其中各个双层包括一个形成在一层非磁性材料上的铁磁材料层，形成在由所述铁磁材料制成的底层上的所述N个双层因而形成了由交替的铁磁材料和非磁性材料层构成的多层磁结构，顶层和底层是由铁磁材料构成的，各个铁磁层与相邻的铁磁层通过在其相对的边缘处的静磁耦合而以反铁磁的方式相耦合，铁磁层中的磁化的取向基本上与在相邻铁磁层中的磁化的方向反平行，各个铁磁层中的磁化方向响应于所加的磁场而转动，所述磁阻检测器的电阻作为相邻的铁磁层中的磁化方向之间的角度变化的函数而变化，所述多层磁结构上被形成图案以形成一个单个的磁阻元件，所述磁阻元件具有大体等于所希望的数据道宽度的最大尺寸；
形成在所述多层磁结构的顶层之上的覆盖层；
一个设置在所述偏置层上并在所述偏置层和所述磁阻检测元件之间的非磁材料的间隔层，用于解除所述偏置层与所述磁阻检测元件的磁耦合。
83.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于双层的数目N处于1至10的范围内。
84.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁材料包括从由铁、钴、镍、镍—铁和基于铁、钴、镍或镍—铁的铁磁合金组成的组中选出的材料。
85.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁层包括导电材料，是从由银、金、铜和钌以及银、金、铜或钌的导电合金组成的组中选出的材料。
86.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于所述间隔层包括从由钽、锌、钛、钇和铪组成的组中选出的材料。
87.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于所述偏置层包括由软磁性材料制成的层，以提供所述的磁偏置场，所述软磁性材料包括从由镍—铁—铬、镍—铁—铌、镍—铁和镍—铁—铑组成的组中选出的材料。
88.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于所述偏置层包括一个由硬磁材料制成的层，用于提供所述磁偏置场，所述硬磁材料包括从由钴—铂和钴—铂—铬组成的组中选出的材料。
89.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于所述铁磁层具有在大约10埃至大约100埃的范围内的厚度。
90.根据权利要求82的多层磁阻检测器，其特征在于所述非磁层具有在大约10埃至大约400埃的范围内的厚度。
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