CN1419232A - 磁敏电阻器件、具有这种器件的读写头以及驱动器 - Google Patents

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Abstract

磁敏电阻器件包括层合膜和应用该层合膜中叠层方向检测电流的机构，其中，该层合膜包括：其磁化方向基本固定的第一铁磁层；其磁化方向随外磁场自由变化的第二铁磁层，该第二铁磁层包括非磁性金属层和两个或多个在叠层方向由非磁性金属层彼此分开的铁磁金属层；使第一和第二铁磁层彼此分开的非磁性中间层。

Description

磁敏电阻器件、具有这种器件的读写头以及驱动器
技术领域
本发明一般涉及用磁敏装置再现记录载体的装置，具体涉及磁敏器件。本发明适用于例如与硬盘驱动器(下面称作“HDD”)连用的读写头。
背景技术
随着近代技术快速发展，例如互联网的发展，急剧地增加了现有电子信息量。因此增加了对以HDD为代表的较小大容量磁记录器的需求，以便储存这样巨大的信息量。因而需要更高的代表可记录信息量每单位记录面积的表面记录密度，以便获得较小的大容量HDD。
在现在，表面记录密度以十年增加100％的速度增加。增加的表面记录密度减少了记录载体上对应于磁记录数据最小单位的一个比特的面积，因而记录载体上的信号磁场也变得越来越小。因此，需要很小的高灵敏度的读写头，以便可靠正确的读写这种很小的信号磁场。
现在20～30Mb/in2的表面记录密度要求作为读写头的磁传感器应用表现出巨磁敏电阻(下面称作“GMR”)效应的自旋阀膜(spin-valve film)。该自旋阀膜具有夹层结构，该结构包括两个由非磁性金属层分开的不耦合的铁磁层，其中，一个铁磁层具有固定的磁化方向。
固定磁化通常使以Fe-Mo合金为代表的反铁磁金属层连接于铁磁层中的一个层，按照此种结构，当加上外磁场时，不固定铁磁层(或自由层)的磁化方向可以自由转动并与外部磁场的方向一致，与具有固定磁化方向的铁磁层(或销接层(pinned layer))的磁化方向产生角度差别。导电电子的自旋相关散射按照此角度差别变化，因此电阻值改变。检测变化的电阻值便可得到外磁场的状态，或得到磁记录载体的信号磁场的状态。
具有自旋阀膜的现有的读写头是具有所谓平面电流(下面称为“CIP”)结构的读写头，这种读写头将平行于叠层表面的传感电流加在自旋阀膜上。由于表面记录密度较高，所以读写头的尺寸应当按照减小的比特尺寸减小。这是因为用于记录比特大小的过大的读写头将同时从目标记录磁道和靠近目标记录磁道的磁道接收磁信息，从而在磁道宽度的方向降低了分辨率。一般100Gb/in2级的表面记录密度要求读写头在宽度方向的尺寸减小到约0.1μm。CIP结构的读写头需要随减小的器件宽度减小器件高度。这是因为很弱的信号磁场将造成在器件高度方向很小的信号磁场感应深度，使得不会出现磁性反转，并且在远离记录载体的自旋阀膜的端部不会出现磁阻，因而此死点部分使传感器灵敏度下降。
因此具有高表面密度的CIP结构的读写头需要减小器件的宽度以及器件的高度，并且器件电阻本身很少随表面记录密度的增加而变化。然而，对于较小器件高度应用同样的传感电流增加了电流密度，由于漂移等造成器件性能变坏。因此，随着表面记录密度的增加或随着器件高度的减少应当减小传感电流，这样，可用的读出输出便正比于传感电流的减小而减小。
另一方面，已提出这种结构的读写头，这种结构应用垂直于读写传感器膜中叠层表面的传感电流。这种读写头根据应用传感电流的方向称为具有电流垂直于平面(下面称作“CPP”)的结构的读写头。应用CPP结构的GMR传感器称作CPP-GMR传感器。
这种结构的有效发挥取决于磁性和非磁性层合层之间界面上导电电子的自旋方向的散射效应，这种散射效应是使磁敏电阻变化的一个因素。同时，这种结构提高了磁敏电阻变化率，与CIP结构相比约高出两倍。因此渴望利用这种结构来实现极灵敏的读写头。另外流过传感电流的器件截面积(器件宽度×器件高度)比CIP截面积(器件宽度×器件高度)大3～5倍。另外，CIP结构对于叠层膜中不同金属层具有不同的比电阻，并且电流在例如Cu层这样的层中流过，这种层具有较小的比电阻，因此如果假定最大电流密度是最大电流流过部分的电流密度，则膜作为一个整体可以流过允许电流密度仅40％的传感电流。因此，CPP结构流过的传感电流比CIP结构高7～12倍。另外，由于减小具有高表面记录密度的器件截面积，所以必须减小传感电流，但是当电阻变化率为常数时，读出、输出值便有利的变成常数，因为器件的电阻的增加反比于器件截面积的增加。
迄今还没有提出适合于CPP-GMR传感器的材料，这种材料的磁滞小，并可以充分控制磁畴以及形成磁敏电阻，并提供磁敏电阻的较大变化。不希望的是，不稳定的减小磁滞和对磁畴的控制使得不能稳定的操作应用CPP-GMR的磁头，而磁敏电阻的不令人满意的变化将会降低磁头的输出(或灵敏度)。
因此，本发明人首先考察了将多层GMR膜用作CPP-GMR传感器材料的情况，并确定该多层GMR膜不适合，因为，多层GMR膜具有这样一种不利的结构，使得它很难降低磁滞和控制磁畴，以便稳定地操作磁读写头。
本发明人然后考察了将自旋阀膜应用于CPP结构的情况，本发明人然后像CIP头一样将自旋阀膜应用于CPP结构。虽然通常的自旋阀膜有利于控制磁畴，但是它不会不利地形成较大的磁敏电阻变化，因此常规的自旋阀膜适用价值小。
发明内容
因此本发明的例示性目的是提供一种可以以稳定状态提供较大磁敏电阻变化的磁敏电阻器件、具有这种器件的读写头以及应用这种读写头的驱动器。
为了达到上述目的，磁敏电阻器件包括叠层膜以及在叠层膜叠层方向应用传感电流的机构，其中，上述叠层膜包括磁化方向基本固定的第一铁磁层、其磁化方向按照外磁场自由变化的第二铁磁层、包含非磁性金属层的第二铁磁层、两个或多个在叠层方向由非磁性金属层彼此分开的铁磁金属层以及使第一和第二铁磁层彼此分开的非磁性中间层。该磁敏器件增加了第二铁磁层中非磁性层和磁性层之间干扰数目。在专门考察上述问题以后，本发明人发现，增加干扰可以增加导电电子的自旋相关散射效应，因而可以增加磁敏电阻的变化。为了避免增加由于电流旁路引起的磁敏电阻变化的降低，最好使CIP结构中自旋阀膜的各个层尽可能作得薄，使得可以应用平行于叠层方向的传感电流。另一方面，在像本发明的CPP结构中，即使在加入比电阻相当小的金属层时，也不会发生旁路损耗，因此，可以相对随便地确定各个层的厚度。
在第二铁磁层中的该两个或多个铁磁金属层，具有平行的磁化方向，因此增加了导电电子的自旋相关散射作用，并增加了磁敏电阻的变化。如果它们具有反向平行的磁化方向，则对于导电电子的各个自旋方向可以同时形成低的和高的电阻干扰，从而抵消自旋相关散射效应，减小磁敏电阻的变化率。这种平行的磁化方向有利于控制磁畴和降低磁滞。
在第二铁磁层中的非磁性金属层，当层合在第二铁磁层中的铁磁金属层上时，可以形成自旋相关散射。因此可以增强磁敏电阻的变化。这种金属层用例如Cu、Ag或Au制作，
第一铁磁层可以是层合层，该层合层顺序包括铁磁金属层、非磁性金属层以及另一铁磁金属层，其中在第一铁磁层中的两个铁磁金属层具有中间隔第一铁磁层中非磁性金属层的反向平行的磁化。第一铁磁层具有例如由Co/Ru/Co(它们可以包括Fe、B和Co)作的合成铁性结构(Synthetic ferri structure)。例如Co/Ru/Co层合结构按照Ru层的厚度在这些Co层之间造成铁磁耦合(具有平行的磁化方向)，或反磁性耦合(具有反向平行的磁化方向)。当这些特征加于第一铁磁层例如自旋阀层中销接层来产生反铁磁耦合状态(即在该两个Co层之间的反向平行的磁化)时，可以减小销接层产生的磁场，这种结构本身又称为SFP(Synthetic Ferri Pinned Layer)，可以有效地保持所测磁敏电阻的线形化；在像本发明一样追求高灵敏度的应用时，这种结构是很有用的。
第一铁磁层、非磁性中间层以及第二铁磁层可以按此顺序层合在底衬上，这种结构对应于底部式自旋阀(bottom(type)spin valve)。另外，可以在第二铁磁层上层合另一个非磁性中间层，并将磁化方向基本固定的第三铁磁层形成在其它非磁性中间层上，这种结构对应于二元的自旋阀或对称自旋阀(dual or symmetric(type)spin valve)、第二铁磁层，非磁性中间层以及第一铁磁层可以按此顺序层合在底衬上。这种结构相当于顶部自旋阀(top(type)spin valve)。
本发明另一方面的磁敏电阻器件包括叠层膜以及应用叠层方向传感电流的机构，其中叠层膜包括：磁化方向基本固定的第一铁磁层；磁化方向按照外磁场自由变化的第二铁磁层以及使第一和第二铁磁层彼此分开的非磁性中间层，其中第一和第二铁磁层中的一个层具有非磁性部分的叠层以及沿上述叠层膜中叠层方向的铁磁部分叠层。虽然此种磁敏器件可以增加导电电子的自旋相关散射效应并增强磁敏电阻的变化，但是铁磁层可以是第一铁磁层或第一和第二铁磁层的联合层；但是本发明不限于这种层合结构，例如可将非磁性离子分散在铁磁层中。
本发明可应用于包括上述磁敏电阻器件的读写头、输送传感电流的机构以及从磁敏器件变化电阻读出按信号磁场变化的信号的机构。本发明还可应用于驱动器，该驱动器包括读写部分和驱动部分，前者包括上述读出头和写入部分，后者用于驱动磁记录载体，该载体可以被写入和由读出部分读出，该读写头增加了磁性和非磁性层之间的干扰数目，并增强了磁敏电阻的变化。因此可以避免产生磁滞，有利于控制磁畴。本发明的读写头是最好的，特别是它可以从具有高表面记录密度的磁记录载体上进行高灵敏度的读出。
下面参照附图说明实施例，从这些说明中，可以明显看出本发明的其它目的和特征。
附图说明
图1是平面图，示出作为本发明一个例子的硬盘驱动器的内部结构。
图2是图1所示硬盘驱动器滑动件的放大透视图。
图3是放大截面图，示出装在图2所示滑动件上的读写头的层合结构。
图4是放大截面图，示出相对于本发明实施例的比较例，该比较例应用于图3所示读写头自旋阀膜的结构。
图5是本发明第一实施例的放大截面图，该实施例应用于图3所示读写头中的自旋阀膜的结构。
图6是放大截面图，示出本发明的应用于图3所示读写头中自旋阀膜结构的第二实施例。
图7是放大截面图，示出本发明的应用于图3所示读写头中自旋阀膜结构的第三实施例。
图8是放大截面图，示出本发明的应用于图3所示读写头中自旋阀膜结构的第四实施例。
图9是放大截面图，示出本发明的应用于图3所示读写头中自旋阀膜结构的第五实施例。
图10是放大截面图，示出本发明的应用于图3所示读写头中自旋阀膜结构的第六实施例。
图11是方块图，用于说明图2所示硬盘驱动器的控制系统。
具体实施方式
现在参考附图，说明作为本发明一个实施例的HDD11。该HDD11在其图1所述的盒子12中包括一个和多个磁盘13、主轴马达14和磁头部分。图1是平面图，示出HDD11的内部结构。
盒子12例如用压铸铝或不锈钢制造，并具有长方六面体，盖子(未示出)连接于该六面体，从而可以密封其内部空间。在此实施例中，各个磁盘13具有例如100Gb/in2或更高的高记录密度，并装在主轴马达14的主轴上。
主轴马达使磁盘高速转动，其转速例如为7200rpm和10000rpm，该主轴马达包括无电刷DC马达和作为其转子部分的主轴。例如，当使用两个磁盘13时，将磁盘、垫圈、磁盘和夹具依次叠放在该主轴上，并用嵌入主轴的螺栓固定。和此实施例不同，磁盘13可以是具有毂的磁盘而没有中央孔，主轴可通过该毂转动磁盘。
磁头部分包括滑动件19和驱动件21，该驱动件起定位和驱动该滑动件19机构的作用。
如图2所示，滑动件19包括滑动件主体22和头器件内装膜(headdevice built-in film)24，前者具有大体长方形六面体形状，用Al2O3-TiC(altic)制作，后者连接于该滑动件主体22的空气流出端部，并用Al2O3制造(氧化铝)，该膜24包括内装读/写头23。图2是滑动件19的放大透视图。该滑动件主体22和头器件内装膜24形成浮动表面25，该表面是一个对着载体即对着磁盘13的表面，用于捕获转动磁盘13产生的空气流26。
在该浮动表面25上形成一对轨道27，该轨道从空气流入端伸向空气流出端。在每个轨道的上表面上，形成所谓气垫表面(下面称作“ABS”)，根据空气流的作用将在ABS 28上产生浮力。嵌入头器件内装膜24内的读写头暴露在ABS 28上。滑动件19的浮动系统不限于这种形式而可以采用已知的动态压力润滑系统、已知的静态压力润滑系统、已知的压电控制系统以及任何其它的已知浮动系统。本实施例应用接触启动停止系统，在这种系统中，滑动件19在停止时接触磁盘13，和本实施例不同，滑动件19可以在磁盘13停止前上升到磁盘13的上面并定位在位于磁盘13外面的保持部分(有时称作斜坡(ramp))，使得可以以不接触磁盘13的方式保持滑动件19，然后在磁盘13转动时，从磁盘13的保持部分降下来，像动态装载系统或斜坡装载系统中那样。
下面参照图3详细说明浮动表面25的细节。图3是截面图，示出浮动表面25的细节。头23包括磁敏电阻的/感应的复合头，该复合头包括感应头器件30和磁敏电阻(下面称作“MR”)头器件50，前者应用导电线圈系(未示出)感应的磁场将二进制信息写入到磁盘13上，后者按照磁盘13产生的磁场读出作为二进制信息变化的电阻。
感应头器件30包括非磁性间歇层32、上部磁极层34、Al2O3膜36和上部屏蔽的上电极层40，如下面说明的，该上部的上电极层40形成MR头器件50的一部分。
非磁性间歇层32展布在该上部屏蔽的上电极层40表面上，如下面要说明的，该非磁性电极层用Al2O3形成。上部磁极层34隔着非磁性间歇层32面对上部屏蔽的上电极层40，并由例如NiFe形成。Al2O3膜36覆盖在非磁性间歇层32表面上的上部磁极层34，并形成头器件内装膜24，该上部磁极层34和上部屏蔽的上电极层40相配合形成感应写入头器件30中的磁心。在感应写出头器件30的下部磁极层起着MR头器件50中的上部屏蔽上电极层40的作用。当感应线圈系感应磁场时，在上部磁极层34和上部屏蔽的上电极层40之间的磁通量由于非磁性间歇层32的作用而从浮动表面流出。该漏出磁通量形成信号磁场(或间歇磁场)。
MR头器件50包括上部屏蔽的上电极层40、下部屏蔽的下电极层52、绝缘层53和54、初始涂层55、硬铁磁层56和自旋阀膜100。该上部屏蔽的上电极层40和下部屏蔽的下电极层52用例如FeN和NiFe形成，并将检测电流输送到自旋阀膜100。因此，本实施例应用了垂直于叠层方向的传感电流。绝缘层53和54使上部屏蔽的上电极层40和下部屏蔽的下电极层52绝缘，并用例如Al2O3形成。该硬铁磁层56用例如CoPt合金和CoCrPt合金等磁性材料形成，并在自由铁磁层120等操作时施加恒定的偏压，这将在下面说明。初始涂层55的作用是显示硬铁磁层56的特性。
自旋阀膜100具有层合结构，该结构基本上顺序包括自由铁磁层、非磁性中间层、销接磁性层以及交换耦合层，从而形成GMR传感器。该在此实施例中的GMR传感器形成作为CPP传感器的GMR-CPP传感器，该传感器应用垂直于传感器膜中层合表面的传感电流。自旋阀膜100特别采用两层或多层由非磁性金属层分开的在叠层方向的铁磁金属层，以形成自由铁磁层。
上述常规CPP结构的自旋阀膜的优点是可以大大降低磁滞和充分控制磁畴，但是这种膜很难得到磁敏电阻的很大变化。在专门研究此问题之后，本发明人已经发现这样的事实，即CPP结构的自旋阀膜在磁性层和非磁性层之间只有两个界面，并表现为当干扰的数目增加时，磁敏电阻的变化增加。按照磁敏电阻效应，一个方向的磁性层可使从上自旋和下自旋中选出的一个自旋状态的导电电子容易穿过，但是在另一自旋状态的导电电子则不容易穿过，从而发生散射(自旋相关散射)。因此当处于这两种自旋状态的导电电子穿过磁性层时，干扰数目的增加将增大电子相关散射效应的差别。下面将说明的一些例子应用了一种结构，这种结构在自由铁磁层中使磁性金属层和非磁性金属层层合若干次，这种结构可以响应载体的信号磁场改变其磁化方向，从而可以增强在磁性层和非磁性层之间干扰处的导电电子的自旋相关散射效应，这种效应是CPP结构自旋阀膜中磁敏电阻效应的主要因素。
磁敏电阻变化的增加不限于用若干次层合铁磁金属层和非磁金属层来形成自由铁磁层的方法。例如本实施例将非磁金属层加在两个铁磁金属层之间，和本发明实施例不同，对于上下铁磁金属层可以应用不同的材料。可以不用形成自由铁磁层或除形成自由铁磁层外可以采用若干次层合铁磁金属层和非磁性金属层的方法来形成销接磁性层。增加磁敏电阻的变化不一定需要层合结构。例如在图10中，将非磁性粒子4分散在磁性层2中，如图10所示，非磁性粒子将磁性部分分成两部分，例如沿自旋阀膜叠层方向的L线分成两部分。当自旋相关散射效应对穿过L线运动的自由电子增强时，得到的效果与采用若干次层合铁磁金属层和非磁性金属层方法形成销接磁性层的效果相同。
因为以下的理由，最好使铁磁金属层的磁化方向平行，以便层合许多铁磁层，由此增加磁敏电阻的变化：
首先当铁磁金属层通过非磁性金属层层合时，由于铁磁金属层之间的相互作用，铁磁金属层的磁化方向将是平行的或反向平行的。例如像应用Co/Ru/Co层合膜作销接层来稳定交换耦合磁场的这种所谓合成铁性结构，对于相邻Co层之间的反磁性耦合磁化，应用了Ru层5～9的层厚度。事实上，还没有提出任何例子应用合成铁性结构，这种结构使在Co层之间的磁化方向排列成彼此平行。
另一方面，本实施例对自由层应用了层合结构，其非磁性金属层的层厚度使得铁磁层中的磁化方向彼此平行，因此磁层合结构的自由层最好在载体的磁场中起一个实体的作用。当该层合结构的自由层中的这两个铁磁金属层的磁化方向排列成彼此反向时，像常规合成铁性一样，对于各个自旋方向便同时形成低和高的电阻干扰，从而不希望地抵消自旋相关散射效应和减少磁敏电阻变化率。另一方面，铁磁层的平行磁化方向有利于控制磁畴和减少磁滞。
在层合结构自由层中的非磁性金属层可采用例如Co、Ag、Au等的金属。这种金属在层合到铁磁金属层上时，激起自旋相关散射效应。
用于形成层合结构自由层的较大数目的磁性层和非磁性层是有效的，因为这增加了干扰数目。但是其中叠层超过导电电子可以保持自旋信息的距离(或自旋扩散长度)的部分不会对磁敏电阻的变化产生作用，这部分将增加器件的电阻并减小磁敏电阻的变化率。
磁敏电阻变化的另一个主要基本因素是取决于铁磁膜中磁化方向的导电电子散射效应(或称作体散射(bulk scattering))，这种效应还在自旋扩散长度范围内可以正比于该自由层层厚度增强。
另一方面，当自由层的层厚度增加时，在自由层中的磁矩便增加，而且其相对于载体信号磁场的灵敏度也降低，因此实际上最好形成层厚度约3～10nm最好约为5～6nm的具有NiFe膜的自由层。通常采用磁控溅射装置、离子束溅射装置、真空蒸发器等形成自旋阀膜，但是当铁磁金属层的厚度为1nm或更小时，它的形状便变得不均匀，因此很难形成连续的膜，不能获得充分的铁磁特性。为使层合结构的创新自由层对记录载体的可感觉的信号磁场形成的信号提供很高灵敏的检测特性，最好通过非磁性金属层形成其厚度分别约为1～2nm的两个或三个铁磁金属层。
作为在CPP结构的自旋阀膜中的干扰处增加散射的结构，所谓二元自旋阀结构(dual spin valve structure)也是有效的。在这种结构中，在作为中心层的自由铁磁层的上下两侧均形成非磁性中间层/销接铁磁层/交换耦合层。创新的合成铁性结构在用于二元自旋阀膜的自由层时，将会提高磁敏电阻的变化率。
自旋阀膜包括所谓底部和顶部自旋阀：底部自旋阀在更靠近待层合底衬的一侧配置交换耦合层/销接铁磁层，而顶部自旋阀在更靠近底衬的一侧配置自由铁磁层，层合结构创新的自由层可应用于自旋阀膜的两种结构，明显地表现出同样的操作性。
为使自旋阀膜用在读写头上，该自由层应当在垂直于信号磁场进入方向的方向具有单一的磁畴，以便得到稳定的磁场响应的特性。按照本发明的层合自由结构，该层合结构自由层中的铁磁金属层具有同样的磁化方向，因此可以明显看出，容易采用常规的磁畴控制结构，这种结构采用靠近自由层形成的硬磁材料。
下面说明自旋阀膜100的若干实施例。
例子
利用磁控溅射法形成层厚度为400nm的用Co/Au形成的下电极层，并用光蚀法作图。然后采用常规的磁控溅射法在altic底衬上形成具有下列结构的MR膜，该altic底衬用离子研磨装置(ion milling device)形成。
比较例子1
如图4所示，底部自旋阀膜200形成为比较例子。图4是放大截面图，示出应用于图3所示结构的自旋阀膜200。在其顶部形成下电极(即下部屏蔽的下电极层52)的底衬上按从下到上的顺序的层合层是：初级涂层(或有时称作取向控制膜)102，该涂层包括用Ta形成的厚度为5nm的层以及用NiFe形成的厚度为2nm的层；交换耦合层(有时称作销接层或反铁磁层)104，用PdPtMn形成的厚度为15nm的层，用于固定相邻销接铁磁层的磁化方向；销接铁磁层106，用CoFeB形成，其层厚度为3nm；非磁性中间层(或称作衬垫层)108，用Cu形成，其层厚度为4nm；自由铁磁层210，用CoFeB形成，其层厚度为3nm；电极110，该电极包括用Cu形成的层厚度为1nm形成的层以及用Au形成的层厚度为10nm的层。
例子1
如图5所示，图中形成本发明第一实施例的底部自旋阀膜100。图5是放大截面图，示出应用于图3结构的自旋阀膜100。在下部屏蔽的下电极层52上按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；交换耦合层104，用PdPtMn形成的层厚度为15nm的层；销接铁磁层106，用CoFeB形成，其层厚度为3nm；非磁性中间层108，用Cu形成，其层厚度为4nm；自由铁磁层120，其层厚度为5nm；电极110，该电极包括用Co形成的其层厚度为1nm的层以及用Au形成的其层厚度为10nm的层。
自由铁磁层120包括作为铁磁金属层的用CoFeH形成的层厚度为1.5nm的第一自由铁磁层122、用Co形成的其层厚度为2nm的非磁性金属层124，以及作为铁磁金属层的用CoFeB形成的其层厚度为1.5nm的第二自由铁磁金属层126。
例子2
如图6所示，图中形成本发明第二实施例的底部自旋阀膜100A。图6是放大截面图，示出应用于图3所示结构的自旋阀膜100A。在下部屏蔽的下电极层52上按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的其层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的交换耦合层104；用CoFeB形成的层厚度为3nm的销接铁磁层106；用Co形成的层厚度为4nm的非磁性中间层108；层厚度为7nm的自由铁磁层130；电极110，该电极包括用Cu形成的层厚度为1nm的层以及用Au形成的层厚度为10nm的层。
自由铁磁层130包括：用CoFeB形成的层厚度为1nm的铁磁金属层131；用Co形成的层厚度为2nm的非磁性金属层132；用CoFeB形成的层厚度为1nm的铁磁金属层133；用Cu形成的层厚度为2nm的非磁性金属层134；用CoFeB形成的层厚度为1nm的铁磁金属层135。
比较例子2
底部自旋阀膜(未示出)被形成为比较例子，该底部自旋阀膜可应用于图3所示的结构，并具有合成铁性结构。在下部屏蔽的下电极层52按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的交换耦合层104；销接铁磁层140，层厚度为7.8nm，具有合成铁性结构，该销接铁磁层下面将参照图7进一步说明；用Co形成的层厚度为4nm的非磁性中间层108；用CoFeB形成的层厚度为3nm的自由铁磁层210；电极110，该电极包括用Cu形成的层厚度为1nm的层；用Au形成的层厚度为10nm的层。该销接铁磁层140包括用CoFeB形成的层厚度为3nm的第一销接铁磁层142、用Ru形成的层厚度为0.8nm的反铁磁交换耦合层144以及用CoFeB形成的层厚度为4nm的第二销接铁磁层146。
例子3
如图7所示，图7中形成本发明第三实施例的具有合成铁性结构的自旋阀膜100B。图7是放大截面图，示出应用于图3所示结构的自旋阀膜100B。在下部屏蔽的下电极层52按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的交换耦合层104；具有合成铁性结构的层厚度为7.8nm的销接铁磁层140；用Co形成的层厚度为4nm的非磁性中间层108；层厚度为5nm的自由铁磁层120；电极110，该电极包括用Cu形成的层厚度为1nm的层以及用Au形成的层厚度为10nm的层。
自由铁磁层120包括用CoFeB形成的层厚度为1.5nm的第一自由铁磁层122、用Co形成的层厚度为2nm的非磁性金属层124以及用CoFeB形成的层厚度为1.5nm的第二自由铁磁金属层126。销接铁磁层140包括用CoFeB形成的层厚度为3nm的第一销接铁磁层142、用Ru形成的层厚度为0.8nm的反铁磁交换耦合层144以及用CoFeB形成的层厚度为4nm的第二销接铁磁层146。
例子4
形成本发明第四实施例的底部自旋阀膜100C(未示出)，该自旋阀膜具有合成铁性结构，并可应用于图3所示结构。在下部屏蔽的下电极52上按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的交换耦合层104；具有合成铁性结构的层厚度为7.8nm的销接铁磁层140；用Cu形成的层厚度为4nm的非磁性中间层108；层厚度为7nm的自由铁磁层130；电极110，该电极包括用Cu形成的层厚度为1nm的层以及用Au形成的层厚度为10nm的层。
自由铁磁层130包括用CoFeB形成的层厚度为1nm的铁磁金属层131、用Cu形成的层厚度为2nm的非磁性金属层132、用CoFeB形成的层厚度为1nm的铁磁金属层133、用Co形成的层厚度为2nm的非磁性金属层134以及用CoFeB形成的层厚度为1nm的铁磁金属层135。销接铁磁层140包括用CoFeB形成的层厚度为3nm的第一销接铁磁层142、用Ru形成的层厚度为0.8nm的反铁磁交换耦合层144，以及用CoFeB形成的层厚度为4nm的第二销接铁磁层146。
比较例子3
作为比较例子形成二元自旋阀膜(未示出)，该自旋阀膜可应用于图3所示的结构。在下部屏蔽的下电极层52上按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的第一交换耦合层104A；层厚度为3nm的第一销接铁磁层106A；用Cu形成的层厚度为4nm的第一非磁性中间层108A；用CoFeB形成的层厚度为3nm的自由铁磁层210；用Cu形成的层厚度为4nm的第二非磁性中间层152；用CoFeB形成的层厚度为3nm的第二销接铁磁层154；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的第二交换耦合层156；外加电极保护层158，该保护层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层，以及用Au形成的层厚度为10nm的层。下面参照图8说明这些层104A～158。
例子5
如图8所示，图中形成本发明第五实施例的二元自旋阀膜100D。图8是放大截面图，图中示出应用于图3所示结构的自旋阀膜100D。在下部屏蔽的下电极层52上按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Pa形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的第一交换耦合层104A；层厚度为3nm的第一销接铁磁层106A；用Co形成的层厚度为4nm的第一非磁性中间层108A；层厚度为5nm的自由铁磁层120；用Co形成的层厚度为4nm的第二非磁性中间层152；用CoFeB形成的层厚度为3nm的第二销接铁磁层154；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的第二交换耦合层156；外加电极保护层158，该保护层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用Au形成的层厚度为10nm的层。这些层104A～106A基本上与层104～106相同，虽然它们取了不同的名称。
如上所述，自由铁磁层包括用CoFeB形成的层厚度为1.5nm的铁磁金属层122、用Cu形成的层厚度为2nm的非磁性金属层124以及用CoFeB形成的层厚度为1.5nm的铁磁金属层126。
比较例子4
作为比较例子形成常规的顶部自旋阀膜，该自旋阀膜可应用于图3所示的结构。在下部屏蔽的下电极层52上按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；用CoFeB形成的层厚度为3nm的自由铁磁层210；用Co形成的层厚度为4nm的非磁性中间层160；用CoFeB形成的层厚度为3nm的销接铁磁层162；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的交换耦合层164；外加电极保护层158，该保护层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用Au形成的层厚度为10nm的层。下面参照图9说明这些层160～164。
例子6
如图9所示，图中形成本发明第六实施例的二元自旋阀膜100E。图9是放大截面图，示出应用于图3所示结构的自旋阀膜100E。在下部屏蔽的下电极层52上按从下到上的顺序层合的层是：初级涂层102，该涂层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层以及用NiFe形成的层厚度为2nm的层；层厚度为5nm的自由铁磁层120；层厚度为4nm的用Cu形成的非磁性中间层106；用CoFeB形成的层厚度为3nm的销接铁磁层162；用PdPtMn形成的层厚度为15nm的交换耦合层164；外加电极保护层158，该层包括用Ta形成的层厚度为5nm的层，以及用Au形成的层厚度为10nm的层。
在上述本发明例子和比较例子中，各个合金层的典型比较(原子体积比)是81Ni-19Fe、89Co-9Fe-2B以及30Pd-18Pt-52Mn。
在形成各个膜以后进行热处理，即在真空的磁场中处理PdPtMn交换耦合层，处理条件是温度280℃，在2泰斯拉的磁场下处理3小时。
用常规的光蚀法和离子研磨法将器件处理成0.3×0.3μm到1×1μm的尺寸，然后用磁控溅射装置形成层厚度约70nm的Al2O3绝缘层53，这种磁控溅射装置稍不同于其它装置，然后形成层厚度为300nm的Cu上电极层，由此形成上部屏蔽的上电极层40。
然后用四端网络法在磁场范围±500奥斯特的磁场下测量作为器件特征曲线的磁敏电阻曲线。
在CPP结构的器件中，器件电阻R和器件电阻的变量ΔR反比于器件截面积A，因此乘积RA和ΔRA对于各个磁敏电阻膜为常数。
因此可以采用RA和ΔRA作为表示器件特性的指数。在CIP结构中的MRB(％)可用ΔRA-RA表示。表1示出器件的评估结果。表1以方便的形式示出比较例子1、本发明例1和2、比较例子2、本发明例3和4、比较例子3、本发明例5、比较例子4、本发明例6，表中以1～10的样品编号表示。表1
    样品     自旋阀膜型式 销接铁磁层结构     自由层中FL数目     RA(Ωμm2)     ΔRA(mΩμm2)     MR(％)
    1)     底部式 正常     1     0.08     0.6     0.75
    2)     底部式 正常     2     0.08     1     1.25
    3)     底部式 正常     3     0.08     1.2     1.50
    4)     底部式 合成铁性结构     1     0.09     0.6     0.67
    5)     底部式 合成铁性结构     2     0.09     0.95     1.06
    6)     底部式 合成铁性结构     3     0.09     1.2     1.33
    7)     二元式 正常     1     0.13     1.8     1.38
    8)     二元式 正常     2     0.13     2.5     1.92
    9)     顶部式 正常     1     0.08     0.5     0.63
    10)     顶部式 正常     2     0.08     0.8     1.00
从表1可以看出，可以确认在自由铁磁层中，铁磁金属层数目增加的任何自旋阀膜其示出的ΔRA和MRB比比较例的ΔRA和MRB大约1.5倍到2倍。
初级涂层102采用Ta改进了NiFe的晶体和软磁特性。在自由层126、210等层中，电极110应用Cu，因为Cu与Co同族。保护层158采用Ta，因为它与Mn同族，该保护层起盖层的作用，可以防止叠层部分性能下降。
在第三和第四例子中，CoFeB/Ru/CoFeB结构的销接层140中的两个CoFeB层造成反铁磁耦合(即磁化方向反向平行)，并减小了由销接层140产生的磁场，在保持磁敏电阻测量线形化(即对称信号)时这是很有效的，特别适合于像本发明中追求高灵敏度的这种情况。
回到图1，驱动件21包括音圈马达(图1中未示出)、支承轴15和支架16。
音圈马达可以采用这种技术中已知的技术，本文将省略其说明。例如音圈马达包括固定于盒子12铁板上的永久磁铁和固定在支架上的活动磁铁。支承轴15插入到支架16上的圆筒形空心孔内，并配置成它在盒子12中垂直于图1的纸面延伸。支架16包括可以绕支承轴15转动或摆动的刚性臂17，以及固定于该刚性臂17头部的悬挂件18，该支架16从臂17向前延伸。该悬挂件18例如为不锈钢作的Watlas式悬挂件，该悬挂件采用平衡弹簧(未示出)使滑动件19形成悬臂。该悬挂件18支承配线部分，该配线部分通过导线等连接于滑动件19。因为配线部分很小，所以在图1中省去了。传感电流读入数据和读出数据经这种导线在头23和配线部分之间输入和输出。悬挂件18向滑动件19施加弹力使其压向磁盘13的表面。
图11示出HDD11中控制系统70的控制方块图。控制系统70作成为装在HDD11中的控制板等，该系统包括控制部分71、界面72、硬盘控制器(下面称作“HDC”)73、写入调制部分74、读出解调部分75、传感电流控制部分76和头的集成电路(head IC)77。当然它们不一定配置成一个部件；例如只有头的集成电路77连接于支架16。
控制部分71包括任何处理器，例如CPU和MPU，尽管其名字不同，但它控制系统70中的各个部分。界面72使HDD11连接于外部装置，例如作为主机的个人计算机(下面称为“PC”)。HDC73将已由读出解调部分75解调的数据输送到控制部分71，将数据输送到写入调制部分74，并将由控制部分71设定的电流值输送到检测电流控制部分76。虽然图11示出控制部分71对主轴马达14和在驱动件21中的马达提供伺服控制，但是HDC73也可以用作这种伺服控制。写入调制部分74调制数据，并将数据输送到头部集成电路77，该数据已经从主机输送到界面72并准备利用感应头30写在磁盘13上。读出解调部分75将数据解调为原来的信号，方法是取样由MR头器件50从磁盘13上读取的数据。写入调制部分74和读出解调部分75可以看作为一个单一的处理部分。该头集成电路77起前置放大器的作用。各个部分可以应用这种技术中已知的任何结构，因而省略其详细说明。
在HDD11的操作时，控制部分71驱动主轴马达14，使磁盘13转动。磁盘13转动时空气流进入到磁盘13和滑动件19之间，形成一个很小的空气膜，由此产生浮力，该浮力能使滑动件19浮在磁盘表面上。浮力和弹力之间的平衡使得滑动件19与磁盘13间隔开恒定的距离。
然后控制部分71控制驱动件21，使支架16绕支承轴15转动，以便头23寻求磁盘13上的目标磁道。本实施例使用了摆动式的臂，在这种臂上，滑动件19绕支承轴15画一个圆弧轨迹，但本发明也可应用于线形式的臂，在这种臂中，滑动件19运动是一个直线轨迹。
在写入时，控制部件71通过界面72接收主机例如PC的数据，选择感应头器件30，并将数据通过HDC73输送到写入调制部分74。在响应时，写入调制部分74调制数据，并将已调制的数据输入到头集成电路77。该头集成电路77放大已调制的数据，然后将此作为写入电流的数据输送到感应头器件30。由此感应头30将此数据写在目标磁道上。
在读出时，控制部分71选择MR头器件50，并将预定的传感电流经HDC73输送到检测电流控制部分76。在响应时，该检测电流控制部分76通过头集成电路77将检测电流输送到MR头器件50。本实施例应用了CPP结构，这种结构应用垂直于MR头器件50中叠层方向的检测电流：本实施例中流过较高的检测电流并得到比CIP结构中MR变化率灵敏度高的灵敏度。另外，本实施例应用了铁磁层和非磁性层的层合结构来形成自由层和增加两层之间干扰数目，从而加大了磁敏电阻的变化率，与正常自旋阀膜相比较增加了灵敏度。因此，小的MR头器件50具有很高的灵敏度，即使由于磁盘13较高的表面记录密度减少了比特的尺寸而已使该头装置50小型化。
MR头器件50采用自旋阀膜100，与多层GMR膜相比，这种头器件50有利于控制磁畴和减少磁滞。另外，本实施例在MR头器件50的自由层中使分开的铁磁层的磁化方向彼此平行，因此增加了控制磁畴和磁滞的方便性。
根据随信号磁场变化的MR头器件的电阻，数据可由头集成电路77放大，然后将该数据输送到读出解调部分75，解调成原来的信号。该解调信号通过HDC73、控制器71和界面72输送到主机(未示出)。
虽然，上面已说明本发明的优选实施例，但在本发明中可以进行各种变型和变化而不超出本发明的精神和范围。例如本发明可应用于磁传感器(例如用于检测位移和角度的磁敏电位器、磁卡读出装置、用磁性墨水印刷纸币的识别装置等)以及磁头。

Claims (22)

1.一种磁敏电阻器件，包括：
层合膜；
应用上述层合膜叠层方向传感电流的机构；
其中，上述层合膜包括：
第一铁磁层，其磁化方向基本固定；
第二铁磁层，其磁化方向随外磁场自由变化，上述第二铁磁层包括在叠层方向的非磁性金属层以及两个或多个铁磁金属层，该铁磁金属层被非磁性金属层彼此分开；以及
非磁性中间层，该中间层使上述第一和第二铁磁层相互分开。
2.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，上述两个或多个在上述第二铁磁层中的铁磁金属层具有平行磁化方向。
3.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，在上述第二铁磁层中的非磁性金属层在层合在第二铁磁金属层中的铁磁金属层上时形成自旋相关散射。
4.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，在上述第二铁磁层中的非磁性金属层用Cu形成。
5.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，在上述第二铁磁层中的非磁性金属层用Ag形成。
6.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，在上述第二铁磁层中的非磁性金属层用Au形成。
7.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，上述第一铁磁层是层合层，该层合层依次包括铁磁金属层、非磁性金属层以及另一铁磁金属层；
并且，在上述第一铁磁层中的两个铁磁金属层隔开上述第一铁磁层中非磁性金属层形成反向平行的磁化方向。
8.如权利要求7所述的磁敏电阻器件，其特征在于，在上述第一铁磁层中的铁磁金属层、非磁性金属层和其它铁磁金属层是用Co系统、Ru系统和Co系统组成的层合层。
9.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，上述第一铁磁层、上述非磁性中间层和上述第二铁磁层依次顺序层合在底衬上。
10.如权利要求9所述的磁敏电阻器件，其特征在于，还包括：层合在第二铁磁层上的另一非磁性中间层；
第三铁磁层，该铁磁层的磁化方向基本固定，并形成在另一非磁性中间层上。
11.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，上述第二铁磁层、上述非磁性中间层和上述第一铁磁层依次顺序层合在底衬上。
12.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，在上述第二铁磁层中的两个和多个铁磁金属层中的各个金属层，其厚度为1-2nm。
13.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，上述第二铁磁层其厚度为3-10nm。
14.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，上述第二铁磁层的厚度为5-6nm。
15.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，上述层合膜是自旋阀膜。
16.如权利要求1所述的磁敏电阻器件，其特征在于，在上述第二铁磁层中的上述两个或多个铁磁金属层中的至少一个层是用CoFeB形成的。
17.一种磁敏电阻器件，包括：
层合膜；
应用上述层合膜叠层方向传感电流的机构；
其中，上述层合膜包括：
第一铁磁层，其磁化方向基本固定；
第二铁磁层，其磁化方向随外磁场自由变化；
非磁性中间层，该中间层使上述第一和第二铁磁层彼此分开；
其中，上述第一和第二铁磁层中的至少一个铁磁层在上述层合膜的叠层方向具有非磁性部分和铁磁部分的叠层。
18.一种读写头，包括：
磁敏电阻器件，该器件包括层合膜和应用上述层合膜中叠层方向检测电流的机构，其中，上述层合膜包括：其磁化方向基本固定的第一铁磁层；其磁化方向随外磁场自由变化的第二铁磁层，上述第二铁磁层包括非磁性金属层以及两个或多个在叠层方向的由非磁性金属层彼此分开的铁磁金属层；非磁性中间层，该中间层使上述第一和第二铁磁层彼此分开；
输送检测电流的机构；以及
从上述磁敏电阻器件的变化电阻读出信号的机构，该信号随信号磁场变化。
19.一种读写头，包括：
磁敏电阻器件，该器件包括层合膜和应用上述层合膜中叠层方向传感电流的机构，其中，上述层合膜包括：其磁化方向基本固定的第一铁磁层；其磁化方向随外磁场自由变化的第二铁磁层；使上述第一和第二铁磁层彼此分开的非磁性中间层；其中，上述第一和第二铁磁层中的一个层在上述层合膜的叠层方向具有非磁性部分和铁磁部分的叠层；
输送传感电流的机构；
用于从上述磁敏电阻器件的变化电阻上读取信号的机构，该信号随信号磁场变化。
20.一种驱动器，包括：
读出头和写入部分；
驱动部分，用于驱动磁记录载体，以便由上述读写部分录入或重现；
其中，上述读写头包括：
磁敏电阻器件，包括层合膜以及应用上述层合膜中叠层方向检测电流的机构，其中上述层合膜包括：其磁化方向基本固定的第一铁磁层；其磁化方向随外磁场自由变化的第二铁磁层，上述第二铁磁层包括非磁性金属层和两个或多个在叠层方向由非磁性金属层彼此分开的铁磁金属层；非铁磁中间层，该中间层使上述第一和第二铁磁层彼此分开；
输送检测电流的机构；
从上述磁敏器件的变化电阻上读取信号的机构，该信号随信号磁场变化。
21.一种驱动器，包括：
读写部分，包括读出头和写入部分；
驱动部分，用于驱动磁记录载体，以便利用上述读写部分写入和重现；
其中，上述读写头包括：
磁敏电阻器件，该器件包括层合膜和应用上述层合膜中层合方向传感电流的机构，其特征在于，上述层合膜包括：其磁化方向基本固定的第一铁磁层；其磁化方向随外磁场自由变化的第二铁磁层；使上述第一和第二铁磁层彼此分开的非磁性中间层；其特征还在于，上述第一和第二铁磁层中的一个层在上述层合膜中叠层方向具有非磁性部分和铁磁部分的叠层；
输送传感电流的机构；
从上述磁敏电阻器件的变化电阻上读取信号的机构，该信号随信号磁场变化。
22.如权利要求20或21所述的驱动器，其特征在于，上述驱动器是硬盘驱动器，磁记录载体的表面记录密度为100Gb/in2或更高。
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