CN1479387A - 具有“电流垂直于平面”结构的磁阻元件 - Google Patents

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Abstract

在自由磁层的表面上形成上电极的较小电极层。与自由磁层表面上的较小电极层相邻形成绝缘材料的磁畴控制膜。根据磁畴控制膜与自由磁层之间的磁交换耦合在单一方向上定向自由磁层的磁化。仅通过较小电极层在自由磁层与上电极之间建立电连接。自由和被钉扎磁层中的感测电流路径可以减小。因此，可以在CPP结构磁阻元件中获得较高的灵敏度。在CPP结构磁阻元件中，有效磁芯宽度也可以减小。

Description

具有“电流垂直于平面”结构的磁阻元件
技术领域
本发明涉及一种“电流垂直于平面”(current-perpendicular-to-the-plane，“CPP”)结构磁阻元件，它允许感测电流(sensing current)流经沿着与数据平面正交的垂直方向层叠在预定数据平面之上的磁阻膜。更具体地说，本发明涉及一种CPP结构磁阻元件，它包括导电自由磁层、导电被钉扎(pinned)磁层以及介于它们之间的导电非磁性中间层。
背景技术
包括所谓旋转阀膜的CPP结构磁阻元件在本领域是公知的。公知类型的CPP结构磁阻元件允许旋转阀膜内自由铁磁层的磁化响应所施加的磁场而旋转。在这种情况下，最好预先在自由铁磁层内沿着预定单一方向建立磁化。因此，利用一对所谓磁畴(domain)控制膜来对磁化进行定向。这些磁畴控制膜位于使数据平面上的旋转阀膜介于它们之间。因此，旋转阀膜的自由铁磁层位于在磁畴控制膜之间建立的偏磁场内。
然而，偏磁场的强度在自由铁磁层内离磁畴控制膜越远的位置就越小。具有较小强度的磁场往往导致不能在自由铁磁层内建立磁化的统一或单一磁畴。因此，在不进一步减小旋转阀膜的尺寸或宽度的情况下不能获得足够强度的偏磁场。另外，该磁畴控制膜的形式或形状在生产过程中准确性较低。由于偏磁场的强度往往受到磁畴控制膜的形式或形状的影响，因此根据传统方法难以获得稳定的偏磁场。
旋转阀膜一般由导电材料制成。因此，感测电流能够流经整个旋转阀膜中的任何地方。因此，除非减小旋转阀膜的尺寸，否则不可能减小旋转阀膜内的感测电流路径。减小感测电流路径会导致提高CPP结构磁阻元件的灵敏度。另外，减小感测电流路径会导致减小磁芯的有效宽度，它用来提高使用CPP结构磁阻元件来读取磁性信息时的分辨率。
因此，本发明的一个目的是提供一种CPP结构磁阻元件，它可以足够建立自由磁层内的单一磁畴而无需进一步减小磁阻膜的尺寸。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种“电流垂直于平面”结构磁阻元件，包括：导电自由磁层；导电被钉扎磁层；导电非磁性中间层，介于自由和被钉扎磁层之间；主电极层，由导电材料制成；较小电极层，由导电材料制成，并且介于自由磁层与主电极层之间；以及磁畴控制膜，由绝缘磁性材料制成，并且相邻于自由磁层与主电极层之间的较小电极层。
本发明的第二方面提供一种“电流垂直于平面”结构磁阻元件，包括：导电自由磁层；导电被钉扎磁层；导电非磁性中间层，介于自由和被钉扎磁层之间；主电极层，由导电材料制成；较小电极层，由导电材料制成，并且介于自由磁层与主电极层之间；磁畴控制膜，由磁性材料制成，并且相邻于较小电极层，磁畴控制膜接触自由磁层；以及绝缘层，位于磁畴控制膜与主电极层之间。
对于这两方面，CPP结构磁阻元件可以允许根据磁畴控制膜与自由磁层之间的磁交换耦合在自由磁层中建立磁化单一磁畴或对齐。与按照传统方式在一对磁畴控制硬磁膜之间产生的静磁偏场相比，磁交换耦合用来可靠地在自由磁层内建立单一磁畴的磁化，而无需进一步减小磁阻膜包括其各层的尺寸或侧宽。
另外，最好仅通过较小电极层在自由磁层与主电极层之间建立电连接。较小电极层用来减小自由和被钉扎磁层中的感测电流路径。因此，可以增大单位截面的电流量。因此可以在具有相同总电流量的CPP结构磁阻元件中获得较高的灵敏度。在CPP结构磁阻元件中，随着感测电流路径的减小，有效磁芯宽度也可以减小。因此，提高CPP结构磁阻元件读取磁性二进制数据时的分辨率。
磁畴控制膜可以相邻于较小电极层的后表面，其中，该后表面面对磁头滑块的空气支承表面的前表面。磁畴控制膜还可以包括：一对第一主体，相邻于磁头滑块的空气支承表面，从而使较小电极层介于它们之间；以及第二主体，相邻于较小电极层和第一主体的后表面，其中，该后表面面对空气支承表面的前表面。较小电极层还可以沿着磁头滑块的空气支承表面来布置。这样，电流可以被迫沿着空气支承表面流动。因此，可以可靠地提高CPP结构磁阻元件的灵敏度。而且，磁畴控制膜可以在较大的接触面积上接触自由磁层。
本发明的CPP结构磁阻元件甚至还可以安装在包括在任何类型的磁性记录介质驱动器内的磁头滑块上，这些磁性记录介质驱动器例如包括磁盘驱动器如硬盘驱动器，磁带驱动器等。
附图说明
图1是硬盘驱动器的内部结构的扩大图；
图2是根据本发明一方面的浮动磁头滑块的放大透视图；
图3是浮动磁头滑块的空气支承表面上的读/写电磁换能器的前视截面图；
图4是根据本发明一个实施例的CPP结构磁阻读取元件的透视图；
图5是示出磁畴控制膜形成过程的晶片部分截面图；
图6是示出磁畴控制膜形成过程的晶片部分截面图；
图7是图4的CPP结构MR读取元件的透视图，示出根据本发明一个实施例的磁畴控制膜的结构；
图8是图4的CPP结构MR读取元件的透视图，示出根据本发明另一个实施例的磁畴控制膜的结构；
图9是图4的CPP结构MR读取元件的透视图，示出根据本发明另一个实施例的磁畴控制膜的结构；以及
图10是图4的CPP结构MR读取元件的透视图，示出根据本发明一个实施例的旋转阀膜的结构。
具体实施方式
图1示意性地示出硬盘驱动器(“HDD”)11的内部结构作为磁性记录介质或存储设备的例子。HDD 11包括盒式主封装(enclosure)12，限定例如扁平平行六面体的内部空间。至少一个记录介质或磁性记录盘13可以容纳在主封装12内的内部空间中。磁性记录盘13安装在主轴马达14的驱动轴上。主轴马达14驱动磁性记录盘13以例如7,200rpm或10,000rpm的较高旋转速率进行旋转。封盖(未示出)耦合到主封装12，从而限定主封装12与其自身之间的封闭内部空间。
支架(carriage)16也容纳在主封装12的内部空间中，以围绕垂直支轴15摆动。支架16包括从垂直支轴15在水平方向上延伸的刚性摆动臂17，以及固定到摆动臂17的尖端的弹性磁头悬架(headsuspension)18，从而从摆动臂17向前延伸。根据传统结构，浮动磁头滑块19通过万向簧片(未示出)悬在磁头悬架18的尖端。磁头悬架18用来向磁性记录盘13的表面驱使浮动磁头滑块19。当磁性记录盘13旋转时，浮动磁头滑块19可以承受沿着旋转磁性记录盘13产生的气流。气流用来对浮动磁头滑块19产生提升力。因此，在磁性记录盘13的旋转期间，允许浮动磁头滑块19以提升力与磁头悬架18的驱使力之间的平衡所建立的较高稳定性，保持浮动在磁性记录盘13的表面之上。
当在浮动磁头滑块19的浮动期间驱动支架16以围绕支轴15摆动时，浮动磁头滑块19可以在磁性记录盘13的径向上跨越在磁性记录盘13上限定的记录轨道。该径向运动用来将浮动磁头滑块19正好定位于磁性记录盘13的目标记录轨道之上。因此，可以采用致动器21如音圈马达(“VCM”)来实现例如支架16的摆动运动。在两个或多个磁性记录盘13包括在主封装12的内部空间之内的情况下，根据传统方法可以在相邻磁性记录盘13之间布置一对弹性磁头悬架18。
图2示出浮动磁头滑块19的一个例子。这一类型的浮动磁头滑块19包括：滑块主体22，最好由Al2O3-TiC制成，采用扁平平行六面体的形式；以及磁头保护层24，被形成为遍布在滑块主体22的末端或流出端上。磁头保护层24可以由Al2O3制成。读/写电磁换能器23嵌入在磁头保护层24中。与介质相对的表面或底部表面25在滑块主体22和磁头保护层24上不间断地限定，从而以一定的距离面对磁性记录盘13的表面。底部表面25被设计为承受沿着旋转磁性记录盘13的表面产生的气流26。
一对导轨27从前端或流入端向后端或流出端在底部表面25上延伸。各个导轨27被构造为限定顶部表面(未被标号)的空气支承表面(“ABS”)28。气流26在各个空气支承表面28产生提升力。嵌入在磁头保护层24中的读/写电磁换能器23暴露在空气支承表面28，如下面详细所述。
根据本发明的一个优选实施例，可以在空气支承表面28上形成类金刚石碳素(“DLC”)保护层，从而覆盖在读/写电磁换能器23的暴露端上。另外，浮动磁头滑块19可以采取与上述不同的任何形状或形式，而不脱离本发明。
图3示出暴露在空气支承表面28的读/写电磁换能器23的放大详图。读/写电磁换能器23具有感应写入元件或薄膜磁头31以及“电流垂直于平面”(CPP)结构电磁换能器元件或CPP结构磁阻(MR)读取元件32。薄膜磁头31被配置为通过例如利用在传导涡旋形线圈图案(conductor swirly coil pattern)(未示出)中感应的磁场，将磁性比特数据写入到磁性记录盘13上。CPP结构MR读取元件32可以响应从磁性记录盘13作用的磁场中磁极性的反转利用电阻变化来检测磁性比特数据。薄膜磁头31和CPP结构MR读取元件32最好介于作为上半层或外涂膜的Al2O3层33与作为下半层或内涂膜的Al2O3层34之间。外涂和内涂膜组合在一起建立磁头保护层24。
薄膜磁头31包括在空气支承表面28暴露前端的上磁极层35和类似地在空气支承表面28暴露前端的下磁极层36。上下磁极层35，36例如可以由FeN、NiFe等制成。上下磁极层35，36的组合建立薄膜磁头31的磁芯。
非磁性间隙层37介于上下磁极层35，36之间。非磁性间隙层37最好例如可以由Al2O3制成。当在传导涡旋形线圈图案感应磁场时，在上下磁极层35，36之间交换磁通量。非磁性间隙层37允许交换磁通量漏出空气支承表面28。该泄漏磁通量形成记录磁场，即写入间隙磁场。
CPP结构MR读取元件32包括下电极38，遍布在铝层34的上表面上作为基础绝缘层。下电极38最好被配置为包括导电铅层38a和立于铅层38a的上表面上的导电端片38b。下电极38可以不仅具有电导体特性，而且具有软磁性。如果下电极38例如由软磁电导体如NiFe制成，则下电极38最好可以用作CPP结构MR读取元件32的下屏蔽层。下电极38可以仅包括所述铅层38a，而不包括导电端片38b。
下电极38嵌入在绝缘层41中，其中，绝缘层41遍布在铝层34的表面上。绝缘层41被设计为在铅层38a的表面上延伸，从而接触端片38b的侧表面。因此，端片38b和绝缘层41的组合表示预定子结构层。平坦表面42或数据平面可以在端片38b的顶部表面和绝缘层41的上表面之上的子结构层上连续限定。
电磁换能器膜或旋转阀膜43位于平坦表面42上，从而沿着空气支承表面28延伸。旋转阀膜43从在空气支承表面28暴露的前端向后在平坦表面42上延伸。旋转阀膜43被构造为至少跨越端片38b的顶部表面。端片38b可以至少在空气支承表面28暴露的前端接触旋转阀膜43的底部或下边界。在这种结构中，可以在旋转阀膜43与下电极38之间建立电连接。旋转阀膜43的结构在下面详细描述。
平坦表面42覆盖有涂覆绝缘层44。上电极45位于涂覆绝缘层44之上。上电极45可以被设计为包括：铅层或主电极层45a，在涂覆绝缘层44的表面上延伸；以及较小电极层45b，介于旋转阀膜43的顶部表面或上边界与主电极层45a之间。主电极层45a和较小电极层45b最好由导电材料制成。较小电极层45b应沿着空气支承表面28接触旋转阀膜43。通过这种方式，可以在旋转阀膜43与上电极45之间建立电连接。
上电极45例如可以由软磁电导体如NiFe制成。如果上电极45被配置为不仅具有电导体特性，还具有软磁性，则上电极45也可以用作CPP结构MR读取元件32的上屏蔽层。在下屏蔽层或下电极38与上电极45之间限定的空间确定磁性记录盘13上沿着记录轨道的磁性记录或数据的线性分辨率。上电极45可以用与下磁极层36相同的材料制成。在这种情况下，上电极45可以与下磁极层36作为单个结构集成在一起。
CPP结构MR读取元件32包括介于旋转阀膜43与上电极45的主电极层45a之间的磁畴控制膜46。磁畴控制膜46相邻于较小电极层45b。磁畴控制膜46可以是硬磁膜或反铁磁膜，但是均应具有绝缘性。这种绝缘反铁磁材料可以用NiO、Fe2O3等代表。磁畴控制膜46的结构在下面详细描述。
如图4所示，旋转阀膜43包括底层51、钉扎层例如反铁磁层52、被钉扎磁层53、非磁性中间层54和自由磁层55，它们最好是以上述次序遍布在平坦表面42上。被钉扎磁层53的磁化例如在反铁磁层52的影响下固定在特定横向(specific lateral direction)上。
在本实施例中，底层51最好例如可以由电导体如Ta制成。反铁磁层52可以由反铁磁材料如IrMn、(Pd)PtMn等制成。被钉扎磁层53例如可以由导电铁磁材料如CoFe制成。非磁性中间层54例如可以由导电非磁性材料如Cu制成。自由磁层55可以由导电材料制成。自由磁层55可以是具有软磁特性的多层膜。
一对第一主体46a和一个第二主体46b可以包括在磁畴控制膜46中。第一主体46a被设计为在横向上沿着空气支承表面28使上电极45的较小电极层45b介于它们之间。第二主体46b相邻于较小电极层45b和第一主体46a的后表面。因此，暴露在空气支承表面的表面可以定义为“前”表面。
具体地说，较小电极层45b和第一主体46a介于第二主体46b与空气支承表面28之间。遍及第一和第二主体46a，46b的整个区域在自由磁层55的上表面支撑磁畴控制膜46。通过这种方式，可以在磁畴控制膜46与自由磁层55之间建立磁交换耦合。磁交换耦合用来在单一横向上定向自由磁层55的磁化Mg。因此，整个自由磁层55表现为所谓的单一磁畴。
当CPP结构MR读取元件32与磁性记录盘13的表面相对以读取磁性信息数据时，允许自由磁层55的磁化Mg响应从磁性记录盘13施加的磁极性反转而在旋转阀膜43中旋转。自由磁层55中磁化Mg的旋转引起旋转阀膜43的电阻变化。当感测电流通过上下电极45、38提供给旋转阀膜43时，在从上下电极45，38输出的感测电流中，响应磁阻变化，出现任何参数如电压的电平变化。因此，电平变化可以用来检测记录在磁性记录盘13上的磁性比特数据。
上电极45的较小电极层45b用来减小旋转阀膜43中的感测电流路径。下电极38的端片38b也用来减小旋转阀膜43中的感测电流路径。因此，可以增大单位截面的电流量。在具有相同总电流量的CPP结构MR读取元件32中，还可以获得较高的灵敏度。而且，在CPP结构MR读取元件32中，磁芯有效宽度可以随着感测电流路径的减小而减小。根据该结构，当CPP结构MR读取元件32读取磁性二进制数据时，可以提高分辨率。
本发明的CPP结构MR读取元件32允许根据磁畴控制膜46与自由磁层55之间的磁交换耦合，在自由磁层55中建立磁化Mg的单一磁畴或对齐。因此，与在一对传统方式的磁畴控制硬磁膜之间产生的静磁偏场相比，磁交换耦合用来可靠地在自由磁层55内建立单一磁畴的磁化，而无需进一步减小旋转阀膜43的尺寸或侧宽。
现在描述一种制造CPP结构MR读取元件32的方法。首先准备晶片(未示出)。根据传统方法依次层叠Ta层、反铁磁层、导电铁磁层、导电非磁性层、导电铁磁层和绝缘反铁磁层。可以使用溅射法(sputtering)来形成这些层。例如，在真空环境中连续形成Ta层、反铁磁层、导电铁磁层、导电非磁性层、导电铁磁层和绝缘反铁磁层。Ta层、反铁磁层、导电铁磁层、导电非磁性层、导电铁磁层和绝缘反铁磁层可以遍及晶片的表面形成。
下一步，在绝缘反铁磁层的表面上形成预定图案的光致抗蚀膜。光致抗蚀膜被设计为具有旋转阀膜43的轮廓。当例如实施离子铣削(ionmilling)时，预定形式或形状的旋转阀膜43和绝缘反铁磁膜保持在晶片的光致抗蚀膜之下。然后，如图5所示，在旋转阀膜43和绝缘反铁磁层61之上形成涂覆绝缘层44。
在绝缘反铁磁层61和涂覆绝缘层44的上表面之上形成光致抗蚀膜62。在光致抗蚀膜62中限定与较小电极层45b的形状相对应的孔穴63。绝缘反铁磁层61在孔穴63的底部部分暴露。当例如实施离子铣削时，从孔穴63中除去绝缘反铁磁层61。通过这种方式，可以在绝缘反铁磁膜61中限定穿透孔64，最好如图6所示。然后，在晶片上形成上电极45。上电极45部分引入到穿透孔64中。通过这种方式，可以获得上电极45的较小电极层45b。
可以采用导电磁性材料来代替磁畴控制膜46中的绝缘磁性材料。在这种情况下，遍布在磁畴控制膜46的上表面上形成绝缘层65，最好如图7所示。绝缘层65可以是非磁性层、磁层如硬磁层或反铁磁层中的任一种。可以通过与磁畴控制膜46相同的方式在绝缘层65中配置一对第一主体65a和一个第二主体65b。具体地说，第一主体65a被设计为在横向上沿着空气支承表面28使上电极45的较小电极层45b介于它们之间。第二主体65b相邻于较小电极层45b和第一主体65a的后表面，其中，该后表面面对空气支承表面28的前表面。因此，允许感测电流流经根据较小电极层45b和端片38b建立的缩短路径。
现在参照图8，磁畴控制膜46可以仅具有第一主体46a，其中，第一主体46a在自由磁层55上沿着空气支承表面28使较小电极层45b介于它们之间。如图9所示，磁畴控制膜46可以仅具有第二主体46b，其中，第二主体46b接触较小电极层45b的后表面，其中，该后表面面对空气支承表面28的前端。根据任一实施例，在磁畴控制膜46与自由磁层55之间发生的磁交换耦合允许可靠地在自由磁层55中建立磁化Mg的单一磁畴或对齐。因此，可以可靠地获得自由磁层55内单一磁畴的磁化。而且，旋转阀膜43中的感测电流路径可以通过这种方式减小。还可以在CPP结构MR读取元件32中获得较高的灵敏度。甚至，在CPP结构MR读取元件32中，磁芯的有效宽度可以随着感测电流路径的减小而减小。
可选地，在CPP结构MR读取元件32中，下电极38与被钉扎磁层53相比，旋转阀膜43可以使自由磁层55更靠近于前者。在这种实施例中，例如，如图10所示，在下电极38的铅层38a的上表面上连续形成磁畴控制膜46、自由磁层55、非磁性中间层54、被钉扎磁层53和反铁磁层52。较小电极层66介于下电极38与自由磁层55之间。因此，仅通过较小电极层66在下电极38与旋转阀膜43之间建立电连接。因此，可以根据磁畴控制膜46与自由磁层55之间的磁交换耦合可靠地获得自由磁层55内单一磁畴的磁化Mg。而且，旋转阀膜43中的感测电流路径可以通过前述方式减小。
根据本发明，可以可靠地提供单一磁畴的自由磁层而无需进一步减小磁阻膜包括自由磁层的尺寸。本领域的技术人员应该知道在不脱离本发明的情况下可以对上述实施例进行修改或替换。

Claims (12)

1.一种“电流垂直于平面”结构磁阻元件，包括：
导电自由磁层；
导电被钉扎磁层；
导电非磁性中间层，介于所述自由和被钉扎磁层之间；
主电极层，由导电材料制成；
较小电极层，由导电材料制成，并且介于所述自由磁层与所述主电极层之间；以及
磁畴控制膜，由绝缘磁性材料制成，并且相邻于所述自由磁层与所述主电极层之间的所述较小电极层。
2.如权利要求1所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜相邻于所述较小电极层的后表面，较小电极层的前表面面对磁头滑块的空气支承表面。
3.如权利要求1所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜还包括：
一对第一主体，相邻于磁头滑块的空气支承表面，从而使所述较小电极层介于它们之间；以及
第二主体，相邻于所述较小电极层和所述第一主体的后表面，电极层和第一主体的前表面面对所述空气支承表面。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制层由反铁磁层制成。
5.一种“电流垂直于平面”结构磁阻元件，包括：
导电自由磁层；
导电被钉扎磁层；
导电非磁性中间层，介于所述自由和被钉扎磁层之间；
主电极层，由导电材料制成；
较小电极层，由导电材料制成，并且介于所述自由磁层与所述主电极层之间；
磁畴控制膜，由磁性材料制成，并且相邻于所述较小电极层，所述磁畴控制膜接触所述自由磁层；以及
绝缘层，位于所述磁畴控制膜与所述主电极层之间。
6.如权利要求5所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜相邻于所述较小电极层的后表面，所述后表面面对磁头滑块的空气支承表面的前表面。
7.如权利要求5所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜还包括：
一对第一主体，相邻于磁头滑块的空气支承表面，从而使所述较小电极层介于它们之间；以及
第二主体，相邻于所述较小电极层和所述第一主体的后表面，所述后表面面对所述空气支承表面的前表面。
8.一种“电流垂直于平面”结构磁阻元件，包括：
导电自由磁层；
导电被钉扎磁层；
导电非磁性中间层，介于所述自由和被钉扎磁层之间；
第一电极层，由导电材料制成；
第二电极层，由导电材料制成，并且介于所述自由磁层与所述第一电极层之间；以及
磁畴控制膜，由绝缘磁性材料制成，并且相邻于所述自由磁层与所述第一电极层之间的所述第二电极层，
其中，所述第二电极层的表面接触所述第一电极层的表面，并且其表面面积小于所述第一电极层的表面面积。
9.如权利要求8所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜仅与所述第二电极层的一侧相邻。
10.如权利要求8所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜仅与所述第二电极层的两侧相邻。
11.如权利要求8所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜至少与所述第二电极层的三侧相邻。
12.如权利要求8所述的“电流垂直于平面”结构磁阻元件，其中，所述磁畴控制膜包括由所述第二电极层分隔的至少两个单独部分。
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