CN1489135A - 电流垂直于膜面结构的磁阻元件 - Google Patents

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Abstract

电流垂直于膜面(CPP)结构的磁阻(MR)元件，包括由颗粒膜制成的被钉扎磁性层。颗粒膜含有导电磁晶粒和介电材料。介电材料用于使被钉扎磁性层中的检测电流路径变薄。此外，检测电流集中于磁晶粒。可以得到检测电流的电压的较大变化。由此可以增强CPP结构的MR元件的输出。

Description

电流垂直于膜面结构的磁阻元件
技术领域
本发明涉及利用磁阻(MR)膜比如所谓的自旋阀(spinvalve)膜的磁阻(MR)元件。具体地，本发明涉及电流垂直于膜面(CPP)结构的MR元件，允许检测电流具有垂直于接纳MR膜的基底表面的分量。
背景技术
常规的CPP结构的MR元件经常包括所谓的自旋阀膜。自旋阀膜包括自由(free)磁性层和被固定(钉扎，pinned)磁性层。非磁性中间层介于自由和被固定(钉扎)磁性层之间。非磁性中间层用于将自由磁性层的磁化与被钉扎磁性层隔开。响应于作用在自由磁化层上的磁场的极性的变化，自由磁性层中的磁化强度可以旋转。磁化强度的旋转使自旋阀膜的电阻改变。这种变化被引入到流过自旋阀膜的检测电流的电压中。
一般来说，自旋阀膜由导电材料制成。检测电流可以在自旋阀膜的整个剖面上流动。除非自旋阀膜进一步变小，否则不可能减小用于检测电流的路径剖面。如果用于检测电流的路径变薄，那么可以在检测电流中检测出较大的电压变化。从而可以增强CPP结构的MR元件的输出。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种CPP结构的MR元件，能够增强输出而不过度减小。
根据本发明，提供一种电流垂直于膜面(CPP)结构的磁阻(MR)元件，包括：自由磁性层；被钉扎磁性层；以及介于自由和被钉扎磁性层之间的导电非磁性中间层，其中自由和被钉扎磁性层中的至少一个由包括导电磁性材料和介电材料的颗粒结构膜(granularfilm)制成。
当CPP结构的MR元件接收来自外部的磁场时，响应于磁极性的反转，自由磁性层的磁化可以旋转。自由磁性层中磁化的旋转引起自由和被钉扎磁性层中以及非磁性中间层中电阻的较大变化。当电流在所谓的垂直方向流过自由和被钉扎磁性层以及非磁性中间层时，响应于磁阻变化，在电流中出现如电压等任何参数值的变化。特别地，介电材料用于使被钉扎磁性层中的电流路径变薄。此外，电流的流动集中在导电磁性材料。在检测电流的电压中可以得到较大的变化。由此可以增强CPP结构的MR元件的输出。
这里，导电磁性材料优选含有由上界面或接合面渗透穿过颗粒膜到达下界面或接合面的晶粒。颗粒膜能够使导电磁性材料可靠地接触与上接合面和下接合面接触的导电材料层。由此导电磁性材料可以可靠地流动电流。CPP结构的MR元件的输出可以可靠地增强。
晶粒应该包括钴和铁原子中的至少一种。晶粒可以具有硬磁性或软磁性。介电材料可以包括氧化物、氟化物、碳化物以及氮化物中的至少一种。
附图说明
从下面结合附图对优选实施例的说明中，本发明的以上和其它目的、特点和优点将变得显而易见，其中：
图1的俯视图示意性地示出了硬盘驱动器(HDD)的结构；
图2示意性地示出了根据一个具体实施例的浮动磁头浮动块结构的放大立体示意图；
图3的正视图示意性地示出了在浮动磁头浮动块的空气支承面观察到的读出/写入电磁换能器；
图4示意性地示出了根据本发明的第一实施例电流垂直于膜面(CPP)结构的磁阻(MR)元件的结构的放大前视图；
图5示出了颗粒膜结构的自旋阀膜的部分放大剖面图；以及
图6示意性地示出了根据本发明的第二实施例CPP结构的MR元件的结构的放大前视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了作为磁记录装置或存储器系统的一个例子的硬盘驱动器(HDD)11的内部结构。HDD 11包括限定了例如扁平平行六面体的内部空间的盒形主外壳12。至少一个磁记录盘13装在主外壳12的内部空间内。磁记录盘13安装在主轴电动机14的驱动轴上。主轴电动机14能驱动磁记录盘13以例如7,200rpm或10,000rpm的较高旋转速度旋转。未示出的盖连接到主外壳12以限定出主外壳12和它自身之间的封闭内部空间。
磁头致动器(head actuator)15也装到主外壳12的内部空间中。磁头致动器15包括支撑在用于旋转的垂直支撑轴16的致动器模块17。刚性的致动器臂限定在致动器模块17中。致动器臂18设计为从垂直支撑轴16在水平方向上延伸。致动器臂18分别与一个或多个磁记录盘的正面和背面相关联。致动器模块17可由铝制成。可以使用模塑工艺形成致动器模块17。
弹性磁头悬臂19固定到致动器臂18的顶端。各磁头悬臂19设计为从致动器臂18的对应顶端朝前延伸。现已公知，浮动磁头浮动块21支撑在各磁头悬臂19的前端。浮动磁头浮动块21与一个或多个磁记录盘13的表面相对。
磁头悬臂19用于将浮动磁头浮动块21压向磁记录盘13的表面。当磁记录盘13旋转时，浮动磁头浮动块21能接收沿旋转的磁记录盘13产生的空气流。空气流用于在浮动磁头浮动块21上产生浮力。由此，在磁记录盘13的旋转期间，通过浮力和磁头悬臂19偏压力之间的平衡，浮动磁头浮动块21能高稳定性地保持在磁记录盘13的表面上方浮动。
动力源22如音圈电机(VCM)连接到致动器模块17的尾部。动力源22驱动致动器模块17绕支撑轴16旋转。致动器模块17的旋转引起致动器臂18和磁头悬臂19的摆动。当浮动磁头浮动块21浮动期间驱动致动器臂18绕支撑轴16摆动时，浮动磁头浮动块21能在磁记录盘13的径向中跨越限定在磁记录盘13上的记录道。这种径向运动用于将浮动磁头浮动块21定位在磁记录盘13的目标记录磁道的正上方。现已公知，当两个或多个磁记录盘13装在主外壳12的内部空间时，一对弹性磁头悬臂19和致动器臂18设置在相邻的磁记录盘13之间。
图2示出了浮动磁头浮动块21的具体例子。浮动磁头浮动块21包括扁平平行六面体形的由Al2O3-TiC制成的浮动块本体23。由Al2O3(氧化铝)制成的磁头保护层24耦连到浮动块本体23的尾流端或尾端。读取/写入电磁换能器25含在磁头保护层24内。与介质相对的表面或底面26限定在浮动块本体23和磁头保护层24上，以一定的距离面对磁记录盘13。
前导轨(front rail)28和后导轨(rear rail)29形成在底面26上。前导轨28设计得沿浮动块本体23的迎流端或前端延伸。后导轨29位于浮动块本体23的尾流端或尾端附近。空气支承面(ABS)31，32分别限定在前和后导轨28，29的顶面上。空气支承面31，32的迎流端分别通过台阶(step)33，34连接到前和后导轨28，29的顶面。读取/写入电磁换能器25在空气支承面32露出顶端或前端。应该注意读取/写入电磁换能器25的前端可以用在空气支承面32上延伸的由类金刚石碳(DLC，diamond-like-carbon)制成的保护层覆盖。
浮动磁头浮动块21的底面26设计为接收沿旋转的磁记录盘13产生的气流35。台阶33，34用于在空气支承面31，32产生较大的正气压或升力。此外，在前导轨28的后面产生较大的负气压。负压用升力平衡，以稳定地建立浮动磁头浮动块21的浮动姿态。浮动磁头浮动块21可以采用除以上提到之外的任何形状或形式。
图3示出了在空气支承面32露出的读出/写入电磁换能器25的局部放大图。读出/写入电磁换能器25包括感应写元件或薄膜磁头36和电流垂直于膜面(CPP)结构的电磁换能器元件或CPP结构磁阻(MR)读取元件37。薄膜磁头36设计为利用例如在未示出的导电涡旋线圈图形中产生的磁场将磁位数据写入到磁记录盘13上。CPP结构MR读取元件37设计为利用响应于磁记录盘13作用的磁场中磁极性的反转的电阻变化检测磁位数据。薄膜磁头36和CPP结构MR读取元件37介于作为磁头保护层24或上覆盖膜的上半层的Al2O3(氧化铝)层38和作为磁头保护层24或下覆盖膜的下半层的Al2O3(氧化铝)层39之间。
薄膜磁头36包括在空气支承面32露出前端的上磁极层41和类似地在空气支承面32露出前端的下磁极层42。上和下磁极层41，42可以由例如FeN、NiFe或类似物制成。上和下磁极层41，42的组合形成了薄膜磁头的磁芯。
非磁性间隙层43介于上和下磁极层41，42之间。非磁性间隙层43可以例如由Al2O3(氧化铝)制成。当在导电涡旋线圈图形中产生磁场时，上和下磁极层41，42之间交换磁通量。非磁性间隙层43允许交换的磁通量从空气支承面32泄漏。这样泄漏的磁通量形成用于记录的磁场，即，写间隙磁场。
CPP结构MR读取元件37包括在作为基础绝缘层的氧化铝层39的上表面上扩展的下电极44。下电极44可以不仅具有电导体的性质，而且具有软磁性质。如果下电极44由软磁电导体如NiFe制成，那么下电极44也可用做CPP结构MR读取元件37的下屏蔽层。
在下电极44的上表面上形成平坦化表面45作为基底。磁阻(MR)膜或自旋阀膜46覆盖在平坦化表面45上。将自旋阀膜46构图成预定的轮廓。自旋阀膜46沿平坦化表面45从在空气支承面32露出的顶端或前端向后延伸。类似地，一对磁磁畴控制膜47覆盖在平坦化表面45上。磁畴控制膜47可沿空气支承面32延伸。自旋阀膜46介于沿空气支承面32的平坦化表面45上的磁畴控制膜47之间。磁畴控制膜47可以由金属材料制成，例如CoPt、CoCrPt或类似物制成。磁畴控制膜47用于平行于空气支承面32横越自旋阀膜46建立磁化。当通过磁畴控制膜47根据磁化建立偏置磁场(biasingmagnetic field)时，自旋阀膜46的自由层可具有单畴(singledomain)特性。下面将详细地介绍自旋阀膜46的结构。
用覆盖绝缘层48覆盖平坦化表面45。覆盖绝缘层48可以由绝缘材料制成，例如Al2O3、SiO2等。上电极49位于覆盖绝缘层48上。上电极49可以不仅具有电导体性质，还具有软磁性。如果上电极49由软磁电导体如NiFe制成，那么上电极49也能用做CPP结构MR读取元件37的上屏蔽层。以上提到的下电极44和上电极49之间的距离确定了沿磁记录盘13上记录道的记录的线性分辨率。
图4示出了CPP结构MR读取元件37的局部放大图。从图4中可以看出，覆盖绝缘层48覆盖在自旋阀膜46和磁畴控制膜47上。接触孔51限定在覆盖绝缘层48中。接触孔51设计为穿过覆盖绝缘层48达到自旋阀膜46的上表面。接触孔51位于空气支承面32附近。上电极49可以接触接触孔51内自旋阀膜46的上表面。以此方式可以在上电极49和自旋阀膜46之间建立电连接。同时，上电极49与磁畴控制膜47电隔离。
从图4中可以看出，根据本发明第一实施例的自旋阀膜46包括基础层52、被钉扎(固定)铁磁层53、导电非磁性中间层54、自由铁磁层55以及保护帽盖层56，它们以此顺序分布在平坦化表面45上。被钉扎铁磁层53的磁化方向例如根据它自身的硬磁特性固定在特定的横向方向中。基础层52可以包括例如覆盖在平坦化表面45上的Ta层、覆盖在Ta层上表面上的NiFe层。非磁性中间层54例如由Cu制成。自由铁磁层55例如可以由CoFeB层制成。保护帽盖层56可以由Cu层、Au层等制成。
被钉扎铁磁层53由包括导电铁磁原子和介质原子的颗粒膜制成。如图5所示，磁晶粒57形成在颗粒膜中。各磁晶粒57位于基础层52的上表面上。相邻的磁晶粒57之间的空间可由介电材料58填充。同时，磁晶粒57的顶端暴露在接触非磁性中间层54的界面处。以此方式各磁晶粒57从上界面或接合面穿过颗粒膜达到下界面或接合面。磁晶粒57用于建立非磁性中间层54和基础层52之间的电连接。
这里，磁晶粒57可以由硬磁材料如CoPt合金、FePt合金等制成。硬磁材料也可以包括含过渡元素的稀土元素合金。介电材料58可以由氧化物如Al2O3、SiO2、MgO、Bi2O3、氟化物如MgF2、CaF2、氮化物如AlN、碳化物以及其它类型的绝缘材料制成。
当CPP结构MR读取元件37与磁记录盘13的表面相对以读取磁信息数据时，响应于由磁记录盘13施加的磁极性的反转，自由铁磁层55中的磁化方向可在自旋阀膜46中旋转。自由铁磁层55中磁化方向的旋转引起自旋阀膜46中的电阻变化。当检测电流通过上和下电极49，44施加到自旋阀膜46时，相应于磁阻的变化，由上和下电极49，44输出的检测电流的任何参数如电压等的大小都发生变化。这种变化可用于检测记录在磁记录盘13上的磁位数据。
具体地，介电材料58用于使被钉扎铁磁层53中的检测电流路径变薄。此外，检测电流的流动集中于磁晶粒57。可以获得检测电流电压的较大变化。由此增强了CPP结构MR读取元件37的输出。
接下来，简要介绍CPP结构MR读取元件37的制造方法。以常规的方式在晶片上形成下电极44。例如使用镀敷形成下电极44。然后在下电极44的上表面上形成包括Ta和NiFe层的基础层52。例如使用溅射形成基础层52。
此后硬磁材料如CoPt合金或FePt合金层叠在基础层的上表面上。例如使用溅射。在这种情况下，控制溅射装置淀积约2.8nm预定厚度的硬磁材料。可以在基础层52的上表面上得到硬磁材料的离散或孤立岛。硬磁材料岛对应于分散在基础层52表面上直径约5.0nm的磁晶粒57。
然后在基础层52的上表面上淀积绝缘材料如SiO2。例如使用溅射。此时，控制溅射装置淀积约2.0nm预定厚度的绝缘材料。期望绝缘材料首先淀积在相邻的磁晶粒57之间的空间上。以此方式，基础层52的上表面在相邻磁晶粒57之间由绝缘材料覆盖。磁晶粒57可保持暴露在淀积的绝缘材料之外。以此方式形成了颗粒膜。
在颗粒膜的上表面上依次淀积导电非磁性材料如Cu、具有软磁性的铁磁材料如CoFe合金、导电材料如Cu或Au。从而形成层状物质。自旋阀膜46例如从层状物质上切出。例如使用离子铣削从所述层状物质中形成自旋阀膜46。可在层状物质上形成光致抗蚀剂膜以对自旋阀膜46构图。
当形成了自旋阀膜46时，在自旋阀膜46的周围淀积硬磁材料如CoCrPt。然后覆盖绝缘膜48形成在自旋阀膜46和淀积的硬磁材料的上表面上。接触孔51形成在覆盖绝缘膜48中。此后上电极49形成在覆盖绝缘膜48上。以上面提到的方式形成了CPP结构MR读取元件37。
图6示意性地示出了根据本发明的第二实施例的CPP结构的MR读取元件的结构。第二实施例的CPP结构的MR读取元件设计为使用软磁性材料如CoFe合金用作被钉扎铁磁层53中的磁晶粒57。一钉扎层(固定层，pinning layer)或反铁磁性层61介于被钉扎铁磁层53和基础层52之间。在反铁磁性层61的影响之下，被钉扎铁磁层53的磁化方向固定在特定的横向上。反铁磁性层61可以由反铁磁性材料如IrMn、PdPtMn等制成。与以上介绍的相同方式，第二实施例的自旋阀膜46a允许被钉扎铁磁层53中的介电材料58使检测电流的路径变薄。因此，可以在检测电流的电压中得到较大的变化。类似的附图标记表示等效于以上提到的CPP结构MR读取元件37的结构或部件的那些结构或部件。
具体地，倾斜表面62通常形成在自旋阀膜46a上。倾斜表面62相对于上电极或基底的上表面倾斜角度α。磁畴控制膜47分别接触倾斜表面62处的自旋阀膜46a。倾斜表面62使自旋阀膜46a朝上电极49方向渐缩。这种渐缩的形状实现了具有较高电阻的反铁磁性层61中检测电流的更大或更宽路径。电阻可在反铁磁性层61处充分地减小。
此外，以上提到的颗粒膜可用于自旋阀膜46，46a中的自由铁磁层55。此时，例如，软磁性材料如CoFe合金可用作结合到自由铁磁层55中的磁晶粒57。颗粒膜可以应用于自由和被钉扎铁磁层55，53中的至少一个。此外，CPP结构MR读取元件37不仅可以使用其中自由铁磁层55位于被钉扎铁磁层53之上的自旋阀膜46，46a，而且可以使用其中自由铁磁层55位于被钉扎铁磁层53之下的自旋阀膜。在后一种情况中，自由铁磁层、非磁性中间层、被钉扎铁磁层、反铁磁性层或保护帽盖层以常规的方式依次层叠在基础层52上。在任何一种情况中，以上提到的颗粒膜可以应用于被钉扎和自由铁磁层中的至少一个。

Claims (4)

1.一种电流垂直于膜面结构的磁阻元件，包括：
自由磁性层；
被钉扎磁性层；以及
介于自由和被钉扎磁性层之间的导电非磁性中间层，其中
自由和被钉扎磁性层中的至少一个由包括导电磁性材料和介电材料的颗粒膜制成。
2.根据权利要求1的电流垂直于膜面结构的磁阻元件，其中所述导电磁性材料含有从上接合面穿过颗粒膜达到下接合面的晶粒。
3.根据权利要求2的电流垂直于膜面结构的磁阻元件，其中所述晶粒包括钴和铁原子之中的至少一种。
4.根据权利要求3的电流垂直于膜面结构的磁阻元件，其中所述介电材料包括氧化物、氟化物、碳化物和氮化物中的至少一种。
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