CN1655374A - 电流垂直于平面磁阻传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种电流垂直于平面的磁阻传感器具有用于靠传感电流产生的磁场稳定自由层的附加层。铁磁稳定层通过间隔层与自由层隔开并与第二反铁磁层交换耦合，第一反铁磁层是常规铁磁层，用于在CPP传感器中钉扎被被钉扎层。稳定层为涡旋或其它非纵向磁化模式，该稳定层的涡旋磁化模式通过与第二反铁磁层交换耦合固定。稳定层穿过间隔层被铁磁耦合到自由层，由此在无传感电流和外部磁场的情况下自由和稳定层具有相似形状的涡旋或其它非纵向磁化模式。传感电流在自由层中产生涡旋磁场，其方向与稳定层中固定的涡旋磁化模式的方向相反，该场基本上消除了自由层中的涡旋磁化模式的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种电流垂直于平面(CPP)磁阻传感器，它使用方向垂直于构成传感器堆叠的层的平面的传感电流工作。
背景技术
一种类型的经常被称为“旋阀”(SV)的常规磁阻传感器，具有包括由非磁性间隔层分开的两个铁磁性层。一个铁磁性层具有固定的磁化方向，例如通过与邻近的反铁磁性层交换耦合来固定，另一个铁磁性层具有“自由”的磁化方向，以在存在外部磁场时旋转。随着将传感电流施加到传感器，相对于固定层磁化的自由层磁化的旋转因电阻的改变而可以检测。SV型磁阻传感器一般使用与在传感器层堆叠中的层的平面方向平行的传感电流工作，因此它被称为平面中电流(CIP)传感器。在磁盘驱动器CIP-SV读出传感器或头中，在没有外部磁场的情况下，固定或被钉扎层的磁化通常垂直于磁盘平面，自由层的磁化通常平行于磁盘的平面。当暴露于来自磁盘上所记录数据的外部磁场时，自由层磁化将旋转，使得电阻改变。
已经提出了使用垂直于传感器堆叠中层的平面的传感电流(CPP)工作的SV型磁阻传感器。CPP-SV读出头由A.Tanaka et al.，“Spin-valve heads inthe current-perpendicular-to-plane mode for ultrahigh-density recording”，IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS，38(1)：84-88 Part 1 JAN 2002描述。另一种CPP传感器是磁性隧道结(MTJ)传感器，其中非磁性间隔层是很薄的非磁性绝缘隧道障碍层。在MTJ传感器中垂直通过各层的隧道电流取决于两个铁磁层中相对的磁化方向。在MTJ磁阻读出头中间隔层被电绝缘并且典型为氧化铝(Al2O3)，而在CPP-SV磁阻读出头中间隔层是导电的并且典型为铜。
在所有的CIP-SV、CPP-SV和MTJ读出头中，为了最大的读出头稳定性和无磁滞响应线性，在没有外部磁场时自由层的磁化应该保持在饱和单磁畴状态。在此状态下，在自由层中所有部分的局部磁化，包括端部和侧面，基本上为“纵向”，即沿着自由层的长度方向和头的交叉轨迹方向并与磁性记录介质平面平行。铁磁偏移层一般用于获得自由层的纵向偏移。美国专利5729410描述了一种具有纵向偏移层的MTJ传感器，该纵向偏移层位于自由层侧边附近的传感器堆叠的外面，但是通过绝缘材料与自由层侧边隔开。美国专利6023395和6473279描述了具有位于传感器堆叠中的纵向偏移层的CPP传感器。
即使它们具有纵向偏移自由层，CPP传感器也要经受影响自由层磁化稳定性的额外问题。由垂直流过自由层的传感电流产生的磁场在自由层引起磁距，并远离可能引起自由层不稳定的偏移场的方向旋转。对于较高信号所需的高传感电流密度在自由层中产生较高的磁场，并由此产生自由层磁化的较大不稳定性。例如，通过具有超越纵向偏移场和自由层各向异性场的传感电流产生的场的自由层的均匀电流密度分布将产生涡旋磁畴状态，而不是单个纵向磁畴状态。另一个例子是通过具有局部超越纵向偏移场和自由层各向异性场的传感电流产生场的自由层的非对称电流密度分布。这可以引起在自由层中高的非均匀磁畴状态的形成，它造成传感器不想要的自偏移。
我们所需要的是即使在高密度传感电流下在单个纵向磁畴中具有磁化稳定的自由层的CPP磁阻传感器。
发明内容
本发明是具有用于靠传感电流产生的磁场稳定自由层的附加层的CPP磁阻传感器。铁磁稳定层通过间隔层与自由层隔开并与第二反铁磁层交换耦合，第一反铁磁层是常规铁磁层，用于在CPP传感器中钉扎被被钉扎层。稳定层为涡旋或其它非纵向磁化模式，在下面简称为涡旋磁化模式。该稳定层的涡旋磁化模式通过与第二反铁磁层交换耦合固定。而且，稳定层穿过间隔层被铁磁耦合到自由层，由此在无传感电流和外部磁场的情况下自由和稳定层具有相似形状的涡旋或其它非纵向磁化模式。
在CPP传感器的操作中，传感电流在自由层中产生通常的环状方向的涡旋磁场，其方向与稳定层中固定的涡旋磁化模式的方向相反。该传感电流产生场基本上抵消涡旋磁化模式并基本上“消除”自由层中的涡旋磁化模式的影响。结果是自由层中优选单个磁畴的纵向磁化没有不利影响，自由层可以基本上作为单个磁畴在记录介质上响应磁转变。
CPP传感器的一个重要要求是第二反磁性层具有低于第一反磁性层的阻塞温度TBH的阻塞温度TBL。CPP传感器通过在外部施加纵向磁场来设定传感器被被钉扎层的磁化方向的情况下将温度提高到TBH以上来制造。在温度降低到TBH以下且消除外部施加的磁场后，被被钉扎层具有通过与第一反磁性层交换耦合而固定的磁化。然后将温度提高到TBL以上而低于TBH。然后垂直通过传感器层的堆叠来施加和传感电流值基本相同的设定电流，并在整个传感器中在与传感电流相反的方向施加。此设定电流产生通常具有涡旋形状的磁场，该磁场使自由层和稳定层形成涡旋或其它非纵向磁化模式。然后在设定电流中将该结构冷却到TBL以下。这使稳定层与第二反铁磁层交换耦合，造成在稳定层中涡旋或其它非纵向磁化模式的空间固定。由于稳定层穿过间隔层反铁磁耦合到自由层，所以自由层将具有类似形状的涡旋磁化模式。因此该结构制造后在无传感电流时，作为穿过间隔层反铁磁耦合到稳定层的结果，自由层将具有保持在适当位置的涡旋磁化模式。
为了更充分地理解本发明的特性和优点，应结合附图参考下面的具体说明。
附图说明
图1是传统的现有技术的CPP传感器的剖面图。
图2是由传感电流引起的CPP传感器自由层中的涡旋磁化模式的示意图。
图3是表示在无传感电流时在自由层中固定涡旋磁化模式的本发明CPP传感器的剖面图。
图4是在本发明的CPP传感器中自由层和稳定层的涡旋磁化模式上传感电流引起的磁场效应的示意图。
具体实施方式
现有技术
图1是现有技术CPP传感器200的剖面图。传感器200包括在基板202上形成的层的堆叠201，就读出头来说它为底部磁屏蔽，它也用作底部电导线。在堆叠201上的顶部磁屏蔽216也用作顶部电导线。在堆叠201中的层包括具有固定横向(向页内)磁距或磁化方向207的钉扎铁磁层206、具有可以响应横向外部磁场在层210面中旋转的磁距或磁化矢量211的自由铁磁层210、以及在被钉扎层206和自由层210之间的无磁性间隔层208。被钉扎层206与在基板202上面的合适的晶粒层或衬层203上形成的反铁磁层204交换耦合。由此固定被钉扎层206的磁化方向207并且不在所关心的范围内的外部磁场出现时旋转，即来自记录数据的磁场。对于CPP-SV传感器，间隔层208是导电的，并且通常由铜形成。对于MTJ传感器，间隔层208为电绝缘隧道障碍层，一般为氧化铝(Al2O3)。顶层230，一般由Ta或Ru形成，可以形成在自由层210的顶部。钉扎和自由层一般由Co、Fe和Ni的一种或多种合金形成，或者由两种合金的双层形成，例如CoFe-NiFe双层。反铁磁层204一般由FeMn、PtMn、NiMn、PdPtMn、RhMn、CrPtMn、FeRhMn或IrMn形成。磁屏蔽/电导线202、216通常由铁镍合金(NiFe)或铝硅铁(FeAlSi)形成。
传感器200包括自由层210的侧边221、223附近、传感器堆叠外面的纵向偏移层212。偏移层212可以由硬铁磁材料形成，例如CoPt或CoCrPt，并且通过绝缘层214和218分别与传感器堆叠和顶部屏蔽/电导线216电绝缘。如箭头225所示，偏移层212提供纵向偏移磁场，以沿自由层长度方向211纵向稳定自由层210的磁化。
如箭头240所示，传感电流Is垂直通过堆叠201。传感电流固有产生磁场250，该磁场250有时称为奥斯特场并在自由层210中形状通常为涡旋状。对于通过自由层材料的环状盘的恒定电流密度j，j＝U/RA，其中U为穿过自由层的压降，RA为自由层电阻-面积的乘积，由传感电流产生的磁通密度与U*r/RA成正比，其中r为盘的半径。因此由自由层引起的最高磁通密度在自由层的周边。对于具有矩形横截面的自由层保持相同的趋势。由于它易于在自由层内部对于高电流密度引起涡旋或非纵向磁场，因此奥斯特场是不需要的。这损害了所需的由箭头211表示的纵向单个磁畴。此问题在图2中被示意性地描述，它从上面示出自由层210，作为传感电流以箭尾240(进入纸内)所示的方向垂直流过自由层210的结果，自由层磁距255形成非纵向矢量磁化模式。在通过自由层分布非对称电流密度时，奥斯特场可以引起高的非均匀磁畴状态，这将导致传感器不需要的自偏移。
本发明
图3是本发明CPP传感器300的剖面图，并且在无传感电流时描述。它和传感器200结构上基本相同，除了位于自由层210和顶层230之间的层302、304、306的组301。层304是用于稳定自由层210的铁磁层，并通过第二非磁性间隔层302与自由层210隔开。层306为用于通过交换耦合固定稳定层304磁化的第二反铁磁层。因此自由层210位于第一间隔层208和第二间隔层302之间。
由箭头310表示的磁畴在稳定层304内形成涡旋或其它非纵向磁化模式，其通过与反铁磁306单向交换耦合来固定。在无传感电流和外部磁场时，这些磁畴310穿过间隔层302与自由层210中由箭头320表示的具有类似形状的磁畴铁磁耦合(如图3所示)。
通常磁耦合可以是铁磁或反铁磁的。耦合的类型和强度取决于自由层210和稳定层304中铁磁材料的种类和结晶结构以及形成间隔层304材料的种类、结晶结构和厚度。间隔层304由非磁性过渡金属形成，例如钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)或者铜(Cu)、钒(V)、铌(Nb)或者这些材料的合金。通过非磁性过渡金属间隔膜的铁磁性膜的交换耦合已经被广泛的研究和描述。通常，随着间隔膜厚度的增加，从铁磁到反铁磁交换耦合发生振荡。用于选择材料组合的该振荡耦合关系在Parkin et al.的Oscillations inExchange Coupling and Magnetoresistance in Metallic Superlattice Structures：Co/Ru，Co/Cr和Fe/Cr，Phys.Rev.Lett.，Vol.64，p.2034(1990)和Parkin et al.的Systematic Variation of the Strength and Oscillation Period of Indirect MagneticExchange coupling through the 3d，4d，and 5d transition metals，Phys.Rev.Lett.，Vol.67，p.3598(1991)中描述。材料组合包括由Co、Fe、Ni以及它们的合金制成的铁磁性膜，例如Ni80-Fe20和Ni80-Co20，也包括非磁性间隔膜，例如钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)。对于每种材料组合，如果还未知，振荡交换耦合关系必须被确定，由此选择非磁性间隔膜的厚度以确保两个铁磁性膜之间的反磁性或铁磁性耦合。振荡的周期取决于非磁性间隔材料，但是振荡耦合的强度和相位也取决于铁磁性材料和界面质量。
图4示出方向垂直通过稳定层304和自由层210的传感电流Is的作用。传感电流在自由层210中产生涡旋磁场330，其方向通常为环状方向并与固定涡旋磁畴320方向相反。该场基本上抵消涡旋磁畴320(现在由图4中的虚线表示)并基本上“擦除”自由层210中涡旋磁畴的作用，结果是恢复了自由层210中优选的单个磁畴纵向磁化。传感电流在稳定层304也产生磁场330，但是因为在稳定层304和第二反铁磁层306之间的交换耦合足够强，因此传感电流将不影响涡旋磁化模式310(在图4仍用实线表示)。
因为现在由传感电流产生的磁场在自由层210中被来自涡旋磁化模式的场抵消，所以自由层210的磁化方向由它自己的各向异性和来自层212的纵向偏移主导。这样自由层210可以基本作为单个磁畴在记录介质上响应磁转变。
再参考图3，现在描述本发明CPP传感器的制造方法。使用淀积、平板印刷、离子研磨、反应离子腐蚀和其它传统SV和MTJ传感器的制造技术，以常规方式制造该结构。但一个重要的要求是第二反铁磁层306具有低于反铁磁层204的阻塞温度TBH的阻塞温度TBL。磁性材料的阻塞温度为净磁距不再具有固定方向的温度。在铁磁/反铁磁双层的情况下，例如双层204/206和304/306，阻塞温度是两层间的交换偏移场消失的温度。因此反铁磁层204、306可以由不同的材料形成，或者它们可以由基本相同的材料形成，但是具有不同的厚度。如果IrMn选择为反铁磁材料用于两层，然后如果层204约80埃厚且层306约200埃厚，那么TBH将大约为140℃且TBL将大约为230℃。
在结构制造期间或之后，将温度提高到TBH以上且将结构暴露于以方向207施加的外部纵向磁场来设定被钉扎层206的磁化方向。在温度降低到TBH以下且外部施加磁场移开后，被钉扎层206通过与第一反铁磁层204交换耦合而具有以方向207固定的磁化。接下来将温度提高到TBL以上但低于TBH。然后施加大约和传感电流值相同的设定电流，其方向垂直通过该结构并和在整个传感器中施加传感电流的方向相反，即与图3和4中的方向240相反。该设定电流产生具有涡旋形状的磁场，该磁场使自由层210和稳定层304形成涡旋或其它非纵向磁化模式，其在自由层210中的方向如图3的箭头320所示。然后在具有设定电流时将此结构冷却到TBL以下。这使得稳定层304与第二反铁磁层306交换耦合，在稳定层304中造成涡旋或其它非纵向磁场的空间固定。因此在该结构制造后和在无传感电流时，作为穿过间隔层302磁耦合到稳定层304的结果，自由层210将具有保持在适当位置的涡旋或其它非纵向磁化模式320。
虽然图3示出的结构具有在自由层210下面的钉扎铁磁层206，但是这些层也可以反过来，在这种情况下堆叠301将位于基板202和自由层210之间，堆叠301的层的顺序也可以反过来，即间隔层302位于稳定层304和自由层210之间。而且，被钉扎层206可以是公知的反平行钉扎(AP钉扎)结构。该结构使被钉扎层206与自由层210的静磁耦合最小化。AP钉扎结构包括铁磁被钉扎层、非磁性间隔层和铁磁参考层。
而且，虽然图3中的CPP传感器以传感电流从“顶”到“底”的设计示出，但是CPP传感器也可以用从底到顶的传感电流来设计，在此情况下在制造期间设定电流的方向与上述相反。
虽然本发明参照优选实施例进行具体示出和描述，但是本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下在形式和细节上可以进行各种变化。因此，认为所公开的发明仅作为说明性的和有限的，其范围由附加的权利要求限定。
Claims (17)
1.一种磁阻传感器，包括层的堆叠，并且在垂直于堆叠中的层面施加传感电流时能够传感外部磁场，层的堆叠包括：
第一非磁性间隔层；
第二非磁性间隔层；
在第一和第二间隔层之间并具有在无外部磁场时方向基本上纵向沿层的长度的磁化方向的自由铁磁层，在具有所关心的范围内的外部磁场时所述自由层磁化方向基本上自由旋转；
与第一间隔层邻近的并具有以优选方向定向的磁化方向的被钉扎铁磁层；
交换耦合到被被钉扎层并在具有所关心的范围内的外部磁场时防止被钉扎被钉扎层磁化大幅旋转的第一反铁磁层；
与第二间隔层邻近的铁磁稳定层；以及
与稳定层交换耦合的第二反铁磁层，第二反铁磁层具有低于第一反铁磁层阻塞温度的阻塞温度，在无外部磁场时和无传感电流时稳定层和自由层具有穿过第二间隔层磁耦合的非纵向磁畴。
2.如权利要求1所述的传感器，其中稳定层和自由层穿过第二间隔层铁磁耦合。
3.如权利要求1所述的传感器，其中稳定层和自由层的非纵向磁耦合磁畴在自由层内方向基本上为涡旋磁化模式。
4.如权利要求1所述的传感器，其中在具有传感电流时自由层基本上没有非纵向磁畴。
5.如权利要求1所述的传感器，其中第一非磁性间隔层是导电的。
6.如权利要求1所述的传感器，其中传感器是磁性隧道结，并且其中第一非磁性间隔层是电绝缘的。
7.如权利要求1所述的传感器，其中第二间隔层由钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)、钒(V)、铌(Nb)或者这些材料的合金构成的组中选择的材料形成。
8.如权利要求1所述的传感器，其中第一和第二反铁磁层的每一个由FeMn、PtMn、NiMn、PdPtMn、RhMn、CrPtMn、FeRhMn和IrMn构成的组中选择的材料形成。
9.如权利要求8所述的传感器，其中第一和第二反铁磁层的每一个由基本上相同的材料形成，第二反铁磁层的厚度小于第一反铁磁层的厚度。
10.如权利要求1所述的传感器，进一步包括在堆叠外面自由层的每个侧边附近用于沿其长度纵向偏移自由层磁化方向的铁磁偏移层。
11.一种用于在给头施加传感电流时传感在磁记录介质上记录的数据的电流垂直于平面旋阀磁阻读出头，该头包括：
基板；
在基板上的第一反铁磁层；
与第一反铁磁层交换耦合并具有方向基本上垂直于记录介质平面的磁化方向和在具有来自记录介质的磁场时基本上阻止旋转的被钉扎铁磁层；
在被被钉扎层上的第一导电非磁性间隔层；
在第一非磁性间隔层上并具有在无外部磁场时方向基本上平行于记录介质平面的磁化方向的自由铁磁层，所述自由层磁化方向在具有来自记录介质的磁场时基本上自由旋转；
在自由层上的第二非磁性间隔层；
在第二间隔层上的铁磁性稳定层，在无外部磁场时和无传感电流时稳定层和自由层具有穿过第二间隔层铁磁耦合的非纵向磁畴；以及
在稳定层上并与稳定层交换耦合且在无外部磁场时和无传感电流时在稳定层中基本上固定非纵向磁畴方向的第二反铁磁层，第二反铁磁层具有低于第一反铁磁层阻塞温度的阻塞温度。
12.如权利要求11所述的头，其中稳定层和自由层的非纵向磁耦合磁畴在自由层内方向基本上为涡旋磁化模式。
13.如权利要求11所述的头，其中在具有传感电流时自由层基本上没有非纵向磁畴。
14.如权利要求11所述的头，其中第二间隔层由钌(Ru)、铬(Cr)、铑(Rh)、铱(Ir)、铜(Cu)、钒(V)、铌(Nb)或者这些材料的合金构成的组中选择的材料形成。
15.如权利要求11所述的头，其中第一和第二反铁磁层的每一个由FeMn、PtMn、NiMn、PdPtMn、RhMn、CrPtMn、FeRhMn和IrMn构成的组中选择的材料形成。
16.如权利要求15所述的头，其中第一和第二反铁磁层的每一个由基本上相同的材料形成，第二反铁磁层的厚度小于第一反铁磁层的厚度。
17.一种用于制造电流垂直于平面的磁阻传感器的方法，包括：
在基板上淀积第一层反铁磁材料、与第一层反铁磁材料接触的第一层铁磁材料，与第一层铁磁材料接触的由非磁性材料构成的第一间隔层、与第一间隔层接触的第二层铁磁材料、与第二层铁磁材料接触的由非磁性材料构成的第二间隔层、与第二间隔层接触的第三层铁磁材料和第二层反铁磁材料，其与第三层铁磁材料接触并且具有低于第一反铁磁材料阻塞温度TBH的阻塞温度TBL；
以第一方向设定第一层铁磁材料的磁化方向，第一层铁磁材料的所述磁化通过与第一层反铁磁材料的交换耦合被钉扎；
在高于TBL而低于TBH的温度下以基本垂直于所有所述层的方向施加设定电流以在第三铁磁层产生涡旋磁场；以及
将温度降低到TBL以下同时施加设定电流使得通过所述涡旋磁场在第三铁磁层产生的磁化通过与第二层反铁磁材料交换耦合被固定。
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