CN1658287A - 带有退藕的难偏置多层的磁阻传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种磁传感器，具有两个通过用来消除偏置层之间交换耦合的退藕层隔开的偏置层。这两个偏置层可以具有不同的矫顽磁力，这样可以独立地调节由偏置层提供给自由层的磁偏置。通过退藕层使这两个偏置层的晶粒结构基本不相关。
Description
技术领域
本发明涉及一种盘驱动器的磁传感器，更具体地，涉及磁传感器的自由层的磁偏置。
背景技术
薄膜磁阻传感器或头已经用在磁存储装置(即，盘驱动器)中若干年了。这样的传感器包括通常被称为自由层的磁阻材料层。自由层的电阻率响应外磁场而改变。因此，通过感测自由层内电阻的变化检测磁记录的信息。
自由层通常为一种具有低矫顽磁力(coercivity)的铁磁材料，例如NiFe、CoFe、NiCoFe合金，这样，其磁化强度(也被称作磁矩)可以容易地响应于感测到的外界磁场的变化而改变。另外，非常期望该自由层处于单磁畴状态。如果在自由层内出现多重磁畴或涡旋畴状态，由于巴克好森跳跃(Barkhausen jumps)和其他不希望的磁畴运动以及由待感测的外磁场引起再定位现象，传感器性能降低。
为了保证自由层处于单磁畴状态，通常通过靠近自由层的偏置结构给自由层提供磁偏置。这些偏置结构通常由硬铁磁(例如高矫顽磁力和高磁矩的)材料制成，例如CoPt和CoCrX合金，其中，X可以是Pt、Ta、Ni或其它元素。
图1示出一种用于磁传感器自由层的典型偏置结构。自由层10被偏置层12和14偏置。通常通过在组装的相对后期阶段对包括层10、12和14的全部结构施加偏置磁场，设定偏置层12和14的磁化强度18和20。该偏置磁场的磁化强度大于偏置层12和14的矫顽磁力，这样，当除去偏置磁场后，在偏置层12和14中的剩余磁化强度18和20得以保留。因而偏置层12和14用作偏置自由层10的永久磁体。
偏置层12和14的磁化强度18和20在自由层10内感应产生磁化强度16。如果自由层10与偏置层12和14直接接触(如图1示出)，可以通过磁交换耦合过程在自由层10内感应产生磁化强度16。或者，如果自由层10没有与偏置层12和14直接接触，通过静磁耦合过程能在自由层10内感应产生磁化强度16。磁化强度16应该足够大，以确保自由层10保持在单磁畴状态。但是，随着磁偏置增加，磁传感器灵敏度降低，因此通常选定磁化强度16，以提供高于使自由层10变为单畴状态的最小要求的适当余量。
在操作中，电流(图1未示出)通常沿图1的Y方向流经自由层10，这样可以监测到自由层10电阻系数的变化。因此，磁化强度16通常被称作纵向磁化强度，因为它与电流同方向。
由于磁化强度为矢量，同时具有大小和方向，磁化强度16、18和20可以理解为在相应区域(例如：分别10、12和14)内的磁化强度的Y分量。实际上，通常不可能完全控制磁化强度的方向，并且由此产生的可变性趋于对性能具有重要影响。
图1示出了从磁记录盘(即：盘在图1中的X-Y平面)向上看到的层10、12和14的视图。另外，当盘旋转时盘上的轨道沿图1中的X方向运动。由于自由层10的X范围很大程度上决定了能从该磁轨上读取的信息密度，自由层10的X范围的减小是磁盘驱动器技术发展的一个主要目标。随着磁盘驱动器技术的发展，自由层10的其他尺寸以及偏置层12和14的尺寸也趋向于减小。例如，现在自由层10典型的(X、Y、Z)尺寸大约为(3nm、100nm、100nm)，现在偏置区12和14典型的(X、Y、Z)尺寸大约为(3-15nm、30nm、200nm)。
自由层10和偏置层12和14不断减小的尺寸导致在小的偏置层中出现新问题，这些问题在较大的结构中没有或者不明显。一个这样的问题是，由于在偏置层12和14内的晶粒结构和方向，性能在统计方面的可变性。这导致组成偏置层12和14的单个晶粒的磁化强度方向的变化。
图2示出图1中偏置层12内的晶粒13a、13b、13c和13d，并且也示出图1中偏置层14内的晶粒15a、15b、15c、和15d。晶粒13a-d具有相应的磁化强度(Y分量)18a-d，并且晶粒15a-d具有相应的磁化强度(Y分量)20a-d。磁化强度18a-d和20a-d通常根据不同的晶粒变化，如图2中每个晶粒中的箭头数量的变化显示出的那样。更准确地，图2中每个晶粒中的箭头可变数量示意性地显示出每个晶粒对自由层10的纵向磁化强度16的不同的贡献。这些晶粒对磁化强度16的贡献可以改变，因为这些晶粒内磁化强度可变的大小和/或方向。
磁化强度18a-d和20a-d变化的主要原因是：通常用作偏置区12和14的材料为各向磁异性，并且通常沉积为具有随机方向的晶粒的多晶薄膜。例如，CoPt容易沿着晶轴c的方向磁化，并且很难沿其它的方向磁化。磁化强度的方向与晶轴c之间的夹角越大，CoPt越难被磁化，因为所有的基平面方向(即，与c轴正交的方向)均为难磁化方向。
在图1中，生长方向为+X方向，材料通常在Y-Z平面上沉积为层。偏置层12和14通常由沉积技术形成，例如溅射沉积或离子束沉积，其不能内在地对晶粒的方向提供正确的控制。因此，除非采取另外的步骤，否则偏置层12和14内部的晶粒方向完全随机。减小晶粒随机性的方法已知，例如把层12和14沉积到合适的种子层(如Cr或含有Cr的合金)上。然而，种子层的引入通常不能完全消除晶粒方向的随机性，至少在Y-Z平面(即生长平面)上如此。例如，在生长于Cr顶部的CoPt中，CoPt晶粒的c轴被Cr种子层约束在生长平面上，但是在该平面上c轴的方向却是随机的。通过使种子层的原子间距与包括难偏置层材料的c轴的平面的原子间距栅格匹配来实现。
因此，不论是否使用种子层，在该示例中，当磁化强度18a-d和20a-d被偏置磁场设定后，残余磁化强度18a-d和20a-d根据晶粒13a-d和15a-d的晶轴c与偏置磁场的方向(即图1和图2的Y)之间的夹角。
图2中磁化强度18a-d和20a-d的变化引起自由层10内的磁化强度16的变化，这是不希望的。随着对磁化强度16做出贡献的晶粒数目的减少，磁化强度16的相对标准偏差(即标准偏差除以平均值)增加，这是因为平均数有效地取代了对磁化强度16做出贡献的晶粒数目。通常晶粒大小在横向(即Y-Z平面)不小于7-10nm，这是因为已知的更小晶粒会降低稳定性，这是不希望的。这样，偏置层12和14内的晶粒数目随着偏置层12和14的物理尺寸减小，导致自由层10内的磁化强度16的变化不希望地增加。
在制造中，磁化强度16的变化会导致不希望的后果。举例说明，假设M0为使自由层10处于单畴状态所需的最小磁化强度16，M为额定设计磁化强度16。那么，制造出的所有装置显示出的磁化强度16的分配值以额定值M中心。如果M在M0以上，那么，由于磁化强度16的不足，制造出的所有装置的很大一部分将会失效。如果对M进行选择，使得由于磁化强度16的不足而失效的数目很小，那么，所有装置的大部分将会由于磁化强度16比所需的高很多而非必要地降低其灵敏度。
图3示出另一种已知结构，如在US专利号5,434,826中公开的用于偏置磁传感器的自由层10的结构。在图3的结构中，偏置层12a和12b由插入层24隔开，并且偏置层14a和14b也由插入层24隔开。在偏置层12a-d和14a-d内分别设定磁化强度18a-d和20a-d，并且共同地为自由层10提供磁化强度16。
发明内容
本发明的目的是降低磁偏置变化对磁传感器性能的影响。本发明提出了一种磁传感器，它具有两个由退藕层隔开的偏置层，用以消除偏置层之间的交换耦合。在本发明的一个实施例中，两个偏置层具有不同的矫顽磁力，这样可以独立地调节由偏置层提供自由层的磁偏置。在本发明的另一个实施例中，通过退藕层使两个偏置层的晶粒结构基本不相关。
附图说明
图1示出自由层和偏置结构的现有技术磁传感器的一部分；
图2示出现有技术的一部分中的典型晶粒结构；
图3示出现有技术的磁传感器，其具有多层磁偏置结构，共同为自由层提供磁偏置；
图4示出根据本发明实施例的磁传感器的一部分，其具有可以独立地为自由层提供磁偏置的多层偏置组件；
图5示出根据本发明实施例的传感器的一部分中的晶粒结构；
图6a-6c示出测量得到的针对不同退藕层厚度的多层难偏置结构的磁滞曲线。
具体实施方式
图4示出根据本发明实施例的磁传感器的一部分，其具有独立地为自由层10提供多重磁偏置的多层磁偏置组件。偏置层12a和12b被退藕层26隔开。同样地，偏置层14a和14b被退藕层26隔开。退藕层26用来基本消除层12a和12b之间(以及层14a和14b之间)的交换耦合。另外，层12a和12b的矫顽磁力不同，层14a和14b的矫顽磁力也不同。偏置层12a和12b与退藕层26结合成为磁偏置组件，层14a和14b也与退藕层26结合成为磁偏置组件。磁化强度18a和20a为自由层10提供磁偏置16a，磁化强度18b和20b为自由层10提供磁偏置16b。磁化强度16由磁偏置16a和16b的合成作用决定。磁化强度16、18a-b、20a-b可以理解为磁化强度在相应区域(即分别为10、12a-b、14a-b)的Y分量。
偏置层12a和12b(以及14a和14b)的不同矫顽磁力与退藕层26提供的退藕结合，使得磁偏置16a和16b可以得到独立的调节。例如，假设层12a和14a的矫顽磁力为Hc1，12b和14b的矫顽磁力为Hc2，这里Hc2＞Hc1。施加的偏置磁场具有大于Hc2的强度，将改变层12a-b和14a-b的残余磁化强度，从而改变磁偏置16a和16b。施加的偏置磁场具有小于Hc2但大于Hc1的强度，将改变层12a和14a的残余磁化强度(从而改变磁偏置16a)，但是基本不改变层12b和14b的残余磁化强度(因而磁偏置16b基本不改变)。这里，残余磁化强度是，当施加的偏置磁场去除后剩余的磁化强度。自然地，可以看出，如果Hc2＜Hc1，同样可以获得这个例子中的磁偏置16a和16b的独立调节能力。
为了以这种方式获得磁偏置16a和16b的独立调节能力，最低条件是磁化强度18a和18b独立或者磁化强度20a和20b独立。图4中的实施例是优选的，其中磁化强度18a和18b独立并且磁化强度20a和20b也独立，从而提高了调节磁偏置16a和16b的能力。
在图4的实施例中，退藕层26的主要功能是为了充分地消除层12a和12b之间(以及层14a和14b之间)的交换耦合。原因在于，当层12a和12b之间存在交换耦合时，层12a和12b基本用作单磁体。例如，磁化强度18a和18b可以被层12a和12b之间的交换耦合限制为平行或逆向平行(anti-parallel)。因此，需要消除这样的交换耦合来获得磁偏置16a和16b的独立调节能力。
适用于退藕层26的材料包括：铑(Rh)；fcc金属或合金；bcc金属，如铬(Cr)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)或铌(Nb)；以及，CrX合金，其中X为钼(Mo)、锰(Mn)、钴(Co)、钛(Ti)、钽(Ta)、钒(V)、镐(Zr)或铌(Nb)。当退藕层26的厚度增加，交换耦合通常趋于减小。抑制交换耦合的方法通常包括在磁性界面使用具有不能维持磁旋的电子带结构的材料。这样，可以在这些表面抑制局部磁矩，从而抑制了交换耦合。
交换耦合是一种不同于静磁干扰(magnetostatic interaction)的物理现象。静磁干扰是磁化强度18a和18b之间(以及磁化强度20a和20b之间)普通的磁干扰。静磁干扰通常没有足够强的作用来使层12a和12b(或者层14a和14b)基本用作单磁体。因而，用来明显减小或消除静磁干扰的退藕层26是不必要的。
适用于偏置层12a-b和14a-b的材料包括Co的二元、三元和四元合金。二元合金CoxPt1-x是适合的，其中，0.5＜x＜1。超出这个组分范围的CoPt合金表现出很大的饱和磁化强度值，并且对于x在大约0.7-0.8内的组分范围，磁晶体各向异性达到最大值。因此，Co0.75Pt0.25和金非常适合来生产具有高残余磁化强度和高磁偏置率(在难磁偏置层和自由传感器层之间的磁化强度比率)的超薄难偏置层。铑是一种抑制Co0.75Pt0.25层之间的交换耦合的合适分割层。实际应用中，层12a-b、14a-b、10和26通常在采用离子束沉积或溅射技术的材料生长/沉积系统中生长。正如现有技术已知的，这些层的材料属性很大程度上受生长方法的影响，因此能够得到最佳的装置功能，在具体使用的工具中必须对所选材料的生长进行优化。
优选地，作为种子层的退藕层26有助于使层12a中的晶粒的容易磁化的方向平行于层12a和26(类似地层14a)之间的接触面。通过使退藕层26的原子间隔与包括层12a(以及层14a的)的材料的c轴平面的原子间隔栅格匹配来实现。
根据图4实施例的能独立调节的磁偏置16a和16b能够有利地解决上文所讨论的晶粒引起的磁化强度的可变性问题；考虑到下述原因：磁化强度变化性的净效应(net effect)使设计人员不得不在相对高的设计磁化强度16(从而减小灵敏性并且增加输出量)和相对低的设计磁化强度16(从而增加灵敏性并且减小输出量)之间做出选择。
例如，假设层12a和14a具有矫顽磁力Hc1，并且层12b和14b具有矫顽磁力Hc2，其中Hc2＞Hc1。设计人员可以选择相对低的设计磁化强度16，其仅由磁化强度18a和20a的磁偏置16a提供。通过施加强度H1在Hc1和Hc2之间的偏置磁场，可以在基本不改变磁化强度18b和20b的条件下设定磁化强度18a和20a。由于在如此生长的材料中的磁化强度18b和20b通常可以忽略，并且没有被施加的偏置磁场改变，所以，自由层10内的磁化强度16仅由磁偏置16a提供。如果在如此生长的层12b和14b中的磁化强度18b和20没有被忽略，那么可以采用已知的方法对这些层进行退磁，从而使磁化强度18b和20b可以被忽略。
可以对包括这种偏置结构的传感器进行一次通过/失败测试，以便决定仅由磁偏置16a提供的磁化强度16是否足够大，以使自由层10进入单畴状态。例如，一种适当的测试方法是，当缓慢变化的磁场被施加到传感器对着磁盘的表面上时，测量传感器的电阻。令人满意的传感器将具有连续且具有连续导数的电阻比磁场曲线，并且在经过若干个磁场循环后表现出最小的磁滞。通过了这项测试的传感器不再需要另外的处理。没有通过这项测试的传感器将第二次经过偏置磁场，其中偏置磁场强度增大到大于Hc2的H2。这样的磁场将改变磁化强度18b和20b，并且在偏置磁场去除后，磁化强度18b和20b将为自由层10提供磁偏置16b。在这种情况下，磁偏置16a和16b均为自由层10内的磁化强度16做出贡献。
在许多情况中，由磁偏置16a和16b共同提供的增大的磁化强度16(相对比仅仅由磁偏置16a提供的磁化强度)将足够使自由层处于单畴状态，从而得到有效的传感器。如上文所介绍的通过/失败测试也同样适合于决定传感器是否有效。这种方法的净效应是获得增加的传感器敏感性(通过第一轮测试的所有传感器的一部分中)，同时以减少输出量为代价(由于没有通过第一轮测试的一部分可以通过增加磁偏置而变得有用)。当然，对于Hc1＜Hc2的情况，这种方法也有效，并且a和b交换后上面的描述也直接适用。
虽然上面介绍的方法应用于单一装置，但是它也可以应用在多个装置上。例如，可以对单个滑决或者滑块行(指一行包括多个滑块)进行测试。，滑块行测试通常采用已知的统计抽样技术来实现上面的优点，这些优点是在最小化测试的同时增加敏感性和增加输出量。
上述方法的其他改变是可能的。例如，如上文提出的具有强度H1和H2的偏置磁场通常应用在图4中的Y方向，来最大化由此产生的纵向磁化强度16。然而，也可能在除了纵向之外的方向(即电流流动的方向)上应用具有强度H1和/或H2的偏置磁场。以这种方式，可以通过在连续范围内改变磁偏置16a和/或16b改变磁化强度16，从而提供了更大的灵活性。
图5示出根据本发明实施例的磁传感器的一部分中的晶粒结构。在图5的结构中，晶粒13a-d(与图4中的层12a相对应)分别具有磁化强度(Y分量)18a-d，并且晶粒13e-h(与图4中的层12b相对应)分别具有磁化强度(Y分量)18e-h。类似地，晶粒15a-d(与图4中的层14a相对应)分别具有磁化强度(Y分量)20a-d，并且晶粒15e-h(与图4中的层14b相对应)分别具有磁化强度(Y分量)20e-h。图5中示出的磁化强度18a-h和20a-h具有数目变化的箭头，以示出这些磁化强度的变化量，如参考图2所述的。磁化强度18a-h和20a-h提供自由层10内的磁化强度16。
晶粒13a-d通过退藕层26与晶粒13e-h隔开。类似地，晶粒15a-d通过退藕层26与晶粒15e-h隔开。在图5的实施例中，退藕层26沉积在晶粒13e-h的顶部，然后晶粒13a-d沉积在退藕层26的顶部。类似地，退藕层26沉积在晶粒15e-h的顶部，然后晶粒15a-d沉积在退藕层26的顶部。退藕层26的一个功能是确保晶粒13a-d与晶粒13e-h基本不相关(以及晶粒15a-d与晶粒15e-h基本不相关)。由于晶粒生长在生长方向(在图2和5中的X方向)上通常为柱状，因此，如果没有退藕层26，将形成如图2中所示的晶粒。退藕层26同样能够基本消除晶粒13a-d和13e-h之间(同样晶粒15a-d和15e-h之间)的交换耦合。
图5的结构因而增加了对自由层10内的磁化强度16做出贡献的统计上独立的晶粒数目。如上所示，晶粒数目的增加有利地减小了磁化强度16的变化性。为了实现图5中的实施例的优点，晶粒13a-d的矫顽磁力不必与晶粒13e-h的矫顽磁力不同。晶粒15a-d和晶粒15e-h的矫顽磁力也不需要不同。图5中晶粒13a-h和15a-h以及退藕层26的合适材料已经参照图4说明。
图6a-c示出测量的具有若干不同的退藕层厚度的多层难偏置结构的磁滞曲线。偏置层(12a、12b、14a、14b)为5nm厚度的Co3Pt(即Co0.75Pt0.25)，退藕层26为Rh，由这样的结构得到图6a-c的结果。在图6a、6b和6c的例子中，退藕层26的厚度分别为0.3nm、1nm和8nm。如图6a-c的图名所述，这些试验中的层顺序依次为种子层(～11nm的CrMo)、第一偏置层(Co3Pt)、退藕层(Rh)、第二偏置层(Co3Pt)以及Ta层。
图6a示出单磁体的典型磁滞曲线，其中有0.3nm厚的退藕层，其示出两个偏置层的强烈地交换耦合。图6c示出了单磁体的非典型磁滞曲线，其中有8nm厚的退藕层。相反，该结构用作两个独立磁体，示出基本消除了交换耦合。图6c所示磁滞曲线示出磁化强度在两个分开的阶段发生反转，分别是施加大约1kOe和2kO2的磁场后，其分别与第二和第一偏置层的磁化强度反转相对应。因此图6c中的两个偏置层具有不同的矫顽磁力，即使这两个偏置层的材料组合相同。对这些不同的矫顽磁力的解释是薄层的矫顽磁力部分地决定于结晶特性(例如，对称、晶粒尺寸和/或晶体取向)和层的生长厚度。图6c中的例子的两个偏置层在属于不同结晶体族的不同材料上生长(即，CrMo为bcc，Rh为fcc)，并且具有不同的厚度(即，CrMo种子厚度为～11nm，Rh退藕层的厚度为0.3nm)。图6b示出介于图6a和图6c之间的状态，其中有1nm厚的退藕层。
因此，即使层12a与12b(和/或层14a与14b)具有相同的材料组分，仍然能得到与图4的实施例相关的偏置层12a和12b(以及14a和14b)的不同矫顽磁力的情况。
以上参照本发明的示例性实施例对本发明做出的描述是为了说明，而非限制。因此，本发明在具体实践中可以有许多的变化，可以由本领域技术人员从所述描述中推导出。例如，上述实施例涉及两个偏置层的退藕，但是三个或多个偏置层也可以根据本发明退藕。
Claims (14)
1.一种磁阻传感器，包括：
磁阻自由层；
第一铁磁偏置置层，为该自由层提供第一磁偏置；
第二铁磁偏置置层，为该自由层提供第二磁偏置；
退藕层，放置在第一和第二偏置层之间，基本消除第一和第二偏置层之间的交换耦合。
2.根据权利要求1的传感器，其中，所述第一偏置层具有矫顽磁力Hc1，所述第二偏置层具有比Hc1大的矫顽磁力Hc2。
3.根据权利要求2的传感器，其中，所述第一和第二偏置层分别包括第一和第二材料，所述第一和第二材料不同。
4.根据权利要求2的传感器，其中，所述第一和第二偏置层分别包括第一和第二材料，所述第一和第二材料相同。
5.根据权利要求2的传感器，其中，所述第一和第二偏置可以通过施加外部磁场得到独立调节。
6.根据权利要求1的传感器，其中，所述第一偏置层包括多个第一晶粒，并且所述第二偏置层包括与多个所述第一晶粒基本不相关的多个第二晶粒。
7.根据权利要求1的传感器，其中，所述第二偏置层沉积在所述退藕层的顶部上，并且所述第二偏置层的容易磁化方向被所述退藕层约束，从而与所述退藕层和所述第二偏置层之间的界面平行。
8.根据权利要求1的传感器，其中，所述退藕层包括铑。
9.根据权利要求1的传感器，其中，所述退藕层包括bcc金属。
10.根据权利要求1的传感器，其中，所述退藕层包括fcc金属。
11.根据权利要求1的传感器，其中，所述退藕层包括CrX合金，其中X为Mo、Mn、Co、Ti、Ta、V、Zr或Nb。
12.根据权利要求1的传感器，其中，所述第一偏置层包括第一种Co的二元、三元或四元合金，所述第二偏置层包括第二种Co的二元、三元或四元合金。
13.根据权利要求12的传感器，其中，所述第一合金包括由CoxPt1-x，其中0.5＜x＜1，所述第二合金包括CoyPt1-y，其中0.5＜y＜1。
14.根据权利要求1的传感器，其中所述传感器为磁记录头。
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