CN1658288A - 具有增强的引线稳定化机制的自钉扎读取传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自钉扎磁阻传感器，其在每侧具有较厚的压缩材料以辅助自钉扎。在传感器区每侧具有凹进部分的屏蔽能够提供用于比其它情况下可能的更厚的压缩层的空间。
Description
技术领域
本发明涉及磁阻传感器，特别涉及自钉扎磁阻传感器中被钉扎层(pinnedlayer)的磁稳定。
背景技术
计算机的核心是磁盘驱动器，其包括磁盘、安装有包括写入和读取头的磁头组件的滑块、悬臂、及致动臂。滑块通过悬臂偏向磁盘表面。当磁盘旋转时，旋转的磁盘使滑块的空气轴承表面(ABS)附近的空气移动，导致滑块在空气轴承上飞行。当滑块在空气轴承上飞行时，致动臂摆动悬臂从而将磁头组件置于旋转磁盘上的选定的圆形磁道上方，这里通过写入和读取头分别写入和读取信号场。写入和读取头连接到根据计算机程序工作的处理电路从而实现写入和读取功能。
一种典型的高性能读取头采用磁阻读取元件来从旋转磁盘感测信号场。磁阻传感器通过读取元件的磁阻变化检测磁场信号，该磁阻变化是读取元件感应到的磁通量的强度和方向的函数。在过去十年中，这样的读取元件主要采取巨磁阻传感器(GMR)的形式。最近，已经研究隧道结传感器作为磁读取元件使用。
GMR元件在本领域也称为自旋阀磁阻元件，其包括由非磁性的导电隔离层分隔的一对铁磁层。该铁磁层中的一层的磁化被固定或“被钉扎”，同时另一层被偏置但响应磁场自由转动。由于经过间隔层的电子的自旋相关散射，经过间隔层的电流依赖于自由和被钉扎磁层的磁化的相对取向。当自由和被钉扎层彼此平行磁化时电流最大，而磁化是反平行时电流最小。自由和被钉扎层通常在没有磁场时被设定为彼此成90度从而相应于磁场信号产生最线性的电阻变化。现在使用的大多数GMR传感器结合了平面内电流(current in plane)(CIP)设计，其中电流在上述层的平面内从传感器的一侧流到另一侧。另一种被称为电流垂直于平面(current perpendicular to plane)(CPP)的传感器的GMR传感器具有一种设计，其中电流在垂直于传感器的平面的方向上流经传感器。
磁隧道结传感器(MTJ)包括由薄绝缘隧道阻挡层隔开的两铁磁层，并基于自旋极化电子隧道效应现象。绝缘隧道阻挡层足够薄使得在铁磁层之间发生量子力学隧道效应。隧道效应是电子自旋相关的，使MTJ的磁响应是两铁磁层的相对取向和自旋极化的函数。
GMR传感器和TMR传感器两者都需要维持被钉扎层处于其钉扎状态的机制。传统上，这通过设置被钉扎层使得它与反铁磁材料(例如PtMn)交换耦合来实现。尽管反铁磁材料自身不是磁性的，但是当与磁性材料交换耦合时，它非常强地固定磁性层的磁化。为有效地固定被钉扎层的磁化，与传感器的其它层相比反铁磁层必须很厚。不断提高的记录密度需求要求更小的缝隙(gap)高度并且因此要求更薄的传感器。厚AFM层对厚度预算是大的花费。另外反铁磁材料在称为阻隔温度(blocking temperature)的给定温度丧失其反铁磁特性。因此，特定事件(例如静电放电或滑块撞击磁盘)可使AFM的温度提高到足以丧失被钉扎层的钉扎。这样的事件导致磁头失效。
为进一步改进被钉扎层的钉扎，最近磁头用反平行耦合的被钉扎层(AP耦合被钉扎层)构造。在这种传感器中，被钉扎层由一对由非磁性的耦合层(例如Ru)隔开的铁磁层构成。该铁磁层经常构造为具有彼此接近但不完全相同的磁厚度。两个铁磁层的反平行静磁耦合大大增加了钉扎，磁厚度(magnetic thickness)的轻微差异产生净磁力(net magnetism)，其允许AP耦合被钉扎层的磁方向在磁场中被设定。在这样的AP耦合被钉扎层中，最远离传感器的间隔层的铁磁层如前段中讨论的那样与AFM交换耦合。
更近以来，为减小传感器的高度并因此增加数据密度，已经尝试构造其中被钉扎层不要求与AFM交换耦合的传感器。尽管一些这样的传感器已经使用薄PtMn籽层来初始化(initiate)被钉扎层中的所期望的晶体学结构，但是这种自钉扎传感器中的PtMn的厚度太薄而不能交换耦合并钉扎被钉扎层。这种自钉扎传感器通过被钉扎层的本征各向异性、静磁耦合、及磁致伸缩的结合实现钉扎。两反平行耦合的铁磁层构造为具有尽可能接近的磁厚度。磁厚度越接近，层间的静磁耦合越强。反平行耦合层也由具有强的正磁致伸缩的材料构造。磁致伸缩是材料的一种性能，即在材料被置于压缩应力下时其在特定方向被磁化。磁头的构造在传感器上产生一定量的压缩应力，当与被钉扎层的磁致伸缩结合时，辅助钉扎。这种自钉扎传感器已经在极大降低传感器厚度方面显示出希望，然而其具有不稳定性。这种传感器的被钉扎层易于翻转方向，一种导致磁头失效的灾难事件。因此，存在对通过使用自钉扎层降低厚度预算同时为自钉扎层提供改进的稳定性以避免方位角翻转(amplitude flipping)的机制的需求。
发明内容
本发明提供一种磁阻结构，其用于改进磁阻传感器中自钉扎层(selfpinned layer)的钉扎。本发明包括在具有凸起部分和自凸起部分横向延伸的横向对立凹进部分的屏蔽(shield)上构造的传感器。本发明还包括在屏蔽的凸起部分上形成的磁阻元件。磁阻元件可以是例如GMR传感器(CIP或CPP)或TMR。第一和第二压缩层形成于屏蔽的凹进部分上面。第一和第二硬磁层形成在压缩层上面。
屏蔽的凹进部分有利地允许压缩层沉积得比没有凹进部分时可能的更厚，并且没有为后面的光刻工艺产生形貌问题。例如Cu的压缩材料是在形成有间断时倾向于扩展到间断内而不是如一些其它材料可能的那样自间断缩回的材料。本发明人发现，这样的压缩材料在与被钉扎层的静磁特性相结合时大大增强钉扎。本发明人还发现，压缩层越厚，对钉扎的辅助越大。因此，屏蔽的凹进区域所允许的更厚的压缩层提供了比别的情况下可能的钉扎辅助更大的钉扎辅助。
本发明的传感器可以是GMR传感器(CIP或CPP)，或者可以是隧道阀(tunnel valve)(TMR)。如果使用CPP GMR或TMR，那么屏蔽将与传感器电联系(communication)。虽然在屏蔽与传感器之间可以包括或者不包括其它导电层，但是基本上屏蔽成为引线。如果传感器是CIP GMR，那么屏蔽将通过绝缘间隙层与传感器电绝缘。这种情形中，可以提供引线来传导电流到传感器的相对侧面，从而向传感器提供感测电流。
在CIP传感器的情形中，在屏蔽和传感器之间将有绝缘层；而在CPP或MTJ传感器的情形中，在屏蔽和传感器之间将有导电层或根本没有层。构造在传感器的每一侧具有较厚的压缩层的自钉扎传感器将在压缩层上方引起恶劣的形貌，因为该结构将不得不从传感器的每一边严重向上张开以容纳该较厚的压缩层。这将对后来的用于构造通常在读元件之后构造的上屏蔽和写入头的光刻工艺产生问题。因此，在具有其上构造传感器的凸起部分和容纳更厚的压缩材料的凹进侧部的屏蔽上构造传感器大大改进了在该结构顶部上的形貌，非常利于后来的工艺步骤。
根据本发明还提供一种数据存储系统，包括：与机架(housing)连接的电机；与所述电机连接的心轴；磁盘，其支撑在所述心轴上以围绕其自身的轴旋转；致动器；以及滑块，其由所述致动器支撑以在所述盘表面作枢轴运动；形成在所述滑块上的磁传感器，所述磁传感器包括：
第一磁屏蔽层，其具有凸起部分、以及自其横向延伸的第一和第二横向对立的低矮部分；
磁阻传感器，其形成于所述第一磁屏蔽层的所述凸起部分之上，所述磁阻传感器具有反平行耦合的自钉扎层，并具有自由磁层；以及
第一和第二压缩层，其形成于所述屏蔽的所述第一和第二横向对立的低矮部分之上。
附图说明
为更充分理解本发明的本质和优点以及应用的优选模式，将参考下面结合附图的详细描述。
图1是一种磁存储系统的简化的局部示意图，本发明可以以该系统实施；
图2是滑块的从线2-2获得的放大的ABS视图；
图3是根据本发明实施例的读传感器的从图2的圆圈3取得的放大图。
具体实施方式
下面的描述是目前预期的实施本发明的优选实施例。此描述为了说明本发明的基本原理给出，而不是要限制这里提出的发明概念。
现参考图1，示出了实施本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转的磁盘112支撑在心轴(spindle)114上，并被盘驱动电机118旋转。每个盘上的磁记录呈磁盘112上环状图形的同心数据轨道(未示出)的形式。
至少一个滑块113置于磁盘112附近，每个滑块113支撑一个或更多个磁头组件121。磁盘旋转时，滑块113在盘表面122上方径向移进和移出，使得磁头组件121可以访问磁盘的不同轨道，其中写入需要的数据。每个滑块113通过悬架(suspension)115附于致动臂119上。悬架115提供轻微的弹力(spring force)，其使滑块113向着盘表面122偏置。每个致动臂119附于致动装置127上。图1所示的致动装置127可以是音圈电机(VCM)。VCM包括可在固定磁场内移动的线圈，该线圈移动的方向和速度由控制器129提供的电机电流信号控制。
在盘存储系统工作期间，磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间形成对滑块施加向上的力或升力的空气轴承(air bearing)。空气轴承于是平衡悬架115的轻微弹力，并在正常工作中支撑滑块113离开盘表面并略微在盘表面上方一小的基本恒定的间距。
盘存储系统的各种构件在工作中由控制单元129产生的控制信号(例如访问控制信号和内部时钟信号)控制。通常，控制单元129包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号来控制各种系统操作，例如线123上的驱动电机控制信号和线128上的磁头位置和寻道控制信号。线128上的控制信号提供所需的电流分布(profile)来最优地移动并定位滑块113到盘112上的所需的数据磁道。写入和读取信号通过记录通道(recordingchannel)125向写入和读取头121或从写入和读取头传送。
以上对通常磁盘存储系统的描述以及图1的伴随说明只是为陈述的目的。显然盘存储系统可包含大量盘和致动器，并且每个致动器可支撑许多滑块。
参考图2，从图1的线2-2得到的滑块113的ABS视图表示磁头121在滑块上的布置。磁头121通常置于滑块的后缘(trailing edge)，因为这是滑块121最接近磁盘飞行的位置。
图3示出从圈3-3得到的极大地放大的视图，其示出根据本发明的实施例的总地由301指代的磁传感器。尽管参照图3说明的特定实施例是隧道结磁阻传感器(TMR)，但是本发明的传感器也可以在使用CPP或CIP GMR传感器的磁头中实施。磁头301包括第一屏蔽或下屏蔽303，其具有凸起的中心部分304和自凸起部分304凹进的横向延伸的第一和第二侧部305、307。
图3中总地表示为309的磁阻元件包括反平行耦合的被钉扎层311，该层包括由反平行耦合层317分隔的第一和第二铁磁层313、315。铁磁层313、315可由多种铁磁材料形成，并优选由CoFe形成，并且具有尽可能彼此接近的磁厚度。反平行耦合层317可由若干非磁性材料形成，并优选由约8埃厚的Ru构成。非磁性电绝缘势垒(barrier)层319形成在AP被钉扎层311之上，并优选由Al2O3形成，尽管许多其它电绝缘材料也能适合。自由磁层321形成在势垒层319上并优选由CoFe/NiFe构成，尽管其它材料也是适合的。第二屏蔽或上屏蔽323形成在自由层321之上并如图3所示那样向外横向延伸。第二屏蔽优选由与第一屏蔽相同的材料形成，但也可由一些其它磁性材料形成。尽管没有要求，但是如果第一和第二屏蔽303、323由导电材料构成，则通过提供设置在读取元件309与第一和第二屏蔽303、323之间的导电引线325、327可以实现改进的导电性。引线325、327可由很多导电材料构成，但优选由Cu或Au构成。
继续参考图3，被钉扎层311的铁磁层313、315具有如符号329、331表示的被钉扎成进入页面和从页面出来的磁化。尽管示出底部313的磁化是进入页且顶部315是从页出来，但是方向可以是相反的。当层313、315置于如箭头333、335所示的压缩应力下时，材料的正磁致伸缩辅助层313、315的钉扎。通过在磁场中退火被钉扎层提供进一步的钉扎辅助，从而设置层313、315的磁各向异性垂直于页面。
自由层321具有如箭头337所示的被偏置成垂直于被钉扎层311的磁化的磁化。尽管箭头显示为朝向右侧，但是其也可指向左侧。尽管自由层的磁化如337所示那样被偏置，但是其在有磁场时能自由旋转。下面将更详细地讨论偏置自由层的机制。
进一步参考图3，第一和第二绝缘层339和341形成在凹进的侧部305、307之上。尽管图3所示的视图显示绝缘层是两个不同层，但是本领域的技术人员将意识到此两层可在进入页面的一点处连接起来。
形成在绝缘层上方的第一和第二压缩材料层343、345提供压缩应力333、335以辅助被钉扎层311的钉扎。压缩材料是一种材料，该材料在形成有间断(例如由磁阻元件309提供的间断)时，倾向于要扩展到该间断内，而不是如一些其它材料将表现的那样从该间断缩回。例如Rh表现出这样的压缩特性，尽管也可以使用其它材料。压缩材料343、345提供的压缩力333、335大大增强了被钉扎层311的自钉扎，并有利地防止方位角翻转。
形成在压缩材料层上方的第一和第二硬偏置层(HB)347、349提供偏置以维持自由层321的自由磁取向337如期望的那样取向。本领域的技术人员将意识到，HB层347、349应该设置成充分邻近自由层321以实现自由层321的有效偏置。HB层347、349可为例如CoPt，并可包括CrMo籽层。HB层347、349也可为CoPtCr，并可包括Cr籽层。进一步，本发明预期构造其它硬磁材料的HB层。
第三和第四压缩层351、353(可以为例如Rh)可设置在HB层347、349之上，接着是Ta覆盖层(capping layer)355、357。另外，薄(约20埃)Ta籽层可设置在第三和第四压缩层351、353下方。这些额外的压缩层351、353能为避免方位角翻转提供进一步的钉扎辅助。绝缘层359、361设置在Ta覆盖层之上从而确保感测电流如期望的那样只流经MR元件309。
本发明人发现，在自钉扎MR元件309的侧面设置压缩材料343、345极大地提高了引起不期望的方位角翻转所需要的反转磁场(switching field)。另外，本发明人发现，压缩层343、345越厚，此反转磁场变得越大。鉴于磁头通常构造为具有相对平的底部引线，这样的结构不允许较厚的压缩层。这种情形中，提供厚压缩层343、345、351、353将引起上屏蔽323在侧部强烈向上张开，导致对于后来的制造工艺无法接受的形貌。本发明人已经加入创新的凹进部分339、341，从而为压缩层343、345、351、353提供空间而不牺牲形貌。通过将绝缘层339、341构造进屏蔽303的凹进部分305、307，其上形成的稳定化结构能够以更大的厚度并以可控的方式制造，直到自钉扎层可被所提供的额外应力充分钉扎的程度。
磁传感器301可通过首先在衬底(未示出)上沉积例如NiFe的磁性层形成。NiFe可通过包括电镀的各种方法沉积。然后，MR元件309的层可沉积为完整的膜层，接着利用在将要成为MR元件309的区域之上的光致抗蚀剂掩模构图。可使用离子研磨工艺来以可控的方式去除MR和屏蔽材料，形成MR元件309和凹进部分305、307。随后，所希望的是用大仰角(high angle)离子研磨步骤从传感器309和屏蔽303的凸起部分304的侧面去除再沉积的材料。然后，绝缘层339、341、第一和第二压缩层343、345、硬偏置层347、349、第三和第四压缩层351、353、覆盖层355、357、以及绝缘层359、361可被沉积。
构造磁头301的另一工艺包括沉积屏蔽303，然后在将要成为凸起部分304的区域之上沉积掩模层(例如光致抗蚀剂)。然后可执行离子研磨工艺，从而去除材料以形成屏蔽303的凸起部分304。接着，绝缘材料可沉积为完整膜，并且光致抗蚀剂可被剥离，留下绝缘层339、341。接下来，利用例如化学机械抛光的平坦化步骤可制备有利的平坦表面，其上将形成后继层。作为选择，光致抗蚀剂层可在完整膜绝缘层的沉积前去除，并且可使用CMP工艺来平坦化结构并从其上将构造MR元件303的凸起部分304去除绝缘体。
本领域的技术人员将意识到，本发明可用于GMR传感器及TMR。如果GMR传感器作为MR元件使用，则将在MR元件309与第一和第二屏蔽303、323之间设置称为第一和第二间隙层的绝缘层。然后，将形成引线，以向MR元件309的每一侧面提供感测电流。在此情形中，上压缩层351、353和下压缩层343、345二者可兼作提供感测电流的引线。
在本发明的一个示例性实施例中，第一和第二压缩层均具有至少17埃的厚度，或至少200埃的厚度，或至少750埃的厚度。
可以看出，本发明通过为增加自钉扎MR传感器中方位角翻转的阻力提供钉扎方案克服了现有技术的很多困难。尽管上面已经描述了各种实施例，但应当理解这些只是作为例子提出而不是限制。因此，优选实施例的宽度和范围不应被任何上述示例性实施例限制，而应只根据权利要求及其等价物来定义。
Claims (20)
1.一种磁传感器，包括：
第一磁屏蔽层，具有凸起部分、以及自此横向延伸的第一和第二横向对立的凹进部分；
磁阻传感器，其形成于所述第一磁屏蔽层的所述凸起部分之上，所述磁阻传感器具有反平行耦合的自钉扎层，并具有自由磁层；以及
第一和第二压缩层，其形成于所述屏蔽的所述第一和第二凹进部分之上。
2.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述反平行被钉扎层包括被反平行耦合层分隔的具有正磁致伸缩的第一和第二铁磁层，并且其中所述自钉扎层的钉扎由磁致伸缩与所述第一和第二铁磁层之间的静磁耦合的结合辅助。
3.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述自钉扎层在不存在与反铁磁材料的交换耦合的辅助的情况下被钉扎。
4.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述第一和第二压缩层包括Cu。
5.如权利要求1所述的磁传感器，还包括第一和第二金属层，其形成于所述第一和第二硬磁材料层之上。
6.如权利要求5所述的磁传感器，其中所述第一和第二金属层包括Rh。
7.如权利要求1所述的磁传感器，还包括第一和第二硬磁层，其形成于所述屏蔽的所述凹进部分之上，所述第一和第二硬磁材料层包括CoPt，并且还包括第一和第二CrMo籽层。
8.如权利要求1所述的磁传感器，还包括第一和第二硬磁层，其形成于所述屏蔽的所述凹进部分之上，所述第一和第二硬磁材料层包括CoPtCr并进一步包括第一和第二Cr籽层。
9.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述第一和第二压缩层均具有至少200埃的厚度。
10.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述第一和第二压缩层均具有至少750埃的厚度。
11.如权利要求1所述的磁传感器，还包括设置于所述反平行被钉扎层和所述自由磁层之间的绝缘层。
12.如权利要求1所述的磁传感器，还包括设置于所述反平行被钉扎层和所述自由磁层之间的导电层。
13.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述第一和第二铁磁层包括具有正磁致伸缩的材料。
14.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述屏蔽层与所述反平行被钉扎层电联系。
15.如权利要求1所述的磁传感器，还包括设置于所述屏蔽和所述反平行被钉扎层之间的电绝缘层。
16.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述被钉扎层的所述铁磁层中的至少一个包括CoFe。
17.如权利要求1所述的磁传感器，其中所述第一和第二压缩层具有至少17埃的厚度。
18.如权利要求1所述的磁传感器，还包括：
第一和第二硬磁偏置层，其形成于所述第一和第二压缩层之上；以及
第三和第四压缩层，其形成于所述第一和第二硬偏置层之上。
19.如权利要求18所述的磁传感器，其中所述第三和第四压缩层包括Rh。
20.一种数据存储系统，包括：
与机架连接的电机；
与所述电机连接的心轴；
磁盘，其支撑在所述心轴上以围绕其自身的轴旋转；
致动器；以及
滑块，其由所述致动器支撑以在所述盘表面上作枢轴运动；
形成在所述滑块上的磁传感器，所述磁传感器包括：
第一磁屏蔽层，其具有凸起部分、以及自其横向延伸的第一和第二横向对立的低矮部分；
磁阻传感器，其形成于所述第一磁屏蔽层的所述凸起部分之上，所述磁阻传感器具有反平行耦合的自钉扎层，并具有自由磁层；以及
第一和第二压缩层，其形成于所述屏蔽的所述第一和第二横向对立的低矮部分之上。
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