CN1697025A - 具有形成于端部区域的反铁磁钉扎层结构的自旋阀传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自旋阀传感器。本发明一示例性实施例中，自旋阀传感器包括：自由层结构；包括至少第一反平行(AP)被钉扎层的AP被钉扎层结构；及形成在自由层结构和AP被钉扎层结构之间的非磁的导电间隔层。用于磁性钉扎第一AP被钉扎层的第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构形成在端部区域中，但不在其中央区域。每个AFM钉扎层结构的边缘和传感器边缘分开距离DA。第一AP被钉扎层形成在中央区域和端部区域中，从而与第一和第二AFM钉扎层结构相接触。有利地，在提供了自钉扎传感器的优点(即中央区域中的传感器剖面很薄)的传感器中表现出足够的钉扎特性。

Description

具有形成于端部区域的反铁磁钉扎层结构的自旋阀传感器
技术领域
本发明涉及一种自旋阀传感器，并特别涉及一种具有被钉扎层的自旋阀传感器，该被钉扎层被中央有源传感器区域外的端部区域中的反铁磁(AFM)钉扎层纵向偏置。
背景技术
计算机通常包括辅助存储器存储装置，其具有介质，数据可以写在介质上并可从介质读取数据以供后来使用。具有旋转磁盘的直接存取存储器(盘驱动器)通常被用来在盘表面上以磁的形式存储数据。数据记录在盘表面上同心的、径向隔开的磁道上。然后用具有读传感器的磁头从磁盘表面上的磁道读取数据。
大容量磁盘驱动器中，磁电阻(MR)读传感器，一般称为MR磁头，是主要的读传感器，因为它与薄膜感应磁头相比，可以以更大的线密度从磁盘表面读取数据。MR传感器通过其MR感应层(也称为“MR元件”)的电阻的变化来检测磁场，该变化是MR层感应到的磁通量的强度和方向的函数。
传统MR传感器根据各向异性磁电阻(AMR)效应工作，AMR效应中，MR元件电阻与MR元件的磁化方向和流经MR元件的传感电流(sensecurrent)的方向之间的角度的余弦的平方成正比。因为来自已记录的磁介质的外部磁场(信号场)导致MR元件中磁化方向的变化，这又导致MR元件中电阻的变化以及感应电流或电压的相应变化，因此可以从磁介质读出记录的数据。
MR传感器的一般分类中，巨磁电阻(GMR)传感器表现了GMR效应。GMR传感器中，MR感应层(sensing layer)的电阻作为被非磁性层(间隔层)隔开的磁性层之间的传导电子的自旋相关传输以及伴随的磁性层和非磁性层界面处以及磁性层内部的自旋相关散射的函数而变化。只采用由一层非磁性材料(例如铜)分开的两层铁磁材料(例如镍-铁、钴-铁或镍-铁-钴)的GMR传感器一般称为自旋阀(SV)传感器，其表现出自旋阀效应。
SV传感器中，铁磁层中的一层称为被钉扎层(pinned layer)，其磁化方向通常通过与反铁磁(AFM)(例如氧化镍、铁锰或铂锰)层之间的交换耦合被钉扎。AFM层产生的钉扎场应比退磁场大从而确保施加外场(例如磁盘上记录的位产生的场)期间被钉扎层的磁化方向保持固定。但是，其它称为自由层的铁磁层，其磁化方向并不固定，而是响应于磁介质上记录的信息所产生的场(信号场)而自由转动。被钉扎层可以是反平行(AP)被钉扎层结构的一部分，该结构包括形成在第一和第二AP被钉扎层之间的反平行耦合(APC)层。第一AP被钉扎层可以是例如与AFM钉扎层(pinning layer)交换耦合的层并被其钉扎。通过第一和第二AP被钉扎层之间的强反平行耦合，使第二AP被钉扎层的磁矩与第一AP被钉扎层的磁矩反平行。
但是，在自钉扎自旋阀传感器中，第一AP被钉扎层不是被AFM层钉扎，而是“被自身钉扎(self-pinned)”。这种类型的自旋阀传感器依赖用于自钉扎(self-pinning)效应的AP被自身钉扎的层结构的磁致伸缩和空气轴承表面(air bearing surface：ABS)应力。由于不再需要用于钉扎的厚度通常为150埃的AFM钉扎层，因此可以方便地制造较薄的传感器。
使用被自身钉扎结构的自旋阀传感器具有更薄的剖面和更高的灵敏度，从而可以实现更高的位密度。但是，被自身钉扎的自旋阀的问题之一是提高抗翻转的钉扎场。取决于磁盘上记录的位的极性，来自磁盘的读回信号(readback signal)被探测为“0”或“1”。但是，当磁头和磁盘间发生意外相互作用时(由于缺陷、粗糙、撞击等)，传感器受到导致被钉扎层磁化方向翻转的压应力或张应力。制造和/或处理期间传感器中静电放电(ESD)产生的电过度应力(electrical overstress：EOS)也可引起这种翻转。被钉扎层可永久或半永久地翻转其方向，这取决于应力的严重程度。这使读回信号的振幅产生翻转(就是术语“振幅翻转(amplitude flipping)”)，导致错误数据。尽管被自身钉扎结构的方法降低了被自身钉扎的自旋阀磁头中振幅翻转的发生几率和严重程度，但无法接受的大部分仍然表现出振幅翻转到相反极性状态。
因此，现在需要克服现有技术的这些以及其他不足。
发明内容
本发明的示例性实施例中，自旋阀传感器包括：自由层结构；包括至少第一反平行(AP)被钉扎层的AP被钉扎层结构；以及形成在自由层结构和AP被钉扎层结构之间的非磁导电间隔层。用于磁性钉扎第一AP被钉扎层的第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构形成在传感器的端部区域中，而不在传感器的中央区域。第一AP被钉扎层形成在中央区域和端部区域中，从而与端部区域中的第一和第二AFM钉扎层结构接触。有利地，在提供有被自身钉扎的传感器(即中央区域中的传感器剖面变薄)的优点的传感器中，表现出足够的钉扎特性。
附图说明
要更全面的理解本发明的本质和优点以及优选使用模式，应该参照下面结合附图的详细说明。附图中：
图1是示例磁盘驱动器的平面图；
图2是在图1的平面2-2中所见的具有磁盘驱动器磁头的滑块的端视图；
图3是磁盘驱动器的立体图，其中采用了多个磁盘和磁头；
图4是用于支撑滑块和磁头的示例悬架系统的立体图；
图5是沿图2的平面5-5截取的磁头空气轴承表面视图；
图6是在图2的平面6-6中所见的滑块和合并式磁头(merged magnetichead)的局部视图；
图7是沿图6的平面7-7截取的滑块的局部ABS视图，它示出了合并式磁头的读和写元件；
图8是沿图6的平面8-8截取的视图，去掉了线圈层和引线(lead)之上的所有部件；
图9是具有自旋阀传感器的读取头的放大立体图；
图10是“底型”自旋阀传感器的常用多层结构的ABS图；
图11是“顶型”自旋阀传感器的常用多层结构的ABS图；
图12是具有接触结的底型自旋阀传感器的ABS图，其中利用端部区域中的反铁磁(AFM)钉扎层结构来从底部钉扎反平行(AP)被钉扎层；
图13是引线叠层(lead-overlay)“底型”自旋阀传感器的ABS图，其中利用端部区域中的AFM钉扎层结构来从底部钉扎AP被钉扎层；
图14是引线叠层“顶型”自旋阀传感器的ABS图，其中利用端部区域中的AFM钉扎层结构来从顶部钉扎AP被钉扎层；
图15是具有邻接结的“顶型”自旋阀传感器的ABS图，其中利用端部区域中的AFM钉扎层结构来从顶部钉扎AP被钉扎层；
图16是图13的引线叠层底型自旋阀传感器在正常磁化状态时的磁场图；
图17是图13中的自旋阀传感器在强制“振幅翻转”状态时的磁场图；以及
图18是图13中的自旋阀传感器恢复到正常磁化状态时的磁场图。
具体实施方式
在本发明的示例实施例中，自旋阀传感器包括：自由层结构；包括至少第一反平行(AP)被钉扎层的AP被钉扎层结构；以及形成在自由层结构和AP被钉扎层结构之间的非磁导电间隔层。用于磁性钉扎第一AP被钉扎层的第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构形成在传感器的端部区域中，而不在传感器的中央区域。第一AP被钉扎层形成在中央区域和端部区域中，从而与端部区域中的第一和第二AFM钉扎层结构接触。有利地，在提供了被自身钉扎的传感器(即中央区域中的传感器剖面变薄)的优点的传感器中，表现出足够的钉扎特性。自旋阀传感器可以是“底型(bottom-type)”传感器(无论是否是“引线叠层”设计)，其中部分第一AP被钉扎层形成在端部区域中第一和第二AFM钉扎层结构上并与之接触。另一方面，自旋阀传感器可以是“顶型(top-type)”传感器，其中部分第一AP被钉扎层形成在端部区域中第一和第二AFM钉扎层结构下面并与之接触。
以下说明描述了目前可预期的实施本发明的几个实施例。本说明试图解释本发明的基本原理，而并不意味着限制这里提出的发明构思。
磁盘驱动器。现在参考附图，图中相同的附图标记指示相同或相似的部分。图1至3说明了磁盘驱动器30。磁盘驱动器30包括心轴32，它支撑并旋转磁盘34。通过由电机控制器38控制的心轴电机(motor)36旋转心轴32。滑块42包括组合读写磁头40并由悬架44和致动臂46支撑，致动臂46由致动器47旋转定位。磁头40可利用依照本发明制造的读传感器。如图3所示，大容量直接存取存储装置(DASD)中可采用多个磁盘、滑块和悬架。驱动器47移动悬架44和致动臂46来定位滑块42，从而磁头40和磁盘34的表面处于转换关系(transducing relationship)。当磁盘34被心轴电机36旋转时，滑块42被支撑在磁盘34表面和空气轴承表面(ABS)48之间的薄(一般10到15nm)气垫(空气轴承)上。然后磁头40可用于写入信息到磁盘34的表面上的多个环形磁道(circular track)以及从其磁道读取信息。处理电路50与磁头40交换代表这些信息的信号、提供用于旋转磁盘34的心轴电机驱动信号、并且向致动器47提供用于移动滑块42到不同磁道的控制信号。图4中示出滑块安装在悬架44上。如图3所示，上文中说明的元件可安装在外壳(housing)55的框架(frame)54上。图5是滑块42和磁头40的ABS视图。滑块42具有支撑磁头40的中央导轨(rail)56以及侧导轨58和60。导轨56、58和60从横导轨(cross rail)62伸出。相对于磁盘34的旋转，横导轨62位于滑块42的前缘64，磁头40位于滑块42的后缘66。
图6是包括写入头部分70和读取头部分72的合并式磁头40的侧截面立体图。读取头部分72包括采用了自旋阀传感器74的巨磁电阻(GMR)读取头。图7是图6的ABS视图。自旋阀传感器74夹在非磁的电绝缘的第一和第二读间隙层76和78之间，读间隙层76和78夹在铁磁第一和第二屏蔽层80和82之间。自旋阀传感器74的电阻响应外部磁场而变化。通过传感器传导的传感电流(sense current)IS使电阻变化表现为电势变化。然后图3中的处理电路50将这些电压变化作为读回信号(readback signal)处理。
磁头40的写入头部分70包括夹在第一和第二绝缘层86和88之间的线圈层84。可采用第三绝缘层90来用于平坦化磁头，从而除去第二绝缘层中线圈层84导致的波纹。本领域中将第一、第二和第三绝缘层称为“绝缘堆叠(insulation stack)”。线圈层84和第一、第二、第三绝缘层86、88、90夹在第一和第二极片层(pole piece layer)92和94之间。第一和第二极片层92和94在后间隙96处磁耦合并具有在ABS处由写间隙层102隔开第一和第二极尖(pole tip)98和100。因为第二屏蔽层82和第一极片层92是公共层，所以这种磁头又被称为合并式磁头(merged head)。在背负式磁头(piggybackhead)中绝缘层位于第二屏蔽层和第一极片层之间。如图2和4所示，第一和第二焊接连接(solder connection)104和106从自旋阀传感器74连接引线到悬架44上的引线112和114上，第三和第四焊接连接116和118从线圈84(见图8)连接引线120和122到悬架44上的引线124和126上。
图9是图7所示的包括自旋阀传感器74的读取头40的放大立体ABS视图。第一和第二硬偏置和引线层134和136连接到自旋阀传感器74的第一和第二侧边138和139。本领域中这种连接称为接触结(contiguousjunction)，在共同让渡的美国专利第5,018,037中有充分说明，在此引入作为参考。第一硬偏置和引线层134包括第一硬偏置层(hard bias layer)140和第一引线层(lead layer)142，第二硬偏置和引线层136包括第二硬偏置层144和第二引线层146。硬偏置层140和144使磁场垂直地延伸通过自旋阀传感器74来稳定其中的磁畴。自旋阀传感器74和第一及第二硬偏置和引线层134和136位于非磁的电绝缘的第一和第二读间隙层76和78之间。第一和第二读间隙层76和78位于铁磁性第一和第二屏蔽层80和82之间。
图10示出位于第一和第二读间隙层76和78之间的“底型”自旋阀传感器200的常见的多层结构的ABS图。自旋阀传感器200包括非磁的导电的间隔(S)层202，它位于反平行(AP)被钉扎层结构204和自由层结构206之间。AP被钉扎层结构204包括反平行耦合(APC)层208，它位于第一和第二铁磁性AP被钉扎层210(AP1)和212(AP2)之间。如图10所示，第一AP被钉扎层210和反铁磁(AFM)钉扎层214交换耦合，反铁磁(AFM)钉扎层214垂直于ABS在进入或离开传感器200的方向上钉扎第一AP被钉扎层210的磁矩214。AFM钉扎层214形成在传感器200的中央区域中。通过第一和第二AP被钉扎层210和212之间的强反平行耦合，第二AP被钉扎层212的磁矩216反平行于磁矩214。可在第一读间隙层76和钉扎层214之间设置第一、第二和第三种子层(seed layer)218(SL1)、220(SL2)和222(SL3)，用于促进沉积于其上的层的理想纹理(texture)。自由层结构206包括第一和第二自由铁磁层224(F1)和226(F2)，其中第一自由层224与间隔层202接界。如图10所示，自由层结构224具有磁矩228，在从左到右或从右到左的方向上平行于ABS和层的主平面取向。注意，“底型”构造中，自由层224和226位于传感器200的顶部部分。在自由层结构206上形成盖层234来保护传感器。
当来自旋转的磁盘的信号场将磁矩228旋转到进入传感器(也就是进入页面)时，磁矩228和216变成更加反平行，这增加了传感器对传感电流(IS)的电阻。当信号场将磁矩228旋转到指向传感器外面(也就是从页面出来)时，磁矩228和216变成更加平行，这降低了传感器200对传感电流(IS)的电阻。这些电阻变化作为读出信号(playback signal)由处理电路(也就是图3中的处理电路50)处理。
图10的多层自旋阀传感器200中可使用下列材料。从下往上，第一、第二和第三种子层分别由氧化铝(Al2O3)、镍铁铬(NiFeCr)和镍铁(NiFe)制成；AFM层214由铂锰(PtMn)制成或两者择一地由铱锰(IrMn)或镍铁(NiFe)制成；AP被钉扎层210和212由钴铁(CoFe)制成；APC层208由钌(Ru)制成；第一和第二自由层224和226分别由钴铁(CoFe)和镍铁(NiFe)制成；间隔层202由铜(Cu)或氧化铜(CuO)制成；盖层234由钽(Ta)制成。铜层230可位于第二自由层226上，用于将传导电子反射回到传导电子的平均自由程内。特定材料的厚度可以为：用于第一种子层218的Al2O3为3纳米(nm)；用于第二种子层220的NiFeCr为3nm；用于第三种子层222的NiFe为1nm；用于AFM层214的PtMn为3nm；用于第一AP被钉扎层210的Co90Fe10(下标为特定元素的重量百分数)厚度变化范围为1至3nm；用于APC层208的Ru为0.8nm；用于第二AP被钉扎层212的Co90Fe10厚度变化范围为1到3nm；用于间隔层202的CuO为2nm；用于第一自由层224的Co90Fe10为1nm；用于第二自由层226的Ni83Fe17(下标为特定元素的重量百分数)为1.6nm；用于第二间隔层230的Cu的各种厚度；用于盖层234的Ta为6nm。
图11示出“顶型”自旋阀传感器1100的常用多层结构的ABS图。很明显，除了大多数层顺序颠倒，图11中示出的自旋阀传感器1100和图10中示出的自旋阀传感器基本相同。“顶型”构造中，自由层结构206位于传感器的较下部部分，而AP被钉扎层结构204位于传感器的上部部分。AFM钉扎层214直接形成在中央区域中AP被钉扎层结构204之上。
图12是本发明第一实施例的包括“底型”自旋阀传感器的磁头1290的放大ABS图。图12的自旋阀传感器包括主要形成在中央区域中的具有接触结的读传感器结构1200。硬偏置层1240和1244及引线层1242和1246形成在端部区域1260和1261中，从而邻接读传感器结构1200的接触结。第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构1214和1215也形成在端部区域1260和1261中硬偏置层1240和1244之下，但不在中央区域1262中。第一和第二绝缘层1277和1278是可选的，可分别形成在AFM钉扎层结构1214和1215与硬偏置层1240和1244之间。整个结构夹在第一和第二非磁的电绝缘间隙层1276和1279之间，所述间隙层本身夹在第一和第二铁磁屏蔽层1280和1282之间。
读传感器结构1200包括顶部自由层结构1206、底部反平行(AP)被钉扎层结构1204和位于自由层结构1206与AP被钉扎层结构1204之间的非磁的导电间隔层1202。AP被钉扎层结构1204主要形成在中央区域1262中，它包括第一AP被钉扎层1210(AP1)、第二AP被钉扎层1212(AP2)和位于第一与第二AP被钉扎层1210和1212之间的反平行耦合(APC)层1208。第一AP被钉扎层1210形成在中央区域1262和端部区域1260、1261中。特别地，第一AP被钉扎层1210的端部部分形成在端部区域1260、1261中的第一和第二AFM钉扎层结构1214、1215之上并与之相接触。注意，第一、第二AFM钉扎层结构1214、1215的边缘分别与读传感器结构1200的边缘以距离DA1265和1266分开。每个距离DA1265和1266优选地在0-0.2微米之间。
假定为图12的特定结构，第一和第二AFM钉扎层结构1214和1215与道宽边缘隔开距离DA1265和1266而磁性钉扎第一AP被钉扎层1210。第一AP被钉扎层1210内的膜内交换将被钉扎方向耦合到中央有源区域(activeregion)1262中并在第一和第二AP被钉扎层1210和1212翻转时重置第一和第二AP被钉扎层1210和1212。这种构造有助于防止被钉扎层磁化方向的翻转(被钉扎层中大矫顽力HK也有助于防止翻转)。这种构造也有助于当被钉扎层取向翻转后恢复其方向。有利地，图12的自旋阀传感器可以在中央区域1226制得象“自钉扎”传感器一样薄，从该处可以感知信号而不必担心振幅翻转。
现在将说明制造图12的磁头1290的一种方法。屏蔽层1280形成在晶片表面上，接着形成间隙层1276。然后，在间隙层1276之上形成中央保护层(central resist)并在整个结构之上沉积AFM钉扎层材料。除去中央保护层，则在端部区域1260和1261中留下第一和第二AFM钉扎层结构1214和1215。每个距离DA1265和1266由此中央保护层的宽度限定。从沉积第一AP被钉扎层1210开始，在得到的结构之上以完整膜的形式沉积读传感器的层。利用形成在自由层之上的新中央保护层，实施离子研磨(ion milling)来除去端部区域1260和1261中的读传感器材料，直到达到第一AP被钉扎层1210。然后终止离子研磨，从而端部区域1260和1261中第一AP被钉扎层1210未被去除。读传感器的道宽由中央保护层的宽度限定。因此，形成了读传感器结构1200的第一和第二侧缘1238和1239来限定传感器的道宽，使之具有接触结。保留中央保护层，在整个结构之上沉积绝缘材料(如果采用)、硬偏置和引线材料。除去中央保护层，在端部区域1260和1261中，绝缘层1277和1278(如果采用)、硬偏置层1240和1244、引线层1242和1246保留下来。因为AFM钉扎层结构1214和1215仅仅部分地形成在端部区域1214和1215中，所以绝缘层1277和1278(如果采用)、硬偏置层1240和1244以及引线层1242和1246形成为平坦的，但是然后在端部区域1214和1215中隆起到AFM钉扎层结构1214和1215之上，如图12所示。
图13是本发明第二实施例的具有“底型”自旋阀传感器的磁头1390的放大ABS图，其中“底型”自旋阀传感器具有引线叠层(lead-overlay)构造。图13的自旋阀传感器包括形成在中央区域1362中并延伸至少部分地穿入端部区域1360和1361的多个读传感器层1300。引线层1342和1346形成在端部区域1360和1361中，并在读传感器层1300之上向内朝向中央区域1362，从而其内边缘限定了读传感器的道宽。硬偏置层1340和1344部分地形成在端部区域1360和1361中，从而如所示邻接传感器层1300的边缘1338和1339。第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构1314和1315也形成在端部区域1360和1361中、硬偏置层1340和1344之下，但不在中央区域1362中。第一和第二绝缘层1377和1378是可选的，它们分别形成在AFM钉扎层结构1314和1315与硬偏置层1340和1344之间。此整个结构夹在第一和第二非磁电绝缘间隙层1376和1379之间，所述间隙层1376和1379本身夹在第一和第二铁磁屏蔽层1380和1382之间。
读传感器层1300包括顶部自由层结构1306、底部反平行(AP)被钉扎层结构1304和位于两者之间的非磁的导电间隔层1302。AP被钉扎层结构1304包括第一AP被钉扎层1310(AP1)、第二AP被钉扎层1312(AP2)和位于两者之间的反平行耦合(APC)层1308。第一AP被钉扎层1310端部部分形成在端部区域1360和1361中的第一和第二AFM钉扎层结构1314和1315之上并与之相接触。注意，第一和第二AFM钉扎层结构1314和1315的边缘分别与读传感器的道宽边缘分隔开距离DA1365和1366。每个距离DA1365和1366优选地在0-0.2微米之间。
假定为图13的特定结构，第一和第二AFM钉扎层结构1314和1316与道宽边缘相距距离DA1365和1366来磁性钉扎第一AP被钉扎层1310。第一AP被钉扎层1310内的膜内交换(intra-film exchange)将被钉扎的方向耦合到中央有源区域1362中并且如果第一和第二AP被钉扎层1310和1312翻转则重置它们。这种构造有助于防止被钉扎层磁化翻转(被钉扎层中大矫顽力HK也有助于防止翻转)。这种构造也有助于被钉扎层取向翻转后恢复其取向。有利地，图13的自旋阀传感器可以在中央区域1362中制得同“自钉扎”传感器一样薄，在该处可以感知信号而不必担心振幅翻转。
现在说明制造图13的磁头1390的一种方法。在硅晶片表面上形成屏蔽层1380，接着形成间隙层1376。然后，在间隙层1376上形成中央保护层，以及在整个结构之上沉积AFM钉扎层材料。除去中央保护层后，第一和第二AFM钉扎层结构1314和1315保留在端部区域1360和1361中。每个距离DA1365和1366由中央保护层的宽度限定。然后从沉积第一AP被钉扎层1310开始，以完整膜的形式在所得结构之上沉积读传感器的层。利用形成在自由层之上的新的中央保护层，实施离子研磨来除去最外端部区域1360和1361中的读传感器材料。当达到第一和第二AFM钉扎层结构1314和1315时，终止离子研磨。然后在整个结构之上沉积硬偏置材料，并除去中央保护层，从而在最外端部区域1360和1361中形成硬偏置层1340和1344。仍然使用新的中央保护层，在整个结构之上沉积引线层材料，并且当除去此新中央保护层时，保留引线层1342和1346使得其内缘限定传感器的道宽。因为AFM钉扎层结构1314和1315仅仅部分地形成在端部区域1314和1315中，读传感器层1300及引线层1342和1346形成为平坦的，但是然后隆起到AFM钉扎层结构1314和1315之上，如图13所示。
图14是本发明第三实施例的包括“顶型”自旋阀传感器的磁头1490的放大ABS图，该“顶型”自旋阀传感器具有引线叠层构造。图14的自旋阀传感器包括形成在中央区域1462中并延伸至少部分地穿入端部区域1460和1461的多个读传感器层1400。引线层1442和1446形成在端部区域1460和1461中，并且在读传感器层1400之上向内朝向中央区域1362从而其内缘为读传感器限定道宽。硬偏置层1440和1444部分地形成在端部区域1460和1461中，从而如所示邻接传感器层1400的边缘1438和1439。第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构1414和1415也形成在端部区域1460和1461中、硬偏置层1440和1444之下上，但不在中央区域1462中。第一和第二绝缘层1477和1478是可选的，它们分别将AFM钉扎层结构1414和1415与硬偏置层1440和1444分隔开。此整个结构夹在第一和第二非磁的电绝缘间隙层1476和1479之间，所述间隙层1476和1479本身夹在第一和第二铁磁屏蔽层1480和1482之间。
读传感器层1400包括底部自由层结构1406、顶部反平行(AP)被钉扎层结构1404和位于两者之间的非磁的导电间隔层1402。AP被钉扎层结构1404包括第一AP被钉扎层1410(AP1)、第二AP被钉扎层1412(AP2)和位于两者之间的反平行耦合(APC)层1408。第一AP被钉扎层1410的端部部分在端部区域1460和1461中形成在第一和第二AFM钉扎层结构1414和1415之下并与之相接触。注意，第一和第二AFM钉扎层结构1414和1415的边缘分别与道宽边缘间隔开距离DA1465和1466。优选地，每个距离DA1465和1466在0至0.2微米之间。
假定为图14的特定结构，第一和第二AFM钉扎层结构1414和1416在相距道宽边缘的距离DA1465和1466处磁性钉扎第一AP被钉扎层1410。第一AP被钉扎层1410内的膜内交换将被钉扎方向耦合到中央有源区域1462中并且如果第一和第二AP被钉扎层1410和1412翻转则重置它们。这种构造有助于防止被钉扎层磁化的翻转(被钉扎层中的大矫顽力HK也有助于防止翻转)。这种构造也有助于被钉扎层取向翻转后恢复其取向。有利地，图14的自旋阀传感器可以在中央区域1462中制得同“自钉扎”传感器一样薄，在该处感知信号而不必担心振幅翻转。
现在说明制造图14的磁头1490的方法。在晶片表面上形成屏蔽层1480，接着形成间隙层1476。然后从沉积自由层1406开始，在所得结构上沉积读传感器层1400。利用形成在读传感器层1400之上的中央保护层，实施离子研磨来除去最外端部区域1460和1461中的读传感器材料。当到达间隙层1476时终止离子研磨。然后在整个结构之上沉积硬偏置材料和绝缘材料(如果采用)，并且除去中央保护层从而硬偏置层1440和1444及绝缘层1477和1478(如果采用)形成在最外端部区域1460和1461中。利用新的中央保护层，在整个结构之上沉积AFM钉扎层材料。除去此中央保护层后，AFM钉扎层结构1414和1415保留在端部区域1460和1461中。该中央保护层的宽度限定距离DA。仍然使用新的中央保护层，在整个结构上沉积引线层材料。当除去该新的中央保护层时，由此形成引线层1442和1446，从而其内缘限定传感器的道宽。因为AFM钉扎层结构1414和1415形成在端部区域1414和1415中、读传感器层1400之上，所以如图14所示，读传感器层1400形成为平坦的。
图15是本发明第四实施例的包括“顶型”自旋阀传感器的磁头1590的放大ABS图。图15的自旋阀传感器包括形成在中央区域1562中的具有邻接结(abutted junction)的顶型读传感器结构1500。读传感器结构1500包括底部自由层结构1506、顶部反平行(AP)被钉扎层结构1504和位于它们之间的非磁的导电间隔层1502。AP被钉扎层结构1504主要形成在中央区域1562中，其包括第一AP被钉扎层1510(AP1)、第二AP被钉扎层1512(AP2)和位于它们之间的反平行耦合(APC)层1508。本实施例中，第一AP被钉扎层1510是具有顶层和底层的双层结构。第一AP被钉扎层1510的顶层形成在中央区域1562及端部区域1560和1561中。第一AP被钉扎层1510的底层仅仅形成在中央区域1562中、在顶层之下并与之相接触。第一AP被钉扎层1510的顶层的端部部分形成在端部区域1560和1561中的第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构1514和1515之下并与之相接触。
第一和第二AFM钉扎层结构1514和1515形成在端部区域1560和1561中的引线层1542和1546之下，但不在中央区域1562。注意，第一和第二AFM钉扎层结构1514和1515的内缘与读传感器结构1500的外缘1538和1539分隔开DA1560和1561的距离。优选地，每个距离DA1560和1561在0至0.2微米之间。紧在间隙层1576之上，硬偏置层1540和1544形成在端部区域1560和1561中，从而邻接读传感器结构1500的结。第一和第二绝缘层1577和1578是可选的，它们形成在硬偏置层1540和1544与第一AP被钉扎层1510之间。整个结构夹在第一和第二非磁的电绝缘间隙层1576和1579之间，所述间隙层1576和1579它们本身夹在第一和第二铁磁屏蔽层1580和1582之间。
假定为图15的特定结构，第一和第二AFM钉扎层结构1514和1516在相距道宽边缘的距离DA1565和1566处磁性钉扎第一AP被钉扎层1510。第一AP被钉扎层1510内的膜内交换将被钉扎方向耦合到中央有源区域1562中并且如果第一和第二AP被钉扎层1510和1512翻转则重置它们。这种构造有助于防止被钉扎层磁化的翻转(被钉扎层中大矫顽力HK也有助于防止翻转)。这种构造也有助于在被钉扎层取向翻转后恢复其取向。有利地，图15的自旋阀传感器可以在中央区域1562中制得同“自钉扎”传感器一样薄，在该处感知信号而不必担心振幅翻转。
现在说明制造图15的磁头1590的一种方法。在晶片表面上形成屏蔽层1580，接着形成间隙层1576。然后从沉积自由层开始，在所得结构上以完整膜(full film)沉积读传感器层(包括第一AP被钉扎层的底层，不包括顶层)。利用形成在自由层之上的中央保护层，实施离子研磨来除去端部区域1560和1561中的读传感器材料。当到达间隙层1576时终止离子研磨。然后在整个结构之上沉积硬偏置材料和绝缘材料(如果采用)，并且除去中央保护层从而在端部区域1560和1561中形成硬偏置层1540和1544及绝缘层1577和1578(如果采用)。然后在结构之上沉积第一AP被钉扎层1510的顶层。利用新中央保护层，在整个结构之上沉积AFM钉扎层材料，接着沉积引线层材料。该中央保护层的宽度限定距离DA。当该中央保护层被除去时，AFM钉扎层结构1514和1515以及引线层1542和1546形成在端部区域1560和1561中。
图16是与本发明的一自旋阀传感器相关的磁化图1602、1604和1606。图16的例子与图13的自旋阀传感器相关，但也可代表其他结构。图1602相应于自由层(例如图13的自由层1306)，图1604相应于第二AP被钉扎层(例如图13的第二AP被钉扎层1312)，并且图1606相应于第一AP被钉扎层(例如图13的第一AP被钉扎层1310)。该模拟显示AFM钉扎层结构的边缘与道宽之间的距离DA1365和1366可取十分合理的、宽松的值。该例中，中央区域1362的道宽约为110纳米(nm)，每个距离DA1365和1366约为80nm，并且端部区域1360和1361每个具有约60nm的宽度。磁性状态电流(magnetic state current)的设计值维持在-1.76毫安(mA)，其中第一AP被钉扎层1310和第二AP被钉扎层1312的矫顽力HK为300奥斯特(Oe)(横贯图16中膜的长轴)。如图1602、1604和1606中箭头所示，与第一AP被钉扎层1310、第二AP被钉扎层1312和自由层结构1306的磁化相关的角度分别是-90°、+90°和0°。这是理想的自旋阀磁状态。
图17是相同自旋阀在“振幅翻转”状态的磁场图1702、1704和1706，其中该翻转状态通过将电流从-1.76mA变为+20mA产生。如此大的反向电流提供了一种在自旋阀传感器中人工产生翻转状态的便利办法。和图16相似，图1702相应于自由层(例如图13的自由层1306)，图1704相应于第二AP被钉扎层(例如图13的第二AP被钉扎层1312)，并且图1706相应于第一AP被钉扎层(例如图13的第一AP被钉扎层1310)。如图1702、1704和1706中的箭头所示，与第一和第二AP被钉扎层1310和1312的磁力线相关的角度分别是+70°和-110°。显然，磁化已经从AFM钉扎区域1314和1315中的所希望的钉扎场方向(-90°和+90°)旋转到了中央有源区域1362中的不希望的翻转了的方向(+90°和-90°)。由于膜内交换耦合，这导致交换能(exchange energy)显著增加，该能量对于空间地一致的磁状态下最低。换句话说，膜内交换能(exchange energy)将第一和第二AP被钉扎层1310和1312的在AFM钉扎区域1360和1361中的磁化耦合到中央有源区域1362的磁化，这施加了一个复原力矩(restoring torque)来自然地恢复第一和第二AP被钉扎层1310和1312的磁化(如果没有反向电流)。随着电流以5mA的步幅从+20mA下降到+5mA时，在+10mA到+5mA间的某个电流处，第一和第二AP被钉扎层1310和1312自然地自恢复。如图18的图1802、1804和1806所示，当磁化电流进一步降低到-1.76mA时，自由层1306返回到其初始偏置角。
总结。如这里所描述的，自旋阀传感器包括形成在端部区域中的第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构。本发明一示例性实施例中，自旋阀传感器包括：自由层结构；包括至少第一反平行(AP)被钉扎层的AP被钉扎层结构；及形成在自由层结构和AP被钉扎层结构之间的非磁的导电间隔层。用于磁性钉扎第一AP被钉扎层的第一和第二AFM钉扎层结构形成在传感器的端部区域中，但不在传感器的中央区域。第一AP被钉扎层形成在中央区域和端部区域中，从而与第一和第二AFM钉扎层结构相接触。有利地，在提供了自钉扎传感器的优点(即中央区域中的传感器剖面很薄)的传感器中表现出足够的钉扎特性。
本发明的磁头包括：第一和第二屏蔽层；夹在第一和第二屏蔽层之间的第一和第二间隙层；形成在第一和第二间隙层之间的自旋阀传感器。自旋阀传感器包括：自由层结构；反平行(AP)被钉扎层结构；及形成在自由层结构和AP被钉扎层结构之间的非磁的导电间隔层。AP被钉扎层结构包括：第一AP被钉扎层；第二AP被钉扎层；及形成在第一和第二AP被钉扎层之间的反平行耦合(APC)层。第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构形成在传感器端部区域中，但不在传感器中央区域。本发明的磁盘驱动器可包括：外壳(housing)；外壳中被可旋转地支撑着的磁盘；磁头；安装在外壳中用于支撑磁头使之与磁盘保持转换关系的支撑物；用于旋转磁盘的心轴电机；连接到支撑物用于移动磁头到相对于所述磁盘的多个位置的致动器定位装置；与磁头组件、心轴电机及致动器相连用于和磁头交换信号、控制磁盘移动及控制磁头位置的处理器；包括读取头的磁头组件，读取头具有如上所述的自旋阀传感器。
应理解的是上述内容仅仅是本发明优选实施例的描述，在不偏离以下权利要求所限定的本发明的实质精神和范围的情况下，可以做出各种改动和变型。例如，结合图12至15示出的可选绝缘层可以不被采用，对于至少一些磁头设计也不实用。说明书和权利要求书中很少-如果有的话-术语或短语给出其任何不同于普通意义的特殊意义，因此本说明并不用于在过度狭窄的意义上限定术语。

Claims (27)

1.一种自旋阀传感器，包括：
自由层结构；
反平行(AP)被钉扎层结构；
形成在所述自由层结构和所述AP被钉扎层结构之间的非磁的导电间隔层；以及
形成在所述传感器的端部区域中但不在所述传感器的中央区域的第一和第二反铁磁(AFM)钉扎层结构。
2.如权利要求1的自旋阀传感器，其中所述AP被钉扎层结构包括：
第一AP被钉扎层；
第二AP被钉扎层；以及
形成在所述第一和所述第二AP被钉扎层之间的反平行耦合层。
3.如权利要求1的自旋阀传感器，其中所述AP被钉扎层结构包括：
第一AP被钉扎层；
第二AP被钉扎层；
形成在所述第一和所述第二AP被钉扎层之间的反平行耦合层；并且
所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中。
4.如权利要求1的自旋阀传感器，其中所述AP被钉扎层结构包括：
第一AP被钉扎层；
第二AP被钉扎层；
形成在所述第一和所述第二AP被钉扎层之间的反平行耦合层；
所述第一AP被钉扎层形成在所述传感器的所述中央区域和所述端部区域中；并且
其中所述第一和第二AFM钉扎层结构形成为邻近所述端部区域中的所述第一AP被钉扎层并与之相接触。
5.如权利要求1的自旋阀传感器，其中所述AP被钉扎层结构包括：
第一AP被钉扎层；
第二AP被钉扎层；
形成在所述第一和所述第二AP被钉扎层之间的反平行耦合层；
所述第一AP被钉扎层形成在所述传感器的所述中央区域和所述端部区域中；
其中所述第一和第二AFM钉扎层结构形成为邻近所述端部区域中的所述第一AP被钉扎层并与之相接触；以及
其中所述第一和所述第二AFM钉扎层结构中的每个与所述传感器的有源传感器区域的边缘隔开距离DA。
6.如权利要求1的自旋阀传感器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括底型传感器；
所述第一AP被钉扎层形成在所述传感器的所述中央区域和所述端部区域中；以及
部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之上并与之相接触。
7.如权利要求1的自旋阀传感器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括底型传感器，该底型传感器具有限定所述传感器的道宽的第一和第二引线层；
所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之上并与之相接触。
8.如权利要求1的自旋阀传感器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括顶型传感器；
所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之下并与之相接触。
9.如权利要求1的自旋阀传感器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括顶型传感器，该顶型传感器具有限定所述传感器的道宽的第一和第二引线层；
所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的第一和第二AFM钉扎层结构之下并与之相接触。
10.一种磁头，包括：
第一和第二屏蔽层；
夹在所述第一和第二屏蔽层之间的第一和第二间隙层；
形成在所述第一和所述第二间隙层之间的自旋阀传感器；
所述自旋阀传感器包括：
自由层结构；
反平行(AP)被钉扎层结构，其包括：
第一AP被钉扎层；
第二AP被钉扎层；
形成在所述第一和所述第二AP被钉扎层之间的反平行耦合层；
形成在所述自由层结构和所述AP被钉扎层结构之间的非磁的导电间隔层；以及
形成在所述传感器的端部区域中但不在所述传感器的中央区域的第一和第二AFM钉扎层结构。
11.如权利要求10的磁头，其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中。
12.如权利要求10的磁头，还包括：
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中所述第一和第二AFM钉扎层结构形成为邻近所述端部区域中的所述第一AP被钉扎层并与之相接触。
13.如权利要求10的磁头，还包括：
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域中并延伸贯穿所述端部区域；
所述第一AP被钉扎层形成在所述传感器的所述中央区域和所述端部区域中；
其中所述第一和第二AFM钉扎层结构形成为邻近所述端部区域中的所述第一AP被钉扎层并与之相接触；以及
其中所述第一和所述第二AFM钉扎层结构中的每个与所述传感器的有源传感器区域的边缘隔开距离DA。
14.如权利要求10的磁头，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括底型传感器；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之上并与之相接触。
15.如权利要求10的磁头，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括底型传感器，该底型传感器具有限定所述传感器的道宽的第一和第二引线层；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的第一和第二AFM钉扎层结构之上并与之相接触。
16.如权利要求10的磁头，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括顶型传感器；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的第一和第二AFM钉扎层结构之下并与之相接触。
17.如权利要求10的磁头，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括顶型传感器，该顶型传感器中具有限定所述传感器的道宽的第一和第二引线层；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之下并与之相接触。
18.一种磁盘驱动器，包括：
外壳；
所述外壳中被可旋转地支撑的磁盘；
磁头；
安装在所述外壳中用于支撑所述磁头从而使其与所述磁盘处于转换关系的支撑物；
用于旋转所述磁盘的心轴电机；
连接到所述支撑物用于移动所述磁头到相对于所述磁盘的多个位置的致动器；
处理器，其连接到所述磁头、所述心轴电机及所述致动器，用于与所述磁头交换信号、用于控制所述磁盘的移动及用于控制所述磁头的位置；
所述磁头包括自旋阀传感器，该自旋阀传感器包括：
自由层结构；
反平行(AP)被钉扎层结构，其包括：
第一AP被钉扎层；
第二AP被钉扎层；
形成在所述第一和所述第二AP被钉扎层之间的反平行耦合(APC)层；
形成在所述自由层结构和所述AP被钉扎层结构之间的非磁的导电间隔层；以及
形成在所述传感器的端部区域中但不在所述传感器的中央区域的第一和第二AFM钉扎层结构。
19.如权利要求18的磁盘驱动器，其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中。
20.如权利要求18的磁盘驱动器，还包括：
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中所述第一和第二AFM钉扎层结构形成为邻近所述端部区域中的所述第一AP被钉扎层并与之相接触。
21.如权利要求18的磁盘驱动器，还包括：
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；
所述第一AP被钉扎层形成在所述传感器的所述中央区域和所述端部区域中；
其中所述第一和第二AP钉扎层结构形成为邻近所述端部区域中的所述第一AP被钉扎层并与之相接触；以及
其中所述第一和所述第二AFM钉扎层结构中的每个与所述传感器的有源传感器区域的边缘隔开距离DA。
22.如权利要求18的磁盘驱动器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括底型传感器；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之上并与之相接触。
23.如权利要求18的磁盘驱动器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括底型传感器，该底型传感器具有限定所述传感器的道宽的第一和第二引线层；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之上并与之相接触。
24.如权利要求18的磁盘驱动器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括顶型传感器；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的所述第一和第二AFM钉扎层结构之下并与之相接触。
25.如权利要求18的磁盘驱动器，还包括：
其中所述自旋阀传感器包括顶型传感器，该顶型传感器具有限定所述传感器的道宽的第一和第二引线层；
其中所述第一AP被钉扎层形成在所述中央区域和所述端部区域中；以及
其中部分所述第一AP被钉扎层形成在所述端部区域中的第一和第二AFM钉扎层结构之下并与之相接触。
26.如权利要求18的磁盘驱动器，其中所述传感器包括离子研磨的传感器堆叠结构。
27.如权利要求18的磁盘驱动器，其中所述传感器包括多个读传感器层，该读传感器层具有形成于其上的第一和第二引线层来限定所述传感器的道宽。
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