CN1913190A - 具有用于钉扎改善的各向异性被钉扎层的磁致电阻传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有磁各向异性被钉扎层结构的磁致电阻传感器。该被钉扎层结构形成在籽层之上，所述籽层具有一表面，该表面被处理从而使所述籽层的该表面具有各向异性粗糙度特征。所述各向异性粗糙度在被钉扎层中引起磁各向异性。所述被处理的籽层还允许被钉扎层维持稳定的钉扎而不需要厚AFM层，从而减小间隙尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及磁致电阻传感器中被钉扎层的钉扎，更特别地，涉及在以各向异性粗糙度处理的籽层上形成磁各向异性被钉扎层。
背景技术
计算机长期存储器的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、被与旋转磁盘的表面相邻的悬臂悬吊的写和读头、以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形磁道(track)之上的致动器。读和写头直接位于具有气垫面(ABS)的滑块上。悬臂偏置滑块朝向盘的表面，当盘旋转时，邻近盘表面的空气与盘一起移动。滑块在该移动空气上飞行并以非常低的高度(飞行高度)在盘表面之上。该飞行高度为数埃左右。当滑块骑在气垫上时，采用写和读头来写磁转变(magnetic transition)到旋转盘且从旋转盘读取磁转变。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路以实现写和读功能。
写头包括嵌在第一、第二和第三绝缘层(绝缘堆叠)中的线圈层，绝缘堆叠夹在第一和第二极片层(pole piece layer)之间。在写头的气垫面(ABS)处间隙(gap)通过间隙层形成在第一和第二极片层之间，极片层在背间隙(back gap)处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通，其导致磁场在ABS处在写间隙弥散出来，用于在移动介质上磁道中写上述磁印(magneticimpression)，例如在上述旋转盘上环形磁道中。
在近来的读头设计中，自旋阀传感器，也称为巨磁致电阻(GMR)传感器，已经被用于检测来自旋转磁盘的磁场。该传感器包括下文中称为间隔层(spacer layer)的非磁导电层，其夹在下文中称为被钉扎层和自由层的第一和第二铁磁层之间。第一和第二引线(lead)连接到自旋阀传感器以传导通过那里的检测电流。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS)，自由层的磁矩被偏置为平行于ABS但可以响应于外磁场而自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层的交换耦合来被钉扎。
间隔层的厚度被选择为小于通过传感器的传导电子的平均自由程。采用此设置，部分传导电子被间隔层与被钉扎层和自由层每个的界面所散射。当被钉扎层和自由层的磁化相对于彼此平行时，散射最小，当被钉扎层和自由层的磁化反平行时，散射最大。散射的变化与cosθ成比例地改变自旋阀传感器的电阻，其中θ是被钉扎层与自由层的磁化之间的角度。在读模式中，自旋阀传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的大小成比例地改变。当检测电流传导通过自旋阀传感器时，电阻变化导致电势变化，其被检测到并作为重放信号(playback signal)处理。
当自旋阀传感器采用单被钉扎层时，其被称为简单自旋阀。当自旋阀采用反平行(AP)被钉扎层时，其被称为AP被钉扎自旋阀。AP自旋阀包括由薄的非磁耦合层例如Ru分隔开的第一和第二磁层。选择该间隔层的厚度从而反平行耦合被钉扎层的铁磁层的磁矩。根据钉扎层在顶部(在自由层之后形成)还是在底部(在自由层之前)，自旋阀还被称为顶型或底型自旋阀。
被钉扎层的磁化通常通过将铁磁层之一(AP1)与反铁磁材料例如PtMn层交换耦合来被固定。虽然反铁磁(AFM)材料例如PtMn本身没有磁矩，但是当与磁性材料交换耦合时，它可以强烈地钉扎铁磁层的磁化。
自旋阀传感器位于第一和第二非磁电绝缘读间隙层之间，第一和第二读间隙层位于铁磁性的第一和第二屏蔽层之间。在合并式(merged)磁头中，单个铁磁层作为读头的第二屏蔽层和写头的第一极片层。在背负式(piggyback)头中，第二屏蔽层和第一极片层是分开的层。
对更大数据速率和数据容量的日益增长的需求推动了制造更小的磁致电阻传感器。各种尺寸一起成比例缩放，从而在使传感器的道宽更小时，条高度(stripe height)也必须减小。这样小的传感器尺寸引起的一个问题是被钉扎层磁矩变得不稳定。单独的传统钉扎机制例如AFM钉扎和AP耦合变得不足以维持被钉扎层磁矩的钉扎。
本领域技术人员将理解，对于读传感器来说屏蔽件之间的距离(间隙厚度)决定位长度。随着日益增长的提高数据速率和数据容量的压力，工程师一直处于降低读传感器的位长度(进而间隙厚度)的压力之下。大大降低传感器的间隙厚度的一种方式是去除AFM层。为了用作反铁磁材料层并与被钉扎层适当地交换耦合，AFM层必须制得非常厚(75-200埃)，远厚于传感器堆叠中的任何其它层。然而，如上所述，即使使用AFM层时，在非常小的传感器中维持被钉扎层的钉扎已经是个问题。
因此，需要在非常小的磁致电阻传感器中能维持被钉扎层磁矩稳定的新颖钉扎机制。优选地，这样的钉扎机制将足够维持稳定的被钉扎层钉扎，使得较厚的AFM层可以被去除或者至少具有大大降低的厚度，从而减小传感器的间隙厚度。
发明内容
本发明提供具有各向异性被钉扎层的磁致电阻传感器。该被钉扎层形成在籽层上，所述籽层具有配置以各向异性粗糙度的表面。该籽层表面的所述各向异性粗糙度在所述被钉扎层中引起磁各向异性，其确保稳定钉扎，即使没有与反铁磁(AFM)层交换耦合。
所述各向异性粗糙度可以通过相对于所述籽层的所述表面的法线以倾斜角进行的低功率离子研磨而在所述籽层的所述表面中形成。所述离子研磨可利用9区离子引出栅格进行并可在20V-100V或约50V的电压进行。所述离子研磨相对于所述籽层的所述表面的法线优选地以20-80度角或更优选地以35-65度角进行。
所述籽层可以是例如NiFeCr、PtMn、IrMn或其它优选地是晶体的材料，并可以具有20-120埃的厚度。籽层可沉积在衬底上，该衬底可以例如是非磁的电绝缘间隙层(在CIP传感器的情况下)或可以是非磁的导电屏蔽件(在CPP传感器的情况下)。
通过阅读下面结合附图的详细说明，本发明的这些和其它优点和特征将显而易见。
附图说明
为了本发明的本质和优点及其优选使用模式的更充分的理解，应当参照下面结合附图阅读的详细说明，附图不是按比例的。附图中：
图1是其中可实施本发明的盘驱动系统的示意图；
图2是从图1的线2-2截取的滑块的ABS视图，示出了其上磁头的位置；
图3是从图2的圆3截取的根据本发明一实施例的磁传感器的ABS视图；
图4-6是示出以各向异性粗糙度处理表面的方法的视图；以及
图7是示出制造根据本发明一实施例的磁致电阻传感器的方法的流程图。
具体实施方式
下面的说明是目前想到的实施本发明的优选方式。进行该说明是用于说明本发明的一般原理的目的，而不是意图限制这里提出的发明性构思。
现在参照图1，示出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支承在心轴(spindle)114上且通过盘驱动器马达118旋转。每个盘上的磁记录是磁盘112上的同心数据道(未示出)的环形图案形式。
至少一个滑块113位于磁盘112附近，每个滑块113支持一个或更多磁头组件121。当磁盘旋转时，滑块113在盘表面122之上径向进出移动，从而磁头组件121可以存取磁盘的写有所需数据的不同道。每个滑块113借助悬臂(suspension)115连到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹力，该弹力偏置滑块113倚着盘表面122。每个致动器臂119连到致动器装置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。该VCM包括在固定磁场中可移动的线圈，该线圈移动的方向和速度被控制器129提供的马达电流信号所控制。
盘存储系统运行期间，磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间产生对滑块施加向上的力或举力的气垫(air bearing)。于是在正常运行期间该气垫平衡悬臂115的轻微弹力，并且支持滑块113离开盘表面并且以小的基本恒定的距离稍微位于盘表面之上。
盘存储系统的各种组元在运行中由控制单元129产生的控制信号来控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。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产生控制信号从而控制各种系统操作，例如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头定位和寻道控制信号。线128上的控制信号提供所需的电流分布(current profile)，从而优化地移动并定位滑块113到盘112上的所需数据道。写和读信号借助记录通道125传达到写和读头121并从其传出。
参照图2，滑块113中磁头121的取向可以更详细地被观察。图2是滑块113的ABS视图，可以看出包括感应写头和读传感器的磁头位于滑块的尾缘(trailing edge)。普通磁盘存储系统的上述说明以及图1的附图仅用于示例目的。显然地，盘存储系统可包括多个盘和致动器，每个致动器可支持多个滑块。
现在参照图3，根据本发明一实施例的磁致电阻传感器300包括夹在第一和第二间隙层304、306之间的传感器堆叠302。传感器堆叠302包括磁被钉扎层结构308和磁自由层310。非磁导电间隔层312例如Cu夹在自由层310和被钉扎结构308之间。应指出，本发明能够以隧道阀传感器实施，在此情况下间隔层312将是非磁电绝缘势垒层。盖层314例如Ta可设置在传感器堆叠302顶上从而在制造期间保护传感器免于损伤，例如在后续退火工艺期间免于侵蚀。
被钉扎层308可以是简单被钉扎结构或反平行(AP)被钉扎结构，并且优选地是包括第一和第二磁层(AP1)316、(AP2)318的AP被钉扎结构，第一和第二磁层可以是例如跨薄的AP耦合层320例如Ru反平行耦合的CoFe。自由层310可以由各种磁材料例如NiFe或CoFe构成，并且可以包括CoFe和NiFe层，为了最优的传感器性能，优选地具有与间隔层312相邻的CoFe或Co层。参照图3可以看出，传感器堆叠302具有定义传感器的道宽或有源区域(active area)的第一和第二横向相对的侧壁322、324。
继续参照图3，传感器300包括第一和第二硬磁偏置层(HB层)338、340。另外，第一和第二引线337、339形成在HB层338、340之上。引线337、339可以由例如Ta、Au、Rh或一些其它导电材料构成。HB层338、340优选地由包含Co、Pt和Cr的合金构成，更具体地是Co80Pt12Cr8。硬偏置层338、340具有高磁矫顽力，并与自由层310静磁耦合从而偏置自由层310的磁矩在箭头341所示的与ABS平行的方向上。
籽层342、344设置在HB层338、340下面。籽层342、344优选地延伸到横向延伸的间隙层304层之上以及传感器堆叠302的侧壁322、324之上。
被钉扎层308构造在具有表面327的籽层326上，表面327已经被处理从而设置有各向异性粗糙度。该各向异性粗糙度可以通过下面将论述的方法形成，并有利地使被钉扎层的磁层316、318具有在箭头328、330所示的垂直于ABS的方向上的强的磁各向异性。
籽层326可以是例如NiFeCr、PtMn、IrMn、Ta、Ru或其它适合的优选为晶体的材料。应指出，尽管籽层326可以由如果沉积得足够厚则可以用作反铁磁(AFM)材料的材料构成，但籽层优选地非常薄从而不用作AFM层而是作为籽层。籽层326因此优选地为20-90埃厚。然而，籽层可以厚达120埃。
参照图4-6，将更详细地描述用来在籽层326的表面327上形成各向异性粗糙度的表面处理。具体参照图4，通过沉积材料402构造籽层326，材料402可以是例如NiFeCr、PtMn、IrMn、Ta、Ru或其它适合的优选为晶体的材料。然后相对于籽层402的表面的法线以角度Θ进行低功率离子研磨404。离子研磨404优选地利用9区(zone)离子引出栅格(extraction grid)进行，并在20-100伏特或约50伏特的电压进行。籽层材料402在离子束蚀刻之前可以是例如20至120埃。低功率离子研磨404可以进行约100-1600秒的时间(持续时间)。
成角度的离子研磨引发各向异性粗糙度，例如以定向的波纹或刻面406的形式，其可以参照图5和6观察到。波纹406的普通或平均节距(pitch)P为1-200nm之间，其平均深度D为0.2至5nm之间或约0.5nm。尽管波纹或刻面406示出为均匀的，但是应指出，这只是用于说明的目的。实际的表面将包括随机和非均匀的波纹406，具有变化的深度和节距并倾向于如上所述地各向异性地形成。
成角度的离子蚀刻404进行到足以形成所需的波纹或刻面406之后，可以沉积被钉扎层结构308的AP1层316，接着是其它传感器层312、310、314。应指出，这时这些传感器层作为全膜层被沉积，图3所示的实际传感器形状将通过掩模化和离子研磨(未示出)随后形成。
成角度的离子研磨404相对于籽层402的表面的法线优选地以20和80度之间的角度Θ进行并更优选地以35和65度之间的角度进行。精确的电压、电流、以及角度条件依赖于所使用的离子源的类型和特性。还优选进行离子研磨404而不旋转晶片，以这样的角进行，即该角到籽层402的平面上的投影407将沿基本平行于传感器的ABS的方向。在特定环境下，离子研磨到籽层402的平面上的投影407可垂直于ABS，但重要的是所得各向异性粗糙度将产生沿基本垂直于ABS取向的方向的磁各向异性被钉扎层308。
参照图7，总结了用于构造传感器300的方法。首先在步骤702中提供衬底。衬底可以是例如非磁电绝缘间隔层304(图3)，或者在CPP传感器的情况下可以是导电引线材料。然后在步骤704，籽层被沉积。该籽层可以是例如NiFeCr、PtMn、IrMn、Ta、Ru或一些其它(优选为晶体)材料。在步骤706，相对于籽层以一角度利用低功率离子研磨来离子研磨所述籽层。该离子研磨相对于籽层402的表面的法线优选地以20至80度的角度或更优选地以35至65度的角度进行。该离子研磨优选地在20-100V利用9区引出栅格进行，并且不旋转夹盘(chuck)地进行。该离子研磨以这样的取向进行从而在籽层中形成将在后来应用的被钉扎层结构中导致磁各向异性的各向异性粗糙度，该各向异性粗糙度在垂直于气垫面(ABS)的方向上。然后在步骤708，沉积被钉扎层结构。在步骤710，沉积非磁导电间隔层(在隧道阀的情况下是电绝缘势垒层)。然后，在步骤712沉积自由层。
尽管上面已经描述了各种实施例，但应当理解它们仅以示例方式而不是限制方式给出。落在本发明范围内的其它实施例对本领域技术人员也可变得显而易见。因此，本发明的宽度和范围不应被上述示例性实施例限制，而应该仅根据权利要求及其等价物定义。
Claims (26)
1.一种磁致电阻传感器，包括：
衬底；
籽层，形成在所述衬底上，所述籽层具有配置以各向异性粗糙度的表面；
磁被钉扎层结构，形成在所述籽层的所述表面上；
磁自由层；以及
间隔层，夹在所述自由层和所述被钉扎层结构之间。
2.如权利要求1所述的传感器，其中所述各向异性粗糙度在所述被钉扎层结构中产生磁各向异性。
3.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器具有气垫面(ABS)且其中所述籽层的所述表面的所述各向异性粗糙度在所述被钉扎层结构中导致基本垂直于所述ABS取向的磁各向异性。
4.如权利要求1所述的传感器，其中所述籽层的所述表面中的所述各向异性粗糙度包括波纹。
5.如权利要求1所述的传感器，其中所述传感器具有气垫面(ABS)且其中所述籽层的所述表面中的所述各向异性粗糙度包括沿基本平行于所述ABS的方向延伸的波纹。
6.如权利要求1所述的传感器，其中所述籽层是晶体材料。
7.如权利要求1所述的传感器，其中所述籽层包括选自含有NiFeCr、PtMn、IrMn、Ta和Ru的组的材料。
8.如权利要求1所述的传感器，其中所述衬底包括非磁电绝缘间隙层。
9.如权利要求1所述的传感器，其中所述衬底包括磁的导电屏蔽层。
10.如权利要求1所述的传感器，其中所述各向异性粗糙度包括具有1-200nm的平均节距的波纹。
11.如权利要求1所述的传感器，其中所述各向异性粗糙度包括具有0.2-5nm的平均深度的波纹。
12.如权利要求1所述的传感器，其中所述籽层具有20-120埃的厚度。
13.一种用于制造磁致电阻传感器的方法，包括：
提供衬底；
沉积籽层，所述籽层具有表面；
对所述籽层进行低功率离子研磨，所述离子研磨相对于所述籽层的所述表面的法线以倾斜角进行；以及
在所述被离子研磨的籽层上沉积磁被钉扎层。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述离子研磨相对于所述籽层的所述表面的法线以35至65度的角度进行。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述离子研磨相对于所述籽层的所述表面的法线以20至80度的角度进行。
16.如权利要求13所述的方法，其中所述离子研磨利用9区离子引出栅格进行。
17.如权利要求13所述的方法，其中所述离子研磨以20-100伏特进行。
18.如权利要求13所述的方法，其中所述籽层包括选自含有NiFeCr、PtMn、IrMn、Ta和Ru的组的材料。
19.如权利要求13所述的方法，其中所述衬底、籽层和被钉扎层形成在晶片上，且其中进行所述离子研磨而不旋转所述晶片。
20.如权利要求13所述的方法，其中所述离子研磨在20-100伏特进行约100秒至1600秒的时间。
21.一种磁致电阻传感器，包括：
磁自由层；
磁被钉扎层结构；
非磁导电间隔层，夹在所述自由层和所述被钉扎层之间；以及
籽层，接触所述被钉扎层结构，所述籽层具有配置以各向异性粗糙度的与所述被钉扎层结构相邻的表面。
22.如权利要求21所述的磁致电阻传感器，其中所述籽层包括晶体材料且其中所述各向异性粗糙度在所述被钉扎层结构中引起磁各向异性。
23.一种磁致电阻传感器，包括：
磁自由层；
磁被钉扎层结构；
非磁电绝缘势垒层，夹在所述自由层和所述被钉扎层之间；以及
籽层，接触所述被钉扎层结构，所述籽层具有配置以各向异性粗糙度的与所述被钉扎层结构相邻的表面。
24.如权利要求23所述的磁致电阻传感器，其中所述籽层是晶体材料且其中所述各向异性粗糙度在所述被钉扎层结构中引起磁各向异性。
25.如权利要求21所述的磁致电阻传感器，其中所述籽层包括选自含有NiFeCr、PtMn、IrMn、Ta和Ru的组的材料。
26.如权利要求23所述的磁致电阻传感器，其中所述籽层包括选自含有NiFeCr、PtMn、IrMn、Ta和Ru的组的材料。
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