带有用于钉扎反平行耦合翼片 的反铁磁薄层的磁电阻传感器 【发明领域】
本发明一般涉及用于从磁介质读出信息信号的自旋阀磁电阻传感器，尤其涉及带有用于钉扎反平行耦合的引线/传感器重叠(翼片)区的反铁磁薄层的引线覆盖自旋阀传感器(lead overlay spin valvesensor)。
背景技术
计算机经常包括辅助的存储器存贮器件，这些器件具有在其上可以写入数据以及可以由其读出数据以便随后使用的介质。包含转动磁盘的直接存取存贮器件(盘驱动器)通常被用于在盘片的表面以磁的形式存贮数据。数据被记录在盘片表面上同轴的、径向隔开的磁道上。然后，包括读出传感器的磁头用于从盘片表面上的磁道读出数据。
在高容量的盘驱动器中，通常称作MR传感器的磁电阻(MR)读出传感器是有优势的读出传感器，因为它们能够以高于薄膜感应头的磁道和线密度从盘片的表面读出数据。MR传感器通过其MR传感器层(也称作“MR”元件)的电阻变化来检测磁场，该磁场是由MR层检测的磁通量的强度和方向的函数。
传统的MR传感器基于各向异性磁电阻(AMR)来工作，其中MR元件电阻随MR元件中地磁化强度和流经MR元件的检测电流的方向之间夹角的余弦的平方变化。由于来自记录磁介质(信号磁场)的外加磁场导致MR元件中磁化强度的方向改变，这又导致MR元件中的电阻改变以及检测到的电流或电压的相应改变，因此可以从磁介质读出记录数据。
另一种类型的MR传感器是显示GMR效应的巨磁电阻(GMR)传感器。在GMR传感器中，作为由非磁层(间隔层)间隔的磁性层之间传导电子的自旋相关传输、以及在磁性层和非磁性层的界面处以及磁性层内的伴随自旋相关散射的函数，MR传感层的电阻变化。
使用由一层非磁性材料(例如铜)隔开的仅两层铁磁性材料(例如Ni-Fe)的GMR传感器通常称作显示SV效应的自旋阀(SV)传感器。
图1表示包括由中心区102隔开的端部区104和106的现有技术SV传感器。第一铁磁层称作钉扎层120，其磁化强度通过反铁磁(AFM)层125的交换耦合固定(钉扎)。第二铁磁层称作自由层110，其磁化强度没有被固定，而是响应来自记录的磁介质(信号磁场)的磁场而自由转动。通过非磁性的导电间隔层115，自由层110与钉扎层120隔开。在端部区104和106中分别形成的硬偏置层130和135为自由层110提供纵向的偏置。在硬偏置层130和135上分别形成的引线140和145为检测SV传感器100提供电连接。授予Dieny等的IBM美国专利5,206,590以引用方式结合在本文中，其中公开了基于SV效应工作的GMR传感器。
另一种类型的自旋阀传感器是反平行(AP)自旋阀传感器。AP钉扎的自旋阀传感器不同于简单的自旋阀传感器之处在于AP钉扎的结构具有多个薄膜层，而不是一个被钉扎层。AP钉扎的结构具有在第一和第二铁磁被钉扎层之间的反平行耦合(APC)层。通过反铁磁钉扎层的交换耦合，第一被钉扎层的磁化强度被取向在第一方向上。第二被钉扎层紧邻自由层，并且由于第一和第二被钉扎层之间APC层的最小厚度(8OE 数量级)，反平行交换耦合到第一被钉扎层。因此，第二被钉扎层的磁化强度被取向在与第一被钉扎层的磁化强度方向反平行的第二方向上。
AP钉扎结构相对于简单的被钉扎层是优选的，因为AP钉扎结构的第一和第二被钉扎层的磁化强度相减结合，提供的净磁化强度小于简单被钉扎层的磁化强度。净磁化强度的方向由第一和第二被钉扎层的厚度决定。减小的净磁化强度等效于来自AP钉扎结构的减小的退磁场。由于反铁磁交换耦合与净钉扎磁化强度成反比，这样就增加了第一被钉扎层和反铁磁钉扎层之间的交换耦合。在Heim和Parkin共同受让的美国专利5,465,185中描述了AP钉扎自旋阀传感器，此处以引用方式结合上述内容。
典型的自旋阀传感器具有在空气支承面(ABS)处相交的顶面和底面以及第一和第二侧面，其中ABS是传感器面向磁盘的露出面。现有技术的读出头采用邻接第一和第二侧面的第一和第二硬偏置层以及第一和第二引线层，用于纵向偏置和稳定传感器中的自由层，并传导横向流过传感器的检测电流。在自由层的中间和侧面之间测量头的磁道宽度。在将磁道宽度减小到亚微米水平的努力中，已发现硬偏置层使自由层的磁性变硬，以致其磁矩不能自由响应来自旋转磁盘的磁场信号。因此，感到需要提供亚微米宽度的自旋阀传感器，该传感器连同自由层的纵向偏置对来自旋转磁盘的信号在横向上仍然灵敏，从而将自由层保持在单个磁畴的状态。
【发明内容】
因此，本发明的一个目的是公开一种带有稳定性高的自由层的自旋阀传感器，该传感器对来自磁盘的信号响应性高。
本发明的另一目的是公开一种带有反平行耦合的引线/传感器重叠区的自旋阀传感器。
本发明的再另一目的是公开一种具有与引线重叠区中自钉扎铁磁偏置层交换耦合的反铁磁薄层的自旋阀传感器。
本发明的仍另一目的是公开一种制造自旋阀传感器的方法，该传感器具有与引线重叠区中自钉扎反平行耦合偏置层交换耦合的反铁磁层。
根据本发明的原理，公开了本发明的一种实施方式，其中自旋阀(SV)传感器具有第一和第二侧表面之间的横向长度，该长度被分成第一和第二无源区之间的磁道宽度区，其中磁道宽度区由第一和第二引线层限定。SV传感器包括被钉扎层、间隔层和自由层，其中自由层在传感器的顶部。厚度非常接近等于自由层厚度的铁磁性偏置层反平行(AP)耦合于第一和第二无源区中的自由层。厚度小于提供偏置层饱和钉扎场所需值的反铁磁(AFM)层交换耦合至偏置层，从而在第一和第二无源区中向偏置层提供AFM钉扎场。设置AFM层，以提供取向在SV传感器多层面内并平行于空气支承面(ABS)的纵向钉扎场。在第二实施方式中，可以设置AFM层，以提供垂直于ABS取向的横向钉扎场，或方向在平行于ABS的方向和垂直于ABS的方向之间中间的倾斜方向上的倾斜钉扎场。AFM钉扎场为自由层提供附加的稳定性，特别是在磁道宽度区和第一及第二无源区的界面处，在该界面处偏置层终止。
在下文中的文字描述中，本发明的上述以及附加的目的、特征和优点将很明显。
【附图说明】
为了对本发明的本质和优点、以及优选使用方式有更全面的理解，应结合附图参照下文的详细描述来阅读。在下文的附图中，相似的参考数字代表整套附图中相似或类似的部分。
图1是现有技术SV传感器未按比例表示的空气支承面视图；
图2是采用本发明的SV传感器的磁记录盘驱动系统的简化图；
图3是“分段式(piggyback)”读/写磁头未按比例表示的垂直截面视图；
图4是“合并式(merged)”读/写磁头未按比例表示的垂直截面视图；
图5是本发明的引线重叠SV传感器的一种实施方式未按比例表示的空气支承面视图；
图6a至6d是图5中SV传感器未按比例表示的空气支承面视图，说明采用本发明的方法制造传感器的后续步骤；
图7是本发明的引线覆盖传感器的第二实施方式未按比例表示的空气支承面视图；
图8是表示AFM钉扎场的强度作为AFM层厚度的函数的曲线图；
图9是自旋阀传感器未按比例表示的平面视图，指示相对于空气支承面的纵向、横向、倾斜偏置场的取向方向。
【具体实施方式】
以下描述是目前构思用于执行本发明的最佳实施方式。进行这样的描述的目的示例说明本发明的一般原理，而不是表示对本文要求保护的发明概念的限制。
参见图2，示出了实施本发明的盘驱动器200。如图2所示，在轴214上支撑至少一个可旋转的磁盘212，并由盘驱动电机218旋转。每一盘片上的磁记录介质在盘212上是同轴数据磁道(未示出)的环形图案。
在盘212上放置至少一个滑块213，每一个滑块213支撑一个或多个磁读/写头221，其中头221结合了本发明的SV传感器。在盘片旋转时，滑块213在盘表面222上径向移进或移出，使得头221可以访问盘记录所需数据的不同部分。每一个滑块213借助于悬架215被固定在致动器臂219上。悬架215提供轻微的弹簧弹力，相对盘表面222偏置滑块213线圈。每一个致动器臂219被固定到致动器227上。图2所示的致动器可以是音圈线圈电机(VCM)。该VCM包括可在固定磁场中移动的线圈，线圈移动的方向和速度由控制器229提供的电机电流信号来控制。
在盘存贮系统工作期间，盘212的旋转在滑块213(滑块213的表面包括头321并面向盘212的表面，被称作空气支承面(ABS))和盘表面222之间产生空气支承面，在滑块上施加向上的力或抬起。这样，空气支承反平衡悬架215的轻微弹簧弹力，并且在正常工作时以很小的、基本上恒定的间距将滑块213支撑离开并稍位于盘表面之上。
盘存贮系统的各种元件由控制单元229产生的控制信号来控制工作，例如存取控制信号和内部时钟信号。典型地，控制单元229包括逻辑控制电路、存贮芯片和微处理器。控制单元229产生控制信号以控制各种系统操作，如线223上的驱动电机控制信号和线228上的头位置及搜寻控制信号。线228上的控制信号提供所需的电流分布，以优化方式将滑块213移动至并定位于盘212上的所需数据磁道上。读和写信号经由记录通道225向和自读/写头221进行通信。记录通道225可以是部分响应最大可能性(partial response maximumlikelihood)(PMRL)通道或峰检测通道。两种通道的设计和实施在本领域对于本领域的技术人员是公知的。在优选的实施方式中，记录通道225是PMRL通道。
以上对典型磁盘存贮系统的描述以及对图2的相应说明仅出于代表的目的。应当很明显，盘存贮系统可以包含大量的盘片和致动器臂，并且每一个致动器臂可支撑多个滑块。
图3是“分段式”磁读/写头300的侧截面正视图，该磁读/写头包括写头部分302和读头部分304，读头部分采用根据本发明的自旋阀传感器306。传感器306夹在非磁性的、绝缘的第一和第二读间隙层308和310之间，并且读间隙层夹在铁磁性的第一和第二屏蔽层312和314之间。响应外加磁场，传感器306的电阻改变。经过传感器传导的检测电流Is导致这些电阻改变表示电位的改变。这些电位改变然后由图2所示的数据记录通道246的处理电路处理成读回信号。
磁读/写头300的写头部分302包括夹在第一和第二绝缘层318和320之间的线圈层316。第三绝缘层322可以用来平整该头，以消除由线圈层316导致的第二绝缘层320中的波纹。第一、第二和第三绝缘层在本领域中称作绝缘叠层。线圈层316和第一、第二和第三绝缘层38、320和322夹在第一和第二极片层324和326之间。第一和第二极片层324和326在背间隙328处磁耦合，并具有在ABS340处由写间隙层334隔开的第一和第二极尖330和332。绝缘层336位于第二屏蔽层314和第一极片层324之间。由于第二屏蔽层314和第一极片层324是隔开的层，这种读/写头已知是“分段式”头。
除了第二屏蔽层414和第一极片层424是同一层，图4与图3相同。这种类型的读/写头已知是“合并式”头400。图3分段式头的绝缘层336在图4合并式头400中略去。
第一实例
图5描述根据本发明第一实施方式的引线覆盖自旋阀传感器500未按比例表示的空气支承面(ABS)视图。SV传感器包括由中心区506彼此隔开的端部区502和504。衬底508可以是任何合适的物质，包括玻璃、半导体材料或如氧化铝(Al2O3)的陶瓷材料。籽层509是沉积的一层或多层，以修正后续层的晶体织构或晶粒尺寸。反铁磁(AFM)层510沉积在籽层上。反平行(AP)被钉扎层512、导电间隔层514和自由层516相继沉积在AFM层510上。AFM层可以具有如此的厚度，足以提供所需交换性质以作为AP被钉扎层512的钉扎层。在本实施方式中，AFM层510比所需的用于钉扎层更薄并用来提供附加的籽层以帮助推动传感器后续层的性质。AP被钉扎层包括由反平行耦合(APC)层518隔开的第一铁磁(FM1)层517和第二铁磁(FM2)层519，允许FM1层517和FM2层519如反平行磁化强度542(由指向纸内的箭头尾部表示)和543(由指向纸外的箭头的头部表示)所指示的那样分别强AP耦合。AP被耦合层512被设计成本领域已知的自钉扎层。自由层516包括铁磁性的Co-Fe第一自由亚层520和铁磁性的Ni-Fe第二自由亚层521。
由APC层523从自由层516隔开的偏置层522包括在APC层523上沉积的铁磁性的Co-Fe第一偏置亚层524，和在第一偏置亚层524上沉积的铁磁性的Ni-Fe第二偏置亚层525。在第二偏置亚层525上沉积Pt-Mn、或可选的In-Mn、NiMn或其它导电反铁磁性材料的反铁磁层560。APC层523允许偏置层522强AP耦合于自由层516。AFM层560交换耦合于偏置层522，提供弱钉扎场，以取向偏置层的磁化强度546的方向。
AFM层560由厚度小于提供最大(饱和)钉扎场所需的值的层形成。图8是表示对于典型的AFM材料，作为层厚度的函数钉扎场强度的变化的曲线图。由于交换耦合强度增加，钉扎场随AFM层厚度而增加，直到在层厚度tSAT处达到饱和或最大钉扎场。对于Pt-Mn形成的AFM层，需要大约150埃的厚度(tSAT)以提供最大钉扎。对于由Ir-Mn组成的AFM层，tSAT大约是80埃，而对于Ni-Mn组成的AFM层，tSAT大约是250埃。在AFM层厚度减小时，其交换耦合强度由于钉扎层的晶粒尺寸减小而减小。为了实现对于钉扎AP翼片所需的偏置层所需的较弱交换耦合，同时对于SV传感器维持高灵敏度，AFM层560由厚度在30-100埃范围内的Pt-Mn形成。可选地，AFM层可以由Ir-Mn、Ni-Mn或其它的导电反铁磁性材料形成。由薄AFM层引起的弱钉扎场在磁道宽度区和偏置层终止的第一及第二无源区之间的界面处尤其有效。在偏置层的不连续处，在缺乏钉扎场时退磁场可以导致自由层磁化强度的不稳定。弱钉扎场去除这种不稳定性，而不会在磁道场区域中使自由层的磁化强度544变得非常硬。在沉积薄AFM层之后，在AFM层560上形成第一盖层526。
第一和第二引线L1 528和L2 530形成在无源区532和534中的盖层526上，并且形成在第一和第二无源区中与传感器中心区506重叠的端部区502和504上。在传感器的中心区506中，L1 528和L2530之间的间隔限定磁道宽度区536，该宽度区限定读头的磁道宽度并可以具有亚微米的尺寸。在磁道宽度区536中，通过溅射刻蚀和随后进行溅射刻蚀的反应离子刻蚀(RIE)工艺和氧化工艺，该氧化工艺将AFM材料560和偏置层522的铁磁性材料转换成非磁性氧化层538，去除L1和L2之间磁道宽度区536内的第一盖层536。在端部区502、504和无源区532、534中的引线L1 528和L2 530上，以及在磁道宽度区536中的非磁性氧化层538上形成第二盖层540。
AP被钉扎层512具有FM1层517和FM2层519的磁化强度，如分别指向纸平面内和外的箭头尾部542和箭头头部543所示，该磁化强度被钉扎在垂直于ABS的方向上。在磁道宽度区536中，由箭头544指示的自由层516的磁化强度是磁耦合的第一和第二自由亚层520和521的净磁化强度，并且在存在外加(信号)磁场时自由转动。在没有外加磁场时磁化强度544优选平行于ABS取向。在第一和第无源区532和534中，自由层516强AP耦合于偏置导层522。
在第一和第二无源区532和534中偏置层522的磁化强度546是铁磁耦合的第一和第二偏置亚层524和525的净磁化强度。由于存在着允许自由层516强AP耦合于无源区中的偏置层522的APC层523，偏置层的磁化强度546反平行于自由层的磁化强度545取向。由于磁化强度545没有响应外加磁场而转动，从而抑制在旋转磁盘上所不希望的侧面读取，因此这种AP耦合的效果是无源区532和534中自由层516的稳定化。来自AFM层560的弱钉扎场在第一和第二无源区532和534中提供自由层521的附加的稳定，尤其在无源区和磁道磁场区536之间的转换处。
邻接自旋阀层的端部区层548和550可由如氧化铝的电绝缘材料形成，或者可选地，由合适的硬偏置材料形成，从而对自由层516提供纵向偏置场，确保自由层中的单磁畴状态。采用硬偏置材料形成端部区层548和550的优点是这些层远离磁道宽度区536，从而它们没有使该区域中的自由层的磁化强度544变硬，这样的变硬使自由层对来自旋转磁盘的场信号不灵敏。
分别沉积在端部区502和504上的引线L1 528和L2 530提供电连接用于使检测电流Is从电流源流向SV传感器500。被电连接到引线上的信号检测器检测由于外磁场(例如由存贮在旋转磁盘上的数据位产生的场)在自由层516中导致的变化而产生的电阻变化。外磁场用于转动自由层516的磁化强度544相对于被钉扎层519的磁化强度543的方向，该被钉扎层最好垂直于ABS被钉扎。
参照图5和6a-d来描述SV500的制造。SV传感器500在磁控溅射或离子束溅射系统制造，以顺序沉积图5所示的多层结构。溅射沉积工艺在存在约40Oe的纵向磁场的条件下进行。通过顺序沉积一层厚度约30埃的氧化铝(Al2O3)、一层厚度约20埃的Ni-Fe-Cr和一层厚度约8埃的Ni-Fe，在衬底508上形成籽层509。在籽层509上沉积厚度在4-150的Pt-Mn AFM层510。通过顺序沉积厚度约10埃的Co-Fe FM1层517、厚度约8埃的钌(Ru)APC层518和厚度约19埃的Co-Fe FM2层519，在AFM层上形成AP被钉扎层517。在FM2层519上沉积厚度约20埃的铜(Cu)间隔层514，通过先沉积厚度约10埃的Co-Fe第一自由亚层520然后沉积厚度约15埃的Ni-Fe第二自由亚层521，在间隔层514上沉积自由层516。在第二自由亚层521上沉积厚度约8埃的Ru APC层523。通过先沉积厚度约10埃的Co-Fe第一偏置亚层524然后沉积厚度约20埃的Ni-Fe第二偏置亚层525，在APC层523上沉积偏置层522。在第二偏置亚层525上沉积厚度在30-100埃范围内的Pt-Mn AFM层560。在偏置层522上沉积的第一盖层526包括厚度约20埃的钽(Ta)第一亚层和在第一亚层上厚度约20埃的钌(Ru)第二亚层。可选地，第一盖层可以由一层厚度40埃的钽(Ta)单层形成。
在完成中心区506的沉积之后，在光刻机中涂覆光刻胶并曝光，以遮蔽中心区506中的SV传感器500，然后在溶剂中显影以露出端部区502和504。通过离子铣削去除未遮蔽端部区502和504中的多层，在端部区中沉积氧化铝(Al2O3)端部区层548和550。可选地，在端部区502和504中形成纵向硬偏置层以向自由层516提供纵向偏置场，从而确保自由层中的单磁畴状态。
光刻胶604和光刻工艺用于限定SV传感器500中心区506中的磁道宽度区536。厚度在200-600埃范围内的钌(Ru)第一和第二引线L1 528和L2 530沉积在端部区502和504上，以及沉积在未遮蔽的第一盖层526上，并沉积在提供所需的引线/传感器重叠的第一和第二无源区532和534中。在除去磁道宽度区536中的光刻掩模604之后，引线L1 528和L2 530用作溅射刻蚀和反应离子刻蚀(RIE)工艺的掩模，以除去磁道宽度区536中的第一盖层526。在除去第一盖层之后，采用含氧的气体对磁道宽度区536中AFM层560和偏置层522的露出部分进行溅射刻蚀，从而将AFM层和铁磁偏置层转换成非磁性的氧化层538。厚度约40埃的铑(Rh)或钌(Ru)第二盖层540沉积在端部区502和504以及无源区532和534中的引线L1 528和L2 530上，以及沉积在磁道场区536中的非磁性氧化层538上。在完成SV传感器500的结构制造之后，设置AFM层560，使得偏置层522被钉扎在纵向。为了设置AFM层560，在纵向(也就是多层的平面上并平行于ABS)上存在约13KOe的磁场的条件下将SV传感器500加热到大约265℃，并保持约5小时。在仍施加磁场的条件下，传感器在移出磁场之前被冷却。
用于在无源区中限定AP耦合反平行翼片的可选工艺可以用于代替采用含氧气体的溅射刻蚀工艺来氧化磁道宽度区中的AFM层和铁磁偏置层材料。在可选的工艺中，采用溅射刻蚀和反应离子刻蚀(RIE)工艺以除去磁道宽度区536中的第一盖层526的步骤，同样继续除去磁道宽度区中的AFM层560和偏置层522。为了保护自由层516不受溅射刻蚀和RIE处理，使用安装在溅射系统真空室中的二次离子质谱仪(SIMS)来提供对形成间隔层523的钌(Ru)终点检测。厚度约40埃的铑(Rh)或钌(Ru)第二盖层540沉积在端部区502和504以及无源区532和534中的引线L1 528和L2 530上，并沉积在磁道场区536中的间隔层523上。
第二实例
图7描述根据本发明可选实施方式的引线覆盖SV传感器700未按比例的空气支承面(ABS)视图。SV传感器700不同于第一实例中的SV传感器500之处在于具有设置的AFM层560，使得偏置层522被钉扎在横向上，或可选地，被钉扎在纵向和横向方向之间中间角处的倾斜方向上。制作SV传感器700的层结构和方法与本文中上述对第一实例的SV传感器500所作描述相同。SV传感器700的不同之处仅在于设置AFM层560的工序，使得偏置层522被钉扎在横向方向或倾斜方向上。
图9是自旋阀传感器902未按比例的平面图，指示纵向、横向或倾斜偏置场相对于空气支承面(ABS)904的取向。SV传感器具有大致矩形的形状，有前边906、后边908和两个侧边910。前边由重叠的ABS904限定，形成垂直于SV传感器各层面的平面。后边908与前边906隔开一定距离，限定SV传感器长条高度(stripeheight)。如指向右的箭头912所指示的那样，纵向偏置场具有SV传感器各层面内的取向，并且方向平行于ABS904和前边906，或者可选地，如指向左的箭头913所指示的那样，具有相反的方向。如指向上(离开ABS)的箭头914所指示的那样，横向偏置场具有SV传感器面内的取向，并且方向垂直于ABS904和前边906，或者可选地，如指向下(朝向ABS)的箭头915所指示的那样，具有相反的方向。如箭头916指示的那样，倾斜的偏置场具有SV传感器多层面内的取向，方向在纵向和横向偏置场之间中间的对ABS904平面的某个角处，或者如箭头917所指示的那样，在相反的方向上。角可以是0°和180°之间的任意值。
在完成SV传感器700的结构制造完成之后，设置AFM层560，使得偏置层522被钉扎在横向方向上或可选地在倾斜方向上。为了设置AFM层560，SV传感器700在存在约13KOe磁场的条件下被加热到约265℃，取向在横向方向(也就是说多层面内并垂直于ABS)上，或可选地在倾斜的方向(也就是在多层面内并相对于ABS成角)上，并保持5小时。在仍施加磁场的条件下，传感器在移出磁场之前冷却。
应当理解的是本发明在引线/传感器重叠区(无源区532和534)中钉扎的带有AFM的反平行耦合翼片可以在任何底自旋阀(SV)(具有位于层叠层底部的被钉扎层的传感器)中采用。在底自旋阀结构中，自由层可以容易地AP耦合至偏置层，并且可以容易地实现铁磁偏置层的氧化，以形成磁道宽度区中的非磁性氧化物。特别是，在引线/传感器重叠区中带有AFM钉扎偏置的反平行耦合翼片可以在AFM钉扎的简单钉扎或AP钉扎SV传感器(AFM pinningsimple pinned or AP-pinned SV sensors)中采用，以及在自钉扎SV传感器中采用。
尽管参照特定实施方式特别表现和描述了本发明，本领域的技术人员应理解可以进行形式和细节上的各种改变，而不背离本发明的精神、范围和教授。因此，所公开的发明应当仅为示例性的，并且只受权利要求书的限制。