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1、(10)申请公布号 CN 103021423 A (43)申请公布日 2013.04.03 CN 103021423 A *CN103021423A* (21)申请号 201210478642.3 (22)申请日 2012.09.21 13/238,981 2011.09.21 US G11B 5/39(2006.01) (71)申请人 希捷科技有限公司 地址 美国加利福尼亚州 (72)发明人 MW科温顿 Q何 丁元俊 VA瓦斯科 (74)专利代理机构 上海专利商标事务所有限公 司 31100 代理人 毛力 (54) 发明名称 具有增强磁阻比的磁换能器 (57) 摘要 本发明的各实施例一般涉及。
2、磁响应叠层， 其 通过在第一和第二铁磁自由层之间设置间隔层来 构造。 至少一个铁磁自由层具有耦合子层， 该耦合 子层增强该磁响应叠层的磁阻比 (MR)。 (30)优先权数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 6 页 1/1 页 2 1. 一种磁传感器， 包括 ： 设置在第一和第二铁磁自由层之间的间隔层的磁响应叠层， 至少一个铁磁自由层具有 增强磁阻比 (MR) 的耦合子层。 2. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该第一和第二铁磁自由层的每一个具有耦合。
3、子 层。 3. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该磁响应叠层设置在去耦层之间。 4. 根据权利要求 3 的磁传感器， 其中各个去耦层是钽。 5. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该耦合层是 FeCoZrTa。 6. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该耦合层是 CoFe48B20。 7. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该耦合层是 NiFe。 8. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该第一和第二铁磁自由层中的每一个是 CoFeB 合 金。 9. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中扩散层设置在各个耦合子层和铁磁自由层之间。 10. 根据权利要求 9 的磁传感器， 其中该扩散层是。
4、钽。 11. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该耦合子层具有与该第一和第二铁磁自由层不 同的磁致伸缩性。 12. 根据权利要求 1 的磁传感器， 其中该至少一个铁磁自由层是净磁致伸缩性实质上 为零的耦合子层。 13. 一种磁性叠层， 包括 ： 设置在第一和第二去耦层之间的读取器叠层， 该读取器叠层包括设置在第一和第二铁 磁自由层之间的间隔层， 各个铁磁自由层具有耦合子层， 该耦合子层与各自的铁磁自由层 被扩散层所分隔开。 14. 根据权利要求 13 的磁性叠层， 其中各个去耦层和扩散层是钽。 15. 根据权利要求 13 的磁性叠层， 其中该间隔层是 MgO。 16. 根据权利要求 13 的。
5、磁性叠层， 其中该第一去耦层、 第一铁磁自由层和各自的扩散 层具有第一厚度， 该第一厚度与由该第二去耦层、 第二铁磁自由层和各自的扩散层所定义 的第二厚度实质上不同。 17. 根据权利要求 13 的磁性叠层， 其中至少一个耦合层是 NiFe， 并且至少一个铁磁自 由层是 CoFeB 合金。 18. 一种方法， 包括 ： 通过在第一和第二铁磁自由层之间形成间隔层来构造磁响应叠层 ； 以及 通过邻近至少一个铁磁自由层而设置耦合子层来增强磁响应叠层的磁阻比 (MR)。 19. 根据权利要求 18 的方法， 其中该至少一个耦合子层产生与各个各自的铁磁自由层 的实质上为零的净磁致伸缩性。 20. 根据权。
6、利要求 18 的方法， 其中关于该磁响应叠层的预先确定的屏蔽 - 到 - 屏蔽的 间隔， MR 比得到增强。 权 利 要 求 书 CN 103021423 A 2 1/5 页 3 具有增强磁阻比的磁换能器 发明内容 0001 通过在第一和第二铁磁自由层之间设置间隔层来制造磁响应叠层。 至少一个铁磁 自由层具有耦合层， 该耦合层增强磁响应叠层的磁阻比 (MR)。 附图说明 0002 图 1 是示例性的数据存储装置的透视图。 0003 图 2 大致示出了能用在图 1 的数据存储装置中的示例性的磁性元件。 0004 图 3 显示能用在图 2 的磁性元件中的示例性磁性叠层的部分剖视图。 0005 图 。
7、4 示出了根据本发明的多个实施例所构成和操作的示例性磁性叠层的等距视 图。 0006 图 5 示出了根据本发明的多个实施例构成和操作的示例性磁性叠层的一部分的 ABS 视图。 0007 图 6 给出了能用在本发明多个实施例中的各材料的示例性操作数据。 0008 图 7 示出了能用在本发明多个实施例中的各材料组成和厚度的操作数据。 0009 图 8 给出了根据本发明的多个实施例所构成和操作的磁性元件的示例性操作特 性。 0010 图 9 是根据本发明的多个实施例所实施的示例性数据读取器叠层制造例程的流 程图。 具体实施方式 0011 本发明一般涉及磁阻数据单元， 具体涉及利用至少一个耦合子层来增。
8、强磁阻比 (MR)。数据存储设备变得越来越依赖于具有高数据容量和高数据传送率的数据读取器。这 种所期望的读取器性能可能会在运行时收紧读取器的振幅并产生不希望的噪声， 这将对磁 阻比产生不利的影响。因此， 提高读取器的磁阻比能提高在减小的外形规格和高面积分辨 率设备中的数据存储容量和传送速率。 0012 数据读取器的增强可通过在铁磁自由层之间设置非磁性间隔层来实现， 这里至少 一个铁磁自由层具有提高读取器内的磁阻比 (MR) 的耦合子层。双铁磁自由层和耦合子层 的组合可提供超过 100的更大的 MR， 其可被调整和增强以适应各种性能特性， 比如磁矩 和磁致伸缩性。同样地， 磁性读取器可在制造时进。
9、行调整以在不牺牲读取器大小和适用性 的同时符合众多性能提高参数。 0013 图 1 示出了根据多个实施例的一示例性的数据存储装置 100， 其能够采用所述磁 性数据读取器。 利用该装置100表示本发明多个实施例能够有利实施的示例性环境。 然而， 可以理解， 本发明所保护的范围并不由此所限制。 0014 该装置 100 包括由底板 104 和顶盖 106 组成的大体上密封的壳体 102。布置于内 部的主轴电机 108 被配置为旋转若干存储介质 110。存储介质 110 由相应的数据换能器阵 列来存取， 数据换能器各自由磁头万向组件 (HGA)112 所支撑。各 HGA 112 可由包括弹性悬 说。
10、 明 书 CN 103021423 A 3 2/5 页 4 架 116 的磁头堆叠组件 114(“致动器” ) 所支撑， 弹性悬架 116 进而由刚性致动器臂 118 所 支撑。优选地， 通过向音圈电机 (VCM)122 施加电流使致动器 114 围绕盒式轴承组件 120 转 动。 0015 这样， VCM 122 的受控的操作使 HGA 112 的换能器 124 对准存储介质表面的轨道 ( 未示出 ) 以向其存入数据或从其读取数据。可通过减少至少一个传感磁性单元的操作厚 度来实现在保持换能器 124 的正确定位的同时从更小的数据比特上提取数据的能力。因 此， 通过引入具有减小的操作厚度和宽度。
11、的换能元件能够提高该装置 100 的容量， 减小的 操作厚度和宽度对应于更高的线密度分辨率。 0016 图2显示了能用于图1的装置100中的磁性元件130的示例性框图表示的剖视图。 磁性元件 130 具有设置在第一和第二去耦层 134 和 136 之间的磁响应叠层 132。磁响应叠 层 132 具有由非磁性间隔层 142 所分隔开的第一和第二铁磁自由层 138 和 140。各铁磁自 由层138和140可通过设置在邻近叠层132而远离空气轴承表面(ABS)146的偏置磁体144 而被偏置到预先确定的缺省磁化量。 0017 该 ABS 可以将磁响应叠层 132 与数据存储介质表面 148 相分离，。
12、 数据存储介质表 面容纳以预定位置并且预定磁性取向所设置的一个或多个数据比特150。 在运行过程中， 磁 响应叠层132可浮于ABS之上， 通过提供读信号而响应于数据比特150。 可通过在最小化信 号噪声的同时最大化对数据比特 150 的响应来提高叠层 132 的性能。这种提高的性能是通 过沿着垂直于 ABS 的 X 轴来延伸叠层 132 的条纹高度 152 来实现的。 0018 通过提供邻近叠层 132 的磁屏蔽以减小对非有意远端数据比特 150 的磁响应， 元 件 130 的性能可进一步得到提高， 非有意远端数据比特 150 远离直接从铁磁自由层 138 和 140 穿过 ABS 的数据比。
13、特。在屏蔽有助于避免来自远端数据比特的磁场到达叠层 132 的同 时， 该屏蔽的磁化作用可对叠层 132 的操作产生不利的影响。在铁磁自由层 138 和 140 与 屏蔽之间设置去耦层 134 和 136 能够将铁磁自由层 138 和 140 与任何磁屏蔽之间从磁性上 断开， 从而使得对数据比特 150 的磁响应更精确、 幅度更大、 且 MR 更大。 0019 然而， 元件130的各个部件并不是必需的或局限于图2所示的结构， 可以任意对其 进行更改以适应多种操作环境和参数。 例如， 一个或多个去耦层134和136能沿着叠层132 的整个条纹高度 152 进行延伸， 以提供叠层 132 和任何邻。
14、近的导磁部件之间的增强的磁性 去耦。 0020 图3显示了从ABS看去的示例性数据读取器的叠层160的框图表示， 该叠层160被 表征为三层数据读取器， 因为两个磁性自由层 162 和 164 被单个隧穿层 166 所分隔开。在 三层数据读取器叠层 160 内没有任何钉扎或硬磁层或区域， 实现了增强的数据感测并且屏 蔽 - 到 - 屏蔽之间的间隔 168 最小化。 0021 如图所示， 数据读取器叠层 160 可利用特定材料来构造并能提供预先确定的数据 感测性能， 但这不是必需的或限制性的。铁磁自由层 162 和 164 可以是 CoFeB 合金， 例如 Co48B20， 而隧穿层166可以是。
15、非磁性材料， 例如MgO。 可以利用由非导磁材料(例如钽)所构 成的去耦层 170 和 172 将各铁磁自由层 162 和 164 与任何相邻的导磁屏蔽进行磁性去耦。 0022 数据读取器的叠层 160 的各个层可以单独或共同地调节到平行于 ABS( 这里可是 平行于纸面 ) 的预定宽度 174 和垂直于 ABS 方向的厚度， 以提供用于多种数据存储环境的 特定的 MR。例如， 去耦层 170 和 172 可具有根据各铁磁自由层 162 和 164 的厚度所选定的 说 明 书 CN 103021423 A 4 3/5 页 5 相匹配的厚度， 以提供设计的磁性去耦水平， 例如在 60-130Oe。
16、 范围内， 磁性去耦水平对应 于预定的 MR 范围。 0023 在读取器叠层 160 可以精确感测数据比特的同时， 减小读取器叠层 160 的尺寸 (例如在减小的外形规格的数据存储设备中)可对应于减小读取器叠层160内的磁化强度， 这将最小化数据感测幅度和 MR。图 4 一般地示出了示例性的磁性叠层 180， 该示例性的磁 性叠层 180 一般地表示如何利用层叠的铁磁自由层 182 和 184 来调节和提高磁致伸缩性和 MR。一个或两个铁磁自由层 182 和 184 可具有被构造成耦合子层 186 的不同导磁合金 ( 例 如 NiFe 和 CoFeB) 的组合。可调整每个复合铁磁自由层叠层的不。
17、同厚度、 宽度和材料， 以提 高穿过隧穿层 187 的磁致伸缩性、 磁矩和 MR。 0024 在某些铁磁自由层结构中， 可在磁性自由层 182 和 184 的耦合子层 186 之间设置 扩散层 188 以帮助隔离导磁合金的任何晶体结构。各实施例可通过调整一个或多个扩散层 188 的厚度和材料成分以提供穿过隧穿层 187 的预定的操作交互， 来对多个运行参数 ( 比 如， 磁饱和度 ) 进一步调整和提高， 。 0025 图 5 显示另一个由层叠的磁性自由层 192 和 194 所构造的示例性数据读取器叠层 190 的框图表示， 其中层叠的磁性自由层中的每一个具有直接接触的耦合子层 196， 但没。
18、有 图 4 所示的扩散层 188。各磁性自由层 192 和 194 被构造为两个或多个导磁合金的直接接 触叠层。耦合子层 196 的这种直接接触能够促进交换耦合， 因为诸个层之间的接触可以提 供穿过隧穿层 198 的特定磁致伸缩性以及 MR， 其不同于包括扩散层的磁性自由层叠层。 0026 在读取器叠层 190 内利用多种不同合金的能力允许进行广泛调整以提高性能。第 一耦合子层 196 内的 FeCoZrTa 合金的使用可以强化与所接触的 CoFeB 合金形成的第二耦 合子层 196 之间的耦合并且强化与去耦层 200 之间的去耦合。根据第二磁性自由层和底部 去耦层 194 和 200 的组合。
19、厚度 204 来选择组合的第一磁性自由层和顶部去耦层 192 和 200 的厚度 202， 可以进一步调整读取器叠层 190 的 MR。也就是说， 可将厚度 202 修改为与厚度 204 不同的尺寸以增强并产生穿过隧穿层 198 的预定 MR。 0027 图 6 示出了与不同导磁材料相关的多种操作特性， 其可被选择性地用于图 3-5 的 数据读取器叠层160、 180和190中。 如图所示， 不同合金的磁致伸缩性和隧穿磁阻比(TMR) 值表示了与磁性合金成分相关的操作特性差异。 这种差异进一步表示通过利用相似或不相 似的合金成分来构造铁磁自由层以调节和提高数据数据读取器叠层的能力， 这些合金成。
20、分 用于提供预定量的磁致伸缩性、 磁通量和 TMR。 0028 举例来说， 形成具有相对高的 TMR 和磁致伸缩性的第一磁性自由层， 即 CoFe10B5， 相应地选择第二磁性自由层材料， 即CoFe5B5， 用来补足先前沉积的合金， 并且显示出具有最 小化磁致伸缩性的高的 TMR 和磁通量的增强性能。类似的， 相同或者不同的合金的多种组 合可以被构造为以产生具有预定的 TMR 和磁致伸缩的增强的工作性能。 0029 在某些实施例， 将图 6 所示的操作性能数据与各种其它性能数据联合用于增强和 调整数据读取器叠层的结构和操作。图 7 显示了随着去耦层成分和厚度而变化的示例性的 磁致伸缩性能数据。
21、。当选择和操纵一个或多个去耦层时， 能够调整和增强磁性自由层的不 同的磁致伸缩性、 磁通量和 MR， 以提供增强的读取器叠层的性能。 0030 转向图 7 所示的数据， 当不使用去耦层时， 在点 220 处观察到的是磁致伸缩标称 值。当使用了更厚的钽层时， 在点 222 和 224 处磁致伸缩性增加。将去耦层构造为材料和 说 明 书 CN 103021423 A 5 4/5 页 6 厚度的组合叠层将产生负的磁致伸缩， 如在点 226 处所示的 12nm 的钽和 10nm 的钛的组合。 然而， 特定的组合能够产生可测量数量的磁致伸缩性， 比如在点 228 处 20nm 的钽和 20nm 的 钌的。
22、叠层。 0031 当采取多种设计考量以利用如图 7 所示的任意去耦层组分时， 各个实施例可以具 有一个或两个由 40nm 的 CrRu 所构成的去耦层， 其在点 230 处产生负的磁致伸缩性， 其可与 至少一个正磁致伸缩的磁性自由层组合使用以提供几乎为零的净磁致伸缩性， 并提供更稳 定的数据读取器叠层的性能。 0032 图 8 给出了与用于一个或多个磁性自由层内的铁的重量百分数相关的示例性操 作数据。如图所示， 多种磁矩和磁致伸缩值对应于铁的百分比的变化。这样的多种操作性 能数据允许对铁的百分比进行设计和选择以便为数据读取器器件提供预定的磁致伸缩性 和磁矩。 0033 利用大量与各种数据读取器。
23、叠层结构相对应的工作数据， 为了适应环境和性能可 以增加材料、 厚度和层的大量组合， 以便因高 MR 而提供精确的数据感测。多个实施例对数 据读取器叠层进行一层一层的调整以在操作中提高性能并确保预定的 MR 和磁致伸缩性。 图 9 大概示出了示例性的数据读取器叠层的制造例程 300。 0034 首先， 例程300在判定步骤302中确定去耦层是否是数据读取器叠层的一部分， 如 果是的话， 确定去耦层的材料成分和厚度。图 6-7 中的操作数据能够提供单独或与其它材 料联合在去耦层中实施的指导和例子。 决定使用去耦层的话进行步骤304， 在步骤304中形 成所设计的去耦层。 0035 或者在步骤 3。
24、04 沉积去耦层之后， 或者当在判定步骤 302 中选择不使用去耦层之 后， 判定步骤 306 确定第一磁性层的结构， 至少包括材料成分， 层数和厚度。当对磁性自由 层的结构不存在限制时， 图 3-5 中的读取器叠层提供几个选择， 同时图 6 和 8 的数据示出了 操作数据， 这些操作数据可被用于提高磁性自由层的设计至少为了 MR 和磁致伸缩性。在判 定步骤 306 磁性自由层的设计之后， 例程 300 进入到步骤 308， 在步骤 308 中沉积磁性自由 层之后沉积隧穿层， 例如图 4 中的层 187。 0036 随后， 判定步骤310确定第二磁性自由层的配置， 其可与步骤308中沉积的自由。
25、层 相似或不相似。也就是说， 第二磁性自由层的结构不受限制， 并可与第一磁性自由层相匹 配， 也可唯一地设计。作为一个例子， 第一磁性自由层可以是导磁合金子层的叠层， 例如图 5 中的子层 192 和 194， 其通过交换耦合而增强 MR， 而第二磁性自由层可以是由扩散层 ( 例 如图 4 中的自由层 184) 所分隔开的导磁子层的叠层， 其具有较高的磁稳定性， 并增强 MR。 0037 在判定步骤 310 中的第二磁性自由层设计完成之后， 在步骤 312 沉积第二自由 层。在步骤 312 中的第二磁性自由层的沉积完成了三层磁性数据读取器叠层， 该三层磁性 数据读取器叠层由于具有增强的磁致伸缩。
26、性、 磁矩和磁通量而能够精确和快速地感测数据 比特。 这样的三层叠层可被用在多种数据存储器件中， 并且不局限于旋转的数据存储装置。 判定步骤 314 评估叠层相对于另一个去耦层的设计， 其在导磁屏蔽位于三层读取器叠层的 附近时能提高叠层的性能。 0038 如果选择使用了另一个去耦层， 判定步骤 314 进一步评估在判定步骤 302 中用到 的各种材料和厚度的配置， 并根据前面的沉积层来配置下一个去耦层从而提高读取器叠层 的性能， 这可能导致与第一去耦层结构相匹配的第二去耦层， 也可能不导致这样的第二去 说 明 书 CN 103021423 A 6 5/5 页 7 耦层。然后， 步骤 316 在。
27、第二磁性自由层的顶上形成额外的去耦层。 0039 不管第二去耦层是否存在， 在步骤 318 中将目前的读取器叠层置入读取器器件 中， 目前的读取器叠层可能包括三层结构以及一个或多个去耦层。这样的实施方式可能包 括形成读取器屏蔽以及连接到滑块 ( 例如是图 1 的滑块 112) 的附连， 这种附连既包括电连 接也包括物理连接。随着去耦层和磁性自由层的调整， 读取器叠层的性能在制造过程中得 到增强， 从而以预定的磁响应 (MR) 和增强的磁稳定性而适应于不同的操作环境。在一些实 施例中， 可在步骤 304 和 316 的去耦层的形成之前和之后将例程 300 读取器叠层的制造步 骤扩展以种子层和覆盖。
28、层 ( 例如图 3 中的层 170 和 172) 的制造。 0040 应该注意的是数据读取器叠层的多个层和子层可以多种非限制性的方式沉积， 例 如化学气相沉积、 物理气相沉积、 溅射和原子层沉积。例程 300 中各种判定和层沉积允许产 生多种磁性叠层的结构， 其能够提供调整的操作属性以适应不同的需要。由于判定和步骤 可以根据需要而随意地修改、 移动或去除， 这种可变性表明读取器叠层的制造并不受限制， 其仅仅是示例性的。 0041 能够想到的是， 本发明所描述的磁性读取器器件的结构和材料特性能够通过减小 磁致伸缩性并增强磁阻比和磁通量的改进结构来增强操作。 调整各种具有子层的磁性自由 层的能力允。
29、许构造一读取器元件， 该读取器元件显示出增强的预定操作性能甚至用于更高 线性密度和更高平面位密度的数据存储器中。 0042 能够理解的是， 即使在前文中已经提出了本发明各实施例的众多特征和优点， 以 及本发明各实施例的结构细节和功能的细节， 这些详细说明仅仅是示例性的， 并且可以在 后面的权利要求书所表述的术语的宽泛一般含义在最大程度上所表明的本发明的主旨内 在细节上进行变化， 尤其是对部件的结构和布置方面。 例如， 在不脱离本发明的核心和范围 内， 个别元件可以根据特定应用进行变化。 说 明 书 CN 103021423 A 7 1/6 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103021423 A 8 2/6 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103021423 A 9 3/6 页 10 图 5 图 6 说 明 书 附 图 CN 103021423 A 10 4/6 页 11 图 7 说 明 书 附 图 CN 103021423 A 11 5/6 页 12 图 8 说 明 书 附 图 CN 103021423 A 12 6/6 页 13 图 9 说 明 书 附 图 CN 103021423 A 13 。