带有反向平行耦合的低Hk自由层的巨磁阻传感器 【技术领域】
本发明一般涉及到用来从磁性媒体读取信息信号的巨磁阻(GMR)传感器，确切地说是涉及到具有低本征单轴各向异性的反向平行耦合自由层的自旋阀传感器，以及涉及到组合有这种传感器的磁性存储系统。
背景技术
计算机常常包括具有媒体的辅助存储器件，在以后的使用中，此媒体上可以写入数据并从中读取数据。组合有旋转磁盘的直接存取存储器件(磁盘驱动器)被普遍用来在磁盘表面上以磁性形式存储数据。数据被记录在磁盘表面上的径向分隔的同心磁道上。然后用包括读出传感器的磁头，从磁盘表面上地磁道读取数据。
在高容量磁盘驱动器中，通常称为MR传感器的磁阻(MR)读出传感器由于其以比薄膜感应磁头更高的磁道和线性密度从磁盘表面读取数据的能力而在读出磁头中占优势。MR传感器通过其MR读出层(也称为“MR元件”)的电阻值随正被MR层读取的磁通量的强度和方向的变化而探测磁场。
常规的MR传感器基于各向异性磁阻(AMR)效应而工作，其中MR元件的电阻值随MR元件中的磁化与流过MR元件的读出电流的方向之间的夹角的余弦平方而变化。由于来自记录有数据的磁性媒体的外部磁场(信号场)引起MR元件中的磁化方向改变，它又引起MR元件中的电阻值改变以及读出的电流或电压的相应改变，故能够从磁性媒体读出记录的数据。
另一种MR传感器是呈现GMR效应的巨磁阻(GMR)传感器。在GMR传感器中，MR读出层的电阻值随被非磁性层(间隔层)分开的磁性层之间的导电电子的自旋有关的传输以及发生在磁性与非磁性层界面处和磁性层中伴生的自旋有关的散射而改变。
仅仅使用二个被非磁性材料层(例如铜)分隔的铁磁材料层(例如Ni-Fe)的GMR传感器，通常被称为自旋阀(SV)传感器，它呈现SV效应。图1示出了现有技术的SV传感器100，它包含被中央区域102分隔的端部区域104和106。称为钉扎层的第一铁磁层120的磁化通常被与反铁磁(AFM)层125的交互耦合固定(钉扎)。称为自由层的第二铁磁层110的磁化不被固定，可以响应于来自记录磁性媒体的磁场(信号场)而自由旋转。自由层110被非磁性导电分隔层115分隔于钉扎层120。制作在端部区域104和106中的引线140和145分别提供电连接，用来读取SV传感器100的电阻值。此处列为参考的授予Dieny等人的IBM的美国专利No.5206590公开了基于GMR效应而工作的一种SV传感器。
另一种SV传感器是反向平行(AP)钉扎的SV传感器。在AP钉扎的SV传感器中，钉扎层是由被非磁性耦合层分隔的二个铁磁层组成的叠层结构，以致二个铁磁层的磁化被反铁磁地沿反向平行方向紧密耦合在一起。与图1的SV传感器的钉扎层结构相比，AP钉扎的SV传感器提供了改进的反铁磁(AFM)层到层叠的钉扎层结构的交互耦合。这一改进了的交互耦合提高了AP钉扎的SV传感器在高温下的稳定性，这使得能够对AFM层使用抗蚀剂和诸如NiO的电绝缘反铁磁材料。
参照图2，AP钉扎的SV传感器200包含被非磁性导电分隔层215分隔于层叠的AP钉扎层结构220的自由层210。层叠的AP钉扎层结构220的磁化被AFM层230固定。层叠的AP钉扎层结构220包含被非磁性材料(通常是钌(Ru))组成的反向平行耦合(APC)层分隔的第一铁磁层226和第二铁磁层222。层叠的AP钉扎层结构220中的二个铁磁层226和222(FM1和FM2)的磁化方向反向平行，如箭头227和223所示(箭头分别指向纸面外和内)。
当磁性存储密度提高以满足高存储容量磁盘驱动器的需求时，提高SV传感器的GMR系数以便改善信号回读系统的灵敏度和信噪比特性，以及减小自由层的厚度以便满足更高的面密度要求，就越来越重要。在分隔层和钉扎层周围以及分隔层与分隔层界面周围的读出电流旁路，由于引起GMR效应的大部分自旋有关的散射发生在这一区域中，而导致GMR系数下降。SV传感器的自由层通常由Co-Fe层和Ni-Fe层组成。Co-Fe被用来获得高的GMR系数，而Ni-Fe被加入以便获得具有软磁性质的自由层。然而，Ni-Fe具有低的电阻率，使读出电流旁路，导致GMR系数下降。为了提高面密度应用而减小自由层的厚度，导致磁性性质的退化和GMR系数降低。对自由层使用反向平行耦合结构，是减小自由层磁性厚度而不使磁性性质和GMR系数退化的一种方法。然而，由于反向平行耦合而使自由层的本征单轴各向异性Hk增大，使这种结构对于自由层应用没有吸引力。
因此，为了减小自由层厚度、降低读出电流旁路、以及提高自旋阀传感器的GMR系数同时保持自由层非常低的Hk值，对于改进的反向平行耦合自由层存在着需求。
发明内容
因此，本发明的目的是公开一种自旋阀传感器，它具有本征单轴各向异性Hk低的反向平行(AP)耦合的自由层。
本发明的另一目的是公开一种自旋阀传感器，它具有由高电阻率软铁磁材料组成的自由层。
本发明的又一目的是公开一种自旋阀传感器，它具有因利用铁磁自由层降低电流旁路而改进的GMR系数。
本发明的再一目的是公开一种自旋阀传感器，它具有包含被钌(Ru)组成的反铁磁耦合层分隔的由Co-Fe组成的第三铁磁层和由Co-Fe-Hf-O组成的第四铁磁层的AP耦合的自由层。
根据本发明的原理，公开了一种自旋阀(SV)传感器，它具有AP钉扎层、层叠的AP耦合自由层、以及夹在AP钉扎层与自由层之间的非磁性导电分隔层。AP钉扎层包含被反向平行耦合(APC)层分隔的第一和第二铁磁层。AP耦合的自由层包含邻近分隔层的由Co-Fe组成的第三铁磁层以及被反向平行耦合(APC)层分隔于第三铁磁层的由Co-Fe-Hf-O组成的第四铁磁层。在传感器的AFM退火工艺步骤中，Co-Fe层的易磁化轴变成横向，而Co-Fe-Hf-O的易磁化轴由于这一纳米结晶材料的较高的热稳定性而保持纵向。Co-Fe层的易磁化轴与Co-Fe-Hf-O材料的易磁化轴之间的90度夹角导致AP耦合的自由层的Hk非常低。第四铁磁层的Co-Fe-Hf-O材料具有高的电阻率，导致读出电流旁路被自由层降低。此外，第四铁磁层的金属氧化物已知会引起电子的反转对称散射。降低了的读出电流旁路以及电子的反转对称散射都有助于改善SV的GMR系数。
在下列详细的描述中，本发明的上述以及其它的目的、特点和优点将变得明显。
【附图说明】
为了更充分地理解本发明的性质和优点以及使用的优选模式，应该结合附图参照下列详细描述。在下列附图中，相似的参考号表示所有附图中的相似的部件。
图1是现有技术SV传感器的空气轴承表面图，未按比例；
图2是现有技术AP钉扎的SV传感器的空气轴承表面图，未按比例；
图3是使用本发明的自旋阀晶体管传感器的磁性记录磁盘驱动系统的简化图；
图4是“自动分段控制”读/写磁头的垂直剖面图，未按比例；
图5是“并合”读/写磁头的垂直剖面图，未按比例；以及
图6是本发明的自旋阀传感器的实施方案的空气轴承表面图，未按比例。
【具体实施方式】
下列描述是目前用来实施本发明的最佳实施方案。这一描述是为了说明本发明的一般原理，而不是对此处提出权利要求的本发明的概念的限制。
现参照图3，示出了体现本发明的磁盘驱动器300。如图3所示，至少一个可旋转的磁盘312被支持在转轴314上，并被磁盘驱动电机318旋转。磁性记录媒体在磁盘312上成同心数据磁道(未示出)的环形图形。
至少一个滑块313被置于磁盘312上，各个滑块313支持一个或更多个磁性读/写头321，其中的磁头321组合有本发明的SV传感器。当磁盘旋转时，滑块313在磁盘表面322上方径向内外移动，使磁头321可以访问记录了所需数据的磁盘的不同部分。各个滑块313被悬臂315固定到执行臂319。悬臂315提供了使滑块313偏向磁盘表面322的轻微弹力。各个执行臂319被固定到致动器327。图3所示的致动器可以是音圈电机(VCM)。VCM包含可在固定磁场中运动的线圈，线圈运动的方向和速度受控制器329馈送的电机电流信号控制。
在磁盘存储系统的工作过程中，磁盘312的旋转在滑块313(包括磁头321且面向磁盘312表面的滑块313的表面，被称为空气轴承表面(ABS))与将向上的力施加到滑块的磁盘表面322之间产生一个空气轴承。此空气轴承于是抵消悬臂315的轻微弹力，并在正常工作过程中将滑块313支持在磁盘表面上方形成小的基本上恒定的间距。
磁盘存储系统的各个组成部分在工作时受控制单元329产生的诸如存取控制信号和内部时钟信号之类的信号的控制。控制单元329通常包含逻辑控制电路、存储芯片、和微处理器。控制单元329产生控制信号，例如线323和磁头位置上的驱动电机控制信号以及线328上的搜索控制信号，以控制各个系统工作。线328上的控制信号提供所需的电流分布来最佳地将滑块313移动和定位到磁盘312上的所需数据磁道。利用记录信道325，将读和写信号连接到读/写头321和从读/写头连接出来。记录信道325可以是局部响应最大可能性(PMRL)信道或峰值探测信道。二种信道的设计和实现在本技术中对熟练人员来说是众所周知的。在优选实施方案中，记录信道325是PMRL信道。
典型磁盘存储系统的上述描述以及图3的伴随说明仅仅是为了表述的目的。显然，磁盘存储系统可以包含大量磁盘和执行臂，且各个执行臂可以支持大量滑块。
图4是“自动分段控制”磁性读/写头400的侧剖面图，它包括写入头部分402和读出头部分404，读出头部分采用根据本发明的自旋阀(SV)传感器406。SV传感器406被夹在非磁性绝缘第一和第二读出间隙层408和410之间，而读出间隙层被夹在铁磁性第一和第二屏蔽层412和414之间。响应于外部磁场，SV传感器406的电阻值改变。流过传感器的读出电流Is使这些电阻值改变呈现为电位改变。这些电位改变则被图3所示的数据记录信道346的处理电路处理为回读信号。
磁性读/写头400的写入头部分402包括夹在第一和第二绝缘层418和420之间的线圈层416。可以用第三绝缘层522来整平磁头以消除线圈层416引起的第二绝缘层420中的皱纹。在本技术中，第一、第二、和第三绝缘层被称为绝缘叠层。线圈层416以及第一、第二、和第三绝缘层418、420、和422，被夹在第一和第二磁极片层424和426之间。第一和第二磁极片层424和426在背面间隙428处被磁性耦合，并在ABS 400处具有被写入间隙层434分隔的第一和第二磁极尖端430和432。绝缘层436位于第二屏蔽层414和第一磁极片层424之间。由于第二屏蔽层414和第一磁极片层424是分隔的层，故这一读/写头被称为“自动分段控制”磁头。
除了第二屏蔽层514与第一磁极片层524是公共层之外，图5与图4相同。这种读/写头被称为“并合”磁头500。图4中的自动分段控制磁头的绝缘层436在图5的并合磁头500中被略去。
图6示出了根据本发明一个实施方案的反向平行(AP)钉扎的自旋阀(SV)传感器600的空气轴承表面(ABS)，未按比例。SV传感器600包含被中央区域606彼此分隔的端部区域602和604。衬底608可以是任何适当的衬底，包括玻璃、半导体材料、或陶瓷材料，例如氧化铝(Al2O3)。籽晶层610是淀积来修正后续各个层的结晶学织构或晶粒尺寸的层，并根据后续层的材料而可以不需要。对于SV传感器600的实施方案，籽晶层610包含淀积在衬底上的三层籽晶层结构。第一、第二、和第三子层612、614、和616被相继淀积在衬底608上。反铁磁(AFM)层620被淀积在第三子层616上，其厚度为能够得到所需的交互性质，通常为100-500。在AFM层620的中央区域606上制作层叠的AP钉扎层622。AP钉扎层622包含第一铁磁层(FM1)624、第二铁磁层(FM2)628、以及排列在FM1层624和FM2层628之间的反向平行耦合(APC)层626。APC层由非铁磁材料，最好是钌(Ru)组成，使FM1层624和FM2层628能够牢固地反铁磁耦合在一起。包括第三铁磁层(FM3)634、第四铁磁层(FM4)636、以及排列在第三和第四铁磁层634和636之间的APC层635的层叠的AP耦合自由层(自由铁磁层)632，被非铁磁导电分隔层630分隔于AP钉扎层622。在不存在外部场时，自由层632的磁化最好平行于ABS，如表示AP耦合的第三和第四铁磁层634和636的磁化的箭头633和637分别所示。制作在自由层632上的帽层638完成了SV传感器600的中央区域606。
在此实施方案中，帽层638由钽(Ta)组成。作为变通，帽层638可以是由制作在自由层632上的铜(Cu)的第一子层和制作在Cu的第一子层上的钽(Ta)的第二子层组成的双层帽层。自由层上Cu层的存在已知会通过自旋滤波器效应增强SV传感器的磁阻。
SV传感器600还包含分别制作在端部区域602和604上的偏置层640和642，用来为自由层632提供纵向偏置场，以确保自由层中的单一磁畴状态。引线层644和646也分别被淀积在端部区域602和604上，以便为读出电流Is从电流源650流到SV传感器600提供电连接。电连接到引线644和646的信号探测器660，对外部磁场(例如存储在磁盘上的数据位产生的场)在自由层632中感应的变化所造成的电阻值的变化进行读出。外部磁场使自由层632的磁化方向相对于最好垂直于ABS被钉扎的钉扎层622的磁化方向旋转。信号探测器660最好包含部分响应最大可能性(PRML)记录信道，用来处理SV传感器600探测到的信号。作为变通，可以采用峰值探测信道或最大可能性信道(例如1，7ML)。上述信道的设计和实现对本技术的熟练人员来说是众所周知的。如本技术熟练人员所知，信号探测器660也包括诸如用来调整读出的电阻值变化的前置放大器(电学上置于传感器与信道之间)之类的其它支持电路。
在磁控溅射或离子束溅射系统中制造SV传感器600，以便相继淀积图6所示的多层结构。在存在大约40Oe的纵向磁场的情况下进行溅射淀积工艺。借助于相继淀积厚度约为30的由Al2O3组成的第一子层612、厚度约为30的由NiMnO组成的第二子层614、以及厚度约为35的由钽(Ta)组成的第三子层616，在衬底608上制作籽晶层610。厚度约为200的由Pt-Mn组成的AFM层620被淀积在籽晶层610的第三子层616上。
AP钉扎层622、分隔层630、层叠的AP耦合自由层632、以及帽层638，被相继淀积在中央区域606中的AFM层620上。厚度约为17的由Co-Fe组成的FM1层624被淀积在AFM层620上。厚度约为8的由钌组成的APC层626被淀积在FM1层624上。厚度约为26的由Co-Fe组成的FM2层628被淀积在APC层626上。
非磁性导电分隔层630由淀积在FM2层628上的厚度约为21的铜(Cu)组成。作为变通，分隔层630可以由银(Ag)、金(Au)、或Cu、Ag、和Au的合金组成。层叠的AP耦合自由层632包含淀积在分隔层630上的厚度约为10-20最好是15的由Co-Fe组成的FM3层634、淀积在FM3层634上的厚度约为8的由钌组成的APC层635、以及淀积在APC层635上的厚度约为10-20最好是15的由Co-Fe-Hf-O组成的FM4层636。帽层638由淀积在自由层632的FM4层638上的厚度约为50的Ta组成。
在淀积中央部分606之后，在大约800Oe的横截于ABS的磁场中，对传感器进行退火，然后仍然在磁场中冷却，以设定AFM层620与横截于ABS的层叠AP钉扎层622的交互耦合。FM1层624具有与AFM层620的表面形成界面的表面，致使AFM层将FM1层624的磁矩625(在图6中由指向纸面内的箭头尾巴表示)沿垂直于离开ABS的方向钉扎。FM1层624的磁化被与AFM层620的交互耦合沿此方向钉扎。APC层626非常薄(大约8)，使得能够得到FM1层624与FM2层628之间的反铁磁交互耦合。因此，FM2层628的磁化629(由指向纸面外的箭头的头部表示)沿相反于FM1层624的磁化625的方向，亦即垂直并向着ABS定向。作为变通，FM1层624的磁化625可以沿相反的方向被设定(垂直并离开ABS)，致使磁化625指向纸面外。FM2层628的磁化629则由于反向平行耦合跨越APC层626而指向纸面内。
本发明的新颖特点是采用Co-Fe-Hf-O来形成AP耦合的自由层632的FM4层636。已知Co-Fe-Hf-O材料由于其纳米结晶结构而具有高的热稳定性，其结果是，用来设定Pt-Mn组成的AFM层620与横截于ABS的AP钉扎层622的交互耦合的横向退火工艺，将不引起FM4层636的Co-Fe-Hf-O材料的易磁化轴从其纵向取向发生旋转。然而，横向退火工艺引起FM3层634的热稳定性较低的Co-Fe材料的易磁化轴变成横向。结果，AP耦合的自由层632的FM3层和FM4层的纯净本征单轴各向异性Hk会降低。已知铁磁Co-Fe-Hf-O材料具有非常高的电阻率(＞400微欧姆厘米)，并具有软磁性(矫顽力Hc≤5Oe，和本征单轴各向异性Hk≤10Oe)。在使自由层632响应于信号磁场而自由旋转方面，软磁性是很重要的。FM4层636的高电阻值使流过自由层632的这一子层的读出电流降低，导致分隔层630以及与引起GMR效应的自旋有关的散射过程最有效的分隔层形成界面的铁磁层中的读出电流增大。除了高电阻率之外，Co-Fe-Hf-O材料还是一种已知引起电子反转对称反射的金属氧化物。电子被金属氧化物材料反转对称反射回到自由层，继续在其中增加GMR效应。降低了的读出电流旁路与散射进入金属氧化物层的电子的反转对称反射的组合效应，将导致自旋阀传感器600的GMR系数增大。
Co-Fe-Hf-O材料的高电阻率和低单轴各向异性是纳米晶粒结晶结构造成的。所需材料的组分范围可以用原子百分比表示为(Coa-Feb)x-Hfy-Oz，其中，40％≤x≤70％，5％≤y≤25％，20％≤z≤40％，70％≤a≤95％，5％≤b≤30％，x＋y＋z＝100％，a＋b＝100％。优选组分是(Co90-Fe10)60-Hf10-O30。
层叠的自由层632的FM3层634由组分范围原子百分比表示为Coa-Feh的Co-Fe制成，其中70％≤a≤95％，5％≤b≤30％，且a＋b＝100％。优选组分是Co90-Fe10。
对于本技术的熟练人员来说，显然，本发明的AP耦合自由层可以被用作磁隧穿结(MTJ)传感器磁阻器件来获得来自AP耦合和此自由层材料和结构造成的灵敏度提高的降低自由层磁性厚度的优点。
虽然参照优选实施方案已经具体描述了本发明，但本技术领域的熟练人员可以理解，可以在形式和细节方面作出各种各样的改变而不偏离本发明的构思、范围与说明。因此，所公开的发明被认为仅仅是示例性的，且仅仅由所附权利要求所规定的范围来限定。