专利名称：窄间隙电流垂直平面磁致电阻传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁致电阻传感器，更特别地，涉及避免了自旋转矩噪声(spintorque noise)且具有小间隙的电流垂直平面(CPP)磁致电阻传感器。
背景技术：
计算机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。当盘不旋转时，悬臂偏置滑块接触盘的表面，但是当盘旋转时，空气被旋转的盘旋动。当滑块骑在气垫上时，写和读头被用来写磁印到旋转盘且从旋转盘读取磁印。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路从而实现写和读功能。
写头包括嵌入在第一、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之间。在写头的气垫面(ABS)处间隙通过间隙层形成在第一和第二极片层之间，极片层在背间隙处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通，其使得磁场在ABS处在写间隙弥散出来以用于在移动介质上的道中写上述磁印，例如在上述旋转盘上的环形道中。
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，已被用来检测来自旋转磁盘的磁场。该传感器包括下文称为间隔层的非磁导电层，其夹在下文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)连接到该自旋阀传感器以传导电流通过该传感器。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS)，自由层的磁矩位于平行于ABS，但是可以响应于外磁场自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层交换耦合来被钉扎。
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。采用此布置，部分传导电子通过间隔层与被钉扎层和自由层的每个的界面被散射。当被钉扎层和自由层的磁化彼此平行时，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是被钉扎层和自由层的磁化之间的角。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变化。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，其被检测到且作为重放信号被处理。
当自旋阀传感器采用单被钉扎层时被称为简单自旋阀。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化。根据钉扎层在顶部(在自由层之后形成)或在底部(在自由层之前)，自旋阀还被称为顶型或底型自旋阀。
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的第一和第二屏蔽层之间。在合并式磁头中，单个铁磁层充当读头的第二屏蔽层且充当写头的第一极片层。在背负式头中，第二屏蔽层和第一极片层是分开的层。
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本身没有磁化，但是当与磁材料交换耦合时，它能够强烈地钉扎铁磁层的磁化。
对日益提高的数据速率和数据容量的需求已经推动了对具有改善的信号幅度和减小的道宽的磁致电阻传感器的研发。在实现更高信号幅度方面表现出潜力的是电流垂直平面(CPP)传感器。这样的传感器从顶部向底部垂直于传感器层的平面传导检测电流。CPP传感器的示例包括CPP GMR传感器。CPP GMR传感器基于通过传感器的电子的自旋相关散射运行，类似于更传统的CIP GMR传感器，除了如上所述的检测电流垂直于层平面流动。
然而，CPP GMR传感器遇到的问题在于它们受到自旋转矩噪声的困扰。本领域技术人员将意识到，当电子从一磁层经过间隔层到另一磁层时，会产生自旋转矩噪声。电子的极化和自由层的磁化相互影响。来自极化电子的转矩会扰动自由层的磁化，导致自旋转矩噪声。这将负面地影响传感器的信噪比，使CPP GMR不可用。
避免自旋转矩噪声的一种方法是将CPP GMR传感器构造为具有设置于两个被钉扎层结构之间的自由层的双传感器。不幸地，这样的传感器也不实用，因为间隙(屏蔽件之间的距离)的厚度变得不实用地太大。
因此，需要一种能避免自旋转矩噪声的CPP传感器设计。这样的传感器设计还必须维持可接受的小间隙厚度。
发明内容
本发明提供一种电流垂直平面磁致电阻传感器，其不受自旋转矩噪声的困扰，具有高dr/R且具有小的间隙厚度。根据本发明一实施例的传感器包括第一和第二被钉扎层以及位于该第一和第二二被钉扎层之间的自由层。该第一被钉扎层沿条高方向延伸，该第二被钉扎层和该自由层延伸到较短条高。
该第二被钉扎层通过与反铁磁材料层(AFM层)交换耦合而被钉扎，而该第一被钉扎层被自钉扎，由此它不需要AFM层用于钉扎。这通过消除需要另一厚的第二AFM层来钉扎该第一被钉扎层而有利地降低了间隙高度。该第一被钉扎层通过由于其条高延伸形状提供的形状诱导磁各向异性而被钉扎。
因为该传感器是双CPP传感器，其不受自旋转矩噪声的困扰。第一和第二被钉扎层的总影响有利地抵消，消除了单CPP GMR传感器受其困扰的自旋转矩噪声影响。
参照附图阅读下面对优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他特征和优点将变得明显，附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。
为了更全面理解本发明的本质和优点、及其优选使用模式，请结合附图参考下面的详细说明，附图不是按比例绘制。
图1是其中可实施本发明的盘驱动系统的示意图；图2是滑块的ABS视图，示出其上磁头的位置；图3是沿图2的环3截取且逆时针旋转90度得到的放大ABS视图；以及图4是图3的侧剖视图。
具体实施例方式
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，示出了实施本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转磁盘112支承在心轴(spindle)114上且通过盘驱动器马达118被旋转。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在磁盘表面122之上径向进出移动，从而磁头组件121可以存取写有所需数据的磁盘的不同道。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倚着磁盘表面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由控制器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的轻微的弹力，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磁盘表面之上。
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传达到和读出自写头和读头121。
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拖尾边缘(trailing edge)。一般磁盘存储系统的上述说明及图1和2的附图仅用于示例。应显然地，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电流垂直平面巨磁致电阻(CPPGMR)传感器300包括传感器堆叠302，其夹在第一和第二导电引线304、306之间，引线304、306在运行期间提供检测电流到该传感器。引线304、306可由磁材料例如NiFe构成，从而它们可以用作磁屏蔽层和电引线。第一和第二硬偏置层308、310从传感器堆叠302的侧面横向延伸。硬偏置层308、310由硬磁材料例如CoptCr等构成，且提供偏置场用于偏置自由层的磁化，这将在下面更详细地描述。第一和第二侧绝缘层312、314形成在传感器堆叠的两横向侧面且跨过第一引线304的表面以防止检测电流通过硬偏置层308、310分流。
继续参照图3，传感器堆叠302包括第一和第二被钉扎层结构316、318。磁自由层320设置在第一和第二被钉扎层结构316、318之间。第一非磁导电间隔层322夹在第一被钉扎层结构316和自由层320之间，第二非磁导电间隔层324夹在自由层320和第二被钉扎层结构318之间。籽层325例如NiFeCr或NiFe可设置在传感器堆叠302的底部，帽层327例如Ta可设置在传感器堆叠302的顶部从而在制造期间保护传感器层。
自由层320由低矫顽力磁材料例如Co、CoFe和NiFe的一层和更多层构成。第一和第二间隔层322、324可由Cu构成。自由层320具有沿与ABS平行的期望方向被偏置但响应于磁场自由旋转的磁化321。用于自由层320的偏置由来自硬偏置层308、310的偏置场提供。第一被钉扎层结构316包括第一和第二磁层AP1 326和AP2 328，其跨过非磁耦合层330例如Ru反平行耦合。AP1和AP2层可由例如CoFe或其他合适的磁材料构成。类似地，第二被钉扎层结构318包括第三和第四磁层AP3 332和AP4 334，其跨过非磁耦合层336例如Ru反平行耦合。AP3和AP4层332、334也可由CoFe或其他合适磁材料构成。
第二被钉扎层结构318的AP4层334与反铁磁材料层AFM层338例如PtMn、IrMn等交换耦合。来自AFM层338的交换场沿如图所示的垂直于ABS的期望方向强烈地钉扎AP4层334的磁化340。AP4和AP3层332、334之间的反平行耦合将AP3层332的磁化342钉扎在垂直于ABS且与AP4层334的磁化340的方向反平行的期望方向上。为了使AFM层338有效地用来钉扎AP4层334的磁化340，AFM层必须厚。例如，AFM层必须具有50-150埃的厚度，而期望的总间隙预算为300至400埃。
仍参照图3，第一被钉扎层316具有AP1 326，AP1 326具有被钉扎在垂直于ABS的方向上的磁化344，AP2层328具有被钉扎在垂直于ABS且与AP1层326的磁化344反平行的方向上的磁化346。AP2层328的磁化346应沿与AP3层332的磁化342相同的方向取向，以使传感器300正常运行。
可以看出，没有AFM层钉扎第一被钉扎层结构316的磁化。第一被钉扎层316被自钉扎，从而不需要AFM层用于钉扎。消除该AFM层允许间隙G比需要第二AFM的情况薄地多。第一被钉扎层结构通过形状增强各向异性且辅助以其他因素而被钉扎，这将在下面说明。
参照图4，可以看出，第一被钉扎层316延伸到从ABS测量的第一条高SH1。第一间隔层322的全部或部分也可延伸到该第一条高距离。还可以看出，第二被钉扎层结构318(在顶部)以及AFM层338、第二间隔层324和自由层321延伸到远短于SH1的第二条高距离SH2。此第二条高距离定义传感器的有效条高。电绝缘填充材料402例如氧化铝填充传感器堆叠302后面的区域。
将被钉扎层316沿条高方向延伸到第一条高距离SH1在AP1和AP2层326、328中产生沿垂直于ABS的期望方向上的强形状增强磁各向异性。该形状增强各向异性钉扎AP1和AP2层326、328的磁化344、346而不需要AFM层。为了提供有效的形状增强钉扎，第一条高距离SH1优选是第二条高距离SH2的3-10倍或约5倍。然而，第一条高距离SH1至少大于第二条高距离SH2。
可以通过由具有强的正磁致伸缩的材料构造AP1和AP2层326、328来进一步辅助钉扎。这样的材料例如是CoFe。正磁致伸缩与这样的磁致电阻传感器中固有地存在的压应力一起进一步产生沿垂直于ABS方向的磁各向异性。钉扎通过AP1和AP2层326、328之间的反平行耦合得到再进一步的辅助。
将传感器300制造为具有自由层320和两个被钉扎层结构316、318的双GMR传感器消除了背景技术中论述的自旋转矩问题。这是因为来自两个被钉扎层结构316、318的影响彼此抵消。作为一个重要的附加优点，双自旋阀设计提供大大提高的GMR效应(dr/R)。消除了对第二AFM层的需要极大减小了间隙厚度G，使得传感器300在当前和未来的间隙厚度要求下是实用的。例如，与具有用于钉扎被钉扎层316、318两者的AFM的传感器相比，消除对第二AFM层的需要将间隙G减小了5-15nm。
虽然上面已经描述了本发明的各种实施例，但是应理解，它们仅以示例的方式给出，而不是用于限制。落入本发明的范围内的其他实施例也会对本领域技术人员变得显然。因此，本发明的广度和范围不应局限于上述示例性实施例的任何一个，而是应仅由所附权利要求及其等价物定义。
权利要求
1.一种具有气垫面的电流垂直平面(CPP)磁致电阻传感器，该传感器包括第一磁被钉扎层结构，该第一被钉扎层结构从该ABS延伸至第一条高距离；第二磁被钉扎层结构，该第二被钉扎层结构从该ABS延伸至第二条高距离，终止于该第二条高距离；磁自由层结构，位于该第一和第二被钉扎层结构之间；第一非磁导电间隔层，夹在该第一被钉扎层结构和该自由层之间；以及第二非磁导电间隔层，夹在该第二被钉扎层结构和该自由层之间。
2.根据权利要求1的传感器，其中该第一被钉扎层结构包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的非磁耦合层。
3.根据权利要求1的传感器，其中该第一被钉扎层结构包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的非磁耦合层，该AP1和AP2层包括具有正磁致伸缩的材料。
4.根据权利要求1的传感器，其中该第一被钉扎层结构包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的非磁耦合层，该AP1和AP2层包括CoFe。
5.根据权利要求1的传感器，其中该第一被钉扎层结构包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的第一非磁耦合层；且该第二被钉扎层结构包括第三磁层(AP3)、第四磁层(AP4)和夹在该AP3和AP4层之间的第二非磁耦合层。
6.根据权利要求1的传感器，其中该第一条高距离是该第二条高距离的3-10倍。
7.根据权利要求1的传感器，其中该第一条高距离是该第二条高距离的约5倍。
8.根据权利要求1的传感器，其中该第一被钉扎层结构包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的第一非磁耦合层；且该第二被钉扎层结构包括第三磁层(AP3)、第四磁层(AP4)和夹在该AP3和AP4层之间的第二非磁耦合层，其中该AP1、AP2、AP3和AP4层包括具有正磁致伸缩的材料，且该第一和第二耦合层包括Ru。
9.根据权利要求1的传感器，其中该第一被钉扎层结构包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的第一非磁耦合层；且该第二被钉扎层结构包括第三磁层(AP3)、第四磁层(AP4)和夹在该AP3和AP4层之间的第二非磁耦合层，其中该AP1、AP2、AP3和AP4层包括CoFe，且该第一和第二耦合层包括Ru。
10.根据权利要求1的传感器，其中至少部分所述第一间隔层延伸至所述第一条高距离。
11.根据权利要求1的传感器，其中该自由层从该ABS延伸至该第二条高距离，终止于该第二条高距离。
12.根据权利要求1的传感器，其中该自由层和该第二非磁导电间隔层终止于该第二条高距离。
13.一种具有气垫面ABS的电流垂直平面(CPP)磁致电阻传感器，该传感器包括第一磁被钉扎层结构；第二磁被钉扎层结构；磁自由层，位于该第一和第二被钉扎层结构之间；第一非磁导电间隔层，夹在该第一被钉扎层结构和该自由层之间；第二非磁导电间隔层，夹在该第二被钉扎层结构和该自由层之间；以及反铁磁材料层，与该第二被钉扎层交换耦合，其中该第一被钉扎层结构从该ABS延伸到第一条高距离；该第二被钉扎层结构和该自由层从该ABS延伸至比该第一条高距离小的第二条高距离；该第二被钉扎层结构具有通过与该反铁磁材料层交换耦合而被钉扎的磁化；且该第一被钉扎层结构被自钉扎而没有与一反铁磁材料层交换耦合的辅助。
14.根据权利要求13的磁致电阻传感器，其中该第一条高距离是该第二条高距离的3-10倍。
15.根据权利要求13的磁致电阻传感器，其中该第一条高距离是该第二条高距离的约5倍。
16.根据权利要求13的磁致电阻传感器，其中该第一被钉扎层包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的非磁耦合层，该AP1和AP2层由具有正磁致伸缩的磁材料构成。
17.根据权利要求13的磁致电阻传感器，其中该第一被钉扎层包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的非磁耦合层，该AP1和AP2层由CoFe构成。
18.根据权利要求13的磁致电阻传感器，其中该第一被钉扎层包括第一磁层AP1、第二磁层AP2和夹在该AP1和AP2层之间的非磁耦合层，该AP1和AP2层由CoFe构成；其中该AP1和AP2层具有通过形状诱导磁各向异性、磁致伸缩诱导磁各向异性、以及AP1和AP2层之间的反平行耦合的结合被钉扎的磁化。
19.根据权利要求1的磁致电阻传感器，还包括与该第一被钉扎层结构相邻地设置的第一导电引线和与该第二AFM层结构相邻地设置的第二导电引线。
20.根据权利要求13的磁致电阻传感器，还包括与该第一被钉扎层结构相邻地设置的第一导电引线和与该第二被钉扎层结构相邻地设置的第二导电引线。
全文摘要
本发明涉及一种避免了自旋转矩噪声且同时具有高的dr/R性能和小间隙的电流垂直平面(CPP)磁致电阻传感器。该传感器是双磁致电阻传感器，具有第一和第二被钉扎层以及设置在所述两个被钉扎层之间的自由层。该被钉扎层之一通过与AFM层交换耦合而被钉扎，而另一个被钉扎层通过形状增强磁各向异性而自钉扎，没有使用AFM层。该自钉扎层从ABS延伸至比该AFM被钉扎层和该自由层的条高距离大的延长的条高距离。
文档编号G11B5/39GK1992367SQ20061017211
公开日2007年7月4日 申请日期2006年12月27日 优先权日2005年12月27日
发明者马斯塔法·M·皮纳巴西 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司