專利名稱：電流垂直平面型巨磁致電阻傳感器的制作方法
技本領域本發(fā)明涉及磁頭，更特別地，本發(fā)明涉及具有非直交排列的自由和參考層磁化的電流垂直平面(CPP)巨磁致電阻(GMR)頭。
背景技術：
計算機的核心是磁盤驅動器，其包括旋轉磁盤、具有讀和寫頭的滑塊、旋轉盤上方的懸臂以及轉動懸臂從而將讀和寫頭置于旋轉盤上選定環(huán)形道(track)之上的致動器臂。盤不旋轉時，懸臂將滑塊偏置為接觸盤的表面，但是當盤旋轉時，滑塊的氣墊面(ABS)附近空氣被旋轉的盤旋動，使得滑塊騎在氣墊上距旋轉盤的表面一微小的距離。當滑塊騎在氣墊上時，采用寫和讀頭來寫磁印(magnetic impression)到旋轉盤或從其讀取磁信號場。讀和寫頭連接到根據(jù)計算機程序運行的處理電路從而實現(xiàn)寫和讀功能。
通常稱為MR頭的磁致電阻(MR)讀傳感器幾乎用于所有的大容量盤驅動器中。MR傳感器通過其電阻變化檢測磁場，其電阻是通過MR層感測的磁通的強度和方向的函數(shù)。現(xiàn)在的盤驅動器中常見類型的MR傳感器采用巨磁致電阻效應，即電阻作為通過非磁間隔層分隔開的兩個或更多鐵磁層之間傳導電子的自旋相關傳輸以及在鐵磁和非磁層的界面以及鐵磁層內發(fā)生的伴隨自旋相關散射的函數(shù)而變化。這些傳感器的電阻取決于不同磁層的磁化的相對取向。
其電阻主要取決于通過非磁材料(例如Cu)層分隔開的僅兩個鐵磁材料(例如Ni-Fe)層的相對磁化的GMR傳感器通常被稱為自旋閥(SV)傳感器。在“簡單”SV傳感器中，稱為參考層(reference layer)(或被釘扎層)的鐵磁層之一使其磁化通常通過與反鐵磁(例如PtMn)層的交換耦合而被釘扎。反鐵磁層產(chǎn)生的釘扎場應該足夠大從而確保參考層的磁化方向在施加外磁場(例如來自記錄在盤上的位(bit)的場)期間保持固定。然而，稱為自由層的另一鐵磁層的磁化不被固定且響應于來自記錄磁介質的場(信號場)自由轉動。授權給Dieny等人的美國專利No.5,206,590公開了一種基于GMR效應運行的“簡單”SV傳感器，在此引用其全部內容作為參考。
示例性高性能讀頭采用自旋閥傳感器，其用于感測來自旋轉磁盤的磁信號場。圖1A示出現(xiàn)有技術SV傳感器100，包括通過非磁導電間隔層115與參考層(被釘扎鐵磁層)120分隔開的自由層(自由鐵磁層)110。參考層120的磁化通過到反鐵磁(AFM)層130的交換釘扎(exchange pinning)而被固定。
圖1B示出圖1A的SV傳感器100的透視圖。
在當代SV傳感器中幾乎普遍采用的是利用反平行(AP)釘扎。在這樣的AP被釘扎SV傳感器中，參考層是兩個鐵磁層的層疊結構，該兩個鐵磁層通過非磁AP耦合層分隔開使得兩鐵磁層的磁化以反平行取向強烈地反鐵磁耦合在一起。稱為被釘扎層的第一鐵磁層通過到AFM層的直接交換耦合而使其磁化在取向上被釘扎/固定。第二鐵磁層用作確定該器件的電阻的參考層，被強烈地AP耦合到被釘扎層，且副作用地也在取向上被固定。AP排列的被釘扎和參考層的退磁場和磁矩的抵消相對于圖1A的簡單SV傳感器所獲得的大大地改進了參考層的穩(wěn)定性。
參照圖1C，AP被釘扎SV傳感器200包括通過非磁導電間隔層215與層疊的AP被釘扎層結構220分隔開的自由層210。層疊的AP被釘扎層結構220的磁化通過AFM層230而被固定。層疊的AP被釘扎層結構220包括通過非磁材料反平行耦合層(APC)224分隔開的第一鐵磁(被釘扎)層226和第二鐵磁(參考)層222。層疊的AP被釘扎層結構220中的兩鐵磁層226、222(FM1和FM2)使其磁化方向反平行取向，如箭頭227、223(分別指向頁面外和頁面內的箭頭)所示。
自旋閥傳感器的電阻R的變化公知為Q＝cos(θ)的線性函數(shù)，其中θ是參考和自由層結構的(面內)磁化矢量之間的角。具體地，θ≡θf-θr，其中θf是自由層的(面內)磁化的角，θr表示參考層的(面內)磁化的角。傳感器的靈敏度通過其磁致電阻系數(shù)ΔR/R0量化，其中ΔR＝Rmax-Rmin為傳感器的電阻的最大變化，R0＝R(Q＝0)為磁矩直交時傳感器的電阻。事實上本領域實踐時SV傳感器中總是這樣的情況，即Rmax＝R(Q＝-1)＝R(θ＝180°)且Rmin＝R(Q＝+1)＝R(θ＝0)。
運行時，SV傳感器受到來自移動的磁盤的正和負磁信號場Hsig。這些正和負信號場通常大小相等，取向直交于盤平面(或ABS平面)。期望自旋閥讀頭的電阻的正和負變化相等，使得正和負讀回信號相等。
當被釘扎/參考層結構的磁矩的方向被交換釘扎垂直于ABS，即，使得θr＝±90°時，則Q＝±sin(θf)，其中θf從與自由層和ABS的平面相互平行的軸測量。因為R(Q)關于Q的變化是線性的，所以由此可知R0＝R(Q＝0)＝R(θf＝0)將準確地在Rmax＝R(Q＝-1)和Rmin＝R(Q＝+1)之間的中間位置。
在磁性上還公知，自由層磁化角θf響應于來自盤的磁信號場的轉動是這樣的，即sin(θf)關于信號場Hsig的幅度約線性地變化。特別是，如果θfb＝0約為沒有信號場時自由層的(靜止)偏置點(bias-point)取向，該情況下靈敏度d(sin(θf))/dHsig也通常被最大化。由此可知最佳偏置點配置 θfb≡0將共同地最大化SV傳感器的小信號靈敏度和線性動態(tài)范圍，同時最小化電阻變化R(Hsig)-R0相關于信號場Hsig的極性的非對稱性。用于優(yōu)化SV傳感器性能的這些設計考慮因素示于圖2A-2B中，且在當前現(xiàn)有技術CIP傳感器領域中是公知的。
實際偏置點在轉換曲線(transfer curve)上的位置受到幾個主要因素的影響。這些主要因素包括退磁場，與自由和參考/釘扎層之間的界面耦合場結合的層內(形狀各向異性)和相互層間雙極耦合(dipolar coupling)；通過到AFM的交換耦合而施加在被釘扎層上從而維持 的釘扎場強度Hpin；以及將自由層磁化穩(wěn)定在 的靜止/偏置狀態(tài)的縱向偏置場HLB(通常通過與SV傳感器的道邊緣毗鄰的永磁、硬磁體材料層提供)。給定在傳感器的研磨的ABS邊緣處不可避免的各向異性應力釋放，這些磁層的任何一個中由于非零磁致伸縮而導致的應力誘發(fā)的磁各向異性也會起作用。
SV傳感器的上面的描述主要應用于本領域的面內電流(CIP)自旋閥傳感器(CIP SV)中，其中偏置電流主要在SV結構的全部構成層的平面內流動。CIP-SV傳感器處于HDD讀頭技術的核心已經(jīng)超過十年。對于所有這樣的器件，偏置電流通過金屬導電層(其可包括前述硬磁偏置膜)注入到傳感器中，金屬導電層在定義傳感器的物理道寬(TW)的邊緣處與傳感器形成結。與傳感器本身類似，金屬引線結構必需包含在兩(下和上)磁性導電屏蔽件(通常為NiFe)中且與它們維持電絕緣，所述兩磁性導電屏蔽件的間隙長度G主要地確定傳感器的線(順道(downtrack))分辨能力。
隨著HDD產(chǎn)品面密度超過100Gbit/sq.in.，G、TW、以及傳感器條(stripe)高度SH(通常SH≈TW)的尺寸全部需要下降到100nm尺寸以下。這些小的SH，與為了配置在屏蔽件間隙G內而在結處/附近對金屬引線的厚度的約束結合，導致大的寄生結電阻Rpar，其大致與1/SH成比例。在100nm器件尺寸，Rpar已經(jīng)與固有傳感器電阻Rint＝Rsq×(TW/SH)相當，對于固定的傳感器片電阻(sheet resistance)Rsq和固定的、優(yōu)化的高寬比SH/TW≈1，Rint大小不變。因為歸因于電阻加熱(Joule heating)的偏壓限制，傳感器輸出將被Rint/(Rint+Rpar)的比率限制，該比率隨著傳感器尺寸減小而不利地調整。由于此，連同與形成電結(electrical junction)和維持與屏蔽件的穩(wěn)定電絕緣中的光刻限制相關的制造困難，預測CIP-SV傳感器技術將不會擴展到約50nm處/附近或以下的傳感器尺寸。
在該未來接近50nm傳感器尺寸范圍，預期電流垂直平面(CPP)技術替代使用在目前的幾乎全部盤驅動器產(chǎn)品中的CIP器件。對于CPP，屏蔽件可以充當引線，排除了電絕緣的需要，且基本上消除了寄生電阻問題。CPP傳感器的兩個主要候選利用隧穿磁致電阻(TMR)或CPP-GMR，后者在物理機制上最類似于CIP-GMR器件。這兩個之中，由于其潛在的非常大的ΔR/R0＞＞10％，TMR傳感器到目前為止已經(jīng)被密切關注和開發(fā)以用于第一代CPP讀頭。然而，TMR隧道勢壘的大的電阻面積乘積(RA)(～2Ω-μm2)將預示著在～50nm器件尺寸規(guī)格中出奇大的器件阻抗RA/(TW×SH)。為此，具有(RA≈0.05-0.2Ω-μm2)的CPP GMR-SV傳感器(CPP-SV)作為未來的讀頭技術受到長期研發(fā)的關注。
盡管類似，但是CPP-SV的傳輸性質稍微不同于CIP-SV的傳輸性質。特別地，磁致電阻R(Q)-R0與前述量Q＝cos(θ)非線性地變化。圖2A-B定量地示出對于CPP-SV器件電阻R作為cos(θ)的函數(shù)的變化，實際的層結構類似于CIP-SV。據(jù)信，CPP-SV的此方面及其對偏置點優(yōu)化的重要意義尚未被磁頭研發(fā)領域所充分意識到。
本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，此非線性例如將最佳偏置點移動從而自由和參考層磁化之間具有非直交取向，使得Qb＝cos(θfb-θr)為負而不是零，或許大至Qb≈-0.5。本發(fā)明專注于實現(xiàn)此非直交偏置點的幾種不同途徑。

發(fā)明內容
如上所述，對于CIP傳感器，在偏置點參考和自由層結構的(面內)成角磁化取向θr和θfb彼此理想地直交，使得 。然而，如圖2B中的曲線圖所示，CPP傳感器顯示磁致電阻在量Q＝cos(θf-θr)上是非線性的。此非線性為使得最佳靈敏度點偏移從而使自由和參考偏置磁化更反平行，即|θfb-θr|＞90°，使得Qb＝cos(θfb-θr)是負值而不是零，也許大至Qb≈-0.5。本發(fā)明包括且專注于實現(xiàn)此非直交偏置點的幾種不同途徑。
根據(jù)一實施例的CPP-SV頭包括自由層、參考層、以及該自由和參考層之間的非磁間隔層，該自由層具有相對于(及基本平行于)定義為該自由層的沉積平面與該氣墊面(ABS)的平面的交叉線的縱軸沿第一方向的標稱偏置點磁化取向θfb，該參考層具有標稱上取向在不與θfb直交的第二方向上的磁化取向θr。
根據(jù)另一實施例的CPP磁頭包括被釘扎層、在該被釘扎層之上的非磁反平行(AP)耦合層、以及在該AP耦合層之上的參考層，該參考層磁化基本反平行于該被釘扎層的磁化。非磁間隔層位于該參考層之上，自由層位于該間隔層之上。該自由層磁化θfb標稱上相對于(及基本平行于)定義為該自由層的沉積平面與該ABS平面的交叉線的縱軸沿第一方向取向。該參考層具有標稱上取向在不與θfb直交的第二方向上的磁化取向θr。
雙CPP磁頭包括自由層，其具有標稱上沿第一方向取向的磁化取向θfb；第一參考層，其具有標稱上沿不與θfb直交的第二方向取向的磁化取向θr1；該自由和第一參考層之間的第一間隔層；以及位于該自由層的與該第一參考層相反的一側的第二參考層，該第二參考層具有標稱上沿不與θfb直交但是基本平行于θr1的第三方向取向的磁化取向θr2。第二間隔層位于該自由和第二參考層之間。
實現(xiàn)上述器件中的任一種的磁存儲系統(tǒng)包括磁介質、用于從該磁介質讀取和向其寫入的至少一個頭，每個頭具有傳感器和耦接到該傳感器的寫元件?；瑝K支承所述頭?？刂茊卧罱拥剿鲱^用于控制該頭的操作。
本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將從下面的詳細說明變得更加明顯，結合附圖，下面的詳細說明以示例方式示出本發(fā)明的原理。


為了更充分地理解本發(fā)明的本質和優(yōu)點、以及優(yōu)選使用模式，結合附圖參考下面的詳細說明。
圖1A是現(xiàn)有技術自旋閥(SV)傳感器的不按比例的氣墊面視圖；
圖1B是現(xiàn)有技術AP被釘扎SV傳感器的不按比例的透視圖；圖1C是現(xiàn)有技術AP被釘扎SV傳感器的不按比例的氣墊面視圖；圖2A示出對于CIP和CPP結構作為cos的函數(shù)的電阻；圖2B示出對于CIP和CPP結構作為cos(θf-θr)的函數(shù)的電阻變化(R-Rmin)；圖3是磁記錄盤驅動器系統(tǒng)的簡化圖；圖4是滑塊和合并式磁頭的局部視圖；圖5是沿圖4的平面5-5截取從而顯示合并式磁頭的讀和寫元件的滑塊的不按比例的局部ABS視圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明一實施例的傳感器結構的不按比例的ABS圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明一實施例的CPP GMR傳感器的不按比例的ABS圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一實施例的雙CPP傳感器的不按比例的ABS圖；圖9示出對于CPP結構作為cos(m_free-m_ref)的函數(shù)的電阻變化；圖10是根據(jù)一實施例的自由和參考層的磁取向的圖形表示；圖11是根據(jù)一實施例的自由、參考、以及硬磁偏置層的磁取向的圖形表示；圖12是根據(jù)一實施例的自由、參考、以及反鐵磁層的磁取向的圖形表示；圖13是根據(jù)一實施例的自由、參考、以及被釘扎層的磁取向的圖形表示；圖14是根據(jù)本發(fā)明一實施例的CPP GMR自釘扎傳感器的不按比例的ABS圖。
具體實施例方式
下面的說明是用于實施本發(fā)明的當前預期的優(yōu)選實施例。為了示出本發(fā)明的基本原理而進行說明，其不意味著限制這里提出的本發(fā)明的概念。此外，這里描述的特定特征可以與在各種可行的結合和置換的每個中的其它描述特征結合使用。
現(xiàn)在參照圖3，示出了實現(xiàn)本發(fā)明的盤驅動器300。如圖3所示，至少一個可旋轉的磁盤312被支承在心軸(spindle)314上且被盤驅動馬達318所旋轉。每個盤上的磁記錄是盤312上同心數(shù)據(jù)道(未示出)的環(huán)形圖案的形式。
至少一個滑塊313位于盤312附近，每個滑塊313支承一個或更多磁讀/寫頭321。盤旋轉時，滑塊313在盤表面322上徑向移動進出，使得頭321可以存取盤的記錄所需數(shù)據(jù)的不同的道。每個滑塊313借助于懸臂315連接到致動器臂319。懸臂315提供稍微的彈力，其將滑塊313偏置朝向盤表面322。每個致動器臂319連接到致動器裝置327。圖3所示的致動器裝置327可以是音圈馬達(VCM)。VCM包括在固定磁場內可動的線圈，線圈移動的方向和速度通過控制器329提供的馬達電流信號來控制。
盤存儲系統(tǒng)的運行期間，盤312的旋轉在滑塊313和盤表面322之間產(chǎn)生氣墊，其對滑塊施加向上的力或舉力。這樣氣墊反平衡懸臂315且支承滑塊313在正常運行期間離開盤表面且以一小的、基本恒定的間隔稍微在盤表面上方。
運行期間盤存儲系統(tǒng)的各種組元通過控制單元329產(chǎn)生的控制信號來控制，例如存取控制信號和內部時鐘信號。通常，控制單元329包括邏輯控制電路、存儲裝置和微處理器?？刂茊卧?29產(chǎn)生控制信號從而控制各種系統(tǒng)操作，例如線323上的驅動馬達控制信號和線328上的頭定位和尋道控制信號。線328上的控制信號提供所需的電流曲線(current profile)從而最佳地移動和定位滑塊313到盤312上的所需數(shù)據(jù)道。讀和寫信號借助于記錄通道325傳送到讀/寫頭321且從其傳出。
對普通磁盤存儲系統(tǒng)的上面的描述以及附圖3僅用于說明。應理解，盤存儲系統(tǒng)可包括多個盤和致動器，每個致動器可支承多個滑塊。
圖4是合并式磁頭400的側橫截面正視圖，其包括寫頭部分402和讀頭部分404。圖5是圖4的ABS視圖。自旋閥傳感器406夾在非磁電絕緣第一和第二讀間隙層408和410之間，讀間隙層夾在鐵磁第一和第二屏蔽件層412和414之間。響應于外磁場，自旋閥傳感器406的電阻變化。傳導經(jīng)過傳感器的檢測電流(Is)使得這些電阻變化顯示為電勢變化。這些電勢變化然后作為讀回信號被圖3所示的處理電路329所處理。
磁頭400的寫頭部分402包括夾在第一和第二絕緣層416和418之間的線圈層422。第三絕緣層420可被用來平坦化該頭從而消除線圈層422導致的第二絕緣層中的波紋。第一、第二和第三絕緣層在本領域中稱為“絕緣堆疊”。線圈層422以及第一、第二和第三絕緣層416、418和420夾在第一和第二極片層424和426之間。第一和第二極片層424和426在背間隙428處磁耦合且具有在ABS處通過寫間隙層434分隔開的第一和第二極尖430和432。因為第二屏蔽件層414和第一極片層424是公共層，該頭稱為合并式頭。在背負式頭中，絕緣層位于第二屏蔽件層和第一極片層之間。第一和第二焊料連接(未示出)將引線(未示出)從自旋閥傳感器406連接到滑塊313(圖3)上的引線(未示出)，第三和第四焊料連接(未示出)將引線(未示出)從線圈422連接到懸臂上的引線(未示出)。
如上所述，對于CIP傳感器，參考和自由層/結構的(面內)成角磁化取向θref和θfree理想地彼此直交。然而，如圖2B的曲線圖所指出，CPP-SV傳感器顯示出在量Q≡cos(θf-θr)上非線性的磁致電阻。特別地，電阻R(Q)具有通式R(Q)=R(Q=1)+ΔR1-Q(Γ+1)+(Γ-1)Q---(1)]]>參數(shù)值Γ＞1(?！?-3或許是常見的)。
此非線性為使得最佳靈敏度點偏移從而自由和參考偏置磁化更反平行，即|θfb-θr|＞90°，使得Qb＝cos(θfb-θr)是負值而不是零，或許大小為Qb≈-0.5。本發(fā)明包括且專注于實現(xiàn)此非直交偏置點的幾種不同途徑。
多種類型的頭可以使用這里描述的結構，且該結構特別適用于CPP-GMR傳感器，包括單和雙CPP-SV傳感器。在下面的描述中，層的道邊緣由道寬(W)定義。在ABS視圖中傳感器高度在進入紙面的方向上。每層的縱軸平行于ABS和沉積平面。除非另外說明，各個層的厚度垂直于相關層的平面獲得，且僅以示例方式提供，可以比所列值更大和/或更小。類似地，這里列出的材料僅通過示例的方式提供，本領域技術人員將理解，可以使用其它材料而不偏離本發(fā)明的思想和范圍。另外，用于形成該結構的工藝是常規(guī)的。此外，每層可包括單層、層的疊置等。
CPP GMR圖6示出根據(jù)一實施例的傳感器結構600的ABS視圖。如圖所示，傳感器602位于兩個縱向偏置結構604之間，該偏置結構位于傳感器的道邊緣605外。傳感器602可以是具有被釘扎層結構的任何類型常見傳感器602。所示傳感器602示于后面的圖7等之中。
繼續(xù)參考圖6，每個偏置結構604包括硬磁偏置材料層606，其向傳感器602的自由層提供縱向偏置場用于穩(wěn)定自由層磁化。硬磁偏置層606的示例性厚度為50-200，可形成硬磁偏置層606的示例性材料包括CoPt、CoPtCr等。每個硬磁偏置層606夾在一對電絕緣層(IL1)、(IL2)608、610之間。能形成絕緣層608、610的優(yōu)選材料包括Al2O3或其它電介質材料。
CPP傳感器中，屏蔽件614、616也充當電流引線。
圖7示出根據(jù)一實施例的CPP GMR傳感器700的ABS視圖?！癈PP”意味著檢測電流(Is)沿與形成傳感器700的層的平面垂直的方向從一屏蔽件流到另一屏蔽件。
如圖7所示，第一屏蔽件層(S1)702形成在襯底(未示出)上。第一屏蔽件層702可以是任何合適的材料，例如坡莫合金(NiFe)。第一屏蔽件層的示例性厚度在約0.5到約2μm的范圍內。
籽層704形成在第一屏蔽件層702上。籽層助于產(chǎn)生它們上方的層的適當生長結構。從第一屏蔽件層702開始以堆疊形成的所示材料是Ta層704、NiFeCr層706、NiFe層708。這些材料的示例性厚度為Ta(30)、NiFeCr(20)、以及NiFe(8)。注意，籽層堆疊可以改變，基于所需的處理參數(shù)可以增加或省略層。
反鐵磁層(AFM)710或反鐵磁體形成在籽層上方。反鐵磁層710釘扎任何位于上方的相鄰鐵磁層的磁化取向。
然后，反平行(AP)被釘扎層結構712形成在籽層上方。如圖7所示，第一和第二AP被釘扎磁層、(AP1-S)和(AP2-S/REF)714、716通過反平行耦合(APC-S)材料的薄層718(通常為Ru)分隔開，使得AP被釘扎層714、716的磁矩彼此反平行地強烈自耦合。AP被釘扎層714被AFM層710交換釘扎。AP被釘扎層716充當參考層。在圖7所示的實施例中，被釘扎層714、716的優(yōu)選磁取向對于第一被釘扎層714為進入所示結構的面內(垂直于傳感器702的ABS)，且對于第二被釘扎層716為離開所述面。注意，此取向在一些實施例中被傾斜。用于被釘扎層714、716的示例性材料為CoFe10(100％Co，10％Fe)、CoFe50(50％Co，50％Fe)等，通過Ru層718分隔開。第一和第二被釘扎層714、716的示例性厚度為約10和50之間。Ru層718可為約5-15，但是優(yōu)選地選擇為提供10kOe左右(或更大)的飽和場。在一優(yōu)選實施例中，AP被釘扎層714、716中的每個為約30，其間的Ru層718為約8。
第一間隔層(SP1-S)720形成在被釘扎層結構712之上。用于第一間隔層720的示例性材料包括Cu、CuOx、Cu/CoFeOx/Cu堆疊等。第一間隔層720可以為約10-60厚，優(yōu)選地約30。
自由層(FL-S)722形成在第一間隔層720之上。盡管通過硬磁偏置結構604標稱上以基本縱向取向穩(wěn)定化，但是自由層722的磁化對外部橫向磁場(transverse magnetic field)例如記錄在盤介質上的數(shù)據(jù)施加的磁場導致的適度再取向保持靈敏。被盤介質上的數(shù)據(jù)位影響時自由層722的磁取向的相對運動產(chǎn)生傳感器702的電阻變化，由此產(chǎn)生信號。用于自由層722的示例性材料為CoFe/NiFe堆疊等。自由層722的示例性厚度為約10-40。注意，一些實施例可故意傾斜自由層磁化的標稱偏置點取向從而適度地偏離縱向方向。
自由和參考層每個可由單層、層的疊置等形成。
帽(CAP)728可形成在自由層722之上。用于帽728的示例性材料為Ta、Ta/Ru堆疊等。帽728的示例性厚度范圍為20-60。
絕緣層(IL)738與所述堆疊相鄰地形成從而將它與硬磁偏置層740隔離。第二屏蔽件層(S2)742形成在帽728上方。
圖8示出雙CPP傳感器800，其在結構上類似于圖7的傳感器700。圖8的傳感器800包括第二間隔層(SP2-S)750、第二被釘扎層結構和第二AFM層(AFM2)758，所述第二被釘扎層結構包括圍繞第二AP耦合層(APC2-S)756的AP被釘扎層(AP3-S、AP4-S)752、754。
設置θfb和/或θr的方法圖9示出對于CPP-GMR結構作為Q≡cos(θf-θr)的函數(shù)的電阻R的變化。再次說明，此非線性為使得最佳靈敏度點偏移從而自由和參考偏置磁化更反平行，即|θfb-θr|＞90°，使得Qb＝cos(θfb-θr)是負值而不是零，也許大到Qb≈-0.5。圓900示出通過非直交地取向θfb和θr可實現(xiàn)的操作的優(yōu)選范圍。本發(fā)明專注于實現(xiàn)此非直交偏置點的幾種不同方法。
當前的CIP-GMR讀頭利用來自鄰近的、縱向磁化的、硬磁體膜(硬磁偏置)740(圖7)的靜磁場以 的方式來縱向地穩(wěn)定自由層722，且利用到AP耦合釘扎/參考層對的被釘扎層714的交換釘扎來以 的方式垂直于ABS地取向參考層716，且因此大致與自由層取向直交。釘扎方向通過在高溫且在非常大的磁場中退火整個磁膜結構(在晶片水平、行水平、或者兩者)從而在退火期間維持(使飽和)被釘扎層磁化在所需釘扎方向上。在此情況下，完成的傳感器使被釘扎/參考層714、716標稱上被交換釘扎在橫向方向( )上，并且自由層722被平行于來自硬磁偏置704的場的方向地、與參考層磁化大致直交地縱向磁化( )。在適當?shù)某潭壬希杂蓪尤∠蛞彩軄碜越Y合的被釘扎/參考AP耦合膜的剩余退磁場以及(但通常在更小的程度上)自由和參考層之間的層間耦合的影響，所述層間耦合取決于它們之間例如Cu間隔層的厚度(和粗糙度)。
本發(fā)明的一個實施例利用類似的器件處理，但是通過控制結合的退磁和層間耦合場的大小和極性/方向旋轉靜止自由層偏置點取向θfb≠0°。圖10示出在這樣的實施例中的偏置點磁取向。退磁場可通過磁矩失配(momentmismatch)Δm≡mref-mpin來控制，優(yōu)選地利用Δm≥0使得凈退磁場自然地反平行于參考層的磁化方向。層間耦合通過例如Cu間隔層的厚度來控制。此實施例的一個缺點在于為了實現(xiàn)Qb＝cos(θfb-θr)～-0.5，或者θfb≈30°，□50nm尺寸讀傳感器中需要存在數(shù)百Oe的高的結合的退磁和耦合場，從而在存在500-1000Oe的顯著的硬磁偏置縱向場時得到θfb≈30°的顯著旋轉。這要需要足夠大的Δm≡mref-mpin從而使參考層不穩(wěn)定。
另一實施例(其可以與前述實施例結合)將通過由硬磁偏置磁化取向的伴隨旋轉產(chǎn)生硬磁偏置場的橫向分量來使靜止自由層磁化取向旋轉為θfb≠0°。此實施例示于圖11中。傾斜硬磁偏置磁化的方向利用磁各向同性硬磁偏置膜比較容易完成，僅通過在其它常見硬磁偏置初始化工藝中控制磁場的取向。此方法的一個缺點是傳統(tǒng)硬磁偏置幾何外形使硬磁偏置僅沿傳感器的縱向邊緣鄰接，使得讀傳感器的磁屏蔽件將優(yōu)先抑制來自硬磁偏置的橫向場。結果，在自由層處的硬磁偏置場取向與硬磁偏置磁化本身的取向相比更縱向地取向，且獲得硬磁偏置場的大橫向分量需要凈硬磁偏置場幅度的顯著減小。利用傳統(tǒng)硬磁偏置幾何外形，實現(xiàn)θfb≈5°至θfb≈30°的顯著旋轉的自由層偏置點取向同時仍維持磁穩(wěn)定性而有足夠大的凈硬磁偏置場幅度(500-1000Oe)是不可行的。盡管后一問題可通過將硬磁偏置膜留在(而不是研磨掉)傳感器的頂(與ABS相對)邊緣處而緩解，但是此方式向已經(jīng)困難的工藝步驟引入了增加的制造復雜性。
圖12所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例將自由層維持在穩(wěn)定的縱向取向，而替代地將交換釘扎方向|θp|＜90°的取向旋轉偏離完全的橫向，使得釘扎方向的現(xiàn)在的非零縱向分量平行于硬磁偏置/自由層的磁化的方向，即|θfb-θp|＜90°。歸因于被釘扎和參考層之間非常強的AP耦合，這又將產(chǎn)生參考層磁化的與自由層的磁化反平行的縱向分量，即|θfb-θr|＞90°。例如，鐵磁被釘扎層膜可通過反鐵磁體被交換釘扎從而將被釘扎層偏置點磁化維持在膜平面內不與自由層取向θfb直交的取向角θpb≠θfb±90°處，其中參考層取向θrb≡θpb±180°反平行于被釘扎層的取向。該結果是調節(jié)cos(θfb-θr)具有極限0和-1之間的任何值的途徑。通過機械固定來控制晶片、行(row)、或單頭相對于上述退火工藝中使用的磁體的取向而被安裝的取向角，可實現(xiàn)控制被釘扎方向。退火期間通過被釘扎/參考層可見的凈場取向角也受傳感器磁屏蔽件存在的影響，但是這是對稱效應，其歸因于來自用于此目的的目前可得的超導退火磁體的數(shù)特斯拉的場，或者只是被其壓倒。通過允許|sinθb|＜＜|Qb|和優(yōu)先地小或零的Δm，此優(yōu)選實施例具有不損害自由層或被釘扎/參考穩(wěn)定性的優(yōu)點。但是，此實施例允許與第一(以及第二)實施例結合的靈活性從而誘發(fā)適當?shù)摩萬b≠0°，從而有意地調節(jié)自由層的磁響應θf-θfb對Hsig的非對稱曲率。這使得函數(shù)R(Q)-R(Qb)中的單調曲率的抵消對于CPP-GMR(圖2B)是自然的，從而R(Q)-R(Qb)將相對于Hsig大致線性地變化。
此實施例的再一個更微妙的潛在優(yōu)點源于“微磁各向異性”效應，其被指出發(fā)生在被釘扎/參考AP被釘扎層結構中，不論傳感器是否具有優(yōu)選的大致正方形的傳感器幾何外形(TW≅SH]]>)，且甚至在(靜磁上最穩(wěn)定的)Δm＝0的矩匹配的情況下。源于靜磁，此“微磁各向異性”顯示出雙軸(biaxial)特性，較寬能量最小值的易軸沿正方形傳感器(θr＝±135°)的對角線，具有銳利的能量最大值的難軸沿橫向(θr＝±90°)或縱向。此二軸各向異性的大小隨著厚度對交換長度的比值趨于一而急劇增大，并且在釘扎/參考層厚度等于～3nm的CoFe的實踐情況下可達到數(shù)百Oe。這將增加的負擔置于AFM/被釘扎層耦合的必需交換釘扎強度上從而維持傳統(tǒng)橫向θp＝±90°釘扎取向的穩(wěn)定性。特別地，對于CPP-GMR傳感器，磁致電阻系數(shù)偏向于增大層厚度，因此相對于CIP-GMR惡化了此問題。通過采用本發(fā)明的第三實施例和系統(tǒng)地操作與完全地橫向釘扎相比取向顯著接近于對角線的傾斜的被釘扎/參考層，被釘扎/參考層強度的凈穩(wěn)定性(特別地如果SH≤TW)將被增強，且被釘扎/參考層磁波動噪聲將被減小。
在圖13所示的上述實施例的變型中，AP被釘扎層結構的包括AFM層710和AP1-S(被釘扎層)714的該部分被圖14中硬磁膜(HM)1402(例如CoPt或CoPtCr)的單層所替代，其類似地以AP1-S“被釘扎”層磁和電地起作用。此變型的優(yōu)點在于諸如CoPt的硬磁層1402的總物理厚度以及厚度-電阻率乘積可以比普通AFM/AP1-S組合的總物理厚度和厚度-電阻率乘積小一些或許多倍，這是由于最適用的AFM層例如PtMn或IrMn的大的電阻率和厚度。較低的電阻率-厚度乘積能顯著減小CPP-SV層堆疊的固有寄生電阻，且同時顯著降低凈堆疊厚度，其被限制為配置在讀屏蔽件之間的讀間隙G內。在雙CPP-SV的情況下后一優(yōu)點能放大兩倍，雙CPP-SV中底和頂AFM/AP1雙層每個被單硬磁體“被釘扎”層(HMPL)替代。HMPL的取向可以與用于硬磁偏置層的工序類似地在磁場中設置。然而，由于這些不同的硬膜的磁化取向將一般需要非共線，所以可能需要引入磁各向異性到這些硬磁層之一或兩者中，或者目的為在第二硬磁層的取向設置期間避免已經(jīng)先設置的硬磁層的再取向。以控制的取向引入這樣的各向異性的一種方法已經(jīng)描述在Carey等人在2005年3月31日提交的序列號為No.11/097920的共同待決美國專利申請“Magnetic Read Sensor Employing Oblique EtchedUnderlayers for Inducing Uniaxial Magnetic Anisotropy in a Hard MagneticPinning Layer”中，在此引用其全部內容作為參考。
盡管上面已經(jīng)描述了各種實施例，但是應理解，它們僅以示例的方式給出，而不是限制。例如，這里給出的結構和方法在其對全部CPP頭的應用上是通用的。因此，優(yōu)選實施例的寬度和范圍不應被任何上述示例性實施例所限制，而僅應根據(jù)所附權利要求及其等價物來定義。
權利要求
1.一種具有氣墊面(ABS)的CPP自旋閥磁頭，包括具有偏置點磁化的鐵磁自由層膜，該偏置點磁化標稱上取向在其膜平面內、相關于縱軸以角θfb沿著第一方向，該縱軸定義為自由層的沉積平面與ABS的平面的交叉線；具有偏置點磁化的鐵磁參考層膜，該偏置點磁化標稱上取向在其膜平面內、相關于所述縱軸以角θrb沿著不與所述第一方向直交的第二方向；以及該自由和參考層之間的非磁間隔層。
2.如權利要求1所述的頭，其中cos(θfb-θrb)小于零。
3.如權利要求1所述的頭，其中cos(θfb-θrb)小于約-0.2。
4.如權利要求1所述的頭，其中cos(θfb-θrb)小于約-0.5。
5.如權利要求1所述的頭，其中所述參考層磁化取向角θrb大致與所述縱軸直交，其中所述自由層取向角θfb標稱上不平行于所述縱軸。
6.如權利要求5所述的頭，其中所述自由層磁化的取向θfb通過來自所述參考層的退磁和層間耦合場的極性和方向確定。
7.如權利要求5所述的頭，還包括硬磁偏置層，其位于所述自由層的相對兩側且具有與所述自由層的所述縱軸成一角度取向的磁化方向，其中θfb通過從所述硬磁偏置層發(fā)出的磁場取向在所述第一方向上。
8.如權利要求7所述的頭，其中所述硬磁偏置層的磁化方向取向在從所述縱軸起約5至約30度的角，其中所述自由層磁化通過從所述硬磁偏置層發(fā)出的磁場取向在所述第一方向θfb上。
9.如權利要求1所述的頭，其中所述自由層磁化方向θfb基本平行于所述縱軸，其中所述參考層取向角θrb與所述縱軸非直交。
10.如權利要求9所述的頭，還包括鐵磁被釘扎層膜，其通過反鐵磁體被交換釘扎從而以取向角θpb維持該被釘扎層偏置點磁化在該膜平面內，該取向角θpb不與自由層取向θfb直交，且其中所述參考層取向θrb反平行于所述被釘扎層的該取向θpb。
11.一種磁存儲系統(tǒng)，包括磁介質；用于從該磁介質讀取和向其寫入的至少一個頭，每個頭具有具有權利要求1所述的結構的傳感器；耦合到該傳感器的寫元件；用于支承所述頭的滑塊；以及耦接到該頭用于控制該頭的操作的控制單元。
12.一種具有氣墊面(ABS)的CPP磁頭，包括鐵磁被釘扎層；在該被釘扎層之上的反平行耦合層；在該反平行耦合層之上的鐵磁參考層，該參考層反平行耦合到該被釘扎層；在該參考層之上的間隔層；在該間隔層之上的鐵磁自由層，縱軸被定義為該自由層的沉積平面與該ABS的平面的交叉線；其中所述自由層具有標稱上在該膜平面內相對于所述縱軸以角θfb沿第一方向的偏置點磁化取向；且其中該參考層具有標稱上在該膜平面內以一角度沿不與所述第一方向直交的第二方向的偏置點磁化取向θrb。
13.如權利要求12所述的頭，其中cos(θfb-θrb)小于零。
14.如權利要求12所述的頭，其中cos(θfb-θrb)小于約-0.2。
15.如權利要求12所述的頭，其中cos(θfb-θrb)小于約-0.5。
16.如權利要求12所述的頭，其中θrb大致與所述縱軸直交，其中θfb標稱上不平行于所述自由層的所述縱軸。
17.如權利要求16所述的頭，其中所述自由層磁化的所述取向θfb通過來自所述參考和被釘扎層的退磁和層間耦合場的極性和方向確定。
18.如權利要求16所述的頭，還包括硬磁偏置層，其位于所述自由層的相對兩側且具有與所述自由層的所述縱軸成一角度取向的磁化方向，其中θfb通過從所述硬磁偏置層發(fā)出的磁場取向在所述第一方向上。
19.如權利要求18所述的頭，其中所述硬磁偏置層的磁化方向取向在從所述自由層的所述縱軸起約5至約30度的角，其中θfb通過從所述硬磁偏置層發(fā)出的磁場取向在所述第一方向上。
20.如權利要求12所述的頭，其中所述自由層磁化取向θfb基本平行于所述縱軸，其中所述參考層取向角θrb與所述縱軸非直交。
21.如權利要求20所述的頭，還包括反鐵磁體層，其將所述被釘扎層的所述偏置點磁化以取向角θpb交換釘扎在所述膜平面內一標稱方向上，該取向角θpb不與所述自由層取向θfb直交，且其中所述參考層取向θrb反平行于所述被釘扎層的該取向角θpb。
22.如權利要求12所述的頭，其中該被釘扎層磁化的方向借助于不同于到反鐵磁體層的交換釘扎的方式而在取向上被固定。
23.一種磁存儲系統(tǒng)，包括磁介質；用于從該磁介質讀取和向其寫入的至少一個頭，每個頭具有具有權利要求12所述的結構的傳感器；耦合到該傳感器的寫元件；用于支承所述頭的滑塊；以及耦接到該頭用于控制該頭的操作的控制單元。
24.一種具有氣墊面(ABS)的雙CPP磁頭，包括具有偏置點磁化取向的鐵磁自由層膜，該偏置點磁化取向標稱上在該膜平面內、相關于由該自由層膜平面與該ABS的平面的交叉線定義的縱軸通過角θfb表示的第一方向上；具有磁化取向的第一鐵磁參考層膜，該磁化取向標稱上在其膜平面內、沿由角θr1表示的不與所述第一方向直交的第二方向上；該自由和第一參考層之間的第一間隔層；位于所述自由層的與所述第一參考層相對的一側的第二參考層，該第二參考層具有標稱上在其膜平面內、沿通常在由角θr2表示的第三方向上取向的、不與所述第一方向直交的第三方向的磁化取向；以及所述自由和第二參考層之間的第二間隔層。
25.如權利要求24所述的頭，其中該第一和第二參考層物理性質上基本類似，且其中θr1≅θr2,]]>且其中該第一和第二間隔層物理性質上基本類似。
26.如權利要求24所述的頭，其中cos(θfb-θr1)小于零。
27.如權利要求24所述的頭，其中cos(θfb-θr1)小于約-0.2。
28.如權利要求24所述的頭，其中第一和第二參考層磁化方向θr1、θr2與所述自由層的所述縱軸基本直交，其中所述自由層磁化方向θfb標稱上不與所述自由層的所述縱軸平行。
29.如權利要求24所述的頭，其中所述自由層磁化方向θfb基本平行于所述縱軸，其中第一和第二參考層磁化方向θr1和θr2與所述縱軸非直交。
30.一種磁存儲系統(tǒng)，包括磁介質；用于從該磁介質讀取和向其寫入的至少一個頭，每個頭具有具有權利要求24所述的結構的傳感器；耦合到該傳感器的寫元件；用于支承所述頭的滑塊；以及耦接到該頭用于控制該頭的操作的控制單元。
31.一種磁頭，包括自由層；參考層；被釘扎層；該被釘扎和參考層之間的耦合層；以及該自由和該參考層之間的間隔層；其中該參考層具有經(jīng)耦合層通過該被釘扎層固定的磁化方向，其中反鐵磁層固定該被釘扎層的磁化方向，其中該自由層的磁化方向相對于該參考層的磁化方向由參數(shù)Q決定地取向，Q為所述自由層的單位磁化矢量與所述參考層的單位磁化矢量的標量積，其中在運行期間Q的值以及偏置電流的大小和極性使得該傳感器不遭受自旋轉矩誘發(fā)的不穩(wěn)定性。
32.如權利要求31所述的頭，其中Q的值在約零和約-0.6之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CPP GMR傳感器結構，其具有自由和參考層，其中該自由和參考層的磁取向非直交。在一個實施例中，鐵磁自由層膜具有標稱上取向在其膜平面內、相對于定義為所述自由層的沉積平面與所述ABS的平面的交叉線的縱軸以角θ
文檔編號G11B5/00GK1960018SQ20061010563
公開日2007年5月9日 申請日期2006年7月17日 優(yōu)先權日2005年7月18日
發(fā)明者杰弗里·R·奇爾德雷斯, 尼爾·史密斯 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司