電流垂直於平面磁阻傳感器及其製造方法
2023-10-04 03:26:34 7
專利名稱：電流垂直於平面磁阻傳感器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種電流垂直於平面(CPP)磁阻傳感器，它使用方向垂直於構成傳感器堆疊的層的平面的傳感電流工作。
背景技術：
一種類型的經常被稱為「旋閥」(SV)的常規磁阻傳感器，具有包括由非磁性間隔層分開的兩個鐵磁性層。一個鐵磁性層具有固定的磁化方向，例如通過與鄰近的反鐵磁性層交換耦合來固定，另一個鐵磁性層具有「自由」的磁化方向，以在存在外部磁場時旋轉。隨著將傳感電流施加到傳感器，相對於固定層磁化的自由層磁化的旋轉因電阻的改變而可以檢測。SV型磁阻傳感器一般使用與在傳感器層堆疊中的層的平面方向平行的傳感電流工作，因此它被稱為平面中電流(CIP)傳感器。在磁碟驅動器CIP-SV讀出傳感器或頭中，在沒有外部磁場的情況下，固定或被釘扎層的磁化通常垂直於磁碟平面，自由層的磁化通常平行於磁碟的平面。當暴露於來自磁碟上所記錄數據的外部磁場時，自由層磁化將旋轉，使得電阻改變。
已經提出了使用垂直於傳感器堆疊中層的平面的傳感電流(CPP)工作的SV型磁阻傳感器。CPP-SV讀出頭由A.Tanaka et al.，「Spin-valve heads inthe current-perpendicular-to-plane mode for ultrahigh-density recording」，IEEETRANSACTIONS ON MAGNETICS，38(1)84-88 Part 1 JAN 2002描述。另一種CPP傳感器是磁性隧道結(MTJ)傳感器，其中非磁性間隔層是很薄的非磁性絕緣隧道障礙層。在MTJ傳感器中垂直通過各層的隧道電流取決於兩個鐵磁層中相對的磁化方向。在MTJ磁阻讀出頭中間隔層被電絕緣並且典型為氧化鋁(Al2O3)，而在CPP-SV磁阻讀出頭中間隔層是導電的並且典型為銅。
在所有的CIP-SV、CPP-SV和MTJ讀出頭中，為了最大的讀出頭穩定性和無磁滯響應線性，在沒有外部磁場時自由層的磁化應該保持在飽和單磁疇狀態。在此狀態下，在自由層中所有部分的局部磁化，包括端部和側面，基本上為「縱向」，即沿著自由層的長度方向和頭的交叉軌跡方向並與磁性記錄介質平面平行。鐵磁偏移層一般用於獲得自由層的縱向偏移。美國專利5729410描述了一種具有縱向偏移層的MTJ傳感器，該縱向偏移層位於自由層側邊附近的傳感器堆疊的外面，但是通過絕緣材料與自由層側邊隔開。美國專利6023395和6473279描述了具有位於傳感器堆疊中的縱向偏移層的CPP傳感器。
即使它們具有縱向偏移自由層，CPP傳感器也要經受影響自由層磁化穩定性的額外問題。由垂直流過自由層的傳感電流產生的磁場在自由層引起磁距，並遠離可能引起自由層不穩定的偏移場的方向旋轉。對於較高信號所需的高傳感電流密度在自由層中產生較高的磁場，並由此產生自由層磁化的較大不穩定性。例如，通過具有超越縱向偏移場和自由層各向異性場的傳感電流產生的場的自由層的均勻電流密度分布將產生渦旋磁疇狀態，而不是單個縱向磁疇狀態。另一個例子是通過具有局部超越縱向偏移場和自由層各向異性場的傳感電流產生場的自由層的非對稱電流密度分布。這可以引起在自由層中高的非均勻磁疇狀態的形成，它造成傳感器不想要的自偏移。
我們所需要的是即使在高密度傳感電流下在單個縱向磁疇中具有磁化穩定的自由層的CPP磁阻傳感器。
發明內容
本發明是具有用於靠傳感電流產生的磁場穩定自由層的附加層的CPP磁阻傳感器。鐵磁穩定層通過間隔層與自由層隔開並與第二反鐵磁層交換耦合，第一反鐵磁層是常規鐵磁層，用於在CPP傳感器中釘扎被被釘扎層。穩定層為渦旋或其它非縱向磁化模式，在下面簡稱為渦旋磁化模式。該穩定層的渦旋磁化模式通過與第二反鐵磁層交換耦合固定。而且，穩定層穿過間隔層被鐵磁耦合到自由層，由此在無傳感電流和外部磁場的情況下自由和穩定層具有相似形狀的渦旋或其它非縱向磁化模式。
在CPP傳感器的操作中，傳感電流在自由層中產生通常的環狀方向的渦旋磁場，其方向與穩定層中固定的渦旋磁化模式的方向相反。該傳感電流產生場基本上抵消渦旋磁化模式並基本上「消除」自由層中的渦旋磁化模式的影響。結果是自由層中優選單個磁疇的縱向磁化沒有不利影響，自由層可以基本上作為單個磁疇在記錄介質上響應磁轉變。
CPP傳感器的一個重要要求是第二反磁性層具有低於第一反磁性層的阻塞溫度TBH的阻塞溫度TBL。CPP傳感器通過在外部施加縱向磁場來設定傳感器被被釘扎層的磁化方向的情況下將溫度提高到TBH以上來製造。在溫度降低到TBH以下且消除外部施加的磁場後，被被釘扎層具有通過與第一反磁性層交換耦合而固定的磁化。然後將溫度提高到TBL以上而低於TBH。然後垂直通過傳感器層的堆疊來施加和傳感電流值基本相同的設定電流，並在整個傳感器中在與傳感電流相反的方向施加。此設定電流產生通常具有渦旋形狀的磁場，該磁場使自由層和穩定層形成渦旋或其它非縱向磁化模式。然後在設定電流中將該結構冷卻到TBL以下。這使穩定層與第二反鐵磁層交換耦合，造成在穩定層中渦旋或其它非縱向磁化模式的空間固定。由於穩定層穿過間隔層反鐵磁耦合到自由層，所以自由層將具有類似形狀的渦旋磁化模式。因此該結構製造後在無傳感電流時，作為穿過間隔層反鐵磁耦合到穩定層的結果，自由層將具有保持在適當位置的渦旋磁化模式。
為了更充分地理解本發明的特性和優點，應結合附圖參考下面的具體說明。
圖1是傳統的現有技術的CPP傳感器的剖面圖。
圖2是由傳感電流引起的CPP傳感器自由層中的渦旋磁化模式的示意圖。
圖3是表示在無傳感電流時在自由層中固定渦旋磁化模式的本發明CPP傳感器的剖面圖。
圖4是在本發明的CPP傳感器中自由層和穩定層的渦旋磁化模式上傳感電流引起的磁場效應的示意圖。
具體實施例方式
現有技術圖1是現有技術CPP傳感器200的剖面圖。傳感器200包括在基板202上形成的層的堆疊201，就讀出頭來說它為底部磁屏蔽，它也用作底部電導線。在堆疊201上的頂部磁屏蔽216也用作頂部電導線。在堆疊201中的層包括具有固定橫向(向頁內)磁距或磁化方向207的釘紮鐵磁層206、具有可以響應橫向外部磁場在層210面中旋轉的磁距或磁化矢量211的自由鐵磁層210、以及在被釘扎層206和自由層210之間的無磁性間隔層208。被釘扎層206與在基板202上面的合適的晶粒層或襯層203上形成的反鐵磁層204交換耦合。由此固定被釘扎層206的磁化方向207並且不在所關心的範圍內的外部磁場出現時旋轉，即來自記錄數據的磁場。對於CPP-SV傳感器，間隔層208是導電的，並且通常由銅形成。對於MTJ傳感器，間隔層208為電絕緣隧道障礙層，一般為氧化鋁(Al2O3)。頂層230，一般由Ta或Ru形成，可以形成在自由層210的頂部。釘扎和自由層一般由Co、Fe和Ni的一種或多種合金形成，或者由兩種合金的雙層形成，例如CoFe-NiFe雙層。反鐵磁層204一般由FeMn、PtMn、NiMn、PdPtMn、RhMn、CrPtMn、FeRhMn或IrMn形成。磁屏蔽/電導線202、216通常由鐵鎳合金(NiFe)或鋁矽鐵(FeAlSi)形成。
傳感器200包括自由層210的側邊221、223附近、傳感器堆疊外面的縱向偏移層212。偏移層212可以由硬鐵磁材料形成，例如CoPt或CoCrPt，並且通過絕緣層214和218分別與傳感器堆疊和頂部屏蔽/電導線216電絕緣。如箭頭225所示，偏移層212提供縱向偏移磁場，以沿自由層長度方向211縱向穩定自由層210的磁化。
如箭頭240所示，傳感電流Is垂直通過堆疊201。傳感電流固有產生磁場250，該磁場250有時稱為奧斯特場並在自由層210中形狀通常為渦旋狀。對於通過自由層材料的環狀盤的恆定電流密度j，j＝U/RA，其中U為穿過自由層的壓降，RA為自由層電阻-面積的乘積，由傳感電流產生的磁通密度與U*r/RA成正比，其中r為盤的半徑。因此由自由層引起的最高磁通密度在自由層的周邊。對於具有矩形橫截面的自由層保持相同的趨勢。由於它易於在自由層內部對於高電流密度引起渦旋或非縱向磁場，因此奧斯特場是不需要的。這損害了所需的由箭頭211表示的縱向單個磁疇。此問題在圖2中被示意性地描述，它從上面示出自由層210，作為傳感電流以箭尾240(進入紙內)所示的方向垂直流過自由層210的結果，自由層磁距255形成非縱向矢量磁化模式。在通過自由層分布非對稱電流密度時，奧斯特場可以引起高的非均勻磁疇狀態，這將導致傳感器不需要的自偏移。
本發明圖3是本發明CPP傳感器300的剖面圖，並且在無傳感電流時描述。它和傳感器200結構上基本相同，除了位於自由層210和頂層230之間的層302、304、306的組301。層304是用於穩定自由層210的鐵磁層，並通過第二非磁性間隔層302與自由層210隔開。層306為用於通過交換耦合固定穩定層304磁化的第二反鐵磁層。因此自由層210位於第一間隔層208和第二間隔層302之間。
由箭頭310表示的磁疇在穩定層304內形成渦旋或其它非縱向磁化模式，其通過與反鐵磁306單向交換耦合來固定。在無傳感電流和外部磁場時，這些磁疇310穿過間隔層302與自由層210中由箭頭320表示的具有類似形狀的磁疇鐵磁耦合(如圖3所示)。
通常磁耦合可以是鐵磁或反鐵磁的。耦合的類型和強度取決於自由層210和穩定層304中鐵磁材料的種類和結晶結構以及形成間隔層304材料的種類、結晶結構和厚度。間隔層304由非磁性過渡金屬形成，例如釕(Ru)、鉻(Cr)、銠(Rh)、銥(Ir)或者銅(Cu)、釩(V)、鈮(Nb)或者這些材料的合金。通過非磁性過渡金屬間隔膜的鐵磁性膜的交換耦合已經被廣泛的研究和描述。通常，隨著間隔膜厚度的增加，從鐵磁到反鐵磁交換耦合發生振蕩。用於選擇材料組合的該振蕩耦合關係在Parkin et al.的Oscillations inExchange Coupling and Magnetoresistance in Metallic Superlattice StructuresCo/Ru，Co/Cr和Fe/Cr，Phys.Rev.Lett.，Vol.64，p.2034(1990)和Parkin et al.的Systematic Variation of the Strength and Oscillation Period of Indirect MagneticExchange coupling through the 3d，4d，and 5d transition metals，Phys.Rev.Lett.，Vol.67，p.3598(1991)中描述。材料組合包括由Co、Fe、Ni以及它們的合金製成的鐵磁性膜，例如Ni80-Fe20和Ni80-Co20，也包括非磁性間隔膜，例如釕(Ru)、鉻(Cr)、銠(Rh)、銥(Ir)、銅(Cu)。對於每種材料組合，如果還未知，振蕩交換耦合關係必須被確定，由此選擇非磁性間隔膜的厚度以確保兩個鐵磁性膜之間的反磁性或鐵磁性耦合。振蕩的周期取決於非磁性間隔材料，但是振蕩耦合的強度和相位也取決於鐵磁性材料和界面質量。
圖4示出方向垂直通過穩定層304和自由層210的傳感電流Is的作用。傳感電流在自由層210中產生渦旋磁場330，其方向通常為環狀方向並與固定渦旋磁疇320方向相反。該場基本上抵消渦旋磁疇320(現在由圖4中的虛線表示)並基本上「擦除」自由層210中渦旋磁疇的作用，結果是恢復了自由層210中優選的單個磁疇縱向磁化。傳感電流在穩定層304也產生磁場330，但是因為在穩定層304和第二反鐵磁層306之間的交換耦合足夠強，因此傳感電流將不影響渦旋磁化模式310(在圖4仍用實線表示)。
因為現在由傳感電流產生的磁場在自由層210中被來自渦旋磁化模式的場抵消，所以自由層210的磁化方向由它自己的各向異性和來自層212的縱向偏移主導。這樣自由層210可以基本作為單個磁疇在記錄介質上響應磁轉變。
再參考圖3，現在描述本發明CPP傳感器的製造方法。使用澱積、平板印刷、離子研磨、反應離子腐蝕和其它傳統SV和MTJ傳感器的製造技術，以常規方式製造該結構。但一個重要的要求是第二反鐵磁層306具有低於反鐵磁層204的阻塞溫度TBH的阻塞溫度TBL。磁性材料的阻塞溫度為淨磁距不再具有固定方向的溫度。在鐵磁/反鐵磁雙層的情況下，例如雙層204/206和304/306，阻塞溫度是兩層間的交換偏移場消失的溫度。因此反鐵磁層204、306可以由不同的材料形成，或者它們可以由基本相同的材料形成，但是具有不同的厚度。如果IrMn選擇為反鐵磁材料用於兩層，然後如果層204約80埃厚且層306約200埃厚，那麼TBH將大約為140℃且TBL將大約為230℃。
在結構製造期間或之後，將溫度提高到TBH以上且將結構暴露於以方向207施加的外部縱向磁場來設定被釘扎層206的磁化方向。在溫度降低到TBH以下且外部施加磁場移開後，被釘扎層206通過與第一反鐵磁層204交換耦合而具有以方向207固定的磁化。接下來將溫度提高到TBL以上但低於TBH。然後施加大約和傳感電流值相同的設定電流，其方向垂直通過該結構並和在整個傳感器中施加傳感電流的方向相反，即與圖3和4中的方向240相反。該設定電流產生具有渦旋形狀的磁場，該磁場使自由層210和穩定層304形成渦旋或其它非縱向磁化模式，其在自由層210中的方向如圖3的箭頭320所示。然後在具有設定電流時將此結構冷卻到TBL以下。這使得穩定層304與第二反鐵磁層306交換耦合，在穩定層304中造成渦旋或其它非縱向磁場的空間固定。因此在該結構製造後和在無傳感電流時，作為穿過間隔層302磁耦合到穩定層304的結果，自由層210將具有保持在適當位置的渦旋或其它非縱向磁化模式320。
雖然圖3示出的結構具有在自由層210下面的釘紮鐵磁層206，但是這些層也可以反過來，在這種情況下堆疊301將位於基板202和自由層210之間，堆疊301的層的順序也可以反過來，即間隔層302位於穩定層304和自由層210之間。而且，被釘扎層206可以是公知的反平行釘扎(AP釘扎)結構。該結構使被釘扎層206與自由層210的靜磁耦合最小化。AP釘扎結構包括鐵磁被釘扎層、非磁性間隔層和鐵磁參考層。
而且，雖然圖3中的CPP傳感器以傳感電流從「頂」到「底」的設計示出，但是CPP傳感器也可以用從底到頂的傳感電流來設計，在此情況下在製造期間設定電流的方向與上述相反。
雖然本發明參照優選實施例進行具體示出和描述，但是本領域的技術人員可以理解，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下在形式和細節上可以進行各種變化。因此，認為所公開的發明僅作為說明性的和有限的，其範圍由附加的權利要求限定。
權利要求
1.一種磁阻傳感器，包括層的堆疊，並且在垂直於堆疊中的層面施加傳感電流時能夠傳感外部磁場，層的堆疊包括第一非磁性間隔層；第二非磁性間隔層；在第一和第二間隔層之間並具有在無外部磁場時方向基本上縱向沿層的長度的磁化方向的自由鐵磁層，在具有所關心的範圍內的外部磁場時所述自由層磁化方向基本上自由旋轉；與第一間隔層鄰近的並具有以優選方向定向的磁化方向的被釘紮鐵磁層；交換耦合到被被釘扎層並在具有所關心的範圍內的外部磁場時防止被釘扎被釘扎層磁化大幅旋轉的第一反鐵磁層；與第二間隔層鄰近的鐵磁穩定層；以及與穩定層交換耦合的第二反鐵磁層，第二反鐵磁層具有低於第一反鐵磁層阻塞溫度的阻塞溫度，在無外部磁場時和無傳感電流時穩定層和自由層具有穿過第二間隔層磁耦合的非縱向磁疇。
2.如權利要求1所述的傳感器，其中穩定層和自由層穿過第二間隔層鐵磁耦合。
3.如權利要求1所述的傳感器，其中穩定層和自由層的非縱向磁耦合磁疇在自由層內方向基本上為渦旋磁化模式。
4.如權利要求1所述的傳感器，其中在具有傳感電流時自由層基本上沒有非縱向磁疇。
5.如權利要求1所述的傳感器，其中第一非磁性間隔層是導電的。
6.如權利要求1所述的傳感器，其中傳感器是磁性隧道結，並且其中第一非磁性間隔層是電絕緣的。
7.如權利要求1所述的傳感器，其中第二間隔層由釕(Ru)、鉻(Cr)、銠(Rh)、銥(Ir)、銅(Cu)、釩(V)、鈮(Nb)或者這些材料的合金構成的組中選擇的材料形成。
8.如權利要求1所述的傳感器，其中第一和第二反鐵磁層的每一個由FeMn、PtMn、NiMn、PdPtMn、RhMn、CrPtMn、FeRhMn和IrMn構成的組中選擇的材料形成。
9.如權利要求8所述的傳感器，其中第一和第二反鐵磁層的每一個由基本上相同的材料形成，第二反鐵磁層的厚度小於第一反鐵磁層的厚度。
10.如權利要求1所述的傳感器，進一步包括在堆疊外面自由層的每個側邊附近用於沿其長度縱向偏移自由層磁化方向的鐵磁偏移層。
11.一種用於在給頭施加傳感電流時傳感在磁記錄介質上記錄的數據的電流垂直於平面旋閥磁阻讀出頭，該頭包括基板；在基板上的第一反鐵磁層；與第一反鐵磁層交換耦合併具有方向基本上垂直於記錄介質平面的磁化方向和在具有來自記錄介質的磁場時基本上阻止旋轉的被釘紮鐵磁層；在被被釘扎層上的第一導電非磁性間隔層；在第一非磁性間隔層上並具有在無外部磁場時方向基本上平行於記錄介質平面的磁化方向的自由鐵磁層，所述自由層磁化方向在具有來自記錄介質的磁場時基本上自由旋轉；在自由層上的第二非磁性間隔層；在第二間隔層上的鐵磁性穩定層，在無外部磁場時和無傳感電流時穩定層和自由層具有穿過第二間隔層鐵磁耦合的非縱向磁疇；以及在穩定層上並與穩定層交換耦合且在無外部磁場時和無傳感電流時在穩定層中基本上固定非縱向磁疇方向的第二反鐵磁層，第二反鐵磁層具有低於第一反鐵磁層阻塞溫度的阻塞溫度。
12.如權利要求11所述的頭，其中穩定層和自由層的非縱向磁耦合磁疇在自由層內方向基本上為渦旋磁化模式。
13.如權利要求11所述的頭，其中在具有傳感電流時自由層基本上沒有非縱向磁疇。
14.如權利要求11所述的頭，其中第二間隔層由釕(Ru)、鉻(Cr)、銠(Rh)、銥(Ir)、銅(Cu)、釩(V)、鈮(Nb)或者這些材料的合金構成的組中選擇的材料形成。
15.如權利要求11所述的頭，其中第一和第二反鐵磁層的每一個由FeMn、PtMn、NiMn、PdPtMn、RhMn、CrPtMn、FeRhMn和IrMn構成的組中選擇的材料形成。
16.如權利要求15所述的頭，其中第一和第二反鐵磁層的每一個由基本上相同的材料形成，第二反鐵磁層的厚度小於第一反鐵磁層的厚度。
17.一種用於製造電流垂直於平面的磁阻傳感器的方法，包括在基板上澱積第一層反鐵磁材料、與第一層反鐵磁材料接觸的第一層鐵磁材料，與第一層鐵磁材料接觸的由非磁性材料構成的第一間隔層、與第一間隔層接觸的第二層鐵磁材料、與第二層鐵磁材料接觸的由非磁性材料構成的第二間隔層、與第二間隔層接觸的第三層鐵磁材料和第二層反鐵磁材料，其與第三層鐵磁材料接觸並且具有低於第一反鐵磁材料阻塞溫度TBH的阻塞溫度TBL；以第一方向設定第一層鐵磁材料的磁化方向，第一層鐵磁材料的所述磁化通過與第一層反鐵磁材料的交換耦合被釘扎；在高於TBL而低於TBH的溫度下以基本垂直於所有所述層的方向施加設定電流以在第三鐵磁層產生渦旋磁場；以及將溫度降低到TBL以下同時施加設定電流使得通過所述渦旋磁場在第三鐵磁層產生的磁化通過與第二層反鐵磁材料交換耦合被固定。
全文摘要
一種電流垂直於平面的磁阻傳感器具有用於靠傳感電流產生的磁場穩定自由層的附加層。鐵磁穩定層通過間隔層與自由層隔開並與第二反鐵磁層交換耦合，第一反鐵磁層是常規鐵磁層，用於在CPP傳感器中釘扎被被釘扎層。穩定層為渦旋或其它非縱向磁化模式，該穩定層的渦旋磁化模式通過與第二反鐵磁層交換耦合固定。穩定層穿過間隔層被鐵磁耦合到自由層，由此在無傳感電流和外部磁場的情況下自由和穩定層具有相似形狀的渦旋或其它非縱向磁化模式。傳感電流在自由層中產生渦旋磁場，其方向與穩定層中固定的渦旋磁化模式的方向相反，該場基本上消除了自由層中的渦旋磁化模式的影響。
文檔編號G01R33/09GK1655374SQ20041010023
公開日2005年8月17日 申請日期2004年12月13日 優先權日2004年2月10日
發明者普拉卡什·卡西拉傑, 史蒂芬·馬特 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司