粒狀多層磁致電阻傳感器的製作方法
2023-07-05 10:36:56 1
專利名稱：粒狀多層磁致電阻傳感器的製作方法
技術領域：
本發明一般來說涉及用來讀出記錄在磁性介質中的信息信號的磁性傳感器，更確切地說涉及基於固定在非磁性導電材料基體中的多層獨特鐵磁性顆粒所顯示的巨磁致電阻的磁致電阻式讀出傳感器。
利用被稱為磁致電阻(MR)式傳感器或磁頭的磁性讀出傳感器來從磁性介質中讀出高密度記錄數據，在先有技術中是已經公知的。這種MR傳感器通過由磁性材料製成的讀出元件的電阻變化來探測磁場信號，因為該電阻隨讀出元件所檢測到的磁通強度和方向而變。這種先有技術的MR傳感器根據各向異性磁致電阻(AMR)效應來工作，其中讀出元件電阻的一個分量隨磁化方向和流過讀出元件的傳感電流方向之間夾角的餘弦平方(COS2)而變化。對AMR效應的更詳細的描述可在D.A.Thompson等人的「存儲器、存儲及有關應用」，IEEE(美國電氣及電子工程師學會)論文集，磁學，MAG-11，1039頁(1975)中找到。
1990年1月23日授權給Takino等人的題為「利用磁致電阻效應的磁性傳感器磁頭」的美國專利第4，896，235號公開了一種多層磁性傳感器，該傳感器利用AMR，含有由非磁性層隔開的第一和第二磁性層，其中至少一個磁性層是由表現出AMR效應的材料製成的。每個磁性層中的易磁化軸被設置成與所加磁性信號垂直，使MR傳感器元件的傳感電流在磁性層中提供一個與易磁化軸平行的磁場，從而消除或最大限度地減少傳感器中的巴克好森噪聲。H.Suyama等人的「用於高密度硬碟驅動器的薄膜MR磁頭」，IEEE(美國電氣及電子工程師學會)論文集，磁學，Vol.24，No.6，1988(2612-2614頁)公開了一種與Takino等人所公開者類似的多層MR傳感器。
也描述過第二種不同的並且更明顯的磁致電阻效應，其中層狀磁性傳感器的電阻變化歸因於對鐵磁層之間的導電電子藉助於隔開鐵磁層的非磁性層進行與自旋有關的傳送，及在該層各界面處伴生與自旋有關的散射。這種磁致電阻效應被稱為「巨磁致電阻」效應，或「自旋閥」效應。由適當材料製成的這樣一種磁致電阻傳感器，改善了靈敏度，並有比在利用AMR效應的傳感器中觀察到的更大的電阻變化。在這種類型的MR傳感器中，由一個非磁性層隔開的一對鐵磁層之間的面內(in-plane)電阻，隨著該兩層中磁化強度之間夾角的餘弦(COS)而變化。
Grunberg的美國專利第4，949，039號描述了一種層狀磁性結構，該結構產生由磁性層中磁化強度的逆平行匹配引起的強化MR效應。作為可以用於層狀結構的材料，Grunberg列出了一些鐵磁性過渡金屬和合金，但是沒有從清單中針對較大的MR信號幅度指明優選材料。Grunberg還描述了使用反鐵磁型交換耦合來得到逆平行匹配，其中相鄰的鐵磁材料層用一個鉻或釔的薄中間層隔開。
轉讓給本受讓人的1990年12月11日提出的共同待決美國專利申請第07/625，343號公開了一種MR傳感器，在其中觀察到兩個未耦合鐵磁層之間的電阻，隨兩層的磁化強度之間夾角的餘弦而變化，並且與流過傳感器的電流方向無關。此機理產生的磁致電阻基於自旋閥效應，並且對於所選的材料組合來說在數值上大於AMR。
轉讓給本受讓人的1992年10月27日授予Dieny等人的美國專利第5，159，513號公開了一種基於上述效應的MR傳感器，該傳感器包括由一個非磁性金屬材料的薄膜層隔開的兩個鐵磁材料的薄膜層，其中至少一個鐵磁層是由鈷或鈷合金製成的。在外加磁場為零時，一個鐵磁層的磁化強度通過交換耦合於反鐵磁層，而保持垂直於另一鐵磁層的磁化強度。
在上面引用的美國專利和專利申請中的自旋閥結構，需要在兩個鐵磁層之一中的磁化強度方向被固定於或「訂牢」於所選擇的方向，因此在無信號條件下，另一鐵磁層中的磁化強度取向垂直於訂牢層的磁化強度。此外，在AMR和自旋閥結構中，為了把巴克好森噪聲減至最小，必須提供縱向偏置磁場以便至少把讀出元件的傳感部分保持於單磁疇狀態。因此，需要用來固定磁化強度方向和提供縱向偏置磁場的裝置。例如，如在上面引用的專利申請和專利中所述，可以形成一個與鐵磁層接觸的反鐵磁材料的附加層，以便提供交換耦合偏置磁場。如其不然，可以用一個相鄰的磁性硬層為鐵磁層提供硬偏置。
最近，已在嵌入非磁性金屬基體中的鐵磁性顆粒的單層和多層復相膜中觀察到巨磁致電阻效應。已報導過諸如鈷-銅(Co-Cu)、鈷-銀(Co-Ag)和鎳-鐵-銀(NiFe-Ag)之類的非均相單層合金系統中的GMR。例如，見「非磁性磁系統中的巨磁致電阻」，JohnQ.Xiao等人，物理評論通信，Vol.68，No.25，3749-3752頁(1992年6月22日);「復相銅-鈷合金中的巨磁致電阻」，A.E.Berkowitz等人，物理評論通信，Vol.68，No.25，3745-3748頁(1992年6月22日);「在單層鈷-銀合金膜中觀察到的『巨大』磁致電阻」，J.A.Barnard等人，致編輯的信，磁學和磁性材料雜誌，114(1992)，L230-L234頁;以及J.Jaing等人，應用物理通信，Vol.61，2362頁(1992)。鈷合金是在低溫下不混溶的材料。然而，以亞穩定合金退火，可使銅或銀基體中形成精細的鈷沉澱，即「晶粒(grain)」。MR效應看來隨平均顆粒直徑的大小成反比地變化。雖然同較複雜的多層自旋閥傳感器相比，「粒狀(granular)」合金是實現僅有一單層膜的GMR傳感器的一種很有吸引力的方法，但是鈷合金需要幾千奧斯特(Oe)的飽和磁場，因而在低磁場MR傳感器場合將無用。據新近的報導，銀基體中的粒狀鎳鐵已經在室溫下在約400Oe的MR尖峰的半高寬時產生10%的MR(△R/R)值。據更新的報導，銀基體中的退火鎳鐵已可產生一種粒狀多層結構，該結構在室溫下在約100Oe的飽和磁場時表現出約17%的MR。見「鎳-鐵/銀多層材料的磁致電阻和熱穩定性」，B.Rodmacq等人，致編輯的信，磁學和磁性材料雜誌，118(1993)，L11-16頁。雖然單層和多層鎳鐵合金的飽和磁場低於鈷合金的報導值，但仍高於MR器件的應用範圍(約10Oe或更低)。
於是，本發明的主要目的在於提供一種基於粒狀多層結構GMR效應的低磁場MR磁性傳感器。
本發明的另一個目的在於提供一種MR傳感器，其中不需要提供用來在一個或多個鐵磁性層中固定磁化取向的附加結構裝置，或用於磁場傳感元件的縱向偏置磁場。
按照本發明原則可實現這些和其他目的和優點。在本發明中，MR讀出傳感器包括一個粒狀多層傳感元件，該元件包括一個在適當的基片上形成的層狀結構，該結構包括一個由嵌入非磁性導電材料中的一組扁平狀或盤狀鐵磁性材料顆粒或島組成的磁致電阻傳感元件和一個用來提供磁場以便把磁致電阻傳感元件偏置於想要的無信號點的偏磁層，該偏磁層由位於其間的非磁性隔離層來隔開磁致電阻傳感元件。鐵磁性材料和非磁性材料選擇成使兩種材料互不混溶。如其不然，磁性和非磁性材料在平衡條件下可以是混溶的或部分混溶的，並以限制互相擴散的受控方式處理的。磁致電阻傳感元件是通過在基片上交替沉積鐵磁性材料層和非磁性材料層，而在偏磁層和隔離層上面形成的。沉積完成時，多層磁致電阻傳感元件被退火。在退火期間，鐵磁性層分裂成平板形顆粒，因為鐵磁性層上下的非磁性材料的不混溶層穿透晶界，並打破鐵磁性層的連續性而形成嵌入非磁性基體中的鐵磁性顆粒層或平面。該結構可以在外加磁場的情況下進一步退火，使磁致電阻傳感器的優先磁化軸或易磁化軸取向成平行於相鄰存儲媒體上的數據磁軌的寬度。每層鐵磁性顆粒的作用是收集具有雜亂取向的磁矩的磁疇。在顆粒層的平面中施加磁場時，磁矩將調整到平行於減小磁致電阻傳感元件電阻率的外加磁場。一個電流源向MR傳感器提供傳感電流，該電流在傳感元件上產生電壓降，該電壓降與MR傳感器的電阻變化成正比，該變化由鐵磁性顆粒層中磁矩旋轉引起，隨所傳感的外加磁場而變。
於是，本發明提供一種MR傳感器，其中磁致電阻傳感元件構成多個磁疇，磁疇中各個磁矩響應於所加磁信號而旋轉。由於該響應是具有有限疇壁運動的磁矩旋轉的結果，免除了對減小巴克好森噪聲的縱向偏置磁場的需求。
本發明的上述及其他目的、特點和優點，對照附圖，從下面對本發明的最佳實施例的詳細描述將變得顯而易見，在附圖中同樣的參考號指示同樣的零件，而且附圖中
圖1是實施本發明的磁碟存儲系統的簡化方塊圖;
圖2是按照本發明的原則的粒狀多層磁致電阻傳感元件的最佳實施例的透視圖;
圖3是說明圖2所示多層傳感元件在退火處理前狀態的剖面圖;
圖4是說明各個磁疇取向的圖2所示的退火後多層傳感元件的透視圖;
圖5是說明圖2所示的退火後多層傳感元件的特定實施例的剖面圖;
圖6是針對圖2所示多層傳感元件的特定實施例，表示隨退火溫度而變的磁致電阻與外加磁場的關係的曲線圖;
圖7是針對圖2所示磁致電阻傳感元件的最佳實施例，表示磁致電阻與外加磁場的關係的曲線圖;
圖8是針對圖2所示磁致電阻傳感元件的最佳實施例，表示磁致電阻與外加磁場的關係的曲線圖;
圖9是針對圖2所示磁致電阻傳感元件的最佳實施例，表示隨銀層厚度而變的磁致電阻與退火溫度的關係的曲線圖;
圖10是針對圖2所示磁致電阻傳感元件的最佳實施例，表示隨鎳鐵層厚度而變的磁致電阻與退火溫度的關係的曲線圖;
圖11是針對圖2所示磁致電阻傳感器元件的最佳實施例，表示磁致電阻與雙層數的關係的曲線圖;
圖12是針對圖2所示磁致電阻傳感器元件的最佳實施例，表示隨退火溫度而變的磁致電阻與外加磁場的關係的曲線圖;以及圖13是按照本發明的原則的磁致電阻磁性傳感器的最佳實施例的剖面圖;
下面參見圖1，雖然本發明被描述成在圖1所示的磁碟存儲系統中實施，但是應該指出，本發明也可用於例如磁帶記錄系統之類的其他磁性記錄系統，或利用傳感器探測磁場的其他用途。一個磁碟存儲系統至少包括一個支撐在心軸14上並由磁碟驅動電動機18來轉動的可旋轉磁碟12，磁碟12至少帶有一個位於它上方的滑塊13，每一滑塊13支撐一個或多個一般稱為讀/寫磁頭的磁性讀/寫傳感器21。每個磁碟上的磁性記錄媒體都以同心數據磁軌(未畫出)的環形圖案方式置於磁碟12上。當磁碟旋轉時，滑塊13在磁碟表面22上徑向進出運動，使磁頭21可以訪問記錄想要數據的磁碟不同部分。每個滑塊13藉助懸架15連接於執行器臂19。懸架15提供把滑塊13推向磁碟表面22的微小彈簧力。每個執行器臂19連接於執行器裝置27。圖1所示的執行器裝置可以是比如說一個音圈馬達(VCM)。VCM包括一個可以在固定磁場中運動的線圖，線圈運動的方向和速度由一個控制器所供給的馬達電流信號來控制。
在磁碟存儲系統工作期間，磁碟12的旋轉在滑塊13和磁碟表面22之間產生一個空氣軸承，該空氣軸承向滑塊施加一個向上的力或舉升力。於是在工作期間空氣軸承平衡懸架15的微小彈簧力，並支撐滑塊13以小的大體上恆定的間隔離開並稍高於磁碟表面。
磁碟存儲系統的各種部件，在工作中由控制單元29所產生的諸如訪問控制信號和內部時鐘信號之類的控制信號來控制。一般來說，控制單元29包括比如說一些邏輯控制電路、一些存儲裝置和一個微處理器。控制單元29產生一些控制不同系統操作的控制信號，例如在線23上的驅動電動機控制信號和線28上的磁頭定位和查找控制信號。線28上的控制信號提供想要的電流分布，使所選擇的滑塊13最優地運動到和定位於配套磁碟12上的所要數據磁軌。讀寫信號藉助於記錄信道25向讀/寫磁頭21傳進傳出。
典型磁碟存儲系統的以上描述及圖1的附圖僅用於說明的目的。應該指出，磁碟存儲系統可能包括很多磁碟和執行器，並且每個執行器可能支撐多個滑塊。
下面參見圖2，圖3和圖4，圖2是說明粒狀多層磁性結構30的透視圖，該結構中含有多層懸浮於或嵌入非磁性導電材料基體33中的大體上扁平或扁圓的「薄烤餅」狀或盤狀磁性顆粒或島狀物31。如圖3所示，與非磁性導電材料層37交替沉積的鐵磁性材料層35的多層結構34，用例如濺射沉積法來製備，各層厚度由例如石英監測器來控制。磁性材料和非磁性材料選擇成使兩種材料是不混溶的。或者，磁性和非磁性材料在平衡條件下也以是混溶的或部分混溶的，和為限制互相擴散而以受控制方式處理的。沉積之後，結構34被退火。在退火處理期間，由於磁性層35上下的不混溶層37穿透晶界並打破磁性層35的連續性而使磁性層35破裂成平板形顆粒31，而形成嵌入非磁性材料33基體中的磁性顆粒31的層或平面。
也可以採用其他沉積或成膜方法，如電鍍、離子沉積、蒸發、或塗漿或其他機械方法。此外，在完成沉積處理後不需要退火處理。沉積可在高溫下或在加熱的基片上進行，以實現想要的粒狀磁性結構。
如果磁性顆粒31之間的間距與基體材料中導電電子的平均自由程是相差不大的，最好是小於電子平均自由程，則在粒狀結構30中實現主要MR效應。象在上述公知的磁性/非磁性多層自旋閥系統中一樣，在粒狀多層結構30中所觀察到的MR的起因，據信主要是越過磁性區之間或顆粒31之間基體的導電電子的與自旋有關的散射。雖然一致公認較大的顆粒可能包含一個以上或多個磁矩，但為了分析，可以假設每個扁平顆粒31的行為就好像它構成單個磁矩或磁疇一樣，如圖4所示。如果顆粒31的磁矩是雜亂取向的，則從顆粒到顆粒的與自旋有關的散射增加，使結構30有較高的電阻率。當顆粒31的磁矩從層到層逆平行取向時，觀察到最高的電阻率。另一方面，如果顆粒31的磁矩被調整成平行取向，則電阻減小到較小的值。雖然一致公認在基體中顆粒之間存在靜磁和交換耦合，但是忽略了顆粒之間相互作用的單顆粒模型分析，足以證明所觀察的MR密切地取決於顆粒31的尺寸、形狀和各向異性。
可以證明，扁平形顆粒的定向會聚的極化，即調整，要比球形顆粒的類似會聚極化容易得多。此外，寬厚比高可減小形狀各向異性對顆粒磁矩調整所需磁場的影響。例如，對於30埃(A)的平板厚度，需要約500A的主軸尺寸。與具有較大MR值(及隨之而來的較大的飽和磁場值)的上面引用的文獻中所報導的40A的顆粒尺寸相比，這種顆粒尺寸是相當大的。
繼續參見圖4，畫出一個布置成與在磁性記錄媒體表面(未畫出)上限定的數據磁軌44成傳感關係的MR傳感器40的示意圖。MR傳感器40包括一個MR傳感元件41，和一個由非磁性隔離層43隔開傳感元件41的偏磁層45，它還由導線49連接於電流源(未畫出)以便向MR傳感器40提供傳感電流。MR傳感元件41是一個如上面對照圖2和圖3所描述的粒狀多層磁性結構，它包含多個處在金屬導電基體33中的平板形顆粒31的層或平面。顆粒31的磁矩可能沿一個感生的各向異性軸部分地定向，如箭頭47所示。如在先有技術中所公知，當想要的各向異性軸方向有磁場存在時，通過第二次退火過程可以在MR傳感元件41中感生出各向異性軸。由偏磁層45所提供的偏置磁場將使顆粒31的磁矩進一步沿想要的方向對準，以便調整MR傳感器在其響應特性曲線的線性部分的工作點。MR傳感器40由懸架裝置(未畫出)懸置在數據磁軌44的上方，使數據變換46處的磁場H施加於傳感元件41的平面。當截取磁場H時，磁矩旋轉以便與所加磁場H對準，造成傳感元件41中電阻率降低。由於磁性顆粒的磁化旋轉伴有有限的疇壁運動，故不需要為傳感元件安置縱向偏置磁場。
下面參見圖5和圖6，與非磁性導電材料層53交替沉積的鐵磁性材料層51的多層結構50，具有Ag(y/2)/NiFe(x/2)〔NiFe(x)/Ag(y)〕n-1/NiFe(x/2)/Ag(y/2)型結構，它沉積在氧化矽(Si)基片54上的鉭(Ta)底層55上方。100埃(A)的鉭保護層57使退火處理期間的氧化減至最小。退火處理促使非磁性材料銀層53上在磁性層51的晶界56處穿透，在磁性層中產生不連續性，從而提供一些扁半的島形顆粒表面59。於是，每層磁性材料分裂成多磁疇狀態或顆粒狀態。在磁性層內，只要磁性材料層是不連續的，對顆粒間間距小於非磁性材料中導電電子的平均自由程的結構來說，這種間距看來對所觀察的磁致電阻影響不大。磁性層51中的不連續性，尤其當不連續處在結構中被從層到層地排列成行時，會引起很有利於反鐵磁性有序的層間靜磁相互作用。
在任何一種退火前檢查的結構中都觀察不到明顯的MR。如圖6所示，對於Ag(20A)/〔NiFe(20A)/Ag(40A)〕4/NiFe(20A)/Ag(20A)型的有5層NiFe的結構，退火之後得到的MR一般達到5-6%的數值。外加磁場在結構平面內並垂直於傳感電流。箭頭58指示磁場的傾斜方向。一般來說，沉積態結構的電阻，經歷300-400℃範圍內的任何溫度下的退火之後，減少15%左右;而任何一種退了火的結構，在電阻上沒有明顯的差別。對在平行於和垂直於傳感電流方向施加磁場的兩種情況，MR數值有差別，這表示在未退火及退火後的結構中有約0.3-0.5%數量的殘存AMR效應。對於圖6所示的結構，在3335℃下退火之後觀察到5.34%的MR最大值，它具有22Oe的半峰寬度，雖然在315℃下退火後表現出較低的MR最大值，但觀察到單位磁場的最大電阻變化，即0.8%每Oe，它具有約5Oe的半峰寬度。
下面再參見圖7和圖8，圖7是說明觀察到的MR隨粒狀多層結構30(如圖2所示)的外加磁場而變的曲線圖，該結構包含濺射沉積在氧化矽基片上的三個雙層NiFe(20A)/Ag(40A)，曾在310℃下退火。結構的MR定義為在所加磁場下的結構電阻率R(H)減去在200Oe的外加磁場下的結構電阻率R(MIN)後對R(MIN)之比率。當磁場沿難磁化軸施加時，該結構適用具有約10Oe的半峰寬度的曲線52，表現出約3.0%的MR最大值。同理，當磁場沿易磁化軸施加時，該結構適用具有約7Oe的半峰寬度的曲線54，表現出約2.7%的MR最大值。圖8是說明粒狀多層結構30的MR觀測值的曲線圖，該結構包含5個在氧化矽基片上的雙層NiFe(20A)/Ag(35A)，曾在315℃溫度下退火。該結構用具有約4.75Oe的半峰寬度和0.75%每Oe的斜率的MR曲線，表現出約3.4%的MR最大值。
下面還參見圖9-圖12，對於粒狀多層結構30，所得MR值除了與為鐵磁性層和非磁性層所選材料有關外，還與許多因素有關。例如，鐵磁性/非磁性雙層層數、鐵磁性層厚度、非磁性層厚度及結構30的退火溫度全都影響特定結構所得的MR特性。圖9是針對含有5個沉積在氧化矽基片上的雙層Ag(txA)/NiFe(20A)的粒狀結構，表示隨非磁性層厚度而異的MR值與退火溫度的關係曲線圖。一般來說，對於給定的非磁性層厚度，都在約335℃的退火溫度下得到最大的MR，而對於35A的非磁化層(Ag)厚度，則得到約5.3%的最大MR。圖10是針對含有5個沉積在氧化矽基片上的雙層Ag(40A)/NiFe(txA)的粒狀結構30，表示隨鐵磁性層厚度而異的MR值與退火溫度的關係的曲線圖。一般來說，對於給定的厚度，都在315至335℃範圍內的退火溫度下達到最大MR值，對於20A的鐵磁性層(NiFe)厚度，在335℃下觀察到約5.3%的最大MR值。圖11是針對含有多個沉積在氧化矽基片上的雙層NiFe(20A)/Ag(40A)的粒狀結構，表示MR值與鐵磁性/非磁性雙層數的關係曲線圖。函數曲線在起點是一個沉積在Ag層上的雙層的約0.2%的較小MR值，到5個雙層時已迅速地增加到約5.3%，然後趨於平緩，到10個雙層時有約6.1%的值。與針對多個雙層結構觀察到的較大的MR值相比，從單個雙層結構觀察到的MR值要小一些，這似乎表明，在導電電子起源層上下層裡的顆粒31處的導電電子的散射，要比在同層中顆粒31處的散射重要得多。圖12是針對含有5個沉積在氧化矽基片上的雙層NiFe(20A)/Ag(40A)的粒狀結構30，表示隨退火溫度而異的MR值與所加磁場的關係的曲線圖。如從圖9和圖10所示曲線所預期的那樣，在335℃的退火溫度下，觀察到曲線61有約5.3%的MR最大值61。然而，雖然在305℃的退火溫度下，所觀察到的最大MR值較小，約3，2%，但卻產生一條具有小於5Oe的半峰寬度的尖得多的特性曲線63。
下面還參見圖13，畫出一個按照本發明原則的含有粒狀多層傳感元件的MR磁性傳感器。MR傳感器包括沉積在適當基片71上的一個適當磁性材料的偏磁層75、一個非磁性材料分隔層或隔離層77、以及一個粒狀MR傳感層79。基片提供主表面72，其對構成MR傳感器的後續各層起支撐和託板作用。基片71可以是玻璃、藍寶石、石英、氧化鎂、矽、氧化矽或其他適當材料。首先在基片表面72上沉積一層底層73。底層73的目的在於優化後續層75、77和79的組織、晶粒尺寸及形態。底層73必須有很高的電阻率以便把電流漏電效應減小至最小。一般來說，非磁性高電阻率材料，例如鉭(Ta)、釕(Ru)或氧化鋁之類是適當的材料。
粒狀MR傳感層79包括多層如上面對照圖2、圖3和圖4所述嵌入或懸浮於非磁性導電基體33中的扁平的、平板形顆粒31層。粒狀結構由多個鐵磁性/非磁性雙層組成把薄層非磁性材料與薄層鐵磁性材料交替沉積，然後在約100至500℃範圍裡的溫度下對該結構退火。雖然粒狀MR傳感層79最好包括5或6個雙層，但用少至3個或更多個雙層可以得到適合用於MR傳感器的MR值。在退火處理之前，鐵磁性層的沉積厚度約為10至30A不等，而非磁性層的沉積厚度約為20至50A不等。鐵磁性層最好由NiFe製成，但可用任何適當的鐵磁性材料，例如Ni、Co、Fe及基於Ni、Fe或Co的鐵磁性合金。基體33是一種非磁性導電材料，並應使該材料中的導電電子有長的平均自由程。此外，鐵磁性材料和基體材料是互不混溶的。如其不然，磁性和非磁性材料在平衡條件下可以是混溶的或部分混溶的，和為限制互相擴散而以受控方式處理的。基體材料最好是Ag，但是也可以從Cu、Ru和Au及其他導電金屬與合金組成的組類中選擇。適當的半導體、導電氧化物和金屬互化物也可能成為潛在的候補材料。
用一種適當材料使鐵磁性材料合金化，能促進鐵磁層在退火期間分裂為顆粒。例如，用1%至20%的Ag或0.1至20%的鉛(Pb)使NiFe合金化能促進NiFe層在Ag基體中分裂。其原因是，舉例來說，Ni-Pb和Fe-Pb具有十分有限的互溶性，看來Pb在處理期間集中於NiFe晶界，從而促進NiFe層分裂，並允許使用較低的熱處理溫度。在較低的處理溫度下使用NiFePb，可能允許使用例如Cu等其他材料作基體材料，NiFe在其中的溶解率在低溫時比在高溫時小。
偏磁層75為MR傳感層79提供一個偏置磁場以便為傳感器提供線性響應。如在先有技術中所公知的，偏磁層可以由例如CoPt或CoPtCr之類的硬磁材料製成(硬偏磁)，也可以由例如NiFe或NiFeRh之類軟磁材料製成(軟偏磁)。隔離層77用來使偏磁層75與MR傳感層79磁性解耦，並且優化MR傳感層的組織、晶粒尺寸及形態。隔離層77應該由諸如Ta、Zr、Ti、Y、Hf之類的非磁性高電阻率材料或具有想要的結晶結構的其他適當材料製成。
MR傳感器70的一種最佳實施例涉及一個在315℃下退火的由5個雙層NiFe(20A)/Ag(35A)組成的粒狀MR傳感層79，和一個沉積在Al2O3底層73上、並由厚度約50A的Ta隔離層77與MR傳感層79隔開的NiFe軟偏磁層75。傳感器70通過濺射沉積法或先有技術中所公知的其他適當的沉積處理法沉積在陶瓷基片71上。底層73的厚度最好在50至100A範圍內，而NiFe軟偏磁層75厚度為100A。在傳感器70的對置端形成的由Cu或諸如Ag或Au等其他適當材料製成的導線端子81，使該傳感器經由引線87連接於電流源85和信號傳感電路系統83。電流源85向MR傳感器70提供傳感電流，該傳感器在施加外磁場時傳感MR傳感元件79的電阻變化(例如，如上面對照圖4所述)。在MR傳感器70上方可能還沉積一個由例如Ta或Zr之類的高電阻率材料形成的保護層(未畫出)。
雖然對照其最佳實施例具體地說明並描述了本發明，但本專業的技術人員將會理解，其中可以進行類型上和細節上的各種改動而不脫離本發明的精神、範圍和指導。例如，雖然所示的最佳實施例被描述成一個非屏蔽器件，但是本發明的MR傳感器同樣可以用於屏蔽結構或磁導結構。因此，本文所公開的發明應該僅看成是說明性的並且在範圍上僅受所附權利要求書中規定的限制。
權利要求
1.一種粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於包括一個磁致電阻傳感元件，該元件至少包含一個嵌入一層非磁性導電材料中的鐵磁性材料的不連續層。
2.如權利要求1所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性材料和所述非磁性材料是互不混溶的。
3.如權利要求1所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於鐵磁性材料的所述不連續層，形成一層所述鐵磁性材料的扁顆粒。
4.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於它包含一個用來為所述磁致電阻傳感元件提供偏置磁場的磁性材料偏磁層;以及一個布置在所述偏磁層和所述磁致電阻傳感元件之間的、使所述偏磁層與所述磁致電阻傳感元件在磁性上解耦的非磁性材料分隔層。
5.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述磁致電阻傳感元件包括N個嵌於N層所述非磁性導電材料中的所述鐵磁性顆粒的所述層。
6.如權利要求5所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述層數N從3至10的範圍內選擇。
7.如權利要求6所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述層數N為5。
8.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性顆粒由一種鐵磁性材料組成，該材料選自由鐵、鈷、鎳、鎳鐵及基於鐵、鈷、鎳或鎳鐵的鐵磁性合金組成的組類。
9.如權利要求8所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵組成。
10.如權利要求8所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵-鈷組成。
11.如權利要求5所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵-鉛組成。
12.如權利要求11所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鎳-鐵-鉛合金中含鉛的數量從0.1%至20%重量的範圍內選擇。
13.如權利要求5所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵-銀組成。
14.如權利要求13所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鎳-鐵-銀合金中含銀的數量從1%至20%重量的範圍內選擇。
15.如權利要求1所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述非磁性導電層由選自銀、金、銅和釕所組成組類的材料組成。
16.如權利要求15所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述非磁性導電層是銀制的。
17.如權利要求4所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述偏磁層包括一層用來提供所述偏置磁場的軟磁材料。
18.如權利要求17所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述軟磁材料包含一種選自鎳-鐵和鎳-鐵-銠所組成組類的材料。
19.如權利要求4所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述偏磁層包含一層用來提供所述偏置磁場的硬磁材料。
20.如權利要求19所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述硬磁材料包含一種選自鈷-鉑和鈷-鉑-鉻所組成組類的材料。
21.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性顆粒厚度在約10埃至約30埃的範圍內。
22.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述鐵磁性顆粒厚度約為20埃。
23.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述非磁性導電層的厚度小於所述非磁性導電材料中導電電子的平均自由程長度。
24.如權利要求23所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述非磁性導電層的厚度在約10埃至約50埃的範圍內。
25.如權利要求24所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述非磁性導電層的厚度約為35埃。
26.如權利要求4所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述隔離層包含一種選自鉭、鋯、鈦、釔和鉿所組成組類的材料。
27.如權利要求26所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述隔離層含有鉭。
28.一種磁性存儲系統，其特徵在於它包括一個磁性存儲媒體，它有多個在其表面上限定的用來記錄數據的磁軌;一個磁性傳感器，在所述磁性傳感器和所述磁性存儲媒體之間有相對運動的期間相對於所述磁性存儲媒體保持小間距分離，所述磁性傳感器包括一個粒狀多層磁致電阻傳感器，該粒狀多層磁致電阻傳感器包括一個至少含有一層嵌入一層非磁性導電材料中的大體上扁平的鐵磁性材料顆粒層的磁致電阻傳感元件、一個用來為所述磁致電阻傳感元件提供一個偏置磁場的磁性材料偏磁層、一個布置在所述偏磁層和所述磁致電阻傳感元件之間的使所述偏磁層與所述磁致電阻傳感元件在磁性上解耦的非磁性材料隔離層、以及分別連接於所述磁致電阻傳感元件相對端的用來把所述粒狀多層磁致電阻傳感器連接於外電路並用來把傳感電流耦合於所述磁致電阻傳感元件的導電引線;耦合於所述磁性傳感器的用來把所述磁性傳感器移動到所述磁性存儲媒體上的所選擇數據磁軌的執行器裝置;以及耦合於所述粒狀多層磁致電阻傳感器的用來探測所述磁致電阻傳感元件在響應所加磁場時引起的電阻變化的探測裝置，該磁場代表記錄在被所述粒狀多層磁致電阻傳感器所截取的所述磁性存儲媒體中的數據位。
29.如權利要求28所述的磁性存儲系統，其特徵在於所述磁致電阻傳感元件的易磁化軸被取向成大體上平行於所述數據磁軌磁跡寬度，所述易磁化軸平行於所述磁致電阻傳感元件縱軸。
30.如權利要求28中所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於所述磁致電阻傳感元件包括N層嵌於所述非磁性導電材料層中的所述顆粒層，所述層數N從2至10的範圍內選擇。
31.一種製造粒狀多層磁致電阻器件的方法，其特徵在於，它包括下列步驟在適當的基片上沉積多個雙層材料，每個所述雙層材料包括第一層非磁性導電材料和第二層鐵磁性材料;以及在預定的溫度下給所得多層器件退火，在所述退火期間每個所述第二層鐵磁性材料分裂成多個鐵磁性顆粒，所述第一層中的所述非磁性導電材料流進所述鐵磁性顆粒之間和周圍。
32.如權利要求31所述的方法，其特徵在於所述非磁性導電材料和所述鐵磁性材料是互不混溶的。
33.如權利要求31所述的方法，其特徵在於所述鐵磁性顆粒是大體上扁平的盤形顆粒，這些顆粒在每個所述層中被隔開的距離小於所述非磁性材料中導電電子的平均自由程長度。
34.如權利要求31所述的方法，其特徵在於雙層層數從2至10個雙層的範圍內選擇。
35.如權利要求34所述的方法，其特徵在於雙層層數為5。
36.如權利要求31所述的方法，其特徵在於所述預定溫度從100至500℃的範圍內選擇。
37.如權利要求31所述的方法，其特徵在於所述第二層鐵磁性材料是由選自鐵、鈷、鎳、鎳-鐵及基於鐵、鈷、鎳或鎳鐵的鐵磁性合金所組成組類的材料製成的。
38.如權利要求37所述的方法，其特徵在於所述第二層鐵磁性材料是由鎳-鐵製成的。
39.如權利要求37所述的方法，其特徵在於所述第二層鐵磁性材料是由鎳-鐵-鉛製成的
40.如權利要求37所述的方法，其特徵在於所述第二層鐵磁性材料是由鎳-鐵-銀製成的。
41.如權利要求31所述的方法，其特徵在於所述第二層鐵磁性材料的厚度從約10至30埃的範圍內選擇。
42.如權利要求31所述的方法，其特徵在於所述第一層非磁性導電材料的厚度從約20至50埃的範圍內選擇。
43.如權利要求31所述的方法，其特徵在於退火步驟包括，在沿所述多層器件的縱軸方向施加磁場時給所述多層器件退火的步驟。
44.一種粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於它包含一個基片;一個沉積在所述基片的主表面上的絕緣層;一個沉積在所述絕緣層上的用來為所述磁致電阻傳感元件提供偏置磁場的磁性材料偏磁層;一個沉積在所述偏磁層上方並包含多層嵌入非磁性導電材料中的鐵磁性材料扁平顆粒的磁致電阻傳感元件;以及一個沉積在所述偏磁層上並安置在所述偏磁層和所述磁致電阻傳感器元件之間的用來使所述偏磁層與所述磁致電阻傳感元件在磁性上解耦的非磁性材料隔離層。
45.如權利要求44所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特徵在於顆粒層層數從2至10的範圍內選擇。
全文摘要
一種磁致電阻讀出傳感器包括一個粒狀多層傳感元件，該元件包含多層嵌入非磁性導電材料中的大體上扁平的鐵磁性材料顆粒。一個由隔離層隔開磁致電阻傳感元件的偏磁層提供一個磁場，以便把磁致電阻傳感元件偏置於想要的無信號點。鐵磁性材料和非磁性材料是互不混溶的，也可以是混溶的或部分混溶的並以控制互擴散的方式處理的。
文檔編號G11B5/39GK1094835SQ9410379
公開日1994年11月9日 申請日期1994年3月30日 優先權日1993年4月30日
發明者科溫·R·高芬, 詹姆斯·K·哈沃德, 託德·L·海勒特, 米查爾·A·帕克 申請人:國際商業機器公司