利用自旋轉矩二極體效應的磁場檢測系統的製作方法

2023-12-07 23:54:56 3

專利名稱：利用自旋轉矩二極體效應的磁場檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有電流垂直平面(CPP)傳感器(如用於巨磁致電阻(GMR)和隧 穿磁致電阻(TMR)自旋閥(SV)傳感器的CPP傳感器)的磁場檢測系統，其以與常規GMR-SV
5和TMR-SV系統不同的模式操作。在常規CPP傳感器中，有比臨界電流(Ic)水平低的偏置 或檢測直流電流(DC)以確保沒有自旋轉矩影響CPP傳感器的自由層的磁化，其可產生過多 的噪聲。然而，在根據本發明的系統中，交流電流(AC)源以固定的選定頻率操作且引導交 流電流垂直穿過CPP傳感器的層，交流電流幅度1^足夠高從而故意在CPP傳感器的自由層 中引起自旋轉矩。在所述選定頻率處交流電流引起的自旋轉矩導致自由層中磁化的振蕩， 這提升了 DC電壓信號VDC。自由層和被釘扎層或參考層的共振頻率一般分開足夠遠從而如 果AC頻率選擇為自由層的共振頻率附近，則將不會在被釘扎層中引起共振。因此，DC電壓 信號VDe是僅在自由層中引起的共振的直接結果。VDe的值將響應於所檢測的外磁場的大小 而改變，且隨著自由層與交流電流共振地和非共振地被驅動而改變。在本發明的CPP傳感 器中，由AC引起的自由層磁化的自旋轉矩共振所導致的DC電壓表示實際磁致電阻信號，而 在常規CPP傳感器中DC引起的自旋轉矩共振向磁致電阻信號增加噪聲。自由層的共振頻 率將隨著外場的大小(而不是符合)而改變。因此，在所檢測的磁場具有正和負值的盤驅 動器應用中，需要外偏置場使得傳感器檢測在零至來自磁化區域的磁場的值的約兩倍範圍 內的磁轉變。 在盤驅動器實施例中，傳感器可以是CPP GMR-SV型傳感器或者CPPTMR-SV型傳感 器。如果傳感器是其中自由層與被釘扎層之間的非磁間隔層是絕緣隧道勢壘的TMR-SV傳 感器，則自由層和被釘扎層的磁化在沒有外磁場時基本彼此正交地取向。如果傳感器是其 中非磁間隔層是導電層的GMR-SV，則自由層和被釘扎層的磁化基本取向為與彼此平行相比 更趨向於反平行。在任一種情況中，自由層的磁化取向為基本垂直於盤的表面。
因為需要傳感器在Ic之上的電流水平操作以在自由層中引發自旋轉矩效應，所以 可以選擇用於傳感器中的自由層的材料的屬性以減小I"且因此減小AC源需要提供的電流 水平。用於自由層的一類材料是高自旋極化材料，因為它們將降低Ic。因此自由層可以由 鐵磁赫斯勒(Heusler)合金形成或者包括鐵磁赫斯勒合金，已知一些鐵磁赫斯勒合金在塊 體(bulk)形式表現出高自旋極化。全赫斯勒合金和半赫斯勒合金是具有特定成分和晶體 結構的金屬間化合物。赫斯勒合金的示例包括但不限於全赫斯勒合金Co2MnX(X是Al、 Sb、 Si、Sn、Ga、Ge中的一種或更多)、Co2FeSi和Co2FexCr(1—X)A1 (其中x在0禾P 1之間)。示例 還包括但不限於半赫斯勒合金NiMnSb和PtMnSb。用於自由層的另一類材料是與一般自由 層的厚度相比具有短的自旋擴散長度的材料。與具有高自旋極化的材料類似，它們能在短 的長度尺度上有效散射自旋，因此引起自旋轉矩不穩定性。 一種這樣的優選材料具有成分 (CoxFe100—x) (100—y)My，其中M是選自由Al、 Ge和Si構成的組的元素，x在約40和60之間，且 y在約20和40之間。再一類材料是具有低的磁阻尼(magneticdamping)的材料，例如坡莫 合金(NiFe19)。 一般地，表現出高自旋極化和低阻尼的材料對於本發明的傳感器來說是期 望的，因為這些屬性減小了 Ic。 為了更全面地理解本發明的本質和優點，請結合附圖參照下面的詳細描述。


圖1是蓋被去除的常規磁記錄硬碟驅動器的示意性俯視圖； 圖2是滑塊和沿圖1的方向2-2截取的一部分盤的放大末端視圖；
圖3是沿圖2的方向3-3的視圖，示出從盤觀察時的讀/寫頭的端部；
圖4是CPP讀頭的面對氣墊面(ABS)的示意性剖視圖，示出位於磁屏蔽層之間的 層堆疊； 圖5是磁記錄盤驅動器應用中根據本發明一實施例的磁場檢測系統的示意圖；
圖6是曲線圖，示出跨過CPP傳感器的V。c如何響應於來自於記錄層中不同記錄磁 化的所施加的磁場。
具體實施例方式
圖1-4示出常規CPP磁致電阻(MR)磁場檢測傳感器和系統。圖1是具有使用常 規CPP磁致電阻(MR)傳感器的數據讀取系統的常規磁記錄硬碟驅動器的結構圖。盤驅動 器包括支承在盤驅動器外殼或基座16上的磁記錄盤12和旋轉音圈馬達(VCM)致動器14。 盤12具有旋轉中心13且通過安裝到基座16的心軸馬達(未示出)沿方向15旋轉。致動 器14繞軸17樞轉且包括剛性致動器臂18。基本柔性的懸臂20包括撓曲件23且連接到 臂18的末端。頭載具或氣墊滑塊22附著到撓曲件23。磁記錄讀/寫頭24形成在滑塊22 的拖尾表面25上。撓曲件23和懸臂20使滑塊能在旋轉盤12產生的氣墊上"俯仰"和"滾 轉"。 一般地，有多個盤堆疊在通過心軸馬達旋轉的轂上，單獨的滑塊和讀/寫頭與每個盤 表面關聯。 圖2是滑塊22和沿圖1中的方向2-2取得的部分盤12的放大末端視圖。滑塊 22附著到撓曲件23且具有面對盤12的氣墊面(ABS) 27和基本垂直於ABS的拖尾表面25。 ABS 27使來自旋轉盤12的氣流產生空氣承墊，其支承滑塊22距離盤12的表面非常小的距 離或者幾乎接觸盤12的表面。讀/寫頭24形成在拖尾表面25上且通過到拖尾表面25上 的端子焊盤29的電連接而連接到盤驅動器讀/寫電子電路。 圖3是圖2的沿方向3-3的視圖，示出從盤12觀察時的讀/寫頭24的末端。讀 /寫頭24是沉積並光刻構圖於滑塊22的拖尾表面25上的一系列薄膜。寫頭包括通過寫 間隙30分隔開的磁寫極Pl/S2和Pl。 CPP MR傳感器或讀頭100位於兩個磁屏蔽件Sl和 P1/S2之間，P1/S2還用作寫頭的第一寫極。屏蔽件S1、S2由導磁材料形成，且是導電的，從 而它們能用作到讀頭100的電引線。也可使用單獨的電引線，在該情況下讀頭100形成為 接觸導電引線材料層，導電引線材料例如為鉭、金、Ru、Rh或銅，導電引線材料層接觸屏蔽件 Sl、 S2。 圖4是放大剖視圖，示出從傳感器的氣墊面(ABS)觀察的構成傳感器100的層。傳 感器100是CPP讀頭，包括形成在兩個磁屏蔽層S1、S2之間的層堆疊，兩個磁屏蔽層S1、S2 一般是電鍍的NiFe合金膜。下屏蔽件Sl—般通過化學機械拋光(CMP)被拋光從而提供光 滑襯底用於傳感器堆疊的生長。這可留下氧化物塗層，其能緊在傳感器沉積之前用適度的 蝕刻來去除。傳感器層包括參考鐵磁層120、自由鐵磁層110和在參考層120與自由層110 之間的非磁間隔層130，參考鐵磁層120具有基本垂直於ABS取向(進入頁面)的固定磁 矩或磁化方向121，自由鐵磁層IIO具有基本平行於ABS取向且響應於來自盤12的橫向外 磁場在層110的平面內旋轉的磁矩或磁化方向111。如果間隔層是一般由銅(Cu)形成的 導電間隔層，則CPP傳感器是CPP-GMR傳感器。如果間隔層是電絕緣間隔層， 一般由材料如 Ti02、 MgO或A1203形成，則CPP傳感器是CPP-TMR傳感器。 CPP傳感器中的固定或被釘紮鐵磁層可以是單個被釘扎層或者反平行(AP)被釘扎結構。AP被釘扎結構具有通過非磁反平行耦合(APC)層分隔開的第一 (API)和第二 (AP2)鐵磁層，兩個AP被釘紮鐵磁層的磁化方向基本反平行地取向。 一側接觸非磁APC層 且另一側接觸傳感器的導電間隔層的AP2層一般稱為參考層。 一般一側接觸反鐵磁或硬磁 釘扎層且另一側接觸非磁APC層的API層一般稱為被釘扎層。AP被釘扎結構最小化了參 考/被釘扎層與CPP自由鐵磁層之間的淨靜磁耦合。AP被釘扎結構，也稱為"層疊"被釘扎 層，有時稱為合成反鐵磁(SFA)，描述於美國專利5465185中。 圖4的CPP傳感器中的被釘扎層結構是AP被釘扎結構，具有跨過AP耦合(APC) 層123反鐵磁耦合的參考鐵磁層120 (AP2)和下鐵磁層122 (API) 。 APC層123通常是Ru、 Ir、 Rh、 Cr或其合金。自由鐵磁層110、間隔層130和AP2層120 —起構成傳感器的所謂的 "有源區"。API和AP2鐵磁層使其各自的磁化方向127U21反平行取向。AP1層122可使 其磁化方向通過交換耦合到反鐵磁(AF)層124而被釘扎，如圖4所示。供選地，AP被釘扎 結構可以"自釘扎"或者它可以通過硬磁層例如Co1Q。—xPtx或Co1Q。—xPtxCry (其中x約在8和 30原子百分比之間)被釘扎。在"自釘扎"傳感器中，AP1和AP2層的磁化方向127U21 — 般通過磁致伸縮(magnetostriction)和存在於所製造的傳感器中的殘餘應力設置為基本 垂直於盤表面。期望的是，AP1和AP2層具有類似的磁矩。這確保AP被釘扎結構的淨磁矩 小，從而到自由層的靜磁耦合被最小化，且AF層124的有效釘扎場(其大致反比於AP被釘 扎結構的淨磁化)保持為高。在硬磁釘扎層的情況下，當平衡AP1和AP2的磁矩以最小化 到自由層的靜磁耦合時，需要考慮硬磁釘扎層的磁矩。 位於下屏蔽層Sl和AP被釘扎結構之間的是底部電引線126和籽層125。籽層125 可以是單層或者不同材料的多層。位於自由鐵磁層110與上屏蔽層S2之間的是蓋層112 和頂部電引線113。蓋層112可以是單層或者不同材料的多層，例如Cu/Ru/Ta三層。
在存在關注範圍內的外磁場，即來自盤12上的記錄數據的磁場時，自由層110的 磁化方向111將旋轉，同時參考層120的磁化方向121將基本保持被固定且不旋轉。自由 層磁化111相對於參考層磁化121的旋轉導致電阻的改變。因此，當檢測直流電流Is施加 在頂部引線113和底部引線126之間時，電阻改變被檢測為與來自盤上的記錄數據的信號 磁場的強度成比例的電壓信號。弓|線126、113通常是Ta或Rh。然而，也可使用低電阻材料。它們是可選的，且用 於調節屏蔽件到屏蔽件間隔。如果引線126和113不存在，則底部和頂部屏蔽件Sl和S2 用作引線。籽層125通常是NiFeCr、 NiFe、 Ta、 Cu或Ru的一層或多層。AF層124通常是 Mn合金，例如PtMn、 NiMn、 FeMn、 IrMn、 IrMnCr、 PdMn、 PtPdMn或RhMn。如果代替AF層使用 硬磁層，它通常是CoPt或FePt合金，例如CoPtCr。蓋層112提供侵蝕防護且通常由Ru或 Ta形成。 鐵磁層122(AP1)、120(AP2)和IIO(自由層)通常由選自包括Co、Fe和Ni的組的 合金形成，例如CoFe或NiFe合金，或者由這些材料的多層形成，例如CoFe/NiFe雙層。AP2 層也可以是層疊結構，以獲得高度自旋相關界面散射。例如，AP2層可以是FM/XX/FM/. . . / XX/FM疊層，其中鐵磁(FM)層由Co、Fe或Ni，它們的合金之一，或者這些材料的多層(例如 CoFe-NiFe-CoFe三層)形成，XX層是非磁層，通常為Cu、Ag或Au，或者它們的合金，且足夠 薄從而相鄰FM層強鐵磁耦合。 例如，AP2層120可以是CoFe合金，通常10至30A厚，自由鐵磁層110可以是CoFe合金和NiFe合金的雙層，CoFe合金通常約5-15 A厚且形成在間隔層130上，NiFe合金通 常為10-30 A厚，形成在雙層中的CoFe層上。AP被釘扎結構中的APC層通常是Ru或Ir， 具有約4-10A的厚度。 如果AP被釘扎結構是"自釘扎"型，則不需要釘扎層。在不存在反鐵磁或硬磁釘 扎層的自釘扎結構中，API層接觸傳感器襯底上的籽層。 硬磁偏置層(未示出)例如CoPt或CoCrPt層也可包括在自由鐵磁層110的側邊 緣附近並在傳感器堆疊外，或者在用於自由鐵磁層110的磁穩定化或縱向偏置的堆疊中。
自由層110、AP2層120、蓋層112和導電非磁間隔層130中的一種或更多也可包括 納米氧化層(N0L)以局部限制電流路徑和增大有源區的有效電阻。例如可以這樣形成CoFe NOL，在一些CoFe已經沉積於自由層、AP2層、蓋層或導電間隔層中某處之後，中斷沉積，且 在0. 1-10託(Torr)的02或02/Ar氣體中氧化其表面數分鐘。N0L可以通過氧化其他材料 例如Cu/Al或Cu/Ti合金或多層來形成。 雖然圖4所示的讀頭100是"底部被釘扎型"讀頭，因為AP被釘扎結構在自由層 110下方，但是自由層110可以位於AP被釘扎結構下方。在這樣的布置中，AP被釘扎結構 的層被顛倒，AP2層120在間隔層130上方且與其接觸。 圖5是根據本發明一實施例的磁場檢測系統的示意圖。該系統示出為具有傳感 器200的磁記錄盤驅動器，傳感器200的氣墊面面對盤250。盤250具有襯底252和記錄 層254，記錄層254用作磁記錄介質，具有朝向或遠離ABS指向的箭頭所示的磁化區域。當 盤旋轉時，磁化區域沿箭頭215的方向移動經過傳感器200。記錄層254示出為垂直磁記 錄介質，具有與記錄層254的平面垂直地磁化的區域，但是供選地，它可以是縱向磁記錄介 質，具有在記錄層254的平面內磁化的區域。 圖5的傳感器200基本類似於前述圖4的CPP傳感器100，以200系列編號的項對 應於圖4的傳感器100中以100系列編號的項。傳感器200可以是CPP GMR-SV型傳感器 或CPP TMR-SV型傳感器。 然而，在前述使用常規CPP傳感器100的常規數據讀取系統中，有施加到CPP傳感 器的偏置或檢測直流電流(Is)，該電流在小於臨界電流(Ic)的水平以確保沒有自旋轉矩影 響自由層的磁化。在常規CPP傳感器中，如果DC電流太高，即大於I"則產生自旋轉矩激勵 和過多的噪聲。DC電流引發的自旋轉矩效應會是複雜的，S卩能激勵數種模式且不僅在自由 層中，也會在更多層例如在被釘扎層中引起自旋轉矩激勵。 與自旋轉矩效應相關的現象是自旋轉矩二極體效應，如Tulpurkar等人在 "Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions", Nature, Vol. 438-17， November 2005， 339-42中描述的那樣。當交流電流的頻率約為自由層的共振頻率時，向磁 隧道結(MTJ)應用小的射頻(radio frequency)交流電流(AC)能產生可測量的跨器件的 直流(DC)電壓。假定自由和參考層磁化在膜平面內且相對於彼此以 角取向。在AC周 期的一半期間，通常是AC的電子流從參考層流向自由層的負半周期中，經過MTJ器件中的 層的堆疊的AC對自由層磁化施加轉矩，將其朝向被釘扎層磁化旋轉。該配置具有低電阻。 在AC周期的下一半，即電子流從自由層流向參考層的正半周期中，自由層磁化沿相反方向
遠離參考層轉動，這是高電阻狀態。在自由層共振頻率附近的小頻率窗中，電阻的改變以相 同頻率遵循AC，有一些相位滯後。這導致DC輸出電壓，其與AC電流成比例。自由層共振頻率附近的頻率窗可以通過外磁場有效調節且隨著下面的複數表達式的實部縮放 formula see original document page 10
formula see original document page 10 2方程式1 其中ST是常用反阻尼(anti-damping)如自旋轉矩，FT是類場自旋轉矩項，IAC是 AC的幅度，Y' = y/2ji， y是旋磁常數，a是自由層的阻尼常數，Hd是垂直於自由層平 面的退磁場，f。是自由層的共振頻率，f是交流電流頻率， 是參考層和自由層之間時間平 均的角度。在方程式l中，共振頻率f。且因此V。c依賴於外磁場的大小。
在圖5的系統中，與上面描述且示於圖1-4中的常規CPP傳感器和系統不同，交流 (AC)源260在固定的選定頻率操作且引導AC垂直通過CPP傳感器200的層，AC幅度I化足 夠高從而在自由層210中故意引發自旋轉矩。在選定頻率處AC引發的自旋轉矩導致自由 層210的磁化的振蕩，這提升了直流電壓信號Vd"如上所述。相信AC引起的自旋轉矩振蕩 避免了常規CPP傳感器中會發生的與DC引起的自旋轉矩激勵相關的問題。因為AC源260 以固定的選定頻率操作，所以僅一種振蕩模式被激勵且能通過AC頻率的適當選擇來選擇 該模式。因為自由層和被釘扎層(如果使用AP被釘扎結構則是參考層)的共振頻率一般 分開足夠遠，所以如果AC頻率選擇為在自由層的共振頻率附近，則在被釘扎層中將沒有引 發振蕩。因此DC電壓信號V。c是僅在自由層中引發的振蕩的直接結果。假定圖5所示的傳 感器是使用絕緣隧道勢壘作為間隔層230的TMR傳感器。則所示的參考層220的優選在平 面內的磁化221基本平行於ABS。在沒有來自AC源260的交流電流時，所示的自由層210 的面內磁化211基本垂直於ABS(基本與參考層磁化正交)。該取向最大化了 sin2( )項 且因此最大化了DC輸出電壓。可以選擇其他角度的 ，自由層210的面內磁化211仍保持 基本垂直於ABS且參考層220的面內磁化221相應地旋轉。然而，需要避免太接近於零的 角度0，因為它們將最小化DC輸出電壓。因此約30< < 120度範圍的 是優選的。 在存在來自AC源260的Ic以上的交流電流時，自由層210的磁化211將相對於參考層220 的磁化221來回振蕩，這將產生VDe。如下面將說明的那樣，VDe的值將響應於被檢測的外磁 場的大小而改變且隨著自由層與AC共振地和非共振地被驅動而改變。
如果代替具有隧道勢壘的TMR傳感器使用金屬性GMR傳感器，金屬性GMR傳感 器具有用作間隔層230的金屬性間隔比如Cu，則參考層磁化221與自由層磁化211之 間的優選角將更接近於反平行而不是平行(90< < 180)。這是由於Slonczewski項 (見J. C. Slonczewski， J匪159， LI (1996)和N.Smith et al. IEEE Trans. Magn. 41， 2935(2005))，其表達了與CPP-TMR傳感器相比，CPP-GMR傳感器的磁致電阻的不同的角度 相關性。則用於CPP-GMR類傳感器的DC電壓的上述方程式1將包括Slonczewski項。
在本發明的CPP傳感器中，由AC引起的自由層磁化的自旋轉矩振蕩導致的DC電 壓表示實際磁致電阻信號，而在常規CPP傳感器中，DC引起的自旋轉矩振蕩向磁致電阻信 號添加噪聲。因此在這裡自由層磁化的振蕩是期望的。 由AC引起的自旋轉矩振蕩所導致的跨傳感器的DC電壓VDC的改變被測量且直接 相關於傳感器200上的外磁場的改變。在該示例中，被檢測的磁場是來自盤250的記錄層 254中的記錄位圖案磁化的磁場。
施加到傳感器200的來自源260的AC的頻率選擇為在沒有磁場時自由層210的共振頻率附近，這能通過鐵磁共振實驗容易地確定。用於該應用的一般且期望的共振頻率在2-10GHz的範圍內。現代盤驅動系統中的一般數據速率為約0. 5至lGHz。相應地，DC電壓信號變化的較高頻率為約0. 5至lGHz。因此，電子低通過濾器，如圖5中的電阻器R和電容器C所示例的過濾器，將驅動傳感器的AC與快速改變的VDe信號水平分開，VDe信號水平隨著各個位轉變而改變。 來自AC電流源260的電流峰值應在CPP傳感器200的引發自旋轉矩振蕩的臨界電流閾值Ic之上。因此，電流密度應高於106A/cm2，優選地在約106-108A/cm2的範圍。雖然要求最小電流密度來引起自旋轉矩激勵，但是太高的電流密度會例如通過電遷移(electromigration)導致傳感器的物理擊穿。在傳感器200上沒有施加磁場時，該水平的AC將導致約10-1000 V的VDC。在磁記錄盤驅動器應用中，來自記錄層254的磁場將在約-250至+2500e的範圍。然而，自由層的共振頻率將隨著外磁場的大小(而不是符號)而改變。因此，在被檢測的磁場具有正和負值的盤驅動器應用中，需要至少來自記錄層254的磁化區域的磁場的值例如2500e的外偏置場，使得傳感器200檢測在約0至5000e範圍的磁轉變。偏置場可以通過傳感器的在與ABS相反側的背部中的硬磁體提供。這在圖5中由在自由層210之後的在傳感器200的背部中的硬磁體270示出，其可以是例如CoPt合金層。硬磁體層270在自由層210上產生外偏置磁場，由箭頭271表示，其與傳感器的ABS正交地取向，因此能加或減來自於位的磁場。假定AC以沒有磁場時自由層的共振頻率驅動傳感器。當傳感器在"向下"的磁位上方掃描時，傳感器上的淨磁場約為零，因為偏置場271 (假定+2500e)和記錄的"向下"的磁位(假定_2500e)彼此抵消。所得DC電壓為VDC二V。，例如約100iiV。當傳感器在"向上"的磁位上方掃描時，來自"向上"的位的磁場(假定+2500e)增加到偏置場271，因此傳感器上的淨磁場足以改變自由層共振頻率，使得它與AC不共振。則所得DC電壓為約V。c二0。因此，隨著盤250移動經過傳感器200，V。c將從約0 y V(處於約+5000e且與AC不共振)到約100 y V(處於約OOe且與AC共振)改變。圖6是曲線圖，示出VDC如何隨著傳感器200響應於來自記錄層254中的"向上"和"向下"的不同記錄磁化(0和1位)的磁場而變化。V。c是記錄在盤上的數據的模擬信號表示，可以被任何常規電壓檢測器所檢測。該信號可以使用用於磁記錄盤驅動器的常規讀通道中使用的公知技術和電路部件轉化成數字數據信號。 因為在本發明中需要傳感器200在Ic之上的電流水平操作以在自由層210中引發自旋轉矩效應，所以可以選擇用於CPP傳感器中的自由層的材料的屬性以減小Ic，且因此減小AC源260需要提供的電流的水平。臨界電流基本由下式給出
Ic = ( a /g) Mst (Hk+2 Ji Ms) 方程式2 其中a是阻尼參數，g是依賴於鐵磁材料的自旋極化的參數，Ms是自由層的飽和磁化，t是自由層的厚度，Hk是自由層的各向異性場。乘積M^t由來自盤上的記錄位的通量(flux)確定且一般以NiFe合金的等價厚度給出，例如等價40A的坡莫合金( S00emu/cm3)。因此，對於參數a 、 Ms和Hk具有期望值的自由層材料能被選擇來最小化Ic。例如，Ni81Fe19表現出約0. 01至0. 02的低a ，約800e咖/cm3的低Ms*t和約10e的低本徵各向異性場Hk。 此外，高自旋極化的材料將通過增大參數g的值而顯著降低Ie，參數g依賴於鐵磁
11材料的自旋極化。因此，自由鐵磁層210可由鐵磁赫斯勒合金形成或者包括鐵磁赫斯勒合金，已知一些鐵磁赫斯勒合金在其塊體(bulk)形式表現出高自旋極化。全赫斯勒合金和半赫斯勒合金是具有特定成分和晶體結構的金屬間化合物。赫斯勒合金的示例包括但不限於全赫斯勒合金Co2MnX (X是Al 、 Sb、 Si 、 Sn、 Ga、 Ge中的一種或更多)、Co2FeSi和Co2FexCr(1—x)Al (其中x在0和1之間)。示例還包括但不限於半赫斯勒合金NiMnSb和PtMnSb。理想的赫斯勒合金將具有100%的自旋極化。然而，有可能在薄膜形式和有限溫度下，赫斯勒合金的能帶結構(band structure)會偏離其最佳結構且自旋極化將下降。例如，一些合金會表現出化學位置無序(chemical site disorder)且以B2結構而不是赫斯勒結構結晶。儘管如此，自旋極化會超過常規鐵磁合金的自旋極化。因此，在這裡使用時，"赫斯勒合金"應意味著具有與已知的赫斯勒合金的成分基本相同的成分的合金，且其與常規鐵磁材料例如NiFe和CoFe合金相比導致增強的自旋極化。 能使用的另一類材料是具有可與一般自由層的厚度相比的短自旋擴散長度的材料。與具有高自旋極化的材料類似，它們能在短的長度尺度上有效地散射自旋，因此引起自旋轉矩不穩定性。 一種這樣的優選材料具有成分(CoxFei。。—x) d。。—y)My，其中M是選自由Al、Ge和Si構成的組的元素，x在約40和60之間，且y在約20和40之間。這些材料的優點在於具有適度高的自旋極化和低的磁阻尼，這對於在本發明的傳感器中減小Ic而言是期望的。
雖然已經參照優選實施例特別顯示和描述了本發明，但是本領域技術人員將理解，可以進行形式和細節上的各種改變而不偏離本發明的思想和範圍。因此，所公開的發明應僅視為示例性的，且在範圍上僅由所附權利要求限定。
權利要求
一種磁場檢測系統，包括磁場傳感器，包括襯底；被釘紮鐵磁層，具有面內磁化方向；自由鐵磁層，具有在存在待檢測外磁場時自由轉動的面內磁化方向；以及非磁間隔層，在所述被釘紮鐵磁層和自由鐵磁層之間；電流源，耦接到所述磁場傳感器，用於引導交流電流垂直通過所述磁場傳感器的層；以及電壓檢測器，耦接到所述磁場傳感器，用於檢測施加所述交流電流期間存在外磁場時跨所述磁場傳感器的直流電壓。
2. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，其中所述自由鐵磁層具有特徵臨界電流值，在 該特徵臨界電流值之上所述自由鐵磁層的磁化方向的振蕩被引發，且其中所述電流源引導 比所述特徵臨界電流值更大的電流到所述磁場傳感器。
3. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，其中所述鐵磁層具有響應於交流電流的磁化振 蕩共振頻率，且其中所述電流源基本以所述共振頻率引導電流到所述磁場傳感器。
4. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，還包括施加到所述自由鐵磁層的外偏置磁場的源。
5. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，其中所述非磁間隔層由電絕緣材料形成。
6. 如權利要求5所述的磁場檢測系統，其中在沒有交流電流施加到所述磁場傳感器的 層且在沒有外磁場時，所述自由鐵磁層和所述被釘紮鐵磁層的所述面內磁化方向基本彼此 正交。
7. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，其中所述非磁間隔層由導電材料形成。
8. 如權利要求7所述的磁場檢測系統，其中在沒有交流電流施加到所述磁場傳感器的 層且在沒有外磁場時，所述自由鐵磁層和所述被釘紮鐵磁層的所述面內磁化方向相對於彼 此更趨向於反平行而不是平行。
9. 如權利要求l所述的磁場檢測系統，其中所述自由鐵磁層具有成分(C0xFe1Q。—x) a。。—y)My，其中M是選自由Al、 Ge和Si構成的組的元素，x在40和60之間，且y在20和40 之間。
10. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，其中所述自由鐵磁層包括鐵磁赫斯勒合金，所 述鐵磁赫斯勒合金選自由Co2MnX、 NiMnSb、 PtMnSb、 Co2FeSi和Co2FexCr(1—X)A1構成的組，其 中X選自由Al、 Sb、 Si、 Sn、 Ga和Ge構成的組，x在0和1之間。
11. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，其中所述自由鐵磁層的磁化基本垂直於氣墊 面。
12. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，還包括反平行被釘扎結構，包括具有面內磁化方向的第一反平行被釘紮鐵磁層、具有與該第 一反平行被釘紮鐵磁層的磁化方向基本反平行的面內磁化方向的第二反平行被釘紮鐵磁 層、以及在該第一反平行被釘紮鐵磁層和該第二反平行被釘紮鐵磁層之間且與該第一反平 行被釘紮鐵磁層和該第二反平行被釘紮鐵磁層接觸的反平行耦合層，其中所述第二反平行 被釘紮鐵磁層包括所述被釘紮鐵磁層。
13. 如權利要求1所述的磁場檢測系統，還包括具有記錄磁化區域的磁記錄介質，所述 記錄磁化區域向所述磁場傳感器提供外磁場。
14. 一種磁記錄盤驅動器，包括可旋轉的磁記錄盤，具有提供磁場的磁化區域、表示記錄的數據的磁化區域之間的轉變；讀傳感器，用於檢測來自所述磁記錄盤上的磁化區域的磁場，所述讀傳感器包括 襯底；被釘紮鐵磁層，具有面內磁化方向；自由鐵磁層，具有在存在來自所述磁記錄盤上的磁化區域的磁場時自由轉動的面內磁 化方向，所述自由鐵磁層具有響應於交流電流的磁化振蕩共振頻率；以及 非磁間隔層，在所述被釘紮鐵磁層和自由鐵磁層之間；電流源，耦接到所述讀傳感器，用於基本以所述共振頻率引導交流電流垂直通過所述 讀傳感器的層；施加到所述自由鐵磁層的外偏置磁場的源；以及電壓檢測器，耦接到所述讀傳感器，用於在所述磁記錄盤旋轉時在所述磁記錄盤上的 磁化區域移動經過所述讀傳感器時檢測跨過所述讀傳感器的直流電壓。
15. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述外偏置磁場的源包括所述讀傳感 器上的硬磁材料的層。
16. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述外偏置磁場至少和來自所述磁記 錄盤的磁化區域的磁場一樣大。
17. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述磁記錄盤的磁化區域被沿著與所 述磁記錄盤的表面基本垂直的方向磁化，所述外偏置磁場基本垂直於所述磁記錄盤的表面 取向。
18. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述讀傳感器的非磁間隔層由電絕緣 材料形成。
19. 如權利要求18所述的磁記錄盤驅動器，其中所述讀傳感器的自由鐵磁層和被釘扎 鐵磁層的面內磁化在沒有交流電流且不存在磁化區域時基本彼此正交。
20. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述讀傳感器的非磁間隔層由導電材 料形成。
21. 如權利要求20所述的磁記錄盤驅動器，其中所述讀傳感器的自由鐵磁層和被釘扎 鐵磁層的面內磁化在沒有交流電流且不存在磁化區域時相對於彼此基本更加趨向於反平 行而不是平行。
22. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述讀傳感器的自由鐵磁層具有成分 (COxFe，—x)(咖—y)My，其中M是選自由Al、 Ge和Si構成的組的元素，x在40和60之間，且y 在20和40之間。
23. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述讀傳感器的自由鐵磁層包括鐵磁 赫斯勒合金，所述鐵磁赫斯勒合金選自由Co2MnX、NiMnSb、PtMnSb、Co2FeSi和Co2FexCr(1—X)A1 構成的組，其中X選自由Al、 Sb、 Si、 Sn、Ga和Ge構成的組，x在0禾P 1之間。
24. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述自由鐵磁層的磁化基本垂直於氣墊面。
25. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，還包括反平行被釘扎結構，包括具有面內磁化方向的第一反平行被釘紮鐵磁層、具有與該第 一反平行被釘紮鐵磁層的磁化方向基本反平行的面內磁化方向的第二反平行被釘紮鐵磁 層、以及在該第一反平行被釘紮鐵磁層和該第二反平行被釘紮鐵磁層之間且與該第一反平 行被釘紮鐵磁層和該第二反平行被釘紮鐵磁層接觸的反平行耦合層，其中所述第二反平行 被釘紮鐵磁層包括所述被釘紮鐵磁層。
26. 如權利要求14所述的磁記錄盤驅動器，其中所述電流源提供電流密度在106至 107A/cm2範圍內的交流電流。
全文摘要
本發明提供一種具有電流垂直平面CPP傳感器的磁場檢測系統，所述CPP傳感器比如為用於巨磁致電阻GMR和隧穿磁致電阻TMR自旋閥傳感器的CPP傳感器，所述磁場檢測系統以與常規GMR和TMR自旋閥系統不同的模式操作。所述磁場檢測系統包括磁場傳感器，包括襯底；被釘紮鐵磁層，具有面內磁化方向；自由鐵磁層，具有在存在待檢測外磁場時自由轉動的面內磁化方向；以及非磁間隔層，在所述被釘紮鐵磁層和自由鐵磁層之間；電流源，耦接到所述磁場傳感器，用於引導交流電流垂直通過所述磁場傳感器的層；以及電壓檢測器，耦接到所述磁場傳感器，用於檢測施加交流電流期間存在外磁場時跨所述磁場傳感器的直流電壓。
文檔編號G01R33/09GK101706560SQ200910160349
公開日2010年5月12日 申請日期2009年8月7日 優先權日2008年8月7日
發明者史蒂芬·馬特, 傑弗裡·R·奇爾德雷斯, 馬修·J·凱裡 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司