在abs處具有電流約束的三層讀取器的製作方法

2023-08-11 11:19:51 2

專利名稱：在abs處具有電流約束的三層讀取器的製作方法
在ABS處具有電流約束的三層讀取器
背景技術：
在磁數據存儲及檢索系統中，磁記錄頭典型地包括讀取器部分，該讀取器部分具有用於檢索磁碟上存儲的磁編碼信息的磁阻(MR)傳感器。來自盤表面的磁通量導致MR傳感器的單層傳感層或多層傳感層的磁化矢量產生旋轉，這又導致MR傳感器的電阻率發生變化。傳感層通常稱為「自由」層，因為傳感層的磁化矢量響應於外部磁通量而自由旋轉。 MR傳感器的電阻率變化可以通過使電流經過MR傳感器並測量MR傳感器兩端的電壓而檢測得到。之後，外部電路將電壓信息轉換為適當的格式，並根據需要對該信息進行處理，從而恢復盤上的編碼信息。MR傳感器已經得到發展，可表現為以下三種主要類型(1)各向異性磁阻(AMR)傳感器，( 巨磁阻(GMR)傳感器，包括自旋閥傳感器及多層GMR傳感器，以及C3)隧穿巨磁阻(TGMR)傳感器。除了傳感器的磁性層由薄到允許磁性層之間的電子隧穿的絕緣薄膜分離以外，隧穿GMR (TGMR)傳感器與GMR傳感器相似具有一系列交替的磁性層和非磁性層。TGMR傳感器的電阻取決於磁性層的相對磁化方向，對於磁性層的磁化為平行的構造呈現為最小值，對於磁性層的磁化方向為反平行的構造呈現為最大值。對於所有類型的MR傳感器而言，響應於來自盤的磁通量出現磁化旋轉。隨著磁碟的記錄密度持續增大，盤上磁軌及比特的寬度必須減小。這使得愈加縮小的MR傳感器以及變窄的屏蔽-屏蔽的間距成為必要。由於MR傳感器在尺寸上變得更小，特別地對於尺寸小於大約100納米(nm)的傳感器，傳感器可能對從磁碟施加的磁場表現出不符合需要的磁性響應。MR傳感器必須通過這樣的方式來設計即使是小型的傳感器也免受磁性噪聲影響， 並且提供具有適當振幅的信號，從而精確地恢復盤上寫入的數據。GMR和TGMR讀取器可以使用自由層和參考層之間的電阻以檢測介質雜散場，從而讀回存儲的信息。參考層的磁化方向通過鐵磁釘扎層的反鐵磁(AFM)耦合交互作用來固定，該鐵磁釘扎層由反鐵磁(AFM)材料再次釘扎。參考層和釘扎層與它們之間的反鐵磁耦合層一起作為所謂的合成反鐵磁(SAF)結構。這種構造具有兩種主要缺陷。第一個是由於複雜的多層結構導致的高屏蔽-屏蔽間距。對屏蔽-屏蔽間距持續減小的需求受限於傳感器中各個層由於變得更薄而出現的不穩定性。例如，AFM材料的釘扎強度隨著厚度的減小而降低。因而，當參考層未被良好釘扎時，薄弱釘扎的SAF結構導致傳感器噪聲增加。傳統的GMR和TGMR傳感器的另一個缺陷在於在ABS表面需要使用永磁體(PM)來形成適當的自由層偏置狀態。讀取器屏蔽-屏蔽間距的減小需要減小PM厚度，這使得實現所需的PM偏置場愈加困難。具有雙自由層的三層讀取器是解決這些問題的一種方案。在三層結構中，沿切向磁化的雙自由層用於檢測介質磁通量。合成反鐵磁(SAF)和反鐵磁(AFM)層不是必須的， 且當雙自由層都具有在空氣承載表面處的端部時自由層偏置來自後端永磁體和退磁場的結合。由於PM從ABS表面下凹，因此它不會對無需犧牲PM材料屬性和偏置場而實現較小屏蔽-屏蔽的間距產生影響。具有短條帶(stripe)高度和後端磁偏置的三層讀取器具有高質量的讀回信號，但是在磁性上不穩定並且對於工藝變化非常敏感。

發明內容
磁阻傳感器包括三層堆棧，該三層堆棧包括覆層、由非磁性層分離的第一反鐵磁層和第二反鐵磁層以及種子層。三層傳感器被位於堆棧後端的後偏置磁體偏置。絕緣層部分地覆蓋三層堆棧，從而使得經過堆棧的電流被約束到空氣承載表面附近以提高敏感度。


圖1是沿著與讀/寫頭的空氣承載表面(ABQ垂直的平面截取的磁讀/寫頭和磁碟的示意性橫截面圖。圖2是圖1的磁讀/寫頭的示意性ABS視圖。圖3示出與平面(CPP)傳感器堆棧垂直的典型三層電流的示意性ABS視圖。圖4是沿截面A-A截取的圖3所示的傳感器堆棧的示意性橫截面圖。圖5是沿著圖3的截面B-B截取的短條帶高度的三層傳感器的示意性橫截面圖。圖5A是圖5的三層傳感器中磁場強度的圖示。圖6是沿圖3的截面B-B截取的長條帶高度的三層傳感器的示意性橫截面圖。圖6A是圖6的三層傳感器中磁場強度的圖示。圖7-10是根據本發明的三層傳感器四種不同實施例的示意性橫截面圖。
具體實施例方式圖1是沿著與讀/寫頭10的空氣承載表面ABS垂直的平面截取的磁讀/寫頭10 和磁碟12的示意性橫截面圖。磁讀/寫頭10的空氣承載表面ABS面對磁碟12的盤表面 16。磁碟12沿著相對於磁讀/寫頭10的方向移動或旋轉，如箭頭A所示的方向。空氣承載表面ABS和盤表面16之間的間距優選地被最小化，同時避免磁讀/寫頭10和磁碟12之間的接觸。磁讀/寫頭10的寫入器部分包括頂部極18、絕緣體20、導體線圈22和底部極/ 頂部屏蔽對。導體線圈22通過使用絕緣體20保持在頂部極18和頂部屏蔽M之間的位置上。導體線圈22在圖1中示為兩層線圈，但是也可以由任意幾層線圈形成，這是磁讀/寫頭設計領域中的公知常識。磁讀/寫頭10的讀取器部分包括底部極/頂部屏蔽24、底部屏蔽觀和磁阻(MR) 堆棧30。MR堆棧30位於底部極M和底部屏蔽觀的終端之間。底部極/頂部屏蔽對既起到屏蔽的作用，又與頂部極18協作起到共用極的作用。圖2是磁讀/寫頭10的空氣承載表面ABS的示意圖。圖2圖示了磁讀/寫頭10 的重要磁性部件沿著圖1的磁讀/寫頭10的空氣承載表面ABS出現的位置。為了清楚起見，圖2中省略磁讀/寫頭10的全部間距和絕緣層。底部屏蔽觀和底部極/頂部屏蔽M 間隔開以提供MR堆棧30的位置。傳感電流經底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀流過MR 堆棧30。雖然在圖1和圖2中傳感電流通過底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀注入，然而其它構造具有與底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀電隔離的MR堆棧且額外的導線向 MR堆棧30提供傳感電流。當傳感電流經過MR堆棧30時，讀取傳感器表現出電阻響應，這導致輸出電壓發生變化。由於傳感電流的流向垂直於MR堆棧30的平面，磁讀/寫頭10的讀取器部分是垂直於平面(CPP)型裝置的電流。磁讀/寫頭10僅僅是示範性的，也可以根據本發明採用其它CPP結構。圖3示出包括三層MR堆棧51的典型三層CPP MR傳感器50的ABS視圖。MR堆棧51包括金屬覆層52、第一自由層M、非磁性層56、第二自由層58和金屬種子層60。三層MR堆棧51位於底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀之間。在操作中，傳感電流Is垂直於三層MR堆棧51的層52_60的平面流動，並且經受與第一自由層M和第二自由層56的磁化方向之間形成的角度的餘弦成比例的電阻。然後， 測量三層MR堆棧51兩端的電壓以確定電阻的變化，並且產生的信號用於從磁介質恢復編碼的信息。需要注意的是，三層MR堆棧51構造僅僅是示範性的，也可以根據本發明使用用於三層MR堆棧51的其它層構造。三層MR堆棧51的第一自由層M和第二自由層58的磁化方向是反平行的，在不存在其它磁場或力的情況下，最初設置為與ABS平行。自由層沿該反平行方向的對準歸因於兩個自由層之間的靜磁交互作用，並且當讀取器寬度(RW)大於條帶高度(SH)時出現。為了增強讀取器敏感度，兩個自由層的對準優選地相對於彼此正交對準，分別與ABS成大致 45度。這通過三層MR堆棧51之後的偏置每個自由層的後偏置磁體(圖3未示出)來實現。圖4是沿圖3的截面A-A截取的CPP MR傳感器50的示意性橫截面圖，它示出在底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽28之間比ABS下凹的MR堆棧51之後的後偏置磁體62。ABS 之後的三層傳感器堆棧51的長度是條帶高度SH，如圖所示，在之後闡述的實施例中作為一個重要的變量。圖5示出沿著圖3的截面B-B與三層CPPMR傳感器50的ABS垂直的示意性橫截面圖。示出具有空氣承載表面ABS的三層MR堆棧51A位於記錄介質12之上。示出後偏置磁體62位於比空氣承載表面ABS下凹的三層MD堆棧51A之上。三層MR堆棧51A的層結構與三層MR堆棧51的層結構相同。後偏置磁體62的磁化方向，如箭頭63所示，沿垂直向下的方向指向空氣承載表面ABS。三層MR堆棧51的第一自由層FLl和第二自由層FL2的磁化方向分別由箭頭53A和55A示意性示出。如前所述， 在不存在後偏置磁體62的情況下，磁化方向53A和55A與ABS平行，但是彼此反平行。後偏置磁體62的存在使得磁化方向53A和55A成為切向關係，如圖所示。圖5A的圖示中的曲線57A描述來自於三層MR堆棧51A的記錄介質12的磁場強度H^。如圖5A所示，傳感器的磁場強度作為離開ABS的距離的函數發生指數級衰減。在圖5所示的傳感器幾何結構中，讀取器寬度RW大於三層堆棧51A的條帶高度SHa。自由層 FLl和FL2的磁化方向53A和55A的切向關係導致敏感度增強，這是由於兩種磁化方向自由地響應於H—，介質磁通量。然而，由製造期間工藝變化引起的微小變化可能導致傳感器輸出中不可接受的大變化，或者甚至是導致產量降低到不可接受的水平的磁性不穩定的部分。圖5所示的傳感器幾何結構的變化例在圖6中示出。示出後偏置磁體62位於三層MR堆棧51Β之上遠離空氣承載表面ABS。三層MR堆棧51Β的層結構與三層MR堆棧51 的層結構相同。三層MR堆棧51Β與三層MR堆棧51Α的區別在於三層MR堆棧51Β的條帶高度SHb比三層MR堆棧51Β的讀取器寬度RW大至少兩倍。傳感器堆棧51Α和51Β具有相同的讀取器寬度RW。後偏置磁體62的磁化方向由箭頭63所示，沿垂直向下的方向指向空氣承載表面ABS。第一自由層FLl和第二自由層FL2的磁化方向分別由箭頭5 和55B示意性示出。與三層MR堆棧51A的磁化方向相反，在三層MR堆棧51B後端的各個自由層的磁化方向是穩定的，且與後偏置磁體62的磁化方向平行，如箭頭63所示。由於三層MR堆棧 51B的條帶高度較長，自由層FLl和FL2的磁化方向由於FLl和FL2之間的靜磁交互作用自然地放鬆到距離ABS最近的發散方向，如箭頭5 和55B所示。三層傳感器堆棧51B的穩定性和穩健性顯著地超過三層MR堆棧51A。然而，增強的穩定性伴隨著成本。條帶高度增大的結果是三層MR堆棧51B的大部分長度不會對磁阻傳感信號起作用。而是，傳感器堆棧的後端起到電分流器的作用，因而降低傳感器輸出。在下文中述及的本發明實施例圍繞該問題並提供具有穩健穩定性及增強的敏感度的三層讀取器傳感器。圖7中的CPP MR傳感器70示出本發明的示例性實施例。在CPP MR傳感器70中， 三層MR堆棧71的條帶高度是如圖6所示的讀取器寬度RW的至少兩倍。CPP MR傳感器70 由位於底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀之間具有後間隙磁體62的三層MR堆棧71構成，該後間隙磁體62如圖4的CPP MR傳感器50所示的在三層MR堆棧51之後。區別在於 CPP MR傳感器70中的絕緣層72位於三層MR堆棧71和底部屏蔽28之間。絕緣層72從底部屏蔽觀的後端延伸到與ABS接近的距離，從而使得從底部屏蔽觀經過三層MR堆棧71 到達底部極/頂部屏蔽M的電流受到約束。通過將電流約束到ABS附近，如箭頭所示，三層MR堆棧71後端的電分流器斷路，使得傳感器輸出增大。圖8中示出了另一示例性實施例。CPP MR傳感器80由三層MR堆棧71構成，該三層MR堆棧71位於底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀之間，具有較長的條帶高度，在該三層MR堆棧71之後具有後間隙磁體62。在這種情況下，絕緣層73位於底部極/頂部屏蔽 24和三層MR堆棧71之間。絕緣層73從底部屏蔽28的後端延伸到與ABS接近的距離，從而使得從頂部屏蔽對經過三層MR堆棧71到達底部屏蔽觀的電流受到約束，如箭頭所示。 通過將電流約束到ABS附近，三層MR堆棧71後端的電分流器斷路，使得傳感器輸出增大。圖9中示出了另一示例性實施例。CPPMR傳感器90由三層MR堆棧71構成，該三層MR堆棧71位於底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀之間，具有較長的條帶高度，在該三層MR堆棧71之後具有後間隙磁體62。在這種情況下，絕緣層73位於底部極/頂部屏蔽 24和三層MR堆棧71之間，絕緣層72位於底部屏蔽28和三層MR堆棧71之間。絕緣層72 和73從頂部屏蔽M和底部屏蔽觀的後端延伸到與ABS接近的距離，從而底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀之間或底部屏蔽觀和底部極/頂部屏蔽M之間經過三層MR堆棧71 的電流受到約束。通過將電流約束到ABS附近，三層MR堆棧71後端的電分流器斷路，使得傳感器輸出增大。圖10中示出了另一實施例。CPPMR傳感器100由三層MR堆棧71構成，該三層MR 堆棧71位於底部極/頂部屏蔽M和底部屏蔽觀之間，具有較長的條帶高度，在該三層MR 堆棧71之後具有後間隙磁體62。絕緣層72從底部屏蔽觀的後端延伸到ABS。在這種情況下，絕緣層72距離ABS最近的部分被處理為將絕緣層72轉換為導電部分74。導電部分 74使得從底部屏蔽28經過三層MR堆棧71到達底部極/頂部屏蔽M的電流受到約束，如箭頭所示。通過在電流經過三層MR堆棧71時將電流約束到ABS附近，三層MR堆棧71後端的電分流器斷路，使得傳感器輸出增大。在ABS經過若干工藝研磨之後，絕緣層72可以轉換為導電區74。在此描述其中的一些工藝。一種方法是採用共濺射的狗和SiO2作為絕緣層。產生的Fe/Si02層是非晶態的，且呈電阻抗。通過對ABS雷射曝光對ABS達到大致350°C到400°C的適當溫度的優先熱處理，這導致狗偏析以及接近ABS的導電通道的形成。另一種方法是採用TiOJl擋層作為絕緣層。在普通的空氣中或者在氫氣中研磨包括TiOx絕緣層的ABS在TiOx層中形成缺陷，該缺陷形成導電通道，從而允許在ABS處流過電流。在ABS處轉換為導體通道以約束通過ABS處的傳感器堆棧71的電流的絕緣層還可以位於底部極/頂部屏蔽M和堆棧71之間以及底部屏蔽觀和堆棧71之間。需要注意的是，上述傳感器堆棧僅僅是示例性的，也可以根據本發明採用其它構造。雖然已經參照示例性實施例描述了本發明，然而所屬領域技術人員應該知曉可以做出各種改變以及由等同物替代其部件，這不脫離本發明範圍。此外，做出多種改進以使具體的情況或材料適應本發明的教導而不脫離本發明的實質範圍。因此，本發明並非限制於所公開的具體實施例，而是本發明包括落入所附的權利要求範圍內的全部實施例。
權利要求
1.一種磁阻傳感器，包括第一和第二電極；位於所述電極之間的三層堆棧，所述堆棧包括由非磁性層分離的第一鐵磁層和第二鐵磁層；與所述三層堆棧的後端相鄰的後偏置磁體；以及位於所述三層堆棧與第一和第二電極中的至少一個電極之間的絕緣層，所述絕緣層部分地覆蓋所述三層堆棧，從而使得所述電極之間經過的電流在經過所述三層堆棧時被約束到空氣承載表面附近。
2.如權利要求1的所述傳感器，其特徵在於，所述絕緣層完全覆蓋所述三層堆棧，並且所述絕緣層與空氣承載表面最近的部分從絕緣轉換為導體，從而使得電極之間經過的電流在經過所述三層堆棧時被約束到所述空氣承載表面附近。
3.如權利要求1的所述傳感器，其特徵在於，所述絕緣層包括在所述第一電極和所述三層堆棧的一部分之間的第一絕緣層。
4.如權利要求3的所述傳感器，其特徵在於，所述絕緣層還包括在所述第二電極和所述三層堆棧的一部分之間的第二絕緣層。
5.如權利要求1的所述傳感器，其特徵在於，所述鐵磁層的磁化方向相對於彼此大致垂直，並且與所述空氣承載表面成大致45度。
6.如權利要求1的所述傳感器，其特徵在於，所述非磁性層是電導體。
7.如權利要求6的所述傳感器，其特徵在於，所述非磁性層包括Cu、Ag、Au或它們的合金中的一種。
8.如權利要求1的所述傳感器，其特徵在於，所述非磁性層是電絕緣體。
9.如權利要求8的所述傳感器，其特徵在於，所述非磁性層從包括Al2OpTiO5^nMgO的組中選取。
10.如權利要求1的所述傳感器，其特徵在於，所述鐵磁層是自由層。
11.如權利要求10的所述傳感器，其特徵在於，所述自由層包括i^eCoKNiFeCo、 CoFeHf, NiFe, FeCo或它們的合金中的一種。
12.一種裝置，包括頂部電極；底部電極；位於頂部電極和底部電極之間的三層堆棧，所述堆棧包括由非磁性層分離的第一鐵磁層和第二鐵磁層；以及與所述三層堆棧的後端相鄰的後偏置磁體；其中所述頂部電極和底部電極中的至少一個電極僅僅與所述三層堆棧的一部分電接觸，從而使得所述電極之間經過的電流在經過三層時被約束到空氣承載表面附近。
13.如權利要求12的所述裝置，其特徵在於，還包括在所述頂部電極和所述三層堆棧的一部分之間的絕緣層。
14.如權利要求13的所述裝置，其特徵在於，還包括在所述底部電極和所述三層堆棧的一部分之間的絕緣層。
15.如權利要求12的所述裝置，其特徵在於，還包括在所述頂部電極和所述三層堆棧的一部分之間並且在所述底部電極和所述三層堆棧的一部分之間的絕緣層。
16.如權利要求12的所述裝置，其特徵在於，所述絕緣層完全覆蓋所述三層堆棧，並且所述絕緣層與所述空氣承載表面最近的一部分從絕緣轉換為導體，從而使得在電極之間經過的電流在經過所述三層堆棧時被約束到空氣承載表面附近。
17.如權利要求12的所述裝置，其特徵在於，所述鐵磁層的磁化方向相對於彼此大致垂直，並且與空氣承載表面成大致45度。
18.如權利要求12的所述裝置，其特徵在於，所述非磁性層是電導體。
19.如權利要求12的所述裝置，其特徵在於，所述非磁性層是電絕緣層。
20.如權利要求12的所述裝置，其特徵在於，所述第一和第二鐵磁層是自由層。
全文摘要
本發明公開了一種在ABS處具有電流約束的三層讀取器。描述了一種敏感度和穩定性都得到改進的磁阻讀取傳感器。該傳感器是位於兩個電極之間的三層堆棧。該三層堆棧具有由非磁性層間隔的兩層自由層以及位於堆棧後與空氣承載表面分離距離為條帶高度的偏置磁體。傳感器中的電流被絕緣層約束到接近空氣承載表面的區域，從而使得讀取器敏感度得到增強。
文檔編號G11B5/187GK102298932SQ201110115828
公開日2011年12月28日 申請日期2011年3月18日 優先權日2010年3月19日
發明者D·V·季米特洛夫, J·韋塞爾, M·W·科溫頓, 宋電 申請人:希捷科技有限公司