專利名稱：具有Ru合金反平行間隔層的薄膜介質(zhì)和磁致電阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁頭和介質(zhì)，更具體地，本發(fā)明涉及在這樣的頭和介質(zhì)中使用Ru合金從而增強(qiáng)反平行交換耦合。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)的核心是磁盤驅(qū)動(dòng)器，其包括旋轉(zhuǎn)磁盤、具有讀和寫頭(也稱為寫入器(writer)和傳感器)的滑塊、旋轉(zhuǎn)盤之上的懸臂、以及轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂從而將讀和寫頭置于旋轉(zhuǎn)盤上選定環(huán)形道之上的致動(dòng)臂。當(dāng)盤不旋轉(zhuǎn)時(shí)懸臂偏置滑塊接觸盤的表面，但是當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣被鄰近滑塊氣墊面(ABS)的旋轉(zhuǎn)盤旋動(dòng)，導(dǎo)致滑塊騎在氣墊上距旋轉(zhuǎn)盤的表面一微小的距離。當(dāng)滑塊騎在此氣墊上時(shí)，采用寫和讀頭來寫磁印(magnetic impression)到旋轉(zhuǎn)盤且從旋轉(zhuǎn)盤讀磁信號場。讀和寫頭連接到根據(jù)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行的處理電路從而實(shí)現(xiàn)寫和讀功能。
在大容量盤驅(qū)動(dòng)器中，通常稱為MR頭的磁致電阻(MR)讀傳感器因?yàn)槠渑c薄膜感應(yīng)頭相比以更大的道和線密度從盤的表面讀取數(shù)據(jù)的能力而成為普遍使用的讀傳感器。MR傳感器通過其MR檢測層(也稱為“MR元件”)的作為由MR層檢測到的磁通量的強(qiáng)度和方向的函數(shù)的電阻的變化來檢測磁場。
傳統(tǒng)MR傳感器根據(jù)各向異性磁致電阻(AMR)效應(yīng)工作，AMR效應(yīng)中MR元件電阻隨MR元件的磁化與流經(jīng)MR元件的檢測電流(sense current)的方向之間的角度的余弦的平方而變化。因?yàn)閬碜杂谝延涗浀拇沤橘|(zhì)的外磁場(信號場)導(dǎo)致MR元件中磁化方向的變化，其又導(dǎo)致MR元件中電阻的變化和檢測電流或電壓的相應(yīng)變化，所以可以從磁介質(zhì)讀出記錄的數(shù)據(jù)。
另一類型的MR傳感器是巨磁致電阻(GMR)傳感器，其表現(xiàn)GMR效應(yīng)。GMR傳感器中，GMR傳感器的電阻作為被非磁層(間隔層)分隔開的鐵磁層之間的傳導(dǎo)電子的自旋相關(guān)輸運(yùn)以及伴隨的自旋相關(guān)散射的函數(shù)而變化，所述伴隨的自旋相關(guān)散射發(fā)生在鐵磁和非磁層的界面處以及鐵磁層內(nèi)。
只采用由非磁材料(例如銅)層分隔開的兩層鐵磁材料(例如Ni-Fe)的GMR傳感器一般稱為自旋閥(SV)傳感器。在SV傳感器中，被稱為被釘扎層(基準(zhǔn)層reference layer)的鐵磁層之一具有通常通過與反鐵磁(例如NiO或Fe-Mn)層的交換耦合被釘扎的磁化。反鐵磁層產(chǎn)生的釘扎場應(yīng)比SV傳感器在運(yùn)行溫度(約120℃)的退磁場(約200Oe)更大，從而確保在施加外場(例如來自盤上的記錄的位的場)期間被釘扎層的磁化方向保持固定。但是，被稱為自由層的另一鐵磁層的磁化未被固定，且響應(yīng)于來自被記錄的磁介質(zhì)的場(信號場)而自由轉(zhuǎn)動(dòng)。在此引用授權(quán)給Dieny等人的美國專利No.5206590作為參考，其公開了基于GMR效應(yīng)工作的SV傳感器。
為了檢測來自旋轉(zhuǎn)磁盤的磁信號場，一示例性高性能讀頭采用自旋閥傳感器。圖1A示出現(xiàn)有技術(shù)的SV傳感器100，其包括通過非磁導(dǎo)電間隔層115與被釘扎層(被釘扎鐵磁層)120分隔開的自由層(自由鐵磁層)110。被釘扎層120的磁化通過反鐵磁(AFM)層130被固定。
圖1B示出具有磁通保持構(gòu)造(flux keepered configuration)的另一現(xiàn)有技術(shù)SV傳感器150。SV傳感器150與圖1A所示的SV傳感器100基本相同，除了增加了通過非磁間隔層154與自由層110分隔開的由鐵磁材料形成的保持層(keeper layer)152。保持層152為來自被釘扎層120的磁場提供磁通閉合路徑，導(dǎo)致被釘扎層120與自由層110的減小的靜磁相互作用。授權(quán)給Cain等人的美國專利No.5508867公開了具有磁通保持構(gòu)造的SV傳感器。
另一類型的SV傳感器是反平行(AP)被釘扎SV傳感器。在AP被釘扎SV傳感器中，被釘扎層是兩個(gè)鐵磁層的層疊結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)鐵磁層通過非磁耦合層分隔開，使得兩個(gè)鐵磁層的磁化以反平行取向被強(qiáng)烈地反鐵磁耦合在一起。與采用圖1A的SV傳感器的被釘扎層結(jié)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的相比，AP被釘扎SV傳感器提供反鐵磁(AFM)層對層疊的被釘扎層結(jié)構(gòu)的改善的交換耦合。該改善的交換耦合提高了AP被釘扎SV傳感器在高溫下的穩(wěn)定性，其允許對AFM層使用耐蝕反鐵磁材料例如NiO。
參照圖2A，AP被釘扎SV傳感器200包括通過非磁導(dǎo)電間隔層215與層疊的AP被釘扎層結(jié)構(gòu)220分隔開的自由層210。層疊的AP被釘扎層結(jié)構(gòu)220的磁化通過AFM層230被固定。層疊的AP被釘扎層結(jié)構(gòu)220包括通過非磁材料的反平行耦合層(APC)224分隔開的第一鐵磁層226和第二鐵磁層222。在層疊的AP被釘扎層結(jié)構(gòu)220中的兩個(gè)鐵磁層226、222(FM1和FM2)具有反平行取向的磁化方向，如箭頭227、223所示(分別離開和進(jìn)入紙平面指向的箭頭)。
SV傳感器的最佳運(yùn)行的關(guān)鍵要求是被釘扎層應(yīng)垂直于氣墊面地磁飽和。被釘扎層中未磁飽和導(dǎo)致減小的信號或動(dòng)態(tài)范圍。導(dǎo)致飽和缺失的因素包括在被釘扎層邊緣處的退磁場、來自所記錄的數(shù)據(jù)和來自縱向偏置(biasing)區(qū)域的磁場、電流感應(yīng)的場、以及對自由層的耦合場。
對小傳感器(寬數(shù)微米或更小)中被釘扎層的磁狀態(tài)的分析表明，主要由于在傳感器邊緣處存在大的退磁場，導(dǎo)致被釘扎層的區(qū)域上磁化不均勻。圖2B示出SV傳感器250的透視圖。SV傳感器250由傳感器條(stripe)260形成，其具有在ABS處的前邊緣270且遠(yuǎn)離ABS地延伸至后邊緣272。由于在傳感器條260的前邊緣270和后邊緣272處的大的退磁場，僅在被釘扎層條的中心部分280實(shí)現(xiàn)了所期望的垂直磁化方向，而在所述條的邊緣處磁化傾向于彎曲到與ABS平行的方向。這些彎曲區(qū)域的范圍由被釘扎層的磁硬度(magnetic stiffness)控制。
如上所述，現(xiàn)有技術(shù)AP被釘扎SV傳感器利用AFM以釘扎被釘扎層的磁化，使得當(dāng)頭從盤讀數(shù)據(jù)、施加外磁場等時(shí)被釘扎層不在附近改變。AFM層通常很厚，約150-200。由于大的總厚度，這樣的傳感器通常不用于需要薄磁頭的應(yīng)用。
因此，需要具有改善的AP釘扎、允許使用較薄AFM的AP被釘扎SV傳感器。還需要一種提高AP被釘扎層的釘扎的方法。
使用AP被釘扎層的另一技術(shù)是磁介質(zhì)的制造。其中細(xì)晶粒的多晶磁合金層用作有效記錄層(active recording layer)的傳統(tǒng)薄膜型磁介質(zhì)根據(jù)磁材料的晶粒的磁疇(magnetic domain)的取向通常分為“縱向型”或“垂直型”。
計(jì)算機(jī)相關(guān)應(yīng)用中通常采用的常規(guī)縱向記錄的薄膜的硬盤型磁記錄介質(zhì)300的一部分以簡化的橫截面圖的形式示意性地示于圖3中，其包括基本剛性的非磁金屬襯底302，通常為鋁(Al)或鋁基合金例如鋁鎂(Al-Mg)合金，具有連續(xù)沉積或以其它方式形成在其表面302A上的鍍層(platinglayer)304例如非晶鎳磷(Ni-P)；一層或更多層多晶襯層(underlayer)306，通常為Cr或Cr基合金；磁記錄層308，包括一層或更多層具有鉑(Pt)、Cr、硼(B)等的一種或更多種的鈷(Co)基合金；保護(hù)覆層310，通常包含碳(C)，例如類金剛石型碳(“DLC”)；以及潤滑劑外涂層312，例如全氟聚醚(perfluoropolyether)。層304-310中的每個(gè)可通過合適的物理氣相沉積(“PVD”)技術(shù)例如濺射來沉積，層312通常通過浸涂(dipping)或噴涂(spraying)來沉積。玻璃襯底也通常用于縱向介質(zhì)。對于玻璃襯底上的介質(zhì)，鍍的NiP層304被省略，且額外的種子層添加到襯底表面302A與襯層306之間。
在介質(zhì)300的運(yùn)行中，磁層308通過寫換能器(transducer)或?qū)戭^被局部磁化，以記錄且從而存儲(chǔ)數(shù)據(jù)/信息在其中。寫換能器或頭產(chǎn)生高度集中的磁場，其基于將被存儲(chǔ)的信息位改變方向。當(dāng)寫換能器產(chǎn)生的局部磁場大于記錄介質(zhì)層308的材料的矯頑力時(shí)，在該位置處的多晶材料的晶粒被磁化在所施加的磁場的方向上。寫換能器對其施加的磁場被去除之后，晶粒保持其磁化。記錄介質(zhì)層308的磁化后來能夠在讀換能器或傳感器中產(chǎn)生電響應(yīng)，允許所存儲(chǔ)的信息被讀出。
一直在努力提高磁介質(zhì)的面記錄密度，即位密度或位/單位面積，以及信號介質(zhì)噪聲比(“SMNR”)。然而，當(dāng)縱向介質(zhì)的位密度增加到超過約50Gb/in2時(shí)，晶粒尺寸的必要減小接近超順磁極限時(shí)遇到了磁化的熱不穩(wěn)定性。這樣的熱不穩(wěn)定性尤其能夠?qū)е掠脖P驅(qū)動(dòng)器的輸出信號的不期望的衰減，在極端情況下，導(dǎo)致全部數(shù)據(jù)丟失和磁位的崩潰。
與超高記錄密度磁記錄介質(zhì)相關(guān)的極小晶粒尺寸導(dǎo)致的熱不穩(wěn)定性問題的一個(gè)建議的解決方案是提高晶體各向異性，以補(bǔ)償較小的晶粒尺寸。然而，該方法受到寫頭提供的場的限制。
極小晶粒的磁記錄介質(zhì)的熱不穩(wěn)定性問題的另一建議的解決方案是通過鐵磁記錄層與另一鐵磁層或反鐵磁層的耦合來提供穩(wěn)定化。
美國專利No.6280813描述了一種磁記錄介質(zhì)，其中磁記錄層是越過非鐵磁間隔膜反鐵磁地耦合在一起的至少兩層鐵磁膜。在稱為AFC介質(zhì)的此類型磁介質(zhì)中，兩層反鐵磁耦合的膜的磁矩反平行地取向，結(jié)果記錄層的凈剩余磁化厚度乘積(Mrt)是兩鐵磁膜的Mrt值的差。這允許Mrt如高位密度所要求地被降低，同時(shí)保持熱穩(wěn)定性所需要的必要的晶粒體積(V)。接近頭的鐵磁膜(主導(dǎo)層(master layer))通常比遠(yuǎn)離頭的膜(從屬層(slave layer))制地更厚，使得凈Mrt大于零。鐵磁層之間的界面交換能密度J是決定穩(wěn)定性的潛在增加的關(guān)鍵參數(shù)。更高的J值允許使用更厚的從屬層，使得對于相同的Mrt能夠獲得更高的V。
為了得到AFC介質(zhì)的最優(yōu)性能，重要的是具有磁層的通過間隔層的帶有Co合金c軸面內(nèi)排列的良好外延生長。由于Ru的晶格常數(shù)大于一般的Co合金，所以利用減小晶格參數(shù)的Ru合金能夠?qū)崿F(xiàn)跨間隔層的改進(jìn)的外延。
因此，需要改進(jìn)的方法用于提供熱穩(wěn)定的高面密度的磁記錄介質(zhì)例如縱向介質(zhì)，該磁記錄介質(zhì)具有大的界面交換能密度J、最優(yōu)微結(jié)構(gòu)和結(jié)晶取向(即c軸面內(nèi)排列)、以及垂直分隔開的鐵磁層與提供鐵磁層的反鐵磁耦合(AFC)的非磁間隔層(例如Ru基材料)之間的減小的或優(yōu)化的晶格失配，其中每個(gè)鐵磁層由與制造縱向磁記錄介質(zhì)中常規(guī)采用的成分類似的鐵磁合金成分形成，該方法能夠以與用于形成高面密度磁記錄介質(zhì)的常規(guī)制造技術(shù)的生產(chǎn)成本相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)成本實(shí)現(xiàn)。還需要例如盤形式的改進(jìn)的高面密度磁記錄介質(zhì)，該介質(zhì)包括由非磁間隔層分隔開的至少一對反鐵磁耦合的鐵磁合金層，其中每個(gè)鐵磁層由與縱向磁記錄介質(zhì)中常規(guī)使用的成分(例如Co基合金)類似的鐵磁合金成分形成，且每個(gè)鐵磁層與非磁間隔層之間的晶格失配被減小或優(yōu)化，導(dǎo)致改進(jìn)的熱穩(wěn)定性。
因此，本發(fā)明專注于并解決形成例如硬盤形式的高面記錄密度磁記錄介質(zhì)時(shí)出現(xiàn)的問題，該介質(zhì)利用鐵磁層對之間的反鐵磁耦合以提高熱穩(wěn)定性，同時(shí)提供與常規(guī)自動(dòng)制造技術(shù)的所有方面的完全相容。另外，本發(fā)明的制造和實(shí)現(xiàn)能夠以與現(xiàn)有技術(shù)的成本相當(dāng)?shù)某杀精@得。

發(fā)明內(nèi)容
通過提供具有自由層和與該自由層間隔開的反平行(AP)被釘扎層結(jié)構(gòu)的磁頭，本發(fā)明克服了上述缺點(diǎn)和限制。該AP被釘扎層結(jié)構(gòu)包括具有彼此反平行自釘扎的磁矩的至少兩個(gè)被釘扎層，所述被釘扎層通過由Ru合金構(gòu)成的AP耦合層分隔開。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)Ru合金耦合層的使用與純Ru間隔層相比顯著增加了AP被釘扎層結(jié)構(gòu)的釘扎場。此增加的釘扎場又提供了頭結(jié)構(gòu)的更大的穩(wěn)定性。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，Ru合金包括鐵磁材料例如Fe、Co、CoFe、NiFe和Ni。AP耦合層的厚度優(yōu)選在約4至20的范圍。
這里描述的頭可形成為在磁存儲(chǔ)系統(tǒng)中使用的GMR頭、CPP GMR傳感器、CIP GMR傳感器、CPP隧道閥傳感器等的一部分。
Ru合金還具有用于磁記錄介質(zhì)的應(yīng)用。這樣的磁記錄介質(zhì)包括鐵磁記錄層、反鐵磁耦合到該記錄層的第二層、以及位于該記錄層與該第二層之間的耦合層，該耦合層由包括Ru和鐵磁金屬的Ru合金構(gòu)成。
本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將從下面的詳細(xì)說明變得明顯，該說明結(jié)合附圖以示例的方式示出本發(fā)明的原理。


為了更全面地理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)及其優(yōu)選使用模式，應(yīng)結(jié)合附圖參考下面的詳細(xì)說明，附圖中圖1A是現(xiàn)有技術(shù)的自旋閥(SV)傳感器的不按比例的氣墊面視圖；圖1B是現(xiàn)有技術(shù)的保持式SV傳感器的不按比例的氣墊面視圖；圖2A是現(xiàn)有技術(shù)的AP被釘扎SV傳感器的不按比例的氣墊面視圖；圖2B是現(xiàn)有技術(shù)的AP被釘扎SV傳感器的不按比例的透視圖；圖3是傳統(tǒng)薄膜式縱向型磁盤記錄介質(zhì)的一部分的不按比例的局部橫截面圖；圖4是磁記錄盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的簡化圖；圖5是滑塊及合并式磁頭的局部視圖；圖6是沿圖5的平面6-6截取的滑塊的不按比例的局部ABS視圖，示出合并式磁頭的讀和寫元件；圖7是具有自旋閥傳感器的讀頭的不按比例的放大立體圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的CPP GMR傳感器的不按比例的ABS圖；圖9是圖示，描繪AP被釘扎層結(jié)構(gòu)的釘扎場與Ru合金AP耦合層中的CoFe含量的關(guān)系；圖10是圖示，描繪AP被釘扎層結(jié)構(gòu)的釘扎場與Ru合金AP耦合層中的CoFe含量的關(guān)系；圖11是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的CPP隧道閥傳感器的不按比例的ABS圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的CIP GMR傳感器的不按比例的ABS圖；圖13是根據(jù)一實(shí)施例的薄膜式縱向型磁盤記錄介質(zhì)的一部分的不按比例的局部橫截面圖。
具體實(shí)施例方式
下面的說明是目前預(yù)期的實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。進(jìn)行該說明是為了示出本發(fā)明的基本原理而不是用于限制這里要求保護(hù)的發(fā)明性概念。
現(xiàn)在參考圖4，示出實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的盤驅(qū)動(dòng)器400。如圖4所示，至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的磁盤412被支承在心軸(spindle)414上，且被盤驅(qū)動(dòng)馬達(dá)418所旋轉(zhuǎn)。每個(gè)盤上的磁記錄是盤412上的同心數(shù)據(jù)道(track)的環(huán)狀圖案(未示出)的形式。
至少一個(gè)滑塊413位于盤412附近，每個(gè)滑塊413支承一個(gè)或更多個(gè)磁讀/寫頭421。下文將闡述有關(guān)這樣的頭421的更多信息。當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊413在盤表面422之上徑向進(jìn)出移動(dòng)，使得頭421可以存取磁盤的記錄有所需數(shù)據(jù)的不同的道。每個(gè)滑塊413借助于懸臂(suspension)415連到致動(dòng)臂419。懸臂415提供輕微的彈力，該彈力偏置滑塊413倚著盤表面422。每個(gè)致動(dòng)臂419連到致動(dòng)器裝置427。如圖4所示的致動(dòng)器裝置427可以是音圈馬達(dá)(VCM)。VCM包括在固定磁場內(nèi)可動(dòng)的線圈，線圈移動(dòng)的方向和速度通過由控制器429提供的馬達(dá)電流信號被控制。
盤存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行期間，盤412的旋轉(zhuǎn)在滑塊413與盤表面422之間產(chǎn)生氣墊，其對滑塊施加向上的力或舉力。于是在正常運(yùn)行期間該氣墊平衡懸臂415的輕微的彈力，并支承滑塊413離開盤表面且以小的基本恒定的距離位于盤表面稍微上方。
盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的各部件在運(yùn)行中由控制單元429產(chǎn)生的控制信號來控制，例如存取控制信號和內(nèi)部時(shí)鐘信號。通常，控制單元429含有邏輯控制電路，存儲(chǔ)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423上的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制信號以及線428上的頭定位和尋道控制信號。線428上的控制信號提供所需的電流曲線(current profile)，從而優(yōu)化地移動(dòng)和定位滑塊413到盤412上的所需數(shù)據(jù)道。寫和讀信號借助于記錄通道425傳到讀/寫頭且自讀/寫頭傳出。
上述普通磁盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的說明和附圖4僅用于說明目的。顯然地，盤存儲(chǔ)系統(tǒng)可包含多個(gè)盤和致動(dòng)器，且每個(gè)致動(dòng)器可支承多個(gè)滑塊。
圖5是合并式磁頭500的側(cè)橫截面正視圖，其包括寫頭部分502和讀頭部分504，讀頭部分采用本發(fā)明的雙自旋閥傳感器506。圖6是圖5的ABS視圖。自旋閥傳感器506夾在非磁電絕緣的第一和第二讀間隙層(gap layer)508和510之間，讀間隙層夾在鐵磁的第一和第二屏蔽層512和514之間。自旋閥傳感器506的電阻響應(yīng)于外磁場而改變。傳導(dǎo)通過傳感器的檢測電流(Is)使得這些電阻變化表現(xiàn)為電勢變化。然后這些電勢變化作為讀回信號通過圖4所示的處理電路429被處理。
磁頭500的寫頭部分502包括夾在第一和第二絕緣層516和518之間的線圈層522。第三絕緣層520可用于平坦化該頭以消除第二絕緣層中由線圈層522導(dǎo)致的起伏。第一、第二和第三絕緣層在本領(lǐng)域中被稱為“絕緣堆疊”。線圈層522以及第一、第二和第三絕緣層516、518和520被夾在第一和第二極片層(pole piece layer)524和526之間。第一和第二極片層524和526在背間隙(back gap)528處磁耦合，且具有在ABS處通過寫間隙層534分隔開的第一和第二極尖530和532。由于第二屏蔽層514和第一極片層524是相同層，所以該頭稱為合并式(merged)頭。在背負(fù)式(piggyback)頭中，絕緣層位于第二屏蔽層與第一極片層之間。第一和第二焊料連接(未示出)將來自自旋閥傳感器506的引線(未示出)連接到滑塊413(圖4)上的引線，第三和第四焊料連接(未示出)將來自線圈522的引線(未示出)連接到懸臂上的引線(未示出)。
圖7是圖5所示的讀頭500的放大立體ABS視圖。讀頭500包括自旋閥傳感器506。第一和第二硬偏置和引線層702和704連接到自旋閥傳感器的第一和第二側(cè)邊緣706和708。該連接在本領(lǐng)域中稱為毗鄰結(jié)(contiguousjunction)且在美國專利5018037中全面描述，在此引用該專利的全部內(nèi)容作為參考。第一硬偏置和引線層702包括第一硬偏置層710和第一引線層712，第二硬偏置和引線層704包括第二硬偏置層714和第二引線層716。硬偏置層710和714使得磁場通過自旋閥傳感器506縱向延伸以穩(wěn)定其中的磁疇。自旋閥傳感器506以及第一和第二硬偏置和引線層702和704位于非磁電絕緣的第一和第二讀間隙層508和510之間。第一和第二讀間隙層508和510又位于鐵磁的第一和第二屏蔽層512和514之間。
本發(fā)明提供一種具有增強(qiáng)的堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)的新傳感器結(jié)構(gòu)，該堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)具有改進(jìn)的AP釘扎。該新穎結(jié)構(gòu)使用Ru合金AP間隔層，與單獨(dú)使用Ru相比，其提供被釘扎層之間的更高的AP交換耦合。很多類型的頭可以使用這里描述的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特別適于CPP GMR傳感器、CIP GMR傳感器、以及CPP隧道閥傳感器。在下面的描述中，層的寬度(W)指的是道寬。傳感器高度沿著進(jìn)入紙面的方向。除非另外說明，否則各層的厚度與相關(guān)層的平面垂直地取得，并且僅以示例的方式給出，可以大于和/或小于所列出的厚度。類似地，這里列出的材料僅以示例的方式給出，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以使用其它材料而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
CPP GMR圖8描繪了根據(jù)一實(shí)施例的CPP GMR傳感器800的ABS視圖。“CPP”意味著檢測電流(Is)在垂直于形成傳感器800的層的平面的方向上從一屏蔽件流到另一屏蔽件。
如圖8所示，第一屏蔽層(S1)802形成在襯底(未示出)上。第一屏蔽層802可以是任何適合的材料，例如坡莫合金(NiFe)。
種子層形成在第一屏蔽層802上。種子層輔助產(chǎn)生其上的層的適當(dāng)?shù)纳L結(jié)構(gòu)。從第一屏蔽層802起以堆疊形成的示例性材料為Ta層(SL1)804、NiFeCr層(SL2)806、NiFe層(SL3)808和PtMn層(SL4)810。這些材料的示例性厚度為Ta(30)、NiFeCr(20)、NiFe(8)、以及PtMn(30)。注意，種子層的堆疊可以變化，根據(jù)所需要的處理參數(shù)可以增加或省略層。
然后反平行(AP)被釘扎層結(jié)構(gòu)812形成在種子層上。如圖8所示，第一和第二AP被釘扎磁層(AP1)814和(AP2)816由薄的反平行耦合(APC)層818分隔開，使得AP被釘扎層814、816的磁矩彼此反平行地自釘扎。被釘扎層814、816具有稱為磁致伸縮的性質(zhì)。被釘扎層814、816的磁致伸縮是很高程度的正。由于其在ABS處的幾何構(gòu)型，傳感器800還處于壓應(yīng)力下。正磁致伸縮與壓應(yīng)力的結(jié)合導(dǎo)致被釘扎層814、816呈現(xiàn)在道寬的垂直方向上的磁各向異性。通過Ru合金間隔層的該磁耦合使得被釘扎層814、816具有反平行取向的磁化。
在圖8所示的實(shí)施例中，被釘扎層814、816的優(yōu)選磁取向?qū)τ诘谝槐会斣鷮?14為進(jìn)入示出的結(jié)構(gòu)的表面(垂直于傳感器800的ABS)，對于第二被釘扎層816是從該表面出來。用于被釘扎層814、816的示例性材料是CoFe10(90％Co，10％Fe)、CoFe50(50％Co，50％Fe)等，其由Ru合金層818分隔開。第一和第二被釘扎層814、816的示例性厚度為約10和25之間。
Ru合金APC層818包括Ru和鐵磁材料，優(yōu)選Fe、Co、Ni、CoFe和NiFe?？捎糜诒景l(fā)明的Ru合金中的可能的材料列表以及它們的居里溫度示于表1中，超過居里溫度后它們將不再是鐵磁性的。
表1

Ru合金層818可為約4-20，但優(yōu)選選擇為提供約10-30KOe以上的飽和場。在優(yōu)選實(shí)施例中，被釘扎層814、816中的每個(gè)為約18，其間有約5-7的Ru層818。優(yōu)選地，該厚度大于4以避免沉積的結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)“針孔(pinhole)”。
本發(fā)明者已發(fā)現(xiàn)，通過增加少量百分比的鐵磁金屬，AP被釘扎層結(jié)構(gòu)812的釘扎強(qiáng)度顯著提高超過純Ru APC層。圖9是圖示900，示出在具有下列材料和厚度的結(jié)構(gòu)中Ru-Co10Fe90APC耦合層的各種成分的AP釘扎場Ta(36)/Cu(9)/Co10Fe(90)/X Ru-Y Co10Fe(變化的)/Co10Fe(90)/Cu(9)/Ta(36)。注意，Ru合金產(chǎn)生的釘扎場很強(qiáng)，使得需要較厚的CoFe層來進(jìn)行精確的測量。因此，針對90厚的NiFe層獲得的實(shí)際結(jié)果然后被線性按比例縮減以表示18厚的CoFe層，從而產(chǎn)生圖示900。示出的Ru合金的成分為0％CoFe(100％Ru)、9.2％CoFe、27.9％CoFe和33.6％CoFe。如圖所示，釘扎場總體上隨CoFe濃度的增加而增加。例如，在33.6％的CoFe濃度和6的厚度下，合金提供的釘扎場是相同厚度的純Ru的4×(四倍)。
實(shí)施本發(fā)明的人員應(yīng)注意，如示出釘扎場與0.6nm和0.8nm的Ru合金中的Co10Fe濃度的關(guān)系的圖10的圖示1000所示，釘扎場從5％CoFe相對穩(wěn)定地增加至在約40％CoFe達(dá)到最大的點(diǎn)。超過40％，間隔層開始變?yōu)榇判?，釘扎場開始逐漸變小。因此，至少當(dāng)使用Co10Fe時(shí)，優(yōu)選成分在約5和40％CoFe之間。
Ru合金APC層的使用提供數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。一大優(yōu)點(diǎn)是伴隨較高釘扎強(qiáng)度而來的穩(wěn)定性。另一優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)榭梢允褂幂^薄的層同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)的釘扎，所以設(shè)計(jì)者有更大的自由來選擇頭最需要的厚度。
為了形成Ru合金APC層818，材料可以從合金靶濺射。然而，更有利的是從兩個(gè)靶共濺射Ru和合金材料，因?yàn)檫@允許制造者隨時(shí)調(diào)節(jié)沉積速率，即提供實(shí)現(xiàn)所需成分的更大靈活性。
繼續(xù)參照圖8，第一間隔層(SP1)820形成在被釘扎層結(jié)構(gòu)812之上。用于第一間隔層820的示例性材料包括Cu、CuOx、Cu/CoFeOx/Cu堆疊等。第一間隔層820可以為約10-30厚，優(yōu)選約20。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一間隔層820形成為CuMOx(其中M是活性金屬(reactive metal)例如Zr、Al等)的較厚的層。這用于通過限制CuMOx基質(zhì)(matrix)中的電流來增加沿傳感器的膜堆疊方向的電阻。
自由層(FL)822形成在第一間隔層820之上。自由層822的磁矩是軟磁性的，因此易于根據(jù)外磁力而重新取向，例如盤介質(zhì)上的數(shù)據(jù)施加的外磁力。自由層822的磁取向受盤介質(zhì)上的數(shù)據(jù)位影響時(shí)的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生流經(jīng)傳感器800的檢測電流的變化，從而產(chǎn)生信號。用于自由層822的示例性材料為CoFe/NiFe堆疊等。自由層822的示例性厚度為約10-40。
自由層822的磁取向必須在制造期間預(yù)置，否則該取向?qū)⒉环€(wěn)定且會(huì)隨機(jī)變動(dòng)，導(dǎo)致“混亂的”或噪聲信號。該不穩(wěn)定性是軟磁材料的基本性質(zhì)，使得它們易受任何外部磁干擾的影響。因此，應(yīng)穩(wěn)定化自由層822的磁取向，使得當(dāng)其磁取向變動(dòng)時(shí)，其以有序的(systematical)方式一致地變動(dòng)而不是以隨機(jī)的方式。還應(yīng)穩(wěn)定化自由層822的磁取向使得其較少受重新取向即反轉(zhuǎn)的影響。所公開的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定了自由層822。
第二間隔層(SP2)824形成在自由層822之上。用于第二間隔層824的示例性材料為Ta、Ru、Ta/Cu堆疊、Cu等。第二間隔層824的示例性厚度為約20-30。
堆疊內(nèi)(in-stack)偏置層(BL)826形成在第二間隔層824之上。偏置層826的磁化平行于道寬被釘扎，使得偏置層826起到永磁體的作用。偏置層826通過交換耦合穩(wěn)定自由層822。該現(xiàn)象類似于被釘扎層的AP耦合，除了第二間隔層824必須不能太薄否則自由和偏置層會(huì)變成永久地被釘扎而使得磁頭實(shí)際上無效。
用于偏置層826的示例性材料為NiFe10、CoNiNb、NiFeX(X＝Cr、Mo、Rh等)等。偏置層826的示例性厚度為約10-40，優(yōu)選地選擇為使得其具有與自由層822的磁厚度相當(dāng)?shù)拇藕穸葟亩峁┐磐ㄩ]合結(jié)構(gòu)，其中自由層邊緣處的磁極被消除。還應(yīng)注意，使用NiFe或NiFeX的情況下，Ni/Fe比值優(yōu)選保持在約≥90/10從而獲得大的負(fù)磁致伸縮，例如約-2×10E-5。該磁致伸縮與壓應(yīng)力一起在自由層產(chǎn)生大于約750Oe的Hk，在偏置層處優(yōu)選地約1000Oe。
第二間隔層824的厚度構(gòu)建為使得偏置層826產(chǎn)生的磁場進(jìn)入自由層822，穩(wěn)定自由層822的磁取向，優(yōu)選使得自由和偏置層822、826的磁化反平行。圖8所示的示例性實(shí)施例中第二間隔層824的這樣的厚度為約20-30厚。另外，通過第二間隔層824在自由和偏置層822、826之間產(chǎn)生磁耦合，其增強(qiáng)了穩(wěn)定效果。注意，盡管存在偏置層826的磁場，但自由層822的磁化仍保持軟磁性，從而保持讀取磁介質(zhì)所必需的足夠靈敏度。
與垂直于ABS相反，偏置層826的磁化優(yōu)選平行于道寬被釘扎。這可以通過利用其它材料使得偏置層826具有負(fù)磁致伸縮來完成，例如上面所列出的那些材料，并優(yōu)選具有≥90％的Ni含量。另外，Cr使得材料更加負(fù)性。當(dāng)加入Nb時(shí)，材料變成非晶(未結(jié)晶)，導(dǎo)致其具有更負(fù)的磁致伸縮。與大的壓應(yīng)力(由層的幾何構(gòu)型產(chǎn)生)結(jié)合的該負(fù)的磁致伸縮產(chǎn)生平行于道寬W的磁各向異性，其又使得偏置層826的磁取向平行于道寬被釘扎。
帽層(CAP)828形成在偏置層826之上。用于帽層828的示例性材料為Ta、Ta/Ru堆疊等。帽層828的示例性厚度為20-30。
第二屏蔽層(S2)830形成在帽層828上。絕緣材料832例如Al2O3形成在傳感器800的兩側(cè)。
注意，圖8所示的結(jié)構(gòu)僅表示傳感器的一個(gè)可能構(gòu)造，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識(shí)到其它構(gòu)造是可行的。例如，可存在多個(gè)AP被釘扎層結(jié)構(gòu)，自由層可位于種子層與AP被釘扎層結(jié)構(gòu)之間等。因此，這里給出的結(jié)構(gòu)僅用于說明目的，從而演示該新型Ru合金間隔層的一個(gè)可行應(yīng)用。
CPP隧道閥圖11描繪根據(jù)一實(shí)施例的CPP隧道閥傳感器1100的ABS視圖。CPP隧道閥傳感器1100總地具有與圖8所示的結(jié)構(gòu)相同的構(gòu)造，除了第一間隔層820由電介質(zhì)勢壘材料形成，例如Al2O3、AlOx、MgOx等。第一間隔層820很薄，使得流經(jīng)傳感器1100的電流“隧穿”經(jīng)過第一間隔層820。第一間隔層820的示例性厚度為3-6。
CIP GMR圖12描繪根據(jù)一實(shí)施例的CIP GMR傳感器1200的ABS視圖。“CIP”意味著檢測電流(Is)沿平行于形成傳感器1200的層的方向或在形成傳感器1200的層的平面“內(nèi)”流經(jīng)所述層。CIP GMR傳感器1200總地具有與圖8和11所示的結(jié)構(gòu)相同的構(gòu)造，除了常規(guī)材料和厚度的引線1202形成在傳感器1200的相對側(cè)，且傳感器1200夾在絕緣材料(G1)1204和(G2)1206之間。另一重要不同在于與垂直于道寬相反，電流跨道寬地流動(dòng)。因?yàn)殡娏髂芰鹘?jīng)所有層，所以期望減小流經(jīng)偏置層826的電流的量，使得更多電流流經(jīng)自由層822。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，可以選擇電阻材料來形成偏置層826。優(yōu)選地，選定來形成偏置層826的材料是非晶的，使得其具有高的電阻率。優(yōu)選材料為(Co73Ni12)85Nb15。該材料還將具有大的磁致伸縮，其導(dǎo)致偏置層826的磁取向平行于道寬被釘扎。減小電流分流的另一方法是減小流經(jīng)AP被釘扎層結(jié)構(gòu)812的電流的量，使得更多電流流經(jīng)自由層822。為實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)，第二被釘扎層816可以制得小于第一被釘扎層814從而減小電流的分流。
磁記錄介質(zhì)Ru合金間隔層還可以用作縱向和垂直磁介質(zhì)中的耦合層。如上所述，超高密度磁介質(zhì)的記錄層可通過將鐵磁記錄層與另一層反鐵磁耦合來穩(wěn)定化，從而即使在高溫下也為記錄介質(zhì)提供更多的穩(wěn)定性。
圖13描繪了實(shí)施Ru合金耦合層的示例性記錄介質(zhì)1300。根據(jù)一實(shí)施例的縱向記錄的薄膜的硬盤型磁記錄介質(zhì)1300的一部分包括基本剛性的非磁金屬襯底1302，通常為鋁(Al)或鋁基合金例如鋁鎂(Al-Mg)合金，具有連續(xù)沉積或以其它方式形成在其表面1302A上的鍍層(plating layer)1304，例如為非晶鎳磷(Ni-P)；一層或更多層的多晶襯層(underlayer)1306，通常為Cr或Cr基合金；從屬層(slave layer)1307，通常為鈷(Co)基合金；Ru合金耦合層1308，例如為Ru和Co、Ni、Fe、CoFe、NiFe；磁記錄層1309，通常包括一種或更多具有鉑(Pt)、Cr、硼(B)等中的一種或更多種的鈷(Co)基合金；保護(hù)覆層1310，通常包含碳(C)，例如類金剛石型碳(“DLC”)；以及潤滑劑外涂層1312，例如為全氟聚醚(perfluoropolyether)。對于玻璃襯底上的介質(zhì)，所鍍的NiP層1304被省略，且額外的種子層增加在玻璃表面1302A與襯層1306之間。層1304-1310中的每層可通過合適的物理氣相沉積(“PVD”)技術(shù)來沉積，例如濺射，層1312通常通過浸涂(dipping)或噴涂(spraying)來沉積。再次地，該結(jié)構(gòu)僅以示例方式提供，實(shí)踐本發(fā)明的人員將意識(shí)到，實(shí)施該新型耦合層的記錄介質(zhì)可具有更多或更少的層，且可以是可能的不同成分的。
與采用純Ru所發(fā)現(xiàn)的相比，這里描述的Ru合金材料提供鐵磁記錄層與第二層之間更強(qiáng)的AFC。上面給出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將一般也適用于磁介質(zhì)。類似地，所述介質(zhì)能夠以大致相同的方式制造。
還含有鐵磁金屬的Ru合金材料還被發(fā)現(xiàn)與常規(guī)材料例如Co合金構(gòu)造的記錄層更相容。
與上面所述的相似的厚度也可用于Ru合金耦合層。
上面已經(jīng)介紹了所述介質(zhì)的使用方法。
盡管上面已經(jīng)描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅以示例的方式而不是限制的方式給出。例如，這里介紹的結(jié)構(gòu)和方法在它們應(yīng)用于所有的MR頭、AMR頭、GMR頭、自旋閥頭等時(shí)是通用的。因此，優(yōu)選實(shí)施例的廣度和范圍不應(yīng)被任何一個(gè)上述示例性實(shí)施例所限制，而應(yīng)僅根據(jù)權(quán)利要求及其等價(jià)物來定義。
本發(fā)明與美國專利申請No.10/602507和No.602504相關(guān)，在此引用其內(nèi)容作為參考。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括磁介質(zhì)，包括鐵磁記錄層；第二層，其與所述記錄層反鐵磁耦合；以及AP耦合層，其位于所述記錄層與所述第二層之間，其中所述AP耦合層由包括Ru和鐵磁金屬的Ru合金構(gòu)成；至少一個(gè)頭，其用于從所述磁介質(zhì)讀取或向其寫入，每個(gè)頭具有傳感器，包括自由層；反平行(AP)被釘扎層結(jié)構(gòu)，其與所述自由層間隔開，其中所述AP被釘扎層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)被釘扎層，其具有彼此反平行的自釘扎的磁矩，所述被釘扎層通過AP耦合層分隔開，其中所述AP耦合層由Ru合金構(gòu)成；寫入器，其結(jié)合到所述傳感器；滑塊，其用于支承所述頭；以及控制單元，其耦接到所述頭，用于控制所述頭的運(yùn)行。
2.一種磁頭，包括自由層；反平行(AP)被釘扎層結(jié)構(gòu)，其與所述自由層間隔開，其中所述AP被釘扎層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)被釘扎層，其具有彼此反平行的自釘扎的磁矩，所述被釘扎層通過AP耦合層分隔開，其中所述AP耦合層由Ru合金構(gòu)成；
3.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述Ru合金包括鐵磁材料。
4.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述Ru合金包括Fe。
5.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述Ru合金包括Co。
6.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述Ru合金包括CoFe。
7.如權(quán)利要求6所述的頭，其中所述Ru合金包括約5％和約40％之間重量的CoFe。
8.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述Ru合金包括NiFe。
9.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述Ru合金包括Ni。
10.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述AP耦合層的厚度小于8。
11.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述AP耦合層的厚度在約4和20之間。
12.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述AP耦合層的厚度在5和7之間。
13.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述頭構(gòu)成GMR頭的一部分。
14.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述頭構(gòu)成CPP GMR傳感器的一部分。
15.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述頭構(gòu)成CIP GMR傳感器的一部分。
16.如權(quán)利要求2所述的頭，其中所述頭構(gòu)成隧道閥傳感器的一部分。
17.一種磁存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括磁介質(zhì)；至少一個(gè)頭，用于從所述磁介質(zhì)讀取或向其寫入，每個(gè)頭具有傳感器，其具有如權(quán)利要求2所述的結(jié)構(gòu)；寫入器，其結(jié)合到所述傳感器；滑塊，其用于支承所述頭；以及控制單元，其耦接到所述頭，用于控制所述頭的運(yùn)行。
18.一種磁頭，包括自由層；反平行(AP)被釘扎層結(jié)構(gòu)，其與所述自由層間隔開，其中所述AP被釘扎層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)被釘扎層，其具有彼此反平行的自釘扎的磁矩，所述被釘扎層通過AP耦合層分隔開，其中所述AP耦合層由Ru合金構(gòu)成，所述Ru合金包含約60至95重量百分比的Ru和約5至40重量百分比的鐵磁金屬，所述鐵磁金屬選自包括Co、Fe、Ni、CoFe和NiFe的組，其中所述AP耦合層具有約5和7之間的厚度。
19.一種磁記錄介質(zhì)，包括鐵磁記錄層；第二層，其與所述記錄層反鐵磁耦合；以及耦合層，其位于所述記錄層和所述第二層之間，其中所述耦合層由包括Ru和鐵磁金屬的Ru合金構(gòu)成。
20.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述Ru合金包括Fe。
21.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述Ru合金包括Co。
22.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述Ru合金包括CoFe。
23.如權(quán)利要求22所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述Ru合金包括約5％和約40％之間重量的CoFe。
24.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述Ru合金包括NiFe。
25.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述Ru合金包括Ni。
26.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述AP耦合層的厚度小于8。
27.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述AP耦合層的厚度在約4和20之間。
28.如權(quán)利要求19所述的磁記錄介質(zhì)，其中所述AP耦合層的厚度在5和7之間。
29.一種磁存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括磁介質(zhì)，其具有如權(quán)利要求19所述的結(jié)構(gòu)；至少一個(gè)頭，用于從所述磁介質(zhì)讀取或向其寫入，每個(gè)頭具有傳感器；寫入器，其結(jié)合到所述傳感器；滑塊，其用于支承所述頭；以及控制單元，其耦接到所述頭，用于控制所述頭的運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有自由層和與所述自由層間隔開的反平行(AP)被釘扎層結(jié)構(gòu)的磁頭。所述AP被釘扎層結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)被釘扎層，其具有彼此反平行的自釘扎的磁矩，所述被釘扎層通過AP耦合層分隔開，所述AP耦合層由Ru合金構(gòu)成。Ru合金耦合層的使用比純Ru間隔層顯著增加了AP被釘扎層結(jié)構(gòu)的釘扎場。
文檔編號G01R33/09GK1815565SQ20061000360
公開日2006年8月9日 申請日期2006年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者李文揚(yáng), 李晉山, 瑪麗·F·多爾納, 布賴恩·R·約克, 埃里克·E·富勒頓 申請人:日立環(huán)球儲(chǔ)存科技荷蘭有限公司