專利名稱：具有增強磁阻比的磁換能器的制作方法
具有增強磁阻比的磁換能器

發(fā)明內容
通過在第一和第二鐵磁自由層之間設置間隔層來制造磁響應疊層。至少一個鐵磁 自由層具有耦合層，該耦合層增強磁響應疊層的磁阻比(MR)。


圖1是示例性的數(shù)據(jù)存儲裝置的透視圖。圖2大致示出了能用在圖1的數(shù)據(jù)存儲裝置中的示例性的磁性元件。圖3顯示能用在圖2的磁性元件中的示例性磁性疊層的部分剖視圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的多個實施例所構成和操作的示例性磁性疊層的等距視 圖。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的多個實施例構成和操作的示例性磁性疊層的一部分的 ABS視圖。圖6給出了能用在本發(fā)明多個實施例中的各材料的示例性操作數(shù)據(jù)。圖7示出了能用在本發(fā)明多個實施例中的各材料組成和厚度的操作數(shù)據(jù)。圖8給出了根據(jù)本發(fā)明的多個實施例所構成和操作的磁性元件的示例性操作特 性。圖9是根據(jù)本發(fā)明的多個實施例所實施的示例性數(shù)據(jù)讀取器疊層制造例程的流 程圖。
具體實施例方式本發(fā)明一般涉及磁阻數(shù)據(jù)單元，具體涉及利用至少一個耦合子層來增強磁阻比 (MR)。數(shù)據(jù)存儲設備變得越來越依賴于具有高數(shù)據(jù)容量和高數(shù)據(jù)傳送率的數(shù)據(jù)讀取器。這 種所期望的讀取器性能可能會在運行時收緊讀取器的振幅并產生不希望的噪聲，這將對磁 阻比產生不利的影響。因此，提高讀取器的磁阻比能提高在減小的外形規(guī)格和高面積分辨 率設備中的數(shù)據(jù)存儲容量和傳送速率。數(shù)據(jù)讀取器的增強可通過在鐵磁自由層之間設置非磁性間隔層來實現(xiàn)，這里至少 一個鐵磁自由層具有提高讀取器內的磁阻比(MR)的耦合子層。雙鐵磁自由層和耦合子層 的組合可提供超過100%的更大的MR，其可被調整和增強以適應各種性能特性，比如磁矩 和磁致伸縮性。同樣地，磁性讀取器可在制造時進行調整以在不犧牲讀取器大小和適用性 的同時符合眾多性能提高參數(shù)。圖1示出了根據(jù)多個實施例的一示例性的數(shù)據(jù)存儲裝置100，其能夠采用所述磁 性數(shù)據(jù)讀取器。利用該裝置100表示本發(fā)明多個實施例能夠有利實施的示例性環(huán)境。然而， 可以理解，本發(fā)明所保護的范圍并不由此所限制。該裝置100包括由底板104和頂蓋106組成的大體上密封的殼體102。布置于內 部的主軸電機108被配置為旋轉若干存儲介質110。存儲介質110由相應的數(shù)據(jù)換能器陣 列來存取，數(shù)據(jù)換能器各自由磁頭萬向組件(HGA)112所支撐。各HGA 112可由包括彈性懸架116的磁頭堆疊組件114( “致動器”)所支撐，彈性懸架116進而由剛性致動器臂118所 支撐。優(yōu)選地，通過向音圈電機(VCM) 122施加電流使致動器114圍繞盒式軸承組件120轉動。
這樣，VCM 122的受控的操作使HGA 112的換能器124對準存儲介質表面的軌道 (未示出)以向其存入數(shù)據(jù)或從其讀取數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^減少至少一個傳感磁性單元的操作厚 度來實現(xiàn)在保持換能器124的正確定位的同時從更小的數(shù)據(jù)比特上提取數(shù)據(jù)的能力。因 此，通過引入具有減小的操作厚度和寬度的換能元件能夠提高該裝置100的容量，減小的 操作厚度和寬度對應于更高的線密度分辨率。
圖2顯示了能用于圖1的裝置100中的磁性元件130的示例性框圖表示的剖視圖。 磁性元件130具有設置在第一和第二去耦層134和136之間的磁響應疊層132。磁響應疊 層132具有由非磁性間隔層142所分隔開的第一和第二鐵磁自由層138和140。各鐵磁自 由層138和140可通過設置在鄰近疊層132而遠離空氣軸承表面(ABS) 146的偏置磁體144 而被偏置到預先確定的缺省磁化量。
該ABS可以將磁響應疊層132與數(shù)據(jù)存儲介質表面148相分離，數(shù)據(jù)存儲介質表 面容納以預定位置并且預定磁性取向所設置的一個或多個數(shù)據(jù)比特150。在運行過程中，磁 響應疊層132可浮于ABS之上，通過提供讀信號而響應于數(shù)據(jù)比特150?？赏ㄟ^在最小化信 號噪聲的同時最大化對數(shù)據(jù)比特150的響應來提高疊層132的性能。這種提高的性能是通 過沿著垂直于ABS的X軸來延伸疊層132的條紋高度152來實現(xiàn)的。
通過提供鄰近疊層132的磁屏蔽以減小對非有意遠端數(shù)據(jù)比特150的磁響應，元 件130的性能可進一步得到提高，非有意遠端數(shù)據(jù)比特150遠離直接從鐵磁自由層138和 140穿過ABS的數(shù)據(jù)比特。在屏蔽有助于避免來自遠端數(shù)據(jù)比特的磁場到達疊層132的同 時，該屏蔽的磁化作用可對疊層132的操作產生不利的影響。在鐵磁自由層138和140與 屏蔽之間設置去耦層134和136能夠將鐵磁自由層138和140與任何磁屏蔽之間從磁性上 斷開，從而使得對數(shù)據(jù)比特150的磁響應更精確、幅度更大、且MR更大。
然而，元件130的各個部件并不是必需的或局限于圖2所示的結構，可以任意對其 進行更改以適應多種操作環(huán)境和參數(shù)。例如，一個或多個去耦層134和136能沿著疊層132 的整個條紋高度152進行延伸，以提供疊層132和任何鄰近的導磁部件之間的增強的磁性 去耦。
圖3顯示了從ABS看去的示例性數(shù)據(jù)讀取器的疊層160的框圖表示，該疊層160被 表征為三層數(shù)據(jù)讀取器，因為兩個磁性自由層162和164被單個隧穿層166所分隔開。在 三層數(shù)據(jù)讀取器疊層160內沒有任何釘扎或硬磁層或區(qū)域，實現(xiàn)了增強的數(shù)據(jù)感測并且屏 蔽-到-屏蔽之間的間隔168最小化。
如圖所示，數(shù)據(jù)讀取器疊層160可利用特定材料來構造并能提供預先確定的數(shù)據(jù) 感測性能，但這不是必需的或限制性的。鐵磁自由層162和164可以是CoFeB合金，例如 Co48B2tl，而隧穿層166可以是非磁性材料，例如MgO?？梢岳糜煞菍Т挪牧?例如鉭)所構 成的去耦層170和172將各鐵磁自由層162和164與任何相鄰的導磁屏蔽進行磁性去耦。
數(shù)據(jù)讀取器的疊層160的各個層可以單獨或共同地調節(jié)到平行于ABS (這里可是 平行于紙面)的預定寬度174和垂直于ABS方向的厚度，以提供用于多種數(shù)據(jù)存儲環(huán)境的 特定的MR。例如，去耦層170和172可具有根據(jù)各鐵磁自由層162和164的厚度所選定的相匹配的厚度，以提供設計的磁性去耦水平，例如在60-1300e范圍內，磁性去耦水平對應 于預定的MR范圍。
在讀取器疊層160可以精確感測數(shù)據(jù)比特的同時，減小讀取器疊層160的尺寸 (例如在減小的外形規(guī)格的數(shù)據(jù)存儲設備中)可對應于減小讀取器疊層160內的磁化強度， 這將最小化數(shù)據(jù)感測幅度和MR。圖4 一般地示出了示例性的磁性疊層180，該示例性的磁 性疊層180 —般地表示如何利用層疊的鐵磁自由層182和184來調節(jié)和提高磁致伸縮性和 MR。一個或兩個鐵磁自由層182和184可具有被構造成耦合子層186的不同導磁合金(例 如NiFe和CoFeB)的組合?？烧{整每個復合鐵磁自由層疊層的不同厚度、寬度和材料，以提 高穿過隧穿層187的磁致伸縮性、磁矩和MR。
在某些鐵磁自由層結構中，可在磁性自由層182和184的耦合子層186之間設置 擴散層188以幫助隔離導磁合金的任何晶體結構。各實施例可通過調整一個或多個擴散層 188的厚度和材料成分以提供穿過隧穿層187的預定的操作交互，來對多個運行參數(shù)(比 如，磁飽和度)進一步調整和提高，。
圖5顯示另一個由層疊的磁性自由層192和194所構造的示例性數(shù)據(jù)讀取器疊層 190的框圖表示，其中層疊的磁性自由層中的每一個具有直接接觸的耦合子層196，但沒有 圖4所示的擴散層188。各磁性自由層192和194被構造為兩個或多個導磁合金的直接接 觸疊層。耦合子層196的這種直接接觸能夠促進交換耦合，因為諸個層之間的接觸可以提 供穿過隧穿層198的特定磁致伸縮性以及MR，其不同于包括擴散層的磁性自由層疊層。
在讀取器疊層190內利用多種不同合金的能力允許進行廣泛調整以提高性能。第 一耦合子層196內的FeCoZrTa合金的使用可以強化與所接觸的CoFeB合金形成的第二耦 合子層196之間的耦合并且強化與去耦層200之間的去耦合。根據(jù)第二磁性自由層和底部 去耦層194和200的組合厚度204來選擇組合的第一磁性自由層和頂部去耦層192和200 的厚度202，可以進一步調整讀取器疊層190的MR。也就是說，可將厚度202修改為與厚度 204不同的尺寸以增強并產生穿過隧穿層198的預定MR。
圖6示出了與不同導磁材料相關的多種操作特性，其可被選擇性地用于圖3-5的 數(shù)據(jù)讀取器疊層160、180和190中。如圖所示，不同合金的磁致伸縮性和隧穿磁阻比(TMR) 值表示了與磁性合金成分相關的操作特性差異。這種差異進一步表示通過利用相似或不相 似的合金成分來構造鐵磁自由層以調節(jié)和提高數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)讀取器疊層的能力，這些合金成分 用于提供預定量的磁致伸縮性、磁通量和TMR。
舉例來說，形成具有相對高的TMR和磁致伸縮性的第一磁性自由層，即CoFeltlB5, 相應地選擇第二磁性自由層材料，即CoFe5B5,用來補足先前沉積的合金，并且顯示出具有最 小化磁致伸縮性的高的TMR和磁通量的增強性能。類似的，相同或者不同的合金的多種組 合可以被構造為以產生具有預定的TMR和磁致伸縮的增強的工作性能。
在某些實施例，將圖6所示的操作性能數(shù)據(jù)與各種其它性能數(shù)據(jù)聯(lián)合用于增強和 調整數(shù)據(jù)讀取器疊層的結構和操作。圖7顯示了隨著去耦層成分和厚度而變化的示例性的 磁致伸縮性能數(shù)據(jù)。當選擇和操縱一個或多個去耦層時，能夠調整和增強磁性自由層的不 同的磁致伸縮性、磁通量和MR，以提供增強的讀取器疊層的性能。
轉向圖7所示的數(shù)據(jù)，當不使用去耦層時，在點220處觀察到的是磁致伸縮標稱 值。當使用了更厚的鉭層時，在點222和224處磁致伸縮性增加。將去耦層構造為材料和厚度的組合疊層將產生負的磁致伸縮，如在點226處所示的12nm的鉭和IOnm的鈦的組合。 然而，特定的組合能夠產生可測量數(shù)量的磁致伸縮性，比如在點228處20nm的鉭和20nm的釘?shù)闹脤印?br> 當采取多種設計考量以利用如圖7所示的任意去耦層組分時，各個實施例可以具 有一個或兩個由40nm的CrRu所構成的去耦層，其在點230處產生負的磁致伸縮性，其可與 至少一個正磁致伸縮的磁性自由層組合使用以提供幾乎為零的凈磁致伸縮性，并提供更穩(wěn) 定的數(shù)據(jù)讀取器疊層的性能。
圖8給出了與用于一個或多個磁性自由層內的鐵的重量百分數(shù)相關的示例性操 作數(shù)據(jù)。如圖所示，多種磁矩和磁致伸縮值對應于鐵的百分比的變化。這樣的多種操作性 能數(shù)據(jù)允許對鐵的百分比進行設計和選擇以便為數(shù)據(jù)讀取器器件提供預定的磁致伸縮性 和磁矩。
利用大量與各種數(shù)據(jù)讀取器疊層結構相對應的工作數(shù)據(jù)，為了適應環(huán)境和性能可 以增加材料、厚度和層的大量組合，以便因高MR而提供精確的數(shù)據(jù)感測。多個實施例對數(shù) 據(jù)讀取器疊層進行一層一層的調整以在操作中提高性能并確保預定的MR和磁致伸縮性。 圖9大概示出了示例性的數(shù)據(jù)讀取器疊層的制造例程300。
首先，例程300在判定步驟302中確定去耦層是否是數(shù)據(jù)讀取器疊層的一部分，如 果是的話，確定去耦層的材料成分和厚度。圖6-7中的操作數(shù)據(jù)能夠提供單獨或與其它材 料聯(lián)合在去耦層中實施的指導和例子。決定使用去耦層的話進行步驟304，在步驟304中形 成所設計的去耦層。
或者在步驟304沉積去耦層之后，或者當在判定步驟302中選擇不使用去耦層之 后，判定步驟306確定第一磁性層的結構，至少包括材料成分，層數(shù)和厚度。當對磁性自由 層的結構不存在限制時，圖3-5中的讀取器疊層提供幾個選擇，同時圖6和8的數(shù)據(jù)示出了 操作數(shù)據(jù)，這些操作數(shù)據(jù)可被用于提高磁性自由層的設計至少為了 MR和磁致伸縮性。在判 定步驟306磁性自由層的設計之后，例程300進入到步驟308，在步驟308中沉積磁性自由 層之后沉積隧穿層，例如圖4中的層187。
隨后，判定步驟310確定第二磁性自由層的配置，其可與步驟308中沉積的自由層 相似或不相似。也就是說，第二磁性自由層的結構不受限制，并可與第一磁性自由層相匹 配，也可唯一地設計。作為一個例子，第一磁性自由層可以是導磁合金子層的疊層，例如圖 5中的子層192和194，其通過交換耦合而增強MR，而第二磁性自由層可以是由擴散層(例 如圖4中的自由層184)所分隔開的導磁子層的疊層，其具有較高的磁穩(wěn)定性，并增強MR。
在判定步驟310中的第二磁性自由層設計完成之后，在步驟312沉積第二自由 層。在步驟312中的第二磁性自由層的沉積完成了三層磁性數(shù)據(jù)讀取器疊層，該三層磁性 數(shù)據(jù)讀取器疊層由于具有增強的磁致伸縮性、磁矩和磁通量而能夠精確和快速地感測數(shù)據(jù) 比特。這樣的三層疊層可被用在多種數(shù)據(jù)存儲器件中，并且不局限于旋轉的數(shù)據(jù)存儲裝置。 判定步驟314評估疊層相對于另一個去耦層的設計，其在導磁屏蔽位于三層讀取器疊層的 附近時能提高疊層的性能。
如果選擇使用了另一個去耦層，判定步驟314進一步評估在判定步驟302中用到 的各種材料和厚度的配置，并根據(jù)前面的沉積層來配置下一個去耦層從而提高讀取器疊層 的性能，這可能導致與第一去耦層結構相匹配的第二去耦層，也可能不導致這樣的第二去耦層。然后，步驟316在第二磁性自由層的頂上形成額外的去耦層。
不管第二去耦層是否存在，在步驟318中將目前的讀取器疊層置入讀取器器件 中，目前的讀取器疊層可能包括三層結構以及一個或多個去耦層。這樣的實施方式可能包 括形成讀取器屏蔽以及連接到滑塊(例如是圖1的滑塊112)的附連，這種附連既包括電連 接也包括物理連接。隨著去耦層和磁性自由層的調整，讀取器疊層的性能在制造過程中得 到增強，從而以預定的磁響應(MR)和增強的磁穩(wěn)定性而適應于不同的操作環(huán)境。在一些實 施例中，可在步驟304和316的去耦層的形成之前和之后將例程300讀取器疊層的制造步 驟擴展以種子層和覆蓋層(例如圖3中的層170和172)的制造。
應該注意的是數(shù)據(jù)讀取器疊層的多個層和子層可以多種非限制性的方式沉積，例 如化學氣相沉積、物理氣相沉積、濺射和原子層沉積。例程300中各種判定和層沉積允許產 生多種磁性疊層的結構，其能夠提供調整的操作屬性以適應不同的需要。由于判定和步驟 可以根據(jù)需要而隨意地修改、移動或去除，這種可變性表明讀取器疊層的制造并不受限制， 其僅僅是示例性的。
能夠想到的是，本發(fā)明所描述的磁性讀取器器件的結構和材料特性能夠通過減小 磁致伸縮性并增強磁阻比和磁通量的改進結構來增強操作。調整各種具有子層的磁性自由 層的能力允許構造一讀取器元件，該讀取器元件顯示出增強的預定操作性能甚至用于更高 線性密度和更高平面位密度的數(shù)據(jù)存儲器中。
能夠理解的是，即使在前文中已經(jīng)提出了本發(fā)明各實施例的眾多特征和優(yōu)點，以 及本發(fā)明各實施例的結構細節(jié)和功能的細節(jié)，這些詳細說明僅僅是示例性的，并且可以在 后面的權利要求書所表述的術語的寬泛一般含義在最大程度上所表明的本發(fā)明的主旨內 在細節(jié)上進行變化，尤其是對部件的結構和布置方面。例如，在不脫離本發(fā)明的核心和范圍 內，個別元件可以根據(jù)特定應用進行變化。
權利要求
1.一種磁傳感器，包括設置在第一和第二鐵磁自由層之間的間隔層的磁響應疊層，至少一個鐵磁自由層具有增強磁阻比(MR)的耦合子層。
2.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該第一和第二鐵磁自由層的每一個具有耦合子層。
3.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該磁響應疊層設置在去耦層之間。
4.根據(jù)權利要求3的磁傳感器，其中各個去耦層是鉭。
5.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該耦合層是FeCoZrTa。
6.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該耦合層是CoFe48B2cit5
7.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該耦合層是NiFe。
8.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該第一和第二鐵磁自由層中的每一個是CoFeB合金。
9.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中擴散層設置在各個耦合子層和鐵磁自由層之間。
10.根據(jù)權利要求9的磁傳感器，其中該擴散層是鉭。
11.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該耦合子層具有與該第一和第二鐵磁自由層不同的磁致伸縮性。
12.根據(jù)權利要求1的磁傳感器，其中該至少一個鐵磁自由層是凈磁致伸縮性實質上為零的耦合子層。
13.一種磁性疊層，包括設置在第一和第二去耦層之間的讀取器疊層，該讀取器疊層包括設置在第一和第二鐵磁自由層之間的間隔層，各個鐵磁自由層具有耦合子層，該耦合子層與各自的鐵磁自由層被擴散層所分隔開。
14.根據(jù)權利要求13的磁性疊層，其中各個去耦層和擴散層是鉭。
15.根據(jù)權利要求13的磁性疊層，其中該間隔層是MgO。
16.根據(jù)權利要求13的磁性疊層,其中該第一去I禹層、第一鐵磁自由層和各自的擴散層具有第一厚度，該第一厚度與由該第二去耦層、第二鐵磁自由層和各自的擴散層所定義的第二厚度實質上不同。
17.根據(jù)權利要求13的磁性疊層，其中至少一個耦合層是NiFe，并且至少一個鐵磁自由層是CoFeB合金。
18.—種方法,包括通過在第一和第二鐵磁自由層之間形成間隔層來構造磁響應疊層；以及通過鄰近至少一個鐵磁自由層而設置耦合子層來增強磁響應疊層的磁阻比(MR)。
19.根據(jù)權利要求18的方法，其中該至少一個耦合子層產生與各個各自的鐵磁自由層的實質上為零的凈磁致伸縮性。
20.根據(jù)權利要求18的方法，其中關于該磁響應疊層的預先確定的屏蔽-到-屏蔽的間隔，MR比得到增強。
全文摘要
本發(fā)明的各實施例一般涉及磁響應疊層，其通過在第一和第二鐵磁自由層之間設置間隔層來構造。至少一個鐵磁自由層具有耦合子層，該耦合子層增強該磁響應疊層的磁阻比(MR)。
文檔編號G11B5/39GK103021423SQ20121047864
公開日2013年4月3日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權日2011年9月21日
發(fā)明者M·W·科溫頓, Q·何, 丁元俊, V·A·瓦斯科 申請人:希捷科技有限公司