專利名稱：電流垂直平面巨磁阻傳感器及其制造方法以及磁存儲系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來說涉及用于磁存儲系統(tǒng)的巨磁阻(GMR)傳感器，更具體而言，涉及用于具有嵌入復(fù)合薄膜的電流垂直平面型(CPP)GMR傳感器的方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
磁記錄是信息處理工業(yè)的一關(guān)鍵而又無價的部分。盡管基本原則對于早期磁帶設(shè)備而言有一百年的歷史，對于磁硬盤驅(qū)動器有多于40年的歷史，但技術(shù)革新的流入繼續(xù)擴(kuò)展磁記錄產(chǎn)品的存儲容量和性能。對于硬盤驅(qū)動器而言，自第一個磁盤驅(qū)動器應(yīng)用于數(shù)據(jù)存儲以來，在磁介質(zhì)上寫入數(shù)據(jù)位的面密度或密度已經(jīng)以大于兩百萬的因數(shù)增長。從1991起，基于在磁頭，介質(zhì)，驅(qū)動器電子學(xué)和機(jī)械學(xué)方面相應(yīng)的提高，面密度以60％的復(fù)合增長率增長。
在面密度增長方面，磁記錄頭被認(rèn)為是最關(guān)鍵的因素。磁記錄頭以數(shù)據(jù)密度進(jìn)入十億位每平方英寸(Gbits/in2)的范圍在記錄介質(zhì)上寫磁數(shù)據(jù)和隨后從其上讀磁數(shù)據(jù)的能力，給予了硬盤驅(qū)動器力量從而使其在未來許多年內(nèi)保持存儲設(shè)備的支配地位。
計算平臺的重要組成部分是大量的存儲設(shè)備，包括磁帶和磁盤驅(qū)動器，其中磁帶驅(qū)動器在例如數(shù)據(jù)備份的應(yīng)用中是很流行的。磁盤驅(qū)動器包括旋轉(zhuǎn)的磁盤，在旋轉(zhuǎn)的磁盤上方用懸臂懸掛的磁記錄頭和擺動懸臂從而將磁記錄頭放置于旋轉(zhuǎn)的磁盤上選定的圓形軌道上的致動器。磁記錄頭直接安裝在滑片(slider)上，該滑片具有在滑片和旋轉(zhuǎn)的磁盤之間的氣懸式表面(ABS)。當(dāng)磁盤不轉(zhuǎn)時，懸臂使滑片偏移接觸到磁盤表面。然而，當(dāng)磁盤旋傳時，鄰近ABS的旋轉(zhuǎn)的磁盤帶動空氣旋轉(zhuǎn)，造成滑片飛到正好位于旋轉(zhuǎn)的磁盤表面上方的氣墊上。磁記錄頭用于向磁介質(zhì)上寫磁數(shù)據(jù)和隨后從其上讀出磁數(shù)據(jù)，該磁介質(zhì)淀積在旋轉(zhuǎn)磁盤的頂或底表面。磁記錄頭連接在處理電路上，該處理電路根據(jù)計算機(jī)程序操作以執(zhí)行寫和讀功能。
目前用在磁帶和磁盤驅(qū)動器中的磁記錄頭的讀元件是一GMR傳感器，它主要包括三個GMR功能層一鐵磁感應(yīng)層；一導(dǎo)電分隔層(conductingspacer layer)；以及一鐵磁參考層(ferromagnetic reference layer)。GMR傳感器通過作為磁場信號強(qiáng)度和方向的函數(shù)的磁場信號的阻抗變化來探測磁場信號，該磁場信號來自于磁介質(zhì)上的寫入數(shù)據(jù)。由于一種GMR效應(yīng)，該阻抗隨著鐵磁感應(yīng)層和參考層之間的磁性取向角度的余弦函數(shù)而變化。該阻抗的變化引起了相應(yīng)的電流/電壓的變化，這樣就可以使寫入的數(shù)據(jù)從磁介質(zhì)中讀出。
為了確保GMR效應(yīng)，鐵磁感應(yīng)層的磁性取向必須是自由的，而鐵磁參考層的磁性取向必須是反鐵磁(AFM)固定(Anti-Ferromagnetic pinned)或者自固定(self-pinned)。通過反鐵磁/鐵磁交換耦合，由相鄰的AFM固定層(AFM pinning layer)來使鐵磁參考層的磁性取向AFM固定。鐵磁參考層的磁性取向通過其內(nèi)在和外在的單軸各向異性來實現(xiàn)自固定。為了加強(qiáng)AFM固定和自固定，兩個附加層反平行(AP)固定層(anti-parallel pinninglayer)和鐵磁保有層(Ferromagnetic keeper layer)，被插入到AFM固定層和鐵磁參考層中。AP固定是通過越過AP固定層的AP鐵磁/鐵磁交換耦合來實現(xiàn)的。
最近硬盤驅(qū)動器設(shè)計已經(jīng)在一平面內(nèi)電流(CIP)模式中利用了這種GMR傳感器，其中感應(yīng)電流以平行于GMR傳感器的層界面的方向在頂部和底部絕緣間隙層之間流動，該頂部和底部絕緣間隙層使GMR傳感器分別與頂部和底部的鐵磁保護(hù)層隔離。這樣的設(shè)計產(chǎn)生了足夠達(dá)到近100Gbits/in2的面密度的樂觀效果。然而，研究工作繼續(xù)尋找更好的讀元件，以至于面密度可能會提高到幾百Gbits/in2的范圍。
這種研究工作之一是CPP模式中讀元件的使用，其中在垂直于讀元件的層界面的方向上，感應(yīng)電流從頂部/底部鐵磁保護(hù)層流到底部/頂部鐵磁保護(hù)層而不需要頂部和底部絕緣間隙層。由于消除了頂部和底部絕緣間隙層，在CPP模式中使用的讀元件比在CIP模式中使用的讀元件提供更高的線性分辨率，因而可以獲得更高的面密度。
使用于CPP模式中的最廣泛研究的讀元件是具有Al-O非晶阻擋層(Al-O amorphous barrier layer)的隧道磁阻(TMR)傳感器。在這種CPP TMR傳感器中，它的TMR的量級依賴于傳導(dǎo)電子或極化的自旋方向(spindirection)。這種CPP TMR傳感器包括一Ta種子層，一Pt-Mn固定層，一Co-Fe保有層，一Ru AP固定層，一Co-Fe參考層，一Al-O阻擋層，Co-Fe/Ni-Fe感應(yīng)層和Cu/Ta蓋層。Al-O阻擋層典型地是通過在氬氣中淀積一Al薄膜并在氧氣或氬氣和氧氣的混合物中氧化該Al薄膜形成的。為了獲得好的磁性和TMR性能，對于這種具有Al-O阻擋層的CPP TMR傳感器來說最佳的氧化是必需的。在2Torr氧氣中的氧化會產(chǎn)生具有大約5Ω-μm2的結(jié)電阻與面積的乘積以及TMR系數(shù)大約為15％的一CPP TMR傳感器。在分別為0.48Torr和0.02Torr的氬氣和氧氣的混合物中的氧化會產(chǎn)生具有大約2Ω-μm2的結(jié)電阻和面積的乘積以及TMR系數(shù)大約為10％的一CPP TMR傳感器。
在CPP模式中使用的另一可供選擇的讀元件是一具有多晶Mg-O阻擋層的CPP TMR傳感器。這種CPP TMR傳感器包括一Ta種子層，一Pt-Mn固定層，一Co-Fe保有層，一Ru AP固定層，一Co-Fe參考層，一Mg-O阻擋層，Co-Fe/Ni-Fe感應(yīng)層和Cu/Ta蓋層。Mg-O阻擋層典型地通過在氬氣中淀積一Mg薄膜，在氬氣(或氙氣)和氧氣的混合物中淀積一Mg-O薄膜，以及在氧氣中氧化該Mg薄膜和Mg-O薄膜形成。為了獲得好的磁性和TMR性能，對于CPP TMR傳感器來說用于Mg-O薄膜形成的最佳的氧摻雜是必需的。在氙氣和氧氣分別為0.12和0.06Torr的混合物中的氧摻雜會產(chǎn)生具有約為5Ω-μm2的結(jié)電阻和面積的乘積以及一TMR系數(shù)大約為20％的一CPP TMR傳感器。
用于超高密度磁記錄的這些CPP TMR傳感器碰到了一些困難。首先，當(dāng)任一這樣的CPP TMR傳感器顯示出15％或更高的TMR系數(shù)時，它的結(jié)電阻和面積的乘積，例如5Ω-μm2，由于太高而不能阻止靜電放電破壞。第二，盡管結(jié)電阻和面積的乘積可以減小到2Ω-μm2或更低，但TMR系數(shù)會變得低于設(shè)計值，比如15％。此外，為了得到如此小的結(jié)電阻和面積的乘積，阻擋層必須很薄。結(jié)果，針孔(pinholes)就可能存在于薄的阻擋層中，造成熱穩(wěn)定性與該CPP TMR傳感器有關(guān)。對于具有無針孔的阻擋層、結(jié)電阻和面積的乘積低于1Ω-μm2以及TMR系數(shù)高于15％的CPP TMR傳感器的進(jìn)一步研究仍有很高的期望。
獲得低的結(jié)電阻和面積的乘積的困難源于Al-O和Mg-O阻擋層分別為108和106μΩ-cm2的高電阻率。在CPP TMR傳感器的串聯(lián)電路中，高電阻率層是主要的電阻成分，因而在建立結(jié)電阻和面積的乘積中起主導(dǎo)作用。因此，為得到低的結(jié)電阻和面積的乘積，應(yīng)該選擇低電阻率阻擋層。具有其電阻率為2.9μΩ-cm2的Cu間隔層的GMR傳感器可應(yīng)用在CPP模式中。然而，具有Cu間隔層的這種CPP GMR傳感器根本不是可行的選擇，因為它的結(jié)電阻和面積的乘積非常低，即0.001μΩ-cm2。在如此低的結(jié)電阻和面積的乘積的條件下，傳感器電阻由于太小而不能提供所需的信號幅度?？傊?，范圍在0.1到1Ω-cm2的結(jié)電阻和面積的乘積優(yōu)選地用于超高密度的磁記錄。
因此可以看出，需要在CPP模式中使用的改進(jìn)的讀元件，其顯示出的結(jié)電阻和面積的乘積優(yōu)選地從0.1到1μΩ-cm2。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的局限性，以及克服其他隨著閱讀和理解本發(fā)明的說明書而變得明顯的局限性，本發(fā)明揭示了用于具有嵌入復(fù)合薄膜的CPPGMR傳感器的一種方法和設(shè)備。該CPP GMR傳感器顯示了在設(shè)計范圍內(nèi)的結(jié)電阻和面積的乘積以用于超高密度的磁記錄。
在本發(fā)明的一實施例中，提供了一種形成一CPP GMR傳感器的方法。該方法包括形成具有第一磁性取向的鐵磁保有層，形成具有反平行(anti-parallel)于第一磁性取向的第二磁性取向的鐵磁參考層，形成具有響應(yīng)外部磁場信號而變化的磁性取向的鐵磁感應(yīng)層，以及將具有導(dǎo)電相(conducting phase)和絕緣相(insulating phase)的復(fù)合薄膜嵌入鐵磁保有層或參考層。
在本發(fā)明的另一實施例中，提供了一種CPP GMR傳感器。該CPP GMR傳感器包括一具有第一磁性取向的鐵磁保有層，一具有反平行于第一磁性取向的第二磁性取向的鐵磁參考層，一具有響應(yīng)外部磁場信號而變化的磁性取向的鐵磁感應(yīng)層，以及將復(fù)合薄膜嵌入鐵磁保有層或參考層。該嵌入的復(fù)合薄膜包含具有導(dǎo)電相的一鐵磁金屬和具有絕緣相的一非磁性氧化物。
在本發(fā)明的另一實施例中，提供了一種磁存儲系統(tǒng)。該磁存儲系統(tǒng)包括一磁介質(zhì)和接近該磁介質(zhì)安置的一CPP GMR傳感器。該CPP GMR傳感器包括一具有第一磁性取向的鐵磁保有層，一具有反平行于第一磁性取向的第二磁性取向的鐵磁參考層，一具有響應(yīng)外部磁場信號而變化的磁性取向的鐵磁感應(yīng)層，以及一嵌入到鐵磁保有層或參考層中的復(fù)合薄膜。該嵌入復(fù)合薄膜包括具有導(dǎo)電相的一鐵磁金屬和具有絕緣相的一非磁性氧化物。
描述本發(fā)明的這些和許多其他優(yōu)點以及新穎特點是通過此處所附的權(quán)利要求所指出的，并形成了本發(fā)明的一部分。然而，為了更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，以及使用其所達(dá)到的目標(biāo)，應(yīng)參考形成了本發(fā)明另一部分的附圖及附圖描述，其中表示和描述了根據(jù)本發(fā)明一方法的具體實例。


現(xiàn)參考附圖，在所有圖中相同的附圖標(biāo)記表示一致的部分圖1表示了根據(jù)本發(fā)明的一存儲系統(tǒng)；圖2表示了根據(jù)本發(fā)明一存儲系統(tǒng)的一特定實施例；圖3表示了安裝在懸掛裝置上的一滑片；圖4表示了滑片和磁記錄頭的ABS視圖；圖5A表示了根據(jù)本發(fā)明的一示例性CPP GMR傳感器；圖5B表示了根據(jù)本發(fā)明的圖5A中的CPP GMR傳感器的一復(fù)合薄膜；圖6A表示了根據(jù)本發(fā)明的CPP GMR傳感器的復(fù)合薄膜的一示例性微結(jié)構(gòu)；圖6B表示了根據(jù)本發(fā)明的CPP GMR傳感器的復(fù)合薄膜的另一可選的微結(jié)構(gòu)；圖7表示了根據(jù)本發(fā)明的CPP GMR傳感器的一示例性實施例；且圖8表示了根據(jù)本發(fā)明的CPP GMR傳感器的另一可選的實施例。
具體實施例方式
在以下對示例性實施例的描述中，參考了形成本發(fā)明一部分的附圖，附圖中表示了可實現(xiàn)本發(fā)明的具體實施例。應(yīng)理解的是也可使用其他實施例并在不背離本發(fā)明范圍的情況下進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變化。
本發(fā)明提供了一種將由導(dǎo)電相和絕緣相組成的復(fù)合薄膜嵌入到鐵磁保有層或參考層中的方法和設(shè)備。這樣做將感應(yīng)電流限制在僅通過復(fù)合薄膜的導(dǎo)電部分流動。因而可通過調(diào)整復(fù)合薄膜中絕緣相的體積份額使結(jié)電阻和面積的乘積發(fā)生變化。進(jìn)一步，由于優(yōu)化的結(jié)電阻和面積的乘積，根據(jù)本發(fā)明的CPP GMR傳感器減少了它對靜電放電破壞的易感性并確保了高的信號幅度。
圖1表示了根據(jù)本發(fā)明的一示例性存儲系統(tǒng)100。磁頭110由致動器120控制，其中致動器120控制磁頭110的位置。磁頭110在磁介質(zhì)130上寫和讀數(shù)據(jù)。讀/寫信號被傳送到數(shù)據(jù)通道140。信號處理器150控制致動器120并處理數(shù)據(jù)通道140的信號以與外部輸入/輸出(I/O)170進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。外部I/O 170可以提供例如采用了存儲系統(tǒng)100的桌上計算應(yīng)用的數(shù)據(jù)和控制管道。此外，磁介質(zhì)轉(zhuǎn)換器160被信號處理器150控制從而使磁介質(zhì)130相對于磁頭110移動。本發(fā)明并不限制于存儲系統(tǒng)100的某一特定類型或者在存儲系統(tǒng)100中使用的磁介質(zhì)130的所述類型。
圖2表示了根據(jù)本發(fā)明的多磁盤存儲系統(tǒng)200的一特定實施例。在圖2中，顯示了一硬盤驅(qū)動器存儲系統(tǒng)200。該存儲系統(tǒng)200包括支撐和旋轉(zhuǎn)多磁盤220的軸210。軸210被由電動機(jī)控制器230控制的電動機(jī)280旋轉(zhuǎn)。在每一磁盤220的每一表面，都有一磁頭270。磁頭270安裝在滑片260上，該滑片260由一懸掛裝置250和一致動臂(actuator arm)240來支撐。處理電路與磁頭270交換代表寫/讀信息的信號，提供用于旋轉(zhuǎn)磁盤220的電動機(jī)驅(qū)動信號，并且提供用于將滑片260移動到不同軌道的控制信號。盡管說明了一多磁盤存儲系統(tǒng)，但根據(jù)本發(fā)明的單一磁盤存儲系統(tǒng)同樣是可行的。
懸掛裝置250和致動臂240將滑片260放置于使得磁頭270和磁盤220的表面處于同步傳動(transducing)關(guān)系。當(dāng)電動機(jī)280旋轉(zhuǎn)磁盤220時，滑片260被支撐在磁盤220表面和ABS 290之間一薄的氣墊、即空氣軸承上。接著可使用磁頭270將信息寫到磁盤220表面上的多個圓形軌道，同樣也可從其中讀取信息。
圖3表示了滑片/懸掛裝置結(jié)合體300，該結(jié)合體300具有安裝在懸掛裝置322上的滑片320。第一和第二焊接連接物302和308將來自GMR傳感器318的引線分別連接到在懸掛裝置322上的引線310和314，并且第三和第四焊接連接物304和306將寫圈(write coil)(未示出)分別連接到在懸掛裝置322上的引線312和316。
圖4是一滑片400和一磁頭410的ABS視圖。該滑片具有支撐磁頭410、邊軌(side rail)430和460的一中心軌420。支撐軌420、430和460從橫軌(cross rail)440延伸。對于磁盤的旋轉(zhuǎn)，橫軌440在滑片400的前緣450處，磁頭410在滑片400的后緣470處。
對附圖1至4中表示的典型磁記錄磁盤驅(qū)動器系統(tǒng)的上述說明，只用于介紹的目的。磁盤驅(qū)動器可包括大量磁盤和致動器，每個致動器可支撐若干滑片。此外，代替一空氣軸承滑片，磁頭傳送器可以保持使磁頭接觸或近接觸磁盤，例如在液體軸承和其他接觸及近接觸記錄磁盤驅(qū)動器中。
圖5表示了適合在磁頭中應(yīng)用的CPP GMR傳感器500的一實例。在這一示例性實施例中，CPP GMR傳感器500包括一鐵磁參考層510，一鐵磁感應(yīng)層530，一設(shè)置在鐵磁參考層和感應(yīng)層510和530之間的導(dǎo)電間隔層520。感應(yīng)電流540通過導(dǎo)電間隔層520從鐵磁參考層510流到鐵磁感應(yīng)層530，或相反地從鐵磁感應(yīng)層530流到鐵磁參考層510。CPP GMR傳感器500的電阻以磁化矢量560和570的相對取向為函數(shù)而變化，其中560和570分別為鐵磁參考層和感應(yīng)層510和530的磁化矢量。通過測量跨過儀表550量到的電壓波動來感知電阻變化，該電壓波動是由感應(yīng)電流540和CPPGMR傳感器500的電阻變化的乘積引起的。
在一個實施例中，鐵磁參考層510被一至少15納米厚的AFM-固定層(未顯示)所固定，該AFM-固定層被安置在鐵磁參考層510下面且與鐵磁參考層510接觸。鐵磁參考層510優(yōu)選由Co-Fe構(gòu)成，而AFM-固定層優(yōu)選由Pt-Mn合成。
在另一實施例中，鐵磁參考層510被AP-固定層512從鐵磁保有層514隔離開來。AP固定層512由耐熔金屬，例如Ru組成，且鐵磁參考層和保有層510和514優(yōu)選由Co-Fe組成。鐵磁參考層和保有層510和514都通過跨過AP-固定層512的鐵磁/鐵磁AP耦合，以及它們的內(nèi)在單軸各向異性和它們的外在單軸各向異性來進(jìn)行自固定。為了獲得強(qiáng)的鐵磁/鐵磁AP耦合，關(guān)鍵是要確保在鐵磁參考層和保有層510和514之間有一零凈磁矩(zeronet magnetic moment)。為了獲得高的內(nèi)在單軸各向異性，對于鐵磁參考層和保有層510和514，關(guān)鍵是要選擇具有高的內(nèi)在單軸各向異性場的材料。為了獲得高的外在單軸各向異性，對于鐵磁參考層和保有層510和514，關(guān)鍵是要選擇具有高的正飽和磁致伸縮(positive saturation magnetostriction)的材料，且要在磁頭的制造工藝中施加壓力。
可選擇地，鐵磁保有層514可被至少15納米厚的AFM-固定層(未示出)來固定，該AFM-固定層被安置在鐵磁保有層514下面且與鐵磁保有層514接觸。該AFM-固定層優(yōu)選由Pt-Mn構(gòu)成。
在根據(jù)本發(fā)明的兩個實施例中，如圖5B所示的一復(fù)合薄膜580被嵌入到鐵磁參考層510中以提供設(shè)計的結(jié)電阻和面積的乘積值。另一方面，如圖5B所示的復(fù)合薄膜580也可嵌入到鐵磁保有層514中以達(dá)到設(shè)計的結(jié)電阻和面積的乘積值。
嵌入到鐵磁參考層510或者是鐵磁保有層514中的復(fù)合薄膜580包含一導(dǎo)電相588和一絕緣相586。絕緣相586將感應(yīng)電流540限制為只能通過導(dǎo)電相588流動。由于復(fù)合薄膜580顯示出范圍從200到2000μΩ-cm2最高的電阻率，在所有其他層中，因此復(fù)合薄膜580是CPP GMR傳感器500的串行電路中主要的電阻部份。因而可以通過改變絕緣相的體積份額來根據(jù)設(shè)計需求對CPP GMR傳感器500的結(jié)電阻和面積的乘積進(jìn)行微調(diào)。
為了防止在固定鐵磁保有層514或者鐵磁參考層510中的損失，復(fù)合薄膜580應(yīng)該具有磁性，因此導(dǎo)電相或者絕緣相必須有磁性。為了防止復(fù)合薄膜580的磁矩?fù)p失，導(dǎo)電相和絕緣相在退火期間應(yīng)該是互相非不能融合(non-immiscible)的。因此導(dǎo)電相優(yōu)選由一金屬制成，比如基于Ni，基于Co或基于Fe的合金。而絕緣相優(yōu)選由非磁性氧化物制成，比如Al2O3，CrOx，MgOx，HfOx，SiO2，YOx，ZrOx，YOx等。
當(dāng)絕緣相具有比導(dǎo)電相低的體積份額時，復(fù)合薄膜展現(xiàn)了一種分離微結(jié)構(gòu)(segregated microstructure)600，如圖6A所示，其中具有絕緣相586的微粒604在具有導(dǎo)電相588的多晶顆粒602的邊緣處被分離。例如，當(dāng)使用合成80Co-20SiO2薄膜時，SiO2微粒在多晶Co顆粒的邊緣被分離。絕緣SiO2相的體積份額應(yīng)該足夠高以便使SiO2微粒大于復(fù)合薄膜580的厚度，從而限制感應(yīng)電流540僅通過導(dǎo)電Co相流動。
當(dāng)絕緣相具有比導(dǎo)電相更高的體積份額時，復(fù)合薄膜580展現(xiàn)了一種粒狀微結(jié)構(gòu)(granular microstructure)606，如圖6B所示，其中具有絕緣相588的個別顆粒608分布在具有絕緣相586的絕緣矩陣610中。例如，當(dāng)使用合成40Co-60Al2O3薄膜時，Co微粒分布在一Al2O3矩陣中。導(dǎo)電Co相的體積份額應(yīng)該足夠高以便使Co微粒608比復(fù)合薄膜580的厚度大，從而允許感應(yīng)電流540流過Co微粒608。
圖7表示了根據(jù)本發(fā)明的示例性CPP GMR傳感器700的一實施例的ABS視圖，其中列出了每一層的示例層成分和它們相應(yīng)的厚度。由大約1微米厚的Ni-Fe組成的鐵磁底部防護(hù)層716淀積在涂有Al2O3的基底上(未示出)。由大約6納米厚的Ta組成的非磁性種子層和由大約20納米厚的Pt-Mn組成的AFM固定層依次淀積在鐵磁底部防護(hù)層716上。
由大約2納米厚的Co-Fe組成的鐵磁保有層714具有一垂直于ABS且朝向ABS的磁性取向。由大約0.8納米厚的Ru組成的AP-固定層712提供了鐵磁/鐵磁AP耦合。由大約0.4納米厚的Co-Fe，大約2納米厚的Co-SiO2708和大約0.4納米厚的Co-Fe組成的鐵磁感應(yīng)層710具有一垂直于ABS且遠(yuǎn)離ABS的磁性取向。
Co-SiO2復(fù)合薄膜708優(yōu)選通過從一Co靶和一SiO2靶同時或順序的濺射來淀積?？蛇x擇地，SiO2薄膜可在氬氣和氧氣的混合物中通過反應(yīng)濺射來淀積。Co和SiO2靶的不同的濺射功率會導(dǎo)致不同的Co和SiO2的體積份額。通過按如上討論仔細(xì)調(diào)整這些體積份額，CPP GMR傳感器的結(jié)電阻和面積的乘積可被微調(diào)到設(shè)計區(qū)域，典型的范圍是從0.1到1Ω-μm2。除了SiO2，復(fù)合薄膜708的絕緣相可以從下列非磁性氧化物中任選一種來代替，如Al2O3，CrOx，MgOx，HfOx，YOx，ZrOx等。除了Co，復(fù)合薄膜708的導(dǎo)電相可從基于Ni，基于Co或基于Fe的合金中選擇來代替。
由大約2納米厚的Cu-O構(gòu)成的導(dǎo)電間隔層706在展示強(qiáng)GMR效應(yīng)方面起了關(guān)鍵作用。由大約1納米厚的Co-Fe和大約1.6納米厚的Ni-Fe組成的鐵磁感應(yīng)層704具有一平行于ABS的磁性取向。由大約1納米厚的Cu和大約15納米厚的Ta組成的蓋層702保護(hù)鐵磁感應(yīng)層以防止氧氣滲透和防止其磁性和GMR特性的破壞。
在另一實施例中，圖8表示了根據(jù)本發(fā)明的一示例性CPP GMR傳感器800。這個實施例中，復(fù)合薄膜806被嵌入到鐵磁保有層804中。鐵磁保有層和嵌入的復(fù)合薄膜具有所示的磁性取向。由大約2納米厚的Co-Fe組成的鐵磁參考層802具有所示的磁性取向。
在又一實施例中，圖7所示的CPP GMR傳感器的結(jié)構(gòu)是倒置的。例如，CPP GMR傳感器可包括一鐵磁底部防護(hù)層，一Ta種子層，Ni-Fe/Co-Fe感應(yīng)層，一Cu-O導(dǎo)電層，Co-Fe/Co-SiO2/Co-Fe鐵磁參考層，一Ru AP-固定層，一Co-Fe鐵磁保有層，一Pt-Mn AFM-固定層，和一Ta蓋層。
在又一實施例中，圖8所示的CPP GMR傳感器的結(jié)構(gòu)是倒置的。例如，CPP GMR傳感器可包括一鐵磁底部防護(hù)層，一Ta種子層，Ni-Fe/Co-Fe感應(yīng)層，一Cu-O導(dǎo)電分隔層，一Co-Fe鐵磁參考層，一Ru AP-固定層，Co-Fe/Co-SiO2/Co-Fe鐵磁保有層，一Pt-Mn AFM-固定層，和一Ta蓋層。
如上所述，本發(fā)明提供了一種用于將由導(dǎo)電相和絕緣相組成的復(fù)合薄膜嵌入到鐵磁參考層或鐵磁保有層中的方法和設(shè)備。這樣做使得感應(yīng)電流被限制在只通過復(fù)合薄膜的導(dǎo)電部分流動?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)復(fù)合薄膜中絕緣相的體積份額來微調(diào)結(jié)電阻和面積的乘積。
根據(jù)本發(fā)明，計算機(jī)和磁數(shù)據(jù)的保存及恢復(fù)領(lǐng)域由于在此揭示的一CPP GMR傳感器的形成而得到改善。因此，本發(fā)明所改善的不僅是GMR傳感器的領(lǐng)域，而是整個計算機(jī)和磁數(shù)據(jù)的保存及檢索領(lǐng)域。
前面對于本發(fā)明的示例性實施例的介紹是用于說明和描述的目的。并非完全且不能將本發(fā)明局限于所公開的精確形式?？筛鶕?jù)上述說明進(jìn)行多種修改和變化。本發(fā)明的范圍不是由這種具體描述而是由所附權(quán)利要求所限定。
權(quán)利要求
1.一種形成一電流垂直平面巨磁阻傳感器的方法，包括形成一具有第一磁性取向的鐵磁保有層；形成一具有反平行于所述第一磁性取向的第二磁性取向的鐵磁參考層；形成一具有響應(yīng)一外部磁場而變化的一磁性取向的鐵磁感應(yīng)層；以及形成一具有一導(dǎo)電相和一絕緣相的復(fù)合薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成所述復(fù)合薄膜包括形成具有所述導(dǎo)電相的一鐵磁金屬。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中形成所述復(fù)合薄膜包括形成具有所述絕緣相的一非磁性氧化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述絕緣相形成為具有比所述導(dǎo)電相低的體積份額。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述絕緣相形成為具有比所述導(dǎo)電相高的體積份額。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述鐵磁感應(yīng)層形成在所述鐵磁保有層和感應(yīng)層的上方。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述鐵磁感應(yīng)層形成在所述鐵磁保有層和感應(yīng)層的下方。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在所述鐵磁保有層和參考層之間形成一反平行固定層；以及在所述鐵磁感應(yīng)層和參考層之間形成一導(dǎo)電間隔層。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述復(fù)合薄膜被嵌入到所述鐵磁保有層中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述復(fù)合薄膜被嵌入到所述鐵磁參考層中。
11.一種電流垂直平面巨磁阻傳感器，包括一具有第一磁性取向的鐵磁保有層；一具有反平行于所述第一磁性取向的第二磁性取向的鐵磁參考層；一具有響應(yīng)一外部磁場而變化的一磁性取向的鐵磁感應(yīng)層；以及一復(fù)合薄膜，包括具有一導(dǎo)電相的一鐵磁金屬；以及具有一絕緣相的一非磁性氧化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，其中所述絕緣相形成為具有比所述導(dǎo)電相低的體積份額。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，其中所述絕緣相形成為具有比所述導(dǎo)電相高的體積份額。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，其中所述鐵磁感應(yīng)層形成在所述鐵磁保有層和感應(yīng)層的上方。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，其中所述鐵磁感應(yīng)層形成在所述鐵磁保有層和感應(yīng)層的下方。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，進(jìn)一步包括形成在所述鐵磁保有層和參考層之間的一反平行固定層；以及形成在所述鐵磁感應(yīng)層和參考層之間的一導(dǎo)電間隔層。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，其中所述復(fù)合薄膜被嵌入到所述鐵磁保有層中。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的傳感器，其中所述復(fù)合薄膜被嵌入到所述鐵磁參考層中。
19.一種磁存儲系統(tǒng)，包括一磁記錄介質(zhì)；在接近所述記錄介質(zhì)處安置的一電流垂直平面巨磁阻傳感器，該傳感器包括一具有第一磁性取向的鐵磁保有層；一具有反平行于所述第一磁性取向的第二磁性取向的鐵磁參考層；一具有響應(yīng)一外部磁場而變化的一磁性取向的鐵磁感應(yīng)層；以及一復(fù)合薄膜，包括具有一導(dǎo)電相的一鐵磁金屬；以及具有一絕緣相的一非磁性氧化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的磁存儲系統(tǒng)，其中所述絕緣相形成為具有比所述導(dǎo)電相低的體積份額。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的磁存儲系統(tǒng)，其中所述絕緣相形成為具有比所述導(dǎo)電相高的體積份額。
22.根據(jù)權(quán)利要求19的磁存儲系統(tǒng)，其中所述鐵磁感應(yīng)層形成在所述鐵磁保有層和感應(yīng)層的上方。
23.根據(jù)權(quán)利要求19的磁存儲系統(tǒng)，其中所述鐵磁感應(yīng)層形成在所述鐵磁保有層和感應(yīng)層的下方。
24.根據(jù)權(quán)利要求19的磁存儲系統(tǒng)，進(jìn)一步包括形成在所述鐵磁保有層和參考層之間的一反平行固定層；以及形成在所述鐵磁感應(yīng)層和參考層之間的一導(dǎo)電間隔層。
25.根據(jù)權(quán)利要求19的磁存儲系統(tǒng)，其中所述復(fù)合薄膜被嵌入到所述鐵磁保有層中。
26.根據(jù)權(quán)利要求19的磁存儲系統(tǒng)，其中所述復(fù)合薄膜被嵌入到所述鐵磁參考層中。
全文摘要
一種電流垂直平面(CPP)巨磁阻(GMR)傳感器(700/800)，其具有嵌入到一鐵磁參考層(710)中的一復(fù)合薄膜(708)或者嵌入到一鐵磁保有層(804)中的一復(fù)合薄膜(806)。通過從一鐵磁金屬靶和一非磁性氧化物靶同時或順序地濺射來淀積該嵌入式復(fù)合薄膜。鐵磁金屬靶和非磁性氧化物靶的不同濺射功率產(chǎn)生鐵磁金屬相和非磁性氧化物相的不同體積份額。通過仔細(xì)調(diào)整這些體積份額，該CPP GMR傳感器(700/800)的結(jié)電阻和面積的乘積可以被微調(diào)到一設(shè)計值因而提供用于超高密度磁記錄的CPP GMR傳感器(700/800)的最佳讀性能。
文檔編號G11B5/33GK1619648SQ200410074888
公開日2005年5月25日 申請日期2004年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月29日
發(fā)明者林·特桑 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司