專利名稱:改進的自旋閥熱穩定性的制作方法
技術領域:
本發明的技術領域總體上涉及直接存取數據存儲。更具體地說,本發明涉及用于磁頭內的基于GMR的SV傳感器的改進熱穩定性。
硬件系統通常包括記憶存儲裝置,記憶存儲裝置具有可從其上讀寫數據的介質。經常使用包含旋轉磁盤的直接存取存儲裝置(DASD或磁盤驅動器)用于以磁形式存儲數據。當寫入數據時,磁頭在旋轉的磁盤上記入同心的、輻射狀劃分的信息磁道。磁頭通常還包括讀出傳感器,從磁盤表面的磁道上讀出數據。
在高容量磁盤驅動器中,磁阻(MR)讀出傳感器,作為MR磁頭的規定結構,可以比薄膜磁頭更高的線密度讀出存儲的數據,MR磁頭通過其MR傳感器的電阻變化探測磁場。MR傳感器的電阻作為從旋轉的磁盤發出的磁通方向的函數而變化。
一種類型的MR傳感器,被稱為巨磁阻(GMR)效應傳感器,利用了GMR效應。在GMR傳感器中,MR傳感器的電阻隨著來自旋轉的磁盤的磁通方向而改變,并且是由非磁性層(通常稱為隔離層)隔開的磁性層之間與自旋有關的導電電子傳輸,以及伴隨的發生于磁性與非磁性層交界處的磁性層內與自旋有關的散射的函數。
使用由GMR提升非磁性材料層隔開的僅有兩個磁性材料層的GMR傳感器通常稱為自旋閥(SV)傳感器。在SV傳感器中,磁性層中的一層,稱作固定層,通過交換耦合于一個反鐵磁性層而使其磁化被“釘住”。由于與固定層有關的相對較高的內部各向異性場,固定層的磁化方向通常不由旋轉磁盤發出的磁通線旋轉。而另一個磁性層(通常稱作自由層)的磁化方向相對于由旋轉磁盤發出的磁通線而自由旋轉。
圖1示出現有技術SV傳感器結構100,它包括在基底層101上形成的籽氧化層102。籽氧化層102幫助適當形成自由磁性層103的微結構。注意到自由磁性層103可能是具有兩個或更多的磁性層(例如,層103a,103b)的多層結構。非磁性隔離層104與固定層105形成于自由磁性層103之上。最后,用于固定固定層105的磁化方向的反鐵磁性(AFM)層106,形成于固定層105之上。
諸如或類似于圖1所示結構帶來的問題為,一次或多次高溫退火(通常在制造條件下實施)之后磁阻效應降低。圖2以退火溫度的函數示出了MR效應的降低,它是對類似于圖1的一個具體的SV傳感器結構觀察到的。因此需要一種呈現改進了MR效應下降的、又有其他合理優點的結構。
一種裝置,包括氧化層,氧化層之上的磁性阻擋層,以及磁性阻擋層之上的磁性層。該磁性阻擋層具有阻止磁性層與氧化層之間發生反應的厚度。
本發明通過實例闡明而不局限于附圖中的形式,附圖中相同標記指示相同部件,其中圖1示出了現有技術SV傳感器。
圖2示出指示有關現有技術SV傳感器的溫度不穩定性的數據,諸如圖2所示。
圖3示出了糾正圖2的溫度不穩定性的一種SV結構的實施例。
圖4示出了由圖3的SV結構獲得的溫度穩定性的改進。
圖5示出了磁性阻擋層厚度對圖3的SV結構的MR效應的影響。
圖6示出了磁盤和驅動臂。
圖7示出了空氣軸承表面。
圖8示出了直接存取存儲裝置。
一種裝置,具有氧化層,氧化層之上的磁性阻擋層,以及磁性阻擋層之上的磁性層。磁性阻擋層具有阻止磁性層與氧化層之間發生反應的厚度。
根據以下教導可以實現本發明的這些以及其他實施例,并且應當清楚,在以下教導中可以進行各種修改與變化而不偏離本發明較廣泛的精神與范圍。因而,說明書與附圖應認作說明性的而非限制性的,且本發明僅由權利要求書限定。
在圖1的現有技術中,自由磁性層103為多層結構,具有Ni82Fe18的第一層103a和Co90Fe10的第二層103b。103a、103b每一層的厚度磁矩分別對應Ni82Fe18的45與15。即由于Co90Fe10的每單位體積磁矩大約是Ni82Fe18的每單位體積磁矩的1.75倍,Co90Fe10層103b的實際厚度約為8.6(15/1.75=8.6),而Ni82Fe18層103a,如上所述,為45厚。非磁性阻擋層104為24厚銅(Cu)層,固定層105為具有等效于Ni82Fe18的27的磁矩的Co90Fe10層。反鐵磁性(AFM)層106為80的IrMn。結構100被50的鉭所覆蓋。
圖2所示MR效應的降低,被認為是作為在高溫退火期間Ni82Fe18層103a與氧化籽層102之間反應的結果而發生的。一種理論認為籽層102促使與Ni82Fe18層103a有關的Fe原子的氧化。由此,Ni82Fe18層103a可能促進或者說不能阻止其與籽層102的反應。
這可能導致在籽層102/自由層103交界處附近或自由層103內有大量相對非磁性的材料,自由層103內有大量鐵氧體材料,或自由層103內不希望的微結構改變。任何這些機制對自由層103的影響可能導致降低磁阻性能和/或降低磁矩,這可以解釋圖2所觀察到的降低。
為減小圖2所觀察到的降低而采取的方法為,在籽層102之后放置一個磁性阻擋層。圖3示出了該結構。注意到由于阻擋層303c是磁性的,它可以看作是自由層303的一部分。由此,圖3所示的實施例中,自由層303為具有磁性阻擋層303c,和類似于圖1的103a、103b層的兩個層303a、303b的多層結構。
類似于圖1,層303a、303b分別是Ni82Fe18和Co90Fe10。然而,為了保持自由層103、303的磁矩大致相同,Ni82Fe18層303a的厚度相對于圖1的Ni82Fe18層103a有所減小,即由于阻擋層303c是磁性的,它的存在將加進自由層303的總磁矩中。
為了保持圖3結構300的SV傳感器的自由層303的磁矩與圖1的結構100的SV傳感器的自由層103的磁矩大致相同,圖3的Ni82Fe18層303a的厚度對應圖1的Ni82Fe18層103a的厚度根據下面等式推出
MdNiFe303a=MdNiFe103a-MdCoFe303c式1其中Md對應每一指示層的總磁矩。M為材料每單位體積的磁矩,d為層的厚度,其中為簡單起見而假定每一層的橫截面積相同。
在對應圖3的一個實施例中,磁性阻擋層303c為Co90Fe10薄層(3),3的Co90Fe10對應于大約5的Ni82Fe18的磁矩。由此,根據式1,圖3的Ni82Fe18層303a的厚度為40(相對于圖1所示45厚的層103a)。以下緊接著討論所觀察到的圖1的100與圖3的300兩個結構的MR效應的對比。
圖4示出了對圖3的SV結構300觀察到的MR效應穩定性的改進。為對比的目的,圖3還包括原先圖1觀察到的趨勢曲線411。在232C經過11小時的退火后,圖1的SV結構100對比于其退火步驟前的MR效應值呈現出15.8%的MR效應損失。然而圖3的SV結構300只呈現11%的MR效應下降。類似地,經過6小時270C退火周期,結構100的MR效應下降20%,而結構300的MR效應只下降15%。
對圖4中觀察到的數據,一種可能的解釋為圖3的Co90Fe10層303c阻止或者說降低了Ni82Fe18層303a與氧化籽層302之間的反應。另一種可能的理論為Co90Fe10層303c起到一種籽層的作用,促進自由層303(在其形成或退火期間)內的微結構對MR效應更加有利(例如,<111>晶向晶粒)。
由此,一種具有磁性阻擋層303c的結構(例如圖3的結構300)的磁特性(尤其是MR效應)比沒有磁性阻擋層的結構(例如直接暴露Ni82Fe18層103a于氧化籽層102的結構100)顯得更有熱穩定性。其中,磁性阻擋層303c具有一種或多種特性1)阻礙氧化層103與磁性層(諸如圖3的基于Ni82Fe18的磁性層303a)之間的氧化反應;2)在生長或退火期間促進或保持自由層303的微結構有利于MR效應。于是,磁性層303a被這樣定位,即使得磁性阻擋層303c在氧化層302與磁性層303a之間。
如上所述,在一個實施例中,圖3中結構300的Co90Fe10磁性阻擋層303c為具有大約3厚度的薄層。圖5表示出磁性阻擋層303c的厚度對圖3的結構300的MR效應的影響。注意到這些厚度為實際厚度,而不是有效Ni82Fe18磁矩厚度。
如圖5所示,MR效應隨著磁性阻擋層303c的厚度而增加直到厚度達到5,然后開始有起伏。回來參見圖3,這可能表明Co90Fe10磁性阻擋層303c可用來完全代替自由層303中的Ni82Fe18層303a。
現在,業界認識到應當在自由層303中使用呈現減小了各向異性的磁性材料。這使自由層303磁矩的方向主要受來自磁盤的磁通線而不是自由層303的晶格結構的有力影響。由此,通常在自由層303內使用具有低Hc和Hk的軟磁特性的各向同性的晶格結構(諸如與Ni82Fe18有關的立方晶格結構)。
由于純Co通常為六方晶而非立方晶,因而純Co典型地呈現高磁晶各向異性。Co基合金可同樣呈現高各向異性。因此,如果在減小Ni82Fe18的厚度的同時,Co90Fe10磁性阻擋層303c持續增加厚度超過15,會觀察到對自由層303對來自旋轉磁盤磁通線的響應的不利影響。
然而,薄層Co90Fe10(還有其他Co基合金薄層)可能最好地保證了自由層303內的軟磁特性(如與立方晶粒有關的)。然而,磁性阻擋層303c的厚度最小地應當足夠以可接受的程度消除氧化層302與磁性層303c之間的任何反應。或者,厚度應當適合于微結構,諸如立方晶結構,使得促進自由層303對磁盤相關磁場的敏感性。
使用具有1×10-8乇的基礎壓力和1-2×10-4乇的淀積室壓力的基于氙氣的離子束濺射,以形成上述特定結構。在均勻施加的磁場(以膜面方向)下淀積所述膜以便適當定向膜的磁化。
重要的是應注意到氧化層302可以是MR結構內使用的任何氧化層302,尤其是,諸如NiMgO2,NiMnO以及Al2O3。另外,除Co90Fe10外,也可以使用其他可能的Co合金磁性阻擋層303c材料。
注意到根據本領域技術人員的水平,實施例使用的CoFe和NiFe并不僅限于Co90Fe10和Ni82Fe18。即按照總的公式CoxFex-1和NixFex-1元素百分比可以改變。隔離層304、固定層305和反鐵磁性層306的材料可以是任何可用于形成SV傳感器的由本領域技術人員可獲得的材料。
參見附圖,其中相同標記指示幾張圖中相同或近似部件,圖6-8示出了磁盤驅動器30。驅動器30包括主軸32,其用于支持和旋轉磁盤34。主軸32通過馬達36轉動,馬達36由馬達控制器38控制。浮動塊42帶有一個組合讀寫磁頭40,由懸浮體44和驅動臂46支撐。如圖8所示的大容量直接存取存儲器(DASD)可以應用多個磁盤、浮動塊和懸浮體。懸浮體44和驅動臂46定位浮動塊42以便磁頭40與磁盤34表面處于傳感關系。當磁盤34被馬達36旋轉時,浮動塊被支撐于磁盤34表面與空氣軸承表面(ABS)48間的一層薄(通常0.05mm)空氣墊上(空氣軸承)。磁頭40于是可以用來向磁盤34表面多重圓形磁道上寫入信息,以及從其上讀出信息。處理電路50與磁頭40交換代表這些信息的信號,提供馬達驅動信號用于旋轉磁盤34,以及提供用于移動浮動塊至各個磁道的控制信號。
權利要求
1.一種裝置,包括a)氧化層;b)所述氧化層上的磁性阻擋層;以及c)所述磁性阻擋層上的磁性層,所述磁性阻擋層具有阻止所述磁性層與所述氧化層之間的反應的厚度。
2.根據權利要求1的裝置,其中,所述磁性阻擋層為Co合金。
3.根據權利要求2的裝置,其中,所述磁性阻擋層進一步包括CoxFex-1。
4.根據權利要求3的裝置,其中,所述磁性阻擋層進一步包括Co90Fe10。
5.根據權利要求1的裝置,其中,所述磁性阻擋層小于15。
6.根據權利要求4的裝置,其中,所述磁性阻擋層小于5。
7.根據權利要求1的裝置,其中,所述磁性阻擋層的厚度在高溫退火期間阻止所述磁性層與所述氧化層之間的反應。
8.根據權利要求1的裝置,其中,所述氧化層,所述磁性阻擋層以及所述磁性層為在MR自旋閥磁頭之內的層。
9.一種裝置,包括a)直接存取外存儲器,具有用于存儲數據的磁盤,所述磁盤位于接近用于從所述磁盤讀出所述數據的磁頭。b)所述磁頭內的磁阻結構,所述磁阻結構具有氧化層,所述氧化層上的磁性阻擋層,以及c)所述磁性阻擋層上的磁性層,所述磁性阻擋層具有阻止所述磁性層與所述氧化層之間的反應的厚度。
10.據權利要求9的裝置,其中,所述磁性阻擋層為Co合金。
11.根據權利要求10的裝置,其中,所述磁性阻擋層進一步包括CoxFex-1。
12.根據權利要求11的裝置,其中,所述磁性阻擋層進一步包括Co90Fe10。
13.根據權利要求9的裝置,其中,所述磁性阻擋層小于15。
14.根據權利要求9的裝置,其中,所述磁性阻擋層小于5。
15.根據權利要求9的裝置,其中,所述磁性阻擋層的厚度在高溫退火期間阻止所述磁性層與所述氧化層之間的反應。
16.根據權利要求9的裝置,其中,所述氧化層,所述磁性阻擋層以及所述磁性層為在MR自旋閥磁頭之內的層。
全文摘要
一種裝置,具有氧化層,氧化層上的磁性阻擋層以及磁性阻擋層上的磁性層。磁性阻擋層具有阻止磁性層與氧化層之間的反應的厚度。
文檔編號G11B5/00GK1309385SQ00134869
公開日2001年8月22日 申請日期2000年12月5日 優先權日1999年12月6日
發明者穆斯塔法·皮納巴斯 申請人:國際商業機器公司