專利名稱：利用薄釕間隔層和高磁場退火的增強反平行被釘扎傳感器的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及且特別涉及利用在高磁場中退火的超薄釕(Ru)合金間隔層提高反平行(AP)被釘扎巨磁致電阻(GMR)和隧穿磁致電阻(TMR)傳感器的釘扎強度的改進的系統、方法和設備。
背景技術：
用于硬盤驅動器的磁記錄頭的自旋閥型巨磁致電阻薄膜具有包括多個層或薄膜的多層膜結構。這些層包括反鐵磁層、固定磁化層、非磁導電層、以及自由磁化層。在自旋閥型巨磁致電阻薄膜的多層膜結構中，非磁導電層形成在固定磁化層與自由磁化層之間從而二者被非磁導電層隔離開。另外，由于使得反鐵磁層與固定磁化層相鄰，所以固定磁化層的磁矩通過與反鐵磁層的交換耦合被固定在一個方向上。另一方面，自由磁化層的磁矩根據外磁場而自由轉動。
自旋閥型巨磁致電阻薄膜產生所謂的“巨磁致電阻效應”，或者由于固定磁化層的磁矩與自由磁化層的磁矩形成的相對角而導致的電阻的改變。由于巨磁致電阻效應而導致的電阻變化的比率被稱為“磁致電阻率”(MR率)。自旋閥型巨磁致電阻薄膜的MR率遠高于常規各向異性磁致電阻薄膜的MR率。
存在三種類型的自旋閥型巨磁致電阻薄膜。第一類型公知為“底型”且從襯底側起包括以所列順序堆疊的緩沖層、反鐵磁層、固定磁化層、非磁導電層、自由磁化層、以及保護層。第二類型公知為“頂型”且包括以所列順序的襯底、緩沖層、自由磁化層、非磁導電層、固定磁化層、反鐵磁層、以及保護層。第三類型公知為“雙型(dual type)”且包括以所列順序的襯底、緩沖層、第一反鐵磁層、第一固定磁化層、第一非磁導電層、自由磁化層、第二非磁導電層、第二固定磁化層、第二反鐵磁層、以及保護層。
已經提出以合成鐵磁結構替代單層固定磁化層的薄膜，所述合成鐵磁結構具有固定磁化層元件、非磁層、以及固定磁化層元件。此外，自由磁化層也有單層結構和多層結構。在多層結構的自由磁化層和固定磁化層中，全部層為磁膜，但是有時候疊置不同的磁膜或者使用其間置有非磁膜的夾層結構。
自旋閥型巨磁致電阻薄膜的巨磁致電阻效應歸因于傳導電子在多層膜的堆疊界面處的自旋相關散射。因此，為了獲得高MR率，在自旋閥膜的制造過程中界面的清潔或平坦變得重要。因此，在自旋閥型巨磁致電阻薄膜中，為了實現界面的清潔或平坦，膜經常在相同真空室內連續形成從而一層與另一層的形成之間的間隔變得盡可能短。
用于在真空中形成膜的技術包括磁控濺射、離子束濺射、電子回旋共振(ECR)濺射、對靶濺射、高頻濺射、電子束蒸鍍、電阻加熱蒸鍍、分子束外延(MBE)等。
為了獲得高MR率，非磁導電層的厚度應較小從而抑制不對巨磁致電阻效應作貢獻的傳導電子的流動(分流效應(shunt effect))。然而，如果使得非磁導電層的厚度較小，則固定磁化層和自由磁化層將通過非磁導電層鐵磁性耦合。對于硬盤驅動器的磁記錄頭的實際使用而言固定磁化層與自由磁化層之間的層間耦合磁場應較小。過去，為了減小層間耦合磁場，非磁導電層的厚度被設定為2.5至3.5nm。
已經提出了通過將尺寸不大于1nm的納米氧化物層插入到底型自旋閥膜中的固定磁化層中來減小發生在固定磁化層與自由磁化層之間的鐵磁耦合的技術。結果，即使使用薄的(2.0至2.5nm)非磁導電層也獲得了較小的層間耦合磁場且獲得了高MR率。即，在常規自旋閥型巨磁致電阻薄膜中，非磁導電層的厚度被設定得厚(2.5至3.5nm)從而減小層間耦合磁場，但出現了不對巨磁致電阻效應作貢獻的傳導電子的流動(分流效應)和MR率被減小的問題。另外，在形成上述納米氧化物層的過程中，在固定磁化層的形成中氧化步驟變為必需。氧化步驟復雜且可重復性差。因此，期望改進的技術方案。
發明內容
本發明公開了用于提高反平行被釘扎傳感器的反平行耦合強度的系統、方法和設備的實施例。本發明包括諸如GMR或TMR傳感器的反平行被釘扎傳感器，其具有純釕或釕合金間隔層。間隔層的厚度小于0.8nm，優選在0.1和0.6nm之間。間隔層還在1.5特斯拉或更高的磁場中退火。在一個實施例中，磁場是5特斯拉或更高。本發明產生意想不到的結果，是利用0.8nm厚且在約1.3特斯拉的較低磁場中退火的釕間隔層的普通AP被釘扎GMR和TMR傳感器的釘扎場的三倍以上。
結合附圖和所附權利要求，通過下面對本發明的詳細描述，對本領域技術人員來說本發明的前述和其它目的和優點將更加明顯。
為了獲得并詳細理解其中本發明的特征和優點以及其它將變得明顯的方式，上面簡略概括的本發明的更具體的描述可參照附圖所示的其實施例來得到，附圖構成本說明書的一部分。然而，應注意，附圖僅示出本發明的實施例，因此不應認為限制了本發明的范圍，因為本發明可容許其它等價的有效實施例。
圖1是用于盤驅動器中磁記錄頭的底型自旋閥型巨磁致電阻薄膜的多層結構的示意性截面圖；圖2是根據本發明構造的傳感器的各種實施例的間隔層厚度與釘扎場強度的關系曲線；圖3是根據本發明的方法的高層次流程圖；圖4是根據本發明構造的硬盤驅動器的示意圖。
具體實施例方式
參照圖1，示出了多層膜的底型自旋閥型巨磁致電阻(GMR)薄膜的多層結構的一個實施例。根據多層結構的此實施例，Ta(3nm)/NiFe(2nm)/PtMn(12nm)/CoFe(1.8nm)/Ru/CoFe(2.8nm)/Cu(2.2nm)/CoFe(1.5nm)/NiFe(2.5nm)/Cu(1nm)/Ta(3nm)以所列順序從襯底25側順序疊置。層中括號內給出的數字值是以納米(nm)為單位的層厚度。本領域技術人員將理解這些數字值以示例形式給出且用于對本發明一實施例的參考。本發明不限于這些值。
在本發明一實施例中，Ru膜或間隔層小于0.8nm厚，優選在0.1和0.6nm的范圍之間。Ru間隔層還在大于1.5特斯拉且在一實施例中大于5特斯拉的高磁場中退火。在再一實施例中，間隔層在5至10特斯拉的磁場中退火。
在此多層結構中，Ta(3nm)和NiFe(2nm)是緩沖層41，PtMn(12nm)是反鐵磁層42，CoFe(1.8nm)、Ru、以及CoFe(2.8nm)是固定磁化層(合成鐵磁結構)43，Cu(2.2nm)是非磁導電層44，CoFe(1.5nm)和NiFe(2.5nm)是自由磁化層45，Cu(1nm)自旋過濾器(spin filter)46，Ta(3nm)是保護層47。這些層可在一個或更多膜形成室中形成。等離子體處理在膜形成步驟中適當地進行。當進行等離子體處理時，在所需界面處膜形成被暫時中斷，襯底25被傳送到等離子體處理室用于等離子體處理。
現在參照圖2，示出了對于根據本發明構造的傳感器(例如磁傳感器)的四個實施例，間隔層厚度與釘扎場強度的關系曲線。曲線21示出純釕間隔層的性能，曲線23是具有9.2％的CoFe釕合金的性能，曲線25是具有27.9％的CoFe的釕合金的性能，曲線27是具有33.6％的CoFe的釕合金的性能。對于這些實施例中的每一個，在小于0.8nm的間隔層厚度處釘扎場的強度明顯增加，在小于0.6nm的厚度處顯著增加。
現在參照圖3，示出了描繪本發明的方法的一個實施例的簡化的高層次流程圖。例如，該方法如所示地始于步驟301，且提高反平行被釘扎傳感器的反平行耦合強度。該方法包括提供具有小于0.8nm的厚度的釕間隔層，如步驟303所示；形成具有釕間隔層的反平行被釘扎傳感器(步驟305)；以及在1.5特斯拉或更高的磁場中退火釕間隔層(步驟307)。該反平行被釘扎傳感器可選自包括GMR和TMR傳感器的組。該釕間隔層可包括純釕、或者與例如Co、Fe、CoFe、和/或其它類似類型的金屬形成的釕合金。在一實施例中，釕間隔層的厚度在0.1nm和0.6nm之間且磁場大于5特斯拉。
現在參照圖4，本發明的一個實施例提供在用于計算機系統的磁硬盤存儲器或驅動器111中。驅動器111具有外殼或基座113，其容納至少一個磁盤115。盤115被具有中心驅動軸(hub)117的心軸(spindle)馬達組件旋轉。致動器121包括圍繞樞軸組件123樞轉地安裝到基座133的梳(comb)形式的多個平行致動臂125(示出一個)。控制器119也安裝到基座113用于選擇性相對于盤115移動臂125的梳。
在所示實施例中，每個臂125具有從其延伸的至少一個懸伸的負載梁(load beam)和懸臂127。磁讀/寫換能器(transducer)或頭(裝備有上述傳感器)安裝在滑塊129上且固定到柔性安裝于每個懸臂127的撓曲部件(flexure)上。讀/寫頭從盤115磁性地讀數據和/或向其磁性地寫數據。所謂頭萬向組件的集成的水平在于頭和滑塊129，其安裝在懸臂127上。滑塊129通常被結合到懸臂127的端部。頭通常是皮的大小(pico size)(約1250×1000×300微米)且由陶瓷或金屬間化合(intermetallic)材料形成。頭還可為飛的大小(femto size)(約850×700×230微米)且通過懸臂127倚著盤115的表面預裝載(在2至10克范圍內)。
懸臂127具有類似彈簧的性質，其將滑塊129的氣墊面偏置或壓向盤115從而能夠在滑塊129與盤表面之間產生氣墊膜(air bearing film)。收納在傳統音圈馬達磁體組件134(頂極未示出)中的音圈133也被安裝于臂125與頭萬向組件背離。致動器121通過控制器119的移動(由箭頭135表示)使頭萬向組件跨過盤115上的道徑向移動直到該頭停留在其各自的目標道上方。頭萬向組件以傳統方式運行且總是彼此一致地移動，除非驅動器111使用其中臂能夠彼此獨立地移動的多個獨立的致動器(未示出)。
盡管僅以其一些形式顯示和描述了本發明，但是對于本領域技術人員來說顯然的是，本發明不局限于此，而是在不偏離本發明范圍的情況下易于進行各種變化。
權利要求
1.一種提高傳感器的耦合強度的方法，該方法包括(a)提供具有小于0.8nm的厚度的釕間隔層；(b)形成具有所述釕間隔層的傳感器；以及(c)在1.5特斯拉或更高的磁場中退火所述釕間隔層。
2.如權利要求1所述的方法，其中該傳感器是反平行被釘扎傳感器。
3.如權利要求1所述的方法，其中該傳感器選自包括GMR和TMR傳感器的組。
4.如權利要求1所述的方法，其中該釕間隔層是釕合金。
5.如權利要求1所述的方法，其中該釕間隔層是純釕。
6.如權利要求1所述的方法，其中該釕間隔層的厚度在0.1和0.6nm之間。
7.如權利要求1所述的方法，其中該磁場大于5特斯拉。
8.如權利要求1所述的方法，其中該磁場為5至10特斯拉。
9.一種提高反平行被釘扎傳感器的反平行耦合強度的方法，該方法包括(a)提供具有小于0.8nm的厚度的釕間隔層；(b)形成具有所述釕間隔層的反平行被釘扎傳感器；以及(c)在1.5特斯拉或更高的磁場中退火所述釕間隔層。
10.如權利要求9所述的方法，其中該反平行被釘扎傳感器選自包括GMR和TMR傳感器的組。
11.如權利要求9所述的方法，其中該釕間隔層是釕合金。
12.如權利要求9所述的方法，其中該釕間隔層是純釕。
13.如權利要求9所述的方法，其中該釕間隔層的厚度在0.1和0.6nm之間。
14.如權利要求9所述的方法，其中該磁場大于5特斯拉。
15.如權利要求9所述的方法，其中該磁場為5至10特斯拉。
16.一種硬盤驅動器，包括磁盤；致動器，其具有用于從該盤讀數據且向其寫數據的頭，該頭包括具有釕間隔層的反平行被釘扎傳感器，該釕間隔層具有小于0.8nm的厚度，且該釕間隔層經受1.5特斯拉或更高磁場下的退火處理。
17.如權利要求16所述的硬盤驅動器，其中該反平行被釘扎傳感器選自包括GMR和TMR傳感器的組。
18.如權利要求16所述的硬盤驅動器，其中該釕間隔層是釕合金。
19.如權利要求16所述的硬盤驅動器，其中該釕間隔層是純釕。
20.如權利要求16所述的硬盤驅動器，其中該釕間隔層的厚度在0.1和0.6nm之間。
21.如權利要求16所述的硬盤驅動器，其中該磁場大于5特斯拉。
22.如權利要求16所述的硬盤驅動器，其中該磁場為5至10特斯拉。
全文摘要
本發明提供具有間隔層的反平行被釘扎傳感器，所述間隔層提高了該傳感器的反平行耦合強度。該反平行被釘扎傳感器是GMR或TMR傳感器，其具有純釕或釕合金間隔層。間隔層的厚度小于0.8nm，優選在0.1和0.6nm之間。間隔層還在1.5特斯拉或更高且優選大于5特斯拉的磁場中退火。該設計產生意想不到的結果，是利用0.8nm厚且在約1.3特斯拉的較低磁場中退火的釕間隔層的普通AP被釘扎GMR和TMR傳感器的釘扎場的三倍以上。
文檔編號H01F10/32GK1815561SQ20061000518
公開日2006年8月9日 申請日期2006年1月13日 優先權日2005年2月1日
發明者李文揚, 李晉山, 丹尼爾·莫里, 西岡浩一, 田島康成 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司