[发明专利]自旋阀磁电阻元件及应用该元件的磁存贮系统

说明书

本发明涉及一种以自旋阀效应为基础来感应磁场的磁电阻(MR)传感器以及制造这种传感器的方法和含有这种传感器的磁存贮系统。

磁电阻传感器根据由磁性材料制成的读出元件的磁电阻变化对磁场信号进行检测，磁电阻是被读出元件检测的磁通量的强度和方向的函数。常规的磁电阻传感器是根据读出元件的磁电阻分量随读出元件的磁化强度和通过该读出元件检测电流的方向夹角余弦的平方而变化的各向异性的磁电阻效应(AMR)进行工作的。记录的数据可以从一个磁载体中读出，因为来自于被记录的磁载体(信号场)的外部磁场引起读出元件磁场方向的变化，磁场方向的变化又引起读出元件的阻抗和相应的被检测的电流和电压的变化。

另一种不同的并且更显著的被称为巨磁电阻(GMR)的磁电阻在各种磁多层结构中被观察到，其主要特征是具有至少被非铁磁金属层分开的两个铁磁金属层。这种巨磁阻效应已在多种系统中发现，例如铁/铬或钴/铜多层系统，象在磁场沿着两个铁磁层中被固定或锁住的一层方向的基本非耦合层状结构中的情况一样，显示了很强的对铁磁层的反铁磁性耦合特性。在所有结构中，物理变化的原因都是相同的：外部磁场的作用引起了相临铁磁层磁化的相对方向变化，这又引起与自旋相关的传导电子的扩散变化，从而导致这一结构电子阻抗的变化。因此，这个结构的阻抗随着这个铁磁层磁化相对方向的变化而变化。

巨磁阻的一个特别有用的用途是三明治结构，包括由一个非磁性铁垫圈层隔开的两个基本非耦合铁磁层，铁磁层中一层的磁化方向被固定。这种固定可以通过把这个铁磁层固定么一个反铁磁性的铁-锰层上，以使这两个相临层相互耦合实现。没有固定或“自由”的铁磁层也可能将其延展部位(即位于中央活跃感应区的任意一边上的自由层部份)予以固定，但其方向与被固定层的磁化方向垂直，这样只有自由层中央活跃区的磁化强度随外部场的变化而自由变化。自由层延伸的磁化强度也可以通过相互耦合到一个反铁磁层而固定。但是，用在这里的反铁磁性材料必须与用在固定层的铁-锰反铁磁性材料不同，产生的这种结构是一个自旋阀(SV)磁阻传感器，其中只有自由铁磁层随着外部磁场的变化而任意变化。授予IBM的美国专利5159513公开了一个传感器，其中铁磁层至少有一层含有钴或一种钴合金，并且通过使固定的铁磁层和一个反铁磁层相互耦合使外部作用磁场为零而使这两个铁磁层的磁化方向大体保持互相垂直。同样是授予IBM的美国专利5206590公开了一个基本自旋阀传感器，其自由层是一个具有中央活跃区和终止区的连续薄膜，自由层的终止区通过相互耦合到一种反铁磁性材料而相互施加偏压，固定层通过相互耦合到一个不同类型的反铁磁性材料而被固定。在590专利中描述的自旋阀传感器存在难以生产制造的缺点。如果使用相减生产技术，很难对传感器的顶层和到自由层进行精确的分解而又不危及或使自由层变薄。自由层也可是几层的组合，包括厚度只有几埃的薄层，因此自由层状结构的顶层在分解时可能是危险的。如果使用相加生产技术，不可能在一种真空过程中叠放全部的自旋阀层以使自由层和隔离层界面的完整性得到妥善解决。

1993年7月13日提交的相关申请08/090714描述了一个巨磁阻传感器，在那里由于终止区被反铁磁层纵向施加了偏压，磁阻元件有与中央传感区相连的不连续的终止区。

本发明的目的在于提供一种具有用于与反铁磁层相耦合的端部区域被改进的自由铁磁层的自旋阀传感器(下文中亦称为“SV传感器)”，制造该传感器的方法以及包含该传感器的磁记录系统。

在本发明公开的改进的SV传感器、制造该传感器的方法以及包含该传感器的磁记录系统中，SV传感器中的自由铁磁层只在传感器的中央活跃感应区域存在，它有一个与端部区域相临的明确边界。端部区域由一个铁磁层和一个反铁磁层形成，位于端部区域的铁磁层与传感器中央活跃区域的自由层绝然不同。这些铁磁层并不需要具有相同的组成、厚度或磁矩。最好是由镍-锰合金制成的反铁磁材料层在端部区域的铁磁材料上形成，并与其相接触，用于与端部区域相互耦合以给它们提供磁化的纵向偏压。SV传感器中的固定铁磁层通过与反铁磁材料的不同层相互耦合来定位，这个反铁磁材料最好是铁-锰合金，该铁磁材料与位于端部区域的反铁磁材料具有完全不同的奈尔温度。