[发明专利]自旋阀磁致电阻传感器以及使用此传感器的磁记录系统

说明书

本发明一般涉及基于自旋阀效应用于探测磁场的磁致电阻(MR)传感器，尤其是涉及这种具有层叠的反平行钉扎层和用于对钉扎层钉扎的改进的反铁磁交换耦合层的传感器，并涉及装有这种传感器的磁记录系统。

传统的磁致电阻(MR)传感器，例如用于磁记录盘驱动器的、基于各向异性磁致电阻效应而工作，其中读出单元电阻分量随读出单元磁化方向与流过读出单元的传感器电流方向之间的夹角余弦平方而变化。由于来自记录的磁介质(信号场)的外磁场引起读出单元中磁化方向改变，随后引起读出单元电阻改变以及引起探测到的电流或电压相应地改变，所以能从磁介质读出记录的数据。

在各种磁多层结构中观察到一种不同的显著磁致电阻，称之为巨磁电阻(GMR)，其基本特征是至少两层铁磁性金属层由非铁磁性金属层所分隔。GMR效应的物理基础是外磁场引起相邻铁磁性层相对取向变化。由此引起与自旋相关的传导电子散射改变以及结构电阻改变。随着铁磁性层磁化相对排列的变化，结构电阻也产生变化。

GMR特别有用的一种应用是包括两层由非磁性金属层隔开的非耦合铁磁性层的夹层结构，其中铁磁性层之一的磁化被钉扎。通过把该层淀积在反铁磁层，例如铁—锰(Fe—Mn)层上，使两层交换耦合，可以实现钉扎。结果使得自旋阀磁致电阻(SVMR)传感器中，当存在任何小的外磁场时，只有未被钉扎的或自由铁磁性层能自由转动。属于IBM的美国专利5206590公开了一种基本的SVMR传感器。属于IBM的未审结的申请No.081139477，1993年10月15日申请的，描述了一种SVMR传感器，钉扎层是两层铁磁膜被非磁性耦合膜所隔开的层叠结构，以使两层铁磁性膜的磁化以反平行取向反铁磁性地强耦合在一起。

多数早期公开的SVMR传感器使用Fe-Mn、特别是Fe₅₀Mn₅₀作为淀积在钉扎层上的反铁磁性层，用来交换耦合以此固定或钉扎被钉扎层的磁化。通过与Fe-Mn反铁磁体的交换各向异性，该钉扎层的磁化被保持刚性以抵抗弱场激励，例如由待探测的信号场产生的。Fe-Mn以0.08erg/cm²的界面能量与镍-铁(Ni-Fe)、钴(Co)和铁(Fe)耦合，由此能提供超过200奥斯特(Oe)的交换偏磁场，用于典型的钉扎层磁矩。此交换能量对提供相当稳定的SVMR传感器是足够的。但是，由于Fe-Mn腐蚀特性较差，所以希望开发腐蚀特性较好的SVMR。有多种腐蚀特性优于Fe-Mn的反铁磁体选择物，可用于SVMR传感器。但是，这些耐蚀反铁磁性材料或是交换各向异性过小，或是在交换偏磁钉扎层中产生过高的矫顽力。在SVMR中使用氧化镍(NiO)替代Fe-Mn已公开于Journalof the Magnetism Society of Japan，H.Hoyashi等，Vol.18，p.355(1994)和IEEE Transactions on Magnetics，T.C.Anthony等，Vol.MAG-30，p.3819(1994)。但是，只有约100Oe的交换偏磁场，这对于SVMR传感器应用来说太低了。而且，NiO导致对于单层钉扎层相对高的50Oe左右的矫顽力。这种低的交换场和高矫顽力的组合是不能接受的，因为钉扎层对于中等场强的使用是不稳定的，包括由钉扎层自身产生的退磁场。

多数早期公开的SVMR传感器也有位于底部的自由层或者与在顶部带有钉扎层的传感器基片相邻。由于用于磁记录盘驱动器的SVMR读取传感器需要以窄的磁轨宽度用于磁性介质上，为了抑制磁畴噪声，需要其有掺杂的自由层纵向偏磁的SVMR传感器结构。一种提出的方案要求自由层位于结构顶部，并在底部有钉扎层或者与传感器基片相邻。但是，由于各层相互如何生长的差别，不能仅改变自旋阀层的淀积次序而获取相同的膜特性。所有的SVMR传感器均在自由层和钉扎层之间存在由例如静磁相互作用、膜中的钉扎孔和电子效应引起的中间层交换耦合场(Hi)。期望具有通常低Hi的SVMR传感器。然而，具有位于底部的钉扎层的SVMR传感器要求较薄的Fe-Mn层(如由90替换150)以此获取低于25 Oe左右的Hi。但是这些较薄的Fe-Mn层是不希望的，这是因为它们具有低的闭塞温度(例如130℃，与160℃相比)。闭塞温度是这样的一个温度，若高于它，则Fe-Mn反铁磁层与铁扎层之间的交换场就为零。