粒狀多層磁致電阻器件的制造方法技術

一種磁致電阻讀出傳感器包括一個粒狀多層傳感元件，該元件包含多層嵌入非磁性導電材料中的大體上扁平的鐵磁性材料顆粒。一個由隔離層隔開磁致電阻傳感元件的偏磁層提供一個磁場，以便把磁致電阻傳感元件偏置于想要的無信號點。鐵磁性材料和非磁性材料是互不混溶的，也可以是混溶的或部分混溶的并以控制互擴散的方式處理的。（*該技術在2014年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術一般來說涉及用來讀出記錄在磁性介質中的信息信號的磁性傳感器，更確切地說涉及基于固定在非磁性導電材料基體中的多層獨特鐵磁性顆粒所顯示的巨磁致電阻的磁致電阻式讀出傳感器。利用被稱為磁致電阻(MR)式傳感器或磁頭的磁性讀出傳感器來從磁性介質中讀出高密度記錄數據，在先有技術中是已經公知的。這種MR傳感器通過由磁性材料制成的讀出元件的電阻變化來探測磁場信號，因為該電阻隨讀出元件所檢測到的磁通強度和方向而變。這種先有技術的MR傳感器根據各向異性磁致電阻(AMR)效應來工作，其中讀出元件電阻的一個分量隨磁化方向和流過讀出元件的傳感電流方向之間夾角的余弦平方(COS2)而變化。對AMR效應的更詳細的描述可在D.A.Thompson等人的“存儲器、存儲及有關應用”，IEEE(美國電氣及電子工程師學會)論文集，磁學，MAG-11，1039頁(1975)中找到。1990年1月23日授權給Takino等人的題為“利用磁致電阻效應的磁性傳感器磁頭”的美國專利第4，896，235號公開了一種多層磁性傳感器，該傳感器利用AMR，含有由非磁性層隔開的第一和第二磁性層，其中至少一個磁性層是由表現出AMR效應的材料制成的。每個磁性層中的易磁化軸被設置成與所加磁性信號垂直，使MR傳感器元件的傳感電流在磁性層中提供一個與易磁化軸平行的磁場，從而消除或最大限度地減少傳感器中的巴克好森噪聲。H.Suyama等人的“用于高密度硬盤驅動器的薄膜MR磁頭”，IEEE(美國電氣及電子工程師學會)論文集，磁學，Vol.24，No.6，1988(2612-2614頁)公開了一種與Takino等人所公開者類似的多層MR傳感器。也描述過第二種不同的并且更明顯的磁致電阻效應，其中層狀磁性傳感器的電阻變化歸因于對鐵磁層之間的導電電子借助于隔開鐵磁層的非磁性層進行與自旋有關的傳送，及在該層各界面處伴生與自旋有關的散射。這種磁致電阻效應被稱為“巨磁致電阻”效應，或“自旋閥”效應。由適當材料制成的這樣一種磁致電阻傳感器，改善了靈敏度，并有比在利用AMR效應的傳感器中觀察到的更大的電阻變化。在這種類型的MR傳感器中，由一個非磁性層隔開的一對鐵磁層之間的面內(in-plane)電阻，隨著該兩層中磁化強度之間夾角的余弦(COS)而變化。Grunberg的美國專利第4，949，039號描述了一種層狀磁性結構，該結構產生由磁性層中磁化強度的逆平行匹配引起的強化MR效應。作為可以用于層狀結構的材料，Grunberg列出了一些鐵磁性過渡金屬和合金，但是沒有從清單中針對較大的MR信號幅度指明優選材料。Grunberg還描述了使用反鐵磁型交換耦合來得到逆平行匹配，其中相鄰的鐵磁材料層用一個鉻或釔的薄中間層隔開。轉讓給本受讓人的1990年12月11日提出的共同待決美國專利申請第07/625，343號公開了一種MR傳感器，在其中觀察到兩個未耦合鐵磁層之間的電阻，隨兩層的磁化強度之間夾角的余弦而變化，并且與流過傳感器的電流方向無關。此機理產生的磁致電阻基于自旋閥效應，并且對于所選的材料組合來說在數值上大于AMR。轉讓給本受讓人的1992年10月27日授予Dieny等人的美國專利第5，159，513號公開了一種基于上述效應的MR傳感器，該傳感器包括由一個非磁性金屬材料的薄膜層隔開的兩個鐵磁材料的薄膜層，其中至少一個鐵磁層是由鈷或鈷合金制成的。在外加磁場為零時，一個鐵磁層的磁化強度通過交換耦合于反鐵磁層，而保持垂直于另一鐵磁層的磁化強度。在上面引用的美國專利和專利申請中的自旋閥結構，需要在兩個鐵磁層之一中的磁化強度方向被固定于或“訂牢”于所選擇的方向，因此在無信號條件下，另一鐵磁層中的磁化強度取向垂直于訂牢層的磁化強度。此外，在AMR和自旋閥結構中，為了把巴克好森噪聲減至最小，必須提供縱向偏置磁場以便至少把讀出元件的傳感部分保持于單磁疇狀態。因此，需要用來固定磁化強度方向和提供縱向偏置磁場的裝置。例如，如在上面引用的專利申請和專利中所述，可以形成一個與鐵磁層接觸的反鐵磁材料的附加層，以便提供交換耦合偏置磁場。如其不然，可以用一個相鄰的磁性硬層為鐵磁層提供硬偏置。最近，已在嵌入非磁性金屬基體中的鐵磁性顆粒的單層和多層復相膜中觀察到巨磁致電阻效應。已報道過諸如鈷-銅(Co-Cu)、鈷-銀(Co-Ag)和鎳-鐵-銀(NiFe-Ag)之類的非均相單層合金系統中的GMR。例如，見“非磁性磁系統中的巨磁致電阻”，JohnQ.Xiao等人，物理評論通信，Vol.68，No.25，3749-3752頁(1992年6月22日);“復相銅-鈷合金中的巨磁致電阻”，A.E.Berkowitz等人，物理評論通信，Vol.68，No.25，3745-3748頁(1992年6月22日);“在單層鈷-銀合金膜中觀察到的‘巨大’磁致電阻”，J.A.Barnard等人，致編輯的信，磁學和磁性材料雜志，114(1992)，L230-L234頁;以及J.Jaing等人，應用物理通信，Vol.61，2362頁(1992)。鈷合金是在低溫下不混溶的材料。然而，以亞穩定合金退火，可使銅或銀基體中形成精細的鈷沉淀，即“晶粒(grain)”。MR效應看來隨平均顆粒直徑的大小成反比地變化。雖然同較復雜的多層自旋閥傳感器相比，“粒狀(granular)”合金是實現僅有一單層膜的GMR傳感器的一種很有吸引力的方法，但是鈷合金需要幾千奧斯特(Oe)的飽和磁場，因而在低磁場MR傳感器場合將無用。據新近的報道，銀基體中的粒狀鎳鐵已經在室溫下在約400Oe的MR尖峰的半高寬時產生10%的MR(△R/R)值。據更新的報道，銀基體中的退火鎳鐵已可產生一種粒狀多層結構，該結構在室溫下在約100Oe的飽和磁場時表現出約17%的MR。見“鎳-鐵/銀多層材料的磁致電阻和熱穩定性”，B.Rodmacq等人，致編輯的信，磁學和磁性材料雜志，118(1993)，L11-16頁。雖然單層和多層鎳鐵合金的飽和磁場低于鈷合金的報道值，但仍高于MR器件的應用范圍(約10Oe或更低)。于是，本專利技術的主要目的在于提供一種基于粒狀多層結構GMR效應的低磁場MR磁性傳感器。本專利技術的另一個目的在于提供一種MR傳感器，其中不需要提供用來在一個或多個鐵磁性層中固定磁化取向的附加結構裝置，或用于磁場傳感元件的縱向偏置磁場。按照本專利技術原則可實現這些和其他目的和優點。在本專利技術中，MR讀出傳感器包括一個粒狀多層傳感元件，該元件包括一個在適當的基片上形成的層狀結構，該結構包括一個由嵌入非磁性導電材料中的一組扁平狀或盤狀鐵磁性材料顆粒或島組成的磁致電阻傳感元件和一個用來提供磁場以便把磁致電阻傳感元件偏置于想要的無信號點的偏磁層，該偏磁層由位于其間的非磁性隔離層來隔開磁致電阻傳感元件。鐵磁性材料和非磁性材料選擇成使兩種材料互不混溶。如其不然，磁性和非磁性材料在平衡條件下可以是混溶的或部分混溶的，并以限制互相擴散的受控方式處理的。磁致電阻傳感元件是通過在基片上交替沉積鐵磁性材料層和非磁性材料層，而在偏磁層和隔離層上面形成的。沉積完成時，多層磁致電阻傳感元件被退火。在退火期間，鐵磁性層分裂成平板形顆粒，因為鐵磁性層上下的非磁性材料的不混溶層穿透晶界，并打破鐵磁性層的連續性而形成嵌入非磁本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于包括一個磁致電阻傳感元件，該元件至少包含一個嵌入一層非磁性導電材料中的鐵磁性材料的不連續層。

【技術特征摘要】
US 1993-4-30 0563311.一種粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于包括一個磁致電阻傳感元件，該元件至少包含一個嵌入一層非磁性導電材料中的鐵磁性材料的不連續層。2.如權利要求1所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性材料和所述非磁性材料是互不混溶的。3.如權利要求1所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于鐵磁性材料的所述不連續層，形成一層所述鐵磁性材料的扁顆粒。4.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于它包含一個用來為所述磁致電阻傳感元件提供偏置磁場的磁性材料偏磁層;以及一個布置在所述偏磁層和所述磁致電阻傳感元件之間的、使所述偏磁層與所述磁致電阻傳感元件在磁性上解耦的非磁性材料分隔層。5.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述磁致電阻傳感元件包括N個嵌于N層所述非磁性導電材料中的所述鐵磁性顆粒的所述層。6.如權利要求5所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述層數N從3至10的范圍內選擇。7.如權利要求6所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述層數N為5。8.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性顆粒由一種鐵磁性材料組成，該材料選自由鐵、鈷、鎳、鎳鐵及基于鐵、鈷、鎳或鎳鐵的鐵磁性合金組成的組類。9.如權利要求8所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵組成。10.如權利要求8所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵-鈷組成。11.如權利要求5所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵-鉛組成。12.如權利要求11所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鎳-鐵-鉛合金中含鉛的數量從0.1%至20%重量的范圍內選擇。13.如權利要求5所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性顆粒由鎳-鐵-銀組成。14.如權利要求13所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鎳-鐵-銀合金中含銀的數量從1%至20%重量的范圍內選擇。15.如權利要求1所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述非磁性導電層由選自銀、金、銅和釕所組成組類的材料組成。16.如權利要求15所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述非磁性導電層是銀制的。17.如權利要求4所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述偏磁層包括一層用來提供所述偏置磁場的軟磁材料。18.如權利要求17所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述軟磁材料包含一種選自鎳-鐵和鎳-鐵-銠所組成組類的材料。19.如權利要求4所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述偏磁層包含一層用來提供所述偏置磁場的硬磁材料。20.如權利要求19所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述硬磁材料包含一種選自鈷-鉑和鈷-鉑-鉻所組成組類的材料。21.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性顆粒厚度在約10埃至約30埃的范圍內。22.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述鐵磁性顆粒厚度約為20埃。23.如權利要求3所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述非磁性導電層的厚度小于所述非磁性導電材料中導電電子的平均自由程長度。24.如權利要求23所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述非磁性導電層的厚度在約10埃至約50埃的范圍內。25.如權利要求24所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述非磁性導電層的厚度約為35埃。26.如權利要求4所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述隔離層包含一種選自鉭、鋯、鈦、釔和鉿所組成組類的材料。27.如權利要求26所述的粒狀多層磁致電阻傳感器，其特征在于所述隔離層含有鉭。28.一種磁性存儲系統，其特征在于它包括一個磁性存儲媒體，它有多個在其表面上限定的用來記錄數據的磁道...

【專利技術屬性】
技術研發人員：科溫R高芬，詹姆斯K哈沃德，托德L海勒特，米查爾A帕克，
申請(專利權)人：國際商業機器公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]