CN1268010C - 隧道结和垂直于平面电荷磁记录传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时初始化磁性传感器中的第一和第二反铁磁层的方法，所述磁性传感器具有包括第一铁磁层的反平行钉扎亚结构，所述第一反铁磁层与所述第一铁磁层交换耦合，所述第二反铁磁层支持自由层的磁偏稳定性，所述磁性传感器的使用利用基本上垂直于所述传感器各层的平面而施加的检测电流，所述方法包括以下步骤：把传感器放入外部磁场中；调整所述磁场的强度，使所述反平行钉扎亚结构中的所述第一铁磁层的磁化方向基本垂直于所述外部磁场方向；把传感器加热到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之上；和在存在所述外部磁场的情况下，把传感器冷却到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之下。

Description

隧道结和垂直于平面电荷磁记录传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及可在磁盘驱动器中用于磁性回读的传感器及其制造方法。
背景技术
许多应用中，要求磁性传感器具有很高的灵敏性。一个主要例子是磁盘驱动器中磁性回读传感器的应用。当记录信息的密度随着各个成功产品而增大时，传感器的所需灵敏度也必须增大。具有很高灵敏度的两类传感器是磁隧道结传感器(MTJ)和垂直于平面电荷传感器(CCP，charge perpendicular-to-plane)。这些传感器都依赖于利用穿过非磁性隔离薄层的自旋相关的电子运动。隔离层的一侧是称为钉扎(pinned)层的铁磁层，其中磁化方向是固定的。隔离层的另一侧是称为自由层的铁磁层，其中磁化方向是自由的，以便响应施加的磁场。在磁盘驱动器中，施加的磁场来自磁盘上先前写入的转变(transition)。在其它应用中，施加的磁场可来自外部磁体的位置，或者来自传感器相对于磁场的位置变化。
在磁盘驱动器应用中，最好获得最大的灵敏度和线性度。为了获得最大的线性度，在不存在外部磁场的情况下，自由层中的磁化方向最好基本上与记录磁道的方向平行。另外，在不存在施加磁场的情况下，钉扎层的磁化方向最好垂直于自由层的磁化方向。因此，希望钉扎层中的磁化方向大体上垂直于记录磁道的方向。
关于自由层的另一要求是存在纵向磁偏置稳定性。沿着自由层的平行于记录介质并垂直于磁道方向的轴线，在自由层中施加优选的磁化方向，可确保良好的线性度，并提供对诸如巴克豪森噪声之类有害效应的耐受性。
提供钉扎层的钉扎的常见方法是邻近钉扎层放置一层反铁磁材料(AFM)。在磁头制造过程中的某一点，结构被加热到AFM的闭塞温度(blocking temperature)之上，并且装置被放置在与记录磁道的最终方向垂直的外部磁场中。AFM材料的闭塞温度是这样的温度：在该温度之上，AFM材料不再具有任何交换耦合强度(exchange coupling strength)。随后在存在外部磁场的情况下冷却传感器。外加磁场将使钉扎层沿正确方向取向，并且当AFM冷却到闭塞温度之下时，交换耦合将维持钉扎层中的磁化方向。对于钉扎层来说，这是钉扎过程。该过程也被称为设置AFM。
一种已知的自由层纵向偏置方法是提供两个硬磁体，分别位于一部分自由层的两侧。这被称为硬偏置(hard biasing)。通常最好使硬偏置材料与构成有效传感器的各层电绝缘。在传感器的制造过程中，必须通过把传感器放入导致磁化方向的永久取向的强磁场中，来设置硬磁体中的磁化方向。绝缘硬偏置磁体的要求会减损这种方法的效果。
为自由层提供纵向偏置的优选方法是使用另一AFM层，并依赖交换耦合。该方法的主要困难在于自由层中的磁化方向必须基本上垂直于钉扎层中的磁化方向。从而，在磁场中加热及随后的冷却步骤对AFM层之一可能是合适的，但是不适用于另一AFM层。已知可使用两种不同的具有截然不同的两个闭塞温度的AFM材料。首先设置具有最高闭塞温度的AFM层。随后使磁场角度(field angle)旋转90度，在较低的温度下设置第二AFM层。通常存在一种既可用于钉扎层，又可用于自由层的纵向稳定的最佳AFM材料。但是，由于需要具有不同闭塞温度的AFM材料，因此有损AFM材料的最佳选择。
发明内容
因此，本发明提供一种传感器结构和制造传感器的方法，允许使用可在不损害传感器其它方面的情况下被设置的两个AFM层。
最好，提供一种磁性传感器制造的改进设计和方法，所述传感器具有大体垂直于传感器中各层的方向的检测电流。在优选实施例中，这些传感器把反平行钉扎亚结构用于钉扎层或自由层的偏置稳定。最好存在两层反铁磁层：一层用于设置钉扎层的磁化方向，另一层供自由层的偏置稳定之用。这些AFM层可由相同的材料形成。最好利用自旋翻转效应(spin-flop effect)，在同一程序中同时初始化两个AFM层。
根据一方面，本发明提供一种同时初始化磁性传感器中的第一和第二反铁磁层的方法，所述磁性传感器具有包括第一铁磁层的反平行钉扎亚结构，所述第一反铁磁层与所述第一铁磁层交换耦合，所述第二反铁磁层支持自由层的磁偏稳定性，所述磁性传感器的使用利用基本上垂直于所述传感器各层的平面而施加的检测电流，所述方法包括以下步骤：把传感器放入外部磁场中；调整所述磁场的强度，使所述反平行钉扎亚结构中的所述第一铁磁层的磁化方向基本垂直于所述外部磁场方向；把传感器加热到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之上；和在存在所述外部磁场的情况下，把传感器冷却到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之下。
根据另一方面，本发明提供一种同时初始化磁性传感器中的第一和第二反铁磁层的方法，所述磁性传感器具有包括第一铁磁层的反平行钉扎亚结构，所述第一反铁磁层与所述第一铁磁层交换耦合，所述第二反铁磁层支持自由层的磁偏稳定性，所述磁性传感器的使用利用基本上垂直于所述传感器各层的平面而施加的检测电流，所述方法包括以下步骤：把传感器放入外部磁场中；将所述磁场的强度调整到2200Oe；把传感器加热到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之上；和在存在所述外部磁场的情况下，把传感器冷却到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之下。
根据一个优选实施例，提供一种利用基本上垂直于传感器中各层的平面施加的检测电流而使用的磁性传感器，包括：第一反铁磁层；包含形成于所述第一反铁磁层上的反平行钉扎亚结构的钉扎层，所述反平行钉扎亚结构包括第一铁磁层，形成于所述第一铁磁层上的非磁性层，和形成于所述非磁性层上的第二铁磁层，其中所述第一铁磁层与所述第一反铁磁层交换耦合；形成于所述反平行钉扎亚结构的所述第二铁磁层上的非磁性隔离层；形成于所述非磁性隔离层上的铁磁自由层；和支持所述铁磁自由层的磁偏稳定性的反铁磁层。
第一和第二反铁磁层最好由具有基本上相同的闭塞温度的相同材料构成。
非磁性隔离层由导电材料或者由绝缘材料形成。
根据一个优选实施例，提供一种利用基本上垂直于传感器中各层的平面施加的检测电流而使用的磁性传感器，包括：第一反铁磁层；形成于所述第一反铁磁层上的钉扎第一铁磁层；形成于所述钉扎第一铁磁层上的第一非磁性隔离层；形成于所述非磁性隔离层上的第二铁磁自由层；与所述自由层耦合的反平行钉扎亚结构，包含第三铁磁层；和与所述第三铁磁层交换耦合的第二反铁磁层。
所述反平行钉扎亚结构最好通过一第二非磁性隔离层与所述铁磁自由层耦合。
所述反平行钉扎亚结构最好与一部分所述铁磁自由层耦合。
在一个实施例中，提供一种利用基本上垂直于传感器中各层的平面施加的检测电流而使用的磁性传感器，包括：第一反铁磁层；形成于所述第一反铁磁层上的第一钉扎铁磁层；形成于所述第一钉扎铁磁层上的第一非磁性隔离层；形成于所述第一非磁性隔离层上的自由层，所述自由层构成反平行钉扎亚结构；形成于所述自由层上的第二非磁性隔离层；和形成于第二非磁性隔离层上的第二反铁磁层。
在一个实施例中，提供一种同时初始化磁性传感器中的两个反铁磁层的方法，所述磁性传感器具有包括第一铁磁层的AP钉扎亚结构，与所述第一铁磁层交换耦合的第一反铁磁层和支持自由层的磁偏稳定性的第二反铁磁层，所述磁性传感器利用基本上垂直于传感器中各层的平面施加的检测电流而使用，所述方法包括：把传感器放入一外部磁场中；调整所述磁场的强度，使所述AP钉扎亚结构中所述第一铁磁层的磁化方向基本上垂直于外部磁场方向；把传感器加热到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之上；在存在所述外部磁场的情况下，把传感器冷却到第一和第二反铁磁层的闭塞温度之下。
在一个实施例中，提供一种同时初始化磁性传感器中的反铁磁层的方法，所述磁性传感器具有与一钉扎层交换耦合的第一反铁磁层和与一铁磁层交换耦合的第二反铁磁层，所述铁磁层包含支持自由层的磁偏稳定性的一部分AP钉扎亚结构，所述磁性传感器利用基本上垂直于传感器中各层的平面施加的检测电流而使用，所述方法包括：把传感器放入外部磁场中；调整所述外部磁场的强度，使所述反平行钉扎亚结构中的所述铁磁层的磁化方向基本上垂直于所述外部磁场方向；把传感器加热到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之上；在存在所述外部磁场的情况下，把传感器冷却到第一和第二反铁磁层的闭塞温度之下。
在一个实施例中，提供一种磁存储***，包括：记录数据的磁存储介质；与所述磁存储介质连接的电机；在记录磁头组件和所述存储介质相对运动的时候，使所述磁头组件保持在存储介质附近的浮动块，所述记录磁头组件具有磁性传感器，所述磁性传感器包括：第一反铁磁层；在所述第一反铁磁层上形成的钉扎层，其中所述钉扎层包括AP钉扎亚结构；形成于所述钉扎层上的非磁性隔离层；和形成于所述非磁性隔离层上的自由层；支持所述自由层的偏置稳定性的第二反铁磁层；和与所述浮动块连接的悬架，所述悬架使所述浮动块定位以在磁盘上进行磁性记录；其中所述第一和第二反铁磁层由具有基本上相同的成分，并具有基本上相同的闭塞温度的相同材料构成。
在一个实施例中，提供一种磁存储***，包括：记录数据的磁存储介质；与所述磁存储介质连接的电机；在记录磁头组件和所述存储介质相对运动的时候，使所述磁头组件保持在存储介质附近的浮动块，所述记录磁头组件具有磁性传感器，所述磁性传感器包括：第一反铁磁层；与所述第一反铁磁层交换耦合的铁磁钉扎层；形成于所述钉扎层上的非磁性隔离层；形成于所述非磁性隔离层上的第二铁磁自由层；与一部分所述自由层耦合的一个或多个偏置片组(biastab)，所述偏置片组包括与第二反铁磁层交换耦合的AP钉扎亚结构，所述偏置片组提供所述自由层的磁偏稳定性，其中所述第一和第二反铁磁层由具有基本上相同的成分，并具有基本上相同的闭塞温度的相同材料构成；和与浮动块连接的悬架，所述悬架使所述浮动块定位以在磁盘上进行磁性记录。
附图说明
下面参考附图，举例说明本发明的实施例：
图1表示根据本发明一个实施例的MTJ和CPP传感器的概述图。
图2表示根据本发明一个实施例构建在浮动块上的传感器。
图3a根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的钉扎层和通过在一部分自由层上形成非磁性层确定的磁道宽度的传感器中的各层。
图3b根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的偏置片组(bias tab)和通过在一部分自由层上形成非磁性层确定的磁道宽度的传感器中的各层。
图4a根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的钉扎层和近似等于阻挡层宽度的磁道宽度的传感器中的各层。
图4b根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的偏置片组和近似等于阻挡层宽度的磁道宽度的传感器中的各层。
图5根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的钉扎层和与钉扎层位于自由层同侧的偏置稳定AFM层的传感器中的各层。
图6a根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的钉扎层，并且其中各层都具有可比宽度的传感器中的各层。
图6b根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的偏置稳定层，并且其中各层都具有可比宽度的传感器中的各层。
图7a根据本发明的一个实施例，示出了具有包含反平行钉扎亚结构的钉扎层的传感器中的各层，所述各层具有可比宽度，并且通过用非磁性层隔离AFM层和自由层而提供偏置稳定性。
图7b根据本发明的一个实施例，示出了其中自由层是AP钉扎亚结构的传感器中的各层。
图8a根据本发明的一个实施例，示出了在存在强磁场的情况下，传感器中各层的磁化方向。
图8b根据本发明的一个实施例，示出了在存在中等强度磁场的情况下，传感器中各层的磁化方向。
图8c根据本发明的一个实施例，示出了在存在最佳磁场的情况下，传感器中各层的磁化方向。
图8d根据本发明的一个实施例，示出了在与一个具体反平行钉扎亚结构的AFM层相邻的铁磁层中的磁化方向的角度。
图9a示出了使用本发明一个实施例的传感器的举例的磁盘驱动器的横截面图。
图9b示出了使用本发明一个实施例的传感器的举例的磁盘驱动器的俯视图。
具体实施方式
图1表示了这里公开的所有传感器结构的一些特征。在图1中，在两个金属层101和102之间存在间隙107。通常，金属层101和102是传感器的电引线。在一些实施例中，金属层101、102也可起传感器的磁屏蔽的作用。传感器包含钉扎层103、非磁性隔离层104和自由层105。钉扎层和自由层最好具有图1中未示出的磁稳定层。传感器的宽度108，具体地说自由层的有效部分的宽度近似限定诸如磁盘驱动器之类应用中的磁道宽度。在传感器位置之外，用绝缘材料106填充所述间隙。最好，在所有情况下，检测电流107的方向垂直于传感器中的各层。在典型的操作模式下，使检测电流107通过传感器，并监视引起传感器电阻变化的电压变化。MTJ和CPP传感器之间的原理差异在于MTJ传感器中的非磁性隔离层104是薄的绝缘体，而在CPP传感器中是薄的导体。MTJ传感器中的非磁性隔离层有时称为阻挡层(barrier layer)。和CPP传感器相比，MTJ传感器往往是高阻抗器件。两种传感器都依赖于通过响应外加磁场改变自由层中的磁化方向来调制越过非磁性隔离层的电子的自旋相关的运动。电流方向107是从下到上(如图1中所示)还是从上到下无关紧要。钉扎层103是位于间隙下面(如图1中所示)还是位于间隙上面同样无关紧要。为了清楚起见，所有结构都被绘制成钉扎层位于底部。
对于磁盘驱动器应用来说，图1中的传感器视图是朝向磁盘时的传感器的视图。传感器通常构建在浮动块上，如图2中所示。图2中，传感器202构建在浮动块201的后表面(trailing surface)204上。提供金属焊接点203，以便与传感器电连接。这些传感器是只读元件。在浮动块上还设置有把信息记录在磁盘上的写入磁头。
下面说明传感器的几个具体例子。所有这些传感器具有几种共同属性：
1)检测电流垂直于传感器各层的平面，并且通过传感器越过间隙从一个引线流到另一引线。
2)钉扎层和自由层之间的非磁性隔离层或者是诸如氧化铝之类的薄绝缘层(在MTJ传感器的情况下)，或者是诸如Cu之类的薄金属层(在CPP传感器的情况下)。
3)所有传感器至少具有一个反平行钉扎(AP钉扎)亚结构。AP钉扎亚结构可用作传感器的钉扎层，或者用作自由层的一部分偏置片组。在一个实施例中，AP钉扎亚结构包含所述自由层。
4)所有传感器都具有两个独立的基本上为平面的反铁磁(AFM)层。一个反铁磁层用于稳定钉扎层，另一反铁磁层用于帮助自由层的纵向稳定。根据优选实施例，这两个AFM层可基本上由相同的材料构成。
5)所有情况下，根据本发明的优选实施例，可在同一初始化程序中设置这两个AFM层。
下面描述的实施例共有的某些层具有相似的成分。铁磁自由层和钉扎层的铁磁部分通常由NiFe、CoFe或者CoNiFe合金构成。AP钉扎结构中这两个铁磁层之间的非磁性层通常为Ru，不过也可由诸如Ta之类的其它材料构成。铜也被用作非磁性导体。AFM材料可由诸如PtMn、NiMn、FeMn和IrMn之类的含Mn材料制成。AFM材料也可由不包含Mn的材料，例如NiO或CoNiO的组合物制成。
图3a更详细地表示了传感器的一个优选实施例。还可存在促进粘合、控制薄膜生长、增强灵敏度或者控制膜表面光洁度的各个附加层。第一AFM层301沉积在引线302上。两个铁磁层303、304沉积在第一AFM层301上。这两个铁磁层303、304由非磁性层305隔离。这两个铁磁层303和304与非磁性层305一起构成AP钉扎亚结构340。该AP钉扎亚结构340起传感器的钉扎层的作用。在没有外场的情况下，第一铁磁层303中的磁化方向316大体上与第二铁磁层304的磁化方向317相反。下一层是非磁性隔离层306。自由层307沉积在非磁性隔离层306上。在没有外部磁场的情况下，自由层307中的磁化方向318大体上平行于记录介质，垂直于AP钉扎亚结构340中的磁化方向316、317。自由层307和引线308之间的层具有两部分。一部分309包含非磁性金属。该部分309也可以是绝缘体。非磁性部分309确定自由层307的有效部分，从而确定当传感器用在磁盘驱动器中时的磁道宽度。另一部分是第二AFM层310。该层为自由层307提供磁偏稳定性。自由层307与AFM层310直接接触的该部分基本上不用于检测外部磁场。除了第二AFM层310和非磁性层309之外，各层的宽度一般大于磁道(由自由层的有效部分确定)。用绝缘材料311填充超出传感器各层位置之外的间隙。
图3b中所示的结构在钉扎层和自由层的物理宽度大于磁道宽度方面，类似于图3a中图解说明的结构。第一AFM层301沉积在底部引线302上。单一铁磁钉扎层312沉积在第一AFM层301上。在钉扎层312和自由层307之间形成非磁性隔离层306。通过用非磁性金属或绝缘层315覆盖一部分自由层，形成自由层的有效区(activeregion)。用包含非磁性薄层313、铁磁层314和一部分自由层307的AP钉扎亚结构350覆盖另一部分自由层。在这种结构中，铁磁层314中的磁化方向320由第二AFM层310控制。与铁磁层314中的磁化方向相反钉扎与铁磁层314和非磁性层313相邻的一部分自由层307中的磁化方向321，从而在自由层的有效部分中形成磁偏稳定性。上部引线308放置在第二AFM层310上。
在图3a中，AP钉扎亚结构340包含在钉扎层中。在图3b中，AP钉扎亚结构350包含在各自由层偏置稳定层中。这些包括非磁性金属313、铁磁层314和AFM层310的自由层偏置稳定层有时称为偏置片组(bias tabs)360。图3中的结构的一个不太大的缺点在于检测电流既在传感器的有效部分中流动，又在传感器的非有效部分中流动。这种电流分流的实际效果降低了传感器的整体灵敏度。图4a、b中表示了不具备该缺点的实施例。
图4a中所示的实施例具有沉积在引线401上的第一AFM层402。包含由非磁性层404隔离的两个铁磁层403、405的AP钉扎亚结构440构建在第一AFM层402之上。自由层407和钉扎层由非磁性隔离层406隔离。用非磁性金属或绝缘层409覆盖一部分自由层。另一部分自由层由第二AFM层408覆盖。第二AFM层408邻近引线415。和图3a、b中的情况一样，用绝缘材料410填充间隙的剩余部分。本实施例中，磁道宽度近似由钉扎层确定，这种情况下，钉扎层包括AP钉扎亚结构440中的各层。和图3a、b中图解说明的传感器相比，大大减小了分流电流。
图4b中表示了一个备选实施例。这种情况下，钉扎层411是单层。自由层407和钉扎层411由非磁性隔离层406隔离。AP钉扎亚结构450包含一部分自由层407、非磁性层412和铁磁层413。偏置片组460包括非磁性层412、铁磁层413和AFM层414。AFM层414控制铁磁层413中的磁化方向。引线415布置在第二AFM层414上。钉扎层的宽度近似等于所需的磁道宽度。和图4a中所示结构的情况一样，分流电流被降至极小。
图4a、b中所示传感器结构的缺点之一在于被非磁性金属409覆盖的一部分自由层的宽度最好等于非磁性隔离层406和位于非磁性隔离层之下的钉扎层的宽度。另外，最好使非磁性金属409对准阻挡层406。图5中图解说明了不具有这种对准约束的实施例。
图5中，第一AFM层502放置在引线501上。传感器钉扎层是包含由非磁性层505分隔的两个铁磁层503、504的AP钉扎亚结构530。用非磁性隔离层506隔离自由层508和钉扎层。为自由层508提供磁偏稳定性的第二AFM层507与非磁性隔离层506位于自由层的同侧。这减小了与图4a、b中图解说明的传感器相关的对准要求。图5中，最好使第二AFM层507与传感器叠层的剩余部分绝缘。通过在阻挡层附近的邻近区域512中使用间隙511的剩余部分中的绝缘材料，可最方便地实现这一点。另外，邻近自由层508的引线材料513最好是非磁性材料。本实施例的一种变化是把单一铁磁层用于传感器钉扎层，把包含AP钉扎亚结构的偏置交换片组用于自由层偏置稳定性，其中偏置片组和阻挡层位于自由层的同侧。
当构成传感器叠层的所有各层具有相同的宽度时，获得显著的处理简单性。当所有各层近似等于所需的磁道宽度时，大大减小了对准要求。图6a、b和图7a、b表示了其中传感器叠层中的所有各层基本具有相同宽度的传感器的实施例。这些结构有时称为叠层内偏置方案。叠层内偏置方案共同具有的一个特征是使用所公开发明的实施例，其中可在不破坏真空的情况下构成整体传感器。对于常规的传感器来说，总是构造传感器的一部分，随后从用于制造的真空***中取出部分完成的传感器，以便初始化各个AFM层之一，随后会使传感器返回真空***，以便完成其制造。初始化的自旋翻转方法(spin-flop method)允许制造整个传感器，随后利用单一程序完成初始化。
图6a表示了沉积在引线601上的第一AFM层602。传感器钉扎层是包含由非磁性层604隔离的两个铁磁性603、605的AP钉扎亚结构630。非磁性隔离层606隔离自由层607和钉扎层。自由层607的磁偏稳定性由借助非磁性导电层608与自由层607弱耦合的铁磁层609提供。自由层607、非磁性层608和铁磁层609组合最好不表现出显著的自旋阀特性(spin-valve behaviour)。为此，钽或钌适宜于用于非磁性层608。铁磁层609中的磁化方向618由第二AFM层610控制。磁化方向618基本上垂直于AP钉扎亚结构630中的磁化方向621、622。第二AFM层610与引线617相邻。用绝缘材料填充传感器外间隙中的区域611。
图6b图解说明了备选实施例。在图6b中，第一AFM层602沉积在引线601上。单一铁磁层612沉积在第一AFM层上，用作传感器的钉扎层。在钉扎层612和自由层607之间形成非磁性隔离层606。下一层613是隔离偏置层640和自由层607的非磁性导体。偏置层640可被看作单一偏置片组。由非磁性层隔离的铁磁层614、616构成偏置片组640的AP钉扎亚结构650。第二AFM层610位于AP钉扎亚结构650和引线617之间。
图7a中表示了另一实施例。第一AFM层701沉积在引线702上。传感器钉扎层是包含由非磁性层704隔离的两个铁磁层703、705的AP钉扎亚结构720。AP钉扎亚结构720设置在第一AFM层701上。非磁性隔离层706隔离自由层707和AP钉扎亚结构720。随后在自由层707上沉积一层铜或其它非磁性导体708，第二AFM层709设置在层708上。为了完成传感器，引线710被设置在第二AFM层709上。用绝缘体711填充间隙中的其它空间。这是一种与众不同的传感器，因为通常认为AFM材料只提供表面交换耦合。因此，意想不到的是第二AFM层709可用于通过Cu层708稳定自由层707。有效的铜的厚度约为1-2纳米。在N.J.Gokenmeijer等的Phys。Rev。Lett.79，4270(1997)中可找到和该行为相关的更多物理学信息。
图7b表示了备选实施例。在图7b中，第一AFM层形成于第一引线702之上。单一铁磁层715用于传感器钉扎层。非磁性隔离层706隔离钉扎层715和自由层。在图7b中，自由层由AP钉扎亚结构构成。该AP钉扎亚结构由邻近非磁性隔离层706的铁磁层716、非磁性层717和另一铁磁层718构成。AP钉扎亚结构721的上部铁磁层718通过导电层708与第AFM层709弱耦合。随后在AFM层709上形成另一引线710。用绝缘材料711填充间隙的其它部分。图7b中传感器的不寻常之处在于AP钉扎亚结构被用作自由层。这种结构的优点在于和利用单一铁磁层相比，显著降低了自由层的净磁矩。
本发明最好允许使用相同的AFM材料设置钉扎层和自由层的偏置稳定性。从而可以选择材料，获得最佳磁性能。相同AFM材料的应用使得能够在相同的闭塞(blocking)温度下初始化各层。初始化过程利用通常被称为自旋翻转(spin flop)效应的磁特性。
图8a-d中图解说明了使用自旋翻转效应初始化传感器。图8a-c中以分解图形式表示的传感器是图6a中图解说明的同一传感器。虽然图8a、b、c、d中论述的具体例子是关于图6a中的传感器的，不过自旋翻转效应的应用也可用在上述任意传感器上。图8a中，表示了传感器中对本发明的实施例来说重要的磁性层，包括邻近第一铁磁层805的第一AFM交换层806，第二铁磁层804、自由层803、第三铁磁层802和邻近第三铁磁层802的AFM层801。另外，表示了磁化方向807、808、809、810。为了清楚起见，没有表示其它非磁性层。图8a表示了当所述结构被置于外加强磁场中时的磁化方向807、808、809、810。磁场的方向由812表示。对于该特定传感器结构来说，偏置稳定层802和自由层803弱耦合。当AFM的温度超过闭塞温度时，由于外加磁场的强度值高，因此偏置稳定层807和自由层808的磁化方向与外加磁场方向812一致。由于外加磁场的强度高，因此构成AP钉扎层811的第一铁磁层805和第二铁磁层804之间的反平行耦合被打破，第一铁磁层磁化方向810和第二铁磁层磁化方向809都与外加磁场一致。该磁场强度对初始化无用。随着外加磁场强度被降低，钉扎层811中的磁化方向810、809开始旋转，以便寻求最低能量。图8b表示了当外加磁场812的强度被降低时，AP钉扎亚结构中的磁化方向开始旋转时的情况。磁化方向810、809脱离外加磁场的方向812，并沿彼此相反的方向旋转。这种行为是自旋翻转效应。在Beach等的“AP-pinned spin valve GMR andmagnetization”，J.Appl.Phys.87，p5723(2000)中可找到和自旋翻转效应相关的物理学的更具体细节。
图8c表示在外加磁场812的某一最佳值下，第一铁磁层805的磁化方向将垂直于外加磁场812，并垂直于偏置稳定层802的磁化方向807，偏置稳定层802的磁化方向807仍与外加磁场812一致。该外加磁场值是当把AFM层806、801冷却到闭塞温度以下时用以实现初始化的值。在最佳外加磁场数值下，第二铁磁层804中的磁化方向809不必与第一铁磁层805的磁化方向810相反。但是，当除去外加磁场时，第二铁磁层804的磁化方向809将与第一铁磁层805的磁化方向810基本相反。在不使用自旋翻转效应诱发AP钉扎亚结构中磁化方向的恰当旋转的情况下，由于初始化的困难，应用两个AFM层采用相同材料的最佳选择是不实际的。
相同的自旋翻转效应可用于初始化所有上述传感器。共同特点在于在每个传感器中至少存在一个AP钉扎亚结构。唯一的差别在于施加什么方向的外部磁场和使用多大的外部磁场。用于初始化的外部磁场的方向取决于AP钉扎亚结构位于传感器中何处。图3a中，外加磁场的方向330垂直于邻近AFM层301的铁磁层303中的理想磁化方向316。在图3b中，初始化磁场的方向331垂直于邻近AFM310的铁磁层314中的磁化方向320。在图4a中，外加磁场的方向430垂直于邻近AFM层402的铁磁层403中的理想磁化方向420。在图4b中，初始化磁场的方向431垂直于邻近AFM层414的铁磁层4l3中的磁化方向421。在图5中，外加磁场的方向530垂直于邻近AFM层502的铁磁层503中的理想磁化方向520。在图6a中，外加磁场的方向660垂直于邻近AFM层602的铁磁层603中的理想磁化方向622。在图6b中，外加磁场的方向661垂直于邻近AFM层610的铁磁层616中的理想磁化方向623。在图7a中，外加磁场的方向730垂直于邻近AFM层701的铁磁层703中的理想磁化方向732。在图7b中，外加磁场的方向733垂直于铁磁层718中的理想磁化方向731。一般规律是，初始化磁场的方向垂直于与AFM层交换耦合的APP  结构的铁磁部分的磁化方向。
在确定了外加磁场的方向之后，最好选择磁场的强度。图8d表示了作为磁场强度的函数的钉扎层811中第一铁磁层805中的磁化角810的例子。在图8d中，角度是从最终角度的理想方向量度的。相对于磁场方向，目标角度为90度。于是，如图8d中所示，理想角度为0度。对于这种具体情况来说，越过非磁性层的耦合强度为0.5erg/cm2，第一和第二铁磁层的力矩/面积分别为0.2和0.4memu/cm2。对于本例来说，实现自旋翻转效应的最佳场强约为2200Oe。具有不同材料、厚度和磁矩的其它结构会具有不同的最佳外加场强。于是，对于各个特定传感器来说，最佳外加场强的数值稍微不同。外加场强的最佳数值也会受膜层特性方面工艺变化的轻微影响。为此，通常通过首先利用具体传感器进行工艺容限研究，来确定最佳值。
作为一个实际情形，通过首先把外加场强增加到较高数值，随后降低场强直到最佳值，实现更好的工艺一致性。但是，也可直接把传感器放入具有最佳值的磁场中，或者从为零的初始值升高场强。
图9a和9b表示了用在举例的磁记录磁盘驱动器中的本发明的一个优选实施例。磁记录磁盘902由带有轮毂906的驱动电机904转动，轮毂906连接在驱动电机上。磁盘包括基体、磁性层和诸如碳之类的可选涂层，一般还有诸如全氟聚醚(perfluoropolyether)之类的润滑层。基体一般是铝、玻璃或塑料。一些磁盘驱动器被设计成当磁盘驱动器停止时，使浮动块910搁在磁盘上。在其它磁盘驱动器中，当磁盘驱动器被关闭时，使浮动块抬离磁盘表面。当浮动块和磁盘的表面被设计成具有很低的粗糙度时，后者更可取。这对在正常工作中，需要浮动块和磁盘之间的频繁或连续接触的设计来说是有利的。
记录磁头组件908形成于浮动块910的后表面上。浮动块具有后垂直面909。记录磁头组件通常包括与读取传感器一道的独立写入元件。浮动块910通过刚性臂914和悬架916与促动器912相连。悬架916提供把浮动块推向记录磁盘902的表面的作用力。
这些传感器的一种重要用途是用在磁盘驱动器中。这些传感器的另一应用可以是在需要很高灵敏度的静态存储装置和其它装置中的应用。

Claims (2)

1、一种同时初始化磁性传感器中的第一和第二反铁磁层的方法，所述磁性传感器具有包括第一铁磁层的反平行钉扎亚结构，所述第一反铁磁层与所述第一铁磁层交换耦合，所述第二反铁磁层支持自由层的磁偏稳定性，所述磁性传感器的使用利用基本上垂直于所述传感器各层的平面而施加的检测电流，所述方法包括以下步骤：
把传感器放入外部磁场中；
调整所述磁场的强度，使所述反平行钉扎亚结构中的所述第一铁磁层的磁化方向基本垂直于所述外部磁场方向；
把传感器加热到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之上；和
在存在所述外部磁场的情况下，把传感器冷却到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之下。
2、一种同时初始化磁性传感器中的第一和第二反铁磁层的方法，所述磁性传感器具有包括第一铁磁层的反平行钉扎亚结构，所述第一反铁磁层与所述第一铁磁层交换耦合，所述第二反铁磁层支持自由层的磁偏稳定性，所述磁性传感器的使用利用基本上垂直于所述传感器各层的平面而施加的检测电流，所述方法包括以下步骤：
把传感器放入外部磁场中；
将所述磁场的强度调整到2200Oe；
把传感器加热到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之上；和
在存在所述外部磁场的情况下，把传感器冷却到所述第一和第二反铁磁层的闭塞温度之下。
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