CN1960018A - 电流垂直平面型巨磁致电阻传感器 - Google Patents

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CN1960018A CNA2006101056368A CN200610105636A CN1960018A CN 1960018 A CN1960018 A CN 1960018A CN A2006101056368 A CNA2006101056368 A CN A2006101056368A CN 200610105636 A CN200610105636 A CN 200610105636A CN 1960018 A CN1960018 A CN 1960018A
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杰弗里·R·奇尔德雷斯
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Abstract

本发明涉及一种CPP GMR传感器结构，其具有自由和参考层，其中该自由和参考层的磁取向非直交。在一个实施例中，铁磁自由层膜具有标称上取向在其膜平面内、相对于定义为所述自由层的沉积平面与所述ABS的平面的交叉线的纵轴以角θfb在第一方向上的偏置点磁化。铁磁参考层膜具有标称上取向在其膜平面内、相对于所述纵轴以θrb角在不与所述第一方向直交的第二方向上的偏置点磁化。

Description

电流垂直平面型巨磁致电阻传感器
技本领域
本发明涉及磁头，更特别地，本发明涉及具有非直交排列的自由和参考层磁化的电流垂直平面(CPP)巨磁致电阻(GMR)头。
背景技术
计算机的核心是磁盘驱动器，其包括旋转磁盘、具有读和写头的滑块、旋转盘上方的悬臂以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形道(track)之上的致动器臂。盘不旋转时，悬臂将滑块偏置为接触盘的表面，但是当盘旋转时，滑块的气垫面(ABS)附近空气被旋转的盘旋动，使得滑块骑在气垫上距旋转盘的表面一微小的距离。当滑块骑在气垫上时，采用写和读头来写磁印(magnetic impression)到旋转盘或从其读取磁信号场。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路从而实现写和读功能。
通常称为MR头的磁致电阻(MR)读传感器几乎用于所有的大容量盘驱动器中。MR传感器通过其电阻变化检测磁场，其电阻是通过MR层感测的磁通的强度和方向的函数。现在的盘驱动器中常见类型的MR传感器采用巨磁致电阻效应，即电阻作为通过非磁间隔层分隔开的两个或更多铁磁层之间传导电子的自旋相关传输以及在铁磁和非磁层的界面以及铁磁层内发生的伴随自旋相关散射的函数而变化。这些传感器的电阻取决于不同磁层的磁化的相对取向。
其电阻主要取决于通过非磁材料(例如Cu)层分隔开的仅两个铁磁材料(例如Ni-Fe)层的相对磁化的GMR传感器通常被称为自旋阀(SV)传感器。在“简单”SV传感器中，称为参考层(reference layer)(或被钉扎层)的铁磁层之一使其磁化通常通过与反铁磁(例如PtMn)层的交换耦合而被钉扎。反铁磁层产生的钉扎场应该足够大从而确保参考层的磁化方向在施加外磁场(例如来自记录在盘上的位(bit)的场)期间保持固定。然而，称为自由层的另一铁磁层的磁化不被固定且响应于来自记录磁介质的场(信号场)自由转动。授权给Dieny等人的美国专利No.5,206,590公开了一种基于GMR效应运行的“简单”SV传感器，在此引用其全部内容作为参考。
示例性高性能读头采用自旋阀传感器，其用于感测来自旋转磁盘的磁信号场。图1A示出现有技术SV传感器100，包括通过非磁导电间隔层115与参考层(被钉扎铁磁层)120分隔开的自由层(自由铁磁层)110。参考层120的磁化通过到反铁磁(AFM)层130的交换钉扎(exchange pinning)而被固定。
图1B示出图1A的SV传感器100的透视图。
在当代SV传感器中几乎普遍采用的是利用反平行(AP)钉扎。在这样的AP被钉扎SV传感器中，参考层是两个铁磁层的层叠结构，该两个铁磁层通过非磁AP耦合层分隔开使得两铁磁层的磁化以反平行取向强烈地反铁磁耦合在一起。称为被钉扎层的第一铁磁层通过到AFM层的直接交换耦合而使其磁化在取向上被钉扎/固定。第二铁磁层用作确定该器件的电阻的参考层，被强烈地AP耦合到被钉扎层，且副作用地也在取向上被固定。AP排列的被钉扎和参考层的退磁场和磁矩的抵消相对于图1A的简单SV传感器所获得的大大地改进了参考层的稳定性。
参照图1C，AP被钉扎SV传感器200包括通过非磁导电间隔层215与层叠的AP被钉扎层结构220分隔开的自由层210。层叠的AP被钉扎层结构220的磁化通过AFM层230而被固定。层叠的AP被钉扎层结构220包括通过非磁材料反平行耦合层(APC)224分隔开的第一铁磁(被钉扎)层226和第二铁磁(参考)层222。层叠的AP被钉扎层结构220中的两铁磁层226、222(FM1和FM2)使其磁化方向反平行取向，如箭头227、223(分别指向页面外和页面内的箭头)所示。
自旋阀传感器的电阻R的变化公知为Q＝cos(θ)的线性函数，其中θ是参考和自由层结构的(面内)磁化矢量之间的角。具体地，θ≡θf-θr，其中θf是自由层的(面内)磁化的角，θr表示参考层的(面内)磁化的角。传感器的灵敏度通过其磁致电阻系数ΔR/R0量化，其中ΔR＝Rmax-Rmin为传感器的电阻的最大变化，R0＝R(Q＝0)为磁矩直交时传感器的电阻。事实上本领域实践时SV传感器中总是这样的情况，即Rmax＝R(Q＝-1)＝R(θ＝180°)且Rmin＝R(Q＝+1)＝R(θ＝0)。
运行时，SV传感器受到来自移动的磁盘的正和负磁信号场Hsig。这些正和负信号场通常大小相等，取向直交于盘平面(或ABS平面)。期望自旋阀读头的电阻的正和负变化相等，使得正和负读回信号相等。
当被钉扎/参考层结构的磁矩的方向被交换钉扎垂直于ABS，即，使得θr＝±90°时，则Q＝±sin(θf)，其中θf从与自由层和ABS的平面相互平行的轴测量。因为R(Q)关于Q的变化是线性的，所以由此可知R0＝R(Q＝0)＝R(θf＝0)将准确地在Rmax＝R(Q＝-1)和Rmin＝R(Q＝+1)之间的中间位置。
在磁性上还公知，自由层磁化角θf响应于来自盘的磁信号场的转动是这样的，即sin(θf)关于信号场Hsig的幅度约线性地变化。特别是，如果θfb＝0约为没有信号场时自由层的(静止)偏置点(bias-point)取向，该情况下灵敏度d(sin(θf))/dHsig也通常被最大化。由此可知最佳偏置点配置： θfb≡0将共同地最大化SV传感器的小信号灵敏度和线性动态范围，同时最小化电阻变化R(Hsig)-R0相关于信号场Hsig的极性的非对称性。用于优化SV传感器性能的这些设计考虑因素示于图2A-2B中，且在当前现有技术CIP传感器领域中是公知的。
实际偏置点在转换曲线(transfer curve)上的位置受到几个主要因素的影响。这些主要因素包括：退磁场，与自由和参考/钉扎层之间的界面耦合场结合的层内(形状各向异性)和相互层间双极耦合(dipolar coupling)；通过到AFM的交换耦合而施加在被钉扎层上从而维持 的钉扎场强度Hpin；以及将自由层磁化稳定在
Figure A20061010563600083
的静止/偏置状态的纵向偏置场HLB(通常通过与SV传感器的道边缘毗邻的永磁、硬磁体材料层提供)。给定在传感器的研磨的ABS边缘处不可避免的各向异性应力释放，这些磁层的任何一个中由于非零磁致伸缩而导致的应力诱发的磁各向异性也会起作用。
SV传感器的上面的描述主要应用于本领域的面内电流(CIP)自旋阀传感器(CIP SV)中，其中偏置电流主要在SV结构的全部构成层的平面内流动。CIP-SV传感器处于HDD读头技术的核心已经超过十年。对于所有这样的器件，偏置电流通过金属导电层(其可包括前述硬磁偏置膜)注入到传感器中，金属导电层在定义传感器的物理道宽(TW)的边缘处与传感器形成结。与传感器本身类似，金属引线结构必需包含在两(下和上)磁性导电屏蔽件(通常为NiFe)中且与它们维持电绝缘，所述两磁性导电屏蔽件的间隙长度G主要地确定传感器的线(顺道(downtrack))分辨能力。
随着HDD产品面密度超过100Gbit/sq.in.，G、TW、以及传感器条(stripe)高度SH(通常SH≈TW)的尺寸全部需要下降到100nm尺寸以下。这些小的SH，与为了配置在屏蔽件间隙G内而在结处/附近对金属引线的厚度的约束结合，导致大的寄生结电阻Rpar，其大致与1/SH成比例。在100nm器件尺寸，Rpar已经与固有传感器电阻Rint＝Rsq×(TW/SH)相当，对于固定的传感器片电阻(sheet resistance)Rsq和固定的、优化的高宽比SH/TW≈1，Rint大小不变。因为归因于电阻加热(Joule heating)的偏压限制，传感器输出将被Rint/(Rint+Rpar)的比率限制，该比率随着传感器尺寸减小而不利地调整。由于此，连同与形成电结(electrical junction)和维持与屏蔽件的稳定电绝缘中的光刻限制相关的制造困难，预测CIP-SV传感器技术将不会扩展到约50nm处/附近或以下的传感器尺寸。
在该未来接近50nm传感器尺寸范围，预期电流垂直平面(CPP)技术替代使用在目前的几乎全部盘驱动器产品中的CIP器件。对于CPP，屏蔽件可以充当引线，排除了电绝缘的需要，且基本上消除了寄生电阻问题。CPP传感器的两个主要候选利用隧穿磁致电阻(TMR)或CPP-GMR，后者在物理机制上最类似于CIP-GMR器件。这两个之中，由于其潜在的非常大的ΔR/R0＞＞10％，TMR传感器到目前为止已经被密切关注和开发以用于第一代CPP读头。然而，TMR隧道势垒的大的电阻面积乘积(RA)(～2Ω-μm2)将预示着在～50nm器件尺寸规格中出奇大的器件阻抗RA/(TW×SH)。为此，具有(RA≈0.05-0.2Ω-μm2)的CPP GMR-SV传感器(CPP-SV)作为未来的读头技术受到长期研发的关注。
尽管类似，但是CPP-SV的传输性质稍微不同于CIP-SV的传输性质。特别地，磁致电阻R(Q)-R0与前述量Q＝cos(θ)非线性地变化。图2A-B定量地示出对于CPP-SV器件电阻R作为cos(θ)的函数的变化，实际的层结构类似于CIP-SV。据信，CPP-SV的此方面及其对偏置点优化的重要意义尚未被磁头研发领域所充分意识到。
本发明人已发现，此非线性例如将最佳偏置点移动从而自由和参考层磁化之间具有非直交取向，使得Qb＝cos(θfb-θr)为负而不是零，或许大至Qb≈-0.5。本发明专注于实现此非直交偏置点的几种不同途径。
发明内容
如上所述，对于CIP传感器，在偏置点参考和自由层结构的(面内)成角磁化取向θr和θfb彼此理想地直交，使得 。然而，如图2B中的曲线图所示，CPP传感器显示磁致电阻在量Q＝cos(θf-θr)上是非线性的。此非线性为使得最佳灵敏度点偏移从而使自由和参考偏置磁化更反平行，即|θfb-θr|＞90°，使得Qb＝cos(θfb-θr)是负值而不是零，也许大至Qb≈-0.5。本发明包括且专注于实现此非直交偏置点的几种不同途径。
根据一实施例的CPP-SV头包括自由层、参考层、以及该自由和参考层之间的非磁间隔层，该自由层具有相对于(及基本平行于)定义为该自由层的沉积平面与该气垫面(ABS)的平面的交叉线的纵轴沿第一方向的标称偏置点磁化取向θfb，该参考层具有标称上取向在不与θfb直交的第二方向上的磁化取向θr。
根据另一实施例的CPP磁头包括被钉扎层、在该被钉扎层之上的非磁反平行(AP)耦合层、以及在该AP耦合层之上的参考层，该参考层磁化基本反平行于该被钉扎层的磁化。非磁间隔层位于该参考层之上，自由层位于该间隔层之上。该自由层磁化θfb标称上相对于(及基本平行于)定义为该自由层的沉积平面与该ABS平面的交叉线的纵轴沿第一方向取向。该参考层具有标称上取向在不与θfb直交的第二方向上的磁化取向θr。
双CPP磁头包括：自由层，其具有标称上沿第一方向取向的磁化取向θfb；第一参考层，其具有标称上沿不与θfb直交的第二方向取向的磁化取向θr1；该自由和第一参考层之间的第一间隔层；以及位于该自由层的与该第一参考层相反的一侧的第二参考层，该第二参考层具有标称上沿不与θfb直交但是基本平行于θr1的第三方向取向的磁化取向θr2。第二间隔层位于该自由和第二参考层之间。
实现上述器件中的任一种的磁存储***包括磁介质、用于从该磁介质读取和向其写入的至少一个头，每个头具有传感器和耦接到该传感器的写元件。滑块支承所述头。控制单元耦接到所述头用于控制该头的操作。
本发明的其它方面和优点将从下面的详细说明变得更加明显，结合附图，下面的详细说明以示例方式示出本发明的原理。
附图说明
为了更充分地理解本发明的本质和优点、以及优选使用模式，结合附图参考下面的详细说明。
图1A是现有技术自旋阀(SV)传感器的不按比例的气垫面视图；
图1B是现有技术AP被钉扎SV传感器的不按比例的透视图；
图1C是现有技术AP被钉扎SV传感器的不按比例的气垫面视图；
图2A示出对于CIP和CPP结构作为cos的函数的电阻；
图2B示出对于CIP和CPP结构作为cos(θf-θr)的函数的电阻变化(R-Rmin)；
图3是磁记录盘驱动器***的简化图；
图4是滑块和合并式磁头的局部视图；
图5是沿图4的平面5-5截取从而显示合并式磁头的读和写元件的滑块的不按比例的局部ABS视图；
图6是根据本发明一实施例的传感器结构的不按比例的ABS图；
图7是根据本发明一实施例的CPP GMR传感器的不按比例的ABS图；
图8是根据本发明一实施例的双CPP传感器的不按比例的ABS图；
图9示出对于CPP结构作为cos(m_free-m_ref)的函数的电阻变化；
图10是根据一实施例的自由和参考层的磁取向的图形表示；
图11是根据一实施例的自由、参考、以及硬磁偏置层的磁取向的图形表示；
图12是根据一实施例的自由、参考、以及反铁磁层的磁取向的图形表示；
图13是根据一实施例的自由、参考、以及被钉扎层的磁取向的图形表示；
图14是根据本发明一实施例的CPP GMR自钉扎传感器的不按比例的ABS图。
具体实施方式
下面的说明是用于实施本发明的当前预期的优选实施例。为了示出本发明的基本原理而进行说明，其不意味着限制这里提出的本发明的概念。此外，这里描述的特定特征可以与在各种可行的结合和置换的每个中的其它描述特征结合使用。
现在参照图3，示出了实现本发明的盘驱动器300。如图3所示，至少一个可旋转的磁盘312被支承在心轴(spindle)314上且被盘驱动马达318所旋转。每个盘上的磁记录是盘312上同心数据道(未示出)的环形图案的形式。
至少一个滑块313位于盘312附近，每个滑块313支承一个或更多磁读/写头321。盘旋转时，滑块313在盘表面322上径向移动进出，使得头321可以存取盘的记录所需数据的不同的道。每个滑块313借助于悬臂315连接到致动器臂319。悬臂315提供稍微的弹力，其将滑块313偏置朝向盘表面322。每个致动器臂319连接到致动器装置327。图3所示的致动器装置327可以是音圈马达(VCM)。VCM包括在固定磁场内可动的线圈，线圈移动的方向和速度通过控制器329提供的马达电流信号来控制。
盘存储***的运行期间，盘312的旋转在滑块313和盘表面322之间产生气垫，其对滑块施加向上的力或举力。这样气垫反平衡悬臂315且支承滑块313在正常运行期间离开盘表面且以一小的、基本恒定的间隔稍微在盘表面上方。
运行期间盘存储***的各种组元通过控制单元329产生的控制信号来控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元329包括逻辑控制电路、存储装置和微处理器。控制单元329产生控制信号从而控制各种***操作，例如线323上的驱动马达控制信号和线328上的头定位和寻道控制信号。线328上的控制信号提供所需的电流曲线(current profile)从而最佳地移动和定位滑块313到盘312上的所需数据道。读和写信号借助于记录通道325传送到读/写头321且从其传出。
对普通磁盘存储***的上面的描述以及附图3仅用于说明。应理解，盘存储***可包括多个盘和致动器，每个致动器可支承多个滑块。
图4是合并式磁头400的侧横截面正视图，其包括写头部分402和读头部分404。图5是图4的ABS视图。自旋阀传感器406夹在非磁电绝缘第一和第二读间隙层408和410之间，读间隙层夹在铁磁第一和第二屏蔽件层412和414之间。响应于外磁场，自旋阀传感器406的电阻变化。传导经过传感器的检测电流(Is)使得这些电阻变化显示为电势变化。这些电势变化然后作为读回信号被图3所示的处理电路329所处理。
磁头400的写头部分402包括夹在第一和第二绝缘层416和418之间的线圈层422。第三绝缘层420可被用来平坦化该头从而消除线圈层422导致的第二绝缘层中的波纹。第一、第二和第三绝缘层在本领域中称为“绝缘堆叠”。线圈层422以及第一、第二和第三绝缘层416、418和420夹在第一和第二极片层424和426之间。第一和第二极片层424和426在背间隙428处磁耦合且具有在ABS处通过写间隙层434分隔开的第一和第二极尖430和432。因为第二屏蔽件层414和第一极片层424是公共层，该头称为合并式头。在背负式头中，绝缘层位于第二屏蔽件层和第一极片层之间。第一和第二焊料连接(未示出)将引线(未示出)从自旋阀传感器406连接到滑块313(图3)上的引线(未示出)，第三和第四焊料连接(未示出)将引线(未示出)从线圈422连接到悬臂上的引线(未示出)。
如上所述，对于CIP传感器，参考和自由层/结构的(面内)成角磁化取向θref和θfree理想地彼此直交。然而，如图2B的曲线图所指出，CPP-SV传感器显示出在量Q≡cos(θf-θr)上非线性的磁致电阻。特别地，电阻R(Q)具有通式：
R ( Q ) = R ( Q = 1 ) + ΔR 1 - Q ( Γ + 1 ) + ( Γ - 1 ) Q - - - ( 1 )
参数值Γ＞1(Γ≈2-3或许是常见的)。
此非线性为使得最佳灵敏度点偏移从而自由和参考偏置磁化更反平行，即|θfb-θr|＞90°，使得Qb＝cos(θfb-θr)是负值而不是零，或许大小为Qb≈-0.5。本发明包括且专注于实现此非直交偏置点的几种不同途径。
多种类型的头可以使用这里描述的结构，且该结构特别适用于CPP-GMR传感器，包括单和双CPP-SV传感器。在下面的描述中，层的道边缘由道宽(W)定义。在ABS视图中传感器高度在进入纸面的方向上。每层的纵轴平行于ABS和沉积平面。除非另外说明，各个层的厚度垂直于相关层的平面获得，且仅以示例方式提供，可以比所列值更大和/或更小。类似地，这里列出的材料仅通过示例的方式提供，本领域技术人员将理解，可以使用其它材料而不偏离本发明的思想和范围。另外，用于形成该结构的工艺是常规的。此外，每层可包括单层、层的叠置等。
CPP GMR
图6示出根据一实施例的传感器结构600的ABS视图。如图所示，传感器602位于两个纵向偏置结构604之间，该偏置结构位于传感器的道边缘605外。传感器602可以是具有被钉扎层结构的任何类型常见传感器602。所示传感器602示于后面的图7等之中。
继续参考图6，每个偏置结构604包括硬磁偏置材料层606，其向传感器602的自由层提供纵向偏置场用于稳定自由层磁化。硬磁偏置层606的示例性厚度为50-200，可形成硬磁偏置层606的示例性材料包括CoPt、CoPtCr等。每个硬磁偏置层606夹在一对电绝缘层(IL1)、(IL2)608、610之间。能形成绝缘层608、610的优选材料包括Al2O3或其它电介质材料。
CPP传感器中，屏蔽件614、616也充当电流引线。
图7示出根据一实施例的CPP GMR传感器700的ABS视图。“CPP”意味着检测电流(Is)沿与形成传感器700的层的平面垂直的方向从一屏蔽件流到另一屏蔽件。
如图7所示，第一屏蔽件层(S1)702形成在衬底(未示出)上。第一屏蔽件层702可以是任何合适的材料，例如坡莫合金(NiFe)。第一屏蔽件层的示例性厚度在约0.5到约2μm的范围内。
籽层704形成在第一屏蔽件层702上。籽层助于产生它们上方的层的适当生长结构。从第一屏蔽件层702开始以堆叠形成的所示材料是Ta层704、NiFeCr层706、NiFe层708。这些材料的示例性厚度为Ta(30)、NiFeCr(20)、以及NiFe(8)。注意，籽层堆叠可以改变，基于所需的处理参数可以增加或省略层。
反铁磁层(AFM)710或反铁磁体形成在籽层上方。反铁磁层710钉扎任何位于上方的相邻铁磁层的磁化取向。
然后，反平行(AP)被钉扎层结构712形成在籽层上方。如图7所示，第一和第二AP被钉扎磁层、(AP1-S)和(AP2-S/REF)714、716通过反平行耦合(APC-S)材料的薄层718(通常为Ru)分隔开，使得AP被钉扎层714、716的磁矩彼此反平行地强烈自耦合。AP被钉扎层714被AFM层710交换钉扎。AP被钉扎层716充当参考层。在图7所示的实施例中，被钉扎层714、716的优选磁取向对于第一被钉扎层714为进入所示结构的面内(垂直于传感器702的ABS)，且对于第二被钉扎层716为离开所述面。注意，此取向在一些实施例中被倾斜。用于被钉扎层714、716的示例性材料为CoFe10(100％Co，10％Fe)、CoFe50(50％Co，50％Fe)等，通过Ru层718分隔开。第一和第二被钉扎层714、716的示例性厚度为约10和50之间。Ru层718可为约5-15，但是优选地选择为提供10kOe左右(或更大)的饱和场。在一优选实施例中，AP被钉扎层714、716中的每个为约30，其间的Ru层718为约8。
第一间隔层(SP1-S)720形成在被钉扎层结构712之上。用于第一间隔层720的示例性材料包括Cu、CuOx、Cu/CoFeOx/Cu堆叠等。第一间隔层720可以为约10-60厚，优选地约30。
自由层(FL-S)722形成在第一间隔层720之上。尽管通过硬磁偏置结构604标称上以基本纵向取向稳定化，但是自由层722的磁化对外部横向磁场(transverse magnetic field)例如记录在盘介质上的数据施加的磁场导致的适度再取向保持灵敏。被盘介质上的数据位影响时自由层722的磁取向的相对运动产生传感器702的电阻变化，由此产生信号。用于自由层722的示例性材料为CoFe/NiFe堆叠等。自由层722的示例性厚度为约10-40。注意，一些实施例可故意倾斜自由层磁化的标称偏置点取向从而适度地偏离纵向方向。
自由和参考层每个可由单层、层的叠置等形成。
帽(CAP)728可形成在自由层722之上。用于帽728的示例性材料为Ta、Ta/Ru堆叠等。帽728的示例性厚度范围为20-60。
绝缘层(IL)738与所述堆叠相邻地形成从而将它与硬磁偏置层740隔离。第二屏蔽件层(S2)742形成在帽728上方。
图8示出双CPP传感器800，其在结构上类似于图7的传感器700。图8的传感器800包括第二间隔层(SP2-S)750、第二被钉扎层结构和第二AFM层(AFM2)758，所述第二被钉扎层结构包括围绕第二AP耦合层(APC2-S)756的AP被钉扎层(AP3-S、AP4-S)752、754。
设置θfb和/或θr的方法
图9示出对于CPP-GMR结构作为Q≡cos(θf-θr)的函数的电阻R的变化。再次说明，此非线性为使得最佳灵敏度点偏移从而自由和参考偏置磁化更反平行，即|θfb-θr|＞90°，使得Qb＝cos(θfb-θr)是负值而不是零，也许大到Qb≈-0.5。圆900示出通过非直交地取向θfb和θr可实现的操作的优选范围。本发明专注于实现此非直交偏置点的几种不同方法。
当前的CIP-GMR读头利用来自邻近的、纵向磁化的、硬磁体膜(硬磁偏置)740(图7)的静磁场以
Figure A20061010563600151
的方式来纵向地稳定自由层722，且利用到AP耦合钉扎/参考层对的被钉扎层714的交换钉扎来以 的方式垂直于ABS地取向参考层716，且因此大致与自由层取向直交。钉扎方向通过在高温且在非常大的磁场中退火整个磁膜结构(在晶片水平、行水平、或者两者)从而在退火期间维持(使饱和)被钉扎层磁化在所需钉扎方向上。在此情况下，完成的传感器使被钉扎/参考层714、716标称上被交换钉扎在横向方向(
Figure A20061010563600161
)上，并且自由层722被平行于来自硬磁偏置704的场的方向地、与参考层磁化大致直交地纵向磁化( )。在适当的程度上，自由层取向也受来自结合的被钉扎/参考AP耦合膜的剩余退磁场以及(但通常在更小的程度上)自由和参考层之间的层间耦合的影响，所述层间耦合取决于它们之间例如Cu间隔层的厚度(和粗糙度)。
本发明的一个实施例利用类似的器件处理，但是通过控制结合的退磁和层间耦合场的大小和极性/方向旋转静止自由层偏置点取向θfb≠0°。图10示出在这样的实施例中的偏置点磁取向。退磁场可通过磁矩失配(momentmismatch)Δm≡mref-mpin来控制，优选地利用Δm≥0使得净退磁场自然地反平行于参考层的磁化方向。层间耦合通过例如Cu间隔层的厚度来控制。此实施例的一个缺点在于为了实现Qb＝cos(θfb-θr)～-0.5，或者θfb≈30°，□50nm尺寸读传感器中需要存在数百Oe的高的结合的退磁和耦合场，从而在存在500-1000Oe的显著的硬磁偏置纵向场时得到θfb≈30°的显著旋转。这要需要足够大的Δm≡mref-mpin从而使参考层不稳定。
另一实施例(其可以与前述实施例结合)将通过由硬磁偏置磁化取向的伴随旋转产生硬磁偏置场的横向分量来使静止自由层磁化取向旋转为θfb≠0°。此实施例示于图11中。倾斜硬磁偏置磁化的方向利用磁各向同性硬磁偏置膜比较容易完成，仅通过在其它常见硬磁偏置初始化工艺中控制磁场的取向。此方法的一个缺点是传统硬磁偏置几何外形使硬磁偏置仅沿传感器的纵向边缘邻接，使得读传感器的磁屏蔽件将优先抑制来自硬磁偏置的横向场。结果，在自由层处的硬磁偏置场取向与硬磁偏置磁化本身的取向相比更纵向地取向，且获得硬磁偏置场的大横向分量需要净硬磁偏置场幅度的显著减小。利用传统硬磁偏置几何外形，实现θfb≈5°至θfb≈30°的显著旋转的自由层偏置点取向同时仍维持磁稳定性而有足够大的净硬磁偏置场幅度(500-1000Oe)是不可行的。尽管后一问题可通过将硬磁偏置膜留在(而不是研磨掉)传感器的顶(与ABS相对)边缘处而缓解，但是此方式向已经困难的工艺步骤引入了增加的制造复杂性。
图12所示的本发明的优选实施例将自由层维持在稳定的纵向取向，而替代地将交换钉扎方向|θp|＜90°的取向旋转偏离完全的横向，使得钉扎方向的现在的非零纵向分量平行于硬磁偏置/自由层的磁化的方向，即|θfb-θp|＜90°。归因于被钉扎和参考层之间非常强的AP耦合，这又将产生参考层磁化的与自由层的磁化反平行的纵向分量，即|θfb-θr|＞90°。例如，铁磁被钉扎层膜可通过反铁磁体被交换钉扎从而将被钉扎层偏置点磁化维持在膜平面内不与自由层取向θfb直交的取向角θpb≠θfb±90°处，其中参考层取向θrb≡θpb±180°反平行于被钉扎层的取向。该结果是调节cos(θfb-θr)具有极限0和-1之间的任何值的途径。通过机械固定来控制晶片、行(row)、或单头相对于上述退火工艺中使用的磁体的取向而被安装的取向角，可实现控制被钉扎方向。退火期间通过被钉扎/参考层可见的净场取向角也受传感器磁屏蔽件存在的影响，但是这是对称效应，其归因于来自用于此目的的目前可得的超导退火磁体的数特斯拉的场，或者只是被其压倒。通过允许|sinθb|＜＜|Qb|和优先地小或零的Δm，此优选实施例具有不损害自由层或被钉扎/参考稳定性的优点。但是，此实施例允许与第一(以及第二)实施例结合的灵活性从而诱发适当的θfb≠0°，从而有意地调节自由层的磁响应θf-θfb对Hsig的非对称曲率。这使得函数R(Q)-R(Qb)中的单调曲率的抵消对于CPP-GMR(图2B)是自然的，从而R(Q)-R(Qb)将相对于Hsig大致线性地变化。
此实施例的再一个更微妙的潜在优点源于“微磁各向异性”效应，其被指出发生在被钉扎/参考AP被钉扎层结构中，不论传感器是否具有优选的大致正方形的传感器几何外形( TW ≅ SH )，且甚至在(静磁上最稳定的)Δm＝0的矩匹配的情况下。源于静磁，此“微磁各向异性”显示出双轴(biaxial)特性，较宽能量最小值的易轴沿正方形传感器(θr＝±135°)的对角线，具有锐利的能量最大值的难轴沿横向(θr＝±90°)或纵向。此二轴各向异性的大小随着厚度对交换长度的比值趋于一而急剧增大，并且在钉扎/参考层厚度等于～3nm的CoFe的实践情况下可达到数百Oe。这将增加的负担置于AFM/被钉扎层耦合的必需交换钉扎强度上从而维持传统横向θp＝±90°钉扎取向的稳定性。特别地，对于CPP-GMR传感器，磁致电阻系数偏向于增大层厚度，因此相对于CIP-GMR恶化了此问题。通过采用本发明的第三实施例和***地操作与完全地横向钉扎相比取向显著接近于对角线的倾斜的被钉扎/参考层，被钉扎/参考层强度的净稳定性(特别地如果SH≤TW)将被增强，且被钉扎/参考层磁波动噪声将被减小。
在图13所示的上述实施例的变型中，AP被钉扎层结构的包括AFM层710和AP1-S(被钉扎层)714的该部分被图14中硬磁膜(HM)1402(例如CoPt或CoPtCr)的单层所替代，其类似地以AP1-S“被钉扎”层磁和电地起作用。此变型的优点在于诸如CoPt的硬磁层1402的总物理厚度以及厚度-电阻率乘积可以比普通AFM/AP1-S组合的总物理厚度和厚度-电阻率乘积小一些或许多倍，这是由于最适用的AFM层例如PtMn或IrMn的大的电阻率和厚度。较低的电阻率-厚度乘积能显著减小CPP-SV层堆叠的固有寄生电阻，且同时显著降低净堆叠厚度，其被限制为配置在读屏蔽件之间的读间隙G内。在双CPP-SV的情况下后一优点能放大两倍，双CPP-SV中底和顶AFM/AP1双层每个被单硬磁体“被钉扎”层(HMPL)替代。HMPL的取向可以与用于硬磁偏置层的工序类似地在磁场中设置。然而，由于这些不同的硬膜的磁化取向将一般需要非共线，所以可能需要引入磁各向异性到这些硬磁层之一或两者中，或者目的为在第二硬磁层的取向设置期间避免已经先设置的硬磁层的再取向。以控制的取向引入这样的各向异性的一种方法已经描述在Carey等人在2005年3月31日提交的序列号为No.11/097920的共同待决美国专利申请“Magnetic Read Sensor Employing Oblique EtchedUnderlayers for Inducing Uniaxial Magnetic Anisotropy in a Hard MagneticPinning Layer”中，在此引用其全部内容作为参考。
尽管上面已经描述了各种实施例，但是应理解，它们仅以示例的方式给出，而不是限制。例如，这里给出的结构和方法在其对全部CPP头的应用上是通用的。因此，优选实施例的宽度和范围不应被任何上述示例性实施例所限制，而仅应根据所附权利要求及其等价物来定义。

Claims (32)

1.一种具有气垫面(ABS)的CPP自旋阀磁头，包括：
具有偏置点磁化的铁磁自由层膜，该偏置点磁化标称上取向在其膜平面内、相关于纵轴以角θfb沿着第一方向，该纵轴定义为自由层的沉积平面与ABS的平面的交叉线；
具有偏置点磁化的铁磁参考层膜，该偏置点磁化标称上取向在其膜平面内、相关于所述纵轴以角θrb沿着不与所述第一方向直交的第二方向；以及
该自由和参考层之间的非磁间隔层。
2.如权利要求1所述的头，其中cos(θfb-θrb)小于零。
3.如权利要求1所述的头，其中cos(θfb-θrb)小于约-0.2。
4.如权利要求1所述的头，其中cos(θfb-θrb)小于约-0.5。
5.如权利要求1所述的头，其中所述参考层磁化取向角θrb大致与所述纵轴直交，其中所述自由层取向角θfb标称上不平行于所述纵轴。
6.如权利要求5所述的头，其中所述自由层磁化的取向θfb通过来自所述参考层的退磁和层间耦合场的极性和方向确定。
7.如权利要求5所述的头，还包括硬磁偏置层，其位于所述自由层的相对两侧且具有与所述自由层的所述纵轴成一角度取向的磁化方向，其中θfb通过从所述硬磁偏置层发出的磁场取向在所述第一方向上。
8.如权利要求7所述的头，其中所述硬磁偏置层的磁化方向取向在从所述纵轴起约5至约30度的角，其中所述自由层磁化通过从所述硬磁偏置层发出的磁场取向在所述第一方向θfb上。
9.如权利要求1所述的头，其中所述自由层磁化方向θfb基本平行于所述纵轴，其中所述参考层取向角θrb与所述纵轴非直交。
10.如权利要求9所述的头，还包括铁磁被钉扎层膜，其通过反铁磁体被交换钉扎从而以取向角θpb维持该被钉扎层偏置点磁化在该膜平面内，该取向角θpb不与自由层取向θfb直交，且其中所述参考层取向θrb反平行于所述被钉扎层的该取向θpb。
11.一种磁存储***，包括：
磁介质；
用于从该磁介质读取和向其写入的至少一个头，每个头具有：
具有权利要求1所述的结构的传感器；
耦合到该传感器的写元件；
用于支承所述头的滑块；以及
耦接到该头用于控制该头的操作的控制单元。
12.一种具有气垫面(ABS)的CPP磁头，包括：
铁磁被钉扎层；
在该被钉扎层之上的反平行耦合层；
在该反平行耦合层之上的铁磁参考层，该参考层反平行耦合到该被钉扎层；
在该参考层之上的间隔层；
在该间隔层之上的铁磁自由层，纵轴被定义为该自由层的沉积平面与该ABS的平面的交叉线；
其中所述自由层具有标称上在该膜平面内相对于所述纵轴以角θfb沿第一方向的偏置点磁化取向；且
其中该参考层具有标称上在该膜平面内以一角度沿不与所述第一方向直交的第二方向的偏置点磁化取向θrb。
13.如权利要求12所述的头，其中cos(θfb-θrb)小于零。
14.如权利要求12所述的头，其中cos(θfb-θrb)小于约-0.2。
15.如权利要求12所述的头，其中cos(θfb-θrb)小于约-0.5。
16.如权利要求12所述的头，其中θrb大致与所述纵轴直交，其中θfb标称上不平行于所述自由层的所述纵轴。
17.如权利要求16所述的头，其中所述自由层磁化的所述取向θfb通过来自所述参考和被钉扎层的退磁和层间耦合场的极性和方向确定。
18.如权利要求16所述的头，还包括硬磁偏置层，其位于所述自由层的相对两侧且具有与所述自由层的所述纵轴成一角度取向的磁化方向，其中θfb通过从所述硬磁偏置层发出的磁场取向在所述第一方向上。
19.如权利要求18所述的头，其中所述硬磁偏置层的磁化方向取向在从所述自由层的所述纵轴起约5至约30度的角，其中θfb通过从所述硬磁偏置层发出的磁场取向在所述第一方向上。
20.如权利要求12所述的头，其中所述自由层磁化取向θfb基本平行于所述纵轴，其中所述参考层取向角θrb与所述纵轴非直交。
21.如权利要求20所述的头，还包括反铁磁体层，其将所述被钉扎层的所述偏置点磁化以取向角θpb交换钉扎在所述膜平面内一标称方向上，该取向角θpb不与所述自由层取向θfb直交，且其中所述参考层取向θrb反平行于所述被钉扎层的该取向角θpb。
22.如权利要求12所述的头，其中该被钉扎层磁化的方向借助于不同于到反铁磁体层的交换钉扎的方式而在取向上被固定。
23.一种磁存储***，包括：
磁介质；
用于从该磁介质读取和向其写入的至少一个头，每个头具有：
具有权利要求12所述的结构的传感器；
耦合到该传感器的写元件；
用于支承所述头的滑块；以及
耦接到该头用于控制该头的操作的控制单元。
24.一种具有气垫面(ABS)的双CPP磁头，包括：
具有偏置点磁化取向的铁磁自由层膜，该偏置点磁化取向标称上在该膜平面内、相关于由该自由层膜平面与该ABS的平面的交叉线定义的纵轴通过角θfb表示的第一方向上；
具有磁化取向的第一铁磁参考层膜，该磁化取向标称上在其膜平面内、沿由角θr1表示的不与所述第一方向直交的第二方向上；
该自由和第一参考层之间的第一间隔层；
位于所述自由层的与所述第一参考层相对的一侧的第二参考层，该第二参考层具有标称上在其膜平面内、沿通常在由角θr2表示的第三方向上取向的、不与所述第一方向直交的第三方向的磁化取向；以及
所述自由和第二参考层之间的第二间隔层。
25.如权利要求24所述的头，其中该第一和第二参考层物理性质上基本类似，且其中 θ r 1 ≅ θ r 2 , 且其中该第一和第二间隔层物理性质上基本类似。
26.如权利要求24所述的头，其中cos(θfb-θr1)小于零。
27.如权利要求24所述的头，其中cos(θfb-θr1)小于约-0.2。
28.如权利要求24所述的头，其中第一和第二参考层磁化方向θr1、θr2与所述自由层的所述纵轴基本直交，其中所述自由层磁化方向θfb标称上不与所述自由层的所述纵轴平行。
29.如权利要求24所述的头，其中所述自由层磁化方向θfb基本平行于所述纵轴，其中第一和第二参考层磁化方向θr1和θr2与所述纵轴非直交。
30.一种磁存储***，包括：
磁介质；
用于从该磁介质读取和向其写入的至少一个头，每个头具有：
具有权利要求24所述的结构的传感器；
耦合到该传感器的写元件；
用于支承所述头的滑块；以及
耦接到该头用于控制该头的操作的控制单元。
31.一种磁头，包括：
自由层；
参考层；
被钉扎层；
该被钉扎和参考层之间的耦合层；以及
该自由和该参考层之间的间隔层；
其中该参考层具有经耦合层通过该被钉扎层固定的磁化方向，
其中反铁磁层固定该被钉扎层的磁化方向，
其中该自由层的磁化方向相对于该参考层的磁化方向由参数Q决定地取向，Q为所述自由层的单位磁化矢量与所述参考层的单位磁化矢量的标量积，
其中在运行期间Q的值以及偏置电流的大小和极性使得该传感器不遭受自旋转矩诱发的不稳定性。
32.如权利要求31所述的头，其中Q的值在约零和约-0.6之间。
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