粒状多层磁致电阻器件的制造方法技术

一种磁致电阻读出传感器包括一个粒状多层传感元件，该元件包含多层嵌入非磁性导电材料中的大体上扁平的铁磁性材料颗粒。一个由隔离层隔开磁致电阻传感元件的偏磁层提供一个磁场，以便把磁致电阻传感元件偏置于想要的无信号点。铁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扩散的方式处理的。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般来说涉及用来读出记录在磁性介质中的信息信号的磁性传感器，更确切地说涉及基于固定在非磁性导电材料基体中的多层独特铁磁性颗粒所显示的巨磁致电阻的磁致电阻式读出传感器。利用被称为磁致电阻(MR)式传感器或磁头的磁性读出传感器来从磁性介质中读出高密度记录数据，在先有技术中是已经公知的。这种MR传感器通过由磁性材料制成的读出元件的电阻变化来探测磁场信号，因为该电阻随读出元件所检测到的磁通强度和方向而变。这种先有技术的MR传感器根据各向异性磁致电阻(AMR)效应来工作，其中读出元件电阻的一个分量随磁化方向和流过读出元件的传感电流方向之间夹角的余弦平方(COS2)而变化。对AMR效应的更详细的描述可在D.A.Thompson等人的“存储器、存储及有关应用”，IEEE(美国电气及电子工程师学会)论文集，磁学，MAG-11，1039页(1975)中找到。1990年1月23日授权给Takino等人的题为“利用磁致电阻效应的磁性传感器磁头”的美国专利第4，896，235号公开了一种多层磁性传感器，该传感器利用AMR，含有由非磁性层隔开的第一和第二磁性层，其中至少一个磁性层是由表现出AMR效应的材料制成的。每个磁性层中的易磁化轴被设置成与所加磁性信号垂直，使MR传感器元件的传感电流在磁性层中提供一个与易磁化轴平行的磁场，从而消除或最大限度地减少传感器中的巴克好森噪声。H.Suyama等人的“用于高密度硬盘驱动器的薄膜MR磁头”，IEEE(美国电气及电子工程师学会)论文集，磁学，Vol.24，No.6，1988(2612-2614页)公开了一种与Takino等人所公开者类似的多层MR传感器。也描述过第二种不同的并且更明显的磁致电阻效应，其中层状磁性传感器的电阻变化归因于对铁磁层之间的导电电子借助于隔开铁磁层的非磁性层进行与自旋有关的传送，及在该层各界面处伴生与自旋有关的散射。这种磁致电阻效应被称为“巨磁致电阻”效应，或“自旋阀”效应。由适当材料制成的这样一种磁致电阻传感器，改善了灵敏度，并有比在利用AMR效应的传感器中观察到的更大的电阻变化。在这种类型的MR传感器中，由一个非磁性层隔开的一对铁磁层之间的面内(in-plane)电阻，随着该两层中磁化强度之间夹角的余弦(COS)而变化。Grunberg的美国专利第4，949，039号描述了一种层状磁性结构，该结构产生由磁性层中磁化强度的逆平行匹配引起的强化MR效应。作为可以用于层状结构的材料，Grunberg列出了一些铁磁性过渡金属和合金，但是没有从清单中针对较大的MR信号幅度指明优选材料。Grunberg还描述了使用反铁磁型交换耦合来得到逆平行匹配，其中相邻的铁磁材料层用一个铬或钇的薄中间层隔开。转让给本受让人的1990年12月11日提出的共同待决美国专利申请第07/625，343号公开了一种MR传感器，在其中观察到两个未耦合铁磁层之间的电阻，随两层的磁化强度之间夹角的余弦而变化，并且与流过传感器的电流方向无关。此机理产生的磁致电阻基于自旋阀效应，并且对于所选的材料组合来说在数值上大于AMR。转让给本受让人的1992年10月27日授予Dieny等人的美国专利第5，159，513号公开了一种基于上述效应的MR传感器，该传感器包括由一个非磁性金属材料的薄膜层隔开的两个铁磁材料的薄膜层，其中至少一个铁磁层是由钴或钴合金制成的。在外加磁场为零时，一个铁磁层的磁化强度通过交换耦合于反铁磁层，而保持垂直于另一铁磁层的磁化强度。在上面引用的美国专利和专利申请中的自旋阀结构，需要在两个铁磁层之一中的磁化强度方向被固定于或“订牢”于所选择的方向，因此在无信号条件下，另一铁磁层中的磁化强度取向垂直于订牢层的磁化强度。此外，在AMR和自旋阀结构中，为了把巴克好森噪声减至最小，必须提供纵向偏置磁场以便至少把读出元件的传感部分保持于单磁畴状态。因此，需要用来固定磁化强度方向和提供纵向偏置磁场的装置。例如，如在上面引用的专利申请和专利中所述，可以形成一个与铁磁层接触的反铁磁材料的附加层，以便提供交换耦合偏置磁场。如其不然，可以用一个相邻的磁性硬层为铁磁层提供硬偏置。最近，已在嵌入非磁性金属基体中的铁磁性颗粒的单层和多层复相膜中观察到巨磁致电阻效应。已报道过诸如钴-铜(Co-Cu)、钴-银(Co-Ag)和镍-铁-银(NiFe-Ag)之类的非均相单层合金系统中的GMR。例如，见“非磁性磁系统中的巨磁致电阻”，JohnQ.Xiao等人，物理评论通信，Vol.68，No.25，3749-3752页(1992年6月22日);“复相铜-钴合金中的巨磁致电阻”，A.E.Berkowitz等人，物理评论通信，Vol.68，No.25，3745-3748页(1992年6月22日);“在单层钴-银合金膜中观察到的‘巨大’磁致电阻”，J.A.Barnard等人，致编辑的信，磁学和磁性材料杂志，114(1992)，L230-L234页;以及J.Jaing等人，应用物理通信，Vol.61，2362页(1992)。钴合金是在低温下不混溶的材料。然而，以亚稳定合金退火，可使铜或银基体中形成精细的钴沉淀，即“晶粒(grain)”。MR效应看来随平均颗粒直径的大小成反比地变化。虽然同较复杂的多层自旋阀传感器相比，“粒状(granular)”合金是实现仅有一单层膜的GMR传感器的一种很有吸引力的方法，但是钴合金需要几千奥斯特(Oe)的饱和磁场，因而在低磁场MR传感器场合将无用。据新近的报道，银基体中的粒状镍铁已经在室温下在约400Oe的MR尖峰的半高宽时产生10%的MR(△R/R)值。据更新的报道，银基体中的退火镍铁已可产生一种粒状多层结构，该结构在室温下在约100Oe的饱和磁场时表现出约17%的MR。见“镍-铁/银多层材料的磁致电阻和热稳定性”，B.Rodmacq等人，致编辑的信，磁学和磁性材料杂志，118(1993)，L11-16页。虽然单层和多层镍铁合金的饱和磁场低于钴合金的报道值，但仍高于MR器件的应用范围(约10Oe或更低)。于是，本专利技术的主要目的在于提供一种基于粒状多层结构GMR效应的低磁场MR磁性传感器。本专利技术的另一个目的在于提供一种MR传感器，其中不需要提供用来在一个或多个铁磁性层中固定磁化取向的附加结构装置，或用于磁场传感元件的纵向偏置磁场。按照本专利技术原则可实现这些和其他目的和优点。在本专利技术中，MR读出传感器包括一个粒状多层传感元件，该元件包括一个在适当的基片上形成的层状结构，该结构包括一个由嵌入非磁性导电材料中的一组扁平状或盘状铁磁性材料颗粒或岛组成的磁致电阻传感元件和一个用来提供磁场以便把磁致电阻传感元件偏置于想要的无信号点的偏磁层，该偏磁层由位于其间的非磁性隔离层来隔开磁致电阻传感元件。铁磁性材料和非磁性材料选择成使两种材料互不混溶。如其不然，磁性和非磁性材料在平衡条件下可以是混溶的或部分混溶的，并以限制互相扩散的受控方式处理的。磁致电阻传感元件是通过在基片上交替沉积铁磁性材料层和非磁性材料层，而在偏磁层和隔离层上面形成的。沉积完成时，多层磁致电阻传感元件被退火。在退火期间，铁磁性层分裂成平板形颗粒，因为铁磁性层上下的非磁性材料的不混溶层穿透晶界，并打破铁磁性层的连续性而形成嵌入非磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于包括一个磁致电阻传感元件，该元件至少包含一个嵌入一层非磁性导电材料中的铁磁性材料的不连续层。

【技术特征摘要】
US 1993-4-30 0563311.一种粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于包括一个磁致电阻传感元件，该元件至少包含一个嵌入一层非磁性导电材料中的铁磁性材料的不连续层。2.如权利要求1所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性材料和所述非磁性材料是互不混溶的。3.如权利要求1所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于铁磁性材料的所述不连续层，形成一层所述铁磁性材料的扁颗粒。4.如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于它包含一个用来为所述磁致电阻传感元件提供偏置磁场的磁性材料偏磁层;以及一个布置在所述偏磁层和所述磁致电阻传感元件之间的、使所述偏磁层与所述磁致电阻传感元件在磁性上解耦的非磁性材料分隔层。5.如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述磁致电阻传感元件包括N个嵌于N层所述非磁性导电材料中的所述铁磁性颗粒的所述层。6.如权利要求5所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述层数N从3至10的范围内选择。7.如权利要求6所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述层数N为5。8.如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由一种铁磁性材料组成，该材料选自由铁、钴、镍、镍铁及基于铁、钴、镍或镍铁的铁磁性合金组成的组类。9.如权利要求8所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁组成。10.如权利要求8所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁-钴组成。11.如权利要求5所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁-铅组成。12.如权利要求11所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述镍-铁-铅合金中含铅的数量从0.1%至20%重量的范围内选择。13.如权利要求5所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒由镍-铁-银组成。14.如权利要求13所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述镍-铁-银合金中含银的数量从1%至20%重量的范围内选择。15.如权利要求1所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层由选自银、金、铜和钌所组成组类的材料组成。16.如权利要求15所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层是银制的。17.如权利要求4所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述偏磁层包括一层用来提供所述偏置磁场的软磁材料。18.如权利要求17所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述软磁材料包含一种选自镍-铁和镍-铁-铑所组成组类的材料。19.如权利要求4所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述偏磁层包含一层用来提供所述偏置磁场的硬磁材料。20.如权利要求19所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述硬磁材料包含一种选自钴-铂和钴-铂-铬所组成组类的材料。21.如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒厚度在约10埃至约30埃的范围内。22.如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述铁磁性颗粒厚度约为20埃。23.如权利要求3所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层的厚度小于所述非磁性导电材料中导电电子的平均自由程长度。24.如权利要求23所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层的厚度在约10埃至约50埃的范围内。25.如权利要求24所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述非磁性导电层的厚度约为35埃。26.如权利要求4所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述隔离层包含一种选自钽、锆、钛、钇和铪所组成组类的材料。27.如权利要求26所述的粒状多层磁致电阻传感器，其特征在于所述隔离层含有钽。28.一种磁性存储系统，其特征在于它包括一个磁性存储媒体，它有多个在其表面上限定的用来记录数据的磁道...

【专利技术属性】
技术研发人员：科温R高芬，詹姆斯K哈沃德，托德L海勒特，米查尔A帕克，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]