一般地说，本发明涉及用于从磁介质读出信息信号的磁隧道结磁 阻传感器，具体地说，涉及具有低磁矩/高矫顽力的磁隧道结传感器， 并且涉及包括这种传感器的磁存储系统。

计算机通常包括辅助存储器存储装置，后者具有可以把数据写入 其中或者可以从其中读出数据以便供以后使用的介质。通常，包括旋 转磁盘的直接存取存储装置(盘驱动器)用于把数据以磁的形式存储 在磁盘的表面。数据被记录在磁盘表面上一些同心的径向隔开的磁道 上。然后，利用包括读出传感器的磁头从磁盘表面的磁道读出数据。

在高容量磁盘驱动器中，流行的读出传感器是通常称为MR传感器 的磁阻(MR)读出传感器，因为，与薄膜感应式磁头相比，它们能够 在较大的磁道和线性密度下从磁盘表面读出数据。MR传感器通过其 MR检测层(也称为“MR元件”)的电阻随该MR层所检测的磁通的强 度和方向的变化来检测磁场。

传统的MR传感器的工作基础是各向异性磁阻(AMR)效应，其中， MR元件电阻随MR元件中的磁化和流过该MR元件的感测电流的方向之 间角度余弦平方而变化。由于来自记录磁介质的外磁场(信号磁场) 导致MR元件中磁化方向的变化，后者又引起MR元件中电阻的变化以 及检测到的电流或电压的相应的变化，所以，能够从磁介质中读出记 录的数据。

MR传感器的另一种类型是显现出巨磁阻(GMR)效应的巨磁阻传 感器。在GMR传感器中，MR检测层的电阻随由非磁性层(隔离层)隔 开的各磁性层之间传导电子的自旋相关传输以及发生在磁性和非磁性 层的界面和磁性层内的伴随的自旋相关散射而变化。

通常，把仅仅利用由非磁性材料(例如，铜)层隔开的两层铁磁 材料(例如，Ni-Fe)层的GMR传感器称为显现自旋阀(SV)效应的 自旋阀传感器。

图1显示包括由中心区域102隔开的端部区域104和106的先有 技术SV传感器100。称为固定层的第一铁磁层120通常通过与逆铁磁 (AFM)层125的交换耦合而将其磁化固定(钉扎)。称为自由层的 第二铁磁层110的磁化是不固定的，并且可以随着来自记录磁介质的 磁场(信号磁场)而任意旋转。自由层110通过非磁性的导电的隔离 层115而与固定层120隔开。分别形成在端部区域104和106的硬偏 置层130和135为自由层110提供纵向偏置。分别形成在硬偏置层130 和135的引线140和145提供用于检测SV传感器100的电阻的电连 接。授予Dieny等人的、被结合在本文中作为参考的IBM的美国专利 第5,206,590号公开了一种以SV效应作为工作基础的GMR传感器。

当前正在研制的另一类磁性装置是磁隧道结(MTJ)器件。MTJ 器件具有作为存储单元和作为磁场传感器的潜在的用途。MTJ器件包 括由薄的电绝缘隧道势垒层隔开的两个铁磁层。隧道势垒层薄到足以 在所述铁磁层之间发生电荷载流子的量子隧道效应。隧道效应过程是 自旋相关的，这意味着穿过所述结的隧道效应电流取决于铁磁材料的 自旋相关电子特性，并且随两个铁磁层的磁矩或者磁化方向的相对取 向而变。在MTJ传感器中，一个铁磁层的磁矩是固定的或者钉扎固定 的，而另一个铁磁层的磁矩可以随来自记录介质的外磁场(信号磁场) 而任意地旋转。当在两个铁磁层之间加上电位时，传感器电阻随着穿 过铁磁层之间的绝缘层的隧道效应电流而变。由于在垂直方向上流过 隧道势垒层的隧道效应电流取决于两个铁磁层的相对的磁化取向，所 以，磁介质读出记录的数据，因为，信号磁场引起自由层的磁化方向 的改变，这又引起MTJ传感器的电阻的改变以及检测到的电流或电压 的相应的改变。授予Gallagher等人的、被全面地结合在本文中作为 参考的IBM的美国专利第5,650,958号公开了一种以磁隧道结效应作 为工作基础的MTJ传感器。

图2示出包括第一电极204、第二电极202和隧道势垒215的先 有技术MTJ传感器200。第一电极204包括固定层(钉扎固定的铁磁 层)220、反铁磁(AFM)层230和晶种层(seed layer)240。固 定层220的磁化是通过与AFM层230的交换耦合而固定的。第二电极 202包括自由层(自由的铁磁层)210和盖层205。自由层210通过 非磁性电绝缘的隧道势垒层215与固定层220隔开。在没有外磁场的 情况下，自由层210的磁化取箭头212所示方向，就是说，通常垂直 于由箭头222(指向纸面内部的箭头的尾部)所示的固定层220的磁 化方向。所形成的分别与第一电极204和第二电极202接触的第一引 线260和第二引线265提供用于检测电流Is从电流源270到MTJ传感 器200的流通的电连接。通常包含诸如部分响应最大似然(PRML)通 道的记录通道、连接到第一和第二引线260和265的信号检测器280 检测由外磁场在自由层210中感应的变化所引起的电阻变化。

MTJ传感器的固定层的磁化方向可以利用交换耦合到该固定层的 反铁磁(AFM)层来固定。利用AFM层来固定固定层磁化的优点是固 定层和自由层的静磁互作用是小的，使得自由层仍然是软磁性的。利 用交换耦合的AFM层的缺点是：在AFM材料的较低的阻挡温度下交换 耦合变成零。具有所需要的高的耐蚀性能的AFM材料的阻挡温度是大 约200℃。在这样低的阻挡温度下，在许多MR传感器的120℃范围内 的工作温度下，这些AFM材料具有其幅度小于200奥斯特的钉扎固定 场。这些低的钉扎固定场降低了工作在高温下的MR传感器的热稳定 性。

可以通过把高矫顽力(硬)磁性材料用于固定层来大大地改善热 稳定性。利用这种材料，在直到可以是大约700℃的居里温度下保持 高的钉扎固定场。但是，高矫顽力材料固定层以静磁的方式耦合到自 由层，导致磁性比较硬的自由层对外磁场的灵敏度的降低。

因此，需要一种利用高矫顽力固定层来改善热稳定性而又不会由 于固定层和自由层的静磁互作用而降低传感器灵敏度的MTJ传感器。

本发明的目的是公开一种改进的磁阻隧道结(MTJ)传感器，它 利用高矫顽力磁性材料来固定逆平行(AP)钉扎固定的MTJ传感器的 磁化方向。

本发明的另一个目的是公开一种由于利用高矫顽力磁性材料来 固定固定层的磁化方向而具有高的热稳定性的MTJ传感器结构。

本发明的再一个目的是公开一种降低了高矫顽力固定层和自由 层之间的静磁互作用的MTJ传感器结构。

根据本发明的原理，公开一种具有层叠的逆平行(AP)固定层的 MTJ传感器，所述固定层包括：第一铁磁材料层，它由其饱和磁化大 于坡莫合金的磁化(大约800电磁单位/立方厘米(emu/cc))的材 料制成；第二铁磁材料层，它由高矫顽力磁性材料制成(这里，高矫 顽力定义为矫顽力大于150奥斯特)；以及设置在第一和第二铁磁层 之间的逆平行耦合(APC)层。包括由具有接近零的磁致伸缩系数的 软铁磁材料制成的对接的第一子层和第二子层的铁磁自由层通过由绝 缘材料制成的、与该自由层的第一子层邻接的隧道势垒层与所述AP固 定层的所述第一铁磁层隔开。将所述AP固定层的第一和第二铁磁层 分开的所述APC层促进强的逆平行耦合，导致高矫顽力的第二铁磁层 的磁化将第一铁磁层的磁化固定在逆平行方向。

在本发明的最佳实施例中，通过提供具有接近零的净磁矩AP固 定层结构而将AP固定层和自由层的静磁互作用减至最小。这样选择 构成AP固定层的各层的厚度，使得第一和第二铁磁层的磁矩的大小 接近相等。由于第一和第二铁磁层的磁化因它们之间的APC的缘故而 具有逆平行的取向，所以，AP固定层的净磁矩接近于零。由于用这 种方式将AP固定层与自由层的静磁互作用减至最小，所以，所述自 由层的磁化可以随着所加的磁场自由旋转，导致MTJ传感器具有高的 灵敏度。

在以下的详细的描述中，本发明的上述和其它目的、特征和优点 将是显而易见的。

为了更全面地理解本发明的本质和优点以及利用本发明的最佳 方式，应当联系附图阅读以下的详细描述。在以下各图中，所有各图 的相同的标号表示相同的或者类似的部件。

图1是先有技术SV传感器的空气支承面的未按比例的视图；

图2是先有技术磁隧道结传感器的空气支承面的未按比例的视 图；

图3是磁记录磁盘驱动系统的简化的示意图；以及

图4是根据本发明的MTJ传感器的实施例的空气支承面的未按比 例的视图。

以下描述是目前设想的实现本发明的最佳实施例。这种描述用于 举例说明本发明的一般原理，而不是要把要求保护的本发明的基本原 理限制在这里。

现在参考图3，图中示出实施本发明的磁盘驱动器300。如图3 中所示，至少一个可旋转的磁盘被支撑在主轴314上并且被磁盘驱动 电机318转动。每一个磁盘上的磁记录介质具有磁盘312上同心数据 磁道(未示出)的环形图案的形式。

至少一个滑座313被置于磁盘312上适当的位置，每一个滑座313 支撑一个或多个磁性的读/写磁头321，其中，磁头321包括本发明的 MTJ传感器。当磁盘旋转的时候，滑座313在磁盘表面322径向上时 进时出的移动，使得磁头321可以访问记录着所需要的数据的磁盘的 不同部分。每一个滑座313都借助悬架315安装在传动臂319上。悬 架315提供使滑座313偏移而贴着磁盘表面322的轻微的弹力。每一 个传动臂319安装在传动装置327上。图3中所示的传动装置可以是 音圈电机(VCM)。VCM包括可以在固定磁场中运动的线圈，线圈运 动的方向和速度受控于由控制器329提供的电机电流信号。

在磁盘存储系统工作期间，磁盘312的旋转在滑座313(滑座313 的、包含磁头321并且面向磁盘312表面的表面称为空气支承面 (ABS))和把向上的力或举力加在滑座上的磁盘表面322之间产生 空气支承。因此，在正常工作期间，这种空气支承抵销了悬架315的 轻微的弹力，并且以小的基本上不变的间隔将滑座313支承在磁盘表 面上方稍微离开磁场表面的位置。

工作时，磁盘存储系统的各种部件受控于由控制单元329产生的 控制信号，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，存储芯片和微处理器。控制单元329产生用于控 制各种系统操作的控制信号，例如，线路323上的驱动电机控制信号 以及线路328上的磁头位置和搜索控制信号。线路328上的控制信号 提供以最佳方式运动所需要的电流分布，并且把滑座313置于磁盘312 上所需要的数据磁道上。通过记录通道325向读/写磁头321传达或者 转达来自读/写磁头321的读和写信号。

典型的磁盘存储系统的以上描述以及图3的同时进行的说明仅仅 是为了说明的目的。应当明白，磁盘存储系统可以包含大量的磁盘和 传动装置，而每一个传动装置可以支承若干滑座。

图4示出根据本发明的最佳实施例的MTJ传感器400的空气支承 面(ABS)视图。MTJ传感器400包括第一电极404，第二电极402 和设置在第一电极404与第二电极402之间的隧道势垒层415。第一 电极404包括层叠的AP固定层420和晶种层440，这里，层叠的AP固 定层420设置在晶种层440和隧道势垒层415之间。第二电极402包 括自由层410和盖层405，这里，自由层410设置在盖层405和隧道 势垒层415之间。

层叠的AP固定层420是一种AP耦合多层结构，它包括：具有邻 接的第一界面层426的第一铁磁层428；具有邻接的第二界面层422 的第二铁磁层430；以及设置在第一界面层426和第二界面层422之 间、在第一铁磁层428和第二铁磁层430之间提供逆平行耦合的APC 层424。另一种方法是，可以不使用第一界面层426和第二界面层 422。第一铁磁层428由具有第一矫顽力的材料制成，而第二铁磁层 430由具有第二矫顽力的材料制成，其中，第二矫顽力大于第一矫顽 力。第二铁磁层430具有高矫顽力(大于150奥斯特)，它提供用来 把AP固定层420的磁化方向固定(钉扎固定)在垂直于ABS的方向 上的钉扎固定场。晶种层440是淀积层，用来改变随后的各层的结晶 织构或者晶粒大小，可以省去。

自由层410包括第一子层412和第二子层414，其中，第一子层 412设置在第二子层414和隧道势垒层415之间。自由层410的磁化 取向平行于ABS，并且可以随着信号磁场自由旋转。

分别邻接第一电极404和第二电极402的引线层460和465为检 测电流Is从电流源470到MTJ传感器400的流动提供电连接。电连接 到引线460和465的信号检测器480检测由于信号磁场(例如存储在 磁盘上的数据位产生的场)在自由层410中感应的变化引起的隧道效 应电流的变化。外部磁场起相对于固定层420的磁化方向转动自由层 410的磁化方向的作用，所述固定层的磁化方向最好钉扎固定在垂直 于ABS的方向。信号检测器480最好包括诸如本专业的技术人员已知 的PRML通道的数字记录通道。信号检测器480还包括其它支持电路， 例如，本专业的技术人员已知的前置放大器(电气上位于传感器和通 道之间)，用于调节检测到的电阻变化。

MTJ传感器400是在磁控溅射或者离子束溅射系统中淀积图4中 所示的多层结构来制造的。溅射淀积过程是在存在使所有铁磁层的易 磁化轴取向的大约40奥斯特纵向或横向磁场的情况下进行的。由金 (Au)制成的具有大约100-500埃厚度的下引线层460淀积在最好 是Al2O3的基片450上。在引线460上淀积由铬(Cr)制成的具有大 约50埃厚度的晶种层440。AP固定层包括顺序地淀积在晶种层440 上的第二铁磁层430，第二界面层422，APC层424，第一界面层426， 和第一铁磁层428。

具有大约50埃厚度的第二铁磁层430由Co80-Pt12-Cr8制成， 后者是一种具有高矫顽力的铁磁材料，它使第二铁磁层430具有硬永 久磁铁的性能。具有大约5埃厚度的第二界面层422由钴(Co)制成。 具有大约6埃厚度的APC层424由钌(Ru)制成。具有大约5埃厚度 的第一界面层426由Co制成，而具有大约25埃厚度的第一铁磁层428 由Co30-Fe70制成，后者是一种具有高磁化的铁磁材料，因此，预计 具有高的隧道磁阻系数。

隧道势垒层415由Al2O3制成，其形成方法是：在第一铁磁层428 上淀积8-20埃铝(Al)层，然后对其进行等离子体氧化。

在隧道势垒层415上淀积包括第一子层412和第二子层414的自 由层410。第一子层412由淀积在隧道势垒层415上具有大约10埃厚 度的Co90-Fe10制成。Co90-Fe10是具有接近零的磁致伸缩系数的铁磁 材料。第二子层414由淀积在第一子层412上具有大约20埃厚度的Ni-Fe(坡莫合金)制成。在第二子层上淀积由Ta制成的具有大约50 埃厚度的盖层405，从而完成MTJ传感器400的有源部分。

由金(Au)制成的具有大约100-500埃厚度的上引线层465 淀积在盖层405上。淀积在下引线460和上引线465之间的由Al2O3制 成的绝缘层490在所述引线之间提供电绝缘，并且，避免检测电流在 MTJ传感器400周围的分流。

利用高矫顽力磁性材料作为第二铁磁层430提供了钉扎场，用来 把层叠的AP固定层420的磁化固定在垂直于ABS的方向上。为了促 使固定层的磁化，把MTJ传感器置于垂直于ABS取向的高磁场(5000 -15000奥斯特范围内)中。Co80-Pt12-Cr8的高矫顽力和在500℃ 范围内的居里温度产生超过500奥斯特的、在高达大约120-140℃ 范围内的工作温度下具有极好的热稳定性的钉扎场。

为了避免高矫顽力第二铁磁层430对自由层410的静磁耦合妨碍 该自由层的磁化随着信号磁场自由旋转，必须通过适当地选择形成AP 耦合结构的各层的厚度来把层叠的AP固定层420的净磁矩降低到接近 零。所述结构中每一个铁磁层的磁矩等于该层材料的磁化与层厚度的 乘积。因为由于APC层424的缘故，第一铁磁层428和第一界面层426 的磁化与第二铁磁层430和第二界面层422的磁化是逆平行取向的， 所以，通过使APC层424的每一侧具有接近相等的总磁矩，就能够使 层叠的AP固定层420的净磁矩接近于零。

虽然Co80-Pt12-Cr8是第二铁磁层430的最佳成分，但是，也可 以使用表示为Cox-Pty-Crz的成分范围，其中，68％≤x≤88％， 8％≤y≤16％，4％≤z≤16％，并且x+y+z＝100％。

此外，虽然Co30-Fe70是第一铁磁层428的最佳成分，但是，也 可以使用表示为Coa-Feb的成分范围，其中，20％≤a≤50％，50 ％≤b≤80％，并且a+b＝100％。

隧道磁阻系数正比于自由层和固定层的磁通密度的乘积，因此， 对于用作MTJ传感器中的自由层和固定层，比较高磁通密度(比较高 磁化)的材料是所希望的。在最佳实施例中用作第一铁磁层428的Co30-Fe70材料具有24000高斯的非常高的饱和磁通密度，这应当产生用 于MTJ传感器400的高的隧道磁阻系数。

根据本发明，也可以使用其它第一铁磁层430材料，诸如 Co-Ni，Co-Pt，和Co-Sm来制造MTJ传感器。

虽然已经参考最佳实施例详细地显示和描述了本发明，但是，本 专业的技术人员应当理解，可以在不脱离本发明的精神、范围和启示 的情况下，在形式和细节上作出各种变化。因此，所公开的发明将被 看作仅仅是说明性的，并且被限制在所附的权利要求书所规定的范围 内。