專利名稱：自旋累積磁傳感器的三端設(shè)計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻傳感器，更具體地涉及具有三端構(gòu)造和自旋擴散層的自旋累積傳 感器(spin accumulation sensor)，使自旋累積傳感器實際應用于數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
計算機長期存儲器的心臟是稱作磁盤驅(qū)動器的組件。磁盤驅(qū)動器包括旋轉(zhuǎn)磁盤； 讀頭和寫頭，通過懸臂(suspension arm)懸置在旋轉(zhuǎn)磁盤的表面附近；以及致動器，轉(zhuǎn)動 懸臂以將讀頭和寫頭置于旋轉(zhuǎn)盤上的選定圓形軌道之上。讀頭和寫頭直接設(shè)置在具有氣墊 面(air bearing surface,ABS)的滑塊上。懸臂使滑塊偏向盤表面，當盤旋轉(zhuǎn)時，鄰近盤的 空氣隨盤表面一起運動?；瑝K以此運動空氣為緩沖(cushion)飛行于盤表面上方。當滑塊 在氣墊上行進時，讀頭和寫頭用于將磁轉(zhuǎn)變寫入旋轉(zhuǎn)磁盤以及從旋轉(zhuǎn)磁盤讀取磁轉(zhuǎn)變。讀 頭和寫頭連接到根據(jù)計算機程序操作的處理電路以執(zhí)行讀取和寫入功能。常規(guī)地，寫頭包括埋設(shè)在第一絕緣層、第二絕緣層和第三絕緣層(絕緣堆疊)中的 線圈層，該絕緣堆疊夾設(shè)在第一極靴層(pole piece layer)與第二極靴層之間。在第一極 靴層和第二極靴層之間由在寫頭的氣墊面(ABS)處的間隙層形成間隙，并且極靴層在后間 隙(back gap)處連接。傳導到線圈層的電流在極靴中感應磁通量，該磁通量使磁場在ABS 的寫間隙處彌散出來，以將上述磁轉(zhuǎn)變寫入運動介質(zhì)上的軌道中(例如，前述旋轉(zhuǎn)盤上的 圓形軌道中)。在本讀頭的設(shè)計中，采用TMR傳感器來感測來自旋轉(zhuǎn)磁盤的磁場。該傳感器包括 隧道勢壘層，該隧道勢壘層夾設(shè)在第一鐵磁層與第二鐵磁層之間，第一鐵磁層和第二鐵磁 層被稱為參考層和自由層。第一引線和第二引線連接到傳感器，用于施加跨過勢壘的感測 電壓。參考層的磁化強度固定為垂直于氣墊面(ABS)，并且自由層的磁化強度取向為平行于 ABS但可響應外部磁場而自由旋轉(zhuǎn)。參考層的磁化強度或者通過與反鐵磁層的直接交換釘 扎(exchange-pinning)而固定，或者通過到第三鐵磁“釘扎”層(其被反鐵磁層交換釘扎) 的強反鐵磁耦合而固定。當參考層和自由層的磁化強度彼此平行時，穿過勢壘的隧道電流被最大化。當參 考層和自由層的磁化強度為反向平行(antiparallel)時，隧道電流被最小化。TMR的電導 的改變隨著cos θ而變化，其中θ為參考層和自由層的磁化強度之間的夾角。在讀模式中， TMR傳感器的電阻隨來自旋轉(zhuǎn)盤的磁場大小成比例地改變。當感測電壓施加給TMR傳感器 時，電阻變化引起電流變化，該電流變化被檢測并被處理為重放信號(playback signal) 0最近研究人員已經(jīng)開發(fā)了垂直磁記錄系統(tǒng)。較早的縱向記錄系統(tǒng)(例如，結(jié)合有 上述寫頭的記錄系統(tǒng))將數(shù)據(jù)存儲為沿磁盤表面的平面中的軌道縱向取向的磁位。此縱向 數(shù)據(jù)位被彌散場(fringing field)記錄，該彌散場形成在由寫間隙分隔的成對的磁極之 間。相反，垂直記錄系統(tǒng)將數(shù)據(jù)記錄為垂直于磁盤平面取向的磁化強度。磁盤具有由 薄的磁性硬頂層(hard top layer)覆蓋的磁性軟底層(softunderlayer)。垂直寫頭具有截面很小的寫極和截面較大的返回極。強的高度集中的磁場在垂直于磁盤表面的方向上從 寫極發(fā)出，磁化磁性的硬頂層。然后，所產(chǎn)生的磁通量傳播通過軟底層，返回到返回極，在該 返回極處該磁通量被充分散開而是微弱的，當該磁通量在其返回到返回極的路徑上穿過磁 性硬頂層返回時，不會擦除由寫極記錄的信號。盡管垂直磁數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)已經(jīng)在增大數(shù)據(jù) 密度上取得進步，但是仍需要進一步增大數(shù)據(jù)密度。隨著記錄面密度的增大，讀傳感器的尺寸減小。當之前的技術(shù)不能以很小的傳感 器尺寸來提供必要的信號和信噪比時，引入了諸如TMR的讀傳感器技術(shù)。類似地，TMR讀傳 感器會遇到有限范圍的器件尺寸(因此限制了面密度)，在該范圍之下其也會不足以實現(xiàn) 必要的信噪比性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種自旋累積讀頭傳感器，其具有允許自由層設(shè)置在氣墊面的 三端設(shè)計，而沒有自旋電流的不必要的分流、與硬偏置穩(wěn)定化的干擾或在氣墊面或其附 近建立第四接觸的制造困難。傳感器包括遠離氣墊面設(shè)置的參考層結(jié)構(gòu)以及設(shè)置在氣 墊面處的自由層結(jié)構(gòu)。內(nèi)部的非磁性導電自旋輸運傳導層(non-magnetic，conductive spin-transport conducting layer)從參考層結(jié)構(gòu)延伸到自由層結(jié)構(gòu)。對于本發(fā)明，從 ABS移除參考層結(jié)構(gòu)使其尺寸基本大于自由層結(jié)構(gòu)的尺寸，從而降低了與成比例地減小參 考層結(jié)構(gòu)以及自由層的尺寸相關(guān)的技術(shù)難度和信噪比退化，這是實現(xiàn)增大的面記錄密度所 需的。通過第二引線連接施加的跨過參考層結(jié)構(gòu)的電流或電壓源導致通過參考層的自 旋極化電流，該電流返回到連接到公共“接地”連接的第一電流引線。同時，純自旋電流可 以通過前述的導電自旋輸運傳導層而從參考層結(jié)構(gòu)流動到且通過自由層結(jié)構(gòu)。如果通過自 由層的自旋電導由自由層磁化強度相對于參考層磁化強度的取向來決定，則當自旋電流被 響應來自旋轉(zhuǎn)磁盤的磁信號場的自由層磁化的旋轉(zhuǎn)調(diào)制時，一側(cè)連接到接地并連接到第三 引線連接的(電壓感測)放大器可以檢測跨過自由層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的電壓變化，該第三引線連 接與自由層結(jié)構(gòu)電接觸。例如，讀頭的常規(guī)上、下磁屏蔽可以用作第一 /接地連接和第三引 線連接(一個屏蔽接地，而另一個為第三引線)，使得信號電壓為測得的上屏蔽與下屏蔽之 間的電勢差，對于TMR傳感器通常是這種情況。然而，因為在本發(fā)明的三端設(shè)計中第三引線 連接是到自由層結(jié)構(gòu)的唯一外部電連接，所以沒有從參考層到達自由層結(jié)構(gòu)的自旋電流將 被分流到連接到自由層結(jié)構(gòu)(其電連接到第三引線)的相反側(cè)的第四引線。在現(xiàn)有技術(shù)的 自旋累積裝置中，存在第四引線，其使部分自旋電流分流，減少了信號。自由層結(jié)構(gòu)可以包括在與電連接到第三引線的一側(cè)相對的那側(cè)(上或下)的絕緣 層，以保持其電絕緣而不與用作第一/接地引線連接的屏蔽層直接接觸。自由層結(jié)構(gòu)還可 以包括在自由層與用作第三引線連接的屏蔽之間的自旋擴散層。該自旋擴散層可以由具有 短自旋擴散長度的金屬導體構(gòu)造，例如Pt、Ir或Re，并用于在自旋電流到達屏蔽之前混合 自旋電流的自旋極性。這防止屏蔽的磁化強度的方向在影響通過自由層結(jié)構(gòu)的自旋電導中 起到第二參考層的作用。通過結(jié)合附圖閱讀以下對優(yōu)選實施例的詳細描述，本發(fā)明的這些和其它的特征以 及優(yōu)點將變得明顯，附圖中相同的附圖標記始終指代相同的元件。


為了更全面理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點及其所采用的優(yōu)選實施例，應當參照以下結(jié) 合附圖的詳細描述，附圖沒有按比例。圖1是可實施本發(fā)明的盤驅(qū)動器系統(tǒng)的示意圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)的自旋累積裝置的側(cè)截面圖；圖3是從圖2的3-3線看時現(xiàn)有技術(shù)的自旋累積裝置的俯視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的自旋累積傳感器的側(cè)截面圖；以及圖5是從圖4的5-5線看時自旋累積傳感器的俯視截面圖。
具體實施例方式以下描述是目前預期實現(xiàn)本發(fā)明的最佳實施例。該描述是為了說明本發(fā)明的一般 原理，而不意在限制其中主張的發(fā)明理念。現(xiàn)在參照圖1，示出了實施本發(fā)明的盤驅(qū)動器100。如圖1所示，至少一個可旋轉(zhuǎn) 的磁盤112支撐在主軸114上并被盤驅(qū)動器馬達118旋轉(zhuǎn)。每個盤上的磁記錄為磁盤112 上的同心數(shù)據(jù)軌道(未示出)的環(huán)形圖案的形式。至少一個滑塊113設(shè)置為靠近磁盤112，每個滑塊113都支撐一個或多個磁頭組件 121。隨著磁盤旋轉(zhuǎn)，滑塊113在盤表面122上沿徑向進出，使得磁頭組件121可以接近磁 盤的寫有所希望數(shù)據(jù)的不同軌道。每個滑塊113通過懸架115裝設(shè)到致動器臂119。懸架 115提供輕微的彈力，該彈力使滑塊113偏向盤表面122。每個致動器臂119都裝設(shè)到致動 器裝置127。如圖1所示的致動器裝置127可以是音圈馬達(VCM)。VCM包括可在固定磁場 內(nèi)移動的線圈，并且線圈移動的方向和速度由控制器129提供的馬達電流信號來控制。在盤存儲系統(tǒng)運行期間，磁盤112的旋轉(zhuǎn)在滑塊113和盤表面122之間產(chǎn)生氣墊 (air bearing)，該氣墊對滑塊施加向上的力或者升力。從而，在正常運行期間，氣墊平衡懸 臂115的微小的彈力，并且支撐滑塊113離開盤表面且略微在盤表面之上而有基本恒定的 小間隔。盤存儲系統(tǒng)的各種組件在運行中通過由控制單元129產(chǎn)生的控制信號來控制，這 些控制信號諸如存取控制信號和內(nèi)部時鐘信號。通常，控制單元129包括邏輯控制電路、存 儲裝置和微處理器?？刂茊卧?29產(chǎn)生控制信號以控制各種系統(tǒng)工作，諸如線123中的驅(qū)動 馬達控制信號、線128中的頭定位和搜尋控制信號。線128上的控制信號提供期望的電流 分布(current profile)以使滑塊113優(yōu)化地移動和定位到盤112上的期望的數(shù)據(jù)軌道。 寫信號和讀信號通過記錄通道125傳送到寫頭和讀頭121以及從寫頭和讀頭121傳出。圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的自旋累積裝置的側(cè)截面圖。應當指出，圖2中示出的裝置 僅為理論上的裝置，其幾何形狀是從相似幾何形狀的裝置自然推斷的，并且相當于現(xiàn)有技 術(shù)文獻中討論的四端電連接。該裝置受到一定的質(zhì)疑(這將在下面討論)，該質(zhì)疑提出這樣 的裝置不適合于在運行的數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中使用。裝置200包括參考磁性層202和自由磁性層204。參考磁性層202設(shè)置為離開自 由層204 —距離，自由層204在讀頭中會設(shè)置在由指示為“ABS”的虛線所示的氣墊面處。如 前所述，參考層202具有固定在一方向(通常垂直于ABS)上的磁化強度210。自由磁性層204會設(shè)有設(shè)置在ABS處的邊緣。非磁性且導電的自旋輸運傳導層206從參考層202延伸 到自由層204。層206應當由導電材料組成，優(yōu)選地該導電材料具有比參考層202與自由層 204之間的距離長的自旋擴散長度。反鐵磁材料層(AFM層)208可以形成在參考磁性層202之上并與參考磁層202交 換耦合，以將參考層202的磁化強度210釘扎在垂直于ABS平面的所希望的方向上。此外， 非磁性的第一薄接觸層212可以設(shè)置在參考層202與非磁性自旋傳導層206之間。類似 地，非磁性的第二薄接觸層214可以設(shè)置在自由磁性層204與自旋傳導層206之間。接觸 層212和214被選擇為分別促進自旋傳導層206與參考層202或自由層204之間的自旋相 關(guān)電輸運，并可以包括導電的金屬類(metallic-like)的層或者類似于用于現(xiàn)有技術(shù)中的 TMR傳感器的隧道勢壘層。由此可見，裝置200為四端裝置。電流源216施加跨過參考層結(jié)構(gòu)的電流218，該 參考層結(jié)構(gòu)包括電接觸層230、AFM層208、參考層202和接觸層212，然后電流218進入非 磁性自旋傳導層206。如前所述，參考層202具有固定為垂直于ABS的磁化強度210。由于 接觸層212促進自旋相關(guān)輸運，這將導致進入自旋傳導層206的電子的自旋極化(被極化 為與磁化強度210的方向共線)。該自旋極化電流218的純電(或電荷)分量一定必然通 過接地連接返回到電流源216。然而，該自旋極化電流的純自旋電流220會另外地在沿自旋 傳導層206的另一方向上朝向自由層204流動。如果自旋傳導層206的自旋擴散長度相當 于或長于參考層與自由層之間的距離，則該自旋電流的大小(或極化程度)將跨過此距離 而大部分沒有被減少，并且能夠流動通過自由層結(jié)構(gòu)(214、204、228)。如果接觸層214促 進傳導層206與自由層204之間的自旋相關(guān)輸運，那么經(jīng)過自由層結(jié)構(gòu)的純自旋電流將產(chǎn) 生跨過自由層結(jié)構(gòu)的純電壓，該電壓可以被合適的跨過自由層結(jié)構(gòu)連接的電壓感測放大器 224檢測。自由層204具有偏置在平行于ABS的方向上的磁化強度，如箭頭符號222所示。盡 管該磁化強度偏置為平行于ABS，但是它可響應外部磁場自由旋轉(zhuǎn)。對磁化強度222的偏置 由圖3中可見的硬磁偏置層(hard magnetic biaslayers) 302、304來提供。圖3示出了從 圖2的3-3線看到的俯視圖。硬磁偏置層302、304與自由層204靜磁耦合，并通過薄絕緣 層306、308與自由層204分隔開。穿過接觸層214的自旋電流的有效自旋阻抗取決于磁化強度222相對于自旋電流 的極化矢量的取向，如上所述由參考層202的磁化強度210決定。自由層204的磁化強度 222與參考層202的磁化強度210越平行，跨過接觸層214的自旋阻抗越低。相反，磁化強 度222與磁化強度210越反向平行，跨過接觸層214的自旋阻抗將越高。因此，由于磁化強 度222響應于外部磁場而旋轉(zhuǎn)，跨過接觸層214的有效自旋阻抗將改變。有效自旋阻抗的 (變化)與流入自由層結(jié)構(gòu)的自旋電流的大小的乘積決定了由放大器224檢測的信號電壓。然而，如上所述的結(jié)構(gòu)承受實際上無法實施這樣的裝置的缺點。例如，對于該結(jié)構(gòu) 為了讀取跨過自由層204和第二勢壘層214的電壓，放大器224的一側(cè)必須在第四接觸點 226電連接到傳導層206。實際上，在該接觸點處的金屬化(metallization)與薄的自旋 傳導層206相比將必然相對較大，并且表現(xiàn)為對于任何到達接觸點226的自旋電流基本上 零自旋阻抗的理想“旋沉(spin-sink)”。因此，為了避免基本上所有的自旋電流分流離開 自由層結(jié)構(gòu)(214、204、228)而進入接觸點226，有必要使接觸點226的位置與自由層結(jié)構(gòu)(214,204,228)分隔開一距離，優(yōu)選地該距離大于層206的自旋擴散長度。即使如此，這也 僅部分減輕分流問題，因為層206的延伸區(qū)域仍會用作可選的低到中等的自旋阻抗分流通 道，該通道使自旋電流離開并繞過(bypassing)自由層結(jié)構(gòu)(214、204、228)而在此延伸區(qū) 域中耗盡(通過自旋翻轉(zhuǎn)散射(spin-flip scattering) )。
然而，在實踐中，關(guān)于接觸點226的較遠位置的該部分調(diào)整自身實際上是不可能 的。由此可見，這要求層206必須延伸到氣墊面(ABS)之外很遠。這當然在實際的裝置中是 無法接受的，因為自由層必須恰好設(shè)置在ABS處以有效檢測磁信號。此外，使層206從自由 層結(jié)構(gòu)(214、204、228)側(cè)向延伸且平行于ABS是非常困難的，這是因為裝置的這些側(cè)面被 硬磁偏置層302、304和絕緣層306、308 (如圖3所示)占據(jù)，需要硬磁偏置層302、304和絕 緣層306、308以偏置自由層的磁化強度222。此外，讀間隙的尺寸限定為僅有幾十納米，以 滿足讀回信號的線性分辨率要求。在ABS/接近ABS且在讀間隙內(nèi)制作到自由層結(jié)構(gòu)(214、 204,228)的第四電接觸將是極其困難的。因此，需要能夠允許自旋累積裝置在功能數(shù)據(jù)記 錄系統(tǒng)中實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在參照圖4，所提供的裝置400包括遠離氣墊面(ABS)設(shè)置的參考層結(jié)構(gòu)402和 設(shè)置在ABS處的自由層結(jié)構(gòu)404。非磁性導電自旋輸運傳導層406(例如可以由銅制成)從 參考層結(jié)構(gòu)402延伸到自由層結(jié)構(gòu)404和ABS。參考層結(jié)構(gòu)402和自由層結(jié)構(gòu)404由不大 于(優(yōu)選地小于)自旋傳導層406的自旋擴散長度的距離分隔開。自旋傳導層406可以延 伸到氣墊面(ABS)。參考層結(jié)構(gòu)402、自由層結(jié)構(gòu)404和非磁性自旋傳導層406夾設(shè)在第一 磁屏蔽408與第二磁屏蔽410之間，第一磁屏蔽408和第二磁屏蔽410可以由諸如NiFe的 材料或某些其它合適的磁性導電材料構(gòu)造。非磁性自旋傳導層406可以通過諸如氧化鋁的 電絕緣層412與第一屏蔽408分隔開。諸如氧化鋁的非磁性電絕緣填充層407可以設(shè)置為 填充自由層結(jié)構(gòu)402與參考層結(jié)構(gòu)404之間的空間。參考層結(jié)構(gòu)402包括鐵磁參考層414，鐵磁參考層414具有固定在基本垂直于ABS 的方向上的磁化強度416。參考層可以與諸如IrMn或PtMn的反鐵磁材料層(AFM層418) 交換耦合，該反鐵磁材料層使磁化強度416釘扎在所希望的方向上。導電引線層420可以 設(shè)置在AFM層418上，并通過電絕緣層422與第二屏蔽410分隔開。盡管在圖4中沒有示 出，但是導電引線層420可以延伸到傳感器400的側(cè)面之外和/或朝向傳感器400的后側(cè) 延伸。此外，因為參考層結(jié)構(gòu)402中的各層遠離ABS，所以它們可以作得較厚并且比設(shè)置在 ABS處的自由層結(jié)構(gòu)404的各層數(shù)目更多，而不影響讀間隙(也就是，線性記錄密度)。類 似地，參考層結(jié)構(gòu)的各層在其平面尺寸上可以制作得較寬，而不影響讀頭的軌道寬度(也 就是，記錄軌道密度)分辨率。因此，盡管自由層結(jié)構(gòu)404和參考層結(jié)構(gòu)402示出為大約相 同的尺寸和厚度，但是參考層結(jié)構(gòu)402可以比自由層結(jié)構(gòu)404更寬和更厚。引線420可以由諸如Au、Cu的導電材料或其它一些材料構(gòu)造，并且絕緣層422可 以是氧化鋁或者其它一些電絕緣材料。薄的第一接觸層424夾設(shè)在參考層414與非磁性自 旋傳導層406之間。接觸層424可以由諸如氧化鋁或MgO的隧道勢壘材料、諸如Cu的純金 屬層或混雜的“納米氧化物”層構(gòu)造，該納米氧化物層由在絕緣材料里面的小型導電“針孔 (pinhole)”(例如，Cu)的基體(matrix)組成。后者可以具有類似于金屬接觸層的自旋相 關(guān)輸運特性，但是具有與隧道勢壘相比更大的電阻面積(resistance-area)的乘積。自由層結(jié)構(gòu)404包括磁性自由層426，磁性自由層426具有偏置在基本平行于ABS的方向上的磁化強度，如箭頭符號428所示。圖5示出了形成在自由層426的任一側(cè)的硬 磁偏置層502、504。這些硬磁偏置層502、504與自由層426靜磁耦合，以將磁化強度428偏 置為平行于ABS。偏置層502、504通過絕緣層506、508與自由層結(jié)構(gòu)402分隔開。自由層426可以由Co、CoFe、NiFe或其它一些合適的磁性材料的一層或多層構(gòu)造。 第二非磁性接觸層430夾設(shè)在自由層與非磁性自旋傳導層406之間。類似于第一接觸層 424，第二接觸層430可以由諸如氧化鋁或MgO的隧道勢壘材料、諸如Cu的純導電層或混雜 的“納米氧化物”層構(gòu)造，混雜的“納米氧化物”層為在絕緣材料內(nèi)的小型導電“針孔”(例 如，Cu)的基體。具有短自旋擴散長度的材料層(自旋擴散層432)設(shè)置在自由層426與第 二屏蔽層410之間。該層可以由諸如Pt、Ir或Re的材料構(gòu)造。自旋擴散層432的用途是 避免使第二屏蔽磁化強度的方向在影響經(jīng)過自由層結(jié)構(gòu)的自旋電導中用作第二參考層。繼續(xù)參照圖4，電流源434設(shè)置為提供通過參考層結(jié)構(gòu)402的電流。電流源434通 過引線436和另一個引線層438施加電流，引線436與引線層420連接，引線層438與非磁 性金屬連接并與地連接。與地的連接可以在遠離ABS的位置處制作。施加通過參考層414和第一接觸層424的電流導致自旋電流405，自旋電流405經(jīng) 過非磁性自旋傳導層406朝向ABS和自由層結(jié)構(gòu)404行進。由于自旋電流405到達第二接 觸層430，跨過接觸層430的有效自旋阻抗取決于自由層426的磁化強度428相對于參考層 414的磁化強度416的相對取向。磁化強度428與磁化強度416越平行，跨過接觸430的自 旋阻抗越低。相反，磁化強度428、416越反向平行，自旋阻抗越高。有效自旋阻抗與自旋電 流流入自由層結(jié)構(gòu)的大小的乘積決定了被放大器440檢測的信號電壓。由此可見，結(jié)構(gòu)402優(yōu)選構(gòu)造為三端器件而不是四端器件?？邕^放大器440檢測 的電壓是存在于到第二屏蔽410的電接觸與公共接地(電流引線438連接到其上)之間的 電壓。實際上，以下是方便的，將第一屏蔽408電連接到(和/或建立)該公共接地，然后 通過與屏蔽408的物理接觸建立電連接438。這可以通過在遠離參考層結(jié)構(gòu)402的某些位 置去除絕緣層412并使傳導層406與第一屏蔽408直接電接觸來完成。該接地連接的建立 位置應當在物理上與參考層結(jié)構(gòu)402的位置分隔開一倍或多倍的自旋傳導層406的自旋擴 散長度。這盡可能多地有效消除對于注入傳導層406中的自旋電流流動的不希望的第二路 徑，使電流不向上流動而是如所希望地分流到自由層結(jié)構(gòu)中。該公共接地的連接可以制作 在遠離ABS且遠離自旋累積裝置402的位置。因為沒有電流/電荷流從參考層結(jié)構(gòu)402通過自旋傳導層406流向自由層結(jié)構(gòu) 404，所以層406的電勢在該區(qū)域基本上是恒定的。同樣地，該區(qū)域中層406的電勢與流過 層406的純自旋電流無關(guān)，并因此與自由層的磁化強度428的取向無關(guān)。因此，自旋傳導層 406的電勢相對于接地電勢是不變的，其實際值由DC注入電流434的水平以及參考層結(jié)構(gòu) 402與接地連接438之間的靜電阻抗來決定。通過在朝向接地連接438的后端加寬傳導層 406的形狀，該靜電阻抗可以制作得相對小。因此，在信號頻率，傳導層406在自由層結(jié)構(gòu)位 置下的電勢等價于電接地。為此，通過放大器440測量第二屏蔽410與接地之間的AC電信 號電勢在電學上與四端測量(具有在氣墊面處或其附近連接到層406的假設(shè)的完美自旋反 射第四端)等價。因此，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)比實際的四端結(jié)構(gòu)優(yōu)良的性能，而沒有物理實現(xiàn)四 端自旋累積傳感器實際上不可能的缺點。因此，本發(fā)明提供了幾個優(yōu)點，使自旋累積裝置402實際用于磁數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中。
10這些優(yōu)點包括三端電構(gòu)造較簡單并在實踐上易于制造，消除了由于物理的第四引線端的 自旋電流分流而引起的信號損耗，并且沒有硬偏置的功能性或窄間隙線性讀回分辨率的折 衷，允許需要額外的引線層才可以實現(xiàn)的較大的數(shù)據(jù)密度。應當指出，各結(jié)構(gòu)(例如，圖4和圖5中所示的)僅為表示的目的。其它變化也是 可以的。例如，盡管參考層結(jié)構(gòu)402示出為具有在參考層414之上的AFM 418以及在參考 層414之下的接觸層424，但是這種布置可以翻轉(zhuǎn)。類似地，盡管自由層結(jié)構(gòu)404在圖4中 示出為具有在自由層426之下的接觸層430，但是這些層的順序也可以翻轉(zhuǎn)或者重新布置。 此外，自旋傳導層406可以設(shè)在參考層結(jié)構(gòu)402和自由層結(jié)構(gòu)404之上而不是之下。此外， 可以制作到上屏蔽410而不是到下屏蔽408的接地連接，或者可以制作到除屏蔽之外的某 些結(jié)構(gòu)的接地連接。另外，該裝置可以用于能夠在幾微米之下的尺寸級別上檢測磁場的傳 感器的其它應用中，例如掃描探針設(shè)備。盡管上面已經(jīng)描述了各種實施例，但是應當理解，它們僅通過示例示出而不是限 制。落入本發(fā)明范圍內(nèi)的其它實施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員也會變得明顯。因此，本發(fā)明的 廣度和范圍不受上述示范性實施例的任一個限制，而僅根據(jù)權(quán)利要求書及其等同方案來限定。
1權(quán)利要求
一種自旋累積傳感器，包括自由層結(jié)構(gòu)，設(shè)置在氣墊面處；參考層結(jié)構(gòu)，設(shè)置為與所述自由層結(jié)構(gòu)分隔開；非磁性導電自旋輸運傳導層，建立到所述自由層結(jié)構(gòu)和所述參考層結(jié)構(gòu)的物理導電接觸；第一導電磁屏蔽和第二導電磁屏蔽；電流源或電壓源，用于注入通過所述參考層結(jié)構(gòu)和所述非磁性導電自旋輸運傳導層的電流，該電流通過公共電接地連接返回；以及電路，用于測量公共接地連接與導電磁屏蔽之一之間的信號電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，其中所述參考層結(jié)構(gòu)還包括磁性層和第一接觸層，該磁性層具有固定在基本垂直于所述氣 墊面方向上的磁化強度，該第一接觸層設(shè)置在所述磁性參考層和所述非磁性自旋輸運傳導 層之間；并且所述自由層結(jié)構(gòu)還包括磁性自由層和第二接觸層，該磁性自由層具有偏置在基本上平 行于所述氣墊面的方向上的磁化強度，該第二接觸層設(shè)置在所述磁性自由層與所述非磁性 自旋輸運傳導層之間。
3.如權(quán)利要求2所述的自旋累積傳感器，其中所述自由層結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述非磁性自旋 輸運傳導層和所述第二導電磁屏蔽之間，且與所述非磁性自旋輸運傳導層和所述第二導電 磁屏蔽電連接，并且可以與所述第二導電磁屏蔽和所述非磁性自旋輸運傳導層電連接。
4.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，其中所述電流源或電壓源與所述公共接地連 接進行連接，所述公共接地連接也是電壓檢測電路的接地連接，該連接制作在遠離所述氣 墊面的位置。
5.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，其中所述自由層結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述第二導電磁 屏蔽和所述非磁性自旋輸運傳導層之間，且與所述第二導電磁屏蔽和所述非磁性自旋輸運 傳導層的每一個電連接；并且其中所述參考層結(jié)構(gòu)在靠近所述參考層結(jié)構(gòu)的區(qū)域中與所述 第二導電磁屏蔽電分離，并與所述非磁性自旋輸運傳導層電連接；并且其中所述第一導電 磁屏蔽在遠離所述自由層結(jié)構(gòu)和所述參考層結(jié)構(gòu)的區(qū)域中提供公共電接地連接。
6.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，其中所述非磁性自旋輸運傳導層在靠近所述 參考層結(jié)構(gòu)和所述自由層結(jié)構(gòu)的區(qū)域中與所述第一導電磁屏蔽電絕緣。
7.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，還包括電絕緣層，該電絕緣層在自由層結(jié)構(gòu) 與參考層結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域中以及在距參考層大致一個自旋擴散長度或更長的距離內(nèi)將所 述第一磁屏蔽層與所述非磁性自旋輸運傳導層分隔開，而在該距離之外與連接到接地電勢 的那個屏蔽電接觸。
8.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，其中所述參考層結(jié)構(gòu)與所述自由層結(jié)構(gòu)分隔 開不大于所述非磁性自旋輸運傳導層的自旋擴散長度的距離。
9.一種自旋累積傳感器，包括非磁性自旋輸運傳導層；參考層結(jié)構(gòu)，設(shè)置為遠離自由層，所述參考層結(jié)構(gòu)包括磁性參考層和薄的第一接觸層， 所述第一接觸層設(shè)置在所述磁性參考層與所述非磁性自旋輸運傳導層之間；自由層結(jié)構(gòu)，設(shè)置在所述氣墊面處，所述自由層結(jié)構(gòu)包括磁性自由層、第二接觸層和自 旋擴散層，所述第二接觸層設(shè)置在所述磁性自由層與所述非磁性自旋輸運傳導層之間；以 及第一導電磁屏蔽和第二導電磁屏蔽，所述參考層結(jié)構(gòu)、所述自由層結(jié)構(gòu)和所述非磁性 自旋輸運傳導層設(shè)置在所述第一導電磁屏蔽與所述第二導電磁屏蔽之間。
10.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中所述自旋擴散層設(shè)置在所述磁性自由 層與所述第二導電磁屏蔽之間，并且其中所述自旋擴散層具有足夠短的自旋擴散長度以基 本混合流過所述自旋擴散層的電流的自旋。
11.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，還包括夾設(shè)在所述第一導電磁屏蔽與所述 非磁性自旋輸運傳導層之間的電絕緣層，并且其中所述自旋擴散層夾設(shè)在所述磁性自由層 與所述第二導電磁屏蔽層之間。
12.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，還包括在所述磁性參考層與所述第二導電 屏蔽層之間的第二電絕緣層。
13.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，還包括電流源或電壓源，與所述參考層結(jié)構(gòu)電連接以通過所述參考層結(jié)構(gòu)施加電流從而導致 在所述非磁性自旋輸運傳導層中的自旋電流，所述電流源或電壓源還連接到公共電接地連 接；以及電路，用于測量所述自由層結(jié)構(gòu)的一部分與公共電接地之間的信號電壓。
14.如權(quán)利要求13所述的自旋累積傳感器，其中所述電流源或電壓源包括與所述磁性 參考層電連接的第一引線以及與所述非磁性自旋輸運傳導層電連接且也與電接地電連接 的第二引線，并且其中用于測量信號電壓的所述電路包括與所述第二導電磁屏蔽連接的第 一引線以及與所述電接地連接的第二引線。
15.如權(quán)利要求14所述的自旋累積傳感器，其中所述第二導電磁屏蔽與所述自由層結(jié) 構(gòu)電連接。
16.如權(quán)利要求15所述的自旋累積傳感器，其中所述參考層結(jié)構(gòu)與所述第二導電磁屏 蔽電絕緣。
17.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中所述第一接觸層和所述第二接觸層中 的每個都包括金屬類導電材料。
18.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中所述第一接觸層和所述第二接觸層中 的每個都包括隧道勢壘材料。
19.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中所述第一接觸層和所述第二接觸層之 一包括非磁性金屬類導電材料，而另一個接觸層包括隧道勢壘材料。
20.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中所述第一導電磁屏蔽和所述第二導電 磁屏蔽之一提供公共電接地。
21.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中所述第一接觸層和所述第二接觸層的 至少一個是納米氧化層，由絕緣基體中的導電針孔組成。
22.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，其中所述自旋輸運傳導層是室溫自旋擴散 長度大于20nm的材料。
23.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中所述磁性參考層和所述磁性自由層的每個都包括Ni、Co、Fe或它們的合金，或者諸如CoMnG^CoMnSi的赫斯勒材料，或者任何這 些材料的層。
24.如權(quán)利要求9所述的自旋累積傳感器，其中到所述參考層的導電接觸的面積大于 到所述自由層的導電接觸的面積。
25.如權(quán)利要求1所述的自旋累積傳感器，其中所述第一屏蔽用于將電流注入到所述 參考層結(jié)構(gòu)中，所述第二屏蔽與所述自由層結(jié)構(gòu)連接，并且所述非磁性導電自旋輸運傳導 層用作接地連接并與所述第一屏蔽和所述第二屏蔽絕緣，并且還包括設(shè)置在所述第一屏蔽 與所述參考層結(jié)構(gòu)之間的自旋擴散層。
全文摘要
本發(fā)明提供了自旋累積傳感器的三端設(shè)計，該自旋累積傳感器具有允許自由層設(shè)置在氣墊面處的三端設(shè)計。非磁性導電自旋輸運層從自由層結(jié)構(gòu)(位于ABS處)延伸到遠離ABS的參考層結(jié)構(gòu)。該傳感器包括用于施加跨過參考層結(jié)構(gòu)的電流的電流源或電壓源。電流源或電壓源具有引線，該引線與非磁自旋輸運層連接并且還連接到電接地。用于測量信號電壓的電路測量與自由層結(jié)構(gòu)電連接的屏蔽與接地之間的電壓。自由層結(jié)構(gòu)可以包括自旋擴散層，該自由擴散層保證所有的自旋電流在到達到電壓源的引線之前完全耗盡，從而防止自旋電流分流到電壓源。
文檔編號G11B5/62GK101894568SQ20091026621
公開日2010年11月24日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者小托馬斯·D·布恩, 尼爾·史密斯, 布魯斯·A·格尼 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司