专利名称：带有改进的反铁磁耦合薄膜的记录磁盘的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及磁性器件，它们使用的铁磁层利用反铁磁耦合(AFC)薄膜进行反铁磁交换耦合。这些器件包括记录磁盘、基于巨磁阻(GMR)效应的磁阻读磁头以及用作磁性存储器单元和磁阻读磁头的磁沟道结(MTJ)器件。
本申请要求保护一种作为记录磁盘的磁性器件，而一份同时提交的共同待批准申请要求保护作为磁阻读磁头和MTJ器件的磁性器件。
背景技术：
在6,280,813号美国专利中，介绍了一种记录磁盘，它使用至少两个铁磁层，由一层AFC薄膜分开，这里引用作为参考。钌(Ru)是AFC薄膜所用的优选材料，因为它与铁磁层中的钴(Co)合金材料具有相同的接近六角形密集(hcp)晶体结构，并且具有报导中最强的交换耦合。
自旋阀(SV)GMR读磁头是一种夹层结构，包括两个不耦合的铁磁层，由一个非磁性的金属导电隔离层——典型情况下是铜(Cu)——分开，其中铁磁层之一的磁化方向(磁矩)被固定或者说扎钉，而自由或者说传感铁磁层的磁化方向自由旋转。在5,206,590号美国专利中，介绍了基本的SV磁阻传感器。
磁沟道结(MTJ)器件具有两个铁磁层，由一个非磁性的电绝缘层——称为沟道势垒层，典型情况下是由氧化铝制成——分开。铁磁层之一是扎钉层，其磁化方向朝向层面内，但是受到固定或者说扎钉，所以存在着外加磁场时也不能旋转。扎钉铁磁层可以利用一个邻近反铁磁层的界面交换偏磁进行扎钉，而自由铁磁层的磁化方向能够相对于扎钉层的磁化方向旋转。垂直流过绝缘沟道势垒层的沟道电流，取决于这两个铁磁层的相对磁化方向。MTJ器件已经在磁性存储器阵列中用作存储器单元，以及在磁记录设备中用作磁阻读磁头。
通过把自由铁磁层和扎钉铁磁层之一或二者都替换为一种层状结构，所述层状结构包括由一层AFC薄膜形成一种反向平行朝向的相互反铁磁交换耦合的两层铁磁薄膜，使SV磁阻传感器和MTJ器件得以改进。这种层状结构是磁刚性的，所以用作自由铁磁层时，这两层反向平行的薄膜一起旋转。在5,408,377号和5,465,185号美国专利中，介绍了这些改进的SV传感器，这里引用作为参考。正如5,841,692号和5,966,012号美国专利中的介绍，通过以这种层状结构取代自由铁磁层和扎钉层，也已经改进了MTJ器件，这里引用作为参考。
在SV传感器和MTJ器件中所用的这些层状结构中，Ru也是AFC薄膜所用的优选材料。在AFC薄膜非常薄的极限情况下，Ru展示出反铁磁强耦合，而且在钴(Co)、钴-铁(Co-Fe)和镍-铁(Ni-Fe)铁磁薄膜——它们形成了这些层状结构中的反向平行朝向的铁磁薄膜对——之间，展示出非常强的反铁磁耦合。
对于某些磁性器件应用，需要使反铁磁交换耦合的强度提高到Ru所达到的强度之上。记录磁盘应用就是这种情况，公知合金铁磁层的磁矩越高，反铁磁交换耦合就越强。因此，在记录磁盘中提高交换耦合的一种方法是，在AFC薄膜与铁磁层的界面处加入高磁矩铁磁材料。不过，这种方法需要使磁盘中的层数增加，也可能增加固有的介质噪音。
我们所需要的是AFC薄膜所用的一种材料，该材料能增强铁磁层之间的反铁磁交换耦合。
发明内容
本发明是一种记录磁盘，其铁磁结构带有以一种改进的AFC薄膜反铁磁耦合在一起的两个铁磁层。AFC薄膜是RU100-xFex合金，其中x是大约10和60之间的原子百分比。这种AFC薄膜使交换耦合提高至一个因数或2，并且具有接近六角形密集晶体结构，使它与Co合金铁磁层兼容。
为了更全面地了解本发明的本质和优点，应当与附图一起参考以下的详细说明。
附图简要说明
图1是一幅示意图，展示了现有技术中带有一层Ru AFC薄膜的AFC记录磁盘；图2是一条M-H磁滞回线，表现了例如图1中AFC记录磁盘的性质；图3是一幅示意图，展示了现有技术中带有反铁磁耦合的层状自由和扎钉铁磁层的SV磁阻传感器；图4是一幅示意图，展示了现有技术中带有反铁磁耦合的层状自由和扎钉铁磁层的MTJ器件；图5是一幅曲线图，对比了多种原子百分比Fe的情况下，AFC记录磁盘的矫顽力，分别带有现有技术的Ru AFC薄膜和带有本发明的Ru-Fe合金AFC薄膜。
具体实施例方式
现有技术中反铁磁耦合的记录磁盘图1显示了现有技术中反铁磁耦合的记录磁盘10，带有两层铁磁薄膜12、14，由一层AFC薄膜16分开。典型情况下，铁磁薄膜12、14由Co合金制成，比如CoPtCrB，而AFC薄膜由Ru制成。选择Ru AFC薄膜16的厚度，分别使得相邻薄膜12、14的磁矩22、24通过Ru薄膜16反铁磁交换耦合，并且在外加磁场为零时反向平行。薄膜12、14分别具有磁矩值Mr1t1和Mr2t2，其中Mr为剩余磁化，t为层厚度。分别使相邻薄膜12、14的磁矩22、24朝向反向平行对齐，因此否定地相加以减小组合层10的磁矩。箭头22、24表示了正好相互上下跨越AFC薄膜16之各个磁畴的磁矩朝向。
图2显示的主磁滞回线，表现了如图1所示反铁磁耦合记录磁盘的性质。在磁滞回线的不同点上，水平箭头对指明了铁磁薄膜12、14的磁化朝向。外加磁场在正向增大(箭头30、32)。外加磁场强时，反铁磁耦合被克服，两层铁磁薄膜12、14的磁矩都平行于外加磁场(箭头42、44)。随着外加磁场减弱(箭头34)，较薄的底层铁磁薄膜14的磁矩反转，变为反向平行于较厚的顶层铁磁薄膜12的磁矩(箭头52、54)，并且反向平行于外加磁场，导致净磁矩减弱。这种转换大致发生在底层薄膜14感应到跨越Ru AFC薄膜16耦合的交换磁场(Hex)增强之时。要实现铁磁薄膜12、14的反向平行对齐，就需要交换磁场超过底层铁磁薄膜14磁化反转所需的矫顽磁场。
以AFC薄膜16反铁磁耦合的薄膜12、14，也可以加入到反铁磁耦合的层状记录磁盘中，正如已公开的美国专利申请书US2002/0098390 A1中的介绍，这里引用作为参考。在这样一种层状磁盘的情况下，一层不提供反铁磁耦合的非磁性隔离薄膜，位于上层铁磁薄膜12的顶部，一层第三铁磁薄膜，位于这层隔离薄膜的顶部。
现有技术的自旋阀磁阻传感器图3中示意性地显示的SV磁阻传感器，带有反铁磁耦合的层状铁磁薄膜，分别作为自由和扎钉铁磁层。该结构具有一层钽(Ta)薄膜，作为基底61上形成的缓冲层62。层状自由铁磁层90包括由RuAFC薄膜93分开的NiFe(坡莫合金)薄膜92、94。铁磁薄膜92、94使其磁矩反向平行对齐，分别如进入纸面的箭头95和出于纸面的箭头96所示。在自由铁磁层90上沉积了Cu层65，作为自旋阀结构所用的非铁磁金属隔离层。虽然显示的是Cu，但是也能够使用导电性高的其他非铁磁金属材料，比如银(Ag)、金(Au)以及它们的合金。扎钉铁磁层70也是一个层状结构，包括直接在Cu隔离层65之上的第一铁磁薄膜72、在第一薄膜72上沉积的Ru AFC薄膜73以及RuAFC薄膜73上的第二铁磁薄膜74。从自由铁磁层90沉积期间的外加磁场旋转大约90度，在这种外加磁场存在的情况下，沉积两层扎钉铁磁薄膜72、74。在第二薄膜74上沉积反铁磁铁-锰(Fe-Mn)薄膜66，与第二薄膜74交换耦合。其他适当的反铁磁层包括Ir-Mn、Pt-Mn、Pd-Mn和Ni-Mn。最后，在Fe-Mn薄膜66之上形成保护层67。适当的保护材料为高电阻材料，比如Ta、锆(Zr)、Cu和Au的合金或者多种氧化物。
图3还示意性地展示了在磁记录系统中，把传感器连接到检测电路的方法。传感器配备了导电引线80，以形成传感器与电流源82和检测装置84之间的电路路径。业内公知，可能需要其他的传感器元件，比如横向和纵向偏置层(未显示)，以提供最优的传感器响应电路。响应记录介质发出的外加磁信号，层状自由铁磁层90的磁化方向，相对于层状扎钉铁磁层70的固定磁化方向旋转，此时检测装置84通过探测传感器的电阻改变，检测记录介质中的磁信号。
层状扎钉层70中的两层薄膜72、74具有的磁化方向，分别由箭头76、78指明。72、74这两层磁矩的反向平行对齐，是由于通过RuAFC薄膜73的反铁磁耦合。因为这种反铁磁耦合，以及因为72、74这两层具有基本上相同的厚度，每一层薄膜中的磁矩就相互抵消，使得在层状扎钉层70中实质上没有净磁矩。因此，实质上没有扎钉层70产生的偶极磁场，因此没有磁场来影响层状自由铁磁层90的净磁矩方向。
现有技术的磁沟道结器件图4显示了一个MTJ器件。层状固定铁磁层118包括一种夹层，由非铁磁Ru AFC薄膜210把两层铁磁薄膜200和225分开，它使铁磁薄膜200和225反铁磁耦合，使得薄膜200和225的磁矩排列为相互反向平行。层状固定铁磁层118中的200和225这两层铁磁薄膜具有的磁矩，由于通过反铁磁耦合薄膜210的反铁磁交换耦合而反向平行。因为这种反铁磁耦合，并且因为能够使200、225这两层铁磁薄膜制成基本上相同的厚度，每一层薄膜中的磁矩就实质上相互抵消，使得在固定铁磁层118中实质上没有净磁矩。因此，固定铁磁层118实质上不产生偶极磁场，因此没有磁场来影响自由或者说探测铁磁层132的磁化方向。因为不可能精确地使每层薄膜具有严格相同的厚度，固定铁磁层118的净磁矩很可能是一个小但是非零的数值，作为正常沉积过程的自然结果。下部铁磁薄膜200沉积在反铁磁交换层116上，它为薄膜200提供了交换偏磁，当存在着所关注范围内的磁场时，防止薄膜200的磁矩旋转。因为薄膜225与薄膜200反铁磁耦合，所以也防止了它的磁矩旋转。
同样，自由铁磁层132也包括245和270两层铁磁薄膜，由非铁磁AFC薄膜260分开，它使薄膜245和270的磁矩反铁磁耦合。
在图4的MTJ器件中，层状的固定铁磁层118和自由铁磁层132由非磁性隔离层120分开，它是绝缘的沟道势垒层，典型情况下由氧化铝制成。当MTJ器件用作磁阻记录磁头时，形成固定和自由铁磁层之铁磁薄膜的磁矩，将具有图3所示SV GMR磁头的朝向。不过，当MTJ器件用作磁性存储器单元时，对于层状铁磁层118、132中的每一个，铁磁薄膜的磁矩将相互反向平行对齐，但是自由铁磁薄膜245、270的磁矩将作为一个刚性单元一起旋转，使得自由铁磁层132的净磁矩将或者平行于(箭头280)或者反向平行于(箭头281)固定铁磁层118的净磁矩(箭头282)。
优选实施例本发明是一种磁性器件，如同以上介绍的器件，但是其特征在于，AFC薄膜由Ru-Fe合金制成。典型情况下，AFC记录磁盘的结构为基底\种子层\底层\铁磁层1\AFC薄膜\铁磁层2\盖层。
使用Ru-Fe合金作为AFC薄膜，实质上提高了两个铁磁层之间的交换耦合强度。
对于铁磁层1和2使用相同的铁磁合金和厚度时，对于Ru65Fe35作为AFC薄膜(下标指明原子百分比)，作用在底部铁磁层上的交换磁场(Hex)测量值为2750Oe，而对于纯Ru AFC则为1575Oe。通过参考图2将会认识到，更高的Hex表明对于底部铁磁层能够使用更厚的和/或矫顽力更高的材料。此外，最后得到的结构将更加稳定。
图5显示了对于以下结构，矫顽力与AFC薄膜厚度的函数关系基底\CrTi50\RuAl\CrTi20\铁磁层CoCr10\Ru或Ru65Fe35的AFC薄膜\铁磁层CoPt12Cr16B9\盖层CNx。
与Ru相比，以Ru-Fe制成的磁盘矫顽力更高，是因为Ru-Fe AFC薄膜提供的耦合强度更高。反铁磁交换耦合强度更高的优点包括提高底部铁磁层Mrt的潜力，以及使用AFC薄膜接触的较低磁矩铁磁层时更大的灵活性。
改进的AFC薄膜所用的成分范围是Rut100-xFex，x是大约10和大约60之间的原子百分比。这种合金隔离层使交换耦合提高至一个因数或2，并且具有接近六角形密集晶体结构，以便与现有的磁盘结构兼容。这个范围的下端是交换耦合提高到最初可察觉时Fe的原子百分比，而这个范围的上端是Ru-Fe合金变为铁磁性和/或丧失其接近六角形密集晶体结构之时。
图2和图3显示的磁性器件中，自由和固定铁磁层都能够以依据本发明的层状结构制成。不过，自由和固定铁磁层中的任何一层或另一层能够为层状结构，也是在本发明的范围之内。
虽然已经参考若干优选实施例，具体地显示和介绍了本发明，但是本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明实质和范围的情况下，在形式和细节上可以作出多种改变。所以，所公开的发明应当被视为只是展示性的，仅仅受到附带的权利要求书中指定范围的限制。
权利要求
1.一种记录磁盘，包括相互反铁磁耦合的第一和第二铁磁薄膜，以及位于所述第一和第二铁磁薄膜之间的反铁磁耦合薄膜，所述反铁磁耦合薄膜由含Ru和Fe的合金制成。
2.根据权利要求1的磁盘，其特征在于，所述第一和第二铁磁薄膜中的每一层都是由含Co的合金制成的。
3.根据权利要求1的磁盘，其特征在于，所述含Ru和Fe的合金是基本上由Ru和Fe组成并且成分为Ru100-xFex的合金，其中x是大约10和大约60之间的原子百分比。
4.一种记录磁盘，包括基底；磁记录层，所述磁记录层在所述基底上，并且包括每单位面积具有一个磁矩的第一Co合金铁磁薄膜、在所述第一铁磁薄膜上的反铁磁耦合薄膜、以及第二Co合金铁磁薄膜，所述第二Co合金铁磁薄膜每单位面积具有一个磁矩，所述磁矩与所述第一铁磁薄膜的每单位面积的磁矩不同，并且所述第二Co合金铁磁薄膜在所述反铁磁耦合薄膜上制成，其中所述第二铁磁薄膜跨越反铁磁耦合薄膜而与第一铁磁薄膜反铁磁交换耦合，所述反铁磁耦合薄膜由基本上含Ru和Fe的材料制成，其成分为Ru100-xFex，其中x是大约10和大约60之间的原子百分比。
5.根据权利要求4的磁盘，进一步包括在所述第二铁磁薄膜上不提供反铁磁耦合的非磁性隔离薄膜，以及在所述非磁性隔离薄膜上的第三铁磁薄膜。
全文摘要
公开了带有改进的反铁磁耦合薄膜的记录磁盘。本发明的记录磁盘的铁磁结构带有以一种改进的AFC薄膜反铁磁耦合在一起的两个铁磁层。AFC薄膜是Ru
文档编号H01F10/16GK1573945SQ200410061668
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月23日 优先权日2003年6月24日
发明者玛丽·F.·朵尔纳, 埃里克·E.·弗勒顿 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司