具体实施方式

本公开的实施例涉及采用多层合成铁磁体作为其自由层的读取器。然而，在提供关于不同实施例的附加细节之前，下文提供了说明性操作环境的描述。

图1示出了其中可以结合本文所公开的某些实施例的说明性操作环境。图1中示出的操作环境仅仅出于解说目的。本公开的实施例不限于任何特定的操作环境，诸如图1中示出的操作环境。本公开的实施例在任意数量的不同类型的操作环境中说明性地实践。

应当注意的是，相同或相似的元件在不同的附图中使用相同的附图标记。应当理解的是，本文中所使用的术语仅出于对特定实施例进行描述的目的，该术语并不旨在进行限制。除非另有指示，否则序号(例如，第一、第二、第三等)用于区分或标识一组元件或步骤中的不同元件或步骤，并且不对其实施例的元件或步骤提供序列或数值限制。例如，“第一”、“第二”和“第三”元件或步骤不必以该顺序出现，其实施例不必限于三个元件或步骤。还应当理解的是，除非另有指示，否则任何标签，诸如“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“向前”、“相反”、“顺时针”、“逆时针”、“上”、“下”，或其他类似术语，诸如“上方”、“下方”、“之后”、“之前”、“垂直”、“水平”、“近端”、“远端”，“居间”等是为了方便而使用，并不旨在表示例如，任何特定的固定位置、取向或方向。相反，此类标签用于反映，例如，相对位置、取向或方向。应当理解的是，除非上下文另有明确规定，单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数对象。

应当理解的是，当元件被称为“连接”、“耦合”或“附接”到另一元件时，其可以直接连接、耦合或附接到另一元件，或其可以间接连接、耦合或附接到可以存在介入元件或中间元件的另一元件。相反，当元件被称为“直接连接”、“直接耦合”或“直接附接”至另一元件时，不存在介入元件。图示出元件之间的直接连接、耦合或附接的附图还包括实施例，其中元件彼此间接连接、耦合或连接。

图1是包括数据存储介质和用于从该数据存储介质读取数据和/或向该数据存储介质写入数据的头的数据存储设备100的示意图。在数据存储设备100中，头102定位于存储介质104的上方以从数据存储介质104读取数据和/或向数据存储介质104写入数据。在所示的实施例中，数据存储介质104是包括一个或多个磁存储层的可旋转盘或其他磁存储介质。对于读取和写入操作，主轴电机106(示意性地示出)如箭头107所示使介质104旋转，并且致动器机构110相对于旋转介质104上的数据磁道114将磁头102定位在内直径108和外直径109之间。主轴电机106和致动器机构110两者都连接到驱动器电路系统(circuitry)112并通过驱动器电路系统112进行操作(示意性地示出)。头部102通过悬置组件耦合到致动器机构110，该悬置组件包括例如通过模锻连接来连接到机构110的致动器臂122的负载梁120。尽管图1示出了耦合到致动器机构110的单个负载梁，但是附加负载梁120和头102可以耦合到致动器机构110以从盘堆叠中的多个盘读取数据或向盘堆叠中的多个盘写入数据。致动器机构110通过轴承124旋转地耦合到框架或平台(未示出)以绕轴126旋转。致动器机构110的旋转将头102按箭头130所示在跨磁道方向上移动。

头102包括通过柔性电路134耦合到头电路系统132的一个或多个换能器元件(图1中未示出)。下面结合图2提供了关于头的元件(诸如102)的细节。

图2是示出了沿着基本上垂直于记录头200的支承表面(例如，空气支承面(ABS))202的平面取得的记录头200和数据存储介质250的各部分的横截面视图的示意图。图2中所示的记录头元件说明性地包括在记录头(诸如图1中的记录头102)中。介质250说明性地为数据存储介质，诸如图1中的介质104。本领域技术人员将会认识到记录头和记录介质共同地包括其他部件。本公开的实施例不限于任何特定的记录头和记录介质。本公开的实施例可以在不同类型的记录头和记录介质中实践。

记录头200包括写入极205、磁化线圈210、返回极215、顶部屏蔽件218、读取换能器220、底部屏蔽件222和晶片覆层224。存储介质250包括记录层255和底层260。存储介质250在如箭头265所示的方向上旋转。箭头265说明性地为旋转方向，诸如图1中的箭头107。

在实施例中，电流通过线圈210以生成磁场。磁场从写入极205穿过记录层255进入底层260，然后跨越到达返回极215。磁场说明性地记录记录层255中的磁化图案270。读取换能器220感测或检测记录层255中的磁化图案，并且用于检取先前记录到层255的信息。

为了解决下文讨论的某些挑战，读取换能器或读取器220包括采用多层合成铁磁体230作为其自由层的读取传感器。在不同的读取器实施例中，读取传感器的各层可以沿着磁道方向(例如，图2中的z方向)堆叠。磁道宽度方向垂直于z方向或磁道方向(例如，跨磁道方向，在图2中为x方向)。图2中的y方向随后被限定为同时垂直于x和z的方向，该方向是条纹高度方向。下面结合图3A-图5描述了与新数据存储技术带来的挑战，以及如何采用具有多层合成铁磁体自由层的传感器来解决此类挑战相关的细节。

最近的数据存储技术(诸如热辅助磁记录(HAMR))推动了越来越高的读取沿磁道和跨磁道分辨率。这意味着自由层尺寸的减小，这导致了由于较高的磁噪声而引起的信噪比(SNR)退化。此外，自由层厚度的减小意味着自旋转移矩(STT)对噪声有更高的贡献，因此进一步降低了信噪比。为了解决此类挑战，在本公开的实施例中调整自由层的结构和组成。

在一个实施例中，自由层是复合结构，该自由层包括由金属间隔层分隔的三个铁磁(FM)层，该金属间隔层在相邻FM层之间(诸如在合成反铁磁(SAF)结构中)提供反铁磁(AFM)耦合。此类三层表示合成铁磁结构，因为其具有非零的净磁化以后来通过侧屏蔽件将偏压提供到自由层。下文结合图3A和图3B描述一个三层合成铁磁体自由层实施例。

图3A是示出了包括合成铁磁体自由层结构的读取头300的示例实施例的支承表面视图的示意框图。图3B是读取头300的各部分的沿着图3A的线A-A'的截面视图。参考图3A和图3B，读取头300包括位于顶部屏蔽件218和底部屏蔽件222之间的磁阻传感器302。可以由具有高磁导率的材料制成的顶部和底部屏蔽件218和222减少或基本上阻止外部磁场(诸如例如，来自数据盘上相邻位的那些磁场)，使其不影响磁阻传感器302，从而提高磁阻传感器302的性能。在一个实现方式中，顶部和底部屏蔽件218和222允许来自磁阻传感器302正下方的位的磁场影响磁阻传感器302，从而进行读取。应当注意的是，顶部屏蔽件218可以是SAF结构的单个固定层(pinned layer)或底部层。

磁阻传感器302包括多个层，该多个层包括传感器AFM层304、传感器堆叠SAF结构306、隧穿势垒层308和三层合成铁磁体自由层310。堆叠盖层311还可以被包括在三层合成铁磁体自由层310上方。

在图3A所示的实施例中，传感器SAF结构306包括固定层316、薄分隔层318和参考层320，在一些实施例中薄分隔层318可以包括诸如钌(Ru)的金属。固定层316和参考层320中的每一个的磁矩不允许在感兴趣的范围内的磁场(例如，由存储在数据盘上的数据位生成的磁场)下旋转。参考层320和钉扎固定层316的磁矩通常垂直于图3A的平面(例如，y方向)定向并且彼此反向平行。

如上文所指示的，代替于采用大块/固体自由层，传感器302包括三层合成铁磁体自由层310。在图3A和图3B的实施例中，三层合成铁磁体自由层310包括底部FM层310A、中间FM层310B和顶部FM层310C。底部FM层310A和中间FM层310B由第一间隔层312A分隔，并且中间FM层310B和顶部FM层310C由第二间隔层312B分隔。间隔层312A和312B可以由诸如钌(Ru)的金属形成。在图3A和图3B的实施例中，层310A、310B和310C的磁矩通常平行于图3A的平面(例如，在x方向上)定向，其中层310B的磁化定向与层310A和310C的磁化定向相对。底部磁性层310A和顶部磁性层310B的磁化定向由侧屏蔽件322设置。然而，侧屏蔽件322偏置足够小，使得三层合成铁磁体自由层310的磁矩可以响应于所施加的磁场(诸如存储在数据盘上的数据位的磁场)而改变。在一些实施例中，侧屏蔽件322由一层或多层软磁性材料(例如，可以在相对低的磁场下容易地磁化和退磁的材料)形成。软磁性材料是包含Ni和Fe或Co和Fe的合金。磁阻传感器302通过隔离层324(包括例如，绝缘材料)与侧偏置磁体322分隔且电隔离。如图3A所示，隔离层324也可以存在于头300的其他区域中。应当注意的是，在一些实施例中，可以使用侧偏置永磁体来代替侧屏蔽件322。在本公开的实施例中，用于中间磁性层310B的材料的自发磁化(Ms)低于(例如，明显低于)层310A和310C的材料的自发磁化，以避免侧屏蔽件322显著降低自由层偏置。

在一些实施例中，传感器302可以利用隧穿磁阻(TMR).在利用TMR效应的实施例中，隧穿势垒层308将SAF结构306与三层合成铁磁体自由层310分隔。隧穿势垒层308足够薄，使得量子机械电子隧穿发生在SAF结构306中的参考层320和三层合成铁磁体自由层310之间。电子隧穿是电子自旋相关的，使得磁阻传感器302的磁响应因变于SAF结构306和三层合成铁磁体自由层310的相对定向和自旋极化。当SAF结构306和三层合成铁磁体自由层310的磁矩平行时发生电子隧穿的概率最高，并且当SAF结构306和三层合成铁磁体自由层310的磁矩反平行时发生电子隧穿的概率最低。因此，磁阻传感器302的电阻响应于所施加的磁场而改变。盘驱动器中的数据盘上的数据位可以在垂直于图3A的平面的方向上磁化，或者磁化到附图的平面内，或者磁化到附图的平面外。因此，当磁阻传感器302经过数据位时，三层合成铁磁体自由层310的磁矩旋转到图3A的平面内或图3A的平面外，从而改变磁阻传感器302的电阻。因此，可以基于从第一电极(未示出)流动到连接到磁阻传感器302的第二电极(未示出)的电流来确定由磁阻传感器302感测的位的值(例如，1或0)。

与标准(例如，大块)自由层相比，上述设计的一个优点是，由于每一个组成层的形状各向异性增加，自由层的磁化被更好地限制在XY平面上。这通过降低对不沿着Y方向对准的介质场分量的灵敏度来提高自由层对介质场的响应的一致性，从而提高读取器的线性分辨率。另一个优点是降低了自旋转移矩(STT)对噪声的影响。STT源于隧穿势垒附近的自旋极化电流，并且STT对磁噪声有重要贡献。去极化电流的一种技术是采用SAF结构。因此，上述设计为中间FM层310B提供了减小的电流极化，并且为顶部FM层310C提供了进一步减小的STT，从而减小了STT对噪声的贡献并且提高了SNR。

对上述设备执行了微磁模拟。使用了以下参数：读取器宽度(自由层310的X尺寸)-28纳米(nm)；条纹高度(自由层310的Y尺寸)-30nm；厚度(自由层310的Z尺寸)-3nm；固定层316的Ms-1500emu/cc；间隔层318的厚度-3nm；参考层320的Ms-1500emu/cc；层310A的厚度-3nm；层310A的Ms-1300emu/cc；层310B的厚度-2nm；层310B的Ms-xemu/cc(其中x在100emu/cc到1000emu/cc之间变化)；层310C的厚度-2nm；层310C的Ms-1300emu/cc、以及屏蔽件218、222和322的Ms-800emu/cc。图4示出了因变于中间FM层(例如，310B)的Ms的读取器的线性分辨率(脉冲宽度50(PW50))。这与具有相同几何形状和尺寸但是为单层自由层的标准读取器的PW50值进行了比较，该PW50值等于25.3nm。从图4可以清楚地看出，PW50中的增益从高Ms层310B的大于2nm变化为低Ms层310B的约1nm。

图5是示出了信噪比(SNR)对中间FM层(例如，310B)的Ms的相对应的因变性的图。这与18.8分贝(dB)的参考SNR值进行了比较。这里不考虑STT效应，磁噪声只来源于室温下磁化的热波动。在图5中，可以看出，对于低Ms层310B，约1db的SNR增益使可实现的。层310B和层310C中减小的STT可能进一步提高SNR。

在图3A和图3B所示类型的读取器中，与具有大块自由层的参考读取器相比，信号幅度增加了6％，不对称性增加了3％。同样，图3A和图3B所示类型的读取器中的跨磁道分辨率相对于具有大块自由层的参考读取器的跨磁道分辨率保持不变。

其他可能为最佳读取器性能而变化的参数包括层310A-310C的厚度层310A和层310B的Ms、经由合成铁磁体自由层310中的间隔层312A和312B耦合的Ruderman–Kittel–Kasuya–Yoshida(RKKY)的强度、以及由侧屏蔽件322和侧屏蔽件322-自由层间隙的Ms限定的偏置场。

如上所述，合成铁磁体自由层可以包括三个以上的层，并且多层自由层的结构层可以具有不同的Ms值。在一些实施例中，其磁化由侧屏蔽件的偏置场设置的(多个)组成层可以具有大于近似1特斯拉(T)的Ms。在此类实施例中，具有不同成分的CoFe合金可以用于这些层。此外，在此类实施例中，其磁化被定向为与侧屏蔽件的偏置场相对的(多个)层可以具有不超出1T的Ms。CoFeX合金可以用于将磁化强度调节到预定水平，其中X可以是Ta、Zr、Hf或其他掺杂元素，并且其中X的成分可以在1-40％之间变化。也可以使用NiFe合金。

本文所描述的实施例的说明旨在提供对各个实施例的结构的一般理解。说明不意在作为利用本文所描述的结构或方法的装置和系统的所有元件和特点的完整的描述。许多其他实施例对本领域的技术人员在审阅本发明后是显而易见的。也可以利用其他实施例，并从本公开推导出其他实施例，以便可作出结构和逻辑替换和改变而不脱离本公开的范围。附加地，这些图示仅是表示性的，并且可以按比例绘制。图示中的某些比例可能被放大，而其他比例可能被缩小。从而，本公开和附图应被视为说明性的，而非限制性的。

本发明的一个或多个实施例可以在本文中单独和/或共同地用术语“发明”来引用，仅为方便起见，而不旨在将本申请的范围限制到任何特定发明或发明构思。此外，虽然本文中已经展示并描述了特定的实施例，但是应当认识到，被设计以实现相同或相似目的的任何后续安排可以代替所示的特定实施例。本公开旨在涵盖各种实施例的任何随后的修改或变体对于本领域技术人员而言，在阅读了以上说明书之后，上述实施例的组合以及未在本文中具体描述的其他实施例是显而易见的。

提供本公开的摘要是为了符合37C.F.R.§1.72(b)的规定，并在提交时理解为该摘要将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在前述具体实施方式中，出于将本公开连成一体的目的，各种特征可以组合到一起或者在单个实施例中进行描述。本发明不应当被解释为反映带权利要求的实施例采用比每一个权利要求中明确地记载的特征更多的特点的意图。相反，如下文的权利要求所反映的，本发明的主题可以指向少于所公开的实施例中任一个的特征中的全部。

以上公开的主题旨在被认为是说明性而不是限制性的，并且所附权利要求旨在覆盖落入本公开的真实精神和范围中的所有此类修改、加强以及其他实施例。因此，为了获得法律允许的最大范围，本公开的范围将由所附权利要求和它们的等同物所允许的最宽泛解释来确定，而且不应当受以上详细描述约束或限制。

进一步的示例：

示例1.一种读取器，包括：读取传感器，包括：多层合成铁磁体自由层，所述多层合成铁磁体自由层具有使得所述多层合成铁磁体自由层偏置的非零净磁化。

示例2.如示例1所述的读取器，其特征在于，所述多层合成铁磁体自由层包括三层合成铁磁体自由层。

示例3.如示例2所述的读取器，进一步包括所述三层合成铁磁体自由层下方的合成反铁磁(SAF)结构，以及所述三层合成铁磁体自由层和所述SAF结构之间的隧穿势垒层。

示例4.如示例3所述的读取器，其特征在于，所述三层合成铁磁体自由层包括所述隧穿势垒层上方的底部磁性层、所述底部磁性层上方的中间磁性层、和所述中间磁性层上方的顶部磁性层，并且其中，所述底部磁性层和所述中间磁性层由第一间隔层分隔，并且所述中间磁性层和所述顶部磁性层由第二间隔层分隔。

示例5.如示例4所述的读取器，进一步包括在第一方向上提供偏置磁场的至少一个侧屏蔽件。

示例6.如示例5所述的读取器，其特征在于，所述三层合成铁磁体自由层的所述底部磁性层和所述三层合成铁磁体自由层的所述顶部磁性层在所述第一方向上具有通过所述至少一个侧屏蔽件来设置的磁化定向。

示例7.如示例6所述的读取器，其特征在于，所述三层合成铁磁体自由层的所述中间磁性层包括第二方向上的磁化定向，所述磁化定向与所述第一方向上的所述偏置磁场相对。

示例8.如示例4所述的读取器，其特征在于，所述三层合成铁磁体自由层的所述中间磁性层的材料的自发磁化低于所述三层合成铁磁体自由层的所述底部磁性层的材料的自发磁化，并且低于所述三层合成铁磁体自由层的所述顶部磁性层的自发磁化。

示例9.一种形成读取器的方法，包括：通过以下方式形成读取传感器：形成多层合成铁磁体自由层，所述多层合成铁磁体自由层具有使得所述多层合成铁磁体自由层偏置的非零净磁化。

示例10.如示例9所述的方法，其特征在于，形成所述多层合成铁磁体自由层包括形成三层合成铁磁体自由层。

示例11.如示例10所述的方法，进一步包括在所述三层合成铁磁体自由层下方形成合成反铁磁(SAF)结构，以及在所述三层合成铁磁体自由层和所述SAF结构之间形成隧穿势垒层。

示例12.如示例11所述的方法，其特征在于，形成所述三层合成铁磁体自由层包括在所述隧穿势垒层上方形成底部磁性层、在所述底部磁性层上方形成第一间隔层、在所述第一间隔层上方形成中间磁性层、在所述中间磁性层上方形成第二间隔层、以及在所述第二间隔层上方形成顶部磁性层。

示例13.如示例12所述的方法，进一步包括形成在第一方向上提供偏置磁场的至少一个侧屏蔽件。

示例14.如示例13所述的方法，进一步包括通过所述至少一个侧屏蔽件来设置所述三层合成铁磁体自由层的所述底部磁性层和所述三层合成铁磁体自由层的所述顶部磁性层二者在所述第一方向上的磁化定向。

示例15.如示例14所述的方法，进一步包括设置所述三层合成铁磁体自由层的所述中间磁性层在第二方向上的磁化定向，所述磁化定向与所述第一方向上的所述偏置磁场相对。

示例16.如示例12的读取器，进一步包括利用具有自发磁化的材料来形成所述三层合成铁磁体自由层的所述中间磁性层，所述自发磁化低于用于形成所述三层合成铁磁体自由层的所述底部磁性层的材料的自发磁化并且低于用于形成所述三层合成铁磁体自由层的所述顶部磁性层的材料的自发磁化。

示例17.一种装置，包括：读取传感器，所述读取传感器包括三层合成铁磁体自由层；以及至少一个侧屏蔽件，所述至少一个侧屏蔽件在第一方向上提供偏置磁场以将所述三层合成铁磁体自由层偏置。

示例18.如示例17所述的装置，进一步包括所述三层合成铁磁体自由层下方的合成反铁磁(SAF)结构，以及所述三层合成铁磁体自由层和所述SAF结构之间的隧穿势垒层。

示例19.如示例18所述的装置，其特征在于，所述三层合成铁磁体自由层包括隧穿势垒层上方的底部磁性层、所述底部磁性层上方的中间磁性层、和所述中间磁性层上方的顶部磁性层，并且其中，所述底部磁性层和所述中间磁性层由第一间隔层分隔，并且所述中间磁性层和所述顶部磁性层由第二间隔层分隔。

示例20.如示例19所述的装置，其特征在于：所述三层合成铁磁体自由层的所述底部磁性层和所述三层合成铁磁体自由层的所述顶部磁性层在所述第一方向上具有通过所述至少一个侧屏蔽件来设置的磁化定向；并且所述三层合成铁磁体自由层的所述中间磁性层包括第二方向上的磁化定向，所述磁化定向与所述第一方向上的所述偏置磁场相对。