KR100259431B1

KR100259431B1 - 강화된 자기저항 효과를 갖는 자기저항 센서

Info

Publication number: KR100259431B1
Application number: KR1019970037166A
Authority: KR
Inventors: 하다얄 싱 길
Original assignee: 포만 제프리 엘; 인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
Priority date: 1996-10-09
Filing date: 1997-08-04
Publication date: 2000-06-15
Also published as: KR19980032262A; SG53048A1; US5715120A

Abstract

본 발명에서는 중앙 영역에 의하여 서로 분리된 단부 영역을 갖는 자기저항(magnetoresistive: MR) 센서를 개시한다. 단부 영역에 배치된 하드 바이어스층은 중앙영역에 형성된 MR층을 길이 방향으로 바이어스시킨다. 소프트 인접층(soft adjacent layer: SAL)은 MR층을 횡단하는 방향으로 바이어스시키는데 사용된다. MR층 및 하드 바이어스층은 절연체에 의하여 SAL로부터 전기적으로 절연되어 있다. SAL의 자화(magnetization)는 반강자성층과 교환결합으로 고정된다. 절연체에 의하여 SAL로부터 MR층 및 하드 바이어스층을 분리시키면 감지 전류가 SAL 내로 흐르는 것을 방지하여 MR 효과를 개선시킨다.

Description

강화된 자기 저항 효과를 갖는 자기저항 센서

본 발명은 자기 매체(magnetic medium)에 기록된 신호를 판독하기 위한 자기저항(magnetoresistive: "MR") 판독 센서에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 개선된 자기저항 효과를 갖는 MR 판독 센서에 관한 것이다.

컴퓨터는 대부분 나중에 사용하기 위해 데이터가 기록되고 판독될 수 있는 매체를 갖는 보조 메모리 저장 장치를 포함하고 있다. 회전하는 자기 디스크를 일체로 구성하는 직접 접근 저장 장치(디스크 드라이브)는 통상 디스크 표면 상에 자기적인 형태(magnetic form)로 데이터를 저장하는데 사용된다. 데이터는 디스크 표면 상에 동심(同芯)이며 방사상으로 이격된 정보 트랙 상에 기록된다. 판독 센서를 포함하는 자기 헤드들은 디스크 표면 상의 트랙으로부터 데이터를 판독하는데 사용된다.

고용량 디스크 드라이브에서는, 보통 MR 헤드라고 하는 자기저항 판독 센서가 널리 사용된다. 그 이유는 자기저항 판독 센서가 박막 필름 유도 헤드보다 더 큰 선밀도(linear density)로 데이터를 디스크 표면으로부터 판독하는 능력이 있기 때문이다. MR 센서는 MR층에 의해 감지되는 자속(magnetic flux)의 세기 및 방향의 함수로서 MR 감지층(또는 "MR 소자"라고 함)의 저항 변화를 통해 자계(magnetic field)를 검출한다.

고용량 디스크 드라이브에서 현재 사용되는 MR 센서 중 가장 보편적인 것은 비등방성 자기저항(anisotropic magnetoresistive: AMR) 효과를 보여주는 비등방성 자기저항(AMR) 센서이다. AMR 센서에서는, 전자 산란 및 그에 따른 MR층의 저항 변화가 cos²α의 함수(여기서, α는 MR층의 자화 방향 및 MR층 내의 전류 흐름 방향 간의 각도임)이다(도 1). 전자 산란 및 그에 따른 저항은 MR층의 자화가 전류에 평행일 경우에 최대가 되고, MR층의 자화가 전류에 수직일 경우에 최소가 된다. 발명의 명칭이 "Magnetoresistive Read Transducer Having Hard Magnetic Bias"이고 1991년 5월 21일 Krounbi 등에게 허여된 미국 특허 제 5,018,037호에는 AMR 효과를 기초로 동작하는 MR 센서가 개시되어 있다.

도 1에는, 중앙 영역 (102)에 의해 분리된 단부 영역 (104) 및 (106)을 포함하는 종래의 AMR 센서가 도시되어 있다. MR층 (110)은 비자성 전기 전도 스페이서(non-magnetic, electrically conducting spacer) (115)에 의하여 소프트 인접층(soft adjacent layer: SAL) (120)으로부터 분리되어 있고, 상기 3 개의 층들은 모두 중앙 영역 (102) 내에 형성된다. SAL (120)은 MR층 (110)을 횡단하는 방향으로 바이어스시킨다. 단부 영역 (104) 및 (106) 내에 형성된 하드 바이어스층 (130) 및 (135)는 각각 MR층 (110)을 길이 방향으로 바이어스시킨다. 하드 바이어스층 (130) 및 (135)는 MR층 (110), 스페이서 (115), 및 SAL (120)과 연속되는 접합을 형성하고 있다. 하드 바이어스층 (130) 및 (135) 위에 형성된 리드선 (140) 및 (145)는 각각 감지 전류(I_s)가 전류 소스로부터 MR 센서 (100)으로 흐를 수 있도록 전기적으로 접속된다.

앞에서 언급한 바와 같이, MR 센서는 자계(magnetic field)가 변할 때 저항이 변하는 것을 보여준다. 이러한 저항 변화는 MR 소자를 통하여 일정한 감지 전류가 흐르도록 함으로써 전압 신호로 변환된다. 그러나, 도 1에 도시된 종래의 AMR 센서 (100)과 관련하여 커다란 문제점이 있다. 감지 전류(I_s) 중 일부분(I_s1)만이 MR 소자 (110) 내에서 흐르기 때문에 연속되는 접합을 갖는 AMR 센서 (100)에서는 전형적으로 그 센서의 자기저항 효과가 20% 내지 40% 정도의 손실된다. MR 소자 (110)에 흐르지 않는 감지 전류의 나머지 부분은 스페이서 (115)(I_s3)(스페이서가 고저항이므로 거의 무시할 수 있는 전류임) 및 SAL (120)(I_s2) 내에 흐른다. SAL (120)이 MR층 (110)에 평행인 전도성 패스를 형성하는 전기 전도성 물질로 만들어져 있으므로 감지 전류 중 일부가 SAL (120) 내에서 흐른다. 도 2는 MR층 (110) 및 SAL층 (120) 내의 감지 전류의 흐름을 나타내는 개략적으로 도시하고 있다. 스페이서 (115)에서의 전류의 흐름은 일반적으로 거의 무시할 수 있으므로 도시하지 않았다. 도 2를 다시 참조하면, 다음의 수학식이 성립함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

I₁= I_s{R_SAL/(R_MR+ R_SAL)}

I₁= I_s[1 / {1+ (R_MR/R_SAL)}]

전형적인 MR 센서 (100)에서는,

MR층의 비저항 (ρ) = 25 μΩ㎝;

MR층의 두께 = 150 Å;

SAL층의 비저항 (ρ) = 60 μΩ㎝; 및

SAL층의 두께 = 100 Å;

이고, 이것은

MR 저항 (R_MR) = 32 Ω; 및

SAL 저항 (R_SAL) = 120 Ω

임을 뜻한다. 상기 수학식 1에 상기 수치들을 대입하면, 약 21%의 감지 전류가 SAL (120)을 통과하면서 손실됨을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서 단지 약 79%만의 감지 전류가 MR층 (110) 내에 흐르게 되므로, 판독 신호 전력은 전류 손실이 없는 경우의 약 62%에 불과하다(P = RI²= R(0.79)²= R(0.62)). 감지 전류가 21% 가소한다는 것은 MR 효과가 대략 38% 감소함을 의미한다. MR 효과의 손실을 초래하는 이러한 전류의 손실을 SAL 감지 전류 분로(分路: shunting) 효과라고 한다. 종래의 AMR 센서는 지금까지 SAL 감지 전류 분로(分路) 효과를 제거하기 위한 실행 가능한 해결책을 내놓지 못하고 있다.

따라서, MR 센서의 SAL 감지 전류 분로(分路) 효과를 실질적으로 제거시켜자기저항 효과를 증대시키는 발명이 요구된다.

본 발명의 목적은 개선된 MR 효과를 갖는 AMR 센서를 개시하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 SAL 감지 전류 분로(分路) 효과가 제거된 AMR 센서를 개시하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 감지 전류 전부가 MR층에 실질적으로 흐르는 AMR 센서를 개시하는 것이다.

도 1은 종래의 AMR 센서의 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 MR층 및 SAL의 전기 배선도.

도 3은 본 발명을 구현하는 자기 디스크 저장 시스템을 단순화한 도면.

도 4a는 일정한 비율로 되어 있지 않은 본 발명의 바람직한 실시예인 AMR 센서의 공기 베어링 표면을 나타낸 도면.

도 4b는 일정한 비율로 되어 있지 않은 본 발명의 바람직한 실시예인 AMR 센서의 사시도.

〈도면의주요부분에대한부호의설명〉

300 : 디스크 드라이브

312 : 회전 가능한 자기 디스크

313 : 슬라이더

314 : 스핀들

315 : 서스펜션

318 : 디스크 드라이브 모터

319 : 액츄에이터 암

321 : 판독/기록 헤드

322 : 디스크 표면

329 : 제어 유닛

400 : AMR 센서

410, 420 : 단부영역

430 : 중앙 능동 영역

454 : 소프트 인접층

458 : 갭층

460 : 차폐(shield)층

상기 본 발명의 목적, 기타 다른 목적들 및 장점들은 중앙 영역에 의해 서로 분리된 단부 영역들을 갖는 자기저항 센서에 의한 본 발명의 원리에 따라 달성된다. 단부 영역 내에 형성된 하드 바이어스층은 중앙 영역에 형성된 MR층에 길이 방향의 바이어스를 제공한다. 하드 바이어스층은 각각 MR층과 연속되는 접합을 더 형성한다. 중앙 영역 및 단부 영역에 형성된 소프트 인접층(soft adjacent layer: SAL)은 MR층에 횡단하는 방향의 바이어스를 제공한다. SAL은 반강자성층(antiferromagnetic layer: AFM layer) 위에 배치되고, 반강자성층과의 교환 결합(exchange coupling)에 의해 생긴 횡단 방향(즉, 공기 베어링 표면에 수직한 방향) 내에 고정된 자화 벡터를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 중앙 영역에 형성된 MR층뿐만 아니라 단부 영역에 형성된 하드 바이어스층도 절연체에 의해 SAL과 전기적으로 절연되어 있다. 전기 절연체로 SAL을 MR층과 하드 바이어스층으로부터 분리시키면, SAL의 감지 전류 분로(分路) 효과가 제거되어 AMR 센서의 MR 효과를 대략 20% 내지 40% 정도 증가시킨다.

본 발명의 특성 및 장점 뿐만 아니라 바람직한 사용 모드를 더욱 충분히 이해하기 위하여 첨부한 도면과 관련하여 이하의 상세한 설명이 참조되어야 한다. 첨부한 도면에서, 동일 참조 번호는 도면 전체를 통하여 도일 또는 유사한 구성 부분들을 나타낸다.

이하에서 기술하는 것은 본 발명을 수행하기 위하여 지금까지 고안된 최선 실시 태양(best mode)이다. 이하의 설명과 다수의 도시된 실시예들은 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 목적으로 기술된 것으로 특허청구범위의 발명 개념을 한정하기 위한 것이 아니다.

도 3에는, 본 발명을 구현하는 디스크 드라이브 (300)이 도시되어 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 적어도 하나의 회전 가능한 자기 디스크(magnetic disk) (312)가 스핀들(spindle) (314) 상에서 지지(support)되고 디스크 드라이브 모터 (318)에 의해서 회전된다. 각 디스크 상의 자기 레코딩 매체(magnetic recording media)는 디스크 (312) 상에서 동심원 데이터 트랙(도시되지 않음)을 갖는 환상 패턴 형태로 되어 있다.

적어도 하나의 슬라이더(slider) (313)이 디스크 (312) 상에 위치하고, 각각의 슬라이더 (313)은 하나 이상의 자기 판독/기록 헤드 (321)을 지지하는데, 상기 헤드 (321)은 본 발명의 MR 센서의 일부분을 이룬다. 디스크가 회전하면, 슬라이더 (313)이 디스크 표면 (322) 상에서 지름방향으로 전진 또는 후퇴하여 헤드 (321)이 원하는 데이터가 기록되어 있는 디스크의 여러 부분에 접근할 수 있다. 각각의 슬라이더 (313)은 서스펜션 (315)에 의하여 액츄에이터 암(actuator arm) (319)에 부착되어 있다. 서스펜션 (315)는 약간의 탄성력을 제공하여 디스크 표면 (322)에 대해 슬라이더 (313)을 바이어스(bias)시킨다. 각각의 액츄에이터 암 (319)는 액츄에이터 (327)에 부착되어 있다. 도 3에서 도시된 바와 같이, 액츄에이터 수단은 음성 코일 모터(voice coil motor: VCM)일 수 있다. VCM은 고정된 자계 내에서 움직일 수 있는 코일을 포함하는데, 상기 코일의 운동 방향과 속도는 제어기 (329)에 의해서 제공되는 모터 전류 신호에 의하여 제어된다.

디스크 저장 시스템의 동작 중에, 디스크 (312)가 회전하면 슬라이더 (313) 및 디스크 표면 (322) 사이에 공기 베어링(air bearing)이 발생하여 슬라이더 상에서 상방향의 힘 또는 부양력(lift)을 미친다. 따라서, 공기 베어링은 서스펜션 (315)의 약간의 탄성력과 균형을 이루고, 정상 동작시 슬라이더 (313)을 디스크 표면 위에서 작고, 실질적으로 일정한 간격만큼 약간 떠있는 상태로 지지한다.

디스크 저장 시스템의 여러 가지 구성요소들의 동작은 액세스 제어 신호 및 내부 클럭 신호와 같이 제어 유닛 (329)에 의해 생성되는 제어 신호들에 의해 제어된다. 전형적으로, 제어 유닛 (329)는 로직 제어 회로, 저장 수단 및 마이크로 프로세서를 포함한다. 제어 유닛 (329)는 라인 (323) 상의 드라이브 모터 제어 신호 및 라인 (328) 상의 헤드 위치 및 탐색 제어 신호와 같은 제어 신호를 발생시켜 여러 가지 시스템 동작을 제어한다. 라인 (328) 상의 제어 신호는 원하는 전류 프로파일을 공급하여 슬라이더 (313)을 디스크 (312) 상의 원하는 데이터 트랙으로 가장 적합하게 이동 및 위치시킨다. 판독 및 기록 신호는 레코딩 채널(recording channel) (325)에 의해 기록 및 판독 헤드 (321)과 양방향으로 통신한다.

상기에서 기술한 전형적인 자기 디스크 저장 시스템 및 도 3의 예시 내용은 단지 소개하기 위한 것이다. 디스크 저장 시스템이 다수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며 각각의 액츄에이터가 다수의 슬라이더를 지지할 수 있다는 사실은 명백하다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 일정한 비율로 되어 있지 않은 본 발명의 바람직한 실시예인 AMR 센서 (400)의 공기 베어링 표면도 및 사시도가 나타나 있다. AMR 센서 (400)은 중앙 능동 영역(central active region) (430)에 의해 분리되는 수동 단부 영역(passive end region) (410) 및 (420)을 포함하고 있다. 자기 차폐층 (460) 및 갭층(gap layer) (458)은 일반적으로 적당한 기판 (462) 위에 형성된다. 차폐층 (460)은 MR 센서 (400)을 자기적으로 절연시키는데, 전형적으로는 NiFe 또는 sendust(등록 상표임)로 만들어진다. 갭층(gap layer) (458)은 MR 센서 (400)을 자기적으로 절연시키며, 일반적으로 Al₂O₃또는 SiO₂로 만들어진다. 갭층 (458)을 형성한 후, 반강자성층(antiferromagnetic layer) (456), 소프트 인접층(SAL) (454) 및 절연층 (452)가 갭층(458) 위에 순서대로 형성된다. 반강자성(AFM)층 (456)은 FeMn 또는 NiO로 만들어질 수 있지만 바람직하게는 NiMn으로 만들어지며, SAL (454)의 자화를 일정한 방향으로 고정시키는데 사용된다. SAL (454)는 NiFeNb와 같은 NiFe 합금으로 만들어질 수 있지만 바람직하게는 NiFe로 만들어진다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, SAL (454)의 자화는 공기 베어링 표면(air bearing surface: ABS) (466)에 수직하도록 고정되어 있다(ABS는 MR 센서를 포함하고 자기 디스크 표면에 인접한 자기 헤드의 표면을 말한다). MR 센서 (400)은 중앙 영역 (430)에 형성되고 절연체 (452) 위에 배치된 MR층 (436)을 더 포함한다. MR 센서 (400)은 MR층 (436) 및 절연체층 (452) 사이에 배치되고 탄탈륨(tantalum)으로 만들어지는 시드층(seed layer) (446)을 더 포함한다. 외부 필드(external field) 내에서 자유롭게 회전하는 자화를 갖는 MR층 (436)은 NiFe 또는 NiFe/Co와 같은 일반적으로 소프트 강자성체로 만들어지는데, 바람직하게는 NiFe로 만들어진다. MR층 (436)의 자화는 일반적으로 외부 필드가 없는 경우 공기 베어링 표면(466)에 평행하도록 정해진다(set).

단부 영역 (410) 및 (420) 내에 형성되는 하드 바이어스층 (442) 및 (444)는 각각 MR층 (436)을 길이 방향으로 바이어스시켜서 MR층 (436)에 대한 단일 자구 상태(single magnetic domain state)를 보장한다. 하드 바이어스층 (442) 및 (444)는 CoPtCrTa 또는 CoPtCrSiO₂로 만들어질 수 있지만, 바람직하게는 CoPtCr로 만들어진다. 하드 바이어스층 (442) 및 (444)는 MR층 (436)과 연속되는 접합을 더 형성한다.

본 발명의 MR 센서 (400)에서는, SAL (454)가 MR층 (436) 및 하드 바이어스층 (442) 및 (444)와 전기적으로 절연된다는 점에 유의하여야 한다. 전기적 절연은 MR층 (436) 내에 흐르는 전류(감지 전류)가 SAL (454)에 의해 어느 방향으로도 분류(分流)되지 않도록 해준다. SAL (454), MR층 (436), 및 하드 바이어스층 (444) 및 (442) 사이에 배치된 절연체층 (452)에 의해 SAL (454), MR층 (436), 및 하드 바이어스층 (442) 및 (444) 사이에 전기적 절연이 이루어진다. 절연체층 (452)는 중앙 영역 (430) 및 단부 영역(410) 및 (420) 내에 형성된다. SAL의 전류 분로(分路) 효과를 제거하면 센서 (400)의 MR 효과가 약 20% 내지 40%만큼 증가한다.

본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 본 발명의 정신, 범위, 및 개시 내용을 이탈함이 없이 당업자는 본 발명으로부터 다양한 변경을 가할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 명세서에서 개시된 본 발명은 예시된 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 첨부하는 특허청구범위에 의해서만 제한된다는 점을 이해하여야 한다.

본 발명을 사용하면, 절연체에 의하여 SAL로부터 MR층 및 하드 바이어스층을 분리시키면 감지 전류가 SAL 내로 흐르는 것을 방지하여 MR 효과를 개선시킨다.

Claims

중앙 영역에 의해 서로 분리되는 단부 영역들을 가지는 자기저항(magnetoresistive: MR) 센서에 있어서, 상기 자기저항 센서가

a) 중앙 영역 내에 형성되는 자기저항 소자(MR element);

b) 각각의 단부 영역들 내에 형성되는 하드 바이어스층(hard bias later)―여

기서 하드 바이어스층들(hard bias layers)은 각각 자기저항 소자와 연속

되는 접합을 형성함― ;

c) 중앙 영역 및 단부 영역들 내에 형성되는 전기 절연체(electrical

insulator);

d) 절연체에 의해 자기저항 소자 및 하드 바이어스층으로부터 분리되는 소프

트 인접층(soft adjacent layer: SAL); 및

e) 소프트 인접층의 자화(magnetization)를 고정(pin)하기 위한 반강자성

(antiferromagnetic: AFM)층―여기서 소프트 인접층은 반강자성층 위에

배치됨―

을 포함하는 자기 저항 센서.
제 1항에 있어서, 소프트 인접층(SAL)이 NiFe 및 NiFeNb로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기저항(MR) 센서.
제 1항에 있어서, 자기저항(MR) 소자가 NiFe 및 NiFe/Co로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기저항(MR) 센서.
제 1항에 있어서, 중앙 영역 내에서 자기저항(MR)층 및 절연체층 사이에 배치되고, 탄탈륨(tantalum)을 포함하는 시드층(seed layer)을 더 포함하는 자기저항(MR) 센서.
제 2항에 있어서, 반강자성(AFM)층이 FeMn, NiMn 및 NiO로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기저항(MR) 센서.
제 1항에 있어서, 하드 바이어스층들이 CoPtCr, CoPtCrTa 및 CoPtCrSiO₂로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기저항(MR) 센서.
a) 데이터를 기록하기 위한 자기 저장 매체;

b) 중앙영역에 의하여 서로 분리되는 단부 영역들을 가지며, 자기 저장 매체

로부터 정보를 판독하기 위한 자기저항(MR) 센서―여기서 자기저항(MR)

센서는

i) 중앙 영역 내에 형성되는 자기저항 소자;

ii) 각각의 단부 영역 내에 형성되는 하드 바이어스층(hard bias layer)―

여기서 하드 바이어스층들은 각각 자기저항 소자와 연속되는 접합을

형성함―;

iii) 전기 절연체;

iv) 전기 절연체에 의해 자기저항 소자 및 하드 바이어스층들로부터 분리

되는 소프트 인접층(soft adjacent layer: SAL); 및

v) 소프트 인접층의 자화(magnetization)를 고정(pin)하기 위한 반강자성

(antiferromagnetic: AFM)층―여기서 소프트 인접층은 반강자성층 위

에 배치됨―

을 포함함―; 및

c) 자기 저장 매체에 기록된 데이터를 나타내는 인가된 자계에 응답하여 자

기저항(MR) 소자의 저항 변화를 검출하기 위한 자기저항(MR) 센서에 결

합된 레코딩 채널(recording channel)

을 포함하는 자기 저장 시스템.
제 7항에 있어서, 소프트 인접층(SAL)이 NiFe 및 NiFeNb로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
제 7항에 있어서, 자기저항(MR) 소자가 NiFe 및 NiFe/Co로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
제 7항에 있어서, 중앙 영역 내에서 자기저항(MR)층 및 절연체층 사이에 배치되고, 탄탈륨(tantalum)을 포함하는 시드층(seed layer)을 더 포함하는 자기 저장 시스템.
제 8항에 있어서, 반강자성(AFM)층이 FeMn, NiMn 및 NiO로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
제 7항에 있어서, 하드 바이어스층들이 CoPtCr, CoPtCrTa 및 CoPtCrSiO₂로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.