KR100220141B1 - 이중 스핀 밸브 센서를 이용한 이중 자기저항 센서 - Google Patents

이중 스핀 밸브 센서를 이용한 이중 자기저항 센서 Download PDF

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Abstract

자기저항(MagnetoResistive) 센서는 두 개의 서로 다른 스핀 밸브 구조들을 포함한다. 각 스핀 밸브들은 비자성 물질(nonmagnetic material)인 박막층에 의해 분리된 강자성 물질(ferromagnetic material)인 제 1 자유층 및 제 2 구속층을 포함한다. 각 스핀 밸브에서 강자성 물질로 된 구속층들의 자화방향은 고정되어 있고, 구속층들의 자화는 서로 반평행(antiparallel)으로 배치된다. MR 센서를 통해 흐르는 전류가 발생되고, MR 센서 양단에 걸리는 전압 변화는, 검출된 자기장의 함수로 검출될 수 있는데, 즉, 강자성 물질로 된 자유층(free layers) 내의 자화가 회전함으로 인해 발생되는 MR 센서의 저항 변화에 의해 검출된다.

Description

이중 스핀 밸브 센서를 이용한 이중 저기저항 센서(DUAL MAGNETORESISTIVE SENSE USING DUAL SPIN VALVE SENSOR)
본 발명은 일반적으로 자기 매체(media) 상에 저장된 정보 신호들을 판독하기 위한 자기 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이중 스핀 밸브 구조(dual spin valve structure)를 이용한 개선된 자기저항 판독 센서에 관한 것이다.
종래 기술로는 자기 표면(magnetic surface)으로부터 높은 선형 밀도로 데이터를 판독할 수 있는 자기저항(MagnetoResistive; MR) 센서 혹은 헤드라고 하는 자기 판독 변환기(magnetic read transducer)가 공지되어 있다. MR 센서는 자성 물질로 제조된 판독 요소(read element)의 저항 변화를 통해 자기장 신호들(magnetic field signals)을 검출하며, 또한 상기 저항 변화는 판독 요소에 의해 감지되는 자속(magnetic flux)의 세기 및 방향을 변수로 하여 발생된다. 최근에 종래와는 다르면서 더 두드러진 자기저항 효과가 소개되었다. 즉, 층구조 자기 센서의 저항 변화가 비자성층을 통과하는 자성층들 사이에 있는 전도 전자(conduction electrons)들의 스핀-의존적인 전달(spin-dependent transmission) 및 그와 함께 발생되는 스핀-의존적인 산란(spin-dependence scattering)에 의해 발생된다는 것이다. 상기 자기저항 효과는 때때로 거대 자기저항성(giant magneto-resistive) 효과 혹은 간단히 거대 자기저항(giant magneto-resistance)이라고 한다.
미국 특허 제 5,206,590 호는 비자성층에 의해 분리된 두 개의 비결합 강자성층들 간의 저항이 상기 두 층이 만드는 자화각에 대한 코사인 값으로 변화되어 나타나고, 상기 강자성층들 중 하나의 자화방향이 고정된 MR 센서를 공지하고 있다. 이와 같은 MR 센서를 스핀 밸브(spin valve)라고 하며, 거대 자기저항 효과를 기초로 하고 있다.
미국 특허 제 5,287,238 호는 다층 구조의 이중 스핀 밸브 구조를 갖는 MR 센서를 공지하고 있는데, 상기 밸브 구조는 자기(magnetism)가 고정된 방위를 갖는 강자성 물질인 두 개의 외부 층들 및 외부에서 인가된 자기장에 따라 자화가 자유롭게 회전하는 강자성 물질로 된 중간층(intermediate layer)을 포함하고 있다.
본 발명의 주요 목적은 공통 모드 여자(common mode excitation)하에서 반대 극성의 신호들을 만들어 냄으로써 공통 모드 잡음(common mode noise)이 제거되는 이중 소자 자기저항성 판독 센서(dual element magnetoresistive sensor)를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명을 구현한 자기 디스크 저장 시스템의 개략 블록도,
도 2는 본 발명의 원리를 따르는 이중 자기저항 센서를 전체적으로 보여주는 분해도,
도 3a, b, c 는 도 2에 도시된 이중 자기저항 센서의 바람직한 실시예인 센서 공기 베어링 면에서 본 측면도,
도 4는 도 3a,b,c에 도시된 이중 자기저항 센서를 활용한 차동 검출 회로를 예시한 블록도,
도 5는 본 발명의 원리를 따르는 이중 자기저항 센서의 또 다른 실시예를 전체적으로 보여주는 분해도,
도 6은 도 5에 도시된 이중 자기저항 센서의 바람직한 실시예인 센서 공기 베어링 면에서 본 측면도,
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 이중 자기저항 센서에 있어서 센서 양단의 위치에 대해 계산된 센서 전류 밀도와의 관계를 예시한 세 개의 연관된 그래프,
도 8은 도 7에 도시된 그래프의 일부분을 확대한 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 이중 자기저항 센서의 또 다른 실시예를 전체적으로 보여주는 분해도,
도 10은 도 9에 도시된 이중 자기저항 센서의 바람직한 실시예인 센서 공기 베어링 면에서 본 측면도,
도 11은 도 9 및 도 10에 도시된 1서에 있어서 센서 양단의 위치에 대해 계산된 센서 전류 밀도와의 관계를 예시한 세 개의 연관된 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
12 : 자기 디스크 13 : 슬라이더
14 : 스핀들 15 : 서스펜션
18 : 디스크 드라이브 모터 19 : 액튜에이터 아암
21 : 판독/기록 변환기 22: 디스크 표면
23, 28 : 라인 27 : 액튜에이터 수단
29 : 제어부 30 : 판독센서
31, 39 : 자유층 32, 34, 36, 38 : 스핀 밸브 구조
35, 43 : 구속층 47 : 스페이서층
49, 55 : 차폐층 50 : 기판
53 : 갭층 57, 59 : 전도성 도선
127, 151 : 검출 수단 129, 157 : 전류 수단
본 발명에 따르면, 이중 MR 센서는 제 1 층구조 및 제 2 층구조로 구성된다. 각 층구조들은 비자성 물질의 박막층으로 분리된 강자성 물질인 제 1 박막층 및 제 2 박막층으로 구성된다. 상기 제 1 층에서 자기 방향은 인가된 외부 자기장에 따라 자유롭게 회전할 수가 있다. 제 2 층에서 자기 방향은 고정되어, 외부 자기장이 MR 센서로 인가될 때에도 회전하지 않는다. 각 층구조들은 상기 각 층구조에서 강자성 물질로 된 제 2 층(구속층)의 자화방향을 고정하기 위한 수단을 더 포함하고 있다. 제 1 층구조에서 강자성 물질로 된 구속층의 자화방향은 제 2 층구조에서 강자성 물질인 구속층의 자화방향에 반평행인 방향으로 고정된다. MR 센서를 통해 검출 전류를 흘림으로써, 각 층구조에서 강자성 물질인 제 1 층(자유층) 내의 자화의 회전에 기인한 외부 자기장에 따라 MR 센서의 저항 변화가 검출될 수 있다.
제 1 층구조 및 제 2 층구조는 각각 스핀 밸브 구조들을 포함하며, 제 1 실시예에 있어서, 각 스핀 밸브에서 강자성 물질로 된 자유층들은 MR 구조의 바깥쪽 층들이다. 다른 실시예로, 강자성 물질로 된 자유층들은 MR 센서의 중심 부분에 둘 수 있다. 상기 두 개의 스핀 밸브 구조들은 이중 MR 센서의 판독 갭 역할도 하는 비교적 두꺼운 비자성 스페이서층에 의해 분리되어 있다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명을 자기 디스크 저장 시스템에서 실시한 예를 도시하고 있지만, 본 발명이 자기 테이프 기록 시스템과 같은 다른 형태의 자기 기록 시스템, 혹은 자기장(magnetic field)을 검출하기 위해 센서를 이용하는 다른 어플리케이션에 대해서도 적용 가능하다는 것은 명백한 사실이다. 자기 디스크 저장 시스템은 스핀들(14) 위에 지지되고 디스크 드라이브 모터(18)에 의해 회전하는 하나 이상의 회전가능한 자기 디스크(12)를 포함한다. 각 디스크 상의 자기 기록 매체는 디스크(12) 상에서 동심 데이터 트랙들(미도시)의 환상 패턴 형태로 존재한다.
하나 이상의 슬라이더(13)가 디스크(12) 상에 위치되어 있고, 각 슬라이더(13)는 통상 판독/기록 헤드라고 하는 하나 혹은 그 이상의 자기 판독/기록 변환기들(21)을 지지하고 있다. 상기 디스크들(12)이 회전함에 따라, 상기 슬라이더들(13)은 상기 헤드들(21)이 원하는 데이터가 기록되어 있는 디스크의 다른 일부를 액세스할 수 있도록 상기 디스크 표면(22) 위에서 방사형으로 안쪽 그리고 바깥쪽으로 움직인다. 각 슬라이더(13)는 서스펜션(15)에 의해 액튜에이터 아암(19)에 부착된다. 상기 서스펜션(15)은 상기 슬라이더(13)를 상기 디스크 표면(22)에 대향하여 편향시키는 경미한 탄성력(slight spring force)을 제공한다. 각 액튜에이터 아암(19)은 액튜에이터 수단(27)에 부착된다. 도 1에 도시된 상기 액튜에이터 수단(27)의 일예로 보이스 코일 모터(Voice Coil Motor; VCM)가 있다. 상기 VCM은 고정 자기장 내에서 이동할 수 있는 코일로 구성되고, 상기 코일의 이동 방향과 속도는 컨트롤러에서 공급되는 모터 전류 신호들에 의해 제어된다.
상기 디스크 저장 시스템이 작동하는 중에, 상기 디스크(12)가 회전함에 따라 상기 슬라이더(13)와 상기 디스크 표면(22) 사이에 슬라이더로 상승력 또는 부양력을 가하는 공기 베어링(air bearing)을 생성한다. 따라서, 상기 공기 베어링은 상기 서스펜션(15)의 경미한 탄성력을 상쇄시켜, 상기 슬라이더(13)를 작동중에 작지만 실질상 일정 간격으로 상기 디스크 표면에서 이격되어 약간 위에 있도록 지지한다.
디스크 저장 시스템의 상기 각종 구성요소들은 제어부(29)에서 발생되는 액세스 제어 신호들과 내부 클록 신호들과 같은 신호들에 의해 그 작동이 제어된다. 예를 들면 통상, 제어부(29)는 로직 제어 회로와 저장수단 및 마이크로프로세서로 구성된다. 상기 제어부(29)는 라인(23) 상에 드라이브 모터 제어신호들을 발생시키고, 라인(28) 상에 탐색 제어신호들과 같은 시스템 동작을 제어하기 위한 각종 제어신호들을 발생시킨다. 라인(28) 상의 상기 제어 신호들은 관련된 디스크(12) 상의 원하는 데이터 트랙으로 선택된 슬라이더(13)를 최적으로 이동시켜 위치시키기 위한 바람직한 전류 프로파일(profile)을 제공한다. 판독 및 기록 신호들은 기록 채널(25)에 의해 판독/기록 헤드(21)로 전달되고 그리고 판독/기록 헤드(21)로부터 신호를 전달받는다.
도 1은 일반적인 자기 디스크 저장 시스템에 관한 것으로 설명을 위하여 제시된 것이며, 디스크 저장 시스템들은 다수의 슬라이더들을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 이중 자기저항 판독센서(30)를 도시하고 있으며, 제 1 층구조 및 제 2의 층구조를 포함하고 있다. 각각의 층구조들은 스핀 밸브 구조(32)(34)를 포함하며, 스핀 밸브 구조에 있어서 제 1 층 또는 자유층으로 된 강자성층 (31)(39)은 얇은 비자성 스페이서층 (33)(41)에 의해 자화방향이 고정되어 있는 제 2 층 또는 구속층으로 된 강자성층 (35)(43)으로부터 분리된다. 반강자성 물질층(37)(45)은 교환 결합(exchange coupling)에 의해 상기 구속층 내의 자화방향을 고정시키기 위해 구속 강자성층(35)(43)에 인접하여 증착된다. 상기 두 개의 스핀 밸브 구조는 기판 위에 형성되며, 박막의 절연 물질(47)에 의해 서로 분리된다. 상기 두 개의 구속층(35)(43)들 내에 화살표 (38)(44)로 도시된 자화방향은 외부 자기장에 대응하는 자기저항센서(30)의 저항 변화가 각 층구조의 상기 자유층들(31)(39) 내의 자화의 회전으로 인해 다르게 검출될 수 있도록 반평행으로 설정된다. 상기 센서 판독 요소가 강자성/비자성/강자성 층구조를 포함하는 상기 스핀 밸브 효과를 기초로 한 MR 센서는 상기 참조한 미국 특허 제 5,206,590 호에 더 상세하게 기술되어 있다.
강자성 물질로 된 자유층들(31)(39)의 자화는 서로 평행하게, 즉 같은 방향으로 방위되고, 화살표 36 및 42로 표시된 외부에서 인가된 자기장이 없는 상태에서 강자성 물질로 된 상기 구속층들(35)(43)의 자화방향에 대해 약 90°의 각도를 갖는다. 강자성 물질인 구속층들(35)(43)의 자화방향은 화살표 36 및 42로 도시된 바와 같이 반평행으로 고정되어 있다. 이와 같이, 강자성 물질로 된 상기 구속층들(35)(43)의 자화방향이 고정으로 유지되는 반면에, 강자성 물질로 된 상기 자유층들(31)(39)의 자화방향은 도 2에 도시된 자기장 h 와 같은 외부에서 인가되는 자기장에 따라 그 방향이 자유롭게 회전할 수 있고, 이것은 도 2의 자유층들(31)(39) 상에 대쉬 화살표로 도시되어 있다.
외부 인가 자기장이 없는 경우, 상기 강자성 물질인 자유층들(31)(39)의 자화는 도 2에 도시된 강자성 물질인 상기 구속층들(35)(43)의 자화에 대해 실질적으로 90°의 방위를 갖는다. 상기 방위는 도 2에 대쉬 화살표로 도시된 바와 같이 상기 자화의 회전 방향 모두에 대해 동일한 왕복운동(excursion)의 관점에서 볼 때 상기 MR 센서에 대해 최대 감도를 제공한다. 상기 방위를 만들기 위해서는, 자유층들(31)(39) 내의 자화방향에 영향을 미치는 세 개의 맞서는 자기장들을 균형 잡히게 할 필요가 있다. 상기 자기장들 중의 하나는 상기 자유층에 영향을 주는 상기 구속층으로부터의 정자기장(magnetostatic field)이고, 또 다른 자기장은 상기 구속층들과 자유층들 사이의 층간 결합(interlayer coupling)이고, 세 번째 자기장은 도 4에 도시된 센서에 흐르는 검출 전류 I 의 흐름으로 인한 자기장이다. 상기 자유층과 구속층 사이에 실질상 90°의 방위를 달성하기 위해 필요한 검출 전류가 센서가 사용되어야 할 응용에 대해 적절한 값이 되도록 상기 층들의 재질과 두께를 선택하는 것이 바람직하다.
도 3a, 3b, 3c 는 도 2의 이중 MR 센서의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 상기 이중 MR 센서(30)는 적절한 기판(50) 상에 형성된 제 1 층구조(32)와 제 2 층구조(34)를 포함하고, 상기 각 층구조들(32)(34)은 스핀 밸브 구조를 포함한다. 상기 스핀 밸브 구조들(32)(34)은 전기적으로 한 스핀 밸브 구조를 다른 것으로부터 절연시키도록 절연 물질로 만들어진 비교적 두꺼운 스페이서층(47)에 의해 분리된다. 상기 스핀 밸브 구조들(32)(34)은 절연 물질인 두 개의 갭층들(gap layers) 사이에 형성된다. 상기 갭층들은 자성 물질로 만들어진 두 개의 자기 차폐층들(S1)(S2) 사이에 형성된다. 상기 이중 MR 센서(30)는 공지의 진공 증착 및 도금 기술을 사용하여 제조된다. 일례로, 상기 제 1 차폐층(49)은 기판(50)의 표면 위에 도금된다. 그 후, 제 1 갭층(51)과 상기 제 1 스핀 밸브(32)를 포함하는 각종 층들(32)과, 절연층(47)과, 제 2 갭층(53)은 스퍼터링(sputtering)에 의해 증착된다. 마지막으로, 제 2 자기 차폐층(55)이 제 2 갭층(53) 위에 도금된다.
제 1 스핀 밸브 구조(32)는 강자성 물질로 된 제 1 박막층(자유층; 31)과, 비자성 도전물질(non magnetic conductive material)로 된 제 1 박막층(33)과, 강자성 물질로 된 제 2 박막층(35)을 포함한다. 도 3a에 도시된 구체적인 실시예에서, 강자성 물질로 된 제 2 박막층(구속층; 35)의 자화방향을 고정하기 위한 수단은 반강자성 물질로 된 제 1 박막층(37)을 포함한다. 제 2 강자성층(35) 내의 자화는 반강자성/강자성 교환 결합에 의해 고정된다. 시드층(seed layer; 61)은 스핀 밸브(32)의 다양한 연속층들의 적절한 성장을 촉진하기 위해 제 1 강자성층(31)의 증착에 앞서 증착된다. 스핀 밸브 구조의 반대쪽 끝부분에 형성된 전기적 전도 도선(57)은 외부 전자회로부와 전기적인 연결을 제공하고, 상기 스핀 밸브(32)의 중심 활성 영역(central active region)을 규정한다.
상기 제 2 스핀 밸브 구조(34)는 강자성 물질로 된 제 3 박막층(자유층; 39)과, 비자성 도전물질로 된 제 2 박막층(41) 및 강자성 물질로 된 제 4 박막층(구속층; 43)을 포함한다. 도 3a, 3b, 3c 도에 도시된 구체적인 실시예에서, 강자성 물질로 된 제 4 박막층(43)의 자화방향을 고정하기 위한 수단은 반강자성 물질로 된 제 2 박막층(45)을 포함한다. 제 4 강자성층(35)에서 자화는 반강자성/강자성 교환 결합에 의해 고정된다. 상기 제 1 스핀 밸브 구조(34)에 대해 위에서 기술한 바와 같이, 제 2 시드층(63)은 제 3 강자성층(39)의 증착에 앞서 증착된다. 유사하게, 전기적 도선 전도체(59)는 스핀 밸브(34)의 반대쪽 끝부분에 형성된다. 상기 두 개의 스핀 밸브 구조들(32)(34)은 한 스핀 밸브를 다른 스핀 밸브로부터 전기적으로 절연시키기 위해 비자성절연 물질의 스페이서층(47)에 의해 분리된다. 이러한 목적으로는 산화 알루미늄(Al2O3) 혹은 산화 실리콘(SiO2)이 적절하다. 또한 상기 비자성 스페이서층(47)은 상기 스핀 밸브 구조들(32)(34)의 자유층들(31)(39)을 자기적으로 분리시키는 역할을 한다. 상기 스페이서층(47)은 상기 자기저항센서(30)를 위한 판독 갭으로서의 역할도 한다.
도 2를 참조로 하여 위에서 기술한 바와 같이, 상기 자유층들(31)(39)의 자화는 상기 구속층들(35)(43)의 자화에 수직이고, 더욱이 상기 구속층들(35)(43) 내의 자화는 각각 서로에 대해 반평행이 되어야 한다. 상기 구속층들(35)(43) 내에서 교환 결합장(exchange-coupled field)의 방향 혹은 방위는 상기 구조를 반강자성 물질의 넬 온도(Neel temperature)보다 큰 온도로 가열한 후에, 원하는 방향을 갖는 자기장을 형성시킨 상태에서 상기 구조를 냉각시켜 설정함에 따라 두 개의 반자성층들(37)(45)로는 각각 현저히 다른 넬 온도를 갖는 서로 다른 반자성 물질들을 사용하는 것이 필수적이다. 도 3a에 도시된 바람직한 실시예에서, 제 1 반자성층(37)을 위한 재료의 예로는 들면 비교적 낮은 넬 온도를 갖는, 예를 들면, 망간-철(iron-manganese; FeMn) 혹은 산화 니켈(NiO)을 사용할 수 있다. 반면에 제 2 강자성층(45)을 위한 재료로 비교적 높은 넬 온도를 갖는, 예를 들면, 망간-니켈(NiMn)을 사용할 수 있다.
제 2 스핀 밸브(34)의 구속층(43) 내의 교환 결합된 자기장의 방위는 원하는 방향을 갖는 자기장을 형성시킨 상태에서 제 2 반강자성층(45)의 재료인 망간-니켈(NiMn)에 대한 넬 온도보다 더 높은 넬 온도에서 센서(30)를 냉각시킴으로써 설정된다. 그후, 센서(30)는 첫 번째의 어닐링 공정시에 가한 자기장에 대해 반평행(180°)한 방향으로 자기장을 형성시킨 상태에서, 제 1 반강자성층(37)의 재료에 대한 상기 넬 온도보다 높지만 제 2 반강자성층(45)에 대한 넬 온도보다 낮은 온도에서 두 번째로 어닐링(annealing)된다. 구속층들(35)(43)의 자화는 센서 공기 베어링 표면 및 매체 표면에 수직이고, 자유층들(31)(39)의 자화는 동작점 상태(quiescent state; 외부 자기장이 인가되지 않는 상태)에서 센서 공기 베어링 표면 및 매체 표면에 평행인 것이 바람직하다.
바람직한 실시예로, 강자성층들(31)(35)(39)(43)은 예를 들면 코발트(Co)와, 철(Fe)과, 니켈(Ni)과 같은 자성 물질들로 그리고 일반적으로 퍼멀로이라고 하는 니켈-철(NiFe), 니켈-코발트(Ni-Co) 및 철-코발트(Fe-Co)와 같은 상기 자성 물질들의 어떤 합금들로도 적절하게 제조될 수 있다. 전도성 스페이서층들(33)(41)은, 예를 들면, 구리(Cu), 금(Au) 및 은(Ag)과 같은 적절한 비자성 전도 물질로 만들어진다. 전도성 도선들(57)(59)은 낮은 전기 저항을 갖는 재료 즉, 양도체로 만들어져야 하고, 또한 도선재가 센서 에어 베어링 표면에 노광됨에 따라 경도(hardness)와 양호한 내식성(corrosion resistance)을 보여야 한다. 탄탈륨(Ta)은 도선 전도체들(57)(59)을 위한 적절한 재료이다. 제 1 갭층(51)및 제 2 갭층(53)은 예를 들면 산화 알루미늄(Al2O3) 혹은 산화 실리콘(SiO2)과 같은 비자성 절연 물질로 만들어진다. 자기 차폐층들(49)(55)은 NiFe 혹은 센더스트(Sendust; AlSiFe)와 같은 높은 투과율을 갖는 자기 물질로 만들어진다.
바람직한 실시예로, 제 1 차폐(G1)는 NiFe 혹은 AlSiFe 둘 중 하나로 만들어지고, 반면 제 2 차폐(G2)는 NiFe 로 만들어진다. 도 3a에 도시된 이중 MR 센서(30)의 구체적 실시예는 Ta(50Å)/ NiFe(90Å)/ Cu(25Å)/ Co(30Å)/ FeMn(150Å)/ Al2O3(500Å)/ Ta(50Å)/ NiFe(90Å)/ Cu(25Å)/ Co(30Å)/ NiMn(300Å) 의 구조를 갖는다.
도 3b에 이중 MR 센서(30)의 또 다른 바람직한 실시예가 도시된다. 상기 실시예는 도 3a에 대해 위에서 기술한 것과 유사하다. 도 3b에 도시된 바와 같이 센서(30)는 비자성 절연 스페이서층(47)에 의해 제 2 스핀 밸브 구조(38)와 전기적으로 절연된 제 1 스핀 밸브 구조(36)로 구성된다. 제 2 스핀 밸브 구조(38)는 도 3a에 도시된 제 2 스핀 밸브 구조(34)와 동일하지만, 구속층(65) 내에 자화를 얻기 위해 적용한 수단에 있어서 제 1 스핀 밸브 구조(36)는 도 3a에 도시된 제 1 스핀 밸브 구조(32)와는 서로 다르다.
제 1 스핀 밸브(36)는 시드층(61)과, 제 1 강자성층(자유층, 31)과 제 1 전도성 스페이서층(33) 및 제 2 강자성층(구속층, 65)을 포함한다. 상기 구속층(65)은 강자성 물질로 된 제 1 층(67)과, 비자성 물질로 된 반강자성 결합층(69)과 강자성 물질로 된 제 2 층(71)을 갖는 층구조이다. 스페이서층(47)은 제 2 강자성층(71) 바로 위에 접촉하여 증착되고, 반강자성 물질로 만들어진다. 유효 자기장이 강자성 물질로 된 층(71)과 반강자성 물질로 된 스페이서층(47) 사이의 교환 결합에 의해 구속층인 제 2 강자성층(71) 내에 유도된다. 구속층인 제 1 강자성층(67)이 구속층인 제 2 강자성층(71)에 반강자성적으로 결합되기 때문에, 두 개 층 모두 반강자성 스페이서층(47)으로 교환-결합되어, 강자성층(67) 내에 유효 자기장을 생성하고, 상기 유효 자기장은 작은 값으로 고정되고, 외부에서 인가된 자기장을 완화시킨다.
상술한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 강자성층들은 적절한 자성 물질로 만들어질 수 있고, 상기 전도성 스페이서층(33)(41)은 적절한 비자성 전도성 물질로 만들어질 수 있다. 제 1 스핀 밸브 구속층(65) 내에서, 반강자성 결합층(69)은 강자성층들 사이의 반평행 결합을 촉진하기 위해 루테늄(Ruthenium), 크롬(chromium), 로듐(Rhodium), 이리듐(Iridium) 혹은 다른 재료 혹은 상기 재료의 합금 등과 같은 적절한 비자성 물질로 만들어진다. 상기 스페이서층(47)은 또한 제 2 스핀 밸브(38)로부터 제 1 스핀 밸브(36)를 전기적으로 절연시키는 역할을 하기 때문에, NiO 와 같은 반강자성 물질과 마찬가지로 전기적인 절연재이어야 한다.
한편, 반강자성 스페이서층(47)과 결합하여 층구조를 갖는 구속층(65)을 사용함에 따라 각각 제 1 스핀 밸브(36) 및 2 스핀 밸브(38)의 구속층들(65)(43) 내에 반평행 자기장을 유도하는 것이 가능하고, 또한, 상기 센서에서 반강자성 물질들에 이용된 2가지의 높은 넬 온도보다 더 고온에서 단일 가열/냉각 프로세스만을 사용한다. 이와 같이, 구속층인 제 2 강자성층(71)에서 교환 결합으로 인해 유도된 자기장이 구속층(43)에서 유도된 자기장에 대해 평행인 반면에, 전도성 스페이서층(33)에 인접한 구속층인 제 1 강자성층(67) 내의 정자기 결합에 의해 유도된 자기장(field)은 구속층(43) 내의 자기장에 대하여 반평행하게 될 것이다.
도 3b에 도시된 이중 MR 센서(30)의 구체적 실시예는 Ta(50Å)/ NiFe(90Å)/ Cu(25Å)/ Co(30Å)/ Ru(4Å)/ Co(40Å)/ NiO(400Å)/ Ta(50Å)/ NiFe(90Å)/ Cu(25Å)/ Co(30Å)/ NiMn(150Å) 의 구조를 갖는다. 상기 구속층들(65), (43)의 자화의 반평행 방위를 실현하기 위해, Ru 반강자성 결합층(69)의 두께는 4-6Å의 범위 내에 있어야 하고, 제 1 Co 층(69) 및 제 2 Co 층(71)의 두께는 서로 약 10Å의 차이가 있어야 한다. 바람직한 실시예로, 4-6Å인 Ru 반강자성 결합층(69)의 두께는 상기 Co 층들(69)(71) 사이에 큰 반강자성 교환 결합을 주도록 선택된다. 이러한 과정에 대한 보다 상세한 설명은 본 발명에서 참조한 파킨 등의 Phys. Rev. Lett., Vol. 64, p. 2034(1990) 에 기술되어 있다. 두 개의 Co 층들(69)(71) 사이의 두께 차이는 자화와 상기 구속층들(65)(43)의 자기 이방성을 결정하며, 좀더 상세한 과정은 본 발명에서 참조한 한 미국 특허 제 5,408.377 호에 기술되어 있다. 상기 구속층들(65)(43)의 순 자화 값은 센서 자유층들(31)(39) 상에 작용하는 비자화 자기장의 값을 결정한다. 각각 비자성 스페이서층(33)(41)을 교차하는 자유층들과 구속층들(31)(35)(39)(43) 사이의 강자성 결합을 갖는 비자화 자기장과 검출 바이어스 전류(검출 전류)에 의해 발생된 자기장은 바이어스 동작점(quiescent bias point; 외부 자기장이 없을 경우 자유층의 자화방향)을 결정한다. 그러므로, 두 개의 Co 층들(69)(71) 사이의 두께 차이값은 최적의 바이어스 점을 얻도록 선택된다.
이중 MR 센서(30)의 또 다른 바람직한 실시예가 도 3c에 도시된다. 상기 실시예는 도 3b에 대해 위에서 기술한 것과 유사하다. 도 3c에 도시된 바와 같이 센서(30)는 비자성 절연 스페이서층(47)에 의해 제 2 스핀 밸브 구조(44)와 전기적으로 절연된 제 1 스핀 밸브 구조(42)를 포함한다. 여기서 제 1 스핀 밸브 구조(42)는 구속층(73) 내에 교환 결합 자기장을 제공하는 재료들을 사용한다는 점에서 도 3b에 도시된 제 1 스핀 밸브 구조(36)와 서로 다르다.
제 1 스핀 밸브(42)는 시드층(61)과, 제 1 강자성층(자유층, 31)과 제 1 전도성 스페이서층(33)과 층구조를 갖는 제 2 강자성층(구속층, 73) 및 제 1 반강자성층(37)을 포함한다. 상기 구속층(73)은 제 1 강자성층(75)과, 제 2 강자성층(79) 및 상기 제 1 강자성층(75)및 제 2 강자성층(79)을 분리시키는 완충층(77)을 포함한다. 반강자성층(37)은 구속층인 제 2 자성층(79) 바로 위에 직접 접촉하여 증착된다. 유효 자기장이 반강자성층(37)의 교환 결합에 의해 구속층인 제 2 강자성층(79) 내에 유도된다. 그후, 유효 자기장은 상기 구속층인 제 2 강자성층(79)과 반강자성 결합을 통해 구속층인 제 1 강자성층(75) 내에 유도되고, 그것에 의하여 강자성층(75)의 자화를 낮은 값으로 고정하고, 외부에서 인가된 자기장을 완화해 준다.
도 3b를 참조로 하여 위에서 기술한 바와 같이, 제 1 반강자성층(37)과 결합하여 상기 층구조의 구속층(73)을 사용하는 것은 단일 가열/냉각 프로세스만을 사용하여 구속층인 제 1 강자성층(75)과 제 2 스핀 밸브(44)의 구속층(43) 내에 고정의 반평행 자기장을 유도하는 것이 가능하다.
도 3c에 도시된 이중 MR 센서(30)의 구체적 실시예는 Ta(50Å)/ NiFe(90Å)/ Cu(25Å)/ Co(30Å)/ Ru(4Å)/ Co(40Å)/ FeMn(150Å)/ Al2O3(500Å)/ Ta(50Å)/ NiFe(90Å)/ Cu(25Å)/ Co(30Å)/ NiMn(150Å) 의 구조를 갖는다. 상기 구속층(73), (43) 에서 자화를 설정하기 위해 단일 어닐링 프로세스를 사용하는 것은 제 1 반강자성층(37) 및 제 2 반강자성층(45)을 위해 서로 다른 넬 온도들을 갖는 서로 다른 재료들을 사용할 필요성을 제거해 준다. 상기 실시예에서, 스페이서층(47)은 두 개의 스핀 밸브 구조들(42)(44)을 전기적으로 절연만 하면 되므로, 상기 스페이서층은 산화 알루미늄(Al2O3) 혹은 산화 실리콘(SiO2)과 같은 적절한 절연 물질로 만들어질 수 있다.
도 4는 도 3a, 3b, 3c에 도시된 이중자기저항센서(30)를 활용한 차동 검출 회로를 예시한 블록도이다. 전류 소스(81)는 스핀 밸브 No.1에 일정한 바이어스 혹은 검출 전류 Is를 공급한다. 유사하게, 전류 소스(83)는 스핀 밸브 No.2에 일정한 바이어스 혹은 검출 전류 Is를 공급한다. 상기 전류는 동일한 방향으로 양 스핀 밸브를 통해 흐른다. 각 스핀 밸브의 출력 신호는 각각 차동 증폭기(85)의 반대 극성의 입력들에 인가된다. 양 스핀 밸브들 내에 있는 구속층들의 반평행 자화는 인가된 외부 자기장에 응답하여 두 개의 스핀 밸브 내에 각각 상반하는 반대의 저항 변화를 준다. 상기 사용된 외부 자기장의 예로 자기 디스크 위에 기록되는 자기 데이터 신호를 들 수 있다. 그러므로, 저항 변화들과 그에 따른 출력 신호는 차동 검출기(85)에서 더해지고, 그로 인해 더 높은 감도를 주게 된다. 또한 차동 검출을 사용하는 것은 열적 악조건(thermal asperities)에서 공통 모드 잡음 배제(common mode noise rejection)를 가능케 한다.
도 5는 본 발명에 따른 이중 자기저항 센서의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 이중 MR 센서(90)는 비자성 스페이서층(99)에 의해 분리되는 제 1 스핀 밸브 구조(92)와 제 2 스핀 밸브 구조(94)를 포함한다. 상기 비자성 스페이서층(99)은 전기적으로 도전물질이거나 혹은 절연 물질 중의 하나로 만들어진다. 각 스핀 밸브(92)(94)는 구속층인 제 2 강자성층(97)(101)을 포함하고 있고, 얇은 전도성 비자성층(95)(103)으로 분리되어 있다. 구속층들(91)(107)은 각 구속층들(93)(105) 내의 자화방향을 고정하기 위한 수단을 제공하기 위해 구속층인 강자성층들(93)(105)에 인접하여 형성되어 있다. 도 2를 참조로 하여 위에서 기술한 바와 같이, 각 구속층(93)(105) 내의 자화방향은 각각 화살표(109)(117)로 표시된 것과 같이 서로 다른 층에 대하여 반평행하게 고정되어 있다. 각각 자유층인 강자성층(97)(101)에서 자화방향은 구속층들(93)(105) 내의 자화방향에 수직이고, 각각 화살표(111)(113)로 표시된 외부 인가 자기장에 응답하여 자유롭게 회전한다.
도 6은 도 5에 도시된 이중 MR 센서(90)의 구체적 실시예를 도시하고 있다. 제 1 스핀 밸브 구조(92) 및 제 2 스핀 밸브 구조(94)는 각각 절연 스페이서층(99)에 의해 분리되고, 적절한 기판(87) 위에 형성된 절연층(89) 위에 진공증착기술을 사용하여 형성된다. 절연층(89)은 도 3a에 도시된 제 1 갭층 G1과 유사하다.
예시적으로, 기판(87)은 도 3a에 도시된 제 1 자기 차폐층(S1)과 같은 종래 기술에서 공지된 임의의 부가적인 층을 포함한다. 제 1 스핀 밸브 구조(92)는 전도성 비자성 스페이서층(95)에 의해 분리된 제 1 강자성층(자유층; 97)과 제 2 강자성층(구속층; 93)을 포함한다. 도 3b 와 도 3c 를 참조로 하여 위에서 기술한 바와 같이, 구속층(93)은 각각 얇은 비자성 완충층(123)으로 분리된 제 1 강자성층(121)및 제 2 강자성층(125)을 포함한다.
절연층(89)은 NiO와 같은 반강자성 물질로 만들어진다. 제 1 강자성층(구속층; 121)은 반강자성 절연층(89)의 표면 위에 접촉하여 증착된다. 자기장은 반강자성 절연층(89)과 함께 교환 결합에 의해 강자성층(121) 내에 유도되고, 이리하여 정자기 결합에 의해 제 2 강자성층(125) 내에 공급된다. 제 2 스핀 밸브 구조는 전도성 비자성 스페이서층(103)에 의해 분리된 제 1 강자성층(자유층; 101)과 제 2 강자성층(구속층; 105)을 포함한다. 반강자성층(107)은 교환 결합에 의하여 구속층(105) 내로 자기장을 공급하기 위해 제 2 강자성층(105) 위에 접촉하여 증착된다. 각 스핀 밸브의 자유층들(97)(101)은 절연 스페이서층(99)의 반대면 들에 인접한 센서 구조의 중심부에서 증착되는 것이 본 실시예의 특징이다. 상기 스페이서층(99)은 각각, 두 개 스핀 밸브들(92)(94)의 자유층들(97)(101) 사이에 자기 비결합을 제공하기 위해 비자성 물질(마찬가지로 전기적으로도 절연되는)로 만들어진다.
전도성 도선들(119)은 스핀 밸브들(92)(94)의 반대쪽 끝부분에 형성되므로, 스핀 밸브(92)(94)들은 각 끝부분에서 함께 단락되며, 센서(90)의 주요한 활성 영역을 규정한다. 상기 활성 영역은 인가된 자기 신호에 응답하는 센서(90)의 영역이다. 또한 센서 활성 영역은 센서 트랙 넓이를 규정한다. 전도성 도선들(119)은 센서(90)와 전류 수단(129) 및 검출 수단(127)과 같은 외부 전자회로부를 연결한다. 전류 수단(129)은 센서(90)로 검출 전류 Is를 공급한다. 검출 수단(127)은 인가된 외부 자기장에 응답하여 센서(90)의 출력 신호를 검출한다.
본 발명의 본 실시예에 따라, 강자성층들(93)(97)(101)(105)은 코발트(Co)와, 철(Fe)과, 니켈(Ni)과 같은 자성 물질들로 제조될 수 있고 니켈-철(NiFe)과, 니켈-코발트(Ni-Co)와, 철-코발트(Fe-Co)와 같은 상기 자성 물질들의 합금들로 상기 기술된 바와 같이 층구조의 강자성층(93)으로 적절하게 제조될 수 있다. 도 6에 도시된 구체적 실시예에 있어서, 강자성층들(93)(97)(101)(105)은 선택적으로 NiFe 와 같은 강자성 물질로 된 제 1 층과 Co 와 같은 나노층(nanolayer)이라고 하는 강자성 물질로 된 제 2 의 얇은 층을 포함함을 일례를 들 수 있다. 나노층 구조는 본 명세서의 참고 자료인 미국 특허 제 5,341,261 호에 기술되어 있다. 강자성 물질로 된 제 2 나노층은 강자성 물질로 된 제 1 층과 비자성 스페이서층 사이의 경계면에서 증착된다. 바람직한 강자성층은 NiFe (93)의 박막과 약 7-20Å 두께의 Co (93a)의 나노층이다. 강자성 물질(97)(97a)(101)(101a)(105)(105a)의 층들은 또한 이러한 이중 층구조를 갖는다. 상기 이중 층구조는 낮은 보자력과 낮은 자기이방성뿐만 아니라 저항에도 많은 변화를 준다. 더욱이, 자기 파라미터(magnetic parameters)의 상기 조합들은 강자성 물질들 중의 하나만으로 만든 단일 층에서는 얻어질 수 없다.
일례로, 비자성 스페이서층(33)(28)은 구리(Cu) 혹은, 금(Au)과 은(Ag) 및 이들의 합금 등과 같은 다른 적절한 전도성 금속을 포함한다. 전도성 전선(119)은 탄탈(Ta)과 같은 적절한 전도성 재료로 만들어진다. 반강자성 물질로 된 층(107)은 일례로 FeMn 혹은 MiMn 일 수 있다. 절연층(89)은 NiO와 같은 전기적 절연성이 있는 어떠한 반강자성 물질로도 제조가능하다. 제 1 반강자성층(92)과 결합하여 상기 층구조의 구속층(93)을 사용하는 것은 구속층(93)(105) 내의 자기 방향이 단일 가열/냉각 프로세스만을 활용하여 서로에 대하여 반평행으로 설정되도록 허용한다. 선택적으로, 구속된 강자성층들(93), (105)의 자화방향은 인접한 단단한 자성층을 사용함으로써, 혹은 구속층들(93), (105)을 위해 충분히 높은 보자력을 갖는 재료를 사용함으로써 고정될 수 있다.
도 7은 도 5 및 도 6에 도시된 이중 MR 센서(90)에 있어서 센서 양단의 위치에 대해 계산된 센서 전류 밀도를 예시한 세 개의 연관된 그래프이다. 상기 이중 MR 센서(90)의 구체적 실시예는 NiO(400Å)/ Co(30Å)/ Ru(6Å)/ Co(40Å)/ Cu(25Å)/ Co(20Å)/ NiFe(70Å)/ Ta(500Å)/ NiFe(70Å)/ Co(20Å)/ Cu(25Å)/ Co(20Å)/ NiFe(30Å)/ FeMn(200Å) 의 구조를 갖는다. 상위 그래프에서, 자유층과 구속층 사이의 반평행 정렬이 되어 있다고 가정한다. 스핀 업(spin up) 커브는 대쉬선으로서 표시되었고, 스핀 다운(spin down) 커브는 실선으로서 표시되었고, 전체 전류 밀도는 도트-대쉬선으로서 표시되었다. 중간 그래프는 반평행 정렬(대쉬선)과 평행 정렬(실선) 모두에 대한 전체 전류 밀도를 표시하고, 하위 그래프는 중간 그래프에 예시된 두 개의 커브 사이의 차이값을 보여준다.
도 8은 도 7의 실시예의 한 스핀 밸브 구조에 대한 전류 밀도를 예시한 확대 그래프이다. 상기 그래프는 NiO 층 이후에서 시작한 것으로 스핀 밸브 구조에 있어서 전체 전류 밀도에 대한 각 층의 기여도를 나타낸다. 도 7과 도 8에 도시된 그래프들은 대표적인 밸브들에 대한 것이며, 스핀 밸브 센서의 동작을 설명해 준다. 구체적 실시예를 위한 밸브들은 스핀 밸브 구조 내에 있는 각종 층들의 두께와 재료들을 변수로 하여 변화하게 된다.
도 9 및 도 10 은 본 발명에 따른 MR 센서의 또 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 상기 이중 MR 센서(130)는 절연 스페이서층(137)에 의해 제 2 스핀 밸브 구조(144)와 전기적으로 절연된 제 1 스핀 밸브 구조(130)를 포함한다.
상기 이중 MR 센서에 대한 본 실시예에 있어, 스핀 밸브들(142)(144) 중의 강자성 물질로 된 제 1 구속층들(131)(143)은 상기 구조의 끝부분(즉, 윗부분 그리고 아래부분)에 증착된다. 반면, 강자성 물질로 된 제 2 구속층들(135)(139)은 절연 스페이서층(137)의 반대쪽 양면들에 인접하여 층구조의 중간 근처에 증착된다. 이러한 배열은 다음에 논의되는 바와 같이 센서(130) 내에 더 효율적인 전류분포를 제공한다.
스핀 밸브 구조(142)(144)는 적절한 기판(129) 및 절연층(128) 상에 증착된다. 예를 들어 탄탈륨(Ta), 루테늄(Ru) 혹은 CrV 와 같은 적절한 하부층(145)은 제 1 강자성층(131)의 증착에 앞서 절연층(128) 위에 증착된다. 하부층(145)의 목적은 연속적으로 이어지는 층들의 결(texture), 그레인 크기(grain size) 및 조직형태(morphology)를 최적화 하는 것이다. 절연층(128)이 적절한 특성을 갖는 재료로 만들어져 있다면, 하부층(145)은 생략될 수 있다. 제 1 비자성 전도성 스페이서층(133)과 제 2 강자성층(135)의 증착으로 제 1 스핀 밸브 구조(142)가 완성된다. 그후, 반강자성 스페이서층(137)이 제 2 강자성층(135) 위에 접촉하여 증착된다. 이 실시예로, 강자성 물질로 된 제 2 층(135)의 자화방향은 도 9에 화살표(134)로 도시된 대로 교환 결합에 의한 반강자성 물질의 스페이서 필름층(137)에 의해 그 위치가 고정된다.
제 2 스핀 밸브 구조(144)는 반강자성 스페이서층(137)의 위에 접촉하여 형성된 강자성 물질로 된 제 3 층(구속층; 139)과, 비자기 도전물질로 된 박막 스페이서층(141) 및 강자성 물질로 된 제 4 층(자유층; 143)을 포함한다. 이 실시예에서, 강자성 물질로 된 제 3 층(구속층; 139)의 자화방향은 도 9에 화살표(136)로 도시된 바와 같이 반강자성 스페이서층(137)과 교환 결합을 함으로써 고정된다.
도 6을 참조로 위에서 설명한 바와 같이, 제 1 스핀 밸브(142)를 위한 구속층(135)은 얇은 비자성 완충층(157)에 의해 분리된 제 1 강자성층(155) 및 제 2 강자성층들(159)을 포함한다. 구속층(135)에 대한 이러한 구조는 구속층들(135)(139) 내의 원하는 반평행 자화방향이 단일 반강자성층(137) 및 단일 가열/냉각 프로세스를 사용하여 얻어질 수 있도록 허용한다.
일례로, 강자성층들(131)(135)(139)(143)은 예를 들면 코발트(Co)와, 철(Fe)과, 니켈(Ni)과 같은 자성 물질들로 제조될 수 있으며 상술한 바와 같이 층구조의 구속층(135)에 대해서는 니켈-철(NiFe), 니켈-코발트(Ni-Co) 및 철-코발트(Fe-Co)와 같은 상기 자성 물질들의 어떤 합금들로도 적절하게 제조될 수 있다. 선택적으로, 강자성층들(93)(97)(101)(105)은 도 6을 참조로 하여 위에서 상술한 바와 같이 다른 종류의 강자성 물질로 된 나노층을 포함할 수 있다. 비자성 전도층들(133)(141)은 일례로 구리(Cu), 혹은 금(Au), 은(Ag) 혹은 이들의 합금과 같은 다른 적절한 전도성 금속을 포함한다. 절연 스페이서층(137)은 산화 니켈(NiO)과 같은 높은 전기 저항을 갖는 적절한 반강자성 물질을 포함한다.
전기적 전도성 도선들(149)은 이중 MR 센서(130), 전류 소스(153) 및 전류 수단(151) 사이에 전류 통로를 형성하도록 제공된다. 도 6을 참조로 하여 위에서 기술한 바와 같이, 전도성 도선들(149)은 두 개 스핀 밸브 구조들(142)(144)을 각 끝단에서 함께 단락시키고, 센서(130)의 중심 활성 영역 및 트랙 넓이를 규정한다. 본 기술분야에서 숙련된 사람에게 이중 MR 센서(130)는 탄탈륨(Ta)으로 된 최상위층(capping layer; 147)과 같은 다양한 다른 층들 및 수평 바이어스층(들)과 같은 바이어스층들(미도시)을 포함할 수도 있다.
도 9에 강자성 물질로 된 자유층들(131)(143)의 자화는 서로 평행하게 즉, 같은 방향으로 방위되고, 화살표(134) 및 (136)으로 표시된 외부 인가 자기장이 없는 상태에서 강자성 물질로 된 상기 구속층들(135)(139)의 자화방향에 대해 약 90°의 각도를 갖고 있음을 나타낸다. 따라서, 강자성 물질로 된 상기 구속층들(135)(139)의 자화방향은 고정되고, 강자성 물질로 된 상기 자유층들(131)(143)에서 자화는 도 9에 도시된 자기장 h 와 같이 외부에서 인가되는 자기장에 따라 그 방향이 자유롭게 회전할 수 있고, 이는 도 9에 자유층들(131)(143) 위에 대쉬 화살표로 도시되어 있다.
도 11은 도 9 및 도 10에 도시된 상기 MR 센서에 있어서 센서 양단의 위치에 대해 계산된 센서 전류 밀도를 예시한 세 개의 연관된 그래프이다. 상기 MR 센서의 구체적 실시예는 Ta(50Å)/ NiFe(50Å)/ Cu(25Å)/ Co(40Å)/ Ru(6Å)/ Co(30Å)/ NiO(400Å)/ Co(50Å)/ Cu(25Å)/ NiFe(50Å)/ Ta(50Å) 의 구조를 갖는다. 상위 그래프에서, 자유층과 구속층 사이에 반평행 정렬이 되어 있는 것으로 가정한다. 스핀 업(spin up) 커브는 대쉬선으로서 표시되었고, 스핀 다운(spin down) 커브는 실선으로서 표시되었고, 전체 전류 밀도는 도트-대쉬선으로서 표시되었다. 중간 그래프는 반평행 정렬(대쉬선)과 평행 정렬(실선) 모두에 대한 전체 전류 밀도를 표시하고, 하위 그래프는 중간 그래프에 예시된 두 개의 커브 사이의 차이값을 보여준다.
자유층들이 이중 MR 센서의 중심 근처에 위치할 때(도 5와 도 6에 도시)와 자유층들이 이중 MR 센서의 가장자리 근처에 위치할 때(도 9와 도 10에 도시)의 센서의 작동은 큰 차이가 있다. 동작 중에 센서를 통해 흐르는 검출 전류에 의해 발생된 자기장은 상기 두 가지 경우에 대해 자유층 위에서 서로 다른 동작을 한다. 가장 대칭적인 작동 및 가장 높은 신호출력을 위해 센서를 적절하게 바이어스하는데 사용할 적당한 전류를 결정할 때, 이러한 자기장이 포함된다(자유층 위에 작용하는 다른 유효 자기장 혹은 실제 자기장과 마찬가지로 구속층의 정자기장 및 층간 결합을 따라서 자기장이 가해진다).
자유층들이 센서의 중심 근처에 있을 때, 더 많은 검출 전류가 각 자유층들의 양쪽 면 위에 흐른다. 소정의 자유층의 한쪽 면 위에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장이 다른 반대쪽 면 위에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장과 중화작용을 하므로, 자유층들이 MR 구조의 중심 근처에 있을 때 상기 전류에 의해 더 작은 순 자기장이 발생한다. 자유층들이 센서 구조의 바깥쪽 가장자리 근처에 있을 때, 전류에 의해 발생되는 자유층들 위에 작용하는 자기장은 더 커진다. 자유층들 위에 작용하는 다른 자기장들의 합(sum)에 따라 하나 혹은 또 다른 하나의 실시예를 이용하는 것이 바람직해진다. 25Å 두께의 두꺼운 Ni80Fe20층에 있어서 등가 모멘트(equivalent moment)보다 더 큰 자기 모멘트를 갖는 구속층들에 대해서나, 자유층 및 구속층 사이의 강자성 결합이 약 10 Oe 보다 더 큰 구조들에 대해서는, 도 5 및 도 6에 도시된 MR 구조가 바람직하며, 그렇지 않을 경우에는 도 9 및 도 10에 도시된 MR 구조가 바람직하다. 사용될 최적 구조는 어느 만큼은 검출 전류에 의해 발생되는 전체 자기장에 의해 결정된다. 상기 센서 구조에서 전류 밀도는 도 7, 8, 11에 도시된 바와 같이 계산될 수 있다. 자유층들의 우측으로의 전류 및 좌측으로의 전류에 의해 발생되는 자기장에 대해 평형을 위한 종래의 측정은 전류의 대부분이 자유층의 한쪽 면에 있을 경우 나타나게 될 자기장의 일부분인 'Q'로 이루어진다. 상기 'Q'의 값은 층 두께, 재료의 선택 및 준비 조건들을 변수로 하여 변화한다. 예를 들면, Q = 0.85 의 값은 도 9 및 도 10에 도시된 전형적인 구조에 대해 얻어진 것이다. 이미 알려진 대로 자기장 균형인 상태에서 차폐의 영향 또한 중요하며, 어떤 극소자기 모델링에서도 차폐의 영향은 반드시 포함되어야 한다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 바람직한 실시예를 참조로 하여 상세히 기술되었지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다.
따라서, 개시된 상기 발명은 단순히 예시적으로 고려되어야 하고, 후술되는 청구범위에서 구체화한 범위 내로 제한되어야 한다.

Claims (40)

  1. 데이터를 기록하기 위한 다수의 트랙을 갖는 자기 저장매체와; 자기저항 판독센서를 포함하는 자기 변환기와; 상기 자기 변환기를 상기 자기저장 매채상의 선택된 트랙들로 이동하기 위해 상기 변환기에 결합된 액튜에이터 수단과; 상기 자기저항 센서에 의해 구별되고 상기 자기 저장 수단 내에 기록된 데이터 비트들을 나타내는 자기장에 대응하여 상기 자기저항 물질내 저항 변화를 검출하기 위해 상기 자기저항 판독 센서에 연결된 검출 수단을 포함하며, 상기 자기 변환기는 상기 자기 변환기와 상기 자기저장 매체 사이에 상대 이동중에 상기 자기저장 매체에 대하여 근접하여 이격된 위치에 유지되며, 상기 자기저항 판독센서는 (1) 스페이서층에 의해 분리되고, 비자성 물질층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 강자성 물질층들을 제각각 포함하는 제 1 및 제 2 층구조와; (2) 상기 각 층구조들내 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향을 고정하기 위한 수단과; (3) 상기 자기저항 센서를 통과하는 전류 흐름을 생성하기 위한 수단을 포함하고, 상기 제 1 층구조내 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향은 상기 제 2 층구조내 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향에 반평행(antiparallel)인 방향으로 고정되고, 상기 자기저항 센서는 외부 자기장에 응하여 상기 각 층구조들내 상기 제 1 강자성 물질층에서 자화의 회전으로 고유저항을 변화시키는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 층구조 각각에서의 상기 제 2 강자성 물질층들의 자화방향을 고정하기 위한 상기 수단은 상기 제 2 강자성 물질층들에 접촉되는 반강자성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 층구조의 상기 제 2 강자성 물질층내 자화방향을 고정하기 위한 상기 수단은 상기 스페이서층을 포함하며, 상기 스페이서층은 높은 전기 저항을 갖는 반강자성 물질로 만들어지고, 상기 제 1 층구조의 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 스페이서층은 산화 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 층구조내 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 상기 반강자성 물질층은 제 1 반강자성 물질을 포함하고, 상기 제 2 층구조내 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 상기 반강자성 물질층은 제 2 반강자성 물질을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 반강자성 물질들은 서로 다른 넬 온도(Neel temperature)를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 반강자성 물질층은 망간-철(iron manganese)을 포함하며, 상기 제 2 반강자성 물질층은 산화 니켈(nickel-oxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 스페이서층은 전기적 절연 물질층을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 층구조들의 각각은 상기 제 1 및 제 2 층구조들의 각각을 전류 흐름을 생성하기 위한 상기 수단에 연결하기 위해 상기 층구조의 반대쪽 단부들에 형성된 도전성 리드들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 전류 흐름을 생성하기 위한 상기 수단은 상기 제 1 및 제 2 층구조들에 연결된 제 1 및 제 2 정전류원(constant current sources)을 각각 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 층구조들의 각각은 차동 증폭기 회로의 서로 다른 입력단자들에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 층구조의 상기 제 2 강자성 물질층은 반강자성 결합층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 부강자성 물질층들을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층들 중의 하나는 상기 반강자성 물질층에 접촉되고, 다른 하나는 상기 비자성 물질층에 접촉되는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 2 강자성 물질층의 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층들은 코발트를 포함하며, 상기 반강자성 결합층은 루테늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 디스크 기록 시스템.
  11. 스페이서층에 의해 분리되고, 비자성 물질층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 강자성 물질층들을 제각각 포함하는 된 제 1 및 제 2 층구조와; 상기 각 층구조들내 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향을 고정하기 위한 수단과; 상기 자기저항 센서를 통과하는 전류 흐름을 생성하기 위한 수단과; 외부 자기장에 응하여 상기 각 층구조들내 상기 제 1 강자성 물질층들에서의 자화의 회전으로 인한 상기 자기저항 센서의 저항 변화를 검출하기 위한 수단을 포함하며, 상기 제 1 층구조내 상기 제 2 강자성 물질층의 상기 자화방향은 상기 제 2 층구조내 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향에 반평행인 방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 각 층구조들내 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향을 고정하기 위한 상기 수단은 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 반강자성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 층구조의 상기 제 2 강자성 물질층내 자화방향을 고정하기 위한 상기 수단은 상기 스페이서층을 포함하며, 상기 스페이서층은 높은 전기 저항을 갖는 반강자성 물질로 만들어지고, 상기 제 1 층구조의 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  14. 제 13 항에 있어, 상기 스페이서층은 산화 니켈(nickel-oxide)인 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 층구조내에 있는 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 상기 반강자성 물질층은 제 1 반강자성 물질을 포함하고, 상기 제 2 층구조내에 있는 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 상기 제 2 반강자성 물질층은 제 2 반강자성 물질을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 반강자성 물질들은 서로 다른 넬(Neel) 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 1 반강자성 물질층은 망간-철(iron manganese)을 포함하며, 상기 제 2 반강자성 물질층은 산화 니켈(nickel-oxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  17. 제 11 항에 있어서, 상기 강자성 물질층들 각각은 상기 제 1 강자성 물질에 접촉되는 제 1 및 제 2 강자성 물질 박막층을 구비한 이중 층구조를 포함하고, 상기 제 2 강자성 물질 박막층은 상기 강자성 물질층과 상기 비자성 물질층 사이의 경계면에 증착된 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제 1 강자성 물질은 니켈-철이고, 상기 제 2 강자성 물질은 코발트인 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 층구조의 상기 제 2 강자성 물질층은 반강자성 결합층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 부강자성 물질층들을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층들 중의 하나는 상기 반강자성 물질층에 접촉되고, 다른 하나는 상기 비자성 물질층에 접촉된 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 반강자성 결합층은 루테늄, 크롬, 로듐, 이리듐 및 이들의 합금으로 구성된 군(group)으로부터 선택된 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  21. 제 19 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층은 코발트를 포함하고, 상기 반강자성 결합층은 루테늄을 포함하는 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 반강자성 결합층은 대략 3-6Å 의 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  23. 기판과; 상기 기판 상에 형성되되, 비자성 물질층에 의해 분리된 제 1 강자성 물질층 및 제 2 강자성 물질층을 포함한 제 1 스핀 밸브 구조와; 상기 기판과 상기 제 2 강자성 물질층 사이에 있고, 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향을 고정시키기 위한 수단과; 상기 제 1 강자성 물질층에 접촉되는 상기 제 1 스핀 밸브 구조 위에 형성된 비자성 완충층(nonmagnetic decoupling layer)과; 상기 완충층 위에 형성되되, 비자성 물질층에 의해 분리되는 제 3 강자성 물질층 및 제 4 강자성 물질층을 포함하는 제 2 스핀 밸브 구조와; 상기 제 4 강자성 물질층에 접촉되어 상기 제 4 강자성 물질층의 자화방향을 고정시키기 위한 수단과; 자기저항 센서를 통과하는 전류 흐름을 생성하는 수단과; 외부 자기장에 응하여 상기 제 1 및 제 3 강자성 물질층 내의 자화의 회전에 기인한 상기 자기저항 센서의 저항 변화값을 검출하기 위한 수단을 포함하며, 상기 제 3 강자성 물질층은 상기 완충층에 접촉되고, 상기 제 1 스핀 밸브 구조 내에 있는 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향은 상기 제 2 스핀 밸브 구조내에 있는 상기 제 4 강자성 물질층의 자화방향에 반평행인 방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 스핀 밸브 구조들 내에 있는 상기 제 2 및 제 4 강자성 물질층의 자화방향을 고정시키기 위한 수단은 상기 제 2 및 제 4 강자성 물질층에 각각 접촉되는 반강자성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 제 2 강자성 물질층에 접촉되는 상기 제 1 반강자성 물질층은 제 1 반강자성 물질을 포함하며, 상기 제 4 강자성 물질층에 접촉되는 상기 제 2 반강자성 물질층은 제 2 반강자성 물질을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 반강자성 물질은 서로 다른 넬 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  26. 제 25 항에 있어서, 상기 제 1 반강자성 물질층은 망간-철(iron manganese)을 포함하며, 상기 제 2 반강자성 물질층은 산화 니켈(nickel-oxide)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 강자성 물질층들 각각은 상기 제 1 강자성 물질층에 접촉되는 제 1 부강자성 물질층 및 제 2 부강자성 물질 박막층을 갖는 이중 층구조를 포함하고, 상기 제 2 부강자성 물질 박막층은 상기 강자성 물질층과 상기 비자성 물질층 사이의 경계면에 증착되는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 제 1 부강자성 물질층은 니켈-철이고, 상기 제 2 부강자성 물질 박막층은 코발트인 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  29. 제 24 항에 있어서, 상기 제 1 스핀 밸브 구조의 상기 제 2 강자성 물질층은 반강자성 결합층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 부강자성 물질층을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층 중의 하나는 상기 반강자성 물질층에 접촉되고, 다른 하나는 상기 비자성 물질층에 접촉되는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 반강자성 결합층은 루테늄, 크롬, 로듐, 이리듐 및 이들의 합금으로 구성된 군(group)으로부터 선택된 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  31. 제 30 항에 있어서, 상기 제 2 강자성 물질층의 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층은 코발트를 포함하고, 상기 반강자성 결합층은 루테늄을 포함하는 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  32. 기판과; 상기 기판 상에 형성되되, 비자성 물질층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 강자성 물질층을 포함한 제 1 스핀 밸브 구조와; 상기 제 1 스핀 밸브 구조에 인접하여 형성되되, 비자성 물질층으로 분리된 제 3 및 제 4 강자성 물질층을 포함하는 제 2 스핀 밸브 구조와; 상기 제 2 및 제 4 강자성 물질층 사이에 증착되어 있는 상기 제 2 및 제 4 강자성 물질층의 자화방향을 고정시키기 위한 수단과; 자기저항 센서를 통과하는 전류 흐름을 생성하기 위한 수단과; 외부 자기장에 응하여 상기 제 1 및 제 3 강자성 물질층 내의 자화의 회전에 기인한 상기 자기저항 센서의 저항 변화값을 검출하기 위한 수단을 포함하며, 상기 제 1 강자성 물질층은 상기 기판에 접촉되고; 상기 제 4 강자성 물질층은 상기 제 2 강자성 물질층에 인접해 있으며, 상기 제 2 강자성 물질층의 자화방향은 상기 제 4 강자성 물질층의 자화방향에 반평행인 방향으로 고정된 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 4 강자성 물질층의 자화방향을 고정하기 위한 상기 수단은 상기 제 2 및 제 4 강자성 물질층에 접촉되는 반강자성 물질층을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  34. 제 33 항에 있어서, 상기 반강자성 물질층은 산화 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 강자성 물질층들 각각은 상기 제 1 강자성 물질층에 접촉되는 제 1 및 제 2 부강자성 물질 박막층을 갖는 이중 층구조를 포함하고, 상기 제 2 부강자성 물질 박막층은 상기 강자성 물질층과 상기 비자성 물질층 사이의 경계면에 증착되는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 제 1 부강자성 물질층은 니켈-철이고, 상기 제 2 부강자성 물질 박막층은 코발트인 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  37. 제 33 항에 있어서, 상기 제 2 강자성 물질층은 반강자성 결합층에 의해 분리된 제 1 및 제 2 부강자성 물질층을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층들 중의 하나는 상기 반강자성 물질층에 접촉되어 있고, 다른 하나는 상기 비자성 물질층에 접촉되는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  38. 제 37 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 부강자성 물질층은 코발트를 포함하고, 상기 반강자성 결합층은 루테늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  39. 제 37 항에 있어서, 상기 반강자성 결합층은 루테늄, 크롬, 로듐, 이리듐 및 이들의 합금으로 구성된 군(group)으로부터 선택된 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
  40. 제 37 항에 있어서, 상기 반강자성 결합층은 대략 3-6Å 의 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 이중 자기저항 센서.
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