DE69919391T2 - Plattenantrieb mit aufhebungsschaltung für thermische unebenheiten ,einen magnetischen tunnelgrenzsensor gebrauchend - Google Patents

Plattenantrieb mit aufhebungsschaltung für thermische unebenheiten ,einen magnetischen tunnelgrenzsensor gebrauchend Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Direktzugriffspeichervorrichtung (direct access storage device, DASD) von dem Typ, der magnetoresistive Lesesensoren zum Lesen von in einem Magnetmedium aufgezeichneten Daten verwendet, und sie bezieht sich insbesondere auf eine DASD mit einem neuen magnetischen Tunnelbarrieresensor (magnetic tunnel junction, MTJ) zum Minimieren der Wirkung der thermischen Oberflächenunebenheiten.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Computer umfassen oftmals Hilfsspeichervorrichtungen mit Medien, auf welchen Daten geschrieben werden können und von welchen Daten für eine spätere Verwendung gelesen werden können. Eine Direktzugriffspeichervorrichtung (Plattenlaufwerk), die rotierende magnetische Platten umfasst, wird häufig verwendet, um Daten in magnetischer Form auf den Oberflächen der Platte zu speichern. Daten werden auf konzentrischen, radial beabstandeten Spuren auf den Plattenoberflächen aufgezeichnet. Magnetköpfe mit Lesesensoren werden dann verwendet, um Daten von den Spuren auf den Plattenoberflächen zu lesen.
  • In Plattenlaufwerken mit hoher Kapazität sind magnetoresistive Lesesensoren, die allgemein als MR-Köpfe bezeichnet werden, aufgrund ihrer Fähigkeit, Daten von einer Oberfläche einer Platte bei größeren Spur- und linearen Dichten als mit Dünnfilm-Induktions-Köpfen zu lesen, die am häufigsten verwendeten Lesesensoren. Ein MR-Sensor detektiert ein Magnetfeld durch die Widerstandsänderung seiner MR-Abfühlschicht (auch als "MR-Element" bezeichnet) als eine Funktion der Stärke und Ausrichtung des Magnetflusses, der durch die MR-Schicht abgefühlt wird.
  • Der herkömmliche MR-Sensor arbeitet auf Basis des anisotropen magnetoresistive (AMR) Effekts, in welchem ein MR-Elementwiderstand mit dem Quadrat des Kosinus des Winkels zwischen der Magnetisierung im MR-Element und der Ausrichtung des Abfühlstroms, der durch das MR-Element fließt, variiert. Aufgezeichnete Daten können von einem magnetischen Medium gelesen werden, weil das externe Magnetfeld vom aufgezeichneten Magnetmedium (dem Signalfeld) eine Änderung der Magnetisierungsausrichtung im MR-Element auslöst, was wiederum zu einer Änderung des Widerstands im MR-Element und einer entsprechenden Änderung des Abfühlstroms oder der -spannung führt.
  • Eine andere Art eines MR-Sensors ist der Riesenmagnetowiderstandsensor (GMR-Sensor, giant magnetoresistance sensor), der den GMR-Effekt zeigt. In GMR-Sensoren variiert der Widerstand der MR-Abfühlschicht als Funktion der spinabhängigen Übertragung der Leitungselektronen zwischen den durch eine nicht magnetische Schicht (Abstandsschicht) getrennten magnetischen Schichten und der begleitenden spin-abhängigen Streuung, die an der Kontaktfläche der magnetischen und nicht magnetischen Schichten und innerhalb der Magnetschichten stattfindet.
  • GMR-Sensoren, die nur zwei Schichten aus einem ferromagnetischen Material (z.B. Ni-Fe oder Co oder Ni-Fe-Co aus Ni-Fe/Co) verwenden, die durch eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material (z.B. Kupfer) getrennt sind, werden im Allgemeinen als Spinventilsensoren (SV-Sensoren), die den SV-Effekt zeigen, bezeichnet.
  • 1 zeigt einen SV-Sensor 100 nach dem Stand der Technik, der Endbereiche 104 und 196 umfasst, die durch einen Mittelbereich 102 getrennt sind. Eine erste ferromagnetische Schicht, die als Pinned-Layer-Schicht 120 bezeichnet wird, richtet (pinned) ihre Magnetisierung normalerweise durch die Austauschkopplung mit einer antiferromagnetischen (AFM) Schicht 125 aus. Die Magnetisierung einer zweiten ferromagnetischen Schicht, die als freie Schicht 110 bezeichnet wird, ist nicht fixiert und kann frei in Reaktion auf das Magnetfeld vom aufgezeichneten Magnetmedium (dem Signalfeld) rotieren. Die freie Schicht 110 ist von der Pinned-Layer-Schicht 120 durch eine nicht magnetische, elektrisch leitende Abstandsschicht 115 getrennt. In den Endbereichen 104 bzw. 106 ausgebildete harte Vormagnetisierungsschichten 130 und 135 sorgen für eine Vormagnetisierung in Längsrichtung für die freie Schicht 110. Anschlüsse 140 und 145, die auf den harten Vormagnetisierungsschichten 130 bzw. 135 ausgebildet sind, stellen die elektrischen Verbindungen zum Abfühlen des Widerstands des SV-Sensors 100 bereit. Das US-Patent Nr. 5.206.590 (IBM), das an Dieny et al. erteilt wurde, offenbart einen GMR-Sensor, der auf Basis des SV-Effekts funktioniert.
  • Ein anderer Typ der gegenwärtig in Entwicklung befindlichen Magnetvorrichtung ist eine magnetische Tunnelbarrierevorrichtung (magnetic tunnel junction, MTJ). Die MTJ-Vorrichtung kann als Speicherzelle und als magnetischer Feldsensor verwendet werden. Die MTJ-Vorrichtung umfasst zwei durch eine dünne, elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht getrennte ferromagnetische Schichten. Die Tunnelbarriereschicht ist ausreichend dünn, so dass eine quantenmechanische Tunnelung der Ladungsträger zwischen den ferromagnetischen Schichten erfolgt. Der Tunnelungsvorgang ist vom Elektronenspin abhängig, was bedeutet, dass der Tunnelungsstrom durch die Barriere von den spinabhängigen elektronischen Eigenschaften der ferromagnetischen Materialien abhängt und eine Funktion der relativen Ausrichtung der magnetischen Momente oder der Magnetisierungsausrichtungen der zwei ferromagnetischen Schichten ist. Im MTJ-Sensor ist in einer ferromagnetischen Schicht das magnetische Moment fixiert, während in der anderen ferromagnetischen Schicht dieses frei in Reaktion auf ein externes Magnetfeld vom Aufzeichnungsmedium (dem Signalfeld) rotieren kann. Wird ein elektrisches Potential zwischen den zwei fernmagnetischen Schichten angelegt, so ist der Sensorwiderstand eine Funktion des Tunnelungsstroms durch die Isolierschicht zwischen den ferromagnetischen Schichten. Da der Tunnelungsstrom, der orthogonal durch die Tunnelbarriereschicht fließt, von den relativen Magnetisierungsausrichtungen der zwei ferromagnetischen Schichten abhängig ist, können aufgezeichnete Daten von einem Magnetmedium gelesen werden, weil das Signalfeld eine Änderung der Magnetisierungsausrichtung der freien Schicht verursacht, was wiederum eine Widerstandsänderung des MTJ-Sensors und eine entsprechende Änderung im abgefühlten Strom oder der Spannung auslöst. Das US-Patent Nr. 5.650.958 (IBM), das an Gallagher et al. erteilt wurde, offenbart einen MTJ-Sensor, der auf Basis des magnetischen Tunnelbarriere-Effekts funktioniert.
  • 2 zeigt einen MTJ-Sensor 200 nach dem Stand der Technik, der eine erste Elektrode 204, eine zweite Elektrode 202 sowie eine Tunnelbarriere 215 umfasst. Die erste Elektrode 204 umfasst eine Pinned-Layer-Schicht (ferromagnetische Pinned-Layer-Schicht) 220, eine antiferromagnetische (AFM) Schicht 230 sowie eine Startschicht 240. Die Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht 220 wird durch die Austauschkopplung mit der AFM-Schicht 230 fixiert. Die zweite Elektrode 202 umfasst eine freie Schicht (freie ferromagnetische Schicht) 210 und eine Kappenschicht 205. Die freie Schicht 210 ist von der Pinned-Layer-Schicht 220 durch eine nicht magnetische, elektrisch isolierende Tunnelbarriereschicht 215 getrennt. Bei Fehlen eines externen Magnetfelds weist die freie Schicht 210 eine Magnetisierung auf, die in die durch den Pfeil 212 dargestellte Richtung ausgerichtet ist, d.h. im Allgemeinen orthogonal auf die Magnetisierungsausrichtung der Pinned-Layer-Schicht 220, die durch den Pfeil 222 bezeichnet ist (Pfeilende, das in die Ebene des Papiers zeigt). Ein erster Anschluss 260 und ein zweiter Anschluss 265, die jeweils in Kontakt mit der ersten Elektrode 204 und der zweiten Elektrode 202 ausgebildet sind, sorgen für elektrische Verbindungen für den Fluss des Abfühlstroms Is von einer Stromquelle 270 zum MTJ-Sensor 200. Ein Signaldetektor 280, der normalerweise einen Aufzeichnungskanal wie einen Partial-Response-Maximum-Likelihood-Kanal (PRML-Kanal) umfasst, der mit der ersten und der zweiten Leitung 260 und 265 verbunden ist, fühlt die Widerstandsänderung aufgrund der in der freien Schicht 210 durch das externe Magnetfeld induzierten Änderungen ab.
  • Wie bereits zuvor erwähnt wurde, zeigt ein MR-Sensor eine Widerstandsänderung, wenn er sich in Gegenwart eines sich ändernden Magnetfelds befindet. Diese Widerstandsänderung wird in ein Spannungssignal übertragen, indem ein konstanter Abfühlstrom durch das MR-Element hindurchgeht. Der Wert der Gleichspannung für einen gegebenen MR-Sensor ist das Produkt des konstanten Abfühlstroms und des Gesamtwiderstands zwischen den MR-Sensoranschlüssen. Nachdem die Widerstandsänderung die Hauptkomponente ist, mit welcher der MR-Sensor arbeitet, kann die Widerstandsänderung die Leistungsfähigkeit des MR-Sensors und des den MR-Sensor umfassenden Plattenlaufwerks substantiell beeinflussen.
  • Ein Phänomen, das als thermische Oberflächenunebenheit (TA) bekannt ist, kann die Temperatur des MR-Sensors plötzlich um mehr als 100 Grad Celsius ansteigen lassen. Der Grund dieses plötzlichen Temperaturanstiegs ist eine Kollision oder Beinahe-Kollision des MR-Sensors mit einer Auskragung auf der Plattenoberfläche, während Information von einer Spur gelesen wird. Die Kollision bewirkt, dass die Gleichspannung des MR-Sensors sich wesentlich verändert, wodurch die Information unlesbar gemacht wird.
  • 3 ist ein Diagramm, das die Basisgleichspannung (Vorspannung) 310, die thermische Oberflächenunebenheits-Spannung 320, die das Verschieben und Abklingen in der Basisgleichspannung 310 ist, das von der Platte bei fehlender thermischer Oberflächenunebenheit 320 ausgelesene Datensignal 335, sowie das von der Platte in Gegenwart thermischer Oberflächenunebenheit 320 ausgelesene Datensignal 340 darstellt. Es ist anzumerken, dass die thermische Oberflächenunebenheit 320 eine plötzliche Verschiebung 325 in der Basisgleichspannung gefolgt von einem exponentiellen Abklingen 330 der Basisgleichspannung umfasst. Das exponentielle Abklingen 330 in der Basisgleichspannung setzt sich fort, bis die Basisgleichspannung 310 erreicht wird. Es ist anzumerken, dass die plötzliche Verschiebung 325 in der Basisgleichspannung einige Male größer sein kann als das Datensignal 335, das bewirkt, dass die direkt oder indirekt mit dem MR-Sensor verbundene elektrische Schaltung in die Sättigung geht, was zum Datenverlust führt. Der Datenverlust kann abhängig von der Größe der thermischen Oberflächenunebenheit 320 leicht einige Byte lang sein, wobei jedes Byte acht Bit lang ist.
  • Bekannte Anordnungen in Plattenlaufwerken für das Minimieren des Effekts der thermischen Oberflächenunebenheit auf den gelesenen Daten verwenden entweder ein separates kostenintensives Oberflächenunebenheitsreduktionsschaltmodul (asperit reduction circuit, ARC-Modul) oder einen komplizierten Datenkanal (wie etwa einen modifizierten Partial-Response-Maximum-Likelihood-Kanal) mit einem normalen Betriebsmodus und einem Oberflächenunebenheit-Wiederherstellungsmodus.
  • MR-Sensoren und Spinventilsensoren mit thermischer Oberflächenunebenheitsreduzierungsschaltung, um den Effekt der thermischen Oberflächenunebenheiten zu kompensieren, sind im US-Patent Nr. 5.793.576 an Gill (IBM) bzw. im US-Patent Nr. 5.793.207 an Gill (IBM) beschrieben. Diese Anmeldungen beschreiben Sensoren mit vier Anschlüssen, wobei zwei Anschlüsse zur Bereitstellung eines Abfühlstroms zum MR- oder SV-Sensor und zwei Anschlüsse zur Bereitstellung von Strom für eine Oberflächenunebenheits-Kompensationsschicht sorgen. Die an dem MR- oder SV-Element entstehenden Spannungen (Spannungen aufgrund der Gegenwart von thermischen Oberflächenunebenheiten und Spannungen augrund der Gegenwart von Datenfeldern) und an der Oberflächenunebenheits-Kompensationsschicht (Spannungen aufgrund der Anwesenheit von thermischen Oberflächenunebenheiten) werden an die Eingänge eines Differentialverstärkers angelegt, um das thermische Oberflächenunebenheitssignal wesentlich zu eliminieren.
  • Thermische Oberflächenunebenheiten stellen für MTJ-Sensoren ähnliche Probleme wie für MR- und SV-Sensoren dar. Der Widerstand des MTJ-Sensors ändert sich mit der Änderung des spinabhängigen Tunnelungsstroms durch die Tunnelbarriereschicht im Sensor aufgrund des Magnetfelds der auf der Platte aufgezeichneten Daten. Der Basiswiderstand des MTJ-Sensors aufgrund einer konstanten Vorspannung, die an die Tunnelbarriereschicht angelegt ist, nimmt ab, wenn eine thermische Oberflächenunebenheit einen Temperaturanstieg der Tunnelbarriereschicht bewirkt. Das sich ergebende, exponentiell abklingende thermische Oberflächenunebenheitssignal stört die Detektion des überlagerten Datensignals.
  • Die deutsche Patentanmeldung DE 197 01 509 A1 offenbart einen magnetischen Tunnelbarrieresensor mit zwei magnetischen Tunnelbarriereschichtfolgen, worin zwei MTJ-Schichtfolgen sich eine einzelne ferromagnetische freie Schicht teilen.
  • Somit besteht ein Bedarf für eine Erfindung, die den Effekt von thermischen Oberflächenunebenheiten für MTJ-Sensoren minimiert, ohne dabei auf komplizierte Aufzeichnungskanäle oder ein separates ARC-Modul zurückgreifen zu müssen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Demgemäß stellt die Erfindung einen magnetischen Tunnelbarrieresensor (MTJ, magnetic tunnel junction, MTJ-Sensor) nach Anspruch 1 bereit. Dieser umfasst eine erste MTJ-Schichtfolge (MTJ1), wobei diese MTJ1-Schichtfolge eine ferromagnetische freie Schicht, eine ferromagnetische Pinned-Layer-Schicht, eine zwischen der freien Schichten und der Pinned-Layer-Schicht angeordnete Tunnelbarriereschicht sowie eine antiferromagnetische (AFM1) Schicht in Kontakt mit der ferromagnetischen Pinned-Layer-Schicht zum Ausrichten der Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht aufweist; eine zweite MTJ-Schichtfolge (MTJ2), wobei diese MTJ2-Schichtfolge eine ferromagnetische freie Schicht, eine ferromagnetische Pinned-Layer-Schicht, eine zwischen der freien Schicht und der Pinned-Layer-Schicht angeordnete Tunnelbarriereschicht sowie eine antiferromagnetische Schicht (AFM2) in Kontakt mit der ferromagnetischen Pinned-Layer-Schicht zum Ausrichten der Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht aufweist; eine gemeinsame Elektrode, die zwischen der MTJ1-Schichtfolge und der MTJ2-Schichtfolge angeordnet ist; eine erste Abschirmung (S1) in Kontakt mit der MTJ1-Schichtfolge, um die MTJ1-Schichtfolge mit einem ersten Abfühlstrom zu versorgen; und eine zweite Abschirmung (S2) in Kon takt mit der zweiten MTJ2-Schichtfolge, um die MTJ2-Schichtfolge mit einem zweiten Abfühlstrom zu versorgen.
  • Die erste MTJ-Schichtfolge weist eine von einer Pinned-Layer-Schicht durch eine Tunnelbarriereschicht getrennte freie Schicht auf. Eine an die Pinned-Layer-Schicht angrenzende AFM-Schicht stellt ein Austauschfeld bereit, um die Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht orthogonal auf die ABS auszurichten bzw. zu fixieren. Die Magnetisierung der freien Schicht ist parallel zur ABS ausgerichtet und kann frei in Gegenwart eines magnetischen Signalfelds rotieren.
  • Ähnlicherweise verfügt auch die zweite MTJ-Schichtfolge über eine von einer Pinned-Layer-Schicht durch eine Tunnelbarriereschicht getrennte freie Schicht. Eine an die Pinned-Layer-Schicht angrenzende AFM-Schicht stellt ein Austauschfeld bereit, um die Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht orthogonal auf die ABS und antiparallel zur Magnetisierungsausrichtung der Pinned-Layer-Schicht der ersten MTJ-Schichtfolge auszurichten. Die Magnetisierung der freien Schicht ist parallel zur ABS ausgerichtet und kann frei in Gegenwart eines magnetischen Signalfelds rotieren.
  • Ist die Magnetisierung der Pinned-Layer-Schichten der zwei MTJ-Schichtfolgen orthogonal auf die ABS und antiparallel in Bezug zu einander ausgerichtet, so unterscheidet sich das magnetoresistive Signal, das aufgrund eines externen Felds von der Platte durch die erste MTJ-Schichtfolge erzeugt wird, in seiner Phase vom magnetoresistiven Signal, das aufgrund desselben externen Felds durch die zweite MTJ-Schichtfolge erzeugt wird, um 180°.
  • Die freie Schicht der ersten MTJ-Schichtfolge und die freie Schicht der zweiten MTJ-Schichtfolge grenzen beide an die gemeinsame Elektrode an, die zwischen der ersten und der zweiten MTJ-Schichtfolge angeordnet ist. Eine erste mit der ersten Abschirmung und der gemeinsamen Elektrode verbundene Stromquelle versorgt die erste MTJ-Schichtfolge mit Abfühlstrom, und eine zweite mit der zweiten Abschirmung und der gemeinsamen Elektrode verbundene Stromquelle versorgt die zweite MTJ-Schichtfolge mit Abfühlstrom. Unter Gleichstrombedingungen (kein Signalfeld) werden die in jede MTJ-Schichtfolge fließenden Ströme so eingestellt, dass das Produkt des in die erste MTJ-Schichtfolge fließenden Stroms und des Widerstands der ersten MTJ-Schichtfolge gleich dem Produkt des durch die zweite MTJ-Schichtfolge fließenden Stroms und des Widerstands der zweiten MTJ-Schichtfolge ist. Die an der ersten MTJ-Schichtfolge entstehenden Spannung wird dem ersten Eingangsanschluss einer Differentialschaltung zugeführt, und die an der zweiten MTJ-Schichtfolge entstehende Spannung wird dem zweiten Eingangsanschluss der Differentialschaltung zugeführt. Die Differentialschaltung verfügt weiters über einen Ausgangsanschluss und einen (Masse-) Erdanschluss.
  • In Gegenwart einer thermischen Oberflächenunebenheit ändern sich die Widerstände der beiden MTJ-Schichtfolgen, und weil die Ströme so eingestellt wurden, dass sie gleiche Produkte aus Strom und Widerstand über jede MTJ-Schichtfolge ergeben, weisen das über der ersten MTJ-Schichtfolge entwickelte thermische Oberflächenunebenheitssignal und das über der zweiten MTJ-Schichtfolge entwickelte thermische Oberflächenunebenheitssignal im Wesentlichen dieselbe Form, Größe und Phase auf. Darüber hinaus unterscheidet sich in Gegenwart eines Datenfelds von der Platte das an der ersten MTJ-Schichtfolge entstehenden magnetoresistiven Signal in Bezug auf das an der zweiten MTJ-Schichtfolge enstehende magneto- resistive Signal in der Phasenlage um 180°.
  • Da das thermische Oberflächenunebenheitssignal an beiden Eingangsanschlüssen der Differentialschaltung gegenwärtig und gemeinsam vorhanden ist, wird es durch die Differentialschaltung kompensiert. Dennoch unterscheiden sich die magnetoresistiven Signale aufgrund des Datenfelds auf der Platte an den zwei Eingangsanschlüssen in ihrer Phase um 180°, was dazu führt, dass ein Ausgangssignal gleich der Summe der magnetoresistiven Signale an den zwei Eingangssignalen ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung ist nunmehr nur anhand von Beispielen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
  • 1 eine nicht maßstabgetreue Luftlagerfläche eines SV-Sensors nach dem Stand der Technik ist;
  • 2 eine nicht maßstabgetreue Luftlagerfläche eines MTJ-Sensors nach dem Stand der Technik ist;
  • 3 ein Diagramm ist, das ein thermisches Oberflächenunebenheitssignal und das von einer Datenspur ausgelesene Datensignal zeigt;
  • 4 eine vereinfachte Darstellung eines magnetischen Aufzeichnungsplattenlaufwerksystems ist;
  • 5 ein vertikaler, nicht maßstabgetreuer Querschnitt eines induktiven Lese/MR-Lesekopfs ist, wobei der MR-Lesekopf zwischen den Abschirmungen und angrenzend an den induktiven Schreibkopf positioniert ist,
  • 6 eine nicht maßstabgetreue Luftlagerfläche einer Ausführungsform des magnetischen Tunnelbarrieresensors der vorliegenden Erfindung ist;
  • 7 eine schematische Darstellung eines Verfahrens und Mittels zur Reduzierung der thermischen Oberflächenunebenheit gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 8a, 8b und 8c Diagramme sind, welche die Signale an den Eingangsanschlüssen und dem Ausgangsanschluss der Differentialschaltung in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bei fehlendem thermischen Oberflächenunebenheits- und Datensignal, bei fehlendem thermischen Oberflächenunebenheitssignal und in Gegenwart des Datensignals sowie in Gegenwart des thermischen Oberflächenunebenheits- und Datensignals veranschaulichen;
  • 9 ein Diagramm ist, dass die verstärkten Abschnitte A, B und C der Signale aus den 8a, 8b bzw. 8c in Gegenwart des thermischen Oberflächenunebenheits- und Datensignals darstellt und die Phasenbeziehung der Signale verdeutlicht; und
  • 10 eine nicht maßstabgetreue Luftansicht einer alternativen Ausführungsform des magnetischen Tunnelbarrieresensors der vorliegenden Erfindung ist.
  • Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Mit Bezug nun auf 4 ist ein Plattenlaufwerk 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in 4 gezeigt ist, wird zumindest eine rotierbare Magnetplatte 412 auf einer Spindel 414 gelagert und von einem Plattenlaufwerkmotor 418 rotiert. Das magnetische Aufzeichnungsmedium auf jeder Platte ist in der Form eines ringförmigen Musters konzentrischer Datenspuren (nicht dargestellt) auf der Platte 412 vorhanden.
  • Zumindest ein Gleiter 413 ist auf der Platte 412 positioniert, wobei jeder Gleiter 413 einen oder mehrere magnetische Lese/Schreibköpfe 421 trägt, wobei der Kopf 421 den MTJ-Sensor der vorliegenden Erfindung aufnimmt. Wenn die Platten rotieren, wird der Gleiter 413 radial nach innen und außen über die Plattenoberfläche 422 bewegt, so dass die Köpfe 421 auf verschiedene Abschnitte auf der Platte zugreifen können, auf welchen die erwünschten Daten aufgezeichnet sind. Jeder Gleiter 413 ist an einem Aktuatorarm 419 mithilfe einer Aufhängung 415 befestigt. Die Aufhängung 415 stellt eine leichte Federkraft bereit, die den Gleiter 413 gegen die Plattenoberfläche 422 vorspannt. Jeder Aktuatorarm 419 ist an einem Aktuator 427 befestigt. Der in 4 dargestellte Aktuator kann ein Tauchspulenmotor (VCM, voice coil motor) sein. Der VCM umfasst eine Spule, die innerhalb eines fixen Magnetfelds beweglich ist, wobei die Ausrichtung und Geschwindigkeit der Spulenbewegungen durch die von einer Steuerung 429 gelieferten Motorstromsignale gesteuert werden.
  • Während des Betriebs des Plattenspeichersystems erzeugt die Rotation der Platte 412 ein Luftlager zwischen dem Gleiter 413 (die Oberfläche des Gleiters 413, der den Kopf 421 umfasst und der Oberfläche der Platte 412 gegenüberliegt, wird als Luftlagerfläche (ABS) bezeichnet) und der Plattenoberfläche 422, die eine nach oben gerichtete Kraft oder Aufwärtsbewegung auf den Gleiter ausübt. Das Luftlager gleicht auf diese Weise die leichte Federkraft der Aufhängung 415 aus und trägt den Gleiter 413 weg und leicht oberhalb der Plattenoberfläche, wobei dieser während des Normalbetriebs um einen kleinen aber im Wesentlichen konstanten Abstand beabstandet ist.
  • Die verschiedenen Komponenten des Plattenspeichersystems werden im Betrieb durch die von der Steuerungseinheit 429 erzeugten Steuersignale, so z.B. Zugriffssteuersignale und innere Taktsignale, gesteuert. Gewöhnlich umfasst die Steuerungseinheit 429 logische Steuerschaltungen, Speicher-Chips und einen Mikroprozessor. Die Steuerungseinheit 429 erzeugt Steuersignale, um verschiedene Systemoperationen wie Antriebsmotor-Steuersignale auf der Leitung 423 und Kopfpositions- und Suchsteuersignale auf der Leitung 428 zu steuern. Die Steuersignale auf Leitung 428 stellen die erwünschten Stromprofile bereit, um den Gleiter 413 optimal zu bewegen und an der erwünschten Datenspur auf der Platte 412 zu positionieren. Lese- und Schreibsignale werden über den Aufzeichnungskanal 425 von und zu den Lese/Schreibköpfen 421 kommuniziert. Der Aufzeichnungskanal 425 kann ein Partial-Response-Maximum-Likelihood-Kanal (PMRL-Kanal) oder ein Peakdetektionskanal sein. Das Design und die Implementierung beider Kanäle sind in der Technik und Fachleuten auf dem Gebiet der Technik allgemein bekannt. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Aufzeichnungskanal 425 ein PMRL-Kanal.
  • Die obige Beschreibung eines typischen magnetischen Plattenspeichersystems und die begleitende Illustration der 4 dienen nur der Darstellung. Es ist offensichtlich, dass die Plattenspeichersysteme eine große Anzahl an Platten und Aktuatoren enthalten können, und dass jeder Aktuator eine Reihe von Schiebern tragen kann.
  • 5 zeigt einen Querschnitt des Lese/Schreibkopfs 500 gemäß der vorliegenden Erfindung, welche einen MTJ-Lesekopfabschnitt und einen induktiven Schreibkopfabschnitt umfasst. Der Kopf 500 ist so geläppt, dass er eine ABS bildet. Der Lesekopf umfasst einen zwischen der ersten und der zweiten Abschirmschicht S1 bzw. S2 angeordneten MTJ-Sensor 540. Eine isolierende Abstandsschicht G1 ist zwischen der ersten und der zweiten Abschirmschicht S1 und S2 in der vom MTJ-Sensor entfernten Bereich angeordnet. Der Schreibkopf umfasst eine Spulenschicht C sowie eine Isolierschicht IN2, die zwischen den Isolierschichten IN1 und IN3 angeordnet sind, welche wiederum zwischen den ersten und zweiten Polstücken P1 und P2 angeordnet sind. Eine Abstandsschicht G2 ist zwischen den ersten und zweiten Polstücken P1 und P2 angeordnet, um einen magnetischen Abstand an den an die ABS angrenzenden Polspitzen bereitzustellen, um somit für einen Schreibspalt zu sorgen. Der kombinierte Lese/Schreibkopf 500, der in 5 dargestellt ist, ist ein "Mischkopf", in welchem die zweite Abschirmschicht S2 auf dem Lesekopf als erstes Polstück P1 für den Schreibkopf verwendet wird. Alternativ dazu kann ein "Huckepack"-Kopf verwendet werden, in welchem die zweite Abschirmschicht S2 des Lesekopfs eine getrennte und einzelne Schicht der Schicht ist, die das erste Polstück P1 für den Schreibkopf bildet.
  • 6 zeigt eine nicht maßstabgetreue Luftlagerfläche (ABS) eines MTJ-Sensors 600 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der MTJ-Sensor 600 umfasst passive Endbereiche 664 und 666, die von einander durch den aktiven Mittelbereich 662 getrennt sind. Der aktive Bereich des MTJ-Sensors 600 umfasst eine erste MTJ-Schichtfolge 602 und eine zweite MTJ-Schichtfolge 604, die im Mittelbereich 662 ausgebildet sind. Eine gemeinsame Elektrodenschicht 642 aus einem elektrisch leitenden Material wie Gold, die zwischen der ersten MTJ-Schichtfolge 602 und der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 angeordnet ist, ist im Mittelbereich 662 und in den Endbereichen 664, 666 ausgebildet. Die erste MTJ-Schichtfolge ist direkt auf einer ersten Abschirmung (S1) 640 im Mittelbereich 662 ausgebildet. Die erste Abschirmung 640 ist eine Schicht aus einem weichen ferromagnetischen Material wie Ni-Fe (Permalloy) oder alternativ Al-Fe-Si (Sendust), die auf einem Substrat 601 abgelagert ist und sich über den Mittelbereich 662 und die Endbereiche 664 und 666 erstreckt, um für eine magnetische Abschirmung des MTJ-Sensors 600 vor magnetischen Streufeldern zu sorgen. Erste Isolierschichten 650 und 652 aus einem elektrisch isolierenden Material wie Al2O3 sind in den Endbereichen 664 bzw. 666 auf der ersten Abschirmung 640 und in Stoßkontakt mit der ersten MTJ-Schichtenfolge 602. Zweite Isolierschichten 654 und 656 aus einem elektrisch isolierenden Material wie Al2O3 sind in den Endbereichen 664 und 666 auf der gemeinsamen Elektrodenschicht 642 und in Stoßkontakt mit der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 ausgebildet. Eine zweite Abschirmung (S2) 644 aus weichem ferromagnetischen Material wie Ni-Fe oder alternativ dazu Al-Fe-Si ist über den zweiten Isolierschichten 654 und 656 in den Endbereichen 664 bzw. 666 und über der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 im Mittelbereich 662 ausgebildet.
  • Ist eine längsgerichtete Stabilisierung der magnetischen Domänenzustände der freien Schichten der MTJ1- und MTJ2-Schichtfolgen 602 und 604 erwünscht, so können harte Vormagnetisierungsschichten innerhalb der ersten Isolierschichten 650 und 652 sowie der zweiten Isolierschichten 654 und 656 vorgesehen sein, wie dies aus dem Stand der Technik allgemein bekannt ist. Das US-Patent Nr. 5.720.410 (IBM), erteilt an Fontana et al. und hierin durch Verweis aufgenommen, beschreibt ein solches Verfahren zur längsgerichteten Vormagnetisierung für einen MTJ-Sensor.
  • Die erste MTJ-Schichtfolge 602 umfasst eine ferromagnetische erste freie Schicht 622, eine ferromagnetische erste Pinned-Layer-Schicht 618, eine erste Tunnelbarriereschicht 620, die zwischen der ersten freien Schicht 622 und der erste Pinned-Layer-Schicht 618 angeordnet ist, eine Startschicht 610 sowie eine erste antiferromagnetische Schicht (AFM1) 612, die zwischen der ersten Pinned-Layer-Schicht 618 und der Startschicht 610 angeordnet ist. Die AFM1-Schicht 612 ist mit der ersten Pinned-Layer-Schicht 618 austauschgekoppelt, um ein Austauschfeld bereitzustellen, um dadurch die Magnetisierungsausrichtung der ersten Pinned-Layer-Schicht 618 orthogonal auf die ABS auszurichten. Die Magnetisierung der ersten freien Schicht 622 ist parallel zur ABS ausgerichtet, und sie kann frei in Gegenwart eines magnetischen Signalfelds rotieren.
  • Die zweite MTJ-Schichtfolge 604 umfasst eine ferromagnetische zweite freie Schicht 624, eine ferromagnetische zweite Pinned-Layer-Schicht 628, eine zweite Tunnelbarriereschicht 626, die zwischen der zweiten freien Schicht 624 und der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 angeordnet ist, eine Kappenschicht 632 sowie eine zweite antiferromagnetische Schicht (AFM2) 630, die zwischen der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 und der Kappenschicht 632 angeordnet ist. Die AFM2-Schicht 622 ist mit der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 austauschgekoppel, um ein Austauschfeld bereitzustellen, um somit die Magnetisierungsausrichtung der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 orthogonal auf die ABS auszurichten. Die Magnetisierung der zweiten freien Schicht 624 ist parallel zur ABS ausgerichtet, und sie kann frei in Gegenwart eines magnetischen Signalfelds rotieren.
  • Der MTJ-Sensor 600 kann in einem Magnetron-Sputtersystem oder einem Ionenstrahl-Sputtersystem hergestellt werden, um die vielschichtige Struktur, wie sie in 6 dargestellt ist, sequentiell aufzutragen. Die erste Abschirmung (S1) 640 aus Ni-Fe mit einer Dicke in einem Bereich von 500 bis 1.000 nm wird auf dem Substrat 601 aufgetragen. Die Startschicht 610, die AFM1-Schicht 612, die erste Pinned- Layer-Schicht 618, die erste Tunnelbarriereschicht 620 und die erste freie Schicht 622 werden nacheinander übereinander über der ersten Abschirmung 640 in Gegenwart eines längs- oder quergerichteten Magnetfelds von etwa 40 Oe aufgetragen, um die Vorzugsrichtungen aller ferromagnetischen Schichten auszurichten. Die Startschicht 610 ist eine Schicht, die aufgetragen wird, um die Kristallgitterstruktur oder die Körnchengröße der nachfolgenden Schichten zu modifizieren, wobei sie abhängig vom Material der nachfolgend aufgetragenen Schicht nicht unbedingt erforderlich sein muss. Bei Verwendung kann die Startschicht aus Tantalum (Ta), Zirkonium (Zi) oder Nickeleisen (Ni-Fe) mit einer Dicke von etwa 3-5 nm ausgebildet werden. Die AFM1-Schicht 612, die aus Mn50-Fe50 oder alternativ aus Ir20-Mn80 mit einer Dicke von etwa 10 nm ausgebildet wird, kann auf der Startschicht 610 aufgetragen werden. Die ferromagnetische erste Pinned-Layer-Schicht 618 kann aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von etwa 2-5 nm ausgebildet werden, oder sie kann alternativ dazu aus einer Unterschicht aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm, die auf der AFM1-Schicht 612 aufgetragen ist, und aus einer Kontaktflächenschicht aus Kolbalt (Co) mit einer Dicke von etwa 0,5 nm, die auf der Ni-Fe-Unterschicht aufgetragen ist, ausgebildet werden. Die erste Tunnelbarriereschicht 620 wird aus Al2O3 gebildet, indem eine Aluminiumschicht (Al) von 0,8 – 2 nm auf der ersten Pinned-Layer-Schicht 618 aufgetragen und danach plasmaoxidiert wird. Die ferromagnetische erste freie Schicht 622 kann aus Ni-Fe mit einer Dicke von 2-5 nm ausgebildet werden, oder sie kann alternativ dazu aus einer Kontaktflächenschicht aus Co mit einer Dicke von etwa 0,5 nm gebildet werden, welche auf der ersten Tunnelbarriereschicht 620 aufgetragen ist, und aus einer Unterschicht aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm, die auf der Co-Kontaktflächenschicht aufgetragen ist.
  • Die erste MTJ-Schichtfolge 602 ist im Mittelbereich 662 durch das Auftragen eines Photoresists und durch die Verwendung von Verfahren der Photolithographie und des Ionenbestrahlfräsens, die in der Technik allgemein bekannt sind, definiert. Die ersten Isolierschichten 650 und 652 können nun auf der freiliegenden ersten Abschirmung 640 in den Endbereichen 664 bzw. 666 aufgebracht werden. Die ersten Isolierschichten 650 und 652 werden aus Al2O3 gebildet, indem eine Al-Schicht mit einer Dicke von etwa der Gesamtdicke der ersten MTJ-Schichtfolge 602 aufgetragen und danach plasmaoxidiert wird. Das die erste MTJ-Schichtfolge 602 schützende Photoresist wird daraufhin entfernt, und die gemeinsame Elektrode 642 aus Gold (Au) mit einer Dicke im Bereich von 20 bis 30 nm wird auf der freiliegenden ersten MTJ-Schichtfolge 602 und auf den ersten Isolierschichten 650 und 652 aufgetragen.
  • Die zweite MTJ-Schichtfolge 604 wird ausgebildet, indem sequentiell die ferromagnetische zweite freie Schicht 624, die zweite Tunnelbarriereschicht 626, die ferromagnetische zweite Pinned-Layer-Schicht 628, die AFM2-Schicht 630 und die Kappenschicht 632 über die gemeinsame Elektrode 642 in Gegenwart eines längs- oder quergerichteten Magnetfelds von etwa 40 Oe aufgetragen wird, um die Vorzugsrichtungen aller ferromagnetischen Schichten auszurichten. Die zweite freie Schicht 624 kann aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von etwa 2-5 nm ausgebildet werden, oder alternativ dazu kann sie aus einer Unterschicht aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm, die auf der gemeinsamen Elektrode 642 aufgebracht ist, und aus einer Kontaktflächenschicht aus Co mit einer Dicke in einem Bereich von 0,5 nm, die auf der Ni-Fe-Unterschicht aufgetragen ist, gebildet werden. Die zweite Tunnelbarriereschicht 626 wird aus Al2O3 gebildet, indem eine Al-Schicht mit einer Dicke von 0,8 bis 2 nm auf der zweiten freien Schicht 624 aufgetragen und danach plasmaoxidiert wird. Die ferromagnetische zweite Pinned-Layer-Schicht 628 kann aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm, die auf der zweiten Tunnelbarriereschicht 626 aufgetragen ist, gebildet werden, oder alternativ dazu kann sie aus einer Kontaktflächenschicht aus Co mit einer Dicke von etwa 0,5 nm, die auf der zweiten Tunnelbarriereschicht 626 aufgetragen ist, und aus einer Schicht aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm, die auf der Co-Kontaktflächenschicht aufgetragen ist, gebildet werden. Die AFM2-Schicht 630 wird aus Ni50-Mn50 gebildet, oder sie wird alternativ dazu aus Pt-Mn oder Pt-Pd-Mn mit einer Dicke von etwa 10 nm auf der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 aufgetragen. Die Kappenschicht 632, die aus Tantalum (Ta) mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm gebildet ist, wird auf der AFM2-Schicht 630 aufgetragen.
  • Die zweite MTJ-Schichtfolge 604 wird durch das Auftragen eines Photoresists und unter Verwendung von in der Technik allgemein bekannten Verfahren der Photolitho graphie und des Ionenstrahlfräsens definiert. Die zweiten Isolierschichten 654 und 656 können nunmehr auf der freiliegenden gemeinsamen Elektrode 642 in den Endbereichen 664 bzw. 666 aufgetragen werden. Die zweiten Isolierschichten 654 und 656 werden aus Al2O3 gebildet, indem eine Al-Schicht mit einer Dicke von etwa der Gesamtdicke der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 aufgetragen und danach plasmaoxidiert wird. Das die zweite MTJ-Schichtfolge 604 schützende Photoresist wird daraufhin entfernt, und die zweite Abschirmung (S2) 644 aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 500 bis 1.000 nm wird auf der freiliegenden zweiten MTJ-Schichtfolge 604 und auf den zweiten Isolierschichten 654 und 656 aufgetragen.
  • Im erneuten Bezug auf die 6 stellen die erste Abschirmung (S1) 640 und die gemeinsame Elektrode 642 elektrische Verbindungen für den Fluss von Abfühlstrom I1 zur ersten MTJ-Schichtfolge 602 bereit. In der ersten MTJ-Schichtfolge 602 erfolgt der Fluss des Abfühlstroms I1 in eine Richtung orthogonal auf die Ebene der ersten Tunnelbarriereschicht 620, wie dies durch den Pfeil 670 verdeutlicht wird. Erste Isolierschichten 650 und 652 sehen die elektrische Isolierung in den Endbereichen 664 bzw. 666 vor, wodurch sie ein Nebenschluss des Abfühlstroms I1 um die erste MTJ-Schichtfolge 602 herum verhindern. Die zweite Abschirmung (S2) 644 und die gemeinsame Elektrode 642 stellen elektrische Verbindungen für den Fluss von Abfühlstrom I2 zur zweiten MTJ-Schichtfolge 604 bereit. In der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 erfolgt der Fluss des Abfühlstroms I2 in eine Richtung orthogonal auf die Ebene der zweiten Tunnelbarriereschicht 626, wie dies durch den Pfeil 672 verdeutlicht wird. Die zweiten Isolierschichten 654 und 656 sorgen für eine elektrische Isolierung in den Endbereichen 664 bzw. 666, wodurch ein Nebenschluss des Abfühlstroms I2 um die zweite MTJ-Schichtfolge 604 herum verhindert wird.
  • Nach Abschluss des Herstellungsvorgangs für den MTJ-Sensor 600 müssen die Magnetisierungen der Pinned-Layer-Schichten 618 und 628 der ersten MTJ-Schichtfolge 602 bzw. der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 in eine antiparallele Ausrichtung durch den Initialisierungsvorgang ausgerichtet werden. Sind die Magnetisierungen der Pinned-Layer-Schichten 618 und 628 orthogonal auf die ABS und antiparallel in Bezug auf einander, wie dies durch die Pfeile 619 und 629 verdeutlicht ist (Spitze und Ende der Pfeile zeigen aus der Eben des Papiers heraus bzw. in diese hinein), ausgerichtet, so unterscheidet sich das magnetoresistive Signal, das aufgrund eines externen Felds von der Platte durch die erste MTJ-Schichtfolge 602 erzeugt wird, in Bezug auf das aufgrund desselben externen Felds durch die zweite MTJ-Schichtfolge 604 erzeugte magnetoresistive Signal um eine Phase von 180°.
  • Das Material für die AFM1-Schicht 612 wird so gewählt, dass es eine Sperrtemperatur (die Sperrtemperatur ist jene Temperatur, bei welcher die Austauschkopplung Null wird) aufweist, die geringer als die Sperrtemperatur des Materials für die AFM2-Schicht 630 ist. Die AFM2-Schicht 630 wird zuerst ausgerichtet, indem der MTJ-Sensor 600 über die Sperrtemperatur TB2 des AFM2-Materials erhitzt wird (wobei die Sperrtemperatur von Ni50-Mn50 etwa 250°C beträgt), und danach wird der Sensor mit einem externen Magnetfeld, das größer als etwa 5.000 Oe ist und an die ABS angelegt wird, gekühlt. Die AFM1-Schicht 612 wird daraufhin wieder zurückgesetzt, indem das AMF1-Material über seine Sperrtemperatur TB1 hinaus lokal erhitzt wird (die Sperrtemperatur von Mn50-Fe50 beträgt etwa 150°C), indem ein Spannungs-Impuls über die MTJ1-Schichtfolge 602 angelegt wird, um ein Widerstandserhitzen auf eine Temperatur über TB1 aber unter TB2 zu bewirken, und anschließend wird der Sensor gekühlt, indem ein externes Magnetfeld, das größer als etwa 5.000 Oe ist, orthogonal auf die ABS und antiparallel zu dem Feld, das angelegt wurde, um die AFM2-Schicht 630 einzustellen, angelegt wird. Die während der Einstellung der AFM1-Schicht 612 und der AFM2-Schicht 630 angelegten externen Magnetfelder sind antiparallel, um die Magnetisierungen der ersten Pinned-Layer-Schicht 618 und der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 antiparallel zueinander einzurichten.
  • 7 zeigt eine schematische Darstellung einer thermischen Oberflächenunebenheitsreduzierungsschaltung 700 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung 700 umfasst einen MTJ-Sensor 600 mit Elektroden für eine erste Abschirmung (S1) 640 und eine zweite Abschirmung (S2) 644, sowie eine gemeinsame Elektrode 642, eine erste Stromquelle 710, eine zweite Stromquelle 712 und eine Differentialschaltung 730. Die Differentialschaltung 730 umfasst einen ersten Eingangsanschluss 733, einen zweiten Eingangsanschluss 735, eine Ausgangsanschluss 740 sowie einen Erdanschluss (Bezugsanschluss) 738.
  • Mit erneutem Bezug auf 7 ist die erste Stromquelle 710 mit der ersten Abschirmung (S1) 640 und der Masse-Elektrode 642 verbunden, um den Abfühlstrom I1 zur ersten MTJ-Schichtfolge 602 zuzuführen. Die zweite Stromquelle 712 ist mit der zweiten Abschirmung (S2) 644 und der gemeinsamen Elektrode 642 verbunden, um den Abfühlstrom I2 zur zweiten MTJ-Schichtfolge 604 zu leiten. Die Ströme I1 und I2 sind eingestellt, dass ohne vorhandenes externes Magnetfeld (Signalfeld) das Produkt des Widerstands der ersten MTJ-Schichtfolge mal I1 (d.h. der Spannungsabfall über der ersten MTJ-Schichtfolge) gleich dem Produkt des Widerstands des zweiten MTJ-Sensors mal I2 (dem Spannungsabfall über der zweiten MTJ-Schichtfolge) ist.
  • Die erste Abschirmung (S1) 640 ist auch über den Draht 732 mit dem ersten Eingangsanschluss 733 der Differentialschaltung 730 verbunden, und die zweite Abschirmung (S2) 644 ist auch über den Draht 734 mit dem zweiten Eingangsanschluss 735 der Differentialschaltung 730 verbunden. Die Masse-Elektrode ist vorzugsweise mit einem gemeinsamen Schaltknoten 714 verbunden. Der gemeinsame Schaltknoten 714 ist wiederum über den Draht 736 mit der Erdung 738 der Differentialschaltung 730 verbunden. Der Ausgangsanschluss 740 der Differentialschaltung 730 wird daraufhin mit dem Datenaufzeichnungskanal 720 verbunden, um die detektierten Signale gemäß der Beschreibung der 4 weiter zu verarbeiten. Der Aufzeichnungskanal 720 und die Differentialschaltung 730 werden gemeinsam als Aufzeichnungssystem 750 bezeichnet. Die Differentialschaltung 730 ist vorzugsweise ein Hochgeschwindigkeits-Differentialverstärker auf Siliziumbasis, der im selben Siliziumchip wie der Datenaufzeichnungskanal 720 aufgenommen ist. Die Differentialschaltung 730 weist weiters eine solche Differentialverstärkung auf, dass die Ausgangsspannung am Netzknoten 740 aufgrund der Differenz zwischen den an die ersten und zweiten Eingangsanschlüsse 733 und 735 angelegten Spannungen folgendermaßen ausgedrückt werden kann: V740 = A·(V733-V735)worin A die Differentialverstärkung der Differentialschaltung 730 ist. Die Dimensionierung eines Differentialverstärkers ist Fachleuten auf dem Gebiet der Technik allgemein bekannt.
  • Mit Bezug nun auf die 8a, 8b und 8c sind die Spannungssignale dargestellt, die am ersten Eingangsanschluss 733, dem zweiten Eingangsanschluss 735 bzw. dem Ausgangsanschluss 740 des Differentialverstärkers 730 unter Vorgleichspannungs-Bedingungen in Gegenwart von Datenfeldern von einer magnetischen Platte und in Gegenwart einer thermischen Oberflächenunebenheit und Datenfeldern von einer Magnetplatte vorhanden sind. Mit Bezug nun auf die 7 und 8a–8b ist unter der Bedingung einer Vorgleichspannung (es ist kein externes Feld vorhanden) die Spannung am ersten Eingangsanschluss 733 eine Gleichspannung 810, die RMTJ1·I1 ist, wobei die Spannung am zweiten Eingangsanschluss 735 eine Gleichspannung 820 ist, die RMTJ2·I2 ist, und die Spannung am Ausgangsanschluss 740 eine Gleichspannung 830 ist.
  • In Gegenwart eines Feldes wie eines Datenfelds von einer magnetischen Platte ändert sich die Spannung an den MTJ-Schichtfolgen aufgrund der Änderung der Widerstände der Tunnelbarriereschichten 620 und 626. Die an der ersten MTJ-Schichtfolge 602 als Ergebnis der Änderung des Widerstands der ersten Tunnelbarriereschicht 620 in Gegenwart eines Datenfelds enstehende Spannung ist in der Form eines Wechselspannungs-Signals dargestellt. Daraus ergibt sich, dass das Spannungssignal am ersten Eingangsanschluss 733, der mit der ersten Abschirmung 640 verbunden ist, die Spannung 812 ist, die eine Wechselspannungs-Komponente 814 und eine Gleichspannungs-Komponente 810 aufweist. Die Wechselspannungs-Komponente entsteht, wie zuvor erwähnt, aufgrund der Änderung des Widerstands der ersten Tunnelbarriereschicht 620 in Gegenwart des Felds von der Platte und beträgt: I1·ΔRMTJ1 und die Gleichspannungs-Komponente ist, wie zuvor erwähnt: I1·RMTJ1 so dass: V812 = I1·ΔRMTJ1 + I1·RMTJ1
  • Ähnlich ist die an der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 als ein Ergebnis der Änderung des Widerstands der zweiten Tunnelbarriereschicht 626 in Gegenwart eines Datenfelds entstehende Spannung in der Form eines Wechselspannungssignals dargestellt. Daraus ergibt sich, dass das Spannungssignal am zweiten Eingangsanschluss 735, der mit der zweiten Abschirmung 644 verbunden ist, die Spannung 822 ist, die eine Wechselspannungs-Komponente 824 und eine Gleichspannungs-Komponente 820 aufweist. Die Wechselspannungs-Komponente entsteht, wie zuvor erwähnt, aufgrund der Änderung des Widerstands der zweiten Tunnelbarriereschicht 626 in Gegenwart des Felds von der Platte und beträgt: I2·ΔRMTJ2 und die Gleichspannungs-Komponente ist, wie zuvor erwähnt: I2·RMTJ2 so dass: V822 = I2·ΔRMTJ2 + I2·RMTJ2
  • Es ist jedoch anzumerken, dass aufgrund der antiparallelen Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen 619 und 629 der Pinned-Layer-Schichten in den zweiten MTJ-Schichtfolgen 602 bzw. 604 eine Phasendifferenz um 180 ° zwischen den Wechselspannungs-Komponenten 814 und 824 der Spannungen 812 bzw. 822 entsteht.
  • In Gegenwart eines Felds von der Platte ist die Spannung am Ausgangsanschluss 740 gleich der Differenz zwischen den Spannungssignalen an den ersten und zweiten Eingangsanschlüssen 733 und 735 mal der Differentialverstärkung der Schaltung 730, wie dies nachfolgend dargestellt ist: V740 = A·(V733 – V735) V832 = A·(V812 – V822) U832 = A·(I1·ΔRMTJ1 + I1·RMTJ1 – I2·ΔRMTJ2 – I2·RMTJ2).
  • Da die Ströme I1 und I2 so gewählt sind, dass I1·RMTJ1 = I2·RMTJ2, löschen die Beiträge der beiden obigen Signale einander und: V832 = A·(I1·ΔRMTJ1 – I2·ΔRMTJ2).
  • Es ist anzumerken, dass die Amplitude der Wechselspannung 834 am Ausgangsnschluss 740 die Summe der Amplituden den Wechselspannungen 814 und 824 an den Eingangsanschlüssen 733 und 735 ist, weil das magnetoresistive Signal von der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 um 180° phasenverschoben vom magnetoresistiven Signal von der ersten MTJ-Schichtfolge 602 ist.
  • Angenommen es findet ein thermisches Oberflächenunebenheitsphänomen statt, während des Lesens der Daten von einer Spur der Platte statt, sodass die Temperatur des MTJ-Sensors 600 ansteigt. Unter einer solchen Bedingung ist die Spannung am ersten Eingangsanschluss 733 eine Spannung 842, die eine Wechselspannungs-Komponente 844 und eine Gleichspannungs-Komponente 840 aufweist. Die Wechselspannungs-Komponente entsteht aufgrund der Änderung des Widerstands der ersten Tunnelbarriereschicht 620 in Gegenwart des Felds von der Platte und ist I1·ΔRMTJ1.
  • Die Gleichspannungs-Komponente 840, die durch eine plötzliche Verschiebung der Gleichspannung gefolgt von einem exponentiellen Abklingen der Gleichspannung dargestellt wird, ist I1·ΔRMTJ1, so dass: V842 = I1·ΔRMTJ1 + I1·RMTJ1.
  • In Gegenwart der thermischen Oberflächenunebenheit ist die Spannung am zweiten Eingangsanschluss 735 eine Spannung 852, die eine Wechselspannungs-Komponente 854 und eine Gleichspannungs-Komponente 850 aufweist, so dass: V852 = I2·ΔRMTJ2 + I2·RMTJ2.
  • Unter der Bedingung eines thermischen Oberflächenunebenheitsphänomens, während die Daten von einer Platte abgelesen werden, ist die Spannung am Ausgangsanschluss 740 gleich der Differenz zwischen den Spannungssignalen am ersten und zweiten Eingangsanschluss 733 und 735 mal der Differentialverstärkung der Schaltung 730, wie dies nachfolgend dargestellt ist. V740 = A·(V733 – V735) V862 = A·(V842 – V852) V862 = A·(I1·ΔRMTJ1 + I1·RMTJ1 – I2·ΔRMTJ2 – I2·RMTJ2).
  • 9 ist ein Diagramm, das die Abschnitte A, B und C der 8a, 8b bzw. 8c zeigt, um die Phasenbeziehungen der Spannungen an den Eingangsanschlüssen 733 und 735 sowie die resultierende Spannung am Ausgangsanschluss 740 der Differentialschaltung 730 besser zu verdeutlichen.
  • Da die Ströme I1 und I2 so gewählt sind, dass I1·RMTJ1 = I2·RMTJ2 und da die erste und die zweite MTJ-Schichtfolge 602 und 604 die gleichen Strukturen und denselben Wärmekoeffizienten aufweisen, zeigen die thermischen Oberflächenunebenheitssignale, die sich an der ersten MTJ-Schichtfolge 602 und der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 entstehenden, dieselbe Form, Größe und Phase. Somit kompensieren die Ausdrücke I1·RMTJ1 und I2·RMTJ2 einander, was bedeutet dass: V862 = A·(I1·ΔRMTJ1 – I2·ΔRMTJ2).
  • Da das magnetoresistive Signal von der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 um 180° phasenverschoben vom magnetoresistive Signal von der ersten MTJ-Schichtfolge 602 ist, ist die Amplitude der Wechselspannung 864 am Ausgangsanschluss 740 die Summe der Amplituden der Wechselspannungen 844 und 854 an den Eingangsanschlüssen 733 bzw. 735, wie dies in der Kurve C der 9 dargestellt ist.
  • Es ist anzumerken, dass in der tatsächlichen Implementierung eine schmale Signalspitze 870 gewöhnlich am Ausgangsanschluss 740 zu Beginn der plötzlichen Verschiebung der Gleichspannung aufgrund von endlichen physikalischen Fehlanpassungen zwischen: (1) den Widerständen der ersten und der zweiten MTJ-Schichtfolgen 602 und 604, (2) dem Widerstand der ersten und der zweiten MTJ-Schichtfolgenanschlüssen, (3) der ersten Stromquelle 710 und der zweiten Stromquelle 712 sowie (4) inneren Fehlanpassungen der Differentialschaltung vorhanden ist. Diese Spitze ist im Allgemeinen nur einige wenige Bits lang, was keinerlei Datenverlust bewirkt.
  • Mit Bezug nun auf 10 ist eine nicht maßstabgetreue Luftlagerfläche (ABS) eines MTJ-Sensors einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der MTJ-Sensor 1000 ist im Wesentlichen derselbe wie der MTJ-Sensor 600, der zuvor beschrieben wurde, nur dass der MTJ-Sensor 1000 eine erste MTJ-Schichtfolge 1002, die im Mittelbereich 662 ausgebildet ist, mit einer laminierten antiparallelen (AP) Pinned-Layer-Schicht 1013 umfasst. Die laminierte AP-Pinned-Layer- Schicht 1013 umfasst eine erste ferromagnetische Unterschicht (FM1) 1018 aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm, eine zweite ferromagnetische Unterschicht (FM2) 1014 aus Ni-Fe mit einer Dicke im Bereich von 2-5 nm sowie eine antiparallele Kopplungsschicht (APC-Schicht) 1016, die zwischen der FM1-Unterschicht 1018 und der FM2-Unterschicht 1014 angeordnet ist. Die APC-Schicht 1016 ist aus einem nicht-magnetischen Material gebildet, vorzugsweise Ruthenium (Ru), das ermöglicht, dass die FM1-Unterschicht 1018 und die FM2-Unterschicht 1014 stark antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind. Die FM2-Unterschicht 1014 ist auf der ersten antiferromagnetischen (AFMI1) Unterschicht 612 ausgebildet. Die AFM1-Schicht 612 ist mit der FM2-Unterschicht 1014 austauschgekoppelt, wodurch ein Austauschfeld bereitgestellt wird, um die Magnetisierungsrichtung der FM2-Unterschicht 1014 orthogonal auf die ABS auszurichten. Die erste Tunnelbarriereschicht 620 ist auf der FM1-Unterschicht 1018 ausgebildet.
  • Ein neues Merkmal des MTJ-Sensors 1000 der alternativen Ausführungsform der Erfindung, welche die laminierte AP-Pinned-Layer-Schicht 1013 aufweist, besteht darin, dass der für die Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen der Pinned-Layer-Schichten der ersten MTJ-Schichtfolge 1002 und der zweiten MTJ-Schichtfolge 604 antiparallel zueinander erforderliche Initialisierungsvorgang vereinfacht wird. Der Initialisierungsvorgang für den MTJ-Sensor 1000 umfasst einen Schritt, in welchem die Magnetisierungsrichtungen der beiden AFM1- und AFM2-Materialien 612, 630 in dieselbe Richtung eingestellt werden, indem der gesamte MTJ-Sensor 1000 über die Sperrtemperaturen von sowohl den AMF1- als auch AFM2-Materialien mit einem in die erwünschte Richtung angelegten 5000 Oe-Feld erhitzt und danach abgekühlt wird. Nach dem Initialisierungsvorgang sind die Magnetisierungsausrichtungen 1015 bzw. 629 der FM2-Unterschicht 1014 und der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 orthogonal auf die ABS und parallel zueinander ausgerichtet. Aufgrund der APC-Schicht 1016 ist die Magnetisierungsausrichtung 1019 der FM1-Unterschicht 1018 orthogonal auf die ABS und antiparallel zur Magnetisierungsausrichtung 1015 der FM2-Unterschicht 1014 und orthogonal auf die Magnetisierungsausrichtung 629 der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628 ausgerichtet. Mit den Magnetisierungen der FM1-Unterschicht 1018 und der zweiten Pinned-Layer-Schicht 628, die orthogonal auf die ABS und antiparallel zueinander ausgerichtet sind, wie dies durch die Pfeile 1019 bzw. 629 dargestellt ist (wobei Spitze und Ende der Pfeile aus der Ebene des Papiers hinaus bzw. hinein zeigen), unterscheidet sich das aufgrund eines externen Felds von der Platte durch die erste MTJ-Schichtfolge 1002 erzeugte magnetoresistive Signal um eine Phase von 180° vom magnetoresistive Signal, das aufgrund desselben externen Felds durch die zweite MTJ-Schichtfolge 604 erzeugt wird.
  • Im MTJ-Sensor 1000 der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden sowohl die AFM1-Schicht 612 und die AFM2-Schicht 630 durch einen einzelnen Heizschritt initialisiert, wobei die Sperrtemperatur des AFM1-Materials nicht mehr länger niedriger als die Sperrtemperatur des AFM2-Materials sein muss. Somit können in der alternativen Ausführungsform sowohl die AFM1-Schicht 612 und die AFM2-Schicht 630 aus einer aus Mn-Fe, Ni-Mn, Ir-Mn, Pt-Mn und Pt-Pd-Mn bestehenden Materialgruppe ausgewählt werden.
  • In der alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der MTJ-Sensor 600 in 7 durch den alternativen MTJ-Sensor 1000 ersetzt, um für die Detektion und Reduktion von thermischer Oberflächenunebenheit unter Verwendung der thermischen Oberflächenunebenheitsreduzierungsschaltung 700 zu sorgen.

Claims (15)

  1. Magnetischer Tunnelbarrieresensor (MTJ, magnetic tunnel junction) (600), umfassend: eine erste magnetische Tunnelbarriereschichtfolge (MTJ1) (602, 1002), wobei die MTJ1-Schichtfolge Folgendes aufweist: eine ferromagnetische Pinned-Layer-Schicht (618, 1013); eine Tunnelbarriereschicht (620); und eine antiferromagnetische Schicht (AFML, antiferromagnetic layer) (612) in Kontakt mit der ferromagnetischen Pinned-Layer-Schicht zum Ausrichten der Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht; eine zweite magnetische Tunnelbarriereschichtfolge (MTJ2) (604), wobei die MTJ2-Schichtfolge Folgendes aufweist: eine ferromagnetische Pinned-Layer-Schicht (628); eine Tunnelbarriereschicht (626), die zwischen der freien Schicht und der Pinned-Layer-Schicht angeordnet ist; und eine antiferromagnetische Schicht (AFM2) (630) in Kontakt mit der ferromagnetischen Pinned-Layer-Schicht zum Ausrichten der Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht; wobei die magnetische Tunnelbarriere weiters Folgendes umfasst: eine erste Abschirmung (S1) (640) in Kontakt mit der MTJ1-Schichtfolge, um die MTJ1-Schichtfolge mit einem ersten Abfühlstrom zu versorgen; und eine zweite Abschirmung (S2) (644) in Kontakt mit der MTJ2-Schichtfolge, um die MTJ2-Schichtfolgexj mit einem zweiten Abfühlstrom zu versorgen; dadurch gekennzeichnet, dass: die MTJ1-Schichtfolge sowie die MTJ2-Schichtfolge weiters eine ferromagnetische freie Schicht (622, 624) umfassen; jede der Tunnelbarriereschichten zwischen der zugehörigen freien Schicht und der zugehörigen Pinned-Layer-Schicht angeordnet ist; und die magnetische Tunnelbarriere weiters Folgendes umfasst: eine gemeinsame Elektrode (642), die zwischen der MTJ1-Schichtfolge und der MTJ2-Schichtfolgex angeordnet ist.
  2. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 1, worin die Pinned-Layer-Schichten (618, 628) aus einer aus Ni-Fe und Ni-Fe/Co bestehenden Gruppe an Materialien ausgewählt sind.
  3. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 1, worin die freien Schichten (622, 624) aus einer aus Ni-Fe und Ni-Fe/Co bestehenden Gruppe an Materialien ausgewählt sind.
  4. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 1, worin die Tunnelbarriereschichten (620, 626) aus Al2O3 bestehen.
  5. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 1, worin die AFM1-Schicht (612) aus einer aus Mn-Fe und Ir-Mn bestehenden Gruppe an Materialien ausgewählt ist.
  6. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 1, worin die AFM2-Schicht (630) aus einer aus Ni-Mn, Pt-Mn und Pt-Pd-Mn bestehenden Gruppe an Materialien ausgewählt ist.
  7. MTJ-Sensor (600 nach Anspruch 1, worin die gemeinsame Elektrode (642) aus Gold (Au) besteht.
  8. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 1, worin die erste (640) und die zweite (644) Abschirmung aus einer aus Ni-Fe und Al-Fe-Si bestehenden Gruppe ausgewählt sind.
  9. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 1, worin die Magnetisierungsrichtung (619) der Pinned-Layer-Schicht (618) in der ersten MTJ-Schichtfolge (602, 1002) antiparallel zur Magnetisierungsrichtung (629) der Pinned-Layer-Schicht (628) in der zweiten MTJ-Schichtfolge (604) ist.
  10. Plattenlaufwerksystem (400) umfassend: eine Magnetaufzeichnungsplatte (412); einen magnetischen Tunnelbarrieresensor (MTJ) (600) nach einem der Ansprüche 1 bis 9; einen Aktuator (419) zum Bewegen des MTJ-Sensors über die Magnetaufzeichnungsplatte, so dass der MTJ-Sensor auf verschiedene Bereiche magnetisch aufgezeichneter Daten auf der Magnetaufzeichnungsplatte zugreifen kann; und einen Aufzeichnungskanal (425), der elektrisch an den MTJ-Sensor gekoppelt ist, um Veränderungen im Widerstand des MTJ-Sensors, die durch die Drehung der Magnetisierungsachse der freien ferromagnetischen Schichten relativ zur fixen Magnetisierung der Pinned-Layer-Schichten in Reaktion auf die Magnetfelder der magnetisch aufgezeichneten Daten verursacht werden.
  11. Plattenlaufwerksystem (400) nach Anspruch 10, worin der Aufzeichnungskanal (425) weiters eine Differentialschaltung (730) mit einem ersten (732) und einem zweiten (724) Eingangsanschluss, die mit der MTJ1-Schichtfolge (602, 1002) bzw. der MTJ2-Schichtfolge (604) verbunden sind, um Widerstandsveränderungen in der MTJ1- und MTJ2-Schichtfolge in Reaktion auf ein thermisches Oberflächenunebenheitsphänomen während dem Lesen von Daten im Plattenlaufwerksystem zu detektieren und zu kompensieren.
  12. Magnetischer Tunnelbarrieresensor (MTJ) (1000) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, worin: die ferromagnetische Pinned-Layer-Schicht (1013) eine laminierte antiparallele (AP) Pinned-Layer-Schicht ist, wobei die AP-Pinned-Layer-Schicht eine erste ferromagnetische Unterschicht (FM1) (1018), eine zweite ferromagnetische Unterschicht (FM2) (1014) und eine antiparallele Kopplungsschicht (APC) (1016), die zwischen der FM1-Unterschicht und der FM2-Unterschicht angeordnet ist, umfasst; die Tunnelbarriereschicht (620) zwischen der freien Schicht (622) und der FM1-Unterschicht (1018) angeordnet ist; und die antiferromagnetische (AFM1) Schicht in Kontakt mit der FM2-Unterschicht steht, um die Magnetisierung der FM2-Unterschicht auszurichten.
  13. MTJ-Sensor (600) nach Anspruch 12, worin die APC-Schicht (1016) aus Ruthenium (Ru) besteht.
  14. Plattenlaufwerksystem (400), umfassend: eine Magnetaufzeichnungsplatte (412); einen magnetischen Tunnelbarrieresensor (MTJ) (1000) nach einem der Ansprüche 12 bis 13; einen Aktuator (427) zum Bewegen des MTJ-Sensors über die Magnetaufzeichnungsplatte, so dass der MTJ-Sensor auf verschiedene Bereiche magnetisch aufgezeichneter Daten auf der Magnetaufzeichnungsplatte zugreifen kann; und einen Aufzeichnungskanal (425), der elektrisch an den MTJ-Sensor gekoppelt ist, um Veränderungen im Widerstand des MTJ-Sensors zu detektieren, die durch die Drehung der Magnetisierungsachse der freien ferromagnetischen Schichten relativ zur fixen Magnetisierung der Pinned-Layer-Schicht in Reaktion auf die Magnetfelder der magnetisch aufgezeichneten Daten verursacht werden.
  15. Plattenlaufwerksystem (400) nach Anspruch 14, worin der Aufzeichnungskanal (425) weiters eine Differentialschaltung mit einem ersten (732) und einem zweiten (734) Eingangsanschluss umfasst, die mit der MTJ1-Schichtfolge (1002) bzw. der MTJ2-Schichtfolge (604) verbunden sind, um Widerstandsveränderungen in der MTJ1- und MTJ2-Schichtfolge in Reaktion auf ein thermisches Oberflächenunebenheitsphänomen während dem Lesen von Daten im Plattenlaufwerksystem zu detektieren und zu kompensieren.
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