JP2011124574A

JP2011124574A - スピントルク発振子センサ

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Publication number: JP2011124574A
Application number: JP2010273596A
Authority: JP
Inventors: Patrick Braganca; パトリックブランガンカ; Bruce Gurney; ブルースグルーニー
Original assignee: Hitachi Global Storage Technologies Netherlands BV
Current assignee: HGST Netherlands BV
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2010-12-08
Publication date: 2011-06-23
Also published as: US20110141629A1; CN102136275B; US8164861B2; CN102136275A; JP2014232563A

Abstract

【課題】非常に高いデータ密度での読み取りのために、スピントルク発振子センサを小さくすることを可能とする。
【解決手段】非常に狭いギャップ厚を有するスピントルク磁気抵抗センサ。センサは、センサの磁性層でのスピントルク誘導磁気発振の周波数の変化を測定することにより、磁界の存在を検出するように動作する。センサは、一対の自由磁性層を有し、これらの自由磁性層の間に挟まれた薄い非磁性の結合層によってこれらの自由磁性層は反平行結合される。このセンサは、ピンニング層構造も関連するＡＦＭピンニング層も含んでいない。そのため、このセンサは、従来技術のセンサよりもかなり薄く構築することが可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、データ記録用の磁気ヘッドに関し、より詳細には、スピントルクで誘導される磁気発振の変動を使用して磁界を検出するセンサに関する。

本発明は、本発明の譲受人に譲渡された（特許文献１）、２００９年６月２５日出願、タイトル「ＳＰＩＮＴＯＲＱＵＥＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲＳＥＮＳＯＲ」に関するものであって、その出願の内容はすべて参照によりここに援用する。

コンピュータの長期記憶の心臓部は、磁気ハードディスクドライブと呼ばれる組立品である。磁気ハードディスクドライブは、回転磁気ディスクと、回転磁気ディスクの表面の近傍にあるサスペンションアームによって浮かされた読み取りヘッドおよび書き込みヘッドと、書き込みヘッドおよび読み取りヘッドを回転ディスク上の被選択円形トラックの上方に配置するためにサスペンションアームを揺動させるアクチュエータとを含む。読み取りヘッドおよび書き込みヘッドは、エアベアリング面（ＡＢＳ）を有するスライダに直接設けられる。サスペンションアームは、ディスクの表面に向けてスライダを付勢し、ディスクの近傍にある空気は、ディスクの回転時にディスクの表面と一緒に移動する。スライダは、この移動空気をクッションとし、ディスクの表面の上方を飛行する。スライダがエアベアリングに乗ると、回転ディスクに磁気転移を書き込むためおよび回転ディスクから磁気転移を読み取るために、書き込みヘッドおよび読み取りヘッドが用いられる。読み取りヘッドおよび書き込みヘッドは、書き込み機能および読み取り機能を実行するためにコンピュータプログラムにしたがって動作する処理回路に接続される。

書き込みヘッドは、従来から、書き込み磁極およびリターン磁極を含む磁気ヨークを通るコイルを備えている。コイル層に電流が流されると該当する磁極に磁束が誘導され、これにより、回転ディスク上の円形トラックなどの運動している媒体上のトラックに磁気転移を書き込むために、書き込み磁極から書き込み磁界が放射される。

従来から、回転磁気ディスクから磁界を検出するためにＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサが採用されてきた。このようなセンサは、スピンバルブ磁気設計を使用しており、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間に挟まれた、ピンニングまたは基準層および自由層と呼ばれる非磁性伝導スペーサ層または非磁性絶縁障壁層を含む。センサにセンス電流を流すために第１および第２のリードがセンサに接続されている。ピンニング層の磁化は、エアベアリング面（ＡＢＳ）に垂直にピンニングされる。自由層の磁気モーメントは、ＡＢＳに平行に配置されるが、外部磁界に反応して自由に回転可能である。ピンニング層の磁化は、通常、反強磁性層との交換結合によってピニングされる。

ピンニング層の磁化と自由層の磁化が互いに平行であるとき、層のスタックを通る電子の伝導またはトンネリングは最大となり、ピンニング層の磁化と自由層の磁化が反平行であるとき、全体の導電率は低下する。伝導またはトンネリングの変化は、スピンバルブセンサの抵抗を実質的にｃｏｓθに比例して変化させる。ここで、θはピンニング層の磁化と自由層の磁化との角度である。格納された情報を読み取るとき、センサの抵抗は回転ディスクからの磁界の大きさにほぼ比例して変化する。スピンバルブセンサの中をセンス電流が流れると、抵抗の変化によって電位の変化が引き起こされ、検出され、再生信号として処理される。

データ密度を高めるために、製造業者は磁気抵抗センサのサイズを縮小する努力を常に行っている。例えば、ディスク上により多くのデータトラックを収めるためにセンサのトラック幅を狭くすることや、線データ密度を高めるためにセンサのギャップ厚を狭くすることが挙げられる。しかし、スピンバルブセンサがこれ以上小さくなると、これらのセンサは、センサの不安定性や雑音が原因で必要な記録帯域幅にわたって十分に高い信号対雑音性能を実現できないという事態に至る。例えば、温度に起因する強磁性体層の変動の結果として磁気ノイズが生じると、非常に小さいセンサの信号対雑音比は低下し、そのようなセンサを使用して信号を確実に読み取ることが事実上できなくなるという事態に至る恐れがある。磁気トンネルジャンクションセンサでは、散弾ノイズによって生じる追加のノイズがノイズを更に大きくし、これによって全体の信号対雑音が低下し、ＭＴＪセンサは超高密度記録に対応できなくなる。したがって、非常に高いデータ密度での読み取りのために、非常に小さくすることが可能なセンサ設計が引き続き必要とされている。

米国特許出願第１２／４９２，０５０号明細書

Ｊ．Ｃ．Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ，ＪＭＭＭ１５９，Ｌ１１９９６Ｗ．Ｈ．Ｒｉｐｐａｒｄｅｔａｌ．，ＰＲＬ９２０２７２０１（２００４）Ｓ．Ｉ．Ｋｉｓｅｌｅｖｅｔａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ４２５，３８０（２００３）Ｎ．Ｓｔｕｔｚｋｅ，ｅｔａｌＡＰＬ８２，９１（２００３）Ｏ．Ｂｏｕｌｌｅｅｔａｌ．，ＮａｔｕｒｅＰｈｙｓ．３，４９２（２００７）Ｊ．Ｓａｎｋｅｙｅｔ．ａｌ．，Ｐｈｙｓ．ＲｅｖＢ７２，２２４４２７（２００５）

本発明は、第１および第２の磁性層と、第１および第２の磁性層の間に挟まれた非磁性層とを含み、非磁性層の厚さが第１の磁性層と第２の磁性層を反平行結合するのに十分である、スピントルク発振磁気抵抗センサを提供するものである。センサはまた、第１および第２の磁性層とスペーサ層の中にセンス電流を通すための回路を含む。センス電流は第１および第２の磁性層の磁化においてスピントルク誘導発振を励起する。この場合の発振周波数は磁界の存在に応じて変化する。

磁性層はピンニングされず、磁性層を通る電子からのスピントルクによって自由に発振する磁化を有する。センサは、ピンニング層構造の必要性の排除と関連するＡＦＭピンニング層の必要性の排除とにより、非常に狭いギャップ厚を実現する。

適切な信号および大きさの電流がセンサの層を流れると、スピントルク力によって磁性層の磁化は歳差様式で発振する。この発振の周波数は、磁界の存在に応答して変化する。発振が生じると、磁化は互いに連動して動き、これによってセンサにおける抵抗の変化が生じる。センサに取り付けられた回路は、この抵抗の変化を測定することにより、発振の周波数の変化を特定し、磁界の存在を検出することができる。

一貫して類似の参照符号によって類似の構成要素を示されている図面とあわせた好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を読むことによって、本発明のこれらのおよびその他の特徴および利点が明らかになる。

本発明の性質および利点ならびに好ましい使用形態を更に完全に理解するために、添付の図面とあわせた以下の詳細な説明を参照することが望ましい。

本発明を具現化可能なディスクドライブシステムの概略図である。スライダのＡＢＳを図１の線２−２の視点で見た図であり、磁気ヘッドの位置を示している。本発明の実施形態に係るセンサのＡＢＳの概略図である。隣接する磁気媒体に対して示された、図３のセンサの概略的な垂直断面図である。本発明の別の実施形態に係るセンサのＡＢＳの概略図である。隣接する磁気媒体に対して示された、図５のセンサの概略的な垂直断面図である。代表的なスピンバルブ構造について、一定の磁界を加えた場合の、自由層の磁化対時間の関係を示す時間領域シミュレーショングラフである。図７から変換された自由層の磁化対時間の関係を示す周波数領域のグラフである。図７および図８に示したのと同じ構造について外部磁界振幅の変化に対する自由層の磁化発振の応答のシミュレーションを示すグラフである。本発明の代替実施形態に係るスピントルク発振子マルチセンサ構造を示す概略図である。本発明の別の代替実施形態に係るスピントルク発振子のマルチセンサ構造を示す概略図である。

以下の説明は、現時点で考えられる発明実施の最適な実施形態についての説明である。この説明は、本発明の原則を例示する目的でなされており、本明細書に記載の発明概念を限定することは意図していない。

図１を参照すると、本発明を具現化したディスクドライブ１００が示されている。図１に示されるように、少なくとも１つの回転可能磁気ディスク１１２が、スピンドル１１４に支えられ、ディスク駆動モータ１１８によって回転される。各ディスク上における磁気記録は、磁気ディスク１１２上における同心円状のデータトラック（不図示）の環状パターンの形態をとる。

少なくとも１つのスライダ１１３が、磁気ディスク１１２の近くに位置決めされ、各スライダ１１３は、１つまたは２つ以上の磁気ヘッドアセンブリ１２１を支える。磁気ディスクの回転とともに、スライダ１１３は、所望のデータを書き込まれた磁気ディスク上の異なるトラックに磁気ヘッドアセンブリ１２１がアクセスできるように、ディスク表面１２２の上方を径方向に行き来する。各スライダ１１３は、サスペンション１１５によってアクチュエータアーム１１９に取り付けられる。サスペンション１１５は、スライダ１１３をディスク表面１２２に対して付勢する僅かなスプリング力を提供する。各アクチュエータアーム１１９は、アクチュエータ手段１２７に取り付けられる。図１に示されるようなアクチュエータ手段１２７は、ヴォイスコイルモータ（ＶＣＭ）であってよい。ＶＣＭは、固定磁界内を移動可能なコイルを含み、コイルの移動の方向および速度は、コントローラ１２９によって供給されるモータ電流信号によって制御される。

ディスクストレージシステムの動作時において、磁気ディスク１１２の回転は、スライダに力を及ぼすエアベアリングを、スライダ１１３とディスク表面１２２との間に生成する。エアベアリングは、したがって、通常動作時において、サスペンション１１５の僅かなスプリング力と打ち消しあい、実質一定の小間隔だけディスク表面から離れた僅か上方においてスライダ１１３を支える。

ディスクストレージシステムの各種の構成要素は、動作時に、制御ユニット１２９によって生成されるアクセス制御信号および内部クロック信号などの制御信号によって制御される。通常、制御ユニット１２９は、論理制御回路、ストレージ手段、およびマイクロプロセッサを含む。制御ユニット１２９は、ライン１２３に載せる駆動モータ制御信号およびライン１２８に載せるヘッド位置決め及び探索制御信号などの、各種のシステム動作を制御するための制御信号を生成する。ライン１２８に載せる制御信号は、スライダ１１３をディスク１１２上の所望のデータトラックに最適に移動させて位置決めするための所望の電流プロフィールを提供する。書き込みヘッドおよび読み取りヘッド１２１との間では、記録チャネル１２５を通じて書き込み信号および読み取り信号がやり取りされる。

図２を参照すると、スライダ１１３内の磁気ヘッド１２１の向きを詳細に確認することができる。図２はスライダ１１３のＡＢＳを示しており、誘導書き込みヘッドと読み取りヘッドを含む磁気ヘッドがスライダのトレーリングエッジに配置されているのが分かる。典型的な磁気ディスクストレージシステムに関する上記説明と添付した図１は、例示にすぎない。ディスクストレージシステムがディスクとアクチュエータを多数含むことができること、そして各アクチュエータが複数のスライダをサポートできることは明らかである。

次に図３および図４を参照すると、スピントルク発振を利用して局部的な磁界を検出することができる磁気抵抗センサ３０２が示されている。図３はエアベアリング面（ＡＢＳ）から視たセンサ３０２を示す。図４は、センサ３０２の垂直断面図を示すとともに、「ビット」４０４の記録磁気転移を有する媒体４０２を示す。

磁気抵抗センサは、電気リードおよび磁気シールドとして機能できるようにＮｉＦｅなどの導電磁性材料から製造可能な第１および第２の磁気シールド３０６、３０８の間に挟まれたセンサスタック３０４を含む。センサスタックは、ピンニング層構造３１０と、自由層３１２と、自由層３１２およびピンニング層構造３１０の間に挟まれた非磁性層３１４とを含む。非磁性層３１４は、Ｃｕなどの非磁性の導電性スペーサ層とすることができる、または薄い非磁性の導電性絶縁障壁層となる場合もある。Ｔａなどのキャッピング層３２８は、センサスタック３０４の上に形成することができる。

ピンニング層構造は、磁気ピンニング層３１６と、基準層３１８と、ピンニング層３１６および基準層３１８の間に挟まれた非磁性の反平行結合層３２０とを含むことができる。磁気ピンニング層３１６と基準層３１８はＣｏＦｅなどの材料から構成することができ、反平行結合層３２０は厚さ約１０オングストロームのＲｕなどの材料から構成することができる。ピンニング磁性層３１６は、反強磁性材料ＡＦＭ層３２２の層と交換結合することができる。このＡＦＭ層３２２は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、または他の適切な反強磁性材料とすることができる。ＡＦＭ層３２２とピンニング層３１６との間の交換結合は、矢印末尾記号３２４によって示されるようにＡＢＳに垂直な第１の方向にピンニング層の磁化を強力にピンニングする。ピンニング層３１６と基準層３１８との間の強い反平行結合は、矢印頭記号３２６によって示されるようにＡＢＳと垂直な第２（反平行）の方向に基準層の磁化をピンニングする。

一実施形態では、自由層３１２の磁化は、矢印３３０に示されるようにＡＢＳと略平行にバイアスされている。このバイアスは、センサスタック３０４の両側に配置可能な第１および第２の硬磁性バイアス層３３２、３３４によってもたらすことが可能である。バイアス層３３２、３３４は、絶縁層３３６によって、センサスタック３０４から、およびリード３０６の少なくとも１つから隔てられる。代替実施形態では、ＡＢＳに略垂直であるなど、他の方向に向けられた自由層を含むことができる。

一磁化層によって生成される高い電流密度のスピン偏極電子が第２の磁化層に衝突すると、（非特許文献１）によって説明されるようなスピン注入と呼ばれるメカニズムを介して該第２の層の磁化を動的に励起するスピントルク効果が観察される。ここで、強磁性体を通る電子のスピンは、強磁性体の磁化に平行になるように位置決めされ、磁化に直角なスピン角運動量の成分が失われる傾向にある。角運動量を保存するために、偏極電流によって磁化上にトルクを励起する必要がある。例えば、図３および図４に示す場合、電子は基準層３１８から非磁性層３１４を経由して自由層３１２へ流れ、基準層３１８を流れる電子のスピンは基準層３１８の磁化３２６によって偏極される。センサの形状、異方性、層の材料および厚さ、ならびに印加される電流および磁界などのシステムの種々のパラメータに依存して、これらの偏極電子は、自由層３１２の磁化にトルクを加えることで、スピン波を生成することができるが、このスピン波により結果としてカオス的な磁化ダイナミクス（ノイズ）または集団励起（発振）が生じる。

スピントルクで誘導されるノイズはセンサにおいては望ましくなく、このノイズを低減または排除する努力がなされてきた。対照的に、スピントルク発振は、例えば、（非特許文献２）に説明するように、通信アプリケーションの場合はマイクロ波の可能なソースとして見なされてきた。これらの発振は、強磁性体の平衡軸に沿って、スピントルクによって励起される磁化の歳差運動を伴う。例えば、図３および図４を参照すると、磁化３３０の歳差運動または発振は矢印３３８によって示される。ピンニング層の磁化は反強磁性体層との交換異方性によって抑制されるが、印加された電流密度がピンニング層でスピントルクを励起するのに十分な大きさである場合はピンニング層の磁化も発振しセンサ信号に寄与することが可能であることに留意されたい。

この歳差運動の周波数（発振周波数）は磁界を印加することによりシフトすることが分かっている（（非特許文献２）（非特許文献３））。センサの材料とジオメトリを適切に選択すれば、このシフトが非常に大きくなり得る。最大１８０ＧＨｚ／Ｔまでの周波数シフトが立証されており、これより高い値も可能である（（非特許文献４）（非特許文献５））。本発明ではこれらの周波数シフトを利用して、磁気記録媒体の磁気ビットによって誘導される自由層での磁界の変化３３８を検出する。

このことを踏まえ、センサ３０２はリード３４０、３４２を介して処理回路３４４に接続される。リード３４０、３４２はシールド／リード層３０６、３０８に接続することができ、一方のリード３４０は一方のリード／シールド層３０８に、他方のリード３４２は他方のリード／シールド層３０６に接続するようにする。処理回路３４４はセンサスタック３０４を介してセンス電流を送信し、また、センサスタック３０４における電気抵抗を測定する。当業者には理解されるように、基準層３１６の磁化３２６に対して自由層３１２の磁化３３０の向きが変わると、スペーサまたは障壁層３１４における電気抵抗が変化する。これらの磁化３３０、３２６が平行に近づくほど電気抵抗は小さくなる。反対に、これらの磁化３３０、３２６の反平行性が強いほど電気抵抗は大きくなる。

図４を参照すると、磁気媒体４０２の磁気転移４０４は、磁化３３０の発振３３８の周波数に上述した変化を引き起こす。磁化３３０が発振すると、回路３４４によって、センサスタック３０４における電気抵抗の変化を測定することにより、この発振の周波数を測定することができる。したがって、ここでは、これまで信号ノイズの主な要因および標準的なＧＭＲまたはＴＭＲセンサのセンササイズの縮小における制限要因であったスピントルク発振を有利に利用することで、極小ビットサイズの磁界の存在を測定する。

固有周波数が２０ＧＨｚであり２００ＧＨｚ／Ｔだけ変化するスピントルク発振３３８の場合、磁気媒体４０２における転移４０４に基づく磁界の揺れが５０ｍＴであると、１５ＧＨｚから２５ＧＨｚまでの１０ＧＨｚの発振３３８の周波数シフトが生じる。１ギガビット／秒のデータレートでは、スピントルク発振子は、センサがある極性の記録ビットの上を通ると約１５回を超える歳差運動を行い、反対の極性の記録ビットの上を通ると２５回の歳差運動をする。

スピントルク発振子３０２の信号および信号対雑音比を、従来のＧＭＲモードで動作する類似のセンサと比較することができる。加法性ホワイトガウスノイズ（ＡＷＧＮ）と最大信号振幅の大きさは同じ状態のままとなり得ることを前提とすることができる。従来のＧＭＲセンサと比べるとスピントルク発振子３０２の効率が高く、信号対雑音比にして純粋に６ｄＢの優位を期待できる。

ＳＴＯセンサの好適な実施形態では、印加された磁束が最大の負磁束から最大の正磁束へスイープされると、スピントルク発振子は、磁束信号自体の帯域幅より広い周波数範囲にわたってスイープされる。この磁束によるＳＴＯの広帯域変調は、ジョンソン雑音および磁気ノイズに起因する摂動に対してシステムをより強くする。ＳＴＯが少なくとも２Ｆｂ／πの帯域幅（ここで、Ｆｂはシステムのデータレート）にわたってスイープされるならば、復調信号内の正味のヘッドノイズおよび電子ノイズは、従来の類似設計のＧＭＲセンサにおいて同じ原因で発生するノイズよりも小さくなる。

ＳＴＯの変調が更に大きくなると、復調信号における正味のヘッドノイズおよび電子ノイズは減少する。周波数変調システムでは、通常、位相検出システムを使用するので、どれだけのＳＴＯ周波数を変調できるかについて重要な実用上の制限がある。１つの重要な検討事項として、変調度（周波数レンジ対最大周波数の比として定義される）が高くなると、それに応じて位相検出器への入力での信号の帯域幅は大きくなり、位相検出器への入力でのＳＮＲは低くなる、ということがある。ＳＮＲが非常に低いと、位相検出器への入力でのノイズが、信号全体の符号を変化させるのに十分な大きさとなる場合がある。この信号変化は、位相検出器によって１８０度位相変化として解釈され、位相検出器の出力に非常に大きなノイズパルスをもたらす。実際には、位相検出器への入力でのノイズの電力は、信号が変化する確率を１ｅ−６より小さく維持するために、信号の電力の少なくとも１／５に抑える必要がある。適切に設計されたシステムならば、ＳＴＯの変調は、ジョンソン雑音および磁気ノイズの効果がＳＴＯでの位相ノイズと比較して無視できるほど小さく、その効果はノイズが位相検出器への入力での信号極性を反転可能なほど大きくならないことを十分に保証するものとなる。

更に、共振する自由層３１２の異方性を増すことにより、信号対雑音比の大幅な改善を期待することができるが、これは、より硬質な自由層３１２によるものであり、磁化３３０の温度変動も抑制し、磁気ノイズを大幅に低下させる。スピントルク発振子３０２のパフォーマンスの利点を更に示すために、Ｔ５０＝Ｔの記録ビットの代表的なトラックを想定する。ここで、Ｔ５０は磁束がフルレンジの２５％から７５％に上がるのに必要な時間を示し、Ｔはビットの読み取りまたは書き込みに必要な時間を示す。従来のＧＭＲセンサで長いマグネットを読み取り同じセンサで埋め込まれたデータビットを読み取る場合と、スピントルク発振子で同じ２つのデータセットを読み取る場合を比較すると、スピントルク発振子を使用した場合の２つの読み取り信号間の平均二乗誤差は、従来のＧＭＲセンサを使用した場合の読み取り信号間の平均二乗誤差の約４倍もの大きさとなる。

スピントルク発振子３０２に求められる信号対雑音比を推測し、それを従来のＧＭＲセンサと比較することができる。従来技術のＧＭＲセンサの信号対雑音比は、約２７ｄＢ〜３３ｄＢの範囲にある。センサのＳＮＲ要件は、ほとんどの場合、この高さのままで維持されることか、または読み取りがＴＢ／ｉｎ^２の領域に入ったときに３５ｄＢへ更に上昇することである。磁気抵抗センサでの信号対雑音比は、ＳＮＲ＝１０Ｌｏｇ_１０（Ｓｉｇｎａｌ_{（０−ρ）} ^２／ｎｏｉｓｅｐｏｗｅｒ）として定義される。ここで、Ｓｉｇｎａｌ_{（０−ρ）}は、ベースツーピーク信号である。スピントルク発振子センサ３０２の場合、ベースツーピーク信号電力は、最大媒体磁界に期待できる周波数変調の大きさによって決定される。ノイズ電力は、周波数の平均二乗揺らぎから求められる。

スペクトル線がガウス分布であると想定すると、ＦＷＨＭは約２．３５シグマであり、３０ｄＢの信号対雑音比の場合は、約１３：１のライン幅対変調度比に対応し、４０ｄＢの場合、４２：１の比に対応する。即ち、プラスまたはマイナス５ＧＨｚの変調度で４０ｄＢを達成するには、２３４ＭＨｚ未満のライン幅が必要となる。プラスまたはマイナス２５０ＭＨｚの変調度の場合、ライン幅は１２ＭＨｚ未満でなければならない。スペクトル線に寄与する位相ノイズの発生源は２つあり、両方とも熱変動から生じる。これらはスピンの運動に沿った変動およびスピンの運動に垂直な変動である（速度ノイズと角度ノイズ）。速度ノイズは式Δｆ_Ｌ＝（４πλγαｋ_ＢＴｎ^２）／（Ｍ_ｓＶＤ^２）で与えられる。ここでγは磁気回転比、αはギルバート減衰パラメータ、Ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｍ_ｓは磁化、Ｖはボリューム、Ｄは単位球面における歳差運動の角度、ｎはモード指数である。室温に置かれた代表的な材料において、ＳＴＯ変調度が５〜１０ＧＨｚである場合、これは約２４ＭＨｚであり、高ＳＮＲの実現に必要なライン幅よりかなり小さい値となる。

角度ノイズは式Δｆ_ｔ＝ｎ（ｄｆ／ｄθ）Δθで与えられる。ここで、代表的な材料およびデバイスにおけるｄｆ／ｄθの推定値は約３５ＭＨｚ／度である（非特許文献６）。角度変動は、熱浴における静的スピンシステムの熱励起から推定することができる。歳差運動角度の熱的効果の予測される変化の概算をここで提示する。システムのエネルギーは式Ｅ（θ）＝ＫＭ_ｓＶ（ｓｉｎθ）^２で試算することができる。ここで、θは、磁化がその平衡位置から回転する角度であり（厳密には歳差運動の軌道からの変動ではないが、この試算の場合は十分に近くなる）、Ｍ_ｓは磁化であり、Ｋは異方性である。これをアレニウスの法則式に当てはめ、小さな角度に対して（ｓｉｎθ）^２＝θ^２を使用すると、磁化をその平衡状態から離れた角度θで検出する確率は、平均を０および標準偏差を［ｓｑｒｔ（ｋ_ＢＴ／２Ｅ_０）］とするガウス分布で表わされる。ここで、Ｅ_０は平均変動角度θ_０に対応するエネルギーである。エネルギー障壁Ｅ０はおよそＥ（π／２）＝ＫＭ_ｓＶ／２となる。

サイズの異なる複数のセンサについて、複数のエネルギー障壁（ｅＶまたは異方性磁界で表わされる）に対応する変動角度を見積もることができる。

ＴＢ／ｉｎ^２またはより高いデータ密度で使用されると考えられるサイズを有するセンサについて、周波数変動は約２００ＭＨｚとなる可能性が高いことが分かる。上述した検討事項により、周波数ノイズへはこの角度ノイズの関与が支配的となる。この概算に基づくと、センサの周波数変調が１０ＧＨｚの場合、システム全体の信号対雑音比は約４０ｄＢとなる。周波数角度ｄｆ／ｄθの周波数依存性はセンサの材料と形状に依存するので、この項を改良してＳＮＲを更に高くする、またはセンサの動作ポイントでの周波数（電流）を低くする余地がある。

異方性の高い自由層を選択すれば、歳差運動する磁化の速度ノイズおよび角度ノイズがノイズを支配するように磁気ノイズ（ｍａｇ−ｎｏｉｓｅ）を大幅に減らすことができる。特に、ｍａｇ−ｎｏｉｓｅのノイズ電力は、式Ｐ_{ｍａｇｎｏｉｓｅ}≒ｋ_ＢＴＰＲ_Ｐ（ΔＲ／Ｒ）^２α／Ｈ_{ｓｔｉｆｆ}２γＭ_ｓＤ^２Ｔ_ｆｒｅｅで得られる。ここで、ｋ_Ｂはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｐはセンサによって消散される電力、Ｒ_ｐはセンサの抵抗、ΔＲ／Ｒは磁気抵抗、αはギルバート減衰定数、Ｈ_{ｓｔｉｆｆ}はセンサの剛性磁界（一軸異方性と形状異方性を含む）、γは磁気回転比、Ｍ_ｓは飽和磁化、Ｄはセンサの片側、ｔ_ｆｒｅｅは自由層の厚さである。したがって、異方性が３倍に高まると、磁気ノイズ（ｍａｇ−ｎｏｉｓｅ）は１／１０近くに減少する。

本発明の態様を示すために、複数の単純な磁気システムを検討することができる。図７および図８は、スピントルクがどのようにして定常状態の磁化歳差運動を励起できるかを示す。図７および図８のグラフは、スピン偏極電流（電流密度５Ｅ７Ａ／ｃｍ^２および楕円の長軸に沿った向きの時不変の１００Ｏｅの磁界）によって与えられるスピントルクの影響下にある４０ｎｍ×１２０ｎｍ×５ｎｍの厚さの楕円形ナノマグネットをシミュレーションしている。磁化発振の振幅（図７のグラフでは磁化のｘ成分をプロット）がリングアップする初めの短い期間が過ぎると、定常状態の歳差運動に達し、高速フーリエ変換が行われたとき、図８に示す適切に定義された周波数でクリアなスペクトルピークを示す。

上述のスピントルク発振子の一つの問題点は、ピンニング層構造３１０とピンニングＡＦＭ層３２２が大量のギャップバジェット（即ち、シールド３０６、３０８の間の距離）を消費するということである。ビットサイズを更に小さくするための取り組みでは、データビットの長さを短縮してデータ密度を高めるために、このギャップを大幅に小さくする必要がある。上述したスピントルク発振センサは、従来のＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサの場合とほぼ同じ厚さになるように制限されている。センサスタックは、約２０ｎｍより薄くは、無理なく製造することができない。１Ｔｂ／ｉｎ^２を超える面密度では、ギャップは２０ｎｍより小さくなる必要があり、厚さが約１０ｎｍ以下のギャップに縮小可能なセンサを構築することが望ましい。

図５および図６は、かかる小さなギャップ厚を実現可能な、本発明の実施形態に従うスピントルク発振センサを示すものであり、このようなギャップ厚が可能になる理由は、前述したＡＰ結合ピンニング層構造と厚いＡＦＭピンニング層（図４の３１０、３２２）が排除されるためである。図５はスピントルク発振センサ５０２を示し、このセンサは、薄い反平行結合層５１０によって互いに隔てられた第１および第２の自由層５０６、５０８を含むセンサスタック５０４を有する。センサスタック５０４はまた、センサスタックの一番下にシード層構造５１２（上に形成された層内の所望の結晶構造を保証するために設けることが可能）と、センサスタックの一番上にＴａなどのキャッピング層５１４（製造時にセンサスタックの他の層を保護するため）を含んでもよい。

センサスタック５０４は、導電性リードとしておよび磁気シールドとして機能できるように導電性の材料から構成される第１および第２の磁気シールド５１６、５１８の間に挟まれている。磁気シールド５１６、５１８の間の距離は読み取りギャップＧを定義し、この読み取りギャップＧは、センサで読み取り可能なデータのビットの長さを定義する。センサスタック５０４の外側に位置し、且つシールド５１６、５１８の間にある領域は、アルミナなどの非磁性充填層５０７で埋めることができる。

引き続き図５を参照すると、反平行結合層５１０は非常に薄く、２つの自由層５０６、５０８を強力に反平行結合することができるほどの厚さである。反平行結合層５１０は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒなどの材料から、または反平行結合を実現することができる他の適切な非磁性の伝導性材料から構成することができる。反平行結合層５１０は、２〜８オングストロームの間のいかなる厚さにもすることができる。ただし、所望の厚さは、層５１０で使用される材料に依存する。更に、この層は導電層である必要があり、この層のスピン散乱（スピン軌道散乱から生じる場合がある）は、一方の層から他方の層へ到着する電流の偏極が実質的に減少しないように十分に低くなければならない。磁性自由層５０６、５０８は、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅなどの磁性材料から、またはこれらの材料を組み合わせたものから、または従来技術で公知のＧＭＲおよびＴＭＲ磁気抵抗用の他の任意な適切な自由層から構成することができる。この反強磁性的に結合されたシステムで磁気発振を達成するには、一方の磁性層５０６の磁気モーメントが他方の磁性層５０８の場合より大きいことが望ましい。磁気モーメントは、磁性層の物理的な厚さと、その層を構成する材料の飽和磁化とを乗算した結果として定義できる。例として、磁性層５０６、５０８を同じまたは類似の磁性材料から構成し、一方の層５０６の物理的な厚さを約４ｎｍ、他方の層５０８の物理的な厚さを約２ｎｍとすることができる（即ち、一方の層の厚さは他方の層の厚さの約２倍となり、約２倍の磁気モーメントが得られる）。

前述したように、磁性層５０６、５０８は、向きが反対（即ち、互いに反平行）の磁化５２２、５２４を持つように反平行結合されている。磁性層５０６、５０８は、静止状態のときにエアベアリング面ＡＢＳに垂直な向きの磁気異方性を持つように構成することができる。ただし、他の向きでも動作する。これは図５、更に詳しくは図６を見れば分かる。

磁気センサ５０２はリード線３４０、３４２を介して処理回路３４４と接続することができ、これらのリード線は処理回路３４４をシールド／リード５１６、５１８と接続する。この回路は、センサスタック５０４の中に、層の平面と垂直な方向にセンス電流を流す。この電流が流れると、層５０６、５０８の磁化に作用するスピントルク力が生じ、磁化５２２、５２４は発振する。図５および図６において、これらのスピントルクで誘導される発振はカーブした矢印５２６、５２８によって示される。これらの発振は上述のように発生し、前述したように歳差または円錐形式で運動する。また、上述したように、この歳差発振は磁界に応答して変化する周波数で発生する。

しかし、前に説明した実施形態とは対照的に、反平行結合された磁性層の磁化は両方とも同時に発振する。層５０６、５０８が反平行結合されている間、これらの層の磁化は結合層５１０と平行な平面に対して、はさみ発振する。したがって、この発振中、磁化５２２、５２４は内向きおよび外向きとなって、互いに反平行状態となる。これにより、磁界および隣接する磁界に対応する頻度で、センサスタック５０４において抵抗の変化が発生する。両方の層の磁化が大きく動くはさみのような運動は、前述したＳＴＯセンサの場合の運動（自由層の運動は大きく、ピンニング層の磁化は実質的に動きがない）とは大きく異なるものである。

例えば、図１を参照して前述したようなデータ記録システムでセンサが使用される場合、センサ５０２のＡＢＳ面に隣り合う磁気媒体４０２が存在する。この磁気媒体は、図示のように磁気媒体と実質的に垂直な向きにすることが可能な磁気転移４０４で書き込むことが可能である。各磁気ビット４０４がセンサスタック５０４を通り過ぎると、発振５２６、５２８の周波数が、媒体からの磁界に応答して変化し、この発振周波数の変化は、センサスタック５０４における抵抗変化の周波数の変化として、回路３４４によって検出可能である。

本発明の本実施形態の主な利点は、ピンニング層構造およびＡＦＭピンニング層と比較してギャップ厚Ｇを大幅に縮小できるということである。当業者には理解されるように、ＡＦＭ層がピンニング層として機能するには、ＡＦＭ層が他の層に対して厚くなければならない。したがって、図５および図６を参照して前述したようにスピントルクセンサを構築すれば、従来のＧＭＲまたはＴＭＲセンサのギャップ厚が２０ｎｍ以上であるのに対して、または図３および図４を参照して前述したスピントルクセンサの場合と比べても、センサをわずか約７〜９ｎｍと、狭いギャップＧで製造することができる。

図９のグラフでは、上例の直流磁界を交流磁界（４００Ｏｅピークツーピーク）に置き換えることにより、ハードドライブの媒体によって励起されるスピントルク発振センサの応答をモデル化している。ここで、歳差運動する層は１０００Ｏｅの異方性磁界を持つと想定している。磁気媒体に特有の励起場に対して持続的な磁化発振が生成され得ることが分かる。更に、これらの発振の固有周波数（約１０ＧＨｚ以上）は５００ＭＨｚの交流磁界周波数よりかなり大きいので、１つのデータ期間で多数の測定サイクルを実現することは問題にならない。

磁界が最も正または負にスイープされる時間に注目すると、歳差運動の周波数と振幅の両方で、励起場に対する明確で測定可能な応答を確認できる。これらの両方の領域において期間を測定すると、正のピークと負のピークとの間で約３．５ＧＨｚのスピントルク発振子の周波数シフトを取得できる。ＧＭＲまたはＴＭＲタイプのセンサ構造によって検出が行われる場合、その構造の抵抗は、歳差運動層の磁化と磁化が固定された基準層との間の角度の余弦として変化するので、歳差運動周波数に関して信号周波数と周波数シフトが２倍となることに留意されたい。

図１０は本発明の別の実施形態を示す。隣接するトラックの干渉は、非常に高いデータ密度（例えば、非常に小さなトラック幅）のデータトラックの読み取りに重大な問題をもたらす。この問題を克服する１つの方法は、マルチセンサを構築することである。このマルチセンサでは、中央のセンサで所望のトラックを読み取り、隣接するトラック信号を打ち消しできるように中央のセンサの両側にある第１および第２のセンサを使用して隣接するトラック信号を読み取る。しかし、そのような構造を効果的なものとするには、両脇のセンサを中央の一次センサにかなり近づける必要がある。ＧＭＲやＴＭＲセンサなどの従来のセンサを使用する場合は、各センサに個別にリード構造を設ける必要がある。したがって、機能的な読み取りヘッドにおいてそのようなマルチセンサ構造を使用することは実用的でない。光リソグラフパターン化制約は、これらのリードのサイズや間隔を縮小可能な量を制限する。更に、ヘッド上で利用できるスペース（面積）には限りがあるので、これらのセンサそれぞれの種々のリードをヘッド上に収容することはできない。

図１０を参照して示す本発明では、この問題を克服し、マルチセンサの使用を極めて現実的なものとすることができる。図１０に示すように、複数層センサ構造１００２は、複数のセンサスタック１００４、１００６、１００８を含む。エアベアリング面（ＡＢＳ）と平行な平面でみたセンサ構造１００２を図１０に示す。したがって、センサ構造１００２は、所望のデータトラックを読み取るのに使用される中央の一次センサスタック１００６を含むことができる。構造１００２はまた、隣接したデータトラックを検出するのに使用可能な第１および第２の両脇のセンサ１００４、１００８も含む。センサスタック１００４、１００６、１００８は、アルミナなどの非磁性絶縁材料で充填可能な狭いギャップ１０１０、１０１２によって隔てることができる。センサ構造はまた、磁気シールドおよび電気リードとして機能することができるように導電磁性材料から構成可能な第１および第２のリード１０１４、１０１６を含む。

センサスタック１００４、１００６、１００８のそれぞれは、磁気抵抗センサユニットをそれぞれ形成するために、様々な方法で構築することができる。例えば、各センサスタック１００４、１００６、１００８は、図５および図６に示した構造と同じように、薄い反平行結合層５１０で隔てられた磁性層５０６、５０８を含むことができる。また、図５および図６に示した構造と同じように、センサ要素１００４、１００６、１００８はそれぞれシード層５１２とキャッピング層５１４を含むことができる。

前述したように、従来技術のセンサ構造ではセンサスタックごとに独立したリード構造を必要としたので、マルチセンサ構造は現実的に不可能であった。ただし、本発明では、スピントルク発振（前述したような）を利用して磁界の存在を検出するので、個別のリード構造の必要性が完全に排除される。

図から分かるように、各センサスタック１００４、１００６、１００８は、共通の下部リード１０１４と共通の上部リード１０１６を共有している。したがって、センサ１００４、１００６、１００８は、互いに並列に接続されている。各センサは、異なる固有の調和周波数に調整されるように（磁界の不在時に）構築することができる。これは、各センサスタック１００４、１００６、１００８のサイズ、形状、および／または種々の層の構成を調整することにより達成される。

各センサスタック１００４、１００６、１００８の有する固有発振周波数はそれぞれ異なるので、各センサスタックからの信号は回路１０１８によって処理され得る。回路１０１８は、共通のリード１０１４、１０１６を経由するセンサスタック１００４、１００６、１００８からの信号を処理することができる。回路は、センサスタック１００４、１００６、１００８のそれぞれからの信号を、センサスタックの異なる固有発振周波数に基づいて区別することができる。

図１１に示すのは本発明の実施形態であり、隣接するトラックの干渉を緩和するために複数のセンサ要素を電気的に直列に接続することができる。マルチセンサ構造１１００は複数のセンサスタック１００４、１００６、１００８を含み、これらのセンサスタックはセンサアレイ内に並べて配置することができる。センサスタック１００４、１００６、１００８は、中央のセンサ１００６が所望のデータビットを読み取り、中央のセンサ１００６を一次センサと見なせるように配置することが可能である。他のセンサスタック１００４、１００８は、隣接するトラックを読み取るように配置することができる。

複数のセンサ要素のうちの１つのセンサ要素の一表面（例えば、センサ要素１００８の上面）を第１のリード／シールド層１１０２と接続することができ、第１のリード／シールド層１１０２はリード１１０６を介して処理回路１１０４に接続することができる。センサ要素１００８の他端（例えば、下端）は、リード／シールド層１１０８と接続することができ、更にリード／シールド層１１０８は真ん中のセンサ要素１００６の一端と接続される。真ん中のセンサ要素１００６の他端は、第３のリード／シールド層１１１０と接続することができ、更にリード／シールド層１１１０はセンサ要素１００４の一端と接続される。センサ要素１００４の他端は、リード／シールド層１１１２と接続することができ、更にリード／シールド層１１１２はリード層１１１４を介して処理回路１１０４と接続することができる。他の接続スキームを有する別の実施形態も可能であるが、上述した実施形態で、隣接するトラックを読み取るために、本発明を使用してセンサを一列に並べて接続する方法を説明している。

センサスタック１００４、１００６、１００８はリード層１１０２、１１０８、１１１０、１１１２を介して一列に接続され、処理回路１１０４に接続されている。処理回路は各センサスタックからの信号を区別し処理することができる。上述の例のように、センサスタック１００２、１００４、１００６は、各センサスタックが一意の固有スピントルク発振周波数を持つように構築することができる。このようにして、回路は、各センサスタックからの信号を区別することができる。センサスタック１００４、１００８からの信号を使用すれば、隣接トラックからの信号を検出することができる。回路ではこれらの隣接トラックからの信号を打ち消すことにより、隣接トラックの干渉を排除し、中央のセンサ要素１００６で読み取られる所望のトラックから信号を分離することができる。

更に、広範囲の動作周波数を有するマルチセンサ内において、ピンニング層を備えたＳＴＯセンサスタック（一般に発振周波数は低い）を、本発明を具現化するスタック（一般に発振周波数は高い）と結合することができる。

このセンサは、磁界の空間分布をイメージ化するための走査プローブシステムに検出器として組み込むことができ、また、生体分子でタグ付けされた電磁ビーズをカウントするための装置のように、生体物質と結合された磁気構造を検出するためのセンサとして使用することもできることも理解されたい。

各種の実施形態が上述されてきたが、これらは、限定のためではなく例として示されたものにすぎない。当業者にならば、発明の範囲内に入るその他の実施形態も明らかになるであろう。したがって、発明の広さおよび範囲は、上述されたいかなる例示的実施形態によっても限定されるべきでなく、以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物にしたがって定められるべきである。

３０２磁気抵抗センサ
３０４センサスタック
３０６第１の磁気シールド
３０８第２の磁気シールド
３１０ピンニング層構造
３１２自由層
３１４非磁性層
３１６磁気ピンニング層
３１８基準層
３２０非磁性の反平行結合層
３２２反強磁性材料ＡＦＭ層
３２８キャッピング層
３３０自由層の磁化
３３２第１の硬磁性バイアス層
３３４第２の硬磁性バイアス層
３３６絶縁層
３３８発振
３４０リード
３４２リード
３４４処理回路
４０２磁気媒体
４０４磁気転移
５０２スピントルク発振センサ
５０４センサスタック
５０６第１の自由層
５０７非磁性充填層
５０８第２の自由層
５１０薄い反平行結合層
５１２シード層構造
５１４キャッピング層
５１６第１の磁気シールド
５１８第２の磁気シールド
５２２磁化
５２４磁化
５２６発振
５２８発振
１００２複数層センサ構造
１００４センサスタック
１００６センサスタック
１００８センサスタック
１０１０狭いギャップ
１０１２狭いギャップ
１０１４第１のリード
１０１６第２のリード
１０１８回路
１１０２第１のリード／シールド層
１１０４処理回路
１１０６リード
１１０８センサ要素
１１１０第３のリード／シールド層
１１１２リード／シールド層
１１１４リード層。

Claims

第１の磁性層と、
第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に挟まれ、前記第１の磁性層および前記第２の磁性層を反平行結合する厚さを有する非磁性層と、
前記第１の磁性層、前記第２の磁性層、およびスペーサ層にセンス電流を流す回路とを有し、
前記センス電流は前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の磁化にスピントルク誘導発振を引き起こし、前記発振の周波数が磁界の存在に応じて変化するスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記回路は、前記発振の周波数を測定するよう動作する請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層は、休止状態において互いに反対となる磁化を有する請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層は休止状態において互いに反対となる磁化を有し、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の前記磁化が、これらの層を流れる電子からのスピントルクに応じて自由に運動する請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層は、磁気的にピンニングされない請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記磁化は、相互に対してはさみ運動を形成する歳差運動で発振する請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
エアベアリング面を有し、
前記発振は、前記エアベアリング面に垂直な軸を中心にした歳差運動の形式をとる請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
エアベアリング面を有し、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の磁化は休止状態において互いに反対の向き且つ前記エアベアリング面に垂直な向きとなる請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の前記磁化の前記発振は、前記センサスタックを流れる電子のスピン偏極によって誘導されるスピントルクによって引き起こされる請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記非磁性層は、Ｒｕ、Ｉｒ、またはＣｕを含む、請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記非磁性層は、２〜８オングストロームの厚さを有する請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記スピントルク発振磁気抵抗センサは、反強磁性体材料層を含まない請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記スピントルク発振磁気抵抗センサ内において、磁性層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層のみである請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記第１の磁性層の磁気モーメントは、前記第２の磁性層の磁気モーメントより大きい請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
前記スピントルク発振磁気抵抗センサは、磁気ピンニング層を含まない請求項１に記載のスピントルク発振磁気抵抗センサ。
複数のセンサ要素であり、前記センサ要素のそれぞれは一対の反平行結合自由磁性層を有し、各センサの前記磁性層の固有発振周波数が他方のセンサ要素の前記磁性層の固有発振周波数と異なる複数のセンサ要素と、
前記センサ要素にセンス電流を供給するために前記センサ要素と接続された回路とを有し、
前記センス電流が、前記センサ要素のそれぞれが有する前記磁性層でスピントルク誘導磁気発振を引き起こす磁気抵抗マルチセンサアレイ。
磁気抵抗マルチセンサアレイであって、
一対の反平行結合自由磁性層を含むセンサ要素と自由磁性層およびピンニング磁性層から構成されるセンサ要素との両方を有する複数のセンサ要素であり、各センサの発振磁性層の固有磁気発振周波数が他方のセンサ要素の前記発振磁性層の固有発振周波数と異なる複数のセンサ要素と、
前記センサ要素にセンス電流を供給するために前記センサ要素と接続された回路とを有し、
前記センス電流が、前記センサ要素のそれぞれが有する前記磁性層でスピントルク誘導磁気発振を引き起こす磁気抵抗マルチセンサアレイ。
前記回路は、前記複数のセンサ要素のそれぞれが有する前記磁性層の前記発振周波数を測定するよう動作する請求項１６又は１７に記載の磁気抵抗マルチセンサアレイ。
前記回路は、固有発振周波数の違いに基づいて前記複数のセンサ要素のそれぞれからの信号を区別するよう更に動作する請求項１７又は１８に記載の磁気抵抗マルチセンサアレイ。
前記複数のセンサ要素は、互いに電気的に直列に連結される請求項１６又は１７に記載の磁気抵抗マルチセンサアレイ。
前記複数のセンサ要素は、互いに電気的に並列に連結される請求項１６又は１７に記載の磁気抵抗マルチセンサアレイ。