JP2012230751A - 磁気抵抗センサ、装置および方法 - Google Patents

磁気抵抗センサ、装置および方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 磁気抵抗読取センサを提供する。
【解決手段】 センサは、浮上面に沿って上部電極と下部電極との間に配置された磁気反応性スタックである。センサ内の電流がスタックと少なくとも1つの電極との間の第1の多層絶縁構造によって浮上面近くの領域に制限されることで、読取機の感度が向上する。
【選択図】 図11

Description

関連出願
2010年3月19日付け提出の「TRILAYER READER WITH CURRENT CONSTRAINT AT THE ABS」と題された米国出願番号第12/727,698号を参照し、引用によって援用する。
概要
磁気抵抗センサは、浮上面(Air Bearing Surface)に沿って上部電極と下部電極との間に配置された磁気反応性スタックを含む。スタックを通る電流が浮上面近傍に制限されて感度が増すように、スタックと少なくとも1つの電極との間に多層絶縁構造がある。
図面の簡単な説明
一実施例に係る、磁気読取/書込ヘッドの浮上面(ABS)に垂直な面に沿う、磁気読取/書込ヘッドおよび磁気ディスクの概略断面図である。 一実施例に係る、図1の磁気読取/書込ヘッドのABSの概略図である。 一実施例に係る、面に垂直に電流を流す(CPP)典型的な3層センサスタックのABSの概略図を示す。 一実施例に係る、図3に示される断面A−Aに沿うセンサスタックの概略断面図である。 一実施例に係る、図3の断面B−Bに沿う、ストライプ高さが小さい3層センサの概略断面図である。 図5の3層センサの磁界強度のグラフである。 一実施例に係る、図3の断面B−Bに沿う、ストライプ高さが大きい3層センサの概略断面図である。 図6の3層センサの磁界強度のグラフである。 3層センサの4つの異なる実施例のうちの1つの概略断面図である。 3層センサの4つの異なる実施例のうちの1つの概略断面図である。 3層センサの4つの異なる実施例のうちの1つの概略断面図である。 3層センサの4つの異なる実施例のうちの1つの概略断面図である。 発明の一実施例の概略断面図である。 発明の別の実施例の概略断面図である。 発明の別の実施例の概略断面図である。
詳細な説明
シールドとシールドとの間隔の減少は、2つの自由層を有する3層読取機の使用によって実現することができる。3層構造では、磁化がハサミ状の配向である2つの自由層を用いて媒体の磁束を検出する。合成反強磁性(SAF)および反強磁性(AFM)層は不要であり、自由層のバイアスは、自由層双方の端部が浮上面(air bearing surface)にあるときの、後端の永久磁石と減磁界との組合せから生じる。PMは、ABS面よりも奥にあるので、PM材料特性およびバイアス磁界を犠牲にすることなくシールドとシールドの間隔をより小さくする機能は妨げられない。ストライプ高さおよび後端の磁気バイアスが小さい3層読取機は、高い読出信号を有するが、磁気的には不安定でプロセス変動の影響を非常に受けやすい。
図1は、磁気読取/書込ヘッド10の浮上面(ABS)に垂直な面に沿う、磁気読取/書込ヘッド10および磁気ディスク12の概略断面図である。磁気読取/書込ヘッド10の浮上面ABSは、磁気ディスク12のディスク面16に対向する。磁気ディスク12は、磁気読取/書込ヘッド10に対して、矢印Aで示す方向に移動または回転する。好ましくは、浮上面ABSとディスク面16との間隔は、磁気読取/書込ヘッド10と磁気ディスク12との接触を回避しつつ最小にされる。
磁気読取/書込ヘッド10の書込部分は、上部極18と、絶縁体20と、導電コイル22と、下部極/上部シールド24とを含む。導電コイル22は、上部極18と上部シールド24との間の適所に絶縁体20を利用して保持される。導電コイル22は、図1では2層のコイルとして示されているが、磁気読取/書込ヘッド設計の分野では周知のように、任意の数の層のコイルで形成してもよい。
磁気読取/書込ヘッド10の読取部分は、下部極/上部シールド24と、下部シールド28と、磁気抵抗(MR)スタック30とを含む。MRスタック30は、下部極24および下部シールド28それぞれの終端の間に位置する。下部極/上部シールド24は、シールドとしての機能と、上部極18と共に使用される共有極としての機能双方を有する。
図2は、図1の代表的な磁気読取/書込ヘッド10の浮上面ABSの概略図である。図2は、図1の磁気読取/書込ヘッド10の浮上面ABSに沿って現れる、磁気読取/書込ヘッド10の磁気的に重要な要素の場所を示す。図2において、磁気読取/書込ヘッド10のすべての間隔および絶縁層は、明確にするために省略している。下部シールド28と下部極/上部シールド24との間を離すことによってMRスタック30の場所を設けている。検知電流を、下部極/上部シールド24および下部シールド28を介してMRスタック30を通して流す。図1および図2において検知電流が下部極/上部シールド24および下部シールド28を通して注入されている間、他の構成は、MRスタックを下部極/上部シールド24および下部シールド28から電気的に絶縁し、さらなるリードが検知電流をMRスタック30に与える。検知電流がMRスタック30を通して流れると、読取センサは抵抗応答を示し、結果として出力電圧が変化する。検知電流はMRスタック30の面に対して垂直に流れるので、磁気読取/書込ヘッド10の読取部は、面に垂直に電流を流す(CPP(current perpendicular to plane))タイプの装置である。磁気読取/書込ヘッド10は例示にすぎず、本発明の様々な実施例にしたがい他のCPP構成を使用してもよい。
図3は、3層MRスタック51を含む3層CPP MRセンサ50の一実施例のABSの図を示す。MRスタック51は、金属キャップ層52と、第1の自由層54と、非磁性層56と、第2の自由層58と、金属シード層60とを含む。3層MRスタック51は、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に配置される。
動作時は、検知電流Iが3層MRスタック51の層52〜60の面に対して垂直に流れ、第1の自由層54および第2の自由層58それぞれの磁化方向の間に形成される角度の余弦に比例する抵抗を受ける。次に、3層MRスタック51の両端電圧を測定することにより抵抗の変化を求め、結果として得られる信号を用いて磁気媒体から符号化された情報を復元する。なお、3層MRスタック51構成は例示にすぎず、本発明の様々な実施例にしたがい3層MRスタック51の他の層構成を使用してもよいことに留意されたい。
3層MRスタック51における第1の自由層54および第2の自由層58それぞれの磁化の配向は、反平行であり、最初に他の磁界または磁力がない状態ではABSと平行に設定されている。自由層がこのように反平行方向に整列するのは、これら2つの自由層の間の静磁場相互作用のためであり、読取機の幅(RW)がストライプ高さ(SH)よりも大きい時に生じる。読取機の感度を高めるためには、好ましくは、2つの自由層の整列が互いに直交する整列で各々がABSに対して約45度の角度をなす。これは、各自由層をバイアスする、3層MRスタック51の後方にあるバックバイアス磁石(図3には示されていない)によって実現される。図3の断面A−Aに沿う代表的なCPP MRセンサ50の概略断面図である図4は、ABSよりも奥に設けられ下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に位置するバックバイアス磁石62を示す。ABSの後方の3層センサスタック51の長さは、ストライプ高さSHであり、以下で示されるように、記載される実施例において重要な変数である。
図3における断面B−Bに沿う、3層CPP MRセンサ50のABSに対して垂直な概略断面図が図5に示される。示されている浮上面ABSを有する3層MRスタック51Aは、記録媒体12の上方に配置されている。示されているバックバイアス磁石62は、浮上面ABSよりも奥にある3層MRスタック51Aの上方に配置されている。
3層MRスタック51Aの層構造は、3層MRスタック51と同一である。バックバイアス磁石62の磁化は、矢印63で示され、浮上面ABSに向かう下向きの垂直方向である。3層MRスタック51の第1の自由層FL1および第2の自由層FL2の磁化が、それぞれ矢印53Aおよび55Aによって概略的に示される。先に述べたように、バックバイアス磁石62がなければ、磁化53Aおよび55Aは、ABSに対して平行でかつ互いに反平行となる。バックバイアス磁石62の存在によって、磁化53Aおよび55Aは強制的に図示のようなハサミ状の関係にされる。
図5Aのグラフの曲線57Aは、3層MRスタック51Aにおける、記録媒体12からの磁界強度Hmediaを示す。図5Aに示されるように、センサの磁界強度は、ABSからの距離の関数として指数的に低下する。図5に示されるセンサ形状においては、読取機の幅RWは、3層スタック51Aのストライプ高さSHよりも大きい。自由層FL1およびFL2の磁化53Aおよび55Aがハサミ状の関係にあるので、結果として感度が増す。なぜなら、これらの磁化はどちらも媒体の磁束Hmediaに対して自由に反応するからである。しかしながら、製造中のプロセス変動によって生じた小さな変化が、センサ出力の許容できないほど大きな変動を引起す、または、製品歩留まりを許容できないレベルまで低下させることになる磁気的に不安定な部品さえ生じさせる可能性がある。
図5に示されるセンサ形状の変形が図6に示される。示されているバックバイアス磁石62は、浮上面ABSの遠位において、3層MRスタック51Bの上方に配置される。3層MRスタック51Bの層構造は、3層MRスタック51と同一である。3層MRスタック51Bと3層MRスタック51Aの違いは、3層MRスタック51Bのストライプ高さSHが、3層MRスタック51Bの読取機幅RWの2倍以上の長さであることである。センサスタック51Aおよび51B双方の読取機幅RWは同一である。バックバイアス磁石62の磁化は、矢印63で示され、浮上面ABSに向かう下向きの垂直方向である。第1の自由層FL1および第2の自由層FL2の磁化は、それぞれ矢印53Bおよび55Bで概略的に示される。
3層MRスタック51Aの磁化の配向と異なり、3層MRスタック51Bの後端における各自由層の磁化は、安定しており、矢印63で示されるバックバイアス磁石62の磁化に対して平行である。3層MRスタック51Bのストライプ高さが大きいため、矢印53Bおよび55Bによって示されるように、自由層FL1およびFL2の磁化は自然に緩和されABS近くでは分岐した配向となる。これは、FL1とFL2との間の静磁相互作用のためである。3層センサスタック51Bの安定性および堅牢性は、3層MRスタック51Aのものをはるかに上回る。しかしながら、高められた安定性にはコストが伴う。ストライプ高さが増した結果、3層MRスタック51Bの長さのほとんどは、磁気抵抗検知信号に寄与しない。むしろ、センサスタックの後端が電気的分路として機能することにより、センサ出力が低下する。
強固な安定性および増大した感度を有する3層読取センサを提供する、問題の解決策を図7〜図10に示す。
一実施例が図7においてCPP MRセンサ70によって示される。CPP MRセンサ70において、3層MRスタック71のストライプ高さは、図6に示される読取機の幅RWの少なくとも2倍である。CPP MRセンサ70は、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に位置付けられた3層MRスタック71からなり、後部ギャップ磁石62が、図4に示されるCPP MRセンサ50におけるように3層MRスタック51の後方にある。違いは、CPP MRセンサ70では絶縁層72が3層MRスタック71と下部シールド28との間に位置している点である。絶縁層72が下部シールド28の後端からABSに近いある距離のところまで延びることにより、下部シールド28から3層MRスタック57を通って下部極/上部シールド24に向かう電流の流れを狭くしている。矢印で示されるように、ABS付近の電流の流れを狭くすることによって、3層MRスタック71の後端における電気的分路が妨げられ、結果としてセンサ出力が増す。
別の実施例が図8に示される。CPP MRセンサ80は、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に配置され大きなストライプ高さを有する3層MRスタック71からなり、後方ギャップ磁石62が3層MRスタック71の後ろにある。この場合、絶縁層73は、下部極/上部シールド24と3層MRスタック71との間に配置される。絶縁層73は、下部シールド28の後端から、ABSに近いある距離のところまで延びることにより、矢印で示される、上部シールド24から3層MRスタック71を通って下部シールド28に向かう電流の流れを狭くしている。ABS付近の電流の流れを狭くすることによって、3層MRスタック71の後端における電気的分路が妨げられ、結果としてセンサ出力が増す。
別の実施例が図9に示される。CPP MRセンサ90は、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に配置され大きなストライプ高さを有する3層MRスタック71からなり、後方ギャップ磁石62が3層MRスタック71の後ろにある。この場合、絶縁層73は、下部極/上部シールド24と3層MRスタック71との間に配置され、絶縁層72は、下部シールド28と3層MRスタック71との間に配置される。絶縁層72および73は、上部シールド24および下部シールド28の後端から、ABSに近いある距離のところまで延びることにより、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間、または下部シールド28と下部極/上部シールド24との間の、3層MRスタック71を通した電流の流れを狭くしている。ABS付近の電流の流れを狭くすることによって、3層MRスタック71の後端における電気的分路が妨げられ、結果としてセンサ出力が増す。
別の実施例が図10に示される。CPP MRセンサ100は、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に配置され大きなストライプ高さを有する3層MRスタック71からなり、後方ギャップ磁石62が3層MRスタック71の後ろにある。絶縁層72は下部シールド28の後端からABSまで延びている。この場合、ABS近くの絶縁層72の部分は、処理されて絶縁層72から導電部74に変換されている。導電部74は、矢印で示されるように、下部シールド28から3層MRスタック71を通って下部極/上部シールド24に向かう電流の流れを狭くしている。電流が3層MRスタック71を流れるときにABS付近の電流の流れを狭くすることにより、3層MRスタック71の後端における電気的分路が妨げられ、結果としてセンサ出力が増す。
絶縁層72は、ABSが多数の工程によってラッピングされた後に、導電領域74に変換してもよい。こうした工程のうちいくつかをここで説明する。1つの方策は、同時にスパッタリングされたFeとSiOを絶縁層として使用することである。結果として得られるFe/SiO層は、非晶質であり電気抵抗がある。ABSの優先的な熱処理により、ABSをレーザビームに当てることで約350℃〜400℃という適当な温度にすると、Fe分離が生じ、ABS近くに導電チャネルが形成される。もう1つの方策は、TiOバリア層を絶縁層として使用することである。通常の雰囲気または水素中でTiO絶縁層を含むABSをラッピングすると、TiO層に欠陥が形成されこれが導電チャネルを形成することにより、ABSで電流が流れる。
ABSで導電チャネルに変換されてABSでセンサスタック71を通る電流の流れを狭くする絶縁層を、下部極/上部シールド24とスタック71との間および下部シールド28とスタック71との間に配置することもできる。なお、上記センサスタックは例示にすぎず、本発明の様々な実施例にしたがい他の構成を使用してもよいことに留意されたい。
下部シールド導電体28に絶縁層72を採用すると、製造および装置性能の問題を引起すことが分かった。図7に示されるCPP MRセンサ70の製造における重要なステップは、下部シールド導電体28および絶縁層72の上部、つまり表面Sを、3層MRスタック71が堆積される前に平坦化することである。平坦化は、当業者にとってその技術が周知である化学機械研磨(CMP)によって行われる。異種材料のCMP研磨速度が異なることから問題が生じる。これは、シールド28と絶縁層72との交点付近の表面における山や谷といった、表面Sの不連続性、絶縁材料における皿状変形(dishing)、ならびに他の問題に繋がる。結果として得られる平坦化後の表面Sの予測不能性は、装置性能の不安定さ、処理中のロット間変動、および製造費用の上昇を招く。
下部シールド導電体28に絶縁層72を採用すると、製造および装置性能の問題を引起すことが分かった。図7に示されるCPP MRセンサ70の製造における重要なステップは、下部シールド導電体28および絶縁層72の上部、つまり表面Sを、3層MRスタック71が堆積される前に平坦化することである。平坦化は、当業者にとってその技術が周知である化学機械研磨(CMP)によって行われる。異種材料のCMP研磨速度が異なることから問題が生じる。これは、シールド28と絶縁層72との交点付近の表面における山や谷といった、表面Sの不連続性、絶縁材料における皿状変形(dishing)、ならびに他の問題に繋がる。結果として得られる平坦化後の表面Sの予測不能性は、装置性能の不安定さ、処理中のロット間変動、および製造費用の上昇を招く。
この問題は、図11〜図13に示される発明の実施例によって回避された。図11は、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に配置され大きなストライプ高さを有する3層MRスタック71を備えるCPP MRセンサ110を示し、後方ギャップ磁石62が3層MRスタック71の後ろにある。絶縁層72は多層絶縁構造74に置き換えられている。多層絶縁構造74は、絶縁層76および非磁性金属導電層78を備える。非磁性金属導電層78のCMP研磨速度が下部シールド76と同様であることにより、CMP中の表面Sの平坦化が確実となる。絶縁層76は絶縁側壁77を含み、絶縁側壁77は、下部シールド28と非磁性導電層78との間に導電路がないことを確実にする。側壁77の厚さは3nm〜5nmである。
図12に示されるように、多層絶縁構造74を図9に示される実施例で採用することもできる。図12は、下部極/上部シールド24と下部シールド28との間に配置され大きなストライプ高さを有する3層MRスタック71を備えるCPP MRセンサ120を示し、後方ギャップ磁石62が3層MRスタック71の後ろにある。絶縁層72は多層絶縁構造74に置き換えられている。多層絶縁構造74は、絶縁層76および非磁性金属導電層78を備える。非磁性金属導電層78のCMP研磨速度が下部シールド76と同様であることにより、CMP中の表面Sの平坦化が確実となる。絶縁層76は絶縁側壁77を含み、絶縁側壁77は、下部シールド28と非磁性導電層78との間に導電路がないことを確実にする。側壁77の厚さは3nm〜5nmである。
絶縁層76および76′は、特にAl、SiOおよびSiONであり得る。非磁性金属導電層78および78′は、特にRu、Ta、CrおよびNiCrであり得る。
本発明について代表的な実施例を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲を超えることなくさまざまな変更を行なうことができ均等物をその要素と置き換えてもよいことを、当業者は理解するであろう。加えて、数多くの修正を行ない特定の状況または材料を本発明の本質的な範囲を超えることなく本発明の教示に合わせてもよい。したがって、クレームに記載の技術は開示された特定の実施例に限定されるのではなく、以下の請求項の範囲に含まれるすべての実施例を含むことが意図されている。
12 磁気ディスク、24 下部極/上部シールド、28 下部シールド、62 バックバイアス磁石、71 3層MRスタック、74 多層絶縁構造、76 絶縁層、77 絶縁側壁、78 非磁性金属導電層、110 CPP MRセンサ、S 表面、ABS 浮上面。

Claims (20)

  1. 磁気抵抗センサであって、
    浮上面(ABS)に沿って上部電極と下部電極との間に配置された磁気反応性スタックと、
    磁気反応性スタックおよび少なくとも1つの電極の間の第1の多層絶縁構造とを備え、 前記第1の多層絶縁層構造は、第1の電気絶縁層および第1の非磁性導電層を含み、
    前記第1の電気絶縁層および前記第1の非磁性導電層は、前記磁気反応性スタックの異なる部分に接触する、磁気抵抗センサ。
  2. 前記上部電極の一部分と3層スタックの一部分との間に第2の電気絶縁層をさらに備える、請求項1に記載のセンサ。
  3. 前記第2の電気絶縁層は、前記第2の電気絶縁層と第2の非磁性導電層とを含む第2の多層絶縁構造の一部であり、前記第2の電気絶縁層および前記第2の非磁性導電層は、前記磁気反応性スタックの異なる部分に接触する、請求項2に記載のセンサ。
  4. 前記下部電極および第1の上部非磁性導電層は、同様の化学機械研磨速度を有する、請求項2に記載のセンサ。
  5. 前記第1の非磁性導電層は、Ru、Ta、Cr、およびNiCrのうち1つを含む、請求項2に記載のセンサ。
  6. 3層スタックの強磁性層それぞれの磁化の配向は、互いにほぼ垂直であり、浮上面に対して約45度である、請求項1に記載のセンサ。
  7. 3層スタックの前記非磁性層は導電体である、請求項1に記載のセンサ。
  8. 前記3層スタックの前記非磁性層は、Cu、Ag、Au、またはその合金のうち1つを含む、請求項7に記載のセンサ。
  9. 3層スタックの前記非磁性層は電気絶縁体である、請求項1に記載のセンサ。
  10. 前記3層スタックの前記非磁性層は、Al、TiO、およびMgOからなる群より選択される、請求項9に記載のセンサ。
  11. 3層スタックの強磁性層は自由層である、請求項1に記載のセンサ。
  12. 前記自由層は、FeCoB、NiFeCo、CoFeHf、NiFe、またはその合金のうち1つを含む、請求項11に記載のセンサ。
  13. 浮上面(ABS)に沿って上部電極と下部電極との間に配置された3層スタックを備え、前記スタックは、非磁性層によって隔てられた第1の強磁性層および第2の強磁性層を含み、さらに、
    ABSの遠位において前記3層スタックの後端に隣接するバックバイアス磁石と、
    前記3層スタックおよび前記下部電極に接触する第1の多層絶縁積層と、を備える装置であって、
    前記第1の多層絶縁積層は、第1の電気絶縁層および第1の非磁性導電層を含み、前記第1の電気絶縁層および前記第1の非磁性導電層は、前記3層スタックの異なる部分に接触する、装置。
  14. 前記下部電極および前記第1の非磁性導電層は、同様の化学機械研磨速度を有する、請求項13に記載の装置。
  15. 前記上部電極と前記3層スタックの一部分とに接触する第2の電気絶縁層をさらに備える、請求項13に記載の装置。
  16. 前記第2の電気絶縁層は、第2の非磁性導電層を有する第2の多層絶縁積層の一部であり、前記第2の電気絶縁層および前記第2の非磁性導電層は、前記3層スタックの異なる部分に接触する、請求項15に記載の装置。
  17. 前記3層スタックの前記強磁性層それぞれの磁化の配向は、互いにほぼ垂直であり、浮上面に対して約45度である、請求項13に記載の装置。
  18. 第1の電極を形成するステップと、
    前記第1の電極の絶縁部分を除去するステップと、
    第1の電極絶縁層を堆積するステップと、
    前記第1の電気絶縁層の導電部分を除去するステップと、
    前記導電部分に非磁性導電層を堆積するステップと、
    前記非磁性導電層、前記電気絶縁層、および前記第1の電極を研磨して、実質的に平坦な面を作製するステップと、
    前記実質的に平坦な面上にシード層を堆積して、前記非磁性導電層、前記電気絶縁層、および前記第1の電極に接触させるステップと、を含む、方法。
  19. 前記シード層上に複数の磁性自由層を堆積して、磁気反応性センサを形成するステップをさらに含む、請求項18に記載の方法。
  20. 前記非磁性導電層および前記第1の電極は、一致した所定の化学機械研磨速度を有する、請求項18に記載の方法。
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