KR0162119B1 - 엣지가 바이어스된 자기 저항 센서 - Google Patents

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KR0162119B1
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팅-완 쿵 케니쓰
왕 포-강
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윌리엄 티 엘리스
인터내셔널 비지네스 머신즈 코포레이션
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Abstract

본 발명의 자기 저항(MR) 센서는 MR감지 소자를 형성하는 강자성 물질을 포함하는데, 상기 MR센서는 MR스트라이프의 단일 이방성축 및 감지 소자 활성영역의 형상 이방성만을 이용하며 바이어스된다. MR소자의 활성 영역은 일반적으로 정사각형의 기하학적 구조를 가져 원하는 형상 이방성을 제공한다. MR센서를 제조하는 동안 형상 이방성을 이용하여 자기 용이축을 적당한 각도로 경사지게 함으로써 감지 소자 활성 영역의 4 개의 엣지에서 자화가 정해져 MR센서는 대략 45도로 바이어스된다. 바크하우젠 잡음(Barkhausen noise)을 최소화하기 위하여, 단일 자구 구성(single magnetic domain configuration)이 센서 활성 영역 치수를 줄임으로써 달성된다. 즉, MR스트라이프 높이 및 트랙폭을 특정 자구벽 두께 이하로 감소시켜 다수의 자구가 더 이상 활발히 형성되지 못하게 한다. 교환 결합을 제공하기 위한 반강자성 물질로 된 층과 같은 자기 바이어싱 물질은 소정 쌍의 대향 엣지들에 제공되어 그 엣지들에서의 자화를 원하는 방향으로 유지하여 센서를 안정화할 수 있다.

Description

엣지가 바이어스된 자기 저항 센서
제1도는 본 발명을 구현하는 자기 디스크 저장 시스템(magnetic disk storage system)의 개략적인 블록 다이어그램.
제2도는 종래 기술의 박막 MR 센서(magnetoresistive sensor)의 구성을 나타내는 개략도.
제3도는 본 발명의 원리에 따른 MR 감지 소자(MR sense element) 의 자화를 나타낸 도면.
제4도는 자구(磁區)벽 두께(domain wall thickness)를 니켈-철(NiFe)층 두께의 함수로서 나타낸 그래프.
제5도는 엣지가 바이어스된 MR 센서(edge-biased MR sensor)에 대한 기하학적 파라메터의 도표.
제6도는 본 발명의 원리에 따른 MR 센서의 바람직한 실시예를 나타내는 도면.
제7도는 MR 센서의 스트라이프 높이가 1.4μm인 경우에 대해서 MR 바이어스 각(MR bias angle)을 스트라이프 기하학적 비(geometric ratio)의 함수로서 나타낸 그래프.
제8도는 스트라이프 높이가 1.2μm이며 트랙폭이 1.0μm인 엣지가 바이어스된 MR 센서의 응답을 나타내는 그래프.
제9도는 본 발명의 원리에 따른 엣지가 바이어스된 MR 센서의 다른 바람직한 실시예를 도시하는 공기 베어링면(air bearing surface)의 단면도.
제10도는 제9도에 도시되는 MR 센서의 단부 영역들 및 중앙 영역에서의 자화를 도시하는 상부 평면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
50 : MR 감지 소자 60 : MR 센서
97 : 검출 회로
[발명의 배경]
본 발명은 일반적으로 자기 저장 장치(magnetic storage devices)로부터 데이터를 판독하기 위한 박막형 자기 헤드(thin film magnetic heads)용 자기 저항(MR)판독 센서(magnetoresistive read sensors)에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 형상 이방성(shape anisotropy)을 이용하여 MR 감지 소자의 엣지에서의 자화(magnetization)를 미리 정의하는 MR 판독 센서에 관한 것으로서 상기 MR 감지 소자의 자화 용이축(magnetic easy axis)이 대칭이면서 선형인 출력을 얻기 위해 제조공정 동안 미리 선택된 각도로 기울어져 있다.
자기 기록 시스템(magnetic recording systems)에서 MR 센서의 동작원리에 대한 일반적인 설명에 대해서는 1984년 3월 15일자 응용 물리학 잡지(Journal of Applied physics) Vol. 55 (6), 2226 내지 2231 페이지의 Tsang에 의한 소규모 자기저항 센서의 자기학(Magnetics of Small Magnetoresistive Sensors)에 기술되어 있다. 본질적으로, MR 센서는 자기 저항 판독 소자가 감지하는 자속의 양과 방향의 함수에 따른 자기 저항 판독 소자의 저항 변화에 의해 자계 신호를 검출한다. MR 센서는 다음의 세가지 주된 이유 때문에 관심의 대상이 되고 있는데, 그 이유는 자기 매체에 기록되는 자속 전이(flux transitions)를 검출할 때 전압 출력이 크고 인가되는 감지전류에 비례하고, 양호한 선형 밀도의 해상도를 얻을 수 있으며, MR 센서의 출력이 MR 센서 및 자기 매체간의 상대 속도와는 무관하기 때문이다.
MR 센서는 통상적으로 예를 들어 낮은 보자력(low coercivity)의 자화 용이축(magnetic easy axis)을 따라 자화되는 니켈-철(NiFe) 합금등과 같은 강자성 물질의 박막 스트립(thin strip)을 포함한다. 때로는 스트라이프(stripe)로 불려지기도 하는 MR 스트립은 통상 자기 변환기 즉 헤드에 장착되어 자화 용이축이 자기 디스크기록매체의 회전 방향과는 교차하고 디스크의 평면과는 평행하게 된다. 저장 데이터비트와 관련되는 디스크로부터의 자속에 의해 MR 스트립의 자화벡터(magnetization vector)가 회전하게 되고, 이에 따라 MR 물질의 저항력도 변화하게 된다. 이와 같은 저항력의 변화는 측방향 접점(lateral contacts)사이에서 MR 스트립을 통해 흐르는 전류에 의해 감지된다.
이러한 저항력은 대체로 자화 벡터와 전류 벡터 사이의 각에 대한 코사인 제곱에 따라 변화한다. 이와 같은 코사인 제곱 관계로 인해 자화 벡터와 전류 벡터가 초기에 정렬되면, 디스크의 자속으로 인한 저항력의 초기 변화는 낮고 단일 방향성을 갖는다. 따라서, 통상 자화 용이축의 자화 벡터 또는 전류 벡터는 약 45도로 바이어스되어 자화의 각도 변화에 대한 응답성을 증가시켜 센서의 출력을 선형화시킨다.
또한, 종래 기술에서는 MR 센서를 최적으로 동작시키기 위해서 두 개의 바이어스 자계가 필요하다는 것이 공지되어 있다. 상술한 바와 같이, 자속 필드에 대한 MR 감지 소자의 응답이 선형이 되도록 MR 감지 소자를 바이어스시키기 위해 일반적으로 횡방향의 바이어스 자계(transverse bias field)가 제공된다. 이러한 바이어스 자계는 자기 매체의 평면과는 수직을 이루며 평면의 MR 소자 표면과는 평행하게 된다. 통상 MR 소자에 이용되는 제 2 바이어스 자계는 종방향 바이어스 자계(iongitudinal bias field)로 불리우며 자기 매체의 표면 및 MR 소자의 길이 방향과 평행하게 연장된다. 종방향 바이어스의 1차적인 목적은 인가된 자계의 존재하에 자구(magnetic domains)의 비가역성 이동(irreversible motion)에 의해 발생하는 바크하우젠 잡음(Barkhausen noise)을 억제시키기 위한 것으로서, 즉 자화 벡터의 코히어런트 회전(coherent rotation)은 균일하지 않도록 억제되며, 자구벽 이동(domain wall motion)에 따라 좌우된다. 종방향 바이어스 자계에 의해 MR 감지소자의 활성영역 내에 단일 자구가 유지되어 상기 잡음 메카니즘이 제거된다. 종방향 바이어스자계의 2차적 목적은 높은 자계가 여기(excitation)될 때 자기 안정성(magnetic stability)을 개선하는 것이다. 종방향 바이어스 자계는 통상 경질 자석(hard-magnet) 또는 반강자성/강자성 교환 결합 바이어싱에 의해 제공된다.
통상적으로, 횡방향 바이어스 자계는 MR 소자에 인접하여 증착되며 박막의 자기 절연층에 의해 분리되는 연질의 자기 물질층(layer of soft magnetic material)을 통해 흐르는 전류에 의해 제공된다. 이러한 횡방향 바이어스 자계를 제공하는 방법에는 중대한 결점이 있는데, 즉 MR 소자의 감지 전류 중 상당량이 센서 소자에 인접한 전도층으로 분로(shunt)된다는 것이다. 그 결과 전체적인 자기저항(ΔR/R)이 감소되어 감도(sensitivity)가 떨어지게 된다. 바버 폴(barber pole)로 불리우는 감지 전류와 자화 용이축의 자화 벡터 간의 각을 설정하는 다른 방법은 자화 용이축에 대하여 경사진 MR 스트립을 가로질러 형성된 전도성 스트라이프를 이용함으로써 전류벡터의 방향을 자화 용이축의 자화 벡터에 대하여 경사지게 하는 방법이다. 그러나, 비록 이러한 방법에는 감지 전류의 분로현상은 존재하지 않지만, 바버폴의 설계에는 다음과 같은 단점이 있는데, 즉 MR 감지 소자의 유효 길이가 센서의 도선(lead) 접점 간의 종방향 거리보다 짧다는 것이다. 또한 바버 폴의 설계에서는 경사진 전도성 스트라이프들을 형성하기 위해서는 정확한 리소그래피 공정(lithographic processes)을 필요로 한다.
Greg S. Mowry에게 허여되고 발명의 명칭이 비선형 자기 저항 센서인 미국 특허 제 4,841,398호는 중앙 활성 영역 내에 안정한 단일 자구를 제공하는 소정형상의 감지소자를 갖는 MR 센서를 개시한다. 상기 특허의 또 다른 바람직한 실시예에서는 횡방향 바이어스 자계를 이용하지 않음으로써 바버 폴 구성을 제거하여 감지 소자의 자화 벡터가 감지 전류 벡터와 평행하며 비선형 응답 모드로 동작하는 MR 센서를 제공한다. 다른 실시예에서는, 감지 소자의 중앙 활성 영역의 단부(end of central active region)에서 감지 소자에 접속되는 경사진 전기 접점 또는 도선이 감지 전류 벡터의 방향으로 경사져 센서를 선형으로 동작시킨다. 또 다른 실시예로, 상기 Mowry의 특허는 경사진 도선과 공동으로 경사진 자화용이축을 제공하여 센서를 선형으로 동작시키도록 하는 감지 소자를 개시한다.
[발명의 요약]
본 발명의 주 목적은 감도가 개선된 자기 저항(MR)판독 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 횡방향 바이어스층 및 자기 절연층을 필요로 함이 없이 MR 센서를 안정하고 선형으로 동작시킬 수 있는 MR 판독 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 원리에 의하면, MR 판독 센서는 MR 감지 소자을 형성하는 자기 저항 물질층을 포함하며, 상기 MR 센서는 감지 소자의 활성 영역의 MR 스트라이프 단일축 이방성과 형상 이방성만을 이용하여 바이어스된다. MR 소자의 활성 영역은 일반적으로 정사각형의 기하학적 구조를 가져 원하는 형상 이방성을 제공한다. MR 센서는 형상 이방성을 이용하여 감지 소자 활성 영역의 4개 엣지에서 자화 방향을 정의하며 MR 센서의 제조 공정 중에 자화 용이축을 적당한 각도로 경사지게 함으로써 약 45도 로 바이어스된다. 바크하우젠 잡음을 최소화시키기 위하여, 센서의 활성 영역 치수, 즉 스트라이프 높이 및 트랙폭을 특정 자구벽(characteristic domain wall) 두께 이하로 감소시켜 다수의 자구가 더 이상 활발하게 형성되지 않도록 함으로써 단일 자구를 형성한다.
본 발명의 MR 센서의 경우, 전류 분로용 횡방향 바이어스층을 사용함이 없이 대칭이면서 선형인 응답을 얻기 위한 적절한 바이어스를 달성할 수 있다. 따라서, 감지 전류 전부가 MR 감지 소자를 통해 흐르게 되어 MR 센서의 감도를 최대로 할수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징 및 장점들은 동일 부분에 대해 동일 번호로 표시한 첨부된 도면을 참조하여 기술한 다음의 바람직한 실시예에 대한 이하의 상세함 설명에서 명백해질 것이다.
[적합한 실시예에 대한 상세한 설명]
제 1도를 참조해보면, 본 발명이 제 1 도에 도시된 바와 같이 자기 디스크 저장 시스템 내에 구현되는 것으로서 기술된다 하더라도, 본 발명은 예를 들어 자기 테이프 기록 시스템과 같은 다른 자기 기록 시스템에도 적용 가능하다는 것이 명백하다. 최소한 하나의 회전 가능한 자기 디스크(12)가 스핀들(14)에 의해 지지되어 있으며 디스크 구동 모터(18)에 의해 회전된다. 각 디스크 상의 자기 기록 매체는 디스크(12)상에서 동심 데이터 트랙(도시되지 않음)의 환형 패턴 형태로 되어 있다.
최소한 하나의 슬라이더 (13)이 디스크(12) 상에 위치되어 있으며, 각각의 슬라이더 (13)은 통상 판독/기록 헤드라 불리우는 하나 이상의 자기 판독/기록 변환기 (21)을 지지하고 있다. 디스크가 회전하면 슬라이더 (13)은 디스크면 (12)상에서 내측 및 외측으로 방사상으로 이동하여 헤드 (21)은 원하는 데이터가 기록되어 있는 디스크의 여러 부분을 액세스(access)할 수 있다. 각 슬라이더 (13)은 현가 장치(suspension) (15)에 의해 액츄에이터 암(actuator arm) (19)에 접속되어 있다. 상기 현가 장치 (15)는 약간의 탄성력을 제공하여 슬라이더 (13)을 디스크면 (22)에 대해 바이어스시킨다. 각각의 액츄에이터 암 (19)는 액츄에이터 수단 (27)에 부착되어 있으며, 제 1도에 도시되는 바와 같이 액츄에이터 수단은 예를 들어 음성 코일 모터(voice coil motor: VCM)일수 있다. VCM은 고정 자계 내에서 이동 가능한 코일을 포함하고 있으며, 이 코일의 이동 방향 및 속도는 제어기에 의해 공급되는 모터전류신호에 의해 제어된다.
디스크 저장 시스템의 동작 중에 디스크 (12)가 회전하면 슬라이더 (13)과 디스크면(22)사이에 공기 베어링(air bearing)이 발생하여 슬라이더에 상방향으로 힘이 작용하게 된다. 이와 같이 공기 베어링은 현가 장치 (15)에 의해 가해진 약간의 탄성력을 상쇄시켜 슬라이더 (13)이 동작중에 디스크면 위에서 일정한 작은 거리만큼 이격되어 지지된다.
디스크 저장 시스템의 여러 소자들은 제어 유닛 (29)에서 발생하는 액세스 제어 신호와 내부 클럭 신호 등과 같은 제어 신호들에 의해 동작이 제어된다. 통상 제어 유닛 (29)는 예를 들어 논리 제어 회로, 저장 수단 및 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 유닛 (29)는 라인 (23)상의 구동 모터 제어 신호들과 라인 (28) 상의 헤드 위치 및 탐색 제어 신호들과 같은 여러 시스템의 동작들을 제어하기 위한 제어 신호들을 발생시킨다. 라인 (28) 상의 제어 신호들은 원하는 전류 프로파일(desired current profile)을 제공하여 선택된 슬라이더(13)을 연관된 디스크 (12) 상의 원하는 데이터 트랙으로 최적으로 이동하여 위치시킨다. 판독 및 기록 신호들은 기록 채널 (25)에 의해 판독/기록헤드 (21)과 양방향으로 통신한다.
통상 자기 디스크 저장 시스템에 대한 상기 설명 및 제 1 도에 첨부된 예는 단지 예시적인 것이다. 따라서, 디스크 저장 시스템들이 훨씬 더 많은 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 각각의 액츄에이터는 다수의 슬라이더를 지지할 수 있다는 것은 명백하다.
제2도를 참조해 보면, 예를 들어 미국 특허 제 4,663,685호에 기술되어 있는 타입의 종래 박막 MR 센서 (30)은 중앙 활성 영역 (34)를 포함하고 있는데, 이 영역 (34)에 의해 비활성 단부 영역(passive end region) (36) 및 (38)이 분리된다. 기판 (32)상에 연질의 자기 물질층(layer of soft magnetic material )이 증착되어 횡방향 바이어스층 (31)이 형성된다. 스페이서층(spacer layer) (33), MR 층 (35) 및 반강자성층(antiferromagnetic layer) (39)가 횡방향 바이어스층 (31) 상에 연속으로 증착되어 있으며, 반강자성층 (39)는 단부 영역(36) 및 (38) 내에서만 MR 층 (35) 상에 증착 및 접촉하도록 패턴되며, 도선 (41)은 영역 (36) 및 (38) 내에서만 MR 층을 덮으며 접촉하도록 증착된다. 영역 (36) 및 (38)사이에 접속되어 있는 전류원 (43)은 중심 영역 (34)에 감지 전류를 제공하는데, 이 감지 전류 중 일부가 MR 센서 내에서 선형 응답을 생성하도록 횡방향 바이어스 자계를 발생시킨다. MR 층 (35)는 예를 들어 Ni81Fe19와 같은 강자성 물질로 형성되며, 기록 채널 (25)내의 독립된 감지 회로로 하여금 MR 층의 저항 변화를 판단할 수 있도록 하는 출력 전류를 공급한다. 저항의 변화는 자기 저장 매체 (22)상에 기록되어 있는 데이터를 나타내는 MR 층 (35)에서 인터셉트되는 자계의 변화와 함수관계를 갖는다.
MR 층 (35)가 확실하게 단일축 이방성을 갖도록 하기 위해서 반강자성층 (39)가 MR 층 (35) 상에 형성된다. 반강자성층 (39)는 정렬된 CuAu-I형 구조(ordered CuAu-I type structure) 즉 면심(面心) 정방정계(face-centered-tetragonal:fct)구조를 갖는 반강자성 쎄타(θ)-상(theta-phase)망간합금, 바람직하게는 니켈망간(NiMn)을 포함한다. 반강자성층 (39)는 강자성 MR 층 (35)와 인터페이스 교환 결합(interface exchange coupling)을 함으로써 MR 층 내에 종방향 교환 바이어스 자계(HUA)가 발생되어 MR 층 (35)에는 단일 자구가 만들어진다. 다수의 자구 상태를 나타내는 MR 물질과 관련되는 바크하우젠 잡음을 억제시키는데는 MR 층 내에 단일 자구 상태를 갖는 것이 필수적이다.
횡방향 바이어스층 (31)은 저장 매체 (22)와 일반적으로 수직을 이루는 자계를 제공하여 MR 층 (35)내의 자계를 저장 매체 (22)와 평행하지 않은 방향으로 약간 바이어스시킨다. 이러한 횡방향 바이어스 자계는 MR 층 (35)를 선형 응답 모드로 유지시켜 전류 출력이 본질적으로 저항 변화와 선형 함수 관계를 갖도록 한다. 횡방향 바이어스층 (31)은 예를 들어 탄탈륨 (Ta)과 같은 박막의 비자성 스페이서층에 의해 MR 층 (35)와 분리되어 있다.
상술한 바와 같이, 감지 전류 중 일부가 MR 센서에 횡방향 바이어스 자계를 발생시킬 목적으로 횡방향 바이어스층(31)을 통해 분로된다. 또한, 스페이서층 (33)이 통상 고저항 상태(high resistivity phase )의 Ta 와 같은 비교적 고저항 물질로 제조되기 때문에, 감지 전류 중 일부도 역시 이 스페이서층을 통해 분로된다. 따라서 감지전류 중 일부만이 MR 감지 소자 (35)를 통해 흐르게 되어 출력 신호가 낮아지게 되고 감도가 떨어지게 된다.
제3,4 및 5도를 참조해 보면 본 발명에 따른 엣지가 바이어스된 MR 센서는 적당한 단일 이방성축Hk와 함께 MR 센서의 활성 영역의 엣지들에서의 자화를 정의함으로써 달성된다. 제 3도는 화살표 (53)으로 표시된 단일 이방성축Hk와 일반적으로 정사각형의 기하학적 구조를 갖는 엣지가 바이어스된 MR감지 소자 (50)을 도시한다. 활성 영역이 거의 정사각형의 기하학적 구조를 갖는 MR센서의 경우, 최종 생성된 이방성 자계에 의해 MR센서가 약 45도 기울어지며 MR센서의 활성영역에 횡방향 바이어스 자계를 제공하기 위해 임의의 자기층을 추가할 필요성이 제거된다. 이방성 자계가 45 도 또는 적당한 다른 각도로 배향되려는 성질을 증가시키기 위해 MR감지 소자 (50)의 자화 용이축을 센서의 제조 공정 중에 센서의 종방향 축(longitudinal axis)에 대하여 45도로 설정할 수 있다. 예를 들어, MR감지 소자 (50)을 증착한 후 원하는 방향을 갖는 자계를 설정하거나 또는 본 기술 분야에 공지되어 있는 다른 적당한 기술로 어닐링(anneal)할 수 있다. 횡방향 바이어스층(31)과 스페이서층 (33)을 통해 분로되는 전류도 역시 제거되어 MR센서층의 전류증가분(R/R)을 모두 사용하는 것이 가능하다.
단일 자구를 구성하기 위하여 MR감지 소자 (50)의 기하학적 구조 (즉 제 10도에 도시된 스트라이프 높이 (h),트랙 폭 (TW)를 특정 자구벽 두께(characteristic domain wall thickness)보다 작아지도록 선택하여 폐쇄 자구들이 활발하게 형성되지 못하게 한다. 예를 들어 약 200옹스트롬 이하의 두께를 갖는 초박막인 경우, 자기 모멘트(magnetic moments)가 박막의 평면 내에서 회전하는 닐 벽(Nell walls)만이 관찰된다. 제4도는 Ni20Fe80합금 박막에 대한 닐 벽 두께 대 니켈-철 박막 두께를 도시한 것으로, 이들 두께는 1964년 4월 응용 물리학 잡지 Vol.34, No 4, 1054 내지 1059페이지에 기술된 S.Middlehoek의 박막 니켈-철의 자구벽(Domain walls in Thin Ni-Fe Films)에서 보고된 계산 및 측정에 근거한 것이다. 제5도는 여러 데이터 기록 밀도에 대해 요구되는 MR센서 (활성 영역)의 기하학적 파라메터들을 제4도에 도시된 데이터로부터 구해진 닐 벽 두께와 비교한 것이다. 제5도로부터, 기록 밀도가 증가하더라도 닐 벽 두께 내에서 MR센서의 기하학적 구조가 양호하다는 것을 알 수 있다.
제6,7 및 8도에서는 본 발명에 따른 MR센서의 바람직한 실시예를 도시하고 있다. MR센서 (60)은 강자성 물질의 MR층 (61)과 MR층의 양단에 형성되어 있는 전도성 도선 (63)을 포함한다. 센서의 활성 영역 (620는 MR층 (61) 상에 전도성 도선 구조 (63)의 증착에 의해 정해진다. 이러한 바람직한 실시예에 있어서, MR층 (61)은 탄탈륨(50 옹스트롬)/니켈-철(150 옹스트롬)/탄탈륨(50 옹스트롬)구조를 갖는 다중층의 박막(multilayer film)으로 여기서 탄탈륨 층은 후속 처리 및 사용시에 나타나는 부식(corrosion) 및 다른 바람직하지 않은 효과가 발생하지 않도록 니켈-철층을 보호하기 위해 제공된다. 그러나, 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, MR감지층은 철(Fe), 니켈(Ni),코발트(Co) 또는 이들의 자기 합금(magnetic alloys)등과 같은 임의의 적합한 강자성 물질로 제조할 수 있다. 마찬가지로, 도선(63)도 탄탈륨(20 옹스트롬)/금-니켈(600옹스트롬)/탄탈륨(200옹스트롬) 구조를 갖는 다층의 박막을 포함할 수 있으나, 예를 들어, 금(Au) 또는 구리(Cu) 등과 같은 임의의 적당한 전도성 물질로 제조할 수 있다. MR층의 활성 영역 (62)에 대한 치수는 MR층의 자기 결정이방성이 추가적인 종방향 또는 횡방향 바이어스 메카니즘을 사용하지 않고도 종방향 축에 대하여 약 45도로 경사진 원하는 바이어스 자계를 제공하도록 선택된다. 자구의 안정성 및 바이어스 자계각에 대한 센서의 기하학적 구조의 효과를 판단하기 위해 여러 치수들을 갖는 것으로 제6도에 예시된 구조의 자기 저항 센서들을 제조 및 시험하였다. 150옹스트롬 두께의 니켈-철의 MR층에 대해, 1.4 및 2.3㎛의 MR스트라이프 높이와 1.0, 2.0, 4.0 및 10m의 트랙폭을 갖는 차폐된 MR센서들의 24행렬로 웨이퍼 레벨 시험(wafer-level tests)을 행하였다. 제7도에서는 MR스트라이프의 높이가 1.4㎛인 센서의 경우에 대해 ( MR센서 (60)의 수평축에 대한) 바이어스 자계각을 MR스트라이프 높이 대 트랙폭의 비(ratio)의 함수로서 도시하였다. 센서의 활성 영역 (62)이 거의 정사각형으로 되기 때문에, 즉 트랙폭이 10에서 1.0㎛로 감소되기 때문에 센서는 바이어스되지 않은 상태에서 약 45도의 바이어스 자계각으로 바이어스된다. 제7도는 바이어스 자계 배향이 MR센서의 기하학적 비에 따라, 특히 45 도의 바람직한 바이어스 자계각 부근에서 매우 신속하게 변화하는 것을 도시한다.
제8도에서는 1.2㎛의 MR스트라이프 높이, 1.0㎛의 트랙폭 및 150옹스트롬의 MR층 두께를 갖는 엣지가 바이어스된 랩형(lapped)MR센서 (60)에 대한 준정적 응답 곡선(quasi-static response curve)을 도시하였다. MR센서에 인가되는 감지 전류는 6 밀리암페어이다. 이 응답 곡선은 선형(linear)인데 이것은 센서가 적당하게 바이어스되었음을 나타낸다. 또한 잔류 자구 구조의 존재 가능성을 나타내는 곡선 중 일부에서 작은 히스테리시스(small gysterisis)를 도시한다. 히스테리시스를 극소화시키고 바이어스 자계 안정성을 개선시키기 위해, 센서의 활성 영역 치수들이 예시된 경우에서와 같이 닐 벽 두께보다 크면 MR센서의 전도성 도선 영역 (61)내에 교환 바이어스층 또는 경질의 바이어스층을 포함함으로써 활성 영역 (62) 내에 약한 종방향 바이어스 자계가 제공될 수 있다.
또한, 제9도 및 제10도에서는 본 발명에 따른 엣지가 바이어스된 MR센서의 제 2 바람직한 실시예를 도시하고 있다. 센서 (90)은 예를 들어 Ni80Fe20과 같은 강자성 물질로 된 MR층 (91), MR센서의 단부 영역(end region) 또는 비활성영역(passive region) (94)만을 커버(cover)하도록 패턴화된 예를 들어 망간-철(MnFe) 또는 니켈-망간(NiMn)과 같은 반강자성 물질로 된 고정층(pining layer)(93) 및 센서의 단부 영역 (94) 내의 고정층 상에 형성되는 예를 들어 금 (Au) 또는 구리(Cu)와 같은 적당한 전도성 물질로 된 전도성 도선 (95)를 포함한다. 다른 방법으로, 고정층 (93)은 예를 들어 코발트-니켈(CoNi), 코발트-백금(CoPt) 또는 크롬(Cr)을 포함한 이들의 합금과 같은 경질의 자성 물질일 수 있다. MR센서 (90)은 예를 들어 실리콘(Si) 또는 세라믹 물질과 같은 기판 (98)상에 형성되며, MR층 (91) 아래의 기판면에 형성되는 예를 들어 Ta와 같은 소정의 물질로 된 절연층 또는 시드층(isolation or seed layer) (96)을 포함한다. MR층 (91)은 제조 공정 중에 MR층의 자화 용이축을 원하는 방향으로 배향시키도록 원하는 방향을 갖는 자계의 존재하에 증착된다. 다른 방법으로, 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 예를 들어 자계의 존재하에 어닐링(annealing)하는 것과 같은 다른 적합한 방법들을 이용하여 자화 용이축 배향을 설정할 수 있다. 본 기술 분야에 공지되어 있는 바와 같이, MR층 (91)과 기판 (98) 사이에 자기 차폐층과 같은 물질로 된 층들이 추가로 삽입될 수 있다.
센서의 활성 영역 (92)에 대한 치수는 자기 저장 시스템과 함께 MR센서를 사용하도록 설계되어 있는 자기 저장 시스템에 대한 데이터 저장 밀도의 함수이다. 예를 들어, 제5도에 도시된 바와 같이, 약 2Gb/in2의 기록 밀도인 경우, MR층(91)의 활성 영역은 약 1.0㎛의 트랙폭TW 와 약 0.6㎛의 스트라이프 높이 h와 약 120 옹스트롬의 두께를 가질 것이다. 반강자성 고정층 (93)의 두께는 약 50 내지 300옹스트롬의 범위 내에 있다.
MR센서 (90)은 도선 (95) 및 (101)을 통해 전류원 (99)와 신호 검출 및 처리 회로 (97)에 접속되어 있다. 전류원(99)는 MR층의 활성 영역 (92)에 감지 전류를 공급한다. 검출 회로 (97)에서는 제1도 및 제2도에 관하여 기술된 바와 같이, 인가된 자기 신호에 응답하여 MR센서에 의해 생성되는 출력 신호들을 처리한다.
활성 영역 또는 트랙 엣지 (103)에서의 MR층의 자화는 반강자성 고정층(93)과 교환 결합함으로써 고정되어 엣지 (103)에서의 자기모멘트 스위칭 또는 회전을 방지한다. 코너에서의 자기 특이성(magnetic singularities) 및 다른 기하학적 불연속성을 극소화 또는 제거시키기 위해 MR층 (91)은 센서의 활성 영역 (92)와 센서의 비활성 영역 (94)를 가로지르는 연속 박막으로서 연장된다.
본 발명이 상기 바람직한 실시예에 관해서 자세히 기술되며 도시되었지만, 당업자들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 형태 및 상세한 부분에서 여러 가지 변형이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 명세서에 개시되어 있는 내용은 단지 예시를 위한 것으로서 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.

Claims (19)

  1. 자기 저항 센서(magnetoresistive sensor)에 있어서, 일반적으로 정사각형 형태를 정의하는 평면 치수(planar dimension)를 갖는 강자성 물질로 된 강자성층을 포함하고, 상기 평면 치수는 강자성층(ferromagnetic layer) 내의 자구 닐 벽(magnetic domain Neel walls)의 두께보다 작도록 선택되며, 상기 강자성층의 자화는 강자성층의 엣지(edge)에서 미리 정해진 배향을 가지며, 자기 이방성축(anisotropic magnetic axis)은 상기 강자성층의 종방향 축(longitudinal axis)에 대해 대략 45 도로 배향되는 자기 저항 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강자성 물질이 철, 니켈, 코발트, 및 이들의 합금으로 구성되는 군으로부터 선택되는 자기 저항 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 강자성층이 니켈 및 철을 포함하는 합금인 자기 저항 센서.
  4. 중앙 활성 영역-여기서 중앙 활성 영역은 중앙 활성 영역의 저항 변화를 나타내는 신호를 발생시키기 위한 인터셉트된 자계(intercepted magnetic field)에 응답함-에 의해 불리되는 단부 영역(end region)을 갖는 자기 저항 센서에 있어서, a) 기판 상에 증착되며, 적어도 중앙 활성 영역 상부로 연장되는 강자성 물질로 이루어진 강자성층(ferromagnetic layer)-여기서 중앙 활성 영역의 강자성층은 일반적으로 정사각형 형태를 정의하는 평면 치수를 가지며, 상기 평면 치수는 강자성층 내의 자구 닐 벽(magnetic domain Neel walls)의 두께보다 작고, 상기 강자성층의 자화는 중앙 활성 영역의 엣지에서 미리 정해진 배향을 가지며, 자기 이방성축은 강자성층의 종방향 축에 대해 대략 45로 배향됨-: 및 b) 상기 자기 저항 센서의 단부 영역 상에 증착되며, 강자성층과 접촉하는 전기적으로 전도성 도선(electrically conductive leads)-여기서 전도성 도선은 중앙 활성 영역의 대향 엣지까지 연장되며, 상기 중앙 활성 영역의 가로 치수는 전도성 도선의 엣지에 의해 결정됨-을 포함하는 자기 저항 센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 강자성 물질이 철, 니켈, 코발트, 및 이들의 합금으로 구성되는 군으로부터 선택되는 자기 저항 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 강자성층이 니켈 및 철을 포함하는 합금인 자기 저항 센서.
  7. 제4항에 있어서, 상기 전도성 도선이 금, 은, 구리, 탄탈륨(Ta), 및 이들의 전도성 합금으로 구성되는 군으로부터 선택되는 전기적으로 전도성인 물질로 된 자기 저항 센서.
  8. 제4항에 있어서, 상기 전도성 도선이 각각 탄탈륨으로 된 하부층, 상기 하부층 상에 형성되는 금-니켈 합금으로 된 전도층, 및 상기 전도층 상에 형성되는 탄탈륨으로 된 상부층을 포함하는 자기 저항 센서.
  9. 제4항에 있어서, 상기 단부 영역 상부로만 연장되는 자기 바이어스 물질로 된 층을 추가로 포함하는 자기 저항 센서.
  10. 중앙 활성 영역-여기서 중앙 활성 영역은 중앙 활성 영역의 저항 변화를 나타내는 신호를 발생시키기 위해 인터셉트된 자계(intercepted magnetic field)에 응답함-에 의해 분리되는 단부 영역(end region)을 갖는 자기 저항 센서에 있어서, a) 기판 상에 증착되며, 적어도 중앙 활성 영역 상부로 연장되는 강자성 물질로 이루어진 강자성층(ferromagnetic layer)-여기서 중앙 활성 영역의 강자성층은 일반적으로 정사각형 형태를 정의하는 평면 치수를 가지며, 상기 평면 치수는 강자성층 내의 자구 닐 벽(magnetic domain Neel walls)의 두께보다 작고, 상기 강자성층의 자화는 중앙 활성 영역의 엣지에서 미리 정해진 배향을 가지며, 자기 이방성축은 강자성층의 종방향 축에 대해 대략 45 도로 배향됨-: 및 b) 상기 자기 저항 센서의 단부 영역 상에만 증착되며, 적어도 상기 중앙 활성 영역의 엣지에 있는 강자성층과 접촉하고, 상기 중앙 활성 영역의 엣지에서 상기 미리 정해진 배향으로 강자성층이 자화를 유지하기 위한 자기 바이어싱 물질로 된 자기 바이어싱 층을 포함하는 자기 저항 센서.
  11. 제10항에 있어서, 상기 강자성 물질이 니켈 및 철을 포함하는 함금인 자기 저항 센서.
  12. 제10항에 있어서, 상기 자기 바이어싱 층 상에 놓이는 자기 저항 센서의 단부 영역 상에 증착되는 전기적으로 전도성인 도선-여기서 전도성 도선은 중앙 활성 영역의 대향 엣지까지 연장되고, 중앙 활성 영역의 가로 치수는 전도성 도선의 엣지에 의해 결정됨-을 추가로 포함하며, 상기 전도성 도선이 금, 은, 구리, 탄탈륨(Ta), 및 이들의 전도성 합금으로 구성되는 군으로부터 선택되는 전기적으로 전도성인 물질로 된 자기 저항 센서.
  13. 제10항에 있어서, 상기 자기 바이어싱 층 상에 놓이는 자기 저항 센서의 단부 영역 상에 증착되는 전기적으로 전도성인 도선-여기서 도선은 중앙 활성 영역의 대향 엣지까지 연장되고, 중앙 활성 영역의 가로 치수는 전도성 도선의 엣지에 의해 결정됨-을 추가로 포함하며, 상기 전도성 도선이 각각 탄탈륨으로 된 하부층, 상기 하부층 상에 형성되는 금-니켈의 합금으로 된 전도층, 및 상기 전도층 상에 형성되는 탄탈륨으로 된 상부층을 포함하는 자기 저항 센서.
  14. 제10항에 있어서, 상기 자기 바이어싱 층이 반강자성 물질로 된 자기 저항 센서.
  15. 제14항에 있어서, 상기 반강자성 물질이 망간-철 및 니켈-망간으로 구성되는 군으로부터 선택되는 자기 저항 센서.
  16. 자기 저장 시스템에 있어서, a)데이터를 기록하기 위한 복수개의 트랙을 갖는 자기 저장 매체; b) 자기 변환기 및 자기 저장 매체사이에서 상대 운동하는 동안 자기 저장매체와 서로 근접하게 이격된 위치로 유지되고, 기판 상에 형성되고 중앙활성 영역에 의해 분리되는 비활성 단부 영역을 가지는 자기저항 센서-여기서 자기저항 센서는 i)적어도 중앙활성 영역 상부로 연장되는 강자성 물질로 이루어진 강자성층(ferromagnetic layer)-여기서 중앙 활성 영역의 강자성층은 일반적으로 정사각형 형태를 정의하는 평면 치수를 가지며, 상기 평면 치수는 강자성층 내의 자구 닐 벽(magnetic domain Neel walls)의 두께보다 작고, 상기 강자성층의 자화는 중앙 활성 영역의 엣지에서 미리 정해진 배향을 가지며, 자기 이방성축은 강자성층의 종방향 축에 대해 대략 45 도로 배향됨-: ii)상기 자기 저항 센서의 단부 영역 상에만 증착되며, 적어도 상기 중앙 활성 영역의 엣지에서 강자성층과 접촉하고, 상기 중앙 활성 영역의 엣지에서 상기 미리 정해진 배향으로 강자성층의 자화를 유지하기 위한 자기 바이어싱 층-여기서 자기 바이어싱 층은 망간-철 및 니켈-망간으로 구성되는 군으로부터 선택되는 반강자성 물질로 됨-: 및 iii)상기 자기 바이어싱 층 위에 놓이는 상기 자기 저항 센서의 단부 영역 상에 증착되는 전기적으로 전도성 도선(electrically conductive leads)-여기서 전도성 도선은 중앙 활성 영역의 반대편 엣지까지 연장되며, 상기 중앙 활성 영역의 가로 치수는 전도성 도선의 엣지에 의해 결정됨-를 포함하는 자기 변환기; c)상기 자기 변환기에 결합되며, 상기 자기 변환기를 상기 저장 시스템 상의 선택된 트랙으로 이동시키기 위한 수단; 및 d)상기 자기저항 센서에 결합되고, 상기 자기 저장 매체에 기록된 데이터비트를 나타내며 상기 자기 저항 센서에 의해 인터셉트되는 자계에 응답하여 자기 저항 물질의 저항 변화를 검출하기 위한 수단을 포함하는 자기 저장 시스템.
  17. 자기 저장 시스템에 있어서, a)데이터를 기록하기 위한 복수개의 트랙을 갖는 자기 저장 매체; b)자기 변환기 및 자기 저장 매체 사이에서 상대 운동하는 동안 자기 저장매체와 서로 근접하게 이격된 위치로 유지되고, 기판 상에 형성되고 중앙활성 영역에 의해 분리되는 비활성 단부 영역을 가지는 자기저항 센서-여기서 자기저항 센서는 i)적어도 중앙 활성 영역 상부로 연장되는 강자성 물질로 이루어진 강자성층(ferromagnetic layer)-여기서 중앙 활성 영역의 강자성층은 일반적으로 정사각형 형태를 정의하는 평면 치수를 가지며, 상기 평면 치수는 강자성층 내의 자구 닐 벽(magnetic domain Neel walls)의 두께보다 작고, 상기 강자성층의 자화는 중앙 활성 영역의 엣지에서 미리 정해진 배향을 가지며, 자기 이방성축은 강자성층의 종방향 축에 대해 대략 45도로 배향됨-; ii)상기 자기 저항 센서의 단부 영역 상에만 증착되며, 적어도 상기 중앙 활성 영역의 엣지에서 강자성층과 접촉하고, 상기 중앙 활성 영역의 엣지에서 상기 미리 정해진 배향으로 강자성층의 자화를 유지하기 위한 경질의 자성 물질로 된 자기 바이어싱 층; 및 iii)상기 자기 바이어싱 층 위에 놓이는 상기 자기 저항 센서의 단부 영역 상에 증착되는 전기적으로 전도성 도선(electrically conductive leads)-여기서 전도성 도선은 중앙 활성 영역의 반대편 엣지까지 연장되며, 상기 중앙 활성 영역의 가로 치수는 전도성 도선의 엣지에 의해 결정됨-를 포함하는 자기 변환기; c)상기 자기 변환기에 결합되며, 상기 자기 변환기를 상기 저장 시스템 상의 선택된 트랙으로 이동시키기 위한 수단; 및 d)상기 자기저항 센서에 결합되고, 상기 자기 저장 매체에 기록된 데이터비트를 나타내며 상기 자기 저항 센서에 의해 인터셉트되는 자계에 응답하여 자기 저항 물질의 저항 변화를 검출하기 위한 수단을 포함하는 자기 저장 시스템. 상기 자기 바이어싱 층이 자기 저장 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 경질의 자성 물질이 코발트-니켈, 코발트-백금, 코발트-니켈-크롬 및 코발트-백금-크롬으로 구성되는 군으로부터 선택되는 자기 저장 시스템.
  19. 중앙 활성 영역-여기서 중앙 활성 영역은 자신의 영역 내의 저항 변화를 나타내는 신호를 발생하기 위해 인터셉트된 자계에 응답함-에 의해 분리되는 비활성 단부 영역을 갖는 타입의 자기 저항 센서를 제조하기 위한 방법에 있어서, a) 적어도 상기 중앙 활성 영역 상부 방향으로 기판 상의 강자성 물질로 이루어진 강자성층-여기서 중앙 활성 영역의 강자성층은 일반적으로 정사각형 형태를 정의하는 평면 치수를 가지며, 상기 평면 치수는 강자성층내의 자구 닐 벽(magnetic domain Neel walls)의 두께보다 작고, 상기 강자성층의 자화는 중앙 활성 영역의 엣지에서 미리 정해진 배향을 가짐-을 증착하는 단계; b) 상기 단부 영역 상부 방향으로만 그리고 적어도 상기 중앙 활성 영역의 대향 엣지에서 강자성층과 직접 접촉하도록 상기 기판 상의 반강자성 물질로 이루어진 반강자성층을 증착하는 단계; 및 c) 상기 강자성층의 자화 용이축을 미리 정해진 방향으로 배향시키기 위한 자계의 존재하에 증착된 상기 강자성층 및 반강자성층을 어닐링(annealing)하는 단계를 포함하는 자기 저항 센서 제조 방법.
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