KR100234190B1 - 자기 저항 센서 - Google Patents

Abstract

신장된 타원형으로 형성되는 자기 저항층을 포함하는 자기 저항 센서는 활성 영역과 갭에 의해 서로로부터 분리되는 두개의 단부 영역을 가진다. 활성 영역을 단일의 도메인 상태로 유지하기에 충분한 수준으로 자기 저항층에서 길이 방향 바이어스를 형성하도록, 강자성층은 단부 영역과 함께 자기적인 연속성과 전기적인 불연속성을 가지는 갭내에서 형성된다. 자기 저항층의 활성 영역의 횡방향 바이어스는 활성 영역에 걸쳐 연장되며 얇은 디커플링 단층에 의해 자기 저항층으로부터 분리된 연자성층에 의해 발생된다. 자기 저항층, 연자성층 및 강자성층의 자화축은 서로에 대하여 용이하게 평행하도록 배향되며 또한 타원형의 주축에 대하여도 평행하게 배향된다.

Description

자기 저항 센서

본 발명은 전체적으로 자기 매체로부터 정보 신호를 독출하는 자기 저항 헤드에 관한 것으로서, 특히 길이 방향의 바이어스를 가지는 자기 저항 헤드에 관한 것이다.

자기 기록된 데이타를 감지하는 자기 저항 센서의 사용은 수년동안 공지되었다. 또한 센서를 가장 선형인 작동 범위내에 유지하고 바크하우센 노이즈(Barkhausen noise)를 제거하기 위하여 횡방향 및 길이 방향의 바이어스가 제공되어야 한다는 것이 공지되었다. 공동으로 양도된 미국 특허 제 4,663,685 호에 개시된 자기 저항 센서에는 횡방향 바이어스가 센서 중앙의 활성 영역에서만 발생하며, 길이 방향 바이어스는 단부 영역으로 연장된 강자성 자기 저항층과 센서의 단부 영역에만 걸쳐서 연장된 반강자성층 사이 부분에서의 교환 커플링(exchange coupling)에 의해 비활성 단부 영역에서 발생한다. 그러나, 자기 저항 센서의 단부 영역은 기록 매체에 접촉한 표면에 직접적으로 노출되어 있다. 이것은 헤드를 파소할 수 있는 부식으로 이끌 수 있다. 또한, 교환 바이어스 효과는 통상적인 작동 환경에서 실질적으로 감소되는 강력한 온도 종속성을 가진다.

점점 감소하는 트랙의 폭위에서 점점 증가하는 기록 밀도로 기록된 데이타를 독출하는데 필요한 작은 크기의 자기 저항 헤드를 생산하는 것은 매우 곤란하다. 이러한 요건을 충족할 수 있도록 제안된 하나의 해결책은 공동으로 양도된 미국 특허 제 5,018,037 호에 설명되어 있으며, 여기에서 자기 저항 센서내 길이 방향 바이어스는 견고한 자기 바이어스 층에 의해 발생되며, 상기 자기 바이어스 층은 자기 저항층의 단부와 전기 및 자기적인 연속성을 가지는 인접한 접합을 형성한다. 이러한 센서는 위와 같은 요건을 충족시키도록 안출되었던 것이다. 그러나, 이러한 길이 방향 바이어스를 가진 자기 저항 센서의 감도는 트랙 폭이 감소함에 따라 떨어진다.

미국 특허 출원 제 08/472,975 호에서, 타원형 같은 자기 저항 센서의 단부 영역에서 반강자성 필름과 자기 저항층 사이의 교환 커플링에 의해 발생된 길이 방향 바이어스를 가지는 자기 저항 센서를 개시한다. 이러한 센서는 미래의 설계 요건을 충족시키도록 개시되었던 것이지만, 자기 저항 센서의 배면 부분에 있는 비자성 갭에 기인하여 감소된 감도를 가지며, 이것의 출력을 상당히 저하시킬 수 있는 길이 방향 바이어스 값의 강한 온도 종속성을 가진다.

선행 기술에서는 배면에서 신장된 부분내의 갭과 전면에서 신장된 부분내에 형성된 활성 영역을 가지는 신장된 타원형의 자기 저항층을 가지며, 갭내에 배치된 견고한 필름에 의해 길이 방향으로 바이어스되는 자기 저항 센서가 개시되지 않는다.

본 발명의 목적은 센서 감도에 부정적인 영향을 주지 않으면서 자기 저항 센서내에서 도메인 억압(domain suppresion)에 대한 기술을 제공하는 것이다.

도 1은 강자성층에 의해 형성된 길이 방향 바이어스와 함께 신장된 타원형을 가지는 자기적으로 폐쇄된 자기 저항 요소를 도시하는 개략적인 평면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 특정 실시예에 대한 평면도이다.

도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 실시예의 전면 및 배면의 신장된 부분을 도시하는 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 개량된 실시예를 도시하는 평면도이다.

도 6은 도 5에 도시된 실시예의 배면 신장 부분을 도시하는 단면도이다.

〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉

11. 활성 영역 12. 단부 영역

13. 갭 14. 강자성층

20. 자기 저항 요소 21. 활성 영역

22. 단부 영역 23. 갭

본 발명에 따르면, 자기 저항 센서는 서로에 대하여 평행한 전면 및 배면의 신장된 부분을 가지는 신장된 타원형으로 형성된 자기 저항 요소를 포함한다. 자기 저항 요소는 전면의 신장된 부분으로 형성된 활성 영역, 두곳의 단부 영역 및, 배면의 신장된 부분내에 형성된 그들 사이의 갭으로 이루어진다. 강자성 재료의 얇은 층은 갭에 걸쳐서 연장되며, 활성 영역을 단일의 도메인 상태로 유지하기에 충분한 수준으로 자기 저항 요소내에서 길이 방향 바이어스를 발생시키도록 자기 저항 요소의 양 단부와 함께 자기적인 연속성과 전기적인 불연속성을 가진다.

특정의 실시예에서, 자기 저항 센서는 자기 도전층으로 형성된 자기 저항(MR) 층의 얇은 필름을 포함한다. 자기 저항층은, 활성 영역과 갭에 의해서 서로로부터 분리된 두개의 단부 영역을 가지는 신장된 타원형으로 형성된다. 강자성층의 얇은 필름은 갭안에 배치되며 자기 저항층의 단부 영역과 함께 자기적인 연속성과 전기적인 불연속성을 가진다. 강자성층은 단일의 도메인 상태에서 활성 영역을 유지하기에 충분한 수준으로 자기 저항층내에 길이 방향 바이어스를 형성한다. 디커플링 단층(decoupling layer)의 얇은 필름은 자기 저항층의 활성 영역을 덮는다. 연질 자성층의 얇은 필름은 활성 영역위로 연장되며 디커플링 단층에 접촉됨으로써 연질 자성층은 자기 저항층으로부터 분리된다. 자기 저항층, 연질 자성층 및 강자성층의 자화축은 서로에 대하여 용이하게 평행하도록 배향되며, 신장된 타원형의 주축에 대하여도 평행하게 배향된다. 이격된 도전체 리이드는 활성 영역과 단부 영역내에서 자기 저항층에 연결되지만, 최소한 갭의 일부에 의해서 갭의 영역내에서는 서로로부터 전기적으로 고립된다. 전류 소스는, 자기 저항층을 높은 감도 조건으로 유지하기에 충분한 수준의 횡방향 바이어스와 함께, 자기 저항층을 자기적으로 바이어스시키는 활성 영역을 통한 전류를 발생시키도록 도전체 리이드에 대하여 감지 전류를 공급하게끔 제공되며, 따라서 신호 검지 수단에 대한 도전체 리이드의 연결과 동시에, 신호 감지 수단은 단층에 의해 차단되는 전기장의 함수로서 자기 저항층내의 저항 변화를 결정한다.

상기의 목적 및 다른 목적들과 본 발명의 특징 및 장점들은 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명으로부터 보다 자명해질 것이다.

공지된 바로서, 바크하우센 노이즈를 억제하려면 자기 저항 요소가 동작중에 활성 영역의 안정적인 단일 도메인 상태(single domain state)를 가져야 한다. 단일의 도메인 상태는 자기 저항 요소의 소자장(demagnetization field)을 보상하는 길이 방향 바이어스를 사용함으로써 형성될 수 있다. 길이 방향 바이어스 값의 증가는 자기 저항 센서 감도의 감소를 초래한다. 따라서 길이 방향 바이어스의 값은 가능한한 작아야만 하지만, 동시에 안정적인 단일의 도메인 상태에서 자기 저항 요소의 활성 영역을 유지하기에 충분하여야 한다. 신장된 타원형으로 패턴화된 자기 저항 요소는 스트라이프 형상으로 형성된 자기 저항 요소보다 작고 균일한 소자장을 가진다. 따라서, 자기적으로 폐쇄된 타원형 자기 저항 요소의 도메인 구조는 자기 저항 스트라이프의 그것보다 낮은 길이 방향 바이어스의 값에 의해서 안정화될 수 있다. 이것은 감도의 증가를 초래한다.

도 1은 본 발명에 따라서 강한 자기 바이어스로써 자기적으로 폐쇄된 자기 저항 센서를 나타낸다. 센서의 자기 저항 요소(10)는 두개의 수동 단부 영역(12)과 그 사이의 활성 영역(11)과 함께 신장된 타원형의 형상을 가진다. 활성 영역(11)은 자기 저항 요소(10)의 전면 신장 부분내에 배치된다. 수동 단부 영역(12)은 자기 저항 요소(10)의 배면 신장 부분내에 형성된다. 수동 단부 영역(12)은 갭(13)에 의해서 서로로부터 전기적으로 고립된다. 강자성층(14)의 얇은 필름은 자기 저항 요소(10)내에서 길이 방향 바이어스의 소스로서 사용된다. 강자성층(14)은 갭(13)에 걸쳐서 연장되도록 형성되며, 자기 저항 요소(10)의 양 단부 영역(12)과 함께 자기적인 연속성을 가진다. 신호의 분로(shunting)를 방지하기 위하여, 단부 영역(12)은 서로로부터 전기적으로 고립되어야 한다. 따라서 강자성층(14)은 절연체여야 하며, 또는 활성 영역의 저항보다 훨씬 높은 전기 저항을 가져야만 한다.

자기 저항 요소(10)와 강자성층(14)의 자화축은 서로에 대하여 용이하게 평행하도록 배향되며, 또한 신장된 타원형의 주축에 대하여 평행하게 배향된다. 강자성층(14)의 프린징 피일드(fringing field)는 자기 저항 요소(10)를 통해서 폐쇄되며 활성 영역(11)에 영향을 미쳐서 길이 방향 바이어스(HBL)를 가진 영역을 제공한다. 길이 방향 바이어스 값(HBL)은 안정된 단일 도메인 상태에서 자기 저항 요소(10)의 활성 영역(11)을 유지하기에 충분한 수준이어야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 자기 저항 센서의 특정 실시예에 대한 평면도를 도시하며, 도 3 및 도 4는 도 2의 I-I 선, II-II 선을 따라 취한 단면도를 각각 도시한다. 도 2를 참조하면, 자기 저항 센서는 활성 영역(21)과 갭(23)에 의해서 분리된 두개의 수동 단부 영역(22)을 가진 자기 저항 요소(20)를 포함한다. 자기 저항 요소(20)는 신장된 타원형으로 형성되며 이것은 타원형의 일부인 서로에 대하여 대향하도록 배치된 활성 영역(21)과 갭(23)을 가진다. 얇은 강자성층(24)은 갭(23)에 걸쳐서 형성되며 자기 저항 요소(20)의 양측 단부 영역(22)과 함께 자기적인 연속성을 가진다. 강자성층(24)은 자기 저항 요소(20)에 의해 경험되는 유효한 길이 방향 바이어스 장을 만든다. 길이 방향 바이어스 장은 자기 저항 요소(20)의 신장부를 따라서 배향된다. 길이 방향 바이어스 장은 활성 영역(21)내에서 단일의 도메인 상태를 유도하기에 충분한 정도의 수준이며 작동중에 이러한 상태를 유지한다. 그 위에 걸쳐서 바이어스 전류가 자기 저항 요소(20)로 공급되며 출력 신호가 감지되는 이격된 도전체 리이드(25)는 활성 영역(21)내의 자기 저항 요소(20)와 갭(23)의 영역에 있는 강자성층(24)으로 직접적으로 단층화된다. 이들은 강자성층(24)이나 또는 이것의 일부에 의해서 서로로부터 전기적으로 절연된다. 강자성층은 자기 저항 요소(20)의 중앙 감지 영역(21)의 저항보다 훨씬 높은 전기적인 저항을 가져야만 한다.

도 3은 도 2의 선 I-I 를 따른 자기 저항 요소의 단면을 도시한다. 디커플링 단층(decoupling layer,27)의 얇은 필름과 연자성층(28)은 자기 저항층(26)의 활성 영역(21)위에 걸쳐서 증착된다. 연자성층(28)은 얇은 디커플링 단층(27)에 의해 자기 저항층(26)으로부터 분리됨으로써, 횡방향 바이어스는 자기 저항층(26)의 활성 영역(21)에서만 발생될 수 있다. 자기 저항층이 도 3에서 처음으로 증착된 것으로서 도시되었을지라도, 연자성층(28)이 먼저 증착될 수 있으며, 디커플링 단층(27)과 자기 저항층(26)은 이후에 증착될 수 있다. 그 위에서 출력 신호가 감지되는 도전체 리이드(25)는 자기 저항층위에 직접적으로 증착된다. 도전체 리이드 사이에서 이격된 것은 자기 저항 요소(20)의 활성 영역을 나타낸다. 전류 소스는 도전체 리이드(25) 사이에서 연결되어 활성 영역(21)에서 바이어스 전류를 만들어서 횡방향 바이어스로 자기 저항층(26)만을 자기적으로 바이어스시킨다. 횡방향 바이어스는 그 안에서 바이어스 전류, 디커플링 단층 및, 연자성층이 나타나는 활성 영역(21)에서 발생한다. 횡방향 바이어스는 자기 저항층(26)의 감지 영역(21)에서 선택된 각도로 자화를 발생시킴으로써 자기 저항 센서는 높은 감도 조건으로 유지된다.

도 4는 도 2에 주어진 자기 저항 센서의 배면 신장부에서 선 II-II를 따른 단면도를 도시한다. 센서의 배면 신장부에서 자기 저항 요소(20)는 자기 저항층(26)에 의해 형성된다. 비록 자기 저항 요소의 배면 부분이 연자성층(28), 비자성 스페이서(27) 및, 자기 저항층(26)으로 이루어진 3개층의 구조로 구성될 수 있을 지라도, 갭(23)은 자기 저항층(26)의 전체 두께를 통해서 형성된다. 강자성층(24)은 갭(23)에 걸쳐서 연장되도록 형성되며, 자기 저항 요소(20)에서 길이 방향의 바이어스 장을 발생시키도록 자기 저항층(26)의 양 단부와 함께 자기적인 연속성을 가진다. 이격된 도전체 리이드(25)는 자기 저항층(26)위에 증착되며 강자성층(24)을 부분적으로 덮을 수 있다. 출력 신호의 분로(shunting)를 방지하도록, 강자성층(24)은 매우 높은 전기 저항성을 나타내야만 한다. 특정의 실시예에서, 스퍼터링된 Fe3O4 필름이 경질 자성 필름용의 재료로서 선택되었다. 스퍼터링된 Fe3O4 필름의 전기 저항은 자기 저항층으로서 이러한 실시예에서 사용되는 NiFe 필름보다 400 배 이상이다. 보통 200 내지 700 Å의 범위인 강자성층(24)의 두께는 자기 저항 요소(20)의 중앙 감지 영역(21)에서 바이어스 플럭스의 소정량을 제공하기 위하여 선택된다.

본 발명에 따른 자기 저항 센서의 선택적인 실시예는 도 5와 도 6에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 금속성 도전 합금은 강자성층(34)으로서 사용된다. 출력 신호의 분로를 방지하기 위하여, 강자성층(34)은 얇은 절연 수단(39)에 의해서 자기 저항 요소(30)로부터 전기적으로 고립되어야 한다. 절연체(39)의 두께는 강자성층(34)과 자기 저항 요소(30)의 단부 영역 사이에서 두개의 갭의 자기 저항을 최소화하도록 가능한한 얇아야 한다. 강자성층(34)에는 CoPt, CoCr, CoCrPt, CoCrTa 와 같은 야금의 단일 단층이 제공될 수 있다. Al2O3, SiO2, Si3N4 등과 같은 얇은 필름은 200 내지 1000 Å 의 두께를 가지는 절연체(39)로서 사용될 수 있다. 도전체 리이드(35)는 배면 영역에서뿐만 아니라, 활성 감지 영역(3)에서 자기 저항층(36)과 직접적으로 접촉하여 증착된다. 그러나, 이러한 특정 실시예에서, 자기 저항 요소(30)의 배면 영역에서 도전체 리이드(35)는 두개의 단부 영역 사이의 갭에 배치된 강자성층(34)과 절연체(39)에 의해 서로로부터 분리되어야만 한다.

자기 저항 센서를 제조하는 방법은 본 발명의 범위가 아니다. 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자들에게 공지된 바와 같이, 센서는 집적 회로 칩을 제조하는 것과 유사한 방법으로 공지의 박막 제조 기술에 의해 제작될 수 있다. 이러한 제조 공정은 기판상에 얇은 필름 단층을 증착하고, 선택적인 에칭과 석판인쇄술과 같은 적절한 기술에 의해서 단층을 적절하게 성형하는 것을 포함한다.

도 2 및 도 5에 도시된 자기 저항 센서의 특정 실시예에서, 자기 저항층(26)의 재료는 NiFe 이고, 디커플링 단층(27)의 재료는 Ta 이며, 연자성층(28)은 NiFRh 이다. 자기 저항층의 두께는 대략 150 내지 500 Å 의 범위에 있으며, 스페이서 단층의 두께는 100 내지 400 Å의 범위에 있고, 연자성층(28)의 두께는 150 내지 600 Å의 범위에 있다. 도전체 리이드는 Ta/Au/Ta 로 이루어지는 3 개층의 구조로 형성된다.

본 발명에 따르면, 활성 영역을 단일의 도메인 상태로 유지하기에 충분한 수준으로 자기 저항 요소내에서 길이 방향 바이어스를 발생시므로, 자기 저항 센서의 감도가 높아진다는 장점이 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위를 이탈하지 않고 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 신장된 타원형으로 형성되며, 활성 영역, 갭 및 두개의 단부 영역을 가지며, 상기 단부 영역은 그 사이에 배치된 갭에 의해서 서로로부터 분리된 자기 저항 요소,

   도전성 자성 재료로 형성되며 상기 자기 저항 요소의 전체에 걸쳐 연장되는 자기 저항층의 얇은 필름,

   상기 자기 저항층의 상기 중앙 활성 영역만을 덮는 비자성 디커플링 단층,

   상기 자기 저항층의 상기 활성 영역에 걸쳐 연장되며, 상기 디커플링 단층에 평행하게 접촉되어 있으며 상기 디커플링 단층에 의해 상기 자기 저항층으로부터 분리된 연자성층의 얇은 필름,

   상기 활성 영역을 작동중에 단일의 도메인 상태로 유지시키기에 충분한 수준으로 상기 자기 저항 요소내에 길이 방향의 바이어스를 발생시키며, 상기 갭에 걸쳐서 연장되고 상기 자기 저항층의 단부 영역과 함께 자기적인 연속성과 전기적인 불연속성을 가지는 강자성층의 얇은 필름,

   상기 활성 영역내에서 상기 자기 저항층에 연결되고 상기 갭에 의해서 서로로부터 전기적으로 고립되는 도전성 리이드 및,

   상기 자기 저항층을 높은 감도 조건으로 유지시키기에 충분한 수준의 횡방향 바이어스로 상기 자기 저항층을 자기적으로 바이어스시키도록 바이어스 전류를 상기 도전체 리이드에 공급함으로써, 상기 도전체 리이드에 연결된 신호 감지 수단이 상기 단층에 의해 차단되는 전기장의 함수로서 상기 자기 저항층내 저항의 변화를 결정할 수 있게 하는 전류 소스를 포함하는 자기 저항 센서.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 저항 요소 및 상기 강자성층의 자화축은 상기 자기 저항 요소의 주축의 신장부에 대하여 평행한 방향으로 용이하게 배향되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 활성 영역은 상기 자기 저항 요소의 신장 부분내에 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 강자성층은 Fe3O4 인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 자기 저항 요소의 상기 단부 영역들을 서로로부터 절연하는 얇은 절연층을 포함하며, 상기 절연층은 상기 강자성층에 의해서 신호 단층의 분로를 방지하도록 상기 자기 저항 요소의 상기 단부 영역들 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 강자성층은 CoPt, CoCrPt, CoCrTa, CoCr 등의 도전성이 있는 자성 필름인 것을 특징으로 하는 자기 저항 센서.