KR100245907B1 - 자기-바이어스된 스핀 밸브 센서 - Google Patents

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포만 제프리 엘
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Abstract

본 발명에서는 제 1 스페이서층(spacer1 layer)에 의해 고정층(pinned layer)으로부터 분리되고, 제 2 스페이서층(spacer2 layer)에 의해 보자자층(keeper layer)으로부터 분리되는 자유층(free layer)을 구비한 자기 바이어스된(self-biased) 스핀 밸브(spin valve: SV) 자기저항(magnetoresistive: MR) 센서를 개시한다. 자유층은 보자자층과 고정층 사이에 배치된다. 보자자층은 센서 내에 흐르는 감지 전류와 함께 고정층의 자화를 고정시키는 수단으로 사용된다. 반강자성층을 사용하는 종래 기술과는 달리 본 발명에서는 고정층의 자화를 고정시키기 위한 수단으로 감지 전류와 함께 소프트 보자자층을 사용함으로써, 반강자성층의 차단 온도(blocking temperature) 의존성이 제거된다.

Description

자기-바이어스된 스핀 밸브 센서
본 발명은 자기 매체(magnetic medium)에 기록된 신호를 판독하기 위한 스핀 밸브 자기저항 센서(spin valve magnetoresistive(MR) sensor)를 이용하는 형태의 직접 접근 저장 장치(direct access storage device: DASD)에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 자기 바이어스(self-biased)된 스핀 밸브 센서를 구비한 직접 접근 저장 장치(DASD)에 관한 것이다.
컴퓨터는 대부분 나중에 사용하기 위해 데이터를 기록하고 판독할 수 있는 매체를 갖는 보조 메모리 저장 장치를 포함하고 있다. 회전하는 자기 디스크를 일체로 구성하는 직접 접근 저장 장치(디스크 드라이브)는 통상 디스크 표면 상에 자기적인 형태(magnetic form)로 데이터를 저장하는데 사용된다. 데이터는 디스크 표면 상에 동심(同芯)이며 방사상으로 이격된 트랙 상에 기록된다. 판독 센서를 포함하는 자기 헤드들은 디스크 표면 상의 트랙으로부터 데이터를 판독하는데 사용된다.
고용량 디스크 드라이브에서는, 보통 MR 헤드라고 부르는 자기저항 판독 센서가 널리 사용된다. 그 이유는 자기저항 판독 센서가 박막 필름 유도 헤드보다 더 큰 선밀도(linear density)로 데이터를 디스크 표면으로부터 판독하는 능력이 있기 때문이다. MR 센서는 MR층에 의해 감지되는 자속(magnetic flux)의 세기 및 방향의 함수인 MR 감지층(또는 "MR 소자"라고 함)의 저항 변화를 통해 자계(magnetic field)를 검출한다.
현재 개발중인 MR 센서 종류 중의 하나로 거대 자기 저항(giant magnetoresistive: GMR) 효과를 나타내는 GMR 센서가 있다. GMR 센서에서, MR 감지층의 저항 변화는 비자성(non-magnetic)층(스페이서)에 의해 분리되는 자성층들 사이의 전도 전자들의 스핀-의존 투과(spin-dependent transmission)와, 이에 수반되는 자성층 및 비자성층의 인터페이스 부분과 자성층 내부에서 발생하는 스핀-의존 산란(spin-dependent scattering)의 함수이다.
비자성 금속 물질(예를 들어, 구리)의 층에 의해 분리된 강자성 물질(예를 들면, NiFe 또는 Co 또는 NiFe/Co)로 이루어진 2개의 층만을 사용하는 GMR 센서는 통상 스핀 밸브(spin valve: SV) 효과를 나타내는 스핀 밸브 센서라고 불리운다. SV 센서에서, 고정층(pinned layer)이라 불리우는 강자성층 중의 하나는 그 자화가 통상 반강자성(예를 들면, NiO 또는 FeMn)층과의 교환 결합(exchange coupling)에 의해 고정된다. 반강자성층에 의해 발생된 고정 필드(pinning field)는 일반적으로 2백 에르스텟(Oe) 이상이어서, 고정층의 자화 방향은 외부 필드(예를 들면, 디스크 상에 기록된 비트로부터 나오는 필드)가 인가되는 동안에도 고정된 상태를 유지하고 있다. 그러나, 자유층(free layer)이라고 불리우는 또 다른 층의 자화는 고정되지 않으며, 디스크로부터 나오는 필드에 응답하여 자유롭게 회전한다.
전형적인 종래 기술의 SV 센서가 나타내는 SV 효과, 즉 저항의 순변화(net change)는 약 3% 내지 4%이다. 1993년 4월 27일 Dieny 등에게 허여된 "Magnetoresistive Sensor Based On The Spin Valve Effect"라는 명칭의 미국 특허 제 5,206,590호에는 스핀 밸브 효과에 기초하여 동작하는 MR 센서를 개시하고 있다.
도 1은 중앙 영역 (102)에 의해 분리되는 단부 영역 (104) 및 (106)을 포함하는 종래 기술의 SV 센서 (100)을 도시하고 있다. 자유층(자유 MR층) (110)은 비자성 전기 전도 스페이서 (115)에 의해 고정층(고정 MR층) (120)과 분리된다. 고정층 (120)의 자화는 반강자성층(antiferromagnetic(AFM) layer) (125)에 의해 고정된다. 자유층 (110), 스페이서 (115), 고정층 (120) 및 반강자성층(AFM) (125)는 모두 중앙 영역 (102) 내에 형성된다. 단부 영역 (104) 및 (106) 내에 각각 형성된 하드 바이어스층(hard bias layers) (130) 및 (135)는 MR 자유층 (110)에 길이 방향 바이어스를 제공한다. 하드 바이어스층 (130) 및 (135) 상에 각각 형성된 리드선 (140) 및 (145)는 감지 전류 IS가 전류원 (160)에서 MR 센서 (100)으로 흐르도록 전기적으로 접속된다.
앞에서 언급한 바와 같이, 종래 센서 (100) 내의 고정층 (120)의 자화는 일반적으로 FeMn 또는 NiO와 같은 반강자성 물질 (125)로 이루어진 층과 교환 결합(exchange coupling)을 통해 고정된다. 그러나, FeMn 및 NiO는 모두 다소 낮은 차단 온도(blocking temperature)(주어진 물질에 대한 고정시키는 필드가 제로(0) Oe에 도달하는 온도를 말함)를 갖는데, 이러한 낮은 차단 온도로 인해 FeMn 또는 NiO를 반강자성층으로 사용하는 것이 어려울 뿐만 아니라 바람직하지도 않다. 도 2를 참조하면, 고정시키는 층으로 FeMn 또는 NiO를 사용하는 35 Å 두께의 NiFe로 된 고정층에 대한 고정시키는 필드 대 온도의 변화가 도시되어 있다. FeMn은 약 150 ℃의 차단 온도를 가지며(곡선 (210)), NiO는 약 200 ℃의 차단 온도를 갖는다(곡선 (220)). DASD에 사용되는 통상의 SV 센서는 약 200 Oe의 고정시키는 필드 및 약 120℃의 일정한 온도에서 신뢰성 있게 동작할 수 있어야 한다는 점을 고려해 볼 때, FeMn이 약 120 ℃(고정 필드는 약 150 Oe으로 떨어짐)에서 고정층을 고정시키는 능력을 거의 상실하고, 또한 NiO는 약 120 ℃(고정시키는 필드는 약 180 Oe으로 떨어짐)에서 적절한 고정을 간신히 제공할 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있다. 일단 고정 효과가 상실되면 SV 센서는 SV 효과의 전부 또는 일부를 상실하여 SV 센서를 쓸모없게 만든다는 점에 유의하여야 한다. 온도에 대한 민감도(sensitivity) 문제 이외에도, FeMn은 또한 부식되기가 매우 쉬워 FeMn을 반강자성층으로 사용하는 것은 NiO보다 훨씬 더 많은 문제를 일으킨다.
따라서, 반강자성 층을 사용하지 않으면서도 고정층을 고정시키는 수단을 구비함으로써, 반강자성층에 대한 SV 센서의 동작 및 반강자성층의 온도 민감도가 제거될 수 있는 스핀 밸브 센서가 필요하다.
본 발명의 목적은 SV 효과가 상실됨이 없이 고온(120 ℃ 이상)에서 동작 가능한 스핀 밸브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고정층을 고정시키기 위한 목적으로 사용되어왔던 반강자성층을 사용하지 않는 자기 바이어스(self-biased)된 스핀 밸브 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 고정층을 고정시키기 위한 목적으로 감지 전류와 함께 보자자층(保磁子層: keeper layer)을 사용하는 스핀 밸브 센서를 제공하는 것이다.
도 1은 반강자성층을 사용하는 종래의 스핀 밸브(SV) 센서의 사시도(축척비는 동일하지 않음).
도 2는 FeMn 및 NiO에 대한 고정 필드와 온도 간의 관계를 보여주는 그래프.
도 3은 본 발명을 구현하는 자기 디스크 저장 시스템을 단순화한 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예인 자기 바이어스(self-biased)된 스핀 밸브(SV) 센서의 공기 베어링 표면을 나타낸 도면(축척비는 동일하지 않음).
도 5는 도 4의 자기 바이어스(self-biased)된 스핀 밸브(SV) 센서의 감지 전류가 존재하는 경우 및 존재하지 않는 경우의 보자자층, 자유층과 고정층 및 이들의 자화 벡터의 사시도(축척비는 동일하지 않음).
도 6은 본 발명의 자기 바이어스된 스핀 밸브(SV) 센서의 또 다른 실시예인 공기 베어링 표면을 나타낸 도면(축척비는 동일하지 않음).
<도면의주요부분에대한부호의설명>
100, 400, 600 : 스핀 밸브 센서
140, 145, 482, 484, 682, 684 : 리드선
410, 420, 610, 620 : 수동 단부 영역(passive end regions)
430, 630 : 중앙 능동 영역(central active region)
444, 644 : 보자자층(保磁子層: keeper layer)
446, 646 : 제 2 스페이서층
448, 648 : 자유층
450, 650 : 제 1 스페이서층
452, 652 : 고정층
458, 658 : 갭층(gap layer)
460, 660 : 자기 차폐층
462, 662 : 기판
466, 666 : 공기 베어링 표면
472, 474, 672, 674 : 하드 바이어스층(hard bias layers)
490, 690 : 스핀 밸브 소자
510 : 스핀 밸브 전류원
상기한 본 발명의 목적 및 기타 다른 목적들과 장점들은 중앙 영역에 의해 서로 분리되는 단부 영역들을 갖는 자기 바이어스된 스핀 밸브(SV) 센서에 의한 본 발명의 원리에 따라 달성된다. SV 센서는 제 1 스페이서층에 의해 고정층으로부터 분리되는 자유층을 더 갖는다. 자유층은 또한 제 2 스페이서층에 의해 보자자층(keeper layer)으로부터 분리된다. 자유층은 제 1 스페이서층 및 제 2 스페이서층 사이에 삽입된다. 자유층은 제 1 스페이서층 및 제 2 스페이서층과 함께 고정층과 보자자층 사이에 삽입된다. 자유층, 제 1 스페이서층과 제 2 스페이서층, 및 고정층과 보자자층은 모두 중앙 영역에 형성되고 스핀 밸브 소자(SV element)(또는 SV 물질)이라 불리운다.
단부 영역 내에 형성된 길이 방향 바이어싱층(하드 바이어스(hard bias: HB)층 또는 교환 바이어스(exchange bias: EB)층)은 중앙 영역 내에 형성된 자유층에 대해 길이 방향 바이어싱을 제공한다. 또한, 길이 방향 바이어싱층은 각각 SV 소자와 연속 접합을 형성한다. SV 센서는 SV 소자에 감지 전류를 제공하기 위해 길이 방향 바이어싱층 상에 형성된 2개의 리드선(제 1 및 제 2 SV 리드선으로 SV 리드선으로도 불리움)을 추가적으로 갖는다. 고정층 및 보자자층의 자기 모멘트는 또한 (두께를 적절히 선택함으로써) 거의 동일한 값이 되도록 정해진다.
스페이서 1의 물질은 구리, 은, 또는 금과 같이 SV 효과를 증진시키는 비자성 물질 종류 중에서 선택된다. 반면에, 스페이서 2의 물질은 Ta, Cr, W, Re, Nb, Mo, SiO2, 및 Al 2O3와 같이 SV 효과를 실질적으로 또는 완전히 억제하는 비자성 물질 종류 중에서 선택된다. SV 효과를 억제하는 물질을 사용하면 보자자층, 제 2 스페이서층, 및 자유층이 협력하여 SV 효과가 전혀 발생하지 않도록 한다.
감지 전류가 없는 경우(SV 센서에 인가된 감지 전류가 없는 경우)에는, 3개 자성층(자유층, 고정층, 및 보자자층)의 자화는 모두 같은 방향으로 서로 평행하도록 정해지고, 또한 공기 베어링 표면(air bearing surface: ABS)(자기 디스크 표면에 인접하고, SV센서의 일부분을 포함하는 자기 헤드의 표면을 말함)과 평행하도록 정해진다.
미리 정해진 크기를 갖는 감지 전류(SV 센서에 인가된 감지 전류)가 존재하는 경우, 고정층 및 보자자층의 자화 벡터는 정자기 에너지(magnetostatic energy)를 최소화시키도록 서로 반대로 평행하고(평행하지만 방향이 반대임), 동시에 자화 벡터는 전류에 의한 유도 자계(current induced magnetic field)로 인하여 ABS를 횡단하는 방향이 된다. 따라서, 감지 전류에 의해 발생되는 자계와 함께 보자자층에 의해 제공되는 자속이 닫히게 되어(magnetic flux closure) ABS와 수직한 고정층의 자화를 고정시킨다.
고정층의 자화를 고정하는 수단으로 감지 전류와 관련하여 소프트 보자자층을 사용하면 반강자성층(AFM layer)을 사용할 필요가 없으며 센서의 동작이 AFM 층에 좌우되지 않는다. 이것은 센서가 갑작스런 온도 변화 또는 디스크와의 갑작스런 충돌로 인해 동작 불능 상태(inoperative)로 되는 경우에도 고정층을 고정하기 위한 동적 수단(dynamic means)을 제공하고, 동시에 고정층과 보자자층 간의 자기 모멘트가 동일한 크기를 가져 서로 상쇄됨으로써 자유층의 단부에 작용하는 표유(漂遊) 필드(stray field)가 상당히 감소된다. 고정층의 자화를 고정시키기 위해 AFM층을 사용하지 않는 본 명세서에 개시된 SV 센서는 자기 바이어스(self-biased)된 SV센서라고 불리운다.
본 발명의 특성 및 장점 뿐만 아니라 바람직한 사용 모드를 더욱 충분히 이해하기 위하여 첨부한 도면과 관련하여 이하의 상세한 설명이 참조되어야 한다. 첨부한 도면에서, 유사한 참조 번호는 도면 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 부분들을 나타낸다.
이하에서 기술하는 것은 본 발명을 수행하기 위하여 지금까지 고안된 최선 실시 태양(best mode)이다. 이하의 설명과 다수의 도시된 실시예들은 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위한 목적으로 기술된 것이며, 특허청구범위의 발명 개념을 한정하기 위한 것이 아니다.
도 3을 참조하면, 본 발명을 구현하는 디스크 드라이브 (300)이 도시되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 적어도 하나의 회전 가능한 자기 디스크 (312)는 스핀들 (314) 상에서 지지되고 디스크 구동 모터 (318)에 의해 회전된다. 각 디스크 상의 자기 기록 매체는 디스크 (312) 상의 동심원 데이터 트랙(도시하지 않음)의 환상 패턴의 형태로 되어 있다.
적어도 하나의 슬라이더 (313)이 디스크 (312) 상에 위치하는데, 각 슬라이더 (313)은 하나 이상의 자기 판독/기록 헤드 (321)을 지지하고, 이 헤드 (321)에는 본 발명의 MR 센서가 사용된다. 디스크가 회전함에 따라, 슬라이더 (313)이 디스크 표면 (322) 위에서 지름 방향으로 전진 또는 후퇴하여 헤드 (321)은 원하는 데이터가 기록되어 있는 디스크의 여러 부분들에 액세스할 수 있다. 각 슬라이더 (313)은 서스펜션 (315)에 의해 액츄에이터 암 (319)에 부착되어 있다. 서스펜션 (315)는 약간의 탄성력을 제공하여 디스크 표면 (322)에 대해 슬라이더 (313)을 바이어스시킨다. 각 액츄에이터 암 (319)는 액츄에이터 수단 (327)에 부착된다. 도 3에 도시한 바와 같은 액츄에이터 수단은 음성 코일 모터(voice coil motor: VCM)일 수 있다. VCM은 고정 자계 내에서 움직일 수 있는 코일을 포함하고, 이 코일의 운동 방향 및 속도는 제어기 (329)에 의해 공급되는 모터 전류 신호에 의해 제어된다.
디스크 저장 시스템의 동작 중에, 디스크 (312)가 회전하면 슬라이더 (313) 및 디스크 표면 (322) 사이에 공기 베어링(air bearing)이 발생하는데, 이 공기 베어링은 슬라이더 상에서 상방향의 힘 또는 부양력(lift)을 미친다. 따라서, 공기 베어링은 서스펜션 (315)의 탄성력과 균형을 이루고, 정상 동작시 슬라이더 (313)을 디스크 표면 위에서 대체적으로 일정한 간격만큼 약간 떠있도록 지지한다.
디스크 저장 시스템의 여러 가지 구성요소들의 동작은 액세스 제어 신호 및 내부 클럭 신호와 같은 제어 유닛 (329)에 의해 생성되는 제어 신호들에 의해 제어된다. 전형적으로, 제어 유닛 (329)는 로직 제어 회로, 저장 수단 및 마이크로 프로세서를 포함한다. 제어 유닛 (329)는 라인 (323) 상의 드라이브 모터 제어 신호 및 라인 (328) 상의 헤드 위치 및 탐색 제어 신호와 같은 제어 신호를 발생시켜 여러 가지 시스템 동작을 제어한다. 라인 (328) 상의 제어 신호는 원하는 전류 프로파일을 공급하여 슬라이더 (313)을 디스크 (312) 상의 원하는 데이터 트랙으로 가장 적합하게 이동시키고 또한 위치시킨다. 판독 및 기록 신호는 레코딩 채널(recording channel) (325)에 의해 기록 및 판독 헤드 (321)과 양방향으로 통신한다.
상기에서 기술한 전형적인 자기 디스크 저장 시스템 및 첨부하는 도 3의 예시는 단지 소개하기 위한 것에 불과하다. 디스크 저장 시스템은 다수개의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며 각각의 액츄에이터는 다수의 슬라이더를 지지할 수 있다는 사실은 명백하다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예인 자기 바이어스(self-biased)된 스핀 밸브(SV) 센서 (400)의 공기 베어링 표면을 나타낸 도면이 도시되어 있다. SV 센서 (400)은 중앙 능동 영역(central active region) (430)에 의해 서로 분리된 수동 단부 영역(passive end regions) (410) 및 (420)을 포함하고 있다. 스핀 밸브(SV) 센서 (400)은 필수적인 것은 아니지만 적당한 기판 (462) 위에 형성되는 제 1 자기 차폐층 (460) 및 갭층(gap layer) (458)을 포함하는 것이 바람직하다. 제 1 자기 차폐층 (460)은 SV 센서 (400)을 자기적으로 절연시키며, 통상 NiFe 또는 sendust(상표임)로 이루어져 있다. 갭층(gap layer) (458)은 SV 센서 (400)을 자기적으로 절연시키며, 일반적으로 Al 2O3또는 SiO2로 이루어진다.
SV 센서 (400)은 갭층 (458) 위의 중앙 영역 (430) 내에 고정층 (452), 제 1 스페이서층 (450), 자유층 (448), 제 2 스페이서층 (446) 및 보자자층 (444)의 순서대로 형성된 층들을 더 포함한다. 자유층 (448)은 비자성 전기 전도 제 1 스페이서층 (450)에 의해 고정층 (452)로부터 분리되어 있다. 자유층 (448)은 또한 비자성 제 2 스페이서층 (446)에 의해 보자자층 (444)로부터 분리되어 있다. 자유층 (448), 스페이서층 (446)과 (450), 고정층 (452) 및 보자자층 (444)는 SV 소자(SV 물질) (490)이라고 불리운다.
자유층 (448)은 바람직하게는 외부 필드(즉, 디스크로부터 나오는 데이터 필드)가 없을 때 그 자화가 공기 베어링 표면 (466)에 평행하도록 정해지는데, NiFe 또는 NiFe/Co와 같은 소프트 강자성 물질로 이루어진다. 고정층 (452)는 바람직하게는 감지 전류가 없을 때 그 자화가 공기 베어링 표면 (466)에 평행하도록 정해지는데, NiFe 또는 NiFe/Co와 같은 소프트 강자성 물질로 이루어진다. 보자자층 (444)는 바람직하게는 그 자화가 외부 필드가 없을 때 공기 베어링 표면 (466)에 평행하도록 정해지는데, NiFeNb, NiFeCr, NiFe, CoFeNb, CoFeNbHf, 또는 CrZrMo와 같은 고저항을 갖는 소프트 강자성 물질로 이루어진다.
제 1 스페이서층(자유층과 고정층 간의 스페이서) (450)은 구리, 은 또는 금과 같은 SV 증진 물질(SV promoting materials)(SV 효과를 증진시키는 물질을 말함)로 이루어진다. 제 2 스페이서층(자유층과 보자자층 간의 스페이서층) (446)은 Al 2O3, SiO2, Ta, Cr, W, Re, Nb, 및 Mo와 같은 SV 억제 물질(SV inhibiting materials)(SV 효과를 최소화시키거나 또는 제거하는 물질을 말함)로 이루어진다.
SV 센서 (400)은 자유층 (448)에 길이 방향 바이어스 필드를 제공하도록 각각 단부 영역 (410) 및 (420) 내에 형성되는 길이 방향의 바이어싱층 (472) 및 (474)를 더 포함하여, 자유층 내에서 단일 자구 상태(single magnetic domain state)가 유지되도록 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 길이 방향 바이어싱층 (472) 및 (474)는 CoPtCr과 같은 하드 자성 물질을 포함하는데, CoPtCrTa 또는 CoPtCrSiO2와 같이 Co를 기본으로 한 기타 다른 하드 자석(hard magnet)으로 이루어질 수도 있다. 자성 물질로 이루어지는 길이 방향 바이어싱층 (472) 및 (474)는 일반적으로 하드 바이어스층(hard bias(HB) layers) (472) 및 (474)라고 불리운다. 길이 방향 바이어싱층은 또한 각각 SV 소자 (490)과 연속 접합(contiguous junction)을 형성한다.
또 다른 방법으로, 소프트 자성 물질(NiFe 또는 NiFeCo)을 포함하는 층 (472) 및 (474)를 각 단부 영역 내에 형성되는 반강자성(AFM) 물질층과 교환 결합시켜 길이 방향 바이어싱을 달성할 수 있다. 소프트 바이어스층 (472) 및 (474)는 반강자성층(AFM)과의 교환 결합의 결과 자기적으로 강화된다.
SV 센서 (400)은 단부 영역 (410) 및 (420)에 각각 형성된 2개의 전기 리드선 (482) 및 (484)(제 1 및 제 2 SV 리드선)을 더 포함하여 SV 소자와 SV 전류원 (510)(도 5)을 전기적으로 접속한다. SV 전류원 (510)은
1) SV 소자 (490) 양단에 DC 베이스(바이어스) 전압을 형성하고,
2) 고정층 및 보자자층의 자화가 서로 반대로 평행하고 ABS를 횡단하도록
해주는데 필요한
충분한 크기의 감지 전류를 SV 소자 (490)에 제공한다.
SV 센서 (400)은 일반적으로 캡층(capping layer)(도시되지 않음) 및 제 2 차폐층(도시되지 않음)에 의해 차례로 덮혀진다.
자기 바이어스된 SV 센서는 고정층의 자화를 고정시키기 위해 반강자성(AFM)층을 사용하지 않는 본 발명의 SV 센서 (400)과 같은 SV 센서를 말하는데, 이러한 SV 센서에서는 반강자성(AFM)층 대신 고정층의 자화를 고정시키기 위해 감지 전류와 협력하는 보자자층이 사용된다.
도 5를 참조하면, 감지 전류가 존재하는 경우(점선) 및 존재하지 않는 경우(실선), 보자자층 (444), 자유층 (448)과 고정층 (452), 및 이들의 자화 벡터의 사시도가 도시되어 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 감지 전류 IS가 없는 경우, 보자자층 (444), 자유층 (448)과 고정층 (452)의 자화 벡터 MK, MF, 및 MP는 같은 방향으로 서로 평행하도록 정해지고, ABS (466)과 평행하다(각각 위치 (444A), (448A) 및 (452A)에 해당됨).
감지 전류(즉, SV 센서 (400) 내에 흐르는 감지 전류)가 있는 경우, 보자자층 (444)의 자화 벡터 MK는 위치 (444A)에서 위치 (444B)로 회전하고, 보자자층을 제외한 모든 다른 SV 센서층(고정층, 자유층, 제 1 스페이서층 및 제 2 스페이서층) 내에 흐르는 감지 전류 IS의 일부에 의해 발생되는 자계로 인해 ABS (466)을 횡단(즉, ABS (466)과 거의 수직(75 내지 105도의 각을 형성)인 것을 의미함)하게 된다. 감지 전류가 있는 경우, 고정층 (452)의 자화 벡터 MP가 위치 (452A)에서 위치 (452B)로 회전하여 고정층을 제외한 모든 다른 SV 센서층(보자자층, 자유층, 제 1 스페이서층 및 제 2 스페이서층) 내에 흐르는 감지 전류 IS의 일부에 의해 발생되는 자계로 인해 ABS (466)을 횡단(즉, ABS (466)과 거의 수직(105 내지 75도의 각을 형성)인 것을 의미함)하게 된다. 감지 전류가 있는 경우, 자화 벡터 MK및 MP는 또한 정자기 에너지(magnetostatic energy)를 최소화시키도록 서로 반대 방향으로 평행하다.
상술한 바와 같이, 감지 전류가 존재하는 경우 MK및 MP는 ABS를 횡단하되 동시에 서로 반대 방향으로 평행하도록 배향되어 이들 자화 벡터 중의 하나는 ABS (466)으로부터 멀어지는 방향을 가리키고, 다른 하나는 ABS 쪽 방향을 가리킨다. 따라서, 감지 전류가 센서 (400)에 인가되는 동안에는 감지 전류에 의해 발생되는 자계와 협력하는 보자자층에 의해 제공되는 자속이 닫히게 되어 위치 (452B) 내의 고정층의 자화 벡터를 고정하게 된다. 일단 감지 전류가 턴오프(turn off)되면, 고정층의 자화는 ABS (466)과 평행한 방향으로 놓여 있는 바이어스 위치 (452A)로 되돌아간다.
감지 전류가 존재하고, 디스크로부터 나오는 필드가 없는 경우에는,
1) 자유층의 자화 (448A)는 센서 내의 전류 분포 및 그 결과 유도된 자유층
에 작용하는 필드를 조정하도록 고정층 및 보자자층의 두께 및 저항을
변화시키거나, 또는
2) 고정층과 보자자층이 서로 다른 두께를 갖도록 하여 자유층에 작용하는
표유 필드를 발생시킴으로써
원하는 크기의 자기 결합(magnetic coupling)을 얻도록 스페이서층들의 두께(즉, 제 1 스페이서층의 두께 및 제 2 스페이서층의 두께)의 조정을 통해 ABS와 평행(자화 (448B)의 방향)을 유지하도록 하여 최적의 센서 동작을 달성한다.
또 다른 방법으로, 센서는 자유층에 대한 순필드(net field)를 만들어내기 위해 자성 차폐층 사이에 비대칭으로 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 스핀 밸브(SV) 센서 (600)의 공기 베어링 표면을 나타낸 도면이 도시되어 있다. SV 센서 (600)은 중앙 능동 영역 (630)에 의해 서로 분리되어 있는 수동 단부 영역 (610) 및 (620)을 포함한다. 센서는 또한 적당한 기판 (662) 상에 형성되는 자기 차폐층 (660) 및 갭층(gap layer) (658)을 더 포함한다. 자기 차폐층 (660)은 SV 센서 (600)을 자기적으로 절연하고, 갭층 (658)은 SV 센서 (600)을 전기적으로 절연한다.
SV 센서 (600)은 갭층 (658) 위의 중앙 영역 (630) 내에 보자자층 (644), 제 2 스페이서층 (646), 자유층 (648), 제 1 스페이서층 (650) 및 고정층 (652)의 순서대로 형성된 층들을 포함한다. 자유층 (648)은 비자성 전기 전도 제 1 스페이서층 (650)에 의해 고정층 (652)로부터 분리되어 있다. 자유층 (648)은 또한 비자성 전기 전도 제 2 스페이서층 (646)에 의해 보자자층 (644)로부터 분리되어 있다. 자유층 (648), 스페이서층들 (646) 및 (650), 고정층 (452) 및 보자자층 (644)은 SV 소자(SV 물질) (690)이라고 불리운다.
자유층 (648)은 바람직하게는 외부 필드가 없을 때 그 자화가 공기 베어링 표면(ABS) (666)에 평행하도록 정해지는데, NiFe 또는 NiFe/Co와 같은 소프트 강자성 물질로 이루어진다. 고정층 (652)는 바람직하게는 감지 전류가 없을 때 그 자화가 공기 베어링 표면 (666)에 평행하도록 정해지는데, NiFe 또는 NiFe/Co와 같은 소프트 강자성 물질로 이루어진다. 보자자층 (644)는 바람직하게는 외부 필드가 없을 때 그 자화가 공기 베어링 표면 (666)에 평행하도록 정해지는데, CoHfNb, NiFeNb, 또는 NiFeCr과 같은 고저항을 갖는 소프트 강자성 물질로 이루어진다.
제 1 스페이서층(자유층과 고정층 간의 스페이서) (650)은 구리, 은 또는 금과 같은 SV 증진 물질(SV promoting materials)(SV 효과를 증진시키는 물질을 말함)로 이루어진다. 제 2 스페이서층(자유층과 보자자층 간의 스페이서) (646)은 Al 2O3, SiO2, Ta, Cr, W, Re, Nb 및 Mo와 같은 SV 억제 물질(SV inhibiting materials)(SV 효과를 최소화시키거나 또는 제거하는 물질을 말함)로 이루어진다.
SV 센서 (600)은, 자유층 (648)에 길이 방향 바이어스 필드를 제공하도록 각각 단부 영역 (610) 및 (620) 내에 형성되는 층 (672) 및 (674)를 더 포함하여, 자유층 내에서 단일 자구 상태(single magnetic domain state)가 유지되도록 한다. 층 (672) 및 (674)는 바람직하게는 CoPtCr과 같은 하드 자성 물질로 이루어는데, CoPtCrTa 또는 CoPtCrSiO2로도 이루어질 수 있다. 하드 자성 물질로 이루어진 자성층 (672) 및 (674)는 하드 바이어스층(hard bias layers) (672) 및 (674)라고 불리운다. 층 (672) 및 (674)는 또한 SV 소자 (690)과 연속 접합(contiguous junction)을 형성한다.
SV 센서 (600)은 단부 영역 (610) 및 (620)에 각각 형성된 2개의 전기 리드선 (682) 및 (684) (제 1 및 제 2 SV 리드선)을 더 포함하여 SV 소자와 SV 전류원 (510)(도 5) 사이에 전기적 접속을 제공한다. SV 전류원 (510)은 SV 소자 (690) 양단에 DC 베이스(바이어스) 전압을 형성하도록 필요한 감지 전류를 SV 소자 (690)에 제공한다.
본 발명은 바람직한 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 기술되었지만, 그럼에도 불구하고 본 발명의 정신, 범위, 및 개시 내용을 이탈함이 없이 당업자가 본 발명으로부터 다양한 변경을 가할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 명세서에서 개시된 본 발명은 예시된 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 첨부하는 특허청구범위에 의해서만 제한된다는 점을 이해하여야 한다.
본 발명은, 반강자성 층을 사용하지 않으면서도 고정층을 고정시키는 수단을 구비함으로써, 반강자성층에 대한 SV 센서의 동작 및 반강자성층의 온도 민감도가 제거될 수 있다.

Claims (18)

  1. 자기 바이어스(self-biased)된 스핀 밸브(spin valve: SV) 센서에 있어서,
    a) i) 자유층(free layer);
    ii) 고정층(pinned layer);
    iii) 보자자층(keeper layer);
    iv) 자유층과 고정층 사이에 배치되는 제 1 스페이서층(spacer1 layer); 및
    v) 자유층과 보자자층 사이에 배치되는 제 2 스페이서층(spacer2 layer)
    을 포함하고,
    상기 자유층이 제 1 스페이서층과 제 2 스페이서층 사이에 배치되는
    스핀 밸브(SV) 소자;
    b) 스핀 밸브(SV) 소자에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 길이 방향 바이어스층
    ―여기서 제 1 및 제 2 길이 방향 바이어스층은 각각 스핀 밸브(SV) 소
    자와 연속 접합(contiguous junction)을 형성하며, 자유층을 길이 방향으로
    바이어스함―; 및
    c) 상기 제 1 바이어스층 및 제 2 바이어스층 상에 배치되고, 스핀 밸브(SV)
    소자에 감지 전류를 인가하기 위한 제 1 및 제 2 스핀 밸브(SV) 리드선
    ―여기서 상기 보자자층은 감지 전류와 함께 상기 고정층의 자화를 고정
    함―
    을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  2. 제 1항에 있어서, 자유층이 NiFe, NiFeCo, 및 NiFe/Co로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 고정층이 NiFe, NiFeCo, 및 NiFe/Co로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 보자자층이 NiFeNb, NiFeCr, NiFeRh, 및 NiFe로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 보자자층이 CoFeNb, CoFeNbHf, 및 CoZrMo로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 제 1 스페이서층이 구리, 금, 및 은으로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  7. 제 1항에 있어서, 제 2 스페이서층이 Ta, Cr, W, Re, Nb, Mo, Al 2O3, 및 SiO2로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  8. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 바이어스층이 CoPtCr, CoPtCrTa, 및 CoPtCrSiO2로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 하드 자성 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  9. 제 1항에 있어서, 제 1 및 제 2 바이어스층이 NiFe 및 NiFeCo로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 소프트 자성 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
  10. 자기 저장 시스템에 있어서,
    a) 데이터를 기록하기 위한 자기 저장 매체;
    b) i) 가) 자유층(free layer);
    나) 고정층(pinned layer);
    다) 보자자층(keeper layer);
    라) 자유층과 고정층 사이에 배치되는 제 1 스페이서층(spacer1
    layer); 및
    마) 자유층과 보자자층 사이에 배치되는 제 2 스페이서층(spacer2
    layer)을 구비하고,
    자유층은 스페이서 제 1층과 스페이서 제 2층 사이에 배치되는
    스핀 밸브(SV) 소자;
    ii) 스핀 밸브(SV) 소자에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 길이 방향 바이어
    스층―여기서 제 1 및 제 2 길이 방향 바이어스층은 각각 스핀 밸브
    (SV) 소자와 연속 접합(contiguous junction)을 형성하며, 자유층을 길
    이 방향으로 바이어스함―; 및
    iii) 상기 제 1 바이어스층 및 제 2 바이어스층 상에 배치되고, 스핀 밸브
    (SV) 소자에 감지 전류를 인가하기 위한 제 1 및 제 2 스핀 밸브(SV)
    리드선―여기서 상기 보자자층은 감지 전류와 함께 상기 고정층의 자
    화를 고정함―
    을 포함하는 자기 바이어스(self-biased)된 스핀 밸브(SV) 센서; 및
    c) 자기 저장 매체에 기록된 데이터를 나타내는 인가된 자계에 응답하여 스
    핀 밸브(SV) 소자의 저항 변화를 검출하도록 스핀 밸브(SV) 센서에 결합
    되는 레코딩 채널(recording channel)
    을 포함하는 자기 저장 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 자유층이 NiFe, NiFeCo, 및 NiFe/Co로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
  12. 제 10항에 있어서, 고정층이 NiFe, NiFeCo, 및 NiFe/Co로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
  13. 제 10항에 있어서, 보자자층(keeper layer)이 NiFe, NiFeNb, NiFeCr, 및 NiFeRh로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
  14. 제 10항에 있어서, 보자자층(keeper layer)이 CoFeNb, CoFeNbHf, 및 CoZrMo로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
  15. 제 10항에 있어서, 제 1 스페이서층이 구리, 금, 및 은으로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
  16. 제 10항에 있어서, 제 2 스페이서층이 Ta, Cr, W, Re, Nb, Mo, Al 2O3, 및 SiO2로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
  17. 제 10항에 있어서, 제 1 및 제 2 바이어스층이 CoPtCr, CoPtCrTa, 및 CoPtCrSiO2로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 하드 자성 물질을 포함하는 자기 저장 시스템.
  18. 제 10항에 있어서, 제 1 및 제 2 바이어스층이 NiFe 및 NiFeCo로 이루어지는 군(group)에서 선택되는 소프트 자성 물질을 포함하는 자기 바이어스된 스핀 밸브 센서.
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