KR101789589B1 - 센서 스택 구조 - Google Patents

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재-영 이
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시게이트 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

예컨대 자기 저장 디바이스에 대한 판독기 스택이 기재되며, 스택은, 상단 합성 반강자성(SAF) 층, 상단 SAF 층에 인접한 자기 캡핑 층, 상단 SAF 층의 반대편에서 자기 캡핑 층에 인접한 RKKY 커플링 층, 및 자기 캡핑 층의 반대편에서 RKKY 커플링 층에 인접한 자유 층을 갖는다. 또한, 자유 층과 상단 합성 반강자성(SAF) 층 사이에 포지셔닝된 RKKY 커플링 속성을 갖는 층, 및 SAF 층과 RKKY 커플링 속성을 갖는 층 사이의 자기 캡핑 층을 사용하여, 자유 층과 상단 SAF 층 사이에 교환 커플링을 제공함으로써 판독기 스택에서 자유 층을 바이어싱하기 위한 방법이 포함된다.

Description

센서 스택 구조{SENSOR STACK STRUCTURE}
[0001] 자기 데이터 저장 및 검색(retrieval) 시스템에서, 자기 판독/기입 헤드는, 자기 디스크에 저장된 자기적으로 인코딩된 정보를 검색(retrieve)하기 위한 자기저항(magnetoresistive)(MR) 센서를 갖는 판독 부분을 포함한다. 디스크의 표면으로부터의 자기 플럭스는, MR 센서의 감지 층의 자화(magnetization) 벡터의 회전을 야기하며, 이는 차례로, MR 센서의 전기 비저항에서의 변화를 야기한다. MR 센서의 비저항에서의 변화는, MR 센서를 통해 전류를 통과시키고 MR 센서에 걸친 전압을 측정함으로써 검출될 수 있다. 그 후, 외부 회로는, 전압 정보를 적절한 포맷으로 변환하고, 그 정보를 조작하여 디스크 상에 인코딩된 정보를 복원한다.
[0002] 본 발명은 다양한 층들을 갖는 센서 스택들에 관한 것이다.
[0003] 본 발명의 일 특정한 구현은, 자유(free) 층과 상단 합성 반강자성(synthetic antiferromagnetic)(SAF) 층 사이에 포지셔닝되는 RKKY 커플링 속성을 갖는 층, 및 SAF 층과 RKKY 커플링 속성을 갖는 층 사이의 자기 캡핑(capping) 층을 사용하여, 자유 층과 상단 SAF 층 사이에 교환 커플링을 제공함으로써, 판독 스택 내의 자유 층을 바이어싱(bias)하기 위한 방법이다.
[0004] 본 발명의 다른 특정한 구현은 판독 스택을 포함하는 장치이며, 스택은, 상단 합성 반강자성(SAF) 층, 상단 SAF 층에 인접한 자기 캡핑 층, 상단 SAF 층의 반대편에서 자기 캡핑 층에 인접한 RKKY 커플링 층, 및 자기 캡핑 층의 반대편에서 RKKY 커플링 층에 인접한 자유 층을 갖는다.
[0005] 이들 및 다양한 다른 특성들 및 이점들은 다음의 상세한 설명을 읽는 것으로부터 명백해질 것이다.
[0006] 도 1은 본 발명에 따른, 센서 스택을 갖는 예시적인 자기저항(MR) 센서를 갖는 데이터 저장 디바이스를 도시한다.
[0007] 도 2는, MR 센서의 일 구현의 에어-베어링(air-bearing) 표면의 개략도를 도시한다.
[0008] 도 3은, MR 센서의 대안적인 구현의 에어-베어링 표면의 개략도를 도시한다.
[0009] 도 4는, MR 센서의 또 다른 대안적인 구현의 에어-베어링 표면의 개략도를 도시한다.
[0010] 도 5는, MR 센서의 또 다른 대안적인 구현의 에어-베어링 표면의 개략도를 도시한다.
[0011] 도 6은, MR 센서의 또 다른 대안적인 구현의 에어-베어링 표면의 개략도를 도시한다.
[0012] 도 7은, MR 센서의 또 다른 대안적인 구현의 에어-베어링 표면의 개략도를 도시한다.
[0013] 도 8은, MR 센서의 또 다른 대안적인 구현의 에어-베어링 표면의 개략도를 도시한다.
[0014] 도 9는, MR 센서의 또 다른 대안적인 구현의 에어-베어링 표면의 개략도를 도시한다.
[0015] 도 10은, MR 센서를 제조하기 위한 예시적인 방법의 흐름도이다.
[0016] 자기 매체들에 대한 높은 데이터 밀도 및 자기 매체들로부터 데이터를 판독하기 위한 감지 센서들에 대한 요구가 증가하고 있다. 이들 판독 센서들은, 자화 벡터 또는 배향을 갖는 다양한 층들을 포함하는 자기저항(MR) 센서들일 수 있다. 자기 매체들의 표면으로부터의 자기 플럭스는, 자화 방향에 영향을 미치고, 이는 차례로, MR 센서의 전기 비저항에 영향을 미치며, 센서가 자기 매체들로부터 데이터를 판독하게 한다.
[0017] 개관으로서, MR 판독 센서는, 외부 필드(field)에 응답하여 자유롭게 회전하는 자기 배향을 갖는 자기 층(통상적으로 연자성(soft magnetic) 물질)을 포함하는 센서 스택을 가지며, 이러한 자기 층은 "자유 층"(free layer)(FL)으로 지칭된다. MR 센서의 전기 비저항에 영향을 미치는 것은 자유 층(FL)의 자화 방향이다. 고정된(pinned) 자화 배향을 갖는 자기 고정 층(PL), 및 PL과 반대의 자화 배향을 갖고, 스페이서(spacer) 층에 의해 PL로부터 분리된 기준 층(RL)을 포함하는 합성 반강자성(SAF) 층은, FL에 인접해 있으며, 자유 층의 자기 배향에 영향을 미친다. 또한, SAF 상단 실드로 지칭되는 센서 스택 위의 다른 SAF 층을 비롯한 다양한 다른 층들이 판독 센서에 존재한다.
[0018] 판독 스택은, 자기 바이어싱 필드를 센서 스택의 FL에 제공하기 위한 측면 실드들을 포함할 수도 있다. 몇몇 구현들에서, 비-자기 상단 벌크(bulk) 실드 및 비-자기 하단 벌크 실드가 판독 센서에 또한 존재한다.
[0019] 측면 실드들은, 예를 들어, 센서 스택의 FL 상에 자기 바이어싱 필드를 제공하기 위한 영구 자석들(PM) 또는 연자성 측면 실드들(예를 들어, NiFe)일 수도 있다. 연성 측면 실드들은, 상단 SAF 층과 직접 자기 커플링된다. 면 밀도(areal density) 용량 및 분해능(resolution)에 관한 요건들이 증가하는 경우, 하단 실드와 SAF 상단 실드 사이의 거리인 실드간 간격(shield-to-shield spacing)(SSS)이 축소(squeeze down)되어, 측면 실드들의 두께에서의 감소를 초래하며, 이는 차례로 FL 안정도를 감소시킨다. 특히, 넓은(wide) 반강자성(AFM) 층 설계에서, 측면 실드 두께는 현저히 감소된다. 더 얇은 측면 실드 두께로 인한 FL 바이어스 강도의 감소를 보상하기 위해, 더 높은 모멘트(moment) 측면 실드들, 및/또는 높은 Hk 자유 층 물질들이 FL 인정도를 증가시키기 위해 사용될 수도 있다. 본 발명에서, 대안적(alternate) 구조가 제공된다.
[0020] 본 발명에서, FL의 추가적 안정화를 위해, FL과 SAF 상단 실드 사이의 커플링을 달성하기 위하여 FL과 SAF 상단 실드의 SAF 층 사이의 센서 스택 내에 자기 캡핑(capping) 층을 포함하는 MR 센서가 설명된다. 자기 캡핑의 존재는 SSS를 또한 감소시키며, 그에 따라, 증가된 면밀도를 허용한다.
[0021] 센서 스택 내에 자기 캡 층을 도입시킴으로써, 비-자기 캡 층들의 두께는 감소하며, SSS의 감소를 초래한다. 본 명세서에 기재된 MR 센서들은, SAF와 자기적으로 커플링된 자기 캡핑 층을 통하여 SAF 상단 실드 내의 SAF와 교환 커플링된 자유 층을 갖는다.
[0022] 본 명세서에 기재된 기술은, 다양한 상이한 타입들의 MR 센서들(예를 들어, 이방성 자기저항(AMR) 센서들, TMR 센서들, GMR 센서들 등)과 함께 사용될 수도 있음을 유의한다. 따라서, 설명된 구현들은, LSV(lateral spin valve), SHE(spin-hall effect), STO(spin torque oscillation) 등과 같은 새로운 물리적 현상들에 기초하는 새로운 MR 센서 설계들에 또한 적용가능할 수도 있다.
[0023] 도 1은, 분해도(exploded view)(102)에서 더 상세히 도시되는 예시적인 MR 센서를 갖는 데이터 저장 디바이스(100)를 도시한다. 다른 구현들이 고려되지만, 도시된 구현에서, 데이터 저장 디바이스(100)는 저장 매체(104)(예를 들어, 자기 데이터 저장 디스크)를 포함하며, 그 저장 매체 상에 데이터 비트들이 자기 기입 폴을 사용하여 기록될 수 있고, 그 저장 매체로부터 데이터 비트들이 자기저항(MR) 엘리먼트를 사용하여 판독될 수 있다. 저장 매체(104)는, 회전 동안 회전의 디스크 축 또는 스핀들(spindle) 중심부(105)를 중심으로 회전하고, 내부 직경(106) 및 외부 직경(108)을 포함하며, 내부 직경과 외부 직경 사이에 다수의 동심(concentric) 데이터 트랙들(110)이 존재한다. 본 명세서에 설명된 MR 기술은, 연속 자기 매체들, 이산 트랙(DT) 매체들, 슁글드(shingled) 매체들 등을 포함하는 다양한 저장 포맷들로 사용될 수도 있음이 이해되어야 한다.
[0024] 정보는, 저장 매체(104) 상의 데이터 트랙들(110) 내의 데이터 비트 위치들에 기입되고, 데이터 비트 위치들로부터 판독될 수도 있다. 액추에이터 회전 축(122)을 갖는 액추에이터 어셈블리(120)는, 그들의 원단(distal end)에서 트랜스듀서 헤드 어셈블리(124)를 지지한다. 트랜스듀서 헤드 어셈블리(124)는, 디스크 회전 동안 저장 매체(104)의 표면 위로 매우 근접하게 플라잉(flying)한다. 액추에이터 어셈블리(120)는, 탐색(seek) 동작 동안 액추에이터 회전 축(122)을 중심으로 회전한다. 탐색 동작은, 트랜스듀서 헤드 어셈블리(124)를, 판독 및 기입 동작들을 위해 목표 데이터 트랙 위에 포지셔닝시킨다.
[0025] 분해도(102)는, MR 센서(130)의 에어-베어링 표면(ABS) 뷰를 개략적으로 도시한다. MR 센서(130)는, 하단 벌크 실드(132), 상단 벌크 실드(134), 및 센서 스택(136)을 포함한다. 하단 벌크 실드(132)에 인접한 AFM 층(137)이 도시되지만, 몇몇 구현들에서, 시드 층(도시되지 않음)이 존재할 수도 있다. 또한, 센서 스택(136)은, SAF 층(138), 자유 층(FL)(140), 및 자기 캡핑 층(142)을 포함한다. 또한, 센서 스택(136)은, 자기 캡핑 층(142)과 FL(140) 사이의 금속 커플링 층(예를 들어, 루테늄)과 같은 부가적인 층들, 및 다른 다양한 층들을 포함할 수도 있으며, 센서 스택(136) 및 MR 센서(130)의 상세한 구조는 도 1에 도시되지 않는다.
[0026] 고정 층, 기준 층, 및 고정 층과 기준 층 사이의 스페이서 층을 포함하는 다른 SAF 층(144)이 상단 벌크 실드(134)와 센서 스택(136) 사이에 포지셔닝된다. 고정 층은, 반강자성 교환 커플링을 통해 기준 층의 자기 배향을 "고정"시킨다. SAF 층(144) 내의 기준 층, 및 자기 캡핑 층(142)은, 그들 사이에 어떠한 스페이서 층도 존재하지 않기 때문에, 직접 자기적으로 커플링된다. SAF 층(144)은, 자기 캡핑 층(142)을 통하여 자유 층(140)에 교환 커플링된다.
[0027] 또한, 센서 스택(136)은, 크로스-트랙(cross-track) 방향으로 센서 스택(136)의 2개의 측면들 상에 로케이팅된 측면 실드들(146)을 포함하며, 측면 실드들(146)은, 센서 스택(136)의 자유 층(140)의 자기 배향을 바이어싱하기 위해 사용될 수도 있다.
[0028] 도 2는, MR 센서(200)의 일 구현의 에어 베어링 표면(ABS) 뷰를 도시한다. MR 센서(200)는, 센서 스택(206)의 (다운트랙 방향을 따라) 2개의 반대편 측면들 상에서 하단 벌크 실드(202) 및 상단 벌크 실드(204)를 포함한다. 센서 스택(206)은, 하단 벌크 실드(202)에 근접한 AFM 층(212) 및 시드 층(214)을 포함한다.
[0029] 이러한 구현에서, 센서 스택(206)은, AFM 층(212)에 인접한 SAF 층(220), 및 스위칭가능한 자기 배향을 갖는 자유 층(222)을 포함하며, 자유 층(222)의 배향은 도 2에 도시되지 않는다. SAF(220)는, 고정 층, 스페이서 층, 및 기준 층으로 구성되며, 이들의 세부사항들은 도 2에 상세히 표현되진 않는다. 도 2에 도시되지 않은 배리어 층이 자유 층(222)과 SAF 층(220) 사이에 존재할 수도 있다. 전기적으로 전도성인 비-자기 판독 스택 캡(224)이 SAF 층(220)의 반대편에서 자유 층(222)에 인접해 있다. 몇몇 실시예들에서, 판독기 스택 캡(224)은 Ru/Ta/Ru 멀티층이며, 반면 다른 실시예들에서, 판독기 스택 캡(224)은, Ru 또는 다른 비-자기 금속으로 이루어진 두꺼운(예를 들어, 수 nm) 층이다.
[0030] 합성 반강자성-실드 또는 SAF 상단 실드로 본 명세서에서 지칭되며 (210)으로 라벨링된 복수의 층들이, AFM 층(212) 및 하단 벌크 실드(202)의 반대편 측면 상에서 센서 스택(206)에 인접해 있다. 또한, SAF 상단 실드(210)의 일부는, 기준 층(226) 및 고정 층(228)(이들 사이에는 스페이서 층(227)이 있음)이고, 이들은 함께 SAF를 형성하며; 이것은, 도 2에 도시된 바와 같이, 이들 층들 또는 SAF가 자유 층(222) 위에 또는 자유 층(222)의 상단 상에 포지셔닝되거나, 대안적으로, 상단 벌크 실드(204)에 근접해 있기 때문에, '상단 SAF'로 지칭될 수도 있다. 다양한 다른 층들이 SAF 상단 실드(210) 내에 존재할 수도 있다.
[0031] SAF 상단 실드(210) 내의 고정 층(228)의 자기 배향은, SAF 상단 실드(210)의 AFM 층(232)에 의해 특정한 범위(extent)로 고정되며; 다시, 이것은, 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 층(232)이 자유 층(222) 위에 또는 자유 층(222)의 상단 상에 포지셔닝되거나, 대안적으로, 상단 벌크 실드(204)에 근접해 있기 때문에, '상단 AFM 층'으로 지칭될 수도 있다. 비-자성 물질로 구성되는 (통상적으로 수 nm 두께) 캡(224)의 존재로 인해, 자유 층(222)과 SAF 상단 실드(210) 사이에 어떠한 커플링도 발생하지 않는다. 도 2에 도시되지 않은 다른 캡 층이, 상단 벌크 실드(204)를 AFM 층(232)으로부터 디커플링(decouple)하도록, 상단 벌크 실드(204)와 AFM 층(232) 사이에 존재할 수도 있다.
[0032] 측면 실드들(230)이 센서 스택(206)의 2개의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향(lateral direction)으로 로케이팅되며, 이는, 센서 스택(206)의 자유 층(222)의 자기 배향을 바이어싱하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 구현에서, 측면 실드들(230)은, SAF 층(220)(예를 들어, 고정 층, 스페이서 층 및 기준 층), 자유 층(222) 및 스페이서 층(224)의 모든 층을 둘러싼다(emcompass). 다른 구현들에서, 예를 들어, 측면 실드들(230)이 SAF(220)의 고정 층을 둘러싸지 않을 수도 있지만, 오히려, SAF(220)의 고정 층이 센서(200)의 전체 크로스-트랙 폭으로 연장될 수도 있다.
[0033] 예를 들어, MR 센서(200)의 층들에 대한 다양한 물질들은 다음과 같을 수 있다.
[0034] 자성 또는 강자성 물질들은 자기 배향을 가지며, 연자성 또는 경자성(hard magnetic)(영구 자성(permanent magnetic)일 수도 있다. 통상적으로, 연자성 물질들은, 자유 층(222) 및 스위칭가능한 자기 배향을 가져야 하는 다른 층들에 사용된다. 반강자성(AFM) 물질들의 예들은, IrMn, PtMn, FeMn, 및 어떠한 순(net) 자기 모멘트도 갖지 않는 다른 자성 물질들을 포함한다.
[0035] 측면 실드들은, 비-자성, 연자성, 또는 경자성일 수도 있다. 도 2의 구현에 대해, 측면 실드들(230)은, 연자성 측면 실드들이고 SAF 상단 실드(210)와 자기적으로 커플링된다. 다른 구현들에서, 측면 실드들(230)은, 경자성 측면 실드들일 수도 있다.
[0036] 층(227)과 같은 스페이서 층들에 대한 적절한 물질들의 예들은, 루테늄(Ru)을 포함한다. 층(224)과 같은 몇몇 스페이서 층들에서, 다수의 물질들의 층들이 사용될 수도 있으며, 예를 들어, 층(224)은 Ru/Ta/Ru로 배열된 루테늄 및 탄탈륨(Ta)일 수 있다. 예컨대, SAF(220)와 FL(222) 사이에 존재할 수도 있는 터널링(tunneling) 배리어 층들에 대한 적절한 물질들의 예들은, MgO, Al2O3, 및 Ti2O3를 포함한다.
[0037] 층(214)과 같은 시드 층에 대한 물질들은, 자성 또는 비-자성일 수도 있다. 비-자기 시드 층들의 예들은 Ta 및 Ru이다.
[0038] 도 3을 참조하면, MR 센서의 다른 구현이 도시된다. 도 3에서의 MR 센서(300) 및 MR 센서(300)의 다양한 엘리먼트들은 일반적으로, 달리 언급되지 않으면, 도 2에 관하여 상술된 MR 센서(200) 및 MR 센서(200)의 다양한 엘리먼트들과 유사하다. 유사한 컴포넌트들은, 도 2와 비교하여 도 3에서 100만큼 증가된 값들을 갖는 유사한 참조 부호들로 지정된다. 이러한 컴포넌트 식별 관례는 본 개시 전체에 걸쳐 후속된다.
[0039] MR 센서(300)는, 센서 스택(306)의 (다운트랙 방향을 따라) 2개의 반대편 측면들 상에서 하단 벌크 실드(302) 및 상단 벌크 실드(304)를 포함한다. 하단 벌크 실드(302)에 근접한 센서 스택(306)은 AFM층(312) 및 시드 층(314)을 포함한다. 기준 층(RL)(326) 및 고정 층(PL)(328)(이들 사이에는 스페이서 층(327)이 있음), 및 AFM 층(332)을 포함하는 SAF 상단 실드(310)가 하단 벌크 실드(302)의 반대편 측면 상에서 센서 스택(306)에 인접해 있으며; 상단 벌크 실드(304)와 AFM 층(332) 사이의 스페이서 층은 도 3에 도시되지 않는다. 이러한 구현에서, 연자성 측면 실드들인 측면 실드들(330)이, 센서 스택(306)의 2개의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향으로 로케이팅된다.
[0040] 이러한 구현에서, 센서 스택(306)은, AFM 층(312)에 근접한 SAF 층(320), 및 스위칭가능한 자기 배향을 갖는 자유 층(FL)(322)을 포함한다. 터널링 배리어 층(도시되지 않음)이 SAF 층(320)과 FL(322) 사이에 존재할 수도 있다. 도 3에 상세히 표현되진 않았지만, SAF 층(320)은, 고정 층, 스페이서 층 및 기준 층으로 구성된다. 도 2의 센서(200)와 달리, 도 3의 센서(300)는, SAF 층(320)의 반대편 측면 상에서 자유 층(322)에 인접한 RKKY 커플링 층(324)을 포함한다.
[0041] RKKY 커플링은, 전도 전자들에 걸친 상호작용에 의한 금속에서의 로컬화된 내부 "d" 또는 "f" 껍질 전자 스핀(spin)들 또는 핵 자기 모멘트들의 커플링 메커니즘이다. RKKY 커플링은, 간접 교환이 비교적 큰 거리들에 걸쳐 모멘트들을 커플링키시는 경우 발생한다. 그것은, 이웃하는 자기 전자들 사이에 직접 중첩(overlap)이 거의 없거나 어떠한 직접 중첩도 존재하지 않는 경우, 금속들에서의 우성(dominant) 교환 상호작용이다. 교환 커플링은, 전도 전자들(편력 전자(itinerant electron)들)인 매개체(internediary), 즉 RKKY 물질을 통해 동작한다. RKKY 커플링을 갖고, 층(324)에 대해 적절할 수 있는 물질들의 예들은, 루테늄(Ru), 및 물질 층의 두께의 함수로써 강자성 또는 반강자성 RKKY 커플링을 제공할 수 있는 다른 물질들을 포함한다. RKKY 커플링 층(324)은, FL(322)과 SAF 상단 실드(310) 사이에 강자성 또는 반강자성 커플링 중 어느 하나를 제공한다.
[0042] 센서 스택(306)은, RKKY 커플링 층(324)과 SAF 상단 실드(310) 사이에 자기 캡핑 층(340)을 더 포함한다. 자기 측면 실드들(330)은, SAF 층(320), FL(322), RKKY 커플링 층(324) 및 자기 캡핑 층(340)을 둘러싸며, FL(322)에 안정화를 제공한다.
[0043] 자기 캡핑 층(340)은, RKKY 커플링 층(324)을 통해 FL(322)과 기준 층(326) 사이에 교환 커플링을 제공함으로써, SAF 상단 실드(310)로부터 FL(322)에 부가적인 바이어싱을 제공한다. RKKY 커플링 층(324)의 두께를 조정함으로써, FL(322)은, SAF 상단 실드(310)와 반-강자성으로 커플링되거나 강자성으로 커플링될 수 있다. 도 3의 구현에서, FL(322)은 SAF 상단 실드(310), 특히 기준 층(326)과 강자성으로 커플링된다.
[0044] 적어도 연성으로 자성(softly magnetic)인 것에 부가하여, 자기 캡핑 층(340)의 물질은, 강자성 물질(예를 들어, Co, Fe, CoFe, NiFe 등) 및 내화(refractory) 물질(예를 들어, 탄탈륨(Ta), 니오븀(Nb), 하프늄(Hf), 지르코늄(Zr), 또는 다른 IVB족 또는 VB 족 전이 금속들)을 포함한다. 몇몇 구현들에서, 자기 캡핑 층(340)의 물질은, CoFeX로 식별될 수 있으며, 여기서, X는 대략적으로 1 내지 30 원자 퍼센트(atomic percent)의 내화 물질이다. 몇몇 구현들에서, 물질은 어떠한 현저한 TMR 열화(degradation)도 갖지 않으며, 비교적 낮은 자기변형(magnetostriction)을 갖고, 그리고/또는 비결정질(amorphous)이다. 물질은, 고온 어닐링(annealing)을 견디고(sustain), 자기적으로 연성을 유지할 수 있어야 한다.
[0045] 자기 캡핑 층(340)은, 나란히(side-to-side) 측면 실드들(330) 사이에 전체적으로 포지셔닝되지만, 다른 구현들에서, 자기 캡핑 층(340)은 업-트랙(up-track)으로, 즉, RL(326) 내로 추가적으로 연장될 수도 있다.
[0046] 부가적인 층(즉, 자기 캡핑 층(340))이 센서 스택(306) 내에 존재하지만, 자기 캡핑 층(340)은, 도 2의 센서(200)에서의 판독기 스택 캡(224)과 같은 임의의 비-자기 캡핑 층들의 두께에서의 감소를 허용하며, 그에 따라, 센서 스택(306)의 다운트랙 폭을 감소시킨다. 결과적으로, SAF 상단 실드(310)와 하단 벌크 실드(302) 사이의 유효 실드간 간격(SSS)이 감소되며, 이는, 어떠한 자기 캡핑 층도 갖지 않는 MR 센서(200)와 비해 개선된 선밀도(linear density) 및 분해능을 MR 센서(300)에 효과적으로 제공한다.
[0047] 도 4는 MR 센서의 다른 구현을 도시한다. MR 센서(400) 및 MR 센서(400)의 다양한 엘리먼트들은 일반적으로, 도 3에 관하여 상술된 MR 센서(300) 및 다양한 엘리먼트들과 유사하다. 유사한 컴포넌트들은, 도 3과 비교하여 도 4에서 100만큼 증가된 값들을 갖는 유사한 참조 부호들로 지정된다.
[0048] MR 센서(400)는, 센서 스택(406)의 반대편 다운트랙 측면들 상에서, 하단 벌크 실드(402) 및 상단 벌크 실드(404)를 포함한다. 하단 벌크 실드(402)에 근접한 센서 스택(406)은 AFM 층(412) 및 시드 층(414)을 포함한다. RL(426) 및 PL(428)(이들 사이에는 스페이서 층(427)이 있음), 및 AFM 층(432)을 포함하는 SAF 상단 실드(410)가 센서 스택(406)에 인접해 있으며, 상단 벌크 실드(404)와 AFM층(432) 사이의 스페이서 층은 도 4에 도시되지 않는다. 이러한 구현에서, 연자성 측면 실드들인 측면 실드들(430)이 센서 스택(406)의 2개의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향으로 로케이팅된다.
[0049] 센서 스택(406)은 SAF 층(420)(SAF 층(420)의 다양한 층들은 도시되지 않음) 및 스위칭가능한 자기 배향을 갖는 FL(422), 및 자기 측면 실드들(430)을 포함한다. 이러한 구현에서, FL(422) 및 측면 실드들(430) 둘 모두는, RKKY 커플링 층(424)과 자기 캡핑 층(440)을 통해 SAF 상단 실드(410)와 반-강자성으로 커플링된다. 자기 캡핑 층(440)은 RL(426)과 직접 강자성으로 커플링되며, 이는, RL(426)과 FL(422) 사이의 RKKY 커플링을 가능하게 한다.
[0050] 도 5 및 도 6은, 비-자기 측면 실드들을 갖는 MR 센서들의 구현들을 도시한다. 자기 측면 실드들과는 대조적인 비-자기 측면 실드들 외에는, 도 5의 MR 센서(500) 및 MR 센서(500)의 다양한 엘리먼트들은 도 3에 관하여 상술된 MR 센서(300) 및 다양한 엘리먼트들과 유사하며, 도 6의 MR 센서(600) 및 MR 센서(600)의 다양한 엘리먼트들은 도 4에 관하여 상술된 MR 센서(400) 및 다양한 엘리먼트들과 유사하다. 유사한 컴포넌트들은, 도 3에 대하여 도 5에서 200만큼 증가된 값들, 그리고 도 4에 대하여 도 6에서 200만큼 증가된 값들을 갖는 유사한 참조 부호들로 지정된다.
[0051] MR 센서(500)는, 센서 스택(506)의 반대편 다운트랙 측면들 상에서 하단 벌크 실드(502) 및 상단 벌크 실드(504)를 포함한다. 센서 스택(506)은, AFM 층(512) 및 시드 층(514)을 포함한다. RL(526) 및 PL(528)(이들 사이에는 스페이서 층(527)이 있음), 및 AFM 층(532)을 포함하는 SAF 상단 실드(510)가 센서 스택(506)에 인접해 있으며; 상단 벌크 실드(504)와 AFM 층(532) 사이의 스페이서 층은 도 5에 도시되지 않는다. 이러한 구현에서, 비-자기 측면 실드들인 측면 실드들(530)이, 센서 스택(506)의 2개의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향으로 로케이팅된다.
[0052] 센서 스택(506)은, SAF 층(520), 및 스위칭가능한 자기 배향을 갖는 FL(522)를 포함한다. FL(522)은, RKKY 커플링 층(524), 및 RKKY 커플링 층(524)과 SAF 상단 실드(510) 사이에 존재하는 자기 캡핑 층(540)을 통해 SAF 상단 실드(510)와 강자성으로 커플링된다. 자기 캡핑 층(540)은 RL(526)과 직접 강자성으로 커플링되며, 이는, RL(526)과 FL(522) 사이의 RKKY 커플링을 가능하게 한다. 비-자기 측면 실드들(530)은, FL(522)에, 바이어싱 필드를 거의 제공하지 않거나 어떠한 바이어싱 필드도 제공하지 않는다. 그러나, RL(526)과 FL(522) 사이의 교환 커플링에 의해 제공되는 FL 바이어싱 필드가 FL(522)을 안정화시킨다.
[0053] 도 6을 참조하면, MR 센서(600)는, 센서 스택(606)의 반대편 다운트랙 측면들 상에서 하단 벌크 실드(602) 및 상단 벌크 실드(604)를 포함한다. 센서 스택(606)은, AFM 층(612) 및 시드 층(614)을 포함한다. RL(626), PL(628), 스페이서 층(627), 및 AFM 층(632)을 포함하는 SAF 상단 실드(610)가 센서 스택(606)에 인접해 있으며; 상단 벌크 실드(604)와 AFM 층(632) 사이의 스페이서 층은 도 6에 도시되지 않는다. 이러한 구현에서, 비-자기 측면 실드들인 측면 실드들(630)이 센서 스택(606)의 2개의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향으로 로케이팅된다.
[0054] 센서 스택(606)은, SAF 층(620), 및 스위칭가능한 자기 배향을 갖는 FL(622)을 포함한다. FL(622)은, RKKY 커플링 층(624) 및 자기 캡핑 층(640)을 통해 SAF 상단 실드(610)와 반-강자성으로 커플링된다. 자기 캡핑 층은 RL(626)과 직접 강자성으로 커플링되며, 이는, RL(626)과 FL(622) 사이의 RKKY 커플링을 가능하게 한다. 비-자기 측면 실드들(630)은 FL(622)에 어떠한 바이어싱 필드도 제공하지 않는다. 도 5의 구현과 유사하게, FL(622)은, FL(622) 및 RL(626)의 교환 커플링에 의해 안정화된다.
[0055] 도 7 및 도 8은, SAF 측면 실드들을 갖는 MR 센서들의 구현들을 도시한다. SAF 측면 실드들 외에는, 도 7의 MR 센서(700) 및 MR 센서(700)의 다양한 엘리먼트들은 도 5에 관하여 상술된 MR 센서(500) 및 다양한 엘리먼트들과 유사하고, 도 8의 MR 센서(800) 및 MR 센서(800)의 다양한 엘리먼트들은 도 6에 관하여 상술된 MR 센서(600) 및 다양한 엘리먼트들과 유사하다. 유사한 컴포넌트들은, 도 5에 대하여 도 7에서 200만큼 증가된 값들, 그리고 도 6에 대하여 도 8에서 200만큼 증가된 값들을 갖는 유사한 참조 부호들로 지정된다.
[0056] MR 센서(700)는, 센서 스택(706)의 반대편 다운트랙 측면들 상에서 하단 벌크 실드(702) 및 상단 벌크 실드(704)를 포함한다. 센서 스택(706)은, AFM 층(712) 및 시드 층(714)을 포함한다. RL(726) 및 PL(728)(이들 사이에는 스페이서 층(727)이 있음), AFM 층(732), 및 상단 벌크 실드(704)와 AFM 층(732) 사이의 스페이서 층(도시되지 않음)을 포함하는 SAF 상단 실드(710)가 센서 스택(706)에 인접해 있다. 이러한 구현에서, SAF 측면 실드들인 측면 실드들(730)이 센서 스택(706)의 2개의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향으로 로케이팅된다. 이들 SAF 측면 실드들(730)은, 스페이서 층(737)에 의해 분리된 층들(736, 738)을 포함한다.
[0057] 센서 스택(706)은, SAF 층(720), 및 스위칭가능한 자기 배향을 갖는 FL(722)을 포함한다. FL(722)은, RKKY 커플링 층(724), 및 RKKY 커플링 층(724)과 SAF 상단 실드(710) 사이의 자기 캡핑 층(740)을 통해 SAF 상단 실드(710)와 강자성으로 커플링된다. 자기 캡핑 층(740)은 RL(726)과 직접 강자성으로 커플링되며, 이는, RL(726)과 FL(722) 사이에 RKKY 커플링을 가능하게 한다.
[0058] SAF 측면 실드들(730)은, 솔리드(solid) 측면 실드들이 행하는 것과 동일한 방식으로 "실드"처럼 동작하지만, SAF 측면 실드 층들의 자기 플럭스 밸런스에 의존하여, FL(722)에, 바이어싱 필드를 거의 제공하지 않거나 어떠한 바이어싱 필드도 제공하지 않는다. FL(722) 상에 바이어싱 필드를 제공하기 위해, RKKY 교환 커플링이 자기 캡핑 층(740)을 통해 FL(722)과 SAF 상단 실드(710) 사이에 달성된다.
[0059] 도 8에서, MR 센서(800)는, 센서 스택(806)의 반대편 다운트랙 측면들 상에서 하단 벌크 실드(802) 및 상단 벌크 실드(804)를 포함한다. 센서 스택(806)은, 센서 스택(806)에 근접한 AFM 층(812)을, 그리고 시드 층(814)을 포함한다. RL(826), PL(828), 스페이서 층(827), AFM 층(832), 및 상단 벌크 실드(804)와 AFM 층(832) 사이의 스페이서 층(도시되지 않음)을 포함하는 SAF 상단 실드(810)가 센서 스택(806)에 인접해 있다. 이러한 구현에서, SAF 측면 실드들인 측면 실드들(830)이 센서 스택(806)의 2개의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향으로 로케이팅된다. 이들 SAF 측면 실드들(830)은, 스페이서 층(837)에 의해 분리된 층들(836, 838)을 포함한다.
[0060] 센서 스택(806)은, SAF 층(820), 및 스위칭가능한 자기 배향을 갖는 FL(822)을 포함한다. FL(822)은, RKKY 커플링 층(824) 및 자기 캡핑 층(840)을 통해 SAF 상단 실드(810)와 반-강자성으로 커플링된다. 자기 캡핑 층(840)은 RL(826)과 직접 강자성으로 커플링되며, 이는, RL(826)과 FL(822) 사이의 RKKY 커플링을 가능하게 한다.
[0061] 자기 캡핑 층을 갖는 본 발명의 센서들은, 센서들이 동일한 평면에서 다수의 센서 스택들(예를 들어, 판독기들)을 갖는 것을 허용하며, 이는, 측면 실드들이 거의 없거나 어떠한 측면 실드들도 없는 것으로 인한 약한 자유 층 바이어싱과 같은 장애들을 극복한다. 이러한 설계에서, 모든 이러한 센서들에 대한 자유 층 바이어싱은, 자기 캡 및 RKKY 커플링 층을 통해 FL들과 SAF 상단 실드 사이에서 교환 커플링을 달성함으로써 제공될 수 있다. 도 9는 다수의 센서 스택들을 갖는 구현을 도시한다.
[0062] 상술된 단일 센서 스택 MR 센서들과 유사하게, 도 9의 MR 센서(900)는, 2개의 판독 센서들을 갖는 스택(906)의 (다운트랙 방향을 따라) 2개의 반대편 측면들 상에서 하단 벌크 실드(902) 및 상단 벌크 실드(904)를 포함한다. AFM 층(912) 및 시드 층(914)이 하단 벌크 실드(902)에 근접해 있다. RL(926), PL(928), 스페이서 층(927), AFM 층(932), 및 상단 벌크 실드(904)와 AFM 층(932) 사이의 스페이서 층(도시되지 않음)을 포함하는 SAF 상단 실드(910)는, 하단 벌크 실드(902)의 반대편에서 센서 스택(906)의 측면 상에 있다.
[0063] 센서 스택(906)은 2개의 판독 센서들을 갖는데, 즉, 센서 스택(906)은, 2개의 SAF 층들(920A, 920B), 2개의 FL들(922A, 922B), 2개의 RKKY 커플링 층들(924A, 924B), 및 RKKY 커플링 층들(924A, 924B)과 SAF 상단 실드(910) 사이의 2개의 자기 캡핑 층들(940A, 940B)을 포함한다.
[0064] 자유 층들(922A, 922B)은, SAF 상단 실드(910)와 강자성으로 커플링된다.
[0065] 측면 실드들(930A, 930B)은 센서 스택(906)의 측면들 상에서 크로스-트랙 방향 또는 측방향으로 로케이팅되고, 제 3 실드(930C)는 2개의 판독 센서들 사이에 로케이팅된다. 이러한 도시된 구현에서, 실드들(930A, 930B, 930C)은 연자성 측면 실드들이지만, 다른 구현들에서, 실드들은 경자성, 비-자성, 또는 SAF 실드들일 수 있다.
[0066] 도 10은, 본 명세서에 기재된 MR 센서의 제조를 위한 예시적인 프로세스(1000)를 도시한다. 상세하게는, 도 10에 기재된 동작들은, 자기 캡핑 층에 의해 가능하게 된 자유 층 - SAF 상단 실드 커플링을 갖는 MR 센서의 제조를 위해 사용될 수도 있다.
[0067] 동작(1002)은, 탄탈륨 및 루테늄의 층들, 또는 다른 비-자기 또는 자기 금속 층들과 같은 시드 층들을 형성하고, 동작(1004)은, 시드 층 상에 IrMn의 층과 같은 AFM 층을 형성한다. 후속하여, 동작(1006)은, 하단 벌크 실드 및 AFM 층 상에 센서 스택의 다른 층들을 형성한다. 상세하게는, 동작(1006)은, 센서 스택 SAF 층, 터널링 배리어 층, 자유 층, RKKY 커플링 층, 및 자기 캡핑 층을 형성한다. 측면 실드들은, 단계(1008)에서 센서 스택의 반대편 측면들 상에서 형성된다. 프로세스(1000)의 최종 동작은 동작(1010)을 포함하며, 이는, 상단 SAF 층, 상단 AFM 층, 및 캡핑 층을 포함하는 SAF 상단 실드를 형성한다. 결과적인 센서는, 상단 SAF 층, 상단 SAF 층에 인접한 자기 캡핑 층, 상단 SAF 층의 반대편에서 자기 캡핑 층에 인접한 RKKY 커플링 층, 및 자기 캡핑 층의 반대편에서 RKKY 커플링 층에 인접한 자유 층을 포함한다.
[0068] 따라서, 센서 스택 구조의 다수의 실시예들이 기재된다. 상술된 구현들 및 다른 구현들은 다음의 청구항들의 범위 내에 있다. 당업자들은, 본 발명이 기재된 실시예들 외의 실시예들을 이용하여 실시될 수 있음을 인식할 것이다. 기재된 실시예들은 제한이 아닌 예시의 목적들을 위해 제시되며, 본 발명은 후속하는 청구항들에 의해서만 제한된다.

Claims (20)

  1. 데이터를 판독하기 위한 방법으로서,
    RKKY 커플링 속성을 갖는 층을 사용하여 판독기 스택 내의 자유 층과 상단 합성 반강자성(synthetic antiferromagnetic)(SAF) 실드 사이에 교환 커플링을 제공함으로써 상기 자유 층을 바이어싱하는 단계를 포함하고,
    상기 RKKY 커플링 층은 상기 자유 층에 접촉하고 인접하게 위치되고, 그리고 상기 상단 SAF 실드에 접촉하고 인접하여 있는 자기 캡핑 층에 접촉하고 인접하게 위치되고 ― 상기 자기 캡핑 층은 CoFeX를 포함하고, 상기 X는 내화 금속임 ―, 상기 상단 SAF 실드는 강자성 고정 층, 강자성 기준 층, 및 이들 사이의 스페이서 층을 포함하고, 상기 판독기 스택은 강자성 고정 층, 강자성 기준 층 및 이들 사이의 스페이서 층을 포함하는 센서 SAF 층을 더 포함하고, 상기 자유 층의 한 측 상의 상기 센서 SAF 층은 상기 RKKY 커플링 층의 반대편에 있고, 상기 센서 SAF 층과 상기 자유 층 사이에 오직 배리어 층만을 갖는,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 내화 금속은, IVB 족 또는 VB 족 전이 금속인,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 CoFeX는, 1 내지 30 원자 퍼센트(atomic percent)의 범위에 있는 X를 포함하는,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유 층과 상기 상단 합성 반강자성(SAF) 실드 사이에 상기 교환 커플링을 제공하는 것은, 상기 자유 층과 상기 상단 합성 반강자성(SAF) 실드 사이에 강자성 커플링을 제공하는 것을 더 포함하는,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 자유 층과 상기 상단 합성 반강자성(SAF) 실드 사이에 상기 교환 커플링을 제공하는 것은, 상기 자유 층과 상기 상단 합성 반강자성(SAF) 실드 사이에 반-강자성 커플링을 제공하는 것을 더 포함하는,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    크로스-트랙(cross-track) 방향을 따라 상기 자유 층의 2개의 측면들 상에 로케이팅된 측면 실드들을 사용하여 상기 자유 층을 바이어싱하는 단계를 더 포함하는,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 측면 실드들에 의해 제공되는 바이어싱 및 상기 상단 SAF 실드에 의해 제공되는 바이어싱은 방향이 동일한,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 측면 실드들에 의해 제공되는 바이어싱 및 상기 상단 SAF 실드에 의해 제공되는 바이어싱은 방향이 반대인,
    데이터를 판독하기 위한 방법.
  12. 판독기 스택으로서,
    강자성 고정 층, 강자성 기준 층, 및 이들 사이의 스페이서 층을 포함하는 상단 합성 반강자성(SAF) 실드;
    상기 상단 SAF 실드에 접촉하고 인접하게 위치한 자기 캡핑 층 ― 상기 자기 캡핑 층은 CoFeX를 포함하고, 상기 X는 내화 금속임 ―;
    상기 상단 SAF 실드의 반대편에서 상기 자기 캡핑 층에 접촉하고 인접하게 위치한 RKKY 커플링 층;
    상기 자기 캡핑 층의 반대편에서 상기 RKKY 커플링 층에 접촉하고 인접하게 위치한 자유 층;
    상기 RKKY 커플링 층의 반대편에서 상기 자유 층에 접촉하고 인접하게 위치한 배리어 층; 및
    상기 자유 층의 반대편에서 상기 배리어 층에 접촉하고 인접하게 위치한 센서 SAF 층 ― 상기 센서 SAF 층은 강자성 고정 층, 강자성 기준 층, 및 이들 사이의 스페이서 층을 포함함 ―
    을 포함하는, 판독기 스택.
  13. 제 12 항에 있어서,
    크로스-트랙 방향을 따라 상기 자유 층의 2개의 측면들 상에서 로케이팅되는 제 1 측면 실드 및 제 2 측면 실드를 더 포함하는, 판독기 스택.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 실드 및 상기 제 2 측면 실드는 SAF 측면 실드들인, 판독기 스택.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 실드 및 상기 제 2 측면 실드는 비-자기 측면 실드들인, 판독기 스택.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 측면 실드 및 상기 제 2 측면 실드는 영구 자석 측면 실드들인, 판독기 스택.
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 제 12 항에 있어서,
    상기 내화 금속은, IVB 족 또는 VB 족 전이 금속인, 판독기 스택.
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