KR19990006435A - 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서 및 그를 포함한 자기 헤드 및 자기 디스크 드라이브 - Google Patents

자기 저항 스핀 밸브 판독 센서 및 그를 포함한 자기 헤드 및 자기 디스크 드라이브 Download PDF

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Abstract

고정용 층의 보자력을 최소화하면서 층들간에 높은 고정용 자계를 유지할 수 있는, 반강자성 고정용 층 및 강자성 고정 층을 포함하는 다층 스핀 밸브 판독 헤드가 제공된다. 본 발명의 장치 및 방법은 반강자성 층과 강자성 층 사이에 Cu와 같은 얇은 불연속적인 비자성 중간 층을 배치하는 것을 포함한다. 일실시예에서, 본 발명은 지지 기판 또는 캐리어와, 이 지지 기판 위에 형성된 제 1 반강자성 재료 층과, 이 제 1 반강자성 층 위에 형성된 불연속적인 비자성 재료를 포함하는 제 2 층과, 불연속적인 제 2 비자성 재료 층 위에 형성된 강자성 재료를 포함하는 제 3 층과, 제 3 강자성 층 위에 형성된 비자성 재료를 포함하는 제 4 층과, 제 4 비자성 층 위에 형성된 강자성 재료를 포함하는 제 5 층을 포함하되, 제 1 층 및 제 3 층은 제 3 층의 자기 모멘트를 고정하는 교환 이방성을 나타낸다.

Description

자기 저항 스핀 밸브 판독 센서 및 그를 포함한 자기 헤드 및 자기 디스크 드라이브
본 발명은 스핀 밸브 판독 헤드(a spin valve read head)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 고정층(a pinned layer)의 자기 안정성을 향상시킨 스핀 밸브 판독 센서에 관한 것이다.
스핀 밸브 센서는, 자기 디스크 또는 자기 테입과 같은 움직이는 자기 매체로부터 자계를 감지하기 위한 자기 저항 판독 헤드에 사용된다. 스핀 밸브 센서를 사용하는 판독 헤드(이후 스핀 밸브 판독 헤드라고 함)는 유도성 기록 헤드와 결합하여 결합 자기 헤드를 형성할 수도 있다. 이 결합 자기 헤드는 병합 헤드(a merged head) 또는 피기백 헤드(a piggyback head) 구조를 가질 수 있다.
병합 헤드에서는, 하나의 층이 판독 헤드용 차폐층이자 기록 헤드용 제 1 극편으로서 작용한다. 피기백 헤드는 기록 헤드용 제 1 극편으로 작용하는 별도의 층을 갖는다. 자기 디스크 드라이브에서, 결합 자기 헤드의 공기 베어링 표면(an air bearing surface;ABS)은 디스크에 정보를 기록하거나 디스크로부터 정보를 판독하기 위해 회전하는 디스크에 인접하여 유지된다. 정보는 기록 헤드의 제 1 극편과 제 2 극편간의 갭을 가로질러 퍼지는 자계에 의해 회전하는 디스크에 기록된다. 판독 모드시에 스핀 밸브 센서의 저항은 회전하는 디스크로부터의 자계의 크기에 비례하여 변화한다. 감지 전류가 이 스핀 밸브 센서를 통해 도전되면, 저항이 변화하여 전위변화가 발생하며, 이것이 재생 신호로서 검출되어 처리된다.
통상, 스핀 밸브 센서는 제 1 강자성층과 제 2 강자성층간에 삽입된 비자성 도전층(흔히 스페이서 층으로 칭하여짐)을 포함한다. 제 1 및 제 2 강자성 층들은 흔히 고정 층(pinned layer) 및 자유 층(free layer)으로 제각기 불리워진다. 고정층의 자기 모멘트(magnetization)는 통상 반강자성 층에 대한 교환 결합에 의해 공기 베어링 표면에 90°로 고정된다. 이 반강자성 층은 흔히 고정용 층(pinning layer)으로 불리워진다. 자유층의 자기 모멘트는 외부 자계에 대해 자유롭게 응답한다. 이 스핀 밸브 센서에는 이 스핀 밸브 센서를 통해 감지 전류를 도통시키기 위한 제 1 및 제 2 리드가 접속된다.
스페이서 층의 두께는 센서를 통과하는 도전 전자의 평균 자유 경로보다 작게 선택된다. 이와 같이 구성함으로써, 도전 전자의 일부가 스페이서 층과 고정 층 및 자유 층과의 계면에서 산란된다. 고정 층과 자유 층의 자기 모멘트가 서로에 대해 평행한 경우, 산란은 최소화되며, 고정 층과 자유 층의 자기 모멘트가 역평행한 경우, 산란은 극대화된다. 이러한 전자의 산란의 변화는 sinθ에 비례하여 스핀 밸브 센서의 저항을 변화시키며, 여기서 θ는 고정 층과 자유 층의 자기 모멘트간의 각도이다. 스핀 밸브 센서는 매우 높은 자기 저항(MR) 계수를 가지며, 이 계수는 실질적으로 이방성 자기 저항(an anisotropic magnetoresistive;AMR) 센서보다 높다. 이러한 이유로, 흔히 스핀 밸브 센서는 거대 자기 저항(a giant magnetoresistive;GMR) 센서로도 불리워진다.
반강자성 층과 고정 층간의 강한 교환 결합은 헤드의 열적 안정성을 더욱 증가시킨다. 헤드의 열적 안정성은 헤드의 블로킹 온도(blocking temperature)에 직접 관련된다. 헤드가 물체로부터의 정전기적 방전으로 인해 또는 자기 디스크상의 거친 표면과의 접촉으로 인해 고온 상태가 되면, 센서의 블로킹 온도를 초과할 수 있고, 이로 인해 자신의 자기 모멘트를 잃게 된다. 따라서, 고정 층의 자기 모멘트는 더 이상 원하는 방향으로 고정되지 않는다.
스핀 밸브 센서에 대한 전형적인 구성은 다층 Ta(5)/NiFe(8)/Cu(2.1)/Co(2.2)/FeMn(15)/Ta(5)(두께는 나노미터 단위임) 막으로 이루어져 있으며, 여기에서는 FeMn이 고정용 층이고 NiFe가 고정 층이다. 이 센서는 평방 인치당 15.4 오옴(Ω/□)의 판저항(a sheet resistance)(Rs), 5.0%의 거대 자기 저항 계수(ΔRG/R1000), 8에르스테드(Oe)의 강자성 결합 자계 HFC및 405 Oe의 단방향성 이방성 고정용 자계(Hp)를 갖는다. Hp는 ∼120℃의 센서 동작 온도에서 146 Oe까지 선형적으로 감소하며, ∼180℃의 블로킹 온도에서 영(zero) 쪽으로 더욱 감소한다. 이러한 스핀 밸브 센서에 있어서의 문제점은 FeMn막이 부식성이며, 이 때문에 다양한 막들 또는 층들이 센서 구조내에 구현되기가 어렵다는 점이다.
널리 연구된 다른 스핀 밸브 센서는 다층 NiO(40)/NiFe(2)/Co(1)/Cu(2.1)/NiFe(8)/Ta(5) 막으로 이루어져 있으며, 여기에서는 NiO가 고정용 층이고, NiFe(8)가 고정 층이다. 이 센서는 18.6Ω/□의 RS, 4.9%의 ΔR/R, 5 Oe의 HFC및 300 Oe을 초과하는 HP을 갖는다. HP는 120℃의 센서 동작 온도에서 169 Oe까지 선형적으로 감소한다. NiO 막은 매우 높은 내부식성을 나타내므로, 센서 구조내에 NiO막을 구현하기가 더 용이하다. 또한, NiO막의 절연 특성으로 인해, 센서가 동작하는 동안 감지 전류의 션팅(shunting)이 발생하지 않게 된다. 더욱이, NiO/NiFe 막은 ∼200℃의 블로킹 온도를 가지며, NiO 스핀 밸브 센서를 센서 구조내에 구현하는 것이 매력적으로 된다. 그러나, NiO/NiFe 막에 있어서의 문제점은 이것이 Hp에 견줄 만 한 보자력(a coercivity) Hc를 나타낸다는 것이다. 이러한 문제는 FeMn 스핀 밸브 센서에서는 존재하지 않으며, FeMn 스핀 밸브 센서는 HC가 Hp보다 훨씬 낮다. 고정용 자계가 높게 유지된 경우, 그만큼 고정 층의 보자력도 높아지며, 이것은 헤드 감도를 감소시킬 수 있다. 감도의 감소는 NiO/NiFe/Co 계면에서 자기 스핀이 자기 여기 후에 자신의 본래 자기 상태로 복귀할 수 없기 때문에 발생한다.
앞서의 설명으로부터, 고정 층이 그만큼 높은 보자력 Hc를 나타내지 않으면서 고정용 자계 Hp를 높게 유지할 수 있는 스핀 밸브 센서가 필요함이 명백하다.
도 1은 본 발명의 스핀 밸브 센서를 구비한 예시적인 자기 디스크 드라이브의 평면도,
도 2는 도 1의 평면Ⅱ-Ⅱ에서 본 디스크 드라이브의 자기 헤드를 갖는 슬라이더의 단부도,
도 3은 복수의 디스크 및 헤드가 이용된 자기 디스크의 입면도,
도 4는 본 발명의 스핀 밸브 센서를 구비하는 슬라이더 및 자기 헤드를 지지하기 위한 예시적인 서스펜션 시스템의 사시도,
도 5는 도 2의 평면 Ⅴ-Ⅴ에서 본 슬라이더 및 자기 헤드의 부분 도면,
도 6은 도 2의 평면 Ⅷ-Ⅷ에서 본 자기 헤드의 횡단면도,
도 7은 자기 헤드의 판독 및 기록 성분, 즉, 본 발명의 스핀 밸브 센서를 구비한 판독 성분을 보여주기 위해 도 5의 평면 Ⅶ-Ⅶ을 따라 본 슬라이더의 부분 ABS 도면,
도 8은 공기 베어링 표면에서 본, 도 6에 도시된 본 발명의 스핀 밸브 센서의 확대 개략도,
도 9는 도 8의 평면 Ⅸ-Ⅸ을 시계방향으로 90°회전시켜서 본 도면,
도 10은 도 8에 도시된 본 발명의 실시예의 간략화 및 확대된 개략도로서, 다양한 층들의 상대적인 배향을 도시한 도면,
도 11은 연속적인 중간 층이 도시된, 본 발명의 다른 실시예의 간략화 및 확대된 개략도,
도 12a는 종래의 스핀 밸브에 대한 고정용 층과 고정 층의 자화 용이축 및 자화 곤란축의 히스테리시스 곡선을 도시한 도면,
도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 스핀 밸브 센서의 고정용 층, 중간 층 및 고정 층의 자화 용이축 및 자화 곤란축 히스테리시스 곡선을 도시한 도면,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 Cu 중간층(δi)의 두께 변화에 대한 단방향성 이방성 고정용 자계 Hp의 변동 및 고정 층의 보자력 Hc의 증가의 관계를 나타내는 그래프,
도 14a는 종래의 스핀 밸브 센서에 대한 고자계 자화 용이축 응답을 도시한 도면,
도 14b는 본 발명의 일실시예에 대한 고자계 자화 용이축 응답을 도시한 도면이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
30 : 자기 디스크 드라이브 32 : 스핀들
34 : 자기 디스크 36 : 모터
38 : 모터 제어기 40 : 자기 헤드
42 : 슬라이더 44 : 서스펜션
46 : 액츄에이터 암 48 : 공기 베어링 표면
49 : 헤드 짐발 어셈블리 50 : 처리 회로
52 : 베이스 54 : 기록 헤드부
56 : 판독 헤드부 58 : 자기 저항 센서
60 : 제 1 갭 층 62 : 제 2 갭 층
64 : 제 1 차폐 층 66 : 제 2 차폐 층
68 : 코일 층 70 : 제 1 절연 층
72 : 제 2 절연 층 74 : 제 3 절연 층
76 : 제 1 극편 층 78 : 제 2 극편 층
80 : 백 갭 82 : 제 1 극단
84 : 제 2 극단 86 : 비자성 갭 층
88 : 제 1 땝납 접속부 90 : 제 2 땜납 접속부
96, 98, 104, 106, 108, 110 : 리드
100 : 제 3 땜납 접속부 102 : 제 4 땜납 접속부
120 : 오버코트 53, 53a, 53b : 스핀 밸브 센서
112 : 고정 층 116, 1007 : 불연속적인 비자성 중간 층
122, 1010 : 반강자성 층 916 : 연속적인 비자성 중간 층
110, 1003 : 강자성 자유 층 114, 1004 : 비자성 도전성 스페이서 층
127 : 덥개 층 124, 128 : 자기 모멘트
130 : 감지 전류원 1008, 1006 : 강자성 층
1002 : 상부 보호 층
상기한 바와 같이, 고정용 자계 Hp의 증가에 따라 보자력 Hc가 증가하는 문제점을 극복하기 위하여, 고정용 층과 고정 층간에 높은 고정용 자계 Hp를 유지하면서 고정 층의 보자력 Hc가 증가하는 것을 제거 또는 감소시킨 장치 및 방법이 제공된다. 반강자성 고정용 층과 강자성 고정 층 사이에 얇고 불연속적인 비자성 중간 층을 배치함으로써 보자력 Hc의 증가를 최소화시키면서 높은 고정용 자계 Hp를 유지할 수 있다.
전반적으로, 본 발명은 복수의 층들을 갖는 스핀 밸브 센서를 포함한다. 일실시예에서, 본 발명의 센서는 지지 기판 또는 캐리어와, 이 기판 위에 형성된 제 1 반강자성 재료 층과, 이 제 1 반강자성 재료 층 위에 형성된 불연속적인 비자성 재료를 포함하는 제 2 층과, 불연속적인 제 2 비자성 재료 층 위에 형성된 강자성 재료를 포함하는 제 3 층―제 1 및 제 3 층은 제 3 층의 자기 모멘트를 고정하는 교환 이방성을 나타냄―과, 제 3 강자성 층 위에 형성된 비자성 재료를 포함하는 제 4 층과, 제 4 비자성 층 위에 형성된 강자성 재료를 포함하는 제 5 층을 포함한다. 이 센서는 전류원을 수신하도록 되어 있다. 전류를 통과시키는데 대한 저항도는 층들내에서의 전자의 평균 자유 경로에 따라 변화하게 된다. 다른 실시예에서, 비자성 재료를 포함하는 제 2 층은 불연속적일 필요는 없으며, 연속적인 비자성 재료 층일 수도 있다. 제 1 반강자성 층과 제 3 강자성 층 사이에 비자성 재료 층을 갖는 스핀 밸브 센서는 인접하는 강자성 층의 보자력 Hc가 비자성 재료 층이 없었을 경우의 보자력으로부터 최소화되면서 층들간의 고정용 자계 Hp가 비교적 높은 레벨로 유지될 수 있게 한다.
본 발명의 다른 특징들은 본 발명의 원리를 실시예로서 예시하는 바람직한 실시예의 후속하는 상세한 설명으로부터 명백하게 된다.
이제 도면을 참조하면, 몇 개의 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 부분을 표시하며, 도 1 내지 3에 자기 디스크 드라이브(30)가 도시된다. 드라이브(30)는 자기 디스크(34)를 지지 및 회전시키는 스핀들(32)을 포함한다. 스핀들(32)은 모터(36)에 의해 회전되며, 모터(36)는 또한 모터 제어기(38)에 의해 제어된다. 판독 및 기록용 수평 결합 자기 헤드(40)가 슬라이더(42)상에 장착되며, 슬라이더(42)는 또한 서스펜션(44) 및 액츄에이터 암(46)에 의해 지지된다. 도 3에 도시된 바와 같은 대용량 직접 액세스 저장 장치(a direct access storage device;DASD)에는 복수의 디스크들, 슬라이더들 및 서스펜션들이 사용될 수 있다. 서스펜션(44) 및 액츄에이터 암(46)은 자기 헤드(40)가 자기 디스크(34)의 표면과 변환 관계로 위치되도록 슬라이더(42)를 위치제어한다. 디스크(34)가 모터(36)에 의해 회전되면, 슬라이더는 디스크와 공기 베어링 표면(ABS)(48)간의 얇은 공기(공기 베어링) 쿠션(통상 0.05㎛ 두께)상에서 지지된다.
이 때 자기 헤드(40)는 디스크(34)의 표면상의 복수의 원형 트랙에 정보를 기입하고, 그로부터 정보를 판독하는데 사용될 수 있다. 처리 회로(50)는 이러한 정보를 나타내는 신호를 헤드(40)와 교환하며, 모터 드라이브 신호를 제공하고, 또한 슬라이더(42)를 다양한 트랙으로 이동시키기 위한 제어 신호들을 제공한다. 도 1 및 도 4에, 헤드 짐발 어셈블리(a head gimbal assembly;HGA)(49)에 탑재된 슬라이더(42)가 도시되며, 헤드 짐발 어셈블리(49)는 또한 서스펜션(44)에 장착된다. 이상의 모든 구성요소들은 베이스(52)상에 지지된다.
도 5는 기록 헤드부(54)와 판독 헤드부(56)를 갖는 병합 자기 저항(MR) 헤드(40)의 측방향 횡단면 입면도로서, 판독 헤드부가 MR 센서(58)를 이용한다. MR 센서(58)는 제 1 갭 층(60)과 제 2 갭 층(62) 사이에 삽입되고, 제 1 및 제 2 갭 층은 제 1 차폐 층(64)과 제 2 차폐 층(66) 사이에 삽입된다. 외부 자계에 응답하여, MR 센서(58)의 저항이 변화한다. 센서를 통해 도전된 감지 전류는 이들 저항 변화가 전위 변화로서 나타내어지도록 하고, 이들 전위 변화는 도 3에 도시된 처리 회로(52)에 의해 처리된다.
헤드의 기록 헤드부(54)는 제 1 절연 층(70)과 제 2 절연 층(72) 사이에 삽입된 코일 층(68)을 포함한다. 헤드를 평탄화하여 코일 층(68)에 의해 발생되는 제 2 절연 층에서의 리플(ripples)를 제거하기 위해 제 3 절연 층(74)이 사용될 수도 있다. 제 1, 제 2 및 제 3 절연 층들은 당 분야에서 절연 스택(insulation stack)으로서 지칭된다. 코일 층(68)과 제 1, 제 2 및 제 3 절연 층(70, 72, 74)은 제 1 극편 층(76)과 제 2 극편 층(78) 사이에 삽입된다. 제 1 및 제 2 극편 층(76, 78)은 백 갭(a back gap)(80)에 자기적으로 결합되며, ABS에서 비자성 갭 층(86)에 의해 분리되는 제 1 및 제 2 극단(82, 84)을 갖는다. 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 땜납 접속부(88, 90)는 MR 센서(58)로부터의 리드(도시되지 않음)를 서스펜션(44)상의 리드(96, 98)에 접속하며, 제 3 및 제 4 땜납 접속부(100, 102)는 코일(64)(도 6 참조)로부터의 리드(104, 106)를 서스펜션상의 리드(108, 110)에 접속한다. 도 2, 4, 5, 6 및 8에는 슬라이더(42)상에 자기 헤드의 감지 요소들(58, 82, 84, 86)을 커버하는 오버코트(120)가 도시되어 있다. 오버코트는 감지 요소의 마모 및 침식을 방지하기 위해 필요하다.
연구 결과, 스핀 밸브 센서(53)의 복수의 실시예들이 도시된다. 본 발명의 일실시예인 센서(53a)는 도 8, 9 및 10에 도시되어 있으며, 다른 실시예인 센서(53b)는 도 11에 도시되어 있다. 각 실시예가 NiO 반강자성 층을 이용하는 것으로 도시되어 있지만, 당 분야에 숙련된 자에게 잘 알려져 있는 다른 일반적인 반강자성 재료도 그 대신에 사용될 수 있다. 예를 들어, CoO 또는 NiMn이 사용될 수 있다. 도 8, 9 및 10에는, 반강자성 층(122)과 강자성 고정 층(112)간에 구리(Cu), 은(Ag) 또는 금(Au)과 같은 불연속적인 비자성 중간 층(116)을 배치함으로써 반강자성 층의 고정용 자계를 높은 레벨로 유지하면서 강자성 층의 보자력을 최소화할 수 있는 방법이 도시된다. 도 11에는, 불연속적인 중간 층 대신에 연속적인 비자성 중간 층(916)을 사용하여 강자성 층의 보자력을 최소화할 수 있는 방법이 도시된다. 도 8, 9 및 10에 도시된 스핀 밸브 센서는 본 발명의 바람직한 실시예이다. 도 12 내지 14는 도 8, 9, 10 및 11에 도시된 비자성 중간 층을 배치함으로써 스핀 밸브 센서가 개선되는 이유를 설명한다.
도 8 및 9에 도시된 센서(53a)는 강자성 자유 층(110), 비자성 전도성 스페이서 층(114) 및 강자성 고정 층(112)을 갖는다. Ta 또는 다른 통상적으로 사용되는 보호 재료와 같은 덮개 층(127)이 자유 층(110)을 커버할 수도 있다. 다른 실시예에서는 강자성 자속 유지 층(flux keeper layer)이 사용될 수 있고, 이것은 NiFe, NiFeCr, NiFeRh, NiFeNb 또는 유사한 성능을 갖는 다른 어떤 합금과 같은 재료로 이루어질 수 있다. 자속 유지 층은 바람직하게는 덮개 층(127)을 커버한다. 스페이서 층(114)은 자유 층(110)과 고정 층(112) 사이에 삽입된다. 일실시예에서, 강자성 Co 층이 자유 층(110)과 스페이서 층(114) 사이에, 또는 고정 층(112)과 스페이서 층(114) 사이에 삽입될 수 있다. 반강자성 층(122)은 비자성 중간 층(116)에 인접하며, ABS에 수직 방향으로 고정 층(112)의 자기 모멘트(124)를 고정시킨다. 비자성 중간 층(116)은 0.5㎚ 정도로 매우 얇고, 연속적이거나 불연속적이며, 반강자성 층(122)과 고정 층(112) 사이의 반강자성 교환 결합을 현저히 방해하지 않는다.
자유 층(110)은 회전하는 디스크(34)로부터의 자계 신호의 영향(자속 유입)하에서 자유롭게 회전하는 자기 모멘트(128)를 가지며, 이들 자계 신호는 통상 동일한 크기의 포지티브 및 네가티브 신호이다. 제 1 및 제 2 리드(88, 90)는 제각기 센서(53a)에 전기적으로 접속되며, 그 사이에 센서의 활성 영역 및 이 센서를 이용하는 판독 헤드의 트랙폭을 정의하는 공간을 갖는다. 감지 전류원(130)은 제 1 및 제 2 리드(88, 90)에 전기적으로 접속되어 감지 전류 Is를 제공하며, Is는 도 8에 화살표로 도시된 바와 같이 센서에 인가된다. 감지 전류원(130)과 평행하게, 도 1에 도시된 회전하는 디스크(34)에 의해 센서내에 자계 신호가 유도될 때 센서(53a) 양단의 전위 변화를 감지하기 위한 감지 회로(132)가 위치한다. 이 감지 전류원(130)과 감지 회로(132)는 도 3의 처리 회로(50)의 일부이다.
각각의 층들(110, 112, 114, 116)은 제 1 리드(88)와 제 2 리드(90) 사이에 감지 전류를 도통시킨다. 스핀 밸브 센서의 동작시에 핵심 파라미터는, 스페이서 층(114)이 제 1 리드(88)와 제 2 리드(90)간에 흐르는 도전 전자의 평균 자유 경로보다 작은 두께를 갖는다는 것이다. 전자 산란 각도는 자유 층(110)의 자기 모멘트(128)와 고정 층(112)의 자기 모멘트(124)간의 상대적인 각도에 의존하며, 감지 전류 Is에 대한 센서의 저항을 결정한다. 최대 산란 및 그에 따른 저항의 최대 증가는 자기 모멘트(128)와 고정 층(112)의 자기 모멘트(124)가 역평행할 때 발생하고, 최소 산란 및 그에 따른 최소 저항 변화는 자기 모멘트(128)와 고정 층(112)의 자기 모멘트(124)가 서로 평행할 때 발생한다.
자유 층(110)의 자기 모멘트는 통상 ABS에 평행하게 배향되므로, 회전하는 디스크로부터 포지티브 및 네가티브 자계 신호 수신시에 자기 모멘트(128)는 위쪽으로 또는 아래쪽으로 회전하여 센서의 저항을 감소 또는 증가시킨다. 자유 층(110)의 자기 모멘트(128)가 ABS에 평행하게 배향되면, 스핀 밸브에 대한 전달 곡선의 바이어스 점(bias point)은 영점(a zero point)에 위치된다.
도 10은 도 8 및 도 9에 도시된 스핀 밸브 센서(53a)의 간략화된 도면을 도시한다. 이 도면은 전반적으로 본 발명의 일실시예에서 사용된 각 층의 상대적인 물리적 배향을 표시한다. 반강자성 층(1010)은 다른 어떤 나머지 층들보다 훨씬 더 두꺼울 수 있으며, 이들 나머지 층들은 불연속적인 중간 층(1007), 강자성 층(1008, 1006), 스페이서 층(1004), 자유 층(1003) 및 상부 보호 층(1002)을 포함한다. 이들 각 층은 당 분야에 숙련된 자에게 잘 알려진 적절한 재료로 이루어질 수도 있지만, 바람직하게 이 층들은 Cu 중간 층(1007), NiFe 층(1008), Co 층(1006), NiFe 자유 층(1003), Ta 보호 층(1002), Cu 스페이서 층(1004) 및 NiO 반강자성 층(1010)을 포함한다.
도 11에 도시된 스핀 밸브 센서(53b)는 실질적으로 도 10에 도시된 스핀 밸브 센서(53a)와 유사하다. 그러나, 불연속적인 비자성 층(1007) 대신에 연속적인 비자성 중간 층(916)이 사용되었고, 전반적으로 3.2㎚ 미만의 균일한 두께를 갖는다. 본 발명의 다른 실시예에서, 연속적인 비자성 층(916)은 두께가, 예를 들면, 극소의 측정치로부터 3.2㎚에 이르는 범위로 변화할 수도 있고, 3.2㎚보다 두꺼울 수도 있다.
도 12a 및 12b는 제각기 종래의 스핀 밸브 센서와 본 발명의 일실시예에 대한 전형적인 히스테리시스 곡선이며, 본 발명에 따라 강자성 층과 반강자성 층 사이에 비자성 구리 층을 배치한 효과를 설명할 목적으로 도시되었다. NiO(40)/NiFe(4.2) 층과 NiO(40)/Cu(0.5)/NiFe(4.1) 층의 자화 용이축 및 자화 곤란축의 히스테리시스 곡선이 도 12a 및 12b에 제각기 도시된다. M은 고정 층의 단위 면적당 측정된 자기 모멘트(memu/㎠)이다. δp로 표시되는 강자성 고정 층의 두께는 M/Ms로 산출된다. 도시된 바와 같이, 종래의 NiO/NiFe 층의 자화 용이축 히스테리시스 곡선은 상당히 높은 고정용 자계 Hp및 고정 층의 상당히 높은 보자력 Hc을 나타내었다. 이 히스테리시스 곡선은 포지티브 자계로부터 네가티브 자계로 연장되는 말단(a tail end)을 갖는다. 또한 자화 곤란축 히스테리시스 곡선은 개방되어 있다.
말단 히스테리시스 곡선은 NiO/NiFe 계면에서 교환 성분의 총화 효과를 가정함으로써 설명될 수 있으며, 이들 각각은 그 자신의 국부적인 자계 및 보자력을 나타낸다. 포지티브 자계로부터 네가티브 자계로 연장되는 말단은 국부적 고정용 자계 Hp는 낮지만 높은 보자력 Hc를 나타내는 얼마간의 교환 성분들에 의해 제공될 수 있다. 이러한 말단의 존재는 포지티브 자계, 즉, 고정용 자계에 반대 방향으로 인가되는 자계가 영으로 감소할 때 얼마간의 교환 성분의 자기 스핀은 그들의 본래 자기 상태로 복귀할 수 없음을 의미한다.
본 발명은 교환 성분이 그들 본래의 자기 상태로 복귀하는 것을 돕는다. NiO막과 NiFe 막 사이에 비자성 중간 층을 삽입함으로써 Hp를 높은 레벨로 유지하면서도 고정용 층의 Hc를 최소화시킬 수 있으며, 실질적으로 히스테리시스 말단을 제거한다. 또한, 자화 곤란축의 히스테리시스 곡선은 폐쇄된 상태가 된다. 말단이 제거되었다 함은, 포지티브 자계가 고정용 자계에 반대 방향으로 인가되었을 때 얼마간의 교환 성분에 있어서의 자기 스핀이 그들의 본래의 자기 상태로 복귀할 수 있음을 나타낸다. 이들 성분이 그들 본래의 자기 상태로 복귀할 수 있으므로, 판독 헤드의 감도가 유지된다. 또한, 스핀 밸브 센서의 블로킹 온도는, 반강자성 고정용 층과 강자성 고정 층 사이에 비자성 중간 층이 배치된 경우에도 ∼200℃로 유지된다.
도 13에 도시된 바와 같이, Hp와 Hc사이의 관계는 본 발명의 일실시예에서 사용된 비자성 Cu 중간 층의 두께 δi에 비례하여 변화한다. 비교를 용이하게 하기 위해 Hp및 Hc는 NiFe(5)에 대해 그의 1/δp의존성에 기초하여 정규화되었으며, δp는 강자성 고정 층의 두께이다. Cu 중간 층의 δp가 3.2㎚ 두께일 때 고정용 자계 Hp는 여전히 매우 높다. 이는 당 분야에 숙련된 자에 있어 놀라운 결과인데, 그 이유는 반강자성 층과 강자성 층간의 교환 결합은 계면 현상이기 때문이다. 이러한 교환 결합은 불연속적이 아닌 연속적인 Cu와 같은 중간 층이 사용된 경우에도 발생한다. 도 12b로부터 명백한 바와 같이, 고정 층의 보자력 Hc는 Cu 중간 층의 두께(δi)가 증가할 때 고정용 자계 Hp의 강도보다 더 빨리 감소한다.
도 14a 및 14b의 도면은 스핀 밸브 센서에 영향을 주는 총 자계(net magnetic field)에 대한 거대 자기 저항 효과의 관계를 도시한다. 도 14a는 강자성 고정 층과 반강자성 고정용 층 사이에 비자성 중간 층을 사용하지 않는 종래의 스핀 밸브 센서에 대한 거대 자기 저항 효과를 도시한다. 도 14b는 본 발명의 일실시예에 따라 강자성 고정 층과 반강자성 고정용 층 사이에 비자성 층을 삽입한 효과를 나타낸다. 도면에서 NiO/NiFe/Co/Cu/NiFe/Ta과 NiO/Cu/NiFe/Co/Cu/NiFe/Ta 스핀 밸브 층들의 GMR이 거의 동일한 자계 HFC에 기초하여 비교된다.
본 발명의 일실시예에서 사용된, 도 14b에 도시된 얇은 비자성 Cu 중간 층은 NiO 층 위에 스퍼터된 클러스터(clusters) 형태로 존재할 수 있으며, 이에 의해 NiO의 표면 거침이 증가하고 따라서 HFC가 증가한다. 따라서 HFC를 감소시키기 위해 더욱 두꺼운 연속적인 비자성 스페이서 층이 선택될 수도 있다. 이러한 비교는 NiO/Cu/NiFe/Co/Cu/NiFe/Ta 층이 더욱 낮은 Hc 및 더 높은 거대 자기 저항(ΔR/R)을 가짐을 나타낸다. 당 분야에 숙련된 자에게는 잘 알려지고 도시된 바와 같이, 5.2%의 ΔR/R이 7.8Oe 정도로 낮은 HFC에 대해서는 꽤 높다. 이러한 ΔR/R은 HFC가 증가함에 따라 더욱 증가하는 것으로 밝혀졌다. 더욱이, Cu 중간 층의 두께가 증가함에 따라. GMR 계수는 6.1%로 더욱 증가하게 되고 Hc는 136 Oe로 감소하게 된다. Cu 중간 층은 또한, 고정 층으로서 역평행하게 결합된 Co/Ru/Co 층을 사용하거나 자속 유지 층을 사용함으로써 탈자계가 상쇄되는 센서와 같은 다수의 종래의 NiO 스핀 밸브 센서에 적합하다.
스핀 밸브 센서(53a, 53b)에 대한 대표적인 재료로는 자유 층(110)에 대해 NiFe, 스페이서 층(114)에 대해 Cu, 고정 층(112)에 대해 Co, NiFe, NiFe/Co, 중간 층(116)에 대해 Cu 및 덮개 층(127)에 대해 Ta이다. NiO는 반강자성 고정용 층(122)으로 바람직하지만, 스페이서 층(114) 및 자유 층(110)은 물론 비자성 층(116) 및 고정용 층(112)과 유사하게 상호작용하는 다른 재료가 사용될 수도 있다. 예를 들어, 다른 것들중에서도 코발트 산화물, 니켈 산화물, 철 산화물, 철 황화물, 철화 망간(iron manganese) 또는 그의 산화 용액이 바람직하다. 중간 층(116)은 대안적으로 Au, Ag 또는 고 도전성을 갖는 다른 비강자성 재료를 포함할 수 있다.
통상의 지식을 가진 자라면 이상의 개시된 내용으로부터 본 발명의 다른 실시 및 변경을 행할 수 있음이 명백하다. 따라서, 본 발명은 후속하는 청구범위에 의해서만 제한되어야 하며, 청구 범위는 이상의 설명 및 첨부된 도면과 관련하여 관찰하였을 때 모든 이러한 실시예들 및 변형예들을 포함한다.
본 발명에 의하면, 고정 층이 그만큼 높은 보자력 Hc를 나타내지 않으면서 고정용 자계 Hp를 높게 유지할 수 있는 스핀 밸브 센서가 제공된다.

Claims (26)

  1. 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서(a magnetoresistive spin valve read sensor)에 있어서,
    ① 포지티브 자계 유입 및 네가티브 자계 유입시에 제각기 위쪽으로 또한 아래쪽으로 자유롭게 회전하는 자기 모멘트(a magnetization)를 갖는 강자성 자유 층(a ferromagnetic free layer)과,
    ② 강자성 고정 층(a ferromagnetic pinned layer)과,
    ③ 상기 고정 층에 인접하고, 공기 베어링 표면에 수직인 횡단 방향으로 상기 고정 층의 자기 모멘트를 고정시키는 고정용 자계(a pinning field)를 갖는 반강자성 고정용 층(a antiferromagnetic pinning layer)과,
    ④ 상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 비자성 중간 층(a nonmagnetic intermediate layer)과,
    ⑤ 상기 자유 층과 상기 고정 층 사이에 삽입되어, 상기 포지티브 자계 유입 및 네가티브 자계 유입 감지시에 상기 자유 층의 자기 모멘트를 상기 횡단 방향으로부터 상기 위쪽으로 또한 아래쪽으로 회전시킴으로써 제각기 그에 따라 자기 저항을 증가 또는 감소시키는 전기적으로 도전성인 비자성 스페이서 층(an electrically conductive nonmagnetic spacer layer)과,
    ⑥ 상기 스핀 밸브 센서에 접속되어 상기 센서를 통해 감지 전류를 인가하는 감지 전류원 수단(a sense current source means)―상기 센서는 자기 저항의 상기 증가 또는 감소에 응답하여 전압 변화를 나타냄―
    을 포함하는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 비자성 층은 다수의 불연속적인 부분들을 포함하는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    감지 전류가 인가되었지만 자기 매체로부터 어떤 자계 유입도 수신되지 않을 때 센서가 정지 상태에 놓이는 공기 베어링 표면(an air bearing surface;ABS)을 더 포함하고,
    상기 고정된 방향은 상기 ABS에 수직이며,
    상기 자유 층의 자기 모멘트는 상기 센서가 상기 정지 상태에 있을 때 상기 ABS에 평행한
    자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 층은 실질적으로 단방향성 이방성 자계(a unidirectional anisotropy field)보다 훨씬 더 상기 고정 층의 보자력을 감소시키는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 비자성 중간 층은 상기 자기 모멘트의 증가에 응답하여 상기 중간 층이 없을 경우에 발생하게 되는 만큼 상기 고정 층의 보자력이 증가하지 못하게 하는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 층은 실질적으로 단방향성 이방성 자계보다 훨씬 더 상기 고정 층의 보자력을 감소시키는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 비자성 중간 층은 상기 자기 모멘트의 증가에 응답하여 상기 중간 층이 없을 경우에 발생하게 되는 만큼 상기 고정 층의 보자력이 증가하지 못하게 하는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  8. 자기 헤드에 있어서,
    ① ㉮ 적어도 하나의 코일 층(at least one coil layer) 및 절연 스택(an insulation stack)―상기 코일 층은 상기 절연 스택내에 매립됨―과, ㉯ 백 갭(a back gap)에서 접속되고 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하는 에지(edges)를 갖는 극단을 구비하는 제 1 및 제 2 극편(first and second pole pieces)―상기 절연 스택은 상기 제 1 극편과 상기 제 2 극편 사이에 삽입됨―과, ㉰ 상기 제 1 극편의 극단과 상기 제 2 극편의 극단 사이에 삽입되며 상기 ABS의 일부를 형성하는 기록 갭 층(a write gap layer)을 구비하는 기록 헤드(a write head)와,
    ② ㉮ 제 1 및 제 2 갭 층 및 제 1 및 제 2 차폐 층(shield layers)과, ㉯ 상기 제 1 갭 층과 상기 제 2 갭 층 사이에 삽입된 스핀 밸브 센서―상기 제 1 및 제 2 갭 층은 상기 제 1 차폐 층과 상기 제 2 차폐 층 사이에 삽입됨―를 구비하는 판독 헤드(a read head)
    를 포함하되, 상기 스핀 밸브 센서는
    ㉠ 포지티브 자계 유입 및 네가티브 자계 유입을 감지한 때에 제각기 제 1 제 2 방향으로 자유롭게 회전하는 자기 모멘트를 갖는 강자성 자유 층과,
    ㉡ 강자성 고정 층과,
    ㉢ 상기 고정 층에 인접하여, 고정된 방향을 따라 상기 고정 층의 자기 모멘트를 고정시키는 반강자성 고정용 층과,
    ㉣ 상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 비자성 중간 층과,
    ㉤ 상기 자유 층과 상기 고정 층 사이에 삽입되어, 상기 포지티브 자계 유입 및 상기 네가티브 자계 유입을 감지한 때에 상기 자유 층의 자기 모멘트를 상기 고정 층의 자기 모멘트의 상기 고정된 방향으로부터 상기 제 1 및/또는 제 2 방향으로 회전시킴으로써, 제각기 자기 저항을 증가 또는 감소시키는 전기적으로 도전성의 비자성 스페이서 층과,
    ㉥ 상기 스핀 밸브 센서에 접속되어 상기 센서를 통해 감지 전류를 인가하는 감지 전류원 수단―상기 센서는 자기 저항의 상기 증가 또는 감소에 응답하여 전압 변화를 나타냄―
    을 포함하는 자기 헤드.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 중간 층은 복수의 불연속적인 부분을 포함하는 자기 헤드.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 감지 전류가 인가되었지만 자기 매체로부터 어떤 자기 유입도 수신되지 않는 때에 상기 센서가 정지 상태에 놓이는 공기 베어링 표면을 더 포함하고,
    상기 고정된 방향은 상기 ABS에 수직이며,
    상기 자유 층의 자기 모멘트는 상기 센서가 상기 정지 상태에 있을 때 상기 ABS에 평행한
    자기 헤드.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 감지 전류가 인가되었지만 자기 매체로부터 어떤 자기 유입도 수신되지 않은 때에 상기 센서가 정지 상태에 놓이는 공기 베어링 표면을 더 더 포함하고,
    상기 고정된 방향은 상기 ABS에 수직이며,
    상기 자유 층의 자기 모멘트는 상기 센서가 상기 정지 상태에 있을 때 상기 ABS에 평행한
    자기 헤드.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 층은 실질적으로 단방향성 이방성 자계보다 훨씬 더 상기 고정 층의 보자력을 감소시키는 자기 헤드.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 비자성 중간 층은 상기 자기 모멘트의 증가에 응답하여 상기 중간 층이 없을 경우에 발생하게 되는 것만큼 상기 고정 층의 보자력이 증가하지 못하게 하는 자기 헤드.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 층은 실질적으로 단방향성 이방성 자계보다 훨씬 더 상기 고정 층의 보자력을 감소시키는 자기 헤드.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 비자성 중간 층은 상기 자기 모멘트의 증가에 응답하여 상기 중간 층이 없을 경우에 발생하게 되는 것만큼 상기 고정 층의 보자력이 증가하지 못하게 하는 자기 헤드.
  16. 자기 디스크 드라이브에 있어서,
    ① ㉮ 적어도 하나의 코일 층 및 절연 스택―상기 코일 층은 상기 절연 스택에 매립됨―과, ㉯ 백 갭에서 접속되며 공기 베어링 표면(ABS)의 일부를 형성하는 에지를 갖는 극단들을 구비하는 제 1 및 제 2 극편―상기 절연 스택은 상기 제 1 극편과 상기 제 2 극편 사이에 삽입됨―과, ㉰ 상기 제 1 극편의 극단과 상기 제 2 극편의 극단 사이에 삽입되고 상기 ABS의 일부를 형성하는 기록 갭 층을 구비하는 기록 헤드와,
    ② ㉮ 스핀 밸브 센서와, ㉯ 제 1 및 제 2 갭 층 및 제 1 및 제 2 차폐 층―상기 스핀 밸브 센서는 상기 제 1 갭 층과 상기 제 2 갭 층 사이에 삽입되고, 상기 제 1 및 제 2 갭 층은 상기 제 1 차폐 층과 상기 제 2 차폐 층 사이에 삽입됨―을 구비하는 판독 헤드―상기 기록 헤드와 상기 판독 헤드는 서로에게 인접하게 위치되어 결합된 자기 헤드(a combined magnetic head)를 형성함―와,
    ③ 프레임(a frame)과,
    ④ 상기 프레임상에 회전가능하게 지지된 자기 디스크와,
    ⑤ 상기 프레임상에 장착되어 상기 헤드를 상기 자기 디스크와 변환 관계로 지지하는 지지 수단(a support)과,
    ⑥ 상기 자기 디스크를 회전시키는 수단과,
    ⑦ 상기 지지 수단에 접속되어, 상기 자기 디스크에 대해 상기 결합 자기 헤드를 복수의 위치들로 이동시키는 위치지정 수단과,
    ⑧ 상기 결합 자기 헤드, 상기 자기 디스크를 회전시키는 수단 및 상기 위치지정 수단에 접속되어, 상기 결합 자기 헤드와 신호를 교환하고, 상기 자기 디스크의 이동을 제어하며, 상기 결합 자기 헤드의 위치를 제어하는 수단
    를 포함하되, 상기 스핀 밸브 센서는
    ㉠ 상기 포지티브 자계 유입 및 네가티브 자계 유입을 감지한 때에 제각기 제 1 및 제 2 방향으로 자유롭게 회전하는 자기 모멘트를 갖는 강자성 자유 층과,
    ㉡ 고정 층과,
    ㉢ 상기 고정 층에 인접하며, 고정된 방향을 따라 상기 고정 층의 자기 모멘트를 고정시키는 반강자성 고정용 층과,
    ㉣ 상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 비자성 중간 층과,
    ㉤ 상기 자유 층과 상기 고정 층 사이에 삽입되어, 상기 포지티브 자계 유입 및 네가티브 자계 유입을 감지한 때에 상기 자유 층의 자기 모멘트가 상기 고정 층 자기 모멘트의 상기 고정된 방향으로부터 상기 제 1 및/또는 제 2 방향으로 회전하도록 함으로써, 제각기 자기 저항을 증가 또는 감소시키는 전기적으로 도전성의 비자성 스페이서 층과,
    ㉥ 상기 스핀 밸브 센서에 접속되어, 상기 센서를 통해 감지 전류를 인가하는 감지 전류원 수단―상기 센서는 자기 저항의 상기 증가 또는 감소에 응답하여 전압 변화를 나타냄―
    을 포함하는 자기 디스크 드라이브.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 층은 복수의 불연속적인 부분들을 포함하는 자기 디스크 드라이브.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 감지 전류가 인가되었지만 상기 자기 매체로부터 어떤 자계 유입도 수신되지 않은 때에 상기 센서가 정지 상태에 놓이는 공기 베어링 표면을 더 포함하고,
    상기 고정된 방향은 상기 ABS에 수직이며,
    상기 자유 층의 자기 모멘트는 상기 센서가 상기 정지 상태에 있을 때에 상기 ABS에 평행한
    자기 디스크 드라이브.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 감지 전류가 인가되었지만 상기 자기 매체로부터 어떤 자계 유입도 수신되지 않은 때에 상기 센서가 정지 상태에 놓이는 공기 베어링 표면을 더 포함하고,
    상기 고정된 방향은 상기 ABS에 수직이며,
    상기 자유 층의 자기 모멘트는 상기 센서가 상기 정지 상태에 있을 때에 상기 ABS에 평행한
    자기 디스크 드라이브.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 층은 실질적으로 단방향성 이방성 자계보다 훨씬 더 상기 고정 층의 보자력을 감소시키는 자기 디스크 드라이브.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 비자성 중간 층은 상기 자기 모멘트의 증가에 응답하여 상기 중간 층이 없을 경우에 발생하게 되는 만큼 상기 고정 층의 보자력이 증가하지 못하게 하는 자기 디스크 드라이브.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 고정 층과 상기 고정용 층 사이에 삽입된 상기 비자성 층은 실질적으로 단방향성 이방성 자계보다 훨씬 더 상기 고정 층의 보자력을 감소시키는 자기 디스크 드라이브.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 비자성 중간 층은 상기 자기 모멘트의 증가에 응답하여 상기 중간 층이 없을 경우에 발생하게 되는 만큼 상기 고정 층의 보자력이 증가하지 못하게 하는 자기 디스크 드라이브.
  24. 제 1 항에 있어서,
    강자성 자속 유지 층(a ferromagnetic flux keeper layer)을 더 포함하는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  25. 제 6 항에 있어서,
    강자성 자속 유지 층(a ferromagnetic flux keeper layer)을 더 포함하는 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서.
  26. 제 12 항에 있어서,
    강자성 자속 유지 층(a ferromagnetic flux keeper layer)을 더 포함하는 자기 헤드.
KR1019980017098A 1997-06-19 1998-05-13 자기 저항 스핀 밸브 판독 센서 및 그를 포함한 자기 헤드 및자기 디스크 드라이브 KR100267438B1 (ko)

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