KR19990036637A - 실드된 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 - Google Patents

실드된 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 Download PDF

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포만 제프리 엘
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Abstract

본 발명의 자기 기록 시스템용 자기 터널 접합부 (MTJ) 자기 저항 판독 헤드는 2개의 이격된 자기 실드 사이에 위치한 MTJ 소자를 포함한다. 자기 실드는 헤드가 인접하는 전이와 간섭을 일으키지 않고 자기 기록 매체로부터 각각의 자기 전이를 검출할 수 있도록 하며, 또한 회로 소자를 감지하도록 헤드를 연결시키는 전기 리드(electrical leads)로서의 기능을 한다. 전기적으로 전도성을 가지는 스페이서층은 MTJ 소자의 상부와 하부에 위치하고 있으며 MTJ 소자를 실드와 연결시킨다. 스페이서층의 두께는 자기 기록 매체로부터 판독될 수 있는 데이터의 선분해능(linear resolution)을 제어하는 파라미터인 실드 사이의 간격을 최적화하도록 선택된다. 실드와 실드 사이의 간격이 너무 작을 경우 실드 사이가 전기적으로 단락될 가능성을 줄이기 위하여, 각각의 실드는 MTJ 소자가 2개의 받침대 사이에 위치한 받침대 영역을 가질 수 있어서, 받침대 영역 외부의 실드와 실드 사이의 간격은 받침대 내부에서보다 더 크다.

Description

실드된 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드
본 발명은 자기 터널 접합부(magnetic tunnel junction: MTJ) 소자에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 자기적으로 기록된 데이터를 판독하기 위한 자기 저항(magnetoresistive: MR) 헤드로 사용하기 위한 MTJ 소자에 관한 것이다.
자기 터널 접합부(MTJ) 소자는 박막 절연 터널 장벽층에 의해 분리되는 2개의 강자성층으로 구성되며, 스핀이 분극된 전자 터널링 현상(Phenomenon of spin-polarized electron tunneling)을 기초로 한다. 강자성층의 하나는 일반적으로 다른 강자성 층보다 강한 보자력을 갖기 때문에 인가된 자기장의 한 방향으로 더 높은 포화 필드를 가진다. 절연 터널 장벽층은 매우 얇아서 강자성층 사이에서 양자 역학적 터널링이 발생한다. 터널링 현상은 전자 스핀(electron-spin)에 관계되기 때문에 MTJ의 자기 반응(magnetic response)은 두 개의 강자성층의 상대적 배향과 스핀 극성의 함수이다.
MTJ 소자는 원래 고체 상태 메모리용 메모리 셀로서 제안되었다. MTJ 메모리 셀의 상태는 감지 전류가 강자성층 중 하나로부터 나머지 강자성층으로 MTJ를 수직으로 흐를 때 MTJ의 저항을 측정함으로써 결정된다. 절연 터널 장벽층을 가로질러 전하 캐리어의 터널링이 발생할 확률은 두 개의 강자성층의 자기 모멘트 (자화 방향)의 상대적 배열에 달려있다. 터널링 전류는 스핀이 분극되는데, 이는 강자성층 중의 하나, 예를 들어, 자기 모멘트가 고정되거나 회전이 방지된 층으로부터 통과되어 나오는 전류가 주로 한 종류의 스핀(강자성층의 자기 모멘트의 방향에 따라 스핀-업 또는 스핀 다운)을 가진 전자들로 이루어져 있음을 의미한다. 터널링 전류의 스핀이 분극된 정도는 강자성층과 터널 장벽층의 인터페이스에서 강자성층을 포함하는 자성 재료의 전자 밴드 구조에 의해 결정된다. 따라서, 제 1 강자성층은 스핀 필터로서 작용한다. 전하 캐리어의 터널링이 발생할 확률은 제 2 강자성층에서의 전류의 스핀 분극과 동일한 스핀 분극을 갖는 전자 상태를 이용할 수 있는지에 달려있다. 일반적으로, 제 2 강자성층의 자기 모멘트가 제 1 강자성층의 자기 모멘트와 평행할 경우가 제 2 강자성층의 자기 모멘트가 제 1 강자성층의 자기 모멘트와 반대로 평행하게(antiparallel) 배열된 경우에 비해 전자 상태를 더 이용할 수 있다. 따라서, 전하 캐리어의 터널링 확률은 두 강자성층의 자기 모멘트가 평행할 때 최고가 되고, 두 강자성층의 자기 모멘트가 반대로 평행할 경우 최소가 된다. 자기 모멘트가 평행하지도 수직하지도 않게 배열된 경우 터널링 확률은 중간 값을 갖는다. 따라서, MTJ 메모리 셀의 전기 저항은 전류의 스핀 분극과 두 강자성층에서의 전자 상태 모두에 따라 좌우된다. 결과적으로, 자화 방향이 특정 방향으로(uniquely) 고정되지 않은 강자성층에서 존재할 수 있는 두 개의 자화 방향은 메모리 셀에서 존재할 수 있는 2개의 비트 상태 (0 또는 1)를 고유하게 정의한다.
자기 저항 (MR) 센서는 자성체로 만들어진 감지 소자의 저항 변화를 통해 자기장 신호를 검출하는데, 이때 저항 변화는 감지 소자에 의해 감지되는 자속의 세기와 방향의 함수이다. 자기 기록 디스크 드라이브에서 데이터 판독용 MR 판독 헤드로서 사용되던 것과 같은 종래의 MR 센서의 동작을 일반적으로 퍼멀로이(permalloy, Mi81Fe19)로 이루어진 벌크 자성 재료의 이방성 자기 저항(anisotropic magnetoresistive: AMR) 효과를 기초로 하여 이루어진다. 판독 소자의 저항 성분의 변화는 판독 소자에서의 자화 방향과 판독 소자를 통해 흐르는 감지 전류의 방향 사이의 각도의 코사인 값의 제곱에 비례한다. 기록된 데이터는 디스크 드라이브 내의 디스크와 같은 자기 매체로부터 판독될 수 있다. 기록된 자기 매체로부터의 외부 자기장 (신호 필드)이 판독 소자 내의 자화 방향 변화를 유발시키고, 이는 다시 판독 소자의 저항 변화 및 이에 대응하는 감지된 전류 또는 전압 변화를 일으킨다. 종래의 MR 판독 헤드는 MTJ 소자와는 반대로 감지 전류가 판독 소자의 강자성층과 평행한 방향이다.
자기 기록용 자기 저항 판독 헤드로서 MTJ 소자를 사용하는 것은 미국 특허 제 5,390,061호에 기재되어 있다. 이러한 MTJ 판독 헤드에서, MTJ 소자로 흐르는 전기적 감지 전류는 MTJ 소자의 상부와 하부에 위치한 박막 금속층의 형태로 된 전기적 도체에 의해 인가된다. 이러한 도체는 일반적으로 수백 옹스트롬의 두께를 가진다. 일반적으로, 자기 저항 (MR) 판독 소자는 위의 미국 특허 제 5,390,061호의 제10도에 도시된 바와 같이, 높은 투자율을 가진(highly permeable) 두꺼운 자기 층 또는 실드 사이에 위치하며, 이 경우 도체는 이러한 자기 층 또는 실드로부터 충분한 두께의 전기적 비전도층에 의해 전기적으로 절연된다. 높은 면밀도를 가진 자기 기록에 적용하기 위해서는 MR 판독 헤드의 크기와 이와 관련된 부품은 정보가 기록된 자기 비트의 크기가 감소됨에 따라 감소되어야 한다. 특히, 일반적으로 MR 판독 헤드가 위치되어 있는 자기 실드 사이의 간격의 두께가 감소되어서 MR 판독 헤드가 감소된 비트 길이를 갖는 자기 비트를 검출할 수 있도록 해야 한다. MTJ 소자, 전도 리드 및 절연 층의 두께를 무한히 작게 할 수 없으므로 최대 가능 면밀도에는 한계가 있다. 1996년 11월 27일에 출원된 IBM사의 미국 특허 출원 번호 제 08/757,422호는 MTJ 소자가 MR 감지 회로와 연결되어 있는 전기 리드를 포함하며, 길이 방향으로 바이어스된 MTJ MR 판독 헤드를 기재하고 있다. 이러한 리드는 절연 갭 재료와 접촉하고 있고, 갭 재료는 자기 실드와 접촉하고 있어서 리드는 실드로부터 전기적으로 절연된다.
따라서, 자기 실드 사이의 간격을 줄여 높은 면밀도를 달성하기 위해 충분히 얇게 만들어진 감지 리드를 포함하는 MTJ 소자를 가진 MR 판독 헤드가 필요하다.
본 발명은 MTJ 소자가 두 개의 이격된 자기 실드 사이에 위치하는 자기 기록 시스템용 MTJ MR 판독 헤드이다. 자기 실드는 헤드가 인접하는 전이와 간섭을 일으키지 않고 자기 기록 매체로부터 각각의 자기 전이를 검출할 수 있도록 하며, 또한 회로 소자를 감지하도록 헤드를 연결시키는 전기 리드(electrical leads)로서의 기능을 한다. 전기적으로 전도성을 가지는 스페이서층은 MTJ 소자의 상부와 하부에 위치하고 있으며 MTJ 소자를 실드와 연결시킨다. 스페이서층의 두께는 자기 기록 매체로부터 판독될 수 있는 데이터의 선분해능(linear resolution)을 제어하는 파라미터인 실드 사이의 간격을 최적화하도록 선택된다. 실드와 실드 사이의 간격이 너무 작을 경우 실드 사이가 전기적으로 단락될 가능성을 줄이기 위하여, 각각의 실드는 MTJ 소자가 2개의 받침대 사이에 위치한 받침대 영역을 가질 수 있어서, 받침대 영역 외부의 실드와 실드 사이의 간격은 받침대 내부에서보다 더 크다.
본 발명의 특징과 이점은 첨부된 도면을 고려하여 다음의 상세한 설명을 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 함입형 자기 터널 접합부 자기 저항(MTJ MR) 판독 헤드와 함께 사용하기 위한 종래의 자기 기록 디스크 드라이브의 단순화된 블록도.
도 2는 덮개가 제거된 도 1의 디스크 드라이브의 평면도.
도 3은 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드가 위치하는 장소를 예시하기 위해 실드 사이에 위치되며 유도 기록 헤드에 인접한 MR 판독 헤드를 갖는 종래의 일체형 유도 기록 헤드/MR 판독 헤드를 수직으로 절단한 단면도.
도 4a는 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 자기 터널 접합부(MR)를 통해 취해진 단면도로서, 감지 전류의 방향이 전기 리드로서 기능을 하는 자기 실드를 통해 MTJ에 수직으로 흐르는 것을 예시하는 도면.
도 4b는 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 단면도로서, 헤드의 감지 단부에 대한 MTJ와 기타 층들의 상대적 위치를 예시하는 도면.
도 5는 MTJ 소자가 자기 실드의 받침대 영역 사이에 위치하는 경우 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 일 실시예를 예시하는 단면도.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 제조 단계를 예시하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : MTJ 소자
102 : 스페이서층
112 : 템플릿 강자성층
118 : 고정 강자성층
120 : 절연 터널 장벽층
132 : 감지 강자성층
150 : 바이어스 강자성층
160 : 절연층
종래 기술
도 1을 참조하면, MR 센서를 사용하는 종래 기술 형태의 디스크 드라이브 단면도가 예시되어 있다. 디스크 드라이브는 디스크 드라이브 모터(12) 및 액츄에이터(14)가 장착되는 베이스(10)와 커버(11)를 포함한다. 베이스(10)와 커버(11)는 실질적으로 밀봉된 디스크 드라이브용 하우징을 제공한다. 통상, 베이스(10) 및 커버(11) 사이에 가스켓(13)이 위치하며, 디스크 드라이브의 내부 및 외부 환경 간의 압력을 동일하게 하기 위한 작은 흡입 포트(breather port)(도시되지 않음)가 마련된다. 자기 기록 디스크(16)는 허브(18)에 의해 드라이브 모터(12)에 연결되며, 허브(18)는 드라이브 모터(12)에 의해 부착되어 회전한다. 윤활용 박막(thin lubricant film)(50)이 디스크(16) 상에 마련된다. 판독/기록 헤드 또는 트랜스듀서(25)는 공기 베어링 슬라이더(20)와 같은 헤드 캐리어의 후행 단부(trailing end) 상에 형성되어 있다. 트랜스듀서(25)는 도 3과 관련하여 기술되는 바와 같이 유도 기록 헤드 부분 및 MR 판독 헤드 부분을 포함하는 판독/기록 헤드이다. 슬라이더(20)는 강체 암(22) 및 서스펜션(24)에 의해 액츄에이터(14)에 연결된다. 서스펜션(24)은 슬라이더(20)가 기록 디스크(16)의 표면 상에 위치하도록 슬라이더(20)를 가해지는 바이어싱력(biasing force)을 제공한다. 디스크 드라이브가 동작하는 동안, 드라이브 모터(12)는 일정한 속도로 디스크(16)를 회전시키며, 통상 선형 또는 회전형 음성 코일 모터(voice coil motor: VCM)인 액츄에이터(14)는 대체로 디스크(16)의 표면을 방사상으로 가로질러 슬라이더(20)를 이동시켜 판독/기록 헤드(25)가 디스크(16) 상의 상이한 데이터 트랙을 액세스할 수 있다.
도 2는 커버(11)가 제거된 디스크 드라이브 내부의 평면도로서 슬라이더(20)가 디스크(16) 방향으로 향하도록 슬라이더(20)에 가해지는 힘을 제공하는 서스펜션(24)을 더욱 상세히 예시한다. 서스펜션은 IBM사에 허여된 미국 특허 제 4,167,765호에 개시되어 있는 바와 같이 공지된 와트러스(Watrous) 서스펜션과 같은 통상적인 서스펜션일 수 있다. 또한, 이러한 종류의 서스펜션은 슬라이더가 공기 베어링 상에서 주행할 때 피칭 및 롤링될 수 있도록 해주는 슬라이더의 짐벌형 연결 장치(gimbaled attachment)를 제공한다. 트랜스듀서(25)에 의해 디스크(16)로부터 검출되는 데이터는 암(22) 위에 위치하는 집적 회로 칩(integrated circuit chip)(15) 내의 신호 증폭 및 처리 회로에 의해 데이터 복귀 신호로 처리된다. 트랜스듀서(25)로부터의 신호는 가요성 케이블(17)을 통해 칩(15)으로 전송되며, 칩(15)은 케이블(19)을 통해 디스크 드라이브 전자 장치(도시되지 않음)로 출력 신호를 전송한다.
도 3은 MR 판독 헤드부 및 유도 기록 헤드부를 포함하는 일체형 판독/기록 헤드(25)의 단면도이다. 헤드(25)는 공기 베어링 표면(air-bearing surface: ABS)과 같은 헤드 캐리어의 감지 표면을 형성하도록 래핑(lapping)된다. 감지 표면 또는 ABS는 위에서 설명한 공기 베어링에 의해 회전 디스크(16)(도 1에 도시됨)의 표면으로부터 이격되어 있다. 판독 헤드는 제 1 및 제 2 갭층(gap layers: G1, G2) 사이에 삽입되는 MR 센서(40)를 포함하는데, 제 1 및 제 2 갭층은 제 1 및 제 2 자기 실드층(magnetic shield layers: S1, S2) 사이에 삽입된다. 전기적 도체(도시되지 않음)가 MR 센서(40)로부터 뻗어 나와(lead out) 칩(도 2의 도면 부호 15)의 감지회로와 연결되며, MR 센서(40)와 갭층(G1, G2) 사이에 위치한다. 따라서, 갭층(G1, G2)은 실드(S1, S2)로부터 전기 리드를 전기적으로 절연시킨다. 통상적인 디스크 드라이브에서, MR 센서(40)는 AMR 센서이다. 기록 헤드는 절연층(I1, I3) 사이에 삽입되는 코일층(C) 및 절연층(I2)을 포함하는데, 절연층(I1, I3)은 제 1 및 제 2 극편 (pole pieces: P1, P2) 사이에 차례로 삽입된다. 갭층(G3)은 자기 갭을 제공하기 위해 ABS에 인접한 극팁(pole tips)에서 제 1 및 제 2 극편(P1, P2) 사이에 삽입된다. 기록 동작 중에, 신호 전류는 코일층(C)을 통해 전도되고 자속은 제 1 및 제 2 극편(P1, P2) 내로 유도되어 ABS에서 극팁을 가로질러 자속의 프린지(fringe)가 생기도록 한다. 이러한 자속은 기록 동작 중에 회전 디스크(16) 상의 원형 트랙을 자화시킨다. 판독 동작 중에, 회전 디스크(16) 상의 자화된 영역은 판독 헤드의 MR 센서(40) 내로 자속을 입사시켜 MR 센서(40) 내의 저항을 변화시킨다. 이러한 저항 변화는 MR 센서(40) 양단의 전압 변화를 검출함으로써 검출된다. 전압 변화는 (도 2에 도시된) 칩(15)과 디스크 드라이브의 전자 장치에 의해 처리되어 사용자 데이터로 변환된다. 도 3에 도시된 결합 헤드(25)는 판독 헤드의 제 2실드층(S2)이 기록 헤드용 제 1 극편(P1)으로 사용되는 "통합형(merged)" 헤드이다. 피기백(piggyback) 헤드(도시되지 않음)에서, 제 2 실드층(S2) 및 제 1 극편(P1)은 별개의 층으로 되어 있다.
AMR 판독 헤드를 갖는 통상적인 자기 기록 헤드에 대한 상기 기술 내용 및 첨부된 도 1 내지 도 3은 단지 설명하기 위한 것이다. 디스크 드라이브는 다수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며 각각의 액츄에이터는 다수의 슬라이더를 지지한다. 또한, 헤드 캐리어는 공기 베어링 슬라이더 대신 액체 베어링 및 기타 접촉식 및 근사 접촉식 기록 디스크 드라이브와 같이 디스크와 접촉 또는 근사 접촉하도록 헤드를 유지할 수도 있다.
바람직한 실시예
본 발명은 도 3의 판독/기록 헤드(25) 내의 MR 센서(40) 대신에 사용되는 MTJ 센서를 갖는 MR 판독 헤드에 대한 것이다.
도 4a는 에지가 도 3의 선(42)으로 도시되고 디스크 표면으로부터 바라보는 평면을 취한 경우에 나타나는 본 발명의 일 실시예에 따른 MTJ MR의 단면도이다. 따라서, 도 4a가 도시된 종이는 헤드를 구성하는 층들이 보이도록 ABS에 평행하고 MTJ MR 판독 헤드의 실질적인 액티브 감지 영역(active sensing region), 즉 터널 접합부를 관통한다. 도 4b는 도 4a에 수직한 단면도로서, 감지 표면(200) 또는 ABS가 오른쪽에 있는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, MTJ MR 판독 헤드는 제 1 자기 실드(S1) 상에 직접 형성되며 전기적으로 전도성을 가지는 스페이서층(102), 제 2 자기 실드(S2)의 아래에 바로 접촉하여 형성되며 전기적으로 전도성을 가지는 스페이서층(104) 및 자기 스페이서층(102, 104) 사이에 여러 층의 스택으로 형성(formed as a stack of layers)되는 MTJ(100)를 포함한다. 자기 실드(S1, S2)는 자기 실드로서의 기능을 하는 한편 MTJ(100)를 감지 회로와 연결시키는 전기적으로 전도성을 가지는 리드로서의 기능을 한다. 이는 도 4a의 제 1 실드(S1)를 통해 스페이서층(102), MTJ(100), 스페이서층(104)에 수직으로 흐르며 제 2 실드(S2)를 통해 흘러 나가는 전류의 방향을 나타내는 화살표로 알 수 있다.
MTJ(100)은 제 1 전극 다층 스택(110), 절연 터널 장벽층(120), 및 상부 전극 스택(130)을 포함한다. 각 전극은 터널 장벽층(120)에 직접 접촉하는 강자성층, 즉 강자성층(118, 132)을 포함한다.
스페이서층(102) 상에 형성되는 베이스 전극층 스택(110)은 스페이서층(102) 상에 시드층 또는 "템플릿(template)"층(112), 템플릿층(112) 상에 반강자성 재료층(116), 및 하부(underlying) 반강자성층(116) 상에 형성되고 반강자성층과 교환 결합(exchange coupled)되는 "고정" 강자성층(118)을 포함한다. 강자성층(118)은 자기 모멘트 또는 자화 방향이 관심 대상인 원하는 범위 내에 자기장이 인가되는 경우에 회전하지 않으므로 고정층이라고 불린다. 상부 전극 스택(130)은 "자유" 또는 "감지(sensing)" 강자성층(132), 및 감지 강자성층(132) 상에 형성되는 보호층 또는 캡층(capping layer, 134)을 포함한다. 감지 강자성층(132)은 반강자성층과 교환 결합되지 않고, 따라서 그 자화 방향은 관심 대상인 원하는 범위 내에 자기장이 인가되는 경우 자유롭게 회전된다. 감지 강자성층(132)은 자기장이 인가되지 않은 상태에서의 자기 모멘트 또는 자화 방향(화살표 133으로 도시됨)이 일반적으로 ABS(ABS는 도 4a의 종이에 평행한 면이고 도 4b에서는 도면 부호 200으로 표시됨)에 대해 평행하고 일반적으로 고정 강자성층(118)의 자화 방향에 대해 수직하게 형성된다. 터널 장벽층(120)의 바로 아래에 위치하는 전극 스택(110) 내의 고정 강자성층(118)은 하부 반강자성층(116)과 직접적으로 계면 교환 결합에 의해 고정되는 자화 방향을 갖는데, 하부 강자성층(116)은 또한 하부 전극 스택(110)의 일부를 형성한다. 고정 강자성층(118)의 자화 방향은 일반적으로 ABS에 대해 수직하게, 즉 도 4a의 종이 면 밖으로 나오거나 종이 면 내로 들어가는 방향이다(화살표 꼬리(119)로 도시됨).
또한, 도 4a에는 또한 감지 강자성층(132)의 자화를 길이 방향으로 바이어스시키는 바이어스 강자성층(150), 및 이러한 바이어스 층(150)을 감지 강자성층(132) 및 MTJ(100)의 다른 층들로부터 분리하고 절연시키는 절연층(160)이 도시되어 있다. 설명 목적 상, 바이어스 강자성층(150)은 도 4b에는 도시하지 않았다. 바이어스 강자성층(150)은, 자기장이 인가되지 않은 상태에서 감지 강자성층(132)의 자기 모멘트(133)와 동일한 방향으로 정렬되는 자기 모멘트(화살표 151로 도시됨)를 갖는 CoPtCr 합금과 같은 자화시키기 어려운 자성 재료이다. 절연층(160)은 바람직하게는 알루미나(Al2O3) 또는 실리카(SiO2)이며, 바이어스 강자성층(150)을 MTJ(100) 및 스페이서층(102, 104)과 전기적으로 절연시키기에 충분한 두께를 갖지만, 감지 강자성층(132)과 정자기적으로 결합(magnetostatic coupling, 점선의 화살표 153으로 표시됨)할 수 있을 만큼 충분히 얇다. 바이어스 강자성층(150)의 적(積: product) M*t(여기서 M은 강자성층 재료의 단위 면적 당 자기 모멘트이고 t는 강자성층의 두께임)는 자화를 길이 방향으로 바이어스시킬 수 있도록 감지 강자성층(132)의 적 M*t보다 크거나 또는 같아야 한다. 통상적으로 감지 강자성층(132)에서 사용되는 Ni(100-X)-Fe(x)(x는 대략 19임)의 자기 모멘트가, 바이어스 강자성층(150)으로 적합한 Co75Pt13Cr12와 같은 통상의 자화시키기 어려운 자성 재료의 자기 모멘트의 2배 정도이므로, 바이어스 강자성층(150)의 두께는 감지 강자성층(132) 두께의 적어도 2배 정도이다.
감지 전류(I)는 제 1 실드(S1)를 형성하며 전기적으로 전도성을 가진 물질로부터 제 1 스페이서층(102), 반강자성층(116), 고정 강자성층(118), 터널 장벽층(120), 및 감지 강자성층(132)을 통해 수직으로 흐르는 제 2 스페이서층(104)을 지나 제 2 실드(S2)를 통과하여 흐른다. 상술한 바와 같이, 터널 장벽층(120)을 통하여 흐르는 터널링 전류의 양(amount of tunneling current)은 터널 장벽층(120)에 인접하여 접촉하는 고정 및 감지 강자성층(118, 132)의 상대적인 자화 방향에 대한 함수이다. 기록된 데이터로부터 나오는 자기장은 감지 강자성층(132)의 자화 방향을 방향(133)에서 멀어지도록, 즉 도 4a의 종이 면을 향하거나 종이 면으로부터 나오는 방향을 향하도록 회전시킨다. 이것은 강자성층(118, 132)의 자기 모멘트의 상대적인 배향과 그에 따른 터널링 전류의 양을 변화시키는데, 이러한 변화 결과 MTJ(100)의 전기 저항이 변화한다. 이러한 전기 저항의 변화는 디스크 드라이브 회로(disk drive electronics)에 의해 검출되고 디스크로부터 판독되는 데이터로 처리된다. 실드(S1, S2)를 흐르는 감지 전류는 전기 절연층(160) 때문에 바이어스 강자성층(150)으로 흐르지 못하며, 이러한 전기 절연층(160)은 또한 바이어스 강자성층(150)을 MTJ(100)와 스페이서층(102, 104)으로부터 절연시킨다.
이제 MTJ(100)(도 4a 및 도 4b 참조)에 사용되는 대표적인 재료를 설명한다. MTJ(100)의 모든 층은 자기장이 기판 표면에 평행하게 인가되는 상태에서 성장한다. 자기장은 모든 강자성층의 자화 용이축(easy axis)을 배향시키는데 사용된다. 먼저 5 nm 두께의 Ta 시드층(도시되지 않음)은 스페이서층(102)으로 사용되는 10-50 nm 두께의 Cu층 상에 형성된다. 적당한 스페이서층의 재료는 전기적으로 전도성을 갖는 재료이나, 스페이서층이 매우 얇기 때문에 도전율 값에 대한 엄격한 제한은 없다. 따라서, MTJ 소자(100)를 포함하는 다양한 박막층을 순차적으로 성장시킬 수 있는 적당한 정도의 평탄도(smoothness)를 가진 적절한 층을 형성할 수 있다면 Cu 보다 전도성이 훨씬 더 낮은 금속도 사용될 수 있다. 도4a 및 도 4b에 도시된 실시예에 대한 추가적인 제한 사항은 동작 중 ABS에서 자기 디스크에 수시로 접촉하기 때문에 스페이서층의 재료가 공기 베어링 표면을 깍아내지 않아야 한다. 시드층은 면심 입방(face-centered cubic: fcc) Ni81Fe19로 된 템플릿층(112)이 (111) 방향으로 성장을 촉진시키는 재료로 구성된다. 템플릿 강자성층(112)은 반강자성층(116)의 성장을 촉진한다. 적당한 시드층 재료는 Ta 뿐 아니라 Cu 또는 3-5 nm 두께의 Ta/3-5 nm 두께의 Cu와 같이 두 층이 결합된 것과 같은 fcc 금속을 포함한다. MTJ 베이스 전극 스택(110)은 10-20 nm 두께의 Cu층(102) 상의 Ta 시드층 상에 성장되는 4 nm 두께의 Ni81Fe19(층(112))/10 nm 두께의 Fe50Mn50(층(116))/8 nm 두께의 Ni81Fe19(층(118))로 이루어진 스택을 포함한다. Cu 스페이서층(102)은 기판으로 사용되는 제 1 실드(S1)를 형성하는 재료 바로 위에 형성된다. 다음에, 터널 장벽층(120)은 0.5-2 nm 두께의 Al층을 증착한 후 플라즈마 산화시킴으로써 형성된다. 이렇게 하면 Al2O3절연 터널 장벽층(120)이 만들어진다. 상부 전극 스택(130)은 5 nm 두께의 Ni-Fe(층(132))/10 nm 두께의 Ta(층(134)) 스택이다. Ta층(134)은 제조 공정 중 MTJ(100)를 부식시키지 않도록 보호하기 위한 캡층의 기능을 한다. 상부 전극 스택(130)은 스페이서층(104)의 기능을 하는 20 nm 두께의 Au층과 접촉된다.
하부 전극 스택(110) 내의 층들은 매끄럽고, Al2O3터널 장벽층(120)에는 접합부를 전기적으로 단락시킬수 있는 핀홀이 없어야 한다는 점이 중요하다. 예를 들어, 금속 다층 스택 내에서 양호한 거대 자기저항 효과를 생성한다고 알려진 스퍼터링 기술에 의한 성장 방법이 충분히 사용될 수 있다.
대안적으로, 감지 강자성층(132)은 감지 강자성층(132)과 터널 장벽층(120) 간의 경계에서 Co 또는 Co(100-x)Fe(x)(x는 대략 70임) 또는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임)로 된 박막층으로 구성될 수 있으며, 감지 강자성층(132)의 벌크 상태는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 19임)와 같은 낮은 자기변형을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 박막의 Co 또는 Co(100-x)Fe(x)(x는 대략 70임) 또는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임)로 된 경계층을 갖는 이러한 종류의 감지 강자성층에 대한 순 자기 변형(net magnetostriction)은 감지 강자성층(132)의 벌크 상태의 조성을 약간만 변화시켜 거의 0에 근접하는 값을 갖도록 배열된다. 대안적으로, 고정 강자성층(118)은 터널 장벽층(120)과의 경계 부분에 Co 또는 Co(100-x)Fe(x)(x는 대략 70임) 또는 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임)로 된 박막층을 갖는 벌크 상태의 Ni(100-x)Fex로 주로 구성될 수 있다. Co 또는 최대 분극 Ni(100-x)Fex(x는 대략 60임) 또는 Co(100-x)Fe(x)합금(x는 대략 70임)을 사용하여 최대 신호를 얻는다. 경계층의 두께는 약 1-2 nm인 것이 가장 적합하다. 결합 층들의 순 자기 변형은 조합된 성분을 약간만 변화시켜도 거의 0으로 근접하도록 배열된다. 고정 강자성층(118)의 벌크 상태가 Ni-Fe인 경우, 조성은 Ni81Fe19으로 Ni-Fe의 자기 변형이 0인 벌크 상태 경우의 조성에 해당된다.
Fe-Mn 반강자성층(116)은 Al2O3장벽층(120)의 저항보다 충분히 작은 저항을 갖는 Ni-Mn층 또는 다른 적합한 반강자성층으로 교체될 수 있으며 이러한 층의 교환은 고정층(118) 내의 강자성 재료를 바이어스시킨다. 또한, 바람직한 실시예에서 고정 강자성층이 반강자성층과 계면 교환 결합에 의해 고정된 자기 모멘트를 갖는데 반해, 고정 강자성층은 자기적으로 "자화시키기 어려운(hard)" 높은 보자력을 갖는 재료로 형성될 수 있어서 반강자성층이 필요 없게 된다. 따라서, 자화시키기 어려운 고정 강자성층은 Co-Pt-Cr 합금, Co-Cr-Ta 합금, Co-Cr 합금, Co-Sm 합금, Co-Re 합금, Co-Ru 합금, 및 Co-Ni-X 합금(X = Pt, Pd, 또는 Cr) 뿐 아니라 Co-Ni-Cr-Pt 및 Co-Pt-Cr-B와 같은 다양한 4원소 합금을 포함하는 Co와 기타 하나 이상의 원소와의 합금과 같은 다양한 강자성 재료로 형성될 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시되고 위에서 설명한 MTJ 소자가 MTJ(100)의 하부 에 고정 강자성층을 갖지만, 또한 MTJ 소자는 먼저 감지 강자성층을 증착한 다음 터널 장벽층, 고정 강자성층 및 반강자성층을 증착함으로써 형성될 수 있다. 따라서 이러한 MTJ 소자는 도 4a 및 도 4b에 도시된 MTJ(100)을 완전히 전도시킨(inverted) 층들을 가질 수 있다.
높은 면밀도(디스크 표면의 단위 면적 당 저장되어 있는 데이터의 양)를 얻기 위하여, MTJ(100)와 이에 관련된 스페이서층(102, 104)은 4a 내지 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이 직접 자기 실드(S1, S2) 사이에 배치되어 있는데, 이 경우 리드와 실드를 분리시키기 위한 별도의 전기 리드 층과 절연 갭 재료가 필요 없다. 상대적으로 두껍고 높은 투자율(permeable)을 가진 자성층으로 구성된 자기 실드는 MR 센서가 인접하는 전이와 간섭을 일으키지 않고 자기 기록 매체로부터 각각의 자기 전이를 검출할 수 있도록 한다. 따라서, MR 센서는 인접하는 전이와 간섭을 일으키는 경우에 가능한 비트 길이보다 더 작은 비트 길이를 가진 자기 비트를 검출할 수 있다. MR 센서의 분해능은 자기 실드층(S1, S2) 사이의 간격(s, 도 4b 참조)과 감지면(200)과 디스크 상의 자기 필름 사이의 거리에 의해 결정된다. 예를 들어, 0.02 미크론의 자기 필름 간격의 센서를 가진 디스크 드라이브에서 인치 당 125,000 비트라는 선형 자기 비트 밀도로 이격된 자기 비트를 검출하기 위해서는 ~0.2 미크론 범위의 실드층 사이의 간격(s)이 필요하다.
본 발명에서, 실드(S1, S2)는 전기적으로 전도성을 가지고 적당히 높은 자기 투자율을 가져야 한다. 이러한 실드는 다양한 NiFeX 합금 (여기서 X는 Ta, Rh, Pt 또는 Nb), CoZrNb 합금 또는 센더스트 (FeAlSi) 합금으로 만들 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명은 MR 센서를 전기적으로 절연시키는데 사용되는 절연 갭층(G1, G2)(도 3)들의 결합 두께에 의해 간격(s)의 두께를 줄인다. 스페이서층(102, 104)의 두께를 줄임으로써도 간격(s)의 두께를 추가로 감소시킬 수 있다. 원리적으로, MTJ 소자와 직렬로 연결되는 임의의 저항의 경우 MTJ 소자의 신호의 크기를 감소시키게 되나, 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드에서의 스페이서층(102, 104)의 저항은 무시할 수 있다.
도 3에 도시된 종래 기술에서, 갭층(G1, G2)이 너무 얇게 만들어진 경우, MR 센서(40)의 리드가 실드(S1, S2)와 전기적으로 단락될 가능성이 있다. 본 발명의 MTJ MR 판독 헤드에서는 실드가 MTJ(100)와 감지 회로를 연결하는 전기 리드로서 작용하기 때문에 이러한 문제점이 해결된다.
본 발명에서, 실드(S1, S2) 사이의 간격을 줄이면 이에 대응하여 MTJ MR 헤드의 선분해능이 증가된다. 이는 다음의 실시예로서 이해될 수 있다. (15 nm 두께의 TA + 15 nm 두께의 Pt + 4 nm 두께의 Ni81Fe19+ 10 nm 두께의 Fe50Mn50 + 6 nm 두께의 Ni81Fe19+ 1 nm 두께의 Al2O3+ 5 nm 두께의 Ni81Fe19+ 20 nm 두께의 Ta 층으로 구성되는) 일반적인 MTJ 소자(100)의 두께는 대략 66 nm이다. 절연 갭 층(G1, G2)의 일반적인 최소 두께는 각각 대략 20 nm 정도이다. 따라서, MTJ 소자(100)가 갭층(G1, G2)을 사용하는 구조에 사용된다면 실드(S1, S2) 사이의 간격은 대략 106 nm정도가 되고, 이것은 (비트 길이가 갭 간격보다 아주 약간만 작다고 가정하는 경우) 인치 당 250,000 전이에 해당하는 선분해능이 달성된다. 스페이서층(102, 104)이 각각의 실드(S1, S2)와 직접 연결되는 경우, 갭층(G1, G2)이 제거되고 실드 사이의 간격은 66 nm 정도로 감소된다. 따라서, MR 헤드의 선분해능은 인치 당 대략 400,000 전이로 증가한다. 더욱이, 스페이서층(102, 104)의 두께가 각각 7.5 nm 정도로 줄어드는 경우, 동일한 MTJ MR 소자(100)를 사용하여 인치 당 대략 500,000 전이라는 더 높은 분해능이 가능하다. 따라서, 스페이서층(102, 104)을 사용하되 이들의 두께를 선택함으로써, 간격(s)을 최적화하여 MTJ MR 판독 헤드가 원하는 선분해능에서 동작하도록 설계할 수 있다.
본 발명의 MTJ MR 판독 헤드는 초고밀도 자기 기록에 적용하기에 적합하다. 2 nm 두께의 Cu 스페이서층(102, 104), 5 nm 두께의 IrMn 교환 바이어스층(116), 2.5 nm 두께의 Co 고정 강자성층(118), 1 nm 두께의 Al2O3터널링 장벽(120), 및 3 nm 두께의 Ni81Fe19자유 강자성층으로 구성된 구조를 사용하여, MTJ 소자와 스페이서층의 결합 두께를 13.5 nm 두께로 형성할 수 있다. 따라서, 선형 밀도를 인치 당 1,500,000 전이보다 크게 할 수 있다.
본 발명에서, 자유 강자성층(132)은 자기 실드(S2)와 직접 접촉할 수 없으며, 이는 자유 강자성층(132)의 자기 모멘트가 자기 실드(S2)의 자기 모멘트와 교환 결합하는 것에 의해 고정되고 자기 디스크 매체에서 자기 전이(magnetic transitions)로부터의 자속에 최적 상태로 응답할 수 없기 때문이다. 이와 마찬가지로, 반강자성 교환 바이어스층(116)은 자기 실드(S1)와 직접 접촉하지 않는 것이 바람직한데, 그 이유는 자기 실드(S1)의 자기적 특성이 변하기 때문이다. 특히, 자기 실드의 투자율(magnetic permeability)은 반강자성층의 영역에서 감소된다. 따라서, 스페이서층(102, 104)은 층(116, 132)과 각각 전기적으로 연결되며 자기 실드(S1, S2)와 이들 층(116, 132)을 절연시킨다. 그러나, 본 발명에서 반강자성층(116)과 접촉하는 템플릿층(112) 및 자유 강자성층(132)과 접촉하는 캡층(134)은 적당한 재료와 적당한 두께로 형성된다면 스페이서층으로 작용할 수 있다. 예를 들어, 스페이서층(102)과 템플릿층(112)은 두 층의 결합 두께가 5-10 nm이며 모두 Ta로 형성될 수 있으며, 이와 마찬가지로, 층(134, 104)도 두 층의 결합 두께가 5-10 nm이며 모두 Ta로 형성될 수 있다. 본 발명의 소자에서는, MTJ 소자(100)의 결합 두께와 스페이서층(102, 104)의 두께가 간격(s)을 결정한다. 본 발명의 소자에서는 실드 사이의 간격이 감소됨에 따라 전기적으로 전도성을 가진 리드와 실드 사이가 전기적으로 단락될 가능성이 줄어들기는 하나, 실드 사이가 전기적으로 단락될 가능성은 커진다. 이러한 현상은 도 5에 도시된 바와 같이 MTJ 소자(100)로부터 멀리 떨어진 영역에서 실드 사이의 간격을 늘임으로써 완화시킬 수 있다. 도5에서, 각각의 실드(S1, S2)는 MTJ(100)가 형성된 영역에서 각각의 받침대(161, 163)를 갖게 되어, 이 영역에서의 간격(s)은 MTJ(100)가 형성된 영역 외부에서의 실드 사이의 간격(s')보다 작게 할 수 있다. 이러한 방법으로, 간격(s')이 커지면 두 실드(S1, S2) 사이가 전기적으로 단락될 가능성을 줄어든다.
본 발명에 따른 MTJ MR 판독 헤드의 다른 이점은 실드가 매우 두껍기 때문에 이 MTJ 소자에 대한 전기 리드로 작용하는 실드의 전기적 저항이 작다는 것이다. MTJ 소자에 대한 별도의 전기 리드가 실드와 MTJ 소자 사이에 위치하는 경우, 이러한 리드는 박막 전도층으로 형성되고 추가의 절연층에 의해 실드와 분리되어야 한다. 고밀도의 기록에 응용하기 위해, 실드와 실드 사이의 간격(s)은 작은 값으로 유지되어야 하고, 이는 MTJ 소자에 인접한 전기 리드의 두께를 제한한다. 따라서, 전기 리드 양단 간에 상당히 큰 전압 강하가 발생할 수도 있다. 이러한 전압 강하, 즉 MTJ 소자 양단의 전압 강하가 원하는 신호와 직렬로 연결 되어 있기 때문에, 출력 신호는 동일한 감지 조건에서 감소한다. 본 발명에 따른 MTJ 소자에서, 전기 리드로도 작용하는 실드 양단에 걸린 전압 강하는 작은 값을 갖는다.
본 발명의 MTJ MR 판독 헤드의 제조 공정
도 6a 내지 도 6e를 참조하여, 본 발명에 따른 MTJ MR 판독 헤드를 제조하는 공정을 설명한다. 자기 실드 사이의 간격이 MTJ 소자로부터 멀리 떨어진 영역에서 더 큰 값을 갖는 경우에, 도 6에 도시된 MTJ MR 헤드와 유사한 헤드를 형성하는 공정을 설명한다. 예시와 설명 목적 상, 도 4a에 도시된 길이 방향의 바이어스 영역을 형성하는 공정은 생략한다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 실드(S1)의 상부에 스페이서층(102), MTJ 소자(100) 및 상부 스페이서층(104)을 형성하는 재료를 증착하여 공정이 시작된다. 스페이서층의 재료(102)는 일반적으로 0에서 20 nm 정도의 범위의 두께를 가지는 Ta, Al, Cu, Au, W 및 Pt와 같은 다양한 전도성 재료들이 사용될 수 있다. 강자성층(116)은 Fe-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn 및 Pd-Mn과 같은 다양한 종류의 공지된 재료 중에서 선택될 수 있다. 고정 강자성층(118)은 Ni-Fe 합금, 또는 Ni-Fe 합금과 Co 박막으로 이루어진 이중층(bilayer)으로 이루어지는 것이 바람직하다. Ni-Fe 합금층의 일반적인 두께는 2 내지 10 nm이고 Co 층의 일반적인 두께는 0.2 내지 2 nm이다. 터널 장벽 산화물층(120)에 대한 알루미늄의 두께의 범위는 일반적으로 0.5 내지 1.5 nm이다. 자유 강자성층(132)은 일반적으로 Ni-Fe 합금, 또는 Co와 Ni-Fe 합금으로 이루어진 이중층으로, Ni-Fe 합금층의 두께는 10 내지 20 nm이고, Co 층의 두께는 0.2 내지 2 nm이다. 스페이서층(104)은 스페이서층(102)에 대해 설명한 것과 유사한 재료와 두께로 형성된다.
이러한 층들을 이온 빔 증착 방법이나 RF 또는 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 증착한 후에, 도 6b에 도시된 레지스트(230)를 사용하여 이러한 층들은 리소그라피 방법으로 패턴닝 된다. 다음으로, 도 6c에 도시된 바와 같이, 레지스트(23)에 의해 보호되지 않는 재료가 이온 밀링에 의해 제거된다. 이온 밀링의 시간과 같은 적당한 조건을 선택하여 레지스트(230)가 없는 영역에서 층(102, 100, 104)을 제거할 뿐 아니라 하부 실드(S1)의 상부 표면에서 깊이(d)까지 재료가 제거되도록 이온 밀링 과정이 이루어진다. 레지스트층(230)은 일반적으로 아래부분이 잘라내진(undercut) 두 층의 레지스트이다. 도 6c의 이온 밀링 단계 후에, 일반적으로 알루미나(alumina) 또는 SiO2와 같은 절연 재료층(250)으로 이루어진 층이 이온 빔 방법이나 RF 스퍼터링 방법을 사용하여 소정 두께로 증착되며, 이때 두께는 도 6에 도시된 바와 같이 적어도 스페이서층(102), MTJ 소자(100)와 스페이서층(104)의 두께와 두께(d)의 합보다는 커야한다. 절연층(250)을 증착한 후에, 스페이서층(104)의 상부에 증착되어 있던 절연 재료(250)를 제거하여 레지스트층(230)이 리프트 오프(lifted off)된다. 최종적으로, 도 6e에 도시된 바와 같이, 상부의 실드층(S2)은 이온 빔 증착 방법이나 RF 또는 DC 마그네트론 스퍼터링 방법으로 형성된다.
이상과 같은 공정은 도 4a에 도시된 영역(150)에 자화시키기 어려운(hard) 자성 재료를 혼합하여 자유 강자성층(132)에 대한 길이 방향의 바이어스 또는 안정화를 제공하는데에도 적용할 수 있다.
스페이서층, 자유 강자성층, 고정 강자성층, 터널 산화물층 및 반강자성층의 총 두께는 50-80 nm의 범위 내에 있을 수 있다. 하부의 실드(S1)는 두께(d)가 약 30 nm로 오버밀링될(overmilled) 수 있고, 도 6d의 단계에서 증착된 절연층의 두께는 약 120 nm가 될 수 있다. 따라서, 도 6a 내지 도 6e에 기술된 제조 순서를 사용한 실시예는 MTJ MR 판독 헤드가 약 50-80 nm의 분해능 갭(s)을 가지도록 하나 MTJ 센서와 멀리 떨어진 실드와 실드 사이의 거리(s')는 약 50-80 nm가 아니라 약 120 nm 정도가 된다. 두 실드 사이의 갭의 중앙에 자유 강자성층(132)을 갖는 것이 효과적이기 때문에 (즉, 거리(s/2)에 층(132)을 위치시킴), 이것은 스페이서층(102, 104)의 두께, 실드(S1)의 오버밀링 두께와 도 6d의 단계에서 증착된 절연체(250)의 두께를 조정하여 수행된다.
MTJ 센서의 경계를 정하여 MTJ 센서를 제조한 후에도, 고정 강자성층(118)의 자화 방향 (자기 모멘트)을 적당한 방향으로 정렬할 필요가 있다. Fe-Mn이 고정 강자성층(118)과 교환 결합되는 강자성층(116)으로 사용되는 경우, Fe-Mn은 증착된 대로 반강자성을 갖는다. 그러나, 고정 강자성층(118)과 적당한 배향으로 교환 결합될 수 있도록 Fe-Mn의 자화 방향이 재정렬되어야 한다. 이러한 구조는 열처리 오븐(annealing oven)에 넣어 온도를 Fe-Mn 차단 온도(blocking temperature)보다 더 높은 대략 180℃까지 올린다. 이 온도에서, Fe-Mn 층은 더 이상 고정 강자성층(118)에 교환 이방성(exchange anisotropy)을 발생시키지 않는다. 강자성층(118)의 교환 이방성은 자기장 내에 있는 두 층(116, 118)을 냉각시킴으로써 이루어진다. 고정 강자성층(118)의 자화 배향은 인가되는 자기장의 방향과 일치한다. 따라서, 열처리 오븐 내에서 인가되는 자기장은 도 4a의 화살표(118)에 의해 도시되는 바와 같이, 고정 강자성층(118)의 모멘트를 ABS에 수직한 요구되는 방향으로 고정시킨다. 이는 인가되는 자기장에 의해 요구되는 방향으로 자화된 강자성층(118)이 존재할 때 Fe-Mn층을 냉각시킨 결과이다. 따라서, Fe-Mn의 차단 온도 이하의 온도에서 기록 매체로부터 자기장이 인가되는 경우, 고정 강자성층(118)의 자화는 실질적으로 회전하지 않는다.
도 5에 기술된 본 발명의 실시예가 MTJ 소자(100)의 면적과 동일한 면적의 받침대(161, 163)를 가지며 MTJ 소자와 정렬되지만, 이러한 조건이 꼭 필수적인 것은 아니다. 또 다른 실시예에서는, 받침대의 면적이 MTJ 소자(100)의 면적보다 클 수 있고, MTJ 소자의 경계가 받침대 영역의 내부에 있어야 하지만 MTJ 소자를 받침대의 중심에 맞출 필요가 없다. 이와 마찬가지로, MTJ 소자로부터 멀리 떨어진 실드(S1, S2)의 간격을 증가시키기 위해서는 MTJ 소자의 어느 한쪽 상에만 받침대를 만들 수도 있다. 상부의 받침대만을 가진 이러한 다른 실시예는 도 6a 내지 도 6e에 기술된 제조 공정과 유사하게 형성될 수 있다. 그러나, MTJ 소자(100)와 스페이서층(102, 104)은 도 6c에 도시된 것처럼 오버밀링되지 않으며 실드(S1)의 표면길이까지만 밀링된다. 따라서, 하부의 받침대는 형성되지 않는다. 다른 나머지 공정은 동일하다. 하부 받침대만이 형성된 실시예는 도 6a 내지 도 6e에 도시된 제조 단계와 유사하게 제조되며, 단지 도 6d의 단계 후에 포토레지스트(230)가 제거되고 나서 소자의 최종 표면이 화학 기계적 폴리싱(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 평탄화된다는 점만이 다르다. 다음으로, 평탄화된 표면 상에 바로 실드(S2)가 증착되고 상부의 받침대는 형성되지 않는다.
본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 도시되고 기술되었지만, 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질과 범위를 벗어나지 않고 형태와 세부 사항을 변경시킬 수 있을 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 발명은 단지 예시에 불과하고 첨부된 특허 청구 범위에 의해서만 제한된다.
본 발명의 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드는 얇게 만들어진 감지 리드를 포함하는 MTJ 소자를 가진다. 따라서, 자기 실드 사이의 간격이 줄어들어 면밀도를 높게 할 수 있다.

Claims (18)

  1. 감지 회로와 연결될 때, 매체에 자기 기록된 데이터를 감지하기 위한 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드(magnetic tunnel junction magnetoresistive read head)에 있어서,
    a) 전기적으로 전도성을 가지는 제 1 자기 실드(magnetic shield);
    b) 상기 제 1 자기 실드 상에 위치하고 전기적으로 전도성을 가지는 제 1 스 페이서층(spacer layer);
    c) 상기 제 1 스페이서층 상에 위치한 자기 터널 접합부―여기서 자기 터널 접합부는
    i) 자화 방향이 바람직한 방향으로 고정되어 상기 매체로부터 자기장 이 인가는 경우 실질적으로 회전되지 않도록 된 고정 강자성층 (fixed ferromagnetic layer);
    ⅱ) 자기장이 인가되지 않는 경우 상기 고정 강자성층의 자화 방향과 통상 수직하게 배향된 자화 방향을 가지며, 상기 매체로부터 자 기장이 인가되는 경우 자유롭게 회전되는 자화 방향을 가지는 감 지 강자성층(sensing ferromagnetic layer); 및
    ⅲ) 상기 고정 강자성층과 감지 강자성층 사이에서 이들 강자성층과 접촉하여 위치하여, 상기 고정 강자성층과 감지 강자성층에 통 상 수직한 방향으로 터널링 전류를 흐르게 하는 절연 터널 장벽 층(insulating tunnel barrier layer)
    을 포함함―;
    d) 전기적으로 전도성을 가지는 제 2 스페이서층―여기서 상기 자기 터널 접합부는 상기 제 1 및 제 2 스페이서층 사이에서 이들 스페이서 층과 접촉하여 위치함―; 및
    e) 상기 제 2 스페이서층 상에 위치하며 전기적으로 전도성을 가지는 제 2 자기 실드
    를 포함함으로써
    상기 제 1 실드로부터 상기 제 1 스페이서층으로 자기 터널 접합부를 통해 상기 제 2 스페이서층과 제 2 실드까지 전도성 경로가 제공되는
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 터널 접합부와 상기 제 2 스페이서층 사이에 위치하여, 상기 자기 터널 접합부가 부식하지 않도록 보호하기 위한 캡층(capping layer)을 추가로 포함하는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 스페이서층이 상기 자기 터널 접합부가 부식하지 않도록 보호하기 위한 캡층(capping layer)을 포함하는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 강자성층과 접촉하며, 계면 교환 결합(interfacial exchange coupling)에 의해 상기 고정 강자성층의 자화 방향을 고정시키는 반강자성층(antiferromagnetic layer)을 추가로 포함하는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  5. 제 4 항에 있어서,
    a) 상기 제 1 스페이서층은 상기 제 1 실드의 바로 위에 형성되어 있고;
    b) 상기 반강자성층은 상기 제 1 스페이서층과 상기 고정 강자성층 사이에 위치하며;
    c) 상기 고정 강자성층은 상기 반강자성층의 바로 위에서 상기 반강자성층과 접촉하여 형성되는
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서층 상에 위치하며 상기 강자성층의 형성을 촉진시키기 위한 템플릿층(template layer)을 추가로 포함하고;
    상기 강자성층은 상기 템플릿층의 바로 위에서 상기 템플릿층과 직접 접촉하여 형성되는
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 스페이서층은 상기 반강자성층의 형성을 촉진시키기 위한 템플릿층이며;
    상기 반강자성층은 상기 템플릿층의 바로 위에서 상기 템플릿층과 직접 접촉하여 형성되는
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  8. 제 1 항에 있어서,
    a) 자기장이 인가되지 않는 경우 상기 감지 강자성층의 자화 방향을 고정 강 자성층의 자화 방향과 거의 수직한 길이 방향으로 바이어스시키는 바이 어스 강자성층(biasing ferromagnetic layer); 및
    b) 상기 바이어스 강자성층과 감지 강자성층 사이에 위치하며, 상기 감지 강 자성층으로부터 상기 바이어스 강자성층을 전기적으로 절연시키는 절연 층(electrically insulating layer)
    을 추가로 포함하고,
    상기 스페이서층은 상기 절연층에 의해 상기 바이어스 강자성층과 전기적으로 절연되어, 감지 전류가 상기 제 1 및 제 2 실드 사이를 흐르는 경우에 상기 바이어스 강자성층으로 흐르지 않고 상기 자기 터널 접합부를 통하여 거의 수직으로 흐르는
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 판독 헤드가 일체형 판독/기록 헤드(integrated read/write head)의 일부인 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 실드와 연결되는 감지 회로(sense circuitry)를 추가로 포함하는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 실드 각각은 받침대 영역(pedestal region)을 포함하고;
    상기 제 1 스페이서층은 상기 제 1 실드의 받침대 영역 위에 형성되며 상기 제 2 스페이서층은 상기 제 2 실드의 받침대 영역 위에 형성되어, 상기 제 1 및 제 2 실드 사이의 간격이 상기 받침대 영역에서보다 상기 받침대 영역 외부에서 큰 값을 갖는
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 받침대 영역의 각각의 면적이 상기 제 1 및 제 2 스페이서층의 면적과 거의 동일한 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 실드가 NiFeX 합금 (여기서 X는 Ta, Rh, Pt 또는 Nb), CoZrNb 합금 및 FeAlSi 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 재료로 만들어지는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 헤드는 자기 기록 디스크로부터 데이터를 감지하는 타입이고, 상기 디스크로부터 데이터가 판독될 때 상기 디스크의 표면과 마주보는 공기 베어링 표면(air-bearing surface: ABS)과 상기 공기 베어링 표면에 거의 수직한 후행 단부 표면(trailing end surface)을 가지는 공기 베어링 슬라이더를 추가로 포함하며;
    상기 슬라이더 후행 단부 표면은 상기 제 1 실드가 형성되는 기판인
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드.
  15. 감지 회로와 연결될 때, 자기 기록 디스크 드라이브 내의 자기 기록 디스크로부터 데이터를 감지하기 위한 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 어셈블리(magnetic tunnel junction magnetoresistive read head assembly)에 있어서,
    a) 상기 디스크의 표면과 마주보는 감지 표면과 상기 감지 표면에 거의 수직 한 후행 단부 표면을 가지는 헤드 캐리어(head carrier);
    b) 상기 헤드 캐리어의 후행 단부 표면 상에 위치하고, 상기 감지 회로와 연 결되도록 전기 리드를 제공하며, 전기적으로 전도성을 가지는 제 1 자기 실드(magnetic shield);
    c) 상기 제 1 자기 실드 상에 위치하고, 전기적으로 전도성을 가지는 제 1 스페이서층(electrically conductive spacer layer);
    d) 상기 제 1 스페이서층 상에 위치한 자기 터널 접합부―여기서 자기 터널 접합부는
    i) 상기 제 1 스페이서층 상에 위치하고, 자화 방향이 바람직한 방향 으로 고정되어 상기 디스크로부터 자기장이 인가될 때 실질적으 로 회전되지 않도록 된 고정 강자성층;
    ⅱ) 상기 고정 강자성층의 상에서 상기 고정 강자성층과 접촉하도록 위치하는 절연 터널 장벽층(insulating tunnel barrier layer);
    및
    ⅲ) 상기 터널 장벽층 상에서 상기 터널 장벽층과 접촉하도록 위치하 며, 자기장이 인가되지 않는 경우 상기 고정 강자성층의 자화 방향과 통상 수직하게 배향된 자화 방향을 가지며, 상기 디스크 로부터 자기장이 인가되는 경우 자유롭게 회전되는 자화 방향을 가지는 감지 강자성층(sensing ferromagnetic layer)
    을 포함함―;
    e) 상기 감지 강자성층 상에 위치하고, 전기적으로 전도성을 가지는 제 2 스페이서층; 및
    f) 상기 제 2 스페이서층 상에 위치하고, 상기 감지 회로와 연결되도록 전 기 리드를 제공하며, 전기적으로 전도성을 가지는 제 2 자기 실드를 포 함함으로써,
    상기 제 1 실드로부터 상기 제 1 스페이서층으로 그리고 자기 터널 접합부를 통해 상기 제 2 스페이서층과 제 2 실드까지 전도성 경로가 제공되고, 상기 경로는 상기 터널 장벽층을 거의 수직하게 흐르는 터널링 전류에 대한 경로를 포함하는
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 어셈블리.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 감지 강자성층과 상기 제 2 스페이서층 사이에 위치하여, 상기 자기 터널 접합부가 부식하지 않도록 보호하기 위한 캡층(capping layer)을 추가로 포함하는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 어셈블리.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 제1 스페이서층과 상기 고정 강자성층 사이에 위치하고, 상기 고정 강자성층과 접촉하며, 계면 교환 결합(interfacial exchange coupling)에 의해 상기 고정 강자성층의 자화 방향을 고정시키는 반강자성층(antiferromagnetic layer)을 추가로 포함하는 자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 어셈블리.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 헤드 캐리어는 공기 베어링 슬라이더이며;
    상기 감지 표면은 상기 슬라이더의 공기 베어링 표면인
    자기 터널 접합부 자기 저항 판독 헤드 어셈블리.
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