KR20010085831A - 쿼드-층 ｇｍｒ 샌드위치 - Google Patents

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브렌다 에이. 에버리트
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추후
시게이트 테크놀로지 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 기판과 상기 기판 위에 적층된 제 1 트리레이어(trilayer) 자기저항(GMR) 센서에 관한 것이다. 제 1 스페이서층은 상기 제 1 트리레이어 위에 적층된다. 제 1 자기층은 상기 제 1 스페이서층 위에 형성된다. 제 1 스페이서층은 상기 제 1 자기층 위에 적층된다. 제 2 자기층은 상기 제 2 스페이서층 위에 형성된다. 제 3 스페이서층은 제 2 자기층 위에 적층된다. 제 2 트리레이어는 제 3 스페이서층 위에 적층되고, 캡 층(cap layer)은 제 2 트리레이어 위에 형성된다. 제 1 및 제 2 트리레이어는 제 1 강자성층, 제 2 강자성층, 및 제 1 및 제 2 강자성층들 사이에 이들과 접해서 형성된 역평행 커플링층(anti-parallel coupling layer)을 포함한다.

Description

쿼드-층 ＧＭＲ 샌드위치{QUAD-LAYER GMR SANDWICH}
컴퓨터는 일반적으로 데이터가 기록되고 추후 사용시에 읽힐 수 있는 미디어를 갖는 보조 메모리 저장장치(auxilary memory storage devices)를 포함한다. 회전 자기 디스크(rotating magnetic disc)를 포함하는 직접 액세스 저장 장치(디스크 드라이브)는 흔히 디스크 표면에 자기 형태(magnetic form)로 데이터를 저장하기 위해 이용된다. 데이터는 디스크 표면상에 동심적으로 방사상으로 떨어져 있는 트랙들에 기록된다. 리드 센서(read sensor)를 포함하는 자기헤드는 디스크표면상의 트랙들로부터 데이터를 리딩하는데 이용된다.
고용량 디스크 드라이브에서, 자기 저항 리드 센서들(magnetoresistive read sensor)은 일반적으로 MR 헤드로 불리우고, 박막 유도 헤드(thin film inductive heads) 보다 큰 선형 밀도(linear densities)로 디스크의 표면으로부터 데이터를 읽어낼 수 있는 능력 때문에 압도적으로 많이 사용되는 리드 센서이다. MR 센서는 MR 센싱 층("MR" 소자라고도 함)의 저항의 변화를 통해서 자계(magnetic field)를 MR층에 의해서 감지되는 자속(magnetic flux)의 세기와 방향의 함수로 검출한다.
종래의 MR 센서는 MR 소자 저항이 MR 소자의 자화와 MR 소자를 통한 전류방향 사이의 각의 코사인의 제곱에 따라 달라지는 이방성 자기저항 효과(anisotropic magnetoresistive(AMR) effect)에 기초하여 동작하였다. 기록된 자기 매체로부터의 외부 자계(시그널 자계)가 MR 소자의 자화 방향을 변화시켜, MR 소자에서 저항의 변화 및 그에 따른 감지된 전류 또는 전압의 변화를 유발하기 때문에, 기록된 데이터는 자기매체(magnetic medium)로부터 읽힐 수 있다.
다른 타입의 MR 센서는 GMR 효과를 시현하는 대형 자기 저항(GMR) 센서이다. GMR(giant magnetoresistance) 센서에서, MR 센싱 층의 저항은 비자기층(non-magnetic layer) 또는 층들(스페이서)에 의해 떨어져 있는 자기층들 사이의 전도 전자들의 스핀-의존성 전송(spin-dependent transmission) 및 그에 수반되는 자기층과 비자기층 사이의 계면 및 자기층내에서 일어나는 스핀-의존성 스캐터링(spin-dependent scattering)의 함수로 변화한다.
도 1a는 꽂히지 않은(unpinned) 단순 GMR 센서(100)를 도시한 것이다. 단순 GMR 센서는 비자기 스페이서(104)에 의해 분리되어 있는 두 개의 자기층(magnetic layers)(103 및 105)들로 구성된다. 캡 층(cap layer)(106)은 하나의 자기층(105)을 커버하고 버퍼층(102)은 다른 자기층(103) 아래에 놓인다. 전체 구조는 기판(101) 위에 적층된다. 이러한 단순 GMR 센서(100)는 비교적 약한 신호를 발하는 제한된 GMR(limited GMR)을 제공한다.
도 1b는 지면안으로 흘러들어가는 바이어스 전류(110)에 의한, 꽂히지 않은 단순 GMR 센서(100)의 자화 방향(magnetization directions) 방향을 도시한 것이다. 바이어스 전류(110)에 의해 자기층(105 및 103)의 자화 방향들은 도면에 화살표로 도시한 바와 같이 역평행(anti-parallel) 배향된다.
도 1c는 지면안쪽으로 향하는 바이어스 전류(110)에 의한 꽂히지 않은 단순 GMR 센서(100)의 자화 방향과 인가된 외부 자계(111)의 방향을 도시한 것이다. 충분히 큰 외부 자계(111)가 인가되면, 자기층 105와 103의 자화는 자계 방향(field direction)과 나란하게 정렬하고 저항은 낮아질 것이다.
도 1a-c에 도시된 센서들은 자계 센싱(magnetic field sensing)과 같은 응용에 유용하다. 꽂히지 않은 단순 GMR 센서(100)는 브릿지 회로에 이용되어 왔는데, 성공적으로 동작하기 위해서, 즉, 저항의 차이를 제공하기 위해서, 꽂히지 않은 GMR 센서는 쉴드되어 있거나 추가적으로 바이어스되어 있어야 한다. 이러한 추가의 쉴딩(shielding) 또는 바이어싱은 브릿지 회로의 제조비용 및 복잡성을 증가시킨다.
따라서, 높은 신호 출력(higher signal output)을 제공하는 개량된 GMR을 제공하는 자기 저항 센서의 개발이 요구되고 있다. 또한, 추가의 복잡한 쉴딩이나 바이어싱을 거치지 않고 센서에 인가된 전류밀도에 기초하여 상이한 자계 반응(field response)을 제공하는 센서의 개발도 요구되고 있다.
[발명의 요약]
본 발명의 하나의 양상에 따라 기판과 상기 기판(substrate)위에 형성된 제 1 트리레이어(trilayer)를 포함하는 자기 저항(magnetoresistive)(GMR) 센서가 제공된다. 제 1 스페이서층(spacer layer)은 상기 제 1 트리레이어 위에 적층된다. 제 1 자기층(magnetic layer)은 상기 제 1 스페이서층 위에 형성된다. 제 2 스페이서층은 상기 제 1 자기층 위에 적층된다. 제 2 자기층(second magnetic layer)은 상기 제 2 스페이서층 위에 형성된다. 제 3 스페이서층은 제 2 자기층 위에 적층된다. 제 2 트리레이어는 제 3 스페이서층위에 적층되고, 캡 층(cap layer)은 제 2 트리레이어 위에 형성된다. 제 1 및 제 2 트리레이어는 제 1 강자성층(a first ferromagnetic layer), 제 2 강자성층(a second ferromagnetic layer), 및 제 1 및 제 2 강자성층들 사이에 이들과 접해서 형성된 역평행 커플링층(anti-parallel coupling layer)을 포함한다.
본 발명의 제 2 양상에 따라 기판과 상기 기판 위에 적층된 제 1 트리레이어를 포함하는 자기저항 센서 장치가 제공된다. 제 1 스페이서층(spacer layer)은 제 1 트리레이어 위에 적층된다. 제 1 자기층(magnetic layer)은 상기 제 1 스페이서층 위에 형성된다. 제 2 스페이서층은 상기 제 1 자기층 위에 적층된다. 제 2 자기층(second magnetic layer)은 상기 제 2 스페이서층 위에 형성된다. 제 3 스페이서층은 제 2 자기층 위에 적층된다. 제 2 트리레이어는 제 3 스페이서층위에 적층되고, 캡 층(cap layer)은 제 2 트리레이어 위에 형성된다. 제 1 및 제 2 트리레이어는 제 1 강자성층(a first ferromagnetic layer), 제 2 강자성층(a second ferromagnetic layer), 및 제 1 및 제2 강자성층들 사이에 이들과 접해서 형성된 역평행 커플링층(anti-parallel coupling layer)을 포함한다. 자기저항 센서의 저항은 인가된 바이어스 전류의 크기에 의존한다.
본 발명의 또 다른 양상에 따라 휘트스톤 브릿지의 제 1 대향 노드들(opposite nodes)에 커플링된 제 1 쌍의 자기저항 구조와 휘트스톤 브릿지의 제 2 대향 노드들에 커플링된 제 2 쌍의 자기저항 구조를 포함하는 브릿지 회로가 제공된다. 제 1 쌍의 자기 저항 구조는 휘트스톤 브릿지에 외부 자계가 인가될 때 제 2 쌍의 자기저항 구조에 비해 훨씬 큰 전류밀도를 갖는다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 자기 기록 디스크, 자기저항 센서, 자기저항 센서를 자기 기록 디스크 상에서 이동시키는 액츄에이터, 및 상기 자기저항 센서에 전기적으로 연결되어, 자기적으로 기록된 데이터로부터의 자계에 반응하여 제 1 및 제 2 라미네이트층의 자화축의 회전에 의해 유발된 자기저항 센서의 저항상의 변화를 검출하는 검출 회로(detection circuitry)를 포함하는 디스크 드라이브 시스템이 제공된다. 자기저항 센서는 기판과 상기 기판위에 놓인 제 1 트리레이어를 포함한다. 제 1 스페이서층은 상기 제 1 트리레이어 위에 적층된다. 제 1자기층(magnetic layer)은 상기 제 1 스페이서층 위에 형성된다. 제 2 스페이서층은 상기 제 1 자기층 위에 적층된다. 제 2 자기층(second magnetic layer)은 상기 제 2 스페이서층 위에 형성된다. 제 3 스페이서층은 제 2 자기층 위에 적층된다. 제 2 트리레이어는 제 3 스페이서층 위에 적층되고, 캡 층(cap layer)은 제 2 트리레이어 위에 형성된다. 제 1 및 제 2 트리레이어는 제 1 강자성층(a first ferromagnetic layer), 제 2 강자성층(a second ferromagnetic layer), 및 제 1 및 제2 강자성층들 사이에 이들과 접해서 형성된 역평행 커플링층(anti-parallel coupling layer)을 포함한다.
본 발명의 다른 양상에 따라 휘트스톤 브릿지에 인가된 외부 자계를 측정하는 장치가 제공된다. 상기 장치는 네트워크 터미널 (A)와 (B) 사이에 연결된 제 1 저항(R1), 네트워크 터미널 (B)와 (C) 사이에 연결된 제 2 저항(R2), 네트워크 터미널 (C)와 (D) 사이에 연결된 제 3 저항(R3), 및 네트워크 터미널 (A)와 (D) 사이에 연결된 제 4 저항(R4)을 포함하는 4개의 터미널 전기 네트워크(terminal electrical network)(A, B, C, D)를 포함한다. 저항들 R1과 R3은 자계가 네트워크 터미널 (A)와 (C)에 인가될 때 제 1 전류밀도를 갖고, R3과 R4는 동일한 자계가 네트워크 터미널 (A)와 (C)에 인가될 때 제 2 전류밀도를 갖는다. 제 2 전류밀도는 제 1 전류밀도 보다 적다. 상기 장치는 네트워크 터미널 (B)와 (D) 양단간에 동작가능하도록 연결되어 터미널 (B)와 (D) 양단간 전위를 검출하는 수단도 포함할수 있다.
본 발명의 상기한 및 기타의 목적, 특징 및 이점들은 이하의 상세한 설명에 의해 더욱 자명해질 것이다.
본 발명은 본원에 참고자료로 첨부된 1998년 9월 28일자 미국특허 출원 제 60/102,188호("쿼드-층 GMR 샌드위치")의 일부계속출원이다.
본 발명은 일반적으로 고밀도 데이터 응용(high density data application)에 적합한 대형 자기저항 센서(magnetoresistance sensor) 및 그러한 센서를 포함하는 시스템에 관계한다. 또한, 본 발명은 자계 센싱(magnetic field sensing)이 필요한 응용에 효용이 있다.
이하의 발명의 상세한 설명 및 첨부된 청구범위를 참조함으로써 본 발명의 특징 및 이점은 물론 바람직한 사용 방법을 완전하게 이해할 수 있을 것이다. 이하의 도면에서 유사한 참조 부호는 도면 전체에서 동일 또는 유사한 부품을 가리킨다.
도 1a는 단순 GMR 센서(비율이 일정하지 않은)의 단면도이다.
도 1b는 지면안쪽으로 바이어스 전류가 흐르는 도 1a에 도시된 센서의 단면도이다.
도 1c는 저저항 상태(low resistance state)로 바이어스된 도 1a에 도시된 센서의 단면도이다.
도 2는 자기 기록 디스크 드라이브 시스템의 개략도이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GMR 센서(비율이 일정하지 않은)의 단면도이다.
도 3b는 고저항 상태(high resistance state)로 바이어스된 도 3a에 도시된 GMR 센서(비율이 일정하지 않은)의 단면도이다.
도 3c는 저저항 상태로 바이어스된 도 3a에 도시된 GMR 센서(비율이 일정하지 않은)의 단면도이다.
도 4a는 낮은 바이어스 전류를 갖는 본 발명에 따른 GMR 센서의 전달 곡선(%GMR 대 인가된 자계)이다.
도 4b는 높은 바이어스 전류를 갖는 본 발명에 따른 GMR 센서의 전달 곡선(%GMR 대 인가된 자계)이다.
도 5a는 낮은 바이어스 전류를 갖는 단순 GMR 센서의 대조 전달 곡선(%GMR 대 인가된 자계)이다.
도 5b는 높은 바이어스 전류를 갖는 단순 GMR 센서의 대조 전달 곡선(%GMR 대 인가된 자계)이다.
도 6은 본 발명에 따른 GMR 센서의 개략도이다.
도 7a는 본 발명을 이용하는 브릿지 회로의 전기적인 개략도이다.
도 7b는 본 발명을 이용하는 도 7a에 도시된 브릿지 회로의 물리적인 개략도이다.
이하에서 현재 본 발명의 실시와 관련하여 예상되는 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 설명은 본 발명의 개괄적인 원리를 설명하기 위한 것으로 본원의 특허성 있는 개념을 제한하기 위한 것은 아니다.
도 2는 본 발명을 구체화한 디스크 드라이브 시스템(200)을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 회전가능한 자기디스크(212)는스핀들(214)위에 지지되고, 디스크 드리이브 모터에 의해 회전된다. 각 디스크 위의 자기 기록 매체들은 디스크(212)상의 동심적인 데이터 트랙들(미도시)의 환상 패턴 형태이다.
적어도 하나의 슬라이더(213)는 디스크(212) 위에 위치되고, 각 슬라이더(213)는 본 발명의 GMR 센서가 삽입되는 하나 이상의 자기 리드/라이트 헤드를 지지한다. 디스크가 회전함에 따라. 헤드들이 목적으로 하는 데이터가 기록된 디스크의 각기 다른 부분에 접근할 수 있도록, 슬라이더(213)는 디스크 표면위에서 내외로 방사상으로 이동한다. 각 슬라이더(213)는 서스펜션(215)에 의해 액츄에이터 암(219)에 부착된다. 서스펜션(215)은 슬라이더를 디스크 표면에 대해 바이어스시키는 약간의 탄성력(spring force)을 제공한다. 각 액츄에이터 암은 액츄에이터(227)에 부착된다.
디스크 저장 시스템의 동작중에, 디스크(212)의 회전은 슬라이더(213)의 표면상의 에어 베어링 표면(리딩 헤드를 포함하고 디스크 표면과 접하는 슬라이더(213)의 표면을 에어 베어링 표면(ABS)이라 한다)과 슬라이더(213) 상에서 위로 힘을 가하여 리프트시키는 디스크 표면 사이에 에어 베어링(air bearing)을 생성한다. 따라서, 에어 베어링은 서스펜션의 미세한 탄성력의 균형을 맞추고 정상적인 동작 과정중에 실질적으로 일정한 작은 간격을 두고 디스크(212) 보다 약간 높게 슬라이더를 지지한다.
디스크 저장 시스템의 여러 가지 다양한 구성요소들은 액세스 제어신호 및 내부 클럭 신호와 같은 제어 유니트(225)에 의해 생성된 제어 신호들에 의해 동작중 제어된다. 전형적으로, 제어 유니트(225)는 로직 제어 회로, 기억장치, 및 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 유니트는 온 라인 드라이브 모터 제어 신호들 및 온 라인 헤드 위치 및 탐색 제어 신호들과 같은 여러 가지 시스템 동작을 제어하는 제어 신호를 생성한다. 온 라인 제어 신호들은 바람직한 전류 거동을 제공하여 슬라이더(213)가 최적의 상태로 이동하고 디스크(212)상의 바람직한 트랙에 위치하게 한다.
전형적인 자기 디스크 저장 시스템의 상기 설명 및 도 2의 설명은 단지 설명의 목적을 위한 것이다. 디스크 저장 시스템이 매우 많은 수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있고, 각 액츄에이터가 다수의 슬라이더들을 지지할 수 있다는 것은 자명한 사실이다.
도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 GMR 구조(100)의 단면도이다. GMR 구조(100)의 층들은 예컨대, 스퍼터 적층, 이온 빔 적층 등과 같은 많은 다양한 기술을 이용하여 제작할 수 있다.
GMR 구조는 전형적으로 기판(301) 위에 형성된다. 기판(301)은 유리, 반도체 재료, 또는 세라믹 재료를 포함하는 임의의 적당한 물질일 수 있다. 디스크 드라이브 응용의 경우에, 기판(301)은 투과성인, 기부 쉴드 레이어(bottom shield layer)(도시하지 않음)와 반 갭 절연체(half gap insulator)(도시하지 않음)를 포함할 수도 있다. 버퍼층(302)은 기판 위에 형성된다. 버퍼층(302)은 다음 층들의 결정학적 조직 또는 결정입도를 조절하기 위해 적층되고, 기판(301)에 따라서 필요하지 않을 수도 있다. 이용되는 경우, 버퍼층(302)은 탄탈륨(Ta),지르코늄(Zr), 니켈-철(Ni-Fe), 또는 Al2O3로 만들어질 수 있다. 버퍼층(302)은 바람직하게 약 20 내지 80Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 35Å 두께이다.
제 1 트리레이어(320)는 버퍼층(302) 위에 형성되거나 버퍼층(302)이 사용되지 않는 경우에는 기판(301) 위에 형성된다. 제 1 트리레이어(320)는 역평행 커플링층(APC; anti-parallel coupling)(331)에 의해 분리되어 있는 제1 강자성층(332)과 제 2 강자성층(330)으로 구성된다.
제 2 강자성층(330)은 니켈-철, 코발트-철, 니켈-철-코발트 등과 같은 재료료 형성될 수 있다. 제 2 강자성층(330)은 버퍼층(302) 또는 기판(301) 위에 형성된다. 제 2 강자성층(330)은 바람직하게 약 10 내지 100Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 17Å 두께이다.
제 1 강자성층(332)은 니켈-철, 코발트-철, 니켈-철-코발트 등과 같은 재료료 형성될 수 있다. 제 1 강자성층(332)은 APC층 위에 형성되거나 스페이서(331)와 접해 있다. 제 1 강자성층(332)은 바람직하게 약 10 내지 100Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 35Å 두께이다.
APC층(331)은 두 개의 강자성층(330과 332)이 도 3b에 도시한 바와 같이 역평행 방향(anti-parallel orientation)으로 서로 강하게 자기적으로 커플링되게 한다. APC층(331)은 루테늄(Ru), 인듐 및/또는 로듐으로 제작될 수 있다. APC층(331)은 바람직하게 약 3 내지 12Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 9.5Å 두께이다.
전형적으로, 제 2 강자성층(330)은 제 1 강자성층(332) 보다 큰 자기 모멘트를 갖는다. 이것은 제 1 강자성층(332) 보다 제 2 강자성층(330)의 층 두께를 더 두껍게 함으로써 달성된다. 그렇지 않으면, 재료의 선택만으로도 자기 모멘트를 증가시킬 수 있다.
제 1 스페이서층(333)은 제 1 트리레이어(320) 위에 형성된다. 따라서 제 1 스페이서층(333)은 제 1 강자성층(332) 위에 접해서 형성된다. 스페이서(333)는 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 등으로 형성될 수 있다. 제 1 스페이서층(333)은 바람직하게 약 25 내지 45Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 32Å 두께이다.
단순 GMR 구조(322)는 제 1 스페이스층(333) 위에 형성된다. 단순 GMR 구조(322)는 비자기(제 2) 스페이서층(304)에 의해 서로 떨어져 있는 두 개의 자기층(303 및 305)들로 구성된다. 자기층들(303 및 305)은 니켈-철, 코발트-철, 니켈-철-코발트 등과 같은 재료료 형성될 수 있다. 자기층들(303과 305)은 바람직하게 약 10 내지 100Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 35Å 두께이다. 비자기 스페이서(304)는 제 1 자기층(303) 위에 그와 접해서 형성된다. 비자기 스페이서(304)는 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 등으로 형성될 수 있다. 비자기 스페이서층(304)은 바람직하게 약 25 내지 45Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 32Å 두께이다. 제 2 자기층(305)은 비자기 스페이서(303) 위에 그와 접해서 형성된다.
제 3 스페이서층(334)은 단순 GMR 구조(332) 위에 형성된다. 따라서, 제 3 스페이서층(334)은 단순 GMR 구조(332) 위에 그와 접해서 형성된다. 제3 스페이서층(334)은 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag) 등으로 형성될 수 있다. 제 3스페이서층(334)은 바람직하게 약 25 내지 45Å 두께이고, 더욱 바람직하게는 약 32Å 두께이다.
제 2 트리레이어(321)는 제 3 스페이서층(334) 위에 형성된다. 역평행 커플링층(APC; anti-parallel coupling)(336)에 의해 분리되어 있는 제 1 강자성층(335)과 제 2 강자성층(337)으로 구성된다. 이러한 제 2 트리레이어 구조의 재료 및 크기는 바람직하게 제 1 트리레이어(320)와 관련하여 앞서 설명한 바와 같다.
캡 층(306)은 탄탈륨(Ta), Al2O3등과 같은 적당한 보호재로 구성된다. 캡 층(306)은 활성층을 산화, 부식 등으로부터 보호하기 위해 제 2 트리레이어(321) 위에 적층된다. 캡 층은 바람직하게 약 20 내지 80Å 두께를 갖고, 더욱 바람직하게 약 35Å 두께를 갖는다.
도 3b는 외부 자계가 0이고, 고저항 상태에 있는 본 발명의 GMR 구조의 단면도이다. 도 3b는 도시된 스택(stack)에 대해 수직으로 향하는 바이어스 전류(310)에 의한 상대적인 자화 방향을 도시한 것이다. 층의 수가 많을수록, 필름의 GMR이 증가되어, 출력신호가 커진다. 도 3b에 도시된 바와 같은 정확한 외부 자기층들의 방향을 갖는 것이 매우 유용하다. 외부 강자성층들 330과 337은 내부 강자성층 335와 332 보다 큰 모멘트를 갖는다.
도 3c는 저저항 상태로 바이어스된 도 3a에 도시된 GMR 구조의 단면도이다. 중간 강자성층 335, 305, 303, 332는 화살표로 도시된 방향으로 정렬하여 저저항상태를 제공한다. 이들 층들은 계면에 존재하는 약간의 평행 커플링(parallel coupling)에 기인하여 정렬한다. 두꺼워질수록, 외부 강자성층은 정렬하지 않지만, 구조의 저저항에는 기여하지 않는데, 이는 그것이 스페이서 층들 양옆 층들의 자기 방향(magnetic orientations)에 의해 결정되기 때문이다. 저저항 상태는 구조에 큰 외부 자계가 인가될 때에도 수득될 수 있다.
도 4a는 본 발명의 GMR 구조로부터 패턴화된 저항(resistor)의 전달 곡선 그래프이다. 낮은 바이어스 전류, 바람직하게 1mA를 도 3c의 구조에 인가하였다. 도 4b는 본 발명의 구조로부터 패턴화된 저항의 전달 곡선 그래프이다. 높은 바이어스 전류, 바람직하게 20mA를 도 3b의 구조에 인가하였다.
도 5a는 도 1b와 같이 도 1a의 단순 GMR 구조에 1mA의 바이어스 전류가 인가된 단순 GMR 구조(도 1a)로부터 패턴화된 저항의 전달 곡선 그래프이다. 도 5b는 도 1b와 같이 도 1a의 단순 GMR 구조에 20mA의 바이어스 전류가 인가된 단순 GMR 구조(도 1a)로부터 패턴화된 저항의 전달 곡선 그래프이다.
그래프 4a 내지 4b 및 도 5a 내지 도 5b의 비교를 통해서, 본 발명에 따른 GMR 구조의 전달 곡선이 그러한 구조에 인가된 바이어스 전류의 크기에 의존한다는 것을 확인할 수 있다. 더욱 상세하게, 상기 구조는 낮은 바이어스 전류가 인가될 때, 저저항, 제로 외부 자계 상태(zero external field state)가 되고, 높은 바이어스 전류가 인가될 때 고저항, 제로 외부 자계 상태가 된다. 도시된 단순 GMR 구조는 어떠한 바이어스 전류가 인가되더라도 항상 고저항, 제로 외부 자계 상태를 갖는다.
자계 센서(Field Sensors)
도 6은 본 발명의 바람직한 구현예에 의한 자계 센서를 도시한 것이다. 센서(600)는 앞서 설명한 본 발명의 GMR 구조로 형성된다. 만약 일정한 전류 Iin(602)가 센서에 인가되면, 일정한 전류 Iout(604)가 만들어진다. 따라서, 예를 들어, Iin이 작은 전류이면 Iout도 그러하다. Iinsmall에 대해 센서 양단간의 전위차(606)를 측정해보면 일정하다. 이어서 외부 자계(608)가 인가되면, 센서(600)의 저항은 감지된 전위상(sensed potential)의 변화를 유발한다. 이어서 만약 더 큰 전류가 인가되면, Iinlarge와 외부 자계가 인가되면, 그에 따라 센서(600)의 저항의 변화가 일어나 감지된 전위상의 변화를 초래할 것이다. 센서는 본 발명에 따라 구성되기 때문에, 큰 전류의 경우에 센서의 저항의 변화는 적은 입력 전류일 경우의 센서의 저항의 변화와 다르다. 따라서, 입력 전류의 크기는 센서(606) 양단간의 전위의 변화, 즉 센서의 저항의 변화를 센싱함으로써 측정될 수 있다.
브릿지 회로, 바람직하게 본 발명의 대형 자기 저항 구조가 저항(704, 705)으로 사용되는 휘트스톤 브릿지 회로를 도 7a-b에 개략적으로 도시하였다. 전압 701과 그라운드 702는 브릿지의 대향하는 두 개의 노드들 사이에 접속되도록 도시하였고, 이러한 브릿지 회로에서 4개의 GMR 가운데 두 개는 잘 알려진 바와 같이 각 노드들에 전기적으로 접속된다.
더욱 상세하게, 브릿지 회로는 4개의 터미널 전기 네트워크(terminalelectrical network)(A, B, C, D)를 갖는다. 제 1 저항(R1)은 네트워크 터미널 (A)와 (B) 사이에 연결되고, 제 2 저항(R2)은 네트워크 터미널 (B)와 (C) 사이에 연결되며, 제 3 저항(R3)은 네트워크 터미널 (C)와 (D) 사이에 연결되고, 제 4 저항(R4)은 네트워크 터미널 (A)와 (D) 사이에 연결된다. 제 1 저항과 제 3 저항(R1과 R3)은 자계가 네트워크 터미널 (A)와 (C)에 인가될 때 동일한 전류밀도를 갖고, 제 2 저항 및 제 4 저항(R2과 R4)은 서로 같지만, 제 1 및 제 3 저항(R1과 R3)의 전류밀도와는 다른 전류밀도를 갖는다.
브릿지는 인가된 외부 자계의 세기를 측정하기 위한 센서로 이용될 수 있다. 예를 들어, 일정한 전압 Vin을 터미널 701에 인가하여 출력전압 Vout을 검출해 보면, 제로 외부 자계에서 Vout은 0이 될 것이다. 그러나, 만약 외부 자계가 가해지면, 저항 R1및 R3의 저항은 저항 R2와 R4와 다르게 변화되어 Vout은 0이 되지 않을 것이다. Vout의 변화를 검출함으로써 외부 자계의 세기를 측정할 수 있다.
따라서, 브릿지를 센서로 이용하려면 저항 R1및 R3의 인가된 자계에서의 저항의 변화는 저항 R2및 R4의 저항의 변화와 달라야 한다. 과거에, 단순 GMR 구조를 이용할 경우, 이것은 하나의 세트의 저항들을 쉴딩(shielding)함으로써 이루어졌다. 이러한 것을 달성하기 위한 다른 방법은 전달 곡선(transmission curve)을 쉬프트시키기 위해 하나의 세트의 저항들을 바이어스시켜 그러한 저항들의 저항을증가시키거나 감소시키는 것이다. 이렇게 바이어스시키는 하나의 방법은 외부 자계를 이용하는 것이다. 물론, 이것은 저항들의 전달 곡선을 쉬프트시키기 위해 추가의 전원을 필요로 하고 회로의 복잡성을 더하는 단점을 갖는다.
본 발명에 따른 GMR 구조를 이용하고, 제 1 세트의 저항들 R1및 R3을 제 2 세트의 저항들 R2및 R4와 다르게 패턴화한다. 더욱 상세하게, 전류밀도는 폭에 반비례하므로 저항들 R1및 R3의 폭을 더 넓게 하여 저항들 R1및 R3을 통한 전류밀도가 R2및 R4을 통한전류밀도 보다 낮게 한다. 도 7b는 본 발명에 따른 휘트스톤 브릿지 회로의 물리적인 구조를 도시한 것이다. 바람직하게, R1, R3대 R2,R4의 폭의 비는 약 2:1 내지 약 20:1이다.
도 1a 및 도 3a에 개략적으로 도시된 스택을 S-건(gun) 스퍼터 적층 시스템을 이용하여 적층하였다. NiFeCo 층들은 NiFe와 CoFe 타겟으로부터 동시에 스퍼터링되었고; 다른 모든 층들은 하나의 타겟으로부터 적층되었다. 적층하기 이전에, 포토레지스트를 패턴화하고 장치들을 리프트오프 공정(liftoff process)을 이용하여 초기화하였다.
총 4개의 자기층들; 두 개의 단순 강자성 층들 및 두 개의 합성 반강자성층들(antiferromagnet layers)로 구성된 쿼드 층 GMR(Quad layer GMR) 필름을 적층하고, 장치안에 패턴화하였다(도 3a). 합성 반강자성층들은 스페이서에 의해 분리되어 있는 두 개의 강자성층들의 삼층(trilayer) 구조의 형태이다. 바람직한 구현예에 있어서, 외층들 330, 337, 즉 스택의 중심으로부터 외측에 있는 층들은 내부 층들, 332, 335 보다 두껍게 설계하여, 충분히 높은 센스 자계(sense field)가 세 개의 스페이서 인터페이스 333, 304, 334 양옆의 자기층들의 역평행 자화 방향에 의해 스택 전체에 고저항 상태(hgith resistance state)를 생성하도록 하였다. 외부 자계를 스트립의 길이 아래로 인가할 때, 저항은 중간 저항 상태로 감소한다.
본 발명에 따라 제조된 장치는 인가된 바이어스 전류의 크기에 의존하여 다르게 거동한다는 것이 확인되었다. 더욱 상세하게, 만약 낮은 바이어스 전류가 인가되면, 낮은 제로 자계 상태(zero field state), 즉, 외부 자계가 존재하지 않는 상태가 수득된다. 구조의 저항은 외부 자계의 크기가 증가할수록 증가한다. 큰 바이어스 전류가 인가되면, 높은 제로 자계 상태가 수득된다. 구조의 저항은 외부 자계의 크기가 증가할수록 감소한다. 도 1a에 도시된 바와 같은 단순 GMR 센서는 인가된 바이어스 전류에 관계 없이 높은 제로 자계 바이어스 상태를 갖는다.
고정된 바이어스 전류가 스트립 라인 아래로 인가된 쿼드 층 GMR(도 3a) 및 단순 GMR(도 1a) 구조로부터 패턴화된 약 6㎛ 폭의 장치로부터 전달 곡선 데이터를 취하였다. 재료 축(material easy axis)은 스트립을 가로지르는 방향이고, 외부 자계는 장치를 포화시키도록 스트립의 길이의 아래 방향으로 인가하였다. 도 3a의 쿼드 층 구조에 대한 데이터는 도 4a 내지 도 4b에 도시하였다. 장치를 통한 전류밀도에 의존하여, 패턴화된 저항들의 제로 자계 바이어스 상태는 낮거나 높았다. 낮은 전류밀도는 저저항 상태를 결과시켰고, 저항은 인가된 자계가 증가할수록 증가하였다. 저저항, 제로 자계 바이어스 상태를 수득하기 위해, 몇몇 강자성층들을 Cu 스페이서에 대해 서로 수직이 되도록 정렬하였다. Cu 스페이서에 대한 약간의 평행 또는 "오렌지 껍질(orange peel)" 커플링은 이러한 두께 범위의 구리를 갖는 샌드위치 구조의 전형이다. 장치에 걸린 전류가 증가할수록, 생성된 자계는 약한 평행 커플링(parallel coupling)을 극복한다. 충분히 높은 전류밀도에서, 장치는 높은 제로 자계 상태로 바이어스되고, 저항은 인가된 자계 강도에 비례하여 감소한다.
데이터는 쿼드 층 GMR 재료(도 3a)가 자계 센싱은 물론 전류 센싱에도 이용될 수 있음을 보여준다. 제로 자계 바이어스 상태의 유연성 이외에, 쿼드 층 GMR 구조(도 3a)의 다른 이점은 장치가 단순 GMR 샌드위치 필름(도 1a)에 비해 비교적 낮은 전류밀도로 동작할 수 있다는 것이다. 도 4a는 쿼드층 GMR 샌드위치 재료로부터 패턴화된 저항들에 대한 데이터가 1mA의 바이어스 전류에서 1.7% GMR 신호를 나타낸다는 것을 보여준다. 종래의 GMR 샌드위치 스택(도 1a)으로부터 패턴화된 동일한 선폭의 도 5a에 도시된 저항들은 동일한 조건에서 시험할 때 단지 0.3%의 GMR만을 나타내었다.
이상의 상세한 설명, 실시예 및 데이터는 본 발명의 제조 및 조성물의 사용방법을 설명하기 위하여 제공된 것이다. 본 발명의 다수의 구현예들은 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고도 만들어질 수 있기 때문에, 본 발명은 이하에 첨부된 청구범위내에 존재한다.

Claims (30)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 적층된 제 1 트리레이어(trilayer);
    상기 제 1 트리레이어 위에 적층된 제 1 스페이서층;
    상기 제 1 스페이서층 위에 적층된 제 1 자기층;
    상기 제 1 자기층 위에 적층된 제 2 스페이서;
    상기 제 2 스페이서층 위에 적층된 제 2 자기층;
    상기 제 2 자기층 위에 적층된 제 3 스페이서층;
    상기 제 3 스페이서층 위에 적층된 제 2 트리레이어; 및
    상기 제 2 트리레이어 위에 적층된 캡층(cap layer)을 포함하고;
    여기서 상기 제 1 및 제 2 트리레이어는 ;
    제 1 강자성층(ferromagnetic layer);
    제 2 강자성층; 및
    상기 제 1 및 제 2 강자성층 사이에 이들과 접해 있는 역평행 커플링층을 포함하는 자기저항센서(magnetoresistive sensor).
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 스페이서층이 비자기층(nonmagnetic layer)인 센서.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 센서가 기판 위에 상기 제 1 트리레이어와 접해서 적층되어 있는 버퍼층을 추가로 포함하는 센서.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 강자성층이 제 1 강자성층 보다 두꺼운 센서.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 강자성층들이 Ni, Fe, Co 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 센서.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 강자성층들이 약 10 내지 약 100Å 두께를 갖는 센서.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 역평행 커플링층이 Ru, Ir, Rh 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 센서.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 역평행 커플링층이 약 3 내지 약 12Å 두께를 갖는 센서.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 스페이서층이 Cu, Au, Ag 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 센서.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 스페이서층이 약 25 내지 약 45Å 두께를 갖는 센서.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자기층들이 Ni,Fe, Co 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함하는 센서.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 자기층들이 약 10 내지 약 100Å 두께를 갖는 센서.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 비자기 스페이서가 Cu, Au, Ag 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 센서.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 비자기 스페이서가 약 25 내지 약 45Å 두께를 갖는 센서.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 스페이서층이 Cu, Au, Ag 및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 센서.
  16. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 스페이서층이 약 25 내지 약 45Å 두께를 갖는 센서.
  17. 제 1항에 있어서, 상기 캡 층이 Ta, Al2O3및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 센서.
  18. 제 1항에 있어서, 상기 캡 층이 약 20 내지 약 80Å 두께를 갖는 센서.
  19. 제 3항에 있어서, 상기 버퍼층이 Ta, Zr, Ni-Fe, Al2O3및 이들의 혼합물로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 센서.
  20. 제 3항에 있어서, 상기 버퍼층이 약 20 내지 약 80Å 두께를 갖는 센서.
  21. 기판;
    상기 기판 위에 적층된 제 1 트리레이어;
    상기 제 1 트리레이어 위에 적층된 제 1 스페이서층;
    상기 제 1 스페이서층 위에 적층된 제 1 자기층;
    상기 제 1 자기층 위에 적층된 제 2 스페이서;
    상기 제 2 스페이서층 위에 적층된 제 2 자기층;
    상기 제 2 자기층 위에 적층된 제 3 스페이서층;
    상기 제 3 스페이서층 위에 적층된 제 2 트리레이어; 및
    상기 제 2 트리레이어 위에 적층된 캡층을 포함하고;
    여기서 상기 제 1 및 제 2 트리레이어는 ;
    제 1 강자성층;
    제 2 강자성층; 및
    상기 제 1 및 제 2 강자성층 사이에 이들과 접해 있는 역평행 커플링층을 포함하고, 자기저항 센서의 저항이 인가된 바이어스 전류의 크기에 의존하는 자기저항센서 장치.
  22. 제 21항에 있어서, 상기 제 2 스페이서층이 비자기 층인 센서 장치.
  23. 휘트스톤 브릿지의 대향하는 제 1 노드들에 커플링된 제 1 쌍의 자기저항 구조(magnetoresistive structures);
    휘트스톤 브릿지의 대향하는 제 2 노드들에 커플링된 제 2 쌍의 자기저항 구조를 포함하고,
    외부 자계가 휘트스톤 브릿지에 인가될 경우 상기 제 1 쌍의 자기저항 구조가 제 2 쌍의 전기저항 구조 보다 높은 전류밀도를 갖는 브릿지 회로.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 제 1 쌍의 자기저항 구조가 제 2 쌍의 자기저항 구조 보다 큰 브릿지 회로.
  25. 제 24항에 있어서, 제 2 쌍의 자기저항 구조에 대한 제 1쌍의 자기저항 구조의 폭의 비가 약 1:2 내지 약 1:20인 회로.
  26. 자기 기록 디스크;
    기판;
    상기 기판 위에 적층된 제 1 트리레이어;
    상기 제 1 트리레이어 위에 적층된 제 1 스페이서층;
    상기 제 1 스페이서층 위에 적층된 제 1 자기층;
    상기 제 1 자기층 위에 적층된 제 2 스페이서;
    상기 제 2 스페이서층 위에 적층된 제 2 자기층;
    상기 제 2 자기층 위에 적층된 제 3 스페이서층;
    상기 제 3 스페이서층 위에 적층된 제 2 트리레이어; 및
    상기 제 2 트리레이어 위에 적층된 캡층을 포함하고,
    여기서 상기 제 1 및 제 2 트리레이어는;
    제 1 강자성층;
    제 2 강자성층; 및
    상기 제 1 및 제 2 강자성층 사이에 이들과 접해 있는 역평행 커플링층을 포함하는
    자기저항 센서;
    자기저항 센서를 자기기록 디스크 위에서 이동시키는 액츄에이터; 및
    자기저항 센서에 전기적으로 접속되어, 자기적으로 기록된 데이터로부터의 자계에 반응하여 일어나는, 제 1 및 제 2 라미네이트층들의 자화축(magnetization axes)의 회전에 의해 유발되는 자기저항 센서상의 저항의 변화를 검출하는 검출 회로를 포함하는 디스크 드라이브 시스템.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 제 2 스페이서층이 비자기 층인 디스크 드라이브 시스템.
  28. 네트워크 터미널 (A)와 (B) 사이에 연결된 제 1 저항(R1), 네트워크 터미널 (B)와 (C) 사이에 연결된 제 2 저항(R2), 네트워크 터미널 (C)와 (D) 사이에 연결된 제 3 저항(R3), 및 네트워크 터미널 (A)와 (D) 사이에 연결된 제 4 저항(R4)을 포함하는 4개의 터미널 전기 네트워크(A, B, C, D);
    여기서 저항들 R1과 R3은 자계가 네트워크 터미널 (A)와 (C)에 인가될 때 제 1 전류밀도를 갖고, R2과 R4는 동일한 자계가 네트워크 터미널 (A)와 (C)에 인가될 때 제 2 전류밀도를 가지며, 제 2 전류밀도는 제 1 전류밀도 보다 적고;
    네트워크 터미널 (B)와 (D) 양단간에 동작가능하도록 연결되어 터미널 (B)와 (D) 양단간 전위를 검출하는 수단을 포함하는 휘트스톤 브릿지에 인가된 외부 자계를 측정하는 장치.
  29. 제 28항에 있어서, 저항 R1및 R3의 제 1 전류밀도가 자계의 감소에 따라 증가하고, 저항 R2및 R4의 제 2 전류밀도가 자계의 증가에 따라 감소하는 장치.
  30. 제 28항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 저항들이 제 1항의 센서인 장치.
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