KR20060042980A - 강화 리드 안정화 메커니즘을 사용한 자기 핀드 판독 센서설계 - Google Patents

강화 리드 안정화 메커니즘을 사용한 자기 핀드 판독 센서설계 Download PDF

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KR20060042980A
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맹 딩
로버트 이 주니어 폰타나
국 산 호
네일 레슬리 로버트슨
칭 화 창
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히다치 글로벌 스토리지 테크놀로지스 네덜란드 비.브이.
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Abstract

본 발명은 자기 피닝(또는 고정)을 보조하기 위하여 상대적으로 두꺼운 압축 물질을 측면에 구비한 자기 핀드 자기저항 센서(self pinned magnetoresistive sensor)에 관한 것이다. 센서 영역의 어느 한 측면에 오목부들을 구비한 쉴드가 두꺼운 압축층을 위한 공간을 허용한다.

Description

강화 리드 안정화 메커니즘을 사용한 자기 핀드 판독 센서 설계{A SELF-PINNED READ SENSOR DESIGN WITH ENHANCED LEAD STABILIZING MECHANISM}
도 1은 본 발명이 실시되는 자기 저장 시스템(magnetic storage system)의 부분적인 도면이다.
도 2는 실선(2-2)을 확장한, 슬라이더의 ABS 의 도면이다.
도 3은 도 2 의 원(3)을 확장한, 본 발명의 실시예에 따른, 판독 센서의 도면이다.
본 발명은 자기저항 센서에 관한 것이고, 보다 상세하게는 자기 핀드 자기저항(self pinned magnetoresistive) 센서에서 핀드층의 자기 안정(magnetic stabilization)에 관한 것이다.
컴퓨터의 중심부는, 자기 디스크, 슬라이더(slider, 기록 및 판독 헤드들을 포함하는 자기 헤드 어셈블리가 장착됨), 서스펜션 아암(suspension arm), 및 액츄에이터 아암(actuator arm)을 포함하는 자기 디스크 드라이브이다. 슬라이더는 서 스펜션 아암에 의하여 자기 디스크의 표면 쪽으로 바이어스되어 있다. 자기 디스크가 회전하는 동안, 그 회전하는 자기 디스크는 슬라이더의 ABS(Air Bearing Surface, 공기 윤활 표면)에 인접한 곳으로 공기를 이동시켜서, 슬라이더로 하여금 그 공기 윤활(또는 베어링) 상에서 동작하도록 한다. 슬라이더가 그 공기 베어링 상에서 동작하는 경우, 액츄에이터 아암은 서스펜션 아암을 스윙하여 자기 헤드 어셈블리를 회전 자기 디스크의 선택된 원형 트랙들 상에 위치시키며, 신호 필드들은 기록 및 판독 헤드들 각각에 의하여 기록되고 판독된다. 그 기록 및 판독 헤드들은 기록 및 판독 기능들을 구현하는 컴퓨터 프로그램에 따라서 동작하는 프로세싱 회로에 접속된다. 예시적인 고성능 판독 헤드는 회전하는 자기 디스크로부터 신호 필드들을 감지하기 위한 자기저항 판독 구성요소를 사용한다. 자기저항 센서는, 판독 구성요소에 의하여 감지되는 자속(magnetic flux)의 세기 및 방향의 함수로서 판독 구성요소의 저항 변화를 통하여 자기 필드 신호들을 검출한다. 지난 수십년 간, 그러한 판독 구성요소들은 주로 거대 자기저항 센서들(giant magnetoresistive sensors, GMR)의 형태를 유지해왔다. 보다 최근에는, 터널 접합(Tunnel Junction) 센서들이 자기 판독 구성요소들로서 사용되기 위하여 검토되어 왔다.
또한 종래 기술에 있어서, 스핀 밸브 자기저항 요소로서 불리는 GMR 구성요소는, 비자성(non-magnetic) 전기 도전성(eletrically conductive) 스페이서층에 의하여 분리된 한쌍의 강자성 층들을 포함한다. 그 층들 중 하나의 층의 자화는 고정되거나, "핀드(pinned)" 되는 반면에, 나머지 층은 바이어스되지만 자계에 응답하여 자유롭게 회전한다. 스페이서층을 통한 전자들의 스핀 의존 산란(spin dependent scattering)에 기인하여, 스페이서층을 통한 전류 흐름은 자유층(free layer)과 핀드 자기 층의 자화의 상대적인 지향(orientation)에 의존한다. 전류 흐름은 이 자유층과 핀드층이 서로 평행하게 자화된 경우에 최대가 되며, 그 자화가 역평행(anti-parallel)인 경우에 최소가 된다. 자유층과 핀드층은, 자계 신호에 응답하여 최대 선형 저항 변화를 생성하기 위하여 일반적으로 자계가 없는 곳에서 서로 90 °로 설정된다. 사용되는 대부분의 GMR 센서들은, 전류가 상기한 층들의 평면 위에서 센서의 한 측면으로부터 다른 측면으로 흐르는 평면 설계 전류(a current in plane design, CIP)를 통합한다. 평면에 수직인 전류(current perpendicular to plane, CPP) 센서라 불리는 GMR 센서의 다른 유형은, 전류가 센서들의 평면에 수직인 방향으로 센서를 통하여 흐르는 설계를 구비한다. 자기 터널 접합 센서(Magnetic Tunnel Junction sensor, MTJ)는 얇은 절연 터널 장벽층(insulating tunnel barrier layer)에 의해서 분리된 두개의 강자성 층들로 구성되고, 스핀-극화된 전자 터널링 현상에 기반한다. 이 절연 터널 장벽층은 양자 메커니즘 터널링(quantum mechanism tunneling)이 강자성 층들 사이에서 발생하기에 충분하도록 얇다. 터널링 현상은 전자-스핀에 의존적이며, 두개의 강자성 층들의 상대적인 지향 및 스핀 극화의 함수인 MTJ의 자성 응답을 생성한다.
GMR 센서들 및 TMR 센서 모두는 핀드층을 핀드 상태로 유지하기 위한 매카니즘을 필요로 한다. 종래에는, 예컨대 PtMn 과 같은 반강자성 물질과 교환 결합(exchange coupled)되도록 핀드층을 배치함으로써, 그러한 요구가 달성되었다. 반강자성 물질은 자기적(magnetic)이지 않지만, 자성 물질과 교환 결합되는 경우에 는, 매우 강하게 자기 층의 자화를 피닝(pinning, 고정)한다. 핀드층의 자화를 효과적으로 피닝하기 위하여, 반강자성 층은 센서의 다른 층들과 비교하여 매우 두꺼워야 한다. 레코딩 밀도 요구가 증가함에 따라서 더 작은 갭(gap) 높이를 필요로 하게 되어, 더 얇은 센서들이 필요하게 되었다. 박막 AFM 층을 만들기 위해서는 많은 비용이 소모된다. 또한, 반강자성 물질들은 방해 온도(blocking temperature)라 불리는 주어진 온도에서 반강자성 특성을 잃게 된다. 그러므로, 정전기 방전 또는 슬라이더가 디스크와 접촉하는 것과 같은 어떤 사건이 핀드층의 핀닝(pinning)을 잃기에 충분하도록 AFM 의 온도를 올릴 수 있다. 그러한 일은 헤드를 쓸모없게 만든다.
핀드층의 피닝(또는 고정)을 보다 더 향상시키기 위하여, 최근 역평행 결합된 핀드층들(AP 결합 핀드층들)을 사용하여 헤드들을 구성하여 왔다. 그러한 센서에서, 핀드층은 Ru 와 같은 비자성 결합 층에 의하여 분리된 한 쌍의 강자성 층들로 구성된다. 강자성 층들은 통상 서로 비슷하지만 정확하게는 동일하지 않은 자기적 두께들을 구비하도록 구성된다. 두개의 강자성 층들의 역평행 정자기(magnetostatic) 결합은 피닝을 크게 증가시키고, 자기적 두께에 있어서의 작은 차이는 AP 결합 핀드층의 자기적 지향이 자계 내에서 설정되도록 하는 총 자기(net magnetism)를 생성한다. 그러한 AP 결합 핀드층에 있어서, 센서의 스페이서층으로부터 가장 멀리 떨어진 강자성 층은 이전 단락에서 검토한 AFM 과 함께 교환 결합된다.
보다 최근에조차, 센서의 높이를 최소화하고 그로 인하여 데이터 밀도를 증 가시키기 위하여, 핀드층이 AFM 으로의 교환 결합을 요구하지 않는 센서들을 구성하려는 시도가 있어 왔다. 몇몇 그러한 센서들은 핀드층 내에서 소정의 결정 구조(crystallographic structure)를 초기화하기 위하여 PtMn의 박막 시드층을 사용하여 왔음에도 불구하고, 그러한 자기 핀드 센서들에서의 PtMn 의 두께는 너무 얇아서 핀드층을 교환 결합하고 피닝할 수 없다. 그러한 자기 핀드 센서들은 핀드층, 정자기 결합, 및 자기변형(magnetostriction)의 고유의 이방성(anisotropy)의 조합을 통한 피닝을 달성한다. 두개의 역평행 결합된 강자성 층들은 가능한 한 비슷한 자기적 두께를 구비하도록 구성된다. 자기적인 두께가 밀접할수록 층들간의 정자기(magnetostatic) 결합은 더 강해진다. 역평행 결합된 층들은 또한 강한 양(positive)의 자기변형을 구비한 물질로 구성된다. 자기변형은 압력 하에 위치하는 경우 특정한 방향으로 자화되는 물질의 특성을 말한다. 헤드의 구성은 일정한 양의 압력을 센서에 생성하는데, 이 압력이 핀드층들의 자기변형과 조합되는 경우 피닝을 보조해준다. 그러한 자기 핀드 센서들은 센서의 두께를 매우 감소시키는 것을 보장해주지만, 안정적이지 못하다. 그러한 센서의 핀드층들은 방향을 뒤바꾸는 경향이 있으며, 그러한 재앙적인 사건은 헤드를 사용할 수 없게 만든다. 그러므로, 자기 핀드층을 사용함으로써 두께를 감소시키고, 진폭의 급격한 변화를 방지하기 위하여 핀드층에 향상된 안정성을 제공하는 메커니즘이 여전히 요청되는 것이다.
본 발명은 자기저항 센서에서 자기-핀드층의 향상된 피닝을 위한 자기저항 구조를 제공한다. 본 발명은 볼록부(raised portion) 및, 그로부터 측면으로 확장 하는 반대 측면의 오목부(recessed portion)들을 구비한 쉴드 상에 구축된 센서를 포함한다. 본 발명은 또한 쉴드의 볼록부 상에 형성된 자기저항 구성요소를 포함한다. 자기저항 구성요소는 예컨대 GMR 센서(CIP 또는 CPP), 또는 TMR 일 수 있다. 제1 및 제2 압축층(compressive layer)들이 쉴드의 오목부(recessed portion)들 상에 형성된다. 제1 및 제2 하드 자기 층들은 압축층들 위에 형성된다.
쉴드의 오목부들은 이후의 포토리소그래피 공정들에 대한 토포그래피 문제를 생성하지 않고, 압축층들이 다른 가능한 것보다 바람직하게 더 두껍게 배치될 수 있도록 한다. 예컨대, Cu 와 같은 압축 물질들은 불연속성을 가지고 형성되는 경우, 일부 물질들과 같이 그 불연속으로부터 회복하려고 하기보다는, 오히려 그 불연속성으로 확장되는 경향이 있는 물질들이다. 본 발명자들은 그러한 압축 물질들이 핀드층의 정자기 특성과 결합되는 경우 피닝을 매우 강화시킨다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 또한 압축층이 두꺼워질수록 피닝을 보조하는 기능이 더 강화된다는 것을 알게 되었다. 그러므로, 쉴드의 오목한 영역들에 의하여 압축층이 보다 두꺼워질수록 보다 더 강한 피닝 보조가 제공된다.
본 발명의 센서는 GMR 센서(CIP 또는 CPP)일 수 있으며, 터널 밸브(TMR)일 수 있다. 만약 CPP GMR 또는 TMR이 사용된다면, 쉴드는 센서와 전기적으로 통신할 것이다. 도전층(conductive layer)들이 쉴드와 센서 사이에 포함되어 있는지 여부를 불문하고, 본질적으로 쉴드는 리드가 될 수 있다. 만약 센서가 CIP GMR 이라면, 쉴드는 절연 갭 층(insulating gap layer)에 의하여 센서로부터 전기적으로 절연될 것이다. 그러한 경우에, 센서로 감지 전류를 제공하기 위하여 센서의 반대 측면에 전류를 도통하도록 리드들이 제공될 수 있다.
CIP 센서의 경우에, 쉴드와 센서 사이에 절연층이 존재할 것이고, CIP 또는 MTJ 의 경우에는, 쉴드와 센서 사이에 도전층이 존재하거나 어떠한 층도 존재하지 않을 것이다. 센서의 각 측면에 상대적으로 두거운 압축층을 구비한 자기 핀드 센서를 구성하는 것은 압축층 상에 심각한 토포그라피(topography)를 유발하는데, 그 이유는 그 구조가 더 두꺼운 압축층을 수용하기 위하여, 센서의 각 측면으로부터 매우 강하게 올려져야만(flare) 하기 때문이다. 이것은 상부 쉴드와 기록 헤드를 구성하도록 사용되는 이후의 리소그래피 과정 동안 문제를 유발하는데, 이것은 일반적으로 판독 요소 후에 구성되는 것이다. 그러므로, 그 위에 센서가 구성되고 더 두꺼운 압축 물질를 수용하기 위한 오목 측면 부 및, 볼록부를 구비하는 쉴드 상에 센서를 구성하는 것은 이후의 처리 단계들을 가능하게 하는 구조의 최상부에 토포그래피를 매우 향상시킨다.
다음의 설명은 본 발명에 따른 가장 바람직한 실시예에 관한 것이다. 이 설명은 본 발명이 일반적인 원리를 설명하고자 함이고, 청구하고자 하는 본 발명의 사상을 제한하고자 함이 아니다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 디스크 드라이브(100)가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 회전 가능 자기 디스크(112)가 스핀들(114) 위에서 지지되며, 디스크 드라이브 모터(118)에 의하여 회전된다. 각 디스크 상에서의 자기적 레코딩은 자기 디스크(112) 상의 동심원의 데이터 트랙들(도시되지 않음)의 고리 모양의 패턴들의 형태이다.
적어도 하나의 슬라이더(113)가 자기 디스크(112) 가까이에 위치하고, 각 슬라이더(113)는 하나 이상의 자기 헤드 어셈블리들(121)을 지지한다. 자기 디스크가 회전하기 때문에, 슬라이더(113)는 디스크 표면(122) 위에서 안과 밖으로 방사상으로 이동하여, 자기 헤드 어셈블리(121)가 소정의 데이터가 기록되는 자기 디스크의 다른 트랙들에 액세스할 수 있다. 각 슬라이더(113)는 서스펜션(115)에 의하여 액츄에이터 아암(119)에 부착된다. 서스펜션(115)은 디스크 표면(122)에 대하여 슬라이더(113)를 바이어스하는 약한 스프링력(spring force)를 제공한다. 각 액츄에이터 아암(119)은 액츄에이터 수단(127)에 부착된다. 도 1에 도시된 바와 같은 액츄에이터 수단(127)은 보이스 코일 모터(voice coil motor, VCM)일 수 있다. VCM 은 고정된 자계 내에서 이동 가능한 코일을 포함하고, 그 코일 이동의 방향 및 속도는 제어기(129)에 의하여 공급되는 모터 전류 신호들에 의하여 제어된다.
디스크 저장 시스템의 동작 중에, 자기 디스크(112)의 회전은 슬라이더(113) 및 디스크 표면(122) 사이의 공기 윤활을 생성하는데, 이 공기 윤활은 슬라이더 상의 양력(upward force) 또는 상승력을 제공한다. 그러므로, 공기 윤활은 서스펜션(115)의 약한 스프링힘을 상쇄시키고(counterbalance), 정상 작동 중에 작고도 실질적으로 일정한 공간에 의하여 디스크 표면으로부터 슬라이더를 분리되게 약간 위로 들어올려 지지한다.
디스크 저장 시스템의 다양한 구성요소들이, 액세스 제어 신호들 및 내부 클럭 신호들과 같은, 제어 유닛(129)에 의해 생성되는 제어 신호들에 의하여 동작 중에 제어된다. 통상, 제어 유닛(129)은 로직 제어 회로들, 저장 수단 및 마이크로프 로세서를 포함한다. 제어 유닛(129)은 라인(123) 상의 드라이브 모터 제어 신호들, 헤드 위치와 같은 다양한 시스템 동작들을 제어하기 위한 제어 신호들을 생성하고 라인(128) 상의 제어 신호들을 탐색한다. 라인(123) 상의 제어 신호들은 슬라이더(113)을 최적으로 이동시켜 디스크(112) 상의 소정의 데이터 트랙으로 슬라이더를 위치시키기 위하여 소정의 전류 분석들(profiles)을 제공한다. 기록 및 판독 신호들이 레코딩 채널(125)을 통하여 기록 및 판독 헤드들(121)과 통신한다.
통상의 자기 디스크 저장 시스템에 대한 상기의 설명과, 다음의 도 1의 설명은 단지 설명을 위한 것이다. 디스크 저장 시스템들은 다수의 디스크들과 액츄에이터들을 포함할 수 있으며, 각 액츄에이터는 복수의 슬라이더들을 지지할 수 있다.
도 2 를 참조하면, 도 1의 실선(2-2)으로부터 슬라이더(113)의 ABS 부분은 슬라이더 상의 자기 헤드(121)의 정렬을 나타낸다. 자기 헤드(121)는 통상 슬라이더의 후단(trailing edge)에 위치되는데, 이곳이 자기 디스크에 가장 가깝게 움직이는 슬라이더(121)의 위치이기 때문이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 301 로서 일반적으로 불리는 자기 센서를 설명하기 위하여, 원(3-3)으로부터 확대한 것이다. 도 3을 참조하여 설명되는 특정한 실시예는 터널 접합 자기저항 센서(Tunnel Junction Magnetoresistive, TMR)이지만, 본 발명의 센서는 또한 CPP 또는 CIP GMR 센서를 사용하여 헤드 내에서 실시될 수도 있다. 헤드(301)는 제1 쉴드 또는 더 낮은 쉴드(303)를 포함하는데, 그 쉴드는 중앙 볼록부(304)와 측면으로 확장되는 제1 및 제2 측면부들(305, 307)를 구비하는데, 이들은 볼록부(304)로부터 리세스되는 것들이 다.
일반적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 자기저항 구성요소는 역평행 결합 핀드층(311)을 포함하는데, 이것은 역평행 결합 층(317)에 의하여 분리된 제1 및 제2 강자성 층들(313, 315)을 포함한다. 강자성 층들(313, 315)은 다수의 강자성 물질들로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 CoFe 로 형성되고, 서로 가능한한 유사한 자기 두께를 구비하고 있다. 역평행 결합 층(317)은 몇몇의 비자성 물질들로 형성될 수 있고, 바람직하게는 약 8 Å의 두께를 구비한 Ru 로 구성된다. 전기적으로 절연시키는 비자성 장벽층(319)은 AP 핀드층(311) 위에 형성되고, 전기적으로 절연시키는 많은 다른 물질들이 또한 적합하지만 바람직하게는 Al2O3 로 형성된다. 자성을 갖는 자유층(321)(free layer)이 장벽층(319)(barrier layer) 위로 형성되고, 다른 물질들이 또한 적합하지만 바람직하게는 CoFe/NiFe 로 구성된다. 제2 쉴드, 또는 상부 쉴드(323)가 자유층(321) 위로 형성되고 도 3 에 나타난 바와 같이 외부 측면으로 확장한다. 제2 쉴드는 바람직하게는 제1 쉴드와 동일한 물질로 형성되지만, 일부 다른 자성 물질로도 형성될 수 있다. 반드시 그런 것은 아니지만, 만약 제1 및 제2 쉴드들(303, 323)이 전기적인 도전성 물질로 구성된다면, 판독 구성요소(309)와 제1 및 제2 쉴드들(303, 323) 사이에 배치된, 전기적인 도전성 리드들(325, 327)을 제공함으로써 향상된 도전성을 획득할 수 있다. 리드들(325, 327)은 많은 전기적인 도전성 물질들로 구성될 수 있지만, 바람직하게는 Cu 또는 Au 로 구성될 수 있다.
계속해서 도 3을 참조하면, 핀드층(311)의 강자성 층들(313, 315)은 기호(329, 331)에 의해 지시되는 지면(plane of the page)의 내부 및 외부로 고정되는 자화를 구비한다. 지면 안으로 향하는 최하부(313)와 페이지 밖으로 향하는 최상부(315)의 자화를 가진 것으로 도시되고 있지만, 그 지향들은 역전될 수 있다. 층들이 화살표(333, 335)에 의해 지시되는 압축 응력(compressive stress) 하에 배치되는 경우, 물질의 양의 자기변형(positive magnetostriction)이 층들(313, 315)의 피닝을 돕는다. 또한 페이지의 평면에 수직인 층(313, 315)의 자기 비등방성을 설정하기 위하여 자계 내에서 핀드층들을 어닐링하는 단계도 피닝을 돕는다.
자유층(321)은 화살표(337)에 의하여 지시되는 핀드층(311)에 수직으로 바이어스되는 자화를 구비한다. 화살표가 오른쪽으로 향하는 것으로 도시되지만, 왼쪽을 가리킬 수도 있다. 자유층의 자화가 337에 도시된 바와 같이 바이어스되어 있지만, 자계 내에서 회전이 자유롭다. 자유층을 바이어스하는 매카니즘은 아래에서 더 상세하게 검토될 것이다.
도 3을 더 참조하면, 제1 및 제2 절연층들(339 및 341)은 오목한 측면 부들(305, 307)의 최상부에 형성된다. 도 3 에 도시된 도면은 절연층들이 두 개의 구별되는 층들로 나타나지만, 당업자는 그 층들이 페이지의 평면 내부로 향하는 지점에서 연결될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
절연층 위에 형성된 압축 물질(343, 345)의 제1 및 제2 층들은 핀드층(311)의 피닝을 보조하기 위하여 압축 응력들(333, 335)을 제공한다. 압축 물질은, 자기저항 구성요소(309)에 의해 제공되는 것과 같이 불연속적으로 형성된 경우에 일부 다른 물질들이 그로부터 회복되는 것과는 달리 오히려 불연속성으로 확장되는 경향이 있는 물질이다. 다른 물질들이 사용될 수도 있지만, 예컨대, Rh 는 그러한 압축 동작을 보여준다. 압축 물질(343, 345)에 의해 제공되는 압축력(333, 335)은 핀드층(311)의 자기 피닝을 강화하고 바람직하게는 진폭의 변형을 방지한다.
압축 물질 층 상부에 형성된 제1 및 제2 하드 바이어스 층들(hard bias layer, HB)은 소정의 방향으로 지향된 자유층(321)의 자유 자기 지향(337)을 유지하기 위한 바이어싱을 제공한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, HB 층들(347, 349)은 자유층(321)의 효과적인 바이어싱을 달성하기 위하여 실질적으로 자유층(321)에 인접하여 배치되어야 한다. HB 층들(347, 349)은 예컨대, CoPt 일 수 있고, CrMo 시드층을 포함할 수 있다. HB 층들(347, 349)은 또한 CoPtCr 일 수 있고, Cr 시드층을 포함할 수 있다. 또한 본 발명은 다른 하드 자기 물질들의 HB 층들의 구성을 보상한다.
예컨대, Rh 일 수 있는 제3 및 제4 압축층들(351, 353)은 HB 층들(347, 349)[Ta 캡핑 층(355, 357)이 그 다음에 옴] 위에 제공될 수 있다. 추가적으로 박막(약 20 Å) Ta 시드층이 제3 및 제4 압축층들(251, 353) 아래에 제공될 수 있다. 이러한 추가적인 압축층들(351, 353)이 진폭 변형을 방지하기 위한 피닝 보조(pinning assistance)를 제공할 수 있다. 감지 전류가 오직 원하는 MR 구성요소(309)를 통하여 흐르는 것을 보장하기 위하여, 절연층(359, 361)이 Ta 캡핑 층 위에 제공된다.
발명자들은 자기 핀드(self pinned) MR 구성요소(309)의 측면에 압축 물질 (343, 345)를 제공하면, 바람직하지 못한 진폭 변형을 유발할 필요가 있는 스위칭 필드를 매우 증가시킨다는 것을 발견하였다. 또한 발명자들은 압축층들(343, 345)의 두께가 증가할수록, 이 스위칭 필드도 증가하게 된다는 것을 발견하였다. 자기 헤드들은 일반적으로 상대적으로 평평한 최하부 리드들로 구성되는 반면에, 그러한 구성은 더 두꺼운 압축층들에는 허용되지 않는다. 그러한 경우에, 두꺼운 압축층들(343, 345, 351, 353)을 제공하게 되면, 상부 쉴드(323)가 측면들에서 강하게 올려지게 되어 후속적인 제조 공정 동안 허용될 수 없는 토포그래피가 유발된다. 발명자들은 토포그래피를 희생시키지 않고, 압축층들(333, 335, 351, 353)을 위한 공간을 제공하기 위하여 혁신적인 오목부들(339, 341)을 포함시켰다. 절연층들(339, 341)을 쉴드(303)의 오목부(305, 307) 내에 구축함으로써, 그 위에 형성된 안정화 구조가, 자기-피닝층이 추가적으로 제공된 응력에 의해 적합하게 피닝될 수 있을 정도로 증가된 두께와 제어 가능한 형식으로 제조될 수 있다.
자기 센서(301)는, 기판(도시되지 않음) 상의 NiFe 와 같은, 자기 층을 우선 배치함으로써 형성될 수 있다. NiFe 는 전기도금 단계(electroplating)를 포함하는 다양한 방법들에 의해 배치될 수 있다. MR 구성요소(309)의 층들은 전체 필름 층로서 배치될 수 있으며, 그 뒤 MR 구성요소(309)가 될 영역 위에 포토레지스트 마스크를 사용하여 패턴화된다. 이온 밀링 공정이 MR 구성요소(309) 및 오목부들(305, 307)을 생성하는 제어 가능한 방법으로, MR 및 쉴드 물질을 제거하도록 사용될 수 있다. 큰 각도의 이온 밀링 단계는 센서(309)의 측면들 및, 쉴드(303)의 볼록부(304)로부터 재배치된 물질을 제거하기에 바람직할 수 있다. 그 뒤, 절연층들(339, 341), 제1 및 제2 압축층들(343, 345), 하드 바이어스 층들(347, 349), 제3 및 제4 압축층들(351, 353), 캡 층들(355, 357), 및 절연층들(359, 361)이 배치될 수 있다.
자기 에드(301)을 구성하기 위한 다른 공정은 쉴드(303)를 배치하고, 볼록부(304)가 되는 영역 위에 마스킹 층(포토레지스트와 같은)을 배치하는 단계를 포함한다. 이온 밀링 공정은 그 뒤 쉴드(303)의 볼록부(304)를 형성하기 위하여 물질을 제거하도록 실행될 수 있다. 절연 물질은 그 뒤, 배치된 전체 필름이 될 수 있고, 포토레지스트는 절연층들(339, 341)을 그대로 유지하며 제거될 수 있다. 화학적이고 기계적인 연마 단계와 같은 평탄화 단계 뒤에 후속적인 층들을 형성하기 위해 바람직하게 평평한 표면이 제공될 수 있다. 또한, 포토레지스트 층은 전체 필름 절연층의 배치 전에 제거될 수 있으며, CMP 공정이 그 구조를 평탄화하고, MR 구성요소(303)가 구축될 볼록부(304)로부터 절연을 제거하도록 사용될 수 있다.
당업자는 본 발명이 TMR 뿐만아니라 GMR을 사용하여 실시될 수 있음을 이해할 것이다. 만약 GMR 센서가 MR 구성요소로써 사용된다면, 제1 및 제2 갭 층으로 불리는 절연층들이 MR 구성요소(309)와 제1 및 제2 쉴드들(303, 323) 사이에 제공될 것이다. 리드들은 그 뒤 MR 구성요소(309)의 측면들 각각에 감지 전류를 제공하도록 형성될 것이다. 그러한 경우에, 상부 압축층(351, 353) 및 하부 압축층들(343, 345)이 감지 전류를 제공하기 위하여 두배의 리드가 될 것이다.
본 발명은, 자기 핀드 MR 센서 내의 진폭 변형에 대한 저항을 향상시키기 위한 피닝 기술을 제공함으로써, 종래 기술의 많은 문제점을 극복하고 있다. 다양한 실시예들이 기술되었지만, 그러한 실시예들은 오직 예시적인 것이며, 본 발명을 제한하고자 함이 아님을 이해할 것이다. 그러므로, 청구범위에서 규정된 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한, 당업자에 의하여 수많은 개조가 이루어질 수 있음을 물론이다.
본 발명은 자기저항 센서에서 자기-핀드층의 향상된 피닝을 위한 자기저항 구조를 제공한다. 본 발명은 볼록부(raised portion) 및, 그로부터 측면으로 확장하는 반대 측면의 오목부(recessed portion)들을 구비한 쉴드 상에 구축된 센서를 포함한다. 본 발명은 또한 쉴드의 볼록부 상에 형성된 자기저항 구성요소를 포함한다. 자기저항 구성요소는 예컨대 GMR 센서(CIP 또는 CPP), 또는 TMR 일 수 있다. 제1 및 제2 압축층(compressive layer)들이 쉴드의 오목부(recessed portion)들 상에 형성된다. 제1 및 제2 하드 자기 층들은 압축층들 위에 형성된다.
쉴드의 오목부들은 이후의 포토리소그래피 공정들에 대한 토포그래피 문제를 생성하지 않고, 압축층들이 다른 가능한 것보다 바람직하게 더 두껍게 배치될 수 있도록 한다. 예컨대, Cu 와 같은 압축 물질들은 불연속성을 가지고 형성되는 경우, 일부 물질들과 같이 그 불연속으로부터 회복하려고 하기보다는, 오히려 그 불연속성으로 확장되는 경향이 있는 물질들이다. 본 발명자들은 그러한 압축 물질들이 핀드층의 정자기 특성과 결합되는 경우 피닝을 매우 강화시킨다는 것을 발견하였다. 본 발명자들은 또한 압축층이 두꺼워질수록 피닝을 보조하는 기능이 더 강화된다는 것을 알게 되었다. 그러므로, 쉴드의 오목한 영역들에 의하여 압축층이 보 다 두꺼워질수록 보다 더 강한 피닝 보조가 제공된다.
본 발명의 센서는 GMR 센서(CIP 또는 CPP)일 수 있으며, 터널 밸브(TMR)일 수 있다. 만약 CPP GMR 또는 TMR이 사용된다면, 쉴드는 센서와 전기적으로 통신할 것이다. 도전층(conductive layer)들이 쉴드와 센서 사이에 포함되어 있는지 여부를 불문하고, 본질적으로 쉴드는 리드가 될 수 있다. 만약 센서가 CIP GMR 이라면, 쉴드는 절연 갭 층(insulating gap layer)에 의하여 센서로부터 전기적으로 절연될 것이다. 그러한 경우에, 센서로 감지 전류를 제공하기 위하여 센서의 반대 측면에 전류를 도통하도록 리드들이 제공될 수 있다.
CIP 센서의 경우에, 쉴드와 센서 사이에 절연층이 존재할 것이고, CIP 또는 MTJ 의 경우에는, 쉴드와 센서 사이에 도전층이 존재하거나 어떠한 층도 존재하지 않을 것이다. 센서의 각 측면에 상대적으로 두거운 압축층을 구비한 자기 핀드 센서를 구성하는 것은 압축층 상에 심각한 토포그라피(topography)를 유발하는데, 그 이유는 그 구조가 더 두꺼운 압축층을 수용하기 위하여, 센서의 각 측면으로부터 매우 강하게 올려져야만(flare) 하기 때문이다. 이것은 상부 쉴드와 기록 헤드를 구성하도록 사용되는 이후의 리소그래피 과정 동안 문제를 유발하는데, 이것은 일반적으로 판독 요소 후에 구성되는 것이다. 그러므로, 그 위에 센서가 구성되고 더 두꺼운 압축 물질를 수용하기 위한 오목 측면 부 및, 볼록부를 구비하는 쉴드 상에 센서를 구성하는 것은 이후의 처리 단계들을 가능하게 하는 구조의 최상부에 토포그래피를 매우 향상시킨다.

Claims (20)

  1. 자기 센서로서,
    볼록부와, 상기 볼록부로부터 측면으로 확장되고 반대 측면에 위치한 제1 및 제2 오목부들을 구비하는 제1 자기 쉴드층과;
    상기 제1 자기 쉴드층의 상기 볼록부 위에 형성되는 자기저항 센서로서, 역평행 결합된 자기 핀드층과, 자유 자기 층을 구비하는, 상기 자기저항 센서와;
    상기 쉴드층의 상기 제1 및 제2 오목부들 위에 형성되는 제1 및 제2 압축 층들;
    을 포함하는 자기 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역평행 핀드층은 역평행 결합 층에 의하여 분리된 양(positive)의 자기변형을 갖는 제1 및 제2 강자성 층들을 포함하고, 상기 자기 핀드층의 피닝은 상기 제1 및 제2 강자성 층들 간의 자기변형과 정자기 결합의 조합에 의해 보조되는 것인 자기 센서.
  3. 제1항에 있어서, 상기 자기 핀드층은 반강자성 물질과의 교환 결합의 보조 없이 고정되는(pinned) 것인 자기 센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압축층들은 Cu 를 포함하는 것인 자기 센 서.
  5. 제1항에 있어서, 하드(hard) 자성 물질인 상기 제1 및 제2 층들 위에 형성된 제1 및 제2 금속 층들을 더 포함하는 자기 센서.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 금속 층들은 Rh 를 포함하는 것인 자기 센서.
  7. 제1항에 있어서, 상기 자기 센서는 상기 쉴드층의 상기 오목부들 위에 형성된 제1 및 제2 하드 자기 층들을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 하드 자성 물질 층들은 CoPt를 포함하고, 제1 및 제2 CrMo 시드층들을 더 포함하는 것인 자기 센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 자기 센서는 상기 쉴드층의 상기 오목부들 위에 형성된 제1 및 제2 하드 자기 층들을 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 하드 자성 물질 층들은 CoPtCr 을 포함하고 제1 및 제2 Cr 시드층들을 더 포함하는 것인 자기 센서.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압축층들 각각은 적어도 200 Å의 두께를 갖는 것인 자기 센서.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압축층들 각각은 적어도 750 Å의 두께를 갖는 것인 자기 센서.
  11. 제1항에 있어서, 상기 역평행 핀드층과 상기 자유 자기 층 사이에 배치된 절연층을 더 포함하는 자기 센서.
  12. 제1항에 있어서, 상기 역평행 핀드층과 상기 자유 자기 층 사이에 배치된 전기적 도전층을 더 포함하는 자기 센서.
  13. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 강자성 층들은 양(positive)의 자기변형을 갖는 재료를 포함하는 것인 자기 센서.
  14. 제1항에 있어서, 상기 쉴드층은 상기 역평행 핀드층과 전기적으로 통신하는 것인 자기 센서.
  15. 제1항에 있어서, 상기 쉴드층과 상기 역평행 핀드층 사이에 배치된 전기적 절연층을 더 포함하는 자기 센서.
  16. 제1항에 있어서, 상기 핀드층의 상기 강자성 층들 중 적어도 하나의 강자성 층은 CoFe 를 포함하는 것인 자기 센서.
  17. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 압축층들은 적어도 17 Å의 두께를 갖는 것인 자기 센서.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 압축층들 위에 형성된 제1 및 제2 하드(hard) 자기 바이어스 층들과;
    상기 제1 및 제2 하드 바이어스 층들 위에 형성된 제3 및 제4 압축층들;
    을 더 포함하는 자기 센서.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제3 및 제4 압축층들은 Rh 를 포함하는 것인 자기 센서.
  20. 데이터 저장 시스템으로서,
    하우징과;
    하우징에 결합된 모터와;
    상기 모터와 결합한 스핀들과;
    자신의 축 주위를 회전하기 위하여 상기 스핀들 상에 지지되는 자기 디스크와;
    액츄에이터와;
    상기 디스크의 표면에 걸쳐 피벗 운동을 위하여 상기 액츄에이터에 의하여 지지되는 슬라이더와;
    상기 슬라이더 상에 형성된 자기 센서;
    를 포함하고,
    상기 자기 센서는,
    볼록부와, 상기 볼록부로부터 측면으로 확장되고 반대 측면에 위치한 제1 및 제2 오목부들을 구비하는 제1 자기 쉴드층과;
    상기 제1 자기 쉴드층의 상기 볼록부 위에 형성되는 자기저항 센서로서, 역평행 결합된 자기 핀드층과 자유 자기 층을 구비하는, 상기 자기저항 센서와;
    상기 쉴드층의 상기 반대 측면에 위치한 제1 및 제2 오목부들 위에 형성되는 제1 및 제2 압축 층들;
    을 포함하는 것인 데이터 저장 시스템.
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