절연 반강자성층을 가지는 자기 터널 접합 헤드 구조 {MAGNETIC TUNNEL JUNCTION HEAD STRUCTURE WITH INSULATING ANTIFERROMAGNETIC LAYER}

본 발명은 일반적으로 자기 매체로부터 정보 신호를 판독하기 위한 자기 터널 접합 변환기(magnetic tunnel junction transducers)에 관한 것이며, 구체적으로는 전기적으로 절연된 반강자성층을 구비하는 자기 터널 접합 센서(magnetic tunnel junction sensor) 및 이러한 센서를 일체로 구성하는 자기 기억 시스템(magnetic storage systems)에 관한 것이다.

대부분의 컴퓨터는 이후에 사용하기 위해 데이터를 기록하고 판독할 수 있는 매체를 구비하는 보조 메모리 기억 장치를 포함한다. 통상적으로 회전 자기 디스크를 일체로 구성하는 직접 액세스 기억 장치(direct access storage device; DASD)는 데이터를 디스크 표면 상에 자기 형태로 저장하는데 사용된다. 데이터는 디스크 표면 상에서 방사상으로 이격된 동심(concentric) 트랙 상에 기록된다. 그후 판독 센서를 포함하는 자기 헤드를 사용하여 디스크 표면 상의 트랙으로부터 데이터를 판독한다.

고용량 디스크 드라이브에서는 통상적으로 자기저항(magnetoresistive; MR) 센서라고 지칭되는 MR 판독 센서가 널리 사용되는데, 그 이유는 MR 판독 센서가 박막 유도 헤드(thin film inductive head)에 비해 더 큰 트랙 및 더 큰 선형 밀도(linear density)로 디스크 표면으로부터 데이터를 판독할 수 있는 능력이 있기 때문이다. MR 센서는 MR층에 의해 감지되는 자속의 세기 및 방향의 함수로서 MR 감지층(또는 "MR"소자라고도 함)의 저항 변화를 통해 자계를 검출한다.

종래의 MR 센서는 MR 소자의 저항 변화가 MR 소자의 자화(magnetization)의 방향과 MR 소자를 통해 흐르는 감지 전류의 방향 사이의 각도의 코사인 제곱값에 비례하는 이방성 자기저항(anisotropic magnetoresistive; AMR) 효과에 기초하여 동작한다. 자기 매체로부터 기록된 데이터를 판독할 수 있는데, 이는 기록된 자기 매체(신호 필드)에서 발생한 외부 자계가 MR 소자의 자화 방향을 변화시키고, 따라서 MR 소자의 저항 변화 및 이에 대응하는 감지 전류 또는 전압의 변화를 발생시키기 때문이다.

MR 센서의 다른 형태는 거대 자기저항(giant magnetoresistance; GMR) 효과를 나타내는 GMR 센서이다. GMR 센서에서 MR 감지층의 저항의 변화는 비자성층(스페이서)에 의해 분리되는 자성층간의 전도 전자의 스핀-의존 전도(spin-dependent transmission) 및 자성층과 비자성층 사이의 인터페이스 영역과 자성층 내에서 이에 수반하여 발생하는 스핀-의존 산란(spin-dependent scattering)의 함수이다.

비자성 재료(예를 들어 구리)층에 의해 분리되며, 강자성 재료(예를 들어 Ni-Fe)로 이루어진 2개의 층만을 사용하는 GMR 센서는 일반적으로 스핀 밸브(spin valve; SV) 효과를 사용하는 SV 센서로 지칭된다.

도 1은 중앙 영역(102)에 의해 분리된 단부 영역(104, 106)을 포함하는 종래 기술에 의한 SV 센서(100)를 도시한다. 고정층(120)으로 지칭되는 제1 강자성층은 통상적으로 반강자성(antiferromagnetic; AFM)층(125)과의 교환 결합(exchange coupling)에 의해 고정된 자화를 가진다. 자유층(110)으로 지칭되는 제2 강자성층의 자화는 고정되지 않으며, 기록된 자기 매체(신호 필드)로부터의 자계에 응답하여 자유로이 회전한다. 자유층(110)은 비자성(non-magnetic)이며 전기적으로 도전성을 갖는 스페이서층(115)에 의해 고정층(120)과 분리된다. 단부 영역(104, 106)에 형성된 하드 바이어스층(hard bias layers; 130, 135)은 각각 자유층(110)에 대한 종방향 바이어스를 제공한다. 하드 바이어스층(130, 135) 상에 형성된 리드(140, 145)는 각각 SV 센서(100)의 저항을 감지하기 위한 전기적 연결을 제공한다. 본 발명에 참조되어 본 발명의 일부를 이루는, Dieny 등에게 특허 허여된 IBM사의 미합중국 특허 번호 제 5,206,590호는 SV 효과에 기초하여 동작하는 GMR 센서에 대하여 개시하고 있다.

현재 개발 중인 자기 소자의 다른 형태는 자기 터널 접합(MTJ) 소자이다. MTJ 소자는 메모리 셀 및 자계 센서에 적용 가능하다. MTJ 소자는 전기적으로 절연된 박막 터널 장벽층에 의해 분리되는 2개의 강자성층을 포함한다. 터널 장벽층은 강자성층들 사이에서 전하 캐리어의 양자 역학(quantum-mechanical)적 터널링을 발생시키기에 충분히 얇은 박막이다. 터널링 공정은 전자 스핀에 종속적인데, 이는 접합 양단의 터널링 전류가 강자성 재료의 스핀 의존적(spin-dependent)인 전자 특성에 좌우되고 2개의 강자성층의 자기 모멘트 또는 자화 방향의 상대적 배향의 함수라는 것을 의미한다. MTJ 센서에서, 하나의 강자성층은 고정된 자기 모멘트를 가지며, 다른 강자성층은 기록 매체(신호 필드)로부터의 외부 자계에 응답하여 자유롭게 회전할 수 있는 자기 모멘트를 가진다. 2개의 강자성층들 사이에 전위가 인가되는 경우, 센서 저항은 강자성층들 사이의 절연층 양단의 터널링 전류의 함수이다. 터널 장벽층을 수직으로 통과하여 흐르는 터널링 전류가 2개의 강자성층들의 상대적 자화 방향에 좌우되기 때문에, 기록된 데이터를 자기 매체로부터 판독할 수 있는데, 이는 신호 필드가 자유층 자화 방향의 변화를 일으키고, 이것이 MTJ 센서의 저항 변화 및 이에 따른 감지 전류 또는 전압의 변화를 발생시키기 때문이다. 본 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이루는, Gallagher 등에게 특허 허여된 IBM사의 미합중국 특허 번호 제 5,650,958호는 자기 터널 접합 효과에 기초하여 동작하는 MTJ 센서에 대하여 개시하고 있다.

도 2a는 제1 전극층(204), 제2 전극층(202), 및 터널 장벽층(215)을 포함하는 종래 MTJ 센서(200)를 도시한다. 제1 전극층(204)은 고정층(고정 강자성층; 220), 반강자성층(AFM layer; 230), 및 시드층(seed layer; 240)을 포함한다. 고정층(220)의 자화는 AFM층(230)과의 교환 결합을 통해 고정된다. 제2 전극층(202)은 자유층(자유 강자성층; 210) 및 캡층(cap layer; 205)을 포함한다. 자유층(210)은 비자성이며 전기적으로 절연성을 가지는 터널 장벽층(215)에 의해 고정층(220)과 분리된다. 외부 자계가 인가되지 않는 경우, 자유층(210)은 화살표(212)로 표시되는 방향, 즉 화살표(222)(지면을 뚫고 들어가는 화살의 꼬리)에 의해 표시된 고정층(220)의 자화 방향과 일반적으로 수직을 이루는 자화 방향을 가진다. 제1 전극층(204) 및 제2 전극층(202)과 접속하여 형성된 제1 리드(260) 및 제2 리드(265)는 각각 전류원(270)으로부터 MTJ 센서(200)로 흐르는 감지 전류 I _s 의 흐름을 위한 전기적 접속을 제공한다. 통상적으로 제1 리드(260) 및 제2 리드(265)와 연결된 PRML(partial-response maximum-likelihood) 채널과 같은 기록 채널을 포함하는 신호 검출기(280)는 외부 자계에 의해 자유층(210)에 유도된 변화에 기인하는 저항 변화를 감지한다.

도 2b는 종래 기술에 의한 MTJ 센서(200)의 공기 베어링 표면과 수직인 단면도이다. MTJ 센서(200)는 ABS에서 전방 에지(291)를 가지며, ABS로부터 터널 장벽층(215)의 후방 에지에 의해 구성되는 후방 에지(292)까지 연장되는 센서 스트라이프(290)를 포함한다. 리드(260, 265)는 감지 전류 I _S 가 터널 장벽층(215)과 수직인 방향으로 흐르도록 하는 전기적 접속을 제공한다. 전기적 절연층(250)은 감지 전류가 센서 스트라이프(290)의 후방 에지(292)에서 터널 장벽층 주위로 분로(shunt)가 형성되는 것을 방지한다.

MTJ 센서에서는, 감지 전류가 터널 장벽층과 수직인 방향으로 흐르기 때문에, 터널 장벽층을 제외하고는 리드층 사이에 배열된 모든 층들은 상당히 높은 전기적 도전성을 요구한다. 이들 층들 중의 하나가 강자성 고정층의 자화 방향을 고정시키는데 사용되는 AFM 층이다. Mn-Fe는 종래 MTJ 센서에서 사용되었던 양호한 전기적 도전성을 갖는 반강자성체이다. 그러나 Mn-Fe은 내부식성(corrosion resistance)이 불량한데, 이는 제조 과정이 진행되는 동안 중요한 사항으로 디스크 드라이브 환경에서 MTJ 센서의 장기적 안정성 측면에 있어서 바람직하지 못한 결과를 가져온다. 높은 내부식성을 가지는 다른 AFM 재료로서 NiO 및 α-Fe ₂ O ₃ /NiO으로 이루어진 이중층(bilayer)을 들 수 있으나, 이들 AFM 재료는 전기적으로 절연성을 가지기 때문에, 통상적인 MTJ 센서 구조에서 리드들 사이를 흐르는 감지 전류가 터널 장벽층과 수직인 방향으로 흐르도록 하는 경로를 제공하지 않는다.

따라서 고정층의 자화를 고정시키는데 사용되는 고정층에 높은 내부식성을 가지는 NiO 및 α-Fe ₂ O ₃ /NiO와 같은 전기적으로 절연성을 갖는 AFM 재료의 사용을 허용하는 MTJ 센서 구조 및 이러한 구조를 가지는 MTJ 센서의 제조 공정이 필요하다.

본 발명의 목적은 전기적으로 절연성을 갖는 AFM층을 구비하는 자기저항 터널 접합(magnetoresistive tunnel junction; MTJ) 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 NiO로 이루어진 AFM층을 가지는 MTJ 센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기적으로 절연성을 갖는 AFM층을 사용하며, 자기 실드와 전기적으로 접촉하는 고정층 구조를 가지는 MTJ 센서를 제공하는 것으로, 여기서 실드는 전기적 리드의 기능을 수행한다.

본 발명의 원리에 따라, ABS 표면에서 2개의 대향하는 측면 에지, 후방 에지, 및 전방 에지를 가지는 일반적으로 직사각형 형태를 가지는 MTJ 센서 스트라이프를 포함하는 MTJ 센서에 대하여 개시한다. 센서 스트라이프는 절연 반강자성 재료인 NiO로 이루어진 AFM층을 포함하는 스택층을 포함한다. AFM층 상에 증착된 강자성 고정층은 MTJ 센서 스트라이프의 후방 에지(공기 베어링 표면에서 스트라이프의 전방 에지와 마주보는 에지) 후면의 강자성 제1 실드와 전기적으로 접촉하여, 감지 전류가 전기적으로 절연성을 갖는 AFM층을 바이패스하도록 하는 감지 전류에 대한 경로를 제공한다. 감지 전류는 MTJ 센서 스트라이프의 고정층으로부터 터널 장벽층 및 자유층을 통과하여 강자성 제2 실드로 흐르며, 여기서 강자성 제2 실드는 MTJ 센서에 대해 제2 전기적 리드의 기능을 수행한다.

MTJ 센서는 제1 실드 상에 순차적으로 증착된 시드층, AFM층, 고정 강자성층, 터널 장벽층, 자유 강자성층, 및 캡층을 포함한다. 시드층과 AFM층을 증착한 후, AFM층을 포토리소그래피(photolithography) 기술을 사용하여 센서 스트라이프의 후방 에지를 지나서 연장되는 AFM층의 후방 에지를 가지도록 형성한다. 고정 강자성층은 AFM층 상에서 AFM 후방 에지를 지나서 제1 실드 상에 증착되어, 제1 실드와 전기적으로 접촉한다. 그후 터널 장벽층, 자유층, 및 캡층이 순차적으로 증착되고 이들을 포토리소그래피 기술에 의해 패턴화하여 MTJ 센서 스트라이프를 형성한다. 그후 전기적 절연층을 전체 MTJ 센서 영역 상에 증착한다. MTJ 센서 스트라이프를 덮고 있는 포토레지스트를 제거하고, 강자성 재료로 이루어진 제2 실드를 MTJ 센서 상에 증착한 후, MTJ 센서 스트라이프의 제2 전극과 직접 전기적으로 접촉시킨다.

본 발명의 MTJ 센서 구조에서, 강자성 제1 및 제2 실드는 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이 MTJ 센서를 부유 자계(stray magnetic fields)로부터 자기적으로 차폐(magnetic shielding)하고, 또한 감지 전류를 MTJ 스택의 제1 및 제2 전극에 각각 제공하는 전기적 리드의 기능을 수행한다. 본 실시예에서 사용된 AFM층이 전기적으로 절연성을 가지기 때문에, 제1 실드와 고정층이 센서 스트라이프의 후방 에지 후면에서 직접 접촉함으로써 MTJ 센서의 제1 전극에 감지 전류 경로를 제공한다. MTJ 센서의 단부 영역 및 센서 스트라이프의 후방 에지에서의 전기적 절연층 재료는 감지 전류가 제1 및 제2 실드 사이의 터널 장벽층 주위로 분로되어 흐르는 것을 방지한다.

전술한 본 발명의 목적, 특징, 및 이점 이외에도 추가 목적, 특징, 및 이점이 다음의 상세한 기술에 명확하게 기술되어 있다.

도 1은 종래 SV 센서의 공기 베어링 표면 도면(동일 축적은 아님).

도 2a는 종래 자기 터널 접합 센서의 공기 베어링 표면 도면(동일 축적은 아님).

도 2b는 종래 자기 터널 접합 센서의 공기 베어링 표면의 수직 단면도(동일 축적은 아님).

도 3a는 자기 기록 디스크 드라이브 시스템의 단순화된 도면.

도 3b는 실드들(shields) 사이에 위치하며, 유도성 기록 헤드에 인접한 MTJ 판독 헤드를 구비하는 유도성 기록/MTJ 판독 헤드의 수직 단면도(동일 축적은 아님).

도 4a는 본 발명 자기 터널 접합 센서의 제1 실시예에 따른 공기 베어링 표면 도면(동일 축적은 아님).

도 4b는 본 발명 자기 터널 접합 센서의 공기 베어링 표면의 수직 단면도(동일 축적은 아님).

도 5a는 본 발명 자기 터널 접합 센서의 제2 실시예에 따른 공기 베어링 표면 도면(동일 축적은 아님).

도 5b는 본 발명 자기 터널 접합 센서의 제3 실시예에 따른 공기 베어링 표면의 수직 단면도(동일 축적은 아님).

첨부된 도면과 관련하여 다음의 상세한 기술을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시 형태뿐만 아니라 본 발명의 특성 및 이점이 보다 완전하게 이해될 수 있다. 첨부된 도면에서, 동일한 참조 번호는 전체 도면을 통해 동일하거나 유사한 부품을 지칭한다.

본 발명을 실시하기 위해 현재 고려 중인 최적의 실시예가 이하에서 기술된다. 이러한 기술은 본 발명의 일반적인 원리를 예시하기 위한 것이며, 본 명세서 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 개념을 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 3a를 참조하여 설명하면, 본 발명을 구현하는 디스크 드라이브(300)가 예시되어 있다. 도 3a에 예시되어 있는 바와 같이, 적어도 하나의 회전가능한 자기 디스크(312)가 스핀들(314) 상에서 지지되며, 디스크 드라이브 모터(318)에 의해 회전한다. 각 디스크 상의 자기 기록 매체는 디스크(312) 상에서 환상 패턴(annular pattern)의 동심원 데이터 트랙(도시되지 않음) 형태를 가진다.

적어도 하나의 슬라이더(313)가 디스크(312) 상에 위치하며, 각 슬라이더(313)는 하나 이상의 자기 판독/기록 헤드(magnetic read/write heads; 321)를 지지하며, 여기서 헤드(321)는 본 발명의 MTJ 센서를 일체로 구성한다. 디스크가 회전함에 따라, 슬라이더(313)가 디스크 표면(322) 상에서 방사상 내부 또는 외부로 이동하기 때문에, 헤드(321)는 원하는 데이터가 기록된 디스크의 여러 부분을 액세스할 수 있다. 서스펜션(315)에 의해 각 슬라이더(313)가 액츄에이터 암(actuator arm; 319)에 부착된다. 서스펜션(315)은 디스크 표면(322)에 대하여 슬라이더(313)를 바이어싱시키는 약간의 스프링력을 제공한다. 각 액츄에이터 암(319)이 액츄에이터(327)에 부착된다. 도 3에 도시된 액츄에이터는 보이스 코일 모터(voice coil motor; VCM)가 될 수 있다. VCM은 고정 자계 내에서 이동가능한 코일을 포함하며, 코일 움직임의 방향 및 속도는 제어장치(329)에 의해 공급된 모터 전류 신호에 의해 제어된다.

디스크 저장 시스템이 동작하는 동안, 디스크(312)의 회전은 슬라이더(313)와 디스크 표면(322) 사이에서 슬라이더에 상승력 또는 양력을 발휘하는 공기 베어링을 생성한다(헤드(321)를 포함하고 디스크(312) 표면을 향하는 슬라이더(313) 표면을 공기 베어링 표면(air bearing surface; ABS)이라 지칭함). 따라서 공기 베어링은 슬라이더 서스펜션(315)의 약간의 스프링력과 균형을 이루어, 정상적인 동작이 진행되는 동안 디스크 표면에서 약간 대체로 일정한 작은 공간만큼 이격되어 디스크 표면의 약간 위에서 슬라이더(313)를 지지한다.

디스크 저장 시스템의 여러 가지 구성 요소는 동작 시에 액세스 제어 신호 및 내부 클록 신호와 같은 제어 유닛(329)에 의해 생성된 제어 신호에 의해 제어된다. 통상적으로 제어 유닛(329)은 논리 제어 회로, 저장 칩 및 마이크로프로세서를 포함한다. 제어 유닛(329)은 라인(323) 상에서는 드라이브 모터 제어 신호를 라인(328) 상에서는 헤드 위치 및 탐색 제어 신호와 같은 여러 가지 시스템 동작을 제어하기 위한 제어 신호를 생성한다. 라인(328) 상의 제어 신호는 슬라이더(313)를 최적으로 이동시켜 디스크(312) 상의 바람직한 데이터 트랙으로 위치시키기 위한 전류 프로파일(current profiles)을 제공한다. 판독 및 기록 신호는 기록 채널(recording channel; 325)에 의해 판독/기록 헤드(321)로부터 판독되거나 판독/기록 헤드(321)에 기록된다.

통상적인 자기 디스크 저장 시스템에 대한 전술한 설명 및 이에 수반되는 도 3a는 단지 예시하기 위한 것이다. 디스크 저장 시스템이 복수의 디스크 및 액츄에이터를 포함할 수 있으며, 각 액츄에이터는 복수의 슬라이더를 지지할 수 있다는 점에 유의하여야 한다.

도 3b는 MTJ 판독 헤드부 및 유도 기록 헤드부를 포함하는 본 발명을 구현하기 위한 판독/기록 헤드(321)의 개략적인 단면도를 예시한다. 헤드(321)를 래핑(lapping)하여 ABS를 형성한다. 판독 헤드는 제1 및 제2 실드층(S1, S2) 사이에 배치된 MTJ 센서(340)를 포함한다. 절연 갭층(G1)은 제1 및 제2 실드층(S1, S2) 사이 중 MTJ 센서로부터 먼 쪽 영역에 배치된다. 기록 헤드는 코일층 C 및 절연층(IN2)을 포함하는데, 여기서 코일층(C) 및 절연층(IN2)은 절연층(IN1, IN3) 사이에 배치되어 있으며, 이들 절연층(IN1, IN3)은 제1 및 제2 극편(pole pieces; P1, P2) 사이에 배치되어 있다. 갭층(G2)은 ABS와 인접한 극 팁(pole tip)에서 자기 기록 갭(magnetic write gap)을 제공하도록 제1 및 제2 극편(pole pieces; P1, P2) 사이에 배치된다. 도 3b에 예시된 판독/기록 결합 헤드(321)는 판독 헤드의 제2 실드층(S2)이 기록 헤드의 제1 극편(P1)으로 사용되는 "병합(merged)" 헤드이다.

도 4a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 MTJ 센서(400)의 공기 베어링 표면(ABS)의 도면을 예시한다. MTJ 센서(400)는 중앙 영역(462)에 의해 서로 분리된 단부 영역(464, 466)을 포함한다. MTJ 센서(400)의 활성 영역은 중앙 영역(462)에 형성된 MTJ 센서 스트라이프(403)이다. MTJ 센서 스트라이프(403)는 ABS에서 2개의 대향하는 측면 에지(407, 408), 및 전방 에지(491)와 대향하는 후방 에지(예시되지 않음)를 갖는 대체로 직사각형 형태를 가진다. MTJ 센서 스트라이프(403)는 제1 전극(404), 제2 전극(402), 및 제1 전극(404)과 제2 전극(402) 사이에 배치된 터널 장벽층(415)을 포함한다. 제1 전극(404)은 고정층(420), AFM층(430), 및 시드층(44)을 포함하는데, 여기서 고정층(420)은 터널 장벽층(415)과 AFM층(430) 사이에 배치되며, AFM층(430)은 고정층(420)과 시드층(440) 사이에 배치된다. 제2 전극(402)은 자유층(410) 및 캡층(405)을 포함하는데, 여기서 자유층(410)은 터널 장벽층(415)과 캡층(405) 사이에 배치된다.

AFM층(430)은 고정층(420)과 교환 결합하여, 고정층(420)의 자화 방향을 ABS와 수직으로 고정시키기 위한 교환 자계(exchange field)를 제공한다. 자유층(410)의 자화 방향은 ABS와 평행하며, 신호 자계가 인가되는 경우 자유로이 회전한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, MTJ 센서 스트라이프(403)는 제1 실드(S1; 460) 상의 중앙 영역(462)에 형성된다. 제1 실드(460)는 Ni-Fe(퍼멀로이; permalloy) 또는 대안적으로 Al-Fe-Si(센더스트; sendust)와 같은 자화시키기 용이한(soft) 강자성 재료로 이루어진 층으로, 기판(401) 상에 증착되며 중앙 영역(462) 및 단부 영역(464)에 걸쳐 연장되어, MTJ 센서를 부유 자계로부터 자기적으로 차폐시키는 기능을 한다. Al ₂ O ₃ 과 같은 전기적 절연 재료로 이루어진 절연층(450)은 단부(464, 466) 및 MTJ 센서 스트라이프(403)의 후방 에지의 후면에 형성된다. Ni-Fe, 또는 대안적으로 Al-Fe-Si와 같은 자화시키기 용이한 강자성 재료로 이루어진 제2 실드(S2; 461)는 단부(464, 466)의 절연층(450) 상에, 그리고 중앙 영역(462)의 MTJ 센서 스트라이프(403) 상에 형성된다.

도 4b는 ABS와 수직인 MTJ 센서(400)의 단면도를 예시한다. MTJ 센서 스트라이프(403)는 ABS에서 전방 에지(491)를 가지며, ABS로부터 터널 장벽층(415)의 후방 에지에 의해 형성된 후방 에지(492)까지 연장된다. 본 발명의 MTJ 센서의 AFM층이 전기적으로 절연성을 가지는 재료로 이루어져 있으므로, 감지 전류가 AFM층(430)을 바이패스하여 터널 장벽층(415)과 수직으로 흐르도록 하기 위한 경로를 제공할 필요가 있다. MTJ 센서 스트라이프 후방 에지(492)에 비해 ABS로부터 훨씬 더 멀리 떨어진 위치에 AFM 후방 에지가 형성되도록 AFM층(430)을 패턴화한 후, AFM 후방 에지(494)에 비해 ABS로부터 더 멀리 떨어진 위치에 AFM층(430) 상 및 제1 실드(460)의 노출된 영역 상에 고정 강자성층(420)을 증착함으로써, 감지 전류에 대한 경로가 형성된다. MTJ 센서 스트라이프 후방 에지(492)가 ABS에서 단지 약 0.5 마이크로미터 떨어져 있으면서, AFM 후방 에지(494)는 ABS로부터 10-50 마이크로미터 범위만큼 떨어지도록 패턴화될 수 있다. 이러한 구조는 제1 실드(460)로부터 고정층(420)의 평면을 따라 고정층(420) 내로 흐르며, 터널 장벽층(415) 및 자유층(410)으로부터 제2 실드(461)를 횡단하여 흐르는 감지 전류 I _S 에 대한 경로를 제공한다. MTJ 센서 스트라이프 후방 에지(492)를 지나서 고정층(420) 상에 증착된 절연층(450)은 제1 및 제2 실드(460, 461) 사이에 전기적 절연을 제공하며, 감지 전류가 MTJ 센서 스트라이프(403) 주위로 분로되는 것을 방지한다. 감지 전류가 고정층(420)의 평면에서 흐르기 때문에, 그 자계를 사용하여 자유층(410)의 자기 상태를 안정화시킬 수 있다.

도 4a를 다시 참조하여 설명하면, 제1 및 제2 실드(460, 461)는 전류원(470)으로부터 나오는 감지 전류 I _S 가 MTJ 센서 스트라이프(403)로 흐르도록 하는 전기적 접속을 제공한다. 실드(460, 461)와 전기적으로 연결된 신호 검출기(480)는 외부 자계(예를 들어, 디스크 상에 저장된 데이터 비트에 의해 생성되는 자계)에 의해 자유층(410)에서 유도된 변화로 인한 저항 변화를 감지한다. 외부 자계는 자유층(410)의 자화 방향을 바람직하게는 ABS와 수직으로 고정된 고정층(420)의 자화 방향에 대해 회전시키는 기능을 한다. 신호 검출기(480)는 당업자에게 공지된 PRML 채널과 같은 디지털 기록 채널, 또는 피크 검출 채널 또는 최대 가능성 채널과 같은 다른 형태의 잘 알려진 기록 채널을 포함하는 것이 바람직하다. 또한 신호 검출기(480)는 당업자에게 잘 알려진 감지된 저항 변화를 조절하기 위한 프리앰프(preamplifier)(전기적으로 센서와 채널 사이에 위치함)와 같은 다른 보조 회로(supporting circuitries)를 포함한다.

도 4a 및 도 4b에 예시되어 있는 바와 같이, MTJ 센서(400)는 마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering) 또는 이온 빔 스퍼터링(ion beam sputtering) 시스템 내에서 다층 구조를 순차적으로 증착하도록 제조될 수 있다. 기판(401) 상에 약 5000-10000 Å범위의 두께를 가지는 Ni-Fe(퍼멀로이)으로 이루어진 제1 실드(S1; 460)가 증착된다. 시드층(440), AFM층(430), 고정층(420), 터널 장벽층(415), 자유층(410), 캡층(405)이 약 40 Oe의 종방향 또는 횡방향 자계가 인가되는 경우 제1 실드(460) 상에 모든 강자성층의 자화 용이축(easy axis) 방향을 지향하도록 순차적으로 증착된다. 시드층(440)은 후속 층들의 결정학적 구조(crystallographic texture) 또는 결정 입자의 크기(grain size)를 변경하도록 증착(deposit)된 층이며, 후속 층 재료에 따라서는 필요하지 않을 수도 있다. 시드층이 사용된 경우, 시드층은 약 30-50 Å의 두께를 가지는 탄탈룸(tantalum; Ta), 지르코늄(Zirconium; Zr), 니켈-철(nickel-iron; Ni-Fe) 또는 Al ₂ O ₃ 으로 형성될 수 있다. 산소를 포함하는 반응성 가스가 존재하는 경우 니켈 타겟(nickel target)을 스퍼터링함으로써 약 100-400 Å의 두께를 가지며 NiO로 구성된 AFM층(430)을 시드층(440) 상에 증착한다. 그후 포토리소그래피 기술을 사용하여 AFM층(430)을 패턴화하여, AFM 후방 에지(494)를 형성한다. AFM층(430) 상에 그리고 AFM 후방 에지(494)의 패턴화에 의해 노출된 제1 실드(460) 영역 상에 강자성 고정층(420)을 증착한다. 강자성 고정층(420)은 약 20-50 Å 범위의 두께를 가지는 Ni-Fe로 형성될 수 있거나, 또는 20-50 Å 범위의 두께를 가지는 Ni-Fe로 이루어진 서브층 및 Ni-Fe 서브층 상에 증착되며 약 5 Å의 두께를 가지는 Co로 이루어진 인터페이스층에 의해 형성될 수 있다. 강자성 고정층(420) 상에 8-20 Å의 알루미늄(aluminum; Al)을 증착한 후, 이를 플라즈마 산화시킴으로써 Al ₂ O ₃ 로 이루어진 터널 장벽층(415)을 형성한다. 강자성 자유층(410)은 약 20-50 Å 범위의 두께를 가지는 Ni-Fe층으로 이루어지거나, 또는 대안적으로 터널 장벽층(415) 상에 증착되며 약 5 Å의 두께를 가지는 Co로 이루어진 인터페이스층 및 Co 인터페이스층 상에 증착되며 약 20-50 Å의 두께를 가지는 Ni-Fe로 이루어진 서브층으로 이루어질 수 있다. 강자성 자유층(410) 상에 약 50 Å의 두께를 가지는 Ta로 형성된 캡층(405)이 증착된다. 캡층(405) 상에 포토레지스트층이 증착되며, 당업계에 잘 알려진 포토리소그래피 및 이온 밀링(ion milling) 공정을 사용하여 MTJ 센서 스트라이프(403)의 후방 에지(492) 및 중앙 영역(462)을 형성한다.

MTJ 스트라이프 후방 에지(492)의 후면 영역에 있는 고정층(420)의 노출된 부분 상에, 그리고 단부 영역(464, 466)의 제1 실드(S1; 460) 상에 절연층(450)을 증착할 수 있다. 중앙 영역(462)의 MTJ 센서 활성층의 전체 두께와 거의 동일한 두께를 가지는 알루미늄(Al)층을 증착한 후, 이를 플라즈마 산화시킴으로써 Al ₂ O ₃ 로 이루어진 절연층(450)을 형성할 수 있다. 그후 MTJ 센서 스트라이프(403)를 보호하는 포토레지스트를 제거하고, 노출된 MTJ 센서 스트라이프(403) 및 절연층(450) 상에 약 5000-10000 Å의 범위의 두께를 가지는 Ni-Fe(퍼멀로이)로 이루어진 제2 실드(461)를 증착한다.

제2 실드(461)는 제2 전극(402)과 전기적으로 접촉한다. 박막의 캡층(405)에 의해 자유 강자성층(410)을 제2 실드(461)로부터 분리시킴으로써, 자유층(410)과 제2 실드(461) 사이의 자기 결합(magnetic coupling)을 파괴시킨다.

도 5a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 MTJ센서(500)의 ABS 도면을 예시한다. 제2 실시예는 시드층(440) 및 AFM층(430)이 제1 실드(S1; 460) 상에서 중앙 영역(462)뿐만 아니라 단부 영역(464, 466)까지 연장된다는 점에서 도 4a 및 도 4b에 예시된 실시예와 다르다. AFM층(430)이 NiO와 같은 전기적 절연성을 가지는 AFM 재료에 의해 구성되므로, 단부 영역(464, 466) 내의 AFM층(430)은 제1 실드(S1; 460)와 제2 실드(S2; 461) 사이에 전기적 절연을 제공하여, 절연층(450)과 함께 제1 실드 (S1)와 제2 실드(S2) 사이에 전기적 단락을 방지한다. 바람직한 실시예에서는, MTJ 센서의 후방 에지에서의 구조 및 감지 전류 경로를 제공하기 위해 고정층(420)을 제1 실드(S1; 460)와 전기적으로 접촉시키기 위한 방법은 도 4b에 예시된 구조 및 방법과 동일하거나, 대안적으로 도 5b에 예시된 구조 및 전기적 접촉 방법을 사용할 수 있다.

도 5b는 본 발명의 제3 실시예에 따른, ABS와 수직인 MTJ 센서(510)의 단면도를 예시한다. 이 제3 실시예에서, 제1 실드(S1) 상에 증착된 시드층(440) 및 AFM층(430)은 ABS로부터 멀어지는 방향으로 제1 실드(S1) 전체에 걸쳐 연장된다. AFM층(430)이 전기적 절연성을 가지는 재료로 구성되기 때문에, AFM층(430)을 바이패스하여 터널 장벽층(415)과 수직인 방향으로 흐르는 감지 전류의 경로를 제공할 필요가 있다. 감지 전류의 경로는 AFM층(430) 상에 고정층(420)을 증착하기 전에 AFM(430)을 통과하는 개구(opening) 또는 비아(via; 496)를 형성함으로써 형성된다. 개구(496)는 당업자에게 잘 알려진 방법을 사용하여 MTJ 센서 스트라이프 후방 에지(492)에 비해 ABS로부터 더 멀리 떨어진 AFM층(430)의 영역 내에 형성된다. 고정층(420)은 AFM층(430)을 통과하는 개구(496)를 통해 노출된 AFM층(430) 및 제1 실드(S1; 460) 영역 상에 증착된다. 고정층(420)은 개구(496)를 통해 제1 실드(S1; 460)와 전기적으로 접속하여, 제1 실드(S1)로부터 고정층의 평면 내에서 그 평면을 따라 흐르며 터널 장벽층(415) 및 자유층(410)을 횡단하여 제2 실드(S2; 461)로 흐르는 감지 전류 I _S 에 대한 경로를 제공한다. 고정층(420) 상에서 MTJ 스트라이프 후방 에지(492)의 후면에 증착된 절연층(450)은 제1 실드와 제2 실드(460, 461) 사이에 전기적 절연을 제공하며, 감지 전류가 MTJ 센서 스트라이프(403) 주위로 분로되는 것을 방지한다.

대안적으로 α-Fe ₂ O ₃ /NiO 이중층으로 이루어진 AFM층(430)을 형성함으로써, 본 발명에 따른 MTJ 센서(400)를 제조할 수 있다.

본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 상세하게 예시되고 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 원리, 범위, 개시를 벗어나지 않고 형식 및 상세한 설명에 대하여 여러 가지 변화가 이루어질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 명세서에 개시된 발명은 단지 예시적인 것이며, 본 발명의 범위는 단지 다음의 특허청구범위에 의해서만 제한될 수 있다.

본 발명의 MTJ 센서 구조에서, 강자성 제1 및 제2 실드는 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이 MTJ 센서를 부유 자계로부터 자기적으로 차폐하고, 또한 감지 전류를 MTJ 스택의 제1 및 제2 전극에 각각 제공하는 전기적 리드의 기능을 수행한다. 본 실시예에서 사용된 AFM층이 전기적으로 절연성을 가지기 때문에, 제1 실드와 고정층이 센서 스트라이프의 후방 에지 후면에서 직접 접촉함으로써 MTJ 센서의 제1 전극에 감지 전류 경로를 제공한다. MTJ 센서의 단부 영역 및 센서 스트라이프의 후방 에지에서의 전기적 절연층 재료는 감지 전류가 제1 및 제2 실드 사이의 터널 장벽층 주위로 분로되어 흐르는 것을 방지한다.