專利名稱：磁電阻傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于磁記錄裝置如磁盤驅動器和磁帶驅動器中的磁電阻傳感器。
隨著磁盤驅動器記錄密度的提高，一個數(shù)位的記錄面積減少并且介質所產生的磁場也相應地變小。目前市場上磁盤驅動器的記錄密度大約為10Gbit/in2，并且正以大約每年200％的速率增加。因此希望開發(fā)一種能支持微小磁場范圍和能檢測較小外部磁場的變化的磁電阻傳感器和磁電阻磁頭。
目前，利用自旋閥(spin valve)GMR效應的自旋閥磁電阻傳感器廣泛應用于磁頭。在此種具有自旋閥結構的磁電阻傳感器中，自由鐵磁層(自由層)中的磁化方向被記錄介質的信號磁場改變，從而此磁化方向與固定鐵磁層(釘軋層)中磁化方向的相對角度改變，導致磁電阻傳感器的電阻發(fā)生變化。在磁頭中使用此磁電阻傳感器的情況下，釘軋層中磁化方向固定為磁電阻元件的高度方向，而在不施加外部磁場的條件下自由層中的磁化方向一般設計為磁電阻元件的寬度方向，此方向與釘軋層正交。
相應地，根據(jù)磁記錄介質的信號磁場方向與釘軋層的磁化方向是平行或是不平行，磁電阻傳感器的電阻可線性增加或減小。此種線性電阻變化有利于磁盤驅動器中的信號處理。在常規(guī)磁電阻傳感器中，檢測電流沿與磁電阻元件的膜表面平行的方向通過，讀取電阻隨外部磁場的變化。在此種CIP(平面內電流)結構的情況中，電流沿與GMR膜表面平行的方向通過，傳感器的輸出隨著由一對電極接線端所確定的傳感器區(qū)域的減小而降低。進而，在具有CIP結構的自旋閥磁電阻傳感器中，要求在GMR膜和上磁屏蔽之間與在GMR膜和下磁屏蔽之間有絕緣膜。
也就是說，上、下磁屏蔽之間的距離等于GMR膜的厚度與每個絕緣膜的兩倍厚度之和。目前，絕緣膜的厚度最小為大約20nm。相應地，上、下磁屏蔽之間的距離等于GMR膜的厚度加上大約40nm。然而，由于具有此距離，難以支持減少記錄介質上記錄位的長度，并且，電流CIP自旋閥磁電阻傳感器不能滿足磁屏蔽間距減少到40nm或更小的要求。
在這些情況中認為，具有CIP結構的磁頭可支持的記錄密度最大為20-40Gbit/in2，此CIP結構利用自旋閥GMR效應。即使應用鏡面散射最新技術，最大記錄密度也才達到60Gbit/in2。如上所述，磁盤驅動器記錄密度的增加迅速，希望記錄密度到2002年能達到80Gbit/in2。當記錄密度變?yōu)?0Gbit/in2或更高時，考慮到輸出和磁屏蔽之間的距離，即使使用采納最新鏡面散射的CIP自旋閥GMR磁頭，也非常難以支持此種高記錄密度。
對于用于解決上述問題的后自旋閥GMR，已提出隧道MR(TMR)和具有CPP(與平面正交的電流)結構的GMR，以使電流沿與GMR膜表面正交的方向通過。TMR具有在兩個鐵磁層之間夾有薄絕緣層的結構。通過絕緣層的隧道電流量隨著兩個鐵磁層中的磁化方向而改變。TMR表現(xiàn)出非常大的電阻變化并具有良好的靈敏度，它有望成為有前景的后自旋閥GMR。
另一方面，在具有CPP結構的GMR情況中，輸出隨著其中通過檢測電流的一部分GMR膜的橫截面積的減少而增加。CPP結構的此特點是比CIP結構更好的優(yōu)點。TMR還被認為是一種CPP結構，因為電流從一個鐵磁層通過絕緣層到達另一鐵磁層。因此，TMR也具有上述優(yōu)點。


圖1示出現(xiàn)有技術中具有CPP結構的磁電阻傳感器2的橫截面示意圖。磁電阻傳感器2由下電極層4、絕緣體基體6、磁電阻膜8和上電極層10組成。在絕緣體基體6基本中央的部分上形成接觸孔12。磁電阻膜8在接觸孔12與下電極層4接觸。檢測電流從上電極層10向著下電極層4的方向通過磁電阻膜8的接觸孔12。
采用適合微觀制作的干燥蝕刻形成接觸孔12。磁電阻傳感器2的輸出ΔR和接觸孔12的直徑D之間的關系表達如下ΔR∝1/D2在信息處理、通訊、磁記錄、光學記錄等領域中使用的大多數(shù)器件中，中間夾有絕緣體的兩個導體之間的電連接由在絕緣體中形成的圓孔(接觸孔)建立。接觸孔一般通過適合器件微觀制作的干燥蝕刻而形成。
干燥蝕刻工藝包括分解等離子體產生的氣體，產生諸如離子和原子團的活性物質；使基板暴露在活性物質下，使活性物質和待蝕刻的材料之間發(fā)生反應；隨后執(zhí)行構圖和去除保護層。然而，由電流干燥蝕刻技術形成的接觸孔的最小直徑在使用i-線分檔器的情況下是200nm，或者在使用FIB(聚焦離子束)的情況下是100nm。在后一情況中，固有的問題是金屬原子粘附到側壁上。
為了提高磁電阻傳感器的性能和特性，要求納米級的微觀結構控制，因而需要形成微觀接觸孔。然而，此種微觀接觸孔無法由電流干燥蝕刻技術形成。另外，還要求對蝕刻均勻性和圖案尺寸的可控制性。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種具有納米級微觀尺寸接觸孔的磁電阻傳感器。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種磁電阻傳感器，其中包括上、下電極層；設置在所述上、下電極層之間的導通層，通過在絕緣體中設置圓柱體而形成所述導通層，所述圓柱體包括管狀非金屬和被所述管狀非金屬包圍的圓柱體金屬；以及在所述導通層和所述上、下電極層中的一個之間形成的磁電阻膜。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種磁電阻傳感器，其中包括上、下電極層；設置在所述上、下電極層之間的導通層，通過在絕緣體中設置圓柱體金屬而形成所述導通層，所述導通層具有第一區(qū)域和膜厚比所述第一區(qū)域更小的第二區(qū)域；以及在所述導通層和所述上、下電極層中的一個之間形成的磁電阻膜。
根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種磁電阻傳感器，其中包括上、下電極層；設置在所述上、下電極層之間的導通層，通過在絕緣體中設置具有單層結構的圓柱體金屬而形成所述導通層；以及在所述導通層和所述上、下電極層中的一個之間形成的磁電阻膜。
優(yōu)選地，管狀非金屬包含碳，圓柱體金屬包含鉻。絕緣體由SiO2形成。
根據(jù)本發(fā)明的還一方面，提供一種用于制造磁電阻傳感器的方法，其中包括以下步驟在襯底上淀積下電極層；在所述下電極層上形成圓柱體金屬；在形成所述圓柱體金屬之后，在所述下電極層上淀積絕緣體，從而在所述絕緣體中嵌入所述圓柱體金屬以形成導通層；在所述導通層上淀積磁電阻膜；以及在所述磁電阻膜上淀積上電極層。
優(yōu)選地，此制造方法進一步包括以下步驟在淀積所述磁電阻膜之前在所述導通層上形成抗蝕圖形；以及，通過用所述抗蝕圖形作為掩膜而對所述導通層進行局部蝕刻。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，提供一種磁電阻傳感器，其中包括下電極層；在所述下電極層上設置的納米管結構膜，所述納米管結構膜包括絕緣體基體和在所述絕緣體基體內分散布置的多個納米管；在所述納米管結構膜上設置的磁電阻膜；以及在所述磁電阻膜上設置的上電極層；每個所述納米管都包括圓管形非金屬和被所述圓管形非金屬包圍的圓柱體金屬；所述納米管結構膜在其中央?yún)^(qū)域被局部蝕刻，通過每個位于所述中央?yún)^(qū)域中的納米管的所述磁電阻膜和所述圓柱體金屬而導通所述上電極層和所述下電極層。
優(yōu)選地，管狀非金屬由碳形成，圓柱體金屬由鉻形成。絕緣體由SiO2形成。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供一種用于制造磁電阻傳感器的方法，其中包括以下步驟在襯底上淀積下電極層；在所述下電極層上形成第一抗蝕圖形；通過用所述第一抗蝕圖形作為掩膜，蝕刻所述下電極層以使所述下電極層形成為所需的形狀；在所述下電極層上形成多個Ct-C納米管；在所述下電極層上淀積絕緣體基體，從而所述多個納米管嵌入所述絕緣體基體中形成納米管結構膜；在所述納米管結構膜上形成第二抗蝕圖形；通過用所述第二抗蝕圖形作為掩摸而對所述納米管結構膜進行蝕刻，以除去所述納米管結構膜中不需要的部分；在所述納米管結構膜上形成第三抗蝕圖形；通過用所述第三抗蝕圖形作為掩膜而蝕刻所述納米管結構膜的中央?yún)^(qū)域，以便每個位于所述中央?yún)^(qū)域的納米管的頂部被暴露；在所述納米管結構膜上淀積磁電阻膜；在所述磁電阻膜上淀積上電極層；在所述上電極層上形成第四抗蝕圖形；通過用所述第四抗蝕圖形作為掩膜而蝕刻所述上電極層，以使所述上電極層形成為所需的形狀；通過分析以下描述和后附權利要求并結合示出本發(fā)明一些優(yōu)選實施例的附圖中，本發(fā)明及其實現(xiàn)方法的以上的和其它的目的、特點和優(yōu)點將更清楚，而且將更好地理解本發(fā)明。
圖4為沿圖3中直線IV-IV截取的剖面；圖5為納米管的縱向截面視圖；圖6a是通過透射電子顯微鏡觀察的納米管的照相視圖；圖6b是圖6a中箭頭34所指部分的放大視圖；圖6c是圖6a中箭頭36所指部分的放大視圖。
每個納米管22由圓管狀非金屬24和被圓管狀非金屬24包圍的圓柱體金屬26組成。圓管狀非金屬24例如由碳形成，圓柱體金屬26例如由鉻形成。納米管結構膜18在其中央?yún)^(qū)域被局部蝕刻，從而暴露出一部分納米管22的頂部。上電極層30和下電極層16在此蝕刻區(qū)域通過磁電阻膜28和暴露納米管22的圓柱體金屬26導通。也就是說，位于納米管結構膜18蝕刻區(qū)域中的納米管22的圓柱體金屬26形成接觸孔。
圖3是圖2所示優(yōu)選實施例的基本部分的放大橫截面示意圖，圖4為沿圖3中直線IV-IV截取的剖面，圖5則是每個納米管22的縱向截面視圖。如圖5所示，每個納米管22的圓管狀非金屬24具有外徑d1和內徑d2，每個納米管22的圓柱體金屬26具有直徑d2。每個納米管22的長度為1。從圖2-4很清楚，磁電阻膜28在納米管結構膜18的蝕刻區(qū)域中通過納米管22連接到下電極層16。相應地，當檢測電流通過上電極層30和下電極層16之間時，檢測電流在具有低電阻率的圓柱體金屬26中同軸流動，而不是在每個都具有高電阻率的絕緣體基體20和圓管狀非金屬24中流動。結果，獲得的效應有可能與通過減少接觸孔直徑而獲得的相同。
圖1所示的現(xiàn)有技術磁電阻傳感器2提供的輸出與形成得和下電極層4接觸的磁電阻膜8部分的直徑的平方成反比，即與接觸孔12的直徑的平方成反比。相反，如圖2所示的根據(jù)優(yōu)選實施例的磁電阻傳感器14提供的輸出與形成得與磁電阻膜28和下電極層16接觸的圓柱體金屬26的截面積和數(shù)量成反比。在上述結構包括納米管結構膜18、形成得與納米管結構膜18兩相對表面中的一個接觸的下電極層16以及形成得與納米管結構膜18另一個表面接觸的磁電阻膜28的配置中，現(xiàn)在計算圓柱體金屬26和下電極層16之間接觸部分的直徑，即接觸孔的視在直徑D′。在計算中使用以下假設。
(1)形成得與磁電阻膜28和下電極層16接觸的圓柱體金屬26的數(shù)量為n。
(2)每個圓柱體金屬26的直徑都為d2。
(3)每個形成得與磁電阻膜28和下電極層16接觸的圓柱體金屬26的接觸部分都是圓形的。
根據(jù)以上假設，接觸孔的視在直徑D′表示如下D′＝d2·n1/2(1)作為每個具有圓管狀非金屬24和被圓管狀非金屬24包圍的圓柱體金屬26的納米管22的實例，已知有Cr-C。圖6a示出通過透射電子顯微鏡觀察的Cr-C的照相視圖(碳納米管的形成以及在離子-發(fā)射場陽極上用金屬纖維填充碳納米管J.Appl.Phys.，84(3)，1626(1998))。從圖6a顯而易見，Cr-C形成這樣的結構圓管狀非金屬C圍繞圓柱體金屬Cr，即形成所謂的納米管。圖6b為圖6a中箭頭34所指部分的放大視圖，而圖6c是圖6a中箭頭36所指部分的放大視圖。從圖6b顯而易見，圓柱體金屬Cr的直徑為大約8nm。
下面描述根據(jù)本優(yōu)選實施例的磁電阻傳感器14制造方法。首先，用作下電極層16的500nm厚的Cu膜在襯底(未示出)上淀積，隨后在Cu膜上形成抗蝕圖形。接下來，通過使用抗蝕圖形作為掩膜而蝕刻Cu膜，形成具有所需形狀的下電極層16。然后，每個都為30nm長的多個Cr-C納米管在下電極層16上形成。以下面方式形成納米管22。其上形成有下電極層16的襯底在派列克斯耐熱玻璃(Pyrex glass)容器中設置為陽極。
在對此容器抽真空到1×10-6乇之后，萘C10H8和六羰基化鉻Cr(CO)6氣體以指定比例混合，混合物以0.06乇的總壓力引入到容器中。電極保持指定的高溫如1100-1200℃，并在電極之間施加4-6KV的電壓，從而在下電極層16上形成Cr-C納米管22作為陽極。
在形成納米管22之后，用作絕緣體基體20的50nm厚的SiO2膜通過濺射連續(xù)淀積。隨后在SiO2膜上形成抗蝕圖形，接著，通過用抗蝕圖形作為掩膜而對SiO2膜進行蝕刻，除去不需要的SiO2膜部分。進一步地，在SiO2膜上再次形成抗蝕圖形，然后通過用抗蝕圖形作為掩膜而對SiO2膜進行局部蝕刻，形成納米管結構膜18，納米管結構膜18的中央?yún)^(qū)域作為接觸孔具有10nm的厚度。
然后，40nm厚的磁電阻膜28用濺鍍方法淀積在納米管結構膜18上。磁電阻膜28包括至少一個低電阻膜和夾著此低電阻膜的至少兩個鐵磁膜?？商鎿Q地，磁電阻膜28具有鐵磁隧道結型結構或具有由鐵磁層和非磁性層組成的多層膜結構。換句話說，磁電阻膜28可由以下膜提供自旋閥GMR膜，如NiFe/Cu/NiFe/IrMn多層膜；層疊的鐵自旋閥GMR膜，如NiFe/Cu/CoFeB/Ru/CoFeB/PdPtMn多層膜；或者隧道結型MR膜(TMR膜)，如NiFe/Al2O3/NiFe/PdPtMn多層膜。
接著，用作上電極層30的300nm厚的Cu膜用濺鍍方法淀積在磁電阻膜28上。隨后在Cu膜上形成抗蝕圖形，然后，通過用抗蝕圖形作為掩膜而對Cu膜進行蝕刻，形成具有所需形狀的上電極層30。從而完成磁電阻傳感器14。用以下方式制造作為比較例的磁電阻傳感器。每個都為10nm長的多個Cr-C納米管在下電極層上形成。接下來，在下電極層上淀積30nm厚的SiO2膜，以便完全覆蓋納米管，從而形成納米管結構膜。隨后不對納米管結構膜進行蝕刻，而在納米管結構膜上順序淀積磁電阻膜和上電極層。
通過使用比較例和本發(fā)明的實例，用DC四接線端方法測量電阻。表1示出本發(fā)明、比較例和具有CPP結構的現(xiàn)有技術磁電阻傳感器的輸出和電阻的測量結果。輸出的測量用普通四接線端方法在2mA電流和105A/m磁場的條件下進行。


從表1清楚看出，本發(fā)明的磁電阻傳感器獲得10mV的輸出，現(xiàn)有技術的磁電阻傳感器獲得1mV的輸出。亦即，本發(fā)明的輸出是現(xiàn)有技術磁電阻傳感器輸出的10倍。相應地證實，根據(jù)本發(fā)明的納米管結構膜可減小接觸孔的直徑并可提高輸出。在表1中，比較例的輸出為零。因為所有用作接觸孔的納米管全部嵌入SiO2膜中，從而在磁電阻膜28和下電極層16之間不導通。
現(xiàn)在計算此優(yōu)選實施例中納米管結構膜內用作接觸孔的納米管的數(shù)量?，F(xiàn)有技術磁電阻傳感器中接觸孔的直徑是0.2μm。因此，本發(fā)明磁電阻傳感器中接觸孔的視在直徑D′變?yōu)?.2×1/101/2≈ 0.063μm，其中本發(fā)明磁電阻傳感器的輸出是現(xiàn)有技術磁電阻傳感器輸出的10倍。假設每個納米管22的圓柱體金屬26的直徑是8nm，那么用作接觸孔的納米管22的數(shù)量估算為0.0632/0.0082≈62。
根據(jù)以上描述的本發(fā)明，有可能提供具有CPP結構的磁電阻傳感器，該傳感器可減小接觸孔的視在直徑并提高輸出。進而，通過考慮納米管結構膜的形成條件，可控制作為接觸孔的有效納米管的尺寸和數(shù)量。
權利要求
1.一種磁電阻傳感器，其中包括上、下電極層；設置在所述上、下電極層之間的導通層，通過在絕緣體中設置圓柱體而形成所述導通層，所述圓柱體包括管狀非金屬和被所述管狀非金屬包圍的圓柱體金屬；以及在所述導通層和所述上、下電極層中的一個之間形成的磁電阻膜。
2.一種磁電阻傳感器，其中包括上、下電極層；設置在所述上、下電極層之間的導通層，通過在絕緣體中設置圓柱體金屬而形成所述導通層，所述導通層具有第一區(qū)域和膜厚比所述第一區(qū)域更小的第二區(qū)域；以及在所述導通層和所述上、下電極層中的一個之間形成的磁電阻膜。
3.一種磁電阻傳感器，其中包括上、下電極層；設置在所述上、下電極層之間的導通層，通過在絕緣體中設置具有單層結構的圓柱體金屬而形成所述導通層；以及在所述導通層和所述上、下電極層中的一個之間形成的磁電阻膜。
4.如權利要求1所述的磁電阻傳感器，其中，所述管狀非金屬由不同于所述絕緣體的材料形成。
5.如權利要求4所述的磁電阻傳感器，其中，所述管狀非金屬包含碳。
6.如權利要求1所述的磁電阻傳感器，其中，所述圓柱體金屬包含鉻。
7.如權利要求1所述的磁電阻傳感器，其中，所述絕緣體由SiO2形成。
8.一種用于制造磁電阻傳感器的方法，其中包括以下步驟在襯底上淀積下電極層；在所述下電極層上形成圓柱體金屬；在形成所述圓柱體金屬之后，在所述下電極層上淀積絕緣體，從而在所述絕緣體中嵌入所述圓柱體金屬以形成導通層；在所述導通層上淀積磁電阻膜；以及在所述磁電阻膜上淀積上電極層。
9.如權利要求8所述的制造方法，其中，所述圓柱體金屬被管狀非金屬包圍。
10.如權利要求8所述的制造方法，其中進一步包括以下步驟在淀積所述磁電阻膜之前在所述導通層上形成抗蝕圖形；以及，通過用所述抗蝕圖形作為掩膜而對所述導通層進行局部蝕刻。
11.一種磁電阻傳感器，其中包括下電極層；在所述下電極層上設置的納米管結構膜，所述納米管結構膜包括絕緣體基體和在所述絕緣體基體內分散布置的多個納米管；在所述納米管結構膜上設置的磁電阻膜；以及在所述磁電阻膜上設置的上電極層；每個所述納米管都包括圓管形非金屬和被所述圓管形非金屬包圍的圓柱體金屬；所述納米管結構膜在其中央?yún)^(qū)域被局部蝕刻，通過每個位于所述中央?yún)^(qū)域中的納米管的所述磁電阻膜和所述圓柱體金屬而導通所述上電極層和所述下電極層。
12.如權利要求11所述的磁電阻傳感器，其中，所述圓管狀非金屬由碳形成，所述圓柱體金屬由鉻形成。
13.如權利要求12所述的磁電阻傳感器，其中，所述絕緣體基體由SiO2形成。
14.一種用于制造磁電阻傳感器的方法，其中包括以下步驟在襯底上淀積下電極層；在所述下電極層上形成第一抗蝕圖形；通過用所述第一抗蝕圖形作為掩膜，蝕刻所述下電極層以使所述下電極層形成為所需的形狀；在所述下電極層上形成多個Cr-C納米管；在所述下電極層上淀積絕緣體基體，從而所述多個納米管嵌入所述絕緣體基體中形成納米管結構膜；在所述納米管結構膜上形成第二抗蝕圖形；通過用所述第二抗蝕圖形作為掩摸而對所述納米管結構膜進行蝕刻，以除去所述納米管結構膜中不需要的部分；在所述納米管結構膜上形成第三抗蝕圖形；通過用所述第三抗蝕圖形作為掩膜而蝕刻所述納米管結構膜的中央?yún)^(qū)域，以便每個位于所述中央?yún)^(qū)域中的納米管的頂部被暴露；在所述納米管結構膜上淀積磁電阻膜；在所述磁電阻膜上淀積上電極層；在所述上電極層上形成第四抗蝕圖形；通過用所述第四抗蝕圖形作為掩膜而蝕刻所述上電極層，以使所述上電極層形成為所需的形狀；
15.如權利要求14所述的制造方法，其中，每個納米管都包括由C形成的圓管和由Cr形成的圓柱體，所述圓柱體被所述圓管包圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁電阻傳感器及其制造方法，該磁電阻傳感器包括下電極層；由絕緣體基體和分散布置在所述絕緣體基體內的多個納米管組成的納米管結構膜；在納米管結構膜上設置的磁電阻膜；以及在磁電阻膜上設置的上電極層。每個納米管都包括圓管形非金屬和被圓管形非金屬包圍的圓柱體金屬。納米管結構膜在其中央?yún)^(qū)域被局部蝕刻，從而通過磁電阻膜和位于中央?yún)^(qū)域中的每個納米管的圓柱體金屬而導通上電極層和下電極層。
文檔編號G01R33/09GK1417774SQ0210580
公開日2003年5月14日 申請日期2002年4月10日 優(yōu)先權日2001年11月5日
發(fā)明者菅原貴彥 申請人:富士通株式會社