專利名稱：由多重沉積和氧化步驟生成間隙層的磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的生成方法，特別是為了增強磁效應(yīng)，其中的間隙層是多步驟沉積及氧化生成的。
背景技術(shù)：
磁阻(MR)傳感器一般用于磁性存儲設(shè)備中對記錄介質(zhì)上的磁區(qū)進行讀取的讀/寫頭。如計算機硬盤或磁性錄音帶的讀/寫頭。讀/寫頭緊挨著記錄介質(zhì)，又由于空氣軸承的作用與記錄介質(zhì)相分離，從而可使讀/寫頭在硬盤表面上滑動。使用讀/寫頭的寫部分向記錄介質(zhì)某個區(qū)域上寫入一個數(shù)據(jù)位，會局部地改變它的磁態(tài)，。該磁態(tài)隨后被MR傳感器感應(yīng)到并讀出數(shù)據(jù)位。
MR傳感器中一個重要的類型是巨磁阻(GMR)傳感器。GMR傳感器的主要技術(shù)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)和操作的描述可見US專利5,436,778，該公開文獻在此作為參考。
GMR傳感器的結(jié)構(gòu)包括兩個層疊的薄膜層，由一個中間非磁性薄膜層分開，一般使用銅膜作為間隙層。下層的薄膜層包括一個磁性釘住(pinning)結(jié)構(gòu)，同時上層的薄膜層包括一個與外部磁場進行感應(yīng)的感應(yīng)(自由)層。還有一個磁偏結(jié)構(gòu)，最好位于與兩個層疊的薄膜層和間隙層相鄰的橫向位置上，以連接點的形式放置。
現(xiàn)有的MR傳感器都是完全可操作的，并已廣泛用在磁讀/寫頭中。但是，增強它的讀性能是現(xiàn)有的期望和需求。本發(fā)明實現(xiàn)了該要求，還進一步具有了相關(guān)優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的方法，提高了間隙層的電阻效應(yīng)。因此，磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的性能也得到了提高。本方法可使用和常規(guī)方法中相同的生產(chǎn)裝置來實現(xiàn)，而只需對流程稍做改變。
本發(fā)明中，生產(chǎn)磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的方法包括幾個步驟，提供一個基底結(jié)構(gòu)(如其上有種子層的氧化鋁基底)，在基底結(jié)構(gòu)上沉積磁性釘住結(jié)構(gòu)，以及疊加在磁性釘住結(jié)構(gòu)之上沉積一個金屬氧化間隙層。沉積金屬氧化間隙層的步驟分為，沉積第一金屬子層，氧化第一金屬子層，沉積第二金屬子層以及氧化第二金屬子層。以相同的交替沉積/氧化的方式同樣還可沉積并氧化附加的子層。感應(yīng)結(jié)構(gòu)則沉積在金屬氧化間隙層之上。
金屬氧化間隙層最好為氧化銅間隙層，同樣子層為氧化銅子層。金屬氧化間隙層的總厚度大約在15埃到25埃之間最佳。同樣每個金屬子層/金屬氧化子層對最好具有大致相同的厚度。
金屬間隙層的沉積的實現(xiàn)包括，在具有第一沉積氧分壓的真空內(nèi)沉積第一金屬子層，在具有大于第一沉積氧分壓的第一氧化氧分壓的真空內(nèi)氧化第一金屬子層，在具有第二沉積氧分壓的真空內(nèi)沉積第二金屬子層，以及在具有大于第二沉積氧分壓的第二氧化氧分壓的真空內(nèi)氧化第二金屬子層。也就是通常在沉積金屬子層時，真空室內(nèi)的氧分壓較小，而到氧化步驟時增大氧分壓。氧化步驟中的氧化-氧分壓一般在1×10-6托到1×10-4托之間，大多數(shù)情況最好為大約2×10-5托。這樣在隨后子層沉積步驟中遞減氧分壓。
沉積完感應(yīng)結(jié)構(gòu)之后，在感應(yīng)結(jié)構(gòu)上再沉積一個罩層(caplayer)。同樣也要沉積磁偏結(jié)構(gòu)，沉積形式最好是連接點，位于和之前沉積的磁性釘住結(jié)構(gòu)和金屬間隙層的每一邊相鄰的橫向位置上。也可選擇使用一種層疊內(nèi)磁偏結(jié)構(gòu)。因此本方法可用來生產(chǎn)巨磁阻(GMR)傳感器。
本方法以兩步或更多步驟沉積了氧化銅(或其他金屬)間隙層，每個步驟包括沉積銅子層并氧化該子層，最終沉積所有的子層。兩個步驟沉積兩個子層增強了間隙層的性能，如果需要的話可使用更多的沉積/氧化步驟。通過下面最佳實施例的詳細(xì)描述并結(jié)合附圖，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點更為明顯，通過該實施例闡明了本發(fā)明的原理。但本發(fā)明的范圍并不局限于該實施例所述情況。


圖1是一個磁盤數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的示意圖；圖2是磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的生成方法的框圖；圖3是磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的截面示意圖；圖4是R(歐姆/米2)作為第二銅子層厚度(埃)的函數(shù)的曲線圖；圖5是dR/R(％)作為第二銅子層厚度(埃)的函數(shù)的曲線圖；圖6是dR(歐姆/米2)作為第二銅子層厚度(埃)的函數(shù)的曲線圖；圖7是Hk(奧斯特)作為第二銅子層厚度(埃)的函數(shù)的曲線圖；圖8是Hf(奧斯特)作為第二銅子層厚度(埃)的函數(shù)的曲線圖；以及圖9是Hch(奧斯特)作為第二銅子層厚度(埃)的函數(shù)的曲線圖。
具體實施例方式
圖1示意性地描述了一個數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，這里描述的是可以使用本方法的磁盤驅(qū)動系統(tǒng)20。磁盤驅(qū)動系統(tǒng)20包括一個支撐在軸24上的可旋轉(zhuǎn)的磁存儲硬盤22，在控制單元44的馬達控制27之下通過硬盤驅(qū)動馬達26驅(qū)動它旋轉(zhuǎn)。磁存儲介質(zhì)28沉積在磁存儲硬盤22的表面30上。
滑動器32面對著磁存儲硬盤22設(shè)置?；瑒悠?2可面對著磁存儲硬盤22的磁存儲介質(zhì)28支持至少一個讀/寫頭34?；瑒悠?2通過懸架38固定到致動器36上。致動器36和滑動器32徑向地向內(nèi)和向外移動，這樣滑動器32內(nèi)外結(jié)合的移動以及磁存儲硬盤22的旋轉(zhuǎn)使得讀/寫頭34可與磁存儲介質(zhì)28的整個區(qū)域滑動接觸。致動器36在控制單元44的徑向位置控制42之下通過致動器40驅(qū)動(表示為音圈馬達或VCM)。
懸架38產(chǎn)生一個很小的彈力，使得滑動器32向磁存儲硬盤22的表面30偏移。在傳感器工作過程中磁存儲硬盤22翻轉(zhuǎn)，并在磁存儲硬盤22的上表面30和滑動器32的下表面之間產(chǎn)生了一個空氣軸承，稱為空氣軸承表面46或ABS。(這里只描述了向下定向的滑動器32，但也可以或替代為向上定向的滑動器32，面對著磁存儲硬盤的底面一側(cè)。)空氣軸承抵消了懸架38的微小彈力，并且將滑動器32以一個很小的間距支撐在表面30的上方，這樣當(dāng)磁存儲硬盤22旋轉(zhuǎn)時，讀/寫頭可在表面30上方飛速滑動(“flies”)。
讀/寫頭34通過改變磁存儲介質(zhì)的磁態(tài)向磁存儲介質(zhì)28寫入數(shù)據(jù)，且同樣通過檢測到磁存儲介質(zhì)28的磁態(tài)來從磁存儲介質(zhì)28讀出數(shù)據(jù)。寫入和讀出指令，以及需寫入或讀出的數(shù)據(jù)，通過一個記錄通道48在控制單元44和讀/寫頭34間傳輸。本發(fā)明涉及一種磁阻(MR)傳感器結(jié)構(gòu)50，最好是作為讀/寫頭34一部分的巨磁阻(GMR)結(jié)構(gòu)50。除了此處討論的改進類型，GMR傳感器結(jié)構(gòu)50在現(xiàn)有技術(shù)中也是已知的，可參看US專利5436778。
為了確定本發(fā)明的使用環(huán)境，上述說明簡要描述了一種磁盤驅(qū)動系統(tǒng)20形式的數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。本發(fā)明同樣適用于其他類型的磁數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，如磁帶驅(qū)動器及其讀/寫頭。
圖2顯示了一種GMR傳感器結(jié)構(gòu)50的生產(chǎn)方法的框圖。未按比例繪制圖3示意性地描述了GMR傳感器結(jié)構(gòu)50的一種優(yōu)選構(gòu)成。附圖標(biāo)記60表示提供了一個基底結(jié)構(gòu)80?；捉Y(jié)構(gòu)80包括一個有多層種子層結(jié)構(gòu)84的基底82，種子層是在生產(chǎn)過程中沉積到基底82上的。圖3中標(biāo)出了每一層結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)約定，每一層的優(yōu)選厚度標(biāo)注在結(jié)構(gòu)材料名稱后的括號內(nèi)，單位是埃。
附圖標(biāo)記62表示在基底結(jié)構(gòu)80上沉積了磁釘住結(jié)構(gòu)86。在本實施例中，磁釘住結(jié)構(gòu)86包括一個橫向釘住層88和一個橫向固定層結(jié)構(gòu)90。橫向固定層結(jié)構(gòu)90覆蓋在橫向釘住層88之上并與其接觸，而橫向釘住層88覆蓋在基底結(jié)構(gòu)80上并與其接觸。橫向固定層結(jié)構(gòu)90由兩層鐵磁薄膜92和94構(gòu)成，且由中間層96分開。兩層鐵磁薄膜92、94通過中間層96是強反平行耦合的。橫向固定層結(jié)構(gòu)90和橫向釘住層88也是反平行耦合的。
步驟63是可選的，這里是磁釘住結(jié)構(gòu)86的最上層的鐵磁薄膜94可以被氧化，以形成一個上層鐵磁薄膜氧化區(qū)域95。
附圖標(biāo)記64表示通過一系列步驟在磁釘住結(jié)構(gòu)86上沉積氧化銅間隙層98。沉積過程64的實現(xiàn)過程是，步驟66中第一次沉積出第一銅子層100，步驟68中氧化第一銅子層100以產(chǎn)生一個氧化銅第一子層區(qū)101。執(zhí)行完步驟66和68后，步驟70中第二次沉積出第二銅子層102，在步驟72中，氧化第二銅子層102以產(chǎn)生一個氧化銅第二子層區(qū)103。如果需要的話也可再沉積并氧化其他的銅子層。
執(zhí)行沉積步驟66和70(以及上層鐵磁薄膜94的沉積)最好在真空沉積裝置中使用沉積技術(shù)，如離子束濺射或等離子濺射技術(shù)。真空沉積裝置中的氣壓一般是一個很小的氧分壓。執(zhí)行氧化步驟68和72時(以及步驟63，需要用的話)最好把需處理的結(jié)構(gòu)置于溫度接近室溫的真空沉積裝置內(nèi)實現(xiàn)，一般其溫度不超過室溫以上20℃，在大約30秒內(nèi)把氧分壓提高到大約2×10-5托。子層區(qū)101和103情況下，銅被氧化成非化學(xué)計量的CuOx形式，而在區(qū)域95時氧化成非化學(xué)計量的CuFeOy形式。
氧化銅間隙層98的總厚度最好大約在15埃至25埃，18到22埃更好，最好首選約為20埃。如果氧化銅間隙層98的厚度不在該范圍內(nèi)，就會影響MR傳感器結(jié)構(gòu)50的性能。該范圍內(nèi)的氧化銅間隙層98的總厚度如圖所示分配給兩個氧化銅子層100和102，以及它們各自的氧化銅子層區(qū)101和103。如果有多于兩個氧化銅子層，上述的在該范圍內(nèi)的總厚度在已有的所有氧化銅子層間進行分配。即氧化銅間隙層98的總厚度應(yīng)保持在上述討論的范圍內(nèi)，而所有子層以及各自的氧化區(qū)的厚度的總和等于氧化銅間隙層98的總厚度。
發(fā)明人所做的研究中以及隨后要討論的，氧化銅間隙層98的總厚度大約為20埃，而子層100和102的相對厚度設(shè)計為可變的數(shù)值。一般情況下判定第一銅子層100和第二銅子層102厚度大致相同時能使氧化銅間隙層98以及MR傳感器50發(fā)揮出最好的特性。但MR傳感器50的確切特性可作為相對厚度的函數(shù)來進行優(yōu)化。本發(fā)明的多次沉積和氧化法能夠改進傳感器性能，一般認(rèn)為應(yīng)部分歸功于氧化銅間隙層98的上層表面更好，更平滑。
步驟74中在氧化銅間隙層98上沉積了感應(yīng)結(jié)構(gòu)104(也叫做“自由層”)。感應(yīng)結(jié)構(gòu)104包括一個或多個鐵磁薄膜層。在所示實施例中，感應(yīng)結(jié)構(gòu)104中下面的感應(yīng)層106覆蓋在氧化銅間隙層98上并與其接觸，而上面的感應(yīng)層108覆蓋在下面的感應(yīng)層106上并與其接觸。
步驟76表示沉積一個罩層112。實施例中各層疊層的周邊是一個磁偏結(jié)構(gòu)110，而罩層112覆蓋在感應(yīng)結(jié)構(gòu)104上并與其接觸。磁偏結(jié)構(gòu)的另一種層內(nèi)實施例的情況中，罩層112覆蓋在磁偏結(jié)構(gòu)之上并與其接觸。
步驟78中是磁偏結(jié)構(gòu)110的沉積。如實施例中所示，連接點形式的磁偏結(jié)構(gòu)110位于已經(jīng)描述過的各層疊層的周邊。在可選的層內(nèi)實施例中，磁偏結(jié)構(gòu)110覆蓋在感應(yīng)結(jié)構(gòu)104之上并與其接觸。因此，步驟76和78的順序應(yīng)適當(dāng)互換。
MR傳感器50的生產(chǎn)步驟之后，在罩層112上沉積一個電極114。MR傳感器結(jié)構(gòu)50外部連接到一個電源116和一個電阻測量設(shè)備118上。
不管MR傳感器結(jié)構(gòu)是這種或其他種類型，氧化銅間隙層98都可按照上面討論的多步驟方法來制備。許多其它配置也是可行的，且也可使用任何可實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)材料。發(fā)明人在圖3的結(jié)構(gòu)中標(biāo)示出每層使用的材料以及在材料名稱后的括號中注明每層的厚度。基底82可以使用任何厚度的氧化鋁。種子層結(jié)構(gòu)84是一個三層結(jié)構(gòu)，基底82之上的氧化鋁層為30埃，氧化鋁層之上的NiMnO層為30埃，以及NiMnO層之上是35埃的鉭層。橫向釘住層88是175埃的PtMn層。橫向固定層結(jié)構(gòu)90包括下層鐵磁膜92是17埃的CoFe層，中間層96是8埃的釕層，以及上層鐵磁膜94是26埃的CoFe層。氧化銅間隙層98約20埃厚，按下面要討論的方式在兩個氧化銅子層100和102間(不同的厚度分別標(biāo)注為x、y)分配。感應(yīng)結(jié)構(gòu)104包括下面的感應(yīng)層106是15埃的CoFe層，以及上面的感應(yīng)層108是25埃的NiFe層。罩層112是50埃的鉭層。連接點磁偏結(jié)構(gòu)110的材料是Co-Pt-Cr。
本發(fā)明使用圖2的方法生產(chǎn)圖3所示的GMR傳感結(jié)構(gòu)50時進行了縮簡。準(zhǔn)備了四個實例，每種情況中氧化銅間隙層98的總厚度維持20埃不變。這四個例子中，第二銅子層102的厚度為0埃(即間隙層為單層)，5埃，10埃及15埃不等。圖4-9是使用測量或測量計算得到的參數(shù)值作為第二銅子層102厚度的函數(shù)時得到的幾種結(jié)果。圖5中，第二銅子層102的厚度大約10埃時，dR/R最大，也即氧化銅間隙層98的總厚度大致在兩個銅子層100和102間平分。將該結(jié)果延伸，舉例來看如果有四個銅子層，各子層大約是氧化銅間隙層98厚度的1/4，或在實施例中每層厚度大約是5埃，來保證氧化銅間隙層98的總厚度維持在20埃左右。圖7-9顯示了MR傳感器結(jié)構(gòu)的特性曲線。圖7和圖9中，分別希望Hk和Hch保持一個相對低的值。
盡管為了揭示本發(fā)明的目的，詳細(xì)介紹了一個特定的實施例，其他不同的修正以及改進也并未超出本發(fā)明的主旨和范圍。因此，本發(fā)明也不限于權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的方法，包括的步驟有提供一個基底結(jié)構(gòu)；在基底結(jié)構(gòu)之上沉積一個磁釘住結(jié)構(gòu)；在磁釘住結(jié)構(gòu)之上沉積一個金屬氧化間隙層，步驟有沉積第一金屬子層，氧化第一金屬子層，沉積第二金屬子層，以及氧化第二金屬子層，在金屬氧化間隙層之上沉積感應(yīng)結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于沉積金屬氧化間隙層的步驟包括沉積一個氧化銅間隙層。
3.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于沉積金屬氧化間隙層的步驟包括需沉積的金屬氧化間隙層的總厚度大約在15埃到25埃之間。
4.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于沉積第二金屬子層的步驟包括需沉積的第二金屬子層的厚度與第一金屬子層大致相同。
5.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于沉積金屬氧化間隙層的步驟包括在具有第一沉積氧分壓的真空內(nèi)沉積第一金屬子層，在具有大于第一沉積氧分壓的第一氧化氧分壓的真空內(nèi)氧化第一金屬子層，在具有第二沉積氧分壓的真空內(nèi)沉積第二金屬子層，以及在具有大于第二沉積氧分壓的第二氧化氧分壓的真空內(nèi)氧化第二金屬子層。
6.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于氧化第一金屬子層和氧化第二子層的步驟各包括提供一個氧分壓大約為2×10-5托的氧化環(huán)境。
7.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于在沉積感應(yīng)結(jié)構(gòu)的步驟之后，包括一個額外的步驟是在感應(yīng)結(jié)構(gòu)之上沉積一個罩層。
8.如權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于包括一個額外的步驟是沉積一個磁偏結(jié)構(gòu)。
9.一種用于生產(chǎn)磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的方法，包括的步驟有提供一個基底結(jié)構(gòu)；在基底結(jié)構(gòu)之上沉積一個磁釘住結(jié)構(gòu)；在磁釘住結(jié)構(gòu)之上沉積一個氧化銅間隙層，步驟有沉積第一銅子層，氧化第一銅子層，沉積第二銅子層，以及氧化第二銅子層，在氧化銅間隙層之上沉積感應(yīng)結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于提供的基底結(jié)構(gòu)的步驟包括設(shè)置一個其上帶有種子層結(jié)構(gòu)的氧化鋁基底的步驟。
11.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于沉積氧化銅間隙層的步驟包括在具有第一沉積氧分壓的真空內(nèi)沉積第一銅子層，在具有大于第一沉積氧分壓的第一氧化氧分壓的真空內(nèi)氧化第一銅子層，在具有第二沉積氧分壓的真空內(nèi)沉積第二銅子層，以及在具有大于第二沉積氧分壓的第二氧化氧分壓的真空內(nèi)氧化第二銅子層。
12.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于沉積氧化銅間隙層的步驟包括需沉積的氧化銅間隙層的總厚度大約在15埃到25埃之間。
13.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于沉積第二銅子層的步驟包括需沉積的第二銅子層的厚度與第一銅子層大致相同。
14.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于氧化第一銅子層和氧化第二銅子層的步驟各包括提供一個氧分壓大約為2×10-5托的氧化環(huán)境。
15.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于沉積氧化銅間隙層的步驟包括沉積第三銅子層，氧化第三銅子層。
16.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于在沉積感應(yīng)結(jié)構(gòu)的步驟之后，包括一個額外的步驟是在感應(yīng)結(jié)構(gòu)之上沉積一個罩層。
17.如權(quán)利要求9中所述的方法，其特征在于包括一個額外的步驟是沉積一個磁偏結(jié)構(gòu)。
全文摘要
磁阻傳感器結(jié)構(gòu)的生成包括提供一個基底結(jié)構(gòu)，在基底結(jié)構(gòu)之上沉積一個磁釘住結(jié)構(gòu)，以及在磁釘住結(jié)構(gòu)之上沉積一個氧化銅間隙層。沉積氧化銅間隙層的步驟包括沉積第一銅子層，氧化第一銅子層，沉積第二銅子層以及氧化第二銅子層。如果需要也可使用更多次的沉積和氧化步驟。感應(yīng)結(jié)構(gòu)沉積在氧化銅間隙層之上。
文檔編號G01R33/09GK1519816SQ200310116309
公開日2004年8月11日 申請日期2003年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月19日
發(fā)明者穆斯塔法·皮那巴塞, 穆斯塔法 皮那巴塞 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司