具有調(diào)諧微結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)讀取器的制造方法
【專利說明】具有調(diào)諧微結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)讀取器
[0001]概述
[0002]各實(shí)施方式使用調(diào)諧微結(jié)構(gòu)配置數(shù)據(jù)讀取器，通過初始冷卻基板至100K或更低的溫度隨后在該基板保持所述溫度時(shí)在該基板上沉積至少一層數(shù)據(jù)讀取器來實(shí)現(xiàn)。該調(diào)諧微結(jié)構(gòu)可由下述組成:至少一種顆粒尺寸、顆粒尺寸分布、多層數(shù)據(jù)讀取器之間的界面質(zhì)量、阻抗-面積積(resistance-area product)和磁阻。
[0003]附圖簡要說明
[0004]圖1A和1B分別顯示根據(jù)各實(shí)施方式配置的示例數(shù)據(jù)讀取器的各部分的框圖。
[0005]圖2A和2B顯示根據(jù)各實(shí)施方式的示例數(shù)據(jù)讀取器制造組件的各部分的頂部和側(cè)面框圖。
[0006]圖3顯示根據(jù)一些實(shí)施方式配置的示例數(shù)據(jù)讀取器制造系統(tǒng)的一部分的框圖。
[0007]圖4提供示例操作數(shù)據(jù)，顯示原位低溫冷卻沉積對單一薄膜(例如CoFe3。和CoFeB20)粗糙度的效果。
[0008]圖5是對比原位和非原位低溫冷卻方法的基板溫度的示例制造數(shù)據(jù)圖。
[0009]圖6圖示原位和非原位低溫冷卻方法構(gòu)建的數(shù)據(jù)讀取器堆疊件(data readerstack)的隧道磁阻的比較數(shù)據(jù)。
[0010]圖7是操作數(shù)據(jù)圖，顯示數(shù)據(jù)讀取器堆疊件的原位和非原位低溫冷卻方法之間的MR/RA值比較。
[0011]圖8圖示數(shù)據(jù)讀取器堆疊件的不同溫度下原位低溫冷卻方法和非原位低溫冷卻方法之間的擊穿電壓的比較操作數(shù)據(jù)。
[0012]圖9提供可根據(jù)一些實(shí)施方式進(jìn)行的示例顆粒尺寸調(diào)諧例程。
[0013]圖10是根據(jù)各實(shí)施方式配置和操作的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)的示例部分的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]消費(fèi)者和工業(yè)對儲(chǔ)存容量更大和數(shù)據(jù)訪問時(shí)間更快的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備日益增長的需求突出了對降低數(shù)據(jù)比特的物理尺寸和鄰近度的要求?？紤]了對數(shù)據(jù)比特敏感的磁性數(shù)據(jù)讀取器可用MgO勢皇層配置，其允許使用物理上更小的數(shù)據(jù)比特并維持可接受的磁阻(MR)特性。然而，物理尺寸降低的數(shù)據(jù)讀取器可能混入無意的材料，界面表面粗糙，并且顆粒尺寸相對較大，這會(huì)阻礙在任何進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)比特大小時(shí)維持可接受的MR特性。
[0015]因此，數(shù)據(jù)讀取器可用調(diào)諧微結(jié)構(gòu)構(gòu)建，通過初始冷卻基板至100K或更低的溫度隨后在該基板保持所述溫度時(shí)在該基板上沉積至少一層數(shù)據(jù)讀取器來實(shí)現(xiàn)。在主動(dòng)冷卻基板以維持低溫的同時(shí)沉積磁性和非磁性數(shù)據(jù)讀取器層可優(yōu)化調(diào)諧微結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)在至少一種顆粒尺寸、顆粒尺寸分布、多層數(shù)據(jù)讀取器之間的界面質(zhì)量上，進(jìn)而表現(xiàn)在磁阻、夾層耦合和阻抗-面積積上。
[0016]與沉積各層時(shí)稍稍冷卻基板或在室溫下沉積相比，將所述基板維持在低溫可使沉積的數(shù)據(jù)讀取器的一層或多層具有降低的顆粒尺寸和表面粗糙度。此外，材料沉積期間通過與冷卻氣體接觸來控制低溫的能力可提供基板溫度均勻度，其可調(diào)諧顆粒尺寸分布并優(yōu)化數(shù)據(jù)讀取器的晶片內(nèi)均勻度和晶片間均勻度。
[0017]圖1A和1B分別顯示示例磁性堆疊件100和110的各部分的框圖，所述磁性堆疊件可配置為較小的物理尺寸并用于根據(jù)一些實(shí)施方式的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)中。圖1A顯示示例三層磁性堆疊件100，其可表征為通過非磁性勢皇層隔開的第一磁性自由層102和第二磁性自由層104。磁性自由層102和104可通過物理分隔機(jī)構(gòu)偏置，使得所述層單獨(dú)響應(yīng)所遇到的數(shù)據(jù)比特而無需固定磁化結(jié)構(gòu)存在于空氣承載表面(ABS)上。
[0018]磁性自由層102和104可具有相似或不相似的大小、厚度和材料，其可提供物理上的小的磁性堆疊件100面積。在各實(shí)施方式中，勢皇層106含MgO，使磁性堆疊件100的MR值得以保持，盡管阻抗面積積降低。MgO材料還可用于圖1B的隧道磁阻(TMR)磁性堆疊件110，作為勢皇層112將磁性自由層結(jié)構(gòu)114與固定層磁化結(jié)構(gòu)116分離。在一些實(shí)施方式中，自由層結(jié)構(gòu)114由單層材料組成，而其他實(shí)施方式中則將自由層結(jié)構(gòu)114調(diào)諧為多層的層壓結(jié)構(gòu)，其可分別為磁性或非磁性材料。
[0019]固定層磁化結(jié)構(gòu)116可以各種不同非限制性構(gòu)型配置，但一些實(shí)施方式使用釘扎(pinning)層例如反鐵磁材料來設(shè)定釘扎的參考層的磁化方向。該釘扎的層和釘扎層可配置為將固定層磁化結(jié)構(gòu)116表征為合成的反鐵磁體(SAF)，其利用反鐵磁耦合提供參考磁化，自由層114的感測磁化(sensed magnetizat1n)可與之關(guān)聯(lián)從而鑒定被編程的邏輯狀
??τ ο
[0020]不管數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備中使用何種磁性堆疊件100和110，自由層102、104和114中磁化的顆粒尺寸可決定數(shù)據(jù)讀取器的精度和面積比特密度(areal bit density)性能。圖2A和2B分別顯示示例磁性堆疊件制造組件120的一部分的側(cè)面和頂部框圖，該組件配置為構(gòu)建可納入各實(shí)施方式中的磁性堆疊件中的至少一個(gè)磁性自由層112。
[0021]圖2A顯示磁性自由層112的側(cè)視圖，其可偏置為默認(rèn)磁化，但其對所遇到的數(shù)據(jù)比特敏感。自由層122可由納米級厚度(沿Y軸所測)的磁性合金構(gòu)建，例如CoFeXoFeB和NiFe，其可為磁性敏感的。自由層122的材料可與晶體結(jié)構(gòu)(例如體心立方(BCC))和晶格結(jié)構(gòu)對應(yīng)，其與自由層122、磁性堆疊件和數(shù)據(jù)讀取器的數(shù)據(jù)讀取性能相對應(yīng)。
[0022]稍稍冷卻或室溫下將材料沉積在基板124上可產(chǎn)生具有均勻或非均勻粗糙度的界面表面126，其可在磁性自由層122中具有大尺寸的和/或非均勻的磁顆粒。即，將自由層122材料沉積在室溫基板124上產(chǎn)生的界面表面126粗糙度可抑制于沉積在該自由層122上的磁性層中形成超精細(xì)磁顆粒。在一些實(shí)施方式中，基板124同時(shí)支持約100，000個(gè)讀取器管芯以及可能的每管芯1-10個(gè)分離的數(shù)據(jù)讀取器。
[0023]圖2B描述磁性自由層122的一部分以及示例磁顆粒128的俯視圖，所述磁顆粒安排在整個(gè)自由層122的非限制性圖案中。實(shí)心圓130代表可在高面積比特密度數(shù)據(jù)儲(chǔ)存環(huán)境中提供性能優(yōu)化的顆粒尺寸和位置。相反，虛線圓122代表磁性層的示例顆粒尺寸和與其他顆粒的鄰近度，所述磁性層沉積在粗糙度大于0.2nm的界面表面上。因此，降低自由層122中的顆粒128的物理尺寸和鄰近度有助于增加磁場分辨率，其可更精確地感測數(shù)據(jù)比特的磁極性，該數(shù)據(jù)比特具有更小的物理尺寸并在數(shù)據(jù)儲(chǔ)存介質(zhì)上具有提高的密度。
[0024]考慮基板124可通過與一個(gè)或多個(gè)卡盤134接觸而被冷卻到相對較低的溫度。通過冷凍該自由層122材料的微結(jié)構(gòu)，該基板124冷卻可降低磁顆粒128的尺寸。然而，由于接觸冷卻卡盤134和沉積腔室之間的過渡中基板124受熱，相對于磁性自由層122的沉積，非原位冷卻基板124可誘導(dǎo)工藝變化和形成不一致的自由層122，其中自由層122材料可在沉積室內(nèi)沉積。
[0025]應(yīng)注意冷卻卡盤134可在使用自由層沉積方法的公共腔室中實(shí)現(xiàn)，例如濺射和物理氣相沉積機(jī)構(gòu)(PVD)。然而，與卡盤134的物理接觸可能不能均勻冷卻基板124至某一溫度，而是會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，該溫度梯度導(dǎo)致自由層122的磁性性能下降。S卩，卡盤134可在沉積自由層122的同時(shí)冷卻基板124，但該制造不精確，這是由于基板124可具有不均勻溫度，該不均勻溫度與具有不均勻晶體結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)和晶粒尺寸的自由層122相對應(yīng)，這會(huì)抑制磁性堆疊件中的磁響應(yīng)和MR，對數(shù)據(jù)讀取性能造成破壞。
[0026]考慮到這些問題，圖3顯示根據(jù)一些實(shí)施方式配置和操作的示例數(shù)據(jù)讀取器制造系統(tǒng)140的一部分的框圖。讀取器制造系統(tǒng)140可具有公共腔室142，其中至少存在一個(gè)基板144。腔室142可配有一種或多種不同類型的材料沉積機(jī)構(gòu)146，例如濺射和PVD機(jī)構(gòu)，其可靜態(tài)和動(dòng)態(tài)形成至少一層磁性堆疊件148。應(yīng)注意磁性堆疊件148的各層可用不同沉積機(jī)構(gòu)146、材料和厚度150選擇性形成，并且基板144經(jīng)過或不經(jīng)過冷卻。
[0027]在一些實(shí)施方式中，通過優(yōu)化冷卻氣體152 (例如He)從冷卡盤154向基板144的傳熱，基板144連續(xù)冷卻至低溫，例如90K。例如，冷卻氣體152可通過噴嘴、噴射口和孔進(jìn)入公共腔室142，以接觸基板144，并增加傳熱以使基板144更快冷卻至低溫。維持卡盤154和基板144之間的冷卻氣體152可提供均勻的基板144溫度，和提供響應(yīng)磁性堆疊件148各層的沉積產(chǎn)生的熱量來維持基板144溫度的能力。
[0028]腔室142、卡盤154和沉積機(jī)構(gòu)146可通過例如密封的分叉156配置為同時(shí)操作，從而在磁性堆疊件148沉積在頂部基板表面時(shí)，基板144的底部基板表面同時(shí)冷卻。雖然磁性堆疊件148可用任何數(shù)量的層和不同材料形成，例如圖1A和圖1B中分別所示的三層100和TMR110，各實(shí)施方式初始沉積直接與基板144接觸的磁性或非磁性籽層158。
[0029]籽層158可具有調(diào)諧材料和厚度構(gòu)造，其允許后續(xù)沉積的磁性自由層160具有優(yōu)化的磁特性，例如單軸各向異性和晶格結(jié)構(gòu)。應(yīng)注意，并不需要籽層158，根據(jù)各實(shí)施方式，其可被省略或替代。不考慮籽層158的插入，相比室溫基板或未連續(xù)冷卻的基板上的自由層沉