專利名稱:磁阻效應型磁頭及其制造方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種用于磁盤驅動器的磁阻效應型磁頭及其制造方法。更具體地,本發(fā)明涉及一種包括了共同安置在浮動塊上的磁阻元件和過壓保護電路的磁阻效應型磁頭及其制造方法。
背景技術:
通常為磁盤驅動器提供的磁阻效應型磁頭是一種磁阻元件(如MR元件,MGR元件和TMR元件)。遺憾地是,這種磁阻元件由于其低耐壓性容易受到損害?,F(xiàn)行的GMR(巨磁阻)磁頭在0.5伏就會受損,較有使用前景的TMR(隧道磁阻)磁頭在0.3伏會受損。換句話說,在制造過程中或在磁盤驅動器里,TMR磁頭常受到由靜電(幾百毫伏)造成的靜電破壞(ESD)。
應對這種情況的常規(guī)方法是在MR元件的前置放大器的輸入端連接一個二極管箝位電路。在所連線的部件被引入磁頭堆組件(HSA)后,該二極管箝位電路可以防止超過0.6伏的電壓加在MR元件的兩端或MR元件與地線兩端。0.6伏為產生在二極管正向的電壓降。
專利文件1(日本專利公報No.2002-358608(第4-5頁,圖1))公開了一種過壓保護技術。該技術被設計來保護磁頭免受制造過程中可能產生的干擾噪聲的影響,同時還能保持高記錄密度和高響應速度。這個目標是通過以下方法實現(xiàn)的。固定在絕緣膜間的硅層安置在基板上。在所述硅層上形成至少一個二極管箝位電路和一個記錄讀出放大電路。該箝位電路將從構成了磁阻元件的第一防護件,第二防護件,第一電極和第二電極以及基板中選取的任意兩個元件相互進行電連接。
在TMR元件的擊穿電壓低至0.3伏的情況下,在將TMR元件安裝進HAS之前,就不能再忽略制造過程中產生的即使是非常少量的靜電。通常是將安裝在HAS中的TMR元件的保護電壓設置成0.6伏。但是這個電壓仍然太高。此外,構造傳統(tǒng)的箝位電路時要使得當電流通過將TMR元件和前置放大器連接在一起的導線所固有的電感后,箝位由電路中的二極管來執(zhí)行。這樣構造的缺點是箝位電壓增加了電感與電流(由于靜電)的乘積。在上面提到的專利文件1里公開的發(fā)明提供了一種保護回路,但是這種保護回路在擊穿電壓接近0.3伏時工作效果不理想。因此,對于擊穿電壓低至0.3伏的TMR元件的保護要求一種能精確工作在所希望的箝位電壓的保護電路。此外,從技術、性能和制造成本的角度來看,在單獨一個AlTiC浮動塊上安置TMR元件和箝位電路是不利的。
本發(fā)明的第一個目的是提供一種磁阻效應型磁頭,該磁阻效應型磁頭包括磁阻元件和用于該磁阻元件的過壓保護電路,它們共同安置在浮動塊上。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種制造磁阻效應型磁頭的方法,該磁阻效應型磁頭包括磁阻元件和用于該磁阻元件的過壓保護電路,它們共同安置在浮動塊上。
發(fā)明內容
上述的第一個目的通過一種磁阻效應型磁頭來實現(xiàn),所述磁阻效應型磁頭包括由硅制成的浮動塊,形成在所述浮動塊上的絕緣層,形成在所述絕緣層上含磁阻元件的讀出磁頭,和形成在所述絕緣層上用于所述磁阻元件的過壓保護電路。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述絕緣層為SiO2層。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路為箝位電路,所述箝位電路包括連接在所述磁阻元件的兩端的肖特基二極管。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括兩個與所述磁阻元件雙向并聯(lián)的肖特基二極管。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括與所述磁阻元件并聯(lián)的場效應晶體管。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路為包括連接在所述TMR元件兩端的肖特基二極管的箝位電路。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路包括與所述TMR元件并聯(lián)連接的場效應晶體管。
上述第一個目的還可以由一個磁阻效應型磁頭實現(xiàn),該磁阻效應型磁頭包括由硅制成的浮動塊,形成在所述浮動塊上的絕緣層,形成在所述絕緣層上的含磁阻元件的讀出磁頭,形成在所述讀出磁頭上部的寫入磁頭,和保護所述磁阻元件不受過壓損害的保護電路,所述保護電路沿著所述磁阻元件形成。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述絕緣層為SiO2層。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路為箝位電路,所述箝位電路包括連接在所述磁阻元件兩端的肖特基二極管。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括兩個與所述磁阻元件雙向并聯(lián)的肖特基二極管。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述寫入磁頭為感應磁頭,所述保護電路為包括連接在所述TMR元件兩端的肖特基二極管的箝位電路。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括與所述磁阻元件并聯(lián)的場效應晶體管。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路包括兩個與TMR元件雙向并聯(lián)的肖特基二極管。
如上面所限定的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路包括與所述TMR元件并聯(lián)的場效應晶體管。
上述的第二個目的由一種制造磁阻效應型磁頭的方法來實現(xiàn),該方法包括提供基板的步驟,所述基板具有在硅晶片的一面上形成的絕緣層;在所述絕緣層上形成第一布線的步驟;在所述絕緣層的一部分上形成硅層的步驟;在所述硅層上形成包括肖特基二極管的箝位電路的步驟;形成用于所述箝位電路的布線的步驟;在所述絕緣層上靠近所述箝位電路形成磁阻元件的步驟;將所述磁阻元件和所述箝位電路與所述第一布線相連的步驟。
如上面所限定的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述絕緣層為SiO2層。
如上面所限定的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,并在所述TMR元件的上部層壓上寫入磁頭。
上述的第二個目還可以由一種制造磁阻效應型磁頭的方法實現(xiàn),該方法包括提供基板的步驟,所述基板具有在硅晶片的一面上形成的絕緣層;在所述絕緣層上形成第一布線的步驟;在所述絕緣層的一部分上形成硅層的步驟;在所述硅層上形成包括具有源極、柵極和漏極的場效應晶體管的并聯(lián)電路的步驟;為所述并聯(lián)電路形成的布線的步驟;在所述絕緣層上靠近所述并聯(lián)電路形成磁阻元件的步驟;將所述磁阻元件和所述并聯(lián)電路與所述第一布線相連的步驟。
如上面所限定的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述絕緣層為SiO2層。
如上面所限定的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,并在所述TMR元件的上部層壓上寫入磁頭。
本發(fā)明容許磁阻元件和用于該磁阻元件的過壓保護電路共同安置在浮動塊上。
圖1為局部剖視圖,顯示了本發(fā)明一個實施例中的磁阻效應型磁頭和過壓保護電路的浮動塊。
圖2為剖視圖,顯示了本發(fā)明一個實施例中的形成在浮動塊(Si晶片)上的過壓保護電路。
圖3是本發(fā)明一個實施例中的TMR磁頭的透視圖。
圖4為透視圖,顯示了本發(fā)明的一個實施例中的配備了具有磁阻效應型磁頭的磁頭組件的磁盤驅動器。
圖5是具有肖特基二極管的箝位電路的電路圖。
圖6A是一個考慮了溫度補償?shù)捏槲浑娐返膶嵗碾娐穲D。
圖6B是一個考慮了溫度補償?shù)捏槲浑娐返膶嵗碾娐穲D。
圖6C是一個考慮了溫度補償?shù)捏槲浑娐返膶嵗碾娐穲D。
圖7A是一個帶有場效應晶體管的過壓保護電路的實例的電路圖。
圖7B是一個帶有場效應晶體管的過壓保護電路的實例的線路圖。
圖7C是一個帶有場效應晶體管的過壓保護電路的實例的電路圖。
圖7D是一個帶有場效應晶體管的過壓保護電路的實例的電路圖。
文字及標號說明10…磁盤驅動器11…基底12…主軸13…磁盤14…樞軸15…致動器16…支臂17…懸架18…音圈電機19…斜面機構20…磁阻效應型磁頭(TMR磁頭)21…連接器22…框架緩沖器
30…SOI基板31…硅晶片(浮動塊)32…SiO2層33,34…場效應晶體管35…肖特基二極管36…鋁布線37…焊接201…下部磁屏蔽層202…下電極203…TMR元件204…高阻軟磁膜205…上電極206…上部磁屏蔽層207…分離層208…下磁層209…磁隙210…導電線圈211…上磁層212…上磁極末端具體實施方式
圖4顯示了使用本發(fā)明的TMR磁頭(隧道磁阻磁頭)的磁盤驅動器10。該磁盤驅動器10包括盒狀基底11,固定在其上的主軸電機(未圖示),安裝在主軸電機的主軸12上并隨之旋轉的磁盤13,以及固定在基底11上的樞軸14。樞軸14可旋轉地支撐致動器15,該致動器有一個支臂16,支臂16上安裝著懸架17。該懸架17有通過萬向接頭(未圖示)加在其頂端的TMR磁頭20。支臂16、懸架17、萬向接頭以及TMR磁頭20構成了被稱做磁頭組件的機構。
致動器15的另一端安裝了一個線圈(未圖示),該線圈與固定在基底11上的磁路(未圖示)組合在一起構成了音圈電機(VCM)18。VCM18驅動致動器15繞樞軸14轉動。致動器15旋轉使TMR磁頭20沿磁盤13的徑向向所期望的磁盤13的記錄磁道移動。基底11還配置了一個斜面裝置19,當TMR磁頭從磁盤13上縮回時能停留在上面。在基底11的一個側面上有一個作為外部單元接口的連接器21。基底11的其它各側面圍繞著框架緩沖器22,用于保護各組件免受外部沖擊。
圖3是從浮動表面看去本發(fā)明的一個實施例的TMR磁頭20的透視圖。TMR磁頭20包括浮動塊(未圖示),在浮動塊上形成的下部磁屏蔽層201,在該屏蔽層上形成的用作下電極的非磁性導電金屬膜202,和由反鐵磁性層,釘扎磁性層,阻擋層,自由磁性層順序地層壓構成的TMR元件203。在TMR元件203的兩端形成了高阻軟磁膜204。在TMR元件203和其一端的高阻軟磁膜204上選擇性地層壓一層作為上電極的非磁性導電金屬膜205。磁通量無法滲透的非磁性導電金屬膜202和205構成了一個讀入間隙(read gap)。在靠近高阻軟磁膜204和非磁性導電金屬膜205的地方形成上部磁屏蔽層206。
安裝在上述系統(tǒng)中的TMR元件203起到讀出磁頭的作用,當讀出電流沿垂直于膜面方向通過下部電極202和上部電極205時,該讀出磁頭檢測作為電信號的響應外磁場強度而產生的阻抗變化。
在上部磁屏蔽層206的上面形成一個下面安置了絕緣分離層207的用于記錄的感應磁頭(寫入磁頭)。該寫入磁頭包括在分離層207上形成的下磁層208和上磁層211(二者構成了一個磁路),形成在上磁層211末端的上磁極尖212,形成在下磁層208和上磁層211末端的上磁極尖212之間的磁隙209。下磁層208和上磁層211在后面(未圖示)相互磁性連接以構成末端有磁隙209的磁路。此外,在下磁層208和上磁層211之間形成中間夾有絕緣層的導電線圈210。
圖2顯示了本發(fā)明的形成于Si浮動塊31上的過壓保護電路。在硅晶片上形成用作基底的一種絕緣體外延硅SOI(Silicon OnInsulator)30。該SOI基底30是通過對硅晶片31的表面進行氧化而形成的SiO2層32。在該SiO2層32上形成用來保護磁阻元件(未圖示)免受過壓損害的過壓保護電路和用于讀寫電路(未圖示)的前置放大器。過壓保護電路包括場效應晶體管(pMOSFET)33,場效應晶體管(nMOSFET)34,和肖特基二極管35。該pMOSFET33是通過將SiO2層32降低變成Si半導體層(N體區(qū))而形成。該nMOSFET34是通過將SiO2層32降低變成Si半導體層(P體區(qū))而形成。作為另一種選擇,該Si半導體層還可以通過在SiO2層32上外延生長而形成,隨后形成源極、柵極、漏極三個電極。肖特基二極管35可由用上述方法形成的Si半導體層(N體區(qū))和與之相連接的肖特基接觸(金屬)構成。該金屬最好是鈦以便該肖特基二極管35的正向電壓降為0.3伏。另外,在上述實施例中,該SiO2層可以通過對SOI基板(或硅晶片)的表面進行氧化來形成;然而,該SiO2層也可由其他任何在硅晶片上形成的適當?shù)慕^緣層來替代。
圖1顯示了在SOI基板30上形成的TMR元件203的一部分和ESD保護電路(肖特基二極管)35。為了使TMR元件203不受形成肖特基二極管35所需的熱量的影響,該肖特基二極管35和鋁布線36首先在SOI基板上形成。隨后,如上所述形成TMR元件203。肖特基二極管35和TMR元件203之間的連接通過焊接或超聲焊接37來完成。因此,本發(fā)明的實施例的優(yōu)點在于TMR元件203不會受鋁布線工藝中涉及到的高溫(約400℃)的影響。
圖1所示的實施例允許TMR元件203和肖特基二極管35(作為保護電路)水平地安置在SOI基板30上。但是也可以修改以使得TMR元件203和保護電路35垂直安置。
圖5至圖7顯示了過壓保護電路33,34和35的一些例子。在圖5所示的箝位電路里,肖特基二極管雙向并聯(lián)連接在TMR元件的兩端(RD+和RD-)。該肖特基二極管的正向電壓降(Vf)為0.3伏。
圖6A至圖6C顯示了通過溫度補償使Vf在很寬溫度范圍內保持恒定的電路的一些實例。如圖6A所示的電路是設計用來保護電壓超過0.3伏的TMR元件,0.3伏是pn結二極管(Vf=0.6伏)和肖特基二極管(Vf=0.3伏)之間的差異。當環(huán)境溫度變化時,利用它們的溫度系數(shù)相似的事實可以抵消它們的溫度特性。把兩個同樣的電路沿雙向連接以便當正脈沖或負脈沖施加到RD+端或RD-端時能產生預期的效果。
圖6B所示電路具有在反向偏壓方向與TMR元件并聯(lián)的肖特基二極管。它產生的效果和圖5所示反向偏壓方向也有肖特基二極管的效果是一樣的。只要在低溫下Vf是0.3伏,高溫下Vf不為負,就不會影響正常的操作。
圖6C所示電路與上面所示電路的不同之處在于用肖特基二極管代替了pn結二極管。這種電路的優(yōu)點是可以自由選用任何金屬以使得所形成的肖特基二極管的電壓差(Vf)為0.3伏。此外,因為使用相同類型的肖特基二極管,因此在抵消溫度特性方面,這種電路比上述電路具有更好的效果。
圖7A至圖7D顯示了通過一個或兩個具有稍高柵極電壓的場效應晶體管(nMOSFET)在TMR元件的兩端進行分流的一些電路的實例。圖7A所示電路被設計為由于柵極電壓增加了等于pn結二極管Vf的0.6伏而使TMR元件的兩端高速短路。這種準備是必要的,因為當在短路過程中源極電壓和柵極電壓(=漏極電壓)接近FET的導通電壓Vth(0.9伏)時,源極輸出器(連接漏極和柵極從而跳過二極管的電路)的速度(由于導通電阻的增加)降低。
圖7B所示電路與圖6B所示電路相似,不同之處僅在于圖7B所示電路有一個在正ESD脈沖施加到RD-端或負ESD脈沖施加到RD+端時工作的簡化的保護電路。但是,由于偏壓的方向與普通的方向相反,所以二極管的溫度特性不會造成什么影響。
圖7C所示電路與圖7A所示電路的不同之處在于該電路用肖特基二極管代替了pn結二極管。它允許分流電阻(導通電阻)根據偏壓的目標值或柵壓的過激勵(over drive)量(對應于Vf)來變化。
圖7D所示電路與圖6B和圖7B所示電路相似,不同之處僅在于圖7D所示電路有一個在正ESD脈沖施加到RD-端或負脈沖施加到RD+端時工作的簡化的保護電路。但是,由于偏壓的方向與普通的方向相反,所以二極管的溫度特性不會造成什么影響。
在上述實施例中,TMR元件被用作磁阻元件,但它自然也可以用GMR元件或MR元件來替代。
本發(fā)明的上述實施例能將磁阻元件和過壓保護電路(ESD保護電路)并排放置在浮動塊上。此外,它還能將ESD保護電路放置在比前置放大器更靠近磁阻元件的位置(或將箝位點放置的更靠近磁阻元件)。這就能產生減少磁阻元件和ESD保護電路之間的布線長度的效果,進而能夠精確地將箝位電壓設定為預計值而又不受布線自感應的影響。另外,由于ESD電路與浮動塊電隔離開并且各個電路被SiO2所圍繞,因此這就使得在浮動塊和各個電路中產生的靜電荷不可能通過布線流入ESD保護電路,并排除了使用二極管時電勢方面的限制。此外,靠近N層的硅晶片沒有結點這一事實有助于降低寄生電容和提高切換動作的速度。
權利要求
1.一種磁阻效應型磁頭,其特征在于包括由硅制成的浮動塊;形成在所述浮動塊上的絕緣層;形成在所述絕緣層上含磁阻元件的讀出磁頭;和形成在所述絕緣層上用于所述磁阻元件的過壓保護電路。
2.如權利要求1所述的磁阻效應型磁頭,其中所述絕緣層為SiO2層。
3.如權利要求1所述的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件。
4.如權利要求1所述的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路為箝位電路,所述箝位電路包括連接在所述磁阻元件的兩端的肖特基二極管。
5.如權利要求1所述的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括兩個與所述磁阻元件雙向并聯(lián)的肖特基二極管。
6.如權利要求1所述的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括與所述磁阻元件并聯(lián)連接的場效應晶體管。
7.如權利要求1所述的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路為包括連接在所述TMR元件兩端的肖特基二極管的箝位電路。
8.如權利要求1所述的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路包括與所述TMR元件并聯(lián)連接的場效應晶體管。
9.一種磁阻效應型磁頭,其特征在于包括由硅制成的浮動塊;形成在所述浮動塊上的絕緣層;形成在所述絕緣層上的含磁阻元件的讀出磁頭;形成在所述讀出磁頭上部的寫入磁頭;和保護所述磁阻元件不受過壓損害的保護電路,所述保護電路沿著所述磁阻元件形成。
10.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述絕緣層為SiO2層。
11.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件。
12.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路為箝位電路,所述箝位電路包括連接在所述磁阻元件兩端的肖特基二極管。
13.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括兩個與所述磁阻元件雙向并聯(lián)的肖特基二極管。
14.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述寫入磁頭為感應磁頭,所述保護電路為包括連接在所述TMR元件兩端的肖特基二極管的箝位電路。
15.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述保護電路包括與所述磁阻元件并聯(lián)的場效應晶體管。
16.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路包括兩個與TMR元件雙向并聯(lián)的肖特基二極管。
17.如權利要求9所述的磁阻效應型磁頭,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,所述保護電路包括與所述TMR元件并聯(lián)連接的場效應晶體管。
18.一種制造磁阻效應型磁頭的方法,其特征在于包括提供基板的步驟,所述基板具有在硅晶片的一面上形成的絕緣層;在所述絕緣層上形成第一布線的步驟;在所述絕緣層的一部分上形成硅層的步驟;在所述硅層上形成包括肖特基二極管的箝位電路的步驟;形成用于所述箝位電路的布線的步驟;在所述絕緣層上靠近所述箝位電路形成磁阻元件的步驟;將所述磁阻元件和所述箝位電路與所述第一布線連接的步驟。
19.如權利要求18所述的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述絕緣層為SiO2層。
20.如權利要求19所述的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,并在所述TMR元件的上部層壓上寫入磁頭。
21.一種制造磁阻效應型磁頭的方法,其特征在于包括提供基板的步驟,所述基板具有在硅晶片的一面上形成的絕緣層;在所述絕緣層上形成第一布線的步驟;在所述絕緣層的一部分上形成硅層的步驟;在所述硅層上形成包括具有源極、柵極和漏極的場效應晶體管的并聯(lián)電路的步驟;為所述并聯(lián)電路形成布線的步驟;在所述絕緣層上靠近所述并聯(lián)電路形成磁阻元件的步驟;將所述磁阻元件和所述并聯(lián)電路與所述第一布線連接的步驟。
22.如權利要求21所述的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述絕緣層為SiO2層。
23.如權利要求21的制造磁阻效應型磁頭的方法,其中所述磁阻元件為TMR(隧道磁阻)元件,并在所述TMR元件的上部層壓上寫入磁頭。
全文摘要
磁阻效應型磁頭的擊穿電壓低至0.3伏時,忽略制造或使用過程中產生的即使是非常少量的靜電是不切實際的。通過以下步驟來制造所期望的磁頭在Si浮動塊31上形成SiO
文檔編號H01L43/08GK1637858SQ20041008241
公開日2005年7月13日 申請日期2004年9月17日 優(yōu)先權日2003年12月26日
發(fā)明者小野裕幸, 鈴木宏昌, 砂永登志男, 宮武久忠, 淺野秀夫 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司