CN101097720A - 防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于在制造期间防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构。该结构包括在传感器的测试期间能断开且然后能转换回到导通以提供对传感器的ESD分流的开关元件。该开关可以是构建在滑块上的热启动机械继电器。该开关还可一是可编程电阻器，其包括夹在第一和第二电极之间的固态电解质。所述电极之一用作阳极。当电压沿第一方向施加时，跨电极穿过电解质形成离子桥，使电阻器导电。当电压沿第二方向施加时，离子桥消失且可编程电阻器变得基本不导电。另一可行的可编程电阻器使用相变材料，其能够根据特定热处理的应用而在非晶高电阻态和结晶低电阻态之间改变。
Description
技术领域
本发明涉及磁数据记录头中静电放电的防止，更具体而言，涉及在磁头的制造和测试期间需要时可生效和失效的静电放电防止结构。
背景技术
计算机长期存储的核心是称为磁盘驱动器的组件。磁盘驱动器包括旋转磁盘、通过悬臂被悬置地与旋转磁盘的表面相邻的写和读头、以及转动悬臂从而将读和写头置于旋转盘上选定环形道(track)之上的致动器。读和写头直接位于具有气垫面(ABS)的滑块上。悬臂偏置滑块朝向盘的表面，当盘旋转时，邻近盘的空气与盘表面一起移动。滑块在该移动空气的垫上飞行于盘表面之上。当滑块骑在气垫上时，采用写和读头来写磁转变到旋转盘且从旋转盘读取磁转变。读和写头连接到根据计算机程序运行的处理电路以实现写和读功能。
写头传统上包括嵌在一个或更多绝缘层(绝缘堆叠)中的线圈层，绝缘堆叠夹在第一和第二极片层(pole piece layer)之间。在写头的气垫面(ABS)处间隙(gap)通过间隙层形成在第一和第二极片层之间，且极片层在背间隙(back gap)处连接。传导到线圈层的电流在极片中感应磁通，其导致磁场在ABS处在写间隙弥散出来，用于在移动介质上在道中写上述磁转变，例如在上述旋转盘上的环形道中。
在近来的读头设计中，自旋阀传感器，也称为巨磁致电阻(GMR)传感器，已经被用于检测来自旋转磁盘的磁场。GMR传感器包括称为间隔层(spacer layer)的非磁导电层，其被夹在称为被钉扎层和自由层的第一和第二铁磁层之间。第一和第二引线(lead)连接到自旋阀传感器以传导通过那里的检测电流。被钉扎层的磁化被钉扎为垂直于气垫面(ABS)，且自由层的磁矩平行于ABS但可以响应于外磁场自由旋转。被钉扎层的磁化通常通过与反铁磁层的交换耦合而被钉扎。
间隔层的厚度被选择为小于通过传感器的传导电子的平均自由程。采用此设置，部分传导电子被间隔层与被钉扎层和自由层每个的界面所散射。当被钉扎层和自由层的磁化彼此平行时，散射最小，当被钉扎层和自由层的磁化反平行时，散射最大。散射的变化与cosθ成比例地改变自旋阀传感器的电阻，其中θ是被钉扎层与自由层的磁化之间的角度。在读模式中，自旋阀传感器的电阻与来自旋转盘的磁场的大小成比例地改变。当检测电流传导通过自旋阀传感器时，电阻变化导致电势变化，其被检测到并作为重放信号(playback signal)处理。
可在磁写头中使用的其他磁致电阻传感器是也称为隧道阀的隧道结传感器和电流垂直平面巨磁致电阻(CPP GMR)传感器。还已经提出了异常磁致电阻(extraordinary magnetoresistive)传感器用于磁数据记录头中。
与磁头中使用的磁致电阻传感器的类型无关，影响磁头的可制造性的困难在于静电放电(ESD)的问题。记录头会被偶尔的静电放电事件摧毁或严重损坏。尽管已经提出了各种方案用于防止写头中的静电放电，但是还没有可在滑块研磨之后可采用的实用方案。
本领域技术人员将意识到，具有磁读/写头的滑块通过这样的工艺构造，在该工艺中数千读/写头构造在晶片上。该晶片然后被切割成行。成行的滑块被研磨以从滑块行的切割边缘去除所需量的材料，由此定义传感器的条高(stripe height)且形成滑块上的气垫面。这些行然后被切割成单独的滑块。
现已提出的防止磁头中静电放电的方案包括提供某种电分路(shunt)结构，其在将晶片切割成单独滑块之前被去除。该分路结构必须被去除以测试滑块(例如准测试)且使传感器在完成的盘驱动器中起作用。然而，在完成测试之后、滑块组装到完成的头万向节组件和悬臂组件中之前，仍有大的ESD损坏风险。更糟的是，随着传感器灵敏度的每次进步，对ESD保护的需求变得更加强烈。
因此，强烈需要一种能在制造的各个阶段，甚至在测试完成之后防止静电放电(ESD)损坏磁致电阻传感器的方法或结构。
发明内容
本发明提供一种用于保护磁致电阻传感器免于由于静电放电(ESD)引起的损坏的结构和电路。该结构包括用于提供跨传感器的电分路的电路。该电路可断开从而当需要对传感器进行测试时去除分流(shunting)，且然后可闭合从而恢复用于ESD保护的分流。
用于该分流接通和断开的电路可包括热启动继电器。该热启动继电器可包括连接到连接焊盘例如为飞行高度控制器设置的焊盘(TFC焊盘)的加热元件。通过跨TFC焊盘施加电压，加热元件加热继电器，断开分路电路从而可以对传感器进行测试。
分路电路的转换还可通过可编程电阻器提供。这样的可编程电阻器可以是包括夹在第一和第二电极之间的固态电解质的结构。电极之一可由充当阳极的材料构造。当电压沿一方向跨电极施加时，离子桥(ion bridge)形成在电极之间且电阻器变得导电。当电压沿另一方向施加时，离子桥中断，电阻器变得基本不导电。
可用于该分路电路中的另一类型的可编程电阻器是利用相变材料构造的可编程电阻器。例如，相变材料可以夹在第一和第二电极之间。通过应用特定的所需热处理到该相变材料，其可以变为非晶且基本不导电。然后，通过应用另一所需的热处理，该相变材料可被退火从而返回到其结晶状态。热处理可通过跨电阻器施加电压而电地进行，或者可以通过例如引导激光在该电阻器处来进行。
ESD分路电路与现有可行方案相比有利地允许保护传感器直到制造和组装工艺的后阶段。这是因为当将要进行测试时分路可以断开，且分路可以转换回到导通从而恢复分流。当不再需要分流时(例如在滑块已经组装到头万向节组件中之后)，连接开关到传感器的电路线(热启动继电器和可编程电阻器)可通过例如激光删除被切断。
本发明的这些和其他特征和优点将通过结合附图阅读下面对优选实施例的详细描述而变得显然，附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。
附图说明
为了全面理解本发明的本质和优点，以及优选使用模式，请结合附图参考下面的详细描述，附图未按比例绘制。
图1是其中可实施本发明的盘驱动系统的示意图；
图2是从图1的线2-2取得的滑块的ABS视图，示出其上磁头的位置；
图3是磁头的剖视图，包括读元件、写元件和热飞行高度控制(TFC)加热元件；
图4是滑块的端视图，示出各种接触焊盘和ESD分路电路；
图5是根据本发明一实施例的ESD分路电路的示意图；
图6是根据本发明一实施例的热启动继电器的剖视图；
图7是从图6的线7-7取得的视图；
图8-15示出制造的各中间阶段图6和7的继电器以示出根据本发明一实施例制造热启动继电器的方法；
图16是根据本发明一实施例用于提供ESD分路的电路的示意图；
图17是根据本发明另一实施例用于提供ESD分路的电路的示意图；
图18是根据本发明一实施例的可编程电阻器元件的剖视图；
图19-25示出在制造的各中间阶段的可编程电阻器，以示出根据本发明一实施例制造可编程电阻器的方法；
图26是根据本发明一实施例的相变电阻器的顶视图；
图27是从图26的线27-27取得的视图；
图28是根据本发明一供选实施例的相变电阻器的剖视图；
图29是根据本发明又一实施例的相变电阻器的剖视图；
图30是根据本发明再一实施例的相变电阻器的剖视图；
图31是示意图，示出用于提供ESD分流的电路；
图32是根据本发明实施例的相变电阻器的又一实施例的顶视图；以及
图33是从图32的线33-33取得的视图。
具体实施方式
下面的说明是关于当前构思的用于实施本发明的最佳实施例。进行该说明以示出本发明的基本原理，而不意味着限制这里要求保护的发明概念。
参照图1，示出了实施本发明的盘驱动器100。如图1所示，至少一个可旋转磁盘112支承在心轴(spindle)114上且通过盘驱动器马达118被旋转。每个盘上的磁记录是磁盘112上的同心数据道(未示出)的环形图案形式。
至少一个滑块113位于磁盘112附近，每个滑块113支持一个或更多磁头组件121。当磁盘旋转时，滑块113在磁盘表面122之上径向进出移动，从而磁头组件121可以存取磁盘的写有所需数据的不同道。每个滑块113借助悬臂(suspension)115连到致动器臂119。悬臂115提供轻微的弹力，其偏置滑块113倚着磁盘表面122。每个致动器臂119连到致动器装置127。如图1所示的致动器装置127可以是音圈马达(VCM)。该VCM包括在固定磁场中可移动的线圈，该线圈移动的方向和速度通过控制器129提供的马达电流信号控制。
盘存储系统运行期间，磁盘112的旋转在滑块113和盘表面122之间产生对滑块施加向上的力或举力的气垫(air bearing)。于是在正常运行期间该气垫平衡悬臂115的轻微的弹力，并且支承滑块113离开盘表面并且以小的基本恒定的距离稍微位于盘表面之上。
盘存储系统的各种组元在运行中由控制单元129产生的控制信号来控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元129包括逻辑控制电路，存储装置和微处理器。控制单元129产生控制信号从而控制各种系统操作，例如线123上的驱动马达控制信号以及线128上的头定位和寻道控制信号。线128上的控制信号提供所需的电流分布(current profile)，从而优化地移动并定位滑块113到盘112上的所需数据道。写和读信号借助记录通道125传达到和读出自写头和读头121。
参照图2，滑块113中磁头121的取向可以更详细地被观察。图2是滑块113的ABS视图，可以看出包括感应写头和读传感器的磁头位于滑块的尾边缘(trailing edge)。一般磁盘存储系统的上述描述以及图1的附图仅用于示例。应显然地，盘存储系统可包括多个盘和致动器，每个致动器可支持多个滑块。
图3示出例如可形成在滑块上的磁读写头121的示例的剖视图。头121包括读元件302和写元件304。读元件可包括夹置在第一和第二磁屏蔽件308、310之间且嵌入在绝缘层312中的磁致电阻传感器306。写头304可通过绝缘层314与读头302分隔开，或者可以是合并式头设计，其中上屏蔽件310用作写头304的一部分。读元件和写元件构造在衬底316上，衬底316可以是例如钛碳化物或某些其他硬材料且形成上面参照图2描述的滑块113的体(body)。
继续参照图3，写元件包括在背间隙322磁连接的第一和第二磁极318、320。磁座324可被包括在写头的气垫面(ABS)端，该座与极318、320之一磁连接。非磁写间隙326在ABS处磁分隔极318、320。导电写线圈328经过极318、320之间且在绝缘层330例如氧化铝中被绝缘。
仍参照图3，磁头121可包括热飞行高度控制结构(TFC)332。TFC结构332可以是具有期望电阻的材料的蜿蜒形状(图3未示出)的层的形式。TFC结构332可以与用于提供所需量的电流的电路连接，该电流加热TFC结构332。该加热可用于引起读和写元件302、304的热膨胀，导致他们从ABS凸出所需量。该突出可以用来微调头121的有效飞行高度。
图4示出其上形成有磁头121的滑块113的末端。滑块113的末端可形成有用于提供与头121的各种组元电接触的一系列接触焊盘。例如，一对接触焊盘402、404通过第一和第二导电引线406、408与写线圈328连接，用于提供写电流到写线圈328。类似地，一对接触焊盘410、412通过导电引线414、416与读传感器306(图3)连接。另外，如果设置用于热飞行高度控制332(图3)的热加热元件，则加热器332可通过导电引线424、426与一对接触焊盘420、422连接。
继续参照图4，设置静电放电分路结构428。分路结构428用来通过经引线430、432与传感器接触焊盘410、412连接来电分流传感器306。分路结构428可被转换(switch)以提供用于ESD保护(即分流)的闭合电路或允许使用或测试读传感器306的断开电路。这有利地允许分路结构即使在滑块被分成行和单独滑块之后以及即使在组装到头万向节组件(HGA)中之后保持完整和有效。
上述磁头121仅以示例方式给出以示出其中可实现根据本发明的放电保护结构的环境。这仅是示例的方式，其他类型的读或写元件也可以被采用。例如，写元件304可以是垂直写头，而不是上述纵向设计。另外，写头的结构，或者纵向或者垂直，可具有任何数量的其他设计。另外，磁致电阻传感器306可以是面内电流巨磁致电阻传感器(CIP GMR)、电流垂直平面巨磁致电阻传感器(CPP GMR)、隧道阀(TMR)、异常磁致电阻元件(EMR)、或者当前可得或以后开发的任何其他磁致电阻传感器。
热启动机械ESD分路继电器
现在参照图5，描述具有用于静电放电(ESD)分路的热启动继电器504的磁头502的示意图。磁致电阻传感器306通过导电引线414、416与接触焊盘410、412连接。热飞行高度控制(TFC)加热元件332通过引线424、426与接触焊盘420、422连接。
ESD分路结构包括热启动开关结构502，其通过导电引线504、506与传感器接触焊盘410、412连接。热启动开关结构502形成为与电阻加热元件508相邻，电阻加热元件508可通过导电引线510、512与TFC接触焊盘420、422电连接。热启动开关502和加热元件508一起是继电器514的一部分，继电器514可电分流传感器306，直到进行测试，在测试的情况下开关可以断开以去除分流且允许使用传感器。
开关502被偏置在闭合位置，但是可以通过跨TFC接触焊盘420、422施加偏压而断开。该偏压使加热元件508加热该开关，这断开该开关，如下面将明白的那样。
现在参照图6和7，可以更详细地观察根据本发明一实施例的继电器508的结构。继电器502构建在衬底602上，衬底602可以是滑块113(图2)的体。如图6所示，继电器502包括第一和第二接触焊盘604、606，其通过图7所示的引线504、506与接触焊盘410、412电连接。导电接触条(bar)608压在接触焊盘的内部分上，电连接两个接触焊盘604、606。接触焊盘可由任何导电材料构成，且优选由Ta层和AuNi层构成。接触条608也可由各种材料构成且优选由AuNi构成。
继电器502还包括经引线510、512与TFC接触焊盘420、422连接的外接触焊盘610、612，如图7所示。外接触焊盘612、610可由AuNi或某些其他导电材料构成且可以在与内焊盘604、606相同的沉积步骤中沉积，如下面将更详细地描述的那样。聚合物层614延伸在内接触焊盘604和606、接触条608、以及外接触焊盘610和612之上。聚合物层614可由各种材料构成，但是优选由具有低固化温度(低于200摄氏度)、在操作温度(可能高达250摄氏度)下良好的热稳定性、以及对后面在下面将更详细描述的制造工艺期间的溶剂曝露惰性的材料构成。聚合物层614可由负环氧光致抗蚀剂例如SU8构成。
参照图7，电阻加热元件618形成在聚合物膜614上。电阻加热元件618可具有如图7所示的蜿蜒形状，或者也可具有某些其他形状。电阻器元件618接触形成在聚合物膜之上且延伸超过聚合物膜的第一和第二导电锚焊盘(anchor pad)620、622。如图6所见，聚合物层614具有孔624、626，其允许电阻器618与外接触焊盘610、612之间的电连接。这些孔624、626示于图6中。锚焊盘620、622(及可能地电阻器618的外部分)延伸到孔624、626中。这样，锚焊盘提供电阻器618与外接触焊盘610、612之间的电连接，同时还提供机械锚定功能以固定聚合物膜614的外端。锚焊盘可由数种导电材料构成且优选由Ta和Au构成。
如参照图6和7可见，在静态(quiescent state)，ESD分路继电器分路结构通过在传感器接触焊盘410、414之间提供闭合电路而提供传感器的电分流。电流通过接触条608跨内接触焊盘604、606被分流。然而，当操作者想要对传感器进行测试时，例如在准测试(quasi test)期间，操作者可断开继电器502以去除分流。这通过跨TFC接触焊盘420、422施加电压来进行。该电压产生电流，其加热电阻加热器618，电阻加热器618又加热聚合物膜614。聚合物膜614的热膨胀导致膜升高或向上拱起。该升高或拱起提升附着到该膜的接触条608。接触条608的提升去除内接触焊盘604、606之间的电接触，断开传感器焊盘410、412之间的电路且临时去除传感器分流。一旦从TFC接触焊盘420、422去除电压(例如在测试已完成之后)，电阻器618和膜614就冷却。膜614和接触条608移动到接触条608接触内接触焊盘604、606的初始位置。ESD分流然后恢复从而向传感器提供ESD保护。
一旦不再需要分路结构502(例如在滑块已经组装到完成的测试过的头万向节组件中之后)，引线510、504、506和512可以被切断，例如通过激光删除或者，每个引线510、504、506、512中的可熔元件可包括在电路中，该可熔元件可在高电流脉冲下断开。
现在参照图8-14，将描述构造上述ESD分路继电器502的方法。特别参照图8，形成接触焊盘410、412、420、422。这些可由例如Au构成。然后形成引线510、504、506、512以及内接触焊盘604、606和外接触焊盘610、612的图案。引线504、506连接内接触焊盘604、606与传感器焊盘410、412，引线510、512连接外接触焊盘610、612与TFC焊盘420、422。引线504、506、510、512的形成可通过沉积Ta的全膜层、然后Au-Ni的全膜层来进行。Ta层可沉积至例如约20nm的厚度，Au-Ni可沉积至例如0.2-0.3微米的厚度。然后可形成抗蚀剂掩模，具有与引线504、506、510、512和焊盘604、606、610、612对应的图案。然后可进行材料去除工艺例如离子研磨以去除部分所沉积的Ta和Au-Ni层，由此形成引线504、506、510、512和焊盘604、606、610、612。可沉积例如氧化铝层且回抛至AuNi表面，使得AuNi与其余结构大致共面。
现在参照图9，沉积由例如Cu形成的释放层902。释放层902优选形成得覆盖内接触焊盘604、606，但是不覆盖外接触焊盘610、612。然后，如图10所示，导电接触条608形成在释放层902之上。如上所述，接触条可由Au-Ni构成，且可为约0.2微米厚。
现在参照图11，形成聚合物膜614。如上所述，聚合物膜可由例如负光致抗蚀剂SU8的材料或具有合适的固化温度和热稳定性的某些其他材料构成。形成聚合物膜614使得释放层902的至少部分边缘延伸超过聚合物膜614的边缘，允许释放层902的部分边缘被暴露。另外，如图11可见，通孔或通路624、626形成在聚合物膜614中。通孔624、626延伸完全穿过膜614从而暴露其下的外接触焊盘612、610。膜614可由数种材料构成且优选由可以旋涂的柔性材料构成。所述材料优选能够被光成像，具有低固化温度(低于190摄氏度)，具有高膨胀系数、高耐热性，且优选耐溶剂。如上所述，用于该膜材料的良好候选材料是具有4-8微米厚度的SU8环氧树脂层。Cu释放层902的存在保护传感器在膜的形成期间免于被损坏，如果在任一后续处理步骤中使用例如等离子处理的话。
应注意，二维膜也是可行的，在该情况下该膜在超过两个位置被锚定。这需要注意释放层的暴露，使得膜可以被释放。施加电流到顶表面导体后，二维膜将将以更像圆泡(bubble)而不是桥的方式变形。
现在参照图12，电阻加热元件618形成在膜614之上。电阻加热元件618可由各种材料构成，但是优选由Ta层和形成在Ta层之上的Au层构成。加热元件618可以蜿蜒形状形成从而最大化加热效率，且优选具有0.1-0.2微米的厚度，尽管也可以是某些其他厚度。加热元件618还利用导致该加热元件具有内部张应力的沉积条件部分沉积。例如，加热元件可通过在导致张应力的压力和偏压条件范围溅射沉积各种材料例如Cr、TiW或Ta来形成。张应力可以在一GPa左右。蒸镀或镀(plated)的材料也可用于提供蜿蜒加热器结构618中的张应力层。加热元件中的张应力有助于保持接触焊盘608在继电器502不断开时压在内接触焊盘604、606上(如图6所示)。加热元件618可沉积得具有约50欧姆的电阻或TFC 332(图3)的电阻的约一半，以确保继电器的启动期间TFC的有限加热。
现在参照图13，沉积锚焊盘620、622。与电阻器类似，锚焊盘可由Ta和Au构成。锚焊盘620、622延伸到所述膜中的孔624、626中以形成与下面的外接触焊盘610、612(图10-12所示)以及与加热元件618的电接触。将可以在一个步骤中构造加热元件使得它延伸到孔624、626以接触焊盘610、612。然而，由于膜614的高拓扑形貌，更稳妥的方法是使用在单独沉积步骤中沉积的锚焊盘620、622接触焊盘610、612。另外，锚焊盘620、622有助于密封和锚定膜614的末端。
参照图14，释放层902可以通过蚀刻被去除。蚀刻溶液可在释放层902的暴露边缘到达释放层。然而，为了进一步促进膜614之下释放层的去除，膜614可形成有缝(slit)或孔以进一步允许蚀刻溶液到达释放层。释放层的去除导致膜之下的一些空洞，如图6所示。因此，释放层的去除允许在加热元件618和膜614的加热期间当接触条608提升时内接触焊盘之间的电连接断开。
参照图15，当不再需要ESD保护电路时，诸如激光删除(laser deletion)的工艺可用于切断引线504、506、510、512，使ESD分路电路永远无效。这要求导体504、506、510、512的一些部分由可以被干净地激光删除而不产生碎片的材料构成。美国专利6049056和5759428中教导了这样的方法和结构，在此引入其全部内容作为参考。
可编程电阻器分路-基于电解质
根据本发明另一实施例的静电放电分路(ESD)结构涉及可编程电阻器的使用，可编程电阻器可在记录头的构建之前构建在衬底上或其中。这些电阻器具有这样的特性，他们可以从相当导电的状态(具有一欧姆级左右的电阻)转变到电阻状态(具有10千欧左右的电阻)。电阻状态的转换通过跨电阻器施加极性与先前施加的电压相反的电压来实现。用于该电阻改变的机制是跨本征电阻性材料层的导电桥的产生和破坏。这借助于在固态电解质中通过离子(通常Cu或Ag)形式的电流来实现。在阳极(离子提供电极)和惰性对电极(inert counter electrode)之间施加正电压后，产生且电沉积带正电的移动离子从而形成横过电解质、连接两电极的导电金属丝(filament)。负离子不移动。施加负电压时，金属离子减少且导电丝被去除。所施加电压的大小为一伏特的若干分之一，是电化学反应普遍的氧化/还原电势。
已经提出具有这些属性的器件用于存储装置，其可制得很小，具有快的开关特性，具有循环多次的能力且在其开/关状态具有显著的不同。然而，在当前描述的本发明实施例中使用的要求有些不同。所需特性是(1)在导电状态(导通)的低电阻(约1欧姆)以提供避免ESD事件的充分保护，(2)在电阻(截止)状态的大电阻(约10千欧)以限制与正在测试的传感器、特别是对于具有数百欧姆电阻的未来传感器(例如隧道阀)的电相互作用。有较大的区域用于构建所述电阻器，因此小尺寸不是问题，而当使用可编程电阻器作为存储装置时会成问题。另外，不需要短的转换时间或多的转换周期。一个设计标准是电阻器在将跨传感器施加电压(即使0.1V)的情况下不会转换。避免使传感器受到应力或毁坏传感器所需的该要求可以通过引入使用两个或三个这样的可编程电阻器的电路的设计而解决，如下面将更详细论述的那样。
图16示出根据本发明一可行实施例的静电放电(ESD)保护电路的示意图。如图所示，该电路可包括磁致电阻传感器1602和热飞行高度控制加热元件1604。传感器1602与连接焊盘1606、1608电连接。TFC加热元件1604与连接焊盘1610、1612电连接。连接焊盘1606、1608、1610、1612可由Au或某些其他导电材料构成。
第一和第二可编程电阻器1614、1616利用TFC连接焊盘之一1610并联连接。第一可编程电阻器1614与传感器1602的第一端连接(用第一传感器引线，未示出)，第二可编程电阻器1616与传感器的第二端连接(用第二传感器引线，未示出)。为了转换可编程电阻器元件1614、1616，例如为了对传感器进行测试，操作者应用探针到第一和第二传感器焊盘1606、1608以短路传感器1602。于是当传感器被短路时，电压施加在第一TFC接触焊盘和短路的传感器之间。这样，电阻器元件1614、1616可被转换而不跨传感器施加电压。
现在参照图17，根据本发明另一实施例的电路设计可用来提供ESD分流。如前面描述的实施例那样，传感器1602可与第一和第二传感器接触焊盘1606、1608连接，TFC加热元件1604可以与第一和第二TFC接触焊盘1610、1612连接。该实施例采用三个可编程电阻器元件1702、1704、1706。两个可编程电阻器元件(例如第一和第二电阻器1702、1704)连接在一传感器引线与一TFC焊盘之间，第三电阻器1706与TFC并联连接。这些电阻器以两阶段过程转换，其中两个电阻器在第一阶段转换，第三电阻器在第二阶段转换。在第一阶段，焊盘1610和1612赋予极性一，短路的传感器焊盘1608和1606赋予极性二。在第二阶段，焊盘1612赋予极性一，剩余的焊盘短路在极性二。电阻器通过颠倒该过程而改变到相反状态。
已发现许多材料系统表现出移动金属离子的氧化/还原引起的电阻改变。该系统一般包括惰性的稳定的电极、电解质层和阳极电极。电解质材料可含有显著浓度的制成阳极的材料(通常为Cu或Ag)。这些材料的许多实施例可见于美国专利6865117和6825489，在此引入其全部内容作为参考。具有所公开优点的电解质包括Ge硫族化物玻璃例如GeSe，以及氧化物例如WO3。
包括可编程电阻器元件的结构优选构造在通常用来构建记录头的涂覆绝缘体的衬底上。该衬底通常是Al2O3/TiC陶瓷上溅射的氧化铝。下电极结构(例如W，30nm厚，另一更厚的金属层在下面)溅射到绝缘体上，然后构图，使得下电极分成绝缘体(例如氧化铝)围绕的一个或更多片段。电解质(例如WO3，50-100nm厚)被沉积，其包含感兴趣的导电离子(例如Cu)。沉积和构图阳极电极(例如Cu，25nm厚)。该结构然后可被退火以使Cu在电解质中分散。阳极可被更厚的金属覆层所覆盖。这些层然后可被绝缘体覆盖，除了形成通孔以允许电阻器到传感器和TFC柱(stud)的连接的位置以外。部分连接构建在晶片的最终表面上以允许一旦完成测试就从电路激光删除可编程电阻器元件。基于从小结构(例如W-WO3-Cu装置的5μm直径)得到的电阻改变的评估，估计使用滑块的大部分面积(700×230μm)可实现的电阻值为在导通状态约1欧姆且在截止状态大于10千欧。
图18示出可编程电阻器元件1802的可行实施例的剖视图。该电阻器元件对应于参照图16论述的可编程电阻器元件1614、1616或参照图17论述的可编程电阻器元件1702、1704、1706。在图18中可以看出，可编程电阻器元件1802可实际上包括并联地夹在第一和第二引线层1806、1808之间的多个较小电阻器元件1804。可编程电阻器元件1802可形成在衬底1810上，例如用于制造滑块的溅射的铝氧化物或铝氧化物/钛碳化物衬底晶片。绝缘层1812例如氧化铝可形成在电阻器元件1802上，且可以设置有通孔1816、1818以允许与引线1806、1808电连接。电阻器元件1802中的各电阻器1804可通过绝缘填充层1814例如氧化铝彼此分隔开。
现在参照图19-25，描述根据本发明一实施例制造可编程电阻器元件1802(其也可认为是电阻器阵列)的方法。特别参照图19，提供衬底1902，绝缘层1903设置在衬底1902之上。衬底可以是滑块的体，其可由溅射的铝氧化物或铝氧化物/钛碳化物构成。第一或底导电引线1904沉积在衬底1902之上。第一引线可由各种导电材料构成，例如Ni、Cu、Au等。
第一电极材料1906然后沉积在第一引线1904之上。第一电极是惰性电极材料，例如W，其可为约30nm厚，尽管该材料和厚度仅是示例性的。金属层可包括在W下方作为电极1906的一部分。然后，固态电解质层1908沉积在第一电极层1906之上。该固态电解质可以是例如WO3，且可为50-100nm厚。第二电极例如Cu 1910可沉积在电解质层1908之上。尽管电解质层1908可以具有或者可以不具有期望的离子(例如Cu)，可进行退火以驱动一些第二电极(例如来自Cu电极的Cu离子)到电解质层1908中。然后可沉积盖层1912例如Au+Ta。
现在参照图20，多个掩模岛2002形成在所沉积的层上。岛2002可具有例如1-20μm的直径。尽管示出了两个这样的掩模岛2002，但是应理解，可以使用多得多的岛。这些掩模岛可包括光致抗蚀剂层，且还可包括一个或更多图像转移层(例如DURAMIDE)和/或一个或更多硬掩模层。然后，参照图21，进行材料去除工艺例如离子研磨以去除层1906、1098、1910、1912未被掩模岛2002保护的部分。可以使用终点检测方案来确定到达第一引线1904的时间和终止离子研磨或其他材料去除工艺的时间。
现在参照图22，全膜沉积绝缘层例如氧化铝2202，优选地掩模岛2002留在原位。然后，参照图23，使用顶离(liftoff)工艺来去除掩模岛2002。顶离可以是化学顶离工艺或化学机械抛光(CMP)或其组合。然后，参照图24，通孔2402可形成在绝缘层中以提供到下面的引线的通路。参照图25，导电材料例如Cu或Au可形成在层1906、1912的顶部上方以形成第二或上引线2502。导电材料2504可沉积到通孔2402中以提供与第一或下引线的电接触。上引线2502和导电材料2504可利用共同掩模和沉积步骤来沉积。
上述工艺制造可通过施加电压到顶和底引线1904、2502而在高电阻状态和低电阻状态之间转换的可编程电阻器。这样使电阻器置于低电阻状态。沿一方向施加电压导致在电极层1906、1910之间跨电解质层1908形成离子桥。反转此电压导致这些离子桥中断，将电阻器恢复到其高电阻状态。应指出，可以对上述结构的进行改变。例如，电极层1906、1910的顺序可以颠倒，使得层1906在电解质层1908之上且层1910在电解质层1908之下。另外，更重要地，基于Ag-Ge-Se或Ag-Ge-S的材料系统可以以与上面描述的示例性Cu-WO3系统类似的模式构造。
使用相变电阻器的ESD分流
可在静电放电(ESD)保护电路中使用的另一类型的电阻器是利用相变材料构造的电阻器。相变材料是基于其晶体结构从导电状态改变到电绝缘状态的材料。基于该原理的电阻器可从具有约1欧姆电阻的导电状态转换到具有约1千欧电阻的高电阻状态。这里描述为相变电阻器(PCR)的该电阻器是基于许多硫族化物(chalcogenide)材料(例如Ge2Sb2Te5[GST]、InSbTe、AgInSbTe等)之一在非晶和结晶状态之间转变时的电阻改变。在低于熔点的温度下退火时发生从非晶高电阻率状态(约0.1Ohm-cm)到结晶状态的转变，并导致低电阻率(低为10-4Ohm-cm)。
已经提出该特性用于非易失性存储技术中，例如用于可读/写紧密盘(CD)和数字视频盘(DVD)中，其中相变是激光加热诱发的，伴随的属性改变是材料的反射率。正在开发的用于存储装置的基于相变材料的结构非常小，具有快转换特性且具有循环基本无限周期数的能力。
使用相变电阻器用于磁写头中的ESD保护时，本发明的要求非常不同。电阻器仅转换若干次以用于传感器测量。他们可以较大(对于当前的滑块可用于电阻器的总面积超过0.15mm2)，且可以慢地转换(约1秒)。此外，与存储装置相比，对于ESD保护应用电阻值低。对于以后的数代磁记录传感器，特征电阻将在约10至约500欧姆的范围。ESD保护电阻器相对于传感器应具有超过10倍的电阻减小，由此要求PCR的低电阻值在约1至50欧姆的范围。为了减小PCR的并联电阻对传感器测量的影响，高电阻状态应具有传感器电阻10倍以上的电阻。这要求高电阻值在100至5000欧姆的范围。
有至少两种技术可用于将PCR从一个状态转换到另一状态。在一种技术中，使用聚焦激光实现该转换，该激光利用设计来将PCR“恢复”到其结晶状态的短脉冲组来加热单个PCR。第二种方法是这样的方法，其中电加热电流通过两个PCR。这些方法将在下面分别更详细地论述。
利用电流转换的PCR
如上所述，可编程ESD电路的要求之一在于它不跨传感器施加电压。为了避免使传感器受到应力，如前面参照图16所述的ESD分路电路，除了在本情况下之外，可编程电阻器元件1614、1616是PCR电阻器元件。在对传感器进行测试之前，期望将PCR1614、1616转换到其高电阻(截止或重置)状态。如图所示，这可以通过在传感器的两端与另一连接柱(stud)或焊盘之间连接电阻器1614、1616来实现，所述另一连接柱或焊盘在优选实施例中是TFC柱，但是可以是某些其他柱。
转换两个电阻器的过程是使用探针(未示出)短路传感器柱1606、1608，然后使用探针施加电势在短路的传感器柱与TFC柱1610之间。在传感器的个体测试之前，施加“重置”电流。这是用来将PCR转换到高电阻状态的短的大电流脉冲。完成个体测试(individual test)之后，施加长的低电流设置脉冲。这将PCR材料转换到其结晶状态，实现防止ESD事件的低电阻保护。一旦完全完成了传感器测试，PCR可通过激光删除滑块表面上的互连线而从电路去除，或者是一种选择。
因为，在该实施例中，PCR可电启动，所以他们可以在晶片构建的第一阶段构造，位于传感器和写头之下且包在绝缘体例如氧化铝中。这避免了相当大的电阻器与读写元件结构之间对滑块表面积的竞争。此外，消除了相变电阻器的材料与头结构和盘驱动器内部化学交互作用。有若干一般几何构型可用于电阻器的构造。两示例描述如下。
图26示出向下观察构造在晶片上的PCR的俯视图。图27示出沿线27-27取得的剖面。PCR 2602可以通过首先应用绝缘层2604例如氧化铝到衬底2606上来构造，衬底2606可以是晶片本身。一对电极或引线2608、2610沉积在绝缘层2604上从而留下他们之间的空间或槽。该槽，其可具有如图所示的蜿蜒形或者其可具有某些其他形状，被填充以相变材料2612例如Ge2Sb2Te5[GST]、InSbTe、AgInSbTe等。保护绝缘层2614例如氧化铝可设置在电极2608、2610和相变材料2612之上。构造PCR之后，读和写头可构建在PCR 2602之上。可设置通孔(图26和27中未示出)以将电极2608、2610与滑块表面的电路电连接，如前面参照图16描述的那样。
如上所述，为了使PCR处于其非晶状态，PCR必须被加热且然后快速冷却(淬火)。这要求热必须快速传导离开相变材料2612。参照图28，还可促进该热去除的实施例包括散热器(heat sink)结构2702、2704。这些散热器结构由具有高热导率的材料构成，其可以导电或者不导电。例如，散热器结构2702、2704可由Cu构成且可以是与电极2608、2610相同的材料。散热器结构2702、2704优选与电极2608、2610在分开的沉积阶段构造，即使他们由与电极2608、2610相同的材料构成。这允许电极构造得充分薄从而允许他们之间的间隙尺寸(且因此，PCM 2612)被良好定义。散热器结构2702、2704然后可以更高的拓扑形貌和较不严格的尺寸形成。
现在参照图29，用于促进热去除的另一实施例包括形成在PCM 2602之上和之下的第一和第二薄绝缘层2902、2904例如氧化铝。PCM 2602和绝缘层夹在较厚的高热导率散热器层2906、2908之间，散热器层2906、2908可以由例如Cu构造。可替换地，如果散热器层2906、2908由电绝缘、高热导率材料构成，则绝缘层2902、2904可去除。
参照图30，以剖面示出的PCM电阻器3002的另一可行实施例包括设置于相变材料3008之上和之下的第一和第二电极3004、3006，使得电流沿垂直于晶片表面的方向流过相变材料。电极3004、3006和相变材料3008可包在绝缘层3010、3012中。导电柱3014、3016可通过形成在绝缘层3012中的通孔向上延伸。
通过激光脉冲转换的PCR
可转换PCR的另一方法是通过施加激光脉冲到PCR。这当然意味着PCR必须位于滑块表面，这样激光脉冲可用于加热PCR。因为PCR通过激光加热而不是电加热，所以可以采用较简单的ESD电路。参照图31，这样的电路包括与传感器接触焊盘或柱1606、1608连接的传感器1602。PCR可编程电阻器元件3102可通过与焊盘1606、1608连接而电连接传感器1602的两侧(两引线)。换言之，PCR可编程电阻器元件3102可与传感器1602直接串联连接。
现在参照图32和33，描述用于激光启动PCR电阻器的可行结构。PCR电阻器3302包括第一和第二(或者顶和底)电极3304、3306，相变电阻器(PCR)材料层3308夹在第一和第二电极3304、3306之间。PCR电阻器3302构建在衬底3310上，其优选是已经制造读和写头之后滑块的表面。绝缘层3312可设置在PCR电阻器3302之下，其可以是氧化铝。另外，反射层3314可设置在PCR电阻器和绝缘层3312之下，如果设置的话。反射层可以是例如Au且保护下面的读和写头结构免于在电阻器3302的激光诱导启动转换期间受到损坏。
将PCR 3302转换到其非晶、高电阻态通过引导聚焦激光在PCR 3302处来实现，聚焦激光以短脉冲组加热PCR，该短脉冲组加热和快速冷却(淬火)PCR材料3308。为了将PCR设置到其结晶、低电阻态，施加较长的低功率脉冲组以允许PCR材料3308退火到其结晶状态。
即使单个激光启动的PCR 3302也是较大的，在25至100平方微米左右。因此，PCR结构3302优选构建在头的主要元件之上的层上，因为这些元件消耗大部分可得面积，且将阻挡到PCR 3302的激光通路。此外，可能会需要更大面积的激光反射材料3312在PCR之下以保护所述头免于被过大尺寸或稍微错误引导的激光束加热。在头已经被测试且组装到头万向节组件中之后，当不再需要ESD保护时，到传感器和/或TFC焊盘的引线可通过激光删除被切断，如前所述。
在上述实施例的论述中，激光删除已被描述为在已经完成测试之后使ESD分路结构永久无效的一种手段。然而，对于这里描述的某些结构和电阻器亦可行的是通过其他手段例如通过熔丝法切断到ESD分路结构的引线。使用这样的方法，足够高的电流可经过引线从而局部熔化引线。该引线可构造为具有比其他部分窄的部分从而将引线的熔断局域化到该较窄部分。
虽然上面已经描述了各种实施例，但是应理解，他们仅以示例而不是限制方式给出。落入本发明范围内的其他实施例也可对本领域技术人员变得显然。因此，本发明的广度和范围不应被任何上述示例性实施例所限制，而应仅根据所附权利要求及其等价物来定义。
Claims (28)
1.一种用于防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构，该结构包括：
滑块；
磁致电阻传感器，形成在该滑块上；
继电器，形成在该滑块上，当没有电流流过该继电器时，该继电器偏置在闭合电路状态，且当电流流经该继电器时，该继电器用来断开；以及
电路，用于连接该继电器电路与该传感器，该电路构造为在该滑块组装到数据记录装置中之前连接该继电器与该传感器。
2.根据权利要求1的结构，其中用于连接该继电器电路到该传感器的电路已经被切断以形成开路。
3.一种用于防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构，该结构包括：
滑块；
磁致电阻传感器，形成在该滑块上；
继电器结构，形成在该滑块上且配置用于与所述传感器连接从而选择性电分流跨该传感器的电压，该继电器还包括：
彼此分隔开一间隔的第一和第二电接触；
设置于部分该第一和第二接触以及该间隔之上的接触条；
膜，延伸在该第一和第二接触以及该接触条之上，该接触条与该膜连接；以及
加热元件，用于选择性加热该膜，使得该膜的热膨胀导致该膜提升该接触条远离该第一和第二接触，中断该第一和第二接触之间的电连接。
4.根据权利要求3的结构，其中当该膜未被加热时该膜将该接触条偏置在该第一和第二接触上。
5.根据权利要求1的结构，其中该继电器与布置来提供该传感器和该继电器之间的电连接的电路连接，该电路的至少一部分已经通过激光删除被切断。
6.一种用于防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构，该结构包括：
滑块；
磁致电阻传感器，形成在该滑块上；以及
可编程电阻器，形成在该滑块上且能够向该传感器选择性提供电分流。
7.一种用于防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构，该结构包括：
滑块；
磁致电阻传感器，形成在该滑块上；
第一、第二和第三导电接触柱，形成在该滑块上，该第一和第二接触柱与该磁致电阻传感器电连接；以及
第一和第二可编程电阻器元件，该第一可编程电阻器元件与该第三接触柱且与该第一接触柱电连接，该第二可编程电阻器元件与该第三接触柱且与该第二接触柱电连接。
8.根据权利要求7的结构，其中该第一和第二可编程电阻器元件是这样的电阻器：当电流沿第一方向通过它们时所述电阻器能被截止即高电阻状态，且当电流沿第二方向通过它们时所述电阻器返回到导通即低电阻状态。
9.一种用于防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构，该结构包括：
滑块；
磁致电阻传感器，形成在该滑块上；
第一、第二、第三和第四导电接触柱，形成在该滑块上，该第二和第三柱与该磁致电阻传感器电连接；以及
第一、第二和第三可编程电阻器元件，该第一可编程电阻器元件与该第一接触柱和第二接触柱电连接，该第二可编程电阻器元件与该第三和第四接触柱电连接，该第三可编程电阻器与该第一接触柱和该第四接触柱电连接。
10.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器与提供与该传感器的电连接的电路连接以用于分流。
11.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器与提供与该传感器的电连接的电路连接，该电路的至少一部分已经被切断。
12.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器与布置来提供该传感器与该可编程电阻器之间的电连接的电路连接，该电路的至少一部分已经通过激光删除被切断。
13.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器是基于固态电解质的电阻器，其能够通过跨该电阻器施加电压而在导电和电阻态之间转换。
14.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器包括第一和第二电极以及夹在该第一和第二电极之间的固态电解质。
15.根据权利要求14的结构，其中该固态电解质包括Ge硫族化物玻璃。
16.根据权利要求14的结构，其中该固态电解质包括选自GeSe和GeS构成的组的材料。
17.根据权利要求14的结构，其中该固态电解质包括氧化物。
18.根据权利要求14的结构，其中该固态电解质包括WO3。
19.根据权利要求14的结构，其中该第一和第二电极之一包括第一材料且其中该电解质包括第二材料，该第二材料包括一些所述第一材料。
20.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器包括：
第一电极，包括W；
第二电极，包括Cu；以及
固态电解质，含有Cu且夹在该第一和第二电极之间。
21.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器包括：
第一电极，包括W；
第二电极，包括Ag；以及
固态电解质，含有Ag且夹在该第一和第二电极之间。
22.一种用于防止静电放电对磁致电阻传感器的损坏的结构，该结构包括：
滑块；
磁致电阻传感器，形成在该滑块上；以及
可编程电阻器，形成在该滑块上且能够向该传感器选择性地提供电分流，该可编程电阻器包括相变材料。
23.根据权利要求22的结构，其中该可编程电阻器包括第一和第二电极，且其中该相变材料夹在该第一和第二电极之间。
24.根据权利要求22的结构，其中该相变材料包括硫族化物材料。
25.根据权利要求22的结构，其中该相变材料包括选自Ge2Sb2Te5、InSbTe、AgInSbTe构成的组的材料。
26.根据权利要求23的结构，还包括散热器结构，与该第一和第二电极的至少一个热连接。
27.根据权利要求22的结构，其中该可编程电阻器设置在该滑块的表面附近，该结构还包括设置在该可编程电阻器和该滑块之间的反射体层。
28.根据权利要求6的结构，其中该可编程电阻器与布置来提供该传感器和该可编程电阻器之间的电连接的电路连接，该电路的至少一部分已经通过使电流经过该电路从而局部熔化该电路而被切断。
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