CN1519816A - 由多重沉积和氧化步骤生成间隙层的磁阻传感器结构的生成方法 - Google Patents
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Abstract
磁阻传感器结构的生成包括：提供一个基底结构，在基底结构之上沉积一个磁钉住结构，以及在磁钉住结构之上沉积一个氧化铜间隙层。沉积氧化铜间隙层的步骤包括沉积第一铜子层，氧化第一铜子层，沉积第二铜子层以及氧化第二铜子层。如果需要也可使用更多次的沉积和氧化步骤。感应结构沉积在氧化铜间隙层之上。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁阻传感器结构的生成方法，特别是为了增强磁效应，其中的间隙层是多步骤沉积及氧化生成的。
背景技术
磁阻(MR)传感器一般用于磁性存储设备中对记录介质上的磁区进行读取的读/写头。如计算机硬盘或磁性录音带的读/写头。读/写头紧挨着记录介质，又由于空气轴承的作用与记录介质相分离，从而可使读/写头在硬盘表面上滑动。使用读/写头的写部分向记录介质某个区域上写入一个数据位，会局部地改变它的磁态，。该磁态随后被MR传感器感应到并读出数据位。
MR传感器中一个重要的类型是巨磁阻(GMR)传感器。GMR传感器的主要技术基础、结构和操作的描述可见US专利5,436,778，该公开文献在此作为参考。
GMR传感器的结构包括两个层叠的薄膜层，由一个中间非磁性薄膜层分开，一般使用铜膜作为间隙层。下层的薄膜层包括一个磁性钉住(pinning)结构，同时上层的薄膜层包括一个与外部磁场进行感应的感应(自由)层。还有一个磁偏结构，最好位于与两个层叠的薄膜层和间隙层相邻的横向位置上，以连接点的形式放置。
现有的MR传感器都是完全可操作的，并已广泛用在磁读/写头中。但是，增强它的读性能是现有的期望和需求。本发明实现了该要求，还进一步具有了相关优点。
发明内容
本发明提供了一种生产磁阻传感器结构的方法，提高了间隙层的电阻效应。因此，磁阻传感器结构的性能也得到了提高。本方法可使用和常规方法中相同的生产装置来实现，而只需对流程稍做改变。
本发明中，生产磁阻传感器结构的方法包括几个步骤，提供一个基底结构(如其上有种子层的氧化铝基底)，在基底结构上沉积磁性钉住结构，以及叠加在磁性钉住结构之上沉积一个金属氧化间隙层。沉积金属氧化间隙层的步骤分为，沉积第一金属子层，氧化第一金属子层，沉积第二金属子层以及氧化第二金属子层。以相同的交替沉积/氧化的方式同样还可沉积并氧化附加的子层。感应结构则沉积在金属氧化间隙层之上。
金属氧化间隙层最好为氧化铜间隙层，同样子层为氧化铜子层。金属氧化间隙层的总厚度大约在15埃到25埃之间最佳。同样每个金属子层/金属氧化子层对最好具有大致相同的厚度。
金属间隙层的沉积的实现包括，在具有第一沉积氧分压的真空内沉积第一金属子层，在具有大于第一沉积氧分压的第一氧化氧分压的真空内氧化第一金属子层，在具有第二沉积氧分压的真空内沉积第二金属子层，以及在具有大于第二沉积氧分压的第二氧化氧分压的真空内氧化第二金属子层。也就是通常在沉积金属子层时，真空室内的氧分压较小，而到氧化步骤时增大氧分压。氧化步骤中的氧化-氧分压一般在1×10-6托到1×10-4托之间，大多数情况最好为大约2×10-5托。这样在随后子层沉积步骤中递减氧分压。
沉积完感应结构之后，在感应结构上再沉积一个罩层(caplayer)。同样也要沉积磁偏结构，沉积形式最好是连接点，位于和之前沉积的磁性钉住结构和金属间隙层的每一边相邻的横向位置上。也可选择使用一种层叠内磁偏结构。因此本方法可用来生产巨磁阻(GMR)传感器。
本方法以两步或更多步骤沉积了氧化铜(或其他金属)间隙层，每个步骤包括沉积铜子层并氧化该子层，最终沉积所有的子层。两个步骤沉积两个子层增强了间隙层的性能，如果需要的话可使用更多的沉积/氧化步骤。通过下面最佳实施例的详细描述并结合附图，本发明的其他特征和优点更为明显，通过该实施例阐明了本发明的原理。但本发明的范围并不局限于该实施例所述情况。
附图说明
图1是一个磁盘数据存储系统的示意图；
图2是磁阻传感器结构的生成方法的框图；
图3是磁阻传感器结构的截面示意图；
图4是R(欧姆/米2)作为第二铜子层厚度(埃)的函数的曲线图；
图5是dR/R(％)作为第二铜子层厚度(埃)的函数的曲线图；
图6是dR(欧姆/米2)作为第二铜子层厚度(埃)的函数的曲线图；
图7是Hk(奥斯特)作为第二铜子层厚度(埃)的函数的曲线图；
图8是Hf(奥斯特)作为第二铜子层厚度(埃)的函数的曲线图；以及
图9是Hch(奥斯特)作为第二铜子层厚度(埃)的函数的曲线图。
具体实施方式
图1示意性地描述了一个数据存储系统，这里描述的是可以使用本方法的磁盘驱动系统20。磁盘驱动系统20包括一个支撑在轴24上的可旋转的磁存储硬盘22，在控制单元44的马达控制27之下通过硬盘驱动马达26驱动它旋转。磁存储介质28沉积在磁存储硬盘22的表面30上。
滑动器32面对着磁存储硬盘22设置。滑动器32可面对着磁存储硬盘22的磁存储介质28支持至少一个读/写头34。滑动器32通过悬架38固定到致动器36上。致动器36和滑动器32径向地向内和向外移动，这样滑动器32内外结合的移动以及磁存储硬盘22的旋转使得读/写头34可与磁存储介质28的整个区域滑动接触。致动器36在控制单元44的径向位置控制42之下通过致动器40驱动(表示为音圈马达或VCM)。
悬架38产生一个很小的弹力，使得滑动器32向磁存储硬盘22的表面30偏移。在传感器工作过程中磁存储硬盘22翻转，并在磁存储硬盘22的上表面30和滑动器32的下表面之间产生了一个空气轴承，称为空气轴承表面46或ABS。(这里只描述了向下定向的滑动器32，但也可以或替代为向上定向的滑动器32，面对着磁存储硬盘的底面一侧。)空气轴承抵消了悬架38的微小弹力，并且将滑动器32以一个很小的间距支撑在表面30的上方，这样当磁存储硬盘22旋转时，读/写头可在表面30上方飞速滑动(“flies”)。
读/写头34通过改变磁存储介质的磁态向磁存储介质28写入数据，且同样通过检测到磁存储介质28的磁态来从磁存储介质28读出数据。写入和读出指令，以及需写入或读出的数据，通过一个记录通道48在控制单元44和读/写头34间传输。本发明涉及一种磁阻(MR)传感器结构50，最好是作为读/写头34一部分的巨磁阻(GMR)结构50。除了此处讨论的改进类型，GMR传感器结构50在现有技术中也是已知的，可参看US专利5436778。
为了确定本发明的使用环境，上述说明简要描述了一种磁盘驱动系统20形式的数据存储系统。本发明同样适用于其他类型的磁数据存储系统，如磁带驱动器及其读/写头。
图2显示了一种GMR传感器结构50的生产方法的框图。未按比例绘制图3示意性地描述了GMR传感器结构50的一种优选构成。附图标记60表示提供了一个基底结构80。基底结构80包括一个有多层种子层结构84的基底82，种子层是在生产过程中沉积到基底82上的。图3中标出了每一层结构的优选材料。根据标准约定，每一层的优选厚度标注在结构材料名称后的括号内，单位是埃。
附图标记62表示在基底结构80上沉积了磁钉住结构86。在本实施例中，磁钉住结构86包括一个横向钉住层88和一个横向固定层结构90。横向固定层结构90覆盖在横向钉住层88之上并与其接触，而横向钉住层88覆盖在基底结构80上并与其接触。横向固定层结构90由两层铁磁薄膜92和94构成，且由中间层96分开。两层铁磁薄膜92、94通过中间层96是强反平行耦合的。横向固定层结构90和横向钉住层88也是反平行耦合的。
步骤63是可选的，这里是磁钉住结构86的最上层的铁磁薄膜94可以被氧化，以形成一个上层铁磁薄膜氧化区域95。
附图标记64表示通过一系列步骤在磁钉住结构86上沉积氧化铜间隙层98。沉积过程64的实现过程是，步骤66中第一次沉积出第一铜子层100，步骤68中氧化第一铜子层100以产生一个氧化铜第一子层区101。执行完步骤66和68后，步骤70中第二次沉积出第二铜子层102，在步骤72中，氧化第二铜子层102以产生一个氧化铜第二子层区103。如果需要的话也可再沉积并氧化其他的铜子层。
执行沉积步骤66和70(以及上层铁磁薄膜94的沉积)最好在真空沉积装置中使用沉积技术，如离子束溅射或等离子溅射技术。真空沉积装置中的气压一般是一个很小的氧分压。执行氧化步骤68和72时(以及步骤63，需要用的话)最好把需处理的结构置于温度接近室温的真空沉积装置内实现，一般其温度不超过室温以上20℃，在大约30秒内把氧分压提高到大约2×10-5托。子层区101和103情况下，铜被氧化成非化学计量的CuOx形式，而在区域95时氧化成非化学计量的CuFeOy形式。
氧化铜间隙层98的总厚度最好大约在15埃至25埃，18到22埃更好，最好首选约为20埃。如果氧化铜间隙层98的厚度不在该范围内，就会影响MR传感器结构50的性能。该范围内的氧化铜间隙层98的总厚度如图所示分配给两个氧化铜子层100和102，以及它们各自的氧化铜子层区101和103。如果有多于两个氧化铜子层，上述的在该范围内的总厚度在已有的所有氧化铜子层间进行分配。即氧化铜间隙层98的总厚度应保持在上述讨论的范围内，而所有子层以及各自的氧化区的厚度的总和等于氧化铜间隙层98的总厚度。
发明人所做的研究中以及随后要讨论的，氧化铜间隙层98的总厚度大约为20埃，而子层100和102的相对厚度设计为可变的数值。一般情况下判定第一铜子层100和第二铜子层102厚度大致相同时能使氧化铜间隙层98以及MR传感器50发挥出最好的特性。但MR传感器50的确切特性可作为相对厚度的函数来进行优化。本发明的多次沉积和氧化法能够改进传感器性能，一般认为应部分归功于氧化铜间隙层98的上层表面更好，更平滑。
步骤74中在氧化铜间隙层98上沉积了感应结构104(也叫做“自由层”)。感应结构104包括一个或多个铁磁薄膜层。在所示实施例中，感应结构104中下面的感应层106覆盖在氧化铜间隙层98上并与其接触，而上面的感应层108覆盖在下面的感应层106上并与其接触。
步骤76表示沉积一个罩层112。实施例中各层叠层的周边是一个磁偏结构110，而罩层112覆盖在感应结构104上并与其接触。磁偏结构的另一种层内实施例的情况中，罩层112覆盖在磁偏结构之上并与其接触。
步骤78中是磁偏结构110的沉积。如实施例中所示，连接点形式的磁偏结构110位于已经描述过的各层叠层的周边。在可选的层内实施例中，磁偏结构110覆盖在感应结构104之上并与其接触。因此，步骤76和78的顺序应适当互换。
MR传感器50的生产步骤之后，在罩层112上沉积一个电极114。MR传感器结构50外部连接到一个电源116和一个电阻测量设备118上。
不管MR传感器结构是这种或其他种类型，氧化铜间隙层98都可按照上面讨论的多步骤方法来制备。许多其它配置也是可行的，且也可使用任何可实现的结构材料。发明人在图3的结构中标示出每层使用的材料以及在材料名称后的括号中注明每层的厚度。基底82可以使用任何厚度的氧化铝。种子层结构84是一个三层结构，基底82之上的氧化铝层为30埃，氧化铝层之上的NiMnO层为30埃，以及NiMnO层之上是35埃的钽层。横向钉住层88是175埃的PtMn层。横向固定层结构90包括：下层铁磁膜92是17埃的CoFe层，中间层96是8埃的钌层，以及上层铁磁膜94是26埃的CoFe层。氧化铜间隙层98约20埃厚，按下面要讨论的方式在两个氧化铜子层100和102间(不同的厚度分别标注为x、y)分配。感应结构104包括：下面的感应层106是15埃的CoFe层，以及上面的感应层108是25埃的NiFe层。罩层112是50埃的钽层。连接点磁偏结构110的材料是Co-Pt-Cr。
本发明使用图2的方法生产图3所示的GMR传感结构50时进行了缩简。准备了四个实例，每种情况中氧化铜间隙层98的总厚度维持20埃不变。这四个例子中，第二铜子层102的厚度为0埃(即间隙层为单层)，5埃，10埃及15埃不等。图4-9是使用测量或测量计算得到的参数值作为第二铜子层102厚度的函数时得到的几种结果。图5中，第二铜子层102的厚度大约10埃时，dR/R最大，也即氧化铜间隙层98的总厚度大致在两个铜子层100和102间平分。将该结果延伸，举例来看如果有四个铜子层，各子层大约是氧化铜间隙层98厚度的1/4，或在实施例中每层厚度大约是5埃，来保证氧化铜间隙层98的总厚度维持在20埃左右。图7-9显示了MR传感器结构的特性曲线。图7和图9中，分别希望Hk和Hch保持一个相对低的值。
尽管为了揭示本发明的目的，详细介绍了一个特定的实施例，其他不同的修正以及改进也并未超出本发明的主旨和范围。因此，本发明也不限于权利要求的范围。
Claims (17)
1.一种用于生产磁阻传感器结构的方法，包括的步骤有：
提供一个基底结构；
在基底结构之上沉积一个磁钉住结构；
在磁钉住结构之上沉积一个金属氧化间隙层，步骤有
沉积第一金属子层，
氧化第一金属子层，
沉积第二金属子层，以及
氧化第二金属子层，
在金属氧化间隙层之上沉积感应结构。
2.如权利要求1中所述的方法，其特征在于沉积金属氧化间隙层的步骤包括沉积一个氧化铜间隙层。
3.如权利要求1中所述的方法，其特征在于沉积金属氧化间隙层的步骤包括需沉积的金属氧化间隙层的总厚度大约在15埃到25埃之间。
4.如权利要求1中所述的方法，其特征在于沉积第二金属子层的步骤包括需沉积的第二金属子层的厚度与第一金属子层大致相同。
5.如权利要求1中所述的方法，其特征在于沉积金属氧化间隙层的步骤包括：
在具有第一沉积氧分压的真空内沉积第一金属子层，
在具有大于第一沉积氧分压的第一氧化氧分压的真空内氧化第一金属子层，
在具有第二沉积氧分压的真空内沉积第二金属子层，以及
在具有大于第二沉积氧分压的第二氧化氧分压的真空内氧化第二金属子层。
6.如权利要求1中所述的方法，其特征在于氧化第一金属子层和氧化第二子层的步骤各包括提供一个氧分压大约为2×10-5托的氧化环境。
7.如权利要求1中所述的方法，其特征在于在沉积感应结构的步骤之后，包括一个额外的步骤是在感应结构之上沉积一个罩层。
8.如权利要求1中所述的方法，其特征在于包括一个额外的步骤是沉积一个磁偏结构。
9.一种用于生产磁阻传感器结构的方法，包括的步骤有：
提供一个基底结构；
在基底结构之上沉积一个磁钉住结构；
在磁钉住结构之上沉积一个氧化铜间隙层，步骤有
沉积第一铜子层，
氧化第一铜子层，
沉积第二铜子层，以及
氧化第二铜子层，
在氧化铜间隙层之上沉积感应结构。
10.如权利要求9中所述的方法，其特征在于提供的基底结构的步骤包括设置一个其上带有种子层结构的氧化铝基底的步骤。
11.如权利要求9中所述的方法，其特征在于沉积氧化铜间隙层的步骤包括
在具有第一沉积氧分压的真空内沉积第一铜子层，
在具有大于第一沉积氧分压的第一氧化氧分压的真空内氧化第一铜子层，
在具有第二沉积氧分压的真空内沉积第二铜子层，以及
在具有大于第二沉积氧分压的第二氧化氧分压的真空内氧化第二铜子层。
12.如权利要求9中所述的方法，其特征在于沉积氧化铜间隙层的步骤包括需沉积的氧化铜间隙层的总厚度大约在15埃到25埃之间。
13.如权利要求9中所述的方法，其特征在于沉积第二铜子层的步骤包括需沉积的第二铜子层的厚度与第一铜子层大致相同。
14.如权利要求9中所述的方法，其特征在于氧化第一铜子层和氧化第二铜子层的步骤各包括提供一个氧分压大约为2×10-5托的氧化环境。
15.如权利要求9中所述的方法，其特征在于沉积氧化铜间隙层的步骤包括沉积第三铜子层，氧化第三铜子层。
16.如权利要求9中所述的方法，其特征在于在沉积感应结构的步骤之后，包括一个额外的步骤是在感应结构之上沉积一个罩层。
17.如权利要求9中所述的方法，其特征在于包括一个额外的步骤是沉积一个磁偏结构。
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