專(zhuān)利名稱：電流垂直平面磁致電阻傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁致電阻傳感器，更特別地，涉及具有堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)和被釘扎層的電流垂直平面磁致電阻傳感器的構(gòu)造，該被釘扎層沿條高(stripeheight)方向延伸從而增加形狀引起的磁各向異性且由此改善釘扎。
背景技術(shù)：
計(jì)算機(jī)長(zhǎng)期存儲(chǔ)的核心是稱為磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的組件。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器包括旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)、被與旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)的表面相鄰的懸臂懸吊的寫(xiě)和讀頭、以及轉(zhuǎn)動(dòng)懸臂從而將讀和寫(xiě)頭置于旋轉(zhuǎn)盤(pán)上選定環(huán)形道(track)之上的致動(dòng)器。讀和寫(xiě)頭直接位于具有氣墊面(ABS)的滑塊上。當(dāng)盤(pán)不旋轉(zhuǎn)時(shí)，懸臂偏置滑塊接觸盤(pán)的表面，但是當(dāng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣被旋轉(zhuǎn)的盤(pán)旋動(dòng)。當(dāng)滑塊騎在氣墊上時(shí)，寫(xiě)和讀頭被用來(lái)寫(xiě)磁印到旋轉(zhuǎn)盤(pán)且從其讀取磁印。讀和寫(xiě)頭連接到根據(jù)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)行的處理電路從而實(shí)現(xiàn)寫(xiě)和讀功能。
寫(xiě)頭包括嵌入在第一、第二和第三絕緣層(絕緣堆疊)中的線圈層，絕緣堆疊夾在第一和第二極片層之間。在寫(xiě)頭的氣墊面(ABS)處間隙通過(guò)間隙層形成在第一和第二極片層之間，極片層在背間隙處連接。傳導(dǎo)到線圈層的電流在極片中感應(yīng)磁通，其使得磁場(chǎng)在ABS處在寫(xiě)間隙彌散出來(lái)以用于在移動(dòng)介質(zhì)上的道中寫(xiě)上述磁印，例如在上述旋轉(zhuǎn)盤(pán)上的環(huán)形道中。
近來(lái)的讀頭設(shè)計(jì)中，自旋閥傳感器，也稱為巨磁致電阻(GMR)傳感器，已被用來(lái)檢測(cè)來(lái)自旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)的磁場(chǎng)。該傳感器包括下文稱為間隔層的非磁導(dǎo)電層，其夾在下文稱為被釘扎層和自由層的第一和第二鐵磁層之間。第一和第二引線(lead)連接到該自旋閥傳感器以傳導(dǎo)檢測(cè)電流通過(guò)該傳感器。被釘扎層的磁化被釘扎為垂直于氣墊面(ABS)，自由層的磁矩位于平行于ABS，但是可以響應(yīng)于外磁場(chǎng)自由旋轉(zhuǎn)。被釘扎層的磁化通常通過(guò)與反鐵磁層交換耦合來(lái)被釘扎。
間隔層的厚度被選擇為小于通過(guò)傳感器的傳導(dǎo)電子的平均自由程。采用此布置，部分傳導(dǎo)電子通過(guò)間隔層與被釘扎層和自由層的每個(gè)的界面被散射。當(dāng)被釘扎層和自由層的磁化彼此平行時(shí)，散射最小，當(dāng)被釘扎層和自由層的磁化反平行時(shí)，散射最大。散射的變化與cosθ成比例地改變自旋閥傳感器的電阻，其中θ是被釘扎層和自由層的磁化之間的角。在讀模式中，自旋閥傳感器的電阻與來(lái)自旋轉(zhuǎn)盤(pán)的磁場(chǎng)的大小成比例地變化。當(dāng)檢測(cè)電流傳導(dǎo)通過(guò)自旋閥傳感器時(shí)，電阻變化導(dǎo)致電勢(shì)變化，其被檢測(cè)到且作為重放信號(hào)被處理。
當(dāng)自旋閥傳感器采用單個(gè)被釘扎層時(shí)，其被稱為簡(jiǎn)單自旋閥。當(dāng)自旋閥采用反平行( AP)被釘扎層時(shí)，其被稱為AP被釘扎自旋閥。AP被釘扎自旋閥包括由薄的非磁耦合層例如Ru分隔開(kāi)的第一和第二磁層。選擇該間隔層的厚度從而反平行耦合被釘扎層的鐵磁層的磁化。根據(jù)釘扎層在頂部(在自由層之后形成)或在底部(在自由層之前)，自旋閥還被稱為頂型或底型自旋閥。
自旋閥傳感器位于第一和第二非磁電絕緣讀間隙層之間，第一和第二讀間隙層位于鐵磁的第一和第二屏蔽層之間。在合并式(merged)磁頭中，單個(gè)鐵磁層作為讀頭的第二屏蔽層和寫(xiě)頭的第一極片層。在背負(fù)式(piggyback)頭中，第二屏蔽層和第一極片層是分開(kāi)的層。
被釘扎層的磁化通常通過(guò)將鐵磁層之一(AP1)與反鐵磁材料例如PtMn的層交換耦合來(lái)被固定。雖然反鐵磁(AFM)材料例如PtMn本身自然地沒(méi)有磁化，但是當(dāng)與磁材料交換耦合時(shí)，它可以強(qiáng)烈地釘扎鐵磁層的磁化。
對(duì)于更大數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)容量的持續(xù)增加的需求，已經(jīng)推動(dòng)使磁致電阻傳感器越來(lái)越小。例如，設(shè)計(jì)具有更窄道寬的傳感器意味著更多的數(shù)據(jù)道可配置到磁介質(zhì)的給定區(qū)域上。傳感器的各種尺寸必須一起縮放，因此如果道寬降低，則條高尺寸(垂直于ABS)也必須降低。隨著傳感器變得更小，出現(xiàn)了被釘扎層變得無(wú)法想象地不穩(wěn)定。事實(shí)上，未來(lái)的傳感器將很快變得小到使得被釘扎層將不能夠被現(xiàn)有的釘扎機(jī)構(gòu)釘扎。這與被釘扎層的尺寸有關(guān)，其使得被釘扎層自身難以被釘扎，以及與傳統(tǒng)釘扎機(jī)制例如AFM釘扎、AP耦合和磁致伸縮引起的各向異性所能作用的減小的區(qū)域有關(guān)。
因此，傳感器的釘扎穩(wěn)定性對(duì)于更高面記錄密度而言是重要考慮之一。對(duì)于其中傳感器尺寸將為50nm或以下的電流垂直平面?zhèn)鞲衅骼珉娏鞔怪逼矫嫘途薮胖码娮?CPP GMR)和磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)尤其如此。CPP GMR傳感器和MTJ傳感器由于它們的較高信號(hào)幅度而被特別關(guān)注。如上所述，隨著傳感器尺寸變小，釘扎強(qiáng)度變差。另外，由于降低間隙厚度以降低位長(zhǎng)度的推動(dòng)，更薄的傳感器結(jié)構(gòu)例如自釘扎傳感器正變得更加重要。因此，需要用于被釘扎和自釘扎傳感器的釘扎改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供具有堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)和形狀增強(qiáng)被釘扎層兩者的電流垂直平面型磁致電阻傳感器。該傳感器包括自由層、被釘扎層和夾在該自由層和被釘扎層之間的導(dǎo)電間隔層或電絕緣勢(shì)壘層。該傳感器具有用于在使用期間面對(duì)磁介質(zhì)的表面(氣墊面(ABS))。該自由層從ABS延伸到第一條高。然而，該被釘扎層延伸顯著超過(guò)該第一條高從而終止于比第一條高更遠(yuǎn)離ABS的第二條高。該堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)相鄰自由層形成，與間隔/勢(shì)壘層相對(duì)。
沿條高方向延伸被釘扎層有利地產(chǎn)生沿垂直于ABS方向的強(qiáng)磁各向異性。該各向異性可以為幾百Oe，大大增強(qiáng)了釘扎。
該堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)有利地消除了對(duì)傳感器側(cè)面的硬偏置層的需要并產(chǎn)生改進(jìn)的、一致的自由層偏置。
該傳感器可包括被釘扎層，其或者是自釘扎，或者是通過(guò)與反鐵磁材料AFM層交換耦合而被釘扎。如果使用自釘扎被釘扎層，則形狀增強(qiáng)的各向異性維持強(qiáng)釘扎，即使不使用AFM層。如果傳感器被AFM釘扎，該各向異性防止堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)的AFM的設(shè)定(setting)影響被釘扎層的釘扎。
該傳感器也可在全研磨傳感器或在部分研磨傳感器設(shè)計(jì)中實(shí)施，該部分研磨傳感器中僅自由層和堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)在道寬定義離子研磨中被去除。
結(jié)合附圖閱讀下面優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的這些和其它優(yōu)點(diǎn)以及特征將顯而易見(jiàn)，附圖中相同的附圖標(biāo)記始終表示相同的元件。


為了全面理解本發(fā)明的特性和優(yōu)點(diǎn)及其優(yōu)選的使用方式，應(yīng)當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下面詳細(xì)的說(shuō)明，附圖沒(méi)有按比例繪制。
圖1是其中可實(shí)施本發(fā)明的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的示意圖；圖2是滑塊的ABS視圖，示出了其上磁頭的位置；圖3A是從圖2的圈3獲得的ABS視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的傳感器；
圖3B是類(lèi)似于圖3A的ABS視圖，顯示了根據(jù)本發(fā)明一供選實(shí)施例的傳感器；圖4是從圖3的線4-4截取的側(cè)剖視圖；圖5A是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的傳感器的ABS視圖；圖5B是從圖5A的線5B-5B截取的剖視圖；圖5C是從圖5B的線5C-5C截取的剖視圖；及圖6-21是根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的磁致電阻傳感器的視圖，示出了制造的各中間階段，從而說(shuō)明制造根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的裝置的方法。
具體實(shí)施例方式
下面的說(shuō)明是目前想到的實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方式。進(jìn)行該說(shuō)明是為了說(shuō)明本發(fā)明的一般原理，而不是意圖限制這里提出的發(fā)明性構(gòu)思。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，示出了其中可實(shí)施本發(fā)明的盤(pán)驅(qū)動(dòng)器100。如圖1所示，至少一個(gè)可旋轉(zhuǎn)磁盤(pán)112支承在心軸(spindle)114上且通過(guò)盤(pán)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)118被旋轉(zhuǎn)。每個(gè)盤(pán)上的磁記錄是磁盤(pán)112上同心數(shù)據(jù)道(未示出)的環(huán)形圖案形式。
至少一個(gè)滑塊113位于磁盤(pán)112附近，每個(gè)滑塊113支持一個(gè)或更多磁頭組件121。當(dāng)磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑塊113在磁盤(pán)表面122之上徑向進(jìn)出移動(dòng)，從而磁頭組件121可以存取磁盤(pán)的寫(xiě)有所需數(shù)據(jù)的不同道。每個(gè)滑塊113借助于懸臂(suspension)115連到致動(dòng)器臂119。懸臂115提供輕微的彈力，其偏置滑塊113倚著磁盤(pán)表面122。每個(gè)致動(dòng)器臂119連到致動(dòng)器裝置127。如圖1所示的致動(dòng)器裝置127可以是音圈馬達(dá)(VCM)。該VCM包括在固定磁場(chǎng)中可移動(dòng)的線圈，該線圈移動(dòng)的方向和速度被控制器129提供的馬達(dá)電流信號(hào)所控制。
盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行期間，磁盤(pán)112的旋轉(zhuǎn)在滑塊113和盤(pán)表面122之間產(chǎn)生對(duì)滑塊施加向上的力或舉力的氣墊(air bearing)。于是在正常運(yùn)行期間該氣墊平衡懸臂115的輕微的彈力，并且支持滑塊113離開(kāi)盤(pán)表面并且以小的基本恒定的距離稍微位于磁盤(pán)表面之上。
盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的各種組元在運(yùn)行中由控制單元129產(chǎn)生的控制信號(hào)來(lái)控制，例如存取控制信號(hào)和內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)。通常，控制單元129包括邏輯控制電路、存儲(chǔ)裝置和微處理器?？刂茊卧?29產(chǎn)生控制信號(hào)從而控制各種系統(tǒng)操作，例如線123上的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)控制信號(hào)以及線128上的頭定位和尋道控制信號(hào)。線128上的控制信號(hào)提供所需的電流分布(current profile)，從而優(yōu)化地移動(dòng)并定位滑塊113到盤(pán)112上的所需數(shù)據(jù)道。寫(xiě)和讀信號(hào)借助記錄通道125傳達(dá)到寫(xiě)頭和讀頭121且從其讀出。
參照?qǐng)D2，滑塊113中磁頭121的取向可以更詳細(xì)地被觀察。圖2是滑塊113的ABS視圖，可以看出，包括感應(yīng)寫(xiě)頭和讀傳感器的磁頭位于滑塊的尾緣(trailing edge)。一般磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的上述說(shuō)明和附圖1僅是示例性的。應(yīng)顯然地，盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)可包括多個(gè)盤(pán)和致動(dòng)器，每個(gè)致動(dòng)器可支持多個(gè)滑塊。
現(xiàn)在參照?qǐng)D3，根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的磁致電阻傳感器300包括夾在第一和第二導(dǎo)電引線層304、306之間的磁致電阻傳感器元件或傳感器堆疊302，所述引線層可以由諸如NiFe的磁材料構(gòu)成從而用作磁屏蔽件以及電引線。供選地，引線304、306可由非磁材料例如Au、Cu或者一些其它導(dǎo)電材料構(gòu)成。電絕緣填充層305、307設(shè)置在傳感器堆疊302側(cè)面。填充層305、307也可以由磁材料例如NiFe構(gòu)成，然而，如果導(dǎo)電材料用于填充層305，則在傳感器堆疊302側(cè)面以及引線304、306的至少一個(gè)的表面需要一層絕緣層從而防止電流通過(guò)填充層305分流。
傳感器堆疊302包括磁自由層312、被釘扎層結(jié)構(gòu)314、以及非磁導(dǎo)電間隔層316，間隔層316由例如Cu構(gòu)成且?jiàn)A在自由層312和被釘扎層314之間。本發(fā)明也能夠以隧道閥傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在該情況下層302是薄的非磁電絕緣勢(shì)壘層。自由層312可由幾種磁材料例如Co或CoFe構(gòu)成，或者由不同磁材料的層的組合構(gòu)成。
圖3A所示的本實(shí)施例中采用的被釘扎層結(jié)構(gòu)314是AP被釘扎、自釘扎結(jié)構(gòu)。被釘扎層結(jié)構(gòu)314包括第一磁層AP1 318、第二磁層AP2 320、以及夾在AP1和AP2層之間的AP耦合層322。耦合層322可以是例如Ru并且其厚度為強(qiáng)烈反平行耦合AP1和AP2層318、320的磁矩319、321。AP1和AP2層由具有正磁致伸縮的材料例如CoFe構(gòu)成。該正磁致伸縮當(dāng)與薄膜磁致電阻傳感器中必然存在的壓應(yīng)力結(jié)合時(shí)引起沿垂直于ABS方向的強(qiáng)磁各向異性。該磁各向異性當(dāng)與AP1和AP2層318、320的反平行(AP)耦合結(jié)合時(shí)輔助AP1和AP2層318、320的磁矩319、321的釘扎。自釘扎結(jié)構(gòu)314的釘扎強(qiáng)度還通過(guò)下面將參照?qǐng)D4描述的形狀增強(qiáng)各向異性而大大增強(qiáng)。作為自釘扎傳感器314，釘扎可被維持而不需要AFM層。AFM層的去除導(dǎo)致間隙厚度的很大減小，因?yàn)锳FM層例如PtMn和IrMn必須很厚以有效地起AFM層的作用。
傳感器堆疊302也可包括形成在傳感器堆疊302底部的籽層326，其可以用于初始化傳感器堆疊302的層中的所需要的晶體生長(zhǎng)。蓋層328例如Ta或其它適合材料可設(shè)置在傳感器堆疊302的頂部從而保護(hù)傳感器堆疊的層在制造過(guò)程例如退火期間免于損壞。傳感器堆疊302具有定義傳感器的道寬(TW)的第一和第二橫向側(cè)面(lateral side)330、332。自由層312具有沿與ABS平行的所需方向被偏置的磁矩330。
磁矩330的偏置通過(guò)堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)334提供的偏置場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)可以是數(shù)種設(shè)計(jì)，優(yōu)選地包括通過(guò)非磁間隔層338與自由層分隔開(kāi)的磁偏置層336。偏置層336可以與反鐵磁材料的層(AFM層)340交換耦合。偏置層336由磁材料例如Co、CoFe、NiFe等構(gòu)成。間隔層338可以是例如Ru且厚度為將偏置層336與自由層312靜磁耦合。AFM層340可以由例如PtMn、IrMn或其它反鐵磁材料構(gòu)成，并且厚度為使得與偏置層336交換耦合，由此強(qiáng)烈釘扎偏置層336的磁矩342。
參照?qǐng)D4，可以看出自由層312和堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)從ABS延伸第一條高的距離SH1，而被釘扎層314以及可能地部分間隔層316從ABS延伸遠(yuǎn)得多至第二條高的距離SH2。SH2優(yōu)選地為SH1的至少二倍且可以是SH1的數(shù)倍(例如至少二倍于SH1)。SH2至少大于SH1。應(yīng)指出，術(shù)語(yǔ)ABS(或氣墊面)是指?jìng)鞲衅?00在使用期間面對(duì)磁介質(zhì)的表面。當(dāng)飛行高度變得更小時(shí)，會(huì)很快達(dá)到這樣一點(diǎn)，在該點(diǎn)將難以區(qū)分頭是飛行還是與介質(zhì)接觸。因此，ABS應(yīng)當(dāng)理解為是指頭的面向介質(zhì)的表面，而與飛行高度無(wú)關(guān)。
如所述沿條高方向延伸的被釘扎層314具有強(qiáng)烈的形狀增強(qiáng)磁各向異性。該形狀增強(qiáng)各向異性可以為幾百Oe，大大增強(qiáng)了釘扎強(qiáng)度。該形狀增強(qiáng)的釘扎允許被釘扎層314構(gòu)造為自釘扎傳感器(被釘扎而沒(méi)有使用AFM層)。消除AFM釘扎層允許最佳的AFM材料340用在堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)334中，而不考慮設(shè)定(setting)(退火)兩不同AFM層。除了形狀增強(qiáng)各向異性外，如上所述，被釘扎層314的釘扎還通過(guò)AP1和AP2層318、320的正磁致伸縮、以及通過(guò)層318、320的AP耦合來(lái)維持。
參照?qǐng)D3B，本發(fā)明可以在具有AFM被釘扎結(jié)構(gòu)的傳感器300中實(shí)施。這樣的傳感器300將包括具有AP1層318的被釘扎層314，AP1層318與反鐵磁材料的層(AFM層)324交換耦合。
參照?qǐng)D5A，在本發(fā)明一供選實(shí)施例中，傳感器500具有部分研磨設(shè)計(jì)。傳感器500包括傳感器堆疊502，具有被釘扎層結(jié)構(gòu)504、自由層506和由例如Cu構(gòu)成的非磁導(dǎo)電間隔層508。本發(fā)明也可以在隧道閥傳感器中實(shí)施，其中層508將是薄的非磁電絕緣勢(shì)壘層。自由層506可以由磁材料例如Co、CoFe、CoFeB、NiFe或這些材料的組合構(gòu)成。
被釘扎層504優(yōu)選地是反平行耦合(AP耦合)結(jié)構(gòu)，包括第一磁層(AP1)510、第二磁層(AP2)512、以及夾在AP1和AP2層之間的AP耦合層514。AP1和AP2層510、512可由具有正磁致伸縮的磁材料例如CoFe構(gòu)成以輔助釘扎。AP耦合層514可以由Ru構(gòu)成。
傳感器堆疊502還包括堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)516。該堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)包括磁偏置層518、非磁間隔層520和反鐵磁材料層(AFM層)522。磁偏置層518可由例如Co、CoFe、NiFe等構(gòu)成。間隔層520可以由例如Ru、Cu或一些其它導(dǎo)電非磁材料構(gòu)成。AFM層522可以是例如PtMn或IrMn。另外，傳感器堆疊502可具有蓋層524例如Ta從而保護(hù)傳感器層在制造期間免于損壞。籽層526也可設(shè)置在傳感器堆疊502的底部以促進(jìn)傳感器層中所需的外延生長(zhǎng)。
傳感器堆疊502夾在第一和第二引線528、530之間。這些引線528、530優(yōu)選由磁材料例如NiFe構(gòu)成從而它們可用作磁屏蔽件和引線。另外，第一和第二側(cè)屏蔽件532、534可設(shè)置在傳感器堆疊502的側(cè)部。這些側(cè)屏蔽件532、534由磁材料例如NiFe構(gòu)成。薄的電絕緣層536例如共形沉積的氧化鋁設(shè)置在傳感器堆疊502的任一例且還在傳感器堆疊502的延伸部分的表面延伸。該絕緣層536防止檢測(cè)電流通過(guò)導(dǎo)電側(cè)屏蔽件532、534分流。供選地，側(cè)屏蔽件532、534可以被消除，并且可以用電絕緣填充層(未示出)來(lái)代替。
繼續(xù)參照?qǐng)D5A，可以看出自由層延伸至第一寬度從而定義道寬TW。其它層，可包括間隔層508以及被釘扎層504的全部或部分，延伸超過(guò)道寬TW。因此，傳感器500的道寬由自由層506的寬度定義。在該部分研磨設(shè)計(jì)中，被釘扎層504的橫向延伸部分延伸至少超過(guò)自由層的寬度。自由層的橫向延伸部分優(yōu)選地延伸到是自由層的寬度的至少兩倍的寬度，且更優(yōu)選地在橫向方向上無(wú)限(indefinitely)延伸。
為了理解該部分研磨設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，有必要理解用于定義傳感器堆疊的工藝。所有的傳感器層首先被全膜沉積，然后具有與道寬TW基本相等的寬度的掩模形成在傳感器層之上。然后利用離子研磨來(lái)去除未被掩模覆蓋的傳感器材料。傳統(tǒng)上，該離子研磨進(jìn)行得足以去除未被掩模覆蓋的全部傳感器材料，向下至下面的襯底例如第一引線(在CPP傳感器的情況下)或第一間隙層(在CIP傳感器的情況下)的水平。
由于離子研磨工藝去除了傳感器材料，某一量的該材料變得再沉積在傳感器的側(cè)部。在CIP傳感器中，該再沉積材料(redep)通過(guò)增加硬偏置層與自由層之間的距離而減小了硬偏置層的效率。在CPP傳感器中，該再沉積的材料更成問(wèn)題，因?yàn)樗至鳈z測(cè)電流，顯著降低傳感器的性能。
在參照?qǐng)D5A-5C描述的部分研磨設(shè)計(jì)中，僅堆疊內(nèi)偏置層516和自由層506在定義道寬的離子研磨工藝期間彼去除。當(dāng)?shù)竭_(dá)勢(shì)壘或間隔層316時(shí)，離子研磨停止。被釘扎層314以及下面的引線304在離子研磨之后保留。這大大減少了再沉積的量，因?yàn)闆](méi)有被釘扎層材料或引線材料在離子研磨期間被去除，因而不會(huì)被再沉積。下面將提供用于構(gòu)造根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的傳感器的方法的詳細(xì)討論。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5B，自由層506、堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)516、以及可能地部分間隔層508終止于從ABS測(cè)量的第一條高的距離SH1處。被釘扎層結(jié)構(gòu)延伸顯著超過(guò)第一條高SH1至也從ABS測(cè)量的第二條高SH2。第二條高的距離SH2至少大于第一條高的距離SH1，優(yōu)選地是第一條高的距離SH1的至少兩倍。更優(yōu)選地，第二條高的距離是第一條高的距離的數(shù)倍或三倍或更多倍。電絕緣非磁填充材料538例如氧化鋁填充自由層506和堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)516后面的空間。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5C，可以看出，被釘扎層結(jié)構(gòu)504的橫向延伸部分具有終止于條高SH1處的條高，在與自由層506和堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)516的條高(示于圖5B)相同的條高處。被釘扎層結(jié)構(gòu)504的該條高SH1通過(guò)下面將描述的方法形成。如圖所示地在SH1終止被釘扎層504的橫向延伸部分改善了被釘扎層504的形狀增強(qiáng)各向異性且改善了傳感器500的磁性能。
延伸被釘扎層504超過(guò)傳感器堆疊502的條高SH1至SH2提供了沿垂直于ABS方向的非常強(qiáng)的磁各向異性。該形狀引起的各向異性高達(dá)幾百Oe，確保了非常強(qiáng)的釘扎。另外，該強(qiáng)磁各向異性有利地不受其它因素例如傳感器尺寸或機(jī)械應(yīng)力的影響。而且，該各向異性完全附加到其它釘扎機(jī)制例如AP釘扎、AFM釘扎或用硬磁體釘扎。
現(xiàn)在參照?qǐng)D6-21描述新穎的制造方法。該方法利用用于多制造工藝的單掩模結(jié)構(gòu)，再使用單掩模結(jié)構(gòu)從而多掩模對(duì)準(zhǔn)不再必要。應(yīng)指出，雖然該再循環(huán)掩模工藝根據(jù)制造上述傳感器結(jié)構(gòu)來(lái)描述，但是在更一般的意義上該多用途掩模工藝可用來(lái)構(gòu)造很多不同結(jié)構(gòu)，包括讀/寫(xiě)磁頭以外的結(jié)構(gòu)例如半導(dǎo)體或集成電路設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)。另外，盡管該多用途掩模工藝被描述為使用單個(gè)掩模用于兩個(gè)制造工序，但是該掩模結(jié)構(gòu)可以被使用超過(guò)兩次以用于很多多重工序。
為了說(shuō)明關(guān)于上述特定結(jié)構(gòu)的工藝，現(xiàn)在參照?qǐng)D6，提供襯底例如第一引線602，其上各種傳感器層604作為全膜層沉積。盡管圖6中示出為單層，應(yīng)當(dāng)理解層604實(shí)際上包括各種構(gòu)成如上所述傳感器堆疊502的多層，包括堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)510(圖5)。
仍參照?qǐng)D6，然后通過(guò)首先沉積耐化學(xué)機(jī)械拋光的材料層(耐CMP層)606來(lái)沉積定義道寬的掩模結(jié)構(gòu)605。該材料可以是例如類(lèi)金剛石碳(DLC)。盡管可以使用其它材料，但是耐CMP層606將被稱為DLC層606。
耐CMP去除且耐反應(yīng)離子蝕刻去除的材料層608(耐CMP且耐RIE)然后被全膜沉積在DLC層606之上。盡管數(shù)種材料可用作這樣的耐CMP且耐RIE層608，但是層608優(yōu)選地由Rh構(gòu)成且下面將稱為Rh層608。然而，應(yīng)理解，層608可以是Rh以外的某些材料。轉(zhuǎn)移掩模層610例如DURIMIDE然后被沉積且光敏掩模例如TIS或光致抗蝕劑612然后被構(gòu)造為具有定義傳感器的道寬的寬度。光致抗蝕劑掩模612可根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法構(gòu)造，包括旋涂光致抗蝕劑材料且然后構(gòu)圖并顯影該光致抗蝕劑掩模612?，F(xiàn)在參照?qǐng)D7，進(jìn)行第一反應(yīng)離子蝕刻(1stRIE 702)從而將光致抗蝕劑層612的圖像轉(zhuǎn)移到下面的非光敏材料610上。然后，參照?qǐng)D8，進(jìn)行第一離子研磨802從而去除Rh層的未被上面的掩模層610、612保護(hù)的部分。然后，參照?qǐng)D9，進(jìn)行第二RIE902從而去除DLC層的未被上面的掩模層608、610、612保護(hù)的部分。
盡管其它圖顯示傳感器層604為單層，但是圖10示出各傳感器層從而可以更清楚地理解該部分研磨?，F(xiàn)在參照?qǐng)D10，進(jìn)行第二離子研磨1002，使用掩模層606-612，通過(guò)去除傳感器材料604的未被上面的掩模層606-612保護(hù)的部分來(lái)定義傳感器300(圖3)的道寬。這是掩模結(jié)構(gòu)606-612的第一次使用，其中掩模用來(lái)定義傳感器的道寬。
離子研磨1002進(jìn)行得足以去除堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)516和自由層506，但優(yōu)選地終止于被釘扎層504被去除之前。例如，離子研磨1002可在已經(jīng)到達(dá)間隔/勢(shì)壘層508時(shí)終止。這是部分研磨工藝，其中道寬通過(guò)自由層定義，并且被釘扎層和下面的AFM(如果存在)保留完好。
圖11示出了圖10所示結(jié)構(gòu)的頂視圖，顯示傳感器和掩模層602-612中定義的圖案沿條高方向延伸顯著的量。
現(xiàn)在參照?qǐng)D12，非磁電絕緣材料的薄層1202被沉積，優(yōu)選地通過(guò)共形沉積工藝?yán)缭訉映练e、化學(xué)氣相沉積等。絕緣層1202可以是例如氧化鋁(Al2O3)或一些其它材料。磁材料的層1204(用于磁屏蔽)然后沉積在絕緣層1202之上。屏蔽材料1204可以是例如NiFe或一些其它合適的材料。然后耐CMP材料的第二層(2ndDLC層)1206沉積在絕緣和屏蔽層1202、1204之上?？蛇x地，可以消除屏蔽材料1204且絕緣層1202可以沉積至傳感器層604的頂部的水平。
現(xiàn)在參照?qǐng)D13，進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光工藝(CMP工藝)。該CMP去除掩模結(jié)構(gòu)的高形貌(topography)，平坦化所沉積的結(jié)構(gòu)向下至Rh層608和第二DLC層1206的水平。Rh層608用作保護(hù)傳感器層604免于CMP工藝影響的CMP停止層，第二DLC層1206保護(hù)絕緣層1202和磁屏蔽材料1204。
參照?qǐng)D14和15，形成第二掩模結(jié)構(gòu)1401。該掩模結(jié)構(gòu)優(yōu)選地包括構(gòu)圖的TIS層1402例如光致抗蝕劑和圖像轉(zhuǎn)移層1404例如DURAMIDE。第三耐CMP層(3rdDLC層)1406也可在圖像轉(zhuǎn)移層1404和TIS1402之下沉積為全膜層。構(gòu)造該第二掩模結(jié)構(gòu)1401從而通過(guò)定義自由層的條高來(lái)定義傳感器的有源區(qū)(active area)的條高。換言之，其覆蓋從ABS(將來(lái)的ABS位置)到SH1的區(qū)域。這可以參照?qǐng)D15更清楚地看出。
現(xiàn)在參照?qǐng)D16和17，進(jìn)行第三反應(yīng)離子蝕刻(RIE)1702。該第三RIE1702從磁屏蔽材料1204之上的區(qū)域去除第二和第三DLC層1206、1406。但是，第三RIE1702不去除Rh層608，因?yàn)镽h層608耐RIE去除。如前所述，使用Rh用于耐RIE/CMP層608是示例性的，可以使用其它材料。
現(xiàn)在參照?qǐng)D18，進(jìn)行第三離子研磨1802。離子研磨1802從未被第一和第二掩模結(jié)構(gòu)(605，1401)的任一個(gè)覆蓋的區(qū)域(圖17)去除磁屏蔽和絕緣材料1202、1204。該離子研磨1802還從未被第一和第二掩模結(jié)構(gòu)的任一個(gè)覆蓋的區(qū)域去除其余的傳感器材料604(即被釘扎層504和任何剩余的間隔物材料508)。因此，屏蔽和絕緣層1202、1204以及被釘扎層504僅從超出SH1(即超出如下將描述的自由層的條高)及道寬(TW)外的區(qū)域去除。第三離子研磨1802還去除Rh層608的大部分或全部，使第一DLC層606暴露。參照?qǐng)D19，可以看出第二掩模結(jié)構(gòu)1402、1404仍在原位，因此絕緣和屏蔽層1202、1204在與傳感器的有源區(qū)相鄰的區(qū)域(在ABS與SH1之間)不受第三離子研磨1802影響。圖19示出了目前結(jié)構(gòu)的立體圖，其可以更好地顯示該結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D20，進(jìn)行第四RIE2002從而在超出SH1的區(qū)域中從傳感器層604之上去除第一CMP層606。由于第三CMP層1406在第三RIE1302中被去除且Rh層608在前面的離子研磨工序1802期間被去除，CMP層606可以通過(guò)RIE2002被容易地去除。
現(xiàn)在參照?qǐng)D21，可進(jìn)行第四離子研磨工序2102從而去除傳感器層604的選定部分。離子研磨工序2102可進(jìn)行得足以去除自由層312(圖3、4)，但可在去除被釘扎層結(jié)構(gòu)314之前終止。第四離子研磨工序2102可進(jìn)行得足以在超出SH1的區(qū)域中完好留下間隔物316的全部或部分。絕緣填充層538(圖5B、5C)然后可被沉積從而填充第三和第四離子研磨1802、2102期間去除的區(qū)域。
也可以進(jìn)行掩?；碗x子研磨工藝從而進(jìn)一步定義延伸的被釘扎層504的后條高(SH2)。由于該掩?；脱心ゲ僮鲗?duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是熟知的，這里不給出更詳細(xì)的說(shuō)明。該SH2定義掩模和研磨工藝也可在上述參照?qǐng)D6-21的工序之前或之后進(jìn)行。
雖然上面已經(jīng)描述了各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，它們僅以示例的方式給出，而不是限制。落入本發(fā)明范圍內(nèi)的其它實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員也是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的寬度和范圍不應(yīng)當(dāng)受到任何上述示意性實(shí)施例的限制，而是應(yīng)當(dāng)僅按照所附權(quán)利要求及其等價(jià)物來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種具有氣墊面(ABS)的磁致電阻傳感器，該磁致電阻傳感器包括磁自由層，延伸至從所述ABS測(cè)量的第一條高距離；磁被釘扎層結(jié)構(gòu)，延伸至從所述ABS測(cè)量的比所述第一條高距離大的第二條高距離；第一非磁導(dǎo)電間隔層，夾在所述自由層與所述被釘扎層之間；以及堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)，與所述第一非磁導(dǎo)電間隔層相對(duì)地、與所述磁自由層相鄰地形成。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述被釘扎層具有延伸部分，該延伸部分延伸超過(guò)所述第一條高距離SH1至所述第二條高距離SH2，且其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)在延伸部分具有與所述自由層的寬度基本相等的寬度。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述被釘扎層具有與所述自由層的寬度基本相等的寬度。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述自由層具有定義所述傳感器的道寬的橫向?qū)挾龋凰鰝鞲衅骶哂性谒鯝BS與SH1之間的有源區(qū)和超出SH1的非有源區(qū)；且所述被釘扎層橫向延伸超過(guò)所述傳感器的道寬。
5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述被釘扎層在所述傳感器的有源區(qū)外(沿條高方向從所述ABS測(cè)量)具有與所述傳感器的所述道寬基本相等的寬度。
6.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述被釘扎層超過(guò)所述傳感器的所述道寬地橫向延伸一距離，該距離為所述傳感器的所述道寬的至少兩倍。
7.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)超過(guò)所述傳感器的所述道寬地?zé)o限橫向延伸。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)包括越過(guò)非磁導(dǎo)電反平行耦合層彼此反平行耦合的第一和第二磁層，且其中所述第一和第二磁層之一與反鐵磁材料層交換耦合。
9.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)包括第一和第二磁層(AP1和AP2)以及夾在所述AP1和AP2層之間的非磁導(dǎo)電反平行耦合層，所述AP1和AP2層彼此反平行耦合，其中所述AP1和AP2層由具有正磁致伸縮的材料構(gòu)成，且其中所述AP1和AP2層的磁化被釘扎而沒(méi)有與反鐵磁材料層交換耦合。
10.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述被釘扎層具有超出SH1的比所述傳感器的所述道寬大的寬度。
11.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述堆疊內(nèi)偏置層包括磁偏置層；第二非磁導(dǎo)電間隔層，夾在所述偏置層和所述自由層之間；以及反鐵磁材料層，與所述偏置層交換耦合。
12.如權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述偏置層具有沿平行于所述ABS的第一方向被釘扎的磁化，且所述自由層具有沿反平行于所述第一方向的第二方向被偏置的磁化。
13.如權(quán)利要求11所述的傳感器，其中所述偏置層具有沿平行于所述ABS的方向被釘扎的磁化，且所述自由層與所述偏置層靜磁耦合。
14.一種具有氣墊面(ABS)的磁致電阻傳感器，該磁致電阻傳感器包括磁自由層，延伸至從所述ABS測(cè)量的第一條高距離；磁被釘扎層結(jié)構(gòu)，延伸至從所述ABS測(cè)量的比所述第一條高距離大的第二條高距離；薄的非磁電絕緣間隔層，夾在所述自由層與所述被釘扎層之間；以及堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)，與所述第一非磁導(dǎo)電間隔層相對(duì)地、與所述磁自由層相鄰地形成。
15.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述被釘扎層具有延伸部分，該延伸部分延伸超過(guò)所述第一條高距離SH1至所述第二條高距離SH2，且其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)在該延伸部分具有與所述自由層的寬度基本相等的寬度。
16.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述被釘扎層具有與所述自由層的寬度基本相等的寬度。
17.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述自由層具有定義所述傳感器的道寬的橫向?qū)挾?；所述傳感器具有在所述ABS與SH1之間的有源區(qū)和超過(guò)SH1的非有源區(qū)；且所述被釘扎層橫向延伸超過(guò)所述傳感器的道寬。
18.如權(quán)利要求17所述的傳感器，其中所述被釘扎層在所述傳感器的該有源區(qū)外具有與所述傳感器的所述道寬基本相等的寬度。
19.如權(quán)利要求17所述的傳感器，其中所述被釘扎層在所述傳感器的所述有源區(qū)超出所述傳感器的所述道寬地橫向延伸一距離，該距離至少兩倍于所述傳感器的所述道寬。
20.如權(quán)利要求17所述的傳感器，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)在所述傳感器的所述有源區(qū)超出所述傳感器的所述道寬地?zé)o限橫向延伸。
21.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)包括越過(guò)非磁導(dǎo)電反平行耦合層彼此反平行耦合的第一和第二磁層(AP1和AP2)，且其中所述第一和第二磁層之一與反鐵磁材料層交換耦合。
22.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)包括第一和第二磁層(AP1和AP2)以及夾在所述AP1和AP2層之間的非磁導(dǎo)電反平行耦合層，所述AP1和AP2層彼此反平行耦合，其中所述AP1和AP2層由具有正磁致伸縮的材料構(gòu)成，且其中所述AP1和AP2層的磁化被釘扎而沒(méi)有與反鐵磁材料層交換耦合。
23.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)包括第一和第二磁層(AP1和AP2)，越過(guò)非磁反平行耦合層反平行耦合，所述AP1和AP2層包括CoFe，且其中所述AP1和AP2層的磁化被自釘扎而沒(méi)有與反鐵磁材料層(AFM層)交換耦合。
24.如權(quán)利要求14所述的傳感器，其中所述堆疊內(nèi)偏置層包括磁偏置層；非磁導(dǎo)電間隔層，夾在所述偏置層和所述自由層之間；以及反鐵磁材料層，與所述偏置層交換耦合。
25.如權(quán)利要求24所述的傳感器，其中所述偏置層具有沿平行于所述ABS的第一方向被釘扎的磁化，且所述自由層具有沿反平行于所述第一方向的第二方向被偏置的磁化。
26.如權(quán)利要求24所述的傳感器，其中所述偏置層具有沿平行于所述ABS的方向被釘扎的磁化，且所述自由層與所述偏置層靜磁耦合。
27.一種盤(pán)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，包括殼；磁盤(pán)，可旋轉(zhuǎn)地安裝在所述殼內(nèi)；致動(dòng)器，樞轉(zhuǎn)地安裝在所述殼內(nèi)；滑塊，與所述致動(dòng)器連接用于與所述磁盤(pán)的表面相鄰地移動(dòng)；電流垂直平面CPP磁致電阻傳感器，與所述滑塊相連且具有氣墊面(ABS)，所述傳感器包括磁自由層，延伸至從所述ABS測(cè)量的第一條高距離；磁被釘扎層結(jié)構(gòu)，延伸至從所述ABS測(cè)量的比所述第一條高距離大的第二條高距離；非磁層，夾在所述自由層與所述被釘扎層之間；以及堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)，與所述第一非磁導(dǎo)電間隔層相對(duì)地、與所述磁自由層相鄰地形成。
28.如權(quán)利要求27所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述被釘扎層具有延伸部分，該延伸部分延伸超過(guò)所述第一條高距離SH1至所述第二條高距離SH2，且其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)在所述延伸部分中具有與所述自由層的寬度基本相等的寬度。
29.如權(quán)利要求27所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述被釘扎層具有與所述自由層的寬度基本相等的寬度。
30.如權(quán)利要求27所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述自由層具有定義所述傳感器的道寬的橫向?qū)挾?；所述傳感器具有在所述ABS與SH1之間的有源區(qū)和超過(guò)SH1的非有源區(qū)；且所述被釘扎層橫向延伸超過(guò)所述傳感器的道寬。
31.如權(quán)利要求30所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述被釘扎層在所述傳感器的有源區(qū)外具有與所述傳感器的所述道寬基本相等的寬度。
32.如權(quán)利要求30所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述被釘扎層在所述傳感器的所述有源區(qū)超出所述傳感器的所述道寬地橫向延伸一距離，該距離至少兩倍于所述傳感器的所述道寬。
33.如權(quán)利要求30所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中所述被釘扎層結(jié)構(gòu)在所述傳感器的所述有源區(qū)超出所述傳感器的所述道寬地?zé)o限橫向延伸。
34.如權(quán)利要求27所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中夾在所述自由層和所述被釘扎層之間的所述非磁層是導(dǎo)電間隔層且所述傳感器是電流垂直平面(CPP)巨磁致電阻(GMR)傳感器。
35.如權(quán)利要求27所述的盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中夾在所述自由層和所述被釘扎層之間的所述非磁層是電絕緣勢(shì)壘層且所述傳感器是隧道閥傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁致電阻傳感器，其具有堆疊內(nèi)偏置結(jié)構(gòu)和帶有形狀增強(qiáng)各向異性的被釘扎層。該傳感器可以是部分研磨設(shè)計(jì)，其中所述傳感器的道寬由自由層的寬度定義且被釘扎層延伸超過(guò)傳感器的道寬。該傳感器具有自由層的條高定義的有源區(qū)。被釘扎層延伸超過(guò)自由層定義的該條高，因而向被釘扎層提供形狀增強(qiáng)各向異性。該被釘扎層結(jié)構(gòu)可通過(guò)與反鐵磁材料層(AFM層)的交換耦合而被釘扎，釘扎穩(wěn)定性通過(guò)形狀增強(qiáng)各向異性而改善，或者可以是自釘扎結(jié)構(gòu)，其通過(guò)磁致伸縮、AP耦合和形狀增強(qiáng)各向異性的結(jié)合而被釘扎。
文檔編號(hào)G11B5/39GK1983659SQ200610166778
公開(kāi)日2007年6月20日 申請(qǐng)日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者詹姆斯·M·弗賴塔格, 何國(guó)山, 穆斯塔法·M·皮納巴西, 曾慶驊 申請(qǐng)人:日立環(huán)球儲(chǔ)存科技荷蘭有限公司