具有调谐微结构的数据读取器的制造方法
【专利说明】具有调谐微结构的数据读取器
[0001]概述
[0002]各实施方式使用调谐微结构配置数据读取器，通过初始冷却基板至100K或更低的温度随后在该基板保持所述温度时在该基板上沉积至少一层数据读取器来实现。该调谐微结构可由下述组成:至少一种颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、多层数据读取器之间的界面质量、阻抗-面积积(resistance-area product)和磁阻。
[0003]附图简要说明
[0004]图1A和1B分别显示根据各实施方式配置的示例数据读取器的各部分的框图。
[0005]图2A和2B显示根据各实施方式的示例数据读取器制造组件的各部分的顶部和侧面框图。
[0006]图3显示根据一些实施方式配置的示例数据读取器制造系统的一部分的框图。
[0007]图4提供示例操作数据，显示原位低温冷却沉积对单一薄膜(例如CoFe3。和CoFeB20)粗糙度的效果。
[0008]图5是对比原位和非原位低温冷却方法的基板温度的示例制造数据图。
[0009]图6图示原位和非原位低温冷却方法构建的数据读取器堆叠件(data readerstack)的隧道磁阻的比较数据。
[0010]图7是操作数据图，显示数据读取器堆叠件的原位和非原位低温冷却方法之间的MR/RA值比较。
[0011]图8图示数据读取器堆叠件的不同温度下原位低温冷却方法和非原位低温冷却方法之间的击穿电压的比较操作数据。
[0012]图9提供可根据一些实施方式进行的示例颗粒尺寸调谐例程。
[0013]图10是根据各实施方式配置和操作的数据储存系统的示例部分的框图。
【具体实施方式】
[0014]消费者和工业对储存容量更大和数据访问时间更快的数据储存设备日益增长的需求突出了对降低数据比特的物理尺寸和邻近度的要求。考虑了对数据比特敏感的磁性数据读取器可用MgO势皇层配置，其允许使用物理上更小的数据比特并维持可接受的磁阻(MR)特性。然而，物理尺寸降低的数据读取器可能混入无意的材料，界面表面粗糙，并且颗粒尺寸相对较大，这会阻碍在任何进一步降低数据比特大小时维持可接受的MR特性。
[0015]因此，数据读取器可用调谐微结构构建，通过初始冷却基板至100K或更低的温度随后在该基板保持所述温度时在该基板上沉积至少一层数据读取器来实现。在主动冷却基板以维持低温的同时沉积磁性和非磁性数据读取器层可优化调谐微结构，表现在至少一种颗粒尺寸、颗粒尺寸分布、多层数据读取器之间的界面质量上，进而表现在磁阻、夹层耦合和阻抗-面积积上。
[0016]与沉积各层时稍稍冷却基板或在室温下沉积相比，将所述基板维持在低温可使沉积的数据读取器的一层或多层具有降低的颗粒尺寸和表面粗糙度。此外，材料沉积期间通过与冷却气体接触来控制低温的能力可提供基板温度均匀度，其可调谐颗粒尺寸分布并优化数据读取器的晶片内均匀度和晶片间均匀度。
[0017]图1A和1B分别显示示例磁性堆叠件100和110的各部分的框图，所述磁性堆叠件可配置为较小的物理尺寸并用于根据一些实施方式的数据储存系统中。图1A显示示例三层磁性堆叠件100，其可表征为通过非磁性势皇层隔开的第一磁性自由层102和第二磁性自由层104。磁性自由层102和104可通过物理分隔机构偏置，使得所述层单独响应所遇到的数据比特而无需固定磁化结构存在于空气承载表面(ABS)上。
[0018]磁性自由层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叠件100面积。在各实施方式中，势皇层106含MgO，使磁性堆叠件100的MR值得以保持，尽管阻抗面积积降低。MgO材料还可用于图1B的隧道磁阻(TMR)磁性堆叠件110，作为势皇层112将磁性自由层结构114与固定层磁化结构116分离。在一些实施方式中，自由层结构114由单层材料组成，而其他实施方式中则将自由层结构114调谐为多层的层压结构，其可分别为磁性或非磁性材料。
[0019]固定层磁化结构116可以各种不同非限制性构型配置，但一些实施方式使用钉扎(pinning)层例如反铁磁材料来设定钉扎的参考层的磁化方向。该钉扎的层和钉扎层可配置为将固定层磁化结构116表征为合成的反铁磁体(SAF)，其利用反铁磁耦合提供参考磁化，自由层114的感测磁化(sensed magnetizat1n)可与之关联从而鉴定被编程的逻辑状
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[0020]不管数据储存设备中使用何种磁性堆叠件100和110，自由层102、104和114中磁化的颗粒尺寸可决定数据读取器的精度和面积比特密度(areal bit density)性能。图2A和2B分别显示示例磁性堆叠件制造组件120的一部分的侧面和顶部框图，该组件配置为构建可纳入各实施方式中的磁性堆叠件中的至少一个磁性自由层112。
[0021]图2A显示磁性自由层112的侧视图，其可偏置为默认磁化，但其对所遇到的数据比特敏感。自由层122可由纳米级厚度(沿Y轴所测)的磁性合金构建，例如CoFeXoFeB和NiFe，其可为磁性敏感的。自由层122的材料可与晶体结构(例如体心立方(BCC))和晶格结构对应，其与自由层122、磁性堆叠件和数据读取器的数据读取性能相对应。
[0022]稍稍冷却或室温下将材料沉积在基板124上可产生具有均匀或非均匀粗糙度的界面表面126，其可在磁性自由层122中具有大尺寸的和/或非均匀的磁颗粒。即，将自由层122材料沉积在室温基板124上产生的界面表面126粗糙度可抑制于沉积在该自由层122上的磁性层中形成超精细磁颗粒。在一些实施方式中，基板124同时支持约100，000个读取器管芯以及可能的每管芯1-10个分离的数据读取器。
[0023]图2B描述磁性自由层122的一部分以及示例磁颗粒128的俯视图，所述磁颗粒安排在整个自由层122的非限制性图案中。实心圆130代表可在高面积比特密度数据储存环境中提供性能优化的颗粒尺寸和位置。相反，虚线圆122代表磁性层的示例颗粒尺寸和与其他颗粒的邻近度，所述磁性层沉积在粗糙度大于0.2nm的界面表面上。因此，降低自由层122中的颗粒128的物理尺寸和邻近度有助于增加磁场分辨率，其可更精确地感测数据比特的磁极性，该数据比特具有更小的物理尺寸并在数据储存介质上具有提高的密度。
[0024]考虑基板124可通过与一个或多个卡盘134接触而被冷却到相对较低的温度。通过冷冻该自由层122材料的微结构，该基板124冷却可降低磁颗粒128的尺寸。然而，由于接触冷却卡盘134和沉积腔室之间的过渡中基板124受热，相对于磁性自由层122的沉积，非原位冷却基板124可诱导工艺变化和形成不一致的自由层122，其中自由层122材料可在沉积室内沉积。
[0025]应注意冷却卡盘134可在使用自由层沉积方法的公共腔室中实现，例如溅射和物理气相沉积机构(PVD)。然而，与卡盘134的物理接触可能不能均匀冷却基板124至某一温度，而是会产生温度梯度，该温度梯度导致自由层122的磁性性能下降。S卩，卡盘134可在沉积自由层122的同时冷却基板124，但该制造不精确，这是由于基板124可具有不均匀温度，该不均匀温度与具有不均匀晶体结构、晶格结构和晶粒尺寸的自由层122相对应，这会抑制磁性堆叠件中的磁响应和MR，对数据读取性能造成破坏。
[0026]考虑到这些问题，图3显示根据一些实施方式配置和操作的示例数据读取器制造系统140的一部分的框图。读取器制造系统140可具有公共腔室142，其中至少存在一个基板144。腔室142可配有一种或多种不同类型的材料沉积机构146，例如溅射和PVD机构，其可静态和动态形成至少一层磁性堆叠件148。应注意磁性堆叠件148的各层可用不同沉积机构146、材料和厚度150选择性形成，并且基板144经过或不经过冷却。
[0027]在一些实施方式中，通过优化冷却气体152 (例如He)从冷卡盘154向基板144的传热，基板144连续冷却至低温，例如90K。例如，冷却气体152可通过喷嘴、喷射口和孔进入公共腔室142，以接触基板144，并增加传热以使基板144更快冷却至低温。维持卡盘154和基板144之间的冷却气体152可提供均匀的基板144温度，和提供响应磁性堆叠件148各层的沉积产生的热量来维持基板144温度的能力。
[0028]腔室142、卡盘154和沉积机构146可通过例如密封的分叉156配置为同时操作，从而在磁性堆叠件148沉积在顶部基板表面时，基板144的底部基板表面同时冷却。虽然磁性堆叠件148可用任何数量的层和不同材料形成，例如图1A和图1B中分别所示的三层100和TMR110，各实施方式初始沉积直接与基板144接触的磁性或非磁性籽层158。
[0029]籽层158可具有调谐材料和厚度构造，其允许后续沉积的磁性自由层160具有优化的磁特性，例如单轴各向异性和晶格结构。应注意，并不需要籽层158，根据各实施方式，其可被省略或替代。不考虑籽层158的插入，相比室温基板或未连续冷却的基板上的自由层沉