积，基板144的同时冷却建立并维持低温，连同磁性自由层160的沉积，所述冷却可冷冻自由层材料的晶体结构并产生小颗粒尺寸并降低颗粒邻近度。
[0030]在基板144通过冷却气体152维持低温的同时形成磁性自由层160还可产生光滑界面表面162，其上可沉积有具有优化的磁性特征的势皇层164。比较而言，在相对粗糙的界面表面162 (如图2A所示的粗糙度)上形成的势皇层164可经历材料扩散并混入磁性堆叠件148的层之间，其通过诱导磁性不对称和磁性堆叠件148的第一自由层160与第二自由层166之间的铁磁耦合来限制数据读取性能。
[0031]因此，磁性堆叠件148的各层沉积时基板同时冷却至低温可提供调谐的磁颗粒大小和优化的数据读取性能，这是由于磁性不对称和穿过势皇层164的铁磁耦合降低，而这至少是因为更平滑的界面表面、更少的材料扩散和更少的材料混入。磁性堆叠件148材料沉积期间调谐基板温度的能力还允许对数据读取性能的优化，这是因为冷却气体152可调节为适应基板144温度和基板温度均匀度，以优化磁性堆叠件148的各层的磁性特征。
[0032]转至图4所示的示例结构数据，其对应部分或完全沉积在主动保持低温(例如50K)的基板或室温(例如300K)基板上的数据读取器。柱172代表低温基板上的材料沉积如何能够具有减小的颗粒尺寸和颗粒尺寸分布以提供降低的粗糙度。柱172与柱174比较，后者显示室温基板如何促进CoFe3。磁性材料具有更高的材料表面粗糙度。
[0033]柱176和178分别代表低温和室温基板，显示CoFeB2。材料沉积期间不同的材料表面粗糙度。沉积在低温冷却或室温基板上的材料的材料表面粗糙度的对比支持了基板低温如何可被调谐为产生例如0.25-0.35nm的表面粗糙度。例如，第一数据读取器材料可沉积在室温基板上，提供相对粗糙的界面，而第二数据读取器材料可在基板维持50K时沉积在所述第一材料的顶上，产生相对平滑的表面粗糙度。
[0034]图5显示根据一些实施例实施的非原位和原位冷却磁性堆叠件基板的相关数据。应理解，原位冷却涉及数据读取器磁性堆叠件的各层在该基板上形成时在相同位置、相同时间冷却基板至低温。还应理解，非原位冷却的特征为相继、非同时冷却基板，然后进行数据读取器磁性堆叠件的部分的沉积。
[0035]实线182代表示例性原位基板温度随时间的变化情况。虚线184代表示例性非原位基板温度随时间的变化情况。线182和184代表的基板各自冷却至约90K低温，但非原位线184随时间离开低温。该温度差异可能归因于通过接触冷却气体而连续冷却的原位基板，其与非原位基板相反，后者由于室温沉积环境和材料颗粒沉积产生的热的组合而温度升尚ο
[0036]对于原位冷却212来说，基板温度随时间的变化较小(例如小于0.1°C )，显示了如何在磁性堆叠件形成期间控制冷却以消除基板变暖。相反，观察到非原位冷却214可具有较大的基板温度波动(例如超过20°C )，这可产生不均匀的基板温度分布、不同的磁性材料颗粒尺寸以及增加的界面表面粗糙度。考虑基板温度的各自变化(原位的0.1°C和非原位的20°C)还可在晶片之间发生。即，在磁性堆叠件初始沉积在基板上时，原位或非原位方式冷却至低温的大量基板之间观察到的温度变化可分别具有相对小或大的温度分布。
[0037]利用一直维持基板温度如90K和随时间保持温度的能力，原位冷却基板的顶上形成的磁性堆叠件可具有优化的数据读取性能，其对应于更小的磁性颗粒和降低的层间表面粗糙度。图6显示了与根据各实施方式用原位和非原位冷却基板制造的数据读取器磁性堆叠件相关的操作数据。实线192对应于就各种阻抗面积积而言的原位冷却基板的平均隧道磁阻(TMR)，而虚线194代表非原位冷却基板上形成的数据读取器的TMR数据。
[0038]图7还展示了分别对应于原位和非原位冷却基板上构建的数据读取器磁性堆叠件的示例性操作数据。如图所示，实线202代表就各种磁性堆叠件阻抗面积积而言的原位冷却基板的磁阻除以阻抗面积积所得数值(MR/RA)。虚线204代表就各种磁性堆叠件阻抗面积积而言的非原位基板冷却磁性堆叠件的MR/RA值。
[0039]考虑TMR磁性堆叠件可用从冷却基板起与势皇层相对的基准结构进行构建，而没有图6和7所示的TMR和MR/RA值数据的显著变化。原位192和202性能数据与非原位194和204数据的比较表明，相对于磁性堆叠件形成期间变暖的非原位冷却基板，磁性堆叠件形成期间连续冷却基板如何确保该基板维持低温以及沉积材料具有较小颗粒和平滑界面表面。
[0040]作为图6和7所示的示例性能数据的非限制性定量化，针对各磁性堆叠件，原位沉积的磁性堆叠件的TMR相对于非原位沉积的磁性堆叠件提高5-50%。原位基板的该数据读取性能的提高还可归因于磁性堆叠层材料更少发生界面扩散和混入。不管形成原位磁性堆叠件时数据读取性能优化的来源，图6和7的数据支持了磁性堆叠件形成期间用以维持基板低温的基板连续冷却如何调谐各磁性堆叠层的磁性颗粒尺寸以提高面积比特密度较高的数据储存环境中磁性堆叠件读取数据比特的准确性。
[0041]采用原位基板冷却还可通过降低层间表面粗糙度来优化磁性堆叠件性能，这对应于穿过势皇层的减小的磁性自由层耦合和更高的击穿电压。换句话说，磁性堆叠件中减少的磁性颗粒可通过磁性堆叠件中更平滑的界面表面得到补偿，其允许形成势皇层，优化三层磁性堆叠件中两个磁性自由层之间或TMR磁性堆叠件中自由层和参考层之间的相互作用。
[0042]图8显示根据各实施方式的各种不同基板条件中构建的磁性堆叠件的相关数据。如图所示，对于不同基板低温来说，磁性堆叠件的击穿电压可随着各种不同阻抗面积积而变化。相比实线214、216和218(其分别采用不同低温处的原位基板冷却以提高击穿电压)，虚线212代表非原位基板冷却条件，在该条件下基板温度梯度和基板升温可具有降低的击穿电压。
[0043]对于原位基板冷却，调谐基板至单一低温例如80K的能力和在多个不同低温例如70K和90K之间变化的能力允许各磁性堆叠件的各层以优化参数(例如磁性颗粒尺寸)沉积到具有优化粗糙度(例如0.2nm)的表面上。
[0044]虽然不受限制，原位低温冷却和膜沉积可按两种不同方法进行。第一种方法在沉积至少一个膜前在相同腔室中于低温下将基板低温冷却至该低温。第二种方法在第一腔室(可能仅具有低温冷却功能)中预冷却基板，然后将基板移至第二腔室以在沉积至少一个膜前在相同腔室中于低温下将基板进一步低温冷却基板至该低温。所述低温可为150K或更低温度，例如100K或更低和50K或更低。
[0045]两种原位低温冷却和膜沉积方法之一可用于磁性堆叠件的任何数量的磁性层，例如第一或第二磁性自由层，或可用于多磁性层，例如图1A所示的三层MgO TMR堆叠件的第一和第二自由层。该原位低温冷却和膜沉积方法可用于磁性固定层或磁性自由层。该原位低温冷却和膜沉积方法可在固定磁性层和自由磁性层上同时进行，例如图1B所示的底部钉扎的MgO TMR堆叠件。该原位低温冷却和膜沉积方法可用于自由磁化层或固定磁化层，或者用于顶部钉扎的MgO TMR堆叠件中的自由层和固定层。
[0046]根据各实施方式，TMR堆叠件中使用的MgO势皇可于室温或升高的温度沉积。MgOTMR堆叠件中的固定层和自由层可为单一层或多个层的层压结构。固定磁化层和自由磁化层的材料可为但不限于 Co、Fe、Ta、CoFex、CoFexBy、CoFexTay、CoFexByTaz、NiFex、NiFe?NiFexNby0原位低温冷却和膜沉积腔室中所用低温冷却介质可为He气或具有低液化温度(liquidat1n temperature)并且对沉积膜活性低的其他气体。该介质可确保基板晶片快速均匀冷却，这可优化晶片间均匀度、晶片间可重复性和晶片加工吞吐量。
[0047]图9是示例性数据读取器颗粒尺寸调谐例程230的流程图，其可按各实施方式进行以提供针对面积比特密度较高的数据储存环境进行优化的数据读取器。例程230可从步骤232中的冷却基板至某一温度开始。在一些实施方式中，基板可在第一腔室中通过例如图2A的冷却卡盘初始冷却相对较短时间，例如1350秒，然后在第二腔室(例如图3的腔室142)中在一个或多个磁性堆叠层沉积期间用冷却气体进一步冷却。
[0048]考虑步骤232用沉积构件在公共腔室中进行基板原位冷却约900秒，例如865秒。沉积磁性堆叠层之前调谐基板冷却的能力可允许减少磁性堆叠件加工时间并降低磁性堆叠件形成期间的基板温度。步骤234中达到低温例如90K将例程230推进至步骤236，在步骤236中，在将基板原位冷却并保持在低温的同时沉积磁性自由层。相比非原位冷却基板和室温沉积的磁性堆叠层，步骤236中磁性自由层的沉积可对应于降低的磁性颗粒尺寸和表面粗糙度。
[0049]应注意步骤236可形成一层或多层固定磁化参考结构，例如图1B的结构116，而非磁性自由层。在允许基板升温至较高温度例如200-300K后，通过具有平滑界面表面和调谐磁化颗粒尺寸的磁性自由层或参考结构，MgO势皇层可在步骤238中沉积在界面表面顶上。相比粗糙表面，在相对平滑表