专利名称：通过图案化的晶片退火改善读取头稳定性和写入头盖写性能的方法
技术领域：
本发明一般涉及磁性读取头和写入头的制造，并具体地涉及通过图案化的晶片退 火改善读取头稳定性和写入头盖写性能的方法。
背景技术：
垂直磁记录技术(PMR)是一种在磁记录硬盘驱动器中实现超高记录密度的有前 途的途径，其中被记录的位通常以大体垂直方向或者以面外取向存储于大体平的记录层 中。PMR写入磁头(写入头)和PMR读取磁头(读取头)通常被制成在空气轴承滑块上 的集成读/写磁头。所述滑块通过悬挂被附着于致动器臂上并通过该悬挂被置于距磁盘表 面很近之处。所述致动器移动滑块穿过磁盘表面以使得读/写磁头能够访问数据磁道。通 常在磁盘驱动器中有一叠磁盘，其中滑块悬挂组件与这叠磁盘中的每一磁盘表面相关联。在PMR写入头中，写电流流经过邻近于磁轭布置的写入头线圈以便在写入极感应 出强写入磁场从而在记录介质中写入数据。记录层具有被垂直记录的磁化或磁化区域，所 述区域形成数据磁道，其中数据磁道中邻近的区域具有相反的磁化方向。只要在写入极的 写磁场足够强，那么被写入记录层中的数据就能够被擦除或者“盖写”。事实上，盖写操作是 擦除磁记录硬盘驱动器中数据的通行办法。但是，如果感应磁场不是足够强，那么盖写或者 擦除操作可能不在所有磁区域中完全执行，因而导致在随后记录中的数据错误。在PMR读取头中，穿隧磁阻(TMR)传感器经常用在读取磁头上。TMR传感器包括图 案化的TMR结构或者层叠，其具有两层被绝缘(例如，MgO)阻挡层分开的铁磁层。一层铁 磁层(“被固定层或被钉定层”)被磁定向于固定的方向而另一铁磁层(“自由层”)响应 外部磁场而旋转。TMR传感器还包括布置在TMR层叠的任一侧的硬偏置层。硬偏置层包含 永磁材料，例如钴钼(CoPt)合金，并沿垂直于TMR层叠各层的方向提供偏置场。装置的阻 抗取决于两铁磁层间的相对取向。在垂直磁记录(PMR)读取磁头中，感测电流垂直地流过 TMR层叠的各层。在邻近的方向相反的磁化区域间的磁性转换造成TMR传感器所探测到的 电阻变化。PMR读取头的回读信号的幅度可以是不对称的。回读信号幅度不对称意味着源于 在一个方向(例如，“正”向)上记录的磁化的脉冲的幅度不同于源于在其相对方向(例如， “负”向)上记录的磁化的脉冲的幅度。以百分比度量的幅度不对称性(AASY)能够被表示为 [(SpIn) / (SpMn) ] *100，其中$表示所测到的源于在一个方向上记录的磁化的脉冲幅度，而 、表示所测到的源于在另一个方向上记录的磁化的脉冲幅度。高AASY值是不期望的，因为 其通过在数据被读回时导致高误码率(BER)，从而对读取磁头的稳定性产生有害的影响。在一定程度上，AASY是读取头构建过程的结果。但是，可确信从介质背景而来的杂 散磁场和其它来源也有造成幅度不对称性。例如，快速增长的磁道密度要求减小读取头磁 道宽度。随着读取头磁道宽度减小，来自于Pl和P2层的去磁磁场(de-magnetic fields)4快速增加，并且快速增加的去磁磁场然后通过增加AASY导致读取头稳定性下降。用于改善读取头稳定性的传统方案是通过增加硬偏置层厚度来增强硬偏置场。但 是，随着磁道密度增加，要求减小针对TMR传感器层叠的屏蔽到屏蔽的间隔。因此，增加硬 偏置层厚度以改善ASSY既不是期望的也不是可行的。此外，硬偏置层厚度的增加导致了读 取头幅度的显著减小，对于改善读取头稳定性来说这不是好的让步。因此，需要用于改善读取头稳定性而不对现有读取磁头设计做改变(例如，增加 硬偏置层厚度)的方案。此外，还需要通过在写入极增加写入磁场强度从而改善写入头盖 写性能而不对现有写入磁头设计做改变的方案。
发明内容
本主题公开的不同实施例通过在限定(例如，图案化)TMR层叠后增加第二热退火 工艺来解决前述对改善读取头稳定性的需求。此外，本主题公开的有些实施例通过在限定 写入头后增加第三热退火工艺来解决前述对改善盖写性能的需求。根据本主题公开的一个实施例，制造穿隧磁阻(TMR)读取头的方法被公开。所述 方法可包括提供包括至少一个铁磁层和至少一个非磁性绝缘层的TMR结构。所述方法还可 包括在TMR结构上进行第一热退火工艺。所述方法还可包括在TMR结构上进行读取头图案 限定工艺以得到图案化的TMR读取头。所述方法还可包括在图案化的TMR读取头上进行第 二热退火工艺。应理解上述发明内容概述和下列详细说明是示例性的和说明性的，并且旨在为要 求保护的发明提供进一步的解释。
为对本发明提供进一步理解而包含并被结合于这一说明书且组成其一部分的附 解说明本发明的实施例并与描述一道用于解释本发明原理。图1是示出根据本主题公开的一方面的示例性TMR读取头的示意图。图2A是示出根据本主题公开的一方面的通过TMR层叠沉积工艺形成的未图案化 (pre-patterned) TMR读取头结构的示意图。图2B是示出根据本主题公开的一方面形成具有硬偏置层或结的第一中间图案化 TMR读取头结构步骤的示意图(ABS视图)。图2C是示出根据本主题公开的一方面形成具有完全图案化TMR层叠的第二中间 图案化TMR读取头结构步骤的示意图(APEX视图)。图3是说明根据本主题公开的一方面用于通过在图案化TMR读取头上进行热退火 工艺以得到具有改善的读取头稳定性的TMR读取头的示例性过程流程图。图4是示出根据本主题公开的一方面的PMR写入头的示意图。图5是说明根据本主题公开的一方面用于通过在图案化PMR写入头上进行热退火 工艺以得到具有改善的盖写性能的PMR写入头的示例性过程的流程图。
具体实施例方式在下列详细说明中，为提供对本发明的全面理解，阐述了大量具体细节。但是对于本领域技术人员显而易见的是没有这些具体细节中的某些部分时仍可实践本发明。在其它 实例中，为避免不必要地使本发明变得不明确，公知的结构和技术没有详细示出。图1是示出根据本主题公开的一方面的示例性TMR读取头100的示意图。TMR读 取头100包含图案化的TMR层叠103，其布置于第一(底部)屏蔽层(Si) 101和第二(顶 部)屏蔽层(S2) 109之间并具有屏蔽至屏蔽距离(d)180。TMR读取头100进一步包含硬偏 置层107 ；通常包括原子层沉积(ALD)氧化铝(Al2O3)、布置于第一屏蔽层101和图案化的 TMR层叠103之间的绝缘间隔层105 ；和布置于硬偏置层107和第二屏蔽层109之间的硬偏 置盖层108。在特定实施例中，顶部屏蔽层和底部屏蔽层109、101起顶部和底部电极和磁屏 蔽的作用。为简化起见，图1未按比例绘出。图案化的TMR层叠103包括多个TMR层110-160，TMR层110-160含有布置于第 一屏蔽层101上的固定或者反铁磁性(AFM)层110 ；布置于AFM层110上的被固定层120 ； 布置于被固定层120上的通常包括钌(Ru)元素的间隔层125 ；布置于间隔层125上的参考 层130 ；布置于参考层130上的穿隧阻碍层140 ；布置于穿隧阻碍层140上的自由层150 ；和 布置于自由层150上的TMR盖层160。在下述讨论中，假定穿隧阻碍层140为结晶氧化镁(MgO)穿隧阻碍层。但是，应该 可知穿隧阻碍层140可包括任何允许电子在自由层和参考层间进行隧道穿越的薄绝缘材 料层。被非磁性的导电(Ru)间隔薄层125分开的被固定层120和参考层130组成了 TMR 层叠103的合成磁体。在图1的介绍性示例中，被固定层120和参考层130的磁化或者磁距(分别由箭 头193和195所示)实际上被固定或者钉定并指向相反的方向。具体的，通常通过与AFM 层110的磁化或者磁距(箭头191、192所示的)的交换偏置相互作用，被固定层120的磁 化或者磁距被固定于特定的方向。但是，自由层150(箭头197所示)的磁化或者磁距可响 应例如磁记录介质的外磁场而移动或切换。布置在图案化的TMR层叠103任一侧上的硬偏置层107包括永磁材料。硬偏置层 107的永磁材料生成指向大致平行于TMR层110-160平面的硬偏置场(箭头199所示的) 以偏置自由层150的磁化。尽管在图1说明的示例中永磁材料包括钴和钼(CoPt)的合成 物，但是也可替代使用其它永磁材料例如钴、钼和铬(CoPtCr)的合成物或者铁和钼(FePt) 的合成物。硬偏置层107所生成的硬偏置场199穿过图案化的传感器层叠103并在其内部 设置充分高效的垂直于层叠层的硬偏置场。通过影响自由层磁化的旋转行为，有效硬偏置 场然后至少部分地影响图案化的TMR层叠103的传输特性(例如，相对外部磁场的TMR比 率)。有效硬偏置场的属性(例如，大小)可从被所述磁场影响的传输特性推断出。通过穿隧阻碍层140的电阻随着相对于参考层磁化的自由层磁化的相对取向而 变化，并从而将磁信号转换为电信号。当感测电流沿垂直于TMR层110-160平面的方向从 第一屏蔽层(Si) 101流至第二屏蔽层(S2) 109时，当自由层和参考层的磁化方向处于平行 状态时，较低电阻被检测出，而当磁化方向未处于平行状态时，较高电阻被检测出。图2A-C表示说明用于例如图1的TMR读取头100的PMR TMR读取头的示例性制 造工艺的一系列示意图。图2A是绘出通过TMR层叠沉积工艺形成的未图案化TMR读取头 结构200A的示意图。未图案化TMR读取头结构200A包含不同的层201、210力60，其图案化的对应物101、110-160根据上述图1说明。在说明的示例中，未图案化TMR读取头结构 200A包括第一(底部)屏蔽层(Si) 201和布置在第一屏蔽层201上的未图案化TMR层叠 203。未图案化TMR层叠203包含不同TMR层210460，这些层包含沉积于第一屏蔽层201 上的AFM层210 ；沉积于AFM层210上的被固定层220 ；沉积于被固定层220上的间隔(例 如，Ru)层225 ；沉积于间隔层225上的参考层230 ；沉积于参考层230上的穿隧阻碍层MO ； 沉积于穿隧阻碍层240上的自由层250 ；和沉积于自由层250上的TMR盖层沈0。已知在现 有技术中有各种用于TMR层叠沉积的方法，并且为简练起见，本文没有对它们加以说明。在TMR层叠沉积后，未图案化TMR读取头结构200A经历一系列读取头图案限定工 艺。图2B是示出形成具有硬偏置层207的第一中间图案化TMR读取头结构200B的步骤 的示意图(ABS视图)。这一步骤包含但不限于在未图案化的TMR层叠203上形成抗蚀图 案(resistpattern)；在层叠203上进行离子铣削(ion-milling)操作以形成中间图案化 的TMR层叠103A ；沉积绝缘间隔层(例如，ALD Al2O3) 105 ；沉积硬偏置层207和硬偏置盖层 108(图1)；并进行提升(lift-off)操作。图2C是示出形成具有完全图案化TMR层叠103的第二中间图案化TMR读取头结 构200C步骤的示意图(APEX视图)。这一步骤包含但不限于在第一中间图案化的TMR层 叠103A上形成阻抗图案；在第一中间图案化的TMR层叠103A的区域上进行铣削操作以限 定读取头带291的背部；用氧化铝209重新填冲被洗削的区域四5 ；并进行提升操作。之后， 第二屏蔽层(S2)被附加在如此形成的第二中间图案化的TMR读取头结构200C上以得到图 1中TMR读取头100。尽管针对图1和2A-C的说明的实施例，上述有些层或者材料被说明为是“布置于” 或者“沉积于”先前的层或者材料上的(例如，沉积在穿隧阻碍层240上的自由层250)，应 认识到，在其它实施例中，根据正在被图案化的结构的定向和配置或者正在被采用的图案 化工艺，每一层或者材料可被布置或者沉积在先前层或者材料的下面或者旁边，或者在邻 近于先前层或者材料的侧面的地方。此外，如同此处所用到的，短语“层/材料X被布置/ 被沉积在层/材料Y之上(之下、旁边、或者邻近层/材料Y侧面的地方)涵盖了其中一个 或者多于一个布置/沉积于层/材料X和层/材料Y之间的中间层/材料的配置或者实施 例。图3是示出根据本主题公开的一方面说明通过在图案化TMR读取头上进行热退火 工艺以得到具有改善的读取头稳定性的TMR读取头的示例性过程300的流程图。为简洁起 见，但是并无意于以任何方式限制主题公开的范围，参考图1和图2A-C，过程300在下面加 以说明。但是，应认识到过程300，或者其变化，可被运用于获得具有与这些图中所示的TMR 读取头结构的不同结构的TMR读取头。过程300开始于起始状态301并前进到提供TMR结 构的操作310。操作310可包括上面关于图2A讨论的TMR层叠沉积，其中不同的TMR层包 含至少一铁磁层(例如，AFM层210、被固定层220、参考层230和自由层250中的一个或多 于一个)和至少一个非磁性绝缘层(例如，穿隧阻碍层M0)，其被沉积以形成例如图2A中 未图案化TMR层叠203那样的未图案化TMR层叠。过程300前进到在未图案化TMR层叠203上进行第一热退火工艺的操作320。通 过正确地形成穿隧阻碍层240的非磁性绝缘材料(例如，MgO)的晶体结构，第一热退火工艺 帮助增强TMR效应(例如，dR/R)。相同的热退火工艺也可起到将在AFM层210中的反铁磁7性(AFM)材料(InMn)形成为正确相的功能，因此可在此感应出固定场。在特定实施例中， 第一热退火工艺具有范围为约250到300°C之间的第一热退火温度以及范围约为2到5小 时之间的浸泡时间。在说明的示例中，第一热退火工艺在TMR盖层沈0的沉积后进行。本领域技术人员应认识到对上述操作320的第一热退火工艺的不同更改可被改 变以实现大量的替代实施例，而不背离本主题公开的范围。例如，第一热退火工艺可在TMR 盖层260的沉积之前进行，或者甚至在自由层250的沉积之前进行。在有些实施例中，第一 热退火工艺可含有在TMR层叠形成期间的不同时刻进行的两个或者更多热退火工艺。例 如，初始热退火工艺可在沉积AFM层210后进行，而另一后续的热退火工艺可在沉积穿隧阻 碍层240之后的某个时刻进行。过程300前进到操作330，在其中在未图案化TMR读取头结构200A上进行上述关 于图2A和2B的不同的读取头图案限定操作以实现例如图1的图案化TMR读取头100那样 的图案化的TMR读取头结构。过程300然后前进到在图案化的TMR读取头结构上进行第二热退火工艺以改善读 取头稳定性的操作340。在特定实施例中，第二热退火工艺的第二热退火温度等于或低于第 一热退火工艺的第一热退火温度。例如，第一热退火温度可以在约250和300°C之间的范 围内，而第二热退火温度可以在约220和270°C之间的范围内。在有些实施例中，第二热退 火工艺的第二浸泡时间等于或少于第一热退火工艺的第一浸泡时间。例如，第一浸泡时间 可以在约2和5小时之间的范围内，而第二浸泡时间可以在约10分钟和1小时之间的范围 内。过程300结束于结束状态309。本领域技术人员应认识到对上述操作340的第二热退火工艺的不同更改可被改 变以实现大量的替代实施例，而不背离本主题公开的范围。如前所述，在特定实施例中，在 图案化TMR读取头100(图1)上进行第二热退火工艺。但是，在其它实施例中，可在第一中 间图案化TMR读取头结构200B (图2B)、第二中间图案化TMR读取头结构200C(图2C)或者 未图案化TMR读取头结构200A(图2A)和最终TMR读取头100(图1)之间实现的任何其它 中间结构上在制造工艺中的更早时刻进行第二热退火工艺。试验显示出在图案化的TMR读取头上进行这一附加热退火工艺通过增强图案化 的TMR层叠103中的有效硬偏置场改善了读取头的稳定性。如上所述，有效硬偏置场可从 读取头的传输特性(例如，相对外部磁场的TMR比率)推断出。有效硬偏置磁场的增强又 有显著降低读取头的不对称σ (sigma，定义为ASSY的变化)的效果，同时将读取头信号幅 度降低至期望情况之下，例如，低于外部硬偏置磁场增强所带来的有效硬偏置场的同样增 加量的情况。例如，在一试验性实施例中，将图案化的TMR读取头进行第二热退火工艺产生 4%更佳的不对称σ，同时读取头信号幅度降低了 15%且BQST产量显示了 5%的增加。在有些磁记录硬盘驱动器中，写入头，例如示于图4的PMR写入头400可在对例如 示于图1的TMR读取头100的读取头图案化后进行图案化以形成集成的读/写磁头。图4 中的PMR写入头400包含磁轭410、写磁极430和相对写磁极430布置的写入器线圈420。 在说明的示例中，写入器线圈420是缠绕在写磁极430周围的环形或者螺线管形线圈。写 磁极430的磁极表面432对着记录介质(未显示)。在盖写操作中，由写入器线圈420内流 动的电流产生或感应的写磁极430内的写磁场或者磁通量在端面432处流出写磁极430并 进入记录介质以通过擦除或者反转设置在记录介质内的任何磁化来盖写或者擦除任何被记录于其上的数据。图5是说明根据本主题公开的一方面通过在图案化PMR写入头上进行热退火工艺 以得到具有改善的盖写性能的PMR写入头的示例性过程500的流程图。仅仅为简洁起见， 但是并无意于以任何方式限制主题公开的范围，过程500在下面参考图4加以说明。但是， 应认识到过程500，或者其变化，可被应用于具有不同于图4所示的PMR写入头400的结构 的写入头。例如，所述写入头可具有饼形线圈，而不是图4中所示的环形或者螺线管形线圈 420过程500开始于起始状态501并前进到操作510，在此处在未图案化写入头结构上 进行写入头图案限定以得到例如PMR写入头400的图案化PMR写入头。过程500前进到在 图案化的PMR写入头进行第三热退火工艺的操作520。在特定实施例中，第三热退火工艺 的第三热退火温度等于或低于上述关于图3讨论的第一热退火工艺的第一热退火温度。例 如，第一热退火温度的范围可以在约250和300°C之间，而第三热退火温度的范围可以在约 190和240°C之间。在其它实施例中，第三热退火工艺的第三浸泡时间等于或少于第一热退 火工艺的第一浸泡时间。例如，第一浸泡时间可以在约2和5小时之间的范围内，而第三浸 泡时间可以约10分钟和2小时之间的范围内。试验显示出在图案化的PMR写入头上进行这一附加热退火工艺改善了写入头的 盖写性能。例如，在一试验性实施例中，使图案化的PMR写入头进行第三热退火工艺产生了 1.5分贝(db)的盖写性能提高。所述性能提高据信归功于附加退火工艺，该工艺增加了磁 轭的磁导率，磁轭又导致了写磁极420所产生的净磁通量增加。提供本说明以使得本领域任何技术人员都能够实践本文所说明的实施例。尽管配 合不同图示和实施例对本发明加以具体说明，但是应理解这些仅为说明的目的并且不应限 制本发明的范围。可以有许多不同方式实施本发明。在不背离本发明宗旨和范围的情况下，此处说 明的不同功能和元素可用不同于本文所示的方式分开。这些实施例的不同更改对于本领域 技术人员是显而易见的，并且本文中定义的一般原理可应用于其它实施例。因此，在不背离 本发明宗旨和范围的情况下，本领域技术人员可对本发明可作出许多改变和更改。除非特别声明，以单数形式引用的元素不意味着“一个且只有一个“，而是意味着” 一个或者多于一个”。短语“有些”指的是一个或者多于一个。带下划线和/或斜线的标题 和小标题仅为行文方便而用，其并不限制本发明，并且不意味着与本发明的说明的解释相 关联。本领域普通技术人员所知的或者今后所知的遍及本公开内容所说明的本发明的不同 实施例的元素的所有结构性或者功能性等价物明显地通过引用并入本文并意在被本发明 所包纳。此外，任何本文中公开的内容都不旨在成为公用内容，不管这样的公开内容是否被 上述说明明确的引用。
权利要求
1.一种制造穿隧磁阻即TMR读取头的方法，所述方法包括提供包括至少一个铁磁层和至少一个非磁性绝缘层的TMR结构；在所述TMR结构上进行第一热退火工艺；在所述TMR结构上进行读取头图案限定工艺以得到图案化的TMR读取头；和在所述图案化的TMR读取头上进行第二热退火工艺。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述读取头图案限定工艺包括离子铣削操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个铁磁层包括从由自由层、被固定层 和固定层构成的组中选出的层。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述TMR结构进一步包括沉积于所述自由层上的 盖层，此外其中所述第一热退火工艺在沉积所述盖层后进行。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述至少一个铁磁层包括固定层、被固定层和自 由层；并且所述至少一个非磁性绝缘层包括布置于所述被固定层和所述自由层间的穿隧阻 碍层。
6.根据权利要求5所述的方法，其中当向所述TMR结构施加外部磁场时进行所述第一 热退火工艺，从而在所述固定层内感应出固定场并限定所述固定场的方向。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述图案化的TMR读取头上布置间隔层 和在所述绝缘层上布置硬偏置层的步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述间隔层包括原子层沉积氧化铝。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述硬偏置层包括钴和钼的合成物。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二热退火工艺增强在所述图案化的TMR读 取头内的有效硬偏置场。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二热退火工艺降低在所述TMR读取头的操 作期间正信号和负信号间的幅度不对称性。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二热退火工艺的第二热退火温度等于或 低于所述第一热退火工艺的第一热退火温度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一热退火温度在约250和300°C之间的 范围内，而所述第二热退火温度在约220和270°C之间的范围内。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二热退火工艺的第二浸泡时间等于或少 于所述第一热退火工艺的第一浸泡时间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一浸泡时间在约2和5小时之间的范围 内，而所述第二浸泡时间在约10分钟和1小时之间的范围内。
16.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括进行写入头图案限定工艺以形成和所 述图案化的TMR读取头相关的图案化的写入头。
17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括在形成所述图案化的写入头之后进行 第三热退火工艺。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第三热退火工艺提高所述图案化的写入头 的盖写性能。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述第三热退火工艺的第三热退火温度等于或 低于所述第一热退火工艺的第一热退火温度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第一热退火温度在约250和300°C之间的 范围内，而所述第三热退火温度在约190和240°C之间的范围内。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述第三热退火工艺的第三浸泡时间等于或少 于所述第一热退火工艺的第一浸泡时间。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述第一浸泡时间在约2和5小时之间的范围 内，而所述第三浸泡时间在约10分钟和2小时之间的范围内。
23.包括根据权利要求1所述的方法而制造的TMR读取头的硬盘驱动器。
全文摘要
本文涉及通过图案化的晶片退火改善读取头稳定性和写入头盖写性能的方法。公开了制造穿隧磁阻(TMR)读取头的方法。本发明提供包括至少一个铁磁层和至少一个非磁性绝缘层的TMR结构。在所述TMR结构上进行第一热退火工艺。在所述TMR结构上进行读取头图案限定工艺以得到图案化的TMR读取头。在所述图案化的TMR结构上进行第二热退火工艺。
文档编号G11B5/39GK102054483SQ201010536310
公开日2011年5月11日 申请日期2010年11月3日 优先权日2009年11月3日
发明者C·英, G·W·安德尔森, J·X·申, L·袁 申请人:西部数据(弗里蒙特)公司