一种写磁头、写磁头器件、写磁头制造方法以及充磁方法与流程

本技术涉及磁传感器，具体而言，涉及一种写磁头、写磁头器件、写磁头制造方法以及充磁方法。

背景技术：

1、mtj磁隧道结磁电阻传感器通常为推挽式结构，包括封装在一个芯片中且磁敏感方向相反的两个推磁电阻传感单元阵列和挽磁电阻传感单元阵列。对于x轴或y轴磁电阻传感器，采用反铁磁层磁场退火的方法来决定磁隧道结的磁场敏感方向，即将整个晶圆放置在磁场退火炉中，整个晶圆上的所有磁电阻传感单元具有相同的+x磁场敏感方向，而后切片成晶粒(die)，通过flip-die即旋转+x晶粒的方法，旋转90°得到+y桥臂，旋转180°得到-x桥臂，旋转270°得到-y桥臂，从而得到x轴推挽式磁电阻传感器和y轴推挽式磁电阻传感器。然而这种方法最大的问题在于，由于旋转方法晶粒之间的相对位置的排列存在误差，从而影响传感器的精度。

2、为了解决这种问题，提出了采用激光退火的方法，采用激光光斑来加热单个磁电阻传感器单元，同时施加+x、-x、+y、-y、+z和-z方向的磁场，就可以在单个晶粒上得到x、y和z轴磁电阻传感器，并消除传感器位置对准导致的误差。

3、但是激光光斑在加热磁电阻传感单元时，需要调节激光功率，保证加热温度不会过高从而对磁隧道结产生烧蚀；另一方面，磁场产生装置作用于整个晶圆范围，需要产生磁场装置通过较大电流，从而需要为产生磁场装置配备冷却装置，生产成本很高；另一方面，激光光斑要逐个扫描晶圆上所有的磁隧道结单元，扫描时间过长。

4、z轴磁电阻传感器通常采用x轴磁电阻传感单元和通量集中器的方法来实现，通过通量集中器来改变磁路，使得z磁场在x轴磁电阻传感器附近产生x分量的磁场。但是，由于通量集中器是软磁材料，采用电镀方法制备，本身存在着磁滞，而且其厚度分布不均，因此，会对z轴传感器的可重复性和性能误差产生影响。

5、另一方面，利用磁性过渡金属/氧化物，例如cofeb/mgo界面处存在的垂直各向异性(pma)，可以形成磁金属/氧化物/磁金属的双界面的垂直各向异性的隧道结堆叠结构，在氧化物的两侧形成垂直各向异性的磁性材料层，通过控制氧化物磁金属和厚度，其中一侧为参考层，另一层为自由层，可以形成z轴磁电阻传感器。

6、同样，形成推挽式z轴磁电阻传感器，需要在参考层中形成+z和-z轴的磁隧道结阵列，为了在一个晶粒上同时得到+z和-z轴的磁隧道结阵列。

7、需要一种简单、快速、高效率的z轴磁电阻传感器参考层磁矩写入单元，以提高晶圆上z轴磁电阻传感器的写入效率。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种写磁头、写磁头器件、写磁头制造方法以及充磁方法，能够提高z轴磁电阻传感器的写入效率。

2、第一方面，本技术实施例提供一种写磁头，用于z轴磁电阻传感器的第一晶圆上的z桥臂所对应的z轴磁电阻传感单元阵列钉扎层磁矩的写入，所述z桥臂包括+z桥臂和/或-z桥臂，所述写磁头和第一软磁屏蔽层分别位于所述第一晶圆的上方和下方；所述写磁头包括：第二晶圆，包括硅体以及分别位于所述硅体上表面和下表面的第一氧化层和第二氧化层；以及穿透所述硅体的磁极阵列，所述磁极阵列的磁极写入端位于所述第二氧化层的上方，且正对一个所述z桥臂；所述磁极阵列的磁极支撑端被所述第一氧化层所环绕；所述磁极阵列为硬磁磁极阵列，所述硬磁磁极的磁矩为+z方向或者-z方向；或者，所述磁极阵列为环绕有原线圈的软磁磁极阵列，直流电流通过所述原线圈并在所述软磁磁极中产生+z方向或者-z方向磁矩；其中，写入时，所述磁极写入端在所述z桥臂的钉扎层中产生包含z向分量的直流写入磁场，从而使得所述钉扎层磁矩转向所述z向分量的所述直流写入磁场方向。

3、在一个实施例中，包括微波线圈阵列，任一微波线圈环绕至少一个磁极；其中，写入时，所述微波线圈中通过微波电流，以在所述z桥臂的钉扎层中产生微波磁场。

4、在一个实施例中，所述硅体为si(100)面硅体。

5、在一个实施例中，所述第一氧化层和所述第二氧化层均为氧化硅氧化层。

6、在一个实施例中，所述磁极阵列中磁极的横截面为圆形或矩形。

7、在一个实施例中，所述磁极写入端被所述第二氧化层所覆盖，或者，在所述磁极写入端处设有被所述第二氧化层所环绕的写入气隙。

8、在一个实施例中，由所述原线圈组成的原线圈阵列位于所述第一氧化层的上方。

9、在一个实施例中，还包括第二软磁屏蔽层；所述第二软磁屏蔽层位于所述第一氧化层、所述硬磁磁极的所述磁极支撑端或者所述软磁磁极的所述磁极支撑端以及所述原线圈的上方。

10、在一个实施例中，还包括第三软磁屏蔽层；所述第三软磁屏蔽层位于所述第二氧化层的下方，且环绕所述磁极写入端。

11、在一个实施例中，还包括加热线圈阵列；所述加热线圈环绕所述磁极写入端并与所述磁极之间保持设定间隙，且任一所述磁极均环绕有一个所述加热线圈；所述微波线圈环绕至少一个所述磁极及其对应的所述加热线圈。

12、第二方面，本技术实施例提供一种写磁头器件，包括：上述第一方面或第一方面的任一种可能的实施方式中的写磁头以及第一软磁屏蔽层。

13、第三方面，本技术实施例提供一种写磁头制造方法，用于制造第一方面或第一方面的任一种可能的实施方式中的写磁头，包括：

14、步骤一：

15、包括：1)选择第二晶圆；2)采用光刻胶作为掩膜，在第一氧化层表面形成sio2的刻蚀窗口，在第二氧化层表面采用光刻胶做保护层；3)采用bhf蚀刻sio2，形成si刻蚀窗口；4)去光刻胶；

16、或者，包括：1)选择第二晶圆；2)采用光刻胶作为掩膜，在第一氧化层表面形成sio2的第一刻蚀窗口，在第二氧化层表面形成sio2的第二刻蚀窗口；3)采用bhf刻蚀sio2，在所述第一氧化层形成si刻蚀窗口，在所述第二氧化层表面形成磁极写入端的写入气隙；4)去光刻胶；

17、步骤二：

18、包括：采用sio2作为掩膜，采用夹具夹持第二晶圆，使得所述第一氧化层暴漏在koh溶液，所述第二氧化层同所述koh溶液隔离，在80℃水浴刻si，直至刻穿硅体，直达所述第二氧化层，形成磁极坑；

19、或者，包括：采用drie技术刻蚀硅体，直至第二氧化层，形成磁极坑；

20、步骤三：

21、采用气流溅射法制备厚膜磁极，包括：1)在所述第一氧化层及所述磁极坑的表面溅射种子层；2)采用气流溅射法溅射软磁厚膜或者硬磁厚膜直至填充磁极坑；3)以光刻胶做掩膜保护层，保护磁极层，形成刻蚀其余磁极层窗口；4)湿法刻蚀多余的磁极厚膜，直至露出种子层；5)去光刻胶，得到填充在磁极坑中的软磁磁极阵列或硬磁磁极阵列；

22、或者，包括：1)在所述第一氧化层及所述磁极坑的表面溅射种子层；2)以光刻胶做牺牲层，采用气流溅射法溅射软磁厚膜或者硬磁厚膜直至填充磁极坑；3)去光刻胶，去除多余的磁极厚膜，得到填充在所述磁极坑中的软磁磁极阵列或硬磁磁极阵列；

23、或者，采用电镀法制备厚膜磁极，包括：1)在所述第一氧化层及所述磁极坑的表面溅射种子层；2)以光刻胶做掩膜电铸磁极层直至填满磁极坑；3)去光刻胶，得到填充在所述磁极坑中的软磁磁极阵列或硬磁磁极阵列；

24、步骤四：

25、当磁极阵列为硬磁磁极阵列时，包括：1)溅射第二软磁屏蔽层；2)在所述第二氧化层表面溅射种子层；3)以光刻胶作为掩膜电铸第三软磁屏蔽层、加热线圈和微波线圈；4)去光刻胶；5)去种子层；

26、当磁极阵列为软磁磁极阵列时，包括：1)以光刻胶做掩膜电铸原线圈；2)去光刻胶；3)去种子层；4)以光刻胶做牺牲层，在所述原线圈上溅射绝缘层；5)去光刻胶，溅射种子层；6)溅射第二软磁屏蔽层；7)在所述第二氧化层的表面溅射种子层；8)以光刻胶作为掩膜电铸第三软磁屏蔽层、加热线圈和微波线圈；9)去光刻胶；10)去种子层。

27、第四方面，本技术实施例提供一种充磁方法，用于对第一方面或第一方面的任一种实施方式所提供的写磁头中的硬磁磁极阵列进行充磁，包括：

28、任一硬磁磁极均通过位于磁极支撑端上方的上软磁通量引导板和位于磁极写入端下方的下软磁通量引导板连接到充磁磁路中，相邻的两个或多个具有相同磁矩方向的所述硬磁磁极并联连接，相邻的两个或多个具有相反磁矩方向的所述硬磁磁极串联连接；所述硬磁磁极通过串联和并联的方式互联成两端口磁路，所述两端口磁路的两个端口分别连接到软磁轭的两端，并和所述软磁轭共同形成闭合磁路；所述软磁轭上缠绕充磁线圈，所述充磁线圈在所述软磁轭中产生充磁磁场，通过所述上软磁通量引导板和所述下软磁通量引导板分别在磁矩向上的所述硬磁磁极和磁矩向下的所述硬磁磁极中产生向上的和向下的充磁磁场；所述充磁线圈连接充磁电源。

29、第五方面，本技术实施例提供一种充磁方法，用于对第一方面或第一方面的任一种实施方式所提供的写磁头中的硬磁磁极阵列进行充磁，包括：

30、具有相同磁矩的一个或多个相邻的硬磁磁极的磁极写入端和磁极支撑端分别位于软磁轭的具有两个平面的充磁气隙中间，所述软磁轭上缠绕充磁线圈，所述充磁线圈在所述软磁轭中产生充磁磁场，所述充磁线圈连接充磁电源，所述充磁轭在第二晶圆表面移动来实现所有所述硬磁磁极的充磁。