专利名称：用于保护磁阻磁头避免静电放电的集成板上器件和方法
背景以下的发明涉及保护磁阻(“MR”)传感器不发生静电放电(“ESD”)或电气过应力(“EOS”)。由于摩擦或移动，静电电荷可能会累积起来。当携带这种累积的静电电荷的物体接触电接地的表面时，会发生ESD事件。ESD事件是静电电荷从电压较高的物体转移到电压较低的物体。ESD事件经常产生重大电压的瞬间电流，这能够使MR传感器上所包含的精密电路无法工作。静电放电事件非常普通，它会对MR传感器造成严重的损害。当MR传感器承受的电压或电流超过MR传感器操作所需要的电压或电流时(通常在事件的持续时间比ESD事件长得多时)，会发生EOS。EOS的一个例子是对处于不合适的电压的MR传感器进行测试。类似于ESD，EOS能够破坏MR传感器。当论及静电放电或电气过应力时，该技术领域中所实践的通常称为“ESD”。在该专利中，术语“ESD”将用来指两者。
对MR传感器的ESD损害可能会致使整个器件无法操作，在这种情况下，避免ESD的保护成为一个迫切需要的目标。例如，硬盘驱动器的记录磁头中的MR传感器若发生故障，可能会使记录磁头无法工作并使硬盘驱动器失灵。
现代的记录磁头中的MR传感器容易受到偶然的电荷、场和电流的影响。为了提供增加的区域存储密度，磁头的外貌尺寸正在减小，而这会加剧这个问题。现存的MR传感器已经对与1V一样小的ESD事件展示了灵敏性，该灵敏性预定在将来会有稳定的增长。所以，人们越来越关注保护在整个生产期间的MR传感器、驱动器装配和顾客使用中不发生ESD事件这个大课题。
有各种现有技术系统，可保护综合电路不发生ESD事件。例如，传统的二极管可以与电阻性元件并联布线，以便为ESD功率提供分路。这些二极管可以被配置成紧接的，这取决于半导体工业中的晶片上保护所需的保护等级。在MR工业中可进行类似的努力来为非传导性间隙或读卡条提供保护，但是，处理MR晶片上的半导体很困难，这使这类解决方案的成本大得无法实行。
现有技术系统有几个缺点。通常，现有技术系统不方便、庞大、行程晚、脆弱或只能单一使用。简而言之，使用ESD保护的目的是延长基于IC的部件的使用寿命。对于该情况而言太庞大或不方便的ESD保护方法不太可能加以运用。如果ESD保护行程晚，则它不会及时实施来保护IC在制造和装配期间不发生ESD事件。此外，脆弱的ESD保护不会有效地防止强大的ESD事件。单一使用的ESD保护只保护IC不发生一个ESD事件。一旦被使用，就不再进一步提供保护了。
相应地，需要提供方便的、尺寸合适的、在制造的初期阶段加以执行的、强大又可再用的ESD保护。
发明概述本发明针对用于保护磁阻(“MR”)传感器避免静电放电或电气过应力的一种器件和方法。
电路包括一个磁阻传感器和被耦合到MR传感器的一个隧道结器件，以便耗散与超过传感器的工作电压的电信号有关的能量。隧道结可包括第一导电层、第二导电层，以及位于第一与第二导电层之间的势垒材料。势垒材料可以被放置成使第一导电层和第二导电层不接触。
MR传感器可以并联连接到第一和第二导电层。隧道结可以用一种材料制成，该材料的电阻大于在工作电压下MR传感器的电阻并低于在更大电压下MR传感器的电阻。
被保护的电路可包括电阻约为70Ω的一个磁阻传感器。该传感器的工作电压范围可包括约0.2V±0.1V的范围，在高达约1GHz进行工作。隧道结还包括约1pF的电容，以及在MR传感器工作电压下大于1kΩ的的电阻和在较高电压下1Ω的电阻。
第一导电层可包括第一金属层，第二导电层可包括第二金属层，势垒材料可包括一种绝缘材料。势垒材料可包括约30μm2的面积、约35的厚度、其导带与费米能级之间电子的高能势垒约0.35eV，以及约1pF的电容。势垒材料可包括一种薄膜势垒材料。
隧道结还可包括用一种或多种材料(例如，SiNx、SiOx、CaF2、Al2O3和AlN)制成的一种绝缘势垒。该连接可包括用一种或多种半导体材料(例如，Si、非晶Si、多晶Si、Ge、SiGe、GaAs、GaAlAs、ZnSe、ZnS、CdSe和CdS)制成的一种绝缘势垒材料。
隧道结可以展示一种过程(例如，电子隧穿、热离子发射和热离子场发射)，以便当MR传感器处于传统的电压时和当MR传感器处于较大的电压时，在隧道结的状态变化期间实现电流对电压的超线性依赖。在电路的制造期间，隧道结可以被耦合到MR传感器。
在本发明的另一个方面，提出了一种用于制造被保护的电路的方法，该方法包括将MR传感器集成在电路上并将隧道结耦合到MR传感器以便耗散超过MR传感器的工作电压的电信号。可以在电路的制造期间制造隧道结驱动器。该方法可包括在MR传感器上制造隧道结。
本发明相应地包括构造特点、将在以下的详细说明中被例示的各个元件的组合与各个部分的布置，以及将在权利要求中被指出的本发明的范围。本发明的其他特点和优点将通过描述、附图和权利要求而显而易见。本发明可包括以下优点中的一个或多个优点ESD保护器件能够经得住综合电路的整个生命周期中的多个高压ESD事件。电流通过ESD保护器件分路使ESD保护器件和MR传感器不会受到破坏，这意味着可以容许反复暴露于ESD能级电压，其后产品重复地返回到完全的操作状态。MR传感器利用ESD保护器件能够经得住的能量能级可以是其未被保护的能级的二十多倍。
可以在晶片能级处理期间利用MR传感器来制造ESD保护器件。这可以确保通过包装并在综合电路的整个生命周期，MR传感器在综合电路的制造期间得到保护。
所揭示的ESD保护器件可以不需要高纯度、高清晰的半导体材料。
附图简述
图1展示了隧道结ESD保护器件由并联电路连接到MR传感器。
图1b展示了隧道结器件的横截面视图。
图2a展示了处于或低于正常的工作电压的隧道结器件中的独立电子能量的示意图。
图2b-g展示了处于较高电压的隧道结器件中的独立电子能量的示意图。
图3展示了隧道结器件的电流-电压(I-V)关系的图解表示。
图4展示了与隧道结器件的电流-电压(I-V)关系相比较的MR磁头的电流-电压(I-V)关系的图解表示。
详细描述首先参考图1a，隧道结电气过量充电(“ESD”)保护器件由并联电路连接到MR传感器。MR传感器101和隧道结器件102被综合在板上电路100上。由于电流跟随最小的电阻的路径，因此，流过并联电路的电流将根据并联路径的电阻来分配自己。一般而言，电流将在各个输入终端108之间流过MR传感器101或隧道结器件102。
图1b表现了隧道结器件的横截面视图。隧道结器件102包括一种多层薄膜，它包括第一导电层104、第二导电层106和一种薄膜势垒材料105。薄膜势垒材料105位于第一导电层104与第二导电层106之间，以便第一导电层104和第二导电层106不会接触。这两种邻接的导电层由有关并联电路连接起来，构成与MR传感器平行的一条路径。可以在第一和第二导电层104和106中使用一种金属。隧道结器件102可以位于底层100上或同样被连接到MR传感器101的电路的任何部分中。
通过隧道结器件102和MR传感器101的并联连接来实现ESD保护。隧道结器件102的非线性电流-电压特征导致了两种截然不同的操作状态-截止状态和导通状态。在ESD事件期间，隧道结102被配置成在截止状态与导通状态之间瞬时转换，以便保护MR传感器101。
截止状态是一种高电阻的状态，该高电阻与处于MR传感器101的工作电压范围内的电压的MR传感器101的电阻有关。导通状态是一种低电阻的状态，该低电阻与处于MR传感器101的工作电压范围以上的电压的MR传感器101的电阻有关。当处于低电压时，隧道结器件102处于截止状态，电流流过MR传感器101。很小的电流通过隧道结器件102，使传感器在操作上没有改变。当处于高电压时，隧道结器件102进入导通状态，其电阻大大减小，这使与ESD事件有关的电流流过并被局部耗散通过隧道结器件102。电流通过隧道结器件102分路，这使它和MR传感器101没有受到破坏。所以，可以容许反复暴露于ESD能级电压，MR传感器101返回到工作条件。
选择组成材料、尺寸和处理步骤来实现合适的电学特性和热特性。导电层104与106之间的材料是一种具有接近其费米能级(即其化学电位)的电子状态的低密度材料。
在本发明的另一个实施例中，隧道结器件102可包括一种金属-绝缘体-金属(“MIM”)隧道结器件。MIM隧道结器件可以由在MR磁头制造过程中所使用的传统处理来制造，其中包括热蒸发、溅射、电镀和各种PVD或CVD薄膜沉淀技术。MIM隧道结器件102可以通过沉淀图案化在底层107上的金属薄膜104来制造，随后对金属薄膜105进行短暂的热氧化。然后，继续将所铺金属膜106沉淀在金属薄膜105的顶部。图1b表现了这种热氧化的简短的受控应用的合成结构。
现在参考图2a，呈现了第一导电层104、薄膜势垒材料105、第二导电层106和费米层205中的独立电子能量的示意图。隧道结器件102的非线性电流-电压特征产生于在薄膜势垒材料105中缺少保持平衡的移动电子。当处于低电压时，分别在导电层104和106的201与203内的最高能量占据状态(和最低能量未占据状态207，它直接在201和203上)所处于的能量比势垒材料105的占据状态204更高，但没有达到势垒材料105的空导带202。这种在势垒材料105中缺乏接近费米能级205的可到达的电子状态会生成高电阻连接。所以，当处于低电压时，很小的电流在两个导电层104与106之间流过薄膜势垒材料105。因此，大部分电流流过MR传感器101。
图2b-2g表现了在ESD事件期间第一导电层104、薄膜势垒材料105和隧道结器件102的第二导电层106中的独立电子能量的示意图。当处于高电压时，第一导电层104的占据状态201通常上升，以允许电子隧穿208通过薄膜势垒材料105的未占据电子状态202至第二层导电层106的未占据状态207。虽然这个例子表现了发生在第一导电层104中的一个ESD事件，但如果ESD事件在第二导电层106中发生，会产生相同的结果。
移过隧道结器件102的电流208实际上是高度非线性的，并可以用于薄膜势垒105以便产生有用的器件性能。非线性源自不同的工作环境和模式中的各种来源。将按电子来讨论这些描述，但也可对空穴进行陈述。电子可以从通过薄膜势垒材料105的第一导电层104到第二导电层106进行直接的量子机械隧穿，而无须电子进入介于其间薄膜势垒材料105的导带(价带)204。而电子可以进入空导带202，以通过进行到第二导电层106。
隧道结102可以展示用于电子输运的不同机理，以便当MR传感器101以工作电压工作时和当MR传感器101以较大电压工作时实现在隧道结102的转换期间电流对电压的超线性依赖。精通该技术领域的人所知道的各种基本模型可以描述这种隧穿。例如，如图2b所示，直接隧穿可以在低器件电压处占优势。如图2c所示，在处于较高电压时，场发射将更加重要，其中，势垒的导带202可到达注入填充状态201。如图2e所示，根据势垒高度和器件操作温度，热离子发射可以发挥大作用。如图2d所示，当电荷在电极中用热的方法被激发到不足以允许直接输运进入势垒材料的一个能级但允许通过后来的隧穿输运进入势垒材料202的导带时，会发生热离子场发射。肖特基(Schottky)发射的模型也被用来指出，独立电子能量能级图需要稍作修改，以说明静电图像电荷效应。
这些模型通常将直接隧穿描述为产生一种电流，该电流随所施加电压的平方或立方而增加，或随所施加电压而按指数增加。当处于较高电压时，导带(价带)205将可达到隧穿，展示了一种不同的功能形式(即Fowler-Nordheim穿透)，这通常描述为电流对电压的强大的指数依赖。两种模型中的任何一种模型所描述的电流的这种超线性依赖是在允许ESD保护的隧道结器件102中从截止状态到导通状态的转换的基础。
参考图2b，在直接的电流偏压下，直接隧穿208在较高电压处可具有强非线性。在图2c中，隧穿208进入薄膜势垒材料105中的带205具有类似的效果；在合适的条件下，它可提供更强大的非线性(即Fowler-Nordheim隧穿)。图2d-2e描绘了电子208的热助转移的变化，具有类似的特征。参考图2f，也可以利用绝缘势垒105内的电流208载流子复合来提供非线性。参考图2g，电流208转移会导致绝缘势垒105或第二导体207的未占据状态内的碰撞电离，也可以利用这一点来产生非线性。隧道结器件中的这些或许多其他的处理中的任何处理的结果可有助于在处于高器件电压时降低电阻。
现在参考图3，用曲线图表示了隧道结器件102的电流-电压(I-V)关系301。该器件的电流-电压(I-V)特征要求强非线性(即非欧姆性的行为)，表现了从低电压302处的高电阻状态转换到高电压303处的低电阻状态。关于隧道结ESD保护的基本要求是隧道结102所需的电阻远远高于处于传统电压的MR传感器的电阻，并远远低于处于较大的ESD瞬时电压的MR传感器的电阻。
例如，如果以1V被保护的器件是以0.2V工作的70Ω传感器，则可以利用从在0.2V下1000Ω截止状态转换到在1V下1Ω导通状态来保护MR传感器不发生ESD。在一个实施例中，如果隧道结器件102所具有的厚度为35的薄膜势垒105在其导带(价带)与费米能级之间提供一个0.35eV的势垒，则可实现这种所需的转换。可以使用各种绝缘体(例如，SiNx、SiNx、SiOx、CaF2和AlN)来实现这一点。也可以使用在MR生产期间被容易地处理的半导体(例如，Si、非晶Si、多晶Si、Ge、SiGe)。还可以使用其他传统的半导体(例如，GaAs、GaAlAs、ZnSe、ZnS、CdSe、CdS)。半导体可提供的额外优点是能够比绝缘体更有效地将电荷移动通过导带(价带)。关于面积为30μm2的隧道结器件102中的35、0.35eV势垒的简单的建模计算(如以下所讨论的，为电容量所限制)表现了在1kΩ至1Ω转换的设计限制内从1MΩ转换到0.5Ω。
现在参考图4，与MIM隧道结器件102的电流-电压(I-V)关系402相比，用曲线图表示了MR磁头传感器101的电流-电压(I-V)关系401。MR磁头传感器101的近乎线性关系401和MIM隧道结器件的非线性关系402相交406，高于MR磁头传感器101的工作电压405，但低于会对MR磁头传感器101形成危险的ESD电压407。当处于低于MR磁头传感器101和MIM隧道结器件102的相交406的低电压403时，电流主要流过MR磁头传感器101。当处于高于相交406的高电压404时，电流主要流过MIM隧道结102。
MIM隧道结器件102所要求的电容量不可以削弱通过被设计来进行保护的器件的迅速变化信号。这种情况的一个例子是，假设MIM隧道结器件102与MR传感器102并联布线，MR传感器102以上至约1GHz、200mV和70Ω来工作。与MIM隧道结器件102有关的电容量将结合70Ω传感器电阻用作滤波器，并可削弱这些信号。为了防止MIM隧道结器件102限制MR传感器速度，若频率约为1GHz，则MIM隧道结器件102电容量不可以超过约1pF。由于电容量与MIM隧道结102的尺寸成正比，所以应该选择MIM隧道结102的薄膜势垒材料105的面积和深度(“d”)，来产生在限制电容量(即CMIM≈1pF)的条件下所需的电阻(即RMIM＝处于200mV的1kΩ和处于1V的1Ω)。由于RMIM对d的函数依赖是指数的，但CMIM对1/d的依赖是线性的，因此，选择d来实现RMIM和CMIM的设计限制。隧道结器件102的横截面面积和厚度受到限制以便所具有的电容量不大于1pF，这将把信号衰减限制到约0.2dB(即，2％的输入电流因其存储在MIM电容器中而通过改变磁场被非调制)。
MIM隧道结器件102应该能够耗散ESD事件的I-V功率，而MIM隧道结器件102不会发生故障，也无需限制MR磁头传感器速度的电容量。MIM隧道结器件102在ESD压力下发生故障是实际运用中主要关注的问题。当处于1V时，流过隧道结的电流密度约为3.3×105A/cm2——一个巨大的电流应力。描述MR堆栈中故障机理的许多理论模型依赖MR堆栈材料中产生绝热热量的假设，这使温度上升足以熔化偏置层或MR堆栈本身，或结合与ESD电流有关的磁场，在传感器堆栈中诱发去阻塞。ESD事件的毫微秒时间尺度证明绝热近似值是正当的，因为在那个很短的持续时期中热量会失散到周围环境可忽略不计。MIM隧道结结构本身中可能有类似的故障。但是，因其体积增加，熔化薄膜势垒材料所需的能量很大，大约20倍。如果ESD来源用作电荷来源，并假设在与MR传感器中发生故障的温度相同的温度下在MIM中发生故障，则会虑及将被耗散的大4.4倍的能量ESD(能量比例为1/2CV2)。如果ESD来源用作电压来源，则会虑及将被耗散的大20倍的能量ESD事件。由于其几何结构，因此，即使在允许进一步ESD保护的ESD期间MR堆栈中没有热量消散，MIM器件中也会发生热量消散。这些保护能级可以在器件参数(例如，势垒能量、厚度和面积)方面被优化。
已经描述了本发明的许多实施例。但是，不言而喻，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可以进行各种修改。相应地，其他实施例在以下权利要求的范围内。
权利要求
1.一种电路，其特征在于包括磁阻传感器；以及，被耦合到所述传感器的隧道结，其中，隧道结改变状态，以便耗散与超过传感器工作电压的电信号有关的能量。
2.如权利要求1中所述的电路，其中，隧道结包括第一导电层；第二导电层；以及，位于第一导电层与第二导电层之间的势垒材料，其中，势垒材料被放置成使第一导电层和第二导电层不接触。
3.如权利要求2中所述的电路，其中，传感器与第一导电层和第二导电层并联连接。
4.如权利要求1中所述的电路，其中，隧道结额外地包括一种材料，其电阻超过在工作电压下传感器的电阻并低于在更大电压下传感器的电阻。
5.如权利要求4中所述的电路，其特征在于其中传感器包括电阻约70Ω；传感器的工作电压还包括在高达约1GHz下操作约0.2V±0.1V的范围；以及隧道结还包括电容约1pF，以及电阻大于在传感器工作电压下1kΩ和在更大电压下1Ω。
6.如权利要求1中所述的电路，其中，第一导电层包括第一金属层，第二导电层包括第二金属层，势垒材料包括一种绝缘材料。
7.如权利要求2中所述的电路，其中，势垒材料还包括面积约30μm2、厚度约35、电子的高能势垒在其导带与费米能级之间约0.35eV，以及电容约1pF。
8.如权利要求2中所述的电路，其中，势垒材料包括一种薄膜势垒材料。
9.如权利要求2中所述的电路，其中，势垒材料还包括从SiNx、SiOx、CaF2、Al2O3和AlN这组中选择的一种绝缘材料。
10.如权利要求2中所述的电路，其中，势垒材料还包括从Si、非晶Si、多晶Si、Ge、SiGe、GaAs、GaAlAs、ZnSe、ZnS、CdSe和CdS这组中选择的一种半导体材料。
11.如权利要求4中所述的电路，其中，隧道结进一步展示了从电子隧穿、热离子发射和热离子场发射这组中选择的一种过程，以便当传感器处于工作电压时和当传感器处于较大电压时，在隧道结的状态变化期间实现电流对电压的超线性依赖。
12.如权利要求1中所述的电路，其中，隧道结在电路制造期间被耦合到传感器。
13.一种制造电路的方法，其特征在于包括以下步骤将磁阻传感器集成在电路上；以及将双向隧道结耦合到传感器，其中，隧道结改变状态，以便耗散超过传感器的工作电压的电信号。
14.权利要求13的方法，其中，隧道结还包括第一导电层；第二导电层；以及，位于第一导电层与第二导电层之间的势垒材料，其中，势垒材料被放置成使第一导电层和第二导电层不接触。
15.权利要求13的方法，其中，隧道结额外地包括一种材料，其电阻超过在工作电压下传感器的电阻并低于在更大电压下传感器的电阻。
16.权利要求15的方法，其特征在于其中传感器还包括电阻约70Ω；传感器的工作电压还包括在高达约1GHz下操作约0.2V±0.1V的范围；以及隧道结还包括电容约1pF，以及电阻在工作电压下大于1kΩ和在更大电压下大于1Ω。
17.权利要求13的方法，其特征在于还包括在电路制造期间制造隧道结器件。
18.权利要求14的方法，其中，第一导电层包括第一金属层，第二导电层包括第二金属层，势垒材料包括一种绝缘材料。
19.权利要求13的方法，其特征在于还包括在传感器上制造隧道结。
20.一种电路，其特征在于包括一个磁阻传感器；以及，隧道结装置，用于通过耗散超过器件的工作电压的电信号而保护传感器。
全文摘要
本发明揭示了一种电路，该电路包括一个磁阻传感器和被耦合到MR传感器的一个隧道结器件，以便耗散与超过传感器工作电压的电信号有关的能量。隧道结可包括第一导电层、第二导电层，以及位于第一与第二导电层之间的势垒材料。势垒材料可以被放置成使第一导电层和第二导电层不接触。MR传感器可以与第一和第二导电层并联连接。隧道结可以用一种材料制成，该材料的电阻大于在工作电压下MR传感器的电阻并低于在更大电压下MR传感器的电阻。在本发明的另一个方面中，提出了一种用于制造被保护的电路的方法，包括将MR传感器集成在电路上并将隧道结耦合到MR传感器，以便耗散超过MR传感器的工作电压的电信号。可以在电路的制造期间制造隧道结器件。该方法可包括在MR传感器上制造隧道结。
文档编号G11B5/39GK1451157SQ00816655
公开日2003年10月22日 申请日期2000年10月5日 优先权日1999年10月5日
发明者E·L·格兰士特伦, N·塔巴 申请人:西加特技术有限责任公司