形成MgO阻挡层的方法

形成MgO阻挡层的方法
【专利摘要】一种用于TMR传感器的MgO阻挡层的制造方法，所述方法包括在第一室中沉积第一Mg层；在所述第一室中或在不同于第一室的第二室中，在氧存在下，在所述第一Mg层上使用活性氧化物沉积方法沉积第二Mg层；在所述第一室、所述第二室或第三室中，在所述第二MgO层上沉积第三Mg层；和将所述第一层、所述第二层和所述第三层退火，形成MgO阻挡层。
【专利说明】
形成MgO阻挡层的方法
技术领域
[0001]本发明涉及形成MgO阻挡层的方法，具体涉及一种用于TMR传感器的MgO阻挡层制造的方法。
【背景技术】
[0002]具有氧化镁(MgO)阻挡层的隧道磁阻(TMR)传感器已经作为读取器用于许多商业磁盘驱动产品，这是因为其简单和结实的阻挡层还提供了高TMR值和低面积电阻(RA)。
[0003]随着驱动器容量增长的需求提高，需要提高读取器传感器的TMR，同时保持其低RA ;但这已经成为一个巨大的挑战。

【发明内容】

[0004]本文具体的实施方式是一种制造用于TMR传感器的MgO阻挡层的方法，所述方法包括:从Mg靶沉积第一 MgO源层；在氧存在下，使用活性氧化物沉积方法在所述第一 MgO源层上从Mg靶沉积第二 MgO源层；在所述第二 MgO源层上，从Mg靶沉积第三MgO源层；和将所述第一 MgO源层、所述第二 MgO源层和所述第三MgO源层退火，形成MgO阻挡层。
[0005]另一【具体实施方式】是一种制造用于TMR传感器的MgO阻挡层的方法，所述方法包括:在第一室中沉积第一 Mg层；在所述第一室中或在不同于第一室的第二室中，在氧存在下，在所述第一 Mg层上使用活性氧化物沉积方法沉积第二 Mg层；在所述第一室、所述第二室或第三室中，在所述第二 MgO层上沉积第三Mg层；和将所述第一层、所述第二层和所述第三层退火，形成MgO阻挡层。
[0006]本文的概述用于以简单的方式介绍构思的选择，它们在下文详述中进一步说明。本概述并不是意图确定本文要求保护的主题的关键特征或者必要特征，也不是意图用于限制本文要求保护的主题的范围。这些以及各种其它的特征和优势在阅读下文详述部分之后是显而易见的。
【附图说明】
[0007]结合附图，通过下文描述各种【具体实施方式】的详述部分可以最佳地理解本文所述的技术。
[0008]图1是示例数据存储系统的俯视图。
[0009]图2是示例隧道磁阻(TMR)传感器的示意图。
[0010]图3是示例隧道阻挡层的示意侧视图。
[0011]图4是形成MgO阻挡层的示例方法的分步流程图。
[0012]图5是另一形成MgO阻挡层的示例方法的分步流程图。
[0013]图6是另一形成MgO阻挡层的示例方法的分步流程图。
[0014]图7是另一形成MgO阻挡层的示例方法的分步流程图。
[0015]图8是形成TMR传感器的示例方法的分步流程图。
[0016]图9是TMR传感器的TMR对RA变化的图示。
[0017]图10是TMR传感器的自由层交换耦合(H_ex)对RA变化的图示。
[0018]详述
[0019]如上所述，提高读取器传感器的TMR并同时保持低RA(例如，〈0.7欧姆-微米2)一直是一个挑战，尤其是当MgO阻挡层存在时。
[0020]当使用射频(RF)沉积方法来形成MgO阻挡层时，等离子体会损伤RF-MgO阻挡层，导致形成差的阻挡层纹理结构和位于阻挡层中的针孔，所有这些会导致TMR降低，并增大在低RA下与自由层的(不利)交换耦合。一种获得高面积密度的方式是提高MgO阻挡层的质量。本文提供了一种解决离子损伤问题的方案，其使用另一种形成MgO阻挡层的方法。
[0021]不同于使用RF-沉积方法和用于阻挡层沉积的MgO氧化物靶，本文描述了使用活性氧化(R-ox)MgO沉积方法来形成至少一部分的MgO阻挡层；这通过在氧(例如，氧气)存在下沉积Mg金属膜来完成。这种R-ox MgO方法在低能沉积(例如，小于600W，或小于200ff)Mg金属膜下操作，对沉积的膜产生很少的离子损伤或不产生离子损伤，并潜在地降低MgO阻挡层的自由层交换耦合，尤其是在低RA下，并且提高传感器的TMR。此外，相比RF-MgO阻挡层，由R-ox沉积方法形成的MgO阻挡层更加均匀和光滑，针孔更少。
[0022]在下文中，参考附图，其形成了本文的一部分，并示例显示了至少一个【具体实施方式】。下文提供了其它的【具体实施方式】。应理解，可以预期其它实施方式，并在不背离本文精神和范围下做出。因此，下文详细说明并不用于进行限定。虽然本文并未如此进行限定，但通过下文提供的实施例讨论可以理解本文的各个方面。
[0023]图1描述了示例数据存储系统100、尤其是磁盘驱动器100的透视图。磁盘驱动器100包括底座和顶盖，它们组合形成外壳101，其中具有一个或多个可旋转的磁性数据储存介质或磁盘102。在操作过程中，磁盘102绕枢轴中心或磁盘旋转轴104旋转。磁盘102包括内径106和外径108，其间具有许多同心数据轨道110，由圆形虚线表示。数据轨道110基本是圆形的，由规则相间的比特(bit) 112构成，表示为磁盘102上的点或椭圆形。但应理解，所述技术可以用于其它类型的存储介质，包括连续磁性介质、离散轨道(DT)介质等。
[0024]信息可以从磁盘102上不同数据轨道110中的比特112上写入和读取。在磁盘操作过程中，磁头万向节组件(HGA) 120具有旋转致动轴122，其支持臂126上的滑片124，靠近磁盘102表面的上方。当使用一叠多个磁盘102时，各磁盘102或介质表面具有关联的滑片124，其安装靠近相应的磁盘102，并与之连通。
[0025]最靠近并对着磁盘102的滑片124的表面称为空气轴承表面(ABS)。在使用中，磁头万向节组件120在寻址操作过程中绕着旋转致动轴122旋转，将滑片124和磁头万向节组件120定位到数据轨道110的目标数据轨道上方。当磁盘102旋转时，在滑片124和磁盘102的表面之间形成一层空气，使滑片124 “飞行”在磁盘102的上方。然后，滑片124上的转换器将数据读取或写入到目标数据轨道110中的比特112中。
[0026]图1中的内插图描述了转换器130(尤其是隧道磁阻(TMR)传感器)示例实施方式的部分，从ABS观察。转换器130或传感器130由多个铁磁体层形成，所述铁磁体层包括钉扎的参比层132和自由层134以及它们之间的非磁性介质MgO (氧化镁)阻挡层136。所述MgO阻挡层136部分使用活性氧化沉积方法形成。
[0027]转到图2，TMR传感器200显示为多层堆叠结构，具有由薄的非磁性介质层分隔的铁磁体层。
[0028]TMR传感器200中的底部(籽)层202通常由一个或多个籽层(seed layer)形成，所述籽层促进在叠层中形成光滑且致密的晶体。在籽层202上方和任选的邻近处是反铁磁体(AFM)针扎层204 ;合成的反铁磁体(SAF)结构206由铁磁体针扎层208、非磁性间隔层(例如，Ru间隔层)210以及参比层212组成，在AFM层204上。隧道阻挡层214(尤其是MgO阻挡层)在SAF结构206上方，尤其是参比层212上方。铁磁体“自由”层216在MgO阻挡层214上形成。在TMR传感器200的顶部是盖层218。
[0029]所述SAF结构206通过交换耦合到相邻的AFM层204上来固定。所述自由层216具有平行或反平行于参比层212中磁性力矩的磁性力矩，且响应外部磁场而转变。所述MgO阻挡层214足够薄，使电流可以通过传导电子的量子力学隧道效应穿过该层。自由层216和参比层212之间的磁性力矩的相对取向确定了穿过阻挡层214的隧道电流，并由此确定传感器200的电阻。
[0030]在磁性读取器头250中，所述TMR传感器200在底部屏蔽层252和顶部屏蔽层254之间形成。各种导体和/或电极可以置于读取器头250中，连接TMR传感器200。
[0031]当电流沿垂直于TMR层平面的方向从顶部屏蔽层254流到底部屏蔽层252 (CPP设计)时，自由层216和参比层212的磁化方向平行，则检测到较低的电阻；当它们处于反平行状态时则观察到较高的电阻。
[0032]TMR传感器相比巨磁阻(GMR)传感器的优势包括较高的MR比，且对于高记录密度的CPP几何图形是优选的。读取器中的高性能TMR传感器应具有低RA(面积X电阻)值、高MR比、低磁致伸缩的软自由层、结实的SAF结构，以及自由层和参比层之间穿过阻挡层的交换耦合低。所述MR比是dR/R，其中，R是TMR传感器的最小电阻，dR是改变自由层磁性状态时观察到的电阻变化。较高的MR比(即，dR/R)提高了 TMR传感器的读取速度。对于高记录密度或高频应用，需要将RA降低到小于0.7欧姆-微米2。由于低RA，MR比显著降低。为了保持合理的信噪比(SNR)，较高的MR比是有利的。
[0033]在该实施方式中，所述MgO隧道阻挡层214由3个MgO源层形成，一个在另一个顶部独立地形成，并在传感器200进行后处理热退火之后，它们转变成MgO阻挡层214。图3描述了退火前MgO隧道阻挡层的前体层300的放大图。所述前体层300具有第一层302、第二或中间层304以及第三层306 ;其中，第二层304相对于第一层302和第三层306处在内部。所述3个层302、304、306各自的厚度是约0.1_20埃，层302、304、306的厚度可以相同或不同。
[0034]所述第一层302通过从金属Mg革E沉积Mg金属层(例如，通过DC派射沉积方法)来形成。所述第二层304通过在使用少量氧(O2)的情况下从金属Mg靶将Mg金属活性沉积到第一层302上来形成的。由于在R-ox沉积过程中存在氧，所述Mg金属掺杂了少量的氧。R-ox沉积的沉积功率是例如约1W和600W。所述第三层306通过从金属Mg靶沉积Mg金属层(例如，通过DC溅射沉积方法)来形成。
[0035]任意或所有层302、304、306的沉积温度小于约400°C。用于R_ox沉积或DC-沉积的沉积速度约为0.01-10埃/秒。
[0036]在形成三个层302、304、306之后，前体层300进行热退火过程，通常是在形成完整读取器叠层之后，其将三个层302、304、306转化成MgO，并将所有层302、304、306熔合在一起，形成在整个层中具有均相结晶结构的MgO阻挡层310。在一些实施方式中，在退火之后，所述层之间没有发现界面(例如，层302和层304之间，或者层304和层306之间)。
[0037]此外，在一些实施方式中，化学结构在所得整个MgO层310中是均匀的。
[0038]用于沉积所述3个MgO源层的示例工艺设备组件具有多个室和靶，可以构造成形成TMR传感器的所有层，并且在一些实施方式中，形成磁性读取器头的所有层。所述沉积组件具有多个高真空物理蒸汽沉积(PVD)室，各自构造成接受其中的晶片。所述室可以构造成用于DC溅射、RF溅射或蒸汽沉积。至少一个靶(待沉积的材料源)可操作地连接到各室。由溅射气体产生的离子轰击所述靶，形成离子化材料束，然后沉积到晶片表面上。合适的溅射气体的例子包括氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)、氦(He)和氖(Ne)。在一些实施方式中，可以使用多个靶。
[0039]在一个【具体实施方式】中，第一 Mg层在第一室中使用DC溅射沉积方法形成，第二MgO层在第二室中使用R-ox沉积方法用氧气源形成，第三Mg层在第三室中使用DC溅射沉积方法形成。这种方法称为三倍Mg方法，因为形成了 3个Mg层。
[0040]在形成Mg/MgO层之前，在沉积组件中，在任意一个或多个室中，在基底上可以形成传感器叠件的其它层，例如，AFM层和铁磁体针扎层。此外或任选的，在形成Mg/MgO层之后，可以在Mg/MgO层上随后形成传感器叠件的其它层，例如，铁磁体自由层。
[0041]图4提供了按照本文所述形成MgO阻挡层的示例方法400。在操作402中，在第一室中使用Mg靶通过DC溅射沉积将第一层沉积到铁磁性参比层(RL)上。在操作404中，通过活性氧化(R-ox)沉积，在第二室中将第二层沉积到所述第一层上。用于R-ox沉积的靶是Mg金属靶。在R-ox沉积中，将氧离子提供(例如，注入)到第二室中。所述氧以02提供，例如从压缩氧气源或者压缩空气源提供，或者可以通过在室中接触离子化源时分解形成O 2的源提供。氧离子源的离子包括H2O和H2O2。在操作406中，使用Mg靶，在第三室中通过DC溅射沉积将第三层沉积到第二层上。在操作408中，第一层、第二层和第三层进行退火工艺，例如，进行30分钟到8小时，温度是约150°C到400°C。
[0042]图5提供了按照本文所述形成MgO阻挡层的示例方法500。除非另有说明，方法500的具体步骤和/或细节与方法400相同或相似。在操作502中，在第一室中使用Mg靶通过DC溅射沉积将第一层沉积到铁磁性参比层(RL)上。在操作504中，通过活性氧化(R-ox)沉积，在第二室中将第二层沉积到所述第一层上。用于R-ox沉积的靶是Mg金属靶。在R-ox沉积中，将氧(02或O 2)提供(例如，注入)到第二室中。在操作506中，使用Mg靶，在第二室中通过DC溅射沉积将第三层沉积到第二层上，该Mg靶可以和第二层中使用的靶相同或不同。在操作508中，第一层、第二层和第三层进行退火工艺。
[0043]图6提供了按照本文所述形成MgO阻挡层的示例方法600。除非另有说明，方法600的具体步骤和/或细节与方法400和/或500相同或相似。在操作602中，在第一室中使用Mg靶通过RF溅射沉积将第一层沉积到铁磁性参比层(RL)上。在操作604中，通过活性氧化(R-ox)沉积，在第二室中将第二层沉积到所述第一层上。用于R-ox沉积的靶是Mg金属靶。在R-ox沉积中，将氧(02或0 2)提供(例如，注入)到第二室中。在操作606中，使用Mg靶，在第一室中通过DC溅射沉积将第三层沉积到第二层上，该Mg靶可以和第一层中使用的靶相同或不同。在操作608中，第一层、第二层和第三层进行退火工艺。
[0044]图7提供了按照本文所述形成MgO阻挡层的示例方法700。除非另有说明，方法700的具体步骤和/或细节与方法400、500和/或600相同或相似。在操作702中，在第一室中使用Mg靶通过DC溅射沉积将第一层沉积到铁磁性参比层(RL)上。在操作704中，通过活性氧化(R-ox)沉积，在第一室中将第二层沉积到所述第一层上。用于R-ox沉积的靶是Mg金属革El ;该Mg革El可以和第一层中使用的革El相同或不同。在R-ox沉积中，将氧(O2或O2)提供(例如，注入)到室中。在操作706中，使用Mg靶，在第二室中通过DC溅射沉积将第三层沉积到第二层上，该Mg靶可以和第二层中使用的靶相同或不同。在操作708中，第一层、第二层和第三层进行退火工艺。
[0045]在各方法400、600和700中，第三层在不同于加入氧的室(即，用于沉积第二层的室)中进行沉积。第三层和第二层使用不同的室可以减少第三层的污染。
[0046]图8提供了形成TMR传感器的示例方法800。在操作802中，在底部屏蔽层上形成了籽层。在操作804中，在籽层上形成了反铁磁体(AFM)层。在操作806中，在AFM层上提供了 SAF结构(包括针扎层(PL)、间隔层(例如，Ru层)和参比层(RD)0在操作808中，在SAF结构的参比层上提供三个MgO源层，所述三个MgO源层可以通过例如图4所示方法400、图5所示方法500、图6所示方法600或图7所示方法700中任意一个方法形成。在操作810中，在MgO源层上形成自由层。在操作812中，在自由层上提供盖层。在操作814中，在盖层上形成顶部屏蔽层。在操作816中，整个叠层(包括MgO源层)进行退火，形成具有MgO阻挡层的TMR传感器。
[0047]图9显示了两种TMR传感器的归一化TMR对归一化RA的变化图，一个TMR传感器具有使用活性氧化MgO方法(R-ox MgO)形成的MgO阻挡层，另一个TMR传感器具有使用传统RF-MgO方法形成的MgO阻挡层。所述R-ox MgO方法证实比RF-MgO方法提供更高的TMR0
[0048]图10显示了两种TMR传感器的归一化自由层交换耦合(H_ex)对归一化RA的变化图，一个TMR传感器具有使用活性氧化MgO方法(R-ox MgO)形成的MgO阻挡层，另一个TMR传感器具有使用传统RF-MgO方法形成的MgO阻挡层。从图中可见，所述R_ox MgO方法可以降低自由层交换耦合(H_ex)。
[0049]图9和10均显示了使用R-ox MgO方法可以改善MgO阻挡层的质量。与RF-MgO方法形成的MgO阻挡层相比，由R-ox MgO方法制得的MgO阻挡层更加均匀、光滑，具有较少的针孔。此外，与具有由RF-MgO方法形成的MgO阻挡层的TMR传感器相比，使用由R_ox MgO方法制得的MgO阻挡层，所得的TMR传感器具有较高的TMR和较低的H_ex。
[0050]因此，已经描述了通过活性氧化(R-ox)MgO沉积方法形成的MgO阻挡层的各种特征。上文提供了本发明所述结构的完整描述和示例实施方式的应用。上文提供了具体的实施方式。应理解，可以预期其它实施方式，并在不背离本文精神和范围下做出。因此，下文详细说明并不用于进行限定。虽然本文并未如此进行限定，但通过下文提供的实施例讨论可以理解本文的各个方面。
[0051]除非另有说明，所有表示特征尺寸、量和物理性质的数字均应理解为使用术语“约”修饰。因此，除非相反指出，所述任意数字参数是近似值，根据使用本文所述内容的本领域技术人员试图获得的所需性质进行变化。
[0052]本文中，单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括具有复数引用的实施例，除非该内容另外明确地指出。如说明书以及所附权利要求书中所使用地，术语“或”一般以包括“和_/或”的意义来使用，除非该内容另外明确地指出。
[0053]如果在本文中使用，空间相关的术语，包括但不限于，“底部”、“下部”、“顶部”、“上部”、“之下”、“下方”、“上方”、“在顶部”、“其上”等，用于简单描述元件相对另一个元件的空间关系。这种空间相关的术语除了包括附图和本文中提及的具体取向外还包括器件的不同取向。例如，若图中描述的结构反转或翻转，之前描述为在其它元件下方或之下的部分则将在那些其它元件的上方或之上。
[0054]由于本发明许多实施方式可以在不背离本发明精神和范围的条件下进行，因此，本发明落足于随后附带的权利要求书。而且，不同实施方式的结构特征可以在不背离附带权利要求书的情况下组合到另一实施方式中。
【主权项】
1.一种制造用于TMR传感器的MgO阻挡层的方法，所述方法包括: 从Mg勒沉积第一 MgO源层； 在氧存在下，使用活性氧化物沉积方法在所述第一 MgO源层上从Mg靶沉积第二 MgO源层； 在所述第二 MgO源层上，从Mg靶沉积第三MgO源层；和 将所述第一 MgO源层、所述第二 MgO源层和所述第三MgO源层退火，形成MgO阻挡层。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二MgO源层的步骤是使用O2O3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二MgO源层的步骤是使用O 2呙子。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第一MgO源层的步骤包括沉积第一 Mg层。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第三MgO源层的步骤包括沉积第三Mg层。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二MgO源层的步骤包括在氧存在下沉积Mg层。7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二MgO源层的步骤还包括使用溅射气体，选自Ar、Kr、Xe、He和Ne。8.一种制造用于TMR传感器的MgO阻挡层的方法，所述方法包括: 在第一室中沉积第一 Mg层； 在所述第一室中或在不同于第一室的第二室中，在氧存在下，在所述第一 Mg层上使用活性氧化物沉积方法沉积第二 Mg层； 在所述第一室、所述第二室或第三室中，在所述第二 MgO层上沉积第三Mg层；和 将所述第一层、所述第二层和所述第三层退火，形成MgO阻挡层。9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第一Mg层的步骤是使用Mg革巴；所述沉积所述第三Mg层的步骤是使用Mg革巴。10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第三Mg层的步骤是在所述第一室中，用于沉积所述第三Mg层的所述Mg革El与用于沉积所述第一 Mg层的所述Mg革El相同。11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二Mg层的步骤是使用Mg靶。12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第三Mg层的步骤是在所述第二室中，用于沉积所述第三Mg层的所述Mg革E与用于沉积所述第二 Mg层的所述Mg革巴相同。13.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二Mg层的步骤是使用O 2。14.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二Mg层的步骤是使用O 2离子。15.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第二Mg层的步骤是在所述第一室中，用于沉积所述第二 Mg层的所述Mg革El与用于沉积所述第一 Mg层的所述Mg革El相同。16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述沉积所述第三Mg层的步骤是在所述 bO I '—I— -- Λ
【文档编号】G11B5/39GK106098082SQ201510729444
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2015年10月30日
【发明人】Q·何, J·Y·易, E·W·辛格尔顿
【申请人】希捷科技有限公司