专利名称：磁阻传感器上自对准反射/保护覆盖层的制造及该传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁阻传感器的制造，尤其涉及覆盖在自由层上面的氧化物结构。
背景技术：
磁阻(MR)传感器用于读/写磁头中，以读取磁性存储设备的记录介质上的磁场。一个实例是计算机硬磁盘驱动器或磁性记录带驱动器的读/写磁头。在计算机硬磁盘驱动器的情况下，读/写磁头与记录介质紧密地接近，通过空气轴承与记录介质隔开或甚至接触记录介质。数据位通过使用读/写磁头的写入部分局部地改变记录介质某个区域的磁性状态来写入到该记录介质区域上。该磁性状态随后由作为读/写磁头的读出部分的MR传感器检测，以读出数据位。
两种已知类型的MR传感器是巨磁阻(GMR)传感器和隧道磁阻(TMR)传感器。GMR传感器的一般技术基础，结构，和操作在例如美国专利5,436,778中描述。TMR传感器的一般技术基础，结构，和操作在例如美国专利5,729,410中描述。在此整体引入这两个专利的公开内容作为参考。这些专利也描述读/写磁头和磁性存储系统。
MR传感器，例如GMR传感器或TMR传感器，其结构包括由中间无磁性膜分隔的两个薄膜堆。该中间无磁性膜典型地是铜膜或氧化铝膜，分别用作GMR或TMR传感器的分隔层。在一种形式中，下薄膜堆包括横向(垂直于传感器的空气轴承面)磁性偏压结构，并且上薄膜堆包括具有响应外部磁场的自由层的传感堆。纵向(平行于空气轴承面)磁性强偏压结构或作为上薄膜堆的一部分存在，或者位于薄膜堆的侧面。同样，这些堆叠可以倒置。
覆盖层或帽子层沉积在薄膜堆上。MR传感器的性能依赖于覆盖层的性质。虽然许多不同的覆盖层已经被使用并且是切实可行的，它们不能提供性能和稳定性的最佳组合。因此，需要一种改进的覆盖层结构。本发明满足这一需求，并且还提供相关的优点。
发明内容
本发明提供一种制造磁阻传感器的方法，以及由该方法制造的磁阻传感器。该方法提供最大程度电子镜面反射和与底层结构的高质量稳定分界面的最佳组合。覆盖层是不导电的并且用作防止传感器在器件处理和制造过程中退化的有效扩散隔膜。与现有技术相比，MR传感器的dR/R性能显著改进。该方法容许制造参数的变化。
根据本发明，一种制造磁阻传感器的方法包括下面步骤提供包括沉积在下分层结构上的自由层的传感器结构，以及沉积覆盖在自由层上面的氧化物结构。传感器结构优选地是巨磁阻传感器。沉积氧化物结构的步骤包括下面步骤沉积覆盖在自由层上面的缓冲层，缓冲层是沉积的缓冲层金属，其后沉积覆盖并接触缓冲层的覆盖层，覆盖层是覆盖层金属的覆盖层金属氧化物。缓冲层被氧化，以形成缓冲层金属氧化物。氧化物结构优选地不小于大约25埃厚度。
缓冲层金属优选地是钽，铝，钛，锆，铪，钇，铬，镁或硅(为了当前目的，所有这些都是被考虑金属)。覆盖层金属和缓冲层金属可以是相同的金属或不同的金属。
氧化缓冲层和沉积覆盖层的步骤优选地至少部分同时执行。通过将包括缓冲层的磁阻传感器退火，氧化缓冲层的步骤至少部分可以在沉积覆盖层的步骤完成之后继续。
缓冲层优选地具有不小于大约5埃并且最优地大约5到大约25埃的厚度。
缓冲层的氧化优选地氧化不小于缓冲层厚度的大约80％。缓冲层的氧化最优地氧化缓冲层厚度的大约90％到大约100％。
最优地，自由层基本上不被氧化。
本方法保证顶层氧化物结构和底层传感器结构之间的高质量分界面。因为金属的缓冲层被沉积并随后氧化，分界面的性质被很好地控制。相反，当氧化物层直接沉积在自由层上时，难以控制自由层的氧化量和分界面的性质。
本发明的其他特征和优点将从下面结合附随附图的优选实施方案的更详细描述中变得明白，其中附图作为例子说明本发明的原理。但是，本发明的范围并不局限于该优选实施方案。
图1是磁盘数据存储系统的示意图；图2是制造磁阻传感器的方法的方块流程图；图3-5是在图2的制造加工中不同阶段的传感器结构的示意剖面图；图6-8是具有变化的氧化程度的传感器结构的示意剖面图；并且图9是对于三种不同的分层GMR结构，作为缓冲层厚度的函数的GMR比率曲线。
具体实施例方式
图1显示一种数据存储系统，在这里描述为可以使用本方法的磁盘驱动系统20。磁盘驱动系统20包括可旋转磁性存储盘22，其被支托在主轴24上并根据控制单元44的电动机控制27由磁盘驱动器电动机26旋转。磁性存储介质28沉积在磁性存储盘22的表面30上。
浮动块32面对磁性存储盘22。浮动块32支托面对磁性存储盘22的磁性存储介质28的至少一个读/写磁头34。浮动块32通过悬丝38安装到传动臂36。传动臂36和浮动块32径向地向内和向外移动，所以，浮动块32的联合的向内/向外移动和磁性存储盘22的旋转使读/写磁头可以面对磁性存储介质的整个区域。传动臂36根据控制单元44的径向位置控制42由传动器40(描述为音圈电机或VCM)来驱动。
悬丝38产生轻微的弹性力，该弹性力使浮动块32偏向磁性存储盘22的表面30。在传感器操作过程中，磁性存储盘22转动，并且称为空气轴承面46或ABS的空气轴承在浮动块32的向下表面和磁性存储盘22的向上表面30之间生成。(仅说明了向下的浮动块，但是也可以改为面对磁性存储盘底部的向上的浮动块)。空气轴承使悬丝38的轻微弹力平衡，并且把浮动块32支托到表面30上一段小的距离，具有小而且基本上恒定的分隔。
读/写磁头34通过改变磁性存储介质中的磁性状态将数据写到磁性存储介质28上，并且也通过检测磁性存储介质28中的磁性状态从磁性存储介质28读出数据。写入和读出命令，以及待写入或读出的数据在记录通道48上在控制单元44和读/写磁头34之间传输。本方法涉及作为读/写磁头34的一部分的磁阻(MR)传感器结构50。
前述讨论是磁盘驱动系统20形式的数据存储系统的简化描述，以设定使用本发明的环境。本发明也适用于其他类型的磁性数据存储系统例如磁带驱动器及其读/写磁头。
图2描述制造MR传感器结构50的优选方法，并且图3-5说明在制造加工中不同阶段的结构。提供传感器结构70，参考数字60。图3中所示的传感器结构70包括下分层结构72和沉积在下分层结构72上的自由层74。可选地，上分层结构76沉积在自由层74上。下分层结构72，自由层74，和上分层结构76的结构材料和层厚度在本领域已知。自由层74典型地由单层铁磁性材料例如Co-Fe合金，或者两个或更多子层的铁磁性材料构成。传感器结构70优选地是巨磁阻(GMR)传感器结构，例如在美国专利5,436,778中所描述的。
氧化物结构被沉积并覆盖在自由层上面，参考数字62。氧化物结构优选地具有不小于25埃的厚度。沉积氧化物结构的步骤62优选地包括几个子步。缓冲层78被沉积并覆盖在自由层74上面，参考数字64，产生图4中所示的结构。缓冲层78可以被沉积并直接与自由层74接触。如果可选的上分层结构76存在，缓冲层78被沉积并接触上分层结构76。
缓冲层78是在步骤64中沉积的缓冲层金属。缓冲层金属与自由层74的材料相比，优选地具有更大的氧亲和力。优选的缓冲层金属包括铝和钽，但是其他缓冲层金属例如钛，锆，铪，钇，铬，镁或硅也可以使用。缓冲层78优选地被沉积并具有不小于大约5埃的厚度，并且最优地被沉积并具有大约10到大约15埃的厚度。缓冲层78可以用适合于所选缓冲层金属的任何技术来沉积，并且溅射是优选的。
其后，覆盖层80被沉积，其覆盖并接触缓冲层78，参考图2的数字66。具有沉积的覆盖层80的结构在图5中显示。覆盖层80作为覆盖层金属的覆盖层金属氧化物来沉积。覆盖层金属和缓冲层金属优选地是相同的金属，但是它们可以是不同的金属。覆盖层80优选地被沉积并具有不小于大约20埃的厚度，并且最优地被沉积并具有大约20到大约50埃的厚度。覆盖层80可以用任何适当的技术来沉积，并且反应溅射是优选的。
缓冲层78被氧化，参考图2的数字68，以形成缓冲层金属的缓冲层金属氧化物。氧化缓冲层78的步骤68优选地至少部分与沉积覆盖层80的步骤66同时执行。也就是，覆盖层沉积66优选地用技术例如反应溅射在氧化环境中执行，导致缓冲层78的同时氧化。氧化缓冲层78的步骤68可以在沉积覆盖层80的步骤66完成之后继续。例如，缓冲层78(典型地在该阶段的整个结构)通常在沉积覆盖层80的步骤66完成之后退火，以接通由作为下分层结构72一部分的Pt-Mn钉扎层(pinning layer)导致的自由层的横向偏压，并且典型地在退火过程中有一些进一步的氧化。这两种氧化方法可以都使用，覆盖层80的高温沉积66完成缓冲层78的部分氧化，紧接着是随后的退火。
图5的完成后的氧化物结构82包括转变为氧化物形式的覆盖层80和缓冲层78。氧化物结构82优选地具有不小于大约25埃的氧化物层厚度t1，并且缓冲层金属氧化物78(氧化后)优选地具有不小于大约5埃并且更优地大约10到大约15埃的缓冲层厚度t2。
在任何情况下，优选地不小于大约80％的缓冲层厚度被氧化。最优地，大约90％到大约100％的缓冲层厚度被氧化。
图6-8说明缓冲层78的各种可能的氧化程度。优选地，自由层74基本上不被氧化。图6描述其中缓冲层78的氧化已经完成并且自由层74的一些已经氧化成氧化自由层区74a的情况。该结果是不希望的，因为自由层74的检测能力下降，导致MR传感器结构50的功能性降低。
优选情况在图7中说明，其中缓冲层78的全部(100％)被氧化，不多不少。因为最初沉积的缓冲层78的缓冲层金属被选择以与自由层74的金属相比具有更高的氧亲和力，该优选氧化程度容易达到。
图8中说明的缓冲层78的部分氧化，产生小于缓冲层78的整个厚度的氧化区78a，它不如图7的完全氧化合乎需求，但是比图6中所示的产生自由层74部分氧化的过氧化合乎需求。
本发明已经归纳为在几种实施方案中的实践。下面的多层MR传感器结构50在常规的下层结构上制备(1)CoFe/CoFeOx/CuOx/Ta-缓冲/TaOx-氧化物；(2)CoFe/CoFeOx/Al-缓冲/AlOx氧化物；以及(3)CoFe/NiFe/Al-缓冲/Al0x-氧化物/Ta。不同厚度的缓冲层78被制备。这些样本被测试以获得作为缓冲层厚度的函数的GMR比率(dR/R)，并且结果在图9中描述。GMR比率对于大于大约5埃的缓冲层厚度显著地增加，并且在大约10-15埃的缓冲层厚度范围内达到最大。对于更大的缓冲层厚度，GMR比率下降，对于Al-缓冲样本轻微地下降而对于Ta-缓冲样本更快地下降。但是，在每种情况下，当选择适当尺寸的缓冲层78时，GMR比率从小于13％增加到14-15％。
虽然本发明的具体实施方案已经为了说明而详细描述，可以不背离本发明的本质和范围而做各种修改和增强。因此，除非由附加权利要求来限制，本发明并不是局限的。
权利要求
1.一种制造磁阻传感器的方法，包括步骤提供一传感器结构，该传感器结构包括一个沉积在下分层结构上的自由层；以及沉积一氧化物结构覆盖在自由层上面，沉积氧化物结构的步骤包括步骤沉积缓冲层覆盖在自由层上面，该缓冲层在沉积时是缓冲层金属，其后沉积覆盖层覆盖并接触该缓冲层，该覆盖层是覆盖层金属的覆盖层金属氧化物，以及氧化该缓冲层以形成缓冲层金属氧化物。
2.权利要求1的方法，其中提供传感器结构的步骤包括步骤提供巨磁阻传感器结构。
3.权利要求1的方法，其中沉积缓冲层的步骤包括步骤沉积选自钽，铝，钛，锆，铪，钇，铬，镁或硅的缓冲层金属。
4.权利要求1的方法，其中覆盖层金属和缓冲层金属是相同的金属。
5.权利要求1的方法，其中覆盖层金属和缓冲层金属是不同的金属。
6.权利要求1的方法，其中氧化缓冲层和沉积覆盖层的步骤至少部分同时执行。
7.权利要求1的方法，其中氧化缓冲层的步骤至少部分在沉积覆盖层的步骤完成之后执行。
8.权利要求1的方法，其中氧化缓冲层的步骤包括步骤在沉积覆盖层的步骤完成之后将缓冲层退火。
9.权利要求1的方法，其中沉积缓冲层的步骤包括步骤沉积具有不小于大约5埃的厚度的缓冲层。
10.权利要求1的方法，其中沉积缓冲层的步骤包括步骤沉积具有大约10到大约15埃的厚度的缓冲层。
11.权利要求1的方法，其中缓冲层具有一个缓冲层厚度，并且其中氧化缓冲层的步骤包括步骤氧化不小于缓冲层厚度的大约80％。
12.权利要求1的方法，其中缓冲层具有一个缓冲层厚度，并且其中氧化缓冲层的步骤包括步骤氧化缓冲层厚度的大约90％到大约100％。
13.权利要求1的方法，其中氧化缓冲层的步骤包括步骤基本上不氧化自由层。
14.权利要求1的方法，其中沉积氧化物结构的步骤包括步骤沉积具有不小于大约25埃的厚度的氧化物结构。
15.一种制造磁阻传感器的方法，包括步骤提供一巨磁阻传感器结构，该巨磁阻传感器结构包括一个沉积在下分层结构上的自由层；以及沉积一氧化物结构覆盖在自由层上面，并且该氧化物结构具有不小于大约25埃的厚度，沉积氧化物结构的步骤包括步骤沉积缓冲层覆盖在自由层上面，该缓冲层在沉积时是缓冲层金属，并且具有不小于大约5埃的厚度，其后沉积覆盖层覆盖并接触该缓冲层，该覆盖层是覆盖层金属的覆盖层金属氧化物，并且同时氧化该缓冲层以形成缓冲层金属氧化物。
16.权利要求15的方法，其中沉积缓冲层的步骤包括步骤沉积选自钽，铝，钛，锆，铪，钇，铬，镁或硅的缓冲层金属。
17.权利要求15的方法，其中覆盖层金属和缓冲层金属是相同的金属。
18.权利要求15的方法，其中覆盖层金属和缓冲层金属是不同的金属。
19.权利要求15的方法，其中沉积缓冲层的步骤包括步骤沉积具有大约10到大约15埃的厚度的缓冲层。
20.权利要求15的方法，其中缓冲层具有一个缓冲层厚度，并且其中氧化缓冲层的步骤包括步骤氧化缓冲层厚度的大约90％到大约100％。
21.权利要求15的方法，其中氧化缓冲层的步骤包括步骤基本上不氧化自由层。
全文摘要
一种磁阻传感器，通过使用包括沉积在下分层结构上的自由层的传感器结构并沉积覆盖在自由层上面的氧化物结构来制造。氧化物结构的沉积包括步骤沉积覆盖在自由层上面的缓冲层，其中缓冲层是沉积的缓冲层金属，沉积覆盖并接触缓冲层的覆盖层，覆盖层是覆盖层金属的覆盖层金属氧化物，以及氧化缓冲层以形成缓冲层金属氧化物。
文档编号H01L43/12GK1504997SQ20031011972
公开日2004年6月16日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月3日
发明者维托尔德·库拉, 亚历山大·迈克尔·泽尔特瑟, 大 迈克尔 泽尔特瑟, 维托尔德 库拉 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司