专利名称：用于测试隧道磁电阻效应元件的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测试使用隧道磁电阻效应的隧道磁电阻效应(TMR)元件，例如TMR磁头元件，或者磁电阻随机存取存储器(MRAM)的方法和设备。
背景技术：
在制造磁头期间或之后，为了确定带有磁电阻效应(MR)磁头元件的薄膜磁头是否是无缺陷的产品，通常实施评价测试。所述评价测试包括稳定性测试，用于验证不会从MR磁头元件中产生任何随机的电报噪声(RTN)，例如巴克豪森噪声(BHN)，以及可靠性测试，用于验证MR磁头元件的击穿电压足够高，从而经得起长期的使用。
实际上，对于所有制造的MR磁头元件，通过使用例如动态性能(DP)试验机来实施稳定性测试，验证在预定的时间内磁头元件再现的输出(reproduced output)不会由于RTN而超过阈值。但是，因为RTN是突发噪声，所以它在预定的时间内不会产生。即便产生了RTN，由于其低于阈值水平而检测不到。
日本专利申请第2000-260012公开了一种标准MR磁头元件而不是TMR磁头元件的测试方法。在该方法中，通过重复实施向MR磁头元件施加AC记录电流和外部DC磁场的步骤，以及在施加后测试再现特性的步骤来评价MR磁头元件再现的输出中的变化。
但是，这种测试方法不仅额外需要用来向MR磁头元件施加外部DC磁场的磁场产生设备，而且由于外部磁场的施加会不利地影响MR磁头元件的偏置磁场。另外，通过所述方法甚至很难可靠地检测突发噪声RTN。
应当注意，测量磁头击穿电压的传统可靠性测试不能对所有的磁头实行，因为在击穿电压测量期间，传统测试会破坏磁头。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种测试TMR元件的方法和设备，从而可以非常容易地验证TMR元件的稳定性和可靠性而不会破坏元件。
根据本发明，测试TMR元件的方法包括初始测量TMR元件的电阻值，提供所测量的电阻值作为第一电阻值的步骤；在连续使电流通过TMR元件预定的时间后，测量TMR元件的电阻值，提供所测量的电阻值作为第二电阻值的步骤；以及根据TMR元件电阻变化的程度来评价TMR元件的步骤。电阻变化的程度基于第一电阻值和第二电阻值来确定。
至于多个TMR元件，基于第一电阻值(初始电阻值)和第二电阻值(就在使电流连续通过TMR元件预定的时间后的电阻值)确定的其电阻变化程度的分布，即电阻值变化率或者电阻值变化量的分布两极分化成两组。第一组是具有大的电阻值变化率或者大的电阻值变化量的TMR元件组，而第二组是具有小的电阻值变化率或者小的电阻值变化量的TMR元件组。第一组中许多TMR元件产生RTN，而第二组中很少的TMR元件产生RTN。另外，第一组中的TMR元件的击穿电压低于第二组中TMR元件。因此，通过根据从第一或初始电阻值到第二电阻值，即就在使电流连续通过TMR元件预定时间后的电阻值的变化量来验证TMR元件的稳定性和可靠性，可以非常容易地评价TMR元件是无缺陷/有缺陷的。另外，因为实施所述评价测试不会破坏TMR元件，所以可以100％检查制造的TRM元件。
优选所述评价步骤包括使用变化率R2/R1来评价TRM元件，其中R2表示第一电阻值，R1表示第二电阻值。
还优选所述评价步骤包括当变化率R2/R1大于预定阈值时判断TMR元件是无效产品的步骤。在此情况下，优选预定的阈值是位于97.5-98.5(％)范围内的预定值。
优选所述预定的时间是两到三分钟的预定时间。
还优选所述TRM元件是TMR磁头元件或者MRAM。
根据本发明，用于测试TMR元件的设备包括初始测量TMR元件的电阻值，提供所测量的电阻值作为第一电阻值的单元；在连续使电流通过TMR元件预定的时间后，测量TMR元件的电阻值，提供所测量的电阻值作为第二电阻值的单元；以及根据TMR元件电阻变化的程度来评价TMR元件的单元。电阻变化的程度基于第一电阻值和第二电阻值来确定。
如上所述，至于多个TMR元件，基于第一电阻值(初始电阻值)和第二电阻值(就在使电流连续通过TMR元件预定的时间后的电阻值)确定的其电阻变化程度的分布，即电阻值变化率或者电阻值变化量的分布两极分化成两组。第一组是具有大的电阻值变化率或者大的电阻值变化量的TMR元件组，而第二组是具有小的电阻值变化率或者小的电阻值变化量的TMR元件组。第一组中许多TMR元件产生RTN，而第二组中很少的TMR元件产生RTN。另外，第一组中的TMR元件的击穿电压低于第二组中TMR元件。因此，通过根据从第一或初始电阻值到第二电阻值，即就在使电流连续通过TMR元件预定时间后的电阻值的变化量来验证TMR元件的稳定性和可靠性，可以非常容易地评价TMR元件是无缺陷/有缺陷的。另外，因为实施所述评价测试不会破坏TMR元件，所以可以100％检查制造的TRM元件。
优选所述评价单元包括使用变化率R2/R1来评价TRM元件的评估单元，其中R2表示第一电阻值，R1表示第二电阻值。
还优选所述评估单元包括当变化率R2/R1大于预定阈值时判断TMR元件是无效产品的单元。在此情况下，优选预定的阈值是位于97.5-98.5(％)范围内的预定值。
优选所述预定的时间是两到三分钟的预定时间。
还优选所述TRM元件是TMR磁头元件或者MRAM。
本发明的其它目的和优点将从下面如附图举例说明的本发明优选实施方案的说明中显现。
图1是说明作为本发明优选实施方案的测试TMR磁头元件的结构示意图；图2是说明图1的实施方案中测试程序的流程图；图3是沿着与磁头元件的空气支承表面(air bearing surface ABS)正交的方向看的剖视图，表明了图1的实施方案中每个TMR磁头元件的例示结构；图4是说明图3的TMR磁头元件，从ABS看的剖视图。
图5是说明对于许多TMR磁头元件，初始电阻R1和电流通过后的电阻R2的测量结果的图；图6是说明对于许多TMR磁头元件，初始电阻R1和电流通过后的电阻R2的测量结果的图；图7是说明对于许多TMR磁头元件，未发生RTN和发生RTN的测量结果的图；图8是说明通过向A和B组中所含的TMR磁头元件增加外加电压而测量击穿电压的结果的图；图9是说明通过向A和B组中所含的TMR磁头元件增加外加电压而测量击穿电压的结果的图；图10是说明本发明另一个实施方案的测试TMR磁头元件的部分结构的示意图；图11是说明本发明再另一个实施方案的测试TMR磁头元件的部分结构的示意图。
具体实施例方式
图1示意性地举例说明了作为本发明优选实施方案的测试TMR磁头元件的结构。
在该图中，参考数字10表示带有多个排列的，但彼此仍未各自分离的TMR磁头的棒形构件或者棒形块，并且11表示TMR磁头元件测试设备。
棒形部件10通过如下方法提供根据薄膜技术在晶片形成大量按矩阵排列的TMR磁头；将晶片切割成棒形构件，以至于每个构件具有排列的磁头；以及研磨磁头构件10的ABS，从而调整磁头间隙深度(MR高度)。棒形构件10的每个TMR磁头10a安装有TMR读取磁头元件、感应写入磁头元件、一对与TMR读取磁头元件电学连接的端子焊盘10b，以及一对与感应写入磁头元件电学连接的端子焊盘10c。
测试设备11具有一对可以与TMR磁头元件的一对端子焊盘10b电接触的探针11a、与所述探针对11a电学连接的恒压供应电路11b，用来向TMR磁头元件供应恒定的电压、与探针对11a电学连接的电流测量电路11c，用来测量流过TMR磁头元件的电流、与电流测量电路11c电学连接的模-数(A/D)转换器11d，用来将其模拟输出转换成数字信号，以及与A/D转换器11d和恒压供应电路11b电学连接的数字计算机11e。数字计算机11e依次接收来自A/D转换器11d的数字信号并且计算初始电阻R1和电流通过后的电阻R2，从而判断TMR磁头元件是否是有缺陷的。另外，数字计算机11e控制恒压供应电路11b和A/D转换器11d的操作。
图2说明了本实施方案中测试设备11的测试程序。
如图所示，首先使探针对11a与棒形构件10中待测试的TMR磁头元件的端子焊盘10b电接触，并且在这种状态下，开始从恒压供应电路11b向TMR磁头元件施加例如150毫伏的恒定电压(步骤S1)。在此情况下，不管TMR多层的层压次序如何，应该施加电压，使电流肯定在层压方向上向上流动(在层压方向上从基底侧向上侧)。
然后，测量流过TMR磁头元件的电流值，并且将测量的电流值输入计算机11e，计算TMR磁头元件的电阻值(步骤S2)。所述电阻值可以容易地从施加的恒定电压，例如150毫伏，以及测量的电流值来计算。计算的电阻值存储在计算机11e中。具体地说，存储初始获得的电阻值作为电阻R1。
然后，判断是否从施加恒定电压开始已经过去了预定的时间，例如2-3分钟(在本实施方案中为2分钟15秒)(步骤3)。如果没有，即还没有消逝预定的时间，重复执行步骤S2中的测量和计算过程。如果判断是肯定的，即已经过去了预定的时间，执行下一步骤S4的过程。
在步骤S4中，基于最后测量的电流值计算电阻值，计算的电阻作为电阻R2存储在计算机11e中，然后完成恒定电压的施加。
结果，存储就在开始恒定电压施加后的电阻值作为电阻R1，并且存储就在终止恒定电压施加前的电阻值作为电阻R2。电阻R1相应于电流流动前TMR磁头元件的初始电阻值，并且电阻R2相应于电流连续流过TMR磁头元件预定时间后的TMR磁头元件的电阻值。
此后，判断电阻的变化率(R2/R1)×100(％)是否大于位于97.5-98.5(％)范围内的预定阈值(步骤S5)。
如果大于，即电阻的变化率大于所述阈值，评价出TMR磁头元件是无缺陷的产品(步骤S6)。如果不大于，即电阻的变化率不大于所述阈值，评价出TMR磁头元件是有缺陷的产品(步骤S7)。
然后，以这种方式顺序评价棒形构件10中的剩余TMR磁头元件。
图3和4说明本实施方案中每个磁头元件的例示结构。图3表示沿着与TMR磁头元件的ABS正交的方向观察的截面，并且图4是从ABS观察的截面。
如这些图片所示，TMR磁头元件的TMR薄膜具有如下多层结构反铁磁性层(PtMn 15纳米)32、钉扎层(CoFe 2纳米/Ru 0.8纳米/CoFe 3纳米)33、势垒层(Al 0.575纳米-Ox)34、自由层(CoFe 2纳米/NiFe 3纳米)和盖层(Ta)36，这些层通过缓冲层(Ta/NiFe)31顺序层压在下部屏蔽层(NiFe)30上。在TMR薄膜上，层压金属间隙层37和上部屏蔽层38。在位于TMR薄膜的磁道宽度方向上的横向区域中形成偏置层39。在变体中，TMR多层的层压顺序可以相反。
下文中，说明图2中所示的程序为什么可以评价TMR磁头元件是无缺陷/有缺陷的。
图5和6说明了对于许多TMR磁头元件，初始电阻R1和电流通过后的电阻R2的测量结果。图5的横坐标表示初始电阻R1(Ω)，并且其纵坐标表示电阻的变化率R2/R1(％)，即(电流通过后的电阻)/(初始电阻)。图6的横坐标表示电阻的变化率R2/R1(％)，并且其纵坐标表示其频率(％)。
如这些图片所示，电阻变化率R2/R1，即电流通过后的电阻相对于TMR磁头元件初始电阻的变化率的分布两极分化成两组A和B。另外，从这些图中，表现出组A和B之间的阈值将是位于R2/R1＝97.5-98.5(％)范围内的电阻变化率R2/R1的预定值。
然后，验证TMR磁头元件的稳定性和可靠性。
首先，对于每组中的TMR磁头元件使用DP试验机实施操作测试，从而测量来自TMR磁头元件的再现输出，并且验证再现的输出中是否含有任何RTN。测量和验证的结果表示在图7中。在该图中，横坐标表示初始电阻R1(Ω)，并且横坐标表示电阻的变化率R2/R1(％)。从图5和7中可以看出，在图5的组A中含有大多数未发生RTN并因此是稳定的TMR磁头元件，并且在图6的组B中含有大多数发生RTN并因此是不稳定的TMR磁头元件。
另外，通过逐渐增加外加电压并测量其电阻来检查组A中包含的TMR磁头元件A1-A5和组B中包含的TMR磁头元件B1-B5的击穿电压。检查结果表示在图8和9中。在图8中，横坐标表示外加电压(毫伏)，并且纵坐标表示电阻(Ω)。在图9中，横坐标表示电阻的变化率R2/R1(％)，并且纵坐标表示击穿电压(毫伏)。从这些图中可以看出，所有组A中包含的TMR磁头元件A1-A5具有比组B中包含的TMR磁头元件B1-B5更高的击穿电压，因此具有更高程度的可靠性。
因此，可以评价出电阻的变化率R2/R1，即电流通过后电阻相对于初始电阻的变化率高于位于97.5-98.5(％)范围的预定范围的TMR磁头元件是高度稳定且可靠的，因此是无缺陷的产品。与此相反，还可以评价出电阻的变化率R2/R1低于位于R2/R1＝97.5-98.5(％)范围内的预定阈值，例如98.0(％)的TMR磁头元件是不稳定的并且不可靠的，因为在其势垒层中可能形成针孔，因此是有缺陷的产品。
应当理解根据本实施方案可以非常容易地实施TMR磁头元件稳定性和可靠性的验证，因此无缺陷和有缺陷产品的评价测试。另外，根据本实施方案，因为实施所述评价不会破坏TMR磁头元件，所以可以100％检查所制造的TMR磁头元件。
在上述实施方案中，为了知道初始电阻和电流通过后的电阻，向TMR磁头元件施加恒定的电压，并且测量流过TMR磁头元件的电流。但是，根据本发明，通过提供通过TMR磁头元件的恒定电流，并且测量TMR磁头元件的电压可以获得这些电阻。
图10示意性地说明了作为本发明另一个实施方案的测试TMR磁头元件的部分结构。
在图1的实施方案中，对于带有没有各自分离向排列的TMR磁头的调整MR高度的棒形构件，进行TMR磁头元件的测试。但是，在该实施方案中，通过使探针对101a与TMR磁头元件的端子焊盘对100b电接触，对从棒形构件分离的单个磁头滑块100实施测试。本实施方案测试设备的另一种配置、操作和优点的基本上与图1实施方案中的相同。
图11示意性地说明了作为本发明再一个实施方案的测试TMR磁头元件的部分结构。
在本实施方案中，通过使探针对111a与和TMR磁头元件电学连接的连接焊盘对112a电接触，对由悬架112和安装在悬架112上的磁头滑块110组成的磁头平衡架组件(head gimbal assembly)(HGA)进行测试。本实施方案测试设备的另一种配置、操作和优点的基本上与图1实施方案中的相同。
尽管上述的实施方案关于用来测试TMR磁头元件的方法和设备，但是明显本发明可以被相似地应用于测试MRAM。
可以构筑许多广泛不同的实施方案而不会背离本发明的精神和范围。应当理解除了如附加权利要求中所定义外，本发明没有局限于在本说明书中说明的具体实施方案。
权利要求
1.一种用来测试隧道磁电阻效应元件的方法，其包含下列步骤初始测量所述隧道磁电阻效应元件的电阻值，以提供所测量的电阻值作为第一电阻值；在使电流连续通过所述隧道磁电阻效应元件预定的时间后，测量所述隧道磁电阻效应元件的电阻值，以提供所测量的电阻值作为第二电阻值；以及根据所述隧道磁电阻效应元件电阻变化的程度，评价所述隧道磁电阻效应元件，所述电阻变化的程度基于所述第一电阻值和所述第二电阻值来确定。
2.如权利要求1要求的方法，其中所述评价步骤包括使用变化率R2/R1来评价所述隧道磁电阻效应元件，其中R2表示第一电阻值，R1表示第二电阻值。
3.如权利要求2要求的方法，其中所述评价步骤包括当所述变化率R2/R1大于预定阈值时，判断所述隧道磁电阻效应元件是无效产品。
4.如权利要求3要求的方法，其中所述的预定阈值是位于97.5-98.5(％)范围内的预定值。
5.如权利要求1要求的方法，其中所述预定的时间是两到三分钟的预定时间。
6.如权利要求1要求的方法，其中所述隧道磁电阻效应元件是隧道磁电阻效应磁头元件。
7.如权利要求1要求的方法，其中所述隧道磁电阻效应元件是磁电阻效应随机存取存储器。
8.一种用来测试隧道磁电阻效应元件的设备，其包含用来初始测量所述隧道磁电阻效应元件的电阻值，以提供所测量的电阻值作为第一电阻值的装置；用来在连续使电流通过所述隧道磁电阻效应元件预定的时间后，测量所述隧道磁电阻效应元件的电阻值，以提供所测量的电阻值作为第二电阻值的装置；以及用来根据所述隧道磁电阻效应元件电阻变化的程度评价所述隧道磁电阻效应元件的装置，所述电阻变化的程度基于所述第一电阻值和所述第二电阻值来确定。
9.如权利要求8要求的设备，其中所述评价装置包括用来使用变化率R2/R1评价所述隧道磁电阻效应元件的评估装置，其中R2表示第一电阻值，R1表示第二电阻值。
10.如权利要求9要求的设备，其中所述评估装置包括当所述变化率R2/R1大于预定阈值时，判断所述隧道磁电阻效应元件是无效产品的装置。
11.如权利要求10要求的设备，其中所述预定的阈值是位于97.5-98.5(％)范围内的预定值。
12.如权利要求8要求的设备，其中所述预定的时间是两到三分钟的预定时间。
13.如权利要求8要求的设备，其中所述隧道磁电阻效应元件是隧道磁电阻效应磁头元件。
14.如权利要求8要求的设备，其中所述隧道磁电阻效应元件是磁电阻效应随机存取存储器。
全文摘要
一种用来测试TMR元件的方法，包括初始测量TMR元件的电阻值以提供所测量的电阻值作为第一电阻值的步骤；在连续使电流通过TMR元件预定的时间后，测量TMR元件的电阻值以提供所测量的电阻值作为第二电阻值的步骤；以及根据TMR元件电阻变化的程度来评价TMR元件的步骤。电阻变化的程度基于第一电阻值和第二电阻值来确定。
文档编号G11B5/00GK1677502SQ200510054118
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月4日 优先权日2004年3月5日
发明者猿木俊司, 稻毛健治, 蜂须贺望, 清野浩 申请人:Tdk株式会社