专利名称：用于镶嵌式垂直磁记录(pmr)写入装置的双图案化硬掩膜的制作方法
技术领域：
本申请一般涉及硬盘驱动器，具体地，涉及垂直磁记录(PMR)写入装置的制造。
背景技术：
磁盘驱动器用于数字电子设备例如计算机的数据存储和取回。磁盘驱动器的一个 示例是硬盘驱动器。传统的硬盘驱动器包括旋转式磁盘，通过与旋转式磁盘的表面邻近的 悬臂悬浮的写入和读取头，以及使悬臂摆动而将读取和写入头放置在旋转盘上选择的环形 轨道之上的传动装置。读取和写入头直接位于具有一个空气支撑表面或气垫面(ABQ的滑 动器上。悬臂使滑动器朝着磁盘的表面偏移，并且当磁盘旋转时，与磁盘相邻的空气沿着磁 盘的表面移动。滑动器在移动的空气形成的垫上掠过磁盘的表面。当滑动器位于气垫上时，写入和读取头用于将磁转变写入旋转磁盘，以及将磁转 变从旋转磁盘中读出。读取和写入头与处理电路相连，该处理电路根据程序来操作以实现 写入和读取功能。垂直磁记录(PMR)写入装置现在已经在写入头中使用，以增加硬盘驱动器的数据 密度。这样的PMR写入装置在垂直于磁盘表面的方向记录数据的磁比特。PMR写入装置通 常包括一个在气垫面(ABQ处具有相对小的横截面的写入极，以及一个在ABS处具有更大 的横截面的返回极。磁写入线圈激发从写入极在大体垂直于磁盘表面的方向发出的磁通量。传统上，PMR写入极使用一步光刻法和随后的反应离子刻蚀或者离子研磨工艺来 限定和制造。图1A-1E示出了使用一步光刻法的常规PMR制造工艺。图IA示出包括衬底110、绝缘层115和光刻胶层120的多层结构的顶视图和截面 图。光刻胶层120通过使用借助一个光掩膜210的一步光刻法被图案化，从而在光刻胶层 120内形成鼻形图案(在图2A中示出)。鼻形图案包括杆形图案以及朝向杆形图案向下变 尖的轭形图案。由于光学邻近效应，鼻形图案的拐角125是圆的，如图IA中的顶视图所示。在图IB中，在光刻胶层120之上沉积了一钌(Ru)层130。在图IC中，使用边铣， 将光刻胶层120的各侧上的Ru层130去除。在图ID中，光刻胶层120和位于光刻胶层120 顶部的Ru层130被剥离，将鼻形图案从光刻胶层120转移到Ru层130上。如图ID中的顶 视图所示，转移到Ru层130上的鼻形图案包括对应于光刻胶层120中圆拐角125的圆拐角 135。在图IE中，图案化的Ru层130被用作反应离子刻蚀(RIE)的硬掩膜，以形成绝缘 层115中的沟槽140。沟槽140包括轭形沟槽和形沟槽。在随后的步骤中，使用磁性材料填 充绝缘层115中的沟槽140(图中未示出)。在形沟槽中的磁性材料形成写入极。在后面的工艺中，写入极的一部分被折叠，从而在ABS处形成正对磁盘的横截面， 磁通量通过该横截面从写入极流向磁盘，用于向磁盘写入数据。写入极沿着与图IE中的顶 视图垂直的平面折叠。新一代的PMR写入装置需要非常短的鼻形的长度，并且在ABS处没有鼻形的倒圆4和零度的凿角，以保证高写入性能，并且减小设备之间写入性能的变化。由于光学邻近效应 而产生的鼻形倒圆，常规的PMR制造工艺不能满足这种需求。
发明内容
本主题公开内容的各种实施例通过提供一种使用两个图案化步骤来形成具有尖 锐拐角的鼻形形状的双图案化工艺来解决上述问题。根据本主题公开内容的一个实施例，提供一种在包含衬底和位于衬底上的绝缘层 的多层结构上形成写入结构的方法。所述方法包括在绝缘层上方形成硬掩膜层，实施第一 图案化工艺形成硬掩膜层内的杆轭形开口，实施第二图案化工艺移除硬掩膜层内的杆轭形 开口的圆拐角，移除对应于硬掩膜层内的杆轭形开口的那部分绝缘层，以在绝缘层内形成 沟槽，使用磁性材料填充所述沟槽。根据本主题公开内容的另外一个实施例，提供一种在包括衬底和位于衬底上的绝 缘层的多层结构上形成写入结构的方法。该方法包括在绝缘层上方形成硬掩膜层，实施第 一图案化工艺在硬掩膜层内形成杆形开口，实施第二图案化工艺在硬掩膜层内形成轭形开 口，轭形开口与杆形开口搭接，移除与硬掩膜层内杆形开口和轭形开口对应的一部分绝缘 层来形成绝缘层内的沟槽，以及使用磁性材料填充沟槽。应当理解上文所述的发明内容以及以下的详细记载内容是示例性和说明性的，目 的是为所要求保护的发明提供进一步的解释。
附图也用于为本发明提供进一步的理解，其并入说明书并且组成说明书的一部 分，图解说明本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中图1A-1E图解说明常规的PMR制造工艺；图2图解说明在常规的PMR制造工艺中的一步光刻法中使用的光掩膜；图3图解说明在根据本主题公开内容的一个方面的双图案化PMR制造工艺中使用 的两个光掩膜；图4A-4H图解说明根据本主题公开内容的一个方面的双图案化PMR制造工艺；图5示出常规的PMR制造工艺的沟槽形成后鼻形形状的自上而下的临界尺寸扫描 电子显微镜(CDSEM)图像；图6示出根据本主题公开内容的一个方面的双图案化PMR制造工艺中沟槽形成之 后的鼻形形状的自上而下的⑶SEM图像；图7示出常规的PMR制造工艺以及根据本主题公开内容的一方面的双图案化PMR 制造工艺之间鼻形形状的对比；图8图解说明朝向ABS观察到的根据本主题公开内容的一个方面的写入头的一部 分；图9是图解说明根据本主题公开内容的一个方面的形成写入结构的双图案化方 法的流程图；图10是图解说明根据本主题公开内容的另外一个方面的用于形成写入结构的双 图案化方法的流程图。
具体实施例方式在下面的详细说明中，阐述了众多特定的细节用于充分理解本发明。然而对本领 域的技术人员来说很显然的是，本发明可以在没有某些这些特定细节的情况下实施。在其 它的实例中，为了避免不必要地模糊本发明，众所周知的结构和技术没有详细展示。图4A-4H示出根据本主题公开内容的一个方面的用于制造写入极的双图案化PMR 制造工艺。双图案化工艺使用借助两个光掩膜的两个光刻步骤来产生具有尖锐拐角的鼻形 状。图4A示出了包括衬底410、绝缘层415、第一硬掩膜层417以及第一光刻胶层420 的多层结构的顶视图和截面图。绝缘层415可包括氧化铝或者其它磁性的绝缘材料。第一 硬掩膜层417可包括钌(Ru)。使用第一光刻步骤对第一光刻胶层420进行图案化，以在第一光刻胶层420内形 成杆轭形图案。第一光刻步骤使用第一光掩膜310(如图3中所示)来限定杆轭形图案。杆 轭形图案包括杆形图案312和朝着杆形图案312向下变尖的轭形图案315。在第一光刻步 骤过程中，在第一光掩膜310中的杆轭形图案从第一光掩膜310转移到光刻胶层420。然 而，由于光的邻近效应，在光刻胶层420内的杆轭形图案的拐角425是圆的，而不是尖的，如 图4A中顶视图所示。在图4B中，在第一光刻胶层420和第一硬掩膜层417上方沉积第二硬掩膜层430。 第二硬掩膜层430可包括钽(Ta)。在图4C中，使用边铣技术移除第一光刻胶420各侧上的 第二硬掩膜层430。在图4D中，第一光刻胶层420和位于第一光刻胶层420顶部的第二硬 掩膜层430被剥离，将杆轭形图案从第一光刻胶层420转移到第二硬掩膜层430。这形成了 第二硬掩膜层430内的相应的杆轭形开口 432。杆轭形开口 432包括杆形开口 433和轭形 开口 434。如图4D中的顶视图中所示，杆轭形开口 432可包括与第一光刻胶层420中的圆 拐角425对应的圆拐角435。在图4E中，第二光刻胶层440被沉积在第二硬掩膜层430和绝缘层415上方。使 用第二光刻步骤使第二光刻胶层440图案化，以形成一个图案，该图案曝露第二硬掩膜层 430内的轭杆形开口 432的圆拐角435并且包括第二硬掩膜层430内的轭形开口 434下面 的轭形图案442。如图4E中顶视图所示。第二光刻步骤使用第二光掩膜320(图3中用虚 线所示)来限定第二光刻胶层440中的图案。图3同时示出了第一和第二光掩膜310和320，以及第二光掩膜320相对于第一光 掩膜310的位置。在图3中，第二光掩膜320的轮廓是用虚线描出的，以示出第一和第二光 掩膜310和320之间的重叠。第二光掩膜320包括第一光掩膜310的轭形图案315下面的 轭形图案322。在图4F中，通过第二光刻胶层440曝露的第二硬掩膜层430的一部分，包括圆拐 角435，通过RIE移除。第二光刻胶层440然后被剥离。RIE刻蚀掉第二硬掩膜层430内的 圆拐角435，并将第二光刻胶层440内的轭形图案442转移到第二硬掩膜层430。这就导致 形成第二硬掩膜层430内具有尖锐的拐角437的杆轭形开口 436，如图4F的顶视图所示。 第二硬掩膜层430内的杆轭形开口 436包括通过使用第一光掩膜310进行的第一光刻步骤 形成的杆形开口 438，以及使用第二光掩膜320进行的第二光刻步骤形成的轭形开口 439。
在图4G中，使用第二硬掩膜层430作为RIE的硬掩膜，对第一硬掩膜层417通过 RIE进行刻蚀。在RIE过程中，通过第二硬掩膜层430内的杆轭形开口 436曝露的那部分第 一硬掩膜层417被移除，将杆轭形开口 436从第二硬掩膜层430转移到第一硬掩膜层417。在图4H中，使用第一硬掩膜层417作为绝缘体RIE的硬掩膜，通过绝缘体RIE对 绝缘层415进行刻蚀。在绝缘体RIE过程中，通过第一硬掩膜层417内的杆轭形开口曝露 的那部分绝缘层415被移除。这在绝缘层415内形成了沟槽450，其具有带尖锐拐角455的 鼻形状。沟槽450包括杆形沟槽452和轭形沟槽453。绝缘体RIE还刻蚀去除了第二硬掩 膜层430。在随后的步骤中，使用磁性材料填充绝缘层415内的沟槽450(未示出)。在杆 形沟槽452内的磁性材料形成写入极，并且在轭形沟槽453内的磁性材料形成写入轭，其将 由磁性写入线圈感应的磁通量集中到写入极中。在后面的工艺中，写入极的一部分折叠形成ABS处面对磁盘的横截面，磁通量从 写入极通过该横截面流入磁盘，用于向磁盘内写入数据。写入极沿着垂直于图4H中顶视图 的平面折叠，形成横截面。从而，双图案化PMR制造工艺导致了在ABS处基本没有倒圆和零度凿角的尖锐鼻 拐角。双图案化PMR制造方法基本消除了与常规的PMR制造工艺相关的鼻形拐角倒圆。图5示出使用一次光刻步骤的常规PMR制造工艺的RIE沟槽形成后鼻形状的自上 而下的临界尺寸扫描电子显微镜(⑶SEM)图像。图6示出双图案化PMR制造工艺的RIE沟 槽形成后鼻形状的自上而下的⑶SEM图像。如图5中所示，常规的PMR制造工艺导致具有 圆拐角510的鼻形状。相反，如图6中所示，双图案化PMR制造工艺导致具有尖锐拐角610 的鼻形状。因此，图6中的图像证明双图案化PMR制造工艺充分消除鼻形拐角倒圆。图7示出在沟槽形成后使用原子力显微镜(AFM)计量测量的常规制造工艺的鼻形 状710的尺寸。测得的传统制造工艺的鼻形状710显示出在区域715中具有鼻形拐角倒圆， 在轭和杆之间没有尖锐的过渡。图7还示出了在沟槽形成后使用原子力显微镜计量测量的 双图案化制造工艺的鼻形状720的尺寸。测得的双图案化制造工艺的鼻形状720显示出在 区域715中具有尖锐的拐角，其在轭和杆之间提供尖锐的过渡。常规的制造工艺产生的鼻形拐角倒圆引起杆沿着杆的长度方向的宽度的改变。这 可以在图7中看出，其中杆的宽度沿着杆的长度是变化的，在图7中从位于大约^Onm的鼻 形拐角的左侧延伸。由于杆的宽度变化，写入极在ABS处的横截面的形状高度依赖于写入 极折叠起来的位置。在图7的示例中，写入极的横截面的形状高度依赖于距离鼻形拐角大 约IOOnm的范围内的折叠位置。不同的写入极之间的折叠位置的变化引起其横截面形状的 变化，这又导致写入极之间写入参数的变化。相反，由双图案化制造工艺得到的鼻形状720显示出尖锐的拐角，其在轭和杆之 间提供尖锐的过渡。结果，杆沿着杆的长度方向相对直，在图7的示例中从位于大约^Onm 的鼻形拐角的左侧延伸。因为杆相对较直，所以写入极的宽度，从而写入极的横截面的形状 就不那么依赖于折叠位置。这种对折叠位置显著减小的依赖性，导致写入极的横截面的形 状以及写入性能的一致性大大增加。图8图解说明朝着ABS观察到的通过双图案PMR制造工艺形成的写入头的一部 分。写入头可包括衬底410、绝缘层415 (例如氧化铝)、写入极810、写入间隙815和顶部防 护罩820。图8示出写入极810面对磁盘的横截面。如上文中所述的，写入极810的横截面是通过将写入极在距鼻形拐角一定距离的位置沿着垂直于图4H中所示顶视图的平面折叠 形成的。为了将数据写入磁盘，磁通量从写入极810的横截面，在与写入极810的横截面和 磁盘表面基本垂直的方向发出。图9图解说明根据本主题公开内容的一个方面在包括衬底和位于衬底上的绝缘 层的多层结构上形成写入结构的方法。绝缘层可包括氧化铝或者其它磁性绝缘材料。在步骤901，在绝缘层上方形成硬掩膜层。硬掩膜层可包括钌、钽或者其它材料。 在步骤902，实施第一图案化工艺，在硬掩膜层内形成杆轭形开口。因为光邻近效应，硬掩膜 层内的杆轭形开口可具有圆的拐角。在步骤903，实施第二图案化工艺，移除硬掩膜层内的 杆轭形开口的圆拐角。在步骤904，对应着硬掩膜层内杆轭形开口的那部分绝缘层被移除， 从而形成绝缘层内的沟槽。在步骤905，用磁性材料填充绝缘层内的沟槽。图10图解说明根据本主题公开内容的一个方面在包括衬底和位于衬底上的绝缘 层的多层结构上形成写入结构的方法。在步骤1001，在绝缘层上方形成硬掩膜层。硬掩膜层可包括钌、钽或者其它材料。 在步骤1002，实施第一图案化工艺以在硬掩膜层内形成杆形开口。在步骤1003，实施第二 图案化工艺以在硬掩膜层内形成轭形开口，轭形开口与杆形开口搭接。在步骤1004，对应着 硬掩膜层内的杆形开口和轭形开口的那部分绝缘层被移除，从而形成绝缘层内的沟槽。在 步骤1005，使用磁性材料填充绝缘层内的沟槽。提供的本发明的描述使本领域的技术人员能够实施本文记载的各个实施例。虽然 结合各种附图和实施例对本发明进行的特别的描述，但是应当理解这些只是用于说明的目 的，不能被认为是对发明范围的限定。还可以有很多其它的方法来实现本发明。这里记载的各种功能和元件可使用与本 文中示出的不同方式分割，而不偏离本发明的主旨和范围。这些实施例的各种变化对本领 域技术人员来说将是显而易见的，并且这里限定的基本原理也可以用于其它的实施例。因 此，对本领域技术人员来说，可以对本发明做出很多变化和修改，而不偏离本发明的主旨和 范围。本文种以单数形式记载的元素并不意味着是“一个且仅此一个”，而是指“一个或 者更多个”，除非特别声明。术语“一些“指一个或者更多个。下划线的和/或斜体的标题 和副标题只是为了方便，并不用来限定本发明，而且也不能被当作是与本发明的解释有联 系。本公开内容全文记载的本发明各种实施例的元件的所有结构上的以及功能上的等价物 对本领域技术人员来说是已知的或者以后所知的，它们可以通过引用特意结合到本发明中 或者包括在本发明中。而且，这里所公开的所有内容都不是奉献给公众的，不管这种公开内 容是否清楚地记载在上述说明书中。
权利要求
1.一种在包括衬底和位于所述衬底上的绝缘层的多层结构上形成写入结构的方法，所 述方法包括在所述绝缘层上方形成硬掩膜层；实施第一图案化工艺以在所述硬掩膜层内形成杆轭形开口； 实施第二图案化工艺以移除所述硬掩膜层内的所述杆轭形开口的圆拐角； 移除与所述硬掩膜层内的所述杆轭形开口对应的一部分绝缘层，形成所述绝缘层内的 沟槽；以及使用磁性材料填充所述沟槽。
2.如权利要求1所述方法，其中移除所述部分绝缘层的步骤包括在与所述硬掩膜层内的所述杆轭形开口对应的所述部分绝缘层上实施反应离子刻蚀。
3.如权利要求1所述的方法，其中实施第二图案化工艺的步骤包括在所述硬掩膜上形成光刻图案，所述光刻图案使所述硬掩膜层内的所述杆轭形开口的 圆拐角曝露；以及移除所述硬掩膜层的通过所述光刻图案曝露的那部分，从而移除所述硬掩膜层内的所 述杆轭形开口的圆拐角。
4.如权利要求1所述的方法，其中移除与所述硬掩膜层内的所述杆轭形开口对应的所 述部分绝缘层的步骤包括在形成所述第一硬掩膜层之前，在所述绝缘层上方形成第二硬掩膜层，其中所述第一 硬掩膜层形成在所述第二硬掩膜层的上方；将所述杆轭形开口从所述第一硬掩膜层转移到所述第二硬掩膜层；以及 移除通过所述第二硬掩膜层内的所述杆轭形开口曝露的一部分绝缘层。
5.如权利要求4所述的方法，其中实施第一图案化工艺的步骤包括在形成所述第一硬掩膜层之前，在所述第二硬掩膜层上方形成光刻图案，其中所述第 一硬掩膜层形成在所述第二硬掩膜层和所述光刻图案之上；沿着所述光刻图案的一个或者更多个侧边移除所述第一硬掩膜层的一部分；以及 从所述第二硬掩膜层剥离所述光刻图案。
6.如权利要求5所述的方法，其中实施第二图案化工艺的步骤包括在所述第一硬掩膜层上形成第二光刻图案，所述第二光刻图案曝露所述第一硬掩膜层 内的所述杆轭形开口的圆拐角；以及移除通过所述第二光刻图案曝露的所述第一硬掩膜层的部分，从而移除所述第一硬掩 膜层内的所述杆轭形开口的圆拐角。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述硬掩膜层包含从钽和钌中选择的硬掩膜材料。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述绝缘层包括氧化铝。
9.一种包括根据权利要求1所述的方法形成的写入结构的磁性写入装置。
10.一种在包括衬底和位于所述衬底上的绝缘层的多层结构上形成写入结构的方法， 所述方法包括在所述绝缘层上方形成硬掩膜层；实施第一图案化工艺，以在所述硬掩膜层内形成杆形开口 ；实施第二图案化工艺，以在所述硬掩膜层内形成轭形开口，所述轭形开口与所述杆形开口搭接；移除对应于所述硬掩膜层内的所述杆形开口和所述轭形开口的一部分所述绝缘层，以 在所述绝缘层内形成沟槽；以及 使用磁性材料填充所述沟槽。
11.如权利要求10所述的方法，其中移除一部分所述绝缘层的步骤包括在对应于所述硬掩膜层内所述杆形开口和所述轭形开口的那部分所述绝缘层上实施 反应离子刻蚀。
12.如权利要求10所述的方法，其中实施第二图案化工艺的步骤包括 在所述硬掩膜层上形成光刻图案；以及移除通过光刻图案曝露的所述硬掩膜层的一部分，以在所述硬掩膜层内形成所述轭形 开口。
13.如权利要求10所述的方法，其中移除对应于所述硬掩膜层内所述杆形开口和所述 轭形开口的一部分所述绝缘层的步骤包括在形成所述第一硬掩膜层之前，在所述绝缘层上方形成第二硬掩膜层，其中所述第一 硬掩膜层形成在所述第二硬掩膜层上方；将所述杆形开口和所述轭形开口从所述第一硬掩膜层转移到所述第二硬掩膜层；以及 移除通过所述第二硬掩膜层内的所述杆形开口和所述轭形开口曝露的所述绝缘层的 部分。
14.如权利要求13所述的方法，其中实施第一图案化工艺的步骤包括在形成所述第一硬掩膜层之前，在所述第二硬掩膜层上形成光刻图案，其中所述第一 硬掩膜层形成在所述第二硬掩膜层和所述光刻图案的上方；沿着所述光刻图案的一个或更多个侧边移除所述第一硬掩膜层的一部分；以及 从所述第二硬掩膜层上剥离所述光刻图案。
15.如权利要求14所述的方法，其中实施第二图案化工艺的步骤包括 在所述第一硬掩膜层上形成第二光刻图案；以及移除所述第二光刻图案曝露的所述第一硬掩膜层的部分。
16.如权利要求10所述的方法，其中所述硬掩膜层包含从钌和钽中选择的硬掩膜材料。
17.如权利要去10所述的方法，其中所述绝缘层包括氧化铝。
18.—种包括根据权利要求10所述的方法形成的写入结构的磁性写入装置。
全文摘要
本发明涉及用于镶嵌式垂直磁记录(PMR)写入装置的双图案化硬掩膜。本主题公开内容的各种实施例提供双图案化工艺，该工艺使用两个图案化步骤来生产具有带尖锐拐角的鼻形状的写入结构。在一个实施例中，提供一种在包括衬底和位于衬底上的绝缘层的多层结构上形成写入结构的方法。所述方法包括在绝缘层上方形成硬掩膜层，实施第一图案化工艺在硬掩膜层中形成杆轭形开口，实施第二图案化工艺移除硬掩膜层内的杆轭形开口的圆拐角，移除对应于硬掩膜层内的杆轭形开口的一部分绝缘层，以在绝缘层内形成沟槽，然后使用磁性材料填充所述沟槽。
文档编号G11B5/66GK102044263SQ20101051181
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月14日 优先权日2009年10月14日
发明者H·孙, H·袁, J·张, X·向, X·曾, Y-F·李 申请人:西部数据(弗里蒙特)公司