专利名称：磁阻效应型磁头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于磁盘驱动器的磁阻效应型磁头及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种包括了共同安置在浮动块上的磁阻元件和过压保护电路的磁阻效应型磁头及其制造方法。
背景技术：
通常为磁盘驱动器提供的磁阻效应型磁头是一种磁阻元件(如MR元件，MGR元件和TMR元件)。遗憾地是，这种磁阻元件由于其低耐压性容易受到损害。现行的GMR(巨磁阻)磁头在0.5伏就会受损，较有使用前景的TMR(隧道磁阻)磁头在0.3伏会受损。换句话说，在制造过程中或在磁盘驱动器里，TMR磁头常受到由静电(几百毫伏)造成的静电破坏(ESD)。
应对这种情况的常规方法是在MR元件的前置放大器的输入端连接一个二极管箝位电路。在所连线的部件被引入磁头堆组件(HSA)后，该二极管箝位电路可以防止超过0.6伏的电压加在MR元件的两端或MR元件与地线两端。0.6伏为产生在二极管正向的电压降。
专利文件1(日本专利公报No.2002-358608(第4-5页，图1))公开了一种过压保护技术。该技术被设计来保护磁头免受制造过程中可能产生的干扰噪声的影响，同时还能保持高记录密度和高响应速度。这个目标是通过以下方法实现的。固定在绝缘膜间的硅层安置在基板上。在所述硅层上形成至少一个二极管箝位电路和一个记录读出放大电路。该箝位电路将从构成了磁阻元件的第一防护件，第二防护件，第一电极和第二电极以及基板中选取的任意两个元件相互进行电连接。
在TMR元件的击穿电压低至0.3伏的情况下，在将TMR元件安装进HAS之前，就不能再忽略制造过程中产生的即使是非常少量的静电。通常是将安装在HAS中的TMR元件的保护电压设置成0.6伏。但是这个电压仍然太高。此外，构造传统的箝位电路时要使得当电流通过将TMR元件和前置放大器连接在一起的导线所固有的电感后，箝位由电路中的二极管来执行。这样构造的缺点是箝位电压增加了电感与电流(由于静电)的乘积。在上面提到的专利文件1里公开的发明提供了一种保护回路，但是这种保护回路在击穿电压接近0.3伏时工作效果不理想。因此，对于击穿电压低至0.3伏的TMR元件的保护要求一种能精确工作在所希望的箝位电压的保护电路。此外，从技术、性能和制造成本的角度来看，在单独一个AlTiC浮动块上安置TMR元件和箝位电路是不利的。
本发明的第一个目的是提供一种磁阻效应型磁头，该磁阻效应型磁头包括磁阻元件和用于该磁阻元件的过压保护电路，它们共同安置在浮动块上。
本发明的第二个目的是提供一种制造磁阻效应型磁头的方法，该磁阻效应型磁头包括磁阻元件和用于该磁阻元件的过压保护电路，它们共同安置在浮动块上。
发明内容
上述的第一个目的通过一种磁阻效应型磁头来实现，所述磁阻效应型磁头包括由硅制成的浮动块，形成在所述浮动块上的绝缘层，形成在所述绝缘层上含磁阻元件的读出磁头，和形成在所述绝缘层上用于所述磁阻元件的过压保护电路。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述绝缘层为SiO2层。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路为箝位电路，所述箝位电路包括连接在所述磁阻元件的两端的肖特基二极管。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括两个与所述磁阻元件双向并联的肖特基二极管。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括与所述磁阻元件并联的场效应晶体管。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路为包括连接在所述TMR元件两端的肖特基二极管的箝位电路。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路包括与所述TMR元件并联连接的场效应晶体管。
上述第一个目的还可以由一个磁阻效应型磁头实现，该磁阻效应型磁头包括由硅制成的浮动块，形成在所述浮动块上的绝缘层，形成在所述绝缘层上的含磁阻元件的读出磁头，形成在所述读出磁头上部的写入磁头，和保护所述磁阻元件不受过压损害的保护电路，所述保护电路沿着所述磁阻元件形成。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述绝缘层为SiO2层。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路为箝位电路，所述箝位电路包括连接在所述磁阻元件两端的肖特基二极管。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括两个与所述磁阻元件双向并联的肖特基二极管。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述写入磁头为感应磁头，所述保护电路为包括连接在所述TMR元件两端的肖特基二极管的箝位电路。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括与所述磁阻元件并联的场效应晶体管。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路包括两个与TMR元件双向并联的肖特基二极管。
如上面所限定的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路包括与所述TMR元件并联的场效应晶体管。
上述的第二个目的由一种制造磁阻效应型磁头的方法来实现，该方法包括提供基板的步骤，所述基板具有在硅晶片的一面上形成的绝缘层；在所述绝缘层上形成第一布线的步骤；在所述绝缘层的一部分上形成硅层的步骤；在所述硅层上形成包括肖特基二极管的箝位电路的步骤；形成用于所述箝位电路的布线的步骤；在所述绝缘层上靠近所述箝位电路形成磁阻元件的步骤；将所述磁阻元件和所述箝位电路与所述第一布线相连的步骤。
如上面所限定的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述绝缘层为SiO2层。
如上面所限定的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，并在所述TMR元件的上部层压上写入磁头。
上述的第二个目还可以由一种制造磁阻效应型磁头的方法实现，该方法包括提供基板的步骤，所述基板具有在硅晶片的一面上形成的绝缘层；在所述绝缘层上形成第一布线的步骤；在所述绝缘层的一部分上形成硅层的步骤；在所述硅层上形成包括具有源极、栅极和漏极的场效应晶体管的并联电路的步骤；为所述并联电路形成的布线的步骤；在所述绝缘层上靠近所述并联电路形成磁阻元件的步骤；将所述磁阻元件和所述并联电路与所述第一布线相连的步骤。
如上面所限定的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述绝缘层为SiO2层。
如上面所限定的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，并在所述TMR元件的上部层压上写入磁头。
本发明容许磁阻元件和用于该磁阻元件的过压保护电路共同安置在浮动块上。
图1为局部剖视图，显示了本发明一个实施例中的磁阻效应型磁头和过压保护电路的浮动块。
图2为剖视图，显示了本发明一个实施例中的形成在浮动块(Si晶片)上的过压保护电路。
图3是本发明一个实施例中的TMR磁头的透视图。
图4为透视图，显示了本发明的一个实施例中的配备了具有磁阻效应型磁头的磁头组件的磁盘驱动器。
图5是具有肖特基二极管的箝位电路的电路图。
图6A是一个考虑了温度补偿的箝位电路的实例的电路图。
图6B是一个考虑了温度补偿的箝位电路的实例的电路图。
图6C是一个考虑了温度补偿的箝位电路的实例的电路图。
图7A是一个带有场效应晶体管的过压保护电路的实例的电路图。
图7B是一个带有场效应晶体管的过压保护电路的实例的线路图。
图7C是一个带有场效应晶体管的过压保护电路的实例的电路图。
图7D是一个带有场效应晶体管的过压保护电路的实例的电路图。
文字及标号说明10…磁盘驱动器11…基底12…主轴13…磁盘14…枢轴15…致动器16…支臂17…悬架18…音圈电机19…斜面机构20…磁阻效应型磁头(TMR磁头)21…连接器22…框架缓冲器
30…SOI基板31…硅晶片(浮动块)32…SiO2层33，34…场效应晶体管35…肖特基二极管36…铝布线37…焊接201…下部磁屏蔽层202…下电极203…TMR元件204…高阻软磁膜205…上电极206…上部磁屏蔽层207…分离层208…下磁层209…磁隙210…导电线圈211…上磁层212…上磁极末端具体实施方式
图4显示了使用本发明的TMR磁头(隧道磁阻磁头)的磁盘驱动器10。该磁盘驱动器10包括盒状基底11，固定在其上的主轴电机(未图示)，安装在主轴电机的主轴12上并随之旋转的磁盘13，以及固定在基底11上的枢轴14。枢轴14可旋转地支撑致动器15，该致动器有一个支臂16，支臂16上安装着悬架17。该悬架17有通过万向接头(未图示)加在其顶端的TMR磁头20。支臂16、悬架17、万向接头以及TMR磁头20构成了被称做磁头组件的机构。
致动器15的另一端安装了一个线圈(未图示)，该线圈与固定在基底11上的磁路(未图示)组合在一起构成了音圈电机(VCM)18。VCM18驱动致动器15绕枢轴14转动。致动器15旋转使TMR磁头20沿磁盘13的径向向所期望的磁盘13的记录磁道移动。基底11还配置了一个斜面装置19，当TMR磁头从磁盘13上缩回时能停留在上面。在基底11的一个侧面上有一个作为外部单元接口的连接器21。基底11的其它各侧面围绕着框架缓冲器22，用于保护各组件免受外部冲击。
图3是从浮动表面看去本发明的一个实施例的TMR磁头20的透视图。TMR磁头20包括浮动块(未图示)，在浮动块上形成的下部磁屏蔽层201，在该屏蔽层上形成的用作下电极的非磁性导电金属膜202，和由反铁磁性层，钉扎磁性层，阻挡层，自由磁性层顺序地层压构成的TMR元件203。在TMR元件203的两端形成了高阻软磁膜204。在TMR元件203和其一端的高阻软磁膜204上选择性地层压一层作为上电极的非磁性导电金属膜205。磁通量无法渗透的非磁性导电金属膜202和205构成了一个读入间隙(read gap)。在靠近高阻软磁膜204和非磁性导电金属膜205的地方形成上部磁屏蔽层206。
安装在上述系统中的TMR元件203起到读出磁头的作用，当读出电流沿垂直于膜面方向通过下部电极202和上部电极205时，该读出磁头检测作为电信号的响应外磁场强度而产生的阻抗变化。
在上部磁屏蔽层206的上面形成一个下面安置了绝缘分离层207的用于记录的感应磁头(写入磁头)。该写入磁头包括在分离层207上形成的下磁层208和上磁层211(二者构成了一个磁路)，形成在上磁层211末端的上磁极尖212，形成在下磁层208和上磁层211末端的上磁极尖212之间的磁隙209。下磁层208和上磁层211在后面(未图示)相互磁性连接以构成末端有磁隙209的磁路。此外，在下磁层208和上磁层211之间形成中间夹有绝缘层的导电线圈210。
图2显示了本发明的形成于Si浮动块31上的过压保护电路。在硅晶片上形成用作基底的一种绝缘体外延硅SOI(Silicon OnInsulator)30。该SOI基底30是通过对硅晶片31的表面进行氧化而形成的SiO2层32。在该SiO2层32上形成用来保护磁阻元件(未图示)免受过压损害的过压保护电路和用于读写电路(未图示)的前置放大器。过压保护电路包括场效应晶体管(pMOSFET)33，场效应晶体管(nMOSFET)34，和肖特基二极管35。该pMOSFET33是通过将SiO2层32降低变成Si半导体层(N体区)而形成。该nMOSFET34是通过将SiO2层32降低变成Si半导体层(P体区)而形成。作为另一种选择，该Si半导体层还可以通过在SiO2层32上外延生长而形成，随后形成源极、栅极、漏极三个电极。肖特基二极管35可由用上述方法形成的Si半导体层(N体区)和与之相连接的肖特基接触(金属)构成。该金属最好是钛以便该肖特基二极管35的正向电压降为0.3伏。另外，在上述实施例中，该SiO2层可以通过对SOI基板(或硅晶片)的表面进行氧化来形成；然而，该SiO2层也可由其他任何在硅晶片上形成的适当的绝缘层来替代。
图1显示了在SOI基板30上形成的TMR元件203的一部分和ESD保护电路(肖特基二极管)35。为了使TMR元件203不受形成肖特基二极管35所需的热量的影响，该肖特基二极管35和铝布线36首先在SOI基板上形成。随后，如上所述形成TMR元件203。肖特基二极管35和TMR元件203之间的连接通过焊接或超声焊接37来完成。因此，本发明的实施例的优点在于TMR元件203不会受铝布线工艺中涉及到的高温(约400℃)的影响。
图1所示的实施例允许TMR元件203和肖特基二极管35(作为保护电路)水平地安置在SOI基板30上。但是也可以修改以使得TMR元件203和保护电路35垂直安置。
图5至图7显示了过压保护电路33，34和35的一些例子。在图5所示的箝位电路里，肖特基二极管双向并联连接在TMR元件的两端(RD+和RD-)。该肖特基二极管的正向电压降(Vf)为0.3伏。
图6A至图6C显示了通过温度补偿使Vf在很宽温度范围内保持恒定的电路的一些实例。如图6A所示的电路是设计用来保护电压超过0.3伏的TMR元件，0.3伏是pn结二极管(Vf＝0.6伏)和肖特基二极管(Vf＝0.3伏)之间的差异。当环境温度变化时，利用它们的温度系数相似的事实可以抵消它们的温度特性。把两个同样的电路沿双向连接以便当正脉冲或负脉冲施加到RD+端或RD-端时能产生预期的效果。
图6B所示电路具有在反向偏压方向与TMR元件并联的肖特基二极管。它产生的效果和图5所示反向偏压方向也有肖特基二极管的效果是一样的。只要在低温下Vf是0.3伏，高温下Vf不为负，就不会影响正常的操作。
图6C所示电路与上面所示电路的不同之处在于用肖特基二极管代替了pn结二极管。这种电路的优点是可以自由选用任何金属以使得所形成的肖特基二极管的电压差(Vf)为0.3伏。此外，因为使用相同类型的肖特基二极管，因此在抵消温度特性方面，这种电路比上述电路具有更好的效果。
图7A至图7D显示了通过一个或两个具有稍高栅极电压的场效应晶体管(nMOSFET)在TMR元件的两端进行分流的一些电路的实例。图7A所示电路被设计为由于栅极电压增加了等于pn结二极管Vf的0.6伏而使TMR元件的两端高速短路。这种准备是必要的，因为当在短路过程中源极电压和栅极电压(＝漏极电压)接近FET的导通电压Vth(0.9伏)时，源极输出器(连接漏极和栅极从而跳过二极管的电路)的速度(由于导通电阻的增加)降低。
图7B所示电路与图6B所示电路相似，不同之处仅在于图7B所示电路有一个在正ESD脉冲施加到RD-端或负ESD脉冲施加到RD+端时工作的简化的保护电路。但是，由于偏压的方向与普通的方向相反，所以二极管的温度特性不会造成什么影响。
图7C所示电路与图7A所示电路的不同之处在于该电路用肖特基二极管代替了pn结二极管。它允许分流电阻(导通电阻)根据偏压的目标值或栅压的过激励(over drive)量(对应于Vf)来变化。
图7D所示电路与图6B和图7B所示电路相似，不同之处仅在于图7D所示电路有一个在正ESD脉冲施加到RD-端或负脉冲施加到RD+端时工作的简化的保护电路。但是，由于偏压的方向与普通的方向相反，所以二极管的温度特性不会造成什么影响。
在上述实施例中，TMR元件被用作磁阻元件，但它自然也可以用GMR元件或MR元件来替代。
本发明的上述实施例能将磁阻元件和过压保护电路(ESD保护电路)并排放置在浮动块上。此外，它还能将ESD保护电路放置在比前置放大器更靠近磁阻元件的位置(或将箝位点放置的更靠近磁阻元件)。这就能产生减少磁阻元件和ESD保护电路之间的布线长度的效果，进而能够精确地将箝位电压设定为预计值而又不受布线自感应的影响。另外，由于ESD电路与浮动块电隔离开并且各个电路被SiO2所围绕，因此这就使得在浮动块和各个电路中产生的静电荷不可能通过布线流入ESD保护电路，并排除了使用二极管时电势方面的限制。此外，靠近N层的硅晶片没有结点这一事实有助于降低寄生电容和提高切换动作的速度。
权利要求
1.一种磁阻效应型磁头，其特征在于包括由硅制成的浮动块；形成在所述浮动块上的绝缘层；形成在所述绝缘层上含磁阻元件的读出磁头；和形成在所述绝缘层上用于所述磁阻元件的过压保护电路。
2.如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其中所述绝缘层为SiO2层。
3.如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件。
4.如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路为箝位电路，所述箝位电路包括连接在所述磁阻元件的两端的肖特基二极管。
5.如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括两个与所述磁阻元件双向并联的肖特基二极管。
6.如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括与所述磁阻元件并联连接的场效应晶体管。
7.如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路为包括连接在所述TMR元件两端的肖特基二极管的箝位电路。
8.如权利要求1所述的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路包括与所述TMR元件并联连接的场效应晶体管。
9.一种磁阻效应型磁头，其特征在于包括由硅制成的浮动块；形成在所述浮动块上的绝缘层；形成在所述绝缘层上的含磁阻元件的读出磁头；形成在所述读出磁头上部的写入磁头；和保护所述磁阻元件不受过压损害的保护电路，所述保护电路沿着所述磁阻元件形成。
10.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述绝缘层为SiO2层。
11.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件。
12.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路为箝位电路，所述箝位电路包括连接在所述磁阻元件两端的肖特基二极管。
13.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括两个与所述磁阻元件双向并联的肖特基二极管。
14.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述写入磁头为感应磁头，所述保护电路为包括连接在所述TMR元件两端的肖特基二极管的箝位电路。
15.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述保护电路包括与所述磁阻元件并联的场效应晶体管。
16.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路包括两个与TMR元件双向并联的肖特基二极管。
17.如权利要求9所述的磁阻效应型磁头，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，所述保护电路包括与所述TMR元件并联连接的场效应晶体管。
18.一种制造磁阻效应型磁头的方法，其特征在于包括提供基板的步骤，所述基板具有在硅晶片的一面上形成的绝缘层；在所述绝缘层上形成第一布线的步骤；在所述绝缘层的一部分上形成硅层的步骤；在所述硅层上形成包括肖特基二极管的箝位电路的步骤；形成用于所述箝位电路的布线的步骤；在所述绝缘层上靠近所述箝位电路形成磁阻元件的步骤；将所述磁阻元件和所述箝位电路与所述第一布线连接的步骤。
19.如权利要求18所述的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述绝缘层为SiO2层。
20.如权利要求19所述的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，并在所述TMR元件的上部层压上写入磁头。
21.一种制造磁阻效应型磁头的方法，其特征在于包括提供基板的步骤，所述基板具有在硅晶片的一面上形成的绝缘层；在所述绝缘层上形成第一布线的步骤；在所述绝缘层的一部分上形成硅层的步骤；在所述硅层上形成包括具有源极、栅极和漏极的场效应晶体管的并联电路的步骤；为所述并联电路形成布线的步骤；在所述绝缘层上靠近所述并联电路形成磁阻元件的步骤；将所述磁阻元件和所述并联电路与所述第一布线连接的步骤。
22.如权利要求21所述的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述绝缘层为SiO2层。
23.如权利要求21的制造磁阻效应型磁头的方法，其中所述磁阻元件为TMR(隧道磁阻)元件，并在所述TMR元件的上部层压上写入磁头。
全文摘要
磁阻效应型磁头的击穿电压低至0.3伏时，忽略制造或使用过程中产生的即使是非常少量的静电是不切实际的。通过以下步骤来制造所期望的磁头在Si浮动块31上形成SiO
文档编号H01L43/08GK1637858SQ20041008241
公开日2005年7月13日 申请日期2004年9月17日 优先权日2003年12月26日
发明者小野裕幸, 铃木宏昌, 砂永登志男, 宫武久忠, 浅野秀夫 申请人:日立环球储存科技荷兰有限公司