利用加热和冷却制造磁阻结构的方法与流程

本发明的各方面涉及磁阻结构，更具体地涉及用于制造磁阻磁头的方法。

背景技术：
隧道磁致电阻或磁阻（TMR）读取器是一类利用磁性隧道结（MTJ）的磁性传感器。通常，TMR读取器包括由势垒层（例如，MgO）分离的两个铁磁层。在电流垂直平面（CPP）的几何形状类型TMR结构中，电流垂直于势垒层流动的该结构的电阻依赖于两个铁磁层磁化之间的相对角度。此类TMR器件的质量由其磁阻率（dR/R）表征，磁阻率指示由于外部磁场引起的材料的电阻中的量值改变。TMR器件在磁性隧道结处呈现磁阻。通常，磁阻率随着温度的提高和偏置电压的提高而降低。TMR读取器的信噪比（SNR）取决于信号（其与振幅和TMR读取器的薄膜叠层（stack）的dR/R成比例）和噪声两者。该噪声可被划分为磁性噪声和电噪声。磁性噪声与信号的量值相关，而电噪声与该器件的电阻-面积（RA）乘积成比例。因此，通过提高信号（例如，提高膜叠层的磁阻率dR/R）和/或降低噪声（例如，降低RA以减少电噪声），可以提高TMR读取器的SNR。然而，在公知的TMR结构中，当RA降低时，dR/R通常将减少（例如，由于波函数重叠的原因，波函数重叠由于势垒厚度的降低和中间层耦合的提高而产生）。在现有技术中，在隧道势垒（例如，MgO隧道势垒层）沉积之后，使用原位加热（insitu-heating）来提高给定RA的dR/R。这样做是为了在沉积下一层之前，改进MgO隧道势垒层的结晶性。然而，进一步提高TMR器件（例如，读取器）的SNR性能是令人期望的。

技术实现要素：
本发明的实施例涉及隧道磁阻（TMR）结构和用于制造隧道磁阻的方法。根据本发明的实施例，提供了一种用于制造隧道磁阻（TMR）结构的方法。该方法包括：在衬底上形成参考层；在衬底上形成隧道势垒层；在衬底上形成自由层；以及在形成参考层之后，加热以及冷却TMR结构。根据本发明的另一实施例，提供了一种制造隧道磁阻传感器的方法。该方法包括：提供衬底；在衬底上形成磁性隧道结（MTJ）结构的第一部分；在衬底上形成MTJ结构的第二部分；在第一部分和第二部分之间形成MTJ结构的隧道势垒层；在形成隧道势垒层之前或在形成隧道势垒层的至少一部分之后，加热MTJ结构的第一部分；以及冷却隧道势垒层。根据本发明的另一实施例，提供了一种制造用于磁性存储器件的磁性隧道结（MTJ）磁头的方法。该方法包括：提供衬底；在衬底上形成MTJ磁头的第一部分；在衬底上形成MTJ磁头的第二部分；在第一部分和第二部分之间形成MTJ磁头的隧道势垒层；在形成隧道势垒层之前或在形成隧道势垒层的至少一部分之后，加热MTJ磁头的第一部分；以及冷却隧道势垒层。附图说明通过参考附图详细描述本发明的实施例，本发明上述以及其他特征和方面将变得更加明显，在附图中：图1是根据本发明的实施例的隧道磁阻（TMR）结构的概念截面图。图2是示出根据本发明的实施例的制造TMR结构的方法的流程图。图3是根据本发明的实施例的隧道磁阻（TMR）结构的概念截面图。图4是示出根据本发明的实施例的另一制造TMR结构的方法的流程图。图5是示出比较示例的TMR结构和根据本发明实施例的TMR结构之间的磁阻的比较的图示。具体实施方式根据本发明的实施例的各方面涉及用于制造磁阻结构的方法，该磁阻结构诸如用于磁性存储器件（例如，硬盘驱动器）的磁头。该方法利用在制造过程中原位加热以及低于室温的原位冷却（例如，低温冷却）的组合。在本发明的以下描述中，省略了本领域的普通技术人员公知的过程或构造。图1是根据本发明的实施例的隧道磁阻（TMR）结构100（例如，TMR读取器）的概念截面图。TMR结构100包括衬底10上的屏蔽层12、屏蔽层12上的晶种层14、晶种层14上的反铁磁（AFM）层16（例如，Ir-Mn）、AFM层16上的P1层18（例如，由CoFe或CoFeB形成的铁磁层）、P1层18上的分隔器/隔片20（例如，Ru）、隔片20上的P2层22（例如，由CoFe或CoFeB形成的铁磁层）、P2层22上的隧道势垒层24（例如，MgO）、隧道势垒层24上的自由层26（例如，CoFe/NiFe）以及自由层26上的覆盖层28（例如，Ta/Ru）。在图1的实施例中，晶种层14和AFM层16的一层或更多层可以被称为钉扎层，并且P1层18、隔片20和P2层中的一层或更多层可被称为被钉扎层。钉扎层和被钉扎层中的一个或更多个可被称为衬底10上的参考层。例如，参考层可以表示P1层18、隔片20和P2层22的组合。在另一示例中，参考层可以仅表示P2层22。在又一示例中，参考层可以表示晶种层14、AFM层16、P1层18、隔片20和P2层22以及隧道势垒层24下的其他各层。然而，本发明不局限于上述结构和材料。在一些实施例中，各个层中的一些可以被省略或被其它适当的层以各种次序代替。在一些实施例中，图1中的各层的次序被部分或完全颠倒。此外，为清晰起见，附图中所示的各层的厚度可能被放大，其并不代表真实的厚度。根据本发明的实施例，以下将更充分地描述制造图1的上述TMR结构100的过程。此过程可显著提高TMR结构100（例如，薄膜叠层）的dR/R，并且也有助于在低RA下保持理想的dR/R。TMR结构100的dR/R的提高可归因于但不限于在隧道势垒层24和自由层26之间的改进的晶格匹配。在一些实施例中，当自由层26被沉积在冷衬底10上时，自由层26将保持基本无序，然后在随后的退火步骤中仅结晶，以下将进行更详细的描述。参考图1，首先提供由适当的材料（例如，A1TiC）制作的衬底10，并在衬底10上沉积屏蔽层12。可使用常规的等离子处理来蚀刻衬底10上的屏蔽层12的表面，从而去除任何原生氧化和污染。图1中所示的TMR结构100的上述层被顺序沉积，直至隧道势垒层24被沉积。在一些实施例中，隧道势垒层24可以是MgO层或MgO/Mg层。在其他的实施例中，可以使用其他适当材料。然后，将部分形成的TMR结构100加热到约50°C（含50°C）和约400°C（含400°C）之间。在一些实施例中，可以在100°C（含100°C）和约300°C（含300°C）之间的更小范围内加热部分形成的TMR结构100。该加热过程可以在适当的加热室中执行，并且加热时间可以在约1分钟（含1分钟）和约50分钟（含50分钟）之间。在一些实施例中，加热时间可以在约5分钟（含5分钟）和约15分钟（含15分钟）之间的更小的范围内。在加热之后，部分形成的TMR结构100被送到冷却室或冷却站进行冷却。在冷却期间，TMR结构100被冷却到约-223°C（50K）到约20°C（293K）之间的温度，包括-223°C、20°C在内。在一些实施例中，冷却温度在约-173°C（100K）和约0°C（273K）之间。冷却时间可以在约5分钟（含5分钟）和约60分钟（含60分钟）之间。在一些实施例中，冷却时间可以在约10分钟（含10分钟）和约30分钟（含30分钟）之间的更小的范围内。应该理解的是，在加热和冷却过程中使用的上述温度和持续时间为示例性实施例，并且本发明不局限于此。因此，在其他实施例中，可以使用其他适当的温度和加热/冷却时间。在一些实施例中，隧道势垒层24包括隧道势垒层24a（例如，MgO层）和沉积在隧道势垒层24a上的中间层24b（例如，Mg、Zn、Al、AlSi、Ca、Si层或其他适当的材料层）。可以按不同的次序执行TMR结构100的加热和冷却。在一些实施例中，加热步骤可以在沉积隧道势垒层24a的至少一部分之前或之后，以及在形成中间层24b之前或之后执行。在执行加热步骤之后，可以在形成中间层24b之前或之后，以及在形成自由层26的至少一部分之前或之后，执行冷却步骤。在一些实施例中，冷却步骤在形成部分自由层26之后执行。在冷却后，覆盖层28被沉积在被冷却的部分形成的TMR结构100上以完全形成TMR结构100。随后，在被完成的TMR结构100上执行最优高真空磁场退火。图2是图示根据本发明的实施例制造TMR结构的过程的流程图。在特定的实施例中，该过程可用于形成图1的TMR结构。根据图2的过程，在适当衬底（S10）上形成参考层，在衬底（S12）上形成隧道势垒层，以及在衬底（S14）上形成自由层。此外，在形成参考隧道势垒层（S16）之后，执行TMR结构的加热和冷却。尽管图2以特定的次序图示步骤S10、S12、S14和S16，但是本发明并不局限于此。相反，可以以各种适当的次序执行这些步骤。在一个实施例中，该过程可以按照不同的次序执行动作序列。在另一实施例中，该过程可跳过一个或更多个动作。在其他的实施例中，可同时执行这些动作中的一个或更多个。在一些实施例中，可以执行附加的动作。而且，应注意到，由于可能省略本领域中公知且对于理解本发明不是必要的一些步骤或过程以实现清晰的目的，因此以上公开的过程可能不包括制造TMR结构的所有的各种步骤。图3是根据本发明的实施例的隧道磁阻（TMR）结构200的概念截面图。在图3中，TMR结构200的各层形成的次序相比图1的TMR结构100具有颠倒的次序。在制造期间，可以按照各种适当的次序执行TMR结构200的加热和冷却。在形成自由层36之后，可以在沉积隧道势垒层34的至少一部分之前或之后，以及在形成中间层32之前或之后执行加热步骤。在执行加热步骤后，可以在形成中间层32的至少一部分之前或之后，以及在形成参考层30的至少一部分之前或之后执行冷却步骤。为清晰起见，省略了与制造TMR结构100期间使用的一些过程相类似的制造TMR结构200期间所使用的某些过程的描述。例如，以上参考图1的实施例描述的加热温度和冷却温度以及持续时间适用于图3的TMR结构200的制造。图4是图示根据本发明的实施例用于制造TMR结构的另一过程的流程图。在特定的实施例中，该过程可用于形成图3的TMR结构。根据图4的过程，提供适当的衬底（S20），在衬底上形成磁性隧道结（MTJ）结构的第一部分（S22），在衬底上形成MTJ结构的第二部分（S24），在第一部分和第二部分之间形成MTJ结构的隧道势垒层（S26）。此外，在形成隧道势垒层之前或在形成隧道势垒层的至少一部分之后加热MTJ结构的第一部分（S28）。在加热之后，在隧道势垒层上执行冷却（S30）。尽管在图4中，步骤S20至S30以特定的次序显示，但是本发明不局限于此。相反，可以按照各种适当的次序执行步骤S20至S30。在一个实施例中，该过程可按照不同的次序执行动作序列。在另一实施例中，该过程可跳过这些动作中的一个或更多个。在其他实施例中，这些动作中的一个或更多个同时执行。在某些实施例中，可执行附加动作。而且，应当注意到，由于省略了在该领域中公知且对于理解本发明不是必要的某些步骤或过程以实现清晰的目的，因此，上述公开的过程可能不包括制造TMR结构的所有的各种步骤。图5是示出比较示例的TMR结构与根据本发明实施例的TMR结构之间的磁阻比较的图形。图5的垂直轴和水平轴分别表示具有任意单位的磁阻（MR）和RA。在图5中，较低的曲线C1表示比较示例的TMR结构的磁阻，其中不执行冷却过程，而较高的曲线C2表示根据本发明实施例的TMR结构的磁阻，其中，冷却过程在加热后执行。在图5中可看到，在制造期间，当冷却被执行时，实施例的磁阻被明显提高。也就是说，对于相同的RA而言，可观察到根据本实施例制造的TMR结构具有更高的磁阻（即，曲线C2）。因此，根据本发明的实施例制造的TMR结构的SNR得以改进。在上述实施例中，可以在低温范围（例如，约100K）内执行冷却过程，并且如果在较高的温度（例如，室温）执行冷却过程，所产生的TMR增长可能越小。然而，即使TMR结构100或TMR结构200仅被冷却回室温，仍然可以观察到TMR增长。在加热过程后，通过简单地将TMR结构冷却一段时间，也可实现冷却到室温（即，不是冷却到低温）。在一些实施例中，加热过程和冷却过程可以按照下表所示的各种不同的次序被执行。应注意到，上面的表格并不是根据本发明的所有可能的组合的穷举。相反，可能存在根据本发明的执行各步骤的其他适当的次序。在上面组合的每一个中，过程开始于最左边的步骤，在最右边的步骤结束。在某些组合中，特定层可以在插入加热或冷却步骤的两个步骤（例如，部分1和部分2）中形成。在一些实施例中，上述方法可用来制造磁性存储器件（例如，硬盘驱动器）的磁头（例如，磁性隧道结磁头）。尽管参考本发明的示例性实施例具体显示并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应该理解，在形式和细节上可以做出各种变化，而不偏离所附权利要求及其等价物所限定的本发明的精神和范围。