DE69311972T2 - Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Schicht zwischen Magnetwiderstandsschichten für einen Lesekopf - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer dielektrischen Schicht zwischen Magnetwiderstandsschichten für einen LesekopfInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung dielektrischer Dünnfilme, die verschiedene metallische Schichten in einem magnetoresistiven Wandler trennen.
- Magnetoresistive Wandler (MR; MR = magnetoresistive) zum Abtasten eines magnetischen Flusses, der durch ein sich bewegendes Medium erzeugt wird, sind bekannt. Ein Doppelstreifen-MR-Wandler ist in dein U.S. Patent Nr. 3,860,965 beschrieben, das an Voegeli erteilt wurde. Ein derartiger Doppelstreifen-MR-Wandlerentwurf wird gegenwärtig als Stand der Technik betrachtet, weil derselbe das größte Ausgangssignal pro Einheitsspurbreite erzeugt, einen niedrigen Rauschpegel aufgrund einer Gleichtaktunterdrückung aufweist und ein lineares und symmetrisches Außerhalb-der-Spur-Ansprechen schafft.
- Bei einem Wandler, der gemäß einem derartigen Entwurf aufgebaut ist, werden zwei nah beabstandete MR-Streifen differentiell abgetastet. Die nahe Beabstandung der MR-Streifen ist wünschenswert, da dieselbe eine größere Speicherkapazität auf einem magnetischen Medium ermöglicht, das durch den Wandler gelesen werden soll. Zusätzlich ist die Nähe der zwei Streifen erforderlich, derart, daß die richtige Vorspannungsbedingung eingerichtet werden kann, ohne die Stromdichtengrenzen des magnetoresisitiven Streifens zu überschreiten.
- Wenn der Doppelstreifen-MR-Entwurf richtig funktionieren soll, müssen die zwei MR-Streifen zumindest an einem Ende des Paars voneinander elektrisch getrennt sein. Andernfalls würden die Streifen kurzgeschlossen sein, wodurch der Wandler nicht betriebsfähig gemacht wird.
- In einigen MR-Wandlerentwürfen ist es ferner nützlich, gleich kleine Abstände zwischen den MR-Streifen und benach barten ferromagnetischen Abschirmungen zu verwenden. Wiederum müssen, um einen nützlichen MR-Wandler zu erzeugen, die MR- Streifen nah an der Abschirmung sein und dennoch von den Abschirmungen elektrisch getrennt sein.
- Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Doppelstreifen-MR-Wandlers des Typs, der in dem Patent '965 offenbart ist. In Fig. 1 ist ein erstes MR-Gerät gezeigt, das aus leitfähigen Zuleitungen 10, 11 besteht, die entlang einer Achse des ersten MR-Streifens 14 beabstandet sind, um einen Zwischenraum 15 zu schaffen. Der Zwischenraum definiert einen aktiven Bereich, der der Lesespurbreite des Mediums entspricht, das durch den Wandler gelesen werden soll.
- Bei Doppelstreifen-MR-Wandlerentwürfen ist ein zweites Gerät, das leitfähige Zuleitungen 12, 13 aufweist, die entlang einer Achse des zweiten MR-Streifens 18 beabstandet sind, um einen Zwischenraum 15a zu bilden, parallel zu dem ersten Element vorgesehen.
- Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Doppelstreifen- MR-Wandlers, die den aktiven Bereich des Wandlers zeigt. Folglich sind Abschnitte der zwei MR-Streifen 14, 18 in einer parallelen, zueinander beabstandeten Beziehung gezeigt. Die Beabstandung 16 zwischen den Streifen wird durch ein Zwischen-MR-Dielektrikum 20 aufrechterhalten. Zusätzliche Dielektrika 22, 24 beabstanden die MR-Streifen von ferromagnetischen Abschirmungen 25, 26. Eine Luftlageroberfläche 27 ist vorgesehen, durch die der Wandler über einem magnetischen Speichermedium schwebt, das durch den Wandler gelesen wird.
- Beim Betrieb wird Strom in die Leiter in der durch Pfeile i&sub1;, i&sub2; angezeigten Richtung eingeführt. Diese Ströme breiten sich entlang der MR-Streifen aus und dienen sowohl als Erfassungs- als auch als Vorspannungsströme. Ein Momentanwert des magnetischen Flusses von dem Abschnitt des Mediums, der sich nahe des Zwischenraums 15 bewegt, wird bei jeder ge gebenen Zeit durch den Doppelstreifenwandler gemessen. Ein derartiger Flußwert entspricht den Datenbits, die auf dem Medium gespeichert sind.
- Während das Patent '965 einem Abstand von 30 nm zwischen den MR-Streifen lehrt, gibt es kein Anzeichen dafür, daß ein derartiges Gerät tatsächlich hergestellt wurde. Tatsächlich war die Aufrechterhaltung der elektrischen Trennung über derartig kleine dielektrische Dicken ein wesentliches Hindernis für die Implementation des Doppelstreifen-MR-Entwurfs. Es ist eine Erfahrung von Forschern in der relevanten Technik, daß die zuverlässige und reproduzierbare Herstellung von Doppelstreifen-MR-Köpfen mit Beabstandungen von weniger als etwa 70 nm äußerst schwierig ist. Dies liegt an dem Kurzschließen zwischen den zwei MR-Streifen, hauptsächlich als Folge von Prozeß- und Material-Einschränkungen.
- Alle bisherigen Lehren hinsichtlich von Doppelstreifen- MR-Köpfen betreffen die Verwendung von gesputterten Al&sub2;O&sub3;, SiO&sub2; oder SiO als Zwischen-MR-Dielektrikum. Trotzdem schaffen diese Materialien in der Praxis eine nicht akzeptable Trennung zwischen den metallischen Schichten in dem MR-Kopf für dielektrische Dicken von weniger als etwa 70 nm.
- Es gibt ferner einige Lehren in der Halbleitertechnik, um eine Nach-Aufbringungsprozessierung eines Dünnfilms durchzuführen, um die dielektrischen Eigenschaften des Films zu verbessern. In solchen Fällen wurden Gate-Dielektrika aus SiOxNy durch Aussetzen von SiO&sub2;-Filmen mit 5-10 nm bei erhöhten Temperaturen für kurze Zeitdauern in einer Stickstoffumgebung hergestellt. Siehe beispielsweise, Process dedendence of breakdown field in thermally nitrided silicon dioxide, Ramesh u.a., J. Appl. Phys. 70 (4), 1991.
- Es wurde auch die Verwendung von Ta-Oxid als ein Gate- Dielektrikum in 64-Mbit-DRAMs vorgeschlagen. Siehe beispielsweise, THERMCO INTERNATIONAL LABORATORY, DR 212.06, Japanese Daily Report, 12. November 1991. Zusätzlich wurde gelehrt, daß Ta&sub2;O&sub5; als ein kapazitives Dielektrikum in integrierten Schaltungsstrukturen verwendet werden kann. Siehe beispielsweise, Highly Stable Tantalum Thin Film CR Circuit on a Single Substrate, Yamazaki u.a., FUJITSU Scientific and Technical Journal, Dezember 1970. Solche Lehren sind analog übertragen nicht besonders nützlich für die Herstellung von MR-Streifen, die im allgemeinen aus einem NiFe-Film gebildet sind.
- Die JP-A-3-268216 (Hitachi Seisakusho KK) offenbart ein Magnetoresistiver-Effekt-Gerät, das eine 20-nm-Niobium- Schicht enthält, die oxidiert werden kann.
- Folglich kann der gesamte Vorteil der Doppelstreifen-MR- Wandlertechnologie, d.h. die extrem dichte Datenspeicherung auf einem magnetischen Medium, nicht verwirklicht werden, es sei denn, daß MR-Streifenbeabstandungen minimiert werden können. Dies erfordert seinerseits eine neue Dielektrikumklasse.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden einer dünnen Schicht aus dielektrischem Material in einer mehrschichtigen magnetoresistiven Wandlerstruktur geschaffen, die zwei nahe beabstandete magnetoresistive Streifen aufweist, die durch die dielektrische Materialschicht getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte des Bereitstellens eines dünnen metallischen Films, der aus einer Gruppe, die Ta, Hf, Zr, Y, Ti oder Nb umfaßt, ausgewählt wird, und des Oxidierens des Metallfilms durch Aussetzen des Films gegenüber Sauerstoff bei erhöhten Temperaturen, in einem Plasma, und/oder in der Gegenwart von UV- Licht aufweist, um eine Schicht aus dielektrischem Material zu bilden, die eine Dicke bis hinunter zu 5 nm aufweist.
- Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird eine Klasse von Materialien als Dielektrikum verwendet, das verschiedene metallische Schichten in einer mehrschichtigen Struktur eines magnetoresistiven Wandlers trennt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstellung von extrem feinen, hochqualitativen dielektrischen Filmen, die eine gute Reproduzierbarkeit aufweisen. Diese Ergebnisse werden durch Aufbringen eines dünnen Metallfilms auf einem Substrat erreicht. Der Film, der derart aufgebracht ist, schafft eine Oberfläche, auf der ein Oxid gebildet ist. Oxidierte Dünnfilme aus Ti, Ta, Hf, Zr, Y oder Nb bilden, wenn sie gemäß den Lehren der Erfindung hergestellt sind, Filme, die ihre Unversehrtheit als Isolatoren bei Dicken bis hinunter zu 5 nm beibehalten.
- Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten Doppelstreifen-MR-Wandlers; und
- Fig. 2 ist eine Querschnittsansicht eines bekannten Doppelstreifen-MR-Wandlers, die einen Querschnitt des aktiven Bereichs des Wandlers zeigt.
- Die vorliegende Erfindung wird am besten durch Bezugnahme auf die Zeichnungen in Verbindung mit einem Durchsehen dieser Beschreibung verstanden. Die vorliegende Erfindung verwendet eine Klasse von Materialien, die als ein Dielektrikum nützlich sind, das verschiedene metallische Schichten in einer mehrschichtigen magnetoresistiven Struktur trennt.
- Es ist in der Technik bekannt, daß gewisse Metailfilme außerordentlich anfällig gegenüber einer Oxidation sind, wenn sie Luft ausgesetzt werden. In vielen Fällen reicht die dünne Schicht aus Oxid, die auf diese Art und Weise gebildet wird, aus, um eine wirkungsvolle (obgleich oftmals unbeabsichtigte) isolierende Schicht zwischen dem oxidierten Metallfilm und einer anschließend aufgebrachten Metallschicht zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung nutzt diese Eigenschaft beim Bereitstellen eines Dielektrikums, das aus einem oxidierten metallischen Film besteht.
- Nickel-Eisen-(25 nm)-/Tantal-(15 nm)- (NiFe/Ta-) Filme wurden auf einer Siliziumscheibe aufgebracht. Die Filme wurden zu Rechtecken mit einer Größe von etwa 14 X 200 Mikrometern strukturiert. Nach dem dreizehntägigen Aussetzen gegenüber Luft gefolgt von einem zweiminütigem Aussetzen gegenüber einem Sauerstoffplasma wurden Tantal/Gold- (Ta/Au-) Zuleitungen auf beiden Seiten der Rechtecke durch einen Abhebeprozeß aufgebracht.
- Drei weitere Siliziumscheiben wurden auf eine ähnliche Art und Weise prozessiert, mit Ausnahme davon, daß vor der Ta/Au-Zuleitungsaufbringung der strukturierte NiFe/Ta-Film für einige Minuten mit Argonionen geätzt wurde, um jegliche Oxidschicht auf der Oberfläche des Ta zu entfernen.
- Dann wurden die Widerstände der NiFe/Ta-Streifen gemessen, die die Ta/Au-Zuleitungen aufweisen. Die NiFe/Ta-Streifen der Scheibe, die nicht mit Argonionen geätzt wurden, hatten Widerstände, die einheitlich größer als 10.000 Ohm waren, wohingegen die Scheiben, die mit Argonionen geätzt wurden, Streifen erzeugten, die Widerstände von etwa 15 Ohm hatten.
- Somit lehrt die vorliegende Erfindung, daß ultradünne Dielektrika (von nicht mehr als 5 nin in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung) durch Oxidation von dünnen Metallfilmen erzeugt werden können. Das heißt, daß die vorliegende Erfindung das Problem der Oxidation bei verschiedenen Metallen vorteilhaft ausnutzt, das die Industrie für einige Zeit geplagt hat. Während aktuelle Lehren diese Oxidation vermeiden sollen und Verfahren für diese Vermeidung schaffen, basiert die vorliegende Erfindung somit auf einer derartigen Oxidation, um sehr dünne Dielektrika herzustellen. Diese Dielektrika können überraschenderweise dazu verwendet werden, um die MR-Streifen in einem Doppeistreifen- MR-Kopf zu trennen.
- Die vorliegende Erfindung schafft eine außerordentliche Verbesserung bei der dielektrischen Unversehrtheit von nachprozessiertem Metall gegenüber traditionell aufgebrachten Dielektrika aus zumindest folgenden Gründen:
- - verbesserte Oberflächenabdeckung eines aufgebrachtem Metalls gegenüber aufgebrachten dielektrischen Filmen; und
- - Erhöhung des wirksamen Volumens des aufgebrachten Metallfilms durch anschließende Oxidation.
- Die Erfindung sieht eine Verwendung von Oxiden von Tantal (Ta), Hafnium (Hf), Zirkonium (Zr), Niobium (Nb), Titan (Ti) oder Yttrium (Y) vor, welche vormals in der Technik nicht als potentielle Dielektrika für MR-Köpfe erkannt wurden.
- Die Metalle der vorliegenden Erfindung weisen eine starke Affinität gegenüber Sauerstoff auf und bilden stabile, stark haftende Oxide. Obwohl diese Oxide direkt durch bekannte Dünnfilmaufbringungstechniken aufgebracht werden könnten, sieht die vorliegende Erfindung die Herstellung der Oxide durch Oxidieren eines vorher aufgebrachten dünnen Metallfilms durch Aussetzen gegenüber Sauerstoff entweder bei erhöhten Temperaturen, in einem Plasma, in der Gegenwart von UV-Licht oder in jeglicher Kombination dieser drei vor. Experimente haben gezeigt, daß 5-nm-Ta wirkungsvoll durch entweder Aussetzen gegenüber Luft bei 300ºC oder durch Aussetzen gegenüber einem Sauerstoffplasma oxidiert werden können.
Claims (4)
1. Ein Verfahren zum Bilden einer dünnen Schicht (20) aus
einem dielektrischen Material in einer mehrschichtigen
magnetoresistiven Wandlerstruktur, die zwei nah
beabstandete magnetoresistive Streifen (14, 18) aufweist,
die durch die Schicht aus dielektrischem Material
getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß dasselbe die
Schritte des Bereitstellens eines dünnen Metallfilms,
der aus einer Gruppe ausgewählt ist, die Ta, Hf, Zr, Y,
Ti oder Nb umfaßt, und des Oxidierens des Metallfilms
durch Aussetzen des Films gegenüber Sauerstoff bei
erhöhten Temperaturen, in einem Plasma und/oder in der
Gegenwart von UV-Licht aufweist, um eine Schicht aus
dielektrischem Material zu bilden, die eine Dicke bis
hinunter zu 5 nm aufweist.
2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der dünne
Metallfilm ein aufgebrachter Film ist.
3. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das
dielektrische Material ebenfalls zwischen leitfähigen
Schichten (10/11, 12/13) gebildet ist, die dienen, um
Ströme (i&sub1;, i&sub2;) durch die magnetoresistiven Streifen
(14, 18) zu liefern.
4. Ein Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der
magnetoresistive Wandler Teil eines magnetoresistiven
Doppelstreifenkopfes ist, der einen ersten magnetoresistiven
Streifen (14), der zwischen ein erstes Paar leitfähiger
Schichten (10, 11) geschaltet ist, die axial von
demselben angeordnet sind, und einen zweiten
magnetoresistiven Streifen (18) aufweist, der zwischen ein zweites
Paar leitfähiger Schichten (12, 13) geschaltet ist, die
axial von demselben angeordnet sind.
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