專利名稱：洛倫茲磁致電阻傳感器及制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及利用洛倫茲力的磁阻傳感器(magnetoresistive sensor), 這種磁阻傳感器因而會表現(xiàn)出苛賓諾效應(yīng)(Corbino effect)、霍爾效應(yīng)(Hall effect)或兩者的組合(通稱為洛倫茲磁致電阻器)，且尤其涉及用于增大磁記 錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲密度和數(shù)據(jù)率的異常磁阻(EMR)傳感器。
背景技術(shù)：
計算機長期存儲器的核心是被稱為磁盤驅(qū)動器的組件。該磁盤驅(qū)動器包
括旋轉(zhuǎn)的磁盤、通過鄰近旋轉(zhuǎn)磁盤表面的懸臂懸掛的讀寫磁頭、轉(zhuǎn)動懸臂以 將讀和寫頭置于旋轉(zhuǎn);茲盤上選定圓形磁道上方的致動器。該讀和寫頭直接位
于具有氣墊面(ABS)的滑塊上。當磁盤不旋轉(zhuǎn)時，懸臂將滑塊偏置成與磁 盤表面接觸，當磁盤旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)的磁盤使空氣旋動。當滑塊浮在氣墊(air bearing)上時，采用讀和寫頭向旋轉(zhuǎn)盤寫入磁印及從旋轉(zhuǎn)盤讀取磁印 (magnetic impression)。讀和寫頭連接到處理電路，處理電路根據(jù)計算機程序 工作以實現(xiàn)寫和讀功能。
寫磁頭包括嵌入在第一、第二和第三絕緣層(絕緣堆疊)中的線圏層， 絕緣堆疊夾在第一和第二極片(pole piece)層之間。在第一和第二極片層之間 由寫磁頭氣墊面(ABS)處的間隙層形成間隙，極片層在后間隙處相連。傳 導(dǎo)到線圈層的電流在極片中感應(yīng)磁通，使得磁場在ABS的寫間隙處彌散出 來，以在移動介質(zhì)上的磁道中寫入前述磁印，例如在前述旋轉(zhuǎn)盤上的圓形磁 道中。
在最近的讀磁頭設(shè)計中，已經(jīng)使用自旋閥傳感器(也稱為巨磁致電阻 (GMR)傳感器)來感測來自旋轉(zhuǎn)磁盤的磁場。該傳感器包括夾在第一和第 二鐵磁層(以下筒稱被釘扎層和自由層)之間的非磁性導(dǎo)電層(以下簡稱間 隔層)。第一和第二引線連接到自旋閥傳感器，以通過其傳導(dǎo)感測電流。被 釘扎層的^f茲化方向通常垂直于氣墊面(ABS)，自由層的^f茲矩取向通常平行 于ABS但可以響應(yīng)于外部;茲場自由旋轉(zhuǎn)。被釘扎層的磁化通常通過與反鐵
磁層的交換耦合而被釘扎。
間隔層的厚度被選擇成小于通過傳感器的傳導(dǎo)電子的平均自由程。利用 這種布置，傳導(dǎo)電子的一部分被間隔層與被釘扎層和自由層每者的界面散 射。當被釘扎層和自由層的磁化彼此平行時，散射最小，當被釘扎層和自由
層的;茲化反平行時，散射最大。散射的變化與cose成比例地改變自旋閥傳 感器的電阻，其中e為被釘扎層和自由層磁化之間的角度。在讀取模式中， 自旋閥傳感器的電阻與來自旋轉(zhuǎn)的盤的磁場的幅度成比例地改變。當通過自 旋閥傳感器傳導(dǎo)感測電流時，電阻變化導(dǎo)致電勢變化，其被檢測并處理為回 讀信號。
然而，對持續(xù)增大數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)容量的驅(qū)動力已經(jīng)使研究人員尋找能夠 在減小的磁道寬度上具有更大靈敏度的新型磁阻傳感器。被稱為洛倫茲磁致 電阻器的一類重要的電勢磁阻傳感器、 磁記錄傳感器和掃描傳感器依賴于磁 場中帶電載體運動導(dǎo)致的洛倫茲力。 一種這樣的裝置被稱為霍爾傳感器。另
一種是被稱為異常磁致電阻傳感器(EMR)的傳感器。這些傳感器的優(yōu)點在 于，傳感器的有源區(qū)是由非磁性半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，不受巨磁致電阻傳感器 (GMR)和隧道閥中存在的磁噪聲問題影響，后兩者在它們的有源區(qū)中都使 用了磁性膜。
EMR傳感器包括與有源區(qū) 一側(cè)接觸的 一對電壓引線和一對電流引線以 及與有源區(qū)另一側(cè)接觸的導(dǎo)電旁路(shunt)。在未施加磁場的情況下，經(jīng)過電 流引線的感測電流進入半導(dǎo)體有源區(qū)中并通過旁路被分流。當存在外加磁場 時，電流被從旁路偏離，并主要通過半導(dǎo)體有源區(qū)。跨越電壓引線檢測因外 加磁場導(dǎo)致的電阻變化。EMR在T.Zhou等人的"Extraordinary magnetoresistance in externally shunted van der Pauw plates" ( Appl. Phys. Lett.， Vol.78， No. 5, 2001年1月29日，667-669頁) 一文中有介紹。
然而，即使這種EMR裝置具有優(yōu)點，對于提高可以存儲在裝置中以及 從裝置讀取的磁性信息的數(shù)據(jù)率和數(shù)據(jù)密度而言，仍然有不斷緊迫的需求。 隨著這些EMR器件和其他洛倫茲磁致電阻器不斷變小，制作必需的極小引 線和極小引 線間隔的能力受到當前光刻4支術(shù)分辨極限的限制。
因此，非常需要這樣一種傳感器設(shè)計和制造方法，其允許以超出當前可 用光刻工藝分辨極限的非常小的尺寸來構(gòu)造這種傳感器。這種結(jié)構(gòu)和/或方法 會優(yōu)選允許以極小的引線間隔來制造這種器件的引線，以便能讀取非常短的
磁位。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了 一種具有極小引線寬度和引線間隔的洛倫茲磁致電阻
(LMR )傳感器(本領(lǐng)域的技術(shù)人員還稱為異常磁致電阻傳感器或(EMR))。 該傳感器可以通過新型制造方法制造，該方法允許以如下方式淀積引線，即 引線寬度和引線間的間隔由引線層和引線之間的電絕緣間隔層的淀積厚度 決定，而不是由光刻決定。因為引線厚度和引線間隔不是由光刻決定的，所 以引線厚度和引線間隔不受光刻分辨極限的限制。
因此，引線可以被形成為在與要感測的》茲場的方向(例如平行于ABS 平面)垂直的方向上淀積的層，使得引線層是沿著垂直于ABS的平面形成 的。類似地，引線之間的電絕緣間隔層也可以被形成為在與要感測的磁場的 方向垂直的平面中淀積的層，使得絕緣層沿著也垂直于ABS平面的平面形 成。
在本發(fā)明一個可能實施例中，傳感器的磁有源部分可以被構(gòu)造成一層諸 如Si的半導(dǎo)體。本發(fā)明的實施例便于沿平行于ABS的方向淀積EMR傳感 器的磁有源部分，由此便于沿該相同方向淀積引線和間隔層。
在根據(jù)本發(fā)明實施例制造傳感器的一種可能方法中，可以在非磁性電絕 緣邱于底材料中形成溝槽。然后可以向溝槽中淀積一系列引線和間隔層。然后， 可以去除那些引線和間隔層的一部分，并可以淀積i者如半導(dǎo)體的材料，以形 成與引線和間隔層相鄰的磁有源結(jié)構(gòu)?？梢詧?zhí)行另 一材料去除和再填充過程 以形成與》茲有源結(jié)構(gòu)相鄰并與引線和間隔層相對的旁路結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的另 一可能實施例中，可以通過一 系列連續(xù)的填充和蝕刻步驟 形成引線和》茲有源部分，使得一部分》茲有源結(jié)構(gòu)是在淀積一個或多個引線和 絕緣層中的每個之后淀積的。
在本發(fā)明的第三可能實施例中，首先向襯底上淀積引線和絕緣層。隨后 是蝕刻工藝，以去除引線和間隔層的一部分，并可以淀積諸如半導(dǎo)體的材料， 以形成與引線和間隔層相鄰的》茲有源結(jié)構(gòu)。然后可以4丸行另 一材料去除和再
通過結(jié)合附圖閱讀優(yōu)選實施例的以下詳細描述將明了本發(fā)明的這些和 其他特征和優(yōu)點，在所有附圖中，類似的附圖標記表示類似的元件。
為了更完整地理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點以及優(yōu)選的使用模式，應(yīng)當結(jié)合 附圖閱讀以下詳細說明，附圖不是按比例繪制的。
圖l是其中可以實施本發(fā)明的磁盤驅(qū)動系統(tǒng)的示意圖； 圖2為示出了滑塊上的磁頭位置的滑塊的ABS視圖； 圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的EMR器件的示意性等距視圖； 圖4是從圖3的線4-4截取的截面圖； 圖5為根據(jù)本發(fā)明實施例的EMR器件的示意性等距視圖； 圖6-13為示出了4艮據(jù)本發(fā)明實施例的制造EMR傳感器的方法的截面 圖；以及
圖14-28為示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的制造EMR傳感器的方法的截面圖。
具體實施例方式
以下描述是為了實施本發(fā)明而當前構(gòu)思的最佳實施例。給出該描述是為 了例示本發(fā)明的一般原理，并不是要限制在此主張的發(fā)明構(gòu)思。
現(xiàn)在參考圖1，圖1示出了可以實現(xiàn)本發(fā)明的,茲盤驅(qū)動器100。如圖1 所示，至少一個可旋轉(zhuǎn)磁盤112被支撐在主軸114上并由磁盤驅(qū)動器馬達118 旋轉(zhuǎn)。每個盤上的磁記錄是磁盤112上的同心數(shù)據(jù)磁道(未示出)的環(huán)形圖 案的形式。
至少一個滑塊113位于磁盤112附近，每個滑塊113支撐一個或多個磁 頭組件121。在i茲盤旋轉(zhuǎn)時，滑塊113沿徑向在盤面122上進出移動，使得 磁頭組件121可以訪問寫有所需數(shù)據(jù)的磁盤的不同磁道。每個滑塊113都通 過懸臂115附著于致動器臂119上。懸臂115提供輕微的彈力，將滑塊113 偏置向盤面122。每個致動器臂119都附著于致動器裝置127。如圖1所示 的致動器裝置127可以是音圏電機(VCM)。 VCM包括可以在固定磁場中 活動的線圈，線圏運動的方向和速度受到由控制單元129提供的電機電流信 號控制。
在》茲盤存儲系統(tǒng)工作期間，；茲盤112的轉(zhuǎn)動在滑塊113和盤面122之間 產(chǎn)生氣墊，其對滑塊施加向上的力或升力。于是在正常運行期間，氣墊平衡
懸臂115的輕微彈性力并支撐滑塊113離開盤面，稍微位于盤面上方一小的 基本恒定的間距。
在運行期間，由控制單元129產(chǎn)生的控制信號，例如存取控制信號和內(nèi) 部時鐘信號，來控制^茲盤存儲系統(tǒng)的各組件。典型地，控制單元129包括邏 輯控制電路、存儲裝置和微處理器?？刂茊卧?29產(chǎn)生控制信號以控制各種 系統(tǒng)運行，例如線路123上的驅(qū)動馬達控制信號和線路128上的磁頭定位和 尋道控制信號。線路128上的控制信號提供期望的電流曲線，以最佳方式移 動滑塊113并將其定位到盤112上的所需數(shù)據(jù)^磁道。通過記錄通道125向和 從讀和寫頭121傳送寫和讀信號。
參考圖2，可以更詳細地看出滑塊113中磁頭121的取向。圖2為滑塊 113的ABS^見圖，可以看出，包括感應(yīng)寫磁頭和讀傳感器的》茲頭位于滑塊的 后緣上。以上對典型磁盤存儲系統(tǒng)的描述和所附的圖l僅僅是為了說明的目 的。顯然，f茲盤存儲系統(tǒng)可以包含大量的磁盤和致動器，且每個致動器可以 支撐若干滑塊。
現(xiàn)在參考圖3,其示出了用在磁頭121 (圖2)中的現(xiàn)有技術(shù)的異常磁致 電阻傳感器(EMR) 300。 EMR傳感器300可以包括結(jié)構(gòu)302,該結(jié)構(gòu)是形 成于諸如GaAs的半導(dǎo)體襯底304上的III-V族異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明所 述的EMR傳感器不限于m-V族半導(dǎo)體材料。例如，其也可以基于硅或鍺而 形成。此外，本發(fā)明不限于III-V族異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其也可以由III-V族半導(dǎo)體薄 膜形成。異質(zhì)結(jié)構(gòu)302包括具有第一帶隙的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第一層306、 形成于第一層306上且具有小于第一層306的帶隙的笫二帶隙的半導(dǎo)體材料 構(gòu)成的第二層308以及形成于第二層308頂上且具有大于第二帶隙的第三帶 隙的半導(dǎo)體材料構(gòu)成的第三半導(dǎo)電層310。第一和第三層306、 310中的材料 可以相似或相同。由于不同材料的不同帶隙，第一、第二和第三半導(dǎo)體材料 生成了能量勢阱(量子阱)。于是，可以將載流子約束在層308之內(nèi)，在傳 感器300中將層308視為EMR有源膜。也將這稱為量子阱或二維電子氣 (2DEG)層。
第一層306通常形成于可以是一層或多層的緩沖層312頂上。緩沖層312 包括若干周期的超晶格結(jié)構(gòu)，用于防止襯底中的雜質(zhì)遷移到功能層306、 308、 310中。此外，選擇緩沖層312以調(diào)和襯底304和異質(zhì)結(jié)構(gòu)302的功能層的 一般不同的晶格常數(shù)，從而充當襯底和功能層之間的應(yīng)力釋放層。
將一個或多個摻雜層并入第一層306、第三層310或兩層306和310中 的半導(dǎo)體材料中，并與第二和第三半導(dǎo)體材料的邊界間隔開。摻雜層向量子
阱提供電子(如果是n摻雜的)或空穴(如果是p摻雜的)。電子或空穴分 別以二維電子氣或空穴氣的形式集中在量子阱中。對于AlSb/InAs/AlSb異質(zhì) 結(jié)構(gòu)而言，摻雜層不是必需的，其中電子源于AlSb層中的深施主以及AlSb 和InAs量子阱之間界面處的狀態(tài)。
層306、 308 、 310可以是生長在半絕緣GaAs襯底304上的 Alo.o9lno,wSb/InSb/Alo.o9lno.wSb異質(zhì)結(jié)，其間有緩沖層312。層306、 308、 310 也可以是AlSb/InAs/AlSb。 InSb、 GaAs和InAs是窄帶隙的半導(dǎo)體。窄帶隙 半導(dǎo)體通常具有高電子遷移率，因為有效電子質(zhì)量得到很大降低。例如，InSb 和InAs的室溫電子遷移率分別為70000cm2/Vs和35000cm2/Vs。
形成于緩沖層312上的底部Ala()9Ino.91Sb層306厚度在大約1-3微米的 范圍內(nèi)，頂部Al0.09Ina91Sb層310厚度在大約10到lOOOnm的范圍內(nèi)，典型 的為50nm。并入層306、 310中的摻雜層具有從單個分子層(5摻雜層)直 到lOnm的厚度。摻雜層與第一和第二或第二和第三半導(dǎo)體材料的 InSb/Al,Ino,wSb邊界間隔10-300埃的距離。優(yōu)選n摻雜，因為電子通常比 空穴具有更高的遷移率。典型的n型摻雜劑為濃度在l到1019/0113范圍內(nèi)的 硅。對于AlSb/InAs/AlSb量子阱而言，也能夠用5摻雜提高InAs量子阱中 的電子密度。通常通過在AlSb層之內(nèi)插入少許Te單分子層來實現(xiàn)這點。異 質(zhì)結(jié)構(gòu)302的淀積工藝優(yōu)選為分子束外延，不過也可以使用其他外延生長方 法。
在異質(zhì)結(jié)構(gòu)302上形成帽蓋層314以保護器件不受腐蝕。帽蓋層314由 絕緣材料形成，例如鋁或硅的氧化物或氮化物(例如八1203、 Si3N4)或非腐 蝕性半絕緣半導(dǎo)體。層312、 306、 308、 310、 314—起形成可稱為臺式(mesa) 結(jié)構(gòu)315的結(jié)構(gòu)。
在EMR結(jié)構(gòu)302的一側(cè)上構(gòu)圖兩個電流引線316、318和兩個電壓引線 320、 322，使它們與量子阱電接觸。在EMR結(jié)構(gòu)302的與電流引線和電壓 引線相反的一側(cè)上構(gòu)圖金屬旁路324，使其與量子阱電接觸。外加磁場H(圖 4)，即要感測的磁場通常與EMR結(jié)構(gòu)302中的層的平面垂直地取向。引線 通常包括擴散到器件中的金屬接觸，例如Au、 AuGe或Ge。對于基于Si的 EMR器件而言，引線和旁路材料優(yōu)選為Si的金屬合金(例如TiSi2)或高度
n型摻雜的區(qū)域。通常在淀積帽蓋層314之后形成引線，有時在去除一些帽 蓋層材料之后形成引線。
圖4為通過有源膜308的截面的EMR傳感器3G0的頂視圖，將示出傳 感器的基本操作。在未施加磁場的情況下，經(jīng)過電流引線316、 318的感測 電流進入半導(dǎo)體有源膜308中并通過線402所示的旁路324被分流。如圖4 中尾部進入紙面內(nèi)的箭頭所示，當存在具有垂直于EMR結(jié)構(gòu)302中的層的 平面的分量的外加磁場H時，電流被從旁路324偏離，并主要通過半導(dǎo)體有 源膜308，如線404所示?？缭诫妷阂€320、 322檢測到因外加磁場導(dǎo)致的 電阻變化。
現(xiàn)在參考圖5，其示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的EMR傳感器500。圖5為 EMR傳感器500的切開透視圖，如圖所示，氣墊面(ABS)位于結(jié)構(gòu)的頂 表面。通過定義平面AAAA和BBBB可以更好地理解傳感器500。平面AAAA 被顯示在圖5中的前面，并由字母"A"表示的角部代表。平面BBBB具有 字母"B"，圖5中僅示出了三個字母B。平面AAAA和BBBB相互平行， 且垂直于氣墊面ABS。
EMR傳感器500可以包括》茲有源層502，其優(yōu)選由諸如Si的半導(dǎo)體材 料構(gòu)成。EMR傳感器還包括導(dǎo)電旁路結(jié)構(gòu)504，其可以由諸如TiSb的材料 或一些其他非磁性導(dǎo)電材料構(gòu)成。EMR傳感器500嵌入于諸如氧化物或氮 化物層的非磁性襯底材料506中。
盡管現(xiàn)有技術(shù)的EMR傳感器一直使用如上文參考圖3所述的半導(dǎo)體多 層結(jié)構(gòu)來形成量子阱，但可以利用形成為半導(dǎo)體材料(例如Si)層的磁有源 區(qū)502來實現(xiàn)本發(fā)明，而不需要諸如上文所述的多層結(jié)構(gòu)。其他適當?shù)陌雽?dǎo) 體材料為m-V族薄膜，例如GaAs、 InSb和InAs。應(yīng)當指出，可以利用諸 如參考圖3所述的EMR異質(zhì)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)本發(fā)明。然而，參考圖5所述的EMR 結(jié)構(gòu)便于制造下文描述的新穎引線結(jié)構(gòu)，而且在用于空間分辨率很小的傳感 器中時提供了某些性能優(yōu)勢。
傳感器500包括第一和第二電流引線508、 510以及第一和第二電壓引 線512、 514。傳感器500與上文參考圖3所述的傳感器300類似地工作，在 沒有磁場的時候，從第一電流引線508流到第二電流引線510的電流通過旁 路504。在存在取向垂直于ABS的》茲場時，更多電流偏移進入到半導(dǎo)體中， 即傳感器500的磁有源部分502中，這增大了跨電壓引線512和514測量的
電阻。
繼續(xù)參考圖5， EMR傳感器500包括新穎的引線結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)允許以極 窄的引線間隔構(gòu)造引線，使得EMR傳感器能夠讀取極小的數(shù)據(jù)位?，F(xiàn)有技 術(shù)的引線結(jié)構(gòu)一直由光刻構(gòu)圖限定引線寬度以及引線間的間隔。因此，引線 間隔受到當前可用的光刻技術(shù)的分辨極限的限制。通過這種方式構(gòu)圖非常窄 的引線間隔的能力進一步受到EMR結(jié)構(gòu)自身的高形貌的限制，這使得高分 辨率光刻更加困難。
然而，本發(fā)明的引線結(jié)構(gòu)根本不同，允許以極窄的引線寬度和引線間隔 來構(gòu)造引線。如圖5所示，引線508、 510、 512、 514被電絕緣間隔層516、 518、 520、 522、 524分開。引線層508-514以及絕緣間隔層516-524在垂直 于AAAA和BBBB平面且平行于ABS的平面中淀積，從而獲得沿平行于 AAAA和BBBB平面且垂直于ABS的平面形成的引線層508、 510、 512、 514?？梢詮腁AAA平面或BBBB平面的方向淀積。這與現(xiàn)有技術(shù)的器件根 本不同，在現(xiàn)有技術(shù)的器件中，引線是沿垂直于ABS (平行于AAAA和 BBBB)的方向淀積的，且引線寬度和間隔由光刻工藝決定。
因此，對于本發(fā)明而言，垂直于AAAA和BBBB平面的方向上的每個 引線層508-514的寬度Wl以及每個間隔層516-524的寬度W2由層508-524 的每層厚度決定。由于能夠仔細地將每層的厚度控制在非常小的尺寸，這使 得引線寬度和引線間隔能夠極小。如圖5所示，傳感器500優(yōu)選具有IVIV 引線配置，其中， 一條電流引線510被夾在兩條電壓引線512、 514之間(并 與其電絕緣)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這相對于參考圖3上述的IWI結(jié)構(gòu)提供了性能優(yōu)點。 由于在兩根電壓引線512、 514之間設(shè)置電流引線510必需要進一步分開電 壓引線，因此，該IVIV結(jié)構(gòu)還帶來對非常小的引線寬度和引線間隔的更大 需求。
如上所述，可以將引線層508-514和間隔層516-524的每層描述為是沿 著平行于圖5的AAAA和BBBB平面取向且還優(yōu)選垂直于ABS平面的平面 (或具有界定平面的表面)形成的。例如，可通過首先淀積多晶硅(在后續(xù) 階段與Si結(jié)合形成TiSi2)來形成導(dǎo)電引線508-514,并且，例如可以由氧化 物或氮化物來形成每個間隔層。引線層508-514的每層可以具有2-10nm或 大約5nm的寬度Wl。 VIV區(qū)域中的間隔層520-522的每層可以具有l(wèi)-5nm 或大約2nm的寬度W2，由層508-514、 520和522的淀積厚度界定寬度Wl
和W2 (如上所述)。
現(xiàn)在參考圖6-13,介紹根據(jù)本發(fā)明實施例制造EMR傳感器(例如圖5 的傳感器500)的一種可能方法。特別參考圖6，提供襯底602。襯底例如可 以是Si或一些其他半導(dǎo)體材料。在襯底上形成掩模604。掩模604可以由諸 如光致抗蝕劑的材料構(gòu)成，且形成有開口，該開口設(shè)置為界定將要介紹的溝 槽。然后參考圖7，進行諸如反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或濕法蝕刻的材料去除 工藝以在襯底602中形成溝槽。
然后參考圖8，向襯底602中形成的溝槽中淀積一系列引線和絕緣層。 首先可以淀積絕緣層804。然后可以淀積第一引線層806，隨后是絕緣層808。 然后可以淀積第二引線層810，隨后是絕緣層812。然后可以淀積第三引線 814，隨后是另一較厚絕緣層816。最后可以淀積第四引線818，隨后是絕緣 層820。
引線層806、 810、 814和818的每層可以由諸如TiSi2的導(dǎo)電材料或n 型高摻雜多晶硅構(gòu)成，電絕緣層804、 808、 812、 816和820的每層可以由 諸如氧化物或氮化物的電絕緣材料構(gòu)成。對于多晶硅而言，為了使引線層 806、 810、 814和818導(dǎo)電性高，與多晶硅一起淀積Ti，然后進行退火步驟 以形成期望的TiSi2導(dǎo)電引線。層806對應(yīng)于圖5中的引線層514。類似地， 層810對應(yīng)于引線510、層814對應(yīng)于引線512，層818對應(yīng)于引線508。因 此，可以將層806、 810、 814、 818的每層淀積至2-10nm或大約5nm的厚 度，由此界定先前參考圖5所述的引線寬度W1。
層804對應(yīng)于圖5中的絕緣層524。類似地，層808對應(yīng)于層522，層 812對應(yīng)于層520，層816對應(yīng)于層518，且層818對應(yīng)于層508。因此，層 808和812的每個都可以具有l(wèi)-5nm或大約2nm的厚度，由此界定以上參考 圖5所述的寬度W2。
現(xiàn)在參考圖9,形成具有邊緣904的掩模902，例如光致抗蝕掩才莫，將 其配置成不覆蓋下方層804-820的期望部分。然后，執(zhí)行諸如蝕刻的材料去 除工藝以去除未被掩才莫902覆蓋的層804-820的部分。如圖10所示，這在 層804-820中形成溝槽。然后，參考圖11,向以上形成的溝槽中淀積諸如硅 1102的材料。該硅層然后形成了以上參考圖5所述的石茲有源層502。
然后參考圖12，去除掩模902，由諸如光致抗蝕劑的材料形成新的掩模 1202。掩模1202具有與i茲有源層1102的邊緣相鄰的開口。如將所示，將掩
模1202的開口構(gòu)造成界定先前參考圖5所述的旁路504。然后參考圖13， 執(zhí)行諸如蝕刻的另一材料去除工藝以去除未被掩模1202保護的襯底材料 602的部分，由此在襯底602中形成與石茲有源層1102相鄰、與引線和絕緣層 804-820相反的溝槽，并向溝槽中淀積諸如TiSi2或其他導(dǎo)電材料的導(dǎo)電材料 1302。
可以在所有層上方淀積堅硬的非磁性電絕緣材料(例如氧化鋁)的保護 層1304,以保護剛剛形成的EMR傳感器免受損傷。為了形成在磁性數(shù)據(jù)記 錄裝置中使用的EMR傳感器，將會對剛剛形成的結(jié)構(gòu)切片和拋光，從而暴 露出如圖13所示的結(jié)構(gòu)，以形成的氣墊面(ABS)，如上文參考圖5所述的 ABS。
現(xiàn)在參考圖14-28，介紹根據(jù)本發(fā)明實施例制造EMR傳感器的另 一種可 能方法。參考圖14-28描述的方法利用了一系列多個較溫和的蝕刻步驟。由 于蝕刻步驟比前面描述的實施例更溫和，因此它們不大可能對傳感器的層造 成損傷，在閱讀以下描述之后將更好地理解這點。
特別參考圖14，提供襯底1402。襯底1402例如可以由Si、 GaAs、 InSb 或InAs構(gòu)成。在襯底1402上形成掩模1404，該掩模具有開口，以界定將要 在其中形成EMR傳感器的溝槽。執(zhí)行諸如蝕刻的材料去除工藝以去除未被 掩模1404保護的襯底1402的部分，由此在襯底1402中形成溝槽。
可以淀積第一絕緣層1406，隨后是第一引線層1408。第一絕緣層例如 可以是氮化物或氧化物材料，導(dǎo)電層例如可以是Au、 TiSi2、 AuGe。然后參 考圖15，可以形成另一掩模1502，不覆蓋引線1408和絕緣層1406的一部 分?？梢詧?zhí)行諸如蝕刻的另一材料去除工藝，以去除未被掩模1502覆蓋的 引線和絕緣層1408、 1406的部分。然后參考圖16，淀積諸如Si、 InAs、 GaAs 或InSb的半導(dǎo)體材料層1602,以形成第一層磁有源層，諸如上文參考圖5 所述的層502。
然后參考圖17，形成結(jié)構(gòu)類似于參考圖14所述的掩模1404的另一掩模 1702，并淀積絕緣層1704和引線層1706。同樣，引線層1706可以是多晶硅、 Au、 TiSi2、 AuGe，絕緣層1704可以是氮化物或氧化物。然后參考圖18， 形成類似于參考圖15所述的掩模1502的另一掩模1802，然后可以執(zhí)行溫和 的刻蝕過程以去除未被掩模1802覆蓋的層1704、 1706的部分，獲得如圖19 所示的結(jié)構(gòu)。然后參考圖20,可以淀積諸如Si、 InAs、 GaAs或InSb的另一
半導(dǎo)體層2002。
將該過程再重復(fù)幾次。參考圖21,形成類似于掩模1702 (圖17)的另 一掩模2101，并淀積絕緣層和引線層2102、 2104。同樣，絕緣層可以是氮 化物或氧化物，引線層可以是諸如多晶硅、Au、 TiSi2、 AuGe的材料。然后， 參考圖22，如上所述，執(zhí)行另一掩蔽、蝕刻和淀積步驟，以淀積如圖22所 示的另一半導(dǎo)體層2202。然后，參考圖23,形成另一掩模2302并淀積諸如 氮化物或氧化物的絕緣材料2304的較厚層，并參考圖24,執(zhí)行另一掩蔽、 蝕刻和淀積過程，以淀積與絕緣層2304相鄰的另一較厚半導(dǎo)體層2402。然 后參考圖25，形成另一掩模2502,并淀積另一諸如多晶硅、Au、 TiSi2、 AuGe 的引線層2504。然后，參考圖26，執(zhí)行另一掩蔽、蝕刻和淀積過程以淀積 與引線層2504相鄰的另 一半導(dǎo)體層。
然后參考圖27，形成另一掩模2702，并淀積另一最后絕緣材料層2704， 且如圖28所示，執(zhí)行另一掩蔽、蝕刻和淀積步驟，以形成與絕緣層2704相 鄰的另 一最后半導(dǎo)體材料層2802?？梢缘矸e非磁性電絕緣材料的保護層2804 以保護剛剛制作的傳感器結(jié)構(gòu)不受損傷。所淀積的半導(dǎo)體層1602、 2002、 2202、 2402、 2602、 2802 —起形成對應(yīng)于上文參考圖5所述的結(jié)構(gòu)502的磁 有源半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
上述淀積和蝕刻步驟系列利用 一系列溫和的蝕刻步驟，而不是單個劇烈 的蝕刻步驟，允許淀積與引線和絕緣層1406、 1408、 1704、 1706、 2102、 2104、 2304、 2504、 2704相鄰的半導(dǎo)體層1602、 2002、 2202、 2402、 2602、 2802， 從而避免了可能會因為單個劇烈蝕刻步驟對各層帶來的損傷。在形成如上所 述的結(jié)構(gòu)之后，可以對其上已形成整個結(jié)構(gòu)的晶片切片并拋光，從而暴露出 圖28所示的表面并形成氣墊面(ABS)。
盡管上文已經(jīng)描述了各個實施例，但應(yīng)當理解僅僅是通過舉例而非限制 的方式給出的它們。落在本發(fā)明范圍內(nèi)的其他實施例也可能對于本領(lǐng)域的技 術(shù)人員是明顯的。于是，本發(fā)明的范圍寬度不應(yīng)受到任何上述示范性實施例 的限制，而應(yīng)當僅根據(jù)以下權(quán)利要求及其等價要件來加以界定。
權(quán)利要求
1. 一種洛倫茲磁致電阻傳感器，包括具有第一和第二側(cè)并具有氣墊面的磁有源結(jié)構(gòu)；與所述磁有源結(jié)構(gòu)的第二側(cè)電連接的多根導(dǎo)電引線，每根所述導(dǎo)電引線包括沿垂直于所述氣墊面取向的平面形成的導(dǎo)電材料層。
2. —種洛倫茲磁致電阻傳感器，包括具有第 一和第二側(cè)并具有延伸于所述第 一和第二側(cè)之間的氣墊面的,茲 有源結(jié)構(gòu)；與所述i茲有源層的第 一側(cè)電連接的導(dǎo)電旁路結(jié)構(gòu)；以及 與所述磁有源結(jié)構(gòu)的第二側(cè)電連接的多根導(dǎo)電引線，每根所述導(dǎo)電引線 包括沿垂直于所述氣墊面取向的平面形成的導(dǎo)電材料層。
3. —種霍爾磁致電阻傳感器，包括具有第一和第二側(cè)并具有延伸于所述第一和第二側(cè)之間的氣墊面的》茲 有源結(jié)構(gòu)；與所述;茲有源結(jié)構(gòu)的第二側(cè)電連接的多根導(dǎo)電引線，每根所述導(dǎo)電引線 包括沿垂直于所述氣墊面取向的平面形成的導(dǎo)電材料層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，具有與所述多個導(dǎo)電引線層的每個 相鄰形成的電絕緣層，所述電絕緣層沿著垂直于所述氣墊面的平面形成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中每根所述導(dǎo)電引線包括從多晶 硅、Au、 TiSi2和AuGe構(gòu)成的組中選擇的材料。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述電絕緣層包括氧化物。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述電絕緣層包括氮化物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述》茲有源層包括半導(dǎo)體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的傳感器，其中所述磁有源層包括從Si、 GaAs、 InAs、 InSb或In、 As和Sb的合金構(gòu)成的組選擇的材料。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述》茲有源層包括形成為半導(dǎo) 體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的量子阱。
11. 一種洛倫茲/f茲致電阻傳感器，包括石茲有源結(jié)構(gòu)，具有響應(yīng)于外加》茲場而變化的電阻； 與所述》茲有源結(jié)構(gòu)連接的多個導(dǎo)電引線層；以及 多個電絕緣層，每個所述導(dǎo)電引線層通過所述多個電絕緣層之一與相鄰的導(dǎo)電引線層隔開；且其中所述導(dǎo)電引線之間的間隔由所述電絕緣層的厚度決定。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的洛倫茲磁致電阻傳感器，其中每個所述導(dǎo) 電引線具有由所述導(dǎo)電引線層的厚度界定的引線寬度。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的洛倫茲磁致電阻傳感器，其中每個所述導(dǎo) 電引線層包括沿垂直于所述EMR傳感器的氣墊面的平面形成的導(dǎo)電材料 層。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的洛倫茲磁致電阻傳感器，其中每個所述導(dǎo) 電引線層包括沿垂直于所述EMR傳感器的氣墊面的平面形成的多晶硅層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的洛倫茲磁致電阻傳感器，其中每個所述電 絕緣層包括沿垂直于所述傳感器的氣墊面的平面形成的電絕緣材料層。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的洛倫茲磁致電阻傳感器，其中每個所述電 絕緣層包括沿垂直于所述傳感器的氣墊面的平面形成的氧化物層。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的洛倫茲磁致電阻傳感器，其中每個所述電 絕緣層包括沿垂直于所述傳感器的氣墊面的平面形成的氮化物層。
18. —種制造洛倫茲磁致電阻傳感器的方法，包括 提供襯底；在所述襯底中形成溝槽； 在所述溝槽中淀積第 一導(dǎo)電引線層； 在所述溝槽中在所述第一引線層上方淀積非磁性間隔層； 在所述溝槽中在所述非磁性間隔層上方淀積第二導(dǎo)電引線層；以及 在所述溝槽中形成磁有源結(jié)構(gòu)，所述磁有源結(jié)構(gòu)與所述第 一和第二導(dǎo)電 引線層的邊緣電接觸。
19. 一種制造洛倫茲磁致電阻傳感器的方法，包括 提供襯底；在所述襯底上形成第一引線層； 在所述第一引線層上形成絕緣層； 在所述絕緣層上形成第二引線層；以及形成磁有源結(jié)構(gòu)，所述》茲有源結(jié)構(gòu)與所述第 一和第二引線層接觸。
20. —種制造洛倫茲磁致電阻傳感器的方法，包括 提供襯底；在所述襯底上形成第 一 引線層； 在所述第一引線層上形成第一絕緣層； 在所述絕緣層上形成第二引線層； 在所述第二 ？ I線層上形成第二絕緣層； 在所述第二絕緣層上形成第三51線層； 在所述第三引線層上形成第三絕緣層； 在所述第三絕緣層上形成第四引線層；以及形成^F茲有源結(jié)構(gòu)，所述i茲有源結(jié)構(gòu)與所述第一、第二、第三和第四引線 層接觸。
21. —種制造洛倫茲磁致電阻傳感器的方法，包括 提供襯底；在所述第一引線層上方淀積非磁性間隔層；淀積第一導(dǎo)電引線層；在所述第 一引線層上方淀積非磁性間隔層；在所述非磁性間隔層上方淀積第二導(dǎo)電引線層；形成通過各層的溝槽；以及在所述溝槽中形成^茲有源結(jié)構(gòu)，所述磁有源結(jié)構(gòu)與所述第 一和第二以及 其他更高的導(dǎo)電引線層的邊緣電接觸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有極小引線寬度和引線間隔的洛倫茲磁致電阻傳感器及制造方法。該傳感器可以通過新型制造方法制造，該方法允許以如下方式淀積引線，使得引線寬度和引線間的間隔由引線層和引線間電絕緣間隔層的淀積厚度決定，而不是由光刻決定。因為引線厚度和引線間隔不是由光刻決定的，所以引線厚度和引線間隔不受光刻分辨極限的限制。
文檔編號H01L43/12GK101393961SQ20081014948
公開日2009年3月25日 申請日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月18日
發(fā)明者喬爾格·旺德里克, 安德魯·S·特魯普, 布魯斯·A·格尼, 戴維·A·威廉斯, 歐內(nèi)斯托·E·馬里納羅 申請人:日立環(huán)球儲存科技荷蘭有限公司