(57)【要約】【課題】方法、およびデータリーダを備える装置を提供する。【解決手段】データリーダは、最初に基板を１００Ｋ以下の温度に冷却し、その後、基板を当該温度に維持しながら基板上にデータリーダの少なくとも１つの層を堆積させることによって、調整された微細構造を備え得る。調整された微細構造は、粒度と、粒度分布と、データリーダの複数の層間の界面品質と、抵抗と面積との積と、磁気抵抗とで少なくとも構成され得る。【選択図】図１Ａ
2016035797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
方法であって、
基板を１００Ｋ以下の温度に冷却するステップと、
調整された微細構造を提供するために、前記基板を前記温度に維持しながら前記基板上にデータリーダの少なくとも１つの層を堆積させるステップとを備え、前記調整された微細構造は、粒度と、粒度分布と、前記データリーダの複数の層間の界面品質と、抵抗と面積との積と、磁気抵抗とを備える、方法。
【請求項２】
前記データリーダの固定された磁化基準層および／または磁気的に自由な層の堆積中は、前記基板の前記温度が維持される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記データリーダの複数の層の堆積中に極低温温度が変更される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記データリーダの前記少なくとも１つの層は、界面を有する磁性層を備え、前記界面の粗さは低減されている、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記基板の冷却は、磁気抵抗の増大、前記データリーダの層間の結合の減少、および／または、前記データリーダの抵抗と面積との積の減少に対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
室温でまたは室温を上回る温度で、ＭｇＯを含む障壁層が後に前記界面の上に堆積される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記基板は、前記堆積させるステップ中に回転する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記基板は、前記堆積させるステップ中は静止している、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記基板は、前記堆積させるステップ中に冷却される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板は、複数の別々のデータリーダを同時に収容する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
方法であって、
第１のチャンバ内で基板を１００Ｋ以下の温度に冷却するステップと、
調整された微細構造を提供するために、前記基板を前記温度に維持しながら第２のチャンバ内で前記基板上に第１のデータリーダの少なくとも１つの層を堆積させるステップとを備え、前記調整された微細構造は、粒度と、粒度分布と、前記データリーダの複数の層間の界面品質と、抵抗と面積との積と、磁気抵抗とを備える、方法。
【請求項１２】
前記第１のデータリーダの前記複数の層の各々が堆積されている間に、極低温冷却ガスは前記基板の第２の面に接触する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記複数の層は、エックスサイチュ堆積された第２のデータリーダと比較して磁気抵抗が５〜５０％増加した磁気スタックを形成する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
同時的な冷却および堆積は、ウェハ内均一性、ウェハ間均一性およびスループットの増大に対応する基板温度均一性、再現性および制御を最適化する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
基板上に位置決めされたデータリーダを備える装置であって、前記データリーダの少なくとも１つの層は、前記基板が１００Ｋ以下の温度に維持されることに応答して、調整された微細構造を有し、前記調整された微細構造は、粒度と、粒度分布と、前記データリーダの複数の層間の界面品質と、抵抗と面積との積と、磁気抵抗とを備える、装置。
【請求項１６】
前記データリーダは、磁性層および非磁性層の磁気スタック積層体を備える、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記磁気スタック積層体は、空気軸受面（ＡＢＳ）上に固定された磁化を持たない磁気スタックである、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記磁気スタック積層体は、空気軸受面（ＡＢＳ）上に固定された磁化を有する磁気抵抗素子である、請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記温度は、５０Ｋ以下である、請求項１５に記載の装置。
【請求項２０】
前記データリーダの少なくとも１つの層は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、ＣｏＦｅｘ、ＣｏＦｅｘＴａｙ、ＣｏＦｅｘＢｙＴａｚ、ＮｉＦｅｘ、ＮｉＦｅｘＺｒｙおよびＮｉＦｅｘＮｂｙのうちの１つを備える、請求項１５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００１】
発明の詳細な説明
概要
さまざまな実施例は、最初に基板を１００Ｋ以下の温度に冷却し、その後、基板を当該温度に維持しながら基板上にデータリーダの少なくとも１つの層を堆積させることによって、調整された微細構造を有するデータリーダを構成する。調整された微細構造は、粒度と、粒度分布と、データリーダの複数の層間の界面品質と、抵抗と面積との積と、磁気抵抗とで少なくとも構成され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
【図１Ａ】さまざまな実施例に従って構成された例示的なデータリーダの一部のブロック図である。
【図１Ｂ】さまざまな実施例に従って構成された例示的なデータリーダの一部のブロック図である。
【図２Ａ】さまざまな実施例に係る例示的なデータリーダ作製アセンブリの一部の側面ブロック図である。
【図２Ｂ】さまざまな実施例に係る例示的なデータリーダ作製アセンブリの一部の上面ブロック図である。
【図３】いくつかの実施例に従って構成された例示的なデータリーダ作製システムの一部のブロック図である。
【図４】ＣｏＦｅ３０およびＣｏＦｅＢ２０などの単一の薄膜の粗さに対するインサイチュ（in-situ）極低温冷却堆積の効果を示す例示的な動作データを示す図である。
【図５】インサイチュ極低温冷却プロセスとエックスサイチュ（ex-situ）極低温冷却プロセスとを比較する基板温度の例示的な作製データのグラフである。
【図６】インサイチュ極低温冷却プロセスおよびエックスサイチュ極低温冷却プロセスで構築されたデータリーダスタックについてのトンネル磁気抵抗を比較するデータを示す図である。
【図７】データリーダスタックについてのインサイチュ極低温冷却プロセスとエックスサイチュ極低温冷却プロセスとの間のＭＲ／ＲＡ値の比較を示す動作データのグラフである。
【図８】データリーダスタックについてさまざまな温度でのインサイチュ極低温冷却プロセスとエックスサイチュ極低温冷却プロセスとの間で絶縁破壊電圧を比較する動作データを示す図である。
【図９】いくつかの実施例に従って実行され得る例示的な粒度調整ルーチンを示す図である。
【図１０】さまざまな実施例に従って構成され、動作させられるデータ記憶システムの例示的な部分のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００３】
詳細な説明
記憶容量がより大きく、かつ、データアクセス時間がより速いデータ記憶装置に対する消費者および業界の需要の高まりにより、データビットの物理的大きさおよび近接性を減少させることが重視されてきた。データビットに敏感な磁気データリーダが、ＭｇＯ障壁層を備え得て、当該ＭｇＯ障壁層が、許容可能な磁気抵抗（magneto-resistance：ＭＲ）特性を維持する物理的により小さなデータビットを可能にすると考えられる。しかし、物理的寸法を縮小させたデータリーダは、データビットサイズのいかなるさらなる縮小でも許容可能なＭＲ特性の維持を妨げる偶然の材料混合、粗い界面、および比較的大きな粒度に見舞われる可能性がある。
【０００４】
したがって、データリーダは、最初に基板を１００Ｋ以下の温度に冷却し、その後、基板を当該温度に維持しながら基板上にデータリーダの少なくとも１つの層を堆積させることによって、調整された微細構造を備え得る。極低温温度を維持するように基板を積極的に冷却しながら磁性および非磁性データリーダ層を堆積させることにより、粒度と、粒度分布と、データリーダの複数の層間の界面品質と、それによって磁気抵抗と、層間結合と、抵抗と面積との積とを少なくとも有する調整された微細構造を最適化することができる。
【０００５】
極低温温度に基板を維持することにより、層を堆積させる際にわずかに冷却されるかまたは室温の基板と比較して粒度および表面粗さが低減された状態でデータリーダの１つ以上の層を堆積させることが可能になり得る。また、材料堆積中に冷却ガスとの接触により極低温温度を制御する機能は、粒度分布を調整してデータリーダ層のウェハ内およびウェハ間均一性を最適化することができる基板温度均一性を提供することができる。
【０００６】
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、いくつかの実施例に従ってデータ記憶システムにおいて物理的大きさを縮小させた状態で構成され、利用され得る例示的な磁気スタック１００および１１０の部分のブロック図を示す。図１Ａは、例示的な三層磁気スタック１００を示し、当該三層磁気スタック１００は、非磁性障壁層１０６によって分離された第１の磁気的に自由な層１０２および第２の磁気的に自由な層１０４によって特徴付けられることができる。磁気的に自由な層１０２および１０４は、物理的に分離された手段によってバイアスされ得て、当該手段は、固定された磁気構造が空気軸受面（air bearing surface：ＡＢＳ）上に存在しない状態で、当該層が発生したデータビットに個々に応答することを可能にする。
【０００７】
磁気的に自由な層１０２および１０４は、類似の大きさ、厚みおよび材料であってもよく、または異なる大きさ、厚みおよび材料であってもよく、物理的に小さな磁気スタック１００の面積を提供し得る。さまざまな実施例では、障壁層１０６はＭｇＯを含み、抵抗と面積との積の減少にもかかわらず磁気スタック１００のＭＲ値を維持することを可能にする。ＭｇＯ材料は、図１Ｂのトンネル磁気抵抗（tunnel magnetoresistance：ＴＭＲ）磁気スタック１１０において、磁気的に自由な層構造１１４を固定層磁化構造１１６から分離する障壁層１１２としても使用され得る。いくつかの実施例では、自由層構造１１４は材料の単一の層で構成されるが、他の実施例では、自由層構造１１４は、それぞれ磁性材料および非磁性材料であり得る複数の層の積層体として調整される。
【０００８】
固定層磁化構造１１６は、さまざまな異なる非限定的な構成で構成され得るが、いくつかの実施例では、ピン止めされた基準層において磁化方向を設定するために、反強磁性材料などのピン止め層が利用される。ピン止めされた層およびピン止め層は、固定層磁化構造１１６を合成反強磁性体（synthetic antiferromagnet：ＳＡＦ）として特徴付けるように構成され得て、当該合成反強磁性体は、自由層１１４の検知された磁化を関連付けることができる基準磁化を提供して、プログラムされた論理状態を識別するために、反強磁性結合を利用する。
【０００９】
どのタイプの磁気スタック１００および１１０がデータ記憶装置で使用されるかにかかわらず、自由層１０２，１０４および１１４における磁化の粒度は、データリーダの精度および面ビット密度特性を決定し得る。図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、さまざまな実施例に従って磁気スタックに組み入れられ得る少なくとも１つの磁気自由層１２２を構築するように構成された例示的な磁気スタック作製アセンブリ１２０の一部の側面ブロック図および上面ブロック図を示す。
【００１０】
図２Ａは、デフォルト磁化にバイアスされ得るが発生したデータビットに敏感である磁気的に自由な層１２２の側面図を示す。自由層１２２は、Ｙ軸に沿って測定されたときにナノメートルスケールの厚みを有する、磁気的に敏感であり得るＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢおよびＮｉＦｅのような磁性合金で構築され得る。自由層１２２の材料は、自由層１２２、磁気スタックおよびデータリーダのデータ読取性能に対応する体心立方（body-centered cubic：ＢＣＣ）などの結晶構造および格子構造に対応し得る。
【００１１】
わずかに冷却されるかまたは室温の基板１２４上に材料を堆積させることにより、磁気的に自由な層１２２に大きな大きさのおよび／または不均一な磁性粒子を有し得る、均一または不均一な粗さを有する界面１２６が生成され得る。すなわち、室温の基板１２４上に自由層１２２材料を堆積させることにより、自由層１２２上に堆積された磁性層における超微細磁性粒子の形成を妨げ得る界面１２６の粗さが生成され得る。いくつかの実施例では、基板１２４は、〜１００，０００個のリーダチップ、場合によってはチップ当たり１〜１０個の別々のデータリーダを同時に支持する。
【００１２】
図２Ｂは、磁気的に自由な層１２２、および、自由層１２２全体にわたって非限定的なパターンで配置される例示的な磁性粒子１２８の一部の上面図を示す。実線の円１３０は、高い面ビット密度データ記憶環境において最適な性能を提供することができる粒度および位置を示している。逆に、点線の円１２２は、０．２ｎｍを上回る粗さを有する界面上に堆積された磁性層についての例示的な粒度および他の粒子との近接性を示している。したがって、自由層１２２における粒子１２８の物理的大きさおよび近接性を減少させることは、磁気分解能を高めることに役立ち、データ記憶媒体上でより小さな物理的大きさおよび高い密度を有するデータビットの磁気極性をより正確に検知することができる。
【００１３】
１つ以上のチャック１３４との接触によって基板１２４を比較的低い温度に冷却することができると考えられる。このような基板１２４の冷却は、自由層１２２材料の微細構造を凍結させることによって磁性粒子１２８の大きさを縮小させることができる。しかし、磁気的に自由な層１２２の堆積と関連したエックスサイチュでの基板１２４の冷却は、プロセス変動および一貫性のない自由層１２２の形成を引起す可能性がある。なぜなら、基板１２４は、冷却チャック１３４との接触と自由層１２２材料を堆積させることができる堆積チャンバとの間で通過中に加熱されるからである。
【００１４】
なお、冷却チャック１３４は、スパッタリングおよび物理蒸着（physical vapor deposition：ＰＶＤ）などの自由層堆積手段を有する共通のチャンバに実装され得る。しかし、チャック１３４との物理的接触は、基板１２４をある温度に均一に冷却することができず、その代わりに自由層１２２の磁気性能を劣化させ得る温度勾配を発生させる可能性がある。すなわち、チャック１３４は、自由層１２２の堆積と同時に基板１２４を冷却し得るが、このような作製は不正確である。なぜなら、基板１２４が不均一な温度を有し得るからであり、当該不均一な温度は、自由層１２２が、データ読取性能を損ねるほどに磁気スタックにおいて磁気応答およびＭＲを妨げる不均一な結晶構造、格子構造および粒度を有することに対応する。
【００１５】
これらの問題を念頭において、図３は、いくつかの実施例に従って構成され、動作させられる例示的なデータリーダ作製システム１４０の一部のブロック図を示す。リーダ作製システム１４０は、少なくとも１つの基板１４４が存在する共通のチャンバ１４２を有し得る。チャンバ１４２は、磁気スタック１４８の少なくとも１つの層を静的および動的に形成し得るスパッタリングおよびＰＶＤ手段などの１つ以上の異なるタイプの材料堆積手段１４６を備え得る。なお、磁気スタック１４８のさまざまな層は、基板１４４が冷却される状態で、および基板１４４が冷却されない状態で、さまざまな堆積手段１４６、材料および厚み１５０で選択的に形成され得る。
【００１６】
いくつかの実施例では、低温のチャック１５４から基板１４４へのＨｅなどの冷却ガス１５２の最適な熱伝達により、基板１４４は９０Ｋなどの極低温温度に継続的に冷却される。例えば、ノズル、噴射口およびオリフィスは、冷却ガス１５２を共通のチャンバ１４２内に通して、基板１４４と接触させ、熱伝達を増加させて、極低温温度への基板１４４の冷却を高速化することができる。チャック１５４と基板１４４との間に冷却ガス１５２を維持することにより、均一な基板１４４の温度、および、さまざまな磁気スタック１４８の層の堆積によって発生する熱に応答して基板１４４の温度を維持する機能を提供することができる。
【００１７】
チャンバ１４２、チャック１５４および堆積手段１４６は、封止された分岐部１５６を介するなどして同時に動作するように構成され得て、そのため、基板上面に磁気スタック１４８を堆積させながら同時に基板１４４が基板底面で冷却される。磁気スタック１４８は、図１Ａおよび図１Ｂにそれぞれ示される三層磁気スタック１００およびＴＭＲ磁気スタック１１０などの任意の数の層および異なる材料で形成され得るが、さまざまな実施例では、最初に基板１４４と直接接触するように磁性または非磁性シード層１５８が堆積される。
【００１８】
シード層１５８は、後に堆積される磁気的に自由な層１６０が一軸異方性および格子構造などの最適な磁気特性を有することを可能にする調整された材料および厚みの構成を有し得る。なお、シード層１５８は、必須ではなく、さまざまな実施例に従って省略または置換されてもよい。シード層１５８の挿入にかかわらず、磁気的に自由な層１６０の堆積とともに極低温温度を確立および維持するために基板１４４を同時に冷却することにより、自由層材料の結晶構造を凍結させて、室温の基板または継続的に冷却されない基板上への自由層の堆積と比較して小さな粒度および低減された粒子近接性を生成することができる。
【００１９】
冷却ガス１５２によって基板１４４を極低温温度に維持しながら磁気的に自由な層１６０を形成することにより、最適な磁気特性で障壁層１６４を堆積させることができる平滑な界面１６２がさらに生成され得る。比較して、図２Ａに示される粗さなどの比較的粗い界面１６２上に形成された障壁層１６４は、磁気スタック１４８の第１の自由層１６０と第２の自由層１６６との間に磁気非対称性および強磁性結合を引起すことによってデータ読取性能を妨げる磁気スタック１４８の層間の材料の拡散および混合に見舞われる可能性がある。
【００２０】
したがって、磁気スタック１４８のさまざまな層を堆積させながら基板を極低温温度に同時に冷却することにより、調整された磁性粒子粒度および最適なデータ読取性能を提供することができる。なぜなら、少なくともより平滑な界面、材料拡散の減少および材料混合の減少により、障壁層１６４を横断する磁気非対称性および強磁性結合が低減されるからである。磁気スタック１４８材料の堆積中に基板温度を調整する機能は、データ読取性能の最適化をさらに可能にする。なぜなら、基板１４４の温度および基板温度均一性をカスタマイズして磁気スタック１４８のさまざまな層の磁気特性を最適化するように冷却ガス１５２が調節され得るからである。
【００２１】
５０Ｋなどの極低温温度に積極的に維持される基板、または３００Ｋなどの室温の基板上に部分的または完全に堆積されたデータリーダに対応する、図４にグラフ化された例示的な構造データを参照する。棒１７２は、極低温基板上への材料の堆積が如何に粒度および粒度分布を低減させて、粗さの低減をもたらすことができたかを示している。棒１７２は、室温の基板が如何にＣｏＦｅ３０磁性材料の材料表面粗さを粗くするかを示す棒１７４と比較される。
【００２２】
極低温基板および室温の基板をそれぞれ示す棒１７６および１７８は、ＣｏＦｅＢ２０材料堆積中の材料表面粗さの違いを示している。極低温に冷却される基板または室温の基板上に堆積された材料の材料表面粗さの点での対比は、０．２５〜０．３５ｎｍなどの表面粗さを生成するために基板の極低温温度が如何に調整され得るかを裏付ける。例えば、比較的粗い界面を提供するために室温で基板上に第１のデータリーダ材料を堆積させてもよく、比較的平滑な表面粗さを生成するために、基板を５０Ｋに維持しながら第１の材料の上に第２のデータリーダ材料を堆積させてもよい。
【００２３】
図５は、いくつかの実施例に従って実施される磁気スタック基板のエックスサイチュおよびインサイチュ冷却に関連するデータをグラフ化したものである。インサイチュ冷却は、データリーダ磁気スタックのさまざまな層を基板の上に形成しながら基板を極低温温度に所定の位置で同時に冷却することを伴う、ということが理解されるべきである。エックスサイチュ冷却は、基板を連続して非同時に冷却することに続いて、データリーダ磁気スタックの部分を堆積させることとして特徴付けられ得る、ということがさらに理解されるべきである。
【００２４】
実線１８２は、例示的なインサイチュ基板温度プロファイルを経時的に示している。点線１８４は、例示的なエックスサイチュ基板温度プロファイルを経時的に示している。線１８２および１８４によって示される基板は、各々、およそ９０Ｋの極低温温度に冷却されるが、エックスサイチュ線１８４は、時間とともに極低温温度から分岐していく。このような温度差は、室温周囲堆積環境と材料粒子の堆積から発生する熱との組み合わせにより加熱されるエックスサイチュ基板とは異なり、インサイチュ基板が冷却ガスとの接触によって継続的に冷却されることに起因し得る。
【００２５】
インサイチュ冷却２１２についての０．１℃未満などの経時的な基板温度の小さなばらつきは、基板の加熱を軽減するように磁気スタックの形成中に冷却を如何に制御できるかを示している。逆に、エックスサイチュ冷却２１４は、不均一な基板温度分布、さまざまな磁性材料粒度、および界面粗さの増大を引起し得る２０℃以上などの大きな基板温度の変動を有する可能性があることが観察された。インサイチュの場合は０．１℃、エックスサイチュの場合は２０℃といった基板温度のそれぞれのばらつきは、ウェハ間でも見られると考えられる。すなわち、インサイチュまたはエックスサイチュのいずれかの態様で極低温温度に冷却された多数の基板の間で観察される温度のばらつきは、それぞれ、磁気スタック層が最初に基板上に堆積されるときに比較的小さなまたは大きな温度分布を有し得る。
【００２６】
９０Ｋなどの基板温度を一貫して達成し、当該温度を経時的に維持する機能により、インサイチュ冷却された基板の上に形成された磁気スタックは、最適なデータ読取性能を達成することができ、当該最適なデータ読取性能は、より小さな磁性粒子および低減された層間表面粗さに対応する。図６は、さまざまな実施例に従ってインサイチュおよびエックスサイチュ冷却された基板で作製されたデータリーダ磁気スタックに関連する動作データを示す。実線１９２は、さまざまな抵抗と面積との積についてのインサイチュ冷却された基板の平均トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）に対応し、点線１９４は、エックスサイチュ冷却された基板上に形成されたデータリーダについてのＴＭＲデータを示している。
【００２７】
図７も、インサイチュおよびエックスサイチュ冷却された基板上にそれぞれ構築されたデータリーダ磁気スタックに対応する例示的な動作データを示す。示されているように、実線２０２は、さまざまな磁気スタックの抵抗と面積との積についての、インサイチュ冷却された基板の抵抗と面積との積（ＭＲ／ＲＡ）の値によって除算された磁気抵抗を示している。点線２０４は、さまざまな磁気スタックの抵抗と面積との積についての、エックスサイチュ基板冷却された磁気スタックのＭＲ／ＲＡ値を示している。
【００２８】
ＴＭＲ磁気スタックは、図６および図７に示されるＴＭＲおよびＭＲ／ＲＡ値データから大幅に変更されることなく、冷却された基板から障壁層と対向して基準構造を有するように構築され得ると考えられる。エックスサイチュ１９４および２０４データに対するインサイチュ１９２および２０２性能データの比較は、磁気スタックの形成中に基板を継続的に冷却することにより、基板が極低温温度に維持されて、堆積された材料が、磁気スタックの形成中に加熱されるエックスサイチュ冷却された基板に対してより小さな粒子およびより平滑な界面を有することが如何に保証され得るかを示している。
【００２９】
図６および図７に示される例示的な性能データの非限定的な定量化として、インサイチュ堆積された磁気スタックのＴＭＲは、エックスサイチュ堆積された磁気スタックと比較して、各々の磁気スタックで５〜５０％増大していることがある。インサイチュ基板冷却の場合のこのようなデータ読取性能の向上は、さらに、磁気スタック層材料の界面拡散および混合の減少に起因し得る。インサイチュ磁気スタック形成の場合のデータ読取性能の最適化の原因にかかわらず、図６および図７のデータは、磁気スタック層の形成中に極低温基板温度を維持するための基板の継続的な冷却が、高い面ビット密度データ記憶環境においてデータビットを読取る磁気スタックの精度を向上させるようにさまざまな磁気スタック層の磁性粒子粒度を如何に調整し得るかを裏付ける。
【００３０】
インサイチュ基板冷却の利用は、さらに、層間表面粗さを低減することによって磁気スタック性能を最適化することができ、当該層間表面粗さの低減は、障壁層を横断する磁気自由層の結合の減少および絶縁破壊電圧の増大に対応する。言い換えれば、磁気スタックにおける磁性粒子の減少は、磁気スタックにおけるより平滑な界面によって補完され得て、当該平滑な界面は、三層磁気スタックにおける２つの磁気的に自由な層の間またはＴＭＲ磁気スタックにおける自由層と基準層との間の相互作用を最適化する障壁層を形成することを可能にする。
【００３１】
図８は、さまざまな実施例に従ってさまざまな異なる基板条件で構築された磁気スタックに関連するデータを示す。示されているように、磁気スタックの絶縁破壊電圧は、さまざまな極低温基板温度について、さまざまな異なる抵抗と面積との積とともに変化し得る。点線２１２は、エックスサイチュ基板冷却条件を示しており、当該エックスサイチュ基板冷却条件では、絶縁破壊電圧を増大させるためにそれぞれさまざまな極低温温度においてインサイチュ基板冷却を利用する実線２１４，２１６および２１８と比較して、基板温度勾配および基板加熱が、低減された絶縁破壊電圧を有し得る。
【００３２】
基板を８０Ｋなどの単一の極低温温度に調整して、インサイチュ基板冷却により７０Ｋおよび９０Ｋなどの複数の異なる極低温温度の間で変化させる機能により、磁性粒子粒度などのパラメータが最適化された状態で、０．２ｎｍ未満などの最適な粗さを有する表面上に磁気スタックのさまざまな層を堆積させることが可能になる。
【００３３】
限定されるものではないが、インサイチュ極低温冷却および膜堆積は、２つの異なるプロセスに従って行われ得る。第１に、同一のチャンバ内で極低温温度で少なくとも１つの膜を堆積させる前に、基板を極低温温度に極低温冷却するというプロセスである。第２に、同一のチャンバ内で極低温温度で少なくとも１つの膜を堆積させる前に基板を極低温温度にさらに極低温冷却するために基板を第２のチャンバに移動させる前に、極低温冷却機能のみを有し得る第１のチャンバ内で基板を予冷するというプロセスである。極低温温度は、１００Ｋ以下、５０Ｋ以下などの、１５０Ｋ以下の温度であってもよい。
【００３４】
２つのインサイチュ極低温冷却および膜堆積プロセスのうちの１つは、第１または第２の磁気的に自由な層などの磁気スタックの任意の数の磁性層に適用されてもよく、または、図１Ａに示される三層ＭｇＯ  ＴＭＲスタックの第１および第２の自由層などの複数の磁性層に適用されてもよい。インサイチュ極低温冷却および膜堆積プロセスは、磁気的に固定された層または磁気的に自由な層のいずれかに適用されてもよい。インサイチュ極低温冷却および膜堆積プロセスは、図１Ｂに示されるピン止めされた底部ＭｇＯ  ＴＭＲスタックなどの固定された磁性層および自由な磁性層に対して同時に実施されてもよい。インサイチュ極低温冷却および膜堆積プロセスは、自由な磁化層または固定された磁化層のいずれかに適用されてもよく、または、ピン止めされた上部ＭｇＯ  ＴＭＲスタックにおける自由層および固定層の両方の層に適用されてもよい。
【００３５】
ＴＭＲスタックにおいて使用されるＭｇＯ障壁は、さまざまな実施例に従って室温または高温のいずれかで堆積され得る。ＭｇＯ  ＴＭＲスタックにおける固定層および自由層は、単一の層であってもよく、または複数の層の積層体であってもよい。固定された磁化層および自由な磁化層のための材料は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔａ、ＣｏＦｅｘ、ＣｏＦｅｘＢｙ、ＣｏＦｅｘＴａｙ、ＣｏＦｅｘＢｙＴａｚ、ＮｉＦｅｘ、ＮｉＦｅｘＺｒｙおよびＮｉＦｅｘＮｂｙであり得るが、これらに限定されるものではない。インサイチュ極低温冷却および膜堆積チャンバにおいて使用される極低温冷却媒体は、低い液化温度を有し、かつ、堆積された膜に対して活性が低いＨｅガスまたは他のガスであってもよい。このような媒体は、基板ウェハが素早くかつ均一に冷却されることを確実にすることができ、ウェハ間均一性、ウェハ間再現性およびウェハプロセススループットを最適化することができる。
【００３６】
図９は、高い面ビット密度データ記憶環境向けに最適化されたデータリーダを提供するためにさまざまな実施例に従って実行され得る例示的なデータリーダ粒度調整ルーチン２３０のフローチャートである。ルーチン２３０は、ステップ２３２において基板をある温度に冷却することによって開始し得る。いくつかの実施例では、基板は、１つ以上の磁気スタック層の堆積中に冷却ガスによって図３のチャンバ１４２などの第２のチャンバ内でさらに冷却される前に、最初は１３５０秒のような比較的短い時間にわたって、図２Ａの冷却チャックなどによって第１のチャンバ内で冷却され得る。
【００３７】
ステップ２３２では、８６５秒などのおよそ９００秒にわたって、堆積手段を有する共通のチャンバ内で基板のインサイチュ冷却が実行されると考えられる。磁気スタック層の堆積の前に基板の冷却を調整する機能により、磁気スタック処理時間を減少させ、磁気スタックの形成中の基板温度を下げることが可能になり得る。ステップ２３４において９０Ｋなどの極低温温度に達すると、ルーチン２３０はステップ２３６に進み、ステップ２３６において、基板をインサイチュ冷却して極低温温度に維持しながら、磁気的に自由な層を堆積させる。ステップ２３６における磁気的に自由な層の堆積は、エックスサイチュ冷却された基板および室温で堆積された磁気スタック層と比較して磁性粒子粒度および表面粗さが低減されることに対応し得る。
【００３８】
なお、ステップ２３６において、磁気的に自由な層の代わりに、図１Ｂの構造１１６などの固定された磁化基準構造の１つ以上の層が形成されてもよい。磁気的に自由な層または基準構造が平滑な界面および調整された磁性粒子粒度を有する状態で、基板を２００〜３００Ｋなどの高温に加熱した後に、ステップ２３８においてＭｇＯ障壁層を界面の上に堆積させ得る。粗い面と比較して比較的平滑な面の上に障壁層を形成することにより、障壁を横断する磁気的に自由な層の結合を低減することができ、磁気的に自由な層と障壁との間の格子整合を最適化することができる。障壁層が堆積される高温基板温度を調整する機能により、障壁層を横断する磁気相互作用およびＭＲ値を最適化することができる。
【００３９】
次に、ステップ２４２において少なくとも１つの磁気的に自由な層を障壁層の上に堆積させる前に、ステップ２４０において、５０Ｋ〜３００Ｋであり得る下げられた温度に基板を積極的に冷却し得る。障壁層の堆積と比較して自由層を堆積させるための下げられた基板温度は、室温または室温に近い温度の基板上に堆積された自由層と対比して、自由層の粒度、粒度分布、および抵抗と面積との積を低減することができる。なお、データリーダのさまざまな層について基板温度を調整することにより、一貫した温度に継続的に保たれる基板上に堆積されたデータリーダと比較して、最適な性能を提供することができる。また、基板から分離されたデータリーダ層を堆積させるためのステップ２４０における基板の冷却は、粒度、層間結合、および抵抗と面積との積の形式での、調整されたデータリーダ性能の向上を可能にする。
【００４０】
ステップ２３６および２４２の間の基板の積極的なインサイチュ冷却は、データリーダ層の堆積中に基板が継続的に加熱されるエックスサイチュ基板冷却とは対照をなす。このようなエックスサイチュ堆積は、ステップ２４０における冷却された基板温度の維持と比較して、自由層の粒度の増大およびデータリーダ性能の低下に対応するであろうということが理解され得る。冷却された基板温度を積極的に維持する機能により、基板温度均一性が向上し、ステップ２３６において形成された磁性層とステップ２４０において堆積された磁性層との間の障壁層を横断する磁気相互作用の最適化が可能になる。
【００４１】
さまざまな実施例では、インサイチュ基板冷却を調整して、磁気スタックのさまざまな磁性層および障壁層の磁性粒子粒度および界面粗さを最適化するために、ルーチン２３０が利用され得る。すなわち、ルーチン２３０は、類似のまたは異なる基板温度、界面粗さおよび磁性粒子粒度で堆積された磁性層および障壁層を有する三層またはＴＭＲ磁気スタックを構築して、界面拡散および材料混合を最小化し、強磁性結合を低減し、絶縁破壊電圧およびＴＭＲを増大させるために、利用され得る。
【００４２】
ルーティング２３０のさまざまなステップは、粒度が調整されかつデータ読取性能が向上した磁気スタックを生成することができるが、ルーチン２３０の局面は、必須ではなく、または限定的なものではない。したがって、最適な磁気スタックを有するデータリーダから逸脱することなく、さまざまなステップおよび判断がルーチン２３０から追加されてもよく、変更されてもよく、省略されてもよい。例えば、三層またはＴＭＲスタックなどのどのタイプの磁気スタックが形成されるかを判断するための判断がルーチン２３０に追加されてもよい。また、１つ以上の追加的な判断が、基板に対して障壁層の上方または下方などの、インサイチュ冷却された基板に対する固定磁化構造の位置を判断してもよい。
【００４３】
図１０は、さまざまな実施例が実施され得るデータ記憶システム２５０の一部のブロック図を示す。なお、さまざまな局面が任意に変更されたり、追加されたり、除去されたりし得るので、図１０に示されるシステム２５０は、包括的なものではなく、必須ではなく、限定的なものではない。システム２５０は、有線または無線ネットワーク２５８によって、ノード、サーバ、コンピューティングクラウドおよび他のデータ記憶装置などの少なくとも第１のリモートホスト２５４および第２のリモートホスト２５６によって個々に、同時におよび集合的にアクセス可能な１つ以上のデータ記憶装置２５２を有し得る。リモートホスト２５４および２５６に接続する機能により、データ記憶装置２５２を局所的に利用して、モバイルコンピューティングシステムに組み入れることが可能になる。
【００４４】
データ記憶装置２５２は、マイクロプロセッサおよび特定用途向け集積回路（application specific integrated circuit：ＡＳＩＣ）などの１つ以上のローカルコントローラ２６０を有し得る。ローカルコントローラ２６０は、少なくとも１つの一時記憶域２６２および永久記憶域２６４への、および、少なくとも１つの一時記憶域２６２および永久記憶域２６４からのアクセスを指示し得る。すなわち、ローカルコントローラ２６０は、揮発性ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（dynamic random access memory：ＤＲＡＭ）などの一時記憶域２６２および不揮発性ソリッドステートアレイまたは回転式データ記憶媒体などの永久記憶域２６４にデータをプログラムし、それらからデータを検索し得る。例えば、ローカルコントローラ２６０は、低データ処理および装置スリープ状態などのときに、データを永久記憶域２６４に移動させる前に、入ってくるデータを一時記憶域２６２に短時間記憶し得る。
【００４５】
コントローラ２６０は、一時記憶域２６２および永久記憶域２６４におけるデータビットからデータを選択的にプログラムおよび検知するためにデータリーダ２６６およびデータライタ２６８を利用し得る。データリーダ２６６およびデータライタ２６８などの複数のデータアクセス手段が単一のデータ記憶装置２５２において個々にまたは同時に利用されてもよいと考えられる。限定されるものではないが、データリーダ２６６は、発生したデータビットに敏感な層の積層体として構成されてＭＲ応答を提供し得る磁気スタック２７０を有し得る。データライタ２６８は、少なくとも１つの書込み極２７２によって限定されるものではなく、磁束を放出して、選択された磁気極性としてデータビットを書込むデータ記憶媒体を介して磁気回路を確立するために少なくとも１つの書込み極２７２を含み得る。
【００４６】
データ記憶媒体上のデータビットの面ビット密度を上げることにより、データ記憶装置２５２のデータ記憶容量を増大させることができる。このような面ビット密度の増大は、データビットがデータ記憶媒体上で物理的により小さくなる、および／または、接近することに対応し得る。データ記憶容量の増大を達成できるが、面ビット密度の増大は、磁気スタック２７０および書込み極２７２の物理的大きさをそれぞれ縮小することなくデータライタ２６８によりデータを正確にプログラムしてデータリーダ２６６によりデータを検索することに対して問題をもたらす可能性がある。
【００４７】
磁気スタック層を形成しながら基板を極低温温度にインサイチュ冷却することを組み入れることによって、磁性粒子粒度および界面粗さの低減によりさまざまなデータ読取特性を最適化することができる。第１に、データリーダの信号対雑音比およびビット誤り率は、ＴＭＲおよびＭＲ／ＲＡ値の増大によって最適化されることができる。第２に、より平滑な界面は、隣接する磁性層との格子整合が優れた障壁層を提供することができ、強磁性結合、層間拡散および材料混合を低減する。第３に、障壁層を横断する絶縁破壊電圧を増大させることによって、データリーダ可読性を最適化することができる。最後に、インサイチュ基板冷却は、プロセス制御の向上およびより一貫した基板温度均一性を提供することができ、エックスサイチュ冷却されたまたは室温の基板上への磁気スタックの形成と比較して、磁気非対称性を減少させ、磁気スタック処理時間を減少させる。
【００４８】
本明細書における実施例は回転式データ記憶装置のためのデータリーダに向けられたが、ソリッドステートデータ記憶アプリケーションを含むいくつもの他のアプリケーションにおいてさまざまな実施例が容易に利用可能であるということが理解されるであろう。上記の説明においてさまざまな実施例の構造および機能の詳細とともに本開示のさまざまな実施例の数々の特徴について説明してきたが、この詳細な説明は例示的なものであるに過ぎず、添付の特許請求の範囲が示す用語の広い一般的な意味によって示される範囲で、本技術の原理の範囲内で、細部にわたって、特に各部分の構造および配置に関して変更がなされてもよい、ということが理解されるべきである。例えば、特定の要素は、本開示の精神および範囲から逸脱することなく、特定の用途によって異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１０２，１０４，１２２，１６０，１６６  自由層、１０６，１１２，１６４  障壁層、１５８  シード層、１２４，１４４  基板、２６６  データリーダ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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