磁头线圈系统及其嵌埋/反应离子刻蚀方法.pdf

本发明提供一种制造磁头的线圈结构的系统和方法。最初淀积绝缘层，在绝缘层上淀积光致抗蚀剂层。此外，将硅电介质层淀积在光致抗蚀剂层上，作为硬掩模。接着，将硅电介质层遮蔽。随后，利用反应离子刻蚀(即，CF4/CHF3)在硅电介质层中形成多个沟槽。接着，使用硅电介质层作为硬掩模，利用，例如，H2/N2/CH3F/C2H4还原化学的反应离子刻蚀，将沟槽图案转移到光致抗蚀剂层上。为了得到具有所需纵横比的最优沟槽轮廓，沟槽形成包括形成第一角度的第一片段和形成第二角度的第二片段。此后，将导电种子层淀积在沟槽中，沟槽充满导电材料以形成线圈结构。接着，可以使用化学机械抛光使导电材料平面化。

1.  一种制造磁头的线圈结构的方法，包括：
淀积绝缘层；
在所述绝缘层上淀积光致抗蚀剂层；
在所述光致抗蚀剂层上淀积硅电介质层；
遮蔽所述硅电介质层；
在所述硅电介质层中反应离子刻蚀至少一个沟槽；
在所述光致抗蚀剂层和硅电介质层中反应离子刻蚀至少一个沟槽，其中沟槽包括限定第一角度的第一片段和限定第二角度的第二片段；
在所述沟槽中淀积导电种子层；
用导电材料充满所述沟槽，从而限定一个线圈结构；以及
对所述导电材料和导电种子层进行化学机械抛光，以便对其平面化。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述沟槽的第一片段位于所述沟槽的第二片段之下。

3.  如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第一片段限定一个斜角。

4.  如权利要求3所述的方法，其特征在于所述第一片段限定一个70到85度的角度。

5.  如权利要求2所述的方法，其特征在于所述第二片段限定一个基本垂直的角度。

6.  如权利要求5所述的方法，其特征在于所述第二片段限定一个80到90度的角度。

7.  如权利要求6所述的方法，其特征在于所述第一片段限定一个70到85度的角度。

8.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应离子刻蚀包括H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学。

9.  如权利要求8所述的方法，其特征在于所述还原化学包括气体比为50-100/100-200/1-3/1-10的H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄。

10.  如权利要求8所述的方法，其特征在于所述还原化学包括压力范围为5到20mTorr。

11.  如权利要求8所述的方法，其特征在于所述还原化学包括温度范围为-30到0℃。

12.  如权利要求8所述的方法，其特征在于所述反应离子刻蚀是通过线圈功率包括900到1500瓦特的电感耦合等离子系统执行的。

13.  如权利要求1所述的方法，其特征在于反应离子刻蚀是通过射频(RF)功率包括100到200瓦特的电感耦合等离子系统执行的。

14.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应离子刻蚀是通过射频(RF)偏压的大小包括约120V的电感耦合等离子系统执行的。

15.  如权利要求1所述的方法，其特征在于光致抗蚀剂是被硬烤的。

16.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述导电种子层包括Cu、Ta和TaN中的至少一个。

17.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述导电材料包括Cu。

18.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述硅电介质层包括SiO₂和Si₃N₄中的至少一个。

19.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述沟槽的纵横比至少是2.5。

20.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述遮蔽包括淀积另一个包括成像光致抗蚀剂层的光致抗蚀剂层。

21.  如权利要求1所述的方法，还包括去除至少一部分所述硅电介质层。

22.  如权利要21所述的方法，其特征在于通过化学机械抛光(CMP)去除所述硅电介质层。

23.  如权利要求1所述的方法，还包括在所述硅电介质层和成像光致抗蚀剂层之间淀积粘贴促进层。

24.  如权利要求1所述的方法，其特征在于所述反应离子刻蚀包括CF₄/CHF₃化学。

25.  一种磁头，包括：
绝缘层；
与所述绝缘层相邻的光致抗蚀剂层，用于限定至少一个沟槽；以及
由所述沟槽内的导电材料形成的线圈结构；
其特征在于所述沟槽的轮廓包括限定第一角度的第一片段和限定第二角度的第二片段。

26.  如权利要求25所述的磁头，其特征在于所述沟槽的第一片段位于沟槽的第二片段之下。

27.  如权利要求26所述的磁头，其特征在于所述第一片段限定斜角。

28.  如权利要求27所述的磁头，其特征在于所述第一片段限定一个70到85度的角度。

29.  如权利要求26所述的磁头，其特征在于所述第二片段限定一个基本垂直的角度。

30.  如权利要求29所述的磁头，其特征在于所述第二片段限定一个在80到90度之间的角度。

31.  如权利要求30所述的磁头，其特征在于所述第一片段限定一个在70到85度之间的角度。

32.  如权利要求25所述的磁头，其特征在于所述反应离子刻蚀包括H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学。

33.  如权利要求25所述的磁头，其特征在于其特征在于所述光致抗蚀剂是被硬烤的。

34.  如权利要求25所述的磁头，其特征在于所述导电材料包括Cu。

35.  如权利要求25所述的磁头，其特征在于所述沟槽和线圈结构的纵横比至少是2.5。

36.  使用一种方法制造的一种磁头，所述方法包括：
淀积绝缘层；
在所述绝缘层上淀积光致抗蚀剂层；
在所述光致抗蚀剂层上淀积硅电介质层；
遮蔽所述硅电介质层；
使用CF₄/CHF₃化学在所述硅电介质层中反应离子刻蚀多个沟槽；
在所述光致抗蚀剂层和硅电介质层中反应离子刻蚀多个沟槽，其中每个沟槽包括限定第一角度的第一片段和限定第二角度的第二片段，并在沟槽形成时使用H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学；
在所述沟槽中淀积导电种子层；
用导电材料电镀所述沟槽以形成线圈结构；以及
对所述导电材料和导电种子层进行化学机械抛光，以便对其平面化。

37.  一种磁盘驱动系统，包括：
磁记录磁盘；
磁头，包括：
绝缘层；
与所述绝缘层相邻的光致抗蚀剂层，用于限定至少一个沟槽；以及
由所述沟槽内的导电材料限定的线圈结构；
其中所述沟槽和线圈结构包括限定第一角度的第一片段和限定第二角度的第二片段；
致动器，用于使所述磁头在所述磁记录磁盘上运动，使所述磁头可以访问所述磁记录磁盘的不同区域；以及
与所述磁头电气连接的控制器。

磁头线圈系统及其嵌埋/反应离子刻蚀方法
技术领域
本发明涉及磁头线圈结构，更具体要求，本发明涉及改进高纵横比和窄线圈间距磁头线圈结构的制造。
背景技术
计算机系统一般使用辅助存储器存储设备，上面具有介质，数据可以写入并且在随后使用时可以从中读出数据。具有旋转磁盘的直接存取存储设备(磁盘驱动器)通常用于以磁的形式在磁盘表面存储数据。数据记录在磁盘表面上的同心的、径向相间的磁道上。接着用磁头将数据从磁盘表面上的磁道上读出。
图1-2表示按照先前工艺，制造与磁头相关的线圈结构的方法。图1表示一种初始堆层100的剖视图，利用它可以制造先前工艺的线圈结构。如图所示，堆层100包括含有Al₂O₃或一些其它材料的第一层102。在第一层102上淀积的是含有Cr或类似物质的第二层104。第三层106淀积在第二层104上。第三层106是由导电材料制成的，例如Cu或类似的物质。
在第三层106上是第四层108，通常被光致抗蚀剂遮盖经过曝光和显影后形成多个沟槽110。这些沟槽110相应地形成线圈结构。接着，将导电材料111，例如Cu，通常电镀在沟槽中。接着，将第四层108湿剥落并且将层104、106离子研磨去掉。将绝缘材料，例如光致抗蚀剂，应用到沟槽之间，形成具有多个电隔离圈的线圈结构。图2表示线圈结构形成后图1中堆层100的另一个剖视图。
这样，线圈结构具有某个间距(Z)和纵横比(Y/X)。对于给定的线圈宽度(X)，需要一个高的纵横比，因为线圈电阻随纵横比的增大而减小。这个减小的线圈电阻将使运行过程中(即写入引起的伸出)设备发热减小。但是，由于离子研磨过程固有的缺陷，通常这种纵横比是有限的。例如，如果比例(Z/X)太小，则离子研磨在去除第三层106和第二层104方面有难度。在离子研磨过程中，任何导电层的不完全去除，会导致线圈的圈与圈之间短路。
因此，需要一种磁头线圈结构以及一种制造具有高纵横比的磁头线圈结构的方法，其中没有与上述先前工艺相关的问题。
发明内容
本发明提供一种制造磁头的线圈结构的系统和方法。最初淀积绝缘层，在绝缘层上淀积光致抗蚀剂层。此外，将硅电介质层淀积在光致抗蚀剂层上，作为硬掩模。接着，将硅电介质层遮蔽。随后，利用反应离子刻蚀(即，CF₄/CHF₃)在硅电介质层中形成多个沟槽。接着，使用硅电介质层作为硬掩模，利用，例如，H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学的反应离子刻蚀，将沟槽图案转移到光致抗蚀剂层上。为了得到具有所需纵横比的最优沟槽轮廓，沟槽形成包括形成第一角度的第一片段和形成第二角度的第二片段。此后，将导电种子层淀积在沟槽中，沟槽充满导电材料以形成线圈结构。接着，可以使用化学机械抛光使导电材料平面化。
在一个实施例中，每个沟槽的第一片段可以位于每个沟槽的第二片段之下。并且，第一片段可以形成斜角。可以选择的是，第一片段可以形成一个70到85度的角度。
相比之下，第二片段可以形成基本垂直的角度。作为一个选择，第二片段可以形成80到90度的角度。
在另一个实施例中，反应离子刻蚀可以包括H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学，其中H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄的气体比为50-100/100-200/1-3/1-10，压力范围为5到20mTorr，温度范围为-30到0℃。在电感耦合等离子系统中，线圈功率为900到1500瓦特，射频(RF)功率为100到200瓦特，RF偏压的大小可以是120V。此外，光致抗蚀剂可以是硬烤的(hard-baked)。可以选择的是，沟槽的纵横比至少是2.5。
在另一个实施例中，导电种子层和导电材料可以包括Cu、Ta和TaN中的至少一个。作为另一种选择，硅电介质层可以包括SiO₂和Si₃N₄中的至少一个。遮蔽可以选择性地包括淀积另一个成像光致抗蚀剂层。可以选择的是，硅电介质层可以通过化学机械抛光(CMP)去除。此外，在硅电介质层和成像光致抗蚀剂层之间可以淀积粘贴促进层。
附图说明
为了更全面的理解本发明的性质和优点，以及使用的优选模式，请参考下面的详细描述并结合附图，附图没有必要按比例画出。
图1-2表示根据先前工艺、制造与磁头相关的线圈结构的方法；
图3是根据本发明一个实施例的磁记录磁盘驱动系统的透视图；
图4表示根据一个实施例、可以用于制造线圈结构的嵌埋(Damascene)工艺；
图4A-4F更详细地表示图4的工艺中设定的各个操作。
具体实施方式
以下的说明是当前设计用于实施本发明的最佳实施例。这些说明是为了解释本发明的基本原理，并不意味着限制这里主张的本发明概念。
下面参看图3，其中表示体现本发明的磁盘驱动器300。如图3所示，至少一个旋转的磁盘312支撑在主轴314上，并被磁盘驱动电机318转动。每个磁盘上的磁记录介质在磁盘312上处于圆环形图案的同心圆数据磁道(未图示)。
至少一个滑块313位于磁盘312上，每个滑块313支撑一个或多个读/写磁头321。与这些磁头321相关的更多信息将在下面参考图4给出。当磁盘旋转时，滑块313在磁盘表面322上沿径向移入和移出，使磁头321可以访问磁盘上记录所需数据的不同部分。每个滑块313通过一个悬架315装在一个致动臂319上。悬架315提供地轻微的弹力，将滑块313偏压在磁盘表面322上。每个致动臂319装在致动器327上。致动器327，如图3所示，可以是音圈电机(VCM)。VCM包括在固定磁场中可以移动的线圈，线圈运动的方向和速度被控制器329提供的电机电流信号所控制。
在磁盘存储系统的运行过程中，磁盘312的旋转在滑块313与磁盘表面322之间产生空气轴承，对滑块施加一个向上的力或升力。因此，空气轴承平衡悬架315的微小弹力，并支撑滑块313抬起，稍微在磁盘表面上方，并在正常运行过程中保持小的、非常稳定的间距。
磁盘存储系统的各个部分在运行过程中被控制单元329产生的控制信号控制，例如存取控制信号和内部时钟信号。通常，控制单元329包括逻辑控制电路、存储器和微处理器。控制单元329产生控制信号控制各个系统操作，例如线323上的驱动电机控制信号，线328上的磁头位置和查找控制信号。线328上的控制信号提供所需的电流波形，将滑块313最优地移动和定位到磁盘312上的所需数据磁道上。通过记录通道325，读和写信号传送到读/写磁头321上并从读/写磁头321上传出。
上述对磁盘存储系统的描述，以及随后对图3的解释，仅是为了说明的目的。应该清楚的是，磁盘存储系统可以具有大量的磁盘和致动器，每个致动器可以支撑很多滑块。
图4表示一种工艺450，用于制造具有高纵横比的磁头的线圈结构。在一个实施例中，图4的工艺450可以用于图3所示磁头321的结构。当然，图4的工艺450可以应用于任何所需的结构。
如图所示，嵌埋(Damascene或称大马士革)工艺450用于制造根据一个实施例的磁头的线圈结构。在这个实施例中，在初始淀积一层绝缘层(即，刻蚀阻挡层等)后淀积光致抗蚀剂层。注意操作452和454。在一个实施例中，绝缘层可以由氧化铝材料或任何其它所需材料制成。如同不久即将明白的，这种特殊的绝缘层和光致抗蚀剂层适于在线圈图案形成之前用于优化平面化和线圈绝缘。
并且，光致抗蚀剂层可以包括硬烤光致抗蚀剂(hard-bakedphotoresist)材料，允许在得到的线圈结构中有更高的纵横比，这即将在下面清楚。而且，这个光致抗蚀剂层可以淀积到厚度范围为2到5μm，并可以包括AZ 1529硬烤的或固化的光致抗蚀剂。
接着，将硬掩模层淀积在光致抗蚀剂层上。参见操作456。在一个实施例中，这种硬掩模层可以包括硅电介质(即，SiO₂、Si₃N₄或任何其它所需的硅电介质材料，这些材料由于对初始光致抗蚀剂高的刻蚀选择性而能实现较高的纵横比。并且，这种硬掩模层可以淀积的厚度范围为1500到5000埃。
接着，作为一种选择，可以淀积一种粘贴促进层(未图示)。在一个实施例中，粘贴促进层可以包括HMDS和BALI材料中的至少一种。如同即将清楚的，一个选择性实施例的AZ1529/SiO2/HMDS层可以具有窄线圈间距。
在操作458中，被遮蔽的第二成像光致抗蚀剂层应用到粘贴促进层上。可以选择的是，被遮蔽的第二成像光致抗蚀剂层可以淀积的厚度范围为5000到8000埃，并可以包括AZ7905光致抗蚀剂。并且，被遮蔽的第二成像光致抗蚀剂层可以形成具有任何所需厚度(如，3μm)的多个沟槽。
接着，使用CF₄/CHF₃反应离子刻蚀，在粘贴促进层和硅电介质层中刻蚀出多个沟槽。参见操作460。利用硅电介质层作为硬掩模，可以将沟槽进一步刻蚀到初始的光致抗蚀剂层中。参见操作462。优选地，使用高密度等离子反应离子刻蚀(RIE)。在一个实施例中，反应离子刻蚀可以包括H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学，达到改进纵横比和所需的沟槽轮廓。
在先前工艺中，因为导电种子层去除时的离子研磨的局限性，执行标准工艺常常导致不足的纵横比。为了克服先前工艺的不足，并改进得到的线圈结构中的纵横比，使用两步RIE工艺得到两片段沟槽，每片段形成不同角度。与这种结构和工艺有关的更多信息，将在参看图4A-4E时给出。
接着，在操作464中，导电种子层(即，Cu、TaNx、Ta等)淀积在沟槽中。接着使沟槽充满导电材料(即，Cu等)，形成线圈结构。注意操作466。接着，使用化学机械抛光(CMP)去除硅电介质层、导电种子层和部分导电材料。见操作468。接着，可以进一步处理线圈结构，使同样的结构适于用于磁头。图4A-4E更详细地表示图4工艺中设定的各个操作。
图4A表示堆层400的剖视图，其材料是用于制成本实施例的线圈结构的。在图4所示的过程450中，堆层400是在操作452-458过程中产生的。如图所示，堆层400包括一个绝缘层402。淀积在绝缘层402上的是第一光致抗蚀剂404和硅电介质层406。作为一种选择，可以在硅电介质层406上淀积粘贴促进层408。这种粘贴促进层408接收形成图案的第二光致抗蚀剂层410以形成掩模。形成图案的第二光致抗蚀剂层410，形成多个沟槽412，相应地，形成得到的线圈结构，这将在下面变得更清楚。
图4B表示根据图4的操作460，在硬掩模刻蚀过程之后，堆层400的另一个剖视图。优选地，使用CF₄/CHF₃化学的反应离子刻蚀(RIE)。CF₄/CHF₃气体比可以是1/7，压力为3到10mTorr。线圈的功率可以从400到800瓦特，而射频(RF)功率可以从50到100瓦特。如图所示，RIE过程导致沟槽412垂直地向下刻蚀到硅电介质层406。
图4C表示根据图4的操作462，在初始层下光致抗蚀剂刻蚀过程之后，堆层400的剖视图。在一个实施例中，使用高密度等离子反应离子刻蚀(RIE)。如图所示，RIE过程使沟槽412向下刻蚀到绝缘/刻蚀阻挡层402。
如图所示，沟槽412包括多个片段，每个片段形成不同的壁角度，以便克服先前工艺的不足并改进得到的线圈结构的纵横比。特别是，每个沟槽412包括形成第一角度的第一片段430和形成第二角度的第二片段432。每个沟槽412的第一片段430可以位于对应的第二片段432下方。
在一个实施例中，第一片段430可以形成一个斜角。可以选择的，第一片段430可以形成一个相对于水平线为70到85度之间的角度，从而容易满足种子层淀积和相关过程。在一个实施例中，第一片段430的高度可以从底层开始延伸直到自顶部而下的总沟槽高度的20到80％。
相比之下，第二片段432可以形成一个基本垂直的角度。作为选择，第二片段432可以形成一个相对于水平线为80到90度的角度，由于高的延伸性形成窄的线圈间距。
在另一个实施例中，反应离子刻蚀包括H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学，其中H₂流量为50到100sccm，N₂流量为50到200sccm，CH₃F流量为1到3sccm，以及C₂H₄流量为0到10sccm。压力的范围为5到20mTorr，温度的范围为-30到0℃。在电感耦合等离子系统，线圈功率可以为900到1500瓦特，RF功率可以是100到200瓦特，RF偏压的大小可以是120V。在这些条件之下，硬烤光致抗蚀剂的刻蚀速率3000到5000/min。
图4D表示根据图4的操作464，沟槽412充满种子层(未图示)的方式；以及沟槽412通过电镀充满导电材料414。注意图4的操作466。通过刻蚀后淀积导电种子层，嵌埋过程450避免了对去除种子层的需要，而这在先前工艺中是需要的。再请看图1-2。
图4E表示根据图4的操作468，通过化学机械抛光去除多层堆层400的方式。特别是，至少一部分硅电介质层406、导电种子层和部分导电材料414被去除。如图所示，抛光导致线圈结构422具有一个平的表面。
再者，线圈结构422的每个沟槽412包括形成第一斜角的第一片段430和形成第二基本直角的第二片段432。在沟槽图案形成过程中可以使用具有H₂/N₂/CH₃F/C₂H₄还原化学的反应离子刻蚀工艺。多片段结构可以用于放松对种子层处理的要求，而无需牺牲可延伸性来获得较窄的线圈间距和高的纵横比。通过这个结构和RIE工艺，可以达到大于2.5甚至4的纵横比，线圈间距大于1μm，6圈线圈的电阻为2Ω。
图4F表示根据一个实施例的、在磁头80中的线圈结构422。需要注意到，磁头480的各个其它部分可以根据用户需要而改变。如图所示，磁头480包括电感写磁头P2层482，位于线圈结构422之上。在线圈结构422之下是电感读磁头P1层和顶屏蔽层484。GMR触点和硬偏压层486位于层484之下，GMR传感器488位于其中。还有底屏蔽490。
虽然上面描述了各种实施例，但应该理解的是，它们仅仅是作为例子出现，并没有限制性。这样，优选实施例的宽度和范围并没有被任何上述代表性实施例所限制，而是仅仅被权利要求及其等同物所限定。