超薄绝缘层隧道磁阻磁头可靠性研究

论文摘要

隧道磁阻磁头(TMR)技术和垂直写入磁头(PMR)技术的应用使得超高密度磁记录领域获得突破性的发展,迎合了硬盘在便捷式消费类产品中应用的小型化趋势。而超高密度磁记录要求更高的线性密度、轨道密度和更强的读写数据能力。为此,相应的磁头尺寸变得越来越小,隧道磁阻磁头的绝缘层厚度变得越来越薄。由于此绝缘层很薄(厚度小于1nm),磁隧道结在几分钟或更短的时间内就会被不超过1V的电压击穿,并且容易由于电场或磁场引起的信号干扰、静电现象等原因导致其绝缘层击穿而导致失效。因此绝缘层的性能质量就成为硬盘可靠性的重要问题。为了保证硬盘在使用过程中的可靠性,有必要对于绝缘层的失效机理及其寿命进行预测和分析。本课题的主要目的在于通过对隧道磁阻磁头热学及电学方面的可靠性研究,分析绝缘层的失效模式和失效机理及其对磁头可靠性的影响,并在此基础上获得应用于实际生产中判断绝缘层特征的有效测试方法。本文研究内容主要包括以下几个方面:(1)采用步升电压和恒定电压测试方法,获得了AlOx和MgO材料绝缘层击穿特性和失效特征,并对其内在失效机理和原因进行分析。(2)研究击穿电压和温度及加载速度之间的关系,并应用E、1/E及IPL模型对AlOx和MgO材料的隧道磁阻磁头进行寿命评估。(3)研究隧道磁阻磁头的热学可靠性,根据不同绝缘层对温度响应特征不同,提出温度相关测试方法。(4)根据隧道磁阻磁头对于偏压的响应特性,给出了电压相关性测试及交替电压相关性测试方法。本文应用了三种不同的模型对两种绝缘层材料(MgO和AlOx)的隧道磁阻磁头进行寿命分析,得出不同模型对于寿命的拟合;并提出几种可应用于实践的绝缘层特征判断的非破坏性测试方法,这对于隧道磁阻磁头寿命预测及其可靠性研究具有重要的指导意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGMENTS
• 1. Itroduction
• 1.1 A brief introduction to the magnetic recording
• 1.1.1 Anisotropic magnetoresistance
• 1.1.2 Colossal magnetoresistance
• 1.1.3 Giant magnetoresistance head
• 1.1.4 Tunneling magnetoresistance head
• 1.2 TMR introduction
• 1.3 TMR principle
• 1.3.1 Tunneling effect
• 1.3.2 Current theory
• 1.4 Research motivation and significance
• 1.5 Overview of thesis
• 2. Experiment details
• 2.1 Sample preparation
• 2.1.1 Magnetron sputtering
• 2.1.2 Plasma oxidation
• 2.1.3 Sample information
• 2.2 Resistance measurement
• 2.3 Test methods
• 2.3.1 Lifetime test
• 2.3.2 Temperature dependent test
• 2.3.3 Bias dependent test
• 2.3.4 Polarity dependent test
• 2.4 Conclusion
• 3. Lifetime test and analysis
• 3.1 Introduction
• 3.2 Tunneling magnetoresistive failure characterizes
• 3.3 Breakdown theory
• 3.4 Breakdown voltage analysis
• 3.5 Lifetime evaluation
• 3.5.1 Lifetime evaluation models
• 3.5.2 Lifetime evaluation of MgO and AlOx
• 3.6 Conclusion
• 4. Nondestructive tese and analysis
• 4.1 Introduction
• 4.2 Temperature dependent
• 4.2.1 Temperature dependent theories
• 4.2.2 Temperature dependent test
• 4.3 Bias dependent
• 4.4 Polarity dependent
• 4.5 Conclusion
• 5. Conlusion and recommendation
• 5.1 Conclusion
• 5.2 Recommendations for future work
• References