JP2000187813A - 接合構造、磁気抵抗効果素子及びその製造方法 - Google Patents
接合構造、磁気抵抗効果素子及びその製造方法Info
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Abstract
て記録密度の高い領域での磁気記録再生ヘッドに使用し
うる磁気抵抗効果素子を提供する。 【解決手段】 第1の機能膜60と当該第1の機能膜6
0とは異なる材料で構成された第2の機能膜70とが、
互いにその端縁部に於いて電気的若しくは磁気的に接合
されている接合構造体80であって、且つ当該第1の機
能膜60の端縁側壁部61の少なくとも一部に当該第2
の機能膜70の端縁部71の少なくとも一部が当接せし
められている接合構造体80に於いて、当該第1の機能
膜60に当接する当該第2の機能膜70の端縁部71の
少なくとも一部が、当該第1の機能膜60の端縁部表面
に重ね合わされる重畳率が0〜10%である接合構造8
0。
Description
ものであり、特に詳しくは、精度よく位置合わせされた
隣接して当接しあう異種の機能膜層間の接合構造であ
り、更には、磁気抵抗効果素子にも使用可能な接合構造
及びその製造方法に関するものである。
って、NiFe膜の異方性磁気抵抗効果を応用した磁気
抵抗効果型ヘッド(以下、AMRヘッドと記す)が実用
化されている。このAMRヘッドについては、「IEE
E Trans.on Magn.,MAG7(197
1) 150」において「A Magnetoresi
stivity Readout Transduce
r」として論じられている。
て、AMRヘッドよりも更に大幅な高出力化が可能な巨
大磁気抵抗効果(以下、GMRと記す)を用いたGMR
ヘッドが注目されている。このGMRに於いては、特
に、抵抗の変化が2枚の隣接する磁性層の磁化方向間の
余弦と対応する、一般にスピンバルブ効果と呼ばれる磁
気抵抗効果は小さな動作磁界で大きな抵抗変化をするこ
とから、AMRヘッドの次世代のGMRヘッドとして期
待されている。
ドについては「IEEE Trans.on Mag
n.,Vol.30,No.6(1994)3801」
において「Design,Fabrication&T
esting of Spin−Valve Read
Heads for High Density R
ecording」として論じられている。特に、実効
的な再生トラック幅が0.05μm以上1μm以下とい
うような、極めて記録密度の高い領域では、GMRヘッ
ドが使われる。
いては、媒体磁界に対応して磁化変化する磁化フリー層
を単磁区化することが、バルクハウゼンノイズを抑制す
るためには必要不可欠である。これを実現するための素
子構造については、例えば、特開平3−125311号
公報に説明がされている。ここで、図5を用いてこの素
子構造を説明する。即ち、図5(A)は当該磁気抵抗効
果素子30の一具体例の構成を示す断面図が示されてお
り、具体的には、当該素子を媒体対向面から見た時の層
構成を示したものである。
界を感磁する中央領域10にスピンバルブ膜50を用い
た場合を想定することとする。図中、10は中央領域で
あるスピンバルブ膜50であり、その詳細は、例えば、
下地層10a、反強磁性層10b、磁化固定層10c、
非磁性導電層10d、磁化フリー層10e、保護層10
fからなる。
電流を供給する端部領域40a及び40bとして、永久
磁石膜11,12と電極膜13,14が配置されてい
る。一方、図5(B)は、媒体磁界が無い時に於いて、
スピンバルブ膜50中の外部磁界に対して変化する磁化
フリー層15の磁化の様子、および、磁化フリー層15
をバイアスする永久磁石膜11,12の磁化の様子を示
している。
び40bからのバイアス磁界によって、中央領域10の
感磁膜である磁化フリー層が単磁区化15されている様
子が示されている。しかしながら、上記の状態はあくま
で理想的な場合であり、実際に素子を作製すると、図6
(A)に示す様な状況が発生する。
bである永久磁石膜11,12、および電極膜13、1
4が中央領域10の特に磁化フリー層10e上に乗り上
げた形状が発生する事になる。GMR素子には電流を流
さなければならないために、電気的な接合を取るために
はどうしてもこのような形状になりやすい。また、後述
するように、素子の製造方法そのものの欠陥により、図
6(A)に示す形状が形成されている。
中央領域10であるスピンバルブ膜50に乗り上げた永
久磁石膜11,12の先端から、本来、スピンバルブ膜
50の磁化フリー層10eに印加したい磁界方向とは逆
の方向の磁界が、フリー層端部に印加されてしまう。そ
の結果、図6(B)に示す様に、当該磁化フリー層10
eの一部に磁壁17が形成されてしまい、この磁壁17
が媒体からの磁界に対して不規則な動きをすることか
ら、ノイズの発生原因となっていた。
従来、図7(A)及び(B)に示す様に、当該磁気抵抗
効果素子30に於ける当該中央領域10の幅が広い場
合、すなわち、記録密度の低い時には、媒体磁界を感磁
する領域全体に対する割合が小さかったために、問題を
起こすことは少なかった。しかしながら、記録密度の向
上に伴って、当該磁気抵抗効果素子30に於ける中央領
域10の幅が狭くなるに従い、この磁壁17の占める割
合が大きくなり、特に、GMRヘッドが使われる実効的
な再生トラック幅が1μm以下というような、極めて記
録密度の高い領域では無視できなくなってきた。
気抵抗効果素子30の当該中央領域10に於ける、当該
磁化フリー層10eと永久磁石膜11,12、或いは電
極膜13,14とが、少なくとも一部に於いて重なり合
う形状が形成されてしまう原因を次に述べる。まず、特
開平3−125311号公報に記載されている素子構造
の製造方法の基本的な工程の概要を、図8を参照しなが
ら説明する。
央領域10を形成するスピンバルブ膜50を成膜する工
程であり、図8(B)はこのスピンバルブ膜50をパタ
ン化するためのフォトレジストパタン16を形成する工
程である。更に、図8(C)はイオンビームエッチング
によりスピンバルブ膜50をパタン化する工程であり、
図8(D)は中央領域10にバイアス磁界を印加する永
久磁石膜11,12と電極13,14を成膜する工程で
ある。
程である。係る基本的な製造方法使用して、実際に素子
を作製した場合には、図9に示す様な状態となる。つま
り、図9(A)〜図9(C)までは、図8の具体例と同
様であるが、図9(D)の工程に於いては、図示のよう
に、前記のフォトマスク16を用いて永久磁石膜11,
12と電極膜13,14とを連続的に成膜し、リフトオ
フすると、図9(E)に示す様に、永久磁石膜11,1
2と電極膜13,14は中央領域10であるスピンバル
ブ膜50の端縁部に一部が乗り上げる形状となる。
ている一般的なマグネトロンスパッタ法のような、基板
とターゲットとが平行配置されたスパッタ法の場合、タ
ーゲットから放出されるスパッタ粒子の方向の角度分散
が大きいこと、更には、スパッタ時の不活性ガス圧力が
数mTorrと高く、スパッタ粒子の平均自由行程が短
くなることから、スパッタ粒子の散乱が顕著となるこ
と、などが原因している。
磁石膜11,12と電極膜13,14が中央領域10で
あるスピンバルブ膜50に乗り上げる形状を防ぐために
は、例えば、図8(B)に示す様な、所定のレジストか
ら構成されるフォトマスク16の茎の部分19bの高さ
を従来よりも低くして、スパッタ粒子の回り込みを抑制
することが考えられた。
以下となる素子においては、茎高さを0.05μm以下
とすることによって、当該ノイズを問題の無い水準にま
で抑制できることが分かった。しかしながら、フォトレ
ジストを0.05μmの厚さでウエハ上に均一膜厚に塗
布することは、実際の生産工程に於いて効率よく実行す
ることは不可能であり、急激な歩留まりの低下を招くこ
とも、一方で明らかとなった。
下である、スピンバルブ膜を用いたGMRヘッドにおい
て、十分に低いノイズレベルの素子を、高い製造歩留ま
りを確保しつつ実現することは、困難となっていた。一
方、特開平8−221719号公報には、第1の磁性体
薄膜層、非磁性薄膜層、第2の磁性体薄膜層及び反強磁
性体薄膜層をこの順序で積層して構成されたスピンバル
ブ磁気抵抗ヘッドに於いて、当該第1の磁性体薄膜層を
トラック幅に略対応する中央能動領域内にのみ設けたス
ピンバルブ磁気抵抗ヘッドに関して開示されているが、
当該スピンバルブ層の両端部に永久磁石膜及び電極膜と
が乗り上げると言う問題を解決する技術に関しては開示
がない。
スピンバルブ磁気抵抗素子を中央能動領域にのみ形成す
る技術に関して記載されているが、当該スピンバルブ層
の両端部に永久磁石膜及び電極膜とが乗り上げると言う
問題を解決する技術に関しては開示がない。更に"Fabri
cating spin valves by ion-beam deposition"、DATA S
TORAGE (September 1998) には、スピンバルブ層を形成
するに際し、イオンビームスパッタ法を使用して、接続
界面を斜めに傾斜させる方法が開示されているが、当該
接続界面に於ける隣接する膜同志の重なり状態による問
題点及びその解決策に関しては全くの開示も示唆もな
い。
は、上記した従来技術の欠点を改良し、磁気抵抗効果を
利用した磁気記録再生ヘッドであって、特に、実効的な
再生トラック幅が1μm以下の極めて記録密度の高い領
域での磁気記録再生ヘッドに使用しうる磁気抵抗効果素
子及びその製造方法を提供するものであり、更には、実
効再生トラック幅が1μm以下である、スピンバルブ膜
を用いたGMRヘッドに使用する為の、十分に低いノイ
ズレベルを持った磁気抵抗効果素子を高い製造歩留まり
を確保つつ実現しえる磁気抵抗効果素子及びその製造方
法を提供するものである。
達成するため、基本的には、以下に記載されたような技
術構成を採用するものである。即ち、本発明に係る第1
の態様は、第1の機能膜と当該第1の機能膜とは異なる
材料で構成された第2の機能膜とが、互いにその端縁部
に於いて電気的若しくは磁気的に接合されている接合構
成体であって、且つ当該第1の機能膜の端縁側壁部の少
なくとも一部に当該第2の機能膜の端縁部の少なくとも
一部が当接せしめられている接合構成体に於いて、当該
第1の機能膜に当接する当該第2の機能膜の端縁部の少
なくとも一部が、当該第1の機能膜の端縁部表面に重ね
合わされる重畳率が0〜10%である接合構造であり、
又、本発明に於ける第2の態様としては、少なくとも磁
気抵抗効果を有する中央領域と、該中央領域の両側に位
置する端部領域とからなる磁気抵抗効果素子に於いて、
当該中央領域と当該端部領域との重畳率が0〜10%で
ある磁気抵抗効果素子である。
は、少なくとも磁気抵抗効果を有する中央領域と、該中
央領域の両側に位置する端部領域とからなる磁気抵抗効
果素子を製造するに際し、当該中央領域を形成する膜層
を形成した後に所定の当該中央領域を残す為に所定のレ
ジストを使用してパターニングを行い、次いで当該パタ
ーニングされた中央領域上に当該レジストを残存させた
状態でイオンビームスパッタ法を用いて当該端部領域を
形成する磁気抵抗効果素子の製造方法である。
磁気抵抗効果素子は、上記した様な技術構成を採用して
おり、従って、実効再生トラック幅が1μm以下である
高密度記録に適したスピンバルブ膜を用いた磁気抵抗効
果素子からなるGMRヘッドにおいて、スピンバルブ膜
と端部領域の接合形状において、端部領域である永久磁
石膜の磁界が、スピンバルブ膜の磁化フリー層にスムー
スに流れるように、スピンバルブ膜が端部領域と接する
端面が滑らかに傾斜し、この傾斜に沿って永久磁石膜が
配置され、永久磁石膜の端部が磁化フリー層の端部と驚
くほど良く位置合わせされている構造が、高い製造の歩
留まりをもって実現した。
果素子及び磁気抵抗効果素子の製造方法についての具体
例を図面を参照しながら詳細に説明する。図1は、本発
明に係る接合構造の一具体例の構成を示す断面図であ
り、図中、第1の機能膜60と当該第1の機能膜60と
は異なる材料で構成された第2の機能膜70とが、互い
にその端縁部に於いて電気的若しくは磁気的に接合され
ている接合構成体80であって、且つ当該第1の機能膜
60の端縁側壁部61の少なくとも一部に当該第2の機
能膜70の端縁部71の少なくとも一部が当接せしめら
れている接合構成体80に於いて、当該第1の機能膜6
0に当接する当該第2の機能膜70の端縁部71の少な
くとも一部が、当該第1の機能膜60の端縁部表面に重
ね合わされる重畳率が0〜10%である接合構造80が
示されている。
ば磁気抵抗効果を奏する構造体であって磁気抵抗効果素
子の一構成要素として当該磁気抵抗効果素子内で使用さ
れるものである。又、本発明に係る当該接合構造80に
於ける当該第1の機能膜60と第2の機能膜70の端縁
部同志が当接する界面90は、当該第1の機能膜60の
表面に対して所定の角度を有して傾斜している事が望ま
しい。
ては、例えば、当該磁気抵抗効果素子30として使用す
る場合には、スピンバルブ膜層10であっても良く、又
当該第2の機能膜70としては、例えば、永久磁石膜1
1、12或いは電極膜12、13の何れか又はその双方
であっても良い。本具体例に於いては、当該第1の機能
膜60がスピンバルブ膜層である場合には、当該第1の
機能膜60は、例えば、下地層10a、反強磁性層10
b、磁化固定層10c、非磁性導電層10d、磁化フリ
ー層10e、保護層10fからなるものであっても良
い。
は、図1にも示されている様に、少なくとも磁気抵抗効
果を有する中央領域10と、該中央領域10の両側に位
置する端部領域40a、40bとからなる磁気抵抗効果
素子30に於いて、当該中央領域10と当該端部領域4
0a又は40bとの重畳率が0〜10%である磁気抵抗
効果素子30が提供されるものである。
当該端部領域40a、40bとが当接する界面90は、
少なくとも当該中央領域10の表面に対して所定の角度
を以て傾斜している事が望ましい。本具体例に於ける当
該中央領域10は、例えば、少なくとも磁化フリー膜層
10eを含むものであり、又、当該端部領域40a、4
0bは少なくとも永久磁石膜層11、12を含んでいる
事が望ましい。
10は、下地層10a、反強磁性層10b、磁化固定層
10c、非磁性導電層10d、磁化フリー層10e、保
護層10fからなる。又、当該中央領域10にバイアス
磁界とセンス電流を供給する端部領域40a及び40b
として、永久磁石膜11、12と電極膜13、14が配
置されている。
層を構成する材料の成分に関しては特に限定されるもの
ではなく、従来周知の材料を使用する事が出来るが、上
記した各層の内、特に、当該反強磁性膜10bは、Mn
合金、Mn−Ptを主成分とする合金、酸化物、Ni−
O及び、Fe−Oから選択された一つの成分からなる層
で構成されている事が望ましく、当該層は単層であって
も良く、又他の同一若しくは互いに異なる成分からなる
複数の層で構成されているもので有っても良い。
しくは磁気抵抗効果素子30と従来得られている当該接
合構造80若しくは強磁性トンネル接合磁気抵抗効果膜
30との構成上の相違を検討するならば、本発明に係る
当該接合構造80若しくは当該磁気抵抗効果素子30
は、図1に示す様に、永久磁石膜11、又は12が、ス
ピンバルブ膜50の磁化フリー層10eの端縁部側壁面
に沿って、スムースに流れるように接合されており、同
時に当該スピンバルブ膜50と当該永久磁石膜11とが
当該スピンバルブ膜層50の端部領域と接する界面90
が滑らかに傾斜し、この傾斜に沿って永久磁石膜11が
配置され、永久磁石膜11又は12の端部71が磁化フ
リー層10eの端部と良く位置合わせされている構造を
呈している。
スパッタ法のように、基板とターゲットとが平行配置さ
れたスパッタ法を用いて、永久磁石膜11、12、およ
び、電極膜13、14を成膜した場合は、図2に示すよ
うに、永久磁石膜11(12)の端部は、当該磁化フリ
ー層10eの表面に張出して、当該中央領域10のかな
りの部分で双方が重畳された構成となっており、従っ
て、当該磁化フリー層10eの端部と、当該永久磁石膜
11、12の端部とは、全く位置合わせされていない構
造である。
明の接合構造80或いは磁気抵抗効果素子30と図2に
示す断面形状を有する従来の接合構造80或いは磁気抵
抗効果素子30との抵抗−磁界曲線を測定した結果を、
それぞれ図3、図4に示す。即ち、本発明に係る当該接
合構造60若しくは磁気抵抗効果素子30に於いては、
当該永久磁石膜11、12の端部71が磁化フリー層1
0eの端部61と良く位置合わせされているので、図3
に示すように、バルクハウゼンジャンプやヒステリシス
のない、良好な抵抗−磁界曲線が得られた。
端部71と磁化フリー層10eの端部61とが全く位置
合わせされていない構造を持つ従来の接合構造60若し
くは磁気抵抗効果素子30では、図4に示す様に、バル
クハウゼンジャンプやヒステリシスの著しい、ノイズの
大きい抵抗−磁界曲線しか得られなかった。この永久磁
石膜11(12)の端部71と磁化フリー層10eの端
部61とが全く位置合わせされていない構造を持つ素子
であっても、再生幅が大きい時には、ヒステリシス等は
あまり問題ではなかったが、高密度記録に対応した再生
幅が1μm以下の素子では、極めて大きいノイズを示す
ことが分かった。
当該第1の機能膜60に当接する当該第2の機能膜70
の端縁部71の少なくとも一部が、当該第1の機能膜6
0の端縁部61表面に重ね合わされる重畳率が0〜10
%である事、換言するならば、磁気抵抗効果素子30に
於いては、少なくとも磁気抵抗効果を有する中央領域1
0と、該中央領域10の両側に位置する端部領域40
a、40bとからなる磁気抵抗効果素子に於いて、当該
中央領域10と当該端部領域40a、40bとの重畳率
が0〜10%である事を特徴とするものであって、当該
重畳率とは、以下の様に定義するものである。
1に示す様に、当該接合構造或いは磁気抵抗効果素子を
所定の方向の断面で見た場合に於いて、当該断面に於け
る当該第1の機能膜60若しくは磁気抵抗効果素子30
に於ける当該中央領域10の幅、つまり感磁部の幅L2
に対する当該第2の機能膜70の端縁部71が当該第1
の機能膜表面に対して重なっている長さL1との比(L
1/L2)で表されるものである。
%で有ることが理想的ではあるが、各種の実験の結果、
当該重畳率は最大10%迄許容されるものである事が判
明したものである。以下に当該重畳率の許容範囲を定め
る実験結果を図12及び図14に示す。即ち、図12及
び図14は、磁気抵抗効果素子(MR素子)の感磁パタ
ン幅に対するバイアス膜の重なり割合とR−H特性のヒ
ステリシスとの関係を示すグラフであり、図12は、本
発明に於て採用したヒステリシスの定義を説明するグラ
フである。
ルステッド(Oe)の磁界を印加した時の磁気抵抗効果
素子の抵抗変化ΔRに対する当該R−H曲線の最大開き
量Δrとの関係を示す図であり、本発明に於て使用する
ヒステリシスとしては、上記した感磁部に±120エル
ステッド(Oe)の磁界を印加した時の磁気抵抗効果素
子の抵抗変化ΔRに対する、縦軸方向でのR−H曲線の
最大開き量Δrの割合(Δr/ΔR)として定義してい
るものである。
(Δr/ΔR)と上記した重畳率(L1/L2)との関
係から理解される様に、当該重畳率(L1/L2)が1
0%以下であれば、当該ヒステリシスを略0%にする事
が可能である事が判明した。従って、本発明に於ける当
該重畳率を10%以下に設定することが好ましい条件で
ある事が理解出来る。
該接合構造80に於て、異なる機能を有する少なくとも
2種の薄膜体を互いに隣接して配置するに当たり、当該
2種の薄膜体を極めて精度良く位置合わせする事が可能
である事を意味しているものであって、従って、本発明
は、スパッタ法を利用する膜体からなる接合構造80を
製造するに際しての高精度位置合わせ方法を提供するも
のでもある。
媒体に於ける再生幅が1μm以下の素子では、当該重畳
率(L1/L2)を10%以下にする事は不可能であっ
たが、本発明に於いては、以下に記載する本発明固有の
製造方法を採用する事によって、再生幅が1μm以下の
素子でも、当該重畳率(L1/L2)を10%以下にす
る事が可能となったものである。
しくは当該磁気抵抗効果素子30の製造方法の具体例に
付いて詳細に説明する。即ち、本発明に係る当該接合構
造80若しくは当該磁気抵抗効果素子30を製造する方
法の一具体例としては、例えば、少なくとも磁気抵抗効
果を有する中央領域10と、該中央領域10の両側に位
置する端部領域40a、40bとからなる磁気抵抗効果
素子、若しくは第1の機能膜60と第2の機能膜70と
を接合した接合構造80を製造するに際し、当該中央領
域10若しくは一方の第1の機能膜60を形成する膜層
を形成した後に所定の当該中央領域10若しくは当該第
1の機能膜60を残す為に所定のレジストを使用してパ
ターニングを行い、次いで当該パターニングされた中央
領域10若しくは当該第1の機能膜60上に当該レジス
トを残存させた状態でイオンビームスパッタ法を用いて
当該端部領域40a、40b若しくは当該第2の機能膜
70を形成する様に構成されるものである。
該磁気抵抗効果素子30の製造方法の具体例に於いて
は、当該中央領域10若しくは当該第1の機能膜60上
に残存する当該レジスト16は、2層構造16a及び1
6bを有しており、当該中央領域膜層10若しくは当該
第1の機能膜60に接する側にある当該下層レジスト1
6bの幅が、当該中央領域膜層若しくは当該第1の機能
膜60と接していない当該上側レジスト16aの幅より
狭くなるように構成する事が望ましい。
は、当該2層16a及び16bを構成する当該レジスト
16のそれぞれの成分は、所定のエッチング処理液に対
してエッチングスピードが互いに異なる様に構成されて
いる事が望ましい。更に、本発明に於いては、当該中央
領域10若しくは当該第1の機能膜60の幅を規定する
当該レジストマスク16が2層で構成され、当該中央領
域10若しくは当該第1の機能膜60の表面に接する側
の当該レジスト16bの厚さが0.05〜0.3μmと
成るように設定する事が望ましい。
当該磁気抵抗効果素子の製造方法に於いては、当該磁化
フリー層を含む中央領域10若しくは第1の機能膜60
の幅を規定するパタニングがイオンビームエッチングに
よって形成され、当該パタニング後に当該接合構造80
若しくは磁気抵抗効果素子30が大気暴露されることな
く、連続的にイオンビームスパッタ法により永久磁石膜
11、12および電極膜13、14の形成がされる様に
構成されるものである事が好ましい。
法に於けるスパッタ膜形成時のガス圧力は、例えば3×
10-5Torr以上3×10-4Torr以下であること
が望ましい。本発明に於ける当該イオンビームスパッタ
法に於けるスパッタ膜形成時に際して、ターゲット面と
基板との距離は、例えば、20cm以上100cm以下
と成る様に設定される事が望ましい。
出来るだけ直線的で且つ平行的になる様に決定されるも
のである。又、本発明に於ける当該イオンビームスパッ
タ法は、例えばXeのイオンビームを用いることが好ま
しい。即ち、本発明に係る上記の製造方法を採用する事
によって、例えば、図8に示したスピンバルブ膜を用い
た再生素子を形成する場合に、図8(D)に示す永久磁
石膜11、12および電極膜13、14の成膜をイオン
ビームスパッタ法を用いて行った結果、驚くべきこと
に、図1に示すように、永久磁石膜11、12の膜層
が、スピンバルブ膜60の磁化フリー層10eの端部壁
面にスムースに流れるように接合された形態で形成さ
れ、然も当該スピンバルブ膜と端部領域を構成する当該
永久磁石膜の端部71とが接する界面90は滑らかな傾
斜を呈し、この傾斜に沿って永久磁石膜が配置され、永
久磁石膜11、12の端部が磁化フリー層10eの端部
と良く位置合わせされている構造が得られた。
ク16に於ける茎部16bの高さを0.2μmとさほど
小さくしなくても、実現することができた。一方、従来
から使用されてきている一般的なマグネトロンスパッタ
法のように、基板とターゲットとが平行配置されたスパ
ッタ法を用いて、永久磁石膜11、12および、電極膜
13、14を成膜した場合は、図8中のマスク16の茎
部16bの高さが0.2μmよりもかなり小さくしない
と、図2に示すように、永久磁石膜11、12の端部と
磁化フリー層10eの端部とは、全く位置合わせされて
いない構造となった。
用いることにより、永久磁石膜11、12の端部が磁化
フリー層10eの端部と良く位置合わせされた原因とし
ては、イオンビームスパッタ法では、スパッタ成膜時の
ガス圧力を3×10-5Torr以上3×10-4Torr
以下程度と低くできることから、スパッタ粒子の平均自
由行程が長くなり、スパッタ粒子が散乱されにくくなる
こと、スパッタ成膜時のターゲット面と基板との距離を
20cm以上と長くすることが容易であることから、基
板表面では比較的飛来方向の均一なスパッタ粒子が堆積
すること、ターゲットに入射するイオンビームをターゲ
ットの中心部分に集束させることによって、基板側から
見た際には、狭い範囲から方向の揃ったスパッタ粒子が
放出されること、さらには、基板表面にプラズマが存在
しないことから、フォトレジストマスクの成膜時の温度
上昇が極めて低く、熱によるマスク形状の変形が起こら
ないこと、などが考えられる。
ッタ法を採用する事によって、当該接合構造80或いは
当該磁気抵抗効果素子30の製造歩留りが向上する原因
について更に考察するならば、イオンビームスパッタ法
によれば、2層のレジストの茎部分のレジストの高さを
0.05〜0.3μmとする事が出来る。この事は、レ
ジストを塗布する厚さとしては十分に安定な厚さであ
る。
ハの温度上昇がほとんどなく、ウェハは常に室温程度に
保たれる為、レジストパターンの変形が発生しない。従
って、イオンビームスパッタ法を用いることによって当
該素子の製造歩留りはほぼ100%となる。これに対
し、従来のマグネトロンスパッタ法や高周波スパッタ法
等の2極スパッタ法では、素子形状を満足の行くものと
するには(つまり、感磁部の幅に対するバイアス膜の感
磁部と重なる長さの比が0〜10%とするには)、前記
2層レジストの茎部分のレジスト高さを0.05μm以
下とする必要がある。
は50%以下である。更に、2極スパッタ法では、ウェ
ハがスパッタ時のプラズマに晒される為、ウェハの表面
温度が簡単に100℃程度に上昇してしまい、レジスト
パターンの変形が発生する。係る理由によって、更に歩
留りが低下し、最終的には10〜20%程度となってし
まう。
て、特に再生幅が1μm以下という高密度記録に適用す
るGMR素子に関して、イオンビームスパッタ法による
成膜が極めて有益であるのは、イオンビームスパッタ法
の上記の特徴に加えて、以下の条件が重ね合わせられた
ことが挙げられる。すなわち、図8に示した素子の製造
工程において、中央領域10を形成するためのフォトレ
ジストマスク16の茎16bの高さが、製造歩留まりの
高い、レジスト膜厚にして0.05μmから0.3μm
の範囲であっても、再生幅1μm以下の素子の抵抗−磁
界曲線のノイズを十分に小さく抑えられるに適した、永
久磁石膜11、12の端部と磁化フリー層10eの端部
との位置合わせ精度が得られたという、本発明に係る当
該フォトリソグラフィーの条件と、イオンビームスパッ
タ法との組み合わせの絶妙さが発見されたことである。
おいて、磁化フリー層を上部に配置する構成とすること
により、イオンビームスパッタにより形成された永久磁
石膜の端部とスピンバルブ膜のフリー層の端部との位置
合わせが絶妙となったこと、などである。すなわち、上
記の顕著な作用効果が得られた原因は、単にイオンビー
ムスパッタ法であったからというわけではなく、イオン
ビームスパッタ法の適用を有効とすることができた素子
寸法、スピンバルブ膜の積層構成、マスクの形状などの
製造工程や構成の諸条件との組み合わせの結果である。
イオンを用いた場合はもちろんのこと、Xeイオンを用
いた場合でも有効である。特に、電極膜など比抵抗の小
さい膜を形成する場合には、Xeを用いることによって
膜の比抵抗を低減できる。また、中央領域の幅を規定す
るパタニングがイオンビームエッチングによってなされ
た後、素子を大気暴露することなく、連続的にイオンビ
ームスパッタ法による永久磁石膜および電極膜の成膜を
行うことによって、中央領域と端部領域の界面が清浄に
保たれ、素子抵抗の上昇を抑制できる。イオンビーム装
置は複数のイオン源を同一チャンバ内に装備することが
容易であることから、上記のような連続的な工程を実現
しやすい。
のより具体化された態様としては、例えば、媒体磁界を
感磁する磁気抵抗効果を有する中央領域と、前記中央領
域を両側から挟み込むように形成され、前記中央領域に
バイアス磁界と電流とを供給する端部領域とからなる磁
気抵抗効果素子からなる、実効的な再生トラック幅が1
μm以下の磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法であって、
前記中央領域が電気抵抗の変化が2つの隣接する磁性層
の磁化の方向間の余弦に比例する、一般にスピンバルブ
効果と呼ばれる磁気抵抗効果材料からなることを特徴と
し、かつ、前記スピンバルブ効果と呼ばれる磁気抵抗効
果材料(スピンバルブ膜)が、下地層、反強磁性層、磁
化固定層、非磁性導電層、磁化フリー層、保護層からな
り、かつ、各層が下地層、反強磁性層、磁化固定層、非
磁性導電層、磁化フリー層、保護層の順に形成されるこ
とを特徴とする磁気抵抗効果型ヘッドの製造方法であっ
て、前記バイアス磁界を供給する機能を有する端部領域
が永久磁石膜からなり、かつ、前記永久磁石膜の磁界
が、前記スピンバルブ膜の磁化フリー層にスムースに流
れるように、前記スピンバルブ膜が端部領域と接する面
が滑らかに傾斜し、この傾斜に沿って前記永久磁石膜が
配置され、前記永久磁石膜の端部が前記磁化フリー層の
端部と良く位置合わせされていることを特徴とする磁気
抵抗効果型ヘッドの製造方法であって、前記永久磁石膜
および前記中央領域に電流を供給する電極膜とが、前記
中央領域の幅を規定するマスクが、前記中央領域の幅を
規定するパタニング後にも残された状態で、かつ、イオ
ンビームスパッタ法により形成されることを特徴とす
る、磁気抵抗効果素子の製造方法である。
を、磁気抵抗効果素子30を形成する場合を例に採って
説明する。図10に、本発明によるスピンバルブ再生、
インダクティブ記録複合ヘッドを媒体対向面(ABS)
から観察した構造を示す。図中、スライダとなるAl2
O3 −TiCセラミック基体20上に、CoTaZrC
r膜からなる膜厚1μmの下シールド層21、膜厚80
nmのアルミナ膜からなる下ギャップ層22を形成した
後、以下に示すスピンバルブ素子を形成した。
パタン50は、膜厚3nmのZr下地膜、膜厚25nm
のPtMn反強磁性膜、膜厚3nmのCoFe固定層
膜、膜厚2.7nmのCu非磁性導電層膜、膜厚1nm
のCoFe膜と膜厚6nmのNiFe膜とからなる磁化
フリー層膜、膜厚3nmのZr保護膜からなる。当該中
央領域10の幅を0.4μmとし、その端部に中央領域
10にバイアス磁界を印加する永久磁石膜11,12を
配置した。
成分とし膜厚は30nmである。この下地膜として膜厚
10nmのCr膜を挿入することによって、CoPt膜
の保磁力を大きくすることが出来る。さらに膜厚50n
mのAu膜からなる電極膜13,14を配置した。上記
のスピンバルブ素子上に、膜厚60nmのアルミナ膜か
らなる上ギャップ層23、記録磁極と兼用される膜厚2
μmのNiFe膜からなる上シールド膜24を形成し、
さらに膜厚0.15mのアルミナ膜からなる記録ギャッ
プ25を介して、膜厚2μmのCoFeNi膜からなる
記録磁極26を形成した。記録磁極24,25間には図
2の奥行き方向に、フォトレジストにより絶縁された励
磁コイルを形成した。
して説明する。つまり、図8(A)はスピンバルブ膜5
0を成膜する工程である。成膜はマグネトロンスパッタ
法を用いているが、高周波(RF)スパッタ法やイオン
ビームスパッタ法でも可能である。図8(B)はこのス
ピンバルブ膜をパタン化するためのフォトレジストパタ
ン16を形成する工程である。
16bを形成するレジスト材料と上頭部16aを形成す
るそれとの材質を変えることによって、16で示す形状
を得た。ここで茎部16bの高さは、ウエハ上に均一膜
厚にレジストを塗布することが容易である0.2μmと
した。レジスト膜厚としては0.05μm以下となると
均一な塗布が極めて困難であった。0.05μmから
0.3μmが適当な範囲である。
用いてイオンビームエッチングによりスピンバルブ膜を
パタン化する工程である。図8(D)は中央領域のスピ
ンバルブにバイアス磁界を印加する永久磁石膜11,1
2を成膜しリフトオフする工程である。本発明ではこの
工程を実施するために、指向性の高い成膜技術として、
イオンビームスパッタ法が最適であることを発見し、適
用した。
rガス圧力を1×10-5Torr、ターゲット中心とウ
エハ中心との距離を25cm、ウエハはウエハの中心を
軸として面内で10rpmで回転させた。当該イオンビ
ームスパッタ法では、成膜時のアルゴンなどのガス圧力
を、通常のスパッタ法での数mTorrに対して、1×
10-4Torr以下と低くできることから、スパッタ粒
子のガスによる散乱を抑制できること、さらにスパッタ
粒子を発散させる母材であるターゲットと、膜を堆積さ
せる基板との距離を20cm以上と長くすることが容易
であることから、飛来方向の揃ったスパッタ粒子を堆積
させて膜を形成することが可能であった。
られるため、フォトレジストマスク16の熱による変形
が発生しない。本具体例に於ける当該成膜時の圧力とし
ては、イオン源の動作が安定化する3×10-5Torr
以上、スパッタされた原子の散乱が顕著とならない3×
10-4Torr以下が適当な範囲である。また、ターゲ
ットと基板ウエハとの距離は、スパッタ原子の飛来方向
がそろう20cm以上、装置そして極端に大きくなら
ず、また、適当な成膜速度が得られる100cm以下が
適当である。
ルブ素子の中央領域と端部領域の接合部を図1に示す。
図1から理解される様に、永久磁石膜の磁界が、スピン
バルブ膜の磁化フリー層にスムースに流れるように、ス
ピンバルブ膜が端部領域と接する端面が滑らかに傾斜
し、この傾斜に沿って永久磁石膜が配置され、永久磁石
膜11、12の端部が磁化フリー層10e の端部と驚くほ
ど良く位置合わせされている構造が実現している。
めのレジストの茎高さは0.05μmから0.3μm
と、ウエハ上に均一に塗布しやすい広い範囲で実現する
ことから、製造の歩留まりも高い。又、本具体例に於
て、電極膜13、14のように比抵抗の小さい膜を成膜
するには、ArイオンよりもXeイオンを使うことが有
効であった。
た場合の比抵抗は9μΩcmであったのに対して、Xe
イオンでは3μΩcmと小さくなった。また、Xeを用
いた際の中央領域と端部領域の接合部の形状は、Arを
用いた時と大差はない。また、中央領域の幅を規定する
パタニングがイオンビームエッチングによってなされた
後、素子を大気暴露することなく、連続的にイオンビー
ムスパッタ法による永久磁石膜および電極膜の成膜を行
うことによって、中央領域と端部領域の界面が清浄に保
たれ、素子抵抗の上昇を抑制できる。
チャンバ内に装備することが容易であることから、上記
のような連続的な工程を実現しやすい。以上の素子の抵
抗−磁界曲線を測定した結果が図3である。本発明に係
る本具体例に於いては、図3のように、バルクハウゼン
ジャンプやヒステリシスのない、良好な抵抗−磁界曲線
が得られた。
地層、反強磁性層、磁化固定層、非磁性導電層、磁化フ
リー層、保護層の順に形成されることができるものであ
れば同様の効果が得られる。特に、反強磁性膜として
は、Ni−MnやPt−MnなどのMn合金であれば良
い。また、Ni−OやFe−Oなどの酸化物の単層、あ
るいは、2層からなるものであっても良い。
程において、図8(D)の工程をマグネトロンスパッタ
法により永久磁石膜および電極膜を成膜した素子を作製
した。その結果、成膜中のアルゴンガス圧力は5mTo
rrであった。スピンバルブ膜をパタン化するためのレ
ジストの茎高さはウエハ内の分布の少ない0.2μmと
した。
ルブ素子の中央領域と端部領域の接合部を図2に示す。
係る従来の方法により得られた磁気抵抗効果素子30に
於いては、永久磁石膜11、12の端部と磁化フリー層
10eの端部とは全く位置合わせされていない。
ッタ法により行い、まずまずの位置合わせを実現するた
めには、スピンバルブ膜をパタン化するためのレジスト
の茎高さを0.05μm以下とする必要があった。しか
しながら、この茎高さを実現するための0.05μm厚
以下のレジストをウエハ内に均一に塗布することは不可
能であった。
果が図4である。図4のように、バルクハウゼンジャン
プやヒステリシスの顕著な、ノイズの大きい抵抗−磁界
曲線であった。
抗効果素子及びそれらの製造方法は、上記したような技
術構成を採用しているので、実効再生トラック幅が1μ
m以下である高密度記録に適したGMRヘッドに使用し
える優れたスピンバルブ膜を得る事が可能となり、更
に、当該スピンバルブ膜と端部領域の接合形状におい
て、端部領域である永久磁石膜の磁界が、スピンバルブ
膜の磁化フリー層にスムースに流れるように、スピンバ
ルブ膜が端部領域と接する端面が滑らかに傾斜し、この
傾斜に沿って永久磁石膜が配置され、永久磁石膜の端部
が磁化フリー層の端部と驚くほど良く位置合わせされて
いるのでノイズの発生が無く、然も高い製造歩留まりを
もって製造しえる接合構造或いは磁気抵抗効果素子を得
る事が可能になった。
具体例の構成を示す断面図である。
具体例の構成を示す断面図である。
抗効果素子に於ける抵抗−磁界特性を示すグラフであ
る。
効果素子に於ける抵抗−磁界特性を示すグラフである。
ピンバルブGMR素子の構成を示す断面図であり、図5
(B)は、理想的な本発明の目標とするスピンバルブG
MR素子に於ける磁区の形成状態を説明する平面図であ
る。
の構成を示す断面図であり、図6(B)は、従来のスピ
ンバルブGMR素子に於ける磁区の形成状態を説明する
平面図である。
の構成を示す断面図であり、図7(B)は、従来のスピ
ンバルブGMR素子に於ける磁区の形成状態を説明する
平面図である。
ルブGMR素子の製造方法の一具体例の行程の手順をを
示す図である。
方法の一具体例の行程の手順をを示す図である。
ヘッドの一具体例の構成を示す断面図である。
の定義を説明する図である。
リシスの定義を説明する図である。
に於ける重畳率とヒステリシスとの関係を示すグラフで
ある。
Claims (19)
- 【請求項1】 第1の機能膜と当該第1の機能膜とは異
なる材料で構成された第2の機能膜とが、互いにその端
縁部に於いて電気的若しくは磁気的に接合されている接
合構成体であって、且つ当該第1の機能膜の端縁側壁部
の少なくとも一部に当該第2の機能膜の端縁部の少なく
とも一部が当接せしめられている接合構成体に於いて、
当該第1の機能膜に当接する当該第2の機能膜の端縁部
の少なくとも一部が、当該第1の機能膜の端縁部表面に
重ね合わされる重畳率が0〜10%である事を特徴とす
る接合構造。 - 【請求項2】 当該接合構造は、磁気抵抗効果素子内で
使用されるものである事を特徴とする請求項1記載の接
合構造。 - 【請求項3】 当該接合構造に於ける当該第1と第2の
機能膜の端縁部同志が当接する界面は、当該第1の機能
膜の表面に対して所定の角度を有して傾斜している事を
特徴とする請求項1又は2に記載の接合構造。 - 【請求項4】 当該接合構造はイオンビームスパッタ法
により形成されたものである事を特徴とする請求項1乃
至3の何れかに記載の接合構造。 - 【請求項5】 少なくとも磁気抵抗効果を有する中央領
域と、該中央領域の両側に位置する端部領域とからなる
磁気抵抗効果素子に於いて、当該中央領域と当該端部領
域との重畳率が0〜10%である事を特徴とする磁気抵
抗効果素子。 - 【請求項6】 当該中央領域と当該端部領域とが当接す
る界面は、少なくとも当該中央領域表面に対して傾斜し
ている事を特徴とする請求項5に記載の磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項7】 当該中央領域は磁化フリー膜層を含むも
のであり、当該端部領域は永久磁石膜層を含んでいる事
を特徴とする請求項5又は6に記載の磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項8】 当該中央領域は、下地層、反強磁性層、
磁化固定層、非磁性導電層、磁化フリー層、保護層から
なり、かつ、当該端部領域は、当該中央領域にバイアス
磁界を印加する為の永久磁石膜層と当該中央領域に電流
を供給する電極膜層とから構成されている事を特徴とす
る請求項5乃至7の何れかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項9】 当該反強磁性膜が、Mn合金、Mn−P
tを主成分とする合金、酸化物、Ni−O及び、Fe−
Oから選択された成分からなる単層あるいは複数の層か
らなることを特徴とする請求項8記載の磁気抵抗効果素
子。 - 【請求項10】 1μmの再生幅を有するトラックに使
用されるものである事を特徴とする請求項5乃至9の何
れかに記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項11】 少なくとも当該永久磁石膜層若しくは
当該電極膜層はイオンビームスパッタ法により形成され
たものである事を特徴とする請求項5乃至10の何れか
に記載の磁気抵抗効果素子。 - 【請求項12】 少なくとも磁気抵抗効果を有する中央
領域と、該中央領域の両側に位置する端部領域とからな
る磁気抵抗効果素子を製造するに際し、当該中央領域を
形成する膜層を形成した後に所定の当該中央領域を残す
為に所定のレジストを使用してパターニングを行い、次
いで当該パターニングされた中央領域上に当該レジスト
を残存させた状態でイオンビームスパッタ法を用いて当
該端部領域を形成する事を特徴とする磁気抵抗効果素子
の製造方法。 - 【請求項13】 当該中央領域に残存する当該レジスト
は、2層構造を有しており、当該中央領域膜層に接する
側にある当該下層レジストの幅が、当該中央領域膜層と
接していない当該上側レジストの幅より狭くなるように
構成する事を特徴とする請求項12記載の磁気抵抗効果
素子の製造方法。 - 【請求項14】 当該2層を構成する当該レジストのそ
れぞれの成分は、所定のエッチング処理液に対してエッ
チングスピードが互いに異なる様に構成されている事を
特徴とする請求項12又は13に記載の磁気抵抗効果素
子の製造方法。 - 【請求項15】 当該中央領域の幅を規定する当該レジ
ストマスクが2層で構成され、当該中央領域の表面に接
する側の当該レジストの厚さが0.05〜0.3μmで
ある事を特徴とする請求項12乃至14の何れかに記載
の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 【請求項16】 当該磁化フリー層を含む中央領域の幅
を規定するパターニングがイオンビームエッチングによ
って形成され、当該パターニング後に当該磁気抵抗効果
素子が大気暴露されることなく、連続的にイオンビーム
スパッタ法による永久磁石膜および電極膜の形成がされ
ることを特徴とする請求項12乃至15の何れかに記載
の磁気抵抗効果素子の製造方法。 - 【請求項17】 当該イオンビームスパッタ法に於ける
スパッタ膜形成時のガス圧力が3×10-5Torr以上
3×10-4Torr以下であることを特徴とする、請求
項12乃至16の何れかに記載の磁気抵抗効果素子の製
造方法。 - 【請求項18】 当該イオンビームスパッタ法に於ける
スパッタ膜形成時に際して、ターゲット面と基板との距
離が20cm以上100cm以下であることを特徴とす
る請求項12乃至17の何れかに記載の磁気抵抗効果素
子の製造方法。 - 【請求項19】 当該イオンビームスパッタ法が、Xe
のイオンビームを用いることを特徴とする請求項12乃
至18の何れかに記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
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