JP2006237377A - 磁気抵抗効果素子、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フリー層の結晶性を良好にすることが可能でありながら、トラック幅の拡大を防止することができる磁気抵抗効果素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】フリー層５３、バリア層５５、ピンド層５７の第１部分５７ａをその順に成膜し、その段階でフリー層を所定の幅にエッチングする。エッチング後に、ピンド層の第１部分を平坦化し、当該第１部分の上に、ピンド層５７の第２部分５７ｂを成膜し、さらに、反強磁性層５９を成膜する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子、及びその製造方法に関するものである。

ハードディスク分野、センサ分野や磁気メモリ（ＭＲＡＭ）分野などにおいて、磁気抵抗比が高いＭＲ素子として、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が知られている（特許文献１参照）。ＴＭＲ素子は、下地層の上に積層される４つの主要構成層として、磁化方向が外部磁界に応答して自由に動くフリー層と、磁化方向が一方向に固定されているピンド層と、ピンド層の磁化方向を固定する反強磁性層と、フリー層及びピンド層の間に設けられるバリア層とを備える。

フリー層やピンド層などの構成層に対してほぼ直交する向きにセンス電流が印加されると、素子の抵抗値は、これらフリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向との関係に応じて変化する。この特性を利用し、ＴＭＲ素子にセンス電流を印加して抵抗値変化を検出することにより、外部磁界を検出していた。

また、層構成に関しては、図９及び図１０に示した２タイプが存在する。すなわち、図９に示されるように、主要構成層の配列が、下から順に、反強磁性層、ピンド層、バリア層、フリー層となっているものと、さらに、図１０に示されるように、主要構成層の配列が、下から順に、フリー層、バリア層、ピンド層、反強磁性層となっているものがある。本明細書では、図９に例示されるように、反強磁性層がバリア層よりも下方にあるものをボトムタイプＴＭＲ素子と称し、図１０に例示されるように、反強磁性層がバリア層よりも上方にあるものをトップタイプＴＭＲ素子と称する。
特開２００３−２９８１４７号公報

ボトムタイプＴＭＲ素子においては、アモルファスであるバリア層の上方にフリー層が形成されるため、下地層から反強磁性層、ピンド層に受け継がれていた良好な結晶構造がバリア層で途切れてしまい、フリー層においてはかかる良好な結晶構造を受け継ぎにくい問題があった。フリー層の結晶性の悪化は、出力の不安定化を引き起こす可能性がある。

これに対して、トップタイプＴＭＲ素子においては、フリー層はアモルファスのバリア層をまたぐことなく下地層の上に形成されるため、下地層の良好な結晶構造を受け継ぐことができた。しかしながら、フリー層がより下方に配置されていることにより、トラック幅形成工程において、上方からのミリングによってエッチングされない領域もその分拡がり、フリー層の幅の拡大すなわちトラック幅の拡大が避けられなかった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、フリー層の結晶性を良好にすることが可能でありながら、トラック幅の拡大を防止することができる磁気抵抗効果素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明は、フリー層、バリア層、ピンド層及び反強磁性層を備える磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記バリア層の成膜前に前記フリー層を形成するフリー層成膜工程と、前記反強磁性層の成膜前に少なくとも前記フリー層を所定の幅にエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程の後に前記反強磁性層を成膜する反強磁性層成膜工程とを備えることを特徴とする。

前記フリー層成膜工程の後に前記バリア層を成膜するバリア層成膜工程と、前記バリア層成膜工程の後に前記ピンド層を成膜するピンド層成膜工程とを備え、前記エッチング工程は、前記ピンド層成膜工程の後に、前記フリー層、バリア層及びピンド層をエッチングする工程であると好適である。

さらに、前記エッチング工程の後に、エッチングされたピンド層の上に再びピンド層を成膜する第２のピンド層成膜工程を備え、前記反強磁性層成膜工程は、前記第２のピンド層成膜工程の後に行われると好適である。

前記エッチング工程の後、前記第２のピンド層成膜工程の前に成膜対象部を平坦化する平坦化処理工程を備えると好適である。

同課題を解決するため、本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド装置及び磁気記録再生装置も提供する。

本発明の磁気抵抗効果素子は、フリー層、バリア層、ピンド層及び反強磁性層を備え、前記フリー層は前記バリア層の積層方向下方に配置されており、前記反強磁性層は、前記バリア層の積層方向上方に配置されており、且つ、前記フリー層よりも広い幅を有することを特徴とする。

また、前記ピンド層は、前記フリー層と共にエッチングされて規定された幅を有する第１部分と、該第１部分の上に成膜されて前記フリー層よりも広い幅を有する第２部分とを備え、前記反強磁性層は、前記第２部分の上に成膜されているようにしてもよい。

本発明の磁気ヘッド装置は、本発明の磁気抵抗効果素子を読み取り素子として含む。

本発明の磁気記録再生装置は、本発明の磁気ヘッド装置と、磁気記録媒体とを含む。

本発明によれば、バリア層を介在させることなくフリー層が成膜されるので、フリー層の結晶性を良好にすることが可能であり、なお且つ、反強磁性層まで積層する前にフリー層の幅を規定することができるので、トラック幅の拡大を防止することが可能となる。

なお、本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施の形態によって更に詳しく説明する。

以下、この発明を、薄膜磁気ヘッドの読み取り素子であるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ素子）に適用した場合の実施の形態として、添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。

図１は、磁気記録再生装置の平面図である。図示された磁気記録再生装置１は、磁気ヘッド装置３と、磁気ディスク５とを含む。磁気ヘッド装置３は少なくとも、ヘッド支持装置７と、位置決め装置９と、磁気ヘッド１１とを有する。ヘッド支持装置７の一端は、位置決め装置９に接続されている。磁気ヘッド１１は、ヘッド支持装置７の他端に支持されて、磁気ディスク５の磁気記録面と対向するように配置される。

このように構成された磁気記録再生装置１においては、磁気ディスク５が図示しない駆動装置により矢印Ａ１の方向に回転駆動されると、磁気ヘッド１１が、微小浮上量で、磁気ディスク５の面から浮上する。磁気ヘッド１１は、位置決め装置９の駆動によってヘッド支持装置７を介して磁気ディスク５の径方向ｂ１またはｂ２に移動される。そして、磁気ディスク５上の所定のトラック位置において磁気情報の書き込み、読み取りを行う。

図２に、磁気ヘッド１１における媒体対向面側の端部断面を示す。磁気ヘッド１１は、書き込み素子２１と、読み取り素子２３とを備えている。書き込み素子２１には、ギャップ膜２５が設けられている。ギャップ膜２５の上下には、上磁極膜２７及び下磁極膜２９が延在している。上磁極膜２７と下磁極膜２９は、媒体対向面と逆側において、結合部３１によって磁路が形成されるように結合されている。上磁極膜２７と下磁極膜２９との間には、コイル３３が形成されている。コイル３３は、結合部３１を軸に周回するように配置されている。

読み取り素子２３は、非磁性膜３５を挟んで書き込み素子２１の下方に配置されている。読み取り素子２３は、ＴＭＲ素子である磁気抵抗効果素子５１と、上下一対の給電膜３９，４１とを含んでいる。

なお、磁気記録再生装置や磁気ヘッドの構成に関してはあくまでも例示であり、適宜改変することが可能である。

図３に、媒体対向面側から見た磁気抵抗効果素子５１の構成を模式的に示す。磁気抵抗効果素子５１は、ＴＭＲ素子として構成されており、まず、フリー層５３と、バリア層５５と、ピンド層５７と、反強磁性層５９とを備え、これらの層は積層方向下からこの順に配置されている。

バリア層５５は、トンネルバリア層として機能する層であり、ＭＲ比の大きい絶縁材料、例えば酸化アルミニウムで構成され、アモルファス構造を有している。フリー層５３は、バリア層５５の積層方向下方に配置されており、その磁化方向は、記録媒体からの磁束など外部磁界に対応して変化できるようになっている。さらに、フリー層５３は、強磁性材料、例えば、主にＣｏＦｅで構成されている。

反強磁性層５９は、バリア層５５の積層方向上方に配置されている。かかる反強磁性層５９とピンド層５７との交換結合によって、ピンド層５７の磁化方向が特定の方向に固定されている。また、反強磁性層５９は、バリア層５５よりも広い幅を有する。

ピンド層５７は、強磁性材料、例えば、主にＣｏＦｅで構成され、反強磁性層５９とバリア層５５との間に挟まれており、第１部分５７ａと、その上に位置する第２部分５７ｂとを備える。ピンド層５７の第１部分５７ａは、バリア層５５の積層方向上方に位置していて、バリア層５５と同じかやや狭い幅を有する。なお、本明細書では、図３の紙面と平行な横方向（図２の紙面直交方向）を幅方向として記述する。ピンド層５７の第２部分５７ｂは、フリー層５３よりも広い幅を有し、本実施の形態では、反強磁性層５９と同程度の幅を有する。また、図３に示されるように、フリー層５３、バリア層５５及びピンド層５７の第１部分５７ａは、略台形状を構成するように設けられている。

続いて、磁気抵抗効果素子５１におけるフリー層５３、バリア層５５、ピンド層５７及び反強磁性層５９の周囲の構成について説明する。まず、フリー層５３の積層方向下方には、その上に設けられる層の結晶性を高めるための下地層６１が設けられている。また、下地層６１、フリー層５３、バリア層５５及びピンド層５７の第１部分５７ａの幅方向両側には、絶縁材料からなるギャップ層６３が設けられている。さらに、各ギャップ層６３とピンド層５７の第２部分５７ｂとに挟まれた部分には、フリー層５３に縦方向（前記幅方向と同じ方向）のバイアス磁界を印加する縦バイアス層６５が設けられている。また、反強磁性層５９の積層方向上方には、保護膜としてのキャップ層６７が設けられている。

このような構成の磁気抵抗効果素子５１においては、ピンド層５７の磁化方向とフリー層５３の磁化方向とのなす角度の変化に伴って、電気抵抗が変化する。積層面に対してほぼ直交する向きにセンス電流が流されると、外部磁界に対応するフリー層５３の磁化方向とピンド層５７の磁化方向とのなす角度に依存した出力電圧を得ることができる。よって、かかる出力電圧をみることによって外部磁界の検出を行うことができる。また、フリー層５３の結晶構造は、バリア層５５よりも積層方向下方にあって下地層６１の良好な結晶構造を受け継いでいるため、ノイズなどが生じにくく安定した出力を得ることができ良好な特性を提供することができる。

次に、図４〜図８に基づいて、このような磁気抵抗効果素子５１の製造プロセスについて説明する。図４において、まず、フリー層成膜工程として、下地層６１の上に、フリー層５３を成膜する。続いて、バリア層成膜工程として、フリー層５３の上に、バリア層５５を成膜し、その後必要に応じ酸化処理を行う。さらに、第１のピンド層成膜工程として、バリア層５５の上にピンド層５７の第１部分５７ａを成膜する。各成膜工程は、例えばスパッタリングなどの成膜手法によって実施することができる。

第１のピンド層成膜工程が完了したならば、その時点での最上層であるピンド層５７の第１部分５７ａの上面に、側面視Ｔ字状のリフトオフ用レジストマスク６９を設ける。レジストマスク６９は、例えばフォトリソグラフィプロセスによって形成することができる。

そして、エッチング工程として、上方より例えばイオンミリングやＲＩＥ（reactive ion etching）などのエッチングを施して、下地層６１、フリー層５３、バリア層５５及びピンド層５７の第１部分５７ａからなる積層膜構造体を台形状（図５参照）にエッチングする。すなわち、反強磁性層５９を成膜する前にフリー層５３等を所定の幅にエッチングする。また、本実施の形態は薄膜磁気ヘッドに適用されており、かかるエッチング工程はトラック幅形成工程であり、フリー層５３の幅がトラック幅として規定される。

続いて、レジストマスク６９の上から、例えばスパッタリングなどの成膜手法によって、ギャップ層６３を成膜する。ギャップ層６３は、下地層６１、フリー層５３、バリア層５５及びピンド層５７の第１部分５７ａからなる台形状の積層膜構造体の両側面に設けられる。さらに、例えばスパッタリングなどによって、両側のギャップ層６３の上に縦バイアス層６５を成膜する。その後、剥離剤を用いてレジストマスク６９をリフトオフし、その状態が図５に示される。

レジストマスク６９を除去したならば、図６に示されるように、平坦化処理工程として、例えばイオンミリングやＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）などの平坦化処理を実施し、図７に示すように、ピンド層５７の第１部分５７ａの上面、ギャップ層６３の上面、縦バイアス層６５の上面を平坦化する。

続いて、図８に示されるように、第２のピンド層成膜工程として、ピンド層５７の第１部分５７ａの上面、ギャップ層６３の上面、縦バイアス層６５の上面に、ピンド層５７の第２部分５７ｂを成膜する。さらに、反強磁性層成膜工程として、ピンド層５７の第２部分５７ｂの上面に、反強磁性層５９を成膜する。これら第２のピンド層成膜工程や反強磁性層成膜工程も、例えばスパッタリングなどの成膜手法によって実施することができる。反強磁性層５９の膜厚は、フリー層５３などの他の主要構成層よりも大きく、反強磁性層５９の幅は、ピンド層５７の第２部分５７ｂと共に、フリー層５３の幅よりも広く形成されている。そして、反強磁性層５９の成膜後、反強磁性層５９の上面にキャップ層６７を成膜することで図３の状態を得る。

以上に説明したように、まず、フリー層５３は、バリア層５５に対して積層方向下方すなわちより早い積層順番で成膜されるため、アモルファスであるバリア層５５をまたぐことがない。このため、フリー層５３は、すぐ下方の下地層の良好な結晶構造をそのまま受け継ぐことができる。それに加えて、トラック幅形成工程でもある、フリー層５３の幅を規定するエッチング工程は、ピンド層５７を成膜した後、反強磁性層５９を成膜する前に行われる。よって、膜厚の厚い反強磁性層５９が形成されていない分だけ、フリー層５３はエッチングを受ける表面により近い積層方向上方にあり、同じレジストマスク６９を用いてもより幅が狭くなるようにエッチングされる。よって、フリー層の結晶性を良好にすることが可能でありながら、トラック幅の拡大を防止することができる。

また、フリー層５３の幅を規定するエッチング工程は、ピンド層５７を最上層として実施されるため、エッチングの影響がフリー層５３に残存する恐れがなく磁気抵抗効果素子５１としての特性上、好適なプロセスとなっている。

さらに、反強磁性層成膜工程は、ピンド層５７の第２部分５７ｂの成膜工程の後に例えば平坦化工程などを介在させることなく実施される。よって、一度ミリングを受けているピンド層５７の第１部分５７ａの上に直接、反強磁性層５９を成膜する場合よりも反強磁性層５９とピンド層５７との交換結合をさらに良好にすることができ、やはり磁気抵抗効果素子５１としての特性上、好適なプロセスとなっている。

また、エッチング工程で最上層となるピンド層５７の第１部分５７ａは、その表面部分がその後の平坦化処理において削除されるため、エッチングの影響が残存しにくく、同様に磁気抵抗効果素子５１としての特性上、好適なプロセスとなっている。

以上、好ましい実施の形態を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の改変態様を採り得ることは自明である。

本発明は、フリー層の結晶性を良好にし、且つ、トラック幅の拡大を防止する観点に鑑みれば、ピンド層５７の第１部分５７ａを成膜した後にエッチング工程を行う態様には限定されない。すなわち、バリア層５５よりも下にフリー層５３を形成した後、反強磁性層５９を形成する前にエッチングを行う態様であればよく、例えば、上記実施の形態においてフリー層５３の成膜後、バリア層５５の成膜前にエッチングする態様や、バリア層５５の成膜後、ピンド層５７の成膜前にエッチングする態様として実施することも可能である。

また、本発明は、上記実施の形態のようにピンド層５７の構成部分を複数回に分けて成膜することに限定されるものではなく、ピンド層成膜工程、さらにエッチング工程の後、再度ピンド層の構成部分を成膜することなく反強磁性層５９を成膜するようにしてもよい。

また、本発明の磁気抵抗効果素子及びその製造方法は、薄膜を用いたセンサやメモリ、アクチュエータ、半導体デバイスなど、薄膜磁気ヘッド以外の製品に対して広く適用することが可能である。

本発明に係る磁気記録再生装置の平面図である。 本発明に関する磁気ヘッドの媒体対向面側の端部断面を示す図である。 本発明に係る磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示す図である。 本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造プロセスの一状態を示す図である。 図４の後の一状態を示す図である。 図５の後の一状態を示す図である。 図６の後の一状態を示す図である。 図７の後の一状態を示す図である。 従来のボトムタイプＴＭＲ素子の概要を示す図である。 従来のトップタイプＴＭＲ素子の概要を示す図である。

符号の説明

１ 磁気記録再生装置
３ 磁気ヘッド装置
５ 磁気ディスク
５１ 磁気抵抗効果素子
５３ フリー層
５５ バリア層
５７ ピンド層
５７ａ 第１部分
５７ｂ 第２部分
５９ 反強磁性層

Claims (8)

1. フリー層、バリア層、ピンド層及び反強磁性層を備える磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   前記バリア層の成膜前に前記フリー層を形成するフリー層成膜工程と、
   前記反強磁性層の成膜前に少なくとも前記フリー層を所定の幅にエッチングするエッチング工程と、
   前記エッチング工程の後に前記反強磁性層を成膜する反強磁性層成膜工程と
   を備えることを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
2. 前記フリー層成膜工程の後に前記バリア層を成膜するバリア層成膜工程と、
   前記バリア層成膜工程の後に前記ピンド層を成膜するピンド層成膜工程とを備え、
   前記エッチング工程は、前記ピンド層成膜工程の後に、前記フリー層、バリア層及びピンド層をエッチングする工程である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
3. 前記エッチング工程の後に、エッチングされたピンド層の上に再びピンド層を成膜する第２のピンド層成膜工程を備え、
   前記反強磁性層成膜工程は、前記第２のピンド層成膜工程の後に行われる、
   ことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
4. 前記エッチング工程の後、前記第２のピンド層成膜工程の前に成膜対象部を平坦化する平坦化処理工程を備えることを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
5. フリー層、バリア層、ピンド層及び反強磁性層を備える磁気抵抗効果素子であって、
   前記フリー層は前記バリア層の積層方向下方に配置されており、
   前記反強磁性層は、前記バリア層の積層方向上方に配置されており、且つ、前記フリー層よりも広い幅を有する、
   ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
6. 前記ピンド層は、前記フリー層と共にエッチングされて規定された幅を有する第１部分と、該第１部分の上に成膜されて前記フリー層よりも広い幅を有する第２部分とを備え、
   前記反強磁性層は、前記第２部分の上に成膜されている、
   ことを特徴とする請求項５に記載の磁気抵抗効果素子。
7. 請求項６に記載の磁気抵抗効果素子を読み取り素子として含む磁気ヘッド装置。
8. 請求項７に記載の磁気ヘッド装置と、磁気記録媒体とを含む磁気記録再生装置。

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