JP4079271B2 - 磁気抵抗センサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気ディスク装置及び磁気テープ装置等の磁気記録装置に用いられる磁気抵抗センサの製造方法に関する。

近年、磁気ディスク装置の小型化・高密度化に伴い、ヘッドスライダの浮上量が減少し、極低浮上或いはスライダが記録媒体に接触する接触記録／再生の実現が望まれている。また、従来の磁気誘導ヘッドは、磁気ディスクの小径化により周速（ヘッドと媒体との間の相対速度）が減少すると、再生出力が劣化する。

そこで最近は、再生出力が周速に依存せず、低周速でも大出力の得られる磁気抵抗ヘッド（ＭＲヘッド）が盛んに開発され、磁気ヘッドの主流と成っている。更に現在は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用した磁気ヘッドも市販されている。

磁気ディスク装置の高記録密度化により、１ビットの記録面積が減少すると共に、発生する磁場は小さくなる。現在市販されている磁気ディスク装置の記録密度は１０Ｇｂｉｔ／ｉｎ²前後であるが、記録密度の上昇は年率約２倍で大きく成っている。

このため、更に微小な磁場範囲に対応すると共に、小さい外部磁場の変化を感知できる磁気抵抗センサ及び磁気抵抗ヘッドが要望されている。現在、磁気ヘッドにはスピンバルブＧＭＲ効果を利用したスピンバルブ磁気抵抗センサが広く用いられている。

スピンバルブ構造の磁気抵抗センサでは、フリー強磁性層（フリー層）の磁化方向が記録媒体からの信号磁界により変化し、ピンド強磁性層（ピンド層）の磁化方向との相対角が変化することにより、磁気抵抗センサの抵抗が変化する。

この磁気抵抗センサを磁気ヘッドに用いる場合には、ピンド層の磁化方向を磁気抵抗素子の素子高さ方向に固定し、外部磁界が印加されていない状態におけるフリー層の磁化方向を、ピンド層と直交する素子幅方向に一般的に設計する。

これにより、磁気抵抗センサの抵抗を、磁気記録媒体からの信号磁界方向がピンド層の磁化方向と平行か反平行かにより、直線的に増減させることができる。このような直線的な抵抗変化は、磁気ディスク装置の信号処理を容易にする。

従来の磁気抵抗センサでは、センス電流を膜面に平行に流し、外部磁界による抵抗変化を読み取っている。この、ＧＭＲ膜面に平行に電流を流す（Current in the plane、ＣＩＰ）構造の場合、一対の電極端子で画成されたセンス領域が小さくなると、出力が低下する。

又、ＣＩＰ構造のスピンバルブ磁気抵抗センサの場合、ＧＭＲ膜と上下磁気シールドとの間に絶縁膜が必要となる。即ち、磁気シールド間距離＝ＧＭＲ膜厚さ＋絶縁膜厚さ×２となる。絶縁膜厚さは、現在２０ｎｍ程度が下限であるので、磁気シールド間距離＝ＧＭＲ膜厚差＋約４０ｎｍとなる。

記録媒体上の記録ビットの長さが短くなると対応が困難となり、磁気シールド間距離を４０ｎｍ以下にしたいという要望には現在のところＣＩＰスピンバルブ磁気抵抗センサでは対応不可能である。

これらのことから、スピンバルブＧＭＲ効果を利用したＣＩＰ構造の磁気ヘッドは、２０〜４０Ｇｂｉｔ／ｉｎ²の記録密度まで対応可能と考えられている。又、最新技術のスペキュラー散乱を応用したとしても、６０Ｇｂｉｔ／ｉｎ²の記録密度が上限と考えられている。

上述したように、磁気ディスク装置の記録密度の向上は急激であり、２００２年には８０Ｇｂｉｔ／ｉｎ²の記録密度が求められている。記録密度が８０Ｇｂｉｔ／ｉｎ²以上では、最新のスペキュラー散乱を応用したＣＩＰスピンバルブＧＭＲ磁気ヘッドでも、出力及び磁気シールド間距離の点で対応が非常に困難である。

このような問題に対し、ポストスピンバルブＧＭＲとして、ＧＭＲ膜面に垂直に電流を流す（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ，ＣＰＰ）構造のＧＭＲやトンネルＭＲ（ＴＭＲ）が提案されている。

ＴＭＲは、２つの強磁性層間に薄い絶縁層を挟んだ構造で、２つの強磁性層の磁化方向により絶縁層を通過するトンネル電流量が変化するものである。ＴＭＲは非常に大きな抵抗変化を示すと共に感度も良いので、ポストスピンバルブＧＭＲとして有望視されている。

ＣＰＰ構造のＧＭＲでは、ＧＭＲ膜のセンス電流が通過する部分の断面積が小さくなると、出力が大きくなるという特徴を有している。これは、ＣＩＰ構造のＧＭＲに対する大きなアドバンテージである。

尚、ＴＭＲも一方の強磁性層から絶縁層を横切って他方の強磁性層へと電流が通過することから、ＣＰＰ構造の一種と考えることができ、前述したアドバンテージも同様である。

図１は従来の磁気抵抗センサ２の模式的断面図を示している。磁気抵抗センサ２は、下部電極層４、絶縁体マトリックス６、磁気抵抗膜８、上部電極層１０から構成されている。磁気抵抗膜８は絶縁体マトリックス６の概略中央部分に形成されたコンタクトホール１２で下部電極層４に接触している。上部電極層１０から下部電極層４に向けて磁気抵抗膜８のコンタクトホール１２を通してセンス電流が流される。

コンタクトホール１２の形成には、微細加工に適しているドライエッチングが採用されている。ここで、ＣＰＰ構造の磁気抵抗センサの出力ΔＲとコンタクトホール１２の直径Ｄの関係は次式で表される。

ΔＲ∝１／Ｄ²
情報処理、通信、磁気記録、光記録などの各分野で用いられる殆どのデバイスに於いて、間に絶縁体が介装された２つの導体の電気的接続を得るために、絶縁体に円形の穴（コンタクトホール）が設けられている。このコンタクトホールは、デバイスの微細加工に適しているドライエッチングで形成するのが一般的である。

ところで、ドライエッチングとは、供給したガスをプラズマによって分解してイオンやラジカルなどの活性種を生成し、この活性種を基板に照射することで被エッチング材料と反応させ、パターニングやレジスト剥離を行なうプロセスのことである。

しかし、現状のドライエッチングの技術では、形成されるコンタクトホールの直径は、ｉ線ステッパーを用いた場合には２００ｎｍ、ＦＩＢ（フォーカスト・イオン・ビーム）を用いても１００ｎｍが限界であり、後者の場合には側壁に金属原子が付着するという問題が内在する。

磁気抵抗センサの性能及び特性の向上のためには、ｎｍオーダーの微細な構造制御が求められるため、必然的に微小なコンタクトホールを形成しなければ成らず、現状のドライエッチング技術では微小なコンタクトホールを形成できないという問題がある。この他にも、エッチングの均一性、パターン寸法の制御性なども求められる。

ｎｍオーダーサイズのコンタクトホールを有する磁気抵抗センサとして、本発明者は先に、絶縁体マトリックス中に粒状金属を分散させたグラニュラ構造膜を有し、上部電極層と下部電極層が磁気抵抗膜と粒状金属とを介して導通されることを特徴とする磁気抵抗センサを提案した（特開２００１−１４３２２７）。

このような磁気抵抗センサにおいては、グラニュラ構造膜は金属と絶縁体の同時蒸着により形成するため、粒状金属と下部電極層との電気的接合が不充分となり、接合抵抗が大きく磁気抵抗変化率が低下するという問題を生じる恐れがある。

よって、本発明の目的は、ｎｍオーダーサイズのコンタクトホールを有する磁気抵抗センサの製造方法を提供することである。

本発明の他の目的は、ｎｍオーダーサイズのコンタクトホールを有し、島状金属と下部電極層との接合抵抗を小さくすることで大きな磁気抵抗変化率を得ることが可能な磁気抵抗センサの製造方法を提供することである。

本発明の一側面によると、磁気抵抗センサの製造方法であって、下部電極層を成膜し、前記下部電極層上に面内方向に分散配置された複数個の島状金属を形成し、前記複数個の島状金属を形成した後、該島状金属を埋め込むように前記下部電極層上に絶縁体を成膜して導通路層を形成し、前記導通路層上にレジストパターンを形成し、前記レジストパターンをマスクとして、前記導通路層を部分的にエッチングして前記複数個の島状金属を露出させ、前記導通路層上に磁気抵抗膜を成膜し、前記磁気抵抗膜上に上部電極層を成膜する、各ステップを具備したことを特徴とする磁気抵抗センサの製造方法が提供される。

本発明の他の側面によると、磁気抵抗センサの製造方法であって、下部電極層を成膜し、前記下部電極層上に第１レジストパターンを形成し、該第１レジストパターンをマスクとしてエッチングすることにより、所望形状の下部電極層を得、前記下部電極層上に面内方向に分散配置された複数個の島状金属を形成し、前記複数個の島状金属を埋め込むように前記下部電極層上に絶縁体マトリックスを成膜し不連続構造膜を形成し、前記不連続構造膜上に第２レジストパターンを形成し、該第２レジストパターンをマスクとしたエッチングにより、前記不連続構造膜の不用部を除去し、前記不連続構造膜上に第３レジストパターンを形成し、該第３レジストパターンをマスクとして、前記複数個の島状金属の頂部が露出するまで前記不連続構造膜の中央領域をエッチングし、前記不連続構造膜上に磁気抵抗膜を成膜し、前記磁気抵抗膜上に上部電極層を成膜し、前記上部電極層上に第４レジストパターンを形成し、該第４レジストパターンをマスクとしたエッチングにより、所望形状の上部電極層を得る、各ステップからなることを特徴とする磁気抵抗センサの製造方法が提供される。

本発明によれば、見掛け上のコンタクトホールの直径を小さくすることができ、出力の大きなＣＰＰ構造の磁気抵抗センサを提供できるという効果を有する。更に、不連続構造膜の形成条件を工夫することにより、有効なコンタクトホールのサイズ及び数を制御可能である。

図２を参照すると、本発明実施形態のＣＰＰ構造の磁気抵抗センサ１４の模式的断面図が示されている。磁気抵抗センサ１４は、Ｃｕ又はＣｕとＡｕの組み合わせから形成された下部電極層１６と、下部電極層１６上に形成された不連続構造膜１８と、不連続構造膜１８上に形成された磁気抵抗膜（ＭＲ膜）２４と、ＭＲ膜２４上に形成されたＣｕ又はＣｕとＡｕの組み合わせから形成された上部電極層２６とから構成されている。

不連続構造膜１８は、例えばＳｉＯ_２から形成された絶縁体マトリックス２０と、この絶縁体マトリックス２０中に分散配置された複数の島状金属２２とを含んでいる。島状金属２６は、例えばクロム（Ｃｒ）から形成されている。

不連続構造膜１８の中央領域１８ａは島状金属２２が露出するまで部分的にエッチングされている。このエッチング部分１８ａで上部電極層２６と下部電極層１６とが、磁気抵抗膜２４及び島状金属２２を介して導通されている。即ち、不連続構造膜１８がエッチングされた部分１８ａの島状金属２２がコンタクトホールを形成する。

図３は図２の実施形態の要部拡大断面図を示している。図２及び図３から明らかなように、磁気抵抗膜２４は不連続構造膜１８のエッチングされた部分１８ａで複数の島状金属２２を介して下部電極層１６に接続されている。

よって、上部電極層２６と下部電極層１６の間にセンス電流を流すと、センス電流は比抵抗の大きい絶縁体マトリックス２０ではなく、比抵抗の小さい島状金属２２に集中して流れるため、コンタクトホールが小径化したのと同じ効果が得られる。

図１に示した従来の磁気抵抗センサ２では、下部電極層４に接触している磁気抵抗膜６の直径、即ちコンタクトホール１２の直径の２乗に反比例した出力が得られるのに対し、図２に示した実施形態の磁気抵抗センサ１４では、磁気抵抗膜２４と下部電極層１６に接する島状金属２２の断面積及びその数に反比例した出力が得られる。

ここで、不連続構造膜１８とその両面に接する下部電極層１６と磁気抵抗膜２４とを設けた構成に於いて、下部電極層１６及び磁気抵抗膜２４が島状金属２２に連続して接触している部分の直径、つまりコンタクトホールの見掛け上の直径Ｄ´を計算する。尚、計算にあたっては次の２つの仮定を用いた。

（１） 磁気抵抗膜２４と下部電極層１６とに接する島状金属２２がｎ個だけ存在する。

（２） 磁気抵抗膜２４と下部電極層１６とに接する島状金属２２の接触部分の形状は等しく、直径ｄの円である。

上記仮定のもとで、見掛け上のコンタクトホールの直径Ｄ´は次式で表される。

Ｄ´＝ｄ×ｎ^１／２・・・（１）
一般に、スパッタ法を用いた金属薄膜形成の初期過程では、金属は不連続な島構造を呈することが知られている。絶縁体マトリックス中にｎｍオーダーの島状金属が分散している不連続構造膜の例としてＣｏ／ＳｉＯ_２膜がある。熱酸化Ｓｉ基板上にスパッタ法を用いて作成したＣｏ１．５ｎｍ／ＳｉＯ_２２０ｎｍの透過型電子顕微鏡写真の平面像、断面像をそれぞれ図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に於いて、Ｃｏ／ＳｉＯ_２膜はＳｉＯ_２からなる絶縁体マトリックス（明るい領域）中に島状Ｃｏ（暗い領域）が分散した構造、つまり不連続構造膜を形成していることが分かる。又、図４（ｂ）から島状金属２２の直径は２ｎｍ程度であることも分かる。

図４（ａ）及び図４（ｂ）に示したＣｏ／ＳｉＯ_２膜に於いて、それぞれの島状ＣｏはＳｉＯ_２からなる絶縁体マトリックス中に内包され露出していないため、このＣｏ／ＳｉＯ_２膜の比抵抗は通常のＣｏ金属膜の比抵抗である数μΩ・ｃｍに比べて大きく、１０^５μΩ・ｃｍ程度に達する。即ち、Ｃｏが露出していないＣｏ／ＳｉＯ_２膜は絶縁体の特性を示す。

以下、本実施形態の磁気抵抗センサ１４の製造方法について説明する。まず、図示しない基板上に下部電極層１６となるＣｕ膜を５００ｎｍの厚さで成膜し、その上にレジストパターンを形成した後、このレジストパターンをマスクとしたエッチングにより、所望形状の下部電極層１６を形成した。

下部電極層１６上に図４（ａ）と図４（ｂ）と同じ構成の不連続構造膜１８であるＣｏ１．５ｎｍ／ＳｉＯ_２２０ｎｍをスパッタ法により成膜した。次に、ＳｉＯ_２膜２０上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしたエッチングにより、ＳｉＯ_２膜２０の不用部を除去した。

次いで、ＳｉＯ_２膜２０上に再度レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとし、不連続構造膜１８の中央領域１８ａのコンタクトホールとなる部分を１．５ｎｍ以下の厚さになるように、３００Ｖ，３００ｍＡで９０秒間エッチングした。

次いで、不連続構造膜１８上に磁気抵抗膜２４をスパッタ法により厚さ４０ｎｍだけ成膜した。磁気抵抗膜２４は、少なくとも一つの低抵抗膜と、この低抵抗膜を挟んだ少なくとも２つの強磁性膜を含んでいる。或いは、磁気抵抗膜２４は、強磁性トンネル接合構造を有しているか、又は強磁性層及び非磁性層の多層構造膜から構成される。

換言すると、磁気抵抗膜２４としては、ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ／ＩｒＭｎ等のスピンバルブＧＭＲ膜、ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＰｄＰｔＭｎ等の積層フェリスピンバルブＧＭＲ膜、ＮｉＦｅ／Ａｌ_２Ｏ_３／ＮｉＦｅ／ＰｄＰｔＭｎ等のトンネル接合型ＭＲ膜（ＴＭＲ膜）を用いることができる。

磁気抵抗膜２４の上に、Ｃｕからなる上部電極層２６をスパッタ法により厚さ３００ｎｍだけ狭くした。上部電極層２６上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしたエッチングにより、上部電極層２６を所望の形状として、磁気抵抗センサ１４を製造した。

比較例として、下部電極層１６上にＣｒからなる複数の島状金属２２を１．５ｎｍの厚さに形成後、ＳｉＯ_２膜を２０ｎｍの厚さで成膜し、不連続構造膜１８とした。この不連続構造膜１８をエッチングせずに、不連続構造膜１８上に磁気抵抗膜２４及び上部電極層２６を順次成膜して、比較例の磁気抵抗センサを作成した。

得られた試料について、直流四端子法に於いて抵抗値を測定した。これらの試料を用いて得られた出力及び抵抗値を、従来のＣＰＰ構造の磁気抵抗センサを用いた場合と共に表１に示す。尚、出力の測定は通常の四端子法を用い、電流２ｍＡ、印加磁場１０^５Ａ／ｍで行った。

表１から明らかなように、本発明の磁気抵抗センサでは１０ｍＶの出力が得られ、従来例の磁気抵抗センサの出力である１ｍＶと比較して１０倍の出力を示した。従って、不連続構造膜１８がコンタクトホールを実効的に小径化し、出力を向上させることが確認された。

表１に於いて、比較例の出力が０であるのは、コンタクトホールとしてのＣｒ島状金属２２がＳｉＯ_２膜中に完全に埋め込まれており、磁気抵抗膜２４と下部電極層１６の間の導通が取れないためである。

上述した実施形態に於いては、下部電極層１６と磁気抵抗膜２４の間に不連続構造膜１８を被着しているが、不連続構造膜１８はこの位置に限られるものではなく、磁気抵抗膜２４と上部電極層２６との間、又は、下部電極層１６、磁気抵抗膜２４、或いは上部電極層２６の内部に積層させても良い。

ここで、上述した実施形態に於いて、不連続構造膜１８中でコンタクトホールとして機能する島状金属２２の数を計算によって求めてみる。従来型磁気抵抗センサのコンタクトホール径が０．２μｍであることから、１０倍の出力が得られた本発明の磁気抵抗センサにおける見掛け上のコンタクトホールの直径Ｄ´は０．２／１０^１／２≒０．０６３μｍとなる。

従って、島状金属２２の直径を図４（ａ）及び図４（ｂ）の透過型電子顕微鏡写真から２ｎｍとすると、コンタクトホールとして機能する島状金属の個数ｎは０．０６３^２／０．００２^２≒９９０個と推察される。

従来例の模式的断面図である。 本発明実施形態の模式的断面図である。 本発明実施形態の要部拡大断面図である。 図４（ａ）はＣｏ１．５ｎｍ／ＳｉＯ_２２０ｎｍからなる不連続構造膜の透過型電子顕微鏡写真の平面像を示す図、図４（ｂ）はその断面像を示す図である。

Claims (4)

1. 磁気抵抗センサの製造方法であって、
   下部電極層を成膜し、
   前記下部電極層上に面内方向に分散配置される複数個の島状金属を形成し、
   前記複数個の島状金属を形成した後、該島状金属を埋め込むように前記下部電極層上に絶縁体を成膜して導通路層を形成し、
   前記導通路層上にレジストパターンを形成し、
   前記レジストパターンをマスクとして、前記導通路層を部分的にエッチングして前記複数個の島状金属を露出させ、
   前記導通路層上に磁気抵抗膜を成膜し、
   前記磁気抵抗膜上に上部電極層を成膜する、
   各ステップを具備したことを特徴とする磁気抵抗センサの製造方法。
2. 磁気抵抗センサの製造方法であって、
   下部電極層を成膜し、
   前記下部電極層上に第１レジストパターンを形成し、
   該第１レジストパターンをマスクとしてエッチングすることにより、所望形状の下部電極層を得、
   前記下部電極層上に面内方向に分散配置される複数個の島状金属を形成し、
   前記複数個の島状金属を埋め込むように前記下部電極層上に絶縁体マトリックスを成膜して不連続構造膜を形成し、
   前記不連続構造膜上に第２レジストパターンを形成し、
   該第２レジストパターンをマスクとしたエッチングにより、前記不連続構造膜の不用部を除去し、
   前記不連続構造膜上に第３レジストパターンを形成し、
   該第３レジストパターンをマスクとして、前記複数個の島状金属の頂部が露出するまで前記不連続構造膜の中央領域をエッチングし、
   前記不連続構造膜上に磁気抵抗膜を成膜し、
   前記磁気抵抗膜上に上部電極層を成膜し、
   前記上部電極層上に第４レジストパターンを形成し、
   該第４レジストパターンをマスクとしたエッチングにより、所望形状の上部電極層を得る、
   各ステップからなることを特徴とする磁気抵抗センサの製造方法。
3. 前記島状金属はＣｒから形成され、前記絶縁体マトリックスはＳｉＯ_２から形成される請求項２記載の磁気抵抗センサの製造方法。
4. 前記複数個の島状金属は、スパッタ法により形成される請求項２記載の磁気抵抗センサの製造方法。

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