JP4807897B2 - 磁気抵抗素子及び磁気抵抗素子の製造方法 - Google Patents
磁気抵抗素子及び磁気抵抗素子の製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ヘッド、各種センサなどに用いるための磁気抵抗素子に係り、特にバリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造を基板上にて直列接続して形成した磁気抵抗素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ＮｉＦｅ等の異方性磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子、電子のスピンの向きに依存した散乱を利用して巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を得る磁気抵抗素子などがよく知られている。この種の磁気抵抗素子の特性を評価する性質の１つに磁気抵抗変化率があり、この磁気抵抗変化率は前者では約３％の値を示し、後者では約１０％の値を示す。
【０００３】
これらの磁気抵抗素子に対し、近年、磁気抵抗変化率が２０〜３０％という大きな値を示す磁気トンネル効果を利用した磁気抵抗素子が出現してきている。この磁気抵抗素子は、例えば特開平１１−１３５８５７号公報に示されているように、絶縁材料（例えば、Ａｌ２Ｏ３）からなるバリア膜を、強磁性材料（例えば、Ｎｉ０．８１Ｆｅ０．１９，ＣｏＦｅ）からなる下磁性層と、強磁性層（例えば、Ｎｉ０．８１Ｆｅ０．１９）からなる上磁性層との間に挟んで磁気トンネル接合構造を基板上に形成するとともに、下磁性層の直下に反強磁性層（例えば、ＦｅＭｎ）を設けて下磁性を固定層とするとともに上磁性層をフリー層とし、磁気トンネル効果により高い磁気抵抗変化率を得るようにしている。また、反強磁性層を設けなくても、上磁性層と下磁性層との間に保磁力の差を設けておき、前記と同等な磁気トンネル効果を実現できることも知られている。
【０００４】
この磁気トンネル効果を用いた磁気抵抗素子の使用に際しては、磁気抵抗素子（磁気トンネル接合）に対して電圧を印加して磁場の変化に対する磁気抵抗変化率に応じた電圧を取り出すようにするものであるが、この磁気抵抗素子にあっては印加電圧を上げていくと磁気抵抗変化率が徐々に低下する傾向を示すとともに、この磁気抵抗変化率の低下傾向は抵抗値が大きいほど顕者になる。したがって、抵抗値が大きい磁気抵抗素子に大きな電圧をかけると、大きな磁気抵抗変化率の減少を招くため、磁場の変化に対応して十分な検出電圧を取り出すことができないという問題がある。逆に、抵抗値の小さな磁気抵抗素子を使用すると、前記磁気抵抗変化率の減少傾向は小さいが、磁気抵抗素子自体の抵抗が小さいために、十分に大きな電圧を取り出すことができないという問題がある。
【０００５】
これらの問題に対処するために、例えば特開平１１−６７７６２号公報及び特開平１１−１１２０５４号公報に示されるように、複数の磁気トンネル接合構造を直列に接続して用いることが提案されている。この場合、前者においては、連続して形成した下磁性層上に一対のバリア膜及び上磁性層を独立に分離して設けるようにして下磁性層を共通に用いるようにしている。また、後者においては、前記のようにそれぞれ分離した一対のバリア膜及び上磁性を共通の下磁性層上に形成したトンネル接合構造の基本単位を更に複数組横に並べて、隣り合う基本単位の上磁性層を共通に連続する上磁性層で連結して多くのトンネル接合を下磁性層及び上磁性層を共通に用いて直列に連結するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなバリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した複数の磁気トンネル接合構造を基板上に直列接続して形成する場合、微細な加工処理を施す必要があり、この種の素子の製造にはウェットエッチングは適さない。したがって、基板上に下磁性層、バリア膜、上磁性層などを積層したものを、ドライエッチングであるイオンビームエッチングを用いて加工処理することが適当である。しかし、下磁性層は表面粗さを小さく抑える必要があるため厚く構成できないので、イオンビームエッチング処理によりバリア膜を確実に分離するとともに下磁性層を共通にすることは難しい。すなわち、バリア膜をイオンビームエッチングにより除去する場合、所定時間の計測、バリア膜の下層を構成する材料の検知などによりエッチング処理の終了を制御することができるが、エッチング処理の終了が早過ぎると一対のバリア膜を確実に分離することができない。これにより、磁気抵抗素子の製造の歩留まりが悪化したり、特性に大きなバラツキが生じるという問題があった。
【０００７】
【発明の概略】
本発明は、上記問題に対処するためになされもので、その目的は、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造を基板上に直列接続して形成した磁気抵抗素子であって、製造上の歩留まりを良好に保つとともにバラツキを少なくできる磁気抵抗素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
前記目的を達成するために本発明の特徴は、基板と、前記基板上に連続して形成された導電層と、前記導電層上にそれぞれ独立かつ分離して形成されていて、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造と、前記一対の磁気トンネル接合構造上、及び前記一対の磁気トンネル接合構造が形成されていない前記導電層上に形成されていて、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層の上方にコンタクトホールをそれぞれ有する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成した電極材料の一部を前記層間絶縁膜の材料の検出を終了条件とするイオンビームエッチングで除去することにより分離して形成される一対の上部電極であり、前記一対の磁気トンネル接合構造のそれぞれ上方であって、前記層間絶縁膜上にそれぞれ独立して形成されていて、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層に前記コンタクトホールを介してそれぞれ接続された一対の上部電極とを備えた磁気抵抗素子にある。
また、前記本発明に係る磁気抵抗素子を製造方法の発明としてとらえると、本発明の特徴は、基板上に連続して導電層を形成し、前記導電層上に、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造をそれぞれ独立かつ分離して形成し、前記一対の磁気トンネル接合構造上、及び前記一対の磁気トンネル接合構造が形成されていない前記導電層上に層間絶縁膜を形成し、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層の上方位置にて、前記層間絶縁膜にコンタクトホールをそれぞれ形成し、かつ前記層間絶縁膜上に形成した電極材料の一部を前記層間絶縁膜の材料の検出を終了条件とするイオンビームエッチングで除去することにより、前記一対の磁気トンネル接合構造のそれぞれ上方における前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトホールを介して前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層にそれぞれ接続されるように、一対の上部電極をそれぞれ分離かつ独立して形成するようにした磁気抵抗素子の製造方法にもある。
【０００９】
この場合、前記導電層と前記一対の磁気トンネル接合構造の各下磁性層との各間に、同各下磁性層を固定層とするための固定磁化層（反強磁性層又は強磁性層）をそれぞれ独立に分離して設けたり、同固定磁化層をそれぞれ共通に連続して設けたりするとよい。また、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層と前記独立した各上部電極との各間に、前記固定磁化層をそれぞれ独立に分離して設けてもよい。そして、このような磁気抵抗素子においては、前記一対の磁気トンネル接合構造を前記導電層上にイオンビームエッチングにより形成するとよい。
【００１０】
このように、本発明によれば、一対の磁気トンネル接合構造のうちの各下磁性層まで独立に分離させるようにしたので、前述したようなイオンビームエッチング処理により一対の磁気トンネル接合構造を分離して形成するようにすれば、イオンビームエッチング処理の終了を下磁性の直下層の材料の検出に応答させることができ、一対の磁気トンネル接合構造中の各バリア膜を確実に分離できる。したがって、本発明によれば、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子を簡単に量産できるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子について説明するが、まず一対の磁気トンネル接合構造のみを有する基本的構成例について説明する。
【００１２】
ａ．基本的構成例
図１は、磁気抵抗素子１の基本的構成例を断面図により示している。この磁気抵抗素子は、例えばＳｉＯ２／Ｓｉ、ガラス又は石英からなる基板５上に、例えば膜厚１５ｎｍのＴｉからなる第１導電膜６、及び例えば膜厚３００ｎｍのＣｕからなる第２導電膜７とで構成される下部電極３が形成されている。下部電極３上には、例えば膜厚５０ｎｍのＲｈＭｎからなる反強磁性膜８，８が２つに分離して形成されている。各反強磁性膜８，８上には、例えば膜厚３０ｎｍのＣｏからなる各下磁性層９，９がそれぞれ形成され、各下磁性層９，９上には、例えば膜厚１．８ｎｍのＡｌ膜を酸化処理することにより形成された各バリア膜１０，１０がそれぞれ設けられている。また、各バリア膜１０，１０上には、例えば膜厚６５ｎｍのＮｉＦｅからなる各上磁性層１１，１１がそれぞれ形成されている。
【００１３】
これらの反強磁性膜８，８、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０及び上磁性層１１，１１により、磁気トンネル抵抗素子２，２がそれぞれ形成されている。すなわち、２個の上部電極４，４と下部電極３との各間に、磁気トンネル抵抗素子２，２がそれぞれ設けられている。そして、反強磁性膜８，８は、上磁性層１１，１１の磁化が反転する範囲内で下磁性層９，９の磁化が反転しないように下磁性層９，９の磁化の方向を固定するもので（すなわち、下磁性層９，９に対して固定磁化層として作用するもので）、この場合、下磁性層９，９が固定層として機能するとともに上磁性層１１，１１がフリー層として機能する。なお、本明細書においては、前記バリア膜１０を下磁性層（固定層）９と上磁性層（フリー層）１１とで挟んだ構造を磁気トンネル接合構造という。また、上磁性層１１，１１（磁気トンネル抵抗素子２）は、平面形状を長方形としており、その長辺は８μｍであるとともに短辺は２μｍである。すなわち、この磁気トンネル抵抗素子２のアスペクト比（フリー層の長辺と短辺の比）は「４」に設定されている。
【００１４】
基板５、下部電極３及び磁気トンネル抵抗素子２，２を覆う領域に、例えば膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１２が形成されている。この層間絶縁膜１２には、磁気トンネル抵抗素子２，２上にコンタクトホール１３，１３がそれぞれ形成されている。このコンタクトホール１３，１３を埋設するように、例えば膜厚３００ｎｍのＣｕからなる上部電極４，４がそれぞれ形成されている。このようにして、下部電極３（第1及び第２導電膜６，７）を共通にし、同下部電極３（第1及び第２導電膜６，７）上にて２つの磁気トンネル抵抗素子２，２を直列に接続した磁気抵抗素子１が形成されている。
【００１５】
次に、この基本的構成例に係る磁気抵抗素子１の製造方法について、図２，３の工程図を用いて説明する。
【００１６】
(１)第１工程
まず、図２（ａ）に示すように、予め、洗浄した、例えばＳｉＯ２／Ｓｉ、ガラス又は石英からなる基板５をスパッタ装置にセットする。このスパッタ装置のチャンバを１×１０−７Ｔｏｒｒ以下まで排気する。そして、例えば、純度が９９．９９９９％のＡｒガスを圧力が４ｍＴｏｒｒになるまでチャンバ内に導入する。チャンバ内に装備されているスパッタガンに例えば、２００Ｗの直流電力を印加して、例えば、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのＴｉ及びＣｕのターゲットを使用して、例えば、成膜速度が１２ｎｍ／分で第１導電膜６として、膜厚が１５ｎｍのＴｉ膜を基板５上に成膜する。この第１導電膜６上に、例えば、成膜速度が２５ｎｍ／分で第２導電膜７として、膜厚が３００ｎｍのＣｕ膜を成膜する。
【００１７】
(２)第２工程
次に、図２(ａ)に示すように、例えば４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下において、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに１００Ｗの直流電力を印加して、成膜速度が６．５ｎｍ／分で反強磁性膜８として、膜厚が５０ｎｍのＲｈＭｎ膜を第１導電膜６上に成膜する。この反強磁性膜８上にターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに１００Ｗの直流電力を印加して、成膜速度が６ｎｍ／分で下磁性層９として、膜厚が３０ｎｍのＣｏ膜を成膜する。
【００１８】
(３)第３工程
次に、図２(ａ)に示すように、下磁性層９上に、例えば、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに２０Ｗの直流電力を印加し、成膜速度が２ｎｍ／分でＡｌを使用して膜厚が１．８ｎｍのＡｌ膜を成膜する。Ａｌ膜の成膜後、真空を破らずに、基板５を処理室に移動させて、純酸素をチャンバ内の圧力が１００Ｔｏｒｒになるまで導入し、例えば、２０分間放置し、Ａｌ膜の酸化処理を行う。これにより、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３からなるバリア膜１０を得る。
【００１９】
(４)第４工程
次に、図２(ａ)に示すように、バリア膜１０上に例えば、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに１００Ｗの直流電力を印加し、例えば、成膜速度が６．５ｎｍ／分で上磁性層１１として、膜厚が６５ｎｍのＮｉＦｅ膜を成膜する。
【００２０】
(５)第５工程
次に、上磁性層１１の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９、反強磁性膜８、第２導電膜７及び第１導電膜６の外周端部をエッチング除去して、図２（ｂ）に示すように、端部の除去された上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９、反強磁性膜８、第２導電膜７及び第１導電膜６からなる積層構造を形成する。この場合、前記エッチングにおいては、例えば投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡとし、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒとし、エッチング速度を７０ｎｍ／分とする。このエッチングは、同エッチングにより削り出された基板５の材料（ＳｉＯ２／Ｓｉなど）の検出を条件とし、同検出から多少の時間経過後に終了され、その後にアセトンでレジスト膜を除去する。
【００２１】
(６)第６工程
次に、上磁性層１１の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８の図示左右方向中央部及び両端部をエッチング除去して、図２（ｃ）に示すように、それぞれ上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８からなる一対の積層構造を第２導電膜７上にそれぞれ形成する。前記エッチングの条件及びレジスト膜の除去については前記第５工程と同じである。なお、この場合、エッチングは、同エッチングにより削り出された第２導電膜７の材料（Ｃｕ）の検出を条件とし、同検出時又は同検出から多少の時間経過後に終了される。
【００２２】
(７)第７工程
次に、一対の上磁性層１１，１１の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、各上磁性層１１，１１の外周端部をエッチング除去して、図２（ｄ）に示すように、各バリア膜１０，１０の各上面中央部だけに上磁性層１１，１１を残す。このエッチングにおいては、投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡとし、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒとし、エッチング速度を２０ｎｍ／分とし、ビーム角度を０度とする。また、エッチングの終了は、同エッチングにより削り出されたバリア膜１０の材料（Ａｌ２Ｏ３）の検出を条件とし、同検出時又は同検出から多少の時間経過後に終了される。
【００２３】
そして、前記エッチング後、加工物の側壁に付着したいわゆる側壁デポを除去するために、前記エッチング条件の中でビーム角度のみを変更して６０度とし、デポを削り取る。そして、エッチング終了後にアセトンでレジストを除去する。これにより、第２導電膜７上に、反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１からそれぞれなる一対の磁気トンネル抵抗素子２，２が形成される。これらの各磁気トンネル抵抗素子２，２の大きさ（フリー層である上磁性層１１の大きさ）は、それぞれ短辺が２μｍであり、長辺が８μｍである。即ち、磁気トンネル抵抗素子２，２のアスペクト比はそれぞれ「４」である。
【００２４】
(８)第８工程
次に、前記第７工程の終了したものをスパッタ装置の真空チャンバ内に設置する。そして、例えば真空チャンバ内を２．０×１０−６Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、５ｍＴｏｒｒのＡｒガスを導入した後、図３（ａ）に示すように、層間絶縁膜１２で基板５上を覆う。この場合、例えば直径が１２６ｍｍのＳｉＯ２のターゲットに１３．５６ＭＨｚの周波数を有する９００Ｗの電力を印加して、成膜速度１３ｎｍ／分で、膜厚が１０００ｎｍのＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１２を形成する。
【００２５】
(９)第９工程
次に、成膜した層間絶縁膜１２の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、各上磁性層１１，１１の上方の層間絶縁膜１２をエッチング除去して、図３（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１２に各コンタクトホール１３，１３を開口形成する。このエッチングにおいては、例えば投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡとし、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒとし、エッチング速度を３０ｎｍ／分とし、ビーム角度を０度とする。そして、このエッチングは、同エッチングにより削り出された上磁性層１１の材料（ＮｉＦｅ）の検出を条件に、同検出時から多少の時間経過後に終了され、その後に、例えばアセトンを使用してレジスト膜を除去する。
【００２６】
(１０)第１０工程
次に、コンタクトホール１３，１３の形成が終了したものを、真空チャンバにセットして、真空チャンバ内を２．０×１０−６Ｔｏｒｒ以下まで真空排気した後に、例えば、５ｍＴｏｒｒのＡｒガスを導入する。そして、図３（ｃ）に示すように、例えば、直径が１２６ｍｍのＣｕのターゲットに１３．５６ＭＨｚの周波数を有する２００Ｗの電力を印加し、成膜速度３０ｎｍ／分で膜厚が３００ｎｍであるＣｕ膜からなる上部電極４を形成する。
【００２７】
(１１)第１１工程
次に、成膜した上部電極４の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、上部電極４の中央部（切欠部１４）をエッチング除去することにより、図３(ｄ)に示すように、上部電極４を２つに分離する。このエッチングにおいては、投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡ、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒ、エッチング速度を７０ｎｍ／分とする。そして、このエッチングは、同エッチングにより削り出された層間絶縁膜１２の材料（ＳｉＯ２）の検出を条件に、同検出時から多少の時間経過後に終了され、前記エッチング終了後に、例えばアセトンを使用してレジスト膜を除去する。これにより、図１に示す磁気トンネル効果を用いた磁気抵抗素子１が形成される。
【００２８】
このように、前記第５〜７，９，１１工程のイオンビームエッチングにおいては、不要部分を確実に除去するために、同不要部分の下方に位置する層の部材成分の検出によりイオンビームエッチングを停止するようにしているので、同下方に位置する層の上表面の一部も除去される。
【００２９】
上記のように構成した基本的構成例においては、一対の上部電極４，４間に電圧を印加すれば、一方の磁気トンネル抵抗素子２、第１，２導電膜６，７、及び他方の磁気トンネル抵抗素子２を介して電流が流れる。このとき、外部磁界を変化させれば、直列接続された一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の抵抗値が変化し、外部磁界の変化を検出できる。このような一対の磁気トンネル抵抗素子２，２を直列に接続した磁気抵抗素子１においては、上部電極４，４間に印加する電圧をある程度大きくしても、一つの磁気トンネル抵抗素子２に印加される電圧がそれほど大きくならないので、磁気抵抗変化率を大きく保ったまま、ある程度大きな電圧変化を取出すことができる。
【００３０】
また、上述した基本的構成例によれば、イオンビームエッチング処理を用いて磁気抵抗素子１を形成するようにしたので、微細な処理を施すことができる。そして、一対の磁気トンネル抵抗素子２を分離するために、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性層８までをイオンビームエッチングにより削り取り、前記イオンビームエッチングを第２導電膜７材料の検出により終了させるようにしたので、上磁性層１１，１１、バリア膜１０，１０、下磁性層９，９及び反強磁性層８，８までを確実に独立分離させることができる。これにより、前記基本的構成例によれば、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子１を簡単に量産できるようになる。
【００３１】
ｂ．基本的構成例の変形例
次に、前記基本的構成例の第１変形例について、図４を用いて説明する。この第１変形例においては、基板５上にＣｒ（又はＴｉ）からなって膜厚１０ｎｍ程度の１層の導電膜で形成された下部電極３が設けられている。下部電極３上には、同一平面形状（１０×６０μｍのアスペクト比「６」の長方形状）に形成した反強磁性膜（固定磁化層）８，８、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０及び上磁性層１１，１１からなる各積層構造の一対の磁気トンネル抵抗素子２，２が下部電極３を共通にして設けられている。反強磁性膜（固定磁化層）８，８は、膜厚３０ｎｍ程度のＲｈＭｎからなる。下磁性層９，９は、膜厚１０ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる。バリア膜１０，１０は、膜厚２ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３からなる。上磁性層１１，１１は、膜厚２ｎｍ程度のＣｏ膜を下層とし、膜厚２０ｎｍ程度のＮｉＦｅ膜を上層とする２層構造に構成されている。各上磁性層１１，１１上には、各磁気トンネル抵抗素子２，２のエッチングによるマージンを稼ぐため、膜厚６０ｎｍ程度のＭｏ膜からなり同各上磁性層１１，１１と同一平面形状のダミー膜１６が形成されている。層間絶縁膜１２はＳｉＯ２で膜厚２５０ｎｍ程度に形成され、上部電極４はＡｌで膜厚３００ｎｍ程度に形成されている。
【００３２】
このように構成した第１変形例に係る磁気抵抗素子１の製造においては、上記基本的構成例の第１〜４工程と同種の方法により、基板５上に、下部電極３、反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０、上磁性層１１（Ｃｏ膜及びＮｉＦｅ膜からなる）及びダミー膜１６を前記厚さに積層する。次に、上記基本的構成例の第５工程と同様に、基板５上に、下部電極３、反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０、上磁性層１１（Ｃｏ膜及びＮｉＦｅ膜からなる）及びダミー膜１６からなる積層構造の外周端部をイオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより除去する。次に、上記基本的構成例の第６工程と同様に、イオンビームエッチングにより、ダミー膜１６、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８の図示左右方向中央部及び両端部を除去して、下部電極３上に、反強磁性膜８，８、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１及びダミー膜１６，１６からなる一対の積層構造を独立に分離して形成する。そして、上記基本的構成例の第８〜１１工程と同様に、層間絶縁膜１２及び上部電極４，４を形成する。
【００３３】
このように、第１変形例においても、イオンビームエッチング処理を用いて、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１からそれぞれなる一対の磁気トンネル接合構造を、共通の下部電極３上にて、一対の独立した反強磁性層８，８を介して独立かつ直列接続した磁気抵抗素子１が形成される。そして、この一対の磁気トンネル接合構造の形成においても、ダミー膜１６から上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８までをイオンビームエッチングにより削り取り、前記イオンビームエッチングを下部電極３の材料の検出により終了させるようにしたので、ダミー膜１６，１６、上磁性層１１，１１、バリア膜１０，１０、下磁性層９，９及び反強磁性層８，８までを確実に独立分離させることができる。これにより、この第１変形例においても、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子１を簡単に量産できるようになる。
【００３４】
また、上記基本的構成例は、次の第２〜５変形例のようにも変形できる。第２変形例に係る磁気抵抗素子１は、図５に示すように、下部電極３及び反強磁性膜８を共通に連続させて、反強磁性膜８上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１からそれぞれなる一対の磁気トンネル接合構造を、独立かつ直列接続して設けている。そして、この一対の磁気トンネル接合構造の形成においても、ダミー膜１６から上磁性層１１、バリア膜１０及び下磁性層９までを、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより削り取り、前記イオンビームエッチングを反強磁性膜８の材料の検出により終了させるようにしたので、ダミー膜１６，１６、上磁性層１１，１１、バリア膜１０，１０及び下磁性層９，９までを確実に独立分離させることができる。また、反強磁性層８を多少削り過ぎても、下部電極３が共通に連続して設けられているので、磁気トンネル抵抗素子２の特性が変化することはない。これにより、この第２変形例においても、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子１を簡単に量産できるようになる。
【００３５】
第３変形例に係る磁気抵抗素子１は、図６に示すように、上記第１変形例の反強磁性膜８を一対の磁気トンネル抵抗素子２，２にそれぞれ分離させて、各上磁性層１１，１１と各ダミー膜１６，１６との間に設けるようにしたものである。これによれば、上磁性層１１，１１が固定層として機能するとともに、下磁性層９，９がフリー層として機能するようになる。また、この第３変形例に係る磁気抵抗素子１の製造にあたっては、前記第２変形例と同一の材料を同一の膜厚で用いて積層の順序を変えるとともに、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、共通の下部電極３上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１、反強磁性膜８，８及びダミー膜１６，１６をそれぞれ分離して独立に形成するようにすればよい。
【００３６】
第４変形例に係る磁気抵抗素子１は、図７に示すように、上記第１〜３変形例の反強磁性膜８を削除したもので、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２は下磁性層９，９、バリア膜１０，１０及び上磁性層１１，１１のみで構成されている。この場合、各下磁性層９，９と各上磁性層１１，１１との間に、ある程度大きな保磁力の差を設けるようにして、保磁力の小さな方をフリー層として機能させるとともに保磁力の大きな方を固定層として機能させるようにする。また、この第４変形例に係る磁気抵抗素子１の製造にあたっては、上記第１変形例と同一の材料を同一の膜厚で用いて反強磁性膜８を削除して積層するとともに、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、共通の下部電極３上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１及びダミー膜１６，１６をそれぞれ分離して独立に形成するようにすればよい。
【００３７】
このような第３，４変形例においても、イオンビームエッチング処理を用いて、共通の下部電極３上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１からなる一対の磁気トンネル接合構造が独立に直列接続されて構成されるので、上記第１，２変形例の場合と同様な効果が期待される。
【００３８】
なお、上記第１，２変形例においては下磁性層９を固定層とするために反強磁性膜８を固定磁化層として用いるとともに、上記第３変形例においては上磁性層１１を固定層とするためにＲｈＭｎからなる反強磁性膜８を固定磁化層として用いるようにした。しかし、ＲｈＭｎに代えて、ＦｅＭｎ，ＰｔＭｎ等からなる反強磁性膜８を用いてもよい。
【００３９】
また、これらの反強性性膜８に代えて、下磁性層９又は上磁性層１１を固定層とするための固定磁化層として膜厚３０ｎｍ程度のＣｏＰｔＣｒなどの強磁性膜をそれぞれ用いることもできる。このＣｏＰｔＣｒからなる強磁性膜を用いることにより、上記第１〜４変形例による効果に加えて、温度特性が良好となる。また、前記ＣｏＰｔＣｒに代えて、ＣｏＴａＣｒなどの保磁力が十分に大きい強磁性膜を使用することもできる。
【００４０】
また、上記基本的構成例及びその各種変形例においては、バリア膜１０の形成のために、上記第３工程の処理により、純酸素チャンバ内でＡｌ膜を２０分間放置して酸化処理するようにしたが、これでは最終的な１つの磁気トンネル抵抗素子２当たりの規格化抵抗値は２０ｋΩ・μｍ２程度である。この規格化抵抗値を増加させるためには、前記Ａｌ膜を厚くして前記酸化処理時間を長くするようにしてもよい。これにより、前記規格化抵抗値を２００ｋΩ・μｍ２程度まで増大させることができる。また、成膜後に真空チャンバ内に、酸素を１００ｍＴｏｒｒ導入し、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波により酸素プラズマを発生させ、Ａｌ膜を、例えば、１分間酸素プラズマに曝すことにより前記規格化抵抗値を１ＭΩ・μｍ２まで大きくすることもできる。
【００４１】
また、本実施形態においては、バリア膜１０の作製方法は、純酸素を使用する方法を使用したが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、自然酸化法又は酸素プラズマに変えて酸素イオンビームをＡｌ膜に照射して酸化させる方法等を使用することができる。
【００４２】
このように、磁気トンネル抵抗素子２の規格化抵抗値は種々に調整されるものであるが、この規格化抵抗値が増加すると、熱雑音の影響が増加するので、その用途に応じて規格化抵抗値もある程度の値に抑える必要がある。
【００４３】
また、上記基本的構成例及びその各種変形例においては、下部電極３の材料としてＣｕ，Ｔｉ，Ｃｒ等を用いるようにしたが、これに限らず、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、Ｍｏ等の導電性非磁性金属材料を用いることができる。また、上部電極４及びダミー膜１６に関しても、前記のような各種導電性非磁性金属材料を用いることができる。
【００４４】
さらに、上記のように構成した基本的構成例及び各種変形例において、２つの磁気トンネル抵抗素子２，２を連結する非磁性層の下部電極３又はこの下部電極３の上に形成する下磁性層９を含めて、バリア膜１０と基板５との間の膜厚が１００ｎｍを超えると、表面粗さが大きくなり、バリア膜１０にピンホールが発生する原因となる。したがって、この膜厚は、１００ｎｍを超えない必要がある。また、各磁気トンネル抵抗素子２の抵抗のバラツキを少なくするため、好ましくは、バリア膜１０と基板５との間の膜厚は５０ｎｍ以下にするとよい。
【００４５】
ｃ．アスペクト比について
ここで磁気トンネル抵抗素子２のアスペクト比について説明しておく。なお、アスペクト比とは、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１が同一面積かつ同一形状で同一位置に重ねられている場合には、これらの各平面形状の長辺方向と短辺方向の長さの比を指し、例えば図１に示したように下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１が同一面積かつ同一形状でない場合には、フリー層となる上磁性層１１又は下磁性層９の平面形状の長辺方向と短辺方向の長さの比を指す。本発明者らの実験及び経験では、このアスペクト比が大きいほどバルクハウゼンノイズの影響が少なく、出力波形信号に歪みが少なくなることが分かった。
【００４６】
図１に示す磁気抵抗素子１について行った実験結果を示しておく。この場合、図１の磁気抵抗素子１の各上磁性層（フリー層）１１の平面形状を長方形にそれぞれ構成して、その長辺が４０μｍで短辺が２０μｍであるアスペクト比「２」の第１サンプルと、その長辺が８０μｍで短辺が２０μｍであるアスペクト比「４」の第２サンプルを用意した。そして、第１及び第２サンプルに係る各磁気抵抗素子１をそれぞれ５個ずつ直列接続（磁気トンネル抵抗素子２を１０個直列接続）し、幅が５０μｍのＮ極とＳ極とが交互に配置されたパターンからの磁場を変化させて、それらの各抵抗値（出力電圧）の変化を検出して、各一周期分の出力電圧波形を得た。
【００４７】
アスペクト比が「２」である磁気トンネル抵抗素子２を１０個直列接続したものでは、図８(Ａ)に示すように、出力波形に若干歪みが生じた。一方、アスペクト比が「４」である磁気トンネル抵抗素子２を１０個直列接続したものでは、図８(Ｂ)に示すように、出力波形から前記歪みが消えて整った正弦波波形が得られた。前記歪みはバルクハウゼンノイズに起因するものと考えられ、この実験結果からもアスペクト比が大きいほど出力電圧に乱れが生ぜず、磁気ヘッド、磁気抵抗センサとしては精度のよいものが製造されることが確認できた。なお、上記基本的構成例の各種変形例においても、このようにアスペクト比が大きいほど良好である。
【００４８】
ｄ．直列接続例
次に、磁気抵抗変化率を高く保つとともに大きな出力電圧を取出すために、上記基本的構成例及びその各種変形例に係る複数の磁気抵抗素子１を直列に接続した接続例について説明する。第１接続例は、図９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記第1変形例に係る磁気抵抗素子１（図４）を用いて、基板５上に一対の磁気トンネル抵抗素子２，２を複数組直列に接続している。すなわち、基板５上に前記磁気抵抗素子１を直線的に配置して、隣り合う磁気抵抗素子１の各上部電極４を連続させて各磁気トンネル抵抗素子２を直列に接続している。
【００４９】
反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１は、それらの各平面形状をそれぞれ同一の長方形状として、同一位置に積層されている。同一の基板５上には、長尺状に形成した複数の下部電極３が各長尺方向を配列方向として一直線状に配置されている。各下部電極３上には、一対の上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２，２）が、それらの各短辺を平行に対向させてそれらの各長辺を各下部電極３の配列方向と一致させて配置されている。なお、図９(Ａ)においては、下部電極３と、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）と、上部電極４との接続状態を理解し易くするために、ダミー層１６を削除して示すとともに、下部電極３、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）及び上部電極４間の寸法を異ならせて示している。
【００５０】
このように複数の磁気抵抗素子１を直列に接続した例においては、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２のうちの一方の上部電極４（両端の上部電極４は入力端子となり外部から所定電位が印加される）に入力した電流は、同一方の磁気トンネル抵抗素子２のダミー膜１６、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８を介して下部電極３に向かって流れる。そして、下部電極３内を磁気抵抗素子１の配列方向（図９(Ａ)の矢印方向）に流れ、前記一対の磁気トンネル抵抗素子２，２のうちの他方の反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０、上磁性層１１及びダミー膜１６を介して同他方の磁気トンネル抵抗素子２の上部電極４に流れて、他の磁気抵抗素子１の一対の磁気トンネル抵抗素子２，２のうちの一方に連続した上部電極４に流れる。
【００５１】
ここで、磁気抵抗素子１の全体の抵抗を考えると、図９（Ｃ）に示すように、全抵抗は、上部電極４による配線抵抗ＲＬと、バリア膜１０によるトンネル抵抗ＲＴと、下部電極３による抵抗ＲＭとからなり、これらは直列に接続されている。これらの抵抗ＲＬ，ＲＴ，ＲＭのうち、磁界の変化に対して抵抗値が変化するのはトンネル抵抗ＲＴの部分だけである。このため、大きな磁気抵抗変化率を得るためには、バリア膜１０の抵抗ＲＴの部分以外の他の抵抗ＲＬ，ＲＭを低く抑える必要がある。例えば、上磁性層１１の平面形状の長方形のサイズが１０μｍ×６０μｍ（アスペクト比が「６」）であれば、一つの磁気トンネル抵抗素子２当たりにおいて、配線抵抗ＲＬは数Ω、トンネル抵抗が３３Ω、下部電極３による抵抗ＲＭは２０乃至１００Ωである。このように複数の磁気抵抗素子１を直列接続した場合の磁気抵抗変化率は、磁気トンネル抵抗素子２単体の場合に比べて半分程度になる。これは、上部電極４に関しては膜厚を３００〜１０００ｎｍと厚くできるのに対して、前述した理由（厚くすると下部電極３の表面粗さにより反強磁性膜８を介してバリア膜１０内にピンホールを発生させる原因となる）、及び製造時にイオンビームエッチングにより下部電極３が削られることの理由により、下部電極３の膜厚を厚くできないことによるものである。
【００５２】
次に、前述した下部電極３による抵抗ＲＭを小さくするために、一つの磁気抵抗素子１の共通の下部電極３上における一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の配置及び各磁気抵抗素子１の配置を変更した第２及び第３接続例について説明する。第２接続例は、図１０(Ａ)に示すように、各平面形状をそれぞれ同一の長方形状として同一位置に積層した反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１からなる一対の磁気トンネル抵抗素子２，２を、各長辺を平行かつ対向させて共通の下部電極３上に配置したものである。そして、異なる下部電極３上に配置した一対の磁気トンネル抵抗素子２，２（上磁性層１１，１１）の各長辺がそれぞれ平行かつ対向するように、複数の下部電極３を直線的に基板５上に配置し、隣り合う下部電極３上の各磁気トンネル抵抗素子２の各上磁性層１１をそれぞれ上部電極４により接続するようにしている。この場合、下部電極３内の電流は、矢印で示すように、各磁気トンネル抵抗素子２の長辺に対して直角方向に流れる。
【００５３】
第３接続例は、図１０(Ｂ)に示すように、前記第１例と同様に構成した一対の磁気トンネル抵抗素子２，２（上磁性層１１，１１）を、各長辺を平行かつ対向させて共通の下部電極３上に図示上下２列に配置したものである。そして、各下部電極３上の上下２列の磁気トンネル抵抗素子２，２がそれらの各長辺方向にそれぞれ２列の直線上になるように、複数の下部電極３を直線的に基板５上に配置し、図示横方向に隣り合う下部電極３上の上下２列の磁気トンネル抵抗素子２の各上磁性層１１，１１を、それぞれ上部電極４を連続させて上下交互に接続していくようにしている。この場合も、下部電極３内の電流は、矢印で示すように、各磁気トンネル抵抗素子２の長辺に対して直角方向に流れる。なお、図１０(Ａ)(Ｂ)においても、下部電極３と、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）と、上部電極４との接続状態を理解し易くするために、ダミー層１６を削除して示すとともに、下部電極３、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）及び上部電極４間の寸法を異ならせて示している。
【００５４】
図１０(Ａ)，(Ｂ)の第２及び第３接続例において、電流の流れる方向と直角となる同下部電極３の断面積は、図９(Ａ)の第１接続例の場合に比べて大きくなるので、下部電極３による抵抗ＲＭを小さくすることができる。そして、その結果、第２及び第３接続例によれば、第１接続例と比べて磁気抵抗変化率を大きくすることができる。
【００５５】
このような第１〜第３接続例に関して、上記基本的構成例の第１変形例について説明したが、第２〜４変形例及びそれらを更に変形した各種変形例についても同様である。この場合、図５の第２変形例においては、下部電極３に代えて、反強磁性膜８及び下部電極３の両方に電流が流れることになるが、反強磁性膜８も前記理由により膜厚を厚くすることができない。したがって、この場合も、前記図１０(Ａ)，(Ｂ)の第２及び第３接続例のようにして、電流の流れる方向と直角となる反強磁性膜８の断面積を、図９(Ａ)の第１接続例の場合に比べて大きくすることがよい。
【００５６】
次に、上記図５の第２変形例の構成で、長辺を６０μｍ、短辺を１０μｍに上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）を構成すなわちアスペクト比を「６」の磁気トンネル抵抗素子２を構成し、上記図９(Ａ)、図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)のように磁気トンネル抵抗素子２を５００個それぞれ直列接続した磁気トンネルセンサについて、各磁気抵抗変化率を測定した。この測定結果によれば、図９(Ａ)、図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)の各場合における磁界による抵抗変化率として、それぞれ２０％，２８％，２８％という測定結果を得た。
【００５７】
この実験結果からも、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）を長方形状に構成し、下部電極３上に一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の長辺方向が互いに平行かつ対向するように配置して、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２間を流れる電流の方向が磁気トンネル抵抗素子２の長辺方向に直角になるようにすることが好ましいことが理解できる。
【００５８】
ｅ．マトリクス接続例
次に、磁気トンネル抵抗素子２を多数直列に接続するのに好ましい実施形態について説明する。磁気トンネル抵抗素子２を多数接続する場合、前記接続例では磁気トンネル抵抗素子２の数が多いと長さが長くなりすぎるため、途中で折り返してマトリクス（ミランダ）構造とするとよい。
【００５９】
図１１は、この第１のマトリクス構造に係る磁気センサを平面図により示しており、方形状の基板５（図示省略）上に、例えば２０×４個の磁気トンネル抵抗素子２をマトリクス上に配置した例を概略平面図により示している。図１２は、第２のマトリクス構造に係る磁気センサを平面図により示しており、方形状の基板５（図示省略）上に、例えば１０×１２個の磁気トンネル抵抗素子２をマトリクス上に配置した例を概略平面図により示している。
【００６０】
この場合も、上記図１０の第２接続例の場合と同様に、共通の下部電極３上に、平面形状を長方形に形成して反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１を積層した一対の磁気トンネル抵抗素子２，２が長辺を縦方向にして平行かつ対向して配置され、前記一対の磁気トンネル抵抗素子２，２をそれぞれ配置させてなる複数の共通の下部電極３が基板５上にて横方向に直線的に複数列にわたって配置されている。そして、左右両端の磁気トンネル抵抗素子２（Ｘで示す）以外の磁気トンネル抵抗素子２に関しては、横方向に隣り合う各磁気抵抗素子１の一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の各上磁性層１１，１１が上部電極４によってダミー膜１６を介して横方向に直線的に直列接続されている。左右両端の磁気トンネル抵抗素子２（Ｘで示す）に関しては、上記図１０(Ｂ)の第３接続例の場合と同様に、図示上下一対の磁気抵抗素子１，１の各上磁性層１１，１１が上部電極４によりそれぞれ接続されている。なお、この基板５上に設けられた各磁気抵抗素子１は、図４に示した第１変形例のように構成されているが、同各磁気抵抗素子１を図５〜７の第２変形例のように構成したり、上述したそれらの変形例のように構成してもよい。また、図１１，１２においては、下部電極３を省略して示している。
【００６１】
このように構成した第１及び第２のマトリクス構造に係る磁気センサにおいては、前記左右両端の磁気トンネル抵抗素子２以外の多数の磁気トンネル抵抗素子２において、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向を互いに対向させるとともに、これらの磁気トンネル抵抗素子２を下部電極３及び上部電極４で交互に前記長辺方向と直交する方向に連結して、同直交する方向に電流が流れるようにしたので、上記第２及び第３接続例のように大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。なお、左右両端の磁気トンネル抵抗素子２（Ｘで示す）に関しては、電流が上下一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の上部電極４を図示縦方向に流れ、電流が、図示矢印のように、マトリクス状に配置された各磁気トンネル抵抗素子２を左右両端部にて折り返すようにして流れる。
【００６２】
また、第１のマトリクス構造に係る磁気センサ（図１１）においては、全体の寸法として、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向に短くかつ同長辺方向と直交する短辺方向に長く構成されている。これに対して、第２のマトリクス構造に係る磁気センサ（図１２）においては、全体の寸法として、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向に長くかつ同長辺方向と直交する短辺方向に短く、すなわち上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向と全体の長辺方向とが一致している。この種の磁気センサにおいては、図１１，１２に示すように、磁界Ｈの方向を上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向にして用いるものであり、図１１の場合には、図１２の場合に比べて、磁界Ｈの方向と直交する幅が長くなり、反磁場の影響のために特性が若干劣る。したがって、第２のマトリクス構造に係る磁気センサ（図１１）のように、磁界Ｈの方向と平行な方向を上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向とするとともに、センサ全体もこの方向を長辺方向とするのが好ましい。
【００６３】
次に、前記第２のマトリクス構造に係る磁気センサの測定結果を示しておく。この測定においては、上磁性層１１（バリア膜１０及び下磁性層９）の短辺の長さ（図１２の横方向の長さ）を１０μｍとするとともに長辺（図１２の縦方向の長さ）を６０μｍとし（アスペクト比「６」）、反強磁性膜８及び下部電極３（図示省略）の横方向の長さを３２μｍとするとともに縦方向の長さを６８μｍとした。そして、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２からなる磁気抵抗素子１を横方向に３６μｍのピッチで１６個（磁気トンネル抵抗素子２を３２個）配置するとともに、縦方向に７２μｍのピッチで１６個配置して、５１２個の磁気トンネル抵抗素子２で磁気センサを構成した。この場合、規格化抵抗値は６６ｋΩ・μｍ２、磁気トンネル抵抗素子２の１個あたりの抵抗１１０Ω、磁気センサ全体で５７ｋΩになる。また、同センサに６０μＡの電流を流して磁界を変化させた結果、図１３のような出力電圧を得た。この結果、この実験によれば、抵抗値５７ｋΩ、抵抗変化率２９％という実験データを得た。
【００６４】
このように磁気トンネル抵抗素子２をマトリクス状に配置して磁気センサを構成するようにすれば、多数の磁気トンネル抵抗素子２を直列接続しても、磁気センサ自体を細く長く構成する必要もなく、高い磁気抵抗変化率を得ることができる。特に、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向と、センサ全体の長辺方向とを一致させるようにすれば、全体として高抵抗、かつ高い磁気抵抗変化率を磁気センサを実現できる。
【００６５】
また、上記のように構成した磁気抵抗素子１を用いた磁気センサにおいては、基準抵抗と直列に同センサを直列接続して用いてもよいし、ホイートストン・ブリッジの１辺として組込んで用いてもよい。これらの場合でも、一つの基板５上に、基準抵抗、ホイートストン・ブリッジ内の抵抗を形成するようにするとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る基本的構成例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】 （ａ）〜（ｄ）は、前記基本的構成例に係る磁気抵抗素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】 （ａ）〜（ｄ）は、図２の次の工程を工程順に示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図４】 前記基本的構成例の第１変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図５】 前記基本的構成例の第２変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図６】 前記基本的構成例の第３変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図７】 前記基本的構成例の第４変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図８】 (Ａ)は磁場を変化させてアスペクト比が「２」である磁気トンネル抵抗素子の出力電圧波形を測定した測定結果であり、(Ｂ)は磁場を変化させてアスペクト比が「４」である磁気トンネル抵抗素子の出力電圧波形を測定した測定結果である。
【図９】（Ａ）は前記基本的構成例の第1変形例に係る複数の磁気抵抗素子を直線状に直列接続した第１接続例を示す概略平面図であり、（Ｂ）は前記直線状に直列接続した磁気抵抗素子の断面図であり、（Ｃ）は前記直線的に直列接続した磁気抵抗素子の等価回路図である。
【図１０】 （Ａ）は前記複数の磁気抵抗素子を直線状に直列接続した第２接続例を示す概略平面図であり、（Ｂ）は前記複数の磁気抵抗素子を直線状に直列接続した第３接続例を示す概略平面図である。
【図１１】 前記基本的構成例の第1変形例に係る複数の磁気抵抗素子をマトリクス状に配置した第１マトリクス構造の概略平面図である。
【図１２】 前記基本的構成例の第1変形例に係る複数の磁気抵抗素子をマトリクス状に配置した第２マトリクス構造の概略平面図である。
【図１３】 前記第2マトリクス構造を備えた磁気センサの磁界に対する出力電圧の特性図である。
【符号の説明】
１…磁気抵抗素子、２…磁気トンネル抵抗素子、３…下部電極、４…上部電極、５…基板、６…第１導電膜、７…第２導電膜、８…反強磁性膜、９…下磁性層、１０…バリア膜、１１…上磁性層、１２…層間絶縁膜、１３…コンタクトホール、１４…切欠部、１６…ダミー膜。
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ヘッド、各種センサなどに用いるための磁気抵抗素子に係り、特にバリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造を基板上にて直列接続して形成した磁気抵抗素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ＮｉＦｅ等の異方性磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子、電子のスピンの向きに依存した散乱を利用して巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）を得る磁気抵抗素子などがよく知られている。この種の磁気抵抗素子の特性を評価する性質の１つに磁気抵抗変化率があり、この磁気抵抗変化率は前者では約３％の値を示し、後者では約１０％の値を示す。
【０００３】
これらの磁気抵抗素子に対し、近年、磁気抵抗変化率が２０〜３０％という大きな値を示す磁気トンネル効果を利用した磁気抵抗素子が出現してきている。この磁気抵抗素子は、例えば特開平１１−１３５８５７号公報に示されているように、絶縁材料（例えば、Ａｌ２Ｏ３）からなるバリア膜を、強磁性材料（例えば、Ｎｉ０．８１Ｆｅ０．１９，ＣｏＦｅ）からなる下磁性層と、強磁性層（例えば、Ｎｉ０．８１Ｆｅ０．１９）からなる上磁性層との間に挟んで磁気トンネル接合構造を基板上に形成するとともに、下磁性層の直下に反強磁性層（例えば、ＦｅＭｎ）を設けて下磁性を固定層とするとともに上磁性層をフリー層とし、磁気トンネル効果により高い磁気抵抗変化率を得るようにしている。また、反強磁性層を設けなくても、上磁性層と下磁性層との間に保磁力の差を設けておき、前記と同等な磁気トンネル効果を実現できることも知られている。
【０００４】
この磁気トンネル効果を用いた磁気抵抗素子の使用に際しては、磁気抵抗素子（磁気トンネル接合）に対して電圧を印加して磁場の変化に対する磁気抵抗変化率に応じた電圧を取り出すようにするものであるが、この磁気抵抗素子にあっては印加電圧を上げていくと磁気抵抗変化率が徐々に低下する傾向を示すとともに、この磁気抵抗変化率の低下傾向は抵抗値が大きいほど顕者になる。したがって、抵抗値が大きい磁気抵抗素子に大きな電圧をかけると、大きな磁気抵抗変化率の減少を招くため、磁場の変化に対応して十分な検出電圧を取り出すことができないという問題がある。逆に、抵抗値の小さな磁気抵抗素子を使用すると、前記磁気抵抗変化率の減少傾向は小さいが、磁気抵抗素子自体の抵抗が小さいために、十分に大きな電圧を取り出すことができないという問題がある。
【０００５】
これらの問題に対処するために、例えば特開平１１−６７７６２号公報及び特開平１１−１１２０５４号公報に示されるように、複数の磁気トンネル接合構造を直列に接続して用いることが提案されている。この場合、前者においては、連続して形成した下磁性層上に一対のバリア膜及び上磁性層を独立に分離して設けるようにして下磁性層を共通に用いるようにしている。また、後者においては、前記のようにそれぞれ分離した一対のバリア膜及び上磁性を共通の下磁性層上に形成したトンネル接合構造の基本単位を更に複数組横に並べて、隣り合う基本単位の上磁性層を共通に連続する上磁性層で連結して多くのトンネル接合を下磁性層及び上磁性層を共通に用いて直列に連結するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなバリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した複数の磁気トンネル接合構造を基板上に直列接続して形成する場合、微細な加工処理を施す必要があり、この種の素子の製造にはウェットエッチングは適さない。したがって、基板上に下磁性層、バリア膜、上磁性層などを積層したものを、ドライエッチングであるイオンビームエッチングを用いて加工処理することが適当である。しかし、下磁性層は表面粗さを小さく抑える必要があるため厚く構成できないので、イオンビームエッチング処理によりバリア膜を確実に分離するとともに下磁性層を共通にすることは難しい。すなわち、バリア膜をイオンビームエッチングにより除去する場合、所定時間の計測、バリア膜の下層を構成する材料の検知などによりエッチング処理の終了を制御することができるが、エッチング処理の終了が早過ぎると一対のバリア膜を確実に分離することができない。これにより、磁気抵抗素子の製造の歩留まりが悪化したり、特性に大きなバラツキが生じるという問題があった。
【０００７】
【発明の概略】
本発明は、上記問題に対処するためになされもので、その目的は、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造を基板上に直列接続して形成した磁気抵抗素子であって、製造上の歩留まりを良好に保つとともにバラツキを少なくできる磁気抵抗素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００８】
前記目的を達成するために本発明の特徴は、基板と、前記基板上に連続して形成された導電層と、前記導電層上にそれぞれ独立かつ分離して形成されていて、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造と、前記一対の磁気トンネル接合構造上、及び前記一対の磁気トンネル接合構造が形成されていない前記導電層上に形成されていて、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層の上方にコンタクトホールをそれぞれ有する層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜上に形成した電極材料の一部を前記層間絶縁膜の材料の検出を終了条件とするイオンビームエッチングで除去することにより分離して形成される一対の上部電極であり、前記一対の磁気トンネル接合構造のそれぞれ上方であって、前記層間絶縁膜上にそれぞれ独立して形成されていて、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層に前記コンタクトホールを介してそれぞれ接続された一対の上部電極とを備えた磁気抵抗素子にある。
また、前記本発明に係る磁気抵抗素子を製造方法の発明としてとらえると、本発明の特徴は、基板上に連続して導電層を形成し、前記導電層上に、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造をそれぞれ独立かつ分離して形成し、前記一対の磁気トンネル接合構造上、及び前記一対の磁気トンネル接合構造が形成されていない前記導電層上に層間絶縁膜を形成し、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層の上方位置にて、前記層間絶縁膜にコンタクトホールをそれぞれ形成し、かつ前記層間絶縁膜上に形成した電極材料の一部を前記層間絶縁膜の材料の検出を終了条件とするイオンビームエッチングで除去することにより、前記一対の磁気トンネル接合構造のそれぞれ上方における前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトホールを介して前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層にそれぞれ接続されるように、一対の上部電極をそれぞれ分離かつ独立して形成するようにした磁気抵抗素子の製造方法にもある。
【０００９】
この場合、前記導電層と前記一対の磁気トンネル接合構造の各下磁性層との各間に、同各下磁性層を固定層とするための固定磁化層（反強磁性層又は強磁性層）をそれぞれ独立に分離して設けたり、同固定磁化層をそれぞれ共通に連続して設けたりするとよい。また、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層と前記独立した各上部電極との各間に、前記固定磁化層をそれぞれ独立に分離して設けてもよい。そして、このような磁気抵抗素子においては、前記一対の磁気トンネル接合構造を前記導電層上にイオンビームエッチングにより形成するとよい。
【００１０】
このように、本発明によれば、一対の磁気トンネル接合構造のうちの各下磁性層まで独立に分離させるようにしたので、前述したようなイオンビームエッチング処理により一対の磁気トンネル接合構造を分離して形成するようにすれば、イオンビームエッチング処理の終了を下磁性の直下層の材料の検出に応答させることができ、一対の磁気トンネル接合構造中の各バリア膜を確実に分離できる。したがって、本発明によれば、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子を簡単に量産できるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る磁気抵抗素子について説明するが、まず一対の磁気トンネル接合構造のみを有する基本的構成例について説明する。
【００１２】
ａ．基本的構成例
図１は、磁気抵抗素子１の基本的構成例を断面図により示している。この磁気抵抗素子は、例えばＳｉＯ２／Ｓｉ、ガラス又は石英からなる基板５上に、例えば膜厚１５ｎｍのＴｉからなる第１導電膜６、及び例えば膜厚３００ｎｍのＣｕからなる第２導電膜７とで構成される下部電極３が形成されている。下部電極３上には、例えば膜厚５０ｎｍのＲｈＭｎからなる反強磁性膜８，８が２つに分離して形成されている。各反強磁性膜８，８上には、例えば膜厚３０ｎｍのＣｏからなる各下磁性層９，９がそれぞれ形成され、各下磁性層９，９上には、例えば膜厚１．８ｎｍのＡｌ膜を酸化処理することにより形成された各バリア膜１０，１０がそれぞれ設けられている。また、各バリア膜１０，１０上には、例えば膜厚６５ｎｍのＮｉＦｅからなる各上磁性層１１，１１がそれぞれ形成されている。
【００１３】
これらの反強磁性膜８，８、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０及び上磁性層１１，１１により、磁気トンネル抵抗素子２，２がそれぞれ形成されている。すなわち、２個の上部電極４，４と下部電極３との各間に、磁気トンネル抵抗素子２，２がそれぞれ設けられている。そして、反強磁性膜８，８は、上磁性層１１，１１の磁化が反転する範囲内で下磁性層９，９の磁化が反転しないように下磁性層９，９の磁化の方向を固定するもので（すなわち、下磁性層９，９に対して固定磁化層として作用するもので）、この場合、下磁性層９，９が固定層として機能するとともに上磁性層１１，１１がフリー層として機能する。なお、本明細書においては、前記バリア膜１０を下磁性層（固定層）９と上磁性層（フリー層）１１とで挟んだ構造を磁気トンネル接合構造という。また、上磁性層１１，１１（磁気トンネル抵抗素子２）は、平面形状を長方形としており、その長辺は８μｍであるとともに短辺は２μｍである。すなわち、この磁気トンネル抵抗素子２のアスペクト比（フリー層の長辺と短辺の比）は「４」に設定されている。
【００１４】
基板５、下部電極３及び磁気トンネル抵抗素子２，２を覆う領域に、例えば膜厚１０００ｎｍのＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１２が形成されている。この層間絶縁膜１２には、磁気トンネル抵抗素子２，２上にコンタクトホール１３，１３がそれぞれ形成されている。このコンタクトホール１３，１３を埋設するように、例えば膜厚３００ｎｍのＣｕからなる上部電極４，４がそれぞれ形成されている。このようにして、下部電極３（第1及び第２導電膜６，７）を共通にし、同下部電極３（第1及び第２導電膜６，７）上にて２つの磁気トンネル抵抗素子２，２を直列に接続した磁気抵抗素子１が形成されている。
【００１５】
次に、この基本的構成例に係る磁気抵抗素子１の製造方法について、図２，３の工程図を用いて説明する。
【００１６】
(１)第１工程
まず、図２（ａ）に示すように、予め、洗浄した、例えばＳｉＯ２／Ｓｉ、ガラス又は石英からなる基板５をスパッタ装置にセットする。このスパッタ装置のチャンバを１×１０−７Ｔｏｒｒ以下まで排気する。そして、例えば、純度が９９．９９９９％のＡｒガスを圧力が４ｍＴｏｒｒになるまでチャンバ内に導入する。チャンバ内に装備されているスパッタガンに例えば、２００Ｗの直流電力を印加して、例えば、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのＴｉ及びＣｕのターゲットを使用して、例えば、成膜速度が１２ｎｍ／分で第１導電膜６として、膜厚が１５ｎｍのＴｉ膜を基板５上に成膜する。この第１導電膜６上に、例えば、成膜速度が２５ｎｍ／分で第２導電膜７として、膜厚が３００ｎｍのＣｕ膜を成膜する。
【００１７】
(２)第２工程
次に、図２(ａ)に示すように、例えば４ｍＴｏｒｒのＡｒガス雰囲気下において、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに１００Ｗの直流電力を印加して、成膜速度が６．５ｎｍ／分で反強磁性膜８として、膜厚が５０ｎｍのＲｈＭｎ膜を第１導電膜６上に成膜する。この反強磁性膜８上にターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに１００Ｗの直流電力を印加して、成膜速度が６ｎｍ／分で下磁性層９として、膜厚が３０ｎｍのＣｏ膜を成膜する。
【００１８】
(３)第３工程
次に、図２(ａ)に示すように、下磁性層９上に、例えば、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに２０Ｗの直流電力を印加し、成膜速度が２ｎｍ／分でＡｌを使用して膜厚が１．８ｎｍのＡｌ膜を成膜する。Ａｌ膜の成膜後、真空を破らずに、基板５を処理室に移動させて、純酸素をチャンバ内の圧力が１００Ｔｏｒｒになるまで導入し、例えば、２０分間放置し、Ａｌ膜の酸化処理を行う。これにより、酸化アルミニウムＡｌ２Ｏ３からなるバリア膜１０を得る。
【００１９】
(４)第４工程
次に、図２(ａ)に示すように、バリア膜１０上に例えば、ターゲットサイズの直径が１２６ｍｍのスパッタガンに１００Ｗの直流電力を印加し、例えば、成膜速度が６．５ｎｍ／分で上磁性層１１として、膜厚が６５ｎｍのＮｉＦｅ膜を成膜する。
【００２０】
(５)第５工程
次に、上磁性層１１の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９、反強磁性膜８、第２導電膜７及び第１導電膜６の外周端部をエッチング除去して、図２（ｂ）に示すように、端部の除去された上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９、反強磁性膜８、第２導電膜７及び第１導電膜６からなる積層構造を形成する。この場合、前記エッチングにおいては、例えば投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡとし、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒとし、エッチング速度を７０ｎｍ／分とする。このエッチングは、同エッチングにより削り出された基板５の材料（ＳｉＯ２／Ｓｉなど）の検出を条件とし、同検出から多少の時間経過後に終了され、その後にアセトンでレジスト膜を除去する。
【００２１】
(６)第６工程
次に、上磁性層１１の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８の図示左右方向中央部及び両端部をエッチング除去して、図２（ｃ）に示すように、それぞれ上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８からなる一対の積層構造を第２導電膜７上にそれぞれ形成する。前記エッチングの条件及びレジスト膜の除去については前記第５工程と同じである。なお、この場合、エッチングは、同エッチングにより削り出された第２導電膜７の材料（Ｃｕ）の検出を条件とし、同検出時又は同検出から多少の時間経過後に終了される。
【００２２】
(７)第７工程
次に、一対の上磁性層１１，１１の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、各上磁性層１１，１１の外周端部をエッチング除去して、図２（ｄ）に示すように、各バリア膜１０，１０の各上面中央部だけに上磁性層１１，１１を残す。このエッチングにおいては、投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡとし、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒとし、エッチング速度を２０ｎｍ／分とし、ビーム角度を０度とする。また、エッチングの終了は、同エッチングにより削り出されたバリア膜１０の材料（Ａｌ２Ｏ３）の検出を条件とし、同検出時又は同検出から多少の時間経過後に終了される。
【００２３】
そして、前記エッチング後、加工物の側壁に付着したいわゆる側壁デポを除去するために、前記エッチング条件の中でビーム角度のみを変更して６０度とし、デポを削り取る。そして、エッチング終了後にアセトンでレジストを除去する。これにより、第２導電膜７上に、反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１からそれぞれなる一対の磁気トンネル抵抗素子２，２が形成される。これらの各磁気トンネル抵抗素子２，２の大きさ（フリー層である上磁性層１１の大きさ）は、それぞれ短辺が２μｍであり、長辺が８μｍである。即ち、磁気トンネル抵抗素子２，２のアスペクト比はそれぞれ「４」である。
【００２４】
(８)第８工程
次に、前記第７工程の終了したものをスパッタ装置の真空チャンバ内に設置する。そして、例えば真空チャンバ内を２．０×１０−６Ｔｏｒｒ以下に真空排気した後、５ｍＴｏｒｒのＡｒガスを導入した後、図３（ａ）に示すように、層間絶縁膜１２で基板５上を覆う。この場合、例えば直径が１２６ｍｍのＳｉＯ２のターゲットに１３．５６ＭＨｚの周波数を有する９００Ｗの電力を印加して、成膜速度１３ｎｍ／分で、膜厚が１０００ｎｍのＳｉＯ２からなる層間絶縁膜１２を形成する。
【００２５】
(９)第９工程
次に、成膜した層間絶縁膜１２の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、各上磁性層１１，１１の上方の層間絶縁膜１２をエッチング除去して、図３（ｂ）に示すように、層間絶縁膜１２に各コンタクトホール１３，１３を開口形成する。このエッチングにおいては、例えば投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡとし、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒとし、エッチング速度を３０ｎｍ／分とし、ビーム角度を０度とする。そして、このエッチングは、同エッチングにより削り出された上磁性層１１の材料（ＮｉＦｅ）の検出を条件に、同検出時から多少の時間経過後に終了され、その後に、例えばアセトンを使用してレジスト膜を除去する。
【００２６】
(１０)第１０工程
次に、コンタクトホール１３，１３の形成が終了したものを、真空チャンバにセットして、真空チャンバ内を２．０×１０−６Ｔｏｒｒ以下まで真空排気した後に、例えば、５ｍＴｏｒｒのＡｒガスを導入する。そして、図３（ｃ）に示すように、例えば、直径が１２６ｍｍのＣｕのターゲットに１３．５６ＭＨｚの周波数を有する２００Ｗの電力を印加し、成膜速度３０ｎｍ／分で膜厚が３００ｎｍであるＣｕ膜からなる上部電極４を形成する。
【００２７】
(１１)第１１工程
次に、成膜した上部電極４の上面をレジスト膜でパターニングした後、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、上部電極４の中央部（切欠部１４）をエッチング除去することにより、図３(ｄ)に示すように、上部電極４を２つに分離する。このエッチングにおいては、投入電力を５００Ｖ、４００ｍＡ、ガス圧を０．２ｍＴｏｒｒ、エッチング速度を７０ｎｍ／分とする。そして、このエッチングは、同エッチングにより削り出された層間絶縁膜１２の材料（ＳｉＯ２）の検出を条件に、同検出時から多少の時間経過後に終了され、前記エッチング終了後に、例えばアセトンを使用してレジスト膜を除去する。これにより、図１に示す磁気トンネル効果を用いた磁気抵抗素子１が形成される。
【００２８】
このように、前記第５〜７，９，１１工程のイオンビームエッチングにおいては、不要部分を確実に除去するために、同不要部分の下方に位置する層の部材成分の検出によりイオンビームエッチングを停止するようにしているので、同下方に位置する層の上表面の一部も除去される。
【００２９】
上記のように構成した基本的構成例においては、一対の上部電極４，４間に電圧を印加すれば、一方の磁気トンネル抵抗素子２、第１，２導電膜６，７、及び他方の磁気トンネル抵抗素子２を介して電流が流れる。このとき、外部磁界を変化させれば、直列接続された一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の抵抗値が変化し、外部磁界の変化を検出できる。このような一対の磁気トンネル抵抗素子２，２を直列に接続した磁気抵抗素子１においては、上部電極４，４間に印加する電圧をある程度大きくしても、一つの磁気トンネル抵抗素子２に印加される電圧がそれほど大きくならないので、磁気抵抗変化率を大きく保ったまま、ある程度大きな電圧変化を取出すことができる。
【００３０】
また、上述した基本的構成例によれば、イオンビームエッチング処理を用いて磁気抵抗素子１を形成するようにしたので、微細な処理を施すことができる。そして、一対の磁気トンネル抵抗素子２を分離するために、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性層８までをイオンビームエッチングにより削り取り、前記イオンビームエッチングを第２導電膜７材料の検出により終了させるようにしたので、上磁性層１１，１１、バリア膜１０，１０、下磁性層９，９及び反強磁性層８，８までを確実に独立分離させることができる。これにより、前記基本的構成例によれば、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子１を簡単に量産できるようになる。
【００３１】
ｂ．基本的構成例の変形例
次に、前記基本的構成例の第１変形例について、図４を用いて説明する。この第１変形例においては、基板５上にＣｒ（又はＴｉ）からなって膜厚１０ｎｍ程度の１層の導電膜で形成された下部電極３が設けられている。下部電極３上には、同一平面形状（１０×６０μｍのアスペクト比「６」の長方形状）に形成した反強磁性膜（固定磁化層）８，８、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０及び上磁性層１１，１１からなる各積層構造の一対の磁気トンネル抵抗素子２，２が下部電極３を共通にして設けられている。反強磁性膜（固定磁化層）８，８は、膜厚３０ｎｍ程度のＲｈＭｎからなる。下磁性層９，９は、膜厚１０ｎｍ程度のＮｉＦｅからなる。バリア膜１０，１０は、膜厚２ｎｍ程度のＡｌ２Ｏ３からなる。上磁性層１１，１１は、膜厚２ｎｍ程度のＣｏ膜を下層とし、膜厚２０ｎｍ程度のＮｉＦｅ膜を上層とする２層構造に構成されている。各上磁性層１１，１１上には、各磁気トンネル抵抗素子２，２のエッチングによるマージンを稼ぐため、膜厚６０ｎｍ程度のＭｏ膜からなり同各上磁性層１１，１１と同一平面形状のダミー膜１６が形成されている。層間絶縁膜１２はＳｉＯ２で膜厚２５０ｎｍ程度に形成され、上部電極４はＡｌで膜厚３００ｎｍ程度に形成されている。
【００３２】
このように構成した第１変形例に係る磁気抵抗素子１の製造においては、上記基本的構成例の第１〜４工程と同種の方法により、基板５上に、下部電極３、反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０、上磁性層１１（Ｃｏ膜及びＮｉＦｅ膜からなる）及びダミー膜１６を前記厚さに積層する。次に、上記基本的構成例の第５工程と同様に、基板５上に、下部電極３、反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０、上磁性層１１（Ｃｏ膜及びＮｉＦｅ膜からなる）及びダミー膜１６からなる積層構造の外周端部をイオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより除去する。次に、上記基本的構成例の第６工程と同様に、イオンビームエッチングにより、ダミー膜１６、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８の図示左右方向中央部及び両端部を除去して、下部電極３上に、反強磁性膜８，８、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１及びダミー膜１６，１６からなる一対の積層構造を独立に分離して形成する。そして、上記基本的構成例の第８〜１１工程と同様に、層間絶縁膜１２及び上部電極４，４を形成する。
【００３３】
このように、第１変形例においても、イオンビームエッチング処理を用いて、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１からそれぞれなる一対の磁気トンネル接合構造を、共通の下部電極３上にて、一対の独立した反強磁性層８，８を介して独立かつ直列接続した磁気抵抗素子１が形成される。そして、この一対の磁気トンネル接合構造の形成においても、ダミー膜１６から上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８までをイオンビームエッチングにより削り取り、前記イオンビームエッチングを下部電極３の材料の検出により終了させるようにしたので、ダミー膜１６，１６、上磁性層１１，１１、バリア膜１０，１０、下磁性層９，９及び反強磁性層８，８までを確実に独立分離させることができる。これにより、この第１変形例においても、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子１を簡単に量産できるようになる。
【００３４】
また、上記基本的構成例は、次の第２〜５変形例のようにも変形できる。第２変形例に係る磁気抵抗素子１は、図５に示すように、下部電極３及び反強磁性膜８を共通に連続させて、反強磁性膜８上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１からそれぞれなる一対の磁気トンネル接合構造を、独立かつ直列接続して設けている。そして、この一対の磁気トンネル接合構造の形成においても、ダミー膜１６から上磁性層１１、バリア膜１０及び下磁性層９までを、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより削り取り、前記イオンビームエッチングを反強磁性膜８の材料の検出により終了させるようにしたので、ダミー膜１６，１６、上磁性層１１，１１、バリア膜１０，１０及び下磁性層９，９までを確実に独立分離させることができる。また、反強磁性層８を多少削り過ぎても、下部電極３が共通に連続して設けられているので、磁気トンネル抵抗素子２の特性が変化することはない。これにより、この第２変形例においても、製造上の歩留まりを悪化させることがなくなるとともに、特性のほとんど同じ磁気抵抗素子１を簡単に量産できるようになる。
【００３５】
第３変形例に係る磁気抵抗素子１は、図６に示すように、上記第１変形例の反強磁性膜８を一対の磁気トンネル抵抗素子２，２にそれぞれ分離させて、各上磁性層１１，１１と各ダミー膜１６，１６との間に設けるようにしたものである。これによれば、上磁性層１１，１１が固定層として機能するとともに、下磁性層９，９がフリー層として機能するようになる。また、この第３変形例に係る磁気抵抗素子１の製造にあたっては、前記第２変形例と同一の材料を同一の膜厚で用いて積層の順序を変えるとともに、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、共通の下部電極３上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１、反強磁性膜８，８及びダミー膜１６，１６をそれぞれ分離して独立に形成するようにすればよい。
【００３６】
第４変形例に係る磁気抵抗素子１は、図７に示すように、上記第１〜３変形例の反強磁性膜８を削除したもので、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２は下磁性層９，９、バリア膜１０，１０及び上磁性層１１，１１のみで構成されている。この場合、各下磁性層９，９と各上磁性層１１，１１との間に、ある程度大きな保磁力の差を設けるようにして、保磁力の小さな方をフリー層として機能させるとともに保磁力の大きな方を固定層として機能させるようにする。また、この第４変形例に係る磁気抵抗素子１の製造にあたっては、上記第１変形例と同一の材料を同一の膜厚で用いて反強磁性膜８を削除して積層するとともに、イオンミリング装置を用いたイオンビームエッチングにより、共通の下部電極３上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１及びダミー膜１６，１６をそれぞれ分離して独立に形成するようにすればよい。
【００３７】
このような第３，４変形例においても、イオンビームエッチング処理を用いて、共通の下部電極３上に、下磁性層９，９、バリア膜１０，１０、上磁性層１１，１１からなる一対の磁気トンネル接合構造が独立に直列接続されて構成されるので、上記第１，２変形例の場合と同様な効果が期待される。
【００３８】
なお、上記第１，２変形例においては下磁性層９を固定層とするために反強磁性膜８を固定磁化層として用いるとともに、上記第３変形例においては上磁性層１１を固定層とするためにＲｈＭｎからなる反強磁性膜８を固定磁化層として用いるようにした。しかし、ＲｈＭｎに代えて、ＦｅＭｎ，ＰｔＭｎ等からなる反強磁性膜８を用いてもよい。
【００３９】
また、これらの反強性性膜８に代えて、下磁性層９又は上磁性層１１を固定層とするための固定磁化層として膜厚３０ｎｍ程度のＣｏＰｔＣｒなどの強磁性膜をそれぞれ用いることもできる。このＣｏＰｔＣｒからなる強磁性膜を用いることにより、上記第１〜４変形例による効果に加えて、温度特性が良好となる。また、前記ＣｏＰｔＣｒに代えて、ＣｏＴａＣｒなどの保磁力が十分に大きい強磁性膜を使用することもできる。
【００４０】
また、上記基本的構成例及びその各種変形例においては、バリア膜１０の形成のために、上記第３工程の処理により、純酸素チャンバ内でＡｌ膜を２０分間放置して酸化処理するようにしたが、これでは最終的な１つの磁気トンネル抵抗素子２当たりの規格化抵抗値は２０ｋΩ・μｍ２程度である。この規格化抵抗値を増加させるためには、前記Ａｌ膜を厚くして前記酸化処理時間を長くするようにしてもよい。これにより、前記規格化抵抗値を２００ｋΩ・μｍ２程度まで増大させることができる。また、成膜後に真空チャンバ内に、酸素を１００ｍＴｏｒｒ導入し、例えば、１３．５６ＭＨｚの高周波により酸素プラズマを発生させ、Ａｌ膜を、例えば、１分間酸素プラズマに曝すことにより前記規格化抵抗値を１ＭΩ・μｍ２まで大きくすることもできる。
【００４１】
また、本実施形態においては、バリア膜１０の作製方法は、純酸素を使用する方法を使用したが、本発明は、特にこれに限定されるものではなく、自然酸化法又は酸素プラズマに変えて酸素イオンビームをＡｌ膜に照射して酸化させる方法等を使用することができる。
【００４２】
このように、磁気トンネル抵抗素子２の規格化抵抗値は種々に調整されるものであるが、この規格化抵抗値が増加すると、熱雑音の影響が増加するので、その用途に応じて規格化抵抗値もある程度の値に抑える必要がある。
【００４３】
また、上記基本的構成例及びその各種変形例においては、下部電極３の材料としてＣｕ，Ｔｉ，Ｃｒ等を用いるようにしたが、これに限らず、Ｗ、Ｔａ、Ａｕ、Ｍｏ等の導電性非磁性金属材料を用いることができる。また、上部電極４及びダミー膜１６に関しても、前記のような各種導電性非磁性金属材料を用いることができる。
【００４４】
さらに、上記のように構成した基本的構成例及び各種変形例において、２つの磁気トンネル抵抗素子２，２を連結する非磁性層の下部電極３又はこの下部電極３の上に形成する下磁性層９を含めて、バリア膜１０と基板５との間の膜厚が１００ｎｍを超えると、表面粗さが大きくなり、バリア膜１０にピンホールが発生する原因となる。したがって、この膜厚は、１００ｎｍを超えない必要がある。また、各磁気トンネル抵抗素子２の抵抗のバラツキを少なくするため、好ましくは、バリア膜１０と基板５との間の膜厚は５０ｎｍ以下にするとよい。
【００４５】
ｃ．アスペクト比について
ここで磁気トンネル抵抗素子２のアスペクト比について説明しておく。なお、アスペクト比とは、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１が同一面積かつ同一形状で同一位置に重ねられている場合には、これらの各平面形状の長辺方向と短辺方向の長さの比を指し、例えば図１に示したように下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１が同一面積かつ同一形状でない場合には、フリー層となる上磁性層１１又は下磁性層９の平面形状の長辺方向と短辺方向の長さの比を指す。本発明者らの実験及び経験では、このアスペクト比が大きいほどバルクハウゼンノイズの影響が少なく、出力波形信号に歪みが少なくなることが分かった。
【００４６】
図１に示す磁気抵抗素子１について行った実験結果を示しておく。この場合、図１の磁気抵抗素子１の各上磁性層（フリー層）１１の平面形状を長方形にそれぞれ構成して、その長辺が４０μｍで短辺が２０μｍであるアスペクト比「２」の第１サンプルと、その長辺が８０μｍで短辺が２０μｍであるアスペクト比「４」の第２サンプルを用意した。そして、第１及び第２サンプルに係る各磁気抵抗素子１をそれぞれ５個ずつ直列接続（磁気トンネル抵抗素子２を１０個直列接続）し、幅が５０μｍのＮ極とＳ極とが交互に配置されたパターンからの磁場を変化させて、それらの各抵抗値（出力電圧）の変化を検出して、各一周期分の出力電圧波形を得た。
【００４７】
アスペクト比が「２」である磁気トンネル抵抗素子２を１０個直列接続したものでは、図８(Ａ)に示すように、出力波形に若干歪みが生じた。一方、アスペクト比が「４」である磁気トンネル抵抗素子２を１０個直列接続したものでは、図８(Ｂ)に示すように、出力波形から前記歪みが消えて整った正弦波波形が得られた。前記歪みはバルクハウゼンノイズに起因するものと考えられ、この実験結果からもアスペクト比が大きいほど出力電圧に乱れが生ぜず、磁気ヘッド、磁気抵抗センサとしては精度のよいものが製造されることが確認できた。なお、上記基本的構成例の各種変形例においても、このようにアスペクト比が大きいほど良好である。
【００４８】
ｄ．直列接続例
次に、磁気抵抗変化率を高く保つとともに大きな出力電圧を取出すために、上記基本的構成例及びその各種変形例に係る複数の磁気抵抗素子１を直列に接続した接続例について説明する。第１接続例は、図９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記第1変形例に係る磁気抵抗素子１（図４）を用いて、基板５上に一対の磁気トンネル抵抗素子２，２を複数組直列に接続している。すなわち、基板５上に前記磁気抵抗素子１を直線的に配置して、隣り合う磁気抵抗素子１の各上部電極４を連続させて各磁気トンネル抵抗素子２を直列に接続している。
【００４９】
反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１は、それらの各平面形状をそれぞれ同一の長方形状として、同一位置に積層されている。同一の基板５上には、長尺状に形成した複数の下部電極３が各長尺方向を配列方向として一直線状に配置されている。各下部電極３上には、一対の上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２，２）が、それらの各短辺を平行に対向させてそれらの各長辺を各下部電極３の配列方向と一致させて配置されている。なお、図９(Ａ)においては、下部電極３と、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）と、上部電極４との接続状態を理解し易くするために、ダミー層１６を削除して示すとともに、下部電極３、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）及び上部電極４間の寸法を異ならせて示している。
【００５０】
このように複数の磁気抵抗素子１を直列に接続した例においては、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２のうちの一方の上部電極４（両端の上部電極４は入力端子となり外部から所定電位が印加される）に入力した電流は、同一方の磁気トンネル抵抗素子２のダミー膜１６、上磁性層１１、バリア膜１０、下磁性層９及び反強磁性膜８を介して下部電極３に向かって流れる。そして、下部電極３内を磁気抵抗素子１の配列方向（図９(Ａ)の矢印方向）に流れ、前記一対の磁気トンネル抵抗素子２，２のうちの他方の反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０、上磁性層１１及びダミー膜１６を介して同他方の磁気トンネル抵抗素子２の上部電極４に流れて、他の磁気抵抗素子１の一対の磁気トンネル抵抗素子２，２のうちの一方に連続した上部電極４に流れる。
【００５１】
ここで、磁気抵抗素子１の全体の抵抗を考えると、図９（Ｃ）に示すように、全抵抗は、上部電極４による配線抵抗ＲＬと、バリア膜１０によるトンネル抵抗ＲＴと、下部電極３による抵抗ＲＭとからなり、これらは直列に接続されている。これらの抵抗ＲＬ，ＲＴ，ＲＭのうち、磁界の変化に対して抵抗値が変化するのはトンネル抵抗ＲＴの部分だけである。このため、大きな磁気抵抗変化率を得るためには、バリア膜１０の抵抗ＲＴの部分以外の他の抵抗ＲＬ，ＲＭを低く抑える必要がある。例えば、上磁性層１１の平面形状の長方形のサイズが１０μｍ×６０μｍ（アスペクト比が「６」）であれば、一つの磁気トンネル抵抗素子２当たりにおいて、配線抵抗ＲＬは数Ω、トンネル抵抗が３３Ω、下部電極３による抵抗ＲＭは２０乃至１００Ωである。このように複数の磁気抵抗素子１を直列接続した場合の磁気抵抗変化率は、磁気トンネル抵抗素子２単体の場合に比べて半分程度になる。これは、上部電極４に関しては膜厚を３００〜１０００ｎｍと厚くできるのに対して、前述した理由（厚くすると下部電極３の表面粗さにより反強磁性膜８を介してバリア膜１０内にピンホールを発生させる原因となる）、及び製造時にイオンビームエッチングにより下部電極３が削られることの理由により、下部電極３の膜厚を厚くできないことによるものである。
【００５２】
次に、前述した下部電極３による抵抗ＲＭを小さくするために、一つの磁気抵抗素子１の共通の下部電極３上における一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の配置及び各磁気抵抗素子１の配置を変更した第２及び第３接続例について説明する。第２接続例は、図１０(Ａ)に示すように、各平面形状をそれぞれ同一の長方形状として同一位置に積層した反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１からなる一対の磁気トンネル抵抗素子２，２を、各長辺を平行かつ対向させて共通の下部電極３上に配置したものである。そして、異なる下部電極３上に配置した一対の磁気トンネル抵抗素子２，２（上磁性層１１，１１）の各長辺がそれぞれ平行かつ対向するように、複数の下部電極３を直線的に基板５上に配置し、隣り合う下部電極３上の各磁気トンネル抵抗素子２の各上磁性層１１をそれぞれ上部電極４により接続するようにしている。この場合、下部電極３内の電流は、矢印で示すように、各磁気トンネル抵抗素子２の長辺に対して直角方向に流れる。
【００５３】
第３接続例は、図１０(Ｂ)に示すように、前記第１例と同様に構成した一対の磁気トンネル抵抗素子２，２（上磁性層１１，１１）を、各長辺を平行かつ対向させて共通の下部電極３上に図示上下２列に配置したものである。そして、各下部電極３上の上下２列の磁気トンネル抵抗素子２，２がそれらの各長辺方向にそれぞれ２列の直線上になるように、複数の下部電極３を直線的に基板５上に配置し、図示横方向に隣り合う下部電極３上の上下２列の磁気トンネル抵抗素子２の各上磁性層１１，１１を、それぞれ上部電極４を連続させて上下交互に接続していくようにしている。この場合も、下部電極３内の電流は、矢印で示すように、各磁気トンネル抵抗素子２の長辺に対して直角方向に流れる。なお、図１０(Ａ)(Ｂ)においても、下部電極３と、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）と、上部電極４との接続状態を理解し易くするために、ダミー層１６を削除して示すとともに、下部電極３、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）及び上部電極４間の寸法を異ならせて示している。
【００５４】
図１０(Ａ)，(Ｂ)の第２及び第３接続例において、電流の流れる方向と直角となる同下部電極３の断面積は、図９(Ａ)の第１接続例の場合に比べて大きくなるので、下部電極３による抵抗ＲＭを小さくすることができる。そして、その結果、第２及び第３接続例によれば、第１接続例と比べて磁気抵抗変化率を大きくすることができる。
【００５５】
このような第１〜第３接続例に関して、上記基本的構成例の第１変形例について説明したが、第２〜４変形例及びそれらを更に変形した各種変形例についても同様である。この場合、図５の第２変形例においては、下部電極３に代えて、反強磁性膜８及び下部電極３の両方に電流が流れることになるが、反強磁性膜８も前記理由により膜厚を厚くすることができない。したがって、この場合も、前記図１０(Ａ)，(Ｂ)の第２及び第３接続例のようにして、電流の流れる方向と直角となる反強磁性膜８の断面積を、図９(Ａ)の第１接続例の場合に比べて大きくすることがよい。
【００５６】
次に、上記図５の第２変形例の構成で、長辺を６０μｍ、短辺を１０μｍに上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）を構成すなわちアスペクト比を「６」の磁気トンネル抵抗素子２を構成し、上記図９(Ａ)、図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)のように磁気トンネル抵抗素子２を５００個それぞれ直列接続した磁気トンネルセンサについて、各磁気抵抗変化率を測定した。この測定結果によれば、図９(Ａ)、図１０(Ａ)及び図１０(Ｂ)の各場合における磁界による抵抗変化率として、それぞれ２０％，２８％，２８％という測定結果を得た。
【００５７】
この実験結果からも、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）を長方形状に構成し、下部電極３上に一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の長辺方向が互いに平行かつ対向するように配置して、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２間を流れる電流の方向が磁気トンネル抵抗素子２の長辺方向に直角になるようにすることが好ましいことが理解できる。
【００５８】
ｅ．マトリクス接続例
次に、磁気トンネル抵抗素子２を多数直列に接続するのに好ましい実施形態について説明する。磁気トンネル抵抗素子２を多数接続する場合、前記接続例では磁気トンネル抵抗素子２の数が多いと長さが長くなりすぎるため、途中で折り返してマトリクス（ミランダ）構造とするとよい。
【００５９】
図１１は、この第１のマトリクス構造に係る磁気センサを平面図により示しており、方形状の基板５（図示省略）上に、例えば２０×４個の磁気トンネル抵抗素子２をマトリクス上に配置した例を概略平面図により示している。図１２は、第２のマトリクス構造に係る磁気センサを平面図により示しており、方形状の基板５（図示省略）上に、例えば１０×１２個の磁気トンネル抵抗素子２をマトリクス上に配置した例を概略平面図により示している。
【００６０】
この場合も、上記図１０の第２接続例の場合と同様に、共通の下部電極３上に、平面形状を長方形に形成して反強磁性膜８、下磁性層９、バリア膜１０及び上磁性層１１を積層した一対の磁気トンネル抵抗素子２，２が長辺を縦方向にして平行かつ対向して配置され、前記一対の磁気トンネル抵抗素子２，２をそれぞれ配置させてなる複数の共通の下部電極３が基板５上にて横方向に直線的に複数列にわたって配置されている。そして、左右両端の磁気トンネル抵抗素子２（Ｘで示す）以外の磁気トンネル抵抗素子２に関しては、横方向に隣り合う各磁気抵抗素子１の一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の各上磁性層１１，１１が上部電極４によってダミー膜１６を介して横方向に直線的に直列接続されている。左右両端の磁気トンネル抵抗素子２（Ｘで示す）に関しては、上記図１０(Ｂ)の第３接続例の場合と同様に、図示上下一対の磁気抵抗素子１，１の各上磁性層１１，１１が上部電極４によりそれぞれ接続されている。なお、この基板５上に設けられた各磁気抵抗素子１は、図４に示した第１変形例のように構成されているが、同各磁気抵抗素子１を図５〜７の第２変形例のように構成したり、上述したそれらの変形例のように構成してもよい。また、図１１，１２においては、下部電極３を省略して示している。
【００６１】
このように構成した第１及び第２のマトリクス構造に係る磁気センサにおいては、前記左右両端の磁気トンネル抵抗素子２以外の多数の磁気トンネル抵抗素子２において、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向を互いに対向させるとともに、これらの磁気トンネル抵抗素子２を下部電極３及び上部電極４で交互に前記長辺方向と直交する方向に連結して、同直交する方向に電流が流れるようにしたので、上記第２及び第３接続例のように大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。なお、左右両端の磁気トンネル抵抗素子２（Ｘで示す）に関しては、電流が上下一対の磁気トンネル抵抗素子２，２の上部電極４を図示縦方向に流れ、電流が、図示矢印のように、マトリクス状に配置された各磁気トンネル抵抗素子２を左右両端部にて折り返すようにして流れる。
【００６２】
また、第１のマトリクス構造に係る磁気センサ（図１１）においては、全体の寸法として、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向に短くかつ同長辺方向と直交する短辺方向に長く構成されている。これに対して、第２のマトリクス構造に係る磁気センサ（図１２）においては、全体の寸法として、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向に長くかつ同長辺方向と直交する短辺方向に短く、すなわち上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向と全体の長辺方向とが一致している。この種の磁気センサにおいては、図１１，１２に示すように、磁界Ｈの方向を上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向にして用いるものであり、図１１の場合には、図１２の場合に比べて、磁界Ｈの方向と直交する幅が長くなり、反磁場の影響のために特性が若干劣る。したがって、第２のマトリクス構造に係る磁気センサ（図１１）のように、磁界Ｈの方向と平行な方向を上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向とするとともに、センサ全体もこの方向を長辺方向とするのが好ましい。
【００６３】
次に、前記第２のマトリクス構造に係る磁気センサの測定結果を示しておく。この測定においては、上磁性層１１（バリア膜１０及び下磁性層９）の短辺の長さ（図１２の横方向の長さ）を１０μｍとするとともに長辺（図１２の縦方向の長さ）を６０μｍとし（アスペクト比「６」）、反強磁性膜８及び下部電極３（図示省略）の横方向の長さを３２μｍとするとともに縦方向の長さを６８μｍとした。そして、一対の磁気トンネル抵抗素子２，２からなる磁気抵抗素子１を横方向に３６μｍのピッチで１６個（磁気トンネル抵抗素子２を３２個）配置するとともに、縦方向に７２μｍのピッチで１６個配置して、５１２個の磁気トンネル抵抗素子２で磁気センサを構成した。この場合、規格化抵抗値は６６ｋΩ・μｍ２、磁気トンネル抵抗素子２の１個あたりの抵抗１１０Ω、磁気センサ全体で５７ｋΩになる。また、同センサに６０μＡの電流を流して磁界を変化させた結果、図１３のような出力電圧を得た。この結果、この実験によれば、抵抗値５７ｋΩ、抵抗変化率２９％という実験データを得た。
【００６４】
このように磁気トンネル抵抗素子２をマトリクス状に配置して磁気センサを構成するようにすれば、多数の磁気トンネル抵抗素子２を直列接続しても、磁気センサ自体を細く長く構成する必要もなく、高い磁気抵抗変化率を得ることができる。特に、上磁性層１１（磁気トンネル抵抗素子２）の長辺方向と、センサ全体の長辺方向とを一致させるようにすれば、全体として高抵抗、かつ高い磁気抵抗変化率を磁気センサを実現できる。
【００６５】
また、上記のように構成した磁気抵抗素子１を用いた磁気センサにおいては、基準抵抗と直列に同センサを直列接続して用いてもよいし、ホイートストン・ブリッジの１辺として組込んで用いてもよい。これらの場合でも、一つの基板５上に、基準抵抗、ホイートストン・ブリッジ内の抵抗を形成するようにするとよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る基本的構成例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】 （ａ）〜（ｄ）は、前記基本的構成例に係る磁気抵抗素子の製造方法を工程順に示す断面図である。
【図３】 （ａ）〜（ｄ）は、図２の次の工程を工程順に示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図４】 前記基本的構成例の第１変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図５】 前記基本的構成例の第２変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図６】 前記基本的構成例の第３変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図７】 前記基本的構成例の第４変形例を示す磁気抵抗素子の断面図である。
【図８】 (Ａ)は磁場を変化させてアスペクト比が「２」である磁気トンネル抵抗素子の出力電圧波形を測定した測定結果であり、(Ｂ)は磁場を変化させてアスペクト比が「４」である磁気トンネル抵抗素子の出力電圧波形を測定した測定結果である。
【図９】（Ａ）は前記基本的構成例の第1変形例に係る複数の磁気抵抗素子を直線状に直列接続した第１接続例を示す概略平面図であり、（Ｂ）は前記直線状に直列接続した磁気抵抗素子の断面図であり、（Ｃ）は前記直線的に直列接続した磁気抵抗素子の等価回路図である。
【図１０】 （Ａ）は前記複数の磁気抵抗素子を直線状に直列接続した第２接続例を示す概略平面図であり、（Ｂ）は前記複数の磁気抵抗素子を直線状に直列接続した第３接続例を示す概略平面図である。
【図１１】 前記基本的構成例の第1変形例に係る複数の磁気抵抗素子をマトリクス状に配置した第１マトリクス構造の概略平面図である。
【図１２】 前記基本的構成例の第1変形例に係る複数の磁気抵抗素子をマトリクス状に配置した第２マトリクス構造の概略平面図である。
【図１３】 前記第2マトリクス構造を備えた磁気センサの磁界に対する出力電圧の特性図である。
【符号の説明】
１…磁気抵抗素子、２…磁気トンネル抵抗素子、３…下部電極、４…上部電極、５…基板、６…第１導電膜、７…第２導電膜、８…反強磁性膜、９…下磁性層、１０…バリア膜、１１…上磁性層、１２…層間絶縁膜、１３…コンタクトホール、１４…切欠部、１６…ダミー膜。
Claims (5)
- 基板と、
前記基板上に連続して形成された導電層と、
前記導電層上にそれぞれ独立かつ分離して形成されていて、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造と、
前記一対の磁気トンネル接合構造上、及び前記一対の磁気トンネル接合構造が形成されていない前記導電層上に形成されていて、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層の上方にコンタクトホールをそれぞれ有する層間絶縁膜と、
前記層間絶縁膜上に形成した電極材料の一部を前記層間絶縁膜の材料の検出を終了条件とするイオンビームエッチングで除去することにより分離して形成される一対の上部電極であり、前記一対の磁気トンネル接合構造のそれぞれ上方であって、前記層間絶縁膜上にそれぞれ独立して形成されていて、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層に前記コンタクトホールを介してそれぞれ接続された一対の上部電極とを備えたことを特徴とする磁気抵抗素子。 - 前記請求項１に記載の磁気抵抗素子において、前記導電層と前記一対の磁気トンネル接合構造の各下磁性層との各間に、同各下磁性層を固定層とするための固定磁化層をそれぞれ独立に分離して設けた磁気抵抗素子。
- 前記請求項１に記載の磁気抵抗素子において、前記導電層と前記一対の磁気トンネル接合構造の各下磁性層との各間に、同各下磁性層を固定層とするための固定磁化層をそれぞれ共通に連続して設けた磁気抵抗素子。
- 前記請求項１に記載の磁気抵抗素子において、前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層と前記独立した各上部電極との各間に、同各上磁性層を固定層とするための固定磁化層をそれぞれ独立に分離して設けた磁気抵抗素子。
- 基板上に連続して導電層を形成し、
前記導電層上に、バリア膜を下磁性層と上磁性層との間に挟んで構成した一対の磁気トンネル接合構造をそれぞれ独立かつ分離して形成し、
前記一対の磁気トンネル接合構造上、及び前記一対の磁気トンネル接合構造が形成されていない前記導電層上に層間絶縁膜を形成し、
前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層の上方位置にて、前記層間絶縁膜にコンタクトホールをそれぞれ形成し、かつ
前記層間絶縁膜上に形成した電極材料の一部を前記層間絶縁膜の材料の検出を終了条件とするイオンビームエッチングで除去することにより、前記一対の磁気トンネル接合構造のそれぞれ上方における前記層間絶縁膜上に、前記コンタクトホールを介して前記一対の磁気トンネル接合構造の各上磁性層にそれぞれ接続されるように、一対の上部電極をそれぞれ分離かつ独立して形成するようにしたことを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
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1999
- 1999-12-27 JP JP36877699A patent/JP4807897B2/ja not_active Expired - Fee Related
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