JP2008217906A - トンネル型磁気抵抗効果素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に比べて低抵抗で、且つ、狭トラック化を図ることができ、さらに特性のばらつき等が小さく信頼性に優れたトンネル型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している。
【解決手段】 絶縁障壁層２５のトラック幅方向への最大幅寸法Ｔ１は、第１の磁性層３１のトラック幅方向への最大幅寸法Ｔ２以上である。前記第１の磁性層３１は、トラック幅方向の両側に位置する両側端部３１ｂと、前記両側端部３１ｂから段差Ａを介して、前記両側端部３１ｂよりも厚い膜厚で形成された中央部３１ａとを有して構成される。前記第１の磁性層３１のうち前記中央部３１ａが、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層として機能している。これにより、低抵抗で、且つ、狭トラック化を図ることができ、さらに特性のばらつき等が小さく信頼性に優れたトンネル型磁気抵抗効果素を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、従来に比べて低抵抗で、且つ、狭トラック化を図ることができ、さらに特性のばらつき等が小さく信頼性に優れたトンネル型磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関する。

下記特許文献に示すように、トンネル型磁気抵抗効果素子は、例えば下から固定磁性層、絶縁障壁層及びフリー磁性層の順に積層される。前記固定磁性層は、磁化方向が固定され、前記フリー磁性層は外部磁界に対して磁化変動する。

トンネル型磁気抵抗効果素子は、トンネル効果を利用して抵抗変化するものであり、固定磁性層の磁化と、フリー磁性層の磁化とが反平行のとき、前記固定磁性層とフリー磁性層との間に設けられた絶縁障壁層を介してトンネル電流が流れにくくなって、抵抗値は最大になり、一方、前記固定磁性層の磁化とフリー磁性層の磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり抵抗値は最小になる。

この原理を利用して、外部磁界の影響を受けてフリー磁性層の磁化が変動することにより変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、記録媒体からの洩れ磁界が検出されるようになっている。
特開平１０−１６２３２６号公報 特開２００１−６１２７号公報 特開２００４−３１９０６０号公報

トンネル型磁気抵抗効果素子の電気抵抗値は、絶縁障壁層を有することで高抵抗となりやすいが、高周波特性の向上を図る上で、低抵抗にすることが望ましい。

そのためには、例えば、絶縁障壁層の膜厚を薄くする形態が考えられるが、前記絶縁障壁層の膜厚を薄くすると、前記絶縁障壁層にピンホール等の欠陥が生じやすく特性にばらつきが生じやすくなる等、信頼性が低下する。

一方、前記絶縁障壁層のトラック幅方向の幅寸法を広くすることで電気抵抗値を低減できるが、前記フリー磁性層のトラック幅方向の幅寸法で規定されるトラック幅Ｔｗも広がる結果、高記録密度化に適切に対応できないといった問題があった。

そこで本発明は上記従来の問題点を解決するためのものであり、従来に比べて低抵抗で、且つ、狭トラック化を図ることができ、さらに特性のばらつき等が小さく信頼性に優れたトンネル型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している。

本発明におけるトンネル型磁気抵抗効果素子は、
下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、第１の磁性層の順に積層された部分を有し、
前記絶縁障壁層のトラック幅方向への最大幅寸法は、前記第１の磁性層のトラック幅方向への最大幅寸法以上であり、
前記第１の磁性層は、トラック幅方向の両側に位置する両側端部と、前記両側端部から段差を介して、前記両側端部よりも厚い膜厚で形成されたトラック幅方向の中央に位置する中央部とを有して構成され、
前記第１の磁性層のうち前記中央部が、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層として機能していることを特徴とするものである。

上記のトンネル型磁気抵抗効果素子によれば、絶縁障壁層のトラック幅方向の幅寸法を広く形成し、且つ、フリー磁性層のトラック幅方向の幅寸法（＝トラック幅Ｔｗ）を効果的に小さく形成出来るから、従来に比べて低抵抗で且つ狭トラック化を図ることが可能である。また、前記第１の磁性層の両側端部は、フリー磁性層として実質的に機能しない不感領域であるが、前記両側端部を設けることで、より低抵抗化を図ることができるとともに、前記絶縁障壁層の両側端部を適切に保護することができ、従来に比べて、特性のばらつき等が小さく信頼性の高いトンネル型磁気抵抗効果素子を実現できる。

本発明では、前記第１の磁性層は、前記絶縁障壁層上に形成される下部磁性層と、前記下部磁性層上のトラック幅方向の中央に位置する上部磁性層とで構成され、
少なくとも前記下部磁性層と前記上部磁性層間には、前記上部磁性層の形状を画定する際のエッチング速度が前記上部磁性層及び前記下部磁性層のエッチング速度より遅いストッパ層が設けられ、
前記上部磁性層と、前記上部磁性層と対向した位置にある下部磁性層とで前記中央部が構成され、前記上部磁性層のトラック幅方向の両側に位置する前記下部磁性層により前記両側端部が構成されており、
前記中央部の前記上部磁性層と前記下部磁性層とは磁気的に結合されて、前記フリー磁性層として機能していることが好ましい。

これにより、前記第１の磁性層の両側端部を薄い膜厚で確実に残すことができ、前記絶縁障壁層の両側端部を適切に保護でき、より効果的に、低抵抗で且つ信頼性の高いトンネル型磁気抵抗効果素子を実現できる。

本発明では、前記ストッパ層の平均膜厚は、１．０〜３．０Åの範囲内であることが好ましい。これにより、効果的に、前記中央部における前記下部磁性層と前記上部磁性層とを磁気的に結合でき、前記下部磁性層及び上部磁性層を見かけ上、一体のフリー磁性層として機能させることが出来る。

また本発明では、前記ストッパ層は非磁性金属材料で形成されることがエッチング速度の調整を容易にでき、また、再生特性を良好に維持することができ好適である。
前記ストッパ層は、前記両側端部上にまで延出して形成されていることが好ましい。

また本発明では、前記第１の磁性層の両側端部の平均膜厚は５Å以上で１０Å以下であることが、高精度に、狭トラック化を図る上で好ましい。

本発明におけるトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法は、以下の工程を有することを特徴とするものである。

（ａ） 下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層及び第１の磁性層の順に積層する工程、
（ｂ） 前記第１の磁性層のトラック幅方向の両側端部を途中まで削り、前記第１の磁性層を、膜厚の薄い前記両側端部と、前記両側端部から段差を介して、前記両側端部よりも膜厚が厚いトラック幅方向の中央に位置する中央部とで構成する工程、
（ｃ） 前記第１の磁性層の両側端部から中央部にかけて前記段差が残るように、前記固定磁性層、前記絶縁障壁層及び、前記第１の磁性層の両側端部の各両側端面をパターン加工し、このとき、前記絶縁障壁層のトラック幅方向への最大幅寸法を、前記第１の磁性層のトラック幅方向への最大幅寸法以上に形成する工程、
（ｄ） 前記第１の磁性層に対しバイアス磁界を印加して、前記第１の磁性層の中央部を、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層として機能させる工程。

上記により、従来に比べて低抵抗で且つ狭トラック化を図ることができ、さらに特性のばらつきが小さく信頼性に優れたトンネル型磁気抵抗効果素子を容易に且つ適切に製造できる。

本発明では、前記（ｂ）工程で、前記第１の磁性層の両側端部を５Å以上で１０Å以下の平均膜厚となるまで削ることが好ましい。

また本発明では、前記（ａ）工程で、前記絶縁障壁層上に、下から下部磁性層、ストッパ層及び上部磁性層の順に積層し、前記下部磁性層と、前記上部磁性層とで前記第１の磁性層を構成し、前記ストッパ層を、前記（ｂ）工程でのエッチングに対する前記上部磁性層及び下部磁性層のエッチング速度より遅いエッチング速度の材質で形成し、
前記（ｂ）工程では、前記上部磁性層の両側端部をエッチングで除去して、前記ストッパ層の露出後、少なくとも前記下部磁性層の両側端部の一部を残して前記エッチングを停止し、これにより、前記第１の磁性層は、前記上部磁性層と、前記上部磁性層と対向した位置にある下部磁性層とで前記中央部が構成され、前記上部磁性層のトラック幅方向の両側に位置する前記下部磁性層により前記両側端部が構成され、
前記中央部では、前記上部磁性層と前記下部磁性層とが磁気的に結合されており、前記（ｄ）工程では、前記中央部に位置する前記上部磁性層及び前記下部磁性層を、前記フリー磁性層として機能させることが好ましい。

本発明では、これにより、前記下部磁性層の両側端部を薄い膜厚で前記絶縁障壁層上に残すことができ、前記絶縁障壁層を例えばエッチング工程から適切に保護でき、より効果的に低抵抗で且つ信頼性の高いトンネル型磁気抵抗効果素子を製造できる。
また前記下部磁性層の両側端部を残すことでより低抵抗化を実現できる。

本発明では、前記ストッパ層を、１．０〜３．０Åの平均膜厚で形成することが、適切に、前記中央部での前記上部磁性層と下部磁性層とを磁気的に結合でき、見かけ上、一体のフリー磁性層として機能させることができ好適である。

また本発明では、前記ストッパ層を非磁性金属で形成することが、エッチング速度の調整を容易にでき、好適である。

また本発明では、前記（ｂ）工程で、前記下部磁性層の両側端部上に前記ストッパ層の少なくとも一部が残るように、エッチングを停止することがより好ましい。これにより、前記下部磁性層の両側端部を確実に残すことができ、前記絶縁障壁層を適切に保護できる。しかも前記下部磁性層の両側端部上に残されたストッパ層を構成する元素は、例えば熱処理によって前記下部磁性層へ拡散し、前記下部磁性層の両側端部での磁気的性質をより効果的に弱めることができ、適切に前記両側端部を実質的にフリー磁性層として機能しない不感領域にでき、高精度に狭トラック化を図ることが可能である。

本発明では、前記（ａ）工程で、前記下部磁性層を、５Å以上で１０Å以下の平均膜厚で形成することが好ましい。例えば前記下部磁性層の両側端部上に前記ストッパ層を残しても、前記下部磁性層の両側端部の膜厚を１０Å以下にでき、より高精度に狭トラック化を図ることができる。

本発明によれば、従来に比べて低抵抗で且つ狭トラック化を図ることができ、さらに、特性のばらつき等が小さく信頼性の高いトンネル型磁気抵抗効果素子を実現できる。

図１は、本実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子を有する薄膜磁気ヘッドを記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、である。

図中においてＸ方向は、トラック幅方向、Ｙ方向は、磁気記録媒体からの洩れ磁界の方向（ハイト方向）、Ｚ方向は、ハードディスクなどの磁気記録媒体の移動方向及び前記トンネル型磁気抵抗効果素子の各層の積層方向である。

符号２０は下部シールド層であり、前記下部シールド層２０は例えばＮｉ−Ｆｅで形成される。

前記下部シールド層２０上には、トンネル型磁気抵抗効果素子３０が形成されている。前記トンネル型磁気抵抗効果素子３０は、下から下地層２１、シード層２２、反強磁性層２３、固定磁性層２４、絶縁障壁層２５、下部磁性層２６、ストッパ層２７、上部磁性層２８及び保護層２９の順に積層形成されている。

前記下地層２１は、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち１種または２種以上の元素の非磁性元素で形成される。前記シード層２２は、例えば、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ、Ｃｒ、あるいはＲｕによって形成される。

前記反強磁性層２３は、元素Ｘ（ただしＸは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｏｓのうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されることが好ましい。

また前記反強磁性層２３は、元素Ｘと元素Ｘ′（ただし元素Ｘ′は、Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ，Ｂｅ，Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｐ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｇａ，Ｇｅ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ａｇ，Ｃｄ，Ｓｎ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ，Ｐｂ、及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）とＭｎとを含有する反強磁性材料で形成されてもよい。

前記反強磁性層２３は例えばＩｒ−Ｍｎで形成される。
前記固定磁性層２４はＣｏ−Ｆｅ等の強磁性材料で形成される。図１では前記固定磁性層２４は単層構造であるが、前記固定磁性層２４は、下から第１固定磁性層、非磁性中間層、及び、第２固定磁性層の順で積層された積層フェリ構造で形成されることが好適である。前記第１固定磁性層及び第２固定磁性層は例えばＣｏ−Ｆｅで形成される。前記非磁性中間層は例えばＲｕで形成される。

絶縁障壁層２５は、例えば、Ｍｇ−Ｏ（酸化マグネシウム）、Ａｌ−Ｏ（酸化アルミニウム）、Ｔｉ−Ｏ（酸化チタン）のいずれかで形成される。

前記下部磁性層２６は、Ｃｏ−ＦｅやＮｉ−Ｆｅで形成される。前記ストッパ層２７は、Ｔａ等の非磁性金属材料で形成されることが好ましい。前記上部磁性層２８は例えばＮｉ−Ｆｅで形成される。前記保護層２９は例えばＴａで形成される。前記下部磁性層２６及び上部磁性層２８は同じ磁性材料で形成されても異なる磁性材料で形成されてもよい。例えば前記下部磁性層２６と上部磁性層２８を異なる磁性材料で形成する場合、前記下部磁性層２６をスピン分極率が高いＣｏ−Ｆｅ等のエンハンス層として形成し、上部磁性層２８を軟磁気特性に優れたＮｉ−Ｆｅで形成すると、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ）を向上させることができ好適である。

図１に示すように前記上部磁性層２８は前記下部磁性層２６のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における中央にのみ形成されている。前記上部磁性層２８と、前記上部磁性層２８のトラック幅方向の両側に広がる下部磁性層２６との間には段差Ａが形成されている。

本実施形態では、前記下部磁性層２６と上部磁性層２８により「第１の磁性層３１」が構成される。

図１に示すように前記第１の磁性層３１の中央部３１ａは、上部磁性層２８と、前記上部磁性層２８と対向した位置にある下部磁性層２６とで構成され、前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂは、前記中央部３１ａから段差Ａを介して、前記上部磁性層２８のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に位置する前記下部磁性層２６により構成される。

図１に示すように前記上部磁性層２８と保護層２９のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端面３３，３３は、下側から上側に向けて徐々に前記トラック幅方向の幅寸法が小さくなるように傾斜面で形成されている。

また、図１に示すように、下地層２１から下部磁性層２６のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における両側端面３２，３２は、前記両側端面３３，３３間の幅より広がって形成され、さらに、下側から上側に向けて徐々に前記トラック幅方向の幅寸法が小さくなるように傾斜面で形成されている。

図１に示す実施形態では、前記第１の磁性層３１の中央部３１ａでは、前記下部磁性層２６と前記上部磁性層２８とが磁気的に結合されている（強磁性結合）。前記下部磁性層２６と前記上部磁性層２８との間に介在するストッパ層２７は非常に薄い膜厚で形成されている。前記ストッパ層２７は具体的には１．０Å〜３．０Åの範囲内の平均膜厚で形成されることが好適である。このように前記ストッパ層２７は薄い膜厚で形成されているので、例えば前記ストッパ層２７にはピンホールが形成され、前記ピンホールを介して前記下部磁性層２６と前記上部磁性層２８とが直接接触して磁気的に強く結合されている。また、前記ピンホールが形成されていなくても、ストッパ層２７を上記膜厚範囲内に設定することで、前記下部磁性層２６と上部磁性層２８とがストッパ層２７を介して静磁気的に強く結合している。

図１に示す実施形態では、前記第１の磁性層３１の中央部３１ａが外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層として機能する。一方、前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂは前記フリー磁性層として実質的に機能していない。例えば、マイクロトラック法により測定し、再生波形のうち最大出力の５０％以上の出力が得られる部分を感磁領域（フリー磁性層）と規定すると、前記両側端部３１ｂでの出力は５０％より小さく（両側端部３１ｂのうち中央部３１ａとの近傍で出力が最大出力に対して５０％以上となる部分がある形態を除外しない）、不感領域であり、フリー磁性層として実質的に機能していない。

前記両側端部３１ｂの膜厚は薄く、前記両側端部３１ｂの上下に位置する絶縁障壁層２５及びストッパ層２７を構成する元素が前記両側端部３１ｂの全域にわたって拡散を起こし、前記両側端部３１ｂでの磁気的性質は弱くなっていると思われる。例えば前記両側端部３１ｂでのキュリー点が中央部３１ａに比べて低くなっており、固定磁性層２４と反強磁性層２３間に交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせる熱処理等により前記両側端部３１ｂは常磁性になっているものと推測される。これにより前記両側端部３１ｂはフリー磁性層として実質的に機能していない。ここで「実質的に機能しない」とは、上記したように例えば再生出力が最大出力に対して５０％を下回ることを指している。

図１に示すように、前記トンネル型磁気抵抗効果素子３０の両側端面３２，３３上及び段差Ａ上には絶縁層４０が形成され、前記絶縁層４０上にはハードバイアス層４１が形成されている。前記絶縁層４０は例えばＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２で形成される。また前記ハードバイアス層４１は、例えば、Ｃｏ−ＰｔやＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔで形成される。前記ハードバイアス層４１と前記絶縁層４０との間には、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉで形成されるバイアス下地層が形成されていてもよい。

図１に示す実施形態では、前記ハードバイアス層４１の上面、保護層２９及び絶縁層４０の上面は同一の平坦面で形成されている。

図１に示すように、前記ハードバイアス層４１上、保護層２９上及び絶縁層４０上に非磁性金属層４２が形成され、前記非磁性金属層４２上に上部シールド層４３が形成されている。前記非磁性金属層４２はシールド間隔の調整用に用いられる。前記非磁性金属層４２は、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、Ｒｕで形成される。前記上部シールド層４３は、例えばＮｉ−Ｆｅで形成される。

図１に示す実施形態では、前記下部シールド層２０及び上部シールド層４３が前記トンネル型磁気抵抗効果素子３０に対する電極層として機能し、前記トンネル型磁気抵抗効果素子３０の各層の膜面に対し垂直方向に電流が流される。

フリー磁性層として機能する第１の磁性層３１の中央部３１ａは、前記ハードバイアス層４１からのバイアス磁界を受けてトラック幅方向（図示Ｘ方向）と平行な方向に磁化されている。前記中央部３１ａでの磁化は、単磁区化されている。一方、固定磁性層２４は、ハイト方向（図示Ｙ方向）と平行な方向に磁化されている。前記固定磁性層２４の磁化は固定されている（外部磁界によって磁化変動しない）が、前記第１の磁性層３１の中央部３１ａの磁化は外部磁界により変動する。

前記第１の磁性層３１の中央部（フリー磁性層）３１ａが、外部磁界により磁化変動すると、前記固定磁性層２４と第１の磁性層３１の中央部（フリー磁性層）３１ａとの磁化が反平行のとき、前記固定磁性層２４と第１の磁性層３１の中央部（フリー磁性層）３１ａとの間に設けられた絶縁障壁層２５を介してトンネル電流が流れにくくなって、電気抵抗値は最大になる。一方、前記固定磁性層２４と第１の磁性層３１の中央部（フリー磁性層）３１ａとの磁化が平行のとき、最も前記トンネル電流は流れ易くなり電気抵抗値は最小になる。

この原理を利用して、外部磁界の影響を受けて第１の磁性層（フリー磁性層）３１ａの磁化が変動することにより変化する電気抵抗を電圧変化としてとらえ、磁気記録媒体からの洩れ磁界が検出されるようになっている。

本実施形態におけるトンネル型磁気抵抗効果素子の特徴的部分について以下に説明する。図２は、図１に示すトンネル型磁気抵抗効果素子３０のうち、絶縁障壁層２５、下部磁性層２６、ストッパ層２７、及び、上部磁性層２８の部分を拡大した部分拡大断面図である。

図１に示す実施形態に示すように前記絶縁障壁層２５のトラック幅方向（図示Ｘ方向）への最大幅寸法Ｔ１は、前記第１の磁性層３１（下部磁性層２６）のトラック幅方向（図示Ｘ方向）への最大幅寸法Ｔ２以上で形成されている。

また、図１，図２に示すように、前記第１の磁性層３１は、トラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に位置する両側端部３１ｂと、前記両側端部３１ｂから段差Ａを介して前記両側端部３１ｂよりも厚い膜厚で形成されたトラック幅方向の中央に位置する中央部３１ａとを有して構成される。

前記中央部３１ａは、前記上部磁性層２８と前記上部磁性層２８と対向した位置にある下部磁性層２６とで構成され、前記中央部３１ａでの前記上部磁性層２８と前記下部磁性層２６は磁気的に結合されている。

前記第１の磁性層３１の中央部３１ａは外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層として機能するが、前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂはフリー磁性層として実質的に機能せず不感領域となっている。図２に示すように、トラック幅Ｔｗは、前記中央部３１ａの上面の幅寸法で規制される。

トンネル型磁気抵抗効果素子３０を構成する積層体は絶縁障壁層２５を除いて金属材料で形成されているので絶縁材料で形成された絶縁障壁層２５が電気抵抗値に大きく寄与している。よって、図１，図２に示す実施形態であると、絶縁障壁層２５の幅寸法Ｔ１を広く形成できトンネル型磁気抵抗効果素子３０の電気抵抗値を低抵抗に調整できる。図１，図２に示す実施形態では低抵抗を実現すべく、前記絶縁障壁層２５の膜厚を薄く形成しなくてもよいので信頼性に優れたトンネル型磁気抵抗効果素子３０を実現できる。前記絶縁障壁層２５の最大幅寸法Ｔ１は１００〜１５０ｎｍ程度、前記絶縁障壁層２５の平均膜厚は、５〜１０Å程度である。

しかも図１に示す実施形態では、前記第１の磁性層３１に、両側端部３１ｂから段差Ａを介して膜厚が厚い中央部３１ａを形成し、前記中央部３１ａをフリー磁性層として機能させているので、トラック幅Ｔｗを小さく形成でき狭トラック化を実現できる。よって高記録密度化に優れたトンネル型磁気抵抗効果素子３０を実現できる。

本実施形態では、前記トラック幅Ｔｗを４０〜８０ｎｍ程度に調整できる。また、図２に示す第１の磁性層３１（下部磁性層２６）の最大幅寸法Ｔ２は、１００〜１５０ｎｍであり、前記第１の磁性層３１の各両側端部３１ｂの最大幅寸法Ｔ３は、１０〜５５ｎｍである。また前記第１の磁性層３１の最大幅寸法Ｔ２に対する各両側端部３１ｂの最大幅寸法Ｔ３の比率{（Ｔ３／Ｔ２）×１００（％）}は、１０〜４０％の範囲内であることが好適である。

本実施形態では、前記上部磁性層２８の平均膜厚を前記下部磁性層２６の平均膜厚よりも厚い膜厚で形成することが中央部３１ａ及び両側端部３１ｂでの膜厚調整を行いやすく好適である。前記上部磁性層２８の平均膜厚を４０〜７０Å程度で形成することが好ましい。また、前記第１の磁性層３１の中央部３１ａの平均膜厚を、４５〜８０Å程度で形成することで前記中央部３１ａを適切にフリー磁性層として機能させることが可能である。

図１，図２に示す実施形態では、前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂは実質的にフリー磁性層として機能せず不感領域となっている。前記両側端部３１ｂを不感領域にするには、前記両側端部３１ｂの平均膜厚を５Å以上で１０Å以下で形成することが好適である。前記両側端部３１ｂの上下に位置する絶縁障壁層２５及びストッパ層２７を構成する元素の拡散長は概ね１０Å程度なので、前記両側端部３１ｂのほぼ全域に、前記絶縁障壁層２５及びストッパ層２７を構成する元素が拡散し、前記両側端部３１ｂの磁気的性質は急激に弱まっていると推測される。前記両側端部３１ｂは例えば常磁性となっており、フリー磁性層として機能しない。

前記第１の磁性層３１に薄い膜厚の両側端部３１ｂが形成されていることで、前記絶縁障壁層２５の両側端部上は前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂにより適切に保護される。前記両側端部３１ｂの平均膜厚は上記のように５Å以上であることが好ましく、これにより前記絶縁障壁層２５を適切に保護できる。また前記両側端部３１ｂを設けたことでトンネル型磁気抵抗効果素子３０の低抵抗化をより促進できる。例えば、前記両側端部３１ｂを形成しない形態の場合、後述する製造方法では、各層のエッチング速度差があまりないので、エッチング制御が難しく、前記絶縁障壁層２５の両側端部やさらにはその下の層までもエッチングで削れてしまい、抵抗値が上昇したり、あるいは抵抗値や特性にばらつきが生じ信頼性が低下しやすい。それに比べて本実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子では、抵抗値や特性にばらつきが小さく信頼性の高いトンネル型磁気抵抗効果素子を実現できる。

以上により本実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子によれば、従来に比べて、低抵抗で且つ狭トラック化を適切に図ることが可能である。よって高周波特性を向上できるとともに高記録密度化に適切に対応することが可能になる。また特性のばらつきが小さく信頼性が高いトンネル型磁気抵抗効果素子３０を実現できる。

図１，図２に示す実施形態では、前記下部磁性層２６と前記上部磁性層２８との間にストッパ層２７が設けられている。例えば図３に示すように前記ストッパ層２７が設けられておらず前記下部磁性層２６と上部磁性層２８とが完全に一体化した単層構造の第１の磁性層３４で形成しても上記した効果を得ることが可能であるが、図１，図２に示すように、前記ストッパ層２７を設けることで、適切に前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂを残すことができ、前記絶縁障壁層２５の両側端部を適切に保護でき、より効果的に、低抵抗で且つ信頼性の高いトンネル型磁気抵抗効果素子３０を実現できる。

また、前記ストッパ層２７の平均膜厚は１．０〜３．０Åの範囲内であることが好ましい。これにより、前記下部磁性層２６と前記上部磁性層２８間の磁気的結合を強くでき、且つストッパとして適切に機能させることが可能である。

前記ストッパ層２７は非磁性金属材料で形成されることが好適である。磁性材料で前記ストッパ層２７を形成すると、前記ストッパ層２７のエッチング速度は、上部磁性層２８のエッチング速度とあまり差がつかなくなるので好ましくない。また絶縁材料でストッパ層２７を形成すると、前記下部磁性層２６と上部磁性層２８との間でもトンネル効果が発生する可能性があり、トンネル型磁気抵抗効果素子３０としての特性が低下するので好ましくない。

前記ストッパ層２７として用いられる非磁性金属材料は、前記上部磁性層２８の両側端面３３，３３をパターン形成（画定）する際に使用されるエッチングにおいて、前記ストッパ層２７のエッチング速度が、前記上部磁性層２８のエッチング速度より遅くなる材質である。

例えば、前記上部磁性層２８の両側端面３３，３３をパターン形成する際に使用されるエッチングが反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である場合、前記ストッパ層２７は、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇのうち少なくともいずれか１種で形成されることが好適である。また前記上部磁性層２８の両側端面３３，３３を画定する際に使用されるエッチングがイオンミリングである場合、前記ストッパ層２７は、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉのうち少なくともいずれか１種で形成されることが好適である。

図１，図２に示す実施形態のように、前記ストッパ層２７は、中央部３１ａにおける下部磁性層２６と上部磁性層２８との間のみならず、両側端部３１ｂにおける下部磁性層２６上にまで延出して形成されることが好適である。これにより、確実に前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂを残すことができる。また、前記両側端部３１ｂ上に例えばＴａから成るストッパ層２７を設けることで、Ｔａが前記両側端部３１ｂ内に効果的に拡散し、前記両側端部３１ｂの磁気的性質を十分に弱めることが可能である。

上記したように図３のように、第１の磁性層３４が単層で形成された形態であってもよい。図３の実施形態では、図１のようにストッパ層２７は設けられていない。図３の実施形態でも第１の磁性層３４の両側端部３４ｂから段差Ａを介して前記両側端部３４ｂよりも膜厚が厚い中央部３４ａが形成され、前記中央部３４ａがフリー磁性層として機能している。前記両側端部３４ｂの平均膜厚は１０Å以下であり、前記両側端部３４ｂはフリー磁性層として実質的に機能せず、不感領域となっている。図４の実施形態でも従来に比べて低抵抗で、且つ、狭トラック化を図ることが可能であり、さらに信頼性に優れたトンネル型磁気抵抗効果素子を実現できる。

図４ないし図８は、図１に示すトンネル型磁気抵抗効果素子３０を備えた薄膜磁気ヘッドの製造方法を示す一工程図であり、各図は、記録媒体との対向面と平行な面から切断した部分断面図である。

図４に示す工程では、下部シールド層２０上に、下から下地層２１、シード層２２、反強磁性層２３、固定磁性層２４、絶縁障壁層２５、下部磁性層２６、ストッパ層２７、上部磁性層２８及び保護層２９の順に例えばスパッタ法で成膜する。各層の材質は図１で説明したのでそちらを参照されたい。各層を成膜装置内で同一真空中で連続成膜する。

図４に示す工程では、前記下部磁性層２６を５以上で１０Å以下の平均膜厚で形成することが好ましい。また、前記ストッパ層２７を１．０〜３．０Åの範囲内の平均膜厚で形成することが好ましい。また前記ストッパ層２７を非磁性金属材料で形成することが好ましい。例えば、図４の次工程で、前記上部磁性層２８の両側端面３３，３３をパターン形成する際に使用されるエッチングを、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とした場合、前記ストッパ層２７を、Ｃｒ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇのうち少なくともいずれか１種で形成することが好適である。また前記上部磁性層２８の両側端面３３，３３をパターン形成する際に使用されるエッチングをイオンミリングとした場合、前記ストッパ層２７を、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉのうち少なくともいずれか１種で形成することが好適である。
例えば前記ストッパ層２７をＣｒで形成する。

図５の工程では、前記保護層２９の上に前記上部磁性層２８の両側端面３３，３３をパターン形成するためのレジスト層５０を形成する。まず前記保護層２９上の全面にレジスト層を塗布した後、露光現像により図５に示す形状のレジスト層５０を前記保護層２９上に残す。

そして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、前記レジスト層５０に覆われていない前記保護層２９及び上部磁性層２８を除去する。このときＣｒで形成されたストッパ層２７のエッチング速度は、前記上部磁性層２８や下部磁性層２６のエッチング速度に比べて遅い。よって前記ストッパ層２７が前記上部磁性層２８のトラック幅方向（図示Ｘ方向）の両側に露出した直後に、ＲＩＥを終了することで、前記上部磁性層２８の両側に少なくとも一部、前記下部磁性層２６を残した状態で、適切且つ容易にＲＩＥを終了することができる。

図５に示すように、前記上部磁性層２８及び保護層２９の両側端面３３，３３は下側から上方に向うにしたがって徐々にトラック幅方向への幅寸法が広がる傾斜面で形成される。前記上部磁性層２８の上面での幅寸法がトラック幅Ｔｗであり、本実施形態では、前記トラック幅Ｔｗを４０〜８０ｎｍ程度の狭トラックで形成できる。

図５に示すように、前記上部磁性層２８のトラック幅方向の両側にストッパ層２７を少なくとも一部残すことが好ましい。
図５の工程終了後、前記レジスト層５０を除去する。

次に、図６に示す工程では、前記ストッパ層２７上から前記上部磁性層２８及び保護層２９の両側端面３３上、さらに前記保護層２９の上面にかけてレジスト層５１を形成する。前記レジスト層５１は、露光現像により図６に示す形状にパターン形成されている。前記レジスト層５１のトラック幅方向（図示Ｘ方向）における下面の幅寸法Ｔ４は、図５に示すレジスト層５０の下面の幅寸法Ｔ５より大きい。

そして前記レジスト層５１に覆われていない下地層２１からストッパ層２７までの積層部分の両側端部を、例えばイオンミリングで除去する（図６に示す点線部分が除去される）。ＲＩＥで除去してもよいが、この実施形態では、ストッパ層２７にＲＩＥでのエッチング速度が遅いＣｒを使用しているので、エッチング作業を効果的に迅速に行うためにイオンミリングを使用している。

また図６に示す工程では、イオンミリングによって、下部シールド層２０の一部も除去している。

図６に示すように、前記下地層２１からストッパ層２７のトラック幅方向の両側端面３２は、下方から上方に向かうにしたがって徐々にトラック幅方向への幅寸法が小さくなる傾斜面で形成される。

上部磁性層２８及び保護層２９の幅の狭い両側端面３３をパターン形成する図５の工程と、前記下地層２１からストッパ層２７までの前記両側端面３３より幅の広い両側端面３２をパターン形成する図６の工程により、前記下部磁性層２６と上部磁性層２８からなる第１の磁性層３１には、膜厚が薄い両側端部３１ｂと、前記両側端部３１ｂから段差Ａを介して、前記両側端部３１ｂよりも膜厚が厚い中央部３１ａとが形成される。

次に図７工程では、前記下部シールド層２０上から両側端面３２上、段差Ａ上、両側端面３３上及び保護層２９上にかけて絶縁層４０をスパッタ法等で形成し、さらに前記絶縁層４０上にハードバイアス層４１をスパッタ法等で形成する。また図７に示す工程では前記ハードバイアス層４１上にストッパ層５３をスパッタ法等で形成している。例えば、前記ストッパ層５３は、前記ハードバイアス層４１よりミリング速度が遅いＴａ等材質で形成される。前記ハードバイアス層４１を着磁することで前記第１の磁性層３１にバイアス磁界が印加され、前記第１の磁性層３１の中央部３１ａはトラック幅方向に単磁区化される。前記中央部３１ａは、外部磁界に対して磁化変動して所定以上の再生出力、具体的には最大再生出力の５０％の出力を得るためのフリー磁性層として機能する。

本実施形態では、磁場中熱処理を施す。磁場中熱処理は、図４工程以降であればどの工程でも行うことが可能であるが、特に、図５工程の上部磁性層２８の両側端面３３をパターン形成した後が好ましい。前記磁場中熱処理を施すことで、前記反強磁性層２３と固定磁性層２４との間で交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、前記固定磁性層２４の磁化が例えばハイト方向（図示Ｙ方向）に固定される。また、前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂでは、絶縁障壁層２５やストッパ層２７の元素が前記両側端部３１ｂ内のほぼ全域にわたって拡散し、前記両側端部３１ｂの磁気的性質は弱まっていると考えられる。例えば、前記両側端部３１ｂでのキュリー点は中央部３１ａに比べて低下している。そして、前記磁場中熱処理での熱処理温度が前記両側端部３１ｂのキュリー点を超えると、前記両側端部３１ｂは常磁性となり、前記両側端部３１ｂは実質的にフリー磁性層として機能せず不感領域となる。

そして図８に示す工程では、Ｂ−Ｂ線の位置まで、例えばＣＭＰで削りこむ。この実施形態では、例えば、前記ＣＭＰによる削り込みの終了時点を、前記ストッパ層５３の残り膜厚を基準にして制御することが可能である。

これによりハードバイアス層４１の上面、保護層２９の上面、及び前記ハードバイアス層４１と前記保護層２９との間に位置する絶縁層４０の上面とが同一平面で露出する。このとき前記ストッパ層５３が一部残されて、前記ストッパ層５３の上面も同一平面で露出してもよい。

そして、前記ハードバイアス層４１上、保護層２９上、及び絶縁層４０上に、非磁性金属層４２上を形成し、さらに前記非磁性金属層４２上に上部シールド層４３を形成する。

図３に示すトンネル型磁気抵抗効果素子を製造する場合は、まず図４に示す工程で、単層の第１の磁性層３４を前記絶縁障壁層２５上の全面に形成する。

続いて、図５に示す工程と同様に前記保護層２９上にレジスト層５０を形成し、図９に示すように、前記レジスト層５０に覆われていない前記保護層２９の両側端部と、前記第１の磁性層３４の両側端部３４ｂの一部をエッチングする。

このとき、例えばＳＩＭＳ（二次イオン質量分析計）を用いて、削り深さを測定しながらエッチングすることで、前記第１の磁性層３４の両側端部３４ｂを全て除去せず適切且つ容易に一部残すことが可能である。
その後、図６ないし図８と同じ工程を行う。

上記した製造方法によれば、絶縁障壁層２５のトラック幅方向への最大幅寸法Ｔ１を、第１の磁性層のトラック幅方向への最大幅寸法Ｔ２以上に形成でき、且つ、第１の磁性層３１を薄い膜厚の両側端部３１ｂと、前記両側端部３１ｂから段差Ａを介して前記両側端部３１ｂより厚い膜厚でフリー磁性層として機能して機能する中央部３１ａとで構成することが出来る。よって、従来に比べて、低抵抗で且つ狭トラックのトンネル型磁気抵抗効果素子３０を適切且つ容易に製造できる。

図５の工程で、上部磁性層２８及び保護層２９の幅の狭い両側端面３３をパターン形成し、次に、図６の工程で、前記下地層２１からストッパ層２７までの前記両側端面３３より幅の広い両側端面３２をパターン形成することで、第１の磁性層３１には、膜厚が薄い両側端部３１ｂと、前記両側端部３１ｂから段差Ａを介して、前記両側端部３１ｂよりも膜厚が厚い中央部３１ａを簡単且つ適切に形成できる。

図４ないし図８に示すトンネル型磁気抵抗効果素子３０の製造方法では、ストッパ層２７を設けることで、適切且つ容易に第１の磁性層３１の両側端部３１ｂを絶縁障壁層２５上に薄い膜厚で残すことが出来る。

前記ストッパ層２７の平均膜厚を１．０〜３．０Åとすることが好ましく、これにより、前記上部磁性層２８と下部磁性層２６との磁気的接合を強くでき、且つ、ストッパとして適切に機能させることが可能となる。

またストッパ層２７をＴａやＣｒ等の非磁性金属材料で形成することが上部磁性層２８とのエッチング速度差を調整しやすく好適である。

また、図５及び図６に示すように、前記第１の磁性層３１の両側端部３１ｂ上に前記ストッパ層２７を残すことが好ましい。これにより前記両側端部３１ｂを確実に残すことが出来、その下の各層をエッチングから保護できる。また本実施形態では、下部磁性層２６を５Å以上で１０Å以下の膜厚で形成することが好ましい。これにより前記両側端部３１ｂ上にストッパ層２７を残し、前記両側端部３１ｂを全く削らなくても、前記両側端部３１ｂを構成する下部磁性層２６の膜厚は１０Å以下なので、前記両側端部３１ｂはフリー磁性層として実質的に機能しない。

また図９に示す工程では、前記両側端部３１ｂを、５Å以上で１０Å以下の平均膜厚になるまでエッチングする。これにより第１の磁性層３１の中央部３１ａはフリー磁性層として機能し、前記両側端部３１ｂは実質的にフリー磁性層として機能しないトンネル型磁気抵抗効果素子を適切且つ容易に製造することが可能である。

また固定磁性層自体の一軸異方性によって固定磁性層２４の磁化が固定される、いわゆる自己固定式を用いる場合、反強磁性層２３が無くてもよいが、確実に前記固定磁性層２４の磁化固定を行うには前記反強磁性層２３を用い、磁場中熱処理を施して、前記反強磁性層２３と固定磁性層２４との間で交換結合磁界（Ｈｅｘ）を生じさせることが好ましい。

第１実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子を備えた薄膜磁気ヘッドを記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、 図１の一部分を拡大した部分拡大断面図、 第２実施形態のトンネル型磁気抵抗効果素子の構造を記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、 図１に示すトンネル型磁気抵抗効果素子を備えた薄膜磁気ヘッドの製造方法を示す工程図であり、記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、 図４の次に行なわれる工程図であり、記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、 図５の次に行なわれる工程図であり、記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、 図６の次に行なわれる工程図であり、記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、 図７の次に行なわれる工程図であり、記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、 図３に示すトンネル型磁気抵抗効果素子を備えた薄膜磁気ヘッドの製造方法を示す工程図であり、記録媒体との対向面と平行な面から切断して示す部分断面図、

符号の説明

２０ 下部シールド層
２３ 反強磁性層
２４ 固定磁性層
２５ 絶縁障壁層
２６ 下部磁性層
２７ ストッパ層
２８ 上部磁性層
２９ 保護層
３０ トンネル型磁気抵抗効果素子
３１、３４ 第１の磁性層
３１ａ、３４ａ （第１の磁性層の）中央部
３１ｂ、３４ｂ （第１の磁性層の）両側端部
３２、３３ 両側端面
４０ 絶縁層
４１ ハードバイアス層
４２ 非磁性金属層
４３ 上部シールド層
５０、５１ レジスト層
Ａ 段差

Claims (13)

1. 下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層、及び、第１の磁性層の順に積層された部分を有し、
   前記絶縁障壁層のトラック幅方向への最大幅寸法は、前記第１の磁性層のトラック幅方向への最大幅寸法以上であり、
   前記第１の磁性層は、トラック幅方向の両側に位置する両側端部と、前記両側端部から段差を介して、前記両側端部よりも厚い膜厚で形成されたトラック幅方向の中央に位置する中央部とを有して構成され、
   前記第１の磁性層のうち前記中央部が、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層として機能していることを特徴とするトンネル型磁気抵抗効果素子。
2. 前記第１の磁性層は、前記絶縁障壁層上に形成される下部磁性層と、前記下部磁性層上のトラック幅方向の中央に位置する上部磁性層とで構成され、
   少なくとも前記下部磁性層と前記上部磁性層間には、前記上部磁性層の形状を画定する際のエッチング速度が前記上部磁性層及び前記下部磁性層のエッチング速度より遅いストッパ層が設けられ、
   前記上部磁性層と、前記上部磁性層と対向した位置にある下部磁性層とで前記中央部が構成され、前記上部磁性層のトラック幅方向の両側に位置する前記下部磁性層により前記両側端部が構成されており、
   前記中央部の前記上部磁性層と前記下部磁性層とは磁気的に結合されて、前記フリー磁性層として機能している請求項１記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
3. 前記ストッパ層の平均膜厚は、１．０〜３．０Åの範囲内である請求項２記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
4. 前記ストッパ層は非磁性金属材料で形成される請求項２又は３に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
5. 前記ストッパ層は、前記両側端部上にまで延出して形成されている請求項２ないし４のいずれかに記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
6. 前記第１の磁性層の両側端部の平均膜厚は５Å以上で１０Å以下である請求項１ないし５のいずれかに記載のトンネル型磁気抵抗効果素子。
7. 以下の工程を有することを特徴とするトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法。
   （ａ） 下から磁化方向が固定される固定磁性層、絶縁障壁層及び第１の磁性層の順に積層する工程、
   （ｂ） 前記第１の磁性層のトラック幅方向の両側端部を途中まで削り、前記第１の磁性層を、膜厚の薄い前記両側端部と、前記両側端部から段差を介して、前記両側端部よりも膜厚が厚いトラック幅方向の中央に位置する中央部とで構成する工程、
   （ｃ） 前記第１の磁性層の両側端部から中央部にかけて前記段差が残るように、前記固定磁性層、前記絶縁障壁層及び、前記第１の磁性層の両側端部の各両側端面をパターン加工し、このとき、前記絶縁障壁層のトラック幅方向への最大幅寸法を、前記第１の磁性層のトラック幅方向への最大幅寸法以上に形成する工程、
   （ｄ） 前記第１の磁性層に対しバイアス磁界を印加して、前記第１の磁性層の中央部を、外部磁界に対して磁化変動するフリー磁性層として機能させる工程。
8. 前記（ｂ）工程で、前記第１の磁性層の両側端部を５Å以上で１０Å以下の平均膜厚となるまで削る請求項７記載のトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法。
9. 前記（ａ）工程で、前記絶縁障壁層上に、下から下部磁性層、ストッパ層及び上部磁性層の順に積層し、前記下部磁性層と、前記上部磁性層とで前記第１の磁性層を構成し、前記ストッパ層を、前記（ｂ）工程でのエッチングに対する前記上部磁性層及び下部磁性層のエッチング速度より遅いエッチング速度の材質で形成し、
   前記（ｂ）工程では、前記上部磁性層の両側端部をエッチングで除去して、前記ストッパ層の露出後、少なくとも前記下部磁性層の両側端部の一部を残して前記エッチングを停止し、これにより、前記第１の磁性層は、前記上部磁性層と、前記上部磁性層と対向した位置にある下部磁性層とで前記中央部が構成され、前記上部磁性層のトラック幅方向の両側に位置する前記下部磁性層により前記両側端部が構成され、
   前記中央部では、前記上部磁性層と前記下部磁性層とが磁気的に結合されており、前記（ｄ）工程では、前記中央部に位置する前記上部磁性層及び前記下部磁性層を、前記フリー磁性層として機能させる請求項７又は８に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法。
10. 前記ストッパ層を、１．０〜３．０Åの平均膜厚で形成する請求項９記載のトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法。
11. 前記ストッパ層を非磁性金属材料で形成する請求項９又は１０に記載のトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法。
12. 前記（ｂ）工程で、前記下部磁性層の両側端部上に前記ストッパ層が残るように、エッチングを停止する請求項９ないし１１のいずれかに記載のトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法。
13. 前記（ａ）工程で、前記下部磁性層を、５Å以上で１０Å以下の平均膜厚で形成する請求項９ないし１２のいずれかに記載のトンネル型磁気抵抗効果素子の製造方法。

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