JP2009055038A - Ｃｃｐ型ｃｐｐ−ｇｍｒ素子およびその製造方法、ならびにｃｃｐ層の形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】銅フィラメントの酸素汚染が少ないＣＣＰ層の形成方法、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子およびその製造方法を得る。
【解決手段】 基板上に形成した銅層１１の上に、Ａｌ，Ｍｇ，ＡｌＭｇ等の窒化性材料に銅を混入させてなる混合材料層を形成する。次に、銅層１１を１５０°Ｃ以上に保って銅層１１が窒化銅に変換されないようにしつつ、混合材料層に対して窒化処理を行う。これにより、窒化性材料が窒化されて絶縁層としての窒化物領域１３が形成されると共に、この窒化物領域１３によって囲まれるようにして銅が分結した導電パス（銅フィラメント１２）が複数形成される。この銅フィラメント１２は、銅層１１から窒化物領域１３を膜厚方向に貫通してその上面に達する。こうして、窒化物領域１３および銅フィラメント１２を含むＣＣＰ層２０が形成される。
【選択図】 図１
【解決手段】 基板上に形成した銅層１１の上に、Ａｌ，Ｍｇ，ＡｌＭｇ等の窒化性材料に銅を混入させてなる混合材料層を形成する。次に、銅層１１を１５０°Ｃ以上に保って銅層１１が窒化銅に変換されないようにしつつ、混合材料層に対して窒化処理を行う。これにより、窒化性材料が窒化されて絶縁層としての窒化物領域１３が形成されると共に、この窒化物領域１３によって囲まれるようにして銅が分結した導電パス（銅フィラメント１２）が複数形成される。この銅フィラメント１２は、銅層１１から窒化物領域１３を膜厚方向に貫通してその上面に達する。こうして、窒化物領域１３および銅フィラメント１２を含むＣＣＰ層２０が形成される。
【選択図】 図１
Description
本発明は、磁気再生ヘッド等に利用されるＣＣＰ型（confining current path；電流路制限）ＣＰＰ（current perpendicular to plane；膜面直交電流）−ＧＭＲ（giant magnetoresistive effect ；巨大磁気抵抗効果）素子、およびその製造方法、ならびにそのようなＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いられるＣＣＰ層の形成方法に関する。
ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、２００ギガビット（Ｇｂ）／平方インチを超える記録密度を実現する有望な候補として注目されている（M.Ledermanらによる特許文献１およびJ.W.Dykes らによる特許文献２参照）。一般に、ＧＭＲスピンバルブ構造体は、２つの強磁性層が非磁性導電層（スペーサ）により分離された構造を有している。
通常、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサでは、バイアス磁界印加の必要性という理由から、「シード層／ＡＦＭ層／ピンド層／スペーサ層／フリー層／保護層」という形で一般表記されるボトム型のシンセティックスピンバルブ構造が用いられ、また、従来のＣＩＰ−ＧＭＲ技術を踏襲して、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅという複合構造のフリー層が一般的に使用されている。薄い銅層と共にＣｏＦｅ層をＡＰ１ピンド層として積層することにより、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の性能が向上することが既に開示されている（M.Liらによる特許文献３参照）。
ＣＰＰ−ＧＭＲ素子には２つのタイプがある。その一つは、ＡＰ１ピンド層とフリー層との間のスペーサが金属の銅層よりなるメタル型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子と呼ばれているものである。この金属タイプのＣＰＰスピンバルブ構造は、例えば次のように表される。
シード層／ＡＦＭ／ＡＰ２／Ｒｕ／［ＣｏＦｅＣｕ］／Ｃｕ／［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／キャップ層
ここで、ＡＦＭはピンニング層として機能する反強磁性層であり、ＡＰ２はシンセティックピンド層のうちの下側層であり、Ｒｕ（ルテニウム）は結合層である。ＣｏＦｅＣｕはシンセティックピンド層のうちの上側層ＡＰ１であり、Ｃｕは金属スペーサであり、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅは複合構造のフリー層である。
他のタイプのセンサとして、いわゆるＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子が挙げられる。このタイプのＧＭＲ素子では、絶縁層内部に分離メタルパスを設けることにより形成される銅スペーサが電流路狭窄作用をもつことから、素子性能をより高めることができる（Sakakimaらによる特許文献４）。このＣＣＰ型ＣＰＰスピンバルブ構造は、例えば次のように表される。
シード層／ＡＦＭ／ＡＰ２／Ｒｕ／［ＣｏＦｅＣｕ］／Ｃｕ／ＣＣＰ層／Ｃｕ／［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／キャップ層
上記したいずれのタイプのＣＰＰ型スピンバルブ構造においても、通常、ＡＰ１層やＡＰ２層は２〜５ｎｍ程度の膜厚を有し、フリー層は３ｎｍ〜６ｎｍ程度の膜厚を有する。再生ヘッドに応用する場合には、応力により生ずる異方性を低減するために、フリー層が、１０4 ／４π［Ａ／ｍ］（＝１０［Ｏｅ］）よりも小さい保磁力（Ｈｃ）と、１０-8〜１０-6程度の小さい磁歪とを有することが好ましい。
過去数年間というもの、メタル型ＣＰＰヘッドとＣＣＰ型ＣＰＰヘッドのいずれにおいても多くの開発が行われてきた。しかしながら、メタル型ＣＰＰの場合には、ＣＰＰ−ＧＭＲ比はどちらかというと低い値に停っている。また、ＣＣＰ型ＣＰＰの場合には、電流の通り道が、酸化物基材（ＡｌＯｘ層，ＴｉＯ2 層，またはＭｇＯ層）を貫通するように接続された銅金属チャネルに制限されるので（M.Liらによる特許文献５）、絶縁層の形成の際に酸素の混入によって銅純度が損なわれ易く、高いＭＲ比を確保するのが難しい。
図４は、ＣＣＰ層１０の断面構造を模式的に表すものである。この構造において、導電性は、銅層１１から、絶縁性の酸化物領域１３によって囲まれた銅フィラメント１２を介して、上方に向かって続いている。ＣＣＰ層１０は、ＮＯＬ(nano-oxide layer)と呼ばれる極薄の酸化物からなる酸化物領域（誘電体層）１３と、この酸化物領域１３に埋め込まれた銅フィラメント１２とから構成され、２つの銅層１１により上下から挟まれている（但し、ここでは、下側の銅層のみを図示している）。
このような構造のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、上下の２つの銅層の間を上下方向に流れる電流が、酸化物領域１３に埋め込まれた金属導電路（メタルパス）としての銅フィラメント１２によって制限される。これにより、ＭＲ比を飛躍的に向上させることができる。このような構造では、銅純度の低下、ひいてはＭＲ比の低下を引き起こさないような製法および構造が求められる。
先行技術を調査したところ、以下の特許文献６〜９が見つかった。
Odagawa らによる特許文献６は、非磁性の銅層と、酸化物、炭化物または窒化物を含む絶縁層とを開示している。Kamiguchi らによる特許文献７は、酸化物、窒化物、弗化物、炭化物、硼化物を含む銅非磁性層の中に、抵抗値調整層を設けることを開示している。
Fukuzawaらによる特許文献８は、非磁性金属層をプラズマにより酸化または窒化する方法を開示している。Fujiwaraらによる特許文献９には、「もしも、より窒化処理されやすい材料を選択すれば、酸化処理の代わりに窒化処理を行うことができる」との記載がある。しかしながら、この記述にはそれ以上のことが含まれておらず、詳細なプロセスや説明が記載されていない。さらに、この発明の根本をなす基本プロセスは、本発明のそれとは全く異なるものである。例えば、ＣＣＰ層の位置やその形成方法が異なっている。
米国特許第５，６２７，７０４号
米国特許第５，６６８，６８８号
米国特許公開第２００６／０００７６０５号
米国特許第５，７１５，１２１号
米国特許公開第２００６／０００７６０５号
米国特許第７，００５，６９１号
米国特許公開第２００５／０１５７４３３号
米国特許公開第２００５／００９４３２２号
米国特許公開第２００５／０００２１２６号
しかしながら、以上の先行技術には、ＣＣＰ層における銅フィラメントの酸素汚染（酸素混入）を回避することについての有力な解決方法が開示されておらず、ＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子において高いＭＲ比を達成することは困難であった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、銅フィラメントの酸素汚染の少ないＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子およびその製造方法、ならびにそのようなＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子に用いられるＣＣＰ層の形成方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、ＣＣＰ−ＣＰＰ構造がＧＭＲ素子やＭＴＪ（磁気トンネル接合）素子に用いられる場合において、ピンド層やフリー層のような随伴する磁性層の酸素汚染を回避することができるＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子およびその製造方法、ならびにＣＣＰ層の形成方法を提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、ＧＭＲ素子やＭＴＪ素子の製造に用いられている現在のプロセスの一部に容易に組み入れ可能なＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法およびＣＣＰ層の形成方法を提供することにある。
上記の目的は、ＣＣＰ層の形成の際に、プラズマ酸化の代わりにプラズマ窒化を用いることによって達成される。アルミニウム、マグネシウム、ハフニウム等の金属は、それらの条件の下で絶縁性の窒化物を形成する。本発明者は、プラズマ窒化の際に１５０°Ｃ以上の温度に保つことによって、銅窒化物が形成されないようにすることができることを確認した。さらに、露出している磁性層（主としてピンド層やフリー層）が酸素分子によって意図せずに酸化されてしまうのを回避することもできる。その結果、ＭＲ比（ｄＲ／Ｒ）および全体の性能が向上する。
本発明の上記目的は、以下に詳細に述べる各手段によって達成可能である。
本発明に係るＣＣＰ層の形成方法は、基板上に銅層を形成する工程と、銅層の上に、窒化性材料（a nitridable material ）に銅を混入させてなる混合材料層を形成する工程と、銅層を１５０°Ｃ以上に保ってこの銅層が窒化銅に変換されるのを防止しつつ、混合材料層に対して窒化処理を行うことにより、電流路制限（ＣＣＰ）層を形成する工程とを含むものである。
本発明に係るＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法は、基板上に磁気ピンド層を形成する工程と、磁気ピンド層の上に銅層を形成する工程と、銅層の上に、窒化性材料に所定量の銅を混入させてなる混合材料層を形成する工程と、銅層を１５０°Ｃ以上に保ってこの銅層が窒化銅に変換されるのを防止しつつ、窒化性材料に対して窒化処理を行うことにより、磁気ピンド層を酸化させることなくＣＣＰ層を形成する工程と、ＣＣＰ層の上に磁気フリー層を形成することにより、この磁気フリー層の意図しない酸化を回避する工程と、磁気フリー層の上に上部電極を形成する工程とを含むものである。
本発明に係るＣＣＰ層の形成方法またはＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法では、銅層の上に形成した窒化性材料と銅との混合材料層に対して窒化処理が行われ、ＣＣＰ層が形成される。具体的には、混合材料層中の窒化性材料が窒化されて窒化物絶縁層が形成されると共に、銅成分が分結して、窒化物絶縁層を膜厚方向に貫通するフィラメント状の銅金属パスが形成される。このような窒化物絶縁層とフィラメント状の銅金属パスとからなるＣＣＰ層を含むスペーサ層は、銅金属のみからなるスペーサ層に比べて、電流を制限する作用が大きい。この方法では、酸化プロセスの代わりに窒化プロセスを用いて絶縁層を形成するようにしていることから、銅層のみならず、窒化物絶縁層内部に分結形成される銅金属パスの酸化もまた効果的に抑制される。さらに、隣接する他の磁性層（ピンド層やフリー層）の酸化も抑制される。また、窒化処理の際に銅の部分を１５０°Ｃ以上に保つようにしていることから、銅が窒化銅に変換されるのを抑制することができる。この結果、最終的に得られる素子の銅層や銅金属パスの銅純度が高まる。
本発明に係るＣＣＰ層の形成方法またはＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法では、ＣＣＰ層の上に、窒化性材料に銅を混入させてなる１層以上の追加の混合材料層を形成する工程と、追加の窒化性材料層の各々に対して窒化処理を行うことにより、より厚いＣＣＰ層を形成する工程とをさらに含むようにしてもよい。この場合には、ＣＣＰ層が複数階層にわたって積層されて全体のＣＣＰ層を構成することとなり、窒化物絶縁層内部の銅金属パスの長さが伸びる。
本発明に係るＣＣＰ層の形成方法またはＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法では、混合材料層における銅混入量を、０原子％より大きく２０原子％以下とするのが好ましい。窒化性材料は、Ａｌ，アルミニウム銅（ＡｌＣｕ），マグネシウム（Ｍｇ），アルミニウムマグネシウム（ＡｌＭｇ），ハフニウム（Ｈｆ），タンタル（Ｔａ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ）およびシリコン（Ｓｉ）からなる群から選択可能である。銅層の膜厚は１．５ｎｍ程度、混合材料層の膜厚は０．３ｎｍ〜２ｎｍとするのが好ましい。
本発明に係るＣＣＰ層の形成方法またはＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法では、窒化処理の工程において、「パワー１０Ｗ〜２００Ｗ、アルゴン（Ａｒ）ガスまたは（クリプトン）Ｋｒガスの流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ、処理時間２００秒」という条件の下で、混合材料層に対して、表面から０．３ｎｍないし２ｎｍの深さまでプラズマ処理を行ったのち、「高周波（ＲＦ）パワー１０Ｗ〜３００Ｗ、流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍのＡｒガスまたはＫｒガスと流量０．０１ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの窒素ガスとの混合ガス、処理時間５秒〜１０００秒」という条件の下でプラズマ窒化処理を行うようにするのが好ましい。
本発明のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、酸素混入（酸素汚染）のない磁気ピンド層の上に形成された銅層と、銅層の上に形成された金属窒化物絶縁層と、銅層から金属窒化物絶縁層の上面まで達するようにこの金属窒化物絶縁層を貫通し、電流を制限する複数の純銅フィラメントと、金属窒化物絶縁層の上に形成された、酸素混入のない磁気フリー層と、磁気フリー層の上に形成された上部電極とを備えている。
本発明のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子では、金属窒化物絶縁層を複数の銅フィラメントが貫通し、これにより膜厚方向に流れる電流が制限される。これらの銅フィラメントは高い銅純度を有することから、ＭＲ比の低下が回避される。さらに、磁気ピンド層および磁気フリー層が酸素により汚染されていないので、この点でも、ＭＲ比等の磁気特性の劣化の防止に寄与する。
なお、本願は、本出願人による他の米国特許出願（出願番号１１／７０４, ３９９，２００７年２月９日出願）に関連するものであり、本願において援用される。
本発明のＣＣＰ層の形成方法またはＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法によれば、基板上に形成した銅層の上に、窒化性材料に銅を混入させてなる混合材料層を形成し、この混合材料層に対して窒化処理を行うようにしたので、絶縁層を酸化物で形成する場合に比べて、銅層のみならず、窒化物絶縁層内部に分結形成される銅金属パスもまた、酸化が効果的に抑制される。さらに、隣接する他の磁性層の酸化も抑制される。また、窒化処理の際に銅の部分を１５０°Ｃ以上に保つようにしていることから、銅の窒化銅への変換を抑制することができる。これらのことから、最終的に得られる素子の銅層および銅金属パスの銅純度を高めることができる。
また、本発明のＣＣＰ層の形成方法およびＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法によれば、従来の酸化処理の代わりに窒化処理を行うようにしただけなので、ＧＭＲ素子やＭＴＪ素子の製造に用いられている現在のプロセスの一部に組み入れることが容易である。
従来のＣＰＰ構造をもつ素子では、銅スペーサとして、メタル型ＣＰＰまたはＣＣＰ型ＣＰＰのいずれかの構造が用いられる。メタル型ＣＰＰ構造の場合、銅の抵抗値が非常に小さいので、ＣＰＰ−ｄＲ／Ｒが非常に小さな値になる。ＣＣＰ型ＣＰＰ構造の場合、ＡｌＯｘ（酸化アルミニウム）やＭｇＯ（酸化マグネシウム）等の絶縁テンプレートの内部に銅メタルパスが形成されて電流が制限されるので、面積抵抗値（面積×抵抗）の変化量ΔＲＡが著しく大きくなる。
絶縁層の形成は、通常、プラズマ酸化、ラジカル酸化、オゾン酸化および自然酸化等により行われる。できるだけ良好なＭＲ比を得るためには、絶縁層を形成するステップにおいて、銅純度を保つことが重要である。したがって、絶縁層の形成プロセスでは、銅メタルパスや他の主要な層（フリー層やＡＰ１層）を酸化させることなく絶縁層を形成するようにしなければならない。従来、アルミニウムやマグネシウム等の材料を酸化する場合、これらの材料よりも銅の方が酸化されにくいとはいうものの、強制酸化プロセスの間に銅もある程度酸化されてしまうのは避けられない。特に、ＣＣＰ−ＣＰＰ構造のように、銅層が非常に薄い場合には、なおさらである。このため、意図せずに銅純度が劣化し、ｄＲ／Ｒが低下してしまう。
以上のような事情を踏まえて、本実施の形態では、銅フィラメントを埋め込む絶縁材料を、酸化物ではなく金属窒化物とすることにより、上記の問題を解決する。
以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に実施の形態という。）について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子におけるＣＣＰ層の断面構造を模式的に表すものである。このＣＣＰ層は、銅層１１の上に形成された絶縁性の金属窒化物領域２３と、この金属窒化物領域２３によって囲まれて銅層１１から上方に向かって延びる複数の銅フィラメント１２とを有する。銅がアルミニウムよりも不活性であることはよく知られている。しかしながら、プラズマ雰囲気中では、銅も、イオン化された酸素と反応して、一種以上の何らかの銅酸化物が形成されてしまう。これは、酸素が過剰に活性化されているため、アルミニウムだけを選択的に酸化することができず、銅も酸化されてしまうからである。その結果、正味の銅純度が劣化してしまう。酸化プロセスが強ければ強いほど銅層の酸化が進み、結局、ｄＲ／Ｒが低下する。
アルミニウムあるいはこれに類似する金属（例えばハフニウムやマグネシウム）の窒化物は、プラズマ窒化処理によって容易に形成されるが、銅窒化物（ＣｕＮ）は不安定であり、約１００°Ｃの温度を超えると分離が始まる。このため、銅は、たとえ窒化処理雰囲気の下で活性窒素に曝されても約１５０°Ｃ以上の温度であれば窒化されない。そのような窒化処理プロセスにおいては銅の表面に酸化銅被膜が形成されるが、それを除去すれば、銅純度はさらに高まる。
後述するように、現状の磁気ヘッド製造過程では、通常、２２０°Ｃ以上の温度で２時間以上のポストアニーリング（熱処理）を行うようになっている。このため、たとえプラズマ窒化処理後に微量の窒化銅（ＣｕＮ）が生成されて残留していたとしても、ポストアニーリングによって分解されて銅になるであろう。
プラズマ酸化処理の代わりにプラズマ窒化処理を用いることのさらなる利点は、フリー層やＡＰ１層の磁気特性が劣化する可能性がはるかに少ないということである。プラズマ酸化処理においては、余分な（不活性分子）酸素が、絶縁層近くのフリー層やＡＰ１層によって捕捉されることがある。これは、これらの層（フリー層やＡＰ１層）が、酸素を吸着しやすい鉄を含んでいるからである。一方、プラズマ窒化処理を用いた場合には、窒化物絶縁層を形成したのちに、余った窒素が他の層に影響を与えることがない。窒素は、プラズマ雰囲気以外では不活性だからである。
ＣＣＰ層を構成する銅フィラメントの長さを伸ばすためには、別の銅層に続いて窒化性材料層を形成してから再びプラズマ窒化処理を施すという一連の処理を複数回繰り返すようにすればよい。これにより、例えば図２に模式的に示したように、最初の銅フィラメント１２に続いて、これに連結した別の銅フィラメント３２が形成される。なお、図２に示した例は、２階層構造の場合であるが、３階層以上にしてもよい。
このように、前後の工程に何ら変更を加えることなく、プラズマ酸化処理の代わりにプラズマ窒化処理を採用することが可能である。結果として得られるＣＣＰ−ＣＰＰ素子構造は、例えば次のようになる。これを図示すると、例えば図３のようになる。
シード層／ＡＦＭ／ＡＰ２／Ｒｕ／［ＣｏＦｅＣｕ］／Ｃｕ／ＣＣＰ層／Ｃｕ／［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］／キャップ層
図３に示したように、この素子は、下側から順に、層４１〜４３、ＣＣＰ層２０、層４４〜４６を積層した構造を有する。層４１は、［シード層／ＡＦＭ／ＡＰ２／Ｒｕ］をまとめて図示したものである。ここで、下部電極としてのシード層は、例えばＴａ（タンタル）／Ｒｕにより形成される。ＡＦＭ層は、ピンニング層として機能する反強磁性層であり、例えばイリジウムマンガン（ＩｒＭｎ）により形成可能である。ＡＰ２層は、シンセティック反平行ピンド層のうちの下側層であり、例えば面心立方格子（ＦＣＣ）状の［Ｆｅ１０％Ｃｏ／Ｆｅ７０％Ｃｏ／Ｆｅ１０％Ｃｏ］という積層構造を有する。Ｒｕ（ルテニウム）は結合層である。
層４２は、シンセティック反平行ピンド層のうちの上側のＡＰ１層であり、酸素の混入が良好に抑制された層である。このＡＰ１層は、例えばＦｅ７０％Ｃｏの上にＣｕを積層した構造［ＣｏＦｅＣｕ］を有する。層４３は、図１の銅層１１に相当する、高純度の銅層であり、例えば１．５ｎｍ程度の膜厚に形成される。
ＣＣＰ層２０は、図１または図２に示したような電流路制限構造であり、例えば、Ａｌ，アルミニウム銅合金（ＡｌＣｕ），マグネシウム（Ｍｇ），アルミニウムマグネシウム合金（ＡｌＭｇ），ハフニウム（Ｈｆ），タンタル（Ｔａ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），シリコン（Ｓｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）等の窒化性金属材料をプラズマ窒化処理することによって、例えば０．２ｎｍ〜２ｎｍ程度の膜厚に形成される。その詳細は後述する。
層４４は、ＧＭＲ素子への適用においては高純度の銅層であり、ＭＴＪ素子への適用においてはトンネル絶縁層である。層４５は、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅという複合構造のフリー層であり、酸素の混入が良好に抑制された層である。層４６は、キャップ層であり、例えばＣｕ／Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕという複合構造が用いられる。キャップ層の上には、上部電極（図示せず）が設けられる。
次に、ＣＣＰ層２０の形成プロセスについて詳細に説明する。ＣＣＰ層２０は、例えば、次のようにして形成可能である。
まず、Ａｌ，ＡｌＣｕ，Ｍｇ，ＡｌＭｇ等の窒化性材料に銅を混入させた混合材料層を０．３ｎｍ〜２ｎｍ程度の膜厚に形成する。ここで、窒化性材料は、銅よりも窒化されやすいものであればよく、上記のほか、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｚｒ等が用いられる。但し、これらには限定されない。混合材料層における銅混入量は、０原子％より大きく２０原子％以下とするのが好ましい。
次に、「パワー１０Ｗ〜２００Ｗ、アルゴン（Ａｒ）ガスまたは（クリプトン）Ｋｒガスの流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ、処理時間２００秒」という条件の下で、アルミニウム（Ａｌ）またはその他の窒化性材料と銅とを含む混合材料層に対して、表面から０．３ｎｍないし２ｎｍの深さまで（膜厚全体にわたって十分に）、前段プロセスとしてのプラズマ処理を行う。
続いて、「高周波（ＲＦ）パワー１０Ｗ〜３００Ｗ、流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍのＡｒガスまたはＫｒガスと流量０．０１ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの窒素ガスとの混合ガス、処理時間５秒〜１０００秒」という条件の下で、後段プロセスとしてのプラズマ窒化処理を行う。この処理は、約１５０°Ｃ以上の温度下で行う。
ＣＣＰ２０層は、Ａｌ等の窒化性材料原子の移動度がＣｕ原子とは異なる（高い）という事実に基づいて形成される。上記の前段プラズマ処理により、Ａｌ等の窒化性材料原子およびＣｕは互いに分離し始め、後段のプラズマ窒化処理中に窒素に触れると、Ａｌ等の窒化性材料原子は窒素原子を引き寄せて非晶質（アモルファス）の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の金属窒化物を生成する。上記の処理条件の下では、Ｃｕ原子はＡｌ等の窒化性材料原子と比べて窒素に対して化学的に不活性なため、Ｃｕ金属相を形成しやすく、最終的にメタルパスを形成する。このようにして、前段のプラズマ処理により活性化されたあと、後段のプラズマ窒化処理の全体を通して、Ａｌ等の窒化性材料原子は継続的に窒化されてＡｌＮ等の金属窒化物（絶縁層）になる一方、Ｃｕは金属の状態を維持し、最終的に、絶縁層の内部に、これを膜厚方向に貫く銅フィラメント１２からなるメタルパスができる。このとき、銅は、たとえ窒化処理雰囲気の下で活性窒素に曝されても、上記のように約１５０°Ｃ以上の温度では窒化されないので、銅純度を保つことができる。
このようにして、窒化性材料が窒化されて誘電体層（絶縁層）としての窒化物領域１３が形成されると共に、この窒化物領域１３によって囲まれるようにして、銅が分結したフィラメント状の導電パスである高純度の銅フィラメント１２が複数形成される。この銅フィラメント１２は、銅層１１から窒化物領域１３を膜厚方向に貫通してその上面に達する。
ＣＣＰ−ＣＰＰ素子を構成するすべての層を積層した後、ポストアニーリング（熱処理）を行う。具体的には、ＣＣＰ−ＣＰＰ素子に所定強度の磁界を一定の軸に沿って印加しながら、所定の温度（例えば２２０°Ｃ以上）の下で所定時間にわたって熱処理を行う。このアニール処理は、通常、困難軸に沿ったアニール処理や容易軸に沿ったアニール処理を含む。このポストアニーリングは、銅層４３，４４や銅フィラメント１２等の銅金属部分の純度を高める上で有意義である。たとえプラズマ窒化処理後に微量の窒化銅（ＣｕＮ）が残留していたとしても、熱処理によって分解されて銅になるからである。
このように本実施の形態によれば、ＣＣＰ層の形成にプラズマ窒化処理を用いるようにしたので、銅層およびその周囲の磁性層の純度を高めることができ、次のような利点が得られる
（ａ）極めて高い銅純度
（ｂ）周辺の磁性層の酸素汚染の防止
（ｃ）抵抗変化率ｄＲ／Ｒの向上
（ａ）極めて高い銅純度
（ｂ）周辺の磁性層の酸素汚染の防止
（ｃ）抵抗変化率ｄＲ／Ｒの向上
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記の説明において、図面は一例を示したものであり、本発明の範囲を制限するものではない。また、上記の実施の形態では、本発明に係るＣＣＰ構造をボトムスピンバルブ構造に適用した例について述べているが、トップスピンバルブ構造または多層スピンバルブ構造にも適用可能である。また、上記の各実施の形態では、主に磁気再生ヘッドへの応用を想定して説明したが、磁気方位センサや電流センサ等の各種磁気センサや、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）等への適用も可能である。
１１（４３），４４…銅層、１２，３２…銅フィラメント、２０…ＣＣＰ層、２３…金属窒化物領域、４１…シード層／ＡＦＭ／ＡＰ２／Ｒｕ、４２…ＡＰ１層、４５…フリー層、４６…キャップ層。
Claims (18)
- 基板上に銅層を形成する工程と、
前記銅層の上に、窒化性材料（a nitridable material ）に銅を混入させてなる混合材料層を形成する工程と、
前記銅層を１５０°Ｃ以上に保ってこの銅層が窒化銅に変換されるのを防止しつつ、前記混合材料層に対して窒化処理を行うことにより、電流路制限（ＣＣＰ）層を形成する工程と
を含むことを特徴とするＣＣＰ層の形成方法。 - 前記ＣＣＰ層の上に、窒化性材料に銅を混入させてなる１層以上の追加の混合材料層を形成する工程と、
１５０°Ｃ以上の温度の下で前記追加の混合材料層の各々に対して前記窒化処理を行うことにより、より厚いＣＣＰ層を形成する工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＰ層の形成方法。 - 前記混合材料層における銅混入量を、０原子％より大きく２０原子％以下とする
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＰ層の形成方法。 - 前記窒化処理の工程において、
「パワー１０Ｗ〜２００Ｗ、アルゴン（Ａｒ）ガスまたは（クリプトン）Ｋｒガスの流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ、処理時間２００秒」という条件の下で、アルミニウム（Ａｌ）またはその他の材料からなる混合材料層に対して表面から０．３ｎｍないし２ｎｍの深さまでプラズマ処理を行ったのち、
「高周波（ＲＦ）パワー１０Ｗ〜３００Ｗ、流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍのＡｒガスまたはＫｒガスと流量０．０１ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの窒素ガスとの混合ガス、処理時間５秒〜１０００秒」という条件の下でプラズマ窒化処理を行う
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＰ層の形成方法。 - 前記窒化性材料を、アルミニウム（Ａｌ），マグネシウム（Ｍｇ），アルミニウム銅（ＡｌＣｕ），ＡｌＭｇ（アルミニウムマグネシウム），ハフニウム（Ｈｆ），タンタル（Ｔａ），クロム（Ｃｒ），チタン（Ｔｉ），ジルコニウム（Ｚｒ）およびシリコン（Ｓｉ）からなる群から選択する
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＰ層の形成方法。 - 前記銅層の膜厚を１．５ｎｍとする
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＰ層の形成方法。 - 前記混合材料層の膜厚を０．３ｎｍ〜２ｎｍとする
ことを特徴とする請求項１に記載のＣＣＰ層の形成方法。 - 基板上に磁気ピンド層を形成する工程と、
前記磁気ピンド層の上に銅層を形成する工程と、
前記銅層の上に、窒化性材料に銅を混入させてなる混合材料層を形成する工程と、
前記銅層を１５０°Ｃ以上に保ってこの銅層が窒化銅に変換されるのを防止しつつ、前記混合材料層に対して窒化処理を行うことにより、前記磁気ピンド層を酸化させることなく、ＣＣＰ層を形成する工程と、
前記ＣＣＰ層の上に磁気フリー層を形成することにより、この磁気フリー層の意図しない酸化を回避する工程と、
前記磁気フリー層の上に上部電極を形成する工程と
を含むことを特徴とするＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法。 - 前記ＣＣＰ層の上に、銅が混入した１層以上の追加の混合材料層を形成する工程と、
１５０°Ｃの温度の下で前記追加の混合材料層の各々に対して前記窒化処理を行うことにより、より厚いＣＣＰ層を形成する
ことを特徴とする請求項８に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法。 - 前記混合材料層における銅混入量を、０原子％より大きく２０原子％以下とする
ことを特徴とする請求項８に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法。 - 前記窒化処理の工程において、
「パワー１０Ｗ〜２００Ｗ、ＡｒガスまたはＫｒガスの流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍ、処理時間２００秒」という条件の下で、Ａｌまたはその他の材料からなる混合材料層に対して表面から０．３ｎｍないし２ｎｍの深さまでプラズマ処理を行ったのち、
「ＲＦパワー１０Ｗ〜３００Ｗ、流量１０ｓｃｃｍ〜２００ｓｃｃｍのＡｒガスまたはＫｒガスと流量０．０１ｓｃｃｍ〜５０ｓｃｃｍの窒素ガスとの混合ガス、処理時間５秒〜１０００秒」という条件の下でプラズマ窒化処理を行う
ことを特徴とする請求項８に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法。 - 前記窒化性材料層を、Ａｌ，Ｍｇ，ＡｌＣｕ，ＡｌＭｇ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｔｉ，ＺｒおよびＳｉからなる群から選択する
ことを特徴とする請求項８に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法。 - 前記銅層の膜厚を１．５ｎｍとし、
前記混合材料層の膜厚を０．３ｎｍ〜２ｎｍとする
ことを特徴とする請求項８に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の製造方法。 - 酸素混入のない磁気ピンド層の上に形成された銅層と、
前記銅層の上に形成された金属窒化物絶縁層と、
前記銅層から前記金属窒化物絶縁層の上面まで達するようにこの金属窒化物絶縁層を貫通し、電流を制限する複数の純銅フィラメントと、
前記金属窒化物絶縁層の上に形成された、酸素混入のない磁気フリー層と、
前記磁気フリー層の上に形成された上部電極と
を備えたことを特徴とするＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子。 - 前記銅層と前記フリー層との間に追加のＣＣＰ層をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１４に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子。 - 前記追加のＣＣＰ層の相互間に銅層が形成されている
ことを特徴とする請求項１５に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子。 - 前記金属窒化物絶縁層は、Ａｌ，Ｍｇ，ＡｌＣｕ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｃｒ，Ｚｒ，Ｆｅ，ＳｉおよびＴａからなる群から選ばれる材料の窒化物により形成されている
ことを特徴とする請求項１４に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子。 - 前記金属窒化物絶縁層の膜厚は０．２ｎｍ〜２ｎｍである
ことを特徴とする請求項１４に記載のＣＣＰ型ＣＰＰ−ＧＭＲ素子。
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