JP2010087293A - 磁気抵抗効果素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量磁気記録再生において必須の、微小な再生ヘッドの大量生産に対応できる、特性のばらつきの小さい単一の電流パスを有する電流狭窄層を備えた垂直通電型ＧＭＲ素子の製造方法を提供する。
【解決手段】ピン層１４上に中間層１５を成膜し、中間層１５上に保護層１６を成膜し、ピン層１４、中間層１５および保護層１６からなる多層膜をリソグラフィーによってパターニングし、パターニングされた多層膜を被覆するように絶縁膜を形成し、前記パターニングした多層膜を被覆している絶縁体２４を取り除いて開口部を設け、開口部に上方から希ガスのイオンビーム２６を照射することによって絶縁体２４の内周縁から開口部の中心部に向けてメンブラン２４ｂを成長させ、保護層１６に貫通孔を設け、貫通孔に前記中間層１５と同一材料を充填する。
【選択図】図５

Description

本発明は、磁気抵抗効果膜の膜面に対して垂直方向にセンス電流を流す構造を有する磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。

磁気記録再生装置における再生ヘッドには、強磁性層／非磁性層／強磁性層という基本膜構成からなるスピンバルブ構造に電流を流し、信号磁場に対する抵抗変化を出力として用いる方法が取られている。まず、膜面内に電流を流して得られるＣｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ（ＣＩＰ）−Ｇｉａｎｔ−Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ（以下、「ＣＩＰ−ＧＭＲ」という）効果という現象が利用された。これは、非磁性層を挟んだ２層の強磁性層の一方に交換バイアス磁場を印加して磁化を固定しておき、他方の強磁性層の磁化を外部の信号磁場により反転させ、両者の磁化の相対角度で電気抵抗の変化を生じさせる現象であり、それ以前のパーマロイ薄膜が単層で示した外部磁場による電気抵抗の変化に比べて変化量が大きいことから巨大磁気抵抗効果（以下「ＧＭＲ」という）と言われている。磁化を固定された強磁性層を「磁化固着層」（以下「ピン層」という）と呼び、磁化が反転する強磁性層を、「磁化自由層」（以下「フリー層」という）と呼ぶ。スピンバルブ型のＣＩＰ−ＧＭＲヘッドは、これまで磁気記録再生装置の再生ヘッドとして用いられてきたが、記録密度が高くなるにつれて磁気抵抗変化率（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｒａｔｉｏ、以下「ＭＲ変化率」という）が不足となり、Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、以下「ＴＭＲ」という)効果を利用したＴＭＲヘッドが用いられるようになってきた。ＴＭＲ効果は膜面垂直方向に電流を流し、ピン層とフリー層の中間に配置された絶縁層を電子がトンネルすることで発現するもので、ＭＲ変化率は高い。しかしながら、トンネル効果を利用するデバイスであるため、基本的に素子の電気抵抗が高く、抵抗が高いとノイズが大きくなるという問題がある。将来、磁気記録再生装置の記録密度が更に向上すると、ヘッドのサイズを小さくすることが必要となる。ヘッドのサイズが小さくなると、ヘッドの電気抵抗はさらに上がる。この点で、将来的には、ＴＭＲヘッドは、素子抵抗の点で不利になると考えられる。ＴＭＲ素子による再生ヘッドの高抵抗化を回避するためには、バリア層の膜厚をより薄くすることが必要になる。ところがバリア層を薄くしていくと、一様で均一なものを作製することが困難となる。一般に極端に薄いバリア層中にはピンホールができ易く、高抵抗化は回避できてもMR変化率が低下したり、素子の抵抗値のばらつきが大きくなる等の問題が生じる。

これに対して、センス電流を素子膜面に対して垂直方向に通電する（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ、以下「ＣＰＰ」という）−ＧＭＲ効果を用いたヘッドが、次の再生ヘッドの候補として注目されている。これは、一方の強磁性層の電子のスピンのコヒーレントな状態が、１００ｎｍ程度の薄い常磁性金属層へ流れ出た場合にこの常磁性金属層でも保たれ、他方の強磁性層へ流れていく際に、常磁性金属のスピンの向きが他方の強磁性層のスピンの向きと反対か否かで抵抗が変化するものであり、金属のみから構成される素子中を電子が伝導して発現する磁気抵抗変化であるため、ＴＭＲヘッドに比べて電気抵抗が低いのであるが、再生ヘッドへの応用上は、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、電気抵抗もＭＲ変化率も低すぎるというのが現状なのである。

この問題に対して、ＭＲ変化率を向上させるため、スピンバルブの膜の中に、絶縁体と導電部からなる電流狭窄層を挿入するという手法が考案された（例えば、非特許文献１参照。）。電流狭窄層を有するＣＰＰ―ＧＭＲ膜の構造を図１１に示す。ピン層１０１とフリー層１０２はＧＭＲヘッドには必須の構成要素であるが、これら両層の間に通常は銅などの金属層を挿入するところ、アルミナからなる絶縁層１０３の中に銅からなる電流パス１０４を多数分散させた構造の電流狭窄層１０６を挿入することによって、ＣＰＰ−ＧＭＲ膜の低すぎる抵抗値を上げつつ、ＭＲ変化率も向上させることができるというものである。この電流狭窄層３４の作製方法は、絶縁部の母材となる被酸化金属（被窒化金属）、例えばアルミ（Ａｌ）と導電部の母材となる金属、例えば銅（Ｃｕ）を成膜し、その後イオンビームあるいはプラズマによる酸化や窒化を適宜組み合わせながら作成する（例えば、特許文献１参照。）。この方法によると、絶縁部中に複数の導電部４が形成されて絶縁部を貫通し、ピン層とフリー層を電気的に接続させる電流狭窄層が形成される。導電部に電流が集中して流れることから、導電部をＣｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｆｉｎｅｄ ｐａｔｈ （以下、「ＣＣＰ」という）と呼ぶ。このような方法で作製された素子で、ＴＭＲ素子よりも低抵抗の領域において高密度磁気記録再生の実用に耐えうる高いＭＲ変化率が得られることが報告されている（非特許文献２参照。）。また、上述の先行技術文献によれば、特定の作製条件下でＣＣＰは下地層の結晶粒のほぼ中央に作成されることから、ヘッドのサイズが３０ ｎｍレベルの場合には、結晶粒径によりＣＣＰの個数や大きさが自然に決まることも明らかにされている（特許文献２参照。）。

しかしながら、ヘッドのサイズが結晶粒径と同程度、つまり２０ｎｍ以下のレベルまで小さくなる将来においては、メタルパスを制御よく作り込むことが難しくなることが予想される。その場合、デバイス間のばらつきを抑制できなくなってしまう。

従って、ヘッドのサイズが結晶粒径と同程度、つまり２０ｎｍ以下のレベルの領域においては、図１に示すような単一のＣＣＰ４を有する電流狭窄層３４をピン層５とフリー層２の間に挟む構造のＣＰＰ−ＧＭＲ素子を制御よく作り込むことができれば、再生ヘッドの特性のばらつきを抑制することができると考えられる。電流狭窄層中に単一のＣＣＰを実現する方法はこれまでいくつか試行された。例えば金属同士を接触させて引き離す瞬間に出来る領域を用いる方法、金属をエッチングして無くなる寸前の微小領域を用いる方法、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅの針を金属に接触させる方法、などである。しかしながら、いずれも磁気記録再生装置の再生ヘッドの量産工程に展開できるものではなかった。

一方、本願発明の属する技術の分野と全く異なる技術分野において、絶縁体にナノメートルサイズの穴を形成するナノホール形成技術が報告された（非特許文献３参照。）。これは、Ｆｏｃｕｓｅｄ ｉｏｎ ｂｅａｍによって厚さ３００ｎｍ程度の厚さのシリコンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）に直径１００ｎｍ程度の穴を開け、その穴の開口部に向けて低エネルギーの希ガスイオンを照射すると、その開口部周縁から内側に向かってＳｉ₃Ｎ₄のメンブランが当初ＦＩＢで開けた穴を閉じるように成長するため、数ｎｍレベルのナノホールを作製することができる、という技術である。

本発明は、上述の課題に鑑みて、異分野の先行技術であるナノホール形成技術をＧＭＲヘッドの製造方法に取り込むべくなされたものであり、その目的は、より高い抵抗値とより高いMR変化率をもたらす単一のＣＣＰ電流狭窄層をＧＭＲ構造に付与する方法を提供することにある。本発明に係るＧＭＲ素子の製造方法により、究極の単一ＣＣＰ電流狭窄を付与された、高ＭＲ変化率と適度の低抵抗を示すＣＰＰ−ＧＭＲ素子を精度よく作製することができる。
特開２００６−５４２５７ 特開２００６−１３５２５３ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ． ３８， Ｐ．２２７７ (２００２) ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｍａｇｎ． ４０， Ｐ．２２３６ （２００４） Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． １００， Ｐ．２４９１４ (２００６)

大容量磁気記録再生において必須の、微小な再生ヘッドの大量生産に対応できる、単一のＣＣＰを有する電流狭窄層を備えた素子の製造方法はいまだ無い。従前の製造方法により微小な再生ヘッドを作製すると、特性のばらつきが大きくなることが予想される。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、単一のＣＣＰを備えた電流狭窄層を有するＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲヘッドの大量生産を可能とする製造方法を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法は、磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、前記非磁性中間層の中に設けられた電流狭窄層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、前記磁化固着層上に、前記非磁性中間層を成膜する工程と、前記非磁性中間層上に、保護層を成膜する工程と、前記磁化固着層、非磁性中間層および保護層からなる多層膜をリソグラフィーによってパターニングする工程と、前記パターニングした多層膜を被覆するように絶縁膜を形成する工程と、前記パターニングした多層膜を被覆している前記絶縁体を前記多層膜の上面のみから取り除いて開口部を設ける工程と、前記多層膜の開口部に上方から希ガスのイオンビームを照射することによって前記開口部絶縁体の内周縁から前記開口部の中心部に向けてメンブランを成長させ、かつ前記保護層に貫通孔を設ける工程と、前記貫通孔に前記非磁性中間層と同一材料を充填する工程とを具備することを特徴とする。

本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、高い磁気抵抗変化量、適度な電気抵抗値を有する単一電流パスを有するＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲ効果素子を作製することができる。

本発明者らは絶縁体円筒の中にＧＭＲ素子を構成する多層膜を形成した後、イオン照射し、絶縁体のメンブランを成長させることができれば、このメンブランを単一のＣＣＰを有する電流狭窄層として、その電流狭窄層上に単層膜または多層膜を形成して最終的にＧＭＲ多層膜として加工することにより、単一のＣＣＰ電流狭窄層を有するＣＰＰ−ＧＭＲ素子、すなわち程よく高い抵抗値とより高い磁気抵抗変化率を有する再生ヘッドを精度よく作製できると考えた。そこで本発明者らは、ナノホール形成技術をＧＭＲ素子による再生ヘッドに応用すべく鋭意研究開発を行い、完成に至った。

以下に、本発明の実施形態の概略を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法比などは実際と異なる場合がある。

（実施形態）
まず、図１（ａ）に示すように、基板６を図示略の多層膜形成用の複数チャンバーを有するマグネトロン・スパッタ装置に入れ、ＧＭＲ素子を構成する積層膜のうち、単一ＣＣＰを有する電流狭窄層の下に位置する積層膜Ａを基板６上に成膜する。積層膜Ａは、下電極７１、バッファ層７２、ピン層８の磁化ベクトルを固定するための反強磁性層７３、磁化ベクトルが固定されたピン層８、金属からなる中間層９、本発明に特有の保護層１０から構成される。本実施形態においては、上記の具体的な材料、および膜厚を以下のように選択する。

・バッファ層７２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・反強磁性層７３：白金マンガン（Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀［１５ｎｍ］）
・ピン層８：コバルト鉄／ルテニウム／コバルト鉄の積層膜（Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［４ｎｍ］）
・中間層９：銅薄膜（Ｃｕ［２．５ｎｍ］）
・保護層１０：タンタル（Ｔａ［２．５ｎｍ］）

保護層１０まで成膜した後に、Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀によりピン層を固着させる熱処理のために、磁場中において２７０℃、１０時間の熱処理を行っている。その後、マグネトロン・スパッタ装置から上述の積層膜を基板６ごと取り出し、図１（ｂ）に示すようにレジスト２１を塗布し、プリベークを行う。次に図１（ｃ）に示すように上述の積層膜から１００ｎｍのＧＭＲ素子を形成すべく、図示しないフォトマスクを用いて露光する。本実施形態ではポジ型レジストを用いているので、露光された部分２２が図示しない現像液に溶解し、現像すると図２（ａ）のようになる。現像後、図示略の反応性イオンエッチング（以下「ＲＩＥ」という）装置に装着し、図２（ｂ）に示すように、レジスト２１が除かれた部分の金属層６乃至１０のエッチングを基板が露出するまで行う。ＲＩＥを行う際の雰囲気ガスは、金属層６乃至１０に比べてレジスト２１のエッチングレートが非常に遅いものとした。ＲＩＥを終了後ＲＩＥ装置から試料を取り出し、ヨウ素系のエッチング液に浸けて、軽くサイドエッチングを行い、図２（ｃ）に示すように、パターニングした積層膜上のレジストに庇（ひさし）３１を形成する。なお、この工程では金属層６乃至１０の選択エッチングが出来ればよく、ＲＩＥの代わりにＡｒイオンビームを用いた物理ミリング装置で行ってもよい。物理ミリングでは、レジストに比べて金属のエッチングレートが速いことから、図２（ａ）から図２（ｂ）の状態を作製することが出来る。さらに、ミリングの場合には基板とミリング装置のグリッドとの相対角度を変化させることで、サイドエッチングを行う。これにより、図２（ｂ）の形態から図２（ｃ）の形態を作製することが出来る。

次に、レジストの庇（ひさし）３１を形成した試料を再度マグネトロン・スパッタ装置に入れて、図３（ａ）に示すように、基板全体に絶縁膜を形成する。なお、図３（ａ）およびそれ以降の図においては、ピン層８の下のピンニング層７３、バッファ層７２、下電極７１をまとめて、単一の層７として描いてある。本実施形態においては、絶縁膜としてアルミナを５０ｎｍ形成している。絶縁膜１１は、本実施形態では焼結体のＡｌ_２Ｏ_３をスパッタターゲットとして用いている。絶縁膜１１は庇３１を完全に覆うことが無いため剥離液でレジスト２１を剥離するときに、レジスト上の絶縁膜１１もリフトオフされる。このため、図３（ｂ）に示すように、基板上に残った積層膜は絶縁膜１１の厚さも入れると１６０ｎｍ径の略円柱状となり、側面のみが絶縁膜１１で覆われ、最上面にはＴａ膜である保護層１０が露出した形の多層構造体１００が基板６上に形成される。

次に図４（ａ）に示すように、単一のＣＣＰを有する電流狭窄層を形成するため多層構造体１００に希ガスイオン１３を開口部１２に向けて照射する。本実施形態では希ガスイオンとしてアルゴンイオンＡｒ^＋を用いている。構造体１００において、上述の様に希ガスイオン照射１３による単一ＣＣＰ狭窄層の形成するに際して、ＧＭＲ効果の発現に必要不可欠なこのＣｕの中間層９をＡｒ^＋照射１３によるダメージから保護するため、保護層１０としてＴａ膜をＣｕの中間層９の上に成膜、配置したものである。イオン照射前に構造体１００を上から見るとＴａ膜を最表面に露出した上記の多層構造体がおよそ１００ｎｍ径の略円形に形成され、その周囲を絶縁膜で覆われた構造で、開口部１２があり、この開口部１２はＴａ膜表面とそれを囲むおよそ３０ｎｍ程度の絶縁膜１１の断面周縁部からなっている。イオン照射を継続すると、図４（ｂ）に示すように絶縁層１１の周縁部からメンブランが開口部を塞ぐように成長し続ける一方で保護層１０がイオン照射１３によりスパッタエロージョンを受け削られていく。本実施形態では、メンブランが開口部１２を完全に塞ぐ前に、保護層１０の中心部にイオン照射により削られた穴がＣｕの中間層９に完全に達するように、イオン照射の条件を設定している。照射１３により、最終的にナノホール１２１が形成される。すなわちＡｒイオン照射１３により最上部にナノホール１２１を有する構造体２００が形成される。

このイオン照射開始から終了までの詳細を図５を参照して以下に説明する。本実施形態については、５Ａｒ^＋／（ｓ・ｎｍ^２）のフラックスでイオン照射している。つまり、１ナノ平方メートルの面積を毎秒５個のＡｒイオンが通過するように照射している。図５（ａ）にイオン照射開始前の状態を示すが、既に述べたように多層構造体１００の最上面はＴａの保護層１０と周縁部にアルミナの絶縁体１１が露出している。図５（ｂ）はイオン照射開始後３０秒後のおよその様子を示す断面模式図である。ここでＴａ保護層１０はＡｒイオン照射によりスパッタエロージョンを受け削られていくと同時に、開口部１２の絶縁膜１１の周縁部もイオン照射１３を受けるが、イオン照射１３を受けた周縁部１１のアルミナは、蒸気圧も低く、また酸化物であるためその物性として希ガスイオン照射によるスパッタエロージョンを受けにくい。このため希ガスイオン照射１３により、最表面にあるアルミナの構成分子は希ガスイオンからエネルギーを受け取っても、スパッタエロージョンを受けはじき飛ばされる割合が非常に少なく、そのかわりに開口部１２の周縁部からで横方向にマイグレーションを起こし、図５（ｂ）に示すように、アルミナのメンブラン１１１が開口部１２で、その開口部１２を閉じるように成長し始める。もちろん絶縁膜１１の周縁部の最外周から外方向へもメンブランは成長して行く。このときの開口部の径を図５（ｂ）に示すようにｄ１とする。さらにおよそ６０秒後の様子を図５（ｃ）に示す。メンブラン１１１はナノホールの経をより小さくするように、内周側に成長し径ｄ２のホールを形成する一方で、保護層１０の中央部のスパッタエロージョンは進行し、深くなっていく。およそ９０秒後に、図５（ｄ）に示すように、Ｔａの保護層１０はその中央部が削られ、最終的に中央部から無くなり、Ａｒ^＋イオンは中間層にも達する。この時点でアルミナ膜から成長したメンブランはその開口部をさらに狭め略円形に５ｎｍまたはそれ以下の径ｄ３になる。図５（ａ）の開口部１２が最終的にメンブラン１１１の成長によりナノホール１２１になる。メンブランが形成するナノホールの径はおよそ５ｎｍのとき、メンブラン先端の厚さはおよそ０．６ｎｍと薄い。図５（ａ）に示すように照射前の開口部１１の径をｄ０とすると、ｄ０＞ｄ１＞ｄ２＞ｄ３となるが、ｄ３の径は保護層１０の材料・厚さ、イオン種、イオンの照射フラックス等によって決まり、適宜設計することができるが、独立のパラメータではなく、イオン照射により保護層１０の中央部が完全に削り取られて中間層９に達する時点で、絶縁体メンブランが所望のナノホールを形成するように設計しなければならない。また図５（ｄ）に示すようにＣｕの中間層９の中央部には少なからず照射ダメージ１５が導入されるが、本実施形態では、反強磁性膜７３のＰｔＭｎによりピン層８を固着させる規則化熱処理と同程度の２５０℃、１時間の磁場中真空熱処理を行う。この熱処理により中間層９の中の照射ダメージ１５はほぼ完全にアニールアウトされ、最終的なＧＭＲ特性に悪影響を及ぼすことはなくなる。

イオンとしては他にＸｅとＨｅ、Ｎｅ、Ｋｒについてもイオン化して照射することができるが、いずれもＡｒと同様な効果を生じることから、保護層１０のスパッタエロージョンの速度の調整にＡｒ以外の希ガスを使うことは、同一のイオン照射装置を用いて素子作製の精度を上げることができる点でも有効である。

加速電圧は比較的広い範囲内でイオン照射装置の特性に応じて適宜選択できるが、５Ｖ以上１０００Ｖ以下が望ましい。１０００Ｖ以上では、保護層１０が短時間でスパッタされ、イオン照射時間の調整により金属層９の最表面を露出することが難しく、また受けるダメージの程度も大きく、場合によってはピン層８も破壊される。一方、５Ｖ以下では、作製に長時間を要することとなり、試料の保持温度によっては、絶縁体のメンブランがほとんど成長しない。

また、イオン照射の際の試料温度は１５℃乃至２００℃の範囲に設定することが望ましい。２００℃以上では、イオン照射による加熱効果も加わり、試料温度が実質的に２８０℃を超えてしまい反強磁性層中のＭｎが拡散を起こし、ピン止め効果が劣化する。一方１５℃以下では、メンブランの成長が遅くなり電流狭窄層の形成が困難となる。

メンブランを形成するためのイオン照射後、希ガスイオンの流入を完全に止め、高真空に保ったまま、上述の熱処理、すなわち２００℃、１時間の磁場中真空熱処理を行う。これにより図６（ａ）に示すように、照射ダメージ１５は消失し、最終的にＧＭＲ特性を劣化させることはない。そして基板６上には、ナノホール１２１を有する構造体２００が最終的に形成される。

その後試料を常温に戻した後、成膜装置から取り出して、図６（ｂ）に示すようにレジストを再度コートした後、図６（ｃ）に示すようにＧＭＲ素子を構成する多層構造体２００の位置に合わせて再度露光する。その後図７（ａ）に示すように、現像することによって、構造体２００の位置からレジストが除かれる。その後再度図示略の成膜装置に入れて、図７（ｂ）に示すように、積層膜Ｂを作製する。積層膜Ｂは、第２の中間層（２）９１、フリー層１６、キャップ層１７の順で積層される。本実施形態では、第２の中間層（２）９１としてＣｕを、フリー層１６、キャップ層１７として、
・フリー層１６：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₇［３．５ｎｍ］
・キャップ層１７：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
を成膜する。キャップ層はフリー層以下の層を保護するために付与するものである。

中間層（２）の厚さによっては単一ＣＣＰ狭窄層を中間層（２）とフリー層１６の界面に配置することができる。その後剥離液でレジストを除去したとき、レジスト上にある層１６、１７および９１も除去され、図７（ｃ）のようなＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲ素子の基本構造３００が形成される。

その後、マグネトロンスパッタ装置から、基板ごと取り出して後、図８（ａ）に示すように、レジストを再びコートし、基本構造３００間のレジストを除去すべくフォトマスクの位置を合わせて露光する。その次の現像により、図８（ｂ）に示すように、レジストを基本構造３００上にのみ残す。その後リフトオフ前の工程として、ヨウ素系エッチング液により、サイドエッチを行い、図８（ｃ）に示すように庇３２を形成する。その後ポストベーク等を行い、図９（ａ）に示すように、マグネトロンスパッタ装置（図示せず）に入れて第２の絶縁層１１２を基板全面に形成し、図９（ｂ）に示すようにリフトオフ工程に入ることとなる。そして使用したレジスト指定の剥離液によりレジストを除去し、リフトオフ工程は終了し、最終的なＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲ素子４００が完成する。その後キャップ層１７上に図示略の上電極を形成し、ダイシングにより各ＧＭＲ素子４００を切り出してプロセスは終了する。

以上のように作製したＧＭＲ構造体の抵抗変化率を測定すると、以下のようになる。

ここで、ＲＡは、構造体に垂直に電流を流した場合の面積抵抗であり、Ａは１００ｎｍ径の円形である。また（ΔR／R）×100（％）は抵抗変化率である。ナノホールの径を狭小化しても、試料抵抗があまり上がらない理由はナノホールを形成しているメンブランの先端が１ｎｍ以下と薄いためと考えられる。この結果からＣｕの金属層の比抵抗を大まかに評価してみると５０μΩｃｍ程度となり、バルクのＣｕの比抵抗にくらべて１０倍ほど大きくなっている。これはメンブランの下に残存しているＴａ層がイオン照射によるダメージを受け高抵抗化し、ＣＣＰ狭窄層の下でも電流パスを制限しているためであると考えられる。

以上に、単一ナノホールが中間層の中あるいは中間層とフリー層の界面にある形態で、説明した。この方法は、単一ナノホールの下側にある積層膜Ａと、上側にある積層膜Ｂを以下のように変更しても、同様の効果が得られる。

（変形例１）：ピン層の中に単一ナノホール
積層膜Ａ
・バッファ層７２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・反強磁性層７３：白金マンガン（Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀［１５ｎｍ］）
・ピン層：コバルト鉄／ルテニウム／コバルト鉄の積層膜（Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［２ｎｍ］）
・保護層：タンタル（Ｔａ［２．５ｎｍ］）
積層膜Ｂ
・ピン層２：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［２ｎｍ］
・中間層：Ｃｕ２．５ｎｍ
・フリー層：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₇［３．５ｎｍ］
・キャップ層：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
・フリー層１６：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₇［３．５ｎｍ］
・キャップ層１７：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］

（変形例２）：ピン層と中間層の間に単一ナノホール
積層膜Ａ
・バッファ層７２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・反強磁性層７３：白金マンガン（Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀［１５ｎｍ］）
・ピン層：コバルト鉄／ルテニウム／コバルト鉄の積層膜（Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［４ｎｍ］）
・保護層：タンタル（Ｔａ［２．５ｎｍ］）
積層膜Ｂ
・中間層：Ｃｕ２．５ｎｍ
・フリー層：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₇［３．５ｎｍ］
・キャップ層：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
・フリー層１６：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₇［３．５ｎｍ］
・キャップ層１７：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］

さらに、積層膜Ａと積層膜Ｂの間に単一ナノホールを挿入する工程を繰り返すことにより、積層膜Ａ／単一ナノホール１／積層膜Ｂ／単一ナノホール２／積層膜Ｃ・・・と複数の単一ナノホールを有する積層膜を作製することが出来る。ここで単一と呼ぶのは、積層膜の２次元平面内に一つという意味であり、積層膜の膜面垂直方向には複数であっても構わない。単一ナノホールが膜面垂直方向に２個ある場合の具体例を変形例３に示す。

（変形例３）
積層膜Ａ
・バッファ層７２：Ｔａ［５ｎｍ］／Ｒｕ［２ｎｍ］
・反強磁性層７３：白金マンガン（Ｐｔ₅₀Ｍｎ₅₀［１５ｎｍ］）
・ピン層：コバルト鉄／ルテニウム／コバルト鉄の積層膜（Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［４ｎｍ］／Ｒｕ［０．９ｎｍ］／Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［２ｎｍ］）
・ 保護層（１）：タンタル（Ｔａ［２．５ｎｍ］）

積層膜Ｂ
・ ピン層（２）：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［２ｎｍ］）
・ 中間層：Ｃｕ２．５ｎｍ
・保護層（２）：タンタル（Ｔａ［２．５ｎｍ］）

積層膜Ｃ
・ 中間層（２）：Ｃｕ１．５ｎｍ
・フリー層：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₇［３．５ｎｍ］
・キャップ層：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］
・フリー層１６：Ｃｏ₉₀Ｆｅ₁₀［１ｎｍ］／Ｎｉ₈₃Ｆｅ₁₇［３．５ｎｍ］
・キャップ層１７：Ｃｕ［１ｎｍ］／Ｒｕ［１０ｎｍ］

（変形例４）
積層膜Ａ
・ 金属膜（１）
積層膜Ｂ
・ 金属膜（２）
金属膜（１）および金属膜（２）は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉから選択される。

以上述べたように、本発明に係る製造方法によれば、単一電流パスを有するＧＭＲ構造が制御性よく作製でき、またＭＲ変化率も従来技術によるものを凌駕することができる。

本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法に係るＧＭＲ素子に必須の構造を模式的に示す斜視図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法における単一ＣＣＰ狭窄層の下にある積層膜形成からレジストコート、露光に至るまでの工程を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法における現像からサイドエッチングに至るまでの工程を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法における絶縁膜形成からリフトオフに至るまでの工程を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法における低エネルギーＡｒイオン照射からナノホール形成に至るまでの工程を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法における低エネルギーＡｒイオン照射によりナノホール形成に至るまでの詳細を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるナノホール形成後のレジストの再コートと露光に至るまでの工程を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるナノホール形成後のレジストの現像から中間層（２）、フリー層、キャップ層の積層、レジストの除去に至るまでの工程を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるナノホール形成後のレジストの再々コート、露光、サイドエッチングに至るまでの工程を表す断面図である。 本発明の実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるナノホール形成後の第２の絶縁膜形成、レジスト除去、リフトオフ、素子完成に至るまでの工程を表す断面図である。 電流狭窄層を有するＣＰＰ―ＧＭＲ膜の構造を示す断面図である。

符号の説明

１…フリー層中の磁化ベクトル
２…フリー層
３…電流狭窄層
４…電流パス
５…ピン層
６…基板
７…単一の層
８…ピン層
９…中間層
１０…保護層
１１…絶縁膜
１２…開口部
１３…低エネルギーイオン照射
１５…照射ダメージ
１６…フリー層
１７…キャップ層
２１…レジスト
２２…被露光部
３１…庇
３２…庇

Claims (7)

1. 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、前記非磁性中間層の中に設けられた電流狭窄層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
   前記磁化固着層上に、前記非磁性中間層を成膜する工程と、
   前記非磁性中間層上に、保護層を成膜する工程と、
   前記磁化固着層、非磁性中間層および保護層からなる多層膜をリソグラフィーによってパターニングする工程と、
   前記パターニングした多層膜を被覆するように絶縁膜を形成する工程と、
   前記パターニングした多層膜を被覆している前記絶縁体を前記多層膜の上面のみから取り除いて開口部を設ける工程と、
   前記多層膜の開口部に上方から希ガスのイオンビームを照射することによって前記開口部絶縁体の内周縁から前記開口部の中心部に向けてメンブランを成長させ、かつ前記保護層に貫通孔を設ける工程と、
   前記貫通孔に前記非磁性中間層と同一材料を充填する工程と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
2. 磁化方向が実質的に一方向に固着された磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する磁化自由層と、前記磁化固着層と前記磁化自由層との間に設けられた非磁性中間層と、前記磁化固着層の中に、電流狭窄層とを有する磁気抵抗効果素子の製造方法において、
   前記磁化固着層上に、保護層を成膜する工程と、
   前記磁化固着層および保護層からなる多層膜をリソグラフィーによってパターニングし、
   前記パターニングした多層膜を被覆するように絶縁膜を形成する工程と、
   前記パターニングした多層膜を被覆している前記絶縁体を前記多層膜の上面のみから取り除いて開口部を設ける工程と、
   前記多層膜の開口部に上方から希ガスのイオンビームを照射することによって前記開口部絶縁体の内周縁から前記開口部の中心部に向けてメンブランを成長させ、かつ前記保護層に貫通孔を設ける工程と、
   前記貫通孔に前記磁化固着層と同一材料を充填する工程と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
3. 保護層を有する薄膜をリソグラフィーによってパターニングし、
   前記パターニングした薄膜を被覆するように絶縁膜を形成する工程と、
   前記パターニングした薄膜を被覆している前記絶縁体を前記多層膜の上面のみから取り除いて開口部を設ける工程と、
   前記薄膜の開口部に上方から希ガスのイオンビームを照射することによって前記開口部絶縁体の内周縁から前記開口部の中心部に向けてメンブランを成長させ、かつ前記保護層に貫通孔を設ける工程と、
   前記貫通孔に金属膜を成膜により充填する工程と、
   を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
4. 前記希ガスがHe、Ne、Ar、Kr、Xe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。
5. 前記イオンビームのエネルギーが5 eV以上1000 eV以下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。
6. 前記イオンビーム照射の際の前記パターニングにより側面のみが絶縁体で被覆された多層膜の温度を１５℃以上２００℃以下に設定す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。
7. 前記イオンビーム照射の後に、引き続き超高真空中で２００℃以上２５０℃以下の温度でアニールする工程をさらに含む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。

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