JP2011119005A - 磁気ヘッド及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドにおいて狭トラック幅においても再生出力の低下を防止し、マグノイズを低減してヘッドＳＮＲを向上させる。
【解決手段】磁区制御層５からセンサ膜２に印加される磁界が浮上面近傍の領域よりも素子上部において大きくなるように、磁区制御膜５の膜厚を浮上面近傍よりも素子内部において厚くする、又は磁区制御キャップ膜の膜厚を浮上面近傍よりも素子内部において厚くする、又はセンサキャップ膜３の膜厚を浮上面近傍より素子内部において厚くする。これらの膜厚が変化する位置は素子高さ方向において、センサ膜端部位置及び素子高さ方向絶縁膜端部位置とほぼ同一の場所に配置する。
【選択図】図１
【解決手段】磁区制御層５からセンサ膜２に印加される磁界が浮上面近傍の領域よりも素子上部において大きくなるように、磁区制御膜５の膜厚を浮上面近傍よりも素子内部において厚くする、又は磁区制御キャップ膜の膜厚を浮上面近傍よりも素子内部において厚くする、又はセンサキャップ膜３の膜厚を浮上面近傍より素子内部において厚くする。これらの膜厚が変化する位置は素子高さ方向において、センサ膜端部位置及び素子高さ方向絶縁膜端部位置とほぼ同一の場所に配置する。
【選択図】図１
Description
本発明は、磁気再生ヘッドとしてのＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドとその製造方法に関する。
磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、ハードディスクを主とした高記録密度磁気記録装置において磁気記録媒体に記録された磁気情報を再生するためのセンサとして用いられ、磁気記録技術の性能を大きく左右する部分である。
近年、強磁性金属層を、非磁性中間層を介して積層した多層膜の磁気抵抗効果、いわゆる巨大磁気抵抗効果(Giant Magneto-Resistive effect：ＧＭＲ）などを利用した磁気再生ヘッドが用いられている。このＧＭＲヘッドは当初は、センサ電流をセンサ膜の膜面内に平行に流すＣＩＰ（Current In Plane）型のヘッドが用いられていた。記録密度の向上のため、狭トラック化及び狭ギャップ化においても高出力化に有利と思われるトンネル磁気抵抗効果（Tunneling Magneto-Resistive effect：ＴＭＲ）ヘッド及びＣＰＰ−ＧＭＲ（Current Perpendicular to a Plane-Giant Magneto-Resistive effect）ヘッドの開発が行われ、最近はＴＭＲヘッドが磁気再生ヘッドの主流となっている。このＴＭＲヘッド及びＣＰＰ−ＧＭＲヘッドは、従来のＧＭＲヘッドとは異なり、センサ電流をセンサ膜の膜面内に垂直に流すＣＰＰ型ヘッドである。
この巨大磁気抵抗効果及びトンネル磁気抵抗効果を磁気抵抗素子に用いる場合には、スピンバルブとよばれる構造が提唱されている。スピンバルブは一般的に反強磁性層／強磁性層／非磁性中間層／強磁性層の積層構造を有し、反強磁性層／強磁性層の界面に発生する交換結合磁界により反強磁性層と接した強磁性層の磁化を実質的に固定し、他方の強磁性層の磁化が外部磁界によって自由に回転することで出力を得る。磁化が反強磁性層により実質的に固定される強磁性層を固定層、磁化が外部磁場によって回転する強磁性層を自由層と呼ぶことにする。再生出力は駆動電圧、磁気抵抗効果による抵抗変化率であるＭＲ（Magneto-Resistive）比と利用率の積として生じる。利用率とは、自由層磁化が磁気記録媒体からの印加磁界によりどれだけ回転するかを示す指標である。利用率は大きいほど出力が高くなるが、大きすぎると磁界に対する抵抗変化が非線形になり、磁気記録再生装置としての性能が劣化するため、通常、利用率は２０〜３０％程度に設定される。利用率の大きさは、磁気抵抗効果ヘッドの多層膜のトラック方向の両側に設けられた磁区制御層の材料や膜厚などを最適化することで、適切になるように制御するのが一般的である。
磁気抵抗効果ヘッドの性能を大きく左右する再生出力を高めるためには、ＭＲ比を高めることが一般的であり、現在ではＭＲ比が最も高いという理由から、先述のＴＭＲヘッドが広く採用されている。
また、磁気抵抗高家ヘッドの性能を大きく左右する他の要因にノイズがある。ノイズとしては、自由層内における磁区の発生によるバルクハウゼンノイズ、抵抗に起因するジョンソンノイズやショットノイズなどがある。バルクハウゼンノイズは自由層磁化が磁区を持つことにより発生するノイズであり、磁気抵抗効果ヘッドに磁区制御層を設けることにより自由層内の磁区の発生が防止され、バルクハウゼンノイズが抑制できる。ジョンソンノイズやショットノイズは抵抗に依存するため、ヘッド抵抗の低減がノイズ低減のための有効な手段であり、高いＭＲ比と低い電気抵抗を実現する磁気抵抗効果膜の開発が進められている。
IEEE Trans. Magn., 41, 2307 (2005)
センサ膜には、素子高さ方向とトラック幅方向のエッチングなどによる加工が必要である。素子高さ方向は最終的に機械加工による微細化も可能であるが、トラック幅方向はウエハ工程中での微細化が必要である。トラック幅加工にはホトリソグラフィなどの技術が用いられ、その性質上、平坦面上で加工を行うことが好ましい。半導体分野でＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）が発達したのはこのためである。つまり、磁気ヘッドにおける最小微細パターン形成はこのトラック幅形成工程であり、平坦面で行うことが好ましい。よって、ウエハ工程中におけるセンサ膜の加工は素子高さ方向からではなく、トラック幅方向からの加工が好ましいことになる。しかしながら、通常の製造方法による場合、ある問題が生じる。それは、センサ膜のトラック幅方向両端部に配置されるハードバイアス膜が、素子高さ方向の加工によって、同じように切断加工されることである。その場合、最終的なスライダー状態でのハードバイアス膜の体積は、センサ膜の素子高さ方向の寸法に依存する。つまり、今後、トラック幅が微細化するように、素子高さ方向も微細化が進行するので、結果として素子高さ方向も数１０ｎｍ程度の寸法しか残らなくなる。その場合、素子特性としてハードバイアス膜による磁区制御効果の低減が危惧される。それは、ハードバイアス膜などの磁性膜は、体積が大きい方が磁気安定性が確保されるため、素子高さ方向の微細化が進行すると、ハードバイアス膜自身の磁気安定性が低下し、結果として磁区制御性が低下し、最悪の場合、バルクハウゼンノイズなどが発生する懸念がある。
さらに別な点から深刻な影響が懸念される。それは、自由層磁化が熱的に揺らぐことにより生じるノイズ（マグノイズ）のヘッドＳＮＲへの影響である。近年のＴＭＲヘッドなどにおけるＭＲ比向上は著しいが、それに伴うヘッドＳＮＲの向上はあるところで飽和する。それは再生出力が増大するとマグノイズも比例して増大するために、ヘッドＳＮＲはある最大値で飽和してしまうためである。近年、トラック幅及び素子高さ方向の微細化が数十ナノメートルオーダーで進行し、熱的影響が大きくなった結果、このマグノイズの問題が顕在化してきている。よって、今後の微細化におけるヘッドＳＮＲ向上のため、マグノイズの低減が重要になるものと思われる。
マグノイズには、２つの大きな特徴がある。第１に自由層体積の平方根に反比例すること、第２に再生出力に比例することである。一つ目の特徴は、記録密度の増加とともに磁気センサ、すなわち自由層体積が小さくなると、マグノイズが本質的に増大することを意味している。２つ目の特徴は、再生出力が増大するとマグノイズも比例して増大するために、ヘッドＳＮＲはある最大値で飽和してしまうことを意味している。よって、このような問題を解決するには、記録密度向上に伴う自由層体積減少によるマグノイズ増加を抑えること、また、再生出力を低下させることなくマグノイズを低減させることが必要となる。このマグノイズの低減には先述の磁区制御がキーとなる。
再生出力は自由層の磁化回転によって発生するが、浮上面近傍側の自由層の領域の方が発生する再生出力は大きい。それは、浮上面近傍の方が媒体からの磁気信号が大きいからである。一方、マグノイズは、ほぼ自由層全体で同様に発生しているものと考えられている。よって、再生出力とマグノイズの相対的な関係は、素子高さ方向に一様ではなく、浮上面から素子内部方向に向かってマグノイズの比率が相対的に増えていくこととなる。このマグノイズを低減するには、先述の磁区制御が有効である。しかし、磁区制御性を全体に強くしすぎると再生出力が低下してしまう。このジレンマを解決するには、浮上面近傍よりも素子高さ方向内部に向かって磁区制御の強さを次第に増加させることで、素子内部方向に向かって相対的に増えるマグノイズ成分を低減させることが可能と考えられる。
しかしながら、この磁区制御はその調整が難しく、上記着想を精度よく実現するには困難が伴う。それはセンサ膜、特に自由層と磁区制御膜との距離や磁区制御膜の膜厚によって、磁区制御性が変化するために、これらをうまく制御して作製することが困難だからである。
本発明は、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドにおいて再生出力の低下防止とマグノイズ低減を図るものであり、その効果を安定的に得るための構造及び製造方法を提供する。
本発明は、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドにおける磁気抵抗効果膜の微小化と再生出力の増大に伴うマグノイズの増大によるヘッドＳＮＲの低下の問題を解決し、高記録密度化に対応可能なヘッドを安定的に実現する。
本発明のＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドは、センサ膜と、センサ膜の上に設けられたセンサキャップ膜と、センサ膜の膜厚方向に電流を流す電極を兼ねる一対の上部磁気シールド及び下部磁気シールドと、センサ膜のトラック幅方向の両側に接して配置されたトラック絶縁膜と、トラック絶縁膜に接してセンサ膜のトラック幅方向の両側に配置された磁区制御膜と、センサ膜の浮上面と逆側の部分に配置された素子高さ方向絶縁膜とを有し、更に以下の特徴を有する。
素子高さ方向絶縁膜のセンサ膜と接する浮上面側端部位置は、センサキャップ膜の素子高さ方向端部位置と略同一である。更に、磁区制御膜は膜厚が素子高さ方向奥側から浮上面方向に向かって徐々に薄くなるような傾斜膜厚を有し、その膜厚が変化する開始位置は、素子高さ方向絶縁膜の浮上面側端部位置と略同一である。
磁区制御膜の上に磁区制御キャップ膜を配置した層構造を有する場合には、磁区制御キャップ膜は膜厚が素子高さ方向奥側から浮上面方向に向かって徐々に薄くなるような傾斜膜厚を有し、その膜厚が変化する開始位置あるいは前記磁区制御キャップ膜の素子高さ方向端部位置は、素子高さ方向絶縁膜の浮上面側端部位置と略同一である。
センサキャップ膜も浮上面方向にかけて膜厚が傾斜することも可能であり、その際、浮上面近傍ほどキャップ膜厚は減少する。センサキャップ膜の厚さを素子高さ方向に傾斜させることにより、浮上面における磁気シールドの間隔は、素子内部方向における磁気シールドの間隔よりも小さくなる。また、センサキャップ膜や磁区制御キャップ膜は浮上面方向にかけて膜厚が減少していくが、浮上面においてその残膜厚をゼロに近づけることも可能である。
製造方法としては、下部シールド上に配置されたセンサ膜をトラック幅方向にエッチングにより所望の幅を残して加工し、そのエッチング端部にトラック絶縁膜を配置し、さらに磁区制御膜をその上に配置する。磁区制御膜上にさらに磁区制御キャップ膜を配置してもよい。その後、素子高さ方向の寸法を規定するため、エッチングにより加工し、そのエッチング端部に素子高さ方向絶縁膜を配置する。その後、素子高さ方向絶縁膜をエッチングマスクとして、センサキャップ膜上部及び磁区制御膜上部あるいは磁区制御キャップ膜を傾斜エッチングする。これらの後、最終的に上部シールドを形成する。素子高さ方向絶縁膜の形成時、絶縁膜の上にエッチング保護膜を追加配置してもよい。
ここで重要な点は、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドの素子高さ方向の寸法を規定するのはセンサ膜であり、センサ膜と一体形成されているセンサキャップ膜端部と素子高さ方向絶縁膜の端部は合致していると共に、その素子高さ方向絶縁膜で磁区制御膜の膜厚変化開始位置が規定されている。よって、素子高さ方向の基準位置であるセンサ膜と磁区制御膜の膜厚変化開始位置は自己整合（セルフアライメント）が可能であり、高精度な位置精度が確保出来る。また、センサキャップ膜の厚さを傾斜させる場合においても、磁区制御膜の膜厚変化開始位置も含めて同様に自己整合されており、高精度な位置精度を確保出来る。
以上のヘッド構造及び製造方法によって、センサ膜に対する浮上面側の磁区制御性は弱く、浮上面より素子高さ方向に向かって磁区制御性を強くする効果及び構造を精度よく得ることが出来る。本発明は、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドにおける再生出力の低下防止とマグノイズ低減の効果を安定的に得るための構造及び製造方法を提供する。
本発明は、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドにおいて、狭トラック幅においても再生出力の低下防止とマグノイズ低減を実現するものであり、ヘッドＳＮＲを向上させることができ、高記録密度を実現する。また、その効果を安定的に得るための構造及び製造方法を提供することが出来る。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。通常、本発明のＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドは再生ヘッドとして用いられ、記録ヘッドと組み合わせて使用される。以下の説明では、特に触れない限り、記録ヘッド部分は省略し、再生ヘッド部分のみ説明する。
図１は、本発明による再生ヘッドの一実施例を示す図であり、センサ膜の近くを浮上面から見た斜視図である。下部磁気シールド１、センサ膜２、センサキャップ膜３、トラック絶縁膜４、磁区制御膜５、素子高さ方向絶縁膜９を示している。上部磁気シールドや、上部磁気シールドの下部に配置される磁気ギャップ膜などはここでは省略している。なお、センサ膜２は多層膜からなり、自由層、固定層、自由層と固定層の間にある中間層を少なくとも有している。磁区制御膜５としては硬磁性膜を用いて、センサ膜２へトラック幅方向の磁界を印加し、自由層の特性安定化を図っている。磁区制御膜５やセンサキャップ膜３は、素子高さ方向絶縁膜９の浮上面側端部位置から浮上面にかけて膜厚が次第に薄くなる形状を有している。
これを、図２Ａ及び図２Ｂを用いて更に詳細に説明する。図２Ａは、図１におけるトラック幅中央のＡ−Ａ’断面を示した図であり、図２Ｂは、トラックの外部領域のＢ−Ｂ’断面を示した図である。なお、図の左側は浮上面（ＡＢＳ）を示しており、図の右側に行くほど素子高さ方向における素子内部側になる。また、図２Ａ及び図２Ｂには、上部磁気ギャップ膜１１と上部磁気シールド１２も図示した。なお、上部磁気ギャップ膜１１は非磁性導電膜であり、ＣｒやＲｕ，Ｔａ，Ｔｉ，Ｒｈなどの材料から構成され、混合膜や積層膜として配置することも可能である。
図２Ａにおいて、素子高さ方向絶縁膜９の浮上面側端部位置は、センサキャップ膜３の素子高さ方向端部位置と略同一である。センサキャップ膜３も浮上面方向に膜厚が傾斜しており、浮上面近に近づくほど膜厚は減少している。また、図２Ｂにおいて、センサ膜２のトラック幅方向両側に配置された磁区制御膜５は、膜厚が素子内部側から浮上面方向に向かって徐々に薄くなるような傾斜膜厚を有し、その膜厚の変化開始位置は、センサキャップ膜３の素子高さ方向端部位置（素子高さ方向絶縁膜９の浮上面側端部位置）と略同一である。つまり、素子高さ方向絶縁膜９の浮上面側端部位置とセンサキャップ膜３の素子高さ方向端部位置、及び磁区制御膜５の膜厚変化開始位置は、全て図中に示すＣ位置にほぼ等しい。このように傾斜膜厚の膜厚変化開始位置をセンサキャップ膜３の素子高さ方向端部位置とすることで、センサ膜２に素子高さ方向奥側と媒体対向面方向とで大きさの異なる磁区制御磁界を、効率よく、かつ大きさを傾斜させて印加することができる。
図３は、図２Ａのセンサ膜付近の拡大図である。図示の例のセンサ膜２は、センサ下地層３１、反強磁性層３２、固定層３３、中間層３４、自由層３５から構成される。ＭｇＯ−ＴＭＲセンサ膜の場合、中間層３４がＭｇＯバリアで構成される。
上記のように磁区制御膜５やセンサキャップ膜３に、素子高さ方向に素子内部側から浮上面方向に向かって膜厚が徐々に薄くなるような膜厚傾斜を与えることで、再生出力の増大に伴って増大するマグノイズによるヘッドＳＮＲの低下を防止することが出来る。図４に、磁界計算によって本発明の効果をモデリングした結果の一例を示す。横軸はセンサ膜のトラック幅方向中心に磁区制御膜により印加された磁区制御磁界を素子高さ方向に平均した値、縦軸はその際のヘッドＳＮＲの値である。従来構造は、素子高さ方向における磁区制御磁界が約１０００〜１１００Ｏｅとほぼ一様の構造である。本発明のヘッド構造の磁区制御磁界は、浮上面近傍で約５００Ｏｅであり、素子高さ方向内部では約３０００Ｏｅと素子内部になるほど増加する分布を有する。図４に示すように、ヘッドＳＮＲは、本発明の構造の方が従来構造よりも２〜３ｄＢも向上する。また、図１や図２Ａにおいてセンサキャップ膜３も浮上面に近づくほど薄くなっているので、浮上面では上下磁気シールドの距離を小さくする事が出来、分解能向上効果を得ることもできる。
さらに、本発明は、上記のヘッドＳＮＲ向上効果を安定的に得るための構造及び製造方法を提供する。例えば本発明によらずに磁区制御膜の膜厚を変化させるために、単独のパターン露光処理及びエッチング処理を行った場合、必ずパターンのアライメント誤差が発生する。そのアライメント誤差は約±１５〜２０ｎｍである。このアライメント誤差の影響を、図５を用いて説明する。図５の横軸は素子高さ方向の位置で、縦軸は各素子高さ位置での磁区制御磁界を示す。実線は図４で説明した傾斜磁区制御磁界分布であり、浮上面近傍での磁区制御磁界は約５００Ｏｅで、素子高さ方向内部では約３０００Ｏｅである。アライメント誤差でパターンが約±２０ｎｍ程度シフトした場合、設定浮上面（横軸で０の位置）でのハードバイアス磁界は５００Ｏｅよりもかなり激減する領域から１５００Ｏｅ程度までの領域範囲にばらつくことになる。結果として平均的な磁区制御磁界の平均値もばらつくこととなる。
例えば、図５において、アライメントが素子高さ方向＋側にずれたとすると、平均的な磁区制御磁界が劣化するとともに、浮上面近傍の磁区制御磁界はほとんどきかなくなる。結果として、図６に示すようにヘッドＳＮＲの低下を引き起こしてしまう。逆にアライメントが素子高さ方向−側にずれたとすると、平均的な磁区制御磁界は向上し、ヘッドＳＮＲの劣化が生じにくい方向であるが、上下の磁気シールド間距離は拡大してしまう。結果として分解能の劣化が生じ、高記録密度化の障害となる。
本発明は、このような不具合を防止するものである。図１、図２Ａ、図２Ｂに示した本発明のヘッド構造は、素子高さ方向絶縁膜９の浮上面側端部位置とセンサキャップ膜３の素子高さ方向奥側端部位置、及び磁区制御膜５の膜厚の変化開始位置は全て図中に示すＣ位置にほぼ等しい構造である。つまり、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドの素子高さ方向の寸法を規定するのはセンサ膜であるので、センサキャップ膜３の素子高さ方向奥側端部位置と磁区制御膜５の膜厚変化開始位置は自己整合（セルフアライメント）されているので、前記のようなアライメント誤差は発生しない。また、自己整合性プロセスにより形成された構造であり、アライメント精度検査を簡略化することが可能な構造であるというメリットもある。
本発明のヘッド構造を得るための製造方法の一例を、図７Ａから図１３Ｂを用いて説明する。これらは図１、図２Ａ及び図２Ｂに示した構造を有する再生ヘッドの製造工程の説明図であり、図７Ａ〜図１３Ａは図１におけるＡ−Ａ’断面図、図７Ｂ〜図１３Ｂは図１におけるＢ−Ｂ’断面図である。また、各工程における平面図を図２１から図２７に示す。
まず、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、下部磁気シールド１上にセンサ膜２及びセンサキャップ膜３を形成する。図２１は、この時の平面図である。センサ膜２は多層膜からなり、自由層、固定層、自由層と固定層の間にある中間層を少なくとも有している。センサキャップ膜３は単層膜でもよいが、多層膜でもよい。例えば、Ｒｕ，Ｔａ，Ｗ，Ｔｉ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｃｕ，Ｃｒなどの金属やこれらの酸化膜、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon），Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2などを用いることができる。センサキャップ膜３は絶縁膜でもよい。ただし、酸化膜などの絶縁膜を用いた場合、絶縁膜の下には金属膜を配置し、上部磁気ギャップ膜１１や上部磁気シールド形成前に絶縁膜の部分はエッチング除去することが必要である。
図８Ａ及び図８Ｂは、センサ膜２及びセンサキャップ膜３にトラック幅を規定する加工を行い、トラック絶縁膜４、磁区制御膜５、及びエッチング抑制層７を形成した状態を示す。この時の平面図を図２２に示す。この工程ではトラック端部のみの加工を行ったので、トラック中央部（図８Ａ）には変化はない。トラック幅を規定する加工の際、その領域はほとんど平坦面であるので、ホトリソグラフィへの悪影響は最小限に抑えることが出来る。そのため、ウエハ工程中において最も微細な加工が要求されるトラック幅形成を安定に行うことができる。なお、ここでは磁区制御膜５上に磁区制御膜のキャップ膜を配置していないが、配置する事も可能である。また、エッチング抑制層７を配置しているが、省略することも可能である。
トラック絶縁膜４としては、Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＡｌＮなどの絶縁膜やこれらの多層膜を用いることができる。磁区制御膜５は、ＣｏＰｔなどの硬磁性膜及びそれらの下地膜としてＴｉ，Ｃｒ，ＣｒＴｉ，ＣｒＭｏなどを用いた多層膜から構成する。場合によっては下地膜と硬磁性膜を繰り返し積層する事も可能である。エッチング抑制層７は、例えば、Ｒｕ，Ｔａ，Ｗ，Ｔｉ，Ｉｒ，Ｒｈなどの金属やこれらの酸化膜、ＤＬＣ，Ａｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＡｌＮ，ＳｉＣなどの単層膜あるいは積層膜からなる。ここでは、ＤＬＣ単層膜をエッチング抑制層７として配置した。
図９Ａ及び図９Ｂは、素子高さ方向の加工を行った状態を示している。この時の平面図は図２３である。まず、素子高さ方向を規定する素子高さ規定レジストパターン８を形成し、その後、イオンミリングなどを用いてトラック中央部（図９Ａ）及びトラック端部（図９Ｂ）をエッチングする。この時、エッチング抑制層７として用いたＤＬＣは磁区制御膜５のエッチング保護膜として機能する。これによって、磁区制御膜５の膜厚減少を防ぐことが可能となり、素子高さ方向の微細化に伴う磁区制御膜５の体積減少を抑え、磁区制御膜５の特性安定化を図ることが出来る。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、素子高さ方向のエッチング端部に素子高さ方向絶縁膜９を配置した状態を示す図である。この時の平面図を図２４に示す。素子高さ方向絶縁膜９としてはＡｌ2Ｏ3，ＳｉＯ2，ＡｌＮなどの単層膜あるいは積層膜を用いることができる。更に素子高さ方向絶縁膜９上に、図８Ｂに示したようなエッチング抑制層を配置してもよい。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、不要な素子高さ方向絶縁膜９及び素子高さ規定レジストパターン８を除去したものである。この時の平面図を図２５に示す。素子高さ方向絶縁膜９の除去方法として、剥離液による素子高さ規定レジストパターン８を含めた一括除去、いわゆるリフトオフプロセスを行う。また、フェンス状に残った残渣などは平坦化樹脂を塗布後にエッチングするエッチバックプロセス、若しくはＣＭＰプロセスなどを用いて除去することが可能である。このようなプロセスを経ることで、図１１Ａより図１１Ｂの方が素子高さ方向絶縁膜９の膜厚が薄い形状とする事が可能となる。このようにすることで、トラック中央部（図１１Ａ）とトラック端部（図１１Ｂ）における下部磁気シールド上面から素子高さ方向絶縁膜９上面までの高さの差を縮小する事が可能となる。この結果、その後に形成する上部磁気シールドの凹凸を低減し、シールド特性の劣化を防止することが可能となる。
図１２Ａ及び図１２Ｂは、磁区制御膜５上に残ったエッチング抑制層７を除去したものである。この時の平面図を図２６に示す。ここでエッチング抑制層７の一例として用いたＤＬＣは、酸素系のアッシングなどで容易に除去できる。
図１３Ａ及び図１３Ｂは、素子高さ方向絶縁膜９をエッチングマスクとして用いてセンサキャップ膜３及び磁区制御膜５をエッチングした状態を示している。この時の平面図を図２７に示す。図２７における破線位置はエッチングよって形成した傾斜端部である。つまり、破線内部においては、ほぼエッチング深さが同一となっている。一方、破線外部においてはセンサキャップ膜３及び磁区制御膜５の膜厚は、外側に行くほど膜厚が厚くなるという膜厚傾斜を有している。そして、実際の磁気ヘッドは図２７の下側からＡＢＳの領域まで除去されるため、Ａ−Ａ’断面とＢ−Ｂ’断面におけるＡＢＳからＣ方向に向けての断面構造としては図１３Ａ及び図１３Ｂのようになる。また、図２７の平面形状は、センサ膜２の上下にセンサキャップ膜３が見えているが、ここでの傾斜エッチングプロセスとしては、通常のミリングプロセスのようにウエハをエッチングビーム入射に対して自転させることで３６０°全周方向からエッチングビームを当てた場合の一例を示したものである。場合によっては、３６０°自転をさせないで、一定方向からのエッチング処理を行うことも可能である。その場合、入射方向に応じた傾斜となり、平面形状は図２７とは異なる。しかし、基本的にはＡ−Ａ’断面とＢ−Ｂ’断面におけるＡＢＳからＣ方向に向けての断面構造が図１３Ａ及び図１３Ｂのようにする思想は同じである。
前述のように、センサキャップ膜３及び磁区制御膜５のどちらも素子高さ方向絶縁膜９をエッチングマスクとするので、センサキャップ膜３と磁区制御膜５の素子高さ方向の膜厚傾斜開始位置が同一である。つまり、重要な点は、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドの素子高さ方向の寸法を規定するのはセンサ膜２であるので、センサキャップ膜３の素子高さ方向奥側端部位置と磁区制御膜５の膜厚の変化開始位置は自己整合（セルフアライメント）されている事である。同様に、センサキャップ膜３の膜厚傾斜開始位置も自己整合（セルフアライメント）されている。
また、エッチングの終点検知も重要である。それはエッチング工程によってこの構造が決定されるためである。終点検知の一例としては、センサキャップ膜３又はセンサ膜２の上面に含まれる元素をエッチングモニター元素としてエッチング管理を行う方法がある。また、別の例としては、磁区制御膜５の領域に配置された元素をエッチングモニター元素として用いることも可能である。磁区制御膜５が下地膜と硬磁性膜の繰り返し積層構造である場合には、これらの界面をモニタリングすればよい。また、磁区制御膜５上に磁区制御キャップ膜を配置した場合、磁区制御キャップ膜に含有される元素をモニタリング元素として用いる事も可能である。
前述の傾斜エッチングについてもう少し詳細に説明する。一例としては、素子高さ方向絶縁膜９をエッチングマスクとしているので、素子高さ方向絶縁膜９の膜厚とエッチングする際のミリング角度で傾斜エッチングの制御が可能である。また、素子高さ方向絶縁膜９の上にエッチング耐性のある層を配置し、エッチング選択比を向上させることで素子高さ方向絶縁膜９の膜厚を低減することも可能である。更に、ミリング終点を高精度に制御することで更に傾斜コントロールが可能となる。ミリング終点の検知は、前述のように元素検知にＳＩＭＳ（Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry）などを用いながら行う。
次に、上部磁気ギャップ膜１１及び上部磁気シールド１２を形成すると、図２Ａ及び図２Ｂのようになる。図１３Ａ及び図１３Ｂの工程で形成した素子高さ方向の膜厚傾斜構造を反映し、上部磁気シールド１２と下部磁気シールド１の間の距離は、浮上面で小さく、Ｃ面（素子内部）に行く程に大きくなっている。この上下の磁気シールド間距離もＣ面によって規定されている自己整合型であるので、安定的に本発明構造の効果を得ることが出来る。
図１４Ａ及び図１４Ｂは、本発明の別の実施例を示す断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例との違いは、磁区制御膜５のエッチング形状が異なる点である。図２Ｂと図１４Ｂを比較すると分かるように、本実施例の方がＣ面より素子内部側における磁区制御膜５の残膜厚が薄膜化されている。本実施例のヘッド構造による効果は、トラック領域（図１４Ａ）とトラック外領域（図１４Ｂ）のエッチングによって生じる段差が少ないので、センサ膜２の素子高さ方向部分におけるエッチング不均一性が低減され、再付着による短絡の危険性が低減することである。
図１４Ａ及び図１４Ｂに示した実施例のヘッド構造は、例えば図８Ｂ及び図２２に示したエッチング抑制層７を省略又は薄膜化し、図９Ａ及び図９Ｂに対応する工程でセンサ膜２と共に磁区制御膜５もエッチングすることで得られる。また、本発明の特徴である素子高さ方向絶縁膜９の浮上面側端部位置とセンサキャップ膜３の端部位置、及び磁区制御膜５の膜厚が変化する開始位置は全て図中に示すＣ位置にほぼ等しい構造を本実施例でも有している。つまり、ＣＰＰ型磁気抵抗効果ヘッドの素子高さ方向の寸法を規定するのはセンサ膜であるので、センサキャップ膜３の素子高さ方向奥側の端部位置と磁区制御膜５の膜厚変化開始位置は自己整合されている。
以下に説明する本発明の他の実施例においても、本発明の特徴的構造であるセンサキャップ膜３の素子高さ方向奥側の端部位置と磁区制御膜５の膜厚変化開始位置、更にはセンサ膜領域における上下磁気シールド間距離の変化開始位置が自己整合されている構造を有し、その構造に基づく効果を有している。
図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明の別の実施例を示す断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例との違いは、センサ膜２及び磁区制御膜５のエッチング形状が異なる点である。図１５Ａに示すように、本実施例のヘッド構造では、Ｃ面より素子内部側においてセンサ膜２の膜厚が確保されている。具体的には少なくともセンサ膜２内の自由層／中間層付近までを除去し、その下の層を残している。図１６は図１５Ａの拡大図であり、図示した例では自由層３５、中間層３４までエッチングし、固定層３３と反強磁性層３２を残している。また、本実施例によると、図１５Ｂと図１４Ｂの比較から分かるように、Ｃ面より素子内部側における磁区制御膜５の残膜厚を図１４Ｂに示す実施例よりも確保することができる。このヘッド構造によると、エッチングによって生じるトラック領域（図１５Ａ）とトラック外領域（図１５Ｂ）の段差が図２Ａ及び図２Ｂに示す実施例や図１４Ａ及び図１４Ｂに示す実施例よりも少ないので、センサ膜２の素子高さ方向部分におけるエッチング不均一性が低減され、再付着による短絡の危険性を更に低減することが可能である。また、センサ膜２を構成する固定層や反強磁性層などの体積増加や形状異方性効果の向上により、特性安定化が可能となる。
図１５Ａ及び図１５Ｂに示した実施例のヘッド構造は、例えば図８Ｂ及び図１１に示したエッチング抑制層７を省略又は薄膜化し、図９Ａ及び図９Ｂに対応するセンサ膜２と磁区制御膜５をエッチングする工程で、これらの膜を途中までエッチングすることで得られる。
図１７Ａ及び図１７Ｂに示した実施例は、磁区制御膜５の上に磁区制御キャップ膜６を配置し、その磁区制御キャップ膜６を浮上面方向に向かって薄くなるように配置したものである。本実施例のヘッド構造によると、エッチングにさらされる磁区制御膜５の領域を低減できるので、磁区制御膜５へのエッチングダメージ低減が可能である。また、Ｃ面より素子内部側における形状は、トラック領域（図１７Ａ）及びトラック外領域（図１７Ｂ）共にセンサ膜２や磁区制御膜５を下部まで同様にエッチングしている。この構造の利点は、図１５Ａ及び図１５Ｂに示した実施例と同様に、センサ膜２の素子高さ方向部分におけるエッチング不均一性が低減され、再付着による短絡の危険性を低減できることである。また、本実施例のヘッド構造によって磁区制御磁界の素子高さ方向の傾斜を付加できる理由は、浮上面（ＡＢＳ）側よりも素子高さ方向内部（Ｃ）側において上部磁気シールド１２と磁区制御膜５との距離が拡大しているためである。このことによって浮上面側よりも素子高さ方向内部側の方が磁区制御膜５から上部磁気シールド１２へ漏洩する磁区制御磁界が低減し、結果として素子高さ方向内部側においてセンサ膜２に印加される磁区制御磁界を徐々に強くすることが出来る。
図１８Ａ及び図１８Ｂは、本発明の別の実施例を示す断面図である。本実施例のヘッド構造によると、センサ膜２や磁区制御膜５などのエッチング量を低減することで、素子短絡の懸念を更に低減しつつ、磁区制御キャップ膜６を付加することで磁区制御膜５へのエッチングダメージ低減が可能となる。本実施例のヘッド構造によって素子高さ方向での磁区制御磁界の傾斜を付加できる理由は、図１７Ａ及び図１７Ｂに示した実施例の場合と同様に、浮上面（ＡＢＳ）側よりも素子高さ方向内部（Ｃ）側において上部磁気シールド１２と磁区制御膜５との距離が拡大しているためである。
図１９Ａ及び図１９Ｂは、本発明の別の実施例を示す断面図である。本実施例によると、センサ膜２のエッチング量を低減することで素子短絡の懸念を更に低減しつつ、磁区制御キャップ膜６を付加することで磁区制御膜５へのエッチングダメージ低減が可能となる。本実施例の製造工程では、磁区制御膜５の上に磁区制御キャップ膜６を形成し、その上に図８Ｂ及び図２２に示すようにエッチング抑制層を形成した。本実施例のヘッド構造によって素子高さ方向での磁区制御磁界の傾斜を付加できる理由は、図１７Ａ及び図１７Ｂに示した実施例と同様に、浮上面（ＡＢＳ）側よりも素子高さ方向内部（Ｃ）側において上部磁気シールド１２と磁区制御膜５との距離が拡大しているためである。また、素子高さ方向（Ｃ）側の更に内部側においても磁区制御膜５を保持しているため、素子高さ方向（Ｃ）側の磁区制御磁界を更に強めることができる。
図２０Ａ及び図２０Ｂに示した実施例は、図２Ａ及び図２Ｂに示した実施例の変形例であり、センサキャップ膜３の膜厚が浮上面からＣ面の位置までほぼ一定の構造を有する。本実施例のヘッド構造も、磁区制御膜５の膜厚がＣ面から浮上面に近づくに従い薄くなる構造であり、本発明の効果が得られる。この構造の利点は、センサキャップ膜３に対して浮上面近傍での薄膜化を行っていないので、センサ膜２自体へのエッチングダメージを低減できることである。この効果は、センサ膜２の積層構造において、上部磁気シールド側に自由層を配置した場合において特に顕著である。
この場合の製造方法としては、傾斜エッチングを行う際、センサキャップ膜３の上に更に別の膜（犠牲層）を配置し、傾斜エッチングの影響をセンサキャップ膜３に与えず、その後で選択エッチングでこの膜（犠牲層）を除去する方法がある。一例としては、センサキャップ膜３をＣｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｉｒなどで構成した場合、犠牲層として例えばＴａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，Ｓｉ、又はこれらの酸化膜で構成すると良い。傾斜エッチング時のセンサキャップ膜３へのダメージはこの犠牲層で吸収し、最終的にはこれらの犠牲層はフッ素系のＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などで除去する事が可能である。他の犠牲層例としてはＤＬＣ，Ｒｕなども用いることが可能で、その場合、最後に酸素系のＲＩＥなどで除去する事が可能である。
以上、本発明の種々の実施例を示してきたが、複数の実施例の構造を組み合わせて用いることも可能である。一例として、図１７Ａの構造と図２Ｂの構造の組み合わせなども可能である。また、Ｃ面より素子内部側における形状として、トラック領域やトラック外領域の下部磁気シールド方向へのエッチング量は任意に設定が可能で、ここでは示していないが下部磁気シールドをオーバーエッチングし、掘り込む構造も可能である。
図２８は、垂直記録用記録再生分離型磁気ヘッドの構成例を示す模式図である。本発明の磁気ヘッド２００は、再生ヘッド６０と記録ヘッド５０で構成されている。記録ヘッド５０は垂直記録対応のヘッドであり、下部磁極５１、コイル５２、コイル絶縁膜５３、主磁極５４を有している。記録ヘッドには、面内記録用の記録ヘッドを用いることも可能である。再生ヘッド６０は、これまで実施例にて詳細に説明してきた本発明の再生ヘッドであり、図には下部磁気シールド１、センサ膜２、上部磁気シールド１２のみを示した。本発明の磁気ヘッドは、これまで説明してきた効果を有しており、狭トラック幅においても再生出力の低下を防止し、マグノイズを低減するものであり、ヘッドＳＮＲを向上させることが可能な薄膜磁気ヘッドである。
図２９は、本発明の磁気ヘッドを搭載した磁気記録再生装置の断面模式図である。この磁気記録再生装置は、磁気ディスク２６０、磁気ディスクを回転駆動するスピンドル２６１、先端部分に図２８に示した本発明の磁気ヘッド２００を備えるジンバル２６３、磁気ヘッド２００を磁気ディスク２６０の所望トラック位置に位置決めするためのボイスコイルモータ２６４、配線２６６、信号処理回路２５６を有している。磁気記録再生装置に本発明の再生ヘッドを組み込んだ磁気ヘッドを搭載することにより、従来よりもヘッドＳＮＲを向上させることが可能になり、高記録密度化が可能となる。
本発明は、垂直電流型磁気抵抗効果を利用する磁気センサや磁気ヘッドに利用できる。
１ 下部磁気シールド
２ センサ膜
３ センサキャップ膜
４ トラック絶縁膜
５ 磁区制御膜
６ 磁区制御キャップ膜
７ エッチング抑制層
８ 素子高さ規定レジストパターン
９ 素子高さ方向絶縁膜
１１ 上部磁気ギャップ膜
１２ 上部磁気シールド
１３ 固定層
２１ レジスト
２２ 素子高さパターン
３１ センサ下地層
３２ 反強磁性層
３３ 固定層
３４ 中間層
３５ 自由層
５０ 記録ヘッド
５１ 下部磁極
５２ コイル
５３ コイル絶縁膜
５４ 主磁極
６０ 再生ヘッド
２００ 磁気ヘッド
２６０ 磁気ディスク
２６１ スピンドル
２６３ ジンバル
２６４ ボイスコイルモータ
２６５ 信号処理回路
２ センサ膜
３ センサキャップ膜
４ トラック絶縁膜
５ 磁区制御膜
６ 磁区制御キャップ膜
７ エッチング抑制層
８ 素子高さ規定レジストパターン
９ 素子高さ方向絶縁膜
１１ 上部磁気ギャップ膜
１２ 上部磁気シールド
１３ 固定層
２１ レジスト
２２ 素子高さパターン
３１ センサ下地層
３２ 反強磁性層
３３ 固定層
３４ 中間層
３５ 自由層
５０ 記録ヘッド
５１ 下部磁極
５２ コイル
５３ コイル絶縁膜
５４ 主磁極
６０ 再生ヘッド
２００ 磁気ヘッド
２６０ 磁気ディスク
２６１ スピンドル
２６３ ジンバル
２６４ ボイスコイルモータ
２６５ 信号処理回路
Claims (10)
- 磁化方向が固定された固定層、中間層、及び外部磁界により磁化方向が変化する自由層を備えるセンサ膜と、
前記センサ膜の上に設けられたセンサキャップ膜と、
前記センサ膜の膜厚方向に電流を流す電極を兼ねる一対の上部磁気シールド及び下部磁気シールドと、
前記センサ膜のトラック幅方向の両側に接して配置されたトラック絶縁膜と、
前記トラック絶縁膜に接して前記センサ膜のトラック幅方向の両側に配置された磁区制御膜と、
前記センサ膜の浮上面と逆側の部分に配置された素子高さ方向絶縁膜とを有し、
前記素子高さ方向絶縁膜の前記センサ膜と接する浮上面側端部位置は、前記センサキャップ膜の素子高さ方向端部位置と略同一であり、
前記磁区制御膜は膜厚が素子高さ方向奥側から浮上面方向に向かって徐々に薄くなるような傾斜膜厚を有し、その膜厚が変化する開始位置は、前記素子高さ方向絶縁膜の浮上面側端部位置と略同一であることを特徴とする磁気ヘッド。 - 磁化方向が固定された固定層、中間層、及び外部磁界により磁化方向が変化する自由層を備えるセンサ膜と、
前記センサ膜の上に設けられたセンサキャップ膜と、
前記センサ膜の膜厚方向に電流を流す電極を兼ねる一対の上部磁気シールド及び下部磁気シールドと、
前記センサ膜のトラック幅方向の両側に接して配置されたトラック絶縁膜と、
前記トラック絶縁膜に接して前記センサ膜のトラック幅方向の両側に配置された磁区制御膜と、
前記磁区制御膜の上に配置された磁区制御キャップ膜と、
前記センサ膜の浮上面と逆側の部分に配置された素子高さ方向絶縁膜とを有し、
前記素子高さ方向絶縁膜の前記センサ膜と接する浮上面側端部位置は、前記センサキャップ膜の素子高さ方向端部位置と略同一であり、
前記磁区制御キャップ膜は膜厚が素子高さ方向奥側から浮上面方向に向かって徐々に薄くなるような傾斜膜厚を有し、その膜厚が変化する開始位置あるいは前記磁区制御キャップ膜の素子高さ方向端部位置は、前記素子高さ方向絶縁膜の浮上面側端部位置と略同一であることを特徴とする磁気ヘッド。 - 請求項１又は２記載の磁気ヘッドにおいて、前記センサキャップ膜の膜厚は、浮上面に近い位置より浮上面から遠い位置の方が厚いことを特徴とする磁気ヘッド。
- 請求項１〜３のいずれか1項記載の磁気ヘッドにおいて、前記下部磁気シールドと前記上部磁気シールドの間隔は、浮上面に近い領域より浮上面から遠い領域の方が広いことを特徴とする磁気ヘッド。
- 前記請求項１〜４のいずれか１項記載の磁気ヘッドにおいて、記録ヘッドを備えることを特徴とする磁気ヘッド。
- 下部磁気シールド上に、磁化方向が固定された固定層、中間層、及び外部磁界により磁化方向が変化する自由層を備えるセンサ膜と、センサキャップ膜を積層して形成する工程と、
前記センサ膜及び前記センサキャップ膜をトラック幅方向に所望の幅を残してエッチング加工する工程と、
前記センサ膜及び前記センサキャップ膜のエッチング端部にトラック絶縁膜を形成し、更にその上に磁区制御膜を形成する工程と、
素子高さ方向の寸法に前記センサ膜をエッチング加工する工程と、
前記センサ膜の素子高さ方向のエッチング端部に素子高さ方向絶縁膜を配置する工程と、
前記素子高さ方向絶縁膜をエッチングマスクとして、前記磁区制御膜上部を傾斜エッチングする工程と、
上部磁気シールドを形成する工程と、
を有することを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。 - 請求項６記載の磁気ヘッドの製造方法において、前記磁区制御膜上部を傾斜エッチングする工程では前記センサキャップ膜も同時に傾斜エッチングすることを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
- 請求項６又は７記載の磁気ヘッドの製造方法において、前記磁区制御膜の上に磁区制御キャップ層を形成し、前記磁区制御膜上部を傾斜エッチングする工程では前記磁区制御キャップ層を傾斜エッチングすることを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
- 請求項６又は７記載の磁気ヘッドの製造方法において、前記磁区制御膜上にエッチング抑制膜を形成し、素子高さ方向の寸法に前記センサ膜をエッチング加工する工程の際に前記磁区制御膜のエッチングを抑制することを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
- 請求項８記載の磁気ヘッドの製造方法において、前記磁区制御キャップ膜上にエッチング抑制膜を形成し、素子高さ方向の寸法に前記センサ膜をエッチング加工する工程の際に前記磁区制御膜のエッチングを抑制することを特徴とする磁気ヘッドの製造方法。
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