JP2907148B2

JP2907148B2 - 強磁性トンネル効果膜を用いた磁気抵抗効果素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2907148B2
Application number: JP8246133A
Authority: JP
Inventors: 勉三塚
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1999-06-21
Anticipated expiration: 2016-09-18
Also published as: JPH1093159A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果を有
する強磁性トンネル効果膜を使用した磁気抵抗効果素子
及びその製造方法に関し、特に、磁気ヘッドや磁場セン
サなどに適した磁気抵抗効果素子及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】外部磁場に対してその電気抵抗値が変化
する磁気抵抗効果を利用した素子が、磁気記録装置に用
いられる磁気ヘッド、あるいは磁場センサなどに、用い
られるようになってきている。

【０００３】磁気記録装置の分野においては、近年の磁
気記録媒体での高記録密度化に伴い、記録媒体からの漏
れ磁場が小さくなっており、磁気抵抗効果素子の磁気抵
抗変化率を高めて磁気ヘッドの磁場感度を高めることが
要請されているともに、磁気記録媒体に対向する磁気抵
抗効果素子をさらに小型化する必要が生じている。ま
た、磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッドでは、隣接す
る記録ビットからの磁場を遮蔽するための磁気シールド
間に磁気抵抗効果素子を挟んだ構造であるので、記録密
度が高くなって磁気媒体での記録ビット長が短くなると
きには磁気シールドの間隔を狭めることが望まれ、この
ため、磁気抵抗効果素子の総膜厚を薄くする必要があ
る。

【０００４】磁場センサの分野では、磁場感度を高める
ために、高い磁気抵抗変化率を有した磁気抵抗効果素子
の利用が要請されている。

【０００５】最近、強磁性トンネル効果を利用し、上部
強磁性体層／トンネルバリア層／下部強磁性体層という
多層構造を持つ磁気抵抗効果素子（強磁性トンネル効果
素子）が注目されている。トンネルバリアは、薄い絶縁
膜であって、トンネル効果によりスピンを保存しながら
電子が通過できるもののことである。また、強磁性トン
ネル効果は、トンネルバリア層を挟む１対の強磁性体層
間に電流を流す場合に、両方の強磁性体層の磁化の相対
角度に依存してトンネルバリアを流れるトンネル電流が
変化する現象である。この強磁性トンネル効果を用いた
磁気抵抗効果素子は、室温での磁気抵抗変化が大きいこ
とから、高感度の磁場センサデバイス材料として期待さ
れている（例えば、T. Miyazaki et al.; J. Magn. Mag
n. Mater., 139, L321(1995)など）。ここで上部強磁性
体層及び下部強磁性体層における「上部」及び「下部」
とは、磁気抵抗効果素子を形成するための基板との位置
関係を示す用語であり、一般に、基板に近い側が下部、
遠い側が上部である。

【０００６】強磁性トンネル効果素子を高記録密度磁気
記録媒体に対する読み出し用の磁気ヘッドとして利用す
るためには、前述したように、磁気記録媒体に対向する
磁性層の面積を小さくする必要がある。この観点からす
ると、上部強磁性体層及び下部強磁性体層をそれぞれ電
極としても用いるのは、磁性層の面積が大きくなるので
適当でない（例えば、特開平５−６３２５４号公報参
照）。

【０００７】強磁性トンネル効果素子の磁性層の面積を
小さくする方法としては、図７に示すように、上部強磁
性体層／トンネルバリア層／下部強磁性体層からなる多
層構造を小型化し、上部強磁性体層及び下部強磁性体層
をそれぞれ上部電極及び下部電極を接触させ、電流を両
電極間に流すという方法が提案されている（例えば、特
開平４−１０３０１４号公報、米国特許第５３９００６
１号明細書）。上部電極とは上部強磁性体層に対応する
電極のことであり、下部電極とは下部強磁性体層に対応
する電極である。

【０００８】図７に示す従来の磁気抵抗効果素子（強磁
性トンネル効果素子）は、基板５１の一表面上に下部電
極５６をパターニングして設け、下部電極５６上に下部
強磁性体層５２を設け、その後、トンネルバリアを含む
非磁性体層５３を全面に形成し、さらに、下部強磁性体
層５２に対応するように上部強磁性体層５４を非磁性体
層５３上にパターニングして設け、上部電極５７と上部
強磁性体層５４との接触部分を除いて残りを絶縁層５５
で覆い、上部電極５７を設けることによって形成されて
いる。この強磁性トンネル効果素子では、基板５１の表
面に、下から順に、下部電極５６、下部強磁性体層５
２、トンネルバリアを含む非磁性体層５３、上部強磁性
体層５４及び上部電極５７が配置されているという構造
を有しており、トンネルバリアを含む非磁性体層５３
は、下部強磁性体層５２、下部電極５６及び基板５１を
覆うように形成されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、小型化
のために上述の図７に示すような構造とされた強磁性ト
ンネル効果素子では、下部強磁性体層と基板との間にパ
ターニングされた下部電極が形成されており、下部電極
には断線を防ぐために比較的厚い膜厚が必要であるから
下部電極の表面に凹凸が生じるのが避けられず、その凹
凸が上層部側に転写する。すなわち、この従来の強磁性
トンネル効果素子では、トンネルバリア／（両）強磁性
体層界面に凹凸が生じやすく、トンネルバリアにはピン
ホールが生じやすかった。

【００１０】トンネルバリアにピンホールが生じると、
このピンホールによって、トンネル電流以外のリーク電
流が上部強磁性体層と下部強磁性体層の間を流れること
になる。リーク電流は強磁性体層での磁化の影響を受け
ないので、ピンホールによるリーク電流が存在すれば、
その分、磁気抵抗効果素子としての磁気抵抗変化率が低
下する。磁気抵抗変化率が大きな素子を得るためには、
トンネルバリアでのピンホールの発生を低減する必要が
あるが、上述のごとく、従来の強磁性トンネル効果素子
では、平坦性の良い下地上にトンネルバリアを形成する
ことが不可能なため、高い磁気抵抗変化率を持つ強磁性
トンネル効果素子を得ることは困難であった。

【００１１】また、従来の強磁性トンネル効果素子を磁
気ヘッドに応用した場合には、上部強磁性体層／トンネ
ルバリア層／下部強磁性体層からなる多層構造に、さら
に上部電極及び下部電極の膜厚を加わえた厚さが素子全
体の厚さを規定することになり、素子の薄型化及び小型
化を困難にしている。その結果、磁気ヘッドの１対の磁
気シールドの間隔を狭めることができず、最終的には、
磁気ディスク装置の高密度化が妨げられている。

【００１２】本発明の目的は、トンネルバリア／強磁性
体層界面を平坦化することによってトンネルバリアでの
ピンホールの発生が低減し、大きな磁気抵抗変化率を実
現でき、また従来よりも総膜厚を薄くすることができて
小型化できる、強磁性トンネル効果を用いた磁気抵抗効
果素子を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の磁気抵抗効果素
子は、少なくとも表面が電気絶縁性である基板と、基板
上に形成された下部強磁性体層と、上部強磁性体層と、
下部強磁性体層と上部強磁性体層に挟まれトンネルバリ
アを含む非磁性体層と、下部強磁性体層に接触する下部
電極と、上部強磁性体層に接触しかつ下部電極とは電気
的に絶縁されている上部電極と、からなる強磁性トンネ
ル効果膜を用いた磁気抵抗効果素子において、非磁性体
層と下部強磁性体層との接合領域の直下の領域において
基板に下部強磁性体層が直接接した構造を有し、下部強
磁性体層の表面のうち同一面において非磁性体層と下部
電極とが下部強磁性体層に接し、下部電極と下部強磁性
体層の接触領域及び上部電極と上部強磁性体層の接触領
域を規定する絶縁層が、下部強磁性体層、上部強磁性体
層及び非磁性体層に接するように設けられている。

【００１４】本発明の磁気抵抗効果素子において、基板
としては、表面が平滑であるものを使用することが好ま
しい。

【００１５】本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、
上述した本発明の磁気抵抗効果素子を製造するための方
法において、基板上に下部強磁性体層を設け、そのの
ち、下部電極との接触に用いられる露出部を下部強磁性
体層の表面に形成する工程を有する。またこの製造方法
においては、各接触領域を絶縁体によって規定する工程
を含むことが好ましく、さらに、各接触領域を絶縁体に
よって規定する工程ののちに、上部電極と下部電極とを
共通の成膜工程によって同一工程内で形成することが好
ましい。

【００１６】本発明によれば、上部強磁性体層／トンネ
ルバリア層／下部強磁性体層からなる多層構造が下部電
極を介在させることなく基板上に直接形成されるので、
基板表面に接して成膜された下部強磁性体層の上面に、
トンネルバリアを含む非磁性体層を接触させることがで
きる。下部強磁性体層の厚さを薄くできることにより基
板上に直接形成された下部強磁性体層の表面の平坦性は
良好であるので、トンネルバリア層と強磁性体層の界面
が平坦になる。これによって、トンネルバリアでのピン
ホールの発生が低減され、磁気抵抗変化率を高めた磁気
抵抗効果素子を作製することができる。

【００１７】さらに従来は、上部強磁性体層／トンネル
バリア層／下部強磁性体層からなる多層構造を上部電極
と下部電極とで挟み込んでいたので、電極のために電極
２層分の厚みを要する構造であったのに対し、本発明に
よれば、下部電極を下部強磁性体層の上面で下部強磁性
体層に接触させることができるため、上部電極１層分の
厚みの構造に収めることができる。したがって、本発明
では、従来の素子での下部電極の厚さの分だけ素子全体
の厚みを薄くすることができ、磁気抵抗効果素子の小型
化が図れる。

【００１８】本発明の高磁気抵抗率磁気抵抗効果素子を
用いることにより、高性能磁気ヘッドおよび磁場センサ
を作製することができる。また、磁気抵抗効果素子の厚
みが薄くなっているので、磁気ヘッドの小型化が可能に
なり、磁気ヘッドでの磁気シールド間隔を狭めることが
でき、結果として、磁気ディスク装置の高記録密度化が
図れる。

【００１９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一
形態の磁気抵抗効果素子（強磁性トンネル効果素子）の
構成を示す断面図である。この磁気抵抗効果素子は、強
磁性トンネル効果を利用したものである。

【００２０】基板１上に、下部電極層を介さずに直接、
下部強磁性体層２が形成されている。基板１としては、
例えばシリコンからなり表面に電気絶縁膜としての熱酸
化膜が形成され、かつ平滑な表面を有するものが使用さ
れる。下部強磁性体層２は所望の形状にパターニングさ
れて設けられており、基板１の上表面であって下部強磁
性体層２に接していない部分は、絶縁層５で覆われてい
る。そして、下部強磁性体層２の上面（基板１に接しな
い方の表面）には、トンネルバリアを含む非磁性体層３
及び上部強磁性体層４がこの順で、かつ下部強磁性体層
２の表面の一部を露出するように構成されている。下部
強磁性体層２のこの露出部分において、下部電極６と下
部強磁性体層２の表面が接触し、また、上部強磁性体層
４の上面において上部電極７と上部強磁性体層４の表面
とが接触している。また、下部電極６と上部電極７が電
気的に直接接触しないにようにするために絶縁層８が設
けられている。この絶縁層８は、下部強磁性体層２の上
面の一部（上述の露出表面の一部）に接して下部強磁性
体層２の上面での下部電極６の接触領域と非磁性体層３
や上部強磁性体層４の形成領域とを分離するとともに、
上部強磁性体層４の上表面の一部及び側面の一部と、ト
ンネルバリアを含む非磁性体層３の側面の一部に配置さ
れ、下部電極６と上部電極７を絶縁している。なお、下
部電極６及び上部電極７は、絶縁層５の上表面側に張り
出して形成されている。

【００２１】図２は、上述した磁気抵抗効果素子を用い
た磁気ヘッドの立体構造を示す斜視図である。

【００２２】次に、上述した磁気抵抗効果素子（強磁性
トンネル効果素子）の作製方法について説明する。図３
(a)〜(c)は、作製方法の一例について順を追って説明す
る断面図である。

【００２３】まず、シリコン上に膜厚３００ｎｍの熱酸
化シリコン層を形成した基板１上に、絶縁層５として、
厚さ２１０ｎｍの二酸化シリコン膜をＲＦ（高周波）ス
パッタ法により成膜した。そして、図３(a)に示すよう
に、絶縁層５を形成することになる二酸化シリコン膜に
対し、エッチングにより、基板１の表面が露出するよう
に穴２０を開けた。

【００２４】次に、この穴２０の中に、下部強磁性体層
２、非磁性体層３及び上部強磁性体層４をリフトオフ法
により積層した。まず、下部強磁性体層２として鉄をＤ
Ｃ（直流）スパッタ法により、板温度２００℃で厚さ１
００ｎｍに成膜した。次に、下部強磁性体層２の上に、
アルミニウム膜を真空蒸着法により厚さ１００ｎｍで成
膜し、そののち大気中に曝すことなく酸素圧約２７Ｐａ
（２００ｍｔｏｒｒ）の雰囲気中で１０分間放置してア
ルミニウム膜表面を１〜２ｎｍ酸化させ、トンネルバリ
アを含む非磁性体層３を形成した。アルミニウム膜表面
の酸化膜が、トンネルバリアとなる。

【００２５】続いて、非磁性体層３上に、上部強磁性体
層４として、鉄−コバルト合金（組成比１対１）をＤＣ
スパッタ法により、基板温度は室温で１００ｎｍの厚さ
に積層した。そして、非磁性体層３および上部強磁性体
層４の一部をエッチングし、図３(b)に示すように、下
部強磁性体層２の表面の一部を露出させた。そののち、
絶縁層８として酸化シリコンを膜厚２００ｎｍでＲＦス
パッタ法により成膜し、エッチングによりパターニング
した。そして、下部電極６及び上部電極７として、膜厚
１５０ｎｍの金をＲＦスパッタ法によって成膜し、引き
続きリフトオフ法によりパターニングし（図３(c)）、
磁気抵抗効果素子を完成させた。

【００２６】図４は、このようにして作製した磁気抵抗
効果素子のヒステリシス曲線である。図示されるよう
に、下部強磁性体層２と上部強磁性体層４との間に保磁
力に差があることを示す二段型のループ曲線が得られて
いる。下部強磁性体層２の単層での保磁力が１０Ｏｅで
あり、上部強磁性体層４の単層での保磁力が４０Ｏｅで
ある。この二段型のループ曲線は、印加磁場Ｈが１０Ｏ
ｅ〜４０Ｏｅの範囲及び−１０Ｏｅ〜−４０Ｏｅの範囲
では、下部強磁性体層２と上部強磁性体層４の磁化の向
きが反平行であることを示している。この他の印加磁場
の時には、両者の磁化の向きは平行である。強磁性トン
ネル効果素子においては、両磁性体層の磁化の向きが反
平行の時にはトンネル電流が流れにくくて抵抗は高くな
り、平行の時には抵抗は低くなる。

【００２７】図５は、この磁気抵抗効果素子の室温にお
ける磁気抵抗曲線である。印加磁場Ｈが１０Ｏｅ〜４０
Ｏｅの範囲及び−１０Ｏｅ〜−４０Ｏｅの範囲で下部強
磁性体層２と上部強磁性体層４の磁化の向きが反平行に
なったことに対応して、これらの範囲では抵抗が高くな
り、磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒとして最大２０％が得られ
ているのが分かる。

【００２８】図７あるいは特開平４−１０３０１４号公
報、米国特許第５３９００６１号明細書に示される従来
の磁気抵抗効果素子（強磁性トンネル効果素子）におけ
る磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒは最大５％であり、本実施の
形態の磁気抵抗効果素子の磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒはそ
れよりも高い。これは、基板上に直接、上部強磁性体層
／トンネルバリア層／下部強磁性体層からなる多層構造
を作製することで、トンネルバリア層と強磁性体層との
界面が平坦化し、トンネルバリアでのピンホールの発生
が低減されたことによる効果と考えられる。

【００２９】本実施の形態においては、強磁性体層をＤ
Ｃスパッタ法で成膜し、非磁性体層をＲＦスパッタ法で
成膜したが、他の成膜方法、例えば真空蒸着法やＣＶＤ
法を用いて成膜を行っても、上述と同様の結果を得るこ
とができる。また、ここでは、絶縁層５→下部強磁性体
層２→トンネルバリアを含む非磁性体層３→上部強磁性
体層４→絶縁層８→下部電極６及び上部電極７という順
序で成膜を行ったが、他の順序、例えば下部強磁性体層
２→トンネルバリアを含む非磁性体層３→上部強磁性体
層４をまずこの順で成膜した後に、絶縁層５,８をまと
めて成膜した場合でも、上述と同様の結果を得ることが
できる。また、パターニングの方法としてはエッチング
とリフトオフを併用したが、上述の説明でエッチングと
記載したところでリフトオフを行い、逆にリフトオフと
記載したところでエッチングを行っても、上述と同様の
結果を得ることができる。

【００３０】次に、本発明の別の実施の形態について説
明する。ここでは、上述した実施の形態による磁気抵抗
変化率を高めた磁気抵抗効果素子（強磁性トンネル効果
素子）を使用して、磁気ヘッドを作製した例を説明す
る。図６は、この磁気ヘッドの構成を示す断面図であ
る。

【００３１】上述の実施の形態での磁気抵抗効果素子１
０の両側に１対の磁気シールド９,１１を配置し、さら
に、磁気シールド１１の外側に、書き込み用磁気ポール
１２と書き込み用磁気コイル１３を配置してある。この
磁気ヘッドでは、磁気抵抗効果素子１０に使用される電
極について、従来は電極２層分の厚みが必要であったの
に対し、ここでは１層分で十分になったために、磁気抵
抗効果素子１０をそれだけ薄くすることができ、その結
果、磁気シールド９,１０の間隔を狭めることが可能に
なり、より高記録密度での磁気記録に対応できることに
なった。

【００３２】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明においては、強磁性体層の材料、トンネル
バリアの材料、非磁性体層の材料、絶縁層の材料など
は、上述の実施の形態に記載されたものに限定されるこ
とはない。また、上述の磁気抵抗効果素子を用いて、磁
場感度の良い磁気センサも作製することもできた。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、下部電極
層を介在させることなく、上部強磁性体層／トンネルバ
リア層／下部強磁性体層からなる多層構造を基板上に直
接形成することにより、トンネルバリアを含む非磁性体
層が、基板表面に接して成膜され表面の平坦性が良好で
ある下部強磁性体層の上面に接触することになるので、
トンネルバリア層と強磁性体層の界面が平坦になり、ト
ンネルバリアでのピンホールの発生が低減され、磁気抵
抗変化率が高められ小型化された磁気抵抗効果素子を作
製することができるようになるという効果がある。ま
た、磁気抵抗変化率の高い磁気抵抗効果素子を含む磁気
ヘッドおよび磁気センサを作製することができる。さら
に、この磁気抵抗効果素子は素子全体の膜厚を薄くする
ことができるため、磁気ヘッドに応用した際に磁気ヘッ
ドの磁気シールドの間隔を狭めることができ、磁気ディ
スク装置の高密度化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態の磁気抵抗効果素子の構
成を示す斜視断面図である。

【図２】図１に示す磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッ
ドの立体構成を示す斜視図である。

【図３】(a)〜(c)は、図１に示す磁気抵抗効果素子の作
製方法を説明する断面図である。

【図４】図１に示す磁気抵抗効果素子の磁気ヒステリシ
ス曲線を示すグラフである。

【図５】図１に示す磁気抵抗効果素子の磁気抵抗曲線を
示すグラフである。

【図６】本発明の別の実施の形態による磁気ヘッドを示
す断面図である。

【図７】強磁性トンネル効果を用いた従来の磁気抵抗効
果素子の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１基板２下部強磁性体層３トンネルバリアを含む非磁性体層４上部強磁性体層５,８絶縁層６下部電極７上部電極９,１１磁気シールド１０磁気抵抗効果素子１１書き込み用磁気ポール１２書き込み用磁気コイル

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 43/08 G01R 33/09 G11B 5/39 H01L 43/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも表面が電気絶縁性である基板
と、前記基板上に形成された下部強磁性体層と、上部強
磁性体層と、前記下部強磁性体層と前記上部強磁性体層
に挟まれトンネルバリアを含む非磁性体層と、前記下部
強磁性体層に接触する下部電極と、前記上部強磁性体層
に接触しかつ前記下部電極とは電気的に絶縁されている
上部電極と、からなる強磁性トンネル効果膜を用いた磁
気抵抗効果素子において、前記非磁性体層と前記下部強磁性体層との接合領域の直
下の領域において前記基板に前記下部強磁性体層が直接
接した構造を有し、前記下部強磁性体層の表面のうち同一面において前記非
磁性体層と前記下部電極とが前記下部強磁性体層に接
し、前記下部電極と前記下部強磁性体層の接触領域及び前記
上部電極と前記上部強磁性体層の接触領域を規定する絶
縁層が、前記下部強磁性体層、前記上部強磁性体層及び
前記非磁性体層に接するように設けられていることを特
徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を製
造する製造方法において、前記基板上に前記下部強磁性
体層を設け、そののち、前記下部電極との接触に用いら
れる露出部を前記下部強磁性体層の表面に形成する工程
を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方
法。
【請求項３】前記各接触領域を絶縁体によって規定す
る工程を含む請求項２に記載の磁気抵抗効果素子の製造
方法。
【請求項４】前記各接触領域を絶縁体によって規定す
る工程ののちに、前記上部電極と前記下部電極とを共通
の成膜工程によって同一工程内で形成する、請求項３に
記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を用
いた磁気ヘッド。
【請求項６】請求項１に記載の磁気抵抗効果素子を用
いた磁場センサ。