JP3790183B2

JP3790183B2 - Magnetoresistive element, method for manufacturing the same, magnetic head, and magnetic reproducing apparatus

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Publication number: JP3790183B2
Application number: JP2002095514A
Authority: JP
Inventors: 進橋本; 知己船山; 武男坂久保; 政司佐橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003298144A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気抵抗効果素子及びその製造方法、磁気ヘッド並びに磁気再生装置に関し、より詳細には、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の磁気抵抗効果素子及びその製造方法、これを用いた磁気ヘッド並びに磁気再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＨＤＤ（Hard Disk Drive：ハードディスクドライブ）の磁気記録密度は飛躍的に向上しているが、更なる高記録密度化が望まれている。高記録密度化に伴う記録ビットサイズの微小化により、従来の薄膜ヘッドでは再生感度が不充分となり、現在では磁気抵抗効果（MagnetoResistive effect）を利用した磁気抵抗効果型ヘッド（ＭＲヘッド）が主流となっている。その中でも、特に大きな磁気抵抗効果を示すものとして、スピンバルブ（spin-valve）型巨大磁気抵抗効果型ヘッド（ＳＶＧＭＲヘッド）が注目されている。
【０００３】
一方、高記録密度化により、薄膜磁気ヘッド走行時の記録媒体からの浮上量は低下している。これは、小さな媒体ビット磁界をセンスするためである。このような傾向から、今後は、記録媒体と間欠的な接触あるいは定常的な接触状を維持しながら磁気ヘッドを走行させることも避けられないであろうと予想される。また、高記録密度化以外の観点からみても、今後の世の中のマルチメディア化が進むにつれて、オーディオや映像などのＡＶ機器へのＨＤＤの搭載が予想される。ＡＶ機器への搭載には、ＨＤＤの信頼性、特に外部からの機械的な衝撃による耐性が重要となる。その際、磁気ヘッドは媒体表面と接触することが考えられるために、接触に強い磁気ヘッド開発が望まれている。
【０００４】
しかしながら、上述した従来のＳＶヘッドは、再生時に記録媒体との接触により発生する熱によって異常な抵抗変化を示すこと（サーマルアスペリティ）がよく知られている。従って、媒体対向面に感磁部が露出する従来のＭＲヘッドおよびＳＶＧＭＲヘッドは、今後の高記録密度化には適応しにくくなる。
【０００５】
そこで、種々の構造のヨーク型磁気ヘッドが考案されている。ヨーク型磁気ヘッドは、媒体対向面にＳＶ（スピンバルブ）部の感磁部が露出していないために、上述したサーマルアスペリティに強い。その中でも、短磁路化が可能であり、ヘッドスライダの軽量化が容易な「水平ヨーク型磁気ヘッド」が注目されている。
【０００６】
ＭＲ素子の観点からは、近年の急激な微細化により、膜面に対して平行方向にセンス電流を通電する従来のＣＩＰ（Current In Plane：面内通電）型の電極構造は製造プロセスにおいて微細加工が非常に困難となると予想される。このため、膜面に対して略垂直方向にセンス電流を通電するＣＰＰ（Current Perpendicular to Plane：垂直通電）型のＭＲ素子（ＣＰＰ−ＭＲ素子）が注目を集めている。垂直通電型の素子で代表的なものとしては、近年超巨大な磁気抵抗効果を発現している電子のトンネル効果を利用したトンネル型ＭＲ素子（Tunneling MagnetoResistive Effect：ＴＭＲ素子）がある。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような垂直通電型の磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいては、その再生出力を高めるためにＭＲ膜の抵抗変化率を大きくする必要があり、また、通電による発熱で素子が熱破壊する問題も解決する必要がある。
【０００７】
抵抗変化率の向上は、材料開発などによりある程度解決されつつあるが、発熱や応力による素子破壊については、未だ十分な対策がなされていないのが現状である。
【０００８】
また一方、本発明者が独自に行った試作・検討の結果、垂直通電型の磁気抵抗効果型素子の場合、下側電極のピラー状の凸部の上に磁気抵抗効果膜を形成すると、磁気抵抗効果膜を形成すべき面の平坦化が困難である。その結果として、磁気抵抗効果膜が、下地の凹凸に応じて湾曲して形成されたり、また、磁気抵抗効果膜の各層の膜厚に「むら」が生じたり、特性が低下しやすいという問題があることが判明した。
【０００９】
図１９は、このような磁気抵抗効果膜の膜厚の「むら」を説明するための模式断面図である。すなわち、同図は、ピラー状の凸部Ｐを有する下側電極２ａとその凸部Ｐの周囲を埋め込む絶縁体層３ａと、その上に形成された磁気抵抗効果膜６を表す。
【００１０】
ここで、下側電極２ａは、例えば膜厚が１５０ナノメータ程度で凸部Ｐの高さが５０ナノメータ程度の磁気シールド機能も兼ねたニッケル鉄（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０）（組成は原子パーセントである）により形成することができる。そして、凸部Ｐの周囲を絶縁体層３ａにより埋め込み、その上に、膜厚が４０ナノメータ程度の磁気抵抗効果膜６を形成する。
【００１１】
この場合、磁気抵抗効果膜６を形成する表面は平坦であることが望ましい。このために、例えば、凸部Ｐを有する電極２ａと絶縁体層３ａを形成した後に、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing：化学機械研磨）などの方法により、表面を平坦化する方法が考えられる。
【００１２】
しかし、電極２ａと絶縁膜３ａとでは、材質が大幅に異なるために、機械的にも化学的にもエッチングのされ方が大幅に異なる。このため、ＣＭＰも含めた従来の平坦化方法では、その表面を十分に平坦且つ平滑にすることが困難であることが判明した。その一例としては、例えば、図１９に表したように、電極凸部Ｐの両端付近に突起Ｒが形成されてしまう場合がある。また、この他にも、後に本発明の実施例に関して詳述するように、電極の凸部Ｐが、その周囲の絶縁体層３ａよりも高く形成される場合もある。また、その反対に、周囲の絶縁体層３ａの方が凸部Ｐよりも高く形成される場合もある。さらに、電極の凸部Ｐと絶縁体層３ａとの間に、溝状の凹部が形成されてしまう場合もあった。
【００１３】
本発明者の検討によれば、ＣＭＰ法を用いて、その研磨条件やスラリー（研磨剤）の最適化を試みた場合でも、これら突起Ｒや、凸部Ｐと周囲の絶縁体層３ａとの段差あるいは溝状の凹部を完全になくすことは困難であり、その高さは１０ナノメータ程度、あるいはそれ以上となる場合が多かった。
【００１４】
また、このような突起Ｒの他にも、図２０に例示したように、凸部Ｐの周囲に、溝状の「ふちだれ」が生じたり、また、図２１に例示したように、凸部Ｐと絶縁体層３ａとの表面の高さが異なり「段差」が生ずる場合もあった。
【００１５】
このため、その上に形成する膜厚が４０ナノメータ程度の磁気抵抗効果膜６は、突起Ｒや「ふちだれ」や「段差」の形状を反映するように高さ方向に「うねり」や「湾曲」して形成される。その結果として、磁気抵抗効果膜６を構成する磁性体層や非磁性体層の膜厚に「むら」が生じたり、磁性層（磁化固着層と磁化自由層など）の間の磁気的な結合が不均一となる。そして、このような「むら」や「不均一」は、磁気抵抗変化率の低下や特性のばらつきを引き起こす。
【００１６】
本発明はかかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、垂直通電型の磁気抵抗効果素子において、下側電極の凸部の上においても、磁気抵抗効果膜を平坦に形成することにより、磁気抵抗変化が大きく、特性が安定した磁気抵抗効果素子及びその製造方法、またこの磁気抵抗効果素子を用いた磁気ヘッド並びに磁気再生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の磁気抵抗効果素子は、
上方に向けて突出した凸部を有する下側電極と、
前記凸部の周囲を取り囲むように設けられた絶縁体層と、
前記凸部及びその周囲の前記絶縁体層の表面に生じた凹凸を埋め込んで上面が略平坦に形成された平坦化導電層と、
前記平坦化導電層の前記略平坦な前記上面に積層された磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の上に設けられた上側電極と、
を備えたことを特徴とする。
【００１７】
ここで、前記凹凸は、前記凸部及びその周囲の前記絶縁体層の表面に生じた段差、溝及び突起の少なくともいずれかであるものとすることができる。
【００１８】
また、本発明の第２の磁気抵抗効果素子は、
上方に向けて突出した凸部を有する下側電極と、
前記凸部の周囲を取り囲むように設けられた絶縁体層と、
前記凸部及びその周囲の前記絶縁体層の上に設けられた平坦化導電層と、
前記平坦化導電層の上に設けられた磁気抵抗効果膜と、
前記磁気抵抗効果膜の上に設けられた上側電極と、
を備え、
前記平坦化導電層は、前記凸部及びその周囲の前記絶縁体層に接するその下面よりも、前記磁気抵抗効果膜に接するその上面のほうが平坦に形成されてなることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の第３の磁気抵抗効果素子は、
上方に向けて突出した凸部を有する下側電極の前記凸部と、前記凸部の周囲を取り囲むように設けられた絶縁体層と、の上に、導電性材料からなる層を堆積しさらにその表面をエッチングあるいは研磨により平坦化処理を施すことにより平坦化導電層を形成し、前記平坦化導電層の上に磁気抵抗効果膜を形成したことを特徴とする。
【００２０】
ここで、前記磁気抵抗効果膜の両側に隣接して設けられた一対のバイアス印加膜をさらに備え、
前記平坦化導電層は、前記一対のバイアス印加膜の下にも延在して設けられたものとすることができる。
【００２１】
また、前記絶縁体層は、前記平坦化導電層に接して上側に設けられた第１の絶縁性材料からなる第１の層と、前記第１の層の下に設けられ前記第１の絶縁性材料とは異なる第２の絶縁性材料からなる第２の層と、を有するものとすることができる。
【００２２】
また、前記磁気抵抗効果膜は、磁化方向が実質的に一方向に固着された第１の磁性体膜を有する磁化固着層と、磁化方向が外部磁界に対応して変化する第２の磁性体膜を有する磁化自由層と、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、を有する磁気抵抗効果膜と、を有するものとすることができる。
【００２３】
一方、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法は、
上方に向けて突出した凸部を有する下側電極及び前記凸部の周囲を取り囲む絶縁体層を形成する工程と、
前記凸部及びその周囲の前記絶縁体層の上に、導電性材料からなる層を堆積する工程と、
前記導電性材料からなる層の上面をエッチングあるいは研磨により平坦化して平坦化導電層を形成する工程と、
前記平坦化導電層の上に磁気抵抗効果膜を形成する工程と、
を備えたことを特徴とするる
一方、本発明の磁気ヘッドは、上記いずれかの磁気抵抗効果素子を備えたことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の磁気再生装置は、この磁気ヘッドを備え、磁気記録媒体に磁気的に記録された情報の読み取りを可能としたことを特徴とする。
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を例示する模式図である。
【００２６】
すなわち、本発明の磁気抵抗効果素子は、上方に向けて突出するように形成された凸部Ｐを有する下側電極２ａと、その上に設けられた平坦化導電層５と、その上に設けられた磁気抵抗効果膜６と、その上面にピラー状に凸部Ｐを接続して設けられた上側電極２ｂと、これらの周囲を埋め込むように設けられた絶縁体層３と、を有する。
【００２７】
すなわち、本発明においては、下側電極２ａと磁気抵抗効果膜６との間に、平坦化導電層５が設けられている。この平坦化導電層５は、その下面５Ａを見ると、平坦ではなく、下側電極２ａの凸部Ｐの表面の突起（図示せず）やその周囲の絶縁体層３との間に生ずる段差に応じた非平面を有する。一方、平坦化導電層５の上面５Ｂを見ると、ほぼ平坦に形成されている。つまり、平坦化導電層５の膜厚は、膜面内において一定ではなく、下側電極２ａの凸部Ｐあるいはその周囲に生ずる突起、段差、溝などを埋め込んで平坦化する作用を有する。
【００２８】
また、磁気ヘッドの設計仕様によっては、平坦化後の平坦化導電層５は下側電極２ａの凸部Pの上に残らなくても良く、即ち、平坦化導電層５が下側電極２ａの凸部Pの周囲に残る状態であっても良い。
【００２９】
平坦化導電層５は、後に詳述するように、各種の金属や、導電性を有する化合物などにより形成することができる。また、下側電極２ａの凸部Ｐの周囲の凹凸を吸収して平坦化するために、平坦化導電層５の膜厚は、凸部Ｐの周囲の凹凸の高さに応じて適宜決定することが望ましい。
【００３０】
本発明によれば、まず、このような平坦化導電層５を設けることにより、図１９に関して前述したような磁気抵抗効果膜６の膜厚の「むら」や、膜の「うねり」または「湾曲」による磁気的結合の不安定性を解消することができる。その結果として、磁気抵抗変化率の低下を抑制し、高い感度の磁気検出が可能な磁気抵抗効果素子を安定して提供することができる。
【００３１】
またさらに、本発明によれば、平坦化導電層５を設けることにより、磁気抵抗効果膜６の熱蓄積や膜応力による破壊等の問題を解決することが可能となる。すなわち、平坦化導電層５が放熱経路として作用するため、磁気抵抗効果膜６からの放熱性が向上する。その結果として、従来よりも高い記録密度の磁気記録システムにおいて、記録媒体に近接させて走行させた場合にも、発熱による特性の劣化が抑制され、安定した再生が可能となる。
【００３２】
一方、本発明によれば、平坦化導電層５をバイアス膜の下地層として作用させることも可能となる。
【００３３】
図２は、平坦化導電層５をバイアス膜１７の下にまで延在させた構造を例示する模式断面図である。すなわち、スピンバルブ構造などの磁気抵抗効果素子の場合、磁化自由層（「フリー層」などとも称される）の磁区構造を制御してバルクハウゼン・ノイズ（Barkhausen noise）を抑制するために、磁気抵抗効果膜６の両端にバイアス膜１７が設けられることが多い。このバイアス膜１７は、反強磁性体やハード磁性体などからなる。
【００３４】
本発明によれば、同図に例示した如く、これらバイアス膜１７の下にまで平坦化導電層５を延在させることにより、バイアス膜１７の下地層として作用させることができる。すなわち、平坦化導電層５が、バッファ（buffer）あるいはシード（seed）として作用することにより、バイアス膜１７の結晶性や配向方向などを所定の範囲に制御し、良好なバイアス磁界を得ることができる。
【００３５】
このような平坦化導電層５の製造方法について概説すると以下の如くである。すなわち、まず第１の方法としては、凸部Ｐを有する下側電極２ａを形成し、その上に絶縁体を堆積してエッチバック等の手法により表面を略平坦化した後に、その表面に、平坦化導電層５を形成することができる。
【００３６】
また、第２の方法としては、凸部Ｐを有する下側電極２ａを形成し、次いで、この電極上に絶縁体を形成した後、基板表面を直接ＣＭＰにより研磨するか、もしくは、低粘度の有機レジストを塗布した後に、ＲＩＥ（reactive ion etching）やイオンミリング（ion milling）など方法を用いて、その表面の凹凸が、例えば、３０ナノメータから１００ナノメータ程度になるまでの略平坦化を施す。
【００３７】
なお、この平坦化工程において、さらに良好な表面性を得るためには、ＣＭＰで用いるスラリーを最適化したり、下側電極２ａの凸部Ｐの高さを低くして初期の段差を小さくする等の施策が考えられるが、いずれの場合も膜面垂直通電タイプの磁気抵抗効果型磁気ヘッドに適応することは容易でない。
【００３８】
そこで、このように表面の凹凸が３０ナノメータから１００ナノメータ程度にまで略平坦化された膜面上に平坦化導電層５を形成することで、略平坦化した際に発生する電極の凸部Ｐと絶縁体３ａとの異種材料の境界で発生する「突起」、「段差」「溝」などの凹凸を覆うことができる。
【００３９】
また、この平坦化導電層５の表面は、一般的なスラリーを用いたＣＭＰによって確実且つ容易に平坦且つ平滑に研磨できる。すなわち、単一材料を研磨することになるため、研磨後のスクラッチが少なく、１０ナノメータを十分に下回る平滑性を容易に得ることができる。
【００４０】
平坦化導電層５の材料としては、周期律表においてIVａ族のチタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、Ｖａ族のバナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、VIａ族のクロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、貴金属の銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ならびにアルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。そして、より好ましくは、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、アルミニウム（Ａｌ）、シリコン（Ｓｉ）の少なくとも一種を含む合金や、これらの酸化物（例えば、ＴｉＯｘ，ＺｒＯｘ，ＨｆＯｘ，ＴａＯｘ，ＣｒＯｘ等）や窒化物（例えば、ＴｉＮｘ，ＺｒＮｘ，ＨｆＮｘ，ＴａＮｘ，ＣｒＮｘ，ＭｏＮｘ，ＷＮｘ，ＡｌＮｘ，ＳｉＮｘ等）ならびにこれらの酸窒化合物であって、導電性を有するものを挙げることができる。
【００４１】
平坦化導電層５の電気抵抗（ρ）は、ρ≦１０００μΩｃｍであることが望ましい。平坦化導電層５の電気抵抗（ρ）が１０００μΩｃｍ以上になると、下側電極２ａの凸部Ｐと磁気抵抗効果膜６との間に電流が流れにくくなり、出力を得るために大きな電流を投入すると、その電流磁界により磁気抵抗効果膜６の磁区の乱れによる抵抗変化の低下や磁気抵抗効果膜６の破壊等の問題が発生するおそれがあるからである。
【００４２】
一方、平坦化導電層５の膜厚（ｔ）は、平坦化導電層５を堆積する前の略平坦化工程後の下側電極２ａの凸部Ｐの近傍の表面が凹形状の場合、この凹の深さ（ｄ０）より厚く、ｄ０＜ｔ＜（ｄ０＋１００）（ナノメータ）の範囲であることが望ましい。膜厚ｔがｄ０以下だとＣＭＰを施しても凹部を十分に埋めることができず、また、膜厚ｔが（ｄ０＋１００）ナノメータ以上であると、ＣＭＰにおける研磨量が多くなり、研磨量の制御性が悪くなる傾向がみられるからである。
【００４３】
一方、平坦化導電層５を堆積する前の、略平坦化後の下側電極の凸部Ｐの付近の表面が凸形状の場合、この凸の高さをｄ’０とすると、膜厚ｔは、０＜ｔ＜（ｄ’０＋５０）（ナノメータ）の範囲内とすることが望ましく、０＜ｔ＜ｄ’０の範囲内とすることがより望ましい。
【００４４】
一方、下側電極２ａの材質ならびにその凸部Ｐの形状は、ＣＰＰ−ＭＲ素子の設計仕様に順ずるのもで良く、特に限定はされない。また、このとき用いる絶縁体層３の材料も、特に限定されないが、例えば、シリコン（Ｓｉ）やアルミニウム（Ａｌ）の酸化物や窒化物ならびにこれらの複合物を用いることができ、電気的な絶縁を十分に確保するために、これらを積層した多層膜でもよい。但し、絶縁体層３の膜厚は、凸部Ｐの高さらに対してマイナス２０パーセントから若干厚いことが必要であり、さらにこの凸部Ｐの高さ＋２００（ナノメータ）以下の厚さであることが望ましい。このように凸部Ｐの高さから、マイナス２０パーセントから、プラス２００（ナノメータ）までの範囲にすることで、略平坦化での「ふちだれ」や表面凹凸の制御がより容易となる。
【００４５】
なお、本発明において、下側電極の凸部Ｐ形成方法としては、上述した方法のほかにも、平坦な電極の上に開口を有する絶縁体層を形成し、その開口を電極材料で埋め込む方法によってもよい。すなわち、絶縁体層の開口の中に電極材料を埋め込むことにより凸部Ｐを形成し、全体を例えばＣＭＰ、イオンミリングやエッチバック等の方法で略平坦化して、その上に平坦化導電層を設けて仕上げの研磨（例えば、ＣＭＰ等）を施してもよい。この場合にも、平坦化導電層５を設けることにより、凸部Ｐの表面でで発生する「ふちだれ」を吸収して、十分に平坦且つ平滑な表面を得ることができる。
【００４６】
またこの場合、絶縁体層の最表面に平坦化ストッパ層を設けることで、略平坦化時のモニターが容易になり、その平坦化度も向上する。また、この平坦化ストッパ層として、非磁性の高抵抗材料、できれば絶縁材料を用いることで上下電極間の絶縁確率が大幅に向上する。この平坦化ストッパ層の電気抵抗（ρ）としては、１０００μΩｃｍ以上が望ましい。さらに、凹絶縁体と電極との間に絶縁体密着層を設けても良い。
【００４７】
以下、実施例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。
【００４８】
（第１の実施例）
まず、本発明の第１の実施例として、図１に表した構造の磁気抵抗効果素子の試作例について説明する。
【００４９】
図３乃至図５は、本実施例の磁気抵抗効果素子の要部製造工程を表す工程断面図である。
【００５０】
本実施例においては、まず、図３（ａ）に表したように、凸部Ｐを有する電極２ａと、測定用の電極端子部（図示せず）とを形成する。本実施例においては、磁気抵抗効果素子の磁気特性の確認を主目的としていたために、磁気ヘッドとして機能させるために必要な磁気シールド、磁化固着膜や記録部は作製しなかった。
【００５１】
最初に、厚さが約０．６ミリメータで直径が３インチのシリコン基板１の上に、通常のスパッタ法を用いて基板側から膜厚５ナノメータのタンタル（Ｔａ）と膜厚４００ナノメータの銅（Ｃｕ）と膜厚１０ナノメータのタンタル（Ｔａ）を積層した。
【００５２】
次いで、直径が約１マイクロメータで高さが約１．２マイクロメータのレジストパターン（Ｖ９０：東京応化製）をｇ線ステッパ（ステップ式投影露光装置）を用いて形成し、さらにイオンミリング装置を用いて、凸部Ｐの高さが５００ナノメータになるまで加速電圧が５００［ｅＶ］でビーム電流が２００［ｍＡ］のアルゴン（Ａｒ）イオンを照射してエッチングした後、レジストを通常の半導体プロセスで除去して図３（ａ）に表したような凸部Ｐを形成した。
【００５３】
次に、図３（ｂ）に表したように、電極２ａの上に厚さ７００ナノメータの絶縁体３ａを形成した。ここで、絶縁体３ａとしては、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）を用いた。絶縁体３ａの具体的な形成方法としては、直径が５インチで厚さが８ナノメータのシリコン（Ｓｉ）をターゲットとしてアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ_２）ガスの混合ガスを導入した反応性スパッタを行い、その膜厚は凸部Ｐの高さよりも厚く形成した。また、凸部Ｐを反映して形成される絶縁体３ａの表面の凸形状のテーパ角度を調整するために、スパッタの際に高周波のバイアスを印加した。このような条件で作製した図３（ｂ）の構造の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）で観察したところ、絶縁体３ａのテーパ角度は約４２度であり、電極２ａの凸部Ｐに対する位置の「ずれ」が５０ナノメータ以下と、位置合わせ精度が非常に良好であることも併せて確認できた。
【００５４】
次に、図３（ｃ）に表したように、厚さが１．２マイクロメータの平坦化レジスト４を塗布しベーキングを施した。平坦化レジスト４としては、低粘度のＯＦＲ（東京応化製）レジストを用いた。このように塗布・ベーキングされた試料の表面凹凸をαステップ（触針式の表面段差計）で測定したところ、その凹凸は５０ナノメータ以下で非常に平坦であることを確認した。
【００５５】
次に、平坦化レジスト４と絶縁体３ａに対してエッチバックを施すことにより、表面を比較的平らにして、図４（ａ）に表した状態を得た。本実施例におけるエッチバックの具体的な方法としては、平行平板タイプのＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置に試料をセットした後、エッチングガスとして四フッ化炭素（ＣＦ_４）を圧力が５パスカル（Ｐａ）になるまで導入した後、１００ワット（ｗ）の高周波を投入してエッチングを行った。このときのエッチング速度は、平坦化レジスト４が９７ナノメータ毎分（ｎｍ／ｍｉｎ．）でＳｉＯｘ絶縁体３ａが１１０ナノメータ毎分（ｎｍ／ｍｉｎ．）と、ほぼ両者のエッチング速度が等しい条件を用いた。
【００５６】
なお、エッチバックの方法としては、ＲＩＥの代わりに平坦化レジスト４と絶縁体３ａのエッチング速度が略等しい条件が得られるイオンミリング、ＲＩＢＥ（Reactive Ion Beam Etching）やＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）等他のエッチング方法や平坦化レジストを塗布しないで直接ＣＭＰを行う方法など他の方法を用いることも可能である。
【００５７】
ＲＩＥを用いたエッチバック法で略平坦化した試料の表面凹凸を、αステップで測定したところ、３０ナノメータであった。
【００５８】
次に、図４（ｂ）に示すように平坦化導電層５を形成した。本実施例においては、平坦化導電層５の材料として、電極２ａの凸部Ｐの最表面と同一材料であるタンタル（Ｔａ）を選んだ。また、その膜厚は、エッチバック後の凹凸よりもやや大きい５０ナノメータとした。平坦化導電層５の膜形成は、通常のＲＦマグネトロンスパッタ法で行い、その後に表面凹凸を測定したところ、５０ナノメータ以下であることを確認した。
【００５９】
次に、図４（ｃ）に表したように、平坦化導電層５をＣＭＰで平坦平滑化の研磨処理を施して、その表面を平坦にした。このとき、ＣＭＰ用のスラリーとしては、ＣＨＳ７００（芝浦メカトロニクス（株）製）を用いた。その結果、ＣＭＰ後の表面凹凸は非常に小さくなり、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）で表面の凹凸を測定したところ、電極２ａの凸部Ｐの周囲で５ナノメータ以下であり、非常に平坦性と平滑性の優れた表面が得られていることが確認できた。
【００６０】
また、電極２ａの凸部Ｐの近傍をＦＩＢ（Focused Ion Beam）により断面観察用に加工し、高分解能ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で平坦化導電層５の残り量と「ふちだれ」の埋め込み状態を観察したところ、平坦化導電層５の残り量が約１０ナノメータで電極２ａの凸部Ｐと絶縁体層３ａとの境にある「ふちだれ」部分に平坦化導電層がきれいに埋め込まれていることが確認できた。
【００６１】
次に、このように良好な表面性を有する平坦化導電層５の上に、磁気抵抗効果膜６を形成し、素子レジストパターンの形成とエッチングならびにレジストの除去により、図４（ｄ）に表したような断面構造を形成した。
【００６２】
ここで、磁気抵抗効果膜６の膜構成は、平坦化導電層５の側から順に、膜厚５ナノメータのタンタル（Ｔａ）の下地層、膜厚２ナノメータのニッケル鉄（ＮｉＦｅ）と膜厚３ナノメータのコバルト鉄（ＣｏＦｅ）とからなる磁化自由層（フリー層）、膜厚２ナノメータの銅（Ｃｕ）の非磁性中間層（スペーサ層）、膜厚４ナノメータのコバルト鉄（ＣｏＦｅ）の磁化固着層（ピン層）と膜厚１０ナノメータの白金マンガン（ＰｔＭｎ）の反強磁性層とした。
【００６３】
磁気抵抗効果膜６の形成は、通常のスパッタ法で行った。その後、８×１０^５アンペア／メータ（Ａ／ｍ）の磁界を印加した状態で、真空中で２７０℃において約４時間の熱処理を施すことにより、磁気抵抗効果膜６の磁化固着層に一軸性の磁気異方性を付与した。
【００６４】
次いで、磁気抵抗効果膜６の上に、厚さが４００ナノメータのＶ９０（東京応化製）レジストを塗布し、ステッパで露光した後、現像により素子サイズが３．２×３．２マイクロメータの残しパターンを形成する。次いで、イオンミリングで磁気抵抗効果膜６をエッチングし、通常のレジスト除去工程を行った。
【００６５】
次に、図５（ａ）に表したように、絶縁体層３ｂを形成した。すなわち、絶縁体層３ａの形成と同様のスパッタ法を用いて、膜厚が４００ナノメータのＳｉＯｘ絶縁体層３ｂを形成した。この時、絶縁体層３ａの表面には、電極２ａの凸部Ｐを反映した凸形状が形成される。この凸形状の高さは、約２０ナノメータ程度であった。
【００６６】
次に、図５（ｂ）に表したように、開口径が約０．８マイクロメータで厚さが４００ナノメータのＶ９０レジストパターン７を形成した。
【００６７】
この後、ＣＨＦ_３ガスを圧力が１パスカル（Ｐａ）なるまで導入したＲＩＥ装置により、絶縁体層３ｂを１５０ワット（ｗ）の投入電力で約７分間エッチングし、電極２ｂを接続するためコンタクトホールと電極２ａの測定用電極部用のコンタクトホール（図示せず）を形成した。
【００６８】
次に、図５（ｃ）に表したように、上側電極２ｂを形成した。すなわち、ＲＩＥにより形成したコンタクトホールに電極材料を埋め込むことにより電極２ｂを形成した。電極２ｂの膜構成は、磁気抵抗効果膜６のから順に、膜厚５ナノメータのタンタル（Ｔａ）密着層と、膜厚４００ナノメータの銅（Ｃｕ）、膜厚２００ナノメータの金（Ａｕ）という積層構造とした。また、その成膜には、通常のスパッタ法を用いたが、銅（Ｃｕ）の成膜時のみ、コンタクトホールへの埋め込み状態を改善する目的で１００ワット（ｗ）の高周波バイアスを印加した。この後、下側電極２ａと上側電極２ｂの測定用電極レジストパターン（図示せず）を形成し、イオンミリングによるエッチング等を施して磁気抵抗効果素子を形成した。
【００６９】
図６は、このようにして得られたＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の磁界と抵抗の関係（ＭＲ特性）を表すグラフ図である。
【００７０】
本発明による素子（実線で表した）の場合、プラス方向の磁界の印加に伴って、抵抗が増加し、幅広い磁界範囲において高い抵抗値が維持されたフラットな特性が得られていた。
【００７１】
これに対して、平坦化導電層５を設けずに、下側電極２ａの上に直接、磁気抵抗効果膜６を形成した比較例の磁化抵抗効果素子（破線で表した）の場合、磁界の増加に伴う抵抗値の変化はピーク状であり、高い抵抗が得られる磁界の範囲が極めて狭い。これは、図１９に関して前述したように、下側電極２ａの凸部Ｐの周囲の段差あるいは突起などにより、磁気抵抗効果膜６を構成する各層の膜厚に「むら」や「不均一」などが生じたためであると考えられる。すなわち、比較例の素子においては、非磁性中間層（スペーサ層）を介した上下の強磁性層（ピン層とフリー層）の反強磁性結合が非常に弱くなり、そのため比較的小さな磁界から磁化反転が起こることに起因して、抵抗の減少が生じていると考えられる。
【００７２】
これに対して、本実施例の素子においては、幅広い磁界範囲で高い抵抗が維持され、ノイズの少ない非常にきれいなＭＲ特性が得られ、平坦化導電層５の有効性を確認できた。
【００７３】
（第２の実施例）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
【００７４】
図７及び図８は、本実施例の磁気抵抗効果素子の要部製造工程を表す工程断面図である。なお、本実施例においても、第１実施例と同様に、磁気シールドならびに磁気記録部等の部分についての工程は省略した。
【００７５】
まず、図７（ａ）に表したように、平坦に形成した電極２ａの上に、凸部Ｐを形成するための絶縁体層３ａを形成し、パターンニングにより開口Ｈを形成した。具体的には、まず、熱酸化されたシリコン基板（図示せず）上に、膜厚が約３００ナノメータの銅と銀との合金（Ｃｕ_９５Ａｇ_５：組成は原子パーセント）からなる電極２ａを通常のスパッタ法により形成し、ＭＲ特性測定用の電極パターン（図示せず）を通常の半導体プロセスで形成した。そして、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）ターゲットを用いたスパッタにより、膜厚が２００ナノメータのＡｌ_２Ｏ_３絶縁体層３ａを成膜した。さらに、その上に、厚さが３００ナノメータで直径が約４００ナノメータの残しのレジストパターンをＩ線ステッパで形成した。次いで、イオンミリングにより絶縁体層３ａをエッチングした後、レジストを除去して直径が約４００ナノメータ、深さが約２００ナノメータの凸部Ｐを形成するための開口Ｈを形成した。
【００７６】
次いで、図７（ｂ）に表したように、絶縁体層３ａの上に凸部Ｐを形成するための電極層２ａ’を形成した。ここで、電極層２ａ’としては、膜厚が１５０ナノメータの銅（Ｃｕ）を、スパッタ粒子の指向性が高いＩＢＤ（Ion Beam Deposition）で成膜した。成膜された試料の一部分を、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）で断面加工してＳＥＭで観察したところ、電極層２ａ’は、絶縁体層３ａの開口Ｈの中にきれいに埋め込まれていることが確認できた。
【００７７】
次に、基板の全面をＣＭＰにより略平坦化を行い、図７（ｃ）に表したように、凸部Ｐ以外の電極層２ａ’を除去した。ＣＭＰには、銅（Ｃｕ）用のスラリーを用い、電極層２ａ’を約１５０ナノメータ研磨した。ここで、図７（ｃ）に表したように、絶縁体層３ａと凸部Ｐとの間に、約５０ナノメータの段差（凸部Ｐの方が絶縁体層３ａよりも低い）と、深さ約２０ナノメータの「ふちだれ」すなわち溝が確認された。
【００７８】
このように数１０ナノメータのオーダの凹凸を有する基体の上に磁気抵抗効果膜６を直接、形成すると、図２０に例示したように、「うねり」あるいは「湾曲」して形成され、その膜厚にも「むら」や「不均一」などが生ずる。そして、その結果として、各層間の磁気的な結合が不安定となり、図６に破線で示した如く、磁気抵抗率の低下などが生ずる。
【００７９】
これに対して、本実施例においては、図７（ｄ）に表したように、平坦化導電層５を形成して、その表面を平坦にする。本実施例においては、平坦化導電層５としては、導電性金属であるチタン（Ｔｉ）を膜厚５０ナノメータになるまでスパッタ法で形成した。但し、この場合の平坦化導電層５の材料としては、チタン（Ｔｉ）以外にも、例えばアルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）やこれらの合金、または窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化アルミニウム・チタン（（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ）、窒化タングステン（ＷＮ）等の窒化物を用いても良い。
【００８０】
次に、ＭＲ特性の良好なＣＰＰ型磁気抵抗効果素子を形成するために、平坦化・平滑化のためのＣＭＰを行い、図７（ｅ）に表したような断面形状を得た。この時、ＣＭＰの研磨量を約５０ナノメータにすることで、表面が平坦で平滑になった。ＡＦＭでその表面性を測定したところ、表面荒さは約４ナノメータであり、絶縁体層３ａと凸部Ｐの表面が有していた「段差」や「ふちだれ」は大幅に解消されて平坦な表面が得られたことが確認できた。
【００８１】
次に、図８（ａ）乃至（ｄ）に表したように、磁気抵抗効果膜６を形成し、磁気抵抗効果膜６をパターニングし、絶縁体層３ｂを形成、パターニングし、上側電極２ｂを形成することにより、ＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子を完成した。
【００８２】
本実施例の磁気抵抗効果素子の平面サイズは、１．５マイクロメータ×１．５マイクロメータであり、電極２ｂを埋め込むコンタクトホールの径は４００ナノメータであり、上側電極２ｂとしては、膜厚が３００ナノメータの銅（Ｃｕ）を堆積した。
【００８３】
このようにして得られたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子の磁界と抵抗の関係（ＭＲ特性）を調べたところ、図６に表した結果と同様に、平坦化導電層５を設けない場合に比べて、ノイズの少ない非常にきれいなＭＲ特性が得られ、平坦化導電層５を用いた本実施例おいても同様に、本発明の有効性が確認された。
【００８４】
（第３の実施例）
次に、本発明の第３の実施例形態について説明する。
【００８５】
図９は、本実施例の磁気抵抗効果素子の要部構成を表す断面図である。同図については、図１乃至図８に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００８６】
すなわち、本実施例においては、下側電極２ａの上に絶縁体密着層８が設けられている。この絶縁体密着層８は、下側電極２ａと絶縁体層３ａとの付着強度を向上させる役割を有し、膜厚が１０ナノメータ程度のタンタル（Ｔａ）などにより形成することができる。
【００８７】
以下、本実施例の磁気抵抗効果素子の構成について、その製造手順に沿って説明する。本実施例の磁気抵抗効果素子の製造工程の要部は、図３乃至図５に関して前述したものと同様とすることができるので、以下、これら図面を参照しつつ説明する。
【００８８】
まず、第１実施例の場合と同様に、下側電極２ａとして、基板側から順に、膜厚５ナノメータのタンタル（Ｔａ）、膜厚３００ナノメータの銅（Ｃｕ）、膜厚１０ナノメータのタンタル（Ｔａ）を形成した後、高さが１００ナノメータで直径が１００ナノメータの凸部Ｐをイオンミリングで形成して、図３（ａ）に表した構造を形成する。
【００８９】
次に、下側電極２ａと絶縁体層３ａとの密着力向上を目的とした絶縁体密着層８として膜厚１０ナノメータのタンタル（Ｔａ）を形成した後に、膜厚が１５０ナノメータのＳｉＯｘからなる絶縁体層３ａを反応性のバイアススパッタで成膜した（図３（ｂ））。その後、厚み４００ナノメータのＯＦＲ平坦化レジストを塗布し（図３（ｃ））、ＲＩＥによりＳｉＯｘ絶縁体層３ａが約１００ナノメータの膜厚になるまで平坦化した（図４（ａ））。
【００９０】
次に、平坦化導電層５として、膜厚が２０ナノメータの窒化アルミニウム・チタン（（Ａｌ，Ｔｉ）Ｎ）をＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy）で成膜（図４（ｂ））した後、その表面を平坦化（図４（ｂ））した。
【００９１】
さらに、磁気抵抗効果膜６を成膜し、素子サイズが１マイクロメータ×１マイクロメータのパターンに加工した（図４（ｄ））。この加工は、ステッパによるパターニングとイオンミリングによるエッチングならびにレジスト除去により行った。
【００９２】
次に、絶縁体層３ｂとして膜厚が１５０ナノメータのＡｌ_２Ｏ_３をスパッタ法で成膜（図５（ａ））した後、ＥＢ露光装置にて直径が１００ナノメータの抜きパターンを形成（図５（ｂ））した。
【００９３】
そして、エッチングによって電極２ｂ用のコンタクトホール形成した後、ＩＢＤにより膜厚が３００ナノメータの銅（Ｃｕ）からなる電極２ｂを成膜した。以降、電極２ａならびに電極２ｂの測定用電極レジストパターン形成、イオンミリングによるエッチング等を施した。
【００９４】
このようにして得られたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子の磁界と抵抗の関係（ＭＲ特性）を調べたところ、やはり図６に関して前述したものと同様に、平坦化導電層５を用いない場合に比べて、ノイズの少ない非常にきれいなＭＲ特性が得られた。さらに、本実施例においては、図４（ｃ）などに表した工程におけるＣＭＰ研磨時の絶縁体層３ａの電極２ａからの膜剥がれは、第１実施例の約１０％（膜剥がれの面積の割合）から０％へと大幅に改善されており、本実施例の絶縁体密着層８の有効性が併せて確認できた。
【００９５】
（第４の実施例）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。
【００９６】
図１０は、本実施例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す模式図である。同図についても、図１乃至図９に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００９７】
すなわち、本実施例においては、絶縁体層３ａと平坦化導電層５との間に、平坦化ストッパ層９が設けられている。この平坦化ストッパ層９は、下側電極２ａの凸部Ｐとその周囲の絶縁体層３ａとの「段差」を緩和する役割を有する。
【００９８】
本実施例の素子は、その基本的な製造工程を、前述した第２実施例のものと同様とすることができる。従って、以下、図７及び図８を参照しつつ、前述したものと異なる個所を中心に説明する。
【００９９】
本実施例においては、第２実施例に加えて、絶縁体層３の上に平坦化ストッパ層９を形成した点が特徴的である。ここで、本実施例においては、絶縁体層３ａとしてはＳｉＯｘを形成し、平坦化ストッパ層９としては、アルミニウム（Ａｌ）の酸窒化物である酸窒化アルミニウム（Ａｌ（Ｏ，Ｎ））をＭＢＥで膜厚５ナノメータ形成した。その後、下側電極２ａの凸部Ｐを形成するための開口Ｈを形成し、電極材料で開口Ｈを埋め込んだ後、オンミリングでエッチバックを平坦化ストッパ層９が露出するまで実施した（図７（ｃ））。
【０１００】
その結果、下側電極２ａの凸部Ｐと絶縁体層３ａ（平坦化ストッパ層９）との境界の「ふちだれ」は２０ナノメータ程度あるものの、凸部Ｐと平坦化ストッパ層９の表面との「段差」は、約１０ナノメータであり、「段差」を小さくすることが確認できた。
【０１０１】
次いで、平坦化導電層５、磁気抵抗効果膜６、絶縁体層３ｂ、電極２ｂを順次形成して、ＭＲ特性評価用のヘッドを作製した。
【０１０２】
このようにして得られたＣＰＰ型磁気抵抗効果素子の磁界と抵抗の関係（ＭＲ特性）を調べたところ、やはり、平坦化導電層５を用いない場合に比べ、ノイズの少ない非常にきれいなＭＲ特性が得られ、平坦化導電層５を用いた第４の実施形態においても同様に、本発明の有効性が確認された。
【０１０３】
（第５の実施例）
次に、本発明の第５の実施例について、図１１及び図１２を参照しつつ説明する。本実施例の磁気抵抗効果素子の製造工程の要部は、第１実施例の素子と同様となることができるので、以下、異なる個所を中心に説明する。
【０１０４】
まず、第１実施例と同様に、下側電極２ａとして、基板側から順に、膜厚５ナノメータのタンタル（Ｔａ）と膜厚２００ナノメータのニッケル鉄（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０：原子パーセント）を形成した後、図１１（ａ）に表したように、幅が２００ナノメータ、高さが２００ナノメータの逆テーパーレジストパターン２０をエキシマステッパで形成した。
【０１０５】
次に、入射角度を２０度（ｄｅｇ）としてイオンミリングを行い、図１１（ｂ）に表したように、電極２ａに高さが５０ナノメータの凸部Ｐを形成した。
【０１０６】
次に、スパッタ粒子の指向性が高いＩＢＳ（Ion Beam Sputtering）等により凸部Ｐの高さと同程度の膜厚のＡｌ２Ｏ３を形成することにより、図１１（ｃ）に表したように、絶縁体層３ａを形成した。
次に、レジスト２０を除去して、図１２（ａ）に表したような形態とした。その表面粗さ（Ｒmax）を計測したところ、約２０ナノメータの表面性を得られた。
【０１０７】
次に、図１２（ｂ）に表したように、平坦化導電層５として、膜厚が３０ナノメータのタンタル（Ｔａ）を通常のスパッタで形成して、表面荒さＲmaxが１５ナノメータの表面性が得られた。
【０１０８】
次いで、図１２（ｃ）に表したように、平坦化導電層５をＣＭＰでタンタル（Ｔａ）の膜厚に換算して約２５ナノメータ研磨することにより、表面荒さＲmaxが３ナノメータ以下で、平坦性・平滑性の極めて良好な表面が得られた。
【０１０９】
以下、第１実施例と同様の方法で、ＣＰＰ型磁気抵抗効果膜６の成膜後に素子サイズが３００ナノメータ×３００ナノメータのパターンをＥＢステッパによるパターニングとイオンミリングによるエッチングにより形成し、レジスト除去した。
【０１１０】
次いで、絶縁体層３ｂとして膜厚が１５０ナノメータの酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）をスパッタ法で成膜した後、ＥＢ露光装置にて直径が１００ナノメータの抜きパターンを形成し、エッチングして電極２ｂ用のコンタクトホール形成した。その後、ＩＢＤにより膜厚が２００ナノメータのニッケル鉄（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０：原子パーセント）からなる電極２ｂを成膜した。
【０１１１】
これ以降、電極２ａならびに電極２ｂの測定用電極レジストパターン形成、イオンミリングによるエッチング等を施した。
【０１１２】
このようにして得られたＣＰＰＧＭＲ素子の磁界と抵抗の関係（ＭＲ特性）を調べたところ、平坦化導電層５を用いない場合に比べて、やはりノイズの少ない非常にきれいなＭＲ特性が得られ、平坦化導電層５の有効性が確認された。
【０１１３】
（第６の実施例）
次に、本発明の第６の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気再生装置について説明する。すなわち、図１乃至図１２に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドは、例えば、記録再生一体型の磁気ヘッドアセンブリに組み込まれ、磁気記録再生装置に搭載することができる。
【０１１４】
図１３は、このような磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。すなわち、本発明の磁気記録再生装置１５０は、ロータリーアクチュエータを用いた形式の装置である。同図において、記録用媒体ディスク２００は、スピンドル１５２に装着され、図示しない駆動装置制御部からの制御信号に応答する図示しないモータにより矢印Ａの方向に回転する。本発明の磁気記録再生装置１５０は、複数の媒体ディスク２００を備えたものとしてもよい。
【０１１５】
媒体ディスク２００に格納する情報の記録再生を行うヘッドスライダ１５３は、薄膜状のサスペンション１５４の先端に取り付けられている。ここで、ヘッドスライダ１５３は、例えば、前述したいずれかの実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドをその先端付近に搭載している。
【０１１６】
媒体ディスク２００が回転すると、ヘッドスライダ１５３の媒体対向面（ＡＢＳ）は媒体ディスク２００の表面から所定の浮上量をもって保持される。あるいはスライダが媒体ディスク２００と接触するいわゆる「接触走行型」であってもよい。
【０１１７】
サスペンション１５４は、図示しない駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５の一端に接続されている。アクチュエータアーム１５５の他端には、リニアモータの一種であるボイスコイルモータ１５６が設けられている。ボイスコイルモータ１５６は、アクチュエータアーム１５５のボビン部に巻き上げられた図示しない駆動コイルと、このコイルを挟み込むように対向して配置された永久磁石および対向ヨークからなる磁気回路とから構成される。
【０１１８】
アクチュエータアーム１５５は、スピンドル１５７の上下２箇所に設けられた図示しないボールベアリングによって保持され、ボイスコイルモータ１５６により回転摺動が自在にできるようになっている。
【０１１９】
図１４は、アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。すなわち、磁気ヘッドアッセンブリ１６０は、例えば駆動コイルを保持するボビン部などを有するアクチュエータアーム１５５を有し、アクチュエータアーム１５５の一端にはサスペンション１５４が接続されている。
サスペンション１５４の先端には、図１乃至図１２に関して前述したいずれかの磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備するヘッドスライダ１５３が取り付けられている。サスペンション１５４は信号の書き込みおよび読み取り用のリード線１６４を有し、このリード線１６４とヘッドスライダ１５３に組み込まれた磁気ヘッドの各電極とが電気的に接続されている。図中１６５は磁気ヘッドアッセンブリ１６０の電極パッドである。
【０１２０】
本発明によれば、図１乃至図１２に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子あるいは磁気ヘッドを具備することにより、従来よりも高い記録密度で媒体ディスク２００に磁気的に記録された情報を確実に読みとることが可能となる。
【０１２１】
（第７の実施例）
次に、本発明の第７の実施例として、本発明の磁気抵抗効果素子を搭載した磁気メモリについて説明する。すなわち、図１乃至図１２に関して説明した本発明の磁気抵抗効果素子を用いて、例えば、メモリセルがマトリクス状に配置されたランダムアクセス磁気メモリ（magnetic random access memory)などの磁気メモリを実現できる。
【０１２２】
図１５は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【０１２３】
すなわち、同図は、メモリセルをアレイ状に配置した場合の実施形態の回路構成を示す。アレイ中の１ビットを選択するために、列デコーダ３５０、行デコーダ３５１が備えられており、ビット線３３４とワード線３３２によりスイッチングトランジスタ３３０がオンになり一意に選択され、センスアンプ３５２で検出することにより磁気抵抗効果素子３２１を構成する磁気記録層に記録されたビット情報を読み出すことができる。
【０１２４】
ビット情報を書き込むときは、特定の書込みワード線３２３とビット線３２２に書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１２５】
図１６は、本実施例の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。すなわち、本具体例の場合、マトリクス状に配線されたビット線３２２とワード線３３４とが、それぞれデコーダ３６０、３６１により選択されて、アレイ中の特定のメモリセルが選択される。それぞれのメモリセルは、磁気抵抗効果素子３２１とダイオードＤとが直列に接続された構造を有する。ここで、ダイオードＤは、選択された磁気抵抗効果素子３２１以外のメモリセルにおいてセンス電流が迂回することを防止する役割を有する。
【０１２６】
書き込みは、特定のビット線３２２と書き込みワード線３２３とにそれぞれに書き込み電流を流して発生する磁場により行われる。
【０１２７】
図１７は、本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。また、図１８は、図１７のＡ−Ａ’線断面図である。
【０１２８】
すなわち、これらの図に表した構造は、図１５に例示した磁気メモリに含まれるひとつのメモリセルに対応する。つまり、ランダムアクセスメモリとして動作する磁気メモリの１ビット部分のメモリセルである。このメモリセルは、記憶素子部分３１１とアドレス選択用トランジスタ部分３１２とを有する。
【０１２９】
記憶素子部分３１１は、磁気抵抗効果素子３２１と、これに接続された一対の配線３２２、３２４とを有する。磁気抵抗効果素子３２１は、図１〜図１２に関して前述したような本発明の磁気抵抗効果素子であり、ＧＭＲ効果やＴＭＲ効果などを有し、且つ平坦化導電層５が設けられた素子である。
【０１３０】
ＧＭＲ効果を有する場合は、ビット情報読み出しの際には磁気抵抗効果素子３２１にセンス電流を流してその抵抗変化を検出すればよい。
【０１３１】
また、特に、磁性層／非磁性トンネル層／磁性層／非磁性トンネル層／磁性層という構造をもつ強磁性２重トンネル接合などを含むものであると、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果による抵抗変化により磁気抵抗効果が得られる。
【０１３２】
これらの構造において、いずれかの磁性層は、磁化固着層として作用し、他のいずれかの磁性層が磁気記録層として作用するものとすることができる。
【０１３３】
一方、選択用トランジスタ部分３１２には、ビア３２６及び埋め込み配線３２８を介して接続されたトランジスタ３３０が設けられている。このトランジスタ３３０は、ゲート３３２に印加される電圧に応じてスイッチング動作をし、磁気抵抗効果素子３２１と配線３３４との電流経路の開閉を制御する。゜
また、磁気抵抗効果素子３２１の下方には、書き込み配線３２３が、配線３２２と略直交する方向に設けられている。これら書き込み配線３２２、３２３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）あるいはこれらいずれかを含む合金により形成することができる。
【０１３４】
このような構成のメモリセルにおいて、ビット情報を磁気抵抗効果素子３２１に書き込むときは、配線３２２、３２３に書き込みパルス電流を流し、それら電流により誘起される合成磁場を印加することにより磁気抵抗効果素子の記録層の磁化を適宜反転させる。
【０１３５】
また、ビット情報を読み出すときは、配線３２２と、磁気記録層を含む磁気抵抗効果素子３２１と、下部電極３２４とを通してセンス電流を流し、磁気抵抗効果素子３２１の抵抗値または抵抗値の変化を測定することにより行われる。
【０１３６】
本具体例の磁気メモリは、図１〜図１２に関して前述したような磁気抵抗効果素子を用いることにより、安定した磁気抵抗変化率が得られる。その結果として、セルサイズを微細化しても、記録層の磁区を確実に制御して確実な書き込みが確保され、且つ、読み出しも確実に行うことができる。
【０１３７】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気抵抗効果膜の具体的な構造や、その他、電極、バイアス印加膜、絶縁膜などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる。
【０１３８】
例えば、磁気抵抗効果素子を再生用磁気ヘッドに適用する際に、素子の上下に磁気シールドを付与することにより、磁気ヘッドの検出分解能を規定することができる。
【０１３９】
また、本発明は、長手磁気記録方式のみならず垂直磁気記録方式の磁気ヘッドあるいは磁気再生装置についても同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【０１４０】
さらに、本発明の磁気再生装置は、特定の記録媒体を定常的に備えたいわゆる固定式のものでも良く、一方、記録媒体が差し替え可能ないわゆる「リムーバブル」方式のものでも良い。
【０１４１】
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気ヘッド及び磁気記憶再生装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施しうるすべての磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気記憶再生装置及び磁気メモリも同様に本発明の範囲に属する。
【０１４２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明よれば、エッチバック等により略平坦化した表面上に平坦化導電層を形成し、その表面をＣＭＰ等の加工により平坦化することにより、従来の平坦化技術に比べてその平坦性ならびに平滑性が顕著に優れており、この上に形成する磁気抵抗効果膜のＭＲ特性の劣化を大幅に抑制できる。
【０１４３】
その結果として、高感度の磁気検出を安定して得られ、高い記録密度でも高出力で高いＳ／Ｎを有する磁気ヘッド、およびそれを搭載した磁気再生装置や、高集積な磁気メモリなどを提供することが可能となり産業上のメリットは多大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態にかかる磁気抵抗効果素子の要部断面構造を例示する模式図である。
【図２】平坦化導電層５をバイアス膜１７の下にまで延在させた構造を例示する模式断面図である。
【図３】本発明の第１実施例の磁気抵抗効果素子の要部製造工程を表す工程断面図である。
【図４】本発明の第１実施例の磁気抵抗効果素子の要部製造工程を表す工程断面図である。
【図５】本発明の第１実施例の磁気抵抗効果素子の要部製造工程を表す工程断面図である。
【図６】本発明により得られたＣＰＰ型の磁気抵抗効果素子の磁界と抵抗の関係（ＭＲ特性）を表すグラフ図である。
【図７】本発明の第２実施例の磁気抵抗効果素子の要部製造工程を表す工程断面図である。
【図８】本発明の第２実施例の磁気抵抗効果素子の要部製造工程を表す工程断面図である。
【図９】本発明の第３実施例の磁気抵抗効果素子の要部構成を表す断面図である。
【図１０】本発明の第４実施例の磁気抵抗効果素子の断面構造を表す模式図である。
【図１１】本発明の第５の実施例の磁気抵抗効果素子の製造工程を表す工程断面図である。
【図１２】本発明の第５の実施例の磁気抵抗効果素子の製造工程を表す工程断面図である。
【図１３】本発明の磁気記録再生装置の概略構成を例示する要部斜視図である。
【図１４】アクチュエータアーム１５５から先の磁気ヘッドアセンブリをディスク側から眺めた拡大斜視図である。
【図１５】本発明の磁気メモリのマトリクス構成を例示する概念図である。
【図１６】本発明の磁気メモリのマトリクス構成のもうひとつの具体例を表す概念図である。
【図１７】本発明の実施の形態にかかる磁気メモリの要部断面構造を表す概念図である。
【図１８】図１７のＡ−Ａ’線断面図である。
【図１９】磁気抵抗効果膜の膜厚の「むら」を説明するための模式断面図である。
【図２０】凸部Ｐの周囲に、溝状の「ふちだれ」が生じた状態を例示する模式図である。
【図２１】凸部Ｐと絶縁体層３ａとの表面の高さが異なり「段差」が生じた状態を表す模式図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２ａ下側電極
２ｂ上側電極
３、３ａ、３ｂ絶縁体層
４平坦化レジスト
５平坦化導電層
６磁気抵抗効果膜
７レジストパターン
８絶縁体密着層
９平坦化ストッパ層
１７バイアス膜
１２絶縁膜
２０レジスト
２０逆テーパーレジストパターン
１５０磁気記録再生装置
１５２スピンドル
１５３ヘッドスライダ
１５４サスペンション
１５５アクチュエータアーム
１５６ボイスコイルモータ
１５７スピンドル
１６０磁気ヘッドアッセンブリ
１６４リード線
２００磁気記録媒体ディスク
３１１記憶素子部分
３１２アドレス選択用トランジスタ部分
３１２選択用トランジスタ部分
３２１磁気抵抗効果素子
３２２ビット線
３２２配線
３２３ワード線
３２３配線
３２４下部電極
３２６ビア
３２８配線
３３０スイッチングトランジスタ
３３２ゲート
３３２ワード線
３３４ビット線
３３４ワード線
３５０列デコーダ
３５１行デコーダ
３５２センスアンプ
３６０デコーダ
Ｈ開口
Ｐ凸部
Ｒ突起[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a magnetoresistive effect element, a manufacturing method thereof, a magnetic head, and a magnetic reproducing apparatus, and more specifically, a magnetoresistive effect element having a structure in which a sense current flows in a direction perpendicular to a film surface of a magnetoresistive effect film, and The present invention relates to a manufacturing method thereof, a magnetic head using the same, and a magnetic reproducing apparatus.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the magnetic recording density of HDDs (Hard Disk Drives) has been dramatically improved, but further higher recording density is desired. Due to the miniaturization of the recording bit size associated with the higher recording density, the conventional thin film head has insufficient reproduction sensitivity, and the magnetoresistive head (MR head) using the magnetoresistive effect is the mainstream now. It has become. Among them, a spin-valve type giant magnetoresistive head (SVGMR head) has attracted attention as a particularly large magnetoresistive effect.
[0003]
On the other hand, as the recording density is increased, the flying height from the recording medium when the thin film magnetic head is running is decreased. This is to sense a small media bit field. From this tendency, it is expected that in the future it will be unavoidable to run the magnetic head while maintaining intermittent contact or steady contact with the recording medium. Also, from the viewpoint of other than the increase in recording density, it is expected that HDDs will be mounted on AV devices such as audio and video as the future of multimedia advances. For mounting on AV equipment, the reliability of the HDD, particularly the resistance to mechanical shock from the outside is important. At this time, since the magnetic head may come into contact with the medium surface, development of a magnetic head resistant to contact is desired.
[0004]
However, it is well known that the above-described conventional SV head exhibits an abnormal resistance change (thermal asperity) due to heat generated by contact with a recording medium during reproduction. Therefore, the conventional MR head and SVGMR head in which the magnetically sensitive portion is exposed on the medium facing surface are difficult to adapt to future increases in recording density.
[0005]
Thus, yoke-type magnetic heads having various structures have been devised. The yoke type magnetic head is resistant to the above-described thermal asperity because the magnetically sensitive portion of the SV (spin valve) portion is not exposed on the medium facing surface. Among them, the “horizontal yoke type magnetic head”, which can reduce the magnetic path and can easily reduce the weight of the head slider, has attracted attention.
[0006]
From the viewpoint of the MR element, the conventional CIP (Current In Plane) type electrode structure in which a sense current is passed in a direction parallel to the film surface due to rapid miniaturization in recent years has been microfabricated in the manufacturing process. Is expected to be very difficult. For this reason, a CPP (Current Perpendicular to Plane) type MR element (CPP-MR element) that applies a sense current in a direction substantially perpendicular to the film surface has attracted attention. A typical vertical energization element is a tunneling MR element (TMR element) that utilizes an electron tunneling effect that has recently developed an extremely large magnetoresistance effect.
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a vertical energization type magnetoresistive effect type magnetic head, it is necessary to increase the rate of change in resistance of the MR film in order to increase the reproduction output, and the problem is that the element is thermally destroyed by the heat generated by energization. Need to be resolved.
[0007]
The improvement in the rate of change in resistance has been solved to some extent by material development and the like, but at present, sufficient measures have not yet been taken for element destruction due to heat generation and stress.
[0008]
On the other hand, as a result of trial manufacture and examination conducted by the present inventor, in the case of a vertically energized magnetoresistive element, when a magnetoresistive film is formed on the pillar-shaped convex portion of the lower electrode, It is difficult to flatten the surface on which the resistance effect film is to be formed. As a result, there are problems that the magnetoresistive film is formed in a curved shape according to the unevenness of the base, the film thickness of each layer of the magnetoresistive film is uneven, and the characteristics are liable to deteriorate. It turned out to be.
[0009]
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for explaining the “unevenness” of the film thickness of such a magnetoresistive film. That is, the figure shows the lower electrode 2a having the pillar-shaped convex portion P, the insulator layer 3a filling the periphery of the convex portion P, and the magnetoresistive effect film 6 formed thereon.
[0010]
Here, the lower electrode 2a is, for example, nickel iron (Ni) having a magnetic shielding function with a film thickness of about 150 nanometers and a height of the projection P of about 50 nanometers. ₈₀ Fe ₂₀ ) (Composition is in atomic percent). Then, the periphery of the convex portion P is filled with the insulator layer 3a, and the magnetoresistive film 6 having a thickness of about 40 nanometers is formed thereon.
[0011]
In this case, the surface on which the magnetoresistive effect film 6 is formed is preferably flat. For this purpose, for example, a method of flattening the surface by a method such as CMP (Chemical Mechanical Polishing) after forming the electrode 2a having the convex portion P and the insulator layer 3a can be considered.
[0012]
However, since the electrode 2a and the insulating film 3a are significantly different from each other, the etching method is greatly different both mechanically and chemically. For this reason, it has been found that it is difficult to make the surface sufficiently flat and smooth by conventional planarization methods including CMP. As an example, for example, as illustrated in FIG. 19, protrusions R may be formed near both ends of the electrode protrusion P. In addition, as will be described later in detail with respect to the embodiments of the present invention, the convex portion P of the electrode may be formed higher than the surrounding insulator layer 3a. On the other hand, the surrounding insulator layer 3a may be formed higher than the convex portion P. Furthermore, a groove-like recess may be formed between the projection P of the electrode and the insulator layer 3a.
[0013]
According to the study of the present inventor, even when the polishing method and the optimization of the slurry (abrasive) are attempted using the CMP method, the protrusion R and the protrusion P and the surrounding insulator layer 3a It is difficult to completely eliminate the step or the groove-like recess, and the height is often about 10 nanometers or more.
[0014]
In addition to such protrusions R, as illustrated in FIG. 20, groove-shaped “flipping” occurs around the protrusion P, and as illustrated in FIG. 21, the protrusion In some cases, the height of the surface of P and the insulator layer 3a is different, resulting in a “step”.
[0015]
For this reason, the magnetoresistive film 6 having a film thickness of about 40 nanometers formed thereon is “swelled” or “curved” in the height direction so as to reflect the shape of the protrusion R, “edge”, or “step”. Is formed. As a result, the film thickness of the magnetic layer and the nonmagnetic layer constituting the magnetoresistive effect film 6 may be “uneven”, or the magnetic coupling between the magnetic layers (such as the magnetization fixed layer and the magnetization free layer). Becomes non-uniform. Such “unevenness” or “non-uniformity” causes a decrease in magnetoresistance change rate and variation in characteristics.
[0016]
The present invention has been made based on recognition of such problems. In other words, the purpose of the perpendicular current-type magnetoresistive effect element is to form a magnetoresistive effect film even on the convex portion of the lower electrode so that the magnetoresistance change is large and the characteristics are stable. It is an object of the present invention to provide a resistance effect element, a manufacturing method thereof, and a magnetic head and a magnetic reproducing apparatus using the magnetoresistance effect element.
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the first magnetoresistance effect element of the present invention comprises:
A lower electrode having a convex portion protruding upward;
An insulator layer provided so as to surround the periphery of the convex portion;
A planarized conductive layer having an upper surface formed substantially flat by embedding irregularities generated on the surface of the protrusion and the surrounding insulator layer;
A magnetoresistive film laminated on the substantially flat upper surface of the planarized conductive layer;
An upper electrode provided on the magnetoresistive film;
It is provided with.
[0017]
Here, the unevenness may be at least one of a step, a groove, and a protrusion generated on the surface of the protrusion and the surrounding insulator layer.
[0018]
The second magnetoresistance effect element of the present invention is
A lower electrode having a convex portion protruding upward;
An insulator layer provided so as to surround the periphery of the convex portion;
A planarized conductive layer provided on the convex portion and the insulator layer around the convex portion;
A magnetoresistive film provided on the planarized conductive layer;
An upper electrode provided on the magnetoresistive film;
With
The planarization conductive layer is formed such that the upper surface in contact with the magnetoresistive film is formed flatter than the lower surface in contact with the convex portion and the surrounding insulator layer.
[0019]
The third magnetoresistive element of the present invention is
Lower electrode having a convex portion protruding upward The convex part of And an insulating layer provided so as to surround the periphery of the convex portion, and a layer made of a conductive material is deposited on the surface, and the surface thereof is subjected to a flattening process by etching or polishing, thereby planarizing the conductive layer. A layer is formed, and a magnetoresistive film is formed on the planarized conductive layer.
[0020]
Here, it further includes a pair of bias application films provided adjacent to both sides of the magnetoresistive film,
The planarizing conductive layer may be provided so as to extend under the pair of bias application films.
[0021]
In addition, the insulator layer includes a first layer made of a first insulating material provided on the upper side in contact with the planarization conductive layer, and the first insulation provided below the first layer. And a second layer made of a second insulating material different from the conductive material.
[0022]
The magnetoresistive film includes: a magnetization pinned layer having a first magnetic film whose magnetization direction is substantially fixed in one direction; and a second magnetic body whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field A magnetoresistive film having a magnetization free layer having a film and a nonmagnetic intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer may be provided.
[0023]
On the other hand, the manufacturing method of the magnetoresistive effect element of the present invention is:
Forming a lower electrode having a protrusion protruding upward and an insulator layer surrounding the periphery of the protrusion; and
Depositing a layer made of a conductive material on the convex portion and the insulator layer around the convex portion;
Forming a planarized conductive layer by planarizing an upper surface of the layer made of the conductive material by etching or polishing; and
Forming a magnetoresistive film on the planarized conductive layer;
It is characterized by having
On the other hand, a magnetic head according to the present invention includes any one of the above magnetoresistive elements.
[0024]
The magnetic reproducing apparatus according to the present invention includes the magnetic head and is capable of reading information magnetically recorded on a magnetic recording medium.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0025]
FIG. 1 is a schematic view illustrating a cross-sectional structure of a main part of a magnetoresistive element according to an embodiment of the invention.
[0026]
That is, the magnetoresistive effect element of the present invention is provided with the lower electrode 2a having the convex portion P formed so as to protrude upward, the planarizing conductive layer 5 provided thereon, and the upper electrode 2a. The magnetoresistive effect film 6 is formed, the upper electrode 2b provided on the upper surface of the magnetoresistive effect film P in a pillar shape, and the insulator layer 3 provided so as to embed the periphery thereof.
[0027]
That is, in the present invention, the planarized conductive layer 5 is provided between the lower electrode 2 a and the magnetoresistive film 6. The flattened conductive layer 5 is not flat when the lower surface 5A is viewed, and a step formed between a protrusion (not shown) on the surface of the convex portion P of the lower electrode 2a and the surrounding insulator layer 3 is formed. Has a non-planar surface. On the other hand, when the upper surface 5B of the planarized conductive layer 5 is viewed, it is formed substantially flat. That is, the film thickness of the planarizing conductive layer 5 is not constant in the film surface, and has an action of planarizing by embedding the projections P of the lower electrode 2a or projections, steps, grooves, etc. generated around the projection P.
[0028]
Further, depending on the design specifications of the magnetic head, the planarized conductive layer 5 after planarization may not remain on the convex portion P of the lower electrode 2a, that is, the planarized conductive layer 5 is not formed on the lower electrode 2a. It may be in a state of remaining around the convex portion P.
[0029]
As will be described in detail later, the planarized conductive layer 5 can be formed of various metals, conductive compounds, and the like. Further, in order to absorb and flatten the unevenness around the convex portion P of the lower electrode 2a, the film thickness of the planarizing conductive layer 5 is appropriately determined according to the height of the unevenness around the convex portion P. It is desirable.
[0030]
According to the present invention, first, by providing such a flattened conductive layer 5, the film thickness “unevenness” of the magnetoresistive effect film 6 as described above with reference to FIG. Can be eliminated. As a result, it is possible to stably provide a magnetoresistive effect element capable of suppressing a decrease in the magnetoresistance change rate and capable of highly sensitive magnetic detection.
[0031]
Furthermore, according to the present invention, by providing the planarized conductive layer 5, it is possible to solve problems such as thermal accumulation of the magnetoresistive effect film 6 and breakdown due to film stress. That is, since the planarized conductive layer 5 acts as a heat dissipation path, the heat dissipation from the magnetoresistive effect film 6 is improved. As a result, even in a magnetic recording system having a higher recording density than conventional ones, even when the recording medium is run close to the recording medium, deterioration of characteristics due to heat generation is suppressed, and stable reproduction is possible.
[0032]
On the other hand, according to the present invention, the planarized conductive layer 5 can also function as a base layer for the bias film.
[0033]
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure in which the planarized conductive layer 5 is extended below the bias film 17. That is, in the case of a magnetoresistive effect element such as a spin valve structure, in order to control the magnetic domain structure of the magnetization free layer (also referred to as “free layer” etc.) and suppress Barkhausen noise, In many cases, a bias film 17 is provided at both ends of the resistance effect film 6. The bias film 17 is made of an antiferromagnetic material or a hard magnetic material.
[0034]
According to the present invention, as illustrated in the figure, by extending the planarizing conductive layer 5 under the bias film 17, it can act as a base layer of the bias film 17. That is, the planarization conductive layer 5 acts as a buffer or a seed, thereby controlling the crystallinity and orientation direction of the bias film 17 within a predetermined range and obtaining a favorable bias magnetic field. it can.
[0035]
An outline of the method of manufacturing the planarized conductive layer 5 is as follows. That is, as a first method, the lower electrode 2a having the convex portion P is formed, an insulator is deposited thereon, the surface is substantially planarized by a technique such as etch back, and then the surface is formed. A planarized conductive layer 5 can be formed.
[0036]
As a second method, the lower electrode 2a having the convex portion P is formed, and then an insulator is formed on the electrode, and then the substrate surface is directly polished by CMP, or the low-viscosity After the organic resist is applied, the surface is roughened by using a method such as RIE (reactive ion etching) or ion milling, for example, until the surface unevenness is about 30 to 100 nanometers.
[0037]
In this flattening step, in order to obtain better surface properties, the slurry used in CMP is optimized, the height of the convex portion P of the lower electrode 2a is reduced, and the initial step is reduced. However, in either case, it is not easy to adapt to a magnetoresistive effect type magnetic head of a film surface vertical conduction type.
[0038]
Therefore, by forming the flattened conductive layer 5 on the film surface whose surface irregularities are substantially flattened from about 30 nanometers to about 100 nanometers in this way, the convex portion P of the electrode generated when the flattened surface is substantially flattened. It is possible to cover irregularities such as “protrusions”, “steps” and “grooves” generated at the boundary between different materials between the insulator 3a and the insulator 3a.
[0039]
Further, the surface of the planarizing conductive layer 5 can be surely and easily polished flatly and smoothly by CMP using a general slurry. That is, since a single material is polished, there are few scratches after polishing, and smoothness well below 10 nanometers can be easily obtained.
[0040]
As the material of the planarizing conductive layer 5, in the periodic table, IVa group titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), Va group vanadium (V), niobium (Nb), tantalum (Ta), Group VIa chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), noble metal copper (Cu), silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), Osmium (Os), aluminum (Al), silicon (Si), and the like can be used. More preferably, titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), niobium (Nb), tantalum (Ta), chromium (Cr), molybdenum (Mo), tungsten (W), aluminum (Al) Alloys containing at least one of silicon (Si), oxides thereof (for example, TiOx, ZrOx, HfOx, TaOx, CrOx, etc.) and nitrides (for example, TiNx, ZrNx, HfNx, TaNx, CrNx, MoNx, WNx) , AlNx, SiNx, etc.) and oxynitride compounds thereof having conductivity.
[0041]
The electric resistance (ρ) of the planarized conductive layer 5 is preferably ρ ≦ 1000 μΩcm. When the electric resistance (ρ) of the planarized conductive layer 5 becomes 1000 μΩcm or more, it becomes difficult for current to flow between the convex portion P of the lower electrode 2a and the magnetoresistive effect film 6, and a large current is input to obtain an output. This is because the current magnetic field may cause problems such as a decrease in resistance change due to magnetic domain disturbance of the magnetoresistive effect film 6 and destruction of the magnetoresistive effect film 6.
[0042]
On the other hand, the film thickness (t) of the planarizing conductive layer 5 is such that the surface in the vicinity of the convex portion P of the lower electrode 2a after the substantially planarizing step before depositing the planarizing conductive layer 5 is concave. It is desirable that it is thicker than the concave depth (d0) and is in the range of d0 <t <(d0 + 100) (nanometer). If the film thickness t is d0 or less, the recess cannot be sufficiently filled even if CMP is performed, and if the film thickness t is (d0 + 100) nanometers or more, the amount of polishing in CMP increases and the amount of polishing is controlled. This is because there is a tendency to deteriorate.
[0043]
On the other hand, when the surface in the vicinity of the convex portion P of the lower electrode substantially flattened before depositing the planarizing conductive layer 5 is convex, assuming that the height of the convex is d′ 0, the film thickness t Is preferably in the range of 0 <t <(d′ 0 + 50) (nanometer), and more preferably in the range of 0 <t <d′ 0.
[0044]
On the other hand, the material of the lower electrode 2a and the shape of the projection P may conform to the design specification of the CPP-MR element, and are not particularly limited. Further, the material of the insulator layer 3 used at this time is not particularly limited. For example, an oxide or nitride of silicon (Si) or aluminum (Al) and a composite thereof can be used, and electrical insulation can be performed. In order to ensure sufficient, a multilayer film in which these are laminated may be used. However, the film thickness of the insulator layer 3 needs to be slightly less than −20% with respect to the height of the convex portion P, and further, the thickness of the convex portion P + 200 (nanometer) or less. Is desirable. Thus, by setting the height of the convex portion P in a range from minus 20 percent to plus 200 (nanometer), it is easier to control “friction” and surface irregularities in the flattening.
[0045]
In the present invention, as a method of forming the convex portion P of the lower electrode, in addition to the method described above, an insulating layer having an opening is formed on a flat electrode and the opening is filled with an electrode material. It may be. That is, a convex portion P is formed by embedding an electrode material in the opening of the insulator layer, and the entire surface is substantially planarized by a method such as CMP, ion milling or etch back, and a planarized conductive layer is formed thereon. A finish polishing (for example, CMP) may be performed. Also in this case, by providing the planarizing conductive layer 5, it is possible to absorb “flickering” generated on the surface of the convex portion P and obtain a sufficiently flat and smooth surface.
[0046]
In this case, by providing a flattening stopper layer on the outermost surface of the insulator layer, it becomes easy to monitor at the time of flattening, and the flatness is improved. In addition, by using a non-magnetic high resistance material, preferably an insulating material, as this planarization stopper layer, the insulation probability between the upper and lower electrodes is greatly improved. The electric resistance (ρ) of the flattening stopper layer is desirably 1000 μΩcm or more. Furthermore, an insulator adhesion layer may be provided between the concave insulator and the electrode.
[0047]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[0048]
(First embodiment)
First, as a first embodiment of the present invention, a prototype example of the magnetoresistive element having the structure shown in FIG. 1 will be described.
[0049]
3 to 5 are process cross-sectional views showing the main part manufacturing process of the magnetoresistive effect element of this embodiment.
[0050]
In this embodiment, first, as shown in FIG. 3A, an electrode 2a having a convex portion P and a measurement electrode terminal portion (not shown) are formed. In this embodiment, since the main purpose was to confirm the magnetic characteristics of the magnetoresistive effect element, the magnetic shield, the magnetization fixed film, and the recording portion required to function as a magnetic head were not manufactured.
[0051]
First, on a silicon substrate 1 having a thickness of about 0.6 mm and a diameter of 3 inches, tantalum (Ta) having a thickness of 5 nanometers and copper having a thickness of 400 nanometers are formed from the substrate side by using a normal sputtering method. (Cu) and tantalum (Ta) having a thickness of 10 nanometers were stacked.
[0052]
Next, a resist pattern (V90: manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd.) having a diameter of about 1 micrometer and a height of about 1.2 micrometers is formed using a g-line stepper (step type projection exposure apparatus), and an ion milling apparatus is further formed. The etching is performed by irradiating with argon (Ar) ions having an acceleration voltage of 500 [eV] and a beam current of 200 [mA] until the height of the convex portion P reaches 500 nanometers, and then the resist is processed by a normal semiconductor process. The protrusion P as shown in FIG.
[0053]
Next, as shown in FIG. 3B, an insulator 3a having a thickness of 700 nanometers was formed on the electrode 2a. Here, silicon oxide (SiOx) was used as the insulator 3a. As a specific method of forming the insulator 3a, argon (Ar) gas and oxygen (O 2) with silicon (Si) having a diameter of 5 inches and a thickness of 8 nanometers as a target are used. ₂ ) Reactive sputtering in which a mixed gas of gas was introduced was performed, and the film thickness was formed to be thicker than the height of the convex part P. Further, in order to adjust the convex taper angle of the surface of the insulator 3a formed reflecting the convex portion P, a high frequency bias was applied during sputtering. When the cross section of the structure of FIG. 3B produced under such conditions is observed with a SEM (Scanning Electron Microscope), the taper angle of the insulator 3a is about 42 degrees and the convexity of the electrode 2a. It was also confirmed that the positional deviation with respect to the portion P was 50 nanometers or less and the alignment accuracy was very good.
[0054]
Next, as shown in FIG. 3C, a planarizing resist 4 having a thickness of 1.2 micrometers was applied and baked. As the planarizing resist 4, a low-viscosity OFR (manufactured by Tokyo Ohka) resist was used. When the surface irregularities of the sample coated and baked in this way were measured by an α step (stylus type surface level meter), it was confirmed that the irregularities were very flat at 50 nanometers or less.
[0055]
Next, the planarization resist 4 and the insulator 3a were etched back to make the surface relatively flat, and the state shown in FIG. 4A was obtained. As a specific method of etch back in this embodiment, a sample is set in a parallel plate type RIE (Reactive Ion Etching) apparatus, and then carbon tetrafluoride (CF) is used as an etching gas. ₄ ) Until the pressure reaches 5 Pascals (Pa), and then etching was performed by applying a high frequency of 100 watts (w). The etching rate at this time is such that the planarization resist 4 is 97 nanometers per minute (nm / min.) And the SiOx insulator 3a is 110 nanometers per minute (nm / min.). It was.
[0056]
Etch-back methods include ion milling, RIBE (Reactive Ion Beam Etching), ICP (Inductively Coupled Plasma), etc. that can obtain conditions where the etching rates of the planarizing resist 4 and the insulator 3a are substantially equal instead of RIE. It is also possible to use other methods such as this etching method or a method of performing CMP directly without applying a planarizing resist.
[0057]
The surface irregularity of the sample substantially flattened by the etch-back method using RIE was measured by an α step, and was 30 nanometers.
[0058]
Next, as shown in FIG. 4B, a planarized conductive layer 5 was formed. In this embodiment, tantalum (Ta), which is the same material as the outermost surface of the convex portion P of the electrode 2a, was selected as the material for the planarizing conductive layer 5. The film thickness was 50 nanometers, which was slightly larger than the unevenness after the etch back. Film formation of the planarized conductive layer 5 was performed by a normal RF magnetron sputtering method, and then the surface irregularities were measured, and it was confirmed that the thickness was 50 nanometers or less.
[0059]
Next, as shown in FIG. 4C, the planarization conductive layer 5 was subjected to planarization polishing treatment by CMP to flatten the surface. At this time, CHS700 (manufactured by Shibaura Mechatronics Co., Ltd.) was used as a slurry for CMP. As a result, the surface unevenness after CMP becomes very small, and when the surface unevenness is measured with an AFM (Atomic Force Microscope), it is 5 nanometers or less around the convex portion P of the electrode 2a, and is very flat and smooth. It was confirmed that an excellent surface was obtained.
[0060]
Further, the vicinity of the convex portion P of the electrode 2a is processed for cross-sectional observation by FIB (Focused Ion Beam), and the remaining amount of the flattened conductive layer 5 and the “flickering” embedded state by a high resolution SEM (Scanning Electron Microscope) As a result of observation, the remaining amount of the planarizing conductive layer 5 is about 10 nanometers, and the planarizing conductive layer is neatly embedded in the “edge” portion at the boundary between the convex portion P of the electrode 2a and the insulating layer 3a. I was able to confirm.
[0061]
Next, a magnetoresistive effect film 6 is formed on the planarized conductive layer 5 having such a good surface property, and an element resist pattern is formed and etched, and the resist is removed, as shown in FIG. A cross-sectional structure as described above was formed.
[0062]
Here, the magnetoresistive film 6 is composed of a tantalum (Ta) underlayer of 5 nanometers, nickel iron (NiFe) of 2 nanometers in thickness and a thickness of 3 in order from the planarized conductive layer 5 side. Magnetization free layer (free layer) made of nanometer cobalt iron (CoFe), nonmagnetic intermediate layer (spacer layer) of copper (Cu) with a thickness of 2 nanometers, and magnetization pinning of cobalt iron (CoFe) with a thickness of 4 nanometers A layer (pinned layer) and a platinum manganese (PtMn) antiferromagnetic layer having a thickness of 10 nanometers were used.
[0063]
The magnetoresistive film 6 was formed by a normal sputtering method. Then 8 × 10 ⁵ With a magnetic field of ampere / meter (A / m) applied, a uniaxial magnetic anisotropy is imparted to the magnetization pinned layer of the magnetoresistive effect film 6 by performing a heat treatment at 270 ° C. for about 4 hours in a vacuum. Granted.
[0064]
Next, a V90 (manufactured by Tokyo Ohka) resist having a thickness of 400 nanometers is applied on the magnetoresistive film 6, exposed with a stepper, and developed to leave an element size of 3.2 × 3.2 micrometers. Form a pattern. Next, the magnetoresistive film 6 was etched by ion milling, and a normal resist removal process was performed.
[0065]
Next, as shown in FIG. 5A, the insulator layer 3b was formed. That is, the SiOx insulator layer 3b having a film thickness of 400 nanometers was formed by using the same sputtering method as that for forming the insulator layer 3a. At this time, a convex shape reflecting the convex portion P of the electrode 2a is formed on the surface of the insulator layer 3a. The height of this convex shape was about 20 nanometers.
[0066]
Next, as shown in FIG. 5B, a V90 resist pattern 7 having an opening diameter of about 0.8 micrometers and a thickness of 400 nanometers was formed.
[0067]
After this, CHF ₃ Insulating the insulator layer 3b with an input power of 150 watts (w) for about 7 minutes and measuring the contact hole and the electrode 2a to connect the electrode 2b with an RIE apparatus in which gas is introduced until the pressure reaches 1 Pascal (Pa) A contact hole (not shown) for the electrode part for forming was formed.
[0068]
Next, as shown in FIG. 5C, the upper electrode 2b was formed. That is, the electrode 2b was formed by embedding an electrode material in a contact hole formed by RIE. The film structure of the electrode 2b is, in order from the magnetoresistive film 6, a tantalum (Ta) adhesion layer having a thickness of 5 nanometers, a copper (Cu) film having a thickness of 400 nanometers, and a gold (Au) film having a thickness of 200 nanometers. The structure. In addition, a normal sputtering method was used for the film formation, but a high frequency bias of 100 watts (w) was applied only during the film formation of copper (Cu) for the purpose of improving the embedded state in the contact hole. Thereafter, an electrode resist pattern (not shown) for measurement of the lower electrode 2a and the upper electrode 2b was formed, and etching or the like by ion milling was performed to form a magnetoresistive effect element.
[0069]
FIG. 6 is a graph showing the relationship (MR characteristics) between the magnetic field and resistance of the CPP magnetoresistive effect element thus obtained.
[0070]
In the case of the element according to the present invention (represented by a solid line), the resistance increases with the application of the magnetic field in the plus direction, and a flat characteristic in which a high resistance value is maintained in a wide magnetic field range is obtained.
[0071]
On the other hand, in the case of the magnetoresistive effect element (represented by a broken line) of the comparative example in which the magnetoresistive effect film 6 is formed directly on the lower electrode 2a without providing the planarizing conductive layer 5, the magnetic field The change in resistance value with the increase is a peak, and the range of the magnetic field in which high resistance can be obtained is extremely narrow. As described above with reference to FIG. 19, the film thickness of each layer constituting the magnetoresistive film 6 is “uneven”, “non-uniform”, or the like due to a step or protrusion around the convex portion P of the lower electrode 2 a. This is probably because of In other words, in the element of the comparative example, the antiferromagnetic coupling between the upper and lower ferromagnetic layers (pinned layer and free layer) via the nonmagnetic intermediate layer (spacer layer) becomes very weak, so that magnetization can be performed from a relatively small magnetic field. It is considered that the resistance is reduced due to the inversion.
[0072]
On the other hand, in the element of this example, a high resistance was maintained in a wide magnetic field range, a very clean MR characteristic with little noise was obtained, and the effectiveness of the planarized conductive layer 5 was confirmed.
[0073]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0074]
7 and 8 are process cross-sectional views showing a main part manufacturing process of the magnetoresistive effect element of this example. In this embodiment, as in the first embodiment, the steps for the magnetic shield and the magnetic recording portion are omitted.
[0075]
First, as shown in FIG. 7A, the insulator layer 3a for forming the convex portion P was formed on the flat electrode 2a, and the opening H was formed by patterning. Specifically, first, an alloy (Cu) of copper and silver having a film thickness of about 300 nanometers is formed on a thermally oxidized silicon substrate (not shown). ₉₅ Ag ₅ Electrode 2a having a composition of atomic percent) was formed by a normal sputtering method, and an electrode pattern (not shown) for measuring MR characteristics was formed by a normal semiconductor process. And aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) Al with a film thickness of 200 nanometers by sputtering using a target ₂ O ₃ An insulator layer 3a was formed. Further, a remaining resist pattern having a thickness of 300 nanometers and a diameter of about 400 nanometers was formed thereon with an I-line stepper. Next, after the insulator layer 3a was etched by ion milling, the resist was removed to form an opening H for forming a convex portion P having a diameter of about 400 nanometers and a depth of about 200 nanometers.
[0076]
Next, as shown in FIG. 7B, an electrode layer 2a ′ for forming the convex portion P was formed on the insulator layer 3a. Here, as the electrode layer 2a ′, copper (Cu) having a film thickness of 150 nanometers was formed by IBD (Ion Beam Deposition) having high directivity of sputtered particles. A portion of the deposited sample was processed with a FIB (Focused Ion Beam) and cross-sectioned and observed with an SEM. As a result, it was confirmed that the electrode layer 2a 'was embedded in the opening H of the insulator layer 3a. did it.
[0077]
Next, the entire surface of the substrate was substantially planarized by CMP, and the electrode layer 2a ′ other than the convex portion P was removed as shown in FIG. For CMP, a slurry for copper (Cu) was used, and the electrode layer 2a ′ was polished by about 150 nanometers. Here, as shown in FIG. 7C, a step of about 50 nanometers (the protrusion P is lower than the insulator layer 3a) between the insulator layer 3a and the protrusion P, and the depth An “edge” of about 20 nanometers or grooves was observed.
[0078]
When the magnetoresistive film 6 is directly formed on a substrate having irregularities on the order of several tens of nanometers in this way, as illustrated in FIG. In addition, "unevenness" and "non-uniformity" occur. As a result, the magnetic coupling between the respective layers becomes unstable, and as shown by the broken lines in FIG.
[0079]
On the other hand, in this embodiment, as shown in FIG. 7D, the planarized conductive layer 5 is formed and the surface thereof is planarized. In the present example, the planarizing conductive layer 5 was formed by sputtering the titanium (Ti), which is a conductive metal, until the film thickness reached 50 nanometers. However, in this case, as the material of the planarization conductive layer 5, in addition to titanium (Ti), for example, aluminum (Al), tantalum (Ta), tungsten (W), molybdenum (Mo), alloys thereof, or nitriding A nitride such as tantalum (TaN), titanium nitride (TiN), aluminum nitride / titanium ((Al, Ti) N), or tungsten nitride (WN) may be used.
[0080]
Next, in order to form a CPP type magnetoresistive effect element with good MR characteristics, CMP for flattening / smoothing was performed to obtain a cross-sectional shape as shown in FIG. At this time, when the polishing amount of CMP was set to about 50 nanometers, the surface became flat and smooth. When the surface property was measured with an AFM, the surface roughness was about 4 nanometers, and the “step” and “edge” that the insulator layer 3a and the surface of the convex portion P had were largely eliminated and flat. It was confirmed that a surface was obtained.
[0081]
Next, as shown in FIGS. 8A to 8D, the magnetoresistive film 6 is formed, the magnetoresistive film 6 is patterned, the insulator layer 3b is formed and patterned, and the upper electrode 2b is formed. As a result, a CPP type magnetoresistive effect element was completed.
[0082]
The planar size of the magnetoresistive effect element of this example is 1.5 micrometers × 1.5 micrometers, the diameter of the contact hole that embeds the electrode 2b is 400 nanometers, and the upper electrode 2b has a film thickness. 300 nanometers of copper (Cu) was deposited.
[0083]
When the relationship between the magnetic field and resistance (MR characteristics) of the CPP type magnetoresistive effect element thus obtained was examined, as in the result shown in FIG. 6, it was compared with the case where the planarizing conductive layer 5 was not provided. Thus, very clean MR characteristics with little noise were obtained, and the effectiveness of the present invention was confirmed in the present embodiment using the planarized conductive layer 5 as well.
[0084]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0085]
FIG. 9 is a cross-sectional view showing the main configuration of the magnetoresistive effect element according to the present embodiment. In this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0086]
That is, in this embodiment, the insulator adhesion layer 8 is provided on the lower electrode 2a. The insulator adhesion layer 8 has a role of improving the adhesion strength between the lower electrode 2a and the insulator layer 3a, and can be formed of tantalum (Ta) having a film thickness of about 10 nanometers.
[0087]
Hereinafter, the configuration of the magnetoresistive effect element according to the present embodiment will be described along the manufacturing procedure thereof. The main part of the manufacturing process of the magnetoresistive effect element of the present embodiment can be the same as that described above with reference to FIGS. 3 to 5 and will be described below with reference to these drawings.
[0088]
First, as in the first embodiment, as the lower electrode 2a, in order from the substrate side, tantalum (Ta) having a thickness of 5 nanometers, copper (Cu) having a thickness of 300 nanometers, and tantalum having a thickness of 10 nanometers (tantalum) After forming Ta), a convex portion P having a height of 100 nanometers and a diameter of 100 nanometers is formed by ion milling to form the structure shown in FIG.
[0089]
Next, tantalum (Ta) having a film thickness of 10 nanometers is formed as the insulator adhesion layer 8 for the purpose of improving the adhesion between the lower electrode 2a and the insulator layer 3a, and thereafter, the film is made of SiOx having a film thickness of 150 nanometers. An insulator layer 3a was formed by reactive bias sputtering (FIG. 3B). Thereafter, an OFR planarizing resist having a thickness of 400 nanometers was applied (FIG. 3C), and planarized by RIE until the SiOx insulator layer 3a had a thickness of about 100 nanometers (FIG. 4A).
[0090]
Next, as the planarizing conductive layer 5, aluminum nitride / titanium nitride ((Al, Ti) N) having a thickness of 20 nanometers is formed by MBE (Molecular Beam Epitaxy) (FIG. 4B), and then the surface thereof is formed. Was flattened (FIG. 4B).
[0091]
Further, a magnetoresistive film 6 was formed and processed into a pattern having an element size of 1 micrometer × 1 micrometer (FIG. 4D). This processing was performed by patterning with a stepper, etching by ion milling, and resist removal.
[0092]
Next, Al having a thickness of 150 nanometers as the insulator layer 3b ₂ O ₃ After forming a film by sputtering (FIG. 5A), an extraction pattern having a diameter of 100 nanometers was formed by an EB exposure apparatus (FIG. 5B).
[0093]
Then, after forming a contact hole for the electrode 2b by etching, an electrode 2b made of copper (Cu) having a film thickness of 300 nanometers was formed by IBD. Thereafter, formation of an electrode resist pattern for measurement of the electrode 2a and the electrode 2b, etching by ion milling, and the like were performed.
[0094]
When the relationship between the magnetic field and resistance (MR characteristics) of the CPP type magnetoresistive effect element thus obtained was examined, it was also compared with the case where the planarized conductive layer 5 was not used, as described above with reference to FIG. Thus, a very beautiful MR characteristic with little noise was obtained. Furthermore, in this example, the film peeling from the electrode 2a of the insulator layer 3a during the CMP polishing in the process shown in FIG. 4C or the like is about 10% of the first example (of the area of film peeling). The ratio was greatly improved from 0% to 0%, and the effectiveness of the insulator adhesion layer 8 of this example could be confirmed together.
[0095]
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0096]
FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the magnetoresistive element of this example. Also in this figure, the same elements as those described above with reference to FIGS. 1 to 9 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0097]
That is, in this embodiment, the planarization stopper layer 9 is provided between the insulator layer 3 a and the planarization conductive layer 5. The planarization stopper layer 9 has a role of relaxing the “step” between the convex portion P of the lower electrode 2a and the surrounding insulator layer 3a.
[0098]
The basic manufacturing process of the element of this embodiment can be made the same as that of the second embodiment described above. Therefore, the following description will focus on the points different from those described above with reference to FIGS.
[0099]
The present embodiment is characterized in that, in addition to the second embodiment, a planarization stopper layer 9 is formed on the insulator layer 3. In this embodiment, SiOx is formed as the insulator layer 3a, and aluminum oxynitride (Al (O, N)), which is an oxynitride of aluminum (Al), is used as the planarization stopper layer 9. A film thickness of 5 nanometers was formed by MBE. Thereafter, an opening H for forming the convex portion P of the lower electrode 2a is formed, the opening H is filled with an electrode material, and then etching back is performed by on-milling until the planarizing stopper layer 9 is exposed (FIG. 7). (C)).
[0100]
As a result, although the “flickering” at the boundary between the convex portion P of the lower electrode 2a and the insulator layer 3a (planarization stopper layer 9) is about 20 nanometers, the surface of the convex portion P and the planarization stopper layer 9 The “step” was about 10 nanometers, and it was confirmed that the “step” was reduced.
[0101]
Next, a planarizing conductive layer 5, a magnetoresistive effect film 6, an insulator layer 3b, and an electrode 2b were sequentially formed, and a head for MR characteristic evaluation was manufactured.
[0102]
When the relationship between the magnetic field and resistance (MR characteristics) of the CPP type magnetoresistive effect element thus obtained was examined, it was found that the MR characteristics were very clean with less noise than when the planarized conductive layer 5 was not used. Similarly, the effectiveness of the present invention was confirmed also in the fourth embodiment using the planarized conductive layer 5.
[0103]
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. Since the main part of the manufacturing process of the magnetoresistive effect element of the present embodiment can be the same as that of the element of the first embodiment, the following description will focus on different points.
[0104]
First, as in the first embodiment, as the lower electrode 2a, in order from the substrate side, tantalum (Ta) with a thickness of 5 nanometers and nickel iron (Ni with a thickness of 200 nanometers) ₈₀ Fe ₂₀ : Atomic percent), as shown in FIG. 11A, a reverse taper resist pattern 20 having a width of 200 nanometers and a height of 200 nanometers was formed by an excimer stepper.
[0105]
Next, ion milling was performed at an incident angle of 20 degrees (deg), and as shown in FIG. 11B, a convex portion P having a height of 50 nanometers was formed on the electrode 2a.
[0106]
Next, as shown in FIG. 11C, an insulator is formed by forming Al2O3 having a film thickness approximately equal to the height of the projection P by IBS (Ion Beam Sputtering) or the like having high directivity of sputtered particles. Layer 3a was formed.
Next, the resist 20 was removed to obtain a form as shown in FIG. When the surface roughness (Rmax) was measured, a surface property of about 20 nanometers was obtained.
[0107]
Next, as shown in FIG. 12B, tantalum (Ta) having a film thickness of 30 nanometers is formed by normal sputtering as the planarizing conductive layer 5, and the surface roughness Rmax is 15 nanometers. Obtained.
[0108]
Next, as shown in FIG. 12C, the planarized conductive layer 5 is polished to a thickness of about tantalum (Ta) by CMP and polished to about 25 nanometers, so that the surface roughness Rmax is 3 nanometers or less. A surface with very good properties and smoothness was obtained.
[0109]
Thereafter, in the same manner as in the first embodiment, after the formation of the CPP type magnetoresistive film 6, a pattern having an element size of 300 nanometers × 300 nanometers was formed by patterning with an EB stepper and etching by ion milling, and the resist was removed. .
[0110]
Next, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ) Was formed by a sputtering method, and an extraction pattern having a diameter of 100 nanometers was formed by an EB exposure apparatus and etched to form a contact hole for the electrode 2b. Then, nickel iron (Ni ₈₀ Fe ₂₀ : Atomic percent) was formed into a film.
[0111]
Thereafter, measurement electrode resist pattern formation of the electrodes 2a and 2b, etching by ion milling, and the like were performed.
[0112]
When the relationship between the magnetic field and resistance (MR characteristic) of the CPPGMR element thus obtained was examined, a very clean MR characteristic with less noise was obtained compared to the case where the planarized conductive layer 5 was not used. The effectiveness of the planarized conductive layer 5 was confirmed.
[0113]
(Sixth embodiment)
Next, a magnetic reproducing apparatus equipped with the magnetoresistive element of the present invention will be described as a sixth embodiment of the present invention. That is, the magnetoresistive effect element or magnetic head of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 12 can be incorporated into a recording / reproducing integrated magnetic head assembly and mounted on a magnetic recording / reproducing apparatus, for example.
[0114]
FIG. 13 is a perspective view illustrating a schematic configuration of such a magnetic recording / reproducing apparatus. That is, the magnetic recording / reproducing apparatus 150 of the present invention is an apparatus using a rotary actuator. In the figure, a recording medium disk 200 is mounted on a spindle 152 and rotated in the direction of arrow A by a motor (not shown) that responds to a control signal from a drive device control unit (not shown). The magnetic recording / reproducing apparatus 150 of the present invention may include a plurality of medium disks 200.
[0115]
A head slider 153 that records and reproduces information stored in the medium disk 200 is attached to the tip of a thin-film suspension 154. Here, the head slider 153 has, for example, the magnetoresistive effect element or the magnetic head according to any one of the above-described embodiments mounted near the tip thereof.
[0116]
When the medium disk 200 rotates, the medium facing surface (ABS) of the head slider 153 is held with a predetermined flying height from the surface of the medium disk 200. Alternatively, a so-called “contact traveling type” in which the slider contacts the medium disk 200 may be used.
[0117]
The suspension 154 is connected to one end of an actuator arm 155 having a bobbin portion for holding a drive coil (not shown). A voice coil motor 156, which is a kind of linear motor, is provided at the other end of the actuator arm 155. The voice coil motor 156 is composed of a drive coil (not shown) wound around the bobbin portion of the actuator arm 155, and a magnetic circuit composed of a permanent magnet and a counter yoke arranged so as to sandwich the coil.
[0118]
The actuator arm 155 is held by ball bearings (not shown) provided at two positions above and below the spindle 157, and can be freely rotated and slid by a voice coil motor 156.
[0119]
FIG. 14 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the actuator arm 155 as viewed from the disk side. That is, the magnetic head assembly 160 includes an actuator arm 155 having, for example, a bobbin portion that holds a drive coil, and a suspension 154 is connected to one end of the actuator arm 155.
A head slider 153 including any one of the magnetoresistive elements or the magnetic head described above with reference to FIGS. 1 to 12 is attached to the tip of the suspension 154. The suspension 154 has a lead wire 164 for writing and reading signals, and the lead wire 164 and each electrode of the magnetic head incorporated in the head slider 153 are electrically connected. In the figure, reference numeral 165 denotes an electrode pad of the magnetic head assembly 160.
[0120]
According to the present invention, the information magnetically recorded on the medium disk 200 at a higher recording density than the prior art by including the magnetoresistive effect element or magnetic head of the present invention as described above with reference to FIGS. Can be read reliably.
[0121]
(Seventh embodiment)
Next, a magnetic memory equipped with the magnetoresistive element of the present invention will be described as a seventh embodiment of the present invention. That is, by using the magnetoresistive effect element of the present invention described with reference to FIGS. 1 to 12, for example, a magnetic memory such as a random access magnetic memory in which memory cells are arranged in a matrix can be realized.
[0122]
FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating the matrix configuration of the magnetic memory of this embodiment.
[0123]
That is, this figure shows a circuit configuration of the embodiment when memory cells are arranged in an array. In order to select one bit in the array, a column decoder 350 and a row decoder 351 are provided, and the switching transistor 330 is turned on by the bit line 334 and the word line 332 to be uniquely selected and detected by the sense amplifier 352. Thereby, the bit information recorded on the magnetic recording layer constituting the magnetoresistive effect element 321 can be read.
[0124]
The bit information is written by a magnetic field generated by supplying a write current to the specific write word line 323 and the bit line 322.
[0125]
FIG. 16 is a conceptual diagram showing another specific example of the matrix configuration of the magnetic memory of this embodiment. That is, in the case of this specific example, the bit lines 322 and the word lines 334 wired in a matrix are selected by the decoders 360 and 361, respectively, and specific memory cells in the array are selected. Each memory cell has a structure in which a magnetoresistive element 321 and a diode D are connected in series. Here, the diode D has a role of preventing the sense current from bypassing in the memory cells other than the selected magnetoresistance effect element 321.
[0126]
Writing is performed by a magnetic field generated by supplying a write current to the specific bit line 322 and the write word line 323, respectively.
[0127]
FIG. 17 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a main part of the magnetic memory according to the embodiment of the present invention. 18 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
[0128]
That is, the structure shown in these drawings corresponds to one memory cell included in the magnetic memory illustrated in FIG. That is, it is a 1-bit memory cell of a magnetic memory that operates as a random access memory. This memory cell has a memory element portion 311 and an address selection transistor portion 312.
[0129]
The memory element portion 311 includes a magnetoresistive effect element 321 and a pair of wirings 322 and 324 connected thereto. The magnetoresistive effect element 321 is the magnetoresistive effect element of the present invention as described above with reference to FIGS. 1 to 12, and has the GMR effect, the TMR effect, etc., and is provided with the planarizing conductive layer 5. .
[0130]
In the case of having the GMR effect, a sense current may be detected by passing a sense current through the magnetoresistive effect element 321 when reading bit information.
[0131]
In particular, when a ferromagnetic double tunnel junction having a structure of magnetic layer / nonmagnetic tunnel layer / magnetic layer / nonmagnetic tunnel layer / magnetic layer is included, the magnetic field is changed by the resistance change due to the tunnel magnetoresistance (TMR) effect. A resistance effect is obtained.
[0132]
In these structures, any one of the magnetic layers can function as a magnetization fixed layer, and any other magnetic layer can function as a magnetic recording layer.
[0133]
On the other hand, the selection transistor portion 312 is provided with a transistor 330 connected via a via 326 and a buried wiring 328. The transistor 330 performs a switching operation according to the voltage applied to the gate 332, and controls opening and closing of the current path between the magnetoresistive effect element 321 and the wiring 334.゜
A write wiring 323 is provided below the magnetoresistive element 321 in a direction substantially orthogonal to the wiring 322. These write wirings 322 and 323 can be formed of, for example, aluminum (Al), copper (Cu), tungsten (W), tantalum (Ta), or an alloy containing any of these.
[0134]
In the memory cell having such a configuration, when writing bit information to the magnetoresistive element 321, a write pulse current is supplied to the wirings 322 and 323, and a combined magnetic field induced by these currents is applied, thereby applying the magnetoresistive element. The magnetization of the recording layer is appropriately reversed.
[0135]
When reading bit information, a sense current is passed through the wiring 322, the magnetoresistive effect element 321 including the magnetic recording layer, and the lower electrode 324, and the resistance value of the magnetoresistive effect element 321 or a change in the resistance value is measured. Is done.
[0136]
The magnetic memory of this specific example can obtain a stable magnetoresistance change rate by using the magnetoresistive effect element as described above with reference to FIGS. As a result, even if the cell size is miniaturized, the magnetic domain of the recording layer can be reliably controlled to ensure reliable writing, and can be reliably read.
[0137]
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, the present invention is not limited to these specific examples. For example, regarding the specific structure of the magnetoresistive effect film and the shape and material of the electrode, the bias application film, the insulating film, etc. The same effect can be obtained.
[0138]
For example, when applying a magnetoresistive effect element to a reproducing magnetic head, the detection resolution of the magnetic head can be defined by providing magnetic shields above and below the element.
[0139]
The present invention can be similarly applied not only to the longitudinal magnetic recording system but also to the perpendicular magnetic recording system magnetic head or magnetic reproducing apparatus, and the same effect can be obtained.
[0140]
Furthermore, the magnetic reproducing apparatus of the present invention may be a so-called fixed type having a specific recording medium constantly provided, or a so-called “removable” type in which the recording medium can be replaced.
[0141]
In addition, all magnetoresistive elements, magnetic heads, magnetic storage / reproduction devices, and magnetics that can be implemented by those skilled in the art based on the magnetic head and magnetic storage / reproduction device described above as embodiments of the present invention. Memory is similarly within the scope of the present invention.
[0142]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, a conventional planarization technique is formed by forming a planarized conductive layer on a surface that has been substantially planarized by etch back or the like, and planarizing the surface by processing such as CMP. Compared with this, the flatness and smoothness are remarkably excellent, and the deterioration of the MR characteristics of the magnetoresistive film formed thereon can be greatly suppressed.
[0143]
As a result, high-sensitivity magnetic detection can be obtained stably, a magnetic head having high output and high S / N even at high recording density, a magnetic reproducing apparatus equipped with the magnetic head, and a highly integrated magnetic memory are provided. The industrial merit is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view illustrating a cross-sectional structure of a main part of a magnetoresistive element according to an embodiment of the invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view illustrating a structure in which a planarized conductive layer 5 is extended under a bias film 17;
FIG. 3 is a process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the invention.
FIG. 4 is a process sectional view showing a main part manufacturing process of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the invention;
FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process of the magnetoresistive effect element according to the first embodiment of the invention.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between magnetic field and resistance (MR characteristic) of a CPP type magnetoresistive element obtained by the present invention.
FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process of a magnetoresistive effect element according to a second embodiment of the invention.
FIG. 8 is a process cross-sectional view illustrating a main part manufacturing process of a magnetoresistive effect element according to a second embodiment of the invention.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a main configuration of a magnetoresistive effect element according to a third embodiment of the invention.
FIG. 10 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of a magnetoresistive effect element according to a fourth example of the invention.
FIG. 11 is a process sectional view showing a process for manufacturing a magnetoresistive effect element according to a fifth example of the invention.
FIG. 12 is a process sectional view showing a process for manufacturing a magnetoresistive effect element according to a fifth example of the invention.
FIG. 13 is a perspective view of relevant parts illustrating a schematic configuration of a magnetic recording / reproducing apparatus of the present invention.
14 is an enlarged perspective view of the magnetic head assembly ahead of the actuator arm 155 as viewed from the disk side. FIG.
FIG. 15 is a conceptual diagram illustrating the matrix configuration of a magnetic memory of the present invention.
FIG. 16 is a conceptual diagram showing another specific example of the matrix configuration of the magnetic memory of the present invention.
FIG. 17 is a conceptual diagram showing a cross-sectional structure of a main part of a magnetic memory according to an embodiment of the present invention.
18 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
FIG. 19 is a schematic cross-sectional view for explaining “unevenness” of the film thickness of the magnetoresistive film.
FIG. 20 is a schematic view illustrating a state in which a groove-like “frecking” has occurred around the convex portion P;
FIG. 21 is a schematic diagram showing a state in which the surface heights of the convex portion P and the insulator layer 3a are different and a “step” is generated.
[Explanation of symbols]
1 Silicon substrate
2a Lower electrode
2b Upper electrode
3, 3a, 3b Insulator layer
4 Planarization resist
5 Planarized conductive layer
6 Magnetoresistive film
7 resist pattern
8 Insulator adhesion layer
9 Flattening stopper layer
17 Bias film
12 Insulating film
20 resists
20 Reverse taper resist pattern
150 Magnetic recording / reproducing apparatus
152 spindle
153 Head slider
154 suspension
155 Actuator arm
156 Voice coil motor
157 spindle
160 Magnetic head assembly
164 Lead wire
200 Magnetic recording media disk
311 Memory element part
312 Address selection transistor part
312 Selection transistor part
321 Magnetoresistive element
322 bit line
322 wiring
323 word line
323 wiring
324 Lower electrode
326 via
328 Wiring
330 Switching transistor
332 gate
332 word line
334 bit line
334 Word line
350 column decoder
351 row decoder
352 sense amplifier
360 decoder
H opening
P Convex
R protrusion

Claims

A lower electrode having a convex portion protruding upward;
An insulator layer provided so as to surround the periphery of the convex portion;
A planarized conductive layer having an upper surface formed substantially flat by embedding irregularities generated on the surface of the protrusion and the surrounding insulator layer;
A magnetoresistive film laminated on the substantially flat upper surface of the planarized conductive layer;
An upper electrode provided on the magnetoresistive film;
A magnetoresistive effect element comprising:

2. The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the unevenness is at least one of a step, a groove, and a protrusion generated on the surface of the protrusion and the surrounding insulator layer.

A lower electrode having a convex portion protruding upward;
An insulator layer provided so as to surround the periphery of the convex portion;
A planarized conductive layer provided on the convex portion and the insulator layer around the convex portion;
A magnetoresistive film provided on the planarized conductive layer;
An upper electrode provided on the magnetoresistive film;
With
The planarizing conductive layer has a magnetoresistive effect characterized in that the upper surface in contact with the magnetoresistive film is formed flatter than the lower surface in contact with the protrusion and the surrounding insulator layer. element.

And the convex portion of the lower electrode having a projected portion that projects upward, an insulator layer provided so as to surround the periphery of the convex portion, on the further depositing a layer of conductive material A magnetoresistive effect element characterized in that a planarized conductive layer is formed by performing a planarization process on the surface by etching or polishing, and a magnetoresistive effect film is formed on the planarized conductive layer.

A pair of bias application films provided adjacent to both sides of the magnetoresistive film;
The magnetoresistive effect element according to claim 1, wherein the planarizing conductive layer is provided so as to extend under the pair of bias application films.

The insulator layer includes a first layer made of a first insulating material provided on the upper side in contact with the planarization conductive layer, and the first insulating material provided below the first layer. The magnetoresistive element according to claim 1, further comprising: a second layer made of a second insulating material different from the first layer.

The magnetoresistive film includes a magnetization pinned layer having a first magnetic film whose magnetization direction is fixed substantially in one direction, and a second magnetic film whose magnetization direction changes corresponding to an external magnetic field. The magnetoresistive effect film which has a magnetization free layer which has, and a nonmagnetic intermediate layer provided between the magnetization pinned layer and the magnetization free layer. The magnetoresistive effect element as described in any one.

Forming a lower electrode having a protrusion protruding upward and an insulator layer surrounding the periphery of the protrusion; and
Depositing a layer made of a conductive material on the convex portion and the insulator layer around the convex portion;
Forming a planarized conductive layer by planarizing an upper surface of the layer made of the conductive material by etching or polishing; and
Forming a magnetoresistive film on the planarized conductive layer;
A method of manufacturing a magnetoresistive effect element comprising:

A magnetic head comprising the magnetoresistive effect element according to claim 1.

A magnetic reproducing apparatus comprising the magnetic head according to claim 9 and capable of reading information magnetically recorded on a magnetic recording medium.