JP3833850B2

JP3833850B2 - 磁気センサーとその製造方法および磁気記録装置

Info

Publication number: JP3833850B2
Application number: JP15821699A
Authority: JP
Inventors: 喜彦瀬山
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2019-06-04
Also published as: JP2000348311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハードディスクドライブなどの磁気記録装置に使用される磁気センサーに関わり、特に巨大磁気抵抗効果（以下ＧＭＲ効果という）を利用した磁気抵抗効果ヘッドに有効な磁気センサーとその製造方法に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータに接続されるハードディスクドライブなどの磁気記録装置に組み込まれる磁気ヘッドには、従来より、コイルに発生する誘導電流により磁場を間接的に感知するものが用いられていたが、最近では、磁性材料において外部磁場の方向と電流の方向が異なる時に、外部磁場の大きさにより電気抵抗が変化する磁気抵抗効果（以下ＭＲ効果という）を利用して、磁場自体を直接感知する磁気センサーを組み込んだＭＲ効果ヘッドが用いられるようになってきた。
【０００３】
ＭＲ効果を利用した磁気ヘッドによって磁気記録装置などの記録密度は大幅に向上したが、更なる記録密度向上への要求は大きく、最新の磁気ヘッドにはＭＲ効果よりも抵抗変化が大きく、記録密度の向上が更に期待できるＧＭＲ効果を利用した磁気ヘッドが用いられている。
【０００４】
ＧＭＲ効果を利用した磁気ヘッドは、スピンバルブ構造のＧＭＲ膜を用いたものが主であるが、多層膜構造のＧＭＲ膜を用いたものが検討されている。
【０００５】
反強磁性層を用いたスピンバルブ構造のＧＭＲ膜では、ＭＲ比が８〔％〕前後であり、２０〜４０〔ギガビット／平方インチ〕の記録密度まで対応可能と考えられている。
【０００６】
一方、多層膜構造のＧＭＲ膜では、４０〔ギガビット／平方インチ〕以上の記録密度が対応可能と考えられている。この程度の記録密度になると、ＭＲ比は少なくとも１０〔％〕以上である必要がある。
【０００７】
また、記録ビットサイズはトラック幅で０．３〔μｍ〕以下、ビット長で０．０７〔μｍ〕以下と小さくなるため、ＧＭＲ膜の厚さは少なくとも０．０７〔μｍ〕以下であること、すなわち上下磁気シールドとの絶縁層厚を各２００〔Å〕とすると３００〔Å〕以下であることが望まれている。
【０００８】
多層膜ＧＭＲでは、最も大きなＭＲ比（３０〜５０〔％〕）が得られる第一ピークにおいては、抵抗変化に要する外部磁界は数キロエールステッド〔ｋＯｅ〕以上と大きい値になるが、ＭＲ比が１０〜２０〔％〕である第二ピークにおいては、抵抗変化に要する外部磁界は１００〜２００〔Ｏｅ〕前後と小さくなり、磁気記録装置に組み込まれる磁気ヘッドに充分適用可能と考えられる。
【０００９】
更に、多層膜ＧＭＲにおいては膜面に平行に電流を流す場合（ＣＩＰ型；Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｉｎ−ｔｈｅ−Ｐｌａｎｅ）と膜面に垂直に電流を流す場合（ＣＰＰ型；Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｔｈｅ−Ｐｌａｎｅ）があるが、ＣＩＰ型に比べてＣＰＰ型の方が抵抗変化が大きくなることが知られている。また、ＣＰＰ型の磁気センサーは素子の断面積が小さい方が抵抗が大きくなり、抵抗変化の測定精度が向上する。すなわち、磁気記録装置のトラック幅を狭くすることに適している。
【００１０】
ＣＰＰ型の磁気センサーの素子構造の一例を図９に示す。図９は磁気センサーの断面図である。この素子は下部電極層である下端子層１、絶縁層２、ＧＭＲ層３および上部電極層である上端子層４からなる。この例では下端子層および上端子層はＣｕ膜からなる。
【００１１】
図９では上端子層から下端子層に向けてＧＭＲ層のコンタクトホールを通してセンス電流を流す。図９の矢印で示した部分がコンタクトホール５の底面である。コンタクトホールの底面において下端子層１の露出面とＧＭＲ層３の下面が接触する。この接触面の接触抵抗の大きさが磁気センサーのセンス電流の大きさに影響を及ぼす。
【００１２】
ＣＰＰ型の磁気センサーの素子構造の他の例を図１０の磁気センサーの素子構造（２）に示す。図１０に示す素子構造の磁気センサにおいては、下端子層１と上端子層４とを、例えばＮｉＦｅ膜により構成する。これにより下端子層１と上端子層４とが同時に磁気シールド層としての機能をも備える。
【００１３】
図１０の磁気シールド間距離（図１０のｔ）はＧＭＲ層の厚さと等しくなり、図９のＣｕ膜を用いた場合（図９のＴ）に比べて磁気シールド間距離を大幅に縮小することができ、磁気センサーの小型化に寄与する。
【００１４】
図９および図１０に示すような素子構造を有する磁気センサの製造工程では、図１１の磁気センサの製造工程に示すように、先ず基板上に下端子層１を成膜し、その上にレジストパターンを形成した後、下端子の形状にミリングする。
【００１５】
その上に絶縁層２を成膜し、次いでレジストパターンを形成し、更にミリングして、絶縁層の中央領域にコンタクトホールを形成した後、コンタクトホール全体と少なくともその周囲の絶縁層とを含む領域にＧＭＲ層３を成膜する。その上に上端子層４を成膜し、更にレジストパターンを形成し、上端子形状にミリングする。
【００１６】
以下の例により従来技術をさらに説明する。尚、これらの磁気センサーではＧＭＲ層をＣｏＦｅ／ＣｕまたはＣｏ／Ｃｕなどの多層膜構造とし、絶縁層としてはＳｉＯ₂などを用いる。
【００１７】
例１
図１１に示すプロセスに従って、基板上に下端子層としてＣｕ５０００〔Å〕を形成し、その上にレジストをコートし、露光し、現像してレジストパターンを形成し、アルゴンレーザにより下端子形状にミリングした。次に、その上に絶縁層としてＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってＳｉＯ₂層５００〔Å〕を形成し、次いでレジストパターンの形成およびミリングを行ってコンタクトホールを形成した。更に、その上に、多層膜構造のＧＭＲ層としてＣｏＦｅ５０〔Å〕／〔ＣｏＦｅ１１〔Å〕／Ｃｕ２２〔Å〕〕×１０層を形成し、次に上端子層としてＣｕ２０００〔Å〕を形成し、次いでレジストパターンを形成し、上端子形状にミリングを行った。
【００１８】
例２
次に下端子層としてＣｕ５０００〔Å〕に代えてＮｉＦｅ１００００〔Å〕を形成し、また上端子層としてＣｕ２０００〔Å〕に代えてＮｉＦｅ１００００〔Å〕を形成した。ＮｉＦｅ層は通常のめっき成膜法により形成したが、ＮｉＦｅ層の表面は、スパッタ成膜により得られたＣｕ層に比較して粗かったので、上下端子層とＧＭＲ層との間にそれぞれＣｕスパッタ層を介在させ、ＮｉＦｅ層表面とＧＭＲ層との接触不良に起因すると考えられる不良発生率を改善した。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの工程の中で最も困難な点は、絶縁層にコンタクトホールを開ける工程である。イオンミルや反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によりコンタクトホールを開けた後、レジストを剥離する必要があり、ここで酸素プラズマなどを用いるとレジストの剥離は容易になるが、コンタクトホール底面の下端子層の金属表面に酸化膜が形成されてしまうという問題がある。
【００２０】
一方、酸素プラズマなどを用いなければレジストを剥離できない場合があり、歩留りの低下を招いてしまうという問題もある。また、酸素プラズマなどを用いずにレジストを剥離できたとしても、コンタクトホール底面に相当する部分が露出しており、その後の工程までに酸化物が形成されてしまう可能性もある。
【００２１】
コンタクトホール底面の下端子層の金属に酸化膜ができると、ＣＰＰ素子の電気抵抗値が大きくなってしまい、その結果としてセンス電流によりＣＰＰ素子が発熱し、更にはＣＰＰ素子の破壊が発生する可能性が大きくなってしまう。
【００２２】
このようにＣＰＰ型の磁気センサーの製造に当たっては、コンタクトホールの底面に酸化膜が形成されてしまうのを防止し、コンタクトホール底面における電気抵抗値を低く抑える必要がある。
【００２３】
本発明はこのような点にかんがみて、製造が容易であって信頼性が高く、小型でかつ出力が安定した磁気センサーを提供することを目的とする。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の磁気センサーは、ＣＰＰ型多層膜ＧＭＲ構造の磁気センサーであって、難酸化性の金属、若しくは酸化しても酸化膜が電気伝導性を有する金属の表面を有する下部電極層と、下部電極層の上に形成された巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）膜と、ＧＭＲ膜上に積層された上部電極層と、を有する。
【００２５】
また、本発明の磁気センサーは、一方の引き出し電極を構成する下部電極層と、下部電極層上に形成され、下部電極層を一部露出させるコンタクトホールを有する絶縁層と、コンタクトホールとその周囲の絶縁層とを含む領域に形成される巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）層と、ＧＭＲ層上に形成され、他方の引き出し電極を構成する上部電極層と、を備えたＣＰＰ型の多層膜ＧＭＲ磁気センサーであって、下部電極層の表面の、コンタクトホールの底面に相当する領域が、難酸化性の金属材料で、若しくは酸化しても酸化膜が電気伝導性を有する材料で形成されることを特徴とする。
【００２６】
更に、本発明の磁気センサーの下部電極層の表面に用いる金属材料はＡｕ（金）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）、およびＰｄ（パラジウム）の内のいずれかの１種であるか、若しくはその合金である。これらの金属材料は、酸化し難い性質を有するか、若しくは酸化しても酸化膜が電気伝導性を有する。
【００２７】
更にまた、本発明の磁気記録装置は、本発明の磁気センサーが組み込まれた磁気抵抗効果ヘッドと該磁気抵抗効果ヘッドによって磁気的情報が読み出される磁気記録媒体とを有する。
【００２８】
本発明の磁気センサーの製造方法は、上下の電極間に電流を流し、多層膜ＧＭＲと下部電極とが接するコンタクトホールに流れる電流の抵抗変化を検知するＣＰＰ型構造の磁気センサーの製造方法であって、表面の少なくともコンタクトホールの底面に相当する領域に、難酸化性の金属材料、若しくは酸化しても酸化膜が電気伝導性を有する金属材料を用いて下端子層を成膜する工程と、下端子層の上に一方の引き出し電極のレジストを形成する工程と、引き出し電極のレジストを耐エッチングマスクに使用して下端子層の周辺領域をエッチングにより除去し、更に引き出し電極のレジストを剥離し、下端子層を露出する工程と、絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の上に絶縁層のレジストを形成する工程と、絶縁層のレジストの中央部をエッチングにより除去して下端子層を露出させ下端子層上にコンタクトホールを形成する工程と、絶縁層のレジストを耐エッチングマスクに使用して絶縁層の周辺領域をエッチングにより除去し、更に絶縁層のレジストを剥離し、絶縁層を露出する工程と、コンタクトホールとその周囲の絶縁層とを含む領域にＧＭＲ層および上端子層を成膜する工程と、上端子層の上に他方の引き出し電極のレジストを形成する工程と、引き出し電極のレジストを耐エッチングマスクに使用してＧＭＲ層および上端子層の周辺領域をエッチングにより除去し、更に引き出し電極のレジストを剥離し、上端子層を露出する工程と、を有することを特徴とする。
【００２９】
図１は本発明の原理図であり、本発明の磁気センサーの構造を示す。図１の１は下端子層であり、一方の引き出し電極を構成し、難酸化性の金属材料、若しくは酸化しても酸化膜が電気伝導性を有する金属材料で形成される。
【００３０】
図１の２は絶縁層であり、下端子層１の上にコンタクトホールを構成する。３はＧＭＲ層であり、コンタクトホールとその周囲の絶縁層２とを含む領域に構成され、４は上端子層であり、他方の引き出し電極を構成する。５はコンタクトホールの底面を示す。コンタクトホールの底面５は下端子層１の表面であってＧＭＲ層３の下面と接触している。
【００３１】
金属が酸化し易いか、し難いかの尺度に電気陰性度がある。電気陰性度が大きいもの程、酸化し難い。電気陰性度の大きい金属は以下の通りである。
【００３２】
Ａｕ：２．４
Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ：２．２
Ｃｕ、Ａｇなど：１．９
ここで酸化し難い金属とは酸素プラズマ中などでも、表面に酸化膜を形成しない金属のことである。このような金属にはＡｕやＰｔがある。
【００３３】
酸化膜は一般に絶縁体であるが、酸化膜が絶縁体でなくて電気伝導性がある場合には、酸化膜の厚さが非常に薄ければ電気抵抗は小さい。表面酸化膜は通常厚くないので、ＧＭＲ層のスパッタ成膜直前に逆スパッタすることなどにより、酸化膜の厚さを非常に薄くできる。このような金属にはＲｕがある。
【００３４】
図２乃至図４は本発明の磁気センサーの製造工程を説明するための図である。図２の製造工程（１／３）は下部電極を下端子層を形成するまでの図である。まず酸化し難い性質の金属材料（例えばＡｕ）若しくは酸化した場合でも酸化膜が電気伝導性を有する金属材料（例えばＲｕ）を用いて下端子層を成膜する。（図２の１）
次に成膜した下端子層の上に一方の引き出し電極のレジストを形成する。（図２の２）続いて引き出し電極のレジストを耐エッチングマスクに使用して下端子層の周辺領域をエッチングにより除去する。（図２の３）更に引き出し電極のレジストを剥離すると一方の電極を形成する下端子層が露出する。（図２の４）
図３の製造工程（２／３）は絶縁層を形成するまでの図である。下端子層を形成後、絶縁層を成膜する。（図３の５）続いて絶縁層の上に絶縁層のレジストを形成する。絶縁層のレジストは中央領域にコンタクトホール形成用の穴が開いている。（図３の６）
次に絶縁層のレジストを耐エッチングマスクに使用して絶縁層をエッチングにより除去すると、レジストの中央領域にコンタクトホールに相当する下端子層が、レジストの周辺領域には一対の電極に相当する下端子層が露出する。（図３の７）更に絶縁層のレジストを剥離すると絶縁層が露出する。（図３の８）
図４の製造工程（３／３）は上端子層を形成するまでの図である。絶縁層を形成後、コンタクトホールとその周囲の絶縁層とを含む領域にＧＭＲ層および上端子層を成膜する。（図４の９）次に上端子層の上に他方の引き出し電極のレジストを形成する。（図４の１０）
引き出し電極のレジストを耐エッチングマスクに使用してＧＭＲ層および上端子層の周辺領域をエッチングにより除去すると、下端子層の１対の電極と絶縁層の一部が露出する。（図４の１１）更に引き出し電極のレジストを剥離すると一対の電極を形成する上端子層が露出する。（図４の１２）
下端子層の金属材料にＡｕなどを用いれば、下端子層を成膜してからＧＭＲ層を成膜するまで（図２の１から図４の９まで）の工程中に酸素プラズマなどを用いても、コンタクトホール底面には酸化膜が形成されることがない。また、Ｒｕを用いて酸化膜が形成された場合でも酸化膜における電気抵抗を小さく抑えることができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。本発明の磁気センサーの素子構造の一例を図５の実施例（１）に示す。図５は磁気センサー素子の断面図である。この素子は、下部電極層を構成する下端子層１および下端子層１１、絶縁層２、ＧＭＲ層３、および上部電極層を構成する上端子層４からなる。すなわち、下端子層１と絶縁層２の間に下端子層１１を挟んだ構造にする。
【００３６】
この例では、下端子層１１をＡｕ膜、若しくはＲｕ膜とし、下端子層１を従来の下端子層の材料と同じＣｕ膜にする。
【００３７】
本発明の磁気センサーの素子構造の他の例を図６の実施例（２）と図７の実施例（３）に示す。実施例（２）の場合、下端子層１全体をＡｕ膜、若しくＲｕ膜にする。また、実施例（３）では下端子層１１をコンタクトホールの底面の周辺に限定する。
【００３８】
実施例（１）および実施例（２）により本発明をさらに説明する。
【００３９】
実施例（１）：下端子層と絶縁層の間にＲｕ層を挟んだ構造にする。次に示す素子構造の試料を作成した。
【００４０】
下端子層１（Ｃｕ層）の膜厚：４００〔ｎｍ〕
下端子層１１（Ｒｕ層）の膜厚：１００〔ｎｍ〕
絶縁層２（ＳｉＯ₂層）の膜厚：５０〔ｎｍ〕
ＧＭＲ層３の膜厚：３７〔ｎｍ〕
上端子層４（Ｃｕ層）の膜厚：３００〔ｎｍ〕
コンタクトホール径：０．９〜２．６〔μｍ〕
従来の方法と比較するために、Ｒｕのない試料も作成した。得られた試料について、直流四端子法により抵抗値を測定した。測定結果を図８のコンタクトホール径と抵抗値に示す。
【００４１】
実施例（１）における試料の抵抗値は、従来の方法による試料の抵抗値の概ね１／１０であった。これはコンタクトホール底面の接触抵抗が小さくなったためである。また、従来の方法による試料では、センス電流を１０〔ｍＡ〕以上にすると発熱による出力変動や素子破壊が発生した。一方、実施例（１）の試料では、センス電流を１００〔ｍＡ〕にしても発熱による出力変動や素子破壊は発生しなかった。
【００４２】
実施例（２）：下端子層全体をＲｕ層にして、実施例（１）とほぼ同等の結果を得た。
【００４３】
尚、下端子層の材料としてＲｕの他にＯｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｕ、またはＰｔを用いることもある。
【００４４】
【発明の効果】
磁気センサーに外部磁場を印加したときの抵抗値の変化をΔＲとすると、磁気センサーの出力はΔＶ＝ΔＲ×センス電流である。ΔＲは原理的には従来の方法による試料でも本発明の方法による試料でも変わらない。
【００４５】
従って本発明によれば接触抵抗を小さくすることができ、センス電流を大きくすることができるので、磁気センサーの出力（ΔＶ）が向上し、ノイズ成分が小さくなるという効果がある。
【００４６】
また、従来の方法による試料では接触抵抗にバラツキがあるので、素子ごとの出力が一定でない。これは磁気センサーの製造における歩留りを低下させる要因になる。一方、本発明の方法による試料では接触抵抗をほぼ０にすることができ、素子ごとの出力をほぼ一定にできる。その結果、歩留りの向上が期待できるという効果がある。
【００４７】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば製造が容易であって、しかも小型でかつ出力が安定した、信頼性に優れた磁気センサーを実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理図
【図２】製造工程（１／３）
【図３】製造工程（２／３）
【図４】製造工程（３／３）
【図５】実施例（１）
【図６】実施例（２）
【図７】実施例（３）
【図８】コンタクトホール径と抵抗値
【図９】磁気センサーの素子構造（１）
【図１０】磁気センサーの素子構造（２）
【図１１】磁気センサーの製造工程
【符号の説明】
１、１１下端子層
２絶縁層
３ＧＭＲ層
４上端子層
５コンタクトホール

Claims

金属材料がＲｕ（ルテニウム）であるか、若しくはその合金である金属の表面を有する下部電極層と、
前記下部電極層上に形成され、コンタクトホールを有する絶縁層と、
前記絶縁層上及び前記コンタクトホール内に形成された磁気抵抗層と、
前記磁気抵抗層上に積層された上部電極層と、
を有する磁気センサー。
金属材料が、Ｏｓ（オスミウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、およびＰｄ（パラジウム）の内のいずれかの１種であるか、若しくはその合金である金属の表面を有する下部電極層と、
前記下部電極層上に形成され、コンタクトホールを有する絶縁層と、
前記絶縁層上及び前記コンタクトホール内に形成された磁気抵抗層と、
前記磁気抵抗層上に積層された上部電極層と、
を有する磁気センサー。
請求項１又は請求項２に記載された磁気センサーが組み込まれた磁気抵抗効果ヘッドと該磁気抵抗効果ヘッドによって磁気的情報が読み出される磁気記録媒体とを有する磁気記録装置。
Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｒｈ、若しくはＰｄを用いて下端子層を成膜する工程と、
前記下端子層の上に第１のレジストを形成する工程と、
前記第１のレジストの周辺領域をエッチングし、エッチング後に前記第１のレジストを剥離する工程と、
前記端子層上に絶縁層を成膜する工程と、
前記絶縁層の上に穴を有する第２のレジストを形成する工程と、
前記第２のレジストをマスクに使用して前記絶縁層をエッチングし、前記第２のレジストの穴から露出する絶縁層にコンタクトホールを形成する工程と、
前記コンタクトホールとその周囲の絶縁層とを含む領域に磁気抵抗層を形成する工程と、
前記磁気抵抗層上に上端子層を露出する工程と、
を有することを特徴とする磁気センサーの製造方法。