JP4300225B2 - 磁気抵抗効果素子および磁気ヘッドならびにその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および磁気ヘッドならびにその製造方法に関する。

近年、ハードディスクドライブにおける磁気記録密度は急激に上昇し、それに伴い、再生ヘッドに要求される再生感度・再生分解能も年々上昇している。スピン依存散乱を動作原理に用いたＧＭＲヘッドの出現は飛躍的に出力を上げ高記録密度化に対応した。またさらなる高記録密度化に対応するため多くの構造が提案されている。その目的に対応した形で多層膜積層面に垂直に通電するタイプの再生素子が提案されている。たとえばＴＭＲ(Tunneling-junction Magnet-Resistance)ヘッドやＣＰＰＧＭＲ(Current Perpendicular to the Plane Giant Magnet-Resistance)ヘッドがそれらの再生素子に相当する。しかし、１平方インチあたり１Ｔビットを有するような超高記録密度ではそれらの素子でも感度不足もしくは抵抗値が高すぎて採用が困難と予想される。

磁気記録技術の分野においては、記録密度の向上により必然的に記録ビットの縮小化が進められ、その結果として十分な信号強度を得ることが難しくなりつつある。このため、より感度の高い磁気抵抗効果を示す材料が求められており、上述の如く大きな磁気抵抗変化率（以下、ＭＲ比ともいう）を示す系の必要性はますます高くなっている。

最近、１００％以上の磁気抵抗変化率を示すものとして、２つの針状のニッケル（Ｎｉ）を付き合わせた「磁気微小接点」、あるいは２つのマグネタイトを接触させた磁気微小接点が、それぞれ、非特許文献１および非特許文献２に開示されている。これらは、大きな磁気抵抗変化率を示しているものの、その磁気微小接点の作製方法は、いずれも２つの針状あるいは三角形状に加工した強磁性体を角付き合わせるというものである。さらに極最近、２本の細いＮｉワイヤをＴ字に配置し、電着法を用いて接触部に微小コラムを成長させた磁気微小接点が開示されている（例えば、非特許文献３参照）。これらも非常に大きな磁気抵抗変化率を示しているが、この磁気微小接点の構造では素子化が不可能である。

一方、アルミナのピンホールにＮｉクラスターを電着で成長させて作製した磁気微小接点が開示された（例えば、非特許文献４参照）。この構造は磁区の制御と接点構造制御が困難で、このため、この接点の磁気抵抗変化率は１４％程度である。

メッキのかわりにスパッタで形成された磁性体を用いれば薄い膜厚の成膜制御性に優れるため、さらに磁区と接点構造制御が行いやすくなり高い磁気抵抗変化率が期待できる。このナノコンタクトの磁気抵抗効果素子は上下電極に挟まれて面内垂直にセンス電流が流される。磁化が固着されたピン層と、磁化が外部磁界で動くフリー層とは絶縁体に設けられた微小磁気接点でのみ接触する。この微小磁気接点において、フリー層とピン層とが反平行の場合高抵抗を示し、平行の場合には低抵抗を示す。すなわち微小磁気接点での上下磁性層の磁化方向の状態が素子の電気抵抗を決定する。大きな磁気抵抗変化率を出現するためのポイントは磁性体接合部分をナノサイズに小さくして、そこに急峻な磁壁を閉じ込める。電子のフェルミ波長程度の磁壁厚さが必要とされている。そのためには１０ｎｍ以下の直径での接合が必要となる。

このようなナノコンタクトを有する磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を形成するプロセスは特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示されているプロセスは、まず第１磁性膜を形成して、その上に絶縁層を形成する。次にリソグラフィー技術等を用いて微小な穴を電子線レジストに形成し、それをマスクに絶縁層に対してエッチングを行い、絶縁層にコンタクトホールを形成した後、レジストを剥離する。次に、磁性膜を成膜する装置内に入れてスパッタクリーニングを行い、第２磁性膜を埋め込み成膜する。このようにして、絶縁層に形成されたコンタクトホールを介してその両側の磁性膜を接続する。

また、接続穴形状に関しては、特許文献２には壷形状をした穴が絶縁膜越しに形成されている。すなわち、絶縁膜の下部にアンダーカットされた形状の穴（壷形穴）とそれに埋め込まれた磁性膜が開示されている。

それらは、絶縁膜に円柱もしくは略円錐形状のコンタクトホールを通じて上下磁性膜が接続されている。コンタクトホールを形成した場合、素子機能に関し２つの問題点が考えられる。１つは、コンタクトホール形状を安定に描画する場合、ライン形状に対して大きな直径の穴しか開けられない。そのため上下磁性膜の接触面積が増加し、磁性膜間に形成される磁壁幅が増加することでＭＲ比が低下してしまう。

もう１点は、コンタクトホールにスパッタで磁性膜を埋め込む場合、ライン形状に比べて陰になる部分が多い、すなわちターゲットに対する立体角が小さいため、膜質の劣化が増加する。そのため、バリスティック伝導が阻害されＭＲ比が低下してしまう。

陰になる部分を小さくするにはアスペクト比（深さ／穴径）を小さくする、例えば絶縁膜の膜厚を小さくする必要がある。絶縁膜の膜厚を小さくするのは、例えばピンホールや欠陥に対する絶縁性確保とのトレードオフの関係になる。絶縁膜を連続成膜しないプロセス（一度、真空チャンバーから出して洗浄処理が入る）プロセスを用いて２層構造とすれば、ゴミなどによるピンホール・欠陥は激減する。

細い描画を行いやすいラインを直交させることで交点に点を描くことができる。

その、直交するラインの交点でコンタクトホールを形成する技術として、例えば、特許文献３の図５４に示されるように、絶縁体の半分の厚さをスペース状に加工し、さらにもう半分を直交するスペース状に加工する方法が開示されている。これは、単層膜での加工になり、耐ピンホールなど絶縁性を確保するに十分な膜厚が必要となる。また磁性膜埋め込みは通常のアスペクト比に対して行う必要がある。

さらに、通常のＣＰＰＭＲ素子構造では媒体走行面に現れたピン層に端面の磁化からフリー層に磁束が流入し、フリー層の磁化方向とピン層との直交磁化関係をずらしてしまう。このため、これをキャンセルするためシンセティックピン層などを適用する（ギャップ長を大きくする、線分解能を劣化させる）などの工夫が必要であった。
N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923 (1999) J. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D. Coey, Physical Review Letters, vol.87, p26601 -1 (2001) N.Garcia et al.，Appl.Phys.Lett.,vol.80,p1785(2002), H.D.Chopra and S.Z.Hua, Phys.Rev.B,vol.66,p.20403-1(2002) M. Munoz, G. G. Qian, N. Karar, H. Cheng, I. G. Saveliev, N. Garcia, T. P. Moffat, P. J. Chen, L. Gan, and W. F. Egelhoff, Jr., Appl. Phys. Lett., vol.79, p.2946, (2001) 特開２００３−２０４０９５号公報 米国特許第５９３６４０２号明細書 特開２００３−２０４０９５号明細書

上述したように、絶縁膜にコンタクトホールを形成する場合、微小穴を形成することと良好な埋め込み成膜の両立が不可避である。コンタクトホールをドット状に形成した場合の問題点の１つは、コンタクトホール形状で安定に描画する場合、ライン形状に対して大きな直径の穴しか開けられない。そのため上下磁性膜の接触面積が増加し、磁性膜間に形成される磁壁幅が増加することでＭＲ比が低下してしまう。もう１つの問題点は、コンタクトホールにスパッタで磁性膜を埋め込む場合、ライン形状に比べて陰になる部分が多い（ターゲットに対する立体角が小さい）ため、膜質の劣化が増加する。そのため、バリスティック伝導が阻害されＭＲ比が低下してしまう。そのため、まず、より薄い絶縁膜で絶縁性を確保することが必要である。さらに良好な膜質で埋め込むため絶縁性を確保する膜厚でありながら、アスペクト比を実質的に小さくできる工夫が必要である。

さらに、通常のＣＰＰＭＲ素子構造では媒体走行面に現れたピン層に端面の磁化からフリー層に磁束が流入し、フリー層の磁化方向とピン層との直交磁化関係をずらしてしまう。このため、これをキャンセルするためシンセティックピン層など適用する（ギャップ長を大きくする、線分解能を劣化させる）などの工夫が必要であった。

本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、ナノコンタクトをより微少かつ安定性が高く形成することが可能となるとともにより高感度な磁気抵抗効果素子および磁気ヘッドならびにその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、前記第１の磁性層側から前記第２の磁性層側に貫通する直線形状の第１の間隙を有する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層と前記第２の磁性層との間に設けられ、前記第１の絶縁層側から前記第２の磁性層側に貫通し、前記第１の間隙と交差する直線形状の第２の間隙を有する第２の絶縁層と、を備え、前記第１および第２の磁性層は第１の間隙と前記第２の間隙との交差領域で電気的に接触することを特徴とする。

また、本発明の第２の態様による磁気ヘッドは、上記記載の磁気抵抗効果素子を再生素子として備え、媒体対向面に露出する前記第２の磁性層の形状は、前記第１の絶縁層側の幅が前記第１の磁性層の幅の略半分以下であることを特徴とする。

また、本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子の製造方法は、基板上に第１の磁性層を形成するステップと、前記第１の磁性層上に、第１の方向の長さが前記第１の方向に直交する第２の方向の長さが長いマスクを形成するステップと、前記マスクを用いて前記第１の磁性層をエッチングするステップと、エッチングされた前記第１の磁性層の両側に第１の絶縁層を形成するステップと、前記第１のマスクを除去した後、前記第１の絶縁層上に、前記第１の方向の長さが前記第２の方向の長さよりも長い間隙を有する第２の絶縁層を形成するステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ナノコンタクトをより微少かつ安定性が高く形成することが可能かつより高感度な磁気抵抗効果素子および磁気ヘッドならびにその製造方法を提供することができる。

以下に、本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の磁気抵抗効果素子を構成する層の分解斜視図である。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、図示しないアルチック基板上に図示しないアルミナアンダーコートを設け、このアルミナアンダーコート上に膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ合金からなる下部電極を兼用する下部シールド（図示せず）を設け、この下部シールドの表面を鏡面研磨し、この鏡面研磨した下部シールド上に直径がナノメートルサイズのナノコンタクトを有する素子を設けた構成となっている。

このナノコンタクトを有する素子は、上記下部シールド上に、磁化の向きが外部磁界によって変化する磁化自由層（フリー層ともいう）として機能する磁性層２が設けられている。この磁性層２上には、直線形状の間隙５が０．１ｎｍ〜５ｎｍの幅で形成されている絶縁層４が設けられている。そして、絶縁層４上には、間隙５と略同幅でかつ直交する直線形状の間隙７を有する絶縁層６が設けられている。この絶縁層６上には、磁化の向きが固着された磁化固着層（以下、ピン層ともいう）として機能する磁性層８が設けられており、この磁性層８上に磁性層８の磁化の向きを固着させる磁性層１０が設けられている。磁性層２と磁性層８は直交した間隙５と間隙７の交差領域にて電気的に接触する。この交差領域で接触している部分をポイントコンタクト（以下、ＰＣともいう）と呼ぶ。本実施形態においては、ポイントコンタクトは略矩形状となり、縦横０．１ｎｍ〜５ｎｍのサイズを有している。

本実施形態においては、磁性層２と磁性層８との間には、ほとんどの領域で絶縁層４、６が存在する。２重の絶縁層４，６で絶縁することは、もしどちらか一層の絶縁層にピンホールが生じたときにもう一層でカバーできるので信頼性の点で効果がある。これを以下に説明する。

まず、図２に示すように、磁性層２と磁性層８との間に、ナノメートルサイズのコンタクトホール１３を有する絶縁層１２が設けられた構造を比較例として考える。この比較例において例えば素子形状を一辺３０ｎｍの矩形とすると、面積は９００ｎｍ^２（＝３０ｎｍ×３０ｎｍ）となり、少なくともピンホールは９００ｎｍ^２に１以下である必要がある。これに対して、本実施形態では大半の領域は絶縁層４、６の２層で被覆されている。１層のみの絶縁層で被覆される領域は、間隙幅を３ｎｍとすると絶縁層一層当たり９０ｎｍ^２（＝３ｎｍ×３０ｎｍ）、２層ではポイントコンタクト（３ｎｍ×３ｎｍ）を除いて１７１ｎｍ^２（＝２×９０−３×３）となり、１層のみの絶縁層で形成した比較例の場合の約１／５の領域になる。したがって、ピンホールの形成される確率が約１／５になり、信頼性が比較例に比べて向上する。

ポイントコンタクトに埋め込まれる磁性層は絶縁層の厚さが大きくなると、その影の影響が大きくなり膜質が劣化してしまう。図２に示す比較例のように、ナノホール以外は絶縁層の厚さが全て同一の場合、穴径３ｎｍ、膜厚６ｎｍとすると、アスペクト比（厚さ／穴径の比）は２となる。一方、本実施形態では、絶縁層をそれぞれ３ｎｍ（合計６ｎｍ）として矩形穴の１辺を３ｎｍとすると、穴の各辺は３ｎｍの絶縁層（絶縁層４もしくは絶縁層６）に囲われているにすぎない。したがって、アスペクト比は１となるため、影の影響がでにくく良質な膜で埋め込むことができ、ＭＲ比を向上させることができる。

製造法的にも図２に示す比較例におけるコンタクトホール形状は、例えば電子線（ＥＢ）描画を用いて作成すると、最もレベルが高いプロセスが要求される。これに対して、本実施形態のようにライン形状で描画するとコンタクトホール形状に比べてプロセスレベルを下げることができる。その結果、製造歩留まりを向上させることができる。

次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造方法を図３（ａ）乃至図３（ｄ）を参照して説明する。

まず、図示しないアルチック基板上に図示しないアルミナアンダーコートを形成し、このアルミナアンダーコート上に膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ合金からなる下部電極を兼用する下部シールド（図示せず）を形成し、この下部シールドの表面を鏡面研磨し、この鏡面研磨した下部シールド上に膜厚３ｎｍのＴａからなる下地膜（図示せず）を形成する。

次に、図３（ａ）に示すように、上記下地層上に膜厚５ｎｍのＮｉＦｅからなる磁性層２を形成する。続いて、磁性層２上にＥＢ用レジストからなるレジストパターン３０を形成する。ＥＢ用レジストからなるレジストパターン３０は直線形状であり磁性層２との接触幅が２．５ｎｍで形成されている。そして、レジストパターン３０をマスクとしてスパッタエッチングによって磁性層２の表面のクリーニングを行い、その後、膜厚３ｎｍのアルミナからなる絶縁層４を堆積する（図３（ａ）参照）。

次に、ＥＢ用レジストからなるレジストパターン３０をリフトオフすることで幅２．５ｎｍ、長さ０．５μｍの直線形状の間隙５を有する絶縁層４が磁性層２上に形成される。この間隙５の側面は膜厚方向に対して略４５度の傾斜を有している（図３（ｂ）参照）。

次に、絶縁層４上に、間隙５と直交する方向にＥＢ用レジストからなるレジストパターン３２を形成する。このレジストパターン３２はライン形状であり磁性層２および絶縁層４との接触幅２．５ｎｍで形成されている。続いて、膜厚３ｎｍのアルミナからなる絶縁層６を堆積する（図３（ｃ）参照）。その後、レジストパターン３２をリフトオフすると、レジストパターン３２が除去された跡には、幅２．５ｎｍの間隙７が形成される。

次に、絶縁層６上に膜厚２ｎｍのＮｉＦｅからなる磁性層８を形成する（図３（ｄ）参照）。すると、間隙５と間隙７との交差領域においては、磁性層８が埋め込まれて、磁性層２と磁性層８が電気的に接続する。続いて、磁性層８上に膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる磁性層１０を形成する（図３（ｄ）参照）。その後、磁性層１０上に膜厚３ｎｍのＴａからなるギャップ層（図示せず）を形成する。そして、これらの積層膜を一辺３０ｎｍ角にパターニングして磁気抵抗効果素子を形成する。

絶縁層４、絶縁層６はリフトオフで形成したが、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)やＣＤＥ(Chemical Dry Etching)を用いたドライエッチングや薬液を用いたケミカルエッチングを用いても良い。ＥＢ描画を用いた場合には、ＥＢ用レジストを用いて間隙（スペース）を形成する場合のほうが、より細線を形成しやすい。また、リフトオフとエッチングを間隙５、間隙７で使い分けても良い。特に、間隙７を形成する場合は、間隙５の段差を跨ぐため、リフトオフよりもエッチングのほうが形成しやすい。その場合は、間隙７が絶縁層４を横切るため、ドライエッチング耐性の強い材料で絶縁層４を形成することが好ましい。例えば、絶縁層４にアルミナ、絶縁層６にＳｉＯ_２を用い、ＣＨＦ_３などのフレオン系ガスを用いて間隙７を加工するとアルミナ、ＳｉＯ_２の選択比は１０程とれるので、間隙７を形成した場合のオーバーエッチングを極めて小さく抑えることができる。その結果、絶縁不良による歩留まり低下を防ぐことができる。本実施形態で使用した、絶縁層６：ＳｉＯ_２、絶縁層４：アルミナ以外に、絶縁層６：窒化シリコン、絶縁層４：アルミナ、ＲＩＥガス：ＣＦ_４の組み合わせ、絶縁層６：窒化シリコン、絶縁層４：ＳｉＯ_２、ＲＩＥガス：ＣＦ_４の組み合わせでも同様に作成できる。

本実施形態においては、下層の磁性層２としてフリー層、磁性層８としてピン層、磁性層１０として反強磁性層を用いたが積層順が逆になっても同様の効果が得られる。この場合、フリー層となる磁性層２が絶縁層４、６の間隙の交差領域に埋め込まれて、下層のピン層となる磁性層８と電気的に接続することになる。

以上説明したように、本実施形態によれば、直交する直線形状の間隙の交差領域にナノコンタクトが形成されるため従来の場合に比べてナノコンタクトをより微少かつ安定性が高く形成することが可能となる。また、欠陥の少ない磁性膜を形成することが可能となり、より高感度な磁気抵抗効果素子を得ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を図４に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子において、絶縁層４に複数（図４では２つ）の間隙５ａ、５ｂを設けた構成となっている。このような構成とすることにより、絶縁層６に形成される間隙７と、絶縁層４に形成される間隙５ａ、５ｂとの交差領域が複数個形成され、したがって、複数のポイントコンタクトが形成される。これにより、素子抵抗が低下し、その結果、高周波特性を向上させることができる。

図４では、絶縁層４に２つの間隙５ａ、５ｂを形成し、絶縁層６に間隙７を一つ形成しているので、合計２つのポイントコンタクトが形成される。例えば、ポイントコンタクトのサイズが２ｎｍ×２ｎｍの場合、素子抵抗はポイントコンタクトの個数分だけ抵抗は減少する。低抵抗化することで高周波特性の向上が図られる。

従来のコンタクトホールプロセスを用いて、複数ポイントコンタクトを形成しようとした場合、隣通しのＥＢ描画の干渉でホール径がひろがり、良好なコンタクトが形成しにくい。

これに対して、本実施形態のように、直線形状で形成すると低電子密度で描画できるため、干渉が起こりにくく、安定してポイントコンタクトの形成を行うことができる。

本実施形態も第１実施形態と同様に、従来の場合に比べてナノコンタクトをより微少かつ安定性が高く形成することが可能となるとともに、より高感度な磁気抵抗効果素子を得ることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気ヘッドを、図５乃至図７を参照して説明する。本実施形態の磁気ヘッドは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子を構成する各層の積層順序を逆にするとともに図３（ａ）の工程で説明したエッチングを磁性層２の代わりに下層のピン層となる磁性層８に適用して、間隙７に埋め込まれる以外の磁性層８の膜厚を減少させた構成の磁気抵抗効果素子を再生素子として備えている。このように、ピン層となる磁性層８の膜厚を減少させることにより、後述するように更なる効果が発生する。

図５は、本実施形態の磁気ヘッドを媒体走行面からみた平面図を示す。通常のＴＭＲ(Tunneling MR)素子、ＣＰＰ(Current perpendicular to plane)素子を再生素子として備えている磁気ヘッドの場合、ピン層として機能する磁性層は一般にトラック幅方向全面に露出するが、本実施形態の磁気ヘッドではピン層８本来の厚さで露出するのは略間隙７の幅のみ、さらにはピン層８の露出が略間隙７の幅のみとなる。磁性層８は間隙７の両脇を絶縁層６で制限されることで、媒体走行面への露出面積が減少し、磁性層８の端に発生する磁化より絶縁層４，６を挟んで対峙するフリー層となる磁性層２に流入する磁束は減少する。その結果、フリー層２とピン層８との磁化直交関係が良好に保たれやすくなり対称性の良好な再生波形をうることが出来る。なお、図５はピン層８を略間隙７の幅のみとなるようにスッパタエッチング除去した場合の媒体走行面側から見た平面図である。図６は図５に示すＡ−Ａ方向から見た断面を図６に示し、図５に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面を図７に示す。図５および図７からわかるように、磁性層２と磁性層８は、ハイト方向の断面（図７参照）に姿を現す間隙５と、媒体走行面に姿を現す間隙７の幅で電気的に接触する。なお、本実施形態においては、媒体走行面に露出する磁性層８の形状は、絶縁層４側の幅ａ（図５参照）は、磁性層２の幅の略半分以下であるように構成される。

また、媒体対向面に露出する磁性層８は、磁性層２と反対側の面で磁性層１０と接触し、磁性層１０とともにＴ型形状を形成する（図５参照）。

次に本実施形態の磁気ヘッドの製造方法を、図８（ａ）乃至図１５を参照して説明する。図８（ａ）乃至図８（ｄ）はトラック幅方向から見た（媒体走行面に現れる）断面を示している。

まず、図示しないアルチック基板上に図示しないアルミナアンダーコートを形成し、このアルミナアンダーコート上に膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ合金からなる下部電極を兼用する下部シールド（図示せず）を形成し、この下部シールドの表面を鏡面研磨し、この鏡面研磨した下部シールド上に膜厚３ｎｍのＴａからなる層および膜厚３ｎｍのＮｉＦｅからなる層を有する積層構造の下地膜（図示せず）を形成する。

次に、図８（ａ）に示すように、上記下地層上に膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる磁性層１０を形成した後、この磁性層１０上に膜厚３ｎｍのＮｉＦｅからなる磁性層８を形成する。続いて、磁性層８上にＥＢ用レジストからなるレジストパターン４０を形成する。レジストパターン４０は直線形状であり磁性層８との接触幅が２．５ｎｍ、長さ（紙面に直交する方向の寸法）が０．５μｍで形成されている。

次に、図８（ｂ）に示すように、レジストパターン４０をマスクとしてイオンミリングを用いて、レジストパターン４０によって覆われていない磁性層８の全てと、磁性層１０を膜厚方向に２ｎｍ分エッチング除去する。すなわち、膜厚方向のエッチング量の合計は磁性層８の膜厚分３ｎｍと磁性層１０のエッチング量２ｎｍの和である５ｎｍとなる。これにより、レジストパターン４０によって覆われていない磁性層１０の領域は膜厚が１３ｎｍとなる。

次に、レジストパターン４０を残した状態で、スパッタエッチングによって磁性層１０および磁性層８の表面のクリーニングを行う。その後、上記エッチング量に見合う膜厚５ｎｍのアルミナからなる絶縁層６を堆積する（図８（ｃ）参照）。レジストパターン４０をリフトオフすると、幅２．５ｎｍにパターニングされ、両脇がアルミナからなる絶縁層６で覆われた間隙７に相当する領域が磁性層８の表面に現れる（図８（ｄ）参照）。

なお、アルミナ成膜前のスパッタエッチングにより、図８（ｂ）に示す磁性層のエッチングを兼ねることもできる。スパッタエッチングやイオンミリングを短めに行い（例えば、エッチング深さ１．５ｎｍ）、磁性層８を１．５ｎｍ残した場合の状態を図９に示す。この場合、アルミナからなる絶縁層６の形成により３．５ｎｍ（＝アルミナ膜厚５ｎｍ−エッチング深さ１．５ｎｍ）盛り上がる。

レジストパターン４０が除去されたときに、図８（ｄ）に示すＡ−Ａ断面でハイト方向から観察すると図１０（ａ）となる。以降は、ハイト方向の断面で説明する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、膜厚３ｎｍのＳｉＯ_２からなる絶縁層４を形成する。続いて、図１１（ａ）に示すように、絶縁層４上に開口４５を有するＥＢ用レジストからなるマスク４４を形成し、このマスク４４を用いてＳｉＯ_２からなる絶縁層４をＲＩＥでエッチングし、絶縁層４に間隙５を形成する（図１１（ａ）参照）。

次に、マスク４４を除去した後、膜厚５ｎｍのＮｉＦｅからなる磁性層２を、間隙５を埋め込むように形成する（図１１（ｂ）参照）。このとき、図１１（ｂ）に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面を図１２に示す。さらに、Ｔａからなるギャップ層（図示せず）を形成し、３０ｎｍ角の素子サイズにパターニングを行って再生素子としての磁気抵抗効果素子を完成する。したがって、媒体走行面には磁性層２が略３０ｎｍ，磁性層８が略２．５ｎｍで、磁性層８は約１／１２の露出幅比となっている。面記録密度が数Ｔｂｐｓｉになると、磁性層２の幅は１０ｎｍ〜２０ｎｍ程度と予想されるが、それでも露出幅比は約１／４以下となり、１／２よりもさらに小さいため、直交バイアスへの効果を発揮する。

上記製造方法においては、絶縁層４はＲＩＥによるエッチングにて形成したが、第１実施形態の場合と同様にリフトオフで形成しても良い。

本実施形態による磁気ヘッドに係る磁気抵抗効果素子の構造は、第１実施形態の場合と同様にフリー層２とピン層８との磁化直交関係が良好に保たれることで対称性の良好な再生波形を得うる。また、この効果以外に、磁化直交バイアス補正用にピン層８としてさらに非磁性層および磁性層を積層する所謂シンセティックフェリ構造にしなくても良いため、狭ギャップ化（高線分解能化）が可能となる。また、フリー層２をピン層８と直交化させるための所謂縦バイアス磁界を弱くすることができるので、再生感度を上げ大きな出力を得やすくなる。

なお、図９または図１３に示すように、ピン層８の除去が全膜厚におよばず一部だけであっても、媒体走行面に現れるピン層の面積の減少、すなわち磁化量の減少によるフリー層２への流入磁束が減少し、このため、フリー層２とピン層８の磁化の直交関係の悪化を防止することができる。

また、間隙５に対するフリー層２の埋め込み深さは、磁性層８、１０の除去深さ分減少する。絶縁層６の形成プロセスで磁性層８と絶縁層６の表面が平坦化されていれば（図８（ｄ））、フリー層２の埋め込み深さは絶縁層４の膜厚分の３ｎｍであり、途中で止めた図９の場合でも６．５ｎｍ（絶縁層６の盛り上がり３．５ｎｍ＋絶縁層４の膜厚３ｎｍ）となり、絶縁層４＋絶縁層６の合計８．５ｎｍよりも減少し、アスペクト比が下がることで、埋め込み性も改善される。

したがって良好な直交バイアスの達成とフリー層膜質向上による出力向上から、再生感度向上と線分解能向上が得られる。

なお、図９における構造でヘッド作成した場合のハイト方向断面構造のＡ−Ａ断
面、Ｂ−Ｂ断面をそれぞれ図１４、図１５に示す。また、媒体走行面から見たトラック幅方向のヘッド構造を図１６に示す。

なお、第３実施形態では下部磁性層をピン層としたが、下部磁性層をフリー層とし上部埋め込み磁性層をピン層としても、上記と同様の理由でピン層埋め込み性に関しては改善され、出力増大に寄与する。

本実施形態によれば、ピン層の媒体走行面露出面積を減少させるのに、それを目的とした描画工程が不必要で、１描画工程（間隙７の描画工程）のみで達成できる。ピン層の媒体走行面露出を通常の素子幅よりも減少させる構造を製造する手段としてはコスト的に最も優れる。

本実施形態も第１実施形態と同様に、従来の場合に比べてナノコンタクトをより微少かつ安定性が高く形成することが可能となるとともに、より高感度な磁気抵抗効果素子を備えた磁気ヘッドを得ることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。

第１乃至第３実施形態においては、ＥＢリソグラフィーによるコンタクト幅形成方法を示した。本実施形態の製造方法は、リソグラフィー限界によらない成膜の膜厚による間隙作成である。

まず、図示しないアルチック基板上に図示しないアルミナアンダーコートを形成し、このアルミナアンダーコート上に膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ合金からなる下部電極を兼用する下部シールド（図示せず）を形成し、この下部シールドの表面を鏡面研磨し、この鏡面研磨した下部シールド上に膜厚３ｎｍのＴａからなる下地膜（図示せず）を形成する。

次に、図１７（ａ）に示すように、上記下地層上に膜厚５ｎｍのＮｉＦｅからなる磁性層２を形成する。続いて、磁性層２上にＥＢ用レジストからなるレジストパターン５０を形成する。ＥＢ用レジストからなるレジストパターン５０は直線形状であり磁性層２との幅が２０ｎｍ、長さが５００ｎｍ、厚さが３０ｎｍである。

次に、第１ギャップを規定する膜としてＳｉＯ_２膜５２を平面部で膜厚７ｎｍ形成する（図１７（ｂ））。続いて、入射角度が垂直となるイオンミリングを用いて磁性層２の表面が露出するまでＳｉＯ_２膜５２をエッチングする。その結果、レジストパターン５０の側面には再堆積およびエッチング異方性のため約２．５ｎｍのＳｉＯ_２膜５２が残り（図１７（ｃ））、他の平面部のＳｉＯ_２膜５２はイオンミリングにより除去される。

次に、図１８（ａ）に示すように、酸素アッシングを用いて、レジストパターン５０を除去する。こうすることで、第１ギャップを規定する膜５２の側面のみが壁状に残存する（図１８（ａ））。

次に、図１８（ｂ）に示すように、イオンビームデポジション法を用いて、イオンビームを照射しながらアルミナからなる絶縁層４のイオンビームスパッタを行う。基板照射用イオンビームは入射角を垂直から８０度程度に寝かせて照射することで、入射アルミナ粒子の異方性および基板照射イオンビームの異方性から、底面にのみ形成され壁５２の側面には形成されない（図１８（ｂ））。なお、絶縁層４は平面部で膜厚が約４ｎｍになるように形成する。

次に、残存した第１ギャップを規定する膜５２をＣＨＦ_３ガスによるＲＩＥにて除去することで、図１８（ｃ）に示すように壁が除去され、除去された跡に２本の間隙５が形成される。以下では、図１８（ｃ）に矢印で示すハイト方向からみた断面図を参照して説明する。基本的なプロセスは図１７（ａ）乃至図１８（ｃ）で説明したプロセスと同じである。

次に、ＥＢ用レジストからなるレジストパターン５４を幅２０ｎｍ、長さ５００ｎｍ、厚さ３０ｎｍにて形成する（図１９（ａ））。続いて、第２ギャップを規定する膜としてＳｉＯ_２膜５６を平面部で７ｎｍ形成する（図１９（ｂ））。その後、イオンミリングで第１ギャップを規定する膜５６を平面部でなくなるまで入射角度垂直でエッチングする。その結果、レジストパターン５４の側面には再堆積およびエッチング異方性のため約２．５ｎｍの膜５６が残り、平面部のＳｉＯ_２膜５６はイオンミリングにより除去される（図１９（ｃ））。

次に、酸素アッシングを用いて、レジストパターン５４を除去する。こうすることで、第２ギャップを規定する膜５６の側面のみが壁状に残存する（図２０（ａ））。

次に、イオンビームデポジション法を用いて、イオンビームを照射しながらアルミナからなる絶縁層６のイオンビームスパッタを行う。基板照射用イオンビームは入射角を垂直から８０度程度に寝かせて照射することで、入射アルミナ粒子の異方性および基板照射イオンビームの異方性から、底面にのみ形成され壁の側面には形成されない（図２０（ｂ））。なお、絶縁層の膜厚は平面部で約４ｎｍになるように形成する。

次に、残存した第１ギャップを規定する膜５６をＣＨＦ_３ガスによるＲＩＥにて除去することで、図２０（ｃ）に示すように壁が除去され、除去された跡に２本の間隙７が形成される。

最後に、膜厚３ｎｍのＮｉＦｅからなる磁性層８を間隙７に埋め込むように成膜する。その後、磁性膜８上に膜厚１５ｎｍのＰｔＭｎからなる磁性層１０を成膜する（図２０（ｄ））。図２０（ｄ）に示す切断線Ｄ−Ｄで切断した断面を図２１に示す。図２１からわかるように、２本の間隙７と２本の間隙５との４つの交点にＰＣ（ポイントコンタクト）が確認できる。

本実施形態の製造方法では、レジストパターンの側面をポイントで利用すればよく、面で利用するわけではない。そのため、レジストパターンの側面にラフネスがあっても線と直交する線の交点はラフネスのある線同士でも点になるため、ラフネスは本質的には問題にならない。側面を利用する場合、このように交点で利用すれば新たなメリットが生まれる。

本実施形態によって製造された磁気抵抗効果素子も第１実施形態と同様に、従来の場合に比べてナノコンタクトをより微少かつ安定性が高く形成することが可能となるとともに、より高感度な磁気抵抗効果素子を得ることができる。

以上説明したように、本発明の一実施形態によれば、直線形状の描画を用いることでコンタクトホール状の描画を行う時に比べ、より微小かつ安定性が高いナノホールを形成することができる。

直線形状の間隙（トレンチ）に磁性層を埋め込むことでより欠陥の少ない磁性層の形成を行うことができる。

また、絶縁層の形成を２回に分けることで、ゴミなどピンホール耐性が向上するため、より薄い絶縁層を使用できることから埋め込みアスペクトの低下に伴う、欠陥の少ない磁性層の形成を行うことができ、出力向上に寄与する。

２層の絶縁層のうちの第１層目は、下層の磁性層をエッチングすることによりライン状の上側に凸な形状を形成した後、その両脇に上記第１層目の絶縁層を成膜形成することで、第２層目の絶縁層に形成された直線形状のトレンチに対する埋め込み深さをエッチング分低下させることができ、欠陥の少ない上層の磁性層の形成を行うことができ、出力向上に寄与する。

媒体走行面にあらわれるピン層の面積が上記エッチングにより減少する、もしくはピン層が必要十分な領域にのみに制限され、ピン層からフリー層へ流入する磁束が減少し、ピン層とフリー層の直交バイアスをシンセティックフェリなど調整層がなくても達成することができ、磁気抵抗効果素子の膜厚を低下させ線分解能を向上させる。また縦バイアス磁界を弱くでき、再生感度を向上することができる。

以上のことから線分解能向上や出力向上、コストダウンを図ることができる。

第１実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図。 第１実施形態の比較例による磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図。 第１実施形態による磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第２実施形態による磁気抵抗効果素子の構成を示す斜視図。 第３実施形態による磁気ヘッドの媒体走行面側からみた平面図。 図５に示す切断線Ａ−Ａで切断したハイト方向の断面図。 図５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したハイト方向の断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気ヘッドの製造工程を示す断面図。 第４実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を示す斜視図。 第４実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を示す斜視図。 第４実施形態による磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第４実施形態による磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 図２０に示す切断線Ｄ−Ｄで切断したときの断面図。

符号の説明

２ 磁性層（フリー層）
４ 絶縁層
５ 間隙
６ 絶縁層
７ 間隙
８ 磁性層（ピン層）
１０ 磁性層

Claims (5)

1. 第１の磁性層と、
   第２の磁性層と、
   前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、前記第１の磁性層側から前記第２の磁性層側に貫通する直線形状の第１の間隙を有する第１の絶縁層と、
   前記第１の絶縁層と前記第２の磁性層との間に設けられ、前記第１の絶縁層側から前記第２の磁性層側に貫通し、前記第１の間隙と交差する直線形状の第２の間隙を有する第２の絶縁層と、
   を備え、
   前記第１および第２の磁性層は第１の間隙と前記第２の間隙との交差領域で電気的に接触することを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記第１の間隙と前記第２間隙との交差領域は複数個存在することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記第１の間隙は、前記第１の磁性層側の幅が前記第２の磁性層側の幅よりも広く、前記第２の間隙は、前記第１の絶縁層側の幅が前記第２の磁性層側の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１または２記載の磁気抵抗効果素子。
4. 前記第１の磁性層は磁化の向きが外部磁界に対して変化し、前記第２の磁性層は磁化の向きが外部磁界に対して実質的に固着されていることを特徴とする請求項１乃至３記載の磁気抵抗効果素子。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子を再生素子として備え、
   前記媒体走行面に露出する前記第２の磁性層の、前記第１の絶縁層に対向する幅が前記第１の磁性層の、前記第２の磁性層に対向する幅の略半分以下であることを特徴とする磁気ヘッド。

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