JP4398920B2 - 磁気抵抗効果素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子および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)素子や、ＣＰＰＧＭＲ(Current Perpendicular to the Plane Giant Magnet-Resistance）素子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％以上の磁気抵抗効果を示すものとして、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提案されている（例えば、非特許文献１、あるいは非特許文献２参照）。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提案されている（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（メッキ）で成長させて作製した微小磁気接点が提案されている（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あり、このため、この接点の抵抗変化率は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ＭＲ比が期待できる。この微小磁気接点（ナノコンタクト）を有するナノコンタクトＭＲ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、フリー層とピン層の磁化の向きが反並行の場合に高抵抗を示し、並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。

このようなナノコンタクトＭＲ素子を形成するプロセスは特許文献１に開示されているように、まず第１の磁性層を形成して、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有するレジストパターンを電子線によって形成し、このレジストパターンをマスクにして上記絶縁膜に対してエッチングを行いコンタクトホールを形成した後、レジストパターンを剥離する。次に、磁性膜成膜装置内にいれてスパッタクリーニングを行い、磁性膜を埋め込み成膜する。このようにして、絶縁膜に形成されたコンタクトホールを介してその両側の配置される磁性膜を接続する。

接続穴形状に関しては、壷形状をした穴が絶縁膜越しに形成されている例が知られている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２においては、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。そして、窪み側面付近に形成された磁性小片は側面および底面から力を受ける。上記壷形壁の場合、垂直壁の場合、略４５度壁の場合を比較する。磁性小片が壁および底面から受ける力の方向の分布は、壷形壁の場合では鈍角すなわち略１２０度であるのに対して垂直壁の場合では略９０度、略４５度壁の場合では約４５度となる。力の受ける方向の分布は、磁性小片の原子密度と相関し、角度が大きいほど疎となる。

埋め込まれる磁性膜の膜質と電気伝導との相関は、電気伝導に寄与するメジャー電子とマイノリティー電子の電気伝導度は原子間の距離（密度）に大きく依存することが知られている（例えば、非特許文献５参照）。この非特許文献５によれば、接続する原子間距離が広がるほどメジャー電子は電気伝導度を低下させ、マイノリティー電子は大きく振動する。それにより、ピン層とフリー層の磁化の向きが平行状態の電気伝導度が低下する現象が生じる。抵抗変化率ＭＲはピン層とフリー層の磁化の向きが平行の電気伝導度をＣｐ、反平行の電気伝導度をＣａｐとすると、
ＭＲ＝（Ｃｐ−Ｃａｐ）／Ｃａｐ （１）
によって定義されるため ピン層とフリー層の磁化の向きが平行状態の電気伝導度Ｃｐが小さくなると、ＭＲ比が低下することになる。したがって、特許文献２に開示されている壷型の穴に対して埋め込んだ場合、穴の側面では３方向（上面、側面、底面）より引っ張り力を受けるため、密度が最も疎となり上述のＣｐの低下が最も大きく起こることが予想される。埋め込みをスパッタなど指向性の高い方法で行った場合、それはさらに顕著になることが予想される。

一般に、高速粒子をある角度から入射してスパッタリングを行うと、０度（垂直）入射が最もスパッタリング率が低い。また角度４５度程度が最もスパッタリング率が高い。これはターゲットに入射した粒子からスパッタされる粒子へのエネルギー伝達の目安になる。スパッタリング率が高いほど、効率よくスパッタされる粒子にエネルギーが伝達され、スパッタリング率が低い場合はダメージとしてターゲットに蓄積される。バリスティック伝導によるＭＲでは前述のように原子間距離に大きく依存するため、接続穴に磁性膜を埋め込む前にスパッタエッチングを行う場合、このことに留意しておく必要がある。

また、スパッタされる粒子と基板との関係は、粒子が基板面垂直に入射するのが最も密で欠陥のない膜が形成できる。したがってコンタクトホール底面にスパッタ粒子を密に埋め込む場合は、コリメーションスパッタやロングスロースパッタなど垂直志向性の強い成膜方法が望ましい。

なお、特許文献３にはＡＦＭ(Atomic Force Microscope)の微小針等で絶縁体に穴を開けるプロセスが開示されている。しかし、特許文献３には窪みコンタクトは開示されていないこと、および針で加工した場合に押し込まれる材料が針先から等方的な力を受けることから、ダメージが側壁にも均一に入ることが予想される。
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２００２−３９７８０号公報 米国特許第５，９３６，４０２号明細書 D. Jacob, Phys. Rev. B 71, 220403(2005)

上述したように、ナノコンタクト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に開示されているようなプロセスによってナノコンタクト素子を形成する場合、コンタクトホール加工や埋め込み成膜前のスパッタクリーニングなど物理的なエッチングにより、下層磁性膜表面すなわち埋め込み磁性膜との接合界面に欠陥が誘発される。そして、この欠陥がセンス電流のキャリアである偏極電子を散乱させてバリスティックな電子伝導を妨げ、その結果、ＭＲ比の低下と出力低下を発生させる。ナノコンタクトの電子伝導においては、上記欠陥が誘起されやすいコンタクトホール底面を避けることが重要となる。

また、穴形状もバリスティック伝導型の磁気抵抗効果素子に適合した構成にする必要がある。特許文献２に開示されている壷型の穴に対して埋め込んだ場合、穴の側面では３方向（上面、側面、底面）より引っ張り力を受けるため上述のＣｐ低下が大きく起こることが予想される。埋め込みをスパッタなど指向性の高い方法で行った場合、それは顕著になることが予想される。

本発明は上記事情を考慮してなされたものであって、ＭＲ比の低下を防止することのできる磁気抵抗効果素子および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、外部磁界を受けて回転可能な磁化を有する第１磁性層と、前記第１磁性層の一方の側に設けられ、膜厚方向に貫通する開口を有する第１絶縁層と、前記第１絶縁層の前記第１磁性層が設けられている側とは反対側に設けられ、前記外部磁界下において実質的に回転しない磁化を有する第２磁性層と、 前記第１絶縁層の開口を介して対向する前記第１および第２磁性層のうちの一方の磁性層の表面に設けられて底面および傾斜角を有する側面を有する窪みと、前記開口とを、前記窪みが設けられていない他方の磁性層と同じ磁性材料で埋め込むように設けられたコンタクトと、を備え、前記コンタクトの前記窪みの側面に対応する部分の傾斜角度は、前記コンタクトの前記窪みの底面に対応する部分から見て９０度よりも小さいことを特徴とする。

なお、前記コンタクトの前記傾斜角度は、１０度から８０度であってもよい。

なお、前記コンタクトの前記傾斜角度は１０度以上であって、前記コンタクトの前記窪みの側面に対応する部分の面積が、前記コンタクトの前記窪み全体に対応する部分の面積の３０％以上を占めてもよい。

なお、前記コンタクトの前記窪みの側面に対応する部分の形状は、直線傾斜、多段傾斜、または連続的な傾斜を有していてもよい。

なお、前記窪みが設けられた前記一方の磁性層の前記窪みの底面に対応する部分は前記窪みの側面に対応する部分に比べて高抵抗であってもよい。

なお、前記窪みが設けられた前記一方の磁性層の前記窪みの底面には前記窪みの側面に比べて厚い絶縁層が形成されていてもよい。

なお、前記絶縁層に形成される前記開口の側面は傾斜しており、この傾斜角度と前記窪みに埋め込まれた前記他方の磁性層との接続角度は１２０度から１８０度、もしくは１８０度から２４０度であってもよい。

なお、前記一方の磁性層の前記窪みの側面に対する垂線が、前記他方の磁性層側の前記絶縁層の開口の縁より前記開口側にあってもよい。

また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１磁性層上に絶縁層を形成する工程と、前記絶縁層に前記第１磁性層に通じる開口を形成する工程と、前記絶縁層をマスクとしてエッチングし、前記開口の底部の前記第１磁性層に底面と傾斜した側面とを有する窪みを形成する工程と、前記窪みの側面の法線と、スパッタターゲット中心から前記側面に引いた線分とのなす角度が４５度以下であるようにスパッタを行う工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＭＲ比の低下を防止することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（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１を図１に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、アルミナアンダーコート（図示せず）が形成されたアルチック基板（図示せず）上に、下部電極を兼ねた下部シールド２が設けられている。この下部シールド上に下ギャップ膜４が設けられ、下ギャップ膜４上に磁性下地層６が設けられている。磁性下地層６上に、外部磁界を受けて回転可能な磁化を有するフリー層８が設けられている。磁性下地層６およびフリー層８の側部には、フリー層８の磁化にピン層との直交異方性を与えるためのバイアス膜１０が設けられている。

そして、フリー層８の表面を覆うように例えばＳｉＯ_２からなる絶縁層１４が設けられるとともにバイアス膜１０の表面を覆うように例えばアルミナからなる絶縁膜１６が設けられている。絶縁層１４上に、外部磁界下において実質的に回転しない磁化を有するピン層１８が設けられている。なお、このピン層１８は絶縁膜１６上にも設けられている。このピン層１８は、絶縁層１４に設けられたコンタクト１２を介してフリー層８と電気的に接続される。コンタクト１２は、側面が傾斜しており、側面の一部分と底面がフリー層８に接している。フリー層８と絶縁層１４との界面におけるコンタクト１２の直径ｄが２０ｎｍ以下となっている。

ピン層１８上には、ピン層１８の磁化の向きを外部磁界下において実質的に回転しないように固着する例えば反強磁性材料からなるバイアス層２０が設けられている。このバイアス層２０上に非磁性金属層２０が設けられ、この非磁性金属層２０上に上部電極を兼ねた上部シールド２２が設けられている。
次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子１の製造方法を説明する。

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する。そして、このアルミナアンダーコート上に下部シールド２となる膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ膜を形成する。このＮｉＦｅ膜２の表面を鏡面研磨した後に、ナノホール再生素子を形成する。ナノホール再生素子は、以下のように形成される。

下部シールド２上に、Ｔａからなる膜厚１０ｎｍの下ギャップ膜４、ＮｉＦｅからなる膜厚２．５ｎｍの磁性下地層６、Ｎｉからなる膜厚２．５ｎｍのフリー層８、ＳｉＯ_２からなる膜厚４ｎｍの絶縁層１４を順次形成する（図１参照）。続いて、絶縁層１４、フリー層８、および磁性下地層６をパターニングし、フリー層８および磁性下地層６の側部にバイアス膜１０を形成する。その後、バイアス膜１０上に絶縁膜１６を形成する。
説明を簡単にするために、以下の工程では、バイアス膜１０および絶縁膜１６を表示しない。すなわち、図２（ａ）に示すように、フリー層８上に絶縁層１４が形成された状態から説明する。

次に、図２（ｂ）に示すように、絶縁層１４上に電子線描画用のレジスト（ＥＢレジストともいう）を塗布する。そして、トラック（図示せず）となる位置の後方、すなわちＡＢＳ（媒体走行面）より１０ｎｍほど後方に中心が来るように直径５ｎｍの円をＥＢレジスト上に電子線を用いて描画し、ＥＢレジストをパターニングし、円状の開口１５ａを有するレジストパターン１５を形成した（図２（ｂ）参照）。

続いて、レジストパターン１５をマスクとしてＣＨＦ_３ガスを用いたＲＩＥ(Reactive Ion Etching)を行ってＳｉＯ_２からなる絶縁層１４に直径が約５ｎｍのコンタクトホール１４ａを開け、その後、レジストパターン１５を有機溶剤にて除去した（図２（ｃ）参照）。

このとき、図３（ａ）に示すように、コンタクトホール１４ａの底部にはレジストとの反応物やエッチングガスとの反応物の残渣５０が残る。この残渣５０を十分に除去することがバリスティック伝導（高ＭＲ比）を得ることにとって重要となる。

この加工残渣を取り除くため、上部磁性膜（ピン層１８とバイアス層２０）を成膜する前に、磁性膜スパッタ装置内に基板を設置して、基板全体を約０．３Ｗ／ｃｍ^２の電力、加速電圧３００Ｖ，圧力３ｍＴｏｒｒでスパッタエッチングを行いＮｉ膜換算で約０．８ｎｍエッチングした。図３（ｂ）にコンタクトホール１４ａを通してスパッタエッチングされている状態を示す。残渣５０を取り除くだけであればＮｉ膜換算で約０．３ｎｍエッチングすればよいが、さらにスパッタエッチングをＮｉ膜換算で約０．５ｎｍのエッチングを過剰に加えた。その結果、コンタクトホール１４ａの底部のフリー層８の表面は凹状態となりＮｉからなるフリー層８に窪み８ａが形成される（図４参照）。その際、窪み８ａは底面８ａ_１と側面８ａ_２で構成される。スパッタエッチングで削られる場合は、サイズは、絶縁層１４に形成されるコンタクトホール１４ａよりも底部８ａ_１で広がることはない。スパッタエッチングによる窪み８ａは、深さ約０．５ｎｍで、約４５度の傾斜角θを有する側面８ａ_２と底面８ａ_１とで形成されている。その面積比（底面／側面）は約１であり面積はほぼ等しい。

一般に、コンタクトホールをオーバーエッチングすると凹形状の穴が開くことは必然である。しかしながら通常のＤＲＡＭや他の半導体素子においては、コンタクトホールの寸法がディープサブミクロンをターゲットにしている。このため、コンタクトホールのエッチング終了面が多少凹になっていてもコンタクトホールの底面の面積が凹部側面に比べてきわめて大きく、凹部は問題にならない。

一方、穴のサイズが１０ｎｍ程度以下になってくると、ナノメートルオーダーのオーバーエッチングでも、側面の底面面積に対する割合は大きくなる。また場合によっては側面のほうが大きくなる。その状態を図５に示す。図５において横軸はオーバーエッチング量（コンタクトホール１４ａに現れているフリー層８の窪み８ａの深さ）、縦軸は側面の傾斜角が４５度の場合の底部面積、側面面積、それらの合計面積である。コンタクトホール１４ａの直径は５ｎｍとした。約０．６ｎｍ（約３原子層）の深さで側面面積と底面面積が等しくなる。なお、コンタクトホール１４ａの直径が小さくなればなるほど同じオーバーエッチングでも側面面積の全体面積（底面面積と側面面積との和）に占める割合が増える。

図３（ｂ）に示すスパッタエッチングを１ｍＴｏｒｒで行うと、オーバーエッチングにより形成された下部磁性体（本実施形態では、フリー層８）の窪み８ａの側面８ａ_２の傾斜角は約７０度と増加した。この場合の側面面積、底面面積、および合計の面積を図６に示す。約１ｎｍのオーバーエッチングで側面と底面が略同程度の面積となる。

次に、ピン層１８としてＮｉＦｅを３ｎｍ成膜し、コンタクトホール１４ａを埋め込んだ（図７）。図７から磁性体同士、すなわちフリー層８とピン層１８との接続面が平面ではなく曲面になっていることがわかる。その状態での電子の流れおよび界面状態を図８に示す。上部磁性層（本実施形態ではピン層１８）から下部磁性層（本実施形態ではフリー層８）に電子ｅが注入される。接合面の下部磁性層にはスパッタエッチングによるエネルギー粒子により結晶性が破壊されたダメージ層８ｂが断面で記載されている。その厚さは側面で０．５ｎｍ〜１ｎｍであり、底面では１．５ｎｍ〜３ｎｍであって、底面でのダメージ層厚が大きくなっている。その際、電子は、上部磁性層１８と下部磁性層８との窪み状の界面を通過して下部磁性層８に注入される。この際、伝導電子のフェルミ長を約１ｎｍとして、それよりも長いダメージ層８ｂとなる底面を通過した電子流は乱れたポテンシャルから散乱を受けることでスピンコヒーレンシーが減衰しはじめ、上部磁性層１８のからのスピン情報を低下させてしまう（Ｉｂ）。

一方、フェルミ長以下のダメージ層８ｂを有する側面から流入する電子は、スピン情報を保持したまま下部磁性層に流入する（Ｉａ）。したがって、側面から流入した電子のほうがスピン情報を保持する割合が強いため、スピン依存散乱によるＭＲ比に寄与する確率が高くなり高ＭＲ比を発生することができる。

窪み８ａの底面と、側面の傾斜部分のダメージは加工エネルギー（スパッタエッチング電圧）が小さいほど減らすことができるが、一般的な装置では概略３００Ｖ以上の電圧が印加されるため、底面にフェルミ長以上のダメージが導入されることが避けられない。ほぼ垂直で入射したＡｒイオンで形成されたＮｉからなる磁性層に導入されるダメージ深さは約１ｎｍ〜２ｎｍ程度であることが報告されている（例えば、J.Magn.Magn.Mat., vol.287,491(2005)参照）。パーマロイ膜のスパッタリング率のイオン入射角度依存性を傾斜角度に変換すると図９に示すようになり、入射角度（傾斜角度）が４０度〜５０度程度の場合にピークを有する。入射１イオン当たりのダメージ層の深さは電流密度一定条件での磁性層のスパッタリング率の逆数に概略依存するので、図９に記載されているダメージ層の深さとなる。ダメージ層深さは垂直（０度）入射でピークであり、入射角度が浅くなるにつれ（傾斜角度が大きくなるにつれ）、ダメージ層の厚さは薄くなることがわかる。

一方、傾斜角度θが大きくなると膜面垂直に走行する電子のダメージ領域を走行する距離は、１／ＣＯＳθだけ増加する。窪みのダメージ領域を膜面垂直に走行した場合、窪み底面に比べて得する距離または損する距離を電子走行距離ゲインとして、同図に示した。正の場合は得したことに相当し、負の場合は損したことに相当する。図９の右側の縦軸において、例えば０．２とは２０％ダメージ距離の走行が減少して得することを示す。傾斜角度０度以上、７３度以下で得していることがわかる。特に、２５度から６５度では０．２を超えていてゲインが顕著であることを示す。一方、傾斜角度８０度では負となっているので損していることを示す。

なお、バリスティック伝導では電子流の多くが膜面垂直（０度）で、±１０度付近に分布していると予想される。したがって、傾斜角度８０度でも１０度傾いて、７０度を見ると得していることがわかる。これはダメージ深さが７０度〜８０度で近いためである。したがって、電流分布まで考慮すると傾斜角度が略１０度〜８０度で得し、好ましくは傾斜角度３０度から７０度でゲインが０．２以上と大きくなることがわかる。

また、上部磁性層と下部磁性層との界面を窪み形状にせず、一般的な製法で作成しコンタクトホール底面で平面状に接続した場合を図１０に示す。接続している面積は基本的に変わらないため、大きな抵抗値の差は生じない。しかし、界面でのダメージは大きい領域のみで接続されているため図７の場合に比べてＭＲ比が低下してしまう。側面面積と底面面積が１：１で形成した図７の素子は図１０の素子と比較して、約１０％〜５０％ＭＲ比が向上した。窪み全体の表面積に対して約３０％程度、側面面積が占めると窪み接続の効果があることがわかった。

なお、窪みの形状は、図７に示すような側面の傾きが一定なものばかりでなく、図１１に示すような多段傾斜、図１２に示すように連続的な傾斜、図１３に示すような円弧形状、図１４に示すようにさらに少なくとも側面の一部が傾斜を有することでも効果がある。

なお、ピン層１８を埋め込み成膜の後、図１に示すように、ＰｔＭｎからなる膜厚１５ｎｍのバイアス層２０、Ｔａからなる膜厚５ｎｍの保護膜２２、上部電極を兼ねた上部シールド２４を積層して素子化した。

以上、説明したように、本実施形態によれば、ＭＲ比の低下を防止することができる。

なお、本実施形態においては、フリー層８、絶縁層１４、ピン層１８、およびバイアス層２０の順に形成したが、逆の順序で形成してもよい。この場合、下磁性層はピン層となり、上磁性層がフリー層となる。

（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１５に示す。この実施形態の磁気抵抗効果素子は１Ａは、第１実施形態の磁気抵抗効果素子において、下部磁性層（フリー層８）と上部磁性層（ピン層１８）とのコンタクト１２の底部に側面よりも膜厚の薄い酸化層３０を設けた構成となっている。

コンタクトの底部に選択的に側面に比べて厚い酸化層３０を設けることで、図１５に示すようにダメージの少ない側面へ電流を優先的に供給し、かつダメージの大きな底部に流れるセンス電流を抑制でき、それによりセンス電流の効率化（高ＭＲ比）を実現することができる。

酸化層３０は、下部磁性層８の表面にオーバーエッチングにより窪みを形成した後、例えば酸素ビームを照射することで形成できる。図１６にその形成プロセスを示す。第１実施形態の磁気抵抗効果素子の形成プロセスにおいて、図３（ｂ）に示すエッチングの後、図１６に示すように酸素プラズマを発生させて窪み８ａの底部を選択的に酸化させる。酸素プラズマは、圧力１×１０^−３Ｔｏｒｒ〜１×１０^−４Ｔｏｒｒで発生する。放電電圧を３００Ｖにて放電させた。その結果、コンタクトホール１４ａの異方的な形状により、底部に約３ｎｍの酸化層３０が形成された（図１６）。一方、側面には１ｎｍ以下の酸化膜が形成された。この後、第１実施形態の場合と同様に、コンタクトホール上からピン層１８を埋め込んだ（図１５）。以降、バイアス層、保護膜、上部シールドなどを形成して磁気抵抗効果素子を形成し、素子抵抗値を測定した。図１０に示す比較例の磁気抵抗効果素子と比較して、約２０％〜６０％ＭＲ比が向上した。

なお、酸化プロセス以外にも、酸化物層３０をイオンビームスパッタなど志向性のよい成膜方法で形成しても同様な効果が得られた。

本実施形態も第１実施形態と同様に、ＭＲ比の低下を防止することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子を説明する。

第１および第２実施形態においてはＳｉＯ_２からなる絶縁層１４に形成されたコンタクトホールは垂直壁であったが、９０度よりも小さな傾斜角が付与されていてもコンタクトホール側面伝導の効果に変わりはない。このような傾斜角を設けることにより、埋め込み膜の結晶性向上に効果があるためさらに大きなＭＲ比が期待できる。

ＳｉＯ_２からなる絶縁層１４へのコンタクトホール形成プロセス時に、酸素を１％〜３％添加することで傾斜角４５〜７０度が付与されたコンタクトホールを形成することができる。

一般に、上に開いた形状のトレンチにはトレンチ側面や底面に良質な膜が埋め込まれやすいことが知られているが、側面を通じて電気伝導する場合は、窪み形状になっていることが効果を有する。このことを図１７乃至図２４を用いて説明する。

図１７には、絶縁層１４に約４５度の傾斜角を有するコンタクトホール（サイズは第１実施形態同様）が形成されている。コンタクトホールに埋め込まれる膜は一般に、ＳｉＯ_２からなる絶縁層１４の低面エッジから欠陥部３２が導入されて膜成長に伴い左右からの欠陥部３２が成長し、これらの欠陥部３２が図１７に示すようにコンタクトホール底面上を覆ってしまう。これらの欠陥部３２は傾斜角度がゆるいほど（小さいほど）減少する傾向にあるが本質的に発生する。

一方、図１８に示すように、下部磁性層８の表面にオーバーエッチングによる窪みがあると欠陥部３２の成長開始点はコンタクトホール底面のエッジであり、コンタクトホール側面はＳｉＯ_２からなる絶縁層１４の側面の磁性膜と連続的につながる。したがって、従来傾斜角が付与されても本質的に良好な電気伝導が得にくかったコンタクトホールの底面とは、このようにオーバーエッチングによる窪みをコンタクトホールに付与することで欠陥部３２の位置がずれ、良好な電気伝導を得やすくなる。その結果、余分な抵抗がへることでＭＲ比を大きくすることができる。

また、オーバーエッチングにより傾斜角が付与されたコンタクトホールへの埋め込みには、それに適した埋め込み方法がある。図１９に、膜形成粒子（ＮｉＦｅ）を斜めに流入させている様子を示す。コンタクトホール１４ａの側面から直接ターゲット中心Ｏが見えることで散乱を受けないスパッタ粒子が直接側面に照射されて成長することができる。また側面に引いた垂線Ｒが、影を作り出すＳｉＯ_２からなる絶縁層１４よりも上方にあることが望ましい。さらに側面とターゲット中心Ｏを結ぶ線分Ｆと直線Ｒとなす角度φが４５度以下であることが望ましい。基板が回転することで相対的にターゲット中心位置は移動するが、コンタクトホール側面への成膜の場合は、相対的な位置関係が常に維持されるので、傾斜角が０度（水平）の側面への膜形成に比較して、成膜位置関係がより大きな効果を持つ（図２０参照）。

上部磁性層１８の成膜後の状態を図２１に示す。ＳｉＯ_２からなる絶縁層１４のコンタクトホールの側面に傾斜角、さらに下部磁性層８の窪みに９０度以下の傾斜角を有する側面があることで良好にコンタクトホールに埋め込むことができる。センス電流を通電している様子を図２２に示す。センス電流はコンタクトホール側面に散乱を受けずに流入している。このように絶縁層１４のコンタクトホールの側面と、下部磁性層８の窪みの側面とのなす角度（接続角度）ψが鈍角になっていることで良好な電気伝導を得ることができ高いＭＲ比を得ることができる。

なお、絶縁層１４のコンタクトホールの側面と、下部磁性層８の窪みの側面とのなす角度（接続角度）ψは、１２０度〜１８０度もしくは１８０度〜２４０度であることが望ましい。

本実施形態も第１実施形態と同様に、ＭＲ比の低下を防止することができる。

なお、下部磁性層８の窪みの側面の角度は絶縁層１４のコンタクトホールの側面との接続角度ψが上記した角度であれば途中で変わっても効果がある。例えば、図２３に示すように、下部磁性層８の窪みの形状が、傾斜角ξがξ_１からξ_２に変化する多段傾斜角を有する形状や、図２４に示すように、傾斜角が連続的に変化する形状のものであっても効果がある。

本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の効果を説明する図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の効果を説明する図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果素子の効果を説明する図。 第１実施形態の比較例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第１実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第１実施形態の第３変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第１実施形態の第４変形例による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子を示す断面図。 第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第３実施形態の比較例による磁気抵抗効果素子の断面図。 本発明の第３実施形態による磁気抵抗効果素子の断面図。 第３実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を説明する図。 第３実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を説明する図。 第３実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程を示す断面図。 第３実施形態の効果を説明する図。 第３実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果素子の断面図。 第３実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子の断面図。

符号の説明

１ 磁気抵抗効果素子
２ 下部電極（下部シールド）
４ 下ギャップ層
６ 磁性下地層
８ フリー層
１０ バイアス膜
１２ コンタクト
１４ 絶縁層
１６ 絶縁膜
１８ ピン層
２０ バイアス層
２２ 非磁性金属層
２４ 上部電極（上部シールド）

Claims (7)

1. 外部磁界を受けて回転可能な磁化を有する第１磁性層と、
   前記第１磁性層の一方の側に設けられ、膜厚方向に貫通する開口を有する第１絶縁層と、
   前記第１絶縁層の前記第１磁性層が設けられている側とは反対側に設けられ、前記外部磁界下において実質的に回転しない磁化を有する第２磁性層と、
   前記第１絶縁層の開口を介して対向する前記第１および第２磁性層のうちの一方の磁性層の表面に設けられて底面および傾斜角を有する側面を有する窪みと、前記開口とを、前記窪みが設けられていない他方の磁性層と同じ磁性材料で埋め込むように設けられたコンタクトと、
   を備え、
   前記コンタクトの前記窪みの側面に対応する部分の傾斜角度は、前記コンタクトの前記窪みの底面に対応する部分から見て１０度以上でかつ９０度よりも小さく、前記コンタクトの前記窪みの側面に対応する部分の面積が、前記コンタクトの前記窪み全体に対応する部分の面積の３０％以上を占めることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
2. 前記コンタクトの前記傾斜角度は、１０度から８０度であること特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子。
3. 前記コンタクトの前記窪みの側面に対応する部分の形状は、直線傾斜、多段傾斜、または連続的な傾斜を有している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. 前記窪みが設けられた前記一方の磁性層の前記窪みの底面に対応する部分は前記窪みの側面に対応する部分に比べて高抵抗であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
5. 前記窪みが設けられた前記一方の磁性層の前記窪みの底面には前記窪みの側面に比べて厚い絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項４記載の磁気抵抗効果素子。
6. 前記一方の磁性層の前記窪みの側面に対する垂線が、前記他方の磁性層側の前記絶縁層の開口の縁より前記開口側にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
7. 請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   第１磁性層上に絶縁層を形成する工程と、
   前記絶縁層に前記第１磁性層に通じる開口を形成する工程と、
   前記絶縁層をマスクとしてエッチングし、前記開口の底部の前記第１磁性層に底面と傾斜した側面とを有する窪みを形成する工程と、
   前記窪みの側面の法線と、スパッタターゲット中心から前記側面に引いた線分とのなす角度が４５度以下であるようにスパッタリングによって第２磁性層の成膜を行う工程と、
   を備えたことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。

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