JP2003298144A

JP2003298144A - 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

Info

Publication number: JP2003298144A
Application number: JP2002095514A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hashimoto; 進橋本; Tomoki Funayama; 知己船山; Takeo Sakakubo; 武男坂久保; Masashi Sahashi; 政司佐橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-17
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP3790183B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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
を提供することを目的とする。【解決手段】上方に向けて突出した凸部（Ｐ）を有す
る下側電極（２ａ）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（３ａ）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（５）と、前記平坦
化導電層の前記略平坦な前記上面（５Ｂ）に積層された
磁気抵抗効果膜（６）と、前記磁気抵抗効果膜の上に設
けられた上側電極（２ｂ）と、を備えたことを特徴とす
る磁気抵抗効果素子を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気抵抗効果素子
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 Perpendicula
r 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１
５０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_８０Ｆ
ｅ_２ _０）（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２
ａ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（Ba
rkhausen 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（io
n 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（Ｚ
ｒ）、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（Ａ
ｕ）、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（Ｎ
ｂ）、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（Ａ
ｌ）、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，Ｈ
ｆＯｘ，ＴａＯｘ，ＣｒＯｘ等）や窒化物（例えば、Ｔ
ｉＮｘ，ＺｒＮｘ，ＨｆＮｘ，ＴａＮｘ，ＣｒＮｘ，Ｍ
ｏＮｘ，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（Ｔ
ａ）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（Ｖ９
０：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２
ａ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（Ｓｉ
Ｏｘ）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 IonEtching）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ＳｉＯ
ｘ絶縁体３ａが１１０ナノメータ毎分（ｎｍ／ｍｉ
ｎ．）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、ＲＩ
Ｅ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、ＲＩ
ＢＥ（Reactive Ion Beam Etching）やＩＣＰ（Inducti
vely 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（ＣｏＦ
ｅ）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（Ｐｔ
Ｍｎ）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Ｓ
ｉＯｘ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２
ｂ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（Ｃ
ｕ）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２
００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１５
０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（Ｍ
ｏ）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Ｃ
ＭＰ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３０
０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１
５０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３
ａ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，Ｔ
ｉ）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３０
０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Ｒ
max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２
ｂ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２０
０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１
６０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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂久保武男神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者佐橋政司神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5D034 AA02 BA03 BA08 BA15 DA07 5F083 FZ10 GA11 JA36 JA37 JA38 JA39 JA40 LA04 LA05 MA06 MA16 MA19 PR04 PR40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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磁気抵抗効果素子。
【請求項２】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
いずれかであることを特徴とする請求項１記載の磁気抵
抗効果素子。
【請求項３】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
とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】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、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磁
気抵抗効果素子。
【請求項５】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ことを特徴とする請求項１〜４の
いずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】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
することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記
載の磁気抵抗効果素子。
【請求項７】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、を有することを特徴とする請求項
１〜６のいずれか１つに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項８】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磁気抵抗効果素子の製造方
法。
【請求項９】請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気
抵抗効果素子を備えたことを特徴とする磁気ヘッド。
【請求項１０】請求項９記載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磁気再生装置。