【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強磁性トンネル接合素子の製造方法に関し、特に、高密度磁気ディスク装置における磁気ヘッドの読出しセンサに用いられる強磁性トンネル接合素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の強磁性トンネル接合素子には、厚みが数ｎｍ程度の絶縁体から成るトンネルバリア層を一対の強磁性層で挟み込んだ構造のものがある。 このような強磁性トンネル接合素子では、強磁性層双方の間に一定電流を流した状態で強磁性層面内に外部磁界を印加したとき、両磁性層の磁化の相対角度に対応して抵抗値が変化する磁気抵抗効果が現れる。 この磁化の方向が相互に平行する場合に抵抗値は最小になり、平行でない場合に抵抗値は最大になる。 従って、両磁性層に保磁力差を付与することにより、磁界の強さに対応して磁化の平行及び非平行状態が実現できるので、抵抗値の変化を検出することによって磁界を検出できる。

【０００３】近年、トンネルバリア層にＡｌの表面酸化膜を用いることによって２０％近い磁気抵抗変化率を示す強磁性トンネル接合素子が得られたことにより、磁気ヘッドや磁気メモリへの応用の可能性が高まっている。
このように大きな磁気抵抗変化率に関する技術は、例えば、「1996年4月、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、79巻、4724〜4729頁（Journal of Applied
Physics, vol.79, 4724〜4729, 1996）」に記載されている。

【０００４】上記磁気抵抗変化率に関する技術では、例えば、ＣｏＦｅから成る第１の強磁性層をガラス基板上に蒸着マスクを用いて真空蒸着し、引き続きマスクを交換して、厚みが約１．２〜２．０ｎｍのＡｌ層を蒸着する。 次いで、Ａｌ層の表面を酸素グロー放電に曝すことにより、Ａｌ ₂ Ｏ ₃から成るトンネルバリア層を形成する。 更に、トンネルバリア層を介して第１の強磁性層に重なるように、Ｃｏから成る第２の強磁性層を成膜して十字電極型の強磁性トンネル接合素子を完成させる。 この方法によると、最大１８％の大きな磁気抵抗変化率を得ることができる。

【０００５】他の文献として、特開平5-63254号公報、
特開平6-244477号公報、特開平8-70148号公報、特開平8
-70149号公報及び特開平8-316548号公報、「1997年、日本応用磁気学会誌、21巻、493〜496頁」等が存在する。
これらの公報や磁気学会誌には、成膜後のＡｌ層を大気中に曝してＡｌ ₂ Ｏ ₃を成長させる方法がトンネルバリア層の形成方法として記載されている。

【０００６】ところで、高密度磁気ディスク装置の磁気ヘッドに強磁性トンネル接合素子を適用する場合に、熱雑音の影響を低減するには、実用素子寸法下で抵抗値をある程度低くする必要がある。 この実現のため、強磁性トンネル接合素子の端面を研磨し、この接合素子の幅方向と直交する素子高さを高精度で規定して抵抗値を低くする研磨技術がある。 強磁性トンネル接合素子の端面は、この接合素子を磁気ヘッドに適用する場合には、磁気ディスクの記録面に対向して磁界を直接的に検知する対向面になる。

【０００７】従来の研磨工程では、粒径が数μｍ以下のダイヤモンド等の硬質粒子を懸濁した水又は油を滴下した研磨盤に加工面を押し付け、硬質粒子の研削作用と塑性流動作用とによって加工面を機械的に研削し、平滑化する。 研削作用では、加工面から材料を切り屑として除去することによって素子高さを規定し、塑性流動作用では、研磨方向に加工面の材料を塑性変形且つ流動させることにより表面の平滑化を促す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】強磁性トンネル接合素子では、厚みが数ｎｍ程度のトンネルバリア層によって第１及び第２の強磁性層が相互に絶縁されることが必要である。 しかし、強磁性トンネル接合素子を機械的に研磨する際に、第１の強磁性層と第２の強磁性層とが塑性流動作用により局所的に短絡することがある。 つまり、
トンネルバリア層が数ｎｍ以下と極めて薄いため、機械研磨工程により第１の磁性層が塑性変形を受けて研磨方向に流動すると、電子がトンネルバリア層を越えて第２
の強磁性層に達することがある。 第１及び第２の強磁性層が相互に直接接触する短絡状態が発生すると、トンネルバリア層を介したトンネル効果が十分に得られず、良好な素子特性が損なわれる。

【０００９】本発明は、上記に鑑み、強磁性トンネル接合素子の素子高さを高精度で規定できる製造方法でありながらも、トンネルバリア層による第１及び第２の強磁性層間の良好な絶縁状態を適正に保持できる強磁性トンネル接合素子の製造方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明の強磁性トンネル接合素子の製造方法は、第１の強磁性層と第２の強磁性層との間にトンネルバリア層を挟んで成る強磁性トンネル接合素子の製造方法において、前記第１の強磁性層、前記トンネルバリア層及び前記第２の強磁性層の端面を一括して研磨する工程が、
前記端面を機械的に研磨する第１の研磨処理と、前記端面をドライエッチングする第２の研磨処理とを順次に含むことを特徴とする。

【００１１】本発明の強磁性トンネル接合素子の製造方法では、第１の研磨処理で機械的に研磨した端面を第２
の研磨処理でドライエッチングするので、機械的研磨の際に、第１及び第２の強磁性層間に局所的な短絡箇所が生じたとしても、短絡箇所を効果的に除去することができる。 従って、強磁性トンネル接合素子を磁気ヘッドに用いる際の再生特性を向上させることができる。

【００１２】ここで、研磨工程が、強磁性トンネル接合素子の幅方向と直交する素子高さを規定する工程であることが好ましい。 これによると、強磁性トンネル接合素子を磁気ヘッドに適用する場合に、強磁性トンネル接合素子の端面を高精度に研磨して抵抗値を低く設定することができる。

【００１３】更に好ましくは、第２の研磨処理が、プラズマエッチング、励起ガスエッチング、反応性イオンエッチング、スパッタエッチング、反応性イオンビ−ムエッチング、イオンビ−ムエッチング、又は、イオンミリングである。 この場合、第２の研磨処理における実際の処理を状況に応じて選択することができる。

【００１４】好適には、第１及び第２の強磁性層の少なくとも一方が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はこれらを含む合金から成る。 この場合、第１の強磁性層及び第２の強磁性層の材料を適宜選択して、所望の性質の強磁性トンネル接合素子を得ることが可能になる。

【００１５】また、トンネルバリア層が、ランタノイドに属する金属、Ａｌ又はＭｇの酸化膜から成ることが好ましい。 この場合、トンネルバリア層の材料を適宜選択して、所望の性質の強磁性トンネル接合素子を得ることが可能になる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。 図１は、本発明の一実施形態例に係る強磁性トンネル接合素子の製造時の様子を模式的に示す断面図である。 まず、真空状態のチャンバ内で所定の基板上に第１の強磁性層１１と導電層１２とを連続的に成膜し（図１(a)）、チャンバ内に純酸素を導入し、導電層１
２の表面を自然酸化することによってトンネルバリア層１３を形成する（図１(b)）。 次いで、トンネルバリア層１３上に第２の強磁性層１４を形成する（図１
(c)）。

【００１７】ここで、本発明の製造方法を検証するため、図１で説明した強磁性トンネル接合素子を使用し、
磁気ヘッドに加工する前の試料１〜６に関して説明する。 図２は、試料を製造する際の様子を模式的に示す断面図である。 以下の成膜時には、直径４インチのターゲット４基を備えた高周波マグネトロンスパッタ装置を用いる。 スパッタ条件は、バックグランド圧力を１×１０
^-7 Torr以下、Ａｒ圧力を１０ｍTorr、及び高周波電力を２００Ｗにする。

【００１８】まず、試料１の製造工程について説明する。 図２(a)に示すように、表面を熱酸化したＳｉ基板３１上に、厚みが５０ｎｍのＡｌ膜から成る第１の配線層３２と、厚みが１０ｎｍのＦｅ膜から成る第１の強磁性層３３と、厚みが２ｎｍのＡｌ膜から成る導電層３４
とを順次にスパッタ蒸着する。 次いで、スパッタ装置内に純酸素を導入し、酸素圧力を２０ｍTorr〜２００Torr
の範囲で１０分間保持し、Ａｌ導電層３４表面を酸化してトンネルバリア層３５を形成する。 更に、酸素の排気によりバックグランド圧力に達した後に、厚みが２０ｎ
ｍのＣｏＦｅ膜から成る第２の強磁性層３６をスパッタ蒸着して、接合構成層を完成させる。

【００１９】次に、通常のフォトリソグラフィ技術及びイオンミリング技術を用いて接合構成層における全層を下部配線形状に加工し、Ｓｉ基板３１上の一部を除去する（図２(b)）。 更に、図２(c）に示すように、接合寸法を規定するためのレジストパターン３７を第２の強磁性層３６上に形成すると共に、第１の配線層３２上で、
第２の強磁性層３６から第１の強磁性層３３までをイオンミリングによって除去する。

【００２０】次いで、レジストパターン３７を残した状態で、厚みが３００ｎｍのＡｌ ₂ Ｏ ₃膜から成る絶縁層３
８を、Ｓｉ基板３１及び第１の配線層３２上に電子ビームによって蒸着した後に、レジストパターン３７をリフトオフ法で除去する（図２(d)）。 更に、上部配線を設けるためのレジストパターン３９を形成した後に、第２
の強磁性層３６と後述の第２の配線層４０との間の電気的な接触を得るため露出させた試料表面に対し、逆スパッタクリーニングを行う（図２(e)）。 次いで、厚みが２００ｎｍのＡｌ膜から成る第２の配線層４０を試料表面に蒸着した後に、レジストパターン３９をリフトオフ法で除去することにより上部配線層を形成し、強磁性トンネル接合素子の試料１を完成させる（図２(f)）。

【００２１】試料２は、試料１におけるＡｌ膜から成る導電層３４に代えて、厚みがＡｌ膜と同じ２ｎｍのＭｇ
膜から成る導電層３４を用い、これ以外の材料及び製造工程は試料１の場合と同様である。

【００２２】試料３は、試料１におけるＡｌ膜から成る導電層３４に代えて、厚みがＡｌ膜と同じ２ｎｍのＬａ
膜から成る導電層３４を用い、これ以外の材料及び製造工程は試料１の場合と同様である。

【００２３】試料４は、試料１におけるＳｉ基板３１に代えて、Ａｌ ₂ Ｏ ₃・ＴｉＣセラミック基板を用い、これ以外の材料及び製造工程は試料１の場合と同様である。

【００２４】試料５は、試料２におけるＳｉ基板３１に代えて、Ａｌ ₂ Ｏ ₃・ＴｉＣセラミック基板を用い、これ以外の材料及び製造工程は試料２の場合と同様である。

【００２５】試料６は、試料３におけるＳｉ基板３１に代えて、Ａｌ ₂ Ｏ ₃・ＴｉＣセラミック基板を用い、これ以外の材料及び製造工程は試料３の場合と同様である。

【００２６】ここで、例えば図２(f)の紙面手前〜奥方向における長さ、つまり素子高さを出すための機械的研磨を行うため、ダイシングソ−を用いて試料１〜６の夫々から棒状試料を作製する。 機械研磨工程では、平均粒径が約０．２５μｍ程度の多結晶ダイヤモンド粒子を含む油性研磨液を研磨盤に滴下し、研磨盤の回転速度を３
０RPMに且つ押付け荷重を５ｇに夫々設定した状態で、
研磨盤に各試料を夫々押し付ける。 この場合に、素子抵抗値を連続的に測定しつつ、素子抵抗値が所定値に達した時点で機械的な研磨を終了する。

【００２７】

【実施例】次に、上記機械研磨工程を終了した試料１〜
６の研磨面に対してドライエッチングを施した実施例について述べる。

【００２８】 実施例１試料１の研磨面に対してプラズマエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 プラズマエッチングでは、プラズマ発生方式として誘導結合方式を用い、ガス圧力が０．３TorrのＯ ₂ ＋ＣＣｌ ₄混合ガスをエッチングガスとして用いた。 印加高周波電力は２０
０Ｗ、基板加熱温度は６０℃、エッチング時間は２０
分、エッチング量は約２０ｎｍとした。

【００２９】 実施例２試料１の研磨面に対して励起ガスエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 励起ガスエッチングでは、プラズマ発生方式としてエッチトンネルマイクロ波励起方式を用い、ガス圧力が０．２TorrのＣＣｌ ₄ ＋Ｏ ₂混合ガスをエッチングガスとして用いた。
印加高周波電力は２５０Ｗ、基板加熱温度は５０℃、エッチング時間は１００分、エッチング量は約２０ｎｍとした。

【００３０】 実施例３試料１の研磨面に対して反応性イオンエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 反応性イオンエッチングでは、電極配置として平行平板型を用い、ガス圧力が１００TorrのＣＦ ₄ ＋Ｈ ₂混合ガスをエッチングガスとして用いた。 印加高周波電力は２００
Ｗ、基板加熱温度は５０℃、エッチング時間は４０分、
エッチング量は約２０ｎｍとした。

【００３１】 実施例４試料１の研磨面に対してスパッタエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 スパッタエッチングでは、電極配置として平行平板方式を用い、
ガス圧力が１０TorrのＡｒガスをエッチングガスとして用いた。 印加電力は２００Ｗ、基板加熱温度は２５℃、
エッチング時間は５分、エッチング量は約３０ｎｍとした。

【００３２】 実施例５試料５の研磨面に対して反応性イオンビ−ムエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 反応性イオンビ−ムエッチングでは、イオン銃方式を用い、ガス圧力が８×１０ ^-4 TorrのＣＣｌ ₄ガスをエッチングガスとして用いた。 イオン加速電圧は５００
Ｖ、イオン電流密度は０．３mA/cm ² 、基板加熱温度は５
０℃、エッチング時間は１０分、エッチング量は約５０
ｎｍとした。

【００３３】 実施例６試料６の研磨面に対してイオンビ−ムエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 反応性イオンビ−ムエッチングでは、イオン銃方式を用い、
ガス圧力が８×１０ ^-3 TorrのＡｒガスをエッチングガスとして用いた。 イオン加速電圧は６００Ｖ、イオン電流密度は０．２mA/cm ² 、基板加熱温度は７０℃、エッチング時間は３０分、エッチング量は約５０ｎｍとした。

【００３４】 実施例７〜１１試料２〜６の各研磨面に対してプラズマエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を夫々製造した。 プラズマエッチングでは、各処理における諸条件は実施例１の場合と同様である。

【００３５】 実施例１２〜１６試料２〜６の各研磨面に対して励起ガスエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を夫々製造した。 励起ガスエッチングでは、各処理における諸条件は実施例２の場合と同様である。

【００３６】 実施例１７〜２１試料２〜６の各研磨面に対して反応性イオンエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を夫々製造した。 反応性イオンエッチングでは、各処理における諸条件は実施例３の場合と同様である。

【００３７】 実施例２２〜２６試料２〜６の各研磨面に対してスパッタエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を夫々製造した。 スパッタエッチングでは、各処理における諸条件は実施例４の場合と同様である。

【００３８】 実施例２７〜３１試料２〜６の各研磨面に対して反応性イオンビ−ムエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を夫々製造した。 反応性イオンビ−ムエッチングでは、各処理における諸条件は実施例５の場合と同様である。

【００３９】 実施例３２〜３６試料２〜６の各研磨面に対してイオンビ−ムエッチングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を夫々製造した。 イオンビ−ムエッチングでは、各処理における諸条件は実施例６の場合と同様である。

【００４０】 実施例３７試料１の研磨面に対してイオンミリングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 イオンミリングでは、電極配置として平行平板方式を用い、ガス圧力が２×１０ ^-4 TorrのＡｒガスをエッチングガスとして用いた。 印加電圧は２００Ｖ、イオン電流密度は０．６mA
/cm ² 、基板加熱温度は５０℃、エッチング時間は１０
分、エッチング量は約４０ｎｍとした。

【００４１】 実施例３８試料１の研磨面に対してイオンミリングを施すことにより、強磁性トンネル接合素子を製造した。 イオンミリングでは、電極配置として平行平板方式を用い、ガス圧力が２×１０ ^-4 TorrのＡｒ＋Ｏ ₂混合ガスをエッチングガスとして用いた。 印加電圧は２００Ｖ、イオン電流密度は０．６mA/cm ² 、基板加熱温度は５０℃、エッチング時間は１５分、エッチング量は約３０ｎｍとした。

【００４２】以上の実施例１〜３８、及び、機械的研磨まで施した試料１〜６の計４４種の強磁性トンネル接合素子及び試料を用いて浮上量２０ｎｍの浮上型磁気ヘッドを作製し、磁気ディスクに対する再生特性を測定することにより、ドライエッチングがもたらす効果を検証した。 磁気ディスクとしては、ガラス基板、厚み１０ｎｍ
のＣｒ下地層、厚み２０ｎｍのＣｏＣｒTaPt磁性層、厚み１０ｎｍのカ−ボン保護膜、及び厚み２ｎｍの潤滑膜が順次に積層され、磁界の強さＨｃが2400Ｏｅで、磁束密度と厚みの積Ｂｒｔが１００Ｇμｍのものを使用した。 浮上量が２０ｎｍの薄膜磁気ヘッドを用いて所定の孤立波を予め磁気ディスクに記録しておき、各実施例及び試料に係る強磁性トンネル接合素子を実装した磁気ヘッドによって上記孤立波を再生した。 このとき、得られたセンス電流密度５×１０ ³ A/cm ²の再生出力［ｍＶ］を表１に示す。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】表１及び表２から理解できるように、ドライエッチングを施さず機械的研磨のみ施した試料１〜６
の場合には、再生出力はいずれも０．７［ｍＶ］以下と極めて低い値である。 しかし、機械的研磨に加えてドライエッチングを施した実施例１〜３８の場合には、最小の値であっても実施例２４の１．８［ｍＶ］であり、これ以外の実施例では１．８［ｍＶ］以上の値であり、全ての実施例で良好な再生出力が得られた。

【００４６】以上のように、本製造方法によると、機械的に研磨した端面をドライエッチングするので、機械的研磨の際に、第１及び第２の強磁性層３３、３６間に局所的な短絡箇所が生じたとしても、短絡箇所を効果的に除去することができる。 従って、強磁性トンネル接合素子の素子高さを高精度で規定できる製造方法でありながらも、トンネルバリア層３５による第１及び第２の強磁性層間の良好な絶縁状態を適正に保持できる強磁性トンネル接合素子を得ることができ、歩留まりが向上する。
また、強磁性トンネル接合素子を高密度磁気ディスク装置における読出しセンサに用いる場合に、磁気ヘッドの媒体対向面を平滑化することができ、実用上必要な抵抗値及び信号出力電圧特性を備え再生出力が極めて高い磁気ヘッドを得ることができる。 例えば、従来の製造方法では、再生可能な磁気ヘッドの歩留まりは３０％程度であったが、機械研磨工程にドライエッチング工程を併用した本発明の製造方法によれば、７０％を越える歩留まりを達成することができた。

【００４７】以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明の強磁性トンネル接合素子の製造方法は、上記実施形態例（実施例）にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例から種々の修正及び変更を施した強磁性トンネル接合素子の製造方法も、本発明の範囲に含まれる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によると、
強磁性トンネル接合素子の素子高さを高精度で規定できる製造方法でありながらも、トンネルバリア層による第１及び第２の強磁性層間の良好な絶縁状態を適正に保持できる強磁性トンネル接合素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態例に係る強磁性トンネル接合素子の製造時の様子を模式的に示す断面図であり、
(a)は第１の強磁性層及び導電層を成膜する際の様子、
(b)はトンネルバリア層を形成する際の様子、(c)は第２
の強磁性層を形成する際の様子を夫々示す。

【図２】試料を製造する際の様子を模式的に示す断面図であり、(a)は接合構成層の完成時の様子、(b)はＳｉ基板上の一部を除去する際の様子、(c）は強磁性層等を除去する際の様子、(d)はレジストパターンを除去する際の様子、(e)は逆スパッタクリーニング工程、(f)は接合素子の完成時の状態を夫々示す。

【符号の説明】

１１、３３ 第１の強磁性層 １２、３４ 導電層 １３、３５ トンネルバリア層 １４、３６ 第２の強磁性層 ３１ Ｓｉ基板 ３２ 第１の配線層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松寺 久雄 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 中田 正文 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内 (72)発明者 上條 敦 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気株 式会社内