(57)【要約】【課題】バリア層の上部層が下部層の結晶構造を受け継ぐことができる、磁気抵抗効果素子の製造方法等を提供する。【解決手段】まず、ピンド層５５を成膜する。次に、ピンド層の上に、酸化バリア層５３の前駆体となる金属層５３ａを成膜する。次に、金属層の上に、フリー層５７を成膜する。そして、ミリング等のエッチングによって、フリー層、金属層及びピンド層を所望の素子形状にパターニングする。次に、パターニングした素子を酸素雰囲気中で加熱して、酸素を金属層の側壁から拡散させる。これによって、前駆体である金属層が酸化されて、酸化バリア層が形成される。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部磁性層と下部磁性層との間に酸化バリア層が設けられている磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
前記下部磁性層を形成し、
その上に前記酸化バリア層の前駆体となる金属層を形成し、
その上に上部磁性層を形成し、
そのあとに前記金属層を酸化させる、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項２】
前記金属層の酸化は、酸素雰囲気中において加熱することによって行われることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項３】
前記上部磁性層を形成したあとに、該上部磁性層、前記金属層及び前記下部磁性層の少なくとも側壁に、酸化物からなる絶縁層を成膜し、
前記金属層の酸化は、前記絶縁層から該金属層への酸素の拡散によって行われる、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項４】
前記金属層の酸化は、少なくとも前記上部磁性層、前記金属層及び前記下部磁性層をパターニングした後に行うことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項５】
前記金属層はアルミニウムからなることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子はトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記上部磁性層及び下部磁性層の一方はフリー層、他方はピンド層であり、
前記酸化バリア層はトンネルバリア層である、
ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
【請求項７】
酸化バリア層と、その上下にそれぞれ上部磁性層及び下部磁性層とを備え、
前記酸化バリア層は実質的にアモルファスからなり、
前記上部磁性層は前記下部磁性層の結晶構造を受け継ぐ層である、
ことを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁気抵抗効果素子はトンネル磁気抵抗効果素子であり、
前記上部磁性層及び下部磁性層の一方はフリー層、他方はピンド層であり、
前記酸化バリア層はトンネルバリア層である、
ことを特徴とする請求項７に記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の磁気抵抗効果素子を読み取り素子として含む磁気ヘッド装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気ヘッド装置と、磁気記録媒体とを含む磁気記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上部磁性層と下部磁性層との間に酸化バリア層が設けられている磁気抵抗効果素子の製造方法等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハードディスク分野やセンサ分野などにおいては、磁気抵抗効果を用いたＭＲ素子が利用されている。ＭＲ素子には、磁化方向が外部磁界に応答して自由に動くフリー層と、磁化方向が一方向に固定されているピンド層とが少なくとも設けられており、素子の抵抗値は、これらフリー層の磁化方向とピンド層の磁化方向との関係に応じて変化する。この特性を利用し、ＭＲ素子にセンス電流を印加して抵抗値変化を検出することにより、外部磁界を検出していた。
【０００３】
また、近年、磁気抵抗比が高いＭＲ素子として、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）が注目されている。ＴＭＲ素子においては、フリー層やピンド層などの構成層に対してほぼ直交する向きにセンス電流が印加されており、また、フリー層とピンド層との間に酸化金属からなる極薄のバリア層が配置されている。
【０００４】
ＴＭＲ素子の製造プロセスについて例示すると、まず、反強磁性層の上面にピンド層を形成し、その上面にバリア層の前駆体となる金属を成膜し、成膜後に金属を酸化させてバリア層を形成し、そのあと、バリア層の上面にフリー層を形成し、ミリング等で所望の形状にエッチングしたのち、側壁等に絶縁部材を付着させていた。また、特許文献１に例示されるように、バリア層の前駆体となる金属としてはアルミニウムが用いられていた。
【０００５】
また、ＴＭＲ素子の構成は、上記のごとく反強磁性層、ピンド層、バリア層、フリー層の順に積層形成する態様に限られず、特許文献２に例示されるように、フリー層、バリア層、ピンド層、反強磁性層の順に積層形成する態様もある。
【特許文献１】特開２００１−５２３１６号公報
【特許文献２】特開２０００−７６６２３号公報
【特許文献３】特開２００３−３２９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＴＭＲ素子においてはフリー層の結晶性が悪化すると、軟磁気特性が悪化したりノイズを引き起こしたりする可能性がある。しかしながら、従来のＴＭＲ素子においては、フリー層とピンド層との間に酸化金属からなるバリア層が介在するため、下地層からピンド層に受け継がれていた良好な結晶構造がバリア層で途切れてしまい、フリー層においてはかかる良好な結晶構造を受け継ぎにくい問題があった（特許文献３における段落［０００２］〜［０００４］参照）。
【０００７】
また、こうした結晶構造が受け継がれない問題は、特許文献２に例示されるように、フリー層、バリア層、ピンド層、反強磁性層の順に積層形成する態様でも発生しうるものであり、ピンド層とその上方に形成される反強磁性層との間の交換結合が、下方に存在するバリア層（非磁性非導電層）の存在により不十分となる恐れがある（特許文献３における段落［０００９］〜［００１０］参照）。
【０００８】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、バリア層の上部層が下部層の結晶構造を受け継ぐことの可能な磁気抵抗効果素子の製造方法等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するため、本発明は、上部磁性層と下部磁性層との間に酸化バリア層が設けられている磁気抵抗効果素子の製造方法であって、前記下部磁性層を形成し、その上に前記酸化バリア層の前駆体となる金属層を形成し、その上に上部磁性層を形成し、そのあとに前記金属層を酸化させる、ことを特徴とする。
【００１０】
なお、上下方向については、先に積層されたものを「下」とし、より後に積層されるものを「上」として説明を行う。
【００１１】
前記金属層の酸化は、酸素雰囲気中において加熱することによって行われてもよい。
【００１２】
あるいは、前記上部磁性層を形成したあとに、該上部磁性層、前記金属層及び前記下部磁性層の少なくとも側壁に、酸化物からなる絶縁層を成膜し、前記金属層の酸化は、前記絶縁層から該金属層への酸素の拡散によって行われてもよい。
【００１３】
好適には、前記金属層の酸化は、少なくとも前記上部磁性層、前記金属層及び前記下部磁性層をパターニングした後に行う。
【００１４】
好適には、前記金属層はアルミニウムからなる。
【００１５】
また、好適には、前記磁気抵抗効果素子はトンネル磁気抵抗効果素子であり、前記上部磁性層及び下部磁性層の一方はフリー層、他方はピンド層であり、前記酸化バリア層はトンネルバリア層であるように構成される。
【００１６】
同課題を解決するため、本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド装置及び磁気記録再生装置も提供する。
【００１７】
本発明の磁気抵抗効果素子は、酸化バリア層と、その上下にそれぞれ上部磁性層及び下部磁性層とを備え、前記酸化バリア層は実質的にアモルファスからなり、前記上部磁性層は前記下部磁性層の結晶構造を受け継ぐ層である、ことを特徴とする。
【００１８】
さらに、かかる磁気抵抗効果素子はトンネル磁気抵抗効果素子であり、前記上部磁性層及び下部磁性層の一方はフリー層、他方はピンド層であり、前記酸化バリア層はトンネルバリア層であるように構成されていてもよい。
【００１９】
本発明の磁気ヘッド装置は、本発明の磁気抵抗効果素子を読み取り素子として含む。
【００２０】
本発明の磁気記録再生装置は、本発明の磁気ヘッド装置と、磁気記録媒体とを含む。
【発明の効果】
【００２１】
以上のような、本発明に係る磁気抵抗効果素子の製造方法によれば、未だ酸化されていない金属層の上面に成膜を行うため、上部磁性層の結晶構造は、エピタキシャル成長により下部磁性層の良好な結晶構造を受け継ぐことができる。よって、上部磁性層は、最終的には酸化バリア層の上面に形成されておりながら、良好な結晶構造を具備することができる。
【００２２】
また、本発明に係る磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド装置及び磁気記録再生装置においては、上部磁性層の結晶構造が良好な結晶構造を具備することができる。
【００２３】
酸素雰囲気中での加熱によって金属層を酸化させる場合には、十分な酸化を実現することができる。
【００２４】
また、絶縁層から金属層への酸素の拡散によって酸化を行う場合には、本来、酸化とは関係なく必要な絶縁層を利用して、酸化バリア層の酸化形成を行うため、工程の簡素化を図ることができる。
【００２５】
金属層の酸化を、少なくとも上部磁性層、金属層及び下部磁性層をパターニングした後に行う場合には、不必要に広範に存在する金属層に対して酸化を行わずに済み、すなわち、酸化工程の負担が最小限で済むため、上部磁性膜の成膜後、露出部分がほぼ側壁部分だけの状態の金属層に対しても好適に酸化が行える。
【００２６】
金属層をアルミニウムで構成する場合、酸素との結合エネルギが大きいため、側壁からの酸化態様であっても容易に酸化層の形成を実現できる。
【００２７】
なお、本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施の形態によって更に詳しく説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、この発明を、薄膜磁気ヘッドの読み取り素子であるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ素子）に適用した場合の実施の形態として、添付図面に基づいて説明する。なお、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。
【００２９】
図１は、磁気記録再生装置の平面図である。図示された磁気記録再生装置１は、磁気ヘッド装置３と、磁気ディスク５とを含む。磁気ヘッド装置３は少なくとも、ヘッド支持装置７と、位置決め装置９と、磁気ヘッド１１とを有する。ヘッド支持装置７の一端は、位置決め装置９に接続されている。磁気ヘッド１１は、ヘッド支持装置７の他端に支持されて、磁気ディスク５の磁気記録面と対向するように配置される。
【００３０】
このように構成された磁気記録再生装置１においては、磁気ディスク５が図示しない駆動装置により矢印Ａ１の方向に回転駆動されると、磁気ヘッド１１が、微小浮上量で、磁気ディスク５の面から浮上する。磁気ヘッド１１は、位置決め装置９の駆動によってヘッド支持装置７を介して磁気ディスク５の径方向ｂ１またはｂ２に移動される。そして、磁気ディスク５上の所定のトラック位置において磁気情報の書き込み、読み取りを行う。
【００３１】
図２に、磁気ヘッド１１における媒体対向面側の端部断面を示す。磁気ヘッド１１は、書き込み素子２１と、読み取り素子２３とを備えている。書き込み素子２１には、ギャップ膜２５が設けられている。ギャップ膜２５の上下には、上磁極膜２７及び下磁極膜２９が延在している。上磁極膜２７と下磁極膜２９は、媒体対向面と逆側において、結合部３１によって磁路が形成されるように結合されている。上磁極膜２７と下磁極膜２９との間には、コイル３３が形成されている。コイル３３は、結合部３１を軸に周回するように配置されている。
【００３２】
読み取り素子２３は、非磁性膜３５を挟んで書き込み素子２１の下方に配置されている。読み取り素子２３は、ＴＭＲ素子である磁気抵抗効果素子５１と、上下一対の給電膜３９，４１とを含んでいる。
【００３３】
なお、磁気記録再生装置や磁気ヘッドの構成に関してはあくまでも例示であり、適宜改変することが可能である。
【００３４】
図３に、磁気抵抗効果素子５１の構成を模式的に示す。磁気抵抗効果素子５１は、ＴＭＲ素子として構成されており、少なくとも、酸化バリア層５３と、下部磁性層としてのピンド層５５と、上部磁性層としてのフリー層５７とを含んでいる。また、これら酸化バリア層５３、ピンド層５５及びフリー層５７の側壁には、絶縁層５９が設けられている。
【００３５】
ピンド層５５における酸化バリア層５３との逆側には図示省略する反強磁性層が設けられており、ピンド層５５の磁化方向は、かかる反強磁性層との交換結合によってある一定の方向に固定されている。一方、フリー層５７の磁化方向は、記録媒体からの磁束など外部磁界に対応して変化できるようになっている。
【００３６】
酸化バリア層５３は、トンネルバリア層として機能する層であり、ＭＲ比の大きい材料である酸化アルミニウム（Ａｌ−Ｏx）で構成され、アモルファス構造を有している。ピンド層５５及びフリー層５７は、強磁性材料、例えば、主にＣｏＦｅで構成されている。また、上部磁性層であるフリー層５７の結晶構造は、途中にアモルファス構造の酸化バリア層５３が介在しておりながら、下部磁性層であるピンド層５５の結晶構造を受け継いだものとなっている。
【００３７】
このような構成の磁気抵抗効果素子５１においては、ピンド層５５の磁化方向とフリー層５７の磁化方向とのなす角度の変化に伴って、電気抵抗が変化する。積層面に対してほぼ直交する向きにセンス電流が流されると、外部磁界に対応するフリー層５７の磁化方向とピンド層５５の磁化方向とのなす角度に依存した出力電圧を得ることができる。よって、かかる出力電圧をみることによって外部磁界の検出を行うことができる。また、フリー層５７の結晶構造は、ピンド層５５の良好な結晶構造を受け継いでいるため、フリー層の結晶性悪化に起因して軟磁気特性が悪化する問題やノイズが引き起こされる問題を回避することができる。
【００３８】
続いて、図４に基づいて、本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。まず、図４に至るまでの工程について簡単に説明すると、セラミック等からなる基体の上に、絶縁層さらに給電膜（図２に符号４１で図示）を積層形成し、その上に下地層を介して反強磁性層を成膜する。続いて、反強磁性層の上面に、図４の（ａ）に示されるように、ピンド層５５を成膜する。次に、図４の（ｂ）に示されるように、ピンド層５５の上に、酸化バリア層５３の前駆体となる金属層５３ａを成膜する。金属層５３ａはアルミニウムからなる。
【００３９】
次に、図４の（ｃ）に示されるように、金属層５３ａの上に、フリー層５７を成膜する。そして、フリー層５７の上に図示しないキャップ層を設け、その上方に必要な形状にパターン化されたレジストを設け、このレジストをマスクとして、図４の（ｄ）に矢印Ｍで示されるように、ミリング等のエッチングによって、フリー層５７、金属層５３ａ及びピンド層５５を所望の素子形状にパターニングする。
【００４０】
次に、図４の（ｅ）に矢印Ｏで示されるように、パターニングした素子を酸素雰囲気中で加熱して、酸素を金属層５３ａの側壁から金属層５３ａに拡散させる。これによって、前駆体である金属層５３ａが酸化されて、酸化バリア層５３が形成される。そして、酸化バリア層５３の形成後に、図４の（ｆ）に示されるように、フリー層５７、酸化バリア層５３及びピンド層５５の側壁に、絶縁層５９を形成する。
【００４１】
以上のような方法によれば、フリー層５７を形成する段階、すなわち図４の（ｃ）に示される段階においては、未だ酸化されていない金属層５３ａの上面に成膜を行うため、そして、下地層からピンド層５５までが少なくとも金属の層であるため、フリー層５７の結晶構造は、エピタキシャル成長によりピンド層５５の良好な結晶構造を受け継ぐことができる。よって、フリー層５７は、最終的には酸化されアモルファスとなる酸化バリア層５３の上面に形成されておりながら、良好な結晶構造を具備することができる。
【００４２】
また、パターニングした後に金属層５３ａの酸化を行うため、不必要に広範に存在する金属層に対して酸化を行わずに済み、磁気抵抗効果素子５１として必要十分な金属層５３ａにのみ酸化を行うことができる。すなわち、酸化工程の負担が少なく済むため、フリー層５７の成膜後、露出部分がほぼ側壁部分だけの状態の金属層５３ａに対しても好適に酸化が行える。
【００４３】
さらに、図３に示した磁気抵抗効果素子５１を得るにあたっての、図４の製造方法とは異なる製造方法について説明する。まず、図５の（ａ）に示されるように、ピンド層５５を成膜する。次に、図５の（ｂ）に示されるように、ピンド層５５の上に、酸化バリア層５３の前駆体となるアルミニウムの金属層５３ａを成膜する。次に、図５の（ｃ）に示されるように、金属層５３ａの上に、フリー層５７を成膜する。そして、図５の（ｄ）に矢印Ｍで示されるように、ミリング等のエッチングによって、フリー層５７、金属層５３ａ及びピンド層５５を所望の素子形状にパターニングする。
【００４４】
次に、図５の（ｅ）に示されるように、フリー層５７、酸化バリア層５３及びピンド層５５の側壁に、絶縁層１５９を形成する。絶縁層１５９は、酸化物から構成されており、例えばＡｌ2Ｏ3で構成されている。これによって、金属層５３ａと絶縁層１５９との間に酸化度の勾配（不均一性）が生じ、図５の（ｆ）に矢印Ｏで示されるように絶縁層１５９の酸素が、金属層５３ａの側壁から金属層５３ａに拡散する。よって、前駆体である金属層５３ａが酸化されて、酸化バリア層５３が形成される。
【００４５】
以上のような方法によっても、フリー層５７を形成する段階では未だ酸化されていない金属層５３ａの上面に成膜を行うため、フリー層５７の結晶構造は、エピタキシャル成長によりピンド層５５の良好な結晶構造を受け継ぐことができる。よって、フリー層５７は、最終的には酸化されアモルファスとなる酸化バリア層５３の上面に形成されておりながら、良好な結晶構造を具備することができる。
【００４６】
また、図４の方法と同様、酸化工程の負担が少なく済むため、フリー層５７の成膜後、露出部分がほぼ側壁部分だけの状態の金属層５３ａに対しても好適に酸化が行える。さらに、本方法では、本来、酸化とは関係なく必要となる絶縁層１５９を利用して、酸化バリア層５３の酸化形成を行うため、工程の簡素化を図ることができる利点もある。
【００４７】
参考として、主な元素の酸素との結合エネルギを表１に示す。
【表１】
2006173254.tif 000003
【００４８】
表１から分かるように、酸化バリア層５３の前駆体となる金属層５３ａに用いられるアルミニウムは、フリー層やピンド層に用いられるＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の他の元素と比べて、酸素との結合エネルギが大きい元素であり、酸化が達成しやすい。この点もあって、上述したようにフリー層５７の形成後に主に側壁部からの酸素の拡散によっても十分な酸化層として形成することができる。
【００４９】
以上、本発明の磁気抵抗効果素子を、薄膜磁気ヘッドの読み取り素子として実施した例を示したが、本発明はかかる態様に限定されるものではない。
【００５０】
例えば、上記実施の形態では、上部磁性層がフリー層であり、下部磁性層がピンド層であったが、逆に上部磁性層がピンド層であり、下部磁性層がフリー層であってもよい。
【００５１】
また、酸化バリア層の前駆体となる金属層は、アルミニウムで構成されていることに限定されるものではなく、他の金属で構成してもよい。その場合、上記表１にあるように酸素との結合エネルギが高い元素を用いると好適である。
【００５２】
また、本発明の磁気抵抗効果素子は、薄膜を用いたセンサやメモリ、アクチュエータ、半導体デバイスなど、薄膜磁気ヘッド以外の製品として酸化物を含む積層構造体として構成されるものに広く適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態に係る薄膜磁気ヘッドの斜視図である。
【図２】図１に示した薄膜磁気ヘッドの書き込み及び読み取り素子近傍の拡大断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の構成を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する図である。
【図５】本発明の別の実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００５４】
１                      磁気記録再生装置
３                      磁気ヘッド装置
５１                    磁気抵抗効果素子
５３                    酸化バリア層
５３ａ                  金属層
５５                    ピンド層（下部磁極層）
５７                    フリー層（上部磁性層）
１５９                  絶縁層
【図１】
2006173254.tif 000004
【図２】
2006173254.tif 000005
【図３】
2006173254.tif 000006
【図４】
2006173254.tif 000007
【図５】
2006173254.tif 000008