(57)【要約】【課題】薄膜表面へのダメージを抑制しつつ平坦性を改善できる薄膜の表面平坦化方法を提供する。【解決手段】複数の薄膜を積層形成する際、先に形成した薄膜表面にプラズマ処理を施して平坦化した後、該薄膜表面上に次の薄膜を形成し、上記プラズマ処理には、薄膜表面を構成する原子の離脱を生じさせない高圧力且つ低エネルギープラズマを用いる。【選択図】図２
2007158137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の薄膜を積層形成する際、先に形成した薄膜表面にプラズマ処理を施して平坦化した後、該薄膜表面上に次の薄膜を形成し、
前記プラズマ処理には、前記薄膜表面を構成する原子の離脱を生じさせないプラズマを用いることを特徴とする薄膜の表面平坦化方法。
【請求項２】
順に少なくとも反強磁性層、固定磁性層、絶縁障壁層及びフリー磁性層を積層してなるトンネル型磁気抵抗効果膜を形成する際、前記反強磁性層よりも上に形成した層表面にプラズマ処理を施して平坦化した後、該層表面上に次の層を形成し、
前記プラズマ処理には、前記層表面を構成する原子の離脱を生じさせないプラズマを用いることを特徴とする薄膜の表面平坦化方法。
【請求項３】
請求項２記載の薄膜の表面平坦化方法において、前記固定磁性層は、反強磁性層側から順に第１の固定磁性層、非磁性中間層及び第２の固定磁性層を積層した積層フェリ構造で形成し、少なくとも前記第２固定磁性層の上面に前記プラズマ処理を施す薄膜の表面平坦化方法。
【請求項４】
請求項２または３記載の薄膜の表面平坦化方法において、前記絶縁障壁層の上面に前記プラズマ処理を施す薄膜の表面平坦化方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載の薄膜の表面平坦化方法において、前記プラズマ処理は、Ａｒ、ＫｒまたはＸｅを含む不活性ガス雰囲気中で実行する薄膜の表面平坦化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理を用いた薄膜の表面平坦化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばトンネル型磁気抵抗効果膜のように複数の薄膜を積層してなる積層膜においては、平坦性の向上が抵抗変化率の改善に寄与し、またパターニング精度を確保するため、積層表面の段差を平坦化しておくことが要求されている。平坦化手段としてはＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ；化学機械研磨）が一般に用いられているが、近年、ＣＭＰで取り除けない原子レベルの微細な段差を取り除く場合にはプラズマ処理を利用することが提案されている。プラズマ処理は、不活性ガス雰囲気中にプラズマを発生させ、このプラズマを積層表面に作用させることにより、該積層表面の平坦化を図っている。
【特許文献１】特開２００２−１２４７１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来では、積層表面の平坦性改善を重要視しているため、原料ガスの解離が著しく進む低圧力且つ高エネルギープラズマを用いて、上記プラズマ処理が行なわれている。この場合、図５に示すモデルのように、プラズマ内に存在する化学的に不安定で活性なプラズマ粒子（ラジカル、活性イオン）Ｐが積層表面αに衝突し、この衝突によって積層表面を構成する原子が飛ばされる、すなわち、エッチングされる結果、積層表面αが平坦化される。しかしながら、積層表面αは、実際にはプラズマエッチングによるダメージや該積層表面αへのイオン混入によるダメージを受けているため、逆に、平坦性が損なわれてしまう虞がある。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、薄膜表面へのダメージを抑制しつつ平坦性を改善できる薄膜の表面平坦化方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、薄膜形成材料の結合エネルギーよりもプラズマエネルギーが十分に低ければ薄膜表面がエッチングされないことに着眼し、高圧力且つ低エネルギープラズマを用いて、薄膜表面にダメージを与えることなく平坦化させることを提案するものである。
【０００６】
すなわち、本発明方法は、複数の薄膜を積層形成する際、先に形成した薄膜表面にプラズマ処理を施して平坦化した後、該薄膜表面上に次の薄膜を形成し、プラズマ処理には、薄膜表面を構成する原子の離脱を生じさせないプラズマを用いることを特徴としている。
【０００７】
また本発明方法は、順に少なくとも反強磁性層、固定磁性層、絶縁障壁層及びフリー磁性層を積層してなるトンネル型磁気抵抗効果膜を形成する際、反強磁性層よりも上に形成した層表面にプラズマ処理を施して平坦化した後、該層表面上に次の層を形成し、プラズマ処理には、層表面を構成する原子の離脱を生じさせないプラズマを用いることを特徴としている。
【０００８】
上記薄膜表面を構成する原子の離脱を生じさせないプラズマとは、実際的には、高圧力且つ低エネルギープラズマである。
【０００９】
固定磁性層は、反強磁性層側から順に第１の固定磁性層、非磁性中間層及び第２の固定磁性層を積層した積層フェリ構造で形成することができる。この場合には、少なくとも第２固定磁性層の上面にプラズマ処理を施すことが好ましい。また、絶縁障壁層の上面にプラズマ処理を施してもよい。
【００１０】
プラズマ処理は、Ａｒ、ＫｒまたはＸｅを含む不活性ガス雰囲気中で実行することが実際的である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、薄膜表面を構成する原子の離脱を生じさせないプラズマを用いてプラズマ処理を実行するので、薄膜表面へのダメージを抑制しつつ平坦性を改善できる薄膜の表面平坦化方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の表面平坦化方法の実施対象となるトンネル型磁気抵抗効果膜を備えた薄膜磁気ヘッドの全体構成を示す部分断面図である。図において、Ｘ方向はトラック幅方向、Ｙ方向は記録媒体からの漏れ磁界方向、Ｚ方向は記録媒体の移動方向及びトンネル型磁気抵抗効果膜の積層方向である。
【００１３】
薄膜磁気ヘッドＨは、トンネル効果を利用して記録媒体からの漏れ磁界を検出する再生用のトンネル効果型薄膜磁気ヘッドであり、下部電極層１１と上部電極層１２の間に、下部電極層１１側から順に下部非磁性導電層２１、シード層２２、反強磁性層２３、固定磁性層２４、絶縁障壁層２５、フリー磁性層２６及び上部非磁性導電層２７を積層してなるトンネル型磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）２０を有している。ＴＭＲ膜２０の両側端面２０ａは、図１に示されるように、下部電極層１１側に向かうほど幅寸法が広がるように傾斜面で形成されている。このＴＭＲ膜２０のハイト方向奥側（図示Ｙ方向奥側）は、例えばＡｌ2Ｏ3やＳｉＯ2からなる絶縁層で埋められている。
【００１４】
下部電極層１１及び上部電極層１２は、例えばＣｕ、Ｗ、Ｃｒ等の導電材料からなり、ＴＭＲ膜２０よりもトラック幅方向（図示Ｘ方向）及びハイト方向（図示Ｙ方向）の両方向に長く延びて形成されている。下部非磁性導電層２１及び上部非磁性導電層２７は、Ｔａからなり、下部電極層１１と共に電極として機能する。シード層２２は、該シード層２２上に形成される各層の結晶配向を良好にする機能を発揮する層であって、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＣｒ合金あるいはＣｒにより形成することができる。本実施形態のシード層２２はＮｉＦｅＣｒ合金膜からなる。
【００１５】
反強磁性層２３は、Ｘ−Ｍｎ系合金（ただし元素Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓのうちいずれか１種または２種以上の元素である）、あるいはＸ−Ｍｎ−Ｘ’合金（ただし元素Ｘ’はＮｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐｔ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｓｎ、Ｈｆ、Ｘａ、Ｗ，Ｒｅ，Ａｕ、Ｐｂ及び希土類元素のうち１種または２種以上の元素である）で形成することができる。本実施形態の反強磁性層２３はＩｒＭｎ合金からなる。
【００１６】
固定磁性層２４は、下から順に第１固定磁性層２４ａと非磁性中間層２４ｂと第２固定磁性層２４ｃを積層した積層フェリ構造をなし、反強磁性層２３との間に生じた交換結合磁界により磁化方向がハイト方向（図示Ｙ方向）に固定されている。第１固定磁性層２４ａはＦｅＣｏ合金膜からなり、非磁性中間層２４ｂはＲｕ膜からなり、第２固定磁性層２４ｃはＣｏＦｅ合金膜からなる。絶縁障壁層２５は、５Å程度の薄い膜厚でＴｉＯｘ膜により形成されている。フリー磁性層２６は、下から順に積層したＣｏＦｅ合金膜２６ａとＮｉＦｅ合金膜２６ｂによる積層膜からなり、バイアス層１５からのバイアス磁界によりトラック幅方向（図示Ｘ方向）に磁化が揃えられている。フリー磁性層２６の磁化は、外部磁界を受けていない状態では固定磁性層の磁化方向に対して９０°をなす方向に揃えられているが、外部磁界がハイト方向（図示Ｙ方向）から与えられると、外部磁界の影響を受けて変動する。固定磁性層２４及びフリー磁性層２６は、ＮｉＦｅ合金膜、Ｃｏ膜、ＣｏＮｉＦｅ合金膜などで形成されていてもよい。
【００１７】
下部電極層１１と上部電極層１２の間にはさらに、ＴＭＲ膜２０の両側領域に位置させて、下部電極層１１側から順に第１絶縁層１４、バイアス層１５及び第２絶縁層１６が積層形成されている。バイアス層１５は、ＴＭＲ膜２０の両側端面に近接してフリー磁性層２６にバイアス磁界を与え、上述したようにフリー磁性層２６の磁化をトラック幅方向（図示Ｘ方向）に揃える。このバイアス層１５は、Ｃｏ−Ｐｔ合金膜やＣｏ−Ｃｒ−Ｐｔ合金膜などの硬磁性材料で形成されている。図示されていないが、バイアス層１５の直下位置にはバイアス下地層が形成されている。第１絶縁層１４及び第２絶縁層１６は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等の絶縁材料で形成され、下部電極層１１と上部電極層１２の間を電気的に絶縁する。
【００１８】
上記構成の薄膜磁気ヘッドＨでは、少なくとも第２固定磁性層２４ｃの上面に、本発明方法による表面平坦化処理が施されている。以下では、第２固定磁性層２４ｃの上面αを表面平坦化し、この第２固定磁性層２４ｃの上面αの上に絶縁障壁層２５を形成する工程について、説明する。
【００１９】
先ず、真空チャンバー内に純Ａｒガスを導入し、このＡｒガス雰囲気中で、下部電極層１１の上に、下部非磁性導電層１２から第２固定磁性層２４ｃまでの各層を順に成膜する。
【００２０】
次に、同一の真空チャンバー内で、第２固定磁性層２４ｃの上面に、該第２固定磁性層２４ｃのエッチングが生じない程度の高圧力且つ低エネルギープラズマを形成する。ここでいう高圧力且つ低エネルギープラズマは、第２固定磁性層２４ｃの形成材料であるＣｏＦｅ合金の結合エネルギーよりも小さいプラズマエネルギーを有するプラズマである。
【００２１】
この高圧力且つ低エネルギープラズマによれば、図２に模式的に示すように、解離したプラズマ粒子（ラジカル、イオン）が第２固定磁性層２４ｃの上面αに触れて該第２固定磁性層２４ｃの上面に存在するＣｏ原子またはＦｅ原子を活性化し、活性化されたＣｏ原子またはＦｅ原子が第２固定磁性層２４ｃの上面αの隙間を埋めるように移動する。これにより、第２固定磁性層２４ｃの上面αの原子再配列が促進され、第２固定磁性層２４ｃの上面αは表面粗さが改善された平坦面と推測される。図２では、Ｃｏ原子またはＦｅ原子を白丸で、プラズマ粒子Ｐを黒丸で示してある。
【００２２】
プラズマ処理終了後は、平坦化された第２固定磁性層２４ｃの上面αの上にＴｉ膜を成膜し、後に酸化処理してＴｉＯｘからなる絶縁障壁層２３を形成する。
【００２３】
図３は、高周波電力及びプラズマ処理時間を一定にして異なるＡｒガス圧力でプラズマ処理を薄膜表面に施し、該薄膜表面のエッチング量変化を測定した結果を示すグラフである。測定では、ＴＭＲ膜２０を形成する際に、第２固定磁性層２４ｃＣｏ90Ｆｅ10（１８Å））の上面位置にプラズマ処理を施し、該第２固定磁性層２４ｃの上面のエッチング量を調べた。ＴＭＲ膜２０の具体的な構成は、下部非磁性導電層２１（Ｔａ［８０Å］）／シード層２２（ＮｉＦｅＣｒ［５０Å］）／反強磁性層２３（ＩｒＭｎ［７０Å］）／第１固定磁性層２４ａ（Ｃｏ30Ｆｅ70［１４Å］）／非磁性中間層２４ｂ（Ｒｕ［９．１Å］）／第２固定磁性層２４ｃ（Ｃｏ90Ｆｅ10［１８Å］）／絶縁障壁層２４（ＴｉＯx［５．６Å］）／フリー磁性層２６（Ｃｏ90Ｆｅ10［１０Å］／Ｎｉ81.5Ｆｅ18.5［４０Å］／上部非磁性導電層２７（Ｔａ［２００Å］）である。また、プラズマ処理は、下記条件で実施した。
【００２４】
高周波電力：１６W
Ａｒガス圧力：０．２〜１０．６Ｐａ
処理時間：３００秒
図３を見ると、第２固定磁性層２４ｃの上面αのエッチング量は、Ａｒガス圧力が低いほど多く、Ａｒガス圧力が高くなるにつれて減少し、Ａｒガス圧力が一定値（図３では５．３２Ｐａ付近）を超えると、第２固定磁性層２４ｃの上面αのエッチング量はほぼゼロに等しくなっている。このようにＡｒガス圧力を変化させてプラズマ処理を実行すると、第２固定磁性層２４ｃの上面αがエッチングされないＡｒガス圧力領域が存在することが明らかである。よって、このエッチングされないＡｒガス圧力領域でプラズマ処理を実行すれば、第２固定磁性層２４ｃの上面αへのダメージは少ないと推測される。
【００２５】
図４は、図３の測定で用いた複数のＴＭＲ膜２０の磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒを測定し、この磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒと第２固定磁性層２４ｃの上面αのエッチング量との関係を示すグラフである。
【００２６】
図４を見ると、第２固定磁性層２４ｃの上面αがエッチングされていないほうが磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒが高く、１０％を超えており、エッチング量が増えるほど磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒが低下している。エッチング量がほぼ０Åに等しいＴＭＲ膜２０とエッチング量が６Åを超えているＴＭＲ膜２０とを比べると、磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒは４％程度も異なる。
【００２７】
この図４からも明らかなように、磁気抵抗効果に寄与する第２固定磁性層２４ｃの上面αがプラズマ処理によってダメージを受けることなく良好に平坦化されていれば、ＴＭＲ膜２０の磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒが改善され、薄膜磁気ヘッドＨの再生特性を向上させることができる。薄膜磁気ヘッドＨにおいては、反強磁性層２３よりも上層であれば、第２固定磁性層２４ｃの上面α以外の層表面にプラズマ処理を施しても、同様に磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒの向上を図ることができる。第２固定磁性層２４ｃの上面αや絶縁障壁層２５の上面にプラズマ処理を施した場合は、特に、磁気抵抗変化率の改善度が大きくなる。プラズマ処理は、複数の層表面に実施してもよい。
【００２８】
以上の本実施形態では、プラズマ処理のガス種としてＡｒガスを用いているが、Ａｒガスの代わりに、ＫｒガスやＸｅガスなどの不活性ガスを用いてもよい。ただし、ＫｒガスやＸｅガスを用いる場合には、ＡｒよりもＫｒ、Ｘｅのほうが原子質量が大きいので、Ａｒガスを用いてプラズマ処理する場合よりも処理面のエッチング量が増えることに注意してガス圧をより高く設定することが望ましい。
【００２９】
以上では、薄膜磁気ヘッドのトンネル型磁気抵抗膜を形成する際に本発明方法を適用した実施形態について説明したが、本発明方法は、複数の薄膜を積層してなる積層膜全般に適用可能であり、特に、薄膜表面の原子レベルの微細な段差の平坦化（表面改質）が要求される場合に顕著な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明方法の実施対象であるトンネル型薄膜磁気ヘッド（ＴＭＲヘッド）の構造を、記録媒体との対向面側から見て示す断面図である。
【図２】高圧力／低密度プラズマを用いたプラズマ処理で、薄膜表面が平坦化される様子を模式的に説明するモデル図である。
【図３】プラズマ処理のガス圧力とエッチング量の関係を示すグラフである。
【図４】プラズマ処理のエッチング量と薄膜磁気ヘッドの磁気抵抗変化率ΔＲ／Ｒの関係を示すグラフである。
【図５】従来一般に行なわれているプラズマ処理で、薄膜表面が平坦化される様子を模式的に説明するモデル図である。
【符号の説明】
【００３１】
２０  トンネル型磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）
２１  下部非磁性導電層
２２  シード層
２３  反強磁性層
２４ａ  第１固定磁性層
２４ｂ  非磁性中間層
２４ｃ  第２固定磁性層
２５  絶縁障壁層
２６  フリー磁性層
２７  上部非磁性導電層
Ｈ  薄膜磁気ヘッド（ＴＭＲヘッド）
【図１】
2007158137.tif 000003
【図２】
2007158137.tif 000004
【図３】
2007158137.tif 000005
【図４】
2007158137.tif 000006
【図５】
2007158137.tif 000007