(57)【要約】【課題】  高い再生出力を得ることを可能にする。【解決手段】  第１磁性層８と、第１磁性層上に設けられ、第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口１１を備えた第１絶縁層１０と、第１絶縁層上に開口を覆うように設けられ、第１絶縁層と接する面とは反対側の面に開口の底部に対応する領域に窪みを備えた第２磁性層１２と、第２磁性層の窪みの少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層１４と、を備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１磁性層と、
前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を備えた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に前記開口を覆うように設けられ、前記第１絶縁層と接する面とは反対側の面に前記開口の底部に対応する領域に窪みを備えた第２磁性層と、
前記第２磁性層の前記窪みの少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
第１磁性層と、
前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を備えた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に前記開口を覆うように設けられ、前記第１絶縁層と接する面とは反対側の面に前記開口の底部に対応する領域に窪みを備えた第２磁性層と、
前記第２磁性層の前記窪みの少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、
前記第２磁性層と前記第２絶縁層との間に設けられた非磁性導電層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
第１磁性層と、
前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する第１開口を備えた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層を覆うように設けられ、前記第１開口内に前記第１磁性層が露出した前記第１開口より直径が小さい第２開口を有する第２磁性層と、
前記第２開口の少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
第１磁性層と、
前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する第１開口を備えた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層、および前記第１開口内の一部を覆うように形成され、前記第１磁性層が露出した第２開口を有する第２磁性層と、
前記第２開口の少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、
を備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
第２絶縁層の膜厚は前記開口部の底部において、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
第１磁性層を形成する工程と、
前記第１磁性層上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層に、前記第１磁性層が露出する底面と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を形成する工程と、
前記開口を埋め込むように前記第１絶縁層上に、前記第１絶縁層とは反対側の面に前記開口の底面に対応する領域に窪みを有する第２磁性層を形成する工程と、
前記第２磁性層上に前記窪みを覆うように第２絶縁層を形成する工程と、
前記第１磁性層の膜面に対して垂直方向から４５度以上傾いて入射するイオンビームを用いて前記第２絶縁層の表面を照射して前記窪み以外の領域の第２絶縁層を除去する工程と、
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７】
第１磁性層を形成する工程と、
前記第１磁性層上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層に、前記第１磁性層が露出する底面と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を形成する工程と、
前記開口を埋め込むように前記第１絶縁層上に、前記第１絶縁層とは反対側の面に前記開口の底面に対応する領域に窪みを有する第２磁性層を形成する工程と、
前記第２磁性層上に前記窪みを覆うように非磁性導電層を形成する工程と、
前記非磁性導電層上に前記窪みを覆うように第２絶縁層を形成する工程と、
前記第１磁性層の膜面に対して垂直方向から４５度以上傾いて入射するイオンビームを用いて前記第２絶縁層の表面を照射して前記窪み以外の領域の第２絶縁層を除去する工程と、
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８】
第１磁性層を形成する工程と、
前記第１磁性層上に第１絶縁層を形成する工程と、
前記第１絶縁層に、前記第１磁性層が露出する底面と、膜面に対して傾斜した側面とを有する第１開口を形成する工程と、
前記第１開口を埋め込むように前記第１絶縁層上に第２磁性層を形成する工程と、
前記第２磁性層をエッチングして底面に前記第１磁性層が露出した第２開口を前記第２磁性層に形成する工程と、
前記第２磁性層の表面に前記第２開口を覆うように第２絶縁層を形成する工程と、
前記第１磁性層の膜面に対して垂直方向から４５度以上傾いて入射するイオンビームを用いて前記第２絶縁層の表面を照射して前記第２開口以外の領域の第２絶縁層を除去する工程と、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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)ヘッドやＣＰＰＧＭＲ(Current Perpendicular to the Plane Giant Magnet-Resistance)ヘッド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。
【０００３】
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。
【０００４】
最近、１００％以上の磁気抵抗変化率を示すものとして、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、それぞれ、非特許文献１および非特許文献２に開示されている。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開示されている（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。
【０００５】
一方、アルミナのピンホールにＮｉクラスターを電着で成長させて作製した磁気微小接点が開示された（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、このため、この接点の磁気抵抗変化率は１４％程度である。
【０００６】
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い磁気抵抗変化率が期待できる。このナノコンタクトの磁気抵抗効果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と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、フリー層とピン層とが反並行の場合高抵抗を示し、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。大きな磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を出現するためのポイントは磁性体接合部分をナノサイズに小さくして、そこに急峻な磁壁を閉じ込める。電子のフェルミ波長程度の磁壁厚さが必要とされている。そのためには１０ｎｍ以下の直径での接合が必要となる。
【０００７】
このようなナノコンタクトを有する磁気抵抗効果素子（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に開示されているプロセスは、まず第１磁性膜を形成して、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電子線レジストに形成し、それをマスクに絶縁層に対してエッチングを行い、絶縁層にコンタクトホールを形成した後、レジストを剥離する。次に、磁性膜を成膜する装置内に入れてスパッタクリーニングを行い、第２磁性膜を埋め込み成膜する。このようにして、絶縁層に形成されたコンタクトホールを介してその両側の磁性膜を接続する。
【非特許文献１】N. Garcia, M. Munoz, and Y. -W. Zhao, Physical Review Letters, vol.82, p2923 (1999)
【非特許文献２】J. J. Versluijs, M. A. Bari and J. M. D. Coey,  Physical Review Letters, vol.87, p26601 -1 (2001)
【非特許文献３】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)
【非特許文献４】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)
【特許文献１】特開２００３−２０４０９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ナノコンタクトを有する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磁性膜を形成して、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電子線レジストに形成し、それをマスクに絶縁層に対してエッチングを行い、絶縁層にコンタクトホールを形成した後、レジストを剥離する。つぎに磁性膜を成膜する装置内に入れてスパッタクリーニングを行い、第２磁性膜を埋め込み成膜する。このようにして、絶縁層に形成されたコンタクトホールを介してその両側の磁性膜を接続する。
【０００９】
その際、コンタクトホールの面積を規定する電子線（ＥＢ）描画において、１０ｎｍ以下のホールサイズ、特に数ｎｍサイズの微少な領域を安定して描画することは技術的に困難で、歩留まりの低下をもたらす。
【００１０】
また、コンタクトホールに埋め込んだ第２磁性膜は、特に磁性体スパッタ粒子の入り口から遠い底部の中央部において結晶性が劣化する。この後、非磁性金属ギャップを形成し、さらに上電極となる上部シールドを形成して通電すると、多くのセンス電流は膜質の良好なテーパー部分を通らずに、膜質の悪い底部を通過してセンス電流の非効率化が生じ、十分大きなＭＲ比が得られず、高い再生出力を得ることができない。
【００１１】
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、高い再生出力を得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。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様による磁気抵抗効果素子は、第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を備えた第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に前記開口を覆うように設けられ、前記第１絶縁層と接する面とは反対側の面に前記開口の底部に対応する領域に窪みを備えた第２磁性層と、前記第２磁性層の前記窪みの少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、を備えていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の第２の態様による磁気抵抗効果素子は、第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を備えた第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に前記開口を覆うように設けられ、前記第１絶縁層と接する面とは反対側の面に前記開口の底部に対応する領域に窪みを備えた第２磁性層と、前記第２磁性層の前記窪みの少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、前記第２磁性層と前記第２絶縁層との間に設けられた非磁性導電層と、を備えていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の第３の態様による磁気抵抗効果素子は、第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する第１開口を備えた第１絶縁層と、前記第１絶縁層を覆うように設けられ、前記第１開口内に前記第１磁性層が露出した前記第１開口より直径が小さい第２開口を有する第２磁性層と、前記第２開口の少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、を備えていることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の第４の態様による磁気抵抗効果素子は、第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられ、前記第１磁性層が露出した底部と、膜面に対して傾斜した側面とを有する第１開口を備えた第１絶縁層と、前記第１絶縁層、および前記第１開口内の一部を覆うように形成され、前記第１磁性層が露出した第２開口を有する第２磁性層と、前記第２開口の少なくとも底面を覆うように設けられた第２絶縁層と、を備えていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の第５の態様による磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１磁性層を形成する工程と、前記第１磁性層上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１絶縁層に、前記第１磁性層が露出する底面と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を形成する工程と、前記開口を埋め込むように前記第１絶縁層上に、前記第１絶縁層とは反対側の面に前記開口の底面に対応する領域に窪みを有する第２磁性層を形成する工程と、前記第２磁性層上に前記窪みを覆うように第２絶縁層を形成する工程と、前記第１磁性層の膜面に対して垂直方向から４５度以上傾いて入射するイオンビームを用いて前記第２絶縁層の表面を照射して前記窪み以外の領域の第２絶縁層を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第６の態様による磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１磁性層を形成する工程と、前記第１磁性層上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１絶縁層に、前記第１磁性層が露出する底面と、膜面に対して傾斜した側面とを有する開口を形成する工程と、前記開口を埋め込むように前記第１絶縁層上に、前記第１絶縁層とは反対側の面に前記開口の底面に対応する領域に窪みを有する第２磁性層を形成する工程と、前記第２磁性層上に前記窪みを覆うように非磁性導電層を形成する工程と、前記非磁性導電層上に前記窪みを覆うように第２絶縁層を形成する工程と、前記第１磁性層の膜面に対して垂直方向から４５度以上傾いて入射するイオンビームを用いて前記第２絶縁層の表面を照射して前記窪み以外の領域の第２絶縁層を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第７の態様による磁気抵抗効果素子の製造方法は、第１磁性層を形成する工程と、前記第１磁性層上に第１絶縁層を形成する工程と、前記第１絶縁層に、前記第１磁性層が露出する底面と、膜面に対して傾斜した側面とを有する第１開口を形成する工程と、前記第１開口を埋め込むように前記第１絶縁層上に第２磁性層を形成する工程と、前記第２磁性層をエッチングして底面に前記第１磁性層が露出した第２開口を前記第２磁性層に形成する工程と、前記第２磁性層の表面に前記第２開口を覆うように第２絶縁層を形成する工程と、前記第１磁性層の膜面に対して垂直方向から４５度以上傾いて入射するイオンビームを用いて前記第２絶縁層の表面を照射して前記第２開口以外の領域の第２絶縁層を除去する工程と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高い再生出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２１】
（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を図１および図２を参照して説明する。図１は本実施形態の磁気抵抗効果素子の要部の断面を示し、図２は本実施形態の磁気抵抗効果素子の断面を示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、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設け、このアルミナアンダーコート上に膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ合金からなる下部電極を兼用する下部シールド２を設け、この下部シールド２の表面を鏡面研磨し、この鏡面研磨した下部シールド２上にナノコンタクトを有する素子を設けた構成となっている。
【００２２】
このナノコンタクトを有する素子は、上記下部シールド２上に膜厚１０ｎｍのＴａからなる下ギャップ膜４が設けられ、この下ギャップ膜４上に膜厚１２ｎｍのＰｔＭｎからなるピンニング層６が設けられている。このピンニング層６は後述するピン層８の磁化の向きを固着する。
【００２３】
そして、このピンニング層６上に膜厚２．５ｎｍのＮｉからなる磁化の向きが固着されたピン層８が設けられ、このピン層８上に膜厚４ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁膜１０が設けられている。この絶縁膜１０には底面の直径がナノサイズ（１０ｎｍ以下）のコンタクトホール（開口）１１が設けられている。このコンタクトホール１１はピン層８が露出している底面部１１ａと傾斜部１１ｂとを有している。このコンタクトホール１１を膜厚２．５ｎｍのＮｉ膜と膜厚２．５ｎｍのＮｉＦｅ膜からなるフリー層１２が埋め込むように設けられる。したがって、ピン層８およびフリー層１２とも強磁性体からなっている。なお、フリー層１２は、フリー層１２の側部に絶縁膜２２を介して設けられたバイアス膜２０によってピン層８の磁化の向きと直交異方性が与えられ、外部磁界の強さに応じて磁化の向きが回転する。
【００２４】
フリー層１２の埋め込み部分は、ピン層８とコンタクトホール１１の底面部１１ａに接触する中央部１２ａと、コンタクトホール１１の傾斜部１１ｂの形状を反映したテーパー部１２ｂとに分けられ、上面にコンタクトホール１１の形状を反映した窪みが形成される。この窪みの中に膜厚０．５ｎｍのＳｉＯ２からなる電子制限層１４が設けられている。コンタクトホールは直径約４ｎｍである。
【００２５】
電子制限層１４およびフリー層１２を覆うように膜厚１５ｎｍのＴａからなるギャップ層１６が設けられ、このギャップ層１６上に上部電極を兼用する膜厚１．５μｍのＮｉＦｅからなる上部シールド１８が設けられている。この上部シールドは図２に示すように、バイアス膜２０と絶縁膜２４によって電気的に絶縁されている。また、絶縁層２２はバイアス膜２０をフリー層１２とばかりでなく、ピンニング層６、ピン層８、およびギャップ層１６とも電気的に絶縁する。
【００２６】
次に、この素子に上電極１８からセンス電流を供給したときの電流の流れを図３に示す。図３においてセンス電流の流れを矢印で示す。コンタクトホールの形状を反映してフリー層１２の上面に形成された窪みに設けられたＳｉＯ２からなる電子制限層１４の影響でセンス電流はフリー層１２の中央部１２ａをほとんど流れず、フリー層１２のテーパー部１２ｂをほとんど流れることとなる。なお、従来技術での述べたように、中央部１２ａはテーパー部１２ｂに比べて膜質が劣化している。したがって、本実施形態においては、センス電流は、膜質のよいテーパー部１２ｂをほとんど流れることとなる。
【００２７】
このように、センス電流を膜質が良好なテーパー部１２ｂに優先的に供給することが可能となり、電子制限層１４が設けられていない場合に比べて約１．５倍のＭＲ比を得ることが可能となり、高い再生出力を得ることができた。
【００２８】
また、図４に示すように、電子制限層１４が少しフリー層１２のフラット部分１２ｃにかかっている場合や、図５に示すように、窪み全体を覆っていない場合でも窪みの底部さえ覆って、フリー層１２の中央部１２ａにセンス電流を流すことができれば、本実施形態と同様に、電子制限層１４がない場合に比べて高いＭＲ比を得ることができ、高い再生出力を得ることが可能となる。
【００２９】
次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造方法を図６乃至図９を参照して説明する。まず、下から、アルチック基板、アルミナアンダーコートの上に下部シールドとして膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ合金膜を形成する。続いて、このＮｉＦｅ合金膜の表面を鏡面研磨し、その後、ナノサイズのコンタクトを有する素子を形成する。
【００３０】
次に、この素子は、以下のように形成される。下部シールド上に膜厚１０ｎｍのＴａからなる下ギャップ層を形成し、この下ギャップ層上に膜厚１２ｎｍのＰｔＭｎからなるピンニング層を形成する。
【００３１】
次に、図６に示すように、ピン層として膜厚２．５ｎｍのＮｉ層８を形成し、このＮｉ層８上に膜厚４ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁層１０を形成する。続いて、絶縁層１０上に図示しない電子線描画用レジストを塗布し、電子線を用いて、上記レジストに直径が約５ｎｍの円領域を描画し、露光することにより直径が約５ｎｍの開口を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。このレジストパターンをマスクとして、ＲＩＥ(Reactive Ion Etching)を用いて絶縁層１０をパターニングすることにより、絶縁層１０に底部の直径が４ｎｍのコンタクトホール１１を形成する。このコンタクトホール１１は底面にピン層８が露出する底面部１１ａと、傾斜部１１ｂからなっている。続いて、レジストを剥離した後、コンタクトホール１１を埋め込むように、膜厚２．５ｎｍのＮｉ膜、膜厚２．５ｎｍのＮｉＦｅを、スパッタ法で順次堆積し、フリー層１２を形成する（図６参照）。すると、フリー層１２の埋め込み部分は、ピン層８とコンタクトホール１１の底面部１１ａに接触する中央部１２ａと、コンタクトホール１１の傾斜部１１ｂの形状を反映したテーパー部１２ｂとに分けられ、上面にコンタクトホール１１の形状を反映した窪みが形成される。
【００３２】
次に、フリー層１２の上記窪みを覆うように電子制限層となるＳｉＯ２層１４をスパッタ法で０．５ｎｍ形成する（図７参照）。続いて、ピン層８の膜面に垂直な方向から７０度の角度でイオンビームを照射してフリー層１２の平坦な部分上に形成されたＳｉＯ２層１４を選択的に除去する（図８参照）。このとき、窪み内部のＳｉＯ２層１４は陰になっていてエッチングされない。なお、この場合、フレオン系ガスを用いたＲＩＢＥ(Reactive Ion Beam Etching)を用いて同様に斜方よりエッチングすれば、低ダメージという点でさらに良い。なお、本実施形態では、イオンビームを、ピン層８の膜面に対して垂直方向から７０度傾いた角度で入射したが、４５度以上傾いていればよい。
【００３３】
次に、膜厚１５ｎｍのＴａからなるギャップ層１６を形成し、このギャップ層１６上に上部電極を兼ねた上部シールド１８として膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ膜を形成して素子構造が完成する（図９参照）。
【００３４】
なお、図１６に示す第１実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果素子のように、ギャップ層１６の一部ギャップ層１６１を電子制限層１４に先駆けて形成すると、フリー層１２へ直接ビームが入射するダメージを低減することができる。この第２変形例による磁気抵抗効果素子の製造は、フリー層１２形成の後、Ｔａからなる膜厚１５ｎｍのギャップ層１６のうち、膜厚５ｎｍのＴａからなるギャップ層１６１を先に形成し、電子制限層１４を第１実施形態で説明した方法にて形成する。続いて第１実施形態で説明した方法で窪み以外の部分を除去する。その後、残りのＴａからなる膜厚１０ｎｍのギャップ層１６２を形成する。そして、ギャップ層１６上に上部電極を兼ねた上部シールド１８として膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ膜を形成して素子構造が完成する。この場合、電子制限層１４の除去工程でのイオンビームが直接にフリー層１２の表面に達しないので、フリー層１２に導入されるダメージを低減することが可能となり、その結果再生感度を上げることができる。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、電子線描画において大きなコンタクトホールを形成して素子を作成することができるため、プロセスマージンが広がり歩留まり上昇を図ることができる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、電子制限層１４の膜厚は０．５ｎｍであったが、窪みの底部で０．２ｎｍ〜５ｎｍの膜厚であってもよい。
【００３７】
なお、本実施形態では、電子制限層１４の形成はＳｉＯ２層をスパッタ法で形成し、イオンビームで斜方から当てていたが、ＳｉＯ２の代わりに、例えばアルミなどの金属膜０．２ｎｍ〜２ｎｍ程度をスパッタで作成し、その表面を酸素プラズマで処理することでアルミナ膜を均一に形成することによって形成してもよい。また、直接にフリー層１２の表面をプラズマ酸化させて極薄の磁性酸化層を形成することによって形成してよい。酸化も酸素プラズマだけでなく酸素ラジカルや自然酸化による方法も適用できる。
【００３８】
コンタクトの中央部の上面に電子制限層１４が存在することで、膜質が劣化している、コンタクトの中央部にセンス電流を供給しないようにしたことによる効率の向上のみならず、コンタクトの底部からの通電方向の立体角が絞られることでコンタクトを通過する電子の波数ベクトルをそろえる効果があり、よりバリスティック伝導が高まり大きなＭＲを発生することができる。
【００３９】
なお、電子制限層の形成は、膜面に対してスパッタターゲット中心がずれた状態でスパッタする（膜面に対して斜め入射成分が多い）スパッタ方法と組み合わせると、大きな効果が得られる。
【００４０】
なお、本実施形態においては、ピン層８を先に形成し、フリー層１２を埋め込むように形成したが、フリー層１２を先に形成し、ピン層８、ピンニング層６を順に埋め込むように形成してもよい。
【００４１】
（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の要部の断面を図１０に示す。本実施形態の磁気抵抗効果素子は、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果素子において、電子制限層１４の底部が接触していた、フリー層の中央部１２ａは削除され、電子制限層１４の底部が直接ピン層８に接触する構成となっている。
【００４２】
このような構成とすることで、第１実施形態と同様に、フリー層１２のテーパー部１２ｂにセンス電流を１００％供給することができる。本実施形態は、第１実施形態の効果に加えて、ピン層８とフリー層１２の接合部（コンタクト部）の接合面積を実質的に小さくすることができる。一般に、直径１０ｎｍ未満のコンタクトホールを電子線描画するのは困難であるが、それが数ｎｍになるとさらに一段と描画は困難で、歩留まりが著しく低下する。
【００４３】
しかし、本実施形態の構造では、後述する製造方法で説明するように、安定的に作成できる大きなコンタクトホールを絶縁膜１０上に形成し、このコンタクトホールに埋め込まれたフリー層１２の中央部を除去することで、実質的に小さなコンタクトホールを形成したことと同様になる。ピン層８とフリー層１２との接触面積はテーパー部１２ｂの水平断面である環状部分の面積と同じとなる。その結果、大きな穴で小さな磁性体接触面積を得ることが可能となり、急峻な磁壁を閉じこめることができ、大きなＭＲ比の発生につながる。
【００４４】
本実施形態では直径１０ｎｍの穴を開けておきながら、中央部を除去することで実質的に直径５ｎｍの穴を開けたのと同じ磁性体の接触面積を得ることができた。また、第１実施形態で得られるコンタクトホールの底部からの通電方向立体角が絞られることでコンタクトホールを通過する電子の波数ベクトルをそろえる効果があり、よりバリスティック伝導が高まり大きなＭＲ比を発生する効果も変わらず存在する。
【００４５】
次に、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造方法を、図１１乃至図１５を参照して説明する。
【００４６】
まず、第１実施形態と同様に、下から、アルチック基板、アルミナアンダーコートの上に下部シールドとして膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ合金膜を形成する。続いて、ＮｉＦｅ合金膜の表面を鏡面研磨し、その後、ナノサイズのコンタクトを有する素子を形成する。
【００４７】
この素子は次のように形成される。下部シールド上に膜厚１０ｎｍのＴａからなる下ギャップ層を形成し、この下ギャップ層上に膜厚１２ｎｍのＰｔＭｎからなるピンニング層を形成する。
【００４８】
次に、図１１に示すように、ピン層として膜厚２．５ｎｍのＮｉ層８を形成し、このＮｉ層８上に膜厚４ｎｍのＳｉＯ２からなる絶縁膜１０を形成する。続いて、絶縁層１０上に図示しない電子線描画用レジストを塗布し、電子線を用いて上記レジストに直径が約５ｎｍの円領域を描画し、露光することにより直径が約５ｎｍの開口を有するレジストパターン（図示せず）を形成する。このレジストパターンをマスクとして、ＲＩＥを用いて絶縁層１０をパターニングすることにより、絶縁層１０に底部の直径が４ｎｍのコンタクトホール１１を形成する。続いて、レジストを剥離した後、コンタクトホール１１を埋め込むように、膜厚２．５ｎｍのＮｉ膜、膜厚４．５ｎｍのＮｉＦｅを、スパッタ法を用いて順次堆積し、フリー層１２を形成する（図６参照）。
【００４９】
次に、基板に垂直方向にイオンビームを入射させて全体的にＮｉＦｅ膜を２ｎｍ分エッチングする（図１２参照）。コンタクトホール１１に形成されたコンタクトの底部はフリー層１２をスパッタ法で成膜する時に、影となっていて他のフラットな部分に比べて約１／２〜約１／３の膜厚しか形成されていないので、全面的にイオンビームエッチングすることにより上記底部が早く除去される。図１２では完全に除去される図となっているが、底部に残存しているフリー層１２の膜厚が１ｎｍ以下であれば実質的に影響しない。
【００５０】
次に、ＳｉＯ２からなる膜厚０．５ｎｍの電子制限層１４をスパッタ法で形成する（図１３参照）。続いて、ピン層８の膜面に対して垂直方向から７０度傾いた角度でイオンビームを照射してフリー層１２の平らな部分のＳｉＯ２層１４を選択的に除去する（図１４参照）。この除去プロセスは第１実施形態の除去プロセスと同様のプロセスとなる。このとき、コンタクトホール内部のＳｉＯ２層１４は陰になっていてエッチングされない。なお、本実施形態では、イオンビームを、ピン層８の膜面に対して垂直方向から７０度傾いた角度で入射したが、４５度以上傾いていればよい。
【００５１】
次に、図１５に示すように、Ｔａからなる膜厚１５ｎｍのギャップ層１６を形成し、このギャップ層１６上に上部電極を兼用する上部シールドとして膜厚１．５μｍのＮｉＦｅ膜１８を形成して素子を完成する。この素子にセンス電流を供給すると、図１８に矢印で示すように膜質の良いテーパー部分にのみ流れるため高効率なセンス電流利用ができ、ＭＲ比が向上し、高い再生出力を得ることができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、電子線描画において大きなコンタクトホールを形成して素子を作成することができるため、プロセスマージンが広がり歩留まり上昇を図ることができる。
【００５３】
なお、本実施形態においては、ピン層８を先に形成し、フリー層１２を埋め込むように形成したが、フリー層１２を先に形成し、ピン層８、ピンニング層６を順に埋め込むように形成してもよい。
【００５４】
なお、本実施形態においては、フリー層１２とピン層８との接触面が環状であったが、図１７に示す第１変形例のように、フリー層１２とピン層８との接触面が三日月形状となるようにしてもよい。すなわち、フリー層１２の埋め込み部の右側の部分はピン層８と接触しているが、左側の部分は途中で切れておりピン層８と接触していない。電子制限層１４は、フリー層１２の右側の部分にのみ通電するように形成されている。したがって、ピン層との接触部分がさらに少なくなる構造となり、さらに急峻な磁壁で接触することなり高いＭＲ比を得ることができる。
【００５５】
この変形例の製造方法としては、図１８に示すように、スリー層１２のスパッタ粒子の入射方向に異方性を与えることにより実現する。例えば、基板の回転を止めることで、スパッタ粒子は一方向からのみ基板上に到達する。基板回転を止めた状態で形成される膜厚は、平坦部では左右でほとんど変化しないが、窪み内は影の影響がでるため、大きな分布が発生する。続いて、図１９に示すように、イオンビームミリングを行う。このとき、イオンミリングは均一にエッチングするため、膜厚の薄いフリー層１２の埋め込み部の左側の部分では、すべてのフリー層１２がエッチングされている。その後は、上記第２実施形態と同様のプロセスで製造し、図１７に示す構造が得られる。フリー層１２のスパッタ粒子の入射角度やイオンミリング時間を制御すること、さらに楕円形状のコンタクトホールを適用することで、窪み内でごく一部のみピン層とフリー層が接触する構造が実現することができ、これにより急峻な磁壁が形成することが可能となり、より大きなＭＲ比を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態による磁気抵抗効果素子の要部の断面図。
【図２】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の断面図。
【図３】第１実施形態の磁気抵抗効果素子のセンス電流の流れを説明する図。
【図４】第１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。
【図５】第１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。
【図６】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図７】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図８】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図９】第１実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図１０】本発明の第２実施形態による磁気抵抗効果素子の要部の断面図。
【図１１】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図１２】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図１３】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図１４】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図１５】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図１６】第１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。
【図１７】第２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。
【図１８】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【図１９】第２実施形態の磁気抵抗効果素子の製造工程断面図。
【符号の説明】
【００５７】
８  ピン層
１０  絶縁層
１１  コンタクトホール
１１ａ  底面部
１１ｂ  傾斜部
１２  フリー層
１２ａ  フリー層の埋め込み部分の中央部
１２ｂ  フリー層の埋め込み部分のテーパー部
１４  電子制限層
１６  ギャップ層
１８  上部電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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