CN110178236B - 隧道磁阻元件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

使具有足够厚度的B吸收层与MTJ的上侧CoFeB层邻接并经过磁化退火而实现了期望的TMR比后，高精度地去除该B吸收层。在去除经过了层叠工序以及磁场中热处理工序后的MTJ的上侧CoFeB层(31)的上层(51‑53、61)的干法蚀刻工序中，应用干法蚀刻装置以及识别由该干法蚀刻装置蚀刻的被蚀刻面的材料的分析装置，将蚀刻的结束设为由分析装置检测出所述CoFeB层的正上方B吸收层(51)暴露前的最终层(61、52或者53)减少至规定的水平或者所述正上方B吸收层增加至规定的水平的终点检测时。预先确定好分析装置的终点检测时之后的干法蚀刻装置的过蚀刻量，在层叠工序中，使从所述规定的水平到所述CoFeB层的上表面为止以仅与该过蚀刻量相当的层厚层叠所述正上方B吸收层。

Description

隧道磁阻元件的制造方法
技术领域
本发明涉及隧道磁阻元件的制造方法。
背景技术
隧道磁阻元件(TMR(Tunnel Magneto Resistive，隧道磁阻)元件)具有磁化朝向被固定的固定磁性层、受到来自外部的磁场的影响而磁化朝向发生变化的自由磁性层以及被配置于固定磁性层与自由磁性层之间的绝缘层，形成磁隧道结(MTJ(Magnetic TunnelJunction，磁隧道结))。根据固定磁性层的磁化朝向与自由磁性层的磁化朝向的角度差通过隧道效应使绝缘层的电阻变化。作为利用了该隧道磁阻元件的物品，能够列举出磁存储器、磁头、磁传感器等。
在使用了TMR原理的磁传感器中，将MTJ部分(CoFeB/MgO/CoFeB)的层叠构造磁化退火从而能够实现巨大的TMR比。此时，重要的是使由吸收CoFeB层的扩散B的材料形成的B吸收层(Ti、MgO等)以足够的厚度邻接。
在专利文献1所记载的发明中，在MRAM(磁性随机存取存储器)中在MTJ外侧配置MgO层。
在专利文献2所记载的发明中，在磁头或者存储器中与CoFeB层相接地配置Ti层。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5816867号公报
专利文献2：日本特开2008-85208号公报
专利文献3：日本特开平9-25168号公报
专利文献4：日本特开2001-68759号公报
专利文献5：日本特开2004-128026号公报
专利文献6：日本特开2012-221549号公报
专利文献7：日本特开2013-48124号公报
专利文献8：日本特开2013-105825号公报
发明内容
发明所要解决的问题
如上述那样，在使用了TMR原理的磁传感器中，在将MTJ部分(CoFeB/MgO/CoFeB)的层叠构造磁化退火从而实现巨大的TMR比时，重要的是使B吸收层(Ti、MgO等)以足够的厚度与CoFeB层邻接。
进而，在磁化退火后，在作为磁传感器动作的情况下，需要使与作为固定磁性层的CoFeB相反的一侧的CoFeB层与软磁性材料耦合从而成为自由磁性层。
然而，在充分吸收B的扩散的材料进入了CoFeB层与软磁性层之间的状态下，无法实现巨大TMR比。
在专利文献1所记载的发明中，虽然在记录层、固定层的与隧道势垒侧相反的一侧配置有导电性氧化物，但是是存储器而不是传感器，在固定磁性侧、自由磁性侧中的任意侧都被配置而未被去除，未构成高精度地去除B吸收层的技术。
在专利文献2所记载的发明中，虽然为了实现CoFeB/MgO/CoFeB的巨大TMR比，邻接有B吸收性良好的Ti层，但是是头或存储器而不是传感器，由于将CoFeB层原样用作自由磁性层，因此各向异性磁场大，在作为传感器使用的情况下的灵敏度下降，未构成高精度地去除B吸收层的技术。
本发明是鉴于以上的现有技术中的问题而作出的，其课题在于：在使足够厚度的B吸收层邻接于MTJ的上侧CoFeB层而进行磁化退火来实现期望的TMR比之后，高精度地去除该B吸收层。进而，其课题在于：良好地实现高精度地去除了B吸收层之后的CoFeB层与软磁性层的交换耦合，实现能够利用于显著地高灵敏度的磁传感器的隧道磁阻元件。
用于解决问题的方案
用于解决以上的课题的技术方案1记载的发明为一种隧道磁阻元件的制造方法，在该隧道磁阻元件中，由磁化朝向被固定的固定磁性层、受到来自外部的磁场的影响而磁化朝向发生变化的自由磁性层以及被配置于所述固定磁性层与所述自由磁性层之间的绝缘层形成磁隧道结，根据所述固定磁性层的磁化朝向与所述自由磁性层的磁化朝向的角度差通过隧道效应使绝缘层的电阻变化，所述隧道磁阻元件的制造方法具备：
层叠工序，在基板上，按照所述固定磁性层、所述绝缘层的顺序层叠，进而与该绝缘层的上表面相接地层叠CoFeB层，与该CoFeB层的上表面相接地层叠由吸收B的材料形成的正上方B吸收层，包括该正上方B吸收层在内且在所述CoFeB层之上改换材料来层叠2层以上；
磁场中热处理工序，对经过了所述层叠工序的层叠体一边施加规定方向的外部磁场一边进行热处理，将构成自由磁性层的所述CoFeB层的易磁化轴与所述固定磁性层的易磁化轴形成为同方向；以及
干法蚀刻工序，从经过了所述磁场中热处理工序的层叠体去除包括所述正上方B吸收层为止的部分，
在所述干法蚀刻工序中，应用干法蚀刻装置以及识别由该干法蚀刻装置蚀刻的被蚀刻面的材料的分析装置，将由所述干法蚀刻装置进行的蚀刻的结束设为由所述分析装置检测出所述正上方B吸收层暴露之前的最终层减少至规定的水平或者所述正上方B吸收层增加至规定的水平的终点检测时，
预先确定好所述分析装置的终点检测时之后的所述干法蚀刻装置的过蚀刻量，在所述层叠工序中，使从所述规定的水平到所述CoFeB层的上表面为止以仅与该过蚀刻量相当的层厚层叠所述正上方B吸收层。
技术方案2记载的发明为根据技术方案1所记载的隧道磁阻元件的制造方法，其中，所述层叠工序中的所述CoFeB层之上的2层以上的层叠部分包括由吸收B的材料形成的B吸收层和覆盖在该B吸收层上的加工用盖层。
技术方案3记载的发明为根据技术方案2所记载的隧道磁阻元件的制造方法，其中，所述层叠工序中的所述B吸收层包括所述正上方B吸收层在内且改换材料来形成为2层以上。
技术方案4记载的发明为根据技术方案3所记载的隧道磁阻元件的制造方法，其中，在所述磁场中热处理工序中，经过由所述B吸收层进行的对来自所述CoFeB层的B的吸收而达成期望的TMR比。
技术方案5记载的发明为根据技术方案1至4中的任意一项所记载的隧道磁阻元件的制造方法，其中，在通过所述干法蚀刻工序暴露出的所述CoFeB层之上将软磁性层成膜。
发明的效果
根据本发明，能够在使足够的厚度的B吸收层邻接于MTJ的上侧CoFeB层而进行磁化退火来实现期望的TMR比之后，高精度地去除该B吸收层。进而，能够良好地实现高精度地去除了B吸收层之后的CoFeB层与软磁性层的交换耦合，能够实现能够利用于显著地高灵敏度的磁传感器的隧道磁阻元件。
附图说明
图1为伴随着蚀刻的进行的由光学式的分析装置得到的发光信号的变迁图形。
图2示出本发明例和比较例的条件和结果。栏1示出磁场中热处理前的层叠构造，栏2示出经过了磁场中热处理工序、干法蚀刻工序、软磁性层成膜工序后的层叠构造，栏3示出栏1中的MTJ上的层的厚度，栏4示出到MTJ的上侧CoFeB层为止的蚀刻的评价，栏5示出TMR比的评价，栏6示出MTJ的上侧CoFeB层与软磁性层的磁耦合的评价，栏7示出蚀刻时的光学检测信号的时间变迁。
图3为示出本发明想要实现的理想的磁阻特性的图形(栏d)和示出图形上的各个状态下的隧道磁阻元件的磁化朝向的示意图(栏a)(栏b)(栏c)。
图4为示出以往的一个示例的隧道磁阻元件的层叠构造的剖视图。
图5为示出在图4的以往示例中显现的磁阻特性的图形。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻的变化率(TMR比(％))。
图6为示出以往的另一个示例的隧道磁阻元件的层叠构造的剖视图。
图7为示出本发明的一个实施方式的隧道磁阻元件的层叠构造的剖视图。
图8A为示出本发明的一个实施方式的隧道磁阻元件的制造工艺的层叠构造的剖视图。
图8B为示出接着图8A的、本发明的一个实施方式的隧道磁阻元件的制造工艺的层叠构造的剖视图。
图8C为示出接着图8B的、本发明的一个实施方式的隧道磁阻元件的制造工艺的层叠构造的剖视图。
图9为示出本发明的一个实施方式的隧道磁阻元件的磁阻特性的图形。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻的变化率(TMR比(％))。
图10A为示出本发明的一个实施方式的隧道磁阻元件的磁阻特性的图形，示出了实施第二、第三磁场中热处理工序后的情形。图10A示出了将第二磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃、将第三磁场中热处理工序的热处理温度设为180℃的情况。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻的变化率(TMR比(％))。
图10B为示出本发明的一个实施方式的隧道磁阻元件的磁阻特性的图形，示出了实施第二、第三磁场中热处理工序后的情形。图10B示出了将第二磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃、将第三磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃的情况。横轴为外部磁场(H(Oe))，纵轴为隧道磁阻元件的电阻的变化率(TMR比(％))。
图11为示出本发明的一个实施例的隧道磁阻元件的制造工艺的层叠构造的表面图以及剖视图。
(附图标记说明)
1：隧道磁阻元件；1A：隧道磁阻元件；2：基板；3：基底层；10：固定磁性层；20：绝缘层；30：自由磁性层；31：铁磁性层；33：软磁性层；51：正上方B吸收层；51-53：B吸收层；61：加工用盖层。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的一个实施方式进行说明。以下是本发明的一个实施方式，并非限定本发明。
[发明概要]
(终点检测)
首先，参照图1对干法蚀刻的终点检测进行说明。
一般而言，能够在干法蚀刻装置中安装光学式、质量分析式的端点检测部。将该端点检测部作为本制法的干法蚀刻工序中的分析装置来适用。
如图1所示，作为光学式的检测的算法的示例，在检测要去除的层的发光信号的情况下，在将层存在的情况设为100时，以减少至规定的水平(例如80)时作为终点检测时。即，将正上方B吸收层暴露前的最终层减少至规定水平时作为终点检测时。
另外，存在如下方法：在要去除的层改变而检测新的层的信号的情况下，将进入新的层前的信号设为0，开始去除新的层，将去除中途的最大值变换为100的情况下，在相对地将信号增加至规定水平(例如10)的情况下停止。因此，也可以将终点检测时替换为正上方B吸收层的检测量增加至规定水平(例如10)时。
在以下的实施例中采用前者。
(本发明例与比较例)
接下来，参照图2，一边列举本发明例与比较例一边进行说明。
如图2的栏1所示，在层叠工序中，在基板(Si、SiO2)2上形成基底层(Ta)3，在基底层(Ta)3之上从下开始层叠反铁磁性层(IrMn)11、铁磁性层(CoFe)12、磁耦合层(Ru)13、铁磁性层(CoFeB)14作为固定磁性层10，进而与铁磁性层(CoFeB)14的上表面相接地层叠绝缘层(MgO)20，与绝缘层(MgO)20的上表面相接地层叠CoFeB层31作为构成自由磁性层30的铁磁性层(在比较例1、2以及本发明例1-3中是共通的)。
进而与CoFeB层31的上表面相接地层叠Ta层51作为正上方B吸收层，该正上方B吸收层由吸收B的材料形成(在比较例1、2以及本发明例1-3中是共通的)。
此外，作为由吸收B的材料形成的B吸收层的材料，能够列举Ta、Ni、Ti、MgO等。
在比较例1、2中，将Ta层51设为5nm，在本发明例1-3中将Ta层51设为1nm。
在比较例1、2以及本发明例1中，进而在Ta层51上层叠3nm的Ru层61作为加工用盖层。
在本发明例2中，在Ta层51上层叠4nm的Ni层52，在该Ni层52上层叠3nm的Ru层61作为加工用盖层。
在本发明例3中，在Ta层51上层叠4nm的MgO层53，在该MgO层53上层叠3nm的Ru层61作为加工用盖层。
对以上的层叠体实施磁场中热处理工序，在该磁场中热处理工序中，对所述层叠体一边施加规定方向的外部磁场一边进行热处理，将构成自由磁性层的CoFeB层31的易磁化轴与固定磁性层10的易磁化轴形成为同方向。
接下来，实施干法蚀刻工序，在该干法蚀刻工序中，从经过了磁场中热处理工序的层叠体去除包括作为正上方B吸收层的Ta层51为止的部分。通过Ar离子铣削进行干法蚀刻工序。
图2的栏7示出监测到的光学检测信号。
在比较例1中，将Ru层61的检测信号减少至规定的水平(例如80)的检测时间点作为基准而结束蚀刻。其结果是，将Ta层51去除了约1nm，但是Ta层51残留了约2nm。由于在磁场中热处理工序中，存在足够的层厚的Ta层51，因此虽然TMR比良好地升高，但是即使进行了后工序的软磁性层的成膜工序，如图2的栏2所示，在CoFeB层31与软磁性层33之间介入有Ta层51，CoFeB层31与软磁性层33的磁耦合变得不充分。
在比较例2中，将Ru层61的检测信号减少至规定的水平(例如80)的检测时间点作为基准，在比比较例1更长的时间之后结束蚀刻。其结果是，削去了CoFeB层31。虽然由于在磁场中热处理工序中有足够的层厚的Ta层51，TMR比良好地升高，但是由于过度削去了CoFeB层31，结果是无法提高TMR比。进行后工序的软磁性层的成膜工序，从而将CoFeB层31与软磁性层33磁耦合。
于是，预先通过分析装置确定好检测出减少至规定的水平(例如80)的终点检测时之后的干法蚀刻装置所蚀刻的过蚀刻量。针对Ta确定为1nm。这是将终点检测时作为触发而立即结束蚀刻的情况。
在本发明例中，从光学检测信号减少至规定的水平(例如80)的时间点开始，到CoFeB层31的上表面为止层叠了仅与该过蚀刻量相当的层厚即1nm的作为正上方B吸收层的Ta层51。
因此，在本发明例1中，虽然在作为正上方B吸收层(Ta层51)暴露前的最终层的Ru层61的检测信号减少至规定的水平(例如80)的检测时间点结束了蚀刻，但是根据过蚀刻量而高精度地去除了Ta层51。即，能够完全地去除Ta层51，而不削去CoFeB层31。
在本发明例1中，在磁场中热处理工序中由于有1nm的Ta层51，因此能够在一定程度上提高TMR比，进行后工序的软磁性层的成膜工序，而将CoFeB层31与软磁性层33磁耦合。
在本发明例2中，也是在作为正上方B吸收层(Ta层51)暴露前的最终层的Ni层52的检测信号减少至规定的水平(例如80)的检测时间点结束蚀刻，根据过蚀刻量高精度地去除了Ta层51。即，能够完全地去除Ta层51，而不削去CoFeB层31。
在本发明例2中，在磁场中热处理工序中由于有足够的层厚的B吸收层(Ta层51和Ni层52)，因此能够良好地提高TMR比，进行后工序的软磁性层的成膜工序，而将CoFeB层31与软磁性层33磁耦合。
在本发明例3中，也是在作为正上方B吸收层(Ta层51)暴露前的最终层的MgO层53的检测信号减少至规定的水平(例如80)的检测时间点结束蚀刻，根据过蚀刻量高精度地去除了Ta层51。即，能够完全地去除Ta层51，而不削去CoFeB层31。
在本发明例3中，在磁场中热处理工序中由于有足够的层厚的B吸收层(Ta层51和MgO层53)，因此能够良好地提高TMR比，进行后工序的软磁性层的成膜工序，而将CoFeB层31与软磁性层33磁耦合。
如以上的本发明例2、3所示，B吸收层包括正上方B吸收层(Ta层51)在内且将材料改换来形成为2层以上，从而能够一边可靠地得到在紧接仅与过蚀刻量相当之前的检测信号，一边预先使足够的层厚的B吸收层在磁场中热处理工序中与CoFeB层31邻接。因此，在磁场中热处理工序中，能够经过由2层的B吸收层(在本发明例2中为Ta层51+Ni层52，在本发明例3中为Ta层51+MgO层53)对来自CoFeB层的B的吸收而达成期望的TMR比，并且能够良好地实现CoFeB层与软磁性层的交换耦合。
将通过以上那样的本发明的制造方法制成的隧道磁阻元件用作磁传感器，能够构成显著地高灵敏度的磁传感器。
[关联事项、制造例]
以下对本发明的关联事项和制造例进行说明。
首先，参照图3对隧道磁阻元件的基本构造以及本发明想要实现的理想的磁阻特性进行说明。
如图3所示，隧道磁阻元件1通过磁化朝向被固定的固定磁性层10、受到来自外部的磁场的影响而磁化朝向发生变化的自由磁性层30以及被配置于固定磁性层10与自由磁性层30之间的绝缘层20形成磁隧道结，根据固定磁性层10的磁化朝向与自由磁性层30的磁化朝向的角度差通过隧道效应使绝缘层20的电阻变化。
图3(栏a)(栏b)(栏c)示出图3(栏d)所示的各磁场状态下的固定磁性层10的磁化朝向10A和自由磁性层30的磁化朝向30A。
图3(栏a)示出检测磁场为零的状态(中立位置，图3(栏d)的图形上的位置P0)下的磁化朝向，图3(栏b)示出负荷了规定的正磁场的状态(图3(栏d)的图形上的位置P1)下的磁化朝向，图3(栏c)示出负荷了规定的负磁场的状态(图3(栏d)的图形上的位置P2)下的磁化朝向。
图3(栏a)是在检测磁场为零的状态(中立位置P0)下，固定磁性层10的磁化朝向10A与自由磁性层30的磁化朝向30A在扭转了大致90度的位置处稳定。这是因为分别在易磁化轴的方向磁化了。即，图3所示的隧道磁阻元件1为自由磁性层30的易磁化轴相对于固定磁性层10的易磁化轴形成于扭转了大致90度的位置处的元件，图3(栏a)所示的箭头10A示出了固定磁性层10的易磁化轴的方向，箭头30A示出了自由磁性层30的易磁化轴的方向。
如图3(栏a)(栏b)(栏c)所示，固定磁性层10的磁化朝向10A为恒定的，不受外部磁场的变化的影响，自由磁性层30的磁化朝向30A受到外部磁场(H1、H2)的影响而变化。
如图3(栏b)所示，当对隧道磁阻元件1施加了与固定磁性层10的磁化朝向10A相反方向的外部磁场H1时，自由磁性层30的磁化朝向30A向固定磁性层10的磁化朝向10A的反方向侧旋转，隧道效应导致绝缘层20的电阻增大(在图3(栏d)中电阻从R0增加至R1)。在图3(栏a)(栏b)(栏c)中，通过电流I0、I1、I2的箭头的粗细示意性地示出电阻的变化。
如图3(栏c)所示，当对隧道磁阻元件1施加了与固定磁性层10的磁化朝向10A同方向的外部磁场H2时，自由磁性层30的磁化朝向30A向与固定磁性层10的磁化朝向10A同方向侧旋转，隧道效应导致绝缘层20的电阻减少(在图3(栏d)中电阻从R0减少至R2)。
如图3(栏d)所示，想要实现具有不论在使电阻(纵轴)增大的方向还是减少的方向上都相对于外部磁场的强度成比例地(图形为直线)发生电阻变化的性质(线性)的隧道磁阻元件1。
图4所示的以往示例的隧道磁阻元件101为专利文献3-7所记载的类型的元件，在绝缘层20的下部形成固定磁性层10，在上部形成自由磁性层30，自由磁性层30为在铁磁性层(CoFeB)31与软磁性层(NiFe或者CoFeSiB)33之间介入有磁耦合层(Ru)32的层叠构造。
详细而言，以往示例的隧道磁阻元件101具有如下层叠构造：在基板(Si、SiO2)2上形成基底层(Ta)3，在基底层(Ta)3之上从下开始层叠反铁磁性层(IrMn)11、铁磁性层(CoFe)12、磁耦合层(Ru)13、铁磁性层(CoFeB)14作为固定磁性层10，隔着绝缘层(MgO)20，在其之上从下开始层叠铁磁性层(CoFeB)31、磁耦合层(Ru)32、软磁性层(NiFe或者CoFeSiB)33作为自由磁性层30。
在这样的以往示例的隧道磁阻元件101中，即使多次进行一边每次施加朝向不同的外部磁场一边进行热处理的磁场中热处理，所有磁性层的易磁化轴的方向也一致，磁阻特性成为如图5所示的磁滞高的形态，无法实现上述线性。图4所示的箭头A1为磁性层的易磁化轴的方向。
另一方面，图6所示的以往示例的隧道磁阻元件102为专利文献8所记载的类型的元件，具有相对于图4将固定磁性层10与自由磁性层30上下颠倒的层叠构造。
在这样的以往示例的隧道磁阻元件102中，虽然能够将自由磁性层30的易磁化轴的方向(箭头A1)形成为与固定磁性层10的易磁化轴的方向(箭头A2)不同的方向，并且能够使自由磁性层30的形状变大(期望改善Hk、减少噪声)，但是对上层的绝缘层20、固定磁性层10产生不好的影响(推测原因是均匀性、结晶性的恶化)，难以提高作为磁传感器的性能。
于是，如图7所示，本发明的制造方法的隧道磁阻元件1A与以往示例的隧道磁阻元件101同样地，从与支承磁性层10、30以及绝缘层20的基板2靠近的一侧，按照固定磁性层10、绝缘层20、自由磁性层30的顺序层叠，相对于以往示例的隧道磁阻元件101的层叠构造排除了磁耦合层(Ru)32，自由磁性层30为具有下表面与绝缘层20接合的铁磁性层31以及与该铁磁性层31的上表面接触而层叠的软磁性层33的层叠构造。
根据该层叠构造，能够形成为构成自由磁性层30的铁磁性层31以及软磁性层33的易磁化轴彼此在同方向上、并且相对于固定磁性层10的易磁化轴而在不同的方向(扭转的位置，例如为扭转了大致90度的方向)上的磁化特性，能够实现上述线性。
(制造工艺要点)
说明为此的制造方法的要点。
首先，如图8A所示，在层叠了从基板2至少到铁磁性层31的层之后，进而在层叠未图示的上述B吸收层、加工用盖层之后，对该层叠体实施如下的第一磁场中热处理工序：一边施加规定方向(箭头A1)的外部磁场一边进行热处理，将构成自由磁性层30的铁磁性层31的易磁化轴与固定磁性层10的易磁化轴形成为同方向。
在该第一磁场中热处理工序之后，进而如上述那样高精度地去除B吸收层、加工用盖层之后，如图8B所示实施磁场中成膜工序，得到如图8C所示的层叠构造，在该磁场中成膜工序中，一边以扭转朝向的方式使朝向与第一磁场中热处理工序时不同地(变成箭头A2方向)施加外部磁场，一边将构成自由磁性层30的软磁性层33成膜，从而将自由磁性层30的易磁化轴形成为与固定磁性层10的易磁化轴不同的方向(例如为扭转了大致90度的方向)。
如图8C所示，通过经过以上的第一磁场中热处理工序、磁场中成膜工序，能够形成为构成自由磁性层30的铁磁性层31以及软磁性层33的易磁化轴彼此在同方向上、并且相对于固定磁性层10的易磁化轴而在不同的方向(优选为扭转了大致90度的方向)上的磁化特性。即，固定磁性层10的易磁化轴形成为在第一磁场中热处理工序时所施加的磁场方向(箭头A1)，自由磁性层30的易磁化轴形成为在磁场中成膜工序时所施加的磁场方向(箭头A2)。
在该时间点，能够得到具有如图9所示的线性的磁阻特性。
进而，在上述磁场中成膜工序之后，优选实施接下来的工序。即，实施一边在与磁场中成膜工序时相同方向(箭头A2)上施加外部磁场一边进行热处理的第二磁场中热处理工序。进而，在第二磁场中热处理工序之后，实施一边在与第一磁场中热处理工序时相同方向(箭头A1)上施加外部磁场一边进行热处理的第三磁场中热处理工序。据此，如图10A、图10B所示，能够减小Hk、Hc并实现高灵敏度化。
(制造工艺的实施例)
在此，一边参照图11一边对遵循上述制造工艺的要点的制造工艺的一个实施例进行说明。在图11中省略了基底层3的图示。
对在基板2上成膜的铁磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)多层膜(层10、20、31)进行第一磁场中热处理工序(图11(栏a))。将施加的磁场方向设为箭头A1方向，将磁场的强度设为1T，将热处理温度设为375℃。通过该热处理大幅提高作为电阻变化率的隧道磁阻(Tunnel Magneto-Resistance：TMR)比。
通过光刻法或者电子束蚀刻法(在本实施例中为光刻法)在进行了第一磁场中热处理工序的MTJ多层膜表面进行抗蚀剂图案形成(图11(栏b1)(栏b2))。层41是在铁磁性层31上形成的上述B吸收层、加工用盖层(相当于图2的51-53，61)，是在第一磁场中热处理工序前形成的。在层41上形成抗蚀剂图案42。
对形成有抗蚀剂图案42的MTJ多层膜进行Ar离子铣削，直到MgO绝缘层20进行蚀刻(图11(栏b1)(栏b2))。由于抗蚀剂图案42正下方的MTJ多层膜未暴露于Ar离子，因此多层膜构造残留至最上部层，形成了形成的抗蚀剂形状的MTJ柱(图11(栏b1)(栏b2))。
MTJ柱与通过后面的工艺成膜的软磁性层33以及上部电极层电气性绝缘，仅在MTJ柱部分流过电流，因此形成层间绝缘层43(图11(栏c1)(栏c2))。层间绝缘层43的材料能够使用SiO2、Al-Ox(本实施例使用SiO2)。作为层间绝缘层43的形成工艺，能够使用剥离法、接触孔形成法(在本实施例中为剥离法)。在剥离法中，在残留着MTJ柱形成用的抗蚀剂图案42的状态下，将SiO2等绝缘膜成膜于基板整体。绝缘膜的成膜能够使用溅射法、低温CVD(化学气相沉积，Chemical Vapor Deposition)(在本实施例中使用低温CVD)。绝缘膜的成膜后，通过丙酮、二甲基吡咯烷酮等有机溶剂对基板进行超声波清洗，从而去除抗蚀剂42。此时，由于也去除在抗蚀剂42上成膜的绝缘膜，因此能够制作仅MTJ柱上表面暴露出多层膜的构造。在接触孔形成法中，通过有机溶剂等去除MTJ柱形成用抗蚀剂图案42，在基板整体形成绝缘膜。其后，通过形成仅在MTJ柱上的电气性接触所必需的部分开口的抗蚀剂图案，将CHF3、CH4等用作工艺气体而进行反应性蚀刻，从而在绝缘膜形成开口。通过有机溶剂等去除接触开口用的抗蚀剂图案，从而能够制作仅MTJ柱上表面暴露出多层膜的构造。
对于形成有层间绝缘层43的基板，使用软磁性层33以及上部电极形成用的掩模通过光刻法形成抗蚀剂图案44(图11(栏d1)(栏d2))。将形成软磁性层33以及上部电极层的领域设为开口而进行图案形成。
对形成有软磁性层33以及上部电极层形成用抗蚀剂图案44的基板进行基于Ar离子铣削的蚀刻而如上述那样高精度地去除层41，使MTJ多层膜中的上部CoFeB铁磁性层31暴露(图11(栏e1)(栏e2))。将软磁性层33成膜于该暴露出的CoFeB层31之上，从而在磁阻曲线显现软磁特性。为了防止因CoFeB层31表面的氧化等导致CoFeB层31与软磁性层33的磁耦合被妨碍，优选在Ar离子铣削与软磁性层33的成膜之间不将基板暴露于大气中，在真空下连续地进行蚀刻和成膜。软磁性层33的材料可以使用CoFeSiB等非晶材料、NiFe系合金等软磁性材料(在本实施例中使用CoFeSiB)。在软磁性层33的成膜时一边在MTJ多层膜的难磁化轴方向(箭头A2方向)上施加磁场一边进行成膜(图11(栏f1)(栏f2))，从而能够将MTJ下部的磁性多层膜与上部CoFeB层31以及软磁性层33的易磁化轴形成为扭转了90度的关系，据此能够得到具有电阻相对于自由磁性层30的难轴方向的磁场分量而线性地变化的、如图9所示的线性的磁阻曲线。
在本实施例中，将基板2设为Si、SiO2，在基板2之上将5nm的Ta、10nm的Ru、10nm的IrMn、2nm的CoFe、0.85nm的Ru、3nm的CoFeB、2.7nm的MgO、3nm的CoFeB以及层41如上述那样层叠，以磁场强度1T、温度为375℃的条件进行了第一磁场中热处理。之后，在使CoFeB层31暴露后，通过磁场中溅射将软磁性层(CoFeSiB)33成膜至膜厚100nm。
在软磁性层33的成膜后，进行上部电极层的成膜(图11(栏g1)(栏g2))。作为上部电极层材料能够使用Ta、Al、Cu、Au等以及这些材料的多层膜(在本实施例中为Ta/Al多层膜)。上部电极层防止软磁性层33的氧化，负责在传感器动作时与电源电路、放大电路等电气性连接。
对成膜有软磁性层33以及上部电极的基板使用有机溶剂等进行超声波清洗，去除抗蚀剂44，从而去除抗蚀剂开口部以外的软磁性层33以及上部电极层(图11(栏g1)(栏g2))。因此，软磁性层33以及上部电极层能够通过光刻法形成为任意的形状。另外，通过进行多次光刻法，也能够制作软磁性层33和上部电极具有不同形状的元件。
虽然通过以上的微细加工制作隧道磁阻元件，但是软磁性层33在元件制作后，处于未进行热处理的沉积态(as-deposited)的状态。因此对制作出的元件再次进行磁场中热处理并操作软磁性层33的磁各向异性，从而能够显现具有更软的磁特性的磁阻曲线。进行旋转磁场中热处理、使磁场方向从软磁性层33的难轴向易轴变化的热处理等，从而软磁性层33的Hk减少，能够得到更高的磁场灵敏度。
在本实施例中，将磁场方向设为相对于第一磁场中热处理工序时的方向(箭头A1方向)成90度的方向(箭头A2方向)而实施第二磁场中热处理工序，进而设为0度方向(箭头A1方向)而进行第三磁场中热处理工序。将第二磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃、将第三磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃，得到了如图10B所示的磁阻曲线。图10A为将第二磁场中热处理工序的热处理温度设为200℃、将第三磁场中热处理工序的热处理温度设为180℃的情况。如此可知通过将第三磁场中热处理工序的热处理温度逐渐升高，Hk、Hc都变小而能够实现高灵敏度化。
如图7所示，本发明的隧道磁阻元件的制造方法与以往的元件结构不同，由于是在对MTJ多层膜进行了第一磁场中热处理工序后溅射软磁性层的构成，因此在通过磁场中热处理显现高TMR比的工艺中软磁性层不产生不良影响。因此，能够将软磁性层所使用的材料的选项设定得宽，从亚铁磁性(例如坡莫合金、非晶)、铁磁性(例如铁氧体)、微晶合金等中配合用途、易用性选择最适合的材料即可。
另外，以往的隧道磁阻元件的自由磁性层的膜厚的极限是几nm～几百nm，但是在本发明的制造方法的自由磁性层中还能够接合几μm的软磁性层，软磁性层的体积能够采取非常大的体积。因此，能够期望使自由磁性层的热涨落引起的白噪声、1/f噪声大幅减少、具有高SN比的磁传感器的制作。
而且，由于自由磁性层位于元件的最表面，因此能够自由地设置形状。因此，能够期望制作在自由磁性层内置有集中磁通的通量集中器(Flux Concentrator：FC)的隧道磁阻元件。以往，隧道磁阻元件与FC被制作为物理上分离的构造，但是，在本发明中由于自由磁性层和FC成为作为薄膜而接合的构造或者一体的构造，因此能够最大限度地利用磁通的集中效应。
虽然在以上的实施例中，将正上方B吸收层设为Ta，但是本发明不限于此，能够从Ta、Ni、Ti、MgO等吸收B的材料中任意选择。
另外，以上的实施例中的改换了材料的2层以上的B吸收层仅为示例，能够从Ta、Ni、Ti、MgO等吸收B的材料中任意地选择2种以上的材料。
工业上的适用性
本发明能够用于隧道磁阻元件的制造。

Claims (5)

1.一种隧道磁阻元件的制造方法，在该隧道磁阻元件中，由磁化朝向被固定的固定磁性层、受到来自外部的磁场的影响而磁化朝向发生变化的自由磁性层以及被配置于所述固定磁性层与所述自由磁性层之间的绝缘层形成磁隧道结，根据所述固定磁性层的磁化朝向与所述自由磁性层的磁化朝向的角度差通过隧道效应使绝缘层的电阻变化，所述隧道磁阻元件的制造方法具备：
层叠工序，在基板上，按照所述固定磁性层、所述绝缘层的顺序层叠，进而与该绝缘层的上表面相接地层叠CoFeB层，与该CoFeB层的上表面相接地层叠由吸收B的材料形成的正上方B吸收层，包括该正上方B吸收层在内且在所述CoFeB层之上改换材料来层叠2层以上；
磁场中热处理工序，对经过了所述层叠工序的层叠体一边施加规定方向的外部磁场一边进行热处理，将构成自由磁性层的所述CoFeB层的易磁化轴与所述固定磁性层的易磁化轴形成为同方向；以及
干法蚀刻工序，从经过了所述磁场中热处理工序的层叠体去除包括所述正上方B吸收层为止的部分，
在所述干法蚀刻工序中，应用干法蚀刻装置以及识别由该干法蚀刻装置蚀刻的被蚀刻面的材料的分析装置，将由所述干法蚀刻装置进行的蚀刻的结束设为由所述分析装置检测出所述正上方B吸收层暴露之前的最终层减少至规定的水平或者所述正上方B吸收层增加至规定的水平的终点检测时，
预先确定好所述分析装置的终点检测时之后的所述干法蚀刻装置的过蚀刻量，在所述层叠工序中，使从所述规定的水平到所述CoFeB层的上表面为止以仅与该过蚀刻量相当的层厚层叠所述正上方B吸收层。
2.根据权利要求1所述的隧道磁阻元件的制造方法，其中，
所述层叠工序中的所述CoFeB层之上的2层以上的层叠部分包括由吸收B的材料形成的B吸收层和覆盖在该B吸收层上的加工用盖层。
3.根据权利要求2所述的隧道磁阻元件的制造方法，其中，
所述层叠工序中的所述B吸收层包括所述正上方B吸收层在内且改换材料来形成为2层以上。
4.根据权利要求3所述的隧道磁阻元件的制造方法，其中，
在所述磁场中热处理工序中，经过由所述B吸收层进行的对来自所述CoFeB层的B的吸收而达成期望的TMR比。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的隧道磁阻元件的制造方法，其中，
在通过所述干法蚀刻工序暴露出的所述CoFeB层之上将软磁性层成膜。
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