JP2003023190A - Method for fabricating magnetic tunnel element and element fabricated by that method - Google Patents

Method for fabricating magnetic tunnel element and element fabricated by that method

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JP2003023190A
JP2003023190A JP2001204695A JP2001204695A JP2003023190A JP 2003023190 A JP2003023190 A JP 2003023190A JP 2001204695 A JP2001204695 A JP 2001204695A JP 2001204695 A JP2001204695 A JP 2001204695A JP 2003023190 A JP2003023190 A JP 2003023190A
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plasma
magnetic tunnel
mhz
film
frequency
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JP2001204695A
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Japanese (ja)
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Akio Koganei
昭雄 小金井
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Canon Inc
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Canon Inc
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    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F41/307Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices applying the spacer or adjusting its interface, e.g. in order to enable particular effect different from exchange coupling insulating or semiconductive spacer

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for fabricating a magnetic tunnel element exhibiting high cost performance and productivity by forming a good magnetic tunnel film through a plasma reforming process, and an element fabricated by that method. SOLUTION: In the method for fabricating a magnetic tunnel element comprising two ferromagnetic layers and a nonmagnetic layer located between, the nonmagnetic layer is formed on a first ferromagnetic layer and then reformed by ultrashort wave plasma of 20 MHz or above. The process for reforming the nonmagnetic layer is oxidation and the not yet reformed nonmagnetic layer may be a metal film or an insulating film. The ultrashort wave is preferably in the range of 20-300 MHz.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は磁気トンネル素子の
作製方法及びその方法で作製した素子に関し、さらに詳
しくは、トンネル膜となる非磁性層をプラズマによって
改質するプロセスによる磁気トンネル素子の作製方法及
びその方法で作製した素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a magnetic tunnel element and an element manufactured by the method, and more specifically, a method of manufacturing a magnetic tunnel element by a process of modifying a nonmagnetic layer to be a tunnel film with plasma. And an element manufactured by the method.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、非磁性層を強磁性層の間にはさみ
込んだ磁気抵抗膜で巨大磁気抵抗効果(Giant Magneto-
Resistance)が発見され、この巨大磁気抵抗効果を利用
した磁気センサー、メモリ素子(以下、MRAM:Magn
etic Random Access Memory)が注目を集めている。中
でも非磁性層をAl23等の絶縁体とした磁気トンネル
(以下、TMR:Tunnel Magneto-Resistance)素子で
は高い磁気抵抗比が得られることから、MRAMや磁気
ヘッドの実用化に向け開発が加速している。
2. Description of the Related Art In recent years, a giant magnetoresistive effect (Giant Magneto-
Resistance) was discovered, and magnetic sensors and memory devices (hereinafter referred to as MRAM: Magn) that utilize this giant magnetoresistive effect.
etic Random Access Memory) is attracting attention. In particular, a magnetic tunnel (hereinafter, TMR: Tunnel Magneto-Resistance) element using a non-magnetic layer as an insulator such as Al 2 O 3 can obtain a high magnetoresistive ratio, so that it is developed for practical use of an MRAM or a magnetic head. It is accelerating.

【0003】MRAMや磁気ヘッドに使用するためには
TMR素子の抵抗を1〜1000Ωμm2程度に下げる
必要がある。TMR素子のトンネル膜となる絶縁体の作
製方法に関しては、ベースとなる金属膜をスパッタリン
グ等で成膜後、後処理で絶縁膜化する方法が主流であ
る。トンネル膜のベースとなる金属としてはアルミニウ
ムの報告例が多く、後処理による絶縁膜化としては、酸
化や窒化等が考えられるが、酸化の報告例が多い。従っ
てAl23の報告例が最も多い。後処理のプロセスとし
ては自然酸化、プラズマ酸化、ラジカル酸化、オゾン酸
化、UV酸化等が提案されている。
In order to use it for an MRAM or a magnetic head, it is necessary to reduce the resistance of the TMR element to about 1 to 1000 Ωμm 2 . Regarding the method of manufacturing the insulator that will be the tunnel film of the TMR element, the method of forming a base metal film by sputtering or the like and then making it an insulating film by post-treatment is the mainstream. Aluminum is often reported as the base metal of the tunnel film, and oxidation and nitridation are considered as the insulating film formed by the post-treatment, but there are many reports of oxidation. Therefore, the most reported example is Al 2 O 3 . As a post-treatment process, natural oxidation, plasma oxidation, radical oxidation, ozone oxidation, UV oxidation and the like have been proposed.

【0004】TMR素子の抵抗を低抵抗化するにはマイ
ルドな酸化が期待できる自然酸化が良いとされている。
しかし、自然酸化の場合、数分〜数時間の放置時間を要
する。生産性を考慮すると、よりスピードの速いプロセ
スが必要である。
To reduce the resistance of the TMR element, natural oxidation, which can be expected to be mild oxidation, is considered to be good.
However, natural oxidation requires a standing time of several minutes to several hours. Considering productivity, a faster process is needed.

【0005】プラズマ酸化やラジカル酸化はスピードの
速いプロセス候補の一つである。数秒〜数百秒の処理時
間で所望の特性が得られることから高い生産性を得るこ
とができる。
Plasma oxidation and radical oxidation are one of the fast process candidates. High productivity can be obtained because desired characteristics can be obtained within a processing time of several seconds to several hundred seconds.

【0006】プラズマ酸化には基板バイアスプラズマや
誘導結合プラズマ(ICP)等の公知例があり、ラジカ
ル酸化にはECRプラズマ等の公知例がある。例えばI
CPプラズマの公知例としては特開2000−0999
22号公報が挙げられ、ECRプラズマの公知例として
は日本応用磁気学会誌23, 1277−1280(1
999)が挙げられる。
There are known examples of substrate bias plasma and inductively coupled plasma (ICP) for plasma oxidation, and known examples of ECR plasma for radical oxidation. For example I
As a known example of CP plasma, there is JP-A-2000-0999.
No. 22 publication, and as a known example of ECR plasma, the Japan Society for Applied Magnetics, 23, 1277-1280 (1
999).

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、13.
56MHzのRFプラズマはセルフバイアスが大きいた
め、RFプラズマによる後処理ではイオン照射によって
トンネル膜にダメージが起きるという課題があった。ト
ンネル膜の厚さは1nm程度で、原子にして数個〜数十
個という非常に薄い膜である。このため、照射されるイ
オンの運動エネルギーが高いとトンネル膜を容易に突き
抜けてしまう。突き抜けた個所はリーク源となるため問
題となる。
[Problems to be Solved by the Invention] However, 13.
Since the 56 MHz RF plasma has a large self-bias, there is a problem that the post-treatment with the RF plasma causes damage to the tunnel film due to ion irradiation. The tunnel film has a thickness of about 1 nm and is a very thin film of several to several tens of atoms. For this reason, if the kinetic energy of the irradiated ions is high, the ions easily penetrate through the tunnel film. The point that penetrates becomes a problem because it becomes a leak source.

【0008】ICPプラズマは、通常13.56MHz
のRFを使用している。特開2000−099922号
公報には周波数の記載はないが、ICPプラズマでは真
空チャンバ内に導入したコイルに高周波電力を印加する
ため、素子側にRFを印加する場合と比べてエッチング
損傷が生じないとしている。しかしながら、よりマイル
ドな酸化を志向する場合、あるいは、より薄いベース膜
を使う場合に対しては、イオン進入ダメージが生じてし
まうという問題がある。
ICP plasma is usually 13.56 MHz
RF is used. JP-A 2000-099922 does not describe the frequency, but in ICP plasma, high frequency power is applied to the coil introduced into the vacuum chamber, so that etching damage does not occur as compared with the case where RF is applied to the element side. I am trying. However, there is a problem that ion penetration damage occurs when a milder oxidation is intended or when a thinner base film is used.

【0009】ECRプラズマは、マイクロ波放電により
プラズマを生成し、イオン加速用の電極によりイオンを
引き出すため、プラズマのエネルギとイオンの加速電圧
を独立に制御することができるメリットがある。しかし
ながら、電子サイクロトロン共鳴を引き起こすために2
450MHzの場合で875Gaussの強磁場が必要
なこと、及び、マイクロ波の伝送に導波管が必要となる
ため、装置が大掛かりになり、費用がかかるという問題
があった。
ECR plasma has a merit that plasma energy and ion accelerating voltage can be controlled independently because plasma is generated by microwave discharge and ions are extracted by an ion accelerating electrode. However, to induce electron cyclotron resonance, 2
Since a strong magnetic field of 875 Gauss is required in the case of 450 MHz, and a waveguide is required for microwave transmission, there is a problem that the device becomes large in size and costly.

【0010】TMR素子のトンネル膜となる絶縁体の作
製方法は、先に述べた方法以外にも、絶縁体のダイレク
トスパッタが考えられるが、ターゲット材と比べて酸化
物の場合は酸素の欠損が生じる。従って、反応性スパッ
タリングを行うか、もしくは、後処理でプラズマに晒す
ことで不足する元素を補充する必要がある。しかしなが
ら、13.56MHzのRFプラズマでは、導入したガ
スの分解効率が低いため、活性なラジカルやイオンが十
分生成されないために補充が十分行われないという問題
があった。
In addition to the above-mentioned methods, direct sputtering of the insulator can be considered as a method of manufacturing the insulator which will be the tunnel film of the TMR element. Occurs. Therefore, it is necessary to supplement the deficient element by performing reactive sputtering or exposing it to plasma in the post-treatment. However, in the RF plasma of 13.56 MHz, the efficiency of decomposing the introduced gas is low, so that there is a problem that the active radicals and ions are not sufficiently generated, and thus the replenishment is not sufficiently performed.

【0011】本発明は上述したような従来の技術が有す
る様々な問題点に鑑みてなされたものであって、本発明
の第1の目的は、良好なトンネル膜を作製するためのプ
ラズマ改質プロセスを提供することにある。
The present invention has been made in view of various problems of the above-mentioned conventional techniques, and the first object of the present invention is to perform plasma modification for producing a good tunnel film. To provide the process.

【0012】本発明の第2の目的は、コストパフォーマ
ンスと生産性の高いプラズマ改質プロセスを提供するこ
とにある。
A second object of the present invention is to provide a plasma reforming process with high cost performance and high productivity.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】かかる問題点を解決する
手段を鋭意検討した結果、以下の方法が優れることを確
認した。
[Means for Solving the Problems] As a result of extensive studies on means for solving such problems, the following method was confirmed to be excellent.

【0014】すなわち本発明の第1の視点は、2つの強
磁性層とその間に位置する非磁性層からなる磁気トンネ
ル素子の作製方法において、第1の強磁性層の上に非磁
性層を積層した後に20MHz以上の超短波プラズマに
よって非磁性層を改質することを特徴とすることであ
る。
That is, a first aspect of the present invention is a method of manufacturing a magnetic tunnel element comprising two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer located between them, wherein a non-magnetic layer is laminated on the first ferromagnetic layer. After that, the non-magnetic layer is modified by ultra-high frequency plasma of 20 MHz or more.

【0015】本発明の第2の視点は、第1の視点におい
て非磁性層を改質するプロセスが酸化であることであ
る。
A second aspect of the present invention is that, in the first aspect, the process for modifying the nonmagnetic layer is oxidation.

【0016】本発明の第3の視点は、第2の視点におい
て、改質前の非磁性層が金属膜であることである。
A third aspect of the present invention is that, in the second aspect, the non-magnetic layer before modification is a metal film.

【0017】本発明の第4の視点は、第2の視点におい
て、改質前の非磁性層が絶縁膜であることである。
A fourth aspect of the present invention is that, in the second aspect, the nonmagnetic layer before modification is an insulating film.

【0018】本発明の第5の視点は、第3または第4の
視点において超短波が20−300MHzの範囲にある
ことである。
A fifth aspect of the present invention is that the ultrashort wave is in the range of 20-300 MHz in the third or fourth aspect.

【0019】本発明の第6の視点は、第1から第5のい
ずれか一項の磁気トンネル素子の作製方法により作製し
た磁気トンネル素子である。
A sixth aspect of the present invention is a magnetic tunnel element manufactured by the method for manufacturing a magnetic tunnel element according to any one of the first to fifth aspects.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】本発明は、RFよりも周波数が高
く、マイクロ波よりも周波数が低い超短波で生成したプ
ラズマを利用することで、イオンダメージを制御しつつ
高速なプラズマ改質プロセスを得るものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention utilizes plasma generated by ultrashort waves having a frequency higher than RF and lower than microwaves to obtain a high-speed plasma reforming process while controlling ion damage. It is a thing.

【0021】なお、本発明において、「RF」は13.
56MHzの工業用周波数、「超短波」は20MHz以
上1GHz未満のメガヘルツ(MHz)帯の周波数、
「マイクロ波」は1GHz以上1THz未満のギガヘル
ツ(GHz)帯の周波数、「高周波」はキロヘルツ(k
Hz)以上の周波数を指すこととする。
In the present invention, "RF" is 13.
Industrial frequency of 56MHz, "ultra high frequency" is the frequency of 20MHz or more and less than 1GHz in the megahertz (MHz) band,
“Microwave” is a frequency in the gigahertz (GHz) band of 1 GHz or more and less than 1 THz, and “high frequency” is kilohertz (k).
Hz) and above.

【0022】高周波プラズマでは、質量の軽い電子が電
界に追随してカソード−アノード間を高速移動するのに
対し、イオンは放電空間中でほとんど移動せずに滞在す
るため大きな電界を生じることなく放電が維持される。
このため、放電維持のために発生するプラズマ空間電位
は電源周波数が高い方が低くなる傾向にあり、300M
Hz付近で飽和する。イオンが基板に突入する加速電界
は、プラズマ空間電位から基板電位を差し引いた値で定
義され、300MHz以上ではほぼ同じ値に収束する。
すなわち、13.56MHzよりも高い20MHz以上
の周波数ではイオンダメージの少ないプラズマを得るこ
とになる。
In high-frequency plasma, electrons having a light mass move at high speed between the cathode and the anode following the electric field, whereas ions stay in the discharge space with almost no movement, so that a large electric field is not generated. Is maintained.
Therefore, the plasma space potential generated for sustaining the discharge tends to become lower as the power supply frequency becomes higher.
Saturates around Hz. The accelerating electric field in which ions plunge into the substrate is defined by a value obtained by subtracting the substrate potential from the plasma space potential, and converges to almost the same value at 300 MHz or higher.
That is, plasma with less ion damage is obtained at a frequency of 20 MHz or higher, which is higher than 13.56 MHz.

【0023】このイオンダメージの少ないプラズマが得
られる効果は、20MHz以上の周波数のプラズマに対
して成り立つため、ECRプラズマに用いられる2GH
z帯のマイクロ波でも同様に成り立つ。しかし、この効
果は300MHz付近で飽和し、それ以上周波数を高め
てもさらにイオンダメージが低くなることはない。従っ
て、本発明で規定する20〜300MHzの範囲の周波
数を使ってプラズマによる改質プロセスを行うことで、
敢えて装置が大掛かりになる2GHz帯のマイクロ波E
CRを使用せずに同等な効果を得ることができる。
Since the effect of obtaining the plasma with less ion damage is established for the plasma having a frequency of 20 MHz or more, the 2GH used for the ECR plasma is used.
The same holds true for microwaves in the z band. However, this effect saturates in the vicinity of 300 MHz, and ion damage does not decrease even if the frequency is further increased. Therefore, by performing the plasma modification process using the frequency range of 20 to 300 MHz specified in the present invention,
2GHz microwave E
An equivalent effect can be obtained without using CR.

【0024】また、本発明はプラズマとの結合方式に囚
われる必要がない。従って、一般的な容量結合プラズマ
だけでなく、ICPプラズマにも適応することができ
る。すなわち、20〜300MHzの範囲の周波数を使
ってICPプラズマを発生させ、それを使った改質プロ
セスを行うことで、結合方式によるメリットも享受する
ことができる。
Further, the present invention does not have to be bound by the method of coupling with plasma. Therefore, not only general capacitively coupled plasma but also ICP plasma can be applied. That is, by generating an ICP plasma using a frequency in the range of 20 to 300 MHz and performing a reforming process using the ICP plasma, the merit of the coupling method can be enjoyed.

【0025】さらに、プラズマを発生させる電源周波数
を高めていくと、電子がイオンや原料ガスに衝突する頻
度が高いため、ガスの電離度が高くなる。そのため原料
ガスが良く分解するだけでなく、反応性の高いイオンや
ラジカルを大量に含むプラズマが生成されるため、プラ
ズマ改質プロセスが自然酸化と比べ高速で進むことにな
る。従って本発明の技術を用いれば、高効率にガスの分
解が可能なので投入パワーを上げずにプラズマ改質プロ
セスを実行することができる。
Further, if the frequency of the power source for generating the plasma is increased, the frequency with which electrons collide with the ions and the raw material gas increases, and the ionization degree of the gas increases. Therefore, not only the raw material gas is decomposed well, but also a plasma containing a large amount of highly reactive ions and radicals is generated, so that the plasma reforming process proceeds faster than natural oxidation. Therefore, by using the technique of the present invention, the gas can be decomposed with high efficiency, so that the plasma reforming process can be executed without increasing the input power.

【0026】[0026]

【実施例】以下に実施例を挙げながら本発明の詳細を説
明する。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to examples.

【0027】(実施例1)プラズマを用いたプラズマ改
質プロセスを評価するには、実際に作製した絶縁膜と併
せてプラズマの特性を調べることが必要である。電源周
波数がプラズマ特性にどのような変化を与えるか調べる
実験を行った。
(Embodiment 1) In order to evaluate the plasma reforming process using plasma, it is necessary to examine the characteristics of the plasma together with the actually produced insulating film. An experiment was conducted to examine how the power supply frequency changes the plasma characteristics.

【0028】図2は本発明の効果を確認するために用い
た真空装置の模式図である。図2の真空装置は、真空チ
ャンバ201と、超短波を給電するカソード202と、
真空ポンプへと繋がる排気系203と、アノード上に位
置する基板204と、超短波電源205と、マッチング
ボックス206と、ガス供給系207と、プラズマ診断
装置208と、プラズマ診断用プローブ209により構
成されている。
FIG. 2 is a schematic view of a vacuum device used to confirm the effects of the present invention. The vacuum apparatus of FIG. 2 includes a vacuum chamber 201, a cathode 202 for supplying ultrashort waves,
It is composed of an exhaust system 203 connected to a vacuum pump, a substrate 204 located on the anode, a microwave power supply 205, a matching box 206, a gas supply system 207, a plasma diagnostic device 208, and a plasma diagnostic probe 209. There is.

【0029】実施例の真空装置は、排気系203を用い
て真空チャンバ201内を減圧し、10-6Paの到達圧
に達した後、ガス供給系207を制御して微量のプラズ
マ生成ガスを真空チャンバ201内に導入する。このと
き、カソード202に超短波電源205の出力を供給
し、マッチングボックス206を調整すると、プラズマ
がカソード202とアノード上にある基板204との間
に生成する。このようにして発生したプラズマのプラズ
マ諸量をプラズマ診断用プローブ209で測定し、プラ
ズマ診断装置208で解析した。
In the vacuum apparatus of the embodiment, the pressure in the vacuum chamber 201 is reduced by using the exhaust system 203, and after reaching the ultimate pressure of 10 −6 Pa, the gas supply system 207 is controlled to generate a small amount of plasma generating gas. It is introduced into the vacuum chamber 201. At this time, when the output of the microwave power supply 205 is supplied to the cathode 202 and the matching box 206 is adjusted, plasma is generated between the cathode 202 and the substrate 204 on the anode. The various plasma amounts of the plasma thus generated were measured by the plasma diagnostic probe 209 and analyzed by the plasma diagnostic device 208.

【0030】プラズマ生成ガスは、アノードやカソード
202、プラズマ診断用プローブ209等を構成する材
料との反応が生じないArとした。本発明の本質に関与
しない事項は省略して示した。例えば、実際の排気系2
03はターボ分子ポンプとドライポンプ及び複数のバル
ブで構成されるが、これらの表記は省略している。
The plasma generating gas was Ar, which does not react with the materials forming the anode and cathode 202, the plasma diagnostic probe 209 and the like. Matters not related to the essence of the present invention are omitted. For example, the actual exhaust system 2
Reference numeral 03 is composed of a turbo molecular pump, a dry pump, and a plurality of valves, but these notations are omitted.

【0031】超短波電源5の出力を10MHzから30
0MHzまで変化させた場合の電子密度、プラズマ空間
電位、セルフバイアスを測定した結果を図3〜5に示
す。圧力0.1Pa,Arガス流量30sccm,電源
電圧200Vで統一してある。
The output of the ultra high frequency power supply 5 is changed from 10 MHz to 30
3 to 5 show the results of measuring the electron density, plasma space potential, and self-bias when the frequency was changed to 0 MHz. The pressure is 0.1 Pa, the Ar gas flow rate is 30 sccm, and the power supply voltage is 200 V.

【0032】図3に示す電子密度は電源周波数の増加に
従い、100MHz程度まで10の8乗台から9乗台ま
で増加するが、100−300MHz間では10MHz
よりは高いレベルで飽和傾向にある。電子密度は、プラ
ズマとしてガスが電離している量を示すことになるた
め、電子密度が高いプラズマの方が、活性なイオンやラ
ジカルが生成していることが明らかである。すなわち、
13.56MHzより高い周波数では、より反応性の高
いプラズマが得られている。
The electron density shown in FIG. 3 increases from the 8th power of 10 to the 9th power up to about 100 MHz in accordance with the increase of the power supply frequency.
It tends to saturate at higher levels. Since the electron density indicates the amount of gas ionized as plasma, it is clear that plasma having a higher electron density produces active ions and radicals. That is,
At frequencies higher than 13.56 MHz, more reactive plasma is obtained.

【0033】図4に示すプラズマ空間電位は電源周波数
の増加に従い、30MHzまでに45Vから20V付近
まで急激に低下するが、それ以降は同じレベルで推移す
る。周波数が高いプラズマでは、質量の軽い電子が電界
に追随して高速移動するのに対し、イオンは空間中にほ
とんど移動せずに滞在するため大きな電界を生じること
なく放電が維持される。このため、放電維持のために発
生するプラズマ空間電位は低くなっている。基板をアノ
ードに配置するとすれば、低いプラズマ空間電位から接
地電位にあるアノードに突入する。電源周波数が高い方
がプラズマ空間電位は低いため、突入するイオンのエネ
ルギは高周波側で低くなる。すなわち、13.56MH
zより高い周波数では、イオンダメージの少ないプラズ
マが得られている。
The plasma space potential shown in FIG. 4 drops sharply from 45 V to around 20 V by 30 MHz as the power supply frequency increases, but thereafter it changes at the same level. In plasma with a high frequency, electrons with a light mass move at high speed following the electric field, while ions stay in the space with almost no movement, so that the discharge is maintained without generating a large electric field. Therefore, the plasma space potential generated for sustaining the discharge is low. If the substrate were placed on the anode, it would rush from the low plasma space potential to the anode at ground potential. Since the plasma space potential is lower as the power supply frequency is higher, the energy of rushing ions is lower on the high frequency side. That is, 13.56 MH
At frequencies higher than z, plasma with less ion damage is obtained.

【0034】図5に示すセルフバイアスは電源周波数の
増加に従い90MHz程度まで25Vから1V程度まで
減少し、それ以降は同じレベルで推移する。セルフバイ
アスは、プラズマとして電気的中性が保たれている領域
の外側に位置するイオンシースでイオンが加速してカソ
ードに突入する加速電界として機能する。従って、カソ
ードに基板を配置する場合には、セルフバイアスが高
いプラズマの方が、基板に突入するエネルギが高いため
イオンダメージが大きいことは明らかである。また、セ
ルフバイアスが高いということはプラズマ空間電位が高
いということと同義であるケースが多いため、アノード
上に基板がある場合においても同様な関係が成立する。
すなわち、上記のケースでは電源周波数が高い方がセル
フバイアスは小さいため、13.56MHzより高い周
波数では、よりイオンダメージの少ないプラズマが得ら
れている。
The self-bias shown in FIG. 5 decreases from about 25 V to about 1 V up to about 90 MHz as the power supply frequency increases, and thereafter changes at the same level. The self-bias functions as an accelerating electric field in which ions are accelerated by an ion sheath located outside the region where electrical neutrality is maintained as plasma and plunge into the cathode. Therefore, when the substrate is placed on the cathode , it is clear that the plasma having a higher self-bias has a larger ion damage because the energy that rushes into the substrate is higher. In addition, since a high self-bias is often synonymous with a high plasma space potential, the same relationship holds even when the substrate is on the anode.
That is, in the above case, the higher the power supply frequency is, the smaller the self-bias is, so that the plasma with less ion damage is obtained at the frequency higher than 13.56 MHz.

【0035】以上の3点から、電源周波数を従来の1
3.56MHzより高い20〜300MHzの周波数と
することで、プラズマ特性としてプラズマ改質プロセス
に相応しい特性を持つことが明らかになった。
From the above three points, the power supply frequency is set to 1
By setting the frequency to 20 to 300 MHz higher than 3.56 MHz, it was revealed that the plasma characteristics have characteristics suitable for the plasma reforming process.

【0036】(実施例2)電源周波数として本発明であ
る20MHz以上の周波数を使用してTMR素子を作製
し、トンネル膜化する以前の金属ベース膜を薄くできる
限界膜厚を比較することでトンネル膜の膜質を評価し
た。プラズマ改質プロセスとしてはプラズマ酸化を行っ
た。
(Example 2) A TMR element was manufactured by using a frequency of 20 MHz or more of the present invention as a power supply frequency, and a limit film thickness at which a metal base film before forming a tunnel film can be thinned is compared to obtain a tunnel. The film quality of the film was evaluated. Plasma oxidation was performed as the plasma reforming process.

【0037】図1は素子作製に用いた装置を示す模式図
である。素子作製に用いた装置は、真空チャンバ101
と、サンプルを配置するアノード102と、真空ポンプ
へと繋がる排気系103と、アノード上に位置する基板
104と、ターゲット電極105と、DC電源106
と、ガス供給系107と、マッチングボックス108、
111と、超短波用リングカソード109と、バイアス
電源110と、超短波電源112と、RF電源113に
より構成されている。本装置を用いることで、スパッタ
リング成膜とプラズマ改質プロセスを同一装置内で真空
を破らずに処理することができる。マッチングボックス
108、RF電源113を使うことで基板バイアススパ
ッタを行うこともできる。本発明の本質に関与しない事
項は省略した。例えば、実際の装置では多層膜を構成す
るため複数のターゲット電極やそれに付随する電源類が
存在する。また、成膜時間の管理と膜質の安定化を図る
ためのシャッター機構、真空計、電流導入端子等は省略
してある。
FIG. 1 is a schematic view showing an apparatus used for manufacturing an element. The device used for element production is a vacuum chamber 101.
An anode 102 on which a sample is placed, an exhaust system 103 connected to a vacuum pump, a substrate 104 located on the anode, a target electrode 105, and a DC power source 106.
A gas supply system 107, a matching box 108,
111, an ultrashort-wave ring cathode 109, a bias power supply 110, an ultrashort-wave power supply 112, and an RF power supply 113. By using this apparatus, the sputtering film formation and the plasma reforming process can be processed in the same apparatus without breaking the vacuum. Substrate bias sputtering can also be performed by using the matching box 108 and the RF power source 113. Matters that are not related to the essence of the present invention are omitted. For example, in an actual device, there are a plurality of target electrodes and their associated power supplies in order to form a multilayer film. Further, a shutter mechanism, a vacuum gauge, a current introduction terminal and the like for controlling the film formation time and stabilizing the film quality are omitted.

【0038】素子の加工はフォトリソグラフィとリフト
オフで行った。
The element was processed by photolithography and lift-off.

【0039】図6は加工プロセスを示す。図6(a)に
おいて、基板P1に対し、下部電極P2,第1磁性層P
3,非磁性層P4をスパッタ成膜する。次に本発明のプ
ラズマ改質プロセスを実施して非磁性層P4をトンネル
膜に改質する。次に、到達圧に達した後、第2磁性層P
5、反強磁性層P6、キャップ層P7を成膜して、磁気
抵抗膜を作製する。図6(b)はここまでの成膜が終了
した様子を示す。トンネル接合を規定する微細加工を施
し、同じマスクを使うセルフアライメントによって絶縁
膜P8の成膜及び加工を行う。図6(c)は絶縁膜P8
の加工まで終了した様子を示すもので中央のA部がトン
ネル接合部、両側は電極を取り出すパッド部に相当す
る。パッド部のトンネル接合部B,Cは素子特性を評価
する際プローブによって貫通される。最終的に上部電極
P9を成膜後リフトオフして作製し、素子が完成する。
図6(d)は完成した様子を示す。
FIG. 6 shows a machining process. In FIG. 6A, the lower electrode P2 and the first magnetic layer P are formed on the substrate P1.
3, the nonmagnetic layer P4 is formed by sputtering. Next, the plasma modification process of the present invention is performed to modify the nonmagnetic layer P4 into a tunnel film. Next, after reaching the ultimate pressure, the second magnetic layer P
5, the antiferromagnetic layer P6 and the cap layer P7 are formed to form a magnetoresistive film. FIG. 6B shows a state in which the film formation so far is completed. The fine processing for defining the tunnel junction is performed, and the insulating film P8 is formed and processed by self-alignment using the same mask. FIG. 6C shows the insulating film P8.
In the figure, the state A is completed, and the central portion A corresponds to the tunnel junction portion, and both sides correspond to the pad portions for taking out the electrodes. The tunnel junctions B and C of the pad portion are penetrated by the probe when evaluating the device characteristics. Finally, the upper electrode P9 is formed and lifted off to manufacture the device.
FIG. 6D shows the completed state.

【0040】基板P1は、(1,0,0)の結晶方位を
持つ4インチSiウエハに熱酸化膜を1μm形成したも
のである。下部電極P2、第1磁性層P3、非磁性層P
4、第2磁性層P5、反強磁性層P6、キャップ層P
7、絶縁膜P8、上部電極P9の材質と膜厚を表1に示
す。
The substrate P1 is a 4-inch Si wafer having a crystal orientation of (1,0,0) and a thermal oxide film of 1 μm formed thereon. Lower electrode P2, first magnetic layer P3, non-magnetic layer P
4, second magnetic layer P5, antiferromagnetic layer P6, cap layer P
Table 1 shows the materials and film thicknesses of 7, the insulating film P8, and the upper electrode P9.

【0041】[0041]

【表1】 プラズマ改質プロセスは以下の手順で行った。基板P1
に対し、下部電極P2,第1磁性層P3を順次スパッタ
成膜した後、非磁性層P4のベース膜となる金属として
Alを1nmスパッタした。次に真空チャンバ101内
にO2ガスを30sccm導入して圧力を0.5Paに
保ち、基板の乗ったアノード102にバイアス1Vを印
加した。超短波用リングカソード109に10W、30
秒の超短波を加えてプラズマを生成しプラズマ酸化によ
るプラズマ改質プロセスを完了した。
[Table 1] The plasma modification process was performed according to the following procedure. Substrate P1
On the other hand, the lower electrode P2 and the first magnetic layer P3 were sequentially formed by sputtering, and then Al was sputtered by 1 nm as a metal to be the base film of the nonmagnetic layer P4. Next, 30 sccm of O 2 gas was introduced into the vacuum chamber 101 to maintain the pressure at 0.5 Pa, and a bias of 1 V was applied to the anode 102 on which the substrate was placed. 10W, 30 for ring cathode 109
The plasma reforming process by the plasma oxidation was completed by adding the ultra short wave of the second to generate the plasma.

【0042】ベース膜となるAlの膜厚と周波数をパラ
メータとして他の条件を固定して、抵抗がショートとな
る限界膜厚を測定した。プロセスのばらつきに起因する
抵抗値の変化を考慮し、各膜厚において10点以上のサ
ンプルを用意し、1Ω以下となるショート率が50%を
超えたものをショートと見なした。結果を表2に示す。
13.56MHzと比べより高い周波数で酸化した場合
には限界膜厚をより薄くすることができた。
The limit film thickness at which the resistance is short-circuited was measured by fixing other conditions with the film thickness of Al serving as the base film and the frequency as parameters. Considering the change in resistance value due to process variations, samples of 10 points or more were prepared for each film thickness, and a short circuit rate of 1 Ω or less exceeding 50% was regarded as a short circuit. The results are shown in Table 2.
When oxidized at a higher frequency than 13.56 MHz, the limiting film thickness could be made thinner.

【0043】[0043]

【表2】 (実施例3)絶縁体のダイレクトスパッタによるトンネ
ル膜の改質効果を確認するため、本発明である20MH
z以上の周波数を使用してプラズマ改質したTMR素子
とプラズマ改質しない素子を作製してトンネル抵抗の比
較を行った。プラズマ改質プロセスとしてはプラズマ酸
化を行った。
[Table 2] (Embodiment 3) In order to confirm the effect of modifying the tunnel film by direct sputtering of the insulator, 20MH of the present invention was used.
A tunnel resistance was compared by making a TMR element that was plasma-modified and an element that was not plasma-modified using a frequency of z or higher. Plasma oxidation was performed as the plasma reforming process.

【0044】素子の作製プロセスは実施例2と同様な方
法で図6に沿って行った。プラズマ改質プロセスは以下
の手順で行った。基板P1に対し、下部電極P2,第1
磁性層P3を順次スパッタ成膜した後、非磁性層P4の
ベース膜となる金属としてAl23を1.5nmスパッ
タした。次に真空チャンバ101内にO2ガスを30s
ccm導入して圧力を0.5Paに保ち、基板の乗った
アノード102にバイアス1Vを印加した。超短波用リ
ングカソード109に100MHz、10W、30秒の
超短波を加えてプラズマを生成しプラズマ酸化によるプ
ラズマ改質プロセスを完了した。
The manufacturing process of the device was performed in the same manner as in Example 2 along with FIG. The plasma modification process was performed according to the following procedure. For the substrate P1, the lower electrode P2 and the first electrode
After sequentially forming the magnetic layer P3 by sputtering, Al 2 O 3 was sputtered by 1.5 nm as a metal to be the base film of the non-magnetic layer P4. Then, the vacuum chamber 101 is filled with O 2 gas for 30 s.
The pressure was maintained at 0.5 Pa by introducing ccm, and a bias of 1 V was applied to the anode 102 on the substrate. Ultrashort waves of 100 MHz, 10 W, and 30 seconds were applied to the ultrashort-wave ring cathode 109 to generate plasma, and the plasma modification process by plasma oxidation was completed.

【0045】プラズマ改質プロセスの有無による抵抗を
比較した。結果を表3に示す。RAは面積で規格化した
抵抗値で単位はΩμm2である。測定に供したサンプル
のトンネル接合サイズは10μm角なので、例えばRA
=1MΩμm2ならば、素子抵抗は10kΩとなる。プ
ラズマ酸化した場合にはしないものと比べ抵抗値が高く
なった。酸化が均一に行われ、ダイレクトスパッタ膜中
に含まれるトラップが消滅したものと考えられる。イオ
ンダメージを与えることなくトンネル膜を改質すること
ができた。
The resistance was compared with and without the plasma modification process. The results are shown in Table 3. RA is a resistance value normalized by area, and its unit is Ωμm 2 . Since the tunnel junction size of the sample used for measurement is 10 μm square, for example RA
If = 1 MΩμm 2 , the element resistance is 10 kΩ. The resistance value was higher in the case of plasma oxidation than in the case of no plasma oxidation. It is considered that the oxidation was performed uniformly and the traps contained in the direct sputtered film disappeared. The tunnel film could be modified without causing ion damage.

【0046】[0046]

【表3】 [Table 3]

【0047】[0047]

【発明の効果】本発明は、RFよりも周波数が高く、マ
イクロ波よりも周波数が低い超短波で生成したプラズマ
を利用することで、良好なトンネル膜を作製するための
プラズマ改質プロセスが得られる。またコストパフォー
マンスと生産性の高いプラズマ改質プロセスが得られる
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a plasma reforming process for producing a good tunnel film can be obtained by utilizing plasma generated by ultrashort waves having a frequency higher than RF and a frequency lower than microwave. . In addition, a plasma reforming process with high cost performance and high productivity can be obtained.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明のトンネル素子を作製する装置構成図。FIG. 1 is a configuration diagram of an apparatus for producing a tunnel element of the present invention.

【図2】本発明のトンネル素子を作製する超短波プラズ
マによるプラズマ改質プロセスのプラズマ特性を調べる
のに使う装置の構成図。
FIG. 2 is a configuration diagram of an apparatus used for investigating plasma characteristics of a plasma reforming process using an ultra-short wave plasma for producing a tunnel element of the present invention.

【図3】実施例1の実験結果で周波数と電子密度の相関
を示すグラフ。
FIG. 3 is a graph showing the correlation between frequency and electron density in the experimental results of Example 1.

【図4】実施例1の実験結果で周波数とプラズマ空間電
位の相関を示すグラフ。
FIG. 4 is a graph showing the correlation between frequency and plasma space potential in the experimental results of Example 1.

【図5】実施例1の実験結果で周波数とセルフバイアス
の相関を示すグラフ。
FIG. 5 is a graph showing the correlation between frequency and self-bias in the experimental result of Example 1.

【図6】本発明のトンネル素子の作製方法を示す断面
図。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a tunnel element of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101, 201 真空チャンバ 102 アノード 103, 203 真空ポンプへと繋がる排気系 104, 204 基板 105 ターゲット電極 106 DC電源 107, 207 ガス供給系 108, 111, 206 マッチングボックス 109 リングカソード 110 バイアス電源 112, 205 超短波電源 113 RF電源 202 カソード 208 プラズマ診断装置 209 プラズマ診断用プローブ P1 基板 P2 下部電極 P3 第1磁性層 P4 非磁性層 P5 第2磁性層 P6 反強磁性層 P7 キャップ層 P8 絶縁膜 P9 上部電極 矢印A トンネル接合の位置を示す矢印 矢印B、C 電極パッド部に位置するトンネル接合を
示す矢印
101, 201 vacuum chamber 102 anode 103, 203 exhaust system 104, 204 substrate 105 target electrode 106 DC power supply 107, 207 gas supply system 108, 111, 206 matching box 109 ring cathode 110 bias power supply 112, 205 ultrashort wave Power source 113 RF power source 202 Cathode 208 Plasma diagnostic device 209 Plasma diagnostic probe P1 Substrate P2 Lower electrode P3 First magnetic layer P4 Nonmagnetic layer P5 Second magnetic layer P6 Antiferromagnetic layer P7 Cap layer P8 Insulating film P9 Upper electrode arrow A Arrows indicating the position of the tunnel junction Arrows B and C Arrows indicating the tunnel junction located at the electrode pad portion

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 2つの強磁性層とその間に位置する非磁
性層からなる磁気トンネル素子の作製方法において、第
1の強磁性層の上に非磁性層を積層した後に20MHz
以上の超短波プラズマによって非磁性層を改質すること
を特徴とする磁気トンネル素子の作製方法。
1. A method of manufacturing a magnetic tunnel element comprising two ferromagnetic layers and a non-magnetic layer located between the two ferromagnetic layers, wherein the non-magnetic layer is stacked on the first ferromagnetic layer and then 20 MHz.
A method for manufacturing a magnetic tunnel element, which comprises modifying the non-magnetic layer with the above ultra-short wave plasma.
【請求項2】 請求項1において非磁性層を改質するプ
ロセスが酸化であることを特徴とする磁気トンネル素子
の作製方法。
2. The method for manufacturing a magnetic tunnel element according to claim 1, wherein the process for modifying the nonmagnetic layer is oxidation.
【請求項3】 請求項2において、改質前の非磁性層が
金属膜であることを特徴とする磁気トンネル素子の作製
方法。
3. The method of manufacturing a magnetic tunnel element according to claim 2, wherein the non-magnetic layer before modification is a metal film.
【請求項4】 請求項2において、改質前の非磁性層が
絶縁膜であることを特徴とする磁気トンネル素子の作製
方法。
4. The method of manufacturing a magnetic tunnel element according to claim 2, wherein the nonmagnetic layer before modification is an insulating film.
【請求項5】 請求項3または4において超短波が20
−300MHzの範囲にあることを特徴とする磁気トン
ネル素子の作製方法。
5. The ultrashort wave according to claim 3 or 4,
A method for manufacturing a magnetic tunnel element, which is in the range of −300 MHz.
【請求項6】 請求項1から5のいずれか一項の磁気ト
ンネル素子の作製方法により作製した磁気トンネル素
子。
6. A magnetic tunnel element manufactured by the method for manufacturing a magnetic tunnel element according to claim 1.
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