JP2003218431A - 磁気トンネル接合素子の製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 磁気トンネル接合素子（ＴＭＲ素子）の製法
において、製造歩留りを向上させる。 【解決手段】 基板２０の絶縁膜２２上に下から順に第
１の導電材層、反強磁性層、第１の強磁性層、トンネル
バリア層、第２の強磁性層及び第２の導電材層を形成し
た後、第１の強磁性層（又は反強磁性層）から第２の導
電材層までの積層に選択エッチング処理を施して分離溝
３８を形成する。溝３８の側壁から堆積物を除去した
後、溝３８で分離された磁気トンネル接合部を覆って保
護用絶縁膜を形成し、この絶縁膜と第１の導電材層及び
反強磁性層の積層（又は第１の導電材層の単層）とにレ
ジスト層４２ａ，４２ｂを選択マスクとする選択エッチ
ング処理を施して分離溝４４を形成し、磁気トンネル接
合部に対応したＴＭＲ素子Ｔａ〜Ｔｃを得る。各ＴＭＲ
素子において、トンネルバリア層の端部が４０ａ等の絶
縁材で覆われるため、電気的な短絡やリーク等を防止で
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、磁気センサ等に
用いられる磁気トンネル接合素子の製法に関するもので
ある。この後の説明では、磁気トンネル接合素子をＴＭ
Ｒ素子と略記する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複数のＴＭＲ素子を備えた磁気セ
ンサの製法としては、図１８〜２３に示すものが提案さ
れている（例えば、本願と同一出願人の出願に係る特願
平１１−３６８７７６号参照）。

【０００３】図１８の工程では、シリコン基板１の表面
を覆う酸化シリコン膜２の上に下電極層としてのＣｒ層
３と、反強磁性層としてのＲｈ−Ｍｎ合金層４と、下強
磁性層としてのＮｉ−Ｆｅ合金層５とを順次に重ねてス
パッタ法で形成した後、Ｎｉ−Ｆｅ合金層５の上にＡｌ
層を形成して酸化することによりトンネルバリア層とし
てのアルミナ層６を形成し、アルミナ層６の上に上強磁
性層としてのＮｉ−Ｆｅ合金／Ｃｏ積層（Ｃｏが下層）
７と、上電極層としてのＭｏ層８とを順次に重ねてスパ
ッタ法で形成する。Ｍｏ層８の上には、それぞれ図１３
の２６ａ，２６ｂに示すような四辺形状のパターンを有
するレジスト層９ａ，９ｂを周知のホトリソグラフィ処
理により形成する。

【０００４】次に、図１９の工程では、レジスト層９
ａ，９ｂをマスクとする選択的イオンミリング処理によ
り層３〜８の積層に分離溝１０を酸化シリコン膜２に達
するように形成することにより該積層を層３〜８の部分
３ａ〜８ａからなる第１の積層部分と層３〜８の部分３
ｂ〜８ｂからなる第２の積層部分とに分離する。この
後、レジスト層９ａ，９ｂを除去する。

【０００５】図１９のイオンミリング工程では、図２４
に示したように分離溝１０の側壁に側壁堆積膜ＤＰ_１が
形成される。側壁堆積膜ＤＰ_１は、レジスト層９ａ，９
ｂがイオンミリングにより削られて生ずるレジスト変性
成分（有機物）を多量に含むもので、その他にも層３ａ
〜５ａ，７ａ，８ａの金属成分や酸化シリコン膜２の構
成成分等を含んでいる。

【０００６】図１９のレジスト除去工程では、レジスト
層９ａ，９ｂに対してＯ_２プラズマによるアッシング処
理を施した後、有機剥離液を用いて剥離処理を施す。し
かし、このような処理を施しても、側壁堆積膜ＤＰ_１を
完全に除去するのは困難であり、しかもレジスト残渣Ｒ
_１，Ｒ_２が残留する。レジスト残渣Ｒ_１，Ｒ_２は、レジ
スト層９ａ，９ｂに由来するレジスト変性成分の他に、
金属成分やＳｉＯ_２等の成分を含んでいるため、有機溶
媒等を用いるレジスト除去処理によって完全に除去する
のが困難である。

【０００７】図２０の工程では、図１９の工程で得られ
た第１及び第２の積層部分の上にそれぞれレジスト層９
ｃ，９ｄ及びレジスト層９ｅをホトリソグラフィ処理に
より形成する。レジスト層９ｃ，９ｄ，９ｅのパターン
は、図１３のＴａ，Ｔｂ，Ｔｃに示すような四辺形状の
パターンとする。

【０００８】図２１の工程では、レジスト層９ｃ〜９ｅ
をマスクとする選択的イオンミリング処理（又は選択的
ウエットエッチング処理）により第１及び第２の積層部
分に分離溝１２を層部分４ａ，４ｂに達するように形成
することによりＴＭＲ素子Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃを得る。Ｔ
ＭＲ素子Ｔａは、分離溝１０で囲まれた層３，４の部分
３ａ，４ａと分離溝１２で囲まれた層５〜８の部分５ａ
_１〜８ａ_１との積層からなり、ＴＭＲ素子Ｔｂは、分離
溝１０で囲まれた層３，４の部分３ａ，４ａと分離溝１
２で囲まれた層５〜８の部分５ａ_２〜８ａ_２との積層か
らなる。層部分３ａ，４ａの積層は、ＴＭＲ素子Ｔａ，
Ｔｂに共通の電極層であり、ＴＭＲ素子Ｔａ，Ｔｂを相
互接続している。ＴＭＲ素子Ｔｃは、分離溝１０で層部
分３ａ、４ａから分離された層３，４の部分３ｂ，４ｂ
と分離溝１２で囲まれた層５〜８の部分５ｂ〜８ｂとの
積層からなる。イオンミリング処理の後、レジスト層９
ｃ〜９ｅを除去する。

【０００９】図２１のイオンミリング工程では、図１９
の工程に関して前述したと同様にして図２５に示すよう
に分離溝１０，１２の側壁に側壁堆積膜ＤＰ_２，ＤＰ_３
が形成される。そして、図２１のレジスト除去工程で
は、図１９の工程に関して前述したと同様にしてアッシ
ング処理及び有機剥離液処理を行なうが、このようにし
ても、側壁堆積膜ＤＰ_２，ＤＰ_３を完全に除去するのが
困難であり、しかもレジスト残渣Ｒ_３〜Ｒ_６が残留す
る。側壁堆積膜ＤＰ_２，ＤＰ_３は、レジスト層９ｃ〜９
ｅがイオンミリングにより削られて生ずるレジスト変性
成分（有機物）を多量に含むもので、その他にも層３ａ
〜５ａ，７ａ、８ａの金属成分及び酸化シリコン膜２の
構成成分等を含んでおり、特に酸化シリコン膜２の構成
成分を含むことでレジスト除去工程での除去が困難にな
っている。レジスト残渣Ｒ_３〜Ｒ_６は、レジスト層９ｃ
〜９ｅに由来するレジスト変性成分を主体とするもので
ある。なお、図２１のレジスト除去工程では、分離溝１
２の側壁において側壁堆積膜ＤＰ_２がない個所にレジス
ト残渣が残留することもある。

【００１０】図２２の工程では、ＴＭＲ素子Ｔａ〜Ｔｃ
及び分離溝１０，１２を覆って基板上面にスパッタ法に
より層間絶縁膜としての酸化シリコン膜１３を形成す
る。そして、選択的イオンミリング処理によりＴＭＲ素
子Ｔａ〜ＴｃのＭｏ層８ａ_１，８ａ_２，８ｂにそれぞれ
対応する接続孔１３ａ〜１３ｃを酸化シリコン膜１３に
形成する。

【００１１】図２３の工程では、酸化シリコン膜１３の
上に接続孔１３ａ〜１３ｃを覆ってＡｌをスパッタ法で
被着した後、その被着層を選択的イオンミリング処理に
よりパターニングして配線層としてのＡｌ層１４ａ，１
４ｂを形成する。Ａｌ層１４ａは、接続孔１３ａを介し
てＴＭＲ素子ＴａのＭｏ層８ａ_１に接続され、Ａｌ層１
４ｂは、接続孔１３ｂ，１３ｃを介してＴＭＲ素子Ｔ
ｂ，ＴｃのＭｏ層８ａ_２，８ｂを相互接続する。この結
果、ＴＭＲ素子Ｔａ〜Ｔｃは、直列接続されたことにな
る。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術によ
ると、次の（ａ），（ｂ）のような問題点がある。

【００１３】（ａ）分離溝１２の側壁に側壁堆積膜ＤＰ
_２やレジスト残渣が残留すると、トンネルバリア層６ａ
の上下の金属層間で電気的な短絡やリークが生ずる原因
となり、歩留りの低下や素子特性の劣化を招く。また、
図２４，２５に示したようにレジスト残渣Ｒ_１〜Ｒ_６が
残留すると、パーティクル発生の原因となり、歩留りの
低下を招く。

【００１４】（ｂ）図２１のイオンミリング工程で分離
溝１２を形成する際に分離溝１０の底部で酸化シリコン
膜がエッチングされるため、分離溝１０の深さＤがエッ
チング分だけ増大し、分離溝１０の段差が急峻となる。
このため、図２２の工程でスパッタ法により酸化シリコ
ン膜１３を形成すると、分離溝１０の開口端近傍で膜欠
陥が生じやすく、図２３の工程でＡｌ層１４ｂを形成す
ると、Ａｌ層１４ｂと層部分４ａとが膜欠陥を介して短
絡する不良を生ずることがある。なお、スパッタ法に比
べて段差被覆性が良好なＣＶＤ（ケミカル・ベーパー・
デポジション）法は、膜欠陥は生じないものの、４００
℃程度の処理となり、ＴＭＲ素子が高温に弱いため、酸
化シリコン膜１３の形成に適していない。

【００１５】上記（ａ）の問題点に対処する方法として
は、酸又はアルカリ等の溶液により側壁堆積膜やレジス
ト残渣を除去する処理が考えられる。しかし、このよう
な処理は、極めて薄いトンネルバリア層にダメージを与
えたり、トンネルバリア層の上下の金属層をエッチング
して形状悪化を招いたりするので、得策でない。また、
レジスト変性成分を含む側壁堆積膜を有機溶媒等を用い
て除去する処理では、人体や環境に有害な物質を使用し
なければならず、有機廃液の処理のためにコスト上昇を
招く。

【００１６】上記（ａ）の問題点に関してＴＭＲ素子の
リーク電流を低減する方法としては、磁気トンネル接合
積層を選択的イオンミリング処理によりパターニングし
てＴＭＲ素子を形成する際に酸化性又は窒化性雰囲気中
でイオンミリングを行なうことによりＴＭＲ素子の側壁
に酸化物又は窒化物からなる絶縁層を形成するものが知
られている（例えば、特開２００１−５２３１６号公報
参照）。このようなイオンミリング処理を図２１の工程
で採用した場合、エッチング終点の検出に困難を伴うと
いう問題点がある。すなわち、図２１のイオンミリング
処理では、エッチング終点検出法としてプラズマ発光測
定法を用いることが多い。この方法を用いた場合、反強
磁性層としてのＲｈ−Ｍｎ合金層４ａ，４ｂの構成原子
に基づく発光を検出してイオンミリングを停止する。酸
化性又は窒化性雰囲気中でイオンミリングを行なう場
合、酸素又は窒素を含まない雰囲気中でイオンミリング
を行なう場合に比べてエッチレートが低下するため、単
位時間当りの励起原子の発生量が減少し、発光検出に必
要な信号強度が低下する。このため、エッチング終点の
検出精度が低下し、アンダーエッチングによりＴＭＲ素
子Ｔｂ，Ｔｃ間の短絡を招いたり、オーバーエッチング
によりＴＭＲ素子Ｔａ，Ｔｂ間で接続抵抗の増大（更に
は断線）を招いたりする。その上、図２１の工程の前に
分離溝１０を形成しておくと、図２１の工程においてＲ
ｈ−Ｍｎ合金層４ａ，４ｂの露出面積が分離溝１０に相
当する分だけ減少するため、発光検出に必要な信号強度
は更に低下することになる。従って、エッチング終点の
検出が一層困難となり、アンダーエッチング又はオーバ
ーエッチングが一層発生しやすくなる。

【００１７】上記（ｂ）の問題点に対処する方法として
は、図２１対応のイオンミリング工程の後、図１９対応
のイオンミリング工程を実施する方法が提案されている
（例えば、本願と同一出願人の出願に係る特願２００１
−２８８８０９号参照）。この方法によれば、分離溝１
２を形成した後、分離溝１０を形成することになるの
で、分離溝１０の段差を低くすることができ、層間絶縁
膜（酸化シリコン膜１３に対応）の膜欠陥に基づく配線
の短絡不良を防止することができる。また、図２１対応
のイオンミリング工程において分離溝１０がない分だけ
発光検出に必要な信号強度を増大させることができる。

【００１８】しかしながら、イオンミリングの選択マス
クとしてレジスト層（レジスト層９ａ〜９ｅに対応）を
用いるので、上記（ａ）と同様の問題点を免れない。例
えば、図２１対応のイオンミリング工程では、図２５に
示すように分離溝１２の側壁に側壁堆積膜ＤＰ_２が形成
されたり、図２１対応のレジスト除去工程では、側壁堆
積膜ＤＰ_２やレジスト残渣Ｒ_３〜Ｒ_５が残留したりす
る。また、図１９対応のイオンミリング工程に先立って
選択マスクとしてのレジスト層を形成する工程では、分
離溝１２の側壁にレジスト等が付着して汚染を招くこと
がある。さらに、図１９対応のイオンミリング工程で
は、図２５に示すように分離溝１０の側壁に側壁堆積膜
ＤＰ_３が形成されたり、図１９対応のレジスト除去工程
では、側壁堆積膜ＤＰ_３やレジスト残渣Ｒ_６が残留した
り、分離溝１２の側壁において側壁堆積膜ＤＰ_２がない
個所にレジスト残渣が残留したりする。従って、トンネ
ルバリア層６ａの上下の金属層間で電気的な短絡やリー
クが起こりやすい。

【００１９】この発明の目的は、上記のような問題点を
解決し、高い製造歩留りを得ることができる新規なＴＭ
Ｒ素子の製法を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】この発明に係るＴＭＲ素
子の製法は、基板の絶縁性の一主面に導電材層を介して
磁気トンネル接合積層を形成する工程であって、前記導
電材層の上に下から順に反強磁性層、第１の磁性層、ト
ンネルバリア層及び第２の磁性層を重ねて前記磁気トン
ネル接合積層を形成するものと、前記磁気トンネル接合
積層に所望の素子パターンに従って第１の選択エッチン
グ処理を施して前記磁気トンネル接合積層を前記反強磁
性層に達するまでエッチングすることにより前記第１の
磁性層、前記トンネルバリア層及び前記第２の磁性層の
各々の残存部分からなる磁気トンネル接合部を形成する
工程と、前記磁気トンネル接合部において前記トンネル
バリア層の端部に前記第１の選択エッチング処理の際に
堆積した堆積物を除去する工程と、前記堆積物を除去し
た後、前記磁気トンネル接合部と前記反強磁性層の露呈
部とを覆って保護用絶縁膜を形成する工程と、前記磁気
トンネル接合部と前記反強磁性層の露呈部とを所望の電
極パターンに従って覆うように前記保護用絶縁膜の上に
レジスト層を形成する工程と、前記レジスト層を選択マ
スクとする第２の選択エッチング処理を前記保護用絶縁
膜と前記導電材層及び前記反強磁性層の積層とに施すこ
とにより該積層の残存部分からなる電極層を前記磁気ト
ンネル接合部の下に形成する工程と、前記電極層を形成
した後、前記レジスト層を除去する工程とを含むもので
ある。

【００２１】この発明のＴＭＲ素子の製法によれば、第
１の磁性層、トンネルバリア層及び第２の磁性層を含む
積層に第１の選択エッチング処理を施して磁気トンネル
接合部を形成した後、トンネルバリア層の端部に第１の
選択エッチング処理の際に堆積した堆積物を除去してか
ら磁気トンネル接合部と反強磁性層の露呈部とを覆って
保護用絶縁膜を形成するので、磁気トンネル接合部の側
壁（特にトンネルバリア層の端部）において保護用絶縁
膜の下にエッチング生成物等が残留するのを防ぐことが
出来る。また、保護用絶縁膜の上にレジスト層を形成す
る際には、磁気トンネル接合部が保護用絶縁膜で覆われ
るため、磁気トンネル接合部の側壁（特にトンネルバリ
ア層の端部）にレジスト等が付着するのを防ぐことがで
きる。さらに、レジスト層を選択マスクとする第２のエ
ッチング処理により電極層を形成する際には、磁気トン
ネル接合部が保護用絶縁膜で覆われるため、磁気トンネ
ル接合部の側壁（特にトンネルバリア層の端部）にエッ
チング生成物等が直接付着するのを防ぐことができる。
従って、磁気トンネル接合部の側壁においてトンネルバ
リア層の上下の金属層がエッチング生成物等により接続
されることがなくなり、電気的な短絡やリークを防止す
ることができる。

【００２２】この発明のＴＭＲ素子の製法においては、
第１の変形例として、次のような変更を加えてもよい。
すなわち、磁気トンネル接合部を形成する工程では、磁
気トンネル接合積層に所望の素子パターンに従って第１
の選択エッチング処理を施して磁気トンネル接合積層を
導電材層に達するまでエッチングすることにより磁気ト
ンネル接合積層の残存部分からなる磁気トンネル接合部
を形成してもよい。この場合、保護用絶縁膜は、磁気ト
ンネル接合部と導電材層の露呈部とを覆うように形成
し、電極層を形成する工程では、導電材層にレジスト層
を選択マスクとする第２の選択エッチング処理を施すこ
とにより導電材層の残存部分からなる電極層を形成す
る。このようにすると、この発明のＴＭＲ素子の製法に
関して前述したと同様の作用効果が得られる。その上、
電極層が導電材層の単層で構成されるため、導電材層と
反強磁性層との積層で構成される場合に比べて電極層の
端部での段差を低くすることができる。

【００２３】この発明のＴＭＲ素子の製法において第１
の変形例を採用した場合には、第２の変形例として、次
のような変更を加えてもよい。すなわち、磁気トンネル
接合積層を形成する工程では、導電材層の上に下から順
に第１の磁性層、トンネルバリア層、第２の磁性層及び
反強磁性層を重ねて磁気トンネル接合積層を形成しても
よい。この場合、他の工程は、この発明のＴＭＲ素子の
製法及び第１の変形例に関して前述したと同様に実行す
る。このようにすると、この発明のＴＭＲ素子の製法及
び第１の変形例に関して前述したと同様の作用効果が得
られる。

【００２４】この発明のＴＭＲ素子の製法においては、
レジスト層を除去した後、保護用絶縁膜及び電極層から
レジスト残渣を除去するようにしてもよい。このこと
は、第１又は第２の変形例を採用した場合についても同
様である。レジスト残渣は、希フッ酸等を用いる薬液処
理で簡単に除去することができる。このようにすると、
パーティクルの発生が抑制され、歩留りの向上が可能に
なる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１〜９は、この発明の一実施形
態に係るＴＭＲ素子を備えた磁気センサの製法を示すも
ので、各々の図に対応する工程（１）〜（９）を順次に
説明する。

【００２６】（１）例えばシリコンからなる半導体基板
２０の表面に熱酸化法により酸化シリコンからなる絶縁
膜２２を形成する。表面に絶縁膜２２を形成した半導体
基板２０の代りに、ガラス又は石英等からなる絶縁性基
板を用いてもよい。次に、絶縁膜２２の上には、スパッ
タ法によりＣｒからなる導電材層２４を１０〜３０ｎｍ
の厚さに形成する。導電材層２４としては、Ｔｉの単層
又はＴｉ層にＣｕ層を重ねた積層等を用いてもよく、あ
るいはＷ，Ｔａ，Ａｕ，Ｍｏ等の導電性非磁性金属材料
を用いてもよい。

【００２７】次に、導電材層２４の上には、スパッタ法
によりＰｔ−Ｍｎ合金からなる反強磁性層２６を３０〜
５０ｎｍの厚さに形成する。反強磁性層２６としては、
Ｒｈ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｍｎ合金等を用いてもよい。こ
の後、反強磁性層２６の上には、スパッタ法によりＮｉ
−Ｆｅ合金からなる強磁性層２８を１０ｎｍの厚さに形
成する。強磁性層２８としては、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏのう
ちのいずれかの金属、Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｏのうちの２つ以
上の金属の合金又は金属間化合物等を用いてもよく、あ
るいはＮｉ−Ｆｅ合金層２８の下にＣｏ層を敷くなどし
て積層構造のものを用いてもよい。

【００２８】次に、強磁性層２８の上には、スパッタ法
によりＡｌ層を１〜２ｎｍの厚さに形成する。そして、
Ａｌ層に酸化処理を施すことによりアルミナ（酸化アル
ミニウム）からなるトンネルバリア層３０を形成する。
トンネルバリア層３０としては、金属又は半導体を改変
した酸化物（例えばＴｉＯｘ，ＳｉＯ_２，ＭｇＯ，Ａｌ
_２Ｏ_２＋ＳｉＯ_２［サイアロン］）、窒化物（例えばＡ
ｌＮ，Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化窒化物（例えばＡｌＮ＋Ａｌ
_２Ｏ_３）等を用いてもよい。

【００２９】次に、トンネルバリア層３０の上には、ス
パッタ法によりＮｉ−Ｆｅ合金からなる強磁性層３２を
２０〜１００ｎｍの厚さに形成する。強磁性層３２とし
ては、強磁性層２８に関して前述したと同様の強磁性層
を用いることができる。この後、強磁性層３２の上に
は、スパッタ法によりＭｏからなる導電材層３４を３０
〜６０ｎｍの厚さに形成する。導電材層３４としては、
Ｍｏの代りに、導電材層２４に関して前述したと同様の
金属材料を用いてもよい。

【００３０】次に、導電材層３４の上には、それぞれ図
１３のＴａ，Ｔｂ，Ｔｃに示すような四辺形状の素子パ
ターンを有するレジスト層３６ａ，３６ｂ，３６ｃをホ
トリソグラフィ処理により形成する。このときのレジス
ト厚さは、０．３〜２．０μｍとすることができる。

【００３１】（２）レジスト層３６ａ〜３６ｃをマスク
とする選択的イオンミリング処理により層２８〜３４の
積層に分離溝３８を反強磁性層２６に達するように形成
することにより磁気トンネル接合部ＡＴａ，ＡＴｂ，Ａ
Ｔｃを得る。磁気トンネル接合部ＡＴａは、分離溝３８
で囲まれた層２８〜３４の部分２８ａ〜３４ａの積層か
らなり、磁気トンネル接合部ＡＴｂは、分離溝３８で囲
まれた層２８〜３４の部分２８ｂ〜３４ｂの積層からな
り、磁気トンネル接合部ＡＴｃは、分離溝３８で囲まれ
た層２８〜３４の部分２８ｃ〜３４ｃの積層からなる。
層２４，２６の積層は、磁気トンネル接合部ＡＴａ〜Ａ
Ｔｃに共通に配置されている。

【００３２】イオンミリング処理における処理条件は、
一例として、 Ａｒ流量：４ｓｃｃｍ 圧力：２．０×１０^−４Ｔｏｒｒ 角度：０〜６０度 パワー：５００Ｖ、１９０ｍＡ とすることができる。エッチング終点の検出法として
は、プラズマ発光測定法を用い、反強磁性層２６の構成
原子に基づく発光を検出してイオンミリングを停止す
る。反強磁性層２６の露出面積が大きいため、発光検出
に十分な信号強度が得られ、エッチング終点を高精度で
検出可能である。

【００３３】図２のイオンミリング工程では、図１０に
示すように分離溝３８の側壁にエッチング生成物として
の側壁堆積膜ＤＰ_１１が形成される。堆積膜ＤＰ
_１１は、層３６ａ〜３６ｃのレジスト変性成分、層２
６，２８，３２，３４の金属成分等を含んでいる。

【００３４】イオンミリング処理の後、レジスト層３６
ａ〜３６ｃを除去する。レジスト除去は、例えばＯ_２プ
ラズマによるアッシング処理を施した後、有機剥離液を
用いた薬液処理を施すことにより行なうことができる。
アッシング処理における処理条件は、一例として、 Ｏ_２流量：１００ｓｃｃｍ 圧力：５０ｍＴｏｒｒ ＲＦパワー：１５０Ｗ とすることができる。レジスト除去法の他の例として
は、アセトン超音波洗浄法等を用いてもよい。なお、独
立のレジスト除去工程を設ける代りに、イオンミリング
処理中に同時にレジスト層３６ａ〜３６ｃを除去するよ
うにしてもよい。

【００３５】上記のようなレジスト除去工程において、
図１０に示したような側壁堆積膜ＤＰ_１１を分離溝３８
の側壁（特に３０ｂ等のトンネルバリア層の端部）から
十分に除去するのが望ましいが、より確実な除去を行な
いたいときは、クリーニングミリング処理（角度をもた
せた短時間のミリング処理）を追加してもよい。クリー
ニングミリング処理における処理条件は、一例として、 Ａｒ流量：４ｓｃｃｍ 圧力：２．０×１０^−４Ｔｏｒｒ 角度：４５〜８０度（好ましくは６０度） パワー：５００Ｖ、１９０ｍＡ とすることができる。このようなミリング処理を追加す
ることにより分離溝３８の側壁から堆積膜ＤＰ_１１をき
れいに除去することができ、側壁形状は、一層テーパー
状となる。

【００３６】（３）基板上面には、磁気トンネル接合部
ＡＴａ〜ＡＴｃ及び分離溝３８を覆って例えばＳｉＯ_２
からなる保護用絶縁膜４０をスパッタ法又はＣＶＤ法等
により形成する。絶縁膜４０の厚さは、１０〜１００ｎ
ｍ（好ましくは５０ｎｍ）とすることができる。絶縁膜
４０をスパッタ法で形成する場合、処理条件は、一例と
して、 処理雰囲気：Ａｒガス 圧力：１〜１０ｍＴｏｒｒ（好ましくは５ｍＴｏｒｒ） ＲＦパワー：０．５〜２ｋＷ（好ましくは１ｋＷ） 膜厚：５０ｎｍ とすることができる。また、絶縁膜４０をＣＶＤ法で形
成する場合、処理条件は、一例として、 原料：ＳｉＨ_４又はＴＥＯＳ（テトラ・エチル・オルソ
・シリケート） Ｏ_３又はＯ_２流量：８０００ｓｃｃｍ 圧力：１〜１０Ｔｏｒｒ（好ましくは２．２Ｔｏｒｒ） ＲＦパワー：３００〜１０００Ｗ（好ましくは５００
Ｗ） 膜厚：５０ｎｍ ヒーター温度：３００℃以下 とすることができる。

【００３７】（４）絶縁膜４０の上には、図１３の２６
ａ，２６ｂに示すように四辺形状の電極パターンを有す
るレジスト層４２ａ，４２ｂをホトリソグラフィ処理に
より形成する。レジスト層４２ａは、磁気トンネル接合
部ＡＴａ，ＡＴｂを覆うように形成し、レジスト層４２
ｂは、磁気トンネル接合部ＡＴｃを覆うように形成す
る。このときのレジスト厚さは、０．３〜２．０μｍと
することができる。

【００３８】（５）及び（６）レジスト層４２ａ，４２
ｂを選択マスクとするイオンミリング処理を絶縁膜４０
と導電材層２４及び反強磁性層２６の積層とに施す。こ
のときのイオンミリング処理は、図２に関して前述した
と同様の条件で行なうことができる。図５は、イオンミ
リング処理の初期段階において、絶縁膜４０がレジスト
層４２ａ，４２ｂにそれぞれ対応した第１，第２の部分
４０ａ，４０ｂに分離された状態を示す。図６は、イオ
ンミリング処理の終了時において、層２４，２６の積層
に分離溝４４が絶縁膜２２に達するように形成されるこ
とにより該積層が分離溝４４により第１及び第２の接続
部分（電極層）に分離されて磁気トンネル接合部ＡＴａ
〜ＡＴｃにそれぞれ対応するＴＭＲ素子Ｔａ〜Ｔｃが得
られた状態を示す。第１の接続部分は、層２４、２６の
部分２４ａ、２６ａの積層からなるもので、ＴＭＲ素子
Ｔａ，Ｔｂを相互接続した状態で残される。第２の接続
部分は、層２４、２６部分２４ｂ、２６ｂの積層からな
るもので、ＴＭＲ素子Ｔｃに接続された状態で残され
る。分離溝４４の深さＤは、イオンミリングによるエッ
チング深さに相当するもので、図２１の場合のように増
大しない。従って、分離溝４４の段差を低く抑えること
ができる。

【００３９】（７）図２に関して前述したと同様の方法
によりレジスト層４２ａ，４２ｂを除去する。図６のイ
オンミリング工程では、図１１に示すように分離溝４４
の側壁にエッチング生成物としての側壁堆積膜ＤＰ_１２
が形成される。堆積膜ＤＰ_{１ ２}は、層４２ａ，４２ｂの
レジスト変性成分を含むと共に絶縁膜４０ａ，４０ｂ及
び絶縁膜２２の絶縁材成分、層２４、２６の金属成分等
を含むもので、図７のレジスト除去工程では除去されず
に残留する。しかし、堆積膜ＤＰ_１２の残留個所が層２
４ａ，２６ａ等の積層（電極層）の端部であるため、残
留しても素子特性上問題はない。

【００４０】図７のレジスト除去工程では、図１１に示
すように絶縁膜４０ａ，４０ｂの表面や層２４ａ，２６
ａ等の積層（電極層）の端部にレジスト残渣Ｒ_１１，Ｒ
_１２が残留することがある。これらのレジスト残渣Ｒ
_１１，Ｒ_１２は、後工程で剥離してパーティクルとな
り、歩留りを低下させる恐れがある。そこで、図１２に
示すようにレジスト残渣Ｒ_１１，Ｒ_１２を除去する処理
を施してもよい。この処理では、絶縁膜４０ａ，４０ｂ
の耐薬品性が高いため、種々の薬液を選択可能である。
例えば希フッ酸（又はＢＨＦ）処理及び純水洗浄処理を
順次に施すか又はアンモニア＋過酸化水素水処理及び純
水洗浄処理を順次に施すことができる。これらの処理で
は、４０ａ等の絶縁膜の表面が薄く溶解されるため、レ
ジスト残渣Ｒ _１１，Ｒ_１２が浮き上がった状態で除去さ
れる。４０ａ等の薄くなった絶縁膜は、残しておいて層
間絶縁膜の一部として利用することができる。

【００４１】（８）基板上面には、絶縁膜４０ａ，４０
ｂ及び分離溝４４を覆ってスパッタ法により酸化シリコ
ンからなる層間絶縁膜４６を形成する。図６に示したよ
うに分離溝４４の段差が低いので、絶縁膜４６は、分離
溝４４の開口端の近傍部で膜欠陥が発生しにくい。この
後、選択的イオンミリング処理によりＴＭＲ素子Ｔａ〜
Ｔｃの導電材層３４ａ〜３４ｃにそれぞれ対応する接続
孔４６ａ〜４６ｃを絶縁膜４６に形成する。

【００４２】（９）絶縁膜４６の上には、接続孔４６ａ
〜４６ｃを覆ってスパッタ法によりＡｌ等の配線用金属
を被着すると共にその被着層を選択的イオンミリング処
理（又は選択的ウエットエッチング処理）によりパター
ニングして配線層４８ａ，４８ｂを形成する。配線層４
８ａは、接続孔４６ａを介してＴＭＲ素子Ｔａの導電材
層３４ａに接続され、配線層４８ｂは、接続孔４６ｂ，
４６ｃを介してＴＭＲ素子Ｔｂ，Ｔｃの導電材層３４
ｂ，３４ｃを相互接続する。この結果、ＴＭＲ素子Ｔａ
〜Ｔｃは、直列接続されたことになる。図１３は、ＴＭ
Ｒ素子Ｔａ〜Ｔｃの接続状況を示すもので、図９は、図
１３のＸ−Ｘ’線断面に対応する。

【００４３】図９の工程では、分離溝４４の開口端の近
傍部において絶縁膜４６の欠陥の発生が抑制されるた
め、配線層４８ｂが反強磁性層２６ａと短絡するような
不良を低減することができる。

【００４４】上記した実施形態の製法によれば、図２の
工程ではエッチング終点を高精度で検出できること、図
２〜７の工程では分離溝３８の側壁（磁気トンネル接合
部の側壁）を清浄化すると共に絶縁膜４０で被覆して分
離溝３８の側壁をレジスト汚染から保護できること、図
１２の工程ではレジスト残渣を除去してパーティクルの
発生を防止できること、図６の工程で分離溝４４の段差
を低くできるため図８の工程では絶縁膜４６の欠陥発生
を抑制できることなどの理由により磁気センサの製造歩
留りが向上する。

【００４５】図９に示す磁気センサにおいて、ＴＭＲ素
子Ｔａ〜Ｔｃの動作は同様であり、代表として素子Ｔａ
の動作を説明する。反強磁性層２６ａは、強磁性層２８
ａの磁化の向きを固定すべく作用するので、強磁性層２
８ａは、磁化固定層となる。一方、強磁性層３２ａは、
磁化の向きが自由であり、磁化自由層となる。

【００４６】導電材層（電極層）２４ａ，３４ａ間に一
定の電流を流した状態において基板２０の平面内に外部
磁界を印加すると、磁界の向きと強さに応じて強磁性層
２８ａ，３２ａ間で磁化の相対角度が変化し、このよう
な相対角度の変化に応じて電極層２４ａ，３４ａ間の電
気抵抗値が変化する。従って、このような電気抵抗値の
変化に基づいて磁界検出を行なうことができる。

【００４７】図１４，１５は、上記した実施形態の変形
例を示すもので、図１〜９と同様の部分には同様の符号
を付して詳細な説明を省略する。

【００４８】図１４の工程は、図１の工程の後、レジス
ト層３６ａ〜３６ｃをマスクとして選択的イオンミリン
グ処理を行なう工程であり、分離溝３８を導電材層２４
に達するように深く形成する点で図２の工程とは異なる
ものである。この場合、ＴＭＲ素子Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｃ
は、分離溝３８で囲まれた層２６の部分２６ａ_１，２６
ａ_２，２６ｂをそれぞれ含み、これらの層部分２６
ａ_１，２６ａ_２，２６ｂに共通に導電材層２４が配置さ
れた状態となる。イオンミリング処理の後、図２に関し
て前述したと同様にしてレジスト層３６ａ〜３６ｃを除
去し、必要に応じてクリーニングミリング処理を行な
う。図１４の工程では、図２に関して前述したと同様に
エッチング終点検出法としてプラズマ発光測定法を用い
ることができ、高い精度でエッチング終点を検出可能で
ある。

【００４９】次に、図１５の工程では、図３〜６に関し
て前述したと同様にして基板上面に保護用絶縁膜４０及
びレジスト層４２ａ，４２ｂを形成する。そして、レジ
スト層４２ａ，４２ｂを選択マスクとするイオンミリン
グ処理により導電材層２４に分離溝４４を絶縁膜２２に
達するように形成することにより層２４を分離溝４４に
より第１及び第２の接続部分（電極層）に分離する。第
１の接続部分は、層２４の部分２４ａからなるもので、
反強磁性層２６ａ_１，２６ａ_２を相互接続した状態で残
される。第２の接続部分は、層２４の部分２４ｂからな
るもので、反強磁性層２６ｂに接続された状態で残され
る。分離溝４４の深さＤは、図１４の工程で反強磁性層
２６をエッチングしたため、図６の場合に比べて小さく
なる。この後、図６に関して前述したと同様にしてレジ
スト層４２ａ，４２ｂを除去する。そして、図１２に関
して前述したと同様にして絶縁膜４０ａ，４０ｂの表面
や層２４ａ，２４ｂの端部からレジスト残渣を除去して
もよい。

【００５０】次に、図８に関して前述したと同様に基板
上面に層間絶縁膜４６を形成する。このとき、分離溝４
４の段差が低いので、絶縁膜４６には欠陥が発生しにく
い。図８に関して前述したと同様にして絶縁膜４６に接
続孔４６ａ〜４６ｃを形成した後、図９に関して前述し
たと同様にして絶縁膜４６の上に配線層４８ａ，４８ｂ
を形成する。

【００５１】図１４，１５の変形例に係る製法によれ
ば、前述した実施形態に係る製法と同様に磁気センサの
製造歩留りが向上する。また、得られる磁気センサは、
図９に示した磁気センサと同様に動作する。

【００５２】図１６，１７は、図１〜９に関して前述し
た実施形態の他の変形例を示すもので、図１〜９と同様
の部分には同様の符号を付して詳細な説明を省略する。

【００５３】図１６，１７の変形例では、図１に対応す
る工程において、絶縁膜２２の上に下から順に導電材層
２４、強磁性層２８、トンネルバリア層３０、強磁性層
３２、反強磁性層、導電材層３４を形成する。ここで、
強磁性層３２と導電材層３４との間の反強磁性層は、前
述した反強磁性層２６と同様のもので、強磁性層３２を
磁化固定層とするためのものである。

【００５４】図１６の工程は、図１に対応する工程の
後、図１４に関して前述したと同様にレジスト層３６ａ
〜３６ｃをマスクとする選択的イオンミリング処理によ
り分離溝３８を形成してＴＭＲ素子Ｔａ〜Ｔｃを得る工
程であり、導電材層３４ａ，３４ｂ，３４ｃの下に（強
磁性層３２ａ，３２ｂ，３２ｃの上に）反強磁性層３３
ａ，３３ｂ，３３ｃがそれぞれ存在すると共に強磁性層
２８ａ〜２８ｃに共通に導電材層２４が配置された状態
になる点で図１４の工程とは異なるものである。イオン
ミリング処理の後、図２に関して前述したと同様にして
レジスト層３６ａ〜３６ｃを除去し、必要に応じてクリ
ーニングミリング処理を行なう。図１６の工程では、図
２に関して前述したと同様にエッチング終点検出法とし
てプラズマ発光測定法を用いることができ、高い精度で
エッチング終点を検出可能である。

【００５５】次に、図１７の工程では、図３〜６に関し
て前述したと同様にして基板上面に保護用絶縁膜４０及
びレジスト層４２ａ，４２ｂを形成する。そして、図１
５に関して前述したと同様にしてレジスト層４２ａ，４
２ｂを選択マスクとするイオンミリング処理により導電
材層２４に分離溝４４を絶縁膜２２に達するように形成
することにより層２４を分離溝４４により第１及び第２
の接続部分（電極層）に分離する。第１の接続部分は、
層２４の部分２４ａからなるもので、強磁性層２８ａ，
２８ｂを相互接続した状態で残される。第２の接続部分
は、層２４の部分２４ｂからなるもので、強磁性層２８
ｃに接続された状態で残される。分離溝４４の深さＤ
は、導電材層２４の上に（強磁性層２８ａ〜２８ｃの下
に）反強磁性層が存在しないため、図６の場合に比べて
小さくなる。この後、図６に関して前述したと同様にし
てレジスト層４２ａ，４２ｂを除去する。そして、図１
２に関して前述したと同様にして絶縁膜４０ａ，４０ｂ
の表面や層２４ａ，２４ｂの端部からレジスト残渣を除
去してもよい。

【００５６】次に、図８に関して前述したと同様に基板
上面に層間絶縁膜４６を形成する。このとき、分離溝４
４の段差が低いので、絶縁膜４６には欠陥が発生しにく
い。図８に関して前述したと同様にして絶縁膜４６に接
続孔４６ａ〜４６ｃを形成した後、図９に関して前述し
たと同様にして絶縁膜４６の上に配線層４８ａ，４８ｂ
を形成する。

【００５７】図１６，１７の変形例に係る製法によれ
ば、前述した実施形態に係る製法と同様に磁気センサの
製造歩留りが向上する。また、得られる磁気センサは、
図９に示した磁気センサと同様に動作する。

【００５８】なお、この発明は、上記したような磁気セ
ンサに限らず、他の磁気センサ、磁気メモリ、磁気ヘッ
ド等のＴＭＲ素子応用製品の製造にも適用することがで
きる。

【００５９】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、磁気
トンネル接合部においてトンネルバリア層の端部に選択
エッチング処理の際に堆積した堆積物を除去した後、磁
気トンネル接合部を保護用絶縁膜で覆った状態でレジス
ト層を選択マスクとする選択エッチング処理により磁気
トンネル接合部の下に電極層を形成するので、トンネル
バリア層の上下の金属層間に電気的な短絡やリークが発
生するのを防止でき、ＴＭＲ素子の製造歩留りが向上す
ると共にＴＭＲ素子の特性劣化を防止できる効果が得ら
れる。また、この発明の製法では、酸化性又は窒化性雰
囲気中でイオンミリング処理を行なう必要がないので、
エッチング終点の検出精度が低下しない利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施形態に係る磁気センサの製
法における積層形成工程及びレジスト層形成工程を示す
基板断面図である。

【図２】 図１の工程に続くイオンミリング工程及びレ
ジスト除去工程を示す基板断面図である。

【図３】 図２の工程に続く絶縁膜形成工程を示す基板
断面図である。

【図４】 図３の工程に続くレジスト層形成工程を示す
基板断面図である。

【図５】 図４の工程に続くイオンミリング工程を示す
基板断面図である。

【図６】 図５の工程に続くイオンミリング工程を示す
基板断面図である。

【図７】 図６の工程に続くレジスト除去工程を示す基
板断面図である。

【図８】 図７の工程に続く絶縁膜形成工程及び接続孔
形成工程を示す基板断面図である。

【図９】 図８の工程に続く配線形成工程を示す基板断
面図である。

【図１０】 図２のイオンミリング工程における側壁堆
積膜の形成状況を示す基板断面図である。

【図１１】 図６のイオンミリング工程における側壁堆
積膜の形成状況を示す基板断面図である。

【図１２】 図７のレジスト除去工程に続くレジスト残
渣除去工程を示す基板断面図である。

【図１３】 ＴＭＲ素子の接続状況を示す上面図であ
る。

【図１４】 図２の工程の変形例を示す基板断面図であ
る。

【図１５】 図１４の変形例における分離溝形成工程を
示す基板断面図である。

【図１６】 図２の工程の他の変形例を示す基板断面図
である。

【図１７】 図１６の変形例における分離溝形成工程を
示す基板断面図である。

【図１８】 従来の磁気センサの製法における積層形成
工程及びレジスト層形成工程を示す基板断面図である。

【図１９】 図１８の工程に続くイオンミリング工程及
びレジスト除去工程を示す基板断面図である。

【図２０】 図１９の工程に続くレジスト層形成工程を
示す基板断面図である。

【図２１】 図２０の工程に続くイオンミリング工程及
びレジスト除去工程を示す基板断面図である。

【図２２】 図２１の工程に続く絶縁膜形成工程及び接
続孔形成工程を示す基板断面図である。

【図２３】 図２２の工程に続く配線形成工程を示す基
板断面図である。

【図２４】 図１９のイオンミリング工程における側壁
堆積膜の形成状況を示す基板断面図である。

【図２５】 図２１のイオンミリング工程における側壁
堆積膜の形成状況を示す基板断面図である。

【符号の説明】

２０：半導体基板、２２：絶縁膜、２４，３４：導電材
層、２６，３３ａ〜３３ｃ：反強磁性層、２８，３２：
強磁性層、３０：トンネルバリア層、３６ａ〜３６ｃ，
４２ａ，４２ｂ：レジスト層、３８，４４：分離溝、４
０：保護用絶縁膜、４６：層間絶縁膜、４６ａ〜４６
ｃ：接続孔、４８ａ，４８ｂ：配線層、ＡＴａ〜ＡＴ
ｃ：磁気トンネル接合部、Ｔａ〜Ｔｃ：ＴＭＲ素子、Ｄ
Ｐ_１１，ＤＰ _１２：側壁堆積膜、Ｒ_１１，Ｒ_１２：レジ
スト残渣。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板の絶縁性の一主面に導電材層を介して
   磁気トンネル接合積層を形成する工程であって、前記導
   電材層の上に下から順に反強磁性層、第１の磁性層、ト
   ンネルバリア層及び第２の磁性層を重ねて前記磁気トン
   ネル接合積層を形成するものと、 前記磁気トンネル接合積層に所望の素子パターンに従っ
   て第１の選択エッチング処理を施して前記磁気トンネル
   接合積層を前記反強磁性層に達するまでエッチングする
   ことにより前記第１の磁性層、前記トンネルバリア層及
   び前記第２の磁性層の各々の残存部分からなる磁気トン
   ネル接合部を形成する工程と、 前記磁気トンネル接合部において前記トンネルバリア層
   の端部に前記第１の選択エッチング処理の際に堆積した
   堆積物を除去する工程と、 前記堆積物を除去した後、前記磁気トンネル接合部と前
   記反強磁性層の露呈部とを覆って保護用絶縁膜を形成す
   る工程と、 前記磁気トンネル接合部と前記反強磁性層の露呈部とを
   所望の電極パターンに従って覆うように前記保護用絶縁
   膜の上にレジスト層を形成する工程と、 前記レジスト層を選択マスクとする第２の選択エッチン
   グ処理を前記保護用絶縁膜と前記導電材層及び前記反強
   磁性層の積層とに施すことにより該積層の残存部分から
   なる電極層を前記磁気トンネル接合部の下に形成する工
   程と、 前記電極層を形成した後、前記レジスト層を除去する工
   程とを含む磁気トンネル接合素子の製法。
2. 【請求項２】基板の絶縁性の一主面に導電材層を介して
   磁気トンネル接合積層を形成する工程であって、前記導
   電材層の上に下から順に反強磁性層、第１の磁性層、ト
   ンネルバリア層及び第２の磁性層を重ねるか又は前記導
   電材層の上に下から順に第１の磁性層、トンネルバリア
   層、第２の磁性層及び反強磁性層を重ねて前記磁気トン
   ネル接合積層を形成するものと、 前記磁気トンネル接合積層に所望の素子パターンに従っ
   て第１の選択エッチング処理を施して前記磁気トンネル
   接合積層を前記導電材層に達するまでエッチングするこ
   とにより前記磁気トンネル接合積層の残存部分からなる
   磁気トンネル接合部を形成する工程と、 前記磁気トンネル接合部において前記トンネルバリア層
   の端部に前記第１の選択エッチング処理の際に堆積した
   堆積物を除去する工程と、 前記堆積物を除去した後、前記磁気トンネル接合部と前
   記導電材層の露呈部とを覆って保護用絶縁膜を形成する
   工程と、 前記磁気トンネル接合部と前記導電材層の露呈部とを所
   望の電極パターンに従って覆うように前記保護用絶縁膜
   の上にレジスト層を形成する工程と、 前記レジスト層を選択マスクとする第２の選択エッチン
   グ処理を前記保護用絶縁膜と前記導電材層とに施すこと
   により前記導電材層の残存部分からなる電極層を前記磁
   気トンネル接合部の下に形成する工程と、 前記電極層を形成した後、前記レジスト層を除去する工
   程とを含む磁気トンネル接合素子の製法。
3. 【請求項３】 前記レジスト層を除去した後、前記保護
   用絶縁膜及び前記電極層からレジスト残渣を除去する工
   程を更に含む請求項１又は２記載の磁気トンネル接合素
   子の製法。