JP2008258451A - Feedback method of magnetoresistive element formation process - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）に基づいて、以降の製造ロットの磁気抵抗効果素子の形成方法を調節する磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法に関する。 The present invention relates to a feedback method of a magnetoresistive effect element forming step of adjusting a method of forming a magnetoresistive effect element of a subsequent production lot based on the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element.
薄膜磁気ヘッドのリード素子としての磁気抵抗効果素子において、その電気抵抗ＲＡ（単位：Ωμｍ２）は、信号出力等に影響を与えるため、製造ばらつきを小さく抑えることが求められる。
従来より、薄膜磁気ヘッドが多数形成されるウエハの各製造ロット毎に、磁気抵抗効果素子を形成した後にその電気抵抗（ＲＡ）を測定し、その測定結果に基づいて、以降の製造ロットの磁気抵抗効果素子の形成方法を調節するフィードバックが行われている。
In a magnetoresistive effect element as a read element of a thin film magnetic head, its electrical resistance RA (unit: Ωμm 2 ) affects signal output and the like, and therefore, it is required to suppress manufacturing variations to be small.
Conventionally, after forming a magnetoresistive element for each lot of wafers on which a large number of thin-film magnetic heads are formed, the electrical resistance (RA) is measured, and based on the measurement results, the magnetism of subsequent production lots is measured. Feedback is performed to adjust the method of forming the resistive element.
従来の磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法の概略のフローを、図５を用いて説明する。
まず、ウエハ上に磁気抵抗効果素子を形成する（Ｓ９１）。
続いて、アニール工程を行う（Ｓ９２）。アニール工程とは、磁気抵抗効果素子の中のピン層の磁化方向を設定する工程である。
続いて、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定する（Ｓ９３）。そして、その電気抵抗（ＲＡ）の測定値が所定の規格値の範囲内にあるか外れているかを判定し（Ｓ９４）、外れていた場合に、後の製造ロットにおける磁気抵抗効果素子の形成方法（Ｓ９１）を、電気抵抗（ＲＡ）が前記規格値の範囲内に収まるように調節（フィードバック）する（なお、図５中の破線矢印は、後の製造ロットへフィードバックすることを表すものであり、当該製造ロットの工程を後戻りすることを表すものではない）。
A schematic flow of a conventional feedback method of the magnetoresistive element forming process will be described with reference to FIG.
First, a magnetoresistive effect element is formed on a wafer (S91).
Subsequently, an annealing process is performed (S92). The annealing process is a process of setting the magnetization direction of the pinned layer in the magnetoresistive effect element.
Subsequently, the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element is measured (S93). Then, it is determined whether the measured value of the electric resistance (RA) is within the range of the predetermined standard value (S94). If the measured value is out of the predetermined standard value, a method of forming a magnetoresistive effect element in a later production lot (S91) is adjusted (feedback) so that the electric resistance (RA) falls within the range of the standard value (note that the broken line arrow in FIG. 5 represents feedback to a subsequent production lot. , Does not indicate that the process of the production lot is reversed.)
以下、トンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ）を例に、従来の磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法をより具体的に説明する。 Hereinafter, the conventional feedback method of the magnetoresistive effect element forming process will be described more specifically by taking a tunnel magnetoresistive effect element (TMR) as an example.
図６は、トンネル磁気抵抗効果素子の形成方法（図５のＳ９１に該当）の説明図である。
図６（ａ）に示すように、まずウエハ基板１２上に、下地層１４を設ける。さらに、下地層１４上に、反強磁性層１６、第一磁化固定層１８ａ、Ｒｕ（ルテニウム）層１８ｂ、および第二磁化固定層１８ｃを、順に成膜する。第一磁化固定層１８ａ、Ｒｕ層１８ｂ、および第二磁化固定層１８ｃは、ピン層と呼ばれる。第一磁化固定層１８ａおよび第二磁化固定層１８ｃとしては、例えばコバルト−鉄合金等の強磁性体が用いられる。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a tunnel magnetoresistive element forming method (corresponding to S91 in FIG. 5).
As shown in FIG. 6A, first, the base layer 14 is provided on the wafer substrate 12. Further, the antiferromagnetic layer 16, the first magnetization fixed layer 18a, the Ru (ruthenium) layer 18b, and the second magnetization fixed layer 18c are sequentially formed on the underlayer 14. The first magnetization fixed layer 18a, the Ru layer 18b, and the second magnetization fixed layer 18c are called pinned layers. As the first magnetization fixed layer 18a and the second magnetization fixed layer 18c, for example, a ferromagnetic material such as a cobalt-iron alloy is used.
第二磁化固定層１８ｃの積層後、図６（ｂ）に示すように、第二磁化固定層１８ｃ上に、例えばアルミニウムから成る金属膜２０を、スパッタリングにより形成する。この金属膜２０の厚さは、例えば約０．５ｎｍ程度に設定される。
金属膜２０の積層後、ウエハ基板１２を所定の酸素雰囲気に設定したチャンバー内に置き、金属膜２０を酸化させる。すると、金属膜２０内に、アルミニウムが酸化した酸化金属のＡｌ２Ｏ３が形成される。
このＡｌ２Ｏ３を含む金属膜２０が、バリア層（トンネルバリア層）となる。
After stacking the second magnetization fixed layer 18c, as shown in FIG. 6B, a metal film 20 made of, for example, aluminum is formed on the second magnetization fixed layer 18c by sputtering. The thickness of the metal film 20 is set to about 0.5 nm, for example.
After the metal film 20 is laminated, the wafer substrate 12 is placed in a chamber set in a predetermined oxygen atmosphere, and the metal film 20 is oxidized. As a result, metal oxide Al 2 O 3 in which aluminum is oxidized is formed in the metal film 20.
The metal film 20 containing Al 2 O 3 becomes a barrier layer (tunnel barrier layer).
続いて、図６（ｃ）に示すように、バリア層（酸化金属膜）２０上にフリー層２２、さらにトップコート層２４を形成する。
これら、下地層１４、反強磁性層１６、第一磁化固定層１８ａ、Ｒｕ（ルテニウム）層１８ｂ、第二磁化固定層１８ｃ、バリア層２０、およびトップコート層２４により、トンネル磁気抵抗効果素子が構成される。
Subsequently, as shown in FIG. 6C, a free layer 22 and a top coat layer 24 are formed on the barrier layer (metal oxide film) 20.
The underlayer 14, the antiferromagnetic layer 16, the first magnetization fixed layer 18a, the Ru (ruthenium) layer 18b, the second magnetization fixed layer 18c, the barrier layer 20, and the topcoat layer 24 constitute a tunnel magnetoresistive effect element. Composed.
続くアニール工程（図５のＳ９２に該当）においては、トンネル磁気抵抗効果素子の中のピン層（第一および第二磁化固定層１８ａ，１８ｃ）の磁化方向を設定する。この方法の詳細については説明を省略する。 In the subsequent annealing step (corresponding to S92 in FIG. 5), the magnetization directions of the pinned layers (first and second magnetization fixed layers 18a and 18c) in the tunnel magnetoresistive effect element are set. The details of this method are not described here.
続いて、トンネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定する（図５のＳ９３に該当）。 Subsequently, the electrical resistance (RA) of the tunnel magnetoresistive effect element is measured (corresponding to S93 in FIG. 5).
電気抵抗（ＲＡ）の測定方法としては、トンネル磁気抵抗効果素子の上下に、トンネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗を測定するための電極端子を設け、電極端子を介してトンネル磁気抵抗効果素子の積層方向の電気抵抗を測定する方法がある。この電極端子は、測定の後に除去される。 As a method for measuring electrical resistance (RA), electrode terminals for measuring the electrical resistance of the tunnel magnetoresistive effect element are provided above and below the tunnel magnetoresistive effect element, and the tunnel magnetoresistive effect element is stacked via the electrode terminal. There is a method of measuring the electrical resistance in the direction. This electrode terminal is removed after the measurement.
また、トンネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定するその他の方法として、ＣＩＰＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）法が挙げられる。ＣＩＰＴ法は、平面電流トンネル法とも呼ばれる。ＣＩＰＴ法では、トンネル磁気抵抗効果素子の最上層の表面に、ＣＩＰＴ用の測定装置の、互いに非常に狭い間隔で配設されたプローブピンを当接させて、トンネル磁気抵抗効果素子のシート抵抗（層の面方向の抵抗）を計測し、計測したシート抵抗から、トンネル磁気抵抗効果素子の積層方向の抵抗成分を算出する技法である。
ＣＩＰＴ法によれば、ウエハ上に電極端子を形成したり除去したりするプロセスを行うことなく、簡単にトンネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定できるという利点がある。
Another method for measuring the electrical resistance (RA) of the tunnel magnetoresistive element is a CIPT (Current In-Plane Tunneling) method. The CIPT method is also called a planar current tunnel method. In the CIPT method, probe pins of a measuring apparatus for CIPT arranged at very narrow intervals are brought into contact with the surface of the uppermost layer of the tunnel magnetoresistive element, so that the sheet resistance of the tunnel magnetoresistive element ( This is a technique of measuring the resistance component in the stacking direction of the tunnel magnetoresistive effect element from the measured sheet resistance.
The CIPT method has an advantage that the electrical resistance (RA) of the tunnel magnetoresistive element can be easily measured without performing a process of forming or removing electrode terminals on the wafer.
このＣＩＰＴ法でトンネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定する場合には、磁気抵抗効果素子の上下に低電気抵抗層（導電層）を形成し、磁気抵抗効果素子の上層に形成された前記低電気抵抗層を介して前記プローブピンを当接させて、電気抵抗（ＲＡ）の測定を行うようにすれば、測定を高精度に行うことができる。
なお、低電気抵抗層が形成されたウエハは、製品にはできないため、一つの製造ロットの中にテスト用ウエハを用意し、テスト用ウエハに対して低電気抵抗層を形成して、トンネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定するようにする。
When measuring the electrical resistance (RA) of the tunnel magnetoresistive effect element by this CIPT method, a low electrical resistance layer (conductive layer) is formed above and below the magnetoresistive effect element, and is formed above the magnetoresistive effect element. If the probe pin is brought into contact with the low electric resistance layer to measure the electric resistance (RA), the measurement can be performed with high accuracy.
Since a wafer with a low electrical resistance layer cannot be made into a product, a test wafer is prepared in one production lot, a low electrical resistance layer is formed on the test wafer, and tunnel magnetic The electrical resistance (RA) of the resistance effect element is measured.
続いて、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定値が所定の規格値の範囲内にあるか外れているかを判定し（図５のＳ９４）、外れていた場合に、前述のフィードバックを行って、後の製造ロットにおける磁気抵抗効果素子の形成方法（Ｓ９１）を、電気抵抗（ＲＡ）が前記規格値の範囲内に収まるように調節する。 Subsequently, it is determined whether the measured value of the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element is within a predetermined standard value range or not (S94 in FIG. 5). Then, the formation method (S91) of the magnetoresistive effect element in the subsequent production lot is adjusted so that the electric resistance (RA) falls within the range of the standard value.
トンネル磁気抵抗効果素子の積層方向の電気抵抗（ＲＡ）の調節は、バリア層２０に含まれる、絶縁体の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から成る部分の厚さを調節することにより行うことができる。バリア層２０に含まれる酸化アルミニウムの厚さを調節するためには、酸化前のアルミニウムから成る金属膜２０（図６（ｂ））の厚さを予め調節したり、または、金属膜２０の酸化処理時間を調節することで金属膜の酸化される深さ（厚さ）を調節することが有効である。 The adjustment of the electrical resistance (RA) in the stacking direction of the tunnel magnetoresistive effect element can be performed by adjusting the thickness of the portion made of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) included in the barrier layer 20. it can. In order to adjust the thickness of the aluminum oxide contained in the barrier layer 20, the thickness of the metal film 20 (FIG. 6B) made of aluminum before oxidation is adjusted in advance, or the oxidation of the metal film 20 is performed. It is effective to adjust the oxidation depth (thickness) of the metal film by adjusting the treatment time.
図７に、前記フィードバック方法を適用した場合の、各製造ロットのテスト用ウエハの磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定値を示す。測定法はＣＩＰＴ法による。
図７に示す表において、各マス内に記載した数値は、各製造ロットの磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定値を示し、上のマスほど過去の製造ロットを示している。なお、本例においては、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の規格値の範囲は、２．９±０．１Ωμｍ２、すなわち２．８〜３．０Ωμｍ２とした。
FIG. 7 shows measured values of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element of the test wafer of each production lot when the feedback method is applied. The measurement method is based on the CIPT method.
In the table shown in FIG. 7, the numerical value described in each square indicates the measured value of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element of each manufacturing lot, and the upper square indicates the past manufacturing lot. In this example, the standard value range of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element was 2.9 ± 0.1 Ωμm 2 , that is, 2.8 to 3.0 Ωμm 2 .
図７の表において、まず第１製造ロット（最も上のマス）で、２．７８Ωμｍ２の電気抵抗（ＲＡ）が測定されたため、次の製造ロットには、より電気抵抗（ＲＡ）の値が増すように、バリア層２０の膜厚をより厚くしたり、酸化処理時間をより長くしたりするといった調節（フィードバック）が加えられる。
その結果、第２製造ロットにおいては、電気抵抗（ＲＡ）の測定値が２．９３Ωμｍ２に増加して、規格内に収まっている。
In the table of FIG. 7, first, since the electrical resistance (RA) of 2.78 Ωμm 2 was measured in the first production lot (the uppermost mass), the value of the electrical resistance (RA) is more in the next production lot. In order to increase, adjustment (feedback) such as increasing the thickness of the barrier layer 20 or increasing the oxidation treatment time is applied.
As a result, in the second production lot, the measured value of electrical resistance (RA) is increased to 2.93 Ωμm 2 and is within the standard.
同様に、第５、第８〜１１、第１３、第２２、第２８製造ロット（図７中の網掛けのマス）においても、規格値の範囲外の測定値となっているため、それぞれの次のロットに対してフィードバックがかけられている。 Similarly, in the fifth, eighth to eleventh, thirteenth, twenty-second, and twenty-eighth production lots (shaded squares in FIG. 7), the measured values are out of the range of the standard values. Feedback is being applied to the next lot.
従来の磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定値に基づく、磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法では、フィードバック後の磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）が製造ロット間でかえってばらついてしまう場合があるという課題がある。 In the conventional feedback method of the magnetoresistive effect element forming process based on the measured value of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element, the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element after the feedback varies between production lots. There is a problem that it may end up.
図７の例でいうと、第８〜１１製造ロットにおいて、１製造ロット毎に電気抵抗（ＲＡ）の測定値が過小となる製造ロットと過大となる製造ロットとが入れ替わっている。
この原因としては、例えば、実際の電気抵抗（ＲＡ）は正常であるにもかかわらず、測定ばらつきによって測定値が規格値の範囲外となってしまった場合でも、フィードバックが行われてしまうことがあること等が推測される。すなわち、測定ばらつきが原因で、電気抵抗（ＲＡ）の測定値が規格値の範囲外となった場合であっても、本来不要なフィードバックが行われてしまうことが原因の一つと考えられる。
In the example of FIG. 7, in the eighth to eleventh production lots, the production lot in which the measured value of electrical resistance (RA) is too small and the production lot in which the measurement value is excessive are switched for each production lot.
As a cause of this, for example, feedback is performed even when the actual electrical resistance (RA) is normal but the measured value is out of the standard value range due to measurement variations. Something is speculated. That is, it is considered that one of the causes is that unnecessary feedback is performed even when the measured value of electrical resistance (RA) is out of the range of the standard value due to measurement variation.
なお、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定ばらつきを抑えるためには、電気抵抗（ＲＡ）の測定回数を増やしたり、ウエハ上の測定位置を増やしたりして測定精度を上げることが考えられるが、これでは測定工数が増して現実的ではない。 In order to suppress the measurement variation of the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element, it is considered to increase the measurement accuracy by increasing the number of times of measuring the electric resistance (RA) or increasing the measurement position on the wafer. However, this increases the number of measurement steps and is not realistic.
本発明は上記課題を解決すべくなされ、その目的とするところは、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）に基づく、磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバックを、電気抵抗（ＲＡ）の製造ロット間のばらつきを抑えて、より適切に行うことができる磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The object of the present invention is to provide feedback of the magnetoresistive element forming process based on the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element between the production lots of the electrical resistance (RA). It is an object of the present invention to provide a feedback method of a magnetoresistive element forming process that can be performed more appropriately while suppressing variations in the above.
本願発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ね、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定ばらつきを補完するために、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）と高い相関関係にある層間結合磁界（Ｈｉｎ）を、前記フィードバックを行うか否かの判定に用いることに想到し、本願発明を完成させた。 The inventor of the present application has made extensive studies to solve the above problems, and has a high correlation with the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element in order to compensate for the measurement variation of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element. The present invention has been completed by using the inter-layer coupling magnetic field (Hin) in the above in order to determine whether or not to perform the feedback.
層間結合磁界（Ｈｉｎ）とは、磁気抵抗効果素子に印加した外部磁界強度（Ｈ）と、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（Ｒ）との関係を示すヒステリシス曲線（図８参照）において、電気抵抗値（Ｒ）をその最大値Ｒｍａｘと最小値Ｒｍｉｎとの平均値ｒとする、印加外部磁界ｈ１とｈ２との平均値である。
なお、層間結合磁界（Ｈｉｎ）については、例えば特許文献１の段落００２５に開示が見られる。
The interlaminar coupling magnetic field (Hin) is a hysteresis curve (see FIG. 8) showing the relationship between the external magnetic field strength (H) applied to the magnetoresistive element and the electric resistance (R) of the magnetoresistive element. The value (R) is an average value of the applied external magnetic fields h1 and h2, with the average value r of the maximum value Rmax and the minimum value Rmin.
The interlayer coupling magnetic field (Hin) is disclosed in, for example, paragraph 0025 of Patent Document 1.
本発明に係る磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法は、上記課題を解決するために以下の構成を備える。
すなわち、ウエハ上に磁気抵抗効果素子を形成した後、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）を測定し、電気抵抗の測定値および層間結合磁界の測定値が、ともにそれぞれの所定の規格値の範囲から外れた場合に、当該ウエハが属する製造ロットより後の製造ロットの磁気抵抗効果素子の形成方法を調節することを特徴とする。
これによれば、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）と高い相関関係にある層間結合磁界（Ｈｉｎ）が規格値の範囲内のときにはフィードバック（後の製造ロットの調節）を行わない。したがって、電気抵抗（ＲＡ）の測定ばらつきに原因する過剰なフィードバックを抑えることができ、この結果電気抵抗（ＲＡ）の製造ロット間のばらつきを抑えることができる。
The feedback method of the magnetoresistive element forming process according to the present invention has the following configuration in order to solve the above-described problems.
That is, after the magnetoresistive effect element is formed on the wafer, the electrical resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) of the magnetoresistive effect element are measured, and both the measured value of the electrical resistance and the measured value of the interlayer coupling magnetic field are The method of adjusting the magnetoresistive effect element in the manufacturing lot after the manufacturing lot to which the wafer belongs is adjusted when it falls outside the range of each predetermined standard value.
According to this, when the interlayer coupling magnetic field (Hin) having a high correlation with the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element is within the range of the standard value, feedback (subsequent production lot adjustment) is not performed. Therefore, it is possible to suppress excessive feedback caused by measurement variations in electrical resistance (RA), and as a result, it is possible to suppress variations in manufacturing lots of electrical resistance (RA).
さらに、ＣＩＰＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｉｎ−Ｐｌａｎｅ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）法を用いて、磁気抵抗効果素子の電気抵抗および層間結合磁界の少なくとも一方を測定することを特徴とする。
これによれば、ウエハ上に電極端子を形成したり除去したりするプロセスを行うことなく、簡単にトンネル磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）または層間結合磁界（Ｈｉｎ）を測定できる。
Further, it is characterized in that at least one of an electric resistance and an interlayer coupling magnetic field of the magnetoresistive effect element is measured by using a CIPT (Current In-Plane Tunneling) method.
According to this, the electrical resistance (RA) or interlayer coupling magnetic field (Hin) of the tunnel magnetoresistive element can be easily measured without performing a process of forming or removing the electrode terminal on the wafer.
さらに、磁気抵抗効果素子の製造ロットに、電気抵抗および層間結合磁界を測定するためのテスト用ウエハが含まれ、該テスト用ウエハに形成された磁気抵抗効果素子の上下に、低電気抵抗層を形成し、ＣＩＰＴ法を用い、磁気抵抗効果素子の上層に形成された前記低電気抵抗層を介して、前記テスト用ウエハの磁気抵抗効果素子の電気抵抗および層間結合磁界の少なくとも一方を測定することを特徴とする。
これによれば、低電気抵抗層を形成することで、ＣＩＰＴ法による磁気抵抗効果素子の、薄膜積層方向の電気抵抗（ＲＡ）または層間結合磁界（Ｈｉｎ）を、正確に測定することができる。
Further, the production lot of the magnetoresistive effect element includes a test wafer for measuring the electrical resistance and the interlayer coupling magnetic field, and a low electrical resistance layer is formed above and below the magnetoresistive effect element formed on the test wafer. Forming and measuring at least one of the electrical resistance of the magnetoresistive effect element of the test wafer and the interlayer coupling magnetic field through the low electrical resistance layer formed on the upper layer of the magnetoresistive effect element using the CIPT method It is characterized by.
According to this, by forming the low electrical resistance layer, it is possible to accurately measure the electrical resistance (RA) or the interlayer coupling magnetic field (Hin) in the thin film stacking direction of the magnetoresistive effect element by the CIPT method.
また、ウエハ上に、磁気抵抗効果素子に接続する電極端子を設け、該電極端子を介して磁気抵抗効果素子の電気抵抗および層間結合磁界の少なくとも一方を測定した後、前記電極端子を除去することを特徴とする。 Also, an electrode terminal connected to the magnetoresistive effect element is provided on the wafer, and after measuring at least one of the electric resistance and the interlayer coupling magnetic field of the magnetoresistive effect element via the electrode terminal, the electrode terminal is removed. It is characterized by.
また、磁気抵抗効果素子がトンネル磁気抵抗効果素子であることを特徴とする。 The magnetoresistive element is a tunnel magnetoresistive element.
また、磁気抵抗効果素子がＣＰＰ型巨大磁気抵抗効果素子であることを特徴とする。 Further, the magnetoresistive effect element is a CPP type giant magnetoresistive effect element.
本発明に係る磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法によれば、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）に基づく、磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバックを、電気抵抗（ＲＡ）の製造ロット間のばらつきを抑えて、適切に行うことができる。 According to the feedback method of the magnetoresistive effect element forming process according to the present invention, the feedback of the magnetoresistive effect element forming process based on the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element is transferred between the production lots of the electrical resistance (RA). It is possible to perform appropriately while suppressing variations.
以下、本発明に係る磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法を実施するための最良の形態を、添付図面に基づいて説明する。 The best mode for carrying out the feedback method of the magnetoresistive element forming process according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法の概略のフローを、図１を用いて説明する。
まず、ウエハ上に磁気抵抗効果素子を形成する（Ｓ１）。
続いて、アニール工程を行う（Ｓ２）。アニール工程とは、磁気抵抗効果素子の中のピン層の磁化方向を設定する工程である。
続いて、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定する（Ｓ３）。
さらに、磁気抵抗効果素子の層間結合磁界（Ｈｉｎ）を測定する（Ｓ４）。
そして、その電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定値がともに所定の規格値の範囲外にあるか、いずれかが範囲内にあるかを判定し（Ｓ５）、ともに規格値の範囲を外れていた場合に、後の製造ロットにおける磁気抵抗効果素子の形成方法（Ｓ１）を、電気抵抗が前記規格値の範囲内に収まるように調節（フィードバック）する（なお、図１中の破線矢印は、後の製造ロットへフィードバックすることを表すものであり、当該製造ロットの工程を後戻りすることを表すものではない）。
A schematic flow of a feedback method in the magnetoresistive element forming process according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
First, a magnetoresistive element is formed on a wafer (S1).
Subsequently, an annealing process is performed (S2). The annealing process is a process of setting the magnetization direction of the pinned layer in the magnetoresistive effect element.
Subsequently, the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element is measured (S3).
Further, the interlayer coupling magnetic field (Hin) of the magnetoresistive effect element is measured (S4).
Then, it is determined whether the measured values of the electrical resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) are both outside the predetermined standard value range, or any of them is within the range (S5). When the value is out of the range, the method (S1) for forming the magnetoresistive effect element in the subsequent production lot is adjusted (feedback) so that the electric resistance is within the range of the standard value (in FIG. 1). The broken-line arrows represent feedback to a subsequent production lot, and do not represent backtracking the process of the production lot).
この、後の製造ロットにおける電気抵抗（ＲＡ）の調節（フィードバック）の方法は、バリア層２０（図６参照）の厚さまたは酸化時間を調節するという、従来の方法と同様であるため、説明を省略する。 The method of adjusting (feedback) the electrical resistance (RA) in the subsequent production lot is the same as the conventional method of adjusting the thickness or oxidation time of the barrier layer 20 (see FIG. 6). Is omitted.
また、磁気抵抗効果素子を形成する工程（Ｓ１）、アニール工程（Ｓ２）、および磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）を測定する工程（Ｓ３）の構成は、従来の方法と同様であるため説明を省略する。 The configuration of the magnetoresistive effect element forming step (S1), the annealing step (S2), and the step of measuring the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element (S3) is the same as the conventional method. Description is omitted.
層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定（図１のＳ４）は、磁気抵抗効果素子に連続的に変化する外部磁界を印加して、図８に示すような、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（Ｒ）との関係（ヒステリシス曲線）を検出し、電気抵抗値（Ｒ）をその最大値Ｒｍａｘと最小値Ｒｍｉｎとの平均値ｒとする印加外部磁界ｈ１とｈ２との平均値を算出することで行うことができる。 The measurement of the interlayer coupling magnetic field (Hin) (S4 in FIG. 1) is performed by applying a continuously changing external magnetic field to the magnetoresistive effect element, and the electric resistance (R) of the magnetoresistive effect element as shown in FIG. Is detected by calculating the average value of the applied external magnetic fields h1 and h2 with the electrical resistance value (R) being the average value r of the maximum value Rmax and the minimum value Rmin. Can do.
ここで、層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定は、磁気抵抗効果素子の電気抵抗の変化に対応する外部磁界強度を求めることであるから、例えば磁気抵抗効果素子の電気抵抗を測定するためのプローブピンの接触不良等で電気抵抗値が全体的に高く検出されてしまったとしても、求められる外部磁界強度に大きな誤差が生じない。
磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定では、例えばプローブピンの接触不良等の影響を直接的に受けて、電気抵抗の測定結果が大きく狂ってしまう場合があるのに対して、層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定は、電気抵抗値そのものではなく電気抵抗の変化が検出されれば足りるため、電気抵抗の測定値そのものの検出精度には大きくは影響されないのである。
Here, since the measurement of the interlayer coupling magnetic field (Hin) is to obtain the external magnetic field intensity corresponding to the change in the electrical resistance of the magnetoresistive effect element, for example, a probe pin for measuring the electrical resistance of the magnetoresistive effect element Even if the electrical resistance value is detected to be high as a whole due to poor contact or the like, a large error does not occur in the required external magnetic field strength.
In the measurement of the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element, for example, the measurement result of the electric resistance may be greatly deviated by being directly affected by, for example, contact failure of the probe pin. The measurement of the magnetic field (Hin) only needs to detect a change in the electrical resistance rather than the electrical resistance value itself, and thus is not greatly affected by the detection accuracy of the measured value of the electrical resistance itself.
図２は、磁気抵抗効果素子のバリア層２０の厚さ（横軸）と層間結合磁界（Ｈｉｎ）（縦軸）との関係を示すグラフである。なお、このグラフでは、バリア層２０の厚さは、酸化処理前の厚さである（酸化処理後には、バリア層２０のアルミニウムの少なくとも一部が酸化アルミニウムとなるため、厚さが増す）。また、バリア層２０の酸化処理時間は、４分としたものと６分としたものとで測定を行った。
図２に示すように、バリア層２０の厚さと層間結合磁界（Ｈｉｎ）との間には、負の相関関係がある。また、バリア層２０の酸化処理時間を６分から４分へ変えると、層間結合磁界（Ｈｉｎ）が５Ｏｅ程度増すことが分かる。
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness (horizontal axis) of the barrier layer 20 of the magnetoresistive effect element and the interlayer coupling magnetic field (Hin) (vertical axis). In this graph, the thickness of the barrier layer 20 is the thickness before the oxidation treatment (after the oxidation treatment, at least a part of the aluminum of the barrier layer 20 becomes aluminum oxide, so the thickness increases). Moreover, the oxidation treatment time of the barrier layer 20 was measured at 4 minutes and 6 minutes.
As shown in FIG. 2, there is a negative correlation between the thickness of the barrier layer 20 and the interlayer coupling magnetic field (Hin). It can also be seen that the interlayer coupling magnetic field (Hin) increases by about 5 Oe when the oxidation time of the barrier layer 20 is changed from 6 minutes to 4 minutes.
図３は、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定値（横軸）と層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定値（縦軸）との関係を示すグラフである。磁気抵抗効果素子の各サンプルは、互いにバリア層２０の厚さを異ならせることで電気抵抗（ＲＡ）を異ならせて測定を行った。また、磁気抵抗効果素子のバリア層２０の酸化処理時間は、４分としたものと６分としたものとで測定を行った。
図３のグラフから分かるように、電気抵抗（ＲＡ）と層間結合磁界（Ｈｉｎ）との間には、負の相関関係がある。また、バリア層２０の酸化処理時間を６分から４分へ変えても、電気抵抗（ＲＡ）と層間結合磁界（Ｈｉｎ）との相関関係には特に影響がないことが分かる。すなわち、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の調節を、バリア層２０の厚さを変えることで行っても、バリア層２０の酸化時間を変えることで行っても、電気抵抗（ＲＡ）と層間結合磁界（Ｈｉｎ）との相関関係には影響がないことが分かる。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the measured value (horizontal axis) of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element and the measured value (vertical axis) of the interlayer coupling magnetic field (Hin). Each sample of the magnetoresistive effect element was measured by changing the electric resistance (RA) by making the thickness of the barrier layer 20 different from each other. Moreover, the oxidation treatment time of the barrier layer 20 of the magnetoresistive effect element was measured at 4 minutes and 6 minutes.
As can be seen from the graph of FIG. 3, there is a negative correlation between the electrical resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin). It can also be seen that even if the oxidation time of the barrier layer 20 is changed from 6 minutes to 4 minutes, the correlation between the electrical resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) is not particularly affected. That is, the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element can be adjusted by changing the thickness of the barrier layer 20 or by changing the oxidation time of the barrier layer 20. It can be seen that there is no effect on the correlation with the interlayer coupling magnetic field (Hin).
このように、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）と層間結合磁界（Ｈｉｎ）との間には強い相関関係があるから、電気抵抗（ＲＡ）の測定値と層間結合磁界（Ｈｉｎ）との測定値がともに規格値の範囲外にあるか否かを判定して、両者が範囲外にあるときのみ、後の製造ロットにおける電気抵抗（ＲＡ）の調節を行うよう構成することで、電気抵抗（ＲＡ）の測定ばらつきがあっても、従来のように過剰なフィードバックを行ってしまうことを抑えることができる。 Thus, since there is a strong correlation between the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element and the interlayer coupling magnetic field (Hin), the measured value of the electrical resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) It is determined whether or not both measured values are outside the range of the standard value, and only when both are out of the range, the electric resistance (RA) is adjusted in a subsequent production lot, thereby making the electric resistance Even if there is a measurement variation of (RA), it is possible to suppress excessive feedback as in the past.
図４に、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法を適用した場合の、各製造ロットのテスト用ウエハの磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定値を示す。磁気抵抗効果素子の電気抵抗の検出法はＣＩＰＴ法による。
図４に示す表において、各マス内に記載した数値は、各製造ロットの磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定値を示し、上のマスほど過去の製造ロットを示している。なお、本例においては、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の規格値の範囲は、２．９±０．１Ωμｍ２、すなわち２．８〜３．０Ωμｍ２とした。また、層間結合磁界（Ｈｉｎ）の規格範囲は、２７．５±２．５Ｏｅ、すなわち２５．０〜３０．０Ｏｅとした。
FIG. 4 shows the electrical resistance (RA) and interlayer coupling magnetic field (Hin) of the magnetoresistive effect element of the test wafer of each production lot when the feedback method of the magnetoresistive effect element forming process according to the present embodiment is applied. The measured value is shown. The detection method of the electrical resistance of the magnetoresistive effect element is based on the CIPT method.
In the table shown in FIG. 4, the numerical values described in each square indicate the measured values of the electrical resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) of the magnetoresistive effect element in each production lot. Shows the lot. In this example, the standard value range of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element was 2.9 ± 0.1 Ωμm 2 , that is, 2.8 to 3.0 Ωμm 2 . The standard range of the interlayer coupling magnetic field (Hin) was 27.5 ± 2.5 Oe, that is, 25.0 to 30.0 Oe.
図４の表において、まず第１製造ロット（最も上のマス）で、２．７８Ωμｍ２の電気抵抗（ＲＡ）が測定されているが、層間結合磁界（Ｈｉｎ）は規格範囲内であるため、従来方法とは異なり、次の製造ロットには、調節（フィードバック）が加えられない。
第５製造ロットにおいては、電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）の両者が規格値の範囲外であるため、次の製造ロット（第６製造ロット）では、電気抵抗（ＲＡ）の調節（フィードバック）を行う。（図７中の網掛けのマスが、前記規格値の範囲外の測定値を示す）
In the table of FIG. 4, first, the electrical resistance (RA) of 2.78 Ωμm 2 is measured in the first production lot (the uppermost mass), but the interlayer coupling magnetic field (Hin) is within the standard range. Unlike the conventional method, no adjustment (feedback) is applied to the next production lot.
In the fifth production lot, both the electric resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) are out of the range of the standard value. Therefore, in the next production lot (sixth production lot), the electric resistance (RA) is adjusted. (Feedback). (The shaded area in FIG. 7 indicates a measured value outside the range of the standard value)
同様に、第１１、第１４、第２２製造ロットにおいても、電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）がともに規格値の範囲外の測定値となっているため、それぞれの次のロットに対してフィードバックがかけられている。
他方、電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）の少なくともいずれか一方が規格値の範囲内になる場合には、後の製造ロットにおける電気抵抗（ＲＡ）の調節（フィードバック）を行わない。
Similarly, in the eleventh, fourteenth and twenty-second production lots, both the electric resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) are measured values outside the range of the standard value. On the other hand, feedback is being applied.
On the other hand, when at least one of the electrical resistance (RA) and the interlayer coupling magnetic field (Hin) falls within the standard value range, the electrical resistance (RA) is not adjusted (feedback) in the subsequent production lot.
これによれば、第１〜３２製造ロット間での、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定値の標準偏差σは、０．１０５となった。
従来方法では、図７に示すように、第１〜３２製造ロット間での、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定値の標準偏差σは、０．１２６であった。
According to this, the standard deviation σ of the measured value of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element between the first to 32nd production lots was 0.105.
In the conventional method, as shown in FIG. 7, the standard deviation σ of the measured value of the electrical resistance (RA) of the magnetoresistive effect element between the first to thirty-second manufacturing lots was 0.126.
このように、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法では、従来方法に比較して、電気抵抗（ＲＡ）の製造ロット間のばらつきを抑えることができる。
これは、磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）と高い相関関係にある層間結合磁界（Ｈｉｎ）が規格値の範囲内のときにはフィードバック（後の製造ロットの調節）を行わない構成を採ることで、電気抵抗（ＲＡ）の測定ばらつきに原因する過剰なフィードバックを抑えることができたためと考えられる。
As described above, in the feedback method of the magnetoresistive effect element forming process according to the present embodiment, it is possible to suppress variations in the production lot of the electric resistance (RA) as compared with the conventional method.
This is because no feedback (subsequent adjustment of the production lot) is performed when the interlayer coupling magnetic field (Hin) having a high correlation with the electric resistance (RA) of the magnetoresistive effect element is within the range of the standard value. This is probably because excessive feedback caused by measurement variations in electrical resistance (RA) could be suppressed.
１２ ウエハ基板
１４ 下地層
１６ 反強磁性層
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ ピン層（第一磁化固定層、ルテニウム層、第二磁化固定層）
２０ バリア層（金属膜）
２２ フリー層
２４ トップコート層
Ｓ１ 磁気抵抗効果素子の形成工程
Ｓ２ アニール工程
Ｓ３ 磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）の測定工程
Ｓ４ 磁気抵抗効果素子の層間結合磁界（Ｈｉｎ）の測定工程
Ｓ５ フィードバック実行有無の判定工程
12 Wafer substrate 14 Underlayer 16 Antiferromagnetic layer 18a, 18b, 18c Pinned layer (first magnetization fixed layer, ruthenium layer, second magnetization fixed layer)
20 Barrier layer (metal film)
22 Free layer 24 Topcoat layer S1 Formation process of magnetoresistive effect element S2 Annealing process S3 Measurement process of electric resistance (RA) of magnetoresistive effect element S4 Measurement process of interlayer coupling magnetic field (Hin) of magnetoresistive effect element S5 Execution of feedback Judgment process
Claims (6)
磁気抵抗効果素子の電気抵抗（ＲＡ）および層間結合磁界（Ｈｉｎ）を測定し、
電気抵抗の測定値および層間結合磁界の測定値が、ともにそれぞれの所定の規格値の範囲から外れた場合に、当該ウエハが属する製造ロットより後の製造ロットの磁気抵抗効果素子の形成方法を調節することを特徴とする磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法。 After forming the magnetoresistive effect element on the wafer,
Measure the electrical resistance (RA) and interlayer coupling magnetic field (Hin) of the magnetoresistive element,
When the measured value of the electrical resistance and the measured value of the interlayer coupling magnetic field are both out of the range of the predetermined standard value, the method of forming the magnetoresistive effect element in the production lot after the production lot to which the wafer belongs is adjusted. A feedback method of a magnetoresistive effect element forming step.
該テスト用ウエハに形成された磁気抵抗効果素子の上下に、低電気抵抗層を形成し、
ＣＩＰＴ法を用い、磁気抵抗効果素子の上層に形成された前記低電気抵抗層を介して、前記テスト用ウエハの磁気抵抗効果素子の電気抵抗および層間結合磁界の少なくとも一方を測定することを特徴とする請求項２記載の磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法。 The production lot of magnetoresistive element includes a test wafer for measuring electric resistance and interlayer coupling magnetic field,
A low electrical resistance layer is formed above and below the magnetoresistive effect element formed on the test wafer,
Using the CIPT method, measuring at least one of an electric resistance and an interlayer coupling magnetic field of the magnetoresistive effect element of the test wafer through the low electrical resistance layer formed on the magnetoresistive effect element. The feedback method of the magnetoresistive effect element formation process of Claim 2.
該電極端子を介して磁気抵抗効果素子の電気抵抗および層間結合磁界の少なくとも一方を測定した後、
前記電極端子を除去することを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果素子形成工程のフィードバック方法。 An electrode terminal connected to the magnetoresistive effect element is provided on the wafer,
After measuring at least one of the electrical resistance of the magnetoresistive effect element and the interlayer coupling magnetic field through the electrode terminal,
2. The feedback method for forming a magnetoresistive element according to claim 1, wherein the electrode terminal is removed.
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