JP2009045720A

JP2009045720A - 研磨モニタ方法及び研磨方法

Info

Publication number: JP2009045720A
Application number: JP2007216605A
Authority: JP
Inventors: Shin Eguchi; 伸江口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2009-03-05

Abstract

【課題】研磨モニタ方法及び研磨方法に関し、装置の改造等を行わず、且つ、研磨する実基板そのものの膜厚をモニタすることで、簡単に精度良く研磨の終点を検出する。
【解決手段】研磨モニタ構造２を実基板１に設け、研磨後に研磨モニタ構造２をモニタすることによって最適研磨量との差を算出し、算出結果に基づいて追加研磨を行うことを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は研磨モニタ方法及び研磨方法に関するものであり、特に、リードヘッドの平坦化工程において、最適研磨量を簡単な構成により迅速にモニタするための構成に特徴のある研磨モニタ方法及び研磨方法に関するものである。

磁気ディスク装置等に用いられるリードヘッドは、微細化の進展に伴ってコア幅がますます狭くなっている。
一例として、５００Ｇｂｉｔ／ｉｎ²クラスでは、コア幅（フリー層幅）が５０ｎｍ以下となることが予想されている。

このようなリードヘッドにはトンネル磁気抵抗効果膜（ＴＭＲ膜）等が用いられているが、このＴＭＲ膜はその両脇に絶縁膜を介して磁区制御膜が存在する形状となっている。

従来のリードヘッドの形成工程においては、ＴＭＲ膜を堆積したのち、根元に括れのあるレジストを形成し、このレジストをＴＭＲ膜のエッチングマスク及び、ＴＭＲ膜の両脇に絶縁膜と磁区制御膜を形成する際のリフトオフ用マスクとして用いていたので、ここで、図１２を参照して、従来のリードヘッドの形成工程を説明する。

図１２参照
まず、下部電極を兼ねる下部磁気シールド層５１上にＴａ膜５２を介して反強磁性層／ピンド層／トンネル絶縁膜／フリー層からなるＴＭＲ膜５３を堆積させたのち、その上部にＴａ膜５４を形成し、その上に括れ部を有するレジストパターン５５を形成する。

次いで、レジストパターン５５をマスクとしてイオンミリングを行うことによって、Ｔａ膜５４乃至Ｔａ膜５２の露出部をエッチングする。
この時、レジストパターン５５の表面にエッチング派生物５６が付着する。

次いで、Ａｌ₂Ｏ₃等の絶縁膜５７、磁区制御膜５８、及び、Ｔａキャップ膜５９を順次堆積させたのち、レジストパターン５５とともに不要なＴａキャップ膜５９乃至絶縁膜５７を除去することによってリードヘッドの基本構造が得られる。

しかし、リードヘッドの微細化の加速に伴い、括れを有するレジストによる微細ＴＭＲの形成は限界にきているため、括れのないレジストとＣＭＰ（化学機械研磨）を組合せた平坦化プロセスに変更されているので、ここで、図１３を参照して説明する。

図１３参照
まず、下部電極を兼ねる下部磁気シールド層６１上にＴａ膜６２を介して反強磁性層／ピンド層／トンネル絶縁膜／フリー層からなるＴＭＲ膜６３を堆積させたのち、その上部にＴａ研磨ストッパ膜６４を形成し、その上に括れのないレジストパターン６５を形成する。

次いで、レジストパターン６５をマスクとしてイオンミリングを行うことによって、Ｔａ研磨ストッパ膜６４をパターニングしたのち、ＴＭＲ膜６３及びＴａ膜６２もエッチングする。
なお、このＴＭＲ膜６３及びＴａ膜６２もエッチングにおいては、レジストパターン６５をマスクとしても良いし、或いは、レジストパターン６５を除去してパターニングしてＴａ研磨ストッパ膜６４をマスクとしても良い。

次いで、全面にＡｌ₂Ｏ₃等の絶縁膜６６、磁区制御膜６７、及び、Ｔａキャップ膜６８を順次堆積させたのち、ＣＭＰにより少なくともＴＭＲ膜６３上の絶縁膜６６が完全になくなるまで研磨することによってリードヘッドの基本構造が得られる。

この時、絶縁膜６６を除去してＴａ研磨ストッパ層６を確実に露出させる必要があるため、研磨時間を長めに設定することが必須である。
その結果として、残ったＴａ研磨ストッパ層６８の膜厚が変わり、ギャップ長がずれる、基板面内で分布を持つなどの不具合が発生するという問題がある。

そこで、研磨工程における高精度な膜厚管理のために、モニタ電極を基板ではなく、研磨パッド側に設けて被研磨基板の導通状態をモニタし、エンドポイントを検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この本方式では、研磨中（インプロセス）に膜厚がモニタできるため、追加研磨等の処理の必要性がなくなる。

また、モニタ基板を用いて、モニタ基板の研磨工程から算出した研磨レートを用い、精密に本番用基板を研磨する手法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
この方式では、装置の改造もなく、市販の研磨パッドが使える利点がある。
特開２００１−２６９８６２号公報特開２００３−１２４１７１号公報

しかし、上述のインプロセスモニタの場合には、回転する研磨パッドにモニタを埋め込み、導通状態をモニタする機構を研磨装置に持たせる必要があるため装置が大掛かりになったり、埋め込んだ研磨パッドは消耗品のため、ランニングコストが上がるという欠点がある。

また、上述のモニタ基板を用いる方式の場合には、本番の実基板そのものの膜厚を計測する手段はなく、実際の研磨量は不明であるという欠点があり、モニタ基板で算出した研磨条件を実基板の研磨に適用場合に終点がずれる可能があり、研磨精度の面で問題があった。

したがって、本発明は、装置の改造等を行わず、且つ、研磨する実基板そのものの膜厚をモニタすることで、簡単に精度良く研磨の終点を検出することを目的とする。

図１は、本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、研磨モニタ方法において、研磨モニタ構造２を実基板１に設け、研磨後に研磨モニタ構造２をモニタすることによって最適研磨量との差を算出し、算出結果に基づいて追加研磨を行うことを可能としたことを特徴とする。

このように、実基板１に研磨モニタ構造２を設けることによって、インプロセスモニタにより実際に研磨する基板そのものに膜厚の研磨状態を低コストで評価することができる。

この場合、研磨後のモニタを、研磨モニタ構造２の電気抵抗の計測により行うことが望ましく、膜厚モニタ等を用いる場合比べて、簡単な構成により迅速に研磨モニタを行うことができる。

この場合の研磨モニタ構造２は、実素子と異なった構造でも良いし、或いは、実素子と同じ構造を用いても良いものである。

また、研磨モニタ構造２の電気抵抗の計測を行うための研磨モニタ用電極６は、研磨モニタ構造２の上面側に配置しても良いし、或いは、研磨モニタ構造２の側面に埋め込んで設置しても良いものである。

また、研磨モニタ用電極６を研磨モニタ構造２の上面側に配置した構成を用いた研磨方法においては、研磨とともに研磨モニタ用電極６も研磨されて消失するので、追加研磨は一回のみとなる。

一方、研磨モニタ用電極６を研磨モニタ構造２の側面に埋め込んで設置した構成を用いた研磨方法においては、研磨とともに研磨モニタ用電極６は研磨されて消失することはないので、複数回繰り返してモニタすることが可能になり、それに応じて必要があれば複数回の追加研磨を行うことが可能になり、製造歩留りが向上する。

このような、研磨モニタ方法を用いて研磨を行う研磨対象物としては、磁気抵抗効果膜３の側面に絶縁膜４を介して磁区制御膜５を設けるとともに、上面に堆積した絶縁膜４は完全に除去する必要のあるリードヘッドが典型的なものである。

本発明によれば、研磨後の膜厚を所定の狙いに収めることが可能となり、またその手段も、簡便なモニタを基板に作る工程がわずかに増えるだけであるので、低コスト化が可能になる。

本発明は、実基板に実素子（典型的には磁気抵抗効果素子）と異なった構造或いは実素子と同じ構造の研磨モニタ構造を設け、研磨後に研磨モニタ構造の電気抵抗を研磨モニタ構造に設けた研磨モニタ用電極を介して計測し、最適研磨量との差を算出し、前記算出結果に基づいて追加研磨を行うものである。

この時、研磨モニタ用電極を研磨モニタ構造の上面側に配置した場合には、研磨工程において研磨モニタ用電極も研磨されて消失するので、追加研磨は一回のみとなり、一方、研磨モニタ用電極を研磨モニタ構造の側面に埋め込んで設置した場合には、研磨工程において研磨モニタ用電極は消失することはないので、複数回繰り返してモニタすることが可能になり、それに応じて必要があれば複数回の追加研磨を行うものである。

ここで、図２乃至図６を参照して、本発明の実施例１の研磨モニタ方法を説明する。
図２参照
図２は、本発明の実施例１の研磨モニタ方法のフローチャートであり、
Ａ₁．まず、実基板を投入し、
Ｂ₁．ＴＭＲ素子を形成する。この時、モニタ構造形成領域にも同じ積層構造を形成する。
Ｃ₁．モニタ構造形成領域にモニタ構造を形成する。
Ｄ₁．ＴＭＲ素子及びモニタ構造をＣＭＰ法で研磨する。
Ｅ₁．研磨装置から取り外し、次いで、
Ｆ₁．膜厚評価装置へ取付け、
Ｇ₁．膜厚評価装置においてモニタ構造の抵抗値を測定する。
Ｈ₁．膜厚判定を行い
Ｉ₁．測定した抵抗値が、所定の値以上である場合には、次工程へ進み、
Ｊ₁．測定した抵抗値が、所定の値未満である場合には、追加研磨量を算定して、工程Ｄ ₁へ戻り、測定した抵抗値が所定の値以上になるまで繰り返す。

図３参照
図３以下は、本発明の実施例１におけるモニタ構造の形成工程の説明図であり、上側の図は平面図であり、下側の図は断面図であるが、ここでは、図示を簡単にするために実素子部を模式的に図示しているが、実際には、上述の図１３に示したような構造になっている。
まず、従来例と同様に、Ａｌ₂Ｏ₃−ＴｉＣ基板（図示は省略）上に設けた下部磁気シールド層１１上にＴａ膜１２を介して、反強磁性層／ピンド層／トンネル絶縁膜／フリー層からなるとともに、厚さが、例えば、３０ｎｍのＴＭＲ膜１３を堆積させる。

次いで、ＴＭＲ膜１３上に括れのないレジストパターン（図示を省略）を形成し、このレジストパターンをマスクとしてイオンミリングを行うことによって、ＴＭＲ膜１３及びＴａ膜１２もエッチングする。

次いで、次いで、レジストパターンを除去したのち、全面にＡｌ₂Ｏ₃膜１４、磁区制御膜１５、及び、Ｔａキャップ膜１６を順次堆積させる。
この時、モニタ構造形成領域においても、平坦なＴＭＲ膜１３上にＡｌ₂Ｏ₃膜１４、磁区制御膜１５、及び、Ｔａキャップ膜１６を順次堆積させる。

次いで、実素子部をレジスト１７で被覆した状態で、モニタ構造形成部をエッチングして、平面形状が例えば、方形となるようにモニタ構造１８を形成する。
因に、ＴＭＲ膜１３の比抵抗ρを２０μΩｃｍ、磁区制御膜１５のシート抵抗を１００μΩｃｍとすると、ＴＭＲ膜の抵抗は６．７Ωとなり、磁区制御膜１５の残膜厚が３ｎｍとした場合の抵抗は３３３Ωとなる。

図４参照
次いで、モニタ構造１８の両脇に、例えば、Ａｕからなるモニタ用電極１９を設ける。
次いで、ＣＭＰ法により、予め設定した時間だけ研磨を行って表面を平坦化する。
この場合、モニタ構造１８におけるＴＭＲ膜１３の研磨が生ぜず、且つ、ＴＭＲ膜１３上のＴａキャップ膜１６は完全に研磨される程度の時間を設定する。

次いで、基板を研磨装置から取り外して膜厚評価装置へ取付け、膜厚評価装置においてモニタ構造１７の電気抵抗を測定する。

図５参照
図５は、測定したモニタ抵抗の研磨状態依存性の説明図であり、研磨が十分ではなく、モニタ構造１８の最上面が磁区制御膜１５である場合には、電流はＴＭＲ膜１３と磁区制御膜１５の両方に流れるので、比較的低抵抗であり、磁区制御膜１５の研磨が進行するにしたがって抵抗が上昇する。

測定したモニタ抵抗が、ＴＭＲ膜の設計膜厚から予め算出した値より低い場合には、磁区制御膜１５が残っていると判断して抵抗値から追加研磨量を算定して追加研磨を行い、再び、モニタ抵抗を測定する。

研磨が進行してＡｌ₂Ｏ₃膜１４が露出した状態では、電流は膜厚が一定のＴＭＲ膜１３に流れるので、モニタ抵抗は一定の値を示す。
したがって、モニタ抵抗がＴＭＲ膜の設計膜厚から予め算出した値と同程度の場合には、Ａｌ₂Ｏ₃膜１４が残っている状態であると判断して、追加研磨量を算定して追加研磨を行う。

研磨が進行してＴＭＲ膜１３が露出した状態では、モニタ抵抗がＴＭＲ膜の設計膜厚から予め算出した値より若干高くなっているので、この時点で研磨を終了する。

図６参照
図６は、研磨を終了した時点での、素子構造を概念的示したものであり、ＴＭＲ膜１３が完全に露出した状態となる。

このように、本発明の実施例１においては、厳密な意味ではインプロセスのモニタではないが、装置の改造等を行わず、且つ、研磨する実基板そのものの抵抗値を毎回モニタし追加研磨を行うことで、最適な狙い膜厚を実現することが可能となる。

次に、図７乃至図１１を参照して、本発明の実施例２の研磨モニタ方法を説明する。
図７参照
図７は、本発明の実施例２の研磨モニタ方法のフローチャートであり、
Ａ₂．まず、実基板を投入し、
Ｂ₂．ＴＭＲ素子を形成する。この時、モニタ構造形成領域にも同じ積層構造を形成する。
Ｃ₂．ＴＭＲ素子をＣＭＰ法で研磨する。
Ｄ₂．研磨装置から取り外し、次いで、
Ｅ₂．モニタ構造形成領域にモニタ構造を形成する。
Ｆ₂．膜厚評価装置へ取付け、
Ｇ₂．膜厚評価装置においてモニタ構造の抵抗値を測定する。
Ｈ₂．膜厚判定を行い
Ｉ₂．測定した抵抗値が、所定の低抵抗値である場合には、次工程へ進み、
Ｊ₂．測定した抵抗値が、高抵抗値である場合には、追加研磨量を算定し、
Ｋ₂．算定した研磨量分の追加研磨を行う。

図８参照
図８以下は、本発明の実施例２におけるモニタ構造の形成工程の説明図であり、上側の図は平面図であり、下側の図は断面図であるが、ここでも、図示を簡単にするために実素子部を模式的に図示している。
まず、上記の実施例と全く同様にＴＭＲ素子を形成するとともに、モニタ構造形成領域においても、平坦なＴＭＲ膜１３上にＡｌ₂Ｏ₃膜１４、磁区制御膜１５、及び、Ｔａキャップ膜１６を順次堆積させる。

次いで、ＣＭＰ法により、予め設定した時間だけ研磨を行って表面を平坦化する。
この場合、モニタ構造１７におけるＡｌ₂Ｏ₃膜１４がジャスト研磨される程度の時間を設定する。

図９参照
次いで、基板を研磨装置から取り外して、実素子部をレジスト２０で被覆した状態で、モニタ構造形成部をエッチングして、平面形状が例えば、方形となるようにモニタ構造２１を形成する。
因に、ここでも、ＴＭＲ膜１３の比抵抗ρを２０μΩｃｍ、磁区制御膜１５のシート抵抗を１００μΩｃｍとすると、ＴＭＲ膜の抵抗は６．７Ωとなり、磁区制御膜１５の残膜厚が３ｎｍとした場合の抵抗は３３３Ωとなる。

次いで、モニタ構造２１の周囲に、モニタ構造２１をエッチングするのに用いたレジスト２０を利用したリフトオフ法により、例えば、Ａｌ₂Ｏ₃からなる埋込層２２を形成したのち、モニタ構造２１の露出上面の両側に、例えば、Ａｕからなるモニタ用電極２３を設ける。
次いで、膜厚評価装置へ取付け、膜厚評価装置においてモニタ構造２１の電気抵抗を測定する。

図１０参照
図１０は、測定したモニタ抵抗の研磨状態依存性の説明図であり、研磨が十分ではなく、モニタ構造２１の最上面が磁区制御膜１５である場合には、電流は磁区制御膜１５のみに流れるので、モニタ抵抗は比較的高抵抗であり、磁区制御膜１５の残膜厚が少なくなるにつれて抵抗が上昇する。

研磨が進行してＡｌ₂Ｏ₃膜１４が露出した状態では、電流はＡｌ₂Ｏ₃膜１４に遮られるので流れなくなる。
さらに、測定したモニタ抵抗が、ＴＭＲ膜の設計膜厚から予め算出した値より若干高い場合には、ＴＭＲ膜１３が露出していると判断する。

したがって、モニタ抵抗がＴＭＲ膜の設計膜厚から予め算出した値より若干低い場合には多めに追加研磨量を算定し、モニタ抵抗が無限大の場合には、少なめに追加研磨量を算定して追加研磨を行う。
また、測定したモニタ抵抗が、ＴＭＲ膜の設計膜厚から予め算出した値より若干高い場合には、この時点で研磨を終了する。

図１１参照
図１１は、研磨を終了した時点での、素子構造を概念的示したものであり、ＴＭＲ膜１３が完全に露出した状態となる。

このように、本発明の実施例２においても、厳密な意味ではインプロセスのモニタではないが、装置の改造等を行わず、且つ、研磨する実基板そのものの抵抗値をモニタし追加研磨を行うことで、最適な狙い膜厚を実現することが可能となる。

また、この実施例２の場合には、モニタ用電極が、追加研磨において消失したり、或いは、モニタ構造がモニタ用電極により保護されて研磨されないのでモニタとして機能しないので、追加研磨を一回のみであるが、上記の実施例１に比べてモニタ抵抗の変化がドラスティクであるので、研磨状態の判定が容易になる。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成・条件等に限られるものではなく各種の変更が可能であり、例えば、上記の実施例１においては、再生ヘッドをＴＭＲ素子で構成しているが、ＴＭＲ素子に限られるものではなく、トンネル絶縁膜の代わりにＣｕ等の非磁性中間層を用いたＣＰＰ構造のＧＭＲ素子を用いても良いものである。

また、上記の各実施例における、絶縁膜、キャップ層等の素材は単なる一例であり、従来用いられている各種の公知の材料に置き換えても良いものである。

ここで、再び図１を参照して、本発明の詳細な特徴を改めて説明する。
再び、図１参照
（付記１）研磨モニタ構造２を実基板１に設け、研磨後に前記研磨モニタ構造２をモニタすることによって最適研磨量との差を算出し、前記算出結果に基づいて追加研磨を行うことを可能としたことを特徴とする研磨モニタ方法。
（付記２）上記研磨後のモニタを、研磨モニタ構造２の電気抵抗の計測によりおこなうことを特徴とする付記１記載の研磨モニタ方法。
（付記３）研磨モニタ構造２を、実素子と異なった構造で構成することを特徴とする付記１または２に記載の研磨モニタ方法。
（付記４）研磨モニタ構造２を、実素子と同じ構造で構成することを特徴とする付記１または２に記載の研磨モニタ方法。
（付記５）研磨モニタ構造２の上面側に研磨モニタ用電極６を配置したことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の研磨モニタ方法。
（付記６）上記研磨モニタ構造２の側面に研磨モニタ用電極６を埋め込んで設置することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の研磨モニタ方法。
（付記７）付記１乃至６のいずれか１に記載の研磨モニタ方法により研磨量をモニタし、上記研磨モニタによる算出結果に基づいて必要に応じて追加研磨を行うことを特徴とする研磨方法。
（付記８）付記５に記載した研磨モニタ方法により研磨量をモニタし、上記研磨モニタを一回のみ行い、前記算出結果に基づいて必要に応じて追加研磨を行うことを特徴とする付記７記載の研磨方法。
（付記９）付記６に記載した研磨モニタ方法により研磨量をモニタし、上記研磨モニタを複数回繰り返し可能とするとともに、前記算出結果に基づいて必要に応じて追加研磨を行うことを特徴とする付記７記載の研磨方法。
（付記１０）研磨対象物が、磁気抵抗効果膜３上に設けた絶縁膜４及び前記絶縁膜４上に設けた磁区制御膜５であることを特徴とする付記７乃至９のいずれか１に記載の研磨方法。

本発明の活用例としては、磁気ディスク装置を構成する再生ヘッドの製造工程における研磨量モニタ工程が典型的なものであるが、再生ヘッドの製造工程に限られるものではなく、膜厚制御が必要な各種の導電性薄膜の研磨工程における研磨モニタにも適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。本発明の実施例１の研磨モニタ方法のフローチャートである。本発明の実施例１におけるモニタ構造の途中までの形成工程の説明図である。本発明の実施例１におけるモニタ構造の図３以降の形成工程の説明図である。測定したモニタ抵抗の研磨状態依存性の説明図である。研磨を終了した時点での、概念的素子構成図である。本発明の実施例２の研磨モニタ方法のフローチャートである。本発明の実施例２におけるモニタ構造の途中までの形成工程の説明図である。本発明の実施例２におけるモニタ構造の図８以降の形成工程の説明図である。測定したモニタ抵抗の研磨状態依存性の説明図である。研磨を終了した時点での、概念的素子構成図である。従来のリードヘッドの形成工程の説明図である。従来のＣＭＰ法を用いたリードヘッドの形成工程の説明図である。

符号の説明

１実基板
２研磨モニタ構造
３磁気抵抗効果膜
４絶縁膜
５磁区制御膜
６研磨モニタ用電極
１１下部磁気シールド層
１２Ｔａ膜
１３ＴＭＲ膜
１４Ａｌ₂Ｏ₃膜
１５磁区制御膜
１６Ｔａキャップ膜
１７レジスト
１８モニタ構造
１９モニタ用電極
２０レジスト
２１モニタ構造
２２埋込層
２３モニタ用電極
５１下部磁気シールド層
５２Ｔａ膜
５３ＴＭＲ膜
５４Ｔａ膜
５５レジストパターン
５６エッチング派生物
５７絶縁膜
５８磁区制御膜
５９Ｔａキャップ膜
６１下部磁気シールド層
６２Ｔａ膜
６３ＴＭＲ膜
６４Ｔａ研磨ストッパ膜
６５レジストパターン
６６絶縁膜
６７磁区制御膜
６８Ｔａキャップ膜

Claims

研磨モニタ構造を実基板に設け、研磨後に前記研磨モニタ構造をモニタすることによって最適研磨量との差を算出し、前記算出結果に基づいて追加研磨を行うことを可能としたことを特徴とする研磨モニタ方法。
上記研磨後のモニタを、研磨モニタ構造の電気抵抗の計測によりおこなうことを特徴とする請求項１記載の研磨モニタ方法。
研磨モニタ構造の上面側に研磨モニタ用電極を配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の研磨モニタ方法。
上記研磨モニタ構造の側面に研磨モニタ用電極を埋め込んで設置することを特徴とする請求項１または２に記載の研磨モニタ方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の研磨モニタ方法により研磨量をモニタし、上記算出結果に基づいて必要に応じて追加研磨を行うことを特徴とする研磨方法。