JP2018518830A - スピントロニクスデバイスのピンド層をプログラミングするための急速熱処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

スピントロニクスデバイスのピンド層をプログラムするために用いられる急速熱処理方法および装置であって、装置は、急速熱アニール光源（３１）、反射カバー、磁石、ウェハ（３４）、基板（５５）を備える。光源は、基板を加熱するために用いられる。反射カバーは、少なくとも透明絶縁層（３３、５１、５３）および反射層（３２、５２）を備える。磁石は、一定磁界を生成するために用いられる。ウェハ上の反強磁性層（４７）は、ウェハ（３４）上の特定のエリアを反強磁性層（４７）のブロッキング温度よりも高い温度まで加熱し、その後、印加磁界の存在下で加熱エリアが冷却された後に磁界をオフにするために、露光時間を制御することによって局所的にプログラムされ得る。この急速熱処理方法は、レーザアニールの空間分解能を改善するために用いられる。これは優れた性能をもたらし、大量生産に適している。

Description

本発明は、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）スピンバルブおよびトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）磁気センサの分野に関し、特に、スピントロニクスデバイスのための急速熱処理方法および装置に関する。

磁気センサは、たとえば磁界強度、電流、変位、および方向などの物理量を含むがこれに限定されない様々な物理量を測定するために、現代の測定システムに幅広く適用されてきた。たとえば磁界などの物理量を測定するために用いることができる様々なセンサが既に存在する。

プッシュプルブリッジセンサは、単一抵抗器および基準抵抗器ブリッジセンサよりも高感度であり、温度ドリフトによる影響を抑制する温度補償機能も有する。プッシュプルブリッジは、２つのブリッジアーム抵抗器における磁気トンネル接合（ＭＴＪ）のピンド層が反対の磁気モーメント方向を有することを必要とする。しかし、同じシリコンチップ上に堆積されたＭＴＪの磁気モーメント反転には多くの場合同じ磁界強度が必要であるため、同じシリコンチップ上の磁気抵抗器のピンド層は多くの場合、同じ磁気モーメントを有する。したがって、ピンド層が反対の磁気モーメントを有する２つの隣接した磁気抵抗器を同じシリコンチップ上に堆積することは難しい。現在、反対方向を有するピンド層を備えたＭＴＪ素子が個々の堆積において個別に堆積される複膜形成プロセスが一般的に用いられる。これは、複雑な製造プロセスをもたらす。また、第２のプロセスにおけるアニールは、第１のプロセスで堆積された薄膜に明らかに影響を及ぼし、その結果、２回にわたり形成された膜間の整合性が不十分になり、ブリッジアームを一致させることが難しくなり、大きな自差が生じてセンサの全体性能に影響を及ぼし得る。現在、そのようなプロセスを完了することができる便利な技術または市販のデバイスは存在しない。

レーザ直接書込み技術は、ウェハ表面の特定の定位位置にアニール処理を実行するためにレーザビームが表面を走査するレーザアニールの一種である。レーザアニールシステムは、加熱速度および冷却速度が速く、熱予算を低減する。固体へのレーザ放射の効果に関する研究は、１９７１年に遡る。その後、多くの様々な種類のレーザアニールシステムが、ドーパント活性化において半導体デバイス用処理システムに適用されてきた。レーザ照射中、固体は、試料に焦点を合わせた光子ビームを照射される。光子は、試料から結晶格子へ伝達するエネルギと相互作用し、エネルギは試料を局所的に加熱する。光波長は、エネルギがどのように固体に吸収されるかを決定する。レーザアニール技術は現在、磁気センサ分野における最先端技術である。

しかし、従来技術において、レーザ直接書込み技術によって、磁気バイアス方向を切り換えるためのスピントロニクス層に照射するために高速走査および集光レーザが用いられる再位置合わせ技術は既に存在している。この技術は、図１に示すように、ＭＴＪセンサのピンド層を設定するために開発され、用いられている。図１（ａ）に示すように、１１は変調器であり、１２は光スリットであり、１３はレーザビーム減衰器であり、１４はガルバノ型スキャナであり、１５は光レンズである。レーザシステムは、連続レーザ放射およびパルスレーザ放射をもたらす。レーザビームは、ガルバノ型スキャナを用いて高速走査され、８０ｍｍの焦点距離および１２μｍの焦点半径で光レンズに集光される。図１（ｂ）において、２つの組立型永久磁石が外部磁界を供給する。そのようにして、２つの磁極間に比較的均一な磁界が存在する。磁石間の距離を変更することにより、磁界の強度は、１５〜３３５ｋＡ／Ｍの範囲で変化する。ＭＴＪウェハが磁石に載置され、走査中、レーザが表面に到達し、一部のエリアを加熱する。しかし、そのような技術は、低速度および低精度という欠点を有する。

また、米国特許第ＵＳ２００７／０１８７６７０Ａ１号は、光熱アニールマスクおよび方法を開示する。この発明は、熱アニールの精度および空間分解能を改善する。光熱アニールマスク層は、基板上にある熱散逸性層、熱散逸性層の上に設置された反射層、および反射層の上に設置された透明キャッピング層を連続的に含む。光熱アニールマスクは、電界効果装置においてゲートを形成するために用いられ得る。

中国特許出願第２０１１１０１３４９８２．ｘ号は、単一チップ磁気センサおよびレーザ加熱アシストアニール装置およびその方法を開示する。図２に示すように、アニール装置は、レーザ源１、反射鏡２、集束対物レンズ５、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ３、可動プラットフォーム９、ＸおよびＹ軸電磁石ペア７および８、磁界検出器１０、温度センサ１１などを含み、同じシリコンチップに局所加熱および局所磁気モーメント反転を実行することができる。その結果、この装置を用いて製造することができるプッシュプルセンサは、高感度、温度補償機能、および雑音消去を特徴とし、大量生産などに適している。しかし、プッシュプルブリッジは、異なるブリッジアームの強磁性体がピンド層と異なる方向に設定されることを必要とし、実用的方法でこのプロセスを実行する能力を有する便利な技術または市販のデバイスは存在しない。

本発明の目的は、製造後のＴＭＲ、ＧＭＲ、またはＭＴＪセンサが優れた性能を有するようにプッシュプルブリッジにおける単一チップＴＭＲ、ＧＭＲ、またはＭＴＪセンサを製造するために、スピントロニクスデバイスのピンド層をプログラムするための急速熱処理方法および装置を提供することである。

上記の技術目的を実現し、上記の技術効果をもたらすために、本発明は、以下の技術的解決を用いて実現される。

スピントロニクスデバイスのピンド層をプログラムするための急速熱処理装置は、急速熱アニール（ＲＴＡ）光源、反射カバー、磁石、およびウェハを含み、反射カバーは、少なくとも透明絶縁層および反射層を備え、磁石は、一定磁界を生成するために用いられ、透明絶縁層および反射層は、連続的にウェハにコーティングされ、光源は、パターニングされた反射カバーを通してウェハの加熱エリアへ入射光を送るために用いられ、ウェハ上の反強磁性層は、ウェハ上の特定のエリアを反強磁性層のブロッキング温度より高い温度まで加熱し、その後、印加磁界の存在下で加熱エリアが冷却された後に磁界をオフにするために、光源の露光時間を制御することによって局所的にプログラムされ得る。

好適には、光源は、単一バルブまたはバルブアレイである。

好適には、装置は、ウェハのエリアに入射する光を制限するために用いられるスリットを更に含む。

好適には、ウェハは可動式であり、搬送ベルトに載置される。

好適には、装置は、急速熱アニール炉内に設置される。

好適には、磁石は永久磁石である。

好適には、磁石は超伝導永久磁石である。

好適には、反射カバーは、２つの透明絶縁層および１つの反射層を含み、反射層は、２つの透明絶縁層の間に配置される。

好適には、透明絶縁層は、ＴＥＯＳ、ＳｉＮ、またはフォトレジストである。

好適には、反射層は、赤外線、可視光、または紫外線を反射することができる任意の材料で作られる。

好適には、反射層は金属製である。

好適には、透明絶縁層は反射防止層である。

好適には、ウェハは基板およびＭＲ薄膜層を備え、基板はシリコン製であって電子回路を含み、ＭＲ薄膜層は基板に堆積される。

本発明の他の態様は、スピントロニクスデバイスのピンド層をプログラムするための急速熱処理方法を更に提供し、方法は、以下のステップ、
（１）ウェハのＭＲ薄膜層を加熱するために、ＲＴＡ光源を炉の上に設置すること、
（２）透明絶縁層および反射層を少なくとも含む反射カバーをウェハの上に設置し、反射カバーの下の一部エリアが加熱される時、他のエリアが冷たいままであるように、反射カバーをパターニングすること、
（３）ウェハのエリアに入射する光を制限するために反射カバーと光源との間にスリットを形成し、ウェハがスリットの下を移動すると、光源が、反射カバーによって遮断されていないウェハの一部を加熱することができるようにウェハを動かすこと、
（４）一定磁界を生成するために、可動式ウェハの下に磁石を設置すること、および
（５）ウェハの特定のエリアを反強磁性層のブロッキング温度よりも高い温度まで加熱し、その後、加熱エリアが印加磁界の存在下で冷却された後に磁界をオフにするために、露光時間を制御することによって反強磁性層を局所的にプログラムすること
を含む。

好適には、反射カバーは、２つの透明絶縁層および１つの反射層を備え、反射層は、２つの透明絶縁層の間に配置される。

好適には、急速アニール光源は、単一バルブまたはバルブアレイを含む。

好適には、透明絶縁層は、ＴＥＯＳ、ＳｉＮ、またはフォトレジストであってよい。

好適には、透明絶縁層は反射防止層である。

好適には、反射層は、赤外線、可視光、または紫外線を反射することができる任意の材料で作られる。

好適には、反射層は金属製である。

好適には、ウェハは基板およびＭＲ薄膜層を備え、基板はシリコン製であって電子回路を含み、ＭＲ薄膜層は基板に堆積される。

従来技術と比べ、本発明は、ＲＴＡ方法および装置によって、レーザアニールの空間分解能が改善され、処理時間が更に減少し、優れた性能を持つウェハを高速で生産することができ、大量生産に適しているという利点を有する。

本発明の実施形態の技術における技術的解決をより明確に説明するために、実施形態を描写するために必要な添付図面が以下で簡単に説明される。明らかに、以下の説明における添付図面は本発明のいくつかの実施形態にすぎず、当業者は、これらの添付図面から創造的努力をせず他の図面を得ることができる。
スピントロニクスデバイスのレーザ直接書込みシステムを示す。 磁気薄膜用レーザ加熱アシストアニール装置の概略図である。 カバーを用いた磁気熱アニールの概略図である。 ピンド層の熱磁気リセットのプロセス図である。 反射カバーおよびウェハの断面の概略図である。 カバーを用いた加熱の概略図である。 カバーを用いた加熱の概略図である。 永久磁石の概略設計図である。 薄膜システム全体の概略図である。

本発明の利点および特徴を当業者が容易に理解することができるように、本発明の好適な実施形態は、本発明の保護範囲をより明確に定義するため、添付図面を参照して以下で詳述される。

実施形態
図３は、本願に係る反射カバーを用いた磁気熱アニールの概略図である。図３に示すように、ウェハ３４は、透明絶縁層３３および反射層３２でコーティングされ、反射層は、加熱されるエリアを露出するように被覆およびエッチングされる。ウェハ３４は、ＲＴＡスリットランプ３１の下を一定の速度で移動する。ウェハ３４がスリット３５を通過すると、ＲＴＡスリットランプ３１は、薄膜によって被覆されていないＭＲウェハのエリアを加熱する。ウェハ３４がスリット縁部を通過すると、加熱されたエリアは徐々に冷却され、その後、磁界を印加される。図内の矢印の方向は、右から左へ動くウェハの移動方向である。

図４は、ピンド層の熱磁気リセットのプロセス図である。図４に示すように、４１は強磁性モーメントであり、４２は強磁性自由層であり、４３は絶縁トンネル接合であり、４４は強磁性基準層であり、４５は銅交換結合層であり、４６は強磁性ピンド層であり、４７は反強磁性層である。図４（ａ）〜図４（ｄ）からは、図４（ｂ）において飽和磁界が印加され、加熱温度が反強磁性層のブロッキング温度ＴＢを超えた後、飽和磁界において強磁性層に印加される磁化方向は一貫するということが分かる。図４（ｃ）において、光源が閉じられ、印加磁界が冷却される。印加磁界が冷却された後、ピンド層における磁化方向が一貫している場合、反強磁性物質がブロッキング温度を下回る温度まで冷却されるため、強磁性層と反強磁性層との間の境界面は回転し、ロックされる。最終的に、図４（ｄ）に示すように、磁界は閉じられ、反強磁性層は固定される。

ブロッキング温度ＴＢおよびネール温度ＴＮが定められる。ＴＮは、反強磁性と常磁性との間の移行段階である。ＴＮにおいて、反強磁性回転は、磁界および温度に応じた適切な位置にロックされない。ＴＢはブロッキング温度であり、ブロッキング温度は、フル回転中、磁界と一致してよい。ＴＢは常にＴＮより低い。ＴＢは、反強磁性層の粒子サイズによって制御される。大きな粒子は、小さな粒子よりも高いブロッキング温度を有する。試料および粒子が大きい場合、ＴＢはＴＮと等しい。いくつかの場合において、反強磁性層および強磁性ピンド層は、反強磁性層のＴＢよりも高い温度まで加熱され、その後、ＴＢよりも低い温度まで冷却される必要があり、磁界は、ピンド層の磁気モーメント方向を固定するために作用する。

図５は、反射カバーおよびウェハの断面の概略図である。５１は透明絶縁層であり、５２は反射層であり、５３もまた透明絶縁層であり、５４はＭＲ薄膜（磁気抵抗ヘッド）層であり、５５は基板であり、５６はパターン開口部を備えた加熱エリアである。

図６および図７は、反射カバーを用いた加熱の概略図である。図６からは、入射光が送られＭＲ薄膜層を加熱し、入射光の大半が反射し、一部の入射光が反射カバーのパターン窓を通過し、ＭＲ薄膜層の表面によって受光され、熱に変換されることが分かる。照射時間が短い場合、スリットの下のウェハ表面の一部のみが加熱されると考えられる。しかし、加熱プロセスは露光時間に大いに依存するので、不所望の結果が招かれる。加熱時間の一定性およびＭＲ薄膜層の熱環境が加熱エリアの空間分解能を決定する。

図７は、比較的良好な加熱構造を示す。一例としてＭＴＪウェハを用いる場合、ＭＴＪの金属材料は、絶縁体よりも高い熱伝導性を有する。その結果、ＭＴＪの両端がスリットと正確に位置合わせされなくても、ＭＴＪの材料のみを加熱することが可能である。スリットは、ＭＴＪの一部に熱が供給され得ることおよびＭＴＪ全体が熱伝達によって十分に加熱され得ることを確実にするために十分精密でなくてはならない。熱伝導性が乏しい絶縁性材料は、反射カバーによって被覆された部分が加熱されることを防止し得る。したがって、ＭＴＪの熱伝導性は、絶縁性材料の熱伝導性を遥かに上回る必要がある。ＭＴＪが適切にパターニングされ得る場合、ＭＴＪ間のエリアは十分大きく設定され、局所加熱プロセスの柔軟性がより高くなる。

空間分解能を改善するために、ＭＲ薄膜は、反射カバーのパターン窓の下に不連続性ＭＲ薄膜構造が形成されるようにパターニングされてよく、反射カバーおよびＭＲ構造の縁部によって加熱エリアが決定され得るように、全ての薄膜構造が加熱される必要がある。

透明絶縁層は、たとえばＳｉＮまたはポリマなどの透明誘電体を含む、（吸収された入射光の半波の厚さを最大化するために用いられる）反射防止コーティングであってよい。ポリマは、たとえばフォトレジストなどである。

反射材料は、赤外線、可視光、または紫外線を反射することができる任意の材料であってよい。ＡＬは良い選択肢である。ＭＲ薄膜層は、ＧＭＲまたはＭＴＪ薄膜によって形成されてよく、薄膜は、熱処理前または後に加工され得る。基板は、任意の平滑な基板であってよく、ＭＲ薄膜が基板に堆積され得る。基板は多くの場合、Ｓｉ製で作られ、電子回路を含んでもよい。

図８は、永久磁石の概略図である。２つの磁極３６があり、２つの磁極の間に永久磁石が設置され、それによって磁界３７を生じる。この設計は、磁束が強力かつシリコンウェハの表面に平行であるように、永久磁石の磁束を集束することが意図される。磁極は主に、コバルト、鉄、およびニッケルを含む合金によって形成される。永久磁石は、間隙における高いエネルギ密度を有し、その結果、高強度磁界が実現される。レアアースは良い選択肢である。

図９は、薄膜システム全体の概略図である。図９に示すように、磁界におけるパルスランプを用いて薄膜全体が加熱される。ＲＴＡバルブアレイ９１は、ウェハを加熱するために用いられる。パルスを用いてバルブに関する加熱時間が設定されてよく、または室９２を用いてウェハが動かされてもよい。恒温室は、真空または窒素充填制御環境であってよく、周囲の空気によって制御されることはない。磁石は、大型永久磁石アレイまたは超伝導磁石であってよい。ウェハ表面全体を用いて、少なくとも１００００ｅのサイズの均一磁界が供給される。加熱されるエリアを選択するために、ウェハの上に反射カバーが設置される。ウェハ保持部９４がウェハを保持する。必要であれば、ウェハは特定の温度で予熱されてもよく、温度は反強磁性層のブロッキング温度よりも低くなくてはならない。他の実装において、これは、冷却時間を低減するために冷却に用いられてもよい。

本発明の特定の実施形態が添付図面を参照して上述された。本発明の範囲および主旨から逸脱することなく、従来技術および方法に様々な修正が加えられ得ることは明らかである。本発明の技術分野において、一般的な知識を用いて本発明の技術範囲内で様々な変形例を生じることが可能である。

Claims (21)

1. スピントロニクスデバイスのピンド層をプログラムするための急速熱処理装置であって、急速熱アニール光源、反射カバー、磁石、およびウェハを備え、前記反射カバーは、少なくとも透明絶縁層および反射層を備え、前記磁石は、一定磁界を生成するために用いられ、前記透明絶縁層および前記反射層は、連続的に前記ウェハにコーティングされ、前記光源は、パターニングされた前記反射カバーを通して前記ウェハの加熱エリアへ入射光を送るために用いられ、ウェハ上の反強磁性層は、前記ウェハ上の特定のエリアを反強磁性層のブロッキング温度より高い温度まで加熱し、その後、印加磁界の存在下で前記加熱エリアが冷却された後に前記磁界をオフにするために、前記光源の露光時間を制御することによって局所的にプログラムされ得る装置。
2. 前記光源は、単一バルブまたはバルブアレイである、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置は、前記ウェハのエリアに入射する光を制限するために用いられるスリットを更に備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記ウェハは可動式であり、搬送ベルトに載置される、請求項１に記載の装置。
5. 前記装置は、急速熱アニール炉内に設置される、請求項１に記載の装置。
6. 前記磁石は永久磁石である、請求項１に記載の装置。
7. 前記磁石は超伝導永久磁石である、請求項１に記載の装置。
8. 前記反射カバーは、２つの透明絶縁層および１つの反射層を備え、前記反射層は、前記２つの透明絶縁層の間に配置される、請求項１に記載の装置。
9. 前記透明絶縁層は、ＴＥＯＳ、ＳｉＮ、またはフォトレジストである、請求項８に記載の装置。
10. 前記反射層は、赤外線、可視光、または紫外線を反射することができる任意の材料で作られる、請求項８に記載の装置。
11. 前記反射層は金属製である、請求項８に記載の装置。
12. 前記透明絶縁層は反射防止層である、請求項１０に記載の装置。
13. 前記ウェハは基板およびＭＲ薄膜層を備え、前記基板はシリコン製であって電子回路を備え、前記ＭＲ薄膜層は前記基板に堆積される、請求項１に記載の装置。
14. スピントロニクスデバイスのピンド層をプログラムするための急速熱処理方法であって、
    （１）ウェハのＭＲ薄膜層を加熱するために、急速熱アニール光源を炉の上に設置すること、
    （２）透明絶縁層および反射層を少なくとも備える反射カバーを前記ウェハの上に設置し、前記反射カバーの下の一部エリアが加熱される時、他のエリアが冷たいままであるように、前記反射カバーをパターニングすること、
    （３）前記ウェハのエリアに入射する光を制限するために前記反射カバーと前記光源との間にスリットを形成し、前記ウェハが前記スリットの下を移動すると、前記光源が、前記反射カバーによって遮断されていない前記ウェハの一部を加熱することができるように、前記ウェハを動かすこと、
    （４）一定磁界を生成するために、前記可動式ウェハの下に磁石を設置すること、および
    （５）前記ウェハの特定のエリアを反強磁性層のブロッキング温度よりも高い温度まで加熱し、その後、前記加熱エリアが印加磁界の存在下で冷却された後に前記磁界をオフにするために、露光時間を制御することによって前記反強磁性層を局所的にプログラムすること
    のステップを備える方法。
15. 前記反射カバーは、２つの透明絶縁層および１つの反射層を備え、前記反射層は、前記２つの透明絶縁層の間に配置される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記急速アニール光源は、単一バルブまたはバルブアレイを備える、請求項１４に記載の方法。
17. 前記透明絶縁層は、ＴＥＯＳ、ＳｉＮ、またはフォトレジストである、請求項１４に記載の方法。
18. 前記透明絶縁層は反射防止層である、請求項１４に記載の方法。
19. 前記反射層は、赤外線、可視光、または紫外線を反射することができる任意の材料で作られる、請求項１４に記載の方法。
20. 前記反射層は金属製である、請求項１４に記載の方法。
21. 前記ウェハは基板およびＭＲ薄膜層を備え、前記基板はシリコン製であって電子回路を備え、前記ＭＲ薄膜層は前記基板に堆積される、請求項１４に記載の方法。