JP3642568B2 - Method for manufacturing magnetoresistive film - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁場により電気抵抗が変化する磁気抵抗効果膜の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
これまでに、磁気抵抗効果(MagnetoResistance effect)を利用した膜として、金属強磁性体層を用いた異方性磁気抵抗効果膜、金属非磁性体層を介して積層された2つの金属強磁性体層を備える巨大磁気抵抗効果膜、及び、絶縁性非磁性体層(トンネルバリア層)を介して積層された2つの金属強磁性体層を備えるトンネル磁気抵抗効果膜が知られている。
【0003】
トンネル磁気抵抗効果(Tunnel MagnetoResistance effect、以後TMRと表記する)を利用したTMR膜は、高集積化メモリ素子へ応用した場合の不揮発性、高速性、長期信頼性等の特徴から、磁気的ランダムアクセスメモリ(Magnetic Random Access Memory、以後MRAMと表記する)として検討が進められている。
【0004】
このTMR膜は、高集積化への要求からサブミクロンの素子サイズが求められており、TMR膜を電子ビーム(以後、EBと表記する)を用いた描画により作製する方法が発表されている(W. J. Gallagher et al., J. Appl. Phys. 81, 3741 (1997))。
【0005】
この方法では、まず図5(a)の断面図に示すように、Si基板51上に主に金属強磁性体からなる下部電極52、Al酸化物トンネルバリア層53、主に金属強磁性体からなる上部電極54の積層膜をマグネトロンスパッタ装置により堆積する。
【0006】
次に、図5(b)の断面図に示すように、EB描画によって接合部分にネガ型のEBレジスト55のパターンを形成し、それをマスクとして用いて、上部電極54及び酸化物トンネルバリア層53のイオンミリングを行いサブミクロンサイズのトンネル接合部のパターンを形成する。このイオンミリングでは、酸化物トンネルバリア層53を過ぎて下部電極52の上表面でエッチングが止まるように制御する。
【0007】
次に、図5(c)の断面図に示すように、接合部にEBレジスト55が形成された下部電極52上にSiO2絶縁膜56をマグネトロンスパッタ装置によって堆積する。
【0008】
次に、SiO2絶縁膜56の下にあるEBレジスト55を用いたリフトオフプロセスにより、トンネル接合部上に自己整合的にコンタクトホールを露出させ、その後に、このコンタクトホール内にAg/Auの上部配線57をフォトレジスト(図示せず)のリフトオフを用いたパターニングにより作製して、図5(d)の断面図に示すように、上部電極54にコンタクトする上部配線57を形成する。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様に、EB描画を用いた製造方法により、サブミクロンの接合サイズを持つTMR膜が得られる。しかし、この製造方法では、金属強磁性体層52/酸化物トンネルバリア層53/金属強磁性体層54の積層膜に直接EB描画を行うために幾つかの問題が生じる。
【0010】
それは、図5(b)の断面図に示す、レジスト55のパターニングに際して、図6の断面図に模式的に示したような現象が起きるためと考えられる。
【0011】
つまり、図6に示すように、金属強磁性体層52/酸化物トンネルバリア層53/金属強磁性体層54の積層膜61の上に形成したEBレジスト62にEB描画すると、比較的大きい質量数の金属を含む金属積層膜による高エネルギー入射EB63の反射が半導体等のEB描画と比べて格段に大きくなる。
【0012】
従って、反射電子64の散乱が実際の描画領域よりも横方向に数倍に広がり、EB63の照射領域の周りにも描画したと同等の効果が生じる。そのため、描画パターン形状の微細性・制御性が失われる。
【0013】
また、サブミクロンの微細形状を得るEB描画では、EBの集束性を良くするためにビームエネルギーを約50keV以上と高くして描画を行うことが多い。しかし、高エネルギーでのEBの多くは容易にレジスト62を突き抜けて下地の金属積層膜に達することにより、金属積層膜を帯電させて酸化物トンネルバリア層に静電破壊を生じ易くなり、結果として素子作製の歩留まりを大きく下げる原因ともなる。
【0014】
上記のように、サブミクロンの金属強磁性体層/酸化物トンネルバリア層/金属強磁性体層の接合を有するTMR膜を作製するEB描画では、形状制御した微細パターンの形成が不十分であり、また、電子線の大量入射によるチャージアップがTMR膜の静電破壊を引き起こす可能性がある。
【0015】
本発明は、このような問題を解決し、高集積化メモリに好適な微細な磁気抵抗効果膜の製造方法を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
上記事情を鑑みて、本発明の第一は、非磁性体層を介して積層された第1及び第2の金属強磁性体層上を備える積層膜に、電気的に中性化したイオンビームを照射する磁気抵抗効果膜の製造方法を提供する。
【0017】
また、上記事情を鑑みて、本発明の第二は、非磁性体層を介して積層された第1及び第2の金属強磁性体層を備える積層膜上に形成した絶縁層もしくは積層膜上に形成したレジスト材料層に電気的に中性化したイオンビームを照射する磁気抵抗効果膜の製造方法を提供する。
【0018】
本発明の第一では、第1の金属強磁性体層、非磁性体層、及び第2の金属強磁性体層を備える積層膜、もしくは、この積層膜上に形成した絶縁層やレジスト材料層に、電気的に中性化したイオンビームを照射することで、高集積化が可能なサブミクロンの微細な磁気抵抗効果膜を容易に、かつ高い歩留まりで作製できる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態では、Siを含有する無機レジスト(以降、Si系無機レジストと表記する)にGaの集束イオンビーム(Focused Ion Beam、以降FIBと表記する)による注入描画を行い、F系ドライエッチングによって形成したマスクパターンを用いたTMR膜の製造方法について説明する。
【0020】
まず、図1(a)の断面図に示すように、Si基板11上に、金属強磁性体層/絶縁性非磁性体(トンネルバリア)層/金属強磁性体層を備える積層膜12を形成した後、フォトリソグラフィとイオンミリングにより、下側の金属強磁性体を含む下部電極の形状に加工し、上側の金属強磁性体層上にSi系無機レジスト薄膜13を形成する。
【0021】
次に、図1(b)の断面図に示すように、露光プロセスとして集束したGaイオンビーム14を、積層膜12の表面のうち、磁気抵抗効果膜を残す予定の領域上のSi系無機レジスト13へ注入描画する。
【0022】
このGaイオンビーム14の注入と同時に、Gaイオンビーム14を電気的に中性化する電子線15をGaイオンビーム14の照射領域近傍へ低エネルギーで照射する。これにより、Gaイオンビーム14は電気的に中性化されたビームとしてSi系無機レジスト13に照射される。ここで、Si系無機レジスト13中でのGaイオンビームの阻止能(単位飛距離当たりに失うエネルギー)は大きいため、入射したGa原子はSi系無機レジスト13の表面近傍に留まる。
【0023】
次に、Si系無機レジスト13の全表面に、図1(c)に示す、SF6ガスを用いたドライエッチング16を施すと、Gaイオンビーム照射領域では不揮発性のGa弗化物が形成されることによりエッチング速度が大きく低下し、またGaイオンビーム非照射の領域では揮発性のSi弗化物が形成されてSi系無機レジストのエッチング除去が進行する。
【0024】
その結果、図1(c)の断面図に示すように、ネガレジストとしてSi系無機レジストの微細構造18を作製することが出来て、これをマスクとして用いることにより、イオンミリングにより上側の金属強磁性体を含む上部電極の微細加工を行うことが出来る。
【0025】
このSi系無機レジストへのGaのFIB注入露光と、F系ドライエッチングによりSi系無機レジストに任意のパターン、特にFIBの微細性を用いたサブミクロンの微細パターンを形成することが出来る。
【0026】
つまり、この方法では、入射したGa原子がSi系無機レジストのごく表面に留まっていること、またイオンのエネルギーではなく注入したGa原子種の化学的特質を用いているために、本質的にビームの散乱が無いとともに、金属積層膜に損傷をほとんど与えない。
【0027】
また、EBとは異なり、イオンビームは低速電子線を照射するために容易に電荷の中性化が可能であり、荷電ビーム照射による静電破壊を懸念する必要がない。
(第2の実施の形態)
次に、第2の実施の形態に係るTMR膜の製造方法を説明する。
【0028】
まず、Si基板21上に金属強磁性体層を備える下部電極22、酸化物トンネルバリア層23、金属強磁性体層を備える上部電極24を含む積層膜を形成した後、図2(a)の断面図にあるように、フォトリソグラフィとイオンミリングによって下部電極22の形に形成する。
【0029】
その後、この積層膜の上にSi系無機レジストとしてSiNx層を形成する。ここでSiNx層はプラズマCVD装置を用いて約200nmの膜厚に堆積する。
【0030】
次に、SiNx層にGaイオンのFIB注入描画を行った後にSF6ガスを用いたドライエッチングを行うことにより、図2(b)に示すようにサブミクロンの接合部のレジストパターンを形成し、それをマスクとしてイオンミリングを行うことにより、上部電極の接合部を形成する。
【0031】
ここで、GaイオンのFIB注入描画はビームエネルギー約30keV、注入ドーズ量約5×1016cm-2の条件で行う。このときのFIBのビーム電流は数10pAから数100pA程度であるから、電子線のエミッタとしてのフィラメントを試料近傍に設置することにより、イオンビームを容易に中性化することが出来る。
【0032】
その後、電子サイクロトロン共鳴型反応性イオンビームエッチング装置を用いて、SF6を反応ガスとしたドライエッチングを行うと、膜厚約150nmのSiNxレジストパターン25が形成できる。このSiNxレジストパターン25をマスクとして、ビームエネルギー約400eVのArイオンミリングによって上部電極24と酸化膜トンネルバリア層23を接合部として形成することが出来る。
【0033】
次に、図2(c)の断面図に示すように、SiNxレジストパターン25を剥離した後、全面にSiO2絶縁膜26を堆積し、さらにその上にエッチバックプロセスのためのフォトレジスト27を全面に塗布する。
【0034】
ここでSiNxレジスト25の剥離は、F系反応ガスを用いた等方的プラズマエッチングまたは緩衝弗酸溶液を用いて行う。またSiO2絶縁膜の堆積はスパッタ装置を用いて膜厚約100nm程度に行う。さらにまたエッチバックプロセス用のフォトレジストとしては、例えばAZ5214Eフォトレジストを約1.2μm厚に塗布する。この時、接合部のサイズが約2μm以下と小さければ接合部上のフォトレジストは他の部分と比べて薄膜化すればイオンミリング後に接合部にできる約60nmの段差はフォトレジスト上面ではほぼ解消される。
【0035】
次に、下部電極22の全表面に塗布したフォトレジストのエッチバックプロセスを行うことにより、接合部上のみにレジスト開口部を形成し、さらにその後にフォトレジストをマスクとしてSiO2絶縁膜26のドライエッチングを行い、図2(d)に示す様に、上部電極のコンタクトホールを形成する。
【0036】
ここでエッチバックプロセスとしては、フォトレジストのドライエッチングを、CF4ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)でSiO2絶縁膜26が露出するまで行う。その後に、CF4ガスにH2ガスを添加したRIEによりフォトレジストに対するSiO2の高選択比エッチングを行うことにより、フォトレジストをマスクとしてSiO2絶縁膜にコンタクトホールを形成する。
【0037】
次に、フォトレジストマスク27をO2アッシングにより除去した後、そのコンタクトホール上にフォトリソグラフィのリフトオフにより、図2(d)に示すように、Ti/Pt/Auからなる上部配線28を形成し、TMR膜の製造を終える。
【0038】
トンネル接合部の微細マスク25の作製方法として、EBポジレジストを塗布した後、FIB描画を行って、通常の現像液による現像の後、Ti等の金属やSiO2等の酸化物を蒸着またはスパッタ堆積して、レジストリフトオフを用いてハードマスクを形成する方法も可能である。つまり、イオン照射された領域はレジスト中のポリマーの結合切断や重合反応が起こるため、通常の現像液によるポジレジストまたはネガレジストのパターン形成が可能である。
【0039】
ここで、EB描画と同様なレジストへの露光プロセスの場合でもイオンビームは物質中での散乱が小さいため近接効果はほとんど無い。
【0040】
さらに、イオンは物質中での阻止能が大きいことにより、電子に比べて2桁から3桁大きい露光感度が得られるとともに、薄膜のレジストでもその下地に与える損傷は非常に小さい。
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法について説明する。
【0041】
図3の断面図に示すように、Si基板21上に金属強磁性体層を備える下部電極22を形成し、この下部電極22の全面に塗布したEBレジスト上にGaイオンビームを照射し、O2プラズマのドライエッチングを施すと、Gaイオンの照射領域のみにEBレジスト31が残留するため、接合部の形状にレジストマスクをパターニングすることが出来る。
【0042】
この場合は、Gaイオンビーム照射領域のEBレジスト31の表面にGa酸化物が形成されてエッチング阻止層として働くため、ネガレジストとしてEBレジスト31がパターニングされる。そのレジスト31を用いて上部電極24をイオンミリングにより形状加工した後に、レジスト31を剥離せずに全面に図示せぬSiO2絶縁膜を形成し、リフトオフを行うことにより、コンタクトホールをトンネル接合に自己整合的に形成することが出来る。
【0043】
このレジストマスク形成プロセスも、第1の実施形態で述べたようなイオンビーム注入領域と非注入領域のドライエッチング選択性を用いているために、良好な加工形状が得られ、下地ダメージが非常に少ないとともに、静電破壊の心配もほとんど無い。
【0044】
また、通常のEBネガレジスト塗布、イオンビーム照射露光、通常の現像液による現像というパターン形成法を用いた自己整合プロセスも可能である。この場合も同様の効果が得られる。
(第4の実施の形態)
次に、本発明の第4の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明する。
【0045】
まず、下部電極22、酸化物トンネルバリア層23、上部電極24が形成されたSi基板21の全面に形成したSiO2絶縁膜41の接合部上にコンタクトホールを形成するために、図4(a)の断面図に示すように、ポジのEBレジスト42を用いたイオンビームリソグラフィを適用すると、反射電子の散乱やチャージアップの問題を避けて、良好に微細なコンタクトホールを形成することができる。
【0046】
また、図4(b)に示すように、イオンビーム43を照射する領域に反応性ガス44を吹き付けることによりイオンビーム支援エッチングを行えば、物理的なスパッタエッチングよりも1桁大きいエッチング速度が得られるため、エッチングマスクを用いずにSiO2絶縁膜45に直接コンタクトホールを形成することが出来る。
【0047】
ここで、SiO2絶縁膜に対するイオンビーム支援エッチングには、SF6等のF系反応ガスを用いれば良い。このイオンビーム支援エッチングでは、エッチング物の再付着効果が無いために、非常にアスペクト比の大きいトレンチ形状も非常に平滑な側壁をもって形成することが出来るため、サブミクロンの微細コンタクトホールの形成には有効である。
【0048】
この方法によるコンタクトホール形成の際には、接合部へのイオン照射による損傷が懸念されるが、接合部上部にパッシベーション膜として質量数の大きいAu等の金属を形成しておけば、ほとんどのイオンはAu膜中に留まるようになり、積層膜に損傷を与える可能性は少ない。
【0049】
以上説明した実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法は、MRAM等の磁気抵抗効果膜が集積された磁気メモリ装置の製造方法に適用することが可能である。また、磁気抵抗効果膜を搭載した磁気ヘッドの製造方法にも適用可能である。
【0050】
また、上述の各実施の形態では、TMR膜を中心に説明してきたが、金属非磁性体層を介して、2つの金属強磁性体層が積層されたスピンバルブや人口格子からなる巨大磁気抵抗効果膜にも適用可能であり、良好な微細パターンの形成が可能となる。
【0051】
その他、本発明は上述の各実施の形態に縛られることなく、特許請求の範囲において、適宜変更が可能である。
【0052】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微細な磁気抵抗素子を容易なプロセスで歩留まり良く作製することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図2】 本発明の第2の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図3】 本発明の第3の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図4】 本発明の第4の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図5】 従来の技術によるTMR膜の製造方法を説明するための断面図。
【図6】 従来の技術による製造方法に関する問題を説明する断面図。
【符号の説明】
11、21、51・・・Si基板
12、61・・・金属強磁性体層/絶縁性非磁性体層/金属強磁性体層の積層膜13・・・Siを含有する無機レジスト
14・・・Gaイオンビーム
15・・・電子線
16・・・F系ドライエッチング
22、52・・・下部電極
23、53・・・酸化物トンネルバリア層
24、54・・・上部電極
25・・・SiNxレジスト
26、41、45、56・・・SiO2絶縁膜
27・・・フォトレジスト
28、57・・・上部配線
31、42、55、62・・・EBレジスト
43・・・イオンビーム
44・・・反応性ガス
45・・・SiO2絶縁膜
63・・・EB
64・・・反射電子
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a magnetoresistive film whose electrical resistance changes with an external magnetic field.
[0002]
[Prior art]
Up to now, as a film using the magnetoresistive effect (MagnetoResistance effect), an anisotropic magnetoresistive film using a metal ferromagnetic layer, and two metal ferromagnets laminated via a metal nonmagnetic layer A giant magnetoresistive film including a layer and a tunnel magnetoresistive film including two metal ferromagnetic layers stacked via an insulating nonmagnetic layer (tunnel barrier layer) are known.
[0003]
The TMR film using the tunnel magnetoresistive effect (hereinafter referred to as TMR) is magnetic random access because of its non-volatility, high speed, and long-term reliability when applied to highly integrated memory devices. Studies are underway as memory (Magnetic Random Access Memory, hereinafter referred to as MRAM).
[0004]
This TMR film is required to have a submicron element size due to the demand for high integration, and a method for producing the TMR film by drawing using an electron beam (hereinafter referred to as EB) has been announced ( WJ Gallagher et al., J. Appl. Phys. 81, 3741 (1997)).
[0005]
In this method, first, as shown in the cross-sectional view of FIG. 5A, a lower electrode 52 mainly made of a metal ferromagnet, an Al oxide tunnel barrier layer 53, and mainly a metal ferromagnet are formed on a Si substrate 51. A laminated film of the upper electrode 54 is deposited by a magnetron sputtering apparatus.
[0006]
Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 5B, a pattern of a negative EB resist 55 is formed at the joint portion by EB drawing, and is used as a mask to form the upper electrode 54 and the oxide tunnel barrier layer. 53 ion milling is performed to form a submicron sized tunnel junction pattern. In this ion milling, the etching is controlled to stop at the upper surface of the lower electrode 52 after passing through the oxide tunnel barrier layer 53.
[0007]
Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 5C, a SiO 2 insulating film 56 is deposited on the lower electrode 52 in which the EB resist 55 is formed at the junction by a magnetron sputtering apparatus.
[0008]
Next, a contact hole is exposed on the tunnel junction in a self-aligned manner by a lift-off process using an EB resist 55 under the SiO 2 insulating film 56, and then the upper portion of Ag / Au is placed in the contact hole. The wiring 57 is formed by patterning using lift-off of a photoresist (not shown), and an upper wiring 57 that contacts the upper electrode 54 is formed as shown in the sectional view of FIG.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a TMR film having a submicron junction size can be obtained by a manufacturing method using EB lithography. However, in this manufacturing method, several problems arise because EB writing is directly performed on the laminated film of the metal ferromagnetic layer 52 / oxide tunnel barrier layer 53 / metal ferromagnetic layer 54.
[0010]
This is presumably because a phenomenon as schematically shown in the cross-sectional view of FIG. 6 occurs during the patterning of the resist 55 shown in the cross-sectional view of FIG.
[0011]
That is, as shown in FIG. 6, when EB writing is performed on the EB resist 62 formed on the laminated film 61 of the metal ferromagnetic layer 52 / oxide tunnel barrier layer 53 / metal ferromagnetic layer 54, a relatively large mass is obtained. The reflection of the high energy incident EB 63 by the metal laminated film containing several metals becomes much larger than that of EB drawing of a semiconductor or the like.
[0012]
Accordingly, the scattering of the reflected electrons 64 spreads several times in the lateral direction as compared with the actual drawing region, and the same effect as when drawing is also performed around the irradiation region of the EB 63 occurs. Therefore, the fineness and controllability of the drawing pattern shape is lost.
[0013]
Also, in EB drawing that obtains a submicron fine shape, drawing is often performed with a beam energy as high as about 50 keV or more in order to improve the convergence of EB. However, most of the EBs at high energy easily penetrate the resist 62 and reach the underlying metal laminated film, and the metal laminated film is easily charged to cause electrostatic breakdown in the oxide tunnel barrier layer. This also causes a significant decrease in device manufacturing yield.
[0014]
As described above, in EB drawing for producing a TMR film having a submicron metal ferromagnetic layer / oxide tunnel barrier layer / metal ferromagnetic layer junction, formation of a fine pattern with a controlled shape is insufficient. In addition, charge-up due to a large amount of incident electron beams may cause electrostatic breakdown of the TMR film.
[0015]
An object of the present invention is to solve such problems and to provide a method for manufacturing a fine magnetoresistive film suitable for highly integrated memories.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above circumstances, the first of the present invention is an ion beam that is electrically neutralized in a laminated film provided on the first and second metal ferromagnetic layers laminated via a nonmagnetic layer. The manufacturing method of the magnetoresistive film which irradiates is provided.
[0017]
In view of the above circumstances, the second aspect of the present invention is an insulating layer or a laminated film formed on a laminated film comprising first and second metal ferromagnetic layers laminated via a nonmagnetic layer. A method of manufacturing a magnetoresistive film is provided which irradiates an electrically neutralized ion beam to a resist material layer formed in (1).
[0018]
In the first aspect of the present invention, a laminated film including a first metal ferromagnetic layer, a nonmagnetic layer, and a second metal ferromagnetic layer, or an insulating layer or a resist material layer formed on the laminated film In addition, by irradiating an ion beam that is electrically neutralized, a submicron fine magnetoresistive film capable of high integration can be easily manufactured at a high yield.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
In the first embodiment, implantation drawing is performed by using a focused ion beam of Ga (Focused Ion Beam, hereinafter referred to as FIB) on an inorganic resist containing Si (hereinafter, referred to as Si-based inorganic resist), and an F-based A method for manufacturing a TMR film using a mask pattern formed by dry etching will be described.
[0020]
First, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1A, a laminated film 12 having a metal ferromagnetic layer / insulating nonmagnetic (tunnel barrier) layer / metal ferromagnetic layer is formed on a Si substrate 11. After that, the Si base inorganic resist thin film 13 is formed on the upper metal ferromagnetic layer by processing into the shape of the lower electrode including the lower metal ferromagnetic by photolithography and ion milling.
[0021]
Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1B, a Ga ion beam 14 focused as an exposure process is applied to the Si-based inorganic resist on the surface of the laminated film 12 where the magnetoresistive effect film is to be left. 13 for injection drawing.
[0022]
Simultaneously with the implantation of the Ga ion beam 14, an electron beam 15 that electrically neutralizes the Ga ion beam 14 is irradiated to the vicinity of the irradiation region of the Ga ion beam 14 with low energy. Thereby, the Si-based inorganic resist 13 is irradiated with the Ga ion beam 14 as an electrically neutralized beam. Here, since the stopping power (energy lost per unit flight distance) of the Ga ion beam in the Si-based inorganic resist 13 is large, the incident Ga atoms remain in the vicinity of the surface of the Si-based inorganic resist 13.
[0023]
Next, when dry etching 16 using SF 6 gas shown in FIG. 1C is performed on the entire surface of the Si-based inorganic resist 13, nonvolatile Ga fluoride is formed in the Ga ion beam irradiation region. As a result, the etching rate is greatly reduced, and volatile Si fluoride is formed in the region not irradiated with the Ga ion beam, and etching removal of the Si-based inorganic resist proceeds.
[0024]
As a result, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1C, a fine structure 18 of an Si-based inorganic resist can be produced as a negative resist. By using this as a mask, the upper metal strength can be increased by ion milling. Fine processing of the upper electrode including the magnetic material can be performed.
[0025]
An arbitrary pattern, particularly a sub-micron fine pattern using the fineness of FIB can be formed on the Si-based inorganic resist by the FI FIB implantation exposure to the Si-based inorganic resist and the F-based dry etching.
[0026]
That is, in this method, the incident Ga atoms remain on the very surface of the Si-based inorganic resist, and because the chemical characteristics of the implanted Ga atom species are used instead of the energy of the ions, the beam is essentially a beam. In addition, the metal laminated film is hardly damaged.
[0027]
Further, unlike EB, the ion beam can be easily neutralized in order to irradiate the low-energy electron beam, and there is no need to worry about electrostatic breakdown due to the charged beam irradiation.
(Second Embodiment)
Next, a method for manufacturing a TMR film according to the second embodiment will be described.
[0028]
First, a stacked film including a lower electrode 22 having a metal ferromagnetic layer, an oxide tunnel barrier layer 23, and an upper electrode 24 having a metal ferromagnetic layer is formed on a Si substrate 21, and then, as shown in FIG. As shown in the sectional view, the lower electrode 22 is formed by photolithography and ion milling.
[0029]
Thereafter, a SiN x layer is formed as an Si-based inorganic resist on the laminated film. Here, the SiN x layer is deposited to a thickness of about 200 nm using a plasma CVD apparatus.
[0030]
Next, after performing FIB implantation drawing of Ga ions on the SiN x layer, dry etching using SF 6 gas is performed, thereby forming a resist pattern of a submicron junction as shown in FIG. Then, ion milling is performed using this as a mask to form a joint portion of the upper electrode.
[0031]
Here, FI ion implantation drawing of Ga ions is performed under conditions of a beam energy of about 30 keV and an implantation dose of about 5 × 10 16 cm −2 . Since the FIB beam current at this time is about several tens of pA to several hundreds of pA, the ion beam can be easily neutralized by installing a filament as an electron beam emitter in the vicinity of the sample.
[0032]
Thereafter, when dry etching using SF 6 as a reactive gas is performed using an electron cyclotron resonance type reactive ion beam etching apparatus, a SiN x resist pattern 25 having a film thickness of about 150 nm can be formed. Using the SiN x resist pattern 25 as a mask, the upper electrode 24 and the oxide film tunnel barrier layer 23 can be formed as a junction by Ar ion milling with a beam energy of about 400 eV.
[0033]
Next, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2C, after the SiN x resist pattern 25 is peeled off, a SiO 2 insulating film 26 is deposited on the entire surface, and a photoresist 27 for an etch back process is further formed thereon. Is applied to the entire surface.
[0034]
Here, the SiN x resist 25 is removed by isotropic plasma etching using an F-based reaction gas or a buffered hydrofluoric acid solution. The SiO 2 insulating film is deposited to a thickness of about 100 nm using a sputtering apparatus. Furthermore, as a photoresist for the etch back process, for example, AZ5214E photoresist is applied to a thickness of about 1.2 μm. At this time, if the size of the junction is as small as about 2 μm or less, if the photoresist on the junction is made thinner than the other parts, the step of about 60 nm that can be formed in the junction after ion milling is almost eliminated on the upper surface of the photoresist. The
[0035]
Next, by performing an etch back process of the photoresist applied to the entire surface of the lower electrode 22, a resist opening is formed only on the junction, and then the SiO 2 insulating film 26 is dried using the photoresist as a mask. Etching is performed to form a contact hole for the upper electrode as shown in FIG.
[0036]
Here, as an etch back process, dry etching of the photoresist is performed until the SiO 2 insulating film 26 is exposed by reactive ion etching (RIE) using CF 4 gas. Thereafter, a high selective etching of SiO 2 with respect to the photoresist is performed by RIE in which H 2 gas is added to CF 4 gas, thereby forming a contact hole in the SiO 2 insulating film using the photoresist as a mask.
[0037]
Next, after removing the photoresist mask 27 by O 2 ashing, an upper wiring 28 made of Ti / Pt / Au is formed on the contact hole by photolithography lift-off as shown in FIG. Then, the manufacture of the TMR film is finished.
[0038]
As a method for producing the fine mask 25 at the tunnel junction, after applying an EB positive resist, FIB drawing is performed, and after development with a normal developer, a metal such as Ti or an oxide such as SiO 2 is deposited or sputtered. A method of depositing and forming a hard mask using a registry shift-off is also possible. In other words, since the bond irradiation of the polymer in the resist and the polymerization reaction occur in the ion-irradiated region, it is possible to form a positive resist pattern or a negative resist pattern with a normal developer.
[0039]
Here, even in the case of a resist exposure process similar to EB writing, the ion beam hardly scatters in the substance, so that there is almost no proximity effect.
[0040]
Furthermore, since ions have a large stopping power in the substance, an exposure sensitivity that is two to three orders of magnitude higher than that of electrons can be obtained, and even a thin film resist has very little damage to the base.
(Third embodiment)
Next, a method for manufacturing a magnetoresistive film according to the third embodiment of the present invention will be described.
[0041]
As shown in the cross-sectional view of FIG. 3, a lower electrode 22 having a metal ferromagnetic layer is formed on a Si substrate 21, and an EB resist coated on the entire surface of the lower electrode 22 is irradiated with a Ga ion beam, and O When dry etching of 2 plasma is performed, the EB resist 31 remains only in the Ga ion irradiation region, so that the resist mask can be patterned into the shape of the junction.
[0042]
In this case, Ga oxide is formed on the surface of the EB resist 31 in the Ga ion beam irradiation region and functions as an etching stop layer, so that the EB resist 31 is patterned as a negative resist. After the upper electrode 24 is processed by ion milling using the resist 31, a SiO 2 insulating film (not shown) is formed on the entire surface without peeling off the resist 31, and lift-off is performed to make the contact hole a tunnel junction. It can be formed in a self-aligning manner.
[0043]
This resist mask formation process also uses the dry etching selectivity of the ion beam implantation region and the non-implantation region as described in the first embodiment, so that a good processing shape can be obtained and the substrate damage is extremely high. There is little worry about electrostatic breakdown.
[0044]
In addition, a self-alignment process using a pattern forming method such as normal EB negative resist coating, ion beam irradiation exposure, and development with a normal developer is also possible. In this case, the same effect can be obtained.
(Fourth embodiment)
Next, a method for manufacturing a magnetoresistive film according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
[0045]
First, in order to form a contact hole on the junction of the SiO 2 insulating film 41 formed on the entire surface of the Si substrate 21 on which the lower electrode 22, the oxide tunnel barrier layer 23, and the upper electrode 24 are formed, FIG. As shown in the cross-sectional view of FIG. 4, when ion beam lithography using a positive EB resist 42 is applied, it is possible to avoid the problems of scattered electron scattering and charge-up, and to form fine contact holes satisfactorily.
[0046]
Further, as shown in FIG. 4B, if ion beam assisted etching is performed by spraying a reactive gas 44 on the region irradiated with the ion beam 43, an etching rate that is an order of magnitude higher than that of physical sputter etching can be obtained. Therefore, a contact hole can be formed directly in the SiO 2 insulating film 45 without using an etching mask.
[0047]
Here, an F-based reaction gas such as SF 6 may be used for ion beam assisted etching for the SiO 2 insulating film. In this ion beam assisted etching, since there is no effect of re-deposition of the etched material, a trench shape having a very large aspect ratio can be formed with a very smooth side wall. It is valid.
[0048]
When a contact hole is formed by this method, there is a concern that the junction is damaged by ion irradiation. However, if a metal such as Au having a large mass number is formed as a passivation film on the upper portion of the junction, most of the ions are formed. Stays in the Au film and is less likely to damage the laminated film.
[0049]
The method for manufacturing a magnetoresistive film according to the embodiment described above can be applied to a method for manufacturing a magnetic memory device in which magnetoresistive films such as MRAM are integrated. The present invention can also be applied to a method for manufacturing a magnetic head equipped with a magnetoresistive film.
[0050]
In each of the above embodiments, the TMR film has been mainly described. However, a giant magnetoresistive composed of a spin valve in which two metal ferromagnetic layers are stacked via a metal nonmagnetic layer or an artificial lattice. It can also be applied to an effect film, and a good fine pattern can be formed.
[0051]
In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be appropriately changed within the scope of the claims.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a fine magnetoresistive element can be manufactured with a simple process and with a high yield.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a magnetoresistive film according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining a magnetoresistive film manufacturing method according to a second embodiment of the invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining a magnetoresistive film manufacturing method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view for explaining a method for manufacturing a magnetoresistive film according to a fourth embodiment of the invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining a conventional method for manufacturing a TMR film.
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a problem related to a manufacturing method according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
11, 21, 51 ... Si substrate 12, 61 ... Metal ferromagnetic layer / insulating non-magnetic layer / metal ferromagnetic layer laminated film 13 ... Si-containing inorganic resist 14 ... Ga ion beam 15 ... electron beam 16 ... F-based dry etching 22, 52 ... lower electrode 23, 53 ... oxide tunnel barrier layers 24, 54 ... upper electrode 25 ... SiN x resists 26, 41, 45, 56... SiO 2 insulating film 27... photoresist 28, 57... upper wiring 31, 42, 55, 62. ..Reactive gas 45 ... SiO 2 insulating film 63 ... EB
64 ... backscattered electrons

Claims (2)

非磁性体絶縁層を介して積層された第1及び第2の金属強磁性体層を備える積層膜上に形成した絶縁層、もしくは前記積層膜上に形成したレジスト材料層に、電気的に中性化したイオンビームを照射する工程と、前記イオンビームを照射した絶縁層もしくはレジスト材料層をマスク材として用い、記積層膜をエッチングして前記積層膜を所定形状にする工程とを備えたことを特徴とする磁気抵抗効果膜の製造方法。The insulating layer formed on the laminated film including the first and second metal ferromagnetic layers laminated via the nonmagnetic insulating layer, or the resist material layer formed on the laminated film is electrically intermediated. And a step of irradiating the ionized beam, and a step of etching the laminated film into a predetermined shape by etching the laminated film using the insulating layer or resist material layer irradiated with the ion beam as a mask material. A method of manufacturing a magnetoresistive effect film. Siを含む無機レジストを前記レジスト材料層に用い、Gaイオンビームを前記イオンビームに用い、前記積層膜をF系のエッチングにより所定形状にすることを特徴とする請求項1記載の磁気抵抗効果膜の製造方法。 2. The magnetoresistive film according to claim 1 , wherein an inorganic resist containing Si is used for the resist material layer, a Ga ion beam is used for the ion beam, and the laminated film is formed into a predetermined shape by F-based etching. Manufacturing method.
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