JP4891354B2 - Magnetoresistive device manufacturing method and manufacturing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は磁気抵抗デバイスの製造方法及び製造装置に関し、特に、磁性多層膜を堆積が連続する複数の膜から成るグループに分け、各グループごとに1つの成膜チャンバを用意し、複数の成膜チャンバの各々でグループごとに成膜を行うようにした磁気抵抗デバイスの製造方法及び製造装置に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a magnetoresistive device, and more particularly, to divide a magnetic multilayer film into a group consisting of a plurality of continuously deposited films, and prepare a single film forming chamber for each group. The present invention relates to a magnetoresistive device manufacturing method and a manufacturing apparatus in which film formation is performed for each group in each chamber.
磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気感応素子として磁気抵抗効果素子を用いた再生専用の磁気ヘッドであり、ハードディスクドライブ等の再生部として実用化されている。近年、磁気抵抗効果型磁気ヘッドに使用される磁気抵抗効果素子としてTMR素子が採用されつつある。TMR素子はTMR効果(Tunneling Magnetoresistive)を利用した素子である。TMR効果は絶縁体を強磁性体で挟んだトンネル接合で生じる磁気抵抗効果である。TMR素子は、従来のAMR(Anisotropic Magnetroresistive)効果やGMR(Giant Magnetoresistive)効果を利用した素子に比較して、MR比が大きいという利点を有している。MR比は30〜50%である。 The magnetoresistive effect type magnetic head is a read-only magnetic head using a magnetoresistive effect element as a magnetic sensitive element, and has been put into practical use as a reproducing unit such as a hard disk drive. In recent years, TMR elements are being adopted as magnetoresistive elements used in magnetoresistive heads. The TMR element is an element utilizing the TMR effect (Tunneling Magnetoresistive). The TMR effect is a magnetoresistive effect generated at a tunnel junction in which an insulator is sandwiched between ferromagnetic materials. The TMR element has an advantage that the MR ratio is large as compared with a conventional element using an AMR (Anisotropic Magnetoresistive) effect or a GMR (Giant Magnetoresistive) effect. The MR ratio is 30-50%.
上記のTMR素子を構成する膜は、基本的に、第1の軟磁性層、絶縁層、第2の軟磁性層、反強磁性層等が順次に積層され、磁性多層膜の構造を有している。かかるTMR素子は、複数の磁性膜の各々については個別にスパッタリングを利用して成膜が行われ、絶縁層については金属の酸化反応で成膜が行われる。 The film constituting the TMR element basically has a structure of a magnetic multilayer film in which a first soft magnetic layer, an insulating layer, a second soft magnetic layer, an antiferromagnetic layer, and the like are sequentially laminated. ing. In the TMR element, each of the plurality of magnetic films is individually formed by sputtering, and the insulating layer is formed by a metal oxidation reaction.
上記のごとき磁性多層膜の各層の膜を基板に順次に堆積させるための従来の磁性多層膜作製装置は連続多層成膜で行われていた。図5に従来の代表的なヘッド用のスパッタ成膜装置を示す。このスパッタ成膜装置では、ロボット搬送装置101を内蔵する搬送チャンバ102の周囲に比較的大きな1つの成膜チャンバ103を設け、この成膜チャンバ103の内部に、円を描くような配列で、磁性多層膜を構成する各種の磁性膜を個別にスパッタ堆積させるためのターゲット104A〜104Jが設けられている。ロードチャンバ105から搬入された基板は、さらに搬送チャンバ102内のロボット搬送装置101によって成膜チャンバ103内に導入され、ここで基板への磁性多層膜の製作が行われる。磁性多層膜の製作は、基板を例えば時計回りで移動させることとし、その移動においてターゲット104A〜104Jの各々の下で停止させ、スパッタ成膜することで、行われる。基板上の磁性多層膜は、1つの成膜チャンバ103で、予め定められた順序で配列されたターゲットに基づき、磁性多層膜のすべてを、設定順序に従って下層から順次に連続的に成膜することにより製作される。このスパッタ成膜では、通常、ターゲットは水平に配置され、当該ターゲットの表面に対して基板の表面は対向した状態に配置されている。成膜チャンバ103における磁性多層膜の層数に対応する複数のターゲット104A〜104Jを利用した磁性多層膜の連続多層成膜が終了すると、搬送チャンバ102のロボット搬送装置101によって成膜処理が終了した基板は搬送され、アンロードチャンバ106から搬出される。
A conventional magnetic multilayer film manufacturing apparatus for sequentially depositing the films of each layer of the magnetic multilayer film as described above has been performed by continuous multilayer film formation. FIG. 5 shows a conventional typical sputter deposition apparatus for a head. In this sputtering film forming apparatus, a relatively large
上記の従来の磁性多層膜の連続多層成膜では、スパッタ成膜装置の構成上、途中で成膜が中断されることなく最下層から最上層の成膜完了まで継続される。一方、半導体デバイスを構成する多層膜の製作は、搬送チャンバを中央にしてその周囲に複数の成膜チャンバを備え、クラスタ型として、複数の成膜チャンバで多層膜の各々を堆積させるように構成されるのが一般的である。このような通常の半導体デバイスに係る多層膜の成膜装置の構成に比較して、従来の代表的な磁性多層膜のスパッタ成膜装置の構成はユニークなものであるといえる。 In the conventional continuous multilayer film formation of the magnetic multilayer film, the film formation is continued from the lowermost layer to the uppermost layer without being interrupted due to the configuration of the sputtering film formation apparatus. On the other hand, the fabrication of the multilayer film that constitutes a semiconductor device has a plurality of deposition chambers around the transfer chamber as the center, and is configured as a cluster type in which each multilayer film is deposited in the plurality of deposition chambers. It is common to be done. It can be said that the structure of a conventional typical magnetic multilayer film sputtering apparatus is unique compared to the structure of a multilayer film forming apparatus according to such a normal semiconductor device.
磁性多層膜から成る上記TMR素子の磁気ヘッドの量産に適した磁気ヘッド用スパッタ成膜装置の開発では、ユニークな構成ではなく、半導体デバイス製造装置としての一般的構成に適合するような構成の採用が求められている。 In the development of a sputter deposition system for magnetic heads suitable for mass production of magnetic heads of the above-mentioned TMR elements composed of magnetic multilayer films, not a unique configuration but a configuration suitable for a general configuration as a semiconductor device manufacturing apparatus is adopted. Is required.
また将来、不揮発性半導体メモリとして、メモリ集積度の向上および高速書換え性能の点で、TMR素子に類似した磁性多層膜構造を有するMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory等)の需要が高くなる。かかる需要に応じて、磁性多層膜の製作を通常の半導体デバイスメーカが行う場合、1つの大きな成膜チャンバで連続して多層成膜する従来の装置構成は、通常の半導体デバイス製作方式に比較して違和感のあるものである。そこで半導体メーカが自社の半導体ラインでMRAMを製作することを考慮すると、半導体ラインに適した構成(クラスタシステム)を有する磁性多層膜作製装置が求められる。 In the future, as a nonvolatile semiconductor memory, demand for MRAM (Magnetic Resistive Random Access Memory) having a magnetic multilayer film structure similar to that of a TMR element will increase in terms of improvement in memory integration and high-speed rewriting performance. In response to such demand, when an ordinary semiconductor device manufacturer manufactures a magnetic multilayer film, the conventional apparatus configuration in which a multilayer film is continuously formed in one large film forming chamber is compared with a normal semiconductor device manufacturing method. It is uncomfortable. Therefore, considering that a semiconductor manufacturer manufactures an MRAM on its own semiconductor line, a magnetic multilayer film manufacturing apparatus having a configuration (cluster system) suitable for the semiconductor line is required.
また従来の磁性多層膜の連続成膜は、基板上の最下層から最上層まで中断されることなく継続して成膜しなければならず、一度に多数の磁性膜を堆積させるため、MR比の向上の点で制約を受けるというおそれがある。 In addition, the conventional continuous film formation of a magnetic multilayer film must be continuously formed without being interrupted from the bottom layer to the top layer on the substrate, and a large number of magnetic films are deposited at one time. There is a risk of being restricted in terms of improving
さらに、MRAMの生産では、磁気ヘッドの生産に比較してより高い生産性が求められる。前述の従来の代表的な磁性多層膜作成装置の構成によれば、連続多層成膜であるために、生産性の向上を期待することが困難である。 Furthermore, in the production of MRAM, higher productivity is required compared to the production of magnetic heads. According to the configuration of the conventional typical magnetic multilayer film forming apparatus described above, since it is a continuous multilayer film formation, it is difficult to expect improvement in productivity.
本発明の目的は、上記の問題に鑑み、TMR素子から成る磁気ヘッドやMRAM等の生産において、通常な構成であって特に半導体デバイスメーカによる磁性多層膜の製作に適した構成を有し、さらに膜性能を高めることができかつ生産性を向上できる磁性多層膜作製装置を用いて実施することができる磁気抵抗デバイスの製造方法を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is a normal configuration in the production of a magnetic head composed of a TMR element, an MRAM, etc., and particularly suitable for the production of a magnetic multilayer film by a semiconductor device manufacturer. An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a magnetoresistive device that can be carried out using a magnetic multilayer film manufacturing apparatus capable of improving film performance and improving productivity.
本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法は、上記の目的を達成するために、次のように構成される。 In order to achieve the above object, a magnetoresistive device manufacturing method according to the present invention is configured as follows.
すなわち、本発明の第1は、基板上に下層から順にシード層、第1の磁性層、Ru層、第2の磁性層、金属酸化膜、第3の磁性層、第4の磁性層及びTa層が順次積層される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
第1のチャンバで基板に対して成膜処理を行うことで、シード層及び第1の磁性層を成膜し、
前記第1のチャンバと異なる第2のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことでRu層、第2の磁性層及び金属酸化膜を成膜し、
前記第1のチャンバ及び前記第2のチャンバと異なる第3のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことで第3の磁性層、第4の磁性層及びTa層を成膜することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法である。
That is, according to the first aspect of the present invention, the seed layer, the first magnetic layer, the Ru layer, the second magnetic layer, the metal oxide film, the third magnetic layer, the fourth magnetic layer, and the Ta layer are sequentially formed on the substrate from the lower layer. A method of manufacturing a magnetoresistive element in which layers are sequentially stacked,
By performing a film formation process on the substrate in the first chamber, the seed layer and the first magnetic layer are formed,
A Ru layer, a second magnetic layer, and a metal oxide film are formed by performing a film forming process on the substrate in a second chamber different from the first chamber,
Forming a third magnetic layer, a fourth magnetic layer, and a Ta layer by performing film formation on the substrate in a third chamber different from the first chamber and the second chamber; It is a manufacturing method of the magnetoresistive effect element characterized.
本発明の第2は、基板上に下層から順にシード層、反強磁性層、第1の磁性層、Ru層、第2の磁性層、金属酸化膜、第3の磁性層、第4の磁性層及びTa層が順次積層される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
第1のチャンバで基板に対して成膜処理を行うことで、シード層、反強磁性層及び第1の磁性層を成膜し、
前記第1のチャンバと異なる第2のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことでRu層、第2の磁性層及び金属酸化膜を成膜し、
前記第1のチャンバ及び前記第2のチャンバと異なる第3のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことで第3の磁性層、第4の磁性層及びTa層を成膜することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法である。
The second aspect of the present invention is a seed layer, an antiferromagnetic layer, a first magnetic layer, a Ru layer, a second magnetic layer, a metal oxide film, a third magnetic layer, and a fourth magnetic layer in order from the bottom layer on the substrate. A method of manufacturing a magnetoresistive effect element in which a layer and a Ta layer are sequentially stacked,
By performing a film formation process on the substrate in the first chamber, the seed layer, the antiferromagnetic layer, and the first magnetic layer are formed,
A Ru layer, a second magnetic layer, and a metal oxide film are formed by performing a film forming process on the substrate in a second chamber different from the first chamber,
Forming a third magnetic layer, a fourth magnetic layer, and a Ta layer by performing film formation on the substrate in a third chamber different from the first chamber and the second chamber; It is a manufacturing method of the magnetoresistive effect element characterized.
本発明によれば、TMR素子から成る磁気ヘッドやMRAM等の磁気抵抗デバイスの製造において、多層膜を複数のグループに分けグループごとの磁性膜を共通の1つの成膜チャンバでスパッタ成膜するようにしたため、使用する磁性多層膜作製装置について、半導体多層膜作製装置としてはノーマルなクラスタ型成膜装置の構成を実現でき、特に半導体メーカの半導体方式に適した磁性多層膜製作装置での製造を実現でき、さらに膜性能を高めることができ、生産性を向上できる。また二重シャッタ機構を備える装置を用いることによりターゲット間のクロスコンタミネーションを防止することができる。 According to the present invention, in the manufacture of a magnetoresistive device such as a magnetic head composed of a TMR element or MRAM, the multilayer film is divided into a plurality of groups, and the magnetic film for each group is formed by sputtering in one common film forming chamber. Therefore, it is possible to realize the structure of a normal cluster type film forming device as the semiconductor multilayer film manufacturing device, and to manufacture it with the magnetic multilayer film manufacturing device suitable for the semiconductor method of the semiconductor manufacturer. It can be realized, and the membrane performance can be further improved, and the productivity can be improved. Moreover, cross contamination between targets can be prevented by using a device having a double shutter mechanism.
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
図1は本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置の代表的な構成を示し、内部機構の概略構成が判明する程度に示された平面図である。この磁性多層膜作製装置10はクラスタ型であり、複数の成膜チャンバを備えている。ロボット搬送装置11が備えられた搬送チャンバ12が中央位置に設置されている。ロボット搬送装置11は、伸縮自在なアーム13と基板を搭載するためのハンド14とを備えている。アーム13の基端部は搬送チャンバ12の中心部12aに回転自在に取り付けられている。
FIG. 1 is a plan view showing a typical configuration of a magnetic multilayer film manufacturing apparatus used in a method for manufacturing a magnetoresistive device according to the present invention, to the extent that the schematic configuration of an internal mechanism is found. The magnetic multilayer
磁性多層膜作製装置10の搬送チャンバ12には、ロード/アンロードチャンバ15,16が設けられている。ロード/アンロードチャンバ15によって、外部から磁性多層膜作製装置10に処理対象の基板を搬入すると共に、磁性多層膜の成膜処理が終了した基板を磁性多層膜作製装置10から外部へ搬出する。ロード/アンロードチャンバ16も同じ機能を有し、ロード/アンロードチャンバ16を経由して搬入された基板は、同チャンバから搬出される。ロード/アンロードチャンバを2つ設けた理由は、2つのチャンバを交互に使い分けることにより、生産性を高めるためである。
The
この磁性多層膜作製装置10では、搬送チャンバ12の周囲に、3つの成膜チャンバ17A,17B,17Cと、1つの酸化膜成膜チャンバ18と、1つのクリーンニングチャンバ19とが設けられている。2つのチャンバの間には、両チャンバを隔離し、かつ必要に応じて開閉自在なゲートバルブ20が設けられている。なお各チャンバには真空排気機構、原料ガス導入機構、電力供給機構等が付設されているが、それらの図示は省略されている。
In the magnetic multilayer
成膜チャンバ17A,17B,17Cの各々は、グループに属する複数の磁性膜を同じチャンバ内で連続して成膜するための成膜チャンバである。この実施形態によれば、基板上に堆積される磁性多層膜を下側から3つのグループA,B,Cに分け、各グループごとの複数の磁性膜を1つの共通の成膜チャンバで堆積させるように構成している。これによりクラスタ型の磁性多層膜作製装置が実現されている。A,B,Cでグループ化され、各グループに属する複数の磁性膜を堆積させる成膜チャンバ17A,17B,17Cの各々ではスパッタリングを利用したPVD(Physical Vapor Deposition)法によって磁性膜を堆積する。
Each of the
グループAに属する磁性膜を成膜する成膜チャンバ17Aでは例えばTa,NiFeまたはNiFeCr(Seed層:この層は省略できる),PtMnまたはPdPtMnまたはIrMn(アンチフェロ層:反強磁性層),CoFeの各磁性膜が所定順序で連続的に堆積される。このため、成膜チャンバ17Aでは、その底部中央の基板ホルダ21上に配置された基板22に対し、天井部にTa,NiFeまたはNiFeCr,PtMnまたはPdPtMnまたはIrMn,CoFeのそれぞれに対応する4つのターゲット23〜26が取り付けられている。なお図1において、成膜チャンバ17Aの内部を所要の真空状態にするための真空排気機構、ターゲット23〜26のスパッタに要する電力を供給するための機構、プラズマを生成するための機構等の図示は省略されており、このことは他の成膜チャンバ等でも同じである。
In the
グループBに属する磁性膜を成膜する成膜チャンバ17Bでは例えばCoFe,Ru,Alの磁性膜が所定順序で連続的に堆積される。このため、成膜チャンバ17Bでも、上記と同様に、その底部中央の基板ホルダ27上に配置された基板28に対し、天井部にCoFe,Ru,Alのそれぞれに対応するターゲット29〜32が取り付けられている。
In the
グループCに属する磁性膜を成膜する成膜チャンバ17Cでは例えばTa,NiFe,CoFe,Cuの各磁性膜が所定順序で連続的に堆積される。このため、成膜チャンバ17Cでも、上記と同様に、その底部中央の基板ホルダ33上に配置された基板34に対し、天井部にTa,NiFe,CoFe,Cuのそれぞれに対応する4つのターゲット35〜38が取り付けられている。
In the
酸化膜成膜チャンバ18では、金属層を酸化する表面化学反応が行われる。この表面化学反応では、プラズマ酸化、自然酸化、オゾン酸化、紫外線−オゾン酸化、ラジカル酸素などが使用される。酸化膜成膜チャンバ18で、39は基板ホルダ、40は基板である。
In the oxide
クリーンニングチャンバ19では、イオンビームエッチング機構とRFスパッタエッチング機構が設けられ、表面平坦化が行われる。クリーンニングチャンバ19で、41は基板ホルダ、42は基板である。
In the
上記の構成を有する磁性多層膜製作装置10において、ロード/アンロードチャンバ15を通して内部に搬入された基板43は、ロボット搬送装置11によって、成膜チャンバ17A,17B,17C、酸化膜成膜チャンバ18と、クリーンニングチャンバ19のそれぞれに、作製対象である磁性多層膜デバイスに応じて予め定められた順序で導入され、各チャンバでは所定の成膜やエッチング等の処理が行われる。作製対象の磁性多層膜デバイスとしては、MRAM、TMRヘッド、アドバンスド(改良型)GMRなどが存在する。
In the magnetic multilayer
図2に磁性多層膜構造を有する上記のデバイスの例を示す。図2で(A)は8層のMRAMを示し、(B)は10層のTMRヘッドまたはMRAMを示し、(C)は13層のアドバンスドGMRを示している。 FIG. 2 shows an example of the above device having a magnetic multilayer film structure. 2A shows an 8-layer MRAM, FIG. 2B shows a 10-layer TMR head or MRAM, and FIG. 2C shows a 13-layer advanced GMR.
図2(A)によれば、8層のMRAMは、最下層の第1層から最上層の第8層に向かってTa,CoFe,Ru,CoFe,Al−O,CoFe,NiFe,Taの順序で磁性膜が積層されている。この積層状態においてTa(第1層)とCoFe(第2層)がグループAに属し、Ru(第3層)とCoFe(第4層)とAl−O(第5層)がグループBに属し、CoFe(第6層)とNiFe(第7層)とTa(第8層)がグループCに属している。なお第1層のTaの下でクリーニング(図中記号「Cl.」で示す)のエッチングが行われる。また第5層のAl−Oと第6層のCoFeの間ではAl膜の酸化処理(図中記号「Ox.」で示す)が行われ、これによりAl−OはAl酸化膜となる。なお、Al酸化膜(Al−O)は、AlターゲットのO2ガスによるリアクティブスパッタリング法によって作製してもよい。このことは他の多層膜の場合にも同様である。 As shown in FIG. 2A, the 8-layer MRAM has an order of Ta, CoFe, Ru, CoFe, Al—O, CoFe, NiFe, and Ta from the first lowermost layer to the eighth uppermost layer. The magnetic film is laminated. In this stacked state, Ta (first layer) and CoFe (second layer) belong to group A, and Ru (third layer), CoFe (fourth layer), and Al—O (fifth layer) belong to group B. CoFe (sixth layer), NiFe (seventh layer), and Ta (eighth layer) belong to group C. Etching for cleaning (indicated by the symbol “Cl.” In the figure) is performed under Ta of the first layer. Further, an oxidation treatment of the Al film (indicated by the symbol “Ox.” In the figure) is performed between the fifth layer of Al—O and the sixth layer of CoFe, whereby Al—O becomes an Al oxide film. Note that the Al oxide film (Al—O) may be formed by a reactive sputtering method using O 2 gas of an Al target. The same applies to other multilayer films.
図2(B)によれば、10層のTMRヘッドまたはMRAMは、最下層の第1層から最上層の第10層に向かってTa,NiFe,PtMn,CoFe,Ru,CoFe,Al−O,CoFe,NiFe,Taの順序で磁性膜が積層されている。この積層状態において、Ta(第1層)とNiFe(第2層)とPtMn(第3層)とCoFe(第4層)がグループAに属し、Ru(第5層)とCoFe(第6層)とAl−O(第7層)がグループBに属し、CoFe(第8層)とNiFe(第9層)とTa(第10層)がグループCに属している。なお第1層のTaの下でクリーニング(Cl.)のエッチングが行われる。また第7層のAl−Oと第8層のCoFeの間では酸化処理(Ox.)が行われ、Al−OはAl酸化膜となる。図2(A)に示した8層のMRAMと比較すると、第2層および第3層としてNiFe,PtMnの磁性膜層が加入された点で異なり、その他の多層の層構造の配列は同じである。 According to FIG. 2B, the 10-layer TMR head or MRAM has Ta, NiFe, PtMn, CoFe, Ru, CoFe, Al—O, from the first lowermost layer to the uppermost tenth layer. Magnetic films are laminated in the order of CoFe, NiFe, Ta. In this stacked state, Ta (first layer), NiFe (second layer), PtMn (third layer), and CoFe (fourth layer) belong to group A, and Ru (fifth layer) and CoFe (sixth layer). ) And Al—O (seventh layer) belong to group B, and CoFe (eighth layer), NiFe (nineth layer), and Ta (tenth layer) belong to group C. A cleaning (Cl.) Etching is performed under the Ta of the first layer. Further, an oxidation process (Ox.) Is performed between the seventh layer of Al—O and the eighth layer of CoFe, and Al—O becomes an Al oxide film. Compared with the 8-layer MRAM shown in FIG. 2A, the second and third layers are different in that NiFe and PtMn magnetic film layers are added, and the arrangement of the other multilayer structures is the same. is there.
図2(C)によれば、13層のアドバンスドGMRは、最下層の第1層から最上層の第13層に向かってTa,NiFeCr,PtMn,CoFe,Ru,CoFe,NOL(Nano Oxide Layer:CoFe−O等),CoFe,Cu,CoFe,NiFe,Cu,Taの順序で磁性膜が積層されている。この積層状態において、Ta(第1層)とNiFeCr(第2層)とPtMn(第3層)とCoFe(第4層)がグループAに属し、Ru(第5層)とCoFe(第6層)とNOL(第7層)がグループBに属し、CoFe(第8層)とCu(第9層)とCoFe(第10層)とNiFe(第11層)とCu(第12層)とTa(第13層)がグループCに属している。なお第1層のTaの下でクリーニング(Cl.)のエッチングが行われる。また第6層のCoFeと第8層のCoFeの間では酸化処理(Ox.)が行われ、その結果、第7層として極薄い酸化膜のNOL(Nano Oxide Layer)が形成される。 Referring to FIG. 2C, the 13-layer advanced GMR has Ta, NiFeCr, PtMn, CoFe, Ru, CoFe, and NOL (Nano Oxide Layer) from the first lowermost layer to the uppermost thirteenth layer. CoFe-O, etc.), CoFe, Cu, CoFe, NiFe, Cu, Ta are stacked in this order. In this stacked state, Ta (first layer), NiFeCr (second layer), PtMn (third layer), and CoFe (fourth layer) belong to group A, and Ru (fifth layer) and CoFe (sixth layer). ) And NOL (seventh layer) belong to group B, CoFe (8th layer), Cu (9th layer), CoFe (10th layer), NiFe (11th layer), Cu (12th layer) and Ta (13th layer) belongs to group C. A cleaning (Cl.) Etching is performed under the Ta of the first layer. Further, an oxidation process (Ox.) Is performed between the sixth layer CoFe and the eighth layer CoFe, and as a result, a very thin oxide film NOL (Nano Oxide Layer) is formed as the seventh layer.
上記のごとく、製作対象としての磁性多層膜デバイスは、いずれのものも、積層された磁性膜を3つのグループA,B,Cに分け、各グループに属する複数の磁性膜を連続して堆積させて成膜を行っている。グループAに属する磁性膜は成膜チャンバ17Aで順次に成膜され、グループBに属する磁性膜は成膜チャンバ17Bで順次に成膜され、グループCに属する磁性膜は成膜チャンバ17Cで成膜される。さらに酸化膜の成膜は酸化膜成膜チャンバ18で成膜され、クリーニングのエッチングはクリーニングチャンバ19で実施される。
As described above, any magnetic multilayer film device to be manufactured is divided into three groups A, B, and C, and a plurality of magnetic films belonging to each group are successively deposited. The film is formed. The magnetic films belonging to group A are sequentially formed in the
上記多層磁気膜製作装置10において上記の8層のMRAMを製作するときには、装置内に搬入された基板は、最初にクリーニングチャンバ19に導入されイオンビーム等で基板表面の平坦化のためのエッチング処理が行われ、次に成膜チャンバ17Aに導入されてグループAの第1層と第2層が各ターゲットを順次に用いて連続してスパッタで堆積され、次に成膜チャンバ17Bに導入されてグループBの第2層から第5層が各ターゲットを順次に用いて連続してスパッタで堆積され、次に酸化膜成膜チャンバ18に導入されて酸化膜(アルミナ層)が形成され、最後に成膜チャンバ17Cに導入されグループCの第6層から第8層が各ターゲットを順次に用いて連続してスパッタにより堆積される。
When manufacturing the above-described eight-layer MRAM in the multilayer magnetic
上記の磁性多層膜作製装置10において、図2を参照して前述した10層のTMRヘッド/MRAMあるいは13層のアドバンスドGMRを作製するときにも、上記と同様に行われる。磁性多層膜は、グループごとに、対応する成膜チャンバ17A,17B,17Cでスパッタ成膜が連続して行われる。
In the magnetic multilayer
従来では前述のごとく1つの大型の成膜チャンバで多層の磁性膜を最下層から最上層まで連続して堆積させて製作していた磁性多層膜を、当該磁性多層膜を特定の複数のグループに分割しグループごとの複数の磁性膜を異なる環境による成膜チャンバを用いて成膜できるという知見を見出し、そこで、この知見に基づいて上記のごとく複数のスパッタ成膜用の成膜チャンバを用いて多層の磁性膜をグループに分割して成膜し、クラスタ型の磁性多層膜作製装置を実現する。多層の磁性膜の分割の仕方としては、図2に示すごとく、3つのグループA,B,Cに分けることが好ましいが、これに限定されるものではない。グループの分け方の基準としては、好ましくは、金属酸化膜(例えばAl−O)とそれに続く磁性層との間で分離を行うと共に、アンチフェロ(Anti−Ferro)層(反強磁性層、例えばPtMn層)とそれに続く磁性層(主にCoFe層)は必ず同一の成膜チャンバ内で連続して成膜を行うということである。さらに成膜チャンバを分離する観点としては、途中に酸化プロセスが入る場合には、酸化プロセスの前後で積層を分離することが好ましい。さらに各成膜チャンバによる積層数ができる限り均等に配分されることも考慮される必要がある。 Conventionally, as described above, a magnetic multilayer film manufactured by continuously depositing a multilayer magnetic film from the lowermost layer to the uppermost layer in one large film forming chamber is divided into a plurality of specific groups. We have found the knowledge that a plurality of divided magnetic films can be formed by using film forming chambers in different environments, and based on this knowledge, using a plurality of film forming chambers for sputter film formation as described above. A multilayer magnetic film is divided into groups to form a cluster type magnetic multilayer film manufacturing apparatus. As shown in FIG. 2, the method of dividing the multilayer magnetic film is preferably divided into three groups A, B, and C, but is not limited thereto. As a criterion for grouping, preferably, separation is performed between a metal oxide film (for example, Al—O) and a subsequent magnetic layer, and an anti-ferro layer (an antiferromagnetic layer, for example, This means that the PtMn layer) and the subsequent magnetic layer (mainly CoFe layer) are always formed continuously in the same film forming chamber. Further, from the viewpoint of separating the film formation chamber, it is preferable to separate the stacks before and after the oxidation process when the oxidation process is performed midway. Furthermore, it is necessary to consider that the number of stacked layers by each film forming chamber is distributed as evenly as possible.
また異なる成膜チャンバ17A,17B,17Cのそれぞれで同じ磁性膜(CoFe等)を堆積させることもあるが、1つのチャンバは1回通過させる成膜手順を採用することにより、成膜の効率化を高めている。また上記構成のクラスタ型磁性多層膜作製装置の構成によれば、各種の多層膜構造を有する磁性膜デバイスの製作に対処することができる。
In addition, the same magnetic film (CoFe or the like) may be deposited in each of the different
上記のごとく磁性多層膜をグループに分離してグループごとに異なる成膜チャンバでスパッタ成膜を行うことによって、次のように膜の性能の向上することができる。例えば基板上において、下側から、Ta(5nm),NiFe(2nm),PtMn(20nm),CoFe(2nm),Ru(0.85nm),CoFe(2.5nm),Cu(3nm),CoFe(1nm),NiFe(3nm),Ta(3nm)の順で積層されるスピンバルブGMR膜に関して、全層を連続的に成膜した場合には7.39%のMR比を得ることができる。これに対して、PtMn層(第3層)とCoFe層(第4層)の間で中断して分離成膜を行う場合にはMR比が6.67%に低下する。そのため、反強磁性層とそれに続く磁性層の成膜は同一の成膜チャンバ内で連続的に成膜することが好ましい。さらに、Ru層(第5層)とCoFe層(第6層)の間で中断して分離成膜を行う場合にはMR比が7.45%となり、CoFe層(第6層)とCu層(第7層)の間で中断して分離成膜を行う場合にはMR比が7.66%となり、Cu層(第7層)とCoFe層(第8層)の間で中断して分離成膜を行う場合にはMR比が7.67%となる。これらの場合には、MR比を向上させる界面である。このようなことから、全層を同一の成膜チャンバで連続的に成膜する必要性は必ずしもなく、特性の向上、および生産性を考慮すると、磁性多層膜をグループに分け、成膜チャンバを複数用意し、分離成膜することが望ましい。 By separating the magnetic multilayer film into groups as described above and performing sputter deposition in different deposition chambers for each group, the film performance can be improved as follows. For example, on the substrate, from the lower side, Ta (5 nm), NiFe (2 nm), PtMn (20 nm), CoFe (2 nm), Ru (0.85 nm), CoFe (2.5 nm), Cu (3 nm), CoFe ( With respect to the spin valve GMR film laminated in the order of 1 nm), NiFe (3 nm), and Ta (3 nm), an MR ratio of 7.39% can be obtained when all the layers are continuously formed. On the other hand, the MR ratio is reduced to 6.67% when separation film formation is performed by interrupting between the PtMn layer (third layer) and the CoFe layer (fourth layer). Therefore, it is preferable to continuously form the antiferromagnetic layer and the subsequent magnetic layer in the same film formation chamber. Furthermore, when performing separation film formation by interrupting between the Ru layer (fifth layer) and the CoFe layer (sixth layer), the MR ratio becomes 7.45%, and the CoFe layer (sixth layer) and the Cu layer When the separation film formation is interrupted between the (seventh layer), the MR ratio is 7.66%, and the separation is interrupted between the Cu layer (seventh layer) and the CoFe layer (eighth layer). When film formation is performed, the MR ratio is 7.67%. In these cases, the interface improves the MR ratio. For this reason, it is not always necessary to continuously form all the layers in the same film formation chamber. Considering improvement in characteristics and productivity, the magnetic multilayer films are divided into groups, and the film formation chamber is divided into groups. It is desirable to prepare a plurality and separate film formation.
次に成膜チャンバ17A,17B,17Cの各々に設けられる特徴的な構造を図3を参照してより詳しく説明する。図3の(A)は例えば成膜チャンバ17Cの平面図であり、(B)は特徴的構造を示すその縦断面図である。図3において、図1で説明した要素と実質的に同一の要素には同一の符号を付している。成膜チャンバ17Cの容器51の天井部52には前述の通り4つのターゲット35〜38が設けられている。これらのターゲット35〜38は天井部52において傾斜した状態にて取り付けられている。成膜チャンバ17Cの底面部の中央に回転自在に設けられた基板ホルダ33は基板34を水平状態にて搭載している。基板34へのスパッタ成膜のとき基板34は回転状態にある。なお基板ホルダ33上の基板34の周囲にはリング状のマグネット53が設置されている。傾斜して設けられたターゲット35〜38は、それぞれ、下方で水平に配置された基板34の上面に対して向くような姿勢にて配置されている。これらのターゲットと基板34の間にはシャッタ機構54が配置されている。シャッタ機構54は二重のシャッタを有している。シャッタ機構54の動作によって、4つのターゲット35〜38のうちスパッタ成膜に使用されるターゲットが選択される。かかる構成によって、スパッタされたターゲット物質の斜め入射を実現し、多層成膜において高均一な膜厚分布を達成し、かつターゲット相互の汚染や磁性膜同士で汚染が生じるのを防止している。
Next, a characteristic structure provided in each of the
図4を参照してシャッタ機構54の構造と動作を概念的により詳しく説明する。シャッタ機構54は二重回転シャッタとして構成されている。この図示例では、4つのターゲット37〜38は説明簡略のために平行に配置した状態を示している。シャッタ機構54は、2枚のシャッタ板61,62を実質的に平行に配置し、それぞれを個別に軸63の周りに自在に回転できるように設けられている。シャッタ板61には直径方向に並んだ2つの孔61a,61bが形成され、シャッタ板62には1つの孔62aが形成されている。図3に示された状態では、ターゲット38に対してシャッタ板61の孔61aとシャッタ板62の孔62aの位置を重ねることによりターゲット38を利用したスパッタ成膜が行われ、回転中の基板34の表面に所定の磁性膜を堆積させる。このときターゲット36,37は2枚のシャッタ板61,62で覆われ、スパッタされたターゲット物質が付着されるのを防止される。またターゲット35はシャッタ板61では孔61bに対向しているが、シャッタ板62で覆われているので、同様に保護される。上記のごとく二重回転シャッタから成るシャッタ板61,62によってターゲット間のクロスコンタミネーションを防止するようにしている。
The structure and operation of the
前述の実施形態では、磁性多層膜を3つのグループに分けたため3つの成膜チャンバ17A,17B,17Cを設けるようにしたが、グループの分け数は任意であり、成膜チャンバの数は任意に設定することができる。また多層の磁性膜の堆積順序も前述の実施形態に限定されず、任意設定することができる。
In the above-described embodiment, since the magnetic multilayer film is divided into three groups, the three
多層の磁性膜のスパッタ成膜をグループに分割し、1つの成膜チャンバで連続成膜する磁性膜の数を少なくしたため、膜の平坦性を良好にすることができ、膜質を高めることができる。 Sputter deposition of multilayer magnetic films is divided into groups, and the number of magnetic films continuously deposited in one deposition chamber is reduced, so that film flatness can be improved and film quality can be improved. .
以上説明したように、本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置は、基板上に複数の磁性膜や非磁性膜を含む多層膜の各層を順次に積層状態で堆積して磁性多層膜を作製する磁性多層膜作製装置であり、複数の磁性膜を複数のグループに分け、複数のグループの各々は連続して積層状態で堆積される複数の磁性膜から成る。複数のグループの各々に含まれる複数の磁性膜は同じ成膜チャンバで基板に順次に堆積させるように構成される。 As described above, the magnetic multilayer film manufacturing equipment used in the method for manufacturing a magneto-resistance device according to the present invention, sequentially deposited in a stacked state each layer of the multilayer film including a plurality of magnetic films and a non-magnetic film on the substrate A magnetic multilayer film manufacturing apparatus for manufacturing a magnetic multilayer film, wherein the plurality of magnetic films are divided into a plurality of groups, and each of the plurality of groups is composed of a plurality of magnetic films deposited successively in a laminated state. The plurality of magnetic films included in each of the plurality of groups are configured to be sequentially deposited on the substrate in the same film formation chamber.
上記の磁性多層膜作製装置によれば、多層の磁性膜を特定の基準に基づき複数のグループに分けてスパッタ成膜することを可能にし、これにより多数の成膜チャンバを備えたクラスタ型の磁性多層膜作製装置の構成を実現している。磁性多層膜の作製においてクラスタシステムの実現は半導体製造メーカの方式に合致するものである。 According to the above-mentioned magnetic multilayer film manufacturing apparatus, it is possible to perform sputtering film formation of a multilayer magnetic film divided into a plurality of groups based on a specific standard, and thereby, a cluster type magnetic film having a large number of film forming chambers. The configuration of the multilayer film manufacturing apparatus is realized. The realization of the cluster system in the production of the magnetic multilayer film matches the system of the semiconductor manufacturer.
本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、複数のグループの各々に対応して1つの成膜チャンバが設けられ、グループの数に対応する個数の複数の成膜チャンバが備えられる。複数のグループに分けることができた磁性多層膜の成膜は、グループごとに成膜処理を行うことが好ましく、グループに属する複数の磁性膜は共通の同じ成膜チャンバでスパッタリングを利用して連続的に成膜される。 The magnetic multilayer film manufacturing apparatus used in the magnetoresistive device manufacturing method according to the present invention preferably has one film forming chamber corresponding to each of a plurality of groups, and corresponds to the number of groups. A plurality of film forming chambers are provided. When forming a magnetic multilayer film that can be divided into a plurality of groups, it is preferable to carry out a film forming process for each group, and a plurality of magnetic films belonging to a group are continuously formed by using sputtering in the same film forming chamber. Film is formed.
本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、磁性膜を形成するための複数の成膜チャンバの他に、他の性質の膜を形成するための成膜チャンバを備えるように構成される。磁性多層膜では、その途中の段階で酸化膜を形成する処理が必要であるので、かかる成膜チャンバは別途に用意される。クラスタ型の成膜装置であるので、中央に位置する搬送チャンバの周囲に他の成膜チャンバを設けることが可能となる。 The magnetic multilayer film manufacturing apparatus used in the magnetoresistive device manufacturing method according to the present invention preferably has a film having other properties in addition to a plurality of film forming chambers for forming the magnetic film in the above-described configuration. It is comprised so that the film-forming chamber for performing may be provided. Since the magnetic multilayer film needs to form an oxide film at an intermediate stage, such a film forming chamber is prepared separately. Since it is a cluster-type film forming apparatus, it is possible to provide another film forming chamber around the transfer chamber located at the center.
本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、複数の成膜チャンバは、基板搬送装置を備えた中央に位置する搬送チャンバの周囲に配置されるように構成される。クラスタシステムの成膜装置が実現され、このことは半導体方式との融合を図ることを可能する。 In the above-described configuration, the magnetic multilayer film manufacturing apparatus used in the magnetoresistive device manufacturing method according to the present invention preferably has a plurality of film forming chambers arranged around a transfer chamber located in the center having a substrate transfer apparatus. Configured to be. A cluster system film forming apparatus is realized, which can be integrated with a semiconductor system.
本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、グループに含まれる複数の磁性膜を形成するため成膜チャンバには、グループに含まれる複数の磁性膜に対応する複数のターゲットが配置され、成膜チャンバでは底面の中央に基板が回転状態で配置され、複数のターゲットは基板に向くように傾斜して設けられる。1つの成膜チャンバでスパッタリングにて複数種類の磁性膜を堆積させかつ効率よく、高い性能の磁性膜を堆積させるには、斜め成膜の構成が好ましい。 The magnetic multilayer film manufacturing apparatus used for the magnetoresistive device manufacturing method according to the present invention preferably has a plurality of film forming chambers included in the group in the above-described configuration in order to form a plurality of magnetic films included in the group. A plurality of targets corresponding to the magnetic films are arranged, and in the film formation chamber, the substrate is arranged in the center of the bottom surface in a rotating state, and the plurality of targets are provided inclined toward the substrate. In order to deposit a plurality of types of magnetic films by sputtering in one film forming chamber and to deposit a high performance magnetic film efficiently, an oblique film forming configuration is preferable.
本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、成膜チャンバで、複数のターゲットの前面には個別に回転する2枚のシャッタ板から成る二重シャッタ機構を設けたことを特徴とする。二重シャッタ機構を設けることにより、同一の成膜チャンバ内に設けられたターゲット間のクロスコンタミネエーションを防止することができる。 The magnetic multilayer film manufacturing apparatus used in the magnetoresistive device manufacturing method according to the present invention has the above-described configuration, and is preferably a film forming chamber, and includes two shutter plates that rotate individually on the front surfaces of a plurality of targets. A double shutter mechanism is provided. By providing the double shutter mechanism, cross contamination between targets provided in the same film formation chamber can be prevented.
本発明に係る磁気抵抗デバイスの製造方法に用いる磁性多層膜作製装置は、上記の構成において、好ましくは、複数のグループの形成で、上記多層膜に含まれる金属酸化層とそれに続く磁性膜の間で分離を行ってグループを作ると共に、さらに、反強磁性膜とそれに続く磁性層は同じグループとして同一の成膜チャンバで連続して成膜を行うように構成される。 The magnetic multilayer film manufacturing apparatus used in the magnetoresistive device manufacturing method according to the present invention preferably has a plurality of groups formed between the metal oxide layer included in the multilayer film and the subsequent magnetic film. The antiferromagnetic film and the subsequent magnetic layer are formed in the same film forming chamber continuously in the same film forming chamber.
10 磁性多層膜作製装置
11 ロボット制御装置
12 搬送チャンバ
17A〜17C 成膜チャンバ
18 酸化膜成膜チャンバ
19 クリーニングチャンバ
54 シャッタ機構
DESCRIPTION OF
Claims (2)
第1のチャンバで基板に対して成膜処理を行うことで、シード層及び第1の磁性層を成膜し、
前記第1のチャンバと異なる第2のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことでRu層、第2の磁性層及び金属酸化膜を成膜し、
前記第1のチャンバ及び前記第2のチャンバと異なる第3のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことで第3の磁性層、第4の磁性層及びTa層を成膜することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 A magnetoresistive effect in which a seed layer, a first magnetic layer, a Ru layer, a second magnetic layer, a metal oxide film, a third magnetic layer, a fourth magnetic layer, and a Ta layer are sequentially stacked on a substrate in order from the lower layer. A method for manufacturing an element, comprising:
By performing a film formation process on the substrate in the first chamber, the seed layer and the first magnetic layer are formed,
A Ru layer, a second magnetic layer, and a metal oxide film are formed by performing a film forming process on the substrate in a second chamber different from the first chamber,
Forming a third magnetic layer, a fourth magnetic layer, and a Ta layer by performing film formation on the substrate in a third chamber different from the first chamber and the second chamber; A method for manufacturing a magnetoresistive effect element.
第1のチャンバで基板に対して成膜処理を行うことで、シード層、反強磁性層及び第1の磁性層を成膜し、
前記第1のチャンバと異なる第2のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことでRu層、第2の磁性層及び金属酸化膜を成膜し、
前記第1のチャンバ及び前記第2のチャンバと異なる第3のチャンバで前記基板に対して成膜処理を行うことで第3の磁性層、第4の磁性層及びTa層を成膜することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 A seed layer, an antiferromagnetic layer, a first magnetic layer, a Ru layer, a second magnetic layer, a metal oxide film, a third magnetic layer, a fourth magnetic layer, and a Ta layer are sequentially stacked on the substrate in order from the lower layer. A method of manufacturing a magnetoresistive effect element, comprising:
By performing a film formation process on the substrate in the first chamber, the seed layer, the antiferromagnetic layer, and the first magnetic layer are formed,
A Ru layer, a second magnetic layer, and a metal oxide film are formed by performing a film forming process on the substrate in a second chamber different from the first chamber,
Forming a third magnetic layer, a fourth magnetic layer, and a Ta layer by performing film formation on the substrate in a third chamber different from the first chamber and the second chamber; A method for manufacturing a magnetoresistive effect element.
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