JP4932276B2 - Method for manufacturing magnetoresistive element - Google Patents
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Description
本発明は、外部磁場を電気抵抗変化によって計測する磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a magneto-resistance effect element for measuring an external magnetic field by the electric resistance change.
近年、数百％以上の大きな磁気抵抗比率を得る新しい磁気抵抗素子として、弾道磁気抵抗（ＢＭＲ）を利用した素子が提案されている。このようなＢＭＲ素子は、磁化方向が外部磁場によらず一定である第１の磁性領域（磁化固定層）と、磁化方向が外部磁場に合わせて変化する第２の磁性領域（磁化自由層）が、微小接点を介して接する構造を有する。そして微小接点が微小（幅が狭い）であればあるほど、電子は不純物原子からの散乱を受けずに第１の磁性領域から第２の磁性領域に（弾道的に）伝導できるため、スピン依存散乱効果が純粋に現れ、磁気抵抗は大きく発現する。このような弾道磁気抵抗に関しては、例えば非特許文献１にまとめられている。そしてＢＭＲ素子の形成方法として、例えば非特許文献２、３によれば、第１の磁性領域と第２の磁性領域をあらかじめ別々に形成し、めっき法、または機械的に接合する方法がある。このような方法では、数ｎｍの微小な接点を形成することができるが、再現性、信頼性の問題があり、大量生産には適しない。また、他の方法として、例えば非特許文献４、５に公開されるよう、電子ビームリソグラフィーやＦＩＢ（Field Ion Beam）加工装置などを用い、第１の磁性領域と第２の磁性領域とを微小くびれ部を介した連続体として形成する方法がある。このように微小くびれ部は、最初から第１の磁性領域及び第２の磁性領域と連続した状態で形成されるので、非特許文献２、３のような接合した微小接点の形成時のように気体に触れるということがないものである。このような非特許文献４、５の形成方法によれば、非特許文献２、３の方法ほどの幅が微小な部分を形成することは困難であるが、再現性、信頼性が高く、大量生産に適している。 In recent years, an element using ballistic magnetoresistance (BMR) has been proposed as a new magnetoresistive element that obtains a large magnetoresistance ratio of several hundred percent or more. Such a BMR element has a first magnetic region (magnetization fixed layer) in which the magnetization direction is constant regardless of the external magnetic field, and a second magnetic region (magnetization free layer) in which the magnetization direction changes in accordance with the external magnetic field. However, it has a structure which contacts via a micro contact. And the smaller the microcontact (the narrower the width), the more the electrons can conduct (ballistically) from the first magnetic region to the second magnetic region without being scattered from the impurity atoms, and therefore spin dependent. The scattering effect appears purely, and the magnetoresistance is greatly expressed. Such ballistic magnetic resistance is summarized in Non-Patent Document 1, for example. As a method for forming the BMR element, for example, according to Non-Patent Documents 2 and 3, there is a method in which the first magnetic region and the second magnetic region are separately formed in advance and are plated or mechanically joined. Such a method can form a contact of a few nanometers, but has reproducibility and reliability problems and is not suitable for mass production. As another method, for example, as disclosed in Non-Patent Documents 4 and 5, electron beam lithography, FIB (Field Ion Beam) processing apparatus, or the like is used to make the first magnetic region and the second magnetic region minute. There is a method of forming a continuous body through a constricted portion. As described above, since the minute constricted portion is formed in a state continuous from the first magnetic region and the second magnetic region from the beginning, as in the case of forming the joined minute contact as in Non-Patent Documents 2 and 3. There is no contact with gas. According to such forming methods of Non-Patent Documents 4 and 5, it is difficult to form a portion as narrow as the methods of Non-Patent Documents 2 and 3, but the reproducibility and reliability are high, and a large amount Suitable for production.
ＢＭＲ素子の工業化を考慮する場合、上述した非特許文献４、５のように、電子ビームリソグラフィーやＦＩＢ加工装置を用いてＢＭＲ素子を形成することが望ましいが、近年では、前述の微小くびれ部の幅としては３０ｎｍ以下といった非常に微細な構造が要求されている。高再現性、信頼性に加え、高分解能を有する電子ビームリソグラフィーやＦＩＢをもってしても、通常３０ｎｍ以下の微小くびれ部を歩留まり高く形成することは非常に困難である。 In consideration of industrialization of the BMR element, it is desirable to form the BMR element by using electron beam lithography or an FIB processing apparatus as in Non-Patent Documents 4 and 5 described above. As the width, a very fine structure such as 30 nm or less is required. In addition to high reproducibility and reliability, even with electron beam lithography or FIB having high resolution, it is very difficult to form a fine constricted portion of 30 nm or less with high yield.
そこで、本発明の目的は、３０ｎｍ以下の微小くびれ部を有する磁気抵抗効果素子を容易に歩留まり高く製造できる方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a way which can be manufactured easily with high yield, a magnetoresistive element having the following micro constriction 30 nm.
本発明は、第１の磁性領域と第２の磁性領域とが微小くびれ部を介した連続体として形成された磁気抵抗効果素子の製造方法であって、絶縁性の基体の表面上に、前記第１の磁性領域、前記表面上において前記第１の磁性領域とは異なる位置にある前記第２の磁性領域、及び、前記第１の磁性領域と前記第２の磁性領域とを接続していると共に前記表面内において前記表面に平行な一方向と直交する方向に関する長さが前記第１の磁性領域及び前記第２の磁性領域よりも短い前記微小くびれ部を有する導電性の磁性体層を形成する磁性体層形成工程と、前記第１の磁性領域と前記第２の磁性領域とが前記微小くびれ部において分断されることがないように、前記磁性体層にＲＦスパッタエッチングを施すスパッタエッチング工程とを備えている。 The present invention is a method for manufacturing a magnetoresistive effect element in which a first magnetic region and a second magnetic region are formed as a continuous body through a minute constriction, and the method comprises the steps of: The first magnetic region, the second magnetic region at a position different from the first magnetic region on the surface, and the first magnetic region and the second magnetic region are connected to each other. And forming a conductive magnetic layer having the minute constriction portion in the surface that is shorter than the first magnetic region and the second magnetic region in a direction perpendicular to one direction parallel to the surface. A magnetic layer forming step, and a sputter etching step of performing RF sputter etching on the magnetic layer so that the first magnetic region and the second magnetic region are not divided at the minute constriction. And with .
上記構成によれば、ＲＦスパッタエッチングによって、絶縁性の基体表面上に形成された連続体の選択エッチングができるとともに、微小くびれ部の幅の制御を正確に行うことができる。したがって、容易に微小くびれ部を狭小化できる。また、電子線リソグラフィーなどによってパターニングした基体上に、スパッタリング法によって形成した磁性体をリフトオフして上記連続体を形成した際、磁性体のバリが上記連続体の縁に残留することがある。本製造方法によれば、連続体から上述の残留したバリを除去又は分離できるので、幅が３０ｎｍ以下の微小くびれ部を有する磁気抵抗効果素子を高い制御性及び再現性で製造でき、大量生産に適している。したがって、従来に比べ、３０ｎｍ以下の微小くびれ部を有する磁気抵抗効果素子を容易に歩留まり高く製造することができる。 According to the above configuration, the continuous body formed on the surface of the insulating base can be selectively etched by RF sputter etching, and the width of the minute constriction can be accurately controlled. Therefore, the minute constriction can be easily narrowed. Further, when the continuum is formed by lifting off a magnetic material formed by sputtering on a substrate patterned by electron beam lithography or the like, burrs of the magnetic material may remain on the edge of the continuum. According to this manufacturing method, since the above-mentioned remaining burrs can be removed or separated from the continuum, a magnetoresistive element having a minute constriction having a width of 30 nm or less can be manufactured with high controllability and reproducibility, and mass production is possible. Is suitable. Therefore, a magnetoresistive effect element having a minute constriction portion of 30 nm or less can be easily manufactured with a high yield as compared with the prior art.
本発明の磁気抵抗効果素子の製造方法においては、前記磁性体層形成工程が、前記基体の前記表面上に、前記第１の磁性領域、前記第２の磁性領域及び前記微小くびれ部を有する前記磁性体層とは逆パターンのレジスト層を形成する工程と、前記レジスト層から露出した前記表面上に前記磁性体層を形成する工程と、前記レジスト層を除去する工程とを有していることが好ましい。 In the method of manufacturing a magnetoresistive element of the present invention, the magnetic layer forming step includes the first magnetic region, the second magnetic region, and the minute constriction on the surface of the base. A step of forming a resist layer having a pattern opposite to that of the magnetic layer; a step of forming the magnetic layer on the surface exposed from the resist layer; and a step of removing the resist layer. Is preferred.
上記構成によれば、確実に、３０ｎｍ以下の微小くびれ部を有する磁気抵抗効果素子を容易に歩留まり高く製造できる。 According to the above configuration, a magnetoresistive effect element having a minute constriction part of 30 nm or less can be easily manufactured with a high yield.
本発明の参考例に係る磁気抵抗効果素子は、絶縁性の基体の表面上に、第１の磁性領域と第２の磁性領域とが微小くびれ部を介した連続体として形成された磁気抵抗効果素子であって、前記表面に直交する平面視において、前記第１の磁性領域及び前記第２の磁性領域における前記微小くびれ部近傍の区域の外形線が、それぞれ、前記微小くびれ部を頂点として９０°以下の角度をなしている。 The magnetoresistive effect element according to the reference example of the present invention has a magnetoresistive effect in which a first magnetic region and a second magnetic region are formed on a surface of an insulating substrate as a continuous body via a minute constriction. In the planar view orthogonal to the surface, the outline of the area in the vicinity of the minute constriction in the first magnetic region and the second magnetic region is 90 with the minute constriction as a vertex, respectively. The angle is less than °.
上記構成によれば、第１の磁性領域と第２の磁性領域との（形状）異方性の向きが同じ（第１の磁性領域、微小くびれ部、第２の磁性領域の中心を結ぶ直線に平行方向）であるため、容易磁化方向が同じとなる（前記直線に対して垂直方向には磁化しない）。これは、磁性体が反磁界によるエネルギー損を最小化する性質によるもので、つまり磁性体の長手方向が容易磁化方向となるからである。その結果として、微小くびれ部にて形成される磁壁が１８０°磁壁であり、スピン依存散乱が大きくなることから、大きな磁気抵抗効果を得ることができる。 According to the above configuration, the direction of the (shape) anisotropy of the first magnetic region and the second magnetic region is the same (a straight line connecting the centers of the first magnetic region, the minute constricted portion, and the second magnetic region). The direction of easy magnetization is the same (there is no magnetization in the direction perpendicular to the straight line). This is because the magnetic material has the property of minimizing the energy loss due to the demagnetizing field, that is, the longitudinal direction of the magnetic material becomes the easy magnetization direction. As a result, the domain wall formed at the minute constriction is a 180 ° domain wall, and spin-dependent scattering increases, so that a large magnetoresistance effect can be obtained.
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態に係るＢＭＲ素子について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るＢＭＲ素子を示す模式平面図である。 Hereinafter, a BMR element according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic plan view showing a BMR element according to an embodiment of the present invention.
図１に示すＢＭＲ素子１においては、基体としての基板（図示せず）の表面上に形成された、台形状の第１の磁性領域２と、後述するアスペクト比が第１の磁性領域２より高い台形状の第２の磁性領域３と、第１の磁性領域２と第２の磁性領域３とを接続していると共に、基板表面に平行な一方向と直交する方向に関する長さが第１の磁性領域２及び第２の磁性領域３よりも短い微小くびれ部４とで構成される。これら、第１の磁性領域２、第２の磁性領域３、微小くびれ部４は、便宜上分割して説明するが、実際は連続体として一体形成されているものである。 In the BMR element 1 shown in FIG. 1, a trapezoidal first magnetic region 2 formed on the surface of a substrate (not shown) as a base and an aspect ratio described later from the first magnetic region 2. The second trapezoidal second magnetic region 3 is connected to the first magnetic region 2 and the second magnetic region 3, and the length in the direction orthogonal to one direction parallel to the substrate surface is the first. short fine neck than the magnetic region 2 and the second magnetic areas 3 Re composed of the part 4. These first magnetic region 2, the second magnetic region 3, small neck Re section 4 is described for convenience divided, but actually are integrally formed as a continuous body.
基板としては、表面が平坦なもの（平均粗さとして０．５ｎｍ以下）が望ましい。例えば、表面熱酸化処理を施したＳｉ（シリコン）基板、ガラス基板等が好適である。 A substrate having a flat surface (average roughness of 0.5 nm or less) is desirable. For example, a Si (silicon) substrate subjected to surface thermal oxidation treatment, a glass substrate, or the like is preferable.
第１の磁性領域２、第２の磁性領域３は、形状異方性の大きさが違うように設計してある。ここで言う形状異方性の大きさとは、横方向（第１の磁性領域２、微小くびれ部４、第２の磁性領域３の中心を結ぶ直線に垂直な方向）の長さと縦方向（横方向に垂直な方向）の長さとの比（アスペクト比）であり、図１に示すように、第１の磁性領域２と第２の磁性領域３とはアスペクト比が異なる。また、微小くびれ部４を頂点として、第1の磁性領域２のなす角θ１および第２の磁性領域３のなす角θ２がともに９０°以下であって、θ１＞θ２（θ１＝５３°、θ２＝３３°のものが一例として挙げられる。）である。そのため、第１の磁性領域２と第２の磁性領域３との（形状）異方性の向きは同じであるため、容易磁化方向が同じとなる。したがって、微小くびれ部４にて形成される磁壁は１８０°磁化の方向が変わる１８０°磁壁であり、スピン依存散乱が大きいため、大きな磁気抵抗を得ることができる。 The first magnetic region 2 and the second magnetic region 3 are designed so that the magnitude of shape anisotropy is different. The magnitude of the shape anisotropy here refers to the length in the horizontal direction (direction perpendicular to the straight line connecting the centers of the first magnetic region 2, the minute constricted portion 4, and the second magnetic region 3) and the vertical direction (horizontal). The first magnetic region 2 and the second magnetic region 3 have different aspect ratios, as shown in FIG. Further, the angle θ1 formed by the first magnetic region 2 and the angle θ2 formed by the second magnetic region 3 are both 90 ° or less with the minute constriction 4 as a vertex, and θ1> θ2 (θ1 = 53 °, θ2 = 33 ° is an example). Therefore, since the direction of (shape) anisotropy is the same between the first magnetic region 2 and the second magnetic region 3, the easy magnetization directions are the same. Therefore, the domain wall formed by the minute constricted portion 4 is a 180 ° domain wall whose direction of 180 ° magnetization changes, and since the spin-dependent scattering is large, a large magnetoresistance can be obtained.
微小くびれ部４は、この微小くびれ部４近傍に対し幅狭であり、そのため磁壁が形成されやすい領域となっている。また、電気的には導通するが、磁気的な結合は弱い領域と考えることもできる。微小くびれ部４の幅は、好ましくは３０ｎｍ以下である。更に好ましくは、前記幅は１０ｎｍ以下である。このように狭くなればなるほど、磁壁は小さくかつ安定して微小くびれ部４に形成されやすくなる。このような磁壁においては、原子スピンの方向が急峻に変化するため、そこを通過するスピン電流にとっては、上述したように純粋なスピン依存散乱を受ける。よって、磁壁幅が狭いほど大きな磁気抵抗を得ることができる。 The minute constricted part 4 is narrower than the vicinity of the minute constricted part 4, so that a domain wall is easily formed. It can also be considered as a region where electrical conduction is established but magnetic coupling is weak. The width of the minute constriction 4 is preferably 30 nm or less. More preferably, the width is 10 nm or less. The narrower the wall, the smaller and more easily the domain wall is formed on the minute constriction 4 in a stable manner. In such a domain wall, since the direction of atomic spin changes sharply, the spin current passing therethrough undergoes pure spin-dependent scattering as described above. Therefore, a larger magnetic resistance can be obtained as the domain wall width is narrower.
次に、ＢＭＲ素子１の製造方法について説明する。ＢＭＲ素子１は、電子線リソグラフィーによるパターニングした基板上に、スパッタリング法によるＮｉを含む磁性体を積層し、リフトオフ法を行った後、ＲＦスパッタエッチングにより微小くびれ部４となる部分の狭小化を行って製造した。以下にこれらの工程を詳述する。 Next, a method for manufacturing the BMR element 1 will be described. The BMR element 1 is formed by laminating a magnetic material containing Ni by sputtering on a substrate patterned by electron beam lithography, performing a lift-off method, and then narrowing a portion that becomes the minute constriction 4 by RF sputter etching. Manufactured. These steps are described in detail below.
基板を有機溶剤によって洗浄した後、表面上にスピナーを用いて、レジスト膜厚を適宜調整してレジスト塗布を行う。レジストにはＺＥＰ（日本ゼオン（株）製）をシンナーで希釈したものを用いている。電子ビームによる露光後、専用の薬液により現像を行って、第１の磁性領域２、第２の磁性領域３、微小くびれ部４からなるＢＭＲ素子１（連続体）の前駆体形成用のレジスト層を形成する。 After the substrate is washed with an organic solvent, the resist coating is performed by appropriately adjusting the resist film thickness using a spinner on the surface. The resist used is ZEP (manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) diluted with thinner. After exposure with an electron beam, development is performed by a dedicated chemical, the first magnetic region 2, the second magnetic region 3, BMR element 1 made of micro-neck Re section 4 for precursor formation (continuum) A resist layer is formed.
そして、上記レジスト層が表面に形成された基板上に、スパッタリング法によって磁性体を積層する。これにより、ＢＭＲ素子１の前駆体は、スパッタリング成膜により連続体として一体形成される。なお、基板として熱酸化シリコンを用いたが、基板とＮｉとの密着性を向上させるためそれらの間に、Ｔｉ（チタン）など、酸化物との親和性が高い金属を密着層として形成してもよい。 And a magnetic body is laminated | stacked by sputtering method on the board | substrate with which the said resist layer was formed in the surface. Thereby, the precursor of the BMR element 1 is integrally formed as a continuous body by sputtering film formation. In addition, although the thermal silicon oxide was used as a board | substrate, in order to improve the adhesiveness of a board | substrate and Ni, between them, metal with high affinity with oxides, such as Ti (titanium), was formed as an adhesion layer. Also good.
次に、専用の薬液を用いリフトオフを行う。なお、リフトオフにより、図１のように第１の磁性領域２、第２の磁性領域３、微小くびれ部４のみが残ることが望ましいが、後述するように、レジスト層の側面に付着したＮｉが除去されきれずに、バリとして、図１における第１の磁性領域２、第２の磁性領域３、微小くびれ部４の縁に残留することがある。 Next, lift-off is performed using a dedicated chemical solution. Incidentally, by lift-off, the first magnetic region 2 as shown in FIG. 1, the second magnetic region 3, it is desirable that only small neck Re section 4 remains, as described below, attached to the side surface of the resist layer Ni not completely been removed, a burr, a first magnetic region 2, the second magnetic region 3 in FIG. 1, there may remain on the edge of the small neck Re part 4.
そこで、ＲＦスパッタエッチングを行って、第１の磁性領域２、第２の磁性領域３、微小くびれ部４に残留しているバリを除去又は分離するとともに、微小くびれ部４を狭小化する。このとき、第１の磁性領域２と第２の磁性領域３とが微小くびれ部４において分断されることがないように注意する。 Therefore, by performing an RF sputter etching, the first magnetic region 2, the second magnetic region 3, thereby removing or separating burrs remaining on the micro-fired Re section 4, a small neck Re Part 4 narrow Turn into. At this time, care is taken so that the first magnetic region 2 and the second magnetic region 3 are not divided at the minute constriction 4.
ここで、ＲＦスパッタエッチングとは、ＲＦ（Radio Frequency）高周波電圧によりプラズマを発生させ、対象物（ターゲット）をスパッタする方法であり、特に絶縁物のスパッタに用いられる方法である。このようなＲＦスパッタを用いて微小くびれ部をエッチングすることにより、微小くびれ部を狭小化することが可能である。また、ＲＦスパッタエッチングを行うためのＡｒ（アルゴン）イオンは主に上述の連続体の層厚方向（基板の法線に平行な方向）に照射されているにもかかわらず、基板表面に沿った方向（基板の法線に垂直な方向）のエッチング速度が層厚方向のそれよりも速いことが判明した。それにより、再現性良く、狭幅の微小くびれ部を形成することができる。また、エッチングの程度はエッチング時間に比例して制御できるため、任意の厚みをエッチングすることが可能であるとともに制御性にも優れる。上述の各工程を経ることで、ＢＭＲ素子１は完成する。 Here, the RF sputter etching is a method of generating plasma by RF (Radio Frequency) high frequency voltage to sputter an object (target), and is a method particularly used for sputtering of an insulator. By etching the minute constriction portion using such RF sputtering, it is possible to narrow the minute constriction portion. In addition, Ar (argon) ions for performing RF sputter etching are along the surface of the substrate despite being irradiated in the layer thickness direction of the continuum described above (direction parallel to the normal line of the substrate). It was found that the etching rate in the direction (perpendicular to the normal of the substrate) was faster than that in the layer thickness direction. As a result, it is possible to form a narrow narrow constricted portion with good reproducibility. In addition, since the degree of etching can be controlled in proportion to the etching time, an arbitrary thickness can be etched and controllability is excellent. The BMR element 1 is completed through the above-described steps.
次に、ＢＭＲ素子１の動作について説明する。ここでは、第１の磁性領域２を、保磁力が第２の磁性領域より小さく、外部磁場に対して容易に磁化方向が回転できる、いわゆる磁化自由層とする。また、第２の磁性領域３を、保磁力が第１の磁性領域２に比べ大きく、外部磁場に対して磁化方向が回転しない、いわゆる磁化固定層の役割を果たすものとする。このような保磁力の違いは、例えば、第１の磁性領域の幅を第２の磁性領域の幅よりも大きくすることにより調節することができる。 Next, the operation of the BMR element 1 will be described. Here, the first magnetic region 2 is a so-called magnetization free layer whose coercive force is smaller than that of the second magnetic region and whose magnetization direction can be easily rotated with respect to an external magnetic field. Further, the second magnetic region 3 serves as a so-called magnetization fixed layer in which the coercive force is larger than that of the first magnetic region 2 and the magnetization direction does not rotate with respect to the external magnetic field. Such a difference in coercive force can be adjusted, for example, by making the width of the first magnetic region larger than the width of the second magnetic region.
第１の磁性領域２と第２の磁性領域３との磁化方向が互いに反平行の場合、磁壁は狭小部に存在しやすいため、微小くびれ部４において磁壁が形成される。このように形成された磁壁の幅（図１において示したもの）は、微小くびれ部４の大きさに比例し小さく限定されている。ここで、磁壁とは、磁化の向きが徐々に（連続して）変化（回転）する領域のことをいい、本実施形態においては、上述したように１８０°磁壁を用いている。なお、磁気抵抗効果素子において磁壁の大きさが非常に小さい場合、大きな磁気抵抗を発現することが、例えば応用磁気学会誌Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．７（２００３年）に掲載されている。 When the magnetization directions of the first magnetic region 2 and the second magnetic region 3 are antiparallel to each other, the domain wall is likely to exist in a narrow portion, and therefore, the domain wall is formed in the minute constriction portion 4. The width of the domain wall thus formed (shown in FIG. 1) is limited to be small in proportion to the size of the minute constriction 4. Here, the domain wall refers to a region where the direction of magnetization changes (rotates) gradually (continuously). In the present embodiment, a 180 ° domain wall is used as described above. In addition, when the size of the domain wall is very small in the magnetoresistive effect element, a large magnetoresistance is expressed, for example, in the Journal of Applied Magnetics, Vol. 27, no. 7 (2003).
さらに、第１の磁性領域２及び第２の磁性領域３はＮｉからなるものであり、このＮｉは交換スティフネス係数の小さい磁性体であるため、微小くびれ部４における磁壁の幅は非常に小さくなる。そしてこのような微小な磁壁は大きな電気抵抗を生じる。ここで、上述の交換スティフネス係数とは、強磁性体において隣接原子のスピンが互いに平行に並ぶように及ぼす力の程度のことを表しており、Ａ＝ＪｅｘＳ２／ａ（Ａ：交換スティフネス係数、Ｊｅｘ:交換積分、Ｓ:断面積、ａ:格子定数）と定義されるものである。よって交換スティフネス係数Ａが小さいということは、磁壁のようにスピンが連続的に回転している（平行からずれる）領域において平行になろうとする力が小さいので、より回転角度を大きくとることができ、磁壁幅が小さくなることになる。逆に、交換スティフネス係数Ａが大きい場合は、回転角が大きくとれず、１８０°回転するのに長い距離が必要となるため、磁壁幅は長くなることになる。交換スティフネス係数Ａの例としては、Ｆｅ：２．０、Ｃｏ：１．３、Ｎｉ：０．８、ＮｉＦｅ：０．７（単位：１０−１１Ｊ／ｍ）が挙げられる。 Furthermore, since the first magnetic region 2 and the second magnetic region 3 are made of Ni and this Ni is a magnetic body having a small exchange stiffness coefficient, the width of the domain wall in the minute constriction portion 4 becomes very small. . Such a minute domain wall generates a large electric resistance. Here, the above-mentioned exchange stiffness coefficient represents the degree of force exerted so that the spins of adjacent atoms are aligned in parallel in the ferromagnet, and A = J ex S 2 / a (A: exchange stiffness) Coefficient, J ex : exchange integral, S: cross-sectional area, a: lattice constant). Therefore, a small exchange stiffness coefficient A means that the rotation angle can be made larger because the force to be parallel is small in a region where spins are continuously rotating (deviated from parallel) like a domain wall. As a result, the domain wall width is reduced. On the other hand, when the exchange stiffness coefficient A is large, the rotation angle cannot be increased, and a long distance is required to rotate 180 °, so that the domain wall width becomes long. Examples of the exchange stiffness coefficient A include Fe: 2.0, Co: 1.3, Ni: 0.8, NiFe: 0.7 (unit: 10 −11 J / m).
一方、第１の磁性領域２と第２の磁性領域３との磁化方向が互いに平行の場合、上述したような磁壁は形成されないため抵抗は小さい。すなわち、第２の磁性領域３の磁化方向により微小な磁壁が生成、消滅することにより、ＢＭＲ素子１は大きな磁気抵抗比を発現する。また、微小くびれ部４の大きさが非常に小さく、そこに形成される磁壁がフェルミ波長程度に小さい場合は、伝導電子は弾道的に磁壁を通過するため、非常に大きな磁気抵抗を示す。 On the other hand, when the magnetization directions of the first magnetic region 2 and the second magnetic region 3 are parallel to each other, the domain wall as described above is not formed, so that the resistance is small. That is, the BMR element 1 exhibits a large magnetoresistance ratio by generating and disappearing a minute domain wall depending on the magnetization direction of the second magnetic region 3. Further, when the size of the minute constricted portion 4 is very small and the domain wall formed therein is as small as the Fermi wavelength, conduction electrons pass through the domain wall in a ballistic manner, thereby exhibiting a very large magnetoresistance.
本実施形態のＢＭＲ素子１の製造方法によれば、３０ｎｍ以下の微小くびれ部を有する磁気抵抗効果素子を容易に歩留まり高く製造できる。また、本製造方法にて製造されたＢＭＲ素子１は、微小くびれ部４にて形成される磁壁が１８０°磁壁であり、スピン依存散乱が大きくなることから、大きな磁気抵抗効果を奏するものである。 According to the manufacturing method of the BMR element 1 of the present embodiment, a magnetoresistive effect element having a minute constriction portion of 30 nm or less can be easily manufactured with a high yield. Further, the BMR element 1 manufactured by this manufacturing method has a large magnetoresistance effect because the domain wall formed by the minute constriction 4 is a 180 ° domain wall and spin-dependent scattering increases. .
次に、上記実施形態と同構成のＢＭＲ素子について、実施例を用いて説明する。まず、本実施例に係るＢＭＲ素子の製造方法について説明した後、ＲＦスパッタエッチングによる微小くびれ部の狭小化についての検証を行う。ここで、図２（ａ）において、右図に基板２１表面にレジスト層２２を形成した後を示す平面図、左図に上記右図の矢視断面一部拡大図を示す。図２（ｂ）〜図２（ｆ）は、図２（ａ）の工程後にスパッタリングした工程からスパッタエッチング工程までの各製造工程を示す微小くびれ部４部分の模式断面一部拡大図である。なお、図２（ｂ）〜図２（ｆ）における模式断面図は、図２（ａ）の右図と同様の位置のものである。 Next, a BMR element having the same configuration as that of the above embodiment will be described using examples. First, after describing the manufacturing method of the BMR element according to the present embodiment, verification on narrowing of the minute constricted portion by RF sputter etching is performed. Here, in FIG. 2A, a right view shows a plan view after the resist layer 22 is formed on the surface of the substrate 21, and a left view shows a partially enlarged view of the cross-section of the right view. FIGS. 2B to 2F are partially enlarged schematic cross-sectional views of the minute constricted portion 4 showing the manufacturing steps from the step of sputtering after the step of FIG. 2A to the sputter etching step. The schematic cross-sectional views in FIGS. 2B to 2F are the same positions as those in the right diagram of FIG.
まず、熱酸化シリコン基板２１上に所定形状の露出部分を有するように、電子ビームリソグラフィーによってレジスト層２２を形成する（図２（ａ）参照）。微小くびれ部４に相当する部分のパターンは数十ｎｍの幅と、１００ｎｍの高さを備えている。 First, a resist layer 22 is formed by electron beam lithography so as to have an exposed portion of a predetermined shape on the thermally oxidized silicon substrate 21 (see FIG. 2A). The pattern corresponding to the minute constriction 4 has a width of several tens of nm and a height of 100 nm.
次に、レジスト層２２側から基板２１の露出表面にＮｉからなる磁性体層２３を成膜する（図２（ｂ）参照）。図２（ｂ）のように、微小くびれ部４の断面は略長方形であるが、角から基板にかけてはある角度にて丸まっている、もしくは傾いている。 Next, a magnetic layer 23 made of Ni is formed on the exposed surface of the substrate 21 from the resist layer 22 side (see FIG. 2B). As shown in FIG. 2B, the cross section of the minute constricted portion 4 is substantially rectangular, but is rounded or inclined at a certain angle from the corner to the substrate.
そして、専用の薬液を用いて、基板２１表面から、レジスト層２２とレジスト層２２の表面に積層された磁性体とを除去するリフトオフを行う（図２（ｃ）参照）。この際、レジスト層２２の内側側面に付着していたＮｉはリフトオフされきれずに、バリ２４として残留することがある。リフトオフ後の微小くびれ部４の断面も略長方形であるが、角から基板にかけてはある角度にて丸まっている、もしくは傾いている。 Then, using a dedicated chemical, the substrate from the 21 surface, performing liftoff of removing the resist layer 2 2 and the resist layer 2 is laminated on the second surface magnetic (see FIG. 2 (c)). At this time, Ni which has been deposited on the inner side surface of the resist layer 2 2 not completely lifted off, there may remain as a burr 24. The cross section of the minute constricted portion 4 after lift-off is also substantially rectangular, but is rounded or inclined at a certain angle from the corner to the substrate.
次に、上記各工程を経て形成された連続体（本実施例に係るＢＭＲ素子の前駆体）を有する基板２１を真空チャンバーに導入し、ＲＦスパッタエッチングを行う（図２（ｄ）参照）。なお、ＲＦスパッタエッチングには、アネルバ（株）製Ｃ−３１０２スパッタ装置を用いた。ＲＦスパッタエッチングの条件は、スパッタ電源をＲＦ１７６Ｗ、スパッタガスをＡｒ（アルゴン）０．０８５Ｐａ、エッチング時間を３０分とした。図２（ｄ）においては、電源２５からＲＦ高周波電圧を基板に印加した直後の様子を示しており、Ａｒ原子は、Ａｒイオン２６と電子２７とに分離されている。ここで、電子２７は電源２５によって印加されるＲＦ高周波電圧により激しく移動させられ、その大部分はチャンバー壁に衝突、吸収されるが、一部は基板２１表面に移動する。この際、熱酸化シリコン（表面部は５００マイクロメートル厚の酸化シリコンからなる）である基板２１は絶縁体であることに対し、Ｎｉからなる磁性体層２３は金属であるため、電子２７は磁性体層２３に集中して集まる（磁性体層２３に電界集中が発生する。）。 Next, the substrate 21 having the continuum (precursor of the BMR element according to this embodiment) formed through the above steps is introduced into a vacuum chamber, and RF sputter etching is performed (see FIG. 2D). For RF sputter etching, a C-3102 sputtering apparatus manufactured by Anerva Co., Ltd. was used. The conditions for the RF sputter etching were a sputtering power source of RF 176 W, a sputtering gas of Ar (argon) 0.085 Pa, and an etching time of 30 minutes. FIG. 2D shows a state immediately after an RF high frequency voltage is applied to the substrate from the power source 25, and Ar atoms are separated into Ar ions 26 and electrons 27. Here, the electron 27 is caused to more vigorously moved to RF frequency voltage applied by the power source 25, most of which collides with the chamber wall, it is absorbed, a portion is transferred to the substrate 21 surface. At this time, since the substrate 21 made of thermal silicon oxide (the surface portion is made of silicon oxide having a thickness of 500 micrometers) is an insulator, the magnetic layer 23 made of Ni is a metal, so that the electrons 27 are magnetic. Concentrates on the body layer 23 and collects (electric field concentration occurs in the magnetic layer 23).
その直後、Ａｒイオン２６は、電子２７をチャージした磁性体層２３に加速しながら引き寄せられ（図２（ｅ）参照）、磁性体層２３への衝突及びスパッタリングを行う。この際、磁性体層２３付近においては、磁性体層２３内が最も電子２７の濃度が高いため、磁性体層２３は選択的にエッチングされる（磁性体層２３付近の基板２１には少数のＡｒイオンしか到達しないため、ほとんどエッチングされない。）。 Immediately thereafter, Ar ions 26 are attracted to the magnetic layer 23 charged with electrons 27 while being accelerated (see FIG. 2E), and collide with the magnetic layer 23 and perform sputtering. At this time, in the vicinity of the magnetic layer 23, the concentration of the electrons 27 is highest in the magnetic layer 23, so that the magnetic layer 23 is selectively etched (the substrate 21 near the magnetic layer 23 has a small number of Since only Ar ions reach, they are hardly etched.)
そして、側面（角や傾斜部分を要する部分）は、電界集中が起こりやすく（電荷は突出部など狭部に集中しやすい）、また、上記連続体の層厚も薄くなっているため、基板表面に沿った方向のエッチングが特に起こりやすい（図２（ｅ）参照）。特に幅が小さい（１００ｎｍ以下）部分の場合は、全体の体積に比べて、側面の占める割合が大きいため、より基板表面に沿った方向のエッチングが顕著に現れる。また、バリ２４と上記連続体との間は上述のように側面にあたるため、上述と同じ理由でエッチングが進みやすい。このような選択エッチングが進むに従い、バリ２４と上記連続体との間隙は大きくなっていると考えられる。そして、バリ２４においても上述の理由で電界集中が発生し、選択的にエッチングされる。このとき、第１の磁性領域と第２の磁性領域とが微小くびれ部において分断されることがないようにする。このようにして、狭小化された微小くびれ部と、第１の磁性領域及び第２の磁性領域とを有する本実施例のＢＭＲ素子が完成する。 The side surfaces (portions that require corners and inclined portions) are likely to cause electric field concentration (charges are likely to concentrate in narrow portions such as protrusions) and the layer thickness of the continuum is reduced. Etching in the direction along the line is particularly likely to occur (see FIG. 2E). In particular, in the case of a portion having a small width (100 nm or less), since the proportion of the side surface is larger than the entire volume, etching in the direction along the substrate surface appears more remarkably. Further, since the burr 24 and the continuum are on the side surfaces as described above, the etching is likely to proceed for the same reason as described above. It is considered that the gap between the burr 24 and the continuum becomes larger as the selective etching progresses. In the burr 24 as well, electric field concentration occurs for the reason described above, and etching is selectively performed. At this time, the first magnetic region and the second magnetic region are prevented from being divided at the minute constriction. In this manner, the BMR element of this example having the narrowed narrow constriction portion and the first magnetic region and the second magnetic region is completed.
次に、上記ＲＦスパッタエッチングによって、狭小化された本実施例のＢＭＲ素子に係る微小くびれ部について検証する。微小くびれ部の狭小化は、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）観察を行うことにより確認した。図３は、本実施例に係るＢＭＲ素子の前駆体についての微小くびれ部付近を撮影したＳＥＭ写真（ＲＦスパッタエッチング前のもの）であり、図４は、本実施例に係るＢＭＲ素子についての微小くびれ部付近を撮影したＳＥＭ写真（ＲＦスパッタエッチング後のもの）である。 Next, the micro constriction portion related to the BMR element of the present embodiment that is narrowed by the RF sputter etching will be verified. The narrowing of the minute constriction was confirmed by performing SEM (Scanning Electron Microscopy) observation. FIG. 3 is a SEM photograph (before RF sputter etching) of the vicinity of the minute constriction portion of the precursor of the BMR element according to this example, and FIG. 4 is a minute example of the BMR element according to this example. It is a SEM photograph (after RF sputter etching) which photographed the constricted part vicinity.
図２及び図３のエッチング前後を比較することにより、このようなＲＦスパッタエッチングには、次の特徴があることが判明した。第１の特徴として、微小くびれ部４の幅を狭小化するといった効果が挙げられる。すなわちエッチング前は、７０ｎｍの幅を有した微小くびれ部４が、エッチング後には２０ｎｍと減少した。よって、微小くびれ部４の幅が３０ｎｍ以下であるＢＭＲ素子１を上記製造方法により形成することができることがわかる。また、層厚について、ＡＦＭ（Atomic Force Microscopy）にて測定したところ、エッチング前は４０ｎｍあった膜厚が、エッチング後に３７ｎｍとなり約３ｎｍのみ減少していることが分かった。後述するように、Ｎｉが選択的にエッチングされること（第２の特徴）と考え合わせ、微小くびれ部においては、層厚方向より、基板表面に沿った方向のエッチングの方が速く進むことが判明した。 By comparing before and after etching in FIGS. 2 and 3, it was found that such RF sputter etching has the following characteristics. The first feature is an effect of narrowing the width of the minute constricted portion 4. That is, before the etching, the minute constricted portion 4 having a width of 70 nm decreased to 20 nm after the etching. Therefore, it can be seen that the BMR element 1 in which the width of the minute constriction 4 is 30 nm or less can be formed by the above manufacturing method. Further, when the layer thickness was measured by AFM (Atomic Force Microscopy), it was found that the film thickness which was 40 nm before the etching was 37 nm after the etching and was decreased by about 3 nm. As will be described later, considering that Ni is selectively etched (second feature), the etching in the direction along the substrate surface proceeds faster than the layer thickness direction in the minute neck portion. found.
下記表１は、合計３試料について同様にエッチング前後における上記連続体の層厚方向と基板表面に沿った方向との長さの変化量をまとめた結果である。基板表面に沿った方向は４８〜６０ｎｍのエッチング（平均５６ｎｍ）が進んでいるに関わらず、上記連続体の層厚方向では、３ｎｍとあまりエッチングされないことが分かる。また、基板表面に沿った方向のエッチング速度として、約１．９ｎｍ毎分と算出できた。このようにエッチング速度が分かっていると、微小くびれ部の幅の制御が正確にできるため、ＢＭＲ素子の歩留まりが上がる。 Table 1 below is a result of summarizing the amount of change in length between the layer thickness direction of the continuum and the direction along the substrate surface before and after etching for a total of three samples. It can be seen that in the direction along the substrate surface, the etching is not so much as 3 nm in the layer thickness direction of the continuum regardless of the progress of etching of 48 to 60 nm (average 56 nm). Further, the etching rate in the direction along the substrate surface was calculated to be about 1.9 nm per minute. If the etching rate is known in this way, the width of the minute constricted portion can be accurately controlled, and the yield of the BMR element is increased.
次に第３の特徴として、リフトオフ後に残留した磁性体のバリの除去、分離が挙げられる。エッチング前において、バリは、ＢＭＲ素子（第１の磁性領域２、第２の磁性領域３、微小くびれ部４の縁）に接しているが、エッチング後にはバリとＢＭＲ素子１との間に空隙が形成されており、分離できることが分かった。更に、図２に存在する比較的小さなバリが、図３に見られないことから、大きなバリは除去されるには至らなかったものの、小さなバリについては除去されることが判明した。バリは、ＢＭＲ素子には不要の構造物であり、このように除去、分離できることは非常に有益である。 Next, as a third feature, there is removal and separation of burrs of the magnetic material remaining after lift-off. Before the etching, the burr is in contact with the BMR element (the edge of the first magnetic region 2, the second magnetic region 3, and the minute constriction 4), but after the etching, there is a gap between the burr and the BMR element 1. Was formed and was found to be separable. Further, since the relatively small burrs existing in FIG. 2 are not seen in FIG. 3, it was found that the large burrs were not removed but the small burrs were removed. The burr is a structure unnecessary for the BMR element, and it is very useful to be able to remove and separate in this way.
以上をまとめるとＲＦスパッタエッチングの特徴として次の３点を挙げることができる。すなわち、（１）横方向のエッチングが可能であること、（２）Ｎｉ（絶縁体上の導電体構造物）の選択エッチングが可能であること、（３）バリの除去、分離が可能であること、である。このようにして形成したＢＭＲ素子は、微小くびれ部の幅を３０ｎｍ以下とした狭小な構造にできるとともに、制御性、再現性高く形成できるため、大量生産に適する。 In summary, the following three points can be cited as features of RF sputter etching. That is, (1) lateral etching is possible, (2) Ni (conductor structure on insulator) can be selectively etched, and (3) burrs can be removed and separated. That is. The BMR element formed as described above is suitable for mass production because it can be formed into a narrow structure with a narrow constriction width of 30 nm or less, and can be formed with high controllability and reproducibility.
なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態や実施例に限定されるものではない。例えば、上記実施形態や実施例におけるＢＭＲ素子の材料、層厚などは適宜変更可能である。 The present invention can be changed in design without departing from the scope of the claims, and is not limited to the above-described embodiments and examples. For example, the material, layer thickness, and the like of the BMR element in the above embodiments and examples can be changed as appropriate.
また、上記実施形態においては、基体として基板２１を用いたが絶縁性を有するものであればよく、例えば基板上に形成された絶縁層を基体としてもよい。 Moreover, in the said embodiment, although the board | substrate 21 was used as a base | substrate, what has insulation is sufficient, for example, it is good also considering the insulating layer formed on the board | substrate as a base | substrate.
さらに、上記実施形態においては、ＢＭＲ素子１を連続体として形成したが、第１の磁性領域２、微小くびれ部４、第２の磁性領域３がそれぞれ別々に形成された後に連結された連結体でもよい。 Further, in the above embodiment, the BMR element 1 is formed as a continuous body. However, the connected body is formed after the first magnetic region 2, the minute constricted portion 4, and the second magnetic region 3 are separately formed. But you can.
また、本発明のＢＭＲ素子を製造するには、様々なリソグラフィープロセスを適用することもできる。 Various lithography processes can also be applied to manufacture the BMR element of the present invention.
また、本発明のＢＭＲ素子の製造方法以外でも、本発明のＢＭＲ素子（上記実施形態においてθ１、θ２≦９０°のもの）を製造できるし、本発明の製造方法は、θ１、θ２＞９０°のＢＭＲ素子を製造するのにも適用できる。 In addition to the BMR element manufacturing method of the present invention, the BMR element of the present invention (in the above embodiment, θ1, θ2 ≦ 90 °) can be manufactured, and the manufacturing method of the present invention is θ1, θ2> 90 °. The present invention can also be applied to the manufacture of BMR elements.
１ ＢＭＲ素子
２ 第１の磁性領域
３ 第２の磁性領域
４ 微小くびれ部
２１ 基板
２２ レジスト層
２３ 磁性体層
２４ バリ
２５ 電源
２６ Ａｒイオン
２７ 電子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 BMR element 2 1st magnetic area | region 3 2nd magnetic area | region 4 Minute constriction part 21 Substrate 22 Resist layer 23 Magnetic body layer 24 Burr 25 Power supply 26 Ar ion 27 Electron
Claims (2)
絶縁性の基体の表面上に、前記第１の磁性領域、前記表面上において前記第１の磁性領域とは異なる位置にある前記第２の磁性領域、及び、前記第１の磁性領域と前記第２の磁性領域とを接続していると共に前記表面内において前記表面に平行な一方向と直交する方向に関する長さが前記第１の磁性領域及び前記第２の磁性領域よりも短い前記微小くびれ部を有する導電性の磁性体層を形成する磁性体層形成工程と、
前記第１の磁性領域と前記第２の磁性領域とが前記微小くびれ部において分断されることがないように、前記磁性体層にＲＦスパッタエッチングを施すスパッタエッチング工程とを備えていることを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 A method of manufacturing a magnetoresistive effect element in which a first magnetic region and a second magnetic region are formed as a continuous body through a minute constriction,
The first magnetic region on the surface of the insulating base, the second magnetic region on the surface different from the first magnetic region, the first magnetic region, and the first magnetic region The micro constricted portion is connected to two magnetic regions and has a length in the surface that is shorter than the first magnetic region and the second magnetic region in a direction perpendicular to one direction parallel to the surface. A magnetic layer forming step of forming a conductive magnetic layer having:
A sputter etching step of performing RF sputter etching on the magnetic layer so that the first magnetic region and the second magnetic region are not divided at the minute constriction. A method for manufacturing a magnetoresistive effect element.
前記基体の前記表面上に、前記第１の磁性領域、前記第２の磁性領域及び前記微小くびれ部を有する前記磁性体層とは逆パターンのレジスト層を形成する工程と、
前記レジスト層から露出した前記表面上に前記磁性体層を形成する工程と、
前記レジスト層を除去する工程とを有していることを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。 The magnetic layer forming step includes
Forming on the surface of the substrate a resist layer having a pattern opposite to the magnetic layer having the first magnetic region, the second magnetic region, and the minute constriction;
Forming the magnetic layer on the surface exposed from the resist layer;
The method according to claim 1, further comprising a step of removing the resist layer.
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