JP5706707B2 - 磁気抵抗効果素子の形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、磁気抵抗効果（ＭＲ：magneto resistive) 素子の形成方法に関する。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）センサとも称されるＭＴＪ素子は、磁気記録デバイスの根幹をなす要素であり、記録密度の向上が常に望まれている。新規なデバイスに求められる高い性能を満たすためには、センサを小型化することが必要となる。限界寸法（ＣＤ：critical dimension）の小さなセンサを形成する方法としては、いくつかの手法が挙げられる。その１つとしては、フォトレジストマスク層に印刷されるパターンのマスク寸法を縮小させることにより、限界寸法を小さくする手法である。この手法では、次に、エッチング法を用いてマスクパターンをＭＴＪ積層膜に転写することにより、フォトレジストパターンの限界寸法と同様の限界寸法を有する複数のＭＴＪ素子を形成する。第２の手法は、パターン転写処理を行いＭＴＪ素子の形状を画定したのちに、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：reactive ion etch）を用いてサイドウォールをトリミングすることにより、センサの寸法を減少させる手法である。しかしながら、これらの手法はいずれも実用限界があり、高性能な記録デバイスにおいて必要とされる、約５０ｎｍ未満の限界寸法を再現性よく形成することができない。
従来技術を定型的に調査したところ、以下の特許文献１〜５を発見した。特許文献１〜４は、特定の入射角のイオンビームエッチングを用いて磁気記録媒体の表面を改質することに関するものである。また、特許文献５は、２つのイオンビームエッチング工程を用いることによりセンサをパターニングする方法を開示している。この方法では、第２のＩＢＥ工程における入射角が、第１のＩＢＥ工程において用いられる入射角よりも大きくなっている。また、この第２のＩＢＥ工程は、第１のＩＢＥ工程に由来する再堆積した材料を除去する。
米国特許第７４３８９８２号明細書 米国特許第７６１６４０４号明細書 米国特許第７６１５２９２号明細書 米国特許出願公開第２００８／００７８７３９号明細書 米国特許第７５６１３８４号明細書
しかしながら、これらの特許文献１〜４はいずれも、センサの側壁を成形することについては言及していない。また特許文献５は、第２のＩＢＥ工程が、センサにおける複数の層の磁気特性に与える悪影響について何ら対処していない。すなわち、上述した従来技術の方法は、いずれも、５０ｎｍ未満の限界寸法を有する高性能センサを得るための解決方法を提供するものではない。したがって、磁気記録デバイスにおいてさらなる進歩を可能とするために、新規な方法が求められる。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、フリー層幅（ＦＬＷ：free layer width）の限界寸法を５０ｎｍ未満に縮小させるための磁気抵抗効果素子の形成方法を提供することにある。第２の目的は、５０ｎｍ未満の限界寸法を得ると共に、高いＭＲ比であることなどの磁気センサとして求められる磁気特性の向上を図ることもできる磁気抵抗効果素子の形成方法を提供することにある。第３の目的は、５０ｎｍ未満の限界寸法を得ると共に、磁気抵抗効果素子の側壁の傾斜角度の調整を容易に行うことのできる磁気抵抗効果素子の形成方法を提供することにある。
本発明の第１の磁気抵抗効果素子の形成方法は、（ａ）基体の上に、ピンド層と、フリー層と、ピンド層とフリー層との間に位置する非磁性スペーサ層と、最上部のキャップ層とを含むＭＴＪスタックを形成する第１の工程と、（ｂ）ＭＴＪスタックをパターニングすることにより、上面および上面と基体とを繋ぐ側壁を有するＭＴＪ素子を形成し、フリー層が、ＭＴＪ素子の上面に平行な面に沿って第１の幅を有するものとする第２の工程と、（ｃ）基体に垂直な面に対して２０°未満の入射角のイオンビームを用いた第１のイオンビームエッチングを行うことにより、フリー層が第１の幅よりも狭い第２の幅を有するように側壁のトリミングを行う第３の工程と、（ｄ）基体に垂直な面に対して６０°を超える入射角のイオンビームを用い、弧を描くような掃引動作を伴いながら第２のイオンビームエッチングを行うことにより、第１のイオンビームエッチングの際に生じた残渣を除去すると共に、フリー層が第２の幅よりも狭い第３の幅を有するように側壁のトリミングをさらに行う第４の工程と、（ｅ）基体に垂直な面に対して２０°未満の入射角のイオンビームを用いた第３のイオンビームエッチングを行うことにより、第２のイオンビームエッチングの際に生じた側壁における損傷部分を除去すると共に、フリー層が第３の幅よりも狭い第４の幅を有するように側壁のトリミングをさらに行う第５の工程とを含むものである。ここでは、第１から第３のイオンビームエッチングを、３００ｅＶ未満のエネルギーを用いて行う。
本発明の第２の磁気抵抗効果素子の形成方法は、（ａ）基体の上に、シード層と、ＡＦＭ層と、ピンド層と、フリー層と、ピンド層とフリー層との間に位置する非磁性スペーサ層と、最上部のキャップ層とを含むＭＴＪスタックを形成する第１の工程と、（ｂ）ＭＴＪスタックをパターニングすることにより、上面および上面と基体とを繋ぐ側壁を有するＭＴＪ素子を形成し、フリー層が、ＭＴＪ素子の上面に平行な面に沿って第１の幅を有するものとする第２の工程と、（ｃ）基体に対して垂直な主成分を含む入射角のイオンビームを用いた第１のイオンビームエッチングを行うことにより、フリー層が第１の幅よりも狭い第２の幅を有するように側壁のトリミングを行う第３の工程と、（ｄ）基体に対して平行な主成分を含む入射角のイオンビームを用い、弧を描くような掃引動作を伴いながら第２のイオンビームエッチングを行うことにより、第１のイオンビームエッチングの際に生じた残渣を除去すると共に、フリー層が第２の幅よりも狭い第３の幅を有するように側壁のトリミングをさらに行う第４の工程と、（ｅ）基体に対して垂直な主成分を含む入射角のイオンビームを用いた第３のイオンビームエッチングを行うことにより、第２のイオンビームエッチングの際に生じた側壁における損傷部分を除去すると共に、フリー層が第３の幅よりも狭い第４の幅を有するように側壁のトリミングをさらに行う第５の工程とを含むものである。ここでは、第１から第３のイオンビームエッチングを、３００ｅＶ未満のエネルギーを用いて行う。
より具体的には、上記目的を達成するために、例えば、まず再生ヘッドの第１シールド層などの基体の上に、ＭＴＪスタックを成膜する。ＭＴＪスタックは、例えば、ボトムスピンバルブ構造、トップスピンバルブ構造、またはデュアルスピンバルブ構造を有し、その最上層としてキャップ層を有している。このキャップ層の上に、フォトレジスト層をコーティングしたのち、これを周知の方法を用いてパターニングすることにより、例えば、上面視で円形または楕円形の形状を有する島状の、複数のフォトレジストパターンを形成する。次に、このフォトレジストパターンを、好ましくは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてＭＴＪスタックに転写する。これにより、側壁と、最終的な記録デバイスにおけるエアベアリング面（ＡＢＳ）となる面に沿った第１の幅とを有する、ＭＴＪ素子を得る。
本発明の主要な特徴のひとつは、ＭＲ比やＭＴＪスタックにおける他の磁気特性を保ちつつ、側壁および第１の幅を実質的により小さな幅にトリミングするという、複数工程に亘るイオンビームエッチング処理である。ＭＴＪスタックは、例えば、ピンド層とフリー層との間に、誘電材料により構成された非磁性スペーサ層が形成された、ＴＭＲ構造を有している。あるいは、例えば、フリー層とピンド層との間に非磁性金属層が形成されたＧＭＲ構造を有している。
複数工程に亘るＩＢＥ処理のうちの第１のＩＢＥ工程は、ＭＴＪスタックの層面に垂直な面に対して２０°未満という小さな入射角を有するイオンビームエッチングを行うものである。アルゴン（Ａｒ）などを含む３００ｅＶ未満の低いエネルギーを有する不活性ガスイオンを用い、フリー層幅（ＦＬＷ）を第１の幅よりも狭い第２の幅にトリミングする。ここでは、ＩＢＥ処理全体においてトリミングされるべきＭＴＪ幅の合計（第１の幅と最終幅との差分）のうち、約６０％から９０％が除去される。次に、３００ｅＶ未満の低いエネルギーを有し、かつ、基体に垂直な面に対する角度が６０°よりも大きな入射角を有するイオンビームを用い、掃引動作を伴いながら第２のＩＢＥ工程を行う。この第２のＩＢＥ工程では、イオンビームを、ＭＴＪ素子の側壁に沿って複数回往復するように移動させることにより、ＦＬＷが第３の幅となるようにさらにトリミングするとともに、第１のＩＢＥ工程から残存する再付着物（残渣）を除去する。次に、３００ｅＶ未満の低いエネルギーと、垂直面からの角度が２０°未満の低い入射角とを用いて、ＦＬＷが所望の最終幅となるようにトリミングする。ここでは、ＩＢＥ処理全体においてトリミングされるべきＭＴＪ幅の合計（第１の幅と最終幅との差分）のうち、約１０％から４０％が除去される。第３のＩＢＥ工程の特に重要な機能の１つは、側壁の、第２のＩＢＥ工程の際に形成された損傷部分を除去することである。この際、ＭＴＪ素子の側壁に対して垂直な方向のイオンビームの成分は十分に弱いので、ＭＴＪ素子の各層に対するダメージはわずかである。その結果、第１から第３のＩＢＥ工程により、例えば、最大で約２０ｎｍトリミングされ、これによりＦＬＷ（第１の幅）が、例えば５０ｎｍ前後から約３０ｎｍの最終幅へと縮小する。
本発明では、第１から第３のＩＢＥ工程ののち、例えば、周知の方法を用いてＭＴＪ素子の側壁に隣接する絶縁層を形成する。ＭＴＪスタックのフリー層に縦バイアスを加えるためのハードバイアス層を、例えば、ＭＴＪ素子に近接して形成する。さらに、ＭＴＪ素子の上面との電気的に接続するためのリード層を形成し、ＭＴＪ素子の上に、第２のシールド層を成膜する。
本発明の磁気抵抗効果素子の形成方法によれば、ＭＴＪ素子の側壁を、少なくとも３つのＩＢＥ工程により段階的にトリミングを行うようにしたので、フリー層幅の限界寸法を、より縮小することができる。
本発明の第１の実施の形態としてのＴＭＲセンサの構成を表す断面図である。 図１に示したＭＴＪ素子の形成方法における一工程を表す断面図である。 図２に続く一工程を表す断面図である。 図３の工程を表す上面図である。 図３に続く一工程を表す断面図である。 図５に続く一工程を表す断面図である。 本発明の実験例２，３における、フォトリソ工程でのＦＬＷの限界寸法とトリミング後に得られるＦＬＷとの関係を表す断面図である。
本発明は、磁気抵抗センサの磁気特性を保ちつつ、例えば５０ｎｍ未満のフリー層幅（ＦＬＷ：free layer width）が得られるように、ＭＴＪ素子（磁気抵抗センサ）の側壁およびフリー層幅をトリミングする方法である。なお、例示的な本実施の形態ではボトムスピンバルブ構造に基づいて説明しているが、本発明は、トップスピンバルブ構造およびデュアルスピンバルブ構造の場合も含んでいる。また、ＭＴＪ素子のサイドウォールは、パターニングされたＭＴＪ素子の周囲における連続的な境界であると理解されるように、単数の意味で用いられている。さらに、図面では１つのＭＴＪ素子のみが示されているが、当業者であれば、行方向および列方向に配列された複数のＭＴＪ素子が一般的なデバイスパターン状に形成されていることを理解することができる。
以下、図１を参照して、本発明の一実施の形態におけるＴＭＲセンサの構成について説明する。図１は、ＴＭＲセンサにおける、エアベアリング面と平行な断面の構成を表している。
図１に示したように、このＴＭＲセンサは、対向配置された基体としての下部シールド層１０と上部シールド層２７との間に、磁気トンネル接合構造を有するＭＴＪ素子１が狭持されたものである。下部シールド層１０は、例えば２μｍの厚さを有するＮｉＦｅ層であり、例えば、アルティック（Ａｌ・ＴｉＣ）からなる基板上に形成される。ＭＴＪ素子１の両側には、下部シールド層１０の上面およびＭＴＪ素子１の端面（側壁）１８を連続して覆うシード層１９と、このシード層１９の表面１９ｓ上に位置するハードバイアス層２４と、このハードバイアス層２４を覆うリード層２５とが、ＭＴＪ素子１をトラック幅方向（Ｘ軸方向）に挟むように設けられている。さらに、ＭＴＪ素子１およびリード層２５と、上部シールド層２７との間にはギャップ層２６が挿入されている。
ＭＴＪ素子１は、例えば、シード層１１と、ＡＦＭ層１２と、ピンド層１３と、非磁性スペーサ層１４と、フリー層１８と、キャップ層１６とが下部シールド層１０の上に順次積層されたボトムスピンバルブ構造を有している。
シード層１１は、その上に形成される層において滑らかで均質な粒状構造を促進する役割を果たすものである。シード層１１は、例えば、Ｔａ／Ｒｕ，Ｔａ／ＮｉＣｒ，Ｔａ／ＣｕもしくはＴａ／Ｃｒからなる２層構造、または、Ｔａからなる単層構造を有するものである。但し、他の材料を用いてもよい。
シード層１１の上に形成されるＡＦＭ層１２は、その上のピンド層１３（その中でも特に外側層であるＡＰ２層（図示せず）の磁化方向を固定するように機能するものであり、例えば４ｎｍ（４０Å）以上３０ｎｍ（３００Å）以下の厚さを有する。ＡＦＭ層１２は、ＩｒＭｎからなることが望ましいが、必要に応じてＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＯｓＭｎ，ＲｕＭｎ，ＲｈＭｎ，ＰｄＭｎ，ＲｕＲｈＭｎ，またはＭｎＰｔＰｄを用いてもよい。
ピンド層１３は、例えば「ＡＰ２／Ｒｕ／ＡＰ１」により表されるシンセティック反平行（ＳｙＡＰ：Synthetic Anti-Parallel）構造を有している。具体的には、強磁性材料からなるＡＰ２層（図示せず）と、Ｒｕ（ルテニウム）などからなる非磁性の結合層（図示せず）と、強磁性材料からなるＡＰ１層（図示せず）とがＡＦＭ層１２の側から順に積層されたものである。ＡＰ１層は、内側ピンド層とも呼ばれるものである。ＡＰ１層は、例えば、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，またはそれらの組み合わせから構成されている。結合層は、ＡＰ２層とＡＰ１層との間の交換結合を促進させるためのもので、例えばＲｕ（ルテニウム），Ｒｈ（ロジウム）またはＩｒ（イリジウム）から構成される。ＡＰ２層は、外側ピンド層とも称され、ＡＦＭ層１２と接している。ＡＰ２層は、例えば、Ｆｅが約１０原子％含まれるＣｏＦｅからなり、例えば１ｎｍ以上５ｎｍ以下の厚さを有する。ＡＰ２層の磁気モーメントは、ＡＰ１層の磁気モーメントとは反平行の方向に固定されている。例えば、ＡＰ１層が「−Ｘ」方向の磁気モーメントを有している場合、ＡＰ２層は「＋Ｘ」方向に配向した磁気モーメントを有している。また、ＡＰ２層とＡＰ１層との厚さは、わずかに異なっている。これにより、ピンド層１３は、全体として、後工程においてパターニングされるＴＭＲセンサ１の容易軸方向に沿って小さなネット磁気モーメントを発現するようになっている。
非磁性スペーサ層１４は、ピンド層１３の上に形成されている。非磁性スペーサ層１４は、例えば、Ｃｕ（銅）または他の金属から構成され、これによりＭＴＪ素子１は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：giant magnetoresistive）構造を有するものとなる。このＧＭＲ構造のＭＴＪ素子１は、例えば、電流狭窄パス（ＣＣＰ：current confining path）構造を有してもよい。ＣＰＰ構造は、金属酸化物などの誘電材料が２つの金属層の間に挟まれ、それらの第１および第２の金属層の間に流れる電流を２つの金属層の層面に対して垂直方向に制限すべく、その内部にメタルパスを有する構造である。あるいは、非磁性スペーサ層１４を、例えば、ＭｇＯ，ＴｉＯｘ，ＡｌＴｉＯ，ＭｇＺｎＯ，Ａｌ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＺｒＯｘまたはＨｆＯｘから構成してもよい。この場合、ＭＴＪ素子１は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistive）構造を有するものとなる。ＭｇＯｘからなる非磁性スペーサ層１４は、ピンド層１４の上に第１のＭｇ層（図示せず）を形成したのち、この第１のＭｇ層に対して自然酸化（ＮＯＸ：natural oxidation）法またはラジカル酸化（ＲＯＸ：radical oxidation）法を用いて第１のＭｇ層を酸化させ、さらの酸化した第１のＭｇ層の上に、第２のＭｇ層を成膜したのち、熱処理を行うことで得る。熱処理工程を経た後の非磁性スペーサ層１４は、酸化させた第１のＭｇ層の酸素が第２のＭｇ層の内部へと拡散することにより、ほぼ均一な組成のＭｇＯトンネルバリア層となる。
フリー層１５は、非磁性スペーサ層１４の上に形成され、例えば、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＮｉＦｅまたはそれらの組み合わせにより構成されている。所望により、単一成分からなるフリー層１５として他の強磁性材料を選択し、または、ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢおよびＮｉＦｅのうちの少なくとも１つを含む、複合体としてもよい。エアベアリング面に沿ったフリー層１５の幅（ＦＬＷ）は、ＭＴＪ素子１の性能を支配する限界寸法である。一般的に、ＦＬＷおよびトラック幅（ＴＷ：track width）が小さいほど、センサデバイスの記録密度をより高くすることが可能となる。トラック幅とは、キャップ層１６の上面１６ｓに沿うリード層（図示せず）間の間隔を意味するものとして理解される。側壁１８が下部シールド層１０に対してほぼ垂直である場合、トラック幅はＦＬＷに等しいと考えられる。一方、キャップ層１６の上面１６ｓの幅がエアベアリング面におけるシード層１１の幅未満となるように側壁１８が傾斜している場合、トラック幅はＦＬＷ未満となる。
キャップ層１６は、ＭＴＪ素子１の最上層として用いられ、例えば、Ｔａ，Ｒｕ／ＴａまたはＲｕ／Ｔａ／Ｒｕから構成されている。
次に、図１に加え、図２〜図６を参照して本実施の形態におけるＴＭＲセンサ１の形成方法について説明する。図２は、ＴＭＲセンサの形成方法における一工程を表す断面図である。
まず、所定の基板上に下部シールド層１０を形成する。そののち、下部シールド層１０の上にシード層１１、ＡＦＭ層１２、ピンド層１３、非磁性スペーサ層１４、フリー層１５、キャップ層１６をそれぞれ上記の所定材料を用いて所定の構造となるように順次積層することによりのちにＭＴＪ素子１となるＭＴＪスタックを形成する。ＭＴＪスタックの形成は、例えば、所定のスパッタ蒸着装置を用いたスパッタリング法により行う。ＭＴＪスタックを構成するすべての層は、例えば、スパッタ装置の同一のＤＣスパッタチャンバ内で成膜される。スパッタ装置としては、複数のターゲットを有する超高真空ＤＣマグネトロンスパッタチャンバと共に、少なくとも一つの酸化チャンバを備えたものが好ましい（例えばアネルバ社製のＣ−７１００）。スパッタ条件としては、例えば、チャンバ内圧力を例えば５×１０-8ｔｏｒｒ以上５×１０-9ｔｏｒｒ以下、スパッタガスをアルゴン（Ａｒ）ガスとすることである。なお、圧力が低いほど、より均一な膜の成膜が可能となる。なお、キャップ層１６は、例えば、イオンビームエッチング、反応性イオンエッチング、および化学機械研磨（ＣＭＰ：chemical mechanical polishing）処理の際に特定のエッチングレートを有する、１つ以上のハードマスク材料から構成されるようにしてもよい。
次いで、このＭＴＪスタックを真空オーブン内に入れ、その積層膜に対するアニール処理を行う。このアニール処理は、例えば２５０℃以上３５０℃以下の温度範囲において、少なくとも２０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］、好ましくは８０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］の強度の磁界を印加しつつ、２〜１０時間に亘って行う。アニール処理における時間や温度等の条件を適切に設定することにより、ピンド層１３およびフリー層１５の磁化方向が設定される。
次に、ＭＴＪスタックをパターニングすることにより、図２に示したように、上面１６ｓと、下部シールド層１０の表面と接する側壁１８とを有するＭＴＪ素子１を形成する。フリー層１５が、ＭＴＪ素子１の上面１６ｓと平行な面に沿って（Ｘ軸に沿って）限界寸法として第１の幅ｗ１を有するものとする。
この工程では、まず、キャップ層１６の上面１６ｓの上にフォトレジスト層１７をコーティングしたのち、これをパターニングすることにより、上面視で円形または楕円形（いずれも図示せず）などの形状を有する島状のレジストパターンを形成する。このレジストパターンはフォトマスクとして機能するものであり、その上面視形状の幅は、フォトＣＤ（フォトマスクの限界寸法）と呼ばれ、一般的に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）を用いて測定することができる。次に、このレジストパターンを、エッチング処理（好ましくは反応性イオンエッチング）を用いて、ＭＴＪスタックに転写する。これにより、ＭＴＪスタックのシード層１１、ＡＦＭ層１２、ピンド層１３、非磁性スペーサ層１４、フリー層１５、キャップ層１６の各端縁からなる側壁１８が形成される。本実施の形態では、側壁１８は、ほぼ鉛直（下部シールド層１０に対して垂直）であり、フォトレジスト層１７のフォトＣＤが、ＭＴＪスタックに複製されている。しかしながら、側壁１８は、傾斜部を有してもよく、この場合、キャップ層１６の幅は、Ｘ軸方向においてシード層１１の幅未満となる。
本実施の形態の主要な特徴は、符号ｗ１（図１）により示された当初のＦＬＷを、符号ｗ４（後出の図５）により示される実質的により小さな幅となるようにトリミングするために用いられる、複数工程に亘るＩＢＥ処理にある。なお、トラック幅は、ＣＤ≦ＦＬＷの関係を有するＭＴＪスタックの上面において測定されるため、トラック幅がＦＬＷ未満となる場合もある。このＩＢＥ処理は、従来の単一工程によるイオンビームエッチングを用いたトリミング法、または互いに異なるイオンビーム入射角を有する２段階によるトリミング処理と比較して、図２に示す部分的に形成されたＭＴＪ素子１における保磁力Ｈｃおよび面積抵抗ＲＡを含めた磁気特性が、トリミングされたＭＴＪ素子１の積層構造（図５）において実質的に維持されるとともに、ＭＲ比が飛躍的に向上するように行われる。
第１のＩＢＥ工程（図２）は、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）を行うことにより、フリー層１５が第１の幅ｗ１よりも狭い第２の幅ｗ２となるように、ＭＴＪ素子１の端部のトリミングを行うものである。ここでは、３００ｅＶ未満の低いエネルギーを有するイオンビーム２０を用いて行われる。このイオンビーム２０は、下部シールド層１０に鉛直な面に対して、０°よりも大きく、２０°よりも小さな入射角αにより側壁１８に導かれる。すなわち、イオンビーム２０は、下部シールド層１０およびＭＴＪ素子１の上面１６ｓに対して垂直な成分を有している。
この大きな角度のイオンビーム２０が照射される第１のＩＢＥ工程により、ＩＢＥ処理全体においてトリミングされるべきＦＬＷ（限界寸法）の合計の、６０％から９０％が除去される。したがって、ｗ１−ｗ４により表されるトリミング幅の大部分が、この第１のＩＢＥ工程により除去されることになる。側壁１８が鉛直である場合、トリミングは、その側壁１８の部位に依存せずにほぼ等しいエッチングレートにより行われる。しかしながら、側壁１８が角度を有して傾斜していることにより鉛直ではない場合、例えばトリミングを、ＭＴＪ素子１のより広い部位に沿って選択的に行い、より鉛直な側壁１８を形成するようにしてもよい。イオンビーム２０は、好ましくは、１０ｓｃｃｍ以上５０ｓｃｃｍ以下の流速のアルゴン（Ａｒ）、ネオン（Ｎｅ）、またはキセノン（Ｘｅ）などの不活性ガスと、１００ｍＡ以上６００ｍＡ以下のイオン電流と、１００ワット以上６００ワット以下の高周波（ＲＦ）電力とを用いて発生させる。その結果、側壁１８には相当量の残留物がしばしば再付着する。
図３は、図２に続く一工程を表す断面図である。図３に示すように、第１のＩＢＥ工程を経たのちのＦＬＷは、第１の幅ｗ１よりも小さな第２の幅ｗ２となっている（ｗ２＜ｗ１）。第１のＩＢＥ工程ののち、第２のＩＢＥ工程を行う。この第２のＩＢＥ工程は、第１のＩＢＥ工程において生じた残留物を除去すると共に、フリー層１５が第２の幅ｗ２よりも狭い第３の幅ｗ３を有するようにＭＴＪ素子１の端部のトリミングをさらに行うものである。第２のＩＢＥ工程では、図３に示したように、下部シールド層１０の上面および上面１６ｓに垂直な面に対して６０°を超えて９０°未満の入射角βのイオンビーム２１を、ＸＺ面内において弧を描くような掃引動作を伴いながら側壁１８に照射することにより行う。イオンビーム２１は、イオンビーム２０と同様に３００ｅＶ未満の低いエネルギーを有するものであり、所定の不活性ガスと、１００ｍＡ以上６００ｍＡ以下のイオン電流と、１００ワット以上６００ワット以下の高周波（ＲＦ）電力とを用いて発生されるものである。イオンビーム２１は、下部シールド層１０に対して平行な成分を有していると考えられる。第２の重要な要素としては、イオンビーム２１が掃引動作により側壁１８に向けられ、これにより第１のＩＢＥ工程に由来する残留物が除去されるとともに、ＦＬＷが幅ｗ３にまでさらにトリミングされることが挙げられる。ＭＴＪ素子１の端部を効果的にトリミングするには、大きな入射角が必要である。
図４は、部分的に形成されたＭＴＪ素子１と、第２のＩＢＥ工程の際のイオンビーム２１の掃引動作とを表す上面図である。本実施の形態では、フォトレジスト層１７（およびその下方のＭＴＪ素子１の積層構造）の形状は、例えば円形である。第２のＩＢＥ工程では、イオンビーム２１を、ＸＺ面内において最大で約４０°の回転角で反時計方向４０ａに回転させたのち、その動作を、同一の円弧上に沿って最大で約４０°の回転角で時計方向４０ｂに反転させる。所望により、開始位置からの第１の動作を、時計方向４０ｂの回転とし、そののちの動作を、開始位置へと戻る反時計方向４０ａの動作としてもよい。反時計方向４０ａに続いて時計方向４０ｂへの動作（または、これとは逆方向の動作）を含む掃引動作は、５から１０サイクル／分の掃引レートにて、複数回（複数サイクル）行われる。側壁１８から残留物を効果的に除去するには、３〜１０の掃引サイクル数とするとよい。
第２のＩＢＥ工程ののち、図５に示したように、フリー層１５が幅ｗ３を有するＭＴＪ素子１に対し、第３のＩＢＥ工程を施す。この第３のＩＢＥ工程は、第２のＩＢＥ工程において生じた側壁１８における損傷部分を除去すると共に、フリー層１５が第３の幅ｗ３よりも狭い第４の幅ｗ４（最終幅）を有するようにＭＴＪ素子１の端部のトリミングをさらに行うものである。第３のＩＢＥ工程は、図５に示したように、下部シールド層１０の上面および上面１６ｓに垂直な面に対して２０°未満の入射角δのイオンビーム２２を側壁１８に照射することにより行う。イオンビーム２２は、イオンビーム２０，２１と同様に３００ｅＶ未満の低いエネルギーを有するものであり、所定の不活性ガスと、１００ｍＡ以上６００ｍＡ以下のイオン電流と、１００ワット以上６００ワット以下の高周波（ＲＦ）電力とを用いて発生されるものである。第３のＩＢＥ工程では、第１から第３のＩＢＥ工程の全体を通じてトリミングされるべき幅（ｗ１−ｗ４）のうちの約１０％から４０％に相当する分を除去する。イオンビーム２２は、下部シールド層１０およびＭＴＪ素子１の上面１６ｓに対して垂直な成分を有している。第３のＩＢＥ工程は、ＭＴＪ素子１の磁気特性を低下させる可能性のあるダメージをさらに発生させることなく、第２のＩＢＥ工程に由来する側壁１８の損傷部分を除去する点において、重要な役割を果たすものである。特に、第３のＩＢＥ工程は、第２のＩＢＥ工程の際にイオンビーム２１を照射された非磁性スペーサ層１４の損傷部分を除去し、これにより、ＭＴＪ素子１がＴＭＲ構造を有する場合とＧＭＲ構造を有する場合との双方において、高いＭＲ比を保つことを可能としている。当業者であれば、第３のＩＢＥ工程におけるイオンビーム２２のＸ軸方向成分は十分に弱いことから、側壁１８に対しては大きなダメージは生じないことを理解することができる。さらに、第３のＩＢＥ工程におけるイオンビーム２２のＹ軸方向（縦）成分は、側壁１８の第２のＩＢＥ工程に起因する損傷部分を除去するのに主に関与する。
図６に示したように、ＭＴＪ素子１は、第１から第３のＩＢＥ工程が完了したのち、幅ｗ４により示す最終的なＦＬＷを有することとなる。本実施の形態に係るＩＢＥ処理によるトリミングの利点とは、幅ｗ４に等しいＦＬＷを、実質的に５０ｎｍ未満、場合によっては３０ｎｍに達する値を有しつつ、再現性よく形成することができることにある。従来技術の場合、５０ｎｍを大幅に下回る値のＦＬＷは、製造環境において再現性よく形成することができない。このようなことから、本出願人は、３０ｎｍに迫る限界寸法を可能とするセンサ技術の方法を発見した。この方法は、デバイス性能の飛躍的な向上につながるものである。さらに、例えば、側壁１８の傾斜部を、下部シールド層１０に対して９０°の角度から９０°未満に至る範囲の角度を有するように調整することにより、エアベアリング面に沿うキャップ層１６の幅を、シード層１１の幅未満としてもよい。特定のセンサ構造では、高いアスペクト比（高さ／幅）を有するＭＴＪ積層構造がイオンミリングの際に崩壊し易くなることを防止するために、側壁の傾斜部が９０°未満の角度を有する場合がある。側壁１８の傾斜部は、例えば、上記イオンビームエッチングを用いたトリミング処理の際の、第１〜第３のＩＢＥ工程のうちの少なくとも１つにおける入射角α，β，δを変化させることにより変更することができる。特に、第２のＩＢＥ工程を最適化することにより、下部シールド層１０に対する側壁１８の角度が、より鉛直となるようにしてもよい。
図１に示したように、このＭＴＪ素子１を含む再生ヘッドは、これ以降、例えば周知の作製手順を経ることにより作製される。例えば、上面１９ｓを有するシード層１９を、下部シールド層１０および側壁１８を覆うように成膜する。次に、シード層１９の上に、フリー層１５に対して縦バイアスを加えるための十分な厚さを有するハードバイアス層２４を形成する。次に、ハードバイアス層２４の上に、リード層２５を形成する。次に、例えばリフトオフ法を用いてフォトレジスト層１７を除去したのち、キャップ層１６の上面１６ｓの上に、ギャップ層２６と第２のシールド層２７とを順次形成する。図１は、側壁１８が９０°とは異なる傾斜部を有する場合である。他の実施の形態（図示せず）の場合、例えば、下部シールド層１０の上に形成されるＭＴＪ素子アレイの密度を最大限にするために、側壁１８が下部シールド層１０に対して鉛直な傾斜部を有している。なお、本発明は他のハードバイアス層の構造を含むものであり、図１に示した実施の形態に限定されない。
次に、本発明に関する実験例について説明する。
ここでは、本発明に係る複数工程によるＩＢＥ処理の効果を検証するため、従前の方法に基づくＴＭＲセンサと、上記実施の形態に基づくＭＴＪ素子を備えたＴＭＲセンサとを作製した。各実験例１〜３は、ＡｌＴｉＣから構成された基体の上に、以下の構成を有するボトムスピンバルブ構造「Ｒｕ／Ｔａ／ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／Ｔａ」を形成したものである。なお、Ｒｕ／Ｔａはシード層、ＩｒＭｎはＡＦＭ層、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢはピンド層、ＭｇＯはトンネルバリア層、ＣｏＦｅＢはフリー層、Ｒｕ／Ｔａは複合キャップ層である。データは、以下に説明する円形の各種デバイスについて採取した。
実験例３は、従来技術に係る方法を用いて形成されたセンサとしての基準サンプルである。この実験例３では、まず、ＭＴＪスタックに対してパターン転写を行ったのちＦＬＷを形成し、このＦＬＷを、単一のＩＢＥ工程によりトリミングした。単一のＩＢＥ工程では、基体に垂直に形成された面に対して８°の入射角を有するイオンビームを照射した。表１に示したように、実験例３の上に形成されたＭＴＪスタックは、１．２Ω×μｍ2の面積抵抗ＲＡ、６２％の抵抗変化率ｄＲ／Ｒを発現することが可能であった。実験例３から得られたＦＬＷの測定値を、図７に示す。図７は、フォトリソ工程後の限界寸法（ｎｍ）と、実際に得られたＭＴＪ素子のＦＬＷ（ｎｍ）との関係を表している。
図７は、例えば、当初のパターニング後のＦＬＷが５２ｎｍ（符号５０）であった場合、そののちの単一のＩＢＥ工程を用いることにより得られるトリミング後のＦＬＷの最小値は、約４３ｎｍ（９ｎｍの減少）であることを示している。同様に、パターニング後のＦＬＷが６１ｎｍ（符号５２）であった場合、単一のＩＢＥ工程を経たのち約５２ｎｍに減少した。なお、フォトリソ工程後のＦＬＷの測定値は、測長走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ：critical dimension scanning electron microscope）を用いた断面図に基づいて測定し、トリミング後のＦＬＷの測定値は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：transmission electron microscopy）を用いた断面図に基づいて得た。
Figure 0005706707
実験例１は、実験例３の一部を変更した例である。ここでは、まず、鉛直面に対して８°の入射角のイオンビームを有する第１のＩＢＥ工程によりＦＬＷを所望の幅にトリミングする。そののち、第２のＩＢＥ工程として、掃引動作を伴いながら７０°の入射角を有するイオンビームを照射して、第２のＩＢＥ工程に由来する残留物を除去した。なお、単一のＩＢＥ工程によるトリミングののちには残留物が残ることから、このような第２のＩＢＥ工程において残留物を除去することが望ましい。
実験例２は、本発明のＩＢＥ処理に基づき作製されたものである。第１の工程では、鉛直面に対して８°の入射角を有するイオンビームを用い、所望量の約８０％の分だけＦＬＷを縮小させた。続く第２の工程では、７０°の入射角のイオンビームを掃引動作を伴いながらＭＴＪ素子に照射し、第１の工程に由来する残留物を除去した。最後に、３００ｅＶ未満の低いエネルギーを有すると共に入射角が８°であるイオンビームによるイオンビームエッチングをさらに行い、所望量の最後の２０％の分のＦＬＷを縮小させた（第３のＩＢＥ工程）。これにより、ＦＬＷを、フォトリソ工程での限界寸法（フォトＣＤ）である５３ｎｍから、最終的な限界寸法である３５ｎｍまで（図７の符号５１）へと、約２０ｎｍ減少させることができ、または、６２ｎｍから４０ｎｍ（符号５３）へと減少させることができた。すなわち、本発明に係る第１から第３のＩＢＥ工程によるＩＢＥ処理を経たことにより、５０ｎｍから７０ｎｍの範囲の当初のフォトＣＤについて、約２０ｎｍの限界寸法の減少を得ることができた。面積抵抗ＲＡは１．２Ω×μｍ2に保たれ、抵抗変化率ｄＲ／Ｒは、単一のＩＢＥ工程によるトリミングを経たのちに得られる実験例３の６２％の値にほぼ等しい、６１％となっている。したがって、本発明によるＩＢＥ処理は、保磁力Ｈｃおよび面積抵抗ＲＡを含めた他の磁気特性を損なわずに、従来技術において得られたＭＴＪ素子よりも小さなＦＬＷを有するＭＴＪ素子を実現する場合に有用である。なお、７０ｎｍよりも大きなフォトＣＤから開始した場合であっても、２０ｎｍ前後の同様なＦＬＷの減少が得られる。ただし、本発明は、７０ｎｍ未満のフォトＣＤの場合に最も効果が現れる。したがって、例えば５０ｎｍ未満のＦＬＷの寸法を、先進のデバイスに求められる、より高い歩留まりや、より良好な信頼性を有しつつ作製することができる。また実験例１では、第３のＩＢＥ工程が含まれていないため、ＭＴＪ素子の側壁の露出部分、特にＭｇＯトンネルバリア層に多少の損傷が存在したままの状態となっている。そのため、面積抵抗ＲＡが１．２Ω×μｍ2に保たれているものの、抵抗変化率ｄＲ／Ｒは４８％にまで減少しており、実験例２に比較して低くなっている。
本実施の形態において説明した３工程に亘るＩＢＥ処理は、新たな装置や材料については不要であることから、既存の製造ラインに容易に組み込むことができる。さらに、このプロセスは、２段階工程によるＩＢＥプロセスに由来する損傷の形跡が存在する、従前の技術製品に基づくセンサデバイスに適用することができる。これにより、面内通電（ＣＩＰ：current-in-plane）−ＧＭＲセンサ、垂直通電（ＣＰＰ：current-perpendicular-to-plane）−ＧＭＲセンサ、およびＴＭＲセンサの磁気特性を向上させることができる。
本発明を好適な実施の形態を参照して具体的に示し説明したが、本発明は上記実施の形態および実験例において説明した態様に限定されず、本発明の趣旨から外れることがない限りにおいて、種々の変形が可能である。
１…ＭＴＪ素子、１０…下部シールド層、１１…シード層、１２…ＡＦＭ層、１３…ピンド層、１４…非磁性スペーサ層、１５…フリー層、１６…キャップ層、１８…側壁、１９…シード層、２４…ハードバイアス層、２５…リード層、２６…ギャップ層、２７…上部シールド層。

Claims (20)

  1. （ａ）基体の上に、ピンド層と、フリー層と、前記ピンド層と前記フリー層との間に位置する非磁性スペーサ層と、最上部のキャップ層とを含むＭＴＪ（磁気トンネル接合）スタックを形成する第１の工程と、
    （ｂ）前記ＭＴＪスタックをパターニングすることにより、上面および前記上面と前記基体とを繋ぐ側壁を有するＭＴＪ素子を形成し、前記フリー層が、前記ＭＴＪ素子の上面に平行な面に沿って第１の幅を有するものとする第２の工程と、
    （ｃ）前記基体に垂直な面に対して２０°未満の入射角のイオンビームを用いた第１のイオンビームエッチング（ＩＢＥ）を行うことにより、前記フリー層が前記第１の幅よりも狭い第２の幅を有するように前記側壁のトリミングを行う第３の工程と、
    （ｄ）前記基体に垂直な面に対して６０°を超える入射角のイオンビームを用い、弧を描くような掃引動作を伴いながら第２のイオンビームエッチングを行うことにより、前記第１のイオンビームエッチングの際に生じた残渣を除去すると共に、前記フリー層が前記第２の幅よりも狭い第３の幅を有するように前記側壁のトリミングをさらに行う第４の工程と、
    （ｅ）前記基体に垂直な面に対して２０°未満の入射角のイオンビームを用いた第３のイオンビームエッチングを行うことにより、前記第２のイオンビームエッチングの際に生じた前記側壁における損傷部分を除去すると共に、前記フリー層が前記第３の幅よりも狭い第４の幅を有するように前記側壁のトリミングをさらに行う第５の工程と
    を含み、
    前記第１から第３のイオンビームエッチングを、３００ｅＶ未満のエネルギーを用いて行う
    磁気抵抗効果素子の形成方法。
  2. 前記第１から第３のイオンビームエッチングを、不活性ガスを用いて行う
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  3. 前記第１から第３のイオンビームエッチングを、１００ｍＡ以上６００ｍＡ以下のイオン電流と、１００ワット以上６００ワット以下のＲＦ電力とを用いて行う
    請求項２記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  4. 前記掃引動作は、開始位置から時計方向または反時計方向に４０°の回転角の範囲で前記基体を回転させる第１の動作と、前記開始位置へ戻るように反対方向へ前記基体を回転させる第２の動作とを交互に複数回行うものである
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  5. 前記第１のイオンビームエッチングを、前記第１の幅から前記第４の幅への寸法の減少分のうち６０％から９０％に相当する分を除去するように行う
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  6. 前記第３のイオンビームエッチングを、前記第１の幅から前記第４の幅への寸法の減少分のうち１０％から４０％に相当する分を除去するように行う
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  7. 前記第１の幅を５０ｎｍ以上７０ｎｍ以下とし、前記第１の幅と前記第４の幅との差分を２０ｎｍとする
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  8. 前記ＭＴＪ素子としてＣＩＰ−ＧＭＲセンサ、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサを形成する
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  9. 前記基体の表面に対する前記側壁の角度を、
    前記第１から前記第３のイオンビームエッチングのうちの少なくとも１つにおける前記イオンビームの前記入射角を変化させることにより変化させる
    請求項１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  10. 前記ＭＴＪ素子のトラック幅を、前記側壁の角度が前記基体の表面に対して垂直である場合に、前記第４の幅と等しくなるようにする
    請求項９記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  11. （ａ）基体の上に、シード層と、ＡＦＭ層と、ピンド層と、フリー層と、前記ピンド層と前記フリー層との間に位置する非磁性スペーサ層と、最上部のキャップ層とを含むＭＴＪ（磁気トンネル接合）スタックを形成する第１の工程と、
    （ｂ）前記ＭＴＪスタックをパターニングすることにより、上面および前記上面と前記基体とを繋ぐ側壁を有するＭＴＪ素子を形成し、前記フリー層が、前記ＭＴＪ素子の上面に平行な面に沿って第１の幅を有するものとする第２の工程と、
    （ｃ）前記基体に対して垂直な主成分を含む入射角のイオンビームを用いた第１のイオンビームエッチング（ＩＢＥ）を行うことにより、前記フリー層が前記第１の幅よりも狭い第２の幅を有するように前記側壁のトリミングを行う第３の工程と、
    （ｄ）前記基体に対して平行な主成分を含む入射角のイオンビームを用い、弧を描くような掃引動作を伴いながら第２のイオンビームエッチングを行うことにより、前記第１のイオンビームエッチングの際に生じた残渣を除去すると共に、前記フリー層が前記第２の幅よりも狭い第３の幅を有するように前記側壁のトリミングをさらに行う第４の工程と、
    （ｅ）前記基体に対して垂直な主成分を含む入射角のイオンビームを用いた第３のイオンビームエッチングを行うことにより、前記第２のイオンビームエッチングの際に生じた前記側壁における損傷部分を除去すると共に、前記フリー層が前記第３の幅よりも狭い第４の幅を有するように前記側壁のトリミングをさらに行う第５の工程と
    を含み、
    前記第１から第３のイオンビームエッチングを、３００ｅＶ未満のエネルギーを用いて行う
    磁気抵抗効果素子の形成方法。
  12. 前記第１から第３のイオンビームエッチングを、不活性ガスを用いて行う
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  13. 前記第１から第３のイオンビームエッチングを、１００ｍＡ以上６００ｍＡ以下のイオン電流と、１００ワット以上６００ワット以下のＲＦ電力とを用いて行う
    請求項１２記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  14. 前記掃引動作は、開始位置から時計方向または反時計方向に４０°の回転角の範囲で前記基体を回転させる第１の動作と、前記開始位置へ戻るように反対方向へ前記基体を回転させる第２の動作とを交互に複数回行うものである
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  15. 前記第１のイオンビームエッチングにおける前記イオンビームの前記基体に垂直な面に対する入射角を２０°未満とし、
    前記第１のイオンビームエッチングを、前記第１の幅から前記第４の幅への寸法の減少分のうち６０％から９０％に相当する分を除去するように行う
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  16. 前記第２のイオンビームエッチングにおける前記イオンビームの前記基体に垂直な面に対する入射角を、６０°よりも大きく９０°未満とする
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  17. 前記第３のイオンビームエッチングにおける前記イオンビームの前記基体に垂直な面に対する入射角を２０°未満とし、
    前記第３のイオンビームエッチングを、前記第１の幅から前記第４の幅への寸法の減少分のうち１０％から４０％に相当する分を除去するように行う
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  18. 前記第１の幅を、５０ｎｍ以上７０ｎｍ以下とし、前記第１の幅と前記第４の幅との差分を２０ｎｍとする
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  19. 前記ＭＴＪ素子としてＣＩＰ−ＧＭＲセンサ、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサまたはＴＭＲセンサを形成する
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
  20. 前記基体の表面に対する前記側壁の角度を、
    前記第１から前記第３のイオンビームエッチングのうちの少なくとも１つにおける前記イオンビームの前記入射角を変化させることにより変化させる
    請求項１１記載の磁気抵抗効果素子の形成方法。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8416540B1 (en) * 2008-06-26 2013-04-09 Western Digital (Fremont), Llc Method for defining a magnetoresistive junction using multiple mills at a plurality of angles
US8233248B1 (en) 2009-09-16 2012-07-31 Western Digital (Fremont), Llc Method and system for providing a magnetic recording transducer using a line hard mask
US8871102B2 (en) * 2011-05-25 2014-10-28 Western Digital (Fremont), Llc Method and system for fabricating a narrow line structure in a magnetic recording head
JP2013140891A (ja) * 2012-01-05 2013-07-18 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子の製造方法
US8867178B2 (en) * 2012-10-16 2014-10-21 HGST Netherlands B.V. Read sensor with a hard bias layer having a high static field resistance
US8865008B2 (en) * 2012-10-25 2014-10-21 Headway Technologies, Inc. Two step method to fabricate small dimension devices for magnetic recording applications
TWI517463B (zh) * 2012-11-20 2016-01-11 佳能安內華股份有限公司 磁阻效應元件之製造方法
WO2014080823A1 (ja) * 2012-11-26 2014-05-30 キヤノンアネルバ株式会社 磁気抵抗効果素子の製造方法及びデバイスの製造方法
US8901687B2 (en) 2012-11-27 2014-12-02 Industrial Technology Research Institute Magnetic device with a substrate, a sensing block and a repair layer
WO2014142922A1 (en) * 2013-03-14 2014-09-18 Intel Corporation Cross point array mram having spin hall mtj devices
US9034564B1 (en) 2013-07-26 2015-05-19 Western Digital (Fremont), Llc Reader fabrication method employing developable bottom anti-reflective coating
US9070869B2 (en) * 2013-10-10 2015-06-30 Avalanche Technology, Inc. Fabrication method for high-density MRAM using thin hard mask
JP6030099B2 (ja) * 2014-08-18 2016-11-24 東京エレクトロン株式会社 残渣層除去方法及び残渣層除去装置
KR102354468B1 (ko) 2015-01-23 2022-01-24 삼성전자주식회사 패턴 형성 방법, 이를 이용한 반도체 소자의 제조방법, 및 이를 이용하여 제조된 반도체 소자
US9660177B2 (en) * 2015-09-09 2017-05-23 Headway Technologies, Inc. Method to minimize MTJ sidewall damage and bottom electrode redeposition using IBE trimming
KR102465539B1 (ko) 2015-09-18 2022-11-11 삼성전자주식회사 자기 터널 접합 구조체를 포함하는 반도체 소자 및 그의 형성 방법
KR102494102B1 (ko) * 2016-03-10 2023-02-01 삼성전자주식회사 자기 메모리 장치의 제조 방법
KR102615694B1 (ko) 2016-11-02 2023-12-21 삼성전자주식회사 정보 저장 소자 및 그 제조방법
US10359699B2 (en) * 2017-08-24 2019-07-23 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Self-adaptive halogen treatment to improve photoresist pattern and magnetoresistive random access memory (MRAM) device uniformity
US10374153B2 (en) * 2017-12-29 2019-08-06 Spin Memory, Inc. Method for manufacturing a magnetic memory device by pre-patterning a bottom electrode prior to patterning a magnetic material
US10388860B2 (en) * 2017-12-30 2019-08-20 Spin Memory, Inc. Method for manufacturing high density magnetic random access memory devices using diamond like carbon hard mask
US10520818B1 (en) 2018-09-18 2019-12-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Critical dimension (CD) uniformity of photoresist island patterns using alternating phase shifting mask
US10714681B2 (en) * 2018-10-19 2020-07-14 International Business Machines Corporation Embedded magnetic tunnel junction pillar having reduced height and uniform contact area
US11715491B2 (en) * 2021-06-30 2023-08-01 Headway Technologies, Inc. Method of ultra-fine critical dimension patterning for magnetic head devices

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4259145A (en) * 1979-06-29 1981-03-31 International Business Machines Corporation Ion source for reactive ion etching
EP0106497B1 (en) * 1982-09-10 1988-06-01 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Ion shower apparatus
EP0339554A3 (de) * 1988-04-26 1989-12-20 Hauzer Holding B.V. Hochfrequenz-Ionenstrahlquelle
JP4142993B2 (ja) * 2003-07-23 2008-09-03 株式会社東芝 磁気メモリ装置の製造方法
JP4005976B2 (ja) 2004-03-03 2007-11-14 Ｔｄｋ株式会社 磁気記録媒体
JP2005276275A (ja) 2004-03-23 2005-10-06 Tdk Corp 磁気記録媒体
US7560038B2 (en) * 2004-09-22 2009-07-14 Sae Magnetics (H.K.) Ltd. Thin film forming method and system
JP2006179051A (ja) 2004-12-21 2006-07-06 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv 磁気抵抗センサ及びその製造方法
JP4550713B2 (ja) * 2005-10-21 2010-09-22 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子の製造方法
JP2007287239A (ja) * 2006-04-17 2007-11-01 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv 磁気ヘッドとその形成方法
JP4626600B2 (ja) 2006-09-29 2011-02-09 Ｔｄｋ株式会社 磁気記録媒体の製造方法
JP4164110B2 (ja) 2006-12-25 2008-10-08 Ｔｄｋ株式会社 磁気記録媒体、磁気記録再生装置及び磁気記録媒体の製造方法
JP2008186506A (ja) * 2007-01-29 2008-08-14 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv 薄膜磁気ヘッド及びその製造方法
JP2008192222A (ja) * 2007-02-02 2008-08-21 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv 磁気検出素子及びその製造方法
US20090084757A1 (en) * 2007-09-28 2009-04-02 Yuri Erokhin Uniformity control for ion beam assisted etching
JP2010009651A (ja) * 2008-06-25 2010-01-14 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands Bv 磁気ヘッドの製造方法

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