JP5752939B2 - プラズマイオン注入を用いた磁区パターン形成 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、一般に、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）などの磁気情報記憶媒体内の磁区の形成に関し、更に詳細には、プラズマイオン注入を使用することにより磁性薄膜内に磁区を形成する方法に関する。

発明の背景

コンピュータ用のより高密度の情報記憶媒体に対する必要性が絶えず存在している。現在、一般的な記憶媒体はハードディスクドライブ（ＨＤＤ）である。ＨＤＤは、磁気面を備えた高速回転ディスク上にデジタル符号化データを記憶する不揮発性記憶デバイスである。ディスクは円形であり、中心孔を有している。ディスクは、通常、ガラス又はアルミニウムの非磁性体で作られており、コバルト基合金薄膜などの磁性薄膜でディスクの両面が被覆されている。ＨＤＤは、磁気フィルムの領域を２つの特定の方向のうちの１つで磁化することによりデータを記録して、薄膜内でのバイナリデータの記憶を可能にする。記憶データは薄膜の磁化領域の方向を検出することにより読み取られる。典型的なＨＤＤ設計はスピンドルで構成されており、このスピンドルは読み書きヘッドがすべてのディスクの両面にアクセスできるように十分間隔をあけて複数のディスクを保持している。ディスクはディスク内の中心孔に挿入された取付金具でスピンドルに固定してある。ディスクは超高速で回転する。情報は、ディスクが読み書きヘッドのそばを通過して回転するときにディスク上に書き込まれ、ディスクから読み取られる。ヘッドは磁性薄膜の表面に近接してすれすれに移動する。読み書きヘッドを使用して、読み書きヘッドのすぐ下に位置する材料の磁化の検出又は変更あるいはその両方を行う。スピンドル上の各磁気ディスク表面に対して１つのヘッドがある。ディスクが回転するときにアームがディスクを横切ってヘッドを移動させて、各ヘッドがディスクのほとんど全表面にアクセスすることを可能にする。

各ディスクの磁気面は、磁区と呼ばれる多数の小さなサブミクロン寸法の磁性領域に分割され、この磁区のそれぞれは、ビットと呼ばれる情報の単一の２進単位を符号化するために使用される。各磁性領域は、高度に局在した磁場を生成する磁気双極子を形成する。書き込みヘッドは、磁性薄膜に近接してすれすれに位置する状態で強力な局所磁場を生成することにより磁性領域を磁化する。読み取りヘッドは各領域内の磁場の方向を検出する。

異なるスピン方向を有する磁区が接触する場所には、スピン方向が第１の方向から第２の方向へと遷移するブロッホ壁と呼ばれる領域がある。この遷移領域の幅は、情報記憶の面密度を制限する。したがって、ブロッホ壁の幅に起因する限界を克服する必要性がある。

連続磁性薄膜内のブロッホ壁幅に起因する限界を克服するために、磁区を非磁性領域（この非磁性領域は連続磁性薄膜内のブロッホ壁の幅よりも狭い可能性がある）により物理的に分離することができる。情報記憶の面密度が向上した磁気記憶媒体を提供するために下記の方法が使用されてきた。これらの方法は、磁区を別の離れたアイランドとして蒸着することにより、又は連続磁気フィルムから材料を取り除いて磁区を物理的に分離することにより、互いに完全に別個の単一ビット磁区を有している。

ディスクはシード層で被覆され、その後にレジストで被覆される。レジストは磁区を形成するようにパターン形成されて、磁区を形成する予定のところにシード層を露出する。その後、シード層の露出された領域上に磁性薄膜を電気めっきする。しかしながら、電着磁気フィルムの組成及び品質に関連する問題と、ＨＤＤの大量生産のためのプロセスの拡張性に関連する問題とがある。電着したＣｏ−Ｐｔよりもむしろスパッタリング蒸着したＣｏ−Ｐｔ及びＣｏ−Ｐｄ合金薄膜のほうが、良好な耐食性及び制御可能な磁気特性の故に現在のところ好まれている。

他のプロセスでは、スパッタリング蒸着した磁性薄膜で被覆されたディスクが、磁区を形成するようにパターン形成されたレジストの層で被覆されている。パターンはスパッタ・ドライエッチングプロセスで磁性薄膜に転写される。しかしながら、スパッタエッチングプロセスは、プロセスチャンバ側壁上に残渣の好ましくない蓄積を残す。更に、スパッタエッチングプロセス後に残渣の無いディスク面を残すようにすることは難問である。（読み書きヘッドがディスク面上方のたった数十ナノメートルのところを超高速で移動することを考慮すると、非常に平坦で残渣の無いディスク面が求められる。）また、ＨＤＤディスクの両面上に磁性薄膜をパターン形成する必要があり、多くの半導体型プロセス及び装置（即ち、スパッタエッチング）は一度に片面しか処理できない。これらの問題は製造歩留まりに影響を与えるとともに、ＨＤＤ不良の一因となる可能性がある。したがって、磁区をパターン形成するための、費用対効果に優れ、大量生産に対応できる、製造に適した方法に対する必要性がある。

他の方法は、連続磁性薄膜内に非磁性領域を生成して磁区を分離することである。このような方法の利点は、処理済ディスクの表面が平面であり、ＨＤＤで用いるのに適していることである。このような方法は、非磁性領域を生成して磁区を分離するためにイオン注入を用いて磁区をパターン形成することである。エネルギーイオンは磁性体の秩序を乱して、その磁性体を非磁性にする。イオン照射により磁化することができる規則相ＦｅＰｔ_３のようないくつかの非磁性体があるが、その場合、イオン照射は磁区を直接形成するために使用される。しかしながら、イオン照射を用いたパターン形成には次の欠点、即ち、（１）イオン注入機ツールは一度に基板の片面だけを照射するように構成されている、及び（２）イオン注入機のイオン源から利用可能なイオン電流には制限があるため処理プロセスに時間がかかる、という欠点がある可能性がある。したがって、磁区をパターン形成するための、費用対効果に優れ、大量生産に対応できる方法に対する必要性が依然として存在している。

不揮発性メモリは、電源を供給されなくても記憶データを保持できるコンピュータメモリである。不揮発性メモリの例としては、読み出し専用メモリ、フラッシュメモリ、ほとんどの種類の磁気コンピュータ記憶デバイス（例えば、ハードディスク及びフロッピーディスク）、ならびに光ディスクなどがある。不揮発性メモリは、一般に、揮発性ランダムアクセスメモリよりも費用がかかったり、又は動作が遅かったりするため、プロセスメモリとしてではなく、主として長期的で永続的なデータ記憶のためだけに使用される。今日、最も広く使用されている形態のプロセスメモリは、揮発型のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）であり、コンピュータの電源を切ると、ＲＡＭ内に含まれたものすべてが失われるということを意味している。プロセスメモリとして使用できる高速かつ安価な不揮発性メモリに対する必要性が存在する。このような不揮発性メモリは、今日のコンピュータにおいて一般的な遅いスタートアップシーケンス及びシャットダウンシーケンスなしに、ほとんど瞬時に作動及び停止できるコンピュータを可能にするであろう。

不揮発性ＲＡＭの現在の標準はＮＡＮＤフラッシュであり、１つの記憶素子あたり１つのトランジスタと１つのコンデンサとで構成されている。記憶素子密度は、全体的なトランジスタ寸法と、トランジスタ間のトレンチとにより制限され、素子間隔は１ミクロン未満になる。高密度の記憶素子を有する不揮発性ＲＡＭに対する必要性がある。

磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）、即ち、かなり有望な不揮発性ＲＡＭが現在開発中であるが、今のところまだ標準的な揮発性ＲＡＭと比較して商業的に競争力がない。ＭＲＡＭのための、及び一般に不揮発性ＲＡＭのための処理方法及び設計の向上に対する必要性が存在しており、この不揮発性ＲＡＭは費用対効果に優れた高スループットの大量生産を可能にすることになる。

本発明の概念及び方法は、磁気媒体の大量生産を可能にして、ディスク上の磁区を直接パターン形成する。磁区の直接パターン形成は、連続磁性薄膜で利用できるよりも高密度のデータ記憶を可能にする。本発明の態様によれば、基板上の磁性薄膜内に磁区を形成するための方法が、（１）レジストで磁性薄膜を被覆するステップと、（２）磁性薄膜の領域が実質的にむき出しになるようにレジストをパターン形成するステップと、（３）磁性薄膜をプラズマに暴露して、プラズマイオンが磁性薄膜の実質的にむき出しの領域に浸透して、その実質的にむき出しの領域を非磁性にするステップと、を含んでいる。レジストをパターン形成する方法は、ナノインプリントリソグラフィプロセスを含んでいる。

本発明の方法は、ハードディスクドライブで使用される薄膜磁気ディスクの大量生産の利点に適用してもよい。本発明の実施形態は、高スループットのプラズマイオン注入ツールを用いてディスクの両面を同時に処理することにより高い製造スループットを提供する。本発明の更なる態様によれば、ディスクの両面上の磁性薄膜内に磁区を形成するための方法が、（１）レジストでディスクの両面を被覆するステップと、（２）磁性薄膜の領域が実質的にむき出しになるようにレジストをパターン形成するステップと、（３）ディスクの両面上の磁性薄膜を同時にプラズマに暴露して、プラズマイオンが磁性薄膜の実質的にむき出しの領域に浸透して、その実質的にむき出しの領域を非磁性にするステップと、を含んでいる。

本発明の要旨を逸脱することなく、両面プラズマイオン注入又は片面プラズマイオン注入のどちらを使用してもよい。片面プラズマイオン注入では、第１面を注入して、その後、ディスクを裏返して、第２面を注入することになる。

本発明の実施形態は、ディスクの両面を同時に処理するように構成されたプラズマイオン注入ツールを含んでいる。ツールは、（１）接地電位に保持された真空容器と、（２）制御された量のガスを真空容器の中へリークするように構成されたガス入口弁と、（３）（ａ）真空容器内に収まり、（ｂ）多数のディスクを間隔をあけて保持して、多数のディスクのそれぞれの両面が露出するようにして、（ｃ）多数のディスクに電気的に接触するように構成されたディスク取り付け装置と、（４）ディスク取り付け装置と真空容器とに電気的に接続され、これにより、真空容器内にプラズマを点火でき、ディスクの両面をプラズマイオンに均一に暴露する高周波信号発生器と、を含んでいる。

本発明の実施形態はメモリデバイスを含んでいる。本発明の態様によれば、メモリデバイスは第１の連続薄膜を含んでおり、第１の連続薄膜は第１の形成された磁区配列を含んでおり、形成された磁区は連続薄膜の非磁性領域で分離されており、第１の形成された磁区配列のそれぞれは異なる磁気記憶素子の一部である。メモリデバイスは、第１の連続薄膜に平行な第２の連続薄膜を更に含んでいてもよく、第２の連続薄膜は第２の形成された磁区配列を含んでおり、第２の形成された磁区のそれぞれは第１の形成された磁区のうちの対応する磁区と重なっており、メモリデバイスは、第１及び第２の連続薄膜の間の絶縁薄膜と、第１の連続薄膜の下方に位置するワード線と、第２の連続薄膜の上方に位置するビット線と、を更に含んでいてもよく、ワード線とビット線とは第１及び第２の形成された磁区の位置で互いに交差している。

本発明の更なる態様によれば、メモリデバイスを製造する方法が、（１）基板上に磁性薄膜を蒸着するステップと、（２）（ａ）レジストで磁性薄膜を被覆することと、（ｂ）磁性薄膜の領域が実質的にむき出しになるようにレジストをパターン形成することとを含む、基板上の磁性薄膜内に磁区を形成するステップと、（３）磁性薄膜をプラズマに暴露して、プラズマイオンが磁性薄膜の実質的にむき出しの領域に浸透して、その実質的にむき出しの領域を非磁性にするステップと、を含み、パターン形成された磁区のそれぞれは異なる磁気記憶素子の一部である。メモリデバイスは基板の両面上に製造してもよく、基板の両面上の磁性薄膜を同時にプラズマに暴露して、プラズマイオンが磁性薄膜の実質的にむき出しの領域に浸透して、その実質的にむき出しの領域を非磁性にする。

本発明のこれら及び他の態様と特徴は、本発明の特定の実施形態についての下記の説明を添付図面とあわせて検討することで、当業者に明らかになるであろう。

本発明の実施形態のプロセスフローチャートである。 プロセスチャンバの模式図であり、本発明の実施形態の第１のディスクホルダ装置を示している。 本発明の実施形態の第２のディスクホルダを示す図である。 本発明の実施形態のナノインプリントリソグラフィの後のレジストの断面図である。 本発明の実施形態のメモリデバイスを示す斜視図である。 本発明の実施形態の図５のメモリデバイスの、ある特定の実施形態の断面図である。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明は、ここで、添付図面を参照して詳細に説明され、これらの添付図面は当業者が本発明を実施できるようにするために本発明の説明に役立つ実例として提供されたものである。特に、下記の図面及び実施形態は本発明の範囲を単一の実施形態に限定するものではなく、説明又は例示した要素の一部又はすべてを置き換えることで他の実施形態も可能である。更に、既知の構成要素を用いて本発明の、ある特定の要素を部分的に又は完全に実現できる場合には、このような既知の構成要素のうち本発明を理解するために必要な部分だけについて説明を行い、このような既知の構成要素の他の部分については、本発明を分かりやすくするために詳細な説明を省略する。本明細書では、単独の構成要素を示す実施形態をそれに限定するものと考えるべきではなく、むしろ、本発明は、本明細書に明示的に別段の定めをした場合を除いて、複数の同じ構成要素を含む他の実施形態を含んでおり、逆の場合も同じである。更に、出願人は、明細書又は特許請求の範囲のいかなる用語も、そのようなものとして明確に記述された場合を除いて、珍しい意味又は特別な意味を持つとみなされることを意図しない。更に、本発明は、本明細書で実例として言及した既知の構成要素の、現時点及び将来の既知の均等物を含んでいる。

一般に、本発明の実施形態は、磁性薄膜内に狭い間隔で並んだ磁区をパターン形成するために、プラズマイオン注入及びレジストマスクを使用することを想定する。この方法はハードディスクドライブ製造に適用でき、非常に高い面密度の情報記憶を可能にする。この方法を実現するためのツールについて記述している。

本発明の実施形態のプロセスを図１に示している。磁性薄膜内に非磁性体で分離された狭い間隔で並んだ磁区を形成するためのプロセスは、（１）レジストでディスクを被覆するステップ（１１０）と、（２）レジストをパターン形成して、磁性薄膜の領域を実質的に露出するステップ（１２０）と、（３）プラズマイオン注入を用いて磁性薄膜の実質的に露出された領域を非磁性にするステップ（１３０）と、（４）レジストを剥離するステップ（１４０）と、を含んでいる。方法は、プラズマイオン注入の後及びレジスト剥離の前に、プラズマイオン注入チャンバ内におけるデスカム及びアッシングを必要に応じて含んでいてもよい。また、レジスト剥離後に研磨又はつや出しを含むことで、残渣の無い表面を確保してもよい。例えば、ＰＶＡブラシ又は他の適切な種類のブラシで実行されるようなブラシ洗浄ステップを使用してもよい。あるいは、ポリウレタン布、パッド・バフ、又はつや出し剤を使用してもよい。

また、上述のプロセスは、プラズマイオン注入種の薄膜内への浸透を促進するためにレーザアニール又はフラッシュアニールの付加的なステップを含んでいてもよい。また、高速熱アニールプロセス又は高速加熱炉プロセスを使用してもよい。（レーザアニール又はフラッシュアニールは、ディスクの表面だけが熱サイクルにさらされるという点で高速熱アニールプロセス又は高速加熱炉プロセスと異なっている。）更に、熱処理は、注入種を磁性薄膜内の結晶粒界の中に強制的に浸透させるために使用できる。（各磁区は、現在のところ一般に、何百もの個別粒子を含んでいる。）注入種を結晶粒界内の所定の位置に閉じ込めて、ディスクの通常の寿命の間に注入種が移動しないようになっている。

レジストをパターン形成するための方法はナノインプリントリソグラフィ法である。本発明に適用できる２つの周知の種類のナノインプリントリソグラフィがある。第１のナノインプリントリソグラフィは、熱可塑性ナノインプリントリソグラフィ（Ｔ−ＮＩＬ）であり、（１）熱可塑性高分子レジストで基板を被覆するステップと、（２）所望の三次元パターンを有する鋳型をレジストと接触させて、所定の圧力を加えるステップと、（３）レジストをそのガラス転移温度を超える温度に加熱するステップと、（４）レジストがそのガラス転移温度を超えるとき、鋳型をレジストに圧入するステップと、（５） レジストを冷却して鋳型をレジストから分離し、レジスト内に所望の三次元パターンを残すステップと、を含んでいる。

第２の種類のナノインプリントリソグラフィは、光ナノインプリントリソグラフィ（Ｐ−ＮＩＬ）であり、（１）光硬化性液体レジストを基板に塗布するステップと、（２）所望の三次元パターンを有する透明鋳型を、鋳型が基板に接触するまで液体レジストに圧入するステップと、（３）レジストを紫外線で硬化させて固体にするステップと、（４）鋳型をレジストから分離してレジスト内に所望の三次元パターンを残すステップと、を含んでいる。Ｐ−ＮＩＬでは、鋳型は溶融石英などの透明材料で作られている。

図４は、ナノインプリントリソグラフィ後のレジストの横断面図を示している。基板４３０上の磁性薄膜４２０上のパターン形成されたレジスト４１０を示しており、レジストが実質的に押し出されているパターン形成された領域４４０を有している。レジスト層４１０の典型的な厚さは約５００ｎｍである。しかしながら、領域４４０では残された少量のレジストが磁性薄膜の表面を覆っている。これはナノインプリントプロセスでは常に起こることである。イオン注入用のマスクとしてフォトレジストパターンを使用する場合には、種を注入することになる領域内で全フォトレジスト層を取り除くことは必要ではない。しかしながら、残存層は、注入種に対する実質的な障害物とならないように十分薄くなくてはならない。更に、厚いレジストを有する領域と薄い残存レジストを有する領域との間の差異は十分大きくて、厚い残存レジストを有する領域内のレジストは、イオン種が磁性薄膜に到達するまでにイオン種を止めることができなければならない。あるいは、領域４４０内の残存フォトレジストを、デスカム、軽いアッシング、又は他の任意の適切な技術などの等方性のレジスト除去プロセスを用いて取り除くことができる。

ナノインプリントリソグラフィプロセスは、鋳型が１つの全表面をインプリントできるほど十分大きい全ディスク・ナノインプリント方式を用いて実現できる。あるいは、ステップアンドリピートのインプリントプロセスを使用してもよい。また、ナノインプリントプロセスは一度に両面に行ってもよい。例えば、最初にディスクの両面をフォトレジスト層で被覆して、その後、ディスクに圧力を加えて、ディスクの両面に鋳型を押し付け、所望のパターンをディスクの両面に同時にインプリントする。

また、従来のフォトリソグラフィプロセスを使用してもよく、その場合、ディスク上でフォトレジストを回転させ、その後、マスクを通してレジストを露光し、露光したレジストを現像する。

パターン形成ステップ１２０の後には、ディスクは磁性薄膜の領域が露出した状態のままになっているパターン形成されたレジストを有している。レジストは、次のステップであるプラズマイオン注入１３０から残りの表面を保護する。プラズマ注入は低エネルギーで高注入ドーズ量を提供するのに理想的である。スパッタ磁性薄膜は通常数十ナノメートルの厚さに過ぎないため、低イオンエネルギーは効果的であり、高ドーズ量は高スループットをもたらす。更に、図２及び図３から明らかなように、ディスクの両面のプラズマイオン注入を同時に実行することができる。両面プラズマイオン注入を一般に使用することが期待されるが、本発明の要旨を逸脱することなく、片面プラズマイオン注入を使用することも可能である。片面プラズマイオン注入では、第１面を注入して、その後、ディスクを裏返して、第２面を注入することになる。

ＨＤＤディスクを扱うように構成されたプラズマイオン注入ツール２００を図２に示している。チャンバ２１０は真空ポンプ２２０で真空に保持されている。ガス供給源２３０がパイプ２３２と弁２３５とを介してチャンバ２１０に接続されている。弁２３５を介して２つ以上のガスを供給してもよく、複数のガス供給源及び複数の弁を使用してもよい。ロッド２４０がディスク２５０を保持している。高周波（ＲＦ）電源装置２６０がロッド２４０とチャンバ２１０の側壁（チャンバ側壁は電気的接地に接続されている）との間に接続されている。ＲＦ電源装置に加えて、インピーダンス整合装置と直流（ＤＣ）バイアスを印加するための電源装置とを含んでいてもよい。ロッド２４０をプラズマから保護するためにロッド２４０は黒鉛又はシリコンで被覆されていてもよい。更に、ロッド及びその表面は伝導性が非常に高く、ロッドとディスクの間の良好な電気的接触を促進している。取付金具２５５又は他の手段を用いてディスク２５０を所定の位置に固定してもよく、取付金具２５５はディスク２５０を所定の位置に固定するだけでなく、ディスク２５０とロッド２４０の間の良好な電気的接続も確保している。ロッドは多数のディスクを支持できる（説明しやすいように３枚のディスク２５０だけを図示している）。更に、チャンバ２１０は、ディスクを取り付けた状態で多数のロッドを保持して同時にプラズマイオン注入を行うように構成してもよい。ロッド２４０はチャンバ２１０に容易に出し入れできる。

プラズマイオン注入ツール２００内でのディスクの処理は次のように進んでもよい。（１）ディスク２５０をロッド２４０上に取り付け、（２）ロッド２４０をチャンバ２１０の中に取り付け、（３）真空ポンプ２２０が作動して所望のチャンバ圧力を達成し、（４）所望の圧力に達するまでガス供給源２３０から弁２３５を介してチャンバの中に所望のガスをリークし、（５）ＲＦ電源装置２６０を作動させてディスク２５０のすべての表面を取り囲むプラズマを点火し、ＤＣ電源装置を使用して磁性薄膜に注入されるイオンのエネルギーを制御することができる。また、ＲＦバイアスを使用してもよい。

プラズマから容易に注入することができ、Ｃｏ−Ｐｔ及びＣｏ−Ｐｄなどの典型的なスパッタ磁性薄膜を非磁性にするのに効果的なイオンは、酸素イオン、フッ素イオン、ホウ素イオン、リンイオン、タングステンイオン、ヒ素イオン、水素イオン、ヘリウムイオン、アルゴンイオン、窒素イオン、バナジウムイオン、及びシリコンイオンである。このリストは完全に網羅しようとするものではなく、プラズマ内で容易に形成され、薄膜を非磁性にする（又はＦｅＰｔ_３などの材料の場合には、磁性にする）のに効果的ないかなるイオンも十分利用可能である。更に、適切なイオンは、比較的低いドーズ量で磁性薄膜の領域を熱的に安定した非磁性領域に変化させることができるイオンであることが期待される。

プラズマ注入プロセスにより利用できるイオンのエネルギーは１００ｅＶ〜１５ｋｅＶの範囲である。しかしながら、厚さ数十ナノメートルの磁性薄膜の中に注入するための望ましいエネルギー範囲は１ｋｅＶ〜１５ｋｅＶである。ここで、プラズマ内では一価にイオン化された種が支配的であると考えられる。

図３は、図２に示すようなチャンバ内のディスクのプラズマイオン注入用の他のホルダを示している。ホルダ３００はフレーム３１０を含んでおり、このフレーム３１０に対してディスク３２０は取付金具３３０で所定の位置に固定され、これらの取付金具３３０はディスクの中央の穴の縁端部に固定してある。（ディスクの内側縁端部はディスクにスピンドルを取り付ける場所であるため、最終製品では使用されないことに留意すること。これは、ＨＤＤにおいて使用されるため適切にパターン形成しなければならないディスクの外側縁端部とは対照的である。）フレーム３１０と取付金具３３０とは、ディスク３２０と良好な電気的接触を行うように構成されている。ホルダは、高スループットを可能にするためにチャンバ内に上下に積み重ねてもよい。

プラズマイオン注入チャンバ及びプロセス法の更なる詳細については、コリンズ（Ｃｏｌｌｉｎｓ）らに対する米国特許第７，２８８，４９１号と第７，２９１，５４５号とで得られ、これらの特許文献は参照により本明細書の一部となっている。本発明のチャンバとコリンズらのチャンバの主な相違点は、基板を保持するための構成が異なっていることである。当業者は、コリンズらのプラズマイオン注入ツール及び方法を、本発明の中でどのように利用できるかを理解するであろう。

プラズマイオン注入ステップ１３０に続いて、レジスト剥離ステップ１４０がある。レジスト剥離ステップ１４０は、ディスクを取り出す前にプラズマイオン注入チャンバ内でデスカムとアッシングを行うことで促進することができる。また、レジスト剥離ステップ１４０は、半導体産業でレジスト剥離に対して一般的に使用されるような湿式化学プロセスであってもよい。

本発明は、ディスクを注入するのに恐らく１０秒という非常に短いプロセス時間を可能にする。入出力真空ロードロックが、チャンバへのディスクの迅速な出し入れを可能にするとともに、ポンプ停止による時間の喪失を回避し、その結果、非常に高いスループットを可能にするであろう。当業者は、自動転送システム、ロボット技術、及びロードロックシステムが、どのように本発明のプラズマイオン注入装置と一体化できるかを理解するであろう。

本発明はＨＤＤに限定されず、磁気コアメモリ及び磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）などの他の磁気メモリデバイスにも適用できる。本発明を使用して、これらのメモリデバイスの磁気記憶素子を形成してもよい。

図５は、クロスポイント・アーキテクチャを有する磁気メモリデバイスの図を示している。クロスポイント・アーキテクチャでは、磁気記憶素子５１０はワード線５２０とビット線５３０との各交差部に位置している。磁気記憶素子５１０は実際には連続薄膜の一部であるが、説明しやすくするために、図５には連続薄膜を図示していない。本発明の実施形態では、磁気記憶素子５１０は、図１〜図４に関連して上述したプロセスを用いて製造される。図５では、磁気記憶素子５１０を略円形であるように示しているが、磁気記憶素子５１０は、所望により、楕円形、正方形、及び長方形を含むさまざまな形にパターン形成してもよい。図５では、６個の磁気記憶素子しか示していないが、典型的なメモリアレイは、その何桁も多い素子で構成されている。磁気記憶素子５１０の最も簡単な実施形態は、単層の磁性体を含んでいる。本発明のこのような実施形態は、実質的に元の磁気コアメモリの小型版であるメモリデバイスを含んでいる。これらの実施形態では、図５に示すメモリセル５１０は単一磁区である。このメモリ構成は、三次元メモリデバイスを生成するためにメモリデバイスの垂直積層を可能にする。当業者は、これらの三次元メモリデバイスを製造するために本発明の実施形態をどのように使用できるかを理解するであろう。このメモリデバイスの製造方法は下記の通りであってもよい。ワード線５２０を基板上に形成する。基板及びワード線５２０を覆って磁性薄膜を蒸着する。上述したように第１の磁性薄膜を処理して、レジストで保護されていない領域を非磁性にして、磁性体の磁区５１０を残す。ビット線５３０を処理済の磁性薄膜の上に形成する。各記憶素子５１０のところでクロスオーバを形成するようにワード線５２０とビット線５３０とをリソグラフィで位置合わせする。磁気コアメモリの読み書き機構は、当業者にはよく知られている。

本発明の更なる実施形態では、メモリデバイスはＭＲＡＭであり、磁気記憶素子は磁気トンネル接合であり、この磁気トンネル接合は少なくとも３層、即ち、（１）固定磁化（読み書きプロセスの間に変化しない）を有している下層と、（２）書き込みプロセスの間に変わりやすい磁気配向を有している上層と、（３）２つの磁性層の間の絶縁薄膜と、を含んでいる。図６を参照すること。あるいは、磁気記憶素子５１０は、当技術分野で周知のように「トグル」モードを使用できるように製造してもよい。更に、図５のＭＲＡＭデバイスを当技術分野で周知のようにスピン移動スイッチングを用いて動作させてもよい。これらのＭＲＡＭ構成は、三次元メモリデバイスを生成するためにメモリデバイスの垂直積層を可能にする。当業者は、これらの三次元ＭＲＡＭメモリデバイスを製造するために本発明の実施形態をどのように使用できるかを理解するであろう。図５及び図６に示すようなＭＲＡＭの読み書き機構は、当業者にはよく知られている。

磁気記憶素子の非常に高い密度配列の製造を可能にするために、本発明の製造方法を使用して、直径が約１０ナノメートルで密度が１Ｔｂ／ｉｎ^２を超える磁気記憶素子を形成してもよい。更に、ワード線５２０とビット線５３０とはナノ細線で構成されていてもよい。

図６は、図５のメモリデバイスのある特定の実施形態であるＭＲＡＭメモリデバイスを通る垂直断面Ｘ−Ｘを示している。図６は、磁気記憶素子５１０を構成する磁区６１０と６１６とを含む完全な薄膜６１２と６１８とを示している。２つの薄膜６１２と６１８の間には絶縁薄膜６１４がある。ワード線５２０は基板６４０上にあり、ビット線５３０は薄膜６１２の上にある。図５及び図６のＭＲＡＭ構造は次のように製造してもよい。ワード線５２０を基板６４０上に形成する。基板及びワード線５２０を覆って第１の磁性薄膜を蒸着する。上述したように第１の磁性薄膜を処理して、領域６１８を非磁性にして、磁性体の磁区６１６を残す。絶縁体６１４の薄膜を処理済の第１の磁性薄膜の上に蒸着する。第２の磁性薄膜を絶縁体６１４の上に蒸着する。上述したように第２の磁性薄膜を処理して、領域６１２を非磁性にして、磁性体の磁区６１０を残す。処理中に、磁気記憶素子５１０を形成するように磁区６１０と６１６とをリソグラフィで位置合わせする。ビット線５３０を処理済の第２の磁性薄膜の上に形成する。各記憶素子５１０のところでクロスオーバを形成するようにワード線５２０とビット線５３０とをリソグラフィで位置合わせする。

本発明を、その好ましい実施形態に関して特に説明したが、本発明の要旨及び範囲を逸脱することなく、形式及び詳細における変更及び修正を行うことができることは当業者には容易に明らかであろう。添付の特許請求の範囲はこのような変更及び修正を含むものとする。

Claims (12)

1. 基板上の磁性薄膜内に磁区を形成する方法であって、
   レジストで前記磁性薄膜を被覆するステップと、
   前記磁性薄膜の領域が実質的にむき出しになるように、ナノインプリントパターン形成プロセスによって前記レジストをパターン形成するステップと、
   ホウ素イオン、リンイオン、ヒ素イオン、水素イオン、ヘリウムイオン、窒素イオン、又はシリコンイオンを含むプラズマに前記磁性薄膜を曝露するステップであって、基板は基板内に形成された中央開口を貫通するロッドによって垂直に保持され、プラズマイオンが前記磁性薄膜の前記実質的にむき出しの領域に浸透して、前記実質的にむき出しの領域を非磁性にするステップとを含む方法。
2. 前記磁性薄膜をプラズマに曝露するステップの後に、前記磁性薄膜をアニールして、これにより、前記磁性薄膜内の所望の深さへの注入イオンの浸透を促進するステップを更に含む請求項１記載の方法。
3. 前記磁性薄膜と真空容器側壁の間に高周波発生器を接続することにより前記プラズマを生成し、真空容器内に前記基板を配置する請求項１記載の方法。
4. 前記磁性薄膜を前記プラズマに曝露する前記ステップが、前記薄膜と前記真空容器側壁の間に直流バイアスを印加するステップを含んでいる請求項３記載の方法。
5. 前記磁性薄膜を前記プラズマに曝露する前記ステップが、前記薄膜と前記真空容器側壁の間に高周波バイアスを印加するステップを含んでいる請求項３記載の方法。
6. 前記形成するステップの前に、基板上に前記磁性薄膜を蒸着するステップを更に含み、
   前記蒸着するステップの前に、前記基板上にワード線を形成するステップを更に含み、
   前記曝露するステップの後に、前記磁区の上にビット線を形成するステップを更に含み、
   前記ワード線と前記ビット線とは前記磁区の位置で互いに交差しており、前記磁区のそれぞれは異なる磁気記憶素子の一部である請求項１記載の方法。
7. 薄膜磁気媒体ディスク上に磁区を形成する方法であって、
   レジストで前記ディスクの両面を被覆するステップと、
   前記磁性薄膜の領域が実質的にむき出しになるように前記レジストをパターン形成するステップと、
   ホウ素イオン、リンイオン、ヒ素イオン、水素イオン、ヘリウムイオン、窒素イオン、又はシリコンイオンを含むプラズマに前記ディスクの両面上の前記磁性薄膜を同時に曝露するステップであって、チャンバ側壁からロッドまで結合されたＲＦバイアス電源によって前記プラズマを生成し、基板はディスク内に形成された中央開口上に保持され、中央開口を貫通され、プラズマイオンが前記磁性薄膜の前記実質的にむき出しの領域に浸透して、前記実質的にむき出しの領域を非磁性の膜にするステップとを含む方法。
8. 接地電位に保持された真空容器と、
   制御された量のガスを前記真空容器の中へリークするように構成されたガス入口弁と、
   （１）前記真空容器内に収まり、（２）多数のディスクを保持して、ディスク内に形成された対応する中央円形開口のところで前記多数のディスクのそれぞれに接触し、 前記多数のディスクの間に間隔をあけて前記多数のディスクのそれぞれの両面が露出するようにして、（３）前記多数のディスクに電気的に接触するように構成されたディスク取り付け装置と、
   前記ディスク取り付け装置と前記真空容器とに電気的に接続され、これにより、前記真空容器内にプラズマを点火でき、前記ディスクの両面をプラズマイオンに均一に曝露する高周波信号発生器とを含む中央円形開口を有する薄膜磁気媒体ディスクのプラズマ注入処理のためのツール。
9. 前記ディスク取り付け装置が、前記ディスクの中央開口よりも小さい直径を有するロッドであり、前記ディスク取り付け装置は、前記ディスクの前記中央円形開口に結合する取付金具を含んでおり、前記取付金具のそれぞれは前記ディスク取り付け装置上の所定の位置に前記ディスクのうちの１つを保持して、前記ディスクのうちの前記１つと前記ディスク取り付け装置との間に電気的接続を提供するように構成されている請求項８記載のツール。
10. 前記ディスク取り付け装置が、単一平面内に複数のディスクを保持するように構成されたフレームであり、前記ディスク取り付け装置は、前記ディスクの前記中央円形開口に結合する取付金具を含んでおり、前記取付金具のそれぞれは前記ディスク取り付け装置上の所定の位置に前記ディスクのうちの１つを保持して、前記ディスクのうちの前記１つと前記ディスク取り付け装置との間に電気的接続を提供するように構成されている請求項８記載のツール。
11. 第１の形成された磁区配列を含む第１の連続薄膜であって、前記磁区は前記連続薄膜の非磁性領域で分離されており、前記連続薄膜の非磁性領域は、ホウ素、リン、ヒ素、水素、ヘリウム、窒素、又はシリコンからなる群より選択される少なくとも１つの元素を含み、前記第１の形成された磁区配列のそれぞれは異なる磁気記憶素子の一部である第１の連続薄膜と、
    前記第１の連続薄膜の下方に位置するワード線と、
    前記第１の連続薄膜の上方に位置するビット線を含み、
    前記ワード線と前記ビット線とは前記磁区の位置で互いに交差しているメモリデバイス。
12. 前記第１の連続薄膜に平行な第２の連続薄膜を更に含み、前記第２の連続薄膜は第２の形成された磁区配列を含んでおり、
    前記第２の磁区のそれぞれは前記第１の磁区のうちの対応する磁区と重なっている請求項１１記載のメモリデバイス。

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