JP7208767B2 - Manufacturing method and manufacturing apparatus for magnetoresistive element - Google Patents
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本開示の例示的実施形態は、磁気抵抗素子の製造方法及び製造装置に関する。 DETAILED DESCRIPTION Exemplary embodiments of the present disclosure relate to methods and apparatus for manufacturing magnetoresistive elements.
磁気抵抗素子のエッチングに関する技術は、例えば、特許文献1に記載されている。同文献には、窒化チタンをエッチングマスク層として用いる製造方法が開示されている。
A technique related to etching of a magnetoresistive element is described in
エッチング後のデバイス形状のバラつきを低減することができる磁気抵抗素子の製造方法及び製造装置が期待されている。 A manufacturing method and manufacturing apparatus for a magnetoresistive element capable of reducing variation in device shape after etching is expected.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造装置は、基板上の成膜の制御を行うコントローラを備え、コントローラは、以下の工程を実行する。すなわち、1つの工程では、基板上に、金属層及び磁性層を含む多層膜を形成する。1つの工程では、多層膜上に下地層を形成する。1つの工程では、下地層上に、下地層と同一晶構造を有するエッチングマスク層を形成する。下地層は酸化マグネシウム層であり、エッチングマスク層は窒化チタン層である。 In one exemplary embodiment, an apparatus for manufacturing a magnetoresistive element includes a controller that controls film formation on a substrate, and the controller performs the following steps. That is, in one process, a multi-layered film including a metal layer and a magnetic layer is formed on a substrate. In one step, an underlayer is formed over the multilayer film. In one step, an etching mask layer having the same crystal structure as the underlying layer is formed on the underlying layer. The underlying layer is a magnesium oxide layer and the etching mask layer is a titanium nitride layer.
一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子の製造方法及び製造装置によれば、エッチング後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 According to the method and apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to an exemplary embodiment, variations in device shape after etching can be reduced.
以下、種々の例示的実施形態について説明する。 Various exemplary embodiments are described below.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造方法は、以下の工程を備えている。すなわち、1つの工程では、基板上に、金属層及び磁性層を含む多層膜を形成する。1つの工程では、多層膜上に下地層を形成する。1つの工程では、下地層上に、下地層と同一晶構造を有するエッチングマスク層を形成する。多層膜上に、エッチングマスク層と同一の結晶構造を有する下地層を形成した場合、エッチングマスク層の結晶性が改善する。 In one exemplary embodiment, a method of manufacturing a magnetoresistive element includes the following steps. That is, in one process, a multi-layered film including a metal layer and a magnetic layer is formed on a substrate. In one step, an underlayer is formed over the multilayer film. In one step, an etching mask layer having the same crystal structure as the underlying layer is formed on the underlying layer. When an underlying layer having the same crystal structure as that of the etching mask layer is formed on the multilayer film, the crystallinity of the etching mask layer is improved.
また、エッチングマスク層をエッチングによりパターニングした場合、エッチングマスク層の残渣が減少する。残渣は、デバイス形状に影響を与えるので、このエッチングマスク層を用いて、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 Moreover, when the etching mask layer is patterned by etching, the residue of the etching mask layer is reduced. Since the residue affects the shape of the device, this etching mask layer can be used to reduce variations in the shape of the device after etching the multilayer film.
一つの例示的実施形態において、下地層は酸化マグネシウム層であり、エッチングマスク層は窒化チタン層であることができる。酸化マグネシウム(MgO)は、立方晶系の塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。窒化チタン(TiN)も塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。MgOの格子定数は0.421nm、TiNの格子定数は0.424nmである。これらの格子定数は近く、MgOとTiNとの格子整合性は高い。したがって、エッチングマスク層の結晶性が改善し、残渣を低減することができる。 In one exemplary embodiment, the underlayer can be a magnesium oxide layer and the etch mask layer can be a titanium nitride layer. Magnesium oxide (MgO) has a cubic sodium chloride-type crystal structure. Titanium nitride (TiN) also has a crystal structure of the sodium chloride type structure. MgO has a lattice constant of 0.421 nm, and TiN has a lattice constant of 0.424 nm. Their lattice constants are close and the lattice match between MgO and TiN is high. Therefore, the crystallinity of the etching mask layer is improved and the residue can be reduced.
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さは0.3nm以上であることができる。この場合、エッチングマスク層の残渣の密度を著しく低減させることができる。 In one exemplary embodiment, the thickness of the magnesium oxide layer can be 0.3 nm or greater. In this case, the density of residues in the etching mask layer can be significantly reduced.
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さは1.6nm以下であることができる。この場合、酸化マグネシウム層をトンネルできる電子数が増加し、十分にMR比が高くなる。 In one exemplary embodiment, the thickness of the magnesium oxide layer can be 1.6 nm or less. In this case, the number of electrons that can tunnel through the magnesium oxide layer increases, sufficiently increasing the MR ratio.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造方法は、エッチングマスク層をパターニングする工程と、パターニングされたエッチングマスク層をマスクとして、多層膜をエッチングする工程とを含むことができる。エッチングマスク層の結晶性は改善しているので、エッチング後の残渣が減少し、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 In one exemplary embodiment, a method of manufacturing a magnetoresistive element can include the steps of patterning an etching mask layer and etching a multilayer film using the patterned etching mask layer as a mask. Since the crystallinity of the etching mask layer is improved, the residue after etching is reduced, and variations in the device shape after etching the multilayer film can be reduced.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造装置は、基板上の成膜の制御を行うコントローラを備える。コントローラは、上述の工程を実行することができ、同様の作用効果を奏する。 In one exemplary embodiment, a magnetoresistive device manufacturing apparatus includes a controller that controls deposition on a substrate. The controller can perform the steps described above and have similar effects.
以下、図面を参照して種々の例示的実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附することとし、重複する説明は省略する。 Various exemplary embodiments are described in detail below with reference to the drawings. In each drawing, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations are omitted.
図1及び図2は、一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子(中間体)の縦断面構成を示す図である。図1に示す磁気抵抗素子10(中間体)は、複数の磁気抵抗素子を含んでおり、エッチングによって分離することで、1つの磁気抵抗素子となる。図2は、エッチングマスク層としても機能する上部電極層7をエッチングした直後の状態を示している。上部電極層7をエッチングマスク層として、開口直下の領域を基板1の表面までエッチングすると、基板上に2つの磁気抵抗素子が並んで配置されることになる。
1 and 2 are diagrams showing longitudinal cross-sectional configurations of magnetoresistive elements (intermediate bodies) according to one exemplary embodiment. A magnetoresistive element 10 (intermediate body) shown in FIG. 1 includes a plurality of magnetoresistive elements, which are separated by etching to form one magnetoresistive element. FIG. 2 shows the state immediately after etching the
磁気抵抗素子は、基板1上に順次積層された下部電極層2、固定層3、トンネル障壁層4、自由層5、下地層6及び上部電極層7を備えている。固定層3と自由層5の磁化の向きが平行の場合には、磁気抵抗素子の抵抗は低くなる。固定層3と自由層5の磁化の向きが反平行の場合には、磁気抵抗素子の抵抗は高くなる。固定層3及び自由層5は、強磁性体からなるが、自由層5は、固定層3と比較して、磁化の向きが変化しやすい。固定層3の磁化の向きを固定するには、その厚みを自由層5の厚みよりも大きくする方法、反強磁性層を交換結合させる方法、非磁性層を強磁性層で挟み交換結合させる方法がある。
The magnetoresistive element includes a
トンネル障壁層4は、絶縁層から構成され、トンネル効果により、電子が通過できる厚さに設定されている。
The
下部電極層2及び上部電極層7は、金属などの導電体からなる。基板1は、半導体からなる。ここで、上部電極層7の直下には、下地層6が配置されている。また、下地層6と自由層5との間には、導電性の接着層ADが介在しており、自由層5と下地層6とを接着している。接着層ADは、Ruなどの金属を用いることができる。Ruは、白金族元素(Ru、Rh、Pd、Os,Ir,Pt)に属しており、白金族元素は、融点が高いため、一般的な高融点金属(Ta、W、Mo、Nb)にも性質が類似する。したがって、接着層ADとしては、Ruが好ましいが、その他の金属元素を用いることも可能である。
The
磁気抵抗素子の材料例は、以下の通りである。 Examples of materials for the magnetoresistive element are as follows.
(実施例1)
・上部電極層7:TiN(導体):厚み90nm
・下地層6:MgO(絶縁体):厚み0.2nm~2nm
・接着層AD:Ru(導体):厚み10nm
・自由層5:CoFeを含む層構造(強磁性体):合計厚み4.9nm
・トンネル障壁層4:MgO(絶縁体):厚み1nm
・固定層3:CoPt(強磁性体)/Ru/CoPtを含む層構造:合計厚み13.1nm
・下部電極層2:Ta(導体)を含む電極層:厚み63nm
・基板1:Si(表面にSiO2層を有する)
接着層ADと基板1との間に位置する多層膜は、磁気抵抗素子の本体部であるが、実施例1は単なる一例であり、多層膜の組み合わせの層構造は無数に存在する。また、多層膜の構造は、上部電極層7のエッチングに対する効果には、ほとんど影響を与えないと考えられる。
(Example 1)
・Upper electrode layer 7: TiN (conductor): thickness 90 nm
- Underlying layer 6: MgO (insulator): thickness 0.2 nm to 2 nm
Adhesion layer AD: Ru (conductor):
Free layer 5: layer structure containing CoFe (ferromagnetic material): total thickness 4.9 nm
・Tunnel barrier layer 4: MgO (insulator):
Fixed layer 3: Layer structure including CoPt (ferromagnetic)/Ru/CoPt: total thickness 13.1 nm
- Lower electrode layer 2: electrode layer containing Ta (conductor): thickness 63 nm
Substrate 1: Si (with SiO2 layer on the surface)
The multilayer film positioned between the adhesive layer AD and the
(比較例)
比較例の構造は、実施例1から下地層6を除いた構造であり、接着層AD上に直接、上部電極層7が配置される。
(Comparative example)
The structure of the comparative example is a structure in which the
上部電極層7をパターニングする場合には、この上にBARC層8(反射防止膜)、レジスト層9を順次形成する(図2参照)。レジスト層9をパターニングした後、これをマスクとして、BARC層8をドライエッチングし、さらに、上部電極層7をドライエッチングする。この段階で、エッチングされた箇所を電子顕微鏡で観察した。
When patterning the
比較例の構造においては、接着層AD上に無数のTiNの残渣が観察された(図8参照)。一方、実施例1の構造においては、下地層6上の残渣Rの密度は、比較例の構造よりも著しく減少した(図9参照)。すなわち、下地層6を設けることにより、残渣の密度が減少することが判明した。これは、下地層6を用いることにより、上部電極層7の結晶性が改善していることが原因と考えられる。上部電極層7の結晶性が著しく悪ければ、エッチングが不均一になり、残渣が増加しやすいからである。下地層6を構成するMgOの厚みTが厚くなるほど、残渣は減少するが、厚みTが1.2nmを超えると、MR比が減少を始める。厚みTが1.6nmを超えると、MR比は大きく低下する。MgOの形成するトンネル障壁を電子が通過できなくなるからと考えられる。これに伴い、厚みTが1.6nmを超えると、磁気抵抗素子の面抵抗RA(Ω・μm2)が著しく増加する。
In the structure of the comparative example, numerous TiN residues were observed on the adhesive layer AD (see FIG. 8). On the other hand, in the structure of Example 1, the density of the residue R on the
なお、実施例1の多層膜の構造は、上部電極層7のエッチングに対する効果には、ほとんど影響を与えないと考えられるが、具体的には、自由層以下の層構造は、上から順番に以下の通りである。なお、CoFeB25は、ホウ素の含有率25%のCoFeであり、上部の自由層5内に位置するMgO層はキャップ層である。また、Co層とPt層の積層構造は、CoPt層として機能することができる。
The structure of the multilayer film of Example 1 is considered to have little effect on the etching effect of the
(実施例1の層構造の具体的な例)
・自由層5:
・CoFeB25:厚み1nm
・MgO:厚み1nm(キャップ層)
・CoFeB25:厚み1nm
・W:厚み0.5nm
・CoFeB25:厚み1.4nm
・トンネル障壁層4
・MgO:厚み1nm
・固定層3
・CoFeB25:厚み1.2nm
・W:厚み0.5nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Ru:厚み1nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み0.3nm
・Co:厚み0.5nm
・Pt:厚み3nm
・下部電極層2:
・TaN:厚み10nm
・Ru:厚み20nm
・TaN:厚み10nm
・Ru:厚み20nm
・Ta:厚み3nm
図3は、MgO層の厚さT(nm)とTiNの残渣密度DN(個/μm2)の関係を示すグラフである。なお、図8、図9、図10、図11は、それぞれ、T=0、T=0.2nm、T=0.3nm、T=0.4nmの場合の磁気抵抗素子の縦断面SEM写真を示す図である。
(Specific example of layer structure of Example 1)
- Free layer 5:
・ CoFeB25:
・MgO:
・ CoFeB25:
・W: thickness 0.5 nm
・CoFeB25: thickness 1.4 nm
・
・MgO:
・
・CoFeB25: thickness 1.2 nm
・W: thickness 0.5 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Ru:
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt: thickness 0.3 nm
· Co: thickness 0.5 nm
・Pt:
- Lower electrode layer 2:
・TaN:
・Ru:
・TaN:
・Ru:
・Ta:
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness T (nm) of the MgO layer and the TiN residue density D N (pieces/μm 2 ). 8, 9, 10, and 11 are longitudinal cross-sectional SEM photographs of magnetoresistive elements when T=0, T=0.2 nm, T=0.3 nm, and T=0.4 nm, respectively. FIG. 4 is a diagram showing;
MgOの下地層6を用いない比較例では、残渣密度DNは285(個/μm2)であった(図8参照)が、下地層6を用いた実施例1では、残渣密度DNは減少した。下地層6の厚みT=0.2(nm)ではDN=65(個/μm2)となり(図9参照)、厚みT=0.3(nm)ではDN=0(個/μm2)となった(図10参照)。厚みT=0.4(nm)ではDN=0(個/μm2)である(図11参照)。すなわち、厚みT≧0.3(nm)ではDN=0(個/μm2)である。
In the comparative example without the
残渣減少の観点からは、0(nm)<Tが好ましい。さらに、0.2(nm)<Tが好ましい。さらに、0.3(nm)<Tが好ましい。 From the viewpoint of residue reduction, 0 (nm)<T is preferable. Furthermore, 0.2 (nm)<T is preferable. Furthermore, 0.3 (nm)<T is preferable.
図4は、MgO層の厚さT(nm)と磁気抵抗変化率(MR比)MR(%)の関係を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness T (nm) of the MgO layer and the magnetoresistance ratio (MR ratio) MR (%).
MgOの下地層6を用いない比較例では、MR比の値MR=153(%)であったが、下地層6を用いた実施例1では、MR比は増加し、下地層6の厚みT=0.4(nm)ではMR=160(%)となった。下地層6の厚みT=0.8(nm)ではMR=163(%)と更に更に増加した。下地層6の厚みT=1.2(nm)ではMR=164(%)と更に更に増加する。下地層6の厚みT=1.6(nm)ではMR=138(%)であり、残渣が減少するという効果はあるものの、MR比は若干低下する。下地層6の厚みT>1.2(nm)ではMR比は低下を始め、下地層6の厚みT>1.6(nm)ではMR比は大きく低下を始める。
In the comparative example that does not use the
MR比の観点からは、0(nm)<T≦1.6(nm)が好ましい。さらに、0(nm)<T≦1.2(nm)が好ましい。さらに、0.4(nm)≦T≦1.2(nm)が好ましい。さらに、0.4(nm)≦T≦1.2(nm)が好ましい。さらに、0.8(nm)≦T≦1.2(nm)が好ましい。 From the viewpoint of the MR ratio, 0 (nm)<T≦1.6 (nm) is preferable. Furthermore, 0 (nm)<T≦1.2 (nm) is preferable. Furthermore, 0.4 (nm) ≤ T ≤ 1.2 (nm) is preferable. Furthermore, 0.4 (nm) ≤ T ≤ 1.2 (nm) is preferable. Furthermore, 0.8 (nm) ≤ T ≤ 1.2 (nm) is preferable.
図5は、MgO層の厚さT(nm)と面抵抗RA(Ω・μm2)の関係を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing the relationship between the thickness T (nm) of the MgO layer and the surface resistance RA (Ω·μm 2 ).
磁気抵抗素子の面抵抗の観点からは、T≦1.6nmであることが好ましい。厚みTが1.6nmを超えると、面抵抗が急激に増加を始めるからである。 From the viewpoint of the surface resistance of the magnetoresistive element, it is preferable that T≦1.6 nm. This is because when the thickness T exceeds 1.6 nm, the sheet resistance begins to increase sharply.
なお、関連実験として、実施例1の下地層としてのMgO層(100)の厚みTをT=0nm、T=1nm、T=3nmと変化させた。MgO層の厚みを増加させると、X線回折測定の結果によれば、下地層の上に形成されるTiN(200)のピークの高さは、MgOの厚みが増加するほど増加し、半値幅も狭くなった。T=0nmの場合のTiN(200)のピーク値=302とし、T=1nmの場合のピーク値=465、T=3nmの場合のピーク値=801であった。これにより、MgO層を下地層として使うことにより、TiN層の結晶性が向上していることが分かる。 As a related experiment, the thickness T of the MgO layer (100) as the underlayer in Example 1 was changed to T=0 nm, T=1 nm, and T=3 nm. When the thickness of the MgO layer is increased, according to the X-ray diffraction measurement results, the height of the peak of TiN(200) formed on the underlayer increases with increasing MgO thickness, and the half-value width also narrowed. The peak value of TiN(200) at T=0 nm was 302, the peak value at T=1 nm was 465, and the peak value at T=3 nm was 801. From this, it can be seen that the crystallinity of the TiN layer is improved by using the MgO layer as the underlayer.
(製造方法)
上記の各層は、成膜装置によって形成することができる。成膜には、化学的気相成長(CVD)法の他、スパッタ法を用いることができる。マグネトロン・スパッタ装置においては、Ar又はKrなどの希ガスをプラズマ化し、これを用いて、対象となる材料を含有するターゲットをスパッタし、スパッタされた原子を基板1上に堆積させる。酸化物層の形成においては、スパッタ時に酸素ガスを導入すればよい。窒化物層の形成においては、スパッタ時に窒素ガスを導入すればよい。
(Production method)
Each layer described above can be formed by a film forming apparatus. A chemical vapor deposition (CVD) method as well as a sputtering method can be used for film formation. In a magnetron sputtering apparatus, a noble gas such as Ar or Kr is plasmatized and used to sputter a target containing the material of interest, depositing the sputtered atoms onto the
実施例1の層構造の形成においては、まず。基板1としてSi基板を用意し、表面を熱酸化してSiO2層を形成する。次に、上述の層構造を、下から順番に形成する。各層の形成方法は、以下の通りである。
In the formation of the layered structure of Example 1, first. A Si substrate is prepared as the
・Ta層:スパッタのターゲットとしてTaを用い、Ta層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはKrである。 Ta layer: Ta is used as a sputtering target to form a Ta layer. The gas that generates plasma for sputtering is Kr.
・Ru層:スパッタのターゲットとしてRuを用い、Ru層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはArである。 Ru layer: Ru is used as a sputtering target to form a Ru layer. The gas that generates plasma for sputtering is Ar.
・TaN層:スパッタのターゲットとしてTaを用い、Taのスパッタ時に窒素ガスを処理容器内に導入することで、TaN層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはArとN2である。 TaN layer: A TaN layer is formed by using Ta as a sputtering target and introducing a nitrogen gas into the processing container during Ta sputtering. The gases that generate plasma for sputtering are Ar and N2 .
・Co層:スパッタのターゲットとしてCoを用い、Co層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはKrである。 Co layer: Co is used as a sputtering target to form a Co layer. The gas that generates plasma for sputtering is Kr.
・Pt層:スパッタのターゲットとしてPtを用い、Pt層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはKrである。 Pt layer: Pt is used as a sputtering target to form a Pt layer. The gas that generates plasma for sputtering is Kr.
・W層:スパッタのターゲットとしてWを用い、W層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはKrである。 • W layer: W is used as a sputtering target to form a W layer. The gas that generates plasma for sputtering is Kr.
・CoFeB25層:スパッタのターゲットとしてCoFeB25を用い、CoFeB25層を形成する。スパッタ用のプラズマを発生するガスはArである。 CoFeB25 layer: CoFeB25 is used as a sputtering target to form a CoFeB25 layer. The gas that generates plasma for sputtering is Ar.
・MgO層:スパッタのターゲットとしてMgを用い、Mg層を形成した後、O2ガスを導入してMgを酸化させ、MgOを形成する。Mgのスパッタ用のプラズマを発生するガスはArである。なお、形成されたMgO層の表面はMgO(100)面である。 MgO layer: Mg is used as a sputtering target, and after the Mg layer is formed, O2 gas is introduced to oxidize the Mg to form MgO. The gas that generates plasma for Mg sputtering is Ar. The surface of the formed MgO layer is the MgO (100) plane.
以上のように、スパッタ時のターゲットとして、Ta,Ru,Co,Pt,W,CoFeB25、Mgの7種類があれば、上述の層構造を形成することができる。 As described above, the above-described layered structure can be formed if there are seven types of targets for sputtering: Ta, Ru, Co, Pt, W, CoFeB25, and Mg.
図6は、一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子の製造装置の構成を示す図である。基板1としてのSiウエハは、ロードロック室16を介して、搬送室15に搬送される。基板1上の成膜を行う場合には、搬送室15から、プラズマ処理装置としての成膜チャンバP1のステージS1上に基板1は搬送される。基板1上のエッチングを行う場合には、搬送室15から、プラズマ処理装置としてのエッチングチャンバP2のステージS2上に基板1は搬送される。搬送は、搬送室内に配置された搬送ロボット(ロボットアーム)が行う。
FIG. 6 is a diagram showing the configuration of a magnetoresistive element manufacturing apparatus according to an exemplary embodiment. A Si wafer as the
成膜チャンバP1には、処理ガスが、流量制御装置12を介して、ガス供給源11から供給されている。処理ガスは、プラズマを生成するためのAr、Kr、酸化や窒化を行うためのO2やN2である。エッチングチャンバP2には、エッチング用ガスが、流量制御装置12を介して、ガス供給源11から供給されている。
A processing gas is supplied from a
成膜チャンバP1は、複数のターゲットTGを収容したRFマグネトロン・スパッタ装置であり、ステージS1とターゲットTGとの間には、高周波電源14から高周波電圧(13.56MHz)が印加される。搬送室15、ロードロック室16、成膜チャンバP1、エッチングチャンバP2は、それぞれ複数の排気装置17にそれぞれ接続されており、必要に応じて、内部のガスが排気される。なお、同図では、排気装置17のブロックは1つであるが、複数の排気装置を意味している。処置ガスが、成膜チャンバP1内に導入され、内部の圧力が減圧されると、高周波電源14から、指定のターゲットTGに電力供給が行われ、チャンバ内にプラズマが発生する。このプラズマのガスが、ターゲットTGをスパッタすることで、ターゲット材料が基板上に堆積される。
The film forming chamber P1 is an RF magnetron sputtering apparatus containing a plurality of targets TG, and a high frequency voltage (13.56 MHz) is applied from a high
同図では、ターゲットTGの数は3つを示しているが、これは7種類のターゲット(Ta,Ru,Co,Pt,W,CoFeB25、Mg)を成膜チャンバ内に配置することも可能である。ターゲットTGの数は、必要に応じて、変更することができ、また、ターゲット自体を入れ替えることも可能である。 In the figure, three targets TG are shown, but it is also possible to arrange seven types of targets (Ta, Ru, Co, Pt, W, CoFeB25, Mg) in the deposition chamber. be. The number of target TGs can be changed as needed, and the targets themselves can be replaced.
エッチングチャンバP2は、プラズマエッチング装置であり、一般には、平行平板型のプラズマエッチング装置を用いることができるが、その他のエッチング装置も用いることができる。この場合、ステージS2と上部電極との間には、高周波電源14から高周波電圧(13.56MHz)が印加される。高周波電源14から、上部電極に電力供給が行われると、チャンバ内にプラズマが発生する。このプラズマのガスが、基板上に到達することで、基板表面上の層がエッチングされる。ドライエッチング時に導入されるガスとしては、COとO2の混合ガスなどである。
The etching chamber P2 is a plasma etching device, and generally a parallel plate type plasma etching device can be used, but other etching devices can also be used. In this case, a high frequency voltage (13.56 MHz) is applied from the high
コントローラ13は、成膜チャンバP1、エッチングチャンバP2、搬送室15の搬送ロボットを制御し、上述の積層構造を形成し、磁気抵抗素子を形成する制御を行う。
The
図7は、一つの例示的実施形態に係る磁気抵抗素子の製造方法を示すフローチャートである。磁気抵抗素子の本体として、自由層5以下の層は、基板1上にすでに形成されているものとする。自由層5以下の層は、各層を構成する材料のターゲットを積層の順番通りに選択し、対応する処理ガスを成膜チャンバP1に導入すれば、形成することができる。上記の実施例1の条件の場合、自由層5の形成後、最表面には、CoFeB25層が形成されている。本例では、自由層5の形成された基板を成膜チャンバP1のステージS1上に配置し、図1の構造に示すように、自由層5上に、Ru層からなる接着層ADを、スパッタ法で自由層5上に形成する(S11)。次に、MgO層からなる下地層6を、スパッタ法で、接着層AD上に形成する(S12)。続いて、TiN層からなるハードマスク層としての上部電極層7をスパッタ法で、下地層6上に形成する(S13)。
FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a magnetoresistive element according to one exemplary embodiment. It is assumed that the layers below the
次に、ハードマスク層のパターニングを行う。まず、搬送室15の搬送ロボットを制御し、ロードロック室16までウエハ(基板)を搬送し、ロードロック室16からウエハを取り出す。上部電極層7上にBARC層8(反射防止膜)の形成、レジスト層9を順次形成する(S14:図2参照)。BARC層8の材料は、SiO2であり、形成方法は、スピンコートである。レジスト層9は、市販のフォトレジストをスピンコートで塗布することにより形成する。レジスト層9をプリベークした後、ウエハを露光装置に搬送し、レジスト層9を所望のパターンで露光する(S15)。次に、レジスト層9を、現像装置に搬送し、現像液を用いて、レジスト層9の現像処理を行い、レジスト層9をパターニングする(S16)。しかる後、レジスト層9のポストベークを行う。
Next, the hard mask layer is patterned. First, the transfer robot in the
次に、ウエハをロードロック室16に導入し、搬送室15の搬送ロボットを制御して、ロードロック室16からエッチングチャンバP2までウエハを搬送する。しかる後、レジスト層9をマスクとして、BARC層をプラズマ・ドライエッチングする(S17)。エッチングチャンバP2に導入するドライエッチング用のガスは、フッ素系のガスであり、具体的には、CHF3、CF4である。
Next, the wafer is introduced into the
続いて、レジスト層9及びBARC層8をマスクとして、上部電極層7(ハードマスク層)をプラズマ・ドライエッチングする(S18)。エッチングチャンバP2に導入するドライエッチング用のガスは、塩素系のガスであり、具体的には、Cl2、BCl4、ある。これにより、上部電極層7がパターニングされ、下地層6の表面が露出する。
Subsequently, using the resist
次に、搬送室15の搬送ロボットを制御し、ロードロック室16までウエハ(基板)を搬送し、ロードロック室16からウエハを取り出す。次に、レジスト層9をO2プラズマによるアッシングで除去する(S19)。なお、BARC層8は、残しておくことができる。
Next, the transfer robot in the
次に、上部電極層7をマスクとして、上部電極層7よりも下部の層をドライエッチングする。したがって、ウエハをロードロック室16に導入し、搬送室15の搬送ロボットを制御して、ロードロック室16からエッチングチャンバP2までウエハを搬送する。しかる後、上部電極層7(ハードマスク層)をマスクとして、下地層6、接着層AD、自由層5、トンネル障壁層4、固定層3、下部電極層2を、プラズマ化したエッチングガスで、ドライエッチングする(S20)。エッチングチャンバP2に導入するドライエッチング用のガスは、酸素を含むガスであり、具体的には、CO、O2である。基板1の表面が露出した時点で、エッチングを停止する。図2に示された磁気抵抗素子は、2つに分離され、2つの磁気抵抗素子が完成する。
Next, using the
以上、説明したように、上述の磁気抵抗素子の製造方法は、以下の工程を備えている。すなわち、1つの工程では、基板1上に、金属層(下部電極層2)及び磁性層(Co層、Pt層、CoPt層、CoFe層を含む固定層3及び自由層5)を含む多層膜ML(下部電極層2、固定層3、トンネル障壁層4、自由層5)を形成する。1つの工程では、多層膜上に下地層6を形成する。1つの工程では、下地層6上に、下地層6と同一晶構造を有するエッチングマスク層(上部電極層7)を形成する。多層膜上に、エッチングマスク層(TiN)と同一の結晶構造を有する下地層(MgO)を形成した場合、エッチングマスク層の結晶性が改善する。
As described above, the above-described method for manufacturing a magnetoresistive element includes the following steps. That is, in one step, a multilayer film ML including a metal layer (lower electrode layer 2) and magnetic layers (a
また、エッチングマスク層(上部電極層7)をエッチングによりパターニングした場合、エッチングマスク層の残渣が減少する。残渣は、デバイス形状に影響を与えるので、このエッチングマスク層を用いて、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 Moreover, when the etching mask layer (upper electrode layer 7) is patterned by etching, the residue of the etching mask layer is reduced. Since the residue affects the shape of the device, this etching mask layer can be used to reduce variations in the shape of the device after etching the multilayer film.
一つの例示的実施形態において、下地層6は酸化マグネシウム層であり、エッチングマスク層は窒化チタン層であることができる。酸化マグネシウム(MgO)は、立方晶系の塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。窒化チタン(TiN)も塩化ナトリウム型構造の結晶構造を有する。MgOの格子定数は0.421nm、TiNの格子定数は0.424nmである。これらの格子定数は近く、MgOとTiNとの格子整合性は高い。したがって、エッチングマスク層の結晶性が改善し、残渣を低減することができる。
In one exemplary embodiment, the
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さTは0.3nm以上(0.3≦T)であることができる。この場合、エッチングマスク層の残渣の密度を著しく低減させることができる。 In one exemplary embodiment, the thickness T of the magnesium oxide layer can be 0.3 nm or more (0.3≦T). In this case, the density of residues in the etching mask layer can be significantly reduced.
一つの例示的実施形態において、酸化マグネシウム層の厚さは1.6nm以下(T≦1.6)であることができる。この場合、酸化マグネシウム層をトンネルできる電子数が増加し、十分にMR比が高くなる。 In one exemplary embodiment, the thickness of the magnesium oxide layer can be 1.6 nm or less (T≦1.6). In this case, the number of electrons that can tunnel through the magnesium oxide layer increases, sufficiently increasing the MR ratio.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造方法は、エッチングマスク層(上部電極層)をパターニングする工程(S18)と、パターニングされたエッチングマスク層をマスクとして、多層膜をエッチングする工程(S20)とを含むことができる。エッチングマスク層の結晶性は改善しているので、エッチング後の残渣が減少し、多層膜をエッチングした後のデバイス形状のバラつきを低減することができる。 In one exemplary embodiment, a method for manufacturing a magnetoresistive element includes a step of patterning an etching mask layer (upper electrode layer) (S18) and a step of etching a multilayer film using the patterned etching mask layer as a mask ( S20). Since the crystallinity of the etching mask layer is improved, the residue after etching is reduced, and variations in device shape after etching the multilayer film can be reduced.
一つの例示的実施形態において、磁気抵抗素子の製造装置は、基板上の成膜の制御を行うコントローラ13を備えるZ(図6参照)。コントローラ13は、上述の全ての工程を制御し、実行することができる。上述の手法により製造された磁気抵抗素子は、下地層6により、上部電極層7の結晶性を改善しつつ、バラつきを抑え、電気特性およびスループットを好適に維持することができる。
In one exemplary embodiment, the apparatus for manufacturing a magnetoresistive element Z comprises a
下地層6の材料としては、MgOが好ましいが、TiNと同一のNaCl構造を有する結晶として、MgOの他、CaO、CdO、MnS又はPbSなどを用いても、TiNの結晶性が改善し、残渣が減少すると考えられる。
Although MgO is preferable as the material for the
また、磁気抵抗素子の本体部を形成する多層膜の構造としては、自由層としてCoFe層を用い、固定層として、強磁性体層(CoFe)と反強磁性体層(PtMn)を結合したものを用いるなど、種々の層構造が考えられる。なお、上述の残渣の低減効果は、多層膜の構造に依存することなく、得られると考えられる。 The structure of the multilayer film forming the main body of the magnetoresistive element is such that a CoFe layer is used as the free layer, and a ferromagnetic layer (CoFe) and an antiferromagnetic layer (PtMn) are combined as the fixed layer. Various layer structures are conceivable, such as using In addition, it is considered that the effect of reducing the residue described above can be obtained without depending on the structure of the multilayer film.
1…基板、2…下部電極層(金属層)、3…固定層(磁性層)、4…トンネル障壁層、5…自由層(磁性層)、AD…接着層、6…下地層、7…上部電極層(ハードマスク層、エッチングマスク層)、8…BARC層、9…レジスト層、10…磁気抵抗素子、11…ガス供給源、12…流量制御装置、13…コントローラ、14…高周波電源、15…搬送室、16…ロードロック室、17…排気装置、P1…成膜チャンバ、P2…エッチングチャンバ、S1…ステージ、ML…多層膜。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
基板上の成膜の制御を行うコントローラを備え、
前記コントローラは、
前記基板上に、金属層及び磁性層を含む多層膜を形成する工程と、
前記多層膜上に下地層を形成する工程と、
前記下地層上に、前記下地層と同一の結晶構造を有するエッチングマスク層を形成する工程と、
を実行し、
前記下地層は酸化マグネシウム層であり、
前記エッチングマスク層は窒化チタン層である、
磁気抵抗素子の製造装置。 An apparatus for manufacturing a magnetoresistive element,
Equipped with a controller that controls film formation on the substrate,
The controller is
forming a multilayer film including a metal layer and a magnetic layer on the substrate;
forming an underlying layer on the multilayer film;
forming an etching mask layer having the same crystal structure as the underlying layer on the underlying layer;
and run
The underlying layer is a magnesium oxide layer,
the etching mask layer is a titanium nitride layer;
Manufacturing equipment for magnetoresistive elements.
請求項1に記載の磁気抵抗素子の製造装置。 The magnesium oxide layer has a thickness of 0.3 nm or more.
2. The apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1 .
請求項1又は2に記載の磁気抵抗素子の製造装置。 The magnesium oxide layer has a thickness of 1.6 nm or less.
3. The apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1 .
前記エッチングマスク層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記エッチングマスク層をマスクとして、前記多層膜をエッチングする工程と、
を実行する、
請求項1~3のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子の製造装置。 The controller is
patterning the etching mask layer;
etching the multilayer film using the patterned etching mask layer as a mask;
run the
The apparatus for manufacturing a magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 3 .
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