JPWO2016027388A1 - 磁気抵抗効果素子の製造方法および製造システム - Google Patents

Abstract

磁気抵抗効果素子のさらなる微細化、即ち、集積度のさらなる増大を実現するとともに、高い磁気特性を有する磁気抵抗効果素子を製造することができる磁気抵抗効果素子の製造方法および製造システムを提供する。基板上に、二つの磁性層の一方の層と、トンネル障壁層を構成する層と、二つの磁性層の他方の層と、を備えた積層体を、エッチングにより複数に分離し、基板上に分離された複数の積層体を形成する工程Ｓ１２２と、分離された複数の積層体の表面にカーボン膜を成膜する工程Ｓ１２４と、カーボン膜を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化によりカーボン膜を除去する工程Ｓ１２５と、カーボン膜が除去された複数の積層体を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により複数の積層体の表面に酸化層を形成する工程Ｓ１２６と、を有し、工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６を、同一チャンバー内で大気開放することなく連続して行う。

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子の製造方法および製造システムに関するものである。

ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magneto Resistive）を利用したＴＭＲ素子を有する不揮発性メモリである。ＭＲＡＭは、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）並みの集積密度とＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）並みの高速性を持ち、且つ無制限にデータが書き換えられる。このため、ＭＲＡＭは、画期的な次世代メモリとして注目されている。

ＴＭＲ素子は、例えば、信号の読み出しおよび書き込みに使うワード線とビット線との交点に設置される。ＴＭＲ素子は、その最下層の下地層と最上層のキャップ層がそれぞれ下部電極、上部電極に加工され、配線に接続することで電極の役割を果たすメモリセルとして使われる。

ＴＭＲ素子では、下部電極から上部電極へとＴＭＲ素子内に電流を垂直に流し、強磁性層である磁化自由層の磁化の向きを自由に変えることにより、絶縁層に流れる電流の電気抵抗値の高低が変化する。ＭＲＡＭでは、このＴＭＲ素子の低抵抗状態および高抵抗状態をそれぞれ「０」および「１」に対応させ、メタル配線と情報を交換することで情報の読み出し、書き込みを行う。

ＭＲＡＭ等に適用可能な磁気抵抗効果素子の製造方法として、特許文献１には、多層磁性膜を反応性イオンビームエッチングにより加工する際に生ずる多層磁性膜へのダメージを課題とした発明が開示されている。

この特許文献１に開示された発明は、反応性イオンエッチングによる加工により多層磁性膜に形成されたダメージ層をイオンビーム照射により除去するものである。特許文献１には、ダメージ層を除去して得られた清浄な磁性膜表面に保護膜（窒化アルミニウム等）を形成することが記載されている。

国際公開第２００７／０３２３７９号

特許文献１に開示された発明は、ダメージ層の除去による磁気特性の向上により歩留まりを改善するものであり、本技術分野における貢献度は非常に大きい。

ところが、この特許文献１が公開された２００７年当時と、今日では、例えば、ＭＲＡＭ作製の際に要求される微細化の度合いが大きく異なっている。２００７年と比して１６倍程度以上の集積度が要求される今日では、この文献に開示された技術では、必ずしも十分に対応できないというのが実状である。

本発明者らは、検討の結果、イオンビーム照射後、保護層形成までの間に、加工された多層磁性膜に新たな堆積物（付着物）が付着することが、今日要求される微細化と磁気特性とを同時に満足させる障害となり得るとの知見を得た。

本発明は、磁気抵抗効果素子のさらなる微細化、即ち、集積度のさらなる増大を実現するとともに、高い磁気特性を有する磁気抵抗効果素子を製造することができる磁気抵抗効果素子の製造方法および製造システムを提供することを目的とする。

本発明の一観点により提供される磁気抵抗効果素子の製造方法は、二つの磁性層の間にトンネル障壁層を配して構成される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、基板上に、前記二つの磁性層の一方の層と、前記トンネル障壁層を構成する層と、前記二つの磁性層の他方の層と、を備えた積層体を、エッチングにより複数に分離し、前記基板上に分離された複数の積層体を形成する工程と、前記分離された複数の積層体の表面にカーボン膜を成膜する工程と、前記カーボン膜を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記カーボン膜を除去する工程と、前記カーボン膜が除去された前記複数の積層体を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記複数の積層体の表面に酸化層を形成する工程と、を有し、前記カーボン膜を除去する工程および前記酸化層を形成する工程を、同一チャンバー内で大気開放することなく連続して行うことを特徴とするものである。

また、本発明の他の観点により提供される磁気抵抗効果素子の製造システムは、二つの磁性層の間にトンネル障壁層を配して構成される磁気抵抗効果素子の製造システムであって、第１のチャンバーを有し、前記第１のチャンバー内において、基板上に、前記二つの磁性層の一方の層と、前記トンネル障壁層を構成する層と、前記二つの磁性層の他方の層と、を備えた積層体をエッチングにより複数に分離し、前記基板上に分離された複数の積層体を形成するエッチング装置と、前記第１のチャンバーに接続された第２のチャンバーを有し、前記第２のチャンバー内において、前記分離された複数の積層体の表面にカーボン膜を成膜する成膜装置と、前記第２のチャンバーに接続された第３のチャンバーを有し、前記第３のチャンバー内において、前記カーボン膜を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記カーボン膜を除去するとともに、前記カーボン膜が除去された前記複数の積層体を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記複数の積層体の表面に酸化層を形成する酸化処理装置とを有することを特徴とするものである。

本発明によれば、磁気抵抗効果素子のさらなる微細化、即ち、集積度のさらなる増大を実現するとともに、高い磁気特性を有する磁気抵抗効果素子を製造することができる。

本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するためのフロー図である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法で得られる磁気抵抗効果素子を説明するための模式図（その１）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法で得られる磁気抵抗効果素子を説明するための模式図（その２）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を実施するに好適な製造システムを説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるエッチングに適用可能な処理装置を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるイオンビーム照射に適用可能な処理装置を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるカーボン膜の成膜に適用可能な処理装置を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法におけるカーボン膜の除去および酸化層の形成に適用可能な処理装置を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その１）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その２）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その３）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その４）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その５）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その６）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その７）である。 本発明の一実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための工程断面図（その８）である。

以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態を説明するが、本発明は、ここで説明する実施形態に限定されるものではなく、本発明は、要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

図１は、本実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法において実施される各工程を示している。なお、本実施形態では、磁気抵抗効果素子として、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子を製造する場合について説明する。本実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法は、図１に示すように、順次実施される工程Ｓ１２１、工程Ｓ１２２、工程Ｓ１２３、工程Ｓ１２４、工程Ｓ１２５、および工程Ｓ１２６を有する。

工程Ｓ１２１は、基板上に、トンネル障壁層として機能する層を挟持する２つの磁性層を備えた積層体を用意する工程である。

この工程Ｓ１２１は、通常、基板上に電極層等を形成した後、磁化自由層および磁化固定層として機能する磁性層、トンネル障壁層として機能する絶縁層を積層し、磁化自由層、絶縁層および磁化固定層を有する積層体を得る工程である。積層体が形成される基板は、ＴＭＲ素子形成の基板として用いられる例えばシリコン、ガラス等からなる基板である。この工程Ｓ１２１は、公知の手法を採用して実施が可能である。例えば、磁化自由層、絶縁層および磁化固定層の形成には、スパッタ法、化学気相成長法（ＣＶＤ法）等の各種の成膜方法を用いることができる。

工程Ｓ１２２は、工程Ｓ１２１で得られた積層体をエッチングにより複数に分離し、基板上に分離された複数の積層体を形成する工程である。

この工程Ｓ１２２は、一般的に行われる積層体へのハードマスク層形成、フォトレジスト塗布、フォトレジストのパターニングに加えてドライエッチング処理を行なうことにより、積層体（膜）を個々の分離された複数の積層体に加工する工程である。分離された複数の積層体の各々はＴＭＲ素子として機能する。

この工程Ｓ１２２におけるドライエッチングには、例えば、反応性イオンエッチングや、次に述べる工程Ｓ１２３で用いられるイオンビーム照射を採用することができる。工程Ｓ１２２は、このようなドライエッチングを行うエッチング装置のエッチングチャンバー内で行うことができる。

工程Ｓ１２３は、工程Ｓ１２２で得られた基板上の分離された複数の積層体の主に側部（側壁部）にイオンビーム照射することで、トリミング処理を行うものである。このトリミング処理は、工程Ｓ１２２のドライエッチングで生ずる各積層体の側部のダメージ層、堆積物（付着物）等を除去するものである。ここで、積層体の側部とは、積層体の側壁部のことであり、上面を含まない表面である。トリミング処理により除去されるダメージ層等には、酸化によるダメージ層、意図せずに積層体の側部（側壁部）に付着して堆積する水、有機物、無機物等の堆積物が含まれる。このような堆積物は、例えば、エッチング残渣、エッチング残渣とエッチングガス等のガスとの反応物である。

この工程Ｓ１２３には、プラズマを発生させて生ずるイオンをビームとして取り出して、そのビームを加工物に照射するイオンビームエッチング装置を採用することができる。イオンをビームとして取り出すプラズマの生成には、アルゴン（Ａｒ）ガス、クリプトン（Ｋｒ）ガス、キセノン（Ｘｅ）ガス等の不活性ガスを用いることができる。イオンビームの照射するためのプラズマの生成に不活性ガスを用いることにより、イオンビームと積層体材料との反応を抑制することができ、積層体の表面をより清浄なものとすることができる。

工程Ｓ１２４は、工程Ｓ１２３でイオンビーム照射を行った後、複数の積層体の表面にカーボン膜を成膜する工程である。

この工程Ｓ１２４では、工程Ｓ１２３におけるイオンビーム照射を行った後にカーボン膜を形成することで、異なるチャンバーへの搬送、装置の外に搬出した際に生ずる吸着性分子（Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、有機物等）の吸着等による汚染を抑制することができる。カーボン膜は、例えばスパッタ法により成膜することができる。なお、カーボン膜の膜厚は、特定の厚さに限定されるものではなく、適宜設定することができるが、例えば３〜１０ｎｍに設定することが好ましい。カーボン膜の膜厚を３ｎｍ以上とすることにより、汚染を抑制する保護膜としての機能を確保することができる。一方、カーボン膜の膜厚を１０ｎｍ以下とすることにより、次に述べる工程Ｓ１２５で効率よくカーボン膜を除去することができ、処理時間を短縮して高い処理効率を確保することができる。

カーボン膜を成膜した工程Ｓ１２４と酸化によりカーボン層を除去する次の工程Ｓ１２５との間には、例えば、複数の積層体の寸法を確認する検査工程が行われる。検査工程は、例えば製造システムに備えられた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Scanning Electron Microscope）のチャンバー内で行ってもよいし、製造システムの外に設けられたＳＥＭ等の検査装置で行ってもよい。検査工程を行うための基板の搬送に際して、基板が大気下に取り出されることがあっても、基板上の積層体の表面に成膜されたカーボン膜が保護膜として機能するため、上記のように吸着性分子による積層体の汚染を抑制することができる。さらには、カーボン膜は、次工程において酸化により容易に除去することができるため、処理効率を損なうこともない。

工程Ｓ１２５は、工程Ｓ１２４でカーボン膜を成膜した後、そのカーボン膜を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化によりカーボン膜を除去する工程である。また、工程Ｓ１２６は、工程Ｓ１２５でカーボン膜を除去した後、カーボン膜が除去された複数の積層体を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により複数の積層体の表面に酸化層を形成する工程である。これらの工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６は、同一チャンバー内で大気開放することなく連続して行う。

これらの工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６が本実施形態の最も特徴的な工程である。工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６は、酸化性ガスが導入される同一のチャンバー内で大気開放されることなく連続して行われる。これにより、工程Ｓ１２５において、酸化性ガスを含む雰囲気にカーボン膜がさらされ、酸化によりカーボン膜が除去されていく。工程Ｓ１２５においてカーボン膜が除去されて消失した瞬間、工程Ｓ１２５から工程Ｓ１２６に移行し、酸化性ガスを含む雰囲気に積層体がさらされて積層体の表面の酸化も連続して起こる。このように積層体の表面が酸化される結果、積層体の表面に保護層としての酸化層が形成される。この酸化層が形成されることで、その後の工程の間等において、異なるチャンバーへの搬送や装置外への搬送の際に生ずる吸着性分子（Ｈ_２、Ｈ_２Ｏ、有機物等）の吸着等による積層体の汚染を抑制することができる。

工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６は、互いに別個独立の工程として行われるものではなく、上記のように、同一チャンバー内で大気開放されることなく連続して行われるものである。したがって、工程Ｓ１２５と工程Ｓ１２６との間に積層体が大気等にさらされることはないため、カーボン膜が除去されてから酸化層が形成されるまでの間に積層体が汚染されることはない。さらには、工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６は同一チャンバー内で連続して行われるため、高い処理効率で工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６を順次実施することができる。

なお、工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６において使用する酸化性ガスを含む雰囲気としては、例えば、酸化性ガスとしての酸素（Ｏ_２）ガスのみからなる酸素雰囲気、酸化性ガスとしてのＯ_２ガスと他のガスとの混合雰囲気を挙げることができる。混合雰囲気における他のガスとしては、積層体の汚染を抑制する観点から、Ａｒガス等の不活性ガスが好ましい。また、工程Ｓ１２５および工程Ｓ１２６では、酸化性ガスを含む雰囲気において、酸化性ガスのプラズマの生成を伴うようにしてもよい。酸化性ガスのプラズマを生成させることにより、酸化の進行を促進することができる。このため、工程Ｓ１２５においてはカーボン膜を効率よく除去することができ、工程Ｓ１２６においては積層体の表面に酸化層を効率よく形成することができる。

このように、工程Ｓ１２４で成膜されたカーボン膜は、工程Ｓ１２４の後、工程Ｓ１２５の前において、例えばＳＥＭによる観察等を行うために大気中に基板を搬出する際の仮の保護膜として機能する。その後、カーボン膜は、工程Ｓ１２５において酸化性ガスを含む雰囲気により酸化されて除去される。

本実施形態では、上述のように、カーボン膜およびカーボン膜の除去後に形成される酸化層により、吸着性分子の吸着等による積層体の汚染を確実に抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、磁気抵抗効果素子のさらなる微細化を実現するとともに、磁気抵抗効果素子の磁気特性を向上することができる。

また、工程Ｓ１２６の後に、工程Ｓ１２６で形成された酸化層上に保護層（保護膜）をさらに形成することも可能である。吸着性分子の付着が抑制された表面に形成された酸化層上に更に保護層が形成されることで、十分な保護機能が図られる。形成する保護層としては窒化膜が好適なもので、より具体的には窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）が挙げられる。そのほか、具体的には、保護層として、窒化アルミニウム膜（ＡｌＮ膜）、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ膜）等も挙げられる。また、保護層の成膜方法は、特に限定されるものではなく、ＣＶＤ法、スパッタ法等を用いることができる。

図２Ａおよび図２Ｂに本実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法により製造されるＴＭＲ素子の加工前後の概要を模式的に示す。

一般的に、ＴＭＲ素子の製造は、基板上に成膜された磁気抵抗効果膜をエッチング処理で加工する工程を含むプロセスで行われる。ここで、エッチング処理には、イオンビームエッチング（ＩＢＥ、Ion Beam Etching）や反応性イオンエッチング（ＲＩＥ、Reactive Ion Etching）や反応性イオンビームエッチング等が含まれる。

ＴＭＲ素子の加工前の概要を図２Ａに、加工後の概要を図２Ｂに示す。

図２Ａにおいて、２４１はフォトレジストまたはハードマスク、２４２は上部電極を表している。なお、上部電極２４２の下部には、以下に述べる磁化自由層、トンネル障壁層、磁化固定層、反強磁性層、および下部電極が、上部電極２４２側から基板側に向かって基板上に順次積層されている。

所望のパターンに加工されたフォトレジストまたはハードマスク２４１を用いて上部電極２４２およびそれより下部の層が加工される。

図２Ｂにおいて、２０１は基板を、２４０はＴＭＲ素子を表している。なお、ＴＭＲ素子２４０の外側には、本来、酸化層（酸化膜）が形成されているが、積層構造が理解しやすいように、ここでは酸化層を省略して示している。

図２Ｂでは、磁化固定層が下部に位置するボトムピン構造を示している。ＴＭＲ素子２４０は、基本構造となる上部電極２４２、磁化自由層２４３、トンネル障壁層２４４および磁化固定層２４５と、反強磁性層２４６および下部電極２４７を含む。

上部電極２４２および下部電極２４７を構成する材料としては、ＴａやＲｕ、Ｔｉ等が好適に用いられる。磁化自由層２４３および磁化固定層２４５を構成する材料としては、ＣｏＦｅＢもしくはＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ等の少なくとも１つまたは２つ以上の合金からなる材料を、１層または２層以上積層した構造が用いられる。トンネル障壁層２４４を構成する材料としては、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）が好適である。その他、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｈｆ、Ｇｅ、Ｓｉの少なくとも１つまたは２つ以上を含有する酸化物でもよい。反強磁性層２４６を構成する材料としては、ＰｔＭｎやＩｒＭｎ等が用いられる。

ここで、ＴＭＲ素子２４０では、二つの強磁性層である磁化固定層２４５と、磁化自由層２４３との間にトンネル障壁層２４４が挟持されている。したがって、磁化固定層２４５を一方の磁性層、磁化自由層２４３を他方の磁性層として捉えることができる。

なお、本実施形態では、ＴＭＲ素子として、磁化固定層がトンネル障壁層よりも下方に位置する、いわゆるボトムピン構造を用いて説明したが、ＴＭＲ素子の構造は特に限定されるものではない。ＴＭＲ素子の構造として、磁化固定層がトンネル障壁層よりも上方に位置する、いわゆるトップピン構造においても、本発明は好適に用いることが可能である。

図３に本実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を実施するに好適な製造システムの一例を模式的に示す。製造システムは、上述した工程を実施するためのチャンバーとして、処理チャンバー３０３、３０４、３０５、３０６、３０７を有している。さらに、製造システムは、基板搬送室である真空搬送室３０２と、ウエハローダ３０１とを有している。

図３において、処理チャンバー３０３は、図１に示す工程Ｓ１２２であるエッチングを行うためのチャンバーである。処理チャンバー３０３は、一般的には、リアクティブイオンエッチングが可能なチャンバーである。

処理チャンバー３０４は、図１に示す工程Ｓ１２３であるイオンビーム照射を行うためのチャンバーである。

処理チャンバー３０５は、図１に示す工程Ｓ１２４であるカーボン膜の成膜を行うためのチャンバーである。処理チャンバー３０５内では、処理チャンバー３０４内で側部にイオンビームが照射された積層体の表面上にカーボン膜を成膜する処理が行われる。

処理チャンバー３０６は、図１に示す工程Ｓ１２５であるカーボン膜の酸化による除去と、図１に示す工程Ｓ１２６である酸化による酸化層の形成とを行うためのチャンバーである。処理チャンバー３０６内では、処理チャンバー３０５内で形成されたカーボン膜が酸化により除去されるとともに、酸化により積層体の表面に酸化層が形成される。

処理チャンバー３０７は、図１に示す工程Ｓ１２６の後、処理チャンバー３０６内で形成された酸化層上に必要に応じて保護層（保護膜）を形成する処理を行うチャンバーである。

真空搬送室３０２には、ゲートバルブ等の遮蔽手段（図示せず）を介して、処理チャンバー３０３、３０４、３０５、３０６、３０７が、それぞれ真空搬送室３０２と連通可能に設けられている。

真空搬送室３０２、処理チャンバー３０３、処理チャンバー３０４、処理チャンバー３０５、処理チャンバー３０６、および処理チャンバー３０７は、夫々、減圧可能なチャンバーとすることが可能である。

真空搬送室３０２には、さらにウエハローダ３０１が設けられ、このウエハローダ３０１を通して、加工前の素子を真空搬送室３０２にローディングし、加工完了後の素子をアンローディングできるようになっている。なお、加工前の素子とは、基板上にトンネル障壁層として機能する層を挟持する２つの磁性層を備えた積層体のことである。加工前の素子は、図１に示す工程Ｓ１２１を実施するスパッタ装置等の成膜装置により用意される。加工前の素子を用意する成膜装置は、図３に示す製造システムとは別個独立のものであってもよいし、図３に示す製造システムに組み込まれていてもよい。後者の場合、工程Ｓ１２１を実施する成膜装置の成膜を行う処理チャンバーは、ゲートバルブ等の遮蔽手段を介して真空搬送室３０２に連通可能に設けられる。

真空搬送室３０２内には、図示しない基板搬送手段が設置されており、ローディングされた加工前の素子を矢印３２１、３２２、３２３、３２４、３２５、３２６に示すように各処理チャンバーへと順次搬送できるようになっている。また、図３に矢印３２１、３２２、３２３、３２４、３２５、３２６で示されている加工前の素子の搬送は、真空を破ることなく、真空搬送室３０２を介して、一貫して真空の状態（減圧下の状態）で行うことができる。

図４は、本実施形態における工程Ｓ１２２のエッチングに適用可能な処理装置として採用可能な反応性イオンエッチング装置の模式図である。

図４に示したエッチング装置は、真空容器４００および、真空容器４００に対して内部空間が連通するようにして気密に接続された誘電体壁容器４０６を有する。なお、真空容器４００は、上記図３に示す処理チャンバー３０３に対応する。

真空容器４００は、内部が排気系４３０によって排気される。また、真空容器４００には、不図示のゲートバルブから基板２０１が搬入される。真空容器４００内に搬入された基板２０１は、基板ホルダー４４０に保持される。基板２０１は、上述のように、トンネル障壁層として機能する層と、この層を挟持する２つの磁性層とを有する積層体が形成されたものである。

基板ホルダー４４０は、温度制御機構４５０により所定温度に維持することが可能である。また、基板ホルダー４４０には、基板２０１にバイアス電圧を印加するためのバイアス用電源４６０が接続されている。

また、真空容器４００には、エッチングガスを真空容器４００内に導入するためのガス導入系４１０が接続されている。エッチングガスとしては、特に限定されるものではなく、種々のエッチングガスを用いることができる。例えば、エッチングガスとして、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）ガス等の水酸基を少なくとも１つ以上有するアルコールのガスを用いることができる。

真空容器４００の側壁の外側には、多数の側壁用磁石４２０が並べて配置され、これによってカスプ磁場が真空容器４００の側壁の内面に沿って形成される。このカスプ磁場によって真空容器４００の側壁の内面へのプラズマの拡散が防止されている。

また、誘電体壁容器４０６に対しては、誘電体壁容器４０６の内部にプラズマ４０７を形成するためのプラズマ源４０１が設けられている。プラズマ源４０１は、誘電体壁容器４０６内に誘導磁界を発生するアンテナ４０２と、アンテナ４０２に不図示の整合器を介して伝送路４０４によって接続される高周波電源４０３と、電磁石４０５とを有する。アンテナ４０２は、誘電体壁容器４０６の周囲に配置されている。電磁石４０５は、誘電体壁容器４０６およびアンテナ４０２の周囲に配置されている。

このエッチング装置を用いると、以下のようにしてエッチング処理がなされる。

まず、ガス導入系４１０を動作させ、エッチングガスを溜めているボンベから配管、バルブ、および、流量調整器を介して、所定の流量のエッチングガスを真空容器４００内へ導入する。導入されたエッチングガスは、真空容器４００内を経由して誘電体壁容器４０６内に拡散する。

次に、プラズマ源４０１を動作させてプラズマ４０７を形成する。プラズマ源４０１を動作させると、電磁石４０５は、誘電体壁容器４０６内に所定の磁界を生じさせる。高周波電源４０３は、アンテナ４０２に供給する高周波電力（ソース電力）を発生させる。プラズマ用の高周波電源４０３が発生させた高周波によってアンテナ４０２に電流が流れ、誘電体壁容器４０６の内部にプラズマ４０７が形成される。

形成されたプラズマ４０７は、誘電体壁容器４０６から真空容器４００内に拡散し、基板２０１の表面付近に達することで基板２０１の表面の積層膜がエッチングされる。

具体的に説明すると、基板２０１上に配置した磁気抵抗効果膜を構成する積層膜上には、例えばメモリパターン状にパターニングされたフォトレジストまたはハードマスクが形成されている。積層膜は、このフォトレジストまたはハードマスクをマスクとしてプラズマ４０７によりエッチングが施される。これにより、基板２０１上には、個々に分離された複数の積層体が形成される。

ここで、処理の際、バイアス用電源４６０を作動させて、基板２０１に負の直流分の電圧であるセルフバイアス電圧を付与し、プラズマから基板２０１の表面へのイオン入射エネルギーを制御してもよい。

図５は、本実施形態における工程Ｓ１２３のイオンビーム照射処理を行い得る処理装置を示す模式図である。

図５に示した処理装置は、イオンビームエッチング装置（イオンビーム照射装置）であって、処理室５０１とプラズマ発生室５０２とを備えている。処理室５０１には排気ポンプ５０３が接続されている。なお、処理室５０１は、上記図３に示す処理チャンバー３０４に対応する。

プラズマ発生室５０２には、ベルジャ５０４、第１のガス導入部５０５、ＲＦアンテナ５０６、整合器５０７、電磁コイル５０８が設置されている。プラズマ発生室５０２と処理室５０１との境界には、引き出し電極（グリッド）５０９が設けられている。引き出し電極５０９は、３つの電極５１５、５１６、５１７から構成されている。３つの電極５１５、５１６、５１７は、それぞれグリッド状に形成された開口部を有する板状の電極であり、互いに平行に配置されている。

処理室５０１内には、プラズマ発生室５０２側にＥＳＣ電極５１２を有する基板ホルダー５１０が設けられている。処理すべき基板２０１は、ＥＳＣ電極５１２上に載置され、静電吸着によりＥＳＣ電極５１２上に保持される。

プラズマ発生室５０２では、第１のガス導入部５０５からエッチングガスを導入し、ＲＦアンテナ５０６に高周波を印加することでプラズマ発生室５０２内にエッチングガスのプラズマを発生させることができる。なお、第１のガス導入部５０５から導入するエッチングガスは、特に限定されるものではないが、エッチングガスとしては、例えばＡｒガス等の不活性ガスを用いることができる。

そして、引き出し電極５０９に直流電圧を印加し、プラズマ発生室５０２内のイオンをビームとして引き出し、引き出したイオンビームを基板２０１に照射することで基板２０１の処理が行われる。引き出されたイオンビームは、不図示のニュートラライザーにより電気的に中和して、基板２０１に照射することによりチャージアップが防止される。

基板ホルダー５１０は、イオンビームに対して任意に傾斜することができる。また、基板２０１をその面内方向に回転（自転）できる構造となっている。このような基板ホルダー５１０により、後述するように基板２０１上に形成された複数の積層体の側壁部に所定の入射角度でイオンビームを照射することができるとともに、基板２０１の全面にわたって均一にイオンビームを照射することができる。

また、処理室５０１には第２のガス導入部５１４が設けられており、第２のガス導入部５１４から必要に応じてプロセスガスを処理室５０１内に導入することができる。

図４に示す反応性イオンエッチング装置を用いて基板２０１上の磁気抵抗効果膜を構成する積層膜にエッチングが施され、複数の積層体が形成される際には、複数の積層体の側壁部にダメージ層等が生じる。図５に示すイオンビームエッチング装置では、複数の積層体の側壁部に生ずるダメージ層等のトリミング処理が可能である。なお、このトリミング処理では、酸化によるダメージ層、積層体の側壁部に付着して堆積する水、有機物、無機物等の堆積物が除去される。

図６は、本実施形態における工程Ｓ１２４のカーボン膜の成膜を行い得る処理装置を示す模式図である。

図６に示す処理装置は、直流（ＤＣ）２極スパッタ装置であって、真空容器６０１と、基板ホルダー６０２と、カーボンターゲット６０３とを有している。スパッタ装置は、いわゆる並行平板型のものであり、基板ホルダー６０２とカーボンターゲット６０３とが、真空容器６０１内において互いに対向するように並行に設けられている。基板ホルダー６０２上には、基板２０１が保持される。なお、真空容器６０１は、上記図３に示す処理チャンバー３０５に対応する。

また、真空容器６０１には、Ａｒガス等の不活性ガスを真空容器６０１内に導入するためのガス導入口６０４が設けられている。

また、カーボンターゲット６０３には、直流電源６０５が接続されている。また、基板ホルダー６０２は接地されている。これにより、カーボンターゲット６０３と基板ホルダー６０２との間には、直流電源６０５により直流電圧を印加することができるようになっている。

このスパッタ装置を用いて一般的なカーボンスパッタを行い、図５に示すイオンビームエッチング装置により側壁部にイオンビームが照射された複数の積層体の表面にカーボン膜を成膜する。まず、Ａｒガスをガス導入口６０４から一定量導入し、直流電源６０５によりカーボンターゲット６０３に一定の直流電圧を印加する。こうしてカーボンターゲット６０３と基板ホルダー６０２との間に直流電圧が印加されると、真空容器６０１内においてグロー放電が発生する。グロー放電に伴ってＡｒガスがプラズマ化することで、正に帯電したＡｒイオンがカーボンターゲット６０３に衝突する。これにより、カーボンターゲット６０３の表面からカーボンがたたき出され、カーボンが基板２０１上に堆積する。こうして、複数の積層体の表面にカーボン膜が成膜される。なお、カーボン膜の成膜条件は特に限定されるものではなく、適宜設定することができる。例えば、上記ＤＣ２極スパッタ装置により成膜する場合、カーボンターゲットを用い、Ａｒガスを流量５０ｓｃｃｍで真空容器内に流し、カソード（カーボンターゲット）に６００Ｗ印加することによりカーボン膜を成膜することができる。

図７は、本実施形態における工程Ｓ１２５の酸化によるカーボン膜の除去および工程Ｓ１２６の酸化による酸化層の形成に適用可能な酸化処理装置として採用可能なエッチング装置の模式図である。

図７に示したエッチング装置は、真空容器７００および、真空容器７００に対して内部空間が連通するようにして気密に接続された誘電体壁容器７０６を有する。なお、真空容器７００は、上記図３に示す処理チャンバー３０６に対応する。

真空容器７００は、内部が排気系７３０によって排気される。また、真空容器７００には、不図示のゲートバルブから基板２０１が搬入される。真空容器７００内に搬入された基板２０１は、基板ホルダー７４０に保持される。基板２０１は、表面にカーボン膜が成膜された複数の積層体が形成されたものである。

基板ホルダー７４０は、温度制御機構７５０により所定温度に維持することが可能である。また、基板ホルダー７４０には、基板２０１にバイアス電圧を印加するためのバイアス用電源７６０が接続されている。

また、真空容器７００には、酸化性ガスとして酸素ガスを真空容器７００内に導入するためのガス導入系７１０が接続されている。なお、ガス導入系７１０から導入する酸素ガスは、酸素ガス単独であってもよいし、Ａｒガス等の不活性ガスと混合されていてもよい。真空容器７００に導入する酸素ガスの流量および分圧は、ガス導入系７１０により制御することができるようになっている。酸素ガスの流量および分圧を制御することで、カーボン膜が除去される速度および積層体の表面に酸化層が形成される速度を適宜調整することができる。

真空容器７００の側壁の外側には、多数の側壁用磁石７２０が並べて配置され、これによってカスプ磁場が真空容器７００の側壁の内面に沿って形成される。このカスプ磁場によって真空容器７００の側壁の内面へのプラズマの拡散が防止されている。

また、誘電体壁容器７０６に対しては、誘電体壁容器７０６の内部にプラズマ７０７を形成するためのプラズマ源７０１が設けられている。プラズマ源７０１は、誘電体壁容器７０６内に誘導磁界を発生するアンテナ７０２と、アンテナ７０２に不図示の整合器を介して伝送路７０４によって接続される高周波電源７０３と、電磁石７０５とを有する。アンテナ７０２は、誘電体壁容器７０６の周囲に配置されている。電磁石７０５は、誘電体壁容器７０６およびアンテナ７０２の周囲に配置されている。

この酸化処理装置として機能するエッチング装置を用いると、以下のようにして酸化処理がなされる。

まず、ガス導入系７１０を動作させ、酸素ガスを溜めているボンベから配管、バルブ、および、流量調整器を介して、所定の流量の酸素ガスを真空容器７００内へ導入する。導入された酸素ガスは、真空容器７００内を経由して誘電体壁容器７０６内に拡散する。なお、酸素ガスを真空容器７００内に導入する際の酸素ガスの流量は、特に限定されるものではなく適宜設定することができる。また、真空容器７００内の酸素ガスの分圧も、特に限定されるものではなく適宜設定することができる。

次に、プラズマ源７０１を動作させてプラズマ７０７を形成する。プラズマ源７０１を動作させると、電磁石７０５は、誘電体壁容器７０６内に所定の磁界を生じさせる。高周波電源７０３は、アンテナ７０２に供給する高周波電力（ソース電力）を発生させる。プラズマ用の高周波電源７０３が発生させた高周波によってアンテナ７０２に電流が流れ、誘電体壁容器７０６の内部に、酸素ガスのプラズマを含むプラズマ７０７が形成される。

形成されたプラズマ７０７は、誘電体壁容器７０６から真空容器７００内に拡散し、基板２０１の表面付近に達することで基板２０１の表面にあるカーボン膜が酸化される。カーボン膜を酸化させることで、カーボン膜を酸化により全て消失させる。

カーボン膜の消失後、真空容器７００内を大気開放することなく、さらに真空容器７００内においてプラズマ７０７による酸化を継続する。これにより、酸素雰囲気以外の雰囲気にさらされることなく積層体の表面の酸化も連続して起こり、酸化により積層体の表面に酸化層が形成される。このように、酸化によるカーボン膜の除去と酸化による酸化層の形成を真空容器７００内で大気開放することなく連続して行うことにより、基板２０１上における積層体の汚染を防止しつつ、その後の保護層として機能する酸化層を形成することができる。

ここで、カーボン膜を除去し、酸化層を形成する上記の酸化処理の際、バイアス用電源７６０を作動させて、基板２０１に負の直流分の電圧であるセルフバイアス電圧を付与し、プラズマから基板２０１の表面へのイオン入射エネルギーを制御してもよい。

なお、上記酸化処理装置による酸化条件は、特に限定されるものではなく、適宜設定することができる。例えば、酸素ガスを流量５０〜２００ｓｃｃｍで真空容器内に流し、１分処理することでカーボン膜を除去することができる。このとき、基板温度は、室温とすることもできるし、４００度程度までの温度とすることもできる。また、プラズマを印加することにより、カーボン膜を除去する処理速度を加速することも可能である。また、カーボン膜の除去に続く酸化層の形成には、例えば、カーボン膜を除去する際の酸化条件と同様の酸化条件を引き続き用いることができる。

以下、図８Ａ〜図８Ｈを参照して、本実施形態による磁気抵抗効果素子の製造方法を詳細に説明する。

まず、基板上に形成された下部電極１００上に、反強磁性層１０１、磁化固定層１０２、トンネル障壁層１０３、磁化自由層１０４、および上部電極層１０５からなる磁性体多層膜を形成する。

なお、磁化固定層１０２と磁化自由層１０４は、図示したように単層である必要はなく、何層かの多層膜で形成してもかまわない。また、磁化固定層１０２と磁化自由層１０４の位置関係を上下が逆になるようにすることも可能である。即ち、反強磁性層１０１を、トンネル障壁層１０３よりも上部に位置させ、トンネル障壁層１０３の上に位置する強磁性層を磁化固定層１０４とし、トンネル障壁層１０３の下に位置する強磁性層を磁化自由層１０２としてもよい。

次に、前記磁性体多層膜上部に加工用のフォトマスク１０６を形成する（図８Ａ）。この場合、フォトマスク１０６となるフォトレジストは、単層にかぎらず多層レジスト法を用いて形成してもかまわないし、反射防止膜を下層に形成した積層構造にしてもかまわない。

次に、このフォトマスク１０６を用いて、ＲＩＥ法等を用いて上部電極層１０５を加工する。次いで、酸素ガスアッシングにてフォトマスクを除去し、メタルマスクとしても機能する上部電極層１０５ａを形成する（図８Ｂ）。ＲＩＥ法による加工の際には、例えば塩素ガスを主成分とした反応性エッチングを実施する。なお、ＲＩＥ法に用いるガスは特に限定されず、Ａｒのような不活性ガスでもかまわない。

次に、メタルマスクとしても機能する上部電極層１０５ａをマスクとして用いて例えばＲＩＥ法により磁性体多層膜を加工する。これにより、反強磁性層１０１、磁化固定層１０２、トンネル障壁層１０３、および磁化自由層１０４からなる磁性体多層膜を複数に分離する（図８Ｃ）。こうして、基板上に、分離された複数の反強磁性層１０１ａ、磁化固定層１０２ａ、トンネル障壁層１０３ａ、磁化自由層１０４ａからなる磁性体多層膜が形成される。ここでは、図３に示した製造システムを用いて処理チャンバー（ＲＩＥ室）３０３内で、例えばＣＨ_３ＯＨを主成分とするガスを用いてＲＩＥ法によるエッチングを実施することができる。なお、ＲＩＥ法に用いるガスは、目的が達成されるのであれば、特に限定されるものではなく、ＣＨ_４やＣ_２Ｈ_４等の炭化水素ガス、Ａｒのような不活性ガスでもかまわない。

なお、図８Ｃでは多層膜全てを加工しているが、上部電極層１０５および磁化自由層１０４のみを加工するいわゆるStop on Dielectricを採用することも可能である。

また、本実施形態では、反強磁性層１０１〜磁化自由層１０４を全てＲＩＥ法により加工しているが、ＲＩＥ法に代えてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）法により加工してもよい。ＩＢＥ法により加工を行う場合は、ＴＭＲ素子に含まれる磁性材料との化学反応を抑制するために、反応性ガスは用いずに、ＡｒやＸｅ、Ｋｒ等の不活性ガスのみを用いることが好ましい。

所定のエッチングにより、加工した磁性体多層膜の断面（側壁部）には、意図せず発生する堆積物（付着物）１０７が付着する（図８Ｃ）。

続いて、堆積物１０７をトリミング除去することを目的として、図３に示した製造システムの処理チャンバー（イオンビームエッチング室）３０４内で、分離された基板上の磁性体多層膜の側壁にＡｒイオンビームを所定角度で照射する（図８Ｄ）。なお、イオンビームを照射する角度は、適宜設定することができるが、例えば、基板の被処理面の垂直方向に対して４０度以上の角度を持ってＡｒイオンビームを入射させることができる。これにより、基板の被処理面と平行な面のエッチング量を低減しつつ、磁性体多層膜の側壁を効率的にエッチングすることができる。

Ａｒイオンビームの照射を終えたのち、図３に示した製造システムの処理チャンバー（カーボンスパッタ室）３０５内にて、スパッタ法によりカーボン膜を成膜する。これにより、分離された基板上の磁性体多層膜の表面にカーボン膜１０８を形成する（図８Ｅ）。この保護膜として機能するカーボン膜１０８の存在により、磁性体多層膜は、大気等の汚染等にさらされることがなく、例えばＳＥＭによる検査工程等の所望の工程を経ることが可能となる。

例えば、図３に示した製造システムの処理チャンバー３０５においてカーボン膜１０８を成膜した後、製造システム外に基板を一旦搬出して、製造システムとは別個に設けられたＳＥＭにより検査工程を実施することができる。検査工程では、基板上の分離された磁性体多層膜の寸法を測定する等の検査が行われる。製造システム外に搬出した際、基板が大気にさらされることがあっても、保護膜として機能するカーボン膜１０８により、基板上の分離された磁性体多層膜の汚染を抑制することができる。

上記のＳＥＭによる検査工程等の所望の工程を経た後に、図３に示した製造システムの処理チャンバー３０６内にて、磁性体多層膜の表面に形成されたカーボン膜１０８を、酸素ガスのプラズマにさらして酸化する。これにより、カーボン膜１０８を酸化により全て除去する（図８Ｆ）。カーボン膜１０８によれば、酸化により容易に除去することが可能な仮の保護膜を形成することができる。

さらにカーボン膜１０８の除去後も、図３に示した製造システムの処理チャンバー３０６内にて大気開放することなく酸素ガスのプラズマの発生を継続する。これにより、カーボン膜１０８が除去されて露出した磁性体多層膜の表面が酸素ガスのプラズマにさらされ、カーボン膜１０８の酸化に続いて、磁性体多層膜の表面の酸化も連続して起こる。この結果、磁性体多層膜の表面に酸化層１０９が形成される（図８Ｇ）。

次に、図３に示した製造システムの処理チャンバー３０５内において、酸化層１０９が形成された基板上に、例えばＣＶＤ法により窒化シリコン膜よりなる保護層１１０を形成する。なお、保護層１１０は、窒化シリコン膜に限定されるものではなく、窒化アルミニウム膜、シリコン酸窒化膜等であってもよい。

次いで、保護層１１０が形成された基板上に、例えばＣＶＤ法によりシリコン酸化膜よりなる層間絶縁膜１１１を形成する（図８Ｈ）。なお、層間絶縁膜１１１は、シリコン酸化膜に限定されるものではなく、種々の絶縁膜を用いることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、イオンビームを照射する工程Ｓ１２３の後にカーボン膜を成膜する工程Ｓ１２４を実施する場合について説明したが、工程Ｓ１２３は必ずしも実施しなくてもよい。即ち、分離された複数の積層体を形成する工程Ｓ１２２の後、イオンビームを照射する工程Ｓ１２３を経ずに、カーボン膜を成膜する工程Ｓ１２４を実施してよい。この場合であっても、エッチングにより分離された複数の積層体が、吸着性分子の吸着等により汚染されるのを抑制することができる。

また、上記実施形態では、図６に示すＤＣ２極スパッタ装置を用いたＤＣ２極スパッタ法によりカーボン膜を成膜する場合について説明したが、カーボン膜を成膜するスパッタ法の方式は、これに限定されるものではない。カーボン膜の成膜には、ＤＣ２極スパッタ法のほか、高周波スパッタ法、マグネトロンスパッタ法等の種々の方式のスパッタ法を用いることができる。

Claims (8)

1. 二つの磁性層の間にトンネル障壁層を配して構成される磁気抵抗効果素子の製造方法であって、
   基板上に、前記二つの磁性層の一方の層と、前記トンネル障壁層を構成する層と、前記二つの磁性層の他方の層と、を備えた積層体を、エッチングにより複数に分離し、前記基板上に分離された複数の積層体を形成する工程と、
   前記分離された複数の積層体の表面にカーボン膜を成膜する工程と、
   前記カーボン膜を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記カーボン膜を除去する工程と、
   前記カーボン膜が除去された前記複数の積層体を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記複数の積層体の表面に酸化層を形成する工程と、を有し、
   前記カーボン膜を除去する工程および前記酸化層を形成する工程を、同一チャンバー内で大気開放することなく連続して行うことを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。
2. 前記分離された複数の積層体を形成する工程の後、前記カーボン膜を成膜する工程の前に、前記分離された複数の積層体の側部にイオンビームを照射する工程を更に有す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。
3. 前記カーボン膜を除去する工程および前記酸化層を形成する工程では、前記酸化性ガスとして酸素ガスを用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。
4. 前記カーボン膜を除去する工程および前記酸化層を形成する工程では、前記酸化性ガスのプラズマの生成を伴う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。
5. 前記カーボン膜を成膜する工程では、スパッタ法により前記カーボン膜を成膜す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。
6. 前記酸化層の上に保護層を形成する工程を更に有す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。
7. 前記保護層は、窒化膜であることを特徴とする請求項６に記載の磁気抵抗効果素子の製造方法。
8. 二つの磁性層の間にトンネル障壁層を配して構成される磁気抵抗効果素子の製造システムであって、
   第１のチャンバーを有し、前記第１のチャンバー内において、基板上に、前記二つの磁性層の一方の層と、前記トンネル障壁層を構成する層と、前記二つの磁性層の他方の層と、を備えた積層体をエッチングにより複数に分離し、前記基板上に分離された複数の積層体を形成するエッチング装置と、
   前記第１のチャンバーに接続された第２のチャンバーを有し、前記第２のチャンバー内において、前記分離された複数の積層体の表面にカーボン膜を成膜する成膜装置と、
   前記第２のチャンバーに接続された第３のチャンバーを有し、前記第３のチャンバー内において、前記カーボン膜を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記カーボン膜を除去するとともに、前記カーボン膜が除去された前記複数の積層体を酸化性ガスを含む雰囲気にさらし、酸化により前記複数の積層体の表面に酸化層を形成する酸化処理装置と
   を有することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造システム。

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