(57)【要約】【課題】  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。【解決手段】  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。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子の製造方法であって、
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、
を含む磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項２】
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、
請求項１に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項３】
前記酸化マグネシウム層の厚さは０．３ｎｍ以上である、
請求項２に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項４】
前記酸化マグネシウム層の厚さは１．６ｎｍ以下である、
請求項２又は３に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項５】
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、
を含む、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子の製造方法。
【請求項６】
磁気抵抗素子の製造装置であって、
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、
を実行する磁気抵抗素子の製造装置。
【請求項７】
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、
請求項６に記載の磁気抵抗素子の製造装置。
【請求項８】
前記酸化マグネシウム層の厚さは０．３ｎｍ以上である、
請求項７に記載の磁気抵抗素子の製造装置。
【請求項９】
前記酸化マグネシウム層の厚さは１．６ｎｍ以下である、
請求項７又は８に記載の磁気抵抗素子の製造装置。
【請求項１０】
前記コントローラは、
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６〜９のいずれか一項に記載の磁気抵抗素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１４８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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。
【発明の効果】
【０００６】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】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２】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３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】磁気抵抗素子（Ｔ＝０ｎｍ）の縦断面ＳＥＭ写真を示す図である。
【図９】磁気抵抗素子（Ｔ＝０．２ｎｍ）の縦断面ＳＥＭ写真を示す図である。
【図１０】磁気抵抗素子（Ｔ＝０．３ｎｍ）の縦断面ＳＥＭ写真を示す図である。
【図１１】磁気抵抗素子（Ｔ＝０．４ｎｍ）の縦断面ＳＥＭ写真を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、種々の例示的実施形態について説明する。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
磁気抵抗素子の材料例は、以下の通りである。
【００２２】
（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。
【００２３】
（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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
（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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
（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。
【００３７】
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。
【００３８】
・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。
【００３９】
・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。
【００４０】
・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。
【００４１】
・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。
【００４２】
・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。
【００４３】
・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。
【００４４】
・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。
【００４５】
・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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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）。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【符号の説明】
【００６８】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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