(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非磁性体絶縁層を介して積層された第１及び第２の金属強磁性体層を備える積層膜上に形成した絶縁層、もしくは前記積層膜上に形成したレジスト材料層に、電気的に中性化したイオンビームを照射する工程と、前記イオンビームを照射した絶縁層もしくはレジスト材料層をマスク材として用い、記積層膜をエッチングして前記積層膜を所定形状にする工程とを備えたことを特徴とする磁気抵抗効果膜の製造方法。
【請求項２】
Ｓｉを含む無機レジストを前記レジスト材料層に用い、Ｇａイオンビームを前記イオンビームに用い、前記積層膜をＦ系のエッチングにより所定形状にすることを特徴とする請求項１記載の磁気抵抗効果膜の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、外部磁場により電気抵抗が変化する磁気抵抗効果膜の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまでに、磁気抵抗効果（MagnetoResistance effect）を利用した膜として、金属強磁性体層を用いた異方性磁気抵抗効果膜、金属非磁性体層を介して積層された２つの金属強磁性体層を備える巨大磁気抵抗効果膜、及び、絶縁性非磁性体層（トンネルバリア層）を介して積層された２つの金属強磁性体層を備えるトンネル磁気抵抗効果膜が知られている。
【０００３】
トンネル磁気抵抗効果（Tunnel MagnetoResistance effect、以後ＴＭＲと表記する）を利用したＴＭＲ膜は、高集積化メモリ素子へ応用した場合の不揮発性、高速性、長期信頼性等の特徴から、磁気的ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory、以後ＭＲＡＭと表記する）として検討が進められている。
【０００４】
このＴＭＲ膜は、高集積化への要求からサブミクロンの素子サイズが求められており、ＴＭＲ膜を電子ビーム（以後、ＥＢと表記する）を用いた描画により作製する方法が発表されている（W. J. Gallagher et al., J. Appl. Phys. 81, 3741 (1997)）。
【０００５】
この方法では、まず図５（ａ）の断面図に示すように、Ｓｉ基板５１上に主に金属強磁性体からなる下部電極５２、Ａｌ酸化物トンネルバリア層５３、主に金属強磁性体からなる上部電極５４の積層膜をマグネトロンスパッタ装置により堆積する。
【０００６】
次に、図５（ｂ）の断面図に示すように、ＥＢ描画によって接合部分にネガ型のＥＢレジスト５５のパターンを形成し、それをマスクとして用いて、上部電極５４及び酸化物トンネルバリア層５３のイオンミリングを行いサブミクロンサイズのトンネル接合部のパターンを形成する。このイオンミリングでは、酸化物トンネルバリア層５３を過ぎて下部電極５２の上表面でエッチングが止まるように制御する。
【０００７】
次に、図５（ｃ）の断面図に示すように、接合部にＥＢレジスト５５が形成された下部電極５２上にＳｉＯ2絶縁膜５６をマグネトロンスパッタ装置によって堆積する。
【０００８】
次に、ＳｉＯ2絶縁膜５６の下にあるＥＢレジスト５５を用いたリフトオフプロセスにより、トンネル接合部上に自己整合的にコンタクトホールを露出させ、その後に、このコンタクトホール内にＡｇ／Ａｕの上部配線５７をフォトレジスト（図示せず）のリフトオフを用いたパターニングにより作製して、図５（ｄ）の断面図に示すように、上部電極５４にコンタクトする上部配線５７を形成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述の様に、ＥＢ描画を用いた製造方法により、サブミクロンの接合サイズを持つＴＭＲ膜が得られる。しかし、この製造方法では、金属強磁性体層５２／酸化物トンネルバリア層５３／金属強磁性体層５４の積層膜に直接ＥＢ描画を行うために幾つかの問題が生じる。
【００１０】
それは、図５（ｂ）の断面図に示す、レジスト５５のパターニングに際して、図６の断面図に模式的に示したような現象が起きるためと考えられる。
【００１１】
つまり、図６に示すように、金属強磁性体層５２／酸化物トンネルバリア層５３／金属強磁性体層５４の積層膜６１の上に形成したＥＢレジスト６２にＥＢ描画すると、比較的大きい質量数の金属を含む金属積層膜による高エネルギー入射ＥＢ６３の反射が半導体等のＥＢ描画と比べて格段に大きくなる。
【００１２】
従って、反射電子６４の散乱が実際の描画領域よりも横方向に数倍に広がり、ＥＢ６３の照射領域の周りにも描画したと同等の効果が生じる。そのため、描画パターン形状の微細性・制御性が失われる。
【００１３】
また、サブミクロンの微細形状を得るＥＢ描画では、ＥＢの集束性を良くするためにビームエネルギーを約５０ｋｅＶ以上と高くして描画を行うことが多い。しかし、高エネルギーでのＥＢの多くは容易にレジスト６２を突き抜けて下地の金属積層膜に達することにより、金属積層膜を帯電させて酸化物トンネルバリア層に静電破壊を生じ易くなり、結果として素子作製の歩留まりを大きく下げる原因ともなる。
【００１４】
上記のように、サブミクロンの金属強磁性体層／酸化物トンネルバリア層／金属強磁性体層の接合を有するＴＭＲ膜を作製するＥＢ描画では、形状制御した微細パターンの形成が不十分であり、また、電子線の大量入射によるチャージアップがＴＭＲ膜の静電破壊を引き起こす可能性がある。
【００１５】
本発明は、このような問題を解決し、高集積化メモリに好適な微細な磁気抵抗効果膜の製造方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記事情を鑑みて、本発明の第一は、非磁性体層を介して積層された第１及び第２の金属強磁性体層上を備える積層膜に、電気的に中性化したイオンビームを照射する磁気抵抗効果膜の製造方法を提供する。
【００１７】
また、上記事情を鑑みて、本発明の第二は、非磁性体層を介して積層された第１及び第２の金属強磁性体層を備える積層膜上に形成した絶縁層もしくは積層膜上に形成したレジスト材料層に電気的に中性化したイオンビームを照射する磁気抵抗効果膜の製造方法を提供する。
【００１８】
本発明の第一では、第１の金属強磁性体層、非磁性体層、及び第２の金属強磁性体層を備える積層膜、もしくは、この積層膜上に形成した絶縁層やレジスト材料層に、電気的に中性化したイオンビームを照射することで、高集積化が可能なサブミクロンの微細な磁気抵抗効果膜を容易に、かつ高い歩留まりで作製できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態では、Ｓｉを含有する無機レジスト（以降、Ｓｉ系無機レジストと表記する）にＧａの集束イオンビーム（Focused Ion Beam、以降ＦＩＢと表記する）による注入描画を行い、Ｆ系ドライエッチングによって形成したマスクパターンを用いたＴＭＲ膜の製造方法について説明する。
【００２０】
まず、図１（ａ）の断面図に示すように、Ｓｉ基板１１上に、金属強磁性体層／絶縁性非磁性体（トンネルバリア）層／金属強磁性体層を備える積層膜１２を形成した後、フォトリソグラフィとイオンミリングにより、下側の金属強磁性体を含む下部電極の形状に加工し、上側の金属強磁性体層上にＳｉ系無機レジスト薄膜１３を形成する。
【００２１】
次に、図１（ｂ）の断面図に示すように、露光プロセスとして集束したＧａイオンビーム１４を、積層膜１２の表面のうち、磁気抵抗効果膜を残す予定の領域上のＳｉ系無機レジスト１３へ注入描画する。
【００２２】
このＧａイオンビーム１４の注入と同時に、Ｇａイオンビーム１４を電気的に中性化する電子線１５をＧａイオンビーム１４の照射領域近傍へ低エネルギーで照射する。これにより、Ｇａイオンビーム１４は電気的に中性化されたビームとしてＳｉ系無機レジスト１３に照射される。ここで、Ｓｉ系無機レジスト１３中でのＧａイオンビームの阻止能（単位飛距離当たりに失うエネルギー）は大きいため、入射したＧａ原子はＳｉ系無機レジスト１３の表面近傍に留まる。
【００２３】
次に、Ｓｉ系無機レジスト１３の全表面に、図１（ｃ）に示す、ＳＦ6ガスを用いたドライエッチング１６を施すと、Ｇａイオンビーム照射領域では不揮発性のＧａ弗化物が形成されることによりエッチング速度が大きく低下し、またＧａイオンビーム非照射の領域では揮発性のＳｉ弗化物が形成されてＳｉ系無機レジストのエッチング除去が進行する。
【００２４】
その結果、図１（ｃ）の断面図に示すように、ネガレジストとしてＳｉ系無機レジストの微細構造１８を作製することが出来て、これをマスクとして用いることにより、イオンミリングにより上側の金属強磁性体を含む上部電極の微細加工を行うことが出来る。
【００２５】
このＳｉ系無機レジストへのＧａのＦＩＢ注入露光と、Ｆ系ドライエッチングによりＳｉ系無機レジストに任意のパターン、特にＦＩＢの微細性を用いたサブミクロンの微細パターンを形成することが出来る。
【００２６】
つまり、この方法では、入射したＧａ原子がＳｉ系無機レジストのごく表面に留まっていること、またイオンのエネルギーではなく注入したＧａ原子種の化学的特質を用いているために、本質的にビームの散乱が無いとともに、金属積層膜に損傷をほとんど与えない。
【００２７】
また、ＥＢとは異なり、イオンビームは低速電子線を照射するために容易に電荷の中性化が可能であり、荷電ビーム照射による静電破壊を懸念する必要がない。
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態に係るＴＭＲ膜の製造方法を説明する。
【００２８】
まず、Ｓｉ基板２１上に金属強磁性体層を備える下部電極２２、酸化物トンネルバリア層２３、金属強磁性体層を備える上部電極２４を含む積層膜を形成した後、図２（ａ）の断面図にあるように、フォトリソグラフィとイオンミリングによって下部電極２２の形に形成する。
【００２９】
その後、この積層膜の上にＳｉ系無機レジストとしてＳｉＮx層を形成する。ここでＳｉＮx層はプラズマＣＶＤ装置を用いて約２００ｎｍの膜厚に堆積する。
【００３０】
次に、ＳｉＮx層にＧａイオンのＦＩＢ注入描画を行った後にＳＦ6ガスを用いたドライエッチングを行うことにより、図２（ｂ）に示すようにサブミクロンの接合部のレジストパターンを形成し、それをマスクとしてイオンミリングを行うことにより、上部電極の接合部を形成する。
【００３１】
ここで、ＧａイオンのＦＩＢ注入描画はビームエネルギー約３０ｋｅＶ、注入ドーズ量約５×１０16ｃｍ-2の条件で行う。このときのＦＩＢのビーム電流は数１０ｐＡから数１００ｐＡ程度であるから、電子線のエミッタとしてのフィラメントを試料近傍に設置することにより、イオンビームを容易に中性化することが出来る。
【００３２】
その後、電子サイクロトロン共鳴型反応性イオンビームエッチング装置を用いて、ＳＦ6を反応ガスとしたドライエッチングを行うと、膜厚約１５０ｎｍのＳｉＮxレジストパターン２５が形成できる。このＳｉＮxレジストパターン２５をマスクとして、ビームエネルギー約４００ｅＶのＡｒイオンミリングによって上部電極２４と酸化膜トンネルバリア層２３を接合部として形成することが出来る。
【００３３】
次に、図２（ｃ）の断面図に示すように、ＳｉＮxレジストパターン２５を剥離した後、全面にＳｉＯ2絶縁膜２６を堆積し、さらにその上にエッチバックプロセスのためのフォトレジスト２７を全面に塗布する。
【００３４】
ここでＳｉＮxレジスト２５の剥離は、Ｆ系反応ガスを用いた等方的プラズマエッチングまたは緩衝弗酸溶液を用いて行う。またＳｉＯ2絶縁膜の堆積はスパッタ装置を用いて膜厚約１００ｎｍ程度に行う。さらにまたエッチバックプロセス用のフォトレジストとしては、例えばＡＺ５２１４Ｅフォトレジストを約１．２μｍ厚に塗布する。この時、接合部のサイズが約２μｍ以下と小さければ接合部上のフォトレジストは他の部分と比べて薄膜化すればイオンミリング後に接合部にできる約６０ｎｍの段差はフォトレジスト上面ではほぼ解消される。
【００３５】
次に、下部電極２２の全表面に塗布したフォトレジストのエッチバックプロセスを行うことにより、接合部上のみにレジスト開口部を形成し、さらにその後にフォトレジストをマスクとしてＳｉＯ2絶縁膜２６のドライエッチングを行い、図２（ｄ）に示す様に、上部電極のコンタクトホールを形成する。
【００３６】
ここでエッチバックプロセスとしては、フォトレジストのドライエッチングを、ＣＦ4ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でＳｉＯ2絶縁膜２６が露出するまで行う。その後に、ＣＦ4ガスにＨ2ガスを添加したＲＩＥによりフォトレジストに対するＳｉＯ2の高選択比エッチングを行うことにより、フォトレジストをマスクとしてＳｉＯ2絶縁膜にコンタクトホールを形成する。
【００３７】
次に、フォトレジストマスク２７をＯ2アッシングにより除去した後、そのコンタクトホール上にフォトリソグラフィのリフトオフにより、図２（ｄ）に示すように、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる上部配線２８を形成し、ＴＭＲ膜の製造を終える。
【００３８】
トンネル接合部の微細マスク２５の作製方法として、ＥＢポジレジストを塗布した後、ＦＩＢ描画を行って、通常の現像液による現像の後、Ｔｉ等の金属やＳｉＯ2等の酸化物を蒸着またはスパッタ堆積して、レジストリフトオフを用いてハードマスクを形成する方法も可能である。つまり、イオン照射された領域はレジスト中のポリマーの結合切断や重合反応が起こるため、通常の現像液によるポジレジストまたはネガレジストのパターン形成が可能である。
【００３９】
ここで、ＥＢ描画と同様なレジストへの露光プロセスの場合でもイオンビームは物質中での散乱が小さいため近接効果はほとんど無い。
【００４０】
さらに、イオンは物質中での阻止能が大きいことにより、電子に比べて２桁から３桁大きい露光感度が得られるとともに、薄膜のレジストでもその下地に与える損傷は非常に小さい。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法について説明する。
【００４１】
図３の断面図に示すように、Ｓｉ基板２１上に金属強磁性体層を備える下部電極２２を形成し、この下部電極２２の全面に塗布したＥＢレジスト上にＧａイオンビームを照射し、Ｏ2プラズマのドライエッチングを施すと、Ｇａイオンの照射領域のみにＥＢレジスト３１が残留するため、接合部の形状にレジストマスクをパターニングすることが出来る。
【００４２】
この場合は、Ｇａイオンビーム照射領域のＥＢレジスト３１の表面にＧａ酸化物が形成されてエッチング阻止層として働くため、ネガレジストとしてＥＢレジスト３１がパターニングされる。そのレジスト３１を用いて上部電極２４をイオンミリングにより形状加工した後に、レジスト３１を剥離せずに全面に図示せぬＳｉＯ2絶縁膜を形成し、リフトオフを行うことにより、コンタクトホールをトンネル接合に自己整合的に形成することが出来る。
【００４３】
このレジストマスク形成プロセスも、第１の実施形態で述べたようなイオンビーム注入領域と非注入領域のドライエッチング選択性を用いているために、良好な加工形状が得られ、下地ダメージが非常に少ないとともに、静電破壊の心配もほとんど無い。
【００４４】
また、通常のＥＢネガレジスト塗布、イオンビーム照射露光、通常の現像液による現像というパターン形成法を用いた自己整合プロセスも可能である。この場合も同様の効果が得られる。
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明する。
【００４５】
まず、下部電極２２、酸化物トンネルバリア層２３、上部電極２４が形成されたＳｉ基板２１の全面に形成したＳｉＯ2絶縁膜４１の接合部上にコンタクトホールを形成するために、図４（ａ）の断面図に示すように、ポジのＥＢレジスト４２を用いたイオンビームリソグラフィを適用すると、反射電子の散乱やチャージアップの問題を避けて、良好に微細なコンタクトホールを形成することができる。
【００４６】
また、図４（ｂ）に示すように、イオンビーム４３を照射する領域に反応性ガス４４を吹き付けることによりイオンビーム支援エッチングを行えば、物理的なスパッタエッチングよりも１桁大きいエッチング速度が得られるため、エッチングマスクを用いずにＳｉＯ2絶縁膜４５に直接コンタクトホールを形成することが出来る。
【００４７】
ここで、ＳｉＯ2絶縁膜に対するイオンビーム支援エッチングには、ＳＦ6等のＦ系反応ガスを用いれば良い。このイオンビーム支援エッチングでは、エッチング物の再付着効果が無いために、非常にアスペクト比の大きいトレンチ形状も非常に平滑な側壁をもって形成することが出来るため、サブミクロンの微細コンタクトホールの形成には有効である。
【００４８】
この方法によるコンタクトホール形成の際には、接合部へのイオン照射による損傷が懸念されるが、接合部上部にパッシベーション膜として質量数の大きいＡｕ等の金属を形成しておけば、ほとんどのイオンはＡｕ膜中に留まるようになり、積層膜に損傷を与える可能性は少ない。
【００４９】
以上説明した実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法は、ＭＲＡＭ等の磁気抵抗効果膜が集積された磁気メモリ装置の製造方法に適用することが可能である。また、磁気抵抗効果膜を搭載した磁気ヘッドの製造方法にも適用可能である。
【００５０】
また、上述の各実施の形態では、ＴＭＲ膜を中心に説明してきたが、金属非磁性体層を介して、２つの金属強磁性体層が積層されたスピンバルブや人口格子からなる巨大磁気抵抗効果膜にも適用可能であり、良好な微細パターンの形成が可能となる。
【００５１】
その他、本発明は上述の各実施の形態に縛られることなく、特許請求の範囲において、適宜変更が可能である。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、微細な磁気抵抗素子を容易なプロセスで歩留まり良く作製することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図２】  本発明の第２の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図３】  本発明の第３の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図４】  本発明の第４の実施の形態に係る磁気抵抗効果膜の製造方法を説明するための断面図。
【図５】  従来の技術によるＴＭＲ膜の製造方法を説明するための断面図。
【図６】  従来の技術による製造方法に関する問題を説明する断面図。
【符号の説明】
１１、２１、５１・・・Ｓｉ基板
１２、６１・・・金属強磁性体層／絶縁性非磁性体層／金属強磁性体層の積層膜１３・・・Ｓｉを含有する無機レジスト
１４・・・Ｇａイオンビーム
１５・・・電子線
１６・・・Ｆ系ドライエッチング
２２、５２・・・下部電極
２３、５３・・・酸化物トンネルバリア層
２４、５４・・・上部電極
２５・・・ＳｉＮxレジスト
２６、４１、４５、５６・・・ＳｉＯ2絶縁膜
２７・・・フォトレジスト
２８、５７・・・上部配線
３１、４２、５５、６２・・・ＥＢレジスト
４３・・・イオンビーム
４４・・・反応性ガス
４５・・・ＳｉＯ2絶縁膜
６３・・・ＥＢ
６４・・・反射電子
【図１】
0003642568.tif 000002
【図２】
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【図３】
0003642568.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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