(57)【要約】  【課題】  電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができるという効果を有する薄膜パターン形成方法、被覆材料、薄膜積層体及びトンネル磁気抵抗素子を提供すること。  【解決手段】  薄膜積層体１０は、基板１００と、この基板１００上に順次形成された電極膜１１１と、接合膜１１２と、被覆膜１１３とを備え、被覆膜１１３は、接合膜１１２上に形成された酸化マグネシウム薄膜１１４と、酸化マグネシウム薄膜１１４上に形成されたＲｕ薄膜１１５とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかを含む特定薄膜を形成する工程と、マグネシウムを含む薄膜、導電性を有する薄膜及び所定の厚さのレジストを前記特定薄膜上に順次積層する工程と、電子線を前記レジストの所定領域に前記厚さ方向に沿って照射して電子線露光を行う工程とを含むことを特徴とする薄膜パターン形成方法。
【請求項２】
磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかを含む特定薄膜を形成し、マグネシウムを含む薄膜、導電性を有する薄膜及び所定の厚さのレジストを前記薄膜上に順次積層し、電子線を前記レジストの所定領域に前記厚さ方向に沿って照射して電子線露光を行って前記特定薄膜上の第１の方向に第１のライン状レジストパターンを形成する工程と、前記第１のライン状レジストパターンをマスクとして前記特定薄膜を膜厚方向に所定厚さだけ除去する工程と、前記特定薄膜が除去された厚さとほぼ同一な厚さで絶縁膜を形成する工程と、マグネシウムを含む薄膜、導電性を有する薄膜及び所定の厚さのレジストを前記絶縁膜上に順次積層し、電子線を前記レジストの所定領域に前記厚さ方向に沿って照射して電子線露光を行って前記絶縁膜上に前記第１の方向とは異なる第２の方向に第２のライン状レジストパターンを形成する工程と、前記第２のライン状レジストパターンをマスクとして前記特定薄膜を膜厚方向に所定厚さだけ除去する工程とを含み、
前記第１のライン状レジストパターンでマスクされた領域と前記第２のライン状レジストパターンでマスクされた領域とが重なる領域に前記特定薄膜のドットパターンを形成することを特徴とする薄膜パターン形成方法。
【請求項３】
前記第１及び前記第２のライン状レジストパターンを形成する工程は、それぞれ、所定の現像液に対して侵食性を有する下地レジスト膜を形成する工程と、前記下地レジスト膜上に電子線レジスト膜を形成する工程と、前記電子線レジスト膜に電子線を照射して露光する工程と、前記現像液によって現像処理する工程とを含むことを特徴とする請求項２に記載の薄膜パターン形成方法。
【請求項４】
マグネシウムを含む第１の薄膜と、この第１の薄膜上に形成された導電性を有する第２の薄膜とを備え、前記第１の薄膜は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかの面上に形成されたことを特徴とする被覆材料。
【請求項５】
前記第１の薄膜は、酸化マグネシウム薄膜であることを特徴とする請求項４に記載の被覆材料。
【請求項６】
マグネシウムを含む第１の薄膜と、この第１の薄膜上に形成された炭素を含む第２の薄膜とを備え、前記第１の薄膜は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかの面上に設けられたことを特徴とする被覆材料。
【請求項７】
前記第２の薄膜は、非晶質炭素薄膜であることを特徴とする請求項６に記載の被覆材料。
【請求項８】
電極膜と、この電極膜上にライン状に形成されたライン状絶縁膜と、前記電極膜上に形成されたドット状の薄膜とを備え、
前記ライン状絶縁膜は、マグネシウムを含む薄膜と、この薄膜上に形成された導電性を有する薄膜とを含み、前記電極膜は、前記ライン状被覆膜の延在方向とは異なる方向に形成されたライン状のレジストパターンの除去跡を含み、前記ドット状の薄膜は、前記ライン状被覆膜と交差する前記レジストパターンの除去跡上に形成されたことを特徴とする薄膜積層体。
【請求項９】
電極膜と、この電極膜上にライン状に形成されたライン状絶縁膜と、前記電極膜上に形成されたドット状の薄膜とを備え、
前記ライン状絶縁膜は、マグネシウムを含む薄膜と、この薄膜上に形成された炭素を含む薄膜とを含み、前記電極膜は、前記ライン状被覆膜の延在方向とは異なる方向に形成されたライン状のレジストパターンの除去跡を含み、前記ドット状の薄膜は、前記ライン状被覆膜と交差する前記レジストパターンの除去跡上に形成されたことを特徴とする薄膜積層体。
【請求項１０】
前記ドット状の薄膜を挟んで前記電極膜に対向して形成された対向電極膜を備え、
前記ドット状の薄膜は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかを含み、前記電極膜及び前記対向電極膜によって所定の電圧及び電流のいずれかが印加されることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の薄膜積層体。
【請求項１１】
請求項１０に記載の薄膜積層体を備え、前記ドット状の薄膜は、強磁性トンネル接合を有することを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄膜パターン形成方法、被覆材料、薄膜積層体及びトンネル磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の薄膜パターン形成方法としては、例えば特許文献１の従来の技術欄に示された電子線リソグラフィによるパターンの形成方法が知られている。この方法によれば、半導体基板上に形成された薄膜に電子線レジストを塗布した後、この電子線レジストに電子線を照射してレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてエッチング処理を施すことによって、レジストマスクに対応した微細なパターンの薄膜が得られるようになっている。
【０００３】
上記従来の薄膜のパターン形成方法を、２つの電極間において電圧又は電流が印加される構造を有する素子における薄膜の微細なパターンの形成に適用することは容易である。具体的には、基板上に下部電極膜、接合膜、被覆膜を順次積層し、被覆膜の面上に電子線レジストを塗布して電子線リソグラフィによってレジストマスクを形成し、このレジストマスクを用いてエッチング処理を施すことによって、接合膜及び被覆膜の微細なパターンが形成される。ここで、被覆膜としては、従来、耐食性に優れたＴａやＲｕ等の金属材料が用いられていた（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−３１２２５３号公報（第２頁）
【特許文献２】特開２００４−６５８９号公報（第３０−３１頁［０２０４］、図３０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のパターン形成方法では、電子線レジストと被覆層との界面や被覆層の内部等において、電子線レジストを通過した電子線が電子線レジストに再入射する電子線後方散乱が発生し、この後方散乱の影響により、電子線描画装置で描画した領域よりも照射領域が広がってしまって微細なレジストマスクが形成できず、微細なパターンが得られないという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができる薄膜パターン形成方法、被覆材料、薄膜積層体及びトンネル磁気抵抗素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者らは、一般に原子番号Ｚの元素に電子線を照射した際に生じる後方散乱電子の発生効率がＺ１．４に比例するという自然法則に基づいて、前述の従来の問題点を解決した。
【０００８】
すなわち、本発明の薄膜パターン形成方法は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかを含む特定薄膜を形成する工程と、マグネシウムを含む薄膜、導電性を有する薄膜及び所定の厚さのレジストを前記特定薄膜上に順次積層する工程と、電子線を前記レジストの所定領域に前記厚さ方向に沿って照射して電子線露光を行う工程とを含む構成を有している。
【０００９】
この構成により、本発明の薄膜パターン形成方法は、従来のものよりも原子番号が小さいマグネシウムを含む構成としたので、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができる。
【００１０】
また、前述の構成により、本発明の薄膜パターン形成方法は、マグネシウムを含む薄膜上に導電性を有する薄膜を形成する構成としたので、導電性を有する薄膜は、マグネシウムを含む薄膜の帯電を防止することができる。
【００１１】
また、本発明の薄膜パターン形成方法は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかを含む特定薄膜を形成し、マグネシウムを含む薄膜、導電性を有する薄膜及び所定の厚さのレジストを前記薄膜上に順次積層し、電子線を前記レジストの所定領域に前記厚さ方向に沿って照射して電子線露光を行って前記特定薄膜上の第１の方向に第１のライン状レジストパターンを形成する工程と、前記第１のライン状レジストパターンをマスクとして前記特定薄膜を膜厚方向に所定厚さだけ除去する工程と、前記特定薄膜が除去された厚さとほぼ同一な厚さで絶縁膜を形成する工程と、マグネシウムを含む薄膜、導電性を有する薄膜及び所定の厚さのレジストを前記絶縁膜上に順次積層し、電子線を前記レジストの所定領域に前記厚さ方向に沿って照射して電子線露光を行って前記絶縁膜上に前記第１の方向とは異なる第２の方向に第２のライン状レジストパターンを形成する工程と、前記第２のライン状レジストパターンをマスクとして前記特定薄膜を膜厚方向に所定厚さだけ除去する工程とを含み、前記第１のライン状レジストパターンでマスクされた領域と前記第２のライン状レジストパターンでマスクされた領域とが重なる領域に前記特定薄膜のドットパターンを形成する構成を有している。
【００１２】
この構成により、本発明の薄膜パターン形成方法は、第１及び第２のライン状レジストパターンが、それぞれ、従来のものよりも原子番号が小さいマグネシウムを含む薄膜を有する積層薄膜に基づいて電子線リソグラフィで形成され、第１のライン状レジストパターンでマスクされた領域と第２のライン状レジストパターンでマスクされた領域とが重なる領域に特定薄膜のドットパターンを形成する構成としたので、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なドットパターンを形成することができる。
【００１３】
さらに、本発明の薄膜パターン形成方法は、前記第１及び前記第２のライン状レジストパターンを形成する工程は、それぞれ、所定の現像液に対して侵食性を有する下地レジスト膜を形成する工程と、前記下地レジスト膜上に電子線レジスト膜を形成する工程と、前記電子線レジスト膜に電子線を照射して露光する工程と、前記現像液によって現像処理する工程とを含む構成を有している。
【００１４】
この構成により、本発明の薄膜パターン形成方法は、電子線リソグラフィによって、第１及び第２のライン状レジストパターンを微細化して形成することができる。
【００１５】
本発明の被覆材料は、マグネシウムを含む第１の薄膜と、この第１の薄膜上に形成された導電性を有する第２の薄膜とを備え、前記第１の薄膜は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかの面上に形成された構成を有している。
【００１６】
この構成により、本発明の被覆材料は、従来のものよりも原子番号が小さいマグネシウムを含む構成としたので、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができる。
【００１７】
また、本発明の被覆材料は、前記第１の薄膜が、酸化マグネシウム薄膜である構成を有している。
【００１８】
この構成により、本発明の被覆材料は、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができる。
【００１９】
さらに、本発明の被覆材料は、マグネシウムを含む第１の薄膜と、この第１の薄膜上に形成された炭素を含む第２の薄膜とを備え、前記第１の薄膜は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかの面上に設けられた構成を有している。
【００２０】
この構成により、本発明の被覆材料は、従来のものよりも原子番号が小さいマグネシウム及び炭素を含む構成としたので、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができる。
【００２１】
さらに、本発明の被覆材料は、前記第２の薄膜は、非晶質炭素薄膜である構成を有している。
【００２２】
この構成により、本発明の被覆材料は、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができる。
【００２３】
本発明の薄膜積層体は、電極膜と、この電極膜上にライン状に形成されたライン状絶縁膜と、前記電極膜上に形成されたドット状の薄膜とを備え、前記ライン状絶縁膜は、マグネシウムを含む薄膜と、この薄膜上に形成された導電性を有する薄膜とを含み、前記電極膜は、前記ライン状被覆膜の延在方向とは異なる方向に形成されたライン状のレジストパターンの除去跡を含み、前記ドット状の薄膜は、前記ライン状被覆膜と交差する前記レジストパターンの除去跡上に形成された構成を有している。
【００２４】
この構成により、本発明の薄膜積層体は、従来のものよりも微細化されたドット状の薄膜を備えることとなる。
【００２５】
また、本発明の薄膜積層体は、電極膜と、この電極膜上にライン状に形成されたライン状絶縁膜と、前記電極膜上に形成されたドット状の薄膜とを備え、
【００２６】
前記ライン状絶縁膜は、マグネシウムを含む薄膜と、この薄膜上に形成された炭素を含む薄膜とを含み、前記電極膜は、前記ライン状被覆膜の延在方向とは異なる方向に形成されたライン状のレジストパターンの除去跡を含み、前記ドット状の薄膜は、前記ライン状被覆膜と交差する前記レジストパターンの除去跡上に形成された構成を有している。
【００２７】
この構成により、本発明の薄膜積層体は、従来のものよりも原子番号が小さいマグネシウム及び炭素を含む薄膜に基づいてライン状レジストパターンを形成できるので、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なドットパターンを形成することができる。
【００２８】
さらに、本発明の薄膜積層体は、前記ドット状の薄膜を挟んで前記電極膜に対向して形成された対向電極膜を備え、前記ドット状の薄膜は、磁性体、半導体及び超伝導体のいずれかを含み、前記電極膜及び前記対向電極膜によって所定の電圧及び電流のいずれかが印加される構成を有している。
【００２９】
この構成により、本発明の薄膜積層体は、従来のものよりも微細化された磁性体、半導体又は超伝導体が所定の電圧又は電流で動作することとなる。
【００３０】
さらに、本発明のトンネル磁気抵抗素子は、薄膜積層体を備え、前記ドット状の薄膜は、強磁性トンネル接合を有する構成を有している。
【００３１】
この構成により、本発明のトンネル磁気抵抗素子は、従来のものよりも微細化された磁性体がトンネル磁気抵抗効果を有することとなる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明は、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができるという効果を有する薄膜パターン形成方法、被覆材料、薄膜積層体及びトンネル磁気抵抗素子を提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の実施の形態の薄膜パターン形成方法、被覆材料、薄膜積層体及びトンネル磁気抵抗素子について図面を用いて説明する。
【００３４】
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態の薄膜積層体の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態の薄膜積層体を部分断面で表した斜視図である。
【００３５】
図１に示すように、本実施の形態の薄膜積層体１０は、電極膜１１１と、接合膜１１２と、被覆膜１１３とを備え、電極膜１１１は基板１００上に形成されている。
【００３６】
基板１００は、例えばガラス材料によって構成される。電極膜１１１は、例えばＣｕ、Ａｕ、Ｔａ等の多層膜によって構成され、基板１００上に積層されている。接合膜１１２は、例えば強磁性トンネル接合された多層膜によって構成されている。なお、接合膜１１２は、本発明の特定薄膜を構成している。
【００３７】
被覆膜１１３は、接合膜１１２上に形成された酸化マグネシウム薄膜１１４と、酸化マグネシウム薄膜１１４上に形成されたＲｕ薄膜１１５とを含んでいる。すなわち、被覆膜１１３は、原子番号１２のマグネシウムと原子番号８の酸素とが１：１で結合した酸化マグネシウム（平均原子番号：１０）の薄膜と、導電性を有するＲｕの薄膜とを含んでいる。
【００３８】
なお、被覆膜１１３の構成は、酸化マグネシウムとＲｕとの構成限定されるものではない。また、被覆膜１１３は、本発明の被覆材料を構成している。また、酸化マグネシウム薄膜１１４及びＲｕ薄膜１１５は、それぞれ、本発明の第１及び第２の薄膜を構成している。
【００３９】
次に、被覆膜１１３及び電子線レジストの製造方法について実施例を挙げて説明する。ただし、下記の方法、条件等に限定されるものでない。
【００４０】
酸化マグネシウム薄膜１１４及びＲｕ薄膜１１５は、ビームスパッタ法により形成し、ビーム電圧を８５０Ｖ、ビーム電流密度を４．９３ｍＡ／ｃｍ２とし、Ｋｒガス雰囲気中において堆積して形成した。酸化マグネシウム薄膜１１４の膜厚は８ｎｍ、Ｒｕ薄膜１１５の膜厚は２ｎｍとし、被覆膜１１３全体の膜厚は１０ｎｍとした。
【００４１】
続いて、被覆膜１１３上に、現像液に対して侵食性を有する下地レジスト、電子線に対して架橋反応を示すネガ型の電子線レジストの順に塗布し、加速電圧３０ｋｅＶで加速された電子線を１４４μＣ／ｃｍ２のドーズ量で照射し、幅５０ｎｍの細線レジストパターンを形成した。一方、被覆膜としてＲｕを１０ｎｍ堆積して実験したところ、９０μＣ／ｃｍ２のドーズ量で幅８０ｎｍの細線レジストパターンが形成できたが、それ以下の幅を得ることはできなかった。
【００４２】
一般に、電子線のドーズ量が増大すれば、それに比例してパターンの幅も大きくなるが、本実施の形態の被覆材料を用いることによって、ドーズ量が１．６倍（９０μＣ／ｃｍ２→１４４μＣ／ｃｍ２）に増大しているにもかかわらず、幅の小さな細線レジストパターンが形成できるということは、被覆膜１１３に用いた酸化マグネシウム薄膜１１４において後方散乱電子の発生が抑制されたと考えることができる。
【００４３】
ここで、本実施の形態の薄膜積層体１０と従来のものとにおける電子線の後方散乱について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本実施の形態の薄膜積層体１０に係る電子線の後方散乱を示し、図２（ｂ）は、従来の薄膜積層体３０に係る電子線の後方散乱を示している。
【００４４】
まず、図２（ｂ）に示すように、従来の薄膜積層体３０は、基板３００、電極膜３１１、接合膜３１２と、原子番号７３のＴａ又は原子番号４４のＲｕ等で構成された被覆膜３１３とを備え、被覆膜３１３上に電子線レジスト３２０が塗布されている。電子線レジスト３２０に向けて照射された電子線３３１が、電子線レジスト３２０と被覆膜３１３との界面及び被覆膜３１３の内部、あるいは被覆膜３１３と接合膜３１２との界面及び接合膜３１２の内部等で散乱され、散乱された電子が電子線レジスト３２０に再入射する電子線の後方散乱が発生する。その結果、従来の薄膜積層体３０においては、照射領域３２５が描画された領域よりも広がってしまう。
【００４５】
一方、図２（ａ）に示すように、本実施の形態の薄膜積層体１０は、平均原子番号が１０の酸化マグネシウム薄膜１１４と、導電性を有するＲｕ薄膜１１５とを含む被覆膜１１３上に電子線レジスト１２０が塗布されているので、電子線レジスト１２０に向けて照射された電子線１３１による後方散乱電子の発生を大幅に抑制することができる。この結果、後方散乱による露光領域の拡大を防止でき、描画された領域とほぼ一致する照射領域１２５が得られ、微細なレジストパターンを形成することができる。
【００４６】
なお、被覆膜１１３として、酸化マグネシウム薄膜１１４上に非晶質炭素薄膜を積層した二層膜を用いることによって、後方散乱電子をさらに抑制できるので、より微細なレジストパターンを形成するのに好ましい。
【００４７】
以上のように、本実施の形態の薄膜積層体１０によれば、被覆膜１１３は、酸化マグネシウム薄膜１１４と、酸化マグネシウム薄膜１１４上に形成されたＲｕ薄膜１１５とを含む構成としたので、電子線の後方散乱による露光領域の広がりを抑制し、微細なパターンを形成することができる。
【００４８】
（第２の実施の形態）
まず、本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子について説明する。なお、本実施の形態においては、個体磁気メモリに利用されるトンネル磁気抵抗素子を例に挙げて説明する。
【００４９】
まず、本実施の形態のトンネル磁気抵抗素子の構成について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態のトンネル磁気抵抗素子の一部を断面で表した斜視図である。
【００５０】
図３に示すように、本実施の形態のトンネル磁気抵抗素子２０は、基板２００と、この基板２００上に形成された下部電極膜２１１と、この下部電極膜２１１と対向して形成された上部電極膜２４１とを備え、下部電極膜２１１と上部電極膜２４１との間には、下部電極膜２１１上に形成された接合膜２１２と、ライン状に形成された第１の絶縁膜２３１と、第２の絶縁膜２３３とを備えている。ここで、接合膜２１２は、下部電極膜２１１と上部電極膜２４１との間において微細なドットパターンとして形成されている。なお、下部電極膜２１１、接合膜２１２及び第１の絶縁膜２３１は、本発明の薄膜積層体を構成している。
【００５１】
基板２００は、例えばガラス材料によって構成される。下部電極膜２１１は、例えばＣｕ、Ａｕ、Ｔａ等の多層膜によって構成され、基板２００上に積層されている。
【００５２】
接合膜２１２は、強磁性トンネル接合を有する多層膜によって構成されている。この多層膜は、反強磁性層と、固着層と呼ばれる強磁性層と、自由層と呼ばれる強磁性層と、非磁性層とを含んでいる。固着層のスピンの向きと自由層のスピンの向きとが平行か反平行かによって多層膜の電気抵抗が異なる磁気抵抗効果を利用して、２値のディジタル値「１」又は「０」のデータが接合膜２１２に記憶されるようになっている。
【００５３】
接合膜２１２は、例えばＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＣｏＦｅの多層膜によって構成される。この表記方法は、多層膜が４層で構成されていることを表したものであり、記号「／」は各層の界面を示している。なお、接合膜２１２の構成は、前述のものに限定されるものではなく、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｆｅ／ＭｇＯ／Ｆｅ、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅ、ＰｔＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅ等の多層膜で構成してもよい。また、接合膜２１２は、本発明の特定薄膜を構成している。
【００５４】
図３において、第１の絶縁膜２３１及び第２の絶縁膜２３３は、それぞれ単層の膜で図示しているが２層の膜で構成され、例えば、膜厚が３５ｎｍの酸化マグネシウム薄膜と、膜厚が２ｎｍのＲｕ薄膜とを含み、下部電極膜２１１と上部電極膜２４１とに挟まれている。なお、第１の絶縁膜２３１は、本発明のライン状絶縁膜を構成している。また、下部電極膜２１１及び上部電極膜２４１は、それぞれ、本発明の電極膜及び対向電極膜を構成している。
【００５５】
本実施の形態のトンネル磁気抵抗素子２０は、前述のように構成されているので、接合膜２１２にデータを記憶したり、接合膜２１２に記憶されたデータを読み出したりすることができるようになっている。以下、トンネル磁気抵抗素子２０の動作を説明する。
【００５６】
まず、データの記憶は、図示していないが、下部電極膜２１１の下方あるいは上部電極膜２４１の上方に互いに直交するよう配置された２本の電流線に電流を流してそれぞれ磁界を発生させ、それらの合成磁界を用いて、接合膜２１２を構成する２つの強磁性層のスピンの向きを互いに平行又は反平行に制御することによって、「１」又は「０」のデータが記憶される。
【００５７】
一方、データの読み出しは、下部電極膜２１１と上部電極膜２４１とを介し、接合膜２１２に対して膜厚方向に電流を流し、磁気抵抗効果を利用して接合膜２１２の電気抵抗値の大きさに基づいて、記録されたデータが「１」か「０」かが判定される。
【００５８】
次に、本実施の形態のトンネル磁気抵抗素子２０の製造方法及び薄膜パターン形成方法について図３及び図４を用いて説明する。
【００５９】
まず、基板２００の上面に下部電極膜２１１、接合膜２１２、被覆膜２１３を順次積層する。ここで、被覆膜２１３は、接合膜２１２上に形成された酸化マグネシウム薄膜と、この酸化マグネシウム薄膜上に形成されたＲｕ薄膜とを含む２層膜であるが、図示を簡略化するために単層で示しており、以下同様に図示する。なお、被覆膜２１３は、本発明の被覆材料を構成している。
【００６０】
次いで、被覆膜２１３の上面に現像液に対して侵食性を有する下地レジスト２２１と、電子線に対して架橋反応を示すネガ型の電子線レジスト２２２とを順次塗布した後、電子線リソグラフィによって第１のライン状レジストパターン２２０を形成する（図４（ａ））。第１のライン状レジストパターン２２０は、例えば幅５０ｎｍ、長さ１０μｍの寸法で形成するのが好ましい。この構成により、例えば幅５０ｎｍ、長さ５０ｎｍで形成した場合よりも密着力を確保することができるので、第１のライン状レジストパターン２２０が以後の工程で流れてしまったり、当初の位置からずれたりすることを防止することができる。
【００６１】
具体的には、下地レジスト２２１と電子線レジスト２２２とを被覆膜２１３の上面に塗布した後、例えば、３ｎｍφのスポット径に絞り込んだ電子線を電子線レジスト２２２表面の幅５０ｎｍ、長さ１０μｍの領域内にくまなく走査して照射した後に現像液に浸して現像処理を施すことにより、電子線レジスト２２２が照射されて感光した領域が残され、感光しなかった領域が除去されて、第１のライン状レジストパターン２２０が形成される。
【００６２】
次いで、第１のライン状レジストパターン２２０をマスクとして、例えばドライエッチング技術を用いて、接合膜２１２及び被覆膜２１３を除去する（図４（ｂ））。具体的には、例えばＡｒ、Ｋｒ等の不活性ガスプラズマを高電圧に加速したイオンを照射し、イオンのスパッタリング作用を利用してエッチングを行うイオントリミング法や、一酸化炭素のような活性ガスにアンモニアガスを添付した混合ガスのプラズマを用いて活性ガスイオンと強磁性材料を構成するＦｅ、Ｃｏ等の遷移金属元素とを反応させることにより遷移金属カルボニル化合物を生成し、生成された遷移金属カルボニル化合物の蒸発作用を利用してエッチングを行う反応性イオンエッチング法等のドライエッチング技術を用いるのが好ましい。
【００６３】
なお、図４（ｂ）においては、第１のライン状レジストパターン２２０をマスクとして、多層膜で構成された接合膜２１２の全部を除去した状態を示しているが、多層膜のうちの被覆膜２１３側の一部の層をエッチングで除去する工程としてもよい。例えば、接合膜２１２がＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ａｌ２Ｏ３／ＣｏＦｅの多層膜で構成されている場合、被覆膜２１３側からＣｏＦｅ又はＡｌ２Ｏ３までをエッチングで除去する工程としてもよい。
【００６４】
引き続き、第１のライン状レジストパターン２２０をマスクとして、例えば膜厚が３５ｎｍの酸化マグネシウム薄膜と、膜厚が２ｎｍのＲｕ薄膜とを積層し、絶縁膜を形成する（図４（ｃ））。ここで、下部電極膜２１１上に形成された絶縁膜を第１の絶縁膜２３１と呼称し、第１のライン状レジストパターン２２０上に形成された絶縁膜を余分な絶縁膜２３２と呼称する。なお、第１の絶縁膜２３１の膜厚は、前述のエッチングによって除去された厚さと同程度となるように設定する。なお、Ｒｕ薄膜の膜厚に対して酸化マグネシウム薄膜の膜厚を大幅に大きくした理由は、下部電極膜２１１と上部電極膜２４１との間の絶縁を確実に確保するためである。
【００６５】
次いで、第１のライン状レジストパターン２２０上に形成された余分な絶縁膜２３２を例えば有機溶剤に浸して第１のライン状レジストパターン２２０と共に除去する（図４（ｄ））。その結果、被覆膜２１３がライン状に露出する状態となる。
【００６６】
さらに、第１の絶縁膜２３１及びライン状の被覆膜２１３の上面に現像液に対して侵食性を有する下地レジスト２２４と、電子線に対して架橋反応を示すネガ型の電子線レジスト２２５とを順次塗布した後、第１のライン状レジストパターン２２０を形成した方向とほぼ直交する方向に、電子線リソグラフィによって第２のライン状レジストパターン２２３を形成する（図４（ｅ））。第２のライン状レジストパターン２２３は、前述の第１のライン状レジストパターン２２０と同様な寸法で形成するのが好ましい。この構成により、例えば幅５０ｎｍ、長さ５０ｎｍで形成した場合よりも密着力を確保することができるので、第２のライン状レジストパターン２２３が以後の工程で流れてしまったり、当初の位置からずれたりすることを防止することができる。
【００６７】
続いて、第２のライン状レジストパターン２２３をマスクとして、例えば前述のドライエッチング技術を用いて、接合膜２１２、被覆膜２１３及び第１の絶縁膜２３１を除去する（図４（ｆ））。その結果、第１のライン状レジストパターン２２０でマスクされた領域と第２のライン状レジストパターン２２３でマスクされた領域とが重なる領域に接合膜２１２の微細なドットパターン２５０が形成される。
【００６８】
また、図４（ｆ）に示すように、第１のライン状レジストパターン２２０の除去跡２１１ａが下部電極膜２１１上に形成されるので、換言すれば、微細なドットパターン２５０は、第１の絶縁膜２３１と交差する第１のライン状レジストパターン２２０の除去跡２１１ａ上に形成されることとなる。この微細なドットパターン２５０が下部電極膜２１１に接する面（以下「ドットパターン面」という。）は、一辺がほぼ５０ｎｍの正方形となる。ここで、微細なドットパターン２５０は、本発明のドット状の薄膜を構成している。また、図４（ｆ）においては、第１のライン状レジストパターン２２０の除去跡２１１ａが凹状に形成された例を示しているが、これに限定されるものではなく、例えば凸状に形成されてもかまわない。
【００６９】
なお、図４（ｆ）においては、図４（ｂ）と同様、多層膜で構成された接合膜２１２の全てをエッチングで除去した状態を示しているが、前述のように接合膜２１２を構成する多層膜の一部を除去する工程としてもよい。また、図４（ｆ）においては、第１の絶縁膜２３１のうち第２のライン状レジストパターン２２３でマスクされていない領域に形成されたもの全てがエッチングされた状態を示しているが、これに限定されるものではない。
【００７０】
次いで、第２のライン状レジストパターン２２３をマスクとして、例えば膜厚が３５ｎｍの酸化マグネシウム薄膜と、膜厚が２ｎｍのＲｕ薄膜とを積層し、絶縁膜を形成する（図５（ｇ））。ここで、下部電極膜２１１上に形成された絶縁膜を第２の絶縁膜２３３と呼称し、第２のライン状レジストパターン２２３上に形成された絶縁膜を余分な絶縁膜２３４と呼称する。なお、第２の絶縁膜２３３の膜厚は、図４（ｆ）を用いて説明したエッチング処理によって除去された厚さと同程度となるように設定する。
【００７１】
さらに、第２のライン状レジストパターン２２３上に形成された余分な絶縁膜２３４を例えば有機溶剤に浸して第２のライン状レジストパターン２２３と共に除去する（図３（ｈ））。
【００７２】
次いで、例えばＡｒイオンを全面に照射するエッチングにより、微細なドットパターン２５０上に残っていた被覆膜２１３を除去する（図３（ｉ））。その結果、接合膜２１２が正方形状に露出する状態となる。
【００７３】
そして、例えばＣｕ、Ａｕ、Ｔａ等の多層膜によって構成された上部電極膜２４１を例えば電子ビーム蒸着法によって形成する（図４（ｊ））。
【００７４】
以上のように、本実施の形態の薄膜パターン形成方法によれば、前記第１のライン状レジストパターンでマスクされた領域と前記第２のライン状レジストパターンでマスクされた領域とが重なった領域に接合膜２１２の微細なドットパターン２５０を形成する工程を含むので、従来のものよりも接合膜２１２の微細化を図ることができる。
【００７５】
なお、前述の実施の形態において、接合膜２１２の微細なドットパターン２５０を１つ形成する例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばマトリックス状に微細なドットパターン２５０を複数形成することもできる。
【００７６】
この構成により、本実施の形態のトンネル磁気抵抗素子２０は、強磁性トンネル接合を有する接合膜をドットパターン面の一辺が５０ｎｍ以下のサイズで形成することができるので、トンネル磁気抵抗素子を用いた個体磁気メモリのデータ記憶する記憶セルのサイズを従来のものよりも微細に形成して高密度化することができ、高容量化を図ることができる。
【００７７】
また、前述の実施の形態において、個体磁気メモリに利用されるトンネル磁気抵抗素子を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、強磁性体／非磁性体／強磁性体を用いたスピン注入素子、磁性体／半導体ヘテロ接合を用いたスピントロニクスデバイス、半導体ヘテロ接合を用いた量子デバイス、ジョセフソン接合を用いた高周波スイッチング素子等に適用しても同様な効果が得られる。
【００７８】
また、前述の実施の形態において、ネガ型の電子線レジストを用いる例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ポジ型の電子線レジストを用いる構成としても同様な効果が得られる。
【００７９】
また、前述の実施の形態において、第１のライン状レジストパターン２２０と第２のライン状レジストパターン２２３とがほぼ直交する構成の例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、所定の角度で交差させる構成としても同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る薄膜積層体の部分断面の斜視図
【図２】（ａ）本発明の第１の実施の形態の薄膜積層体に係る電子線の後方散乱の説明図  （ｂ）従来の薄膜積層体に係る電子線の後方散乱の説明図
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るトンネル磁気抵抗素子の部分断面の斜視図
【図４】（ａ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第１のライン状レジストパターンが形成された状態を示す斜視図  （ｂ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第１のライン状レジストパターンをマスクとして、接合膜及び被覆膜が除去された状態を示す斜視図  （ｃ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第１のライン状レジストパターンをマスクとして、絶縁膜が形成された状態を示す斜視図  （ｄ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第１のライン状レジストパターンが除去された状態を示す斜視図  （ｅ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第２のライン状レジストパターンが形成された状態を示す斜視図  （ｆ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第２のライン状レジストパターンをマスクとして、接合膜、被覆膜及び第１の絶縁膜が除去された状態を示す斜視図
【図５】（ｇ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第２のライン状レジストパターンをマスクとして、絶縁膜が形成された状態を示す斜視図  （ｈ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る第２のライン状レジストパターンが除去された状態を示す斜視図  （ｉ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る接合膜が露出した状態を示す斜視図  （ｊ）本発明の第２の実施の形態のトンネル磁気抵抗素子に係る上部電極膜が形成された状態を示す斜視図
【符号の説明】
【００８１】
１０  薄膜積層体
２０  トンネル磁気抵抗素子
１００、２００  基板
１１１  電極膜
１１２、２１２  接合膜（特定薄膜、薄膜積層体）
１１３、２１３  被覆膜（被覆材料）
１１４  酸化マグネシウム薄膜（第１の薄膜）
１１５  Ｒｕ薄膜（第２の薄膜）
１２０、２２２、２２５  電子線レジスト
１２５  照射領域
１３１  電子線
２１１  下部電極膜（電極膜、薄膜積層体）
２１１ａ  第１のライン状レジストパターンの除去跡
２２０  第１のライン状レジストパターン
２２１、２２４  下地レジスト
２２３  第２のライン状レジストパターン
２３１  第１の絶縁膜（ライン状絶縁膜、薄膜積層体）
２３２、２３４  余分な絶縁膜
２３３  第２の絶縁膜
２４１  上部電極膜（対向電極膜）
２５０  微細なドットパターン（ドット状の薄膜）
【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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