(57)【要約】【課題】磁気薄膜にパターンを形成する方法（および得られる構造）が提供される。【解決手段】前記方法は、磁気薄膜の一部分の化学的変換を用いて、その部分を非磁性で電気絶縁性である状態に変えることを含む。磁気薄膜を低出力の反応性プラズマに曝露することで、磁気薄膜の接着性はそのままにして、磁気的、電気的性質を転化することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気薄膜の一部分を化学的変換して、前記部分を非磁性で電気絶縁性に変えることを含む、前記磁気薄膜にパターンを形成する方法。
【請求項２】
フォトリソグラフィを用いて、前記磁気薄膜の保護すべき部分の上にマスクを付けることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
反応性プラズマにより前記磁気薄膜の前記部分を転化することをさらに含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記化学的変換は、フッ素系反応性プラズマを使用することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記フッ素系反応性プラズマが、ＮＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６、ＣＨＦ３の何れかを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記転化に用いられる圧力が、約１０ｍＴｏｒｒから約３０ｍＴｏｒｒの範囲内にある請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記磁気薄膜の前記部分は、パーマロイ、ニッケル合金、鉄合金、およびコバルト合金よりなる群から選択された合金を含み、前記転化が、前記合金を含む磁気薄膜をフッ素含有膜に転化することを含む請求項３に記載の方法。
【請求項８】
前記フッ素含有膜が非強磁性である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記フッ素含有膜が非磁性である請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記フッ素含有膜が電気絶縁性である請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記マスクがフォトレジストを含む請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
前記マスクが、ダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）、ＴｉＮ、およびＴａＮの１種を含むハード・マスク・パターン層を備える請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
前記化学的変換が室温で実施される請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記反応性プラズマがフルオロカーボンまたは六フッ化イオウを含む請求項３に記載の方法。
【請求項１５】
前記反応性プラズマが臭化物をさらに含む請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記反応性プラズマは、前記磁気薄膜材料が実質的にエロージョンを受けない圧力を選択して用いる請求項４に記載の方法。
【請求項１７】
基板上に設けられた磁気薄膜を用意すること、
前記磁気薄膜の保護すべき部分の上にマスクをつけること、
反応性プラズマにより前記磁気薄膜の保護されていない部分を転化すること、
前記磁気薄膜の転化された部分および前記マスク上に絶縁層を形成すること、および
前記絶縁層と前記マスクをエッチングして前記マスクと前記絶縁層の上位面を平坦化すること
を含む、磁気デバイスの製造方法。
【請求項１８】
前記マスクを選択的にエッチングすること、および
前記絶縁層と、前記マスクが選択的にエッチングされた領域との上に導電性材料を形成すること
をさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記マスクが絶縁性ハード・マスクを含み、
前記転化後に、前記絶縁性ハード・マスクを選択的にエッチングして前記絶縁性ハード・マスクにパターンを形成すること
をさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記絶縁性ハード・マスクがエッチングされた領域上に導電性材料を形成することをさらに含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記磁気薄膜が磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を含み、また
前記部分の前記転化の後に、磁気トンネル接合の境界がまったく酸素に曝されていない請求項３に記載の方法。
【請求項２２】
ＭＴＪの境界の滑らかさがマスクの境界線の粗さにより決まる請求項２５に記載の方法。
【請求項２３】
フッ素化された非磁性の電気絶縁性材料を含む周辺領域により画定される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を備える磁気薄膜。
【請求項２４】
前記のフッ素化された非磁性の電気絶縁性材料が、フッ素化パーマロイ（商標）材料、フッ素化ニッケル合金、フッ素化鉄合金、およびフッ素化コバルト合金材料よりなる群から選択された少なくとも１種を含む請求項２３に記載の磁気薄膜。
【請求項２５】
請求項２３に記載の磁気薄膜、および
前記ＭＴＪに連結する導電性要素
を含む磁気デバイス。
【請求項２６】
前記のフッ素化された非磁性の電気絶縁性材料が、フッ素化パーマロイ（商標）材料、フッ素化ニッケル合金、フッ素化鉄合金、およびフッ素化コバルト合金材料よりなる群から選択された少なくとも１種を含む請求項２５に記載の磁気デバイス。
【請求項２７】
前記のフッ素化された非磁性の電気絶縁性材料の上に形成された絶縁層をさらに含む請求項２５に記載の磁気デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願の主題は、契約番号ＭＤＡ９７２−９９−Ｃ−０００９のもとに、米国国防高等研究計画庁（ＤＡＲＰＡ）により、少なくとも部分的に資金提供を受けた。
【０００２】
本発明は、一般に、薄膜にパターンを形成する方法およびシステム、より詳細には気体変換（gaseoustransformation）を利用して磁気薄膜にパターンを形成する方法およびかかる方法で得られた磁気薄膜を含む磁気デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
薄膜ディスク・ドライブ読出しヘッドおよび磁気記憶素子のような様々なセンサやデバイス用途での磁気薄膜のパターン化は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）、イオン・ミリングおよび他の除去技術による材料の除去（例えば、物理的除去）に頼ってきた。
【０００４】
このように、これらの方法は、ある領域の輪郭を磁気的にも電気的にも定めるために材料の物理的除去を利用する。通常、パターンが形成される領域は、ミクロンまたはサブミクロンの寸法のものであり、境界の粗さ（roughness）への対応感度、形状および再堆積材料が最終製品の品質を決めることが多い。
【０００５】
最近、材料を物理的に除去することなく（例えば、損傷により、また注入により）パターンを形成するために、いくつかの実験で（ブルエンガー他（W. H. Bruenger）他の、「磁気薄膜の無レジスト・パターン化のためのイオン投影リソグラフィ（Ion ProjectionLithography for Resistless Patterning of Thin Magnetic Films）」、マイクロおよびナノ・エンジニアリングに関する第２５回国際会議（25thInternational Conference on Micro and Nano Engineering）、イタリア（Italy）、ローマ（Rome）、１９９９年９月２１〜２３日、ならびに、MicroelectronicsEngineering（オランダ（Netherlands））、５３巻、１−４号、６月、２０００年、６０５−６０８頁；テリス（B. D. Terris）他、「イオン・ビーム照射による磁気膜のパターン化（PatterningMagnetic Films by Ion Beam Irradiation）」、Journal of Applied Physics（米国（ＵＳＡ））、８７巻、９号、１−３部、２０００年５月１日、７００４−７００６頁）、イオン・ビームが用いられた。特に、このような方法では、酸素注入法が用いられた。しかし、本発明以前には、このような方法が、磁気記憶デバイスに適用されたことはなかった。
【０００６】
磁気メモリ（ＭＲＡＭ）構造の場合、トンネル接合デバイスのパターン化は、前記のように、最終的な成功と高性能な製品を実現するためにこの上なく重要である。
【０００７】
最終製品の不具合は、主に、メモリ・チップ上の数百万にもなりうる接合の磁気スイッチング特性の不均一性による。このバラツキは多くの因子に由来するが、最も重要なものは、パターンの形成方法にある。形状の著しい相違はスイッチング磁界に変動を引き起こす。また、境界の粗さは、境界での磁化のピン止め（pinning）による変動を引き起こすことが知られている。
【０００８】
最後に、酸化による境界の磁気硬化（magnetic hardening）、境界薄層化（edgethinning）、および再堆積材料による磁気効果は、それぞれ、磁気性能に影響を及ぼす。材料の除去が用いられるすべてのパターン形成法（例えば、イオン・ミリング、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）など）では、パターン化された領域の境界は、これらの内の少なくとも１つの方法で欠陥を生じている。
【０００９】
このように、イオン・ビームによるパターンの形成（イオン・ミリングとは反対に）では、性能の向上はかなり約束されたものであるが、確かめられていない。
【００１０】
しかし、前記のように、従来の方法で、酸化によるパターンの形成のために酸素注入が試みられたかもしれないが、ＭＲＡＭデバイスについて、このようなことは試みられたことがなく、また、フッ素化を用いることによることは言うまでもなく、反応性プラズマへの曝露によるＭＲＡＭデバイスのパターン化もまったくなかった。
【非特許文献１】ブルエンガー他（W. H. Bruenger）他、「磁気薄膜の無レジスト・パターン化のためのイオン投影リソグラフィ（IonProjection Lithography for Resistless Patterning of Thin Magnetic Films）」、マイクロおよびナノ・エンジニアリングに関する第２５回国際会議（25thInternational Conference on Micro and Nano Engineering）、イタリア（Italy）、ローマ（Rome）、１９９９年９月２１〜２３日
【非特許文献２】ブルエンガー他（W. H. Bruenger）他、MicroelectronicsEngineering（オランダ（Netherlands））、５３巻、１−４号、６月、２０００年、６０５−６０８頁
【非特許文献３】テリス（B. D. Terris）他、「イオン・ビーム照射による磁気膜のパターン化（PatterningMagnetic Films by Ion Beam Irradiation）」、Journal of Applied Physics（米国（ＵＳＡ））、８７巻、９号、１−３部、２０００年５月１日、７００４−７００６頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の方法と構造の、前記および他の典型的な問題、欠点、および不都合に鑑みて、本発明の代表的特長は、関心のある磁気薄膜材料を物理的に除去することなく磁気薄膜のパターン化が実施される方法（および結果としての構造）を提供することである。
【００１２】
他の代表的な本発明の特徴は、磁気薄膜材料の選択された部分を非磁性または絶縁状態あるいはその両方に転化（例えば、化学的に）することにより、磁気薄膜にパターンを形成する方法（および構造）を提供することである。さらに別の本発明の特徴は、磁気薄膜の転化にフッ素化を利用する方法（および構造）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の代表的な態様では、磁気薄膜の一部分の化学的変換を利用してその部分を非磁性で電気絶縁性である状態に変えることを含む、磁気薄膜にパターンを形成する方法（および結果としての構造）が開示される。
【００１４】
第２の代表的態様では、磁気薄膜は、パターン化磁気トンネル接合（magnetictunnel junction、ＭＴＪ）、ならびに、このパターン化ＭＴＪの第１および第２の側面に形成された、フッ素化された非磁性の電気絶縁性要素を含む。
【００１５】
第３の代表的態様では、磁気デバイスは、前記の第２の態様の磁気薄膜、ならびに、パターン化ＭＴＪに連結した導電性要素（例えば、銅のような金属など）を含む。
【００１６】
本発明の独特で自明でない特徴によれば、磁気薄膜の選択された部分を反応性プラズマに曝すことにより、ＭＲＡＭデバイス磁気薄膜のパターン化において、低出力プラズマによる選択的転化を実施することができる。
【００１７】
さらに、本発明では、フェンシング（fencing）または再堆積材料はまったく必要ないであろう。こうして、トンネル接合の上部および底部層には短絡はまったく必要ないであろう。さらに、微細表面構造（topography）の問題は、ほとんど、あるいはまったく存在しないであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
前記および他の代表的目的、態様および利点は、本発明の代表的実施形態の、図の参照を伴う以下の詳細な説明により、より良く理解されるであろう。
【００１９】
これから、図、より具体的には図１〜７を参照して、本発明による方法と構造の好ましい実施形態が示される。
【００２０】
ここで図１ないし４に注目すると、本発明の代表的方法（およびこの方法により形成される構造）が記載される。具体的には、膜の望ましくない部分の化学的変換を利用してその部分を非磁性に転化させる、磁気薄膜（例えば、代表的実施形態では、パーマロイ（Permalloy）（商標）薄膜）のパターン化方法が記載される。
【００２１】
図１は、基板１１０を備える構造１００を示している。この基板は何らかの適切な材料（例えば、シリコン、ＳｉＯ２、サファイアなど）でありうる。
【００２２】
基板１１０の表面（例えば、上部表面）には、磁気膜１２０（例えば、パーマロイ（商標）、ニッケル、鉄およびコバルトの合金、多数の他の磁性合金材料の何れか）が形成される。好ましくは、薄膜１２０の厚さは、約１０Åから約５０Åの範囲であるが、言うまでもなく、本発明はこのような厚さに限定されず、本発明を全体として考慮すれば、当分野の技術者によって知られているであろうような寸法設定が可能である。
【００２３】
磁気薄膜１２０が形成された後、マスク１３０が磁気薄膜１２０の選択された部分に被せられる。その後、磁気薄膜は反応性プラズマ１４０に曝される。比較的低温で（例えば室温で、またはそれに近い温度で）、都合よく、プラズマへの曝露を実施することができる。すなわち、プラズマによるいくらかの当然の発熱があったとしても、本発明の方法では、基板または構造内の他の材料を加熱する必要がない。言うまでもなく、加熱は転化過程にとってさらに好都合であろう。
【００２４】
代表的実施形態では反応性プラズマにフッ素が使用されるが、他の気体および材料もまた都合よく使用されうることが指摘される。
【００２５】
例えば、六フッ化イオウだけでなく、様々なフルオロカーボン・プラズマが、例えばアルゴンまたは酸素のような他の共存気体と使用されうる。
【００２６】
さらに、フッ素系ガス（例えば、ＮＦ３、ＣＦ４、ＳＦ６、ＣＨＦ３など）に、予め決められた少量（例えば、５〜１０％）の臭化物含有ガスを加えることができる。プラズマについて考慮すべき要点は、前記のように、それが下にある磁気薄膜を、膜の接着はそのままにして、転化させることである。
【００２７】
こうして、本発明の方法の好ましい実施は、最初にフォトリソグラフィ法を用いて、通常の方法で、磁気薄膜試料１２０の上部にマスク１３０を付けることであろう。このマスク１３０は、保護されるべき磁気薄膜領域の上部に形成され、マスク材料１３０としてフォトレジスト、またはダイヤモンド・ライク・カーボン（ＤＬＣ）、ＴｉＮ、ＴａＮ、もしくは類似の材料を含むハード・マスク・パターン層、あるいはその両方に頼る通常の方法で作製されるであろう。この場合、ハード・マスクの開口および転化は、合わせて、あるいは逐次的に実施されうるであろう。
【００２８】
選択されたマスク１３０の材料に関わらず、マスクが、後のプラズマへの曝露工程で、使用されるプラズマに対して不透過性であることが重要である。
【００２９】
磁気膜１２０の曝露部分の転化は、例えばＣＦ４などの低出力プラズマにより実現される。本出願では、「低出力」は、使用されるその出力では、認められる程の材料の除去が起るとはまったく期待されないことを意味する。選択して用いられる圧力と出力では、磁気薄膜材料（例えば、パーマロイ（商標）、ＮｉＦｅなど）は、除去されないであろうが、その代わりに、磁気薄膜はフッ素含有膜に転化されるであろう。
【００３０】
関心のあるフッ素化層の性質のいくつかには、それが磁気的に不活性（すなわち、非強磁性）であり、さらに電気絶縁性であるということが含まれる。さらに、フッ素化層は下の基板に強く固着している。すなわち、それは、製造工程中に受ける応力で剥がれない。したがって、フッ素化層が基板から剥がれる、剥離する、あるいは吹き飛ばされる危険性は極めて少ない。
【００３１】
後の加工は、知られている様に（例えば、通常実施されるように）進行して、動作する磁気デバイスが作製される。このような構造の例が、図２〜４に示されている。
【００３２】
すなわち、図２（例えば、前記の低出力プラズマ曝露工程の結果を示している）は、磁気薄膜を有する基板２１０をもつ構造２００を示している。
【００３３】
詳細には、パターン化トンネル接合２２０が、その上のマスク２３０と共に示されている。反応性プラズマ（フッ素）に曝された磁気薄膜は、パターン化トンネル接合２２０の両側に、フッ素化パーマロイ（商標）（Ｐｙ）２５０として示されている。好ましくは、低出力プラズマへの曝露は、約５ｍＴｏｒｒから約１００ｍＴｏｒｒ、より好ましくは約１０ｍＴｏｒｒから約３０ｍＴｏｒｒの範囲内で、最も好ましくは約２０ｍＴｏｒｒの圧力で実施される。最適の出力は、装置に特異的であるが、最大出力は約２００Ｗであろうということが指摘される。
【００３４】
図３（例えば、不活性化工程の結果を示している）は、絶縁層（例えば、ＳｉＯ２のような酸化物、ＳｉＮのような窒化物、ＳｉＣ、ＳｉＬＫ（商標）（例えば、半導体デバイスの絶縁層に用いられ、ダウ・ケミカル（Dow Chemical Corporation）により製造される低誘電率の誘電体樹脂ポリマー）など；ＳｉＯ２は、例示のためにのみ以下に記載され図３に示される）を付けた構造２００を示している。この絶縁層は、フッ素化Ｐｙ２５０およびマスクの上に形成され、次に、化学的機械研磨（ＣＭＰ）が実施されて、マスクおよびＳｉＯ２などの上位面が平坦化されたものとすることができる。
【００３５】
図４（例えば、接点形成の結果を示している）は、マスク２３０が選択的エッチングなどにより除去され、そして導電性材料（例えば、金属、ポリシリコンなど；銅、タングステン、および銅を含むアルミニウムが最も好ましい）が、絶縁層２６０と、マスク２３０があった領域（例えば、ビアまたはプラグ）との上に形成された構造２００を示している。こうしてデバイスが完成される。
【００３６】
前記の層の好ましい厚さに関して、マスクの厚さは、好ましくは約２００Åから１５００Åであり、金属の厚さは、好ましくは約１０００Åから約４０００Åである。
【００３７】
図５は、図２〜４に示される加工工程に対応する方法３００のフロー図を示している。
【００３８】
詳細には、ステップ３１０で、基板はその上に磁気薄膜が形成される。
【００３９】
ステップ３２０で、マスクが磁気薄膜の選択された部分の上に形成される。
【００４０】
ステップ３３０では、磁気膜は反応性プラズマ（例えば、フッ素など）に曝されることにより、反応性プラズマに曝される磁気膜（例えば、ＮｉＦｅ膜など）の曝された部分をフッ素含有膜へと転化させる。フッ素含有膜は磁気的に不活性であり、電気絶縁性である。
【００４１】
ステップ３４０では、動作する磁気デバイスが形成される（例えば、ステップ３３０で形成された構造の上部に接点を形成すること等）。
【００４２】
本発明では、モーメントの１００％の低減が実現される方法（および得られる構造）が提供される。したがって、本発明では、モーメントを０に低下させることができる。
【００４３】
図６は、サブミクロンの大きさに仕上げられた、本発明によるパターン化磁性材料のヒステリシスを示しており、図７は、両方向の遷移を考慮して、データを計算して得られた結果であり、優れたスイッチング挙動を示している。すなわち、優れたスイッチング挙動は優れたパターン形成を示唆する。
【００４４】
こうして、本発明では、材料は図６および７に示される磁気ヒステリシス・ループを示し、モーメントの大きさと比較的大きなスイッチング磁界から、サブミクロンのスケールでの磁性パターン化が実現されたことを示している。
【００４５】
図６および７をよく見ると、磁力計によるデータは、有意なスイッチング磁界が都合よくヒステリシス・ループに存在することを示しており、独立した磁性ドットの存在を示している。さらに、電気的測定により、保護されていないパーマロイ（商標）膜が、前記のように、フッ素化された状態に転化された場合に期待される１つの結果である、試料が絶縁性であるということが示された。
【００４６】
さらに、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像は、表面（例えば、残っているハード・マスク材料は別として）が平坦であることを示しており、パターン形成には、材料を実際に除去することでなく、元のパーマロイ（商標）から絶縁性で非磁性の材料への転化が含まれている。
【００４７】
こうして、次のことを考えると、独特で自明でない本発明の特徴により現行の加工方法がかなり改善される。すなわち、本発明では、磁気トンネル接合の境界を酸素に曝すことはまったくない。
【００４８】
さらに、境界は、ＲＩＥあるいはイオン・ミリングの場合より、本発明では、より明確に輪郭が定められる。最も重要なことは、境界の滑らかさはフォトレジストの境界線の粗さにより決まり、本発明の方法自体で決まるのではない。
【００４９】
さらに、パターン形成後に、ほとんど微細表面構造がないので、後の製造が容易になる。
【００５０】
本発明がいくつかの好ましい実施形態により記載されたが、当分野の技術者は、添付の請求範囲の精神と範囲内で変更して本発明を実施しうることを認めるであろう。
【００５１】
さらに、後の出願手続き中に補正されるとしても、出願人の意図は、すべての請求項の均等物を包含しようとするものであることが指摘される。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の代表的実施形態に従ってパターン化されている構造１００を示す図である。
【図２】本発明に従って薄膜にパターンを形成する構造２００の加工工程を示す図である。
【図３】本発明に従って薄膜にパターンを形成する構造２００の加工工程を示す図である。
【図４】本発明に従って薄膜にパターンを形成する構造２００の加工工程を示す図である。
【図５】図２〜４に示される加工工程に対応する方法３００のフロー図である。
【図６】材料の磁気ヒステリシス・ループを示す図である。
【図７】材料の磁気ヒステリシス・ループのデータから得られた計算結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１００  構造
１１０  基板
１２０  磁気膜
１３０  マスク
１４０  プラズマ
２００  構造
２１０  基板
２２０  パターン化トンネル接合（ＴＪ）
２３０  マスク
２５０  フッ素化パーマロイ（商標）（Ｐｙ)
２６０  絶縁層
２７０  導電性材料
【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】
2005117021.tif 000007
【図６】
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【図７】
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