CN102089819B - 磁性设备制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于制造磁性设备的方法，其获得足够的处理精度而不增加掩模去除步骤。使用选自由Ti，Ta，W及其氧化物或氮化物组成的组中的一个，在磁性层(15)上形成第一掩模层(22)。使用Ru或Cr在第一掩模层上形成第二掩模层(23)。在第二掩模层上形成抗蚀图(RM)。通过利用抗蚀图使用包含氧气的反应性气体在第二掩模层上执行反应性离子蚀刻形成第二掩模图案(23A)。通过利用第二掩模图案使用包含卤素气体的反应性气体在所述第一掩模层上执行反应性离子蚀刻形成第一掩模图案(22A)。通过利用第一掩模图案使用包含氧气的反应性气体在所述磁性层上执行反应性离子蚀刻形成磁性图案(15A)。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于制造磁性设备的方法。
背景技术
过渡金属材料的磁特性在例如硬盘驱动器(HDD)、磁阻抗随机存储器(MRAM)、和磁性传感器的各种类型磁性设备中得到了广泛的利用。在用于制造这种磁性设备的技术中，已经要求具有更高密度的信息存储器和更高精度的传感器。结果，已经积极开发用于最小化磁性图案的处理技术。在现有技术中，作为用于微处理磁性薄膜的蚀刻技术，已经采用了在磁性薄膜上执行物理蚀刻的离子研磨，以及在磁性薄膜上执行物理化学处理的反应性离子蚀刻。
在离子研磨中，通过对着磁性薄膜撞击氩等离子部分地迫使一部分磁性薄膜离开其的表面来蚀刻薄膜。在离子研磨中，蚀刻的目标是离子对着撞击的整个区域。因此，难以获得蚀刻选择性，限制了磁性图案的最小化。相反，在反应性离子蚀刻中，磁薄膜放置在反应性气体的等离子体中，并且通过在磁性材料和反应性气体之间的物理化学反应来去除磁薄膜。这允许反应性离子蚀刻与离子研磨相比具有高的蚀刻选择性。
在用于磁薄膜的反应性离子蚀刻中，O2和Cl2的混合气体或CO和NH3的混合气体作为反应性气体使用。在用于磁薄膜的微处理技术中，为了提高磁薄膜相对于掩模的选择比例，在现有技术(例如专利文件1-4)中已经提出了具有高抗蚀性的材料用于这样的反应性气体。
在专利文件1-3中，金属层形成在磁薄膜与抗蚀图之间，通过使用抗蚀图蚀刻金属层形成硬掩模，并且通过使用硬掩模蚀刻磁薄膜形成磁性图案。专利文件1建议使用包括Ti，Mg，Al，Ge，Pt，Pd，或其合金的材料的任意一种作为硬掩模的材料。专利文件2使用当转化为氮化物或碳化物时其熔点或沸点上升的金属(例如Ta，W，Zr，Hf等)。专利文件3使用Ti，Al，Ta，W，Co，Mo，Cu，Ni，Fe及其氧化物、氮化物、氟化物、硼化物和碳化物。专利文件1-3选择上述掩模材料并且增加在CO-NH3***和O2-Cl2***中的选择比例。
在专利文件4中，掩模原始层和金属层首先形成在磁薄膜和抗蚀图之间，通过使用抗蚀图蚀刻金属层形成第二硬掩模，并且通过使用第二硬掩模蚀刻掩模原始层形成第一硬掩模。通过利用第一硬掩模蚀刻磁性薄膜形成磁性图案。专利文件4提高了在抗蚀图、金属层和原始层这些层之间的选择比例。这也提高了磁性层相对于原始层的选择比例，并且提高了磁性图案的处理精度。
图8A到8D是处理流程图，表示一种用于制造用作垂直磁记录类HDD的磁盘的方法。在磁盘制造方法中，首先，磁性层52、保护层53、硬掩模层54和抗蚀图RM从基板51的上表面侧依次堆叠，如图8A所示。例如，当分别选择CoCrPt-SiO2和Ti作为磁性材料和掩模材料时，具有150纳米膜厚度的抗蚀图RM和具有20纳米膜厚度的硬掩模层被堆叠在具有20纳米膜厚度的磁性层52上。保护层53是用于在蚀刻硬掩模层54时保护磁性层52的薄膜层，并且是例如具有几个纳米膜厚度的类钻碳(DLC)层。
参考图8B，在硬掩模层54上执行使用抗蚀图RM的反应性离子蚀刻。参考图8C，通过灰化抗蚀图RM形成硬掩模54a。然后，参考图8D，在保护层53和磁性层52上使用硬掩模54a执行反应性离子蚀刻以形成磁性图案52a。
这样，当磁性图案52a具有小于或等于100纳米的设计尺度(线宽和空间宽)时，抗蚀图RM的等离子体抗蚀性急剧变低。这样提高了抗蚀图RM的变形，并且硬掩模54a变成锥形。结果，磁性图案52a侧面表面变得相对于基板51的主表面倾斜(例如倾斜70°或更少)。结果，不能获得用于执行垂直磁性记录的足够处理精度。
专利文件4提出了具有堆叠结构的硬掩模，但没有彻底地讨论在抗蚀图RM、硬掩模层54和磁性层52之间的蚀刻选择性。而且，专利文件4没有彻底讨论用于蚀刻处理的掩模材料。另外，在专利文件4中，当掩模层增加，用于去除掩模的步骤数量增加。这样降低了磁性设备的生产率。
专利文件1：日本特许申请公开第11-175927号
专利文件2：日本特许申请公开第2002-38285号
专利文件3：日本特许申请公开专利号第2002-510142号
专利文件4：日本特许申请公开第2001-229508号
发明内容
本发明提供一种用于制造磁性设备的方法，其获得足够处理精度而不会增加掩模去除步骤的数量。
一种用于制造磁性设备的方法的一个方面包括在基板上形成磁性层的步骤、使用选自由Ti，Ta，W及其氧化物或氮化物组成的组中的一个在磁性层上形成第一掩模层的步骤、使用Ru或Cr在所述第一掩模层上形成第二掩模层的步骤、在所述第二掩模层上形成抗蚀图、通过利用所述抗蚀图作为掩模使用包含氧气的反应性气体在所述第二掩模层上执行反应性离子蚀刻形成第二掩模图案的步骤、通过利用第二掩模图案作为掩模使用包含卤素气体的反应性气体在所述第一掩模层上执行反应性离子蚀刻形成第一掩模图案的步骤、以及通过利用第一掩模图案作为掩模使用包含氧气的反应性气体在所述磁性层上执行反应性离子蚀刻形成磁性图案。
附图说明
图1是表示磁记录介质的截面视图；
图2是表示磁记录介质的制造方法的流程图；
图3是表示磁记录介质的制造方法的流程图；
图4是表示磁记录介质的制造方法的流程图；
图5是表示磁记录介质的制造方法的流程图；
图6是表示磁记录介质的制造方法的流程图；
图7是表示Ru膜和Ti膜的蚀刻率的视图；
图8A-8D是表示制造磁记录介质的方法的现有技术实例的流程图。
附图标记说明
RM：抗蚀图，10：作为磁性设备的磁盘，11：基板，15：作为磁性层的记录层，15A：作为磁性图案的记录图案，22：第一掩模层，22A：第一掩模图案，23：第二掩模层，23A：第二掩模图案
具体实施方式
现在将参考图1讨论作为磁性设备的一个实施例的磁记录介质。磁记录介质是使用垂直磁记录技术的磁盘，例如离散轨道介质或图案轨道介质。图1是原理性示出磁盘10一部分的截面侧视图。
在图1中，磁盘10具有在其上堆叠基础层12、软磁层13、定向层14、作为磁性层的记录层15A、非磁性图案16A、保护层17和润滑层18的基板11。基板11可以是非磁性基板，例如Al基板或玻璃基板。
基础层12是用于减轻基板11的表面粗糙度的缓冲层，并且可以起到增强玻璃等基板以及获得在基板11和软磁层13之间的粘度的层的作用。基本层12也起到种子层的作用，其确定上层的晶体定向并且界定堆叠的软磁层13的定向。基础层12可以是包含选自由Ta，Ti，W，和Cr组成的组中的至少一种的非晶体或微晶体合金，或者可以是其堆叠膜。
软磁层13是具有软磁特性的磁性层，并且增强记录图案15A的垂直定向。作为软磁层13，可以使用包含选自由Fe，Co，Ni，Al，Si，Ta，Ti，Zr，Hf，V，Nb，C，和B组成的组中的至少一种的非晶体或微晶体合金，或其合金的堆叠膜。
定向层14是确定记录图案15A的晶体定向的层。作为定向层14，可以使用例如Ru，Ta，Pt，MgO等的单层结构或Ru，Ta，堆叠在MgO上的多层结构等。
记录图案15A形成独立于数据轨道的层，其用于记录和重新记录，并且包括平行于基板11的表面的上表面。记录图案15A在数据区域和伺服区域具有不同的形状和尺寸。图1示出了具有相等节宽的数据区域，以便于磁盘10堆叠结构的描述。为了提高表面记录密度，优选地每个记录图案15A是垂直磁化膜，其具有沿着基板11的垂直方向(记录图案15A的膜厚度方向)延伸的磁化促进轴。
形成记录图案15A的磁性材料可以是例如由Co，Ni，Fe，和Co合金组成的组中选择的至少一种铁磁性材料。或者，形成记录图案15A的磁性材料可以是包含SiO2，Al2O3，和Ta2O5的颗粒膜，并且主要由CoCr，CoPt，CoCrPt等形成。
非磁性图案16A形成用于磁隔离每个记录图案15A的层，并且填充在相邻记录图案15A之间的间隙。各非磁性图案16A的上表面与相邻记录图案15A的上表面平齐。非磁性图案16A可以是SiO2，Al2O3，Ta2O5，MgF2等。
保护层17是用于保护记录图案15A和非磁性图案16A的层，并且可以是具有0.5到15纳米膜厚度的类钻碳(DLC)、氮化碳、氧化铝、氧化锌等。润滑层18是用于当磁盘10与磁头接触时使磁头沿着平面方向滑动以防止磁盘10和磁头遭受破坏的层。
现在将描述一种用于制造磁盘10的方法。图2到6是表示磁盘10的制造方法的流程图。
参考图2，执行溅射、电镀等来依次在基板11的上表面上堆叠基础层12、软磁层13、定向层14和记录层15。然后，蚀刻保护层21、第一掩模层22和第二掩模层23依次堆叠在记录层15的上表面上。
蚀刻保护层21是用于当形成记录层15的图案时保护记录层15的磁特性的层，并且可以是例如具有0.5到15纳米膜厚度的DLC。
第一掩模22是由从Ti，Ta，W及其氧化物或氮化物组成的组中选择的任何一种形成并且具有例如5纳米到100纳米膜厚度的层。
第二掩模层23是由Ru和Cr的任意一种形成并且具有2纳米到10纳米膜厚度的层。第二掩模层23形成为比抗蚀图RM(例如150纳米)、第一掩模层22和记录层15(例如20纳米)更薄。
参考图3，光刻胶的涂覆膜形成在第二掩模层23上，并且抗蚀图RM通过在涂覆膜上执行曝光-显影处理来形成。随后使用抗蚀图RM在第二掩模层23上执行反应性离子蚀刻。这样形成第二掩模图案23A。
这样，反应性离子蚀刻使用包含O2的反应性气体。抗蚀图RM对于氧等离子的抗蚀性通常较低。因此，不能采用使用氧气的蚀刻处理。然而，在本实施例中，如后面将描述的，在使用没有氧气的反应性气体的蚀刻处理中，第一掩模层22相对于第二掩模层23的选择性比例极大。这允许第二掩模层23比常规更薄。而且，第二掩模层23和氧气的反应性产生低熔点氧化物，例如RuO4(沸点：130℃)，CrO3(沸点：250℃)，和CrO2Cl2(沸点：117℃)。因此，第二掩模层23的蚀刻速度极高。结果，可以执行利用抗蚀图RM的第二掩模层23的高精度蚀刻。因为第二掩模层23较薄，能以更高的处理精度形成第二掩模图案23A。
反应性气体可以通过将选自由Cl2，BCl3，CF4，C4F8，C3F8，HI，和SiCl4组成的组中的至少一种卤素气体与O2混合形成。更优选地，反应性气体由O2和Cl2的气体混合物形成。换句话说，反应性气体可以仅需要有获得足够高的第二掩模层23相对于抗蚀图RM的选择比例的O2浓度。
参考图4，在第一掩模层22上执行使用第二掩模图案23A的反应性离子蚀刻。这样形成了第一掩模图案22A。
这样，在反应性离子蚀刻中使用的反应性气体可以是包含卤素气体的气体。这允许通过第一掩模层22和卤素的反应产生低熔点卤化物。因此，第一掩模层22相对于第二掩模层23的选择比例具有足够高的值(值超过100)，而不会不利地影响记录层15相对于第一掩模层22的选择比例。结果，可以保持第二掩模图案23A的形状，并且第一掩模层22因此可以更高的处理精度形成。
卤素气体可以包含选自由Cl2，BCl3，CF4，C4F8，C3F8，HI和SiCl4组成的组中的至少任意一种气体。
参考图5，使用O2在抗蚀图RM上执行灰化以去除抗蚀图RM。随后在保护层21和记录层15上使用第一掩模图案22A执行反应离子蚀刻。这样形成了记录图案15A。记录图案15A以更高的处理精度形成，因为第二掩模图案23A和第一掩模图案22A以更高的处理精度形成。
这样，用于反应性离子蚀刻的反应性气体可以是包含O2的气体。这样蚀刻了记录层15。而且，第二掩模图案23A通过第二掩模图案23A与氧气的反应而去除。而且，当抗蚀图RM足够薄或对氧等离子体的抵抗性较低时，除了第二掩模图案23A外还有抗蚀图RM可以被去除。因此使用氧气的灰化变得不是必须的。
参考图6，在第一掩模图案22A和蚀刻保护层21上执行使用卤素气体的反应性离子蚀刻以去除第一掩模图案22A和蚀刻保护层21。然后，在记录图案15A上使用H2等离子体执行卤素气体消除处理，并且吸收到记录图案15A的卤素气体被消除。这样形成具有期望形状的记录图案15A，例如具有垂直于基板11主表面的侧表面。
[实例1]
现在将描述第二掩模层23相对于抗蚀图RM的蚀刻率的比例和第一掩模层22相对于第二掩模层23的蚀刻率的比例，也就是，第二掩模层23相对于抗蚀图RM的选择比例和第一掩模层22相对于第二掩模层23的选择比例。
Ti膜形成在玻璃盘基板上作为第一掩模层22，Ru膜形成在不同的玻璃盘基板上作为第二掩模层23，并且电子束曝光抗蚀(EB抗蚀)膜形成在另一个不同玻璃盘基板上作为抗蚀图RM。在下述条件执行离子蚀刻各Ti膜、Ru膜和EB抗蚀膜：压力为5Pa，气体混合物含有4sccm到28sccm的O2和1sccm的Cl2。测量各Ti膜、Ru膜和EB抗蚀膜的蚀刻率。
参考图7，当O2流速增加到16sccm，Ti膜的蚀刻率急剧下降。当O2流速从16sccm增加到28sccm，Ti膜的蚀刻率保持在10纳米/分钟这样的低值或更低的值。这表明了在低O2流速范围内Ti与Cl的反应，也就是，Ti膜的蚀刻反应占优势，并且表明了在较高O2流率范围内Ti与O反应，也就是，Ti的氧化反应占优势。
当O2流速是4sccm到24sccm，Ru膜的蚀刻率持续保持为大约400纳米/分钟。这表明了Ru的氧化反应，也就是，Ru膜的蚀刻反应在较高O2流速范围内和在较低O2流速范围内都持续稳定地进行。EB抗蚀膜的蚀刻率在较高O2流速范围内是180纳米/分钟。
因此发现Cl2-O2***(O2::16sccm到24sccm)离子蚀刻导致Ru层相对于抗蚀层的蚀刻率的比例，也就是，Ru层相对于抗蚀层的选择比例大约是2.2。还发现了Ti层相对于Ru层的选择比例是超过100的高值。蚀刻期间，在0.2Pa到5Pa的压力范围内观察到这些选择比例。
[实例2]
Ti膜形成在玻璃盘基板上作为第一掩模层22，Ru膜形成在不同的玻璃盘基板上作为第二掩模层23，并且EB抗蚀膜形成在另一个不同玻璃盘基板上作为抗蚀图RM。在0.5Pa压力下使用包含Cl2和BCl3的气体混合物对每个Ti膜、Ru膜和EB抗蚀膜进行离子蚀刻。而且，测量每个Ti膜、Ru膜和EB抗蚀膜的蚀刻率。
在Cl2-BCL3***中，Ru膜的蚀刻率是大约0纳米/分钟，Ti膜的蚀刻率是大约600纳米/分钟，而EB抗蚀膜的蚀刻率是大约150纳米/分钟。因此，发现Cl2-BCL3离子蚀刻获得Ti层相对于Ru层的选择比例具有超过100的高值。Ti层相对于抗蚀膜的选择比例是大约4.0。因此，与当使用抗蚀图作为掩模时相比，通过使用Ru膜作为掩模，Ti膜的选择比例提高了25倍或更多。蚀刻期间，在0.2Pa到3Pa的压力范围内观察到这些选择比例。
[实例3]
Ti膜形成在玻璃盘基板上作为第一掩模层22，Ru膜形成在不同的玻璃盘基板上作为第二掩模层23，并且CoCrPt-SiO2膜形成在另一个不同玻璃盘基板上作为记录图案15A。离子蚀刻在0.5Pa压力下使用包含Ar，O2和Cl2的气体混合物来执行。而且，测量每个Ti膜、Ru膜和CoCrPt-SiO2膜的蚀刻率。
在Ar-O2-Cl2***中，Ru膜的蚀刻率是大约30纳米/分钟，Ti膜的蚀刻率是大约0纳米/分钟(0.2纳米/分钟或更少)、CoCrPt-SiO2膜的蚀刻率是大约40纳米/分钟。因此，发现Ar-O2-Cl2离子蚀刻获得Ti层相对于Ru层的选择比例具有超过100的高值。还发现当蚀刻CoCrPt-SiO2膜时可以蚀刻Ru膜。蚀刻期间，在0.2Pa到3Pa的压力范围内观察到这些选择比例。
根据本实施例的磁盘的制造方法具有下面描述的优点：
(1)第一掩模层22使用选自由Ti，Ta，W及其氧化物或氮化物组成的组中的任意一种形成在记录层15上。因而，第一掩模22使用通过与氧气反应形成高熔点氧化物以及通过与氯反应形成低熔点氯化物的材料。第二掩模层23使用Ru或Cr的其中一种形成在第一掩模层22上。因而，第二掩模层23使用通过与氧气反应形成低熔点氧化物以及通过与氯反应形成高熔点氯化物的材料。第二掩模图案23A通过使用包含O2的气体作为蚀刻剂的反应性离子蚀刻来形成，并且第一掩模图案22A通过使用卤素气体作为蚀刻剂的反应性离子蚀刻来形成，
因而在第二掩模层23与第一模层22之间获得足够高的选择比例。因此，第二掩模层23是足够薄的。这样使第二掩模图案23A、第一掩模图案22A、记录图案15A的形状具有更高精度。
(2)而且，记录层15通过使用O2的反应性离子蚀刻来蚀刻。这同时形成记录图案15A，并且去除第二掩模图案23A。这样减少了与第二掩模图案23A相关的掩模去除步骤的数量。而且，抗蚀图RM是薄的，因为第二掩模层23是薄的。因此，作为通常使用O2的灰化工艺的替代，在这个步骤中可同时执行抗蚀图RM的去除和第二掩模图案23A的去除。
(3)形成为具有2nm到10nm膜厚度的第二掩模层23比抗蚀图RM更薄，并且比记录层15更薄。通过使得第二掩模层23比抗蚀图RM更薄，第二掩模图案23A的形状具有更高的精度。而且，通过使得第二掩模层23比记录层15更薄，在记录层15的蚀刻步骤中确保了第二掩模图案23A的去除。
(4)优选地，第二掩模层23形成为比第一掩模层22更薄，第一掩模层22形成为比记录层15更薄。这样，在记录层15的蚀刻步骤中还确保了第二掩模图案23A的去除。
(5)优选地，包含卤素和氧气的反应性气体用作第二掩模层23的蚀刻剂。这样，与仅使用氧气作为反应性气体时相比，在抗蚀图和第二掩模层之间获得更高选择比例。
上述讨论的实施例可以以下面描述的方式来实施。
磁性设备不限于用于HDD的磁盘10，并且可以被实施在MRAM、磁传感器等中。换句话说，上述实施例的制造方法可以被应用到在其中通过在磁性层上执行反应性离子蚀刻形成磁性图案的磁性设备中。
第二掩模层23的厚度可以与第一掩模层22相同或比第一掩模层22更厚。
Claims (6)
1.一种用于制造磁性设备的方法，包括步骤：
在基板上形成磁性层；
使用选自由Ti，Ta，W及其氧化物和氮化物组成的组中的任意一种在所述磁性层上形成第一掩模层；
使用Ru或Cr在所述第一掩模层上形成第二掩模层；
在所述第二掩模层上形成抗蚀图；
通过使用所述抗蚀图作为掩模用包含氧气的反应性气体在所述第二掩模层上执行反应性离子蚀刻形成第二掩模图案；
通过使用所述第二掩模图案作为掩模用包含卤素气体的反应性气体在所述第一掩模层上执行反应性离子蚀刻形成第一掩模图案；以及
通过使用所述第一掩模图案作为掩模用包含氧气的反应性气体在所述磁性层上执行反应性离子蚀刻形成磁性图案。
2.根据权利要求1所述的用于制造磁性设备的方法，其中形成第二掩模层的步骤包括形成具有2纳米到10纳米膜厚度的比所述抗蚀图更薄并且比所述磁性层更薄的第二掩模层。
3.根据权利要求2所述的用于制造磁性设备的方法，其中：
形成第一掩模层的步骤包括形成比所述磁性层更薄的第一掩模层；以及
形成第二掩模层的步骤包括形成比所述第一掩模层更薄的第二掩模层。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于制造磁性设备的方法，其中：
形成第二掩模图案的步骤包括用包含选自由Cl2，BCl3，CF4，C4F8，C3F8，HI及SiCl4组成的组中至少一种的卤素气体及氧气的反应性气体在所述第二掩模层上执行反应性离子蚀刻；以及
形成第一掩模图案的步骤包括用包含选自由Cl2，BCl3，CF4，C4F8，C3F8，HI，及SiCl4组成的组中至少一种的卤素气体的反应性气体在所述第一掩模层上执行反应性离子蚀刻。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的用于制造磁性设备的方法，其中形成磁性图案的步骤包括通过用包含氧气的反应性气体的反应性离子蚀刻，同时形成所述磁性图案以及去除所述第二掩模图案。
6.根据权利要求5所述的用于制造磁性设备的方法，其中形成磁性图案的步骤还包括通过用包含氧气的反应性气体的反应性离子蚀刻，同时形成所述磁性图案、去除所述第二掩模图案以及去除所述抗蚀图。
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