JP2009253066A

JP2009253066A - Method for manufacturing tmr element

Info

Publication number: JP2009253066A
Application number: JP2008100038A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nishioka; 康西岡
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-29

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a high-quality TMR element by performing two times of ion milling to remove a conductive material adhered to a barrier layer of a TMR element, in more detail, regarding a TMR element manufacturing method. <P>SOLUTION: The TMR element manufacturing method is provided with: a resist pattern formation process for forming a resist pattern on a generated TMR film; a first ion milling process for performing the ion milling using the resist pattern as a mask; a slimming process for slimming the resist pattern; and a second ion milling process for performing the ion milling of the TMR film again using the slimmed resist pattern as the mask. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、ＴＭＲ素子の製造方法に関し、より詳細にはＴＭＲ素子の形成過程において２回のイオンミリングを行いＴＭＲ素子のバリア層に付着した導電物質を除去して品質の高いＴＭＲ素子を製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a TMR element, and more specifically, a high-quality TMR element is manufactured by performing ion milling twice in the process of forming the TMR element to remove a conductive material attached to the barrier layer of the TMR element. It is about the method.

ハードディスク装置の高密度記録化に伴いＴＭＲ（Tunnel Magneto-Resistance）素子を用いたＴＭＲヘッドが注目されるようになってきている。ＴＭＲ素子は、２つの強磁性体の間にバリア層としての絶縁体を配置した構造を成しており、それぞれの強磁性体の磁化方向の相対角度に応じて一方の強磁性体からバリア層を通過してもう一方の強磁性体へ流れる電子のトンネル確率が変化する現象（ＴＭＲ効果）を利用したものである。より具体的には、２つの強磁性体の内の一つで磁化方向を固定したピン層ともう一つの強磁性体で磁気記録媒体によって磁化方向が変化するフリー層とにおいて、ピン層とフリー層の磁化方向が等しい向きにあるときと反対方向の向きにあるときによって異なる電気抵抗を検知して１ビットの情報として捉えるものである。 TMR heads using TMR (Tunnel Magneto-Resistance) elements have been attracting attention as high-density recording of hard disk devices. The TMR element has a structure in which an insulator as a barrier layer is disposed between two ferromagnets, and the barrier layer is changed from one ferromagnet to the relative angle of the magnetization direction of each ferromagnet. This utilizes the phenomenon (TMR effect) in which the tunnel probability of electrons flowing through the other ferromagnetic material flowing through the other changes. More specifically, the pinned layer and the free layer in which the magnetization direction is fixed by one of the two ferromagnets and the free layer whose magnetization direction is changed by the magnetic recording medium by another ferromagnet. Different electrical resistances are detected and captured as 1-bit information depending on when the magnetization directions of the layers are in the same direction and in the opposite direction.

図５は磁気ヘッドに適用したＴＭＲ素子の構成を説明するためのもので、ＴＭＲ素子の製造過程の途中の段階にある図である。図５に示すようにＴＭＲ素子５０は下部シールド層２０の上に形成され、ＴＭＲ素子５０の側面沿って、サイド絶縁層３０を介してＴＭＲ素子１０にバイアス磁界を与えるハードバイアス層４０を形成している。 FIG. 5 is a diagram for explaining the configuration of the TMR element applied to the magnetic head, and is a diagram in the middle of the manufacturing process of the TMR element. As shown in FIG. 5, the TMR element 50 is formed on the lower shield layer 20, and a hard bias layer 40 that applies a bias magnetic field to the TMR element 10 is formed along the side surface of the TMR element 50 via the side insulating layer 30. ing.

ＴＭＲ素子５０は、下部シールド層２０上に膜生成される順に下地層１１、磁化固定層１２、ピン層１３、バリア層１４、フリー層１５およびキャップ層１６で構成する。この内、ピン層１３はその下層の反強磁性体である磁化固定層１２との間の交換結合により磁化が一方向に固定されている。フリー層１５は磁化の向きが名前が示すように自由でＴＭＲ素子が磁気記録媒体に近づけられたとき、その磁気記録媒体の磁化方向に応じて磁化の向きが変化する。バリア層１４は、このピン層１３とフリー層１５の相互の磁化方向によって電気抵抗が変化することになる。 The TMR element 50 includes an underlayer 11, a magnetization fixed layer 12, a pinned layer 13, a barrier layer 14, a free layer 15, and a cap layer 16 in the order in which films are formed on the lower shield layer 20. Among them, the pinned layer 13 has its magnetization fixed in one direction by exchange coupling with the magnetization fixed layer 12 which is an antiferromagnetic material under the pinned layer 13. The free layer 15 has a free magnetization direction as indicated by its name, and when the TMR element is brought close to the magnetic recording medium, the magnetization direction changes according to the magnetization direction of the magnetic recording medium. The barrier layer 14 changes its electric resistance depending on the mutual magnetization directions of the pinned layer 13 and the free layer 15.

次に図５に示したＴＭＲ素子の形成プロセスについて図６を用いて説明する。まず、下部シールド層２０上にスパッタリング等により下地層１１、磁化固定層１２、ピン層１３、バリア層１４、フリー層１５およびキャップ層１６の順に膜生成を行う。図６（ａ）はこのように生成した膜の断面を示していおり、これらの膜はＴＭＲ素子を形成するためのものであるので以下ＴＭＲ膜１０と言う。なお、下部シールド層２０の下はアルチック等の基板である。 Next, a process for forming the TMR element shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. First, a film is formed on the lower shield layer 20 in the order of the base layer 11, the magnetization fixed layer 12, the pinned layer 13, the barrier layer 14, the free layer 15 and the cap layer 16 by sputtering or the like. FIG. 6A shows a cross section of the film thus formed. These films are for forming a TMR element, and hence are referred to as a TMR film 10 hereinafter. The lower shield layer 20 is a substrate such as Altic.

続いて、ＴＭＲ膜１０を生成した基板にレジストパターン６０を形成する。この時、図に示すレジストパターン６０のパターン幅ＲＷがＴＭＲ素子５０のリードコア幅を形成する部分である。レジストパターン６０をマスクとしてイオンミリングを実施する。イオンミリングは下部シールド層２０が露出するまで行い、図６（ｂ）に示す台形形状に加工される。即ち、ＴＭＲ素子５０が形成されたことになる。 Subsequently, a resist pattern 60 is formed on the substrate on which the TMR film 10 is generated. At this time, the pattern width RW of the resist pattern 60 shown in the drawing is a portion that forms the lead core width of the TMR element 50. Ion milling is performed using the resist pattern 60 as a mask. Ion milling is performed until the lower shield layer 20 is exposed, and is processed into a trapezoidal shape shown in FIG. That is, the TMR element 50 is formed.

その後、絶縁層３０とハードバイアス層４０の膜生成を行う（図６（ｃ））。続いて、リフトオフにより、ＴＭＲ素子５０上の絶縁層３０とハードバイアス層４０を除去する（図６（ｄ））。図６（ｄ）以降は、絶縁層に続いて上部シールド層の膜生成（図示せず）行い、ＴＭＲ素子形成のプロセスは終了する。 Thereafter, the insulating layer 30 and the hard bias layer 40 are formed (FIG. 6C). Subsequently, the insulating layer 30 and the hard bias layer 40 on the TMR element 50 are removed by lift-off (FIG. 6D). After FIG. 6D, a film of an upper shield layer is formed (not shown) following the insulating layer, and the process of forming the TMR element is completed.

本発明は、ＴＭＲ素子の形成プロセスにおいて後述するイオンミリングで発生する微粒子の再付着に伴うバリア層のショートを抑制する発明であるが、これに関する提案がなされている（特許文献１）。この提案は、ＴＭＲ素子の形成において、まず第１のエッチング工程により一回り大きくＴＭＲ素子を形成し、そのＴＭＲ素子の側周に第１の絶縁層を形成する。続いて、ＴＭＲ素子の側周を第２のエッチングによりＴＭＲ素子を囲む溝を形成し、その溝を埋めるように第２の絶縁層を形成するものである。即ち、エッチングと絶縁層の形成を２回ずつ行うことになる。このようにすることで、第２のエッチングを僅かのエッチング量とすることで再付着を抑制できる、とするものである。
特開２００３−６０１６９号公報 The present invention is an invention that suppresses short-circuiting of the barrier layer due to re-adhesion of fine particles generated by ion milling, which will be described later, in the process of forming a TMR element. In this proposal, in the formation of the TMR element, first, the TMR element is formed to be larger by the first etching step, and the first insulating layer is formed on the side periphery of the TMR element. Subsequently, a groove surrounding the TMR element is formed on the side periphery of the TMR element by second etching, and a second insulating layer is formed so as to fill the groove. That is, the etching and the formation of the insulating layer are performed twice. By doing in this way, reattachment can be suppressed by making 2nd etching into the slight etching amount.
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-60169

上記に述べたように、ＴＭＲ素子の製造工程においてはＴＭＲ膜をイオンミリングにより削り、ＴＭＲ素子を形成する。イオンミリングはＴＭＲ膜を下地層をまで削るのに数分の時間を要するが、この間においてイオンミリングによって削られるピン層や磁化固定層の微粒子がバリア層に付着することがある（膜生成されたピン層や磁化固定層がイオンミリングにより微粒子となって再び付着するので再付着したことになる）。バリア層に微粒子が付着した状態で次工程の絶縁層、ハードバイアス層の膜生成が行われると、ＴＭＲ素子として完成したときに、これらの微粒子が導電性を持つのでバリア層をショートし、磁気ヘッド出力を低下させたり不安定にする原因となる。 As described above, in the manufacturing process of the TMR element, the TMR film is shaved by ion milling to form the TMR element. In ion milling, it takes several minutes to scrape the TMR film to the underlying layer. During this period, fine particles of the pinned layer and magnetization fixed layer that are scraped by ion milling may adhere to the barrier layer (film formation). The pinned layer and the pinned layer are reattached as fine particles are reattached by ion milling). If the next generation of the insulating layer and hard bias layer is formed with the fine particles attached to the barrier layer, the fine particles will become conductive when completed as a TMR element. It may cause the head output to decrease or become unstable.

イオンミリングをバリア層で止めることも考えられるが、その場合はフリー層に対してハード膜の位置が高い位置（絶縁膜は必須の為、ハード膜最下層でもフリー層より上の位置）に配置される為、ハードバイアスの効率が悪くなる、という問題がある。 It is conceivable to stop ion milling at the barrier layer, but in that case, the hard film is positioned higher than the free layer (since the insulating film is essential, it is placed at the lowermost layer of the hard film above the free layer). Therefore, there is a problem that the efficiency of the hard bias is deteriorated.

特許文献１で提案された方法は、２回目の軽いイオンミリングにより再付着した微粒子を除去する効果があるものと考える。しかしながら、２回の絶縁膜の生成を必要とし製造コストの点が懸念される。 The method proposed in Patent Document 1 is considered to have an effect of removing fine particles reattached by the second light ion milling. However, the production of the insulating film is required twice, and there is a concern about the manufacturing cost.

本発明は、製造コストを抑えながらバリア層の再付着を抑制し、ハードバイアスからのフリー層へのバイアス効率が良い磁気ヘッド品質の高い製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a manufacturing method with high magnetic head quality that suppresses re-deposition of a barrier layer while suppressing manufacturing cost and has good bias efficiency from a hard bias to a free layer.

本発明の磁気ヘッド検査方法は以下のように構成される。
（１）第１の発明
第１の発明のＴＭＲ素子製造方法は、ＴＭＲ素子の形成工程におけるものであり、図１に示すようにレジストパターン形成工程１００、第１イオンミリング工程１１０、スリミング工程１２０および第２イオンミリング工程１３０とから構成する。図１は、各工程の流れを示すと共に、工程に入る前の基板の状態と工程を実施した後の基板の状態とを示している。各工程の内容は以下に示す通りである。 The magnetic head inspection method of the present invention is configured as follows.
(1) First invention
The TMR element manufacturing method of the first invention is in the process of forming a TMR element. As shown in FIG. 1, a resist pattern forming process 100, a first ion milling process 110, a slimming process 120, and a second ion milling process 130 are performed. And consists of FIG. 1 shows the flow of each process, and shows the state of the substrate before entering the process and the state of the substrate after performing the process. The contents of each step are as shown below.

レジストパターン形成工程１００は、生成したＴＭＲ膜の上にレジストパターンを形成するものである。レジストパターンは、次工程で行うイオンミリングに対するＴＭＲ素子の形成のためのマスクパターンである。なおＴＭＲ膜はＴＭＲ効果を示すトンネル接合膜で、ピン層、バリア層、フリー層等の薄膜を多層に積層した膜である。 In the resist pattern forming step 100, a resist pattern is formed on the generated TMR film. The resist pattern is a mask pattern for forming a TMR element for ion milling performed in the next process. The TMR film is a tunnel junction film that exhibits the TMR effect, and is a film in which thin films such as a pinned layer, a barrier layer, and a free layer are stacked in multiple layers.

第１イオンミリング工程１１０は、レジストパターンをマスクとして、ＴＭＲ膜をイオンミリングする。即ち、ＴＭＲ膜が露出している箇所（レジストマスクに覆われていない部分）に対してＴＭＲ膜をイオンミリングにより削る（エッチングする）。 In the first ion milling step 110, the TMR film is ion milled using the resist pattern as a mask. That is, the TMR film is shaved (etched) by ion milling on a portion where the TMR film is exposed (portion not covered with the resist mask).

スリミング工程１２０は、第１のイオンミリングに用いたレジストパターンのスリミングを行う。 In the slimming process 120, the resist pattern used for the first ion milling is slimmed.

第２イオンミリング工程１３０は、スリミングされたレジストパターンをマスクとして、ＴＭＲ膜をイオンミリングする。この第２イオンミリング工程１３０は、レジストパターンのスリミングにより新たに露出したＴＭＲ膜の最上層から再びイオンミリングを行う。 In the second ion milling process 130, the TMR film is ion milled using the slimmed resist pattern as a mask. In the second ion milling step 130, ion milling is performed again from the top layer of the TMR film newly exposed by slimming of the resist pattern.

２回目のイオンミリングを軽く行うことでバリア層に再付着した物質を除去できる。厳密には、２回目の軽いイオンミリングによっても僅か微粒子が発生するが、従来技術による１回のみのイオンミリングに較べて再付着は抑制される。
（２）第２の発明
第２の発明のＴＭＲ素子製造方法は、第１の発明の第１イオンミリング工程においてＴＭＲ膜をＴＭＲ膜の最下層までイオンミリングする、ことを特徴とする。
（３）第３の発明
第３の発明のＴＭＲ素子製造方法は、第１または第２の発明の第２イオンミリング工程においてＴＭＲ膜をＴＭＲ膜のバリア層までイオンミリングする、ことを特徴とする。即ち、イオンミリングをバリア層を過ぎた時点で停止する。
（４）第４の発明
第４の発明のＴＭＲ素子製造方法は、第１から第３の発明のレジストパターン形成工程において、少なくともレジストパターンのＴＭＲ素子のリードコア幅を形成する部分はそのリードコア幅より所定量幅広であり、スリミング工程においてリードコア幅を形成する部分は所望のリードコア幅となるまでスリミングを行う、ことを特徴とする。即ち、第１イオンミリング工程における１回目のイオンミリングでは、ＴＭＲ素子を形成するレジストパターンは所定量大きいパターンをマスクにしてエッチングを行うが、第２イオンミリング工程ではスリミングによりリードコア幅を形成する部分が所望のリードコア幅となったパターンをマスクとしてエッチングを行うものである。
（５）第５の発明
第５の発明のＴＭＲ素子製造方法は、第１から第４の発明のスリミングが所定のイオン照射角度による斜め反応性イオンエッチングである、ことを特徴とするものである。 By lightly performing the second ion milling, the material reattached to the barrier layer can be removed. Strictly speaking, a small amount of fine particles are generated by the second light ion milling, but the re-adhesion is suppressed as compared with the single ion milling of the prior art.
(2) Second invention
The TMR element manufacturing method of the second invention is characterized in that in the first ion milling step of the first invention, the TMR film is ion milled to the lowest layer of the TMR film.
(3) Third invention
The TMR element manufacturing method of the third invention is characterized in that in the second ion milling step of the first or second invention, the TMR film is ion milled to the barrier layer of the TMR film. That is, ion milling is stopped when the barrier layer is passed.
(4) Fourth invention
In the TMR element manufacturing method of the fourth invention, in the resist pattern forming process of the first to third inventions, at least a portion of the resist pattern where the lead core width of the TMR element is formed is wider by a predetermined amount than the lead core width. In the process, slimming is performed until a portion where the lead core width is formed reaches a desired lead core width. That is, in the first ion milling process in the first ion milling process, the resist pattern for forming the TMR element is etched using a pattern having a predetermined amount larger as a mask. In the second ion milling process, the lead core width is formed by slimming. Etching is performed using a pattern having a desired lead core width as a mask.
(5) Fifth invention
The TMR element manufacturing method of the fifth invention is characterized in that the slimming of the first to fourth inventions is oblique reactive ion etching at a predetermined ion irradiation angle.

上述のように本発明によれば、次に示す効果が得られる。 As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

第１の発明により、ＴＭＲ素子の形成において２回のイオンミリングを行い、２回目のイオンミリングを軽く行うことによりバリア層への微粒子の再付着の抑制ができ、ＴＭＲ素子の製造方法が提供できる。また、従来工程にスリミングとイオンミリング工程とを追加するだけなので、低コストで品質の向上が図れる。 According to the first invention, in the formation of the TMR element, the ion milling is performed twice, and the second ion milling is lightly performed, whereby reattachment of the fine particles to the barrier layer can be suppressed, and a method for manufacturing the TMR element can be provided. . Further, since only a slimming process and an ion milling process are added to the conventional process, the quality can be improved at a low cost.

第２の発明により、１回目のイオンミリングをＴＭＲ膜の下地層まで行うようにしたので、第１の発明の効果に加えて、ハードバイアスからフリー層へのバイアス効率が良いＴＭＲ素子の製造方法が提供できる。 According to the second invention, since the first ion milling is performed up to the base layer of the TMR film, in addition to the effect of the first invention, a method of manufacturing a TMR element having a high bias efficiency from the hard bias to the free layer Can be provided.

第３の発明により、２回目のイオンミリングをＴＭＲ膜のバリア層まで行うようにしたので、バリア層に再付着した物質を除去し、バリア層より下の層からの再付着の発生がなくより品質が高いＴＭＲ素子の製造方法の提供ができる。 According to the third invention, since the second ion milling is performed up to the barrier layer of the TMR film, the material reattached to the barrier layer is removed, and there is no occurrence of reattachment from a layer below the barrier layer. A method for manufacturing a high-quality TMR element can be provided.

第４の発明により、スリミングによりレジストパターンのリードコア幅を所望の幅になるようにしたので、ＴＭＲ素子の出力特性をバラツキ少なく製造できる。結果として品質の良いＴＭＲ素子の製造方法が提供できる。 According to the fourth invention, the lead core width of the resist pattern is made to be a desired width by slimming, so that the output characteristics of the TMR element can be manufactured with less variation. As a result, a method for manufacturing a high-quality TMR element can be provided.

第５の発明により、レジストパターンのスリミングは斜め反応性イオンエッチングとしたので、レジストパターンの側面からスリミングを効果的に行うことができ、スリミングに要する時間の短縮が図れる。 According to the fifth invention, the slimming of the resist pattern is oblique reactive ion etching. Therefore, the slimming can be effectively performed from the side surface of the resist pattern, and the time required for the slimming can be shortened.

本発明のＴＭＲ素子の製造方法の実施形態を磁気ヘッドに適用した例で説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、ＴＭＲ素子の形成における２回のイオンミリングをＴＭＲ膜の最上層から最下層にまで行う例であり、図２と図３とを用いて説明する。 An embodiment in which the method for manufacturing a TMR element of the present invention is applied to a magnetic head will be described.
(First embodiment)
The first embodiment is an example in which ion milling is performed twice in the formation of the TMR element from the uppermost layer to the lowermost layer of the TMR film, and will be described with reference to FIGS.

まず、図２（ａ）におい下部シールド層２０上にＴＭＲ膜１０を生成する。ＴＭＲ膜１０は下部シールド層２０上に膜生成される順に下地層１１、磁化固定層１２、ピン層１３、バリア層１４、フリー層１５およびキャップ層１６で図６（ａ）と同様の層構成である。各層の材料は、例えば下地層１１ではＮｉＦｅ、ＮｉＣｒ、Ｒｕ、Ｔａ、磁化固定層１２はＰｄＰｔＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｎＭｎ、ピン層１３はＣｏＦｅ系材料、バリア層１４はＡｌ、Ｔｉ、Ｍｇの酸化物、フリー層１５はＣｏＦｅ系材料、ＮｉＦｅ系材料若しくはこれらの積層、そしてキャップ層１６はＴａやＲｕ等からなる積層体である。また、各層の膜厚は、例えば下地層１１は２〜６ｎｍ、磁化固定層１２は３〜７ｎｍ、ピン層１３は２〜５ｎｍ、バリア層１４は約１ｎｍ、フリー層１５は２〜７ｎｍである。 First, the TMR film 10 is formed on the lower shield layer 20 in FIG. The TMR film 10 is composed of the base layer 11, the magnetization fixed layer 12, the pinned layer 13, the barrier layer 14, the free layer 15 and the cap layer 16 in the same order as in FIG. It is. The material of each layer is, for example, NiFe, NiCr, Ru, Ta in the underlayer 11, the PdPtMn, PtMn, InMn in the magnetization fixed layer 12, the CoFe-based material in the pinned layer 13, the oxide of Al, Ti, Mg in the barrier layer 14, The free layer 15 is a CoFe-based material, a NiFe-based material or a laminate thereof, and the cap layer 16 is a laminate made of Ta, Ru, or the like. The thickness of each layer is, for example, 2 to 6 nm for the underlayer 11, 3 to 7 nm for the magnetization fixed layer 12, 2 to 5 nm for the pinned layer 13, about 1 nm for the barrier layer 14, and 2 to 7 nm for the free layer 15. .

続いて、ＴＭＲ膜１０上にレジストを塗布し、レジストパターン９０を形成する。このときのレジストパターン９０は図６で形成したレジストパターン６０より一回り大きい形状である。従って、ＴＭＲ素子８０のリードコア幅を形成する部分のレジストパターン９０は図２（ｂ）に示すようにＲＷ＋Δとなる。ＲＷ＋Δは、例えば６０〜２００ｎｍである。この状態でイオンミリングを行う（１回目のイオンミリング）。イオンミリングはＡｒ雰囲気でイオンの照射を行う。ここではＡｒ雰囲気でイオンミリングを行ったが、不活性ガスであればいずれのものでもよい。図２（ｂ）に示す矢印はイオンの照射方向を示し、ここでは垂直（０ｄｅｇ）に照射するようにしているが、照射角度は０−４０ｄｅｇ程度の範囲であればよい。このイオンミリングは下地層１１若しくはシールド層２０が現れるまで行い（ここでは、シールド層２０が現れた状態でイオンミリングを停止している）、イオンミリングによって図２（ｂ）に示すように台形形状のＴＭＲ素子７０が形成されたことになる。 Subsequently, a resist is applied on the TMR film 10 to form a resist pattern 90. The resist pattern 90 at this time has a shape that is slightly larger than the resist pattern 60 formed in FIG. Accordingly, the resist pattern 90 in the portion forming the lead core width of the TMR element 80 is RW + Δ as shown in FIG. RW + Δ is, for example, 60 to 200 nm. Ion milling is performed in this state (first ion milling). In ion milling, ions are irradiated in an Ar atmosphere. Here, ion milling was performed in an Ar atmosphere, but any inert gas may be used. The arrows shown in FIG. 2 (b) indicate the direction of ion irradiation. Here, irradiation is performed vertically (0 deg), but the irradiation angle may be in the range of about 0-40 deg. This ion milling is performed until the base layer 11 or the shield layer 20 appears (here, the ion milling is stopped with the shield layer 20 appearing), and the trapezoidal shape is formed by ion milling as shown in FIG. Thus, the TMR element 70 is formed.

ここまでの状態は、図６のＴＭＲ素子５０に較べて一回り大きいＴＭＲ素子７０が形成されただけで他は同一である。従って、バリア層１４にはイオンミリングによるピン層１３や磁化固定層１２などの微粒子が再付着されている可能性が高い状態にある。 The state up to this point is the same except that the TMR element 70 that is slightly larger than the TMR element 50 of FIG. 6 is formed. Therefore, there is a high possibility that fine particles such as the pinned layer 13 and the magnetization fixed layer 12 are reattached to the barrier layer 14 by ion milling.

次に、レジストパターン９０のスリミングを行う。スリミングはＯ２雰囲気でイオンを照射する反応性イオンエッチングを行う。ガス雰囲気は、Ｏ２以外にＡｒ＋Ｏ２、ＣＦ４＋Ｏ２、Ａｒ＋ＣＦ４＋Ｏ２でも良い。また、ＣＦ４は他のフッ素ガスでも良い。イオンの照射の角度は２０−８０ｄｅｇで、ＴＭＲ膜１０をイオンミリングするときの角度より斜めの角度で照射する。こうすることで、レジストパターン９０の側面からのスリミングを効率的に行うことができる。スリミングはレジストパターン９０のリードコア幅形成部分をＲＷ＋ΔからＲＷにスリム化する。ＲＷは、例えば３０〜１００ｎｍである。図２（ｃ）はレジストパターン９０をスリミングしている状態を示しており、スリミング後はレジストパターン９１となる。レジストパターン９０のスリミングによって、ＴＭＲ素子７０の最上層であるキャップ層１６の表面はΔ分露出する。なお、レジストパターン９０のスリミング時間は、例えば同一条件で予め実験でスリミング量を求めておき、その時間を用いるようにすれば良い。 Next, the resist pattern 90 is slimmed. In slimming, reactive ion etching is performed in which ions are irradiated in an O 2 atmosphere. The gas atmosphere may be Ar + O2, CF4 + O2, Ar + CF4 + O2 other than O2. CF4 may be other fluorine gas. The ion irradiation angle is 20-80 deg., And the TMR film 10 is irradiated at an angle more oblique than the angle when ion milling is performed. By doing so, slimming from the side surface of the resist pattern 90 can be performed efficiently. In slimming, the lead core width forming portion of the resist pattern 90 is slimmed from RW + Δ to RW. RW is, for example, 30 to 100 nm. FIG. 2C shows a state in which the resist pattern 90 is slimmed, and the resist pattern 91 is obtained after slimming. By the slimming of the resist pattern 90, the surface of the cap layer 16 that is the uppermost layer of the TMR element 70 is exposed by Δ. For the slimming time of the resist pattern 90, for example, a slimming amount may be obtained in advance by experiments under the same conditions, and that time may be used.

次に、レジストパターン９１をマスクとして再びイオンミリング（２回目のイオンミリングとなる）を行う（図３（ａ））。イオンミリングの条件（ガス雰囲気、照射角度）は最初に行ったイオンミリングの条件と同一であるが、今度のイオンミリングはバリア層１４に再付着した物質を除去するのが目的であるので、１回目のイオンミリングに較べて僅か削る程度でよい。例えば、１回目のイオンミリング時間が２〜４ｍｉｎ程度であるとき、２回目は１０〜５０ｓｅｃ程度となる。 Next, ion milling (second ion milling) is performed again using the resist pattern 91 as a mask (FIG. 3A). The ion milling conditions (gas atmosphere, irradiation angle) are the same as the conditions of the ion milling performed first. However, the purpose of this ion milling is to remove the material reattached to the barrier layer 14. Only a small amount of cutting is required as compared with the second ion milling. For example, when the first ion milling time is about 2 to 4 minutes, the second time is about 10 to 50 sec.

以降は、図６で示した工程と同一である。即ち、絶縁層３０に続いてハードバイアス層４０の膜生成を行い（図３（ｅ））、続いてＴＭＲ素子８０上の絶縁層３０とハードバイアス層４０のリフトオフを行い除去する（図３（ｆ））。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、ＴＭＲ素子の形成における２回のイオンミリングをＴＭＲ膜の最上層からバリア層まで行う例であり、図４を用いて説明する。 The subsequent steps are the same as those shown in FIG. That is, the hard bias layer 40 is formed following the insulating layer 30 (FIG. 3E), and then the insulating layer 30 and the hard bias layer 40 on the TMR element 80 are lifted off to be removed (FIG. 3). f)).
(Second Embodiment)
The second embodiment is an example in which ion milling is performed twice in the formation of the TMR element from the uppermost layer of the TMR film to the barrier layer, and will be described with reference to FIG.

第２の実施形態における製造プロセスは、第１の実施形態におけるＴＭＲ膜形成（図２（ａ））、一回り大きいレジストパターン形成後１回目のイオンミリング（図２（ｂ））およびレジストパターンのスリミングの工程（図２（ｃ））は同一であるのでそれ以降の工程について説明する。 The manufacturing process in the second embodiment includes the TMR film formation in the first embodiment (FIG. 2A), the first ion milling after the formation of a slightly larger resist pattern (FIG. 2B), and the resist pattern. Since the slimming process (FIG. 2C) is the same, the subsequent processes will be described.

図３（ａ）は、スリミング工程でスリム化したレジストパターン９１をマスクとして２回目のイオンミリングを行う工程を示している。このときのイオンミリングの条件（ガス雰囲気、照射角度）は１回目のイオンミリングの条件と同一である。但し、イオンミリングをバリア層を抜けたところで停止させるので、ミリング時間は１回目に較べて少ない。イオンミリングの停止は、例えば全体のイオンミリング時間に対して６０％の時間で停止する等予め行った実験に基づいて決めておけばよい。イオンミリングにより台形上部の露出した部分（前述したΔ分の露出部分）と傾斜したサイドの部分の両方が削れるが、垂直方向のイオンミルレートが高いため図４（ａ）に示すようにＴＭＲ素子８１は２段の台形形状となる。 FIG. 3A shows a process of performing second ion milling using the resist pattern 91 slimmed in the slimming process as a mask. The ion milling conditions (gas atmosphere, irradiation angle) at this time are the same as the first ion milling conditions. However, since the ion milling is stopped after passing through the barrier layer, the milling time is shorter than the first time. The stop of ion milling may be determined based on an experiment conducted in advance, for example, stopping at a time of 60% of the entire ion milling time. Both the exposed part of the trapezoidal upper part (exposed part of Δ described above) and the inclined side part are scraped by ion milling, but the TMR element is high as shown in FIG. 81 has a two-stage trapezoidal shape.

２段の台形形状となることで、ＴＭＲ素子のフリー層位置に対してハード膜が横の位置に配置される為、バイアス効率が良くなる。 By forming the trapezoidal shape in two stages, the hard film is disposed at a position lateral to the free layer position of the TMR element, and hence the bias efficiency is improved.

イオンミリングをバリア層１４を抜けた箇所で停止させたので、バリア層１４に再付着していた微粒子含めてバリア層１４の露出する表面が削られることになる。バリア層１４より先の（下層の）ピン層１３、磁化固定層１２および下地層１１に対するイオンミリングは行われないので、それらの微粒子によるバリア層１４の再付着は発生しない。 Since the ion milling is stopped at the position where the barrier layer 14 is removed, the exposed surface of the barrier layer 14 including the fine particles that have reattached to the barrier layer 14 is shaved. Since ion milling is not performed on the pinned layer 13, the magnetization fixed layer 12, and the base layer 11 ahead of the barrier layer 14, no reattachment of the barrier layer 14 by these fine particles occurs.

２回目のイオンミリング以降の工程は、第１の実施形態の工程と同一である。即ち、絶縁層３０、ハードバイアス層４０を形成し（図４（ｂ））、続いてＴＭＲ素子上の絶縁層３０、ハードバイアス層４０のリフトオフを行う（図４（ｃ））。 The processes after the second ion milling are the same as those in the first embodiment. That is, the insulating layer 30 and the hard bias layer 40 are formed (FIG. 4B), and then the insulating layer 30 and the hard bias layer 40 on the TMR element are lifted off (FIG. 4C).

なお、ＴＭＲ素子形成の技術は、ＴＭＲ効果を応用して磁化の向きでデータを記憶するＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）にも適用可能である。ＭＲＡＭはＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）の５倍程度、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）と同程度の高速のリード／ライトが可能でありながら不揮発性であり、理想的なメモリであることから最近注目されている。 The technique for forming the TMR element can also be applied to an MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) that stores data in the direction of magnetization by applying the TMR effect. MRAM has recently attracted attention because it is a non-volatile and ideal memory that is about 5 times faster than DRAM (Dynamic Random Access Memory) and can be read / written as fast as SRAM (Static Random Access Memory). Has been.

第１の発明の原理図である。It is a principle diagram of the first invention. 本発明によるＴＭＲ素子製造プロセス（実施形態その１）である。It is a TMR element manufacturing process (Embodiment 1) by this invention. 本発明によるＴＭＲ素子製造プロセス（実施形態その１）である。It is a TMR element manufacturing process (Embodiment 1) by this invention. 本発明によるＴＭＲ素子製造プロセス（実施形態その２）である。It is a TMR element manufacturing process (Embodiment 2) by this invention. 従来技術によるＴＭＲ素子の構造例である。It is a structural example of the TMR element by a prior art. 従来プロセスによるＴＭＲ素子の形成例である。It is an example of formation of a TMR element by a conventional process.

符号の説明Explanation of symbols

１０ＴＭＲ膜
１１下地層
１２磁化固定層
１３ピン層
１４バリア層
１５フリー層
１６キャップ層
２０下部シールド層
３０絶縁層
４０ハードバイアス層
５０ＴＭＲ素子
６０レジストパターン
７０ＴＭＲ素子
８０ＴＭＲ素子
８１ＴＭＲ素子
９０レジストパターン
９１レジストパターン
１００レジストパターン形成工程
１１０第１イオンミリング工程
１２０スリミング工程
１３０第２イオンミリング工程
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 TMR film | membrane 11 Underlayer 12 Magnetization fixed layer 13 Pin layer 14 Barrier layer 15 Free layer 16 Cap layer 20 Lower shield layer 30 Insulating layer 40 Hard bias layer 50 TMR element 60 Resist pattern 70 TMR element 80 TMR element 81 TMR element 90 Resist Pattern 91 Resist pattern 100 Resist pattern forming process 110 First ion milling process 120 Slimming process 130 Second ion milling process

Claims

ＴＭＲ素子の形成工程におけるＴＭＲ素子製造方法であって、
生成したＴＭＲ膜の上にレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、
前記レジストパターンをマスクとして、前記ＴＭＲ膜をイオンミリングする第１イオンミリング工程と、
前記レジストパターンのスリミングを行うスリミング工程と、
スリミングされた前記レジストパターンをマスクとして、前記ＴＭＲ膜をイオンミリングする第２イオンミリング工程と
を有することを特徴するＴＭＲ素子製造方法。 A method for manufacturing a TMR element in a process of forming a TMR element,
A resist pattern forming step of forming a resist pattern on the generated TMR film;
A first ion milling step of ion milling the TMR film using the resist pattern as a mask;
A slimming step for slimming the resist pattern;
And a second ion milling step of ion milling the TMR film using the slimmed resist pattern as a mask.

前記第１イオンミリング工程は、前記ＴＭＲ膜を該ＴＭＲ膜の最下層までイオンミリングする
ことを特徴とする請求項１に記載のＴＭＲ素子製造方法。 2. The TMR element manufacturing method according to claim 1, wherein in the first ion milling step, the TMR film is ion milled to a lowermost layer of the TMR film.

前記第２イオンミリング工程は、前記ＴＭＲ膜を該ＴＭＲ膜のバリア層までイオンミリングする
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＴＭＲ素子製造方法。 3. The TMR element manufacturing method according to claim 1, wherein in the second ion milling step, the TMR film is ion milled to a barrier layer of the TMR film.

レジストパターン形成工程において、少なくとも前記レジストパターンの前記ＴＭＲ素子のリードコア幅を形成する部分は該リードコア幅より所定量幅広であり、
前記スリミング工程において、前記リードコア幅を形成する部分は該リードコア幅となるまでスリミングを行う
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載のＴＭＲ素子製造方法。 In the resist pattern forming step, at least a portion of the resist pattern that forms the lead core width of the TMR element is wider than the lead core width by a predetermined amount,
4. The TMR element manufacturing method according to claim 1, wherein, in the slimming step, slimming is performed until a portion forming the lead core width reaches the lead core width. 5.

前記スリミリング工程は、所定のイオン照射角度による斜め反応性イオンエッチングである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４に記載のＴＭＲ素子製造方法。 5. The TMR element manufacturing method according to claim 1, wherein the slimming process is oblique reactive ion etching at a predetermined ion irradiation angle.