JP2605593B2 - Cu-based conductor alloy material, etching method thereof, and magnetic head using the same - Google Patents
Cu-based conductor alloy material, etching method thereof, and magnetic head using the sameInfo
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は磁気ディスクやＶＴＲに
用いられる薄膜磁気ヘッド、磁気抵抗効果ヘッド、回転
角センター等に用いられる磁気センサー、あるいは平板
型トランジスタデューサー、プリント基板、半導体デバ
イス等において、薄膜導体パターンとして用いられるＣ
ｕ系薄膜導体合金材料と、そのエッチング方法、及びＣ
ｕ系薄膜導体合金材料を用いた磁性体薄膜装置に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thin film magnetic head used for a magnetic disk or a VTR, a magnetoresistive head, a magnetic sensor used for a rotation angle center, etc., or a flat type transistor transducer, a printed circuit board, a semiconductor device, etc. C used as a thin film conductor pattern
u-based thin film conductor alloy material, its etching method, and C
The present invention relates to a magnetic thin film device using a u-based thin film conductor alloy material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】薄膜磁気ヘッドや磁気抵抗効果素子等の
磁性体薄膜を用いる装置では、各種の形状、構成の薄膜
導体パターンが用いられている。この薄膜導体パターン
を形成するための材料としては金属が主に用いられてお
り、Ｃｕ及びその合金、Ａｕ、Ａｌ及びその合金、Ｐ
ｔ、Ｗ及びその合金等が代表的である。これらの中でＣ
ｕ以外の材料は、半導体デバイス用の薄膜微細配線や電
極に用いられている。これらの材料と比較して、Ｃｕ及
びその合金はまず、Ａｕ、Ｐｔ、Ｗ及びその合金よりも
低価格かつ資源的に豊富である。また、Ａｌ及びその合
金よりも高純度の物が安価に得やすく、延性、展性に優
れ、導線材として優れている。2. Description of the Related Art In a device using a magnetic thin film such as a thin film magnetic head and a magnetoresistive element, thin film conductor patterns of various shapes and configurations are used. Metals are mainly used as materials for forming the thin film conductor pattern, and Cu and its alloys, Au, Al and its alloys, P
Typical examples include t, W, and alloys thereof. C in these
Materials other than u are used for thin film fine wiring and electrodes for semiconductor devices. Compared to these materials, Cu and its alloys are initially less expensive and more resource-rich than Au, Pt, W and its alloys. In addition, a product having a higher purity than Al and its alloys can be easily obtained at low cost, is excellent in ductility and malleability, and is excellent as a conductive wire.
【０００３】一方Ｃｕの合金材料としては、（社）日本
金属学会編、金属データブック、１９７４年、１５４ペ
ージに開示されているように、従来から電線ケーブル等
の導線として各種の組成、熱処理のものが考案されてい
る。これらは、強度、靱性、及び導電率等の面の特性を
最大限に用いるために設計されてきたバルク合金材料で
ある。しかしバルク合金材料は、熱処理に伴う合金成分
のＣｕ母相中での長距離拡散や、第２相の析出といっ
た、比較的大規模な金属組織的材料改質を必要とする合
金設計になっており、薄膜導体合金材料のように、添加
合金成分の拡散距離を取り得なかったり、デバイス構成
上、熱処理温度が自由に設定できない場合には、バルク
材料をそのまま薄膜化して各種の特徴を得ることは不可
能である。さらにそれ以前に、本発明の薄膜導体合金材
料が容易にエッチング可能であるという点を重視してい
ることに対して、まずその基本要求特性が異なる。[0003] On the other hand, as a Cu alloy material, as disclosed in the Japan Institute of Metals, Metal Data Book, 1974, p. Things have been devised. These are bulk alloy materials that have been designed to maximize surface properties such as strength, toughness, and conductivity. However, bulk alloy materials have become alloy designs that require relatively large-scale metallographic material modification, such as long-range diffusion of alloy components in the Cu matrix due to heat treatment and precipitation of the second phase. Therefore, when the diffusion distance of the added alloy component cannot be secured or the heat treatment temperature cannot be freely set due to the device configuration, as in the case of a thin film conductor alloy material, it is not possible to obtain various characteristics by thinning the bulk material as it is. Impossible. Prior to that, the basic required characteristics are different from the emphasis on the fact that the thin film conductor alloy material of the present invention can be easily etched.
【０００４】薄膜材料では、薄膜磁気ヘッド、プリント
基板等にフレームめっき法によって形成した純Ｃｕが広
く用いられてきた。またＣｕを含んだ薄膜導体合金材料
としては、特開昭６４−５３５４８号公報に開示されて
いるように、Ａｌに微量のＣｕを含んだ合金、ＡｌにＳ
ｉとＣｕを微量含んだ合金が、半導体デバイスの配線材
料として広く用いられている。しかし、該合金材料はＣ
ｕ合金と言うよりむしろほとんどＡｌ合金と呼ぶべき組
成範囲（Ｃｕが４ｗｔ％以下の合金）である。As a thin film material, pure Cu formed by a frame plating method on a thin film magnetic head, a printed circuit board or the like has been widely used. As a thin film conductor alloy material containing Cu, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-53548, an alloy containing a small amount of Cu in Al,
Alloys containing trace amounts of i and Cu are widely used as wiring materials for semiconductor devices. However, the alloy material is C
This is a composition range (an alloy containing 4 wt% or less of Cu) which should be almost called an Al alloy rather than a u alloy.
【０００５】次に、Ｃｕ系の薄膜導体材料の微細パター
ン製造方法としては、反応性イオンエッチング技術を用
いた純Ｃｕの薄膜導体パターン形成例としては大野他、
電子情報通信学会技術研究報告、［シリコン材料・デバ
イス］、ＳＤＭ９０−１８２、１９９０年、３７ページ
に開示されているものがある。該公知文献では、基板上
の純Ｃｕ膜に所望のレジストパターンを形成し、該レジ
ストパターンをハードベークした後、基板温度２８０
℃、Ｎ2 −ＳｉＣｌ4 系混合ガス、ガス圧２Ｐａ、投入
電力２００Ｗの条件で、ＳｉＣｌ4 、Ｎ2 、Ｃｌ2 、及
びＮＨ3 の混合ガスを用いた反応性イオンエッチングを
行い、レジストパターンによって被覆されている部分以
外のＣｕ膜をエッチング除去し、基板上に所望の純Ｃｕ
薄膜導体パターンを形成している。On the other hand, as a method for producing a fine pattern of a Cu-based thin film conductor material, Ohno et al.
There is one disclosed in IEICE Technical Report, [Silicon Materials and Devices], SDM90-182, 1990, page 37. In the known document, a desired resist pattern is formed on a pure Cu film on a substrate, the resist pattern is hard baked, and then a substrate temperature of 280 is obtained.
° C., N 2 -SiCl 4 gas mixture, the gas pressure 2 Pa, under the conditions of input power 200W, SiCl 4, N 2, Cl 2, and subjected to reactive ion etching using a mixed gas of NH 3, with the resist pattern The Cu film other than the portion covered is removed by etching, and the desired pure Cu
A thin film conductor pattern is formed.
【０００６】さらにＣｕ系の薄膜導体材料を一般的に使
用しているデバイスの例として、薄膜磁気ヘッドにおけ
る磁界／誘導電流発生のための、純Ｃｕを用いたコイル
状薄膜導体パターンの製造方法は、カズヒコ・ヤマダ
他、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス誌、第
５５巻、６号、１９８４年、２２３５ページに開示され
ている。それによると薄膜磁気ヘッドは、基板上に下部
磁性体パターン、絶縁膜、薄膜導体コイルパターン、絶
縁膜、上部磁性体パターン、保護膜を順に積み上げた形
態をしている。ここで、基板としては非磁性の酸化物セ
ラミック材料、上下の磁性体パターンとしてはＮｉ−Ｆ
ｅ合金、絶縁膜及び保護膜としては酸化アルミニウム、
酸化シリコン、焼き締めたフォトレジスト等が広く用い
られている。また特に、上記薄膜導体パターンの製造方
法は、例えば、山田一彦他、昭和５８年度電子通信学会
総合全国大会講演予稿集、１−１８６ページに詳細に開
示されている。ここでは前述したフレームめっき法が用
いられている。これは、所望パターンの反転形状のレジ
ストパターンをまず形成し、その空隙部分（所望パター
ン形状をしている）に、めっき法によりＣｕを埋め込む
技術である。Further, as an example of a device that generally uses a Cu-based thin film conductor material, a method for producing a coiled thin film conductor pattern using pure Cu for generating a magnetic field / induced current in a thin film magnetic head is described. Kazhiko Yamada et al., Journal of Applied Physics, Vol. 55, No. 6, 1984, p. 2235. According to this, the thin film magnetic head has a form in which a lower magnetic material pattern, an insulating film, a thin film conductor coil pattern, an insulating film, an upper magnetic material pattern, and a protective film are sequentially stacked on a substrate. Here, a nonmagnetic oxide ceramic material is used as the substrate, and Ni-F is used as the upper and lower magnetic material patterns.
e alloy, aluminum oxide as an insulating film and a protective film,
Silicon oxide, baked photoresist and the like are widely used. Further, in particular, a method of manufacturing the thin film conductor pattern is disclosed in detail, for example, in Kazuhiko Yamada et al., Proceedings of the 1983 IEEJ General Conference, page 1-186. Here, the above-described frame plating method is used. This is a technique in which a resist pattern having an inverted shape of a desired pattern is first formed, and Cu is buried in a void portion (having a desired pattern shape) by a plating method.
【０００７】最後に従来の磁気抵抗効果ヘッドでは、ス
パッタリング法あるいは真空蒸着法を用いた純ＣｕやＡ
ｕを用いている。該従来の磁気抵抗効果ヘッドは、羽
山、実公平２−６４９１号公報、に開示されているよう
に、アルミナ膜付きＡｌ2 Ｏ3−ＴｉＣ焼結体等ででき
た基板上に、軟磁性膜製磁気シールド、絶縁膜、磁気抵
抗効果膜などからなる磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）の
多層膜パターンを形成し、その上に純ＣｕあるいはＡｕ
による薄膜導体パターンを形成した後、再び絶縁膜、磁
気シールドを形成した構造を有している。この薄膜導体
パターンの製造にはフォトレジストをマスクにしたアル
ゴンイオンミリング法が用いられている。Finally, in a conventional magnetoresistive head, pure Cu or A by sputtering or vacuum evaporation is used.
u is used. As disclosed in Hayama, Japanese Utility Model Publication No. 2-6491, Japanese Unexamined Patent Publication No. 2-6491, the conventional magnetoresistive head has a soft magnetic film on a substrate made of an Al 2 O 3 —TiC sintered body with an alumina film. A multilayer film pattern of a magnetoresistive element (MR element) including a magnetic shield, an insulating film, a magnetoresistive film, and the like is formed, and pure Cu or Au is formed thereon.
After forming a thin-film conductor pattern according to (1), an insulating film and a magnetic shield are formed again. An argon ion milling method using a photoresist as a mask is used for manufacturing the thin film conductor pattern.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとるう課題】従来技術で示したよう
に、Ｃｕを含む薄膜導体合金材料としては、半導体デバ
イスの配線材料として広く用いられているような、Ａｌ
に微量のＣｕを含んだ合金、ＡｌにＳｉとＣｕを微量含
んだ合金が最も知られている。しかし該合金材料は、前
述したようにＣｕ合金と言うよりむしろＡｌ合金と呼ぶ
べき組成範囲（Ｃｕが多くても４ｗｔ％で、実際には
０．５ｗｔ％以下の合金が一般的）であり、さらに重大
なことに、このような合金はマイグレーション耐性の観
点から問題があることが明らかとなっている。マイグレ
ーションは薄膜導体パターンに通電した際に、導体材料
を構成する原子が自己拡散し、配線パターンに破断が生
じる現象で、（財）日本電子部品信頼性センター編、半
導体集積回路におけるエレクトロマイグレーションに関
する文献調査成果報告書、１９８７年に詳細に開示され
ている。マイグレーションが発生するような材料系の使
用は、該デバイスを利用した製品の長期信頼性に大きな
問題である。このことは磁気抵抗効果ヘッドのように、
大電流密度（１×１０6 Ａ／ｃｍ2 以上）で駆動するこ
とが必須なデバイスの場合は特に顕著であり、Ａｌ−Ｓ
ｉ−Ｃｕ合金の利用は好ましくない。この問題を解決す
るにはＣｕ組成の高い材料系が有利である。そのため現
在の磁気抵抗効果ヘッド、薄膜磁気ヘッドでは、前述し
たフレームめっき法による純Ｃｕ薄膜導体パターンを用
いている。しかしＡｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金系においても、
本発明者の検討では、Ｃｕ組成が約２．６ａｔ％（約６
ｗｔ％）以上の材料では、マイグレーション耐性が急激
に向上した。なお本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料は、
より高濃度のＣｕ領域を利用するため、このようなマイ
グレーションに対する耐性は充分である。As shown in the prior art, as a thin film conductor alloy material containing Cu, Al, which is widely used as a wiring material for semiconductor devices, is used.
Alloys containing trace amounts of Cu and Al containing trace amounts of Si and Cu are most known. However, as described above, the alloy material has a composition range that should be called an Al alloy rather than a Cu alloy (Cu is at most 4 wt%, and in practice, an alloy of 0.5 wt% or less is generally used) More importantly, it has been found that such alloys are problematic in terms of migration resistance. Migration is a phenomenon in which atoms constituting a conductive material self-diffuse when a current is applied to a thin-film conductor pattern, causing breakage in a wiring pattern. A document on electromigration in semiconductor integrated circuits, edited by Reliability Center for Electronic Components of Japan A survey report was disclosed in detail in 1987. The use of a material system that causes migration is a major problem in the long-term reliability of a product using the device. This is similar to a magnetoresistive head,
This is particularly remarkable in the case of a device that must be driven at a high current density (1 × 10 6 A / cm 2 or more),
Use of an i-Cu alloy is not preferred. To solve this problem, a material system having a high Cu composition is advantageous. Therefore, the current magnetoresistive head and thin film magnetic head use the pure Cu thin film conductor pattern formed by the frame plating method described above. However, even in the Al-Si-Cu alloy system,
According to the study of the present inventors, the Cu composition was about 2.6 at% (about 6 at%).
(% by weight) or more, the migration resistance was sharply improved. Incidentally, the Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention,
Since a higher concentration Cu region is used, the resistance to such migration is sufficient.
【０００９】さて本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料は、
微細加工技術として一般的な反応性イオンエッチング
を、低温で実施可能な材料であることをその最大の特長
としている。従来のＣｕ薄膜に対する反応性イオンエッ
チングによる薄膜導体パターン形成プロセスでは、前項
で述べたように試料温度を２８０℃程度に昇温するた
め、ハードベークして炭化したレジストのＣｕパターン
からの剥離が不可能になるという問題が避けられない。
半導体デバイスでは、剥離の容易な通常のレジストパタ
ーンによる微細加工プロセスの容易性を利用するため、
Ｃｕを主成分とする材料を導体配線材料として用いるこ
とは従来行われておらず、Ａｌが主成分のＡｌ−Ｓｉ−
Ｃｕ合金を用い、低温でのドライエッチングを行ってい
る。さらにこの炭化したレジストには、反応性イオンエ
ッチング中に吸着したエッチングガス成分の塩素が残留
しているため、導体薄膜パターン製造後に雰囲気中の水
分との反応でＣｕパターンの腐食が発生しやすく、この
ようなレジストを剥離できない材料、製造方法の採用は
製品の長期信頼性に問題がある。The Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention
The greatest feature is that it is a material that can perform reactive ion etching, which is general as a microfabrication technology, at a low temperature. In a conventional thin film conductor pattern forming process by reactive ion etching of a Cu thin film, the sample temperature is raised to about 280 ° C. as described in the previous section, so that peeling of the hard baked and carbonized resist from the Cu pattern does not occur. The problem of becoming possible is inevitable.
In semiconductor devices, in order to take advantage of the easiness of microfabrication processes using ordinary resist patterns that are easy to peel off,
The use of a material containing Cu as a main component as a conductor wiring material has not been performed so far, and Al—Si—
Dry etching is performed at a low temperature using a Cu alloy. Further, since the carbonized resist contains chlorine as an etching gas component adsorbed during the reactive ion etching, corrosion of the Cu pattern is likely to occur due to the reaction with moisture in the atmosphere after the production of the conductive thin film pattern, Use of a material and a manufacturing method that cannot remove such a resist has a problem in long-term reliability of a product.
【００１０】さらに２８０℃でのエッチングプロセス
は、もしハードベークしたレジストが剥離できるなら
ば、他のデバイス構成材料が比較的熱に強い半導体デバ
イスの場合には問題がないといえるが、磁性薄膜デバイ
スの場合にはその特性を維持する上で熱処理が適さない
軟磁性材料（例えばＦｅ／ＮｉＦｅ多層構成の人工格子
材料やＣｏ系アモルファス材料）をデバイス構成材料に
用いることが多く、薄膜導体パターン用の材料として２
８０℃よりも低温でドライエッチング可能な材料を用い
る必要がある。この磁性材料の特性を製造工程中も維持
するという問題は、５０ｎｍ以上の極薄磁性膜の特性制
御が必要な磁気抵抗効果ヘッドの製造工程において特に
顕著であり、２８０℃という温度は、該磁気抵抗効果ヘ
ッドの製造上致命的な高温処理といえる。Furthermore, the etching process at 280 ° C. can be said to have no problem if the hard-baked resist can be stripped, if the semiconductor device is made of a relatively heat-resistant material. In the case of (1), a soft magnetic material (for example, an artificial lattice material having a multilayer structure of Fe / NiFe or a Co-based amorphous material) that is not suitable for heat treatment to maintain the characteristics is often used as a device component material. 2 as material
It is necessary to use a material that can be dry-etched at a temperature lower than 80 ° C. This problem of maintaining the characteristics of the magnetic material during the manufacturing process is particularly remarkable in the manufacturing process of a magnetoresistive head which requires control of the characteristics of an ultrathin magnetic film having a thickness of 50 nm or more. It can be said that this is a high-temperature treatment that is critical for the production of the resistance effect head.
【００１１】一方、宮崎ほか、特開昭６２−６５３３１
号公報に開示されている銅もしくは銅合金のエッチング
方法、では該材料を窒素及び酸素又は窒素酸化物を用い
てエッチングすることにより、従来よりも低温でエッチ
ングが可能としている。しかし、本発明者の検討では厚
さ１．５μｍのＣｕ薄膜を、酸素分子あるいは構成元素
として酸素を含むような分子（窒素酸化物など）を、酸
素分圧に換算して５％以上含むようなガス系を用いてエ
ッチングした場合、生成したＣｕパターンは５μｍ幅以
下のものは完全に酸化されてしまい、銅もしくは銅合金
の微細パターン（導体として利用可能）を製造すること
ができず、それらの酸化物の微細パターン（導体として
利用できない）を生成してしまうことが明らかとなっ
た。前記公知文献中では製造した配線状パターンの正確
な特性評価を実施しておらず、そのため酸化の発生が明
らかにならかったものと考えられる。一般によく知られ
ているようにＣｕは非常に酸化されやすく、しかもＡｌ
のように表面に不導体膜が形成され酸化進行しないとい
う酸化形態ではなく、酸化が表面からさらに内部に進行
しやすい特性を有している。本発明の磁性体薄膜装置に
用いるＣｕ薄膜導体パターンでは、該公知文献の手法で
問題となる５μｍ幅以下のパターン幅が要求されるた
め、該公知文献の手法は薄膜導体パターン製造方法とし
て適切ではない。On the other hand, Miyazaki et al., JP-A-62-265331.
In the method of etching copper or a copper alloy disclosed in Japanese Patent Laid-Open Publication No. H11-27139, the material can be etched using nitrogen, oxygen, or nitrogen oxide, thereby enabling etching at a lower temperature than before. However, according to the study of the present inventor, a Cu thin film having a thickness of 1.5 μm contains oxygen molecules or molecules (such as nitrogen oxides) containing oxygen as a constituent element in an amount of 5% or more in terms of oxygen partial pressure. When etching is performed using a suitable gas system, the generated Cu pattern having a width of 5 μm or less is completely oxidized, and a fine pattern of copper or a copper alloy (available as a conductor) cannot be manufactured. It has been found that a fine pattern of oxides (not usable as conductors) is produced. It is considered that accurate evaluation of the characteristics of the manufactured wiring pattern was not carried out in the above-mentioned known literature, and thus it was considered that the occurrence of oxidation was not apparent. As is generally well known, Cu is very easily oxidized, and Al
It is not an oxidized form in which a non-conductive film is formed on the surface and oxidation does not proceed as described above, but has a characteristic that oxidation easily proceeds further from the surface to the inside. Since the Cu thin film conductor pattern used in the magnetic thin film device of the present invention requires a pattern width of 5 μm or less, which is a problem in the method of the known document, the method of the known document is not suitable as a method of manufacturing a thin film conductor pattern. Absent.
【００１２】さらに、フレームめっき法による従来の薄
膜磁気ヘッド用の純Ｃｕ薄膜導体コイルパターンの製造
方法は、以下に示すような多くの問題を有している。Further, the conventional method of manufacturing a pure Cu thin-film conductor coil pattern for a thin-film magnetic head by a frame plating method has many problems as described below.
【００１３】・ 高アスペクト比、逆台形断面の反転レ
ジストパターンの形成が困難である。It is difficult to form an inverted resist pattern having a high aspect ratio and an inverted trapezoidal cross section.
【００１４】・ めっき浴中でのレジストの剥離が起こ
りやすい。The resist is easily peeled off in the plating bath.
【００１５】・ ウェットプロセスのため、工程の連続
性を保った製造が困難である。[0015] Because of the wet process, it is difficult to manufacture while maintaining process continuity.
【００１６】・ 他の材料の成膜がドライプロセスであ
るため、スループット向上に限界がある。Since the film formation of another material is a dry process, there is a limit in improving the throughput.
【００１７】・ めっき浴の品質を維持するのが困難で
費用がかかる。It is difficult and expensive to maintain the quality of the plating bath;
【００１８】・ 任意のＣｕ系合金を作成することがほ
とんど不可能。It is almost impossible to make an arbitrary Cu-based alloy.
【００１９】これらの問題点に対して、イオンミリング
（イオンビームエッチング）、リフトオフといった手法
が、磁性薄膜デバイスの製造技術としては一般的である
が、微細薄膜導体パターンを製造する方法としては最適
ではない。これは、この二つのプロセスでは、前記めっ
きによるＣｕ薄膜導体パターン製造時と同じく、製造の
困難な高アスペクト比のレジストパターンを形成しなけ
ればならないためである。その理由として、イオンミリ
ングではマスク材料との選択比が小さいため、厚膜レジ
ストマスクを必要とし、リフトオフではＣｕ導体成膜後
にフォトレジストを溶解除去するため、やはり厚膜レジ
ストパターンを必要としていることが挙げられる。この
ような高アスペクト比のレジストパターンを要する工程
は、近い将来の微細化に対する要求に応えられないこと
が明白である。加えてイオンミリングは、先にも述べた
ように実際の磁気抵抗効果ヘッド製造プロセスで使用さ
れているものの、薄膜導体パターンの下地層である磁性
膜層とのエッチング選択比が取れないためオーバーエッ
チングしやすく、その場合磁性膜層である磁気抵抗効果
素子をエッチングしてしまう。そしてこのことが磁気抵
抗効果ヘッド製造上のウェハー分留まり低下の大きな原
因になっている。オーバーエッチングを恐れて早めにイ
オンミリング工程を切り上げた場合には、薄膜導体パタ
ーンがまだパターン化前の短絡状態にあることが多く、
やはり磁気ヘッドとして使用できない。さらにウェハー
面内のイオンビーム強度分布は完全になくすることが不
可能なため、ウェハー内でちょうどエッチングされたも
のと、オーバーエッチングされたものが混在してしまう
という問題があり、磁気抵抗効果素子の特性にばらつき
があるのが実状である。To address these problems, techniques such as ion milling (ion beam etching) and lift-off are common techniques for manufacturing magnetic thin film devices, but are not optimal as methods for manufacturing fine thin film conductor patterns. Absent. This is because, in these two processes, a resist pattern having a high aspect ratio, which is difficult to manufacture, must be formed as in the case of manufacturing the Cu thin film conductor pattern by plating. The reason for this is that ion milling requires a thick-film resist mask because the selectivity with the mask material is small, and lift-off also requires a thick-film resist pattern to dissolve and remove the photoresist after Cu conductor deposition. Is mentioned. It is clear that a process requiring a resist pattern having such a high aspect ratio cannot meet the demand for miniaturization in the near future. In addition, although ion milling is used in the actual manufacturing process of the magnetoresistive head as described above, overetching is not possible because the etching selectivity with the magnetic film layer, which is the underlying layer of the thin film conductor pattern, cannot be obtained. In such a case, the magnetoresistive element which is a magnetic film layer is etched. This is a major cause of a decrease in yield of wafers in manufacturing the magnetoresistive head. If the ion milling process is cut off early for fear of over-etching, the thin film conductor pattern is often still in a short-circuit state before patterning,
After all, it cannot be used as a magnetic head. In addition, since it is impossible to completely eliminate the ion beam intensity distribution in the wafer surface, there is a problem that what has just been etched and what has been over-etched are mixed in the wafer. The fact is that there are variations in the characteristics.
【００２０】以上のことから、Ｃｕ及びＣｕを主成分と
する合金の低抵抗、高いマイグレーション耐性等の特長
は、薄膜導体材料として必要な特性ではあるものの、従
来その特性を維持した薄膜導体材料が見つかっていない
ばかりか、Ｃｕを主成分とする合金を微細な薄膜導体パ
ターンにする際に、低温のドライプロセスでの製造が不
可能であったことがわかる。From the above, although features such as low resistance and high migration resistance of Cu and an alloy containing Cu as a main component are characteristics necessary for a thin film conductor material, a conventional thin film conductor material maintaining such characteristics has been developed. Not only has not been found, but it can be seen that when an alloy containing Cu as a main component is formed into a fine thin film conductor pattern, it cannot be manufactured by a low-temperature dry process.
【００２１】本発明の目的は、以下の三項目を実現でき
るＣｕ系薄膜導体合金材料を提供すること、該材料のエ
ッチング方法を提供すること、及び該材料を用いること
により、薄膜導体パターン製造中に磁性薄膜の性能を劣
化させること無く製造された、長期信頼性の高い磁気ヘ
ッド、磁気センサー等の磁性薄膜装置を提供することに
ある。 該材料を用いることにより、従来のフレームめっき
法による薄膜導体パターンの製造工程を、ドライプロセ
スによって工程の連続性を保ち、従来の製造工程数より
も総工程数を減少して、簡便化し、装置費用を削減し、
かつ迅速に製造を行うことを可能とする。 該材料を用いることにより、薄膜導体パターン形成
時のエッチング用マスク材料として、エッチング後に容
易に剥離可能でプロセス簡便化の可能なフォトレジスト
を用いることのできる、１８０℃以下の温度で反応性イ
オンエッチングを可能にする。 該材料を用いることにより、エッチング中に酸化な
どで導体材料としての特性を劣化させないエッチングガ
スを用いつつエッチング中の温度を低温化し、５μｍ幅
以下の微細薄膜導体パターンを形成することを可能にす
る。An object of the present invention is to provide a Cu-based thin film conductor alloy material capable of realizing the following three items, to provide a method for etching the material, and to use the material to manufacture a thin film conductor pattern. Another object of the present invention is to provide a magnetic thin film device such as a magnetic head and a magnetic sensor, which are manufactured without deteriorating the performance of the magnetic thin film and have high long-term reliability. By using this material, the manufacturing process of the thin film conductor pattern by the conventional frame plating method can be simplified by maintaining the continuity of the process by the dry process, reducing the total number of processes from the conventional manufacturing process, and simplifying the apparatus. Reduce costs,
And it enables to manufacture quickly. By using this material, a photoresist that can be easily peeled off after etching and that can simplify the process can be used as an etching mask material when forming a thin film conductor pattern. Enable. By using this material, it is possible to lower the temperature during etching while using an etching gas that does not deteriorate the properties of the conductor material due to oxidation or the like during etching, and to form a fine thin film conductor pattern having a width of 5 μm or less. .
【００２２】[0022]
【課題を解決するための手段】本発明のＣｕ系薄膜導体
合金材料は、Ｃｕに対して、Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ａｌ，Ｓｉ，
Ｐ，Ｓ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓｂ，
Ｔｅ，Ｂｉ，Ｐｏ，Ｂｅ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍ
ｏ，Ｔｃ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｐａ，Ｕの内の少な
くとも一種を添加しており、添加元素の添加量の下限
（Ｗｎ［ａｔ％］）として、各々の添加元素ｋの添加量
と、該添加元素の塩化物の沸点（Ｔｂ ｋ ［Ｋ］）との間
に、数式１が成立し、同時に添加元素の添加量の上限と
して、純Ｃｕと同一の結晶構造を少なくとも一部有する
範囲で、添加元素を添加することを特徴としている。The Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention is characterized in that B, C, N, Al, Si,
P, S, Ga, Ge, As, Se, In, Sn, Sb,
Te, Bi, Po, Be, Ti, V, Zr, Nb, M
At least one of o, Tc, Hf, Ta, W, Re, Pa, and U is added, and the lower limit (W n [at%]) of the amount of the additional element is added to each of the additional elements k . quantity and, between the boiling point of the chloride of the additive element (T b k [K]) , equation 1 is satisfied, an appropriate amount of the upper limit of the additive element at the same time, pure Cu and the same crystal structure at least a It is characterized in that an additive element is added in a range having a part.
【００２３】[0023]
【数１】 (Equation 1)
【００２４】そして、本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料
のエッチング方法は、１８０℃以下の温度範囲で、塩素
を含むガスを用いてエッチングすることを特徴としてい
る。The method of etching a Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention is characterized in that etching is performed using a gas containing chlorine in a temperature range of 180 ° C. or less.
【００２５】また本発明の薄膜磁気ヘッドは、基板上に
ギャップを形成する非磁性層と、絶縁物上の渦巻状の導
体で、かつ外部から導体に電流を印加することにより中
心近傍に磁界を発生すること、あるいは中心近傍の磁界
を変化させることによって導体に誘導電流を発生するこ
とが可能な薄膜導体パターンとを挟んで、軟磁性膜から
なる上部及び下部磁極を配置した薄膜磁気ヘッドにおい
て、前記薄膜導体パターンが前記Ｃｕ系薄膜導体合金材
料で形成されていることを特徴としている。The thin-film magnetic head of the present invention has a non-magnetic layer forming a gap on a substrate, a spiral conductor on an insulator, and applying a current to the conductor from the outside to generate a magnetic field near the center. In a thin-film magnetic head in which upper and lower magnetic poles made of a soft magnetic film are arranged with a thin-film conductor pattern capable of generating an induced current in a conductor by changing or generating a magnetic field near the center, The thin film conductor pattern is formed of the Cu-based thin film conductor alloy material.
【００２６】さらに本発明の磁気抵抗効果ヘッドは、磁
気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子に接触して配
置された一対の薄膜導体パターンを少なくとも有する磁
気抵抗効果ヘッドにおいて、前記薄膜導体パターンが前
記Ｃｕ系薄膜導体合金材料で形成されていることを特徴
としている。Further, a magnetoresistive head according to the present invention is a magnetoresistive head having at least a magnetoresistive element and a pair of thin-film conductor patterns arranged in contact with the magnetoresistive element, wherein the thin-film conductor pattern is It is characterized by being formed of the Cu-based thin film conductor alloy material.
【００２７】[0027]
【作用】本発明者は、従来検討されていないＣｕ系合金
の薄膜を各種作成していくつかの実験を行った。その結
果、従来の薄膜配線材料のようにＡｌ中にＣｕを添加す
るのではなく、Ｃｕ中にＡｌを添加した場合、Ａｌ濃度
と反応性イオンエッチング可能な温度の間には相関があ
り、それをグラフにすると図１のごときものになった。
エッチングには平行平板型の反応性イオンエッチング装
置を用い、ガスはＳｉＣｌ4 を５ｓｃｃｍ、投入電力１
００Ｗであった。なお図１は２００ｎｍの各種濃度のＣ
ｕ−Ａｌ合金膜を、１０分のエッチングで除去可能な最
低温度を示しており、Ｃｕ系合金を製造プロセスに用い
る際に、スループットの面から有効なエッチング速度を
得るための、最低のエッチング温度を示している。検討
ではこれよりも１０℃以上低い温度では、エッチングガ
スとの反応生成物が堆積したまま脱離せず、エッチング
は進行しない。図１からＡｌの添加量を増加するとエッ
チング時の温度を低減でき、およそ１０ａｔ％程度以上
の添加で、フォトレジストをマスクにして反応性イオン
エッチングが可能な１８０℃以下でのエッチングが実現
することが明らかになった。The present inventor made various thin films of a Cu-based alloy, which have not been studied so far, and conducted several experiments. As a result, when Al is added to Cu instead of adding Cu to Al as in the conventional thin film wiring material, there is a correlation between the Al concentration and the temperature at which reactive ion etching is possible. Is as shown in FIG.
A parallel plate type reactive ion etching apparatus was used for etching, the gas was SiCl 4 at 5 sccm, and the input power was 1
00W. FIG. 1 shows C at various concentrations of 200 nm.
Indicates the lowest temperature at which the u-Al alloy film can be removed by etching for 10 minutes, and the lowest etching temperature for obtaining an effective etching rate from the viewpoint of throughput when using a Cu-based alloy in a manufacturing process. Is shown. According to the study, at a temperature lower than this by 10 ° C. or more, the reaction product with the etching gas is not desorbed while being deposited, and the etching does not proceed. As can be seen from FIG. 1, increasing the amount of added Al can reduce the temperature during etching, and the addition of about 10 at% or more achieves etching at 180 ° C. or less, which enables reactive ion etching using a photoresist as a mask. Was revealed.
【００２８】このような合金化によるエッチング温度低
下傾向は、ここではＡｌの例しか示していないものの、
本発明の他の合金添加元素（Ｂ，Ｃ，Ｎ，Ｓ，Ｇａ，Ｇ
ｅ，Ｓｅ，Ｉｎ，Ｓｂ，Ｔｅ，Ｈｇ，Ｂｉ，Ｐｏ，Ｂ
ｅ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｃ，Ｈｆ，Ｔａ，
Ｒｅ，Ｐａ，Ｕ）を一種あるいは複数種用いた場合にも
同様の傾向がみられ、やはりフォトレジストマスクを利
用した反応性イオンエッチング技術を適用可能であっ
た。そしてこれら各種添加元素における実験を総合した
結果、エッチング温度が１８０℃以下になるためのＣｕ
に対する添加元素の添加量の下限（Ｗｎ［ａｔ％］）
と、該添加元素の塩化物の沸点（Ｔｂ ｋ ［Ｋ］）との間
には、数式１に示す関係が認められた。Although the tendency of lowering the etching temperature due to such alloying is shown here only for Al,
Other alloying elements of the present invention (B, C, N, S, Ga, G
e, Se, In, Sb, Te, Hg, Bi, Po, B
e, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Tc, Hf, Ta,
The same tendency is observed when one or a plurality of (Re, Pa, U) are used, and the reactive ion etching technique using a photoresist mask was also applicable. And as a result of synthesizing experiments on these various additional elements, Cu
(W n [at%])
If, between the boiling point of the chloride of the additive element (T b k [K]) , was observed is shown by the formula 1.
【００２９】[0029]
【数１】 (Equation 1)
【００３０】なおここでエッチング温度は、上と同じく
２００ｎｍの厚みの各種濃度のＣｕ系合金膜を１０分の
エッチングで除去可能な最低温度と定義している。これ
は、添加元素種によってエッチング温度低減に対する効
果が異なること、またその効果の度合いが添加元素種の
塩化物の沸点と強い相関を持っていること、さらに合金
添加元素種が１種ではなく複数種に増加した際には積算
されて効果があらわれるということを示している。つま
り塩化物の沸点が低い添加元素を添加する際には、添加
量の増加と共に急激にエッチング温度の低減が起こり、
１８０℃以下でのエッチング比が比較的少量の添加で実
現したのに対し、塩化物の沸点が高い材料では逆にエッ
チング温度の低減が添加量に対して緩やかに起こり、比
較的多量に添加して初めて１８０℃以下でのエッチング
が実現したということである。このような塩化物の沸点
との関連は、エッチング反応の中で、反応生成物の塩化
物の脱離が起こる必要があることから理解できる。Here, the etching temperature is defined as a minimum temperature at which a 200-nm thick Cu-based alloy film having a thickness of 200 nm can be removed by etching for 10 minutes , similarly to the above. This can effect <br/> results against the reduced etching temperature by the addition element species are different, also the degree of the effect has a boiling point and strong correlation of additive element species of chloride, further alloying additions species Indicates that the effect is obtained by adding up when a plurality of types are increased instead of one type. In other words, when adding an additive element having a low boiling point of chloride, the etching temperature sharply decreases with an increase in the added amount,
Whereas the etching ratio at 180 ° C. or less was realized with a relatively small amount of addition, in the case of a material having a high boiling point of chloride, on the other hand, the etching temperature gradually decreased with respect to the added amount. For the first time, etching at 180 ° C. or less was realized. Such a relationship with the boiling point of chloride can be understood from the fact that in the etching reaction, elimination of chloride of the reaction product needs to occur.
【００３１】さてこのようなエッチング温度低減に効果
のある添加元素は、むやみに添加して良いものではな
い。本発明者の検討では、添加元素量が多くなり、合金
組織がＣｕ母相と異なる結晶構造の合金だけが形成され
た際には、エッチング温度低減の効果が見られないこと
が明かとなった。このことは前記図１中で、３５ａｔ％
付近のＡｌ組成でエッチング温度が高くなっていること
に対応しており、３５ａｔ％付近の試料ではＣｕと異な
る結晶構造が観察された。一般にこれらの母相と異なる
構造を有する合金のことを、金属間化合物と呼んでお
り、堂山昌男、矢部昌也編、金属間化合物データハンド
ブック、サイエスフォーラム社、東京、１９８９年、に
詳細な開示があるように、合金を構成する母金属とは異
なる物性値を持っている。つまりこれらの相では各構成
原子が、母相に対してバラバラの状態で固溶しているよ
りも化学的に安定な状態にあるために、母金属よりも強
度、硬度等が高い物が多い。その結果、このような塩素
との化学反応性に直接影響があり、添加元素がエッチン
グ温度低減に効果がないという結果が得られたと考えら
れる。以上のことから本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料
は、実際の材料組織上でＣｕ母相と同じ結晶構造を、少
なくとも一部含む必要がある。またＣｕ母相と同じ結晶
構造は、添加元素毎に異なることはもちろんであるが、
薄膜の成膜方法や熱処理過程によって存在組成範囲が変
化し、一概に組成範囲を指定できない。一般に、スパッ
タリング法のような原子の急冷を伴う成膜方法では、組
成範囲が高添加濃度側に広がり、熱処理を実施すること
で組成範囲が低濃度側に狭くなることが知られているも
のの、実際には合金組織を直接観察して、Ｃｕ母相が確
認できるかどうかで判断する必要がある。なお、熱処理
後の組成範囲の目安としては、Ｍ、ハンセン著、コンス
ティテューション・オブ・バイナリー・アロイズ、マグ
ローヒル・ブック・カンパニー社、ニューヨーク、１９
５８年、等に開示されているような平衡状態図におい
て、添加元素量がＣｕ母相を含む相の組成範囲にあるか
どうかで、およその判断が可能である。しかし、この目
安も、三元（添加元素が三種類）以上の合金系や、熱処
理前の薄膜に対しては、有効ではない。Now, such an additive element that is effective in lowering the etching temperature is not something that can be added unnecessarily. Investigations of the present inventor have revealed that the effect of reducing the etching temperature is not observed when the amount of the added element is increased and the alloy structure is formed only of an alloy having a crystal structure different from that of the Cu matrix. . This is shown in FIG.
This corresponds to the fact that the etching temperature is high in the Al composition near the sample, and a crystal structure different from Cu was observed in the sample near 35 at%. In general, alloys having a structure different from these parent phases are called intermetallic compounds, and are described in detail in Masao Doyama, Masaya Yabe, Intermetallic Compounds Data Handbook, Says Forum, Tokyo, 1989. As described above, it has physical properties different from those of the base metal constituting the alloy. In other words, in each of these phases, each constituent atom is in a more chemically stable state than a solid solution in a discrete state with respect to the parent phase. . As a result, it is considered that the chemical reactivity with chlorine was directly affected, and the result that the added element was not effective in reducing the etching temperature was obtained. From the above, the Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention needs to include at least a part of the same crystal structure as the Cu matrix in the actual material structure. Also, the same crystal structure as the Cu mother phase is different for each additional element,
The existing composition range changes depending on the method of forming the thin film or the heat treatment process, and the composition range cannot be specified unconditionally. In general, it is known that, in a film forming method involving rapid cooling of atoms such as a sputtering method, a composition range is expanded to a high addition concentration side, and the composition range is narrowed to a low concentration side by performing heat treatment. Actually, it is necessary to directly observe the alloy structure and determine whether or not the Cu matrix can be confirmed. As a guide of the composition range after the heat treatment, M. Hansen, Constitution of Binary Alloys, McGraw-Hill Book Company, New York, 19
In the equilibrium state diagram disclosed in, for example, 1958, it can be roughly determined whether the amount of the added element is within the composition range of the phase including the Cu mother phase. However, this standard is not effective for alloy systems of three or more elements (three kinds of added elements) or thin films before heat treatment.
【００３２】[0032]
（実施例１）次に本発明のＣＵ系薄膜導体合金材料の特
徴を示すために、該材料を用いた薄膜導体パターンの製
造方法を、図２を参照して詳細に説明する。 （ａ）まず基板１上に、本発明のＣｕ系薄膜導体合金材
料２を成膜する。基板１としてここでは熱酸化膜付きＳ
ｉ基板を用いた。Ｃｕ系薄膜導体合金材料２の成膜方法
としては、スパッタリング法、真空蒸着法、有機金属気
相分解成長法、電解／無電解めっき法など、どのような
方法を用いても良い。本実施例ではスパッタリング法に
より、Ｃｕ−９．４ａｔ％Ａｌ合金、Ｃｕ−４．５ａｔ
％Ｓｉ合金、Ｃｕ−１５ａｔ％Ｗ合金、Ｃｕ−８ａｔ％
Ａｓを、各々厚み１μｍ成膜した。 （ｂ）次に該Ｃｕ系薄膜導体合金材料２上にフォトレジ
スト３を塗布し、これを所望の薄膜導体パターン状にパ
ターニングする。本実施例では、シップレイ社製のＡＺ
１３５０Ｊを用いてラインアンドスペースパターンを形
成した。該フォトレジスト３の膜厚は２μｍ、パターン
幅は０．５μｍである。 （ｃ）続いてそれらを反応性イオンエッチング装置に導
入する。装置には塩素系のガスとしてＳｉＣｌ4 を５ｓ
ｃｃｍ、混合ガスとしてＮ2 を２０ｓｃｃｍ、ＮＨ3 を
１０ｓｃｃｍ供給し、ガス圧３Ｐａ、投入電力２００
Ｗ、基板温度１８０℃の条件で１３．５６ＭＨｚの高周
波プラズマ４を生成し、反応性イオンエッチングを行っ
た。 （ｄ）最後に、該Ｃｕ系薄膜導体合金材料２をエッチン
グした後の基板１を前記エッチング装置から取り出し、
有機溶媒を用いてフォトレジスト３を剥離した。基板１
の破断面方向からの走査電子顕微鏡による観察の結果、
いずれの合金においても矩形性良く、幅、厚み共１．５
μｍの薄膜導体パターン５を形成できた。またこの時エ
ッチングガス中には酸素が含まれていないため、マイク
ロオージェ分析の結果でもパターンの酸化は発生してい
なかった。 （実施例２）次に本発明のＣｕ形薄膜導体合金材料を用
いた薄膜磁気ヘッドの実施例を、図３を参照して説明す
る。 （ａ）アルミナ膜付きＡｌ2 Ｏ3 −ＴｉＣ焼結体ででき
た基板１上の、ＮｉＦｅ製の下部磁性体パターン６上に
形成したアルミナ絶縁膜７上に、まず密着層としてＣｒ
膜８を５０ｎｍ成膜した後、本発明のＣｕ系薄膜導体合
金材料２を成膜する。本実施例ではＣｕ−２５ａｔ％Ｂ
ｅ合金を、厚み３μｍ成膜した。そしてさらにその上部
に密着層としてＣｒ膜８を５０ｎｍさらに成膜した。全
ての成膜はスパッタリング法をも用いて行った。 （ｂ）次に該Ｃｕ系薄膜導体合金材料２上にフォトレジ
スト３を塗布し、これを所望の薄膜導体パターン状にタ
ーニングする。本実施例では、シップレイ社製のＡＺ４
６２０を用いて、導体コイル状のレジストパターンを形
成した。該フォトレジスト３の膜厚は３μｍ、パターン
幅最小部は２μｍ幅である。 （ｃ）続いてそれらを反応性イオンビームエッチング装
置に導入する。装置には塩素系のガスとしてＳｉＣｌ4
を３．７ｓｃｃｍ、混合ガスとしてＮ2 を２１．３ｓｃ
ｃｍ、ＮＨ3 を５ｓｃｃｍ供給し、基板温度１６０℃基
板回転速度１２ｒ．ｐ．ｍ、加速電圧８００Ｖの条件
で、Ｃｒ／Ｃｕ／Ｃｒ構成の多層膜に対して反応性ガス
からなるイオンビーム９を照射しエッチングを行った。 （ｄ）パターン形成の最後のステップとして、エッチン
グ後の基板１を前記反応性イオンビームエッチング装置
から取り出し、有機溶媒を用いてフォトレジスト３を剥
離した結果、矩形性良く幅２μｍ、厚み約３μｍの薄膜
導体のコイルパターン１０を形成することができた。 （ｅ）このようにして形成された薄膜導体コイルパター
ン１０上に、ギャップ層を兼ねたアルミナ製絶縁膜７を
バイアススパッタ法を用いて形成し凹凸を平坦化し、そ
の上面に下部磁性体パターン６と一部接続した形の、Ｎ
ｉＦｅ製上部磁性体パターン１１を形成する。この後、
全体をアルミナ製保護膜１２で被覆し基板１上に薄膜磁
気ヘッドを形成した。上記工程を経て製造された薄膜磁
気ヘッドは、磁気ヘッドとしての特性上何等問題がなか
った。また、特に薄膜導体コイルパターン製造工程が大
幅に単純化されたため、従来電解めっきで約２０時間を
要していた薄膜導体コイルパターンの製造時間が大幅に
短縮され、約２時間で作製が可能になった。さらに該工
程の単純化にともない、作業に必要な人の数、必要装置
数も従来と比べて大幅に少なくて済むようになり、全体
として薄膜磁気ヘッドの製造コストを押さえることがで
きた。なお上記薄膜磁気ヘッドの製造工程で用いた各種
の材料、工程手法はその一例であり、他の材料、手法を
用いても本発明の効果が損なわれることはない。 （実施例３）次に本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料を用
いた磁気抵抗効果ヘッドの実施例を、図４を参照して説
明する。 （ａ）アルミナ膜付きＡｌ2 Ｏ3 −ＴｉＣ焼結体ででき
た基板１上に、軟磁性膜製磁気シールド１３、絶縁膜
７、磁気抵抗効果膜１４などからなる磁気抵抗効果素子
の多層膜パターンを形成し、さらにその上に本発明のＣ
ｕ系薄膜導体合金材料２を成膜する。本実施例では磁気
抵抗効果膜１４としてＮｉＦｅ（パーマロイ）を用い、
Ｃｕ系薄膜導体合金材料２としてＣｕ−８ａｔ％Ｓｎ−
０．１％Ｐ合金を、厚み１μｍ成膜した。上記磁気抵抗
効果素子の多層膜パターンの成膜は超高真空蒸着法、ま
たＣｕ系薄膜導体合金材料２の成膜はスパッタリング法
を用いて行った。 （ｂ）次に該Ｃｕ系薄膜導体合金材料２上にフォトレジ
スト３を塗布し、これを所望の薄膜導体パターン状にパ
ターニングする。本実施例では、シップレイ社製のＡＺ
１３５０Ｊを用いて、薄膜導体パターンが磁気抵抗効果
膜１４の両端に接触して配置されるようにレジストパタ
ーンを形成した。該フォトレジスト３の膜圧は２μｍ、
パターン幅最小部は２μｍ幅である。 （ｃ）続いてそれらを反応性イオンエッチング装置に導
入する。装置には塩素系のガスとしてＳｉＣｌ4 を５ｓ
ｃｃｍ、Ｃｌ2 を３ｓｃｃｍ、混合ガスとしてＮ2 を２
０ｓｃｃｍ、ＮＨ3 を５ｓｃｃｍ、供給し、ガス圧３Ｐ
ａ、投入電力２００Ｗ、基板温度１８０℃の条件で１
３．５６ＭＨｚの高周波プラズマ４を生成し、反応性イ
オンエッチングを行った。 （ｄ）パターン形成の最後のステップとして、エッチン
グ後の基板１を前記反応性イオンエッチング装置から取
り出し、有機溶媒を用いてフォトレジスト３を剥離した
結果、矩形性良く幅２μｍ、厚み約１μｍの薄膜導体パ
ターン５を形成することができた。また、Ｃｕ系薄膜導
体合金材料２と磁気抵抗効果膜１４のＮｉＦｒｅの選択
比が非常に大きく取れるため、エッチング時の下地の一
部になっている磁気抵抗効果膜１４に対するエッチング
損傷は、走査電子顕微鏡による観察でも、軟磁気特性上
でも観察されなかった。またエッチング用の高周波プラ
ズマ４に比べてウェハーが充分に小さいため、４エッチ
ング量の面内分布もほとんど０に近い値を示した。これ
らのことは従来技術で問題となっていた、オーバーエッ
チングによる磁気抵抗効果膜１４の損傷を、本発明のＣ
ｕ系導体配線材料２を用いることにより回避できること
を示している。 （ｅ）このようにして形成された薄膜導体パターン５上
に、ギャップ層を兼ねたアルミナ製絶縁膜７をスパッタ
リング法を用いて形成し、その上面に再度磁気シールド
１３のパターンを形成する。この後、全体をアルミナ製
保護膜１２で被覆し基板１上に磁気抵抗効果ヘッドを形
成した。上記工程を経て製造された磁気抵抗効果ヘッド
は、低温プロセスだけを経てきたため磁気ヘッドとして
の特性上何等問題がなかった。なお上記磁気抵抗効果ヘ
ッドの製造工程で用いた各種の材料、工程手法はその一
例であり、他の材料、手法を用いても本発明の効果が損
なわれることはない。(Example 1) Next, in order to show the features of the CU-based thin film conductor alloy material of the present invention, a method of manufacturing a thin film conductor pattern using the material will be described in detail with reference to FIG. (A) First, a Cu-based thin film conductor alloy material 2 of the present invention is formed on a substrate 1. Here, S with thermal oxide film is used as substrate 1.
An i substrate was used. As a method of forming the Cu-based thin film conductor alloy material 2, any method such as a sputtering method, a vacuum deposition method, a metal organic chemical vapor deposition growth method, and an electrolytic / electroless plating method may be used. In this embodiment, a Cu-9.4 at% Al alloy, Cu-4.5 at
% Si alloy, Cu-15at% W alloy, Cu-8at%
As was deposited to a thickness of 1 μm each. (B) Next, a photoresist 3 is applied on the Cu-based thin film conductor alloy material 2 and is patterned into a desired thin film conductor pattern. In this embodiment, AZ manufactured by Shipley Co., Ltd.
A line and space pattern was formed using 1350J. The photoresist 3 has a thickness of 2 μm and a pattern width of 0.5 μm. (C) Subsequently, they are introduced into a reactive ion etching apparatus. The equipment contains SiCl 4 as chlorine-based gas for 5 seconds.
ccm, 20 sccm of N 2 and 10 sccm of NH 3 as a mixed gas, gas pressure 3 Pa, input power 200
Under the conditions of W and a substrate temperature of 180 ° C., high-frequency plasma 4 of 13.56 MHz was generated, and reactive ion etching was performed. (D) Finally, the substrate 1 after etching the Cu-based thin film conductor alloy material 2 is taken out of the etching apparatus,
The photoresist 3 was peeled off using an organic solvent. Substrate 1
As a result of observation with a scanning electron microscope from the fracture surface direction of
All alloys have good rectangularity and both width and thickness are 1.5
A μm thin film conductor pattern 5 was formed. At this time, since the etching gas did not contain oxygen, the pattern was not oxidized by micro Auger analysis. (Embodiment 2) Next, an embodiment of a thin film magnetic head using the Cu type thin film conductor alloy material of the present invention will be described with reference to FIG. (A) On the alumina insulating film 7 formed on the lower magnetic material pattern 6 made of NiFe on the substrate 1 made of the Al 2 O 3 —TiC sintered body with the alumina film,
After forming the film 8 to a thickness of 50 nm, the Cu-based thin film conductor alloy material 2 of the present invention is formed. In this embodiment, Cu-25 at% B
e alloy was formed into a film having a thickness of 3 μm. Further, a Cr film 8 was further formed thereon as an adhesion layer to a thickness of 50 nm. All film formation was performed by using a sputtering method. (B) Next, a photoresist 3 is applied on the Cu-based thin film conductor alloy material 2, and this is turned into a desired thin film conductor pattern. In this embodiment, AZ4 manufactured by Shipley Co., Ltd. is used.
620 was used to form a conductor coil-shaped resist pattern. The thickness of the photoresist 3 is 3 μm, and the minimum portion of the pattern width is 2 μm. (C) Subsequently, they are introduced into a reactive ion beam etching apparatus. The device contains SiCl 4 as chlorine-based gas.
The 3.7sccm, 21.3sc the N 2 as a mixed gas
cm, NH 3 is supplied at 5 sccm, the substrate temperature is 160 ° C., and the substrate rotation speed is 12 r. p. Under a condition of m and an acceleration voltage of 800 V, the multilayer film of Cr / Cu / Cr structure was irradiated with an ion beam 9 made of a reactive gas to perform etching. (D) As a final step of pattern formation, the substrate 1 after etching is taken out of the reactive ion beam etching apparatus, and the photoresist 3 is peeled off using an organic solvent. As a result, the substrate 1 has a rectangular shape with a width of 2 μm and a thickness of about 3 μm. The thin film conductor coil pattern 10 could be formed. (E) On the thin-film conductor coil pattern 10 thus formed, an alumina insulating film 7 also serving as a gap layer is formed by using the bias sputtering method to flatten the unevenness, and the lower magnetic material pattern 6 is formed on the upper surface thereof. N partially connected to
The upper magnetic body pattern 11 made of iFe is formed. After this,
The whole was covered with a protective film 12 made of alumina to form a thin-film magnetic head on the substrate 1. The thin-film magnetic head manufactured through the above steps had no problem in characteristics as a magnetic head. In addition, since the manufacturing process of the thin film conductor coil pattern has been greatly simplified, the time required for manufacturing the thin film conductor coil pattern, which previously required about 20 hours for electrolytic plating, has been greatly reduced, and the production can be performed in about 2 hours. became. Further, with the simplification of the process, the number of people required for the work and the number of required devices can be greatly reduced as compared with the related art, and the manufacturing cost of the thin film magnetic head can be suppressed as a whole. Note that the various materials and process methods used in the above-described thin film magnetic head manufacturing process are merely examples, and the effects of the present invention are not impaired by using other materials and methods. (Embodiment 3) Next, an embodiment of a magnetoresistive head using the Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention will be described with reference to FIG. (A) on the substrate 1 made of alumina film with Al 2 O 3 -TiC sintered body, the soft magnetic film made of magnetic shield 13, the insulating film 7, the multilayer film of the magnetoresistive element made of a magnetoresistive film 14 A pattern is formed, and the C
The u-based thin film conductor alloy material 2 is formed. In this embodiment, NiFe (permalloy) is used as the magnetoresistive effect film 14,
Cu-8 at% Sn- as the Cu-based thin film conductor alloy material 2
A 0.1% P alloy was deposited to a thickness of 1 μm. The multilayer film pattern of the magnetoresistive element was formed by an ultra-high vacuum evaporation method, and the Cu-based thin film conductor alloy material 2 was formed by a sputtering method. (B) Next, a photoresist 3 is applied on the Cu-based thin film conductor alloy material 2 and is patterned into a desired thin film conductor pattern. In this embodiment, AZ manufactured by Shipley Co., Ltd.
Using 1350J, a resist pattern was formed such that the thin film conductor pattern was placed in contact with both ends of the magnetoresistive film 14. The film pressure of the photoresist 3 is 2 μm,
The minimum width of the pattern is 2 μm. (C) Subsequently, they are introduced into a reactive ion etching apparatus. The equipment contains SiCl 4 as chlorine-based gas for 5 seconds.
ccm, Cl 2 at 3 sccm, and N 2 as a mixed gas.
0 sccm, 5 sccm of NH 3 , gas pressure 3P
a, 1 at 200 W input power and 180 ° C. substrate temperature
A high-frequency plasma 4 of 3.56 MHz was generated, and reactive ion etching was performed. (D) As a final step of pattern formation, the substrate 1 after etching is taken out of the reactive ion etching apparatus, and the photoresist 3 is peeled off using an organic solvent. As a result, a thin film having a rectangular shape and a width of 2 μm and a thickness of about 1 μm is obtained. The conductor pattern 5 was able to be formed. Further, since the selectivity of NiFre between the Cu-based thin film conductor alloy material 2 and the magnetoresistive effect film 14 can be made very large, etching damage to the magnetoresistive effect film 14 which is a part of the base during etching is caused by the scanning electron beam. Neither was observed under a microscope nor on soft magnetic characteristics. In addition, since the wafer was sufficiently smaller than the high frequency plasma 4 for etching, the in-plane distribution of the amount of 4 etching also showed a value close to zero. These problems, which have been a problem in the prior art, can prevent the magnetoresistive film 14 from being damaged by overetching.
This shows that the problem can be avoided by using the u-based conductor wiring material 2. (E) On the thin-film conductor pattern 5 thus formed, an insulating film 7 made of alumina also serving as a gap layer is formed by a sputtering method, and a pattern of the magnetic shield 13 is formed again on the upper surface thereof. Thereafter, the whole was covered with a protective film 12 made of alumina to form a magnetoresistive head on the substrate 1. Since the magnetoresistive head manufactured through the above-described steps has undergone only a low-temperature process, there was no problem in characteristics as a magnetic head. The various materials and process methods used in the manufacturing process of the magnetoresistive head are merely examples, and the effects of the present invention are not impaired by using other materials and methods.
【００３３】[0033]
【発明の効果】以上のように本発明のＣｕ系薄膜導体合
金材料を用いることで薄膜導体パターン製造中に磁性膜
の性能を劣化させること無く製造された、長期信頼性の
高い磁気ヘッド、磁気センサー等の磁性薄膜装置を製造
することができる。さらに該材料を用いることにより、
従来のめっきによる薄膜導体パターンの製造工程を、ド
ライプロセスによって工程の連続性を保ち、従来の製造
工程数よしも総工程数を減少して、簡便化し、装置費用
を削減し、かつ迅速に製造を行うことが可能となり、さ
らに薄膜導体パターン形成時のエッチング用マスク材料
として、エッチング後に容易に剥離可能でプロセス簡便
化の可能なフォトレジストを用いることのできる１８０
℃以下の温度で反応性イオンエッチングを可能となり、
加えてエッチング中に酸化などで導体材料としての特性
を劣化させないエッチングガスを用いつつエッチング中
の温度を低温化し、５μｍ幅以下の微細薄膜導体パター
ンを形成することが可能となる。As described above, by using the Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention, a long-term reliable magnetic head and a magnetic head manufactured without deteriorating the performance of the magnetic film during the production of the thin film conductor pattern. A magnetic thin film device such as a sensor can be manufactured. Further, by using the material,
Conventional process for manufacturing thin film conductor patterns by plating maintains the continuity of the process by a dry process, reduces the total number of processes compared to the conventional manufacturing process, simplifies it, reduces equipment costs, and manufactures quickly In addition, a photoresist which can be easily peeled off after etching and which can simplify the process can be used as a mask material for etching when forming a thin film conductor pattern.
Reactive ion etching becomes possible at temperatures below ℃,
In addition, it is possible to lower the temperature during etching while using an etching gas that does not deteriorate the properties of the conductor material due to oxidation or the like during etching, and to form a fine thin film conductor pattern having a width of 5 μm or less.
【図１】本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料の効果を示す
ためのエッチング温度とＡｌ添加量の関係を示した図で
ある。FIG. 1 is a graph showing the relationship between the etching temperature and the amount of Al added to show the effect of the Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention.
【図２】本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料を用いた薄膜
導体パターンの製造工程断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing a manufacturing process of a thin film conductor pattern using the Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention.
【図３】本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料を用いた薄膜
磁気ヘッドの製造工程断面図である。FIG. 3 is a sectional view of a manufacturing process of a thin-film magnetic head using the Cu-based thin-film conductor alloy material of the present invention.
【図４】本発明のＣｕ系薄膜導体合金材料を用いた磁気
抵抗効果ヘッドの製造工程断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing a manufacturing process of a magnetoresistive head using the Cu-based thin film conductor alloy material of the present invention.
１ 基板 ２ Ｃｕ系薄膜導体合金材料 ３ フォトレジスト ４ 高周波プラズマ ５ 薄膜導体パターン ６ 下部磁性体パターン ７ 絶縁膜 ８ Ｃｒ膜 ９ イオンビーム １０ 薄膜導体コイルパターン １１ 上部磁性体パターン １２ 保護膜 １３ 磁気シールド １４ 磁気抵抗効果膜 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Cu-based thin film conductor alloy material 3 Photoresist 4 High frequency plasma 5 Thin film conductor pattern 6 Lower magnetic body pattern 7 Insulating film 8 Cr film 9 Ion beam 10 Thin film conductor coil pattern 11 Upper magnetic body pattern 12 Protective film 13 Magnetic shield 14 Magnetoresistive film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０５Ｋ 1/09 Ｈ０５Ｋ 1/09 Ａ // Ｈ０１Ｂ 5/14 Ｈ０１Ｂ 5/14 Ｚ ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Agency reference number FI Technical display location H05K 1/09 H05K 1/09 A // H01B 5/14 H01B 5/14 Z
Claims (4)
ｉ，Ｐ，Ｓ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｓｅ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｓ
ｂ，Ｔｅ，Ｂｉ，Ｐｏ，Ｂｅ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｒ，Ｎｂ，
Ｍｏ，Ｔｃ，Ｈｆ，Ｔａ，Ｗ，Ｒｅ，Ｐａ，Ｕの内の少
なくとも一種を添加したＣｕ系薄膜導体合金材料であっ
て、Ｃｕに対する添加元素の添加量の下限（Ｗｎ［ａｔ
％］）として、各々の添加元素ｋの添加量と、該添加元
素の塩化物の沸点（Ｔｂ ｋ ［Ｋ］）との間に、数式１が
成立し、Ｃｕに対する添加元素の添加量の上限として、
純Ｃｕと同一の結晶構造を少なくとも一部有する範囲
で、添加元素を添加することを特徴とするＣｕ系薄膜導
体合金材料。 【数１】 1. B, C, N, Al, S for Cu
i, P, S, Ga, Ge, As, Se, In, Sn, S
b, Te, Bi, Po, Be, Ti, V, Zr, Nb,
A Cu-based thin film conductor alloy material to which at least one of Mo, Tc, Hf, Ta, W, Re, Pa, and U is added, wherein the lower limit (W n [at
As%]), and the addition amount of each additive element k, between the boiling point of the chloride of the additive element (T b k [K]) , Equation 1 is satisfied, the amount of additive elements for Cu As an upper limit,
A Cu-based thin film conductor alloy material, characterized by adding an additional element within a range having at least a part of the same crystal structure as pure Cu. (Equation 1)
ガスを用いてエッチングすることを特徴とする、請求項
１記載のＣｕ系薄膜導体合金材料のエッチング方法。2. The method for etching a Cu-based thin film conductor alloy material according to claim 1, wherein the etching is performed using a gas containing chlorine in a temperature range of 180 ° C. or lower.
と、絶縁物上の渦巻状の導体で、かつ外部から導体に電
流を印加することにより中心近傍に磁界を発生するこ
と、あるいは中心近傍の磁界を変化させることによって
導体に誘導電流を発生することが可能な薄膜導体パター
ンとを挟んで、軟磁性膜からなる上部及び下部磁極を配
置した薄膜磁気ヘッドにおいて、前記薄膜導体パターン
が請求項１記載のＣｕ系薄膜導体合金材料で形成されて
いることを特徴とする薄膜磁気ヘッド。3. A non-magnetic layer forming a gap on a substrate, a spiral conductor on an insulator, and generating a magnetic field near the center by applying a current to the conductor from the outside, or In a thin-film magnetic head having upper and lower magnetic poles made of a soft magnetic film sandwiched between a thin-film conductor pattern capable of generating an induced current in a conductor by changing a magnetic field in the vicinity thereof, the thin-film conductor pattern is Item 7. A thin film magnetic head made of the Cu-based thin film conductor alloy material according to Item 1.
素子に接触して配置された薄膜導体パターンを少なくと
も有する磁気抵抗効果ヘッドにおいて、前記薄膜導体パ
ターンが請求項１記載のＣｕ系薄膜導体合金材料で形成
されていることを特徴とする磁気抵抗効果ヘッド。4. The Cu-based thin-film conductor alloy according to claim 1, wherein the thin-film conductor pattern has at least a magneto-resistance effect element and a thin-film conductor pattern arranged in contact with the magneto-resistance effect element. A magnetoresistive head, which is formed of a material.
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1993
- 1993-08-26 JP JP5211661A patent/JP2605593B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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| JPH0762471A (en) | 1995-03-07 |
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