JP3569009B2 - Method for manufacturing magnetic device - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は薄膜磁気ヘッド、薄膜磁気センサなどの磁気デバイスに関し、特に微細な磁性薄膜パターンを具備した磁気デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、システムの小型化、軽量化の流れの中で、デバイスの軽薄短小化が進行しており、今後その要求はますます高まるものと見られている。デバイスの軽薄短小化は機能性材料の薄膜化によって革新的に進展する。機能性材料の薄膜化は主に電子デバイスの領域で盛んであるが、磁気デバイスの分野においても薄膜磁気ヘッドを中心に進展しており、今後他の磁気デバイスにおいても薄膜化への展開が予測されている。
【0003】
しかし、磁性材料は微細加工が困難であることが、磁気デバイスの薄膜化を阻害する要因の1つとなっている。これは、磁性薄膜はスパッタ法などを利用することにより比較的容易に形成できるが、磁性薄膜を微細加工する場合には半導体デバイスプロセスで利用されている反応性イオンエッチング(RIE)などの技術を、使用するガス種などの条件を変更せずにそのまま適用することが困難なためである。このため、これまでは磁気ディスク、光磁気ディスク、磁気ヘッドの一部(MIGヘッド、ラミネートヘッドなど)のように磁性薄膜自体を微細加工する必要のない磁気デバイスのみが、薄膜化の対象となっていた。
【0004】
例えば、HDD用磁気ヘッドの磁性薄膜は現状では湿式メッキ法により形成されており、その先端部は数ミクロン程度の微細なものであるが、湿式メッキ法ではさらなる微細化および高密度化を達成することは困難である。
【0005】
また、ドライプロセスを利用して磁性薄膜を微細加工する方法については、例えばIEEE Trans.Mag.,27(6)1991,pp.4888〜4890に開示される試みがなされており、磁性薄膜の微細パターンの形成に成功している。しかし、この方法ではエッチング残渣除去とサイドエッチングの回避とがトレードオフの関係にある。この場合、ジャストエッチングしてサイドエッチングを避け、パターン精度を向上させるようにしているため残渣が残り、これを除去するために特殊な後処理を必要とするので実用的ではない。
【0006】
その他には磁性薄膜の微細加工についての報告はほとんど見られない現状であり、将来の磁気デバイスの小型化、軽量化のネックとなっている。さらに磁性薄膜の微細パターンが形成できても、磁性薄膜のパターンを磁気デバイスに組み込むことを考慮すると、一般にFeなどの磁性材料は半導体材料に比べ耐食性に劣ることから、磁性薄膜パターンとその周囲の絶縁膜などとの密着性が良好であることや、磁性薄膜パターン自体の酸化などによる劣化が少ないことなどが実用上要求される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、周囲の絶縁膜などとの密着性に優れ、劣化に対する信頼性に優れているとともに、高い加工速度、マスクに対する高い選択比、少ない残渣で良好な異方性形状への高精度な加工が容易な磁性薄膜パターンを有する磁気デバイスを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段と作用】
本発明の磁気デバイスは、Fe、Co、Niから選択される少なくとも1種の元素を含有する磁性薄膜のパターンと、前記磁性薄膜のパターンの側壁上に直接被着された第1の被着膜と、前記第1の被着膜の外側に被着された第2の被着膜とを具備し、前記磁性薄膜のパターンの側壁と下地とのなす角よりも、前記第1の被着膜と下地との間で形成されるテーパ角がなだらかであることを特徴とするものである。
【0009】
本発明において対象となる磁性薄膜は、Fe、Co、Niのうちから選択される少なくとも1種の元素を主成分として含有する材料であれば特に限定されず、Fe、CoまたはNiからなる単体金属、NiFe、CoFeなどに代表される合金、さらにFeSiAl、CoZrNb、FeTaN、FeB、FeCoSiB、FeCoZrなどの合金が挙げられる。また、磁性薄膜のパターンの側壁上に直接被着される第1の被着膜の材質は特に限定されないが、通常は絶縁性材料、代表的には炭素、炭化水素、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ホウ素からなる群より選択される少なくとも1種が用いられる。第1の被着膜の膜厚は、1〜200nmが好ましく、さらに50nm以下がより好ましい。また、第1の被着膜の外側に、第1の被着膜と材質または構造が異なる第2の被着膜が被着される。
【0010】
本発明において、磁性薄膜の形成方法は特に限定されないが、蒸着またはスパッタが代表的である。スパッタとしては通常の方式のほか、マグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ、反応性スパッタなど種々の方式を用いることができる。なお、蒸着またはスパッタ以外にも、MBE、ICB、また極まれにはMOCVDなども利用できる。
【0011】
磁性薄膜のパターンを形成するには、磁性薄膜上に所定のマスク材を形成してエッチングする。この際、パターニング用のマスク材としては、エッチングプロセスにおいて熱損傷が少なくかつ磁性薄膜との選択比がある程度とれる材料が好ましく、エッチングガスやエッチング温度を考慮して決定される。具体的には、通常の磁性薄膜以外の薄膜の加工に使用されるレジストのほかに、酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物など、耐熱性があり磁性薄膜との選択比がとりやすい材料、例えばAl2 O3 、SiO2 、Si3 N4 などが代表的には使用できる。ただし、これらは化学量論組成を有する必要はない。
【0012】
マスク材の形成方法としては、マスク材としてレジストを使用する場合には、通常のPEPを行えばよく、マスク材として酸化物、窒化物などを用いる場合には、磁性薄膜およびマスク材の膜を順に形成して、マスク材上にPEPによりレジストをパターニングし、マスク材をエッチングする工程を用いることができる。この際、マスク材をウェットエッチングしてもよいが、ウェットエッチングは等方的なのでこのときに磁性薄膜自体がエッチングされるのは好ましくない。また、後工程の磁性薄膜のエッチング時に磁性薄膜とマスクの選択比がそれほどよくない場合は、磁性薄膜の異方性形状が損なわれるので、マスク材のエッチングにもCDE、RIEなどのドライプロセスの適用、特にRIEなどの異方性エッチングプロセスを適用することが望ましい。より具体的には、例えばBCl3 、CF4 、CHF3 などを用いたRIEによってマスク材を加工できる。このようにマスク材の加工に異方性エッチングを適用する場合、下地の磁性薄膜が多少エッチングされても差し支えない。なお、レジスト以外のマスク材を用いる場合には、マスク材上のレジストは除去しておくことが望ましく、これは酸素プラズマアッシング、剥離液などを用いた溶媒による除去、またはこれらの組み合わせで実施できる。以上の工程が磁性薄膜自身を加工する前段階である。
【0013】
本発明において、磁性薄膜パターンを形成するにあたっては、(1)磁性薄膜の加工時に磁性薄膜のパターニングと同時に磁性薄膜パターンの側壁上に第1の被着膜を形成させる方法を採用してもよいし、(2)まず磁性薄膜を加工した後に磁性薄膜パターンの側壁上に第1の被着膜を形成する方法を採用してもよい。これらのいずれの方法を用いても、第1の被着膜を磁性薄膜パターンの側壁上に被着させることで、磁性薄膜パターンの周囲との十分な密着性が得られ、加工工程後の磁性薄膜パターンの信頼性を効果的に向上できる。また、(1)の方法では、磁性薄膜の加工中でも側壁へのラジカルやイオンの入射を防止できるので、加工中の信頼性も向上できるうえ、磁性薄膜パターンの加工形状特に異方性形状の向上や第1の被着膜のテーパー角度の制御の観点からも好ましい。
【0014】
より具体的な(1)の方法としては、(a)レジスト以外の材料からなるマスク材を磁性薄膜加工時に主に物理的に穏やかにエッチングし、エッチング中の磁性薄膜パターン側壁上に再付着させる方法、(b)磁性薄膜のエッチングガスにCH4 などに代表される重合性ガスなどを適量添加して磁性薄膜の側壁にのみ重合性物質のような生成物を形成する方法、などを利用できる。(b)の方法では、エッチングされる膜面上にはイオン衝撃効果があるので、側壁と膜面上とで重合性物質などの形成状態を制御することができる。前述したように第1の被着膜の材料は特に限定されないが、(a)の方法では酸化物、窒化物、炭化物、ホウ化物など、代表的にはSiO2 、Al2 O3 、Si3 N4 、BNが形成される。ただし、これらの物質が化学量論組成を有する必要はない。また、(b)の方法で用いられる重合性物質としては、炭素または炭化水素を含有する有機系物質が挙げられ、第1の被着膜としてこれらの重合体が形成される。さらに、エッチングガスにSiCl4 とO2 、SiCl4 とN2 、TiCl4 とO2 、TiCl4 とN2 あるいはBCl3 とN2 を適量添加すれば、それぞれ第1の被着膜としてSi−O、Si−N、Ti−O、Ti−N、B−Nを形成させることも可能である。
【0015】
一方、(2)のように磁性薄膜の加工後に磁性薄膜パターンの側壁上に第1の被着膜を形成する方法としては、例えば斜めスパッタなどを挙げることができる。すなわち、加工後の磁性薄膜パターンをスパッタ室に設置して磁性薄膜パターン側壁に効率よく第1の被着膜が形成されるように、膜面をスパッタ入射方向に対して傾けてスパッタを行う。この場合、磁性薄膜パターンの側壁上に一様に第1の被着膜を形成するためには、膜面をスパッタ入射方向に対して傾けた状態で回転させる。またこの方法でも、第1の被着膜の材料は特に限定されないが、(1)の方法と同様に代表的にはSiO2 、Al2 O3 、Si3 N4 などが用いられる。なお、この場合もこれらの物質が化学量論組成を有する必要はない。特に(2)の方法は、第1の被着膜の成膜速度の点で不利なので、第1の被着膜は十分な保護効果が得られる程度に厚く、製造効率が悪くならない程度に薄いことが好ましい。
【0016】
上述したように、本発明における第1の被着膜の膜厚は、生産性を低下させずに十分に信頼性を高める観点から1〜200nmが好ましく、さらに50nm以下がより好ましい。
【0017】
さらに本発明では、磁性薄膜パターンが形成される下地と第1の被着膜とのなすテーパー角度が80°以下に設定されることが磁性薄膜パターンに対する周囲の絶縁膜などのステップカバレージを向上させるうえで好ましい。ただし、テーパー角度が45°未満の第1の被着膜を形成することは製造上困難であるので、生産性の観点から、より好ましいテーパー角度は45〜80°である。
【0018】
本発明においては、第1の被着膜の形成後に、後工程およびデバイス化のために、第1の被着膜の外側に第2の被着膜が形成される。第2の被着膜を形成するには、通常のスパッタ法が代表的に用いられ、高速な成膜速度を得るために膜面をスパッタ入射方向に対して垂直に向けて形成する。第2の被着膜材料も一般には絶縁性材料であるが特に限定されない。ただし、本発明の磁性薄膜パターンでは、上記の第1の被着膜と第2の被着膜とは異なる材料からなっているか、または同じ材料でも膜の構造が異なっていることが重要である。膜の構造とは、結晶状態、微視的形態、化学結合状態、最近接原子配列などである。これらはED、断面SEM、TEM、XPS、EXAFSなどの分析によって検出することができる。
以上のような本発明によれば、形状が良好で素子特性上の信頼性が高い磁性薄膜パターンを有する磁気デバイスを提供でき、しかも生産性よく製造できる。
【0019】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
実施例1
図1は本発明に係る磁気デバイスを構成する磁性薄膜パターンの一例を示す断面図である。図1において、基板1上に、下地絶縁膜2、磁性薄膜3のパターンが形成されている。この磁性薄膜3のパターンの側壁上には第1の被着膜4が直接被着され、その外側には第2の被着膜5が形成されている。さらに、これらの上面には上部絶縁膜6が形成されている。
【0020】
ここでは、磁気記録ヘッドの記録磁極先端部を模擬的に試作した。なお、本実施例は本発明の効果を明らかにする目的で実施したものであり、基板1としてはシリコンを用いた。ただし、基板材料は目的とする磁気デバイスに応じて適宜選択されることはいうまでもなく、例えば実用的な磁気記録ヘッドでは基板材料としてフェライト、非磁性セラミックなどが用いられる。
【0021】
図2および図3は図1に示した磁性薄膜パターンの形成方法の一例を示す断面図である。以下、これらの図面を参照して詳細に説明する。
まず、洗浄済みのSiからなる基板1を、多元スパッタ装置の基板支持台に固定し、基板支持台をターゲットに対して自公転させながら、SiO2 ターゲットをスパッタして膜厚200nmのSiO2 からなる下地絶縁膜2を形成した。その後、連続的にCoZrNbターゲットをスパッタして膜厚2μmのCoZrNbからなる磁性薄膜3を形成した。さらに、連続的にSiO2 ターゲットをスパッタして膜厚200nmのSiO2 からなるマスク材11を形成した後、基板を取り出した((a)図示)。
【0022】
次に、PEPによりマスク材11の上にレジスト12のパターンを形成した後、ドライエッチング装置内に設置してCHF3 ガスを用いてマスク材11をエッチングすることにより、磁性薄膜3上にマスク材11のパターンを形成した((b)図示)。
【0023】
次に、レジスト12を酸素プラズマアッシングにより除去した。続いて、基板1上に、下地絶縁膜2、磁性薄膜3およびマスク材11のパターンが形成された試料をRIE装置内に設置し、塩素、一酸化炭素、微量のメタンおよび微量の水素の混合ガスプラズマを用いて磁性薄膜3のRIEを行った。ここで用いた各反応性ガスの作用は以下の通りである。塩素は磁性薄膜表面に磁性体塩化物を形成する作用を有する。一酸化炭素は表面に形成された磁性体塩化物と反応し、高蒸気圧の磁性体カルボニル錯体を形成して蒸発させる作用を有する。メタンは磁性薄膜の側壁に第1の被着膜4を形成する作用を有する。水素は主に一酸化炭素のプラズマ分解生成物、特に酸素系ラジカルが磁性薄膜表面と反応して酸化物を形成するのを防止する作用を有する。プラズマは各ガスを解離または励起・電離させて反応性を付与する役割と、膜面に垂直にイオンを入射して異方性加工を実現する役割を担っている。本実施例では赤外線ランプを試料に集光してエッチング時の加工温度を200℃とした。
【0024】
このエッチングプロセスにおいて、磁性薄膜3のイオン衝撃を受ける面は反応と蒸発、並びに物理的なスパッタエッチングが進行して除去されていく。これと同時に、磁性薄膜3およびマスク材11の側壁には主にメタンの解離生成物がプラズマ重合して第1の被着膜4が付着する。図2(c)は磁性薄膜エッチングの途中の段階を示す図である。
【0025】
この状態からさらにエッチングを進行させ、予め測定しておいた磁性薄膜のジャストエッチング時間の2倍の時間だけエッチングを継続(オーバーエッチング)して試料を取り出した((d)図示)。
【0026】
ここで、従来技術においては、磁性薄膜の異方性形状を得るためにジャストエッチングで終了させること、およびジャストエッチングで工程を完了すると残渣が発生することが報告されている。一方、本発明では磁性薄膜パターンの側壁に第1の被着膜を形成させるので、オーバーエッチングしても良好な異方性形状を損なうことがなく、プロセスマージンが大幅に広がる。これは残渣が生じない磁性薄膜エッチングを実施した場合においても極めて重要であり、エッチング時のプラズマの均一性が多少悪くとも、磁気デバイスとしてみた場合の大面積にわたる均一性を著しく向上することができる。
【0027】
次いで、試料をスパッタリング装置に設置しSiO2 ターゲットをスパッタして全面に第2の被着膜5を形成した((e)図示)。この際、磁性薄膜3のパターン側壁に第1の被着膜4が形成されているため、磁性薄膜パターン自身の異方性形状はパターン側壁と下地とのなす角が85°以上と急峻であるにもかかわらず、第1の被着膜4と下地との間で形成されるテーパー角は75°程度となだらかであるので、第2の被着膜5のステップカバレージが改善されている。このことは、膜間の密着性を向上して後工程の自由度を向上させるとともに、デバイスの信頼性を向上させる効果をもたらす。
【0028】
さらに、第2の被着膜5が形成された試料を磁性薄膜3が露出するまでポリッシングし、上面を平坦化した((f)図示)。
最後に、膜厚100nmのSiO2 からなる上部絶縁膜6をスパッタ形成して図1に示すような磁気記録ヘッドの磁極先端部の模擬的パターンを得た。図1に示した部分は面内磁気記録ヘッドの片側磁極パターンに相当し、この上にさらに図1と同様の磁性薄膜パターンを形成することにより、面内記録対応の磁気記録ヘッドとして用いることができる。この場合、上部絶縁膜6が、記録の面で重要な役割を担う磁気ギャップに相当するが、以上の説明から明らかなように、本実施例によれば磁気ギャップを精度よく形成できる。
【0029】
実施例2
本実施例では、第1の被着膜および第2の被着膜として、ともにSiO2 を用いた場合について説明する。なお、以下においては実施例1と異なる部分を中心に述べる。磁性薄膜のRIE工程の前工程に関しては、マスク材11の膜厚を400nmとした以外は実施例1と同一である。磁性薄膜のRIE工程においては、塩素、一酸化炭素、三塩化ホウ素およびアルゴンの混合ガスを使用した。塩素および一酸化炭素の役割は前述した通りである。三塩化ホウ素は、一酸化炭素分解生成物の捕獲機能、マスク材の物理的エッチングに伴い生成する主に酸素系分解生成物の捕獲機能、およびRIE室内に残存する水系不純物の捕獲機能を有する。アルゴンはマスク材を物理的にエッチングして磁性薄膜パターン側壁上に第1の被着膜4を形成する役割を担っている。
【0030】
本実施例においては、磁性薄膜3のRIEと並行して、マスク材11の物理的エッチングと磁性薄膜パターン側壁への再付着とを同時に進行させて、第1の被着膜4としてSiO2 を形成した。このとき、磁性薄膜パターン側壁の下地とのなす角は85°以上、第1の被着膜4と下地との間で形成されるテーパー角は75°程度であった。
【0031】
本実施例では、第1の被着膜と第2の被着膜とはいずれもSiO2 からなる。ただし、それぞれ第1および第2の被着膜を形成後に試料を抜き取ってこれらの被着膜のマイクロオージェ分析を行い、両者の分析結果を比較したところ、第1の被着膜は、第2の被着膜よりもSiに比べたOの含有比が少なく、また微量ではあるが磁性体塩化物とホウ素が検出され、両者は明らかに膜質が異なっていた。
【0032】
実施例3
本実施例では磁性薄膜の加工中に第1の被着膜を形成せずに、磁性薄膜の加工後に第1の被着膜を形成した場合について説明する。磁性薄膜のRIE工程の前工程に関しては実施例1と同一である。磁性薄膜のRIE工程においては塩素、一酸化炭素および水素の混合ガスを用いて、RIE中に磁性薄膜の側壁上に第1の被着膜が形成されないようにした。すなわち、磁性薄膜をRIEした後のパターンは、図面の(d)において第1の被着膜4がない状態となる。
【0033】
次に、SiO2 ターゲットからのスパッタ入射方向に対して試料を傾斜させ、さらに回転運動させて斜めスパッタすることにより、磁性薄膜3の側壁に第1の被着膜4を形成した。斜めスパッタの長所は、急峻な異方性形状を有する磁性薄膜3のパターンに対しても良好なステップカバレージで第1の被着膜4を形成できることである。一方、短所は形成速度が著しく遅いことである。したがって、実用的観点からは、第1の被着膜4は、下地とのなす角度が磁性薄膜3のパターン側壁(85°以上)よりは緩やか(65〜75°程度)となり、磁性薄膜3のパターンを十分保護できる程度でなるべく薄く形成して終了する。
【0034】
次に、高速形成が可能な通常のスパッタにより第2の被着膜5を形成した。本実施例でも、前記実施例と同様に、総合的にステップカバレージが良好となり、後工程のプロセスマージンの向上とデバイスとしての信頼性向上という効果が得られる。
【0035】
また、比較のために、第1の被着膜を斜めスパッタ形成することなく、側壁と下地とのなす角が85°以上の磁性薄膜パターンを形成した試料に通常のスパッタ法で第2の被着膜を直接形成した。
【0036】
得られた試料を断面SEM観察した結果を図4に模式的に示す。図示されるように、磁性薄膜3のパターン側壁に60〜75°程度のテーパー角を付与して第1の被着膜4を形成した試料(図4(a))では磁性薄膜3のパターン、第1の被着膜4及び第2の被着膜5の密着性が良好であった。これに対し、第1の被着膜を形成しなかった試料(図4(b))においては磁性薄膜3のパターンと第2の被着膜5の間に空隙の発生が認められた。然るに、このように磁性薄膜パターンと周囲の間に空隙が存在すると、空隙への水分の侵入などに起因して一般的に腐食に対する耐性がさほど高くない磁性材料からなる磁性薄膜パターンの劣化が進行しやすく、デバイス化した際の信頼性が低下することが予想される。
【0037】
なお、本実施例においても、第1の被着膜と第2の被着膜とはいずれもSiO2 からなるが、斜めスパッタと通常スパッタという形成工程の違いによって膜質は異なり、膜質の違いを分析によって明らかにできる。本実施例では、第1の被着膜の方が第2の被着膜よりも酸素を多く含み、かつ表面形態的にラフネスが大きかった。
【0038】
一方、上記実施例で用いたSiO2 のように結晶化しにくい材料ではなく、例えばAlNのように室温スパッタでも結晶性が認められる膜材料を用いた場合には、結晶学的な手法によっても第1の被着膜と第2の被着膜との相違を明らかにできる。
【0039】
また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で第1の被着膜および第2の被着膜ともに材料、形成工程などを変更でき、それらは全て本発明に包含されることは自明である。
【0040】
さらに、上記実施例では本発明を磁性薄膜パターンを有する磁気記録ヘッドに適用する場合について説明したが、本発明は所定パターンの磁性薄膜が要求される磁気センサなど他の磁気デバイスにも適用できることは勿論である。
【0041】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、磁性薄膜パターンとその周囲の絶縁膜などとの密着性が良好であり、磁性薄膜の微細パターンを有する磁気デバイスの劣化などに対する信頼性が向上するとともに、製造性が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る磁気デバイスを構成する磁性薄膜パターンの一例を示す断面図。
【図2】図1の磁性薄膜パターンの形成方法の一例を示す断面図。
【図3】図1の磁性薄膜パターンの形成方法の一例を示す断面図。
【図4】本発明の実施例3及びその比較例において作製された磁性薄膜パターンの側壁部の断面を示す模式図。
【符号の説明】
1…基板、2…下地絶縁膜、3…磁性薄膜、4…第1の被着膜、5…第2の被着膜、6…上部絶縁膜、11…マスク材、12…レジスト。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a magnetic device such as a thin film magnetic head and a thin film magnetic sensor, and more particularly to a magnetic device having a fine magnetic thin film pattern.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the trend of miniaturization and weight reduction of systems, devices are becoming lighter and shorter, and the demand is expected to increase in the future. Lighter and thinner devices have been innovatively developed by thinning functional materials. The thinning of functional materials is mainly active in the field of electronic devices, but in the field of magnetic devices, thin film magnetic heads are also the mainstays, and it is expected that other magnetic devices will be developed into thin films in the future. Have been.
[0003]
However, the difficulty of fine processing of magnetic materials is one of the factors that hinder the thinning of magnetic devices. This is because a magnetic thin film can be formed relatively easily by using a sputtering method or the like, but when a magnetic thin film is finely processed, a technique such as reactive ion etching (RIE) used in a semiconductor device process is used. This is because it is difficult to apply the conditions without changing the conditions such as the type of gas used. For this reason, only magnetic devices that do not require fine processing of the magnetic thin film itself, such as magnetic disks, magneto-optical disks, and parts of magnetic heads (MIG heads, laminate heads, etc.), have been targeted for thinning. I was
[0004]
For example, the magnetic thin film of the HDD magnetic head is currently formed by a wet plating method, and its tip is as fine as several microns, but the wet plating method achieves further miniaturization and higher density. It is difficult.
[0005]
A method of finely processing a magnetic thin film using a dry process is described in, for example, IEEE Trans. Mag. , 27 (6) 1991, pp. 139-157. Attempts disclosed in U.S. Pat. Nos. 4,888 to 4,890 have been made, and a fine pattern of a magnetic thin film has been successfully formed. However, in this method, there is a trade-off between removing the etching residue and avoiding side etching. In this case, just etching is performed to avoid side etching and the pattern accuracy is improved, so that a residue remains, and a special post-treatment is required to remove the residue, which is not practical.
[0006]
At present, there is almost no report on microfabrication of magnetic thin films, and this is a bottleneck for future miniaturization and weight reduction of magnetic devices. Be further possible fine pattern formation of the magnetic thin film, considering the incorporation of the pattern of the magnetic thin film magnetic device, the magnetic material such as generally Fe from poor in corrosion resistance than that of the semiconductor material, and its surrounding magnetic thin film pattern Practical demands include good adhesion with an insulating film and the like, and low deterioration of the magnetic thin film pattern itself due to oxidation and the like.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made to solve the above problems, and has excellent adhesion to surrounding insulating films and the like, excellent reliability against deterioration, a high processing speed, a high selectivity to a mask, and a small residue. It is an object of the present invention to provide a magnetic device having a magnetic thin film pattern that can be easily processed into a good anisotropic shape with high precision.
[0008]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The magnetic device according to the present invention includes a pattern of a magnetic thin film containing at least one element selected from Fe, Co, and Ni, and a first deposition film directly deposited on a side wall of the pattern of the magnetic thin film. And a second deposition film deposited outside of the first deposition film , wherein the angle between the side wall of the pattern of the magnetic thin film and the underlayer is greater than the angle of the first deposition film. The taper angle formed between the substrate and the base is gentle .
[0009]
The magnetic thin film targeted in the present invention is not particularly limited as long as it is a material containing at least one element selected from Fe, Co and Ni as a main component, and is a single metal made of Fe, Co or Ni. , NiFe, and CoFe, and alloys such as FeSiAl, CoZrNb, FeTaN, FeB, FeCoSiB, and FeCoZr. The material of the first deposited film directly deposited on the side wall of the pattern of the magnetic thin film is not particularly limited, but is usually an insulating material, typically, carbon, hydrocarbon, silicon oxide, aluminum oxide, At least one selected from the group consisting of silicon nitride and boron nitride is used. The thickness of the first deposited film is preferably 1 to 200 nm, more preferably 50 nm or less. Further, a second deposition film having a different material or structure from the first deposition film is deposited outside the first deposition film.
[0010]
In the present invention, the method for forming the magnetic thin film is not particularly limited, but evaporation or sputtering is typical. As the sputtering, various methods such as magnetron sputtering, ion beam sputtering, and reactive sputtering can be used. It should be noted that MBE, ICB, and in rare cases, MOCVD or the like can be used in addition to vapor deposition or sputtering.
[0011]
To form a pattern of the magnetic thin film, a predetermined mask material is formed on the magnetic thin film and etched. At this time, the masking material for patterning is preferably a material that causes little thermal damage in the etching process and can have a certain selectivity with the magnetic thin film, and is determined in consideration of an etching gas and an etching temperature. Specifically, in addition to the resist used for processing thin films other than ordinary magnetic thin films, oxides, nitrides, carbides, borides, and other materials that are heat resistant and have a high selectivity with magnetic thin films, For example, Al 2 O 3 , SiO 2 , Si 3 N 4 and the like can be typically used. However, they need not have a stoichiometric composition.
[0012]
When a resist is used as a mask material, ordinary PEP may be performed. When an oxide or a nitride is used as a mask material, a magnetic thin film and a film of the mask material are used. A step of sequentially forming the resist, patterning a resist on the mask material by PEP, and etching the mask material can be used. At this time, the mask material may be wet-etched. However, since the wet etching is isotropic, it is not preferable that the magnetic thin film itself is etched at this time. Also, if the selectivity between the magnetic thin film and the mask is not so good at the time of etching the magnetic thin film in a later step, the anisotropic shape of the magnetic thin film is damaged. It is desirable to apply an anisotropic etching process such as RIE, in particular. More specifically, for example, the mask material can be processed by RIE using BCl 3 , CF 4 , CHF 3 or the like. When the anisotropic etching is applied to the processing of the mask material as described above, the underlying magnetic thin film may be slightly etched. When a mask material other than the resist is used, the resist on the mask material is desirably removed, and this can be performed by oxygen plasma ashing, removal with a solvent using a stripper, or a combination thereof. . The above process is a stage before processing the magnetic thin film itself.
[0013]
In the present invention, in forming the magnetic thin film pattern, (1) a method of forming the first deposited film on the side wall of the magnetic thin film pattern simultaneously with the patterning of the magnetic thin film during processing of the magnetic thin film may be adopted. Then, (2) a method of processing the magnetic thin film first and then forming the first deposition film on the side wall of the magnetic thin film pattern may be adopted. In any of these methods, the first deposited film is deposited on the side wall of the magnetic thin film pattern, whereby sufficient adhesion to the periphery of the magnetic thin film pattern is obtained, The reliability of the thin film pattern can be effectively improved. In addition, in the method (1), since the incidence of radicals and ions on the side walls can be prevented even during the processing of the magnetic thin film, the reliability during the processing can be improved, and the processed shape of the magnetic thin film pattern, particularly, the anisotropic shape can be improved. It is also preferable from the viewpoint of controlling the taper angle of the first deposition film.
[0014]
As a more specific method (1), (a) a mask material made of a material other than a resist is mainly physically gently etched at the time of magnetic thin film processing, and is re-adhered to the side wall of the magnetic thin film pattern being etched. And (b) a method of adding an appropriate amount of a polymerizable gas typified by CH 4 or the like to an etching gas for the magnetic thin film to form a product such as a polymerizable substance only on the side wall of the magnetic thin film. . In the method (b), since there is an ion bombardment effect on the film surface to be etched, the formation state of a polymerizable substance or the like can be controlled between the side wall and the film surface. As described above, the material of the first deposited film is not particularly limited. However, in the method (a), oxide, nitride, carbide, boride, and the like, typically, SiO 2 , Al 2 O 3 , and Si 3 are used. N 4 and BN are formed. However, it is not necessary that these materials have a stoichiometric composition. Examples of the polymerizable substance used in the method (b) include an organic substance containing carbon or hydrocarbon, and these polymers are formed as the first deposition film. Further, if an appropriate amount of SiCl 4 and O 2 , SiCl 4 and N 2 , TiCl 4 and O 2 , TiCl 4 and N 2 or BCl 3 and N 2 are added to the etching gas, Si— O, Si-N, Ti-O, Ti-N, and BN can also be formed.
[0015]
On the other hand, as a method of forming the first deposited film on the side wall of the magnetic thin film pattern after processing the magnetic thin film as in (2), for example, oblique sputtering can be mentioned. That is, the processed magnetic thin film pattern is placed in a sputtering chamber, and sputtering is performed with the film surface inclined with respect to the sputter incident direction so that the first deposited film is efficiently formed on the magnetic thin film pattern side wall. In this case, in order to uniformly form the first deposition film on the side wall of the magnetic thin film pattern, the film surface is rotated while being inclined with respect to the sputter incidence direction. Also in this method, the material of the first deposited film is not particularly limited, but typically, SiO 2 , Al 2 O 3 , Si 3 N 4 or the like is used as in the method (1). Also in this case, it is not necessary that these substances have a stoichiometric composition. In particular, the method (2) is disadvantageous in terms of the deposition rate of the first deposited film, so that the first deposited film is thick enough to obtain a sufficient protective effect and thin enough not to deteriorate the production efficiency. Is preferred.
[0016]
As described above, the thickness of the first deposited film in the present invention is preferably 1 to 200 nm, more preferably 50 nm or less, from the viewpoint of sufficiently increasing the reliability without lowering the productivity.
[0017]
Further, in the present invention, setting the taper angle between the base on which the magnetic thin film pattern is formed and the first deposition film to be not more than 80 ° improves the step coverage of the insulating film and the like around the magnetic thin film pattern. Above. However, since it is difficult to form the first deposition film having a taper angle of less than 45 ° in terms of manufacturing, a more preferable taper angle is 45 to 80 ° from the viewpoint of productivity.
[0018]
In the present invention, after the formation of the first deposition film, a second deposition film is formed outside the first deposition film for a post-process and device formation. In order to form the second deposited film, a normal sputtering method is typically used, and the film surface is formed to be perpendicular to the incident direction of the sputter in order to obtain a high deposition rate. The second deposited film material is also generally an insulating material, but is not particularly limited. However, in the magnetic thin film pattern of the present invention, it is important that the first deposited film and the second deposited film are made of different materials, or that the same material has a different film structure. . The structure of the film includes a crystal state, a microscopic morphology, a chemical bonding state, a nearest atom arrangement, and the like. These can be detected by analysis of ED, section SEM, TEM, XPS, EXAFS, and the like.
According to the present invention as described above, it is possible to provide a magnetic device having a magnetic thin film pattern having a good shape and high reliability in element characteristics, and can be manufactured with high productivity.
[0019]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
Example 1
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a magnetic thin film pattern constituting a magnetic device according to the present invention. In FIG. 1, a pattern of a base
[0020]
Here, a prototype of the recording magnetic pole tip of the magnetic recording head was simulated. Note that this embodiment was performed for the purpose of clarifying the effects of the present invention, and silicon was used as the
[0021]
2 and 3 are cross-sectional views showing one example of a method for forming the magnetic thin film pattern shown in FIG. Hereinafter, a detailed description will be given with reference to these drawings.
First, the
[0022]
Next, after forming a pattern of the resist 12 on the
[0023]
Next, the resist 12 was removed by oxygen plasma ashing. Subsequently, a sample in which the patterns of the
[0024]
In this etching process, the surface of the magnetic
[0025]
The etching was further advanced from this state, and the etching was continued (over-etched) for twice as long as the just-etched time of the magnetic thin film measured in advance, and a sample was taken out ((d) illustrated).
[0026]
Here, in the prior art, it is reported that the magnetic thin film is finished by just etching in order to obtain an anisotropic shape, and that the residue is generated when the process is completed by just etching. On the other hand, in the present invention, since the first deposition film is formed on the side wall of the magnetic thin film pattern, a favorable anisotropic shape is not impaired even by overetching, and the process margin is greatly increased. This is extremely important even in the case of etching a magnetic thin film in which no residue is generated. Even if the uniformity of plasma during etching is somewhat poor, the uniformity over a large area can be significantly improved as a magnetic device. .
[0027]
Next, the sample was set in a sputtering apparatus, and a SiO 2 target was sputtered to form a second
[0028]
Further, the sample on which the
Finally, an upper insulating film 6 made of SiO 2 having a thickness of 100 nm was formed by sputtering to obtain a simulated pattern at the tip of the magnetic pole of the magnetic recording head as shown in FIG. The portion shown in FIG. 1 corresponds to a one-sided magnetic pole pattern of an in-plane magnetic recording head, and a magnetic thin film pattern similar to that shown in FIG. 1 is further formed thereon to be used as a magnetic recording head for in-plane recording. it can. In this case, the upper insulating film 6 corresponds to a magnetic gap that plays an important role in recording, but as is clear from the above description, according to the present embodiment, the magnetic gap can be formed with high accuracy.
[0029]
Example 2
In this embodiment, a case where SiO 2 is used for both the first deposition film and the second deposition film will be described. The following description focuses on the differences from the first embodiment. The process before the RIE process of the magnetic thin film is the same as that of the first embodiment except that the thickness of the
[0030]
In this embodiment, physical etching of the
[0031]
In the present embodiment, both the first and second deposition films are made of SiO 2 . However, a sample was taken out after forming the first and second deposited films, respectively, and micro-Auger analysis was performed on these deposited films, and the results of the two analyzes were compared. The content ratio of O compared to Si was smaller than that of the deposited film, and magnetic chloride and boron were detected, though in trace amounts, and both were clearly different in film quality.
[0032]
Example 3
In the present embodiment, a case will be described in which the first deposited film is formed after processing the magnetic thin film without forming the first deposited film during processing of the magnetic thin film. The steps before the RIE step of the magnetic thin film are the same as those in the first embodiment. In the RIE step of the magnetic thin film, a mixed gas of chlorine, carbon monoxide, and hydrogen was used to prevent the first deposition film from being formed on the side wall of the magnetic thin film during RIE. That is, the pattern after the RIE of the magnetic thin film is in a state without the
[0033]
Next, the
[0034]
Next, the
[0035]
Further, for comparison, a sample formed with a magnetic thin film pattern having an angle between the side wall and the base of 85 ° or more was formed on the sample without forming the first film by oblique sputtering, and the second film was formed on the sample by ordinary sputtering. The deposited film was formed directly.
[0036]
FIG. 4 schematically shows the result of cross-sectional SEM observation of the obtained sample. As shown in the figure, in the sample (FIG. 4A) in which the taper angle of about 60 to 75 ° is provided to the pattern side wall of the magnetic
[0037]
Also in this embodiment, both the first deposited film and the second deposited film are made of SiO 2 , but the film quality is different due to the difference in the formation process between the oblique sputtering and the normal sputtering. It can be revealed by analysis. In this example, the first deposited film contained more oxygen than the second deposited film, and had a higher surface roughness.
[0038]
On the other hand, when a film material which is not easily crystallized such as SiO 2 used in the above-described embodiment and which has crystallinity even at room temperature sputtering, such as AlN, is used, the crystallographic method can be used. The difference between the first deposited film and the second deposited film can be clarified.
[0039]
In addition, the materials and forming steps of both the first deposited film and the second deposited film can be changed without departing from the spirit of the present invention, and it is obvious that all of them are included in the present invention.
[0040]
Further, in the above embodiment, the case where the present invention is applied to a magnetic recording head having a magnetic thin film pattern has been described. However, the present invention can be applied to other magnetic devices such as a magnetic sensor requiring a magnetic thin film of a predetermined pattern. Of course.
[0041]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the adhesion between the magnetic thin film pattern and the insulating film around the magnetic thin film pattern is good, and the reliability of the magnetic device having the fine pattern of the magnetic thin film against the deterioration is improved. In addition, the productivity is remarkably improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an example of a magnetic thin film pattern constituting a magnetic device according to the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing an example of a method of forming the magnetic thin film pattern of FIG.
FIG. 3 is a sectional view showing an example of a method of forming the magnetic thin film pattern of FIG.
FIG. 4 is a schematic view showing a cross section of a side wall portion of a magnetic thin film pattern manufactured in Example 3 of the present invention and a comparative example thereof.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
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