JP2015018885A - プラズマエッチング方法 - Google Patents

プラズマエッチング方法 Download PDF

Info

Publication number
JP2015018885A
JP2015018885A JP2013144118A JP2013144118A JP2015018885A JP 2015018885 A JP2015018885 A JP 2015018885A JP 2013144118 A JP2013144118 A JP 2013144118A JP 2013144118 A JP2013144118 A JP 2013144118A JP 2015018885 A JP2015018885 A JP 2015018885A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
gas
etching
magnetic film
plasma etching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013144118A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2015018885A5 (ja
Inventor
藤田　大介
Daisuke Fujita
大介 藤田
淳 須山
Atsushi Suyama
淳 須山
直広 山本
Naohiro Yamamoto
直広 山本
正人 石丸
Masato Ishimaru
正人 石丸
山田　健太郎
Kentaro Yamada
健太郎 山田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi High Tech Corp
Original Assignee
Hitachi High Technologies Corp
Hitachi High Tech Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi High Technologies Corp, Hitachi High Tech Corp filed Critical Hitachi High Technologies Corp
Priority to JP2013144118A priority Critical patent/JP2015018885A/ja
Priority to TW103100650A priority patent/TW201503257A/zh
Priority to KR1020140013015A priority patent/KR101578077B1/ko
Priority to US14/181,537 priority patent/US9269892B2/en
Publication of JP2015018885A publication Critical patent/JP2015018885A/ja
Priority to US14/995,897 priority patent/US9680090B2/en
Publication of JP2015018885A5 publication Critical patent/JP2015018885A5/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic System or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/30—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26
    • H01L21/302—Treatment of semiconductor bodies using processes or apparatus not provided for in groups H01L21/20 - H01L21/26 to change their surface-physical characteristics or shape, e.g. etching, polishing, cutting
    • H01L21/306—Chemical or electrical treatment, e.g. electrolytic etching
    • H01L21/3065—Plasma etching; Reactive-ion etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F4/00—Processes for removing metallic material from surfaces, not provided for in group C23F1/00 or C23F3/00
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
    • H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
    • H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
    • H01L21/76801—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics characterised by the formation and the after-treatment of the dielectrics, e.g. smoothing
    • H01L21/76822—Modification of the material of dielectric layers, e.g. grading, after-treatment to improve the stability of the layers, to increase their density etc.
    • H01L21/76825—Modification of the material of dielectric layers, e.g. grading, after-treatment to improve the stability of the layers, to increase their density etc. by exposing the layer to particle radiation, e.g. ion implantation, irradiation with UV light or electrons etc.
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

【課題】本発明は、反応生成物のエッチングパターン側壁への堆積を抑制するプラズマエッチング方法を提供する。【解決手段】本発明は、第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜の上方に配置された第二の磁性膜と、前記第一の磁性膜と前記第二の磁性膜の間に配置された金属酸化膜と、前記第二の磁性膜の上方に配置され上部電極となる第二の金属膜と、前記第一の磁性膜の下方に配置され下部電極となる第一の金属膜とを有する試料をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、一酸化炭素ガスを用いて前記第一の磁性膜と前記金属酸化膜と前記第二の磁性膜をエッチングする第一の工程と、前記第一の工程後、前記試料を水素ガスと不活性ガスの混合ガスを用いてエッチングする第二の工程とを有し、前記第一の金属膜は、タンタルを含有する膜であることを特徴とする。【選択図】図６

Description

本発明は、磁気抵抗メモリ等に用いられる磁性膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法に関する。
近年の情報量の増加に伴い、電子機器は低消費電力化が求められている。電子機器に用いられる半導体メモリについても、高速動作であるとともに電源を供給しなくても情報を保持し続ける不揮発性メモリであることが要求されている。これらの要求から、低消費電力かつ高速に動作する不揮発性メモリとして磁気抵抗メモリ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ、以下、ＭＲＡＭと称する）の適応が期待されている。
ＭＲＡＭの製造においてはリソグラフィーにより生成したマスクを用い、基板上に形成された鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）の強磁性体金属の内、少なくとも１つを含む磁性膜をドライエッチングにより微細加工する技術が必要である。磁性膜をドライエッチングで微細加工する技術は、磁性材料を使った磁気ヘッドの加工でも需要が高まっている。
磁性膜のドライエッチングの方法としては、イオンビームエッチングを用いる方法とプラズマエッチングを用いる方法がある。特にプラズマエッチングは、半導体デバイスの製造で広く用いられており、大口径基板を均一に加工できることから量産性に優れている。しかし、従来、用いられてきたフッ素（Ｆ）、塩素（Ｃｌ）、臭素（Ｂｒ）等のハロゲン系のガスを使用したプラズマエッチングにより磁性膜に微細加工を施した場合、磁性膜のハロゲン化合物の蒸気圧が低いため、微細加工が困難である。また、磁性膜に堆積したハロゲン化合物が大気中の水分に触れると腐食が発生するため、別途防食処理を行う必要がある。
上記の問題点を解決する方法として、特許文献１にはプラズマ中の一酸化炭素の解離を抑制しつつ磁性体材料の加工を行うドライエッチング方法が開示されている。この方法は、蒸気圧の高い金属カルボニルが生成されることを利用したものであり、腐食等も発生しないことから磁性膜の加工に適している。
特開２００４−３５６１７９号公報
しかし、酸素原子（Ｏ）を含有成分とする一酸化炭素（ＣＯ）ガスを用いたエッチングでは、図９のようにエッチング後にエッチングパターン側壁及び平坦部への反応生成物の堆積が増加する。この反応生成物は主に被エッチング膜に用いられた金属からなる。この反応生成物がエッチングパターン側壁に堆積することによって、磁化自由層と磁化固定層が電気的にショートする可能性がある。
ＭＲＡＭは、トンネルバリア層を介し磁化自由層と磁化固定層の間に流れる電流を検知することでデータを読み出すという原理のため、磁化自由層と磁化固定層が電気的にショートして磁化の方向に関わらず電流が流れてしまうとデータを読み出すことができない。よって、反応生成物がエッチングパターン側壁に堆積して磁化自由層と磁化固定層が電気的にショートすることを防ぐことが必要である。
また、エッチングガスの含有成分に炭素原子（Ｃ）や酸素原子（Ｏ）が含まれてなくとも、真空容器中でプラズマに晒される部品に酸素原子（Ｏ）が含有されている場合、プラズマ中に酸素原子（Ｏ）が混入する。そのため、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを用いたエッチングと同様にエッチングパターン側壁に金属酸化物を主成分とした反応生成物が生じる。
このため、本発明は、反応生成物のエッチングパターン側壁への堆積を抑制することができるプラズマエッチング方法を提供する。
本発明は、第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜の上方に配置された第二の磁性膜と、前記第一の磁性膜と前記第二の磁性膜の間に配置された金属酸化膜と、前記第二の磁性膜の上方に配置され上部電極となる第二の金属膜と、前記第一の磁性膜の下方に配置され下部電極となる第一の金属膜とを有する試料をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、一酸化炭素ガスを用いて前記第一の磁性膜と前記金属酸化膜と前記第二の磁性膜をエッチングする第一の工程と、前記第一の工程後、前記試料を水素ガスと不活性ガスの混合ガスを用いてエッチングする第二の工程とを有し、前記第一の金属膜は、タンタルを含有する膜であることを特徴とする。
また、本発明は、第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜の上方に配置された第二の磁性膜と、前記第一の磁性膜と前記第二の磁性膜の間に配置された金属酸化膜と、前記第二の磁性膜の上方に配置され上部電極となる第二の金属膜と、前記第一の磁性膜の下方に配置され下部電極となる第一の金属膜とを有する試料をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、一酸化炭素ガスを用いて前記第一の磁性膜と前記金属酸化膜と前記第二の磁性膜をエッチングするエッチング工程を有し、前記第一の金属膜は、タンタルを含有する膜であり、前記エッチング工程は、第一の工程と前記第一の工程後に行われる第二の工程を有し、前記第二の工程のバイアスＲＦ電力は、前記第一の工程のバイアスＲＦ電力より小さいことを特徴とする。
本発明により、反応生成物のエッチングパターン側壁への堆積を抑制することができる。
本発明に係るプラズマエッチング装置の概略断面図である。 本発明に係る試料４の断面構造図である。 第二の金属膜１７のエッチング結果を示す図である。 表２のステップ１後のエッチング結果を示す図である。 表２のステップ２後のエッチング結果を示す図である。 表２のステップ３後のエッチング結果を示す図である。 水素ガスとアルゴンガスの混合ガスに対する水素ガスのガス流量比における第二の反応生成物２７の膜厚依存性を示す図である。 バイアスＲＦ電力の第二の反応生成物２７の膜厚に対する依存性を示す図である。 従来技術によるエッチング結果を示す図である。
本発明に係る実施例を図１ないし８を参照しながら以下、説明する。
図１は、本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置の構成の概略を説明する図である。本実施例のプラズマエッチング装置は、処理室を形成する真空容器２と、真空容器２の上部を閉塞する絶縁材料（例えば、石英、セラミックスなどの非導電性材料）製のベルジャ３と、真空容器２の内部に配置され試料４を載置する試料台５とを備え、処理室内に生成したプラズマ６により試料４をプラズマエッチングする。
また、試料台５は、試料台５を含む試料保持部７上に形成される。真空容器２の内部に設置されたカバー８は、試料４をエッチングすることで生成された反応生成物を真空容器２内の壁面に付着させ、反応生成物を真空容器２内に飛散させない目的で表面に凹凸加工を施している。また、ベルジャ３の外部にはコイル状の第一のアンテナ１ａおよび第二のアンテナ１ｂを配置する。尚、第一のアンテナ１ａは、第二のアンテナ１ｂの上方に配置されている。さらに、ベルジャ３の外側には、プラズマ６と静電容量的に結合する円盤状のファラデーシールド９を設置している。
アンテナ１ａ、１ｂおよびファラデーシールド９は整合器１０を介して第一の高周波電源１１に接続する。真空容器２にはガス供給源１２から処理ガスを供給する。また、真空容器２内のガスは排気装置１３によって所定の圧力に減圧排気される。試料台５には第二の高周波電源１４を接続する。これによりプラズマ６中のイオンを試料４上に引き込むことができる。
次に本実施で使用する試料４の断面構造を図２に示す。試料４は、シリコンからなるシリコン基板(図示せず)を有し、シリコン基板上に下から順次、シリコン酸化膜２５（ＳｉＯ2）と、タンタル膜（Ｔａ）からなる下部電極である第一の金属膜２４と、反強磁性交換バイアス層２３と、強磁性層２２と、ルテニウム（Ｒｕ）膜からなる非磁性層２１と、磁化固定層である第一の磁性膜２０と、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜からなるトンネルバリア層である金属酸化膜１９と、磁化自由層である第二の磁性膜１８と、タンタル（Ｔａ）膜からなる上部電極である第二の金属膜１７と、予め所定の寸法にパターンにングされたハードマスク１６とが積層されている。
尚、ハードマスク１６は、シリコン酸窒化膜（ＳｉＯＮ）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、酸化膜（ＳｉＯ2）等からなる。また、反強磁性交換バイアス層２３と、強磁性層２２と、ルテニウム（Ｒｕ）膜からなる非磁性層２１と、磁化固定層である第一の磁性膜２０と、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜からなるトンネルバリア層である金属酸化膜１９と、磁化自由層である第二の磁性膜１８までの積層膜は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ、以下、ＭＴＪと称する）を構成する積層膜であり、以下、ＭＴＪ素子構成膜１５と称する。
反強磁性交換バイアス層２３は、反強磁性材料であるプラチナ（Ｐｔ）、マンガン（Ｍｎ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）を含む合金及び積層膜から形成される。また、強磁性層２２、第一の磁性膜２０、第二の磁性膜１８は、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）のうち少なくとも２種類を含む合金膜から形成される。
最初に、第二の金属膜１７のエッチング方法について説明する。所定の寸法にパターニングされたハードマスク１６をマスクとして表１に示すように四フッ化メタン（ＣＦ4）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いて第二の金属膜１７をエッチングする。ここで、ソースＲＦ電力とは、第一の高周波電源１１からアンテナ１ａ、１ｂに供給される高周波電力のことであり、バイアスＲＦ電力とは、第二の高周波電源１４から試料台５に供給される高周波電力のことである。
第二の金属膜１７を塩素（Ｃｌ2）ガスと四フッ化メタン（ＣＦ4）ガスの混合ガスを用いてエッチングすると、試料４表面に残留塩素成分が付着し、大気中の水分（Ｈ2Ｏ）と反応して腐食が発生する問題があり、別途防食処理の必要性が生じる。また、ＭＴＪ素子構成膜１５をアンモニア（ＮＨ3）ガスを含む混合ガスでエッチングを行うが、残留した塩素分子（Ｃｌ2）とアンモニア（ＮＨ3）ガスの水素原子（Ｈ）が反応して塩化水素（ＨＣｌ）が形成され、真空容器２及びガス供給源１２の周辺部品で腐食が発生する問題が生じる。このため、第二の金属膜１７とＭＴＪ素子構成膜１５を同一の真空容器２で処理すくことができなかった。
一方、本発明のプラズマエッチングでは、四フッ化メタン（ＣＦ4）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いることで第二の金属膜１７とＭＴＪ素子構成膜１５を同一の真空容器２でエッチングを行っても腐食が発生することなく、図３に示すように垂直形状を得ることができた。また、第二の金属膜１７のエッチング後のハードマスク１６の残膜厚は、その後に実施するＭＴＪ素子構成膜１５のエッチング形状に影響を与えるため、ＭＴＪ素子構成膜１５のエッチングを考慮して最適化しなければならない。
本実施例では、ハードマスク１６の残膜の厚さが初期のハードマスクの膜厚に対して７０％程度でＭＴＪ素子構成膜１５のエッチングを実施した場合、ＭＴＪ素子構成膜１５のエッチング中に発生する反応生成物が飛散せずにエッチングパターン側壁に付着して所望のエッチング形状を得ることが出来なかった。逆にハードマスク１６の残膜の厚さが１０％程度でＭＴＪ素子構成膜１５のエッチングを行った場合、ＭＴＪ素子構成膜１５のエッチング中に第二の金属膜１７が消失する可能性がある。
このため、本実施例では、ＭＴＪ素子構成膜１５のエッチング後に所望のエッチング形状を得るためには、ハードマスク１６の残膜の厚さを初期のハードマスクの膜厚に対して３０％から４０％となるように制御する必要がある。このようなことから表１のエッチング条件は、第二の金属膜１７のエッチング形状がその後のＭＴＪ素子構成膜１５のエッチングに対して最適な形状になるように、ガス比の調整、バイアスＲＦ電力の調整、処理時間の調整を行ったものである。
次にＭＴＪ素子構成膜１５のエッチングについて説明する。最初に表２のステップ１に示すように８５ｍｌ/ｍｉｎのアンモニア（ＮＨ3）ガスと１５ｍｌ/ｍｉｎの一酸化炭素（ＣＯ）ガスの混合ガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、ソースＲＦ電力を２４００Ｗ、バイアスＲＦ電力を１０００Ｗ、処理時間を１２０秒とするエッチング条件にて第二の金属膜１７をマスクとして第二の磁性膜１８と金属酸化膜１９と第一の磁性膜２０と非磁性層２１と強磁性層２２と反強磁性交換バイアス層２３をエッチングした。なお、ＭＴＪ素子構成膜１５は多層膜であるが、第二の磁性膜１８、金属酸化膜１９、第一の磁性膜２０、非磁性層２１、強磁性層２２、反強磁性交換バイアス層２３のそれぞれの層が薄いため、一括してエッチングした。
表２のステップ１のプラズマエッチング中、試料４表面ではアンモニア（ＮＨ3）ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスの混合ガスによるスパッタリングと、一酸化炭素分子（ＣＯ）による金属カルボニルの生成が同時に起きている。表２のステップ１処理後のエッチング形状の断面を図４に示す。この時点で図４に示すように第二の金属膜１７およびＭＴＪ素子構成膜１５の側壁には第一の反応生成物２６が付着している。
表２のステップ１のプラズマエッチングは、一酸化炭素分子（ＣＯ）による金属カルボニル生成よりもアンモニア（ＮＨ3）ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスの混合ガスによるスパッタリングの寄与が大きいため、この第一の反応生成物２６は、ＭＴＪ素子構成膜１５に含まれる金属が金属カルボニルとなることができずにエッチングパターン側壁に堆積したものと考えられる。
次に、表２のステップ２で上記のステップ１でのエッチング残りの除去と第一の反応生成物の除去を行う。表２のステップ２は、ステップ１に対してバイアスＲＦ電力を１０００Ｗから４５０Ｗに低下させ、処理時間を１２０秒から１８０秒に増やした。バイアスＲＦ電力を低下させたことによりアンモニア（ＮＨ3）ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスの混合ガスのスパッタリングを低減させることができ、一酸化炭素分子（ＣＯ）による金属カルボニル生成を促進させている。
このようにスパッタリングを低減して一酸化炭素分子（ＣＯ）による金属カルボニル生成を促進させることで、第二の金属膜１７およびタンタル（Ｔａ）膜である第一の金属膜２４との選択比が向上し、第二の金属膜１７および第一の金属膜２４の消耗を抑えながら第一の反応生成物２６を除去することができた。表２のステップ２終了後のエッチング形状の断面を図５に示す。図５に示すように第一の反応生成物２６を除去できたが、第一の反応生成物２６とは異なる第二の反応生成物２７がエッチングパターン側壁及び平坦部に堆積した。
この第二の反応生成物は、ステップ２のエッチング条件で除去できなかったため、金属カルボニルを生成できる金属が含まれていないと考えられる。また、ＭＴＪ素子構成膜１５のエッチング後に露出した、タンタル（Ｔａ）膜である第一の金属膜２４は、金属カルボニルを形成できないため、一酸化炭素（ＣＯ）ガスとアンモニア（ＮＨ３）ガスの混合ガスとの反応においては不揮発性である。
さらにスパッタ効果によりタンタル（Ｔａ）が飛散した場合、飛散したタンタル（Ｔａ）は、プラズマ中の酸素原子（Ｏ）と反応してタンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）を形成し、エッチングパターン側壁に堆積する。これらのことから第二の反応生成物２７は概ねタンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）からなるものと考えられる。
また、タンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）は絶縁体であるが、しかし、本実施例のようにスパッタにより真空容器２内の雰囲気中に放出されたタンタル（Ｔａ）が酸化され、タンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）を形成してエッチングパターン側壁へ堆積する場合、形成されたタンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）の薄膜は構造欠陥を多くもつ。このため、形成されたタンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）薄膜が十分な絶縁性を有するとは限らない。よって、第二の反応生成物２７がエッチングパターン、特にＭＴＪ素子構成膜１５の側壁に堆積した場合、第二の磁性膜１８と第一の磁性膜２０の間で電気的なショートが発生する可能性がある。
このようなことから、第二の反応生成物２７を除去するために表２のステップ３に示すように水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用いたプラズマエッチングを実施した。尚、表２のステップ２とステップ３の間のプラズマは中断することなく、継続してステップ２からステップ３に移行した。図６に示すようにステップ３の処理を行うことにより、第二の反応生成物２７を除去することができた。これは以下のように考えられる。
水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスによるプラズマ中に含まれる水素原子（Ｈ）により、第二の反応生成物２７の主成分であるタンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）が還元され、タンタル（Ｔａ）と水分子（Ｈ2Ｏ）が生成されて水分子（Ｈ2Ｏ）は排気される。一方、水素原子（Ｈ）のタンタル酸化物（ＴａｘＯｙ）に対する還元反応により生成されたタンタル（Ｔａ）は、プラズマ中のアルゴン原子（Ａｒ）によりスパッタリングされ、真空容器２内に飛散しながら排気される。このため、水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスによるエッチングで第二の反応生成物２７を除去することができたと考える。
尚、水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスに対する水素（Ｈ2）ガスのガス流量比およびバイアスＲＦ電力は以下の理由により決定した。図７は、水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスに対する水素（Ｈ2）ガスのガス流量比における第二の反応生成物２７の膜厚依存性を示す図であるが、この図７からわかるように、水素（Ｈ2）ガスの流量が７０ｍｌ／ｍｉｎ、アルゴン（Ａｒ）ガスの流量が３０ｍｌ／ｍｉｎの場合に第二の反応生成物２７の膜厚が０ｎｍとなった。
このため、表２のステップ３の水素（Ｈ2）ガスの流量とアルゴン（Ａｒ）ガスの流量をそれぞれ、７０ｍｌ／ｍｉｎ、３０ｍｌ／ｍｉｎとした。また、水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの流量比が１：１の場合（ガス流量はそれぞれ５０ｍｌ/ｍｉｎ）、バイアスＲＦ電力及びエッチング時間の調整により本実施例と同様の効果が得られる可能性がある。
次に図８は、バイアスＲＦ電力の第二の反応生成物２７の膜厚に対する依存性を示す図であるが、堆積した第二の反応生成物２７の膜厚はバイアスＲＦ電力の増加とともに減少し、バイアスＲＦ電力１３５０Ｗにおいて第二の反応生成物２７は堆積していなかった。このため、表２のステップ３のバイアスＲＦ電力を１３５０Ｗとした。
また、本発明では、表２のステップ２からステップ３への移行中、プラズマを継続している。プラズマを継続させながらガスの種類を変える場合、ステップ間でのプラズマ不安定やプラズマの消失が懸念される。本実施例では発生していないが、これらの懸念点に対しては、水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスのエッチング前に、ガス置換ステップを例えば３秒程度挿入することで対策が可能である。
例えば、アンモニア（ＮＨ3）ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスの混合ガスでエッチングした後、ガス置換ステップとしてアンモニア（ＮＨ3）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスによるプラズマエッチングのステップを３秒挿入し、その後、水素（Ｈ2）ガスとアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスによるプラズマエッチングを実施する。この時、エッチング後のエッチングパターン形状に対し、ガス置換ステップの影響を小さくするため、ガス置換ステップにおけるバイアスＲＦ電力は小さくすること（例えば５０Ｗ）が望ましい。
また、ステップ３の処理を行わなかった場合、第二の金属膜１７上に堆積した第二の反応生成物の膜厚は５ｎｍ、ＭＴＪ素子構成膜１５の側壁に堆積した第二の反応生成物の有無は有り、第一の金属膜２４上に堆積した第二の反応生成物の膜厚は６．６ｎｍであったが、ステップ３の処理を行った場合、第二の金属膜１７上に堆積した第二の反応生成物の膜厚は１．５ｎｍ、ＭＴＪ素子構成膜１５の側壁に堆積した第二の反応生成物の有無は無し、第一の金属膜２４上に堆積した第二の反応生成物の膜厚は０ｎｍであった。
このようにエッチング後のエッチングパターン形状について、本発明では表２のステップ３をエッチングすることにより反応生成物の量が低減されている。特にＭＴＪ素子構成膜１５の側壁への第二の反応生成物２７の堆積が無いため、第二の磁性膜１８と第一の磁性膜２０の電気的なショートが防止され、良好な磁気抵抗効果を得ることができる。但し、第二の反応生成物２７により電気的なショートが発生しない場合またはエッチング以外の製造工程により第二の反応生成物２７を除去できる場合は、本発明として表２のステップ３は必ずしも必須ではない。
以上、本発明を用いることによりアンモニア(ＮＨ3)ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスの混合ガスを用いたエッチング後においても、エッチングパターン側壁及び平坦部への、金属酸化物を主成分とする反応生成物の堆積を低減することができる。
また、本実施例の表２のステップ１とステップ２では、アンモニア(ＮＨ3)ガスと一酸化炭素（ＣＯ）ガスの混合ガスを用いた例であったが、本発明は、金属カルボニルを生成できるガスであればよいため、一酸化炭素（ＣＯ）ガスを含む混合ガスでも良い。また、本実施例の表２のステップ３では、水素(Ｈ2)ガスとアルゴン(Ａｒ)ガスの混合ガスを用いた例で説明したが、本発明は、アルゴンガスの代わりに、ヘリウムガス、窒素ガス、キセノンガス、クリプトンガス等の不活性ガスを用いても良い。
また、本実施例では上部電極および下部電極にタンタル膜（Ｔａ）を用いたが、本発明としては、少なくともタンタル（Ｔａ）元素を含んだ金属膜もしくは合金膜であればよい。さらに、本実施例ではトンネルバリア層に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）膜を用いたが、絶縁性を示す金属酸化膜、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）膜でもよい。さらに、本実施例では、磁化自由層が磁化固定層の上方に配置されたＭＴＪ素子構造の例について説明したが、本発明としては、磁化固定層が磁化自由層の上方に配置されたＭＴＪ素子構造でも良い。
また、本実施例のＭＴＪ素子構造は、磁化自由層と、トンネルバリア層と、磁化固定層と、非磁性層と、強磁性層と、反強磁性交換バイアス層と備える構造であったが、本発明としてのＭＴＪ素子構造は、磁化自由層とトンネルバリア層と磁化固定層とを備える構造であればよい。また、エッチング時間について、真空容器２内に発光モニタリング装置を設け、上部電極及びＭＴＪ素子構成膜１５のエッチング時間を発光モニタリング装置を用いて制御してもよい。
さらに上述した実施例では、誘導結合型プラズマ源のプラズマエッチング装置を用いた例で説明したが、本発明はこれに限らず、マイクロ波Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ(ＥＣＲ)プラズマエッチング装置、容量結合型プラズマ源のプラズマエッチング装置、ヘリコン型プラズマエッチング装置を用いても良い。
１ａ 第一のアンテナ
１ｂ 第二のアンテナ
２ 真空容器
３ ベルジャ
４ 試料
５ 試料台
６ プラズマ
７ 試料保持部
８ カバー
９ ファラデーシールド
１０ 整合器
１１ 第一の高周波電源
１２ ガス供給源
１３ 排気装置
１４ 第二の高周波電源
１５ ＭＴＪ素子構成膜
１６ ハードマスク
１７ 第二の金属膜
１８ 第二の磁性膜
１９ 金属酸化膜
２０ 第一の磁性膜
２１ 非磁性層
２２ 強磁性層
２３ 反強磁性交換バイアス層
２４ 第一の金属膜
２５ シリコン酸化膜
２６ 第一の反応生成物
２７ 第二の反応生成物

Claims (7)

  1. 第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜の上方に配置された第二の磁性膜と、前記第一の磁性膜と前記第二の磁性膜の間に配置された金属酸化膜と、前記第二の磁性膜の上方に配置され上部電極となる第二の金属膜と、前記第一の磁性膜の下方に配置され下部電極となる第一の金属膜とを有する試料をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
    一酸化炭素ガスを用いて前記第一の磁性膜と前記金属酸化膜と前記第二の磁性膜をエッチングする第一の工程と、
    前記第一の工程後、前記試料を水素ガスと不活性ガスの混合ガスを用いてエッチングする第二の工程とを有し、
    前記第一の金属膜は、タンタルを含有する膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  2. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
    前記第一の工程は、第一のエッチング工程と前記第一のエッチング工程後に行われる第二のエッチング工程を有し、
    前記第二のエッチング工程のバイアスＲＦ電力は、前記第一のエッチング工程のバイアスＲＦ電力より小さいことを特徴とするプラズマエッチング方法。
  3. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
    前記第一の工程前に四フッ化メタンガスとアルゴンガスの混合ガスを用いて前記第二の金属膜をエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  4. 請求項３に記載のプラズマエッチング方法において、
    前記第一の工程は、さらにアンモニアガスを用い、
    前記第二の金属膜は、タンタルを含有する膜であり、
    前記不活性ガスは、アルゴンガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  5. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
    前記第一の工程と前記第二の工程は同一の処理室で行われることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  6. 請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
    前記第一の工程から前記第二の工程への移行は、プラズマを継続した状態で行われることを特徴とするプラズマエッチング方法。
  7. 第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜の上方に配置された第二の磁性膜と、前記第一の磁性膜と前記第二の磁性膜の間に配置された金属酸化膜と、前記第二の磁性膜の上方に配置され上部電極となる第二の金属膜と、前記第一の磁性膜の下方に配置され下部電極となる第一の金属膜とを有する試料をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
    一酸化炭素ガスを用いて前記第一の磁性膜と前記金属酸化膜と前記第二の磁性膜をエッチングするエッチング工程を有し、
    前記第一の金属膜は、タンタルを含有する膜であり、
    前記エッチング工程は、第一の工程と前記第一の工程後に行われる第二の工程を有し、
    前記第二の工程のバイアスＲＦ電力は、前記第一の工程のバイアスＲＦ電力より小さいことを特徴とするプラズマエッチング方法。
JP2013144118A 2013-07-10 2013-07-10 プラズマエッチング方法 Pending JP2015018885A (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013144118A JP2015018885A (ja) 2013-07-10 2013-07-10 プラズマエッチング方法
TW103100650A TW201503257A (zh) 2013-07-10 2014-01-08 電漿蝕刻方法
KR1020140013015A KR101578077B1 (ko) 2013-07-10 2014-02-05 플라즈마 에칭 방법
US14/181,537 US9269892B2 (en) 2013-07-10 2014-02-14 Plasma etching method
US14/995,897 US9680090B2 (en) 2013-07-10 2016-01-14 Plasma etching method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013144118A JP2015018885A (ja) 2013-07-10 2013-07-10 プラズマエッチング方法

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2017158982A Division JP6368837B2 (ja) 2017-08-22 2017-08-22 プラズマエッチング方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015018885A true JP2015018885A (ja) 2015-01-29
JP2015018885A5 JP2015018885A5 (ja) 2016-04-28

Family

ID=52277394

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013144118A Pending JP2015018885A (ja) 2013-07-10 2013-07-10 プラズマエッチング方法

Country Status (4)

Country Link
US (2) US9269892B2 (ja)
JP (1) JP2015018885A (ja)
KR (1) KR101578077B1 (ja)
TW (1) TW201503257A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016164955A (ja) * 2015-03-06 2016-09-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置およびその製造方法
WO2018131215A1 (ja) * 2017-09-21 2018-07-19 株式会社日立ハイテクノロジーズ 磁気トンネル接合素子の製造方法および誘導結合型プラズマ処理装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6227483B2 (ja) * 2014-05-30 2017-11-08 株式会社日立ハイテクノロジーズ プラズマ処理方法
US20160072055A1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Satoshi Seto Manufacturing method of semiconductor memory device
KR102409755B1 (ko) 2015-09-30 2022-06-16 삼성전자주식회사 자기 저항 메모리 소자 및 그 제조 방법
KR102615694B1 (ko) 2016-11-02 2023-12-21 삼성전자주식회사 정보 저장 소자 및 그 제조방법
US10522749B2 (en) * 2017-05-15 2019-12-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Combined physical and chemical etch to reduce magnetic tunnel junction (MTJ) sidewall damage
US10497567B2 (en) * 2017-08-07 2019-12-03 Applied Materials, Inc. Method of enhanced selectivity of hard mask using plasma treatments
CN109994476B (zh) * 2017-12-29 2021-03-16 上海磁宇信息科技有限公司 一种制备磁性随机存储器阵列单元的方法
CN117223091A (zh) * 2022-04-11 2023-12-12 株式会社日立高新技术 等离子处理方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006278456A (ja) * 2005-03-28 2006-10-12 Ulvac Japan Ltd トンネル接合素子のエッチング加工方法
JP2008065944A (ja) * 2006-09-08 2008-03-21 Ulvac Japan Ltd 磁性層パターンの形成方法、磁気抵抗素子の製造方法、及び磁気記憶媒体の製造方法
US20120276657A1 (en) * 2011-04-27 2012-11-01 Olivier Joubert Method of patterning of magnetic tunnel junctions
WO2012176747A1 (ja) * 2011-06-24 2012-12-27 キヤノンアネルバ株式会社 機能素子の製造方法
JP2013051227A (ja) * 2011-08-30 2013-03-14 Hitachi High-Technologies Corp プラズマエッチング方法
US20130149499A1 (en) * 2011-12-07 2013-06-13 Hak-sun Lee Magnetic devices and methods of manufacturing the same

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6893893B2 (en) * 2002-03-19 2005-05-17 Applied Materials Inc Method of preventing short circuits in magnetic film stacks
US6911346B2 (en) * 2002-04-03 2005-06-28 Applied Materials, Inc. Method of etching a magnetic material
US7115517B2 (en) * 2003-04-07 2006-10-03 Applied Materials, Inc. Method of fabricating a dual damascene interconnect structure
JP2004356179A (ja) 2003-05-27 2004-12-16 Sony Corp ドライエッチング方法及びその装置
JP2005079258A (ja) * 2003-08-29 2005-03-24 Canon Inc 磁性体のエッチング加工方法、磁気抵抗効果膜、および磁気ランダムアクセスメモリ
KR100814901B1 (ko) * 2007-05-22 2008-03-19 한국전자통신연구원 건식 식각 공정을 이용한 산화물 박막 트랜지스터 소자의제조방법
US7948044B2 (en) * 2008-04-09 2011-05-24 Magic Technologies, Inc. Low switching current MTJ element for ultra-high STT-RAM and a method for making the same
KR20120058113A (ko) 2010-11-29 2012-06-07 삼성전자주식회사 자기 터널 접합 구조체의 제조 방법 및 이를 이용하는 자기 메모리 소자의 제조 방법
KR101950004B1 (ko) * 2012-03-09 2019-02-19 삼성전자 주식회사 자기 소자
JP5883772B2 (ja) * 2012-11-27 2016-03-15 株式会社日立ハイテクノロジーズ プラズマ処理方法
JP6208017B2 (ja) * 2014-01-07 2017-10-04 株式会社日立ハイテクノロジーズ プラズマエッチング方法
US9390923B2 (en) * 2014-07-03 2016-07-12 Applied Materials, Inc. Methods of removing residual polymers formed during a boron-doped amorphous carbon layer etch process

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006278456A (ja) * 2005-03-28 2006-10-12 Ulvac Japan Ltd トンネル接合素子のエッチング加工方法
JP2008065944A (ja) * 2006-09-08 2008-03-21 Ulvac Japan Ltd 磁性層パターンの形成方法、磁気抵抗素子の製造方法、及び磁気記憶媒体の製造方法
US20120276657A1 (en) * 2011-04-27 2012-11-01 Olivier Joubert Method of patterning of magnetic tunnel junctions
WO2012176747A1 (ja) * 2011-06-24 2012-12-27 キヤノンアネルバ株式会社 機能素子の製造方法
JP2013051227A (ja) * 2011-08-30 2013-03-14 Hitachi High-Technologies Corp プラズマエッチング方法
US20130149499A1 (en) * 2011-12-07 2013-06-13 Hak-sun Lee Magnetic devices and methods of manufacturing the same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016164955A (ja) * 2015-03-06 2016-09-08 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置およびその製造方法
WO2018131215A1 (ja) * 2017-09-21 2018-07-19 株式会社日立ハイテクノロジーズ 磁気トンネル接合素子の製造方法および誘導結合型プラズマ処理装置
US10833255B2 (en) 2017-09-21 2020-11-10 Hitachi High-Tech Corporation Method for manufacturing magnetic tunnel junction element, and inductively coupled plasma processing apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
US20160133834A1 (en) 2016-05-12
US20150017741A1 (en) 2015-01-15
TW201503257A (zh) 2015-01-16
TWI562229B (ja) 2016-12-11
KR20150007199A (ko) 2015-01-20
KR101578077B1 (ko) 2015-12-16
US9269892B2 (en) 2016-02-23
US9680090B2 (en) 2017-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2015018885A (ja) プラズマエッチング方法
US10944051B2 (en) Method of cleaning a substrate processing apparatus and the substrate processing apparatus performing the method
US9601688B2 (en) Method of manufacturing magnetoresistive element and method of processing magnetoresistive film
JP6499980B2 (ja) プラズマ処理方法
EP2916344B1 (en) Method of cleaning a plasma processing apparatus
KR101266053B1 (ko) 플라즈마 처리 방법
US9660182B2 (en) Plasma processing method and plasma processing apparatus
JP5883772B2 (ja) プラズマ処理方法
US9449842B2 (en) Plasma etching method
JP6368837B2 (ja) プラズマエッチング方法
JP2016046470A (ja) 被処理体をエッチングする方法
KR101489740B1 (ko) 자기터널접합 구조용 건식 식각 방법 및 이를 위한 기화장치

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160217

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20160217

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160217

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20161221

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161227

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20170116

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20170123

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20170206

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20170613

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20170803

RD04 Notification of resignation of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424

Effective date: 20170804