JP2015046528A - Method of manufacturing magnetoresistive element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a magnetoresistive element utilizing the magnetoresistive effect.
近年、磁気メモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)、磁気ヘッド、磁気センサなど、磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子が種々開発されている。特に、磁気メモリの分野においては、素子に電流を流すことにより、電子の持つスピンで磁化を書き換えるスピン注入型MRAM(STT(Spin-Transfer Torque)−MRAM)が提案されている。 In recent years, various magnetoresistive elements using the magnetoresistive effect such as a magnetic memory (MRAM: Magnetic Random Access Memory), a magnetic head, and a magnetic sensor have been developed. In particular, in the field of magnetic memory, a spin injection type MRAM (STT (Spin-Transfer Torque) -MRAM) has been proposed in which magnetization is rewritten by spins of electrons by passing a current through an element.
磁気抵抗素子は、典型的には、磁化方向が固定された参照層(ピン層)と、磁化方向が可変な記憶層(フリー層)と、これらの間に配置されたAl2O3、MgO等の非磁性絶縁材料からなる障壁層(トンネル接合層)とを有する。障壁層を挟み込む参照層及び記憶層各々の界面は、Fe系材料又はCoFe系材料からなる強磁性膜で構成される。そして、この種の磁気抵抗素子は、参照層、障壁層及び記憶層の形成後、これらをエッチング加工することで、個々のメモリセル(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)を形成するようにしている。 A magnetoresistive element typically includes a reference layer (pinned layer) having a fixed magnetization direction, a storage layer (free layer) having a variable magnetization direction, and Al 2 O 3 and MgO disposed therebetween. And a barrier layer (tunnel junction layer) made of a nonmagnetic insulating material. The interface between the reference layer and the memory layer sandwiching the barrier layer is composed of a ferromagnetic film made of Fe-based material or CoFe-based material. In this type of magnetoresistive element, a reference layer, a barrier layer, and a memory layer are formed and then etched to form individual memory cells (MTJ: Magnetic Tunnel Junction).
メモリセルの形成に必要な強磁性膜のエッチング方法として、RIE(Reactive Ion Etching)法を用いることが知られている。例えば特許文献1には、Taマスクを介してアルコールあるいはCO+NH3のカルボニル系ガスで強磁性膜をエッチングする方法が記載されている。 As an etching method of a ferromagnetic film necessary for forming a memory cell, it is known to use a reactive ion etching (RIE) method. For example, Patent Document 1 describes a method of etching a ferromagnetic film with alcohol or a CO + NH 3 carbonyl gas through a Ta mask.
特許文献1に記載の方法は、プラズマ中で解離された酸素によって素子の側壁が酸化するという問題がある。 The method described in Patent Document 1 has a problem that the side walls of the element are oxidized by oxygen dissociated in plasma.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、素子の酸化を防止しつつ高精度にエッチングすることができる磁気抵抗素子の製造方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a method of manufacturing a magnetoresistive element that can be etched with high accuracy while preventing oxidation of the element.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る磁気抵抗素子の製造方法は、基板上に、第1の強磁性膜を含む参照層と、第2の強磁性膜を含む記憶層と、前記第1の強磁性膜と前記第2の強磁性膜との間に配置されたMgOからなる障壁層と、を有する積層体を形成することを含む。
前記積層体の上に、W膜からなるマスクが形成される。
塩素系ガスのプラズマを形成することで、前記マスクを介して前記記憶層がエッチングされる。
In order to achieve the above object, a method of manufacturing a magnetoresistive element according to an aspect of the present invention includes a reference layer including a first ferromagnetic film, a memory layer including a second ferromagnetic film, on a substrate, Forming a stacked body having a barrier layer made of MgO disposed between the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film.
A mask made of a W film is formed on the laminate.
The storage layer is etched through the mask by forming a plasma of chlorine-based gas.
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗素子の製造方法は、基板上に、第1の強磁性膜を含む参照層と、第2の強磁性膜を含む記憶層と、前記第1の強磁性膜と前記第2の強磁性膜との間に配置されたMgOからなる障壁層と、を有する積層体を形成することを含む。
前記積層体の上に、W膜からなるマスクが形成される。
塩素系ガスのプラズマを形成することで、前記マスクを介して前記記憶層がエッチングされる。
A method for manufacturing a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention includes a reference layer including a first ferromagnetic film, a storage layer including a second ferromagnetic film, and the first ferromagnetic film on a substrate. Forming a laminate having a barrier layer made of MgO disposed between the film and the second ferromagnetic film.
A mask made of a W film is formed on the laminate.
The storage layer is etched through the mask by forming a plasma of chlorine-based gas.
上記磁気抵抗素子の製造方法においては、塩素系ガスのプラズマを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によって、障壁層上の第2の強磁性膜(記憶層)を化学的にエッチングする。エッチングガスに酸素が含まれていないため記憶層の酸化を防止でき、これにより記憶層の高精度な加工が実現可能となる。 In the magnetoresistive element manufacturing method, the second ferromagnetic film (memory layer) on the barrier layer is chemically etched by reactive ion etching (RIE) using chlorine-based gas plasma. Since oxygen is not contained in the etching gas, it is possible to prevent the storage layer from being oxidized. This makes it possible to achieve high-precision processing of the storage layer.
塩素系ガスは特に限定されず、Cl2、BCl3、SiCl4の何れか一種又はこれらの混合ガスを用いることができる。 The chlorine-based gas is not particularly limited, and any one of Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 or a mixed gas thereof can be used.
上記積層体は、参照層と記憶層との間に障壁層が挟み込まれた構成であれば積層順序は特に限定されず、参照層が基板側に配置されてもよいし、記憶層が基板側に配置されてもよい。 The stack is not particularly limited as long as the barrier layer is sandwiched between the reference layer and the storage layer, and the reference layer may be disposed on the substrate side, or the storage layer may be on the substrate side. May be arranged.
前記記憶層をエッチングする工程では、さらに、前記基板にバイアス電圧が印加されてもよい。
これにより塩素系ガスの反応生成物の堆積を防止しつつ、記録層を精度よくエッチングすることができる。
上記磁気抵抗素子の製造方法は、さらに、前記基板にバイアス電圧を印加し、アルゴンと塩素系ガスとの混合ガスのプラズマを形成することで、前記マスクを介して前記障壁層と前記参照層とをエッチングしてもよい。
リアクティブ性のガスとして塩素系のガスを用い、スパッタ性のガスとしてアルゴンを用いることで、中間的なエッチングを実現し、これにより障壁層及び参照層を高精度にエッチングすることが可能となる。
In the step of etching the memory layer, a bias voltage may be further applied to the substrate.
Thereby, the recording layer can be accurately etched while preventing the deposition of the reaction product of the chlorine-based gas.
The method of manufacturing a magnetoresistive element further includes applying a bias voltage to the substrate to form a plasma of a mixed gas of argon and a chlorine-based gas, so that the barrier layer and the reference layer are interposed through the mask. May be etched.
By using chlorine gas as the reactive gas and argon as the sputtering gas, intermediate etching can be realized, thereby enabling the barrier layer and the reference layer to be etched with high accuracy. .
前記障壁層をエッチングする工程は、アルゴンイオンによるスパッタイオンエッチングで前記障壁層をエッチングしてもよい。
MgOからなる障壁層は、リアクティブにエッチングすることが困難であるため、スパッタ的なエッチングが有効である。また、Wマスクに対するMgOのエッチング選択比は高くはないが、MgOの膜厚が1nm程度であるため、Wマスクの消耗量を低く抑えることができる。
The step of etching the barrier layer may etch the barrier layer by sputter ion etching with argon ions.
Since the barrier layer made of MgO is difficult to reactively etch, sputter etching is effective. Although the etching selectivity of MgO to the W mask is not high, the consumption amount of the W mask can be kept low because the MgO film thickness is about 1 nm.
前記参照層は、少なくとも前記第1の強磁性膜と貴金属膜を含む場合、前記参照層をエッチングする工程は、塩素系ガスによる反応性イオンエッチングで前記第1の強磁性膜をエッチングする工程と、アルゴンイオンによるスパッタイオンエッチングで前記貴金属膜をエッチングする工程とを含んでもよい。
エッチングガスに酸素を含まないため、参照層の側壁を酸化させることなく参照層をエッチングすることができる。
When the reference layer includes at least the first ferromagnetic film and a noble metal film, the step of etching the reference layer includes the step of etching the first ferromagnetic film by reactive ion etching using a chlorine-based gas. And a step of etching the noble metal film by sputter ion etching using argon ions.
Since the etching gas does not contain oxygen, the reference layer can be etched without oxidizing the side walls of the reference layer.
前記磁気抵抗素子の製造方法は、さらに、前記積層体の上に、Taからなる電極層を形成することを含んでもよい。この場合、前記マスクを形成する工程は、前記電極層の上にW膜を形成し、前記W膜の上にレジストマスクを形成し、フッ素系ガスのプラズマを形成することで、前記レジストマスクを介して前記W膜をエッチングする。
Wはフッ素を含むガスでエッチングが可能であり、Taはフッ素を含むガスではエッチング速度が極端に遅くなるため、Taに対する選択比を大きくしてWを加工することができ、これによりWマスクを高精度に形成することが可能になる。なおTaは、塩素系ガスのプラズマを形成することでエッチングすることができる。
フッ素系ガスとしては、例えば、SF6、CHF3等の単ガスあるいはこれらの混合ガスを用いることができる。
The method of manufacturing the magnetoresistive element may further include forming an electrode layer made of Ta on the stacked body. In this case, in the step of forming the mask, a W film is formed on the electrode layer, a resist mask is formed on the W film, and plasma of fluorine-based gas is formed, whereby the resist mask is formed. Then, the W film is etched.
W can be etched with a fluorine-containing gas, and Ta can be etched with a fluorine-containing gas because the etching rate is extremely slow. It becomes possible to form with high precision. Note that Ta can be etched by forming a plasma of a chlorine-based gas.
As the fluorine-based gas, for example, a single gas such as SF 6 or CHF 3 or a mixed gas thereof can be used.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[磁気抵抗素子の構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る磁気抵抗素子の概略構成を示す断面図である。本実施形態に係る磁気抵抗素子10は、基板11上に、下部電極12、参照層(ピン層)13、障壁層(非磁性絶縁層)14、記憶層(フリー層)15、上部電極16が順に積層された構成を有している。
なお理解容易のため、各層の構成は誇張して示されており、各層間の厚みの比率は必ずしも実際の厚みに対応するものではない。
[Configuration of magnetoresistive element]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a magnetoresistive element according to an embodiment of the present invention. The
For easy understanding, the structure of each layer is exaggerated, and the thickness ratio between the layers does not necessarily correspond to the actual thickness.
磁気抵抗素子10は、障壁層14をトンネル接合層とするMTJ(Magnetic Tunnel Junction)を構成し、例えば、STT−MRAM、磁気ヘッド、磁気センサ等の各種磁気デバイスとして用いられる。
The
基板11は、シリコン(Si)基板等の半導体基板で構成されるが、これに限られず、セラミック基板やガラス基板等であってもよい。下部電極12は、非磁性金属の単層、多層、あるいは合金膜である。参照層13は、磁化方向が固定された強磁性材料層で構成されている。障壁層は、参照層13と記憶層15との間を接合するトンネルバリア層であり、酸化マグネシウム(MgO)で構成される。記憶層15は、磁化方向が変化可能な強磁性材料層で構成されている。上部電極16は、タンタル(Ta)等で構成された金属導体層である。
The
磁気抵抗素子10は、参照層13の磁化方向と記憶層15の磁化方向との相違による抵抗値の変化を利用して、情報の記録あるいは読み出しを可能とする。例えば、各層の磁化方向が相互に同一方向(平行)の場合の抵抗値は最も小さく、各層の磁化方向が相互に逆方向(反平行)の場合の抵抗値は最も大きい。そこで、前者の磁化態様を「0」、後者の磁化態様を「1」と各データを規定することによって、当該素子によるデジタル情報の記録あるいは読み出しが可能となる。情報の記録(書き込み)及び読み出しは、STT−MRAMの場合、下部電極12及び上部電極16を通じての記憶層15に対する電流の供給制御によって行われる。なお、ここでは磁気抵抗素子の詳細な動作原理の説明は省略する。
The
参照層13及び記憶層15は各種の材料で構成された単層構造あるいは積層構造を有する。各層を構成する材料としては、例えば、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、マンガン(Mn)、ルテニウム(Ru)、タンタル(Ta)等から選択することができる。また、これらの材料にシリコン(Si)、ホウ素(B)、リン(P)などの半金属元素や、テルビウム(Tb)などの希土類元素が含まれてもよい。
The
図2に、磁気抵抗素子を構成する各層の構成材料の一例を示す。本実施形態において、下部電極12はTa/Pt多層膜で構成される。参照層13および記憶層15はCoFeB膜を含む。
In FIG. 2, an example of the constituent material of each layer which comprises a magnetoresistive element is shown. In the present embodiment, the
参照層13および記憶層15はCoFeB膜の単層構造に限られず、MgO/CoFeB/MgO構造や、CoFeB/非磁性金属(TaやTaを少なくとも一つ含む合金)/CoFeB/MgO構造、ならびに他の磁性材料からなる単層構造あるいは他の材料層との積層構造であってもよい。例えば、Co/Pt人工格子、L10規則合金(FePt、CoPt、FePd)、L11規則合金(CoPt)、相分離系合金(CoCrPt、CoCrPt−SiO2)、ホイスラー合金(CoMnSi)、アモルファス希土類(TbFeCo)などが挙げられる。
The
障壁層14と接合される参照層13及び記憶層15各々の界面は、Fe系、Co系またはCoFe系強磁性材料膜で構成されており、特に本実施形態では、CoFeB膜で構成されている。以後の説明では、参照層13側のCoFeB膜を第1のCoFeB膜(第1の強磁性層)ともいい、記憶層15側のCoFeB膜を第2のCoFeB膜(第2の強磁性膜)ともいう。
The interface between each of the
MRAM等の磁気メモリ素子は、共通の基板11上に複数のメモリセルが形成された形態を有する場合が多い。各メモリセル(磁気抵抗素子10)は、基板11上に、下部電極12、参照層13、障壁層14、記憶層15及び上部電極16を順に積層した積層体が形成された後、上部電極16、記憶層15、障壁層14及び参照層13をセル単位で順にエッチングすることで分離形成される。より具体的には、後述するように、上部電極16の上に形成されたW(タングステン)マスクを介して、上部電極16、記憶層15、障壁層14及び参照層13の各層がパターニングされる。
Magnetic memory elements such as MRAM often have a form in which a plurality of memory cells are formed on a
[磁気抵抗素子の製造装置]
図3は、磁気抵抗素子の製造装置を概略的に示す平面図である。図示する製造装置100は、搬送室101と、その周囲に配置されたロード室101、アンロード室102、第1のエッチング室104、第2のエッチング室105およびアッシング室106を有するマルチチャンバ式の真空処理装置で構成される。
[Magnetic resistance element manufacturing equipment]
FIG. 3 is a plan view schematically showing a magnetoresistive element manufacturing apparatus. The illustrated
搬送室101には、各室へ基板を搬送する搬送ロボットが配置されている。第1のエッチング室104および第2のエッチング室105はそれぞれ同様な構成のエッチング装置で構成されており、本実施形態では、第1のエッチング室104は高温エッチング用のエッチング装置で構成され、第2のエッチング室105は常温エッチング用のエッチング装置で構成される。
In the
図4は、上記エッチング装置の概略構成図である。図示するエッチング装置20は、有磁場誘導結合プラズマエッチング装置として構成されているが、勿論これに限られない。
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of the etching apparatus. The illustrated
エッチング装置20は、真空排気可能なチャンバ21を備える。チャンバ21の内部には、基板を支持するステージ25が設置されている。ステージ25の上面には、ステージ25上に載置された基板を保持する静電チャックが配置されており、チャック後基板裏面にHeを導入して均熱を図る機構となっている。エッチング装置20は、ステージ25の上面又はステージ25の内部において熱媒体を温度管理しながら循環させるチラー循環ユニット26を備えている。チラー循環ユニット26は、ステージ25を所定温度に保持することが可能である。高温エッチング用のエッチング装置の場合、ステージ25にヒータを内蔵し、加熱温度を制御可能に構成される。
The
ステージ25の周囲には、プラズマ形成空間22を区画する防着板23が設置されている。エッチング装置20は、プラズマ形成空間22に導入された反応性ガス(エッチャント)のプラズマを形成し、当該反応性ガスのラジカルを生成する。反応性ガスの種類は、エッチングすべき材料膜の種類に応じて設定あるいは切り替えられ、例えば、Wマスクのパターニング時にはフッ素系ガスが、上部電極及び記憶層のパターニング時には塩素系ガスが、そして障壁層及び参照層のパターニング時には、アルゴンと塩素系ガスとの混合ガスが導入可能に構成される。
Around the
上記フッ素系ガスには、例えば、SF6、CHF3等の単ガスあるいはこれらの混合ガスが用いられる。フッ素ラジカルは、Wと化学反応し蒸気圧の高いWF6を生成することでW膜を選択的にエッチングする。塩素系ガスとしては、Cl2が用いられるが、これ以外にも、BCl3、SiCl4等が適用可能である。塩素ラジカルは、強磁性膜と化学反応し蒸気圧の高いCo又はFeの塩素化合物を生成することで、強磁性層を選択的にエッチングする。 As the fluorine-based gas, for example, a single gas such as SF 6 or CHF 3 or a mixed gas thereof is used. The fluorine radicals chemically react with W to generate WF 6 having a high vapor pressure, thereby selectively etching the W film. As the chlorine-based gas, Cl 2 is used, but besides this, BCl 3 , SiCl 4, etc. can be applied. Chlorine radicals chemically etch the ferromagnetic layer by chemically reacting with the ferromagnetic film to produce a high vapor pressure Co or Fe chlorine compound.
プラズマの発生機構として、エッチング装置20は、アンテナ28と、高周波電源29と、マグネットユニット30と、ガス導入ライン等を備える。アンテナ28は、プラズマ形成空間22の上部を閉塞する蓋体24の上部に配置されており、高周波電源29に接続されることで、プラズマ形成空間22に高周波誘導電場を形成する。マグネットユニット30は、蓋体24の上部に設置されており、プラズマ形成空間22に固定磁場を形成する。ガス導入系を介してプラズマ形成空間22へ導入された反応性ガスは、アンテナ28による誘導電場の作用とマグネットユニット30による固定磁場の作用とを受けてプラズマ化する。エッチング装置20は、プラズマ中のイオンをステージ25側へ引き付けるバイアス電源27を備える。バイアス電源27は、高周波電源で構成することができる。
As a plasma generation mechanism, the
Wマスクの形成から参照層のエッチングにわたる各工程には、工程毎に異なるエッチング装置が用いられてもよいし、一台のエッチング装置で各工程を連続的に行うことも可能である。 In each process from the formation of the W mask to the etching of the reference layer, a different etching apparatus may be used for each process, or each process can be continuously performed by one etching apparatus.
[磁気抵抗素子の製造方法]
次に、本実施形態の磁気抵抗素子10の製造方法について説明する。図5〜図8は、磁気抵抗素子10の製造方法を説明する工程断面図である。
[Method of manufacturing magnetoresistive element]
Next, the manufacturing method of the
(積層体作製工程)
図5に示すように、基板11上に、下部電極12、参照層13、障壁層14、記憶層15及び上部電極16を順に成膜した積層体Lを作製する。各層は、スパッタリング法、CVD法等の薄膜形成方法によって所定厚みにそれぞれ形成される。
(Laminate production process)
As illustrated in FIG. 5, a stacked body L in which a
(マスクパターン形成工程)
続いて、積層体Lをセル単位に加工するためのエッチングマスクが形成される。本実施形態では、マスク材として、W膜17が上部電極16の上に形成される(図5)。W膜17の厚みは特に限定されないが、後述するMTJのエッチング工程において最後までマスクとして機能し得る厚さに形成される。本実施形態では、W膜17が30nmの厚さで形成される。
(Mask pattern forming process)
Subsequently, an etching mask for processing the stacked body L in units of cells is formed. In this embodiment, a
次に、W膜17の上に電子線描画対応のフォトレジスト膜が形成され、電子線描画、現像処理等を経て、図5に示すレジストパターン19が形成される。パターンサイズは特に限定されず、素子サイズの大きさに応じて適宜設定され、例えば、30〜100nmφの大きさに形成される。なおフォトレジストパターンに代えて、SiN膜、SiO2膜、SiNとSiO2の積層膜等で構成されてもよい。
Next, a photoresist film corresponding to electron beam drawing is formed on the
次に、図6に示すように、例えば第2のエッチング室105において、レジストパターン19を介してW膜17がエッチングされる。エッチングガスにはSF6とCHF3の混合ガスが用いられ、RIEによってWF6を生成し、これによりW膜17がエッチングされる。以上のようにして、上部電極16上にWマスク17Mが形成される。
Next, as shown in FIG. 6, for example, in the
その後、レジストパターン19は、アッシング室106においてアッシング処理により除去される。なおレジストパターン19は、以後のエッチング工程により自然に除去されるため、SiNマスク18Mの上に残留させてもよい。
Thereafter, the resist
CHF3に対するSF6の流量比は特に限定されないが、SF6が少ないほどレジストパターン19との選択性が向上し、SF6が多いほどW膜を垂直に加工できる傾向がある。このような観点からCHF3に対するSF6の流量比は、例えば、5[at%]以上30[at%]以下とすることができる。
Flow ratio of SF 6 for the CHF 3 is not particularly limited, improved selectivity between the resist
エッチング時の圧力は0.1Pa以上3Pa以下、アンテナパワーは300W以上1000W以下、基板バイアスは0W〜100W(0.32W/cm2)の範囲で設定可能である。基板バイアスの印加によりCHF3の反応生成物の堆積を防止することができる。またバイアスパワーが高すぎると、下地であるTa膜(上部電極16)のエッチング速度が上昇する傾向にある。本実施形態では、圧力を0.3[Pa]、アンテナパワーを800[W]、バイアスパワーを10[W]とした。 The pressure during etching can be set in the range of 0.1 Pa to 3 Pa, the antenna power is 300 W to 1000 W, and the substrate bias is in the range of 0 W to 100 W (0.32 W / cm 2 ). By applying a substrate bias, deposition of the reaction product of CHF 3 can be prevented. If the bias power is too high, the etching rate of the underlying Ta film (upper electrode 16) tends to increase. In this embodiment, the pressure is 0.3 [Pa], the antenna power is 800 [W], and the bias power is 10 [W].
W膜17のエッチングガスにフッ素系ガスを用いることにより、レジストパターン19及びTa膜(上部電極16)に対して高い選択比を確保でき、Wマスク17を高精度に形成することができる。
By using a fluorine-based gas as an etching gas for the
W膜17は、上部電極として用いることも可能である。この場合、W膜17のエッチングガスに酸素を含まないため、下地であるFeCoB膜(記憶層15)の酸化を防止することができる。
The
続いて、上部電極16以下のMTJ多層膜がセルサイズに加工される。この工程は、上部電極16及び記憶層15を加工する第1のエッチング工程と、障壁層14及び参照層13を加工する第2のエッチング工程とを有する。
Subsequently, the MTJ multilayer film below the
(第1のエッチング工程)
図7に示すように、第1のエッチング工程では、第1のエッチング室104において、Wマスク17Mを介して、上部電極16(Ta膜)及び記憶層15(CoFeB膜)が順にエッチングされる。本実施形態では、塩素ガスのプラズマを形成することで、上部電極16及び記憶層15がリアクティブにエッチングされる。
(First etching process)
As shown in FIG. 7, in the first etching process, the upper electrode 16 (Ta film) and the memory layer 15 (CoFeB film) are sequentially etched through the
エッチング条件は特に限定されず、例えば、基板温度を180℃、ガス圧力を0.5[Pa]、アンテナ入力パワーを2000[W]、バイアス入力パワーを0.14[W/cm2]とした。 The etching conditions are not particularly limited. For example, the substrate temperature is 180 ° C., the gas pressure is 0.5 [Pa], the antenna input power is 2000 [W], and the bias input power is 0.14 [W / cm 2 ]. .
第1のエッチング工程では、エッチングガスに酸素を含まないため、記憶層15(FeCoB膜)の側壁の酸化を防止することができる。また、Wマスク17Mは、塩素系ガスではほとんどエッチングされないため、高いエッチング選択比を確保することができる。さらに、障壁層14(MgO膜)は、塩素系ガスではエッチングされないため、エッチングストッパ層として有効に機能する。これにより、上部電極16及び記憶層15を高精度に形成することが可能となる。
In the first etching process, since the etching gas does not contain oxygen, oxidation of the sidewall of the memory layer 15 (FeCoB film) can be prevented. In addition, since the
(第2のエッチング工程)
第2のエッチング工程では、第1のエッチング室104において、図8に示すように、Wマスク17Mを介して、障壁層14(MgO)及び参照層13が順にエッチングされる。本実施形態では、基板11にバイアス電力を印加し、かつ、アルゴンと塩素ガスの混合ガスのプラズマを形成することで、障壁層14(MgO)及び参照層13が順にエッチングされる。
(Second etching process)
In the second etching step, the barrier layer 14 (MgO) and the
参照層13は、貴金属膜(Pt,Pd等)と強磁性膜(Co,Fe等)を含む多層膜や合金膜で構成され、各々の総膜厚は、10〜20nm程度である。Pt等の貴金属膜やMgO膜は、強磁性膜と異なり、ハロゲン系をはじめとしたエッチングガスでリアクティブにエッチングできない。Wは、PtやMgOと同様に塩素系ではリアクティブにエッチングできない材料であるため、マスクとして十分に機能し得る。障壁層は、通常、1nm程度と薄いため、スパッタ的にエッチングしてもWマスク17Mとの選択比は大きな問題とならない。Ru,Pt,Pd,Wのスパッタ収量は、Wが最も低い。すなわちWは、スパッタ的なエッチングでも貴金属膜に対して大きな選択比を確保できるため、微細な素子の加工が可能となる。
The
表1に、Arイオン(Ar+)の加速エネルギーが100[eV]、300[eV]及び600[eV]におけるW、Co、Fe、Pt、Pd及びRuのスパッタ収量(atoms/ion)を示す。 Table 1 shows the sputter yield (atoms / ion) of W, Co, Fe, Pt, Pd, and Ru when the acceleration energy of Ar ions (Ar + ) is 100 [eV], 300 [eV], and 600 [eV]. .
そこで本実施形態においては、リアクティブ性のガスとして塩素系のガスを用い、スパッタ性のガスとしてアルゴンを用いることで、中間的なエッチングを実現し、これにより障壁層14及び参照層13を高精度にエッチングすることを可能とした。
Therefore, in this embodiment, intermediate etching is realized by using a chlorine-based gas as the reactive gas and argon as the sputter gas, thereby increasing the
すなわち、障壁層14は、アルゴンイオンによりスパッタ的にエッチング(スパッタイオンエッチング)される。参照層13に関しては、貴金属膜は、アルゴンイオンによりスパッタ的にエッチングされ、強磁性膜は、塩素ガスによりリアクティブにエッチングされる。
That is, the
エッチング条件は、基板温度を180℃、アルゴン/塩素系ガス比を90/10パーセント、基板バイアスを1.0[W/cm2]としたが、勿論これに限られない。 Etching conditions are such that the substrate temperature is 180 ° C., the argon / chlorine gas ratio is 90/10 percent, and the substrate bias is 1.0 [W / cm 2 ], but of course this is not limiting.
例えば、アルゴンガスと塩素ガスの流量比は上記に限られず、アルゴンガスに対する塩素ガスの量は、例えば、5[at%]以上20[at%]以下とすることができる。塩素ガスが5[at%]未満では、アルゴンガスによるスパッタイオンエッチングが傾向的に強くなる結果、サブトレンチを誘発し、参照層13の高精度なエッチングが困難となる。一方、塩素ガスが20[at%]を超えると、アルゴンの存在比率が少なくなる結果、貴金属膜を適切にエッチングすることが困難となる。
For example, the flow rate ratio between the argon gas and the chlorine gas is not limited to the above, and the amount of the chlorine gas with respect to the argon gas can be, for example, 5 [at%] or more and 20 [at%] or less. If the chlorine gas is less than 5 [at%], sputter ion etching with argon gas tends to be strong, and as a result, a sub-trench is induced, and high-precision etching of the
基板11に印加するバイアス電圧は、例えば、0.5[W/cm2]以上2.6[W/cm2]以下とすることができる。バイアス電圧が0.5[W/cm2]未満では、アルゴンイオンによるスパッタエッチング作用が低下し、貴金属膜を適切にエッチングすることが困難となる。一方、バイアス電圧が2.6[W/cm2]を超えると、Wマスク17Mの耐久性が低下するおそれがある。
The bias voltage applied to the
以上のように、本実施形態によれば、参照層13を高精度にエッチングすることができる。これにより、微細なメモリセルを高精度に作製することが可能となる。
As described above, according to the present embodiment, the
また本実施形態によれば、参照層13のエッチングに酸素を含まないエッチングガスを用いているため、参照層13(強磁性膜)の側壁の酸化が防止され、所期の磁気抵抗効果を有するMTJを高精度に形成することが可能となる。
Further, according to the present embodiment, since the etching gas not containing oxygen is used for etching the
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 The embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば以上の実施形態では、磁気抵抗素子の構成例として、図2に示した構成例を例に挙げて説明したが、勿論これに限られず、MgO層とこれを挟む一対の強磁性層を除く他の層の構成は適宜変更することが可能である。 For example, in the above embodiment, the configuration example of the magnetoresistive element has been described by taking the configuration example shown in FIG. 2 as an example. However, the present invention is not limited to this, and the MgO layer and a pair of ferromagnetic layers sandwiching the MgO layer are excluded. The configuration of the other layers can be changed as appropriate.
また以上の実施形態では、磁気抵抗素子の構成として、参照層13が記憶層15よりも基板11側に配置された例を説明したが、これに限られず、図9に示すように記憶層15が参照層13よりも基板11側に配置されてもよい。図10に示す磁気抵抗素子30は、基板11上に、下部電極12、記憶層15、障壁層14、参照層13および上部電極16の順で積層される。そしてWマスク17Mを介して、上部電極16、参照層13、障壁層14および記憶層15が順次エッチングされることでセル化される。この場合、参照層13および障壁層14のエッチングについては上記第2のエッチング工程と同様なエッチング条件を採用することができ、記憶層15のエッチングについては上記第1のエッチング工程と同様なエッチング条件を採用することができる。
In the above embodiment, an example in which the
また以上の実施形態では、上部電極16及び記憶層15のエッチング工程(第1のエッチング工程)と、障壁層14及び参照層13のエッチング工程(第2のエッチング工程)とが別々に行われたが、これに代えて、一回のエッチング工程で各層のエッチングが行われてもよい。
In the above embodiment, the etching process (first etching process) of the
この場合、上部電極16及び記憶層15のエッチングガスには、アルゴンと塩素系ガスとの混合ガスを用い、基板温度は180℃、圧力は0.3[Pa]以上3[Pa]以下、基板バイアスは0.5[W/cm2]以上2.6[W/cm2]以下とすればよい。圧力が低いとスパッタ性が強くサブトレンチが入る傾向にあり、圧力が高いと形状がなだらかになる傾向があった。塩素系ガスの混合比は、アンテナパワーや圧力にもよるが、塩素系ガスの流量比が多いほどリアクティブにエッチングできる材料の選択比が上がり、形状が垂直になる傾向にあった。これらの条件を適宜最適化することで、リアクティブにエッチングが可能な材料と、スパッタ的にエッチングが可能な材料との中間的な条件を選択することができる。
In this case, a mixed gas of argon and a chlorine-based gas is used as the etching gas for the
さらに以上の実施形態では、上部電極16がTa膜で構成されたが、これに代えて、W膜で構成されてもよい。この場合、当該W膜を、記憶層、障壁層及び参照層のエッチングマスクとして使用することができる。
Further, in the above embodiment, the
10…磁気抵抗素子
11…基板
12…下部電極
13…参照層
14…障壁層
15…記憶層
16…上部電極
17M…Wマスク
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記積層体の上に、W膜からなるマスクを形成し、
塩素系ガスのプラズマを形成することで、前記マスクを介して前記記憶層をエッチングする
磁気抵抗素子の製造方法。 A reference layer including a first ferromagnetic film, a memory layer including a second ferromagnetic film, and the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film are disposed on the substrate. Forming a laminate having a barrier layer made of MgO,
Forming a mask made of a W film on the laminate;
A method of manufacturing a magnetoresistive element, wherein the memory layer is etched through the mask by forming plasma of a chlorine-based gas.
前記塩素系ガスとして、Cl2、BCl3、SiCl4の何れか一種又はこれらの混合ガスを用いる
磁気抵抗素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the magnetoresistive element according to claim 1,
A method for manufacturing a magnetoresistive element, wherein any one of Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 , or a mixed gas thereof is used as the chlorine-based gas.
前記記憶層をエッチングする工程は、さらに、前記基板にバイアス電圧を印加する
磁気抵抗素子の製造方法。 A method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 1 or 2,
The step of etching the storage layer further includes applying a bias voltage to the substrate.
前記基板にバイアス電圧を印加し、アルゴンと塩素系ガスとの混合ガスのプラズマを形成することで、前記マスクを介して前記障壁層と前記参照層とをエッチングする
磁気抵抗素子の製造方法。 The method of manufacturing a magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 3, further comprising:
A method of manufacturing a magnetoresistive element, wherein a bias voltage is applied to the substrate to form a plasma of a mixed gas of argon and a chlorine-based gas, thereby etching the barrier layer and the reference layer through the mask.
前記障壁層をエッチングする工程は、アルゴンイオンによるスパッタイオンエッチングで前記障壁層をエッチングする
磁気抵抗素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the magnetoresistive element according to claim 4,
The step of etching the barrier layer comprises etching the barrier layer by sputter ion etching using argon ions.
前記参照層は、前記第1の強磁性膜と貴金属膜とを少なくとも含み、
前記参照層をエッチングする工程は、
塩素系ガスによる反応性イオンエッチングで前記第1の強磁性膜をエッチングする工程と、
アルゴンイオンによるスパッタイオンエッチングで前記貴金属膜をエッチングする工程とを含む
磁気抵抗素子の製造方法。 It is a manufacturing method of the magnetoresistive element according to claim 4 or 5,
The reference layer includes at least the first ferromagnetic film and a noble metal film,
Etching the reference layer comprises:
Etching the first ferromagnetic film by reactive ion etching with a chlorine-based gas;
And a step of etching the noble metal film by sputter ion etching with argon ions.
前記積層体の上に、Taからなる電極層を形成し、
前記マスクを形成する工程は、
前記電極層の上にW膜を形成し、
前記W膜の上にレジストマスクを形成し、
フッ素系ガスのプラズマを形成することで、前記レジストマスクを介して前記W膜をエッチングする
磁気抵抗素子の製造方法。 A method of manufacturing a magnetoresistive element according to any one of claims 1 to 5, further comprising:
An electrode layer made of Ta is formed on the laminate,
The step of forming the mask includes
Forming a W film on the electrode layer;
Forming a resist mask on the W film;
A method of manufacturing a magnetoresistive element, wherein the W film is etched through the resist mask by forming a fluorine gas plasma.
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