JP2019009354A - Method for manufacturing magnetic resistance change element - Google Patents
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Abstract
Description
本願開示は、磁気抵抗変化素子の製造方法に関する。 The present disclosure relates to a method of manufacturing a magnetoresistance change element.
磁気抵抗変化メモリ(Magnetoresistive Random Access Memory:以下MRAM)に用いられる磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction:以下MTJ)素子は、固定磁化層、自由磁化層、及び両者の間に配置されたトンネル絶縁膜を含む。固定磁化層の磁化方向は固定されており、自由磁化層の磁化方向は可変である。MTJ素子の抵抗値は、自由磁化層の磁化方向と固定磁化層の磁化方向とが同一方向を向いている平行状態のときに低くなり、反対方向を向いている反平行状態のときに高くなる。平行状態と反平行状態とを、記憶データの0と1とにそれぞれ対応させてよい。 A magnetic tunnel junction (hereinafter referred to as MTJ) element used in a magnetoresistive random access memory (hereinafter referred to as MRAM) includes a fixed magnetic layer, a free magnetic layer, and a tunnel insulating film disposed therebetween. Including. The magnetization direction of the fixed magnetization layer is fixed, and the magnetization direction of the free magnetization layer is variable. The resistance value of the MTJ element is low when the magnetization direction of the free magnetic layer and the magnetization direction of the fixed magnetic layer are in the same parallel direction, and high when the antiparallel state is in the opposite direction. . The parallel state and the antiparallel state may be associated with 0 and 1 of the stored data, respectively.
MRAMは、書込み方法の観点から、書込み配線型とスピン注入型とに分類される。書き込み配線型においては、書き込み用ワード線に流れる電流によって発生する磁場により、自由磁化層の磁化方向が制御される。スピン注入型においては、MTJ素子に電流を流したときに発生するスピントランスファー効果により、自由磁化層の磁化方向が制御される。現在ではスピン注入型が主流となっている。これは、スピン注入型では書き込み配線が不要であり、この点が大容量化で必須となる微細化に有利であるからである。 MRAM is classified into a write wiring type and a spin injection type from the viewpoint of a writing method. In the write wiring type, the magnetization direction of the free magnetic layer is controlled by the magnetic field generated by the current flowing through the write word line. In the spin injection type, the magnetization direction of the free magnetic layer is controlled by a spin transfer effect generated when a current is passed through the MTJ element. Currently, the spin injection type is the mainstream. This is because a write wiring is unnecessary in the spin injection type, and this is advantageous for miniaturization which is essential for increasing the capacity.
スピン注入型において磁界反転に必要な電流量は、電流密度で決まっており、素子面積が小さいほど必要な反転電流量が小さくて済む。MTJ素子を微細化することにより、動作電流を低減でき、またメモリ容量を増大できるため、微細化のための研究開発が精力的に行われている。 In the spin injection type, the amount of current required for magnetic field reversal is determined by the current density. The smaller the element area, the smaller the amount of necessary reversal current. By miniaturizing the MTJ element, the operating current can be reduced and the memory capacity can be increased. Therefore, research and development for miniaturization has been energetically performed.
微細なMTJ素子を高い精度で形成するためには、微細なレジストパターンを高い精度で形成することが必要になる。しかしMTJ素子は各素子が孤立したピラー形状であるため、レジストパターンも各点が孤立したピラー形状となる。各点が孤立したピラー形状のレジストパターンでは、サイズが小さくなる程、パターン倒れや解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の問題が顕著になってしまう。その結果、製造される磁気抵抗変化素子の歩留りの低下や特性バラつき等が問題となる。 In order to form a fine MTJ element with high accuracy, it is necessary to form a fine resist pattern with high accuracy. However, since the MTJ element has a pillar shape in which each element is isolated, the resist pattern also has a pillar shape in which each point is isolated. In a pillar-shaped resist pattern in which each point is isolated, problems such as pattern collapse and variation in pattern dimensions due to a resolution limit become more noticeable as the size decreases. As a result, there are problems such as a decrease in yield and characteristic variation of the manufactured magnetoresistive change element.
以上を鑑みると、精度良くMTJ素子を加工できる磁気抵抗変化素子の製造方法が望まれる。 In view of the above, a method for manufacturing a magnetoresistive change element capable of processing an MTJ element with high accuracy is desired.
磁気抵抗変化素子の製造方法は、上から順に第1ハードマスク膜、第2ハードマスク膜、及び第3ハードマスク膜を有する3層構造のハードマスク膜を磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成し、第1方向に延びる複数の第1平行ラインを有する第1レジストパターンを前記第1ハードマスク膜の上に形成し、前記第1レジストパターンをマスクとして前記第1ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第1方向に延びる複数の平行ラインを有する第1ハードマスクパターンを形成し、前記第1ハードマスクパターン及び前記第2ハードマスク膜の上に前記第1方向と垂直な第2方向に延びる複数の第2平行ラインを有する第2レジストパターンを形成し、前記第2レジストパターンをマスクとして前記第1ハードマスクパターンと前記第2及び第3ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第1平行ラインと前記第2平行ラインとの交点にのみ残った前記第1乃至第3ハードマスク膜の少なくとも1つにより形成される島状のハードマスクを形成し、前記島状のハードマスクの位置以外の領域において前記上部電極及び前記磁気トンネル接合層をエッチングにより除去する各段階を含む。 A magnetoresistive change element manufacturing method includes: a hard mask film having a three-layer structure including a first hard mask film, a second hard mask film, and a third hard mask film in order from the top on an upper electrode of a magnetic tunnel junction layer. Forming a first resist pattern having a plurality of first parallel lines extending in a first direction on the first hard mask film, and etching the first hard mask film using the first resist pattern as a mask; Thus, a first hard mask pattern having a plurality of parallel lines extending in the first direction is formed, and a second direction perpendicular to the first direction is formed on the first hard mask pattern and the second hard mask film. Forming a second resist pattern having a plurality of second parallel lines extending to the first hard mask pattern using the second resist pattern as a mask By etching the second and third hard mask films, the second and third hard mask films are formed by at least one of the first to third hard mask films remaining only at the intersections of the first parallel lines and the second parallel lines. Each step includes forming an island-shaped hard mask and removing the upper electrode and the magnetic tunnel junction layer by etching in a region other than the position of the island-shaped hard mask.
少なくとも1つの実施例によれば、精度良くMTJ素子を加工できる磁気抵抗変化素子の製造方法が提供される。 According to at least one embodiment, there is provided a method for manufacturing a magnetoresistive change element capable of processing an MTJ element with high accuracy.
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。なお以下の素面において、同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following elements, the same or corresponding components are referred to by the same or corresponding numbers, and the description thereof is omitted as appropriate.
図1は、磁気抵抗変化素子の製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。図1に示す製造方法により磁気抵抗変化素子を製造するにあたり、まず磁気トンネル接合層を含む磁気抵抗変化素子の構成要素となる各層が積層された積層構造を準備する。次にステップS10において、上から順に第1ハードマスク膜、第2ハードマスク膜、及び第3ハードマスク膜を有する3層構造のハードマスク膜を磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成する。 FIG. 1 is a flowchart showing an example of an embodiment of a method for manufacturing a magnetoresistance change element. In manufacturing a magnetoresistive change element by the manufacturing method shown in FIG. 1, first, a laminated structure in which layers constituting the magnetoresistive change element including the magnetic tunnel junction layer are laminated is prepared. Next, in step S10, a three-layer hard mask film having a first hard mask film, a second hard mask film, and a third hard mask film is formed on the upper electrode of the magnetic tunnel junction layer in order from the top.
図2は3層構造のハードマスク膜が磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成された積層構造の一例を示す図である。図2(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図2(b)は図2(a)の線2A−2Aに沿ってとった積層構造の断面図である。
FIG. 2 is a view showing an example of a laminated structure in which a three-layer hard mask film is formed on the upper electrode of the magnetic tunnel junction layer. FIG. 2A is a plan view of the top surface of the multilayer structure as viewed from above, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the multilayer structure taken along
図2(b)に示される積層構造は、シリコン基板1、シリコン酸化膜2、下部電極3、MTJ層4、上部電極5、第3ハードマスク膜6、第2ハードマスク膜7、及び第1ハードマスク膜8を含む。シリコン基板1は、その上にMTJ素子及び電極等の回路要素が形成される板状の部材である。
2B includes a
シリコン基板1の上面には、シリコン酸化膜2が形成されている。シリコン酸化膜2を形成するためには、シリコン基板1の表面に熱酸化によりシリコン酸化膜2を成長させてもよいし、或いはシリコン基板1の表面にCVP(Chemical Vapor Deposition:以下CVD)法等によりSiO2を堆積させてもよい。
A
シリコン酸化膜2の上には、下部電極3が形成されている。下部電極3としては、タンタル(Ta)層、ルテニウム(Ru)層、タンタル(Ta)層をこの順番でスパッタ法により形成してよい。タンタル(Ta)層、ルテニウム(Ru)層、及びタンタル(Ta)層は、例えばそれぞれ5nm、20nm、及び15nmの厚さであってよい。最下部のタンタル層は、RuとSiO2との密着性が悪いため、密着させるためにRuとSiO2との間に設ける密着層である。ルテニウム層は、下部電極3の抵抗値を下げるために設けられる層である。最上部のタンタル層は、下部電極3の上面に設けられるMTJ素子を加工する際のエッチングストッパー層である。
A
下部電極3の上には、MTJ層4が形成されている。このMTJ層4としては、固定磁化層、絶縁層、及び自由磁化層をこの順番に形成してよい。MTJ素子の各層である固定磁化層、絶縁層、及び自由磁化層はスパッタ法で形成してよい。固定磁化層は、例えばCoFeB(コバルト鉄ボロン)で形成された厚さ1nmの層であってよい。絶縁層は、例えばMgOで形成された厚さ0.8nmの層であってよい。自由磁化層は、例えばCoFeBで形成された厚さ1.5nmの層であってよい。
An MTJ layer 4 is formed on the
MTJ層4の上には、上部電極層5が形成されている。この上部電極層5としては、タンタル層、ルテニウム層、及びタンタル層をこの順番に形成してよい。タンタル層、ルテニウム層、及びタンタル層は、それぞれ膜厚が例えば1nm、5nm、及び120nmであってよい。
An
前述のように、図1のステップS10において、第3ハードマスク膜6、第2ハードマスク膜7、及び第1ハードマスク膜8が上部電極層5の上にこの順番で形成される。これらのハードマスク膜はCVD法により堆積してもよいし、スパッタ法により堆積してもよい。
As described above, in step S <b> 10 of FIG. 1, the third
第3ハードマスク膜6は酸化シリコン(SiO2)であってよい。但し第3ハードマスク膜6は酸化シリコン(SiO2)に限定されるものではなく、例えば窒化シリコン(SiN)であってもよい。第2ハードマスク膜7はポリシリコンであってよい。但し第2ハードマスク膜7はポリシリコンに限定されるものではなく、例えばシリコンカーバイド(SiC)又はカーボン(C)であってもよい。第1ハードマスク膜8は酸化シリコン(SiO2)であってよい。但し第1ハードマスク膜8は酸化シリコン(SiO2)に限定されるものではなく、例えば窒化シリコン(SiN)であってもよい。これらの材料を用いることにより、後述する第2ハードマスク膜7のエッチングストッパとしての機能及び第3ハードマスク膜6の密着層としての機能を適宜実現することができる。
The third
図1に戻り、ステップS11において、第1方向に延びる複数の第1平行ラインを有する第1レジストパターンを第1ハードマスク膜8の上に形成する。
Returning to FIG. 1, in step S <b> 11, a first resist pattern having a plurality of first parallel lines extending in the first direction is formed on the first
図3は、図2に示す積層構造の上に第1レジストパターンが形成された状態を示す図である。図3(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図3(b)は図3(a)の線3A−3Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
FIG. 3 is a view showing a state in which a first resist pattern is formed on the laminated structure shown in FIG. FIG. 3A is a plan view of the upper surface of the laminated structure as viewed from above, and FIG. 3B shows the laminated structure taken along
図3(a)及び(b)に示されるように、第1ハードマスク膜8の上面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、第1レジストパターン9を第1ハードマスク膜8の上面に形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。第1ハードマスク膜8は第1方向(図面横方向)に延びる互いに平行な複数のラインを含み、各ライン(第1平行ライン)の幅は形成する磁気抵抗変化素子の直径に相当する大きさであってよい。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the first resist
露光工程で形成する第1レジストパターン9はライン形状であるため、各点が孤立したピラー形状のレジストパターンと異なり、パターン倒れの危険が少なく、また解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の影響を受けにくい。このように制御性がよいライン形状の第1レジストパターン9を用いることにより、以下のエッチング工程におけるパターン転写を安定的に高い精度で実行することが可能となる。
Since the first resist
図1に戻り、ステップS12において、第1レジストパターン9をマスクとして第1ハードマスク膜8をエッチングすることにより、第1方向に延びる複数の平行ラインを有する第1ハードマスクパターンを形成する。即ち、第1レジストパターン9の平行ライン形状のパターンを第1ハードマスク膜8に転写する。
Returning to FIG. 1, in step S12, the first
この第1ハードマスク膜8をエッチングする工程においては第2ハードマスク膜7をエッチングストッパとして用いる。第2ハードマスク膜7をエッチングストッパとして用いることにより、第1ハードマスクパターンの厚さ(高さ)を適切な厚さ(即ち第1ハードマスク膜8の厚さに略等しい厚さ)に制御することが容易となる。第1ハードマスクパターンを適切な厚さに制御することにより、後述の第2レジストパターンを安定的に精度よく形成することが可能となる。
In the step of etching the first
このときのエッチングは反応性イオンエッチングであってよい。エッチングガスは、第1ハードマスク膜8を効率的に除去でき、且つ第1ハードマスク膜8と第2ハードマスク膜7との選択比が大きくなるようなエッチングガスとして、フッ素系のガスであってよい。そのようなガスとしては、例えばCF4、CHF3、CF4とArとの混合ガス、CHF3とArとの混合ガス等が挙げられる。このときの選択比としては5以上であることが好ましい。
The etching at this time may be reactive ion etching. The etching gas is a fluorine-based gas as an etching gas that can efficiently remove the first
図4は、第1ハードマスク膜8をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図4(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図4(b)は図4(a)の線4A−4Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
FIG. 4 is a diagram showing a stacked structure in a state after the first
図4(a)及び(b)に示されるように、第1レジストパターン9で覆われていない部分の第1ハードマスク膜8がエッチングにより除去されることにより、第1レジストパターン9の下に第1ハードマスクパターン8Lが形成される。即ち、第1レジストパターン9の平行ラインパターンの下側においてのみ第1ハードマスク膜8が残存し、この残存した第1ハードマスク膜8が第1ハードマスクパターン8Lとなる。この平行ラインパターンである第1ハードマスクパターン8Lが存在する位置以外の領域においては、第2ハードマスク膜7が最上層となっている。
As shown in FIGS. 4A and 4B, the portion of the first
なお第2ハードマスク膜7の下層に設けた第3ハードマスク膜6は、上部電極層5及び第2ハードマスク膜7と密着する性質を有する材料により形成される。仮に第3ハードマスク膜6を設けずに第2ハードマスク膜7を直接に上部電極層5の上面に形成した場合、第2ハードマスク膜7が容易に上部電極層5から剥離してしまう可能性がある。第3ハードマスク膜6を上部電極層5と第2ハードマスク膜7との間に設けることにより、第2ハードマスク膜7の密着性を向上させることができる。
The third
図1に戻り、ステップS13において、第1レジストパターン9をアッシング又は有機系溶剤により除去する。この際、第2ハードマスク膜7がポリシリコンの場合、反応ガスとして酸素を用いたアッシングを行ってよい。第2ハードマスク膜7がシリコンカーバイト又はカーボンの場合、有機系溶剤を剥離液として用いた剥離処理を行ってよい。
Returning to FIG. 1, in step S13, the first resist
図5は、第1レジストパターン9を除去した後の状態の積層構造を示す図である。図5(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図5(b)は図5(a)の線5A−5Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。図5(a)及び(b)に示されるように、第1レジストパターン9が除去されることにより、平行ライン形状を有する第1ハードマスクパターン8Lのみが第2ハードマスク膜7の上面に形成された状態となっている。
FIG. 5 is a view showing the laminated structure in a state after the first resist
図1に戻り、ステップS14において、第1ハードマスクパターン8L及び第2ハードマスク膜7の上に前記第1方向と垂直な第2方向に延びる複数の第2平行ラインを有する第2レジストパターンを形成する。
Returning to FIG. 1, in step S14, a second resist pattern having a plurality of second parallel lines extending in a second direction perpendicular to the first direction is formed on the first
図6は、積層構造の上に第2レジストパターンが形成された状態を示す図である。図6(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図6(b)は図6(a)の線6A−6Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating a state in which the second resist pattern is formed on the laminated structure. 6A is a plan view of the upper surface of the laminated structure as viewed from above, and FIG. 6B shows the laminated structure taken along line 6A-6A in FIG. FIG.
図6(a)及び(b)に示されるように、第1ハードマスクパターン8L及び第2ハードマスク膜7の上面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、第2レジストパターン10を形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。第2レジストパターン10は第2方向(図面縦方向)に延びる互いに平行な複数のラインを含み、各ライン(第2平行ライン)の幅は形成する磁気抵抗変化素子の直径に相当する大きさであってよい。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the photoresist layer formed on the upper surfaces of the first
露光工程で形成する第2レジストパターン10はライン形状であるため、各点が孤立したピラー形状のレジストパターンと異なり、パターン倒れの危険が少なく、また解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の影響を受けにくい。このように制御性がよいライン形状の第2レジストパターン10を用いることにより、後続するエッチング工程におけるパターン転写を安定的に高い精度で実行することが可能となる。
Since the second resist
なお第2レジストパターン10を安定的に精度よく形成するためには、露光処理において形成面の凹凸が無視できる程の高さであること、即ち第1ハードマスクパターン8Lの高さが無視できる程の高さであることが好ましい。前述のように、第1ハードマスクパターン8Lの厚さは厚くなりすぎないように適切に制御されているので、第2レジストパターン10を形成する際に第1ハードマスクパターン8Lの存在が障害となることはない。特に、後述のようにフォトレジスト層の下側に充分な厚さのパーク層を設けるようにすれば、第2レジストパターン10の形成における第1ハードマスクパターン8Lの厚さを実質的に無視することが可能となる。
In addition, in order to form the second resist
図1に戻り、ステップS15において、第2レジストパターン10をマスクとして第1ハードマスクパターン8Lと第2及び第3ハードマスク膜7及び6をエッチングする。これにより、前記第1平行ラインと前記第2平行ラインとの交点にのみ残った第1乃至第3ハードマスク膜8,7,及び6の少なくとも1つにより形成される島状のハードマスクを形成する。
Returning to FIG. 1, in step S15, the first
このエッチング工程においては上部電極層5をエッチングストッパとして用いる。エッチングは反応性イオンエッチングであってよい。エッチングガスは、例えばCF4、CHF3、CF4とArとの混合ガス、CHF3とArとの混合ガス等であってよい。このときの選択比としては5以上であることが好ましい。
In this etching process, the
図7は、第1ハードマスクパターン8Lと第2及び第3ハードマスク膜7及び6をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図7(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図7(b)は図7(a)の線4A−4Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
FIG. 7 is a diagram showing a stacked structure after the first
図7(a)及び(b)に示されるように、第2レジストパターン10と第1ハードマスクパターン8Lとの交点(図6(a)参照)以外の部分において、第1ハードマスクパターン8L、第2ハードマスク膜7、及び第3ハードマスク膜6が除去される。これにより、第1ハードマスク膜8の残留部分である第1ハードマスク8P、第2ハードマスク膜7の残留部分である第2ハードマスク7P、及び第3ハードマスク膜6の残留部分である第3ハードマスク6Pを含む島状のハードマスク20Pが形成される。ハードマスク20Pは、複数の第1平行ラインと複数の第2平行ラインとの交点にのみ形成された、各点が孤立した島状の形状を有する。島状のハードマスク20Pが存在する位置以外の領域においては、第1ハードマスク膜8、第2ハードマスク膜7、及び第3ハードマスク膜6が除去され、上部電極層5が積層構造の最上層となっている。
As shown in FIGS. 7A and 7B, at portions other than the intersection (see FIG. 6A) between the second resist
図7(a)及び(b)に示す例では、第2レジストパターン10がハードマスク20Pの上部に残存している状態を示しているが、図1のステップS15におけるエッチングを終了した段階では、第2レジストパターン10は完全に除去されていてよい。複数の第1平行ラインと複数の第2平行ラインとの交点以外の位置において第2レジストパターン10は除去されることを想定しているので、交点の位置においても当然に第2レジストパターン10は除去されてしまっていてよい。
In the example shown in FIGS. 7A and 7B, the second resist
また図6(a)に示されるライン形状の第2レジストパターン10のうち、交点以外の部分については、図7(a)に示されるようにその下部に位置する第1乃至第3のハードマスク膜8乃至6がエッチングの進行により完全に除去されることを想定している。従って、そのようなエッチングの進行によって、交点の位置においても第1乃至第3のハードマスク膜8乃至6の一部が除去される結果となってもよい。例えば、交点の位置においても第1ハードマスク膜8の一部が除去されて、ハードマスク20Pには第1ハードマスク8Pの一部と、第2ハードマスク7Pと、第3ハードマスク6Pとが含まれてもよい。或いは例えば第1ハードマスク膜8は完全に除去されて、ハードマスク20Pには第2ハードマスク7P及び第3ハードマスク6Pのみが含まれてもよい。或いは例えば第1ハードマスク膜8の全体と第2ハードマスク膜7の一部とが除去されて、ハードマスク20Pには第2ハードマスク7Pの一部及び第3ハードマスク6Pのみが含まれてもよい。或いは例えば第1ハードマスク膜8と第2ハードマスク膜7とが完全に除去されて、ハードマスク20Pには第3ハードマスク6Pのみが含まれてもよい。
Further, in the second resist
図1に戻り、ステップS16において、第2レジストパターン10をアッシング又は有機系溶剤により除去する。この工程は、第2レジストパターン10がエッチング後に残留している場合にのみ実行すればよい。また、第2レジストパターン10がエッチング後に残留している場合であっても、この工程を必ずしも実行しなくともよい。
Returning to FIG. 1, in step S16, the second resist
図8は、第2レジストパターン10を除去した後の状態の積層構造を示す図である。図8(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図8(b)は図8(a)の線8A−8Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。図8(a)及び(b)に示されるように、第2レジストパターン10が除去されることにより、各点が独立した形状である島状のハードマスク20Pのみが上部電極層5の上面に形成された状態となっている。
FIG. 8 is a view showing the laminated structure in a state after the second resist
図1に戻り、ステップS17において、ハードマスク20Pをマスクとして上部電極層5をエッチングすることにより、各点が孤立した島状の形状を有する金属材料ハードマスクを形成する。即ち、島状のハードマスク20Pの位置以外の領域において上部電極層5をエッチングして除去することにより、ハードマスク20Pの島状のパターンを上部電極層5に転写する。
Returning to FIG. 1, in step S <b> 17, the
この上部電極層5をエッチングする工程においてはMTJ層4の最上層がエッチングストッパとして用いられる。このときのエッチングは、例えばCF4、CHF3、CF4とArとの混合ガス、CHF3とArとの混合ガス等をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングであってよい。このときの選択比としては例えば10以上であってよい。
In the step of etching the
図9は、上部電極層5をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図9(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図9(b)は図9(a)の線9A−9Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
FIG. 9 is a diagram showing a stacked structure after the
図9(a)及び(b)に示されるように、ハードマスク20Pで覆われていない部分の上部電極層5がエッチングにより除去されることにより、ハードマスク20Pの下側に金属ハードマスク5Pが形成される。即ち、ハードマスク20Pの島状のパターンの下側においてのみ上部電極層5が残存し、この残存した上部電極層5が金属ハードマスク5Pとなる。この金属ハードマスク5Pが存在する位置以外の領域においては、MTJ層4が積層構造の最上層となっている。
As shown in FIGS. 9A and 9B, a portion of the
なお図9(a)及び(b)に示す例においては、エッチング終了時には、ハードマスク20Pのうち第3ハードマスク6Pに相当する部分のみが残っている状態を示している。この時に残存するハードマスク20Pの部位については、この例に限定されるものではない。
In the example shown in FIGS. 9A and 9B, only the portion corresponding to the third
図1に戻り、ステップS18において、金属ハードマスク5P(及び残存しているハードマスク20P)をマスクとしてMTJ層4をエッチングすることにより、ピラー形状のMTJ素子を形成する。即ち、島状のハードマスク20P(及び金属ハードマスク5P)の位置以外の領域においてMTJ層4をエッチングにより除去し、金属ハードマスク5Pの島状のパターンをMTJ層4に転写する。
Returning to FIG. 1, in step S18, the MTJ layer 4 is etched using the metal
このMTJ層4をエッチングする工程においては下部電極3がエッチングストッパとして用いられる。このときの選択比としては例えば5以上であってよい。エッチングは反応性イオンエッチングであってよい。エッチングガスとしては、MTJ層4の材料であるCoFeB及びMgOと反応するガスであればよく、例えばエタノール系のガスをエッチングガスとして用いてよい。また或いは、COとNH3との混合ガス又はCH3OHをエッチングガスとして用いてもよい。
In the step of etching the MTJ layer 4, the
図10は、MTJ層4をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図10(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図10(b)は図10(a)の線10A−10Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
FIG. 10 is a view showing a stacked structure after the MTJ layer 4 is selectively removed by etching. FIG. 10A is a plan view of the upper surface of the laminated structure as viewed from above, and FIG. 10B shows the laminated structure cut along the
図10(a)及び(b)に示されるように、金属ハードマスク5Pで覆われていない部分のMTJ層4がエッチングにより除去されることにより、金属ハードマスク5Pの下側にMTJ素子4Pが形成される。即ち、金属ハードマスク5Pの島状のパターンの下側においてのみMTJ層4が残存し、この残存したMTJ層4がMTJ素子4Pとなる。このMTJ素子4Pが存在する位置以外の領域においては、下部電極3が積層構造の最上層となっている。なお図10(a)及び(b)に示す例においては、エッチング終了時には、金属ハードマスク5Pに相当する部分のみが残っている状態を示している。例えば図9(a)及び(b)の状態でまだ残っている第3ハードマスク6Pは磁気抵抗変化素子の構成要素ではないので、図10(a)及び(b)に示す状態では完全に除去されていることが好ましい。即ち図10(a)及び(b)に示す状態では、MTJ素子4Pの上部には磁気抵抗変化素子の構成要素である上部電極(金属ハードマスク5P)のみが残っている状態であることが好ましい。
As shown in FIGS. 10A and 10B, the portion of the MTJ layer 4 not covered with the metal
以上により、下部電極3の上にピラー形状のMTJ素子4P及び上部電極5Pが形成された磁気抵抗変化素子が得られる。図10(a)の例では図示の便宜上、縦横2個ずつで合計4個のMTJ素子4Pが形成されているが、実際には多数のMTJ素子4Pを縦横に配置することにより、所望の記憶容量を有した磁気抵抗変化素子の2次元マトリクスを形成してよい。
As described above, a magnetoresistive change element in which the pillar-shaped
上述の磁気抵抗変化素子の製造方法においては、露光により形成する第1レジストパターン9及び第2レジストパターン10が双方共にライン形状である。従って、各点が孤立したピラー形状のレジストパターンの場合と異なり、パターン倒れの危険が少なく、また解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の影響を受けにくい。これにより、エッチング工程におけるパターン転写を安定的に高い精度で実現することが可能となる。
In the above-described method of manufacturing a magnetoresistive change element, both the first resist
前述のように、第2レジストパターン10を安定的に精度よく形成するためには、露光処理において形成面の凹凸が無視できる程の高さであるこが好ましい。以下に説明するように、フォトレジスト層の下側に充分な厚さのパーク層を設けるようにすれば、第2レジストパターン10の形成における第1ハードマスクパターン8Lの厚さを実質的に無視することが可能となる。
As described above, in order to stably and accurately form the second resist
図11は、下地層として形成されたバーク層の上に第2レジストパターン10を形成した状態を示す図である。図11(a)は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図11(b)は図11(a)の線11A−11Aに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a state in which the second resist
図1のステップS14において、第1ハードマスクパターン8L及び第2ハードマスク膜7の上に複数の第2平行ラインを有する第2レジストパターンを形成する際、図11に示すようにバーク層30を下地層として形成してよい。具体的には、第2レジストパターン10を形成する工程は、第1ハードマスク膜8の膜厚以上の厚さのバーク膜30を形成し、バーク膜30の上に第2レジストパターン10を形成してよい。なお図11においては、第1ハードマスクパターン8Lとバーク層30との厚さの関係を見やすくするために、積層構造の配置方向が図6とは異なっており、第2レジストパターン10の各平行ラインが図面横方向に延びる配置状態での積層構造を示してある。
When forming a second resist pattern having a plurality of second parallel lines on the first
図11(b)に示されるように、バーク層30の膜厚は第1ハードマスクパターン8Lの厚さ(高さ)よりも厚く、バーク層30が第1ハードマスクパターン8Lを覆い込むように形成される。このためバーク層30の上面は第1ハードマスクパターン8Lの影響を受けることがなく、凹凸の無い略フラットな平面となる。従って、バーク層30の上面に第2レジストパターン10を形成する際には、適切な露光処理が可能となり、精度の高い第2レジストパターン10を形成することができる。
As shown in FIG. 11B, the thickness of the
図12は、バーク層30の構成の一例を示す図である。バーク層30は、上層としてのSOG(Spin on Glass)膜31及び下層としてのSOC(Spin on Carbon)膜32を含む。
FIG. 12 is a diagram illustrating an example of the configuration of the
SOG膜31は、主成分はSiO2であってよく、添加物として密着性改善のためのメチルシルセスキオキサン、光酸発生剤、露光性能改善のための感光性樹脂組成物、及び反射防止膜剤を含んでよい。SOG膜31はレジスト膜厚を薄膜化する機能と共に反射防止膜としての機能を有する。SOC膜32は、主成分は炭素であってよい。SOC膜32は段差を平坦化する機能と共に反射防止膜としての機能を有する。またSOC膜32はハードマスクとしての役割も担ってよい。
The main component of the
図2を参照して説明したように、図1のステップS10において、上部電極層5の上に第3ハードマスク膜6、第2ハードマスク膜7、及び第3ハードマスク膜6を形成する。このときの第1ハードマスク膜8の膜厚としては、第1ハードマスクパターン8Lの段差が上記のような構造を有するバーク層30により平坦化可能であるような厚さとすることが好ましい。
As described with reference to FIG. 2, in step S <b> 10 of FIG. 1, the third
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible within the range as described in a claim.
1 シリコン基板
2 シリコン酸化膜
3 下部電極
4 MTJ層
5 上部電極層
6 第3ハードマスク膜
7 第2ハードマスク膜
8 第1ハードマスク膜
9 第1レジストパターン
10 第2レジストパターン
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第1方向に延びる複数の第1平行ラインを有する第1レジストパターンを前記第1ハードマスク膜の上に形成し、
前記第1レジストパターンをマスクとして前記第1ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第1方向に延びる複数の平行ラインを有する第1ハードマスクパターンを形成し、
前記第1ハードマスクパターン及び前記第2ハードマスク膜の上に前記第1方向と垂直な第2方向に延びる複数の第2平行ラインを有する第2レジストパターンを形成し、
前記第2レジストパターンをマスクとして前記第1ハードマスクパターンと前記第2及び第3ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第1平行ラインと前記第2平行ラインとの交点にのみ残った前記第1乃至第3ハードマスク膜の少なくとも1つにより形成される島状のハードマスクを形成し、
前記島状のハードマスクの位置以外の領域において前記上部電極及び前記磁気トンネル接合層をエッチングにより除去する
各段階を含む磁気抵抗変化素子の製造方法。 A three-layer hard mask film having a first hard mask film, a second hard mask film, and a third hard mask film is formed on the upper electrode of the magnetic tunnel junction layer from the top,
Forming a first resist pattern having a plurality of first parallel lines extending in a first direction on the first hard mask film;
Etching the first hard mask film using the first resist pattern as a mask to form a first hard mask pattern having a plurality of parallel lines extending in the first direction;
Forming a second resist pattern having a plurality of second parallel lines extending in a second direction perpendicular to the first direction on the first hard mask pattern and the second hard mask film;
By etching the first hard mask pattern and the second and third hard mask films using the second resist pattern as a mask, the first hard line remaining only at the intersection of the first parallel line and the second parallel line. Forming an island-shaped hard mask formed of at least one of the first to third hard mask films;
A method of manufacturing a magnetoresistive change element, comprising: removing each of the upper electrode and the magnetic tunnel junction layer by etching in a region other than the position of the island-shaped hard mask.
前記第1ハードマスク膜の膜厚以上の厚さのバーク膜を形成し、
前記バーク膜の上に前記第2レジストパターンを形成する
段階を含む請求項1乃至4いずれか一項記載の磁気抵抗変化素子の製造方法。
The step of forming the second resist pattern includes:
Forming a bark film having a thickness equal to or greater than the thickness of the first hard mask film;
5. The method of manufacturing a magnetoresistive change element according to claim 1, further comprising forming the second resist pattern on the bark film.
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