JP4933728B2 - トンネル接合素子のエッチング加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）半導体デバイスや磁気記録ヘッドなどに用いられる、ＴＭＲ（Tunneling Magnetro-Resistive；トンネル磁気抵抗）やＭＴＪ（Metal Tunneling junction）等の、トンネルバリア層を有するトンネル接合素子のエッチング加工方法に関するものである。

ＭＲＡＭ半導体デバイスや磁気記録ヘッドなどには、ＴＭＲやＭＴＪなどと呼ばれるトンネルバリア層を有するトンネル接合素子が用いられている。
図６は、トンネル接合素子の側面断面図である。トンネル接合素子１０は、磁性層（固定層）１４、トンネルバリア層１５、磁性層（フリー層）１６等を順次積層したトンネル接合膜１０ａから形成される。このトンネルバリア層１５は、アルミナ等の電気絶縁性材料で構成されている。また、固定層１４の面内における磁化方向は一定に保持され、フリー層１６の面内における磁化方向は外部磁場の向きによって反転しうるようになっている。これら固定層１４およびフリー層１６の磁化方向が平行か反平行かによって、トンネル接合素子１０の抵抗値が異なるので、トンネル接合素子１０の厚さ方向に電圧を印加した場合に、トンネルバリア層１５を流れる電流の大きさが異なることになる（ＴＭＲ効果）。そこで、この電流値を検出することにより、「１」または「０」を読み出すことができるようになっている。また、フリー層１６と固定層１４との積層順序を逆にしている素子構造も多い。

このようなトンネル接合素子１０の形成は、トンネル接合膜１０ａをエッチングして、トンネルバリア層１５を貫通する所定パターンの凹部２０を形成することによって行う。そのエッチングには、Ａｒ等のイオンミリングや、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）等が採用されている。そのＲＩＥの反応ガスには、塩素ガス（Ｃｌ_２）、臭素ガス（Ｂｒ_２）、ヨウ素ガス（Ｉ_２）、フッ素ガス（Ｆ_２）や、それらの化合物ガスなど、ハロゲン系のガスが利用されている。
国際公開第ＷＯ０１／０８４５７０号パンフレット

しかしながら、トンネル接合膜１０ａをエッチングして凹部２０を形成すると、エッチングにより除去された磁性元素のハロゲン化合物を主体とする物質が、凹部２０の側壁に付着することになる。この付着物２２は導電性を有するので、電気絶縁性材料からなるトンネルバリア層１５のショートが発生するという問題がある。なお、上述したトンネルバリア層１５を流れる電流は微量であり、ＴＭＲ効果を利用するには、固定層１４とフリー層１６との間に大きな短絡電流が流れないことが前提となる。そのため、導電性付着物２２が存在するとトンネル接合素子１０として機能しなくなり、トンネル接合素子１０のエッチング加工において大きな課題となっている。

この付着物２２を取り除くため、特許文献１に示すように、酸素ガスによるアッシングや純水洗浄など、いろいろなエッチング後処理が試みられてきた。しかしながら、この付着物２２は、蒸気圧が低く水に難溶性な磁性元素のハロゲン化合物を主体としているため、上述した方法では必ずしも上手く除去できなかった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、トンネルバリア層のショートを防止することが可能な、トンネル接合素子のエッチング加工方法および装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のトンネル接合素子のエッチング加工方法は、トンネル接合膜のトンネルバリア層を貫通して、所定のパターンの凹部を形成する誘導結合方式の異方性ＲＩＥ工程と、前記凹部の側壁への付着物を除去する誘導結合方式の等方性ＲＩＥ工程と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、異方性ＲＩＥ工程において凹部の側壁に導電性物質が付着しても、等方性ドライエッチング工程においてその付着物を除去することが可能になる。これにより、トンネルバリア層のショートを防止することができる。

また、前記等方性ＲＩＥ工程は、圧力が１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の反応ガスおよびアルゴンガスを導入して行うことが望ましい。
この構成によれば、反応ガスの圧力に比例してラジカルの密度が高くなり、化学エッチ
ングが支配的となって、等方性ドライエッチングを効率的に行うことができる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
最初に、第１実施形態について説明する。
図２は、トンネル接合素子のエッチング加工方法の工程図である。第１実施形態に係るトンネル接合素子１０のエッチング加工方法は、（ｃ）トンネル接合膜１０ａのトンネルバリア層１５を貫通して所定パターンの凹部２０を形成する異方性ドライエッチング工程と、（ｄ）凹部２０の側壁への付着物（２２）を除去する等方性ドライエッチング工程とを有するものである。

（トンネル接合素子、ＭＲＡＭ）
図１（ａ）は、トンネル接合素子の側面断面図である。トンネル接合素子１０は、ＰｔＭｎやＩｒＭｎ等からなる反強磁性層（不図示）、ＮｉＦｅやＣｏＦｅ等からなる磁性層（固定層）１４、ＡｌＯ（アルミナ）等からなるトンネルバリア層１５、およびＮｉＦｅやＣｏＦｅ等からなる磁性層（フリー層）１６を主として構成されている。実際には、上記以外の機能層も積層されて、１５層程度の多層構造になっている。なお、トンネル接合素子１０の断面は、図１（ａ）に示すような長方形状に限られず、台形状であってもよい。また、フリー層の厚さを固定層の厚さより薄く形成すれば、膜厚差を利用した保磁力差型のトンネル接合素子を形成することができる。

図１（ｂ）は、トンネル接合素子を用いたＭＲＡＭの概略構成図である。ＭＲＡＭ１００は、ＭＯＳＦＥＴ１１０およびトンネル接合素子１０を、基板５上にマトリクス状に整列配置して構成されている。上述したトンネル接合素子１０の上端部はビット線１０２に接続され、その下端部はＭＯＳＦＥＴ１１０のソース電極またはドレイン電極に接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ１１０のゲート電極は、読み出し用ワード線１０４に接続されている。一方、トンネル接合素子１０の下方には、書き換え用ワード線１０６が配置されている。

図１に示すトンネル接合素子１０では、固定層１４の磁化方向は一定に保持され、フリー層１６の磁化方向は反転しうるようになっている。これら固定層１４およびフリー層１６の磁化方向が平行か反平行かによって、トンネル接合素子１０の抵抗値が異なるので、トンネル接合素子１０の厚さ方向に電圧を印加した場合に、トンネルバリア層１５を流れる電流の大きさが異なることになる（ＴＭＲ効果）。そこで、読み出し用ワード線１０４によりＭＯＳＦＥＴ１１０をＯＮにして、その電流値を測定することにより、「１」または「０」を読み出すことができるようになっている。
また、書き換え用ワード線１０４に電流を供給して、その周囲に磁場を発生させれば、フリー層１６の磁化方向を反転させることができる。これにより、「１」または「０」を書き換えることができるようになっている。

なお、固定層１４およびフリー層１６の磁化方向の組み合わせによるトンネル接合素子１０の抵抗値の差は、一般的に非常に小さくなる。この抵抗値の微差を検出するには、アルミナ等の電気絶縁性材料からなるトンネルバリア層１５の抵抗値を極力小さくする必要がある。そのため、トンネルバリア層１５の厚さは、酸化前の金属アルミニウムの厚さで８〜１２オングストロームと非常に薄く形成されている。

（トンネル接合素子のエッチング加工方法）
次に、トンネル接合膜をエッチングしてトンネル接合素子を形成する方法につき、図２を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、トンネル接合膜１０ａを形成する。このトンネル接合膜１０ａの形成は、スパッタ法等によって行うことが可能である。
次に、図２（ｂ）に示すように、トンネル接合膜１０ａの表面に、ＳｉＯ_２等からなるマスク９０を形成する。なおマスク９０の形成方法は省略する。

（異方性エッチング工程）
次に、図２（ｃ）に示すように、マスク９０を介してトンネル接合膜１０ａを異方性ドライエッチングし、トンネルバリア層１５を貫通する所定パターンの凹部２０を形成する。このエッチングは、以下に説明する第１エッチング装置において行う。

図３は、第１エッチング装置の概略構成図である。以下には、誘導結合方式（Inductive Coupling Plasma；ＩＣＰ）の反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）装置を例にして説明する。この第１エッチング装置６０は、チャンバ６１への反応ガスの供給手段と、チャンバ６１の内部ガスの排気手段とを備えている。また、チャンバ６１の外部上方にＲＦアンテナ６８が設けられ、そのＲＦアンテナ６８にプラズマ発生用ＲＦ電源６９が接続されている。さらに、チャンバ６１の内部下方に基板５を載置する電極６２が設けられ、その電極６２にバイアス印加用ＲＦ電源６３が接続されている。

そして、上記のようにトンネル接合膜およびマスクを形成した基板５を、第１エッチング装置６０におけるチャンバ６１内の電極６２上に載置する。次に、チャンバ６１内に反応ガスとしてＣｌ_２およびＡｒの混合ガスを導入する。そして、ＲＦアンテナ６８によりチャンバ６１内にプラズマを発生させ、トンネル接合膜のエッチングを開始する。そのエッチングプロセスの代表的な条件は、反応ガスの圧力が０．１〜１０Ｐａ、プラズマを発生させるためのＲＦアンテナ６８への投入電力が５００〜７００Ｗ、基板５に高周波バイアスを印加するための電極６２への投入電力が５０〜１００Ｗである。

チャンバ内に発生したプラズマにより、反応ガスのラジカルやイオン等が生成される。そして、電極６２により基板５に高周波バイアスを印加すれば、図２（ｃ）に示すように、生成されたイオンを加速してトンネル接合膜１０ａに衝突させることが可能になり、化学・物理エッチングが行われる。上述したエッチング条件では、この化学・物理エッチングが支配的となる。すなわち、主に基板の垂直方向にエッチングが行われ、横方向にはほとんど削れない、いわゆる異方性エッチングとなる。本実施形態における異方性エッチングは、ＲＩＥ装置を用いて行う異方性エッチングであり、「異方性ＲＩＥ」と呼ぶ。また、この異方性エッチングによる加工を主プロセスと呼ぶ。
この主プロセスにより、図２（ｃ）に示すように、マスク９０の開口部の下方に所定パターンの凹部２０が形成される。その後、マスク９０を除去する。

（等方性エッチング工程）
ここで、形成された凹部２０の側壁には、付着物２２が存在している。この付着物２２は、主プロセスによる副生成物であって、蒸気圧が低い磁性元素のハロゲン化合物等で構成されている。この化合物は導電性を有することから、電気絶縁性材料からなるトンネルバリア層のショートが発生し、トンネル接合素子が機能しなくなるおそれがある。

そこで、主プロセスに引き続き、この付着物を除去するための後処理プロセスを行う。この後処理プロセスでは、図３に示す第１エッチング装置６０を用いて、等方性ドライエッチングを行う。本実施形態における等方性ドライエッチングは、ＲＩＥ装置を用いて行う等方性エッチングであり、「等方性ＲＩＥ」と呼ぶ。具体的には、チャンバ６１に導入するＣｌ２およびＡｒの混合ガスの流量を増加させ、また排気手段におけるコンダクタンスバルブの開度を絞ることにより、チャンバ６１内の反応ガスの圧力を１００〜１０００Ｐａに高める。この状態でプラズマを発生させて、付着物のエッチングを行う。なお、プラズマを発生させるためのＲＦアンテナ６８への投入電力は５００〜７００Ｗでよいが、基板５には０〜３０Ｗの弱い高周波バイアスを印加する。

このエッチング条件では、反応ガスの圧力に比例してラジカルの密度が高くなり、化学エッチングが支配的となる。すなわち、垂直方向、横方向ともほぼ同じエッチング速度で削れる、いわゆる等方性エッチング加工となる。これにより、凹部側壁への付着物を除去することができる。なお、付着物の厚さは数ｎｍと極めて薄いため、エッチングによる再付着はほとんどなく、短時聞で除去することが可能である。したがって、図２（ｄ）に示す凹部２０の加工寸法への影響はほとんどない。

（純水リンス工程）
上述した後処理プロセスの後、トンネル接合膜１０ａの表面に吸着している残留塩素を除去するための純水リンスなど、通常のエッチング後処理を行う。以上により、トンネル接合素子１０が形成される。
なお、上述した主プロセスおよび後処理プロセスでは、反応ガスとしてＣｌ_２を用いたが、ＢＣｌ_３やＳｉＣｌ_４、ＢＩ_３、ＢＢｒ_３、ＨＢｒ、ＳｉＦ_４などのハロゲン系ガス若しくはこれらの混合ガス、またはこれらにＯ_２を加えた混合ガスなどを用いてもよい。このようなハロゲン系ガスを採用すれば、主プロセスによる副生成物の蒸気圧が比較的高くなり、凹部側壁への付着量を低減することができる。

以上に詳述したように、本実施形態のトンネル接合素子のエッチング加工方法では、トンネル接合膜のトンネルバリア層を貫通して所定パターンの凹部を形成する異方性ドライエッチング工程と、前記凹部の側壁への付着物を除去する等方性ドライエッチング工程とを有し、その等方性ドライエッチング工程は、比較的高圧の反応ガスを導入し、プラズマを発生させつつ高周波バイアスをごく弱く印加する構成とした。
この構成によれば、異方性ドライエッチング工程において凹部の側壁に導電性物質が付着しても、等方性ドライエッチング工程においてその付着物を除去することが可能になる。これにより、トンネルバリア層のショートを防止することができる。また、反応ガスの圧力に比例してラジカルの密度が高くなり、化学エッチングが支配的となって、等方性ドライエッチングを効率的に行うことができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。第２実施形態に係るトンネル接合素子のエッチング加工方法は、導入された塩素ガスに高圧水銀ランプから光を照射して等方性ドライエッチングを行う点で、プラズマを発生させて等方性ドライエッチングを行う第１実施形態と相違している。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図４は、第２実施形態で使用するトンネル接合素子の製造装置である。この製造装置５０には、基板搬入室５２からロードロック室５４を介して、真空保持された基板搬送室５６が設けられている。その搬送室５６の内部には、基板搬送手段（ロボット）５７が設けられている。そして、その搬送室５６の周囲には、上述した第１エッチング装置６０と、第２エッチング装置７０と、純水リンサー８０とが接続されている。これにより、基板を大気に晒すことなく工程間の搬送を行うことが可能になり、大気から水分を吸着することによる基板の腐食を防止することができるようになっている。なお、第２エッチング装置７０はロードロック室を介して搬送室５６に接続されていてもよい。また、ウエットプロセスとなる純水リンサー８０は、ロードロック室５８を介して搬送室５６に接続されている。

第２実施形態では、第１実施形態と同様に、まず第１エッチング装置６０において異方性ドライエッチングを行う。すなわち、第１エッチング装置６０により、トンネル接合膜のトンネルバリア層を貫通して所定パターンの凹部を形成する。次に、その基板を基板搬送手段５７により第１エッチング装置６０から取出し、搬送室５６を経て第２エッチング装置７０へと搬送する。

図５は、第２エッチング装置の概略構成図である。この第２エッチング装置７０では、チャンバ７１の外部上方に高圧水銀ランプ７８が設けられている。なお、チャンバ７１の天井面は、その高圧水銀ランプ７８からの光を透過しうるように構成されている。また、チャンバ７１の内部下方には、基板５を載置するテーブル７２が設けられている。なお、このテーブル７２にはバイアス印加用ＲＦ電源が接続されていない。さらに、チャンバ７１への反応ガスの供給手段と、チャンバ７１の内部ガスの排気手段とが設けられている。なお、チャンバ７１は内容量が極力小さくなるように扁平状に形成されている。これにより、真空ポンプの消費電力や反応ガスの消費量などを低減することができるようになっている。

第２実施形態では、この第２エッチング装置を用いて、凹部の側壁への付着物を等方性ドライエッチングにより除去する。まず、チャンバ７１内に反応ガスとしてＣｌ_２およびＡｒの混合ガスを導入し、その圧力を１００〜１００００Ｐａ程度に設定する。次に、その反応ガスに対して、高圧水銀ランプ７８の光を照射する。高圧水銀ランプ７８はＣｌ_２ガスの吸収波長である波長３３０ｎｍ近傍の光を照射するので、Ｃｌ_２ガスが励起されて塩素ラジカルが発生する。そして、その塩素ラジカルが側壁付着物に作用し、揮発性の塩化物が形成されてチャンバ７１から排出される。なお、塩素ラジカルの密度は反応ガスの密度に比例するため、反応ガスの圧力が高いほど効率的なエッチングを行うことができる。そして、このように高い反応ガス圧力の下では、等方性ドライエッチングが行われるので、凹部側壁への付着物を除去することができる。

その後、図４に示す基板搬送手段５７により基板を第１エッチング装置６０から取出し、搬送室５６からロードロック室５８を経て純水リンサー８０へと搬送する。この純水リンサー８０において、トンネル接合膜の表面に吸着している残留塩素などを除去する。以上により、トンネル接合素子が形成される。

以上に詳述したように、本実施形態のトンネル接合素子のエッチング加工方法では、塩素ガスを導入し、その塩素ガスに高圧水銀ランプから光を照射して、等方性ドライエッチングを行う構成とした。この構成によれば、高圧水銀ランプは塩素ガスの吸収波長である波長３３０ｎｍ近傍の光を照射するので、塩素ガスを励起してラジカルを発生させることができる。これにより、等方性ドライエッチングを簡単に行うことができる。

また、本実施形態のトンネル接合素子のエッチング加工装置では、異方性ドライエッチング装置と等方性ドライエッチング装置とをそれぞれ別個に設ける構成とした。この場合、一つの装置で一つのプロセスを実施すれば足りるので、プロセスの切り替えにともなって反応ガスの昇圧および減圧を繰り返す必要がなくなり、トンネル接合素子を効率的に加工することができる。
また、異方性ドライエッチング装置と等方性ドライエッチング装置とが、基板の真空搬送手段を介して接続されている構成とした。この構成によれば、基板を大気に晒すことなく、異方性ドライエッチング工程から等方性ドライエッチング工程へと基板を搬送することが可能になり、大気からの水分の吸着による基板の腐食等を防止することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、各実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

トンネル接合素子およびＭＲＡＭの概略構成図である。 トンネル接合素子のエッチング加工方法の説明図である。 第１エッチング装置の概略構成図である。 第２実施形態で使用するトンネル接合素子の製造装置である。 第２エッチング装置の概略構成図である。 導電性物質が付着したトンネル接合素子の説明図である。

符号の説明

１０ａ‥トンネル接合膜 １５‥トンネルバリア層 ２０‥凹部 ２２‥側壁付着物

Claims (2)

1. トンネル接合膜のトンネルバリア層を貫通して、所定のパターンの凹部を形成する誘導結合方式の異方性ＲＩＥ工程と、
   前記凹部の側壁への付着物を除去する誘導結合方式の等方性ＲＩＥ工程と、を有することを特徴とするトンネル接合素子のエッチング加工方法。
2. 前記等方性ＲＩＥ工程は、圧力が１００Ｐａ以上１０００Ｐａ以下の反応ガスおよびアルゴンガスを導入して行うことを特徴とする請求項１に記載のトンネル接合素子のエッチング加工方法。

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