JP5875723B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理方法に係り、特に磁性膜のエッチング方法に関するものである。

近年、ハードディスクドライブの大容量化に対応するため、巨大磁気抵抗（Giant Magneto Resistive：ＧＭＲ）技術からトンネリング磁気抵抗（tunneling magneto resistive
：ＴＭＲ）技術へ移行し、面記録密度の高密度化が急速に進んでいる。それに伴い、ハードディスクドライブに使用される磁気ヘッドは微細化が必要になり、磁気ヘッドの微細加工技術が求められている。そのため、磁気ヘッドの製造装置においても、イオンミリング装置からドライエッチング装置の適用が進められている。

磁気ヘッドを構成する磁性膜は、ＮｉＦｅ膜，ＣｏＦｅ膜，ＣｏＮｉＦｅ膜等の磁性膜の不揮発性材料が使用されている。しかし、これら不揮発性材料は揮発性が非常に低いため、速いエッチング速度や垂直形状が得られにくく微細加工が難しい。また、エッチング時に発生する反応生成物が処理室内の内壁に付着しエッチング性能の経時変化が発生しやすい。

このような不揮発性材料である磁性膜に対するドライエッチング技術の状況で、微細加工を実現するため、エッチングに使用するエッチングガスや磁性膜をエッチングする際のマスク材料などが種々検討されている。例えば、特許文献１によれば、磁性膜のエッチングガスにアルコールを用いることによりマスク材に対して高い選択比が得られていることが開示され、特許文献２には、磁性膜のエッチングガスに、ＮＨ₃とＣＯが用いられていることが開示されているが、これらの手法ではエッチング速度が遅いため、生産性に乏しい。また、通常不揮発性膜のエッチングガスとして、アルコール，ＮＨ₃，ＣＯは通常、使用されていないため、これらのガスを使用する際にはガス漏洩検知器や除害設備等の安全設備を新設する必要が生じ、コストがかかる。このため、通常、使用される塩素ガスをベースに、１００ｎｍ以上の磁性膜をドライエッチングする手法として、特許文献３には、塩化された状態での沸点が磁性膜の塩化物の沸点に比べ高い材料をマスク材料として磁性膜をドライエッチングする方法が開示されている。

特開２００５−４２１４３号公報 特開平１１−９２９７１号公報 特開２０１０−４９７６１号公報

具体的には、厚さが２５０ｎｍ程度の磁性膜のＣｏＦｅ上に、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５，Ｃｒ膜１４，パターニングされたレジスト膜１１からなる積層膜のマスクが形成され、最初にレジスト膜１１をマスクとして、Ｃｒ膜１４を塩素と酸素の混合ガスにてエッチングし、次に、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５を三塩化ホウ素ガスにてエッチングし、最後にＣｏＦｅ膜を塩素ガスにてエッチングしている。また、マスク材料として、Ａｌ₂Ｏ₃やＣｒの他にＲｕ，Ｍｎ，Ｐｄ，Ｙ，Ｎｄ，Ｐｒ，Ｃｅ，Ｌａ，Ｙ₂Ｏ₃，Ｎｄ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂が挙げられている。しかし、これらのマスク材料とレジスト膜１１の積層膜をマスクとして、塩素ガスをベースにした磁性膜のドライエッチングでは、以下の理由により垂直に微細加工するのが困難である。Ｃｒ膜１４を塩素と酸素の混合ガスを用いてエッチングする場合、Ｃｒ膜１４のマスクになっているレジスト膜１１は、主成分が炭素であるため、酸素との反応し易く、エッチングされ易い。そのため、図２に示すように、Ｃｒ膜１４のエッチングが進行するとともに、レジスト膜１１は縦方向と横方向へとエッチングが進行し、Ｃｒ膜１４はテーパ形状となる。このため、所望の寸法の加工が困難となっている。このように、厚さが２００〜５００ｎｍの磁性膜を速いエッチング速度でドライエッチングするには、特許文献３のような磁性膜と高選択比を得ることができるＡｌ₂Ｏ₃膜１５とＣｒ膜１４の積層膜をマスクとすることが必須であるが、この積層膜のマスクでは上述のように良好な微細加工形状を得ることが困難である。このため、本発明では、２００〜５００ｎｍの厚さの磁性膜を高速エッチングし、良好な微細加工が可能なドライエッチング方法を提供することを目的とする。

本発明は、厚さが２００ｎｍから５００ｎｍの磁性膜をドライエッチングするプラズマ処理方法において、レジスト膜と、前記レジスト膜の下層膜である非有機系の膜と、前記非有機系の膜の下層膜であるＣｒ膜と、前記Ｃｒ膜の下層膜であるＡｌ₂Ｏ₃膜とを含む積層膜を前記磁性膜の上に成膜した試料をドライエッチングすることを特徴とするプラズマ処理方法である。

本発明の方法により、２００〜５００ｎｍの厚さの磁性膜を高速エッチングし、良好な微細加工を得ることができる。

プラズマエッチング装置の縦断面図である。 従来の磁性膜エッチングのフロー図である。 本発明の磁性膜エッチングのフロー図である。 マスク候補の材料のエッチング速度を示す図である。 ＮｉＦｅ膜のＡｌ₂Ｏ₃膜に対する選択比のバイアス用高周波電力に対する依存性を示す図である。 温調器の設定温度に対するＮｉＦｅ膜のテーパ角度の依存性を示す図である。 エッチング処理時間に対する試料の表面温度の依存性を示す図である。

以下、一実施例について、図１〜図７を参照しながら説明する。先ず、図１を用いて、本発明の磁性膜エッチングを行うプラズマエッチング装置の概要を説明する。

第一の高周波電源であるプラズマ生成用の高周波電源１０１から自動整合器１０２を介して、誘導結合コイル１０３に高周波電力を供給し、ガス導入部１０５を介してＣｌ₂やＢＣｌ₃などのエッチング用ガスをこの真空容器１０４内に導入して真空容器１０４内にプラズマを発生させる。尚、上述のエッチング用ガスは排気装置１０６により排気される。また、真空容器１０４は、絶縁材料からなる放電部１０４ａと試料台１０８が内部に設置された処理部１０４ｂからなる。

試料１０７は試料台１０８の上に載置され、試料１０７に入射するイオンのエネルギーを加速するために、試料台１０８には第二の高周波電源であるバイアス電源１０９が接続されている。試料台１０８の表面にはセラミックス１１０が設けられている。また試料台１０８は、直流電圧電源１１１が接続されており、試料１０７を試料台１０８の表面にジョンソンラーベック力により保持する。

更に、試料１０７の温度を制御するために、試料台１０８には冷媒流路１１３が設けられ、温調器１１２から温調された冷媒が冷媒流路１１３を循環することにより、試料台１０８の表面を温調している。

次に、Ｔａ膜１３，Ｃｒ膜１４およびＡｌ₂Ｏ₃膜１５からなる積層膜を非有機膜系マスクとして、２００〜５００ｎｍの厚さの磁性膜であるＮｉＦｅ膜１６をドライエッチングするプラズマ処理方法について、図３を参照しながら説明する。

図３（ａ）は、試料１０７の断面を示す。試料１０７は上層から順に、パターンニングされたレジスト膜１１と、ＢＡＲＣ膜１２と、Ｔａ膜１３と、Ｃｒ膜１４と、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５と、被エッチング材料であるＮｉＦｅ膜１６と、下地ストッパー膜１７（Ａｌ₂Ｏ₃膜）からなる多層膜が成膜されたＡｌＴｉＣ基板で構成され、磁気ヘッドのデバイスを作製するための試料である。

次に、ＢＡＲＣ膜１２のエッチング方法（図３（ａ）→図３（ｂ））について説明する。

ＢＡＲＣ膜１２は、所定の寸法にパターンニングされたレジスト膜１１をマスクとして、Ｃｌ₂ガスとＯ₂ガスを含む混合ガスを用いてエッチングを行う。更に上記の混合ガスに寸法制御用としてＮ₂ガスおよび処理圧力調整用としてＡｒガスを添加し、Ｃｌ₂ガス，Ｏ₂ガス，Ｎ₂ガス，Ａｒガスのそれぞれの流量を適正化することにより、高精度な加工寸法制御が可能となる。また、ＢＡＲＣ膜１２のエッチング時にトリミング処理を行うことにより、任意の加工寸法幅に制御し易くなるため、２０〜３００ｎｍ範囲の加工寸法を得ることが可能となる。上記のトリミング処理とは、予めレジスト膜１１にパターンニングされた寸法より、レジスト膜１１及びＢＡＲＣ膜１２の寸法をドライエッチング処理により細らせることである。

次に、Ｔａ膜１３のエッチング方法（図３（ｂ）→図３（ｃ））について説明する。

Ｔａ膜１３は、レジスト膜１１とＢＡＲＣ膜１２をマスクとして、ＢＣｌ₃ガスとＣｌ₂ガスを含む混合ガスを用いてエッチングを行う。

次に、Ｃｒ膜１４のエッチング方法（図３（ｃ）→図３（ｄ））について説明する。

Ｃｒ膜１４は、ＢＡＲＣ膜１２とＴａ膜１３をマスクとしてＣｌ₂ガスとＯ₂ガスとＡｒガスを含む混合ガスを用いてエッチングを行う。

Ｔａ膜１３をマスクにして、Ｃｒ膜１４をＣｌ₂ガスとＯ₂ガスとＡｒガスを含む混合ガスを用いてエッチングを行った場合、Ｔａ膜１３は、ほとんどエッチングが進行しないため、Ｃｒ膜１４をＴａ膜１３のマスク寸法通りにエッチングすることができる。このため、図３（ｄ）に示すように、Ｃｒ膜１４を垂直かつマスク寸法通りに加工することが可能となる。また、Ｃｒ膜１４のＴａ膜１３に対する選択比が１０以上あるため、Ｔａ膜１３の膜厚が２０ｎｍあれば、膜厚２００ｎｍのＣｒ膜１４までエッチングが可能である。ここで、Ｃｒ膜１４のＴａ膜１３に対する選択比とは、Ｃｒ膜１４のエッチングレートをＴａ膜１３のエッチングレートで除した値のことである（Ｃｒ膜１４のエッチングレート／Ｔａ膜１３のエッチングレート）。

また、上述のＣｒ膜１４のエッチング方法は本実施例のような被エッチング材料が磁性膜の場合のマスク加工例に限定されるものではなく、Ｃｒ膜１４を被エッチング材料としてＣｌ₂ガスとＯ₂ガスとＡｒガスを含む混合ガスを用いてエッチングする場合にも適用できる。また、本実施例では、Ｃｒ膜１４をＣｌ₂ガスとＯ₂ガスとＡｒガスを含む混合ガスを用いてエッチングを行う場合のマスクとしてＴａ膜１３を使用したが、ＴｉＮ膜，ＳｉＯ₂膜，ＳｉＣ膜などの非有機系膜を使用しても、Ｃｌ₂ガスとＯ₂ガスとＡｒガスを含む混合ガスを用いたエッチングではエッチングが進行し難いため、Ｔａ膜１３を使用した時と同様な加工を行うことができる。

次に、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５のエッチング方法（図３（ｄ）→図３（ｅ））について説明する。

Ａｌ₂Ｏ₃膜１５はＴａ膜１３とＣｒ膜１４をマスクとして、Ｃｌ₂ガスとＢＣｌ₃ガスを含む混合ガスを用いてエッチングを行う。この場合のＡｌ₂Ｏ₃膜１５のＣｒ膜１４に対する選択比は、図４の検証結果が示すように、通常、磁気ヘッド材料として使用されているＮｉＣｒ膜，Ｃｒ膜１４，Ｔａ膜１３，Ｒｕ膜，ＳｉＯ₂膜，レジスト膜１１より高い選択比を得ることができた。また、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５のエッチングについて、マスクとなるＣｒ膜１４のエッチング速度が速いと、Ｃｒ膜１４から生成される反応生成物量が多くなり、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の側壁に付着してテーパ形状になり易い。本実施例では、表１に示すようなＣｒ膜１４のエッチング速度が２ｎｍ／min以下または、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５のＣｒ膜１４に対する選択比が１２以上になるようにエッチング条件を設定すれば、Ｃｒ膜１４から生成される反応生成物量が少なくなるため、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５を垂直に加工することが可能となることを見出した。また、本実施例では、Ｃｌ₂ガスとＢＣｌ₃ガスを含む混合ガスを用いたＡｌ₂Ｏ₃膜１５のエッチング例を説明したが、Ｃｌ₂ガスとＢＣｌ₃ガスを含む混合ガスの代わりに少なくともＢＣｌ₃ガスを含むガスを用いても良い。また、上述のＡｌ₂Ｏ₃膜１５のエッチング方法は本実施例のような被エッチング材料が磁性膜の場合のマスク加工例に限定されるものではなく、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５を被エッチング材料としてＣｌ₂ガスとＢＣｌ₃ガスを含む混合ガスまたは、少なくともＢＣｌ₃ガスを含むガスを用いてエッチングする場合にも適用できる。

次に、磁性膜であるＮｉＦｅ膜１６のエッチング方法（図３（ｅ）→図３（ｆ））について説明する。

ＮｉＦｅ膜１６は、Ｃｒ膜１４とＡｌ₂Ｏ₃膜１５をマスクとして、Ｃｌ₂ガスまたは、Ｃｌ₂ガスを含む混合ガスを用いてエッチングを行う。本実施例では、表２に示す条件にてエッチングを行った。

本実施例でのバイアス用高周波電力は、３００Ｗであるが、２００〜３８０Ｗでも良い。ＮｉＦｅ膜１６の膜厚を５００ｎｍの場合、ＮｉＦｅ膜１６のＡｌ₂Ｏ₃膜１５に対する選択比が１.１の時、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚は４５５ｎｍ以上が必要となる。また、一般的にマスクの肩の部分はフラット部分よりエッチング速度が２倍以上と速いため、選択比は半分以下となる。このため、実質、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５は９１０ｎｍ以上が必要となる。しかし、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５を厚く成膜することは困難であり、たとえ成膜が可能だとしても、アスペクト比が高くなるため、マスクとしてのＡｌ₂Ｏ₃膜１５を垂直加工することが難しくなる。よって、例えば、Ｃｒ膜１４の膜厚が５０ｎｍ、Ａｌ₂Ｏ₃膜１５の膜厚が２５０ｎｍの場合は、ＮｉＦｅ膜１６のＡｌ₂Ｏ₃膜１５に対する選択比が２.２以上であれば膜厚５００ｎｍのＮｉＦｅ膜１６のエッチングにおいて、所望のエッチング形状を得ることが可能となる。このようなことから、図５に示すように選択比２.２以上を得るには、バイアス用高周波電力を２００Ｗ以上にする必要がある。また、バイアス用高周波電力を増加させていくと、選択比は増加傾向を示すが、高すぎると、マスクの肩の部分がそぎ落とされてマスクがテーパ形状となり、ＮｉＦｅ膜１６も削られてテーパ形状となる。そのため、バイアス用高周波電力は、マスクの肩落ちを抑制するために、３８０Ｗ以下にする必要がある。

また、前述のエッチング条件において、ステージ温度は１５０℃と高い領域を使用している。そのため、ウエハの表面温度は、エッチング処理前に約２５℃の常温であるのに対し、エッチング処理中は、時間の経過と共にウエハの表面温度は上昇していく。

本実施例での磁性膜は、ＮｉＦｅ膜１６を用いたが、ＣｏＦｅ膜，ＣｏＮｉＦｅ膜であってもよい。

また、本実施例では、ＢＡＲＣ膜１２，Ｔａ膜１３，Ｃｒ膜１４，Ａｌ₂Ｏ₃膜１５，ＮｉＦｅ膜１６の全てのエッチングを一つのエッチング処理室で一貫処理した例であるが、複数のエッチング処理室を使用して処理を行っても良い。

次に、ＢＡＲＣ膜１２とＴａ膜１３とＣｒ膜１４とＡｌ₂Ｏ₃膜１５のマスク加工を一方のエッチング処理室で行い、マスク加工が行われたＮｉＦｅ膜１６のエッチングを他方のエッチング処理室で行う例について説明する。

ＮｉＦｅ膜１６のテーパ角度の温調器の設定温度に対する依存性は、図６に示すように、ＮｉＦｅ膜１６のテーパ角は温調器の設定温度が高くなるに従って垂直になる傾向があり、２５０℃でＮｉＦｅ膜１６のテーパ角度は８８°となる。また、エッチング処理開始時の試料１０７の表面温度は、図７に示すように、エッチング処理開始から上昇し、１８０秒過ぎまで飽和しない。このため、ＮｉＦｅ膜１６のエッチングにおいて、垂直形状を得るためには、温調器の設定温度を２５０℃にし、短時間で試料１０７の表面温度を安定させる必要がある。

このため、マスク加工が行われたＮｉＦｅ膜１６のエッチングにおいては、ＮｉＦｅ膜１６のエッチング処理開始前に、ＮｉＦｅ膜１６のエッチングが進行しないＡｒ，Ｈｅ，Ｘｅ等の希釈ガスによるプラズマ処理を試料１０７の表面温度が安定する１８０秒追加する。このような希ガスによるプラズマ処理の追加により、ＢＡＲＣ膜１２とＴａ膜１３とＣｒ膜１４とＡｌ₂Ｏ₃膜１５のマスク加工を一方のエッチング処理室で行い、マスク加工が行われたＮｉＦｅ膜１６のエッチングを他方のエッチング処理室で行う場合においても、垂直形状を得ることが可能である。

また、本実施例では、ＢＡＲＣ膜１２，Ｔａ膜１３，Ｃｒ膜１４，Ａｌ₂Ｏ₃膜１５，ＮｉＦｅ膜１６のそれぞれのエッチングにおいて、Ｃｌ₂ガスをベースとしたエッチング処理のため、エッチング処理室内部がＣｌ₂ガス雰囲気で保たれるため、経時変化が少ない安定したエッチング処理を行うことが可能である。

また、本実施例により、磁性膜の膜厚が２００〜５００ｎｍで、寸法幅が２０〜３００ｎｍのエッチングにおいて、所望なエッチング形状を得ることができる。また、マスクから磁性膜まで全てドライエッチング加工が可能となるため、加工時間を短縮でき、生産効率が向上する。

また、本実施例のプラズマエッチング処理装置は、誘導結合型プラズマエッチング装置を使用したが、マイクロ波プラズマエッチング処理装置，ＵＨＦ波プラズマエッチング処理装置，ヘリコン波プラズマエッチング処理装置，２周波励起平行平板型プラズマエッチング処理装置等でも、本実施例は適用できる。

１１ レジスト膜
１２ ＢＡＲＣ膜
１３ Ｔａ膜
１４ Ｃｒ膜
１５ Ａｌ₂Ｏ₃膜
１６ ＮｉＦｅ膜
１７ 下地ストッパー膜
１０１ 高周波電源
１０２ 自動整合器
１０３ 誘導結合コイル
１０４ 真空容器
１０５ ガス導入部
１０６ 排気装置
１０７ 試料
１０８ 試料台
１０９ バイアス電源
１１０ セラミックス
１１１ 直流電圧電源
１１２ 温調器
１１３ 冷媒流路

Claims (4)

1. 積層膜が上方に配置された磁性膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
   前記積層膜は、所定の寸法にパターニングされたレジスト膜と前記レジスト膜の下方に配置されたＢＡＲＣ膜と前記ＢＡＲＣ膜の下方に配置されたＴａ膜と前記Ｔａ膜の下方に配置されたＣｒ膜と前記Ｃｒ膜の下方に配置されたＡｌ₂Ｏ₃膜とを有し、
   前記レジスト膜をマスクとして前記ＢＡＲＣ膜をプラズマエッチングする第一の工程と、
   前記第一の工程後のレジスト膜と前記第一の工程後のＢＡＲＣ膜をマスクとして前記Ｔａ膜をプラズマエッチングする第二の工程と、
   前記第二の工程後のＢＡＲＣ膜と前記第二の工程後のＴａ膜をマスクとして前記Ｃｒ膜をプラズマエッチングする第三の工程と、
   前記第三の工程後のＴａ膜と前記第三の工程後のＣｒ膜をマスクとして前記Ａｌ₂Ｏ₃膜をプラズマエッチングする第四の工程と、
   前記第四の工程後のＣｒ膜と前記第四の工程後のＡｌ₂Ｏ₃膜をマスクとして前記磁性膜をプラズマエッチングする第五の工程とを有し、
   前記第二の工程は、Ｃｌ_２ガスとＢＣｌ_３ガスの混合ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 積層膜が上方に配置された磁性膜をプラズマエッチングするプラズマ処理方法において、
   前記積層膜は、所定の寸法にパターニングされたレジスト膜と前記レジスト膜の下方に配置されたＢＡＲＣ膜と前記ＢＡＲＣ膜の下方に配置されたＴｉＮ膜と前記ＴｉＮ膜の下方に配置されたＣｒ膜と前記Ｃｒ膜の下方に配置されたＡｌ₂Ｏ₃膜とを有し、
   前記レジスト膜をマスクとして前記ＢＡＲＣ膜をプラズマエッチングする第一の工程と、
   前記第一の工程後のレジスト膜と前記第一の工程後のＢＡＲＣ膜をマスクとして前記ＴｉＮ膜をプラズマエッチングする第二の工程と、
   前記第二の工程後のＢＡＲＣ膜と前記第二の工程後のＴｉＮ膜をマスクとして前記Ｃｒ膜をプラズマエッチングする第三の工程と、
   前記第三の工程後のＴｉＮ膜と前記第三の工程後のＣｒ膜をマスクとして前記Ａｌ₂Ｏ₃膜をプラズマエッチングする第四の工程と、
   前記第四の工程後のＣｒ膜と前記第四の工程後のＡｌ₂Ｏ₃膜をマスクとして前記磁性膜をプラズマエッチングする第五の工程とを有し、
   前記第二の工程は、Ｃｌ_２ガスとＢＣｌ_３ガスの混合ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理方法において、
   前記第一の工程は、Ｃｌ_２ガスとＯ_２ガスの混合ガスを用いて行われ、
   前記第三の工程は、Ｃｌ_２ガスとＯ_２ガスとＡｒガスの混合ガスを用いて行われ、
   前記第四の工程は、Ｃｌ_２ガスとＢＣｌ_３ガスの混合ガスを用いて行われ、
   前記第五の工程は、Ｃｌ_２ガスを用いて行われることを特徴とするプラズマ処理方法。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
   前記磁性膜は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅまたはＣｏＮｉＦｅであることを特徴とするプラズマ処理方法。

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