JP6227483B2 - プラズマ処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、磁性膜材料をプラズマエッチングするためのプラズマ処理方法に関する。
磁気記憶装置では年々高記録密度化が進んでおり、再生ヘッドにも高記録密度に対応したものが求められている。この要求に応えるために、薄い非磁性層を２種の強磁性層で挟み込んで構成される磁気抵抗効果膜の膜面内に電流を流すＣｕｒｒｅｎｔ ｉｎ Ｐｌａｎｅ−Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ(ＣＩＰ−ＧＭＲ)センサが開発され、再生ヘッドとして応用されてきた。
現在では、積層膜の膜厚方向に電流を流して用いるＴｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ(ＴＭＲ、以下、ＴＭＲと称する)ヘッドや、Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ Ｐｌａｎｅ−Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ(ＣＰＰ−ＧＭＲ)ヘッドへと移行しつつある。再生出力を高めるためには、ＭＲ(Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ)比を高めることが一般的であり、現在ではＭＲ比が最も高いＴＭＲヘッドが広く採用されている。
また、ＴＭＲヘッドの製造工程において、ＴＭＲ素子の材料に使用される磁性材料のエッチング工程、成膜工程も重要な研究開発の1つであり、多種多様なプロセスの研究開発、プラズマ処理装置の研究開発が行われている。
現状、ＴＭＲ素子などのデバイス製造工程において、磁性材料のエッチング工程と成膜工程は、図１に示すように別々のプラズマ処理装置を用いている。また、エッチング処理後、試料を成膜処理装置まで搬送する際、試料表面に付着した汚染物質や不要な異物によるデバイスの劣化が問題となる。このため、汚染物質や不要な異物によるデバイスの劣化を防止するためにエッチング処理後、洗浄処理を施し、その後、成膜処理装置を用いて成膜処理を施していた。
例えば、洗浄処理手段として特許文献１には、１ユニットの装置内に、エッチング手段１０、アッシング手段２０、リンス手段３０及び乾燥手段４０を設けるとともに、カセットから一枚毎取り出した試料を前記各手段を用いて順次処理し、該処理が終わった前記試料をカセット内に収納する制御手段を設けたエッチング処理装置による洗浄処理手段が開示されているが、デバイス製造工程において多大な設備投資と多大な製造時間を費やす必要が生じる。このため、エッチング処理と成膜処理を同一装置または同一真空チャンバ内で実施する必要がある。
例えば、薄膜成膜工程において、一台の装置で複数の処理をこなすことができ、かつ高品質の半導体素子を製造することのできる半導体製造装置として特許文献３には、真空容器と、該真空容器内に収納され、一方の面に電極板を有し他方の面にウエハが載置された絶縁性誘電体と、前記電極板とウエハとの間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記ウエハを加熱する加熱手段とを備え、前記電圧印加手段によって電圧を印加することにより、前記電極板とウエハ間に静電吸引力を生じさせてウエハを前記絶縁性誘電体表面に吸着保持するとともに、前記ウエハ上に半導体素子製造のための処理を施す半導体製造装置において、前記絶縁性誘電体は、薄膜形成のための加熱温度範囲では、体積抵抗率ρの値が１０8Ωcm＜ρ＜１０13Ωcmの範囲内に入ることを特徴とする半導体製造装置が開示されている。しかし、エッチング処理と成膜処理の２つの処理を行うプラズマ処理装置として特許文献３に開示されたようなプラズマ処理装置を想定しているため、特許文献２に開示された手段をそのまま適用することは難しい。
さらに特許文献３には、ファラデーシールドを用いて不揮発性材料を処理するプラズマ処理装置において、真空容器内壁への反応生成物の付着を抑制するエッチング方法及び付着した反応生成物を効率良く除去するクリーニング方法が開示されている。
しかし、特許文献３にはエッチング処理と成膜処理の両方を一つの処理室で行うという技術的思想の開示も示唆もありません。
このため、本発明は、ファラデーシールドを備える誘導結合型プラズマエッチング装置を用いたプラズマ処理方法において、磁性膜のエッチング処理と成膜処理の両方を一つの処理室で行うことができるプラズマ処理方法を提供する。
本発明は、試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の上部を気密に封止する誘電体窓と、前記誘電体窓の上方に配置された誘導結合アンテナと、前記誘導結合アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、前記誘導結合アンテナと前記誘電体窓の間に配置されたファラデーシールドとを備えるプラズマ処理装置を用いて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、前記磁性膜をプラズマエッチングした後、前記ファラデーシールドに高周波電圧を印加しながら行われるプラズマ処理によって前記誘電体窓を構成する材料を含む堆積膜を、前記プラズマエッチングされた磁性膜に形成することを特徴とする。
本発明により、ファラデーシールドを備える誘導結合型プラズマエッチング装置を用いたプラズマ処理方法において、磁性膜のエッチング処理と成膜処理の両方を一つの処理室で行うことができる。
以下、本発明の実施形態を各実施例に沿って詳細に説明する。
本発明の第一の実施形態について、図を参照しながら説明する。図２は、本実施例にかかるプラズマ処理方法を実施する際に使用するプラズマエッチング装置の概略断面図を示す。
プラズマ処理室は、処理室内壁１１２とウィンドウ１０９で形成される。誘電体窓であるウィンドウ１０９は、平板状の誘電体からなり、試料を載置する試料台と対向している。本実施例では、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）製のウィンドウ１０９を使用した。プラズマ処理室内部は、排気装置１１４により排気して高真空状態にされる。プラズマ処理に使用するガスは、ガス供給装置１０４からプラズマ処理室内に供給される。誘導磁場を生成する誘導結合アンテナ１０２がウィンドウ１０９の上方に配置され、第一の高周波電源１０８から高周波電力を供給される。尚、誘導結合アンテナ１０２は、内側の誘導結合アンテナと外側の誘導結合アンテナからなる。
また、誘導結合アンテナ１０２とウィンドウ１０９の間にファラデーシールド１０３が配置されている。さらにファラデーシールド１０３は、プラズマと容量結合するアンテナであり、整合器１０１を介して第一の高周波電源１０８から高周波電圧が印加される。また、高周波電圧をファラデーシールド１０３に印加することで、ウィンドウ１０９に付着する反応生成物を除去することができる。プラズマ処理室内部には誘導結合アンテナ１０２から生成された誘導磁場とガス供給装置１０４から供給されたガスによりプラズマが生成される。
エッチング処理及び成膜処理の対象となる試料１１０は、載置面である電極ヘッド１０６を介して試料台１０６に載置され、試料台１０６は、第二の高周波電源１１３により高周波電力を供給される。これにより、プラズマ１２０中のイオンが試料１１０に引き込まれてプラズマエッチングが進行する。尚、試料１１０は、直流電圧電源１０７から試料台１０６に直流電圧を印加されることにより、電極ヘッド１０６に静電吸着する。また、サセプタ１０５は、電極ヘッド１０６上に発生するシースの分布制御を行うためのパーツであり、電極カバー１１１は、試料台１０６内部の機構をプラズマに晒されないようにするための保護カバーとして機能する。
次に、本発明に係るプラズマ処理方法について図３を用いて説明する。本発明は、図３に示すようにエッチング処理及び成膜処理を一つのプラズマ処理室内で連続処理することを可能にする。尚、本発明に係るプラズマ処理方法が施される試料は、図４に示すようなＴＭＲ素子のデバイスサンプル構造を有し、シリコン基板１１８の上に５０ｎｍ程度の膜厚のタンタル１１５（Ｔａ）と上部コバルト鉄ボロン１１６（ＣｏＦｅＢ）と酸化マグネシウム１１７（ＭｇＯ）と下部コバルト鉄ボロン１２２（ＣｏＦｅＢ）とが上から順次積層されている。また、上部コバルト鉄ボロン１１６（ＣｏＦｅＢ）と酸化マグネシウム１１７（ＭｇＯ）と下部コバルト鉄ボロン１２２（ＣｏＦｅＢ）のそれぞれの膜厚は、１〜２ｎｍ程度である。
最初に図３に示すステップ１(エッチング処理)は、表１のステップ１の条件でエッチング処理が行われる。具体的には、６０ｍｌ／ｍｉｎのアンモニア（ＮＨ３）ガスと２０ｍｌ／ｍｉｎのアルゴン（Ａｒ）ガスの混合ガスを用い、処理圧力を０．５Ｐａ、第一の高周波電源１０８の出力(Ｓ−ＲＦパワー)を２４００Ｗ、第二の高周波電源１１３の出力(Ｂ−ＲＦパワー)を２００Ｗ、ファラデーシールド１０３に印加される高周波電圧(ＦＳＶ)を１００Ｖ、電極温度を１００℃、処理時間を１００ｓとする条件でタンタル１１５（Ｔａ）をマスクとして、上部コバルト鉄ボロン１１６（ＣｏＦｅＢ）、酸化マグネシウム１１７（ＭｇＯ）および下部コバルト鉄ボロン１２２（ＣｏＦｅＢ）をプラズマエッチングする。プラズマエッチングの結果、図５に示すようなエッチング形状が得られる。
また、このプラズマエッチング条件は、上部コバルト鉄ボロン１１６（ＣｏＦｅＢ）、酸化マグネシウム１１７（ＭｇＯ）または下部コバルト鉄ボロン１２２（ＣｏＦｅＢ）と、タンタル１１５（Ｔａ）との選択比が大きく、エッチング処理後のエッチング形状において、垂直形状が得られ易いプラズマエッチング条件である。
次に図３に示すステップ２(成膜処理)を表１のステップ２の条件で成膜処理を行う。具体的には１００ｍｌ／ｍｉｎのアルゴン（Ａｒ）ガスを用い、処理圧力を０．５Ｐａ、第一の高周波電源１０８の出力(Ｓ−ＲＦパワー)を２０００Ｗ、第二の高周波電源１１３の出力(Ｂ−ＲＦパワー)を０Ｗ、ファラデーシールド１０３に印加される高周波電圧(ＦＳＶ)を１５００Ｖ、電極温度を１００℃、処理時間を３５０ｓとする条件で図６に示すように表１のステップ１でエッチングされて形成されたエッチング形状を覆うように堆積膜１１９を成膜する。また、第二の高周波電源１１３の出力(Ｂ−ＲＦパワー)を０Ｗにしているため、成膜処理を加速化している。尚、堆積膜１１９はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を含有する膜である。
成膜された堆積膜１１９の膜厚は成膜処理時間に依存し、本実施例では、３０ｎｍの堆積膜１１９が成膜される。また、成膜処理時のプラズマは本実施例のようにアルゴンガスまたはクリプトンガスあるいはキセノンガスの希ガスのようなスパッタ性の強いガスを用いて生成されているため、ウィンドウ１０９が他のガスより効率的にスパッタリングされて不純物を殆ど含まない堆積膜１１９が成膜される。さらにウィンドウ１０９を効率的にスパッタリングするためには、ウィンドウ１０９へのイオンの入射エネルギーを大きくする必要があるため、ファラデーシールド１０３に印加する高周波電圧は１０００Ｖ以上が望ましい。
以上、上述した通り、一つのプラズマ処理室内でエッチング処理と成膜処理を連続して処理することにより、ＴＭＲ素子のデバイスにおける劣化の原因になる汚染物質や不要な異物が混入する前に成膜処理を実施することが可能になる。このため、図１に示す洗浄処理を省くことが可能となる。このことを以って多大な設備投資および多大な製造時間の低減につながる。
次に本発明のプラズマ処理によりプラズマエッチングを行うプラズマ処理室内で成膜処理を行うことができた理由は以下のように考えられる。
図７は、プラズマエッチング処理中のプラズマ処理室内の状態を示している。図７に示すようにファラデーシールド１０３に印加される高周波電圧が１００Ｖでは、上部コバルト鉄ボロン１１６（ＣｏＦｅＢ）、酸化マグネシウム１１７（ＭｇＯ）および下部コバルト鉄ボロン１２２（ＣｏＦｅＢ）のプラズマエッチング中にウィンドウ１０９の表面(プラズマに晒される側)はほとんどプラズマにより削られない。このため、ウィンドウ１０９の表面(プラズマに晒される側)からプラズマの気相にアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）がほぼ供給されることはない。
一方、成膜処理では、図８に示すようにファラデーシールド１０３に印加される高周波電圧が１５００Ｖのため、プラズマ中のイオンがウィンドウ１０９へ入射し、入射したイオンによりスパッタリングされたアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）がプラズマ気相中に放出される。このプラズマ気相中に放出されたアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）が堆積膜１１９の成膜に寄与していると考えられる。尚、図８は成膜処理中のプラズマ処理室内の状態を示す。
本実施例では、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）からなるウィンドウ１０９を用いてアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含有する堆積膜を成膜した実施例であったが、例えばシリコン酸化膜(ＳｉＯ2)からなるウィンドウを用いればシリコン酸化膜(ＳｉＯ2)を含有する堆積膜の成膜が可能となる。つまり、所望の成分を含有する堆積膜の成膜処理を行いたい場合は、所望の成分と同じ材料を少なくとも表面に備えるウィンドウを用いれば良い。次に本実施例に量産安定性等を加味した実施例について説明する。
本発明の第二の実施例について図９〜図１２を用いて説明する。ＴＭＲ素子のデバイス等を構成する磁性材料を長時間プラズマエッチング処理した場合などは、図９に示すようにウィンドウ１０９に磁性材料の反応生成物１２１が付着してしまう。反応生成物１２１がウィンドウ１０９に付着した状態で成膜処理を行った場合、堆積膜１１９に不純物が混ざることにより成膜処理の品質の低下を招いてしまう恐れがある。
このため、エッチング処理後、一旦、プラズマ処理室から試料１１０を搬出し、図９に示すようにファラデーシールド１０３に高周波電圧を印加しながらウィンドウ１０９に付着した反応生成物を除去するプラズマクリーニングを行い、反応生成物を除去してから成膜処理を実施することが望ましい。
次にプラズマクリーニング条件について説明する。表２に示す通り、６０ｍｌ／ｍｉｎのアルゴン（Ａｒ）ガスと２０ｍｌ／ｍｉｎの酸素（Ｏ2）ガスを用い、処理圧力を０．５Ｐａ、第一の高周波電源１０８の出力(Ｓ−ＲＦパワー)を２０００Ｗ、第二の高周波電源１１３の出力(Ｂ−ＲＦパワー)を０Ｗ、ファラデーシールド１０３に印加される高周波電圧(ＦＳＶ)を１０００Ｖ、電極温度を１００℃、処理時間を２００ｓとする条件でプラズマクリーニングを行う。
プラズマクリーニングにおいて、効率的に反応成生物を除去するためには、成膜処理の条件と同様にウィンドウ１０９へのイオン入射エネルギーを大きくする必要があるため、ファラデーシールド１０３に印加する高周波電圧（ＦＳＶ）は１０００Ｖ以上が望ましい。また、本実施例は、プラズマクリーニングでよく用いられるガスであるアルゴン（Ａｒ）ガスと酸素（Ｏ２）ガスの混合ガスでプラズマ１２０を生成するため、効率的に反応生成物を除去することができる。
次に本実施例での本発明のプラズマ処理手順を図１０に示す。エッチング処理後、一旦プラズマ処理室から試料１１０を搬出し、プラズマクリーニングによってウィンドウ１０９の表面に付着した反応生成物を除去する。その後、再度、試料１１０をプラズマ処理室内に搬入し、成膜処理を実施する。このようなプラズマ処理を行うことにより、堆積膜１１９への不純物の混入を抑制し、このことを以って成膜処理の品質の低下を防ぐことができる。
次にＴＭＲ素子のデバイスの量産におけるプラズマ処理のフローを図１１に示す。また、図１１は、磁性材料のエッチング時間が長時間に及ばない場合のプラズマ処理のフローである。図１１に示すようにエッチング処理と成膜処理は一つのプラズマ処理室でステップ１、ステップ２として連続処理する。ステップ１とステップ２の連続処理後はプラズマ処理室内が反応生成物で汚れるため、ステップ１とステップ２の連続処理ごとに表２に示すプラズマクリーニング条件でプラズマクリーニングを実施してから次のＴＭＲ素子のデバイスの処理を実施する。このようなプラズマ処理のフローでＴＭＲ素子のデバイスの量産を行うことにより、プラズマ処理室内の状態を毎回一定に保たせることができ、ＴＭＲ素子のデバイスごとのエッチング形状のバラつきを抑えることができるため、量産安定性を向上させることができる。
磁性材料のエッチング時間が長時間に及ぶと、図９に示すようにウィンドウ１０９に磁性材料の反応生成物１２１が付着してしまう。この場合のＴＭＲ素子のデバイスの量産におけるプラズマ処理のフローを図１２に示す。図１２に示すようにエッチング処理後、一旦プラズマ処理室から試料１１０を搬出し、表２に示すプラズマクリーニング条件によるプラズマクリーニングによってウィンドウ１０９の表面に付着した反応生成物を除去する。その後、再度、試料１１０をプラズマ処理室内に搬入して成膜処理を実施する。
成膜処理後、プラズマ処理室内が反応生成物で汚れているため、表２に示すプラズマクリーニング条件で再度、プラズマ処理室内をプラズマクリーニングしてから次のＴＭＲ素子のデバイスの処理を実施する。このようなプラズマ処理のフローでＴＭＲ素子のデバイスの量産を行うことにより、プラズマ処理室内の状態を毎回一定に保たせることができ、ＴＭＲ素子のデバイスごとのエッチング形状のバラつきを抑えることができるため、量産安定性を向上させることができる。
また、本実施例により、ＴＭＲ素子の製造工程における製造時間の効率化、設備投資の低コスト化が可能となる。
１０１ 整合器
１０２ 誘導結合アンテナ
１０３ ファラデーシールド
１０４ ガス供給装置
１０５ サセプタ
１０６ 試料台
１０７ 直流電圧電源
１０８ 第一の高周波電源
１０９ ウィンドウ
１１０ 試料
１１１ 電極カバー
１１２ 処理室内壁
１１３ 第二の高周波電源
１１４ 排気装置
１１５ タンタル
１１６ 上部コバルト鉄ボロン
１１７ 酸化マグネシウム
１１８ シリコン基板
１１９ 堆積膜
１２０ プラズマ
１２１ 反応生成物
１２２ 下部コバルト鉄ボロン
１０２ 誘導結合アンテナ
１０３ ファラデーシールド
１０４ ガス供給装置
１０５ サセプタ
１０６ 試料台
１０７ 直流電圧電源
１０８ 第一の高周波電源
１０９ ウィンドウ
１１０ 試料
１１１ 電極カバー
１１２ 処理室内壁
１１３ 第二の高周波電源
１１４ 排気装置
１１５ タンタル
１１６ 上部コバルト鉄ボロン
１１７ 酸化マグネシウム
１１８ シリコン基板
１１９ 堆積膜
１２０ プラズマ
１２１ 反応生成物
１２２ 下部コバルト鉄ボロン
Claims (5)
- 試料がプラズマ処理される処理室と、前記処理室の上部を気密に封止する誘電体窓と、前記誘電体窓の上方に配置された誘導結合アンテナと、前記誘導結合アンテナに高周波電力を供給する高周波電源と、前記誘導結合アンテナと前記誘電体窓の間に配置されたファラデーシールドとを備えるプラズマ処理装置を用いて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、
前記磁性膜をプラズマエッチングした後、前記ファラデーシールドに高周波電圧を印加しながら行われるプラズマ処理によって前記誘電体窓を構成する材料を含む堆積膜を、前記プラズマエッチングされた磁性膜に形成することを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記磁性膜のプラズマエッチング後から前記プラズマエッチングされた磁性膜に前記堆積膜を形成するまでの間に前記処理室内をプラズマクリーニングすることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記プラズマエッチングされた磁性膜への堆積膜形成後、前記処理室から前記試料を搬出して前記処理室内をプラズマクリーニングすることを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記磁性膜のプラズマエッチングは、前記ファラデーシールドに高周波電圧を印加しながら行われ、
前記プラズマエッチングされた磁性膜に前記堆積膜を形成する時のファラデーシールドに印加する高周波電圧は、前記磁性膜のプラズマエッチング時のファラデーシールドに印加する高周波電圧より高いことを特徴とするプラズマ処理方法。 - 請求項１に記載のプラズマ処理方法において、
前記誘電体窓は、アルミナからなることを特徴とするプラズマ処理方法。
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