JP6368837B2 - プラズマエッチング方法 - Google Patents
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る)の適応が期待されている。
も1つを含む磁性膜をドライエッチングにより微細加工する技術が必要である。磁性膜をドライエッチングで微細加工する技術は、磁性材料を使った磁気ヘッドの加工でも需要が高まっている。
系のガスを使用したプラズマエッチングにより磁性膜に微細加工を施した場合、磁性膜のハロゲン化合物の蒸気圧が低いため、微細加工が困難である。また、磁性膜に堆積したハロゲン化合物が大気中の水分に触れると腐食が発生するため、別途防食処理を行う必要がある。
、蒸気圧の高い金属カルボニルが生成されることを利用したものであり、腐食等も発生しないことから磁性膜の加工に適している。
換バイアス層23と、強磁性層22と、ルテニウム(Ru)膜からなる非磁性層21と、磁化固定層である第一の磁性膜20と、酸化マグネシウム(MgO)膜からなるトンネルバリア層である金属酸化膜19と、磁化自由層である第二の磁性膜18と、タンタル(Ta)膜からなる上部電極である第二の金属膜17と、予め所定の寸法にパターンにングされたハードマスク16とが積層されている。
と、ルテニウム(Ru)膜からなる非磁性層21と、磁化固定層である第一の磁性膜20と、酸化マグネシウム(MgO)膜からなるトンネルバリア層である金属酸化膜19と、磁化自由層である第二の磁性膜18までの積層膜は、磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction:MTJ、以下、MTJと称する)を構成する積層膜であり、以下、MTJ素子構成膜15と称する。
n)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)を含む合金及び積層膜から形成される。
また、強磁性層22、第一の磁性膜20、第二の磁性膜18は、コバルト(Co)、鉄(
Fe)、ニッケル(Ni)のうち少なくとも2種類を含む合金膜から形成される。
ガスとアルゴン(Ar)ガスの混合ガスを用いて第二の金属膜17をエッチングする。ここで、ソースRF電力とは、第一の高周波電源11からアンテナ1a、1bに供給される高周波電力のことであり、バイアスRF電力とは、第二の高周波電源14から試料台5に供給される高周波電力のことである。
反応して腐食が発生する問題があり、別途防食処理の必要性が生じる。また、MTJ素子構成膜15をアンモニア(NH3)ガスを含む混合ガスでエッチングを行うが、残留した
塩素分子(Cl2)とアンモニア(NH3)ガスの水素原子(H)が反応して塩化水素(HCl)が形成され、真空容器2及びガス供給源12の周辺部品で腐食が発生する問題が生じる。このため、第二の金属膜17とMTJ素子構成膜15を同一の真空容器2で処理すくことができなかった。
Ar)ガスの混合ガスを用いることで第二の金属膜17とMTJ素子構成膜15を同一の真空容器2でエッチングを行っても腐食が発生することなく、図3に示すように垂直形状を得ることができた。また、第二の金属膜17のエッチング後のハードマスク16の残膜厚は、その後に実施するMTJ素子構成膜15のエッチング形状に影響を与えるため、MTJ素子構成膜15のエッチングを考慮して最適化しなければならない。
(CO)ガスの混合ガスを用い、処理圧力を0.3Pa、ソースRF電力を2400W、バイアスRF電力を1000W、処理時間を120秒とするエッチング条件にて第二の金属膜17をマスクとして第二の磁性膜18と金属酸化膜19と第一の磁性膜20と非磁性層21と強磁性層22と反強磁性交換バイアス層23をエッチングした。なお、MTJ素子構成膜15は多層膜であるが、第二の磁性膜18、金属酸化膜19、第一の磁性膜20、非磁性層21、強磁性層22、反強磁性交換バイアス層23のそれぞれの層が薄いため、一括してエッチングした。
と一酸化炭素(CO)ガスの混合ガスによるスパッタリングと、一酸化炭素分子(CO)による金属カルボニルの生成が同時に起きている。表2のステップ1処理後のエッチング形状の断面を図4に示す。この時点で図4に示すように第二の金属膜17およびMTJ素子構成膜15の側壁には第一の反応生成物26が付着している。
パッタリングの寄与が大きいため、この第一の反応生成物26は、MTJ素子構成膜15に含まれる金属が金属カルボニルとなることができずにエッチングパターン側壁に堆積したものと考えられる。
合ガスのスパッタリングを低減させることができ、一酸化炭素分子(CO)による金属カルボニル生成を促進させている。
)は、プラズマ中の酸素原子(O)と反応してタンタル酸化物(TaxOy)を形成し、エッチングパターン側壁に堆積する。これらのことから第二の反応生成物27は概ねタンタル酸化物(TaxOy)からなるものと考えられる。
を実施した。尚、表2のステップ2とステップ3の間のプラズマは中断することなく、継続してステップ2からステップ3に移行した。図6に示すようにステップ3の処理を行うことにより、第二の反応生成物27を除去することができた。これは以下のように考えられる。
原子(H)により、第二の反応生成物27の主成分であるタンタル酸化物(TaxOy)が還元され、タンタル(Ta)と水分子(H2O)が生成されて水分子(H2O)は排気される。一方、水素原子(H)のタンタル酸化物(TaxOy)に対する還元反応により生成されたタンタル(Ta)は、プラズマ中のアルゴン原子(Ar)によりスパッタリングされ、真空容器2内に飛散しながら排気される。このため、水素(H2)ガスとアルゴン
(Ar)ガスの混合ガスによるエッチングで第二の反応生成物27を除去することができたと考える。
スとアルゴン(Ar)ガスの混合ガスに対する水素(H2)ガスのガス流量比における第
二の反応生成物27の膜厚依存性を示す図であるが、この図7からわかるように、水素(
H2)ガスの流量が70ml/min、アルゴン(Ar)ガスの流量が30ml/min
の場合に第二の反応生成物27の膜厚が0nmとなった。
をそれぞれ、70ml/min、30ml/minとした。また、水素(H2)ガスとア
ルゴン(Ar)ガスの流量比が1:1の場合(ガス流量はそれぞれ50ml/min)、
バイアスRF電力及びエッチング時間の調整により本実施例と同様の効果が得られる可能性がある。
換ステップを例えば3秒程度挿入することで対策が可能である。
した後、ガス置換ステップとしてアンモニア(NH3)ガスとアルゴン(Ar)ガスの混
合ガスによるプラズマエッチングのステップを3秒挿入し、その後、水素(H2)ガスと
アルゴン(Ar)ガスの混合ガスによるプラズマエッチングを実施する。この時、エッチング後のエッチングパターン形状に対し、ガス置換ステップの影響を小さくするため、ガス置換ステップにおけるバイアスRF電力は小さくすること(例えば50W)が望ましい。
混合ガスを用いたエッチング後においても、エッチングパターン側壁及び平坦部への、金属酸化物を主成分とする反応生成物の堆積を低減することができる。
化炭素(CO)ガスの混合ガスを用いた例であったが、本発明は、金属カルボニルを生成できるガスであればよいため、一酸化炭素(CO)ガスを含む混合ガスでも良い。また、本実施例の表2のステップ3では、水素(H2)ガスとアルゴン(Ar)ガスの混合ガスを用
いた例で説明したが、本発明は、アルゴンガスの代わりに、ヘリウムガス、窒素ガス、キセノンガス、クリプトンガス等の不活性ガスを用いても良い。
1b 第二のアンテナ
2 真空容器
3 ベルジャ
4 試料
5 試料台
6 プラズマ
7 試料保持部
8 カバー
9 ファラデーシールド
10 整合器
11 第一の高周波電源
12 ガス供給源
13 排気装置
14 第二の高周波電源
15 MTJ素子構成膜
16 ハードマスク
17 第二の金属膜
18 第二の磁性膜
19 金属酸化膜
20 第一の磁性膜
21 非磁性層
22 強磁性層
23 反強磁性交換バイアス層
24 第一の金属膜
25 シリコン酸化膜
26 第一の反応生成物
27 第二の反応生成物
Claims (6)
- 第一の磁性膜と、前記第一の磁性膜の上方に配置された第二の磁性膜と、前記第一の磁性膜と前記第二の磁性膜の間に配置された金属酸化膜と、前記第二の磁性膜の上方に配置された第二の金属膜と、前記第一の磁性膜の下方に配置された第一の金属膜とを有し試料台に載置される試料をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
一酸化炭素ガスを用い、前記試料台に第一の高周波電力を供給しながら前記第一の磁性膜と前記金属酸化膜と前記第二の磁性膜をエッチングする第一の工程と、
前記第一の工程後、水素ガスと不活性ガスの混合ガスを用い、前記試料台に第二の高周波電力を供給しながらエッチングパターン側壁の反応生成物を除去する第二の工程とを有し、
前記第一の金属膜は、タンタルを含有する膜であり、
前記第二の高周波電力は、前記第一の高周波電力より大きいことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 請求項1に記載のプラズマエッチング方法において、
前記第一の工程は、第一のエッチング工程と前記第一のエッチング工程後に行われる第二のエッチング工程を有し、
前記第二のエッチング工程における前記試料が載置される試料台に供給される高周波電力は、前記第一のエッチング工程における前記試料が載置される試料台に供給される高周波電力より小さいことを特徴とするプラズマエッチング方法。
- 請求項1または請求項2に記載のプラズマエッチング方法において、
前記水素ガスの流量は、前記不活性ガスの流量より多いことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のプラズマエッチング方法において、
前記第一の工程は、さらにアンモニアガスを用い、
前記第二の金属膜は、タンタルを含有する膜であり、
前記不活性ガスは、アルゴンガスであることを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 請求項2に記載のプラズマエッチング方法において、
前記第二のエッチング工程の処理時間は、前記第一のエッチング工程の処理時間より長いことを特徴とするプラズマエッチング方法。 - 請求項4に記載のプラズマエッチング方法において、
前記第一の工程前、四フッ化メタンガスとアルゴンガスの混合ガスを用いて前記第二の金属膜をエッチングする工程をさらに有することを特徴とするプラズマエッチング方法。
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