JP6552477B2 - エッチング方法 - Google Patents

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Description

本開示の実施形態は、エッチング方法に関し、特に、磁気抵抗効果素子の製造において実行される被加工物のエッチング方法に関するものである。
磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）を含む磁気抵抗効果素子は、例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等のデバイスにおいて利用されている。
磁気抵抗効果素子の製造においては、多層膜のエッチングが行われる。磁気抵抗効果素子の製造において実行されるエッチングでは、プラズマ処理装置のチャンバ内において炭化水素ガス及び不活性ガスのプラズマが生成されて、当該プラズマからのイオン及びラジカルが多層膜に照射される。これにより、多層膜がエッチングされる。このようなエッチングについては、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載されたエッチングでは、不活性ガスとして窒素ガスと希ガスが用いられている。
特開２０１１−１４８８１号公報
炭化水素ガスのプラズマを生成して多層膜をエッチングすると、当該多層膜を含む被加工物上に堆積物が形成される。この堆積物の量は減少されるべきである。堆積物の量を減少させることを可能とするエッチング方法としては、多層膜のエッチングのために炭化水素ガスと希ガスのプラズマをチャンバ内で発生させる工程と、堆積物の除去のために水素ガスと窒素ガスのプラズマを生成する工程とを交互に実行するエッチング方法が考えられる。しかしながら、このエッチング方法には、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化を抑制することにおいて更なる改善が求められる。
一態様においては、磁気抵抗効果素子の製造において実行される被加工物のエッチング方法（以下、単に「方法」という）が提供される。被加工物は、第１の多層膜、及び、該第１の多層膜と積層された第２の多層膜を有する。第１の多層膜は、第１の磁性層及び第２の磁性層、並びに、該第１の磁性層と該第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を含む。第２の多層膜は、磁気抵抗効果素子においてピニング層を構成する多層膜である。この方法は、（ｉ）第１の多層膜をエッチングする工程と、（ｉｉ）プラズマ処理装置のチャンバ内において第２の多層膜をエッチングするために、チャンバ内において炭化水素ガス及び希ガスを含む第１のガスのプラズマを生成する工程と、（ｉｉｉ）第１のガスのプラズマを生成する工程において被加工物上に形成された炭素を含む堆積物を除去するために、チャンバ内において、炭素及び酸素を含有するガス、酸素ガス、並びに、希ガスを含み、水素を含まない第２のガスのプラズマを生成する工程と、を含む。第１のガスのプラズマを生成する工程と第２のガスのプラズマを生成する工程は、交互に繰り返されてもよい。
水素ガスと窒素ガスのプラズマを生成して堆積物の除去を行うと、磁気抵抗効果素子の磁気特性が劣化する。これは、水素イオン及び／又はラジカルが磁気抵抗効果素子の多層膜を変質させるからであると推測される。一態様に係る方法は、水素ガスと窒素ガスのプラズマではなく、水素を含まない第２のガスのプラズマを生成することにより、堆積物の除去が行われる。したがって、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化が抑制される。なお、堆積物は第２のガスに含まれる酸素のイオン及び／又はラジカルにより除去される。また、第２のガスでは炭素及び酸素を含むガスと希ガスにより酸素ガスが希釈されているので被加工物の過剰な酸化が抑制される。
一実施形態では、第２のガスは、炭素及び酸素を含有するガスとして一酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含んでいてもよい。一実施形態では、第１のガスは、炭化水素ガスとしてメタンガスを含んでいてもよい。
一実施形態の第１のガスのプラズマを生成する工程において、第１のガスのプラズマからのイオンを第２の多層膜に衝突させて該第２の多層膜をエッチングするよう、被加工物をその上に搭載したステージの下部電極に高周波が供給される。第２のガスのプラズマを生成する工程においても、当該高周波が下部電極に供給されてもよい。
一実施形態において、第１の多層膜をエッチングする工程では、チャンバ内において第１の多層膜をエッチングするために、チャンバ内において希ガスのみのプラズマが生成される。希ガスイオンのみによって第１の多層膜をエッチングすると、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化が更に抑制される。
第１の多層膜をエッチングする工程では、希ガスのみのプラズマからのイオンを第１の多層膜に衝突させて該第１の多層膜をエッチングするよう、被加工物をその上に搭載したステージの下部電極に高周波が供給され得る。
一実施形態では、第２の多層膜はコバルト層及び白金層を含んでいてもよい。一実施形態において、第１の磁性層及び第２の磁性層は、ＣｏＦｅＢ層であり、トンネルバリア層はＭｇＯ層であってもよい。
以上説明したように、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化を抑制し得るエッチング方法が提供される。
一実施形態に係るエッチング方法を示す流れ図である。 一例の被加工物の一部を拡大して示す断面図である。 図１に示す方法の実行に用いることが可能なプラズマ処理装置を概略的に示す図である。 図４の（ａ）は工程ＳＴ１を説明する図であり、図４の（ｂ）は工程ＳＴ１の実行後の被加工物の状態を示す図である。 図５の（ａ）は工程ＳＴ２を説明する図であり、図５の（ｂ）は工程ＳＴ２の実行後の被加工物の状態を示す図である。 図６の（ａ）は工程ＳＴ３を説明する図であり、図６の（ｂ）は工程ＳＴ３の実行後の被加工物の状態を示す図である。 図１に示す方法の終了時における被加工物の状態を示す図である。 図８の（ａ）は、実験サンプル１の抵抗値ＲとＭＲ比を示すグラフであり、図８の（ｂ）は、比較サンプル１の抵抗値ＲとＭＲ比を示すグラフである。 図９は、保磁力を説明する図である。 第２の実験の結果を示すグラフである。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
図１は、一実施形態に係るエッチング方法を示す流れ図である。図１に示すエッチング方法ＭＴ（以下、「方法ＭＴ」という）は、被加工物をエッチングする方法であり、磁気抵抗効果素子の製造において実行される。
図２は、一例の被加工物の一部を拡大して示す断面図である。方法ＭＴは、例えば、図２に示す被加工物Ｗに対して適用することが可能である。図２に示すように、被加工物Ｗは、多層膜ＭＬ１（第１の多層膜）、及び、多層膜ＭＬ２（第２の多層膜）を有する。多層膜ＭＬ１は、第１の磁性層Ｌ１１、トンネルバリア層Ｌ１２、及び、第２の磁性層Ｌ１３を含んでいる。トンネルバリア層Ｌ１２は、第１の磁性層Ｌ１１と第２の磁性層Ｌ１３との間に設けられている。第１の磁性層Ｌ１１、トンネルバリア層Ｌ１２、及び、第２の磁性層Ｌ１３は、磁気抵抗効果素子において、磁気トンネル接合を形成する。第１の磁性層Ｌ１１及び第２の磁性層Ｌ１３は、例えばＣｏＦｅＢ層である。トンネルバリア層Ｌ１２は、金属の酸化物から形成された絶縁層である。トンネルバリア層Ｌ１２は、例えば、酸化マグネシウム層（ＭｇＯ層）である。
一例において、多層膜ＭＬ１は、キャップ層Ｌ１４、上層Ｌ１５、及び、下層Ｌ１６を更に含んでいる。第１の磁性層Ｌ１１、トンネルバリア層Ｌ１２、及び、第２の磁性層Ｌ１３は、上層Ｌ１５と下層Ｌ１６との間に設けられている。上層Ｌ１５及び下層Ｌ１６は、例えば、タングステン（Ｗ）から形成されている。キャップ層Ｌ１４は、上層Ｌ１５の上に設けられている。キャップ層Ｌ１４は、例えば、タンタル（Ｔａ）から形成されている。
多層膜ＭＬ２は、多層膜ＭＬ１と積層されている。多層膜ＭＬ２は、金属多層膜であり、磁気抵抗効果素子においてピニング層を構成する多層膜である。一例において、多層膜ＭＬ２は、複数のコバルト層Ｌ２１及び複数の白金層Ｌ２２を含んでいる。複数のコバルト層Ｌ２１及び複数の白金層Ｌ２２は交互に積層されている。また、多層膜ＭＬ２は、ルテニウム（Ｒｕ）層Ｌ２３を更に含み得る。ルテニウム層Ｌ２３は、複数のコバルト層Ｌ２１及び複数の白金層Ｌ２２の交互の積層における中間に設けられている。
多層膜ＭＬ１及び多層膜ＭＬ２は、下部電極層ＢＬを介して、下地層ＵＬの上に設けられている。下地層ＵＬは、例えば、酸化シリコンから形成されている。一例において、下部電極層ＢＬは、第１層Ｌ３１、第２層Ｌ３２、及び、第３層Ｌ３３を含んでいる。第３層Ｌ３３は、Ｔａ層であり、下地層ＵＬ上に設けられている。第２層Ｌ３２は、Ｒｕ層であり、第３層Ｌ３３上に設けられている。第１層Ｌ３１は、Ｔａ層であり、第２層Ｌ３２上に設けられている。
多層膜ＭＬ１と多層膜ＭＬ２を含む積層体の上には、マスクＭＫが設けられている。マスクＭＫは、単層であってもよいが、図２に示す例では積層体である。図２に示す例では、マスクＭＫは、層Ｌ４１〜Ｌ４４を含んでいる。層Ｌ４１は酸化シリコンから形成されており、層Ｌ４２は窒化シリコンから形成されており、層Ｌ４３は窒化チタン（ＴｉＮ）から形成されており、層Ｌ４４はルテニウムから形成されている。
以下、図２に示した被加工物Ｗに適用される場合を例にとって、方法ＭＴの説明を行う。方法ＭＴでは、被加工物Ｗの多層膜ＭＬ１及び多層膜ＭＬ２をエッチングするために、プラズマ処理装置が用いられる。図３は、図１に示す方法の実行に用いることが可能なプラズマ処理装置を概略的に示す図である。図３には、プラズマ処理装置の縦断面の構造が概略的に示されている。図３に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合型のプラズマ処理装置である。
プラズマ処理装置１０は、チャンバ本体１２を備えている。チャンバ本体１２は、略円筒形状を有している。チャンバ本体１２は、その内部空間をチャンバ１２ｃとして提供している。チャンバ本体１２は、例えばアルミニウムから構成されている。チャンバ本体１２の内壁面、即ち、チャンバ１２ｃを画成する壁面には、耐プラズマ性を有する膜が形成されている。この膜は、陽極酸化処理によって形成された膜、又は、酸化イットリウムから形成された膜といったセラミックス製の膜であり得る。また、チャンバ本体１２の側壁１２ｓには被加工物Ｗの搬送のための開口１２ｇが設けられている。この開口１２ｇはゲートバルブ１４により開閉可能となっている。このチャンバ本体１２は接地電位に接続されている。
チャンバ１２ｃ内では、支持部１５が、チャンバ本体１２の底部から上方に延在している。支持部１５は、略円筒形状を有しており、石英といった絶縁材料から形成されている。また、チャンバ１２ｃ内には、ステージ１６が設けられている。ステージ１６は、その上に搭載された被加工物Ｗを支持するよう構成されている。被加工物Ｗは、ウエハのように円盤形状を有し得る。ステージ１６は、下部電極１８及び静電チャック２０を含んでいる。このステージ１６は、支持部１５によって支持されている。
下部電極１８は、第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂを含んでいる。第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂは、例えばアルミニウムといった金属から形成されており、略円盤形状を有している。第２プレート１８ｂは、第１プレート１８ａ上に設けられており、第１プレート１８ａに電気的に接続されている。
第２プレート１８ｂ上には、静電チャック２０が設けられている。静電チャック２０は、絶縁層、及び、当該絶縁層内に内蔵された電極を有している。静電チャック２０の電極には、直流電源２２がスイッチ２３を介して電気的に接続されている。静電チャック２０の電極に直流電源２２からの直流電圧が印加されると、静電チャック２０はクーロン力等の静電力を発生する。静電チャック２０は、この静電力により被加工物Ｗを当該静電チャック２０に引き付け、当該被加工物Ｗを保持する。
第２プレート１８ｂの周縁部上には、被加工物Ｗのエッジ及び静電チャック２０を囲むようにフォーカスリング２４が配置されている。フォーカスリング２４は、プラズマ処理の均一性を向上させるために設けられている。フォーカスリング２４は、プラズマ処理に応じて適宜選択される材料から構成されており、例えば石英から形成され得る。
第２プレート１８ｂの内部には、流路１８ｆが設けられている。流路１８ｆには、チャンバ本体１２の外部に設けられたチラーユニットから配管２６ａを介して冷媒が供給される。流路１８ｆに供給された冷媒は、配管２６ｂを介してチラーユニットに戻される。このように、流路１８ｆには、当該流路１８ｆ内を循環するよう、冷媒が供給される。この冷媒の温度をチラーユニットによって制御することにより、静電チャック２０によって支持された被加工物Ｗの温度が制御される。
また、プラズマ処理装置１０には、ガス供給ライン２８が設けられている。ガス供給ライン２８は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス、例えばＨｅガスを、静電チャック２０の上面と被加工物Ｗの裏面との間に供給する。
プラズマ処理装置１０は、上部電極３０を更に備えている。上部電極３０は、ステージ１６の上方に設けられており、下部電極１８に対して略平行に設けられている。上部電極３０は、部材３２と共にチャンバ本体１２の上部開口を閉じている。部材３２は、絶縁性を有している。上部電極３０は、この部材３２を介してチャンバ本体１２の上部に支持されている。
上部電極３０は、天板３４及び支持体３６を含んでいる。天板３４はチャンバ１２ｃに面している。天板３４には、複数のガス吐出孔３４ａが設けられている。この天板３４は、限定されるものではないが、例えばシリコンから構成されている。或いは、天板３４は、アルミニウム製の母材の表面に耐プラズマ性の膜を設けた構造を有し得る。なお、この膜は、陽極酸化処理によって形成された膜、又は、酸化イットリウムから形成された膜といったセラミックス製の膜であり得る。
支持体３６は、天板３４を着脱自在に支持するものであり、例えばアルミニウムといった導電性材料から構成され得る。支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。このガス拡散室３６ａからは、複数のガス孔３６ｂが下方に延びており、当該複数のガス孔３６ｂは、複数のガス吐出孔３４ａにそれぞれ連通している。また、支持体３６には、ガス拡散室３６ａにガスを導くガス導入口３６ｃが形成されており、このガス導入口３６ｃには、ガス供給管３８が接続されている。
ガス供給管３８には、バルブ群４２及び流量制御器群４４を介して、ガスソース群４０が接続されている。ガスソース群４０は、複数のガスソースを有している。複数のガスソースは、一以上の希ガスのソース、炭化水素ガスのソース、炭素及び酸素を含むガスのソース、及び、酸素（Ｏ２）ガスのソースを含んでいる。複数のガスソースは、一以上の希ガスのソースとして、Ｎｅガスのソース及びＫｒガスのソースを含み得る。炭化水素ガスは、例えば、メタンガスである。炭素及び酸素を含むガスは、一酸化炭素ガス、及び／又は、二酸化炭素ガスである。
バルブ群４２は複数のバルブを含んでおり、流量制御器群４４はマスフローコントローラといった複数の流量制御器を含んでいる。ガスソース群４０の複数のガスソースはそれぞれ、バルブ群４２の対応のバルブ及び流量制御器群４４の対応の流量制御器を介して、ガス供給管３８に接続されている。このプラズマ処理装置１０は、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択された一以上のガスソースからのガスを、個別に調整された流量で、チャンバ１２ｃに供給することが可能である。
チャンバ１２ｃ内、且つ、支持部１５とチャンバ本体１２の側壁１２ｓとの間には、バッフルプレート４８が設けられている。バッフルプレート４８は、例えば、アルミニウム製の母材に酸化イットリウム等のセラミックスを被覆することにより構成され得る。このバッフルプレート４８には、多数の貫通孔が形成されている。バッフルプレート４８の下方においては、排気管５２がチャンバ本体１２の底部に接続されている。この排気管５２には、排気装置５０が接続されている。排気装置５０は、圧力制御器、及び、ターボ分子ポンプなどの真空ポンプを有しており、チャンバ１２ｃを減圧することができる。
プラズマ処理装置１０は、第１の高周波電源６２を更に備える。第１の高周波電源６２は、プラズマ生成用の第１の高周波を発生する電源であり、２７〜１００ＭＨｚの範囲内の周波数、例えば６０ＭＨｚの周波数を有する高周波を発生する。第１の高周波電源６２は、整合器６３を介して上部電極３０に接続されている。整合器６３は、第１の高周波電源６２の出力インピーダンスと負荷側（上部電極３０側）の入力インピーダンスを整合させるための回路を有している。なお、第１の高周波電源６２は、整合器６３を介して下部電極１８に接続されていてもよい。第１の高周波電源６２が下部電極１８に接続されている場合には、上部電極３０は接地電位に接続される。
プラズマ処理装置１０は、第２の高周波電源６４を更に備えている。第２の高周波電源６４は、被加工物Ｗにイオンを引き込むためのバイアス用の第２の高周波を発生する電源である。第２の高周波の周波数は、第１の高周波の周波数よりも低い。第２の高周波の周波数は、４００ｋＨｚ〜１３．５６ＭＨｚの範囲内の周波数であり、例えば、４００ｋＨｚである。第２の高周波電源６４は、整合器６５を介して下部電極１８に接続されている。整合器６５は、第２の高周波電源６４の出力インピーダンスと負荷側（下部電極１８側）の入力インピーダンスを整合させるための回路を有している。
一実施形態においては、プラズマ処理装置１０は、制御部Ｃｎｔを更に備え得る。制御部Ｃｎｔは、プロセッサ、記憶装置、入力装置、表示装置等を備えるコンピュータであり、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。具体的に、制御部Ｃｎｔは、記憶装置に記憶されている制御プログラムを実行し、当該記憶装置に記憶されているレシピデータに基づいてプラズマ処理装置１０の各部を制御する。これにより、プラズマ処理装置１０は、レシピデータによって指定されたプロセスを実行するようになっている。例えば、制御部Ｃｎｔは、方法ＭＴ用のレシピデータに基づいて、プラズマ処理装置１０の各部を制御する。
このプラズマ処理装置１０を用いたプラズマ処理の実行の際には、ガスソース群４０の複数のガスソースのうち選択されたガスソースからのガスが、チャンバ１２ｃに供給される。また、排気装置５０によってチャンバ１２ｃが減圧される。そして、チャンバ１２ｃに供給されたガスが、第１の高周波電源６２からの高周波によって発生する高周波電界によって励起される。これにより、チャンバ１２ｃ内でプラズマが生成される。また、下部電極１８に第２の高周波が供給される。これにより、プラズマ中のイオンが被加工物Ｗに向けて加速される。このように加速されたイオン、及び／又は、ラジカルが被加工物に照射されることにより、被加工物Ｗがエッチングされる。
以下、図１と共に、図４〜図７を参照して、方法ＭＴについて詳細に説明する。図４の（ａ）は工程ＳＴ１を説明する図であり、図４の（ｂ）は工程ＳＴ１の実行後の被加工物の状態を示す図である。図５の（ａ）は工程ＳＴ２を説明する図であり、図５の（ｂ）は工程ＳＴ２の実行後の被加工物の状態を示す図である。図６の（ａ）は工程ＳＴ３を説明する図であり、図６の（ｂ）は工程ＳＴ３の実行後の被加工物の状態を示す図である。図７は、図１に示す方法の終了時における被加工物の状態を示す図である。なお、以下の説明では、図２に示した被加工物Ｗに対してプラズマ処理装置１０を用いて方法ＭＴが適用される場合を例にとって、方法ＭＴの説明を行う。
方法ＭＴでは、被加工物Ｗが、ステージ１６の静電チャック２０上に載置され、当該静電チャック２０によって保持される。そして、以下に説明する工程ＳＴ１、工程ＳＴ２、及び、工程ＳＴ３が実行される。
工程ＳＴ１では、多層膜ＭＬ１がエッチングされる。一実施形態の工程ＳＴ１では、チャンバ１２ｃ内において希ガスのみのプラズマが生成される。工程ＳＴ１では、例えばＫｒガスのプラズマＰＬ１が生成される。工程ＳＴ１では、ガスソース群４０から希ガスがチャンバ１２ｃに供給される。また、チャンバ１２ｃの圧力が指定された圧力に排気装置５０によって設定される。また、第１の高周波電源６２から第１の高周波がプラズマの生成のために供給される。これにより、図４の（ａ）に示すように、チャンバ１２ｃ内において希ガスのみのプラズマＰＬ１が生成される。一実施形態の工程ＳＴ１では、第２の高周波電源６４から第２の高周波が下部電極１８に供給される。これにより、プラズマＰＬ１からのイオン（希ガス原子のイオン）が被加工物Ｗに引き込まれて、当該被加工物Ｗに衝突する。即ち、一実施形態の工程ＳＴ１では、希ガスのスパッタリングにより、多層膜ＭＬ１のエッチングが行われる。この工程ＳＴ１の実行により、多層膜ＭＬ１はマスクＭＫから露出されている部分においてエッチングされる。その結果、図４の（ｂ）に示すようにマスクＭＫのパターンが多層膜ＭＬ１に転写される。
なお、多層膜ＭＬ１は、後述する工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含むシーケンスの一回以上の実行によってエッチングされてもよい。また、多層膜ＭＬ１をエッチングすることができれば、任意のプラズマエッチング処理が工程ＳＴ１に用いられてもよい。
一実施形態では、次いで、工程ＳＴ２が実行される。工程ＳＴ２では、多層膜ＭＬ２をエッチングするために、チャンバ１２ｃ内において炭化水素ガス及び希ガスを含む第１のガスのプラズマが生成される。炭化水素ガスは、例えばメタンガスである。希ガスは、例えばＫｒガスである。工程ＳＴ２では、ガスソース群４０から第１のガスがチャンバ１２ｃに供給される。また、チャンバ１２ｃの圧力が指定された圧力に排気装置５０によって設定される。また、工程ＳＴ２では、第１の高周波電源６２から第１の高周波がプラズマの生成のために供給される。これにより、図５の（ａ）に示すように、チャンバ１２ｃ内において第１のガスのプラズマＰＬ２が生成される。一実施形態の工程ＳＴ２では、第２の高周波電源６４から第２の高周波が下部電極１８に供給される。
工程ＳＴ２では、プラズマＰＬ２からイオン及び／又はラジカルが被加工物Ｗに照射される。多層膜ＭＬ２は、炭化水素、炭素、及び、水素のイオン及び／又はラジカルによって改質され、容易にエッチング可能となる。また、工程ＳＴ２では、多層膜ＭＬ２がプラズマＰＬ２からのイオンのスパッタリングによりエッチングされる。さらに、工程ＳＴ２では、炭素を含む堆積物ＤＰが被加工物Ｗ上に形成される（図５の（ｂ）参照）。
続く工程ＳＴ３では、堆積物ＤＰを除去するために、チャンバ１２ｃ内において、第２のガスのプラズマが生成される。第２のガスは、炭素及び酸素を含有するガス、酸素（Ｏ２）ガス、並びに、希ガスを含み、水素を含まない。炭素及び酸素を含有するガスは、例えば一酸化炭素ガス及び／又は二酸化炭素ガスである。希ガスは、例えばＮｅガスである。工程ＳＴ３では、ガスソース群４０から第２のガスがチャンバ１２ｃに供給される。また、チャンバ１２ｃの圧力が指定された圧力に排気装置５０によって設定される。また、工程ＳＴ３では、第１の高周波電源６２から第１の高周波がプラズマの生成のために供給される。これにより、図６の（ａ）に示すように、チャンバ１２ｃ内において第２のガスのプラズマＰＬ３が生成される。一実施形態の工程ＳＴ３では、第２の高周波電源６４から第２の高周波が下部電極１８に供給される。
工程ＳＴ３では、プラズマＰＬ３からイオン及び／又はラジカルが被加工物Ｗに照射される。工程ＳＴ３では、プラズマＰＬ３からの酸素イオン及び／又はラジカルにより、堆積物ＤＰが除去される（図６の（ｂ）参照）。
続く工程ＳＴＪでは、停止条件が満たされるか否かが判定される。停止条件は、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含むシーケンスの実行回数が所定回数に到達している場合に、満たされる。工程ＳＴＪにおいて停止条件が満たされないものと判定されると、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３を含むシーケンスが再び実行される。即ち、工程ＳＴ２と工程ＳＴ３が交互に繰り返される。一方、工程ＳＴＪにおいて停止条件が満たされるものと判定されると、方法ＭＴの実行が終了する。方法ＭＴの実行が終了すると、マスクＭＫのパターンが多層膜ＭＬ１及び多層膜ＭＬ２に転写されて、図７に示すように、多層膜ＭＬ１と多層膜ＭＬ２を含むピラーが形成される。一実施形態では、被加工物Ｗには、複数個のピラーが同時に形成され得る。なお、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含むシーケンスの実行回数は１回であってもよい。
上述したように、方法ＭＴの工程ＳＴ３で用いられる第２のガスは、水素を含んでいない。水素を含むガスのプラズマを生成して堆積物ＤＰの除去を行うと、磁気抵抗効果素子の磁気特性が劣化する。これは、水素イオン及び／又はラジカルが磁気抵抗効果素子の多層膜を変質させるからであると推測される。一方、方法ＭＴの工程ＳＴ３では、水素を含まない第２のガスのプラズマを生成することにより、堆積物ＤＰの除去が行われる。したがって、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化が抑制される。なお、第２のガスでは炭素及び酸素を含むガスと希ガスにより酸素ガスが希釈されているので被加工物Ｗの過剰な酸化が抑制される。
また、一実施形態の工程ＳＴ１では、多層膜ＭＬ１のエッチングのために希ガスのみのプラズマが生成される。希ガスイオンのみのスパッタリングによって多層膜ＭＬ１をエッチングすると、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化が更に抑制される。
以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、図２に示した被加工物では、マスクＭＫと多層膜ＭＬ２の間に多層膜ＭＬ１が設けられているが、マスクＭＫと多層膜ＭＬ１の間に多層膜ＭＬ２が設けられていてもよい。マスクＭＫと多層膜ＭＬ１の間に多層膜ＭＬ２が設けられている場合には、工程ＳＴ１よりも先に、工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３が実行される。
また、方法ＭＴ及びその変形態様に係る方法の実行においては、容量結合型のプラズマ処理装置以外のプラズマ処理装置を用いることが可能である。このようなプラズマ処理装置としては、誘導結合型のプラズマ処理装置、プラズマの生成のためにマイクロ波といった表面波を用いるプラズマ処理装置が例示される。
以下、方法ＭＴの評価のために行った種々の実験について説明する。なお、本開示は以下に説明する実験によって限定されるものではない。
（第１の実験）
第１の実験では、図３に示した構造のプラズマ処理装置を用いて図２に示した構造の被加工物に方法ＭＴを適用し、図７に示した磁気抵抗効果素子の構造を有する複数の実験サンプル１を作成した。以下に、実験サンプル１の作成において用いた方法ＭＴの処理条件を示す。
＜実験サンプル１の作成における方法ＭＴの処理条件＞
・工程ＳＴ１
チャンバの圧力：３０［ｍＴｏｒｒ］（４［Ｐａ］）
Ｋｒガスの流量：２００［ｓｃｃｍ］
第１の高周波：６０［ＭＨｚ］、２００［Ｗ］
第２の高周波：４００［ｋＨｚ］、８００［Ｗ］
処理時間：６［秒］
・工程ＳＴ２
チャンバの圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
第１のガス中のＫｒガスの流量：１７０［ｓｃｃｍ］
第１のガス中のメタンガスの流量：３０［ｓｃｃｍ］
第１の高周波：６０［ＭＨｚ］、２００［Ｗ］
第２の高周波：４００［ｋＨｚ］、８００［Ｗ］
処理時間：５［秒］
・工程ＳＴ３
チャンバの圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
第２のガス中の酸素（Ｏ２）ガスの流量：１０［ｓｃｃｍ］
第２のガス中の一酸化炭素ガスの流量：１４０［ｓｃｃｍ］
第２のガス中のＮｅガスの流量：５０［ｓｃｃｍ］
第１の高周波：６０［ＭＨｚ］、２００［Ｗ］
第２の高周波：４００［ｋＨｚ］、８００［Ｗ］
処理時間：５［秒］
・工程ＳＴ２及び工程ＳＴ３の繰り返し回数：２５回
また、第１の実験では、比較のために、図３に示した構造のプラズマ処理装置を用いて図２に示した構造の被加工物のエッチングを行って、図７に示した磁気抵抗効果素子の構造を有する複数の比較サンプル１を作成した。比較サンプル１の作成においては、第１の工程で多層膜ＭＬ１をエッチングし、しかる後に、第２の工程と第３の工程を交互に繰り返すことにより多層膜ＭＬ２をエッチングした。これら第１〜第３の工程の処理条件を以下に示す。
＜比較サンプル１の作成における第１〜第３の工程の処理条件＞
・第１の工程
チャンバの圧力：３０［ｍＴｏｒｒ］（４［Ｐａ］）
Ｋｒガスの流量：２００［ｓｃｃｍ］
第１の高周波：６０［ＭＨｚ］、２００［Ｗ］
第２の高周波：４００［ｋＨｚ］、８００［Ｗ］
処理時間：６［秒］
・第２の工程
チャンバの圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
Ｋｒガスの流量：１７０［ｓｃｃｍ］
メタンガスの流量：３０［ｓｃｃｍ］
第１の高周波：６０［ＭＨｚ］、２００［Ｗ］
第２の高周波：４００［ｋＨｚ］、８００［Ｗ］
処理時間：５［秒］
・第３の工程
チャンバの圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
水素（Ｈ２）ガスの流量：１００［ｓｃｃｍ］
窒素（Ｎ２）ガスの流量：５０［ｓｃｃｍ］
Ｎｅガスの流量：５０［ｓｃｃｍ］
第１の高周波：６０［ＭＨｚ］、２００［Ｗ］
第２の高周波：４００［ｋＨｚ］、８００［Ｗ］
処理時間：５［秒］
・第２の工程と第３の工程の繰り返し回数：２５回
そして、作成した複数の実験サンプル１及び複数の比較サンプル１の各々の抵抗値ＲとＭＲ比を測定した。図８の（ａ）に実験サンプル１の抵抗値ＲとＭＲ比を示し、図８の（ｂ）に比較サンプル１の抵抗値ＲとＭＲ比を示す。図８の（ａ）及び図８の（ｂ）のグラフにおいては、横軸は抵抗値Ｒであり、縦軸はＭＲ比である。図８の（ｂ）に示すように、複数の比較サンプル１には、低い抵抗値と低いＭＲ比を有する多くのサンプルが含まれていた。即ち、複数の比較サンプル１の作成においては、磁気特性が大きく劣化したサンプルが得られた。一方、図８の（ａ）に示すように、複数の実験サンプル１の抵抗値及びＭＲ比は高くなっていた。なお、複数の実験サンプル１の抵抗値の相違は、磁気抵抗効果素子のピラーの幅（ＣＤ値）の相違に起因するものである。以上の結果から、方法ＭＴのエッチングによれば、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化が抑制されることが確認された。
（第２の実験）
第２の実験では、上述した実験サンプル１と同様に複数の実験サンプル２を作成した。また、図３に示した構造のプラズマ処理装置を用いて図２に示した構造の被加工物から複数の実験サンプル３を作成した。複数の実験サンプル３の作成においては、工程ＳＴ２と工程ＳＴ３の交互の繰り返しのみにより、多層膜ＭＬ１及び多層膜ＭＬ２のエッチングを行った。複数の実験サンプル３の作成における工程ＳＴ２の処理条件及び工程ＳＴ３の処理条件は、複数の実験サンプル２の作成における工程ＳＴ２の処理条件及び工程ＳＴ３の処理条件とそれぞれ同様であった。
また、比較のために、上述した比較サンプル１と同様に複数の比較サンプル２を作成した。また、図３に示した構造のプラズマ処理装置を用いて図２に示した構造の被加工物から複数の比較サンプル３を作成した。複数の比較サンプル３の作成においては、比較サンプル１の作成に関連して上述した第２の工程と第３の工程の交互の繰り返しのみにより、多層膜ＭＬ１及び多層膜ＭＬ２のエッチングを行った。複数の比較サンプル３の作成における第２の工程の処理条件及び第３の工程の処理条件は、複数の比較サンプル２の作成における第２の工程の処理条件及び第３の工程の処理条件とそれぞれ同様であった。
そして、複数の実験サンプル２、複数の実験サンプル３、複数の比較サンプル２、及び、複数の比較サンプル３の各々の保磁力Ｈｃを測定した。各サンプルの保磁力Ｈｃの測定においては、試料振動型磁力計を用いて、図９に示すように、磁化曲線を作成して磁場の強さＨｃ１及びＨｃ２を測定した。そして、Ｈｃ１とＨｃ２の平均値を保磁力Ｈｃとして求めた。そして、複数の実験サンプル２の保磁力Ｈｃの平均値、複数の実験サンプル３の保磁力Ｈｃの平均値、複数の比較サンプル２の保磁力Ｈｃの平均値、及び、複数の比較サンプル３の保磁力Ｈｃの平均値を求めた。図１０に結果を示す。図１０のグラフにおいて、Ｅ２、Ｅ３、Ｃ２、Ｃ３はそれぞれ、複数の実験サンプル２の保磁力Ｈｃの平均値、複数の実験サンプル３の保磁力Ｈｃの平均値、複数の比較サンプル２の保磁力Ｈｃの平均値、及び、複数の比較サンプル３の保磁力Ｈｃの平均値を示している。図１０から分かるように、複数の実験サンプル３の保磁力Ｈｃの平均値（Ｅ３）は、複数の比較サンプル３の保磁力Ｈｃの平均値（Ｃ３）よりも相当に大きくなっていた。したがって、工程ＳＴ３の実行時に第２のガスとして水素を含まないガスを用いることにより、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化を抑制することが可能であることが確認された。また、図１０から分かるように、複数の実験サンプル２の保磁力Ｈｃの平均値（Ｅ２）は、複数の実験サンプル３の保磁力Ｈｃの平均値（Ｅ３）よりも相当に大きくなっていた。したがって、多層膜ＭＬ１のエッチングにおいて希ガスのみのプラズマを用いることにより、磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化を更に抑制することが可能であることが確認された。
１０…プラズマ処理装置、１２…チャンバ本体、１２ｃ…チャンバ、１６…ステージ、１８…下部電極、２０…静電チャック、３０…上部電極、４０…ガスソース群、５０…排気装置、６２…第１の高周波電源、６４…第２の高周波電源、Ｗ…被加工物、ＭＬ１…多層膜、Ｌ１１…第１の磁性層、Ｌ１２…トンネルバリア層、Ｌ１３…第２の磁性層、ＭＬ２…多層膜、ＭＫ…マスク。

Claims (10)

  1. 磁気抵抗効果素子の製造において実行される被加工物のエッチング方法であって、
    前記被加工物は、第１の多層膜、及び、該第１の多層膜と積層された第２の多層膜を有し、前記第１の多層膜は、第１の磁性層及び第２の磁性層、並びに、該第１の磁性層と該第２の磁性層の間に設けられたトンネルバリア層を含み、前記第２の多層膜は、前記磁気抵抗効果素子においてピニング層を構成する多層膜であり、
    該方法は、
    前記第１の多層膜をエッチングする工程と、
    プラズマ処理装置のチャンバ内において前記第２の多層膜をエッチングするために、該チャンバ内において炭化水素ガス及び希ガスを含む第１のガスのプラズマを生成する工程と、
    第１のガスのプラズマを生成する前記工程において前記被加工物上に形成された炭素を含む堆積物を除去するために、前記チャンバ内において、炭素及び酸素を含有するガス、酸素ガス、並びに、希ガスを含み、水素を含まない第２のガスのプラズマを生成する工程と、
    を含むエッチング方法。
  2. 前記第２のガスは、炭素及び酸素を含有する前記ガスとして一酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記第１のガスは、前記炭化水素ガスとしてメタンガスを含む、請求項１又は２に記載のエッチング方法。
  4. 第１のガスのプラズマを生成する前記工程において、前記第１のガスの前記プラズマからのイオンを前記第２の多層膜に衝突させて該第２の多層膜をエッチングするよう、前記被加工物をその上に搭載したステージの下部電極に高周波が供給される、請求項１〜３の何れか一項に記載のエッチング方法。
  5. 第２のガスのプラズマを生成する前記工程において、前記高周波が前記下部電極に供給される、請求項４に記載のエッチング方法。
  6. 前記第１の多層膜をエッチングする前記工程では、前記チャンバ内において前記第１の多層膜をエッチングするために、該チャンバ内において希ガスのみのプラズマが生成される、請求項１〜３の何れか一項に記載のエッチング方法。
  7. 第１の多層膜をエッチングする前記工程において、前記希ガスのみの前記プラズマからのイオンを前記第１の多層膜に衝突させて該第１の多層膜をエッチングするよう、前記被加工物をその上に搭載したステージの下部電極に高周波が供給される、請求項６に記載のエッチング方法。
  8. 第１のガスのプラズマを生成する前記工程と第２のガスのプラズマを生成する前記工程とが交互に繰り返される、請求項１〜７の何れか一項に記載のエッチング方法。
  9. 前記第２の多層膜はコバルト層及び白金層を含む、請求項１〜８の何れか一項に記載のエッチング方法。
  10. 前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層は、ＣｏＦｅＢ層であり、前記トンネルバリア層はＭｇＯ層である、請求項１〜９の何れか一項に記載のエッチング方法。
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