JP7001703B2 - エッチング方法 - Google Patents

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Description

本開示の実施形態は、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多層膜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）層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本体の内部空間の中で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。その結果、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、プラズマ処理装置の内部空間の中で生成された炭化水素ガスと希ガスとのプラズマにより多層膜をエッチングする工程と、当該内部空間の中で生成された水素ガスと窒素ガスのプラズマにより堆積物を除去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多層膜のエッチング方法が提供される。多層膜は、磁気トンネル接合層を有し、該磁気トンネル接合層は、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の磁性層との間に設けられたトンネルバリア層を含む。このエッチング方法では、プラズマ処理装置が用いられる。プラズマ処理装置はチャンバ本体を備える。チャンバ本体は内部空間を提供する。このエッチング方法は、（ｉ）内部空間の中に被加工物を収容する工程と、（ｉｉ）内部空間の中で生成された第１のガスのプラズマにより多層膜をエッチングする工程であり、第１のガスは炭素及び希ガスを含み、水素を含まない、該工程と、（ｉｉｉ）内部空間の中で生成された第２のガスのプラズマにより多層膜を更にエッチングする工程であり、第２のガスは、酸素及び希ガスを含み、炭素及び水素を含まない、該工程と、を含む。
水素を含むガスのプラズマにより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が劣化する。これは、水素のイオン及び／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。一態様に係るエッチング方法では、多層膜のエッチングに用いられる第１のガス及び第２のガスの双方が水素を含まないので、多層膜のエッチングに起因する磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化から抑制される。また、一態様に係るエッチング方法では、第１のガスに由来する炭素を含む堆積物が被加工物上に形成される。堆積物の量は、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低減される。なお、第２のガスでは希ガスにより酸素ガスが希釈されているので、多層膜の過剰な酸化が抑制される。
一実施形態において、第１のガスは、酸素を更に含んでいてもよい。一実施形態では、第１のガスは、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。
一実施形態において、第１のガスのプラズマにより多層膜をエッチングする工程と、第２のガスのプラズマにより多層膜を更にエッチングする工程とは、交互に繰り返されてもよい。
一実施形態において、エッチング方法は、内部空間の中に被加工物を収容する工程の実行前に、内部空間の中で、第３のガスのプラズマを生成する工程を更に含み、第３のガスは、炭素を含むガスと希ガスとを含有してもよい。第３のガスのプラズマが内部空間の中で生成されると、内部空間を画成する表面上に、炭素を含有する被膜が形成される。第２のガスに含まれる酸素のイオン及び／又はラジカルは、部分的に、被膜中の炭素との反応に消費される。したがって、この実施形態によれば、多層膜の酸化が更に抑制される。故に、この実施形態によれば、多層膜のエッチング速度の低下が抑制される。
一実施形態において、第３のガスは、炭素を含むガスとして、炭化水素を含むガスを含有していてもよい。
一実施形態において、エッチング方法は、第１のガスのプラズマにより多層膜をエッチングする工程と、第２のガスのプラズマにより多層膜を更にエッチングする工程とが実行されることによって多層膜がエッチングされた後に、内部空間を画成する表面のクリーニングを実行する工程と、を更に含んでもよい。この実施形態によれば、被加工物Ｗの多層膜ＭＬのエッチングが実行された後に、上述の被膜がクリーニングによって除去され得る。
一実施形態において、エッチング方法は、多層膜がエッチングされた後、且つ、クリーニングを実行する工程の前に、被加工物を内部空間から搬出する工程を更に含んでもよい。この実施形態によれば、多層膜がエッチングされて被加工物が内部空間から搬出された後に、クリーニングによって被膜が除去される。そして、別の被加工物が内部空間に搬入される前に、上述の被膜が再度形成される。しかる後に、当該別の被加工物の多層膜のエッチングが実行される。したがって、この実施形態によれば、二以上の被加工物の多層膜が、同様の環境下で順次にエッチングされ得る。
一実施形態では、第１の磁性層及び第２の磁性層の各々は、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に示すエッチング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及び工程ＳＴ２で生成したプラズマを説明する図であり、図４の（ｂ）は工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２における被加工物の状態を示す図である。 図１に示すエッチング方法の終了時における被加工物の状態を示す図である。 第３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（以下、「方法ＭＴ」という）は、被加工物の多層膜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、一例の被加工物の多層膜の一部を拡大して示す断面図である。方法ＭＴは、図２に示す被加工物Ｗの多層膜ＭＬのエッチングのために実行され得る。図２に示すように、被加工物Ｗは、多層膜ＭＬを有する。多層膜ＭＬは、少なくとも磁気トンネル接合層ＴＬを含む。
磁気トンネル接合層ＴＬ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及び第２の磁性層Ｌ１３の各々は、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。
多層膜ＭＬは、第１多層領域ＭＲ１及び第２多層領域ＭＲ２を有し得る。第１多層領域ＭＲ１は、上述の磁気トンネル接合層ＴＬを含んでいる。この第１多層領域ＭＲ１は、キャップ層Ｌ１４、上層Ｌ１５、及び、下層Ｌ１６を更に含んでいてもよい。磁気トンネル接合層ＴＬは、下層Ｌ１６上に設けられている。上層Ｌ１５は、磁気トンネル接合層ＴＬ上に設けられている。キャップ層Ｌ１４は、上層Ｌ１５の上に設けられている。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、例えばタンタル（Ｔａ）から形成されている。
第１多層領域ＭＲ１は、第２多層領域ＭＲ２上に設けられている。第２多層領域ＭＲ２は、磁気抵抗効果素子においてピニング層を構成する金属多層膜を含み得る。第２多層領域ＭＲ２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。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の交互の積層中において、任意の二つの層の間に介在している。
被加工物Ｗは、下部電極層ＢＬ及び下地層ＵＬを更に有し得る。下地層ＵＬは、例えば酸化シリコンから形成されている。下部電極層ＢＬは、下地層ＵＬ上に設けられている。第２多層領域ＭＲ２は、下部電極層ＢＬ上に設けられている。下部電極層ＢＬは、第１層Ｌ３１、第２層Ｌ３２、及び、第３層Ｌ３３を含み得る。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。
被加工物Ｗは、マスクＭＫを更に有する。マスクＭＫは、第１多層領域ＭＲ１上に設けられている。マスクＭＫは、単一の層から形成されていてもよいが、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として、方法ＭＴの説明を行う。方法ＭＴでは、プラズマ処理装置が用いられる。図３は、図１に示すエッチング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、その内側の空間を内部空間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形成されている。チャンバ本体１２は、接地電位に接続されている。チャンバ本体１２の内壁面、即ち、内部空間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。チャンバ本体１２の側壁１２ｓには、開口１２ｇが形成されている。被加工物Ｗは、内部空間１２ｃに搬入されるとき、及び、内部空間１２ｃから搬出されるときに、開口１２ｇを通過する。開口１２ｇはゲートバルブ１４により開閉可能である。ゲートバルブ１４は、側壁１２ｓに沿って設けられている。
内部空間１２ｃの中には、支持部１５が設けられている。支持部１５は、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いる。支持部１５は、石英といった絶縁材料から形成されている。内部空間１２ｃの中には、ステージ１６が更に設けられている。ステージ１６は、支持部１５によって支持されている。ステージ１６は、その上に搭載された被加工物Ｗを支持するように構成されている。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。
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いる。第１プレート１８ａ及び第２プレート１８ｂの各々は、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と被加工物Ｗとの間で静電引力が発生する。発生した静電引力により、被加工物Ｗは静電チャック２０に引き付けられ、静電チャック２０によって保持される。
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。即ち、チラーユニットと流路１８ｆとの間では、冷媒が循環される。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。
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は内部空間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ように構成されている。支持体３６は、アルミニウムといった導電性材料から形成され得る。支持体３６の内部には、ガス拡散室３６ａが設けられている。ガス拡散室３６ａからは、複数のガス孔３６ｂが下方に延びている。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。支持体３６には、ガス拡散室３６ａにガスを導くガス導入口３６ｃが形成されている。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、第１のガス、第２のガス、第３のガス、及び、クリーニングガスのための複数のガスソースを有している。第１のガス、第２のガス、第３のガス、及び、クリーニングガスについては後述する。
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の各々は、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、内部空間１２ｃに供給することが可能である。
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、自動圧力制御弁といった圧力制御器、及び、ターボ分子ポンプといった真空ポンプを有しており、内部空間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る。第１の高周波の周波数は、２７ＭＨｚ～１００ＭＨｚの範囲内の周波数であり、例えば６０ＭＨｚである。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、内部空間１２ｃに供給される。また、排気装置５０によって内部空間１２ｃが減圧される。そして、内部空間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。その結果、内部空間１２ｃの中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。その結果、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及び図５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及び工程ＳＴ２で生成したプラズマを説明する図であり、図４の（ｂ）は、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２における被加工物の状態を示す図である。図５は、図１に示すエッチング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として、方法ＭＴの説明を行う。
図１に示すように、方法ＭＴは、工程ＳＴａ、工程ＳＴ１、及び、工程ＳＴ２を含む。一実施形態において、方法ＭＴは、工程ＳＴｐを更に含む。更なる実施形態では、方法ＭＴは、工程ＳＴｂ及び工程ＳＴｃを更に含む。
工程ＳＴａでは、被加工物Ｗが、内部空間１２ｃの中に収容される。被加工物Ｗは、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。
一実施形態では、工程ＳＴｐが、工程ＳＴａの実行前に実行される。工程ＳＴｐでは、内部空間１２ｃの中で第３のガスのプラズマＰＬ３が生成される。第３のガスは、炭素を含むガスと希ガスとを含有する。炭素を含むガスは、例えば、メタン（ＣＨ４）といった炭化水素、一酸化炭素（ＣО）といった酸化炭素、又は、Ｃ４Ｆ６といったフッ化炭素を含む。希ガスは、任意の希ガスであることができ、例えばアルゴン（Ａｒ）ガスである。工程ＳＴｐでは、ダミーウエハといった物体が静電チャック２０上に載置された状態で、第３のガスが内部空間１２ｃに供給される。また、工程ＳＴｐでは、内部空間１２ｃの中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ＳＴｐでは、第３のガスのプラズマを生成するために、第１の高周波が供給される。工程ＳＴｐにおいて第３のガスのプラズマが生成されると、内部空間１２ｃを画成する表面、例えばチャンバ本体１２の内壁面上に、被膜が形成される。この被膜は、第３のガスに含まれる炭素を含有する。
方法ＭＴでは、工程ＳＴａの実行後に、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２が実行される。工程ＳＴ１では、第１のガスのプラズマにより多層膜ＭＬがエッチングされる。第１のガスは、炭素及び希ガスを含み、水素を含まないガスである。第１のガスは、酸素を更に含んでいてもよい。酸素を含む場合には、第１のガスは、一酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含むことができる。第１のガス中の希ガスは、任意の希ガスであることができ、例えばＡｒガスである。一例において、第１のガスは、一酸化炭素ガスとＡｒガスとを含む。
工程ＳＴ１では、第１のガスがガスソース群４０から内部空間１２ｃに供給される。また、内部空間１２ｃの中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、プラズマの生成のために、第１の高周波が第１の高周波電源６２から供給される。工程ＳＴ１では、内部空間１２ｃの中で、第１の高周波に基づく高周波電界により第１のガスが励起され、第１のガスのプラズマＰＬ１が生成される（図４の（ａ）を参照）。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。第２の高周波が下部電極１８に供給されることにより、プラズマＰＬ１中のイオン（炭素及び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に照射される。
工程ＳＴ１では、プラズマＰＬ１からの炭素のイオン及び／又ラジカルによって、多層膜ＭＬのエッチングが容易になるように当該多層膜ＭＬが改質される。また、プラズマＰＬ１からのイオンが多層膜ＭＬに衝突することにより、多層膜ＭＬがエッチングされる。即ち、工程ＳＴ１では、イオンのスパッタリングにより、多層膜ＭＬがエッチングされる。この工程ＳＴ１の実行により、マスクＭＫから露出されている部分において多層膜ＭＬがエッチングされる。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ＭＬに転写される。なお、工程ＳＴ１では、炭素を含む堆積物が被加工物Ｗの表面上に形成されることがある。
続く工程ＳＴ２では、第２のガスのプラズマにより多層膜ＭＬが更にエッチングされる。第２のガスは、酸素及び希ガスを含み、炭素及び水素を含まない。希ガスは、任意の希ガスであることができ、例えばＡｒガスである。第２のガスは、一例として、酸素ガスとＡｒガスとを含む。
工程ＳＴ２では、ガスソース群４０から第２のガスが内部空間１２ｃに供給される。また、内部空間１２ｃの中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、プラズマの生成のために、第１の高周波が第１の高周波電源６２から供給される。工程ＳＴ２では、内部空間１２ｃの中で、第１の高周波に基づく高周波電界により第２のガスが励起され、第２のガスのプラズマＰＬ２が生成される（図４の（ａ）を参照）。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。第２の高周波が下部電極１８に供給されることにより、プラズマＰＬ２からのイオン（酸素又は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、イオンのスパッタリングにより多層膜ＭＬがエッチングされる。また、工程ＳＴ２では、酸素のイオン及び／又はラジカルにより、被加工物Ｗ上の炭素を含む堆積物が除去される。
方法ＭＴでは、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を各々が含むシーケンスが１回以上実行される。当該シーケンスが複数回実行される場合には、工程ＳＪ１において、停止条件が満たされるか否かが判定される。停止条件は、当該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ＳＪ１において停止条件が満たされないものと判定されると、当該シーケンスが再び実行される。即ち、工程ＳＴ１と工程ＳＴ２とが交互に繰り返される。一方、工程ＳＪ１において停止条件が満たされるものと判定されると、当該シーケンスの実行が終了する。シーケンスの所定回数の実行が終了すると、多層膜ＭＬは、図５に示す状態となる。即ち、一実施形態では、当該シーケンスは下部電極層ＢＬが露出するまで実行されて、多層膜ＭＬから図５に示すピラーが形成される。
方法ＭＴでは、次いで、工程ＳＴｂが実行される。工程ＳＴｂでは、被加工物Ｗが内部空間１２ｃからチャンバ本体１２の外部に搬出される。方法ＭＴでは、工程ＳＴｂの実行後に、工程ＳＴｃが実行される。工程ＳＴｃでは、内部空間１２ｃを画成する表面のクリーニングが実行される。
工程ＳＴｃでは、内部空間１２ｃにクリーニングガスが供給される。クリーニングガスは、酸素含有ガスを含む。酸素含有ガスは、例えば酸素ガス（Ｏ２ガス）、一酸化炭素ガス、又は、二酸化炭素ガスであり得る。また、工程ＳＴｃでは、内部空間１２ｃの中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ＳＴｃでは、プラズマの生成のために、第１の高周波が第１の高周波電源６２から供給される。工程ＳＴｃでは、内部空間１２ｃの中で、第１の高周波に基づく高周波電界によりクリーニングガスが励起され、クリーニングガスのプラズマが生成される。工程ＳＴｃでは、クリーニングガスのプラズマからの酸素の活性種により、内部空間１２ｃを画成する表面、例えばチャンバ本体１２の内壁面上の炭素を含む皮膜が除去される。なお、工程ＳＴｃは、ダミーウエハといった物体が静電チャック２０上に載置され、当該静電チャック２０によって保持された状態で実行されてもよい。或いは、工程ＳＴｃは、静電チャック２０上にダミーウエハといった物体が載置されていない状態で実行されてもよい。
続く工程ＳＪ２では、別の被加工物を処理するか否かが判定される。即ち、別の被加工物の多層膜をエッチングするか否かが判定される。工程ＳＪ２において別の被加工物を処理するべきと判定される場合には、工程ＳＴｐからの処理が再び実行されて、当該別の被加工物の多層膜がエッチングされる。一方、工程ＳＪ２において別の被加工物を処理しないと判定される場合には、方法ＭＴは終了する。
水素を含むガスのプラズマにより多層膜ＭＬをエッチングすると、磁気抵抗効果素子の磁気特性が劣化する。これは、水素のイオン及び／又はラジカルが磁気抵抗効果素子の多層膜ＭＬを変質させるからであると推測される。一方、方法ＭＴでは、多層膜ＭＬのエッチングに用いられる第１のガス及び第２のガスの双方が水素を含まないので、多層膜ＭＬのエッチングに起因する磁気抵抗効果素子の磁気特性の劣化から抑制される。また、方法ＭＴでは、第１のガスに由来する炭素を含む堆積物が被加工物Ｗ上に形成される。堆積物の量は、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低減される。なお、第２のガスでは希ガスにより酸素ガスが希釈されているので、多層膜ＭＬの過剰な酸化が抑制される。
一実施形態では、上述したように、工程ＳＴｐにおいて、第３のガスのプラズマが内部空間１２ｃの中で生成される。第３のガスのプラズマが内部空間１２ｃの中で生成されると、内部空間１２ｃを画成する表面上に、炭素を含有する被膜が形成される。第２のガスに含まれる酸素のイオン及び／又はラジカルは、部分的に、被膜中の炭素との反応に消費される。したがって、この実施形態によれば、多層膜ＭＬの酸化が抑制される。故に、多層膜ＭＬのエッチング速度の低下が抑制される。
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、方法ＭＴ及びその変形態様に係る方法の実行には、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。
また、方法ＭＴにおいてエッチングされる多層膜は、少なくとも磁気トンネル接合層ＴＬを含む。換言すると、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含むシーケンスは、少なくとも磁気トンネル接合層ＴＬをエッチングするために実行される。なお、磁気トンネル接合層ＴＬ以外の多層膜ＭＬの領域は、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含むシーケンスとは異なる処理によりエッチングされてもよい。
また、工程ＳＴｐ、工程ＳＴａ、工程ＳＴ１、及び工程ＳＴ２の実行によって、二以上の被加工物の多層膜ＭＬが順にエッチングされた後に、工程ＳＴｃのクリーニングが実行されてもよい。二以上の被加工物のうちその多層膜ＭＬが最後にエッチングされる被加工物以外の被加工物は、その多層膜ＭＬが次にエッチングされる被加工物が内部空間１２ｃの中に収容される前に、内部空間１２ｃから搬出される。工程ＳＴｃのクリーニングは、二以上の被加工物のうちその多層膜ＭＬが最後にエッチングされた被加工物が、内部空間１２ｃの中に配置されたまま、或いは、チャンバ本体１２の外部に搬出された後に、実行されてもよい。
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、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を各々が含むシーケンスを実行して、図２に示した構造の被加工物の多層膜をエッチングすることにより、複数（２９６個）の実験サンプル１を作製した。複数の実験サンプル１の作成においては、図３に示した構造のプラズマ処理装置を用いた。以下に、複数の実験サンプル１の作成における処理条件を示す。
＜実験サンプル１の作製における処理条件＞
・工程ＳＴ１
内部空間の圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
第１のガス中のＡｒガスの流量：２５［ｓｃｃｍ］
第１のガス中の一酸化炭素（ＣＯ）ガスの流量：１７５［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
内部空間の圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
第２のガス中のＡｒガスの流量：１９４［ｓｃｃｍ］
第２のガス中の酸素（Ｏ２）ガスの流量：６［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］
・シーケンスの実行回数：３５回
また、第１の実験では、比較のために、第１の工程及び第２の工程を各々が含むシーケンスを実行して、図２に示した構造の被加工物の多層膜をエッチングすることにより、複数（２８７個）の比較サンプル１を作製した。複数の比較サンプル１の作製においても、図３に示した構造のプラズマ処理装置を用いた。以下に、複数の比較サンプル１の作製における処理条件を示す。なお、第１の工程では、水素を含むメタン（ＣＨ４）ガスを用いた。
＜比較サンプル１の作製における第１及び第２の工程の処理条件＞
・第１の工程
内部空間の圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
Ｋｒガスの流量：１７０［ｓｃｃｍ］
メタン（ＣＨ４）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２の工程
内部空間の圧力：１０［ｍＴｏｒｒ］（１．３３３［Ｐａ］）
Ｎｅガスの流量：５０［ｓｃｃｍ］
酸素（Ｏ２）ガスの流量：１０［ｓｃｃｍ］
一酸化炭素（ＣＯ）ガスの流量：１４０［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］
・シーケンスの実行回数：３０回
第１の実験では、作製した複数の実験サンプル１及び複数の比較サンプル１の各々の磁気抵抗（ＭＲ）比を測定した。測定の結果、複数の実験サンプル１のＭＲ比の平均値は１８８．５％であり、複数の比較サンプル１のＭＲ比の平均値は１８０．３％であった。即ち、複数の実験サンプル１は、メタンガスを用いてそれらのエッチングが行われた複数の比較サンプル１に比べて、高いＭＲ比を有していた。したがって、工程ＳＴ１と工程ＳＴ２を含むシーケンスの実行によれば、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、上述した複数の実験サンプル１と同様に複数の実験サンプル２を作製した。また、比較のために、上述した複数の比較サンプル１と同様に複数の比較サンプル２を作製した。そして、複数の実験サンプル２及び複数の比較サンプル２の各々について、試料振動型磁力計を用いて作成した磁化曲線から保磁力を求めた。測定の結果、複数の実験サンプル２の保磁力Ｈｃの平均値（平均保磁力）は１５９０（Ｏｅ）であり、複数の比較サンプル２の保磁力Ｈｃの平均値（平均保磁力）は９５１（Ｏｅ）であった。即ち、実験サンプル２は、比較サンプル２に比べて、高い平均保磁力を有していた。したがって、多層膜ＭＬのエッチングにおいて水素を含まない第１のガスのプラズマ及び第２のガス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抑制することが可能であることが確認された。
（第３の実験）
第３の実験では、多層膜のメインエッチング後に実行されるオーバーエッチングにおけるシーケンスの実行回数と保磁力との関係を求めた。第３の実験では、複数の実験サンプル３及び複数の比較サンプル３を作製した。複数の実験サンプル３の作製においては、上述した複数の実験サンプル１の作製における処理条件と同じ処理条件で、図２に示した構造の被加工物の多層膜のメインエッチングを行った。複数の実験サンプル３のうち幾つかの作製においては、オーバーエッチングを実行しなかった。複数の実験サンプル３のうち他の実験サンプル３の作製におけるオーバーエッチングでは、複数の実験サンプル１の作製における処理条件と同じ処理条件でシーケンスを６回、１２回、又は、１８回実行した。複数の比較サンプル３の作製においては、上述した複数の比較サンプル１の作製における処理条件と同じ処理条件で、図２に示した構造の被加工物の多層膜のメインエッチングを行った。複数の比較サンプル３のうち幾つかの作製においては、オーバーエッチングは実行しなかった。複数の比較サンプル３のうち他の比較サンプル３の作製におけるオーバーエッチングでは、複数の比較サンプル１の作製における処理条件と同じ処理条件でシーケンスを６回、１２回、又は、１８回実行した。なお、複数の実験サンプル３及び複数の比較サンプル３の各々の作製には、図３に示した構造のプラズマ処理装置を用いた。
第３の実験では、複数の実験サンプル３及び複数の比較サンプル３の各々について、試料振動型磁力計を用いて作成した磁化曲線から保磁力を求めた。そして、オーバーエッチングにおけるシーケンスの実行回数と保磁力の平均値との関係を求めた。第３の実験の結果を図６に示す。図６のグラフにおいて、横軸は、オーバーエッチングにおけるシーケンスの実行回数を示しており、縦軸は、保磁力の平均値を示している。図６に示すように、複数の実験サンプル３、即ち、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２の実行により作製したサンプルの保磁力の平均値は、オーバーエッチングにおけるシーケンスの実行回数によらず略一定であった。一方、メタンガスを用いて作製した複数の比較サンプル３の保磁力の平均値は、オーバーエッチングにおけるシーケンスの実行回数の増加に伴って減少していた。この結果から、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を各々が含むシーケンスによれば、多層膜から形成されるピラーの形状を調整するためにオーバーエッチングを行っても、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。
１０…プラズマ処理装置、１２…チャンバ本体、１２ｃ…内部空間、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、ＭＬ…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、ＴＬ…磁気トンネル接合層、ＭＫ…マスク。

Claims (8)

  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多層膜のエッチング方法であって、
    前記多層膜は、磁気トンネル接合層を有し、該磁気トンネル接合層は、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の磁性層との間に設けられたトンネルバリア層を含み、
    該エッチング方法では、チャンバ本体を備えるプラズマ処理装置が用いられ、該チャンバ本体は内部空間を提供し、
    該エッチング方法は、
    前記内部空間の中に前記被加工物を収容する工程と、
    前記内部空間の中で生成された第１のガスのプラズマにより前記多層膜をエッチングする工程であり、前記第１のガスは炭素及び希ガスを含み、水素を含まない、該工程と、
    前記内部空間の中で生成された第２のガスのプラズマにより前記多層膜を更にエッチングする工程であり、前記第２のガスは、酸素及び希ガスを含み、炭素及び水素を含まない、該工程と、
    前記内部空間の中に前記被加工物を収容する前記工程の実行前に、前記内部空間の中で、第３のガスのプラズマを生成する工程であり、前記第３のガスは、炭素を含むガスと希ガスとを含有する、該工程と、
    を含むエッチング方法。
  2. 前記第１のガスは、酸素を更に含む、請求項１に記載のエッチング方法。
  3. 前記第１のガスは、一酸化炭素ガス又は二酸化炭素ガスを含む、請求項２に記載のエッチング方法。
  4. 第１のガスのプラズマにより前記多層膜をエッチングする前記工程と、第２のガスのプラズマにより前記多層膜を更にエッチングする前記工程とが交互に繰り返される、請求項１～３の何れか一項に記載のエッチング方法。
  5. 前記第３のガスは、前記炭素を含む前記ガスとして、炭化水素を含むガスを含有する、請求項１～４の何れか一項に記載のエッチング方法。
  6. 第１のガスのプラズマにより前記多層膜をエッチングする前記工程と、第２のガスのプラズマにより前記多層膜を更にエッチングする前記工程とが実行されることによって前記多層膜がエッチングされた後に、前記内部空間を画成する表面のクリーニングを実行する工程と、を更に含む、請求項１～５の何れか一項に記載のエッチング方法。
  7. 前記多層膜がエッチングされた後、且つ、クリーニングを実行する前記工程の前に、前記被加工物を前記内部空間から搬出する工程、を更に含む、請求項６に記載のエッチング方法。
  8. 前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の各々はＣｏＦｅＢ層であり、前記トンネルバリア層はＭｇＯ層である、請求項１～７の何れか一項に記載のエッチング方法。
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