JPWO2010084909A1 - 磁性膜加工チャンバのクリーニング方法、磁性素子の製造方法、および基板処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、クリーニング工程の時間を短縮可能な多層膜の製造方法、磁気抵抗効果素子の製造方法、および基板処理装置を提供する。本発明に一実施形態では、エッチング装置内をプロセスの合間にＨ２ガス及びＯ２ガスを含む混合ガスのプラズマによりクリーニングする。これにより、クリーニング時間が短縮され、生産性が向上する。

Description

本発明は、生産性が高く、かつ、信頼性に優れた、磁性膜加工チャンバのクリーニング方法、磁性素子の製造方法、および基板処理装置に関する。

従来から、特許文献１に示すように、ドライエッチングや成膜の処理室に被処理体を導入しない状態で、クリーニングガスを導入し、プラズマを生成することで、処理室内をクリーニングする方法が知られている。これにより、ドライエッチングや成膜の際に処理室内に付着した膜材料が除去、排気され、処理中に当該付着した膜材料が剥れてパーティクルの原因になったり、プラズマ密度の分布等プラズマの生成状態が各処理回で変化したりするのを防止でき、信頼性の高い電子部品の製造が可能となる。

特開平８−３３０２４３号公報

しかしながら、磁性素子の製造工程では、磁性素子を所定の形状に加工する際にエッチング室に磁性材料が付着する。上記特許文献１では、クリーニングガスとして四フッ化炭素ガスを用いている。このように、四フッ化炭素ガスを用いて、クリーニング処理を行った場合、クリーニング工程に時間を要し、生産性の低下を招いていた。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、クリーニング工程の時間を短縮可能な磁性膜加工チャンバのクリーニング方法、磁性素子の製造方法、および基板処理装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明は、磁性膜加工チャンバのクリーニング方法であって、酸素及び水素を元素として含むクリーニングガスのプラズマを形成し、磁性膜の加工処理によりチャンバ内に付着した前記磁性膜を構成する金属膜を除去するクリーニング工程を有することを特徴とする。

また、本発明は、磁性素子の製造方法であって、少なくとも磁性層を含む磁性多層膜に対する加工処理の合間に、処理室から前記磁性多層膜を退避させた状態で、前記処理室内に酸素及び水素を元素として含むクリーニングガスのプラズマを形成し、加工処理により生じた処理室への付着物を除去するクリーニング工程を有することを特徴とする。

さらに、本発明は、ドライエッチング処理を実行可能な基板処理装置であって、処理室と、前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、前記処理室内に、酸素および水素を元素として含むクリーニングガスを導入するガス導入手段と、前記ドライエッチング処理の後の前記処理室内のクリーニングにおいて、前記処理室内に前記クリーニングガスを導入し、該クリーニングガスのプラズマを生成するように前記プラズマ発生手段および前記ガス導入手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、短時間でエッチング室のクリーニングが可能であり、高い生産性、信頼性を持った磁気抵抗素子といった電子部品の製造を実現できる。

本発明の一実施形態に係る、磁性多層膜からなるＴＭＲ素子の一例の製造工程を示す断面模式図である。 本発明の一実施形態に係るクリーニング工程を含む磁気抵抗効果素子の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態に係るドライエッチング処理に用いるエッチング装置の概略断面図である。 本発明の実施例の試験結果を示すグラフである。 本発明の比較例１の試験結果を示すグラフである。 本発明の比較例２の試験結果を示すグラフである。

以下に、本発明の、例えば磁気抵抗素子といった磁性素子の製造方法について、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を製造する場合を一例に挙げて説明する。ＴＭＲ素子は、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）や磁気ヘッドのセンサ等に用いることができる。なお、明細書中、金属元素間に挿入する「−」は組成比を特定しない表記である。

図１は、磁性多層膜からなるＴＭＲ素子の一例の製造工程を示す断面模式図、及び、図２は、本実施形態に係るクリーニング工程を含む磁気抵抗素子の製造方法を示すフローチャートである。

先ず、図１の工程１において、基板Ｓ上に、Ｔａ膜１、下部電極であるＡｌ膜２、下地層であるＴａ膜３、ＰｔＭｎからなる反強磁性層４、Ｃｏ−Ｆｅからなる強磁性のピン層５、Ａｌ−Ｏからなる絶縁層６、およびＣｏ−Ｆｅからなる強磁性のフリー層７を順次積層する。さらに、フリー層７上に、シールド層であるＮｉ−Ｆｅ層８、金属マスク層であるＴａ膜９を積層する。このようにして、図１の工程１に示すような多層膜１６を用意する。本実施形態においては、必要な膜を全てスパッタ装置により積層する。なお、スパッタリング法によらず、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等の他の方法により形成してもよい。

また、膜構成も図１に示すものに限定されず、少なくとも絶縁層６とこの両側に形成される強磁性層（ピン層５およびフリー層７）とを含むＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）部分を含むものであればよい。具体的には、例えば、ピン層５が複数層、例えば、ピンド層、およびスペーサ及びリフェレンス層（例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ）を有する層等であってもよい。また、絶縁層６もアルミナにより形成されるものに限らず、酸化マグネシウムや酸化マグネシウムに他の元素を添加したものであってもよい。すなわち、本発明では、ＭＴＪ部分の構成自体が本質ではないので、その具体的な構成、材料はいずれであっても良いのである。

次に、図１の工程２では、工程１にて用意された多層膜上に金属マスク層を形成し、該金属マスク層を所定のパターンに加工する第１エッチング工程を行う。まずは、磁性多層膜を所定のパターンに加工するためのレジストマスク層１０をＴａ膜９上に成膜し、露光、現像により上記Ｔａ層９上に成膜されたレジストマスク層１０を所定のパターンに形成する。その後、図１の工程３において、このレジストマスク層１０をマスクとし、ドライエッチング処理によりＴａ膜９を所定のパターンに加工する（図２のステップＳ１０１：第１エッチング工程）。第１エッチング工程では、エッチングガスとしてレジストマスク層１０よりもＴａ膜９に対するエッチングレートの高いガスを用いる。例えば、第１エッチング工程にて用いるエッチングガスとして、四フッ化炭素ガス（ＣＦ₄ガス）などのハロゲン系ガスを用いる。

ここで、図３に示す、この第１エッチング工程に用いることができる、磁性膜加工チャンバとしてのＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）プラズマ源搭載のエッチング装置の概略断面図を用いて、第１エッチング工程（図１の工程３、図２のステップＳ１０１）を具体的に説明する。
真空容器３３内を排気系２１によって排気し、ゲートバルブ（不図示）を開けて、図１の工程２にて形成された積層構成を有する多層膜１６を真空容器３３内に搬入し、基板ホルダー２０に保持し、温度制御機構３２により所定の温度に維持する。
次に、ガス導入系２３を動作させ、第１エッチング工程に係るエッチングガスとしてＣＦ₄ガスを含むガスを溜めているボンベ２３ｃから配管２３ｂ、バルブ２３ａ，２３ｄ，２３ｆ、流量調整器２３ｅを介して、所定の流量のエッチングガス（ＣＦ₄）を真空容器３３内に導入する。導入されたエッチングガスは、真空容器３３内を経由して誘電体壁容器２４内に拡散する。ここで、真空容器３３内にプラズマを発生させる。また、排気系２１も作動させる。

プラズマを発生させる機構は、誘電体壁容器２４と、誘電体壁容器２４内に誘電磁界を発生する１ターンのアンテナ２５と、プラズマ用高周波電源２７と、誘電体壁容器２４内に所定の磁界を所持させる電磁石２８，２９等とを有している。誘電体容器２４は真空容器３３に対して内部空間が連通するようにして気密に接続され、プラズマ用高周波電源２７はアンテナ２５に整合器（不図示）を介して伝送路２６によって接続されている。

上記構成において、プラズマ用高周波電源２７が発生させた高周波が伝送路２６によってアンテナ２５に供給された際に、１ターンのアンテナ２５に電流が流れ、その結果、誘電体壁容器２４の内部にプラズマが形成される。

尚、真空容器３３の側壁の外側には、多数の側壁用磁石２２が、真空容器３３の側壁を望む面の磁極が、隣り合う磁石同士で互いに異なるように周方向に多数並べて配置されている。これによってカスプ磁場が真空容器３３の側壁の内面に沿って周方向に連なって形成され、真空容器３３の側壁の内面へのプラズマの拡散が防止あるいは低減されている。

この時、同時に、バイアス用高周波電源３０を作動させて、エッチング処理対象物である多層膜１６に負の直流分の電圧であるバイアス電圧が与えられ、プラズマから基板１６の表面へのイオン入射エネルギーを制御している。上述のようにして形成されたプラズマが誘電体壁容器２４から真空容器３３内に拡散し、多層膜１６の表面付近にまで達して、多層膜１６の表面と反応する。

このとき、エッチングガスのプラズマ中のフッ素のイオンやラジカルがＴａ膜９のＴａと結合し、ＴａＦ_Ｘ（Ｘは正の数）となって、気化し、排気される。一方、有機化合物からなるレジストマスク層１０中の炭素や水素もプラズマ中のフッ素のイオンやラジカル、炭素のイオンやラジカルと反応し、ＣＦ_４やＨＦ、Ｃ_２Ｈ_４等の分子となって気化し、排気される。しかし、ＣＦ_４はエッチングガスと平衡するため生成速度は遅く、また炭素がレジストマスク層１０の表面でポリマーを形成したりするため、ＴａＦ_Ｘの方が発生しやすい。この結果、Ｔａ膜９が優先的に除去され、レジストマスク層１０のパターンに加工されると共に、レジストマスク層１０はＴａ膜９ａの表面に一部が残留する〔図１の工程３〕。このような第１エッチング工程によって、所定のパターンにパターニングされたＴａ膜９ａ上にはレジストマスク層１０ａが形成された状態で、上記Ｔａ膜９ａの下層であるＮｉ−Ｆｅ層８の、Ｔａ膜９ａが形成されてない領域が露出することになる。

なお、図示していないが、図３のエッチング装置は、排気系２１、温度制御機構３２、ガス導入系２３及びプラズマ用高周波電源２７などの各構成要素をコントロールするコントローラを備えており、コントローラは予め定められたプログラムに従って、所定のエッチング動作（例えば、第１エッチング工程、第２エッチング工程等）を連続的に実施可能になっている。さらに、該コントローラは、予め定められたプログラムに従って、上記エッチング動作に加えて、クリーニング処理も実施可能である。

次に、第２エッチング工程において、所定のパターンにパターニングされたＴａ膜９ａの表面に残留するレジストマスク層１０ａを除去する（図２のステップＳ１０２）。本実施形態では、第１エッチング工程でのドライエッチング終了後、多層膜１６はそのまま載置した状態で排気を行い、エッチングガスを第２エッチング工程用のエッチングガスに切り替えて導入することで、第２エッチング工程を連続的に実施する。第２エッチング工程では、エッチングガスとして、Ｔａ膜９や露出したＮｉ−Ｆｅ層８よりも、レジストマスク層１０ａに対するエッチングレートの高いガスを用い、具体的には例えば酸素ガスを用いる。

すなわち、ボンベ２３ｃをレジストマスク層１０ａの除去用エッチングガスとしての酸素ガスが溜まっているボンベに切り替え、コントローラ（不図示）は、排気系２１を制御して真空容器３３の排気を実行し、ガス導入系２３を制御して、第２エッチング工程でのエッチングガスとしての酸素ガスを真空容器３３に導入させる。このような酸素を元素として含むエッチングガスとしての酸素ガスの導入により、レジストマスク層１０ａにより少なくとも一部が露出した多層膜１６に対してドライエッチング処理を施して、レジストマスク層１０ａを除去する。

第２エッチング工程用のガスを導入後、上述のようにプラズマを生成することで、Ｔａ膜９ａ上に残留していたレジストマスク層１０ａがプラズマ中の酸素のイオンやラジカルと反応し、ＣＯ_Ｘなどとして気化し、除去される〔図１の工程４〕。このとき、露出したＮｉ−Ｆｅ層８の表面もプラズマ中のイオンとの衝突により物理的にエッチングされ、一部が除去された状態となる。このとき、コントローラは排気系２１を制御して、真空容器３３内を排気する。すると、上記エッチングされたＮｉ−Ｆｅ層８の材料は、一部はパーティクルとなって排気されるが、一部は真空容器３３の内壁に付着し、真空容器３３内に残留する。

このように、本実施形態では、レジストマスク層１０ａとして有機化合物を用い、該レジストマスク層１０ａを除去するためのエッチングガスとして酸素ガスを用いているので、第２エッチング工程（レジストマスク層の除去工程）においてエッチングガス（酸素ガス）により除去された物質は気化して排出され、該物質が真空容器３３内に付着することは無い。すなわち、本実施形態では、レジストマスク層１０ａとして有機化合物を用い、上記エッチングガスとして酸素ガスを用いることによって、除去すべきレジストマスク層１０ａを、クリーニングによる除去対象となる付着物の発生源にならないようにすることができる。

その後、多層膜１６は真空容器３３から搬出され、次の工程に供される。ここで、所定のクリーニングタイミングでない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）は、エッチング装置には、図１（ｂ）に示したようにレジストマスク層１０が形成された次の基板が搬入され、上述した第１及び第２エッチング工程を再び実施する。一方、所定のクリーニングタイミングが来たときは（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、コントローラは、真空容器３３内に多層膜１６を導入しない状態で、クリーニング工程を実施する（ステップＳ１０４）。クリーニングタイミングは、任意に設定でき、例えば、数十回のドライエッチング処理ごとに実施する。

ステップＳ１０４の真空容器３３内のクリーニング工程では、真空容器３３内に水素ガスと酸素ガスを含むクリーニングガスを導入し、プラズマ用高周波電源２７を作動させて、プラズマを生成させることにより実施する。すなわち、ボンベ２３ｃをクリーニング用の酸素および水素を元素として含むクリーニングガスが溜まっているボンベに切り替え、コントローラは、ガス導入系２３を制御してクリーニングガスを真空容器３３内に導入させ、プラズマ用高周波電源２７を制御して真空容器３３内にクリーニングガスのプラズマを形成させる。このようにして生じたクリーニングガスのプラズマにより、真空容器３３や誘電体容器２４内に付着した堆積物を除去する。

このとき、バイアス用高周波電源３０を作動させることは必須でないが、バイアス用高周波電源３０を作動させることで、基板ホルダー２０をより高速にクリーニングすることができる。なお、本実施形態では、多層膜１６を導入しないが、膜を形成していない状態の基板Ｓ（ダミー基板）を導入した状態で、クリーニングを実行することで、基板ホルダー２０のダメージを軽減することができる。もちろん、ダミー基板なしでクリーニングを実施してもよい。

また、クリーニングガスは、酸素及び水素を元素として含むものであれば、水素ガスと酸素ガスの混合ガスに限られず、さらに不活性ガスなどを含有させてもよい。例えば、Ｏ_３やＨ_２Ｏ（水）なども用いることができる。なお、アルコールなどのガスも用いることができるが、炭素がチャンバ壁等に付着しやすく、パーティクルの原因となるおそれがあることから、炭素を含まないガスを用いることが好ましい。また、流量比も特に限定されないが、水酸化物を生成させることから、クリーニングガス中のＯとＨの比が３：７〜７：３程度の範囲であることが好ましい。あまりにＯの含有量が多すぎると、酸化物となってしまい、蒸気として排気できなくなるおそれがある。このようなクリーニングガスのプラズマを生成することで、Ｎｉ−Ｆｅ層８は、ＮｉＯＨ、Ｆｅ（ＯＨ）_Ｘなどとして気化し、排気される。他の磁性材料（例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、及びこれらの合金、さらにＢ、Ｃなどの元素を添加したもの）でも同様に、水酸化物として除去可能である。

プラズマ生成後、排気することで、次の多層膜１６を導入した状態での第１エッチング工程の実施が可能になる。なお、１回のクリーニング工程で、クリーニングガスのプラズマ生成、排気を複数回繰り返して行ってもよい。
このように、クリーニングガスとして酸素及び水素を元素として含むガスを用いることで、クリーニング工程に係る時間を短縮化でき、磁気抵抗素子の生産性を向上できる。
なお、上記実施形態では、ＴＭＲ素子の場合について説明したが、絶縁層６の代わりにＣｕなどの非磁性導電層を用いたＧＭＲ素子の製造においても本発明を適用できる。

なお、本発明では、磁気抵抗効果素子の製造における、レジストマスク層を除去した後のクリーニングについて説明したが、本発明のクリーニングは、他の素子にも適用できる。本発明では、所定の層（例えば、図１のＴａ膜９）を所定のパターンに加工するためのレジストマスク層を除去した後に、該レジストマスク層の除去の際のエッチング工程（図２における第２エッチング工程）にて生じ、処理室としての真空容器内に付着し付着物（例えば、図１中のＮｉ−Ｆｅ層８からエッチングされたＮｉ−Ｆｅ）を短時間でクリーニング（除去）することが重要である。このために、本発明では、従来のように四フッ化炭素ガスではなく、酸素および水素を元素として含むクリーニングガス（本発明に係るクリーニングガス）を用いてクリーニングを行うことを本質としている。従って、製造対象となる素子は、上記磁気抵抗素子に限定されるわけではなく、レジストマスク層により所定のパターンを形成する対象となる多層膜であれば、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子や垂直磁気記憶媒体などであっても良いのである。

ただし、本発明に係るクリーニングガスのプラズマは、レジストマスク層を除去するエッチング工程（例えば、第２エッチング工程）にて生じた、真空容器内の付着物を除去する必要がある。本発明の一実施形態によっては、上記付着物が、第２エッチング工程における、上記露出している層をエッチングして生じた物質であることもあれば、レジストマスク層をエッチングして生じた物質であることもあるだろう。あるいは、上記付着物がそれら双方であることもあるであろう。従って、本発明では、レジストマスク層を除去するエッチング工程により、該レジストマスク層および上記露出している層の少なくとも一方から生じて真空容器内に付着した付着物は、本発明に係るクリーニングガスのプラズマにより気化されるものである。逆に言えば、レジストマスク層を除去するエッチング工程にて生じる付着物は、ドライエッチング処理により、レジストマスク層および上記露出している層の少なくとも一方から生じるわけだが、レジストマスク層および上記露出している層のうち、上記エッチング処理により真空容器内に付着して付着物となってしまう層の材料は、上記付着物が本発明に係るクリーニングガスのプラズマにより気化されるような材料である。

例えば、上述の実施形態のように、レジストマスク層として有機化合物を用い、第２エッチング工程用のエッチングガスとして酸素ガスを用いる場合、レジストマスク層の除去のエッチング処理の際に露出している層（例えば、図１の工程３のＮｉ−Ｆｅ層８）は、本発明に係るクリーニングガスのプラズマにより気化されるような材料である必要がある。

（実施例）
次に、本発明の効果を確認すべく行った試験を説明する。
本試験では、図３に示すエッチング装置を用い、第２エッチング工程を所定回数行った後、クリーニング工程を実施した。実施例及び比較例１，２のクリーニング工程の条件は以下の通りである。

［実施例］
クリーニング時間（ガス導入後、放電させる時間）：１８０秒
Ｏ_２ガスの流量／Ｈ_２ガスの流量：７０ｓｃｃｍ／３０ｓｃｃｍ
プラズマ用電力／バイアス用電力（プラズマ用高周波電源２７の電力／バイアス用高周波電源３０の電力）：２５００Ｗ／２００Ｗ
真空容器３３内の圧力：０．７Ｐａ

［比較例１］
Ｏ_２ガスの流量：１００ｓｃｃｍ
その他の条件は、実施例と同じである。

［比較例２］
Ｏ_２ガスの流量／ＣＦ_４ガスの流量：７０ｓｃｃｍ／３０ｓｃｃｍ
その他の条件は、実施例と同じである。

試験結果を図４〜図６に示す。図４〜図６のグラフ中、横軸は、クリーニング回数であり、クリーニングガス導入後、上記クリーニング時間放電し、排気する工程を繰り返した回数を示す。また、縦軸の左側はクリーニングガスの真空容器３３内のプラズマ発光量を測定した値であり、右側はその１枚ごとの変化量（％）である。

実施例では１６回目でプラズマ発光量の変化量が安定し、クリーニングが完了したことがわかる。比較例１ではクリーニング実施中にプラズマ発光の変化がほとんどなく、クリーニングの効果が小さいと判断できる。また、比較例２ではプラズマ発光の変化が安定するまでにクリーニング回数が多く、クリーニングが効率的ではない。
このことから、実施例がクリーニング工程として効果的であることがわかった。

Claims (5)

1. 酸素及び水素を元素として含むクリーニングガスのプラズマを形成し、磁性膜の加工処理によりチャンバ内に付着した前記磁性膜を構成する金属膜を除去するクリーニング工程を有することを特徴とする磁性膜加工チャンバのクリーニング方法。
2. 前記クリーニングガスは、水素ガスと酸素ガスとを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁性膜加工チャンバのクリーニング方法。
3. 少なくとも磁性層を含む磁性多層膜に対する加工処理の合間に、処理室から前記磁性多層膜を退避させた状態で、前記処理室内に酸素及び水素を元素として含むクリーニングガスのプラズマを形成し、加工処理により生じた処理室への付着物を除去するクリーニング工程を有することを特徴とする磁性素子の製造方法。
4. 前記クリーニングガスは、水素ガスと酸素ガスを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁性素子の製造方法。
5. ドライエッチング処理を実行可能な基板処理装置であって、
   処理室と、
   前記処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、
   前記処理室内に、酸素および水素を元素として含むクリーニングガスを導入するガス導入手段と、
   前記ドライエッチング処理の後の前記処理室内のクリーニングにおいて、前記処理室内に前記クリーニングガスを導入し、該クリーニングガスのプラズマを生成するように前記プラズマ発生手段および前記ガス導入手段を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする基板処理装置。

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