KR101066158B1 - 자기 소자의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

자기 소자의 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR101066158B1
KR101066158B1 KR1020100049622A KR20100049622A KR101066158B1 KR 101066158 B1 KR101066158 B1 KR 101066158B1 KR 1020100049622 A KR1020100049622 A KR 1020100049622A KR 20100049622 A KR20100049622 A KR 20100049622A KR 101066158 B1 KR101066158 B1 KR 101066158B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas
plasma
layer
magnetic
etching
Prior art date
Application number
KR1020100049622A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20100128256A (ko
Inventor
산제이 신디
요시미츠 코다이라
타로 후루모치
Original Assignee
캐논 아네르바 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 캐논 아네르바 가부시키가이샤 filed Critical 캐논 아네르바 가부시키가이샤
Publication of KR20100128256A publication Critical patent/KR20100128256A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101066158B1 publication Critical patent/KR101066158B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F4/00—Processes for removing metallic material from surfaces, not provided for in group C23F1/00 or C23F3/00
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Abstract

자기 소자의 제조 방법 및 제조 장치가 제공된다. 수자의 자기 층 및/또는 비자기 층은 비-유기 재료, 예컨대 Ta의 마스크를 사용하여 수소 가스 및 비활성 가스, 예컨대 N2의 혼합 가스로 에칭된다. 결과적으로, 연구된 실시예에서, MTJ 테이퍼 각도는 거의 수직에 가깝다.

Description

자기 소자의 제조 방법 및 제조 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR FABRICATING MAGNETIC DEVICE}
본 발명은 건조 에칭법을 포함하는 자기 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 FeNi, CoFe, FeMn, CoPt, CoFeB, PtMn 및 IrMn과 같은 자기 재료의 단일 필름 또는 스택화된 필름을 위한 마이크로 공정(micro processing)에 유용한 건조 에칭법에 관한 것이다(이후에서, 용어 '자기 재료'는 강자성 및 반강자성 재료에 사용된다).
자기 재료를 사용하는 랜덤 액세스 메모리, 예컨대 MRAM(magnetic random access memory, 자기 랜덤 액세스 메모리) 및 STRAM(spin transfer random access memory, 스핀 트랜스퍼 랜덤 액세스 메모리)은 DRAM(dynamic random access memory)과 같이 높은 집적 밀도와 동일한 수준 및 SRAM(static random access memory)과 같이 높은 속도 성능과 동일한 수준을 가지며, 비휘발성이고, 무제한적으로 재기록 가능하다. 유사하게, 자기 저항 소자, 예컨대 GMR(거대 자기-저항, giant magneto-resistance) 및 TMR(터널링 자기-저항, tunneling magneto-resistance)를 구성하는 박막 자기 헤드 및 자기 센서 등은 빠르게 발전되어 왔다.
지금까지는, 자기 재료를 위한 에칭법으로 이온 밀링법이 종종 사용되어 왔다. 그러나, 상기 이온 밀링법은 물리적 스퍼터링 에칭 방법이기 때문에, 다른 재료를 선택적으로 에칭하기가 어렵다. 이온 밀링은 또한 에칭 후 프로필이 테이퍼링된 또는 스커트-유사 형태를 갖는다는 문제를 가지고 있다. 따라서, 이온 밀링법은 특히 정밀한 공정 기술이 필요한 대용량을 갖는 MRAM의 제조에 적합하지 않다. 또한, 이온 밀링은 높은 균일성으로 300mm의 넓은 면적을 가진 기재를 공정 처리하는데 어려움을 가지므로, 현재 상황에서 수율을 향상하는데 어려움이 있다.
이러한 이온 밀링법 대신에, 반도체 산업에서 육성된 새로운 기술들이 도입되기 시작하였다. 이러한 기술 중에서, 후 부식물이 형성되지 않으며 강자성 재료의 공정 처리에 효과적인 NH3+CO-계열 가스(일본 특허 출원 공개 No. H8-253881)를 사용하는 에칭 공정, 및 CH3OH 가스(일본 특허 출원 공개 No. 2005-42143)를 사용하는 에칭 공정이 긍정적으로 개발되고 있다. 그러나, 이들 반응 가스를 사용하는 에칭 공정은 자기 재료의 공정 처리된 표면상에서 산화 반응을 야기하므로, 자기 재료가 공정 처리된 후 자기 특성이 변형되는 문제점을 야기시켰다.
통상적인 MRAM 소자 또는 TMR 센서 소자는 비교적 넓은 접합 면적을 가지므로, 자기 재료의 공정 처리된 표면의 산화에 기인하는 손상된 층이 자기 특성에 큰 영향을 미치지 않았다. 그러나, 접합 면적이 적어질수록, 공정 처리된 표면상에 형성되는 산화층(손상층)에 기인한 영향력을 무시하지 못하게 된다. 마이크로 공정은 미래에 더욱 진일보할 것이기 때문에, 이 문제점은 자기 특성에 미치는 중요한 영향력이 더욱 더 커질 것이고, 따라서 정상적인 소자 특성을 수득할 수 없을 것이다.
본 발명의 목적은, 마스크 재료로서 비-유기 재료를 사용하면서 자기 재료를 에칭하는 경우, 자기 재료의 공정 처리된 표면을 산화시키지 않는 가스를 사용함으로써, 자기 특성을 변형시킬 수 있는 에칭 손상을 줄일 수 있는 건조 에칭법을 사용하는 자기 소자의 제조 방법을 제공하고, 또한 상기 제조 방법을 위한 제조 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 카본 하이드라이드 가스 및 비활성 가스의 혼합 가스를 사용하고, 비-유기 재료로 제조된 마스크를 사용하여 자기 재료를 에칭하는 건조 에칭법을 제안한다.
전술한 에칭 가스의 예는 에틸렌(C2H4) 가스 및 질소(N2) 가스의 혼합 가스이다.
비-유기 재료로 제조된 마스크는 Ta, Ti, Al 및 Si 중 임의의 원소의 단일 필름 또는 스택화된 필름으로 제조된 마스크 재료, 또는 Ta, Ti, Al 및 Si 중 임의의 원소의 산화물 또는 질화물의 단일 필름 또는 스택화된 필름으로 제조된 마스크 재료를 사용할 수 있다.
마스크 재료는 예를 들어 단원소인 Ta, Ti, Al 및 Si 중 임의의 원소로 제조된 단일 필름 또는 스택화된 필름을 사용할 수 있다. 마스크 재료로는 또한 Ta, Ti, Al 및 Si의 임의의 원소의 산화물 또는 질화물인, Ta 산화물, Ti 산화물, Al 산화물, 예컨대 Al2O3, Si 산화물, 예컨대 SiO2, TaN, TiN, AlN, SiN 등으로 제조된 단일 필름 또는 스택화된 필름을 사용할 수 있다. 마스크 재료는 또한 단원소 필름, 산화물 필름 및/또는 질화물 필름의 임의의 조합의 스택을 사용할 수 있다.
본 발명에서 채용한 전술한 건조 에칭법에서, 자기 재료는 상기 자기 재료의 온도가 바람직하게 250℃ 이하의 범위에서 유지되는 동안 에칭된다. 이는 불필요한 열 손상을 받는 것으로부터 극단적으로 얇은 자기 박막을 보호하기 위함이다. 보다 바람직한 온도는 20℃ 내지 100℃의 범위이다. 본 발명에서 채용한 전술한 건조 에칭법에서, 자기 재료는 바람직하게 0.005Pa 내지 10Pa 범위의 진공도에서 에칭된다. 이 압력 범위에서는 탁월한 비등방성을 갖는 자기 재료를 공정 처리할 수 있다. 본 발명에 따르는 건조 에칭법에서, 하나 이상의 비활성 가스가 첨가 가스로서 에칭 가스에 첨가될 수 있다. 에칭 가스에 0 부피% 내지 95 부피% 범위에서 비활성 가스를 첨가하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 정의된 비활성 가스는 희귀 가스(rare gas), 예컨대 He, Ar, Ne, Xe 및 Kr 뿐만 아니라 질소 가스를 포함한다.
자기 재료가 본 발명에서 채용된 건조 에칭법 및 비-유기 재료로 제조된 마스크를 사용하며 에칭되는 경우, 후-부식 처리의 필요성이 없어지고, 에칭 장치의 내부식성이 특별히 고려될 필요가 없어진다.
게다가, 본 발명에 따른 건조 에칭법은 에칭 공정 동안 공정 처리된 표면이 산화되는 것을 억제함으로써 자기 재료가 비-유기 재료로 제조된 마스크를 사용하는 경우 발생하고, 자기 특성의 변형을 야기하는 에칭 손상을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명은 Fe-Ni-계 합금, Co-Fe-계 합금, Fe-Mn-계 합금, Co-Pt-계 합금, Ni-Fe-Cr-계 합금, Co-Cr-계 합금, Co-Pt-계 합금, Co-Cr-Pt-계 합금, Co-Pd-계 합금 및 Co-Fe-B-계 합금의 단일 필름 또는 스택화된 필름으로 제조된 강자성 박막의 마이크로 공정에 유용한 건조 에칭법을 제공할 수 있다.
본 발명은 공정 처리된 표면을 산화시키지 않는 건조 에칭법을 사용하는 자기 소자의 제조 방법 및 그의 제조 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 에칭 장치의 개략도이다.
도 2a는 에칭되기 전 본 발명에 따르는 자기 터널 접합(MTJ, magnetic tunnel junction) 소자 구조체의 예시적인 태양의 단면도이다.
도 2b는 Ta 마스크가 도 2a의 구조체상에 형성된 단면도이다.
도 2c는 도 2b의 Ta 마스크를 사용하여 본 발명에 따른 에칭 처리를 통해 제조된 MTJ 소자의 예시적인 태양의 단면도이다.
도 3a는 본 발명에 따른 가스 중에서 전기 방전시킨 경우 방출 스펙트럼 분석도이다.
도 3b는 CH3OH 가스 중에서 전기 방전시킨 경우 방출 스펙트럼 분석도이다.
도 4는 본 발명에 따른 방법을 공정 처리된 MTJ 소자의 SEM 이미지이다.
본 발명에 따른 예시적인 태양은 도 1에 예시된 바와 같이 ICP(inductive coupled plasma) 공급원과 함께 제공되는 에칭 장치를 사용한다. 상기 장치에서, 도 2a 내지 도 2c에 예시된 MTJ 소자는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)의 혼합 가스인 에칭 가스, 및 Ta 마스크를 사용하여 에칭된다.
도 2a 내지 도 2c는 MTJ(magnetic tunnel junction) 소자의 기본적인 구조체의 한 예를 도시한다. 도 2a에 도시된 구조체를 갖는 상태인 MTJ 소자가 에칭 장치로 도입된다. 상기 구조체는 구체적으로 도 2a에서 Si 기재(S)상에 Ta 층(69); 그 위에, PtMn으로 제조된 반강자성 층(68), CoFe/Ru/CoFe 3층으로 제조된 자기핀 층(67), 산화 마그네슘 또는 알루미나 등으로 제조된 절연층(66), 및 NiFe/Ru/NiFe로 제조된 자기-프리(free) 층(65); 및 추가로 그 위에, Ru로 제조된 상부 전극층(64), 금속 마스크 층인 Ta 층(63), 반사방지층(BARC 층)(62), 및 그 위에, 소정의 패턴을 갖기 위해 형성된 포토레지스트(PR, photoresist) 층(61)을 스택화함으로써 형성된다[도 2a]. MTJ 소자의 필름 구조체와 재료는 도 2a에 예시된 것에 한정되지 않으며, 적어도 양쪽 면에 형성된 절연층 및 강자성 층으로 구성되는 TMR 필름을 포함할 수 있다. 예를 들어, 자기-프리 층 및 자기핀 층으로 구성된 강자성 층은 전술한 NiFe 및 CoFe 뿐만 아니라, Fe-Ni-계 합금, Co-Fe-계 합금, Fe-Mn-계 합금, Co-Pt-계 합금, Ni-Fe-Cr-계 합금, Co-Cr-계 합금, Co-Pt계 합금, Co-Cr-Pt-계 합금, Co-Pd-계 합금 및 Co-Fe-B-계 합금의 단일 필름 또는 스택화된 필름일 수 있다.
도 2a에 예시된 구조체를 갖는 MTJ 소자는, CF4 가스 및 마스크로서 포토레지스트(PR) 층(61)을 사용하여 Ta 층을 에칭함으로써 도 2b에 예시된 것과 같이 소정의 패턴을 갖도록 공정 처리된다. 이 공정은 구체적으로 하기 방법으로 수행된다.
도 1에 예시된 진공 용기(2)의 내부는 배기 시스템(21)에 의해 배기되고, 하기 단계 후 온도 조절 메커니즘(41)을 사용하여 소정의 온도를 유지하였다: 미도시된 게이트 밸브를 여는 단계; 웨이퍼(9)를 진공 용기(2)로 이송시켜 도 2a에 예시된 구조체를 갖는 MTJ 소자가 되고, 그 위에 스택화된 TMR 필름을 갖게 하는 단계; 및 기재 홀더(4)로 웨이퍼(9)를 고정시키는 단계. 이어서, 가스 도입 시스템(3)을 작동시켜, 벌브(33) 및 유속 조절기(34)를 통하여 소정의 유속으로 도 1에 도시되지 않은 에칭 가스(CF4)가 채워진 봄베(31)로부터 진공 용기(2)로 에칭 가스(CF4)를 도입시켰다. 파이프(21)가 배기 시스템이다. 도입된 에칭 가스는, 진공 용기(2)를 통해 유전 벽 용기(11)로 확산한다. 이 때, 플라즈마 공급원(1)이 작동된다. 플라즈마 공급원(1)은, 진공 용기(2)와 밀봉 연결되어 서로 내부 공간이 소통되는 유전 벽 용기(11); 유전 벽 용기(11)에서 유도 전자계를 발생하기 위한 일 회전(turn)의 안테나(12); 송전선(15) 및 미도시된 매칭 박스를 통해 안테나(12)와 연결되고, 안테나(12)에 제공되는 고주파 전력(공급 전력)을 발생하는 플라즈마용 고주파 전력 공급원(13); 및 유전 벽 용기(11)에서 소정의 자기장을 생성하기 위한 전자석(14)으로 구성된다. 플라즈마용 고주파 전력 공급원(13)에 의해 생성된 고주파 전력이 송전선(15)을 통하여 안테나(12)로 공급되는 경우, 전류가 일 회전의 안테나(12)에 흐른다. 그 결과, 플라즈마가 유전 벽 용기(11)의 내부에 형성된다. 다수의 측벽(22)용 자석이 진공 용기(2)의 측벽의 외부 주변에 정렬되어, 상기 자석은 진공 용기(2)의 측벽에 대향하는 그 표면상에 각자 인접한 자석과 다른 극을 갖는다. 이로써, 사이 자기장(cusp magnetic field)은 진공 용기(2)의 측벽의 내부 면을 따라 주변 방향으로 연속적으로 형성되고, 플라즈마가 진공 용기(2)의 측벽의 내부 면으로 확산되는 것을 예방한다. 이 때, 바이어스용 고주파 전력 공급원(5)이 동시에 작동되고, 네거티브 직류를 형성하기 위한 전압인 자가 바이어스 전압이 에칭될 목적물인 웨이퍼(9)에 인가되고, 플라즈마로부터 웨이퍼(9)의 표면상에 이온 에너지 입사를 조절한다. 전술한 방법에서 형성되는 플라즈마는 유전 벽 용기(11)로부터 진공 용기(2)로 확산되고, 웨이퍼(9)의 표면의 주변에 도달된다. 이 때, 웨이퍼(9)의 표면이 에칭된다.
Ta 층(63)을 형성하기 위한 상기 제조 방법은 예를 들어 하기 공정 하에서 CF4 및 PR 층(61)을 사용하여 수행된다.
에칭 가스(CF4)의 유속: 50 sccm
공급 전기 전력: 500 W
바이어스 전기 전력: 70 W
진공 용기(2) 중의 압력: 0.8 Pa
기재 홀더(4)의 온도: 40℃
이어서, TMR 필름을 포함하는 층(64) 내지 층(69)가 에칭 가스로서 카본 하이드라이드 가스 및 비활성 가스의 혼합 가스를 사용하고, 마스크로서 전술한 방법에서 형성되는 Ta 층(63)을 사용함으로써 에칭되고, 도 2c에 예시된 바와 같은 소정의 패턴을 갖도록 공정 처리되었다.
이 공정은 또한 도 1에 예시된 바와 같이 ICP 플라즈마 공급원을 갖춘 에칭 장치를 사용하지만, 전술한 방법에서 CF4 가스의 도입 시스템은 미도시된 가스 전환 메커니즘에 의해 미도시된 가스 도입 시스템으로 변경되어 수행된다. 자기 재료를 산화시키지 않는 카본 하이드라이드 및 비활성 가스의 혼합 가스가 유속 조절기를 통하여 소정의 유속으로 진공 용기(2)로 도입되고, 전술한 방법과 유사한 방법으로 에칭된다. 그 결과 MTJ 소자가 수득된다.
사용가능한 카본 하이드라이드 가스는, 알켄, 예컨대 에틸렌(C2H4) 및 프로펜(C3H6); 알칸, 예컨대 에탄, 프로판 및 부탄; 알카인, 예컨대 아세틸렌; 아렌, 예컨대 벤젠; 아민, 에컨대 메틸아민, 및 니트릴, 예컨대 에탄니트릴을 포함한다.
사용가능한 비활성 가스(종종, 이후 "첨가 가스"로 지칭됨)는 예를 들어 N2 가스 및 He, Ar, Ne, Xe 및 Kr 등의 가스를 포함한다. 가스는 단독으로 또는 혼합물 형태로 사용될 수 있다. 웨이퍼상으로 유기 재료의 양이 적절하게 조절될 수 있기 때문에, 비활성 가스로서 질소 가스를 사용하는 것이 바람직하다.
건조 에칭하기 위해 진공 용기로 도입된 가스는 산소 및 할로겐을 포함하지 않는다.
본 발명에 따르는 자기 소자의 제조 방법은, 공정 처리될 물체 상으로 가스 이온을 추출하는 기법, 및 층을 선택적으로 에칭하기 위해 공정 처리될 표면상에 카본 하이드라이드 가스로부터 유래한 탄소 화합물을 증착시키는 반응을 주로 사용한다. 즉, 물리적으로 스퍼터링되는 것이 어려운 마스크 층상에 탄소 화합물을 증착시키는 경우, 이 마스크 층이 거의 에칭되지 않는 평면으로 변화되고, 이는 마스크 층과 자기 층 사이에 에칭율의 차이를 만든다. 따라서, 층들은 선택적으로 에칭되고, 본 발명에 따르는 방법은 산화 등에 기인하는 소자의 변형을 야기하지 않으면서, 소정의 형태로 층을 공정 처리할 수 있다.
따라서, 최적의 첨가량은 각 첨가 가스의 종류에 따라 변하지만, 일반적으로 에칭 가스의 전체량에 대하여 0부피% 내지 95부피%의 범위인 첨가 가스가 첨가된 혼합물이 사용될 수 있다. 한편, 첨가 가스의 양이 95부피%를 초과하는 경우, 마스크 층과 자기 층의 에칭율의 차이는 점점 작아지고, 이는 에칭의 선택성을 저하시킨다.
앞부분에서, 본 발명에 따르는 바람직한 태양이 개시되었다. 그러나, 본 발명은 전술한 태양으로 제한되지 않으며, 청구범위의 범주로부터 파악될 수 있는 기술적 범위 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다.
예를 들어, 에칭 장치는 도 1에 예시된 일 회전 안테나를 갖는 ICP-유형 플라즈마 장치로 제한되지 않으며, 소위 고밀도 플라즈마 공급원으로 불리는 헬리콘(helicon)-유형 플라즈마 장치, 2개의 주파수 여기 평행 플레이트 유형 플라즈마 장치 및 마이크로 웨이브 유형 플라즈마 장치 등을 사용할 수 있다. 본 발명은 또한 RIBE(reactive ion beam etching)에 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 TMR 소자에 제한되지 않으며, GMR 소자에도 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 자기 센서 소자를 제조하기 위해 사용될 수 있다. 게다가, 본 발명은 하나 이상의 자기 층을 갖는 임의의 소자를 에칭하는데 적용될 수 있다.
전술한 본 발명에 따르는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2) 가스의 에칭 가스는 플라즈마 방출 스펙트럼 분석되었다. 대조예로서 메탄올(CH30H) 에칭 가스도 또한 유사하게 플라즈마 방출 스펙트럼 분석되었고, 그 결과를 비교하였다.
(본 발명에 따른 에칭 가스인 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)의 플라즈마 방출 스펙트럼 분석)
에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)의 에칭 가스 유속: 18 sccm/12 sccm
공급 전기 전력: 1,800 W
바이어스 전기 전력: 1,600 W
진공 용기(2) 중의 압력: 1.0 Pa
(에칭 가스 CH30H의 플라즈마 방출 스펙트럼 분석)
에칭 가스(CH30H 가스)의 유속: 15 sccm
공급 전기 전력: 1,500 W
바이어스 전기 전력: 1,300 W
진공 용기(2) 중의 압력: 0.4 Pa
비교 결과는 도 3a 및 도 3b에 예시되어 있다. CH3OH 가스의 플라즈마 방출 스펙트럼 분석에 의해 수득되는 도 3b에 있는 플라즈마 스펙트럼은 산화를 촉진하는 O 및 OH 등의 존재를 나타낸다. 이들 기는 CH3OH의 분해에 의해 형성된 것으로 여겨진다. 한편, 도 3a에 있는 C2H4 및 N2 가스의 플라즈마 방출 스펙트럼에서 수많은 CH, CN 및 N의 피크는 발생하나, O 및 OH의 피크는 발생하지 않는다. 따라서, 공정 처리되는 표면을 산화시키는 이러한 반응 종이 C2H4 및 N2 가스의 플라즈마를 사용한 자기 재료의 에칭 처리 동안에는 형성되지 않는다는 것이 밝혀졌다.
본 발명에 따르는 건조 에칭법으로 소자를 에칭하는 경우와 CH3OH-계 가스를 사용하여 소자를 에칭하는 경우의 에칭 특성이 비교되고 조사되었다.
도 2에 예시된 MTJ 소자는 도 1에 예시된 장치를 사용하여 에칭되고, 이 에칭 특성이 비교되었다.
비교 테스트의 제조 방법에서 조건은 각각 하기와 같다:
(본 발명에 따르는 방법)
에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)인 에칭 가스의 유속: 21 sccm/9 sccm
공급 전기 전력: 1,800 W
바이어스 전기 전력: 1,600 W
진공 용기(2) 중의 압력: 1.0 Pa
기재 홀더(4)의 온도: 40℃
(대조예)
에칭 가스(CH30H 가스)의 유속: 15 sccm
공급 전기 전력: 1,500 W
바이어스 전기 전력: 1,300 W
진공 용기(2) 중의 압력: 0.4 Pa
기재 홀더(4)의 온도: 40℃
상기 비교 테스트의 결과는 하기 표 1에 정리되어 있다.
C2H4 및 N2 CH3OH
NiFe 에칭율
[nm/min]		 44.6 48.6
NiFe/Ta 선택성 11 12.6
MTJ 테이퍼 각도 84 80
NiFe 에칭율, 에칭율의 평면 내의 균일성 및 Ta 마스크에 대한 NiFe의 선택성에 대하여, 본 발명에 따르는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)의 에칭 특성은, 메탄올(CH3OH)의 에칭 특성에 대하여 대략적으로 동등한 값을 나타낸다. MTJ 소자의 에칭된 형태에 대하여 본 발명에 따르는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)를 사용한 에칭 방법은 메탄올(CH3OH)을 사용한 에칭 방법의 소자 형태에 비하여 더욱 수직인 MTJ 테이퍼 각도를 제공한다. 이는, 미래에 MTJ 소자의 축소화되는 경향에 따라서 MTJ 소자의 크기가 작아지는 경우에 본 발명에 따르는 에칭 방법이 효과적인 것임을 보여준다.
도 4는 본 발명에 따르는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)를 사용한 에칭 방법으로 수득되는 MTJ 소자의 형상의 SEM 이미지의 단면도(오른쪽) 및 사시도(왼쪽)이다. 에칭 방법은 측벽상에 재증착을 일으키지 않았고, 또한 에칭된 표면상에 잔류물을 형성하지 않으며, 적절한 에칭된 형태를 제공한다. 게다가, MTJ 소자는 에칭 처리 후에 부식을 일으키지 않았다.
다양한 첨가 비활성 가스를 사용하는 동안 첨가량의 하한을 조사하기 위해 테스트가 수행되었다. 첨가 가스의 하한은 에틸렌 가스 흐름, 챔버 압력, 공급 전력, 바이어스 전력 등과 같은 사용된 기타 공정 조건에 따라 변화되는 것을 발견하였다. 일부 경우에서, 에칭은 첨가 가스를 사용할 필요 없이 공정 처리될 수 있다. 부가적으로, 다른 카본 하이드라이드 가스의 사용은 첨가 가스의 하한을 다르게 할 것이다.
또한 에칭 공정에 기인한 NiFe 필름의 자화 손실도, 본 발명에 따르는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2)를 사용한 에칭 공정에 대하여 조사되었고, CH3OH 공정과 비교되었다. 본 발명에 따르는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2) 공정 후 출발(에칭되지 않음) 필름에 대한 자화 변화는 CH3OH 공정 후 변화에 비하여 훨씬 적다는 것을 밝혀냈다.
추가로, 본 발명에 따르는 에틸렌(C2H4) 및 질소(N2) 공정은 또한 자기성이 아닌 재료를 에칭할 수 있다는 것이 관측되었다. 예는 산화물, 예컨대 SiO2, Al2O3, MgO, Nb2O5, ZrO2, NiO, PrCaMnO, Cr 도핑된 SrZr03, V 도핑된 SrZr03, PbZrTi03, CuO, LaNiO, HfOx, 및 BiOx 등; 단원소 재료, 예컨대 Si, Ru, Cu, Fe, Cr, Ni, Pt, Au, Ir, Os 및 Re 등; 합금 재료, 예컨대 Cu-N 합금, Pt-Mn 합금, Ir-Mn 합금, Ni-Fe-Cr 합금 및 Ni-Cr 합금 등을 포함한다. 따라서, 본 발명은 또한 비자기 및/또는 자기 재료를 포함하는 단일층 필름 또는 스택화된 필름을 에칭하는 것에 관한 것이다. 예를 들어, 본 발명에서 개시된 방법은 패턴화된 자기 기록 미디어(예, BPM(bit patterned media) 및 DTM(discrete track media) 등) 기술에 적용가능하다.
1: 플라즈마 공급원
2: 진공 용기
3: 가스 도입 시스템
4: 기재 홀더
5: 바이어스용 고주파 전력 공급원
9: 웨이퍼
11: 유전 벽 용기
12: 안테나
13: 플라즈마용 고주파 전력 공급원
14: 전자석
15: 송전선
21: 파이프
22: 측벽
31: 봄베
33: 벌브
34: 유속 조절기
41: 온도 조절 메커니즘
61: 포토레지스트 층
62: 반사방지층
63: Ta 층
64: 상부 전극층
65: 자기-프리(free) 층
66: 절연층
67: 자기핀 층
68: 반강자성 층
69: Ta 층
S: 기재

Claims (7)

  1. 하나 이상의 자기 층 또는 반자성(diamagnetic) 층을 포함하는 구조체를 준비하는 단계; 및
    탄화수소 가스 및 비활성 가스의 혼합 가스의 플라즈마에 의해 상기 구조체를 공정 처리하여, 비-유기 재료의 마스크를 사용한 상기 자기 층 또는 반자성 층을 건조-에칭하는 단계
    를 포함하는 자기 소자의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    탄화수소 가스는 알켄, 알칸, 알카인, 아렌, 아민 또는 니트릴 가스 또는 이들 혼합물을 포함하는 것인 자기 소자의 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    비활성 가스는 질소 가스, 또는 He, Ne, Ar 또는 Kr 등의 가스를 포함하는 것인 자기 소자의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    혼합 가스는 에틸렌 가스 및 질소 가스를 포함하는 것인 자기 소자의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    마스크는 Ta, Ti, Al 또는 Si, 또는 Ta, Ti, Al 또는 Si의 산화물, 또는 Ta, Ti, Al 또는 Si의 질화물을 포함하는 단일층 또는 다층인 것인 자기 소자의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    혼합 가스는 비활성 가스를 혼합 가스의 전체 부피에 대하여 0부피% 내지 95부피%의 범위로 포함하는 것인 자기 소자의 제조 방법.
  7. 기재상에 자기 층 또는 반자성 층을 형성하는 필름 형성 단위; 및
    챔버가 있는 기재 홀더, 챔버로 가스를 도입하기 위한 가스 도입 수단, 가스의 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 발생 수단, 가스 플라즈마로부터 이온을 추출하고, 추출된 이온을 기재 홀더 및 조절기로 보내는 바이어스 적용 수단을 포함하는 건조 에칭 단위를 포함하고,
    상기 조절기가 건조 에칭 단위를 조절하여 카본 하이드라이드 가스 및 비활성 가스의 혼합 가스를 가스 도입 수단에 의해 챔버로 도입하고, 플라즈마 발생 수단을 통해 도입된 가스의 플라즈마를 생성하고, 가스 플라즈마로부터 비활성 이온을 추출하고, 추출된 비활성 이온 가스를 기재 홀딩 수단으로 보내는 것인 자기 소자의 제조 장치.
KR1020100049622A 2009-05-27 2010-05-27 자기 소자의 제조 방법 및 제조 장치 KR101066158B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/472,799 2009-05-27
US12/472,799 US20100304504A1 (en) 2009-05-27 2009-05-27 Process and apparatus for fabricating magnetic device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20100128256A KR20100128256A (ko) 2010-12-07
KR101066158B1 true KR101066158B1 (ko) 2011-09-20

Family

ID=43220699

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100049622A KR101066158B1 (ko) 2009-05-27 2010-05-27 자기 소자의 제조 방법 및 제조 장치

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20100304504A1 (ko)
JP (1) JP2011014881A (ko)
KR (1) KR101066158B1 (ko)
CN (1) CN101901868A (ko)
TW (1) TW201115803A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101312028B1 (ko) 2012-05-29 2013-09-27 인하대학교 산학협력단 자기터널접합 적층 박막에 대한 건식 식각 방법

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130063871A (ko) * 2011-12-07 2013-06-17 삼성전자주식회사 자기 소자 및 그 제조 방법
JP5783890B2 (ja) * 2011-12-07 2015-09-24 株式会社日立ハイテクノロジーズ プラズマ処理方法
KR101950004B1 (ko) 2012-03-09 2019-02-19 삼성전자 주식회사 자기 소자
US9023219B2 (en) * 2012-04-26 2015-05-05 Everspin Technologies, Inc. Method of manufacturing a magnetoresistive device
US8747680B1 (en) 2012-08-14 2014-06-10 Everspin Technologies, Inc. Method of manufacturing a magnetoresistive-based device
US8633117B1 (en) 2012-11-07 2014-01-21 International Business Machines Corporation Sputter and surface modification etch processing for metal patterning in integrated circuits
JP5883772B2 (ja) * 2012-11-27 2016-03-15 株式会社日立ハイテクノロジーズ プラズマ処理方法
KR20150112979A (ko) * 2013-01-31 2015-10-07 에버스핀 테크놀러지스, 인크. 자기저항 디바이스를 제조하는 방법
JP2014183184A (ja) 2013-03-19 2014-09-29 Tokyo Electron Ltd コバルト及びパラジウムを含む膜をエッチングする方法
JP2015015287A (ja) * 2013-07-03 2015-01-22 株式会社東芝 不揮発性半導体記憶装置及びその製造方法
US20150072440A1 (en) * 2013-09-09 2015-03-12 Satoshi Inada Method of manufacturing magnetoresistive element
US9425388B2 (en) 2013-09-12 2016-08-23 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic element and method of manufacturing the same
JP6347695B2 (ja) * 2013-11-20 2018-06-27 東京エレクトロン株式会社 被エッチング層をエッチングする方法
CN104659201B (zh) * 2013-11-22 2018-07-20 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种磁阻内存单元的制造方法
JP6285322B2 (ja) * 2014-08-26 2018-02-28 東京エレクトロン株式会社 被処理体をエッチングする方法
CN105679932B (zh) * 2014-11-21 2018-10-16 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 电阻式随机存储器的形成方法
CN106159082B (zh) * 2015-03-24 2018-12-21 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 电阻式随机存储器的形成方法
JP6244402B2 (ja) * 2016-05-31 2017-12-06 東京エレクトロン株式会社 磁気抵抗素子の製造方法及び磁気抵抗素子の製造システム
CN108010718B (zh) 2016-10-31 2020-10-13 北京北方华创微电子装备有限公司 磁性薄膜沉积腔室及薄膜沉积设备
JP6552477B2 (ja) 2016-12-22 2019-07-31 東京エレクトロン株式会社 エッチング方法
EP3673522B1 (en) 2017-08-23 2022-10-05 Everspin Technologies, Inc. Magnetoresistive bit fabrication by multi-step etching
DE112017000726B4 (de) 2017-09-21 2023-06-29 Hitachi High-Tech Corporation Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Tunnelübergangselements und induktiv gekoppelte Plasmabearbeitungsvorrichtung
CN111201588A (zh) 2017-10-27 2020-05-26 东京毅力科创株式会社 蚀刻方法
US10840436B2 (en) * 2017-12-29 2020-11-17 Spin Memory, Inc. Perpendicular magnetic anisotropy interface tunnel junction devices and methods of manufacture
JP7223507B2 (ja) 2018-03-29 2023-02-16 東京エレクトロン株式会社 エッチング方法
KR102383108B1 (ko) * 2018-05-18 2022-04-04 삼성전자주식회사 웨이퍼 처리 장치 및 메모리 소자의 제조 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040069061A (ko) * 2003-01-28 2004-08-04 삼성전자주식회사 자기 램의 자기 터널 접합층 형성 방법
KR20040090928A (ko) * 2003-04-17 2004-10-27 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 Ｍｒａｍ 장치 제조 방법
KR20050012144A (ko) * 2003-07-24 2005-01-31 아네르바 가부시키가이샤 자성 재료의 드라이 에칭 방법
KR20090036082A (ko) * 2007-10-08 2009-04-13 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 비결정질 탄소 층의 고온 증착 방법

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6620733B2 (en) * 2001-02-12 2003-09-16 Lam Research Corporation Use of hydrocarbon addition for the elimination of micromasking during etching of organic low-k dielectrics
WO2003019590A1 (en) * 2001-08-21 2003-03-06 Seagate Technology Llc Enhanced ion beam etch selectivity of magnetic thin films using carbon-based gases
US6893893B2 (en) * 2002-03-19 2005-05-17 Applied Materials Inc Method of preventing short circuits in magnetic film stacks
EP1999781A2 (en) * 2006-03-16 2008-12-10 Tegal Corporation Dry etch stop process for eliminating electrical shorting in mram device structures
RU2390883C1 (ru) * 2006-09-13 2010-05-27 Кэнон АНЕЛВА Корпорейшн Способ изготовления элемента с магниторезистивным эффектом и многокамерное устройство для изготовления элемента с магниторезистивным эффектом

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20040069061A (ko) * 2003-01-28 2004-08-04 삼성전자주식회사 자기 램의 자기 터널 접합층 형성 방법
KR20040090928A (ko) * 2003-04-17 2004-10-27 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 Ｍｒａｍ 장치 제조 방법
KR20050012144A (ko) * 2003-07-24 2005-01-31 아네르바 가부시키가이샤 자성 재료의 드라이 에칭 방법
KR20090036082A (ko) * 2007-10-08 2009-04-13 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 비결정질 탄소 층의 고온 증착 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101312028B1 (ko) 2012-05-29 2013-09-27 인하대학교 산학협력단 자기터널접합 적층 박막에 대한 건식 식각 방법

Also Published As

Publication number Publication date
JP2011014881A (ja) 2011-01-20
CN101901868A (zh) 2010-12-01
US20100304504A1 (en) 2010-12-02
KR20100128256A (ko) 2010-12-07
TW201115803A (en) 2011-05-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101066158B1 (ko) 자기 소자의 제조 방법 및 제조 장치
KR101041049B1 (ko) 자성 재료의 드라이 에칭 방법
US9601688B2 (en) Method of manufacturing magnetoresistive element and method of processing magnetoresistive film
US8642358B2 (en) Method for fabricating magnetic tunnel junction device
JP4527806B2 (ja) 磁気抵抗素子の製造方法及び磁気抵抗素子の製造装置
KR101574155B1 (ko) 자기 저항 효과 소자의 제조 방법
KR101862632B1 (ko) 자기 저항 효과 소자의 제조 방법 및 제조 시스템
JP2012204408A (ja) 半導体装置の製造方法
KR100955000B1 (ko) 자성소자의 제조방법
JPWO2008129605A1 (ja) 磁性素子の製造法
US20100301008A1 (en) Process and apparatus for fabricating magnetic device
US9378758B2 (en) Plasma etching method
Hwang et al. Etch characteristics of CoFeB thin films and magnetic tunnel junction stacks in a H 2 O/CH 3 OH plasma
WO2012090474A1 (ja) 電極膜の加工方法、磁性膜の加工方法、磁性膜を有する積層体、および該積層体の製造方法
KR20170019035A (ko) 루테늄 박막의 식각방법
KR20160111073A (ko) 호이슬러 합금 박막의 식각방법

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee