KR102257855B1 - 피에칭층을 에칭하는 방법 - Google Patents

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Abstract

피처리체의 피에칭층을 에칭하는 방법이 제공된다. 피처리체는 피에칭층 위에 마스크를 가지고 있다. 피에칭층 및 마스크는 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 희가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율이, 아르곤 가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율보다도 높은 재료로 구성되어 있다. 또, 마스크는 피에칭층의 융점보다도 높은 융점을 가지는 재료로 구성되어 있다. 이와 같은 피처리체에 대해서, 본 방법은 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 공정(a)과, 아르곤의 원자 번호보다도 작은 원자 번호를 가지는 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 공정(b)을 포함한다.

Description

피에칭층을 에칭하는 방법{METHOD FOR ETCHING LAYER TO BE ETCHED}
본 발명의 실시 형태는 피(被)에칭층을 에칭하는 방법에 관한 것이다.
자기 저항 효과 소자를 이용한 메모리 소자의 일종으로서 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 구조를 가지는 MRAM(Magnetic Random Access Memory) 소자가 주목받고 있다.
MRAM 소자는 강자성체 등의 금속을 함유하는 난에칭 재료로 구성되면 다층막을 포함하고 있다. 이와 같은 MRAM 소자의 제조에서는, 예를 들면 PtMn(백금 망간)층을 Ta(탄탈)을 포함하는 마스크를 이용해 에칭하는 경우가 있다. 이와 같은 에칭에서는 일본 특개 2012-204408호 공보에 기재된 바와 같이, 종래부터 할로겐 가스가 이용되고 있다.
일본 특개 2012-204408호 공보
그렇지만, 할로겐 가스의 플라즈마를 이용한 에칭에서는 상기 에칭에 의해서 형성된 형상의 측벽면에 반응 생성물이 퇴적한다. 또, 이 반응 생성물은 높은 융점을 가지므로, 기화되기 어렵다. 이와 같은 퇴적물이 MRAM 소자의 MTJ 구조의 측벽면에 퇴적해 제거되지 않으면 MRAM 소자의 기능이 손상된다.
여기서, 본원 발명자는 후의 트리트먼트 공정에서의 상기 반응 생성물의 제거를 용이하게 하기 위해, 에칭용 가스로서 메탄가스 및 아르곤 가스를 함유하는 처리 가스를 이용하는 시도를 실시하고 있다.
한편, MRAM 소자의 제조에 이용되는 에칭에는 세 개의 요건, 즉 (1) 상기 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성의 높이, (2) 상기 형상의 측벽면에 퇴적하는 반응 생성물의 양, 즉 퇴적물의 양의 적음, (3) 마스크에 대한 피에칭층의 에칭 선택비의 높음이 요구된다.
메탄가스 및 아르곤 가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마를 이용한 에칭에서는 메탄가스의 양을 증가시키면, 수직성 및 선택비를 향상시키는 것이 가능하다. 그렇지만, 퇴적물의 양이 많아진다. 한편, 메탄가스의 양을 저감시키면, 퇴적물의 양을 감소시킬 수 있지만, 수직성 및 선택비가 저하된다. 이와 같이, 메탄가스 및 아르곤 가스를 포함하는 처리 가스로는 세 개의 요건을 동시에 만족하는 것에 한계가 있다.
따라서, MRAM 소자의 제조와 같이 금속을 함유하는 피에칭층의 에칭에서, 상술한 세 개의 요건을 만족하는 것이 필요해지고 있다.
일측면에서는 피처리체의 피에칭층을 에칭하는 방법이 제공된다. 피처리체는 피에칭층 위에 마스크를 가지고 있다. 피에칭층 및 마스크는 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 희(希)가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율이 아르곤 가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율보다도 높은 재료로 구성되어 있다. 또, 마스크는 피에칭층의 융점보다도 높은 융점을 가지는 재료로 구성되어 있다. 이와 같은 피처리체에 대해서, 본 방법은 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 공정(a)과, 아르곤의 원자 번호보다도 작은 원자 번호를 가지는 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 공정(b)을 포함한다. 한 형태에서는 공정(a)과 공정(b)이 번갈아 반복된다.
아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호의 희가스, 즉 제1 희가스의 플라즈마는 비교적 원자 번호가 큰 재료에 대해서 높은 스퍼터 효율, 즉 에칭 효율을 갖는다. 따라서, 상기 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스의 플라즈마는 아르곤 가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마보다도, 수직성이 높은 형상을 형성하는 것을 가능하게 해 퇴적물을 많이 제거할 수 있다. 그렇지만, 제1 처리 가스의 플라즈마는 마스크에 대한 선택성이 뒤떨어진다. 한편, 아르곤의 원자 번호보다도 작은 원자 번호의 희가스, 즉 제2 희가스의 플라즈마는 낮은 스퍼터 효율, 즉 에칭 효율을 갖는다. 따라서, 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스의 플라즈마는 원자 번호가 큰 재료에 대해서 낮은 에칭 효율을 갖는다. 그렇지만, 제2 처리 가스의 플라즈마는 마스크에 대한 선택성이 뛰어나다.
본 방법은 제1 처리 가스의 플라즈마에 피처리체를 노출하는 공정으로, 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성을 향상시키고, 또 상기 형상의 측벽면에 대한 퇴적물을 줄이는 것을 가능하게 한다. 또, 본 방법은 제2 처리 가스의 플라즈마에 피처리체를 노출하는 공정에 의해, 마스크에 대한 피에칭층의 에칭 선택비를 향상시킨다. 이러한 두 개의 공정을 차례로 실시함으로써, 본 방법은 상술한 세 개의 요건을 동시에 만족하는 것을 가능하게 한다.
또한 피에칭층의 일례는 PtMn층이며, 마스크의 일례는 Ta을 포함하는 마스크이다. 또, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는 메탄가스를 추가로 포함하고 있어도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 금속이라고 하는 비교적 큰 원자 번호의 재료로 구성된 피에칭층의 에칭에서, 형상의 수직성의 높이, 상기 형상의 측벽면에 퇴적하는 퇴적물의 양의 적음, 마스크에 대한 피에칭층의 에칭 선택비의 높이를 동시에 만족하는 것이 가능해진다.
도 1은 피에칭층을 에칭하는 방법의 일실시 형태를 나타내는 흐름도이다.
도 2는 방법 MT가 적용되는 피처리체의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 4는 희가스의 종별에 따른 피에칭층의 에칭 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 희가스의 종별 및 에칭 시간의 형상에 대한 영향을 나타내는 세 개의 그래프를 나타내는 도면이다.
도 6은 형상의 파라미터를 나타내는 도면이다.
도 7은 희가스의 종별과 에칭에 의해서 형성되는 형상의 경향을 나타내는 도면이다.
도 8은 희가스의 종별, 및 메탄가스의 유량의 형상에 대한 영향을 나타내는 세 개의 그래프를 나타내는 도면이다.
도 9는 희가스의 종별, 및 고주파 바이어스 전력의 형상에 대한 영향을 나타내는 세 개의 그래프를 나타내는 도면이다.
도 10은 Ne, Ar, Kr 각각의 스퍼터 수율을 나타내는 그래프이다.
이하, 도면을 참조해 여러 가지 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한 각 도면에서 동일 또는 상당한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이는 것으로 한다.
도 1은 피에칭층을 에칭하는 방법의 일실시 형태를 나타내는 흐름도이다. 도 1에 나타내는 방법 MT는 공정 ST1 및 공정 ST2를 포함한다. 공정 ST1에서는 피에칭층을 가지는 피처리체(이하, 「웨이퍼」라고 함)가, 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스의 플라즈마에 노출된다. 또, 공정 ST2에서는 웨이퍼가 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스의 플라즈마에 노출된다. 일실시 형태에서는 이들 공정 ST1 및 공정 ST2는 번갈아 반복해 실행되어도 된다.
제1 처리 가스에 포함되는 제1 희가스는 아르곤 가스의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 희가스이며, 예를 들면 Kr 가스이다. 또, 제2 처리 가스에 포함되는 제2 희가스는 아르곤 가스의 원자 번호보다도 작은 원자 번호를 가지는 희가스이며, 예를 들면 Ne 가스이다. 또, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는 메탄가스 및 수소 가스를 추가로 포함할 수 있다.
방법 MT의 적용 대상인 웨이퍼는 피에칭층, 및 상기 피에칭층 위에 마련된 마스크를 갖는다. 피에칭층 및 마스크는 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 희가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율이, 아르곤 가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율보다도 높은 재료로 구성된다. 또, 마스크는 피에칭층의 융점보다도 높은 융점을 가지는 재료로 구성된다. 이러한 재료인 한, 피에칭층 및 마스크는 임의의 재료로 구성될 수 있다. 예를 들면, 마스크는 TiN, Ta, Ti, TaN, 또는 W로 구성되는 막을 포함할 수 있다. 또, 피에칭층은 PtMn, IrMn, CoPd, CoPt, Ru, Mgo, CoFeB, CoFe, 또는 Ni로 구성되는 층일 수 있다.
방법 MT에서는 공정 ST1에서, 제1 처리 가스에 의해 피에칭층이 에칭된다. 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 희가스, 즉 제1 희가스의 플라즈마는 비교적 원자 번호가 큰 재료에 대해서 높은 스퍼터 효율, 즉 에칭 효율을 갖는다. 따라서, 상기 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스의 플라즈마는 아르곤 가스를 포함하는 처리 가스의 플라즈마보다도, 수직성이 높은 형상을 형성하는 것을 가능하게 해 퇴적물을 많이 제거할 수 있다. 그렇지만, 제1 처리 가스의 플라즈마는 마스크에 대한 선택성이 뒤떨어진다. 한편, 아르곤의 원자 번호보다도 작은 원자 번호의 희가스, 즉 제2 희가스의 플라즈마는 낮은 스퍼터 효율, 즉 에칭 효율을 갖는다. 따라서, 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스의 플라즈마는 원자 번호가 큰 재료에 대해서 낮은 에칭 효율을 갖는다. 그렇지만, 제2 처리 가스의 플라즈마는 마스크에 대한 선택성이 뛰어나다.
도 10은 Ne, Ar, Kr 각각의 스퍼터 수율을 나타내는 그래프이다. 구체적으로, 도 10에 나타내는 그래프는 3000ev의 입사 에너지를 가지는 Ne 이온, Ar 이온, Kr 이온의 각각이, 상이한 금속으로 구성된 피에칭층을 에칭하는 효율, 즉 스퍼터 수율 SY(atom/ion)를 계산한 결과를 나타내고 있다. 스퍼터 수율 SY는 하나의 이온이 피에칭층에 입사했을 때에, 상기 피에칭층으로부터 방출되는 금속 원자의 개수이다. 도 10에서, 가로축에는 금속 원자의 종별을 나타내고 있고, 세로축에는 스퍼터 수율 SY를 나타내고 있다.
도 10에 나타내는 바와 같이, Kr 이온은 피에칭층을 구성할 수 있는 금속, 예를 들면 Pt, Mn, Mg, F, Co, Ru 등에 대해서 높은 스퍼터 수율 SY, 즉 높은 스퍼터 효율을 가지고 있다. 그렇지만, Kr 이온은 마스크를 구성하는 Ti 또는 Ta에 대해서도 1 이상의 스퍼터 수율 SY를 가지고 있다. 따라서, Kr이라고 하는 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스는 피에칭층에 수직성이 높은 형상을 형성하는 것을 가능하게 해 퇴적물을 많이 제거할 수 있다. 그렇지만, 제1 처리 가스는 마스크에 대한 선택성이 뒤떨어진다.
한편, Ne 이온은 피에칭층을 구성할 수 있는 금속, 예를 들면 Pt, Mn, Mg, F, Co, Ru 등에 대해서 낮은 1 이상의 스퍼터 수율 SY를 가지고 있다. 또, Ne 이온은 마스크를 구성할 수 있는 Ti 또는 Ta에 대해서, 1보다도 작은 스퍼터 수율 SY를 가지고 있다. 따라서, Ne라고 하는 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스는 피에칭층을 구성할 수 있는 금속에 대해서 낮은 에칭 효율을 가지지만, 상기 금속을 에칭할 수 있다. 또, 제2 처리 가스는 마스크를 실질적으로 에칭하지 않는다.
방법 MT에서는 도 10에 나타내는 그래프로부터 분명한 바와 같이, 제1 처리 가스의 플라즈마에 웨이퍼를 노출하는 공정에 의해, 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성을 향상시키고, 또 상기 형상의 측벽면에 대한 퇴적물의 양을 줄이는 것이 가능해진다. 또, 제2 처리 가스의 플라즈마에 피처리체를 노출하는 공정에 의해, 마스크에 대한 피에칭층의 에칭 선택비를 향상시키는 것이 가능해진다. 따라서, 방법 MT에 의하면, 이러한 두 개의 공정을 차례로 실시함으로써, 세 개의 요건, 즉 (1) 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성의 높이, (2) 상기 형상의 측벽면에 대한 퇴적물의 양의 적음, (3) 마스크에 대한 피에칭층의 에칭 선택비의 높이를 동시에 만족하는 것이 가능하다.
도 2는 방법 MT가 적용되는 피처리체의 일례를 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 피처리체의 일례, 즉 웨이퍼(W)는 MTJ 구조를 가지는 MRAM 소자의 제조의 도중에 얻어지는 생산물이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼(W)는 하지층(下地層)(100), 피에칭층(102), MTJ 구조(104), 및 상층(106)을 가지고 있다. 하지층(100)은 일례에서는 하부 전극이 되는 층이고, Ta로 구성될 수 있는 것이며, 그 두께는 3nm이다. 피에칭층(102)은 하지층(100) 위에 마련되어 있고 일례에서는 핀 정지층이 되는 층이며, PtMn로 구성되어 있고, 그 두께는 20nm이다. 또, 상층(106)은 피에칭층(102)의 위쪽에 마련되어 있고, 일례에서는 Ta을 포함하고 있다. 상층(106)의 두께는, 예를 들면 50nm이다. MTJ 구조(104)는 피에칭층(102)과 상층(106) 사이에 마련되어 있고, 강자성체 재료라고 하는 금속을 함유하는 다층막으로 구성된다. MTJ 구조(104)는, 예를 들면 제1 자성층(104a)과 제2 자성층(104b) 사이에 절연층(104c)을 가지도록 구성된다. 제1 자성층(104a) 및 제2 자성층(104b)는, 예를 들면 CoFeB로 구성되고, 각각의 두께는 2.5nm이다. 절연층(104c)은, 예를 들면 MgO층, 산화 알루미늄층, 산화 티탄층 등의 금속 산화물층이며, 그 두께는 1, 2nm이다. 또, 웨이퍼(W)는 추가로 자성층(107) 및 자성층(108)을 가질 수 있다. 자성층(107)은 피에칭층(102) 위에 마련되어 있고, 예를 들면 CoFe로 구성될 수 있다. 자성층(108)은 자성층(107)과 MTJ 구조(104) 사이에 마련되어 있고, 예를 들면 Ru로 구성되어 있으며, 그 두께는 0.8nm이다. 이 웨이퍼(W)의 피에칭층(102)은 방법 MT의 에칭 대상의 일례이며, 방법 MT의 일적용예에서는 상층(106), MTJ 구조(104), 자성층(107), 및 자성층(108)으로 이루어지는 적층 구조가 마스크 MK가 되고, 피에칭층(102)이 에칭된다.
이하, 방법 MT의 실시에 이용하는 것이 가능한 플라즈마 처리 장치에 대해 설명한다. 도 3은 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타내는 도면이다. 도 3에 나타내는 플라즈마 처리 장치(10)는 용량 결합형의 플라즈마 처리 장치이다. 또한 방법 MT의 실시에는 유도 결합형의 플라즈마 처리 장치, 마이크로파라고 하는 표면파를 이용하는 플라즈마 처리 장치와 같이, 임의의 플라즈마 처리 장치를 이용할 수 있다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(12)를 구비하고 있다. 처리 용기(12)는 대략 원통 형상을 가지고 있고, 그 내부 공간으로서 처리 공간(S)을 화성(畵成)하고 있다. 플라즈마 처리 장치(10)는 처리 용기(12) 내에, 대략 원판 형상의 베이스(14)를 구비하고 있다. 베이스(14)는 처리 공간(S)의 하부에 마련되어 있다. 베이스(14)는, 예를 들면 알루미늄제이며, 하부 전극을 구성하고 있다. 베이스(14)는 프로세스에서 후술하는 정전 지퍼(50)의 열을 흡열하여 정전 지퍼(50)를 냉각하는 기능을 갖는다.
베이스(14)의 내부에는 냉매 유로(15)가 형성되어 있고, 냉매 유로(15)에는 냉매 입구 배관, 냉매 출구 배관이 접속되어 있다. 플라즈마 처리 장치(10)에서는 냉매 유로(15)에 적당한 냉매, 예를 들면 냉각수 등이 순환된다. 이것에 의해서, 베이스(14) 및 정전 지퍼(50)가 소정의 온도로 제어되게 되어 있다.
또, 플라즈마 처리 장치(10)는 통상(筒狀) 유지부(16) 및 통상 지지부(17)를 추가로 구비하고 있다. 통상 유지부(16)는 베이스(14)의 측면 및 저면의 연부(緣部)에 접하여 베이스(14)를 유지하고 있다. 통상 지지부(17)는 처리 용기(12)의 저부로부터 수직 방향으로 연재(延在)하여, 통상 유지부(16)를 통해서 베이스(14)를 지지하고 있다. 플라즈마 처리 장치(10)는 이 통상 유지부(16)의 상면에 재치되는 포커스 링(18)을 추가로 구비하고 있다. 포커스 링(18)은, 예를 들면 실리콘 또는 석영으로 구성될 수 있다.
일실시 형태에서는 처리 용기(12)의 측벽과 통상 지지부(17) 사이에는 배기로(20)가 형성되어 있다. 배기로(20)의 입구 또는 그 도중에는 배플판(22)이 장착되어 있다. 또, 배기로(20)의 저부에는 배기구(24)가 마련되어 있다. 배기구(24)는 처리 용기(12)의 저부에 끼워 넣어진 배기관(28)으로 화성되어 있다. 이 배기관(28)에는 배기 장치(26)가 접속되어 있다. 배기 장치(26)는 진공 펌프를 가지고 있고, 처리 용기(12) 내의 처리 공간(S)을 소정의 진공도까지 감압할 수 있다. 처리 용기(12)의 측벽에는 웨이퍼(W)의 반입 출구를 개폐하는 게이트 밸브(30)가 장착되어 있다.
베이스(14)에는 이온 인입용 고주파 전원(32)이 정합기(34)를 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(32)은 이온 인입에 적절한 주파수, 예를 들면 400KHz의 고주파 바이어스 전력을 하부 전극, 즉 베이스(14)에 인가한다.
플라즈마 처리 장치(10)는 추가로 샤워 헤드(38)를 구비하고 있다. 샤워 헤드(38)는 처리 공간(S)의 위쪽에 마련되어 있다. 샤워 헤드(38)는 전극판(40) 및 전극 지지체(42)를 포함하고 있다.
전극판(40)은 대략 원판 형상을 가지는 도전성의 판이며, 상부 전극을 구성하고 있다. 전극판(40)에는 플라즈마 생성용의 고주파 전원(35)이 정합기(36)를 통해서 전기적으로 접속되어 있다. 고주파 전원(35)은 플라즈마 생성용의 주파수, 예를 들면 60MHz의 고주파 전력을 전극판(40)에 공급한다. 고주파 전원(35)에 의해서 전극판(40)에 고주파 전력이 부여되면, 베이스(14)와 전극판(40) 사이의 공간, 즉 처리 공간(S)에는 고주파 전계가 형성된다.
전극판(40)에는 복수의 가스 환기통(40h)이 형성되어 있다. 전극판(40)은 전극 지지체(42)에 의해서 착탈 가능하게 지지되고 있다. 전극 지지체(42)의 내부에는 버퍼실(42a)이 마련되어 있다. 플라즈마 처리 장치(10)는 가스 공급부(44)를 추가로 구비하고 있고, 버퍼실(42a)의 가스 도입구(25)에는 가스 공급 도관(46)을 통해서 가스 공급부(44)가 접속되어 있다. 가스 공급부(44)는 처리 공간(S)에 처리 가스를 공급한다. 가스 공급부(44)는 복수종의 가스를 공급할 수 있다. 일실시 형태에서는 가스 공급부(44)는 메탄가스, 제1 희가스, 제2 희가스, 및 수소 가스를 공급할 수 있다.
전극 지지체(42)에는 복수의 가스 환기통(40h)에 각각 연속하는 복수의 구멍이 형성되어 있고, 상기 복수의 구멍은 버퍼실(42a)에 연통하고 있다. 따라서, 가스 공급부(44)로부터 공급되는 가스는 버퍼실(42a), 가스 환기통(40h)을 경유하여 처리 공간(S)에 공급된다.
또, 플라즈마 처리 장치(10)의 처리 용기(12)의 천정부에는 환상 또는 동심상으로 연재하는 자장 형성 기구(48)가 마련되어 있다. 이 자장 형성 기구(48)는 처리 공간(S)에서의 고주파 방전의 개시(플라즈마 발화)를 용이하게 해 방전을 안정하게 유지하도록 기능한다.
또, 베이스(14)의 상면 위에는 정전 지퍼(50)가 마련되어 있다. 이 정전 지퍼(50)는 전극(52), 및 한쌍의 절연막(54a 및 54b)을 포함하고 있다. 절연막(54a 및 54b)은 세라믹 등의 절연체에 의해 형성되는 막이다. 전극(52)은 도전막이며, 절연막(54a)과 절연막(54b) 사이에 마련되어 있다. 이 전극(52)에는 스위치(SW)를 통해서 직류 전원(56)이 접속되어 있다. 직류 전원(56)으로부터 전극(52)에 직류 전압이 부여되면, 쿨롱힘이 발생하고, 상기 쿨롱힘에 의해서 웨이퍼(W)가 정전 지퍼(50) 위에 흡착 유지된다. 또, 정전 지퍼(50)의 내부에는 가열 소자인 히터가 매립되어 웨이퍼(W)를 소정 온도로 가열할 수 있게 되어 있다. 히터는 배선을 통해서 히터 전원에 접속된다.
플라즈마 처리 장치(10)는 가스 공급 라인(58 및 60), 및 전열(傳熱) 가스 공급부(62 및 64)를 추가로 구비하고 있다. 전열 가스 공급부(62)는 가스 공급 라인(58)에 접속되어 있다. 이 가스 공급 라인(58)은 정전 지퍼(50)의 상면까지 늘어나고, 상기 상면의 중앙 부분에서 환상으로 연재하고 있다. 전열 가스 공급부(62)는, 예를 들면 He 가스라고 하는 전열 가스를 정전 지퍼(50)의 상면과 웨이퍼(W) 사이에 공급한다. 또, 전열 가스 공급부(64)는 가스 공급 라인(60)에 접속되어 있다. 가스 공급 라인(60)은 정전 지퍼(50)의 상면까지 늘어나고, 상기 상면에서 가스 공급 라인(58)을 둘러싸도록 환상으로 연재하고 있다. 전열 가스 공급부(64)는, 예를 들면 He 가스라고 하는 전열 가스를 정전 지퍼(50)의 상면과 웨이퍼(W) 사이에 공급한다.
또, 플라즈마 처리 장치(10)는 제어부(66)를 추가로 구비하고 있다. 이 제어부(66)는 배기 장치(26), 스위치(SW), 고주파 전원(32), 정합기(34), 고주파 전원(35), 정합기(36), 가스 공급부(44), 및 전열 가스 공급부(62 및 64)에 접속되어 있다. 제어부(66)는 배기 장치(26), 스위치(SW), 고주파 전원(32), 정합기(34), 고주파 전원(35), 정합기(36), 가스 공급부(44), 및 전열 가스 공급부(62 및 64) 각각에 제어 신호를 송출한다. 제어부(66)으로부터의 제어 신호에 의해, 배기 장치(26)에 의한 배기, 스위치(SW)의 개폐, 고주파 전원(32)으로부터의 고주파 바이어스 전력의 공급, 정합기(34)의 임피던스 조정, 고주파 전원(35)로부터의 고주파 전력의 공급, 정합기(36)의 임피던스 조정, 가스 공급부(44)에 의한 처리 가스의 공급, 전열 가스 공급부(62 및 64) 각각에 의한 전열 가스의 공급이 제어된다.
이 플라즈마 처리 장치(10)는 가스 공급부(44)로부터 처리 공간(S)에 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스를 선택적으로 공급할 수 있다. 또, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스라고 하는 처리 가스가 처리 공간(S)에 공급된 상태로 전극판(40)과 베이스(14) 사이, 즉 처리 공간(S)에서 고주파 전계가 형성되면, 처리 공간(S)에서 플라즈마가 발생한다. 이 처리 가스에 포함되는 원소의 활성종에 의해, 웨이퍼(W)의 피에칭층의 에칭을 실시한다.
이하, 방법 MT의 유효성에 대해서, 여러 가지 데이터를 나타내어 설명한다. 또한 이하에 나타내는 데이터는 도 2에 나타낸 웨이퍼(W)에 대해서 플라즈마 처리 장치(10)를 이용한 에칭에 의해서 취득된 것이다. 또, 피에칭층(102)은 20nm의 두께를 가지는 PtMn층이었다. 또, 상층(106)은 Ta층이며, 상층(106)과 MTJ 구조(104)의 총 두께는 약 50nm였다.
[희가스의 종별에 의한 에칭 효율]
도 4를 참조한다. 도 4는 희가스의 종별에 따른 피에칭층의 에칭 효율을 나타내는 그래프이다. 도 4의 에칭 효율은 처리 가스 중의 희가스를 상이하게 해 구한 것이다. 구체적으로는 희가스로서 아르곤(Ar) 가스, Kr 가스, Ne 가스의 3종을 이용했다. 도 4의 에칭 효율을 구했을 때 다른 조건은 이하와 같다.
<조건>
·처리 용기(12) 내 압력: 10mTorr(1.333Pa)
·플라즈마 생성용 고주파 전력: 800W
·고주파 바이어스 전력: 1500W
·처리 가스 중의 수소 가스 유량: 300sccm
·처리 가스 중의 메탄가스 유량: 90sccm
·처리 가스 중의 희가스의 유량: 50sccm
·웨이퍼 온도: -20℃
도 4에서는 가로축에 처리 가스 중의 희가스의 종별을 나타내고 있고, 세로축에 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 에칭 레이트를 「1」이라고 했을 때의, 다른 희가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 에칭 레이트, 즉 에칭 효율을 나타내고 있다. 도 4를 참조하면, Ar 가스를 포함하는 처리 가스에 대해서, Kr 가스를 포함하는 처리 가스는 피에칭층(102)에 대한 에칭 효율이 높고, 한편 Ne 가스를 포함하는 에칭 가스는 피에칭층(102)에 대한 에칭 효율이 낮은 것이 확인된다.
[희가스의 종별 및 에칭 시간의 형상에 대한 영향]
도 5를 참조한다. 도 5는 희가스의 종별 및 에칭 시간의 형상에 대한 영향을 나타내는 세 개의 그래프를 나타내는 도면이다. 도 5에 나타내는 데이터는 도 4의 데이터 취득을 위한 조건과 동일한 조건으로, 피에칭층(102)을 에칭했을 때의 형상의 에칭 시간 의존성을 나타내고 있다. 구체적으로는 도 5의 (a)에는 에칭 시간(가로축)과 각도θ(세로축)의 관계를 나타내고 있다. 또, 도 5의 (b)에는 에칭 시간(가로축)과 퇴적물의 두께 DA(세로축)의 관계를 나타내고 있다. 또, 도 5의 (c)에는 에칭 시간(가로축)과 에칭 후의 마스크 MK의 두께 MH의 관계를 나타내고 있다. 또한 도 6에 나타내는 바와 같이, 각도θ는 에칭 후의 피에칭층(102)의 측벽면이 하지층에 대해서 이루는 각도이다. 또, 퇴적물의 두께 DA는 에칭 후에 마스크 MK의 측벽면을 따라서 남아 있던 퇴적물 DP의 수평 방향의 두께이다. 또, 두께 MH는 에칭 후에 남겨지는 마스크 MK의 막 두께 방향의 두께이다. 또, 도 5에서, 범례 「Ar 가스」는 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 데이터를 나타내고 있고, 범례 「Kr 가스」는 Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 데이터를 나타내고 있으며, 범례 「Ne 가스」는 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 데이터를 나타내고 있다.
도 5의 데이터 취득을 위해서 실시한 실험에서는 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우, Ne 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에 각각 60초의 에칭 시간, 40초의 에칭 시간, 90초의 에칭 시간에서 하지층을 노출했다. 따라서, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우, Ne 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에 각각 60초 이후의 에칭, 40초 이후의 에칭, 90초 이후의 에칭은 오버 에칭이다.
도 5의 (a)를 참조하면, Ne 가스를 포함하는 처리 가스 및 Ar 가스를 포함하는 처리 가스의 어느 쪽을 이용한 경우에도, 각도θ의 향상에는 한계가 있고, 한편 Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 각도θ가 에칭 시간의 길이에 비례해 90도에 가까워지는 경향이 확인된다. 따라서, Kr 가스를 희가스로서 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, 에칭에 의해서 형성되는 형상의 수직성이 높아지는 것이 확인된다. 또, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, Ar 가스를 포함하는 처리 가스에서는 달성할 수 없는 각도, 즉 수직성을 달성하는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
또, 도 5의 (b)를 참조하면, Ne 가스를 포함하는 처리 가스 및 Ar 가스를 포함하는 처리 가스의 어느 쪽을 이용한 경우에도, 퇴적물 DP의 두께 DA가 크고, 한편 Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 퇴적물 DP의 두께 DA가 에칭 시간의 길이에 비례해 작아지는 경향이 확인된다. 따라서, Kr 가스를 희가스로서 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, 퇴적물의 양을 감소시키는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
또, 도 5의 (c)을 참조하면, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 마스크 MK의 두께 MH가 작아지고, 한편 Ne 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 마스크 MK의 두께 MH가 커지는 것이 확인된다. 따라서, Ne 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에, 마스크 MK의 막 두께를 유지하는 것이 가능한 것, 즉 마스크 MK에 대한 피에칭층(102)의 선택성을 높이는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
여기서, 도 4 및 도 5의 데이터로부터 확인되는 경향을 도 7을 참조해 설명한다. 도 7의 (a)에는 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 에칭 후의 웨이퍼의 상태의 단면도를 나타내고 있고, 도 7의 (b)에는 Ne 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 에칭 후의 웨이퍼 상태의 단면도를 나타내고 있으며, 도 7의 (c)에는 Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 에칭 후의 웨이퍼 상태의 단면도를 나타내고 있다.
Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 경향(도 7의 (a)를 참조)과 대비하면, 도 7의 (c)에 나타내는 바와 같이, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, 피에칭층(102)의 측벽의 수직성을 높이는 것이 가능하고, 퇴적물 DP의 양을 감소시키는 것이 가능하다. 그렇지만, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용하면, 마스크 MK의 막 두께가 감소해, 마스크 MK의 모서리 깎임도 커진다. 또, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 경향과 대비하면, 도 7의 (b)에 나타내는 바와 같이, Ne 가스를 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, 피에칭층(102)의 측벽의 수직성은 낮아져, 퇴적물 DP의 양도 많아지지만, 마스크 MK의 막 두께를 유지하는 것이 가능하다. 즉, Ne 가스를 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, 마스크 MK에 대한 피에칭층(102)의 선택성을 높이는 것이 가능하다.
[희가스의 종별, 및 메탄가스의 유량의 형상에 대한 영향]
도 8을 참조한다. 도 8은 희가스의 종별, 및 메탄가스의 유량의 형상에 대한 영향을 나타내는 세 개의 그래프를 나타내는 도면이다. 도 8에 나타내는 데이터는 도 4의 데이터 취득을 위한 조건을 베이스로 하고, 처리 가스 중의 메탄가스의 유량을 변경함으로써 취득했다. 구체적으로는 도 8의 (a)에는 처리 가스 중의 메탄가스의 유량의 비율(가로축)과 각도θ(세로축)의 관계를 나타내고 있다. 또, 도 8의 (b)에는 처리 가스 중의 메탄가스의 유량의 비율(가로축)과 퇴적물의 두께 DA(세로축)의 관계를 나타내고 있다. 또, 도 8의 (c)에는 처리 가스 중의 메탄가스의 유량의 비율(가로축)과 에칭 후의 마스크 MK의 두께 MH의 관계를 나타내고 있다. 또한 도 8에서, 범례 「Ar 가스」는 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 데이터를 나타내고 있고, 범례 「Kr 가스」는 Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우의 데이터를 나타내고 있다.
도 8의 (a)를 참조하면, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 메탄가스의 유량이 많아지면, 수직성이 크게 저하되는 것이 확인된다. 한편, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 메탄가스의 유량에 비례하여, 수직성이 커지는 것이 확인된다. 또, 도 8의 (b)를 참조하면, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에 비하여, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 메탄가스의 유량을 증가시켜도, 퇴적물의 양이 적게 되는 것이 확인된다. 또, 도 8의 (c)를 참조하면, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 메탄가스의 유량을 증가시키면, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우와 동등한 레벨까지, 에칭 후의 마스크 MK의 두께를 유지하는 것이 가능하다는 것이 확인된다. 따라서, Kr 가스를 포함하는 처리 가스에서는 수직성의 향상, 및 퇴적물의 양의 저감이 가능하고, 또한 메탄가스의 양을 조정함으로써, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우와 동등한 선택성을 얻는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
[희가스의 종별, 및 고주파 바이어스 전력의 형상에 대한 영향]
도 9를 참조한다. 도 9는 희가스의 종별, 및 고주파 바이어스 전력의 형상에 대한 영향을 나타내는 세 개의 그래프를 나타내는 도면이다. 도 9에 나타내는 데이터는 도 4의 데이터 취득을 위한 조건을 베이스로 하고, 고주파 바이어스 전력을 변경함으로써 취득했다. 도 9의 (a)에는 에칭 시간(가로축)과 각도θ(세로축)의 관계를 나타내고 있다. 또, 도 9의 (b)에는 에칭 시간(가로축)과 퇴적물의 두께 DA(세로축)의 관계를 나타내고 있다. 또, 도 9의 (c)에는 에칭 시간(가로축)과 에칭 후의 마스크 MK의 두께 MH의 관계를 나타내고 있다. 또한 도 9에서, 범례 「Ar(1500W)」는 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용해 1500W의 고주파 바이어스 전력을 공급한 경우의 데이터를 나타내고 있고, 범례 「Kr(1500W)」는 Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용해 1500W의 고주파 바이어스 전력을 공급한 경우의 데이터를 나타내고 있으며, 범례 「Kr(1000W)」는 Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용해 1000W의 고주파 바이어스 전력을 공급한 경우의 데이터를 나타내고 있다.
도 9의 (a)을 참조하면, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우에는 고주파 바이어스 전력을 크게 함으로써, 각도θ를 크게 할 수 있는 것, 즉 수직성을 향상시키는 것이 가능하다는 것이 확인된다. 또, 동일한 고주파 바이어스 전력이어도, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우와 대비하여, 높은 수직성을 얻는 것이 가능하다는 것이 확인된다. 또한, 낮은 고주파 바이어스 전력(1000W)을 이용해도, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용하고, 또한 높은 고주파 바이어스 전력(1500W) 이용한 경우와 동등한 수직성을 얻는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
또, 도 9의 (b)를 참조하면, 고주파 바이어스 전력이 낮아도, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용함으로써, Ar 가스를 포함하는 처리 가스보다도, 퇴적물의 양을 감소시키는 것이 가능하다는 것이 확인된다. 또, 도 9의 (c)를 참조하면, 고주파 바이어스 전력을 낮게 함으로써(1000W), Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용해도, Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용한 경우와 동등한 레벨로 마스크 MK의 막 두께를 유지하는 것이 가능하다는 것이 확인된다. 즉, Kr 가스를 포함하는 처리 가스를 이용해도, Ar 가스를 포함하는 처리 가스와 동등한 선택성을 실현하는 것이 가능하다는 것이 확인된다.
이상의 데이터로부터 확인되는 것을 총괄하면, Kr 가스라고 하는 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스를 이용함으로써, Ar 가스를 포함하는 처리 가스에 비하여, 수직성을 향상시킬 수 있고 퇴적물의 양을 줄일 수 있다. 또, 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스를 이용함으로써, Ar 가스를 포함하는 처리 가스와 동등한 레벨로 마스크 MK의 막 두께를 유지하는 것, 즉 선택성을 얻는 것이 가능하다. 또, Ne 가스라고 하는 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스를 이용함으로써, Kr 가스 또는 Ar 가스를 포함하는 처리 가스를 이용하는 경우보다도 선택성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 공정 ST1와 공정 ST2를 차례로 실행함으로써, 세 개의 요건, 즉 수직성의 향상, 퇴적물의 양의 적음, 선택성의 향상을 만족하는 것이 가능해진다.
[ 실험예 ]
이하, 방법 MT를 실시한 실험예에 대해 설명한다. 이 실험예에서는 도 4의 데이터의 취득시와 동일한 웨이퍼에 대해서, 플라즈마 처리 장치(10)를 이용해 방법 MT를 적용했다. 또, 제1 참고예로서 Ar 가스를 포함하는 처리 가스만을 이용하여 동일한 웨이퍼의 피에칭층(102)의 에칭을 실시했다. 또, 제2 참고예로서 Kr 가스를 포함하는 처리 가스만을 이용하여 동일한 웨이퍼의 피에칭층(102)의 에칭을 실시했다. 이하에, 실험예, 제1 참고예, 제2 참고예의 조건을 나타낸다.
<실험예의 조건>
·처리 용기(12) 내 압력: 10mTorr(1.333Pa)
·플라즈마 생성용 고주파 전력: 800W
·고주파 바이어스 전력: 1500W
·제1 처리 가스 및 제2 처리 가스 중의 수소 가스 유량: 300sccm
·제1 처리 가스 및 제2 처리 가스 중의 메탄가스 유량: 90sccm
·제1 처리 가스 및 제2 처리 가스 중의 희가스의 유량: 50sccm
·제1 희가스: Kr
·제2 희가스: Ne
·웨이퍼 온도: -20℃
·공정 ST1의 시간: 10초
·공정 ST2의 시간: 10초
·공정 ST1 및 공정 ST2로 이루어지는 시퀀스의 반복 횟수: 5회
<제1 참고예의 조건>
·처리 용기(12) 내 압력: 10mTorr(1.333Pa)
·플라즈마 생성용 고주파 전력: 800W
·고주파 바이어스 전력: 1500W
·처리 가스 중의 수소 가스 유량: 300sccm
·처리 가스 중의 메탄가스 유량: 90sccm
·처리 가스 중의 Ar 가스의 유량: 50sccm
·웨이퍼 온도: -20℃
·에칭 시간: 130초
<제2 참고예의 조건>
·처리 용기(12) 내 압력: 10mTorr(1.333Pa)
·플라즈마 생성용 고주파 전력: 800W
·고주파 바이어스 전력: 1500W
·처리 가스 중의 수소 가스 유량: 300sccm
·처리 가스 중의 메탄가스 유량: 90sccm
·처리 가스 중의 Kr 가스의 유량: 50sccm
·웨이퍼 온도: -20℃
·에칭 시간: 130초
이하, 실험예, 제1 참고예, 제2 참고예의 각각에 대해서, 에칭 후의 각도θ, 퇴적물 DP의 두께 DA, 및 에칭 후의 마스크 MK의 두께 MH를 나타낸다.
<실험예>
θ: 83도
DA: 1.5nm
MH: 35.1nm
<제1 참고예>
θ: 81.5도
DA: 4.0nm
MH: 36.0nm
<제2 참고예>
θ: 84도
DA: 0nm
MH: 24.2nm
실험예, 제1 참고예, 제2 참고예의 각각의 에칭 후의 각도θ, 퇴적물의 두께 DA, 및 에칭 후의 마스크 MK의 두께 MH를 대비하면 분명한 바와 같이, 방법 MT에서는 Ar 가스를 이용한 처리 가스만을 이용하는 경우(제1 참고예)에서는 불가능한 레벨의 수직성을 실현할 수 있고, 또 퇴적물의 양을 감소시킬 수 있는 것이 확인된다. 또, 방법 MT에서는 Kr 가스를 포함하는 처리 가스만 이용한 경우(제2 참고예)보다도 큰 두께, 또한 Ar 가스를 이용한 처리 가스만을 이용하는 경우(제1 참고예)와 동등한 두께로 마스크 MK를 유지할 수 있는 것, 즉 Ar 가스를 이용한 처리 가스만을 이용하는 경우와 동등한 선택성을 얻는 것이 가능하다는 것이 확인되었다.
이상, 여러 가지 실시 형태에 대해 설명했지만, 상술한 실시 형태로 한정되는 것 없이 여러 가지 변형 양태를 구성 가능하다. 예를 들면, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는 메탄 및 수소 가스를 포함하고 있었지만, 각각 제1 희가스 및 제2 희가스를 포함하고, 또한 탄소 및 수소를 함유하는 한, 제1 처리 가스 및 제2 처리 가스는 임의의 가스를 포함할 수 있다. 또, 상술한 실시 형태에서는 피에칭층(102)으로서 PtMn로 구성된 층이 예시되고 있지만, 방법 MT의 에칭 대상이 되는 피에칭층은 상층(106)을 마스크로서 에칭하는 것이 가능한, 다른 층, 예를 들면 MTJ 구조(104)에 포함되는 층, 자성층(107), 및/또는 자성층(108)이어도 된다.
10…플라즈마 처리 장치, 12…처리 용기, 32…고주파 전원(고주파 바이어스 전력 공급용), W…웨이퍼, 100…하지층, 102…피에칭층, 104…MTJ 구조, 106…상층, MK…마스크, DP…퇴적물, MT…방법, ST1…공정, ST2…공정.

Claims (4)

  1. 피(被)처리체의 피(被)에칭층을 에칭하는 방법으로서,
    상기 피처리체는 상기 피에칭층 위에 마스크를 가지고 있고,
    상기 피에칭층 및 상기 마스크는 금속을 함유하고, 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 희(希)가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율이, 아르곤 가스의 플라즈마에 의한 에칭 효율보다도 높은 재료로 구성되어 있으며,
    상기 마스크는 상기 피에칭층의 융점보다도 높은 융점을 가지는 재료로 구성되어 있고,
    상기 방법은 아르곤의 원자 번호보다도 큰 원자 번호를 가지는 제1 희가스를 포함하는 제1 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 공정과,
    아르곤의 원자 번호보다도 작은 원자 번호를 가지는 제2 희가스를 포함하는 제2 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 공정을 포함하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 상기 공정과, 상기 제2 처리 가스의 플라즈마에 상기 피처리체를 노출하는 공정이 번갈아 반복되는 방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 피에칭층은 PtMn, IrMn, CoPd, CoPt, Ru, MgO, CoFeB, CoFe, 또는 Ni을 포함하고, 상기 마스크는 TiN, Ta, Ti, TaN, 또는 W을 포함하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 처리 가스 및 상기 제2 처리 가스는 메탄가스를 추가로 포함하는 방법.
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