TW201604957A - 電漿蝕刻方法 - Google Patents
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Abstract
本發明的課題是在於提供一種在電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法中，不拘遮罩的開口尺寸，可取得所望的蝕刻深度之電漿蝕刻方法。
本發明係以鉭作為遮罩來電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法，其特徵係具有：第一工程，其係使用氨氣與氦氣的混合氣體來將前述磁性膜電漿蝕刻至所望的深度；及第二工程，其係於前述第一工程後，使用氨氣與含有氧元素的氣體的混合氣體或氨氣與含有氫氧基的氣體的混合氣體來電漿蝕刻前述被蝕刻至所望的深度的磁性膜。
Description
本發明是有關電漿蝕刻方法，特別是有關電漿蝕刻磁性材料的電漿蝕刻方法。
近年來，為了對應於硬碟驅動的大容量化，磁頭從巨大磁阻效應(GMR：Giant Magneto Resistive effect)往利用隧道磁阻效應(TMR效應：tunnel Magneto-Resistance Effect)的磁頭移行，面記錄密度的高密度化急速進展。隨著面記錄密度的高密度化，被使用於硬碟驅動的磁頭需要微細化，在磁頭的製造中被要求微細加工技術。因此，在磁頭的製造裝置中，從離子束刻蝕(Ion Milling)裝置演進到適用電漿蝕刻裝置。
磁頭是具有：使用以藉由垂直磁氣記錄方式來將資訊記錄於記錄媒體的記錄磁場發生的磁極層、及收容該磁極層的收容層，收容層的溝部是被形成錐形(taper)形狀。並且，收容層以往是以氧化鋁(Al2O3)膜所形成，但近年來隨著收容層形成工程的工程數削減，而採用鐵(Fe)、鎳鐵(NiFe)、鈷鐵(CoFe)、鈷鎳鐵
(CoNiFe)等的磁性材料。
但，該等的磁性材料是揮發性非常低，因此電漿的蝕刻速度或垂直形狀不易取得，磁性材料的微細加工難。並且，在電漿蝕刻時產生的反應生成物會附著於電漿處理室內的內壁，而使電漿蝕刻性能容易經常變化。
作為可對如此的磁性材料進行反應性離子蝕刻的電漿蝕刻方法，例如在專利文獻1揭示有以添加氨(NH3)或胺類氣體等含氮化合物氣體的一氧化碳(CO)氣體作為反應氣體使用的乾蝕刻方法。
並且，使用此含氮化合物氣體與一氧化碳氣體的混合氣體，作為被蝕刻材料對遮罩之高選擇比的電漿蝕刻方法，在專利文獻2是揭示有以添加含氮化合物氣體的一氧化碳氣體作為反應氣體，使用鉭或氮化鉭的遮罩來進行蝕刻的方法。
〔專利文獻1〕日本特開平8-253881號公報
〔專利文獻2〕日本特開2001-274144號公報
但，揭示於專利文獻2的以往技術以鉭作為遮罩使用一氧化碳(CO)與氨(NH3)的混合氣體來電漿蝕刻磁性膜時，如圖10所示般隨著收容層的橫寬尺寸變窄，深度
方向的切削量會減少，一旦收容層的橫寬尺寸形成比250nm以下還窄，則會在深度方向的切削量為150nm附近產生蝕刻停止，發生即使延長蝕刻時間切削量也不會增加的現象。
因此，有鑑於上述課題，本發明是提供一種在電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法中，不拘遮罩的開口尺寸，可取得所望的蝕刻深度之電漿蝕刻方法。
本發明係以鉭作為遮罩來電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法，其特徵係具有：第一工程，其係使用氨氣與氦氣的混合氣體來將前述磁性膜電漿蝕刻至所望的深度；及第二工程，其係於前述第一工程後，使用氨氣與含有氧元素的氣體的混合氣體或氨氣與含有氫氧基的氣體的混合氣體來電漿蝕刻前述被蝕刻至所望的深度的磁性膜。
藉由本發明，在電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法中，不拘遮罩的開口尺寸，可取得所望的蝕刻深度。
1‧‧‧感應耦合天線
2‧‧‧放電部
3‧‧‧處理部
4‧‧‧匹配器
5‧‧‧氣體供給裝置
6‧‧‧電極
7‧‧‧電漿
8‧‧‧排氣裝置
9‧‧‧法拉第屏蔽
10‧‧‧第1高頻電源
11‧‧‧第2高頻電源
12‧‧‧試料
13‧‧‧AlTiC基板
14‧‧‧鎳鐵膜
15‧‧‧鉭膜
圖1是本發明所使用的電漿蝕刻裝置的概略剖面圖。
圖2是藉由本發明來電漿蝕刻的試料的膜構造。
圖3是藉由本發明來電漿蝕刻的鎳鐵膜的形狀的剖面圖。
圖4是表示藉由甲醇氣體、一氧化碳氣體及氨氣的混合氣體來蝕刻的鎳鐵膜的圖。
圖5是表示藉由氨氣來蝕刻的鎳鐵膜的圖。
圖6是表示藉由氨氣及氦氣的混合氣體來蝕刻的鎳鐵膜的圖。
圖7是表示藉由氨氣與一氧化碳氣體的混合氣體來蝕刻的鎳鐵膜的圖。
圖8是表示開口尺寸對氨氣與氦氣的混合比率的依存性的圖。
圖9是表示溝形狀的錐形角度對氨氣的流量比率的依存性的圖。
圖10是表示磁性膜的蝕刻深度對遮罩的開口尺寸的依存性的圖。
以下，利用圖面來說明本發明之一實施例。首先，利用圖1來說明用以實施本發明的電漿蝕刻裝置。
電漿處理室是具備：放電部2，其係石英(SiO2)或陶瓷(Al2O3)的非導電性材料，形成電漿生成部；及處理部3，其係配置有載置被處理體的試料12之電極6。
處理部3是被接地，電極6是隔著絕緣材來安裝於處理部3。
在放電部2的上方產生感應磁場配置有線圈狀的感應耦合天線1及電容耦合天線之法拉第屏蔽9，感應耦合天線1及法拉第屏蔽9是從第1高頻電源10經由匹配器4來供給高頻電力。並且，感應耦合天線1是由線圈狀的第1感應耦合天線1a及配置於前述第1感應耦合天線1a的外側之線圈狀的第2感應耦合天線1b所構成。
在電漿處理室的內部是由氣體供給裝置5來供給處理氣體，且藉由排氣裝置8來減壓排氣至所定的壓力。並且，藉由利用感應耦合天線1所產生的感應磁場來使從氣體供給裝置5供給至電漿處理室內部的處理氣體電漿化。而且，為了將存在於電漿7中的離子引入至試料12上，而從第2高頻電源11供給偏壓高頻電力至電極6。
並且，本電漿蝕刻裝置是具有對應於難蝕刻材料的蝕刻之構造，藉由朝法拉第屏蔽9施加高頻電壓，可抑制及除去往放電部2之反應生成物的附著。
其次，說明有關使用圖1所示的電漿蝕刻裝置的本發明。最初將藉由本發明來電漿蝕刻的試料12的膜構造顯示於圖2。
在AlTiC基板13上由下依序層疊500nm的厚度的鎳鐵膜14、及170nm的厚度的鉭膜15、及50nm的厚度的氧化鋁膜16。另外，氧化鋁膜16是預先藉由光微影技術來使溝圖案圖案化，開口寬度為215nm的遮罩。
首先最初以氧化鋁膜16作為遮罩，如表1的步驟1所示般，使用60ml/min的Cl2氣體及20ml/min的BCl3氣體的混合氣體，以處理壓力為0.3Pa、來源RF功率為800W、偏壓RF功率為50W的蝕刻條件來除去鉭膜15表層的自然氧化膜。接著，在除去鉭膜15表層的自然氧化膜之後，如表1的步驟2所示般，使用75ml/min的Cl2氣體及5ml/min的CF4氣體的混合氣體，以處理壓力為0.3Pa、來源RF功率為800W、偏壓RF功率為35W的條件，形成鉭膜15的遮罩。
並且，表1的步驟2是為了在50nm的厚度的氧化鋁膜16的遮罩形成170nm的厚度的鉭膜15的遮罩而可取得充分對氧化鋁膜16的高選擇比之條件。而且，藉由調整CF4氣體流量，可將鉭膜15的蝕刻形狀的角度控制成所望的角度(例如80~90度的範圍)。另外，藉由本實施例之5ml/min的CF4氣體，可形成幾乎垂直的鉭膜15的遮罩。
其次，在鉭膜15的遮罩形成後，以氧化鋁膜16及鉭膜15作為遮罩，如表2的步驟1所示般，使用280ml/min的氨(NH3)氣體及370ml/min的氦(He)氣體的混合氣
體，以處理壓力為3.0Pa、來源RF功率為1800W、偏壓RF功率為800W的蝕刻條件來將鎳鐵膜14蝕刻至所望的深度。另外，所謂所望的深度是不將鎳鐵膜14全部除去的所望的深度，在本實施例是將所望的深度設為300nm。
並且，氧化鋁膜16是在鉭膜15的遮罩形成時作為遮罩使用而變薄，因此在表2的步驟1的鎳鐵膜14的蝕刻中消失。因此，從表2的步驟1之蝕刻的途中，僅以鉭膜15作為遮罩，將鎳鐵膜14蝕刻至300nm的深度。
其次，將鎳鐵膜14蝕刻至300nm的深度之後，以鉭膜15作為遮罩，如表2的步驟2所示般，使用175ml/min的氨(NH3)氣體及10ml/min的一氧化碳(CO)氣體的混合氣體，以處理壓力為0.6Pa、來源RF功率為1800W、偏壓RF功率為500W的蝕刻條件來蝕刻鎳鐵膜14，可取得圖3所示那樣的300nm深度之所望的角度的錐形形狀。
並且，表2的步驟2的處理壓力是形成比表2的步驟1的處理壓力還低的壓力。藉此，藉由一氧化碳(CO)氣體與遮罩的鉭膜15的反應所生成的氧化鉭(TaO)會容易到達溝的底面，有助於使溝的底面形成平坦形狀。因
此，最好表2的步驟2的處理壓力是比表2的步驟1的處理壓力還低，為1.0Pa以下。
並且，表2的步驟2的一氧化碳(CO)氣體流量，若相對於氨(NH3)氣體流量過多，則氧化鉭(TaO)會被過度生成，而恐有溝的深度變淺之虞，因此表2的步驟2的一氧化碳(CO)氣體流量相對於氨(NH3)氣體流量，最好為10%以下或15ml/min以下。
而且，表2的步驟2的偏壓RF功率是比表2的步驟1的偏壓RF功率還低。藉此，藉由一氧化碳(CO)氣體與遮罩的鉭膜15的反應所生成的氧化鉭(TaO)會容易附著於溝的底面，有助於使溝的底面形成平坦形狀。因此，最好表2的步驟2的偏壓RF功率是比表2的步驟1的偏壓RF功率還低，或表2的步驟2的偏壓RF功率相對於表2的步驟1的偏壓RF功率為2/3以下。
如以上般，藉由本發明可取得圖3所示那樣的300nm深度之所望的角度的錐形形狀，但藉由本發明可取得如此的效果的理由是可想像成如以下般。
例如，使用甲醇(CH3OH)氣體及一氧化碳(CO)氣體以及氨(NH3)氣體的混合氣體，以開口寬度為215nm溝圖案的鉭膜15作為遮罩來蝕刻鎳鐵膜14時，如圖4所示般，含在混合氣體的碳原子(C)、氧原子(O)、氮原子(N)、氫(H)會成為離子，主要以物理性的作用來蝕刻鎳鐵膜14。
但，上述的氧原子(O)與鉭膜15的構成元素的鉭原
子(Ta)會反應，生成氧化鉭(TaO)，堆積於溝的底面全體，一旦某程度鎳鐵膜14的蝕刻進展，則氧化鉭(TaO)的堆積會超過鎳鐵膜14的蝕刻，氧化鉭(TaO)的蝕刻困難，因此鎳鐵膜14的蝕刻會停止。所以，即使增加蝕刻時間，往深度方向的蝕刻也不會進行，無法蝕刻至所望的深度。
由如此的情形可想像，為了以鉭膜15作為遮罩來將鎳鐵膜14蝕刻至所望的深度，不使氧化鉭生成是件重要的事，如圖5所示般，只使用氨(NH3)氣體，以開口寬度為215nm溝圖案的鉭膜15作為遮罩來蝕刻鎳鐵膜14時，如圖5所示般，在鎳鐵膜14的被蝕刻面雖有鉭(Ta)堆積，但可藉由氨(NH3)氣體來容易除去，因此可將鎳鐵膜14蝕刻至300nm的深度。
但，使用氨(NH3)氣體來蝕刻鎳鐵膜14時，由於與鉭膜15的遮罩的選擇比低，因此鉭膜15的遮罩肩容易後退，橫寬尺寸會擴大，因此溝形狀的錐形角度會變大。
因此，以鉭膜15作為遮罩來將鎳鐵膜14蝕刻至所望的深度時，為了不使氧化鉭(TaO)生成，且使與鉭膜15的遮罩的選擇比提升，而使用氨(NH3)氣體與氦(He)氣體的混合氣體來進行鎳鐵膜14的蝕刻。
由於氦(He)氣體是惰性氣體，因此與鉭膜15的反應貧乏。並且，氦(He)氣體是在惰性氣體之中最輕的氣體，因此對遮罩的鉭膜15的損傷少，特別是鉭膜15的落肩會被抑制。
因此，可想像使用氨(NH3)氣體與氦(He)氣體的混合氣體，以開口寬度為215nm溝圖案的鉭膜15作為遮罩來蝕刻鎳鐵膜14時，如圖6所示般，可抑制鉭膜15的遮罩橫寬尺寸的擴大，且可將鎳鐵膜14蝕刻至300nm的深度。
但，蝕刻底面為圓弧形狀。一旦為如此的圓弧形狀，則有能夠造成成膜不良或裝置特性的劣化等不良影響。因此，需要使溝的底面的圓弧形狀形成平坦形狀。基於如此的情形，使用氨(NH3)氣體與氦(He)氣體的混合氣體來將鎳鐵膜14蝕刻至300nm的深度之後，使用氨(NH3)氣體與一氧化碳(CO)氣體的混合氣體來更進行鎳鐵膜14的蝕刻。
可想像此氨(NH3)氣體與一氧化碳(CO)氣體的混合氣體之鎳鐵膜14的蝕刻，如圖7所示般，藉由一氧化碳(CO)氣體與遮罩的鉭膜15的反應，氧化鉭(TaO)會被生成，氧化鉭(TaO)會堆積於蝕刻底面，往深度方向的蝕刻會被抑制，藉此可使溝形狀的底面形成平坦形狀。
根據以上，可想像藉由本發明可取得圖3所示那樣的300nm深度之所望的角度的錐形形狀。
在本實施例的表2的步驟1是將氨(NH3)氣體設為280ml/min，將氦(He)氣體設為370ml/min，藉此可取得215nm的開口寬度的溝形狀，但如圖8所示般，藉由控制氨(NH3)氣體與氦(He)氣體的混合比，可控制開
口尺寸。
並且，在本實施例為了使溝的底面形成平坦形狀，而使用氨(NH3)氣體與一氧化碳(CO)氣體的混合氣體，但亦可取代一氧化碳(CO)氣體，而使用二氧化碳(CO2)氣體、一氧化氮(NO)氣體、二氧化氮(NO2)氣體等含有氧元素的氣體。
而且，在本實施例為了使溝的底面形成平坦形狀，而使用氨(NH3)氣體與一氧化碳(CO)氣體的混合氣體，但亦可使用氨(NH3)氣體與甲醇(CH3OH)氣體的混合氣體。
例如，以表3的步驟1所示的蝕刻條件來將鎳鐵膜14蝕刻至300nm的深度之後，以鉭膜15作為遮罩，如表3的步驟2所示般，使用175ml/min的氨(NH3)氣體與10ml/min的甲醇(CH3OH)氣體的混合氣體，以處理壓力為0.6Pa、來源RF功率為1800W、偏壓RF功率為500W的蝕刻條件來蝕刻鎳鐵膜14，可取得圖3所示那樣的300nm深度之所望的角度的錐形形狀。
並且，表3的步驟2的處理壓力是形成比表3的步驟1的處理壓力還低的壓力。藉此，藉由甲醇(CH3OH)氣
體與遮罩的鉭膜15的反應所生成的氧化鉭(TaO)會容易到達溝的底面，有助於使溝的底面形成平坦形狀。因此，最好表3的步驟2的處理壓力是比表3的步驟1的處理壓力還低，為1.0Pa以下。
並且，表3的步驟2的甲醇(CH3OH)氣體流量，若相對於氨(NH3)氣體流量過多，則氧化鉭(TaO)會被過度生成，而恐有溝的深度變淺之虞，因此表3的步驟2的甲醇(CH3OH)氣體流量相對於氨(NH3)氣體流量，最好為10%以下或15ml/min以下。
而且，表3的步驟2的偏壓RF功率是比表3的步驟1的偏壓RF功率還低。藉此，藉由甲醇(CH3OH)氣體與遮罩的鉭膜15的反應所生成的氧化鉭(TaO)會容易附著於溝的底面，有助於使溝的底面形成平坦形狀。因此，最好表3的步驟2的偏壓RF功率是比表3的步驟1的偏壓RF功率還低或表3的步驟2的偏壓RF功率相對於表3的步驟1的偏壓RF功率為2/3以下。
並且，在表3的步驟2是使用氨(NH3)氣體與甲醇(CH3OH)氣體的混合氣體，但亦可取代甲醇(CH3OH)氣體，使用乙醇(C2H6O)氣體、丙醇(C3H8O)氣體等含有氫氧基的氣體。
並且，在本實施例是藉由氨(NH3)氣體與氦(He)氣體的混合氣體來將鎳鐵膜14蝕刻至300nm的深度，但藉由使氨(NH3)氣體的流量相對於參考的流量來增減於±15%的範圍，可使溝形狀的錐形角度相對於參考的角度
來控制在±1.2度的範圍。
例如，將氨(NH3)氣體的流量設為245nm/min，將氦(He)氣體的流量設為305nm/min的混合氣體時，如圖9所示般，成為13.5度的錐形形狀。藉此，將氨(NH3)氣體的流量設為210nm/min，將氦(He)氣體的流量設為305nm/min的混合氣體時，如圖9所示般，成為14.7度的錐形形狀，另一方面，將氨(NH3)氣體的流量設為280nm/min，將氦(He)氣體的流量設為305nm/min的混合氣體時，如圖9所示般，成為12.3度的錐形形狀。該等的結果可想像如以下般。
藉由相對於氦(He)氣體的流量來增加氨(NH3)氣體流量，氨(NH3)氣體之相對於處理壓力的分壓會增加，電漿中的離子容易散亂，藉此離子容易衝突於溝圖案的側壁。因此，溝形狀會接近垂直形狀，錐形的角度會變小。
另一方面，若使氨(NH3)氣體的流量相對於氦(He)氣體的流量來降低，則氨(NH3)氣體之相對於處理壓力的分壓會減少，往溝圖案的側壁之離子的衝突會減少。因此，溝形狀會接近錐形形狀，錐形的角度會變大。
藉由如此使氨(NH3)氣體的流量相對於參考的流量來增減於±15%的範圍，可使溝形狀的錐形角度相對於參考的角度來控制在±1.2度的範圍，但若使氨(NH3)氣體的流量超過±15%的範圍來增減，則與氨(NH3)氣體的滞在時間或排氣速度的平衡會瓦解，產生蝕刻劑不足或反應
生成物的再附著等，如圖9所示般的溝圖案的側壁的錐形角度與氨(NH3)氣體流量比率的比例關係不會成立。
在本實施例是使用鉭膜15作為遮罩，但只要在氧化時與鎳鐵膜14的選擇比為充分高的材料即可，因此亦可例如將鈦(Ti)、鋯(Zr)、釔(Y)、鉿(Hf)等使用於遮罩。
並且，本實施例是以蝕刻鎳鐵膜14的例子來進行說明，但即使是蝕刻含鐵(Fe)元素、鎳(Ni)元素、鈷(Co)元素之中至少一個的元素的磁性膜也可取得與本實施例同樣的效果。例如鈷鐵(CoFe)膜、鈷鎳鐵(CoNiFe)也可以。
而且，在本實施例是以使用感應耦合型的電漿蝕刻裝置的例子來進行說明，但即使是適用在利用微波及磁場的ECR(Electron Cyclotron Resonance)方式的微波電漿蝕刻裝置、螺旋波電漿蝕刻裝置、電容耦合型電漿蝕刻裝置等也可取得與本實施例同等的效果。
以上，如上述般，本發明的特徵是以鉭作為遮罩，使用氨氣與氦氣的混合氣體來將磁性膜電漿蝕刻至所望的深度，接著，使用氨氣與含有氧元素的氣體的混合氣體或氨氣與含有氫氧基的氣體的混合氣體來電漿蝕刻該被蝕刻至所望的深度的磁性膜。
並且，藉由本發明可以250nm以下的開口尺寸的鉭作為遮罩來將磁性膜蝕刻至300nm以上的深度，且可使成為收容層之溝形狀的底面形成平坦形狀。
13‧‧‧AlTiC基板
14‧‧‧鎳鐵膜
15‧‧‧鉭膜
Claims (5)
- 一種電漿蝕刻方法，係以鉭作為遮罩來電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法，其特徵係具有：第一工程，其係只使用氨氣與氦氣的混合氣體來將前述磁性膜電漿蝕刻至所望的深度；及第二工程，其係於前述第一工程後，使用氨氣與含有氧元素的氣體的混合氣體或氨氣與含有氫氧基的氣體的混合氣體來電漿蝕刻前述被蝕刻至所望的深度的磁性膜。
- 一種電漿蝕刻方法，係以鉭作為遮罩來電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法，其特徵係具有：第一工程，其係只使用氨氣與氦氣的混合氣體來將前述磁性膜電漿蝕刻至所望的深度；及第二工程，其係於前述第一工程後，只使用氨氣與含有氧元素的氣體的混合氣體，或使用氨氣與含有氫氧基的氣體的混合氣體來電漿蝕刻前述被蝕刻至所望的深度的磁性膜。
- 一種電漿蝕刻方法，係以鉭作為遮罩來電漿蝕刻磁性膜的電漿蝕刻方法，其特徵係具有：第一工程，其係只使用氨氣與氦氣的混合氣體來將前述磁性膜電漿蝕刻至所望的深度；及第二工程，其係於前述第一工程後，只使用氨氣與含有氧元素的氣體的混合氣體，或只使用氨氣與含有氫氧基的氣體的混合氣體來電漿蝕刻前述被蝕刻至所望的深度的磁性膜。
- 如申請專利範圍第1~3項中的任一項所記載之電漿蝕刻方法，其中，前述含有氧元素的氣體為一氧化碳氣體。
- 如申請專利範圍第1~3項中的任一項所記載之電漿蝕刻方法，其中，含有前述氫氧基的氣體為甲醇氣體。
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