WO2012176747A1 - 機能素子の製造方法 - Google Patents

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智彦 豊里
美保子 中村
木村 和弘
池田 真義
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    • G11C11/161Digital 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a functional element.
  • MRAM Magnetic Random Access Memory
  • TMR Tunneling Magneto Resistive
  • a base layer, a multilayer film having a basic structure of a magnetoresistive effect, and a cap layer are sequentially formed on a silicon or glass substrate having a metal wiring (word line).
  • a metal wiring (word line) As an example of the multilayer film, an antiferromagnetic layer, a magnetization fixed layer, an insulating layer, and a magnetization free layer are laminated in that order from the bottom.
  • the magnetoresistive effect element is installed, for example, at the intersection of a word line and a bit line used for signal reading and writing.
  • the lowermost base layer and the uppermost cap layer of the magnetoresistive effect element are processed into a lower electrode and an upper electrode, respectively, and used as a memory cell serving as an electrode by connecting to a wiring.
  • the magnetoresistive effect element has a high and low electric resistance value of the current flowing through the insulating layer by allowing a current to flow vertically in the magnetoresistive effect element from the lower electrode to the upper electrode and freely changing the magnetization direction of the magnetization free layer. Is changed to “0” and “1”, and reading and writing are performed by exchanging information with the metal wiring.
  • Etching techniques include an ion beam etching (IBE) method and a reactive ion etching (RIE) method.
  • FIG. 6 shows a conventional process of processing the lower electrode and the upper electrode.
  • FIG. 6A shows a substrate in which a multilayer film 12 and a cap layer 11 serving as an upper electrode are formed on a base layer 13 formed on the wiring 14.
  • FIG. 6B shows a state in which the protective film 15 and the interlayer film 16 are formed on the substrate so as to cover the cap layer 11, the multilayer film 12, and the base layer 13.
  • FIG. 6D shows a state in which the lower electrode is formed by transferring the pattern formed on the mask 17 by etching to the interlayer film 16, the protective film 15, and the base layer 13.
  • FIG. 6E shows a state where the mask 17 is removed from this state. Thereafter, the interlayer film 16 and the protective film 15 are etched, and a state where the cap layer 11 serving as the upper electrode is cued is shown in FIG.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a method for manufacturing a functional element that can process a lower electrode and an upper electrode with fewer steps than before after processing a multilayer film. With the goal.
  • the present invention provides a method for manufacturing a functional element, including a protective film forming step of forming a protective film on a base layer, a patterned multilayer film and a cap layer, the protective film, and the lower layer. And an electrode forming step of forming the upper electrode and the lower electrode in one step by etching a predetermined region of the formation.
  • the present invention it is possible to process the lower electrode and the upper electrode with fewer steps after processing the multilayer film, and it is possible to reduce positional deviation during processing.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an example of an etching apparatus suitable for the present embodiment.
  • the etching apparatus can process the magnetoresistive element by using a reactive ion etching method.
  • the etching apparatus includes a vacuum vessel 40 and a dielectric wall vessel 406 that is airtightly connected to the vacuum vessel 40 so that the internal space communicates with the vacuum vessel 40.
  • the inside of the vacuum vessel 40 is exhausted by the exhaust system 403.
  • the substrate 7 is carried into the vacuum container 40 from a gate valve (not shown) and is held by the substrate holder 44.
  • the substrate holder 44 can be maintained at a predetermined temperature by the temperature control mechanism 45.
  • a large number of side wall magnets 42 are arranged side by side on the outside of the side wall of the vacuum vessel 40, whereby a cusp magnetic field is formed along the inner surface of the side wall of the vacuum vessel 40.
  • the cusp magnetic field prevents the plasma from diffusing to the inner surface of the side wall of the vacuum vessel 40.
  • the gas introduction system 41 is operated, and an etching gas having a predetermined flow rate is introduced into the vacuum container 40 from a cylinder storing gas through a pipe, a valve, and a flow rate regulator.
  • the introduced etching gas diffuses into the dielectric wall container 406 via the vacuum container 40.
  • the plasma source 401 is operated.
  • the plasma source 401 includes an antenna 402 that generates an induction magnetic field in the dielectric wall container 406, a power source 403 that is connected to the antenna 402 via a matching unit (not shown), and an electromagnet 405.
  • the electromagnet 405 generates a predetermined magnetic field in the dielectric wall container 406.
  • the power source 403 generates high frequency power (source power) to be supplied to the antenna 402. Current flows through the antenna 402 by the high frequency generated by the plasma high frequency power supply 403, and plasma P is formed inside the dielectric wall container 406.
  • the formed plasma P diffuses from the dielectric wall container 406 into the vacuum container 40 and reaches the vicinity of the surface of the substrate 7, thereby etching the surface of the substrate 7.
  • the bias power supply 46 is operated to control the incidence of ions from the plasma onto the surface of the substrate 7.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a film forming apparatus suitable for the present embodiment.
  • FIG. 5 shows an apparatus related to RS-CVD (Radial Shower Chemical Vapor Deposition) that forms a film by using a vapor deposition method using radicals.
  • the apparatus according to FIG. 5 has a vacuum vessel 50.
  • the vacuum vessel 50 is exhausted by the exhaust system 51.
  • the substrate 7 is carried into the vacuum vessel 50 from a gate valve (not shown) and is held by the substrate holder 53.
  • the substrate holder 53 is maintained at a predetermined temperature by the heater 52.
  • high-frequency power for example, 13.56 MHz
  • a partition plate 56 made of a conductive member is disposed between the plasma generation chamber 55 and the radical reaction chamber 58, and the partition plate 56 has a through hole 57. Further, the partition plate 56 is provided with a second gas introduction system 59, and a raw material gas can be supplied to the radical reaction chamber 58.
  • the plasma P contains electrons, radicals, and ions, but the electrons and ions are blocked by the partition plate 56 charged by high frequency discharge, and the radicals selectively pass through the through holes 57 and are introduced into the radical reaction chamber 58. Then, a source gas is also introduced from the second gas introduction system 59 of the partition plate 56 and is deposited on the substrate 7 to form a film.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to this embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of the magnetoresistive effect element according to this embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically showing processing steps up to the multilayer film 12 in the manufacture of the magnetoresistive effect element according to the present embodiment.
  • a wiring 14 (for example, Cu) is formed on a substrate such as silicon or glass, and is joined to the wiring 14 on the wiring 14.
  • a base layer 13 to be a lower electrode is formed.
  • a multilayer film 12 having a magnetic junction is formed on the underlayer 13.
  • a cap layer 11 serving as an upper electrode is formed on the multilayer film 12.
  • a hard mask (for example, SiO 2 ) 18 and a resist 19 for patterning the cap layer 11 are formed on the cap layer 11. The layer above the cap layer 11 is appropriately selected depending on the etching method and the etching target.
  • the underlayer 13 is preferably a single layer film or a laminated film of tantalum, titanium, aluminum, silicon, ruthenium or a conductive compound thereof such as tantalum nitride, titanium nitride, ruthenium oxide, ruthenium nitride, tantalum carbide, and titanium carbide. is there.
  • an antiferromagnetic layer 124, a magnetization fixed layer 123, a barrier layer 122, and a magnetization free layer 121 are laminated in order from the bottom.
  • the cap layer 11 is processed into an upper electrode in a later step, a conductive material is used.
  • the cap layer 11 is preferably a single-layer film or a laminated film of tantalum, titanium, or a conductive compound thereof such as tantalum nitride, titanium nitride, tantalum carbide, or titanium carbide.
  • a base layer, a multilayer film, a cap layer, a hard mask for patterning, and a resist layered before patterning are referred to as “laminated structure” in the present invention.
  • a multilayer film, a cap layer, a hard mask, and a resist that are processed by patterning to form a lower electrode are referred to as “magnetoresistance effect elements”.
  • the “multilayer film” refers to a film having a basic structure in a functional element such as a magnetoresistive effect element.
  • the above-described laminated structure is processed using, for example, the apparatus shown in FIGS. An example is shown in FIG.
  • FIG. 3A shows a state in which the resist 19 is patterned. From this state, the pattern formed on the resist is transferred to the lower hard mask 18 by RIE using fluorocarbon as an etching gas.
  • FIG. 3B shows a state in which the resist 19 is removed by ashing after patterning the hard mask 18.
  • FIG. 3C shows a state where the pattern formed on the hard mask 18 is transferred to the cap layer 11 by RIE using a chlorine-based gas as an etching gas.
  • FIG. 3D shows a state in which the multilayer film 12 is processed from this state by RIE using a carbon base gas such as alcohol as an etching gas, using the cap layer 11 as a mask.
  • a carbon base gas such as alcohol
  • the etching is stopped at the base layer 13 because the base layer 13 is difficult to be etched.
  • the carbon base gas include alcohol (CH 3 OH, C 2 H 5 OH, etc.), and mixed gas obtained by adding oxygen or nitrogen to hydrocarbon (CH 4 + O 2 , C 2 H 6 + N 2 + O 2 , C 2 H 4). + O 2 or the like), a mixed gas of carbon monoxide and ammonia, carbon dioxide, or the like.
  • FIG. 1 shows a method of manufacturing a magnetoresistive effect element according to the present invention.
  • FIG. 1A shows a state after patterning up to the upper layer of the base layer 13 as described above.
  • FIG. 1B shows a state in which the protective film 15 is formed on the base layer 13, the multilayer film 12, and the cap layer 11 from this state.
  • Various methods such as a sputtering method and a CVD method are used for forming the protective film 15. From the viewpoint of securing a sufficient amount of film formation on the side walls of the cap layer 11 and the multilayer film 12, the CVD method is preferable.
  • a sufficient protective film is formed on the sidewalls of the multilayer film 12 and the cap layer 11, and damage to the element during film formation can be reduced. .
  • FIG. 1B shows the same state as FIG.1 (b), and is a figure for demonstrating the surface part 15a and the side wall part 15b.
  • the surface portion 15a and the base layer 13 are etched using the protective film 15 as a mask.
  • the state after this etching is shown in FIG.
  • the upper electrode and the lower electrode are formed simultaneously.
  • an IBE method, an RIE method, or the like is used.
  • the RIE method is particularly preferable.
  • the etching amount of the surface portion 15a and the underlayer 13 with respect to the etching amount of the side wall portion 15b is referred to as “anisotropic”. That is, the large anisotropy indicates that the etching amount of the surface portion 15a and the base layer 13 is large with respect to the etching amount of the side wall portion 15b.
  • an insulating film is generally used to prevent an electrical short circuit.
  • etching gas when etching is performed by the RIE method, various gases such as an inert gas such as Ar can be used.
  • fluorocarbon and hydrofluorocarbon (hereinafter collectively referred to as CF-based gas) are preferable.
  • CF 4 or C 2 F 6 is preferred as the fluorocarbon
  • CHF 3 is preferred as the hydrofluorocarbon.
  • CF-based gas the anisotropy can be increased, and a protective film is formed on the side wall portion 15b by the carbon polymer generated during etching. Therefore, the side wall portion 15b is processed during the processing of the underlayer 13. The possibility of disappearing can be reduced.
  • the side wall portion 15b disappears during the processing of the surface portion 15a and the underlayer 13, there is a possibility that the conductive material of the underlayer 13 adheres to the side wall portion of the multilayer film 12 and is electrically short-circuited.
  • argon, helium, nitrogen, hydrogen, oxygen, xenon, or the like may be added as an additive gas to the CF gas.
  • anisotropy can be further increased by using a silicon-based insulating film such as silicon oxide or silicon nitride for the protective film 15.
  • the base layer 13 does not need to be processed vertically as shown in FIG. 1D, and the base layer 13 between adjacent elements is etched to prevent an electrical short circuit. , May be tapered.
  • the etching is performed using the protective film 15 as a mask, the upper electrode and the lower electrode are formed by one etching process. Further, since the protective film 15 formed on the patterned multilayer film 12 and the cap layer 11 also has a shape along the pattern, the use of the protective film 15 as a mask causes a problem of positional displacement of the lower electrode pattern. Can be prevented.
  • the surface portion 15a and the underlayer 13 are etched using the protective film 15 as a mask, but this etching process may be composed of a plurality of steps.
  • the source power may be increased at the beginning of etching and the source power may be continuously decreased toward the end of etching.
  • the etching gas, the pressure in the processing space, the gas flow rate, the power supplied to the plasma generation unit, and the like can be changed.
  • the above-described etching process may be performed by two or more processes according to the material of the protective film or the underlayer.
  • the second etching step may be performed in a different processing space and different atmosphere from the first etching step. In this case, the number of etching steps is increased as compared with the present embodiment, but the problem of misalignment can be prevented.
  • the formation of the protective film 15 and the subsequent etching are consistently performed in a vacuum.
  • the protective film 15 may be taken out to the atmosphere and then etched using a different apparatus. .
  • the protective film 15 was formed by the RS-CVD method under the following conditions using the apparatus shown in FIG.
  • the source gases 1 and 2 are gases introduced from the first gas introduction system 54, and the source gas 3 is a gas introduced from the second gas introduction system 59.
  • Source gas 1 SiH 4
  • Source gas 2 Ar
  • Source gas 3 NH 3
  • Flow rate of source gas 1 110 mL / min (sccm)
  • Flow rate of source gas 2 250 mL / min (sccm)
  • Flow rate of source gas 3 2500 mL / min (sccm)
  • Source power 1000W Pressure in the vacuum vessel 50: 20 Pa
  • the temperature of the substrate holder holding the substrate 7 180 ° C.
  • Etching gas CF 4 Etching gas flow rate: 50 mL / min (sccm)
  • Source power 700W
  • Bias power 50W
  • the present invention can also be used in a method for manufacturing various functional elements such as a resistance change element (ReRAM) and a ferroelectric memory (FeRAM).
  • these functional elements similarly to the present invention, after patterning the multilayer film having the basic structure of the functional element, a protective film covering the base layer and the multilayer film is formed, and the base layer is processed using the protective film as a mask. A lower electrode can be formed. Accordingly, when used for these functional elements, similarly, the number of steps in forming the lower electrode can be reduced, and displacement can be prevented.
  • the basic structure here refers to a structure that is at least necessary for performing its function, such as a tunnel barrier layer and a pair of ferromagnetic layers that cause a magnetoresistive effect in a magnetoresistive element. .
  • the present invention can be used in a method for manufacturing a functional element.

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Abstract

 従来は、機能素子の製造において、上部電極及び下部電極を形成するために、多くの工程が必要であり、また電極の形成の際に位置ずれの問題が生じていた。 機能素子の製造方法において、下地層とパターニングされた多層膜及びキャップ層を覆う保護膜を成膜した後、レジストを改めて形成することなく下地層の加工を行うことにより従来よりも少ない工程で電極を形成することができる。またパターニングされた多層膜及びキャップ上に形成された保護膜をマスクとするために位置ずれの問題を防ぐことができる。

Description

機能素子の製造方法
 本発明は機能素子の製造方法に関する。
 MRAM(Magnetic Random Access Memory)はTMR(Tunneling Magneto Resistive)等の磁気抵抗効果を利用した不揮発性メモリで、DRAM並みの集積密度とSRAM並みの高速性を持ち、且つ無制限にデータが書き換えられる画期的な次世代メモリとして世界から注目されている。
 MRAMの構成としては例えば、メタル配線(ワード線)を有したシリコンやガラスの基板上に、下地層、磁気抵抗効果の基本構造を有する多層膜、キャップ層が順に形成されている。多層膜の例として下側から反強磁性層、磁化固定層、絶縁層、磁化自由層が順に積層されている。
 磁気抵抗効果素子は、例えば、信号の読み出しと書き込みに使うワード線とビット線の交点に設置される。磁気抵抗効果素子の最下層の下地層と最上層のキャップ層がそれぞれ下部電極、上部電極に加工され、配線に接続することで電極の役割を果たすメモリセルとして使われる。
 磁気抵抗効果素子は、下部電極から上部電極へと磁気抵抗効果素子内に電流を垂直に流し、磁化自由層の磁化の向きを自由に変えることにより、絶縁層に流れる電流の電気抵抗値の高低を「0」、「1」と変化し、メタル配線と情報を交換することで読み出し、書き込みを行う。
 磁気抵抗効果素子の加工には、一般にエッチング技術が用いられる。エッチング技術にはイオンビームエッチング(IBE:Ion Beam Etching)法や反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)法がある。
 従来は、この磁気抵抗効果素子の加工において、下部電極と上部電極はそれぞれ別の工程でエッチングされていた(例えば特許文献1)。
 図6は、従来の下部電極及び上部電極の加工工程を表したものである。図6(a)は、配線14上に形成された下地層13の上に、多層膜12と上部電極となるキャップ層11が形成された基板を示す。この基板に対し、キャップ層11、多層膜12及び下地層13を覆うように保護膜15及び層間膜16を形成した状態を図6(b)に示す。次に、層間膜16上にマスク17を形成した状態を図6(c)に示す。そして、エッチングによってマスク17に形成されたパターンを層間膜16、保護膜15及び下地層13に転写することで下部電極を形成した状態を図6(d)に示す。この状態からマスク17を除去した状態を図6(e)に示す。その後、層間膜16及び保護膜15をエッチングすることで、上部電極となる該キャップ層11の頭だしを行った状態を図6(f)に示す。
特開2006-60172号公報
 しかし、図6に示すような加工方法によれば、磁気抵抗効果素子の製造において多くの工程が必要となる。また工程数に応じて加工装置の増加や大型化が避けられない。さらに、素子の微細化に伴い、層間膜16の上に形成されるマスクを精度良く多層膜12上に形成することが困難となり、位置ずれの問題が生じる可能性がある。位置ずれが生じた場合、多層膜側壁の保護膜が消滅することで電気的な短絡が生じ、素子としての機能が失われる可能性がある。
 本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、多層膜を加工後に下部電極と上部電極を従来よりも少ない工程で加工することが可能な機能素子の製造方法を提供することを目的とする。
 上述した課題を解決するために本発明は、機能素子の製造方法であって、下地層とパターニングされた多層膜及びキャップ層に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記保護膜及び前記下地層の所定の領域をエッチングすることで上部電極及び下部電極を1の工程により形成する電極形成工程と、を備えることを特徴とする。
 本発明によれば、多層膜を加工後に下部電極と上部電極を少ない工程で加工することが可能であり、かつ加工時の位置ずれを低減することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構造の一例を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造工程の一部を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置(反応性イオンエッチング装置)を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造装置(ラジカル反応装置)を説明するための図である。 従来の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。
 図4は本実施形態に好適なエッチング装置の一例を説明するための図である。
 図4に係る装置は反応性イオンエッチング法を用いて磁気抵抗効果素子の加工を行うことができる。このエッチング装置は真空容器40及び、真空容器40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た誘導体壁容器406を有する。真空容器40は内部が排気系403によって排気される。また、真空容器40には、不図示のゲートバルブから基板7が搬入され、基板ホルダー44に保持される。基板ホルダー44は温度制御機構45により所定温度に維持することが可能である。
 真空容器40の側壁の外側には、多数の側壁用磁石42が多数並べて配置され、これによってカスプ磁場が真空容器40の側壁の内面に沿って形成される。このカスプ磁場によって真空容器40の側壁の内面へのプラズマの拡散が防止されている。
 次に、エッチング実行時の動作について説明する。まず、ガス導入系41を動作させ、ガスを溜めているボンベから配管、バルブ、及び、流量調整器を介して、所定の流量のエッチングガスを真空容器40内へ導入する。導入されたエッチングガスは、真空容器40内を経由して誘電体壁容器406内に拡散する。次にプラズマ源401を動作させる。プラズマ源401は、誘電体壁容器406内に誘導磁界を発生するアンテナ402と、アンテナ402に不図示の整合器を介して伝送路404によって接続される電源403と、電磁石405を有する。電磁石405は誘電体壁容器406内に所定の磁界を生じさせる。電源403はアンテナ402に供給する高周波電力(ソース電力)を発生させる。プラズマ用高周波電源403が発生させた高周波によってアンテナ402に電流が流れ、誘電体壁容器406の内部にプラズマPが形成される。
 形成されたプラズマPは誘電体壁容器406から真空容器40内に拡散し、基板7の表面付近に達することで基板7の表面がエッチングされる。この時、同時に、バイアス用電源46を作動させて、プラズマから基板7の表面へのイオンの入射を制御している。
 図5は本実施形態に好適な成膜装置の一例を説明するための図である。
 図5はラジカルによる蒸着法を用いて成膜を行うRS-CVD(Radical Shower Chemical Vapor Deposition)に係る装置である。図5に係る装置は真空容器50を有する。真空容器50は排気系51によって排気される。また、真空容器50には、不図示のゲートバルブから基板7が搬入され、基板ホルダー53に保持される。基板ホルダー53はヒータ52によって所定の温度に維持される。
 次に、図5に示す装置の成膜実行時の動作について説明する。まず、第1のガス導入系54を動作させ、ガスを溜めているボンベから不図示の配管、バルブ、及び、流量調整器を介して、所定の流量の成膜ガスを真空容器50内へ導入する。導入された成膜ガスは、プラズマ生成室55内に拡散する。そして、高周波電源502を動作させる。高周波電極501は伝送路503によって高周波電源502と接続される。高周波電源502から高周波電極501に高周波電力(例えば、13.56MHz)を供給することで、プラズマPが生成される。プラズマ生成室55とラジカル反応室58の間には導電性部材からなる隔壁板56が配置され、隔壁板56は貫通孔57を有する。また隔壁板56には第2のガス導入系59が備わっており、ラジカル反応室58に原料ガスを供給できる。プラズマPは電子やラジカル、イオンを含むが、高周波放電により帯電した隔壁板56によって電子やイオンは遮断され、ラジカルが選択的に貫通孔57を通過してラジカル反応室58に導入される。そして、隔壁板56の第2のガス導入系59からも原料ガスが導入され、基板7に蒸着し、成膜が行われる。
 次に、図1乃至図3を参照して、上述した図4及び図5に示した装置を用いた本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を説明する。図1は本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造方法を模式的に示す図である。図2は本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の構造を模式的に示す図である。図3は本実施形態に係る磁気抵抗効果素子の製造において、多層膜12までの加工工程を模式的に示す図である。
 図2に示すように本実施形態における磁気抵抗効果素子に係る積層構造は、例えばシリコンやガラス等の基板上に配線14(たとえばCu)が形成され、配線14の上に配線14と接合される下部電極となる下地層13が形成される。下地層13の上に磁気接合部を有する多層膜12が形成されている。多層膜12の上には、上部電極の役割を担うキャップ層11が形成されている。そしてキャップ層11の上には、キャップ層11をパターニングするためのハードマスク(例えばSiO2)18及びレジスト19が形成されている。なおキャップ層11より上の層はエッチング方法やエッチング対象物によって適宜選択されるものである。
 下地層13は、後の工程で下部電極に加工されるため、導電性の材質が用いられる。下地層13にはタンタルやチタン、アルミニウム、シリコン、ルテニウムもしくはこれらの導電性化合物である窒化タンタル、窒化チタン、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、炭化タンタル、炭化チタン等の単層膜又は積層膜が好適である。
 多層膜12の磁気接合部は例えば、反強磁性層124、磁化固定層123、バリア層122、磁化自由層121が下から順に積層されている。
 キャップ層11は、後の工程で上部電極に加工されるため、導電性の材質が用いられる。キャップ層11にはタンタルやチタンもしくはこれらの導電性化合物である窒化タンタルや窒化チタン、炭化タンタル、炭化チタン等の単層膜又は積層膜が好適である。
 なお、本発明において、下部電極となる下地層、多層膜、キャップ層、パターニングのためのハードマスク及びレジストが積層されたパターニング前のものを「積層構造」という。またパターニングにより多層膜、キャップ層、ハードマスク及びレジストに加工が施こされ、下部電極が形成されたものを「磁気抵抗効果素子」という。さらに「多層膜」とは、磁気抵抗効果素子等の機能素子における基本構造を有するものをいう。
 上述した積層構造を例えば図4及び5に示した装置を用いて加工を行う。図3にその一例を示す。
 図3(a)にレジスト19をパターニングした状態を示す。この状態からフルオロカーボンをエッチングガスとして用いたRIEによって、レジストに形成されたパターンを下層のハードマスク18に転写する。ハードマスク18をパターニング後にアッシング処理によってレジスト19を除去した状態を図3(b)に示す。次にハードマスク18に形成されたパターンを、塩素系ガスをエッチングガスとして用いたRIEによってキャップ層11に転写した状態を図3(c)に示す。そして、この状態からアルコールなどの炭素ベースガスをエッチングガスとして用いたRIEによって、キャップ層11をマスクとして多層膜12の加工を行った状態を図3(d)に示す。多層膜12のエッチングにおいてアルコールなどの炭素ベースガスを用いた場合には、図3(d)に示されるように、下地層13がエッチングされ難いために下地層13でエッチングが止まる。炭素ベースガスとしてはアルコール(CH3OH、C25OHなど)や、炭化水素に酸素や窒素を加えた混合ガス(CH4+O2、C26+N2+O2、C24+O2など)、一酸化炭素とアンモニアの混合ガス、二酸化炭素などを用いることができる。
 図1に本発明による磁気抵抗効果素子の製造方法を示す。
 図1(a)は、上述したように下地層13の上層までパターニングした後の状態を示している。この状態から、下地層13及び多層膜12、キャップ層11上に保護膜15を形成した状態を図1(b)に示す。この保護膜15の成膜にはスパッタリング法やCVD法などの種々の方法が用いられる。キャップ層11及び多層膜12の側壁に対して十分な成膜量を確保する観点からCVD法が好ましい。特に図5に示した装置によるRS-CVD法を用いることで多層膜12及びキャップ層11の側壁にも十分な保護膜が形成され、且つ成膜時の素子へのダメージを低減することができる。
 ここで、図1(b)の状態における保護膜15について、加工後の多層膜12及びキャップ層11の側壁部の保護膜15を側壁部15bとする。そして保護膜15の側壁部15b以外の部分を表面部15aとする。即ち、表面部15aは、基板面内方向に略平行な面を指している。図1(c)は図1(b)と同じ状態を示すものであり、表面部15a及び側壁部15bを説明するための図である。
 この図1(b)及び図1(c)に示す状態から、保護膜15をマスクとして表面部15a及び下地層13のエッチングを行う。このエッチング後の様子を図1(d)に示す。本発明によれば、一つのエッチング工程で表面部15a及び下地層13の加工を行うため、上部電極及び下部電極が同時に形成されることになる。エッチングを行う際にはIBE法やRIE法などが用いられる。側壁部15bのエッチング量に対する表面部15a及び下地層13のエッチング量を大きくするために、特にRIE法が好ましい。以下、側壁部15bのエッチング量に対する表面部15a及び下地層13のエッチング量を「異方性」という。即ち、異方性が大きいとは、側壁部15bのエッチング量に対する表面部15a及び下地層13のエッチング量が大きいことを示す。保護膜15としては電気的な短絡を防ぐために一般に絶縁膜が用いられる。
 RIE法によってエッチングを行う際にエッチングガスとしては、不活性ガスであるArなど種々のガスを用いることができるが、特にフルオロカーボンやハイドロフルオロカーボン(以下まとめてCF系ガスという)が好適である。フルオロカーボンとしてはCF4やC26が、ハイドロフルオロカーボンとしてはCHF3が好適である。CF系ガスを用いた場合、異方性を大きくすることができ、さらにエッチング中に生成される炭素ポリマーによって側壁部15bに保護膜が形成されるため、下地層13の加工中に側壁部15bが消滅する可能性を低減できる。側壁部15bが表面部15a及び下地層13を加工中に消滅した場合、導電性である下地層13の物質が多層膜12の側壁部に付着し、電気的に短絡する可能性がある。
 またこのCF系ガスには添加ガスとしてアルゴン、ヘリウム、窒素、水素、酸素やキセノン等が添加されていてもよい。
 エッチングガスとしてCF系ガスを用いる場合は、保護膜15に酸化シリコンや窒化シリコンなどのシリコン系の絶縁膜を用いることでより異方性を大きくすることができる。
 このとき、下地層13は図1(d)に示すように垂直に加工される必要は無く、隣接する素子との間の下地層13がエッチングされ電気的な短絡が防がれる状態であれば、テーパ状になっていても良い。
 このように、本発明では保護膜15をマスクとしてエッチングを行うため、1つのエッチング工程によって上部電極と下部電極が形成されることになる。さらに、パターニングされた多層膜12及びキャップ層11の上に形成された保護膜15もパターンに沿った形状となるため、この保護膜15をマスクとして用いることで、下部電極パターンの位置ずれの問題を防ぐことができる。
 上述した実施形態において、保護膜15をマスクとして表面部15a及び下地層13をエッチングしたが、このエッチング工程は複数のステップから構成されていても良い。例として、エッチング初期にソース電力を大きくし、エッチング終期に向けてソース電力を連続的に小さくしていっても良い。他にエッチングガスや処理空間内の圧力、ガス流量、プラズマ生成部への供給電力等を変化させることができる。また上述したエッチング工程は保護膜や下地層の材質に合わせて2つ以上の工程によってエッチングを行っても良い。例として第1のエッチング工程と異なる処理空間及び異なる雰囲気中で第2のエッチング工程を行っても良い。この場合エッチング工程は本実施形態に比較して増えることになるが、位置ずれの問題は防ぐことができる。
 また上述した保護膜15の成膜及びその後のエッチングは、一貫して真空内で行われることが好ましいが、保護膜15の成膜後に大気に取り出し、異なる装置によってその後のエッチングを行っても良い。
 (実施例)
 本実施形態を用いて磁気抵抗効果素子の製造を行った実施例を以下に示す。
 図3(a)に示す状態から、図5に示す装置を用いて以下の条件のRS-CVD法により保護膜15を成膜した。原料ガス1及び2は第1のガス導入系54から導入されるガスを、原料ガス3は第2のガス導入系59から導入されるガスを示す。
原料ガス1:SiH4
原料ガス2:Ar
原料ガス3:NH3
原料ガス1の流量:110mL/min(sccm)
原料ガス2の流量:250mL/min(sccm)
原料ガス3の流量:2500mL/min(sccm)
ソース電力:1000W
真空容器50内の圧力:20Pa
基板7を保持する基板ホルダーの温度:180℃
 次に図3(b)に示す状態から、図4に示す装置を用いて以下の条件のRIE法により表面部15a及び下地層13のエッチングを行った。
エッチングガス:CF4
エッチングガスの流量:50mL/min(sccm)
ソース電力:700W
バイアス電力:50W
真空容器30内の圧力:0.4Pa
基板7を保持する基板ホルダーの温度:80℃
 上述した実施例により作製された磁気抵抗効果素子を透過型電子顕微鏡により観察したところ、下部電極及び上部電極が磁気抵抗効果素子のパターンに沿って形成されていることが確認された。
 上述した実施形態において磁気抵抗効果素子を例に説明したが、本発明は抵抗変化素子(ReRAM)や強誘電体メモリ(FeRAM)などの、種々の機能素子の製造方法においても用いることができる。これらの機能素子においても本発明同様に、機能素子の基本構造を有する多層膜をパターニングした後に、下地層及び多層膜を覆う保護膜を形成し、該保護膜をマスクとして下地層を加工することで下部電極を形成できる。従って、これらの機能素子に用いた場合も同様に、下部電極の形成における工程数を減らすことが可能であり、また位置ずれを防ぐことができる。なお、ここでの基本構造とは、例えば磁気抵抗効果素子における磁気抵抗効果を生じせしめるトンネルバリア層及び1組の強磁性層のように、その機能を発揮するために最低限必要な構造を指す。
 以上、添付図面を参照して本発明に係る実施形態を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において種々の形態に変更可能である。
 本発明は機能素子の製造方法に用いることが可能である。
11 キャップ層
12 多層膜
13 下地層
14 配線
15 保護膜
16 層間膜
17 マスク
18 ハードマスク
19 レジスト
7 基板
40 真空容器
401 プラズマ源
402 アンテナ
403 プラズマ用高周波電源
404 伝送路
405 磁石
406 誘導体壁容器
41 ガス導入系
42 磁石
43 排気系
44 基板ホルダー
45 温度制御
46 バイアス用高周波電源
50 真空容器
501 高周波電極
502 高周波電源
503 伝送路
51 排気系
52 ヒータ
53 基板ホルダー
54 第1のガス導入系
55 プラズマ生成室
56 隔壁板
57 貫通孔
58 ラジカル反応室
59 第2のガス導入系

Claims (6)

  1.  機能素子の製造方法であって、
     下地層とパターニングされた多層膜及びキャップ層に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
     前記保護膜及び前記下地層の所定の領域をエッチングすることで上部電極及び下部電極を1の工程により形成する電極形成工程と、
     を備えることを特徴とする機能素子の製造方法。
  2.  前記エッチングは反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項1に記載の機能素子の製造方法。
  3.  前記保護膜はCVD法により形成されることを特徴とする請求項2に記載の機能素子の製造方法。
  4.  前記保護膜は酸化シリコンもしくは窒化シリコンであり、
     前記下地層はタンタル、チタン、アルミニウム、シリコン、ルテニウム、窒化タンタル、窒化チタン、酸化ルテニウム、窒化ルテニウム、炭化タンタル、炭化チタンのいずれかの単層膜または積層膜であることを特徴とする請求項3に記載の機能素子の製造方法。
  5.  前記キャップ層はタンタル、チタン、窒化タンタル、窒化チタン、炭化タンタル、炭化チタンのいずれかの単層膜又は積層膜であることを特徴とする請求項4に記載の機能素子の製造方法。
  6.  前記反応性イオンエッチングにおいてエッチングガスとしてフルオロカーボンもしくはハイドロフルオロカーボンを用いることを特徴とする請求項5に記載の機能素子の製造方法。
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