WO2015137172A1 - 半導体デバイスの製造方法及び製造装置 - Google Patents

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WO2015137172A1
WO2015137172A1 PCT/JP2015/056011 JP2015056011W WO2015137172A1 WO 2015137172 A1 WO2015137172 A1 WO 2015137172A1 JP 2015056011 W JP2015056011 W JP 2015056011W WO 2015137172 A1 WO2015137172 A1 WO 2015137172A1
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semiconductor device
processing step
laminated structure
gcib
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PCT/JP2015/056011
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謙一 原
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東京エレクトロン株式会社
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    • H01J2237/33—Processing objects by plasma generation characterised by the type of processing
    • H01J2237/334—Etching

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for manufacturing a semiconductor device having a stacked structure including an MTJ element.
  • MRAM Magnetic Resistive Random Access Memory
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction
  • An MTJ element is composed of an insulating film, for example, an MgO film, and two ferromagnetic films, for example, a CoFeB film, facing each other with the MgO film interposed therebetween.
  • An MRAM is composed of an MTJ element and a noble metal film such as a Ta film or a Ru film. Composed.
  • the MRAM has a laminated structure including a laminated MgO film 150 and two CoFeB films 151 and 152, a Ta film 153, and a Ru film 154 that are opposed to each other with the MgO film 150 interposed therebetween.
  • Each film is etched using a hard mask 155 or a metal hard mask 156 to obtain a pillar structure (columnar structure) 157 as shown in FIG. 13B.
  • the noble metal film is etched by sputtering mode physical etching in the above-described laminated structure. At this time, ion milling (see, for example, Patent Document 1) or plasma etching is used as an etching means.
  • a damage layer in which crystallinity disappears may be formed on the side surface of the pillar structure 157 due to ion implantation.
  • plasma etching when the sputtering is strong, the side surface of the pillar structure 157 is inclined.
  • a polymer layer formed by combining carbon and hydrogen in each film material and processing gas is formed on the side surface of the pillar structure 157. Is done.
  • the damage layer, the side surface inclination, and the polymer layer described above inhibit the insulating function of the MgO film and the magnetism of the CoFeB film, when the pillar structure 157 is formed only by ion milling or plasma etching, the MRAM having the pillar structure 157 The desired performance may not be achieved.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method and a manufacturing apparatus that can exhibit desired performance.
  • At least an MTJ element and a metal layer are included, and the MTJ element includes a first ferromagnetic film, an insulating film, and a second ferromagnetic film stacked in this order.
  • a manufacturing method of a semiconductor device having a stacked structure configured as follows: a first processing step of etching the stacked structure by ion milling or plasma etching; and a GCIB to the stacked structure after the first processing step.
  • a semiconductor device manufacturing apparatus having a laminated structure including at least an MTJ element and a metal layer, wherein the laminated structure is etched by ion milling or plasma etching. 1 processing unit and a second processing unit for irradiating GCIB (gas cluster ion beam) to the etched laminated structure, and in the second processing unit, acetic acid gas is supplied around the laminated structure.
  • GCIB gas cluster ion beam
  • acetic acid gas is supplied around the laminated structure.
  • a semiconductor device manufacturing apparatus is provided in which oxygen GCIB is irradiated onto the stacked structure.
  • oxygen GCIB is irradiated in an atmosphere of acetic acid gas to the damage layer of the multilayer structure generated in the first processing step, the inclination of the side surface of the multilayer structure, or the polymer layer formed on the side surface of the multilayer structure.
  • the damage layer, the slope of the side of the laminated structure, and the polymer layer contain metals that contain precious metals that are difficult to etch, but the kinetic energy of oxygen gas clusters and the promotion of metal oxidation by oxygen molecules decomposed from oxygen gas clusters,
  • the damage layer, the inclination of the side surface of the laminated structure, and the polymer layer are chemically removed through surrounding of the metal oxide by acetic acid molecules and sublimation.
  • the semiconductor device including the MTJ element can exhibit desired performance.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor device manufacturing apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of a trimming module in FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the GCIB irradiation apparatus in FIG.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams for explaining a process in which a side surface is inclined in a stacked structure including an MTJ element.
  • FIGS. 5A to 5C are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6A to 6C are views for explaining a process in which a polymer layer is formed on a side surface in a stacked structure including an MTJ element.
  • FIGS. 7A to 7C are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 8A to 8C are views for explaining a process in which a damage layer is formed on a side surface in a stacked structure including an MTJ element.
  • FIGS. 9A to 9C are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIGS. 12A to 12F are process diagrams showing a method of manufacturing a semiconductor device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 13A and 13B are process diagrams for explaining a manufacturing process of an MRAM having an MTJ element.
  • FIG. 1 is a plan view schematically showing a configuration of a semiconductor device manufacturing apparatus according to the present embodiment.
  • a semiconductor device manufacturing apparatus 10 includes an etching module 11 (first processing unit) that performs physical etching on a wafer W having a laminated structure composed of a plurality of films by film formation, and an etching process.
  • a trimming module 12 (second processing unit) that performs trimming processing on the processed wafer W using GCIB (Gas Cluster Ion Beam), and a nitride film that covers the laminated structure of the wafer W subjected to the trimming processing, for example, Wafer W from film forming module 13 (film forming unit) for forming a SiN (silicon nitride) film and a container for accommodating a plurality of wafers W (indicated by broken lines in the figure), for example, FOUP (Front Opening Unified Pod) 14
  • Loader module 15 for unloading and etching module Transfer module 16 for carrying wafers in and out of the wafer 11, trimming module 12 and film forming module 13, and two load lock modules 17 for transferring each wafer W between the load
  • the loader module 15 includes a substantially rectangular parallelepiped transfer chamber that is open to the atmosphere.
  • the loader module 15 includes a load port 18 into which the FOUP 14 can be mounted.
  • the wafer W is loaded into and unloaded from the FOUP 14 mounted in the load port 18.
  • a transfer arm 19 (shown by a broken line in the figure) is provided inside the transfer chamber.
  • the transfer module 16 has a transfer chamber whose inside is depressurized. Around the transfer module 16, the etching module 11, the trimming module 12, and the film forming module 13 are radially arranged and connected. The transfer module 16 is connected to the transfer chamber 16. The wafer W is transferred between the etching module 11, the trimming module 12, the film forming module 13, and each load lock module 17 by a transfer arm 20 (shown by a broken line in the figure) arranged inside the frame.
  • the load lock module 17 includes a standby chamber in which the inside can be switched between an atmospheric pressure environment and a decompression environment, and the transfer arm 19 of the loader module 15 and the transfer arm 20 of the transfer module 16 deliver the wafers W via the load lock module 17. I do.
  • the etching module 11 has a processing chamber whose inside is decompressed, and performs physical etching processing on the wafer W by ion milling or plasma etching in the processing chamber.
  • the trimming module 12 also has a processing chamber whose inside is decompressed, and the wafer W is irradiated with GCIB from a GCIB irradiation device 26 (to be described later) to perform trimming processing on the wafer W.
  • the film forming module 13 also has a processing chamber whose inside is decompressed, and forms a SiN film covering the laminated structure of the wafer W by a CVD process using plasma in the processing chamber.
  • the semiconductor device manufacturing apparatus 10 includes a control unit 21.
  • the control unit 21 controls the operation of each component of the semiconductor device manufacturing apparatus 10 according to a program for realizing a desired recipe, for example, for each wafer W. The process corresponding to the recipe of is performed.
  • the control unit 21 is connected to the loader module 15 and the trimming module 12, but the control unit 21 may be connected to any component in the semiconductor device manufacturing apparatus 10.
  • the component may include the control unit 21, and the control unit 21 may be configured as an external server installed at a location different from the semiconductor device manufacturing apparatus 10.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the trimming module in FIG.
  • the trimming module 12 includes a processing chamber 22 that accommodates a wafer W, a mounting table 23 that is disposed below the processing chamber 22, and a wafer W that is mounted on the upper surface of the mounting table 23.
  • An electrostatic chuck 24 that performs electroadsorption, an arm unit 25 that separates the electrostatic chuck 24 from the mounting table 23 together with the electrostatically attracted wafer W, and an oxygen GCIB that is disposed on the side wall of the processing chamber 22 substantially horizontally.
  • a GCIB irradiation device 26 for irradiating the laser beam.
  • the arm unit 25 separates the electrostatic chuck 24 from the mounting table 23 so that the electrostatically attracted wafer W faces the GCIB irradiation device 26, and acetic acid gas is supplied into the processing chamber 22.
  • the GCIB irradiation device 26 irradiates the opposite wafer W with GCIB of oxygen.
  • the electrostatic chuck 24 incorporates a coolant channel and a heater (both not shown), and can cool the electrostatically attracted wafer W while heating the wafer W.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the GCIB irradiation apparatus in FIG.
  • the GCIB irradiation device 26 includes a cylindrical main body 27 that is disposed substantially horizontally and whose inside is decompressed, a nozzle 28 that is disposed at one end of the main body 27, a plate-shaped skimmer 29, and an ionizer. 30, an accelerator 31, a permanent magnet 32, and an aperture plate 33.
  • the nozzle 28 is disposed along the central axis of the main body 27, and for example, oxygen gas is ejected along the central axis.
  • the skimmer 29 is arranged so as to cover the cross section in the main body 27, and the central portion projects toward the nozzle 28 along the central axis of the main body 27, and has a narrow hole 34 at the top of the projected portion.
  • the aperture plate 33 is also arranged so as to cover the cross section in the main body 27, has an aperture hole 35 in a portion corresponding to the central axis of the main body 27, and the other end of the main body 27 is also in a portion corresponding to the central axis of the main body 27.
  • An aperture hole 36 is provided.
  • the ionizer 30, the accelerator 31, and the permanent magnet 32 are all disposed so as to surround the central axis of the main body 27.
  • the ionizer 30 emits electrons toward the central axis of the main body 27 by heating the built-in filament. Causes a potential difference along the central axis of the main body 27, and the permanent magnet 32 generates a magnetic field in the vicinity of the central axis of the main body 27.
  • the voltage applied to the ionizer 30 for heating the filament is hereinafter referred to as “ionization voltage”, and the voltage applied to the accelerator 31 for generating a potential difference is hereinafter referred to as “acceleration voltage”.
  • a nozzle 28, a skimmer 29, an ionizer 30, an accelerator 31, an aperture plate 33 and a permanent magnet 32 are arranged from one end side (left side in the figure) to the other end side (right side in the figure) of the main body 27. Arranged in order.
  • the skimmer 29 selects only the oxygen gas cluster 37 that moves along the central axis of the main body 27 among the plurality of oxygen gas clusters 37 by the narrow holes 34, and the ionizer 30 moves the oxygen gas cluster that moves along the central axis of the main body 27.
  • the oxygen gas cluster 37 is ionized by colliding electrons with the electron beam 37, the accelerator 31 accelerates the ionized oxygen gas cluster 37 to the other end side of the main body 27 by the potential difference, and the aperture plate 33 is accelerated by the aperture hole 35.
  • the permanent magnets 32 are relatively small oxygen gas clusters 37 (including monomers of ionized oxygen molecules) by a magnetic field. Change the course of. In the permanent magnet 32, the relatively large oxygen gas cluster 37 is also affected by the magnetic field, but because the mass is large, the course is not changed by the magnetic force, and the movement continues along the central axis of the main body 27.
  • the relatively large oxygen gas cluster 37 that has passed through the permanent magnet 32 passes through the aperture hole 36 at the other end of the main body 27, is injected out of the main body 27 as oxygen GCIB, and is irradiated toward the wafer W.
  • the MRAM has a stacked MgO film 38 (insulating film) and two CoFeB films 39 and 40 (first ferromagnetic layers) facing each other with the MgO film 38 interposed therebetween, as shown in FIG. 4A.
  • the laminated structure 43 including the film, the second ferromagnetic film), the Ta film 41, and the Ru film 42 each film is etched using the hard mask 44 formed on the laminated structure 43 to obtain the pillar structure 49. It is manufactured by.
  • the MgO film 38 and the CoFeB films 39 and 40 constitute the MTJ element 45.
  • plasma etching which is a physical etching process, is performed on the stacked structure 43 of the wafer W.
  • the bias voltage applied to the wafer W is set large and the sputtering by the positive ions in the plasma is strengthened, not only each film of the laminated structure 43 but also the hard mask 44 is removed by etching and shrinks over time. To do.
  • the upper layer film is etched away, so that the upper layer film has a larger etching amount and the side surface of the pillar structure 49 is inclined (FIG. 4B). Thereafter, when the hard mask 44 is reduced and the width of the hard mask 44 is reduced, a part of the upper film is newly exposed and etched. When a part of the upper film is etched and a part of the lower film is newly exposed, a part of the newly exposed lower film is also etched. That is, since the etching amounts of all the films are almost the same, the inclination on the side surface of the pillar structure 49 is maintained (FIG. 4C).
  • oxygen GCIB is used to eliminate the inclination on the side surface of the pillar structure 49.
  • 5A to 5C are process diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
  • the wafer W having the pillar structure 49 whose side surface is inclined by plasma etching is carried into the trimming module 12, and the wafer W is opposed to the GCIB irradiation device 26 by the mounting table 23 and the arm unit 25.
  • acetic acid gas is supplied into the processing chamber 22 of the trimming module 12, and further, GCIB of oxygen is irradiated from the GCIB irradiation device 26 toward the wafer W (FIG. 5A) (second processing step).
  • GCIB of oxygen is irradiated from the GCIB irradiation device 26 toward the wafer W (FIG. 5A) (second processing step).
  • the oxygen gas cluster 37 and each film of the pillar structure 49 collide with each other, but the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 and the oxygen gas cluster 37 are decomposed in each film. Oxidation is promoted by oxygen molecules, and oxides of the metal constituting each film are generated, including noble metals such as Ta and Ru, which are difficult to etch.
  • the vapor pressure of the noble metal oxide since the vapor pressure of the noble metal oxide is high, it sublimates as it is, and for other metals such as Co, Fe and Ta, a large number of acetic acid molecules of acetic acid gas surround the metal oxide. As a result, the film is sublimated and removed.
  • the oxygen gas cluster 37 is accelerated along the central axis of the main body 27 by the accelerator 31 of the GCIB irradiation device 26, the oxygen gas cluster 37 is extremely straight. Therefore, when the wafer W is opposed to the GCIB irradiation device 26 and the top of the pillar structure 49 is directly opposed to the GCIB irradiation device 26, the oxygen gas cluster 37 is covered with the reduced hard mask 44 in each film of the pillar structure 49. It does not collide with any part, and only collides with a part not covered by the reduced hard mask 44, that is, an inclined part on the side surface of the pillar structure 49. Thereby, the inclined portion is removed by oxidation and sublimation with the oxygen gas cluster 37 and acetic acid gas described above, and as a result, the inclination on the side surface of the pillar structure 49 is eliminated (FIG. 5B).
  • the wafer W is moved from the trimming module 12 to the film forming module 13 via the transfer module 16. Since the processing chambers and transfer chambers of the trimming module 12, the transfer module 16, and the film forming module 13 are depressurized, a natural oxide film is prevented from being formed in the pillar structure 49 where the ends of the respective films are exposed. be able to.
  • a SiN film 46 covering the exposed surface of the pillar structure 49 is formed by a CVD process using plasma (FIG. 5C), and the present method ends.
  • the GCIB of oxygen is irradiated in an atmosphere of acetic acid gas onto the inclined portion of the side surface of the pillar structure 49 generated by performing the plasma etching.
  • the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 and the oxidation of the metal constituting each film by the oxygen molecules decomposed from the oxygen gas cluster 37 are promoted at the inclined portion of the side surface of the pillar structure 49, and further the metal oxide by the acetic acid molecule
  • the inclined portion of the side surface of the pillar structure 49 is chemically removed through surrounding and sublimation.
  • the MRAM including the MTJ element 45 can exhibit desired performance.
  • oxygen GCIB is irradiated.
  • the oxygen gas cluster 37 in the oxygen GCIB collides with the inclined portion of the side surface of the pillar structure 49, it is easily decomposed. Scattered as oxygen molecules. That is, since the oxygen gas cluster 37 is not driven into each film of the pillar structure 49 as it is, the occurrence of damage in each film is suppressed.
  • the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 is large, the kinetic energy of the decomposed oxygen molecules also remains large, and each oxygen molecule may be driven into each film of the pillar structure 49 to cause damage. Therefore, it is preferable to set the acceleration voltage in the accelerator 31 of the GCIB irradiation apparatus 26 to 10 kV or less to prevent the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 from becoming excessively large.
  • the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment is also executed by the semiconductor device manufacturing apparatus 10.
  • This embodiment is basically the same in configuration and operation as the first embodiment described above, and the bias voltage applied to the wafer W when the plasma etching is performed on the laminated structure 43 of the wafer W is set. It is different from the first embodiment described above in that it is not set large. Therefore, the description of the duplicated configuration and operation is omitted, and the description of the different configuration and operation is given below.
  • the bias voltage applied to the wafer W is not set large, and If sputtering by cations is weakened, the hard mask 44 is not etched away, so that the hard mask 44 does not shrink over time.
  • the portions covered with the hard mask 44 in each film of the stacked structure 43 are not etched away, while the hard film in each film of the stacked structure 43 is not etched. Since the portion not covered by the mask 44 is continuously removed by etching, the side surface of the pillar structure 49 is not inclined (FIG. 6B).
  • GCIB of oxygen is used.
  • FIGS. 7A to 7C are process diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
  • the wafer W having the pillar structure 49 in which the polymer layer 47 is formed on the side surface by performing plasma etching is loaded into the trimming module 12, and the wafer W is loaded onto the GCIB irradiation device 26 by the mounting table 23 and the arm unit 25. To face.
  • acetic acid gas is supplied into the processing chamber 22 of the trimming module 12, and oxygen GCIB is irradiated from the GCIB irradiation device 26 toward the wafer W (FIG. 7A) (second processing step). Since the oxygen gas cluster 37 is extremely straight, the oxygen gas cluster 37 is covered by the hard mask 44 when the wafer W is opposed to the GCIB irradiation device 26 and the top of the pillar structure 49 is directly opposed to the GCIB irradiation device 26. It collides only with the polymer layer 47 that is not broken.
  • the oxidation of the metal (including the noble metal) existing in the polymer layer 47 is promoted by the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 and the oxygen molecules decomposed from the oxygen gas cluster 37 to generate a metal oxide.
  • noble metal oxides have a high vapor pressure, they sublimate as they are with the heat of GCIB irradiation.
  • other metals such as Co, Fe, and Ta oxides, many acetic acid molecules in acetic acid gas oxidize the metal.
  • the metal oxide that surrounds the object and is surrounded by a large number of acetic acid molecules is sublimated from the polymer layer 47 by heat during irradiation with GCIB and removed.
  • the organic substance contained in the polymer layer 47 is also decomposed by the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 and is removed by sublimation as carbon dioxide (CO 2 ) or water (H 2 O). As a result, the polymer layer 47 is removed (FIG. 7B).
  • the wafer W is moved from the trimming module 12 to the film forming module 13 via the transfer module 16.
  • a SiN film 46 covering the exposed surface of the pillar structure 49 is formed by a CVD process using plasma (FIG. 7C), and the present method ends.
  • the GCIB of oxygen is irradiated in an atmosphere of acetic acid gas to the pillar structure 49 in which the polymer layer 47 is formed on the side surface by performing plasma etching. Accordingly, the oxidation of the metal existing in the polymer layer 47 by the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 is promoted, and further, the surrounding of the metal oxide by the acetic acid molecule, sublimation, and the polymer layer 47 by the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 The polymer layer 47 is chemically removed through the decomposition of the organic matter contained in. As a result, since the MgO film 38 and the CoFeB films 39 and 40 are not electrically connected by the polymer layer 47, the normal operation of the MRAM can be prevented from being hindered.
  • the acceleration voltage in the accelerator 31 of the GCIB irradiation apparatus 26 is set to 10 kV or less, and the oxygen gas cluster It is preferable to prevent the kinetic energy of 37 from becoming excessively large.
  • the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment is also executed by the semiconductor device manufacturing apparatus 10.
  • This embodiment is basically the same in configuration and operation as the first embodiment described above, and the first embodiment described above in that ion milling is performed on the stacked structure 43 of the wafer W as a physical etching process. Different from the embodiment. Therefore, the description of the duplicated configuration and operation is omitted, and the description of the different configuration and operation is given below.
  • the hard mask 44 is scraped by ion milling.
  • the hard mask 44 does not shrink over time.
  • the portions covered by the hard mask 44 in each film of the laminated structure 43 are not etched away (FIG. 8B), but ions in ion milling Since the straightness of the film is not so high, ions are implanted into the side surfaces (end portions of the respective films) of the laminated structure 43, and thereby the crystallinity is lost. (Including bird's peaks, which are bowl-shaped magnetic property changing portions formed at both ends) are formed below the hard mask 44 on the side surface of the pillar structure 49 (FIG. 8C). Since the crystallinity is lost in the damaged layer 48, the magnetic characteristics of each film change, and there is a possibility that the normal operation of the MRAM including the MTJ element 45 may be hindered.
  • oxygen GCIB is used to remove the damage layer 48 formed on the side surface of the pillar structure 49.
  • 9A to 9C are process diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
  • the wafer W having the pillar structure 49 in which the damage layer 48 is formed on the side surface by performing ion milling is carried into the trimming module 12.
  • the wafer W is opposed to the GCIB irradiation device 26 by the mounting table 23 and the arm unit 25.
  • the damage layer 48 is formed below the hard mask 44, so that the top of the pillar structure 49 is formed. Is directly opposed to the GCIB irradiation device 26, the oxygen gas cluster 37 having extremely high straightness does not collide with the damage layer 48.
  • the amount of protrusion of the arm portion 25 from the mounting table 23 is adjusted, and the wafer W is tilted with respect to the GCIB irradiation device 26 so that the side surface of the pillar structure 49 faces the GCIB irradiation device 26. .
  • acetic acid gas is supplied into the processing chamber 22 of the trimming module 12, and further, GCIB of oxygen is irradiated from the GCIB irradiation device 26 toward the wafer W (FIG. 9A) (second processing step). Since the side surface of the pillar structure 49 faces the GCIB irradiation device 26, the oxygen gas cluster 37 collides with the damage layer 48 formed on the side surface of the pillar structure 49.
  • the oxidation of the metal (including noble metal) present in the damaged layer 48 is promoted by the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37 and the oxygen molecules decomposed from the oxygen gas cluster 37 to generate a metal oxide.
  • Many acetic acid molecules in the gas surround the metal oxide and sublimate and remove the metal oxide from the damage layer 48 (FIG. 9B).
  • the wafer W is moved from the trimming module 12 to the film forming module 13 via the transfer module 16. Thereafter, in the film forming module 13, a SiN film 46 covering the exposed surface of the pillar structure 49 is formed by a CVD process using plasma (FIG. 9C), and the present method ends.
  • the GCBI of oxygen is irradiated in an atmosphere of acetic acid gas to the pillar structure 49 in which the damage layer 48 is formed on the side surface by performing ion milling.
  • This facilitates the oxidation of the metal existing in the damage layer 48 by the kinetic energy of the oxygen gas cluster 37, and further surrounds the oxide of the metal by acetic acid molecules, and the damage layer 48 that has lost its crystallinity through sublimation is chemically treated. Removed.
  • the magnetic characteristics of each film in the pillar structure 49 are not changed, and the normal operation of the MRAM including the MTJ element 45 can be prevented from being hindered.
  • the acceleration voltage in the accelerator 31 of the GCIB irradiation apparatus 26 is set to 10 kV or less, and the oxygen gas cluster It is preferable to prevent the oxygen molecules decomposed by excessively increasing the kinetic energy of 37 from being driven into the side surfaces of the pillar structure 49.
  • the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment is also executed by the semiconductor device manufacturing apparatus 10.
  • the widths of the two CoFeB films 39 and 40 are set to be the same, but in recent years, as shown in FIG. 10, the upper CoFeB film 40 (hereinafter referred to as “free layer 40”).
  • the width of the CoFeB film 39 (hereinafter referred to as “reference layer 39”) (the first ferromagnetic film) below the width of the (second ferromagnetic film) is set to be large, and the MTJ element 45 is stepped. It has been proposed to form.
  • the magnetization state of the free layer 40 is controlled to store information. However, the more uniform the distribution of magnetic lines of force incident on the free layer 40, the more the thermal stability of the magnetization state of the free layer 40 increases.
  • the MRAM including the MTJ element 45 can be stably used as a nonvolatile memory.
  • a part of the free layer 40 is formed. It is conceivable to cover the other portion of the free layer 40 that is covered with a hard mask and to be scraped off by plasma etching or ion milling. Usually, however, a magnetic metal layer such as a CoFeB film or the like on an oxide film such as an MgO film constituting an MTJ element Since it is difficult to ensure etching selectivity, it is difficult to accurately etch the free layer 40 by a desired amount.
  • the present inventor uses the GCIB irradiation device 26, sets the ionization voltage to 185 V, sets the acceleration voltage to 20 kV, and sets the amount of the collision of the oxygen gas clusters 37 to 2 ⁇ 10 16.
  • the cutting amount (etching amount) of the MgO film and the CoFeB film was 39.3 nm and 32.32 m, respectively, in an atmosphere without acetic acid gas. It was 1 nm (see the bar graph indicated by hatching in FIG.
  • the cutting amounts of the MgO film and the CoFeB film were almost unchanged, an atmosphere in which acetic acid gas was present (the partial pressure of acetic acid gas was 5. in 3 ⁇ 10 -3 Pa), the cutting amount of the MgO film and CoFeB film (etching amount) are each 100nm and 344nm Bar reference indicated by solid in FIG. 11.), It was confirmed to be able to secure about 3.4 times selectivity of CoFeB film to MgO film.
  • GCIB of oxygen is used to form the MTJ element 45 in the pillar structure 49 in a step shape by using the selection ratio of the CoFeB film to the MgO film.
  • 12A to 12F are process diagrams showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment.
  • any one of the semiconductor device manufacturing methods according to the first to third embodiments is performed until oxygen pillar GCIB is irradiated onto the pillar structure 49.
  • the inclination on the side surface is eliminated in the trimming module 12 (FIG. 5B), or the polymer layer 47 and the damage layer 48 formed on the side surface are removed (FIG. 7B, FIG. 9B) to obtain the pillar structure 49 (FIG. 12A). ).
  • the mask 50 (and others that partially covers the free layer 40 of the MTJ element 45).
  • FIG. 12A acetic acid gas is again supplied into the processing chamber 22 in the trimming module 12, and oxygen GCIB is irradiated from the GCIB irradiation device 26 toward the wafer W (FIG. 12B).
  • the selection ratio of the CoFeB film to the MgO film is about 3.4 times, the exposed free layer 40 is positively removed, while the MgO film 38 is not removed so much.
  • a shaped MTJ element 45 is formed (FIG. 12C).
  • the wafer W having the pillar structure 49 formed in a step shape is moved from the trimming module 12 to the film forming module 13 via the transfer module 16.
  • a SiN film 51 covering the exposed surface of the pillar structure 49 is formed by a CVD process using plasma (FIG. 12D), and further, an SiN film is formed by anisotropic etching such as GCIB or plasma etching. 51 is etched. Since the SiN film 51 decreases in the thickness direction by anisotropic etching, when the anisotropic etching is stopped when the MgO film 38 is exposed, the SiN film 51 remains only on the side surfaces of the mask 50 and the free layer 40 (FIG. 12E). The anisotropic etching may be continued even when the MgO film 38 is exposed, and may be stopped when the reference layer 39 is exposed.
  • the MgO film 38 and the reference layer 39 are etched by anisotropic etching such as GCIB and plasma etching, and when the Ta film 41 and the like are exposed, the anisotropic etching is stopped.
  • the Ta film 41 and the like may also be etched, but in this case, it is preferable to perform plasma etching from the viewpoint of improving throughput.
  • plasma etching when plasma etching is performed, damage is generated in each film, and the polymer adheres to the side surface of each film. Therefore, the GCCI of oxygen is further irradiated to the pillar structure 49 to remove the damaged portion and the polymer. preferable.
  • GCIB anisotropic etching
  • the upper electrode 52 is formed on the mask 50 (FIG. 12F), and this method is finished.
  • the oxygen GCIB is irradiated to the MTJ element 45 formed by laminating the reference layer 39, the MgO film 38, and the free layer 40 in this order.
  • the selective ratio of the CoFeB film to the MgO film in the oxygen GCIB irradiation is about 3.4 times, so that the exposed free layer 40 is positively removed while the MgO film 38 is not much. Not removed.
  • the stepped MTJ element 45 can be easily obtained.
  • the selectivity ratio of the CoFeB film to the MgO film is about 3.4 times. It was confirmed that it could be secured larger. Therefore, in the semiconductor device manufacturing method of FIGS. 12A to 12F, it is preferable to set the acceleration voltage to 10 kV or less when the exposed MTJ element 45 is irradiated with oxygen GCIB. Thereby, the step-like MTJ element 45 can be obtained more reliably.
  • the pillar structure 49 in which the inclination on the side surface has been eliminated is irradiated with oxygen GCIB in an atmosphere of acetic acid gas, but the inclination on the side surface of the pillar structure 49 is eliminated.
  • the upper layer film than the hard mask 44 and the MTJ element 45 may be removed, and the pillar structure 49 may be irradiated with oxygen GCIB in an atmosphere of acetic acid gas.
  • the pillar structure 49 in which the side surface is inclined and the damage layer 48 is formed on the side surface, or the pillar structure in which the polymer layer 47 and the damage layer 48 are formed on the side surface. 49 may be obtained, but by irradiating the pillar structure 49 with oxygen GCIB in an atmosphere of acetic acid gas, the inclination of the side surface is eliminated and the damage layer 48 formed on the side surface is removed, or The polymer layer 47 and the damage layer 48 formed on the side surfaces can be removed simultaneously.
  • An object of the present invention is to supply a computer, for example, the control unit 21 with a storage medium that records software program codes for realizing the functions of the above-described embodiments, and the CPU of the control unit 21 is stored in the storage medium. It is also achieved by reading and executing the program code.
  • the program code itself read from the storage medium realizes the functions of the above-described embodiments, and the program code and the storage medium storing the program code constitute the present invention.
  • Examples of the storage medium for supplying the program code include RAM, NV-RAM, floppy (registered trademark) disk, hard disk, magneto-optical disk, CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD (DVD). -ROM, DVD-RAM, DVD-RW, DVD + RW) and other optical disks, magnetic tapes, non-volatile memory cards, other ROMs, etc., as long as they can store the program code.
  • the program code may be supplied to the control unit 21 by downloading from another computer or database (not shown) connected to the Internet, a commercial network, a local area network, or the like.
  • the program code read from the storage medium is written in the memory provided in the function expansion board inserted in the control unit 21 or the function expansion unit connected to the control unit 21, the program code is read based on the instruction of the program code.
  • the CPU of the function expansion board or function expansion unit performs part or all of the actual processing, and the functions of the above-described embodiments are realized by the processing.
  • the form of the program code may be in the form of object code, program code executed by an interpreter, script data supplied to the OS, and the like.

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Abstract

所望の性能を発揮することができる半導体デバイスの製造方法を提供する。半導体デバイス製造装置１０のエッチングモジュール１１においてウエハWの積層構造４３へプラズマエッチングを施して積層構造４３におけるハードマスク４４によって覆われていない部分をエッチングによって削り、プラズマエッチングが施されることによって側面が傾斜したピラー構造４９を有するウエハWをトリミングモジュール１２に搬入し、トリミングモジュール１２の処理室２２内へ酢酸ガスを供給し、さらに、GCIB照射装置２６からピラー構造４９へ向けて酸素のGCIBを照射する。

Description

半導体デバイスの製造方法及び製造装置
　本発明は、ＭＴＪ素子を含む積層構造を有する半導体デバイスの製造方法及び製造装置に関する。
　近年、ＤＲＡＭやＳＲＡＭに代わる次世代不揮発性メモリとしてＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）（磁気抵抗メモリ）が開発されている。ＭＲＡＭはキャパシタの代わりにＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）（磁気トンネル接合）素子を有し、磁化状態を利用して情報の記憶を行う。
　ＭＴＪ素子は、絶縁膜、例えば、ＭｇＯ膜と、該ＭｇＯ膜を挟んで対向する２つの強磁性膜、例えば、ＣｏＦｅＢ膜からなり、ＭＲＡＭはＭＴＪ素子と、Ｔａ膜やＲｕ膜等の貴金属膜によって構成される。
　ＭＲＡＭは、図１３Ａに示すように、積層されたＭｇＯ膜１５０、該ＭｇＯ膜１５０を挟んで対向する２つのＣｏＦｅＢ膜１５１、１５２やＴａ膜１５３、Ｒｕ膜１５４を含む積層構造において、絶縁系のハードマスク１５５や金属系のハードマスク１５６を用いて各膜をエッチングし、図１３Ｂに示すようなピラー構造（柱状構造）１５７を得ることにより製造される。
　Ｔａ膜１５３やＲｕ膜１５４等の貴金属膜は一般に難エッチング性であるため、上述した積層構造ではスパッタモードの物理的エッチングによって貴金属膜をエッチングする。このとき、エッチングの手段としては、イオンミリング（例えば、特許文献１参照。）やプラズマエッチングが用いられる。
特開２００５−２４３４２０号公報
　しかしながら、イオンミリングではイオンの打ち込みによってピラー構造１５７の側面に結晶性が消失したダメージ層が形成されることがある。また、プラズマエッチングではスパッタリングが強いとピラー構造１５７の側面が傾斜する一方、スパッタリングが弱いと各膜の材料や処理ガス中の炭素、水素が組み合わされて生じるポリマー層がピラー構造１５７の側面に形成される。
　上述したダメージ層、側面の傾斜やポリマー層はＭｇＯ膜の絶縁機能やＣｏＦｅＢ膜の磁性を阻害するため、イオンミリングやプラズマエッチングのみでピラー構造１５７を形成する場合、該ピラー構造１５７を有するＭＲＡＭが所望の性能を発揮できないことがある。
　本発明の目的は、所望の性能を発揮することができる半導体デバイスの製造方法及び製造装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくともＭＴＪ素子及び金属層を含み、前記ＭＴＪ素子は、第１の強磁性膜、絶縁膜及び第２の強磁性膜がこの順で積層されて構成される積層構造を有する半導体デバイスの製造方法であって、前記積層構造をイオンミリング又はプラズマエッチングによってエッチングする第１の加工ステップと、前記第１の加工ステップの後に、前記積層構造へＧＣＩＢを照射する第２の加工ステップとを有し、前記第２の加工ステップでは、前記積層構造の周りに酢酸ガスを供給するとともに、前記積層構造へ酸素のＧＣＩＢが照射される半導体デバイスの製造方法が提供される。
　また、上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくともＭＴＪ素子及び金属層を含む積層構造を有する半導体デバイスの製造装置であって、前記積層構造をイオンミリング又はプラズマエッチングによってエッチングする第１の加工ユニットと、前記エッチングされた積層構造へＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）を照射する第２の加工ユニットとを備え、前記第２の加工ユニットでは、前記積層構造の周りに酢酸ガスを供給するとともに、前記積層構造へ酸素のＧＣＩＢが照射される半導体デバイスの製造装置が提供される。
　本発明によれば、第１の加工ステップにおいて生じた積層構造のダメージ層、積層構造の側面の傾斜、又は積層構造の側面に形成されたポリマー層へ酢酸ガスの雰囲気下で酸素のＧＣＩＢが照射される。ダメージ層、積層構造の側面の傾斜やポリマー層には難エッチング材である貴金属を含む金属が存在するが、酸素ガスクラスターの運動エネルギー及び酸素ガスクラスターから分解した酸素分子による金属の酸化の促進、さらには酢酸分子による金属の酸化物の取り囲み、昇華を通じてダメージ層、積層構造の側面の傾斜やポリマー層が化学的に除去される。その結果、ＭＴＪ素子におけるＭｇＯ膜の絶縁機能やＣｏＦｅＢ膜の磁性が阻害されることが無いので、ＭＴＪ素子を含む半導体デバイスは所望の性能を発揮することができる。
　［図１］本発明の第１の実施の形態に係る半導体デバイスの製造装置の構成を概略的に示す平面図である。
　［図２］図１におけるトリミングモジュールの構成を概略的に示す断面図である。
　［図３］図２におけるＧＣＩＢ照射装置の構成を概略的に示す断面図である。
　［図４Ａ乃至図４Ｃ］ＭＴＪ素子を含む積層構造において側面が傾斜する過程を説明するための図である。
　［図５Ａ乃至図５Ｃ］本発明の第１の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　［図６Ａ乃至図６Ｃ］ＭＴＪ素子を含む積層構造において側面にポリマー層が形成される過程を説明するための図である。
　［図７Ａ乃至図７Ｃ］本発明の第２の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　［図８Ａ乃至図８Ｃ］ＭＴＪ素子を含む積層構造において側面にダメージ層が形成される過程を説明するための図である。
　［図９Ａ乃至図９Ｃ］本発明の第３の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　［図１０］階段状に形成されたＭＴＪ素子の構成を概略的に示す断面図である。
　［図１１］酸素のＧＣＩＢを照射した場合におけるＭｇＯ膜及びＣｏＦｅＢ膜のエッチング量を示すグラフである。
　［図１２Ａ乃至図１２Ｆ］本発明の第４の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　［図１３Ａ及び図１３Ｂ］ＭＴＪ素子を有するＭＲＡＭの製造過程を説明するための工程図である。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
　まず、本発明の第１の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を実行する製造装置について説明する。
　図１は、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造装置の構成を概略的に示す平面図である。
　図１において、半導体デバイス製造装置１０は、成膜処理によって複数の膜から構成される積層構造を有するウエハＷへ物理的エッチング処理を施すエッチングモジュール１１（第１の加工ユニット）と、エッチング処理が施されたウエハＷへＧＣＩＢ（Ｇａｓ　Ｃｌｕｓｔｅｒ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ）を用いてトリミング処理を施すトリミングモジュール１２（第２の加工ユニット）と、トリミング処理が施されたウエハＷの積層構造を覆う窒化膜、例えば、ＳｉＮ（窒化珪素）膜を成膜する成膜モジュール１３（成膜ユニット）と、複数のウエハＷ（図中破線で示す）を収容する容器、例えば、ＦＯＵＰ（Ｆｒｏｎｔ　Ｏｐｅｎｉｎｇ　Ｕｎｉｆｉｅｄ　Ｐｏｄ）１４からウエハＷを搬出するローダーモジュール１５と、エッチングモジュール１１、トリミングモジュール１２や成膜モジュール１３への各ウエハＷの搬出入を行うトランスファモジュール１６と、ローダーモジュール１５及びトランスファモジュール１６の間で各ウエハＷの受け渡しを行う２つのロードロックモジュール１７とを備える。
　ローダーモジュール１５は内部が大気開放された略直方体状の搬送室からなり、ＦＯＵＰ１４を装着可能なロードポート１８を有し、該ロードポート１８に装着されたＦＯＵＰ１４への各ウエハＷの搬出入を行う搬送アーム１９（図中破線で示す）を搬送室の内部に有する。
　トランスファモジュール１６は内部が減圧された搬送室を有し、トランスファモジュール１６の周りにはエッチングモジュール１１、トリミングモジュール１２や成膜モジュール１３が放射状に配置されて接続され、該トランスファモジュール１６は搬送室の内部に配置された搬送アーム２０（図中破線で示す）によってエッチングモジュール１１、トリミングモジュール１２、成膜モジュール１３及び各ロードロックモジュール１７の間でウエハＷの搬送を行う。
　ロードロックモジュール１７は内部を大気圧環境及び減圧環境に切替可能な待機室からなり、ローダーモジュール１５の搬送アーム１９及びトランスファモジュール１６の搬送アーム２０がロードロックモジュール１７を介して各ウエハＷの受け渡しを行う。
　エッチングモジュール１１は内部が減圧された処理室を有し、該処理室内でイオンミリングやプラズマエッチングによってウエハＷへ物理的エッチング処理を施す。トリミングモジュール１２も内部が減圧された処理室を有し、該処理室内において後述のＧＣＩＢ照射装置２６からウエハＷへＧＣＩＢを照射してウエハＷへトリミング処理を施す。成膜モジュール１３も内部が減圧された処理室を有し、該処理室内においてプラズマを用いたＣＶＤ処理によってウエハＷの積層構造を覆うＳｉＮ膜を成膜する。
　また、半導体デバイス製造装置１０は制御部２１を備え、該制御部２１は、例えば、所望のレシピを実現するプログラムに従って半導体デバイス製造装置１０の各構成要素の動作を制御して各ウエハＷに所望のレシピに対応する処理を施す。なお、図１では、制御部２１がローダーモジュール１５及びトリミングモジュール１２へ接続されているが、制御部２１は半導体デバイス製造装置１０におけるいずれかの構成要素に接続されてもよく、また、いずれかの構成要素が制御部２１を有していてもよく、さらに、制御部２１は、半導体デバイス製造装置１０とは異なる場所に設置された外部サーバとして構成されてもよい。
　図２は、図１におけるトリミングモジュールの構成を概略的に示す断面図である。
　図２において、トリミングモジュール１２は、ウエハＷを収容する処理室２２と、該処理室２２内の下方に配置された載置台２３と、該載置台２３の上面に載置されてウエハＷを静電吸着する静電チャック２４と、該静電チャック２４を静電吸着されたウエハＷと共に載置台２３から離間させるアーム部２５と、処理室２２の側壁部に配置されて酸素のＧＣＩＢを略水平に照射するＧＣＩＢ照射装置２６とを有する。
　トリミングモジュール１２では、アーム部２５が、静電吸着されたウエハＷがＧＣＩＢ照射装置２６に対向するように静電チャック２４を載置台２３から離間させ、処理室２２内には酢酸ガスが供給され、ＧＣＩＢ照射装置２６は対向するウエハＷに向けて酸素のＧＣＩＢを照射する。
　静電チャック２４は冷媒流路及びヒータ（ともに図示しない）を内蔵し、静電吸着されたウエハＷを冷却する一方、当該ウエハＷを加熱することもできる。
　図３は、図２におけるＧＣＩＢ照射装置の構成を概略的に示す断面図である。
　図３において、ＧＣＩＢ照射装置２６は、略水平に配置され、且つ内部が減圧された筒状の本体２７と、該本体２７の一端に配置されるノズル２８と、板状のスキマー２９と、イオナイザー３０と、加速器３１と、永久磁石３２と、アパーチャー板３３とを有する。
　ノズル２８は本体２７の中心軸に沿って配置され、該中心軸に沿って、例えば、酸素ガスを噴出する。スキマー２９は本体２７内の横断面を覆うように配置され、中心部が本体２７の中心軸に沿ってノズル２８へ向けて突出し、該突出した部分の頂部に細穴３４を有する。アパーチャー板３３も本体２７内の横断面を覆うように配置され、本体２７の中心軸に対応する部分にアパーチャー穴３５を有し、本体２７の他端も本体２７の中心軸に対応する部分にアパーチャー穴３６を有する。
　イオナイザー３０、加速器３１及び永久磁石３２はいずれも本体２７の中心軸を囲むように配置され、イオナイザー３０は内蔵するフィラメントを加熱することによって電子を本体２７の中心軸へ向けて放出し、加速器３１は本体２７の中心軸に沿って電位差を生じさせ、永久磁石３２は本体２７の中心軸近傍で磁界を生じさせる。なお、フィラメントを加熱するためにイオナイザー３０へ印加される電圧を以下「イオン化電圧」と称し、電位差を生じさせるために加速器３１へ印加される電圧を、以下「加速電圧」と称する。
　ＧＣＩＢ照射装置２６では、本体２７の一端側（図中左側）から他端側（図中右側）へかけて、ノズル２８、スキマー２９、イオナイザー３０、加速器３１、アパーチャー板３３及び永久磁石３２がこの順で配置される。
　ノズル２８が減圧された本体２７の内部へ向けて酸素ガスを噴出すると、酸素ガスの体積が急激に大きくなり、酸素ガスは急激な断熱膨張を起こして酸素分子が急冷される。各酸素分子は急冷されると、運動エネルギーが低下して各酸素分子間に作用する分子間力（ファンデルワールス力）によって互いに密着し、これにより、多数の酸素分子からなる複数の酸素ガスクラスター３７が形成される。
　スキマー２９は細穴３４によって複数の酸素ガスクラスター３７のうち本体２７の中心軸に沿って移動する酸素ガスクラスター３７のみを選別し、イオナイザー３０は本体２７の中心軸に沿って移動する酸素ガスクラスター３７へ電子を衝突させることによって当該酸素ガスクラスター３７をイオン化し、加速器３１はイオン化された酸素ガスクラスター３７を電位差によって本体２７の他端側へ加速し、アパーチャー板３３はアパーチャー穴３５によって加速された酸素ガスクラスター３７のうち本体２７の中心軸に沿って移動する酸素ガスクラスター３７のみを選別し、永久磁石３２は磁界によって比較的小さい酸素ガスクラスター３７（イオン化された酸素分子のモノマーを含む）の進路を変更する。永久磁石３２では、比較的大きい酸素ガスクラスター３７も磁界の影響を受けるが、質量が大きいため、磁力によって進路が変更されず、本体２７の中心軸に沿って移動を継続する。
　永久磁石３２を通過した比較的大きい酸素ガスクラスター３７は本体２７の他端のアパーチャー穴３６を通過し、酸素のＧＣＩＢとして本体２７の外へ射出され、ウエハＷへ向けて照射される。
　ところで、ＭＲＡＭは、ウエハＷ上において、図４Ａに示すように、積層されたＭｇＯ膜３８（絶縁膜）、該ＭｇＯ膜３８を挟んで対向する２つのＣｏＦｅＢ膜３９、４０（第１の強磁性膜、第２の強磁性膜）やＴａ膜４１、Ｒｕ膜４２を含む積層構造４３において、当該積層構造４３上に形成されたハードマスク４４を用いて各膜をエッチングしてピラー構造４９を得ることにより製造される。なお、ＭｇＯ膜３８及びＣｏＦｅＢ膜３９、４０はＭＴＪ素子４５を構成する。
　具体的には、まず、半導体デバイス製造装置１０のエッチングモジュール１１において、ウエハＷの積層構造４３へ物理的エッチング処理であるプラズマエッチングを施す。このとき、ウエハＷへ印加されるバイアス電圧を大きく設定し、プラズマ中の陽イオンによるスパッタリングを強くすると、積層構造４３の各膜だけでなくハードマスク４４もエッチングによって削られて時間の経過とともに縮小する。
　積層構造４３へ施されるプラズマエッチングの初期段階では、エッチングによって上位の膜から削られていくため、上位の膜ほどエッチング量が大きくなり、ピラー構造４９の側面は傾斜する（図４Ｂ）。その後、ハードマスク４４が縮小してハードマスク４４の幅が小さくなると上位の膜の一部が新たに露出してエッチングされる。上位の膜の一部がエッチングされて下位の膜の一部が新たに露出すると、この新たに露出した下位の膜の一部もエッチングされる。すなわち、全ての膜のエッチング量がほぼ同じとなるため、ピラー構造４９の側面における傾斜が維持される（図４Ｃ）。
　本実施の形態では、ピラー構造４９の側面における傾斜を解消するために、酸素のＧＣＩＢを利用する。
　図５Ａ乃至図５Ｃは、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　図５Ａ乃至図５Ｃにおいて、まず、エッチングモジュール１１においてウエハＷの積層構造４３へプラズマエッチングを施してウエハＷの積層構造４３におけるハードマスク４４によって覆われていない部分をエッチングによって削り、ピラー構造４９を得る（第１の加工ステップ）。
　次いで、プラズマエッチングが施されることによって側面が傾斜したピラー構造４９を有するウエハＷをトリミングモジュール１２に搬入し、該ウエハＷを載置台２３とアーム部２５によってＧＣＩＢ照射装置２６に対向させる。
　次いで、トリミングモジュール１２の処理室２２内へ酢酸ガスを供給し、さらに、ＧＣＩＢ照射装置２６からウエハＷへ向けて酸素のＧＣＩＢを照射する（図５Ａ）（第２の加工ステップ）。酸素のＧＣＩＢが照射されたウエハＷのピラー構造４９では、酸素ガスクラスター３７とピラー構造４９の各膜が衝突するが、各膜では酸素ガスクラスター３７が有する運動エネルギー及び酸素ガスクラスター３７から分解した酸素分子によって酸化が促進されて難エッチング材であるＴａやＲｕ等の貴金属を含む、各膜を構成する金属の酸化物が生成される。このとき、貴金属の酸化物に関しては蒸気圧が高いためにそのまま昇華し、その他の金属、例えば、Ｃｏ、ＦｅやＴａの酸化物に関しては、酢酸ガスの多数の酢酸分子が金属の酸化物を取り囲むことにより、各膜から昇華させられて除去される。
　酸素ガスクラスター３７はＧＣＩＢ照射装置２６の加速器３１によって本体２７の中心軸に沿うように加速されているため、極めて直進性が高い。したがって、ウエハＷをＧＣＩＢ照射装置２６に対向させてピラー構造４９の頂部をＧＣＩＢ照射装置２６に正対させると、酸素ガスクラスター３７は、ピラー構造４９の各膜における縮小したハードマスク４４によって覆われる部分には衝突せず、縮小したハードマスク４４によって覆われていない部分、すなわち、ピラー構造４９の側面における傾斜部分のみに衝突する。これにより、傾斜部分は上述した酸素ガスクラスター３７及び酢酸ガスによる酸化、昇華によって除去され、その結果、ピラー構造４９の側面における傾斜が解消する（図５Ｂ）。
　次いで、側面における傾斜が解消したピラー構造４９を有するウエハＷからハードマスク４４を除去した後、当該ウエハＷをトランスファモジュール１６を介してトリミングモジュール１２から成膜モジュール１３へ移動させる。トリミングモジュール１２、トランスファモジュール１６及び成膜モジュール１３の処理室や搬送室は内部が減圧されているため、各膜の端部が露出するピラー構造４９において自然酸化膜が形成されるのを防止することができる。
　その後、成膜モジュール１３において、プラズマを用いたＣＶＤ処理によってピラー構造４９の露出面を覆うＳｉＮ膜４６を成膜し（図５Ｃ）、本方法を終了する。
　図５Ａ乃至図５Ｃの半導体デバイスの製造方法によれば、プラズマエッチングを施すことによって生じたピラー構造４９の側面の傾斜部分へ酢酸ガスの雰囲気下で酸素のＧＣＩＢが照射される。これにより、ピラー構造４９の側面の傾斜部分において酸素ガスクラスター３７の運動エネルギー及び酸素ガスクラスター３７から分解した酸素分子による各膜を構成する金属の酸化の促進、さらには酢酸分子による金属の酸化物の取り囲み、昇華を通じてピラー構造４９の側面の傾斜部分が化学的に除去される。その結果、ピラー構造４９のＭｇＯ膜３８の絶縁機能やＣｏＦｅＢ膜３９、４０の磁性が阻害されることが無いので、ＭＴＪ素子４５を含むＭＲＡＭは所望の性能を発揮することができる。
　上述した図５Ａ乃至図５Ｃの半導体デバイスの製造方法では、酸素のＧＣＩＢが照射されるが、酸素のＧＣＩＢ中の酸素ガスクラスター３７はピラー構造４９の側面の傾斜部分へ衝突すると、容易に分解して酸素分子として飛散する。すなわち、酸素ガスクラスター３７がそのままピラー構造４９の各膜へ打ち込まれることがないため、各膜においてダメージの発生が抑制される。但し、酸素ガスクラスター３７の運動エネルギーが大きいと、分解した酸素分子の運動エネルギーも大きいままとなり、各酸素分子がピラー構造４９の各膜へ打ち込まれてダメージを発生させるおそれがある。したがって、ＧＣＩＢ照射装置２６の加速器３１における加速電圧を１０ｋＶ以下に設定し、酸素ガスクラスター３７の運動エネルギーが過剰に大きくなるのを防止するのが好ましい。
　次に、本発明の第２の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法について説明する。本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法も半導体デバイス製造装置１０によって実行される。
　本実施の形態は、その構成や作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、ウエハＷの積層構造４３へプラズマエッチングを施す際に、ウエハＷへ印加されるバイアス電圧を大きく設定されない点で上述した第１の実施の形態と異なる。したがって、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。
　例えば、エッチングモジュール１１において、図６Ａに示す、ハードマスク４４が形成されたウエハＷの積層構造４３へプラズマエッチングを施す際に、ウエハＷへ印加されるバイアス電圧を大きく設定せず、プラズマ中の陽イオンによるスパッタリングを弱くすると、ハードマスク４４がエッチングによって削られることがないので、ハードマスク４４は時間が経過しても縮小しない。
　ハードマスク４４が縮小せずにハードマスク４４の幅が変化しないと、積層構造４３の各膜におけるハードマスク４４によって覆われる部分はエッチングによって削られることがない一方、積層構造４３の各膜におけるハードマスク４４によって覆われない部分はエッチングによって削られ続けるため、ピラー構造４９の側面は傾斜することがない（図６Ｂ）。
　しかしながら、積層構造４３の各膜の金属（貴金属を含む）やプラズマエッチングの処理ガス中の炭素、水素が組み合わされて生じる金属と有機物が結合したポリマーがピラー構造４９の側面に付着しても、スパッタリングが弱いと付着したポリマーを除去することができず、ピラー構造４９の側面にポリマー層４７が形成される（図６Ｃ）。ポリマー層４７は金属を含むことがあるため、ピラー構造４９のＭｇＯ膜３８とＣｏＦｅＢ膜３９、４０が導通し、ＭＴＪ素子４５を含むＭＲＡＭの正常な動作を妨げるおそれがある。
　本実施の形態では、ピラー構造４９の側面に形成されたポリマー層４７を除去するために、酸素のＧＣＩＢを利用する。
　図７Ａ乃至図７Ｃは、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　図７Ａ乃至図７Ｃにおいて、まず、エッチングモジュール１１においてウエハＷの積層構造４３へプラズマエッチングを施し、ウエハＷの積層構造４３におけるハードマスク４４によって覆われていない部分をエッチングによって削り、ピラー構造４９を得る（第１の加工ステップ）。
　次いで、プラズマエッチングが施されることによって側面にポリマー層４７が形成されたピラー構造４９を有するウエハＷをトリミングモジュール１２に搬入し、該ウエハＷを載置台２３とアーム部２５によってＧＣＩＢ照射装置２６に対向させる。
　次いで、トリミングモジュール１２の処理室２２内へ酢酸ガスを供給し、さらに、ＧＣＩＢ照射装置２６からウエハＷへ向けて酸素のＧＣＩＢを照射する（図７Ａ）（第２の加工ステップ）。酸素ガスクラスター３７は極めて直進性が高いため、ウエハＷをＧＣＩＢ照射装置２６に対向させてピラー構造４９の頂部をＧＣＩＢ照射装置２６に正対させると、酸素ガスクラスター３７は、ハードマスク４４によって覆われていないポリマー層４７のみに衝突する。
　このとき、ポリマー層４７に存在する金属（貴金属を含む）の酸化が、酸素ガスクラスター３７が有する運動エネルギーと酸素ガスクラスター３７から分解した酸素分子によって促進されて金属の酸化物が生成される。貴金属の酸化物は蒸気圧が高いため、ＧＣＩＢの照射時の熱でそのまま昇華し、その他の金属、例えば、Ｃｏ、ＦｅやＴａの酸化物に関しては、酢酸ガスの多数の酢酸分子が金属の酸化物を取り囲み、さらに多数の酢酸分子に取り囲まれた金属の酸化物はＧＣＩＢの照射時の熱でポリマー層４７から昇華させられて除去される。
　また、ポリマー層４７に含まれる有機物も酸素ガスクラスター３７が有する運動エネルギーによって分解され、二酸化炭素（ＣＯ２）や水（Ｈ２Ｏ）として昇華によって除去される。その結果、ポリマー層４７が除去される（図７Ｂ）。
　次いで、側面からポリマー層４７が除去されたピラー構造４９を有するウエハＷからハードマスク４４を除去した後、ウエハＷをトランスファモジュール１６を介してトリミングモジュール１２から成膜モジュール１３へ移動させる。
　その後、成膜モジュール１３において、プラズマを用いたＣＶＤ処理によってピラー構造４９の露出面を覆うＳｉＮ膜４６を成膜し（図７Ｃ）、本方法を終了する。
　図７Ａ乃至図７Ｃの半導体デバイスの製造方法によれば、プラズマエッチングを施すことによってポリマー層４７が側面に生じたピラー構造４９へ酢酸ガスの雰囲気下で酸素のＧＣＩＢが照射される。これにより、酸素ガスクラスター３７の運動エネルギーによるポリマー層４７に存在する金属の酸化の促進、さらには酢酸分子による金属の酸化物の取り囲み、昇華、並びに、酸素ガスクラスター３７の運動エネルギーによるポリマー層４７に含まれる有機物の分解を通じてポリマー層４７が化学的に除去される。その結果、ＭｇＯ膜３８とＣｏＦｅＢ膜３９、４０がポリマー層４７によって導通することが無いので、ＭＲＡＭの正常な動作が妨げられるのを防止することができる。
　なお、ピラー構造４９の各膜においてダメージが発生するのを抑制するために、第１の実施の形態と同様に、ＧＣＩＢ照射装置２６の加速器３１における加速電圧を１０ｋＶ以下に設定し、酸素ガスクラスター３７の運動エネルギーが過剰に大きくなるのを防止するのが好ましい。
　次に、本発明の第３の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法について説明する。本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法も半導体デバイス製造装置１０によって実行される。
　本実施の形態は、その構成や作用が上述した第１の実施の形態と基本的に同じであり、ウエハＷの積層構造４３へ物理的エッチング処理としてイオンミリングを施す点で上述した第１の実施の形態と異なる。したがって、重複した構成、作用については説明を省略し、以下に異なる構成、作用についての説明を行う。
　例えば、エッチングモジュール１１において、図８Ａに示す、ハードマスク４４が形成されたウエハＷの積層構造４３へイオンミリングを施すと、イオンミリングのスパッタリングは弱いため、ハードマスク４４がイオンミリングによって削られることが無く、ハードマスク４４は時間が経過しても縮小しない。
　ハードマスク４４が縮小せずにハードマスク４４の幅が変化しないと、積層構造４３の各膜におけるハードマスク４４によって覆われる部分はエッチングによって削られることはないが（図８Ｂ）、イオンミリングにおけるイオンの直進性はあまり高くないため、積層構造４３の側面（各膜の端部）へイオンが打ち込まれ、これによって結晶性が失われた各膜の端部からなるダメージ層４８（ＭｇＯ膜３８の両端において形成される嘴状の磁気特性変化部であるバーズピークを含む）がピラー構造４９の側面におけるハードマスク４４の下方に形成される（図８Ｃ）。ダメージ層４８では結晶性が失われるので、各膜の磁気特性が変化し、ＭＴＪ素子４５を含むＭＲＡＭの正常な動作を妨げるおそれがある。
　本実施の形態では、ピラー構造４９の側面に形成されたダメージ層４８を除去するために、酸素のＧＣＩＢを利用する。
　図９Ａ乃至図９Ｃは、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　図９Ａ乃至図９Ｃにおいて、まず、エッチングモジュール１１においてウエハＷの積層構造４３へイオンミリングを施し、ウエハＷの積層構造４３におけるハードマスク４４によって覆われていない部分をイオンミリングによって削り、ピラー構造４９を得る（第１の加工ステップ）。
　次いで、イオンミリングが施されることによって側面にダメージ層４８が形成されたピラー構造４９を有するウエハＷをトリミングモジュール１２に搬入する。このとき、ウエハＷを載置台２３とアーム部２５によってＧＣＩＢ照射装置２６に対向させるが、図８Ｃに示すように、ダメージ層４８はハードマスク４４の下方に形成されるため、ピラー構造４９の頂部をＧＣＩＢ照射装置２６に正対させると、極めて直進性が高い酸素ガスクラスター３７はダメージ層４８に衝突しない。
　そこで、本実施の形態では、アーム部２５の載置台２３からの突出量等を調整してウエハＷをＧＣＩＢ照射装置２６に対して傾けてピラー構造４９の側面をＧＣＩＢ照射装置２６に正対させる。
　次いで、トリミングモジュール１２の処理室２２内へ酢酸ガスを供給し、さらに、ＧＣＩＢ照射装置２６からウエハＷへ向けて酸素のＧＣＩＢを照射する（図９Ａ）（第２の加工ステップ）。ピラー構造４９の側面はＧＣＩＢ照射装置２６に正対するので、酸素ガスクラスター３７は、ピラー構造４９の側面に形成されたダメージ層４８に衝突する。
　このとき、ダメージ層４８に存在する金属（貴金属を含む）の酸化が、酸素ガスクラスター３７が有する運動エネルギーと酸素ガスクラスター３７から分解した酸素分子によって促進されて金属の酸化物が生成され、酢酸ガスの多数の酢酸分子が金属の酸化物を取り囲み、ダメージ層４８から金属の酸化物を昇華させて除去する（図９Ｂ）。
　次いで、側面からダメージ層４８が除去されたピラー構造４９を有するウエハＷからハードマスク４４を除去した後、ウエハＷをトランスファモジュール１６を介してトリミングモジュール１２から成膜モジュール１３へ移動させる。その後、成膜モジュール１３において、プラズマを用いたＣＶＤ処理によってピラー構造４９の露出面を覆うＳｉＮ膜４６を成膜し（図９Ｃ）、本方法を終了する。
　図９Ａ乃至図９Ｃの半導体デバイスの製造方法によれば、イオンミリングを施すことによってダメージ層４８が側面に形成されたピラー構造４９へ酢酸ガスの雰囲気下で酸素のＧＣＩＢが照射される。これにより、酸素ガスクラスター３７の運動エネルギーによるダメージ層４８に存在する金属の酸化の促進、さらには酢酸分子による金属の酸化物の取り囲み、昇華を通じて結晶性が失われたダメージ層４８が化学的に除去される。その結果、ピラー構造４９における各膜の磁気特性が変化することが無く、ＭＴＪ素子４５を含むＭＲＡＭの正常な動作が妨げられるのを防止することができる。
　なお、積層構造４３の各膜においてダメージが発生するのを抑制するために、第１の実施の形態と同様に、ＧＣＩＢ照射装置２６の加速器３１における加速電圧を１０ｋＶ以下に設定し、酸素ガスクラスター３７の運動エネルギーが過剰に大きくなって分解した酸素分子がピラー構造４９の側面へ打ち込まれるのを防止するのが好ましい。
　次に、本発明の第４の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法について説明する。本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法も半導体デバイス製造装置１０によって実行される。
　通常、ＭＴＪ素子４５では、２つのＣｏＦｅＢ膜３９、４０の幅は同じに設定されるが、近年、図１０に示すように、上方のＣｏＦｅＢ膜４０（以下、「フリー層４０」と言う。）（第２の強磁性膜）の幅よりも下方のＣｏＦｅＢ膜３９（以下、「レファレンス層３９」と言う。）（第１の強磁性膜）の幅を大きく設定してＭＴＪ素子４５を階段状に形成することが提案されている。
　ＭＴＪ素子４５ではフリー層４０の磁化状態を制御して情報の記憶を行うが、フリー層４０へ入射する磁力線の分布が均一であるほどフリー層４０の磁化状態の熱的安定性が増すため、当該ＭＴＪ素子４５を含むＭＲＡＭを不揮発性メモリとして安定して使用することができる。
　第１の実施の形態乃至第３の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法によって得られたピラー構造４９おけるＭＴＪ素子４５を階段状に形成するためには、一般に、フリー層４０の一部をハードマスクで覆い、露出するフリー層４０の他の部分をプラズマエッチングやイオンミリングによって削ることが考えられるが、通常、ＭＴＪ素子を構成するＭｇＯ膜等の酸化膜に対するＣｏＦｅＢ膜等の磁性金属層のエッチング選択性を確保することが難しいため、正確にフリー層４０を所望量だけエッチングすることは困難である。
　これに対して、本発明者は本発明に先立ち、ＧＣＩＢ照射装置２６を用い、イオン化電圧を１８５Ｖに設定し、加速電圧を２０ｋＶに設定し、衝突する酸素ガスクラスター３７の量を２×１０１６イオン／ｃｍ２に設定してＭｇＯ膜やＣｏＦｅＢ膜へ酸素のＧＣＩＢを照射したところ、酢酸ガスが存在しない雰囲気において、ＭｇＯ膜及びＣｏＦｅＢ膜の切削量（エッチング量）はそれぞれ３９．３ｎｍ及び３２．１ｎｍであり（図１１中のハッチングで示される棒グラフ参照。）、ＭｇＯ膜及びＣｏＦｅＢ膜の切削量はほぼ変わらないことを確認した一方、酢酸ガスが存在する雰囲気（酢酸ガスの分圧は５．３×１０−３Ｐａ）において、ＭｇＯ膜及びＣｏＦｅＢ膜の切削量（エッチング量）はそれぞれ１００ｎｍ及び３４４ｎｍであり（図１１中の無地で示される棒グラフ参照。）、ＭｇＯ膜に対するＣｏＦｅＢ膜の選択比を約３．４倍確保できることを確認した。
　そこで、本実施の形態では、ＭｇＯ膜に対するＣｏＦｅＢ膜の選択比を利用してピラー構造４９におけるＭＴＪ素子４５を階段状に形成するために、酸素のＧＣＩＢを用いる。
　図１２Ａ乃至図１２Ｆは、本実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法を示す工程図である。
　図１２Ａ乃至図１２Ｆにおいて、まず、半導体デバイス製造装置１０において第１の実施の形態乃至第３の実施の形態に係る半導体デバイスの製造方法のいずれかをピラー構造４９への酸素のＧＣＩＢの照射まで実行し、トリミングモジュール１２において側面における傾斜が解消した（図５Ｂ）、又は側面に形成されたポリマー層４７やダメージ層４８が除去された（図７Ｂ、図９Ｂ）ピラー構造４９を得る（図１２Ａ）。
　次いで、得られたピラー構造４９からハードマスク４４やＭＴＪ素子４５よりも上層の膜を除去してＭＴＪ素子４５を露出させた後、ＭＴＪ素子４５のフリー層４０を部分的に覆うマスク５０（他のマスク膜）を形成し（図１２Ａ）、再度、トリミングモジュール１２において処理室２２内へ酢酸ガスを供給し、さらに、ＧＣＩＢ照射装置２６からウエハＷへ向けて酸素のＧＣＩＢを照射する（図１２Ｂ）。このとき、ＭｇＯ膜に対するＣｏＦｅＢ膜の選択比が約３．４倍となることから、露出するフリー層４０が積極的に除去される一方、ＭｇＯ膜３８は余り除去されないため、ピラー構造４９において階段状のＭＴＪ素子４５が形成される（図１２Ｃ）。
　次いで、階段状に形成されたピラー構造４９を有するウエハＷをトランスファモジュール１６を介してトリミングモジュール１２から成膜モジュール１３へ移動させる。その後、成膜モジュール１３において、プラズマを用いたＣＶＤ処理によってピラー構造４９の露出面を覆うＳｉＮ膜５１を成膜し（図１２Ｄ）、さらに、ＧＣＩＢやプラズマエッチング等の異方性エッチングによってＳｉＮ膜５１をエッチングする。ＳｉＮ膜５１は異方性エッチングによって厚み方向に減少するため、ＭｇＯ膜３８が露出した時点で異方性エッチングを停止すると、ＳｉＮ膜５１がマスク５０やフリー層４０の側面にのみ残存する（図１２Ｅ）。なお、異方性エッチングをＭｇＯ膜３８が露出しても継続し、レファレンス層３９が露出した時点で停止させてもよい。
　次いで、残存するＳｉＮ膜５１やマスク５０をマスクとしてＧＣＩＢやプラズマエッチング等の異方性エッチングによってＭｇＯ膜３８やレファレンス層３９をエッチングし、Ｔａ膜４１等が露出したら異方性エッチングを停止する。なお、このとき、Ｔａ膜４１等もエッチングしてもよいが、この場合、スループット向上の観点からプラズマエッチングを施すのが好ましい。但し、プラズマエッチングを施すと各膜においてダメージが発生し、ポリマーが各膜の側面に付着するため、さらに酸素のＧＣＩＢをピラー構造４９へ照射してダメージが発生した箇所やポリマーを除去するのが好ましい。一方、Ｔａ膜４１等をエッチングしない場合は、異方性エッチングとしてＧＣＩＢを用いるのが好ましい。
　次いで、マスク５０の上に上部電極５２を形成し（図１２Ｆ）、本方法を終了する。
　図１２Ａ乃至図１２Ｆの半導体デバイスの製造方法によれば、レファレンス層３９、ＭｇＯ膜３８及びフリー層４０がこの順で積層されて構成されるＭＴＪ素子４５へ向けて酸素のＧＣＩＢが照射される。酢酸ガスの雰囲気下では、酸素のＧＣＩＢの照射におけるＭｇＯ膜に対するＣｏＦｅＢ膜の選択比が約３．４倍となるため、露出するフリー層４０が積極的に除去される一方、ＭｇＯ膜３８は余り除去されない。その結果、階段状のＭＴＪ素子４５を容易に得ることができる。
　また、本発明者は、加速電圧を１０ｋＶ以下に設定し、ＧＣＩＢ照射装置２６を用いて露出するＭＴＪ素子４５へ酸素のＧＣＩＢを照射すると、ＭｇＯ膜に対するＣｏＦｅＢ膜の選択比を約３．４倍よりも大きく確保できることを確認した。したがって、図１２Ａ乃至図１２Ｆの半導体デバイスの製造方法において、露出するＭＴＪ素子４５へ酸素のＧＣＩＢを照射する際、加速電圧を１０ｋＶ以下に設定するのが好ましい。これにより、階段状のＭＴＪ素子４５をより確実に得ることができる。
　上述した図１２Ａ乃至図１２Ｆの半導体デバイスの製造方法では、側面における傾斜が解消したピラー構造４９へ酢酸ガスの雰囲気下で酸素のＧＣＩＢを照射したが、ピラー構造４９の側面における傾斜を解消することなくハードマスク４４やＭＴＪ素子４５よりも上層の膜を除去し、酢酸ガスの雰囲気下でピラー構造４９へ酸素のＧＣＩＢを照射してもよい。積層構造４３の側面が傾斜している場合、フリー層４０の幅よりもレファレンス層３９の幅が大きいため、酸素のＧＣＩＢを照射してフリー層４０の幅を積極的に縮小すると、レファレンス層３９の幅をフリー層４０の幅がよりも確実に大きくすることができる。
　以上、本発明について、上記各実施の形態を用いて説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではない。
　例えば、エッチングモジュール１１においてプラズマエッチングとイオンミリングを併用した場合、側面が傾斜し且つ側面にダメージ層４８が形成されたピラー構造４９や、側面にポリマー層４７及びダメージ層４８が形成されたピラー構造４９が得られる場合があるが、酢酸ガスの雰囲気下で酸素のＧＣＩＢをピラー構造４９へ照射することにより、側面の傾斜を解消するとともに、側面に形成されたダメージ層４８を除去し、若しくは、側面に形成されたポリマー層４７及びダメージ層４８を同時に除去することができる。
　本発明の目的は、上述した各実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、コンピュータ、例えば、制御部２１に供給し、制御部２１のＣＰＵが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによっても達成される。
　この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が上述した各実施の形態の機能を実現することになり、プログラムコード及びそのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
　また、プログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、ＲＡＭ、ＮＶ−ＲＡＭ、フロッピー（登録商標）ディスク、ハードディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ、ＤＶＤ（ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−ＲＷ、ＤＶＤ＋ＲＷ）等の光ディスク、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、他のＲＯＭ等の上記プログラムコードを記憶できるものであればよい。或いは、上記プログラムコードは、インターネット、商用ネットワーク、若しくはローカルエリアネットワーク等に接続される不図示の他のコンピュータやデータベース等からダウンロードすることにより制御部２１に供給されてもよい。
　また、制御部２１が読み出したプログラムコードを実行することにより、上記各実施の形態の機能が実現されるだけでなく、そのプログラムコードの指示に基づき、ＣＰＵ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
　更に、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、制御部２１に挿入された機能拡張ボードや制御部２１に接続された機能拡張ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、その機能拡張ボードや機能拡張ユニットに備わるＣＰＵ等が実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって上述した各実施の形態の機能が実現される場合も含まれる。
　上記プログラムコードの形態は、オブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード、ＯＳに供給されるスクリプトデータ等の形態から成ってもよい。
　本出願は、２０１４年３月１２日に出願された日本特許出願第２０１４−０４９３０５号に基づく優先権を主張するものであり、当該日本特許出願に記載された全内容を本出願に援用する。
Ｗ　ウエハ
１０　半導体デバイス製造装置
１１　エッチングモジュール
１２　トリミングモジュール
１３　成膜モジュール
２６　ＧＣＩＢ照射装置
３７　酸素ガスクラスター
３８　ＭｇＯ膜
３９　レファレンス層（ＣｏＦｅＢ膜）
４０　フリー層（ＣｏＦｅＢ膜）
４４　ハードマスク
４５　ＭＴＪ素子

Claims (17)

  1. 　少なくともＭＴＪ素子及び金属層を含み、前記ＭＴＪ素子は、第１の強磁性膜、絶縁膜及び第２の強磁性膜がこの順で積層されて構成される積層構造を有する半導体デバイスの製造方法であって、
    　前記積層構造をイオンミリング又はプラズマエッチングによってエッチングする第１の加工ステップと、
    　前記第１の加工ステップの後に、前記積層構造へＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）を照射する第２の加工ステップとを有し、
    　前記第２の加工ステップでは、前記積層構造の周りに酢酸ガスを供給するとともに、前記積層構造へ酸素のＧＣＩＢが照射されることを特徴とする製造方法。
  2. 　前記第２の加工ステップでは、前記ＭＴＪ素子へ向けて酢酸ガスを供給するとともに、酸素のＧＣＩＢが照射されることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
  3. 　前記積層構造上にはマスク膜が形成され、
    　前記第１の加工ステップでは、前記プラズマエッチングによって前記マスク膜が縮小することを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
  4. 　前記第１の加工ステップでは、前記積層構造の側面が傾斜することを特徴とする請求項２記載の半導体デバイスの製造方法。
  5. 　前記積層構造上にはマスク膜が形成され、
    　前記第１の加工ステップでは、前記プラズマエッチングによる前記マスク膜の縮小が抑制されることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
  6. 　前記第１の加工ステップでは、前記積層構造の側面にポリマー層が形成されることを特徴とする請求項５記載の半導体デバイスの製造方法。
  7. 　前記積層構造上にはマスク膜が形成され、
    　前記第１の加工ステップでは、前記イオンミリングによって前記積層構造をエッチングすることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイスの製造方法。
  8. 　前記第２の加工ステップでは、前記積層構造の側面へ向けて酢酸ガスを供給するとともに、前記酸素のＧＣＩＢを照射することを特徴とする請求項７記載の半導体デバイスの製造方法。
  9. 　前記第２の加工ステップにおいて、前記酸素のＧＣＩＢを生成する際における前記酸素のクラスターを加速する加速電圧は１０ｋＶ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
  10. 　前記第２の加工ステップの後、前記積層構造の露出面を窒化膜で覆うことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
  11. 　前記第２の加工ステップの後に、前記積層構造上に形成された前記マスク膜を除去して前記ＭＴＪ素子を露出させた後、前記第２の強磁性膜を部分的に覆う他のマスク膜を形成し、前記積層構造へ向けて酢酸ガスを供給するとともに、前記積層構造へ向けて酸素のＧＣＩＢを照射する第３の加工ステップをさらに有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
  12. 　前記第３の加工ステップでは、前記ＭＴＪ素子が階段状に成形されることを特徴とする請求項１１記載の半導体デバイスの製造方法。
  13. 　前記第３の加工ステップにおいて、前記絶縁膜に対する前記第２の強磁性膜の選択比は３倍以上であることを特徴とする請求項１１又は１２記載の半導体デバイスの製造方法。
  14. 　前記階段状に成形されたＭＴＪ素子をＳｉＮ膜で覆い、さらに該ＳｉＮ膜を異方性エッチングで除去する第４の加工ステップをさらに有することを特徴とする請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の半導体デバイスの製造方法。
  15. 　前記第４の加工ステップにおいて残存する前記ＳｉＮ膜をマスクとして、前記絶縁膜及び前記第１の強磁性膜を異方性エッチングで除去する第５の加工ステップをさらに有することを特徴とする請求項１４記載の半導体デバイスの製造方法。
  16. 　少なくともＭＴＪ素子及び金属層を含む積層構造を有する半導体デバイスの製造装置であって、
    　前記積層構造をイオンミリング又はプラズマエッチングによってエッチングする第１の加工ユニットと、
    　前記エッチングされた積層構造へＧＣＩＢ（ガスクラスターイオンビーム）を照射する第２の加工ユニットとを備え、
    　前記第２の加工ユニットでは、前記積層構造の周りに酢酸ガスを供給するとともに、前記積層構造へ酸素のＧＣＩＢが照射されることを特徴とする製造装置。
  17. 　前記積層構造には前記ＧＣＩＢが照射されて露出面が生じ、
    　前記積層構造の露出面を窒化膜で覆う成膜ユニットをさらに備えることを特徴とする請求項１６記載の半導体デバイスの製造装置。
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