WO2016031520A1 - 被処理体をエッチングする方法 - Google Patents

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multilayer film
magnetic layer
layer
etching
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保 森本
松潤 康
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東京エレクトロン株式会社
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Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a method for etching an object to be processed.
  • an MRAM Magnetic Random Access Memory
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction
  • the MRAM element includes a multilayer film composed of a difficult-to-etch material such as a transition metal or a magnetic material.
  • a PtMn (platinum manganese) layer may be etched through a mask containing Ta (tantalum). It is desirable that the shape formed by this etching has high perpendicularity.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228667 describes that plasma of an etching gas containing hydrogen gas, carbon dioxide gas, methane gas, and rare gas is generated, and the platinum manganese layer is dry-etched using the tantalum layer as a mask. In the method described in Patent Document 1, etching is performed while removing deposits formed on the surface of the platinum manganese layer by the plasma of hydrogen contained in the etching gas, so that the platinum manganese layer is processed with high perpendicularity. Is possible.
  • the inventor deteriorates the electrical characteristics of the multilayer film, specifically, the MR ratio of the manufactured MRAM element. I found. The deterioration of the electrical characteristics is presumed to be caused by hydrogen ions or hydrogen atoms generated by the excitation of the etching gas damaging the junction surface of the multilayer film.
  • the lower electrode and a multilayer film provided on the lower electrode are interposed between the first magnetic layer, the second magnetic layer, and the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • a multilayer film including an insulating layer, and a method of etching a target object including the insulating film through a mask is processed.
  • a plasma of a first processing gas that includes a first noble gas and a second noble gas having an atomic number larger than that of the first noble gas and does not include hydrogen gas is processed.
  • the object to be processed is etched by the plasma of the first processing gas that contains the first rare gas and the second rare gas and does not contain hydrogen gas. Since the first processing gas does not contain hydrogen gas, it is possible to prevent the junction surface of the multilayer film from being damaged by hydrogen ions. As a result, it is possible to suppress deterioration of the electrical characteristics of the multilayer film. Further, the atoms of the first rare gas having a relatively small atomic number are modified so that each layer constituting the multilayer film is easily etched. The modified multilayer film can be easily etched with a second rare gas having an atomic number larger than that of the first rare gas. Therefore, in the method according to one aspect, the perpendicularity of the sidewall surface of the multilayer film after etching can be improved.
  • the object to be processed is exposed to a plasma of a second processing gas containing helium and neon, and the multilayer film is etched by the step of exposing the object to be processed to the plasma of the first processing gas. This step may be further performed after the surface of the lower electrode is exposed.
  • over-etching may be performed to reduce the width (CD: Critical Dimension) of the multilayer film.
  • CD Critical Dimension
  • over-etching it is desirable to maintain the thickness of the mask on the multilayer film. Since helium and neon contained in the second processing gas are relatively light rare gases, the etching efficiency for the mask is low.
  • helium and neon plasma can etch the magnetic material constituting the multilayer film. That is, by using plasma containing helium and neon, the etching selectivity of the multilayer film to the mask can be increased. As a result, the width of the multilayer film can be reduced while maintaining the film thickness of the mask.
  • the main etching gas and the over etching gas may further contain methane gas. Thereby, the perpendicularity of the multilayer film after etching can be further improved.
  • the multilayer film may further include a fixed layer provided between the lower electrode and the first magnetic layer.
  • the first magnetic layer and the second magnetic layer may be made of CoFeB
  • the insulating layer may be made of MgO
  • the fixed layer may be made of CoPt.
  • the first noble gas may be helium or neon
  • the second noble gas may be any one of argon, krypton, and xenon.
  • the first rare gas may be helium and the second rare gas may be krypton.
  • the present invention it is possible to improve the verticality of the side wall surface of the multilayer film while suppressing the deterioration of the electrical characteristics of the multilayer film.
  • FIG. 1 is a flowchart showing an embodiment of a method for etching a workpiece.
  • a lower electrode, a first magnetic layer, a second magnetic layer, and an insulating layer interposed between the first magnetic layer and the second magnetic layer The object to be processed including the multilayer film including is etched through the mask.
  • the method MT shown in FIG. 1 includes a process ST1 and a process ST2.
  • the method MT is performed using a plasma processing apparatus.
  • a plasma processing apparatus that can be used to perform the method MT will be described.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a plasma processing apparatus.
  • a plasma processing apparatus 10 shown in FIG. 2 is a capacitively coupled plasma processing apparatus. Note that the method MT can be performed using any plasma processing apparatus such as an inductively coupled plasma processing apparatus or a plasma processing apparatus using surface waves such as microwaves.
  • the plasma processing apparatus 10 includes a processing container 12.
  • the processing container 12 has a substantially cylindrical shape and defines a processing space S as its internal space.
  • the plasma processing apparatus 10 includes a substantially disk-shaped base 14 in a processing container 12.
  • the base 14 is provided below the processing space S.
  • the base 14 is made of, for example, aluminum and constitutes a lower electrode.
  • the base 14 has a function of absorbing the heat of the electrostatic chuck 50 described later in the process and cooling the electrostatic chuck 50.
  • a refrigerant flow path 15 is formed inside the base 14, and a refrigerant inlet pipe and a refrigerant outlet pipe are connected to the refrigerant flow path 15.
  • an appropriate refrigerant such as cooling water is circulated through the refrigerant flow path 15.
  • the base 14 and the electrostatic chuck 50 are controlled to a predetermined temperature.
  • the plasma processing apparatus 10 further includes a cylindrical holding portion 16 and a cylindrical support portion 17.
  • the cylindrical holding portion 16 holds the base 14 in contact with the side and bottom edges of the base 14.
  • the cylindrical support portion 17 extends in the vertical direction from the bottom portion of the processing container 12 and supports the base 14 via the cylindrical holding portion 16.
  • the plasma processing apparatus 10 further includes a focus ring 18 placed on the upper surface of the cylindrical holder 16.
  • the focus ring 18 can be made of, for example, silicon or quartz.
  • an exhaust path 20 is formed between the side wall of the processing vessel 12 and the cylindrical support portion 17.
  • a baffle plate 22 is attached to the inlet of the exhaust passage 20 or in the middle thereof.
  • An exhaust port 24 is provided at the bottom of the exhaust path 20.
  • the exhaust port 24 is defined by an exhaust pipe 28 fitted in the bottom of the processing container 12.
  • An exhaust device 26 is connected to the exhaust pipe 28.
  • the exhaust device 26 has a vacuum pump and can depressurize the processing space S in the processing container 12 to a predetermined degree of vacuum.
  • a gate valve 30 that opens and closes the loading / unloading port of the workpiece W is attached to the side wall of the processing container 12.
  • the base 14 is electrically connected to a high frequency power source 32 for ion attraction through a matching unit 34.
  • the high frequency power supply 32 applies a high frequency bias power of a frequency suitable for ion attraction, for example, 400 KHz, to the lower electrode, that is, the base 14.
  • the plasma processing apparatus 10 further includes a shower head 38.
  • the shower head 38 is provided above the processing space S.
  • the shower head 38 includes an electrode plate 40 and an electrode support 42.
  • the electrode plate 40 is a conductive plate having a substantially disk shape and constitutes an upper electrode.
  • a high frequency power source 35 for plasma generation is electrically connected to the electrode plate 40 via a matching unit 36.
  • the high frequency power supply 35 supplies a plasma generation frequency, for example, a high frequency power of 60 MHz to the electrode plate 40.
  • a high frequency electric field is formed in the space between the base 14 and the electrode plate 40, that is, the processing space S.
  • the electrode plate 40 has a plurality of gas vent holes 40h.
  • the electrode plate 40 is detachably supported by an electrode support 42.
  • a buffer chamber 42 a is provided inside the electrode support 42.
  • the plasma processing apparatus 10 further includes a gas supply unit 44, and the gas supply unit 44 is connected to the gas introduction port 25 of the buffer chamber 42 a through a gas supply conduit 46.
  • the gas supply unit 44 supplies a processing gas to the processing space S.
  • the gas supply unit 44 can supply a plurality of types of gases.
  • the gas supply unit 44 may supply a first processing gas, a second processing gas, and methane gas.
  • the first processing gas is a gas that contains the first rare gas and the second rare gas and does not contain hydrogen gas.
  • the second processing gas is a gas containing helium and neon.
  • the first process gas and the second process gas may further include methane.
  • the electrode support 42 is formed with a plurality of holes that are respectively continuous with the plurality of gas vent holes 40h, and the plurality of holes communicate with the buffer chamber 42a. Therefore, the gas supplied from the gas supply unit 44 is supplied to the processing space S via the buffer chamber 42a and the gas vent 40h.
  • a magnetic field forming mechanism 48 extending in a ring shape or concentric shape is provided on the ceiling portion of the processing container 12 of the plasma processing apparatus 10.
  • the magnetic field forming mechanism 48 functions to facilitate the start of high-frequency discharge (plasma ignition) in the processing space S and maintain stable discharge.
  • the electrostatic chuck 50 is provided on the upper surface of the base 14.
  • the electrostatic chuck 50 includes an electrode 52 and a pair of insulating films 54a and 54b.
  • the insulating films 54a and 54b are films formed of an insulator such as ceramic.
  • the electrode 52 is a conductive film and is provided between the insulating film 54a and the insulating film 54b.
  • a direct current power source 56 is connected to the electrode 52 via a switch SW. When a DC voltage is applied to the electrode 52 from the DC power source 56, a Coulomb force is generated, and the workpiece W is attracted and held on the electrostatic chuck 50 by the Coulomb force.
  • a heater which is a heating element, is embedded inside the electrostatic chuck 50 so that the workpiece W can be heated to a predetermined temperature. The heater is connected to a heater power supply via wiring.
  • the plasma processing apparatus 10 further includes gas supply lines 58 and 60 and heat transfer gas supply units 62 and 64.
  • the heat transfer gas supply unit 62 is connected to a gas supply line 58.
  • the gas supply line 58 extends to the upper surface of the electrostatic chuck 50 and extends in an annular shape at the central portion of the upper surface.
  • the heat transfer gas supply unit 62 supplies a heat transfer gas such as He gas between the upper surface of the electrostatic chuck 50 and the workpiece W.
  • the heat transfer gas supply unit 64 is connected to the gas supply line 60.
  • the gas supply line 60 extends to the upper surface of the electrostatic chuck 50 and extends in an annular shape so as to surround the gas supply line 58 on the upper surface.
  • the heat transfer gas supply unit 64 supplies a heat transfer gas such as He gas between the upper surface of the electrostatic chuck 50 and the workpiece W.
  • the plasma processing apparatus 10 further includes a control unit 66.
  • the control unit 66 is connected to the exhaust device 26, the switch SW, the high frequency power source 32, the matching unit 34, the high frequency power source 35, the matching unit 36, the gas supply unit 44, and the heat transfer gas supply units 62 and 64.
  • the control unit 66 sends control signals to the exhaust device 26, the switch SW, the high frequency power supply 32, the matching unit 34, the high frequency power source 35, the matching unit 36, the gas supply unit 44, and the heat transfer gas supply units 62 and 64, respectively. To do.
  • the plasma processing apparatus 10 can selectively supply the first processing gas and the second processing gas to the processing space S from the gas supply unit 44.
  • a processing gas such as the first processing gas and the second processing gas
  • a high-frequency electric field is formed between the electrode plate 40 and the base 14, that is, in the processing space S.
  • plasma is generated. Etching of the etching target layer of the target object W is performed by the active species of the elements contained in the processing gas.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of an object to be processed to which the method MT is applied.
  • a workpiece W shown in FIG. 3 is a product obtained in the middle of manufacturing an MRAM element having an MTJ structure.
  • the 3 includes a lower electrode 102, a multilayer film ML, an upper electrode 112, and an upper layer 114.
  • the lower electrode 102 is an electrode made of a conductive material, and also functions as a base layer for laminating each layer on the upper part.
  • the lower electrode 102 may have a stacked structure in which, for example, a tantalum (Ta) film, a ruthenium (Ru) film, and a tantalum film are stacked in this order.
  • the multilayer film ML is provided on the lower electrode 102 and includes a fixed layer 104, a first magnetic layer 106, an insulating layer 108, and a second magnetic layer 110.
  • the multilayer film ML includes an MTJ structure in which an insulator is provided between a pair of ferromagnetic materials.
  • the fixed layer 104 is provided between the lower electrode 102 and the first magnetic layer 106, and is made of an antiferromagnetic material such as cobalt platinum (CoPt) or platinum manganese (PtMn).
  • the fixed layer 104 functions as a pinned layer that fixes the magnetization direction of the first magnetic layer 106 by the pinning effect of the antiferromagnetic material.
  • the first magnetic layer 106 is provided on the fixed layer 104 and is made of a ferromagnetic material. Due to the pinning effect of the fixed layer 104, the magnetization direction of the first magnetic layer 106 is kept constant without being affected by the external magnetic field.
  • the first magnetic layer 106 is made of, for example, CoFeB.
  • the insulating layer 108 is provided between the first magnetic layer 106 and the second magnetic layer 110. Since the insulating layer 108 is interposed between the first magnetic layer 106 and the second magnetic layer 110, there is a tunnel magnetoresistive effect between the first magnetic layer 106 and the second magnetic layer 110. Arise. That is, between the first magnetic layer 106 and the second magnetic layer 110, the relative relationship (parallel or antiparallel) between the magnetization direction of the first magnetic layer 106 and the magnetization direction of the second magnetic layer 110. An electrical resistance corresponding to is generated.
  • the insulating layer 108 is made of, for example, MgO.
  • the second magnetic layer 110 is provided on the insulating layer 108 and is made of a ferromagnetic material.
  • the second magnetic layer 110 functions as a so-called free layer in which the magnetization direction follows an external magnetic field.
  • the second magnetic layer 110 is made of, for example, CoFeB.
  • the upper electrode 112 is an electrode made of a conductive material, and is provided on the second magnetic layer 110.
  • the upper electrode 112 may have a stacked structure in which, for example, a tantalum film and a ruthenium film are sequentially stacked.
  • the upper layer 114 is provided on the upper electrode 112.
  • the upper layer 114 is made of, for example, tantalum.
  • the multilayer film ML is etched by using a laminated structure including the upper electrode 112 and the upper layer 114 as a mask MK.
  • step ST1 is performed.
  • the workpiece W is exposed to the plasma of the first processing gas.
  • the multilayer film ML is etched through the mask MK.
  • the first processing gas is a gas that contains the first rare gas and the second rare gas and does not contain hydrogen gas.
  • the second rare gas contained in the first process gas is a rare gas having an atomic number larger than the atomic number of the first rare gas.
  • the first rare gas is helium (He)
  • any one of neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), and xenon (Xe) is used as the second rare gas. it can.
  • the first rare gas is neon
  • any of argon, krypton, and xenon can be used as the second rare gas.
  • the first rare gas may be helium or neon
  • the second rare gas may be any one of argon, krypton, and xenon.
  • the first noble gas may be helium and the second noble gas may be krypton.
  • the first processing gas may further include methane gas.
  • step ST1 the active species of the first rare gas contained in the first processing gas is modified so that the multilayer film ML is easily etched.
  • the mechanism of this modification is not necessarily clear, but the active species of the first rare gas cuts part of the molecular bonds of the multilayer film ML, thereby changing the multilayer film ML to a state where it can be easily etched. It is inferred.
  • step ST1 the modified multilayer film ML is removed by the active species of the second rare gas contained in the first processing gas. Since the second rare gas is a relatively heavy rare gas atom, the multilayer film ML modified with high sputtering efficiency, that is, etching efficiency can be removed. Step ST1 is performed until the surface of the lower electrode 102 is exposed.
  • the multilayer film ML can be removed with high etching efficiency, so that the perpendicularity of the multilayer film ML after the etching process can be improved.
  • FIG. 4 shows an example of the object to be processed W after the multilayer film ML is etched by the process ST1.
  • step ST2 is then performed.
  • the workpiece W is exposed to the plasma of the second processing gas.
  • the second processing gas is a gas containing helium and neon. Since helium and neon have small atomic numbers and are light rare gases, the sputtering efficiency for the mask MK, that is, the etching efficiency is low. In particular, when the upper layer 114 is made of tantalum, the etching efficiency of the upper layer 114 is very low. On the other hand, helium and neon active species can remove transition metals and magnetic substances. Therefore, in step ST2, the portion of the multilayer film ML that is not located below the mask MK can be removed while maintaining the film thickness of the mask MK.
  • the width of the multilayer film ML can be reduced.
  • the perpendicularity of the sidewall surface of the multilayer film ML can be improved by removing the lower portion of the sidewall surface of the multilayer film ML.
  • the effectiveness of the method MT will be described based on experimental examples and comparative experimental examples, but the present invention is not limited to the following experimental examples.
  • the experimental result shown below was acquired by performing the etching using the plasma processing apparatus 10 with respect to the to-be-processed object W shown in FIG.
  • a multilayer film in which a tantalum film, a ruthenium film, and a tantalum film are sequentially stacked is used as the lower electrode 102.
  • a CoPt film was used as the fixed layer 104.
  • a CoFeB film was used as the first magnetic layer 106 and the second magnetic layer 110.
  • the upper electrode 112 a multilayer film in which a tantalum film and a ruthenium film are sequentially laminated is used.
  • the upper layer 114 a tantalum film was used.
  • the angle ⁇ of the side wall surface of the multilayer film ML etched in Experimental Example 1 and Comparative Experimental Example 1 was measured. As shown in FIG. 5, the angle ⁇ is an angle ⁇ formed by the side wall surface of the etched multilayer film ML with respect to the surface of the lower electrode 102. The measurement results are shown below.
  • the angle ⁇ of the multilayer film ML obtained in Experimental Example 1 is 83.34 °.
  • FIG. 6 is a graph showing changes in the film thickness MH of the upper layer 114 and the width CD of the multilayer film ML with respect to the etching time. Specifically, in FIG. 6, the film thickness MH and the width CD at the time points when the etching time is 30 seconds, 60 seconds, and 90 seconds are measured and plotted.
  • the width CD of the multilayer film ML becomes smaller as the etching time becomes longer.
  • the film thickness MH of the upper layer 114 tends to be maintained even when the etching time is increased.
  • the width CD is reduced by 10 nm, while the reduction of the film thickness MH is about 3 nm. From this result, it is possible to reduce the width CD of the multilayer film ML while suppressing the decrease in the film thickness of the mask MK by etching the workpiece W using the second gas containing helium and neon. was confirmed.
  • the process ST2 may not be performed.
  • the object to be processed to which the method MT is applied is a lower electrode and a multilayer film provided on the lower electrode.
  • the first magnetic layer, the second magnetic layer, the first magnetic layer, and the second film The multilayer film including the insulating layer interposed between the magnetic layer and the magnetic layer.
  • the fixed layer, the first magnetic layer, the insulating layer, and the second magnetic layer are included in the multilayer film ML.
  • a thin film different from the layer may be included.
  • the first processing gas includes the first rare gas and the second rare gas, and may further include any gas as long as it does not include the hydrogen gas.
  • the second processing gas may further include any gas as long as it includes helium and neon.
  • the multilayer film ML is etched in the process ST1 of the method MT. However, in the process ST1, both the upper electrode 112 and the multilayer film ML may be etched together using the upper layer 114 as a mask. Good.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Plasma processing apparatus, 12 ... Processing container, 102 ... Lower electrode, 104 ... Fixed layer, 106 ... First magnetic layer, 108 ... Insulating layer, 110 ... Second magnetic layer, 112 ... Upper electrode, 114 ... Upper layer , MK ... mask, ML ... multilayer film.

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Abstract

　一実施形態では、下部電極と、該下部電極上に設けられる多層膜であり、第１の磁性層、第２の磁性層、及び第１の磁性層と第２の磁性層との間に介在する絶縁層を含む該多層膜と、を含む被処理体をマスクを介してエッチングする方法が提供される。この方法は、第１の希ガス、及び、該第１の希ガスよりも大きい原子番号を有する第２の希ガスを含み、且つ、水素ガスを含まない第１の処理ガスのプラズマに被処理体を晒す工程を含む。

Description

被処理体をエッチングする方法
　本発明の実施形態は、被処理体をエッチングする方法に関する。
　磁気抵抗効果素子を用いたメモリ素子の一種として、ＭＴＪ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｕｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造を有するＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）素子が注目されている。
　ＭＲＡＭ素子は、遷移金属や磁性体といった難エッチング材料から構成された多層膜を含んでいる。このようなＭＲＡＭ素子の製造では、例えば、ＰｔＭｎ（白金マンガン）層を、Ｔａ（タンタル）を含むマスクを介してエッチングすることがある。このエッチングによって形成される形状は、高い垂直性を有することが望ましい。下記特許文献１には、水素ガス、二酸化炭素ガス、メタンガス、及び希ガスを含むエッチングガスのプラズマを発生させて、タンタル層をマスクとして白金マンガン層をドライエッチングすることが記載されている。特許文献１に記載の方法では、エッチングガスに含まれる水素のプラズマにより、白金マンガン層の表面に形成された堆積物を除去しながらエッチングを行うので、白金マンガン層を高い垂直性で加工することが可能となる。
特開２０１３－８９８５７号公報
　本発明者は、特許文献１に記載の方法のように、エッチングガスに水素ガスが含まれていると、多層膜の電気特性、具体的には製造されたＭＲＡＭ素子のＭＲ比が劣化することを見出した。この電気特性の劣化は、エッチングガスの励起によって生じる水素イオン又は水素原子が多層膜の接合面に損傷を与えることに起因するものであると推測される。
　したがって、本技術分野では、多層膜の電気特性の劣化を抑制しつつ、多層膜の側壁面の垂直性を向上することができるエッチング方法が要請されている。
　一側面においては、下部電極と、該下部電極上に設けられる多層膜であり、第１の磁性層、第２の磁性層、及び第１の磁性層と第２の磁性層との間に介在する絶縁層を含む該多層膜と、を含む被処理体をマスクを介してエッチングする方法が提供される。この方法は、第１の希ガス、及び、該第１の希ガスよりも大きい原子番号を有する第２の希ガスを含み、且つ、水素ガスを含まない第１の処理ガスのプラズマに被処理体を晒す工程を含む。
　一側面に係る方法では、第１の希ガス及び第２の希ガスを含み、且つ、水素ガスを含まない第１の処理ガスのプラズマにより、被処理体がエッチングされる。この第１の処理ガスには、水素ガスが含まれていないので、水素イオンによって多層膜の接合面が損傷することを防止することができる。その結果、多層膜の電気特性の劣化を抑制することが可能となる。また、相対的に小さな原子番号を有する第１の希ガスの原子は、多層膜を構成する各層がエッチングされ易くなるように改質する。改質された多層膜は、第１の希ガスよりも大きい原子番号を有する第２の希ガスにより容易にエッチングすることができる。したがって、一側面に係る方法では、エッチング後の多層膜の側壁面の垂直性を向上することができる。
　一形態に係る方法は、ヘリウム及びネオンを含む第２の処理ガスのプラズマに被処理体を晒す工程であり、第１の処理ガスのプラズマに被処理体を晒す工程によって、多層膜がエッチングされて下部電極の表面が露出した後に行われる、該工程を更に含んでもよい。多層膜のエッチングでは、多層膜の幅（ＣＤ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）を小さくするためにオーバーエッチングが行われることがある。オーバーエッチングでは、多層膜上のマスクの膜厚を維持することが望ましい。第２の処理ガスに含まれるヘリウム及びネオンは、比較的軽い希ガスであるのでマスクに対するエッチング効率が低い。一方、ヘリウム及びネオンのプラズマは、多層膜を構成する磁性体をエッチングすることが可能である。即ち、ヘリウム及びネオンを含むプラズマを用いることにより、マスクに対する多層膜のエッチング選択比を高めることができる。その結果、マスクの膜厚を維持しつつ、多層膜の幅を小さくすることができる。
　一形態においては、メインエッチングガス及びオーバーエッチングガスは、メタンガスを更に含んでいてもよい。これにより、エッチング後の多層膜の垂直性を更に向上させることが可能である。また、一形態においては、多層膜は、下部電極と第１の磁性層との間に設けられる固定層を更に含んでいてもよい。
　一形態においては、第１の磁性層及び第２の磁性層は、ＣｏＦｅＢから構成され、絶縁層は、ＭｇＯから構成され、固定層は、ＣｏＰｔから構成されていてもよい。
　一形態においては、第１の希ガスは、ヘリウム又はネオンであり、第２の希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノンのうち何れか１つであってもよい。また、第１の希ガスは、ヘリウムであり、第２の希ガスは、クリプトンであってもよい。
　本発明の一側面及び実施形態によれば、多層膜の電気特性の劣化を抑制しつつ、多層膜の側壁面の垂直性を向上することができる。
被処理体をエッチングする方法の一実施形態を示す流れ図である。 プラズマ処理装置の一例を示す図である。 方法ＭＴが適用される被処理体の一例を示す図である。 方法ＭＴの工程ＳＴ２が実施された後の被処理体の一例を示す図である。 形状のパラメータを示す図である。 エッチング時間に対するマスクの膜厚、及び、多層膜の幅の変化を示すグラフである。
　以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととし、同一又は相当の部分に対する重複した説明は省略する。
　図１は、被処理体をエッチングする方法の一実施形態を示す流れ図である。一実施形態の被処理体をエッチングする方法においては、下部電極と、第１の磁性層、第２の磁性層、及び第１の磁性層と第２の磁性層との間に介在する絶縁層を含む多層膜と、を含む被処理体がマスクを介してエッチングされる。図１に示す方法ＭＴは、工程ＳＴ１及び工程ＳＴ２を含む。方法ＭＴは、プラズマ処理装置を用いて行われる。以下では、方法ＭＴの実施に用いることが可能なプラズマ処理装置について説明する。
　図２は、プラズマ処理装置の一例を示す図である。図２に示すプラズマ処理装置１０は、容量結合型のプラズマ処理装置である。なお、方法ＭＴの実施には、誘導結合型のプラズマ処理装置、マイクロ波といった表面波を用いるプラズマ処理装置のように、任意のプラズマ処理装置を用いることができる。
　図２に示すように、プラズマ処理装置１０は、処理容器１２を備えている。処理容器１２は、略円筒形状を有しており、その内部空間として処理空間Ｓを画成している。プラズマ処理装置１０は、処理容器１２内に、略円板形状のベース１４を備えている。ベース１４は、処理空間Ｓの下方に設けられている。ベース１４は、例えばアルミニウム製であり、下部電極を構成している。ベース１４は、プロセスにおいて後述する静電チャック５０の熱を吸熱して、静電チャック５０を冷却する機能を有する。
　ベース１４の内部には、冷媒流路１５が形成されており、冷媒流路１５には、冷媒入口配管、冷媒出口配管が接続されている。プラズマ処理装置１０では、冷媒流路１５に適宜の冷媒、例えば冷却水等が循環される。これによって、ベース１４及び静電チャック５０が所定の温度に制御されるようになっている。
　また、プラズマ処理装置１０は、筒状保持部１６及び筒状支持部１７を更に備えている。筒状保持部１６は、ベース１４の側面及び底面の縁部に接して、ベース１４を保持している。筒状支持部１７は、処理容器１２の底部から垂直方向に延在し、筒状保持部１６を介してベース１４を支持している。プラズマ処理装置１０は、この筒状保持部１６の上面に載置されるフォーカスリング１８を更に備えている。フォーカスリング１８は、例えば、シリコン又は石英から構成され得る。
　一実施形態においては、処理容器１２の側壁と筒状支持部１７との間には、排気路２０が形成されている。排気路２０の入口又はその途中には、バッフル板２２が取り付けられている。また、排気路２０の底部には、排気口２４が設けられている。排気口２４は、処理容器１２の底部に嵌め込まれた排気管２８によって画成されている。この排気管２８には、排気装置２６が接続されている。排気装置２６は、真空ポンプを有しており、処理容器１２内の処理空間Ｓを所定の真空度まで減圧することができる。処理容器１２の側壁には、被処理体Ｗの搬入出口を開閉するゲートバルブ３０が取り付けられている。
　ベース１４には、イオン引き込み用の高周波電源３２が整合器３４を介して電気的に接続されている。高周波電源３２は、イオン引き込みに適した周波数、例えば、４００ＫＨｚの高周波バイアス電力を下部電極、即ち、ベース１４に印加する。
　プラズマ処理装置１０は、更に、シャワーヘッド３８を備えている。シャワーヘッド３８は、処理空間Ｓの上方に設けられている。シャワーヘッド３８は、電極板４０及び電極支持体４２を含んでいる。
　電極板４０は、略円板形状を有する導電性の板であり、上部電極を構成している。電極板４０には、プラズマ生成用の高周波電源３５が整合器３６を介して電気的に接続されている。高周波電源３５は、プラズマ生成用の周波数、例えば６０ＭＨｚの高周波電力を電極板４０に供給する。高周波電源３５によって電極板４０に高周波電力が与えられると、ベース１４と電極板４０との間の空間、即ち、処理空間Ｓには高周波電界が形成される。
　電極板４０には、複数のガス通気孔４０ｈが形成されている。電極板４０は、電極支持体４２によって着脱可能に支持されている。電極支持体４２の内部には、バッファ室４２ａが設けられている。プラズマ処理装置１０は、ガス供給部４４を更に備えており、バッファ室４２ａのガス導入口２５にはガス供給導管４６を介してガス供給部４４が接続されている。ガス供給部４４は、処理空間Ｓに処理ガスを供給する。ガス供給部４４は、複数種のガスを供給し得る。一実施形態においては、ガス供給部４４は、第１の処理ガス、第２の処理ガス、及びメタンガスを供給し得る。第１の処理ガスは、第１の希ガス及び第２の希ガスを含み、且つ、水素ガスを含まないガスである。第２の処理ガスは、ヘリウム及びネオンを含むガスである。一実施形態では、第１の処理ガス及び第２の処理ガスは、メタンを更に含んでいてもよい。
　電極支持体４２には、複数のガス通気孔４０ｈにそれぞれ連続する複数の孔が形成されており、当該複数の孔はバッファ室４２ａに連通している。したがって、ガス供給部４４から供給されるガスは、バッファ室４２ａ、ガス通気孔４０ｈを経由して、処理空間Ｓに供給される。
　また、プラズマ処理装置１０の処理容器１２の天井部には、環状又は同心状に延在する磁場形成機構４８が設けられている。この磁場形成機構４８は、処理空間Ｓにおける高周波放電の開始（プラズマ着火）を容易にして放電を安定に維持するよう機能する。
　また、ベース１４の上面の上には、静電チャック５０が設けられている。この静電チャック５０は、電極５２、並びに、一対の絶縁膜５４ａ及び５４ｂを含んでいる。絶縁膜５４ａ及び５４ｂは、セラミック等の絶縁体により形成される膜である。電極５２は、導電膜であり、絶縁膜５４ａと絶縁膜５４ｂの間に設けられている。この電極５２には、スイッチＳＷを介して直流電源５６が接続されている。直流電源５６から電極５２に直流電圧が与えられると、クーロン力が発生し、当該クーロン力によって被処理体Ｗが静電チャック５０上に吸着保持される。また、静電チャック５０の内部には、加熱素子であるヒータが埋め込まれ、被処理体Ｗを所定温度に加熱できるようになっている。ヒータは、配線を介してヒータ電源に接続される。
　プラズマ処理装置１０は、ガス供給ライン５８及び６０、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４を更に備えている。伝熱ガス供給部６２は、ガス供給ライン５８に接続されている。このガス供給ライン５８は、静電チャック５０の上面まで延びて、当該上面の中央部分において環状に延在している。伝熱ガス供給部６２は、例えばＨｅガスといった伝熱ガスを、静電チャック５０の上面と被処理体Ｗとの間に供給する。また、伝熱ガス供給部６４はガス供給ライン６０に接続されている。ガス供給ライン６０は、静電チャック５０の上面まで延びて、当該上面においてガス供給ライン５８を囲むように環状に延在している。伝熱ガス供給部６４は、例えばＨｅガスといった伝熱ガスを、静電チャック５０の上面と被処理体Ｗとの間に供給する。
　また、プラズマ処理装置１０は、制御部６６を更に備えている。この制御部６６は、排気装置２６、スイッチＳＷ、高周波電源３２、整合器３４、高周波電源３５、整合器３６、ガス供給部４４、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４に接続されている。制御部６６は、排気装置２６、スイッチＳＷ、高周波電源３２、整合器３４、高周波電源３５、整合器３６、ガス供給部４４、並びに、伝熱ガス供給部６２及び６４のそれぞれに制御信号を送出する。制御部６６からの制御信号により、排気装置２６による排気、スイッチＳＷの開閉、高周波電源３２からの高周波バイアス電力の供給、整合器３４のインピーダンス調整、高周波電源３５からの高周波電力の供給、整合器３６のインピーダンス調整、ガス供給部４４による処理ガスの供給、伝熱ガス供給部６２及び６４それぞれによる伝熱ガスの供給が制御される。
　このプラズマ処理装置１０は、ガス供給部４４から処理空間Ｓに第１の処理ガス、第２の処理ガスを選択的に供給することができる。また、第１の処理ガス及び第２の処理ガスといった処理ガスが処理空間Ｓに供給された状態で、電極板４０とベース１４との間、即ち、処理空間Ｓにおいて高周波電界が形成されると、処理空間Ｓにおいてプラズマが発生する。この処理ガスに含まれる元素の活性種により、被処理体Ｗの被エッチング層のエッチングが行われる。
　再び、方法ＭＴについて説明する。まず、方法ＭＴが適用される被処理体について説明する。図３は、方法ＭＴが適用される被処理体の一例を示す図である。図３に示す被処理体Ｗは、ＭＴＪ構造を有するＭＲＡＭ素子の製造の途中で得られる生産物である。
　図３に示す被処理体Ｗは、下部電極１０２、多層膜ＭＬ、上部電極１１２、上層１１４を有している。下部電極１０２は、導電性材料から構成される電極であり、その上部に各層を積層するための下地層としても機能する。下部電極１０２は、例えばタンタル（Ｔａ）膜、ルテニウム（Ｒｕ）膜、タンタル膜が順に積層された積層構造を有し得る。
　多層膜ＭＬは、下部電極１０２上に設けられており、固定層１０４、第１の磁性層１０６、絶縁層１０８、第２の磁性層１１０を含んでいる。この多層膜ＭＬは、一対の強磁性体の間に絶縁体が設けられたＭＴＪ構造を含んでいる。固定層１０４は、下部電極１０２と第１の磁性層１０６との間に設けられており、コバルト白金（ＣｏＰｔ）、白金マンガン（ＰｔＭｎ）といった反強磁性体材料から構成されている。この固定層１０４は、反強磁性体によるピン止め効果により第１の磁性層１０６の磁化の方向を固定するピン止め層として機能する。
　第１の磁性層１０６は、固定層１０４上に設けられており、強磁性体材料から構成されている。第１の磁性層１０６は、固定層１０４によるピン止め効果により、磁化の方向が外部磁界の影響を受けず一定に保持される。第１の磁性層１０６は、例えばＣｏＦｅＢから構成されている。
　絶縁層１０８は、第１の磁性層１０６と第２の磁性層１１０との間に設けられている。第１の磁性層１０６と第２の磁性層１１０との間に絶縁層１０８が介在することにより、第１の磁性層１０６と第２の磁性層１１０との間には、トンネル磁気抵抗効果が生じる。即ち、第１の磁性層１０６と第２の磁性層１１０との間には、第１の磁性層１０６の磁化方向と第２の磁性層１１０の磁化方向との相対関係（平行または反平行）に応じた電気抵抗が生じる。絶縁層１０８は、例えばＭｇＯから構成されている。
　第２の磁性層１１０は、絶縁層１０８上に設けられており、強磁性体材料から構成されている。第２の磁性層１１０は、外部磁場に磁化の向きが追従する、いわゆるフリー層として機能する。第２の磁性層１１０は、例えばＣｏＦｅＢから構成される。
　上部電極１１２は、導電性材料から構成される電極であり、第２の磁性層１１０上に設けられている。上部電極１１２は、例えばタンタル膜、ルテニウム膜が順に積層された積層構造を有し得る。上層１１４は、上部電極１１２上に設けられる。上層１１４は、例えばタンタルから構成されている。方法ＭＴの一適用例においては、上部電極１１２及び上層１１４からなる積層構造がマスクＭＫとなって、多層膜ＭＬがエッチングされる。
　図１に戻り、まず方法ＭＴでは、工程ＳＴ１が行われる。工程ＳＴ１では、第１の処理ガスのプラズマに被処理体Ｗが晒される。これにより、マスクＭＫを介して多層膜ＭＬがエッチングされる。第１の処理ガスは、第１の希ガス、及び、第２の希ガスを含み、且つ、水素ガスを含まないガスである。第１の処理ガスに含まれる第２の希ガスは、第１の希ガスの原子番号よりも大きい原子番号を有する希ガスである。例えば、第１の希ガスがヘリウム（Ｈｅ）である場合には、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）の何れかを第２の希ガスとして用いることができる。また、第１の希ガスがネオンである場合には、アルゴン、クリプトン、キセノンの何れかを第２の希ガスとして用いることができる。なお、一実施形態では、第１の希ガスをヘリウム又はネオンとし、第２の希ガスをアルゴン、クリプトン、キセノンのうち何れか１つとしてもよい。特に、第１の希ガスをヘリウムとし、第２の希ガスをクリプトンとしてもよい。また、一実施形態では、第１の処理ガスはメタンガスを更に含み得る。
　この工程ＳＴ１では、第１の処理ガスに含まれる第１の希ガスの活性種が多層膜ＭＬをエッチングされ易くなるように改質する。この改質のメカニズムは必ずしも明らかではないが、第１の希ガスの活性種が多層膜ＭＬの分子結合の一部を切断することによって、多層膜ＭＬをエッチングがされ易い状態に変質させていると推認される。また、工程ＳＴ１では、第１の処理ガスに含まれる第２の希ガスの活性種によって、改質された多層膜ＭＬが除去される。第２の希ガスは、比較的重い希ガスの原子であるので高いスパッタ効率、即ち、エッチング効率で改質された多層膜ＭＬを除去することができる。工程ＳＴ１は、下部電極１０２の表面が露出するまで行われる。方法ＭＴの工程ＳＴによれば、高いエッチング効率で多層膜ＭＬを除去することができるので、エッチング処理後の多層膜ＭＬの垂直性を高めることが可能となる。工程ＳＴ１によって多層膜ＭＬがエッチングされた後の被処理体Ｗの一例を図４に示す。
　工程ＳＴ２によって下部電極１０２の表面が露出されると、次いで工程ＳＴ２が行われる。工程ＳＴ２では、第２の処理ガスのプラズマに被処理体Ｗが晒される。第２の処理ガスは、ヘリウム及びネオンを含むガスである。ヘリウム及びネオンは、原子番号が小さく、軽い希ガスであるので、マスクＭＫに対するスパッタ効率、即ちエッチング効率が低い。特に、上層１１４がタンタルから構成されている場合には、上層１１４のエッチング効率は非常に低い。一方、ヘリウム及びネオンの活性種は、遷移金属や磁性体を除去することが可能である。したがって、工程ＳＴ２では、マスクＭＫの膜厚を維持しつつ、多層膜ＭＬのうちマスクＭＫの下方に位置していない部分を除去することができる。これにより、多層膜ＭＬの幅を小さくすることができる。また、工程ＳＴ２によれば、多層膜ＭＬの側壁面の下部を除去することにより多層膜ＭＬの側壁面の垂直性を向上することができる。
　以下、方法ＭＴの有効性について、実験例及び比較実験例に基づいて説明するが、本発明は以下の実験例に限定されるものではない。なお、以下に示す実験結果は、図３に示した被処理体Ｗに対してプラズマ処理装置１０を用いたエッチングを行うことによって取得されたものである。以下では、下部電極１０２として、タンタル膜、ルテニウム膜、タンタル膜が順に積層された多層膜を用いた。また、固定層１０４としては、ＣｏＰｔ膜を用いた。第１の磁性層１０６及び第２の磁性層１１０としては、ＣｏＦｅＢ膜を用いた。上部電極１１２としては、タンタル膜及びルテニウム膜が順に積層された多層膜を用いた。上層１１４としては、タンタル膜を用いた。
　［エッチングの垂直性の評価］
　まず、方法ＭＴの工程ＳＴ１の有効性について評価した。実験例１では、第１の処理ガスのプラズマを用いてマスクＭＫを介して多層膜ＭＬをエッチングした。比較実験例１では、窒素（Ｎ２）ガス及びネオンガスのプラズマを用いてマスクＭＫを介して多層膜ＭＬをエッチングした。そして、実験例１及び比較実験例１でエッチングされた多層膜ＭＬの側壁面の垂直性を評価した。実験例１及び比較実験例１の処理条件は以下の通りとした。
（実験例１の処理条件）
・処理容器１２内圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）
・プラズマ生成用高周波電力：２００Ｗ
・高周波バイアス電力：８００Ｗ
・クリプトンガスの流量：８５ｓｃｃｍ
・メタンガスの流量：１５ｓｃｃｍ
・ヘリウムガスの流量：１００ｓｃｃｍ
・被処理体温度：１０℃
（比較実験例１の処理条件）
・処理容器１２内圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）
・プラズマ生成用高周波電力：２００Ｗ
・高周波バイアス電力：８００Ｗ
・窒素ガスの流量：５０ｓｃｃｍ
・ネオンガスの流量：１５０ｓｃｃｍ
・被処理体温度：１０℃
　実験例１及び比較実験例１でエッチングされた多層膜ＭＬの側壁面の角度θを測定した。この角度θは、図５に示すように、エッチング後の多層膜ＭＬの側壁面が下部電極１０２の表面に対してなす角度θである。その測定結果を以下に示す。
・実験例１で得られた多層膜ＭＬの角度θ：８３．３４°
・比較実験例１で得られた多層膜ＭＬの角度：２９．８４°
　上記測定結果から、希ガスであるヘリウムガスと、ヘリウムガスよりも原子番号の大きいクリプトンガスを含む第１の処理ガスを用いることにより、第１の処理ガスを用いない比較実験例１よりもエッチング後の多層膜ＭＬの側壁面の垂直性が大幅に向上できることが確認された。
　［マスクの膜厚、及び、多層膜の幅の評価］
　次に、方法ＭＴの工程ＳＴ２の有効性について評価した。実験例２では、図４に示すように、工程ＳＴ１によって多層膜ＭＬが下部電極１０２の表面までエッチングされた被処理体Ｗに対して第２のガスのプラズマを用いてオーバーエッチングを行った。そして、エッチング時間に対する上層１１４の膜厚ＭＨ、及び、多層膜ＭＬの幅ＣＤの変化を評価した。なお、図５に示すように、膜厚ＭＨはオーバーエッチングを行った後に残った上層１１４の厚みであり、幅ＣＤはオーバーエッチングを行った後の多層膜ＭＬの底部の幅である。実験例２が実施される前の上層１１４の膜厚ＭＨは６１ｎｍであり、多層膜ＭＬの幅ＣＤは７６ｎｍであった。また、実験例２の処理条件は以下の通りとした。
（実験例２）
・処理容器１２内圧力：１０ｍＴｏｒｒ（１．３３３Ｐａ）
・プラズマ生成用高周波電力：２００Ｗ
・高周波バイアス電力：８００Ｗ
・メタンガスの流量：１５ｓｃｃｍ
・一酸化炭素（ＣＯ）ガスの流量：４３ｓｃｃｍ
・ネオンガスの流量：８５ｓｃｃｍ
・ヘリウムガスの流量：５７ｓｃｃｍ
・被処理体温度：１０℃
　図６を参照する。図６は、エッチング時間に対する上層１１４の膜厚ＭＨ、及び、多層膜ＭＬの幅ＣＤの変化を示すグラフである。具体的に、図６では、エッチング時間が３０秒、６０秒、９０秒の時点における膜厚ＭＨ及び幅ＣＤを測定してプロットしている。
　図６に示す結果から、エッチング時間が長くなるにつれて、多層膜ＭＬの幅ＣＤは小さくなることが確認された。一方、上層１１４の膜厚ＭＨは、エッチング時間が長くなっても、厚さが維持される傾向があることが確認された。例えば、エッチング時間が９０秒の場合には、幅ＣＤが１０ｎｍ小さくなるのに対して、膜厚ＭＨの減少は３ｎｍ程度であった。この結果から、ヘリウム及びネオンを含む第２のガスを用いて被処理体Ｗをエッチングすることにより、マスクＭＫの膜厚の減少を抑制しつつ、多層膜ＭＬの幅ＣＤを小さくすることができることが確認された。
　以上、種々の実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、多層膜ＭＬの幅ＣＤを小さくすることを要しない場合には、工程ＳＴ２を行わなくてもよい。また、方法ＭＴが適用される被処理体は、下部電極と、該下部電極上に設けられる多層膜であり、第１の磁性層、第２の磁性層、及び第１の磁性層と第２の磁性層との間に介在する絶縁層を含む該多層膜と、を含んでいれば限定されず、例えば多層膜ＭＬ内に固定層、第１の磁性層、絶縁層、及び第２の磁性層とは異なる薄膜が含まれていてもよい。
　また、第１の処理ガスは、第１の希ガス及び第２の希ガスを含み、且つ、水素ガスを含まない限り、任意のガスを更に含み得る。更に、第２の処理ガスは、ヘリウム及びネオンを含む限り、任意のガスを更に含み得る。また、上記実施形態では、方法ＭＴの工程ＳＴ１において、多層膜ＭＬをエッチングしているが、工程ＳＴ１において上層１１４をマスクとして、上部電極１１２及び多層膜ＭＬの双方を一括してエッチングしてもよい。
　１０…プラズマ処理装置、１２…処理容器、１０２…下部電極、１０４…固定層、１０６…第１の磁性層、１０８…絶縁層、１１０…第２の磁性層、１１２…上部電極、１１４…上層、ＭＫ…マスク、ＭＬ…多層膜。

Claims (8)

  1. 　下部電極と、該下部電極上に設けられる多層膜であり、第１の磁性層、第２の磁性層、及び前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に介在する絶縁層を含む該多層膜と、を含む被処理体をマスクを介してエッチングする方法であって、
    　第１の希ガス、及び、該第１の希ガスよりも大きい原子番号を有する第２の希ガスを含み、且つ、水素ガスを含まない第１の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程を含む、方法。
  2. 　ヘリウム及びネオンを含む第２の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程であり、前記第１の処理ガスのプラズマに前記被処理体を晒す工程によって、前記多層膜がエッチングされて前記下部電極の表面が露出した後に行われる、該工程を更に含む、
    請求項１に記載の方法。
  3. 　前記第１の処理ガス及び前記第２の処理ガスは、メタンガスを更に含む、
    請求項２に記載の方法。
  4. 　前記多層膜は、前記下部電極と前記第１の磁性層との間に設けられる固定層を更に含む、
    請求項１～３の何れか一項に記載の方法。
  5. 　前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層は、ＣｏＦｅＢから構成され、
    　前記絶縁層は、ＭｇＯから構成され、
    　前記固定層は、ＣｏＰｔから構成される、
    請求項４に記載の方法。
  6. 　前記マスクは、Ｔａを含む、
    請求項１～５の何れか一項に記載の方法。
  7. 　前記第１の希ガスは、ヘリウム又はネオンであり、
    　前記第２の希ガスは、アルゴン、クリプトン、キセノンのうち何れか１つである、
    請求項１～６の何れか一項に記載の方法。
  8. 　前記第１の希ガスは、ヘリウムであり、
    　前記第２の希ガスは、クリプトンである、
    請求項１～７の何れか一項に記載の方法。
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