(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマ生成部と、
ガス供給源から、前記プラズマ生成部に基板上に形成された磁性膜をエッチングするための第１プロセスガスを導入するための第１のガス導入部と、
前記プラズマ生成部からイオンを引き出すためのグリッドと、
前記基板が載置される処理空間と、
を有するイオンビームエッチング装置であって、
前記処理空間に直接、前記ガス供給源から第２プロセスガスを導入するための第２のガス導入部を備え、
前記グリッドは、前記プラズマ生成部と前記処理空間との境界に設置されており、前記第１プロセスガス及び前記第２プロセスガスに対して耐性を有するチタンまたは炭化チタンで構成されているか、もしくはチタンまたは炭化チタンによって表面がコーティングされていることを特徴とするイオンビームエッチング装置。
【請求項２】
前記第２のガス導入部のガス噴出部が円環状であることを特徴とする請求項１に記載のイオンビームエッチング装置。
【請求項３】
前記グリッドは、前記プラズマ生成部側から順に第１電極、第２電極、第３電極となっており、前記第１電極には正の電圧が、前記第２電極には負の電圧が印加されることで、電位差によって前記イオンが加速され、前記第３電極は、接地されており、前記第２電極と前記第３電極との電位差を制御することにより、イオンビームの径を所定の数値範囲内に制御するものであることを特徴とする請求項１または２に記載のイオンビームエッチング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気デバイスの製造において、基板上に形成された磁性膜をエッチング加工する際に用いられるイオンビームエッチング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ，磁気抵抗メモリ）はＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ，トンネル磁気抵抗）等の磁気抵抗効果を利用した不揮発性メモリで、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）並みの集積密度とＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）並みの高速性を持ち、且つ無制限にデータが書き換えられる画期的な次世代メモリとして世界から注目されている。
【０００３】
一般にＭＲＡＭに含まれる磁気抵抗効果素子の加工にエッチング技術が用いられる。この磁気抵抗効果素子の磁性膜のエッチングにおいて、難エッチング材であるＣｏやＦｅなどの磁性材料を効率良くエッチングするために、炭化水素などの炭素含有ガスを用いた反応性イオンビームエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５２７１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしこのイオンビームエッチング法において、特許文献１に示されるようにプロセスガスとして炭素含有ガスを用いた場合、プラズマ生成部に多量の炭素ポリマーが発生する。この多量の炭素ポリマーは、パーティクルの発生やプロセス再現性の劣化などの問題を引き起こす。
【０００６】
本発明はこの問題に鑑みなされたものであり、プラズマ生成部における炭素ポリマーの発生を低減し、且つ磁性膜に対して選択的にエッチング可能なイオンビームエッチング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のイオンビームエッチング装置は、上述した課題を解決するために、
プラズマ生成部と、
ガス供給源から、前記プラズマ生成部に基板上に形成された磁性膜をエッチングするための第１プロセスガスを導入するための第１のガス導入部と、
前記プラズマ生成部からイオンを引き出すためのグリッドと、
前記基板が載置される処理空間と、
を有するイオンビームエッチング装置であって、
前記処理空間に直接、前記ガス供給源から第２プロセスガスを導入するための第２のガス導入部を備え、
前記グリッドは、前記プラズマ生成部と前記処理空間との境界に設置されており、前記第１プロセスガス及び前記第２プロセスガスに対して耐性を有するチタンまたは炭化チタンで構成されているか、もしくはチタンまたは炭化チタンによって表面がコーティングされていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、磁気デバイスの磁性膜のイオンビームエッチングにおいて、イオンビームエッチング装置における炭素ポリマーの発生を低減してパーティクルの発生やプロセス再現性の劣化を抑制しつつ、磁性膜に対して選択的なエッチングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態を説明するための図である。
【図２】本発明により磁気抵抗効果素子の磁性膜をエッチングする工程を説明するための図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を説明するための図である。
【図４】本発明の第３の参考実施形態を説明するための図である。
【図５】本発明の第３の参考実施形態に係るイオンガンを説明するための図である。
【図６】本発明の第３の参考実施形態を説明するための図である。
【図７】本発明の第４の参考実施形態を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。尚、以下で説明する図面において、同機能を有するものは同一符号を付し、その繰り返しの説明は省略することもある。
【００１１】
図１は本発明のイオンビームエッチング装置の一実施形態の概略図を示す。イオンビームエッチング装置１００は処理空間１０１とプラズマ生成部１０２で構成されている。処理空間１０１には排気ポンプ１０３が設置されている。プラズマ生成部１０２には放電容器としてのベルジャ１０４、第１のガス導入部１０５、ＲＦアンテナ１０６、整合器１０７、電磁コイル１０８が設置されており、処理空間１０１との境界にはグリッド１０９が設置されている。プラズマ生成部１０２は、グリッド１０９、イオンビームエッチング装置１００の内壁及びベルジャ１０４などで区画される。
【００１２】
グリッド１０９は複数枚の電極から構成される。本発明では例えば３枚の電極によってグリッド１０９が構成されている。ベルジャ１０４側から順に第１電極１１５、第２電極１１６、第３電極１１７となっている。第１電極には正の電圧が、第２電極には負の電圧が印加されることで、電位差によってイオンが加速される。第３電極１１７は、アース電極とも呼ばれ接地されている。第２電極１１６と第３電極１１７との電位差を制御することにより、静電レンズ効果を用いてイオンビームの径を所定の数値範囲内に制御することができる。イオンビームはニュートラライザー１１３により中和される。
【００１３】
このグリッド１０９は本発明に用いるプロセスガス、即ち炭素含有ガスに対して耐性を持つ材質が好ましい。そのような材質としてモリブデンやチタン、炭化チタンが挙げられる。よって、グリッド１０９自体をモリブデン、チタン、炭化チタンのいずれかで構成するか、或いは、グリッド１０９の表面にモリブデン、チタン、炭化チタンのいずれかをコーティングすることにより、グリッド１０９の少なくとも表面を、モリブデン、チタン、炭化チタンのいずれかで構成することが好ましい。
【００１４】
処理空間１０１内には基板ホルダ１１０があり、基板１１１が静電吸着（ＥＳＣ）電極１１２上に載置される。第１のガス導入部１０５からガスを導入し、ＲＦアンテナ１０６に高周波を印加することでプラズマ生成部１０２内にガスのプラズマを発生させることができる。第１のガス導入部１０５には不図示のプロセスガスを溜めているボンベから不図示の配管、バルブ、流量調整器などが接続され、これらを介して、所定の流量のガスがプラズマ生成部１０２に導入される。そしてグリッド１０９に直流電圧を印加し、プラズマ生成部１０２内のイオンをビームとして引き出し、基板１１１に照射することで基板１１１の処理が行われる。引き出されたイオンビームは、ニュートラライザー１１３により電気的に中和され、基板１１１に照射される。また処理空間１０１には第２のガス導入部１１４が設けられており、プロセスガスを導入することができる。基板ホルダ１１０は、イオンビームに対して任意に傾斜することができる。また基板１１１をその面内方向に回転（自転）できる構造となっている。
【００１５】
この図１に示す装置を用いて、本発明のイオンビームエッチング方法により磁性デバイスの磁性膜のエッチング加工を行う。図２はイオンビームエッチング方法による磁気抵抗効果素子の磁性膜のエッチング工程を模式的に示したものである。
【００１６】
図２に示すように本実施形態における磁気抵抗効果素子に係る積層構造は、例えばシリコンやガラス等の基板２４の上に下部電極となる下地層２３が形成される。下地層２３の上に磁気抵抗効果素子を有する多層膜２２が形成されている。多層膜２２の上には、上部電極の役割を担うキャップ層２１が形成されている。図２にはフォトレジスト等を用いてパターニング処理が行われた後のキャップ層２１の状態を示す。キャップ層２１より上の層はエッチング法やエッチング対象物によって適宜選択されるものである。
【００１７】
下地層２３は、後の工程で下部電極に加工されるため、導電性の材質が用いられる。下地層２３としてはＴａやＴｉ、Ｒｕなどを用いることができる。
【００１８】
尚、本実施形態において多層膜とは磁気抵抗効果素子における基本構造を有するものをいう。基本構造とは、一対の強磁性層及び非磁性中間層から構成され、磁気抵抗効果を生じせしめる部分を指す。
【００１９】
多層膜２２の磁気抵抗効果素子は例えば、反強磁性層２２４（ＰｔＭｎ）、磁化固定層２２３（ＣｏＦｅＢ）、バリア層２２２（ＭｇＯ）、フリー層２２１（ＣｏＦｅＢ）が下から順に積層される。
【００２０】
キャップ層２１は、多層膜２２をエッチングする際にハードマスクとして用いられる。また、本実施形態においてキャップ層２１は、多層膜２２の加工後に上部電極として用いられるが、上部電極層はハードマスクと別に設けられていても良い。キャップ層２１としてはＴａ、Ｔｉもしくはこれらの導電性化合物であるＴａＮやＴｉＮ、ＴａＣ、ＴｉＣ等の単層膜又は積層膜を用いることができる。
【００２１】
特に、イオンビームエッチング時の多層膜２２との選択比の観点からＴａ及びその化合物が好ましい。
【００２２】
この図２（ａ）から図２（ｂ）に示す状態への加工において、本発明のイオンビームエッチング方法を用いて多層膜２２のエッチングを行う。この時のイオンビームエッチング装置の動作を、図１を用いて説明する。
【００２３】
先ず、ベルジャ１０４内に第１のガス導入部１０５より第１の炭素含有ガスを導入する。第１の炭素含有ガスとしては一酸化炭素や二酸化炭素、炭化水素、アルコールが用いられる。炭化水素としてはメタンやエタン、エチレン、アセチレンなどの炭素数が少ないガスが好適であり、アルコールとしてはメタノールやエタノールなどの低級アルコールが好適である。特にメタンやエタンなどのアルカンやアルコールは炭素ポリマーの生成量が少ないためより好適である。またこれらの混合ガスを用いても良い。第１の炭素含有ガスには、第１の炭素含有ガス以外にもアルゴンやクリプトン、キセノン、窒素などの不活性ガスや水素、炭素、酸素などが添加されていてもよい。
【００２４】
この第１の炭素含有ガスをベルジャ１０４内に導入し、プラズマを発生させる。そしてグリッドに電圧を印加して、プラズマからイオンを引き出すことでイオンビームを形成する。
【００２５】
この時、第１の炭素含有ガスの導入量は、ベルジャ１０４内に形成される炭素ポリマーによるベルジャ１０４の交換頻度等を考慮して選択される。
【００２６】
一方、処理空間１０１内に設けられた第２のガス導入部１１４からも第２の炭素含有ガスを導入する。第２のガス導入部１１４には不図示のプロセスガスを溜めているボンベから不図示の配管、バルブ、流量調整器などが接続され、これらを介して、所定の流量のガスが処理空間１０１に導入される。第２の炭素含有ガスとしては一酸化炭素や二酸化炭素、炭化水素、アルコールが用いられる。炭化水素としてはメタンやエタン、エチレン、アセチレンなどの炭素数が少ないガスが好適であり、アルコールとしてはメタノールやエタノールなどの低級アルコールが好適である。またこれらの混合ガスを用いても良い。
【００２７】
第２の炭素含有ガスは第２の炭素含有ガス以外にもアルゴンやクリプトン、窒素などの不活性ガスや炭素、酸素などが添加されていてもよい。また第１の炭素含有ガスと第２の炭素含有ガスは同じガスでも良い。その場合、イオンビームエッチング装置内の雰囲気をより均一にすることができるためプロセスの安定性が増す。また同一のガス供給源（ボンベ）を用いることが可能となる。
【００２８】
第２の炭素含有ガスを導入するタイミングは、第１のガスをプラズマ生成部１０２に導入して放電させ、イオンビームを形成した後でも良いし、予め処理空間に第２の炭素含有ガスを導入しておいても良い。
【００２９】
本発明はこのように処理空間１０１にも炭素含有ガスを導入することで、プラズマ生成部への炭素含有ガスの導入量を減らした場合でも、被処理基板と炭素含有ガスとの反応を促進させることが可能となる。また第２の炭素含有ガスは、基板１１１へ供給されるまでの間に、プラズマ生成部１０２を通過しない。この結果、プラズマ生成部に生じる炭素ポリマーを抑制しつつ、良好な選択比及びエッチングレートで磁性膜を加工することが可能となる。この時イオンビームを中和するためのニュートラライザー１１３とは別途の電子銃や電子源を用いて、電子もしくはエネルギーを第２の炭素含有ガスに導入することで反応性を高めることが可能である。
【００３０】
または、基板１１１をヒータによって加熱することで、第２の炭素含有ガス及び反応性イオンビームとの反応性を高めることもできる。
【００３１】
（第２の実施形態）
図３を用いて、第２の実施形態を説明する。
【００３２】
本実施形態では第１の実施形態と比較して、イオンビームエッチング装置１００の第２のガス導入部１１４の形状が異なる。図２に示すように、本実施形態における第２のガス導入部１１４はガスを噴射する部分が円環状になっており、基板の周囲から均一にガスを噴射できる構造となっている。このような形態を用いることで、基板面内の処理をより均一に行うことが可能となる。
【００３３】
（第３の参考実施形態）
図４〜図６を用いて、第３の参考実施形態を説明する。図４に示すように、本実施形態では処理空間１０１内にイオンガン１１９が設けられている。イオンガン１１９には第２のガス導入部１１４が接続されており、所定の流量のガスをイオンガン１１９の内部に導入可能となっている。
【００３４】
図５は本発明に係るイオンガン１１９の一例を示す図である。
【００３５】
図５において、３０１はアノード（陽極）、３０２はカソード（陰極）、３０３はアノード３０１とカソード３０２を絶縁するための絶縁体である。カソード３０２は筒形であり、一端がアノード３０１に対向して開口しており、他端は閉塞している。カソード３０２は内部にプラズマを形成するための中空部３０７を有する。カソード３０２の中空部の断面形状は一般に円状であるが、正八角形や正六角形など、プラズマが形成できる空間が存在すれば良い。アノード３０１及びカソード３０２は各々に所定の電圧を印加するために電源３０６に接続されている。３０４は中和器内に放電用ガスを導入するためのガス導入路であり、第２のガス導入部１１４よりガスがイオンガン１１９の内部に導入される。
【００３６】
第２のガス導入部１１４は処理空間１０１に直接導入され、そこから拡散してイオンガン１１９の放電部分にガスが供給されるようにしても良いが、イオンガン１１９の内部に直接導入したほうが処理空間１０１の真空度を低下させずに基板１１１の処理が可能となる。
【００３７】
さらに、処理空間１０１において、イオンガン１１９を基板１１１の中心軸を中心として対称に配置すると基板１１１のエッチング処理をより均一に行うことが可能となる。
【００３８】
イオンガン１１９内にガスを導入し、カソード３０２に負の電圧を印加することで、中空部３０７にプラズマが形成される。さらにアノード３０１に正の電圧を印加することでアノード３０１の開口部より負イオンが引き出される。
【００３９】
イオンガン１１９内に導入するガスとしては、イオンガン１１９内への膜堆積を抑制するために、不活性ガスと炭素含有ガスとの混合ガスが好ましい。
【００４０】
一例として、イオンガン１１９内部にＡｒとメタンの混合ガスを導入した場合を考える。この場合カソード３０２近傍でプラズマが形成され、該プラズマ中からＣＨ3-やＣＨ22-などの種々の負イオンが生成される。そしてこれらの負イオンはカソード３０２とアノード３０１の電位差により加速され、アノード３０１の開口部より引き出される。
【００４１】
イオンガン１１９内に導入するガスとしては、上述の他の実施形態と同様に一酸化炭素や二酸化炭素、炭化水素、アルコールが用いられる。
【００４２】
アノード３０１及びカソード３０２には、例えば、耐熱性や耐スパッタ性を考慮してチタンが用いられる。但し、イオンガン１１９内に導入するガスとの反応性等を考慮して材質を変更しても良い。
【００４３】
イオンガン１１９は上述した構成に限らず、他の形態を用いても良い。例えばアノード３０１とカソード３０２を逆に構成し、正イオンを引き出すように構成しても良い。またホロータイプの電極以外を用いてプラズマを形成しても良い。
【００４４】
ところで、基板ホルダ１１０はグリッド１０９に対して任意の角度に傾斜可能に構成される。従ってイオンガン１１９の位置と基板１１１の傾斜角度によって、イオンガン１１９から基板１１１に照射されるイオンの量が変化する。また基板１１１内の各点におけるイオンの照射量も変化する。
【００４５】
この点について、図６に示すように、基板ホルダ１１０上に、載置台１２１を設け、載置台１２１上にイオンガン１１９を設けて基板ホルダ１１０とイオンガン１１９を一体とすることで、基板１１１の傾斜角度が変化した場合でも、イオンガン１１９からのイオンの照射量の変化を低減することができる。
【００４６】
また基板ホルダ１１０とイオンガン１１９が一体でなくとも、基板ホルダ１１０の傾斜角度を変更する際の回転軸近傍にイオンガン１１９を設けることで、基板１１１の傾斜角度が変化した場合でも、イオンガン１１９からのイオンの照射量の変化を低減することができる。
【００４７】
もしくはイオンガン１１９を基板ホルダ１１０上に載置し、基板１１１と一体に傾斜するようにすると、基板１１１の傾斜角度に寄らず、イオン照射量を一定とすることが可能となる。その際、基板１１１へのイオンの照射角度を最適化するために、基板ホルダ１１０とイオンガン１１９の間に適宜スペーサを設けてもよい。
【００４８】
（第４の参考実施形態）
図７に示すように、第２のガス導入部１１４とイオンガン１１９に加えて、さらに第３のガス導入部１２０を設けて第３の炭素含有ガスを導入しても良い。このような構成とすることで、第２のガス導入部１１４からイオンガン１１９内に導入する第２の炭素含有ガスの導入量を低減させた場合でも、反応性の低下を抑制することができる。またイオンガン１１９内に導入する炭素含有ガスの導入量を低減できるため、イオンガン１１９内に形成される炭素ポリマーの量を低減しつつ基板１１１の処理が可能となる。
【００４９】
第３の炭素含有ガスとしては一酸化炭素や二酸化炭素、炭化水素、アルコールが用いられる。炭化水素としてはメタンやエタン、エチレン、アセチレンなどの炭素数が少ないガスが好適であり、アルコールとしてはメタノールやエタノールなどの低級アルコールが好適である。特にメタンやエタンなどのアルカンやアルコールは炭素ポリマーの生成量が少ないためより好適である。またこれらの混合ガスを用いても良い。第３の炭素含有ガスには、第３の炭素含有ガス以外にもアルゴンやクリプトン、キセノン、窒素などの不活性ガスや水素、炭素、酸素などが添加されていてもよい。
【００５０】
このように本発明では、ベルジャ１０４内に導入する第１の炭素含有ガスに加え、処理空間１０１内にも第２の炭素含有ガスを導入している。このためベルジャ１０４内に導入する炭素含有ガスの導入量を少なくした場合にも、キャップ層２１に対して多層膜２２が選択的にエッチングされ、且つベルジャ１０４内への炭素ポリマーの生成を低減させることが可能となる。
【００５１】
上述した実施形態では、磁気抵抗効果素子の磁性膜のエッチング加工について述べたが、本発明はこれ以外の磁気デバイスにおける磁性膜のエッチング加工にも有効である。具体的な例としては、磁気ヘッドの書き込み部を形成するための磁性膜のエッチングや、ＤＴＭ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｔｒａｃｋ  Ｍｅｄｉａ）及びＢＰＭ（Ｂｉｔ  Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｍｅｄｉａ）などの磁気記録媒体を製造するための磁性膜のエッチングなどが挙げられる。
【符号の説明】
【００５２】
２１：キャップ層、２２：多層膜、２３：下地層、２４：基板、１００：イオンビームエッチング装置、１０１：処理空間、１０２：プラズマ生成部、１０３：排気ポンプ、１０４：ベルジャ、１０５：第１のガス導入部、１０６：ＲＦアンテナ、１０７：整合器、１０８：電磁コイル、１０９：グリッド、１１０：基板ホルダ、１１１：基板、１１２：ＥＳＣ電極、１１３：ニュートラライザー、１１４：第２のガス導入部、１１５：第１電極、１１６：第２電極、１１７：第３電極、１１９：イオンガン、１２０：第３のガス導入部、１２１：載置台、２２１：フリー層、２２２：バリア層、２２３：磁化固定層、２２４：反強磁性層、３０１：アノード、３０２：カソード、３０３：絶縁体、３０４：ガス導入路、３０６：電源
【図１】
0005922751.tif 000002
【図２】
0005922751.tif 000003
【図３】
0005922751.tif 000004
【図４】
0005922751.tif 000005
【図５】
0005922751.tif 000006
【図６】
0005922751.tif 000007
【図７】
0005922751.tif 000008