(57)【要約】【課題】エッチング損傷を減少させるべくドライエッチングを用いて磁気素子を製造する。【解決手段】磁気素子の製造方法と装置を提供する。素子の磁性及び／又は非磁性層はＴａのような非有機材マスクを用いＮ２のような不活性ガスと水素ガスの混合ガスによりエッチングされる。結果として、研究例ではＭＴＪテーパ角はほぼ垂直である。【選択図】図１
2011014881.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性層又は反磁性層を含む構造体を準備する工程と、
非有機材料のマスクを用い、前記磁性層又は反磁性層をドライエッチングするための炭化水素ガス及び不活性ガスの混合ガスのプラズマにより前記構造体を処理する工程と、
を有することを特徴とする磁気素子の製造方法。
【請求項２】
前記エッチングは、アルケンガス、アルカンガス、アルキンガス、アレンガス、アミンガス、ニトリルガスを含むガス、これらのガスの組合せ、これらのガスと他のガスの組合せにより実行されることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子の製造方法。
【請求項３】
前記不活性ガスは、窒素ガス、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ又はＫｒを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子の製造方法。
【請求項４】
前記混合ガスは、エチレンガス及び窒素ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気素子の製造方法。
【請求項５】
前記非有機系材料からなるマスク材は、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかの単層膜又は積層膜からなるマスク材、又は、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかの酸化物又は窒化物の単層膜又は積層膜からなるマスク材であることを特徴とする請求項１に記載の磁気素子の製造方法。
【請求項６】
前記混合ガスは、不活性ガスが全量に対して０体積％以上９５体積％以下の範囲で含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の磁気素子の製造方法。
【請求項７】
磁性材料又は反磁性材料を成膜する成膜装置と、
基板ホルダ、ガス導入手段、排気手段、前記ガス導入手段により導入するガスのプラズマを生成するためのプラズマ生成手段、前記基板ホルダに前記プラズマ中のイオンを引き込む電界を形成するためのバイアス印加手段、及び、コントローラを有するドライエッチング装置と、を備え、
前記コントローラは、前記ガス導入手段を介して炭化水素及び不活性ガスを含む混合ガスを導入し、プラズマ生成手段を介して混合ガスのプラズマを生成し、前記バイアス印加手段によって不活性ガスのイオンを引き込んでドライエッチングを実行させることを特徴とする磁気素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ドライエッチングを含む磁気素子の製造方法に関するものである。さらに詳しくは、ＦｅＮｉ、ＣｏＦｅ、ＦｅＭｎ、ＣｏＰｔ、ＣｏＦｅＢ、ＰｔＭｎ、及び、ＩｒＭｎ等の磁性材料（以後、「磁性材料」の語は強磁性及び反強磁性材料に対して使用する。）の薄膜又は積層膜の微細加工に有用なドライエッチング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁性材料を用い、ＤＲＡＭ並の集積密度でＳＲＡＭ並の高速性を持ち、かつ無制限に書き換え可能な不揮発性のメモリとして集積化磁気メモリであるＭＲＡＭ（magnetic random access memory）やＳＴＲＡＭ（spin transfer random access memory）などのようなランダムアクセスメモリが注目されている。又、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）やＴＭＲ（トンネリング磁気抵抗）といった磁気抵抗素子を構成する薄膜磁気ヘッドや磁気センサー等の開発が急速に進んでいる。
これまで、磁性材料のエッチング加工には、イオンミリングがよく使われてきた。しかし、イオンミリングは物理的なスパッタエッチングであるため、マスクとなる各種材料に対する選択性がとりにくく、加工形状も被エッチング材料の裾がテーパ状になるなどの課題が生じていた。そのため、特に微細な加工技術が求められる大容量のＭＲＡＭの製造には向かず、３００ｍｍの大面積基板で均一性をよく加工することが難しく、歩留まりが上がらないのが現状であった。
【０００３】
このようなイオンミリングに代わり半導体産業で培われてきた技術が導入され始めている。
そのなかでアフターコロージョンの発生がなくかつ強磁性材料の加工に有効なＮＨ３＋ＣＯ系ガス（特許文献１）によるエッチングやＣＨ３ＯＨガス（特許文献２）によるエッチングが積極的に行われている。しかしこれらの反応ガスによるエッチングでは磁性材料の加工面が酸化反応をするため、加工後の磁気特性が劣化する問題があった。
【０００４】
これまでのＭＲＡＭ素子あるいはＴＭＲセンサー素子ではジャンクション面積が比較的大きかった為、磁性材料加工面の酸化によるダメージ層の磁気特性に与える影響が大きくなかったが、ジャンクション面積が小さくなるにしたがって加工面の酸化層（ダメージ層）の影響が無視できなくなってきた。今後更に微細加工が進むに従い、この問題はますます重要な影響を与え正常な素子特性が得られなくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２５３８８１号公報
【特許文献２】特開２００５−４２１４３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明は、非有機材料をマスク材として磁性材料をエッチングする場合に、磁性材料加工面を酸化しないガスを使用することによって、磁気特性を劣化させてしまうエッチングダメージを減少させることができるドライエッチングを採用した磁気素子の製造方法と装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、この発明が提案するドライエッチングは、炭化水素ガス及び不活性ガスの混合ガスを使用し、非有機系材料からなるマスク材を用いて磁性材料又は反磁性材料をエッチングするドライエッチング方法である。
前記のエッチングガスの例は、エチレン（Ｃ２Ｈ４）ガス及び窒素（N2）ガスとの混合ガスからなる。
【０００８】
また、非有機系材料からなるマスク材は、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかの単層膜又は積層膜からなるマスク材、又は、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかの酸化物又は窒化物の単層膜又は積層膜からなるマスク材とすることができる。
例えば、単体元素であるＴａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかの単層膜又は積層膜をマスク材として使用することができる。また、Ｔａ、Ｔｉ、Ａｌ、Ｓｉのいずれかの酸化物又は窒化物であるＴａ酸化物、Ｔｉ酸化物、Ａｌ２Ｏ３等のＡｌ酸化物、ＳｉＯ２等のＳｉ酸化物、ＴａＮ、ＴｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＮ等の単層膜又は積層膜をマスク材として使用することができる。
【０００９】
前述した本発明の採用するドライエッチング方法において、エッチングされる磁性材料の温度は２５０℃以下の範囲に保持して行うことが望ましい。極薄の磁性薄膜に対して不必要な熱的ダメージを与えないようにするためであり、より好ましい温度範囲は２０〜１００℃である。また、前述した本発明の採用するドライエッチング方法において、真空度０．００５〜１０Ｐａの範囲でエッチングを行うことが望ましい。この圧力範囲であれば、異方性よく加工できる。更に、前述した本発明のドライエッチング方法において、エッチングガスに添加ガスとして、不活性ガスを添加する。これらはいずれも単独で添加してもよいし、これらのグループの中から任意に組み合わせて添加してもよい。不活性ガスはエッチングガスに対して０体積％以上９５体積％以下の範囲で添加することが望ましい。不活性ガスとしては、Ｈｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒなどの希ガスのほか、ここでは窒素ガスも不活性ガスとして定義する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の採用するドライエッチング方法によれば、非有機材料からなるマスク材を用いて磁性材料をエッチングする場合に、アフターコロージョン処理が不要であると同時に、エッチング装置に対する耐腐食性を特別に考慮しなくてよくなる。
また、本発明のドライエッチング方法によれば、非有機材料からなるマスク材を用いて磁性材料をエッチングする場合に、エッチングによる加工表面の酸化を抑えることにより磁気特性を劣化させてしまうエッチングダメージを減少させることができる。
そこで、本発明によれば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｆｅ−Ｍｎ系合金、Ｃｏ−Ｐｔ系合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｐｔ系合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ系合金、Ｃｏ−Ｐｄ系合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金の単層膜又は積層膜からなる強磁性薄膜の微細加工に有用なドライエッチング方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の方法に使用可能なエッチング装置の概略構成図。
【図２Ａ】本発明によるエッチング処理前のＭＴＪ素子構造の実施例を示す図。
【図２Ｂ】図２Ａの構造にＴａマスクを形成した図。
【図２Ｃ】図２ＢのＴａマスクを用いて、本発明によるエッチング処理により加工されたＭＴＪ素子の実施例を示す図。
【図３Ａ】本発明のガスで放電した時の発光分光分析の図。
【図３Ｂ】ＣＨ3ＯＨガスで放電した時の発光分光分析の図。
【図４】本発明の方法を用いて加工したＭＴＪ素子のＳＥＭ像。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明実施例では、図１に示すようなＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）プラズマ源搭載のエッチング装置を用いている。本装置においてエチレン（Ｃ２Ｈ４）と窒素（Ｎ２）の混合ガスのエッチングガスにより、Ｔａのマスクを用い、図２Ａ〜図２Ｃに示すＭＴＪ素子に対してエッチングを行っている。
【００１３】
図２Ａ〜図２ＣはＭＴＪ（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｔｕｎｎｅｌ  ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子の基本的な構造の一例を示すものであり、図２Ａに示すような構造状態でエッチング装置に導入される。具体的には、図２ＡのＳｉ基板Ｓに、Ｔａ層６９、ＰｔＭｎからなる反強磁性層６８、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの３層からなる磁化固定層６７、酸化マグネシウムやアルミナ等からなる絶縁層６６、ＮｉＦｅ／Ｒｕ／ＮｉＦｅからなる磁化自由層６５を積層する。さらに、その上にＲｕからなる上部電極層６４、金属マスク層であるＴａ層６３、反射防止層（ＢＡＲＣ層）６２を積層し、その上にホトレジスト層（ＰＲ層）６１が所定パターンで形成されている〔図２Ａ〕。なお、ＭＴＪ素子の膜構成や材料は、図２Ａに示すものに限定されず、少なくとも絶縁層とこの両側に形成される強磁性層からなるＴＭＲ膜を含むものであればよい。例えば、磁化自由層及び磁化固定層を構成する強磁性層は、上述のＮｉＦｅやＣｏＦｅのほか、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｃｏ−Ｆｅ系合金、Ｆｅ−Ｍｎ系合金、Ｃｏ−Ｐｔ系合金、Ｎｉ−Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｃｒ系合金、Ｃｏ−Ｐｔ系合金、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ系合金、Ｃｏ−Ｐｄ系合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ系合金の単層膜又は積層膜であってよい。
【００１４】
まず、図２Ａ図示の構成のＭＴＪ素子に対して、ＣＦ４ガスを用いて、ＰＲ層６１をマスクとして、Ｔａ層６３をエッチングし、図２Ｂに示すように所定パターンに加工した。このプロセスは具体的には、以下のように行った。
【００１５】
図１図示の真空容器２内を排気系２１によって排気し、不図示のゲートバルブを開けて図２Ａ図示の構成のＭＴＪ素子となるＴＭＲ膜を積層したウェーハ９を真空容器２内に搬入し、基板ホルダー４に保持し、真空容器２内を温度制御機構４１により所定温度に維持した。次に、ガス導入系３を動作させ、図１には不図示のＣＦ４ガスを溜めているボンベ３１から、バルブ３３、流量調整器３４を介して、所定の流量のエッチングガス（ＣＦ４）を真空容器２内へ導入する。配管２１は排気系である。導入されたエッチングガスは、真空容器２内を経由して誘電体壁容器１１内に拡散する。ここで、プラズマ源１を動作させる。プラズマ源１は、真空容器２に対して内部空間が連通するようにして気密に接続された誘電体壁容器１１と、誘電体壁容器１１内に誘導磁界を発生する１ターンのアンテナ１２と、アンテナ１２に不図示の整合器を介して伝送路１５によって接続されアンテナ１２に供給する高周波電力（ソース電力）を発生させるプラズマ用高周波電源１３と、誘電体壁容器１１内に所定の磁界を生じさせる電磁石１４等とから構成されている。プラズマ用高周波電源１３が発生させた高周波が伝送路１５によってアンテナ１２に供給された際に、１ターンのアンテナ１２に電流が流れ、この結果、誘電体壁容器１１の内部にプラズマが形成される。なお、真空容器２の側壁の外側には、多数の側壁用磁石２２が、真空容器２の側壁を臨む面の磁極が隣り合う磁石同士で互いに異なるように側壁周囲に多数並べて配置され、これによってカスプ磁場が真空容器２の側壁の内面に沿って周囲方向に連なって形成され、真空容器２の側壁の内面へのプラズマの拡散が防止されている。この時、同時に、バイアス用高周波電源５を作動させて、エッチング処理対象物であるウェーハ９に負の直流分の電圧であるセルフバイアス電圧が与えられ、プラズマからウェーハ９の表面へのイオン入射エネルギーを制御している。前記のようにして形成されたプラズマが誘電体壁容器１１から真空容器２内に拡散し、ウェーハ９の表面付近にまで達する。この際、ウェーハ９の表面がエッチングされる。
【００１６】
なお、以上のＣＦ４を用いたＰＲ層６１によるＴａ層６３形成のエッチングプロセスは、例えば以下の条件であった。
エッチングガス（ＣＦ４）の流量：５０ｓｃｃｍ
ソース電力  ：５００Ｗ
バイアス電力：７０Ｗ
真空容器２内の圧力：０．８Ｐａ
基板ホルダー４の温度：４０℃
【００１７】
次に、炭化水素ガスと不活性ガスの混合ガスをエッチングガスとして用いて、前記のプロセスによって形成されたＴａ層６３をマスク材としてＴＭＲ膜を含む層６４〜６９をエッチングし、図２Ｃに示すように所定パターンに加工した。
このプロセスも、図１図示のＩＣＰプラズマ源搭載のエッチング装置を用いて行うものであるが、前記のプロセスにおいて、図示しないガス切り替え機構により、ＣＦ４ガスの導入系から図示しないガス導入系に切替えを行う。そして、炭化水素ガス及び磁性材料を酸化させない不活性ガスの混合ガスを流量調整器を介して、所定の流量真空容器２内へ導入し、他は、前述のプロセスと同様にエッチングを行い、ＭＴＪ素子を得た。
【００１８】
炭化水素ガスとしては、エチレン（Ｃ２Ｈ２）やプロピレン（Ｃ３Ｈ６）などのアルアルケン、エタン、プロパン、ブタンといったアルカン、アセチレンなどのアルキン、ベンゼンなどのアレン、メチルアミンなどのアミン、及びニトリルを使用できる。
また、不活性ガス（「添加ガス」と記すこともある）としては、例えば、Ｎ２ガスやＨｅ、Ａｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｋｒなどのガスを単独で又は混合して利用することができる。不活性ガスとして窒素ガスを用いると、基板上の有機材料の量を適切にコントロールできるので好ましい。
ドライエッチのために真空容器内に導入するガスは、酸素及びハロゲンを含まない。
【００１９】
本発明においては、不活性ガスイオンを被処理物に引き込むことによる物理スパッタと、炭化水素ガスに由来する炭素化合物の被処理面への堆積反応と、を主に利用して選択的なエッチングを行う。つまり、物理スパッタされにくいマスク層に炭素化合物が堆積すると、さらにエッチングされにくい面となり、マスク層と磁性層のエッチングレートに差が生じる。これにより、選択的なエッチングが行われ、素子の酸化等による劣化を伴うことなく、所定形状への加工が可能である。
従って、それぞれの添加ガスにより最適添加量は異なるが、総じて、エッチングガス全量に対し０体積％以上９５体積％以下の範囲で使用可能である。一方、添加ガスの量が９５体積％を超えると、マスク層と磁性層のエッチングレートの差が小さくなり、エッチングの選択性が劣化する。
【００２０】
以上、この発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から把握される技術的範囲において、種々の形態に変更可能である。
例えば、エッチング装置としては、図１図示の１ターンのアンテナを有するＩＣＰ型プラズマ装置に限らず、いわゆる高密度プラズマ源と呼ばれるヘリコン型プラズマ装置、２周波励起平行平板型プラズマ装置、マイクロ波型プラズマ装置等を利用することができる。また、本発明は、ＲＩＢＥ（反応性イオンビームエッチング）にも適用可能である。
また、ＴＭＲデバイスに限定されず、本発明をＧＭＲデバイスにも適用可能である。また磁気センサー素子へも利用することができる。加えて、本発明は、１以上の磁性層を有する全てのデバイスに適用可能である。
【００２１】
前述した本発明の方法によるエチレン（Ｃ２Ｈ４）と窒素（Ｎ２）ガスのエッチングガスについて、プラズマの発光分光分析を行った。また同様に従来技術で用いられているメタノール（ＣＨ３ＯＨ）エッチングガスのプラズマ発光分光分析を行い比較した。
【００２２】
（本発明のエッチングガスのプラズマ発光）
エチレン（Ｃ2Ｈ4）と窒素（Ｎ2）の流量：１８ｓｃｃｍ／１２ｓｃｃｍ
ソース電力：１８００W
バイアス電力：１６００W
真空容器２内の圧力：１．０Ｐａ
【００２３】
（ＣＨ3ＯＨエッチングガスのプラズマ発光）
エッチングガス（ＣＨ3ＯＨガス）の流量：１５ｓｃｃｍ
ソース電力：１５００Ｗ
バイアス電力：１３００Ｗ
真空容器２内の圧力：０．４Ｐａ
【００２４】
この比較の結果は以下の図３Ａと図３Ｂに示す。図３Ｂのプラズマ発光分光分析ではＣＨ３ＯＨガスによるプラズマ分光ではO、ＯＨ、等の酸化を促進する発光スペクトルが見られる、これらはＣＨ３ＯＨが分解して発生しているものと考えられる。一方図３ＡのＣ２Ｈ４とＮ２ガスのプラズマ発光ではＣＨやＣＮ及びＮのピークが沢山発生しているが、ＯやＯＨのピークは発生していない。よってＣ２Ｈ４とＮ２ガスプラズマによる磁性材料のエッチング処理では、加工表面を酸化させるような反応種（reactive species）は発生していないことがわかった。
【００２５】
本発明のドライエッチング方法によってエッチング処理した場合のエッチング特性と、ＣＨ３ＯＨ系ガスでエッチング処理した場合のエッチング特性について比較検討した。
図１図示の装置を用い、図２図示のＭＴＪ素子のエッチング加工を行い、エッチング特性の比較を行った。
この比較試験プロセス条件はそれぞれ以下の通りである。
【００２６】
（本発明の方法）
エチレン（Ｃ２Ｈ４）と窒素（Ｎ２）の流量：２１ｓｃｃｍ／９ｓｃｃｍ
ソース電力：１８００Ｗ
バイアス電力：１６００Ｗ
真空容器２内の圧力：１．０Ｐａ
基板ホルダー４の温度：４０℃
【００２７】
（比較例）
エッチングガス（ＣＨ３ＯＨガス）の流量：１５ｓｃｃｍ
ソース電力：１５００Ｗ
バイアス電力：１３００Ｗ
真空容器２内の圧力：０．４Ｐａ
基板ホルダー４の温度：４０℃
【００２８】
この比較試験の結果を以下の表にまとめた。
【表１】
2011014881.tif 000003
【００２９】
ＮｉＦｅのエッチングレート、エッチング速度の面内均一性及びＴａマスクとの選択比は、本発明のエチレン（Ｃ２Ｈ４）と窒素（Ｎ２）によるエッチング特性とメタノール（ＣＨ３ＯＨ）のエッチング特性はほぼ同等な値を示した。ＭＴＪのエッチング形状については本発明のエチレン（Ｃ２Ｈ４）と窒素（Ｎ２）によるエッチングはメタノール（ＣＨ３ＯＨ）のエッチングよりも更に垂直に近いＭＪＴテーパ角度が得られた。このことは今後デバイスの微細化に伴いＭＴＪ素子サイズが小さくなった場合に有効であることを示している。
【００３０】
図４には、本発明のエチレン（Ｃ２Ｈ４）と窒素（Ｎ２）によるエッチングで得られたＭＴＪ素子形状のＳＥＭ像の斜め上面像（左）と断面像（右）を示す。側壁へのリデポやエッチング面の残渣もなく良好なエッチング形状が得られた。さらにエッチング処理後のコロージョン発生もなかった。
【００３１】
各種の添加不活性ガスを用い、添加量の下限を検討する試験を行った。その結果、添加ガスの下限は、エチレンガス流量、チャンバ圧、ソース電力、バイアス電力等の他の処理条件に依存することが分かった。いくつかのケースでは、添加ガスを用いないでもエッチングが可能だった。また、他の炭化水素ガスを用いた場合、添加ガスの下限は異なると考えられる。
【００３２】
本発明にかかるエチレン（Ｃ２Ｈ４）及び窒素（Ｎ２）を用いたエッチング処理によるＮｉＦｅ膜の磁化損失についても試験し、ＣＨ３ＯＨ処理と比較した。本発明にかかるエチレン（Ｃ２Ｈ４）及び窒素（Ｎ２）を用いたエッチング処理後の膜の最初の（エッチングしていない）膜と比較した磁化変化は、ＣＨ３ＯＨ処理後の磁化変化よりも非常に小さかった。
さらに、本発明のエチレン（Ｃ２Ｈ４）及び窒素（Ｎ２）を用いたエッチング処理は、磁性材料でない材料もエッチングできることが確認された。例えば、ＳｉＯ２，Ａｌ２Ｏ３，ＭｇＯ，Ｎｂ２Ｏ５，ＺｒＯ２，ＮｉＯ，ＰｒＣａＭｎＯ，ＣｒドープされたＳｒＺｒＯ３，ＶドープされたＳｒＺｒＯ３，ＰｂＺｒＴｉＯ３，ＣｕＯ，ＬａＮｉＯ，ＨｆＯｘ，ＢｉＯｘなどの酸化物、Ｓｉ，Ｒｕ，Ｃｕ，Ｆｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｐｔ，Ａｕ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｅなどの単元素、Cu-N合金,Pt-Mn合金,Ir-Mn合金,Ni-Fe-Cr合金,Ni-Cr合金などの合金材料である。
また、本発明は、単層、又は、非磁性及び／又は磁性材料の積層のエッチングにも適用できる。例えば、本発明で記述したプロセスは、パターン磁気記録媒体（例えば、ＢＰＭ（Ｂｉｔ  Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ  Ｍｅｄｉａ），ＤＴＭ（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ  Ｔｒａｃｋ  Ｍｅｄｉａ））にも適用可能である。
【図１】
2011014881.tif 000004
【図２Ａ】
2011014881.tif 000005
【図２Ｂ】
2011014881.tif 000006
【図２Ｃ】
2011014881.tif 000007
【図３Ａ】
2011014881.tif 000008
【図３Ｂ】
2011014881.tif 000009
【図４】
2011014881.tif 000010
【外国語明細書】
1.Title of Invention
PROCESS AND APPARATUS FOR FABRICATING MAGNETIC DEVICE
2.Background of The Invention
Field of the Invention
[0001]
The present invention relates to a process of fabricating a magnetic device, which includes a dry etching method.  More specifically, the present invention relates to the dry etching method which is useful for micro processing for a film or a stack of films of magnetic material(s) (hereinafter the term ’magnetic material’ is used for ferromagnetic, ferromagnetic, and antiferromagnetic material) such as FeNi, CoFe, FeMn, CoPt, CoFeB, PtMn, and IrMn.
Related Background Art
[0002]
The random access memories, such as MRAM (magnetic random access memory) and STRAM (spin transfer random access memory), that use magnetic materials have received attention as a memory which has the same level of high integration density as a DRAM and the same level of a high speed performance as an SRAM, and is nonvolatile and unlimitedly rewritable.  Similarly, a thin-film magnetic head which constitutes a magnetic resistance device such as a GMR (giant magneto-resistance) and a TMR (tunneling magneto-resistance), a magnetic sensor and the like have been rapidly developed.
Up to now, an ion milling method has been often employed as an etching process for a magnetic material.  However, since the ion milling method is a physical sputter etching process, it is difficult to selectively etch different materials. The ion milling also has a problem that after etching, the profile has a tapered or skirt-like shape.  Therefore, the ion milling method has not been suitable particularly for a manufacture of an MRAM having a large capacity, for which a fine processing technology is needed. Additionally, the ion milling has difficulty in processing a substrate having a large area of 300 mm with a high uniformity and therefore difficulty in enhancing yield, under present circumstances.
[0003]
In place of such an ion milling method, technologies are starting to be introduced which have been nurtured in a semiconductor industry.  Among the technologies, etching processes are positively developed, which use an NH3+CO-based gas that is effective for processing a ferromagnetic material without forming after-corrosion (Japanese Patent Application Laid-Open No. H8-253881), and which use a CH3OH gas (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-42143).  However, the etching processes by using these reactant gases cause an oxidation reaction on the processed surface of the magnetic material, and accordingly caused a problem that the magnetic properties were deteriorated after the magnetic material was processed.
[0004]
A conventional MRAM device or TMR sensor device has had a comparatively large junction area, so that a damaged layer due to the oxidation of the processed surface on the magnetic material has not given a large influence to the magnetic properties.  However, as the junction area becomes smaller, the influence due to the oxidation layer (damaged layer) formed on the processed surface cannot be neglected.  As the micro processing will further progress in the future, this problem will increasingly give an important influence to the magnetic properties, so that normal device characteristics may not be obtained.
SUMMARY OF THE INVENTION
[0005]
An object of the present invention is to provide a process of fabricating a magnetic device, which uses a dry etching method that can reduce an etching damage that can deteriorate the magnetic characteristics by using a gas which does not oxidize the processed surface of a magnetic material, when etching the magnetic material while using a non-organic material as a mask material, and to provide an apparatus therefore.
[0006]
In order to achieve the above described object, this invention proposes a dry etching method for etching a magnetic material(s) by using a mixture gas of a carbon hydride gas and an inert gas, and by using a mask made from a non-organic material.
An example of the above described etching gas is a mixture gas of ethylene (C2H4) gas and nitrogen (N2) gas.
[0007]
A mask made from the non-organic material can employ a mask material made of a single film or a stacked film of any of Ta, Ti, Al and Si, or a mask material made from a single film or a stacked film of an oxide or a nitride of any of Ta, Ti, Al and Si.
A mask material can employ, for instance, a single film or a stacked film made from any of Ta, Ti, Al and Si which are single elements.  The mask material also can employ a single film or a stacked film made from Ta oxide, Ti oxide, Al oxide such as Al2O3, Si oxide such as SiO2, TaN, TiN, AlN, SiN and the like, which are an oxide or a nitride of any of Ta, Ti, Al and Si. The mask materials can also employ a stack of any combination of single elemental film, oxide film, and/or nitride film.
[0008]
In the above described dry etching method which is adopted in the present invention, the magnetic material is etched while the temperature of the magnetic material is kept desirably in a range of 250℃ or lower.  This is because of preventing the magnetic thin film which is extremely thin from receiving an unnecessary thermal damage.  The more preferable temperature is in a range from 20 to 100℃.  In the above described dry etching method which is adopted in the present invention, the magnetic material is etched desirably in a vacuum in a range from 0.005 Pa to 10 Pa.  This pressure range can process the magnetic material with excellent anisotropy.  In the above described dry etching method according to the present invention, one or more inert gases can be added to an etching gas as an additive gases.  It is desirable to add the inert gas or gases in a range of 0% by volume or more but 95% by volume or less into the etching gas.  The inert gas or gases to be defined here include nitrogen gas in addition to a rare gas such as He, Ar, Ne, Xe and Kr.
[0009]
When a magnetic material is etched by using a dry etching method which is adopted in the present invention and a mask made from a non-organic material, the necessity for after-corrosion treatment is eliminated, and the corrosion resistance of an etching apparatus is not necessary to be particularly considered.
In addition, the dry etching method according to the present invention can reduce an etching damage which occurs when the magnetic material is etched by using the mask made from the non-organic material, and results in deteriorating magnetic characteristics, by inhibiting the processed surface from being oxidized during the etching process.
Thus, the present invention can provide a dry etching method which is useful for micro processing for a ferromagnetic thin film made of a single film or a stacked film of an Fe-Ni-based alloy, a Co-Fe-based alloy, an Fe-Mn-based alloy, a Co-Pt-based alloy, an Ni-Fe-Cr-based alloy, a Co-Cr-based alloy, a Co-Pt-based alloy, a Co-Cr-Pt-based alloy, a Co-Pd-based alloy and a Co-Fe-B-based alloy.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
[0010]
FIG. 1 is a schematic block diagram of an etching apparatus which can be used in a method according to the present invention.
FIG. 2A is a view illustrating an exemplary embodiment of an magnetic tunnel junction (MTJ) device structure according to the present invention, which is not yet etched.
FIG. 2B is a view in which a Ta mask is formed on the structure of FIG. 2A.
FIG. 2C is a view illustrating an exemplary embodiment of an MTJ device which is fabricated through etching treatment according to the present invention with the use of the Ta mask of FIG. 2B.
FIG. 3A is a view of an emission spectral analysis when an electric discharge was caused in a gas according to the present invention.
FIG. 3B is a view of an emission spectral analysis when an electric discharge was caused in CH3OH gas.
FIG. 4 is an SEM image of an MTJ device which has been processed with a method according to the present invention.
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
[0011]
The exemplary embodiment according to the present invention uses an etching apparatus which is provided with an ICP (Inductive Coupled Plasma) source as illustrated in FIG. 1.  In the present apparatus, an MTJ device as illustrated in FIG. 2A to FIG. 2C is etched by using an etching gas which is a mixture gas of ethylene (C2H4) and nitrogen (N2), and a Ta mask.
[0012]
FIG. 2A to FIG. 2C illustrate one example of a basic structure of an MTJ (magnetic tunnel junction) device.  The MTJ device in a state having a structure as illustrated in FIG. 2A is introduced into an etching apparatus.  The structure is formed specifically by stacking a Ta layer 69 on an Si substrate S in FIG. 2A; a antiferromagnetic layer 68 made from PtMn, a magnetic pinned layer 67 made from three layers of CoFe/Ru/CoFe, an insulating layer 66 made from magnesium oxide, alumina or the like, and a magnetic free layer 65 made from NiFe/Ru/NiFe thereon; and further an upper electrode layer 64 made from Ru, a Ta layer 63 which is a metal mask layer, an antireflection layer (BARC layer) 62 thereon, and a photoresist layer (PR layer) 61 formed thereon so as to have a predetermined pattern [FIG. 2A].  The film structure and materials of the MTJ device are not limited to the one illustrated in FIG. 2A, and may include a TMR film which is constituted at least by an insulating layer and ferromagnetic layers formed on both sides thereof.  For instance, the ferromagnetic layer which constitutes a magnetic free layer and a magnetic pinned layer may be a single film or a stacked film of an Fe-Ni-based alloy, a Co-Fe-based alloy, an Fe-Mn-based alloy, a Co-Pt-based alloy, an Ni-Fe-Cr-based alloy, a Co-Cr-based alloy, a Co-Pt-based alloy, a Co-Cr-Pt-based alloy, a Co-Pd-based alloy and a Co-Fe-B-based alloy, in addition to the above described NiFe and CoFe.
[0013]
The MTJ device having a structure illustrated in FIG. 2A was processed so as to have a predetermined pattern as illustrated in FIG. 2B, by etching a Ta layer 63 by using a CF4 gas and a photo resist (PR) layer 61 as a mask.  This process was performed specifically in the following way.
[0014]
The inside of a vacuum container 2 illustrated in FIG. 1 was exhausted by an exhaust system 21, and was kept at a predetermined temperature with the use of a temperature control mechanism 41 after the steps of: opening an unshown gate valve; transporting a wafer 9 into the vacuum container 2, which is to be an MTJ device having a structure as illustrated in FIG. 2A and has TMR films stacked thereon; and making a substrate holder 4 hold the wafer 9.  Subsequently, a gas introduction system 3 was operated, and an etching gas (CF4) was introduced into the vacuum container 2 from a bomb 31 which was filled with CF4 gas and is not shown in FIG. 1, at a predetermined flow rate through a bulb 33 and a flow rate controller 34.  A pipe 21 is an exhaust system.  An introduced etching gas spreads into a dielectric wall container 11 through the vacuum container 2.  Here, a plasma source 1 was operated.  The plasma source 1 is constituted by: the dielectric wall container 11 which is hermetically connected to the vacuum container 2 so that the inner spaces communicate with each other; an antenna 12 of one turn for generating an induction field in the dielectric wall container 11; a high-frequency power source 13 for plasma, which is connected with the antenna 12 through a transmission line 15 and an unshown matching box, and generates a high-frequency power (source power) to be supplied to the antenna 12; and an electromagnet 14 for generating a predetermined magnetic field in the dielectric wall container 11.  When the high-frequency power which has been generated by the high-frequency power source 13 for plasma has been supplied to the antenna 12 through the transmission line 15, an electric current flows in the antenna 12 of one turn.  As a result, a plasma is formed in the inner part of the dielectric wall container 11.  A large number of magnets for a side wall 22 are arranged in the outer periphery of the side wall of the vacuum container 2 so that the magnets have different poles on their faces opposing to the side wall of the vacuum container 2 from each of adjacent magnets.  Thereby, a cusp magnetic field is continuously formed in a peripheral direction along the inner face of the side wall of the vacuum container 2, and prevents the plasma from spreading to the inner face of the side wall of the vacuum container 2.  At this time, a high-frequency power source for bias 5 is operated at the same time, and a self bias voltage which is such a voltage as to form a negative direct current is applied to a wafer 9 which is an object to be etched, and controls an ion energy incident on the surface of the wafer 9 from the plasma.  The plasma which has been formed in the above described way spreads into the vacuum container 2 from the dielectric wall container 11, and reaches the vicinity of the surface of the wafer 9.  At this time, the surface of the wafer 9 is etched.
[0015]
The above etching process for forming the Ta layer 63 was conducted with the use of CF4 and the PR layer 61 under the following conditions, for instance.
flow rate of etching gas (CF4): 50 sccm
source electric power: 500 W
bias electric power: 70 W
pressure in vacuum container 2: 0.8 Pa
temperature of substrate holder 4: 40℃
[0016]
Subsequently, layers 64 to 69 including a TMR film were etched by using a mixture gas of a carbon hydride gas and an inert gas as an etching gas and by using the Ta layer 63 which had been formed in the above described process as a mask, and were processed so as to have a predetermined pattern as illustrated in FIG. 2C.
This process was conducted also with the use of an etching apparatus which was equipped with an ICP plasma source as illustrated in FIG. 1, but an introduction system of the CF4 gas in the above described process was switched to an unshown gas introduction system by an unshown gas switching mechanism.  The mixture gas of the carbon hydride gas and the inert gas which does not oxidize the magnetic material was introduced into the vacuum container 2 at a predetermined flow rate through a flow rate controller, and was etched in a similar way to the above described process.  The MTJ device was thus obtained.
[0017]
Usable carbon hydride gases include: alkene such as ethylene (C2H4) and propylene (C3H6); alkane such as ethane, propane and butane, alkyne such as acetylene, arene such as benzene, amine such as methylamine, and nitrile such as ethananenitrile.
Usable inert gases (occasionally, hereinafter referred to as "additive gas") include N2 gas and a gas of He, Ar, Ne, Xe, Kr and the like, for instance.  The gases can be used alone or in a form of a mixture. It is desirable to use nitrogen gas as an inert gas, because the amount of an organic material onto the wafer can be appropriately controlled.
The introduced gas or gases into vacuum container to dry-etch include no oxgen and halogen.
[0018]
A process for fabricating a magnetic device according to the present invention mainly employs a technique of extracting the gas ion onto an article to be processed, and a reaction of depositing a carbon compound originating from a carbon hydride gas on the surface to be processed to selectively etch the layers.  In other words, when a carbon compound deposits on a mask layer that is hard to be physical-sputtered, the mask layer is changed into a plane that is more hardly etched, which produces a difference of an etching rate between a mask layer and a magnetic layer.  Thereby, the layers are selectively etched, and the process according to the present invention can process the layers into a predetermined shape without causing the deterioration of the device due to the oxidation and the like.
Accordingly, the optimum additive amount varies depending on the type of each additive gas, but when the additive gas generally in a range of 0% by volume or more but 95% by volume or less is added with respect to the whole amount of the etching gas, the mixture is usable.  On the other hand, when the amount of the additive gas exceeds 95% by volume, the difference of the etching rate between the mask layer and the magnetic layer becomes small, which degrades the selectivity of etching.
[0019]
In the above, a preferred embodiment according to the present invention was described.  However, the present invention is not limited to the above described embodiment but can be modified into various forms in a technological range grasped from the scope of the claims.
For instance, an etching apparatus is not limited to an ICP-type plasma apparatus having an antenna of one turn as illustrated in FIG. 1, but can employ a helicon-type plasma apparatus which is referred to as a so-called high-density plasma source, a two-frequency excitation parallel plate type plasma apparatus, a micro wave type plasma apparatus and the like.  The present invention can be applied also to RIBE (reactive ion beam etching).
The present invention is also not limited to a TMR device, but can be applied to a GMR device as well.  The present invention can also be used for fabricating a magnetic sensor device as well. Additionally, the present invention can be applied to etching any device that has one or more magnetic layers.
[0020]
The above described etching gas of ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) gas according to the present invention was subjected to a plasma emission spectral analysis.  The etching gas of methanol (CH3OH), which is used in a conventional art, was also subjected to the plasma emission spectral analysis similarly, and the results were compared.
[0021]
(Plasma emission spectral analysis of etching gas according to the present invention)
flow rates of ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) of etching gas: 18 sccm/12 sccm
source electric power : 1,800 W
bias electric power: 1,600 W
pressure in vacuum container 2 : 1.0 Pa
[0022]
(Plasma emission spectral analysis of CH3OH of etching gas)
flow rate of etching gas (CH3OH gas): 15 sccm
source electric power: 1,500 W
bias electric power: 1,300 W
pressure in vacuum container 2: 0.4 Pa
[0023]
The comparison results are illustrated in FIG. 3A and FIG. 3B.  A plasma spectral in FIG. 3B, which has been obtained by a plasma emission spectral analysis of CH3OH gas, shows the presence of O, OH and the like that promote oxidation.  These groups are considered to have been formed by the decomposition of CH3OH.  On the other hand, in a plasma emission spectrum of C2H4 and N2 gases in FIG. 3A, many peaks of CH, CN and N occur but the peaks of O and OH do not occur.  Accordingly, it was found that such reactive species as to oxidize the surface to be processed are not formed during the etching treatment of a magnetic material with the use of the plasma of the C2H4 and N2 gases.
[0024]
Etching characteristics were compared and examined between the case in which the device has been etched with a dry etching method according to the present invention, and the case in which the device has been etched with the use of a CH3OH-based gas.
An MTJ device illustrated in FIG. 2 was etched by using an apparatus illustrated in FIG. 1, and the etching characteristics were compared.
Conditions in the process of the comparison test are as follows respectively.
[0025]
(Method of the present invention)
flow rates of ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) of etching gas: 21 sccm/9 sccm
source electric power: 1,800 W
bias electric power: 1,600 W
pressure in vacuum container 2: 1.0 Pa
temperature in substrate holder 4: 40℃
[0026]
(Comparative example)
flow rate of etching gas (CH3OH gas): 15 sccm
source electric power: 1,500 W
bias electric power: 1,300 W
pressure in vacuum container 2: 0.4 Pa
temperature in substrate holder 4 : 40℃
[0027]
The result of this comparative test was summarized in the following Table.
[Table 1]
Table 1: Comparison table of etching characteristics
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[0028]
As for an etching rate for NiFe, the uniformity within plane of the etching rate and a selectivity ratio of NiFe to a Ta mask, etching characteristics of ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) according to the present invention showed approximately equal values to etching characteristics of methanol (CH3OH).  As for the etched shape of the MTJ device, an etching process using ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) according to the present invention provided a further perpendicular MTJ taper angle compared to that of the etching process using methanol (CH3OH).  This shows that the etching process according to the present invention is effective in the case where the size of the MTJ device becomes smaller along with the tendency of the miniaturization of a device in the future.
[0029]
FIG. 4 illustrates an image (left) that is obliquely viewed from an upper part and a section image (right) of an SEM image of the shape of an MTJ device which has been obtained with an etching process using ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) according to the present invention.  The etching process did not cause redeposition on the side wall and also did not form a residue on the etched surface, and provided an adequate etched shape.  Furthermore, the MTJ device did not cause corrosion even after the etching treatment.
[0030]
A test was carried out in order to examine the lower limit of the additive amount while using various additive inert gases.  It has been found that the the lower limit of the additive gases depends on the other process conditions used such as ethylene gas flow, chamber pressure, source power, bias power and others. In some cases etching can be proceeded without any use of additive gas. Additionally, use of another carbon hydride gas will have different lower limits for the additive gas.
[0031]
The magnetization loss of a NiFe film due to etching process was also examined for the etching process using ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) according to the present invention and compared with the CH3OH process. It was found that the magnetization change in comparison to the starting (not etched) films after ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) process according to the present invention was much smaller than the change after CH3OH process.
Additionally, it has been observed that the ethylene (C2H4) and nitrogen (N2) process according to the present invention can also etch materials that are not magnetic. Examples include - Oxides such as SiO2, Al2O3, MgO, Nb2O5, ZrO2, NiO, PrCaMnO, Cr doped SrZrO3, V doped SrZrO3, PbZrTiO3, CuO, LaNiO, HfOx, BiOx, and the like; Single element materials such as Si, Ru, Cu, Fe, Cr, Ni, Pt, Au, Ir, Os, Re and the like; Alloy materials such as Cu-N alloys, Pt-Mn alloys, Ir-Mn alloys, Ni-Fe-Cr alloys, Ni-Cr alloys, and the like. Therefore, the present invention is also related to etching of single layer films or the stack of films comprised of nonmagnetic and/or magnetic materials. For example, the process described in the present invention is applicable to technology of patterned magnetic recording media (ex. BPM (Bit Patterned Media),DTM (Discrete Track Media)) and the like.
1.   A process of fabricating a magnetic device comprising:
preparing a structure including at least one magnetic layer or diamagnetic layer; and
processing the structure by a plasma of a mixed gas of a hydrocarbon gas and an inert gas to dry-etch the magnetic layer or diamagnetic layer using a mask of non-organic material.
2.  The process according to claim 1, wherein the hydrocarbon gas comprises alkene, alkyne, arene, amine, or nitrile gas or a mixture thereof.
3.  The process according to claim 1, wherein the inert gas includes a nitrogen gas, or a gas of He, Ne, Ar, Kr, or the like.
4.  The process according to claim 1, wherein the mixed gas includes ethylene gas and nitrogen gas.
5.  The process according to claim 1, wherein the mask is a single layer or multilayer, comprising Ta, Ti, Al or Si, or oxide of Ta, Ti, Al or Si, or nitride of Ta, Ti, Al, or Si.
6.  The process according to claim 1, wherein the mixed gas includes inert gas in the range of 0 volume % to 95 volume % to the whole volume of the mixed gas.
7.  Apparatus for fabrication a magnetic device comprising:
a film forming unit for forming a magnetic layer or diamagnetic layer on a substrate; and
a dry etching unit comprising plasma generating means provided with a chamber, a substrate holder within the chamber, gas introducing means for introducing a gas into the chamber, plasma generating means for generating a plasma of gas, bias application means for extracting ions from the gas plasma and directing the extracted ions to the substrate holder and a controller,
wherein said controller controls the dry etching unit to introduce a mixed gas of a hydrogen gas and an inert gas into the chamber by the gas introducing means, generates the plasma of the introduced gas by the plasma generating means and extract inert ions from the gas plasma and directs the extracted inert gas to the substrate holding means.
1.Abstract
[Objective to be solved]
A process of fabricating a magnetic device by using a dry etching so that an etching damage is reduced.
[Means for solving the Objective]
Process and apparatus for fabricating a magnetic device is provided. Magnetic and/or nonmagnetic layers in the device are etched by a mixed gas of a hydrogen gas and an inert gas such as N2 with using a mask of non-organic material such as Ta. As results, in a studied example, a MTJ taper angle is nearly vertical.
2.Representative Drawing
FIG.1
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