(57)【要約】【課題】精度良くＭＴＪ素子を加工できる磁気抵抗変化素子の製造方法を提供する。【解決手段】磁気抵抗変化素子の製造方法は、第１乃至第３ハードマスク膜を磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成し、第１方向に延びる第１平行ラインを有する第１レジストパターンを第１ハードマスク膜の上に形成し、第１レジストパターンをマスクとして第１ハードマスク膜をエッチングすることにより第１ハードマスクパターンを形成し、第１ハードマスクパターン及び第２ハードマスク膜の上に第１方向と垂直な第２方向に延びる第２平行ラインを有する第２レジストパターンを形成し、第２レジストパターンをマスクとしてエッチングすることにより、第１平行ラインと第２平行ラインとの交点にのみ残った島状のハードマスクを形成し、島状のハードマスクの位置以外の領域において上部電極及び磁気トンネル接合層をエッチングにより除去する各段階を含む。【選択図】図１
2019009354.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上から順に第１ハードマスク膜、第２ハードマスク膜、及び第３ハードマスク膜を有する３層構造のハードマスク膜を磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成し、
第１方向に延びる複数の第１平行ラインを有する第１レジストパターンを前記第１ハードマスク膜の上に形成し、
前記第１レジストパターンをマスクとして前記第１ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第１方向に延びる複数の平行ラインを有する第１ハードマスクパターンを形成し、
前記第１ハードマスクパターン及び前記第２ハードマスク膜の上に前記第１方向と垂直な第２方向に延びる複数の第２平行ラインを有する第２レジストパターンを形成し、
前記第２レジストパターンをマスクとして前記第１ハードマスクパターンと前記第２及び第３ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第１平行ラインと前記第２平行ラインとの交点にのみ残った前記第１乃至第３ハードマスク膜の少なくとも１つにより形成される島状のハードマスクを形成し、
前記島状のハードマスクの位置以外の領域において前記上部電極及び前記磁気トンネル接合層をエッチングにより除去する
各段階を含む磁気抵抗変化素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１ハードマスク膜をエッチングする工程において前記第２ハードマスク膜をエッチングストッパとして用いる請求項１記載の磁気抵抗変化素子の製造方法。
【請求項３】
前記第３ハードマスク膜は前記上部電極及び第２ハードマスク膜に密着する性質を有する材料により形成される請求項１又は２記載の磁気抵抗変化素子の製造方法。
【請求項４】
第１ハードマスク膜及び第３ハードマスク膜はシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜であり、第２ハードマスク膜はポリシリコン膜、シリコンカーバイド膜、又はカーボン膜である請求項１乃至３いずれか一項記載の磁気抵抗変化素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２レジストパターンを形成する工程は、
前記第１ハードマスク膜の膜厚以上の厚さのバーク膜を形成し、
前記バーク膜の上に前記第２レジストパターンを形成する
段階を含む請求項１乃至４いずれか一項記載の磁気抵抗変化素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願開示は、磁気抵抗変化素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗変化メモリ（Magnetoresistive  Random  Access  Memory：以下ＭＲＡＭ）に用いられる磁気トンネル接合（Magnetic  Tunnel  Junction：以下ＭＴＪ）素子は、固定磁化層、自由磁化層、及び両者の間に配置されたトンネル絶縁膜を含む。固定磁化層の磁化方向は固定されており、自由磁化層の磁化方向は可変である。ＭＴＪ素子の抵抗値は、自由磁化層の磁化方向と固定磁化層の磁化方向とが同一方向を向いている平行状態のときに低くなり、反対方向を向いている反平行状態のときに高くなる。平行状態と反平行状態とを、記憶データの０と１とにそれぞれ対応させてよい。
【０００３】
ＭＲＡＭは、書込み方法の観点から、書込み配線型とスピン注入型とに分類される。書き込み配線型においては、書き込み用ワード線に流れる電流によって発生する磁場により、自由磁化層の磁化方向が制御される。スピン注入型においては、ＭＴＪ素子に電流を流したときに発生するスピントランスファー効果により、自由磁化層の磁化方向が制御される。現在ではスピン注入型が主流となっている。これは、スピン注入型では書き込み配線が不要であり、この点が大容量化で必須となる微細化に有利であるからである。
【０００４】
スピン注入型において磁界反転に必要な電流量は、電流密度で決まっており、素子面積が小さいほど必要な反転電流量が小さくて済む。ＭＴＪ素子を微細化することにより、動作電流を低減でき、またメモリ容量を増大できるため、微細化のための研究開発が精力的に行われている。
【０００５】
微細なＭＴＪ素子を高い精度で形成するためには、微細なレジストパターンを高い精度で形成することが必要になる。しかしＭＴＪ素子は各素子が孤立したピラー形状であるため、レジストパターンも各点が孤立したピラー形状となる。各点が孤立したピラー形状のレジストパターンでは、サイズが小さくなる程、パターン倒れや解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の問題が顕著になってしまう。その結果、製造される磁気抵抗変化素子の歩留りの低下や特性バラつき等が問題となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−９１８２４号公報
【特許文献２】特開２０１０−４５３９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上を鑑みると、精度良くＭＴＪ素子を加工できる磁気抵抗変化素子の製造方法が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
磁気抵抗変化素子の製造方法は、上から順に第１ハードマスク膜、第２ハードマスク膜、及び第３ハードマスク膜を有する３層構造のハードマスク膜を磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成し、第１方向に延びる複数の第１平行ラインを有する第１レジストパターンを前記第１ハードマスク膜の上に形成し、前記第１レジストパターンをマスクとして前記第１ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第１方向に延びる複数の平行ラインを有する第１ハードマスクパターンを形成し、前記第１ハードマスクパターン及び前記第２ハードマスク膜の上に前記第１方向と垂直な第２方向に延びる複数の第２平行ラインを有する第２レジストパターンを形成し、前記第２レジストパターンをマスクとして前記第１ハードマスクパターンと前記第２及び第３ハードマスク膜をエッチングすることにより、前記第１平行ラインと前記第２平行ラインとの交点にのみ残った前記第１乃至第３ハードマスク膜の少なくとも１つにより形成される島状のハードマスクを形成し、前記島状のハードマスクの位置以外の領域において前記上部電極及び前記磁気トンネル接合層をエッチングにより除去する各段階を含む。
【発明の効果】
【０００９】
少なくとも１つの実施例によれば、精度良くＭＴＪ素子を加工できる磁気抵抗変化素子の製造方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】磁気抵抗変化素子の製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。
【図２】３層構造のハードマスク膜が磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成された積層構造の一例を示す図である。
【図３】図２に示す積層構造の上に第１レジストパターンが形成された状態を示す図である。
【図４】第１ハードマスク膜をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。
【図５】第１レジストパターンを除去した後の状態の積層構造を示す図である。
【図６】積層構造の上に第２レジストパターンが形成された状態を示す図である。
【図７】第１ハードマスクパターンと第２及び第３ハードマスク膜をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。
【図８】第２レジストパターンを除去した後の状態の積層構造を示す図である。
【図９】上部電極層をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。
【図１０】ＭＴＪ層をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。
【図１１】下地層として形成されたバーク層の上に第２レジストパターンを形成した状態を示す図である。
【図１２】図１２は、バーク層の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。なお以下の素面において、同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。
【００１２】
図１は、磁気抵抗変化素子の製造方法の実施形態の一例を示すフローチャートである。図１に示す製造方法により磁気抵抗変化素子を製造するにあたり、まず磁気トンネル接合層を含む磁気抵抗変化素子の構成要素となる各層が積層された積層構造を準備する。次にステップＳ１０において、上から順に第１ハードマスク膜、第２ハードマスク膜、及び第３ハードマスク膜を有する３層構造のハードマスク膜を磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成する。
【００１３】
図２は３層構造のハードマスク膜が磁気トンネル接合層の上部電極の上に形成された積層構造の一例を示す図である。図２（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の線２Ａ−２Ａに沿ってとった積層構造の断面図である。
【００１４】
図２（ｂ）に示される積層構造は、シリコン基板１、シリコン酸化膜２、下部電極３、ＭＴＪ層４、上部電極５、第３ハードマスク膜６、第２ハードマスク膜７、及び第１ハードマスク膜８を含む。シリコン基板１は、その上にＭＴＪ素子及び電極等の回路要素が形成される板状の部材である。
【００１５】
シリコン基板１の上面には、シリコン酸化膜２が形成されている。シリコン酸化膜２を形成するためには、シリコン基板１の表面に熱酸化によりシリコン酸化膜２を成長させてもよいし、或いはシリコン基板１の表面にＣＶＰ（Chemical  Vapor  Deposition：以下ＣＶＤ）法等によりＳｉＯ２を堆積させてもよい。
【００１６】
シリコン酸化膜２の上には、下部電極３が形成されている。下部電極３としては、タンタル（Ｔａ）層、ルテニウム（Ｒｕ）層、タンタル（Ｔａ）層をこの順番でスパッタ法により形成してよい。タンタル（Ｔａ）層、ルテニウム（Ｒｕ）層、及びタンタル（Ｔａ）層は、例えばそれぞれ５ｎｍ、２０ｎｍ、及び１５ｎｍの厚さであってよい。最下部のタンタル層は、ＲｕとＳｉＯ２との密着性が悪いため、密着させるためにＲｕとＳｉＯ２との間に設ける密着層である。ルテニウム層は、下部電極３の抵抗値を下げるために設けられる層である。最上部のタンタル層は、下部電極３の上面に設けられるＭＴＪ素子を加工する際のエッチングストッパー層である。
【００１７】
下部電極３の上には、ＭＴＪ層４が形成されている。このＭＴＪ層４としては、固定磁化層、絶縁層、及び自由磁化層をこの順番に形成してよい。ＭＴＪ素子の各層である固定磁化層、絶縁層、及び自由磁化層はスパッタ法で形成してよい。固定磁化層は、例えばＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）で形成された厚さ１ｎｍの層であってよい。絶縁層は、例えばＭｇＯで形成された厚さ０．８ｎｍの層であってよい。自由磁化層は、例えばＣｏＦｅＢで形成された厚さ１．５ｎｍの層であってよい。
【００１８】
ＭＴＪ層４の上には、上部電極層５が形成されている。この上部電極層５としては、タンタル層、ルテニウム層、及びタンタル層をこの順番に形成してよい。タンタル層、ルテニウム層、及びタンタル層は、それぞれ膜厚が例えば１ｎｍ、５ｎｍ、及び１２０ｎｍであってよい。
【００１９】
前述のように、図１のステップＳ１０において、第３ハードマスク膜６、第２ハードマスク膜７、及び第１ハードマスク膜８が上部電極層５の上にこの順番で形成される。これらのハードマスク膜はＣＶＤ法により堆積してもよいし、スパッタ法により堆積してもよい。
【００２０】
第３ハードマスク膜６は酸化シリコン（ＳｉＯ２）であってよい。但し第３ハードマスク膜６は酸化シリコン（ＳｉＯ２）に限定されるものではなく、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）であってもよい。第２ハードマスク膜７はポリシリコンであってよい。但し第２ハードマスク膜７はポリシリコンに限定されるものではなく、例えばシリコンカーバイド（ＳｉＣ）又はカーボン（Ｃ）であってもよい。第１ハードマスク膜８は酸化シリコン（ＳｉＯ２）であってよい。但し第１ハードマスク膜８は酸化シリコン（ＳｉＯ２）に限定されるものではなく、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）であってもよい。これらの材料を用いることにより、後述する第２ハードマスク膜７のエッチングストッパとしての機能及び第３ハードマスク膜６の密着層としての機能を適宜実現することができる。
【００２１】
図１に戻り、ステップＳ１１において、第１方向に延びる複数の第１平行ラインを有する第１レジストパターンを第１ハードマスク膜８の上に形成する。
【００２２】
図３は、図２に示す積層構造の上に第１レジストパターンが形成された状態を示す図である。図３（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の線３Ａ−３Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
【００２３】
図３（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１ハードマスク膜８の上面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、第１レジストパターン９を第１ハードマスク膜８の上面に形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。第１ハードマスク膜８は第１方向（図面横方向）に延びる互いに平行な複数のラインを含み、各ライン（第１平行ライン）の幅は形成する磁気抵抗変化素子の直径に相当する大きさであってよい。
【００２４】
露光工程で形成する第１レジストパターン９はライン形状であるため、各点が孤立したピラー形状のレジストパターンと異なり、パターン倒れの危険が少なく、また解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の影響を受けにくい。このように制御性がよいライン形状の第１レジストパターン９を用いることにより、以下のエッチング工程におけるパターン転写を安定的に高い精度で実行することが可能となる。
【００２５】
図１に戻り、ステップＳ１２において、第１レジストパターン９をマスクとして第１ハードマスク膜８をエッチングすることにより、第１方向に延びる複数の平行ラインを有する第１ハードマスクパターンを形成する。即ち、第１レジストパターン９の平行ライン形状のパターンを第１ハードマスク膜８に転写する。
【００２６】
この第１ハードマスク膜８をエッチングする工程においては第２ハードマスク膜７をエッチングストッパとして用いる。第２ハードマスク膜７をエッチングストッパとして用いることにより、第１ハードマスクパターンの厚さ（高さ）を適切な厚さ（即ち第１ハードマスク膜８の厚さに略等しい厚さ）に制御することが容易となる。第１ハードマスクパターンを適切な厚さに制御することにより、後述の第２レジストパターンを安定的に精度よく形成することが可能となる。
【００２７】
このときのエッチングは反応性イオンエッチングであってよい。エッチングガスは、第１ハードマスク膜８を効率的に除去でき、且つ第１ハードマスク膜８と第２ハードマスク膜７との選択比が大きくなるようなエッチングガスとして、フッ素系のガスであってよい。そのようなガスとしては、例えばＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＦ４とＡｒとの混合ガス、ＣＨＦ３とＡｒとの混合ガス等が挙げられる。このときの選択比としては５以上であることが好ましい。
【００２８】
図４は、第１ハードマスク膜８をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図４（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の線４Ａ−４Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
【００２９】
図４（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１レジストパターン９で覆われていない部分の第１ハードマスク膜８がエッチングにより除去されることにより、第１レジストパターン９の下に第１ハードマスクパターン８Ｌが形成される。即ち、第１レジストパターン９の平行ラインパターンの下側においてのみ第１ハードマスク膜８が残存し、この残存した第１ハードマスク膜８が第１ハードマスクパターン８Ｌとなる。この平行ラインパターンである第１ハードマスクパターン８Ｌが存在する位置以外の領域においては、第２ハードマスク膜７が最上層となっている。
【００３０】
なお第２ハードマスク膜７の下層に設けた第３ハードマスク膜６は、上部電極層５及び第２ハードマスク膜７と密着する性質を有する材料により形成される。仮に第３ハードマスク膜６を設けずに第２ハードマスク膜７を直接に上部電極層５の上面に形成した場合、第２ハードマスク膜７が容易に上部電極層５から剥離してしまう可能性がある。第３ハードマスク膜６を上部電極層５と第２ハードマスク膜７との間に設けることにより、第２ハードマスク膜７の密着性を向上させることができる。
【００３１】
図１に戻り、ステップＳ１３において、第１レジストパターン９をアッシング又は有機系溶剤により除去する。この際、第２ハードマスク膜７がポリシリコンの場合、反応ガスとして酸素を用いたアッシングを行ってよい。第２ハードマスク膜７がシリコンカーバイト又はカーボンの場合、有機系溶剤を剥離液として用いた剥離処理を行ってよい。
【００３２】
図５は、第１レジストパターン９を除去した後の状態の積層構造を示す図である。図５（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の線５Ａ−５Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。図５（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１レジストパターン９が除去されることにより、平行ライン形状を有する第１ハードマスクパターン８Ｌのみが第２ハードマスク膜７の上面に形成された状態となっている。
【００３３】
図１に戻り、ステップＳ１４において、第１ハードマスクパターン８Ｌ及び第２ハードマスク膜７の上に前記第１方向と垂直な第２方向に延びる複数の第２平行ラインを有する第２レジストパターンを形成する。
【００３４】
図６は、積層構造の上に第２レジストパターンが形成された状態を示す図である。図６（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の線６Ａ−６Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
【００３５】
図６（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第１ハードマスクパターン８Ｌ及び第２ハードマスク膜７の上面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、第２レジストパターン１０を形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。第２レジストパターン１０は第２方向（図面縦方向）に延びる互いに平行な複数のラインを含み、各ライン（第２平行ライン）の幅は形成する磁気抵抗変化素子の直径に相当する大きさであってよい。
【００３６】
露光工程で形成する第２レジストパターン１０はライン形状であるため、各点が孤立したピラー形状のレジストパターンと異なり、パターン倒れの危険が少なく、また解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の影響を受けにくい。このように制御性がよいライン形状の第２レジストパターン１０を用いることにより、後続するエッチング工程におけるパターン転写を安定的に高い精度で実行することが可能となる。
【００３７】
なお第２レジストパターン１０を安定的に精度よく形成するためには、露光処理において形成面の凹凸が無視できる程の高さであること、即ち第１ハードマスクパターン８Ｌの高さが無視できる程の高さであることが好ましい。前述のように、第１ハードマスクパターン８Ｌの厚さは厚くなりすぎないように適切に制御されているので、第２レジストパターン１０を形成する際に第１ハードマスクパターン８Ｌの存在が障害となることはない。特に、後述のようにフォトレジスト層の下側に充分な厚さのパーク層を設けるようにすれば、第２レジストパターン１０の形成における第１ハードマスクパターン８Ｌの厚さを実質的に無視することが可能となる。
【００３８】
図１に戻り、ステップＳ１５において、第２レジストパターン１０をマスクとして第１ハードマスクパターン８Ｌと第２及び第３ハードマスク膜７及び６をエッチングする。これにより、前記第１平行ラインと前記第２平行ラインとの交点にのみ残った第１乃至第３ハードマスク膜８，７，及び６の少なくとも１つにより形成される島状のハードマスクを形成する。
【００３９】
このエッチング工程においては上部電極層５をエッチングストッパとして用いる。エッチングは反応性イオンエッチングであってよい。エッチングガスは、例えばＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＦ４とＡｒとの混合ガス、ＣＨＦ３とＡｒとの混合ガス等であってよい。このときの選択比としては５以上であることが好ましい。
【００４０】
図７は、第１ハードマスクパターン８Ｌと第２及び第３ハードマスク膜７及び６をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図７（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の線４Ａ−４Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
【００４１】
図７（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第２レジストパターン１０と第１ハードマスクパターン８Ｌとの交点（図６（ａ）参照）以外の部分において、第１ハードマスクパターン８Ｌ、第２ハードマスク膜７、及び第３ハードマスク膜６が除去される。これにより、第１ハードマスク膜８の残留部分である第１ハードマスク８Ｐ、第２ハードマスク膜７の残留部分である第２ハードマスク７Ｐ、及び第３ハードマスク膜６の残留部分である第３ハードマスク６Ｐを含む島状のハードマスク２０Ｐが形成される。ハードマスク２０Ｐは、複数の第１平行ラインと複数の第２平行ラインとの交点にのみ形成された、各点が孤立した島状の形状を有する。島状のハードマスク２０Ｐが存在する位置以外の領域においては、第１ハードマスク膜８、第２ハードマスク膜７、及び第３ハードマスク膜６が除去され、上部電極層５が積層構造の最上層となっている。
【００４２】
図７（ａ）及び（ｂ）に示す例では、第２レジストパターン１０がハードマスク２０Ｐの上部に残存している状態を示しているが、図１のステップＳ１５におけるエッチングを終了した段階では、第２レジストパターン１０は完全に除去されていてよい。複数の第１平行ラインと複数の第２平行ラインとの交点以外の位置において第２レジストパターン１０は除去されることを想定しているので、交点の位置においても当然に第２レジストパターン１０は除去されてしまっていてよい。
【００４３】
また図６（ａ）に示されるライン形状の第２レジストパターン１０のうち、交点以外の部分については、図７（ａ）に示されるようにその下部に位置する第１乃至第３のハードマスク膜８乃至６がエッチングの進行により完全に除去されることを想定している。従って、そのようなエッチングの進行によって、交点の位置においても第１乃至第３のハードマスク膜８乃至６の一部が除去される結果となってもよい。例えば、交点の位置においても第１ハードマスク膜８の一部が除去されて、ハードマスク２０Ｐには第１ハードマスク８Ｐの一部と、第２ハードマスク７Ｐと、第３ハードマスク６Ｐとが含まれてもよい。或いは例えば第１ハードマスク膜８は完全に除去されて、ハードマスク２０Ｐには第２ハードマスク７Ｐ及び第３ハードマスク６Ｐのみが含まれてもよい。或いは例えば第１ハードマスク膜８の全体と第２ハードマスク膜７の一部とが除去されて、ハードマスク２０Ｐには第２ハードマスク７Ｐの一部及び第３ハードマスク６Ｐのみが含まれてもよい。或いは例えば第１ハードマスク膜８と第２ハードマスク膜７とが完全に除去されて、ハードマスク２０Ｐには第３ハードマスク６Ｐのみが含まれてもよい。
【００４４】
図１に戻り、ステップＳ１６において、第２レジストパターン１０をアッシング又は有機系溶剤により除去する。この工程は、第２レジストパターン１０がエッチング後に残留している場合にのみ実行すればよい。また、第２レジストパターン１０がエッチング後に残留している場合であっても、この工程を必ずしも実行しなくともよい。
【００４５】
図８は、第２レジストパターン１０を除去した後の状態の積層構造を示す図である。図８（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の線８Ａ−８Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。図８（ａ）及び（ｂ）に示されるように、第２レジストパターン１０が除去されることにより、各点が独立した形状である島状のハードマスク２０Ｐのみが上部電極層５の上面に形成された状態となっている。
【００４６】
図１に戻り、ステップＳ１７において、ハードマスク２０Ｐをマスクとして上部電極層５をエッチングすることにより、各点が孤立した島状の形状を有する金属材料ハードマスクを形成する。即ち、島状のハードマスク２０Ｐの位置以外の領域において上部電極層５をエッチングして除去することにより、ハードマスク２０Ｐの島状のパターンを上部電極層５に転写する。
【００４７】
この上部電極層５をエッチングする工程においてはＭＴＪ層４の最上層がエッチングストッパとして用いられる。このときのエッチングは、例えばＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＦ４とＡｒとの混合ガス、ＣＨＦ３とＡｒとの混合ガス等をエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチングであってよい。このときの選択比としては例えば１０以上であってよい。
【００４８】
図９は、上部電極層５をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図９（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の線９Ａ−９Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
【００４９】
図９（ａ）及び（ｂ）に示されるように、ハードマスク２０Ｐで覆われていない部分の上部電極層５がエッチングにより除去されることにより、ハードマスク２０Ｐの下側に金属ハードマスク５Ｐが形成される。即ち、ハードマスク２０Ｐの島状のパターンの下側においてのみ上部電極層５が残存し、この残存した上部電極層５が金属ハードマスク５Ｐとなる。この金属ハードマスク５Ｐが存在する位置以外の領域においては、ＭＴＪ層４が積層構造の最上層となっている。
【００５０】
なお図９（ａ）及び（ｂ）に示す例においては、エッチング終了時には、ハードマスク２０Ｐのうち第３ハードマスク６Ｐに相当する部分のみが残っている状態を示している。この時に残存するハードマスク２０Ｐの部位については、この例に限定されるものではない。
【００５１】
図１に戻り、ステップＳ１８において、金属ハードマスク５Ｐ（及び残存しているハードマスク２０Ｐ）をマスクとしてＭＴＪ層４をエッチングすることにより、ピラー形状のＭＴＪ素子を形成する。即ち、島状のハードマスク２０Ｐ（及び金属ハードマスク５Ｐ）の位置以外の領域においてＭＴＪ層４をエッチングにより除去し、金属ハードマスク５Ｐの島状のパターンをＭＴＪ層４に転写する。
【００５２】
このＭＴＪ層４をエッチングする工程においては下部電極３がエッチングストッパとして用いられる。このときの選択比としては例えば５以上であってよい。エッチングは反応性イオンエッチングであってよい。エッチングガスとしては、ＭＴＪ層４の材料であるＣｏＦｅＢ及びＭｇＯと反応するガスであればよく、例えばエタノール系のガスをエッチングガスとして用いてよい。また或いは、ＣＯとＮＨ３との混合ガス又はＣＨ３ＯＨをエッチングガスとして用いてもよい。
【００５３】
図１０は、ＭＴＪ層４をエッチングにより選択的に除去した後の状態の積層構造を示す図である。図１０（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の線１０Ａ−１０Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
【００５４】
図１０（ａ）及び（ｂ）に示されるように、金属ハードマスク５Ｐで覆われていない部分のＭＴＪ層４がエッチングにより除去されることにより、金属ハードマスク５Ｐの下側にＭＴＪ素子４Ｐが形成される。即ち、金属ハードマスク５Ｐの島状のパターンの下側においてのみＭＴＪ層４が残存し、この残存したＭＴＪ層４がＭＴＪ素子４Ｐとなる。このＭＴＪ素子４Ｐが存在する位置以外の領域においては、下部電極３が積層構造の最上層となっている。なお図１０（ａ）及び（ｂ）に示す例においては、エッチング終了時には、金属ハードマスク５Ｐに相当する部分のみが残っている状態を示している。例えば図９（ａ）及び（ｂ）の状態でまだ残っている第３ハードマスク６Ｐは磁気抵抗変化素子の構成要素ではないので、図１０（ａ）及び（ｂ）に示す状態では完全に除去されていることが好ましい。即ち図１０（ａ）及び（ｂ）に示す状態では、ＭＴＪ素子４Ｐの上部には磁気抵抗変化素子の構成要素である上部電極（金属ハードマスク５Ｐ）のみが残っている状態であることが好ましい。
【００５５】
以上により、下部電極３の上にピラー形状のＭＴＪ素子４Ｐ及び上部電極５Ｐが形成された磁気抵抗変化素子が得られる。図１０（ａ）の例では図示の便宜上、縦横２個ずつで合計４個のＭＴＪ素子４Ｐが形成されているが、実際には多数のＭＴＪ素子４Ｐを縦横に配置することにより、所望の記憶容量を有した磁気抵抗変化素子の２次元マトリクスを形成してよい。
【００５６】
上述の磁気抵抗変化素子の製造方法においては、露光により形成する第１レジストパターン９及び第２レジストパターン１０が双方共にライン形状である。従って、各点が孤立したピラー形状のレジストパターンの場合と異なり、パターン倒れの危険が少なく、また解像度限界によるパターン寸法のばらつき等の影響を受けにくい。これにより、エッチング工程におけるパターン転写を安定的に高い精度で実現することが可能となる。
【００５７】
前述のように、第２レジストパターン１０を安定的に精度よく形成するためには、露光処理において形成面の凹凸が無視できる程の高さであるこが好ましい。以下に説明するように、フォトレジスト層の下側に充分な厚さのパーク層を設けるようにすれば、第２レジストパターン１０の形成における第１ハードマスクパターン８Ｌの厚さを実質的に無視することが可能となる。
【００５８】
図１１は、下地層として形成されたバーク層の上に第２レジストパターン１０を形成した状態を示す図である。図１１（ａ）は、積層構造の上面を上から見た平面図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の線１１Ａ−１１Ａに沿って切った積層構造を例えば図面下方向から見た図である。
【００５９】
図１のステップＳ１４において、第１ハードマスクパターン８Ｌ及び第２ハードマスク膜７の上に複数の第２平行ラインを有する第２レジストパターンを形成する際、図１１に示すようにバーク層３０を下地層として形成してよい。具体的には、第２レジストパターン１０を形成する工程は、第１ハードマスク膜８の膜厚以上の厚さのバーク膜３０を形成し、バーク膜３０の上に第２レジストパターン１０を形成してよい。なお図１１においては、第１ハードマスクパターン８Ｌとバーク層３０との厚さの関係を見やすくするために、積層構造の配置方向が図６とは異なっており、第２レジストパターン１０の各平行ラインが図面横方向に延びる配置状態での積層構造を示してある。
【００６０】
図１１（ｂ）に示されるように、バーク層３０の膜厚は第１ハードマスクパターン８Ｌの厚さ（高さ）よりも厚く、バーク層３０が第１ハードマスクパターン８Ｌを覆い込むように形成される。このためバーク層３０の上面は第１ハードマスクパターン８Ｌの影響を受けることがなく、凹凸の無い略フラットな平面となる。従って、バーク層３０の上面に第２レジストパターン１０を形成する際には、適切な露光処理が可能となり、精度の高い第２レジストパターン１０を形成することができる。
【００６１】
図１２は、バーク層３０の構成の一例を示す図である。バーク層３０は、上層としてのＳＯＧ（Spin  on  Glass）膜３１及び下層としてのＳＯＣ（Spin  on  Carbon）膜３２を含む。
【００６２】
ＳＯＧ膜３１は、主成分はＳｉＯ２であってよく、添加物として密着性改善のためのメチルシルセスキオキサン、光酸発生剤、露光性能改善のための感光性樹脂組成物、及び反射防止膜剤を含んでよい。ＳＯＧ膜３１はレジスト膜厚を薄膜化する機能と共に反射防止膜としての機能を有する。ＳＯＣ膜３２は、主成分は炭素であってよい。ＳＯＣ膜３２は段差を平坦化する機能と共に反射防止膜としての機能を有する。またＳＯＣ膜３２はハードマスクとしての役割も担ってよい。
【００６３】
図２を参照して説明したように、図１のステップＳ１０において、上部電極層５の上に第３ハードマスク膜６、第２ハードマスク膜７、及び第３ハードマスク膜６を形成する。このときの第１ハードマスク膜８の膜厚としては、第１ハードマスクパターン８Ｌの段差が上記のような構造を有するバーク層３０により平坦化可能であるような厚さとすることが好ましい。
【００６４】
以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１  シリコン基板
２  シリコン酸化膜
３  下部電極
４  ＭＴＪ層
５  上部電極層
６  第３ハードマスク膜
７  第２ハードマスク膜
８  第１ハードマスク膜
９  第１レジストパターン
１０  第２レジストパターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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