(57)【要約】【課題】本発明は、被エッチング膜の寸法をパターニングざれた寸法より縮小させるプラズマエッチング方法において、寸法の縮小化に伴う被エッチング膜の断線や曲がりを発生させること無く、寸法を縮小させることができるプラズマエッチング方法を提供する。【解決手段】本発明は、所定の寸法にパターニングされたマスクを用いて前記所定の寸法より細い寸法に被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、前記被エッチング膜の側壁に保護膜を形成しながら前記被エッチング膜に前記所定の寸法より細らせるエッチングを行うことを特徴とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の寸法にパターニングされたマスクを用いて前記所定の寸法より細い寸法に被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
前記被エッチング膜の側壁に保護膜を形成しながら前記被エッチング膜に前記所定の寸法より細らせるエッチングを行うことを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
前記保護膜は、ファラデーシールドを備える誘導結合型プラズマエッチング装置を用いて前記ファラデーシールドに高周波電圧を印加することにより形成されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項３】
請求項２に記載のプラズマエッチング方法において、
前記被エッチング膜は、金属の膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項４】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
前記保護膜は、堆積性ガスを用いたプラズマにより形成されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項５】
請求項４に記載のプラズマエッチング方法において、
前記被エッチング膜は、金属の膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項６】
請求項１に記載のプラズマエッチング方法において、
前記保護膜は、前記被エッチング膜がプラズマエッチングされるプラズマエッチング室内に配置された部材から生成される物質により形成されることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項７】
請求項６に記載のプラズマエッチング方法において、
前記被エッチング膜は、金属の膜であることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【請求項８】
ファラデーシールドを備える誘導結合型プラズマエッチング装置により所定の寸法にパターニングされたマスクを用いて前記所定の寸法より細い寸法にクロム膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、
前記ファラデーシールドに高周波電圧を印加しながら塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いて前記クロム膜をエッチングすることを特徴とするプラズマエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマエッチング装置を用いたプラズマエッチング方法に係り、特に磁気トンネル結合素子を形成する積層膜のプラズマエッチングに適用可能な方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハードディスクドライブの大容量化に対応するため、巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ: ＧＭＲ）技術からトンネリング磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）技術へ移行し、面記録密度の高密度化が急速に進んでいる。それに伴いハードディスクドライブに使用される磁気ヘッドは微細化が必要になり、磁気ヘッドの微細加工技術が求められている。そのため、磁気ヘッドの製造装置においては、イオンミリング装置からプラズマエッチング装置の適用が進められている。
【０００３】
磁気ヘッドの製造方法については、半導体デバイスと同様でリソグラフィーにより生成されたホトレジストをマスクに用い、基板上に形成されたＳｉＯ2、Ｔａ、Ｃｒなどの半導体デバイスによく適用される材料とともに、Ａｌ2Ｏ3、ＮｉＦｅ、Ｒｕなどの不揮発性材料をプラズマエッチングにより微細加工を行っている。
【０００４】
近年の微細加工では、被エッチング材を加工する前に、リソグラフィーにより生成されたホトレジストをプラズマエッチングにより縮小させ、縮小されたマスクパターンを用いて被エッチング材をプラズマエッチングすることで被エッチング材の線幅を縮小化することが可能となっている。
【０００５】
線幅を縮小する方法として、例えば、特許文献１によれば、リソグラフィーによってパターン化されたホトレジストを等方的または部分的に等方的なエッチングによって縮小させ、エッチストップとしてもあるいはダミー層としても機能する埋め込み反射防止被覆を備えた縮小した線幅のパターン化されたホトレジストを形成し、縮小した線幅パターンがポリシリコン、金属、または絶縁体、あるいは強誘電体等の下層材料の次に続く異方性エッチングのためのエッチマスクを提供する方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、有機物からなる反射防止膜の上に形成されたホトレジスト膜を露光現像した後、Ｃｌ2、ＨＢｒ、Ｏ2およびＡｒの混合ガスを用いて、反射防止膜をエッチングする方法が開示されている。また、特許文献３には、ＨＢｒとＯ2の混合ガスを用いる方法、特許文献４には、ＳＯ2とＨｅの混合ガスを用いる方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２３７７７７号公報
【特許文献２】特開２００１−１９６３５５号公報
【特許文献３】特開平１０−９８０２９号公報
【特許文献４】特開２００７−３２９５０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
反射防止膜のエッチング時にホトレジストパターンの表層部もエッチングされてパターンが縮小される。これにより、現像直後のホトレジストパターンよりも微細な線幅のパターンを形成することができる。しかしながら、特許文献１においては、無機膜層の加工に必要なホトレジストマスク量を確保する事が必要であり、線幅の縮小化に限界が生じるという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２ないし４においては、ホトレジストパターンの側壁に付着した反応生成物の保護膜によってホトレジストパターンに応力が加わったり、あるいはハロゲン系のガスによってホトレジスト樹脂が化学的作用によってダメージを受けたりする。線幅が大きい場合は、ホトレジストパターンが受ける応力や化学的作用のダメージは顕在化しないが、縮小化後のホトレジストパターンの線幅が３５ｎｍ以下になってくると、ホトレジストパターンの変形や倒壊などの問題が生じる場合がある。
【００１０】
このため、本発明では、被エッチング膜の寸法をパターニングされた寸法より縮小させるプラズマエッチング方法において、寸法の縮小化に伴う被エッチング膜の断線や曲がりを発生させること無く、寸法を縮小させることができるプラズマエッチング方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、所定の寸法にパターニングされたマスクを用いて前記所定の寸法より細い寸法に被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、前記被エッチング膜の側壁に保護膜を形成しながら前記被エッチング膜に前記所定の寸法より細らせるエッチングを行うことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、ファラデーシールドを備える誘導結合型プラズマエッチング装置により所定の寸法にパターニングされたマスクを用いて前記所定の寸法より細い寸法にクロム膜をプラズマエッチングするプラズマエッチング方法において、前記ファラデーシールドに高周波電圧を印加しながら塩素ガスと酸素ガスの混合ガスを用いて前記クロム膜をエッチングすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、被エッチング膜の寸法をパターニングざれた寸法より縮小させるプラズマエッチング方法において、寸法の縮小化に伴う被エッチング膜の断線や曲がりを発生させること無く、寸法を縮小させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明を適用するためのプラズマエッチング装置の概略断面図である。
【図２】本発明に係るプラズマエッチング装置の全体構成図である。
【図３】本発明のプラズマエッチング方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明で使用した試料の構造を示す図である。
【図５】本発明のプラズマエッチング方法におけるＣｒ膜のエッチング結果を示す図である。
【図６】エッチング形状に対するファラデーシールドへ印加する高周波電圧の効果を示す図である。
【図７】本発明のプラズマエッチング方法におけるマスクの除去工程の処理結果を示す図である。
【図８】マスクの各膜厚に対するＴａ膜２５のエッチング形状を示す図である。
【図９】本発明のプラズマエッチング方法におけるＴａ膜２５のエッチング結果を示す図である。
【図１０】本発明のプラズマエッチング方法におけるＭＴＪ膜のエッチング結果を示す図である。
【図１１】本発明のプラズマエッチング方法におけるＭＴＪ膜のエッチング結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るプラズマエッチング方法の一実施例を、図面を参照しながら説明する。本発明に適用されるプラズマエッチング処理装置としては、試料である基板上に形成された被エッチング膜をプラズマエッチングするプラズマ処理装置であって、プラズマ形成用ガスの供給を受け、ガスプラズマを生成し、基板上に形成された金属膜等をエッチングするプラズマ処理装置を使用した。
【００１６】
図１は、本発明を適用したプラズマエッチング装置の内部構造を模式的に示す断面図である。プラズマエッチング処理室であるエッチング処理室３の上部は、石英（ＳｉＯ2）もしくはセラミック（Ａｌ2Ｏ3）の誘電体材料からなる誘電体窓２により気密に封止されている。また、エッチング処理室３は、被処理体である試料１２が載置され高周波バイアスが印加される電極６を絶縁材を介して内部に配置している。さらにエッチング処理室３は、アースに接地されている。
【００１７】
誘電体窓２の上方には、プラズマを生成するための誘導磁場を放射するコイル状の誘導結合アンテナ１と、整合器４を介して高周波電力を誘導結合アンテナ１に供給する第一の高周波電源１０とが配置されている。エッチング処理室３内部には、ガス供給装置５から処理ガスが供給され、排気装置８によって所定の圧力に減圧排気される。ガス供給装置５よりエッチング処理室３内部に処理ガスを供給し、該処理ガスを誘導結合アンテナ１により放射された誘導磁場によりプラズマ化する。
【００１８】
また、プラズマ７中に存在するイオンを試料１２上に引き込むために電極６に第二の高周波電源１１により高周波バイアス電力を供給する。本プラズマエッチング装置は、不揮発性エッチング材料のエッチングに応じた構造を有しており、誘導結合アンテナ１と誘電体窓２の間に配置され容量結合アンテナであるファラデーシールド９へ高周波電圧印加することによって、誘電体窓２への反応生成物の堆積抑制および除去が可能となる。さらに発光モニタリング装置１３は、エッチングガスの発光強度または反応生成物の発光強度の変化を検出してエッチングの終了を判定する。
【００１９】
図２は、本発明を適用したプラズマエッチング装置の全体構成を示す。大気ローダ１４は、ロードロック室１５とアンロードロック室１６とに連結しており、ロードロック室１５とアンロードロック室１６は、真空搬送室１７と連結した構成となっている。さらに真空搬送室１７は、エッチング処理室３とアッシング処理室１８とに接続されている。
【００２０】
試料１２は、大気ローダ１４と真空搬送ロボット１９により搬送され、エッチング処理室３でエッチング、アッシング処理室１８でアッシングされる。大気ローダ１４上には、試料１２が設置される第一のカセット２０と試料１２が設置される第二のカセット２１とダミーの試料が設置される第三のカセット２２とを備え、試料１２は、随時エッチング処理室３に搬送され、エッチング処理後もしくはアッシング処理後、元の第一のカセット２０または第二のカセット２１に戻るシステムになっている。
【００２１】
以下、本発明のプラズマエッチング方法の各実施形態について説明する。
【実施例１】
【００２２】
最初に本発明の一実施例で使用した試料の構造例から説明する。図４に示すようにＡｌＴｉＣ基板２３上に、下から順にタンタル膜であるＴａ膜２４ａと、第一の磁性膜２４ｂと、酸化マグネシウム膜であるＭｇＯ膜２４ｃと、第二の磁性膜２４ｄと、ルテニウム膜であるＲｕ膜２４ｅと、タンタル膜であるＴａ膜２５(５０ｎｍ)と、クロム膜であるＣｒ膜２６(５ｎｍ)と、反射防止膜２７(６０ｎｍ)と、リソグラフィー技術等によって予めパターンニングされたホトレジスト膜２８とが形成されている。
【００２３】
また、Ｔａ膜２４ａと、第一の磁性膜２４ｂと、ＭｇＯ膜２４ｃと、第二の磁性膜２４ｄと、Ｒｕ膜２４ｅとからなる積層膜は、ＭＴＪ素子を形成するための積層膜である。尚、ＭＴＪ膜は、磁気トンネル接合(Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ)素子を形成するための積層膜のことである。また、第一の磁性膜２４ｂと第二の磁性膜２４ｄは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏのいずれかの単体もしくは合金を含有する膜である。さらに、これらの構造は一実施例を示したものであり、積層される膜の種類、厚み、順序等は、用途に応じて適宜変更される。なお、本実施例では、ＭＴＪ膜２４の膜厚は３０ｎｍとし、ホトレジスト膜２８のマスクの線幅は、６０ｎｍとした。
【００２４】
次にＣｒ膜２６の寸法をパターニングされた寸法より縮小させるプラズマエッチング方法について説明する。例えば、表１に示すように６０ｍｌ／ｍｉｎの塩素(Ｃｌ2)ガスと５ｍｌ／ｍｉｎの酸素(Ｏ2)ガスを混合したガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を１５Ｗ、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧を５０Ｖとするエッチング条件で反射防止膜２７とＣｒ膜２６を一括してエッチングする。通常、反射防止膜２７とＣｒ膜２６は、異なったエッチング条件を用いるが、反射防止膜２７とＣｒ膜２６との選択比（Ｃｒ膜のエッチング速度を反射防止膜のエッチングで除した値）が低いことと、Ｃｒ膜２６が５ｎｍと薄膜である場合、エッチング条件の切り替えが難しいため、本実施例では、反射防止膜２７とＣｒ膜２６を一括処理した。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
尚、Ｃｒ膜２６のエッチング処理は、Ｃｒ膜２６が無くなり始め、すなわち下層に配置されたＴａ膜２５が露出し始めた時点を発光モニタリング装置１３などによって検出し、この検出されたＣｒ膜２６のエッチングの終点に基づいて終了する。この時、発光する反応生成物の発光強度、例えば、波長３５９ｎｍの発光をとらえ、３５９ｎｍ波長の発光変化が始まる地点もしくは３５９ｎｍ波長の発光変化が終わる地点を検出して、Ｃｒ膜２６のエッチング終点とする。
【００２７】
また、Ｃｒ膜２６のエッチング速度を予め調べ、Ｃｒ膜２６のエッチング時間を決定しておけば、必ずしも発光モニタリング装置１３は必要ではない。しかし、Ｃｒ膜２６のエッチング終点のタイミングが遅れると、ホトレジスト膜２８の側壁方向にエッチングが急激に加速され、ホトレジストパターンの変形や倒壊が生じる。これは、Ｃｒ膜２６が無くなった時点で、プラズマ中の酸素ラジカルがホトレジスト膜２８や反射防止膜２７に集中し、過剰反応してしまうからである。そのため、Ｃｒ膜２６の線幅の縮小化を行う場合、ホトレジスト膜２８や反射防止膜２７に変形や倒壊が生じないエッチング条件の変更が必要である。
【００２８】
一般的には、プロセスガスを低流量とし、特にＯ2ガスの含有量を低下させれば、たとえエッチング終点のタイミングが遅れても、横方向へのエッチング速度を遅くすることができる。しかし、Ｏ2ガスの含有量を低下させると、プラズマ中の塩素ラジカルがＣｒ膜２６の下層に配置されたＴａ膜２５と反応し、ＴａxＣｌy系の反応生成物が発生する。
【００２９】
この反応生成物がホトレジスト膜の側壁に付着すると、縮小化の妨げとなり所望の線幅が得られない。また、ホトレジスト膜２８の側壁へ付着した反応生成物の重さによりホトレジストパターンの変形や倒壊が生じる。そのため、Ｏ2ガス流量低減によるプロセスガス流量の最適化では、酸素ラジカルよる過剰反応と反応生成物の生成抑制を両立する必要が生じる。しかしながら、酸素ラジカルよる過剰反応と反応生成物の生成抑制はトレードオフの関係にあるため、Ｃｒ膜２６の線幅を縮小させるには限界がある。
【００３０】
このため、ホトレジストパターンの変形や倒壊を生じさせること無く、Ｃｒ膜２６の線幅を縮小させるためには、ある程度ホトレジスト膜２８の側壁に保護膜を堆積させ、且つホトレジスト膜２８の線幅が太くならないように、または、ホトレジスト膜２８の側壁方向へのエッチングが進行するように最適なバランスを保ちながらホトレジスト膜２８の側壁への保護膜形成とホトレジスト膜２８の側壁方向のエッチングを繰り返していく必要がある。
【００３１】
最適なバランスを保ちながらホトレジスト膜２８の側壁への保護膜形成とホトレジスト膜２８の側壁方向のエッチングを繰り返していくために、本実施例では、ファラデーシールド９に５０Ｖの高周波電圧を印加しながら反射防止膜２７とＣｒ膜２６をエッチングした。これにより、ホトレジストパターンの変形や倒壊が生じること無く、Ｃｒ膜２６の縮小化が可能となり所望の線幅が得られるようになる。この理由は、以下のように考えられる。
【００３２】
通常、エッチングによって発生した反応生成物は、排気装置８によって排気される、またはエッチング処理室３内部、誘電体窓２の電極６と対抗する側、試料１２のパターンを形成する回路表面もしくは回路側壁などに付着する。これらの反応生成物を積極的にマスク材のホトレジスト膜２８、エッチング材の反射防止膜２７およびエッチング材のＣｒ膜２６の側壁に堆積させて保護膜を形成することにより、パターン側壁が固められ変形や倒壊が生じない。この時、反応生成物を積極的に側壁に堆積させる手段として、ファラデーシールド９に高周波電圧を印加する。これにより、誘電体窓２へのデポの堆積が妨げられ、行き場の無くなった反応生成物が試料１２に戻り、側壁に堆積し易くなる。
【００３３】
また、ファラデーシールド９に印加する高周波電圧を高くすることによってウエハに戻る反応生成物が多くなり堆積量も多くなる。このため、このファラデーシールド９へ印加する高周波電圧を制御することでパターンの線幅を任意の幅に制御することができる。尚、本発明としては、ファラデーシールド９に印加する高周波電圧を５０Ｖから２００Ｖの範囲とすることが望ましい。理由は以下の通りである。
【００３４】
ファラデーシールドへ印加する高周波電圧を変更した時のエッチング形状を図６に示す。尚、図６(ａ)は、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧が１０Ｖの場合のエッチング形状、図６(ｂ)は、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧が５０Ｖの場合のエッチング形状、図６(ｃ)は、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧が２５０Ｖの場合のエッチング形状を示している。
【００３５】
図６(ａ)の場合、上述したように線幅の縮小化を進めていくと、側壁方向のエッチングが加速され、特に反射防止膜２７の側壁方向のエッチングが進行し易く、断線や曲がりが発生する。次に図６(ｂ)の場合、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧を増加させると、誘電体窓２への反応生成物の堆積が抑制され、その分、ホトレジストパターン側壁に反応生成物が堆積し易くなる。これにより、ホトレジストパターン側壁では、反応生成物の堆積と除去が繰り返され、反射防止膜２７の側壁方向へのエッチングが低減し、ホトレジストパターンが倒れること無く、線幅の縮小化が可能となる。
【００３６】
次に図６(ｃ)の場合、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧を更に増加させると、ホトレジストパターン側壁への反応生成物の堆積が増加し、側壁方向へのエッチングより反応生成物の堆積が上回るため、線幅がマスクパターンより大きくなってしまう。このため、本発明は、ファラデーシールド９に印加する高周波電圧を５０Ｖから２００Ｖの範囲とすることにより、ホトレジストパターンの変形や倒壊が生じること無く、線幅の縮小化ができる。本実施例では、表１に示すように、６０ｍｌ／ｍｉｎの塩素(Ｃｌ2)ガスと５ｍｌ／ｍｉｎの酸素(Ｏ2)ガスの混合ガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を１５Ｗ、ファラデーシールドへの印加する高周波電圧を５０Ｖとしたエッチング条件で、反射防止膜２７とＣｒ膜２６を一括してプラズマエッチングすることにより、図５に示すようにホトレジストパターンの変形や倒壊が生じること無く、Ｃｒ膜２６の線幅をホトレジスト膜の初期線幅である６０ｎｍから３０ｎｍへ縮小化することができた。
【００３７】
また、本実施例では、被エッチング材として反射防止膜とＣｒ膜との多層膜で説明したが、本発明は、被エッチング材の材料や膜構造に限定されない。すなわち、金属膜以外でも、例えば、無機膜、有機膜または無機膜と有機膜のハイブリッド膜等でも保護膜形成と側壁方向のエッチングを最適なバランスを保ちながら繰り返していけば、パターンの変形や倒壊することなく、線幅の縮小化が可能となる。但し、適宜、被エッチング材の材料に応じてエッチング条件の最適化が必要である。
【００３８】
また、本実施例でのパターン側壁に積極的に保護膜を堆積させる手段として、ファラデーシールドへ高周波電圧を印加する例であったが、本発明のパターン側壁に積極的に保護膜を堆積させる手段としてはファラデーシールドへ高周波電圧を印加する手段に限定されない。例えば、側壁保護膜を形成し易い堆積性ガスを添加する手段でも良い。または、試料１２外周に設置され裏面に金属が溶射されたサセプタに高周波バイアスを印加する手段でも良い。この場合、サセプタに積極的にイオンが引き込まれることにより、行き場の無くなった反応生成物が試料１２に戻り側壁に堆積し易くなる。
【００３９】
さらに、本発明は、上述した通り、ファラデーシールドによる手段に限定されないため、ファラデーシールドを備えないプラズマエッチング処理装置(例えば、容量結合型プラズマエッチング装置、ＥＣＲ(Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ)方式のマイクロ波プラズマエッチング装置、ヘリコン型プラズマエッチング装置、２周波励起平行平板型プラズマエッチング装置等)でも良く、保護膜形成とパターン側壁方向のエッチングを最適なバランスを保ちながら繰り返していけば、パターンの変形や倒壊することなく、線幅の縮小化が可能となる。
【００４０】
また、被エッチング材のパターン側壁に対して左右非対称に反応生成物が堆積しないように、試料１２上に形成されるマスクパターンの配線方向と、エッチングガスが排気装置８によって排気されるガス流れの方向が平行になるように試料１２を電極６に配置することが望ましい。また、被エッチング材のパターンが倒れないようにするため、真空搬送室１７に不活性ガスをパージすること無く、真空搬送室１７とエッチング処理室３とに圧力差を生じさせないことが望ましい。
【００４１】
さらに、被エッチング材のパターンが倒れないようにするため、アンロードロック室１６から第一のカセット２０または第二のカセット２１に処理された試料１２を返却する際、アンロードロック室１６に処理済試料１２を設置した後、６０秒以上経過してから真空から大気に戻すことが望ましい。
【００４２】
以上、本発明のプラズマエッチング方法により、被エッチング材のエッチング寸法をパターニングされた寸法より縮小させるプラズマエッチング方法において、被エッチング材の寸法の縮小化に伴う被エッチング材の配線の断線や曲がりを発生させること無く、被エッチング材の寸法を縮小させることができる。
【００４３】
次に本実施例で説明した本発明に係るプラズマエッチング方法を適用した他の実施形態について以下、説明する。
【実施例２】
【００４４】
最初に本発明の一実施例で使用した試料の構造例から説明する。図４に示すようにＡｌＴｉＣ基板２３上に、下から順にタンタル膜であるＴａ膜２４ａと、第一の磁性膜２４ｂと、酸化マグネシウム膜であるＭｇＯ膜２４ｃと、第二の磁性膜２４ｄと、ルテニウム膜であるＲｕ膜２４ｅと、タンタル膜であるＴａ膜２５(５０ｎｍ)と、クロム膜であるＣｒ膜２６(５ｎｍ)と、反射防止膜２７(６０ｎｍ)と、リソグラフィー技術等によって予めパターンニングされたホトレジスト膜２８とが形成されている。
【００４５】
また、Ｔａ膜２４ａと、第一の磁性膜２４ｂと、ＭｇＯ膜２４ｃと、第二の磁性膜２４ｄと、Ｒｕ膜２４ｅとからなる積層膜は、ＭＴＪ素子を形成するための積層膜である。尚、ＭＴＪ膜は、磁気トンネル接合(Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ)素子を形成するための積層膜のことである。また、第一の磁性膜２４ｂと第二の磁性膜２４ｄは、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｃｏのいずれかの単体もしくは合金を含有する膜である。さらに、これらの構造は一実施例を示したものであり、積層される膜の種類、厚み、順序等は、用途に応じて適宜変更される。なお、本実施例では、ＭＴＪ膜２４の膜厚は３０ｎｍとし、ホトレジスト膜２８のマスクの線幅は、６０ｎｍとした。
【００４６】
次に本実施例に係る本発明のプラズマエッチング方法を図３に示すフローチャートに沿って説明する。本発明に係るプラズマエッチング方法がスタートすると、先ずステップ３０１(Ｓ３０１)の第一のマスク形成工程において、塩素ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いて、予めパターニングされたホトレジストをマスクにして、反射防止膜とクロム膜をパターニングされた寸法より縮小させながらエッチングを行う。
【００４７】
次にステップ３０２(Ｓ３０２)のマスク除去工程において、ホトレジストと反射防止膜の除去を行う。続いてステップ３０３(Ｓ３０３)の第二のマスク形成工程において、塩素ガスと四フッ化メタン(ＣＦ4)ガスとヘリウムガスとの混合ガスを用いて、クロム膜をマスクにして、ステップ３０１(Ｓ３０１)で形成されたマスクのクロム膜の線幅よりタンタル膜を縮小させながらエッチングを行う。最後にステップ３０４(Ｓ３０４)のＭＴＪ膜エッチング工程において、アンモニアガスを用いて、縮小化されたクロム膜とタンタル膜の積層膜をマスクにして、ＭＴＪ膜を上記積層膜のマスクと同等の線幅になるようにエッチングを行う。以下、上述した各ステップの詳細を説明する。
【００４８】
最初に図４に示すように上述した構造を有する試料に第一のマスクを形成するための第一のマスク形成工程(Ｓ３０１)を行う。例えば、実施例１と同様に６０ｍｌ／ｍｉｎの塩素(Ｃｌ2)ガスと５ｍｌ／ｍｉｎの酸素(Ｏ2)ガスを混合したガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を１５Ｗ、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧を５０Ｖとするエッチング条件で反射防止膜２７とＣｒ膜２６を一括してエッチングすることにより図５に示すような第一のマスクを形成できる。
【００４９】
次にホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を除去するためのマスク除去工程(Ｓ３０２)を行う。Ｃｒ膜２６の下層のＴａ膜２５は揮発性が低いため、エッチング時に発生する反応生成物は、パターン側壁に堆積しやすい。そのためマスク膜厚が厚いと、パターン側壁により多く反応生成物が堆積するため、パターンの変形や倒壊が生じやすくなる。このため、Ｔａ膜２５のエッチング時は、マスクをなるべく薄くすることが好ましい。
【００５０】
そこで、本発明では、Ｔａ膜２５に対して選択性の高いＣｒ膜２６をマスク材とし、Ｃｒ膜２６のエッチング終了後、不要となったホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を除去し、薄いＣｒ膜２６をマスクにＴａ膜２５のエッチングを行う。これにより、図７に示すようにパターンの変形や倒壊が生じること無く、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となり所望の線幅が得られるようになる。Ｃｒ膜２６の薄膜マスクを用いることによる、パターンの変形や倒壊が生じる事無く、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となることへの効果は以下のように考えられる。
【００５１】
マスクの各膜厚に対するＴａ膜２５のエッチング形状を図８に示す。先ず、図８(ａ)は、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７をそのまま残してＴａ膜２５をエッチングした場合のエッチング形状である。パターン側壁に反応生成物が堆積し、この反応生成物の重みによってパターンが変形し倒壊している。次に図８(ｂ)は、Ｔａ膜２５と同じ膜厚のＣｒ膜で、Ｔａ膜２５をエッチングした場合のエッチング形状である。図８(ａ)と同様、パターン側壁に反応生成物が堆積する。しかし、高く堆積しない分、パターンの変形や倒壊は生じないが、線幅が太くなり所望の線幅が得られない。
【００５２】
最後に図８(ｃ)は、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を全て除去し、Ｔａ膜２５の膜厚に対してＣｒ膜２６の膜厚を１／１０にした膜厚で、Ｔａ膜２５をエッチングした場合のエッチング形状である。Ｃｒ膜２６の膜厚が薄いため、Ｃｒ膜２６の肩部がややテーパに削られ、パターン側壁に反応生成物が堆積し難くなり、線幅の縮小化が進行する。このような図８(a)ないし図８(ｃ)に示すような特性から、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７を除去し、且つ、Ｃｒ膜２６の膜厚をＴａ膜２５に対して１／１０以下にすることにより、パターンの変形や倒壊が生じること無く、Ｔａ膜２５の縮小化が可能となると考えられる。
【００５３】
なお、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の除去方法については、エッチング処理室３で除去するインサイーチュー(ｉｎ−ｓｉｔｕ)アッシング処理、もしくはアッシング処理室１８で除去するアッシング処理のどちらを実施してもよい。また、ホトレジスト膜２８と反射防止膜２７の残膜量が少ない場合は、必ずしもマスク除去工程が必要ではない。また、本実施例では、上記のアッシング処理によって、側壁に付着した反応生成物も除去できたため、Ｃｒ膜２６の線幅は２５ｎｍとなる。
【００５４】
さらに、本実施例ではＣｒ膜を用いたが、本発明は、Ｃｒ膜に限定されず、Ｔａ膜２５に対して高い選択性を有する材料でも良い。例えば、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｙ、Ｚｒ、Ｒｕ、Ｈｆ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌの単層膜、およびこれらを含んだ積層膜、または、これらの酸化物などがある。但し、各材料に応じて適宜、エッチング条件の最適化が必要である。
【００５５】
次にＴａ膜２５のマスクを形成するための第二のマスク形成工程(Ｓ３０３)を行う。例えば、表２に示すように１８ｍｌ／ｍｉｎの塩素(Ｃｌ2)ガスと７ｍｌ／ｍｉｎの四フッ化メタン(ＣＦ4)ガスと５０ｍｌ／ｍｉｎのヘリウム(Ｈｅ)ガスを混合したガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を１７Ｗ、ファラデーシールドへ印加する高周波電圧を５０Ｖとしたエッチング条件でＴａ膜２５のエッチングを行なう。
【００５６】
【表２】
2015130385.tif 000004
【００５７】
この第二のマスク形成工程は、実施例１で上述したＣｒ膜２６のエッチングと同様に発光モニタリング装置１３で検出されたＴａ膜２５のエッチングの終点に基づいて終了する。例えば、５１５ｎｍの波長の発光を受光し、５１５ｎｍの波長の発光変化が始まる時点もしくは５１５ｎｍの波長の発光変化が終わる時点を検出して、このＴａ膜２５のエッチングの終点とする。なお、この時も実施例１で上述したＣｒ膜２６のエッチングと同様に、Ｔａ膜２５の縮小化とＴａ膜２５の下層膜であるＭＴＪ膜２４からの反応生成物発生の抑制を両立しなければならない。
【００５８】
両立するための手段としては、実施例１で上述したファラデーシールドへ印加する高周波電圧の増加が考えられるが、Ｔａの反応生成物は、揮発性に乏しいため、一旦、パターン側壁に付着すると除去するのが困難である。このため、パターン側壁には、なるべく反応生成物を堆積させないことが望ましい。このため、本発明では、表２に示すように塩素(Ｃｌ2)ガスと四フッ化メタン(ＣＦ4)ガスにヘリウム(Ｈｅ)ガスを添加した。このヘリウム(Ｈｅ)ガスの添加によるエッチング室内でのガスの滞在時間を短くすることにより、パターン側壁への反応生成物の堆積が抑制される。
【００５９】
また、ヘリウム(Ｈｅ)ガスの添加により混合ガスの総ガス流量に対する塩素(Ｃｌ2)ガス流量割合がヘリウム(Ｈｅ)ガスの希釈により減少してＴａ膜２５の下層のＭＴＪ膜２４が露出した時の反応生成物の発生を抑制することができるとともに図９に示すようなエッチング形状を得ることができた。また、この時のＴａ膜２５の線幅は２０ｎｍとなる。尚、Ｔａ膜２５のエッチングとして四フッ化メタン(ＣＦ4)ガスを用いたが、例えば、三フッ化メタン(ＣＨＦ3)ガス、二フッ化メタン(ＣＨ2Ｆ2)ガス、六フッ化硫黄(ＳＦ6)等のフッ素含有ガスでも良い。但し、適宜、ガス種に応じてエッチング条件の最適化が必要である。
最後に、縮小化されたＣｒ膜２６とＴａ膜２５をマスクとしてＭＴＪ膜２４をプラズマエッチングするためのＭＴＪ膜エッチング工程(Ｓ３０４)を行う。このＭＴＪ膜２４のエッチングにおいて、ＭＴＪ膜２４中の、例えば、Ｔａ膜２４ａもしくはＭｇＯ膜２４ｃで発光モニタリング装置１３を利用してエッチングを終了したい場合、エッチングの終点のタイミングによって、タイミングが早いと試料の一部分にエッチング残りが発生し、タイミングが遅いと本来、残したいＴａ膜２４ａもしくはＭｇＯ膜２４ｃが消滅する可能性がある。
【００６０】
そこで、本実施例では、図１０に示すように第一の高周波バイアス電力でＭＴＪ膜２４中の第一の磁性膜２４ｂの途中までエッチングを行い、引き続き、上記の第一の高周波バイアス電力より低い高周波バイアス電力でＴａ膜２４ａまでの残りの第一の磁性膜２４ｂのエッチングを行うことにより、エッチング残りやＴａ膜２４ａの消滅が生じること無く、所望の線幅を得ることが可能となる。または、第一の高周波バイアス電力で第二の磁性膜２４ｄの途中までエッチングを行い、引き続き、上記の第一の高周波バイアス電力より低い高周波バイアス電力でＭｇＯ膜２４ｃまでの残りの第二の磁性膜２４ｄのエッチングを行うことによっても、エッチング残りやＭｇＯ膜２４ｃの消滅が生じること無く、所望の線幅を得ることが可能となる。本実施例では、図１０に示すように第一の高周波バイアス電力でＭＴＪ膜２４中の第一の磁性膜２４ｂの途中までエッチングを行い、引き続き、上記の第一の高周波バイアス電力より低い高周波バイアス電力でＴａ膜２４ａまでの残りの第一の磁性膜２４ｂのエッチングを行う場合の方法について説明する。
【００６１】
例えば、表３のステップ１に示すように１３０ｍｌ／ｍｉｎの酸素(Ｏ2)ガスと５０ｍｌ／ｍｉｎのアルゴン(Ａｒ)ガスの混合ガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を２００Ｗ、電極６の温度を１１０℃とするエッチング条件でＲｕ膜２４ｅのエッチングを行なう。引き続き、表３のステップ２に示すように６０ｍｌ／ｍｉｎのアンモニア(ＮＨ3)ガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を５００Ｗ、電極６の温度を１１０℃とするエッチング条件で第一の磁性膜２４ｂの途中までエッチングを行なう。この時のエッチング時間は、予め第一の磁性膜２４ｂのエッチング速度を調べて算出する。
【００６２】
【表３】
2015130385.tif 000005
【００６３】
次に、表３のステップ３に示すように６０ｍｌ／ｍｉｎのアンモニア(ＮＨ3)ガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を１００Ｗ、電極６の温度を１１０℃とするエッチング条件で残りの第一の磁性膜２４ｂのエッチングを行い、Ｔａ膜２４ａが露出した時点でエッチングを終了する。この時、発光モニタリング装置１３で第一の磁性膜２４ｂのエッチング終点を検出して、この検出されたエッチング終点に基づいてエッチングを終了する。
【００６４】
例えば、６５６ｎｍの波長の発光を受光し、６５６ｎｍの波長の発光の変化が始まる時点もしくは６５６ｎｍの波長の変化が終わる時点を検出して、この検出された時点を第一の磁性膜２４ｂのエッチング終点とする。尚、第一の磁性膜２４ｂの下層のＴａ膜２４ａとは、高い選択性を有しているため、適宜、第一の磁性膜２４ｂのオーバーエッチングを実施してもＴａ膜２４ａが消滅することは無い。
【００６５】
この第一の磁性膜２４ｂのオーバーエッチングを実施することによって、エッチング中にパターン側壁に堆積した反応生成物を削ぎ落とすことができる。これにより、Ｔａ膜２４ａを消滅すること無く、且つＭＴＪ膜２４に断線の発生や曲がりが無い、マスク(Ｔａ膜２５)の寸法と同じ２０ｎｍの寸法のＭＴＪ素子を形成することができる。
【００６６】
次にＲｕ膜２４ｅないしＴａ膜２４ａまでを同一のエッチング条件で一括してエッチングすることによりＭＴＪ素子を形成する方法について説明する。例えば、表４に示すように、６０ｍｌ／ｍｉｎの(ＮＨ3)ガスを用い、処理圧力を０．３Ｐａ、高周波バイアス電力を５００Ｗ、電極６の温度を１１０℃とするエッチング条件でＲｕ膜２４ｅないしＴａ膜２４ａまでを一括してエッチングする。この際、反応生成物が側壁に堆積しないようにするため、高周波バイアス電力は、５００Ｗから９００Ｗの範囲の値にすることが好ましい。このようなプラズマエッチングにより、図１１に示すようにＭＴＪ膜２４に断線の発生や曲がりの無いＭＴＪ素子を形成することが実現可能となる。
【００６７】
【表４】
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【００６８】
尚、表４のエッチング条件ではアンモニア(ＮＨ3)ガスのみを用いたが、本発明は、アンモニア(ＮＨ3)の単ガスに限定されるものではなく、アンモニア(ＮＨ3)ガスに例えば、一酸化炭素(ＣＯ)ガス、二酸化炭素ガス(ＣＯ2)ガス、窒素(Ｎ2)等の不活性ガス等を混合した混合ガスでもよい。つまり、本発明としては、アンモニア(ＮＨ3)ガスを含むガスであればよい。
【符号の説明】
【００６９】
１  誘導結合アンテナ
２  誘電体窓
３  エッチング処理室
４  整合器
５  ガス供給装置
６  電極
７  プラズマ
８  排気装置
９  ファラデーシールド
１０  第一の高周波電源
１１  第二の高周波電源
１２  試料
１３  発光モニタリング装置
１４  大気ローダ
１５  ロードロック室
１６  アンロードロック室
１７  真空搬送室
１８  アッシング処理室
１９  真空搬送ロボット
２０  第一のカセット
２１  第二のカセット
２２  第三のカセット
２３  ＡｌＴｉＣ基板
２４  ＭＴＪ膜
２４ａ  Ｔａ膜
２４ｂ  第一の磁性膜
２４ｃ  ＭｇＯ膜
２４ｄ  第二の磁性膜
２４ｅ  Ｒｕ膜
２５  Ｔａ膜
２６  Ｃｒ膜
２７  反射防止膜
２８  ホトレジスト膜
２９  反応生成物
【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】
2015130385.tif 000013
【図８】
2015130385.tif 000014
【図９】
2015130385.tif 000015
【図１０】
2015130385.tif 000016
【図１１】
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