(57)【要約】【課題】  磁気ＲＡＭの磁気トンネル接合層の形成方法を提供する。【解決手段】途中工程基板上に下部物質膜、絶縁膜及び上部物質膜を順次に形成する第１段階、前記上部物質膜の所定領域上にマスクパターン部を転写形成する第２段階、メインガスとバッファガスとが所定の混合比で混合されかつ塩素ガス（Ｃｌ2）が除去されたエッチングガスによるプラズマを利用して、前記マスクパターン部の周りの前記の膜をエッチング除去する第３段階及び当該マスクパターン部を除去する第４段階から成る磁気ＲＡＭのＭＴＪ（磁気トンネル接合）層の形成方法である。本発明によれば、常温でエッチング工程が進みＭＴＪ層の熱的損傷を防止し、加えてエッチング工程の副生成物は揮発性を有するため、ＭＴＪ層の側面に前記副生成物が再蒸着されず良好なエッチングが得られる。これにより物理的及び化学的な損傷を受けないＭＴＪ層を１ミクロン以下のサイズに形成できる。【選択図】      図４
2004235642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置が製造される途中工程にある基板であって、当該基板の上に下部物質膜、
絶縁膜及び上部物質膜を順次に形成する第１段階と、
前記上部物質膜の所定領域上にマスクパターン部を転写形成する第２段階と、
メインガスとバッファガスとが所定の混合比で混合されかつ塩素ガスが排除されたエッチングガスから発生するプラズマを利用して前記マスクパターン部の周りの前記下部物質膜、絶縁膜及び上部物質膜を順次にエッチング除去する第３段階と、
前記マスクパターン部を除去する第４段階と、を含むことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項２】
前記第３段階は、
前記マスクパターン部が転写形成された途中工程基板をプラズマエッチング装置に装着する段階と、
前記プラズエッチング装置に前記エッチングガスを均一に供給しつつ所定のソースパワー及びバイアス電圧を印加して前記プラズマエッチング装置に装着された途中工程基板の上側に前記プラズマを発生させる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項３】
前記メインガスの体積混合比は、１０％〜４０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項４】
前記メインガスは、三塩化ホウ素であり、前記バッファガスはアルゴンであることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項５】
前記プラズエッチング装置に５００Ｗ〜８００Ｗのソースパワーを印加することを特徴とする請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項６】
前記プラズエッチング装置に１００Ｖ〜１５０Ｖのバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項２または請求項５に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項７】
前記マスクパターン部の周りの前記下部物質膜、絶縁膜及び上部物質膜を、２５℃程度の常温でエッチング除去することを特徴とする請求項１ないし請求項４いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項８】
前記下部及び上部物質膜のうち少なくとも一つは、単一磁性膜または少なくとも一つの磁性膜が含まれた複数層の物質膜であることを特徴とする請求項１、２、３、４、７いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項９】
前記マスクパターン部は、１マイクロメートル以下のサイズに転写形成することを特徴とする請求項１、２、３、４、７、８いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項１０】
前記第３段階は、
前記マスクパターン部の周りの前記上部物質膜及び前記絶縁膜をエッチング除去する段階と、
前記マスクパターン部の周りの前記下部物質膜をエッチング除去する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１、２、３、４、７、８、９いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項１１】
前記第３段階は、
前記マスクパターン部の周りの前記上部物質膜をエッチング除去する段階と、
前記マスクパターン部の周りの前記絶縁膜をエッチング除去する段階と、
前記マスクパターン部の周りの前記下部物質膜をエッチング除去する段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１、２、３、４、７、８、９いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項１２】
前記下部物質膜をエッチング除去する前に前記下部物質膜に対するエッチング特性を考慮して前記メインガスの体積混合比率を１０％〜４０％の範囲で調節することを特徴とする請求項１０に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項１３】
前記絶縁膜をエッチング除去する時と前記下部物質膜をエッチング除去する時、それぞれの物質膜に対するエッチング特性を考慮して前記メインガスの体積混合比率を１０％〜４０％の範囲内で異なるように調節することを特徴とする請求項１１に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項１４】
前記途中工程にある基板には、チタン膜及びチタンナイトライド膜が順次に積層されて形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、７、８、９、１０、１１いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法は、前記半導体装置が製造される途中工程にある基板に既にトランジスタが形成された後に、当該半導体装置が製造される途中工程にある基板に施されることを特徴とする請求項１、２、３、４、７、８、９、１０、１１、１４いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【請求項１６】
前記プラズマエッチング装置は、誘導結合型プラズマエッチング装置であることを特徴とする請求項２、５、６いずれか１項に記載の磁気ランダムアクセスメモリの磁気トンネル接合層の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：以下ではＭＲＡＭと呼ぶ）の製造方法に係り、詳細にはＭＲＡＭの磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：以下ではＭＴＪと呼ぶ）層の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にＭＲＡＭは、図１に示されるようにスイッチング役割をする一つのトランジスタＴとこれに電気的に接続され、“０”または“１”のようなデータが記録される一つのＭＴＪ層Ｓとよりなる。
【０００３】
図１を参照して、従来技術によるＭＲＡＭの製造方法を説明する。半導体基板１０上にゲート電極が含まれたゲート積層物１２とその両側にソース領域１４及びドレーン領域１６とが形成される。これにより、半導体基板１０にスイッチ役割をするトランジスタＴが形成される。１１は、フィールド酸化膜を表す。トランジスタＴが形成された半導体基板１０上にトランジスタＴを覆う第１層間絶縁膜１８が形成される。第１層間絶縁膜１８が形成される過程で、ゲート積層物１２の上側に第１層間絶縁膜１８で覆われるデータライン２０がゲート積層物１２と並んで形成される。第１層間絶縁膜１８にドレーン領域１６が露出されるコンタクトホール２２が形成される。コンタクトホール２２に第１層間絶縁膜１８と同じ高さに導電性プラグ２４が充填された後、第１層間絶縁膜１８上に導電性プラグ２４の上面と接触されるパッド導電層２６が形成される。パッド導電層２６は、データライン２０の上側に形成される。パッド導電層２６のデータライン２０に対応する領域上にＭＴＪ層Ｓが形成され、更にその上にＭＴＪ層Ｓとパッド導電層２６とを覆う第２層間絶縁膜２８が形成される。第２層間絶縁膜２８にＭＴＪ層Ｓの上部膜が露出されるビアホール３０が形成される。第２層間絶縁膜２８上にビアホール３０を充填するビットライン３２が前記ゲート電極及びデータライン２０に直角方向に形成される。
【０００４】
図１に図示されたＭＲＡＭに備わったＭＴＪ層Ｓは、図２及び図３に示されるように形成される。
【０００５】
すなわち、図２に示されるように、パッド導電層２６の所定領域上に下部磁性膜Ｓ１、絶縁膜Ｓ２及び上部磁性膜Ｓ３が順次に形成された後、上部磁性膜Ｓ３上にＭＴＪ層Ｓが形成される領域を限定するフォトレジスト膜によるマスクパターン層Ｍが転写形成される。以後、図３に示されたようにマスクパターン層Ｍをエッチングマスクとして上部磁性膜Ｓ３、絶縁膜Ｓ２及び下部磁性膜Ｓ１が順次にエッチングされ、エッチング後にマスクパターン層Ｍが除去されることによってＭＴＪ層Ｓが完成される。
【０００６】
上部磁性膜Ｓ３、絶縁膜Ｓ２及び下部磁性膜Ｓ１を順次にエッチングするためにアルゴンガス（Ａｒ）が使われるイオンミーリング法、塩素ガスを利用するドライエッチング法または反応性イオンエッチング法が使われる。
【０００７】
一方、ＭＴＪ層Ｓは、リフトオフ工程で形成することができる。その形成は、例えば次のようなＭＴＪ層の成膜工程による。まず、パッド導電層２６上にＭＴＪ層Ｓが形成される領域が露出されるようにフォトレジスト膜パターンが転写形成され、前記露出された領域にＭＴＪ層Ｓを構成する物質層が順次に積層される。次いで、前記フォトレジスト膜パターンが除去されるが、この時にＭＴＪ層Ｓが形成される前記領域を除外した他の領域上で前記物質層も除去される。
【０００８】
前述したような従来技術によるＭＲＡＭの製造方法の場合、ＭＴＪ層が形成される方法によって次のような問題点が発生する。
【０００９】
第一に、ＭＴＪ層Ｓがイオンミーリング法で形成される場合、ＭＴＪ層Ｓのパターンが精巧に形成されず、ＭＴＪ層Ｓを形成するためのミーリング工程から発生した副生成物がＭＴＪ層Ｓの側面に再蒸着される。この結果、図３に示されるようにＭＴＪ層Ｓの側面に耳形状の副次積層物３４が形成される。このような積層物３４によってＭＴＪ層Ｓを構成する物質層が電気的に短絡されて見かけ上のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲと呼ぶ）とＴＭＲ比とが減少する。
【００１０】
第二に、ＭＴＪ層Ｓが反応性イオンエッチング法で形成される場合、ＭＴＪ層Ｓにアンダーカットがあらわれ、エッチング後にＭＴＪ層Ｓの側面エッチング加工形状の不良によってトンネル障壁層、すなわち上下部磁性膜Ｓ３，Ｓ１間に形成された絶縁膜Ｓ２がダメージを受ける。
【００１１】
第三に、ＭＴＪ層Ｓが塩素ガスを利用したドライエッチング工程で形成される場合、前記ドライエッチング後に上下部磁性膜Ｓ３，Ｓ１とその間に存在する絶縁層Ｓ２間に不連続的な側面段差が形成される。特に、エッチング後に残留ガスによって絶縁層Ｓ２が腐食されることによってエッチング工程の加工の再現性が劣る。そのため電気的、磁気的にばらつきの少ないＭＴＪ層Ｓが得られ難い。したがって、１ミクロン（１マイクロメートル）サイズより小さなＭＴＪ層Ｓが形成され難い。
【００１２】
第四に、ＭＴＪ層Ｓがリフトオフ方法で形成される場合、生産性が劣り、しかも加工後の形状も不揃いである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前述した従来技術の問題点を改善するためのものであって、エッチング後にＭＴＪ層の側面にエッチング生成物がＭＴＪ層Ｓの側面に再蒸着されることを防止しつつ熱的損傷を最小化して良好なプロファイルを有する１ミクロン以下のサイズを有するＭＴＪ層が形成できるＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記課題を達成するために本発明は、半導体装置製造工程中の基板上に下部物質膜、絶縁膜及び上部物質膜を順次に形成する第１段階、前記上部物質膜の所定領域上にマスクパターン部を転写形成する第２段階、メインガスとバッファガスとが所定の混合比で混合され、かつ塩素ガス（Ｃｌ2）を含まないエッチングガスを用いたプラズマを発生させ、これを利用して前記マスクパターン部の周りの前記物質膜をエッチング除去する第３段階及び前記マスクパターン部を除去する第４段階を含むことを特徴とするＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法を提供する。
【００１５】
この時、前記エッチングガスで前記メインガスの体積混合比率は６０％以下、望ましくは１０％〜４０％である。そして、前記マスクパターン部は、１ミクロン以下のサイズに形成する。
【００１６】
また、前記第３段階は、前記マスクパターン部が転写形成された途中工程基板を誘導結合型プラズマエッチング装置に装着する段階及び前記エッチング装置に前記エッチングガスを均一に供給しつつ所定のソースパワー及びバイアス電圧を印加して前記途中工程基板が装着された上側空間に前記プラズマを発生させる段階をさらに含み、または前記マスクパターン部の周りの前記上部物質膜及び前記絶縁膜をエッチング除去する段階及び前記マスクの周りの前記下部物質膜をエッチング除去する段階をさらに含み、前記マスクパターン部の周りの前記上部物質膜をエッチング除去する段階、前記マスクパターン部の周りの前記絶縁膜をエッチング除去する段階及び前記マスクパターン部の周りの前記下部物質膜をエッチング除去する段階をさらに含むことができる。
【００１７】
このようなエッチング加工工程の好適な条件としては次のような条件がある。即ち、メインガスが三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）であってバッファガスがアルゴンガス（Ａｒ）であり、プラズマエッチング装置のソースパワーが５００ワットから８００ワットであり、プラズマエッチング装置のバイアス電圧が１００ボルトから１５０ボルトであり、前記マスクパターン部の周りの前記上部物質膜及び前記絶縁膜をエッチング除去する温度が摂氏２５度程度の常温である条件である。
【００１８】
前記上部物質膜及び前記絶縁膜を連続的にエッチング除去した後、前記下部物質膜をエッチング除去する前に前記下部物質膜に対するエッチング特性を考慮して前記メインガスの体積混合比率を１０％〜４０％の範囲で調節することが望ましい。
【００１９】
同様に、前記上部絶縁膜をエッチング除去した後、前記絶縁膜をエッチング除去する時と前記下部物質膜をエッチング除去する時、それぞれの物質膜に対するエッチング特性を考慮して前記メインガスの体積混合比率を１０％〜４０％の範囲内で異なるように調節することが望ましい。
【００２０】
このような本発明を利用すれば、２５℃程度の常温でエッチング工程を行ってＭＴＪ層が熱的に損傷されることが防止できる。また、このようなエッチング工程から発生する副生成物は揮発性を有するため、ＭＴＪ層が１ミクロン以下のサイズを有する場合にもＭＴＪ層の側面に前記副生成物が再蒸着されていない方がきれいなプロファイルを有するＭＴＪ層が得られる。また、エッチングガスに塩素ガス（Ｃｌ2）が使われていないため、ＭＴＪ層の側面に段差が形成されないだけでなく、前記ＭＴＪ層が残留塩素により腐食されることも防止しうる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によるＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法において、エッチング工程は誘導結合型プラズマエッチング装置で進められる。前記エッチング工程の開始とともに前記エッチング装置にエッチング用プラズマ生成のためにＢＣｌ3とＡｒとが適正な割合で混合されて均一に供給される。これにより、前記誘導結合型プラズマエッチング装置内から発生するプラズマの密度、すなわちエッチング反応に寄与するイオンとラジカルとの密度が高まって１００℃より低い常温、例えば２５℃程度で前記エッチング工程を行える。これにより、ＭＴＪ層が前記エッチング工程で熱的に損傷されることを防止しうる。そして、本発明によるプラズマは、従来に比べて非常に活性化されるており、かつ低温プラズマ中で発生する前記エッチング工程における副生成物は揮発性を有する。前記副生成物のこのような特性により、ＭＴＪ層の側面に前記生成物は再蒸着しない。したがって、前記ＭＴＪ層の側面には副次堆積物は形成されることがなく、その側面は綺麗であるだけでなく基板に対して垂直に近い傾斜度を有する。結局、前記ＭＴＪ層のプロファイルが従来の製造方法に比べて非常に良好になる。また、エッチングガスに塩素ガス（Ｃｌ2）が使われていないため、ＭＴＪ層の側面に段差が形成されないだけでなく、前記ＭＴＪ層が残留塩素により腐食されることも防止しうる。また、このような利点によって物理的及び化学的にダメージを受けずにＭＴＪ層を例えば１ミクロン以下のサイズに形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法を添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために誇張して示した。
【００２３】
本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法は、図４に示されたように大きく半導体基板にトランジスタを形成する第１段階（Ｓ１０）、前記トランジスタの上側にデータラインをはじめとして前記トランジスタと接続されるＭＴＪ層を所定のプラズマエッチング工程を利用して順次に形成する第２段階（Ｓ２０）及び前記ＭＴＪ層と接続されるビットラインを形成する第３段階（Ｓ３０）に分けることができる。
【００２４】
図５を参照すれば、第１段階（Ｓ１０）は、半導体基板に活性領域及びフィールド領域を設定する段階（Ｓ１０ａ）、前記フィールド領域に素子分離のためのフィールド酸化膜を形成する段階（Ｓ１０ｂ）、前記半導体基板の前記活性領域上にゲート電極を含むゲート積層物を形成する段階（Ｓ１０ｃ）及び前記ゲート積層物の両側の前記活性領域にソース及びドレーンを形成する段階（Ｓ１０ｄ）を含む。
【００２５】
そして、図６を参照すれば、第２段階（Ｓ２０）は、前記半導体基板上に前記トランジスタを覆う第１層間絶縁膜を形成する段階（Ｓ２０ａ）、前記第１層間絶縁膜の所定領域上に、望ましくは前記ゲート積層物の上側に前記ゲート積層物と並んでデータラインを形成する段階（Ｓ２０ｂ）、前記第１層間絶縁膜上に前記データラインを覆う第２層間絶縁膜を形成する段階（Ｓ２０ｃ）、前記第１及び第２層間絶縁膜に前記トランジスタの所定領域、例えばドレーン領域が露出されるコンタクトホールを形成する段階（Ｓ２０ｄ）、前記コンタクトホールを導電性プラグで充填する段階（Ｓ２０ｅ）、前記第２層間絶縁膜上に前記導電性プラグの前面と接触しつつ前記データラインの上側に延びる、ＭＴＪ層が形成されるパッド導電層を形成する段階（Ｓ２０ｆ）及び前記パッド導電層の前記データラインと対応する領域上に所定のプラズマエッチング工程を利用してＭＴＪ層を形成する段階（Ｓ２０ｇ）に細分しうる。
【００２６】
また、前記第３段階（Ｓ３０）は、図７に示されるように前記第２層間絶縁膜上に前記パッド導電層及び前記ＭＴＪ層を覆う第３層間絶縁膜を形成する段階（Ｓ３０ａ）、前記第３層間絶縁膜に前記ＭＴＪ層が露出されるビアホールを形成する段階（Ｓ３０ｂ）、前記第３層間絶縁膜上に前記ビアホールを充填する導電膜を形成する段階（Ｓ３０ｃ）、写真エッチング工程で前記導電膜をパターニングしてビットラインとして使われる、前記ビアホールを通じて前記ＭＴＪ層と接続され、前記データラインに直角に導電膜パターンを形成する段階（Ｓ３０ｄ）に細分しうる。
【００２７】
図８は、前述した第１ないし第３段階（Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０）によって形成された工程途中のＭＲＡＭの要部を示す断面図である。図８を参照すれば、半導体基板４０に活性領域（Ａｃｔｉｖｅ Ａｒｅａ：以下ではＡＡと呼ぶ）及びフィールド領域（Ｆｉｅｌｄ Ａｒｅａ：以下ではＦＡと呼ぶ）が形成されており、ＦＡにフィールド酸化膜４２が形成されている。そして、フィールド酸化膜４２の間に囲まれたＡＡにゲート積層物４４とソース領域４６及びドレーン領域４８とで構成されるトランジスタが形成されている。また、半導体基板４０上に前記トランジスタを覆う第１層間絶縁膜５０が形成されており、第１層間絶縁膜５０上にゲート積層物４４と対応するようにデータライン５２が形成されている。
【００２８】
データライン５２は、ＭＴＪ層６２にデータを記録するためのものである。所定の電流がデータライン５２に印加されれば、ＭＴＪ層６２を通過する磁場が発生する。この時、前記トランジスタは、オフ状態になる。
【００２９】
次いで、第１層間絶縁膜５０上にデータライン５２を覆う第２層間絶縁膜５４が形成されており、第１及び第２層間絶縁膜５０，５４にデータライン５２及びゲート積層物４４から所定距離だけ離隔された、前記トランジスタのドレーン領域４８が露出されるコンタクトホール５６が形成されている。そして、コンタクトホール５６は、導電性プラグ５８で完全に充填されており、第２層間絶縁膜５４上に導電性プラグ５８の前面と接触されるパッド導電層６０が形成されているが、データライン５２の上側に延びるように形成されている。
【００３０】
パッド導電層６０のデータライン５２に対応する領域上にＭＴＪ層６２が形成されているが、ＭＴＪ層６２の全体的なプロファイルが従来製造方法によるＭＲＡＭに備わったＭＴＪ層（図３のＳ参照）に比べて良好である。また、本発明によるＭＲＡＭの製造方法の場合、従来とは異なって、ＭＴＪ層６２にアンダーカットや熱的ダメージもないことが分かる。
【００３１】
次いで、第２層間絶縁膜５４上にパッド導電層６０及びＭＴＪ層６２を覆う第３層間絶縁膜６４が形成されており、第３層間絶縁膜６４にＭＴＪ層６２が露出されるビアホール６６が形成されており、第３層間絶縁膜６４上にビアホール６６を充填しつつＭＴＪ層６２と接触されるビットライン７０が形成されている。この時、ビットライン７０は、データライン５２及びゲート積層物４４と直角に形成されている。
【００３２】
一方、前記ＭＴＪ層を形成する段階Ｓ２０ｇは再び三段階に細分できるが、図９はその第一段階を、図１０は第二段階を、図１１は第三段階をそれぞれ示す断面図である。
【００３３】
図９を参照すれば、前記第一段階は、パッド導電層６０をベース基板８０としその
上にＭＴＪ層を構成する下部物質膜８２、絶縁膜８４及び上部物質膜８６を順次に形成する段階である。下部物質膜８２は、単一磁性膜で形成できるが、磁性膜を含む複数の物質膜により形成することが望ましい。例えば、前記複数の物質膜は、タンタル（Ｔａ）膜、ルテニウム（Ｒｕ）膜、イリジウム／マンガン（Ｉｒ／Ｍｎ）膜及び合成反強磁性膜（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｌｍ：ＳＡＦ）を順次に積層して形成しうる。この時、前記ルテニウム（Ｒｕ）膜の代わりにニッケル鉄（ＮｉＦｅ）膜を使用しても良い。絶縁膜８４は、電子トンネリングのためのものであって、例えばアルミニウム酸化膜（Ａｌ2Ｏ3）よりなる。上部物質膜８６は、磁性膜とキャップ層を順次に積層して形成したものであって、前記磁性膜は、単一磁性膜よりなるが、図１３に示されたように複数の磁性膜、例えばコバルト鉄（ＣｏＦｅ）膜とニッケル鉄膜を順次に積層して形成することが望ましい。前記キャップ層は、タンタル膜またはルテニウム膜よりなる。下部物質膜８２が形成されるベース基板８０は、導電性を有する単層あるいは複数層の物質膜よりなる。複数層の場合、チタン（Ｔｉ）膜とチタンナイトライド（ＴｉＮ）膜が順次に積層されたもの（Ｔｉ／ＴｉＮ）でありうる。ベース基板８０は、図８のパッド導電層６０に対応する。
【００３４】
図１０を参照すれば、前記第二段階は、所定の露光装置、例えば、ＫｒＦレーザ露光ステッパが使われる写真転写工程を利用して上部物質膜８６の所定領域、望ましくはデータライン（図８の５２）に対応する領域だけを覆うマスクパターン部８８を上部物質膜８６の上に形成する段階である。この時、マスクパターン部８８は、感光膜により形成されたパターンであって、１ミクロン以下のサイズを有するが、例えばマスクパターン部８８の横及び縦幅がそれぞれ０.４マイクロメートル及び０.８マイクロメートル程度である。このようなサイズを有するマスクパターン部８８は、後続エッチング工程でその下部に形成された物質膜にそのまま転写される。したがって、最終的に形成されるＭＴＪ層の横及び縦幅もそれぞれ１マイクロメートルより小さくなる。
【００３５】
図１１を参照すれば、前記第三段階でベース基板８０上にＭＴＪ層６２が形成される。
【００３６】
具体的に、図１０に示した途中工程基板でマスクパターン部８８をエッチングマスクとして上部物質膜８６、絶縁膜８４及び下部物質膜８２を順次にエッチングする。次いで、マスクパターン部８８を除去する。このようにして下部絶縁膜パターン８２ａ、絶縁膜パターン８４ａ及び上部絶縁膜パターン８６ａが順次に積層されたＭＴＪ層６２が完成される。
【００３７】
この時、上部物質膜８６、絶縁膜８４及び下部物質膜８２は、所定のプラズマエッチング工程を利用して順次にエッチングされる。この過程で、物質膜によってエッチング条件を異にしなければならないが、これはエッチングガスとして使われる混合ガスの混合比とベース基板８０に印加されるバイアスパワーとをそれぞれ独立的に調節することによって可能である。
【００３８】
前記三つの膜８６，８４，８２についてのエッチング過程をさらに具体的に説明する。
【００３９】
図１２は、上部物質膜８６、絶縁膜８４及び下部物質膜８２を順次にエッチングするのに使用する誘導結合型プラズマエッチング装置１００の断面を示す図面である。図１２において、１０２は途中工程基板が置かれるステージを、１０４はステージ１０２を支持するチャックを、１０６はチャック１０４に接続されてステージ１０２上に装着される途中工程基板に印加される所定のバイアスパワーを独立的に調節するための第１高周波マッチングユニットを表す。そして、１０８はプラズマエッチング工程が行われるチャンバーを、１１０はチャンバー１０８の内部のステージ１０２の上側空間を取り囲むようにチャンバー１０８の上部壁に内在されたコイルを、１１２はチャンバー１０８の内部で実行されるエッチング進行の各段階をチェックするための光放出分析器を表す。光放出分析器１１２によってチャンバー１０８に設けられた光放出窓（図示せず）を通じて放出される光が分析される。このような光放出分析機１１２を利用してチャンバー１１２の内部でエッチング工程のいかなる段階が進まれているか、エッチング過程でいかなる副生成物が発生しているかが分かる。１１４は、コイル１１０に印加されるパワーを独立的に調節するための第２高周波マッチングユニットを表す。図面に示されていないが、チャック１０４の熱をステージ１０２上に装着された途中工程基板に効率的に伝達するためにステージ１０２の内部にヘリウムガスを流す。
【００４０】
このような誘導結合型プラズマエッチング装置１００において、下部物質膜８２、絶縁膜８４及び上部物質膜８６に対するエッチングが順次に行われる時、第１高周波マッチングユニット１０６は、ステージ１０２上に装着された途中工程基板に３００Ｖ以下、望ましくは１００Ｖ〜１５０Ｖ程度のバイアス電圧を印加する。そして、第２高周波マッチングユニット１１４は、１.５ｋＷ以下、望ましくは５００Ｗ〜８００Ｗのソースパワーをコイル１１０に印加する。第１高周波マッチングユニット１０６によって印加されるバイアス電圧と第２高周波マッチングユニット１１４によって印加されるソースパワーとによって、チャンバー１０８の内部に均一に流入された混合されたエッチングガスからエッチングに使われるイオンとラジカル及び電子から成るプラズマがステージ１０２の上側空間Ｐに発生する。
【００４１】
ＭＴＪ層を形成するための上部物質膜８６、絶縁膜８４及び下部物質膜８２のエッチング工程は、図１０に示されたように上部物質膜８６上にマスクパターン部８８が形成された途中工程基板をステージ１０２上に装着することによって始まる。便宜上、図１２に１１６と表した部材を、ステージ１０２上に装着された図１０の途中工程基板と見なす。ステージ１０２上に装着された図１０の途中工程基板１１６は、ステージ１０２上に備わった固定部材によってエッチングが完了するまで固定される。このように図１０の途中工程基板１１６がステージ１０２の上に固定された後、チャンバー１０８の天井に備わったノズル（図示せず）を通じて途中工程基板１１６の上側空間に混合されたエッチングガスが均一に噴射される。前記混合されたエッチングガスは、塩素ガス（Ｃｌ2）を含まないものであって、メインガスとバッファガスとが所定の割合で混合されたものを使用する。前記メインガスとして、例えば三塩化ホウ素（ＢＣｌ3）を使用する。そして、前記バッファガスとして、例えばアルゴン（Ａｒ）を使用する。
【００４２】
前記三塩化ホウ素は、酸化されたアルミニウム、すなわち絶縁膜８４をエッチングするのに効果的であるだけでなく、チャンバー１０８の内部の残留酸素や絶縁膜に含まれる酸素が遊離してもプラズマがこれら遊離する酸素を除去するのに効果を有する。前記三塩化ホウ素のこのような酸素除去効果によって、前記混合されたエッチングガスに三塩化ホウ素の添加量が増加する場合、磁性膜、すなわち上部物質膜８６及び下部物質膜８２に対する絶縁膜８４のエッチング選択比も十分な大きさが維持される。したがって、最終的に得られるＭＴＪ層の全体的なプロファイルが良好になる。すなわち、ＭＴＪ層の側壁にエッチング過程から発生した副生成物が再蒸着されず、前記ＭＴＪ層の側壁は垂直プロファイルを有する。また、エッチング後に残留するガスによってＭＴＪ層が腐食されることを防止することができる。
【００４３】
前記３つの膜８２，８４，８６に対するエッチングの状態は、前記混合されたエッチングガスの混合比、前記混合されたエッチングガスを放電するために誘導結合型プラズマエッチング装置１００に印加されるメインパワーとステージ１０２上に装着された途中工程基板１１６に印加されるバイアスパワー、途中工程基板１１６の温度、エッチングガスの圧力、ガス流量を調節して最適化しうる。
【００４４】
例えば、前記混合されたエッチングガスのメインガスが三塩化ホウ素であり、バッファガスがアルゴンである場合、前記混合されたエッチングガスで三塩化ホウ素の体積比率が６０％以下である時、望ましくは１０％〜４０％である時、前記３つの膜８２，８４，８６に対する物理的及び化学的エッチングを最も効果的に実施できるということが実験を通じて分かっている。
【００４５】
次いで、チャンバー１０８の天井に備わった前記ノズルによって図１０の途中工程基板１１６の上側空間に前記混合されたエッチングガスが均一に噴射されつつ誘導結合型プラズマエッチング装置１００に所定のソースパワー、例えば５００Ｗを印加する。この結果、前記混合されたエッチングガスから前記３つの膜８２，８４，８６のエッチングに使われるラジカルとイオンとを含むプラズマが生成される。このように生成されたプラズマによって図１０の途中工程基板１１６でマスクパターン部８８の周りの上部物質膜８６がエッチングされる。次いで、前記混合されたエッチングガスの混合比を絶縁膜８４をエッチングするのに適するように調節した後、前記混合されたエッチングガスから絶縁膜８４をエッチングするためのプラズマを生成させる。このように生成されたプラズマによってマスクパターン部８８の周りの絶縁膜８４もエッチングされる。この結果、下部物質膜８２が露出される。以後、前記ノズルを通じてチャンバー１０８に流入されるガスの流量調節を通じて前記混合されたエッチングガスの混合比が磁性膜に対して高いエッチング選択比を有するように調節される。以後、前記混合されたエッチングガスからプラズマを生成させてマスクパターン部８８の周りの下部物質膜８２をエッチングする。以後、マスクパターン部８８を除去することによって図１１に示されたように下部物質膜パターン８２ａ、絶縁膜パターン８４ａ及び上部物質膜パターン８６ａが順次に積層されて構成されるＭＴＪ層６２が完成される。
【００４６】
ＭＴＪ層６２を形成するためのエッチングに誘導結合型プラズマエッチング装置１００を使用し、ここに前記混合エッチングガスを使用する場合、エッチング反応に寄与するプラズマ密度、すなわちラジカルとイオンとの密度が高まる。したがって、プラズマがさらに活性化されて低温、例えば１００℃以下、望ましくは２５℃程度の常温でエッチング過程が進行する。このような低温で発生した副生成物は揮発性を有する。
【００４７】
このように前記ＭＴＪ層６２を形成するためのエッチング工程は、従来のように数１００℃で実施される高温工程ではなく、２５℃程度の常温で実施される低温工程である。したがって、ＭＴＪ層６２がエッチング過程で熱的に損傷されることが防止される。また前記のように低温工程から発生したエッチング副生成物が揮発性を有するため、前記エッチング副生成物が完成されたＭＴＪ層６２の側面に再蒸着されることが防止される。したがって、ＭＴＪ層６２のプロファイルが従来製造方法に比べて非常に良好になる。
【００４８】
図１３は、前記エッチング過程を通じて形成したＭＴＪ層６２の構成に対する断面図である。図１３で、１１８、１２０、１２２及び１２４は、それぞれベース基板上のバッファ層、磁性膜を含む下部物質膜、絶縁膜及び磁性膜を含む上部物質膜を表す。
【００４９】
一方、生産性の側面を重視すると、上部物質膜８６、絶縁膜８４及び下部物質膜８２を連続的に一度にエッチングすることが望ましいが、３つの膜８２，８４，８６のエッチングは、２段階あるいは３段階以上に分けて実施することができる。
【００５０】
例えば、２段階で前記ＭＴＪ層６２をエッチングする場合、第１段階で上部物質膜１２４をエッチングし、第２段階で混合されたエッチングガスの混合比を絶縁膜１２２及び下部物質膜１２０のエッチングに適するように調節した後、絶縁膜１２２及び下部物質膜１２０に対するエッチングを連続的に実施しうる。
【００５１】
３段階で前記ＭＴＪ層６２をエッチングする場合、第１段階で上部物質膜１２４をエッチングし、第２段階で絶縁膜１２２をエッチングする。次いで、第３段階で下部物質膜１２０をエッチングする。この時、各段階ではエッチングされる物質膜に対するエッチング効率が最適になるようにエッチングガスの混合比が調節される。
【００５２】
３段階より多くの段階で前記ＭＴＪ層をエッチングする場合、段階ごとにエッチングガスの混合比を調節しつつＭＴＪ層を構成する物質膜の数だけエッチングを実施しうる。
【００５３】
図１４は、本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法で形成された１マイクロメートル以下のサイズ（０.４マイクロメートル×０.８マイクロメートル）を有するＭＴＪ層（以下、第１ＭＴＪ層という）と従来技術によるＭＲＡＭ製造方法で形成された１マイクロメートル以上のサイズを有するＭＴＪ層（以下、第２ＭＴＪ層という）との磁気履歴特性を比較する特性図である。図１４で第１及び第２ＭＴＪ層の磁気履歴特性は、磁性測定装置であるＶＳＭ（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｓａｍｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ）を利用して測定する。第１の特性曲線Ｇ１は、前記第１ＭＴＪ層に対する磁気履歴特性曲線を、第２の特性曲線Ｇ２は前記第２ＭＴＪ層に対する磁気履歴特性曲線を表す。
【００５４】
第１及び第２の特性曲線Ｇ１，Ｇ２を参照すれば、前記第１ＭＴＪ層の磁気履歴特性と前記第２ＭＴＪ層の磁気履歴特性とが大きく異ならないということが分かるが、これは本発明によって製造されたＭＴＪ層の場合、そのサイズが１ミクロン以下であるが、１ミクロン以上のサイズを有する従来のＭＴＪ層と同等な磁気履歴特性を有するということを意味する。
【００５５】
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものではなく、望ましい実施例の例示として解釈されなければならない。例えば、当業者なら、前記誘導結合型プラズマエッチング装置及びメインエッチングガスをそのままに使用するが、バッファガスをアルゴン以外の他のガスを使用し、前記メインエッチングガスの比率を異にすることもある。また、下部物質膜、絶縁膜及び上部物質膜のうち少なくとも一つの物質膜を前記と異なる物質膜に形成しうる。したがって、本発明の範囲は説明された実施例のみによって決定されず、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって決定されなければならない。例えば、前記ＭＴＪ層６２を上記方法によりエッチングにより形成した後、その上部の層としてＭＯＳトランジスタを形成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は不揮発性メモリ素子が使用されうる全ての製品、例えば、フラッシュメモリ、各種コンピュータ、メモリスティックのような各種データ保存媒体、デジタル家電製品（デジタルカムコーダ、デジタルカメラ、携帯電話、ＭＰ３プレーヤー、ＰＤＡ、ＧＰＳなど）、事務用機器（複写機、プリンター、ＦＡＸ、複合機など）など各種機器に適用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】従来技術術によるＭＲＡＭ断面図である。
【図２】図１に示されたＭＲＡＭのＭＴＪ層の構成と共に形成方法を段階別に示    す断面図である。
【図３】図１に示されたＭＲＡＭのＭＴＪ層の構成と共に形成方法を段階別に示    す断面図である。
【図４】本発明の実施例によるＭＲＡＭの製造過程を示すフローチャートである。
【図５】図４に示されたＭＲＡＭの製造過程の第１ないし第３段階をさらに具体的に示すフローチャートである。
【図６】図４に示されたＭＲＡＭの製造過程の第１ないし第３段階をさらに具体的に示すフローチャートである。
【図７】図４に示されたＭＲＡＭの製造過程の第１ないし第３段階をさらに具体的に示すフローチャートである。
【図８】図５ないし図７のフローチャートによって形成された工程途中のＭＲＡＭの要部を示す断面図である。
【図９】本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層を形成する過程を段階別に示す断面図である。
【図１０】本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層を形成する過程を段階別に示す断面図である。
【図１１】本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層を形成する過程を段階別に示す断面図である。
【図１２】本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層を形成するのに使われた誘導結合型プラズマエッチング装置の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法によって形成されたＭＴＪ層の構成例を示す断面図である。
【図１４】本発明の実施例によるＭＲＡＭのＭＴＪ層の形成方法で形成された１ミクロンサイズより小さなＭＴＪ層と、従来技術によるＭＲＡＭの製造方法で形成された１ミクロンサイズより大きいＭＴＪ層との磁気履歴特性を比較する特性図である。
【符合の説明】
【００５８】
Ｓ１０    半導体基板にトランジスタを形成する第１段階
Ｓ２０    ＭＴＪ層を所定のプラズマエッチング工程を利用して順次に形成する第２段階
Ｓ３０    ＭＴＪ層と接続されるビットラインを形成する第３段階
４０    半導体基板
ＡＡ    活性領域
ＦＡ    フィールド領域
４２    フィールド酸化膜
４４    ゲート積層物
４６、４８  ソース及びドレーン領域
５０    第１層間絶縁膜
５２    データライン
６２    ＭＴＪ層
５４    第２層間絶縁膜
５６    コンタクトホール
５８    導電性プラグ
６０    パッド導電層
６４    第３層間絶縁膜
６６    ビアホール
７０    ビットライン
８６    上部物質膜
８４    絶縁膜
８２    下部物質膜
１００    誘導結合型プラズマエッチング装置
１０２    ステージ
１０４    チャック
１０６    第１高周波マッチングユニット
１０８    チャンバー
１１０    コイル
１１２    光放出分析器
１１４    第２高周波マッチングユニット
１２４    上部物質膜
１２２    絶縁膜
１２０    下部物質膜
【図１】
2004235642.tif 000003
【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】
2004235642.tif 000009
【図８】
2004235642.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004235642.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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