(57)【要約】【課題】磁性体材料を精度よくエッチングするエッチング装置と、磁性体材料のエッチングの終点を確実に検出するエッチング方法を提供する。【解決手段】ヘリコン波プラズマエッチング装置１では、ウェハ５０にプラズマエッチング処理を施すための処理室２が設けられ、その処理室２内にステージ部３が配設されている。そのステージ部３には、磁気を検知する磁気検知部１３が配設され、その磁気検知部１３は制御部１４に接続されている。処理室２の上方にはベルジャー８が設けられ、その外周部分には、ヘリコンコイル９と磁場コイル１１がそれぞれ配設されている。ヘリコンコイル９には所定の電力を供給するＲＦ電源１０が接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板をプラズマの雰囲気に晒すことによって、基板の表面に形成された磁性体材料の膜に所定のエッチング処理を施すためのエッチング装置であって、
処理室と、
前記処理室内に配設され、基板が載置されるステージ部と、
所定の磁場と電場とを発生させて、前記ステージ部に載置される基板の表面に臨む領域にプラズマを生成するためのプラズマ生成部と、
前記ステージ部に配設され、前記磁場の強度を検知する磁気検知部と、
前記磁気検知部と接続され、前記磁気検知部によって検知された前記磁場の強度に基づいてエッチングを制御する制御部と
を備えた、エッチング装置。
【請求項２】
前記制御部は、エッチングに伴って前記磁気検知部によって検知される前記磁場の強度の経時変化に基づいてエッチングを停止させる機能を有する、請求項１記載のエッチング装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記磁気検知部によって検知される基板の裏面側における前記磁場の強度と、基板の表面側における前記磁場の強度とを比較する機能と、
基板の裏面側における前記磁場の強度と表面側における前記磁場の強度との比較に基づいてエッチングを停止させる機能と
を有する、請求項１記載のエッチング装置。
【請求項４】
前記磁気検知部は、前記ステージ部に載置される基板に対し、基板の面内における所定の複数の位置に対応するようにそれぞれ配設された、請求項１〜３のいずれかに記載のエッチング装置。
【請求項５】
前記プラズマ生成部は、前記磁場と前記電場を電子サイクロトロン共鳴条件を満たすように発生させる機能を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のエッチング装置。
【請求項６】
前記プラズマ生成部は、前記電場によりヘリコン波を発生させる機能を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のエッチング装置。
【請求項７】
所定の磁場と電場とを発生させて基板の表面に臨む領域に生成されるプラズマに基板の表面を晒すことにより、基板の表面に形成された磁性体材料の膜に所定のエッチング処理を施すためのエッチング方法であって、
基板を挟んでプラズマが生成される領域とは反対側の基板の裏面側の領域において、前記磁場の強度を検知し、
検知された前記磁場の強度に基づいて磁性体材料の膜のエッチングを制御する、エッチング方法。
【請求項８】
エッチング処理に伴う前記磁場の強度の経時変化に基づいてエッチングを停止する、請求項７記載のエッチング方法。
【請求項９】
基板の裏面側において検知される前記磁場の強度と基板の表面側における前記磁場の強度との比較に基づいてエッチングを停止させる、請求項７記載のエッチング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエッチング装置およびエッチング方法に関し、特に、磁性体材料のエッチングに適用されるエッチング装置と、磁性体材料のエッチング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体記憶装置の一つに、不揮発性磁気記憶半導体装置（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory）がある。このＭＲＡＭには、強磁性体膜、絶縁体膜および強磁性体膜の３層膜を基本構成とする強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction）が利用されている。その強磁性トンネル接合では、３層膜のうち２層の強磁性体膜の磁化の方向が互いに平行である場合と反平行である場合とで、絶縁体膜に流れるトンネル電流の値が異なる。ＭＲＡＭでは、このようなトンネル電流の値の違いを「１」または「０」に対応する情報として不揮発的に記録されることになる。なお、この強磁性トンネル接合を含む素子は、トンネル電流の値が異なる性質を利用することから磁気抵抗効果素子と称される。
【０００３】
磁化の向きを互いに平行とする場合と反平行とする場合とを実現するために、磁気抵抗効果素子では、２層の強磁性体膜のうちの一方の強磁性体膜の磁化方向が固定され、他方の強磁性体膜の磁化方向が変えられる。磁化の向きが固定される強磁性体膜はピン層と称され、磁化の向きが変えられる強磁性体膜はフリー層と称される。
【０００４】
そのようなＭＲＡＭを開示した文献の一つに特許文献１がある。特許文献１に記載されたＭＲＡＭでは、ビット線とワード線とが交差する領域に磁気抵抗効果素子が配置されている。ＭＲＡＭのメモリセルでは、特定のメモリセルを選択するための選択用スイッチが必要とされる。通常、この選択用スイッチとして、それぞれのメモリセルには１つのＭＯＳトランジスタが設けられて、１つのメモリセルが１つのビットとして構成されることになる。この構造は、従来のＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）におけるキャパシタを磁気抵抗効果素子に置き換えたものと同じ構造になる。
【０００５】
現在、ＭＲＡＭの製造工程において磁気抵抗効果素子をパターニングする手法として、フォトリソグラフィーと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）によるパターニングの実用化が進められている。
【０００６】
反応性イオンエッチング装置には、量産に対応可能な処理能力を達成し得るエッチング速度と、磁気抵抗効果素子の仕上がり寸法や形状等の加工精度が求められている。これらの要求を実現するために、高密度・低気圧プラズマを生成することが可能なエッチング装置が必要とされている。このようなエッチング装置としては、たとえば、特許文献２に開示されたヘリコン波プラズマエッチング装置と、特許文献３に開示された電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cycrotron Resonance Plasma）エッチング装置がある。
【０００７】
磁気抵抗効果素子は、上述したように、強磁性体膜、絶縁体膜および強磁性体膜の３層膜構造とされ、２層の強磁性体膜のうち、上層に位置する強磁性体膜がフリー層とされ、下層に位置する強磁性体膜がピン層とされる。磁気抵抗効果素子の構造としては、磁気抵抗効果素子をパターニングする際のエッチングをどの膜（層）まで施すかによって２つの構造がある。
【０００８】
１つは、フリー層となる強磁性体膜を完全にエッチングしてトンネルバリアとなる絶縁体膜においてエッチングを停止することで形成される構造（構造Ａ）であり、他の一つは、ピン層となる強磁性体膜の全てをエッチングし、その強磁性体膜の下に位置する下部電極層においてエッチングを停止することで形成される構造（構造Ｂ）である。
【０００９】
構造Ｂの場合には、ピン層からフリー層への静磁結合磁場の問題がある。この結合磁場はＭＲＡＭが微小化されるほど顕著となる。したがって、ＭＲＡＭの高密度化を図る観点からは、磁気抵抗効果素子の構造としては構造Ａとすることが望ましいとされている。
【特許文献１】特開２００１−１４４３４５号公報
【特許文献２】特開２０００−３２２７１０号公報
【特許文献３】特開平１１−９２９７０号公報
【特許文献４】特開２００１−２５０８１２号公報
【特許文献５】特開平１１−２７４６００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来のＭＲＡＭにおいて磁気抵抗効果素子を形成する方法では以下のような問題点があった。まず、反応性イオンエッチングにおいてエッチングを停止させる手法として、時間を制御する手法とエッチングの終点を検出する手法がある。時間を制御する手法は、あらかじめ決められた所定の時間が経過するとエッチングを停止させるというものである。一方、エッチングの終点を検出する手法は、エッチングの終点を検出する所定の手段を用いてエッチングを停止させるというものである。
【００１１】
このエッチングの終点を検出する手法として、たとえば特許文献４では、被エッチング材にエッチングを施す際のプラズマの発光強度を測定し、その発光強度の時間変化を検出することによって、エッチングを停止させる手法が提案されている。また、特許文献５では、磁性体材料にエッチングを施す際の発光強度の変化を検出することによって、エッチングを停止させる手法が提案されている。
【００１２】
しかしながら、時間を制御する手法では、トンネルバリアとなる絶縁体膜の厚さが数ｎｍと非常に薄いために、絶縁体膜においてエッチングを正確に停止することは困難であるという問題がある。また、現状の反応性イオンエッチングでは、強磁性体膜のエッチングレートと絶縁体膜のエッチングレートとのレート差が十分に大きくないことも、薄い絶縁体膜においてエッチングを停止させることをさらに困難にしている。
【００１３】
一方、エッチングの終点を検出する手法では、プラズマの発光強度を測定するための観測窓へエッチング生成物が付着するという問題がある。エッチング生成物が観測窓に付着すると、観測される発光強度が低下して検出精度が下がり、エッチングの終点を判定するのにばらつきが生じることになる。
【００１４】
特に、磁性体材料を反応性イオンエッチングによってエッチングする際に生じる反応生成物は、シリコンなどの半導体材料をエッチングする際に生じる反応生成物に比べると、揮発性が低いという性質がある。そのため、反応生成物が観測窓へより付着しやすくなり、磁気抵抗効果素子の加工精度にばらつきが生じてＭＲＡＭの歩留まりを下げる原因の一つとなる。
【００１５】
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、磁性体材料を精度よくエッチングするエッチング装置を提供することであり、他の目的は、磁性体材料のエッチングの終点を確実に検出するエッチング方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るエッチング装置は、基板をプラズマの雰囲気に晒すことによって、基板の表面に形成された磁性体材料の膜に所定のエッチング処理を施すためのエッチング装置であって、処理室とステージ部とプラズマ生成部と磁気検知部と制御部とを備えている。ステージ部は処理室内に配設され、基板が載置される。プラズマ生成部は、所定の磁場と電場とを発生させて、ステージ部に載置される基板の表面に臨む領域にプラズマを生成する。磁気検知部はステージ部に配設され、磁場の強度を検知する。制御部は、磁気検知部と接続され、磁気検知部によって検知された磁場の強度に基づいてエッチングを制御する。
【００１７】
本発明に係るエッチング方法は、所定の磁場と電場とを発生させて基板の表面に臨む領域に生成されるプラズマに基板の表面を晒すことにより、基板の表面に形成された磁性体材料の膜に所定のエッチング処理を施すためのエッチング方法であって、基板を挟んでプラズマが生成される領域とは反対側の基板の裏面側の領域において、磁場の強度を検知し、検知されたその磁場の強度に基づいて磁性体材料の膜のエッチングを制御する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るエッチング装置によれば、基板の裏面側に位置するステージ部の内部に配設された磁気検知部によって、エッチングを開始してから基板の裏面側の磁場の強度の変化を検知することで、エッチングとともに徐々に薄くなる磁性体材料の膜の膜厚に関する情報が得られて、基板に形成された磁性体材料の膜のエッチングの終点を正確に検出することができて、エッチングを停止させるタイミングを確実に把握することができる。その結果、磁性体材料の膜を精度よくパターニングすることができる。
【００１９】
本発明に係るエッチング方法によれば、基板を挟んでプラズマが生成される領域とは反対側の基板の裏面側の領域における磁場の強度を検知することで、エッチングとともに徐々に薄くなる磁性体材料の膜の膜厚に関する情報が得られて、エッチングの終点を正確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
実施の形態１
本発明の実施の形態１に係るエッチング装置の一例として、ヘリコン波プラズマエッチング装置について説明する。図１に示すように、ヘリコン波プラズマエッチング装置１では、ウェハ５０にプラズマエッチング処理を施すための処理室２が設けられ、その処理室２内にウェハ５０が載置されるステージ部３が配設されている。ステージ部３には、ウェハ５０にバイアス電圧を印加するためのＲＦ（Radio Frequency）バイアス電源１２が接続されている。そして、ステージ部３には、ウェハ５０を貫く磁気を検知する磁気検知部１３が配設され、その磁気検知部１３はヘリコン波プラズマエッチング装置１の制御部１４に接続されている。
【００２１】
また、処理室２には、排気口４を介して処理室２内を真空にするための排気部５が接続されている。さらに、処理室２には、処理室２内にガス供給口６を介して所定のエッチングガスを供給するためのガス供給部７が接続されている。ステージ部３と対向する処理室２の上方にはベルジャー８が設けられている。ベルジャー８の外周部分には、ヘリコンコイル９と磁場コイル１１がそれぞれ配設されている。そのヘリコンコイル９には、ヘリコンコイル９に所定の電力を供給するためのＲＦ電源１０が接続されている。なお、ベルジャー８と処理室２との接触部分には、リークを防止するためにシールが施されている。また、同様に、ステージ部２と処理室２との接触部分にもシールが施されている。
【００２２】
このヘリコン波プラズマエッチング装置１によれば、ウェハ５０の表面に形成された強磁性体膜をエッチングする際に、磁場コイル１１によって発生する磁場の強度をウェハ５０を介して磁気検知部１３によって検知することで、強磁性体膜のエッチングの終点制御を確実に行なうことができる。次に、このことについて強磁性体膜を含むＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子のパターニングを例に挙げて説明する。
【００２３】
上述したヘリコン波プラズマエッチング装置１において、強磁性体膜を含む磁気抵抗効果素子を形成するには、図１に示すように、まず、ステージ部３に強磁性体膜（図２参照）が形成されたウェハ５０が載置される。次に、ガス供給口６から所定のエッチングガスを導入しながら排気口４から真空排気が行なわれて、処理室内２の圧力が所定の圧力に保持される。
【００２４】
次に、磁場コイル１１によってヘリコン波プラズマを生成させるのに必要な約〜０．２（Ｔ）程度の発散磁界１５を発生させ、その状態でＲＦ電源１０によりヘリコンコイル９に所定の電力が供給されて、ベルジャー８内にヘリコン波プラズマ１６が生成される。生成されたヘリコン波プラズマ１６は発散磁界１５によりステージ部３にまで輸送されて、ウェハ５０に形成された強磁性体膜にエッチングが施されることになる。なお、ＲＦバイアス電源１２は、所望のエッチング特性に合わせてウェハ５０にＲＦバイアスを適宜印加するために用いられる。
【００２５】
次に、ウェハ５０に形成された強磁性体膜のエッチング方法について、さらに詳しく説明する。図２に示すように、ステージ部３に載置されたウェハ５０の表面上には、磁気抵抗効果素子となる強磁性体膜６２、絶縁体膜６３および強磁性体膜６４からなる３層の所定の膜がそれぞれ積層されている。最下層の強磁性体膜６２はピン層となり、最上層の強磁性体膜６４はフリー層となる。また、絶縁体膜６３はトンネルバリア層となる。
【００２６】
強磁性体膜６２，６４の材料としては、特に限定されるものではなく、たとえばパーマロイに代表されるＮｉ−Ｆｅ合金、強磁性を示すＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉおよびそれらを含む強磁性材料を適用することができる。また、絶縁体膜６３の材料としては、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、希土類元素またはこれらの元素を含む合金の酸化物または窒化物を適用することができる。
【００２７】
最上層の強磁性体膜６４の上には、所望の形状の磁気抵抗効果素子に形成するためのフォトレジストからなるレジストマスク７０が形成されている。なお、実際のＭＲＡＭの磁気抵抗効果素子では、最上層の強磁性体膜６４の上には上部電極層が形成され、最下層の強磁性体膜６２の下方には下部電極層が形成されているが、ここでは簡単のため、これらの電極層等は省略されている。
【００２８】
ステージ部３に配設される磁気検知部１３として、磁場の強度に対応した信号を出力する磁気抵抗素子、ホール素子などの磁気センサが適用される。ヘリコン波プラズマ１６を生成するために発生される発散磁界１５の磁場の強度は、ベルジャー８が位置する領域では、約〜０．２Ｔ（Ｔ：テスラ）程度であり、ヘリコン波プラズマ１６を生成させると、ウェハ５０の表面近傍では約０．０２Ｔ程度になる。
【００２９】
そのウェハ５０裏面側において検知される磁場の強度について、発明者らは種々の評価を行なったところ、ウェハ５０の表面に形成された強磁性体膜６２，６４のエッチングに伴う残膜厚と、その残された強磁性体膜６２，６４を貫いて磁気検知部１３によって検知される磁場の強度に相関関係があることを見出した。
【００３０】
まず、磁気検知部１３によって測定される磁場の強度は、エッチングを行なう前では上記ウェハ５０表面における磁場の強度よりも弱くなる。すなわち、エッチングを行なう前では、ウェハ５０の表面に２層の強磁性体膜６２，６４が形成されている状態にあり、ウェハ５０を貫こうとする発散磁界１５がこの強磁性体膜６２，６４によってシールドされてしまい、ウェハ５０の裏面側の磁場の強度がウェハ５０の表面側の磁場の強度よりも低くなる。
【００３１】
エッチングがある程度進行すると、最上層の強磁性体膜６４の膜厚が減少する。そのため、強磁性体膜６２，６４による磁気シールド効果も強磁性体膜６４の膜厚が減少する分弱くなり、その結果、エッチング前と比べてウェハ５０の裏面側において検知される磁場の強度が強くなる。このことを磁場分布シミュレーションにより検証した。
【００３２】
ウェハとして８インチウェハの表面に透磁率１０００、厚さ１０ｎｍの強磁性体膜が形成されている構造を想定し、ウェハの表面から上方に１ｃｍまでの領域とウェハの裏面から下方に１ｃｍまでの領域について解析を行なった。その結果を図３に示す。図３では、ウェハエッジ近傍の磁場の分布が等磁場曲線として示されている。なお、ウェハ５０はエッジから中心に向って２ｃｍまでの領域が示されている。一方、比較のために、ウェハ５０の表面に強磁性体膜が形成されていない構造を想定して、同様の解析を行なった結果を図４に示す。
【００３３】
まず、図３に示すように、ウェハ５０の表面に強磁性体膜が形成されている場合には、ウェハ５０の表面側とウェハ５０の裏面側とで等磁場曲線が不連続になっていることがわかる。これは、磁力線がウェハ５０の表面に位置する強磁性体膜によってシールドされてしまうことに起因すると考えられる。一方、図４に示すように、ウェハ５０に強磁性体膜が形成されていない場合には、ウエハ５０の表面側とウェハ５０の裏面側とで等磁場曲線が連続することがわかる。これは、強磁性体膜がないことで磁力線がシールドされずにウェハを貫くことによるものと考えられる。
【００３４】
次に、磁場の強度の変化をシミュレーションによりさらに詳細に解析した。その結果を図５に示す。図５は、磁場の強度のウェハからの距離の依存性を示すグラフである。グラフの横軸は、ウェハの中心を基準として、ウェハから磁場コイルに向う方向が正の向きとされ、ウェハからステージ部の側に向う方向が負の向きとされる。
【００３５】
シミュレーションを行なう際の初期条件として、ウェハ表面における磁場の強度を０．０２Ｔとした。また、最上層の強磁性体膜（フリー層）をＣｏＦｅ層として、その厚さを１０ｎｍとした。一方、最下層の強磁性体膜（ピン層）をＣｏＦｅ層として、その厚さを２０ｎｍとした。そして、絶縁体膜の厚さを２ｎｍとした。
【００３６】
３つのグラフのうち、グラフ（ａ）は、エッチング開始前の状態における磁場の強度変化を示す。グラフ（ｂ）は、最上層の強磁性体膜がエッチングされた状態における磁場の強度変化を示す。グラフ（ｃ）は、最下層の強磁性体膜がエッチングされた状態における磁場の強度変化を示す。
【００３７】
エッチングの開始前では、グラフ（ａ）に示すように、ウェハ表面近傍の領域の磁場の強度が約０．０１８Ｔであるのに対して、ウェハの裏面から距離約１ｃｍの領域における磁場の強度は、強磁性体膜の磁気シールド効果により、約０．０１Ｔ程度にまで低減していることがわかる。
【００３８】
エッチングがある程度進行して最上層の強磁性体膜（フリー層）がエッチングされた状態では、強磁性体膜の厚さが薄くなったことで磁気シールド効果が弱くなり、ウェハの裏面から距離約１ｃｍの領域における磁場の強度は、約０．０１２Ｔにまで強くなっていることがわかる。
【００３９】
さらにエッチングが進行して最下層の強磁性体膜（ピン層）がエッチングされた状態では、強磁性体膜がすべて除去されたことで磁気シールド効果がなくなって、ウェハの裏面から距離約１ｃｍの領域における磁場の強度は、ウェハの表面近傍の領域の磁場の強度と同程度の約０．０１３Ｔになっていることがわかる。このシミュレーションの結果から、ウェハの裏面側において検知される磁場の強度は、ウェハの表面の強磁性体膜の厚さに依存して変化することがわかる。
【００４０】
本実施の形態に係るヘリコン波プラズマエッチング装置１では、この知見に基づいて、ウェハの裏面側に位置するステージ部３の内部に磁気検知部１３が配設されている。この磁気検知部１３によって、エッチングを開始してからウェハの裏面側の磁場の強度の変化を検知することによって、エッチングの進行に伴って残っている強磁性体膜の厚さに関する情報を得ることができて、ウェハ５０に形成された強磁性体膜６２，６４のエッチングの終点を正確に検出することができる。
【００４１】
たとえば、磁気検知部３による磁場の強度の経時変化をモニタして、磁気検知部３によって検知される磁場の強度とあらかじめ設定された所定の磁場の強度との差が、所定の値よりも大きいか小さいかを判断し、その差が所定の値よりも小さくなったときをエッチングの終点と判断することができる。また、ウェハ５０の表面の側に臨む処理室３の適当な箇所に他の磁気検知部（図示せず）を設けて、ウェハ５０の表面側に位置する他の磁気検知部によって経時的に検知される磁場の強度と、ウェハ５０の裏面側に位置する磁気検知部１３によって経時的に検知される磁場の強度とを比較して、その差が所定の値よりも小さくなったときをエッチングの終点と判断することもできる。
【００４２】
なお、上述したヘリコン波プラズマエッチング装置１（図１参照）では、ステージ部３に１つの磁気検知部１３を配設した場合を例に挙げて説明したが、ステージ部３内に複数の磁気検知部を配設してもよい。この場合には、ウェハの面内に対応した磁場の強度を検知することができ、ウェハ面におけるエッチングに進行に関するより多くの情報を得ることができる。その結果、その情報に基づいてウェハ面内に対しより均一なエッチングを行なうことができる。
【００４３】
実施の形態２
本発明の実施の形態２に係るエッチング装置として、ＥＣＲプラズマエッチング装置について説明する。図６に示すように、ＥＣＲプラズマエッチング装置２１では、ウェハ５０にプラズマエッチング処理を施すための処理室２２が設けられ、その処理室２２内にウェハ５０が載置されるステージ部２３が配設されている。そのステージ部２３には、ウェハ５０にバイアス電圧を印加するためのＲＦバイアス電源３２が接続されている。そして、ステージ部２３には、磁気を検知する磁気検知部３３が配設され、その磁気検知部３３はＥＣＲプラズマエッチング装置２１の制御部３４に接続されている。
【００４４】
処理室２２には、排気口２４を介して処理室２２内を真空にするための排気部２５が接続されている。また、処理室２２には、処理室２２内にガス供給口２６を介して所定のエッチングガスを供給するためのガス供給部２７が接続されている。ステージ部２３と対向する処理室２２の上方には、ＥＣＲプラズマを生成するプラズマ生成室３１が設けられている。そのプラズマ生成室３１の上部には導波管２９が接続されている。マイクロ波発生部（図示せず）により発生したマイクロ波は、導波管２９に導かれてプラズマ生成室３１に配設されたマイクロ波導入窓２８を介してプラズマ生成室３１の内部へ送られる。プラズマ生成室３１の外周近傍には磁場コイル３０が配設されている。
【００４５】
このＥＣＲプラズマエッチング装置２１によれば、ウェハ５０の表面に形成された強磁性体膜をエッチングする際に、磁場コイル３０によって発生する磁場の強度をウェハ５０を介して磁気検知部１３によって検知することで、強磁性体膜のエッチングの終点を確実に検出することができる。
【００４６】
次に、上述したＥＣＲプラズマエッチング装置２１によるエッチング方法について説明する。図６に示すように、まず、ステージ部２３にウェハ５０が載置される。次に、ガス供給口２６から所定のエッチングガスを導入しながら排気口２４から真空排気が行なわれて、処理室内２２の圧力が所定の圧力に保持される。
【００４７】
次に、磁場コイル３０によってＥＣＲプラズマを生成させるのに必要な０．８７５（Ｔ）の発散磁界１５を発生させ、その状態でマイクロ波をマイクロ波導入窓２８からプラズマ生成室３１内に導入することで、プラズマ生成室３１内にＥＣＲプラズマ１６が生成される。生成されたＥＣＲプラズマ１６は発散磁界１５によりステージ部２３にまで輸送され、ウェハ５０に形成された強磁性体膜にエッチングが施される。なお、ＲＦバイアス電源３２は、所望のエッチング特性に合わせてウェハ５０にＲＦバイアスを適宜印加するために用いられる。
【００４８】
こうして、ＥＣＲプラズマエッチング装置２１では、前述したヘリコン波プラズマエッチング装置１の場合と同様に、ウェハの周辺領域にまで磁場が形成されることになる。ＥＣＲプラズマエッチング装置２１の場合には、プラズマ生成室３１における磁場の強度は０．８７５Ｔであり、ステージ部３３の近傍では約０．２Ｔ程度の強度の発散磁場が形成されることになる。
【００４９】
次に、ＥＣＲプラズマエッチング装置２１について、前述したヘリコン波プラズマエッチング装置の場合と同様に、磁場の強度の変化をシミュレーションにより解析した。その結果を図７に示す。図７は、磁場の強度のウェハからの距離の依存性を示すグラフである。なお、グラフの横軸は、ウェハの中心を基準として、ウェハから磁場コイルに向う方向が正の向きとされ、ウェハからステージ部の側に向う方向が負の向きとされる。
【００５０】
シミュレーションを行なう際の初期条件として、ウェハ表面における磁場の強度を０．２Ｔとした。それ以外の強磁性体膜等の厚さの条件については、前述した条件と同じ条件に設定した。３つのグラフのうち、グラフ（ａ）は、エッチング開始前の状態における磁場の強度変化を示す。グラフ（ｂ）は、最上層の強磁性体膜がエッチングされた状態における磁場の強度変化を示す。グラフ（ｃ）は、最下層の強磁性体膜がエッチングされた状態における磁場の強度変化を示す。
【００５１】
エッチングの開始前では、グラフ（ａ）に示すように、ウェハ表面近傍の領域の磁場の強度が約０．１８Ｔであるのに対して、ウェハの裏面から距離約１ｃｍの領域における磁場の強度は、強磁性体膜の磁気シールド効果により、約０．１１Ｔ程度に低減していることがわかる。
【００５２】
エッチングがある程度進行して最上層の強磁性体膜（フリー層）がエッチングされた状態では、強磁性体膜の厚さが薄くなったことで磁気シールド効果が弱くなり、ウェハの裏面から距離約１ｃｍの領域における磁場の強度は、約０．１２５Ｔにまで強くなっていることがわかる。
【００５３】
さらにエッチングが進行して最下層の強磁性体膜（ピン層）がエッチングされた状態では、強磁性体膜がすべて除去されたことで磁気シールド効果がなくなって、ウェハの裏面から距離約１ｃｍの領域における磁場の強度は、ウェハの表面近傍の領域の磁場の強度と同程度の約０．１３Ｔになっていることがわかる。このシミュレーションの結果から、ウェハの裏面側において検知される磁場の強度は、ウェハの表面の強磁性体膜の厚さに依存して変化することがわかる。
【００５４】
本実施の形態に係るＥＣＲプラズマエッチング装置２１では、この知見に基づいて、ウェハ５０の裏面側に位置するステージ部２３の内部に磁気検知部３３が配設されている。この磁気検知部３３によって、エッチングを開始してからウェハ５０の裏面側の磁場の強度の変化を検知することによって、エッチングの進行に伴って残っている強磁性体膜の厚さに関する情報を得ることができて、ウェハ５０に形成された強磁性体膜６２，６４のエッチングの終点を正確に検出することができる。
【００５５】
たとえば、磁気検知部３３による磁場の強度の経時変化をモニタすることによって、磁気検知部３３によって検知される磁場の強度とあらかじめ設定された所定の磁場の強度との差が、所定の値よりも大きいか小さいかを判断して、その差が所定の値よりも小さくなったときをエッチングの終点と判断することができる。また、ウェハ５０の表面の側に臨む処理室３の適当な箇所に他の磁気検知部（図示せず）を設けて、ウェハ５０の表面側に位置する他の磁気検知部によって経時的に検知される磁場の強度と、ウェハ５０の裏面側に位置する磁気検知部１３によって経時的に検知される磁場の強度とを比較して、その差が所定の値よりも小さくなったときをエッチングの終点と判断することもできる。
【００５６】
特に、ＥＣＲプラズマエッチング装置２１の場合には、ヘリコン波プラズマエッチング装置１と比べて、ウェハ５０周辺の磁場の強度が１桁高いことで、磁場の強度の検出精度を上げることができて、エッチングの終点をより確実に検出することができる。
【００５７】
なお、上述したＥＣＲプラズマエッチング装置２１（図６参照）では、ステージ部２３に１つの磁気検知部３３を配設した場合を例に挙げて説明したが、ステージ部２３内に複数の磁気検知部を配設してもよい。この場合には、ウェハの面内に対応した磁場の強度を検知することができ、ウェハ面におけるエッチングに進行に関するより多くの情報を得ることができる。その結果、その情報に基づいてウェハ面内に対しより均一なエッチングを行なうことができる。
【００５８】
実施の形態３
次に、上述したエッチング装置による強磁性体膜のエッチング方法について、ＭＲＡＭを例に挙げてより具体的に説明する。まず、ＭＲＡＭでは、図８に示すように、１つのメモリセルは、素子選択用トランジスタＴと磁気抵抗効果素子（強磁性トンネル接合素子）６５、Ｊとから構成されている。その磁気抵抗効果素子６５、Ｊに対して、ライト線ＷＴ５５、ＷＴとビット線６６、ＢＴとが交差する。磁気抵抗効果素子Ｊの一端側はビット線６６、ＢＴに接続され、他端側は素子選択用トランジスタＴのドレインＤ側と接続されている。素子選択用トランジスタＴのゲート電極５１はライト線ＲＷに接続されている。ワード線ＷＴが書き込み線となり、ワード線ＲＷが読み取り線になる。メモリセル領域では、このようなメモリセルがマトリクス状に複数形成されている。
【００５９】
次に、そのメモリセルの構造について詳しく説明する。図９に示すように、ウェハ（半導体基板）５０のメモリセル領域の表面に、ゲート電極５１、ソース領域Ｓおよびドレイン領域Ｄを含む素子選択用トランジスタＴとゲート電極５１を互いに接続するワード線ＲＷとが形成されている。その素子選択用トランジスタＴを覆うように、層間絶縁膜５２が形成されている。その層間絶縁膜５２上にさらに層間絶縁膜５４が形成されている。その層間絶縁膜５４に形成された溝部５４ａにライト線５５が形成されている。そのライト線５５を覆うように層間絶縁膜５７が形成されている。その層間絶縁膜５７上にさらに層間絶縁膜５９が形成されている。
【００６０】
その層間絶縁膜５９に形成された溝部５９ａに電極層６０が形成されている。層間絶縁膜５７，５４，５２にそれぞれ形成された開口部５２ａ，５４ａ，５７ａ内に、電極層６０と素子選択用トランジスタＴのドレイン領域Ｄとを接続する導電体５３，５６，５８が形成されている。電極層６０上に、強磁性体膜６２ａ、絶縁体膜６３ａおよび強磁性体膜６４ａの３層からなる磁気抵抗効果素子６５が形成されている。その磁気抵抗効果素子６５の周囲を埋めるように層間絶縁膜６１が形成されている。その層間絶縁膜６１上にビット線６６が形成されている。
【００６１】
情報としての磁化が行なわれる磁気抵抗効果素子６５では、最下層に位置する強磁性体膜（ピン層）６２ａの磁化の方向が固定されている。一方、最上層に位置する強磁性体膜（フリー層）６４ａでは、ビット線６６に流れる電流によって生じる磁界やスピン偏極した電子の注入によって磁化方向が変化する。
【００６２】
次に、ＭＲＡＭのメモリセルの動作について説明する。書き込み動作は、ビット線６６とライト線５５に所定の電流を流し、磁気抵抗効果素子６５を磁化することによって行なわれる。まず、選択されたビット線６６とライト線５５のそれぞれに所定の電流を流すことによって、ビット線６６とライト線５５のまわりにはそれぞれ電流の流れの方向に対応した磁界が生じる。選択されたビット線６６とライト線５５とが交差する領域に位置する磁気抵抗効果素子Ｊには、ビット線６６を流れる電流によって生じた磁界とライト線５５を流れる電流によって生じた磁界との合成磁界が作用することになる。
【００６３】
このとき、その合成磁界によって、磁気抵抗効果素子Ｊの最上層の強磁性体膜６４ａが最下層の強磁性体膜６２ａの磁化の方向と同じ向きに磁化される態様と、最上層の強磁性体膜６４ａが最下層の強磁性体膜６２ａの磁化の方向とは反対の向きに磁化される態様がある。こうして、最上層の強磁性体膜６４ａと最下層の強磁性体膜６２ａの磁化の向きが、同じ向き（平行）の場合と互いに反対向き（反平行）の場合とが実現されて、この磁化の向きが「０」または「１」に対応する情報として記録されることになる。
【００６４】
次に、読み出し動作は、特定のメモリセルの磁気抵抗効果素子Ｊに所定の電流を流し、磁化の向きによる抵抗値の違いを検知することによって行なわれる。まず、特定のメモリセルの選択用トランジスタＴがＯＮ状態とされて、所定のセンス信号がビット線６６から特定の磁気抵抗効果素子Ｊを経て選択用トランジスタＴのソース領域に流れる。
【００６５】
このとき、磁気抵抗効果素子Ｊにおける最上層の強磁性体膜６４ａと最下層の強磁性体膜６２ａの磁化の向きが同じ向き（平行）の場合では抵抗値が相対的に低く、最上層の強磁性体膜６４ａと最下層の強磁性体膜６２ａの磁化の向きが互いに反対向き（反平行）の場合では抵抗値が相対的に高くなる。
【００６６】
これにより、磁気抵抗効果素子Ｊの磁化の向きが平行の場合では、ソース領域（ソース線）に流れるセンス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より大きくなる。一方、磁気抵抗効果素子Ｊの磁化の向きが反平行の場合では、センス信号の強度は所定の参照メモリセルの信号強度より小さくなる。こうして、センス信号の強度が所定の参照メモリセルの信号強度よりも大きいか小さいかによって、特定のメモリセルに書き込まれた情報が「０」であるか「１」であるかが判定されることになる。
【００６７】
次に、上述したメモリセルの製造方法について説明する。まず、図１０に示すように、ウェハ（半導体基板）５０のメモリセル領域の表面に、ソース領域Ｓ、ドレン領域Ｄおよびゲート電極５１を含む素子選択用トランジスタＴが形成される。その素子選択用トランジスタＴを覆うように層間絶縁膜５２が形成される。その層間絶縁膜５２に、ドレイン領域Ｄの表面を露出する開口部５２ａが形成される。その開口部５２ａ内に導電体部５３が形成される。
【００６８】
次に、層間絶縁膜５２上にさらに層間絶縁膜５４が形成される。その層間絶縁膜５４に所定の開口部５４ａ，５４ｂがそれぞれ形成される。開口部５４ａにはライト線５５が形成され、開口部５４ｂには導電体部５６が形成される。次に、層間絶縁膜５４上にさらに層間絶縁膜５７が形成される。その層間絶縁膜５７に開口部５７ａが形成される。その開口部５７ａ内に導電体部５８が形成される。次に、層間絶縁膜５７上にさらに層間絶縁膜５９が形成される。その層間絶縁膜５９に開口部５９ａが形成される。その開口部５９ａ内に電極層６０が形成される。
【００６９】
次に、図１１に示すように、層間絶縁膜５９上に、たとえば高真空スパッタ装置を用い、スパッタ法によりピン層となる強磁性体膜６２が形成される。その強磁性体膜６２上に、高真空スパッタ装置によりアルミニウム膜が形成される。そのアルミニウム膜を酸素プラズマの雰囲気に晒すことによってアルミニウム膜の表面を酸化させることにより、トンネルバリアとなる絶縁体膜６３が形成される。その絶縁体膜６３上に高真空スパッタ装置によりフリー層となる強磁性体膜６４が形成される。
【００７０】
次に、図１２に示すように、強磁性体膜６４上に磁気抵抗効果素子Ｊを形成するための所定のレジストマスク７０が形成される。次に、レジストマスク７０が形成されたウェハ５０が、たとえば図１に示すヘリコン波プラズマエッチング装置１のステージ部３の上に載置される。次に、たとえばエッチングガス：ＣＯ／ＮＨ3＝２０ｃｍ3（ｓｃｃｍ）／２０ｃｍ3（ｓｃｃｍ）、真空度：０．８Ｐａ、ＲＦ電源：２４００Ｗ、ＲＦバイアス電源：８００Ｗ，ヘリコン磁場強度：〜０．２Ｔの条件のもとで、強磁性体膜６４、絶縁体膜６３および強磁性体膜６２に対して順次異方性エッチングが施される。
【００７１】
このとき、実施の形態１において説明したように、エッチングを開始してから磁気検知部１３にて磁場の強度の経時変化を検知して、強磁性体膜６４，６２のエッチングの終点検出が可能になり、エッチングを停止させるタイミングを確実に把握することができる。こうして、図１３に示すように、強磁性体膜６２ａ、絶縁体膜６３ａおよび強磁性体膜６４ａからなる磁気抵抗効果素子６５が形成される。その後、レジストマスク７０が除去される。次に、磁気抵抗効果素子６５の周囲を埋めるように層間絶縁膜６１が形成される。その層間絶縁膜６１上にビット線６６が形成されて、図９に示すＭＲＡＭのメモリセルが完成する。
【００７２】
なお、上述した製造方法では、磁気抵抗効果素子のパターニングにヘリコン波プラズマエッチング装置を適用した場合を例に挙げて説明したが、ＥＣＲプラズマエッチング装置を使用してパターニングを行なってもよい。
【００７３】
この場合には、レジストマスク７０が形成されたウェハ５０が、たとえば図６に示すＥＣＲプラズマエッチング装置２１のステージ部２３の上に載置される。次に、たとえばエッチングガス：ＣＯ／ＮＨ3＝２０ｃｍ3（ｓｃｃｍ）／２０ｃｍ3（ｓｃｃｍ）、真空度：０．８Ｐａ、マイクロ波パワー：１６００Ｗ、ＲＦバイアス電源：４００Ｗ，ＥＣＲ磁場強度：０．８７５Ｔの条件のもとで、強磁性体膜６４、絶縁体膜６３および強磁性体膜６２に対して順次異方性エッチングを施すことによって、磁気抵抗効果素子がパターニングされる。
【００７４】
また、上述した製造方法では、強磁性体膜６４、絶縁体膜６３および強磁性体膜６２に対して順次異方性エッチングを施す場合を説明したが、既に説明したように、最上層の強磁性体膜を完全にエッチングして絶縁体膜においてエッチングを停止することもできる。この場合には、結合磁場の影響がなくなってＭＲＡＭの高密度化を図ることができる。
【００７５】
さらに、強磁性体膜６４等のパターニングにレジストマスク７０を用いたが、レジストマスクの他に、たとえばシリコン酸化膜やＴａ膜等のいわゆるハードマスクを使用してパターニングを行なってもよい。
【００７６】
また、エッチング装置としては、ヘリコン波プラズマエッチング装置およびＥＣＲプラズマエッチング装置を例に挙げて説明したが、所定の強度の磁場を利用してプラズマを生成してそのプラズマに強磁性体膜を晒すことによってエッチングを施すことのできるエッチング装置であれば、上述したエッチング装置に限られない。
【００７７】
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施の形態１に係るヘリコン波プラズマエッチング装置の断面図である。
【図２】同実施の形態において、強磁性体膜のプラズマエッチングを説明するための断面図である。
【図３】同実施の形態において、ウェハに強磁性体膜が形成された場合のシミュレーションによるウェハの周辺近傍の等磁場曲線を示す図である。
【図４】同実施の形態において、ウェハに強磁性体膜が形成されていない場合のシミュレーションによるウェハの周辺近傍の等磁場曲線を示す図である。
【図５】同実施の形態において、磁場の強度のウェハからの距離の依存性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２に係るＥＣＲプラズマエッチング装置の断面図である。
【図７】同実施の形態において、磁場の強度のウェハからの距離の依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態３に係るエッチング方法が適用されるＭＲＡＭのメモリセルの構造を示す斜視図である。
【図９】同実施の形態において、図８に示すＭＲＡＭのメモリセルの断面図である。
【図１０】同実施の形態において、図９に示すＭＲＡＭのメモリセルの製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１１】同実施の形態において、図１０に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。
【図１２】同実施の形態において、図１１に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。
【図１３】同実施の形態において、図１２に示す工程の後に行なわれる工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１  ヘリコン波プラズマエッチング装置、２，２２  処理室、３，２３  ステージ部、４，２４  排気口、５，２５  排気部、６，２６  ガス供給口、７，２７  ガス供給部、８  ベルジャー、９  ヘリコンコイル、１０，３２  ＲＦ電源、１１，３０  磁場コイル、１２  ＲＦバイアス電源、１３，３３  磁気検知部、１４，３４  制御部、１５，３５  磁力線、１６  ヘリコン波プラズマ、２８  マイクロ波導入窓、２９  導波管、３１  プラズマ生成室、３６  ＥＣＲプラズマ、５０  ウェハ、５１  ゲート電極、５２，５４，５７，５９，６１  層間絶縁膜、５２ａ，５４ａ，５７ａ，５９ａ  溝部、５３，５６，５８  導体、６０  電極層、６２，６４，６２ａ，６４ａ  強磁性体膜、６３，６３ａ  絶縁体膜、５５  書き込みワード線、６５  磁気抵抗効果素子、６６  読み取りビット線。
【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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【図１３】
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