(57)【要約】【課題】ガス配管金属の腐食を発生させることなく、磁性材料のパターニングを行うこと【解決手段】図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、表面に第１の固定層１００，１１０が埋め込まれている絶縁膜８０上に、パターニングされていない磁性層１５０ならびにハードマスク２００を、この順に形成する工程と、ハードマスク２００をエッチングする第１のエッチング工程と、ハードマスク２００をマスクとして、磁性層１５０をエッチングする第２のエッチング工程と、ハードマスク２００を除去する工程と、を含んでいる。このとき、磁性層１５０は、磁壁移動層１２０、トンネルバリア膜１３０、および第２の固定層１４０からなる。また、第２のエッチング工程に用いるエッチングガスとして、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に第１の固定層が埋め込まれている層間絶縁膜上に、パターニングされていない磁壁移動層、トンネルバリア膜、および第２の固定層からなる磁性層ならびにハードマスクを、この順に形成する工程と、
前記ハードマスクをエッチングする第１のエッチング工程と、
前記ハードマスクをマスクとして、前記磁性層をエッチングする第２のエッチング工程と、
前記ハードマスクを除去する工程と、
を含み、
前記第２のエッチング工程では、エッチングガスとして、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いる半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１のエッチング工程では、エッチングガスとして塩素ガスを用いる請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記ハードマスクは、Ｔａで形成されている請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記トンネルバリア膜には、Ａｌ２Ｏ３、およびＭｇＯの少なくとも一つが用いられている請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
水平磁化方式あるいは垂直磁化方式である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代メモリとして、ＭＲＡＭ（磁気抵抗メモリ；Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）が期待されている。ＭＲＡＭは、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）並の集積密度を実現することが可能であり、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）並の高速性を有している。また、ＭＲＡＭは、無制限に書き換え可能なメモリである。
【０００３】
ＭＲＡＭにおける磁性膜（ＭＴＪ；Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）の微細加工は、２００ｍｍのウェハまでは、イオンミリングによる加工が主流とされている。しかし、イオンミリングは、物理スパッタによる加工である。このため、マスク材料と磁性膜の選択比は小さく、３００ｍｍのウェハ等の大面積基板において均一に加工することが難しい。このため、大面積基板を用いる場合には、均一性や加工性に優れた、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング；Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）技術を用いている。ただし、ＲＩＥ技術についても、磁性材料であるＰｔ，Ｎｉ，およびＦｅ等に関しては、反応性が乏しく、エッチング残渣の無い状態や、側壁に堆積物の無い状態に加工することは難しい。なお、ＲＩＥ技術を用いて磁性材料のエッチング加工を行う場合、エッチングガスには、塩素系のガスが使用されている。
【０００４】
特許文献１には、磁性材料に対するエッチングガスとして、メタノールなどの少なくとも一つ以上の水酸基を有するアルコール類から成るガスを使用することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−４２１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
磁性材料のエッチングガスとして、塩素系ガスを用いる場合、残留塩化物等の腐食が発生する。そこで、エッチング後、基板表面に付着した残留塩素成分を除去する必要がある。このため、磁性材料のエッチングガスには、塩素ガスを使わないことが望ましい。
【０００７】
それを解決する方法として、特許文献１に記載されているように磁性材料のエッチングガスに、メタノールなどの、少なくとも一つ以上の水酸基を有するアルコール類から成るガスを使用することが考えられる。しかし本発明者は、ガス配管金属が腐食することを知見した。この問題点に関して、具体的には、磁性材料のマスク材料として、主にタンタル（Ｔａ）が使用されており、このＴａをエッチングする場合、エッチングガスとして塩素（Ｃｌ２）やテトラフルオロメタン（ＣＦ４）等が用いられる。しかしながら、マスク材料のエッチングガスとして使用する塩素と、磁性材料のエッチングガスとして使用するメタノールは、化学反応を引き起こす。マスク加工と磁性材料の加工を、同じ処理室で実施すると、互いのエッチングガスが同一配管を流れることになり、化学反応によって、ガス配管を形成しているＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）等の金属を腐食させてしまう。
【０００８】
したがって、ガス配管金属の腐食の発生を防止することができる、磁性材料のパターニングが期待されている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、表面に第１の固定層が埋め込まれている層間絶縁膜上に、パターニングされていない磁壁移動層、トンネルバリア膜、および第２の固定層からなる磁性層ならびにハードマスクを、この順に形成する工程と、
上記ハードマスクをエッチングする第１のエッチング工程と、
上記ハードマスクをマスクとして、上記磁性層をエッチングする第２のエッチング工程と、
上記ハードマスクを除去する工程と、
を含み、
上記第２のエッチング工程では、エッチングガスとして、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いる半導体装置の製造方法が提供される。
【００１０】
本発明によれば、磁性材料のエッチングに用いるエッチングガスとして、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いることによって、マスク材料のエッチングに用いるエッチングガスとの化学反応を防止することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、磁性材料のエッチングに用いるエッチングガスとして、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いることによって、ガス配管金属の腐食を発生させることなく、磁性材料のパターニングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第２のエッチング工程を説明するための図であり、（ａ）は、エッチング前、（ｂ）はエッチング後を示す断面図である。
【図２】本実施形態に係る半導体装置の製造方法によって得られる半導体装置の断面図である。
【図３】本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のエッチング工程を説明するための断面図である。
【図４】本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のエッチング工程を説明するための断面図である。
【図５】本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のエッチング工程を説明するための断面図である。
【図６】本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第１のエッチング工程を説明するための断面図である。
【図７】本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第２のエッチング工程を説明するための断面図である。
【図８】本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第２のエッチング工程を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法における第２のエッチング工程を説明するための図であり、（ａ）は、エッチング前、（ｂ）はエッチング後を示す断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る半導体装置の製造方法は、表面に第１の固定層１００，１１０が埋め込まれている絶縁膜８０上に、パターニングされていない磁性層１５０ならびにハードマスク２００を、この順に形成する工程と、ハードマスク２００をエッチングする第１のエッチング工程と、ハードマスク２００をマスクとして、磁性層１５０をエッチングする第２のエッチング工程と、ハードマスク２００を除去する工程と、を含んでいる。磁性層１５０は、磁壁移動層１２０、トンネルバリア膜１３０、および第２の固定層１４０からなる。また、第２のエッチング工程に用いるエッチングガスとして、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いている。
【００１５】
なお、第１のエッチング工程に用いるエッチングガスは、塩素ガスを用いることが好ましい。また、ハードマスク２００は、Ｔａで形成されており、トンネルバリア膜１３０は、Ａｌ２Ｏ３、およびＭｇＯの少なくとも一つが用いられていることが好ましい。
【００１６】
本実施形態に係る半導体装置の製造方法の詳細については、後述する。
【００１７】
図２は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によって得られる半導体装置の断面図である。図２に示すように、この半導体装置は、基板１０、磁性層１５０、および配線層９０とを有している。磁性層１５０は、磁壁移動層１２０、トンネルバリア膜１３０、および第２の固定層１４０からなる。基板１０は、例えばシリコン基板などの半導体基板であるが、これに限定されない。なお、配線層９０は、多層配線層であってもよい。この場合、磁性層１５０は、多層配線層の最上層より下の層に形成されている。また、配線層９０は磁性層１５０の一つ上の層に形成され、磁性層１５０と接続している。
【００１８】
本実施形態において磁性層１５０は、磁壁移動型の素子であり、磁壁移動層１２０、トンネルバリア層１３０、及び第２の固定層１４０をこの順に積層した構造を有している。この磁性層１５０は、第１の固定層１００，１１０上に設けられている。第１の固定層１００の上面は磁壁移動層１２０の下面の一端に接続しており、第１の固定層１１０の上面は磁壁移動層１２０の下面の他端に接続している。トンネルバリア層１３０及び第２の固定層１４０は、磁壁移動層１２０の上面の中央部に接続している。
【００１９】
第１の固定層１００，１１０は、それぞれ異なる方向に固定されている。磁壁移動層１２０のうち、第１の固定層１００，１１０と接している箇所は、接しているそれぞれの第１の固定層１００，１１０と同じ方向に磁化された状態となる。この磁化方向は、水平磁化方式であっても、垂直磁化方式であってもよい。磁壁移動層１２０の内、第１の固定層１００，１１０と接していない中央部は、磁壁移動層１２０にスピン偏極電流を流すことによって磁壁を移動させ、磁壁移動層１２０の中央部の磁化方向を変えている。
【００２０】
また第１の固定層１００の下面は、ビア５０を介してトランジスタ３０のソース又はドレインとなる拡散層に接続しており、第１の固定層１１０の下面は、ビア６０を介してトランジスタ４０のソース又はドレインとなる拡散層に接続している。トランジスタ３０，４０は基板１０に形成されており、磁性層１５０に対する書き込み処理、及び磁性層１５０からの読み出し処理を行う。
【００２１】
ビア５０および６０は絶縁層７０に埋め込まれており、絶縁層７０の上面に設けられた絶縁層７５に埋め込まれた導体パターンを介して第１の固定層１００および１１０に接続している。第１の固定層１００および１１０は絶縁層８０に埋め込まれている。また磁壁移動層１２０、トンネルバリア層１３０、及びピン層１４０は絶縁層８５に埋め込まれている。なお上述した各絶縁層は、単層構造であってもよいし、複数の層を積層した積層構造であってもよい。
【００２２】
図１および図３−８は、図２に示した半導体装置の製造方法を示す断面図である。図３，４，５，６は第１のエッチング工程を説明するための断面図であり、図１、７、および図８は第２のエッチング工程を説明するための断面図である。
【００２３】
まず、図３に示すように、第１の固定層１００および１１０が埋め込まれている絶縁膜８０上に、パターニングされていない磁性層１５０、ハードマスク２００、ならびにレジストパターン３００を、この順に形成する。また、レジスト３００は、上層や下層に反射防止膜を形成しておくこともできる。レジスト３００は、レジスト膜を塗布し、続いてリソグラフィー工程を経ることによって形成している。
【００２４】
次に、図４に示すように、ハードマスク２００のパターニングを行う。ハードマスク２００のパターニングには、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）プラズマ源搭載のエッチング装置を用いる。ハードマスク２００のパターニングにおいて、マスクにはレジスト３００、エッチングガスには塩素ガスが用いられる。エッチング条件は、例えば、塩素ガスを１００ｓｃｃｍ流し、チャンバー圧力を８ｍＴｏｒｒとし、基板温度を３０℃とした基板１００に印加した１３．５６ＭＨｚの高周波パワーを１００Ｗ、上部電極に印加した１３．５６ＭＨｚの高周波パワーを５００Ｗとしている。
【００２５】
次に、図１の（ａ）に示すように、レジスト３００を除去し、磁性層１５０をエッチングするためのマスクを、ハードマスク２００によって形成する。この処理は、上述の処理と同じ処理室によって行われており、酸素プラズマによってレジスト３００は除去されている。
【００２６】
次いで、図１の（ｂ）に示すように、ハードマスク２００をマスクとして、磁性層１５０をエッチングする。この時、エッチングガスとしては、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いる。エッチングガスとして、メタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いる場合、各ガスの混合比は、５％以下のメタンを用いる。この下限値は、エッチング装置の防爆対策が不要となる、メタンの爆発下限界（５％）を基準に設定されている。
【００２７】
エッチング条件は、例えば、メタンガスとアルゴンガスの混合ガスを、総流量１００ｓｃｃｍ、チャンバー圧力を１０ｍＴｏｒｒとし、基板温度を３０℃とした基板１００に印加した１３．５６ＭＨｚの高周波パワーを４００Ｗ、上部電極に印加した１３．５６ＭＨｚの高周波パワーを４５０Ｗとしている。また、磁性層１５０の終点の検出には、磁性材料の個々の元素をエンドポイントディテクタによって検出している。
【００２８】
次いで、以下に詳細を示すように、図１，３，４を用いて説明した第１のエッチング工程および第２のエッチング工程を繰り返し行うことで、図２に示したＭＲＡＭの素子構造を形成する。
【００２９】
まず、図５に示すように、ハードマスク２００のパターン上に、レジスト３１０を形成する。レジスト３１０についても、レジスト３００と同様に、上層や下層に反射防止膜を形成しておくこともできる。
【００３０】
次に、図６に示すように、レジスト３１０をマスクとして、ハードマスク２００のパターニングを行う。なお、ハードマスク２００のパターニングにおけるエッチングの条件は、上記図４を用いて説明した例と同様である。
【００３１】
次に、図７に示すように、酸素プラズマによってレジスト３１０を除去する。
【００３２】
次に、図８に示すように、ハードマスク２００をマスクとして、第２の固定層１４０とトンネルバリア膜１３０のパターニングを行う。なお、このときのエッチングの条件は、上記図１の（ｂ）を用いて説明した例と同様である。
【００３３】
そして、塩素ガスを用いてハードマスク２００を除去する。その後、絶縁膜７０、７５、８０、および８５と配線層９０を形成する。これによって、図２に示す半導体装置を形成することができる。
【００３４】
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態に係る半導体装置の製造方法では、第２のエッチング工程において、メタンガス、またはメタンガスとアルゴンガスとの混合ガスを用いている。このため、ハードマスク２００のエッチングを行う第１のエッチング工程で、塩素ガスをエッチングガスとして用いたとしても２種類のエッチングガス同士で化学反応を引き起こすことはない。つまり、ガス配管金属の腐食を発生させることなく、磁性材料のパターニングを行うことができる。
【００３５】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１０    基板
２０    素子分離領域
３０    トランジスタ
４０    トランジスタ
５０    ビア
６０    ビア
７０    絶縁層
７５    絶縁層
８０    絶縁層
８５    絶縁層
９０    配線層
１００    第１の固定層
１１０    第１の固定層
１２０    磁壁移動層
１３０    トンネルバリア膜
１４０    第２の固定層
１５０    磁性層
２００    ハードマスク
３００    レジスト
３１０    レジスト
【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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