特許 7568841 ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/302 20060101AFI20241008BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20241008BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20241008BHJP

   H10N 50/01 20230101ALI20241008BHJP

【ＦＩ】

H01L21/302 201B

H10B61/00

H01L21/302 301S

H01L21/302 101B

H10N50/01

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2023519989

(86)(22)【出願日】2021-06-17

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-18

(86)【国際出願番号】 CN2021100599

(87)【国際公開番号】W WO2022105218

(87)【国際公開日】2022-05-27

【審査請求日】2023-03-30

(31)【優先権主張番号】202011318813.7

(32)【優先日】2020-11-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】519453825

【氏名又は名称】江蘇魯▲もん▼儀器股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＪＩＡＮＧＳＵ ＬＥＵＶＥＮ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ ＣＯ． ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】Ｌｉａｏｈｅ Ｗｅｓｔ Ｒｏａｄ ８， Ｐｉｚｈｏｕ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｚｏｎｅ Ｘｕｚｈｏｕ， Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１３００， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】弁理士法人ＡＴＥＮ

(72)【発明者】

【氏名】李 佳鶴

(72)【発明者】

【氏名】楊 宇新

(72)【発明者】

【氏名】彭 泰彦

(72)【発明者】

【氏名】許 開東

【審査官】河合 俊英

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／１７６６４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／０８２７１６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１７３２３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１１２６６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０４３１０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００７５８４７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００６９８３４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０２

Ｈ１０Ｂ ６１／００

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ１０Ｎ ５０／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法であって、
イオンビームエッチング及び／又は反応性イオンエッチングを利用して、エッチング量がｔ１である条件で、磁気トンネル接合をエッチングする磁気トンネル接合のメインエッチングステップであって、イオンビームの入射角が１０～６０°であり、反応性イオンエッチングのバイアス電圧が４００～１０００Ｖであるステップ１と、
前記メインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合を、エッチング量がｔ２である条件で、エッチングする磁気トンネル接合の洗浄ステップであって、ｔ１／ｔ２が０．５以上であり、前記洗浄ステップにおけるエッチングは連続モード又はパルスモードの反応性イオンエッチングを含むステップ２と、を含み、
前記ステップ２の反応性イオンエッチングのバイアス電圧が５０Ｖ～４００Ｖであり、パルスデューティー比が５％～５０％であり、前記洗浄ステップにおけるエッチングが行われた後、下部電極又は下部絶縁層で形成されたエッチング形状は、矩形トレンチであることを特徴とするＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項2】

前記ステップ２において、前記洗浄ステップにおけるエッチングは、イオンビームエッチングと反応性イオンエッチングとの組み合せを利用し、前記イオンビームエッチングのビーム電圧が５０Ｖ～２００Ｖであることを特徴とする請求項１に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項3】

化学気相成長法を利用して、前記洗浄ステップにおけるエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の周囲に絶縁層を成長させ、インサイチュ保護を行う磁気トンネル接合のインサイチュ保護ステップであるステップ３をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項4】

前記洗浄ステップにおけるエッチングのエッチング量ｔ２は５～１００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項5】

前記ステップ１において、前記イオンビームエッチングは、大きい入射角によるイオンビームエッチングと小さい入射角によるイオンビームエッチングを含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項6】

前記大きい入射角によるイオンビームエッチングは、イオンビームの入射角が３０～６０°であり、前記小さい入射角によるイオンビームエッチングは、イオンビームの入射角が１０～３０°であり、前記大きい入射角によるイオンビームエッチングの時間をＴ１、前記小さい入射角によるイオンビームエッチングの時間をＴ２とすると、Ｔ１≧１．５Ｔ２となることを特徴とする請求項５に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項7】

前記メインエッチングステップ及び前記洗浄ステップにおいて、イオンビームエッチングを利用する場合、イオンビームチャンバーで使用されるガスは、不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、およびアルコールの一又は任意の組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項8】

前記メインエッチングステップ及び前記洗浄ステップにおいて、反応性イオンエッチングを利用する場合、反応性イオンチャンバー内のイオン源パワーが５０～１０００Ｗであり、チャンバー内圧力が０．５～１０ｍＴであり、ガス流量が１０～５００ｓｃｃｍであり、ガスが、不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、およびアルコールの一又は任意の組み合わせであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項9】

矩形トレンチの下底の長さをＬ１、矩形トレンチの上底の長さをＬ２、矩形トレンチの高さをＨ１、矩形トレンチの下底と側辺とのなす角をαとすると、Ｌ１／Ｌ２＝０．３～１．０、Ｈ１／Ｌ２＝０．１～２．０、α＝９０～１３０°となることを特徴とする請求項１に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項10】

イオンビームエッチングを利用して、エッチング量ｔ１が３５ｎｍである条件で、磁気トンネル接合をエッチングする磁気トンネル接合のメインエッチングステップであって、イオンビームエッチングは、磁気トンネル接合の試料をイオンビームエッチング用チャンバーに入れて、イオンビームの入射角が２５°であり、エネルギーが６００Ｖであり、シールドガスがアルゴンガスである条件でエッチングするように行われ、磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、キャップ層、磁気トンネル接合、下部電極金属層、下部絶縁層で構成されており、下部絶縁層において、マスク層におけるマスク数と同じのメタル下部電極が、マスクの位置に対応しながら等間隔に嵌められており、イオンビームエッチングは、下部電極金属層の残り５ｎｍの位置で停止し、このとき、イオンビームエッチング量は３５ｎｍであるステップ１と、
反応性イオンエッチングを利用して、メインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合を、エッチング量ｔ２が３０ｎｍである条件でエッチングする磁気トンネル接合の洗浄ステップであって、反応性イオンエッチングは、真空チャンバーで、ステップ１であるイオンビームエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、イオンビームエッチング用チャンバーから反応性イオンエッチング用チャンバーに移動させることにより行われ、反応性イオンエッチングのパラメータは、反応性イオンパルスデューティー比が２０％であり、イオン源パワーが７００Ｗであり、バイアス電圧が４００Ｖであり、チャンバー内圧力が５ｍＴであり、アルゴンガス流量が１００ｓｃｃｍであり、反応性イオンエッチング量が３０ｎｍであり、洗浄ステップにおけるエッチングが行われた後、下部絶縁層で形成されたエッチング形状は、矩形トレンチであるステップ２と、
真空輸送チャンバーで、洗浄ステップにおけるエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させ、インサイチュ保護のために３５ｎｍのＳｉＮ膜を成膜する磁気トンネル接合のインサイチュ保護ステップであるステップ３と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【請求項11】

反応性イオンエッチングを利用して、エッチング量ｔ１が２０ｎｍである条件で、磁気トンネル接合をエッチングする磁気トンネル接合のメインエッチングステップであって、反応性イオンエッチングは、磁気トンネル接合の試料を反応性イオンエッチング用チャンバーに入れて、反応性イオンエッチングのイオン源パワーが６００Ｗであり、バイアス電圧が６００Ｖであり、チャンバー内圧力が３ｍＴであり、アルゴンガス流量が１５０ｓｃｃｍである条件でエッチングするように行われ、エッチング対象である磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、キャップ層、磁気トンネル接合、下部電極層、下部絶縁層で構成されており、反応性イオンエッチングは、下部電極層が３ｎｍ消耗された位置で停止し、このとき、反応性イオンエッチング量は２０ｎｍであるステップ１と、
反応性イオンエッチングを利用して、メインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合を、エッチング量ｔ２が１５ｎｍである条件でエッチングする磁気トンネル接合の洗浄ステップであって、反応性イオンエッチングのエッチングパラメータは、反応性イオンパルスデューティー比が５％であり、イオン源パワーが３００Ｗであり、バイアス電圧が６００Ｖであり、チャンバー内圧力が１．５ｍＴであり、アルゴンガス流量が２００ｓｃｃｍであり、反応性イオンエッチング量ｔ２が１５ｎｍであり、洗浄ステップにおけるエッチングが行われた後、下部絶縁層で形成されたエッチング形状は、矩形トレンチであるステップ２と、
真空チャンバーで、洗浄ステップにおけるエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、イオンビームエッチング用チャンバーに移動させて、イオンビームの入射角が４５°であり、イオンビームエネルギーが１００Ｖであり、エッチング深さが３ｎｍである条件でアルゴン雰囲気で下部電極層で停止するようにエッチングするイオンビーム洗浄ステップであるステップ２Ａと、
真空輸送チャンバーで、イオンビーム洗浄ステップを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させ、インサイチュ保護のために１０ｎｍのＳＩＮ膜を成膜する磁気トンネル接合のインサイチュ保護ステップであるステップ３と
を含むことを特徴とする請求項１に記載のＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリの分野に関し、特に、ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、広く応用されているメモリとして、主にＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、Ｆｌａｓｈ（Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。ＳＲＡＭは、リフレッシュ回路を必要とせず記憶データを保持でき、高性能をもつものである。しかしながら、その集積度が低い。ＤＲＡＭは、集積度が高く、消費電力が低いが、データを保持するためにリフレッシュ回路が必要である。これらに対して、磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）は、ＳＲＡＭの高読み書き速度とＤＲＡＭの高集積度の特徴を持ち、ほぼ無制限に書き換え可能であるので、大量のデータの高速記憶が要求される他、停電後もデータを保持し、素早く復旧できることが求められるシステムに用いることができる。現在、「不揮発性」の特徴としては、ＭＲＡＭとＦｌａｓｈのみがこれを有するが、Ｆｌａｓｈには「ランダムアクセス」の機能が欠けている。したがって、ＭＲＡＭは、その将来性が大きく、特に自動車、工業、軍事、宇宙などの分野で重要な役割を果たすことができる。

【0003】

ＭＲＡＭは、従来の電荷をデータ記憶に用いるメモリと異なり、磁化によってデータ記憶を行う。図１は、ＭＲＡＭのメモリセルの基本構造である磁気トンネル接合を示す。磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ）は、磁化方向が固定されていない自由層である最上層と、トンネル障壁層である中間層と、磁化方向が固定された固定層である最下層とからなる。自由層と固定層との磁化方向が平行状態になるとき、メモリセルの電気抵抗が低くなり、磁化方向が反平行状態になるとき、電気抵抗が高くなる。ＭＲＡＭは、メモリセルの電気抵抗の大きさを検出することによって、記憶データが０か又は１かを判断する。

【0004】

ＭＲＡＭの製造プロセスにおいて、磁気トンネル接合のエッチングは極めて重要な一環である。エッチング装置は、主に、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）とイオンビームエッチング（ＩＢＥ：Ｉｏｎ Ｂｅａｍ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いる。ＲＩＥは、化学反応およびイオン種の衝突によるエッチング方法である。ＩＢＥは、一定のエネルギーを持つイオンビームを材料表面に衝突させることでエッチングする方法であり、指向性が強い。現在、磁気トンネル接合のエッチング方法として、ＲＩＥおよびＩＢＥが主流となっている。ＩＢＥとＲＩＥのいずれの場合も、以下の要求を満たす必要がある。

【0005】

１．トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の性能と寿命を向上させるために、エッチングにおける磁気トンネル接合のプロファイル（Ｐｒｏｆｉｌｅ）を高く維持する。
２．短絡を防ぐために、磁気トンネル接合における酸化マグネシウム層において、側壁への再付着（Ｒｅ―ｄｅｐ）がないようにする。
３．後続のプロセスにおける製品の良品率を向上させるために、より多くのマスク（ＨＭ）が残るとともに残渣（Ｒｅｓｉｄｕｅ）が少ないようにする。

【0006】

図２に示すように、従来のＩＢＥは、選択性が高いが、酸化マグネシウム層への損傷が大きく、残渣が多い。また、従来のＲＩＥは、選択比が低く、プロファイルが悪い。したがって、上記の３つのエッチング要求を同時に満たすことは困難である。

【0007】

また、磁気メモリの体積が小さくなるにつれて、書き込みや変換操作に注入するスピン偏極電流も小さくなる。したがって、より小型で高密度の磁気トンネル接合パターンを作成し、制御に起因した磁気トンネル接合を含むメモリの寿命の短縮を低減することが望まれる。しかしながら、より小型で高密度の磁気トンネル接合について、従来のＩＢＥやＲＩＥにより上記の３つのエッチング要求を満たすことはより困難である。

【発明の概要】

【0008】

本発明は、上記の従来技術の不足を鑑みてなされるものであり、従来のＲＩＥとＩＢＥを組み合わせて、エッチング順番の設定及び各エッチングパラメータの選択により、小型で高密度の磁気トンネル接合に対するエッチングの効果を大幅に向上させると同時に、非高密度の磁気トンネル接合に対するエッチングにも適用できるＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法を提供する。

【0009】

上記の技術的課題を解決するために、本発明の技術案は、
ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法に関し、以下のステップを含む。

【0010】

ステップ１は、イオンビームエッチング及び／又は反応性イオンエッチングを利用して、エッチング量がｔ１である条件で、磁気トンネル接合をエッチングする磁気トンネル接合のメインエッチングステップである。そのうち、イオンビームの入射角が１０～６０°であり、反応性イオンエッチングのバイアス電圧が４００～１０００Ｖである。

【0011】

ステップ２は、磁メインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合を、エッチング量がｔ２である条件でエッチングする気トンネル接合の洗浄ステップである。ｔ１：ｔ２が０．５以上であり、洗浄ステップにおけるエッチングは、連続モード又はパルスモードの反応性イオンエッチングを含む。反応性イオンエッチングのバイアス電圧が５０Ｖ～４００Ｖであり、パルスデューティー比が５％～５０％である。洗浄ステップにおけるエッチングが行われた後、下部電極又は下部絶縁層で形成されたエッチング形状は、矩形トレンチである。

【0012】

ステップ２において、洗浄ステップにおけるエッチングは、イオンビームエッチングと反応性イオンエッチングの組み合せを利用する。イオンビームエッチングのビーム電圧は５０Ｖ～２００Ｖである。

【0013】

さらに、化学気相成長法を利用して、洗浄ステップにおけるエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の周囲に絶縁層を成長させ、インサイチュ保護を行う磁気トンネル接合のインサイチュ保護ステップであるステップ３を含む。

【0014】

洗浄ステップにおけるエッチングのエッチング量ｔ２は、５～１００ｎｍである。

【0015】

ステップ１において、イオンビームエッチングは、大きい入射角によるイオンビームエッチングと小さい入射角によるイオンビームエッチングを含む。

【0016】

大きい入射角によるイオンビームエッチングは、イオンビームの入射角が３０～６０°であり、小さい入射角によるイオンビームエッチングは、イオンビームの入射角が１０～３０°である。大きい入射角によるイオンビームエッチングの時間をＴ１、小さい入射角によるイオンビームエッチングの時間をＴ２とすると、Ｔ１≧１．５Ｔ２となる。

【0017】

メインエッチングステップ及び洗浄ステップにおいて、イオンビームエッチングを利用する場合、イオンビームチャンバーで使用されるガスは、不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、およびアルコールの一又は任意の組み合わせである。

【0018】

メインエッチングステップ及び洗浄ステップにおいて、反応性イオンエッチングを利用する場合、反応性イオンチャンバー内のイオン源パワーが５０～１０００Ｗであり、チャンバー内圧力が０．５～１０ｍＴであり、ガス流量が１０～５００ｓｃｃｍであり、ガスが、不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、およびアルコールの一又は任意の組み合わせである。

【0019】

矩形トレンチの下底の長さをＬ１、矩形トレンチの上底の長さをＬ２、矩形トレンチの高さをＨ１、矩形トレンチの下底と側辺とのなす角をαとすると、Ｌ１：Ｌ２＝０．３～１．０、Ｈ１：Ｌ２＝０．１～２．０、α＝９０～１３０°となる。

【0020】

ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法は、以下のステップを含む。
ステップ１は、イオンビームエッチングを利用して、エッチング量ｔ１が３５ｎｍである条件で、磁気トンネル接合をエッチングする磁気トンネル接合のメインエッチングステップである。イオンビームエッチングは、磁気トンネル接合の試料をイオンビームエッチング用チャンバーに入れて、イオンビームの入射角が２５°であり、エネルギーが６００Ｖであり、シールドガスがアルゴンガスである条件でエッチングするように行われる。また、磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、キャップ層、磁気トンネル接合、下部電極金属層、下部絶縁層で構成されている。下部絶縁層において、マスク層におけるマスク数と同じのメタル下部電極が、マスクの位置に対応しながら等間隔に嵌められている。イオンビームエッチングは、下部電極金属層の残り５ｎｍの位置で停止する。この場合、イオンビームエッチング量は３５ｎｍである。
ステップ２は、反応性イオンエッチングを利用して、メインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合を、エッチング量ｔ２が３０ｎｍである条件でエッチングする磁気トンネル接合の洗浄ステップである。反応性イオンエッチングは、真空チャンバーで、ステップ１であるイオンビームエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、イオンビームエッチング用チャンバーから反応性イオンエッチング用チャンバーに移動させることにより行われる。反応性イオンエッチングのパラメータは、反応性イオンパルスデューティー比が２０％であり、イオン源パワーが７００Ｗであり、バイアス電圧が４００Ｖであり、チャンバー内圧力が５ｍＴであり、アルゴンガス流量が１００ｓｃｃｍであり、反応性イオンエッチング量が３０ｎｍである。洗浄ステップにおけるエッチングが行われた後、下部絶縁層で形成されたエッチング形状は、矩形トレンチである。
ステップ３は、真空輸送チャンバーで、洗浄ステップにおけるエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させ、インサイチュ保護のために３５ｎｍのＳｉＮ膜を成膜する磁気トンネル接合のインサイチュ保護ステップである。

【0021】

ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法は、以下のステップを含む。

【0022】

ステップ１は、反応性イオンエッチングを利用して、エッチング量ｔ１が２０ｎｍである条件で、磁気トンネル接合をエッチングする磁気トンネル接合のメインエッチングステップである。反応性イオンエッチングは、磁気トンネル接合の試料を反応性イオンエッチングチャンバーに入れて、反応性イオンエッチングのイオン源パワーが６００Ｗであり、バイアス電圧が６００Ｖであり、チャンバー内圧力が１０ｍＴであり、アルゴンガス流量が１５０ｓｃｃｍである条件でエッチングするように行われる。エッチング対象である磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、キャップ層、磁気トンネル接合、下部電極層、下部絶縁層で構成されている。反応性イオンエッチングは、下部電極層が３ｎｍ消耗された位置で停止する。この場合、反応性イオンエッチング量は２０ｎｍである。

【0023】

ステップ２は、反応性イオンエッチングを利用して、メインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合を、エッチング量ｔ２が１５ｎｍである条件でエッチングする磁気トンネル接合の洗浄ステップである。反応性イオンエッチングのエッチングパラメータは、反応性イオンパルスデューティー比が３０％であり、イオン源パワーが３００Ｗであり、バイアス電圧が６００Ｖであり、チャンバー内圧力が１．５ｍＴであり、アルゴンガス流量が２００ｓｃｃｍであり、反応性イオンエッチング量ｔ２が１５ｎｍである。洗浄ステップにおけるエッチングが行われた後、下部絶縁層で形成されたエッチング形状は、矩形トレンチである。

【0024】

ステップ２Ａは、真空チャンバーで、洗浄ステップにおけるエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、イオンビームエッチング用チャンバーに移動させて、イオンビームの入射角が４５°であり、イオンビームエネルギーが１００Ｖであり、エッチング深さが３ｎｍである条件でアルゴン雰囲気で下部電極層上で停止するようにエッチングするイオンビーム洗浄ステップである。

【0025】

ステップ３は、真空輸送チャンバーで、イオンビーム洗浄ステップを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させ、インサイチュ保護のために１０ｎｍのＳｉＮ膜を成膜する磁気トンネル接合のインサイチュ保護ステップである。

【0026】

本発明は、以下の有益な効果を有する。本発明は、従来のＲＩＥとＩＢＥを組み合わせて、エッチング順番の設定及び各エッチングパラメータの選択により、小型で高密度の磁気トンネル接合に対するエッチング効果を大幅に向上させると同時に、非高密度磁気トンネル接合に対するエッチングにも適用できる。したがって、高密度パターンのエッチングにおいて、選択比が低く、プロファイルが低いという問題を解決する。さらに、本発明の最も重要な特徴は、底部に矩形のエッチングトレンチを形成できることにある。これにより、磁気トンネル接合のＴＭＲと製品寿命を大幅に向上させるとともに、底部の堆積を除去可能である。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】磁気トンネル接合の構造模式図である。

【図2】本発明のエッチング効果と従来のＲＩＥ又はＩＢＥの効果との対比図であり、エッチングが絶縁体ＳｉＯ２で停止する。

【図3】本発明のエッチングによって形成された試料の積層形状の模式図である。

【図4】本発明のエッチング効果と従来のＲＩＥ又はＩＢＥの効果との対比図であり、エッチングが下部電極金属で停止する。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、図面と好ましい具体的な実施形態を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。

【0029】

本発明の説明において、「左側」、「右側」、「上部」、「下部」などの用語で表された方向又は位置関係は、図面に基づくものであり、本発明を便宜に及び簡略に説明するためのものにすぎず、該当装置又は要素が、必ずしも特定の方向を有したり、特定の方向に構成、操作されたり、することを明示又は暗示するものではない。「第１」、「第２」などは部品の重要度を示すものではないため、本発明を限定するものではないと理解すべきである。本実施例で使用される具体的な寸法は、技術案を説明するための例にすぎず、本発明の保護範囲を限定するものではない。

【0030】

図１に示すように、ＭＲＡＭ磁気トンネル接合のエッチング方法は、以下のステップを含む。

【0031】

メインエッチングステップであるステップ１：反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）又はイオンビームエッチング（ＩＢＥ）。

【0032】

ウェハーを対応する反応チャンバーに入れて、エッチング対象である磁気トンネル接合の試料に対して１次エッチングを行う。

【0033】

図２に示すように、エッチング対象である磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、金属層（キャップ層又はカバー層とも称する）、磁気トンネル接合、金属層（シード層とも称する）、下部絶縁層で構成されている。

【0034】

マスク層は、キャップ層に等間隔で配置されたいくつかのマスクを含む。下部絶縁層において、マスクの数と同じの下部電極は、マスクに対応する位置に等間隔で嵌められている。さらに、好ましくは、下部絶縁層が二酸化ケイ素などからなる。

【0035】

図４に示すように、エッチング対象である磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、金属層（キャップ層又はカバー層とも称する）、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）、金属層（シード層とも称する）、下部電極、下部絶縁層で構成されている。マスク層におけるマスクの配置は図２と同様である。好ましくは、下部絶縁層が二酸化ケイ素などからなる。

【0036】

好ましくは、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）のプロセス条件は、イオンビームの入射角が１０～６０°（イオンビームとウェハー法線とのなす角）であり、エネルギーが２００～１０００Ｖであり、シールドガスが不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、アルコールなどの一又は任意の組み合わせである。さらに、好ましくは、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスなどの不活性ガスを利用する。

【0037】

好ましくは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のプロセス条件は、イオン源パワーが５０～１０００Ｗであり、チャンバー内圧力が０．５～３０ｍＴであり、ガス流量が１０～５００ｓｃｃｍであり、ガスが不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、アルコールの一又は任意の組み合わせである。

【0038】

ステップ１において、メインエッチングステップのエッチング量はｔ１である。

【0039】

ステップ１においてイオンビームエッチング（ＩＢＥ）又は反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を利用することで、以下の有益な効果をもたらす。

【0040】

１．イオンビームの入射角の設定により、１次エッチングのプロファイルを効果的に保障し、ＣＤ（磁気トンネル接合における酸化マグネシウム層の寸法）の消耗を抑えることができる。ＲＩＥによるメインエッチングステップにより、金属層に対するエッチングが高速に行われ、酸化マグネシウム層の側壁に対する損傷が少なくなる。

【0041】

本実施例のＩＢＥにおいて、好ましくは、イオンビームの入射角が可変である。ＩＢＥは、大きい入射角によるＩＢＥと小さい入射角によるＩＢＥを含む。また、大きい入射角は、通常、３０～６０°のイオンビームの入射角を指し、小さい入射角は、通常、１０～３０°のイオンビームの入射角を指す。大きい入射角によるＩＢＥの時間をＴ１、小さい入射角によるＩＢＥの時間をＴ２とすると、Ｔ１≧１．５Ｔ２であることが好ましい。

【0042】

２．不活性ガスを利用してエッチングを行うので、高いプロファイルを有するクリーンな側壁を形成することができる。

【0043】

３．メインエッチングステップのエッチング量ｔ１の割合を大きくすることで、リセス（ｒｅｃｅｓｓ）量やプロファイルを向上させることができる。

【0044】

ステップ２は、洗浄ステップである。真空チャンバーで、ステップ１であるメインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、対応する洗浄ステップを行うチャンバーに移動させて、洗浄ステップを行うチャンバー内で、洗浄ステップにおける２次エッチングを行う。

【0045】

洗浄ステップにおけるエッチングは、以下の２つの好ましい実施例を有する。

【0046】

第１の実施例：反応性イオンエッチングの連続モード又はパルスモード。

【0047】

第２の実施例：反応性イオンエッチングの連続モード又はパルスモード、及び低エネルギーのイオンビームエッチング。

【0048】

好ましくは、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）のプロセス条件は、反応性イオンパルス（Ｐｕｌｓｉｎｇ）デューティー比が５％～５０％であり 、イオン源パワー（Ｓｏｕｒｃｅ）が５０～１０００Ｗであり、バイアス電圧が１０～１０００Ｖであり、チャンバー内圧力が０．５～１０ｍＴであり、ガス流量が１０～５００ｓｃｃｍであり、不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、アルコールなどの一又は任意の組み合わせを利用する。さらに、好ましくは、アルゴンガスなどの不活性ガス又は酸素含有ガスを利用する。

【0049】

好ましくは、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）のプロセス条件は、入射角が３０～６０°（イオンビームとウェハー法線とのなす角）であり、エネルギーが５０～２００Ｖであり、シールドガスが不活性ガス、窒素ガス、酸素ガス、フッ素系ガス、アミノ基ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、アルコールなどの一又は任意の組み合わせである。さらに、好ましくは、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガスなどの不活性ガスを利用する。

【0050】

ステップ２において、洗浄ステップにおけるエッチング量はｔ２である。好ましくは、ｔ２は５～４０ｎｍであり、ｔ１：ｔ２が０．５以上である。好ましくは、２回のエッチングのエッチング量の比がｔ１：ｔ２＝１．５～４．０である。

【0051】

２次エッチングが行われた後、下部電極及び／又は下部絶縁層のエッチング形状は、図３と図４に示された矩形トレンチになる。

【0052】

底部に形成されるＭＲＡＭ磁気トンネル接合の矩形のエッチングトレンチは、下部電極又は下部絶縁層に形成されたものであり、その形状が略矩形に形成されている。図２に示すように、矩形トレンチは、下部絶縁層に形成される。図４に示すように、矩形トレンチは、下部電極に形成される。或いは、矩形トレンチは、図４における下部電極及び／又は下部絶縁層の両方に形成されてもよい。

【0053】

矩形トレンチの下底の長さ（図３におけるＳｑｕａｒｅ ｔｒｅｎｃｈ ｌｅｎｇｔｈに対応）をＬ１、矩形トレンチの上底の長さ（図３におけるＳｐａｃｅに対応）をＬ２、矩形トレンチの高さ（図３におけるＲｅｃｅｓｓに対応）をＨ１、矩形トレンチの下底と側辺とのなす角をαとすると、α＝９０～１３０°となり、つまり略Ｌ字形となるので、略矩形に形成される。好ましくは、Ｌ１：Ｌ２＝０．３～１．０、Ｈ１：Ｌ２＝０．１～２．０である。

【0054】

電荷蓄積効果や選択比などの要因により、サイズが小さい密集パターンは、従来のパターンよりも矩形のエッチングトレンチに形成されることが難い。本発明により、パターンの密度が８０～１００ｎｍピッチ（ｐｉｔｃｈ）の場合でも、エッチングで矩形トレンチを形成することが可能である。

【0055】

ステップ２において、低エネルギーのイオンビームエッチング又は反応性イオンエッチングの連続モード又はパルスモードを利用することで、以下の有益な効果をもたらす。

【0056】

１．低エネルギー、低圧により、残渣を除去する能力が改善され、適切なプロセスウィンドウでは側壁への再付着がないことを保証できる。

【0057】

２．低エネルギーであるので、酸化マグネシウム層の側壁に対する損傷を低減できる。

【0058】

３．アルゴンなどの不活性ガスを利用してエッチングを行うことによりも、高いプロファイルを有するクリーンな側壁が得られる。また、酸素含有ガスを利用してエッチングを行う場合、側壁を酸化するので、反応ガスを利用してエッチングを行うと、選択比を高めることができる。

【0059】

４．メインエッチングステップで形成されたプロファイルを保つことができるので、最終的なプロファイルは７５～９０°になる。２つのユニットの中心距離（Ｐｉｔｃｈ）が１００ｎｍ以下であっても、プロファイルは８５°以上となることが可能である。

【0060】

５．従来の単一のエッチング方法と比べて、選択比を大幅に向上させる。

【0061】

６．底部に矩形のエッチングトレンチを形成し得る。矩形トレンチの底部は、平坦なものであり、残渣がないか、又は少ない残渣だけ残られる。矩形のエッチングトレンチは、絶縁層に形成されてもよく、下電極層に形成されてもよい。矩形トレンチの底部の隅角はＬ字形に形成されてもよい。エッチングして成膜した後も、成膜はＬ字形のままである。

【0062】

７．得られた矩形トレンチの角度は９０～１３０°である。矩形トレンチの下底の長さＬ１は、矩形トレンチの上底の長さＬ２の０．５～１．０倍である。Ｒｅｃｅｓｓ：Ｓｐａｃｅが０．５～２となり、深さと幅の比（総高さ：Ｓｐａｃｅ）が１．０～５．０となる場合、良好な矩形トレンチの形状が得られる。

【0063】

ステップ３は、成膜である。成膜は、エッチングして得られた磁気トンネル接合の試料に対して成膜することである。成膜層は、窒化シリコン又は二酸化ケイ素、あるいはその組み合わせからなる。成膜層の厚さが１０～１００ｎｍであり、成膜温度が１５０～３５０℃である。このようなインサイチュ保護膜により、磁気トンネル接合のメタル積層が空気中の水蒸気などに腐食され、デバイスが短絡することを避けることができる。

【0064】

以下の４つの 具体的な好ましい実施例を利用して、本発明をさらに詳細に説明する。

【0065】

実施例１
ステップ１は、反応性イオンエッチングを利用するメインエッチングステップである。図２に示す磁気トンネル接合の試料をＲＩＥ用チャンバーに入れてメインエッチングを行った。メインエッチングステップでは、エネルギーであるイオン源パワーが５００Ｗであり、バイアス電圧のパワーが６００Ｗであり、チャンバー内圧力が２０ｍＴｏｒｒであり、エッチングガスがＫｒである。

【0066】

反応性イオンエッチングは、最下層金属層の残り１０ｎｍから下部絶縁層の深さ４０ｎｍまでの位置で停止する。実施例１において、好ましくは、１次エッチングが最下層金属層の残り５ｎｍの位置で停止し、エッチング量ｔ１が３５ｎｍである。

【0067】

ステップ２は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）とイオンビームエッチング（ＩＢＥ）の組み合わせを利用する洗浄ステップである。

【0068】

ステップ２１は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）である。真空チャンバーで、ステップ１であるメインエッチングステップを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、２次反応性イオンエッチングを行った。２次反応性イオンエッチングのパラメータは、イオン源パワーが７００Ｗであり、バイアス電圧が４００Ｖであり、チャンバー内圧力が５ｍＴであり、アルゴンガス流量が１００ｓｃｃｍである。

【0069】

ステップ２２は、イオンビームエッチングである。真空チャンバーで、ステップ２１である２次反応性イオンエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、ＲＩＥ用チャンバーからＩＢＥ用チャンバー に移動させ、イオンビームエッチングを行った。好ましくは、イオンビームエッチングのプロセス条件は、ＢＭＶが１００Ｖであり、入射角が６０°であり、エッチングガスがＡｒである。エッチングの深さ、つまりイオンビームエッチング量ｔ２は３０ｎｍである。２次エッチングが行われた後、下部絶縁層の上に形成されたエッチング形状は矩形トレンチである。

【0070】

ステップ３は、成膜である。真空輸送チャンバーで、イオンビームエッチングを行って得られた試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させて、インサイチュ保護のために３０ｎｍのＳｉＮ膜を成膜した。

【0071】

本実施例で得られた矩形トレンチは、下底の長さ（図３におけるＳｑｕａｒｅ ｔｒｅｎｃｈ ｌｅｎｇｔｈに対応）をＬ１、上底の長さ（図３におけるＳｐａｃｅに対応）をＬ２、高さ（図３におけるＲｅｃｅｓｓに対応）をＨ１、下底と側辺とのなす角をαとすると、α＝１２０°となり、つまり略Ｌ字形となるので、略矩形に形成された。また、Ｌ１：Ｌ２＝０．５、Ｈ１：Ｌ２＝０．５となる。

【0072】

実施例２
ステップ１は、反応性イオンエッチングを利用するメインエッチングステップである。図４に示す磁気トンネル接合の試料を反応性イオンチャンバーに入れた。反応性イオンエッチングにおいて、イオン源パワーが６００Ｗであり、バイアス電圧が６００Ｖであり、チャンバー内圧力が１０ｍＴであり、アルゴンガス流量が１５０ｓｃｃｍである。また、エッチング対象である磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、キャップ層、磁気トンネル接合、下部電極層、下部絶縁層で構成されている。反応性イオンエッチングは、下部電極層が３ｎｍ消耗された位置で停止する。この場合、反応性イオンエッチング量は２０ｎｍである。

【0073】

ステップ２は、反応性イオンエッチングを利用する洗浄ステップである。好ましくは、２次エッチングのプロセス条件は、反応性イオンパルス（Ｐｕｌｓｉｎｇ）デューティー比が５％であり、反応性イオン源パワー（Ｓｏｕｒｃｅ）が３００Ｗであり、バイアス電圧が６００Ｖであり、チャンバー内圧力が１．５ｍＴであり、アルゴンガス流量が２００ｓｃｃｍであり、シード層まで３０ｎｍエッチングし、すなわち反応性イオンエッチング量ｔ２が１５ｎｍである。２次エッチングが行われた後、下部電極の上に形成されたエッチング形状は矩形トレンチである。

【0074】

ステップ２Ａは、イオンビーム洗浄である。真空チャンバーで、２次エッチング試料を、ＩＢＥ用チャンバーに移動させ、イオンビーム角度が４５°であり、イオンビームエネルギーが１００Ｖであり、アルゴンガス雰囲気の条件でエッチングした。エッチングは、深さが３ｎｍであり、下部電極層で停止した。図４は、形状の対比図を示す。

【0075】

ステップ３は、磁気トンネル接合に対するインサイチュ保護である。真空輸送チャンバーで、イオンビーム洗浄後の磁気トンネル接合の試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させ、インサイチュ保護のために１０ｎｍのＳｉＮ膜を成膜した。

【0076】

本実施例で得られた矩形トレンチは、下底の長さ（図３におけるＳｑｕａｒｅ ｔｒｅｎｃｈ ｌｅｎｇｔｈに対応）をＬ１、上底の長さ（図３におけるＳｐａｃｅに対応）をＬ２、高さ（図３におけるＲｅｃｅｓｓに対応）をＨ１、下底と側辺とのなす角をαとすると、α＝１１０°となり、つまり略Ｌ字形となるので、略矩形に形成された。また、Ｌ１：Ｌ２＝０．６、Ｈ１：Ｌ２＝０．８となる。

【0077】

実施例３
ステップ１は、イオンビームエッチングを利用するメインエッチングステップである。磁気トンネル接合の試料をイオンビームエッチング用チャンバーに入れ、イオンビームの入射角が２５°であり、エネルギーが６００Ｖであり、シールドガスがアルゴンガスである条件でエッチングを行った。また、磁気トンネル接合の試料は、上から順にマスク層、キャップ層、磁気トンネル接合、下部電極金属層、下部絶縁層で構成されている。下部絶縁層において、マスク層におけるマスク数と同じのメタル下部電極が、マスクの位置に対応しながら等間隔に嵌められている。イオンビームエッチングは、最下層金属層の残り５ｎｍの位置で停止し、すなわちイオンビームエッチング量ｔ１は３５ｎｍである。

【0078】

ステップ２は、反応性イオンエッチングを利用する洗浄ステップである。真空チャンバーで、ステップ１であるイオンビームエッチングを行って得られた磁気トンネル接合の試料を、イオンビームエッチング用チャンバーから反応性イオンエッチング用チャンバーに移動させ、２次エッチングを行った。２次エッチングのパラメータは、反応性イオンパルスデューティー比が２０％であり、イオン源パワーが７００Ｗであり、バイアス電圧が４００Ｖであり、チャンバー内圧力が５ｍＴであり、アルゴンガス流量が１００ｓｃｃｍであり、反応性イオンエッチング量ｔ２が３０ｎｍである。２次エッチングが行われた後、下部絶縁層の上に形成されたエッチング形状は矩形トレンチである。

【0079】

ステップ３は、成膜である。真空輸送チャンバーで、２次エッチングを行って得られた試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させ、インサイチュ保護のために３５ｎｍのＳｉＮ膜を成膜した。

【0080】

本実施例で得られた矩形トレンチは、下底の長さ（図３におけるＳｑｕａｒｅ ｔｒｅｎｃｈ ｌｅｎｇｔｈに対応）をＬ１、上底の長さ（図３におけるＳｐａｃｅに対応）をＬ２、高さ（図３におけるＲｅｃｅｓｓに対応）をＨ１、下底と側辺とのなす角をαとすると、α＝１００°となり、つまり略Ｌ字形となるので、略矩形に形成された。また、Ｌ１：Ｌ２＝０．８、Ｈ１：Ｌ２＝１．０となる。

【0081】

実施例４
ステップ１は、反応性イオンエッチングを利用するメインエッチングステップである。図２に示す磁気トンネル接合の試料をＲＩＥ用チャンバーに入れて、メインエッチングを行った。メインエッチングステップでは、エネルギーであるイオン源パワーが７００Ｗであり、バイアス電圧のパワーが４００Ｗであり、チャンバー内圧力が１５ｍＴｏｒｒであり、チャンバー内圧力が１０ｍＴｏｒｒであり、エッチングガスがエタノールである。

【0082】

反応性イオンエッチングは、最下層金属層の残り５ｎｍから下部絶縁層の深さ４０ｎｍまでの位置で停止する。本実施例において、好ましくは、１次エッチングが金属と絶縁体との境界面で停止し、エッチング量ｔ１が２０ｎｍである。

【0083】

ステップ２は、反応性イオンエッチングを利用する洗浄ステップである。反応性イオンエッチング用チャンバーで引き続き２次エッチングを行った。好ましくは、２次エッチングのプロセス条件は、反応性イオンパルス（Ｐｕｌｓｉｎｇ）デューティー比が３０％であり、反応性イオン源パワー（Ｓｏｕｒｃｅ）が３００Ｗであり、バイアス電圧が１００Ｖ、チャンバー内圧力が５ｍＴ、アルゴンガス流量が２００ｓｃｃｍであり、シード層まで３０ｎｍエッチングして、すなわちエッチング量ｔ２が１５ｎｍである。２次エッチングが行われた後、下部電極の上に形成されたエッチング形状は矩形トレンチである。

【0084】

ステップ３は、成膜である。真空輸送チャンバーで、２次エッチングを行って得られた試料を、プラズマ促進化学蒸着チャンバーに移動させ、インサイチュ保護のために２５ｎｍのＳｉＮ膜を成膜した。

【0085】

本実施例で得られた矩形トレンチは、下底の長さ（図３におけるＳｑｕａｒｅ ｔｒｅｎｃｈ ｌｅｎｇｔｈに対応）をＬ１、上底の長さ（図３におけるＳｐａｃｅに対応）をＬ２、高さ（図３におけるＲｅｃｅｓｓに対応）をＨ１、下底と側辺とのなす角をαとすると、α＝９５°となり、つまり略Ｌ字形となるので、略矩形に形成された。また、Ｌ１：Ｌ２＝１．０、Ｈ１：Ｌ２＝１．５となる。

【0086】

以上、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明したが、本発明は上記の実施形態における具体的な内容に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で本発明の技術案に対してさまざまな均等変換を行うことができる。これらの均等変換は、いずれも本発明の保護範囲に属するものである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】