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JP2018147933A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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JP2018147933A
JP2018147933A JP2017038571A JP2017038571A JP2018147933A JP 2018147933 A JP2018147933 A JP 2018147933A JP 2017038571 A JP2017038571 A JP 2017038571A JP 2017038571 A JP2017038571 A JP 2017038571A JP 2018147933 A JP2018147933 A JP 2018147933A
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JP
Japan
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layer
pattern
mask
manufacturing
tantalum
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JP2017038571A
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Japanese (ja)
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能代 英之
Hideyuki Noshiro
英之 能代
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Abstract

【課題】適切なエッチング耐性を有したマスクを用いて金属材料をエッチングする半導体素子の製造方法を提供する。【解決手段】半導体素子の製造方法は、金属材料で形成される金属層の上面において絶縁材料で形成されるパターンを形成し、前記パターンをマスクとして用いてイオンミリングを行うことにより前記金属層をエッチングすると共に前記金属材料を前記パターンの側面に付着させ、前記金属材料が側面に付着した前記パターンをマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより前記金属層を加工する各段階を含む。【選択図】図10A method of manufacturing a semiconductor device is provided in which a metal material is etched using a mask having appropriate etching resistance. A method of manufacturing a semiconductor device includes forming a pattern formed of an insulating material on an upper surface of a metal layer formed of a metal material, and performing ion milling using the pattern as a mask. Etching and attaching the metal material to the side surface of the pattern, and performing reactive ion etching using the pattern with the metal material attached to the side surface as a mask to process the metal layer. [Selection] Figure 10

Description

本願開示は、半導体素子の製造方法に関する。   The present disclosure relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

磁気抵抗変化メモリ(Magnetoresistive Random Access Memory:以下MRAM)に用いられる磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction:以下MTJ)素子は、固定磁化層、自由磁化層、及び両者の間に配置されたトンネル絶縁膜を含む。固定磁化層の磁化方向は固定されており、自由磁化層の磁化方向は可変である。MTJ素子の抵抗値は、自由磁化層の磁化方向と固定磁化層の磁化方向とが同一方向を向いている平行状態のときに低くなり、反対方向を向いている反平行状態のときに高くなる。平行状態と反平行状態とを、記憶データの0と1とにそれぞれ対応させてよい。   A magnetic tunnel junction (hereinafter referred to as MTJ) element used in a magnetoresistive random access memory (hereinafter referred to as MRAM) includes a fixed magnetic layer, a free magnetic layer, and a tunnel insulating film disposed therebetween. Including. The magnetization direction of the fixed magnetization layer is fixed, and the magnetization direction of the free magnetization layer is variable. The resistance value of the MTJ element is low when the magnetization direction of the free magnetic layer and the magnetization direction of the fixed magnetic layer are in the same parallel direction, and high when the antiparallel state is in the opposite direction. . The parallel state and the antiparallel state may be associated with 0 and 1 of the stored data, respectively.

MRAMは、書込み方法の観点から、書込み配線型とスピン注入型とに分類される。書き込み配線型においては、書き込み用ワード線に流れる電流によって発生する磁場により、自由磁化層の磁化方向が制御される。スピン注入型においては、MTJ素子に電流を流したときに発生するスピントランスファー効果により、自由磁化層の磁化方向が制御される。現在ではスピン注入型が主流となっている。これは、スピン注入型では書き込み配線が不要であり、この点が大容量化で必須となる微細化に有利であるからである。   MRAM is classified into a write wiring type and a spin injection type from the viewpoint of a writing method. In the write wiring type, the magnetization direction of the free magnetic layer is controlled by the magnetic field generated by the current flowing through the write word line. In the spin injection type, the magnetization direction of the free magnetic layer is controlled by a spin transfer effect generated when a current is passed through the MTJ element. Currently, the spin injection type is the mainstream. This is because a write wiring is unnecessary in the spin injection type, and this is advantageous for miniaturization which is essential for increasing the capacity.

スピン注入型において磁界反転に必要な電流量は、電流密度で決まっており、素子面積が小さいほど必要な反転電流量が小さくて済む。MTJ素子を微細化することにより、動作電流を低減でき、またメモリ容量を増大できるため、微細化のための研究開発が精力的に行われている。   In the spin injection type, the amount of current required for magnetic field reversal is determined by the current density. The smaller the element area, the smaller the amount of necessary reversal current. By miniaturizing the MTJ element, the operating current can be reduced and the memory capacity can be increased. Therefore, research and development for miniaturization has been energetically performed.

MTJ素子には磁性材料が用いられており、通常微細加工で行われる反応性イオンエッチング (Reactive Ion Etching:以下RIE)により加工することが難しいという問題がある。磁性材料がエッチングで用いられるガスにより削れにくいためである。そのため、微細露光で通常使用されるレジストマスクでは耐性が無いため、被加工材料との選択比が得られず、金属材料(例えばTa)を用いたハードマスクが用いられている。   A magnetic material is used for the MTJ element, and there is a problem that it is difficult to process by reactive ion etching (hereinafter referred to as RIE) that is usually performed by fine processing. This is because the magnetic material is not easily scraped by the gas used for etching. For this reason, a resist mask that is usually used in fine exposure has no resistance, so that a selection ratio with a material to be processed cannot be obtained, and a hard mask using a metal material (for example, Ta) is used.

エッチング耐性を上げるためにマスクに金属材料を用いるということは、マスク自体を加工する処理が難しくなることを意味する。マスクである金属材料を加工するためには、加工がし易く且つレジストマスクよりもエッチング耐性のある材料、例えばシリコン酸化膜マスクが用いることが多い。   The use of a metal material for the mask in order to increase the etching resistance means that processing for processing the mask itself becomes difficult. In order to process a metal material that is a mask, a material that is easy to process and more resistant to etching than a resist mask, such as a silicon oxide mask, is often used.

しかしながら、Taの加工において用いるCF等のエッチングガスに対して、シリコン酸化膜マスクのエッチング耐性は充分ではない。具体的には、CFによるシリコン酸化膜のエッチングレートは、Taのエッチングレートよりも3倍から5倍程高く、加工対象材料に比較してシリコン酸化膜マスクの方がエッチング時に速く消耗してしまう。そのため、シリコン酸化膜マスクを厚く形成することが必要になるが、マスクの膜厚を厚くすると、素子形成のための寸法精度が悪化するという問題が生じる。 However, the etching resistance of the silicon oxide film mask is not sufficient against an etching gas such as CF 4 used in processing Ta. Specifically, the etching rate of the silicon oxide film by CF 4 is about 3 to 5 times higher than the etching rate of Ta, and the silicon oxide mask is consumed faster during etching than the material to be processed. End up. Therefore, it is necessary to form a thick silicon oxide film mask. However, if the thickness of the mask is increased, there arises a problem that the dimensional accuracy for element formation deteriorates.

またマスクの角の部分にプラズマの電界が集中するために、マスク周縁の角部分は特に削れ易い。従ってエッチングレートが高く消耗が速いマスク材料の場合には、マスクの形状がエッチング処理中に悪化し、このマスク形状の悪化を反映して加工対象の材料の形状が悪化するという問題が生じる。   Further, since the electric field of the plasma is concentrated on the corner portion of the mask, the corner portion on the peripheral edge of the mask is particularly easily cut. Therefore, in the case of a mask material with a high etching rate and fast consumption, the mask shape deteriorates during the etching process, and the shape of the material to be processed deteriorates reflecting the deterioration of the mask shape.

特開2002−38285号公報JP 2002-38285 A

以上を鑑みると、適切なエッチング耐性を有したマスクを用いて金属材料をエッチングする半導体素子の製造方法が望まれる。   In view of the above, a method for manufacturing a semiconductor element in which a metal material is etched using a mask having appropriate etching resistance is desired.

半導体素子の製造方法は、金属材料で形成される金属層の上面において絶縁材料で形成されるパターンを形成し、前記パターンをマスクとして用いてイオンミリングを行うことにより前記金属層をエッチングすると共に前記金属材料を前記パターンの側面に付着させ、前記金属材料が側面に付着した前記パターンをマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより前記金属層を加工する各段階を含む。   A method of manufacturing a semiconductor device includes: forming a pattern formed of an insulating material on an upper surface of a metal layer formed of a metal material; etching the metal layer by performing ion milling using the pattern as a mask; and Each step includes depositing a metal material on a side surface of the pattern and processing the metal layer by performing reactive ion etching using the pattern on which the metal material is adhered on the side surface as a mask.

少なくとも1つの実施例によれば、適切なエッチング耐性を有したマスクを用いて金属材料をエッチングする半導体素子の製造方法が提供される。   According to at least one embodiment, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, wherein a metal material is etched using a mask having appropriate etching resistance.

磁気トンネル接合の基本的な構成及び動作を示す図である。It is a figure which shows the fundamental structure and operation | movement of a magnetic tunnel junction. MTJ素子をメモリセルとして用いる半導体素子の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of the semiconductor element which uses an MTJ element as a memory cell. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 1st Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の一変形例を示す図である。It is a figure which shows one modification of the manufacturing method of a semiconductor element. 変形例により製造された半導体素子の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the semiconductor element manufactured by the modification. 金属側壁の存在しないマスクを用いたRIEにより金属材料を加工する場合のマスクの変形を説明する図である。It is a figure explaining the deformation | transformation of a mask at the time of processing a metal material by RIE using the mask without a metal side wall. 金属側壁を有するマスクを用いたRIEにより金属材料を加工する場合のマスクの耐性を説明する図である。It is a figure explaining the tolerance of a mask at the time of processing a metal material by RIE using a mask which has a metal side wall. 半導体素子の製造方法の第2の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 2nd Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第2の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 2nd Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第2の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 2nd Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第2の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 2nd Example of the manufacturing method of a semiconductor element. 半導体素子の製造方法の第2の実施例における製造工程の一段階を示す図である。It is a figure which shows the one step of the manufacturing process in the 2nd Example of the manufacturing method of a semiconductor element.

以下の説明において、同一又は対応する構成要素は同一又は対応する番号で参照し、その説明は適宜省略する。   In the following description, the same or corresponding components are referred to by the same or corresponding numbers, and the description thereof is omitted as appropriate.

図1は、磁気トンネル接合(MTJ)の基本的な構成及び動作を示す図である。図1(a)及び(b)に示すMTJは、自由磁化層11、トンネル絶縁膜12、及び固定磁化層13を含む。図1(a)及び(b)に示すMTJは、垂直磁化型MTJであり、各層の面に平行な方向ではなく各層の面に垂直な方向(即ち層の厚さ方向)に磁化方向が向いている。   FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration and operation of a magnetic tunnel junction (MTJ). The MTJ shown in FIGS. 1A and 1B includes a free magnetic layer 11, a tunnel insulating film 12, and a fixed magnetic layer 13. The MTJ shown in FIGS. 1A and 1B is a perpendicular magnetization type MTJ, and the magnetization direction is not in the direction parallel to the surface of each layer but in the direction perpendicular to the surface of each layer (that is, the thickness direction of the layer). ing.

図1(a)に示す状態では、自由磁化層11の磁化方向が層内の矢印で示すように下を向いており、固定磁化層13の磁化方向が層内の矢印で示すように上を向いている。このように自由磁化層11の磁化方向と固定磁化層13の磁化方向とが反平行状態(反対の方向を向いている状態)において、MTJは高抵抗値を示す高抵抗状態となる。図1(b)に示す状態では、自由磁化層11の磁化方向が層内の矢印で示すように上を向いており、固定磁化層13の磁化方向が層内の矢印で示すように上を向いている。このように自由磁化層11の磁化方向と固定磁化層13の磁化方向とが平行状態(同一の方向を向いている状態)において、MTJは低抵抗値を示す低抵抗状態となる。MTJを低抵抗状態又は高抵抗状態に設定することにより、MTJに情報を記憶することができる。   In the state shown in FIG. 1A, the magnetization direction of the free magnetic layer 11 faces downward as indicated by an arrow in the layer, and the magnetization direction of the fixed magnetic layer 13 faces upward as indicated by an arrow in the layer. It is suitable. Thus, when the magnetization direction of the free magnetic layer 11 and the magnetization direction of the pinned magnetic layer 13 are antiparallel (in the opposite direction), the MTJ is in a high resistance state showing a high resistance value. In the state shown in FIG. 1B, the magnetization direction of the free magnetic layer 11 faces upward as indicated by an arrow in the layer, and the magnetization direction of the fixed magnetic layer 13 faces upward as indicated by an arrow in the layer. It is suitable. As described above, when the magnetization direction of the free magnetic layer 11 and the magnetization direction of the fixed magnetic layer 13 are in a parallel state (a state in which they are directed in the same direction), the MTJ is in a low resistance state showing a low resistance value. Information can be stored in the MTJ by setting the MTJ to a low resistance state or a high resistance state.

スピン偏極した電子のトルク(STT)を用いたスピン注入磁化反転により、自由磁化層11の磁化を反転できる。例えば図1(a)に示される磁化方向の状態において、自由磁化層11を正極側に接続し、固定磁化層13を負極側に接続するように電圧を印加する。この電圧印加に伴い、固定磁化層13側から自由磁化層11側に電子が流れる(即ち図面上方向に向かい電子が流れる)。固定磁化層13の磁化方向と逆方向のスピンを有する電子が固定磁化層13を通過する確率が低い一方で、固定磁化層13の磁化方向と同方向のスピンを有する電子は高確率で固定磁化層13を通過し、自由磁化層11に到達する。この固定磁化層13の磁化方向と同方向のスピンを有する電子の影響により、自由磁化層11の磁化方向は反転され、固定磁化層13の磁化方向と同一の向きの磁化を有する状態(図1(b)に示す状態)に自由磁化層11が設定される。   The magnetization of the free magnetic layer 11 can be reversed by spin injection magnetization reversal using spin-polarized electron torque (STT). For example, in the state of the magnetization direction shown in FIG. 1A, a voltage is applied so that the free magnetic layer 11 is connected to the positive electrode side and the fixed magnetic layer 13 is connected to the negative electrode side. With this voltage application, electrons flow from the fixed magnetic layer 13 side to the free magnetic layer 11 side (that is, electrons flow upward in the drawing). While an electron having a spin opposite to the magnetization direction of the pinned magnetic layer 13 has a low probability of passing through the pinned magnetic layer 13, an electron having a spin in the same direction as the magnetization direction of the pinned magnetic layer 13 has a high probability of being fixed. It passes through the layer 13 and reaches the free magnetic layer 11. Due to the influence of electrons having spins in the same direction as the magnetization direction of the fixed magnetization layer 13, the magnetization direction of the free magnetization layer 11 is reversed and has a magnetization in the same direction as the magnetization direction of the fixed magnetization layer 13 (FIG. 1). The free magnetic layer 11 is set in the state shown in FIG.

また図1(b)に示される磁化方向の状態において、固定磁化層13を正極側に接続し、自由磁化層11を負極側に接続するように電圧を印加する。この電圧印加に伴い、自由磁化層11側から固定磁化層13側に電子が流れる(即ち図面下方向に向かい電子が流れる)。固定磁化層13の磁化方向と同方向のスピンを有する電子は固定磁化層13を高確率で通過する一方で、固定磁化層13の磁化方向と逆方向のスピンを有する電子の一部は固定磁化層13に反射されて自由磁化層11に影響を与える。固定磁化層13の磁化方向と逆方向のスピンを有する電子の影響により、自由磁化層11の磁化方向は反転され、固定磁化層13の磁化方向と反対向きの磁化を有する状態(図1(a)に示す状態)に自由磁化層11が設定される。   In the state of the magnetization direction shown in FIG. 1B, a voltage is applied so that the fixed magnetic layer 13 is connected to the positive electrode side and the free magnetic layer 11 is connected to the negative electrode side. With this voltage application, electrons flow from the free magnetic layer 11 side to the fixed magnetic layer 13 side (that is, electrons flow downward in the drawing). Electrons having a spin in the same direction as the magnetization direction of the fixed magnetization layer 13 pass through the fixed magnetization layer 13 with high probability, while some of the electrons having a spin opposite to the magnetization direction of the fixed magnetization layer 13 are fixed magnetization. It is reflected by the layer 13 and affects the free magnetic layer 11. Due to the influence of electrons having a spin opposite to the magnetization direction of the fixed magnetization layer 13, the magnetization direction of the free magnetization layer 11 is reversed and has a magnetization opposite to the magnetization direction of the fixed magnetization layer 13 (FIG. 1A The free magnetic layer 11 is set in the state shown in FIG.

図2は、MTJ素子をメモリセルとして用いる半導体素子の構成の一例を示す図である。図2に示す半導体素子は、自由磁化層11、トンネル絶縁膜12、固定磁化層13、下部電極20、上部電極21、層間膜22、カバー絶縁層23、配線24、及び配線25を含む。   FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of a semiconductor element using an MTJ element as a memory cell. 2 includes a free magnetic layer 11, a tunnel insulating film 12, a fixed magnetic layer 13, a lower electrode 20, an upper electrode 21, an interlayer film 22, a cover insulating layer 23, a wiring 24, and a wiring 25.

自由磁化層11、トンネル絶縁膜12、及び固定磁化層13がMTJ素子であり、1ビットの情報を記憶するメモリセルとして機能する。自由磁化層11及び固定磁化層13は、CoFe又はCoFeB等の磁性材料で形成された層を含み、適宜Ta、CoPt、Ru等で形成された層を含んでもよい。トンネル絶縁膜12は、MgO等の絶縁材料で形成された層である。   The free magnetic layer 11, the tunnel insulating film 12, and the fixed magnetic layer 13 are MTJ elements and function as memory cells that store 1-bit information. The free magnetic layer 11 and the fixed magnetic layer 13 include a layer formed of a magnetic material such as CoFe or CoFeB, and may include a layer formed of Ta, CoPt, Ru, or the like as appropriate. The tunnel insulating film 12 is a layer formed of an insulating material such as MgO.

下部電極20及び上部電極21の各々は、金属材料で形成される金属層であり、MTJ素子に電圧を印加するための電極として機能する。下部電極20及び上部電極21の各々は、後述するように、下側から上側に向かい、Taで形成された層、Ruで形成された層、及びTaで形成された層を含んでよい。層間膜22及びカバー絶縁層23は、SiO等の絶縁材料で形成されてよい。配線24及び配線25は、例えばAlやCuなどの金属材料で形成されてよい。 Each of the lower electrode 20 and the upper electrode 21 is a metal layer formed of a metal material, and functions as an electrode for applying a voltage to the MTJ element. As will be described later, each of the lower electrode 20 and the upper electrode 21 may include a layer formed of Ta, a layer formed of Ru, and a layer formed of Ta from the lower side to the upper side. The interlayer film 22 and the cover insulating layer 23 may be formed of an insulating material such as SiO 2 . The wiring 24 and the wiring 25 may be formed of a metal material such as Al or Cu, for example.

配線24及び上部電極21を介して、印加電圧の一方の極性側の電位をMTJ素子の自由磁化層11側に印加する。また配線25及び下部電極20を介して、印加電圧の他方の極性側の電位をMTJ素子の自由磁化層11側に印加する。これにより、MTJ素子に対する情報書き込み及び情報読み出しが可能となる。   A potential on one polarity side of the applied voltage is applied to the free magnetic layer 11 side of the MTJ element via the wiring 24 and the upper electrode 21. Further, the potential on the other polarity side of the applied voltage is applied to the free magnetic layer 11 side of the MTJ element through the wiring 25 and the lower electrode 20. Thereby, information writing and information reading with respect to the MTJ element can be performed.

以下に、半導体素子の製造方法の実施例を説明する。以下の説明においては、例えば図2に示すようなMTJ素子を含む半導体素子を製造する例について説明するが、加工及び製造する対象となる素子はMTJ素子に限定されない。例えば、後述するように、本願の半導体素子の製造方法を用いることにより、強誘電体メモリ素子を加工及び製造してもよい。またメモリ素子以外の素子を加工及び製造するために、本願の半導体素子の製造方法を用いてもよい。具体的には、金属材料をエッチングする際に適切なエッチング耐性を有したマスクが必要となる場合において、本願の半導体素子の製造方法を用いることができる。   Below, the Example of the manufacturing method of a semiconductor element is described. In the following description, an example of manufacturing a semiconductor element including an MTJ element as shown in FIG. 2 will be described. However, an element to be processed and manufactured is not limited to an MTJ element. For example, as described later, the ferroelectric memory element may be processed and manufactured by using the semiconductor element manufacturing method of the present application. Moreover, in order to process and manufacture elements other than the memory element, the semiconductor element manufacturing method of the present application may be used. Specifically, when a mask having appropriate etching resistance is required when etching a metal material, the semiconductor element manufacturing method of the present application can be used.

以下に、本発明の実施例を添付の図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図3乃至図19は、半導体素子の製造方法の第1の実施例における製造工程の各段階を示す図である。以下に、図3乃至図19を用いて、半導体素子の製造方法の第1の実施例を説明する。   3 to 19 are diagrams showing each stage of the manufacturing process in the first embodiment of the semiconductor device manufacturing method. The first embodiment of the semiconductor device manufacturing method will be described below with reference to FIGS.

図3に示されるように、シリコン基板30を用意する。シリコン基板30は、その上に図2に示されるようなMTJ素子、電極、配線等の回路要素が形成される板状の部品である。   As shown in FIG. 3, a silicon substrate 30 is prepared. The silicon substrate 30 is a plate-like component on which circuit elements such as MTJ elements, electrodes, and wiring as shown in FIG. 2 are formed.

図4に示されるように、シリコン基板30の上面にシリコン酸化膜31を形成する。シリコン酸化膜31を形成するためには、シリコン基板30の表面に熱酸化によりシリコン酸化膜31を成長させてもよいし、或いはシリコン基板30の表面にCVP(Chemical Vapor Deposition:以下CVD)法等によりSiOを堆積させてもよい。 As shown in FIG. 4, a silicon oxide film 31 is formed on the upper surface of the silicon substrate 30. In order to form the silicon oxide film 31, the silicon oxide film 31 may be grown on the surface of the silicon substrate 30 by thermal oxidation, or a CVP (Chemical Vapor Deposition: CVD) method or the like may be formed on the surface of the silicon substrate 30. SiO 2 may be deposited by:

図5に示されるように、シリコン酸化膜31の上に、タンタル(Ta)層32、ルテニウム(Ru)層33、タンタル(Ta)層34をこの順番でスパッタ法により形成する。タンタル層32、ルテニウム層33、及びタンタル層34がMTJ素子の下部電極20(図2参照)として機能する。タンタル層32は、RuとSiOとの密着性が悪いため、密着させるためにRuとSiOとの間に設ける密着層である。ルテニウム層33は、下部電極20の抵抗値を下げるために設けられる層である。タンタル層34は、下部電極20の上面に設けられるMTJ素子を加工する際のエッチングストッパー層である。 As shown in FIG. 5, a tantalum (Ta) layer 32, a ruthenium (Ru) layer 33, and a tantalum (Ta) layer 34 are formed on the silicon oxide film 31 in this order by sputtering. The tantalum layer 32, the ruthenium layer 33, and the tantalum layer 34 function as the lower electrode 20 (see FIG. 2) of the MTJ element. Since the adhesion between Ru and SiO 2 is poor, the tantalum layer 32 is an adhesion layer provided between Ru and SiO 2 for adhesion. The ruthenium layer 33 is a layer provided to reduce the resistance value of the lower electrode 20. The tantalum layer 34 is an etching stopper layer when processing the MTJ element provided on the upper surface of the lower electrode 20.

図6に示されるように、タンタル層34の上に、固定磁化層35、絶縁層36、自由磁化層37、タンタル層38、ルテニウム層39、及びタンタル層40をこの順番に形成する。MTJ素子の各層である固定磁化層35、絶縁層36、及び自由磁化層37はスパッタ法で形成してよい。固定磁化層35は、例えばCoFeB(コバルト鉄ボロン)で形成された厚さ1nmの層であってよい。絶縁層36は、例えばMgOで形成された厚さ0.8nmの層であってよい。自由磁化層37は、例えばCoFeBで形成された厚さ1.5nmの層であってよい。タンタル層38、ルテニウム層39、及びタンタル層40がMTJ素子の上部電極21(図2参照)として機能する。タンタル層38、ルテニウム層39、及びタンタル層40は、それぞれ膜厚が例えば1nm、10nm、及び40nmであってよい。ルテニウム層39は、上部電極21の抵抗値を下げるために設けられる層である。   As shown in FIG. 6, a fixed magnetic layer 35, an insulating layer 36, a free magnetic layer 37, a tantalum layer 38, a ruthenium layer 39, and a tantalum layer 40 are formed in this order on the tantalum layer 34. The fixed magnetic layer 35, the insulating layer 36, and the free magnetic layer 37, which are each layer of the MTJ element, may be formed by sputtering. The fixed magnetization layer 35 may be a 1 nm thick layer formed of, for example, CoFeB (cobalt iron boron). The insulating layer 36 may be a 0.8 nm thick layer made of, for example, MgO. The free magnetic layer 37 may be a layer having a thickness of 1.5 nm made of, for example, CoFeB. The tantalum layer 38, the ruthenium layer 39, and the tantalum layer 40 function as the upper electrode 21 (see FIG. 2) of the MTJ element. The tantalum layer 38, the ruthenium layer 39, and the tantalum layer 40 may have a film thickness of, for example, 1 nm, 10 nm, and 40 nm, respectively. The ruthenium layer 39 is a layer provided to reduce the resistance value of the upper electrode 21.

図7に示されるように、タンタル層40の上面においてSiOで形成される絶縁層41を形成する。絶縁層41は、例えばCVD法により堆積してもよいし、スパッタ法により堆積してもよい。絶縁層41の膜厚は例えば70nmであってよい。絶縁層41の材料は、SiOに限定されるものではなく、例えば窒化シリコン(SiN)であってもよいし、また或いは酸化アルミニウム(Al)等であってもよい。 As shown in FIG. 7, an insulating layer 41 made of SiO 2 is formed on the upper surface of the tantalum layer 40. The insulating layer 41 may be deposited by, for example, a CVD method or a sputtering method. The film thickness of the insulating layer 41 may be 70 nm, for example. The material of the insulating layer 41 is not limited to SiO 2 , and may be, for example, silicon nitride (SiN), or aluminum oxide (Al 2 O 3 ).

図8に示されるように、絶縁層41の上面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、レジストパターン42を絶縁層41の上面に形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。   As shown in FIG. 8, a resist pattern 42 is formed on the upper surface of the insulating layer 41 by exposing the photoresist layer formed on the upper surface of the insulating layer 41 with a desired pattern. The resist material may be an organic material including a novolak resin as a base resin and a compound as a photosensitive agent.

図9において、レジストパターン42(図8参照)をマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより絶縁層41を加工し、絶縁材料(この例ではSiO)で形成されるパターン41Aを形成する。エッチングガスは、例えばCFとArとの混合ガスであってよい。なおレジストパターン42は、エッチング後にアッシングにより除去する。この処理により、金属材料(この例ではTa)で形成される金属層(この例ではタンタル層40)の上面において絶縁材料(この例ではSiO)で形成されるパターン41Aを形成する。このパターン41Aは、引き続き実施するイオンミリング及びRIEにおいてマスクとして機能する。 In FIG. 9, the insulating layer 41 is processed by performing reactive ion etching using the resist pattern 42 (see FIG. 8) as a mask to form a pattern 41A formed of an insulating material (in this example, SiO 2 ). . The etching gas may be a mixed gas of CF 4 and Ar, for example. The resist pattern 42 is removed by ashing after etching. By this treatment, a pattern 41A formed of an insulating material (SiO 2 in this example) is formed on the upper surface of a metal layer (in this example, tantalum layer 40) formed of a metal material (Ta in this example). This pattern 41A functions as a mask in ion milling and RIE that are subsequently performed.

なおSiO等の絶縁材料の代わりに、有機系のレジストを、引き続き実施するイオンミリング及びRIEにおいてマスクとして用いてもよい。但し、レジストの耐熱性は100℃程度であり、TaやMTJ素子加工時の熱により、その形状が悪化しやすいという問題がある。またSiOに比較してレジストの方がエッチングレートが高いという問題もある。 Instead of an insulating material such as SiO 2 , an organic resist may be used as a mask in subsequent ion milling and RIE. However, the heat resistance of the resist is about 100 ° C., and there is a problem that its shape is likely to deteriorate due to heat during processing of Ta and MTJ elements. There is also a problem that the resist has a higher etching rate than SiO 2 .

図10に示されるように、パターン41Aをマスクとして用いてイオンミリング(物理的エッチング)を行うことにより金属層(タンタル層40)をエッチングすると共に金属材料(Ta)をパターン41Aの側面に付着させる。ここでいうイオンミリングは、不活性イオンを用いた物理的エッチングのことであり、利用可能な不活性ガス材料としてはNe、Ar、Kr、Xe等が挙げられる。価格や入手容易性の観点から、不活性ガス材料としてArを用いるのが一般的である。   As shown in FIG. 10, by performing ion milling (physical etching) using the pattern 41A as a mask, the metal layer (tantalum layer 40) is etched and the metal material (Ta) is attached to the side surface of the pattern 41A. . The ion milling here refers to physical etching using inert ions, and usable inert gas materials include Ne, Ar, Kr, and Xe. From the viewpoint of price and availability, it is common to use Ar as the inert gas material.

Arイオンのビームをタンタル層40に垂直に照射することによりタンタル層40のTa原子を弾き飛ばす物理的スパッタリング現象が発生し、タンタル層40のエッチングが進行すると共に、弾き飛ばされたTa原子がパターン41Aの側面に付着して堆積する。これにより、パターン41Aの側面にTaの薄膜としてタンタル側壁41Bが形成される。このタンタル側壁41Bは、引き続き実施するRIEにおいて、マスクの一部として機能する。なおイオンミリングにおいてパターン41Aの上面にはTaは殆ど付着しないが、付着してもよく、その場合に上面に付着したTaの薄膜は、引き続き実施するRIEにおいてマスクの一部として機能してよい。   By irradiating the tantalum layer 40 with a beam of Ar ions perpendicularly, a physical sputtering phenomenon occurs in which Ta atoms in the tantalum layer 40 are blown away. Etching of the tantalum layer 40 proceeds, and the blown Ta atoms are patterned. It adheres and accumulates on the side surface of 41A. Thereby, the tantalum side wall 41B is formed as a Ta thin film on the side surface of the pattern 41A. The tantalum side wall 41B functions as a part of the mask in the subsequent RIE. In ion milling, Ta hardly adheres to the upper surface of the pattern 41A, but may adhere. In that case, the Ta thin film attached to the upper surface may function as a part of the mask in the subsequent RIE.

タンタル側壁41Bとして付着するTaの量は、イオンミリングの時間(イオンミリングを実行する時間の長さ)及びイオンミリングのパワー(イオンミリング時に電極に印加する電力)により制御することができる。製造対象の半導体素子と同一の試料を用いて、種々の時間条件及び種々のパワー条件の下でイオンミリングを実行し、生成されるタンタル側壁41Bの厚さを予め測定しておく。半導体素子製造時には、予め測定されたタンタル側壁41Bの厚さと時間及びパワーとの関係を参照することにより、所望の厚さのタンタル側壁41Bが形成されるように時間及びパワーを調整する。5nm程度のタンタル側壁41Bの厚さがあれば、後続するRIEにおいて、パターン41A及びタンタル側壁41Bが適切なマスクとして機能することができる。   The amount of Ta adhering as the tantalum side wall 41B can be controlled by ion milling time (length of time for performing ion milling) and ion milling power (power applied to the electrode during ion milling). Using the same sample as the semiconductor element to be manufactured, ion milling is performed under various time conditions and various power conditions, and the thickness of the generated tantalum sidewall 41B is measured in advance. At the time of manufacturing the semiconductor element, the time and power are adjusted so that the tantalum side wall 41B having a desired thickness is formed by referring to the relationship between the thickness of the tantalum side wall 41B measured in advance and the time and power. If the thickness of the tantalum sidewall 41B is about 5 nm, the pattern 41A and the tantalum sidewall 41B can function as an appropriate mask in the subsequent RIE.

図11に示されるように、金属材料(Ta)が側面に付着したパターン41Aをマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより、金属層(タンタル層40)を加工する。図11においては、パターン41A及びタンタル側壁41Bで覆われていない部分のタンタル層40が完全に除去され、パターン41Aの下部にタンタル層40の一部がTaの金属層40Aとして残った状態となっている。この際のエッチングガスは、例えばCFとArとの混合ガスであってよいし、或いはCFのみであってもよい。この際、パターン41Aの側面にタンタル側壁41Bが設けられているので、エッチングのマスクの形状の崩れを抑制すると共に、マスクの消耗速度を抑制することができる。タンタル側壁41Bを設けることの効果については後ほど詳細に説明する。 As shown in FIG. 11, the metal layer (tantalum layer 40) is processed by performing reactive ion etching using a pattern 41A having a metal material (Ta) attached to the side surface as a mask. In FIG. 11, the portion of the tantalum layer 40 not covered with the pattern 41A and the tantalum sidewall 41B is completely removed, and a part of the tantalum layer 40 remains as a Ta metal layer 40A under the pattern 41A. ing. The etching gas at this time may be, for example, a mixed gas of CF 4 and Ar, or may be only CF 4 . At this time, since the tantalum side wall 41B is provided on the side surface of the pattern 41A, it is possible to suppress the deformation of the shape of the etching mask and to suppress the consumption rate of the mask. The effect of providing the tantalum side wall 41B will be described in detail later.

図12に示されるように、図11の状態から更に、CFとArとの混合ガスを用いた上記反応性イオンエッチングを続けることにより、ルテニウム層39及びタンタル層38を加工する。これにより、パターン41A及びタンタル側壁41Bで覆われていない部分のルテニウム層39及びタンタル層38が完全に除去される。その結果、パターン41Aの下部にルテニウム層39及びタンタル層38の一部が金属層39A及び38Aとして残った状態となる。 As shown in FIG. 12, the ruthenium layer 39 and the tantalum layer 38 are processed by continuing the reactive ion etching using the mixed gas of CF 4 and Ar from the state of FIG. As a result, the ruthenium layer 39 and the tantalum layer 38 which are not covered with the pattern 41A and the tantalum sidewall 41B are completely removed. As a result, the ruthenium layer 39 and part of the tantalum layer 38 remain as metal layers 39A and 38A below the pattern 41A.

更にその後、金属材料(Ta)が側面に付着したパターン41A及び当該パターンの下部に残った金属層(40A、39A、38A)をマスクとして用いて金属層の下に存在するメモリ素子層(35、36、37)に対する反応性イオンエッチングを行う。この際のエッチングガスとしては、メモリ素子層(35、36、37)の材料と反応するガスである必要があり、COとNHとの混合ガス又はCHOHを用いてよい。 Thereafter, the memory element layer (35, 35) existing under the metal layer using the pattern 41A with the metal material (Ta) attached to the side surface and the metal layer (40A, 39A, 38A) remaining under the pattern as a mask. Reactive ion etching for 36, 37) is performed. The etching gas at this time needs to be a gas that reacts with the material of the memory element layer (35, 36, 37), and a mixed gas of CO and NH 3 or CH 3 OH may be used.

図12に示される状態では、上記エッチングにより、パターン41A及びタンタル側壁41Bで覆われていない部分の自由磁化層37、絶縁層36、及び固定磁化層35が完全に除去されている。その結果、パターン41Aの下部に自由磁化層37、絶縁層36、及び固定磁化層35の一部がMTJ素子の各層37A、36A、及び35Aとして残った状態となる。   In the state shown in FIG. 12, the free magnetic layer 37, the insulating layer 36, and the fixed magnetic layer 35 that are not covered with the pattern 41 </ b> A and the tantalum sidewall 41 </ b> B are completely removed by the etching. As a result, the free magnetic layer 37, the insulating layer 36, and a part of the fixed magnetic layer 35 remain as the layers 37A, 36A, and 35A of the MTJ element below the pattern 41A.

図13に示されるように、CVD法によりSiOを材料とするカバー絶縁層50を形成する。カバー絶縁層50の材料はSiOに限られることなく、例えばSiNであってもよい。また或いは、カバー絶縁層50は、SiO層とSiN層とが積層された積層膜であってもよい。 As shown in FIG. 13, a cover insulating layer 50 made of SiO 2 is formed by CVD. The material of the insulating cover layer 50 is not limited to SiO 2 and may be SiN, for example. Alternatively, the cover insulating layer 50 may be a laminated film in which a SiO 2 layer and a SiN layer are laminated.

図14に示されるように、カバー絶縁層50の上面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、レジストパターン51をカバー絶縁層50の上面に形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。   As shown in FIG. 14, a resist pattern 51 is formed on the upper surface of the insulating cover layer 50 by exposing the photoresist layer formed on the upper surface of the insulating cover layer 50 with a desired pattern. The resist material may be an organic material including a novolak resin as a base resin and a compound as a photosensitive agent.

図15において、レジストパターン51(図14参照)をマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより、カバー絶縁層50、タンタル層34、ルテニウム層33、及びタンタル層32を加工する。エッチングガスは、例えばCFとArとの混合ガスであってよい。レジストパターン51は、エッチング後にアッシングにより除去する。この処理により、カバー絶縁層50の一部がカバー絶縁層50Aとして残ると共に、タンタル層34、ルテニウム層33、及びタンタル層32の一部が、下部電極20(図2参照)である金属層34A、33A、及び32Aとして残った状態となる。 In FIG. 15, the cover insulating layer 50, the tantalum layer 34, the ruthenium layer 33, and the tantalum layer 32 are processed by performing reactive ion etching using the resist pattern 51 (see FIG. 14) as a mask. The etching gas may be a mixed gas of CF 4 and Ar, for example. The resist pattern 51 is removed by ashing after etching. By this treatment, a part of the insulating cover layer 50 remains as the insulating cover layer 50A, and the tantalum layer 34, the ruthenium layer 33, and a part of the tantalum layer 32 are the metal layer 34A that is the lower electrode 20 (see FIG. 2). , 33A, and 32A remain.

図16に示されるように、図15に示されるシリコン酸化膜31の上面及びその上方に位置する構造物の全上面及び全側面を覆うように、SiOを材料とする層間膜60を形成する。更に層間膜60の上面、パターン41Aの上面、及びタンタル側壁41Bの上面で形成される全上面を、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法又はRIE全面エッチバック法等により平坦化する。なお図16においては、図示の便宜上、前述のシリコン酸化膜31、SiOのカバー絶縁層50、新たに形成したSiOの層間膜を全て纏めて層間膜60として示してある。 As shown in FIG. 16, an interlayer film 60 made of SiO 2 is formed so as to cover the upper surface of silicon oxide film 31 shown in FIG. 15 and the entire upper surface and all side surfaces of the structure located thereabove. . Further, the entire upper surface formed by the upper surface of the interlayer film 60, the upper surface of the pattern 41A, and the upper surface of the tantalum side wall 41B is planarized by a CMP (Chemical Mechanical Polishing) method, an RIE whole surface etch back method, or the like. In FIG. 16, for convenience of illustration, the silicon oxide film 31, the SiO 2 cover insulating layer 50, and the newly formed SiO 2 interlayer film are all shown as an interlayer film 60.

図17に示されるように、上述の平坦化面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、レジストパターン61を平坦化面上に形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。   As shown in FIG. 17, a resist pattern 61 is formed on the planarized surface by exposing the photoresist layer formed on the planarized surface with a desired pattern. The resist material may be an organic material including a novolak resin as a base resin and a compound as a photosensitive agent.

図18において、レジストパターン61(図17参照)をマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより、層間膜60の上面から金属層34Aまで到る貫通孔60Aを層間膜60に形成する。エッチングガスは、例えばCFとArとの混合ガスであってよい。レジストパターン61は、エッチング後にアッシングにより除去する。 In FIG. 18, by performing reactive ion etching using the resist pattern 61 (see FIG. 17) as a mask, a through hole 60A extending from the upper surface of the interlayer film 60 to the metal layer 34A is formed in the interlayer film 60. The etching gas may be a mixed gas of CF 4 and Ar, for example. The resist pattern 61 is removed by ashing after etching.

図19に示されるように、パターン41A及びタンタル側壁41Bの上面に接するように配線71を形成すると共に、下部電極20(図2参照)の上面に相当する金属層34Aの上面から層間膜60の上面に到る配線72を形成する。配線71及び72の材料はAl又はCuであってよい。配線の形成方法は、各材料の配線を形成するために通常用いられる方法であってよい。   As shown in FIG. 19, the wiring 71 is formed so as to be in contact with the upper surfaces of the pattern 41A and the tantalum sidewall 41B, and the interlayer film 60 is formed from the upper surface of the metal layer 34A corresponding to the upper surface of the lower electrode 20 (see FIG. 2). A wiring 72 reaching the upper surface is formed. The material of the wirings 71 and 72 may be Al or Cu. The wiring forming method may be a method that is usually used for forming wiring of each material.

以上により、MTJ素子をメモリセルとして含む半導体素子が得られる。図19に示す半導体素子では、配線71と上部電極の上端の金属層40Aとの間には、絶縁性材料(SiO)のパターン41A及びタンタル側壁41Bが介在しており、配線71と上部電極との間の電気的接続はタンタル側壁41Bのみによって確保させている。タンタル側壁41Bは、電流の方向に垂直な方向における断面積が小さいため、MTJ素子に電流を流す際に配線71及び配線72との間の抵抗値が大きくなってしまうという問題がある。またタンタル側壁41Bの厚みは、イオンミリングの時間及びパワーにより調整されるが、所望の値からばらついてしまう可能性がある。そのようなバラツキは、個々のメモリ素子の特性の差異となって現れるため、好ましくない。そこで、配線71を形成する前にパターン41A及びタンタル側壁41Bを除去し、配線71を金属層40Aと直接に接するように形成することが考えられる。以下にそのような変形例について説明する。 As described above, a semiconductor element including the MTJ element as a memory cell is obtained. In the semiconductor element shown in FIG. 19, a pattern 41A of insulating material (SiO 2 ) and a tantalum sidewall 41B are interposed between the wiring 71 and the metal layer 40A at the upper end of the upper electrode. The electrical connection between them is secured only by the tantalum side wall 41B. Since the tantalum side wall 41B has a small cross-sectional area in a direction perpendicular to the current direction, there is a problem that a resistance value between the wiring 71 and the wiring 72 increases when a current flows through the MTJ element. Moreover, although the thickness of the tantalum side wall 41B is adjusted by the time and power of ion milling, it may vary from a desired value. Such variation is not preferable because it appears as a difference in characteristics of individual memory elements. Therefore, it is conceivable to remove the pattern 41A and the tantalum side wall 41B before forming the wiring 71 and form the wiring 71 so as to be in direct contact with the metal layer 40A. Such modifications will be described below.

図20は、半導体素子の製造方法の一変形例を示す図である。図20においては、図16に示される状態から、層間膜60の上面、パターン41Aの上面、及びタンタル側壁41Bの上面で形成される全上面を更に削ることにより、パターン41A及びタンタル側壁41Bを完全に除去している。この除去処理は、図16で説明した平坦化処理を続行することにより実現すればよい。   FIG. 20 is a diagram showing a modification of the method for manufacturing a semiconductor element. In FIG. 20, the pattern 41A and the tantalum sidewall 41B are completely removed from the state shown in FIG. 16 by further removing the entire upper surface formed by the upper surface of the interlayer film 60, the upper surface of the pattern 41A, and the upper surface of the tantalum sidewall 41B. Has been removed. This removal process may be realized by continuing the flattening process described in FIG.

図20に示される状態以降の処理は、図17乃至図19で説明したのと同様の処理を実行すればよい。即ち、金属材料が側面に付着したパターン41Aを除去した後、貫通孔を形成し(図17及び図18)、パターン41Aを除去することにより曝された金属層40Aの上面に配線層(配線71)を形成してよい。   In the processing after the state shown in FIG. 20, the same processing as described in FIGS. 17 to 19 may be executed. That is, after removing the pattern 41A with the metal material adhering to the side surfaces, through holes are formed (FIGS. 17 and 18), and the wiring layer (wiring 71) is formed on the upper surface of the metal layer 40A exposed by removing the pattern 41A. ) May be formed.

図21は、上記変形例により製造された半導体素子の構造を示す図である。即ち、上記のようにパターン41A及びタンタル側壁41Bを完全に除去することにより生成された半導体素子の構造が示されている。図21に示す半導体素子では、配線71が金属層40Aと直接に接するように形成されており、前述の高抵抗値及び抵抗値のバラツキの問題が解消されている。   FIG. 21 is a diagram showing the structure of a semiconductor device manufactured according to the above modification. That is, the structure of the semiconductor element generated by completely removing the pattern 41A and the tantalum sidewall 41B as described above is shown. In the semiconductor element shown in FIG. 21, the wiring 71 is formed so as to be in direct contact with the metal layer 40 </ b> A, and the above-described problem of variation in high resistance value and resistance value is solved.

図22は、金属側壁の存在しないマスクを用いたRIEにより金属材料を加工する場合のマスクの変形を説明する図である。図22は、金属側壁を有するマスクを用いたRIEにより金属材料を加工する場合のマスクの耐性を説明する図である。   FIG. 22 is a diagram for explaining deformation of a mask when a metal material is processed by RIE using a mask having no metal side wall. FIG. 22 is a diagram for explaining the resistance of a mask when a metal material is processed by RIE using a mask having a metal side wall.

図22(a)において、金属材料の下部電極81の上面に金属材料のメモリ素子82が形成され、メモリ素子82の上面に金属材料の上部電極83が形成され、更に上部電極83の上面にマスク84が形成されている。この状態において、マスク84を用いて上部電極83の加工をするRIEを実行した場合、マスク84の角の部分にプラズマの電界が集中するために、マスク84周縁の角部分は特に削れ易い。従ってマスク84の形状がエッチング処理中に悪化し、図22(b)に示すようにマスク84の側面が垂直ではなく傾斜したなだらかな形になってしまう。その結果、このマスク84の形状の悪化を反映して、上部電極83の形状も垂直な側面ではなくなだらかな側面を有する悪化した形状となってしまう。   In FIG. 22A, a metal material memory element 82 is formed on the upper surface of the metal material lower electrode 81, a metal material upper electrode 83 is formed on the upper surface of the memory element 82, and a mask is formed on the upper surface of the upper electrode 83. 84 is formed. In this state, when RIE for processing the upper electrode 83 using the mask 84 is performed, the plasma electric field concentrates on the corner portion of the mask 84, and therefore the corner portion on the periphery of the mask 84 is particularly easily cut. Therefore, the shape of the mask 84 is deteriorated during the etching process, and the side surface of the mask 84 is not vertical but inclined as shown in FIG. As a result, reflecting the deterioration of the shape of the mask 84, the shape of the upper electrode 83 becomes a deteriorated shape having a gentle side surface instead of a vertical side surface.

図23(a)においては、上部電極83のイオンミリングにより上部電極83の金属材料で形成された金属側壁84Bがマスク84の側面に設けられている。この状態において、マスク84及び金属側壁84Bをマスクとして用いてRIEを実行した場合、マスクの角の部分にプラズマの電界が集中しても、マスク周縁の角部分は金属側壁84Bにより保護されているために、保護無しの場合と比較して削れる速度が遅い。従ってマスクの形状がエッチング処理中に悪化することはなく、図23(b)に示すようにマスク84の側面に設けられた金属側壁84Bの側面が略垂直である形状を保ったままエッチングが進行する。その結果、このマスクの良好な形状を反映して、上部電極83の形状も垂直に近い側面を有する良好な形状に加工される。   In FIG. 23A, a metal side wall 84B formed of a metal material of the upper electrode 83 by ion milling of the upper electrode 83 is provided on the side surface of the mask 84. In this state, when RIE is performed using the mask 84 and the metal side wall 84B as a mask, even if the electric field of the plasma is concentrated on the corner portion of the mask, the corner portion on the peripheral edge of the mask is protected by the metal side wall 84B. Therefore, the cutting speed is slower than in the case of no protection. Therefore, the shape of the mask does not deteriorate during the etching process, and the etching proceeds while maintaining the shape in which the side surface of the metal side wall 84B provided on the side surface of the mask 84 is substantially vertical as shown in FIG. To do. As a result, reflecting the good shape of the mask, the shape of the upper electrode 83 is also processed into a good shape having a side surface close to vertical.

以上説明した半導体素子の製造方法の第1の実施例では、パターン41Aの側面にのみ金属材料の保護膜が設けられている。より高いエッチング耐性を有するマスクとするために、パターン41Aの上面にも金属材料で形成された層を設けることが考えられる。以下にそのような実施例について説明する。   In the first embodiment of the semiconductor element manufacturing method described above, a protective film made of a metal material is provided only on the side surface of the pattern 41A. In order to obtain a mask having higher etching resistance, it is conceivable to provide a layer made of a metal material on the upper surface of the pattern 41A. Such an embodiment will be described below.

図24乃至図28は、半導体素子の製造方法の第2の実施例における製造工程の各段階を示す図である。以下に、図24乃至図29を用いて、半導体素子の製造方法の第1の実施例を説明する。   24 to 28 are diagrams showing each stage of the manufacturing process in the second embodiment of the method for manufacturing a semiconductor device. Hereinafter, a first embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device will be described with reference to FIGS.

第2の実施例に係る半導体素子の製造方法は、図3乃至図7に示される工程については第1の実施例に係る半導体素子の製造方法と同一である。図7に示されるようにタンタル層40の上面においてSiOで形成される絶縁層41を形成した後の工程が、第2の実施例では第1の実施例と異なる。 The manufacturing method of the semiconductor device according to the second embodiment is the same as the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment with respect to the steps shown in FIGS. As shown in FIG. 7, the process after the formation of the insulating layer 41 made of SiO 2 on the upper surface of the tantalum layer 40 is different from the first example in the second example.

図24に示されるように、絶縁層41の上面にTaで形成されるタンタル層90を形成する。タンタル層90はスパッタ法により形成すればよく、膜厚は例えば30nmであってよい。タンタル層90は、後ほど実行するエッチングにおいて、パターン41Aの上面を保護してエッチングマスクの一部として機能する。タンタル層90が厚すぎると、タンタル層90を精度良くパターニングすることが難しくなるので、保護膜としての機能及び加工の容易さを勘案して、適切な厚さに形成されることが好ましい。   As shown in FIG. 24, a tantalum layer 90 made of Ta is formed on the upper surface of the insulating layer 41. The tantalum layer 90 may be formed by sputtering, and the film thickness may be 30 nm, for example. In the etching performed later, the tantalum layer 90 protects the upper surface of the pattern 41A and functions as a part of the etching mask. If the tantalum layer 90 is too thick, it is difficult to pattern the tantalum layer 90 with high accuracy. Therefore, the tantalum layer 90 is preferably formed to have an appropriate thickness in consideration of the function as a protective film and the ease of processing.

図25に示されるように、タンタル層90の上面に形成したフォトレジスト層を所望のパターンで露光することにより、レジストパターン42をタンタル層90の上面に形成する。レジスト材料は、ベース樹脂であるノボラック樹脂等に、感光剤である化合物を含めた有機系材料であってよい。   As shown in FIG. 25, the photoresist pattern formed on the top surface of the tantalum layer 90 is exposed in a desired pattern, thereby forming a resist pattern 42 on the top surface of the tantalum layer 90. The resist material may be an organic material including a novolak resin as a base resin and a compound as a photosensitive agent.

図26において、レジストパターン42(図8参照)をマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことによりタンタル層90と絶縁層41とを加工し、Taで形成されるパターン90AとSiOで形成されるパターン41Aとを形成する。このように、金属層(タンタル層90)と絶縁層41とをエッチングすることにより、金属層が上面に設けられたパターンを形成する。エッチングガスは、例えばCFとArとの混合ガスであってよい。なおレジストパターン42は、エッチング後にアッシングにより除去する。このようにして形成されたパターン90A及び41Aは、引き続き実施するイオンミリング及びRIEにおいてマスクとして機能する。 In FIG. 26, the tantalum layer 90 and the insulating layer 41 are processed by performing reactive ion etching using the resist pattern 42 (see FIG. 8) as a mask, and a pattern 90A formed of Ta and SiO 2 are formed. Pattern 41A is formed. Thus, the metal layer (tantalum layer 90) and the insulating layer 41 are etched to form a pattern in which the metal layer is provided on the upper surface. The etching gas may be a mixed gas of CF 4 and Ar, for example. The resist pattern 42 is removed by ashing after etching. The patterns 90A and 41A thus formed function as a mask in ion milling and RIE that are subsequently performed.

図27に示されるように、パターン90A及び41Aをマスクとして用いてイオンミリング(物理的エッチング)を行うことにより金属層(タンタル層40)をエッチングすると共に金属材料(Ta)をパターン90A及び41Aの側面に付着させる。イオンミリングに用いる不活性ガス材料としてはArであってよい。   As shown in FIG. 27, the metal layer (tantalum layer 40) is etched by performing ion milling (physical etching) using the patterns 90A and 41A as a mask, and the metal material (Ta) is removed from the patterns 90A and 41A. Adhere to the side. The inert gas material used for ion milling may be Ar.

これにより、パターン90A及び41Aの側面にTaの薄膜としてタンタル側壁41Bが形成される。タンタル側壁41Bとして付着するTaの量は、イオンミリングの時間(イオンミリングを実行する時間の長さ)及びイオンミリングのパワー(イオンミリング時に電極に印加する電力)により制御することができる。半導体素子製造時には、予め測定されたタンタル側壁41Bの厚さと時間及びパワーとの関係を参照することにより、所望の厚さのタンタル側壁41Bが形成されるように時間及びパワーを調整する。5nm程度のタンタル側壁41Bの厚さがあれば、後続するRIEにおいて、パターン41A及びタンタル側壁41Bが適切なマスクとして機能することができる。   Thereby, the tantalum side wall 41B is formed as a Ta thin film on the side surfaces of the patterns 90A and 41A. The amount of Ta adhering as the tantalum side wall 41B can be controlled by ion milling time (length of time for performing ion milling) and ion milling power (power applied to the electrode during ion milling). At the time of manufacturing the semiconductor element, the time and power are adjusted so that the tantalum side wall 41B having a desired thickness is formed by referring to the relationship between the thickness of the tantalum side wall 41B measured in advance and the time and power. If the thickness of the tantalum sidewall 41B is about 5 nm, the pattern 41A and the tantalum sidewall 41B can function as an appropriate mask in the subsequent RIE.

図28に示されるように、金属材料(Ta)が上面に設けられ且つ側面に付着したパターン90A及び41A(図27参照)をマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより、金属層(タンタル層40)を加工する。図28においては、パターン41A及びタンタル側壁41Bで覆われていない部分のタンタル層40及びパターン41Aの上面を保護するTaパターン90Aが、エッチングにより完全に除去されている。その結果、パターン41Aの下部にタンタル層40の一部のみがTaの金属層40Aとして残った状態となっている。この際のエッチングガスは、例えばCFとArとの混合ガスであってよいし、或いはCFのみであってもよい。この際、パターン41Aの上面にTaのパターン90Aが設けられ且つ側面にタンタル側壁41Bが設けられているので、エッチングのマスクの形状の崩れを抑制すると共に、マスクの消耗速度を大幅に抑制することができる。従って、以降のエッチング処理においては、充分な厚さと良好な形状を有するマスクを用いることが可能となる。 As shown in FIG. 28, a reactive ion etching is performed using the patterns 90A and 41A (see FIG. 27) provided with a metal material (Ta) on the upper surface and attached to the side surface as a mask, thereby forming a metal layer (tantalum). Layer 40) is processed. In FIG. 28, the portion of the tantalum layer 40 that is not covered with the pattern 41A and the tantalum side wall 41B and the Ta pattern 90A that protects the upper surface of the pattern 41A are completely removed by etching. As a result, only a part of the tantalum layer 40 remains as a Ta metal layer 40A under the pattern 41A. The etching gas at this time may be, for example, a mixed gas of CF 4 and Ar, or may be only CF 4 . At this time, since the Ta pattern 90A is provided on the upper surface of the pattern 41A and the tantalum side wall 41B is provided on the side surface, the shape of the etching mask is prevented from being deformed and the consumption rate of the mask is significantly suppressed. Can do. Therefore, a mask having a sufficient thickness and a good shape can be used in the subsequent etching process.

図28に示される状態は、パターン41A及びタンタル側壁41Bの厚さ(高さ)を除いて、図11に示される状態と同等である。第2の実施例に係る半導体素子の製造方法の図11に示される状態以降の工程は、図12乃至図21に示される第1の実施例及びその変形例の工程と同一である。以上により、MTJ素子をメモリセルとして含む半導体素子が得られる。   The state shown in FIG. 28 is the same as the state shown in FIG. 11 except for the thickness (height) of the pattern 41A and the tantalum side wall 41B. The steps after the state shown in FIG. 11 of the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment are the same as those of the first embodiment and its modification shown in FIGS. As described above, a semiconductor element including the MTJ element as a memory cell is obtained.

以上の実施例は、MTJ素子をメモリセルとして含むMRAMの半導体素子の製造方法を例として説明した。前述のように、加工及び製造する対象となる素子はMTJ素子に限定されない。例えば、本願の半導体素子の製造方法を用いることにより、強誘電体メモリ素子を加工及び製造してもよい。   The above embodiment has been described by taking as an example a method of manufacturing an MRAM semiconductor element including an MTJ element as a memory cell. As described above, an element to be processed and manufactured is not limited to an MTJ element. For example, the ferroelectric memory device may be processed and manufactured by using the semiconductor device manufacturing method of the present application.

強誘電体メモリの場合、メモリ素子層(強誘電体層)は、例えばジルコニウムチタン酸鉛(PZT)等の強誘電体材料で形成される。このメモリ素子層の下面側には、Pt(白金)、Ti(チタン)、又はIrOx(イリジウム酸化物)等を材料とする下部電極が形成される。メモリ素子層の上面側には、Pt又はIrOx等を材料とする上部電極が形成される。例えば図23において、下部電極81、メモリ素子82、及び上部電極83が上記のような各材料で形成され、強誘電体メモリセルとして提供されてよい。   In the case of a ferroelectric memory, the memory element layer (ferroelectric layer) is made of a ferroelectric material such as lead zirconium titanate (PZT). A lower electrode made of Pt (platinum), Ti (titanium), IrOx (iridium oxide), or the like is formed on the lower surface side of the memory element layer. An upper electrode made of Pt or IrOx or the like is formed on the upper surface side of the memory element layer. For example, in FIG. 23, the lower electrode 81, the memory element 82, and the upper electrode 83 may be formed of each material as described above and provided as a ferroelectric memory cell.

これらの上部電極、強誘電体層、及び下部電極をRIE加工する際には、ClとArとの混合ガスを一般に用いる。Prやイリジウムは貴金属でありRIEにより加工することが困難な材料であるため、エッチング処理中のマスクの消耗が激しく、前述の図22で説明したようにエッチングによりマスクの形状が悪化し、更には加工対象の金属層の形状も悪化してしまう。そこで図23で説明したように、上部電極83のイオンミリングにより上部電極83の金属材料で形成された金属側壁84Bをマスク84の側面に設ければ、強誘電体メモリの場合にも、マスク形状の悪化及び加工対象の金属層の形状の悪化を避けることができる。 When these upper electrode, ferroelectric layer, and lower electrode are subjected to RIE processing, a mixed gas of Cl 2 and Ar is generally used. Pr and iridium are precious metals and are difficult to process by RIE. Therefore, the mask is heavily consumed during the etching process, and the shape of the mask deteriorates due to the etching as described above with reference to FIG. The shape of the metal layer to be processed also deteriorates. Therefore, as described with reference to FIG. 23, if the metal sidewall 84B formed of the metal material of the upper electrode 83 is provided on the side surface of the mask 84 by ion milling of the upper electrode 83, the mask shape can be obtained even in the case of a ferroelectric memory. And deterioration of the shape of the metal layer to be processed can be avoided.

以上、本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で様々な変形が可能である。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on the Example, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible within the range as described in a claim.

11 自由磁化層
12 トンネル絶縁膜
13 固定磁化層
20 下部電極
21 上部電極
22 層間膜
23 カバー絶縁層
24 配線
25 配線
30 シリコン基板
31 シリコン酸化膜
32 タンタル層
33 ルテニウム層
34 タンタル層
35 固定磁化層
36 絶縁層
37 自由磁化層
38 タンタル層
39 ルテニウム層
40 タンタル層
11 free magnetic layer 12 tunnel insulating film 13 fixed magnetic layer 20 lower electrode 21 upper electrode 22 interlayer film 23 cover insulating layer 24 wiring 25 wiring 30 silicon substrate 31 silicon oxide film 32 tantalum layer 33 ruthenium layer 34 tantalum layer 35 fixed magnetic layer 36 Insulating layer 37 Free magnetic layer 38 Tantalum layer 39 Ruthenium layer 40 Tantalum layer

Claims (6)

金属材料で形成される金属層の上面において絶縁材料で形成されるパターンを形成し、
前記パターンをマスクとして用いてイオンミリングを行うことにより前記金属層をエッチングすると共に前記金属材料を前記パターンの側面に付着させ、
前記金属材料が側面に付着した前記パターンをマスクとして用いて反応性イオンエッチングを行うことにより前記金属層を加工する
各段階を含む半導体素子の製造方法。
Forming a pattern formed of an insulating material on an upper surface of a metal layer formed of a metal material;
Etching the metal layer by ion milling using the pattern as a mask and attaching the metal material to the side of the pattern;
A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: steps of processing the metal layer by performing reactive ion etching using the pattern in which the metal material adheres to a side surface as a mask.
前記金属材料が側面に付着した前記パターン及び当該パターンの下部に残った前記金属層をマスクとして用いて前記金属層の下に存在するメモリ素子層に対する反応性イオンエッチングを行う段階を更に含む請求項1記載の半導体素子の製造方法。   The method further comprises performing reactive ion etching on a memory element layer existing under the metal layer using the pattern in which the metal material is attached to a side surface and the metal layer remaining under the pattern as a mask. A method for producing a semiconductor device according to 1. 前記パターンを形成する段階は、
前記金属層の上に前記絶縁材料で形成される絶縁層を形成し、
前記絶縁層の上に第2の金属層を形成し、
前記第2の金属層と前記絶縁層とをエッチングすることにより、前記第2の金属層が上面に設けられた前記パターンを形成する
各段階を含む請求項1又は2記載の半導体素子の製造方法。
Forming the pattern comprises:
Forming an insulating layer formed of the insulating material on the metal layer;
Forming a second metal layer on the insulating layer;
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, comprising etching each of the second metal layer and the insulating layer to form the pattern having the second metal layer provided on an upper surface thereof. .
前記メモリ素子層を加工した後に、前記金属材料が側面に付着した前記パターンを除去し、
前記パターンを除去することにより曝された前記金属層の上面に配線層を形成する
各段階を更に含む請求項2記載の半導体素子の製造方法。
After processing the memory element layer, the metal material is removed from the side surface of the pattern,
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 2, further comprising: forming a wiring layer on the upper surface of the metal layer exposed by removing the pattern.
前記メモリ素子層は磁性材料で形成される層を含む請求項2記載の半導体素子の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 2, wherein the memory element layer includes a layer formed of a magnetic material. 前記メモリ素子層は強誘電体材料で形成される請求項2記載の半導体素子の製造方法。   3. The method of manufacturing a semiconductor element according to claim 2, wherein the memory element layer is formed of a ferroelectric material.
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WO2025009492A1 (en) * 2023-07-05 2025-01-09 Jsr株式会社 Method for manufacturing magnetic storage element

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