JP2018147933A - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
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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CF4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、CF4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.
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.
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
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
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
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
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
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
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、SiO2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
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
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
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SiO2を堆積させてもよい。
As shown in FIG. 4, a
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SiO2との密着性が悪いため、密着させるためにRuとSiO2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)
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
図7に示されるように、タンタル層40の上面においてSiO2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、SiO2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(Al2O3)等であってもよい。
As shown in FIG. 7, an insulating
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
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SiO2)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CF4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SiO2)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
なおSiO2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SiO2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
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
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
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CF4とArとの混合ガスであってよいし、或いはCF4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
図12に示されるように、図11の状態から更に、CF4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
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NH3との混合ガス又はCH3OHを用いてよい。
Thereafter, the memory element layer (35, 35) existing under the metal layer using the
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
図13に示されるように、CVD法によりSiO2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SiO2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、SiO2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
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
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CF4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
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、SiO2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、SiO2のカバー絶縁層50、新たに形成したSiO2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
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
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CF4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
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
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(SiO2)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
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
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
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
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
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
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
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SiO2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
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
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
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SiO2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CF4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
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
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
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CF4とArとの混合ガスであってよいし、或いはCF4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
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
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
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、Cl2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
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
Claims (6)
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.
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| CN113053941A (en) * | 2019-12-27 | 2021-06-29 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Semiconductor structure and forming method thereof |
| WO2025009492A1 (en) * | 2023-07-05 | 2025-01-09 | Jsr株式会社 | Method for manufacturing magnetic storage element |
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