半導体素子のパターン構造物形成方法
【課題】磁性物質又は相変化物質を含む半導体素子のパターン構造物の形成方法を提供する。
【解決手段】基板上に、磁性物質又は少なくとも３つの元素を含む合金からなった相変化物質のいずれか一つの物質を含むエッチング対象膜を形成する段階と、少なくともアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むエッチングガスを使って前記エッチング対象膜をプラズマ反応性エッチングすることによってパターン構造物を形成する段階とを有する。
【解決手段】基板上に、磁性物質又は少なくとも３つの元素を含む合金からなった相変化物質のいずれか一つの物質を含むエッチング対象膜を形成する段階と、少なくともアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むエッチングガスを使って前記エッチング対象膜をプラズマ反応性エッチングすることによってパターン構造物を形成する段階とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子のパターン構造物形成方法に関し、特に、磁性を有する遷移金属が含まれた半導体素子の磁性パターン構造物形成方法、それを利用した磁気メモリ素子の製造方法、そして、相変化物質が含まれたパターン構造物形成方法及びそれを利用した相変化メモリ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ素子及び相変化メモリ素子は高速書き込み及び高速読み取り動作が可能であり、不揮発性を有するため次世代メモリとして注目を集めている。
【０００３】
磁気メモリ素子には既存の半導体メモリ素子では使われていなかった磁性を有する金属物質が含まれる。
磁性物質は反応性エッチング工程又は物理的エッチング等を通してパターニングしているが、エッチング率が非常に低い。また、エッチング工程を実行するとパターンが腐食（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）するか、或いは、パターン側壁に導電性ポリマーが付着するなどの問題が発生する。
特に、パターン側壁に導電性ポリマーが付着する場合、互いに絶縁されていなければならない磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造物の上部磁性体と下部磁性体が電気的に短絡されて磁気メモリ素子の不良が発生するという問題がある。
【０００４】
また、相変化メモリ素子は、既存の半導体メモリ素子では使われない相変化物質が使われる。
相変化物質は一般的なエッチング方法によって狭いピッチのパターンを形成することが難しい。しかも、相変化物質はエッチングガスによるダメージの発生が大きく、エッチング後に相変化物質内に含まれる元素の成分が変化するという問題がある。
【０００５】
従って、次世代メモリ素子に使われる物質をパターニングすることに適合したエッチング工程が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３５６１７９号公報
【特許文献２】韓国特許第０７１９３４５号明細書
【特許文献３】特開２００８−２２６９２２号公報
【特許文献４】韓国特許出願公開２００７−００８１７５２号明細書
【特許文献５】米国特許第６８３１０１９号明細書
【特許文献６】韓国特許出願公開２００５−０１１１４６９号明細書
【特許文献７】韓国特許出願公開２００６−００７９４５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上記従来の半導体素子のパターン構造物形成方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、磁性物質又は相変化物質を含む半導体素子のパターン構造物の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明による半導体素子のパターン構造物形成方法は、基板上に、磁性物質、又は少なくとも３つの元素を含む合金からなった相変化物質のいずれか一つの物質を含むエッチング対象膜を形成する段階と、少なくともアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むエッチングガスを使って前記エッチング対象膜をプラズマ反応性エッチングすることによってパターン構造物を形成する段階とを有することを特徴とする。
【０００９】
前記磁性物質を含むエッチング対象膜は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を含むことが好ましい。
前記エッチング対象膜をエッチングするエッチングガスはふっ素含有ガスをさらに含むことが好ましい。
前記ふっ素含有ガスは、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、及びＣＦ４からなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。
混合された前記エッチングガスに含まれる前記アンモニアガスの流量は、前記ふっ素含有ガスの流量と同一であるか、又は、前記ふっ素含有ガスの流量より多いことが好ましい。
前記パターン構造物を形成した後、前記パターン構造物に付着したポリマーを除去するための後処理を実行ことが好ましい。
【００１０】
前記相変化物質を含むエッチング対象膜は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、及びＢｉからなる群から選択される少なくとも３つの元素を含む合金物質を含むことが好ましい。
前記エッチングガスは、Ａｒ、ＣＦ４、ＣＯ、Ｈｂｒ、及びＳＦ６からなる群から選択される少なくとも一つをさらに含むことが好ましい。
前記パターン構造物に含まれる元素それぞれの含有量は、エッチング以前の前記エッチング対象膜に含まれる元素それぞれの含有量と比較する時、その含有量変化率が５％以内であることが好ましい。
前記パターン構造物間の間隔は、１０００Å以内であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体素子のパターン構造物形成方法によれば、エッチング工程時に膜内に含まれている元素を均一にエッチングすることができ、エッチング後の薄膜の組成成分の含有量変化を抑制することができるという効果がある。また、狭いピッチのパターン構造物を容易に形成することができるという効果がある。
また、側壁にポリマーが付着せずに、狭いピッチを有しながら、良好な垂直プロファイルを有するパターン構造物を形成することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法で磁性物質膜をエッチングする時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態のエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物のサンプルを示す断面図である。
【図１７】一般的なエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物の比較サンプルを示す断面図である。
【図１８】第１の実施形態の方法によって製造した各サンプルで測定した抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【図１９】比較サンプルで測定した抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【図２０】本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２１】本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２２】本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２３】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２４】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２５】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２６】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２７】本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２８】本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２９】本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図３０】サンプル１及びサンプル２と比較サンプル１の相変化パターンに対してエッチング前後の成分変化率を示すグラフである。
【図３１】本発明の実施形態のメモリ素子が含まれた電子システムを示すブロック図である。
【図３２】本発明の実施形態の半導体素子を含むメモリカードを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る半導体素子のパターン構造物形成方法を実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１４】
本明細書の各図面において、構造物のサイズは本発明の明確性を期するために実際より拡大して示すこともある。
本明細書において、第１、第２等の用語は多様な構成要素を説明することに使用するが、構成要素は前記用語によって限定されてはいけない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使われる。
【００１５】
本明細書で使った用語は単に特定の実施形態を説明するために使われて、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味で示さない限り、複数の表現を含む。本明細書で、「含む」または「有する」等の用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在するということを指定しようとすることであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または、付加の可能性をあらかじめ排除しないことと理解されなければならない。
【００１６】
本明細書において、各層（膜）、領域、電極、パターンまたは、構造物らが対象体、基板、各層（膜）、領域、電極または、パターンらの「上に」、「上部に」または「下部」に形成されることで言及される場合には各層（膜）、領域、電極、パターンまたは、構造物らが直接基板、各階（膜）、領域、または、パターン上に形成されたり下に位置するものを意味したり、他の層（膜）、他の領域、他の電極、他のパターンまたは、他の構造物らが対象体や基板上に追加的に形成されることができる。
【００１７】
本明細書に開示する本発明の実施形態に対して、特定の構造的乃至機能的説明は単に本発明の実施形態を説明するための目的で例示したものであり、本発明の実施形態は多様な形態で実施され、本文に説明された実施形態に限定されると解釈されてはいけない。
すなわち、本発明は多様な変更を加えることができ、色々な形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示して本文に詳細に説明するものである。しかし、これは本発明を特定の開始形態に対して限定しようとするのではなくて、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むことと理解されなければならない。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を示す断面図である。
図１を参照すると、基板１０上に少なくとも２つの元素を含む合金物質からなって磁性物質を含む磁性物質膜１２を形成する。磁性物質膜１２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｎからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を含む。
【００１９】
本実施形態において、磁性物質膜１２は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造物を形成するための積層構造を有する。例えば、磁性物質膜１２は、下部磁性膜１２ａ、トンネルバリア膜１２ｂ、及び上部磁性膜１２ｃを積層させて形成する。
【００２０】
具体的には、下部磁性膜１２ａは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｉｒからなる群から選択される少なくとも２つの元素のうちの少なくとも一つを蒸着させて形成する。下部磁性膜１２ａは、磁化方向が一方向に固定される。図中、下部磁性膜１２ａは単一膜で示しているが、複数の物質が積層された形状を有することがさらに望ましい。
【００２１】
トンネルバリア膜１２ｂは、絶縁性を有する金属酸化物からなり、一例として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）等から形成することができる。
【００２２】
また、上部磁性膜１２ｃは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｎｉからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を蒸着させて形成することができる。上部磁性膜１２ｃは、磁化方向が一方向に固定されずに、磁化反転することができる。一例として、上部磁性膜１２ｃは、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、またはＮｉＦｅから形成することができる。
【００２３】
本実施形態においては、下部磁性膜１２ａが磁化方向が固定された固定膜として使われ、上部磁性膜１２ｃは磁化反転が可能な自由膜として説明した。しかし、これとは異なり、下部磁性膜１２ａが磁化反転が可能な自由膜で形成され、上部磁性膜１２ｃが磁化方向が固定された固定膜で形成することもできる。
【００２４】
図２を参照すると、磁性物質膜１２上にマスク膜（図示せず）を形成する。マスク膜は金属又は金属窒化物からなる。マスク膜として使用される物質の例としてはチタン、チタン窒化物、タンタル、タンタル窒化物、タングステン、タングステン窒化物などを挙げることができる。これらは単独で使われたり、２つ以上が積層された形状を有することもできる。マスク膜をパターニングすることによってマスクパターン１６を形成する。
【００２５】
図３を参照すると、マスクパターン１６をエッチングマスクとして用い、ふっ素含有ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを混合した混合ガスをエッチングガスとして使って磁性物質膜１２をプラズマ反応性エッチングする。
これにより、下部磁性膜パターン１４ａ、トンネルバリア膜パターン１４ｂ、及び上部磁性膜パターン１４ｃを含む磁性パターン１４を形成する。
【００２６】
ふっ素含有ガスの例としては、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＣＦ４等を挙げることができる。ふっ素含有ガスは１種又は、２種以上が使われることができる。磁性パターン１４の側壁にポリマーが付着しないようにするために、ふっ素含有ガスはＳＦ６を使うことが最も望ましい。以下では、ふっ素含有ガスとしてＳＦ６を使うことで説明する。
【００２７】
アンモニアガスは、磁性物質に含まれる金属と反応して金属アンモニウムを生成し、生成した金属アンモニウムが揮発することによって磁性物質膜をエッチングする。アンモニアガスは列挙された磁性物質膜をすばやくエッチングすることができる。
【００２８】
また、ＳＦ６は、磁性物質の金属と反応して金属フッ化物を生成し、生成した金属フッ化物が揮発することによって磁性物質膜をエッチングする。ＳＦ６は、白金（Ｐｔ）などのような特定金属を早くエッチングすることができる。
ＳＦ６に含まれる硫黄（Ｓ）は、アンモニアガスに含まれる窒素と結合して揮発するため、窒素によって生成されるポリマーを除去する。これに加えて、ＳＦ６は、磁性物質膜がエッチングされた後、側壁に付着する導電性ポリマーをＦ基（Ｆ−）によって除去する。
【００２９】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法で磁性物質膜をエッチングする時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
上述のように、エッチング工程時にアンモニアガス及びＳＦ６が共に流入する。ＳＦ６はアンモニアガスに比べてマスクパターン１６に対するエッチング選択比が低い。
【００３０】
従って、ＳＦ６が増加すればエッチング工程中にマスクパターン１６が過度に消耗するため望ましくない。従って、磁性物質膜１２をエッチングする主なエッチングガスはアンモニアガスであることが望ましい。しかし、アンモニアガスだけでエッチング工程を遂行する場合には磁性パターン１４の側壁にポリマーが過度に生成されるために、側壁ポリマーが除去されるようにＳＦ６が共に流入しなければならない。
【００３１】
このような理由で、図４に示すように、アンモニアガスの流量はＳＦ６と同一であるか又はＳＦ６よりさらに多いことが望ましい。具体的には、ＳＦ６とアンモニアとの流量比は１：１〜５０であることが望ましい。
【００３２】
図４に示していないが、エッチング工程を実行する時、アンモニアガス及びＳＦ６を混合した混合ガスに追加的に不活性ガスさらに流入することができる。不活性ガスは磁性物質膜１２を物理的にエッチング（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｔｃｈ）するか、又はエッチングチャンバー内の圧力を調節したり、又は、プラズマを活性化させるなどの役割をする。不活性ガスはアルゴンを含む。しかし、不活性ガスは選択的に使われて、不活性ガスが含まれなくても磁性物質膜１２を効果的にエッチングすることができる。
【００３３】
磁性物質膜１２をエッチングするに適合したエッチング条件は次のようである。
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で実行する。また付加的に、エッチング工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを負荷することができる。
【００３４】
上述ように、本実施形態の方法によれば、磁性物質膜をエッチングするにあたって、塩素系列のガスを使わないことによって、磁性物質膜の腐食問題を減少させることができる。
また、炭素系列のガスを使わないことによって金属カーボニルの形成を抑制することができ、これにより非常に小さい線幅のパターンを形成することができる。また、物理的な方法でエッチングしないため、磁性物質がパターン構造物側壁に再蒸着（ｒｅ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）される問題を抑制することができる。
【００３５】
従って、本実施形態によれば、磁気トンネル接合構造を有して、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成されない磁性パターンを形成することができる。
【００３６】
＜磁気メモリ素子製造＞
図５〜図９は、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【００３７】
本実施形態の磁気メモリ素子は、スピン注入トルク−磁気メモリ素子（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）である。本実施形態では図３及び図４を参照して説明したエッチング方法が同様に使われる。
【００３８】
図５を参照すると、半導体基板１００に素子分離パターン（図示せず）を形成してアクティブ領域及び素子分離領域を区分する。
半導体基板１００にセル選択のためのＭＯＳトランジスタを形成する。ＭＯＳトランジスタを形成するために、半導体基板１００上にゲート酸化膜１０２及びゲート電極膜を形成する。この後、ゲート電極膜をパターニングしてゲート電極１０４を形成する。
次いで、ゲート電極１０４両側の半導体基板表面の下に不純物を注入して不純物領域１０６を形成する。ゲート電極１０４はワードラインとして提供され、第１方向に延長する形状を有する。図には示さなかったが、ゲート電極１０４の両側にゲートスペーサーを形成することもできる。
【００３９】
半導体基板１００上にＭＯＳトランジスタを覆う第１層間絶縁膜１０８を形成する。
次に、第１層間絶縁膜１０８を貫いて不純物領域１０６と接触する第１コンタクトプラグ１１０を形成する。さらに、第１層間絶縁膜１０８上に第１コンタクトプラグ１１０と電気的に接続される導電パターン１１２を形成する。
【００４０】
第１層間絶縁膜１０８上に導電パターン１１２を覆う第２層間絶縁膜１１４を形成する。次に、第２層間絶縁膜１１４の一部分を写真エッチング工程を通じて除去することによって、導電パターン１１２の上部面を露出する開口部を形成する。開口部はコンタクトホールの形状を有する。
【００４１】
開口部内部に導電物質を充填し、第２層間絶縁膜１１４の上部面が露出するように導電物質を研磨することによって、下部電極コンタクト１１６を形成する。
【００４２】
図６を参照すると、第２層間絶縁膜１１４及び下部電極コンタクト１１６上に磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜を順に積層する。本実施形態では、バリア金属膜１１８、固定膜構造物１２０、トンネルバリア膜１２２、及び自由膜１２４を順に積層する。
【００４３】
具体的には、バリア金属膜１１８は固定膜構造物に含まれる金属の異常成長を防止するために提供され、アモルファスの金属物質を含む。バリア金属膜１１８として使われる金属物質の例としてはタンタル、タンタル窒化物、チタン、チタン窒化物などが挙げられる。バリア金属膜１１８は例示した物質の中から選択される少なくとも一つから形成することができる。
【００４４】
固定膜構造物１２０は、固定膜（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１２０ａ、下部強磁性膜１２０ｂ、反強磁性カップリングスペーサ膜１２０ｃ、上部強磁性膜１２０ｄを含む。
固定膜１２０ａは、下部強磁性膜１２０ｂの磁化方向を一方向に固定させる物質から形成する。固定膜１２０ａとして使用することができる物質の例としてはマンガン鉄（ＦｅＭｎ）、マンガンイリジウム（ＩｒＭｎ）、マンガン白金（ＰｔＭｎ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、硫化マンガン（ＭｎＳ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、フッ化マンガン（ＭｎＦ２）、フッ化鉄（ＦｅＦ２）、塩化鉄（ＦｅＣｌ２）、酸化鉄（ＦｅＯ）、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、クロム（Ｃｒ）等を挙げることができる。
【００４５】
固定膜１２０ａは、例示した物質の中から選択される少なくとも一つから形成することができる。
上部強磁性膜１２０ｄ、下部強磁性膜１２０ｂは、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）の中から選択される少なくとも一つを含む強磁性体から形成することが望ましい。例えば、上部強磁性膜、下部強磁性層は、鉄コバルト（ＣｏＦｅ）、鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）または、ホウ素化鉄コバルト（ＣｏＦｅＢ）から形成することができる。
反強磁性カップリングスペーサ膜１２０ｃは、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）または、ロジウム（Ｒｈ）から形成することができる。
【００４６】
また、トンネルバリア膜１２２は、アルミニウム酸化膜、又は、マグネシウム酸化膜から形成することができる。トンネルバリア膜１２２をマグネシウム酸化膜で形成すれば磁気抵抗比がさらに優秀になる。従って、トンネルバリア膜１２２はマグネシウム酸化膜で形成することがさらに望ましい。
【００４７】
自由膜１２４は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）の中から選択される少なくとも一つを含む強磁性体から形成することが望ましい。自由膜１２４として使用することができる物質の例としては、鉄コバルト（ＣｏＦｅ）、鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）、又は、ホウ素化鉄コバルト（ＣｏＦｅＢ）等を挙げることができる。
【００４８】
自由膜１２４上にはマスク膜１２６を形成する。マスク膜１２６は金属、又は、金属窒化物から形成される。マスク膜１２６として使われる物質の例としては、チタン、チタン窒化膜、タンタル、タンタル窒化膜、タングステン、タングステン窒化膜などを挙げることができる。これらは単独又は複合膜で使用することができる。
【００４９】
図７を参照すると、マスク膜１２６を異方性エッチングすることによって、下部の磁気トンネル接合構造物に提供される薄膜をエッチングするためのマスクパターン１２６ａを形成する。マスクパターン１２６ａは下部電極コンタクト１１６の上部面とオーバーラップするように配置する。
【００５０】
図８を参照すると、マスクパターン１２６ａをエッチングマスクとして使って、下部の磁気トンネル接合構造物に提供される薄膜をエッチングすることによってバリア金属膜パターン１１８ａ、固定膜積層パターン１２１、トンネルバリア膜パターン１２２ａ及び自由膜パターン１２４ａが積層された磁気トンネル接合構造物を形成する。
【００５１】
この時、ふっ素含有ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを混合した混合ガスをエッチングガスとして使うプラズマ反応性エッチングを通じて磁気トンネル接合構造物に提供する薄膜をエッチングする。磁気トンネル接合構造物を形成するためのエッチング工程の具体的な方法は図３及び図４を参照して説明したものと同様である。
【００５２】
上述した方法のエッチング工程を遂行して完成された磁気トンネル接合構造物の側壁には導電性ポリマーがほとんど付着しない。従って、導電性ポリマーが生成されることによって、固定膜積層パターン１２１と自由膜パターン１２４ａとが互いにショート（短絡）する不良が減少する。
【００５３】
図に示していないが、磁気トンネル接合構造物表面に磁気トンネル接合構造物を保護するためのキャッピング膜を形成することができる。キャッピング膜は５０〜３００Åの厚さを有するように形成することができる。また、キャッピング膜はアルミニウム酸化物と同じように絶縁性を有する金属酸化物から形成することができる。
【００５４】
図９を参照すると、磁気トンネル接合構造物を覆う第３層間絶縁膜１２８を形成する。
第３層間絶縁膜１２８の一部領域をエッチングして導電性を有するマスクパターン１２６ａの上部面を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホール内部に導電物質を満たし、第３層間絶縁膜１２８の上部面が露出するように導電物質を研磨することによって上部電極コンタクト１３０を形成する。
【００５５】
第３層間絶縁膜１２８及び上部電極コンタクト１３０上に導電膜を形成してパターニングすることによって、ビットライン１３２を形成する。しかし、工程を単純化させるために、上部電極コンタクト１３０を形成しないで、マスクパターン１２６ａと直接接触するようにビットライン１３２を形成することもできる。
上述した工程を通じて、磁気メモリ素子が完成される。
【００５６】
磁気メモリ素子は、磁気トンネル接合構造物のトンネルバリア膜パターン両端の固定膜積層パターンと自由膜パターンの磁化方向が同一である場合（以下、平行状態）には低抵抗を有し、磁気トンネル接合のトンネルバリア膜パターン両端の固定膜積層パターンと自由膜パターンの磁化方向が互いに異なる場合（以下、反平行状態）には高抵抗を有することを利用してデータを保存する。
従って、平行状態と反平行状態との抵抗値の差が非常に大きいことが望ましい。このような抵抗値の変化は磁気抵抗比（Ｍａｇｎａｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｔｉｏ、ＭＲ）といい、磁気抵抗比は高いことが望ましい。具体的には、磁気抵抗比は８０％以上であることが望ましい。
【００５７】
磁気トンネル接合構造物の側壁に導電性ポリマーが付着して固定膜積層パターンと自由膜パターンが短絡する時、反平行状態でも短絡した側壁部位を通じて電流が流れることになってＭＲが０％になる。
【００５８】
しかし、本実施形態の方法によれば磁気トンネル接合構造物を形成するための多様な強磁性物質膜を容易にパターニングすることができる。しかも、磁気トンネル接合構造物の側壁に導電性ポリマーのような副産物はほとんど付着しない。磁気トンネル接合構造物に副産物が付着しないことによって、本実施形態の磁気メモリ素子は高い磁気抵抗比を有し、これにより優秀な動作特性を有する。また、本実施形態の磁気メモリ素子は磁気トンネル接合構造物に副産物が付着することによって発生する磁気メモリ素子の動作不良が減少し、高い信頼性を有する。
【００５９】
＜第３の実施形態＞
図１０〜図１２は、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を示す断面図である。
本実施形態の磁気メモリ素子は、外部磁場を利用して磁化反転する磁気メモリ素子であり、本実施形態では第１の実施形態で説明したエッチング方法が同様に使われる。
【００６０】
図１０を参照すると、半導体基板２００に素子分離パターンを形成してアクティブ領域及び素子分離領域を区分する。半導体基板にセル選択のためのＭＯＳトランジスタを形成する。図には示さなかったが、ＭＯＳトランジスタのゲート電極２０４両側にゲートスペーサを形成することもできる。
【００６１】
半導体基板２００上にＭＯＳトランジスタを覆う第１層間絶縁膜２０８を形成する。第１層間絶縁膜２０８を貫いて不純物領域２０６と接触する第１コンタクトプラグ２１０を形成する。
【００６２】
第１層間絶縁膜２０８上にデジットライン（ｄｉｇｉｔ ｌｉｎｅ）２１２ａを形成する。デジットライン２１２ａは高集積化のためにゲート電極２０４と互いにオーバーラップした位置に形成することができる。また、第１コンタクトプラグ２１０上にパッド電極２１２ｂを形成する。
【００６３】
第１層間絶縁膜２０８上にデジットライン２１２ａ及びパッド電極２１２ｂを覆う第２層間絶縁膜２１４を形成する。第２層間絶縁膜２１４の一部分を写真エッチング工程を通じて除去することによってパッド電極２１２ｂの上部面を露出する開口部を形成する。開口部はコンタクトホールの形状を有する。
【００６４】
開口部内部に導電物質を満たし、第２層間絶縁膜２１４の上部面が露出するように導電物質を研磨することによって、第２コンタクトプラグ２１６を形成する。
【００６５】
第２コンタクトプラグ２１６上に導電膜を形成し、導電膜をエッチングすることによってバイパスライン（ｂｙｐａｓｓ ｌｉｎｅ）２１８を形成する。バイパスライン２１８は磁気トンネル接合構造物をデジットライン２１２ａと互いに対向するように形成するようにするために提供され、第２コンタクトプラグ２１６上部面からデジットライン２１２ａ上に延長する形状を有する。
バイパスライン２１８間のギャップを満たす第３層間絶縁膜２１９を形成する。
【００６６】
図１１を参照すると、前記第３層間絶縁膜２１９及びバイパスライン２１８上に磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜を順に積層する。磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜はｍバリア金属膜、固定膜構造物、トンネルバリア膜、及び自由膜を含む。
【００６７】
自由膜上にマスクパターン１２６ａを形成する。
マスクパターン１２６ａをエッチングマスクとして使って下方の磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜をエッチングすることによってバリア金属膜パターン１１８ａ、固定膜積層パターン１２１、トンネルバリア膜パターン１２２ａ、及び自由膜パターン１２４ａが積層された磁気トンネル接合構造物を形成する。
エッチング工程において、ふっ素含有ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを混合した混合ガスをエッチングガスとして使うプラズマ反応性エッチングを通じて磁性物質膜をエッチングする。
上述の工程は、図６〜図８を参照に説明したものと同様である。
【００６８】
図１２を参照すると、磁気トンネル接合構造物を覆う第４層間絶縁膜１２８ａを形成する。第４層間絶縁膜１２８ａの一部領域をエッチングして導電性を有するマスクパターンの上部面を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホール内部に導電物質を満たし、第４層間絶縁膜１２８ａの上部面が露出するように導電物質を研磨することによって上部電極コンタクト２３０を形成する。
【００６９】
第４層間絶縁膜１２８ａ及び上部電極コンタクト２３０上に導電膜を形成してこれをパターニングすることによって、ビットライン２３２を形成する。
しかし、工程を単純化させるために、上部電極コンタクト２３０を形成せずに、マスクパターン１２６ａと直接接触するようにビットライン２３２を形成することもできる。
【００７０】
＜第４の実施形態＞
以下に説明する第４の実施形態の磁性パターン形成方法は、第１の実施形態の磁性パターン形成方法を同一に遂行した後、後処理をさらに遂行する。
【００７１】
具体的には、図１及び図２を参照して説明したものと同様の工程を遂行して、図２に示した磁性物質膜１２を形成する。以後、図３を参照して説明したように、磁性物質膜１２をエッチングすることによって磁性パターン１４を形成する。
【００７２】
磁性パターン１４を形成するためのエッチング工程が完了すれば、磁性パターンの表面クリーニング及び残留ポリマーを除去するための後処理を遂行する。後処理はエッチング工程が遂行されたエッチングチャンバ内でインシチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で遂行することができる。
以下において、後処理に対してより詳細に説明する。
【００７３】
図１３は、本発明の第４の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【００７４】
図１３を参照すると、後処理工程は、アンモニアガス及びふっ素含有カスが使われる。
後処理工程として使われるふっ素含有ガスは、エッチング工程時に使ったガスと同一であることが望ましい。しかし、ふっ素含有ガスはエッチング工程時に使ったガスと異なるガスを使うこともできる。ふっ素含有ガスの例としてはＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＣＦ４等を挙げることができる。
【００７５】
後処理工程において、磁性パターン１４の表面を乾式クリーニングと残留ポリマーを除去するために、後処理工程時にはふっ素を含むガスを増加させ、ポリマーを生成させるエッチングガスであるアンモニアガスを減少させる。
従って、ふっ素含有ガスの流量は、アンモニアガスと同一であるか、又は、アンモニアガスよりさらに多いことが望ましい。具体的には、アンモニアガスとふっ素含有ガスの流量比は１：１〜５０であることが望ましい。
【００７６】
また、ふっ素含有ガスによって磁性パターン上に備わるエッチングマスクパターンが過度にエッチングされないようにエッチング工程より短い時間で、後処理工程を遂行する。
【００７７】
後処理工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行できる。後処理工程において、温度及び圧力条件はそれ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００７８】
また、後処理工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることができる。後処理工程において、マイクロウェーブパワー、及びＲ．Ｆバイアスパワー条件は、それ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００７９】
上述した方法によれば、磁気トンネル接合構造を有し、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成されない磁性パターンを形成することができる。
また、磁性パターン形成のためのエッチング方法を利用して、磁気メモリ素子を形成することができる。
【００８０】
一例として、図５〜図７を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第４の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物用薄膜をエッチングして磁気トンネル接合構造物を形成する。
次に、図９を参照して説明した工程を遂行し、図９に示したスピン注入トルク磁気メモリ素子を形成することができる。
【００８１】
他の例として、図１０を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、磁気トンネル接合構造物用薄膜及びマスクパターンを形成する。
この後、第４の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物をエッチングする。
次いて、図１１を参照して説明した工程を遂行し、図１１に示した磁気メモリ素子を形成することができる。
【００８２】
＜第５の実施形態＞
以下に説明する第５の実施形態の磁性パターン形成方法は、第１の実施形態の磁性パターン形成方法と同様に遂行した後、後処理をさらに遂行する。
【００８３】
図１４は、本発明の第５の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【００８４】
図１４を参照すると、後処理工程は、ふっ素含有ガスのみが使われて、アンモニアガスは使われない。後処理工程で使われるふっ素含有ガスはエッチング工程時に使ったガスと同一であることが望ましい。しかし、ふっ素含有ガスはエッチング工程時に使ったガスと異なるガスとして使うこともできる。ふっ素含有ガスの例としてはＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＣＦ４等を挙げることができる。
【００８５】
後処理工程において、磁性パターン１４（図３参照）の表面を乾式クリーニングと残留ポリマーを除去するために、後処理工程時にはふっ素を含むガスのみを流入して、ポリマーを生成させるエッチングガスであるアンモニアガスは流入しない。
【００８６】
後処理工程で流入するふっ素含有ガスの流量は、エッチング工程時に流入するふっ素含有ガスと同一または、エッチング工程時に流入するふっ素含有ガスよりさらに多いことが望ましい。
【００８７】
また、ふっ素含有ガスによって磁性パターン上に備わるエッチングマスクパターンが過度にエッチングされないようにエッチング工程より短い時間で、後処理工程を遂行する。
【００８８】
後処理工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行できる。後処理工程において、温度及び圧力条件は、それ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００８９】
また、後処理工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることもできる。後処理工程において、マイクロウェーブパワー、及びＲ．Ｆバイアスパワー条件は、それ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００９０】
上述した方法によれば、磁気トンネル接合構造を有して、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成されない磁性パターンを形成することができる。
また、磁性パターン形成のためのエッチング方法を同様に使って、磁気メモリ素子を形成することができる。
【００９１】
一例において、図５〜図７を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第５の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物用薄膜をエッチングして磁気トンネル接合構造物を形成する。
次いで、図９を参照して説明した工程を遂行し、図９に示したスピン注入トルク磁気メモリ素子を形成することができる。
【００９２】
他の例において、図１０を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、磁気トンネル接合構造物用薄膜及びマスクパターンを形成する。この後、第５の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物をエッチングする。次に、図１１を参照して説明した工程を遂行して、図１１に示した磁気メモリ素子を形成することができる。
【００９３】
＜第６の実施形態＞
以下に説明する第６の実施形態の磁性パターン形成方法は、磁性膜のエッチング方法とエッチング工程以後に後処理を遂行するという点で第１の実施形態と相違する。
【００９４】
具体的には、図１及び図２を参照して説明したものと同じ工程を遂行して、図２に示した磁性物質膜１２を形成する。この後、磁性物質膜をエッチングして磁性パターン１４を形成して、磁性パターンに対して後処理をする。
【００９５】
図１５は、本発明の第６の実施形態により磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【００９６】
図１５を参照すると、磁性物質膜１２はアンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使ってエッチングする。アンモニアガスに追加的に不活性ガスをさらに流入させることができる。不活性ガスはアルゴンを含む。
【００９７】
アンモニアガスは、磁性物質の金属と反応して金属アンモニウムを生成して、生成した金属アンモニウムが揮発することによって磁性物質膜をエッチングする。アンモニアガスは前記列挙した磁性物質膜１２を素早くエッチングすることができる。
【００９８】
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行できる。また、エッチング工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることもできる。
エッチング工程を通じて磁性パターン１４を形成する。
【００９９】
エッチング工程が完了した後、後処理のためにふっ素含有ガスを流入する。
この時、図１５に示すように、アンモニアガスは用いない。
しかし、これとは異なって、アンモニアガスの流入量を減少させることもできる。上述の説明と同じように、ふっ素含有ガスを流入することによって、磁性パターン１４の表面を乾式クリーニングと残留ポリマーを除去することができる。
【０１００】
上述の工程を通じて、磁気トンネル接合構造を有して、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成しない磁性パターン１４を形成することができる。
また、磁性パターン形成のためのエッチング方法を同様に使って、磁気メモリ素子を形成することができる。
【０１０１】
一例において、図５〜図７を参照して説明したものと同じ工程を遂行して、第６の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物用薄膜をエッチングして磁気トンネル接合構造物を形成する。
次に、図９を参照して説明した工程を遂行し、図９に示したスピン注入トルク磁気メモリ素子を形成することができる。
【０１０２】
他の例において、図１０を参照して説明したものと同じ工程を遂行し、磁気トンネル接合構造物用薄膜及びマスクパターンを形成する。
この後、第６の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物をエッチングする。
次に、図１１を参照して説明した工程を遂行して、図１１に示した磁気メモリ素子を形成することができる。
【０１０３】
＜比較実験＞
本発明の方法によって形成された磁気トンネル接合構造物及び本発明と異なった一般的な方法によって形成された磁気トンネル接合構造物に対し各々トンネルバリア膜パターンの抵抗別に磁気抵抗比を測定して、これを比較した。
【０１０４】
＜サンプル＞
図１６は、本発明の第１の実施形態のエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物のサンプルを示す断面図である。
サンプルは以下に説明する方法で製造した。
【０１０５】
図１６に示すように、基板１０上に磁気トンネル接合物質膜を形成した。具体的には、Ｔａからなるバリア金属膜を形成した。Ｔａ膜上にはマンガン白金（ＰｔＭｎ）膜からなった固定膜を形成した。固定膜上にはＣｏＦｅ膜、Ｒｕ膜及びＣｏＦｅ膜を積層した。また、ＣｏＦｅ膜上にはＭｇＯ膜からなったトンネルバリア膜を形成した。ＭｇＯ膜上にＣｏＦｅＢ膜からなる自由膜を形成した。
【０１０６】
磁気トンネル接合物質膜上にマスク膜を形成した。マスク膜はチタン膜及びチタン窒化膜を形成して、チタン窒化膜上にタンタル膜を蒸着させ形成した。この後、マスク膜をパターニングしてマスクパターン１７ａ、１７ｂを形成した。マスクパターン１７ａ、１７ｂはチタン／チタン窒化膜パターン１７ａとタンタル膜パターン１７ｂが積層された形状を有する。
【０１０７】
次いで、図８を参照して説明したエッチング工程を通じて磁気トンネル接合物質膜をエッチングすることによって、磁性パターン（磁気トンネル接合構造物）１４を形成した。エッチング工程時に使用したエッチングガスはＳＦ６及びＮＨ３であった。
【０１０８】
上記方法を用いて、トンネルバリアパターンの抵抗が異なる複数のサンプルを製造した。上記工程によって製造された磁気トンネル接合構造物の側壁には再蒸着による導電性ポリマーが発生しなかった。
【０１０９】
＜比較サンプル＞
図１７は、一般的なエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物の比較サンプルを示す断面図である。
比較サンプルは、以下に説明する方法で製造した。
【０１１０】
図１７に示すように、基板１０上に磁気トンネル接合物質膜を形成した。磁気トンネル接合物質膜は、サンプル１で説明したものと同じ方法で形成した。
【０１１１】
磁気トンネル接合物質膜上にサンプル１と同じ方法でマスク膜パターン１７ａ、１７ｂを形成した。
次いで、Ｃｌ２及びアルゴンをエッチングガスとして用い、磁気トンネル接合物質膜をエッチングすることによって、磁気トンネル接合構造物１４を形成した。
【０１１２】
上記方法を用いて、トンネルバリアパターンの抵抗が異なる複数の比較サンプルを製造した。上記工程によって製造された一部の磁気トンネル接合構造物の側壁には再蒸着による導電性ポリマーが発生した。導電性ポリマーは、ハロゲンガスによるエッチング工程で磁性物質が容易に揮発しないためにエッチングされた磁性物質が再び磁気トンネル接合構造物１４の側壁に付着して生成されたものである。
【０１１３】
本発明の第１の実施形態の方法によって製造した複数のサンプルに対し、各々磁気抵抗比を測定した。
図１８は各サンプルで測定された抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【０１１４】
図１８を参照すると、磁気トンネル接合構造物に含まれたトンネルバリア膜パターンの抵抗に関係なく、各サンプルの磁気抵抗比は約１２０％以上と高く測定された。また、各サンプル１では固定膜積層パターンと自由膜パターンが短絡して磁気抵抗比が２０％以下と低くなる不良が発生しなかった。
【０１１５】
本発明と比較するために製造された複数の比較サンプルに対して各々磁気抵抗比を測定した。
図１９は比較サンプルで測定された抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【０１１６】
図１９を参照すると、磁気抵抗比が７０％以下と低い値を有する比較サンプルが多発した。また、固定膜積層パターンと自由膜パターンが短絡して磁気抵抗比が０％と測定される比較サンプルも発生した。
【０１１７】
図１８及び１９の実験結果によれば、本発明の方法により磁性膜をエッチングすることによって高い磁気抵抗比を有する磁気トンネル接合構造物を製造することができることが分かった。また、磁気トンネル接合構造物を有する高性能を有する磁気メモリ素子を製造することができることが分かった。
【０１１８】
これに加えて、本発明によれば、磁気トンネル接合構造物の不良発生が減少するということが分かった。従って、本発明を適用する場合、磁気メモリ素子の製造収率が向上するということが分かった。
【０１１９】
以下では、相変化物質膜をエッチングして相変化パターンを形成することに適合したエッチング方法及びそれを利用した相変化メモリ素子の製造方法に対して説明する。
【０１２０】
＜第６の実施形態＞
図２０〜図２２は、本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【０１２１】
図２０を参照すると、基板５０上に相変化物質を含む相変化膜５２を形成する。
相変化膜５２は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ｂｉのうちの少なくとも３つの元素を含む合金物質から形成することができる。
一例として、相変化膜５２は、Ｇｅ、Ｓｂ、及びＴｅの合金物質（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５；以下、ＧＳＴ）、Ｉｎ、Ｓｂ、及びＴｅの合金物質（ＩＳＴ）、Ｇｅ、Ｂｉ、及びＴｅの合金物質（ＧＢＴ）のような３相系列の物質から形成することができる。
本実施形態において、相変化膜はＧＳＴから形成する。ＧＳＴはすでに常用化されている相変化形光情報保存装置（ＣＤ−ＲＷやＤＶＤなど）に広く使われてきた材料として非常に安定した評価がされているため、相変化膜５２として適合する。
【０１２２】
図２１を参照すると、相変化膜５２上に第１マスク膜（図示せず）を形成する。第１マスク膜は、金属又は、金属窒化物からなることができる。第１マスク膜として使用することができる物質の例としてはチタン、チタン窒化物、タンタル、タンタル窒化物、タングステン、タングステン窒化物などを挙げることができる。これらは単独で使われたり、又は２つ以上が積層された形状を有することができる。
【０１２３】
第１マスク膜上には第２マスク膜（図示せず）が形成される。第２マスク膜は第１マスク膜をパターニングするためのエッチングマスクとして使われる。第２マスク膜はシリコン窒化物から形成することができる。
【０１２４】
第２マスク膜をパターニングすることによって第２マスクパターン５６を形成する。第２マスクパターン５６をエッチングマスクとして用い、第１マスク膜をエッチングする。上記工程によって相変化膜をエッチングするためのマスクとして使われる第１マスクパターン５４が形成される。この時、第１マスクパターン５４間の離隔される幅（ｄ）は１０００Åより狭く形成することができる。
【０１２５】
図２２を参照すると、第１及び第２マスクパターン５４、５６をエッチングマスクとして用い、アンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使って相変化膜５２をプラズマ反応性エッチングする。これにより、相変化パターン５２ａが形成される。
【０１２６】
アンモニアガスは、相変化膜５２に含まれた相変化物質と反応して、反応物が揮発することによって相変化膜５２をエッチングする。
【０１２７】
アンモニアガスをエッチングガスとして使う場合、相変化膜５２に含まれたＧｅ、Ｓｂ、Ｔｅ元素のうち、特定元素が早くエッチングさせずに、各元素が均一な速度でエッチングされる。
従って、エッチング工程内で相変化膜５２に含まれる各元素の含有比がほとんど変化しない。すなわち、エッチング工程を遂行する時に相変化膜５２にエッチングダメージがほとんど発生しない。
具体的には、相変化パターン５２ａに含まれた元素それぞれの含有比は蒸着状態での相変化膜５２に含まれた元素それぞれの含有比と比較する時、５％以内の差を有する。すなわち、蒸着状態とエッチング工程後の状態とで、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ元素は５％以内の成分含有の差を有する。
【０１２８】
また、エッチングされるべき部位の幅が非常に狭くてもエッチング速度が遅くならない。従って、相変化パターン５２ａは垂直プロファイルが良好なだけでなく、狭いピッチを有することができる。
具体的には、相変化パターン５２ａの側壁と基板５０上ａとの間の平坦面間の角度、接触角（Ｒ）は８０°以上でありうる。また、相変化パターン５２ａ間の間隔は１０００Åより小さいこともあり得る。このように、狭い間隔を有する相変化パターン５２ａを形成しても、相変化パターン５２ａの間がエッチングされない未エッチング不良がほとんど発生しない。
【０１２９】
相変化膜５２をエッチングするのに適合したエッチング条件は次のようである。
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行される。また、エッチング工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることもできる。
【０１３０】
本実施形態の方法と異なり、相変化膜５２をエッチングするにあたって一般的に使われる塩素及びふっ素のようなハロゲン系列のガスを使う場合、相変化膜内に含まれた元素間の反応性の差によって元素間のエッチング速度が互いに異なる。これにより、エッチング工程後で生成される相変化パターン内の元素の含有比が大きく変わることになる。
相変化パターンに含まれる元素の特定成分が増加または、減少すれば、相変化パターンは相変化特性が悪くなったり、相変化特性を示すことができなくなる。また、相変化パターンで特定元素が大きく不足することになる場合には相変化パターン内の元素の結合力が弱くなることになって相変化パターンが崩壊するなどの問題が発生する。
【０１３１】
しかし、上述したように、本実施形態の方法によれば、相変化膜５２をエッチングするにあたって塩素及びふっ素のようなハロゲン系列のガスを使わずに、アンモニアガスを使うので相変化膜５２内に含まれる元素間の反応性がほとんど同一である。
従って、エッチング工程後にも相変化パターン５２ａに含まれる元素の含有比が大きく変わらずに均一に維持することができる。また、エッチング工程によって相変化パターン５２ａ内の元素の結合力が弱くならないため、相変化パターン５２ａが崩壊するなどの問題がほとんど発生しない。従って、相変化パターン５２ａは相変化特性が良好であり、パターンの側壁プロファイルが優秀である。
【０１３２】
本発明とは異なり、一般的なエッチング工程を通じて相変化膜をエッチングすると、完成された相変化パターンの表面に残留するふっ素または、塩素を含むエッチングガスによってエッチング工程が完了した以後にも相変化パターンが継続して損傷する。
従って、相変化パターンの信頼性が非常に低下する。しかし、本実施形態のように、アンモニアガスを使って相変化膜５２をエッチングする場合には完成された相変化パターン５２ａに窒素成分が残留して、相変化パターン５２ａの表面が保護される。
それにより、残留エッチングガスによって相変化パターン５２ａが損傷する問題がほとんど発生しない。これによって、相変化パターン５２ａの信頼性が高まる。
【０１３３】
また、一般的な物理的エッチング工程を遂行する場合、エッチング後に相変化パターンの含有比が変化することはないけれど、パターン形成時に側壁プロファイルが不良であるのみならず、相変化パターン間のギャップが狭い場合に未エッチング不良が多発することになる。しかし、上述したように、本実施形態の方法によれば、相変化膜を物理的エッチング工程を通じてエッチングしないため、狭いピッチを有する相変化パターン５２ａを容易に形成することができる。
【０１３４】
従って、本実施形態によれば、エッチング前後に相変化物質の組成が大きく変化しないようにしながら、狭いパターンピッチを有して、良好な垂直プロファイルを有する相変化パターンを形成することができる。
【０１３５】
＜相変化メモリ素子製造＞
図２３〜図２６は、本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
本実施形態の相変化メモリ素子を製造する時、図２１及び図２２を参照して説明したエッチング方法が同様に使われる。
【０１３６】
図２３を参照すると、基板３００にＮ型不純物を注入して不純物領域３０２を形成する。基板３００の一部領域をエッチングして第１方向に延長する素子分離用トレンチ３０４を形成する。素子分離用トレンチ３０４内部を満たすように素子分離膜を形成して、これを平坦化することによって素子分離膜パターン３０６を形成する。
【０１３７】
基板３００上に第１層間絶縁膜３０８を形成する。第１層間絶縁膜３０８を部分的にエッチングして不純物領域３０２を露出させる第１開口部（図示せず）を形成する。第１開口部を満たすようにシリコン膜を形成した後、第１層間絶縁膜３０８の上部面が露出するようにシリコン膜を研磨して第１開口部内部にシリコン膜パターンを形成する。
【０１３８】
次に、Ｐ型不純物をシリコン膜パターンの上部に注入して、Ｎ型不純物をシリコン膜パターンの下部に注入する。これで、第１開口部内部にＮ型不純物がドーピングされたシリコン膜パターン及びＰ型不純物がドーピングされたシリコン膜パターンを含むＰ−Ｎダイオード３１０が形成される。
【０１３９】
Ｐ−Ｎダイオード３１０上に金属シリサイド３１２ａ及び金属３１２ｂが積層されたパッド電極３１２を形成する。
【０１４０】
図２４を参照すると、第１層間絶縁膜３０８及びパッド電極３１２上に第２層間絶縁膜３１４を形成する。第２層間絶縁膜３１４の一部分をエッチングすることによって、パッド電極３１２の上部を露出する第２開口部（図示せず）を形成する。
【０１４１】
第２開口部内部を満たす下部電極コンタクト３１６を形成する。
具体的には、第２開口部側壁及び底面についてバリア金属膜を形成し、バリア金属膜上に第２開口部内部を満たす金属膜を形成する。
この後、第２層間絶縁膜の上部面が露出するように金属膜及びバリア金属膜を研磨することによって、バリア金属膜パターン３１６ａ及び金属パターン３１６ｂを含む下部電極コンタクト３１６を形成する。バリア金属膜パターン３１６ａはチタン、チタン窒化物などを含むことができ、これらは単独で形成されたり、又は２層以上積層することができる。又、金属パターン３１６ｂはタングステン、アルミニウム、銅などを含むことができる。
【０１４２】
第２層間絶縁膜３１４及び下部電極コンタクト３１６上に相変化膜３１８を形成する。
相変化膜３１８は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ｂｉのうちの少なくとも３つの元素を含む合金物質から形成することができる。本実施形態において、カルコゲナイド化合物のＧＳＴを蒸着させ形成する。相変化膜３１８は、物理気相蒸着工程、化学気相蒸着工程、ゾル−ゲル工程、原子層積層工程、サイクリック化学気相蒸着工程などを利用して形成することができる。
【０１４３】
相変化膜３１８上に上部電極膜３２０を形成する。上部電極膜３２０はチタン窒化物を蒸着させ形成することができる。上部電極膜３２０上にハードマスク膜３２２を形成する。ハードマスク膜３２２はシリコン窒化物を蒸着させて形成することができる。
【０１４４】
図２５を参照すると、ハードマスク膜３２２をパターニングしてハードマスクパターン３２２ａを形成する。また、ハードマスクパターン３２２ａをエッチングマスクとして利用して上部電極膜３２０をパターニングすることによって上部電極３２０ａを形成する。
【０１４５】
続いて、上部電極３２０ａ及びハードマスクパターン３２２ａをエッチングマスクとして利用して相変化膜３１８をエッチングする。
具体的には、アンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使って相変化膜３１８をプラズマ反応性エッチングする。これで、相変化パターン３１８ａが形成される。相変化膜３１８をエッチングする工程は、図２２を参照して説明したものと同様である。
【０１４６】
上記工程を通じて形成された相変化パターン３１８ａは、相変化膜３１８と比較する時に成分変化が殆どない。すなわち、相変化パターン３１８ａは表面にエッチングダメージがほとんど発生しない。相変化パターン３１８ａは垂直プロファイルが非常に良好である。また、相変化パターン３１８ａの間の間隔が非常に狭くても相変化パターン３１８ａの間のギャップ部位が未エッチングされる不良がほとんど発生しない。
【０１４７】
図２６を参照すると、第２層間絶縁膜３１４上に上部電極３２２ａを覆う第３層間絶縁膜３２４を形成する。
第３層間絶縁膜３２４の一部分をエッチングすることによって、上部電極３２０ａの上部面を一部露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホール内部に導電物質を蒸着することによって、上部電極コンタクト３２６を形成する。上部電極コンタクト３２６は金属物質から形成することができる。具体的には、上部電極コンタクト３２６はタングステンから形成することができる。上部電極コンタクト３２６上に配線（図示せず）を形成する。
【０１４８】
上述したように、本実施形態によれば、工程不良が減少しながら高集積化された相変化メモリ素子を実現することができる。
【０１４９】
＜第９の実施形態＞
図２７〜図２９は本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
本実施形態の相変化メモリ素子を製造する時、図２１及び図２２を参照して説明したエッチング方法が同様に使われる。すなわち、本実施形態で相変化膜をエッチングする方法は第７の実施形態と同一である。しかし、相変化メモリ素子の構造は第７の実施形態と差がある。
先に、図２３を参照して説明した工程を同様に遂行する。
【０１５０】
図２７を参照すると、第１層間絶縁膜３０８及びパッド電極３１２上に第２層間絶縁膜３１４を形成する。第２層間絶縁膜３１４を貫いてパッド電極３１２と接触する下部電極コンタクト３１６を形成する。
上記工程は、図２４を参照して説明したのと同一である。
【０１５１】
第２層間絶縁膜３１４及び下部電極コンタクト３１６上に第３層間絶縁膜３５０を形成する。第３層間絶縁膜３５０はシリコン酸化物で形成され、高い緻密度を有するシリコン酸化物からなることが望ましい。一例において、第３層間絶縁膜３５０は高密度プラズマ工程を通じて形成されたシリコン酸化物で形成することができる。
【０１５２】
第３層間絶縁膜３５０の一部分をエッチングして、下部電極コンタクト３１６の上部面を露出する開口部３５２を形成する。開口部３５２は側壁傾斜を有することによって下部に行くほど内部幅が狭くなるように形成することが望ましい。この場合、下部電極コンタクト３１６と後続工程で形成される相変化パターンとの接触面積が減少する。
【０１５３】
図２８を参照すると、開口部３５２内部を満たしながら第３層間絶縁膜３５０上に相変化膜３５４を形成する。相変化膜３５４上に上部電極膜３５６を形成する。上部電極膜３５６上にハードマスク膜３５８を形成する。
【０１５４】
図２９を参照すると、ハードマスク膜３５８をパターニングしてハードマスクパターン３５８ａを形成する。上部電極膜３５６をパターニングして上部電極３５６ａを形成する。この時、上部電極３５６ａは開口部３５２の入口部位の全面を覆うように形成することが望ましい。
【０１５５】
この後、上部電極３５６ａ及びハードマスクパターン３５８ａをマスクとして用い、相変化膜３５４をエッチングすることによって相変化パターン３５４ａを形成する。
具体的には、アンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使って相変化膜３５４をプラズマ反応性エッチングする。相変化膜３５４をエッチングする工程は、図２２を参照して説明したのと同一である。
【０１５６】
次いで、第３層間絶縁膜３５０上に上部電極３５６ａを覆う第４層間絶縁膜３６０を形成する。また、第４層間絶縁膜３６０を貫いて上部電極コンタクト３６２を形成する。上部電極コンタクト３６２上に配線（図示せず）を形成する。
【０１５７】
＜第１０の実施形態＞
以下に説明する第１０の実施形態の相変化パターン形成方法は、エッチングガス条件を除いて第７の実施形態の相変化パターン形成方法と同一である。従って、図２０〜２３を参照して説明する。
【０１５８】
具体的には、図２０及び図２１を参照して説明したものと同様の工程を遂行し、図２１に示した相変化膜５２、第１及び第２マスクパターン５４、５６を形成する。
【０１５９】
続いて、アンモニア（ＮＨ３）ガス及び補助エッチングガスを流入して相変化膜をプラズマ反応性エッチングすることによって相変化パターン５２ａを形成する。
補助エッチングガスは、ＣＦ４、ＣＯ、ＨＢｒ、ＳＦ６等を挙げることができ、これらのうちの少なくとも一つを使うことができる。
これに加えて、エッチング工程時に不活性ガスを流入することができる。不活性ガスはアルゴン、ヘリウムなどを挙げることができる。不活性ガスを流入することによってエッチングチャンバー内のエッチング雰囲気を調節することができる。
【０１６０】
補助エッチングガスを流入することによって、相変化パターン５２ａの形状を容易に調節することができる。すなわち、補助エッチングガスは形成しようとする相変化パターン５２ａの幅及び高さ、相変化パターン５２ａの間の間隔、相変化パターン５２ａの側壁傾斜などを考慮して流入量を調節することができる。また、補助エッチングガスの流入量を調節することによって、相変化膜のエッチング速度を調節することができる。
【０１６１】
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行することができる。また、エッチング工程時に７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることができる。
【０１６２】
本実施形態の方法で相変化パターンを形成すれば、相変化膜５２に含まれるＧｅ、Ｓｂ、Ｔｅ元素のうちの特定元素だけが早くエッチングされずに、各元素が均一な速度でエッチングされる。従って、エッチング工程中に相変化膜に含まれる各元素の含有比がほとんど変化しない。すなわち、エッチング工程で相変化膜にエッチングダメージがほとんど発生しない。
【０１６３】
また、エッチングされるべき部位の幅が非常に狭くてもエッチング速度が遅くならない。従って、相変化パターンは良好な垂直プロファイルを有する。
本実施形態に係るエッチング方法を利用して、相変化メモリ素子を形成することができる。
【０１６４】
一例において、図２３及び図２４を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第１０の実施形態に係るエッチング方法を通じて相変化膜をエッチングして相変化パターンを形成する。
次に、図２６を参照して説明した工程を遂行して、図２６に示した相変化メモリ素子を形成することができる。
【０１６５】
他の例として、図２７及び２８を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第１０の実施形態に係るエッチング方法を通じて相変化膜をエッチングして相変化パターンを形成する。
次に、図２９を参照して説明した工程を遂行し、図２９に示した相変化メモリ素子を形成することができる。
【０１６６】
＜比較実験＞
本発明に係る方法によって形成された相変化パターン、及び一般的な方法によって形成された相変化パターンに対しエッチング前後の成分変化率を測定して、これを比較した。
【０１６７】
＜サンプル１＞
基板上にＧＳＴ膜を形成した。本発明の第７の実施形態のエッチング方法を利用してＧＳＴ膜をエッチングして相変化パターンを形成した。すなわち、ＮＨ３をエッチングガスとして利用したプラズマエッチングを通じてＧＳＴ膜をエッチングすることによって相変化パターンを形成した。
【０１６８】
＜サンプル２＞
基板上にＧＳＴ膜を形成した。本発明の第１０の実施形態のエッチング方法を利用してＧＳＴ膜をエッチングして相変化パターンを形成した。すなわち、ＮＨ３及びＡｒをエッチングガスとして利用したプラズマエッチングを通じてＧＳＴ膜をエッチングすることによって相変化パターンを形成した。
【０１６９】
＜比較サンプル１＞
基板上にＧＳＴ膜を形成した。本発明とは異なり、一般的に使われているＨＢｒ、ＣＦ４、及びアルゴンをエッチングガスとして利用したプラズマエッチングを通じてＧＳＴ膜をエッチングすることによって相変化パターンを形成した。
【０１７０】
図３０は、サンプル１及び２と比較サンプル１の相変化パターンに対しエッチング前後の成分変化率を示すグラフである。
【０１７１】
図３０に示すように、サンプル１及び２は、蒸着された状態のＧＳＴ膜とエッチングされた後の相変化パターンで、各々Ｇｅ、Ｓｂ及びＴｅ成分の含有変化率が５％以内であり、非常に小いことが分かる。このように、エッチング工程によって完成される相変化パターン内の各元素の含有量変化が殆どないことから、本発明の方法によってＧＳＴ膜を形成すれば、ＧＳＴ膜内の特定元素だけが早くエッチングされるか、または、ゆっくりエッチングされることなく、ほとんど均一にエッチングされることが分かる。相変化パターン内の元素が蒸着状態のＧＳＴ膜と近似に維持されることによって、相変化特性が良好であるのみならず、各元素が安定に結合される。
【０１７２】
一方、比較サンプル１は、蒸着された状態のＧＳＴ膜とエッチングされた後の相変化パターンで各々Ｇｅ、Ｓｂ及びＴｅ成分の含有変化率が相対的に非常に大きいことが分かる。特に、相変化パターン内のＳｂは大きく増加した反面、Ｔｅの場合、大きく減少した。これは、エッチング工程でＧＳＴ膜内のＴｅは相対的に早くエッチングされる反面、Ｓｂは相対的にゆっくりエッチングされて、完成した相変化パターン内のＳｂ及びＴｅの成分変化が大きく見える。このように、相変化パターン内のＧｅ、Ｓｂ及びＴｅの成分が変化する場合、相変化特性が悪くなることになるのみならず、各元素の結合が不安定になり、後続工程でパターンが崩壊するなどの問題が発生する。
【０１７３】
図３１は、本発明の実施形態のメモリ素子が含まれた電子システムを示すブロック図である。
図３１を参照すると、電子システム４００は、制御器４１０、入出力装置４２０、及び記憶装置（メモリ）４３０を含む。
【０１７４】
制御器４１０、入出力装置４２０及びメモリ４３０はバス（ｂｕｓ）４５０を通じて接続される。
バス４５０は、データ及び／または動作信号が移動する通路に該当する。
制御器４１０は、少なくとも一つのマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、及びこれらと類似の機能を遂行することのできる論理素子のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【０１７５】
入出力装置４２０は、キーパッド、キーボード及び表示装置（ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）等で選択された少なくとも一つを含むことができる。
【０１７６】
メモリ４３０はデータを保存する装置である。メモリ４３０はデータ及び／または、制御器４１０によって実行される命令語などを保存することができる。メモリ４３０は上述した実施形態の方法によって製造された磁気メモリ素子または、相変化メモリ素子を含むことができる。
電子システム４００は、通信ネットワークでデータを伝送したり通信ネットワークからデータを受信するためのインターフェース４４０をさらに含むことができる。
インターフェース４４０は、有線または無線形態でありうる。例えば、インターフェース４４０は、アンテナまたは有無線トランシーバーなどを含むことができる。
【０１７７】
電子システム４００は、モバイルシステム、個人用コンピュータ、産業用コンピュータ、または、多様な機能を遂行するシステムなどで具現される。例えば、モバイルシステムは個人携帯用情報端末機（ＰＤＡ；Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、携帯用コンピュータ、ウェブタブレット（ｗｅｂ ｔａｂｌｅｔ）、モバイルフォン（ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ）、無線電話（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｈｏｎｅ）、ラップトップ（ｌａｐｔｏｐ）コンピュータ、メモリカード、デジタル音楽システム（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｓｉｃ ｓｙｓｔｅｍ）、または、情報伝送／受信システムなどでありうる。
電子システム４００が無線通信を遂行することのできる装置である場合、電子システム４００は、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＮＡＤＣ、Ｅ−ＴＤＭＡ、ＷＣＤＡＭ、ＣＤＭＡ２０００のような３世代通信システムのような通信インターフェースプロトコルに使用される。
【０１７８】
図３２は、本発明の実施形態のメモリ素子を含むメモリカードを示すブロック図である。
図３２を参照すると、メモリカード５００は記憶装置（メモリ）５１０、及びメモリ制御器５２０を含む。
【０１７９】
記憶装置５１０はデータを保存することができる。記憶装置５１０は電源供給が中断されても保存されたデータをそのまま維持する非揮発性特性を有することが望ましい。
記憶装置５１０は上述した実施形態によって製造された磁気メモリ素子または、相変化メモリ素子を含むことができる。
メモリ制御器５２０はホスト（ｈｏｓｔ）の読み取り／書き込み要請に答えて記憶装置５１０に保存されたデータを読み取るか、又は、記憶装置５１０にデータを保存することができる。
【０１８０】
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本発明は、不揮発性メモリ素子を内蔵する全ての電子機器に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１８２】
１０、５０ 基板
１２ 磁性物質膜
１２ａ 下部磁性膜
１２ｂ トンネルバリア膜
１２ｃ 上部磁性膜
１４ 磁性パターン
１６ マスクパターン
５２ 相変化膜
５４ 第１マスクパターン
５６ 第２マスクパターン
１００、２００ 半導体基板
１０２ ゲート酸化膜
１０４、２０４ ゲート電極
１０６ 不純物領域
１０８、２０８ 第１層間絶縁膜
１１０ 第１コンタクトプラグ
１１２ 導電パターン
１１４ 第２層間絶縁膜
１１６ 下部電極コンタクト
１１８ バリア金属膜
１２０ 固定膜構造物
１２０ａ 固定膜
１２０ｂ 下部強磁性膜
１２０ｃ 反強磁性カップリングスペーサ膜
１２０ｄ 上部強磁性膜
１２１ 固定膜積層パターン
１２２ トンネルバリア膜
１２４ 自由膜
１２６ａ マスクパターン
１２８ 第３層間絶縁膜
１３０ 上部電極コンタクト
１３２、２３２ ビットライン
２１２ａ デジットライン
２１２ｂ パッド電極
３００ 基板
３０２ 不純物領域
３０６ 素子分離膜パターン
３０８ 第１層間絶縁膜
３１０ Ｐ−Ｎダイオード
３１２ パッド電極
３１２ａ 金属シリサイド
３１２ｂ 金属
３１４ 第２層間絶縁膜
３１６ 下部電極コンタクト
３１６ａ バリア金属膜パターン
３１６ｂ 金属パターン
３１８ 相変化膜
３２０ 上部電極膜
３２２ ハードマスク膜
３２４、３５０ 第３層間絶縁膜
３２６ 上部電極コンタクト
３５４ａ 相変化パターン
３５６ａ 上部電極
３５８ａ ハードマスクパターン
３６０ 第４層間絶縁膜
３６２ 上部電極コンタクト
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体素子のパターン構造物形成方法に関し、特に、磁性を有する遷移金属が含まれた半導体素子の磁性パターン構造物形成方法、それを利用した磁気メモリ素子の製造方法、そして、相変化物質が含まれたパターン構造物形成方法及びそれを利用した相変化メモリ素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ素子及び相変化メモリ素子は高速書き込み及び高速読み取り動作が可能であり、不揮発性を有するため次世代メモリとして注目を集めている。
【０００３】
磁気メモリ素子には既存の半導体メモリ素子では使われていなかった磁性を有する金属物質が含まれる。
磁性物質は反応性エッチング工程又は物理的エッチング等を通してパターニングしているが、エッチング率が非常に低い。また、エッチング工程を実行するとパターンが腐食（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）するか、或いは、パターン側壁に導電性ポリマーが付着するなどの問題が発生する。
特に、パターン側壁に導電性ポリマーが付着する場合、互いに絶縁されていなければならない磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造物の上部磁性体と下部磁性体が電気的に短絡されて磁気メモリ素子の不良が発生するという問題がある。
【０００４】
また、相変化メモリ素子は、既存の半導体メモリ素子では使われない相変化物質が使われる。
相変化物質は一般的なエッチング方法によって狭いピッチのパターンを形成することが難しい。しかも、相変化物質はエッチングガスによるダメージの発生が大きく、エッチング後に相変化物質内に含まれる元素の成分が変化するという問題がある。
【０００５】
従って、次世代メモリ素子に使われる物質をパターニングすることに適合したエッチング工程が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３５６１７９号公報
【特許文献２】韓国特許第０７１９３４５号明細書
【特許文献３】特開２００８−２２６９２２号公報
【特許文献４】韓国特許出願公開２００７−００８１７５２号明細書
【特許文献５】米国特許第６８３１０１９号明細書
【特許文献６】韓国特許出願公開２００５−０１１１４６９号明細書
【特許文献７】韓国特許出願公開２００６−００７９４５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は上記従来の半導体素子のパターン構造物形成方法における問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、磁性物質又は相変化物質を含む半導体素子のパターン構造物の形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するためになされた本発明による半導体素子のパターン構造物形成方法は、基板上に、磁性物質、又は少なくとも３つの元素を含む合金からなった相変化物質のいずれか一つの物質を含むエッチング対象膜を形成する段階と、少なくともアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むエッチングガスを使って前記エッチング対象膜をプラズマ反応性エッチングすることによってパターン構造物を形成する段階とを有することを特徴とする。
【０００９】
前記磁性物質を含むエッチング対象膜は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を含むことが好ましい。
前記エッチング対象膜をエッチングするエッチングガスはふっ素含有ガスをさらに含むことが好ましい。
前記ふっ素含有ガスは、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、及びＣＦ４からなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。
混合された前記エッチングガスに含まれる前記アンモニアガスの流量は、前記ふっ素含有ガスの流量と同一であるか、又は、前記ふっ素含有ガスの流量より多いことが好ましい。
前記パターン構造物を形成した後、前記パターン構造物に付着したポリマーを除去するための後処理を実行ことが好ましい。
【００１０】
前記相変化物質を含むエッチング対象膜は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、及びＢｉからなる群から選択される少なくとも３つの元素を含む合金物質を含むことが好ましい。
前記エッチングガスは、Ａｒ、ＣＦ４、ＣＯ、Ｈｂｒ、及びＳＦ６からなる群から選択される少なくとも一つをさらに含むことが好ましい。
前記パターン構造物に含まれる元素それぞれの含有量は、エッチング以前の前記エッチング対象膜に含まれる元素それぞれの含有量と比較する時、その含有量変化率が５％以内であることが好ましい。
前記パターン構造物間の間隔は、１０００Å以内であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る半導体素子のパターン構造物形成方法によれば、エッチング工程時に膜内に含まれている元素を均一にエッチングすることができ、エッチング後の薄膜の組成成分の含有量変化を抑制することができるという効果がある。また、狭いピッチのパターン構造物を容易に形成することができるという効果がある。
また、側壁にポリマーが付着せずに、狭いピッチを有しながら、良好な垂直プロファイルを有するパターン構造物を形成することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法で磁性物質膜をエッチングする時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】本発明の第４の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図１４】本発明の第５の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図１５】本発明の第６の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態のエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物のサンプルを示す断面図である。
【図１７】一般的なエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物の比較サンプルを示す断面図である。
【図１８】第１の実施形態の方法によって製造した各サンプルで測定した抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【図１９】比較サンプルで測定した抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【図２０】本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２１】本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２２】本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【図２３】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２４】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２５】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２６】本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２７】本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２８】本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図２９】本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【図３０】サンプル１及びサンプル２と比較サンプル１の相変化パターンに対してエッチング前後の成分変化率を示すグラフである。
【図３１】本発明の実施形態のメモリ素子が含まれた電子システムを示すブロック図である。
【図３２】本発明の実施形態の半導体素子を含むメモリカードを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明に係る半導体素子のパターン構造物形成方法を実施するための形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
【００１４】
本明細書の各図面において、構造物のサイズは本発明の明確性を期するために実際より拡大して示すこともある。
本明細書において、第１、第２等の用語は多様な構成要素を説明することに使用するが、構成要素は前記用語によって限定されてはいけない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみに使われる。
【００１５】
本明細書で使った用語は単に特定の実施形態を説明するために使われて、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は文脈上明白に異なる意味で示さない限り、複数の表現を含む。本明細書で、「含む」または「有する」等の用語は明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものが存在するということを指定しようとすることであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品またはこれらを組み合わせたものなどの存在または、付加の可能性をあらかじめ排除しないことと理解されなければならない。
【００１６】
本明細書において、各層（膜）、領域、電極、パターンまたは、構造物らが対象体、基板、各層（膜）、領域、電極または、パターンらの「上に」、「上部に」または「下部」に形成されることで言及される場合には各層（膜）、領域、電極、パターンまたは、構造物らが直接基板、各階（膜）、領域、または、パターン上に形成されたり下に位置するものを意味したり、他の層（膜）、他の領域、他の電極、他のパターンまたは、他の構造物らが対象体や基板上に追加的に形成されることができる。
【００１７】
本明細書に開示する本発明の実施形態に対して、特定の構造的乃至機能的説明は単に本発明の実施形態を説明するための目的で例示したものであり、本発明の実施形態は多様な形態で実施され、本文に説明された実施形態に限定されると解釈されてはいけない。
すなわち、本発明は多様な変更を加えることができ、色々な形態を有することができるところ、特定の実施形態を図面に例示して本文に詳細に説明するものである。しかし、これは本発明を特定の開始形態に対して限定しようとするのではなくて、本発明の思想及び技術範囲に含まれるすべての変更、均等物乃至代替物を含むことと理解されなければならない。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
図１〜図３は、本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法を示す断面図である。
図１を参照すると、基板１０上に少なくとも２つの元素を含む合金物質からなって磁性物質を含む磁性物質膜１２を形成する。磁性物質膜１２は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｎからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を含む。
【００１９】
本実施形態において、磁性物質膜１２は、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造物を形成するための積層構造を有する。例えば、磁性物質膜１２は、下部磁性膜１２ａ、トンネルバリア膜１２ｂ、及び上部磁性膜１２ｃを積層させて形成する。
【００２０】
具体的には、下部磁性膜１２ａは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｉｒからなる群から選択される少なくとも２つの元素のうちの少なくとも一つを蒸着させて形成する。下部磁性膜１２ａは、磁化方向が一方向に固定される。図中、下部磁性膜１２ａは単一膜で示しているが、複数の物質が積層された形状を有することがさらに望ましい。
【００２１】
トンネルバリア膜１２ｂは、絶縁性を有する金属酸化物からなり、一例として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）等から形成することができる。
【００２２】
また、上部磁性膜１２ｃは、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｍｎ、Ｎｉからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を蒸着させて形成することができる。上部磁性膜１２ｃは、磁化方向が一方向に固定されずに、磁化反転することができる。一例として、上部磁性膜１２ｃは、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、またはＮｉＦｅから形成することができる。
【００２３】
本実施形態においては、下部磁性膜１２ａが磁化方向が固定された固定膜として使われ、上部磁性膜１２ｃは磁化反転が可能な自由膜として説明した。しかし、これとは異なり、下部磁性膜１２ａが磁化反転が可能な自由膜で形成され、上部磁性膜１２ｃが磁化方向が固定された固定膜で形成することもできる。
【００２４】
図２を参照すると、磁性物質膜１２上にマスク膜（図示せず）を形成する。マスク膜は金属又は金属窒化物からなる。マスク膜として使用される物質の例としてはチタン、チタン窒化物、タンタル、タンタル窒化物、タングステン、タングステン窒化物などを挙げることができる。これらは単独で使われたり、２つ以上が積層された形状を有することもできる。マスク膜をパターニングすることによってマスクパターン１６を形成する。
【００２５】
図３を参照すると、マスクパターン１６をエッチングマスクとして用い、ふっ素含有ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを混合した混合ガスをエッチングガスとして使って磁性物質膜１２をプラズマ反応性エッチングする。
これにより、下部磁性膜パターン１４ａ、トンネルバリア膜パターン１４ｂ、及び上部磁性膜パターン１４ｃを含む磁性パターン１４を形成する。
【００２６】
ふっ素含有ガスの例としては、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＣＦ４等を挙げることができる。ふっ素含有ガスは１種又は、２種以上が使われることができる。磁性パターン１４の側壁にポリマーが付着しないようにするために、ふっ素含有ガスはＳＦ６を使うことが最も望ましい。以下では、ふっ素含有ガスとしてＳＦ６を使うことで説明する。
【００２７】
アンモニアガスは、磁性物質に含まれる金属と反応して金属アンモニウムを生成し、生成した金属アンモニウムが揮発することによって磁性物質膜をエッチングする。アンモニアガスは列挙された磁性物質膜をすばやくエッチングすることができる。
【００２８】
また、ＳＦ６は、磁性物質の金属と反応して金属フッ化物を生成し、生成した金属フッ化物が揮発することによって磁性物質膜をエッチングする。ＳＦ６は、白金（Ｐｔ）などのような特定金属を早くエッチングすることができる。
ＳＦ６に含まれる硫黄（Ｓ）は、アンモニアガスに含まれる窒素と結合して揮発するため、窒素によって生成されるポリマーを除去する。これに加えて、ＳＦ６は、磁性物質膜がエッチングされた後、側壁に付着する導電性ポリマーをＦ基（Ｆ−）によって除去する。
【００２９】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁性パターン形成方法で磁性物質膜をエッチングする時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
上述のように、エッチング工程時にアンモニアガス及びＳＦ６が共に流入する。ＳＦ６はアンモニアガスに比べてマスクパターン１６に対するエッチング選択比が低い。
【００３０】
従って、ＳＦ６が増加すればエッチング工程中にマスクパターン１６が過度に消耗するため望ましくない。従って、磁性物質膜１２をエッチングする主なエッチングガスはアンモニアガスであることが望ましい。しかし、アンモニアガスだけでエッチング工程を遂行する場合には磁性パターン１４の側壁にポリマーが過度に生成されるために、側壁ポリマーが除去されるようにＳＦ６が共に流入しなければならない。
【００３１】
このような理由で、図４に示すように、アンモニアガスの流量はＳＦ６と同一であるか又はＳＦ６よりさらに多いことが望ましい。具体的には、ＳＦ６とアンモニアとの流量比は１：１〜５０であることが望ましい。
【００３２】
図４に示していないが、エッチング工程を実行する時、アンモニアガス及びＳＦ６を混合した混合ガスに追加的に不活性ガスさらに流入することができる。不活性ガスは磁性物質膜１２を物理的にエッチング（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｔｃｈ）するか、又はエッチングチャンバー内の圧力を調節したり、又は、プラズマを活性化させるなどの役割をする。不活性ガスはアルゴンを含む。しかし、不活性ガスは選択的に使われて、不活性ガスが含まれなくても磁性物質膜１２を効果的にエッチングすることができる。
【００３３】
磁性物質膜１２をエッチングするに適合したエッチング条件は次のようである。
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で実行する。また付加的に、エッチング工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを負荷することができる。
【００３４】
上述ように、本実施形態の方法によれば、磁性物質膜をエッチングするにあたって、塩素系列のガスを使わないことによって、磁性物質膜の腐食問題を減少させることができる。
また、炭素系列のガスを使わないことによって金属カーボニルの形成を抑制することができ、これにより非常に小さい線幅のパターンを形成することができる。また、物理的な方法でエッチングしないため、磁性物質がパターン構造物側壁に再蒸着（ｒｅ−ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）される問題を抑制することができる。
【００３５】
従って、本実施形態によれば、磁気トンネル接合構造を有して、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成されない磁性パターンを形成することができる。
【００３６】
＜磁気メモリ素子製造＞
図５〜図９は、本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
【００３７】
本実施形態の磁気メモリ素子は、スピン注入トルク−磁気メモリ素子（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）である。本実施形態では図３及び図４を参照して説明したエッチング方法が同様に使われる。
【００３８】
図５を参照すると、半導体基板１００に素子分離パターン（図示せず）を形成してアクティブ領域及び素子分離領域を区分する。
半導体基板１００にセル選択のためのＭＯＳトランジスタを形成する。ＭＯＳトランジスタを形成するために、半導体基板１００上にゲート酸化膜１０２及びゲート電極膜を形成する。この後、ゲート電極膜をパターニングしてゲート電極１０４を形成する。
次いで、ゲート電極１０４両側の半導体基板表面の下に不純物を注入して不純物領域１０６を形成する。ゲート電極１０４はワードラインとして提供され、第１方向に延長する形状を有する。図には示さなかったが、ゲート電極１０４の両側にゲートスペーサーを形成することもできる。
【００３９】
半導体基板１００上にＭＯＳトランジスタを覆う第１層間絶縁膜１０８を形成する。
次に、第１層間絶縁膜１０８を貫いて不純物領域１０６と接触する第１コンタクトプラグ１１０を形成する。さらに、第１層間絶縁膜１０８上に第１コンタクトプラグ１１０と電気的に接続される導電パターン１１２を形成する。
【００４０】
第１層間絶縁膜１０８上に導電パターン１１２を覆う第２層間絶縁膜１１４を形成する。次に、第２層間絶縁膜１１４の一部分を写真エッチング工程を通じて除去することによって、導電パターン１１２の上部面を露出する開口部を形成する。開口部はコンタクトホールの形状を有する。
【００４１】
開口部内部に導電物質を充填し、第２層間絶縁膜１１４の上部面が露出するように導電物質を研磨することによって、下部電極コンタクト１１６を形成する。
【００４２】
図６を参照すると、第２層間絶縁膜１１４及び下部電極コンタクト１１６上に磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜を順に積層する。本実施形態では、バリア金属膜１１８、固定膜構造物１２０、トンネルバリア膜１２２、及び自由膜１２４を順に積層する。
【００４３】
具体的には、バリア金属膜１１８は固定膜構造物に含まれる金属の異常成長を防止するために提供され、アモルファスの金属物質を含む。バリア金属膜１１８として使われる金属物質の例としてはタンタル、タンタル窒化物、チタン、チタン窒化物などが挙げられる。バリア金属膜１１８は例示した物質の中から選択される少なくとも一つから形成することができる。
【００４４】
固定膜構造物１２０は、固定膜（ｐｉｎｎｉｎｇ ｌａｙｅｒ）１２０ａ、下部強磁性膜１２０ｂ、反強磁性カップリングスペーサ膜１２０ｃ、上部強磁性膜１２０ｄを含む。
固定膜１２０ａは、下部強磁性膜１２０ｂの磁化方向を一方向に固定させる物質から形成する。固定膜１２０ａとして使用することができる物質の例としてはマンガン鉄（ＦｅＭｎ）、マンガンイリジウム（ＩｒＭｎ）、マンガン白金（ＰｔＭｎ）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、硫化マンガン（ＭｎＳ）、テルル化マンガン（ＭｎＴｅ）、フッ化マンガン（ＭｎＦ２）、フッ化鉄（ＦｅＦ２）、塩化鉄（ＦｅＣｌ２）、酸化鉄（ＦｅＯ）、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）、酸化コバルト（ＣｏＯ）、塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）、酸化ニッケル（ＮｉＯ）、クロム（Ｃｒ）等を挙げることができる。
【００４５】
固定膜１２０ａは、例示した物質の中から選択される少なくとも一つから形成することができる。
上部強磁性膜１２０ｄ、下部強磁性膜１２０ｂは、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）の中から選択される少なくとも一つを含む強磁性体から形成することが望ましい。例えば、上部強磁性膜、下部強磁性層は、鉄コバルト（ＣｏＦｅ）、鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）または、ホウ素化鉄コバルト（ＣｏＦｅＢ）から形成することができる。
反強磁性カップリングスペーサ膜１２０ｃは、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）または、ロジウム（Ｒｈ）から形成することができる。
【００４６】
また、トンネルバリア膜１２２は、アルミニウム酸化膜、又は、マグネシウム酸化膜から形成することができる。トンネルバリア膜１２２をマグネシウム酸化膜で形成すれば磁気抵抗比がさらに優秀になる。従って、トンネルバリア膜１２２はマグネシウム酸化膜で形成することがさらに望ましい。
【００４７】
自由膜１２４は、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）の中から選択される少なくとも一つを含む強磁性体から形成することが望ましい。自由膜１２４として使用することができる物質の例としては、鉄コバルト（ＣｏＦｅ）、鉄ニッケル（ＮｉＦｅ）、又は、ホウ素化鉄コバルト（ＣｏＦｅＢ）等を挙げることができる。
【００４８】
自由膜１２４上にはマスク膜１２６を形成する。マスク膜１２６は金属、又は、金属窒化物から形成される。マスク膜１２６として使われる物質の例としては、チタン、チタン窒化膜、タンタル、タンタル窒化膜、タングステン、タングステン窒化膜などを挙げることができる。これらは単独又は複合膜で使用することができる。
【００４９】
図７を参照すると、マスク膜１２６を異方性エッチングすることによって、下部の磁気トンネル接合構造物に提供される薄膜をエッチングするためのマスクパターン１２６ａを形成する。マスクパターン１２６ａは下部電極コンタクト１１６の上部面とオーバーラップするように配置する。
【００５０】
図８を参照すると、マスクパターン１２６ａをエッチングマスクとして使って、下部の磁気トンネル接合構造物に提供される薄膜をエッチングすることによってバリア金属膜パターン１１８ａ、固定膜積層パターン１２１、トンネルバリア膜パターン１２２ａ及び自由膜パターン１２４ａが積層された磁気トンネル接合構造物を形成する。
【００５１】
この時、ふっ素含有ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを混合した混合ガスをエッチングガスとして使うプラズマ反応性エッチングを通じて磁気トンネル接合構造物に提供する薄膜をエッチングする。磁気トンネル接合構造物を形成するためのエッチング工程の具体的な方法は図３及び図４を参照して説明したものと同様である。
【００５２】
上述した方法のエッチング工程を遂行して完成された磁気トンネル接合構造物の側壁には導電性ポリマーがほとんど付着しない。従って、導電性ポリマーが生成されることによって、固定膜積層パターン１２１と自由膜パターン１２４ａとが互いにショート（短絡）する不良が減少する。
【００５３】
図に示していないが、磁気トンネル接合構造物表面に磁気トンネル接合構造物を保護するためのキャッピング膜を形成することができる。キャッピング膜は５０〜３００Åの厚さを有するように形成することができる。また、キャッピング膜はアルミニウム酸化物と同じように絶縁性を有する金属酸化物から形成することができる。
【００５４】
図９を参照すると、磁気トンネル接合構造物を覆う第３層間絶縁膜１２８を形成する。
第３層間絶縁膜１２８の一部領域をエッチングして導電性を有するマスクパターン１２６ａの上部面を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホール内部に導電物質を満たし、第３層間絶縁膜１２８の上部面が露出するように導電物質を研磨することによって上部電極コンタクト１３０を形成する。
【００５５】
第３層間絶縁膜１２８及び上部電極コンタクト１３０上に導電膜を形成してパターニングすることによって、ビットライン１３２を形成する。しかし、工程を単純化させるために、上部電極コンタクト１３０を形成しないで、マスクパターン１２６ａと直接接触するようにビットライン１３２を形成することもできる。
上述した工程を通じて、磁気メモリ素子が完成される。
【００５６】
磁気メモリ素子は、磁気トンネル接合構造物のトンネルバリア膜パターン両端の固定膜積層パターンと自由膜パターンの磁化方向が同一である場合（以下、平行状態）には低抵抗を有し、磁気トンネル接合のトンネルバリア膜パターン両端の固定膜積層パターンと自由膜パターンの磁化方向が互いに異なる場合（以下、反平行状態）には高抵抗を有することを利用してデータを保存する。
従って、平行状態と反平行状態との抵抗値の差が非常に大きいことが望ましい。このような抵抗値の変化は磁気抵抗比（Ｍａｇｎａｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｔｉｏ、ＭＲ）といい、磁気抵抗比は高いことが望ましい。具体的には、磁気抵抗比は８０％以上であることが望ましい。
【００５７】
磁気トンネル接合構造物の側壁に導電性ポリマーが付着して固定膜積層パターンと自由膜パターンが短絡する時、反平行状態でも短絡した側壁部位を通じて電流が流れることになってＭＲが０％になる。
【００５８】
しかし、本実施形態の方法によれば磁気トンネル接合構造物を形成するための多様な強磁性物質膜を容易にパターニングすることができる。しかも、磁気トンネル接合構造物の側壁に導電性ポリマーのような副産物はほとんど付着しない。磁気トンネル接合構造物に副産物が付着しないことによって、本実施形態の磁気メモリ素子は高い磁気抵抗比を有し、これにより優秀な動作特性を有する。また、本実施形態の磁気メモリ素子は磁気トンネル接合構造物に副産物が付着することによって発生する磁気メモリ素子の動作不良が減少し、高い信頼性を有する。
【００５９】
＜第３の実施形態＞
図１０〜図１２は、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリ素子製造方法を示す断面図である。
本実施形態の磁気メモリ素子は、外部磁場を利用して磁化反転する磁気メモリ素子であり、本実施形態では第１の実施形態で説明したエッチング方法が同様に使われる。
【００６０】
図１０を参照すると、半導体基板２００に素子分離パターンを形成してアクティブ領域及び素子分離領域を区分する。半導体基板にセル選択のためのＭＯＳトランジスタを形成する。図には示さなかったが、ＭＯＳトランジスタのゲート電極２０４両側にゲートスペーサを形成することもできる。
【００６１】
半導体基板２００上にＭＯＳトランジスタを覆う第１層間絶縁膜２０８を形成する。第１層間絶縁膜２０８を貫いて不純物領域２０６と接触する第１コンタクトプラグ２１０を形成する。
【００６２】
第１層間絶縁膜２０８上にデジットライン（ｄｉｇｉｔ ｌｉｎｅ）２１２ａを形成する。デジットライン２１２ａは高集積化のためにゲート電極２０４と互いにオーバーラップした位置に形成することができる。また、第１コンタクトプラグ２１０上にパッド電極２１２ｂを形成する。
【００６３】
第１層間絶縁膜２０８上にデジットライン２１２ａ及びパッド電極２１２ｂを覆う第２層間絶縁膜２１４を形成する。第２層間絶縁膜２１４の一部分を写真エッチング工程を通じて除去することによってパッド電極２１２ｂの上部面を露出する開口部を形成する。開口部はコンタクトホールの形状を有する。
【００６４】
開口部内部に導電物質を満たし、第２層間絶縁膜２１４の上部面が露出するように導電物質を研磨することによって、第２コンタクトプラグ２１６を形成する。
【００６５】
第２コンタクトプラグ２１６上に導電膜を形成し、導電膜をエッチングすることによってバイパスライン（ｂｙｐａｓｓ ｌｉｎｅ）２１８を形成する。バイパスライン２１８は磁気トンネル接合構造物をデジットライン２１２ａと互いに対向するように形成するようにするために提供され、第２コンタクトプラグ２１６上部面からデジットライン２１２ａ上に延長する形状を有する。
バイパスライン２１８間のギャップを満たす第３層間絶縁膜２１９を形成する。
【００６６】
図１１を参照すると、前記第３層間絶縁膜２１９及びバイパスライン２１８上に磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜を順に積層する。磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜はｍバリア金属膜、固定膜構造物、トンネルバリア膜、及び自由膜を含む。
【００６７】
自由膜上にマスクパターン１２６ａを形成する。
マスクパターン１２６ａをエッチングマスクとして使って下方の磁気トンネル接合構造物として提供される薄膜をエッチングすることによってバリア金属膜パターン１１８ａ、固定膜積層パターン１２１、トンネルバリア膜パターン１２２ａ、及び自由膜パターン１２４ａが積層された磁気トンネル接合構造物を形成する。
エッチング工程において、ふっ素含有ガス及びアンモニア（ＮＨ３）ガスを混合した混合ガスをエッチングガスとして使うプラズマ反応性エッチングを通じて磁性物質膜をエッチングする。
上述の工程は、図６〜図８を参照に説明したものと同様である。
【００６８】
図１２を参照すると、磁気トンネル接合構造物を覆う第４層間絶縁膜１２８ａを形成する。第４層間絶縁膜１２８ａの一部領域をエッチングして導電性を有するマスクパターンの上部面を露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホール内部に導電物質を満たし、第４層間絶縁膜１２８ａの上部面が露出するように導電物質を研磨することによって上部電極コンタクト２３０を形成する。
【００６９】
第４層間絶縁膜１２８ａ及び上部電極コンタクト２３０上に導電膜を形成してこれをパターニングすることによって、ビットライン２３２を形成する。
しかし、工程を単純化させるために、上部電極コンタクト２３０を形成せずに、マスクパターン１２６ａと直接接触するようにビットライン２３２を形成することもできる。
【００７０】
＜第４の実施形態＞
以下に説明する第４の実施形態の磁性パターン形成方法は、第１の実施形態の磁性パターン形成方法を同一に遂行した後、後処理をさらに遂行する。
【００７１】
具体的には、図１及び図２を参照して説明したものと同様の工程を遂行して、図２に示した磁性物質膜１２を形成する。以後、図３を参照して説明したように、磁性物質膜１２をエッチングすることによって磁性パターン１４を形成する。
【００７２】
磁性パターン１４を形成するためのエッチング工程が完了すれば、磁性パターンの表面クリーニング及び残留ポリマーを除去するための後処理を遂行する。後処理はエッチング工程が遂行されたエッチングチャンバ内でインシチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で遂行することができる。
以下において、後処理に対してより詳細に説明する。
【００７３】
図１３は、本発明の第４の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【００７４】
図１３を参照すると、後処理工程は、アンモニアガス及びふっ素含有カスが使われる。
後処理工程として使われるふっ素含有ガスは、エッチング工程時に使ったガスと同一であることが望ましい。しかし、ふっ素含有ガスはエッチング工程時に使ったガスと異なるガスを使うこともできる。ふっ素含有ガスの例としてはＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＣＦ４等を挙げることができる。
【００７５】
後処理工程において、磁性パターン１４の表面を乾式クリーニングと残留ポリマーを除去するために、後処理工程時にはふっ素を含むガスを増加させ、ポリマーを生成させるエッチングガスであるアンモニアガスを減少させる。
従って、ふっ素含有ガスの流量は、アンモニアガスと同一であるか、又は、アンモニアガスよりさらに多いことが望ましい。具体的には、アンモニアガスとふっ素含有ガスの流量比は１：１〜５０であることが望ましい。
【００７６】
また、ふっ素含有ガスによって磁性パターン上に備わるエッチングマスクパターンが過度にエッチングされないようにエッチング工程より短い時間で、後処理工程を遂行する。
【００７７】
後処理工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行できる。後処理工程において、温度及び圧力条件はそれ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００７８】
また、後処理工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることができる。後処理工程において、マイクロウェーブパワー、及びＲ．Ｆバイアスパワー条件は、それ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００７９】
上述した方法によれば、磁気トンネル接合構造を有し、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成されない磁性パターンを形成することができる。
また、磁性パターン形成のためのエッチング方法を利用して、磁気メモリ素子を形成することができる。
【００８０】
一例として、図５〜図７を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第４の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物用薄膜をエッチングして磁気トンネル接合構造物を形成する。
次に、図９を参照して説明した工程を遂行し、図９に示したスピン注入トルク磁気メモリ素子を形成することができる。
【００８１】
他の例として、図１０を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、磁気トンネル接合構造物用薄膜及びマスクパターンを形成する。
この後、第４の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物をエッチングする。
次いて、図１１を参照して説明した工程を遂行し、図１１に示した磁気メモリ素子を形成することができる。
【００８２】
＜第５の実施形態＞
以下に説明する第５の実施形態の磁性パターン形成方法は、第１の実施形態の磁性パターン形成方法と同様に遂行した後、後処理をさらに遂行する。
【００８３】
図１４は、本発明の第５の実施形態によって磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【００８４】
図１４を参照すると、後処理工程は、ふっ素含有ガスのみが使われて、アンモニアガスは使われない。後処理工程で使われるふっ素含有ガスはエッチング工程時に使ったガスと同一であることが望ましい。しかし、ふっ素含有ガスはエッチング工程時に使ったガスと異なるガスとして使うこともできる。ふっ素含有ガスの例としてはＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、ＣＦ４等を挙げることができる。
【００８５】
後処理工程において、磁性パターン１４（図３参照）の表面を乾式クリーニングと残留ポリマーを除去するために、後処理工程時にはふっ素を含むガスのみを流入して、ポリマーを生成させるエッチングガスであるアンモニアガスは流入しない。
【００８６】
後処理工程で流入するふっ素含有ガスの流量は、エッチング工程時に流入するふっ素含有ガスと同一または、エッチング工程時に流入するふっ素含有ガスよりさらに多いことが望ましい。
【００８７】
また、ふっ素含有ガスによって磁性パターン上に備わるエッチングマスクパターンが過度にエッチングされないようにエッチング工程より短い時間で、後処理工程を遂行する。
【００８８】
後処理工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行できる。後処理工程において、温度及び圧力条件は、それ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００８９】
また、後処理工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることもできる。後処理工程において、マイクロウェーブパワー、及びＲ．Ｆバイアスパワー条件は、それ以前のエッチング工程と同一であることが望ましいが、エッチング工程と異なることもできる。
【００９０】
上述した方法によれば、磁気トンネル接合構造を有して、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成されない磁性パターンを形成することができる。
また、磁性パターン形成のためのエッチング方法を同様に使って、磁気メモリ素子を形成することができる。
【００９１】
一例において、図５〜図７を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第５の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物用薄膜をエッチングして磁気トンネル接合構造物を形成する。
次いで、図９を参照して説明した工程を遂行し、図９に示したスピン注入トルク磁気メモリ素子を形成することができる。
【００９２】
他の例において、図１０を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、磁気トンネル接合構造物用薄膜及びマスクパターンを形成する。この後、第５の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物をエッチングする。次に、図１１を参照して説明した工程を遂行して、図１１に示した磁気メモリ素子を形成することができる。
【００９３】
＜第６の実施形態＞
以下に説明する第６の実施形態の磁性パターン形成方法は、磁性膜のエッチング方法とエッチング工程以後に後処理を遂行するという点で第１の実施形態と相違する。
【００９４】
具体的には、図１及び図２を参照して説明したものと同じ工程を遂行して、図２に示した磁性物質膜１２を形成する。この後、磁性物質膜をエッチングして磁性パターン１４を形成して、磁性パターンに対して後処理をする。
【００９５】
図１５は、本発明の第６の実施形態により磁性物質膜をエッチング及び後処理する時の反応ガスの流入を示すタイミング図である。
【００９６】
図１５を参照すると、磁性物質膜１２はアンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使ってエッチングする。アンモニアガスに追加的に不活性ガスをさらに流入させることができる。不活性ガスはアルゴンを含む。
【００９７】
アンモニアガスは、磁性物質の金属と反応して金属アンモニウムを生成して、生成した金属アンモニウムが揮発することによって磁性物質膜をエッチングする。アンモニアガスは前記列挙した磁性物質膜１２を素早くエッチングすることができる。
【００９８】
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行できる。また、エッチング工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることもできる。
エッチング工程を通じて磁性パターン１４を形成する。
【００９９】
エッチング工程が完了した後、後処理のためにふっ素含有ガスを流入する。
この時、図１５に示すように、アンモニアガスは用いない。
しかし、これとは異なって、アンモニアガスの流入量を減少させることもできる。上述の説明と同じように、ふっ素含有ガスを流入することによって、磁性パターン１４の表面を乾式クリーニングと残留ポリマーを除去することができる。
【０１００】
上述の工程を通じて、磁気トンネル接合構造を有して、側壁に導電性ポリマーがほとんど生成しない磁性パターン１４を形成することができる。
また、磁性パターン形成のためのエッチング方法を同様に使って、磁気メモリ素子を形成することができる。
【０１０１】
一例において、図５〜図７を参照して説明したものと同じ工程を遂行して、第６の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物用薄膜をエッチングして磁気トンネル接合構造物を形成する。
次に、図９を参照して説明した工程を遂行し、図９に示したスピン注入トルク磁気メモリ素子を形成することができる。
【０１０２】
他の例において、図１０を参照して説明したものと同じ工程を遂行し、磁気トンネル接合構造物用薄膜及びマスクパターンを形成する。
この後、第６の実施形態に係るエッチング方法を通じて磁気トンネル接合構造物をエッチングする。
次に、図１１を参照して説明した工程を遂行して、図１１に示した磁気メモリ素子を形成することができる。
【０１０３】
＜比較実験＞
本発明の方法によって形成された磁気トンネル接合構造物及び本発明と異なった一般的な方法によって形成された磁気トンネル接合構造物に対し各々トンネルバリア膜パターンの抵抗別に磁気抵抗比を測定して、これを比較した。
【０１０４】
＜サンプル＞
図１６は、本発明の第１の実施形態のエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物のサンプルを示す断面図である。
サンプルは以下に説明する方法で製造した。
【０１０５】
図１６に示すように、基板１０上に磁気トンネル接合物質膜を形成した。具体的には、Ｔａからなるバリア金属膜を形成した。Ｔａ膜上にはマンガン白金（ＰｔＭｎ）膜からなった固定膜を形成した。固定膜上にはＣｏＦｅ膜、Ｒｕ膜及びＣｏＦｅ膜を積層した。また、ＣｏＦｅ膜上にはＭｇＯ膜からなったトンネルバリア膜を形成した。ＭｇＯ膜上にＣｏＦｅＢ膜からなる自由膜を形成した。
【０１０６】
磁気トンネル接合物質膜上にマスク膜を形成した。マスク膜はチタン膜及びチタン窒化膜を形成して、チタン窒化膜上にタンタル膜を蒸着させ形成した。この後、マスク膜をパターニングしてマスクパターン１７ａ、１７ｂを形成した。マスクパターン１７ａ、１７ｂはチタン／チタン窒化膜パターン１７ａとタンタル膜パターン１７ｂが積層された形状を有する。
【０１０７】
次いで、図８を参照して説明したエッチング工程を通じて磁気トンネル接合物質膜をエッチングすることによって、磁性パターン（磁気トンネル接合構造物）１４を形成した。エッチング工程時に使用したエッチングガスはＳＦ６及びＮＨ３であった。
【０１０８】
上記方法を用いて、トンネルバリアパターンの抵抗が異なる複数のサンプルを製造した。上記工程によって製造された磁気トンネル接合構造物の側壁には再蒸着による導電性ポリマーが発生しなかった。
【０１０９】
＜比較サンプル＞
図１７は、一般的なエッチング方法を利用して形成した磁気トンネル接合構造物の比較サンプルを示す断面図である。
比較サンプルは、以下に説明する方法で製造した。
【０１１０】
図１７に示すように、基板１０上に磁気トンネル接合物質膜を形成した。磁気トンネル接合物質膜は、サンプル１で説明したものと同じ方法で形成した。
【０１１１】
磁気トンネル接合物質膜上にサンプル１と同じ方法でマスク膜パターン１７ａ、１７ｂを形成した。
次いで、Ｃｌ２及びアルゴンをエッチングガスとして用い、磁気トンネル接合物質膜をエッチングすることによって、磁気トンネル接合構造物１４を形成した。
【０１１２】
上記方法を用いて、トンネルバリアパターンの抵抗が異なる複数の比較サンプルを製造した。上記工程によって製造された一部の磁気トンネル接合構造物の側壁には再蒸着による導電性ポリマーが発生した。導電性ポリマーは、ハロゲンガスによるエッチング工程で磁性物質が容易に揮発しないためにエッチングされた磁性物質が再び磁気トンネル接合構造物１４の側壁に付着して生成されたものである。
【０１１３】
本発明の第１の実施形態の方法によって製造した複数のサンプルに対し、各々磁気抵抗比を測定した。
図１８は各サンプルで測定された抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【０１１４】
図１８を参照すると、磁気トンネル接合構造物に含まれたトンネルバリア膜パターンの抵抗に関係なく、各サンプルの磁気抵抗比は約１２０％以上と高く測定された。また、各サンプル１では固定膜積層パターンと自由膜パターンが短絡して磁気抵抗比が２０％以下と低くなる不良が発生しなかった。
【０１１５】
本発明と比較するために製造された複数の比較サンプルに対して各々磁気抵抗比を測定した。
図１９は比較サンプルで測定された抵抗別磁気抵抗比を示すグラフである。
【０１１６】
図１９を参照すると、磁気抵抗比が７０％以下と低い値を有する比較サンプルが多発した。また、固定膜積層パターンと自由膜パターンが短絡して磁気抵抗比が０％と測定される比較サンプルも発生した。
【０１１７】
図１８及び１９の実験結果によれば、本発明の方法により磁性膜をエッチングすることによって高い磁気抵抗比を有する磁気トンネル接合構造物を製造することができることが分かった。また、磁気トンネル接合構造物を有する高性能を有する磁気メモリ素子を製造することができることが分かった。
【０１１８】
これに加えて、本発明によれば、磁気トンネル接合構造物の不良発生が減少するということが分かった。従って、本発明を適用する場合、磁気メモリ素子の製造収率が向上するということが分かった。
【０１１９】
以下では、相変化物質膜をエッチングして相変化パターンを形成することに適合したエッチング方法及びそれを利用した相変化メモリ素子の製造方法に対して説明する。
【０１２０】
＜第６の実施形態＞
図２０〜図２２は、本発明の第７の実施形態に係る相変化パターン形成方法を説明するための断面図である。
【０１２１】
図２０を参照すると、基板５０上に相変化物質を含む相変化膜５２を形成する。
相変化膜５２は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ｂｉのうちの少なくとも３つの元素を含む合金物質から形成することができる。
一例として、相変化膜５２は、Ｇｅ、Ｓｂ、及びＴｅの合金物質（Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５；以下、ＧＳＴ）、Ｉｎ、Ｓｂ、及びＴｅの合金物質（ＩＳＴ）、Ｇｅ、Ｂｉ、及びＴｅの合金物質（ＧＢＴ）のような３相系列の物質から形成することができる。
本実施形態において、相変化膜はＧＳＴから形成する。ＧＳＴはすでに常用化されている相変化形光情報保存装置（ＣＤ−ＲＷやＤＶＤなど）に広く使われてきた材料として非常に安定した評価がされているため、相変化膜５２として適合する。
【０１２２】
図２１を参照すると、相変化膜５２上に第１マスク膜（図示せず）を形成する。第１マスク膜は、金属又は、金属窒化物からなることができる。第１マスク膜として使用することができる物質の例としてはチタン、チタン窒化物、タンタル、タンタル窒化物、タングステン、タングステン窒化物などを挙げることができる。これらは単独で使われたり、又は２つ以上が積層された形状を有することができる。
【０１２３】
第１マスク膜上には第２マスク膜（図示せず）が形成される。第２マスク膜は第１マスク膜をパターニングするためのエッチングマスクとして使われる。第２マスク膜はシリコン窒化物から形成することができる。
【０１２４】
第２マスク膜をパターニングすることによって第２マスクパターン５６を形成する。第２マスクパターン５６をエッチングマスクとして用い、第１マスク膜をエッチングする。上記工程によって相変化膜をエッチングするためのマスクとして使われる第１マスクパターン５４が形成される。この時、第１マスクパターン５４間の離隔される幅（ｄ）は１０００Åより狭く形成することができる。
【０１２５】
図２２を参照すると、第１及び第２マスクパターン５４、５６をエッチングマスクとして用い、アンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使って相変化膜５２をプラズマ反応性エッチングする。これにより、相変化パターン５２ａが形成される。
【０１２６】
アンモニアガスは、相変化膜５２に含まれた相変化物質と反応して、反応物が揮発することによって相変化膜５２をエッチングする。
【０１２７】
アンモニアガスをエッチングガスとして使う場合、相変化膜５２に含まれたＧｅ、Ｓｂ、Ｔｅ元素のうち、特定元素が早くエッチングさせずに、各元素が均一な速度でエッチングされる。
従って、エッチング工程内で相変化膜５２に含まれる各元素の含有比がほとんど変化しない。すなわち、エッチング工程を遂行する時に相変化膜５２にエッチングダメージがほとんど発生しない。
具体的には、相変化パターン５２ａに含まれた元素それぞれの含有比は蒸着状態での相変化膜５２に含まれた元素それぞれの含有比と比較する時、５％以内の差を有する。すなわち、蒸着状態とエッチング工程後の状態とで、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ元素は５％以内の成分含有の差を有する。
【０１２８】
また、エッチングされるべき部位の幅が非常に狭くてもエッチング速度が遅くならない。従って、相変化パターン５２ａは垂直プロファイルが良好なだけでなく、狭いピッチを有することができる。
具体的には、相変化パターン５２ａの側壁と基板５０上ａとの間の平坦面間の角度、接触角（Ｒ）は８０°以上でありうる。また、相変化パターン５２ａ間の間隔は１０００Åより小さいこともあり得る。このように、狭い間隔を有する相変化パターン５２ａを形成しても、相変化パターン５２ａの間がエッチングされない未エッチング不良がほとんど発生しない。
【０１２９】
相変化膜５２をエッチングするのに適合したエッチング条件は次のようである。
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行される。また、エッチング工程時に、７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることもできる。
【０１３０】
本実施形態の方法と異なり、相変化膜５２をエッチングするにあたって一般的に使われる塩素及びふっ素のようなハロゲン系列のガスを使う場合、相変化膜内に含まれた元素間の反応性の差によって元素間のエッチング速度が互いに異なる。これにより、エッチング工程後で生成される相変化パターン内の元素の含有比が大きく変わることになる。
相変化パターンに含まれる元素の特定成分が増加または、減少すれば、相変化パターンは相変化特性が悪くなったり、相変化特性を示すことができなくなる。また、相変化パターンで特定元素が大きく不足することになる場合には相変化パターン内の元素の結合力が弱くなることになって相変化パターンが崩壊するなどの問題が発生する。
【０１３１】
しかし、上述したように、本実施形態の方法によれば、相変化膜５２をエッチングするにあたって塩素及びふっ素のようなハロゲン系列のガスを使わずに、アンモニアガスを使うので相変化膜５２内に含まれる元素間の反応性がほとんど同一である。
従って、エッチング工程後にも相変化パターン５２ａに含まれる元素の含有比が大きく変わらずに均一に維持することができる。また、エッチング工程によって相変化パターン５２ａ内の元素の結合力が弱くならないため、相変化パターン５２ａが崩壊するなどの問題がほとんど発生しない。従って、相変化パターン５２ａは相変化特性が良好であり、パターンの側壁プロファイルが優秀である。
【０１３２】
本発明とは異なり、一般的なエッチング工程を通じて相変化膜をエッチングすると、完成された相変化パターンの表面に残留するふっ素または、塩素を含むエッチングガスによってエッチング工程が完了した以後にも相変化パターンが継続して損傷する。
従って、相変化パターンの信頼性が非常に低下する。しかし、本実施形態のように、アンモニアガスを使って相変化膜５２をエッチングする場合には完成された相変化パターン５２ａに窒素成分が残留して、相変化パターン５２ａの表面が保護される。
それにより、残留エッチングガスによって相変化パターン５２ａが損傷する問題がほとんど発生しない。これによって、相変化パターン５２ａの信頼性が高まる。
【０１３３】
また、一般的な物理的エッチング工程を遂行する場合、エッチング後に相変化パターンの含有比が変化することはないけれど、パターン形成時に側壁プロファイルが不良であるのみならず、相変化パターン間のギャップが狭い場合に未エッチング不良が多発することになる。しかし、上述したように、本実施形態の方法によれば、相変化膜を物理的エッチング工程を通じてエッチングしないため、狭いピッチを有する相変化パターン５２ａを容易に形成することができる。
【０１３４】
従って、本実施形態によれば、エッチング前後に相変化物質の組成が大きく変化しないようにしながら、狭いパターンピッチを有して、良好な垂直プロファイルを有する相変化パターンを形成することができる。
【０１３５】
＜相変化メモリ素子製造＞
図２３〜図２６は、本発明の第８の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
本実施形態の相変化メモリ素子を製造する時、図２１及び図２２を参照して説明したエッチング方法が同様に使われる。
【０１３６】
図２３を参照すると、基板３００にＮ型不純物を注入して不純物領域３０２を形成する。基板３００の一部領域をエッチングして第１方向に延長する素子分離用トレンチ３０４を形成する。素子分離用トレンチ３０４内部を満たすように素子分離膜を形成して、これを平坦化することによって素子分離膜パターン３０６を形成する。
【０１３７】
基板３００上に第１層間絶縁膜３０８を形成する。第１層間絶縁膜３０８を部分的にエッチングして不純物領域３０２を露出させる第１開口部（図示せず）を形成する。第１開口部を満たすようにシリコン膜を形成した後、第１層間絶縁膜３０８の上部面が露出するようにシリコン膜を研磨して第１開口部内部にシリコン膜パターンを形成する。
【０１３８】
次に、Ｐ型不純物をシリコン膜パターンの上部に注入して、Ｎ型不純物をシリコン膜パターンの下部に注入する。これで、第１開口部内部にＮ型不純物がドーピングされたシリコン膜パターン及びＰ型不純物がドーピングされたシリコン膜パターンを含むＰ−Ｎダイオード３１０が形成される。
【０１３９】
Ｐ−Ｎダイオード３１０上に金属シリサイド３１２ａ及び金属３１２ｂが積層されたパッド電極３１２を形成する。
【０１４０】
図２４を参照すると、第１層間絶縁膜３０８及びパッド電極３１２上に第２層間絶縁膜３１４を形成する。第２層間絶縁膜３１４の一部分をエッチングすることによって、パッド電極３１２の上部を露出する第２開口部（図示せず）を形成する。
【０１４１】
第２開口部内部を満たす下部電極コンタクト３１６を形成する。
具体的には、第２開口部側壁及び底面についてバリア金属膜を形成し、バリア金属膜上に第２開口部内部を満たす金属膜を形成する。
この後、第２層間絶縁膜の上部面が露出するように金属膜及びバリア金属膜を研磨することによって、バリア金属膜パターン３１６ａ及び金属パターン３１６ｂを含む下部電極コンタクト３１６を形成する。バリア金属膜パターン３１６ａはチタン、チタン窒化物などを含むことができ、これらは単独で形成されたり、又は２層以上積層することができる。又、金属パターン３１６ｂはタングステン、アルミニウム、銅などを含むことができる。
【０１４２】
第２層間絶縁膜３１４及び下部電極コンタクト３１６上に相変化膜３１８を形成する。
相変化膜３１８は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、Ｂｉのうちの少なくとも３つの元素を含む合金物質から形成することができる。本実施形態において、カルコゲナイド化合物のＧＳＴを蒸着させ形成する。相変化膜３１８は、物理気相蒸着工程、化学気相蒸着工程、ゾル−ゲル工程、原子層積層工程、サイクリック化学気相蒸着工程などを利用して形成することができる。
【０１４３】
相変化膜３１８上に上部電極膜３２０を形成する。上部電極膜３２０はチタン窒化物を蒸着させ形成することができる。上部電極膜３２０上にハードマスク膜３２２を形成する。ハードマスク膜３２２はシリコン窒化物を蒸着させて形成することができる。
【０１４４】
図２５を参照すると、ハードマスク膜３２２をパターニングしてハードマスクパターン３２２ａを形成する。また、ハードマスクパターン３２２ａをエッチングマスクとして利用して上部電極膜３２０をパターニングすることによって上部電極３２０ａを形成する。
【０１４５】
続いて、上部電極３２０ａ及びハードマスクパターン３２２ａをエッチングマスクとして利用して相変化膜３１８をエッチングする。
具体的には、アンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使って相変化膜３１８をプラズマ反応性エッチングする。これで、相変化パターン３１８ａが形成される。相変化膜３１８をエッチングする工程は、図２２を参照して説明したものと同様である。
【０１４６】
上記工程を通じて形成された相変化パターン３１８ａは、相変化膜３１８と比較する時に成分変化が殆どない。すなわち、相変化パターン３１８ａは表面にエッチングダメージがほとんど発生しない。相変化パターン３１８ａは垂直プロファイルが非常に良好である。また、相変化パターン３１８ａの間の間隔が非常に狭くても相変化パターン３１８ａの間のギャップ部位が未エッチングされる不良がほとんど発生しない。
【０１４７】
図２６を参照すると、第２層間絶縁膜３１４上に上部電極３２２ａを覆う第３層間絶縁膜３２４を形成する。
第３層間絶縁膜３２４の一部分をエッチングすることによって、上部電極３２０ａの上部面を一部露出するコンタクトホールを形成する。コンタクトホール内部に導電物質を蒸着することによって、上部電極コンタクト３２６を形成する。上部電極コンタクト３２６は金属物質から形成することができる。具体的には、上部電極コンタクト３２６はタングステンから形成することができる。上部電極コンタクト３２６上に配線（図示せず）を形成する。
【０１４８】
上述したように、本実施形態によれば、工程不良が減少しながら高集積化された相変化メモリ素子を実現することができる。
【０１４９】
＜第９の実施形態＞
図２７〜図２９は本発明の第９の実施形態に係る相変化メモリ素子製造方法を説明するための断面図である。
本実施形態の相変化メモリ素子を製造する時、図２１及び図２２を参照して説明したエッチング方法が同様に使われる。すなわち、本実施形態で相変化膜をエッチングする方法は第７の実施形態と同一である。しかし、相変化メモリ素子の構造は第７の実施形態と差がある。
先に、図２３を参照して説明した工程を同様に遂行する。
【０１５０】
図２７を参照すると、第１層間絶縁膜３０８及びパッド電極３１２上に第２層間絶縁膜３１４を形成する。第２層間絶縁膜３１４を貫いてパッド電極３１２と接触する下部電極コンタクト３１６を形成する。
上記工程は、図２４を参照して説明したのと同一である。
【０１５１】
第２層間絶縁膜３１４及び下部電極コンタクト３１６上に第３層間絶縁膜３５０を形成する。第３層間絶縁膜３５０はシリコン酸化物で形成され、高い緻密度を有するシリコン酸化物からなることが望ましい。一例において、第３層間絶縁膜３５０は高密度プラズマ工程を通じて形成されたシリコン酸化物で形成することができる。
【０１５２】
第３層間絶縁膜３５０の一部分をエッチングして、下部電極コンタクト３１６の上部面を露出する開口部３５２を形成する。開口部３５２は側壁傾斜を有することによって下部に行くほど内部幅が狭くなるように形成することが望ましい。この場合、下部電極コンタクト３１６と後続工程で形成される相変化パターンとの接触面積が減少する。
【０１５３】
図２８を参照すると、開口部３５２内部を満たしながら第３層間絶縁膜３５０上に相変化膜３５４を形成する。相変化膜３５４上に上部電極膜３５６を形成する。上部電極膜３５６上にハードマスク膜３５８を形成する。
【０１５４】
図２９を参照すると、ハードマスク膜３５８をパターニングしてハードマスクパターン３５８ａを形成する。上部電極膜３５６をパターニングして上部電極３５６ａを形成する。この時、上部電極３５６ａは開口部３５２の入口部位の全面を覆うように形成することが望ましい。
【０１５５】
この後、上部電極３５６ａ及びハードマスクパターン３５８ａをマスクとして用い、相変化膜３５４をエッチングすることによって相変化パターン３５４ａを形成する。
具体的には、アンモニア（ＮＨ３）ガスをエッチングガスとして使って相変化膜３５４をプラズマ反応性エッチングする。相変化膜３５４をエッチングする工程は、図２２を参照して説明したのと同一である。
【０１５６】
次いで、第３層間絶縁膜３５０上に上部電極３５６ａを覆う第４層間絶縁膜３６０を形成する。また、第４層間絶縁膜３６０を貫いて上部電極コンタクト３６２を形成する。上部電極コンタクト３６２上に配線（図示せず）を形成する。
【０１５７】
＜第１０の実施形態＞
以下に説明する第１０の実施形態の相変化パターン形成方法は、エッチングガス条件を除いて第７の実施形態の相変化パターン形成方法と同一である。従って、図２０〜２３を参照して説明する。
【０１５８】
具体的には、図２０及び図２１を参照して説明したものと同様の工程を遂行し、図２１に示した相変化膜５２、第１及び第２マスクパターン５４、５６を形成する。
【０１５９】
続いて、アンモニア（ＮＨ３）ガス及び補助エッチングガスを流入して相変化膜をプラズマ反応性エッチングすることによって相変化パターン５２ａを形成する。
補助エッチングガスは、ＣＦ４、ＣＯ、ＨＢｒ、ＳＦ６等を挙げることができ、これらのうちの少なくとも一つを使うことができる。
これに加えて、エッチング工程時に不活性ガスを流入することができる。不活性ガスはアルゴン、ヘリウムなどを挙げることができる。不活性ガスを流入することによってエッチングチャンバー内のエッチング雰囲気を調節することができる。
【０１６０】
補助エッチングガスを流入することによって、相変化パターン５２ａの形状を容易に調節することができる。すなわち、補助エッチングガスは形成しようとする相変化パターン５２ａの幅及び高さ、相変化パターン５２ａの間の間隔、相変化パターン５２ａの側壁傾斜などを考慮して流入量を調節することができる。また、補助エッチングガスの流入量を調節することによって、相変化膜のエッチング速度を調節することができる。
【０１６１】
エッチング工程は、１０〜３００℃の温度、及び１〜１０ｍＴｏｒｒの圧力下で遂行することができる。また、エッチング工程時に７００〜１５００Ｗのマイクロウェーブパワー、２００〜７００ＷのＲ．Ｆバイアスパワーを加えることができる。
【０１６２】
本実施形態の方法で相変化パターンを形成すれば、相変化膜５２に含まれるＧｅ、Ｓｂ、Ｔｅ元素のうちの特定元素だけが早くエッチングされずに、各元素が均一な速度でエッチングされる。従って、エッチング工程中に相変化膜に含まれる各元素の含有比がほとんど変化しない。すなわち、エッチング工程で相変化膜にエッチングダメージがほとんど発生しない。
【０１６３】
また、エッチングされるべき部位の幅が非常に狭くてもエッチング速度が遅くならない。従って、相変化パターンは良好な垂直プロファイルを有する。
本実施形態に係るエッチング方法を利用して、相変化メモリ素子を形成することができる。
【０１６４】
一例において、図２３及び図２４を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第１０の実施形態に係るエッチング方法を通じて相変化膜をエッチングして相変化パターンを形成する。
次に、図２６を参照して説明した工程を遂行して、図２６に示した相変化メモリ素子を形成することができる。
【０１６５】
他の例として、図２７及び２８を参照して説明したものと同じ工程を遂行した後、第１０の実施形態に係るエッチング方法を通じて相変化膜をエッチングして相変化パターンを形成する。
次に、図２９を参照して説明した工程を遂行し、図２９に示した相変化メモリ素子を形成することができる。
【０１６６】
＜比較実験＞
本発明に係る方法によって形成された相変化パターン、及び一般的な方法によって形成された相変化パターンに対しエッチング前後の成分変化率を測定して、これを比較した。
【０１６７】
＜サンプル１＞
基板上にＧＳＴ膜を形成した。本発明の第７の実施形態のエッチング方法を利用してＧＳＴ膜をエッチングして相変化パターンを形成した。すなわち、ＮＨ３をエッチングガスとして利用したプラズマエッチングを通じてＧＳＴ膜をエッチングすることによって相変化パターンを形成した。
【０１６８】
＜サンプル２＞
基板上にＧＳＴ膜を形成した。本発明の第１０の実施形態のエッチング方法を利用してＧＳＴ膜をエッチングして相変化パターンを形成した。すなわち、ＮＨ３及びＡｒをエッチングガスとして利用したプラズマエッチングを通じてＧＳＴ膜をエッチングすることによって相変化パターンを形成した。
【０１６９】
＜比較サンプル１＞
基板上にＧＳＴ膜を形成した。本発明とは異なり、一般的に使われているＨＢｒ、ＣＦ４、及びアルゴンをエッチングガスとして利用したプラズマエッチングを通じてＧＳＴ膜をエッチングすることによって相変化パターンを形成した。
【０１７０】
図３０は、サンプル１及び２と比較サンプル１の相変化パターンに対しエッチング前後の成分変化率を示すグラフである。
【０１７１】
図３０に示すように、サンプル１及び２は、蒸着された状態のＧＳＴ膜とエッチングされた後の相変化パターンで、各々Ｇｅ、Ｓｂ及びＴｅ成分の含有変化率が５％以内であり、非常に小いことが分かる。このように、エッチング工程によって完成される相変化パターン内の各元素の含有量変化が殆どないことから、本発明の方法によってＧＳＴ膜を形成すれば、ＧＳＴ膜内の特定元素だけが早くエッチングされるか、または、ゆっくりエッチングされることなく、ほとんど均一にエッチングされることが分かる。相変化パターン内の元素が蒸着状態のＧＳＴ膜と近似に維持されることによって、相変化特性が良好であるのみならず、各元素が安定に結合される。
【０１７２】
一方、比較サンプル１は、蒸着された状態のＧＳＴ膜とエッチングされた後の相変化パターンで各々Ｇｅ、Ｓｂ及びＴｅ成分の含有変化率が相対的に非常に大きいことが分かる。特に、相変化パターン内のＳｂは大きく増加した反面、Ｔｅの場合、大きく減少した。これは、エッチング工程でＧＳＴ膜内のＴｅは相対的に早くエッチングされる反面、Ｓｂは相対的にゆっくりエッチングされて、完成した相変化パターン内のＳｂ及びＴｅの成分変化が大きく見える。このように、相変化パターン内のＧｅ、Ｓｂ及びＴｅの成分が変化する場合、相変化特性が悪くなることになるのみならず、各元素の結合が不安定になり、後続工程でパターンが崩壊するなどの問題が発生する。
【０１７３】
図３１は、本発明の実施形態のメモリ素子が含まれた電子システムを示すブロック図である。
図３１を参照すると、電子システム４００は、制御器４１０、入出力装置４２０、及び記憶装置（メモリ）４３０を含む。
【０１７４】
制御器４１０、入出力装置４２０及びメモリ４３０はバス（ｂｕｓ）４５０を通じて接続される。
バス４５０は、データ及び／または動作信号が移動する通路に該当する。
制御器４１０は、少なくとも一つのマイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、マイクロコントローラ、及びこれらと類似の機能を遂行することのできる論理素子のうち、少なくとも一つを含むことができる。
【０１７５】
入出力装置４２０は、キーパッド、キーボード及び表示装置（ｄｉｓｐｌａｙ ｄｅｖｉｃｅ）等で選択された少なくとも一つを含むことができる。
【０１７６】
メモリ４３０はデータを保存する装置である。メモリ４３０はデータ及び／または、制御器４１０によって実行される命令語などを保存することができる。メモリ４３０は上述した実施形態の方法によって製造された磁気メモリ素子または、相変化メモリ素子を含むことができる。
電子システム４００は、通信ネットワークでデータを伝送したり通信ネットワークからデータを受信するためのインターフェース４４０をさらに含むことができる。
インターフェース４４０は、有線または無線形態でありうる。例えば、インターフェース４４０は、アンテナまたは有無線トランシーバーなどを含むことができる。
【０１７７】
電子システム４００は、モバイルシステム、個人用コンピュータ、産業用コンピュータ、または、多様な機能を遂行するシステムなどで具現される。例えば、モバイルシステムは個人携帯用情報端末機（ＰＤＡ；Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、携帯用コンピュータ、ウェブタブレット（ｗｅｂ ｔａｂｌｅｔ）、モバイルフォン（ｍｏｂｉｌｅ ｐｈｏｎｅ）、無線電話（ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｈｏｎｅ）、ラップトップ（ｌａｐｔｏｐ）コンピュータ、メモリカード、デジタル音楽システム（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｕｓｉｃ ｓｙｓｔｅｍ）、または、情報伝送／受信システムなどでありうる。
電子システム４００が無線通信を遂行することのできる装置である場合、電子システム４００は、ＣＤＭＡ、ＧＳＭ、ＮＡＤＣ、Ｅ−ＴＤＭＡ、ＷＣＤＡＭ、ＣＤＭＡ２０００のような３世代通信システムのような通信インターフェースプロトコルに使用される。
【０１７８】
図３２は、本発明の実施形態のメモリ素子を含むメモリカードを示すブロック図である。
図３２を参照すると、メモリカード５００は記憶装置（メモリ）５１０、及びメモリ制御器５２０を含む。
【０１７９】
記憶装置５１０はデータを保存することができる。記憶装置５１０は電源供給が中断されても保存されたデータをそのまま維持する非揮発性特性を有することが望ましい。
記憶装置５１０は上述した実施形態によって製造された磁気メモリ素子または、相変化メモリ素子を含むことができる。
メモリ制御器５２０はホスト（ｈｏｓｔ）の読み取り／書き込み要請に答えて記憶装置５１０に保存されたデータを読み取るか、又は、記憶装置５１０にデータを保存することができる。
【０１８０】
尚、本発明は、上述の実施形態に限られるものではない。本発明の技術的範囲から逸脱しない範囲内で多様に変更実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本発明は、不揮発性メモリ素子を内蔵する全ての電子機器に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１８２】
１０、５０ 基板
１２ 磁性物質膜
１２ａ 下部磁性膜
１２ｂ トンネルバリア膜
１２ｃ 上部磁性膜
１４ 磁性パターン
１６ マスクパターン
５２ 相変化膜
５４ 第１マスクパターン
５６ 第２マスクパターン
１００、２００ 半導体基板
１０２ ゲート酸化膜
１０４、２０４ ゲート電極
１０６ 不純物領域
１０８、２０８ 第１層間絶縁膜
１１０ 第１コンタクトプラグ
１１２ 導電パターン
１１４ 第２層間絶縁膜
１１６ 下部電極コンタクト
１１８ バリア金属膜
１２０ 固定膜構造物
１２０ａ 固定膜
１２０ｂ 下部強磁性膜
１２０ｃ 反強磁性カップリングスペーサ膜
１２０ｄ 上部強磁性膜
１２１ 固定膜積層パターン
１２２ トンネルバリア膜
１２４ 自由膜
１２６ａ マスクパターン
１２８ 第３層間絶縁膜
１３０ 上部電極コンタクト
１３２、２３２ ビットライン
２１２ａ デジットライン
２１２ｂ パッド電極
３００ 基板
３０２ 不純物領域
３０６ 素子分離膜パターン
３０８ 第１層間絶縁膜
３１０ Ｐ−Ｎダイオード
３１２ パッド電極
３１２ａ 金属シリサイド
３１２ｂ 金属
３１４ 第２層間絶縁膜
３１６ 下部電極コンタクト
３１６ａ バリア金属膜パターン
３１６ｂ 金属パターン
３１８ 相変化膜
３２０ 上部電極膜
３２２ ハードマスク膜
３２４、３５０ 第３層間絶縁膜
３２６ 上部電極コンタクト
３５４ａ 相変化パターン
３５６ａ 上部電極
３５８ａ ハードマスクパターン
３６０ 第４層間絶縁膜
３６２ 上部電極コンタクト
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、磁性物質、又は少なくとも３つの元素を含む合金からなった相変化物質のいずれか一つの物質を含むエッチング対象膜を形成する段階と、
少なくともアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むエッチングガスを使って前記エッチング対象膜をプラズマ反応性エッチングすることによってパターン構造物を形成する段階とを有することを特徴とする半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項２】
前記磁性物質を含むエッチング対象膜は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項３】
前記エッチング対象膜をエッチングするエッチングガスは、ふっ素含有ガスをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項４】
前記ふっ素含有ガスは、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、及びＣＦ４からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項５】
混合された前記エッチングガスに含まれる前記アンモニアガスの流量は、前記ふっ素含有ガスの流量と同一であるか、又は、前記ふっ素含有ガスの流量より多いことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項６】
前記パターン構造物を形成した後、前記パターン構造物に付着したポリマーを除去するための後処理を実行することを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項７】
前記相変化物質を含むエッチング対象膜は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、及びＢｉからなる群から選択される少なくとも３つの元素を含む合金物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項８】
前記エッチングガスは、Ａｒ、ＣＦ４、ＣＯ、Ｈｂｒ、及びＳＦ６からなる群から選択される少なくとも一つをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項９】
前記パターン構造物に含まれる元素それぞれの含有量は、エッチング以前の前記エッチング対象膜に含まれる元素それぞれの含有量と比較する時、その含有量変化率が５％以内であることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項１０】
前記パターン構造物間の間隔は、１０００Å以内であることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項１】
基板上に、磁性物質、又は少なくとも３つの元素を含む合金からなった相変化物質のいずれか一つの物質を含むエッチング対象膜を形成する段階と、
少なくともアンモニア（ＮＨ３）ガスを含むエッチングガスを使って前記エッチング対象膜をプラズマ反応性エッチングすることによってパターン構造物を形成する段階とを有することを特徴とする半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項２】
前記磁性物質を含むエッチング対象膜は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｔｂ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、及びＭｎからなる群から選択される少なくとも２つの元素を含む合金物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項３】
前記エッチング対象膜をエッチングするエッチングガスは、ふっ素含有ガスをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項４】
前記ふっ素含有ガスは、ＳＦ６、ＮＦ３、ＳｉＦ４、及びＣＦ４からなる群から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項５】
混合された前記エッチングガスに含まれる前記アンモニアガスの流量は、前記ふっ素含有ガスの流量と同一であるか、又は、前記ふっ素含有ガスの流量より多いことを特徴とする請求項３に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項６】
前記パターン構造物を形成した後、前記パターン構造物に付着したポリマーを除去するための後処理を実行することを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項７】
前記相変化物質を含むエッチング対象膜は、Ｇｅ、Ｓｂ、Ｔｅ、Ｉｎ、及びＢｉからなる群から選択される少なくとも３つの元素を含む合金物質を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項８】
前記エッチングガスは、Ａｒ、ＣＦ４、ＣＯ、Ｈｂｒ、及びＳＦ６からなる群から選択される少なくとも一つをさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項９】
前記パターン構造物に含まれる元素それぞれの含有量は、エッチング以前の前記エッチング対象膜に含まれる元素それぞれの含有量と比較する時、その含有量変化率が５％以内であることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【請求項１０】
前記パターン構造物間の間隔は、１０００Å以内であることを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のパターン構造物形成方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【公開番号】特開２０１１−１０３４６７（Ｐ２０１１−１０３４６７Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５２６７４（Ｐ２０１０−２５２６７４）
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．ＧＳＭ
【出願人】（３９００１９８３９）三星電子株式会社 (8,520)
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】４１６，Ｍａｅｔａｎ−ｄｏｎｇ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ−ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ−ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ−ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
【Ｆターム（参考）】
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