專利名稱：磁存儲器裝置和磁存儲器裝置的制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁隨機存取存儲器(下面，簡稱為MRAM)的存儲單元，特別涉及利用了磁阻效應元件的磁存儲器裝置和磁存儲器裝置的制造方法。
背景技術：
所謂MRAM是作為信息的記錄媒體利用了鐵磁性體的取決于磁性方向的阻擋層電阻值的變化，可以隨時改寫、保持和讀出記錄信息的非易失性固體存儲器的總稱。MRAM存儲單元通常具有層疊了多個鐵磁性體和阻擋層的結構。例如，把作為第1鐵磁性層的釘扎層、作為絕緣層的阻擋層、和作為第2鐵磁性層的自由層層疊而形成，第1、第2這2個鐵磁性層形成為夾住阻擋層。
上述存儲單元的配置部位為以交叉條狀構成的讀出線和字線的矩陣狀的多個交叉點。此外，存儲單元配置成被讀出線和字線夾住。
信息的記錄以使構成存儲單元的釘扎層與自由層的磁化方向是互相相同的方向、還是互相相反的方向與2進制信息“1”、“0”對應來進行。記錄信息的寫入，通過利用使電流在字線中流動所產(chǎn)生的磁場使各存儲單元的自由層的磁化方向翻轉來進行。該存儲單元是記錄保持時的消耗功率在原理上為零，且即使切斷電源也能夠進行記錄保持的非易失性存儲器。
記錄信息的讀出，利用存儲單元的阻擋層的電阻隨著作為構成存儲單元的鐵磁性體的釘扎層與自由層的相對磁化方向、與讀出電流的相對角，或釘扎層與自由層間的磁化方向的相對角而變化的現(xiàn)象，即所謂磁致電阻效應來進行。
在此，舉出MRAM的功能與現(xiàn)有的使用電介質(zhì)的電荷存儲型半導體存儲器，例如DRAM的功能之不同點。第1，它是完全非易失性的，并且可改寫1015以上的次數(shù)。第2，可進行非破壞讀出，由于不需要刷新工作，故可縮短讀出周期。第3，與電荷儲存型存儲單元相比，對放射線的信息保持耐性強。
估計MRAM每單位面積的集成度、寫入和讀出時間能夠與DRAM大概為相同程度。從而，產(chǎn)生完全非易失性那樣的重大的特色，可以期待在攜帶設備用的外部記錄裝置、與LSI混合安裝應用、以及個人計算機主存存儲器上應用。
在當前正在進行實用化研究的MRAM中，作為存儲單元有使用磁隧道結元件(下面，稱為MTJ元件)的MRAM(例如，參照美國專利第5946228號說明書和美國專利第6072718號說明書)。
MTJ元件主要利用由鐵磁性層/絕緣層(隧道阻擋層)/鐵磁性層構成的三層膜來構成，電流通過隧道效應流過絕緣層。絕緣層的隧道電阻值與兩鐵磁性層的磁化的相對角的余弦成正比地變化，在兩磁化反平行的情況下取極大值。例如，在NiFe/Co/Al2O3/Co/NiFe隧道結中，在50Oe以下的低磁場中，可以見到超過25％的磁阻變化率。
作為MTJ元件形成時的微細加工，一般是把通常的光刻與使用了Ar離子的離子蝕刻并用的加工工藝。
此外，在半導體領域中，還有化學干蝕刻(下面，簡記為CDE)、反應性離子蝕刻(下面，簡記為RIE)等利用了化學反應的干蝕刻法的蝕刻方法。
此外，在美國專利第5946228號說明書和美國專利第6072718號說明書中描述了有關現(xiàn)有MRAM的結構的詳細說明。如上所述，為了形成MTJ元件，必須通過蝕刻或離子蝕刻對MTJ元件形成用的磁性體膜和阻擋膜的層疊膜進行微細加工。在MTJ元件部分的微細加工中使用的離子蝕刻法是物理的濺射法。但是，在離子蝕刻法的微細加工中，存在著隨著加工被加工物質(zhì)成為殘渣而再附著在光刻膠掩模側面、被加工MTJ元件部分、和加工裝置內(nèi)部的問題。
此外，當前，在化學干蝕刻(CDE)、反應性離子蝕刻(RIE)等利用了化學反應的Si、SiO2等的蝕刻中，這些被加工物成為具有較高蒸氣壓的鹵化物，可以氣相原樣去除。但是，在MTJ元件形成中使用的Fe、Ni、Co、Cu等3d過渡金屬的鹵化物的蒸氣壓較低，存在著難以原樣使用在半導體加工中使用的蝕刻工藝的問題。
此外，還設計出使用一氧化碳和氨的混合氣體形成金屬有機化合物進行化學蝕刻的方法，但是，該方法具有化學反應速度不夠快，且必須混有用反應氣體進行的物理濺射等的問題，未達到實用化。
但是，如果按照使用了物理濺射的微細加工工藝，則在被加工TMR元件部分的側面上殘留上述被加工物質(zhì)的殘渣膜。有時該殘渣膜具有導電性，使絕緣性阻擋膜短路，成為MRAM單元初期不合格的原因。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一種方式的磁存儲器裝置，具有基板；以及在上述基板上形成的布線層，上述布線層包含下部電極；配置在上述下部電極之上、包含絕緣阻擋層而構成的磁阻效應元件；層疊在上述磁阻效應元件之上的至少一個接觸層；以及與上述接觸層連接的上部布線，上述磁阻效應元件具有在通過離子束蝕刻的元件形成以后利用離子束蝕刻進行了清洗處理的傾斜側面。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在基板上形成絕緣層，在上述絕緣層上形成下部電極，在上述下部電極的上表面形成磁阻效應膜，該磁阻效應膜包含絕緣阻擋層、和夾住該絕緣阻擋層而層疊的多個磁性體膜，在上述磁阻效應膜之上層疊掩膜層，把上述掩模層作為掩模使用對上述磁阻效應膜進行離子蝕刻加工以形成磁阻效應元件，在上述掩模、上述磁阻效應元件、和上述下部電極的上表面形成絕緣膜，利用離子束對上述絕緣膜進行蝕刻以使上述磁阻效應元件的側面露出。
此外，根據(jù)本發(fā)明的另一方式的磁存儲器裝置，具有基板；以及在上述基板上形成的布線層，上述布線層包含下部電極；配置在上述下部電極之上、包含絕緣阻擋層而構成的磁阻效應元件；層疊在上述磁阻效應元件之上的至少一個接觸層；以及與上述接觸層連接的上部布線，包含上述絕緣阻擋層的磁阻效應元件的側面對其底面形成的錐形角為約60度以下。


圖1示出本發(fā)明第1實施方式的磁存儲器裝置中的、形成了MTJ元件的布線層的結構的剖面圖。
圖2示出本發(fā)明第1實施方式的磁存儲器裝置的結構的剖面圖。
圖3A詳細地示出用于形成圖1、圖2示出的磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖3B為接圖3A的、詳細地示出用于形成圖1、圖2示出的磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖3C為接圖3B的、詳細地示出用于形成圖1、圖2示出的磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖4A為接圖3C工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖4B為接圖4A工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖4C為接圖4B工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖5A為接圖4C工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的包含MTJ元件的布線層的工序的剖面圖。
圖5B為接圖5A工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的包含MTJ元件的布線層的工序的剖面圖。
圖5C為接圖5B工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的包含MTJ元件的布線層的工序的剖面圖。
圖6A為更詳細地示出圖4A和圖4B示出的MTJ元件的形成工序的剖面圖。
圖6B為接圖6A的、更詳細地示出圖4A和圖4B示出的MTJ元件的形成工序的剖面圖。
圖6C為接圖6B的、更詳細地示出圖4A和圖4B示出的MTJ元件的形成工序的剖面圖。
圖7示出生成在圖6A～圖6C示出的切削工序中使用的Ar離子束的射束源與基板之關系的簡圖。
圖8A示出在圖6A～圖6C工序中的Ar離子束入射角為45°時的、所形成的MTJ元件每單位面積的結電阻(RA)的累積頻數(shù)分布的圖。
圖8B示出在圖6A～圖6C工序中的Ar離子束入射角為30°時的、所形成的MTJ元件每單位面積的結電阻(RA)的累積頻數(shù)分布的圖。
圖8C示出在圖6A～圖6C工序中的Ar離子束入射角為0°時的、所形成的MTJ元件每單位面積的結電阻(RA)的累積頻數(shù)分布的圖。
圖8D示出以使圖6A～圖6C工序中的Ar離子束入射角為45°進行蝕刻以后，再使其入射角為45°再進行蝕刻時的、所形成的MTJ元件每單位面積的結電阻(RA)的累積頻數(shù)分布的圖。
圖9A示出使Ar離子束垂直于基板入射時的MTJ元件的形成工序的剖面圖。
圖9B為接圖9A的、示出使Ar離子束垂直于基板入射時的MTJ元件的形成工序的剖面圖。
圖9C為接圖9B的、示出使Ar離子束垂直于基板入射時的MTJ元件的形成工序的剖面圖。
圖10示出濺射效率隨離子束入射角(θ)的變化的圖。
圖11A示出跨過絕緣阻擋層的側面的角度為70°時的MTJ元件的剖面圖。
圖11B示出跨過絕緣阻擋層的側面的角度為62°時的MTJ元件的剖面圖。
圖11C示出跨過絕緣阻擋層的側面的角度為58°時的MTJ元件的剖面圖。
圖11D示出跨過絕緣阻擋層的側面的角度為50°時的MTJ元件的剖面圖。
圖12示出MTJ元件的跨過絕緣阻擋層的側面的角度變化引起的磁存儲器裝置的不合格率的圖。
圖13A示出在對硬掩模側面不傾斜的狀態(tài)下，通過使Ar離子束斜入射形成MTJ元件時的磁存儲器裝置的結構的剖面圖。
圖13B為接圖13A的、示出在對硬掩模側面不傾斜的狀態(tài)下，通過使Ar離子束斜入射形成MTJ元件時的磁存儲器裝置的結構的剖面圖。
圖13C為接圖13B的、示出在對硬掩模側面不傾斜的狀態(tài)下，通過使Ar離子束斜入射形成MTJ元件時的磁存儲器裝置的結構的剖面圖。
圖14A為用于說明用于形成本發(fā)明第2實施方式的磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的元件剖面圖。
圖14B為接圖14A的、用于說明用于形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的元件剖面圖。
圖15A為接圖14B工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖15B為接圖15A的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖16示出絕緣材料的蝕刻速度隨離子束入射角(θ)的變化的圖。
圖17A詳細地示出用于形成本發(fā)明第3實施方式的磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖17B為接圖17A的、詳細地示出用于形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖18A為接圖17B工序的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖18B為接圖18A的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
圖18C為接圖18B的、詳細地示出形成磁存儲器裝置中的MTJ元件的工序的剖面圖。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明的第1實施方式。再有，在下述第1實施方式的說明中，為了避免說明的重復，對于相同或類似的結構要素使用相同的標號并省略其詳細的說明。
首先，圖1示出作為本發(fā)明的一實施方式的磁阻效應元件形成的MTJ元件30的剖面圖。圖1中，在下部電極28上形成MTJ元件30，在MTJ元件30之上形成掩模(下面，稱為硬掩模)36。把層間絕緣膜40形成為一體，以便覆蓋下部電極28、MTJ元件30和硬掩模36全體。硬掩模36的上表面與層間絕緣膜40的上表面在同一面內(nèi)，且從層間絕緣膜40露出。
此外，MTJ元件30為4層結構，具有反鐵磁性層32、第1鐵磁性層33、絕緣阻擋層34和第2鐵磁性層35，以此順序依次在下部電極28上形成。此外，第1鐵磁性層33稱為釘扎層，第2鐵磁性層35稱為自由層。本實施方式中，把MTJ元件30作成4層結構，但不限于4層，在實施過程中在不脫離其主旨的范圍內(nèi)可進行各種變形。
在此，以后把在MTJ元件30中形成的包含絕緣阻擋層34的磁性層的側面的角稱為錐形角θmtj，把在硬掩模36上形成的側面的角稱為錐形角θt。圖1中，這些角作為與下部電極28的表面的夾角θmtj或者與MTJ元件30表面的夾角θt來定義，但是，由于像后述那樣把下部電極28的表面形成為與圖2所示的基板11的表面平行，故結果是這些角也可以作為例如與基板11表面的法線的夾角來定義。在圖1的實施方式的情況下，設定成錐形角θt比錐形角θmtj大。
具有錐形角θt的硬掩模36的形成，由例如RIE等蝕刻進行。此外，MTJ元件30的形成，把具有上述錐形角θt的硬掩模36用作掩模，由例如使用了Ar離子等的離子切削、即離子蝕刻進行。
這樣，形成為硬掩模36具有錐形角θt，MTJ元件30具有比其小的不同的錐形角θmtj。
接著，參照圖2的剖面圖及其制造工藝，對于在基板上形成了具有包含上面已說明的MTJ元件30的布線層的磁存儲器裝置的實施方式的結構加以說明。
圖2中，在半導體基板11的表面區(qū)形成多個元件分離絕緣膜12，例如利用雜質(zhì)擴散在這些元件分離絕緣膜12之間形成的元件形成區(qū)內(nèi)形成源/漏區(qū)15a、15b。在源/漏區(qū)15a、15b之間的半導體基板11之上，形成柵絕緣膜13和柵極14。如以后說明的那樣，該柵極14作為在MTJ元件30中存儲的信息的讀出用的字線來使用。
之后，覆蓋形成了柵絕緣膜13和柵極14的半導體基板11的上部，形成第1層間絕緣膜16。為了與源/漏區(qū)15a、15b的每一個的上表面連接，在第1層間絕緣膜16中在2個部位上形成接觸栓塞17、18。接觸栓塞17與一方的第1源/漏區(qū)15a的上表面連接，接觸栓塞17的上部與布線19連接。
接觸栓塞18與另一方的源/漏區(qū)15b的上表面連接，接觸栓塞18的上部與電源線、即作為源線的布線20連接。該接觸栓塞17和布線19可以通過利用例如雙重鑲嵌法的銅的淀積一次形成。接觸栓塞18和布線20也可以同樣形成。在形成這些導電部以后，利用CMP研磨層間絕緣膜16和布線19、20的表面，進行平坦化。
隨后，在上述形成了的第1層間絕緣膜16的上部形成第2層間絕緣膜21。在第2層間絕緣膜21中形成通路栓塞22，以與通過CMP露出的布線19的上表面連接，該通路栓塞22的上部與布線23連接。此外，與該布線23相鄰在第2層間絕緣膜21中同樣形成作為以后說明的寫入用的字線用的布線24。該通路栓塞22和布線23仍然利用雙重鑲嵌法形成，而布線24可以利用單鑲嵌法形成。
在上述形成了的第2層間絕緣膜21、布線23、24的CMP以后，在包含布線23和布線24的層間絕緣膜21的上部還形成層間絕緣膜25。在此，為了與通過CMP而露出層間絕緣膜21的表面的布線23的主表面連接，通過例如利用單鑲嵌法和CMP可形成貫穿層間絕緣膜25的通路栓塞26。
之后，在第3層間絕緣膜25的上部形成作為圖1示出的下部電極28用的布線28，以與通過CMP而露出的通路栓塞26的上部連接。在該下部電極28上表面上依次形成MTJ元件30和硬掩模36。由于該結構用圖1作了說明，故在此省略。
以覆蓋上述形成了的下部電極28、MTJ元件30和硬掩模36全體的方式形成第4層間絕緣膜40。在該第4層間絕緣膜40的CMP以后，在層間絕緣膜40上形成與MTJ元件30的硬掩模36連接的讀出線、即作為位線用的布線41。
在此，如圖1中說明了的那樣，在MTJ元件30與布線41之間插入的硬掩模36作為用單一材料形成的一層結構來構成，但是，也可以使用由用多種材料形成的多個層構成的硬掩模。
在上面說明了的磁存儲器裝置中，到在半導體基板11上依次配置使用多個層間絕緣膜16、21、25、40形成了的多個布線層為止的形成方法迄今是公知的，省略這些結構和制造工藝的詳細說明。
以后要說明，由源/漏區(qū)15a、15b；柵絕緣膜13；以及柵極14構成的MOS型晶體管用作讀出存儲在MTJ元件30中的信息時的開關元件。
在此，下部電極28和MTJ元件30的詳細結構和制造工序后面再描述。此外，布線24如上述那樣，是在信息寫入時與位線41組合用的字線，要作成通過比較薄的層間絕緣膜25在MTJ元件30的緊貼它的正下方形成以效率良好地進行寫入。
在此，詳細地說明這樣形成的磁存儲器裝置中的讀出和寫入工作。MTJ元件30具有的電阻的大小起因于上述說明的MTJ元件30內(nèi)的自由層與釘扎層這兩個鐵磁性層每一個的旋轉的相對方向。從而，通過使該自由層的旋轉方向翻轉來進行數(shù)據(jù)的寫入。
以互相正交的方式形成位線用的布線41和字線用的布線24，寫入時電流分別在布線41和布線24中流動。于是，作為MTJ元件30中的一個鐵磁性層的自由層的旋轉方向，根據(jù)由在布線41和布線24中流動的直流電流形成的磁場而發(fā)生變化。該旋轉方向控制MTJ元件30的絕緣阻擋層的電阻值。
在讀出時，讀出電壓施加到作為讀出用字線的柵極14上，具有該柵極14的MOS晶體管成為ON狀態(tài)。其結果，在作為位線的布線41中流動的讀出電流通過MTJ元件30，依次流過下部電極28、通路栓塞26、布線23、通路栓塞22、布線19、接觸栓塞17、源/漏區(qū)15a、和電源線20。
在此，由于該MOS晶體管為ON狀態(tài)，故電流從一個源/漏區(qū)15a流到另一個源/漏區(qū)15b，然后，通過接觸栓塞18流過作為電源線的布線20。
此時，當MTJ元件30的電阻大時，由于在布線41與下部電極28之間流動的讀出電流的量較小，故通過與位線41連接的、未圖示的讀出電路讀出例如“0”信息。此外，當MTJ元件30的電阻小時，讀出電流較大，讀出例如“1”信息。
在寫入時，由于對作為讀出用字線的柵極14不施加電壓，故該MOS晶體管為OFF狀態(tài)。而且，在布線41(位線)和布線24(字線)中流動的電流形成的磁場方向設定MTJ元件30中的旋轉方向。例如，如果寫入對象MTJ元件30中的旋轉方向與寫入數(shù)據(jù)的內(nèi)容一致，則在數(shù)據(jù)寫入以后看上去該元件30的狀態(tài)也不變，但當內(nèi)容不同時，要根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容來改變旋轉方向。結果，每一個MTJ元件的電阻值的大小，根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容來設定。
在此，下面使用圖3A～圖5C，說明本實施方式的上述下部電極28和MTJ元件30的制造工藝的詳細說明。
首先，在圖3A中，對層間絕緣膜25和通路栓塞26的上表面進行CMP處理，在其上部依次形成銅等的導電性的布線層膜27、磁阻效應膜31、硬掩模膜36A和另一硬掩模膜37A。
磁阻效應膜31具有用于形成圖1、圖2示出的MTJ元件的復合膜結構，包含在為了形成圖1示出的布線層28而淀積的布線層膜27上依次形成的反鐵磁性層32、鐵磁性層33、絕緣阻擋層34、和鐵磁性層35。為了在磁阻效應膜31上形成硬掩模膜36A，作為材料使用Ta，通過濺射形成為其膜厚為厚度150nm。
接著，在該硬掩模膜36A之上形成硬掩模膜37A。作為該硬掩模膜37A的材料使用SiO2，通過濺射來形成為其膜厚為厚度100nm。圖3A示出該狀態(tài)。
隨后，為了對上側的硬掩模膜37A進行構圖以形成圖3B示出的硬掩模37，在硬掩模膜37A的上表面上淀積未圖示的光刻膠膜。為了形成與硬掩模膜37對應的圖形，通過曝光對該光刻膠膜進行構圖。本實施方式中，上述構圖通過利用使用了準分子激光器的曝光裝置的光刻來進行。
在該硬掩模膜37A之上對光刻膠進行構圖時，通過使用CHF3、在反應室壓力為1Pa、高頻功率為150W的條件下的RIE對硬掩模膜37A進行蝕刻。在有選擇地蝕刻該硬掩模膜37A而形成硬掩模37時，通過使用O2進行灰化而剝離硬掩模37上部的光刻膠圖形。此外，還繼續(xù)進行利用丙酮的超聲波清洗。結果，如圖3B所示形成硬掩模37。
接著，使用這樣形成的硬掩模37，通過使用CHF3、CF4和O2、在反應室壓力為5Pa、高頻功率為150W的條件下的RIE對硬掩模膜36A進行蝕刻?；蛘?，也可以通過使用C12的RIE進行蝕刻。其結果，如圖3C所示，把上側的硬掩模37的形狀轉印到硬掩模膜36A上，形成硬掩模36。
然后，通過使用例如CHF3、在反應室壓力為1Pa、高頻功率為150W的條件下的RIE對硬掩模36上部的硬掩模37進行蝕刻，剝離硬掩模37。于是，如圖4A所示，在磁阻效應膜31上形成硬掩模36。
接著，使用這樣形成的硬掩模36，進行磁阻效應膜31的蝕刻。通過該磁阻效應膜31的蝕刻，磁阻效應膜31按硬掩模36的形狀分離，如圖4B所示以具有錐形面的MTJ元件30的形狀構圖。
在本實施方式中，用于形成上述MTJ元件30的離子蝕刻把硬掩模36作為掩模，用Ar離子蝕刻法進行。Ar離子蝕刻通過使用例如圖7所示那樣的Ar離子源1，使產(chǎn)生的Ar離子束以相對于在半導體11主表面的法線的入射角θ轟擊來進行。進行該Ar離子蝕刻時的條件為，例如在Ar離子源1與基板11之間施加的離子加速電壓VB＝400V，離子束的電流量IB＝100mA，把朝向基板11的入射角θ設定為30°或45°。
通過該Ar離子蝕刻，如圖4B所示，硬掩模36的側面被蝕刻成具有側面與底面的角θt的梯形形狀，同樣，MTJ元件30也成為具有角θmtj的梯形。該離子蝕刻的詳細說明見后述。
接著，如圖4C所示，為了形成布線層28，在布線層膜27上形成覆蓋硬掩模36和MTJ元件30的硬掩模38。為此，把基板11整體作為硬掩模膜，通過濺射形成例如SiO2膜，以使其膜厚為厚度80nm。然后，在該SiO2膜整體上淀積光刻膠膜，通過光刻法對該光刻膠膜進行構圖，形成與硬掩模38相當?shù)墓饪棠z掩膜。
通過使用該光刻膠掩模對SiO2膜進行構圖，形成硬掩模38。該構圖使用CHF3、在反應室壓力為1Pa的條件下通過RIE進行蝕刻，在未圖示的光刻膠掩膜下形成圖4C形狀的硬掩模38。
然后，通過使用O2對光刻膠掩模進行灰化而剝離該光刻膠掩模。此外，還繼續(xù)進行利用丙酮的超聲波清洗。其結果，形成如圖4C所示那樣的形狀的硬掩模38。
接著，使用該硬掩模38對布線層膜進行蝕刻。該蝕刻在加速電壓VB＝400V和入射角θ為0°的條件下通過Ar離子蝕刻來進行。其結果，形成圖5A所示的下部電極28。
然后，與硬掩模37一樣，通過例如使用CHF3、在反應室壓力為1Pa、高頻功率為150W的條件下的RIE進行蝕刻，剝離硬掩模38。其結果，如圖5A所示，成為在與通路栓塞26連接的下部電極層28上形成了MTJ元件30和硬掩模36的狀態(tài)。
接著，如圖5B所示，通過濺射與層間絕緣膜25、作為下部電極的布線層28和硬掩模36上部一體地形成層間絕緣膜40。作為用于形成該層間絕緣膜40的條件，例如在1毫乇的Ar和O2的氣氛中，提供150W高頻功率的濺射能量，形成為其膜厚為600nm。其結果，形成圖5B所示那樣的形狀的，具有與MTJ元件30和硬掩模36對應的部分伸出去的臺階差的形狀的層間絕緣膜40。
接著，通過利用丙酮的超聲波清洗法，清洗形成了上述層間絕緣膜40的基板全體。
然后，在表面具有臺階差的層間絕緣膜40的上部涂布未圖示的光刻膠膜。本實施例中，以大約600nm的厚度形成了表面平坦的光刻膠涂布膜。然后，把全體放在N2氣氛中的烘箱內(nèi)在220℃的狀態(tài)下保持30分鐘，進行硬烘干。
接著，對上述已硬烘干的光刻膠涂布膜進行利用RIE的灰化。該RIE使用例如CF4、把反應室壓力設定為5Pa進行。其結果，以大致相等的速度、與基板表面平行地蝕刻光刻膠涂布膜和層間絕緣膜40，如圖5C所示那樣最終把層間絕緣膜40的表面大致平坦地一直蝕削到硬掩模36的上部水平面。
接著，如圖5C所示，為了對用Ta形成的硬掩模36的露出表面進行接觸清洗，進行Ar離子蝕刻。進行該Ar離子蝕刻的條件為，例如加速電壓VB＝40V，離子束電流量IB＝250mA、入射角θ是0°，束照射時間是0.4分鐘。
然后，在已清洗的硬掩模36的上表面和層間絕緣膜40上部形成用于形成圖2所示的讀出線41的、未圖示的金屬膜。該金屬膜的材料使用例如Ta，通過濺射形成為其膜厚為厚度10nm。再有，也可以用銅形成來代替Ta。在使用Cu的情況下，通過濺射來形成為其膜厚為厚度200nm。
然后，以規(guī)定的厚度在硬掩模36上方形成了的Ta膜上部淀部未圖示的光刻膠膜。在形成光刻膠膜時，使該光刻膠膜曝光而形成光刻膠圖形。
還通過在其上部形成了的光刻膠圖形，利用Ar離子蝕刻對Ta膜進行構圖。進行Ar離子蝕刻的條件為，例如加速電壓VB＝400V，入射角θ是30°。由此，對Ta膜進行蝕刻，以使其成為與光刻膠圖形一樣的形狀。其結果，上述Ta膜成為規(guī)定形狀的上部布線、即讀出線41。
通過使用O2進行灰化而剝離在該Ta膜的蝕刻中使用了的光刻膠圖形。此外，還繼續(xù)進行利用丙酮的超聲波清洗。
這樣，形成具有圖2所示的剖面結構的磁存儲器裝置。最后，在磁場中對該形成了的磁存儲器裝置進行熱處理。該熱處理在磁場強度為6.5kOe，溫度保持為300℃，長1小時的真空狀態(tài)的條件下進行。
再有，上述硬掩模36只要是具有導電性的材料即可，并不限定于Ta。此外，作為其它硬掩模37和硬掩模38的材料使用了SiO2，但不僅限于此，也可以使用例如AlOX、SiN、SiON、有機玻璃等。但是，如圖3C和圖4A所示，由于必須在進行了硬掩模36的蝕刻以后通過蝕刻而剝離硬掩模37，故必須考慮能夠比硬掩模36更容易地去除硬掩模37的蝕刻選擇比。此外，說明了硬掩模36和硬掩模37的膜厚分別為150nm、100nm，但膜厚可以不限于此。同樣，上述硬掩模36、層間絕緣膜40和上部布線41的膜厚也可以不限于此來形成。
進而，關于進行RIE時的設定條件、進行Ar離子蝕刻時的加速電壓VB和離子電流量IB的設定條件、進行濺射時的設定條件、進行光刻膠圖形的剝離的方法和在磁場中的熱處理的設定條件不限定于上述實施方式中所述的，在實施過程中在不脫離其主旨的范圍內(nèi)可進行各種變形。
此外，上面說明了的MTJ元件30的微細加工通過利用使用了準分子激光器的曝光裝置的光刻和Ar離子來進行，但是，也可以通過使用了接觸對準器的光刻來代替利用使用了準分子激光器的曝光裝置的光刻來形成該微細加工。
接著，參照圖6A～圖6C，說明MTJ元件30的制造工藝。圖6A～圖6C為示出本實施方式的MTJ元件的加工工藝的剖面圖。
圖6A示出在半導體基板11上方形成的下部電極28、用于形成MTJ元件30的磁阻效應膜31、和具有錐形角θt的硬掩模36。而且，使Ar離子束對磁阻效應膜31和硬掩膜36的上表面斜入射，以與其法線方向形成角θ。在此，使Ar離子束以θ＝45°入射。維持該狀態(tài)的原樣，例如使基板11轉動時，就使Ar離子束在遍及硬掩模36全周的范圍內(nèi)以45°入射。
其結果，如圖6B所示，利用Ar離子束沿著硬掩模36蝕削磁阻效應膜31，形成MTJ元件30。沿著MTJ元件30和硬掩模36的側面示出的箭頭，表示來自硬掩模36和MTJ元件30側面的反跳Ar離子的軌跡。
在圖6C的MTJ元件30和硬掩模36的側面上示出的2個橢園表示利用離子束蝕刻的MTJ元件30和硬掩模36濺射的被蝕刻物質(zhì)的分布。即，在進行Ar離子蝕刻時，由于硬掩模36具有錐形角θt，故濺射的被蝕刻物質(zhì)不附著在MTJ元件30的側面上。
在此，如圖7所示，從離子源1產(chǎn)生的Ar離子束向基板11輻射。該基板11設置在未圖示的樣品臺上，通過使樣品臺轉動可以使基板11轉動。在樣品臺圍繞基板11的法線轉動時，Ar離子束以相同的入射角轟擊基板11的全部表面，進行Ar離子蝕刻。此外，如果把安裝在樣品臺上的磁存儲器裝置基板11的、形成MTJ元件30的主表面?zhèn)扰渲贸沙?，則Ar離子蝕刻所蝕削的被蝕刻物質(zhì)由于重力而不附著在MTJ元件30的側面上。
接著，參照圖8A～圖8D，這些圖示出改變形成MTJ元件30時的Ar離子蝕刻的入射角θ時的，MTJ元件30每單位面積的絕緣阻擋層的結電阻的累積頻數(shù)分布。在此，作成多個4μm2的方形MTJ元件，在利用圖6A～圖6C中說明了的Ar離子束形成每一個MTJ元件30時，改變蝕刻角θ，觀察了其傾向。
在圖8A～圖8D示出的每一個圖中，橫軸為對每單位面積的結電阻(下面，稱為RA)取對數(shù)后的值，單位為Ω·μm2，縱軸表示累積頻數(shù)。圖8A是θ＝45°時進行的情況，圖8B是θ＝30°時進行的情況。圖8C是θ＝0°時進行的情況。圖8D是在θ＝0°時進行離子蝕刻以后，再在θ＝45°時再進行蝕刻時的情況。
首先，圖8A所示的使離子束入射角θ為45°時進行的情況，示出幾乎全部磁存儲器裝置的樣品的結電阻RA為107Ω·μm2～108Ω·μm2。這樣，在θ＝45°時，幾乎全部磁存儲器裝置的樣品示出充分的結電阻之值。
圖8B所示的離子束入射角θ為30°時的情況也示出正常的值。但是，結電阻RA小的、處于102Ω·μm2～105Ω·μm2的樣品的累積頻數(shù)值增大。即，此時，示出離子束的角θ為30°時比45°的不合格率增大。
圖8C所示的離子束入射角θ為0°時進行的情況，示出幾乎全部磁存儲器裝置的樣品的結電阻RA為10Ω·μm2～105Ω·μm2。這示出幾乎全部磁存儲器裝置的樣品是不合格的。
但是，如圖8D所示，在使離子束入射角θ為0°形成了MTJ元件30后，再使離子束入射角θ為45°進行的結果，結電阻RA處于102Ω·μm2～105Ω·μm2的累積頻數(shù)值減少，示出結電阻RA處于107Ω·μm2～108Ω·μm2的累積頻數(shù)值增加，可知，不合格率降低。
在此，使用圖9A～圖9C元件剖面結構圖簡單地說明圖8C所示的以離子束入射角θ為0°形成了MTJ元件30的情況下，不合格率顯著增加的理由。但是，在此，與用圖6A～圖6C說明的情況不同，硬掩模36的錐形角θt為90°，而且，把Ar離子束對其側壁的入射角θ也設定為0°。
圖9A示出，利用Ar離子蝕刻的加工工序開始時的、在半導體基板上方形成的布線層28、磁阻效應膜31和硬掩模36的形狀。
Ar離子束對半導體基板面垂直地入射時，與硬掩模36的側面大致平行地入射。但是，由于實際上在硬掩模36的上表面與側面的邊界的邊緣部只稍稍形成圓乃至傾斜部，故隨著蝕刻的進行如圖9B所示，在該邊緣部與圖6B一樣形成錐形部36T。
在此，圖10示出，以作為硬掩模36的材料用Ta為例，作為硬掩模使用的材料的濺射濺射效率對離子束入射角的依賴性。從圖10可知，對于向Ta硬掩模36側面的平行入射(θ＝0°)，即與磁阻效應膜31的表面正交的入射角其效率大致為0。
即，如圖9A～圖9C所示，使Ar離子束與硬掩模36的側面平行入射時，Ar離子束大致保持動量的原樣對硬掩模36的上表面和磁阻效應膜31的表面進行蝕刻。此時，硬掩模36的上表面的邊緣部如上所述慢慢形成錐形，且同時被蝕刻，形成圖9B的錐形面36T。
另一方面，在磁阻效應膜31的硬掩模36下表面的邊緣部及其附近，入射離子束的動能的一部分被從硬掩模36的錐形面36T反跳的Ar束、和通過蝕刻從硬掩模36及磁阻效應膜31的表面飛散的云狀物質(zhì)吸收。由于越靠近邊緣部該能量吸收越大，故結果是磁阻效應膜31在硬掩模36的周圍以圖9B那樣的狀態(tài)殘留具有錐面的部分，成為形成了MTJ元件30的狀態(tài)。圖9B中，沿著硬掩模36和MTJ元件30的側面圖示的箭頭表示反跳Ar離子的軌跡。
再有，在通過Ar離子束的照射進行蝕刻時，硬掩模36和被蝕刻膜31都形成根據(jù)本身的濺射效率對離子束入射角的依賴性所確定的小刻面(facet)，且同時后退。
但是，如圖9B所示，由于硬掩模36的垂直掩模側面在形成了MTJ元件30的狀態(tài)下殘留下來，故在此，如果還進行離子束的照射，則朝向掩模側面下方的射束集中繼續(xù)進行。圖9C示出朝向該掩模36側面下方的射束集中繼續(xù)進行的狀態(tài)。圖9C示出的2個橢圓形狀表示飛散的物質(zhì)、即濺射物質(zhì)的分布。
即，由于使Ar離子束在與MTJ元件30上表面垂直的方向上入射，故硬掩模36的上表面和側面被蝕削而生成的濺射物質(zhì)大多集中在MTJ元件30附近，因此對元件30再附著的比例變大，大量地附著在硬掩模和蝕刻后的MTJ元件30的側面上。
于是，跨過具有圖1所示結構的MTJ元件30內(nèi)的絕緣阻擋層34的上、下磁性層33、35之間，通過附著在該絕緣阻擋層34的斜面上的導電性濺射物質(zhì)而成為導通狀態(tài)，結電阻RA降低。這成為MTJ元件30初期不合格的原因。
如果還繼續(xù)Ar離子束的照射，則通過來自硬掩模36側面和MTJ元件30側面的反跳射束產(chǎn)生朝向MTJ元件30下表面邊緣部的射束集中，如圖9C所示，加工作為布線層的下部電極28，產(chǎn)生微溝M。
這樣，利用Ar離子束進行蝕刻時，濺射物質(zhì)附著在MTJ元件30的側面產(chǎn)生初期不合格，與此同時，在下部電極28上產(chǎn)生微溝M。如上面說明了的那樣，可知，MTJ元件30的不合格依賴于蝕刻射束入射角而產(chǎn)生。
如圖6A-圖6B所示，在使Ar離子束以角θ斜照射的情況下，由于Ar離子束斜入射到硬掩模36的斜面，故該Ar離子束保持動量朝著遠離MTJ元件30的方向反跳，如圖6C所示，飛散的物質(zhì)大多分布在遠離MTJ元件30的空間內(nèi)。
再有，由于在蝕刻時使被蝕刻的硬掩模36和磁阻效應膜31相對于斜入射的Ar離子束轉動，故與被射束照射的側面相反側的MTJ元件30的側面有成為掩模36的背蔭的期間，在該期間內(nèi)該側面不被蝕刻。此外，MTJ元件30本身也具有濺射效率對離子束入射角的依賴性。從而，由于這些主要原因，結果是以一定角度加工MTJ元件30的側面。
在此，上面說明了的掩模背蔭的部位表示圖6A-圖6C所示虛線的下方。此時，由于濺射物質(zhì)分布的中心方向離開蝕刻以后的硬掩模36和MTJ元件30的側面，故朝向該側面的再附著引起的不合格情形減少。此外，由于離子束以小角度對下部電極28表面進行轟擊，故在下部電極28表面上也不產(chǎn)生微溝。
如上所述，從本實施方式的說明可知，在MTJ元件30的微細加工中通過使用對磁阻效應膜31的上表面斜入射的離子蝕刻，在減小MTJ元件30的不合格率方面是有效的。
在此，為了進一步研究形成的MTJ元件30的性能與Ar離子蝕刻的入射角等的關系，參照圖11A-圖13C詳細地說明在各種條件下作成包含MTJ元件30的磁存儲器裝置的結果。
首先，通過利用使用了準分子激光器的曝光裝置的光刻，形成在MTJ元件30的微細加工中使用的光刻膠掩模，通過Ar離子蝕刻從磁阻效應膜切出MTJ元件30。再有，也可以通過使用了接觸對準器的光刻來代替利用使用了準分子激光器的曝光裝置的光刻來形成光刻膠掩模。此外，此處的下部電極28和MTJ元件30的詳細制造工藝與參照圖6A-圖6C說明的一樣，省略其說明，下面，詳細地說明工藝條件。
在該制造工藝中分別改變硬掩模36和MTJ元件30的微細加工條件，下面，與圖11A-圖11D對應地分別示出4種。
在圖11A所示第1例中，在氯氣中進行用于形成硬掩模36的RIE，然后，為了形成MTJ元件30使Ar離子蝕刻的入射角θ為30°進行。
在圖11B所示第2例中，在氯氣中進行用于形成硬掩模36的RIE，然后，為了形成MTJ元件30使Ar離子蝕刻的入射角θ為45°進行。
在圖11C所示第3例中，在碳氟化合物類的氣體中進行用于形成硬掩模36的RIE，然后，為了形成MTJ元件30使Ar離子蝕刻的入射角θ為30°進行。
在圖11D所示第4例中，在碳氟化合物類的氣體中進行用于形成硬掩模36的RIE，然后，為了形成MTJ元件30使Ar離子蝕刻的入射角θ為45°進行。
首先，圖11A-11D中，跨過MTJ元件30的絕緣阻擋層的側面的角(錐形角θmtj)如圖中所示的那樣依次為70°、62°、58°、50°。此外，同樣，在圖11A-圖11D中，該MTJ元件30的不合格率依次為95％、5％、1.5％、0.2％。
在此，圖12示出畫了上述4種例子的錐形角θmtj與不合格率的關系的結果。圖12中，橫軸是第1錐形角，單位為[θmtj]，縱軸是不合格率，單位為[％]。在此，求出所畫曲線上直線部分與橫軸相交的部分、即不合格率為0％處的錐形角θmtj的上限，可知，約為60°。
即，可知，該圖12中，錐形角θmtj超過60°時不合格率急劇上升。此外，在氯氣中蝕刻硬掩模36時比在碳氟化合物類的氣體中蝕刻時，錐形角θmtj更大。進一步考察其理由。
氯氣蝕刻的情況如圖13A-圖13C所示，硬掩模36側面的錐形角θt大致為90°，進行斜入射的Ar離子蝕刻。但是，由于Ar離子與在上述硬掩模36的側面上形成的錐形面36T大致垂直地入射并進行蝕刻，故認為反跳離子束、和飛散物質(zhì)在MTJ元件30側面上的再附著容易發(fā)生了。
從圖12可知，把MTJ元件30的側面的錐形角θmtj設定為約60°以下時，初期不合格率約為0％。錐形的θmtj即使是例如30°，從初期不合格率看也沒有問題，但是，與錐形角θmtj為60°的情況相比較時，向MTJ元件30下部電極28上的投影面積增大。從而，通過盡可能增大錐形角θmtj來減小存儲單元陣列在芯片上的占有面積。
在此，沿著圖13B和圖13C的硬掩模36的側面圖示的箭頭表示反跳Ar離子的軌跡，沿著圖13C的硬掩模36側面圖示的橢圓表示用濺射蝕削而飛散的物質(zhì)的分布。
此外，在碳氯化合物類的氣體中進行用于形成硬掩模36的RIE時，不合格也少。碳氟化合物類的氣體在減少不合格方面之所以是有效的，是因為，在碳氟化合物類的氣體中進行蝕刻時，在硬掩模36側面上形成的錐形角θt比氯氣時小。
作為從上面得到的認識，例如如圖10所示，在設得到硬掩模36的最高濺射效率的角度為θm，作為硬掩模36側面的角度的第2錐形角為θt，對基板11面法線的離子束入射角為θ時，可知，當θ＝θt-θm時，反跳離子的流量小。例如，圖10中，因為θm＝35°，如果θt＝75°，則θ＝40°。
通過上面說明了的微細加工形成MTJ元件30，可實現(xiàn)包含防止磁存儲器裝置的單元初期不合格的MTJ元件的磁存儲器裝置的剖面結構。在作成本實施方式中的磁存儲器裝置的工藝中，在MTJ元件30的蝕刻中使用了Ar離子蝕刻，但是，在使用了RIE、濺射蝕刻時當然也能夠應用同樣的概念。
接著，對本發(fā)明第2實施方式，參照附圖，把磁存儲器裝置的結構與其制造方法合并說明。再有，在下述第2實施方式的說明中，為了避免說明的重復，對于與第1實施方式相同或類似的結構要素使用相同的符號并省略其詳細的說明。
圖14A示出在圖1所示結構的MTJ元件加工工藝中途的剖面圖。本第2實施方式的MTJ元件加工工藝包含與第1實施方式不同的加工工藝。
如圖14A所示，通過濺射法在基板上方形成下部電極28，在該下部電極上形成用于形成MTJ元件30的磁阻效應膜31和硬掩模36。在此，磁阻效應膜31與圖1所示MTJ元件30一樣，把例如1-2nm左右的、由AlOx構成的絕緣層作為絕緣阻擋層使用，在該絕緣阻擋層的上、下具有由鐵磁性層構成的稱為釘扎層的固定層、和稱為自由層的記錄層。雖未圖示，但磁阻效應膜31還采取具有緩沖層和間隙層的多層結構。
為了以規(guī)定的圖形來形成MTJ元件30，用光刻膠掩模通過蝕刻形成硬掩模36，以使如圖示那樣其側壁具有規(guī)定的傾斜角。在此，在作為硬掩模36使用例如Ta的情況下，通過使用Cl2類或F類蝕刻氣體的RIE進行該蝕刻，即可。此時，由Ta構成的硬掩模36側壁的傾斜角根據(jù)對光刻膠掩模的RIE選擇性得到70°-80°左右的角。
接著，如圖14B所示，把硬掩模36作為掩模，利用Ar離子束對磁阻效應膜31進行蝕刻。該Ar離子蝕刻通過使用例如圖7所示那樣的Ar離子源1，使產(chǎn)生的Ar離子束以相對于半導體主表面上的法線的入射角為θ來轟擊。作為進行該Ar離子蝕刻時的條件，例如在使基板如箭頭所示地進行轉動的狀態(tài)下，把對基板的入射角θ定為10°-45°左右來進行。由此，得到具有規(guī)定側壁角的MTJ元件30。雖然該MTJ元件30的側壁角是什么樣的角均可，但是，也可以例如在作為MRAM在芯片上形成時集成密度高時則設定成陡峭的角，相反地，密度低時則設定成低的角。再有，本第2實施方式的情況與第1實施方式不同，在圖14A的工藝以后，成為通過Ar離子束的蝕刻而飛散的污染物質(zhì)以膜狀淀積在MTJ元件30側壁上的狀態(tài)。
然后，如圖15A所示，使用例如AlOx通過反應性濺射，在圖14B中的下部電極28、MTJ元件30、硬掩模36的整個面上淀積保護膜39。特別是，為了提高對硬掩模36和MTJ元件30的錐形側面的覆蓋性，進行斜濺射，淀積成膜厚約20nm。
接著，如圖15B所示，使Ar離子束相對于轉動的基板的法線的入射角θ為0°，對下部電極28、MTJ元件30、和硬掩模36的上表面全體進行Ar離子蝕刻。在此，圖16中，以AlOx為例示出作為保護膜39使用的材料的蝕刻速度的離子束入射角依賴性。這樣，蝕刻速度、即濺射效率以在某一角度上具有峰值的方式變化。如從圖16可知，在對作為絕緣性保護膜39的AlOx進行離子蝕刻的情況下，蝕刻速度為最大的入射角θ約為60°。
從而，例如，如果把離子束對具有MTJ元件30的規(guī)定側壁角的錐形面的入射角設定為約60°，則與其它部分相比，是最快的蝕刻。圖16的情況下，入射角為60°與0°的蝕刻速度之比為3左右。
在圖15B的情況下，因為Ar離子束相對于基板法線的入射角為0°，所以對MTJ元件30的錐形面的入射角比對硬掩模36側壁的入射角大，如從圖16可知，在其上淀積的AlOx保護膜的蝕刻速度也大。在MTJ元件30的側壁角為60°時，離子束向MTJ元件錐形面的入射角為60°，可知，得到AlOx保護膜的最大蝕刻速度。
其結果，最初把MTJ元件30側面上的保護膜39去除，如圖15B所示，在MTJ元件30的側面露出的狀態(tài)下，在包含下部電極28上的其它部分上保護膜39變薄或者不去除還殘留下來。這樣，在露出MTJ元件30的側面的狀態(tài)下，去除通過再淀積而附著在其錐形側面上的、具有導電性的污染物質(zhì)膜，一直到進行清洗化時才實施保護膜39的蝕刻，即可。
然后，在殘留在下部電極28上形成的保護膜39的狀態(tài)下，在全體上形成層間絕緣膜。再有，也可以在通過蝕刻法把圖15B所示殘留的保護膜39去除以后，在整個面上形成層間絕緣膜。
此外，在本實施方式中，把硬掩模36的錐形角作成比MTJ元件30的錐形角大，使其上的保護膜的蝕刻速度比MTJ元件30側面上的保護膜的蝕刻速度降低。由此，通過在去除MTJ元件30側面的保護膜39時保護膜39殘留在硬掩模36的側面，能夠防止用導電性物質(zhì)形成的硬掩模36被蝕刻。即，調(diào)整Ar離子束的入射角以使MTJ元件30側面保護膜39的蝕刻速度比硬掩模36側面、和下部電極28上的保護膜39的蝕刻速度大，即可。從而，MTJ元件30的錐形角θmtj和硬掩模36的錐形角θt能夠用各種值來形成。在多個實用的MTJ元件的錐形角θmtj的范圍內(nèi)通過把離子束對MTJ元件30側面的入射角θ調(diào)整成例如60°，只使MTJ元件30的側面優(yōu)先露出，能夠進行導電性物質(zhì)引起的污染的清洗。
作為對該保護膜39進行離子束蝕刻的時間，是從蝕刻開始起，在只有MTJ元件30側面露出的狀態(tài)下，到能夠去除上述污染物質(zhì)的膜為止的時間。在對保護膜39進行離子束蝕刻時，對于Ar離子束的入射角θ的蝕刻速度為ER(θ)，MTJ元件30的錐形角為θmtj，保護膜39的膜厚為d時，只有該MTJ元件30的側面露出的時間t為t＝d*(ER(θmtj-θ)-ER(θ))/(ER(θmtj-θ)*ER(θ))。由此，為了延長只有MTJ元件30的側面露出的時間、即清洗時間t，增大保護膜39的膜厚d，增大保護膜39的蝕刻速度的角度依賴性，并且減慢保護膜39的蝕刻速度ER(θ)，即可。
這樣一來，在MTJ元件30形成以后，通過去除錐形面上的污染物質(zhì)膜，能夠抑制由MTJ元件30的鐵磁性層間的隧道阻擋膜等通過該錐形面產(chǎn)生的短路。再有，在通過離子蝕刻露出MTJ元件30側面進行清洗時，由于下部布線28、和硬掩模36被保護膜39覆蓋，故即使在該離子蝕刻工序中，在產(chǎn)生了膜狀的被蝕刻材料向MTJ元件30側面上的附著的情況下，由于該被蝕刻材料是保護膜39、即絕緣物，也不會成為短路的主要原因。
通過適當?shù)剡x擇斜濺射的條件，可以使MTJ元件30側面上的保護膜39的膜厚比下部電極上的膜厚減小。由此，能夠把只有MTJ元件30側面露出的清洗時間、即工藝窗口的寬度取得更寬。如上所述，可知，在多個實用的MTJ元件30的錐形角θmtj的范圍內(nèi)能夠有效地去除MTJ元件側面的污染物質(zhì)膜。
在上述第2實施方式中，通過把硬掩模36的錐形角形成得比MTJ元件30側壁的錐形角大，在高入射角側利用急劇降低的蝕刻速度的角度依賴性，不蝕刻硬掩模側壁上的絕緣膜而是使其殘留下來，能夠防止MTJ元件側壁上金屬性污染源的產(chǎn)生。與此不同，如下面說明的，也可以把硬掩模的錐形角形成得比MTJ元件的側壁錐形角小。
下面，使用圖17A-圖18C說明有關本發(fā)明第3實施方式的磁存儲器裝置和磁存儲器裝置的制造方法。再有，在本實施方式中，對于與上述第2實施方式相同的部分標以相同的標號并省略其詳細說明。
首先，在圖17A中，在未圖示的基板上方依次形成下部電極28、磁阻效應膜31、硬掩模膜36B和硬掩模37。在此，為了在磁阻效應膜31上形成硬掩模膜36B，作為材料使用Ta，通過濺射形成為其膜厚為厚度100nm。在該硬掩模膜36B上形成硬掩模37用的絕緣膜。作為該硬掩模37用絕緣膜的材料使用SiO2，通過濺射形成為其膜厚為190nm。然后，在硬掩模37用絕緣膜的上表面淀積光刻膠膜進行構圖，形成光刻膠掩模。
對淀積在硬掩模37用的絕緣膜上的光刻膠膜進行構圖時，通過使用該光刻膠掩膜、使用CHF3氣體的RIE對硬掩模37用的絕緣膜進行蝕刻。在此，在進行蝕刻時，把膜厚190nm的硬掩模37用絕緣膜的蝕刻深度控制為約170nm，以使殘留膜厚為20nm。然后，通過剝離硬掩模37用的絕緣膜上的光刻膠圖形來形成圖17A所示形狀的硬掩模37。
接著，使用這樣形成的硬掩模37，通過例如離子束的電壓為500V，離子束的電流量IB＝250mA，離子加速電壓VB＝250V，入射角為0°的條件下的Ar離子束蝕刻，對硬掩模37和硬掩模膜36B進行蝕刻，蝕刻成硬掩模37的已薄膜化部分的下側硬掩模36B的殘留膜厚為約10nm。其結果，如圖17B所示，把硬掩模37的形狀轉印到硬掩模膜36B，形成硬掩模36。
在進行該圖形轉印工序時，由于構成硬掩模37的SiO2的蝕刻速度比構成硬掩模36的Ta的蝕刻速度快，故如圖17B所示，硬掩模37的厚度、面積縮小。其結果，硬掩模36成為具有例如約60°錐形角θt的結構。
接著，使用這樣地以預定形狀形成的硬掩模36，進行磁阻效應膜31的蝕刻。通過該磁阻效應膜31的蝕刻，磁阻效應膜31與硬掩模36以對應的形狀分離，如圖18A所示以MTJ元件30的形狀構圖。然后，在利用過蝕刻形成該MTJ元件30時蝕削未被硬掩模36覆蓋的下部電極28上部，在下部電極28的上部形成比MTJ元件30的下表面降低了的凹部。
在本第3實施方式中，圖18A所示的用于形成上述MTJ元件30的蝕刻把硬掩模36作為掩模，用Ar離子束蝕刻來進行。把進行該Ar離子束蝕刻時的條件設定為，例如離子束的電壓為400V，離子束的電流量IB＝100mA，離子加速電壓VB＝100V，與基板法線構成的入射角θ為45°左右。
然后，如圖18B所示，通過例如反應性濺射，在下部電極28、MTJ元件30、和硬掩模36上的整個面上淀積作為絕緣膜的保護膜39。特別是，為了提高對硬掩模36側面的覆蓋性，進行斜濺射，使用例如SiO2淀積成膜厚約80nm。接著，使Ar離子束的入射角θ為0°，對下部電極28、MTJ元件30、和硬掩模36的上表面整體進行Ar離子蝕刻。
把進行該Ar離子束蝕刻時的條件設定為，例如離子束的電壓為500V，離子束的電流量IB＝250mA，離子加速電壓VB＝250V，與基板法線構成的入射角θ為0°。然后，進行Ar離子束蝕刻，使保護膜39的SiO2的膜厚在硬掩模36的上表面和下部電極28上殘留10nm左右。該絕緣膜淀積后的離子束蝕刻時，如后所述，通過進行在只有MTJ元件30的側壁露出的狀態(tài)下的離子束蝕刻，有效地去除此前用于MTJ元件形狀形成的蝕刻時附著的導電性污染物質(zhì)膜。然后，在保護膜39殘留在硬掩模36的上表面和下部電極28上的狀態(tài)下，在基板整個面上形成未圖示的層間絕緣膜。
對于用作保護膜39的SiO2的離子蝕刻的情況與AlOx的情況一樣，濺射效率為最大時的對其表面的入射角θ為約60°。此外，入射角θ為60°的情況與入射角θ為0°的情況的蝕刻速度之比為2∶1。由此，如圖18C所示，MTJ元件30的保護膜39被去除，MTJ元件30側面露出。即，蝕刻速度的不同取決于MTJ元件30側面的保護膜39與下部電極28上的保護膜39的有效離子束入射角的不同。
由此，能夠有效地去除MTJ元件30形成時由于Ar離子束蝕刻而在MTJ元件30側面再淀積的金屬性污染物質(zhì)膜，能夠抑制跨過MTJ元件30具有的絕緣阻擋層在鐵磁性層間等產(chǎn)生的短路。此外，由于已淀積的絕緣性的保護膜39殘留在下部電極28上，故在對于通過離子束蝕刻附著在MTJ元件30側面的污染物質(zhì)膜進行清洗時即使再飛散的污染物質(zhì)附著上來，也能夠抑制它引起的壞影響。此外，因為通過保護膜39的蝕刻飛散的保護膜物質(zhì)也是絕緣性的，所以，例如在上述清洗時即使再附著在MTJ元件30的側面，也不產(chǎn)生任何問題。
再有，在本第3實施方式中，把所形成的硬掩模36的錐形角θt形成為與MTJ元件30的錐形角θmtj相同或在其以下。另一方面，如圖16所示，在此作為保護膜39的絕緣材料的峰值入射角60°低的角度側的蝕刻速度的角度依賴性、與比峰值角60°高的角度側的蝕刻速度相比，前者的蝕刻速度降低的程度小。換言之，兩者在蝕刻速度方面無顯著差別。由此，可以認為，在圖18C所示工序中，在MTJ元件30的側面露出時，通過Ar離子蝕刻、硬掩模36側面的一部分也有若干露出。
但是，考慮到MTJ元件30形成時的離子蝕刻中，在MTJ元件30側面上污染物質(zhì)膜再附著的角度依賴性時，則對于位于硬掩模36的側面的延長線的外側、即從硬掩模36的離子束照射面起位于180°以上的方向上的MTJ元件30側面，再附著的污染物質(zhì)量接近于零。由此，從硬掩模36側面向MTJ元件30側面的污染物質(zhì)膜的再附著幾乎可以忽略。
在此，按照本第3實施方式和上述第2實施方式的磁存儲器裝置的制造方法，能夠在清洗工序中有效地去除在離子蝕刻時附著的MTJ元件30側面的污染物質(zhì)膜，但此時，可以通過預先把MTJ元件30的錐形角θmtj與第1實施方式中的一樣形成為60°以下，以減少導電性污染物質(zhì)膜的附著，來制作初期不合格少的、制品成品率更高的磁存儲器裝置。
再有，不限定于上述實施方式，在本發(fā)明范圍內(nèi)可有種種變形。例如，使用作為絕緣材料的AlOx、SiO2形成上述保護膜39，但是，必須根據(jù)構成下部電極28的材料對形成30的材料進行各種選擇。例如在用Ta構成下部電極28的情況下，使用過氧化的AlOx或通常的SiO2來構成保護膜39，是不優(yōu)選的。即，過氧化的AlOx或通常的SiO2與容易氧化的Ta過多地靠近時，Ta就氧化了。從而，該Ta由于氧化而喪失導電性，有部分地喪失作為下部電極的金屬性質(zhì)的可能。因此，在用Ta構成下部電極的情況下，作為保護膜39希望使用不含氧的SiNX等絕緣性氮化物，或不含比Ta更容易氧化的Al的氧化物、特別是不含有過剩氧的組成的化合物來構成。
本領域技術人員將容易地想到其它的優(yōu)點和修正。因此，本發(fā)明在其更廣泛的方面并不局限于這里顯示并描述的那些特定的細節(jié)和有代表性的實施例。因此，可以作出各種修正，而不脫離如附錄的權利要求及其等價物所定義的總的發(fā)明構思的精神和范圍。
權利要求
1.一種磁存儲器裝置，具有基板；以及在上述基板上形成的布線層，上述布線層包含下部電極；配置在上述下部電極之上、包含絕緣阻擋層而構成的磁阻效應元件；層疊在上述磁阻效應元件之上的至少一個接觸層；以及與上述接觸層連接的上部布線，上述包含絕緣阻擋層的磁阻效應元件的側面相對于其底面形成的錐形角小于等于約60度。
2.根據(jù)權利要求1中所述的磁存儲器裝置，其中，上述接觸層和磁阻效應元件形成為具有自匹配關系。
3.根據(jù)權利要求1中所述的磁存儲器裝置，其中，具有在與上述下部電極上的上述磁阻效應元件相鄰的位置上形成的掩模。
4.根據(jù)權利要求1中所述的磁存儲器裝置，其中，上述接觸層具有比上述磁阻效應元件的錐形角大的錐形角。
5.根據(jù)權利要求1中所述的磁存儲器裝置，其中，上述磁阻效應元件包含具有對蝕刻用的離子束大致相同的蝕刻速度的絕緣阻擋層、和在該絕緣阻擋層兩側形成的至少2層磁性層。
6.根據(jù)權利要求1中所述的磁存儲器裝置，其中，上述磁阻效應元件每單位面積的結電阻大于等于106Ω·μm2。
7.一種磁存儲器裝置的制造方法，其中在基板上形成絕緣層，在上述絕緣層上形成下部電極，在上述下部電極的上表面上形成磁阻效應膜，該磁阻效應膜包含絕緣阻擋層、和夾著該絕緣阻擋層而層疊的多個磁性體膜，在上述磁阻效應膜之上層疊掩模層，在把上述掩模層用作掩模對上述磁阻效應膜進行離子蝕刻加工，形成磁阻效應元件時，使因離子束而飛散的濺射物質(zhì)的分布中心位于離開磁阻效應元件的側面的位置上。
8.根據(jù)權利要求7中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在上述離子蝕刻加工時在上述磁阻效應元件的側面形成錐形，使上述磁阻效應元件的側面與其底面形成的角度小于等于約60度。
9.根據(jù)權利要求7中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在得到上述掩模的最高濺射效率的離子束入射角為θm，上述掩模側面的錐形角為θt，相對于基板法線的離子束入射角為θ時，確定入射角θ以滿足θ＝θt-θm。
10.根據(jù)權利要求8中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在得到上述掩模的最高濺射效率的離子束入射角為θm，上述掩模側面的錐形角為θt，相對于基板法線的離子束入射角為θ時，確定入射角θ以滿足θ＝θt-θm。
11.根據(jù)權利要求7中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，上述磁阻效應元件形成為對上述硬掩模具有自匹配關系。
12.根據(jù)權利要求7中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在通過離子蝕刻對上述磁阻效應膜進行加工形成了磁阻效應元件以后，附加上述磁阻效應元件側面的清洗工序。
13.根據(jù)權利要求12中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，上述清洗工序包含對上述側面照射離子束的工序。
14.根據(jù)權利要求7中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，上述離子蝕刻利用氬離子。
15.根據(jù)權利要求7中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，上述離子蝕刻通過RIE法進行。
16.根據(jù)權利要求7中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，改變上述離子蝕刻中使用的離子源和上述基板的相對位置，以使上述磁阻效應元件的全部側面朝向上述離子源。
17.一種磁存儲器裝置，具有基板；以及在上述基板上形成的布線層，上述布線層包含下部電極；配置在上述下部電極之上、包含絕緣阻擋層而構成的磁阻效應元件；層疊在上述磁阻效應元件之上的至少一個接觸層；以及與上述接觸層連接的上部布線，上述磁阻效應元件具有在通過離子束蝕刻形成元件后利用離子束蝕刻進行了清洗處理的傾斜側面。
18.根據(jù)權利要求17中所述的磁存儲器裝置，其中，上述進行了清洗處理的傾斜側面是在通過上述離子束蝕刻形成元件后，利用蝕刻去除了設置成覆蓋整個上述磁阻效應元件的絕緣膜后的露出面。
19.一種磁存儲器裝置，具有基板；以及在上述基板上形成的布線層，上述布線層包含下部電極；配置在上述下部電極之上、包含絕緣阻擋層而構成的磁阻效應元件；層疊在上述磁阻效應元件之上的至少一個接觸層；以及與上述接觸層連接的上部布線，在通過離子束蝕刻形成元件后，設置成覆蓋整個上述磁阻效應元件的絕緣膜由比上述下部電極更容易氧化的材料構成。
20.根據(jù)權利要求19中所述的磁存儲器裝置，其中，上述磁阻效應元件具有在通過離子束蝕刻形成元件后利用離子束蝕刻進行了清洗處理的傾斜側面，上述進行了清洗處理的傾斜側面是在通過上述離子束蝕刻形成元件后利用蝕刻去除了設置成覆蓋整個上述磁阻效應元件的上述絕緣膜后的露出面，上述凹部是在通過上述離子束蝕刻形成上述磁阻效應元件時利用離子束的過蝕刻形成的。
21.根據(jù)權利要求17中所述的磁存儲器裝置，其中，上述磁阻效應元件包含具有對蝕刻用的離子束大致相同的蝕刻速度的絕緣阻擋層、和在該絕緣阻擋層兩側形成的至少2層磁性層。
22.根據(jù)權利要求19中所述的磁存儲器裝置，其中，上述磁阻效應元件包含具有對蝕刻用的離子束大致相同的蝕刻速度的絕緣阻擋層、和在該絕緣阻擋層兩側形成的至少2層磁性層。
23.一種磁存儲器裝置的制造方法，其中在基板上形成絕緣層，在上述絕緣層上形成下部電極，在上述下部電極的上表面上形成磁阻效應膜，該磁阻效應膜包含絕緣阻擋層、和夾著該絕緣阻擋層而層疊的多個磁性體膜，在上述磁阻效應膜之上層疊掩模層，把上述掩模層用作掩模對上述磁阻效應膜進行離子蝕刻加工，形成磁阻效應元件，在上述掩模、上述磁阻效應元件、和上述下部電極的上表面上形成絕緣膜，利用離子束對上述絕緣膜進行蝕刻以使上述磁阻效應元件的側面露出。
24.一種磁存儲器裝置的制造方法，其中在基板上形成絕緣層，在上述絕緣層上形成下部電極，在上述下部電極的上表面上形成磁阻效應膜，該磁阻效應膜包含絕緣阻擋層、和夾著該絕緣阻擋層而層疊的多個磁性體膜，在上述磁阻效應膜之上層疊掩模層，把上述掩模層用作掩模對上述磁阻效應膜進行離子蝕刻加工，形成磁阻效應元件，同時，通過對上述下部電極上部進行過蝕刻而在該下部電極上部形成凹部，在上述掩模、上述磁阻效應元件、和包含上述凹部的下部電極的上表面上形成絕緣膜，利用離子束對上述絕緣膜進行蝕刻，以使上述磁阻效應元件的側面露出、并使上述絕緣膜殘留在上述下部電極上。
25.根據(jù)權利要求24中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，上述絕緣膜用比上述下部電極更容易氧化的材料形成。
26.根據(jù)權利要求24中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，上述絕緣膜用不含氧的材料形成。
27.根據(jù)權利要求23中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在形成上述磁阻效應元件時，利用離子束把在離子束蝕刻時飛散并附著的被蝕刻物質(zhì)從磁阻效應元件的側面去除。
28.根據(jù)權利要求24中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在形成上述磁阻效應元件時，利用離子束把在離子束蝕刻時飛散并附著的被蝕刻物質(zhì)從磁阻效應元件的側面去除。
29.根據(jù)權利要求23中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在上述磁阻效應元件側面的錐形角為θmtj，上述磁阻效應元件的蝕刻速度為θmtj的函數(shù)ER(θmtj)，在上述磁阻效應元件的上部形成的絕緣膜的蝕刻速度為進行蝕刻時的離子束入射角θ的函數(shù)ER(θ)，上述絕緣膜的膜厚為d，通過離子蝕刻只露出上述磁阻效應元件的側面的時間為t時，滿足t＝d*(ER(θmtj-θ)-ER(θ))/(ER(θmtj-θ)*ER(θ))。
30.根據(jù)權利要求24中所述的磁存儲器裝置的制造方法，其中，在上述磁阻效應元件側面的錐形角為θmtj，上述磁阻效應元件的蝕刻速度為θmtj的函數(shù)ER(θmtj)，在上述磁阻效應元件的上部形成的絕緣膜的蝕刻速度為進行蝕刻時的離子束入射角θ的函數(shù)ER(θ)，上述絕緣膜的膜厚為d，通過離子蝕刻只露出上述磁阻效應元件的側面的時間為t時，滿足t＝d*(ER(θmtj-θ)-ER(θ))/(ER(θmtj-θ)*ER(θ))。
全文摘要
提供一種磁存儲器裝置和磁存儲器裝置的制造方法。其中，在基板上形成絕緣層，在上述絕緣層上形成下部電極，在上述下部電極的上表面上形成磁阻效應膜，該磁阻效應膜包含絕緣阻擋層、和夾著該絕緣阻擋層而層疊的多個磁性體膜，在上述磁阻效應膜之上層疊掩模層，把上述掩模層用作掩模對上述磁阻效應膜進行離子蝕刻加工，形成磁阻效應元件，在上述掩模、上述磁阻效應元件、和上述下部電極的上表面上形成絕緣膜，利用離子束對上述絕緣膜進行蝕刻以使上述磁阻效應元件的側面露出。
文檔編號H01F41/30GK1577845SQ20041005862
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月23日 優(yōu)先權日2003年7月23日
發(fā)明者中島健太郎, 天野實, 上田知正, 高橋茂樹 申請人:株式會社東芝