專利名稱：磁性器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明構(gòu)思涉及磁性器件以及制造該磁性器件的方法。更具體而言，本發(fā)明構(gòu)思涉及包括非揮發(fā)性磁性層的磁性器件，以及涉及制造該磁性器件的方法。
背景技術(shù)：
已經(jīng)進(jìn)行了對于利用磁隧道結(jié)(MTJ)的磁阻特性的電子設(shè)備的許多研究。特別地，隨著高集成的磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)裝置的MTJ單元小型化，通過利用被稱為STT的物理現(xiàn)象(即，通過直接施加電流到MTJ單元并誘導(dǎo)磁化反轉(zhuǎn))來存儲(chǔ)信息的自旋轉(zhuǎn)移扭矩(STT)-MRAM已經(jīng)引起注意。需要形成具有微小尺寸的MTJ結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高集成的STT-MRAM。需要開發(fā)在形成具有微小尺寸的MTJ結(jié)構(gòu)時(shí)可以用于容易地實(shí)現(xiàn)可靠的MTJ單元的蝕刻技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明構(gòu)思提供一種經(jīng)由蝕刻工藝制造具有非揮發(fā)性磁性層的磁性器件的方法，從而制造高集成、高密度的磁性器件。本發(fā)明構(gòu)思還提供一種包括磁性圖案的磁性器件，該磁性圖案具有大的高寬比，用于高集成、高密度的磁性器件。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一方面，提供一種制造磁性器件的方法，該方法包括:形成層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)包括磁性層；以及通過使用蝕刻氣體蝕刻層疊結(jié)構(gòu)，該蝕刻氣體包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體。蝕刻層疊結(jié)構(gòu)可以包括使用包括H2氣體和額外氣體的蝕刻氣體，該額外氣體包括惰性氣體和/或NH3氣體。額外氣體中的惰性氣體可以包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。蝕刻層疊結(jié)構(gòu)可以包括使用不含鹵素的蝕刻氣體。形成層疊結(jié)構(gòu)可以包括使用Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金和CoFeB合金中的至少之一。蝕刻層疊結(jié)構(gòu)可以包括執(zhí)行等離子體蝕刻工藝。蝕刻層疊結(jié)構(gòu)可以包括:使用包括用于施加源功率的源功率輸出單元以及用于施加偏壓功率的偏壓功率輸出單元的等離子體蝕刻裝置，以及重復(fù)地執(zhí)行在其中源功率和偏壓功率中的至少一種功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的操作。該方法還可以包括:在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)之前，將層疊結(jié)構(gòu)的一區(qū)域暴露于氫等離子體。形成層疊結(jié)構(gòu)可以包括在上電極和下電極之間形成磁性層，上電極和下電極彼此面對，以及蝕刻層疊結(jié)構(gòu)可以包括通過使用所述蝕刻氣體蝕刻上電極、下電極和磁性層。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一方面，提供一種制造磁性器件的方法，該方法包括:形成層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)包括自下而上順序?qū)盈B的下磁性層、隧道勢壘層和上磁性層；在層疊結(jié)構(gòu)上形成掩模圖案，使得層疊結(jié)構(gòu)的一部分被覆蓋；通過掩模圖案執(zhí)行第一蝕刻以蝕刻層疊結(jié)構(gòu)的第一部分，該第一部分至少包括上磁性層和隧道勢壘層，第一蝕刻包括使用第一蝕刻氣體，該第一蝕刻氣體具有按體積計(jì)的至少80%的H2氣體和第一額外氣體；以及通過所述掩模圖案執(zhí)行第二蝕刻，以蝕刻層疊結(jié)構(gòu)的第二部分，該第二部分包括層疊結(jié)構(gòu)的下磁性層，第二蝕刻在與第一蝕刻不同的蝕刻氣氛下執(zhí)行。
第二蝕刻可以包括使用第二蝕刻氣體，該第二蝕刻氣體具有按體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及第二額外氣體，該第二額外氣體包括與第一額外氣體不同的成分。
第一額外氣體和第二額外氣體的每個(gè)可以包括惰性氣體或NH3氣體。
第一額外氣體和第二額外氣體的每個(gè)可以包括N2、NH3> Ne、Ar、Kr和Xe的至少之O
第一額外氣體可以包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe的至少之一，第二額外氣體包括NH3。
形成層疊結(jié)構(gòu)還可以包括形成下電極層和上電極層，下磁性層、隧道勢壘層和上磁性層插置在下電極層和上電極層之間，執(zhí)行第一蝕刻可以包括通過使用第一蝕刻氣體蝕刻上電極層的一部分，使得上電極層被分成多個(gè)上電極，以及執(zhí)行第二蝕刻可以包括通過使用第二蝕刻氣體蝕刻下電極層的一部分，使得下電極層被分成多個(gè)下電極。
執(zhí)行第一蝕刻和第二蝕刻的每個(gè)可以包括使用等離子體蝕刻工藝。
執(zhí)行第一蝕刻和第二蝕刻的每個(gè)均可以包括使用具有用于施加源功率的源功率輸出單元以及用于施加偏壓功率的偏壓功率輸出單元的等離子體蝕刻裝置，以及第一蝕刻和第二蝕刻的至少一個(gè)可以包括重復(fù)地執(zhí)行在其中源功率或偏壓功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的操作。
第一蝕刻可以包括以等幅波模式施加偏壓功率，第二蝕刻包括重復(fù)地執(zhí)行在其中偏壓功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的操作。
該方法還可以包括在形成掩模圖案之后且在執(zhí)行第一蝕刻之前，將層疊結(jié)構(gòu)的頂表面暴露于氫等離子體。
形成層疊結(jié)構(gòu)可以包括使用第一材料和第二材料，第一材料是Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn> IrMn、CoFe 合金和 CoFeB 合金中的至少之一，第二材料是 T1、TiN、Ta、TaN、Ru和W中的至少之一。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一方面，提供一種磁性器件，該磁性器件包括:在襯底上的至少一個(gè)磁阻器件，該磁阻器件具有側(cè)壁，該側(cè)壁具有實(shí)質(zhì)上豎直的外形，其中至少一個(gè)磁阻器件的高度是該至少一個(gè)磁 阻器件的寬度的至少1.5倍。
至少一個(gè)磁阻器件可以包括在豎直方向上順序?qū)盈B的下電極、磁性結(jié)構(gòu)和上電極，以及下電極、磁性結(jié)構(gòu)和上電極的每個(gè)具有側(cè)壁，該側(cè)壁具有實(shí)質(zhì)上豎直的外形。
磁性結(jié)構(gòu)可以包括非揮發(fā)性金屬，以及下電極、磁性結(jié)構(gòu)和上電極的每個(gè)的整個(gè)側(cè)壁可以沿著襯底的法線延伸。
磁性結(jié)構(gòu)可以包括在豎直方向上順序?qū)盈B的下磁性層圖案、隧道勢壘層和上磁性層圖案。
磁性結(jié)構(gòu)可以包括Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn, IrMn、CoFe 合金以及CoFeB合金中的至少一個(gè)。
至少一個(gè)磁阻器件的高度可以是該至少一個(gè)磁阻器件的寬度的約1.5至約4倍。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的又一方面，提供一種制造磁性器件的方法，該方法包括:形成層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)包括非揮發(fā)性金屬層；以及利用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體的蝕刻氣體來蝕刻包括所述非揮發(fā)性金屬層的層疊結(jié)構(gòu)。


對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，通過參考附圖詳細(xì)描述示例性實(shí)施方式，特征將變得明顯，其中:圖1示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法的流程圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法的流程圖；圖3示出在圖1和圖2所示的制造磁性器件的方法的預(yù)處理工藝和蝕刻工藝中的氣體供應(yīng)操作的氣體供應(yīng)脈沖曲線圖；圖4示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法中使用的一示例性層疊結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖5示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法中使用的另一示例性層疊結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法中使用的一示例性等離子體蝕刻裝置的示意圖；圖7A示出曲線圖，顯示出作為時(shí)間的函數(shù)的、在圖6所示的等離子體蝕刻裝置中以等幅波模式輸出的源功率；圖7B示出曲線圖，顯示出作為時(shí)間的函數(shù)的、在圖6所示的等離子體蝕刻裝置中以等幅波模式輸出的偏壓功率；圖7C示出曲線圖，顯示出作為工作周期(duty cycle)時(shí)間的函數(shù)的、圖6所示的等離子體蝕刻裝置中以脈沖模式輸出的源功率的工作周期；圖7D示出曲線圖，顯示出作為時(shí)間的函數(shù)的、圖6所示的等離子體蝕刻裝置中以脈沖模式輸出的偏壓功率的工作周期；圖7E示出一曲線圖，顯示出作為時(shí)間函數(shù)的、以脈沖模式輸出從而利用圖6所示的等離子體蝕刻裝置的同步脈沖等離子蝕刻執(zhí)行蝕刻工藝的源功率和偏壓功率的工作周期；圖8A至圖SC示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法中的各階段的剖視圖；圖9A至圖9C示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法中的各階段的剖視圖；圖1OA示出當(dāng)在源功率和偏壓功率分別以等幅波模式輸出的條件下蝕刻層疊結(jié)構(gòu)時(shí)離子的移動(dòng)路徑的剖視圖；圖1OB示出在同步脈沖等離子體蝕刻工藝中離子的移動(dòng)路徑的剖視圖；圖11示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法的流程圖；圖12A至圖12H示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法中的各階段的剖視圖13示出一曲線圖，顯示出蝕刻和再沉積速率與蝕刻氣體中的H2氣體濃度的相關(guān)性；
圖14示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的、根據(jù)蝕刻氣體中的不同H2氣體濃度的蝕刻層疊結(jié)構(gòu)的虛掃描電子顯微鏡(VSEM)圖片；
圖15示出VSEM圖片，其顯示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的、通過利用制造磁性器件的方法蝕刻包括磁性層的層疊結(jié)構(gòu)而形成的所得結(jié)構(gòu)；
圖16示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的、根據(jù)在層疊結(jié)構(gòu)上使用的蝕刻氣體中H2氣體的不同比率和濃度的被蝕刻的層疊結(jié)構(gòu)的VSHM圖片；
圖17A和圖17B是VSEM圖片，示出在通過利用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法來蝕刻包括磁性層的層疊結(jié)構(gòu)時(shí)，通過評價(jià)在施加脈沖偏壓功率時(shí)的效應(yīng)而形成的所得結(jié)構(gòu)；
圖18示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的、通過利用制造磁性器件的方法可以實(shí)現(xiàn)的磁性器件的示意剖視圖19示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的、通過利用制造磁性器件的方法可以實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)；以及
圖20示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的、通過利用制造磁性器件的方法可以實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)卡。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將參考附圖在以下文中更全面地描述示例實(shí)施方式；然而，示例實(shí)施方式可以以不同形式實(shí)施且不應(yīng)被理解為限于在此闡述的實(shí)施方式。而是，提供這些實(shí)施方式使得本公開將全面和完整，并且將向本領(lǐng)域的技術(shù)人員全面?zhèn)鬟_(dá)本發(fā)明的范圍。
在圖中，為了圖示清晰，可以夸大層和區(qū)域的尺寸。還將理解，當(dāng)層或元件被稱為在另一層或襯底“上”時(shí)，它可以直接在所述另一層或襯底上，或者也可以存在中間層。此夕卜，還將理解，當(dāng)層被稱為在兩個(gè)層“之間”時(shí)，它可以是在這兩個(gè)層之間的唯一層，或者也可以存在一個(gè)或更多中間層。相同的附圖標(biāo)記始終指代相同的元件。
在此使用時(shí)，術(shù)語“和/或”包括一個(gè)或更多相關(guān)列舉項(xiàng)目的任意和所有組合。在一列元件之前的表述諸如“至少之一”修飾所有列舉的元件而不修飾該列舉中的個(gè)別元件。
將理解，雖然術(shù)語第一、第二、第三等等可以用于此來描述不同的元件、部件、區(qū)域、層和/或部分，但是這些元件、部件、區(qū)域、層和/或部分不應(yīng)受這些術(shù)語限制。這些術(shù)語涉及具體的順序、級別或優(yōu)勢，并且僅用于區(qū)分一個(gè)元件、組件、區(qū)域、層或部分與另一元件、組件、區(qū)域、層或部分。因而，以下討論的第一元件、部件、區(qū)域、層或部分可以被稱為第二元件、部件、區(qū)域、層或部分，而沒有脫離示例實(shí)施方式的教導(dǎo)。例如，第一元件可以被稱為第二元件，類似地，第二元件可以被稱為第一元件，而不背離本發(fā)明構(gòu)思的保護(hù)范圍。
除非另外地定義，在此使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)和科學(xué)術(shù)語)具有與示例性實(shí)施方式所屬的領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。還將理解，術(shù)語(諸如在通常使用的字典中所定義的那些)應(yīng)被理解為具有與在相關(guān)領(lǐng)域的背景中的含義一致的含義，將不被理解為理想化或過度正式的意義，除非在此清楚地如此定義。
如果任何實(shí)施方式以別的方式實(shí)現(xiàn)，則具體工藝可以與所述順序不同地執(zhí)行。例如，所描述的兩個(gè)連續(xù)工藝可以實(shí)質(zhì)上同時(shí)執(zhí)行或者以與所描述的順序相反的順序執(zhí)行。
在附圖中，例如，所示出的形狀可以根據(jù)制造技術(shù)和/或容限而變形。因此，本發(fā)明的示例性實(shí)施方式不限于在本說明書中示出的特定形狀，而是可以包括制造工藝中引起的形狀的更改。
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法的流程圖。
在圖1的操作12中，包括至少一個(gè)磁性層的層疊結(jié)構(gòu)利用包括按體積計(jì)地至少80%的H2氣體的蝕刻氣體蝕刻。
在一些實(shí)施方式中，層疊結(jié)構(gòu)的蝕刻通過等離子體蝕刻工藝執(zhí)行。例如，操作12的蝕刻工藝可以利用等離子體蝕刻裝置執(zhí)行，該等離子體蝕刻裝置包括用于施加源功率(source power)的源功率輸出單元以及用于施加偏壓功率(bias power)的偏壓功率輸出單元。例如，圖6示出的等離子體蝕刻裝置60可以用作等離子體蝕刻裝置。在操作12的蝕刻工藝中，為了以脈沖模式輸出源功率和偏壓功率中的至少之一，以脈沖模式施加的功率可以根據(jù)預(yù)定周期保持處于關(guān)閉狀態(tài)。以下將參考圖6和圖7A至圖7E更詳細(xì)地描述脈沖模式的源功率以及脈沖模式的偏壓功率。
在一些實(shí)施方式中，操作12的蝕刻工藝可以在約(-10) °C至約65°C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。
在操作12的蝕刻工藝中的蝕刻氣體不包括含鹵素的氣體。在利用含鹵素的蝕刻氣體(例如，如在傳統(tǒng)的磁性層蝕刻工藝中所使用的)的干刻工藝(例如，等離子體蝕刻工藝)中，非揮發(fā)性蝕刻副產(chǎn)物會(huì)再沉積在形成為蝕刻所得結(jié)構(gòu)的圖案的側(cè)壁上。此外，使磁性層的磁化特性退化的含鹵素蝕刻殘留物可能保留在形成為蝕刻所得結(jié)構(gòu)的圖案的表面上，由此使磁阻器件的特性退化。
特別地，用于形成磁阻器件的干蝕刻工藝包括對于驅(qū)動(dòng)磁阻器件的磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行蝕刻。MTJ結(jié)構(gòu)包括自由層、隧道勢壘層以及固定層。MTJ結(jié)構(gòu)的隧道勢壘層包括鐵磁材料例如CoFeB或類似物，以及鎂氧化物(MgO)。鐵磁材料和鎂氧化物會(huì)在利用含鹵素的氣體的干刻工藝期間，例如，在氯(Cl)基等離子體蝕刻期間，被損壞，由此導(dǎo)致對隧道勢壘層的損壞以及在MTJ結(jié)構(gòu)中的侵蝕。
然而，在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的制造磁性器件的方法中，可以使用包括按體積計(jì)的至少80%的H2且沒有含鹵素元素的蝕刻氣體蝕刻包括磁性層的層疊結(jié)構(gòu)，由此解決傳統(tǒng)工藝中的問題。
圖2是流程圖，示出根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法。
在圖2的操作22中，包括至少一個(gè)磁性層的層疊結(jié)構(gòu)的將被蝕刻的區(qū)域暴露于氫等離子體，由此執(zhí)行對層疊結(jié)構(gòu)的預(yù)處理。
在一些實(shí)施方式中，為了執(zhí)行在操作22中的預(yù)處理，層疊結(jié)構(gòu)被裝載到用于等離子體蝕刻的腔室中，且僅H2氣體被供應(yīng)到該腔室，由此產(chǎn)生氫等離子體。被加速的活性氫離子可以由于預(yù)處理工藝而被供應(yīng)到層疊結(jié)構(gòu)的將被蝕刻的區(qū)域，所述將被蝕刻的區(qū)域與氫離子之間的化學(xué)反應(yīng)可以在所述將被蝕刻的區(qū)域的表面上發(fā)生。結(jié)果，當(dāng)在預(yù)處理工藝中氫氣離子與將被蝕刻的區(qū)域碰撞時(shí)，可以容易地執(zhí)行隨后的化學(xué)和物理蝕刻工藝并且可以加速蝕刻速度。在一些實(shí)施方式中，操作22的預(yù)處理工藝可以執(zhí)行約10秒到約10分鐘。操作22的預(yù)處理工可以在約(-10)°C至約65°C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。如有必要，可以省略操作22的預(yù)處理工藝。在操作24中，在預(yù)處理工藝之后，可以使用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體的蝕刻氣體蝕刻層疊結(jié)構(gòu)的將被蝕刻的區(qū)域。剩余的按體積計(jì)的20%或更少的蝕刻氣體可以包括額外氣體，例如，除了氫氣之外的氣體。在一些實(shí)施方式中，可以通過等離子體蝕刻工藝執(zhí)行層疊結(jié)構(gòu)的蝕刻。在一些實(shí)施方式中，額外氣體可以包括惰性氣體和NH3氣體中的至少一種。例如,額外氣體可以包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr 和 Xe 中的至少一種?？梢栽诓僮?2的預(yù)處理工藝之后并且在相同的腔室中執(zhí)行操作24的蝕刻工藝。操作24的蝕刻工藝可以在約(-10) °C至約65°C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。在執(zhí)行操作24的蝕刻工藝時(shí)，加速的活性氫離子可以與額外氣體的加速離子一起被供應(yīng)到層疊結(jié)構(gòu)的將被蝕刻的區(qū)域。在將被蝕刻的區(qū)域中，由于自額外氣體產(chǎn)生的加速離子而引起的物理蝕刻可以和與到達(dá)將被蝕刻的區(qū)域的表面的加速氫離子的化學(xué)反應(yīng)同時(shí)執(zhí)行。額外氣體包括原子量比氫原子的原子量大的原子。因而，與氫原子相比，自額外氣體產(chǎn)生的加速離子與將被蝕刻的層疊結(jié)構(gòu)更強(qiáng)烈地碰撞。結(jié)果，相對大的物理力被施加到層疊結(jié)構(gòu)的將被蝕刻的區(qū)域，從而可以容易地執(zhí)行層疊結(jié)構(gòu)的物理蝕刻。圖3是氣體供應(yīng)脈沖曲線圖，示出在圖2所示的操作22的預(yù)處理工藝中以及圖2所示的操作24的蝕刻工藝中的氣體供應(yīng)操作。例如，如圖3所示，氫氣的離子可以在預(yù)處理和蝕刻階段(即，圖2的操作22和24)連續(xù)地供應(yīng)，而額外氣體，例如N2氣體可以僅在蝕刻期間供應(yīng)。在圖1的操作12的蝕刻工藝以及圖2的操作24的蝕刻工藝中，具有將被蝕刻的層的層疊結(jié)構(gòu)可以包括各種類型的磁性層。在一些實(shí)施方式中，層疊結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)非揮發(fā)性磁性層。例如，層疊結(jié)構(gòu)可以包括由Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn,IrMn、CoFe合金或CoFeB合金的至少之一形成的磁性層。圖1的操作12的蝕刻工藝以及圖2的操作24的蝕刻工藝可以使用電感耦合等離子體(ICP)源、電容耦合等離子體(CCP)源、電子回旋共振(ECR)等離子體源、螺旋波激發(fā)等離子體(HWEP)源或自適應(yīng)耦合等離子體(ACP)源產(chǎn)生的等離子體來執(zhí)行。圖4和圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的實(shí)施方式的、可以使用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體的蝕刻氣體來蝕刻的層疊結(jié)構(gòu)40和50的剖視圖。為了清晰，省略其重復(fù)描述。更詳細(xì)地，如圖4所示，層疊結(jié)構(gòu)40可以包括自下而上順序?qū)盈B的下電極層42、下磁性層44、隧道勢魚層45、上磁性層46和上電極層48。下電極層42可以包括例如T1、Ta、Ru、TiN、TaN和W中的至少一種。在一些實(shí)施方式中，下電極層42可具有雙層結(jié)構(gòu)，例如Ti\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru和TiN\Ru。在一些實(shí)施方式中，下電極層42可具有約20至50A的厚度。下磁性層44可以包括例如Fe、Co、N1、Pd和Pt中的至少一種。在一些實(shí)施方式中，下磁性層44可以由Co-M1合金(其中M1是選自由Pt、Pd和Ni組成的組中的至少一種金屬)或Fe-M2合金(其中M2是選自由Pt、Pd和Ni組成的組中的至少一種金屬)形成。在一些實(shí)施方式中，下磁性層44還可以包括C、Cu、Ag、Au和Cr的至少一種。在一些實(shí)施方式中，下磁性層44具有約IOA至約50A的厚度
上磁性層46可以包括例如Co、Co-M1合金(其中M1是從Pt、Pd和Ni中選出的至少一種金屬)、Fe-M2合金(其中M2是從Pt、Pd和Ni中選出的至少一種金屬)、Ru、Ta、Cr和Cu的至少一種。在一些實(shí)施方式中，上磁性層46具有約30.A至200A的厚度。
在一些實(shí)施方式中，下磁性層44和上磁性層46的至少之一包括垂直磁各向異性(PMA)材料。在一些實(shí)施方式中，下磁性層44和上磁性層46的至少之一包括合成反鐵磁(SAF)結(jié)構(gòu)。SAF結(jié)構(gòu)通過在鐵磁層疊結(jié)構(gòu)中插入Ru中間層而形成。例如，SAF結(jié)構(gòu)可具有CoFeB/Ta/(Co/Pt) m/Ru/(Co/Pd)n的多層結(jié)構(gòu)(其中m和η是自然數(shù))?？梢栽诒景l(fā)明構(gòu)思中采用的SAF結(jié)構(gòu)不限于此，可以使用各種變型結(jié)構(gòu)。
在下磁性層44和上磁性層46之間插入的隧道勢壘層45可以由例如MgO、A1203、B2O3和/或SiO2形成。在一些實(shí)施方式中，隧道勢壘層45具有約5 A至約30A的厚度。
上電極層48可以包括例如T1、Ta、Ru、TiN、TaN和/或W中的至少Z—。在一些實(shí)施方式中，上電極層48可具有例如Ti\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru或TiN\Ru的雙層結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，上電極層48可具有約20A至纟八04的厚度。
層疊結(jié)構(gòu)40的下磁性層44和上磁性層46不局限于以上描述，而是可以不同地更改。例如，下磁性層44的描述可以適用于上磁性層46,反之亦然。
在一些實(shí)施方式中，層疊結(jié)構(gòu)40可以利用垂直磁化而被用于實(shí)現(xiàn)MTJ器件。
如圖5所示，層疊結(jié)構(gòu)50可以包括自下而上順序?qū)盈B的下電極層42、下磁性層44、隧道勢魚層45、上磁性層56和上電極層48。
上磁性層56可以包括順序?qū)盈B在隧道勢壘層45上的被釘扎層56A和釘扎層56B。被釘扎層56A可以包括選自由Co、Fe、Pt和Pd組成的組中的至少一種鐵磁材料。被釘扎層56A可具有圖4所示的SAF結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施方式中，被釘扎層56A可具有約30A至約50A的厚度。
釘扎層56B可以包括反鐵磁材料。在一些實(shí)施方式中，釘扎層56B可以包括例如PtMn, IrMn、NiMn, FeMn、MnO、MnS、MnTe、MnF2、FeCl2、FeO、CoCl2, Co0、NiCl2、NiO 和 Ni 中的至少之一。在一些實(shí)施方式中，釘扎層56B具有約50A至約150A的厚度。
在一些實(shí)施方式中，層疊結(jié)構(gòu)50可以利用水平磁化而被用于實(shí)現(xiàn)MTJ器件。
圖6示出等離子體蝕刻裝置60的示意圖，該等離子體蝕刻裝置60可以執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法的等離子體蝕刻工藝。
參考圖6，等離子體蝕刻裝置60可以包括腔室62、源電極63和偏壓電極64。偏壓電極64用作用于支撐襯底W的支持物(holder)。源電極63可具有繞腔室62纏繞多次的盤繞形狀。
射頻(RF)源功率可以施加到源電極63，RF偏壓功率可以施加到偏壓電極64。在等離子體蝕刻中使用的蝕刻氣體經(jīng)由進(jìn)氣口 65流入腔室62。在蝕刻之后留下的未反應(yīng)蝕刻氣體和反應(yīng)副產(chǎn)物通過使用渦輪分子泵(TMP)從腔室62排出。
在使用CCP方法的等離子體蝕刻裝置中，代替源電極63，可以使用設(shè)置在腔室62中的靠近進(jìn)氣口 65的扁平電極(flat type electrode)。 等離子體蝕刻裝置60還可以包括源功率輸出單元66和偏壓功率輸出單元68。源功率輸出單元66和偏壓功率輸出單元68可以分別以適于執(zhí)行同步脈沖等離子體蝕刻工藝的模式輸出源功率和偏壓功率。源功率輸出單元66可以包括源匹配網(wǎng)絡(luò)66A、源混合器66B、源控制器66C和源RF發(fā)生器66D。偏壓功率輸出單元68可以包括偏壓匹配網(wǎng)絡(luò)68A、偏壓混合器68B、偏壓控制器68C和偏壓RF發(fā)生器68D。從源功率輸出單兀66輸出的源功率被施加到源電極63。源電極63用于在腔室62中產(chǎn)生等尚子體。從偏壓功率輸出單兀68輸出的偏壓功率被施加到偏壓電極64。偏壓電極64用于控制進(jìn)入襯底W的離子能量。源功率輸出單兀66的源控制器66C可以輸出具有第一頻率和第一工作周期(dutycycle)的脈沖調(diào)制的RF源功率到RF偏壓功率輸出單元68，并且可以輸出包括關(guān)于RF源功率的相位的信息的控制信號到RF偏壓功率輸出單元68。源混合器66B接收從源RF發(fā)生器66D輸出的源RF信號以及從源控制器66C輸出的源脈沖信號，并混合所述源RF信號以及所述源脈沖信號，由此輸出脈沖調(diào)制的RF源功率。響應(yīng)從源功率輸出單元66輸出的控制信號，偏壓功率輸出單元68輸出具有第二頻率和第二工作周期的RF偏壓功率到偏壓電極64。在一些實(shí)施方式中，RF偏壓功率被從偏壓功率輸出單兀68施加到偏壓電極64,使得形成在腔室62內(nèi)部的襯底W上的等離子體離子具有方向性。用于加熱被支撐在偏壓電極64上的襯底W的加熱器(未示出)以及用于控制腔室62的內(nèi)部溫度的溫度傳感器(未示出)可以另外設(shè)置在偏壓電極64的底部或偏壓電極64內(nèi)部。在一些實(shí)施方式中，如有必要，源功率輸出單兀66和偏壓功率輸出單兀68可以分別被控制成選擇性地輸出等幅波(constant wave)模式的功率或脈沖模式的功率。為此，源功率輸出單兀66和偏壓功率輸出單兀68可以運(yùn)行以分別控制功率輸出的開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)的交互轉(zhuǎn)換。例如，源功率輸出單兀66和偏壓功率輸出單兀68的每一個(gè)的開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)可以被控制使得脈沖模式的源功率和脈沖模式的偏壓功率可以分別從源功率輸出單兀66和偏壓功率輸出單兀68輸出。圖7A是作為時(shí)間的函數(shù)的、在等離子體蝕刻裝置60中以等幅波模式輸出的源功率的曲線圖。圖7B是作為時(shí)間的函數(shù)的、在等離子體蝕刻裝置60中以等幅波模式輸出的偏壓功率的曲線圖。圖7C是作為時(shí)間的函數(shù)的、在等離子體蝕刻裝置60中以脈沖模式輸出的源功率的工作周期D的曲線圖。圖7D是作為時(shí)間的函數(shù)的、在等離子體蝕刻裝置60中以脈沖模式輸出的偏壓功率的工作周期D的曲線圖。在圖7C和7D中，開啟狀態(tài)時(shí)間Tl和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)間T2可以以各種方式設(shè)置。開啟狀態(tài)時(shí)間Tl和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)間T2可以相同或不同。開啟狀態(tài)時(shí)間Tl和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)間T2可以根據(jù)將被蝕刻的層的品質(zhì)和厚度、蝕刻氣氛等任意選擇。在一些實(shí)施方式中，開啟狀態(tài)時(shí)間Tl和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)間T2可以隨著工藝時(shí)間行進(jìn)而可變地設(shè)置。圖7E是曲線圖，顯示出源功率和偏壓功率的工作周期D，該源功率和偏壓功率作為時(shí)間的函數(shù)的、以脈沖模式輸出從而通過使用等離子體蝕刻裝置60的同步脈沖等離子體蝕刻來執(zhí)行蝕刻工藝的。圖8A至圖SC是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的、在制造磁性器件80(見圖8C)的方法中的各階段的剖視圖。在當(dāng)前實(shí)施方式中，將描述制造磁性器件80的方法，其包括蝕刻圖4的層疊結(jié)構(gòu)40的工藝。參考圖8A，參考圖4描述的層疊結(jié)構(gòu)40可以形成在下結(jié)構(gòu)(S卩，包括層間絕緣層82以及穿過層間絕緣層82形成的下電極接觸84的結(jié)構(gòu))上。然后，用于暴露上電極層48的頂表面的一部分的掩模圖案86可以形成在層疊結(jié)構(gòu)40上。掩模圖案86可以在與下電極接觸84相同的軸上形成在層疊結(jié)構(gòu)40上，例如，掩模圖案86可以與下電極接觸84平行且與之重疊。在一些實(shí)施方式中，掩模圖案86可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta的至少一種。在一些實(shí)施方式中，掩模圖案86可具有雙層結(jié)構(gòu)，例如Ru\TiN或TiN\W，并且可具有約300A至約800A的厚度。參考圖SB，圖8A的所得結(jié)構(gòu)可以被裝載到等離子體蝕刻腔室中。例如，圖8A的所得結(jié)構(gòu)可以被裝載到等離子體蝕刻裝置60的腔室62中的偏壓電極64上。接著，類似于圖2的操作22，層疊結(jié)構(gòu)40的上電極層48的暴露區(qū)域可以暴露于腔室62中的氫等離子體88，由此對層疊結(jié)構(gòu)40執(zhí)行預(yù)處理。如有必要，可以省略使用氫等離子體88的預(yù)處理工藝。參考圖8C，類似于圖2的操作24，通過使用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的額外氣體的蝕刻氣體并且通過使用掩模圖案86作為蝕刻掩?？梢愿飨虍愋缘匚g刻預(yù)處理的層疊結(jié)構(gòu)40。層疊結(jié)構(gòu)40的蝕刻可以通過等離子體蝕刻工藝執(zhí)行。作為層疊結(jié)構(gòu)40的蝕刻所得結(jié)構(gòu)，可以形成多個(gè)磁性器件80，其中每個(gè)磁性器件80包括自下而上順序?qū)盈B的下電極42A、下磁性層圖案44A、隧道勢壘層45A、上磁性層圖案46A、上電極48A和剩余的掩模圖案部分86。在多個(gè)磁性器件80的每個(gè)中,剩余的掩模圖案部分86和上電極48A用作一個(gè)電極。多個(gè)磁性器件80的每個(gè)可以電連接到下電極接觸84。在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40時(shí)，層疊結(jié)構(gòu)40的一部分可以通過蝕刻而從掩模圖案86的頂表面消耗，即，在各向異性蝕刻之后的圖案部分86的總厚度可以相對于各向異性蝕刻之前的總厚度而減小。例如，蝕刻氣體可以包括按體積計(jì)的約80%至約95%的H2氣體以及按體積計(jì)的約5%至約20%的額外氣體。在一些實(shí)施方式中，額外的氣體可以包括例如N2、NH3> Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一種。層疊結(jié)構(gòu)40的蝕刻工藝可以在與例如圖8B的預(yù)處理工藝相同的腔室中執(zhí)行，并且在圖8B的預(yù)處理工藝之后。在一些實(shí)施方式中，層疊結(jié)構(gòu)40的蝕刻可以在保持相對高的離子能量和相對低的等離子體密度的氣氛中執(zhí)行。例如，在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40時(shí)，可以保持高于約500eV的離子能量和低于約IX IO11CnT3的等離子體密度。層疊結(jié)構(gòu)40的蝕刻工藝可以在約(-10) °C至約65°C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。圖9A至圖9C是根據(jù)發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的、在制造磁性器件90 (見圖9C)的方法中的各階段的剖視圖。在當(dāng)前實(shí)施方式中，將描述制造磁性器件90的方法，其包括蝕刻圖5的層疊結(jié)構(gòu)50的工藝。參考圖9A，層疊結(jié)構(gòu)50，即參考圖5所描述的，可以形成在包括層間絕緣層82和下電極接觸84的下結(jié)構(gòu)上。用于暴露上電極層48的頂表面的一部分的掩模圖案96可以形成在層疊結(jié)構(gòu)50上。掩模圖案96可以在與下電極接觸84相同的軸上形成在層疊結(jié)構(gòu)50上。在一些實(shí)施方式中，掩模圖案96可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta的至少之一。在一些實(shí)施方式中，掩模圖案96可具有例如Ru\TiN或TiN\W的雙層結(jié)構(gòu)。掩模圖案96可具有纟j300A至約800A的厚度。參考圖9B，圖9A中的所得結(jié)構(gòu)可以被裝載到等離子體蝕刻腔室中。例如，包括掩模圖案96的所得結(jié)構(gòu)可以被裝載到圖6的等離子體蝕刻裝置60的腔室62中的偏壓電極64上。接著，如圖2的操作22中所描述的，腔室62中的層疊結(jié)構(gòu)50的上電極層48的暴露區(qū)域可以暴露于氫等離子體98，由此對層疊結(jié)構(gòu)50執(zhí)行預(yù)處理。參考圖9C，以等離子態(tài)的蝕刻氣體預(yù)處理的層疊結(jié)構(gòu)50可以通過使用掩模圖案96作為蝕刻掩模并且通過使用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的額外氣體的蝕刻氣體被各向異性地蝕刻，如在圖2的操作24中所描述的。層疊結(jié)構(gòu)50的蝕刻可以通過等離子體蝕刻工藝執(zhí)行。作為層疊結(jié)構(gòu)50的蝕刻所得結(jié)構(gòu)，可以形成多個(gè)磁性器件90，每個(gè)磁性器件90包括自下而上順序?qū)盈B的下電極42A、下磁性層圖案44A、隧道勢壘層45A、上磁性層圖案56P、上電極48A和剩余的掩模圖案部分96。在多個(gè)磁性器件90的每個(gè)中,剩余的掩模圖案部分96和上電極48A用作一個(gè)電極。多個(gè)磁性器件90的每個(gè)電連接到下電極接觸84。在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)50時(shí)，一部分層疊結(jié)構(gòu)50可能通過蝕刻而從掩模圖案96的頂表面被消耗。例如，蝕刻氣體可以包括按體積計(jì)的約80%至約95%的H2氣體以及按體積計(jì)的約5%至約20%的額外氣體。在一些實(shí)施方式中，額外氣體可以包括例如N2、順3、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。層疊結(jié)構(gòu)50的蝕刻工藝可以在與圖9B的預(yù)處理工藝相同的腔室中執(zhí)行并且在該預(yù)處理工藝之后。在一些實(shí)施方式中，層疊結(jié)構(gòu)50的蝕刻可以在保持相對高的離子能量和相對低的等離子體密度的氣氛中執(zhí)行。例如，在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)50時(shí)，可以保持高于約500eV的離子能量以及低于約IXlO11cnT3的等離子體密度。層疊結(jié)構(gòu)50的蝕刻工藝可以在約(-10) °C至約65 °C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。在圖8A至圖8C示出的制造磁性器件80的制造方法中以及圖9A至圖9C示出的磁性器件90的制造方法中，圖6的等離子體蝕刻裝置60可以用于執(zhí)行層疊結(jié)構(gòu)40或50的蝕刻工藝。在等離子體蝕刻裝置60中，在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40或50時(shí)，源功率和偏壓功率可以分別如圖7A和圖7B所示地以等幅波模式輸出。在一些實(shí)施方式中，在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40或50時(shí)，可以輸出脈沖模式的源功率或脈沖模式的偏壓功率，其中源功率或偏壓功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替，如圖7C或圖7D所示。在一些實(shí)施方式中，在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40或50時(shí)，為了執(zhí)行同步脈沖等離子體蝕刻工藝，如圖7E中所示，可以同時(shí)施加脈沖模式的源功率和脈沖模式的偏壓功率。層疊結(jié)構(gòu)40和50的每個(gè)可以包括通過傳統(tǒng)的蝕刻工藝不容易被蝕刻的非揮發(fā)性材料層，例如Pt、Pd、Co、Mg、Fe、Ir和/或類似物的層。因?yàn)橄鄬τ谄渌g刻材料，例如與揮發(fā)性材料相比，在非揮發(fā)性材料的蝕刻工藝期間產(chǎn)生的反應(yīng)材料的飽和蒸氣壓力非常低，所以非揮發(fā)性材料可在蝕刻工藝期間具有非常低的蝕刻速度。因此，在蝕刻工藝期間非揮發(fā)性材料的反應(yīng)產(chǎn)物例如蝕刻副產(chǎn)物會(huì)再沉積在蝕刻之后形成的圖案的側(cè)壁上。當(dāng)蝕刻副產(chǎn)物以這種方式再沉積到圖案的側(cè)壁上時(shí)，由于蝕刻形成的最終圖案的側(cè)壁外形可以陡峭地傾斜，由此使得臨界尺寸(⑶)的控制困難。此外，當(dāng)非揮發(fā)性金屬反應(yīng)副產(chǎn)物再沉積在所述圖案的側(cè)壁上時(shí)，可能發(fā)生下電極和上電極之間的電短路，其進(jìn)而可能使MTJ退化。
另一方面，在根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的制造磁性器件的方法中，在包括非揮發(fā)性磁性層的層疊結(jié)構(gòu)40或50被蝕刻時(shí)，使用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的額外氣體的蝕刻氣體蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40或50。在這點(diǎn)上，層疊結(jié)構(gòu)40或50可以在單一步驟中被從上電極層48蝕刻到下電極層42，并且可以被分成多個(gè)磁性器件80或90。由于通過使用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的額外氣體的蝕刻氣體來蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40或50，所以可以防止蝕刻副產(chǎn)物再沉積在每個(gè)蝕刻表面上，S卩，可以防止蝕刻副產(chǎn)物再沉積在相應(yīng)的圖8C和圖9C的多個(gè)磁性器件80的側(cè)壁80S或多個(gè)磁性器件90的側(cè)壁90S上，以及磁性器件可具有豎直的側(cè)壁外形，即，具有沿著支撐磁性器件80或90的表面的法線延伸的側(cè)壁。
圖1OA示出當(dāng)層疊結(jié)構(gòu)40在源功率和偏壓功率分別以等幅波模式輸出的條件下被蝕刻時(shí)離子A+/_的移動(dòng)路徑10A。
詳細(xì)地，圖1OA示出當(dāng)通過參考圖SC描述的工藝使用等離子體蝕刻裝置60、在源功率和偏壓功率分別以圖7A和圖7B示出的等幅波模式輸出的條件下蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40時(shí)，從蝕刻氣體產(chǎn)生的加速離子A+/_的移動(dòng)路徑10A。
圖1OB示出在同步脈沖等離子體蝕刻工藝中從蝕刻氣體產(chǎn)生的離子A+的移動(dòng)路徑 IOB。
詳細(xì)地，圖1OB示出當(dāng)通過參考圖SC描述的工藝使用等離子體蝕刻裝置60、在源功率和偏壓功率分別以圖7E示出的脈沖模式輸出的條件下蝕刻層疊結(jié)構(gòu)40并由此執(zhí)行同步脈沖等離子體蝕刻工藝時(shí)，從蝕刻氣體產(chǎn)生的加速離子A+/_的移動(dòng)路徑10B。
如圖1OA和圖1OB所示，在執(zhí)行同步脈沖等離子體蝕刻工藝時(shí)(圖10B)，與源功率和偏壓功率采用等幅波模式(圖10A)相比，加速離子A+/_的移動(dòng)范圍增大。因而，加速離子A+/_被分散的移動(dòng)范圍增大。此外，即使在副產(chǎn)物再沉積在側(cè)壁80S上時(shí)，也可以由于在增大的移動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)的多個(gè)加速離子A+/_而去除再沉積的副產(chǎn)物。這樣的效應(yīng)也適用于參考圖9C描述的層疊結(jié)構(gòu)50的蝕刻工藝。因而，即使在蝕刻包括多個(gè)磁性層的層疊結(jié)構(gòu)從而制造具有幾十nm (例如，約20nm)的非常細(xì)小的寬度的磁性器件80或90時(shí)，也可以使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的制造磁性器件的方法來蝕刻包括多個(gè)磁性層的所述層疊結(jié)構(gòu)，從而由于可以執(zhí)行高各向異性蝕刻而沒有蝕刻副產(chǎn)物的再沉積，所以可以容易地制造每個(gè)具有豎直的側(cè)壁外形的小型化磁性器件。
圖11是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的制造磁性器件的方法的流程圖。
在圖11的操作112中，掩模圖案可以形成在包括自下而上順序?qū)盈B的下磁性層、隧道勢壘層和上磁性層的層疊結(jié)構(gòu)上，以覆蓋層疊結(jié)構(gòu)的一部分。
在一些實(shí)施方式中，層疊結(jié)構(gòu)還可以包括形成在下磁性層下面和上面的下電極層和上電極層，隧道勢壘層和上磁性層插置在下電極層和上電極層之間。層疊結(jié)構(gòu)可以包括磁性層，該磁性層由例如 Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn> IrMn、CoFe 合金和CoFeB合金的至少之一形成。例如，層疊結(jié)構(gòu)可以包括圖4或圖5的層疊結(jié)構(gòu)40或50。
掩模圖案可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta中的至少之一。在一些實(shí)施方式中，掩模圖案可具有例如RiATiN或TiN\W的雙層結(jié)構(gòu)。
在操作114中，操作112的所得結(jié)構(gòu)(即，層疊結(jié)構(gòu))的頂表面可以暴露于氫等離子體以執(zhí)行層疊結(jié)構(gòu)的預(yù)處理。在一些實(shí)施方式中，為了使用氫等離子體執(zhí)行預(yù)處理工藝，包括層疊結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)可以被裝載到等離子體蝕刻裝置60的腔室62中，氫等離子體通過僅供應(yīng)H2氣體到腔室62中產(chǎn)生。操作114中的預(yù)處理工藝的更詳細(xì)說明大體上與圖2的操作22中描述的預(yù)處理工藝相同。因而，省略其詳細(xì)說明。如有必要，可以省略操作114。
在操作116中，可以使用包括以體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的第一額外氣體的第一蝕刻氣體并通過使用在操作112中形成的掩模圖案作為蝕刻掩模，來執(zhí)行自層疊結(jié)構(gòu)的暴露頂表面蝕刻第一部分的第一蝕刻工藝，該第一部分至少包括上磁性層和隧道勢壘層。
在操作116中，可以通過等離子體蝕刻工藝執(zhí)行第一蝕刻工藝。為了執(zhí)行第一蝕刻工藝，可以使用圖6中示出的等離子體蝕刻裝置60。第一蝕刻工藝可以在與操作114的預(yù)處理工藝相同的腔室62中執(zhí)行，并且在操作114的預(yù)處理工藝之后。
第一額外氣體可以包括例如惰性氣體和NH3氣體中的至少一種。例如，第一額外氣體可以包括例如N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。
在執(zhí)行操作116中的第一蝕刻工藝時(shí)，源功率和偏壓功率可以分別如圖7A和圖7B所不地以等幅波模式輸出。在一些實(shí)施方式中，在執(zhí)行第一蝕刻工藝時(shí)，源功率或偏壓功率可以以其中源功率或偏壓功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的脈沖模式輸出，如圖7C或圖7D所示。在一些實(shí)施方式中，在執(zhí)行第一蝕刻工藝時(shí)，為了如圖7E中所示地執(zhí)行同步脈沖等離子體蝕刻工藝，可以同時(shí)或以預(yù)定時(shí)間差輸出脈沖模式的源功率和脈沖模式的偏壓功率。操作116的第一蝕刻工藝可以在約(-10) °C至約65°C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。
在操作116中蝕刻圖4的層疊結(jié)構(gòu)40時(shí)，在執(zhí)行第一蝕刻工藝之后，上電極層48、上磁性層46和隧道勢壘層45分別分成多個(gè)上電極、多個(gè)上磁性圖案以及多個(gè)隧道勢壘。
在操作118中，使用包括以體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的第二額外氣體的第二蝕刻氣體以及通過使用所述掩模圖案作為蝕刻掩模來執(zhí)行蝕刻層疊結(jié)構(gòu)的包括下磁性層的第二部分的第二蝕刻工藝。在操作118中蝕刻圖4的層疊結(jié)構(gòu)40時(shí)，在第二蝕刻工藝之后，下磁性層44和下電極層42被分成多個(gè)下磁性圖案和多個(gè)下電極。
操作118中的第二蝕刻工藝可以通過等離子體蝕刻工藝執(zhí)行。為了執(zhí)行第二蝕刻工藝，可以使用圖6中示出的等離子體蝕刻裝置60。第二蝕刻工藝可以在與操作116的第一蝕刻工藝相同的腔室62中執(zhí)行，并且在操作116的第一蝕刻工藝之后。
第二額外氣體可以包括例如惰性氣體和NH3氣體中的至少一種。第二額外氣體可以包括例如N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。在一些實(shí)施方式中，第二額外氣體可以包括與操作116中使用的第一額外氣體不同的氣體。例如，N2氣體可以在操作116中用作第一額外氣體，NH3氣體可以在操作118中用作第二額外氣體。
在等離子體蝕刻裝置60中執(zhí)行操作118中的第二蝕刻工藝時(shí)，源功率和偏壓功率可以分別如圖7A和圖7B所示地以等幅波模式輸出。在一些實(shí)施方式中，在執(zhí)行第二蝕刻工藝時(shí)，源功率或偏壓功率可以以其中源功率或偏壓功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的脈沖模式輸出，如圖7C或圖7D所示。在一些實(shí)施方式中，在執(zhí)行第二蝕刻工藝時(shí)，為了執(zhí)行同步脈沖等離子體蝕刻工藝，可以同時(shí)或以預(yù)定時(shí)間差輸出脈沖模式的源功率和脈沖模式的偏壓功率，如圖7E所示。操作118的第二蝕刻工藝可以在約(-10) °C至約65°C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。在一些實(shí)施方式中，用于操作118的第二蝕刻工藝的源功率和偏壓功率中每個(gè)的輸出方式可以與用于操作116的第一蝕刻工藝的源功率和偏壓功率中每個(gè)的輸出方式不同地設(shè)置。例如，在執(zhí)行操作116中的第一蝕刻工藝時(shí)，源功率和偏壓功率可以分別以等幅波模式輸出，如圖7A和7B所示，而在執(zhí)行操作118中的第二蝕刻工藝時(shí)，可以輸出脈沖模式的源功率以及脈沖模式的偏壓功率，如圖7E所示，從而執(zhí)行同步脈沖等離子體蝕刻工藝。操作118的第二蝕刻工藝可以在同步脈沖等離子體蝕刻工藝條件下執(zhí)行，使得從蝕刻氣體產(chǎn)生的加速離子在增大的移動(dòng)范圍內(nèi)移動(dòng)并與將被蝕刻的區(qū)域碰撞。在層疊結(jié)構(gòu)的將被蝕刻的區(qū)域，進(jìn)行與到達(dá)所述區(qū)域的表面的加速氫離子的化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，可以在將被蝕刻的區(qū)域中均勻地執(zhí)行由于從第二額外氣體獲得的加速離子而弓I起的物理蝕刻。因而，可以在執(zhí)行將被蝕刻的層的高各向異性蝕刻以及去除再沉積層的過程中更有效地使用氫離子和從第二額外氣體產(chǎn)生的加速離子。結(jié)果，可以容易地形成每個(gè)具有豎直的側(cè)壁外形的細(xì)小的磁阻器件，可以防止副產(chǎn)物再沉積在蝕刻之后獲得的圖案的側(cè)壁上。因而，不執(zhí)行用于去除再沉積的蝕刻副產(chǎn)物的額外的清洗工藝或后處理工藝。圖12A至圖12H是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的另一示例性實(shí)施方式的、在制造磁性器件200(見圖12H)的方法中的各階段的剖視圖。當(dāng)前實(shí)施方式示出自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(STT-MRAM)裝置的制造工藝作為磁性器件200的制造工藝。參考圖12A，隔離層204可以形成在襯底202上以限定有源區(qū)206。至少一個(gè)晶體管210可以形成在有源區(qū)206中。在一些實(shí)施方式中，襯底202可以是半導(dǎo)體晶片。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，襯底202可以包括例如硅(Si)。在一些實(shí)施方式中，襯底202可以包括半導(dǎo)體元素，例如Ge，或化合物半導(dǎo)體，例如SiC、GaAs、InAs或InP。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，襯底202可具有絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)。例如，襯底202可以包括掩埋氧化物(BOX)層。在一些實(shí)施方式中，襯底202可以包括導(dǎo)電區(qū)域，例如用雜質(zhì)摻雜的阱，或者用雜質(zhì)摻雜的結(jié)構(gòu)。隔離層204可具有淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)。晶體管210可以包括柵絕緣層212、柵電極214、源極區(qū)216和漏極區(qū)218。柵電極214可以形成使得柵電極214的頂表面和兩個(gè)側(cè)壁分別通過絕緣蓋層220和絕緣間隔物222而絕緣。接著，用于覆蓋晶體管210的平坦化的第一層間絕緣層230、穿透第一層間絕緣層230且電連接到源極區(qū)216的多個(gè)第一接觸插塞232、以及電連接到漏極區(qū)218的多個(gè)第二接觸插塞234可以順序地形成在襯底202上。在導(dǎo)電層形成在第一層間絕緣層230上之后，可以圖案化該導(dǎo)電層，由此形成經(jīng)由多個(gè)第一接觸插塞232電連接到源極區(qū)216的多條源極線236以及在源極線236兩側(cè)的、經(jīng)由多個(gè)第二接觸插塞234電連接到漏極區(qū)218的多個(gè)導(dǎo)電圖案238。
接著，第二層間絕緣層240可以形成在第一層間絕緣層230上以覆蓋源極線236和導(dǎo)電圖案238。通過使用光刻工藝，一部分第二層間絕緣層240可以被移除從而暴露導(dǎo)電圖案238的頂表面，由此形成下電極接觸孔240H。通過在下電極接觸孔240H中填充導(dǎo)電材料并通過拋光該導(dǎo)電材料以暴露第二層間絕緣層240的頂表面，可以在下電極接觸孔240H中形成下電極接觸插塞242。在一些實(shí)施方式中，下電極接觸插塞242可以包括例如TiN、T1、TaN, Ta和W的至少之一。
參考圖12B，層疊結(jié)構(gòu)250，其中下電極層252、下磁性層254、隧道勢壘層255、上磁性層256和上電極層258自下而上順序?qū)盈B，可以形成在第二層間絕緣層240和下電極接觸插塞242上。
層疊結(jié)構(gòu)250可以包括圖4或圖5的層疊結(jié)構(gòu)40或50。然而，本發(fā)明構(gòu)思的各方面不限于此，可以根據(jù)將形成的磁性器件的期望特性而增加或替代各種類型的各層。
參考圖12C，多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260形成在層疊結(jié)構(gòu)250上，從而覆蓋層疊結(jié)構(gòu)250的頂表面的一部分。多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260可以包括金屬或金屬氮化物。在一些實(shí)施方式中，多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta的至少之一。例如，導(dǎo)電掩模圖案260可具有Ru\TiN或TiN\W的雙層結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電掩模圖案260可以形成在與下電極接觸插塞242相同的軸上，例如，導(dǎo)電掩模圖案260可以沿著垂直于襯底202的豎直軸與下電極接觸插塞242對齊。
在一些實(shí)施方式中，為了形成多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260,導(dǎo)電掩模層可以首先形成在層疊結(jié)構(gòu)250上，多個(gè)硬掩模圖案(未示出)可以形成在導(dǎo)電掩模層上。導(dǎo)電掩模層可以使用多個(gè)硬掩模圖案作為蝕刻掩模被蝕刻，使得多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260可以保留在層疊結(jié)構(gòu)250 上。
參考圖12D,層疊結(jié)構(gòu)250的暴露頂表面可以通過導(dǎo)電掩模圖案260而暴露于氫等離子體262，以執(zhí)行層疊結(jié)構(gòu)250的暴露頂表面的預(yù)處理。使用氫等離子體262的預(yù)處理工藝與圖2的操作22以及參考圖SB和圖9B描述的使用氫等離子體的預(yù)處理工藝相同。如有必要，可以省略使用氫等離子體262的預(yù)處理工藝。
參考圖12E，可以通過使用包括以體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的第一額外氣體的第一蝕刻氣體并通過使用導(dǎo)電掩模圖案260作為蝕刻掩模，來執(zhí)行通過使用等離子體蝕刻工藝蝕刻上電極層258、上磁性層256和隧道勢壘層255的第一蝕刻工藝。結(jié)果，可以形成多個(gè)上電極258A、多個(gè)上磁性層圖案256A和多個(gè)隧道勢壘層255A。圖12E的第一蝕刻工藝大體上與圖11的操作116相同。在執(zhí)行第一蝕刻工藝時(shí)，由于第一蝕刻工藝的蝕刻氣氛，使得多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260的一部分可以從其頂表面被消耗。
在執(zhí)行第一蝕刻工藝時(shí)，在多個(gè)隧道勢壘層255A形成之后暴露的下磁性層254可以從其頂表面起被進(jìn)一步蝕刻預(yù)定厚度，從而完成第一蝕刻工藝。在一些實(shí)施方式中，為了確定第一蝕刻工藝的終點(diǎn)，可以使用發(fā)射光譜。為了通過設(shè)置下磁性層254作為終點(diǎn)來執(zhí)行第一蝕刻工藝，可以執(zhí)行第一蝕刻工藝直到在發(fā)射光譜中檢測到下磁性層254的各元素中的其中之一的發(fā)射波長。
在一些實(shí)施方式中，在源功率和偏壓功率分別如圖7A和圖7B所示地以等幅波模式輸出的狀態(tài)下可以執(zhí)行第一蝕刻工藝，該源功率和偏壓功率被施加以構(gòu)成第一蝕刻工藝的蝕刻氣氛。
參考圖12F，蝕刻在多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260之間暴露的下磁性層254以及在層疊結(jié)構(gòu)250 (見圖12B)的下磁性層254下面的下電極層252的第二蝕刻工藝可以使用包括以體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及余數(shù)的第二額外氣體的第二蝕刻氣體并通過使用導(dǎo)電掩模圖案260作為蝕刻掩模來執(zhí)行。結(jié)果，可以形成多個(gè)下磁性層圖案254A和多個(gè)下電極252A。圖12F的第二蝕刻工藝大體上與圖11的操作118相同。在一些實(shí)施方式中，以體積計(jì)的約80%至約95%的H2氣體以及以體積計(jì)的約5%至約20%的第二額外氣體可以用作第二蝕刻氣體。第二額外氣體可以包括例如N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。在一些實(shí)施方式中，第二額外氣體包括與第一額外氣體不同的氣體。例如，當(dāng)N2氣體用作第一額外氣體時(shí)，NH3可以用作第二額外氣體。第二蝕刻工藝可以在其中保持高于約500eV的離子能量以及低于約IXlO11cnT3的等離子體密度的氣氛中執(zhí)行。第二蝕刻工藝可以在約(-10) °C至約65°C的溫度下、在約2mTorr至約5mTorr的壓力下執(zhí)行。在執(zhí)行第二蝕刻工藝時(shí)，由于第二蝕刻工藝的蝕刻氣氛，多個(gè)導(dǎo)電掩模圖案260的一部分可以從其頂表面被消耗。雖然未出，但是在執(zhí)行第二蝕刻工藝時(shí)，在形成多個(gè)下電極252A之后暴露的第二層間絕緣層240可以自其頂表面被蝕刻預(yù)定厚度。作為第二蝕刻工藝的所得結(jié)構(gòu)，包括下電極252A、下磁性層圖案254A、隧道勢壘層255A、上磁性層圖案256A、上電極258A和剩余的導(dǎo)電掩模圖案部分260的多個(gè)磁阻器件270形成在多個(gè)下電極接觸插塞242上。在多個(gè)磁阻器件270中，剩余的導(dǎo)電掩模圖案部分260和上電極258A用作一個(gè)電極。多個(gè)磁阻器件270可以通過執(zhí)行圖12E的第一蝕刻工藝以及圖12F的第二蝕刻工藝獲得，第一蝕刻工藝和第二蝕刻工藝的每個(gè)使用包括以體積計(jì)的至少80%的H2氣體的蝕刻氣體。多個(gè)磁阻器件270可具有側(cè)壁270S，該側(cè)壁270S具有大體上豎直的側(cè)壁外形，即側(cè)壁270可以實(shí)質(zhì)上沿著襯底202的法線延伸而沒有傾斜，例如沒有斜面(inclines)，或者沒有副產(chǎn)品積累在其上。也就是說，在執(zhí)行圖12E的第一蝕刻工藝以及圖12F的第二蝕刻工藝時(shí)，可以防止蝕刻殘留物，例如非揮發(fā)性材料，再沉積在磁阻器件270的側(cè)壁270S上。因而，可以防止由于副產(chǎn)物再沉積在側(cè)壁270S上而引起的磁阻器件270的特性的退化，可以消除用于從側(cè)壁270S去除再沉積的副產(chǎn)物的額外的清洗工藝或后處理工藝，由此簡化磁阻器件270的制造工藝。此外，即使當(dāng)多個(gè)磁阻器件270的每個(gè)的寬度W具有幾十nm，例如約20nm的非常細(xì)小的尺寸時(shí)，也可以在層疊結(jié)構(gòu)250上執(zhí)行高各向異性蝕刻而沒有蝕刻副產(chǎn)物的再沉積。因此，可以容易地制造具有大的高寬比(aspectratio)的細(xì)小的磁性器件，每個(gè)磁性器件具有豎直的側(cè)壁外形。在一些實(shí)施方式中，每個(gè)磁阻器件270的高度H至少是磁阻器件270的寬度W的
1.5倍。例如，磁阻器件270的高度H可以是磁阻器件270的寬度W的約1.5倍至約3.5倍。在一些實(shí)施方式中，隧道勢壘層255A的寬度可以被設(shè)置為磁阻器件270的寬度W的基礎(chǔ)(base )。在這點(diǎn)上，磁阻器件270的高度H可以是隧道勢壘層255A的寬度的至少1.5倍。參考圖12G，平坦化的第三層間絕緣層280可以形成為覆蓋多個(gè)磁阻器件270，第三層間絕緣層280的一部分可以通過蝕刻被去除以形成多個(gè)位線接觸孔280H，該位線接觸孔280H暴露出每個(gè)磁阻器件270的導(dǎo)電掩模圖案260的頂表面。接著，在形成用于填充多個(gè)位線接觸孔280H的導(dǎo)電層之后，可以拋光或蝕刻該導(dǎo)電層直到暴露第三層間絕緣層280的頂表面，由此分別在多個(gè)位線接觸孔280H中形成多個(gè)位線接觸插塞282。
參考圖12H，可以在第三層間絕緣層280和多個(gè)位線接觸插塞282上形成導(dǎo)電層并且可以圖案化該導(dǎo)電層，由此形成例如具有線形狀的位線290，位線290分別電連接到多個(gè)位線接觸插塞282，以形成磁性器件200。
圖13是曲線圖，顯示出作為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的蝕刻氣體中的H2濃度的函數(shù)的、包括根據(jù)實(shí)施方式的磁性層的層疊結(jié)構(gòu)的蝕刻速率和再沉積速率的評估結(jié)果O
對于圖13的評估，使用自上而下順序?qū)盈B的T丨(20 A) \Ru (20 Λ) \Ta (4 A)\CoFeB (I I A) \MgO (10 A) \CoFeB (12 A) \Ta (4 A) \Co (5 A) \Pt (10 A) \ [Co(2.5 A) ''Pd (10 A)]x3\Co (5 A) \Ru (8 A) \Co (5 A) \ [Pd (10 A) ''Co (2.5A)]x7\Pd (10 A) \Ti (10 A) \Ru (50 A)的層疊結(jié)構(gòu)。為了蝕刻該層疊結(jié)構(gòu)，在該層疊結(jié)構(gòu)上形成具有Ru ( 500A ) \TiN (600A)的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電掩模圖案，層疊結(jié)構(gòu)使用該導(dǎo)電掩模圖案作為蝕刻掩模被蝕刻。使用圖13所示的各種情況下的蝕刻氣體來等離子體蝕刻用于評估的樣品。用于蝕刻的工藝溫度、工藝壓力、源功率和偏壓功率分別被設(shè)置成230°C、2mTorr、500W和350W。如圖13所示，隨著蝕刻氣體中的H2氣體的濃度增加，側(cè)壁上的副產(chǎn)物的再沉積速率減小。
圖14示出包括根據(jù)實(shí)施方式的磁性層的層疊結(jié)構(gòu)關(guān)于根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的蝕刻氣體中的H2氣體濃度的相關(guān)性的評估結(jié)果的虛擬掃描電子顯微鏡(VSEM)圖片。
對于圖14的評估，使用在圖13的評估中使用的層疊結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電掩模圖案，并且使用相同的蝕刻氣氛條件。圖14顯示出通過在如上所述的蝕刻條件下，自層疊結(jié)構(gòu)的頂表面蝕刻層疊結(jié)構(gòu)至MgO層(B卩，隧道勢壘層)而形成的所得結(jié)構(gòu)。如圖14所示，當(dāng)蝕刻氣體中的H2氣體的濃度是按體積計(jì)的80%或更高時(shí)，蝕刻圖案的側(cè)壁具有豎直外形且防止了副產(chǎn)物的再沉積。
圖15示出通過使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法，通過蝕刻包括磁性層的層疊結(jié)構(gòu)而形成的結(jié)構(gòu)的VSHM圖片。
對于圖15的評估，使用自上而下順序?qū)盈B的Ti (20人)\Ru (20 A) \Ta (4 A)\CoFeB ( I I A) \MgO (10 A) \CoFeB (12 A) XTa (4 A) \Co (5 A) \Pt(10 A) \ [Co(2.5 A) \Pd (10 A)]x3\Ru (8 A) \CoPt (80 A) \Ru (50 A)的層疊結(jié)構(gòu)。為了蝕刻層疊結(jié)構(gòu)，具有TiN (100A) \W (600A)的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電掩模圖案形成在該層疊結(jié)構(gòu)上，使用該導(dǎo)電掩模圖案作為蝕刻掩模來蝕刻層疊結(jié)構(gòu)。
為了蝕刻層疊結(jié)構(gòu)，通過使用從包括按體積計(jì)的90%的H2氣體以及按體積計(jì)的10%的N2氣體的第一蝕刻氣體獲得的等離子體，執(zhí)行從Ru層(即，上電極)到MgO層(即，隧道勢壘層)的第一蝕刻工藝。用于第一蝕刻工藝的工藝溫度、工藝壓力、源功率和偏壓功率分別是60°C、2mTorr、350W和600W。在第一蝕刻工藝中，施加等幅波模式的偏壓功率。接著，通過使用從包括按體積計(jì)的80%的H2氣體以及按體積計(jì)的20%的NH3氣體的第二蝕刻氣體獲得的等離子體，執(zhí)行從CoFeB層到Ti層(其是下電極)的第二蝕刻工藝。用于第二蝕刻工藝的工藝溫度、工藝壓力、源功率和偏壓功率分別是60C、2mTorr、750W和340W。在第二蝕刻工藝中，施加脈沖模式的偏壓功率。結(jié)果，獲得圖15所示的多個(gè)MTJ器件。在圖15的圖片中，附圖標(biāo)記412和414分別表示TiN層和W層，其中每個(gè)用作蝕刻掩模，附圖標(biāo)記416表示作為隧道勢壘層的MgO層，附圖標(biāo)記418表示層間絕緣層。在通過第一蝕刻工藝和第二蝕刻工藝獲得的多個(gè)MTJ器件中，其在圖15的VSEM圖片中示出，平均高度關(guān)于平均寬度的比率是約1: 1.5。圖16示出VSEM圖片，其顯示出層疊結(jié)構(gòu)關(guān)于在層疊結(jié)構(gòu)上使用的蝕刻氣體中的H2氣體的不同濃度的評估結(jié)果，該層疊結(jié)構(gòu)包括根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的磁性層。對于圖16的評估，使用自上而下順序?qū)盈B的Ti (20人)\Ru (20 A) \Ta (4 A)\CoFeB (11 A ) \MgO (10 A) \CoFeB (12 A) \Ta (4 A) \Co (5 A) \Pt (10 A) \ [Co(2.5 A) \Pd (10 A)]x3\Ru (8 A) \ [Co (2.5 A) \Pd (10 A)]x7\Ru.(50 A)的 U A 結(jié)構(gòu)。為了蝕刻該層疊結(jié)構(gòu)，具有Ru ( 500A ) \TiN (600A)的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電掩模圖案形成在該層疊結(jié)構(gòu)上，通過使用該導(dǎo)電掩模圖案作為蝕刻掩模來蝕刻該層疊結(jié)構(gòu)，制造了多個(gè)MTJ器件。使用從圖16所示的具有不同成分的蝕刻氣體獲得的等離子體各向異性地蝕刻用于評估的樣品。在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)時(shí)，蝕刻氣體的成分和成分比例相同，用于蝕刻的工藝溫度、工藝壓力、源功率和偏壓功率分別被設(shè)置成60°C、2mTorr、350W和600W。在圖16中，(I)是顯示出在具有Ru ( 500A ) VHN ( 600人)的結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電掩模圖案形成在層疊結(jié)構(gòu)之后，在蝕刻之前的層疊結(jié)構(gòu)的圖片。(2)是顯示出其中由于使用從包括100%H2氣體的蝕刻氣體獲得的等離子體來蝕刻層疊結(jié)構(gòu)，所得到的結(jié)構(gòu)的圖片，在該所得到的結(jié)構(gòu)中層疊結(jié)構(gòu)沒有被蝕刻。(3)是顯示出通過使用從包括按體積計(jì)的95%的H2氣體以及按體積計(jì)的5%的N2氣體的蝕刻氣體獲得的等離子體，蝕刻層疊結(jié)構(gòu)而形成的所得結(jié)構(gòu)的圖片。(4)是顯示出通過使用從包括按體積計(jì)的90%的H2氣體以及按體積計(jì)的10%的N2氣體的蝕刻氣體獲得的等離子體，蝕刻層疊結(jié)構(gòu)而形成的所得結(jié)構(gòu)的圖片。(5)是顯示出通過使用從包括按體積計(jì)的90%的H2氣體以及按體積計(jì)的10%的N2氣體的蝕刻氣體獲得的等離子體，蝕刻層疊結(jié)構(gòu)而形成的所得結(jié)構(gòu)的圖片。在圖16的圖片(3)、(4)和(5)中，層疊結(jié)構(gòu)被高各向異性地蝕刻，而沒有蝕刻副產(chǎn)物的再沉積。比較圖片(2)(即，在該情況下僅使用H2氣體蝕刻層疊結(jié)構(gòu))與圖片(3)、
(4)和(5)(即，在該情況下使用包括作為非揮發(fā)性氣體的添加的N2氣體或Ar氣體的蝕刻氣體來蝕刻層疊結(jié)構(gòu))，蝕刻氣體中的4氣體用于化學(xué)地蝕刻層疊結(jié)構(gòu)。此外，比較圖片(4)和(5)，獲得的MTJ器件的外形類似。因而，在圖片⑷中用作額外氣體的N2氣體和在圖片
(5)中用作額外氣體的Ar氣體執(zhí)行相同的操作。在圖16的VSEM圖片(3)所示的每個(gè)MTJ器件中，高度關(guān)于寬度的比率是1: 4。在圖16的圖片(4)的VSEM照片所示的每個(gè)MTJ器件中，高度關(guān)于寬度的比率是1: 3.5。圖17A和圖17B是VSEM圖片，顯示出在通過使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法蝕刻包括磁性層的層疊結(jié)構(gòu)時(shí)，通過評價(jià)在施加脈沖偏壓功率時(shí)的效應(yīng)而形成的所得結(jié)構(gòu)。對于圖17A和圖17B的評估，使用在圖15的評估中使用的層疊結(jié)構(gòu)和掩模圖案結(jié)構(gòu)，并且使用相同的蝕刻氣氛條件。圖17A是圖片，顯示出通過以等幅波模式施加偏壓功率，執(zhí)行自作為上電極的Ru層512到作為隧道勢壘層的MgO層514蝕刻層疊結(jié)構(gòu)的第一蝕刻工藝的結(jié)果。圖17B是圖片，顯示出通過以脈沖模式施加偏壓功率，執(zhí)行自作為MgO層514的下結(jié)構(gòu)的CoFeB層到作為下電極的Ti層蝕刻層疊結(jié)構(gòu)的第二蝕刻工藝的結(jié)果。在圖17A和圖17B中，附圖標(biāo)記516和518分別表示用作蝕刻掩模的TiN層和W層。
在圖17A的圖片中，S卩，顯示出其中在以等幅波模式施加偏壓功率時(shí)執(zhí)行第一蝕刻工藝直到MgO層514的情形，少量蝕刻殘留物520粘接在MgO層514的在第一蝕刻工藝之后暴露的側(cè)壁上。在圖17B的圖片中，即，顯示出通過以脈沖模式施加偏壓功率在圖17A的所得結(jié)構(gòu)上執(zhí)行第二蝕刻工藝的結(jié)果，蝕刻殘留物520被從MgO層514的側(cè)壁去除，MgO層514的側(cè)壁完全暴露。在圖17B的VSEM圖片中示出(S卩，通過第二蝕刻工藝獲得)的多個(gè)MTJ器件中，平均高度關(guān)于平均寬度的比率是約1: 1.5。
圖18通過使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法而形成的磁性器件600的示意圖剖視圖。參考圖18，磁性器件600可以包括硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)的記錄磁頭610。記錄磁頭610可以包括MTJ器件612。
數(shù)據(jù)由于垂直磁極化而被記錄在記錄媒質(zhì)620的每個(gè)磁疇622中，如由箭頭所指示。記錄磁頭610可以在記錄媒介620上記錄數(shù)據(jù),或者可以從記錄媒質(zhì)620讀取被記錄的數(shù)據(jù)。根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的制造磁性器件的方法可以應(yīng)用于形成記錄磁頭610的MTJ器件612。
圖19示出可以通過使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)700。參考圖19，系統(tǒng)700可以包括控制器710、輸入/輸出器件720、存儲(chǔ)器件730和接口 740。系統(tǒng)700可以是可移動(dòng)系統(tǒng)，或者用于傳送或接收信息的系統(tǒng)。在一些實(shí)施方式中，移動(dòng)系統(tǒng)是例如個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、便攜式計(jì)算機(jī)、上網(wǎng)本、無線電話、移動(dòng)式電話、數(shù)字音樂播放器或存儲(chǔ)卡?？刂破?10控制系統(tǒng)700中的執(zhí)行程序，并且可以包括例如微處理器、數(shù)字信號處理器、微控制器或類似物。輸入/輸出器件720可以在從系統(tǒng)700輸入數(shù)據(jù)或者輸出數(shù)據(jù)到系統(tǒng)700中使用。系統(tǒng)700可以通過使用輸入/輸出器件720連接到外部設(shè)備，例如個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)或網(wǎng)絡(luò)，并且可以與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)。輸入/輸出器件720可以是例如鍵區(qū)、鍵盤或顯示器。
存儲(chǔ)器件730可以存儲(chǔ)用于控制器710的操作的代碼和/或數(shù)據(jù)，或者可以存儲(chǔ)由控制器710處理的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器件730可以包括通過根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的至少一個(gè)實(shí)施方式的制造磁性器件的方法制造的磁性器件。
接口 740可以是系統(tǒng)700和另一外部設(shè)備(未示出)之間的數(shù)據(jù)傳輸通道?？刂破?10、輸入/輸出器件720、存儲(chǔ)器件730和接口 740可以經(jīng)由總線750彼此通信。系統(tǒng)700可以在例如移動(dòng)式電話、MP3播放器、導(dǎo)航器件、便攜式多媒質(zhì)播放器(PMP)、固態(tài)盤(SSD)或家用電器中使用。
圖20示出可以通過使用根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的一實(shí)施方式的制造磁性器件的方法實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)卡800。參考圖20，存儲(chǔ)卡800可以包括存儲(chǔ)器件810以及存儲(chǔ)器控制器820。
存儲(chǔ)器件810可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施方式中，存儲(chǔ)器件810具有即使在功率供應(yīng)停止時(shí)也可以保持所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的非揮發(fā)性特性。存儲(chǔ)器件810包括通過根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的至少一個(gè)實(shí)施方式的制造磁性器件的方法制造的磁性器件。
響應(yīng)主機(jī)830的讀/寫請求，存儲(chǔ)器控制器820可以從存儲(chǔ)器件810讀取所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，或者可以在存儲(chǔ)器件810中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在此已經(jīng)公開了實(shí)例實(shí)施方式，雖然采用了專用術(shù)語，但是它們可以僅被使用且將被理解為一般的和描述性的意義而不用于限制目的。在一些情況下，如對于提交本申請所屬的領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員來說可能是顯然的，關(guān)于特定實(shí)施方式描述的特征、特性、和/或元件可以單獨(dú)地使用或者可以與關(guān)于其它實(shí)施方式描述的特征、特性、和/或元件一起使用，除非另外地特別指出。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解，可以進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)的各種變化，而不脫離由權(quán)利要求書所闡述的本發(fā)明的精神和范圍。本申請要求享有2011年12月7日在韓國知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的韓國專利申請N0.10-2011-0130474的權(quán)益，其公開通過全文引用結(jié)合于此。
權(quán)利要求
1.一種制造磁性器件的方法，所述方法包括: 形成層疊結(jié)構(gòu)，所述層疊結(jié)構(gòu)包括磁性層；以及 通過使用蝕刻氣體蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)，所述蝕刻氣體包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)包括使用包括H2氣體和額外氣體的蝕刻氣體，所述額外氣體包括惰性氣體和/或NH3氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述額外氣體中的所述惰性氣體包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)包括使用不含鹵素的蝕刻氣體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中形成所述層疊結(jié)構(gòu)包括使用C0/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn> IrMn、CoFe 合金和 CoFeB 合金中的至少之一。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)包括執(zhí)行等離子體蝕刻工藝。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)包括: 使用包括用于施加源功率的源功率輸出單元以及用于施加偏壓功率的偏壓功率輸出單元的等離子體蝕刻裝置，以及 重復(fù)地執(zhí)行在其中所述源功率和所述偏壓功率中的至少一種功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的操作。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括:在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)之前，將所述層疊結(jié)構(gòu)的一區(qū)域暴露于氫等離子體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中: 形成所述層疊結(jié)構(gòu)包括在上電極和下電極之間形成所述磁性層，所述上電極和所述下電極彼此面對，以及 蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)包括通過使用所述蝕刻氣體蝕刻所述上電極、所述下電極和所述磁性層。
10.一種制造磁性器件的方法，所述方法包括: 形成層疊結(jié)構(gòu)，所述層疊結(jié)構(gòu)包括自下而上順序?qū)盈B的下磁性層、隧道勢壘層和上磁性層； 在所述層疊結(jié)構(gòu)上形成掩模圖案，使得所述層疊結(jié)構(gòu)的一部分被覆蓋； 通過所述掩模圖案執(zhí)行第一蝕刻以蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)的第一部分，所述第一部分至少包括所述上磁性層和所述隧道勢壘層，所述第一蝕刻包括使用第一蝕刻氣體，該第一蝕刻氣體具有按體積計(jì)的至少80%的H2氣體和第一額外氣體；以及 通過所述掩模圖案執(zhí)行第二蝕刻，以蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)的第二部分，所述第二部分包括所述層疊結(jié)構(gòu)的所述下磁性層，所述第二蝕刻在與所述第一蝕刻不同的蝕刻氣氛下執(zhí)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第二蝕刻包括使用第二蝕刻氣體，該第二蝕刻氣體具有按體積計(jì)的至少80%的H2氣體以及第二額外氣體，所述第二額外氣體包括與所述第一額外氣體不同的成分。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第一額外氣體和所述第二額外氣體的每個(gè)包括惰性氣體或NH3氣體。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第一額外氣體和所述第二額外氣體的每個(gè)包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe的至少之一。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其中所述第一額外氣體包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe的至少之一,所述第二額外氣體包括NH3。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中: 形成所述層疊結(jié)構(gòu)還包括形成下電極層和上電極層，所述下磁性層、所述隧道勢壘層和所述上磁性層插置在所述下電極層和所述上電極層之間， 執(zhí)行所述第一蝕刻包括通過使用所述第一蝕刻氣體蝕刻所述上電極層的一部分使得所述上電極層被分成多個(gè)上電極，以及 執(zhí)行所述第二蝕刻包括通過使用所述第二蝕刻氣體蝕刻所述下電極層的一部分，使得所述下電極層被分成多個(gè)下電極。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中執(zhí)行所述第一蝕刻和所述第二蝕刻的每個(gè)包括使用等離子體蝕刻工藝。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中: 執(zhí)行所述第一蝕刻和所述第二蝕刻的每個(gè)均包括使用等離子體蝕刻裝置，該等離子體蝕刻裝置具有用于施加源功率的源功率輸出單元以及用于施加偏壓功率的偏壓功率輸出單元，以及 所述第一蝕刻和所述第二蝕刻的至少一個(gè)包括重復(fù)地執(zhí)行在其中所述源功率或偏壓功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的操作。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述第一蝕刻包括以等幅波模式施加所述偏壓功率，所述第二蝕刻包括重復(fù)地執(zhí)行在其中所述偏壓功率在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間交替的操作。
19.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括:在形成所述掩模圖案之后且在執(zhí)行所述第一蝕刻之前，將所述層疊結(jié)構(gòu)的頂表面暴露于氫等離子體。
20.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中形成所述層疊結(jié)構(gòu)包括使用第一材料和第二材料，所述第一材料是 Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMruCoFe 合金和 CoFeB合金中的至少之一，第二材料是T1、TiN、Ta、TaN, Ru和W中的至少之一。
21.一種磁性器件，包括: 在襯底上的至少一個(gè)磁阻器件，所述磁阻器件具有側(cè)壁，所述側(cè)壁具有實(shí)質(zhì)上豎直的輪廓， 其中所述至少一個(gè)磁阻器件的高度是所述至少一個(gè)磁阻器件的寬度的至少1.5倍。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的磁性器件，其中 所述至少一個(gè)磁阻器件包括在豎直方向上順序?qū)盈B的下電極、磁性結(jié)構(gòu)和上電極，以及 所述下電極、所述磁性結(jié)構(gòu)和所述上電極的每個(gè)具有側(cè)壁，所述側(cè)壁具有實(shí)質(zhì)上豎直的輪廓。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁性器件，其中 所述磁性結(jié)構(gòu)包括非揮發(fā)性金屬，以及所述下電極、所述磁性結(jié)構(gòu)和所述上電極的每個(gè)的整個(gè)側(cè)壁沿著所述襯底的法線延伸。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁性器件，其中所述磁性結(jié)構(gòu)包括在豎直方向上順序?qū)盈B的下磁性層圖案、隧道勢壘層和上磁性層圖案。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的磁性器件，其中所述磁性結(jié)構(gòu)包括Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn> IrMn、CoFe 合金以及 CoFeB 合金中的至少一個(gè)。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的磁性器件，其中所述至少一個(gè)磁阻器件的所述高度是所述至少一個(gè)磁阻器件的所述寬度的約1.5至約4倍。
27.一種制造磁性器件的方法，所述方法包括: 形成層疊結(jié)構(gòu)，所述層疊結(jié)構(gòu)包括非揮發(fā)性金屬層；以及 利用包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體的蝕刻氣體來蝕刻包括所述非揮發(fā)性金屬層的所述層疊結(jié)構(gòu)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)包括使用包括H2氣體和額外氣體的蝕刻氣體，所述額外氣體包括惰性氣體和/或NH3氣體。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中蝕刻所述層疊結(jié)構(gòu)包括執(zhí)行等離子體蝕刻工藝。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，還包括:在蝕刻層疊結(jié)構(gòu)之前，將所述層疊結(jié)構(gòu)的一區(qū)域暴露于氫等離子體。
全文摘要
一種制造磁性器件的方法包括形成層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)包括磁性層；通過使用蝕刻氣體蝕刻該層疊結(jié)構(gòu)，該蝕刻氣體包括按體積計(jì)的至少80%的H2氣體。
文檔編號H01L43/08GK103151457SQ201210524179
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月7日
發(fā)明者李佑澈, 渡嘉敷健, 權(quán)亨峻, 鄭明勛 申請人:三星電子株式會(huì)社