DE102019122405B4

DE102019122405B4 - Hohe baumartige sub-30nm-durchkontaktierungen zur reduzierung der wiederabscheidung von leitfähigem material für sub-60nm-mram-vorrichtungen

Info

Publication number: DE102019122405B4
Application number: DE102019122405.5A
Authority: DE
Inventors: Yi Yang; Dongna Shen; Yu-Jen Wang
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2021-11-25
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: DE102019122405A1; KR102359749B1; TW202023049A; US10714680B2; KR20200024118A; US20200343443A1; TWI720599B; CN110867513B; CN110867513A; US11121314B2; US20200066973A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer MTJ-Struktur umfassend:Bilden eines leitfähigen Durchkontaktierung-Stapels auf einer unteren Elektrode (10), umfassend Wiederholen der folgenden Verfahrensschritte:- Abscheiden einer leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht;- Strukturieren der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht und dann Trimmen der leitfähigen Schicht, um eine erste leitfähige unter-3onm-Durchkontaktierung zu bilden; und- Einkapseln der leitfähigen Durchkontaktierung mit einer dielektrischen Schicht (30) und Planarisieren der dielektrischen Schicht (30), um eine obere Oberfläche der leitfähigen Durchkontaktierung freizulegen, um einen Stapel von eingekapselten leitfähigen Durchkontaktierungen zu bilden;danach Abscheiden eines MTJ-Stapels auf dem Stapel von gekapselten leitfähigen Durchkontaktierungen, wobei der MTJ-Stapel mindestens eine gepinnte Schicht (32), eine Sperrschicht auf der gepinnten Schicht (32) und eine freie Schicht (36) auf der Sperrschicht umfasst;Abscheiden einer oberen Elektrodenschicht auf dem MTJ-Stapel;Strukturieren der oberen Elektrodenschicht und dann Trimmen der oberen Elektrodenschicht, um eine Hartmaske (40) mit einer Dicke von unter 60 nm zu bilden; unddanach Ätzen des MTJ-Stapels unter Verwendung der Hartmaske (40), um eine MTJ-Vorrichtung zu bilden, und Überätzen des MTJ-Stapels in die Einkapselungsschichten hinein aber nicht in die untere Elektrode (10), wobei jedes Wiederabscheiden von leitfähigem Material aus dem MTJ-Stapel an Seitenwänden der Einkapselungsschichten unter der MTJ-Vorrichtung und nicht an Seitenwänden einer Sperrschicht der MTJ-Vorrichtung gebildet wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Anwendung bezieht sich auf das allgemeine Gebiet der magnetischen Tunnelübergänge (MTJ) und insbesondere auf Ätzverfahren zur Herstellung von MTJ-Strukturen.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Die Herstellung von MRAM-Vorrichtungen umfasst in der Regel eine Abfolge von Verfahrensschritten, bei denen viele Schichten von Metallen und Dielektrika abgeschieden und dann strukturiert werden, um einen magnetoresistiven Stapel und Elektroden für elektrische Verbindungen zu bilden. Um die magnetischen Tunnelübergänge (magnetic tunnel junction, MTJ) in jeder MRAM-Vorrichtung zu definieren, werden üblicherweise präzise Strukturierungsschritte wie Photolithographie und reaktives Ionenätzen (reactive ion etch, RIE), Ionenstrahlätzen (ion beam etch, IBE) oder eine Kombination hiervon eingesetzt. Während RIE entfernen hochenergetische Ionen Materialien vertikal in den Bereichen, die nicht durch Photoresist abgedeckt sind, wodurch MTJ-Zellen voneinander getrennt werden. Die hochenergetischen Ionen können jedoch seitlich auch mit den nicht-entfernten Materialien, Sauerstoff, Feuchtigkeit und anderen Chemikalien reagieren, was zu Seitenwandschäden führt und die Vorrichtungsleistung verringert. Um dieses Problem zu lösen, wurden rein physikalische Ätztechniken wie reines-Ar RIE oder Ionenstrahlätzen (IBE) zum Ätzen des MTJ-Stapels eingesetzt.
Aufgrund der Nichtflüchtigkeit können jedoch rein physikalisch geätzte leitfähige Materialien in dem MTJ und der Bodenelektrode einen kontinuierlichen Pfad durch die Tunnelbarriere bilden, was Kurzschlüsse in den Vorrichtungen verursacht. Eine Lösung hierfür ist die Bildung von dielektrisch umschlossenen Durchkontaktierungen, die kleiner sind als der MTJ, das den MTJ und die untere Elektrode miteinander verbindet. Dies ermöglicht ein starkes Überätzen (überschüssige Ätzen, Ätzen darüber hinaus, over etching) des MTJ, so dass die metallische Wiederabscheidung aus dem MTJ selbst unterhalb der Tunnelbarriere begrenzt werden kann; gleichzeitig wird eine Wiederabscheidung aus der unteren Elektrode vollständig verhindert. Die Höhe der Durchkontaktierung, die den Abstand zwischen MTJ und der unteren Elektrode darstellt, beträgt jedoch üblicherweise < 50 nm, beschränkt durch die schlechte Ätzselektivität zwischen Photoresist und Durchkontaktierungsmaterial. Ein neuer Ansatz zur weiteren Erhöhung der Höhe der Durchkontaktierung ist erforderlich, wenn ein größerer MTJ über Ätzen erforderlich ist, um die Metall-Wiederabscheidung weiter zu reduzieren.
Mehrere Druckschriften lehren das Überätzen (überschüssige Ätzen, Ätzen darüber hinaus, over etching) von MTJ, einschließlich der US-Patentanmeldungen US 2018 / 0 040 668 A1 (Park et al.) und US 2017 / 0 125 668 A1 (Paranipe et al.). Andere Druckschriften zeigen dünne Durchkontaktierungen auf breiteren Metallschichten, wie beispielsweise das US-Patent US 8 324 698 B2 (Zhong et al.). All diese Druckschriften unterscheiden sich von der vorliegenden Offenbarung.
Die WO 2014 / 148 587 A1 und die US 2017 / 0 104 152 A1 offenbart eine Durchkontaktierung, die in eine dielektrische Schicht eingebettet ist. Die US 2009 / 0 261 313 A1 beschreibt eine stufenförmige Elektrode.
ZUSAMMENFASSUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein verbessertes Verfahren zur Bildung von MTJ-Strukturen bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von MTJ-Vorrichtungen unter Verwendung eines physikalischen Überätzens bereitzustellen, um chemische Schäden wie auch physikalische Kurzschlüsse zu verhindern.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren zur Bildung von MTJ-Vorrichtungen unter Verwendung eines physikalischen Überätzens (überschüssigen Ätzens, Ätzens darüber hinaus, over etching) in eine dielektrische Schicht bereitzustellen, die gestapelte Metall-Durchkontaktierungen auf einer unteren Elektrode einkapselt, um chemische Schäden wie auch physikalische Kurzschlüsse zu verhindern.
In Übereinstimmung mit den Aufgaben der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Ätzen einer MTJ-Struktur gemäß Anspruch 1 erzielt. Ein Stapel von verbindenden Metall-Durchkontaktierungen wird auf einer unteren Elektrode gebildet, indem die folgenden Verfahrensschritte wiederholt werden: Abscheiden (Auftragen) einer leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht, Strukturieren und Trimmen der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht, um eine leitfähige Sub-3onm-Durchkontaktierung-Schicht zu bilden, Einkapseln der leitfähigen Durchkontaktierung mit einer dielektrischen Schicht, und Freilegen einer Oberseite der leitfähigen Durchkontaktierung, um einen Stapel von verbindenden Metall-Durchkontaktierungen auszubilden. Ein MTJ-Stapel wird auf dem eingekapselten Durchkontaktierung-Stapel abgeschieden (darauf aufgetragen), wobei der MTJ-Stapel mindestens eine gepinnte Schicht, eine Sperrschicht auf der gepinnten Schicht und eine freie Schicht auf der Sperrschicht aufweist. Eine obere Elektrodenschicht wird auf dem MTJ-Stapel abgeschieden (darauf aufgetragen) und strukturiert und getrimmt, um eine Sub-6onm-Hartmaske zu bilden. Der MTJ-Stapel wird unter Verwendung der Hartmaske geätzt, um eine MTJ-Vorrichtung zu bilden, und es wird darüber hinaus in die Einkapselungsschichten hinein, aber nicht in die untere Elektrode geätzt (überätzt), wobei jedes Wiederabscheiden von leitfähigem Material aus dem MTJ-Stapel an Seitenwänden der Einkapselungsschichten unter der MTJ-Vorrichtung und nicht an Seitenwänden einer Sperrschicht der MTJ-Vorrichtung gebildet wird.
Ferner werden ein Verfahren gemäß Anspruch 9 und ein magnetischer Tunnelübergang gemäß Anspruch 16 vorgeschlagen. Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Figurenliste
In den beigefügten Zeichnungen, die einen erheblichen Bestandteil dieser Beschreibung bilden, ist dargestellt:

Die 1 bis 7 veranschaulichen Verfahrensschritte in Querschnittsansichten gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung werden baumartige Sub-30nm-Durchkontaktierungen mit großer Höhe bereitgestellt, indem Schichten von hoch-winkeligen IBE-getrimmten Durchkontaktierungen wiederholt aufeinander gestapelt werden. Danach wird ein MTJ-Stapel abgeschieden und in die darunter liegende Dielektrikum geätzt (überätzt), um gleichzeitig die Wiederabscheidung von leitfähigem Metall aus dem MTJ selbst zu reduzieren und die Wiederabscheidung von leitfähigem Metall aus der unteren Elektrode zu verhindern. Hier wird ein IBE unter mittlerem Winkel (30° bis 60°) verwendet, wodurch verjüngende MTJ/dielektrische Strukturen ohne chemische Beschädigung gebildet werden. Diese sich verjüngenden Strukturen mit einer größeren unteren kritischen Abmessung (CD) als oben stellen sicher, dass die darunter liegenden Durchkontaktierungen während dieses Verfahrensschrittes nicht berührt werden, selbst wenn es beim Strukturieren dieser Durchkontaktierungen zu einer Verschiebung des Overlays kommt.
Gemäß einem herkömmlichen Prozessablauf wird der MTJ-Stapel auf einer einzelnen Schicht von IBE-getrimmtem Metall mit einer Höhe von < 50 nm strukturiert. Die zulässige Menge an MTJ-Überätzen reicht nicht aus, um die Metall-Wiederabscheidung auf der Tunnelbarriere vollständig zu entfernen. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung hingegen kann über den MTJ hinaus in großem Maße in das Dielektrikum geätzt (überätzt) werden, ohne die darunter liegenden Durchkontaktierungen zu berühren, indem Schichten von Durchkontaktierungen wiederholt aufeinander gestapelt werden und der MTJ danach mittels IBE bei einem mittleren Winkel geätzt wird. Mit anderen Worten existiert die bisherige Beschränkung der Höhe der Durchkontaktierung nicht mehr. Somit ist es möglich, elektrisch kurzgeschlossene Vorrichtungen vollständig von der Metallabscheidung auszuschließen.
Mit Bezug auf die 1 bis 7 wird nun das neuartige Verfahren der vorliegenden Offenbarung ausführlich beschrieben. Mit Bezug insbesondere auf 1 ist eine auf einem Substrat (nicht gezeigt) gebildete untere Elektrode 10 gezeigt. Eine Metallschicht 12, beispielsweise Ta, TaN, Ti, Ti, Ti, TiN, W, Cu, Mg, Ru, Cr, Co, Fe, Ni, Pt, Ir, Mo oder deren Kombinationen wie TiN/Co/Ir, TiN/TiN/Ir usw. mit einer Dicke h1 von 10 bis 100 nm, vorzugsweise ≥ 50nm, zum Ausbilden einer Durchkontaktierung wird nun auf der unteren Elektrode 10 abgeschieden, welche aus einem ähnlichen Material gebildet sein kann. Eine dielektrische Hartmaske 14 wie SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN mit einer Dicke h2 von ≥ 20 nm wird dann auf der Metallschicht 12 abgeschieden. Ein Photoresist wird spin-beschichtet (spin-coated) und mittels 248 nm Photolithographie strukturiert, wodurch Strukturen 16 mit einer Größe d1 von ca. 70 bis 80 nm und einer Höhe h3 von ≥ 200 nm gebildet werden.
Die dielektrische Hartmaske 14 und das Metall 12 werden mittels RIE mit einzig fluorkohlenstoff- oder chlorbasiertem Plasma, wie CF4, CHF3 oder Cl2, oder gemischt mit Ar und N2 geätzt. O2 kann hinzugefügt werden, um die Säulengröße weiter zu reduzieren. Sie können auch mittels eines physikalischen Ätzens wie IBE strukturiert werden. Abhängig von der Dicke der Metallschicht 12 kann die dielektrische Hartmaske 14 teilweise verbraucht werden, mit einer Dicke von nun h4 von ≥ 15 nm. Wie in 2 gezeigt, beträgt die verbleibende Metalldicke noch h1 (≥ 50 nm) mit einer Strukturgröße d2 (ca. 50 bis 60 nm).
Wie in 3 gezeigt, mit einem hohen Winkel IBE-Trimmen 20 wie beispielsweise 70° bis 90° relativ zu der Normalen der Oberfläche, verkleinert sich als nächstes die Metallstruktur auf d3, welche, abhängig von den IBE-Trimmbedingungen wie HF-Leistung (500 bis 1000 W) und Dauer (100 bis 500 s), 10 bis 40 nm betragen kann. Hier wird ex-situ IBE-Trimmen verwendet, wenn die Metall-Durchkontaktierungen aus inerten Metallen bestehen, und in-situ IBE-Trimmen für Metalle benötigt wird, die in der Luft leicht oxidiert werden können. Aufgrund des Schutzes des verbleibenden Dielektrikums 14 obenauf und der extrem niedrigen vertikalen Ätzrate (≤ 0,5 nm/s) von IBE bei einem so großen Winkel ist die Höhe h5 der verbleibenden Durchkontaktierung gleich der abgeschiedenen Höhe h1 oder verringert sich nach diesem Schritt um weniger als 5 nm.
Als nächstes wird mit Bezug auf 4 ein zweites dielektrisches Material 22 wie SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN mit einer Dicke von ≥ 50 nm durch physikalische Dampfabscheidung (PVD), chemische Dampfabscheidung (CVD) oder Atomschichtabscheidung (ALD) abgeschieden, um die Durchkontaktierungen 12 einzukapseln. Hier wird das ex-situ-Einkapseln eingesetzt, wenn die Metall-Durchkontaktierungen inerte Metalle umfassen, und das in-situ Einkapseln wird für Metalle benötigt, die in der Luft leicht oxidiert werden können. CMP wird angewendet, um die Oberfläche zu glätten und die darunter liegenden Metall-Durchkontaktierungen freizulegen, wobei die Höhe h6 von ≥ 45 nm verbleibt.
Als nächstes kann man durch Wiederholung dieser Verfahrensschritte mehrere Schichten dieser kleinen Durchkontaktierungen aufeinander aufbauen. Beispielsweise veranschaulicht 5 Durchkontaktierung 24, die Durchkontaktierung 22 kontaktiert und von dem Dielektrikum 26 eingekapselt ist, und Durchkontaktierung 28, die die Durchkontaktierung 24 kontaktiert und von dem Dielektrikum 30 eingekapselt ist. Die Gesamthöhe dieser Durchkontaktierungen ist abhängig davon, wie viele Schichten gestapelt werden, was durch die erforderliche Menge an MTJ-Schicht-Überätzen für das vollständige Entfernen der Metall-Wiederabscheidung bestimmt wird. In 5 beträgt die Gesamthöhe der Durchkontaktierungen beispielsweise 3h6, d.h. das Dreifache der Höhe h6 der Durchkontaktierung von ≥ 45 nm. Es ist zu beachten, dass beim Aufbauen mehrerer Schichten von Durchkontaktierungen eine Overlay-Verschiebung d4 von 0 bis 20 nm in zufällige Richtungen auftreten kann, wie in 5 dargestellt. Die dielektrische Einkapselung der gestapelten Durchkontaktierungen ermöglicht das spätere MTJ-Überätzen ohne Ätzen der unteren Elektrode.
Nun werden Schichten auf dem eingekapselten Durchkontaktierung-Stapel abgeschieden, um magnetische Tunnelübergänge zu bilden, wie in 6 gezeigt. Beispielsweise werden gepinnte Schicht 32, Tunnelsperrschicht 34 und freie Schicht 36 abgeschieden. Es kann eine oder mehrere gepinnte, Sperr- und/oder freie Schichten geben. Die MTJ-Schichten haben eine Höhe h7 von 10 bis 30 nm. Eine obere Elektrode 38 mit einer Dicke h8 von 10 bis 100 nm, vorzugsweise ≥ 50 nm, die aus einem ähnlichen Material wie die Durchkontaktierungen gebildet ist, wird auf den MTJ-Schichten abgeschieden. Eine zweite dielektrische Hartmaske 40 wird auf der oberen Elektrode 38 mit einer Höhe von ≥ 20 nm abgeschieden, gefolgt von der Photoresistbeschichtung, Belichtung und Entwicklung zur Bildung von Photoresist-Strukturen 42 mit einer Größe d1 von ca. 70 bis 80 nm und einer Höhe h3 von ≥ 200 nm.
Die dielektrische Hartmaske 40 und die obere Elektrode 38 werden mit einzig fluorkohlenstoff- oder chlorbasiertem Plasma, wie CF4 oder C12, oder gemischt mit Ar und N2, geätzt. O2 kann hinzugefügt werden, um die Säulengröße weiter zu reduzieren. Die dielektrische Hartmaske und die obere Elektrode können auch mittels rein physikalischen RIE oder IBE geätzt werden. Nun wird, wie in 7 gezeigt, ein sich verjüngender MTJ/ sich verjüngendes Dielektrikum gebildet, während der MTJ-Stapel mit einem mittleren Winkel IBE 44 von 30° bis 60° mit einem starken Überätzen in die dielektrischen Schichten 30/26/22 geätzt wird. Man kann diesen verjüngten Winkel vergrößern, indem man den IBE-Ätzwinkel entsprechend der erforderlichen Gesamthöhe und der damit verbundenen Overlay-Verschiebung vergrößert, wodurch sichergestellt wird, dass die Durchkontaktierungen 28/24/12 mit einem verschobenen Overlay darunter während dieses Verfahrensschrittes nicht berührt werden. Die effektive Höhe dieser baumartigen Durchkontaktierungen wird durch dieses Verfahren erheblich verbessert, was ein starkes MTJ-Überätzen ermöglicht, um die Wiederabscheidung aus dem MTJ nach unten unter die Tunnelsperrschicht 34 zu verlagern, so dass elektrische kurzgeschlossene Vorrichtungen mit diesem Ansatz stark reduziert werden.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung wird gezeigt, dass durch wiederholtes Stapeln von Metall-Durchkontaktierungen, die unter hohem Winkel Ionenstrahlätzen (IBE) getrimmt sind, baumartige Sub-3onm-Durchkontaktierungen mit großer Höhe erzeugen können, die von Dielektrika umgeben sind und mit der unteren Elektrode unten und dem Sub-6onm-MTJ oben verbunden sind. Der MTJ-Stapel wird später mittels IBE geätzt, einer physikalischen Art von Ätzen, um chemische Schäden zu verhindern. In diesem Verfahrensschritt wird ein mittlerer Winkel verwendet, was zu einem verjüngten MTJ-Profil führt, d.h. eine größere untere CD als die obere. Dadurch wird sichergestellt, dass die darunter liegenden Durchkontaktierungen während des MTJ-Überätzens nicht berührt werden, auch wenn das Overlay (Überlagerung) dieser Durchkontaktierungen während der Photolithographie verschoben wird. Dieses starke Überätzen des MTJ bis in das Dielektrikum hinein reduziert stark die Wiederabscheidung der leitfähigen Materialien auf die Tunnelbarriere aus dem MTJ selbst und eliminiert die Wiederabscheidung von der unteren Elektrode vollständig, wodurch die elektrisch kurzgeschlossenen Vorrichtungen reduziert werden.
Insgesamt ermöglicht das Verfahren der vorliegenden Offenbarung ein viel stärkeres MTJ-Überätzen, wodurch eine Möglichkeit geboten wird, die durch die Metallwiederabscheidung herbeigeführten elektrischen Kurzschüsse in Vorrichtungen vollständig zu eliminieren. Darüber hinaus lassen sich hierdurch die Sub-3onm-Durchkontaktierungen mit großer Höhe erzeugen unter Verwendung von abgewinkeltem IBE, welches eine viel kostengünstigere Technik darstellt als die ansonsten komplexe und teure 193-nm-Immersion oder EUV-Photolithographie. Das Verfahren der vorliegenden Offenbarung wird für MRAM-Chips mit einer Größe kleiner als 60 nm verwendet, da die Probleme in Zusammenhang mit chemisch beschädigten Seitenwänden und der Wiederabscheidung aus der unteren Elektrode für die kleineren MRAM-Chips sehr ernst werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer MTJ-Struktur umfassend: Bilden eines leitfähigen Durchkontaktierung-Stapels auf einer unteren Elektrode (10), umfassend Wiederholen der folgenden Verfahrensschritte: - Abscheiden einer leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht; - Strukturieren der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht und dann Trimmen der leitfähigen Schicht, um eine erste leitfähige unter-3onm-Durchkontaktierung zu bilden; und - Einkapseln der leitfähigen Durchkontaktierung mit einer dielektrischen Schicht (30) und Planarisieren der dielektrischen Schicht (30), um eine obere Oberfläche der leitfähigen Durchkontaktierung freizulegen, um einen Stapel von eingekapselten leitfähigen Durchkontaktierungen zu bilden; danach Abscheiden eines MTJ-Stapels auf dem Stapel von gekapselten leitfähigen Durchkontaktierungen, wobei der MTJ-Stapel mindestens eine gepinnte Schicht (32), eine Sperrschicht auf der gepinnten Schicht (32) und eine freie Schicht (36) auf der Sperrschicht umfasst; Abscheiden einer oberen Elektrodenschicht auf dem MTJ-Stapel; Strukturieren der oberen Elektrodenschicht und dann Trimmen der oberen Elektrodenschicht, um eine Hartmaske (40) mit einer Dicke von unter 60 nm zu bilden; und danach Ätzen des MTJ-Stapels unter Verwendung der Hartmaske (40), um eine MTJ-Vorrichtung zu bilden, und Überätzen des MTJ-Stapels in die Einkapselungsschichten hinein aber nicht in die untere Elektrode (10), wobei jedes Wiederabscheiden von leitfähigem Material aus dem MTJ-Stapel an Seitenwänden der Einkapselungsschichten unter der MTJ-Vorrichtung und nicht an Seitenwänden einer Sperrschicht der MTJ-Vorrichtung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die untere Elektrode (10), die leitfähigen Durchkontaktierung-Schichten und die obere Elektrodenschicht Ta, TaN, Ti, TiN, W, Cu, Mg, Ru, Cr, Co, Fe, Ni, Pt, Ir, Mo oder deren Kombinationen mit einer Höhe von 10-100 nm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Strukturieren der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht umfasst: Abscheiden einer dielektrischen Hartmaske (40), die SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN aufweist, auf eine Dicke von ≥ 20 nm auf der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht; Spin-Beschichten einer Photoresistschicht auf der dielektrischen Hartmaske (40); Strukturieren der Photoresistschicht, um Photoresist-Struktur mit einer Breite von 70 nm bis 80 nm und mit einer Höhe von ≥ 200 nm auszubilden; und Ätzen der dielektrischen Hartmaske (40) und der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht mittels RIE unter Verwendung von einzig fluorkohlenstoff- oder chlorbasiertem Plasma, oder gemischt mit Ar und N2, oder mittels eines physikalischen Ätzens unter Verwendung von IBE (44) oder RIE mit Ar-Plasma, um Metallsäulen mit einer Höhe von ≥ 50 nm und einer mit Breite von 50-60 nm auszubilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trimmen der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht in-situ oder ex-situ IBE-Trimmen unter einem Winkel von 70° bis 90° relativ zu einer Normalen einer Oberseite der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht mit einer Hochfrequenzleistung von 500 bis 1000 W für 100 bis 500 Sekunden umfasst, wobei eine Strukturgröße der getrimmten leitfähigen Durchkontaktierungen ≤ 30 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine vertikale Ätzrate des IBE-Trimmens ≤ 0,5 nm/s ist, wobei eine Höhe der leitfähigen Durchkontaktierung gleich einer Höhe der abgeschiedenen leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht ist, oder die Höhe der leitfähigen Durchkontaktierung um weniger als 5 nm von der abgeschiedenen Höhe abweicht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Einkapseln der leitfähigen Durchkontaktierung mit der dielektrischen Schicht (30) in-situ oder ex-situ Abscheiden von SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN mit einer Dicke von ≥ 50 nm umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strukturieren der oberen Elektrodenschicht umfasst: Abscheiden einer oberen dielektrischen Hartmaske (40), die SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN umfasst, auf eine Dicke von ≥ 20 nm auf der oberen Elektrodenschicht; Spin-Beschichten einer Photoresistschicht auf der oberen dielektrischen Hartmaske (40); Strukturieren der Photoresistschicht, um Photoresist-Struktur mit einer Breite von 70 bis 80 nm und mit einer Höhe von ≥ 200 nm auszubilden; und Ätzen der oberen dielektrischen Hartmaske (40) und der oberen Elektrodenschicht mittels RIE unter Verwendung von einzig fluorkohlenstoff- oder chlorbasiertem Plasma, oder gemischt mit Ar und N2, oder mittels eines physikalischen Ätzens unter Verwendung von IBE (44) oder RIE mit Ar-Plasma, um Metallsäulen mit einer Höhe von ≥ 50 nm und mit einer Breite von 50 bis 60 nm zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ätzen und das Überätzen des MTJ-Stapels physikalisches Ätzen mittels IBE (44) unter einem Winkel von 30° bis 60° relativ zu einer Normalen einer Oberseite des MTJ-Stapels umfasst, wobei die MTJ-Vorrichtung und die Einkapselungsschichten ein sich verjüngendes Profil aufweisen, wobei eine obere Breite kleiner als eine untere Breite ist.
Verfahren zur Herstellung einer MTJ-Struktur, umfassend: Abscheiden einer ersten leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht auf einer unteren Elektrode (10); Strukturieren der ersten leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht und dann Trimmen der ersten leitfähigen Schicht, um eine erste leitfähige Sub-30 nm-Durchkontaktierung auf der unteren Elektrode (10) zu bilden; Einkapseln der ersten leitfähigen Durchkontaktierung mit einer ersten dielektrischen Schicht (30) und Planarisieren der ersten dielektrischen Schicht (30), um eine obere Oberfläche der ersten leitfähigen Durchkontaktierung freizulegen; danach Wiederholen der Schritte des Abscheidens einer nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht, des Strukturierens und des Trimmens der nachfolgendenleitfähigen Durchkontaktierung-Schicht, um eine nachfolgende leitfähige Sub-30 nm-Durchkontaktierung zu bilden, des Einkapselns der nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung mit einer nachfolgenden dielektrischen Schicht (30) und des Freilegens einer Oberseite der nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung, um einen Stapel von gekapselten nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierungen auf der ersten leitfähigen Durchkontaktierung zu bilden; danach Abscheiden eines MTJ-Stapels auf dem Stapel eingekapselter nachfolgender leitfähiger Durchkontaktierungen, wobei der MTJ-Stapel mindestens eine gepinnte Schicht (32), eine Sperrschicht auf der gepinnten Schicht (32) und eine freie Schicht (36) auf der Sperrschicht umfasst; Abscheiden einer oberen Elektrodenschicht auf dem MTJ-Stapel; Strukturieren der oberen Elektrodenschicht und dann Trimmen der oberen Elektrodenschicht, um eine Sub-60 nm-Hartmaske zu bilden; und danach Ionenstrahl-Ätzen des MTJ-Stapels unter Verwendung der Hartmaske (40) und Überätzen des MTJ-Stapels in die Einkapselungsschichten hinein aber nicht in die untere Elektrode (10) unter einem Winkel von 30° bis 60° relativ zu einer Normalen einer Oberseite des MTJ-Stapels, um eine MTJ-Vorrichtung zu bilden, wobei jedes Wiederabscheiden von leitfähigem Material aus dem MTJ-Stapel an Seitenwänden der Einkapselungsschichten unter der MTJ-Vorrichtung und nicht an Seitenwänden einer Sperrschicht der MTJ-Vorrichtung gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die untere Elektrode (10), die erste leitfähige Durchkontaktierung-Schicht, die nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung-Schichten und die obere Elektrode (38) Ta, TaN, TaN, Ti, TiN, W, Cu, Mg, Ru, Cr, Co, Fe, Ni, Pt, Ir, Mo oder deren Kombinationen umfassen mit einer Höhe von 10 bis 100 nm, vorzugsweise von ≥ 50 nm.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Strukturieren der ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung-Schichten umfasst: Abscheiden einer ersten oder nachfolgenden dielektrischen Hartmaske (40), die SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN umfasst, bis zu einer Dicke von ≥ 20 nm auf der ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung-Schichten; Spin-Beschichten einer Photoresistschicht auf der ersten oder nachfolgenden dielektrischen Hartmaske (40); Strukturieren der Photoresistschicht, um Photoresist-Struktur mit einer Breite von 70 bis 80 nm und mit einer Höhe von ≥ 200 nm auszubilden; und Ätzen der ersten oder nachfolgenden dielektrischen Hartmaske (40) und der ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung-Schichten mittels RIE unter Verwendung von einzig fluorkohlenstoff- oder chlorbasiertem Plasma, oder gemischt mit Ar und N2, oder mittels eines physikalischen Ätzens unter Verwendung von IBE (44) oder RIE mit Ar-Plasma, um Metallsäulen mit einer Höhe von ≥ 50 nm und einer Breite von 50 bis 60 nm auszubilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Trimmen der ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung-Schichten in-situ oder ex-situ IBE-Trimmen in einem Winkel von 70° bis 90° relativ zu einer Normalen einer Oberseite der leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht mit einer Hochfrequenzleistung von 500 bis 1000 W für 100 bis 500 Sekunden umfasst, wobei eine Strukturgröße der getrimmten ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung ≤ 30 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei eine vertikale Ätzrate des IBE (44) Trimmens ≤ 0,5 nm/s beträgt, wobei eine Höhe der ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung gleich einer Höhe der abgeschiedenen ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung-Schicht ist, oder die Höhe der ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung um weniger als 5 nm von der abgeschiedenen Höhe abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Einkapseln der ersten oder nachfolgenden leitfähigen Durchkontaktierung mit der ersten oder nachfolgenden dielektrischen Schicht (30) in-situ- oder ex-situ-Abscheiden von SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN mit einer Dicke von ≥ 50 nm umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei das Strukturieren der oberen Elektrodenschicht umfasst: Abscheiden einer oberen dielektrischen Hartmaske (40), die SiO2, SiN, SiON, SiC oder SiCN umfasst, auf eine Dicke von ≥ 20 nm auf der oberen Elektrodenschicht; Spin-Beschichten einer Photoresistschicht auf der oberen dielektrischen Hartmaske (40); Strukturieren der Photoresistschicht, um Photoresist-Struktur mit einer Breite von 70 bis 80 nm und mit einer Höhe von ≥ 200 nm auszubilden; und Ätzen der oberen dielektrischen Hartmaske (40) und der oberen Elektrodenschicht mittels RIE unter Verwendung von einzig fluorkohlenstoff- oder chlorbasiertem Plasma, oder gemischt mit Ar und N2, oder mittels eines physikalischen Ätzens unter Verwendung von IBE (44) oder RIE mit Ar-Plasma, um Metallsäulen mit der Höhe ≥50 nm und der Breite 50-60 nm auszubilden.
Magnetischer Tunnelübergang, umfassend: eine Sub-6onm-MTJ-Vorrichtung auf einem Stapel von leitfähigen Sub-3onm-Durchkontaktierungen; eine untere Elektrode (10), die unter dem Stapel von leitfähigen Durchkontaktierungen liegt; und eine obere Elektrode (38), die über der MTJ-Vorrichtung liegt und diese kontaktiert; wobei der Stapel aus leitfähigen Sub-30 nm-Durchkontaktierungen in dielektrische Schichten (22, 26, 30) eingekapselt ist und die dielektrischen Schichten ein sich verjüngendes Profil aufweist.
MTJ nach Anspruch 16, wobei eine Oberseite des gekapselten Stapels von leitfähigen Durchkontaktierungen schmaler ist als eine Unterseite des gekapselten Stapels von leitfähigen Durchkontaktierungen.