JP2008512875A - ストップ−オン−アルミニウム処理を含むウェーハ処理のためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスは、上側磁性層のプラズマ・オーバーエッチング中トンネル接合層が停止層として機能するストップ−オン−アルミナプロセスによって作製することができる。結果として得られたＭＴＪデバイスの側壁は、上側磁性層を下側磁性層から電気絶縁するように機能するトンネル接合層の近傍で非垂直である。プラズマ・オーバーエッチング中に使用されるガスは、ハロゲン含有化学種を含まず、これによりアルミナ・トンネル障壁層に比べて、高度に選択性のある磁性層のエッチングを提供する。ガス内に酸素を導入することで、オーバーエッチングの再現性を高めることができる。最後に、作製プロセス中のフォトレジストの除去に続いて、Ｈｅ及びＨ₂を用いてプラズマ処理した後に洗浄及び焼成することにより収率が高くなる。
【選択図】図１

Description

（優先権主張）
本出願は、２００４年９月９日に出願された、Ｒｏｂｅｒｔ Ｄｉｔｉｚｉｏによる名称「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＦＯＲ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ Ａ ＷＡＦＥＲ ＩＮＣＬＵＤＩＮＧ ＳＴＯＰ−ＯＮ−ＡＬＵＭＩＮＵＭ ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ（ストップ−オン−アルミニウム加工を含むウェーハ処理のためのシステム及び方法）」の米国特許出願１０／９３７，６６０（代理人整理番号ＴＥＧＬ−０１１７２ＵＳ０）に対する優先権を主張する。

（技術分野）
本発明は、全体的に半導体製造に関し、詳細には磁気トンネル接合デバイスの製造に関する。

磁気多層膜は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）又は同様のものなどのメモリ内の記憶素子として使用される。ＭＲＡＭ技術のメモリ素子は、多層材料のパターン化構造（メモリビット）である。磁気多層膜材料は、通常、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、コバルト−鉄、銅、タンタルなどといった種々の材料のスタックから構成され、Ａｌ₂Ｏ₃のようなある種の絶縁体様材料を含むことができる。典型的なスタックは、これらの材料の異なる１０種類以上もの重複層を含むことができる。記憶素子を作製するためには、重なるブランケット膜にこれらの材料を一層ずつ堆積させて、フォトレジスト（レジスト）のパターン化層を形成し、膜を適切な構造にエッチングすることが必要となる。

イオンビームミリング又はイオンビームエッチングプロセスは、磁気抵抗材料を除去するのに利用されている。イオンビームミリングは、物理的ミリング加工である。マスクで保護されていない領域は、イオン照射によって除去される。イオン照射は、非保護材料をスパッタ除去又は引き剥がす。イオンビームミリングは、比較的低い選択性で動作し、マスクの縁部に近接したスタックの部分又はＭＲＡＭセル本体の境界部が容易に損傷する可能性がある。

化学エッチングもまた、堆積シートの一部を選択的に除去するために利用されている。化学エッチングの実施例には、ドライエッチング及びウェットエッチングがある。多層材料の反応エッチングの終了後、スタックの残りの部分は通常、ポストエッチ（エッチング後）パッシベーションプラズマ処理される。

現在のエッチング技法の欠点の１つは、ＭＲＡＭ構造体の垂直プロファイルが、薄いトンネル接合を越えて電気短絡を生じやすいことである。図１２に示されるように、ＭＲＡＭ構造体３００は、直線垂直壁（エッチングされている表面の平面に対して垂直）を有する。上側マグネットと下側マグネットとを分離する薄いアルミナ絶縁層に隣接するこの垂直壁は、電気短絡を防止するには不十分である。

米国特許出願１０／９３７，６６０公報 米国特許第６，６７３，６７５号公報 米国特許第６，６７７，１６５号公報 米国特許第６，０２４，８８５号公報 米国特許第５，６５０，９５８号公報 米国特許出願公開２００３／００３７５７公報 米国特許第５，６７２，２３９号公報 米国特許第４，４６４，２２３号公報 米国特許第４，２０９，３５７号公報 米国特許第４，３５７，１９５号公報 米国特許出願２００２／０１３９６６５公報 米国特許第４，３７５，１９５号公報

本発明の実施形態は、特に、アルミナ・トンネル障壁層が上側磁性層のプラズマ・オーバーエッチング中の停止層として機能する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスの製造を対象とする。結果として得られるＭＴＪデバイスは、通常非垂直側壁を有し、トンネル障壁層によって上側磁性層及び下側磁性層の優れた電気絶縁性を示す。

別の実施形態において、プラズマ・オーバーエッチング中に使用されるガスは、好ましくはハロゲン含有化学種を含まず、これによりアルミナ・トンネル障壁層に比べて、高度に選択性のある上側磁性層のエッチングをもたらす。ガス内に酸素を導入することにより加工の再現性が高められる。

最後に、別の実施形態は、フォトレジストマスクの剥離の前或いはその間でのＨｅ及びＨ₂ガスを用いたコロージョン・プラズマ処理に関する。任意選択的に、水を用いた洗浄及びＨｅ及びＨ₂脱水焼成を前記剥離段階に続いて行うことができる。

本発明は、１つには、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスで使用される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスを作製するためのフル・スタックの成長、単一マスクエッチング、及び二重マスクエッチング技法に基づく。本明細書でより詳細に説明されるように、本発明の重要な態様は、本発明のプロセスによって調製されたＭＴＪデバイスが、従来のＭＴＪデバイスと比較してより優れた上部マグネット及び底部マグネットの電気絶縁をもたらすことである。

ＭＴＪは、例えばＡｌ₂Ｏ₃である薄い絶縁トンネル障壁層によって分離された強磁性材料の多重層からなる。絶縁層は、電荷キャリアの量子力学トンネル現象が強磁性電極間に発生するほど十分に薄い。トンネリング過程は、電子スピンに依存し、これは、接合部を通るトンネル電流が強磁性材料のスピンに依存する電子物性によって左右され、２つの強磁性層の磁気モーメントの相対配向（磁化方向）の関数であることを意味する。２つの強磁性層は、磁場に対して異なる応答を有するように設計され、その結果、これらの磁気モーメントの相対配向は外部磁界に応じて変化することができるようになる。

本発明の実施形態は、図２に示される自立多層ＭＲＡＭ構造体又はスタックからのＭＴＪデバイスを作製することにより説明されるが、多層構造体を形成する特定の層（例えば材料及びこれらの配列）は変えることができる点は理解される。ＭＴＪ及びＭＲＡＭ構造体は当該技術分野で公知であり、例えば、Ｙａｔｅ他に付与された名称「Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ａｎ ＭＲＡＭ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ（化学機械研磨を用いたＭＲＡＭデバイスの作製方法）」の米国特許第６，６７３，６７５号、Ｌu他に付与された名称「Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ （ＭＲＡＭ） Ｃｅｌｌ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ（磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルのパターンニング）」の米国特許第６，６７７，１６５号、Ｇuｒｎeｙ他に付与された名称「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍｅｍｏｒｙ ｗｉｔｈ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ Ｃｅｌｌｓ ａｎｄ Ｐｈａｓｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ Ｃｅｌｌｓ（トンネル接合メモリセルを有する磁気メモリ及びセルに対する電流を制御するための相転移材料）」の米国特許第６，６５３，７０４号、Ｐｅｎｄｈａｒｋａｒ他に付与された名称「Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｌｍｓ（磁性膜をパターンニングするためのプロセス）」の米国特許第６，０２４，８８５号、及びＧａｌｌａｇｈｅｒ他に付与された名称「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｉｔｈ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ（制御された磁気応答を有する磁気トンネル接合）」の米国特許第５，６５０，９５８号、並びに、Ｎａｌｌａｎ他の名称「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｔｃｈｉｎｇ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ ｏｒ Ｔｕｎｇｓｔｅｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ ｉｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ（半導体構造においてタングステン又は窒化タングステンをエッチングする方法）」の米国特許出願公開２００３／００３７５７において記載されており、これらの全ては引用により本明細書に組み込まれる。

図１は、図２に示される多層ＭＲＡＭ構造体１２０から１つ又はそれ以上のＭＴＪデバイスを作製するためのストップ−オン−アルミナプロセスにおける主要な段階を説明する。多層ＭＲＡＭ構造体１２０の個々の層は、集積回路及び関連する電子機器を作製するための従来の技法によって加工することができる。金属層を形成するために適用可能なプロセスには、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）を含む化学蒸着（ＣＶＤ）技法、並びにスパッタリングなどの物理蒸着（ＰＶＤ）がある。スパッタリング及び酸化を用いて、誘電層においてアルミナを形成することができる。適切な技法及びデバイスは、例えば、ＤｅＯｒｎｅｌｌａｓに付与された名称「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｗａｆｅｒ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ（集積半導体ウェーハ処理システム）」の米国特許第５，６７２，２３９号、Ｇｏｒｉｎに付与された名称「Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｏｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ（プラズマ反応装置及び方法）」の米国特許第４，４６４，２２３号、Ｇｏｒｉｎ他に付与された名称「Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｏｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ（プラズマ反応装置）」の米国特許第４，２０９，３５７号、及びＧｏｒｉｎに付与された名称「Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｐｌａｓｍａ Ｒｅａｃｔｉｏｎ（プラズマ反応を制御する装置及び方法）」の米国特許第４，３５７，１９５号、並びにＤｅＯｒｎｅｌｌａｓ他の名称「Ｐｌａｓｍａ Ｅｔｃｈ Ｒｅａｃｔｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ（プラズマエッチング反応器及び方法）」の米国特許出願２００２／０１３９６６５において記載され、これら全ては引用により組み込まれる。

図２に示されるように、多層ＭＲＡＭ構造体１２０は、異なる材料の幾つかの層が堆積する基板１０２を含む。明らかなように、図２の層の相対厚みは説明の目的のために誇張されている。用語「基板」は、露出した半導体表面を有するあらゆる半導体のベースとなる構造体を含むことができる。構造体には、例えば、シリコン、シリコン−オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、シリコン−オン・サファイア（ＳＯＳ）、アルミニウム炭化チタンドープ及び非ドープ半導体、ベース半導体支持構造によって支持されたシリコンのエピタキシャル層、及び他の半導体構造体がある。半導体はシリコンベースである必要はない。半導体は、シリコン−ゲルマニウム、ゲルマニウム、又はガリウム砒素とすることができる。

層１０４は、例えばＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＮｉＦｅ、及びこれらの混合物などの適切な強磁性材料から作製された底部又は固定強磁性（又は磁性）層を含む。底部強磁性層は、その磁化方向が層の平面内にあるが、ＭＴＪデバイスにおいて対象とする望ましい範囲で印加された磁場の存在下で回転できないように固定されている点で「固定」される。固定強磁性層は通常、２５Åから１００Åの厚みがある。強磁性層は、下層の反強磁性層との層間交換結合によって固定される。適切な反強磁性層には、例えば、ＭｎＦｅ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、及びその混合物が挙げられる。下層の反強磁性層は通常、２５Åから１００Åの厚みがある。図２には図示されていないが、多層ＭＲＡＭ構造体は通常、基板１００と底部磁性層１０４との間に位置する底部コンタクト層を含むであろう。適切な底部コンタクト層材料としては、例えば、Ｔａ、Ｔｉ、及びこれらの混合物が挙げられる。最後に、基板とコンタクト層との間には、２５Åから１００Åの厚みのＴｉＮ層のような薄い接着促進層が使用されるのが好ましい。

トンネル障壁層１０６はアルミナから構成され、反応性スパッタリングによって形成することができる。アルミナ層は通常、５Åから２０Åの厚みがある。

「フリー」強磁性（又は磁性）層１０８は、その磁化を固定強磁性層１０４の固定磁化に対して層の平面内で相対的に回転させることができる材料から構成される。例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＮｉＦｅ及びこれらの混合物などの適切な強磁性材料を使用することができる。フリー強磁性層は通常、２０Åから５０Åの厚みがある。好ましい実施形態において、層１０８は、ＮｉＦe（パーマロイ）及びＣｏＦeの二重層を含み、ＣｏＦｅがアルミナ上に直接堆積されている。ＮｉＦｅ／ＣｏＦe二重層の場合、ＮｉＦｅは通常、１５Åから５０Åの範囲の厚みがあり、ＣｏＦｅは通常、１０Åから４０Åの範囲の厚みがある。

多層ＭＲＡＭ構造体１２０は通常、フリー強磁性層１０８の上にキャッピング又は上部コンタクト層を含む。上部コンタクト層は通常、２００Åから２０００Åの厚みがある。材料の単一の層だけを使用することができるが、好ましい実施形態では、上側コンタクト層はＴａ/Ｔｉ二重層１１０、１１２を含む。Ｔａ層１１０は通常、５０Åから１００Åの範囲の厚みがあり、Ｔｉ層１１２は通常、３００Åから１５００Åの範囲の厚みがある。本明細書で更に説明されるように、本発明の好ましい実施形態においては、Ｔｉ層はまた、オーバーエッチング段階におけるハードマスクとしても機能することになる。

一般的には、半導体製造においてフォトレジスト（ＰＲ）マスク１１６の堆積前に、反射防止コーティング（ＡＲＣ）１１４が堆積される。ＡＲＣ層は通常、３００Åから８００Åの厚みがある。ＡＲＣコーティングは、放射線を吸収して光学的に不透明な膜を形成し、イメージングレジストのコントラストを増強する。ＡＲＣコーティングは、入射した放射線が上層のＰＲマスク層１１６内に反射して戻るのを効果的に低減する。これによりフォトレジスト材料の露光過多を防止する。

反射防止コーティングは、これらの機能原理によって大きく２つのグループに分類される。第１のグループは、反射防止膜としていわゆる光吸収膜を利用し、照射光を吸収する高い能力を有しており、第２のグループは、光の干渉を利用し、反射を防止する。光吸収性有機膜は、基板表面によって反射される前に光を吸収するので、基板（又は下層の材料）から反射されてレジストに戻る光が軽減される。

第２のグループの反射防止膜の実施例としては、Ｓｉ及びＴｉＮが挙げられる。反射防止膜は通常、反射を軽減するためにレジスト／反射防止膜の境界面からの反射光と反射防止膜／基板の境界面からの反射光とが互いに逆位相であるような厚みで金属上に堆積される。

ポジ型或いはネガ型のフォトレジストを用いてＰＲマスク層１１６を作製することができるが、ポジ型の方が一般により良好な解像能力及びパターン転写特性を有するので、ネガ型フォトレジストよりもポジ型フォトレジストが好ましい。ポジ型フォトレジストでは、現像剤によって露光部分が除去されやすく、非露光部分は除去されにくい。フォトレジスト層が施工された後、次いで、フォトレジスト層の上に開口部を有するマスクが位置決めされて、光源をマスク上に配置し、フォトレジスト層の選択領域上に開口部を通して光を照射するようにする。

選択的露光後、フォトレジストがコーティングされた基板は、現像剤溶液で処理され、（ポジ型或いはネガ型フォトレジストの何れが使用されているかに応じて）放射線照射領域又は非照射領域を溶解除去してパターン形成又は現像されたフォトレジストが得られ、先行して堆積されていた下にあるＴｉを露出させる。次いで、パターン形成フォトレジストマスク層１１６は、フォトレジスト層の下にある層をエッチングするためのマスクとして使用され、硬化レジストによって保護されていない下層の一部分をエッチング除去することができる。

図１のフローダイアグラムにおいて示される本発明のストップ−オン−アルミナプロセスの実施形態は、最初の主エッチング段階を含み、これによりＴｉ層１１２、Ｔａ層１１０、及びフリー強磁性層１０６を構成するＮｉＦｅ（パーマロイ）及びＣｏＦｅ二重層の一部が、図２のＭＲＡＭ構造体１２０内で連続的に除去される。これらの層は、種々の化学エッチングを用いるプラズマ反応エッチングによって除去されるのが好ましい。一般的に、当該化学的物質は、２つ又はそれ以上の以下の化学種：すなわちハロゲンガス、ハロゲン含有ガス、希ガス、及び２原子ガスを含み、最後の２つのガスは不活性キャリアガスとして働く。当該プロセスの重要な特徴は、主エッチングをＣｏＦｅ／アルミナの境界面に到達する前に停止させることである。好ましくは、ＮｉＦe及びＣｏＦｅ二重層からなる上側フリー磁性膜をエッチングする場合、使用される化学的物質は、約１０％から５０％容積のＣｌ₂と約１０％から３０％のＢＣｌ₃との混合物を含み、残余は主として不活性キャリアガスである。（別途定めない限り、気体の全てのパーセンテージは容積ベースである。）この混合物は、磁性膜の実質的に残留物のないエッチングを可能にすることが実証されている。ＣｏＦｅ／アルミナ境界面付近で停止させるためには、最小限の残留物形成を伴ってエッチング速度を制御することが重要である。

Ｃｌ₂及び／又はＡｒを含有するエッチングガスでＮｉＦｅなどの遷移金属を含む磁性層をプラズマエッチングする場合、プラズマチャンバー内の酸素の量を調整することにより、下層のアルミナに対するエッチング選択性に影響を及ぼす可能性がある点も示されている。すなわち、プラズマチャンバー内への酸素の流入を制御することによって、より高いＮｉＦｅ／アルミナ選択性が得られる。プラズマ・オーバーエッチプロセスの１つの実施形態では、バックグラウンド酸素をエッチングプロセスに影響を及ぼさないレベルまで低下させ、同時にプラズマチャンバー内に計測可能及び制御可能な形で酸素を再導入することを伴う。プラズマチャンバーに入ることができるバックグラウンド酸素の発生源には、例えば、（１）大気中の酸素、（２）チャンバー内の材料からのガス放出、（３）プロセスシステム内の他の処理モジュール、及び（４）プラズマエッチング中に発生するソース・ウィンドウ・スパッタリングがある。

チャンバー内の「非制御の」バックグラウンド酸素が低減されると、Ｎｉ／Ｆｅとアルミナとの間の選択性は、チャンバー内に極めて少量（例えば〜０．０８ｓｃｃｍ）の酸素を再導入することによって最適化することができる。酸素を再導入するための１つの技法では、チャンバーに接続された２つの別個のキャリアガス源を用いる。第１の供給源は９９．９％Ａｒ及び０．１％Ｏ２を含むＡｒ／Ｏ₂ガス混合物をプラズマチャンバーに供給し、第２の供給源は、１００％Ａｒ含有ガスをプラズマチャンバーに並行して供給する。プラズマチャンバー内に酸素を再導入する場合、チャンバーのベース圧力は〜０．００１ｍＴにまで低くされるのが好ましい。加えて、ソース電力はウィンドウスパッタリングを最小化するために低く（１００−２００Ｗ）する必要がある。

図１に示される主エッチング段階１０に続いて、段階１２で、パターン化フォトレジストマスク１１６が従来の方法によって除去される。ハロゲン含有エッチングプロセス後にＣｏＦｅ含有スタック構造体を高温（＞約１５０−１７５℃）に曝露することにより、著しい残渣形成をもたらすことが分かっている。加えて、図２のＭＲＡＭ構造体１２０をドライストリップ・プロセスに曝すと、特に酸素が使用される場合には元来のアルミナ表面が著しく劣化されるようになることが分かっている。同様の結果は、窒素ストリッピングについても観察されている。従って、本発明の実施形態のＭＲＡＭスタックのストップ−オン−アルミナプロセスにおいては、ウェットフォトレジストストリッピング又はＨｅ／Ｈ₂を利用し、高温或いは酸素によるドライストリップの何れも利用しないことが好ましい。

図３は、パターンフォトレジストマスク１１６の除去の後で予期されるＭＲＡＭ構造体のエッチング・プロファイルを示す。図３は、２つのセル２２０のみを示しているが、ＭＲＡＭ構造体は、最終的にＭＲＡＭデバイスの一部を形成する複数のセルを含むことができる点は理解される。各セルの側壁は、本質的に上縁部から始まり垂直方向に例えばＮｉＦｅ層である上側磁性層に向かい、この際に、プロファイルは傾斜して非垂直傾斜表面２３０を形成する。フル・スタックエッチングの場合、表面２３０は外方に突出し、通常は底部コンタクト層に対応することになる表面２４０で終端する。

次いで、ＭＲＡＭ構造体１２０は、後続の処理の間での構造体１２０の腐食を防止するパッシベーション方法である腐食処理を受けるのが好ましい。好ましい腐食処理は、Ｈｅ及びＨ₂の混合物を含有する環境でのプラズマ処理からなる。好ましくは、この混合物は、少なくとも９６％のＨｅと、４％以下のＨ₂とを含む。このプロセスは、１００℃から２８５℃の間、好ましくは１５０℃の高温で行うのが好ましい。

任意的な水洗浄段階が続いて行われ、これによればデバイスは、好ましくは少なくとも１分から２分間洗浄され汚染が除去される。好ましくは、ほぼ室温（約３０℃）で脱イオン水が使用される。

洗浄された後、段階１８において、デバイスは１００℃から２８５℃の間、好ましくは１５０℃の高温で１分から２分間焼成され、過剰な水分並びにＨｅ及びＨ₂が除去される。

最後に、構造体１２０はオーバーエッチングのエッチング段階を受け、これにより例えばＮｉＦｅ及びＣｏＦｅ二重層である露光されたフリー強磁性層１０８の残留部分が除去され、トンネル障壁層１０６のアルミナが停止層として機能する。図４は、オーバーエッチング段階２０の後で予期されるＭＲＡＭ構造体１２０のエッチング・プロファイルを示す。余分なＮｉＦｅ／ＣｏＦｅを選択的に除去することにより、階段状プロファイルが隔離領域２３６を定め、これはフリー強磁性層２３４と下方固定強磁性層２３８とを分離するアルミナ露出水平面である。このプロファイルは、隔離領域２３６まで本質的に垂直を保持している。ＭＴＪデバイスのこの構成においては、フリー強磁性層は、絶縁トンネル障壁（アルミナ）層の幅とほぼ同じ幅Ｗ₁を有する。固定強磁性層は、Ｗ₂＞Ｗ₁であるような幅Ｗ₂を有する。加えて、底部磁性層（図示せず）の幅は、トンネル障壁層の幅よりも長い。ＭＴＪデバイスの別の実施形態においては、フリー強磁性層は幅Ｗ₃を有し、固定強磁性層は幅Ｗ₄を有し、絶縁トンネル障壁（アルミナ）層はＷ₅を有し、Ｗ₅＞Ｗ₄≧Ｗ₃、好ましくはＷ₄＞Ｗ₃である。

パターン化フォトレジストマスク１１６の除去では、Ｔｉコンタクト層１１４はオーバーエッチングプロセスのハードマスクとして機能し、該プロセスは、上述のように少量の酸素を含有する雰囲気中でのプラズマエッチング反応を含む。好ましい実施形態において、約９９％を超えるアルゴンと少量の酸素との混合物を含むガスが使用される。

図３及び図４は、単一マスク、フル・スタックのストップ−オン−アルミナプロセスを示す。本発明の別の実施形態において、図５Ａから図５Ｇは、２マスク、フル・スタックのストップ−オン−アルミナプロセスの一連の段階を示す。

図５Ａは、異なる材料の幾つかの層：すなわち、（１）底部又は固定強磁性層５４、（２）トンネル障壁層５６、（３）フリー強磁性層５８、（４）キャップ層又はコンタクト層６０、及び（５）フォトレジスト層６２が堆積された基板５２を含む多層ＭＲＡＭ構造体５０を示す。パターン化フォトレジスト（ＰＲ）マスク６８が、放射線への選択的露出によって形成され、次いで現像剤溶液で処理される。ＭＲＡＭ構造体５０は、ＡＲＣを含むことができ、すなわち例証の目的でＡＲＣは別個の層ではなく上部コンタクト層６０の一部とみなされる。層５４、５６、及び５８は、構造体の「フル・スタック」を構成すると考えられるが、特定のデバイスのプロセス設計フローに応じて層６０のような追加層を含めることもできる。

図５Ｂは、図５Ａの上部コンタクト層６０がＰＲマスク６８を用いて部分的に除去されることによりコンタクト層６６が形成された後の構造体を示す。フリー強磁性層６４の一部が露出している。

図５Ｃは、ストップ−オン−アルミナプロセスの主エッチング後の構造体を示し、フリー強磁性層６４の露出部分が除去されて、フリー強磁性層７０が形成されている。トンネル障壁層５６の一部が露出している。その後、図５Ｄに示されるように、ＰＲマスク６８が除去される。

続いて、図５Ｅに示されるように構造体の上にハードマスクの層が堆積される。このハードマスクは、好ましくは、例えばＴａ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌＮ、及びＳｉＯ₂などの材料を含む。次いで、パターン化フォトレジスト層（図示せず）がハードマスク７２の上に形成される。

図５Ｆは、ハードマスクの一部がエッチングされ、パターン化ＰＲマスクが除去された後の構造体を示す。残りのハードマスク７４が、上部コンタクト層６６及び上側磁性層７０を覆っているのが分かる。次に、ハードマスク７４を用いて露出したトンネル障壁層５６及び下側強磁性層５４をエッチングし、図５Ｇに示される構造体を残し、この構造体は、トンネル障壁層８６の外周及び下側強磁性層７６の外周がハードマスク７２の外周と実質的に同一面にある。

オーバーエッチングプロセスは高い選択性を示す。フリー強磁性層は、例えばＡｌ₂Ｏ₃である誘電体がエッチングされる速度よりも少なくとも７倍速い速度でエッチングされることが予期される。

図３及び図４に示されるように、オーバーエッチング段階を用いて、ＭＲＡＭデバイスでの上部及び底部マグネット２３４、２３８の間の電気絶縁が達成される。この態様は、アルミナを停止層として用いるフリー強磁性層１０８のＮｉＦｅ／ＣｏＦｅ二重層を選択的にエッチングすることによって得られる。ＮｉＦｅとＣｏＦｅの間のスパッタリング閾値とアルミナのスパッタリング閾値とには顕著な差があるので、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅエッチング速度を正確に制御することが可能である。これらの現象を検証する実験は、Ｔｅｇａｌ Ｃｏｒｐ．（カリフォルニア州ペタルーマ所在）が提供する６５５０Ｓｐｅｃｔｒａ（登録商標）エッチング・リアクタを用いて行った。

具体的には、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅスパッタリング速度を単層の試験ウェーハを用いて測定し、アルミナのエッチング速度をアルミナ／ＮｉＦｅ試験構造体を用いて測定した。この試験構造体は、その上に堆積されたＮｉＦｅ層とそのＮｉＦｅの上の極めて薄いアルミナ層（〜１５Å）とを有する基板から構成された。計測されたアルミナエッチング速度は、トンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）スタックで見られる薄膜特性を示した。

図６のグラフから明らかなように、合金でのスパッタリングの開始とアルミナとの比較において、これらの間に顕著な差が観察された。１０Ｗより大きく２５Ｗ未満のバイアス電力レベルでアルミナ／ＮｉＦｅ試験構造体に関して行われたエッチング速度試験では、アルミナがエッチングされなかったことも観察された。これらの観察は、特定のエッチング条件下では、ＴＭＲスタックから顕著な量のＮｉ及びＣｏＦｅをエッチングすることができると同時に、アルミナは少量しかエッチングされないことを示している。

ＴＭＲスタックのエッチングプロセスを監視するために、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅエッチングの終点を検出する方法も開発された。下層のアルミナの上に形成されたＮｉＦｅ及びＣｏＦｅ層を備えるスタックウェーハを調製した。ＮｉＦｅの上の層が反応性化学的物質を用いて除去されたのち、スタックウェーハは２つの異なるレベルでアルゴン単独化学的物質を用いるオーバーエッチングを受けた。２つの典型的なスタックウェーハからの発光終点検出（ＥＰＤ）トレースが図７に示される。明らかなように、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅの元素組成は、アルゴンプラズマでかなり良好な発光体である。

ＥＰＤトレースは、一部の構造体がアルゴンエッチングプロセスの持続期間にわたりスタック内の個々の層から見えることを示している。図７の終点トレース内での最初のピーク１２０は、アルミナの上方の磁性層がないことを示す。上側のグラフ内の長い平坦な領域は、アルミナの緩慢な除去に相当する。この領域は、図７の下側で示されるより高出力のトレースではかなり短い。図７の上側での長い平坦な領域の後のピーク１３０の第２のセットは、アルミナの下方の磁性層のエッチング除去に相当する。ピーク１４０のこの第２のセットもまた、図７の下側でのより高出力の場合で観察される。

実際には、エッチング反応の進行は、光学フィルターを有するやや広帯域の光電セル検出器又は光電子増倍管などの光学検出器によって監視することができる。検出器はまた、質量分析計又は同様のものとすることができる。光電セルは、増幅器に結合されたときに、プラズマの発光強度に比例した電圧出力を提供する。検出器は、例えば、Ｇｏｒｉｎに付与された米国特許第４，３５７，１９５号で記載されており、これは引用により本明細書に組み込まれる。

図８Ａ及び図８Ｂは、２つの透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）写真を示しており、これらは、終点トレースの１５０のドットで示されたポイント、すなわち図７の上部に示される２つのピーク１２０、１３０の間の平坦域までエッチングされたＭＲＡＭスタックウェーハから撮られたものである。ＳｉＯ₂基板１０２上に堆積された固定強磁性層１０４、アルミナ層１０６、フリー強磁性層１０８、Ｔａ層１１０、Ｔｉ層１１２、及びＡＲＣ層１１４が、各ＴＥＭで明瞭に認められる。図８Ａは、アレイの間の開き領域を示し、図８Ｂは、特徴部間の密集領域を示す。

図９は、ＭＲＡＭウェーハから得られた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真であり、ウェーハは、組み合わされた主エッチングとオーバーエッチングとを受けた、アルミナの上方に堆積されたＮｉＦｅ及びＣｏＦｅの双方を有している。この画像では、完了した上部電極エッチングが比較的ベールが無いことを示している。ベールは、処理間に特徴部の壁の上に形成する残渣であり、有機成分或いは無機成分からなることができる。このプロセスは、６インチウェーハ全体にわたって有効であり、ウェーハ上のどの場所にもアルミナの突き抜け現象の兆候は示されない。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、２つのＭＲＡＭウェーハのＳＥＭ写真であり、その両方は、図１０Ｂのウェーハがエッチ後に水洗浄を受けたことを除いては、同一条件下でハロゲンベースの化学的物質を用いてエッチングされた。図１０Ａから明らかなように、ウェーハのフィールドエリア内の露出した磁性材料は、数時間の空気への曝露の結果として著しく腐食し、これに対して図１０Ｂの洗浄ウェーハはあまり顕著には腐食されていない。洗浄は、ハロゲンの除去と表面のパッシベーションとにおいて有効であった。

図１１は、本発明の技法で作製されたＭＴＪデバイスのＴＥＭである。明らかなように、アルミナ層は、上部マグネットと底部マグネットとの優れた電気絶縁を可能にする。

本発明の好ましい実施形態の上記詳細な説明は、図示及び説明の目的で提示された。本発明は、開示された厳密な形態に網羅され限定されるものではない。上述の教示に照らして多くの修正及び変形形態が実施可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に添付された請求項によって限定されるものとする。

ＭＲＡＭ用の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスを製造する方法順序を示す図である。 エッチング前の支持基板上に堆積された多層膜を含む自立ＭＲＡＭスタックの拡大断面図である。 非垂直プロファイルを示す主エッチング段階後のＭＲＡＭ構造体の断面図である。 非垂直プロファイルを示すオーバーエッチング段階後のＭＲＡＭ構造体の断面図である。 ２マスクのストップ−オン−アルミナプロセスを示す図である。 ２マスクのストップ−オン−アルミナプロセスを示す図である。 ２マスクのストップ−オン−アルミナプロセスを示す図である。 ２マスクのストップ−オン−アルミナプロセスを示す図である。 ２マスクのストップ−オン−アルミナプロセスを示す図である。 ２マスクのストップ−オン−アルミナプロセスを示す図である。 ２マスクのストップ−オン−アルミナプロセスを示す図である。 アルゴン内でのオーバーエッチングプロセスにおけるプラズマエッチング中の下側電極出力の出力レベルに対するＮｉＦｅ、ＣｏＦe、及びアルミナのエッチング速度を比較するグラフである。 パターン化ＭＲＡＭ構造体上で２つの異なる出力レベルを用いるＮｉＦｅオーバーエッチングプロセスでの時間に対する発光エッチングピッチ密度トレースのグラフである。 ストップ−オン−アルミナ・エッチングプロセス後に撮られたＭＴＪデバイスのＴＥＭ写真である。 ストップ−オン−アルミナ・エッチングプロセス後に撮られたＭＴＪデバイスのＴＥＭ写真である。 反応プラズマ主エッチング段階、オーバーエッチング、及びフォトレジストストリップ後のＭＲＡＭスタックウェーハのＳＥＭ写真である。 図９Ａのウェーハがエッチング後のウェット洗浄を受けた以外は、同一条件でエッチングされたウェーハのＳＥＭ写真である。 図９Ａのウェーハがエッチング後のウェット洗浄を受けた以外は、同一条件でエッチングされたウェーハのＳＥＭ写真である。 ＭＴＪデバイスのＴＥＭ写真である。 垂直プロファイルを有する従来技術のＭＲＡＭ構造体を示す図である。

Claims (20)

1. 磁気トンネル接合デバイスを作製する方法であって、
   （ａ）第１の磁性部材を形成する段階と、
   （ｂ）第２の磁性部材を形成する段階と、
   （ｃ）前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材との間に配置された誘電材料から構成され、エッチングによって前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材との間に電気短絡を生じることができるほど薄い絶縁トンネル障壁層を形成する段階と、
   （ｄ）前記絶縁トンネル障壁層を停止層として使用し、前記第２の磁性部材の選択部分をプラズマエッチングして前記絶縁トンネル層を貫通せずに前記第２の磁性部材が前記第１の部材から電気絶縁されるようにする段階と、
   を含む方法。
2. 前記方法が更に、前記段階（ｃ）の後で且つ前記段階（ｄ）の前に、
   （ｃ１）前記第２の磁性部材の上側表面上にコンタクト層を形成する段階と、
   （ｃ２）前記コンタクト層を覆ってパターン化マスクを形成する段階と、
   （ｃ３）前記コンタクト層の一部を選択的に除去する段階と、
   （ｃ４）前記パターン化マスクを除去する段階と、
   を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記パターン化マスクがハードマスクを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記パターン化マスクがフォトレジストを含む請求項２に記載の方法。
5. 前記段階（ｄ）が、
   （ｉ）前記第２の磁性部材の大部分を第１のエッチング条件下で選択的にエッチングする段階と、
   （ｉｉ）前記段階（ｉ）の後に、前記絶縁トンネル障壁層が停止層として機能するように第２のエッチング条件下で前記第２の磁性部材の残余部分を選択的にエッチングする段階と、
   を含む請求項１に記載の方法。
6. 前記段階（ｉ）が、第１のハロゲンベースの化学的機能性エッチャント化学種を含む第１のプラズマ源ガスを用いてプラズマエッチングする段階を含み、
   前記段階（ｉｉ）が、アルゴン及び酸素を含む第２のプラズマ源ガスを用いてプラズマエッチングする段階を含む、
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記段階（ｉ）が、Ｃｌ₂とＢＣｌ₃との混合物を含むエッチャント化学種を用いて反応プラズマエッチングする段階を含む請求項５に記載の方法。
8. 前記段階（ｉｉ）が、前記エッチャント化学種に酸素を付加する段階を含む請求項５に記載の方法。
9. 前記磁気トンネル接合デバイスが、磁気ランダムアクセスメモリデバイスで利用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記方法が更に、前記段階（ｄ）に続き、
    （１）前記デバイスをＨｅ及びＨ₂を含有する環境内でプラズマ処理して腐食材料を除去する段階と、
    （２）任意選択的に、前記処理されたデバイスを洗浄する段階と、
    （３）前記デバイスを焼成して前記Ｈｅ及びＨ₂を除去する段階と、
    を含む請求項１に記載の方法。
11. 前記段階（１）が、１００℃から２８５℃の温度でプラズマ処理を含み、前記環境が、少なくとも９６容積％のＨｅと４容積％未満のＨ₂とを含有し、前記段階（３）が、１００℃から２８５℃の温度で前記デバイスを加熱する段階を含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の磁性部材が、対象とする範囲において印加磁場の存在下で好ましい方向に固定された磁気モーメントを有する固定強磁性層であり、前記第２の磁性部材が、対象とする範囲において印加磁場の存在下で磁気モーメントが自由に回転するフリー強磁性層であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
13. 前記固定強磁性層が、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＮｉＦｅ及びこれらの混合物からなる群から選択された材料から形成され、前記フリー強磁性層が、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＮｉＦｅ及びこれらの混合物からなる群から選択された材料から形成されることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 磁気トンネル接合デバイスを作製する方法であって、
    （ａ）第１の磁性部材を形成する段階と、
    （ｂ）第２の磁性部材を形成する段階と、
    （ｃ）前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材との間に配置された誘電材料から構成され、エッチングによって前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材との間に電気短絡を生じることができるほど薄い絶縁トンネル障壁層を形成する段階と、
    （ｄ）前記第２の磁性部材の上側表面上にコンタクト層を形成する段階と、
    （ｅ）前記コンタクト層を覆ってパターン化マスクを形成する段階と、
    （ｆ）前記コンタクト層の一部を選択的に除去する段階と、
    （ｇ）前記パターン化マスクを除去する段階と、
    （ｈ）前記第２の磁性部材及び前記絶縁トンネル障壁層の少なくとも１つの側部が非垂直プロファイルを定め、該プロファイルが前記少なくとも１つの側部から外方に突出することによって前記絶縁トンネルの分離が拡がり、前記第２の磁性部材及び前記絶縁トンネル障壁層の一部を選択的に除去して前記第２の磁性部材が前記第１の磁性部材から電気絶縁されるようにする段階と、
    を含む方法。
15. 前記方法が更に、前記段階（ｈ）に続いて、（ｉ）前記第２の磁性部材をオーバーエッチングする段階を含む請求項１４に記載の方法。
16. 前記方法が更に、前記段階（ｈ）に続いて、
    （１）前記デバイスをＨｅ及びＨ₂を含有する環境内でプラズマ処理して腐食材料を除去する段階と、
    （２）任意選択的に、前記処理されたデバイスを洗浄する段階と、
    （３）前記デバイスを焼成して前記Ｈｅ及びＨ₂を除去する段階と、
    を含む請求項１４に記載の方法。
17. （ａ）第１又は下側磁性部材と、
    （ｂ）第１又は上側磁性部材と、
    （ｃ）前記第１の磁性部材と前記第２の磁性部材との間に配置された誘電材料から構成された絶縁トンネル障壁層と、
    を備え、
    前記第２の磁性部材及び前記絶縁トンネル障壁層の少なくとも１つの側部が該少なくとも１つの側部から突出した非垂直プロファイルを定めることを特徴とする磁気トンネル接合デバイス。
18. 前記絶縁材料がＡｌ₂Ｏ₃を含むことを特徴とする請求項１７に記載の磁気トンネル接合デバイス。
19. 前記第１の磁性部材が、特定の範囲において印加磁場の存在下で好ましい方向に固定された磁気モーメントを有する固定強磁性層であり、前記第２の磁性部材が、特定の範囲において印加磁場の存在下で磁気モーメントが自由に回転するフリー強磁性層であることを特徴とする請求項１７に記載の磁気トンネル接合デバイス。
20. 前記固定強磁性層が、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＮｉＦｅ及びこれらの混合物からなる群から選択された材料から形成され、前記フリー強磁性層が、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅＣｒ、ＣｏＮｉＦｅ及びこれらの混合物からなる群から選択された材料から形成されることを特徴とする請求項１７に記載の磁気トンネル接合デバイス。

Images