JP2013243395A

JP2013243395A - 磁気トンネル接合構造体を形成する方法

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Publication number: JP2013243395A
Application number: JP2013155869A
Authority: JP
Inventors: Li Xia; シャ・リ; Seung H Kang; スン・エイチ．・カン; Zhu Xiaochun; シャオチュン・ジュ
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Current assignee: Qualcomm Inc
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2013-12-05
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Abstract

【課題】磁気トンネル接合構造体を形成する方法を提供する。
【解決手段】底部電極５０２とＭＴＪスタック５０４と上部電極５０６の堆積の後、上部電極５０６上に犠牲層５０８が堆積される。上部電極５０６と底部電極５０２は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、他の導電性金属、またはそれらの任意の組み合わせから堆積される。犠牲層５０８は、オキシ窒化ケイ素、シリコンカーボン、窒化ケイ素、窒化チタン、またはそれらの任意の組み合わせで堆積され得る。リソグラフィックプロセスを使用してパターン定義が適用され、パターン定義とハードマスク５１２にしたがってハードマスクエッチングプロセスがＭＴＪ構造体５００におこなわれる。ハードマスクとしての犠牲層と上部電極を使用してパターン定義を適用した後で、さらにパターン定義にしたがってＭＴＪスタック５０４の一部を除去する。
【選択図】図５

Description

本開示は、磁気トンネル接合構造体を形成するシステムと方法に広く関する。

一般に、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体は、異なるタイプの磁性材料を含む多重膜層を堆積することによって基板上に堆積される。ＭＴＪ構造体は、アニールすることによって反強磁性膜に留められて固定配向を有する基準磁性体層（すなわち固定層）を有している。ＭＴＪ構造体はまた、トンネル接合を提供する障壁層（酸化層）と、磁性配向を有する自由層とを有し、磁性配向は、ＭＴＪ構造体に特定の電流を印加することによって変更され得る。ＭＴＪ構造体はまた一般に、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、チタン（Ｔｉ）、他の電気伝導物質、またはそれらの任意の組み合わせなどの金属導体を統合している。そのような金属導体は、ＭＴＪ構造体からデータビットを読み込むまたはＭＴＪ構造体にデータビットを書き込むための底部電極と上部電極として使用され得る。

アドバンスト技術のために、たとえば６５ｎｍを超えて、ＭＴＪ構造体は、寸法の正確な制御ために、非晶質炭素（Ｃ）などのアドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）を組み込むことによって規定される。このＡＰＦは、パターン定義のためのハードマスクと反射防止コーティング層と一緒に塗布される。慣習的に、多重ＭＴＪ膜層とキャップ膜層の堆積の後に、製造プロセスは、多重膜ＭＴＪ構造体を形成するために、ＡＰＦ層とハードマスク層と反射防止層をフォトレジスティブ材料で堆積することを有している（すなわち、反射防止層は、リソグラフィパターニングプロセスにおける光反射を低減することによってパターン歪みを低減することができる）。多重膜構造体の一部を選択的に除去するためにリソグラフィパターニングプロセス（すなわちフォトパターニングとエッチングプロセス）が適用される。特に、リソグラフィプロセスは、パターン定義を感光性化学的（フォトレジストまたは単に「レジスト」）層に、またハードマスクとアドバンストパターニング膜層（すなわちＡＰＦ層）を介して構造体上に転写するために光を使用する。リソグラフィプロセスはまた、フォトレジスト層の真下の物質にパターン定義を彫る一連の化学的処理にパターン済み構造体をさらすことを有している。

一般に、ＭＴＪ構造体のフィルムスタックとハードマスクの間のエッチング速度差は、ＭＴＪ構造体のエッチングプロセスに別のハードマスクとして使用されている上部電極膜に帰着する。特に、化学的エッチングおよび洗浄処理中に、上部電極膜の一部が露出され得る。電極膜のそのような露出部は酸化しがちである。酸化は、金属電極上に酸化膜（すなわち電気的絶縁膜層）を形成する。さらに、上部電極膜の一部のそのような露出は、浸食、酸化、角丸まり（すなわちＭＴＪの側壁を露出させ得る電極縁部の浸食）、またはそれらの任意の組み合わせを引き起こすことによるなどして、電極を破損することがある。そのような破損は、ＭＴＪ構造体の接触抵抗を強い影響を与え、もしかするとさらにＭＴＪ接合を露出または破損することもある。したがって、ＭＴＪ構造体を形成する改良方法の必要性がある。

特定の実施形態において、導電性層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を基板上に形成することを有している方法が開示される。方法はまた、パターニング膜層を堆積する前に犠牲層を導電性層上に堆積することを有している。

別の特定の実施形態において、基板上に第一の電極を堆積し、第一の電極上に磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成することを有している方法が開示される。ＭＴＪ構造体は、二つの磁性体層の間に挟まれたトンネル障壁層を有している。方法は、ＭＴＪ構造体上に第二の電極を堆積することと、アドバンストパターニング膜層の堆積の前に第二の電極上に犠牲キャップ層を堆積することをさらに有している。犠牲キャップ層は、少なくとも一つのパターニングプロセス中の第二の電極の酸化と浸食を低減するのに適している。

また別の実施形態において、二つの磁性体層間にトンネル障壁層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成することを有している方法が開示される。方法は、ＭＴＪ構造体上に上部電極を堆積することと、上部電極上にアドバンストパターニング膜層を堆積する前に上部電極上に犠牲キャップ層を堆積することをさらに有している。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成する開示された方法の実施形態によって提供される一つの特定の利点は、フォトリソグラフィ（またはフォトエッチング）プロセス中に犠牲キャップ層がＭＴＪ構造体の上部電極を保護して酸化と浸食と角丸まりを低減することである。

別の特定の利点は、フォトエッチングのためのアドバンストパターニング膜を塗布する前に、上部電極上に堆積される犠牲層がＭＴＪ構造体の側壁のくぼみを低減する点で提供される。特定の例において、犠牲層は、上部電極のためのコンタクト窓を開く上部キャップ層エッチングプロセス中のＭＴＪ構造体の側壁と上部電極の不所望な浸食またはエッチングを低減するする。

また別の特定の利点は、第二の上部電極洗浄および堆積プロセスウインドウが改善すなわち拡大され、ＭＴＪプロセスと結果のＭＴＪ構造体の総合的信頼性も改善される点で提供される。

本開示の他の側面と利点と特徴は、続く節：図面の簡単な説明と詳細な説明と請求項を含む全出願の検討の後に明白になるであろう。

図１は、代表的磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体の形成中の堆積層の従来配列の特定の例証的実施形態の横断面図である。図２は、パターニングと余分物質の除去との後の上部電極層の角丸まりを示している図１の代表的ＭＴＪ構造体の横断面図である。図３は、スペーサ層と中間層誘電体層の堆積と化学機械的平坦化開口ＭＴＪコンタクト窓の後の図２の代表的ＭＴＪ構造体の横断面図である。図４は、第二の電極の堆積の後のＭＴＪ構造体の破損を示している図３の代表的ＭＴＪ構造体の横断面図である。図５は、犠牲層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体の特定の例証的実施形態の横断面図である。図６は、フォトレジストおよび反射防止コーティング層のパターニングと除去と、アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）層と犠牲層と上部電極の一部の除去との後の図５のＭＴＪ構造体の横断面図である。図７は、ハードマスク層とＡＰＦ層の除去の後の図６のＭＴＪ構造体の横断面図である。図８は、ハードマスクとしての犠牲層と上部電極を使用してパターン定義を適用した後で、パターン定義によるＭＴＪスタックの一部を除去した後の図７のＭＴＪ構造体の横断面図である。図９は、スペーサ層と中間層誘電体層の堆積の後の図８のＭＴＪ構造体の横断面図である。図１０は、スペーサ層の一部を露出させる中間層誘電体層の一部の除去の後に図９のＭＴＪ構造体の横断面図である。図１１は、基板の平面表面に上部電極を露出させる化学機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスの後またはスペーサ層と犠牲層を除去するブランクエッチングの後の図１０のＭＴＪ構造体の横断面図である。図１２は、ＭＴＪセルを形成する第二の電極の堆積の後の図１１のＭＴＪ構造体の横断面図である。図１３は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）セルを基板上に形成する方法の特定の実施形態を示している流れ図である。図１４は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）セルを基板上に形成する方法の特定の実施形態を示している流れ図である。図１５は、ＭＴＪセルを基板上に形成する方法の第二の特定の例証的実施形態の流れ図である。図１６は、複数のＭＴＪセルを有するメモリ装置を有する代表的無線通信装置図である。

図１は、代表的磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体１０２の堆積層の従来配列の特定の例証的実施形態の横断面図である。一般に、ＭＴＪ構造体１０２は、底部電極１０４と、底部電極１０４上に堆積された磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタック１０２とを有している。ＭＴＪスタック１０２は、第一の強磁性層１１０と、トンネル接合またはトンネル障壁層１１２と、第二の強磁性層１１４とを有する多重層とを有しており、トンネル障壁層１１２は第一と第二の強磁性層１１０と１１４の間に挟まれる。第一の強磁性層１１０と第二の強磁性層１１４は基準層（すなわち固定層）と自由層と呼べるが、その逆も正しい。ＭＴＪ構造体１０２はさらに、ＭＴＪスタック１０２上に堆積された上部電極１０６と、上部電極１０６上に堆積されたアドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）層１０８とを有している。

特定の例では、ハードマスク１１６は、ＡＰＦ層１０８と底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）の上に堆積されてもよく、フォトレジスト１１８はハードマスク１１６の上に堆積される。フォトレジスト１１８上にパターンがリソグラフィ的に規定され、パターンはハードマスク１１６に転写される。ハードマスク１１６はパターンをＡＰＦ膜層１０８に転写する。図２のＭＴＪ構造体２００を形成するために、ＡＰＦ膜層１０８と上部電極１０６とＭＴＪスタック１０２の一部がパターン定義にしたがって除去され得る。

図２は、ＡＰＦ膜層１０８の除去と、上部電極層１０６とＭＴＪスタック１０２の一部の除去とによって形成されたパターン済みＭＴＪ構造体２００の横断面図である。ＭＴＪ構造体２００は、底部電極１０４とパターン済みＭＴＪスタック１０２と上部電極１０６とを有している。上部電極１０６は、特徴的な角丸まりと酸化２０２を示している。酸化２０２は、上部電極１０６の表面の少なくとも一部に電気的絶縁層をもたらしかねない。そのような酸化は、上部電極と他の導電体との間の電気的導通に強い悪影響を与えかねない。

図３は、代表的ＭＴＪ構造体３００の横断面図であり、それは、スペーサ層３０２と中間層誘電体層３０４の堆積に続いて、化学機械的平坦化またはブランクエッチングがおこなわれて中間層誘電体層３０４とスペーサ層３０２の一部を除去された後の図２に示されるパターン済みＭＴＪ構造体２００に相当する。ＭＴＪ構造体３００は、底部電極１０４とＭＴＪスタック１０２と上部電極１０６とを有している。上部電極１０６は角丸まりと酸化２０２を示している。さらに、角丸まりと酸化２０２は、３０６で示されるように、ＭＴＪスタックの一部を露出させた。

図４は、第二の電極４０２の堆積の後の図３のＭＴＪ構造体３００に対応する代表的ＭＴＪ構造体４００の横断面図。この例では、酸化物２０２を除去するために事前洗浄プロセスがおこなわれるときであっても、酸化物２０２は完全に除去されないかもしれず、または３０６のくぼみが増大されかねない。ＭＴＪ構造体４００は、底部電極１０４とＭＴＪスタック１０２と上部電極１０６とスペーサ層３０２と中間層誘電体層（ＩＤＬ）３０４とを有している。第二の電極４０２は、上部電極１０６とスペーサ層３０２とＩＤＬ３０４の上に堆積される。ＭＴＪスタック１０２の露出部３０６は、第二の電極４０２／上部電極１０６と、ＭＴＪスタック１０２内のトンネル障壁（すなわち図１に示されるトンネル障壁１１２）との間の距離を低減し得る。この低減した距離は、動作中のＭＴＪ構造体４００の性能に不所望な影響を与え得る。特に、ＭＴＪスタック１０２の露出部３０６は、接触抵抗に不所望な影響を及ぼしかねず、もしかするとＭＴＪスタック１０２内のトンネル接合（すなわち図１に示されるトンネル障壁１１２）を露出または破損しかねない。

図５は、基板上の堆積層の配列を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体５００の特定の例証的実施形態の横断面図である。ＭＴＪ構造体５００は、底部電極５０２と、底部電極５０２上に堆積されたＭＴＪスタック５０４とを有している。ＭＴＪスタック５０４は、第一の強磁性層５１６と、トンネル接合またはトンネル障壁層５１８と、第二の強磁性層５２０とを有する多重層とを有しており、トンネル障壁層５１８は第一と第二の強磁性層５１６と５２０の間に挟まれている。第一の強磁性層５１６と第二の強磁性層５２０は基準層（すなわち固定層）と自由層と呼べるが、その逆も正しい。ＭＴＪ構造体５００はさらに、上部電極５０６と、上部電極５０６上に堆積された犠牲層５０８と、犠牲層５０８上に堆積されたアドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）５１０と、ＡＰＦ５１０の上に堆積されたハードマスク５１２と、ハードマスク５１２上に堆積されたフォトレジスト（ＰＲ）／底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）層５１４とを有している。

特定の実施形態において、上部電極５０６と底部電極５０２は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、他の導電性金属、またはそれらの任意の組み合わせから堆積される。特定の実施形態において、犠牲層５０８は、オキシ窒化ケイ素、シリコンカーボン、窒化ケイ素、窒化チタン、またはそれらの任意の組み合わせで堆積され得る。

特定の実施形態において、底部電極５０２とＭＴＪスタック５０４と上部電極５０６の堆積の後、上部電極５０６上に犠牲層５０８が堆積される。犠牲層５０８は、スペーサ層またはキャッピング層と同様であり、しかもリソグラフィックプロセス中に適用されるパターン定義の精度に影響をほとんどまたはまったく及ぼさない化学的性質の薄層であり得る。特定の実施形態において、犠牲層５０８は、ほぼ１０オングストロームないしほぼ５０００オングストロームの範囲を有するフォト解像度を有するように選択される。

基準層（固定層）５１６などの強磁性層の少なくとも一つに関連する磁区を配向する（すなわち磁場の方向を設定または配向する）ためにＭＴＪスタック５０４に磁気アニールプロセスが適用され得る。ＡＰＦ５１０とハードマスク５１２とＰＲ／ＢＡＲＣ層５１４は犠牲層５０８上に堆積されている。特定の例では、ＢＡＲＣはオキシ窒化ケイ素であり得る。リソグラフィックプロセスを使用してパターン定義が適用され、パターン定義とハードマスク５１２にしたがってハードマスクエッチングプロセスがＭＴＪ構造体５００におこなわれる。

図６は、フォトレジストと反射防止コーティング層５１４のパターニングと除去と、パターニング膜５１０と犠牲層５０８と上部電極５１２の一部の除去との後の図５のＭＴＪ構造体５００を代表するパターン済みＭＴＪ構造体６００の横断面図である。ＭＴＪ構造体６００は底部電極５０２とＭＴＪスタック５０４を有している。ＭＴＪ構造体６００はまた、上部電極６０６と犠牲層６０８とアドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）層６１０とハードマスク５１２とを有している。

特定の例証的実施形態において、ＡＰＦ６１０と犠牲層６０８と上部電極６０６のパターンを規定するために第二のエッチングプロセスが適用される。図７に示されるように、犠牲層６０８と上部電極６０６をハードマスクとして残してハードマスク５１２とＡＰＦ６１０は取り除かれる。

図７は、ハードマスク層５１２とアドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）６１０の除去の後の図６のＭＴＪ構造体６００を代表する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体７００の横断面図である。ＭＴＪ構造体７００は、底部電極５０２とＭＴＪスタック５０４と上部電極６０６と犠牲層６０８とを有している。犠牲層６０８と上部電極６０６は、パターン定義をＭＴＪスタック５０４上に、さらに任意に底部電極５０２に転写する第三ＭＴＪエッチングプロセス中のハードマスクとして役立つ。ＭＴＪスタック５０４の一部とさらに任意に底部電極５０２はパターン定義によって除去されて、図８に示されるようなパターン済みＭＴＪ構造体となり得る。

図８は、ハードマスクとしての犠牲層６０８と上部電極６０６を使用してパターン定義を適用した後で、さらにパターン定義にしたがってＭＴＪスタック５０４の一部を除去した後の図７のＭＴＪ構造体７００を代表するパターン済み磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体８００の横断面図である。特定の実施形態において、パターン定義の適用はまた、底部電極５０２の一部の除去につながり得る。ＭＴＪ構造体８００は、犠牲層６０８と上部電極６０６とＭＴＪスタック８０４と底部電極５０２とを有している。ＭＴＪスタック８０４は、図５〜７に示されるＭＴＪスタック５０４のパターン済みバージョンを表わす。ＭＴＪエッチングプロセス中に、特定の実施形態において、パターン犠牲キャップ層６０８の一部が失われ、上部電極６０６ではなくて犠牲層６０８の角丸まりおよび／または酸化８０２をもたらし得る。

図９は、スペーサ層９０２と中間層誘電体層９０４の堆積の後の図８のＭＴＪ構造体８００を代表する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体９００の横断面図である。ＭＴＪ構造体９００は、底部電極５０２とＭＴＪスタック８０４と上部電極６０６と犠牲層６０８とスペーサ層（スペーサキャップ膜層）９０２と中間層誘電体層９０４とを有している。特定の例では、スペーサ層９０２と犠牲層６０８は、オキシ窒化ケイ素、シリコンカーボン、窒化ケイ素、窒化チタン、またはそれらの任意の組み合わせなどの同じ物質から形成され得る。中間層誘電体層９０４は誘電体膜である。特定の実施形態において、中間層誘電体層９０４は、一つの導電性層を他から絶縁するために約３．９以下の誘電率を有する物質（すなわちｌｏｗ−ｋ誘電体層）を含む、半導体装置の製造で慣習的に使用される任意の好適な誘電体物質を有することができる。特定の実施形態において、中間層誘電体物質９０４は二酸化ケイ素から堆積される。そのような誘電体層または膜の形成は半導体産業に一般的であり、堆積手順はこの分野の人々によく知られている。特定の実施形態において、スペーサ層９０２と中間層誘電体９０４は、ＭＴＪスタック８０４を保護するために、特にＭＴＪスタック８０４の側壁を保護するために堆積される
図１０は、スペーサ層９０２の一部１００２を露出させる中間層誘電体層９０４の一部の除去の後の図９のＭＴＪ構造体９００を代表する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体１０００の横断面図である。特に、化学機械的研磨（ＣＭＰ）プロセスが図９に示されるＭＴＪ構造体９００に適用され、中間層誘電体層９０４の一部を除去して処理された中間層誘電体層１００４を規定する。ＣＭＰプロセスは、スペーサ層９０２の上部１００２が露出された後にスペーサ層９０２で止められる。

図１１は、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスが適用されエッチングがおこなわれて上部電極６０６を露出させた後の、または基板の平面表面１１０２に上部電極６０６を露出させるブランクエッチングの後の図１０のＭＴＪ構造体１０００を代表する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体１１００の横断面図である。ＭＴＪ構造体１１００は、底部電極５０２とスペーサ層９０２とＭＴＪスタック８０４と中間層誘電体層１１０４と上部電極６０６とを有している。上部電極６０６は、中間層誘電体層１１０４の平面表面１１０２に露出され、実質的に平らであってスペーサ層９０２とともに平面表面１１０２を規定する。

図１２は、洗浄プロセスがおこなわれた後で、さらにＭＴＪセルを形成する第二の上部電極１２０２の堆積の後の図１１のＭＴＪ構造体１１００を代表するＭＴＪ構造体１２００の横断面図である。ＭＴＪ構造体１２００は、底部電極５０２とスペーサ層９０２とＭＴＪスタック８０４と上部電極６０６と中間層誘電体層１１０４と第二の上部電極１２０２とを有しており、それは平面表面１１０２上に堆積される。一般に、（図１１に示されるＭＴＪ構造体１１００の）平面表面１１０２は洗浄され、第二の上部電極１２０２は平面表面１１０２上に堆積されてＭＴＪセルを形成し、それはデータ値を記憶するように構成されている。特定の実施形態において、別のフォトおよびエッチングプロセスが、上部電極１２０２、底部電極５０２、またはそれらの任意の組み合わせをエッチングしてＭＴＪセルを完成するために適用されてもよい。

第二の上部電極１２０２と底部電極５０２は、ＭＴＪスタック８０４内の自由磁性層によって運ばれる磁区へデータビットを読み出すおよび／または書き込むためにＭＴＪセルへのアクセスを提供する独立ワイヤー線または他の電気的相互配線に連結され得る。特に、読み取り／書き込み電流は自由層の磁場の方向を検出／変更するために使用され得、磁場の方向はデジタル値を表わす。特定の実施形態において、ＭＴＪ構造体１２００は、論理プロセスに実行する、データを記憶する、またはそれらの組み合わせのより大きな回路装置の一部として使用され得る。

特定の実施形態において、図５〜１２に関して説明されるＭＴＪセルを形成するプロセスは、従来のＭＴＪ構造体の改善された信頼性を備えたＭＴＪ装置を作製する。図５に示される犠牲層５０８と図６〜１０に示される犠牲層６０８は、上部電極６０６の浸食と酸化と角丸まりを低減または除去し、ＭＴＪセルの電気的接触抵抗と総合的完全性を改善する。さらに、犠牲層５０８と６０８を使用することによって、たとえば、エッチングプロセス中にＭＴＪ構造体の側壁を露出させる危険が低減される。特定の例では、犠牲膜層５０８と６０８は、スペーサ膜９０２または他のキャッピング層と同様の化学的性質を有するように選択することができ、それは、ＭＴＪ装置１２００の性能に障害を与えない。特定の実施形態において、犠牲層が上部電極６０６の厚さに対して薄くなり得る一方で、まだ十分な保護を提供して上部電極の角丸まりを防止するように犠牲層５０８と６０８の化学的構造が選択される。さらに、犠牲層５０８と６０８は、図５と６に示されるＡＰＦ層５１０と６１０に対してパターン定義の解像度に影響をほとんどまたはまったく及ぼさない化学的構造を有するように選択することができ、パターン定義の正確な転写が上部電極６０６を規定することを可能にする。特定の実施形態において、犠牲層厚さは、ほぼ１０オングストロームないしほぼ５０００オングストロームの範囲を有するフォト解像度を有するように選択される。

図１３と１４は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）セルを基板上に形成する方法の特定の実施形態を示している流れ図である。１３０２において、底部電極が基板上に堆積される。底部電極は、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、他の電気伝導物質、またはそれらの任意の組み合わせから堆積され得る。１３０４に移り、多重磁気トンネル接合（ＭＴＪ）層が積層され、ＭＴＪ構造体を形成する二つの磁性膜層の間に挟まれたトンネル障壁を有している。一般に、二つの磁性膜層は強磁性体から堆積され、トンネル障壁（すなわちトンネル接合層）はターゲット材から堆積／酸化される。１３０６に進み、上部電極がＭＴＪ構造体上に堆積される。１３０８に進み、犠牲キャップ膜層が、上部電極を保護するために上部電極をおおって堆積される。１３１０に進み、磁気アニールプロセスが、固定層（すなわち二つの磁性膜層の少なくとも一つ）に関連する磁場を配向するためにおこなわれる。

１３１２に移り、アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）層が犠牲膜層をおおって堆積される。ＡＰＦ膜層は、パターン定義を受ける多数のフォトレジスティブ材料から選択され得る。１３１４に進み、ハードマスク層がＡＰＦ膜層上に堆積される。１３１６において、フォトレジスティブ（ＰＲ）材料層を備えた底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）がハードマスク層をおおって堆積される。結果の構造体の一例が図５に示される。１３１８に進み、フォトレジストプロセスが、フォトレジストパターン定義を構造体に適用するためにおこなわれる。１３２０に進み、フォトレジスティブ材料とＢＡＲＣ層が取り除かれ、方法は１３２２に進み、それは図１４に続く。

図１４を参照すると、１３２２において、方法は１４０２に進み、ハードマスクとＡＰＦ膜層と犠牲層そして上部電極がフォトレジストパターン定義にしたがってエッチングされる（たとえば図６参照）。１４０４に移り、ＡＰＦおよびハードマスク層が取り除かれる（たとえば図７参照）。１４０６に進み、ＭＴＪスタックさらに任意に底部電極が、ハードマスクとしての犠牲層と上部電極を使用してエッチングされる（たとえば図８参照）。１４０８に進み、スペーサキャップ膜層が構造体をおおって堆積され、それは犠牲層を有している。１４１０に進み、中間層誘電体層（ＩＤＬ）が堆積される。１４０８と１４１０から結果として生じる構造体の一例が図９に示される。

１４１２に進み、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスが中間層誘電体（ＩＤＬ）におこなわれ、スペーサキャップ膜層（たとえば図１０）で停止される。１４１４に移り、スペーサキャップ膜層が、上部電極（たとえば図１１）を露出させるためにエッチングされる。１４１６に進み、構造体が事前洗浄され、第二の上部電極が上部電極（たとえば図１２）をおおって堆積される。１４１８に進み、フォトエッチングプロセスが、上部電極、底部電極、またはそれらの任意の組み合わせにおこなわれる。方法は１４２０で終了する。

図１５は、基板上でＭＴＪセルを形成する方法の第二の特定の例証的実施形態の流れ図である。１５０２において、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体が基板上に堆積され、ここでＭＴＪ構造体は導電性層（たとえば底部電極）を有している。ＭＴＪ構造体は、二つの磁性体層の間に挟まれたトンネル接合を有している。特定の実施形態において、アニールプロセスが、ＭＴＪ構造体の磁性体層（すなわち固着磁性層）の少なくとも一つの磁性配向を規定してＭＴＪ装置を形成するためにＭＴＪ構造体におこなわれ得る。上部電極層がＭＴＪ構造体上に堆積され得る。１５０４に進み、犠牲層が、アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）とハードマスクとフォトレジスト膜層を堆積する前に上部の導電性層（すなわち上部電極）上に堆積される。特定の実施形態において、犠牲層は、オキシ窒化ケイ素、シリコンカーボン、窒化ケイ素、または窒化チタンなどの電気絶縁物質である。特定の実施形態において、犠牲層厚さはほぼ１０オングストロームないしほぼ５０００オングストロームの範囲を有するフォト解像度を有するように選択される。

１５０６に進み、アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）とハードマスクとフォトレジスティブ層が犠牲膜層上に堆積される。１５０８に進み、少なくとも一つのパターン定義が、フォトレジスト、ハードマスク、ＡＰＦ、犠牲、および上部電極層に適用される。１５１０に進み、フォトレジスト、ハードマスク、およびＡＰＦ物質が、少なくとも一つのパターン定義にしたがって除去され、ＭＴＪエッチングプロセスがおこなわれる。特定の実施形態において、フォトレジスト／底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）がパターンを規定し、パターンをエッチングによってハードマスクに転写する。フォトレジスト／ＢＡＲＣとハードマスクが、ＡＰＦ、犠牲、および上部電極層にパターンを転写する。ハードマスクとＡＰＦ層が取り除かれ、ＭＴＪエッチングプロセスがおこなわれる。

１５１２に移り、スペーサ層と中間層誘電体層が堆積される。特定の実施形態において、スペーサ層は非磁気フィルム材料を有している。特定の例において、犠牲層は、スペーサ層と同じ物質から堆積され得る。１５１４に進み、中間層誘電体層の一部が、スペーサ層の一部を露出させるために除去される。１５１６に移り、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスが、導電性層を露出させるためにおこなわれる。特定の実施形態において、露出導電性層と第二の導電性層は、電気的タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、他の導電性金属、またはそれらの任意の組み合わせなどの伝導物質である。特定の例において、ＣＭＰプロセスは犠牲層を除去し得る。１５１８に進み、第二の導電性層が、ＭＴＪ装置を作製するために露出導電性層上に堆積される。特定の例において、犠牲層が除去された後、第二の導電性層が堆積される。方法は１５２０で終了する。

特定の実施形態において、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体は第一の電極（すなわち底部電極）上に堆積されてもよく、ＭＴＪ構造体は、二つの磁性材料層の間に挟まれたトンネル障壁層を有している。第二の電極（すなわち上部電極）がＭＴＪ構造体上に堆積され、犠牲キャップ層が、アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）、ハードマスク、およびフォトレジスト／底部反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）層の堆積の前に第二の電極上に堆積される。特定の例において、犠牲キャップ層は、少なくとも一つのパターニングプロセス中の第二の電極の酸化と浸食を低減するのに適している。さらに、磁気アニールプロセスが、ＡＰＦ、ハードマスク、およびフォトレジスト／ＢＡＲＣ膜層の堆積の前に構造体に適用され得る。磁気アニールプロセスは、二つの磁性膜層の少なくとも一つに関連する磁場を配向するセットアップである。

特定の実施形態において、ＡＰＦ膜層が犠牲キャップ層上に堆積される。ハードマスク層がＡＰＦ膜層上に堆積される。フォトレジスティブ材料を有する反射防止層がハードマスク層上に堆積される。パターン定義プロセスが、ハードマスクエッチングプロセスによってフォトレジストと反射防止層とハードマスク層上にパターンを規定するためにおこなわれる。フォトレジスト／ＢＡＲＣが取り除かれる。ハードマスクが、第二のエッチングプロセスによって犠牲とＡＰＦと第二の電極にパターンを転写する。ハードマスクとＡＰＦが取り除かれる。最後に、ＭＴＪエッチングプロセスが、ＭＴＪスタックにパターンを転写するためにおこなわれる。

特定の実施形態において、ＭＴＪ構造体をおおってスペーサ層が堆積され、スペーサ層をおおって中間層誘電体層が堆積され、スペーサ層の一部を露出させるレベルまで中間層誘電体層の一部が選択的に移される。化学機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスが、中間層誘電体層とスペーサ層と犠牲層の一部を選択的に除去して第二の電極を平面表面に露出させるためにおこなわれ得る。第二の導電性層が平面表面上に堆積され、ここで第二の導電性層が第二の導電体に物理的および電気的に連結される。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成する開示された方法の実施形態によって提供される一つの特定の利点は、犠牲キャップ層が、リソグラフィとエッチング（またはフォトエッチング）プロセスの間、ＭＴＪ構造体の上部電極を保護して酸化と浸食と角丸まりを低減することである。別の特定の利点は、フォトエッチングのためのアドバンストパターニング膜を塗布する前に、上部電極上に堆積される犠牲層が、ＭＴＪ構造体の側壁のくぼみを低減する点で提供される。特定の例において、犠牲層が、上部電極ためのコンタクト窓を開く上部キャップ層エッチングプロセスの間、ＭＴＪ構造体の上部電極と側壁の不所望な浸食またはエッチングを低減する。また別の特定の利点は、第二の上部電極洗浄および堆積プロセス窓が改善すなわち拡大され、ＭＴＪプロセスの総合的信頼性と結果のＭＴＪ構造体も改善される。

図１６は、複数のＭＴＪセルを有するメモリ装置を有する代表的無線通信装置図である。図１６は、ディジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１６１０などのプロセッサに連結された、ＭＴＪセル１６３２のメモリアレイと、ＭＴＪセル１６６６のアレイを有する磁気抵抗性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）とを有する通信装置１６００の例証的実施形態のブロック図である。通信装置１６００はまた、ＤＳＰ１６１０に連結されたＭＴＪセル１６６４のキャッシュメモリ装置を有している。ＭＴＪセル１６６４のキャッシュメモリ装置と、ＭＴＪセル１６３２のメモリアレイと、多重ＭＴＪセル１６６６を有するＭＲＡＭ装置は、図５〜１５に関連して説明されるように、プロセスにしたがって形成されたＭＴＪセルを有し得る。

図１６はまた、ディジタル信号プロセッサ１６１０とディスプレイ１６２８に連結されたディスプレイコントローラ１６２６を示している。コーダ／デコーダ（ＣＯＤＥＣ）１６３４もディジタル信号プロセッサ１６１０に連結され得る。スピーカ１６３６とマイク１６３８はＣＯＤＥＣ１６３４に連結され得る。

図１６はまた、ディジタル信号プロセッサ１６１０と無線アンテナ１６４２に連結され得る無線コントローラ１６４０を示している。特定の実施形態において、入力装置１６３０と電源１６４４はオンチップシステム１６２２に連結されている。さらに、特定の実施形態において、図１６に示されるように、ディスプレイ１６２８と入力装置１６３０とスピーカ１６３６とマイク１６３８と無線アンテナ１６４２と電源１６４４は、オンチップシステム１６２２の外にある。しかしながら、各々は、インターフェースまたはコントローラなどのオンチップシステム１６２２のコンポーネントに連結され得る。

当業者はさらに、ここに開示された実施形態に関して説明されたさまざまな例証的論理ブロックと構成とモジュールと回路とアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピューターソフトウェア、または両者の組み合わせとして実行され得ることを認めるであろう。ハードウェアとソフトウェアのこの互換性を明白に示すために、さまざまな例証的コンポーネントとブロックと構成とモジュールと回路とステップが、それらの機能に関して一般的に上に説明された。そのような機能がハードウェアまたはソフトウェアのどちらとして実行されるかは、総合的システムに課される特定のアプリケーションと設計制約に依存する。熟練した職人は、説明された機能を各特定のアプリケーションのために変更する手法で実行し得るが、そのような実行決定は本開示の範囲からの逸脱をもたらすと解釈されるべきではない。

開示の実施形態の先の説明は、任意の当業者が開示された実施形態を製作または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対するさまざまな変更は、この分野の当業者に容易に明白であろう。また、ここに規定される総括的な原理は、開示の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本開示は、ここに示された実施形態に限定されるように意図されていないが、続く請求項によって規定される原理と新規な特徴に整合するできる限り最も広い範囲が与えられるべきである。

開示の実施形態の先の説明は、任意の当業者が開示された実施形態を製作または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態に対するさまざまな変更は、この分野の当業者に容易に明白であろう。また、ここに規定される総括的な原理は、開示の趣旨または範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用され得る。したがって、本開示は、ここに示された実施形態に限定されるように意図されていないが、続く請求項によって規定される原理と新規な特徴に整合するできる限り最も広い範囲が与えられるべきである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］導電性層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を基板上に形成することと、
パターニング膜層を堆積する前に犠牲層を導電性層上に堆積することを有する方法。
［２］一つ以上のアドバンスパターニング膜、ハードマスク、およびフォトレジスト層を犠牲層上に堆積することと、
前記一つ以上のアドバンストパターニング膜、ハードマスク、およびフォトレジスト層に少なくとも一つのパターン定義を適用することをさらに有する［１］の方法。
［３］前記一つ以上のアドバンストパターニング膜、ハードマスク、およびフォトレジスト層を前記少なくとも一つのパターン定義にしたがって除去することをさらに有する［２］の方法。
［４］前記犠牲層をパターニングと除去することをさらに有する［２］の方法。
［５］前記犠牲層が除去された後に前記導電性層上に第二の導電性層を堆積することをさらに有する［４］の方法。
［６］前記導電性層は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、他の導電性金属、またはそれらの任意の組み合わせの一つから構成される［１］の方法。
［７］前記犠牲層は、オキシ窒化ケイ素、シリコンカーボン、窒化ケイ素、窒化チタン、またはそれらの任意の組み合わせの少なくとも一つから構成される［１］の方法。
［８］非磁気スペーサ膜を堆積することをさらに有する［１］の方法。
［９］前記犠牲層は、前記非磁気スペーサ膜と同じ物質で構成される［８］の方法。
［１０］前記犠牲層厚さは、ほぼ１０オングストロームないしほぼ５０００オングストロームの範囲を有するフォト解像度を有するように選択される［１］の方法。
［１１］前記ＭＴＪ構造体をアニールして前記ＭＴＪ構造体の固定層の磁性配向を規定してＭＴＪ装置を形成することをさらに有する［１］の方法。
［１２］基板上に第一の電極を堆積することと、
前記第一の電極上に磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成することを有し、前記ＭＴＪ構造体は、二つの磁性体層間に挟まれたトンネル障壁層を有しており、さらに、
前記ＭＴＪ構造体上に第二の電極を堆積することと、
アドバンストパターニング膜層の堆積の前に第二の電極上に犠牲キャップ層を堆積することを有し、少なくとも一つのパターニングプロセス中の前記犠牲キャップ層が前記第二の電極の酸化と浸食を低減する方法。
［１３］前記二つの磁性膜層の少なくとも一つに関連する磁場を配向するために前記ＭＴＪ構造体に磁気アニールプロセスをおこなうことをさらに有する［１２］の方法。
［１４］前記犠牲キャップ層上に前記アドバンストパターニング膜層を堆積することをさらに有する［１２］の方法。
［１５］前記アドバンストパターニング膜層上にハードマスク層を堆積することをさらに有する［１３］の方法。
［１６］前記アドバンストパターニング膜層上に反射防止層を堆積することをさらに有する［１５］の方法。
［１７］パターン定義プロセスをおこなって前記反射防止層上に少なくとも一つのパターンを規定することと、
前記反射防止層と前記ハードマスク層と前記アドバンストパターニング膜層と前記犠牲層と前記第二の電極の一部を前記少なくとも一つの定義プロセスにしたがって選択的に除去して回路構造体を形成することをさらに有する［１６］の方法。
［１８］前記回路構造体をおおってスペーサ層を堆積することと、
前記スペーサ層をおおって中間層誘電体層を堆積することと、
前記スペーサ層の一部を露出させるレベルまで前記中間層誘電体層の一部を選択的に除去することと、
化学機械的平坦化（ＣＭＰ）を適用して前記中間層誘電体層と前記スペーサ層と前記犠牲層の一部を選択的に除去して前記第二の電極を実質的平面表面に露出させることをさらに有する［１７］の方法。
［１９］前記実質的平面表面上に導電性層を堆積することをさらに備えており、前記導電性層は前記第二の導電体に物理的および電気的に連結される［１８］の方法。
［２０］二つの磁性体層間にトンネル障壁層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成することと、
前記ＭＴＪ構造体上に上部電極を堆積することと、
前記上部電極上にアドバンストパターニング膜層を堆積する前に前記上部電極上に犠牲キャップ層を堆積することを有する方法。
［２１］アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）、ハードマスク、およびフォトレジスト層を堆積することと、
第一のフォトパターニングプロセスをおこなって前記ハードマスク層にパターンを規定することと、
前記規定パターンにしたがって前記ハードマスク層の一部を選択的に除去することと、
フォトレジスト層を除去することと、
第二のエッチングプロセスをおこなって前記ＡＰＦ層と前記犠牲キャップ層と前記上部電極に第二のパターンを転写することをさらに有する［２０］の方法。
［２２］前記ハードマスクと前記アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）層を除去することと、
前記犠牲キャップ層と前記上部電極をハードマスクとして使用して前記ＭＴＪ構造体に前記第二のパターンを規定することをさらに有する［２１］の方法。
［２３］前記第二のパターンにしたがって前記ＭＴＪ構造体の一部を選択的に除去することをさらに有する［２２］の方法。
［２４］前記ＭＴＪ構造体と前記犠牲層をおおってスペーサ層を堆積することと、
前記スペーサ層をおおって中間層誘電体層を堆積することと、
前記中間層誘電体層の一部を選択的に除去して前記犠牲キャップ層に最も近い前記スペーサ層の一部を露出させることと、
前記中間層誘電体層と前記スペーサ層と前記犠牲キャップ層の一部を除去する化学機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスをおこなって実質的平面表面を規定し、前記平面表面に前記上部電極を露出させることと、
前記上部電極上に導電性層を堆積することをさらに有する［２３］の方法。
［２５］フォトエッチング処理、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）処理の後、前記上部電極上をおおう導電性層の堆積、［２０］の方法。
磁気トンネル接合構造体を形成する方法。

Claims

導電性層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を基板上に形成することと、
パターニング膜層を堆積する前に犠牲層を導電性層上に堆積することを有する方法。
一つ以上のアドバンスパターニング膜、ハードマスク、およびフォトレジスト層を犠牲層上に堆積することと、
前記一つ以上のアドバンストパターニング膜、ハードマスク、およびフォトレジスト層に少なくとも一つのパターン定義を適用することをさらに有する請求項１の方法。
前記一つ以上のアドバンストパターニング膜、ハードマスク、およびフォトレジスト層を前記少なくとも一つのパターン定義にしたがって除去することをさらに有する請求項２の方法。
前記犠牲層をパターニングと除去することをさらに有する請求項２の方法。
前記犠牲層が除去された後に前記導電性層上に第二の導電性層を堆積することをさらに有する請求項４の方法。
前記導電性層は、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、他の導電性金属、またはそれらの任意の組み合わせの一つから構成される請求項１の方法。
前記犠牲層は、オキシ窒化ケイ素、シリコンカーボン、窒化ケイ素、窒化チタン、またはそれらの任意の組み合わせの少なくとも一つから構成される請求項１の方法。
非磁気スペーサ膜を堆積することをさらに有する請求項１の方法。
前記犠牲層は、前記非磁気スペーサ膜と同じ物質で構成される請求項８の方法。
前記犠牲層厚さは、ほぼ１０オングストロームないしほぼ５０００オングストロームの範囲を有するフォト解像度を有するように選択される請求項１の方法。
前記ＭＴＪ構造体をアニールして前記ＭＴＪ構造体の固定層の磁性配向を規定してＭＴＪ装置を形成することをさらに有する請求項１の方法。
基板上に第一の電極を堆積することと、
前記第一の電極上に磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成することを有し、前記ＭＴＪ構造体は、二つの磁性体層間に挟まれたトンネル障壁層を有しており、さらに、
前記ＭＴＪ構造体上に第二の電極を堆積することと、
アドバンストパターニング膜層の堆積の前に第二の電極上に犠牲キャップ層を堆積することを有し、少なくとも一つのパターニングプロセス中の前記犠牲キャップ層が前記第二の電極の酸化と浸食を低減する方法。
前記二つの磁性膜層の少なくとも一つに関連する磁場を配向するために前記ＭＴＪ構造体に磁気アニールプロセスをおこなうことをさらに有する請求項１２の方法。
前記犠牲キャップ層上に前記アドバンストパターニング膜層を堆積することをさらに有する請求項１２の方法。
前記アドバンストパターニング膜層上にハードマスク層を堆積することをさらに有する請求項１３の方法。
前記アドバンストパターニング膜層上に反射防止層を堆積することをさらに有する請求項１５の方法。
パターン定義プロセスをおこなって前記反射防止層上に少なくとも一つのパターンを規定することと、
前記反射防止層と前記ハードマスク層と前記アドバンストパターニング膜層と前記犠牲層と前記第二の電極の一部を前記少なくとも一つの定義プロセスにしたがって選択的に除去して回路構造体を形成することをさらに有する請求項１６の方法。
前記回路構造体をおおってスペーサ層を堆積することと、
前記スペーサ層をおおって中間層誘電体層を堆積することと、
前記スペーサ層の一部を露出させるレベルまで前記中間層誘電体層の一部を選択的に除去することと、
化学機械的平坦化（ＣＭＰ）を適用して前記中間層誘電体層と前記スペーサ層と前記犠牲層の一部を選択的に除去して前記第二の電極を実質的平面表面に露出させることをさらに有する請求項１７の方法。
前記実質的平面表面上に導電性層を堆積することをさらに備えており、前記導電性層は前記第二の導電体に物理的および電気的に連結される請求項１８の方法。
二つの磁性体層間にトンネル障壁層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体を形成することと、
前記ＭＴＪ構造体上に上部電極を堆積することと、
前記上部電極上にアドバンストパターニング膜層を堆積する前に前記上部電極上に犠牲キャップ層を堆積することを有する方法。
アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）、ハードマスク、およびフォトレジスト層を堆積することと、
第一のフォトパターニングプロセスをおこなって前記ハードマスク層にパターンを規定することと、
前記規定パターンにしたがって前記ハードマスク層の一部を選択的に除去することと、
フォトレジスト層を除去することと、
第二のエッチングプロセスをおこなって前記ＡＰＦ層と前記犠牲キャップ層と前記上部電極に第二のパターンを転写することをさらに有する請求項２０の方法。
前記ハードマスクと前記アドバンストパターニング膜（ＡＰＦ）層を除去することと、
前記犠牲キャップ層と前記上部電極をハードマスクとして使用して前記ＭＴＪ構造体に前記第二のパターンを規定することをさらに有する請求項２１の方法。
前記第二のパターンにしたがって前記ＭＴＪ構造体の一部を選択的に除去することをさらに有する請求項２２の方法。
前記ＭＴＪ構造体と前記犠牲層をおおってスペーサ層を堆積することと、
前記スペーサ層をおおって中間層誘電体層を堆積することと、
前記中間層誘電体層の一部を選択的に除去して前記犠牲キャップ層に最も近い前記スペーサ層の一部を露出させることと、
前記中間層誘電体層と前記スペーサ層と前記犠牲キャップ層の一部を除去する化学機械的平坦化（ＣＭＰ）プロセスをおこなって実質的平面表面を規定し、前記平面表面に前記上部電極を露出させることと、
前記上部電極上に導電性層を堆積することをさらに有する請求項２３の方法。
フォトエッチング処理、化学機械的平坦化（ＣＭＰ）処理の後、前記上部電極上をおおう導電性層の堆積、請求項２０の方法。
磁気トンネル接合構造体を形成する方法。