JP2018519659A - 磁気トンネル接合をパターニングするためのハードマスク - Google Patents

Abstract

本書では、デバイス構造体及びデバイス構造体を製造する方法が提供される。本書に記載の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスは、磁気トンネル接合層、誘電体キャップ層、エッチング停止層、導電性ハードマスク層、誘電体ハードマスク層、スピンオンカーボン層、及び反射防止被覆層を備える、膜スタックを含み得る。膜スタックの側壁の垂直性を向上させるため、膜スタックは、１つ以上の選択された化学物質によってエッチングされ得る。ますます均一で、ますます限界寸法が小さくなったメモリセルは、本書に記載の方法及びデバイスを利用することによって製造され得る。
【選択図】図７

Description

本開示の実施形態は、概して、デバイス構造体及びデバイス構造体の形成方法に関する。具体的には、本書に記載の実施形態は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）をパターニングするためのハードマスクに関する。

マイクロエレクトロニクスデバイスは、一般的に、集積回路として半導体基板上で製造される。こうしたデバイスの例は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）である。ＭＲＡＭデバイスは、一般的に、ストレージ要素として用いられる磁気多層膜スタックを含む。膜スタックは通常、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、タンタル（Ｔａ）、銅（Ｃｕ）などといった、様々な材料からなる種々の層のスタックである。膜スタックは、膜スタックの層間に挟まれた薄いトンネリング層として、酸化アルミニウムといった絶縁体材料もまた含み得る。これらの層は通常、上層ブランケット膜（ｏｖｅｒｌｙｉｎｇ ｂｌａｎｋｅｔｅｄ ｆｉｌｍ）として逐次的に堆積する。この膜は、膜スタックの１つ以上の層が部分的または全体的に除去されてデバイス特徴を形成する様々なエッチング処理によって、逐次的にパターニングされる。

ＭＲＡＭのうちの１タイプは、スピン注入磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）である。従来型のＳＴＴ−ＭＲＡＭの製造プロセスは、一般的に、マスクとしてフォトレジスト材料を利用し、ハードマスクに開口を形成するために反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を利用する。この結果、ハードマスクは先細の側壁を有するようになる。ますます高密度となるＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイスで隣接するＭＴＪ間のピッチが絶えず小さくなっていくのにつれて、従来のプロセスによって形成されたハードマスクの側壁が先細であることによって、隣接するＭＴＪ間の間隔が小さくなっている。その結果、ＭＴＪのエッチングはますます困難になり、隣接するＭＴＪの分離は不十分になり、それによってデバイスの生産量は低減し、デバイス不良の確率が上昇する。

したがって、当該技術分野で必要とされているのは、改良されたＭＲＡＭデバイスを提供する、膜スタック及び製造プロセスである。

一実施形態では、膜スタックが提供される。膜スタックは、磁気トンネル接合層、磁気トンネル接合層上に配置された誘電体キャップ層、及び誘電体キャップ層上に配置されたエッチング停止層を含む。エッチング停止層の上に導電性ハードマスク層が配置されていてよく、導電性ハードマスク層の上に誘電体ハードマスク層が配置されていてよい。誘電体ハードマスク層の上にスピンオンカーボン層が配置されていてよく、スピンオンカーボン層の上に反射防止被覆層が配置されてよい。

別の一実施形態では、膜スタックが提供される。膜スタックは、磁気トンネル接合層、及び磁気トンネル接合層上に配置された誘電体キャップ層を含む。誘電体キャップ層の厚さは、約５Åと約２０Åの間であってよい。誘電体キャップ層の上にエッチング停止層が配置されていてよく、エッチング停止層の上に導電性ハードマスク層が配置されていてよい。エッチング停止層の厚さは、約５Åと約５０Åの間であってよく、導電性ハードマスク層の厚さは、約４００Åと約１０００Åの間であってよい。導電性ハードマスク層の上に誘電体ハードマスク層が配置されていてよく、誘電体ハードマスク層の上にスピンオンカーボン層が配置されていてよく、スピンオンカーボン層の上に反射防止被覆層が配置されていてよい。

さらに別の実施形態では、膜スタックをエッチングする方法が提供される。方法は、フォトレジスト層をパターニングして膜スタックの反射防止被覆層をエッチングすることと、反射防止被覆層を第１のマスクとして用いて膜スタックのスピンオンカーボン層をエッチングすることと、スピンオンカーボン層を第２のマスクとして用いて膜スタックの誘電体ハードマスク層をエッチングすることとを含む。膜スタックの誘電体キャップ層を露出させるため、膜スタックの導電性ハードマスク層が、誘電体ハードマスク層を第３のマスクとして用いてエッチングされてよく、膜スタックのエッチング停止層が、導電性ハードマスク層を第４のマスクとして用いてエッチングされてよい。誘電体キャップ層は、磁気トンネル接合層の上に配置されていてよい。

本開示の上記の特徴を詳細に理解できるように、上記で簡単に要約された本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照してなされてよい。実施形態の一部は、付随の図面に示されている。しかし、付随の図面は例示的な実施形態のみを示すものであり、従って、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、その他の等しく有効な実施形態も許容され得ることに、留意されたい。

本書に記載の実施形態による、パターニングされたレジスト層を有する膜スタックの概略図を示す。 本書に記載の実施形態による、スタック内の層をエッチングした後の、図１の膜スタックの概略図を示す。 本書に記載の実施形態による、スタック内の層をエッチングした後の、図２の膜スタックの概略図を示す。 本書に記載の実施形態による、スタック内の層をエッチングした後の、図３の膜スタックの概略図を示す。 本書に記載の実施形態による、スタック内の層をエッチングした後の図４の膜スタックの概略図と、膜スタックのパターニングされた部分の側壁の拡大図を示す。 本書に記載の実施形態による、スタック内の層をエッチングした後の、図５の膜スタックの概略図を示す。 本書に記載の実施形態による、膜スタックをエッチングする方法の工程を示す。

理解を容易にするため、可能な場合には、複数の図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一実施形態の要素及び特徴は、さらなる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれ得ると想定されている。

本書では、デバイス構造体及びデバイス構造体を製造する方法が提供される。本書に記載の磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスは、磁気トンネル接合層、誘電体キャップ層、エッチング停止層、導電性ハードマスク層、誘電体ハードマスク層、スピンオンカーボン層、及び反射防止被覆層を備える、膜スタックを含み得る。膜スタックの側壁の垂直性を向上させるため、膜スタックは、１つ以上の選択された化学物質によってエッチングされ得る。ますます均一で、ますます限界寸法が小さくなったメモリセルは、本書に記載の方法及びデバイスを利用することによって製造され得る。

スタックをパターニングするためのハードマスクとして、膜スタックの様々な層が利用され得る。膜スタックのエッチングに利用されるハードマスクの材料及びエッチング化学物質によって、膜スタック上に形成される特徴及び構造体の側壁の垂直プロファイルの改良につながる、エッチング選択性の向上がもたらされてよい。エッチング特性の向上によって、高密度ＭＲＡＭデバイスという用途が達成され得る。膜スタックの１つ以上のハードマスクもまた、磁気トンネル接合の性能を向上させ得ると考えられている。

図１は、膜スタック１００の概略図である。膜スタック１００は、基板１０１、ＭＴＪスタック１０２、誘電体キャップ層１０４、エッチング停止層１０６、導電性ハードマスク層１０８、誘電体ハードマスク層１１０、スピンオンカーボン層１１２、及び反射防止被覆層１１４を含む。膜スタック１００には、フォトレジスト層１１６もまた含まれていてよい。基板１０１、ＭＴＪスタック１０２、誘電体キャップ層１０４、エッチング停止層１０６、及び導電性ハードマスク層１０８は、概して、ＭＲＡＭデバイスのデバイス部分を形成している。誘電体ハードマスク層１１０、スピンオンカーボン層１１２、反射防止被覆層、及びフォトレジスト層１１６は、概して、デバイス部１３０をパターニングするのに利用される、パターニング部１３２を形成している。パターニング部１３２に含まれる様々な層は、デバイス部１３０のパターニング中またはその後に、除去される。

基板１０１は、概して導電性または半導電性の材料から形成されている。一実施形態では、基板１０１は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭデバイス用の底部電極である。ＭＴＪスタック１０２は、基板１０１上に形成されていてよく、基板１０１と接触していてよい。ＭＴＪスタック１０２は、単一層構造または多層構造であってよい。例えば、ＭＴＪスタック１０２は、磁気ストレージ層、トンネルバリア層、磁気基準層、及びオプションでピンニング層といった、スタックに配列された様々な副層を含み得る。ＭＴＪスタック１０２は、コバルト含有材料、鉄含有材料、ニッケル含有材料、マンガン含有材料、ルテニウム含有材料、タンタル含有材料、白金含有材料、ホウ素含有材料、酸素含有材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物を含む、１つ以上の材料から形成されていてよい。

一実施形態では、ＭＴＪスタック１０２の磁気ストレージ副層は、第１のコバルト：鉄：ホウ素材料層、第１のタンタル材料層、及び第２のコバルト：鉄：ホウ素材料層を含んでいてよい。トンネルバリア副層は酸化マグネシウム材料を含んでいてよく、磁気基準副層は第３のコバルト：鉄：ホウ素材料層と、第２のタンタル材料層と、第１のコバルト材料層と、第１のコバルト／白金材料層とを含んでいてよい。オプションのピンニング副層は、第２のコバルト材料層と、第２のコバルト／白金材料層と、白金材料層と、ボトムコンタクトを含んでいてよい。ある実施形態では、ボトムコンタクトは基板１０１であってよいか、またはボトムコンタクトは基板１０１上に形成されたさらなる材料層であってよい。一実施形態では、磁気基準副層とオプションのピンニング副層との間に、ルテニウム材料層が配置されていてよい。

上記の実施形態では、オプションのピンニング副層は、基板１０１上に基板１０１と接触して配置されていてよく、磁気基準副層は、オプションのピンニング副層上にピンニング副層と接触して配置されていてよい。ある実施形態では、オプションのピンニング副層と磁気基準副層との間に、ルテニウム材料層が配置されていてよい。トンネルバリア副層は、磁気基準副層上に磁気基準副層と接触して配置されていてよく、磁気ストレージ副層は、トンネルバリア層上にトンネルバリア層と接触して配置されていてよい。誘電体キャップ層１０４は、磁気基準副層上に磁気基準副層と接触して配置されていてよい。

一実施形態では、ＭＴＪスタック１０２は、ＭＴＪスタック１０２と誘電体キャップ層１０４の間の界面において、コバルト含有材料、ホウ素含有材料、及びこれらの組み合わせを含んでいてよい。代わりに、ＭＴＪスタック１０２は、ＭＴＪスタック１０２と誘電体キャップ層１０４との界面において、コバルト含有材料、ホウ素含有材料、鉄含有材料、及びこれらの組み合わせを含んでいてもよい。ＭＴＪスタック１０２の厚さ１１８は、約１００Åと約１０００Åの間であってよい。

誘電体キャップ層１０４は、ＭＴＪスタック１０２上に形成されていてよく、ＭＴＪ１０２スタックと接触していてよい。誘電体キャップ層１０４は、概して、誘電体材料から形成されていてよい。例えば、誘電体キャップ層１０４は、酸化マグネシウム材料、酸化アルミニウム材料、酸化亜鉛材料、酸化チタン材料、酸化タンタル材料、窒化タンタル材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されていてよい。誘電体キャップ層１０４の厚さ１２０は、約５Åと約２００Åの間、例えば約８Åと約１２Åの間であってよい。

誘電体キャップ層１０４は、さらなる磁性金属（ＭＴＪスタック１０２）と誘電体材料（誘電体キャップ層１０４）との界面を設けることによって、ＭＴＪスタック１０２の界面垂直磁気異方性を向上するように構成されていてよい。こうして、ＭＴＪデバイスの熱的安定性を向上させるＭＴＪスタック１０２の保磁場は、増大し得る。さらに、誘電体キャップ層１０４によって、膜スタック１００内の様々な他の層から拡散した金属が、ＭＴＪ層１０４内に拡散することが防止され得る。こうして、より純度の高い磁性体と誘電体との界面が維持され得、保磁場が改良され得る。

エッチング停止層１０６は、誘電体キャップ層１０４上に形成されていてよく、誘電体キャップ層１０４と接触していてよい。エッチング停止層１０６は、同一の材料または種々の材料の、単一層または多層であってよい。概して、エッチング停止層１０６は、金属材料から形成されていてよい。例えば、エッチング停止層１０６は、ルテニウム含有材料、タングステン含有材料、タンタル含有材料、白金含有材料、ニッケル含有材料、コバルト含有材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されていてよい。エッチング停止層１０６の厚さ１２２は、約５Åと約５０Åの間、例えば約１０Åと約２０Åの間であってよい。エッチング停止層１０６は、エッチング処理中に、下にある誘電体キャップ層１０４がエッチングされるのを防止するように構成されている。誘電体キャップ層１０４がエッチングされる可能性を防止するかまたは低減することによって、ＭＴＪスタック１０２の保磁場の増大が維持され得る。

導電性ハードマスク層１０８は、エッチング停止層１０６上に形成されていてよく、エッチング停止層１０６と接触していてよい。導電性ハードマスク層１０８は、概して、導電性の材料から形成されている。例えば、導電性ハードマスク層１０８は、タンタル含有材料、窒化タンタル含有材料、チタン含有材料、窒化チタン含有材料、タングステン含有材料、窒化タングステン含有材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されていてよい。導電性ハードマスク層１０８の厚さ１２４は、約４００Åと約１０００Åの間、例えば約７００Åと約９００Åの間であってよい。導電性ハードマスク層１０８は、ＭＴＪデバイスの形成処理中、化学機械研磨（ＣＭＰ）を停止する役割を果たすように構成されていてよい。さらに、導電性ハードマスク層１０８は、ＭＴＪデバイスのトップコンタクトの役割を果たすように構成されていてよい。

誘電体ハードマスク層１１０は、導電性ハードマスク層１０８上に形成されていてよく、導電性ハードマスク層１０８と接触していてよい。誘電体ハードマスク層１１０は、概して、誘電体材料から形成されている。例えば、誘電体ハードマスク層１１０は、酸化ケイ素含有材料、酸化アルミニウム含有材料、窒化ケイ素含有材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されていてよい。誘電体ハードマスク層１１０の厚さ１２６は、約４００Åと約１０００Åの間、例えば約５００Åと約７００Åの間であってよい。

スピンオンカーボン層１１２は、誘電体ハードマスク層１１０上に形成されていてよく、誘電体ハードマスク層１１０と接触していてよい。スピンオンカーボン層１１２は、概して、アモルファスカーボン含有材料である。スピンオンカーボン層１１２は、約５００Åと約２５００Åの間、例えば、約１２５０Åと約１７５０Åの間といった、約１０００Åと約２０００Åの間の厚さ１２８を有し得る。スピンオンカーボン層１１２は、エッチング選択性を向上し、限界寸法均一性を制御するために利用されてよい。一実施形態では、スピンオンカーボン層１１２は、パターニングされて、隣接するＭＴＪデバイス間のピッチが約５００ｎｍ未満、例えば約５０ｎｍと約２５０ｎｍの間であるＭＴＪデバイスを生成してよい。

反射防止被覆層１１４は、スピンオンカーボン層１１２上に形成されていてよく、スピンオンカーボン層１１２と接触していてよい。反射防止被覆層１１４は、一般的に、有機材料または無機材料のどちらかである。一実施形態では、反射防止被覆層１１４は、ケイ素含有無機材料であってよい。例えば、反射防止被覆層１１４は、窒化ケイ素材料、酸窒化ケイ素材料、炭化ケイ素材料、並びにそれらの組み合わせ及び混合物であってよい。この実施形態では、反射防止被覆層１１４は、ケイ素リッチ材料であってよい。例えば、この無機材料のケイ素重量含有率は、ケイ素７５％超といった、ケイ素５０％超の率であってよい。

フォトレジスト層１１６は、反射防止被覆層１１４上に形成されていてよく、反射防止被覆層１１４と接触していてよい。フォトレジスト層１１６は、概して、１９３ｎｍフォトリソグラフィプロセスといったフォトリソグラフィプロセスで電磁放射に曝すことによるパターニングに適切な、感光性材料である。フォトレジスト層１１６に使用される材料は、約２００ｎｍ未満、例えば約１３０ｎｍのピッチ寸法を有するデバイスといった、約４００ｎｍ未満のピッチ寸法を有するデバイス構造体をパターニングするのに適切であり得ると考えられている。

膜スタック１００のデバイス部１３０は、概して、基板１０１、ＭＴＪスタック１０２、誘電体キャップ層１０４、エッチング停止層１０６、及び導電性ハードマスク層１０８を含み得る。デバイス部１３０は、ＭＴＪデバイス内に構造体として残ったままであってよい。膜スタックのパターニング部１３２は、誘電体ハードマスク層１１０、スピンオンカーボン層１１２、反射防止被覆層１１４、及びフォトレジスト層１１６を含み得る。パターニング部１３２の各層は、デバイス部１３０の各層をパターニングするために利用されてよく、ＭＴＪデバイスにパターニング部の層が含まれないように、パターニング部１３２は除去されてよい。

膜スタック１００を形成する基板１０１並びに層１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４及び１１６は、膜スタック１００のエッチング処理を実施する際のエッチング選択性及びエッチング性能を向上させるために、選択されてよい。層１０２、１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、１１４、及び１１６のエッチング特性を向上させるため、ドーピング処理といった様々な材料変更処理が、膜スタック１００の形成中に実施されてよい。材料変更処理は、例えば、様々な膜スタック層の側壁の垂直プロファイルを改良するために利用されてよい。

膜スタック１００のエッチング方法７００の工程を示している図７が、図２〜図６と同時に検討される。以下のエッチング処理は、反応性イオンエッチングチャンバといった、ドライプラズマエッチングチャンバ内で実施されてよい。適切なチャンバの一例は、カリフォルニア州サンタクララのＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．から入手可能な、ＡＤＶＡＮＴＥＤＧＥ ＭＥＳＡである。本書に記載のエッチング処理は、他の製造業者の他の適切に構成された装置でも実施され得ると考えられている。

図２は、本書に記載の実施形態による、膜スタック１００内の層をエッチングした後の、図１の膜スタック１００の概略図を示す。工程７１０で、フォトレジスト層１１６がパターニングされてよく、反射防止被覆層１１４がエッチングされてよい。所望のピッチと限界寸法を有するＭＴＪデバイス装置を製造するため、エッチング処理パラメータが調整され得るか、さもなければ設定され得る。

一実施形態では、反射防止被覆層１１４をエッチングするため、Ｏ_２、ＣＨＦ_３及びＣＦ_４といった処理ガスが利用されてよい。Ｏ_２ガスは、約１０ｓｃｃｍといった、約１ｓｃｃｍと約５０ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。ＣＨＦ_３ガスは、約１００ｓｃｃｍといった、約５０ｓｃｃｍと約１５０ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。ＣＦ_４ガスは、約１５０ｓｃｃｍといった、約１００ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。これらの処理ガスは、約５００Ｗといった、約２５０Ｗと約７５０Ｗの間のソース電力でイオン化されてよい。処理環境はまた、処理ガスイオンを膜スタック１００に向けて導くように付勢されていてもよい。例えば約８０Ｗといった、約５０Ｗと約１５０Ｗの間の付勢力が利用されてよい。処理環境の圧力は、例えば約４ｍＴｏｒｒといった、約１ｍＴｏｒｒから約１０ｍＴｏｒｒの間に維持されてよい。反射防止被覆層１１４のエッチングは、約２０秒と約３０秒の間、例えば約２１秒といった、約５秒と約６０秒の間の時間で実施されてよい。

別の実施形態では、反射防止被覆層１１４をエッチングするため、ＣＨＦ_３、及びＣＦ_４といった処理ガスが利用されてよい。ＣＨＦ_３ガスは、約１００ｓｃｃｍといった、約５０ｓｃｃｍと約１５０ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。ＣＦ_４ガスは、約１５０ｓｃｃｍといった、約１００ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。これらの処理ガスは、約５００Ｗといった、約２５０Ｗと約７５０Ｗの間のソース電力でイオン化されてよい。処理環境はまた、処理ガスイオンを膜スタック１００に向けて導くように付勢されていてもよい。例えば約８０Ｗといった、約５０Ｗと約１５０Ｗの間の付勢力が利用されてよい。処理環境の圧力は、例えば約４ｍＴｏｒｒといった、約１ｍＴｏｒｒから約１０ｍＴｏｒｒの間に維持されてよい。反射防止被覆層１１４のエッチングは、約２０秒と約３０秒の間、例えば約２５秒といった、約５秒と約６０秒の間の時間で実施されてよい。

上記の実施形態では、フォトレジスト層１１６は、反射防止被覆層１１４がエッチングされた後も反射防止被覆層１１４上に配置されたままであってよいか、または、フォトレジスト層１１６は後続するエッチング処理に先立って除去されてよいと考えられている。

図３は、本書に記載の実施形態による、膜スタック１００内の層をエッチングした後の、図２の膜スタック１００の概略図を示す。工程７２０で、膜スタック１００のスピンオンカーボン層１１２が、反射防止被覆層１１４をマスクとして使用してエッチングされてよい。スピンオンカーボン層１１２のエッチングは、後続して形成される任意のＭＴＪデバイス構造体の限界寸法を縮小するための処理として利用され得ると考えられている。

一実施形態では、スピンオンカーボン層１１２をエッチングするため、Ｃ_１２、ＨＢｒ、Ｏ_２、及びＮ_２といった処理ガスが利用されてよい。Ｃ_１２ガスは、約２５ｓｃｃｍといった、約１０ｓｃｃｍと約５０ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。ＨＢｒガスは、約２００ｓｃｃｍといった、約１００ｓｃｃｍと約３００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。Ｏ_２ガスは、約５０ｓｃｃｍといった、約１０ｓｃｃｍと約１００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。Ｎ_２ガスは、約１５０ｓｃｃｍといった、約１００ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。これらの処理ガスは、約８００Ｗといった、約５００Ｗと約１５００Ｗの間のソース電力でイオン化されてよい。処理環境はまた、処理ガスイオンを膜スタック１００に向けて導くように付勢されていてもよい。例えば約２２５Ｗといった、約１５０Ｗと約３００Ｗの間の付勢力が利用されてよい。処理環境の圧力は、例えば約１０ｍＴｏｒｒといった、約１ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒの間に維持されてよい。スピンオンカーボン層１１２のエッチングは、約２０秒と約３０秒の間、例えば約２５秒といった、約５秒と約６０秒の間の時間で実施されてよい。

別の実施形態では、スピンオンカーボン層１１２をエッチングするため、Ｃ_１２、ＨＢｒ、Ｏ_２、及びＮ_２といった処理ガスが利用されてよい。Ｃ_１２ガスは、約２５ｓｃｃｍといった、約１０ｓｃｃｍと約５０ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。ＨＢｒガスは、約３００ｓｃｃｍといった、約２００ｓｃｃｍと約４００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。Ｏ_２ガスは、約５０ｓｃｃｍといった、約１０ｓｃｃｍと約１００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。Ｎ_２ガスは、約１５０ｓｃｃｍといった、約１００ｓｃｃｍと約２００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。これらの処理ガスは、約８００Ｗといった、約５００Ｗと約１５００Ｗの間のソース電力でイオン化されてよい。処理環境はまた、処理ガスイオンを膜スタック１００に向けて導くように付勢されていてもよい。例えば約１７５Ｗといった、約１００Ｗと約２５０Ｗの間の付勢力が利用されてよい。処理環境の圧力は、例えば約１０ｍＴｏｒｒといった、約１ｍＴｏｒｒから約２０ｍＴｏｒｒの間に維持されてよい。スピンオンカーボン層１１２のエッチングは、約４０秒と約６０秒の間、例えば約５０秒といった、約１５秒と約９０秒の間の時間で実施されてよい。

上記の実施形態では、反射防止被覆層１１４は、スピンオンカーボン層１１２がエッチングされた後もスピンオンカーボン層１１２上に配置されたままであってよいか、または、反射防止被覆層１１４は後続するエッチング処理に先立って除去されてよいと考えられている。

図４は、本書に記載の実施形態による、膜スタック１００内の層をエッチングした後の、図３の膜スタック１００の概略図を示す。工程７３０で、膜スタック１００の誘電体ハードマスク層１１０が、スピンオンカーボン層１１２をマスクとして使用してエッチングされてよい。

一実施形態では、誘電体ハードマスク層１１０をエッチングするため、Ｏ_２、及びＣＨＦ_３といった処理ガスが利用されてよい。Ｏ_２ガスは、約１０ｓｃｃｍといった、約５ｓｃｃｍと約５０ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。ＣＨＦ_３ガスは、約３００ｓｃｃｍといった、約２００ｓｃｃｍと約４００ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。これらの処理ガスは、約３００Ｗといった、約２００Ｗと約４００Ｗの間のソース電力でイオン化されてよい。処理環境はまた、処理ガスイオンを膜スタック１００に向けて導くように付勢されていてもよい。例えば約５００Ｗといった、約２５０Ｗと約７５０Ｗの間の付勢力が利用されてよい。処理環境の圧力は、例えば約４ｍＴｏｒｒといった、約１ｍＴｏｒｒから約１０ｍＴｏｒｒの間に維持されてよい。誘電体ハードマスク層１１０のエッチングは、約９０秒と約１１０秒の間、例えば約１００秒といった、約５０秒と約１５０秒の間の時間で実施されてよい。別の実施形態では、上記の処理パラメータは、約３０秒と約５０秒の間、例えば約４０秒といった、約１０秒と約６０秒の間の時間で使用されてよい。

上記の実施形態では、スピンオンカーボン層１１２は、誘電体ハードマスク層１１０がエッチングされた後も誘電体ハードマスク層１１０上に配置されたままであってよいか、または、スピンオンカーボン層１１２は後続するエッチング処理に先立って除去されてよいと考えられている。

図５は、本書に記載の実施形態による、膜スタック１００内の層をエッチングした後の図４の膜スタック１００の概略図と、膜スタック１００のパターニングされた部分１３２の側壁の拡大図を示す。工程７４０で、膜スタック１００の導電性ハードマスク層１０８が、誘電体ハードマスク層１１０をマスクとして使用してエッチングされてよい。

一実施形態では、導電性ハードマスク層１０８をエッチングするため、ＣＦ_４といった処理ガスが利用されてよい。ＣＦ_４ガスは、約５０ｓｃｃｍといった、約２５ｓｃｃｍと約７５ｓｃｃｍの間の流量で供給されてよい。この処理ガスは、約５００Ｗといった、約２５０Ｗと約７５０Ｗの間のソース電力でイオン化されてよい。処理環境はまた、処理ガスイオンを膜スタック１００に向けて導くように付勢されていてもよい。例えば約２５Ｗといった、約１０Ｗと約１００Ｗの間の付勢力が利用されてよい。処理環境の圧力は、例えば約５ｍＴｏｒｒといった、約１ｍＴｏｒｒと約１０ｍＴｏｒｒの間の圧力に維持されてよい。導電性ハードマスク層１０８のエッチングは、約１００秒と約１３０秒の間、例えば約１２０秒といった、約６０秒と約１８０秒の間の時間にわたって実施されてよい。別の実施形態では、上記の処理パラメータは、約１３０秒と約１５０秒の間、例えば約１４０秒といった、約６０秒と約１８０秒の間の時間で使用されてよい。

上記の実施形態では、誘電体ハードマスク層１１０は、導電性ハードマスク層１０８がエッチングされた後も導電性ハードマスク層１０８上に配置されたままであってよいか、または、誘電体ハードマスク層１１０は後続するエッチング処理に先立って除去されてよいと考えられている。

導電性ハードマスク層１０８の側壁プロファイルは、ほぼ垂直であってよい。本書で使用する場合、垂直という用語は、絶対的な方向ではなく、むしろ側壁の、膜スタック１００内の他の層に対する関係を表していてよい。例えば、エッチング停止層１０６と、エッチングされた導電性ハードマスク層１０８の側壁との間に規定される角度５０２は、基準面５０４から約７５°超であってよい。基準面５０４は、エッチング停止層１０６と導電性ハードマスク層１０８との界面に対して、平行であってよい。一実施形態では、角度５０２は、約８５°超であるなど、約８０°超であってよい。膜スタック１００内のエッチングされた層の垂直プロファイルの改良によって、基板上の隣接するＭＴＪデバイス構造体間のピッチ寸法を縮小することで、ＭＴＪデバイス構造体の密度の向上がもたらされ得ると考えられている。

図６は、本書に記載の実施形態による、膜スタック１００内の層をエッチングした後の、図５の膜スタック１００の概略図を示す。工程７５０で、膜スタック１００のエッチング停止層１０６、誘電体キャップ層１０４、及びＭＴＪスタック１０２が、導電性ハードマスク層１０８をマスクとして使用してエッチングされてよい。層１０６、１０４、１０２の金属材料をエッチングするための適切なエッチャント及び処理パラメータは、基板１０１が露出するまで、層１０６、１０４、１０２をエッチングするために使用されてよい。例えば、層１０６、１０４、１０２は、アルゴン、キセノン、クリプトン、メタノール、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、及びこれらの組み合わせを含む処理ガスを使用して、エッチングされ得る。結果として生じるデバイス部１３０は、基板１０１、ＭＴＪスタック１０２、誘電体キャップ層１０４、エッチング停止層１０６、及び導電性ハードマスク層１０８を含み得る。こうして、誘電体キャップ層１０４によってもたらされる便益は、誘電体キャップ層１０４をＭＴＪデバイス構造体のデバイス部１３０内に組み込むことによって保たれてよい。

それによって、本書に記載の膜スタック１００及びエッチング処理を利用したＭＴＪデバイス構造体によって、膜スタック内でエッチングされた層の垂直プロファイルが改善される結果、デバイス密度の向上がもたらされてよい。こうして、ピッチ寸法及び限界寸法は縮小され得る。結果として生じるＭＴＪデバイス構造体の保磁場もまた改良されてよく、層間の拡散は低減されるか防止され得る。

以上の説明は本開示の実施形態を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱することなく本開示の他の実施形態及びさらなる実施形態が考案されてよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (15)

1. 磁気トンネル接合層と、
   前記磁気トンネル接合層上に配置された誘電体キャップ層と、
   前記誘電体キャップ層上に配置されたエッチング停止層と、
   前記エッチング停止層上に配置された導電性ハードマスク層と、
   前記導電性ハードマスク層上に配置された誘電体ハードマスク層と、
   前記誘電体ハードマスク層上に配置されたスピンオンカーボン層と、
   前記スピンオンカーボン層上に配置された反射防止被覆層と
   を備える、膜スタック。
2. 底部電極を備える基板であって、前記膜スタックの前記磁気トンネル接合層が前記基板上に配置されている基板をさらに備える、請求項１に記載の膜スタック。
3. 前記反射防止被覆層上に配置されたフォトレジスト層をさらに備える、請求項２に記載の膜スタック。
4. 前記誘電体キャップ層は、酸化マグネシウム材料、酸化アルミニウム材料、酸化亜鉛材料、酸化チタン材料、酸化タンタル材料、窒化タンタル材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されている、請求項１に記載の膜スタック。
5. 前記エッチング停止層は、ルテニウム含有材料、タングステン含有材料、タンタル含有材料、白金含有材料、ニッケル含有材料、コバルト含有材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されている、請求項１に記載の膜スタック。
6. 前記導電性ハードマスク層は、タンタル含有材料、窒化タンタル含有材料、チタン含有材料、窒化チタン含有材料、タングステン含有材料、窒化タングステン含有材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されている、請求項１に記載の膜スタック。
7. 前記誘電体ハードマスク層は、酸化ケイ素含有材料、酸化アルミニウム含有材料、窒化ケイ素含有材料、並びにこれらの組み合わせ及び混合物のうちの１つ以上から形成されている、請求項１に記載の膜スタック。
8. 前記誘電体キャップ層は、前記膜スタック内の他の層からの金属イオンの拡散から前記磁気トンネル接合層を保護するように構成されている、請求項１に記載の膜スタック。
9. 磁気トンネル接合層と、
   前記磁気トンネル接合層上に配置された、５Åと２０Åの間の厚さを有する誘電体キャップ層と、
   前記誘電体キャップ層上に配置された、５Åと５０Åの間の厚さを有するエッチング停止層と、
   前記エッチング停止層上に配置された、４００Åと１０００Åの間の厚さを有する導電性ハードマスク層と、
   前記導電性ハードマスク層上に配置された誘電体ハードマスク層と、
   前記誘電体ハードマスク層上に配置されたスピンオンカーボン層と、
   前記スピンオンカーボン層上に配置された反射防止被覆層と
   を備える、膜スタック。
10. 前記誘電体ハードマスク層は、約４００Åと約１０００Åの間の厚さを有する、請求項９に記載の膜スタック。
11. 前記スピンオンカーボン層は、約５００Åと約２５００Åの間の厚さを有する、請求項９に記載の膜スタック。
12. 前記導電性ハードマスク層の前記側壁は、水平基準面に対して８５°よりも大きい側壁角を有する、請求項９に記載の膜スタック。
13. 前記側壁角は、１００ｎｍと４００ｎｍの間のピッチを有する磁気トンネル接合デバイス上で達成される、請求項１２に記載の膜スタック。
14. 膜スタックをエッチングする方法であって、
    フォトレジスト層をパターニングして膜スタックの反射防止被覆層をエッチングすることと、
    前記反射防止被覆層を第１のマスクとして用いて前記膜スタックのスピンオンカーボン層をエッチングすることと、
    前記スピンオンカーボン層を第２のマスクとして用いて前記膜スタックの誘電体ハードマスク層をエッチングすることと、
    前記誘電体ハードマスク層を第３のマスクとして用いて前記膜スタックの導電性ハードマスク層をエッチングすることと、
    前記導電性ハードマスク層を第４のマスクとして用いて前記膜スタックのエッチング停止層をエッチングし、前記膜スタックの誘電体キャップ層を露出することとを含み、前記誘電体キャップ層は磁気トンネル接合層上に配置されている、方法。
15. 前記導電性ハードマスク層を前記エッチングすることによって、前記導電性ハードマスク層の側壁が、水平基準面に対して８５°よりも大きい側壁角を有する結果となる、請求項１４に記載の方法。

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