JP2018532276A - Stt−ram構造のイオンビームエッチング - Google Patents
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Abstract
Description
磁気トンネル接合を丁度通過して停止する、ほぼ垂直の低エネルギーイオンビームエッチングを用いたスタックのイオンビームエッチングを行うステップと、
MTJの直下からMTJの真上まで延びる側壁に沿って再堆積された材料を除去するために、より大きな角度でイオンビームエッチングをクリーンアップするステップと、
IBD、PVD、コンフォーマルPVD、またはPECVDを使用して、薄い電気的絶縁エッチストップを堆積するステップと、
スタックの残りの部分をエッチングして、スタックの底部をちょうど通過して停止させ、その後、より大きな角度でクリーンアップするステップと、
エッチングされたスタックの上にカプセルを堆積させるステップと、
を備え、
ウェハがエッチングされる角度の範囲を表すウィンドウ内で、より大きな角度でのクリーンアップイオンビームエッチングが実行され、この範囲は、45°、135°、225°および315°の回転角を中心にしており(ウィンドウエッチング)、
カプセルを堆積させるコーティングステップは、2つのサブステップにより構成されていて、
第1のサブステップは、ほぼ共形な、又は共形な絶縁層の堆積であり、
第2のサブステップは、上面近くのHM上の層の選択的な堆積である。それは、HM上でのファセット形成を防ぎ、構造の垂直壁の近くで維持する。 このサブステップは、PVDまたはIBDのような指向性蒸着法によって行うことができる。 選択的に堆積される材料は、コンフォーマル層と同じであってもよく、またはスパッタリングの歩留まりがより低い材料であってもよい。
ほぼ垂直の低エネルギー(<200V)イオンビームエッチングを使用してスタックの底部をちょうど通過してスタックの残りの部分をエッチングするステップと、
より大きな角度で窓付きのクリーンアップエッチングを実行し、残存する再堆積物を絶縁酸化物に変換するために、酸化低エネルギービーム(例えば、50V)で終了するステップと、
を含む。
このクリーンアップエッチングは、入射角arctan(d/h)で45°、135°、225°および315°の回転角を中心とする角度の範囲で実行することができ、(ここで「d」はピラー間の距離であり、「h」はフィーチャの深さである)フィーチャ部の壁面に優先的なエッチングを提供し、一方、底部は、壁によるイオンビームの影のためにほとんど損なわれないままである。
磁気トンネル接合をちょうど通過する不活性ガスプラズマからのほぼ垂直の低エネルギーイオンビームエッチングを用いたイオンビームエッチング、
より大きな角度で不活性ガスプラズマからイオンビームエッチングをクリーンアップして、MTJの直下からMTJの真上まで延びる側壁に沿って再堆積された材料を除去するステップ、
炭化水素ベースのプラズマからの水素化DLCのイオンビーム堆積によるエッチングされたスタック上のカプセル化、
RIBEによりほぼ垂直な低エネルギー(<200V)を使用してスタックの底部をちょうど通過してスタックの残りの部分をエッチングするステップ、
より大きな角度でIBEクリーンアップエッチングを行うステップ、
エッチングされたスタック上にDLCカプセルを堆積させるステップ。
後処理構成の例としては、以下のステップを含む:
前記ウェハを除去するステップ、
Ar / Ar-O2プラズマによるイオン源回収とイオンビーム抽出。
‐磁気トンネル接合部の直後で停止する不活性ガスプラズマからのほぼ垂直の低エネルギーイオンビームエッチングを使用するイオンビームエッチング;
MTJの直下からMTJの真上まで延びる側壁に沿って再堆積された材料を除去するための、より大きな角度で行われる不活性ガスプラズマからのクリーンアップイオンビームエッチング;
炭化水素ベースのプラズマからの水素化DLCのイオンビーム堆積によるエッチングされたスタック上のカプセル化コーティング;
RIBEによってほぼ正常な低エネルギー(<200V)を使用してスタックの底部をちょうど通過してスタックの残りの部分をエッチング;
より大きな角度でのIBEクリーンアップエッチング;及び
エッチングされたスタック上にDLCカプセルを堆積させるステップ。
後処理ステップの例は、次を含む:
‐ウェハ除去;および
‐Ar / Ar-O2プラズマによるイオン源回収とイオンビーム抽出。
この比は、以下の表1に示され、また図10に示されている。
(表1)
STT−RAM構造における入射ガス対対象物質の質量移動比
エッチングが必要な領域へのイオンビームの受け入れ角度は、マスクの高さのアスペクト比とパターンのラインおよびスペースの寸法(ピッチ)によって規定される。図11を参照されたい。ネオンガス(原子量20)は、MgOの最初まで層をエッチングするために使用され(例えば、図9のバリア層903)、以下の理由により有利である。
(1)エネルギー移動比の計算に基づいて、SiO2/Ruのエッチング速度選択性は約2であり、SiO2/Taのエッチング速度選択性は0.5(最初の2つの材料がパターン化される)であることを推論することができる。
(2)SiO2ハードマスク914については30〜40nm、Ta電極912については90〜100nm、Ru層910については3-8nm、Ta層909については3-8nmの典型的な層厚(図9参照)を仮定すると、SiO2層914の全てとTa層909の一部を除去することを期待することは合理的である。
(3)典型的なデバイスでは、SiO2層914およびTa電極912は全高さ「h」を有し、SiO2層914は約3分の1である。
(4)このステップの最後に、結果として得られる構造は図12に示されている。
(5)これにより、受け入れ角度が約33%増加する。
STT-RAMパターニングの要望は、再堆積された導電材料によるMTJの短絡を回避することである。自由層(MgO障壁層上のCoFeB層)が金属層で堆積するのを防ぐために、酸素と共に不活性ガス(例えば、ネオン、Arなど)の混合物を用いてMgO層をエッチングする。酸化ガスを使用することにより、側壁が酸化され(MgOエッチングの時間によって制御される自己制限的な態様で)、それによりコンタクト層のポストMgOエッチングからの非導電層保護が提供される。さらに、エッチングされる材料はMgOであり、MgOはそれ自体が非導電性であり、再堆積したときにこれからスパッタされた材料はフリー層を保護するカプセル化層を提供する。
不活性ガスIBEを用いて、スタックの残りの部分をさらにエッチングすることができる。側壁上のさらなる導電性材料の再堆積は、前のステップ(ステップ2)から存在する酸化層によって保護される。この保護は、上部電極(すなわち、残りのTaハードマスク)まで至るところで利用可能である。ステップ3の後の構造の概略を図15に示す。
・構造は、厚い下地誘電体(L0)、ブランケットバリア(L1=5nm)、磁気スタックを含むブランケットデバイス層(L2 = 25nm)、パターン化トップバリア(L3=5nm)、トップ電極層(L4=145nm)、およびマスク層構造を含む。柱径は基部構造においてD=40nm、SWA(側壁角度)89°、P(ピッチ)=120nmであり、結果として隣接するピラー間の間隔は80nmとなる。
・角度に依存するエッチング率
・プルームで放出されたエッチングされたフラックス
・1の固着係数を有する再固着を含む
・主エッチング角度は垂直面に対して10°
・エッチング後の再付着除去のために、窓付きエッチングを含む35°のエッチング角度を使用した
・イオンビームの拡散角度は±2.5°
・ビームはウェハの回転に同期されている。
・主エッチングのためのL0への20nmエッチング
・再付着除去のために発散ビームを使用したオーバーエッチング
モデリングの結果は図16および図17に示されている。
・構造は、厚い下地誘電体(L0)、ブランケットバリア(L1 = 5nm)、磁気スタック(L2 = 25nm)を含むブランケットデバイス層、パターン化トップバリア(L3 = 5nm)、トップ(L4 = 45nm)とマスク層(L5 = DLCの55nm、L6はSiNの0nm)により構成されている。柱径は基部においてD=18nm、89°SWA、P=45nm、であり、結果として空隙は27nmとなる。
・主エッチング角度は垂直面に対して5°
・エッチング後の再付着除去のために発散ビーム(+/- 15°)を使用した。
前述のように、シミュレーションの出力には、エッチングプロファイルの展開、再堆積、ファセット加工、マスクエロージョンが含まれていた。
Claims (17)
- 磁気トンネル接合(MTJ)デバイスを製造する方法であて、
(a)MTJスタックを備える初期構造を提供し、
(b)ほぼ垂直な入射角度で実行されるエッチングを用いて前記MTJスタックを丁度通過した構造をエッチングし、
(c)前記MTJスタックの複数の側壁から再堆積物質を除去するためにクリーンアップエッチングを実行し、
(d)前記クリーンアップエッチングが行われた複数の側壁にカプセル化層を堆積させ、
(e)前記MTJスタックの複数の側壁上のカプセル化層が少なくとも部分的に保存されることを保証しながら、ほぼ垂直な入射角で構造の残りの部分をエッチングし、
(f)MTJスタックの側壁から再堆積された材料の大部分を除去するためのクリーンアップエッチングを実行する、方法。 - 前記MTJスタックの前記側壁上の前記カプセル化層はほとんど保存されている、請求項1記載の方法。
- 前記MTJスタックの前記側壁上の前記カプセル化層は少なくとも75%保存されている、請求項2記載の方法。
- 前記クリーンアップエッチングは、前記MTJスタックの前記複数の側壁から再堆積物質を少なくとも75%除去する、請求項1記載の方法。
- ステップ(d)においてクリーンアップエッチングされる複数の側壁上のカプセル化層の堆積は、ダイヤモンドライクカーボンの堆積を含む、請求項1乃至4のいずれかに記載の方法。
- ステップ(c)における前記クリーンアップエッチングは、ほぼ垂直な入射角度よりも大きい角度で行われる、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
- ステップ(c)における前記クリーンアップエッチングは、前記構造が回転するとき、45°から開始して90°刻みで行われる、請求項1乃至6のいずれかに記載の方法。
- ステップ(c)における前記クリーンアップエッチングは、前記MTJの直下から前記MTJのすぐ上まで実行される、請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
- ステップ(f)における前記クリーンアップエッチングは、前記構造が回転するとき、45°から開始して90°刻みで行われる、請求項1乃至8のいずれかに記載の方法。
- (g)エッチングされ、クリーンアップされた前記スタックをカプセル化する、
ステップをさらに含む、請求項6記載の方法。 - ステップ(e)の構造の残留物のエッチングは、10°またはそれより小さい入射角度で行われる、請求項6記載の方法。
- 磁気トンネル接合(MTJ)スタックを有するSTT-RAM構造をパターニングする方法であって、
(a)MTJスタックを備える初期構造を提供し、
(b)エッチングされた複数の側壁を供給するために前記構造を所定の深さにエッチングし、
(c)前記エッチングされた複数の側壁上にカプセル化層を堆積させ、
(d)前記カプセル化層を有する前記構造をエッチングする、方法。 - ステップ(c)における前記カプセル化層の堆積は、指向性蒸着法を含む、請求項12記載の方法。
- ステップ(c)における前記カプセル化層の堆積は、ダイヤモンドライクカーボン(DLC)の堆積を含む、請求項12又は13記載の方法。
- (e)構造体を所定の深さにエッチングして、ステップ(b)のエッチングされた前記複数の側壁を提供した後、かつ、ステップ(c)におけるカプセル化層の堆積の前に、イオンビームを使用して、垂直入射に近い角度でかつ前記初期構造に対して特定の角度の向きで、クリーンアップエッチングを行うステップをさらに含む、請求項12乃至14のいずれかに記載の方法。
- ステップ(e)における前記クリーンアップエッチングは、前記構造が回転するとき、45°から開始して90°刻みで行われる、請求項15記載の方法。
- ステップ(e)における前記クリーンアップエッチングは、前記MTJの直下から前記MTJのすぐ上まで実行される、請求項15又は16に記載の方法。
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