TWI570975B - 磁阻結構及其製造方法 - Google Patents

Description

磁阻結構及其製造方法

本發明是有關於一種磁阻結構，且特別是有關於一種梯級部上的磁阻結構。

一般而言，微影與蝕刻技術為形成微細圖案時的優先選擇，微影所用的感光遮罩材料亦為良好的蝕刻遮罩，能保護欲留下的圖案不受蝕刻劑的侵蝕。然而，在某些情況下由於待蝕刻物過厚、和感光遮罩間無良好的蝕刻選擇比、或其他因素，使得在蝕刻時產生意想不到的缺陷或蝕刻後無法得到期望的圖案。

本發明的目的在於提供一種磁阻結構，此磁阻結構的疊層結構中具有介電硬遮罩層，以確保結構的完整性與無缺陷。

本發明提出一種磁阻結構，包含：基板，具有一背表面及包含一梯級部的一前表面；及圖案化的疊層結構，位於該前表面的該梯級部上並包含磁阻層、導電覆層及介電硬遮罩，其中該梯級部具有與該背表面平行的一上表面、與該背表面平行的一下表面、連接該上表面與該下表面之不平行於該背表面的一段差。

本發明提出一種磁阻結構的形成方法，包含下列步驟：提供一基板，此基板具有一背表面及包含一梯級部的一前表面；毯覆一疊層結構於該基板的該前表面上，此疊層結構包含磁阻層、導電覆層及介電硬遮罩層；圖案化該介電硬遮罩層以形成圖案化的介電硬遮罩層；以該圖案化的介電硬遮罩層作為遮罩來 圖案化該磁阻層與該導電覆層。

H‧‧‧段差

100‧‧‧基板

110‧‧‧磁阻層

110’‧‧‧圖案化的磁阻層

111‧‧‧磁阻層的非水平部

111’‧‧‧經蝕刻之磁阻層的非水平部

112‧‧‧磁阻層的第一水平部

112’‧‧‧經蝕刻之磁阻層的第一水平部

113‧‧‧磁阻層的第二水平部

113’‧‧‧經蝕刻之磁阻層的第二水平部

120‧‧‧導電覆層

120’‧‧‧圖案化的導電覆層

121‧‧‧導電覆層的非水平部

121’‧‧‧經蝕刻之導電覆層的非水平部

122‧‧‧導電覆層的第一水平部

122’‧‧‧經蝕刻之導電覆層的第一水平部

122”‧‧‧經蝕刻之導電覆層的第一水平部

123‧‧‧導電覆層的第二水平部

123’‧‧‧經蝕刻之導電覆層的第二水平部

123”‧‧‧經蝕刻之導電覆層的第二水平部

130‧‧‧介電硬遮罩層

130’‧‧‧圖案化的介電硬遮罩層

130”‧‧‧圖案化的介電硬遮罩層

131‧‧‧介電硬遮罩層的非水平部

131’‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的非水平部

132‧‧‧介電硬遮罩層的第一水平部

132’‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的第一水平部

132”‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的第一水平部

133‧‧‧介電硬遮罩層的第二水平部

133’‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的第二水平部

133”‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的第二水平部

140‧‧‧感光遮罩

301‧‧‧籬笆缺陷

302‧‧‧籬笆缺陷

700‧‧‧疊層圖案

700’‧‧‧疊層圖案

800‧‧‧護層

1001‧‧‧背表面

1002‧‧‧梯級部之上表面

1003‧‧‧梯級部之下表面

圖1與圖2A-2B顯示磁阻結構之形成方法的第一實例。

圖1與圖3A-3C顯示磁阻結構之形成方法的第二實例。

圖4A-4C顯示根據本發明一實施例之磁阻結構之一形成方法。

本發明在此所探討的是一種磁阻結構的形成方法，特別是一種具有一梯級部磁阻層的磁阻結構的形成方法。此磁阻結構可以是磁阻感測元件、磁性記憶體....等的一部分，但此類感測元件、磁性記憶體亦可以包含其他結構如：內建自我測試電路；設定/重設定電路；補償電路；各式用以放大信號、過濾信號、轉換信號用的電路；內連線....等。為了能徹底且清楚地說明本發明及不模糊本發明的焦點，便不針對此些常用的結構多做介紹。

下面將詳細地說明本發明的較佳實施例，舉凡本中所述的元件、元件子部、結構、材料、配置等皆可不依說明的順序或所屬的實施例而任意搭配成新的實施例，此些實施例當屬本發明之範疇。在閱讀了本發明後，熟知此項技藝者當能在不脫離本發明之精神和範圍內，對上述的元件、元件子部、結構、材料、配置等作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準，且此些更動與潤飾當落在本發明之申請專利範圍內。

本發明的圖示眾多，為了避免混淆，類似的元件係以相同或相似的標號示之。圖示意在傳達本發明的概念及精神，故圖中的所顯示的距離、大小、比例、形狀、連接關係....等皆為示意而非實況，所有能以相同方式達到相同功能或結果的距離、大小、比例、形狀、連接關係....等皆可視為等效物而採用之。

請參考圖1與2A-2B，其顯示了磁阻結構的形成方法的第一實例。在圖1中提供基板100，基板100具有背表面1001及包含一梯級部的前表面。前表面上的梯級部係由下列者所構成：與背表面1001平行且較遠離背表面的上表面1002、與背表面1001平行但較靠近背表面的下表面1003以及連接上表面1002與下表面1003且不平行背表面1001的段差H。換言之，上表面1002與背表面1001間的距離大於下表面1003與背表面1001間的距離，上表面1002與下表面1003間有一高度差。雖然在所有的圖示中繪示段差H垂直於背表面1001，但段差H有可能垂直於背表面1001或與背表面1001間夾一不等於直角的角度，較佳的情況是，段差H與上表面1002及下表面1003間的夾角皆為鈍角。

仍參考圖1，然後在前表面上依序毯覆一磁阻層110與導電覆層120。磁阻層110包含了分別對應至梯級部之上表面1002、段差H與下表面1003的第一水平部112、非水平部111與第二水平部113。導電覆層120亦包含了分別對應至梯級部之上表面1002、段差H與下表面1003的第一水平部122、非水平部121與第二水平部123。磁阻層110包含電阻值會隨外在磁場變化而改變的材料，例如鐵磁材料(ferromagnet)、反鐵磁材料(antiferromagnet)、非鐵磁性金屬材料、穿隧氧化物材料(tunneling oxide)之一或其組合。磁阻層110較佳地包含坡莫合金(permalloy)。導電覆層120包含導電材料，例如鉭、鈦、鈷、釕、鎳、鋁或上述者之合金。導電覆層120較佳地包含鈦或鉭。

仍參考圖1，然後在導電覆層120上形成一圖案化的感光遮罩140(後續將簡稱為感光遮罩140)。感光遮罩140的形成方法例如是塗佈上一層感光材料，利用一具有期望圖案的光罩對此感光材料進行曝光、顯影等微影步驟。由於微影技術為熟知此項技藝者所熟知，在此便不贅述。此處應注意的是，由於導電覆層120可能包含具有金屬光澤且容易反光的材料而易影響微影步驟的效能，因此在形成感光材料之前，可在導電覆層120上形成選擇性的底抗反射層、頂抗反射層及/或介電抗反射層，增進微影效能。感光材料可以是正光阻、負光阻、 各種光源(例如g-line、I-line或DUV等)用的光阻、感光樹脂等，較佳地為正光阻。

再來請參考圖2A，利用感光遮罩140作為蝕刻遮罩對下方的導電覆層120與磁阻層110進行一或多道蝕刻，以形成圖案化的疊層結構700。疊層結構700包含圖案化的導電覆層120’與圖案化的磁阻層110’。圖案化的導電覆層120’包含經蝕刻的第一水平部122’、未經蝕刻的非水平部121與經蝕刻的第二水平部123’。圖案化的磁阻層110’包含經蝕刻的第一水平部112’、未經蝕刻的非水平部111與經蝕刻的第二水平部113’。此處應注意的是，由於被蝕刻的磁阻層與導電覆層具有不易揮發的蝕刻副產物且在蝕刻過程中容易回濺沈積在側壁，因此可能會形成籬笆缺陷(fence defect)301、302，而造成後續的表面不平整及電性問題。

最後請參考圖2B，將用過的感光遮罩140移除，並形成護層800於疊層圖案700上。護層800包含硬度夠且能阻擋水氣的材料，例如氧化矽、氮化矽、聚醯亞胺、石英、玻璃或上述者之任意組合。在圖1與圖2A-2B的實例中，由於待蝕刻材料在蝕刻過程中的回濺沈積，造成籬笆缺陷，因此需要一較佳的方法來形成磁阻結構。

請參考圖1與3A-3C，其顯示了磁阻結構的形成方法的第二實例。由於圖1的步驟與第一實例相同，便不再重覆贅述。再來請參考圖3A，利用感光遮罩140作為蝕刻遮罩對下方的導電覆層120進行蝕刻，以形成圖案化的導電覆層120’。此處應說明的是，在此道蝕刻中所用的蝕刻劑主要是用來蝕刻導電覆層120，因此其對導電覆層120的蝕刻率會遠大於其對磁阻層110的蝕刻率，然而，在蝕刻的後期或多或少還是會消耗一些磁阻層110。又，導電覆層120是用來作為電流的分流(shunt)路徑，因此厚度應儘可能地薄以降低阻值，故導電覆層120的厚度會遠小於磁阻層110的厚度。又，由於導電覆層120的厚度遠小於磁阻層110的厚度，故在完成導電覆層120之蝕刻後，感光遮罩140的側壁較不易形成籬笆缺陷。

再來請參考圖3B，以乾式及/或濕式剝除製程去除感光遮罩140而裸露出圖案化的導電覆層120’。乾式剝除製程可能會用到氧電漿、一氧化碳電漿等，濕式剝除製程可能會用到氨水、硫酸、雙氧水、氫氟酸等。

最後參考圖3C，利用圖案化的導電覆層120’作為蝕刻遮罩對下方的磁阻層110進行蝕刻。此處應注意，一般磁阻層110與導電覆層120均使用物理氣相沉積法(如蒸鍍、濺鍍)形成於基板100之上，由於側壁階梯覆蓋率(step coverage)小於平面階梯覆蓋率的緣故，使得在段差H上的非水平部導電覆層121厚度太薄而無法阻擋蝕刻過程中對於段差H周圍的較猛烈蝕刻作用，因此，段差H上的導電覆層121與磁阻層111被完全移除，上轉角部分的導電覆層122’與磁阻層112以及下轉角部分的導電覆層123’與磁阻層113亦會受到移除，導致原本藉由非水平部連接在一起的第一水平部、第二水平部完全斷開分離。導電覆層120剩下經蝕刻的第一水平部122”與經蝕刻的第二水平部123”，磁阻層110剩下經蝕刻的第一水平部112”與經蝕刻的第二水平部113”。即便最後形成護層800，得到的也不是當初規劃的圖案，為了避免圖3C的情況發生，可以增加導電覆層120厚度使得段差H上的磁阻層111獲得足夠的保護，但此舉會增加電流的分流效應而使得磁阻結構效能降低，因此需要一較佳的方法來形成磁阻結構。

請參考圖4A-4C，其顯示根據本發明一實施例之磁阻結構之一形成方法。圖4A係類似於圖1，差異在於，感光遮罩140下方除了毯覆之磁阻層110、導電覆層120外，尚有介電硬遮罩層130。介電硬遮罩層130包含了分別對應至梯級部之上表面1002、段差H與下表面1003的第一水平部132、非水平部131與第二水平部133。介電硬遮罩層130包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、非晶碳或上述者之任意組合，其材料與厚度的選擇俾使介電硬遮罩層130與下方的導電覆層120之間有高蝕刻選擇比且能抵擋導電覆層120與磁阻層110的蝕刻。一般而言介電硬遮罩層多使用化學氣相沉積法形成，相較於物理氣相沉積法具有較佳的階梯覆蓋率，因此較適合作為段差H側壁上的硬遮罩材料。由於 介電硬遮罩層130的出現，導電覆層120不再當蝕刻遮罩使用，因此厚度可以大幅降低，有助於減少電流的分流效應。另一方面，導電覆層120在此亦可作為磁阻層110的保護層，避免在沉積或蝕刻介電硬遮罩層130的過程中化學物質對磁阻層110的傷害。

再來請參考圖4B，利用感光遮罩140作為蝕刻遮罩對下方的介電硬遮罩層130進行蝕刻，以形成圖案化的介電硬遮罩層130’。圖案化的介電硬遮罩層130’包含經蝕刻的第一水平部132’、非水平部131與經蝕刻的第二水平部133’。較佳地使用乾蝕刻來蝕刻介電硬遮罩層130，蝕刻劑包含含氟氣體如CF4、氧氣O2、SF6、NH3或上述者的任何組合。此處應說明的是，在此道蝕刻中所用的蝕刻劑主要是用來蝕刻介電硬遮罩層130，因此其對介電硬遮罩層130的蝕刻率會遠大於其對導電覆層120的蝕刻率，然而，在蝕刻的後期或多或少還是會消耗一些導電覆層120。

仍參考圖4B，以乾式及/或濕式剝除製程去除感光遮罩140而裸露出圖案化的介電硬遮罩層130’。乾式剝除製程可能會用到氧電漿、一氧化碳電漿等，濕式剝除製程可能會用到氨水、硫酸、雙氧水、氫氟酸等。

最後參考圖4C，利用圖案化的介電硬遮罩層130’作為蝕刻遮罩對下方的導電覆層120與磁阻層110進行蝕刻，以形成圖案化的疊層圖案700’，然後形成護層800。疊層圖案700’包含圖案化的介電硬遮罩層130”、圖案化的導電覆層120’與圖案化的磁阻層110’。介電硬遮罩層130”包含經蝕刻的第一水平部132”、經蝕刻的非水平部131’與經蝕刻的第二水平部133”。圖案化的導電覆層120’包含經蝕刻的第一水平部122’、非水平部121與經蝕刻的第二水平部123’。圖案化的磁阻層110’包含經蝕刻的第一水平部112’、非水平部111與經蝕刻的第二水平部113’。相較於圖3C只使用導電覆層120’作為蝕刻遮罩，圖4C當中的圖案化介電硬遮罩層130’解決了段差H上的導電覆層121與磁阻層111被完全移除的問題。應注意，由於導電覆層120與磁阻層110可具有不同的材料，因此可能需要用兩道不同的蝕刻處理來分別蝕刻這兩層。若利用第一蝕刻處理來 圖案化導電覆層120而利用第二蝕刻處理來圖案化磁阻層110，則第一蝕刻處理可以是反應性離子蝕刻(Reactive ion etching)而第二蝕刻處理可以是離子束蝕刻(Ion beam etching)，或者，第一蝕刻處理與第二蝕刻處理皆為反應性離子蝕刻或離子束蝕刻。當第一蝕刻處理與第二蝕刻處理皆為反應性離子蝕刻或離子束蝕刻時，該第一蝕刻處理與該第二蝕刻處理係原位(in-situ)進行。這裡所謂的「原位(in-situ)進行」係指在相同的處理室中進行第一蝕刻處理與第二蝕刻處理，或者，在相同的叢集設備(cluster tool)的不同處理室中以不破真空的方式來進行第一蝕刻處理與第二蝕刻處理。一般而言，導電覆層120較佳地以包含鹵素原子的蝕刻劑進行反應性離子蝕刻，例如使用CF4與Ar的混合氣體，或以Ar離子進行離子束蝕刻。磁阻層110可以CO與NH3的混合氣體進行反應性離子蝕刻，或以Ar離子進行離子束蝕刻。無論是以相同的蝕刻處理或不同的蝕刻處理、反應性離子蝕刻或離子束蝕刻來蝕刻導電覆層120與磁阻層，應考量是否能達到期望的側壁輪廓、表面質地。

又，雖然在圖示中皆顯示了第一水平部、非水平部與第二水平部，但可視佈局與元件功能的需要，設計圖案化感光遮罩140的遮覆區域，以選擇性地省略第二水平部及/或第一水平部。在本發明的實施例中藉由介電硬遮罩層130來協助導電覆層120與磁阻層110的圖案化，以達到符合預期的疊層結構，然而，雖然在本發明的實施例中將圖案化的介電硬遮罩層130”留在最終結構中，但亦可在護層800形成前移除介電硬遮罩層130”。又，雖然在本發明的實施例中疊層結構只包含磁阻層、導電覆層與介電硬遮罩層，但應瞭解，為了因應不同的元件功能或製程考量，可在此三層之間、之下或之上加入其他膜層。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

H‧‧‧段差

100‧‧‧基板

110’‧‧‧圖案化的磁阻層

111‧‧‧磁阻層的非水平部

112’‧‧‧經蝕刻之磁阻層的第一水平部

113’‧‧‧經蝕刻之磁阻層的第二水平部

120’‧‧‧圖案化的導電覆層

121‧‧‧導電覆層的非水平部

122’‧‧‧經蝕刻之導電覆層的第一水平部

123’‧‧‧經蝕刻之導電覆層的第二水平部

130’‧‧‧圖案化的介電硬遮罩層

131’‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的非水平部

132”‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的第一水平部

133”‧‧‧經蝕刻之介電硬遮罩層的第二水平部

700’‧‧‧疊層結構

800‧‧‧護層

1001‧‧‧背表面

1002‧‧‧梯級部之上表面

1003‧‧‧梯級部之下表面

Claims (20)

1. 一種磁阻結構，包含：一基板，具有一背表面及包含一梯級部的一前表面；及一圖案化的疊層結構，位於該前表面的該梯級部上並包含磁阻層、導電覆層及介電硬遮罩，其中該梯級部具有與該背表面平行的一上表面、與該背表面平行的一下表面、連接該上表面與該下表面之不平行於該背表面的一段差。
2. 如申請專利範圍第1項之磁阻結構，其中該圖案化的疊層結構具有對應至該上表面與該段差的第一水平部與非水平部，該第一水平部係與該非水平部彼此相連。
3. 如申請專利範圍第2項之磁阻結構，其中該圖案化的疊層結構的該第一水平部係位於該上表面上而該非水平部係位於該段差的側壁上。
4. 如申請專利範圍第2項之磁阻結構，其中該圖案化的疊層結構更具有對應至該下表面的第二水平部，該非水平部係與該第二水平部彼此相連。
5. 如申請專利範圍第1項之磁阻結構，其中該磁阻層之電阻值會隨外在磁場變化而改變，其包含鐵磁材料(ferromagnet)、反鐵磁材料(antiferromagnet)、非鐵 磁性金屬材料、穿隧氧化物材料(tunneling oxide)之一或其組合。
6. 如申請專利範圍第5項之磁阻結構，其中該磁阻層包含坡莫合金。
7. 如申請專利範圍第1項之磁阻結構，其中該導電覆層包含鉭、鈦、鈷、釕、鎳、鋁或上述者之合金。
8. 如申請專利範圍第1項之磁阻結構，其中該介電硬遮罩包含氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、碳化矽、非晶碳或上述者之任意組合。
9. 如申請專利範圍第1項之磁阻結構，更包含：一護層，完全覆蓋整個該疊層結構。
10. 如申請專利範圍第9項之磁阻結構，其中該護層包含氧化矽、氮化矽、聚醯亞胺、石英、玻璃或上述者之任意組合。
11. 一種磁阻結構的形成方法，包含下列步驟：提供一基板，此基板具有一背表面及包含一梯級部的一前表面；毯覆一疊層結構於該基板的該前表面上，此疊層結構包含磁阻層、導電覆層及介電硬遮罩層；圖案化該介電硬遮罩層以形成圖案化的介電硬遮罩層； 以該圖案化的介電硬遮罩層作為遮罩來圖案化該磁阻層與該導電覆層；其中該梯級部具有與該背表面平行的一上表面、與該背表面平行的一下表面、連接該上表面與該下表面之不平行於該背表面的一段差。
12. 如申請專利範圍第11項之形成方法，更包含：形成一圖案化的感光遮罩於該疊層結構上；及以該圖案化的感光遮罩作為遮罩來圖案化該介電硬遮罩層。
13. 如申請專利範圍第12項之形成方法，更包含：在形成該圖案化的介電硬遮罩層後，去除該圖案化的感光遮罩。
14. 如申請專利範圍第11項之形成方法，更包含：形成一護層覆蓋該圖案化的介電硬遮罩、該圖案化的磁阻層與該圖案化的導電覆層。
15. 如申請專利範圍第11項之形成方法，更包含：利用第一蝕刻處理來圖案化該導電覆層；及利用第二蝕刻處理來圖案化該磁阻層。
16. 如申請專利範圍第15項之形成方法，其中該第一蝕刻處理為反應性離子蝕刻而該第二蝕刻處理為離子束蝕刻。
17. 如申請專利範圍第15項之形成方法，其中該第一蝕刻處理與該第二蝕刻處理皆為反應性離子蝕刻。
18. 如申請專利範圍第15項之形成方法，其中該第一蝕刻處理與該第二蝕刻處理皆為離子束蝕刻。
19. 如申請專利範圍第15項之形成方法，其中該第一蝕刻處理與該第二蝕刻處理係原位(in-situ)進行。
20. 如申請專利範圍第15項之形成方法，其中該第一蝕刻處理使用含鹵素原子之蝕刻劑。