(57)【要約】【課題】磁気トンネル接合デバイス及びメモリデバイスで使用するような金属−絶縁体−金属の積層薄膜スタックを収容するデバイス構造を製作する技術を提供する。【解決手段】本発明は、一般的に半導体製作に関し、特に、磁気トンネル接合デバイスの製作に関する。特に、本発明は、トンネル接合部内の誘電体層をエッチング停止層として使用し、パターン化処理から生じる可能性がある電気的短絡を排除する方法に関する。【選択図】図３
2009530825.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、非反応ガス雰囲気で行われ、かつ前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記非反応ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ2、又はＸｅ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記絶縁層の下に下部金属層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
プラズマが、前記非反応ガスで形成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又はあらゆる絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
上部金属層が、磁気層、ＭＲＡＭスタック構造の一部、又はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢの１つ又はそれよりも多くの層を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、非反応ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記非反応ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ2、又はＸｅ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記酸素含有ガスは、Ｏ、Ｏ2、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、空気、ＣＯ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記混合物は、９９．９％Ａｒ及び０．１％Ｏ2であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
非反応ガスと酸素含有ガスとの混合物が、第１の流量コントローラを通じて導入され、非反応ガスが、第２の流量コントローラを通じて導入されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の流量コントローラは、８０ｓｃｃｍのアルゴン及び０．０８ｓｃｃｍのＯ2を供給し、前記第２の流量コントローラは、２７０ｓｃｃｍのアルゴンを供給することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記非反応ガスは、１０から３５０ｓｃｃｍの範囲にあり、前記酸素含有ガスは、０．０２から０．１５ｓｃｃｍの範囲にあることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
酸素含有ガスが、酸素含有固体の固体源のスパッタリングから前記処理に導入されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記固体源は、アルミナ又は水晶を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
酸素含有ガスが、雰囲気からの漏れの制御を通じて導入されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
前記絶縁層の下に下部金属層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１８】
プラズマが、前記非反応ガスで形成されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１９】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又はあらゆる絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項２０】
上部金属層が、磁気層、ＭＲＡＭスタック構造の一部、又はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢの１つ又はそれよりも多くの層を含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項２１】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、
ｉ）前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加、及び
ｉｉ）非反応ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記非反応ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ2、又はＸｅ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記酸素含有ガスは、Ｏ、Ｏ2、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、空気、ＣＯ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記混合物は、９９．９％Ａｒ及び０．１％Ｏ2であることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
非反応ガスと酸素含有ガスとの混合物が、第１の流量コントローラを通じて導入され、非反応ガスが、第２の流量コントローラを通じて導入されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１の流量コントローラは、８０ｓｃｃｍのアルゴン及び０．０８ｓｃｃｍのＯ2を供給し、前記第２の流量コントローラは、２７０ｓｃｃｍのアルゴンを供給することを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記非反応ガスは、１０から３５０ｓｃｃｍの範囲にあり、前記酸素含有ガスは、０．０２から０．１５ｓｃｃｍの範囲にあることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
酸素含有ガスが、酸素含有固体の固体源のスパッタリングから前記処理に導入されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記固体源は、アルミナ又は水晶を含むことを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
酸素含有ガスが、雰囲気からの漏れの制御を通じて導入されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３１】
前記絶縁層の下に下部金属層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３２】
プラズマが、前記非反応ガスで形成されることを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３３】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又はあらゆる絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３４】
上部金属層が、磁気層、ＭＲＡＭスタック構造の一部、又はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢの１つ又はそれよりも多くの層を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項３５】
デバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項３６】
前記絶縁層は、絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
デバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、不活性ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項３８】
デバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、
ｉ）前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加、及び
ｉｉ）非反応ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項３９】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）フッ素含有ガスと塩素含有ガスとの混合物を使用して前記上部金属層の一部分を除去する段階と、
（ｅ）下に重なる前記絶縁層に対して前記残りの上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、非反応ガス雰囲気で行われ、かつ前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項４０】
前記塩素含有ガスは、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＣｌ、原子塩素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記フッ素含有ガスは、ＣＦ4、ＳＦ6、ＣＨＦ3、原子フッ素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
塩素含有ガスとフッ素含有ガスの比が、２：１から２０：１の範囲にあることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記非反応ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ2、又はＸｅ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記絶縁層の下に下部金属層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４５】
プラズマが、前記非反応ガスで形成されることを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又はあらゆる絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４７】
上部金属層が、磁気層、ＭＲＡＭスタック構造の一部、又はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢの１つ又はそれよりも多くの層を含むことを特徴とする請求項３９に記載の方法。
【請求項４８】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）フッ素含有ガスと塩素含有ガスとの混合物を使用して前記上部金属層の一部分を除去する段階と、
（ｅ）下に重なる前記絶縁層に対して前記残りの上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、非反応ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項４９】
前記塩素含有ガスは、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＣｌ、原子塩素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
前記フッ素含有ガスは、ＣＦ4、ＳＦ6、ＣＨＦ３、原子フッ素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
塩素含有ガスとフッ素含有ガスの比が、２：１から２０：１の範囲にあることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５２】
前記非反応ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ2、又はＸｅ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５３】
前記酸素含有ガスは、Ｏ、Ｏ2、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、空気、ＣＯ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５４】
前記混合物は、９９．９％Ａｒ及び０．１％Ｏ2であることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５５】
非反応ガスと酸素含有ガスとの混合物が、第１の流量コントローラを通じて導入され、非反応ガスが、第２の流量コントローラを通じて導入されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の流量コントローラは、８０ｓｃｃｍのアルゴン及び０．０８ｓｃｃｍのＯ2を供給し、前記第２の流量コントローラは、２７０ｓｃｃｍのアルゴンを供給することを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５７】
前記非反応ガスは、１０から３５０ｓｃｃｍの範囲にあり、前記酸素含有ガスは、０．０２から０．１５ｓｃｃｍの範囲にあることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５８】
酸素含有ガスが、酸素含有固体の固体源のスパッタリングから前記処理に導入されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項５９】
前記固体源は、アルミナ又は水晶を含むことを特徴とする請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
酸素含有ガスが、雰囲気からの漏れの制御を通じて導入されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６１】
前記絶縁層の下に下部金属層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６２】
プラズマが、前記非反応ガスで形成されることを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６３】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又はあらゆる絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６４】
上部金属層が、磁気層、ＭＲＡＭスタック構造の一部、又はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢの１つ又はそれよりも多くの層を含むことを特徴とする請求項４８に記載の方法。
【請求項６５】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）フッ素含有ガスと塩素含有ガスとの混合物を使用して前記上部金属層の一部分を除去する段階と、
（ｅ）下に重なる前記絶縁層に対して前記残りの上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、
ｉ）前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加、及び
ｉｉ）非反応ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項６６】
前記塩素含有ガスは、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＣｌ、原子塩素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含むことを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記フッ素含有ガスは、ＣＦ4、ＳＦ6、ＣＨＦ3、原子フッ素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含むことを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項６８】
塩素含有ガスとフッ素含有ガスの比が、２：１から２０：１の範囲にあることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項６９】
前記非反応ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ2、又はＸｅ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７０】
前記酸素含有ガスは、Ｏ、Ｏ2、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、空気、ＣＯ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７１】
前記混合物は、９９．９％Ａｒ及び０．１％Ｏ2であることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７２】
非反応ガスと酸素含有ガスとの混合物が、第１の流量コントローラを通じて導入され、非反応ガスが、第２の流量コントローラを通じて導入されることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７３】
前記第１の流量コントローラは、８０ｓｃｃｍのアルゴン及び０．０８ｓｃｃｍのＯ2を供給し、前記第２の流量コントローラは、２７０ｓｃｃｍのアルゴンを供給することを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７４】
前記非反応ガスは、１０から３５０ｓｃｃｍの範囲にあり、前記酸素含有ガスは、０．０２から０．１５ｓｃｃｍの範囲にあることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７５】
酸素含有ガスが、酸素含有固体の固体源のスパッタリングから前記処理に導入されることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７６】
前記固体源は、アルミナ又は水晶を含むことを特徴とする請求項７５に記載の方法。
【請求項７７】
酸素含有ガスが、雰囲気からの漏れの制御を通じて導入されることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７８】
前記絶縁層の下に下部金属層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項７９】
プラズマが、前記非反応ガスで形成されることを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項８０】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又はあらゆる絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項８１】
上部金属層が、磁気層、ＭＲＡＭスタック構造の一部、又はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢの１つ又はそれよりも多くの層を含むことを特徴とする請求項６５に記載の方法。
【請求項８２】
デバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）フッ素含有ガスと塩素含有ガスとの混合物を使用して前記上部金属層の一部分を除去する段階と、
（ｅ）下に重なる前記絶縁層に対して前記残りの上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項８３】
前記絶縁層は、絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項８２に記載の方法。
【請求項８４】
デバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）フッ素含有ガスと塩素含有ガスとの混合物を使用して前記上部金属層の一部分を除去する段階と、
（ｅ）下に重なる前記絶縁層に対して前記残りの上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、不活性ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項８５】
デバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）フッ素含有ガスと塩素含有ガスとの混合物を使用して前記上部金属層の一部分を除去する段階と、
（ｅ）下に重なる前記絶縁層に対して前記残りの上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、
ｉ）前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加、及び
ｉｉ）不活性ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年３月１６日出願の「ＭＲＡＭデバイス構造における電気的短絡を排除するドライエッチング停止処理」という名称の米国特許仮出願出願番号第６０／７８３、１５７号からの優先権を請求するものであり、この特許は、本明細書において引用により組み込まれている。
【０００２】
本発明は、一般的に半導体製作に関し、特に、磁気トンネル接合デバイス及びメモリデバイスで使用するような金属−絶縁体−金属の積層薄膜スタックを収容するデバイス構造を製作することに関する。
【背景技術】
【０００３】
金属−絶縁体−金属の積層膜は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）などのようなメモリデバイスにおけるストレージ要素として使用される。ＭＲＡＭ技術のためのメモリ要素は、多層材料のパターン化した構造体であり、通常、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＰｔＭｎ、Ｒｕなどのような異なる材料のスタックで構成され、かつＡＩ2Ｏ3又はＭｇＯのような絶縁体に似た材料を含むことができる。典型的なスタックは、これらの材料の多くて１０個又はそれよりも多くの層を収容することができ、そのうちの一部は非磁性材料であり、一部は磁性材料であり、１つ又は２つは絶縁材料である。本明細書の絶縁膜とは、バルク形態で高い電気抵抗を示す酸化又は窒化金属層と定めている。ストレージ要素を製作するためには、上に重なるブランケット膜の形で層単位で材料を堆積させ、フォトレジストのパターン層を形成し、膜をエッチングして適切な構造体にすることが必要である。
【０００４】
磁気抵抗性材料を除去するために、イオンビームミリング又はイオンビームエッチング処理が使用されている。イオンビームミリングは、しかし、物理的フライス加工処理である。マスクにより保護されていない区域は、イオンによる衝撃により除去される。イオン衝撃は、無保護材料をスパッタリングするか、又は剥離して除去する。イオンビームミリングは、作動時に選択性が低く、マスク縁部又はＭＲＡＭセル本体の境界に近いスタックの部分は、容易に損傷される可能性がある。
【０００５】
化学エッチング技術も、堆積層の一部分を選択的に除去するために使用されている。エッチング技術の例としては、ドライエッチング技術及びウェットエッチング技術がある。
【０００６】
現在のエッチング技術の欠点の１つは、ＭＲＡＭ構造のプロフィールが、薄いトンネル接合部にわたって電気的短絡を受け易いということである。絶縁誘電トンネル層の上方の上部磁石層と、このトンネル層の下方の下部磁石層との間の垂直分離は、電気的短絡を防止するには不適切である。
【０００７】
【特許文献１】米国特許仮出願出願番号第６０／７８３、１５７号
【特許文献２】米国特許第６、６７３、６７５号
【特許文献３】米国特許第６、６７７、１６５号
【特許文献４】米国特許第６、６５３、７０４号
【特許文献５】米国特許第６、０２４、８８５号
【特許文献６】米国特許第５、６５０、９５８号
【発明の開示】
【０００８】
本発明の実施形態は、とりわけ、上部磁気層のプラズマオーバーエッチング中にトンネル障壁層が停止層として機能する磁気トンネル接合部（ＭＴＪ）デバイスの製作に関する。結果として生じるＭＴＪデバイスは、トンネル障壁層にわたって優れた電気的分離を示している。
【０００９】
別の実施形態では、プラズマオーバーエッチング中に使用するガスには、トンネル障壁層と比較して上部磁気層の選択性の高いエッチングをもたらす種を含有するハロゲンガスを除外することが好ましい。ガスへの酸素導入により、処理の再現性が向上する。
【００１０】
更に別の実施形態では、フッ素−塩素ガス混合物を使用して、トンネル障壁層の上にある磁石層を部分エッチングする。
【００１１】
最後に、別の実施形態は、フォトレジストマスク剥離前又は剥離中のＨｅ及びＨ2ガスによる腐食プラズマ処理に関する。任意的に、剥離段階後に、水による洗浄処理とＨｅ及びＨ2脱水焼成とを使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、ある程度、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスで使用する磁気トンネル接合部（ＭＴＪ）デバイスを製作するパターン化方法の開発に基づいている。本明細書で更に説明するように、本発明の極めて重要な態様は、本発明の方法により準備したＭＴＪデバイスでは、現在の技術と比較して誘電トンネル層と接触する磁石層間で優れた電気的分離が得られるということである。
【００１３】
ＭＴＪが収容される典型的ＭＲＡＭ構造を図１に示している。ＭＲＡＭ構造は、基板上の磁性膜、導電膜、絶縁膜の複合スタックである。図１では、典型的ＭＲＡＭ構造の特定の構成要素が示されており、基板１０、障壁層１２、下部接触層１４、ＣｏＦｅ、Ｒｕ、ＮｉＦｅ、ＩｒＭｎ、及びＰｔＭｎなどのような層から成る多層固定磁石構造体１６、アルミナ又はＭｇＯのような誘電トンネル層１８、切換可能磁石層２０（ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢなど）、及び上部接触層２２（Ｔａ、Ｔａｎ、Ｔｉ、ＴｉＮ、及びＷなど）から成る。
【００１４】
硬質マスク層２４、反射防止コーティング２６、及びフォトレジスト２８のパターン層も図１に示されている。フォトレジスト層２８は、レジスト層により保護されていない下層の各部をエッチングして除去することができるように、エッチングを行うためにフォトレジストの下方にある下層の１つ又はそれよりも多くをマスクとして電気デバイス製作の当業者により一般的に使用される光感応材料である。一般的に３０Åから８００Å厚である反射防止膜２６は、一般的に、放射線を吸収し、光学的に不透明膜を形成して撮像レジストのコントラストを強化するために用いる。ＡＲＣコーティングは、重なり合うＰＲマスク層への入射光の反射を実質的に低減する。それによってフォトレジスト材料の過度の露光が防止される。硬質マスク層２４は、中間マスク転写層としてデバイス製作において一般的に用いられる。利用時には、フォトレジストをドライエッチングマスクとして用いて、硬質マスク及び恐らくは下層の１つ又はそれよりも多くにパターンを転写し、次に、硬質マスク層をマスクとして用いて、フォトレジストを使用して形成されない残りの下層にパターンを転写する。二酸化珪素及び窒化珪素のような硬質マスクは、フォトレジストに対してマスクの耐久性を改善するか、又は高分子フォトレジスト層の軟化点を超える温度での処理を可能にするための手段として一般的に用いる。
【００１５】
磁気スタック構造は、一般的に基板１０上に形成される。基板１０は、被露光面を有するあらゆる構造を含むことができる。この構造は、シリコンウェーハ、シリコン・オン・インスレータ（ＳＯＩ）、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）、アルミニウム炭化チタン（ＡｌＴｉＣ）ドープ及び非ドープ半導体、ＩＩＩ−Ｖ又はＩＩ−ＶＩ族半導体、ベース半導体基礎によって支持されたシリコンエピタキシャル層、及び他の半導体構造のような半導体デバイスの製造において使用する構造であることが好ましい。半導体は、シリコンを主成分とする必要はない。半導体は、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、又はガリウムヒ素とすることができる。この構造は、ガラス又はポリマーのような非半導体とすることができる。基板１０は、トランジスタ、２極管、コンデンサ、及び抵抗器のような埋込み電子デバイス、又は磁気多層スタックと共に使用するあらゆる他のデバイス又は回路要素を含むことができる。
【００１６】
ＭＴＪが内部に収容された図１に示す典型的多層ＭＲＡＭ構造に対しては、多層構造を形成する特定の層、例えば、材料及びその配置が変る可能性があることが理解される。ＭＴＪ構造及びＭＲＡＭ構造は、当業技術で公知であり、例えば、「化学機械的研磨を用いてＭＲＡＭデバイスを製作する方法」という名称のＹａｔｅｓ他に付与された米国特許第６、６７３、６７５号、「磁気抵抗性ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルパターン化」という名称のＬｕ他に付与された米国特許第６、６７７、１６５号、「トンネル接合部メモリセル及びセルに至る電流を制御する位相遷移材料を有する磁気メモリ」という名称のＧｕｒｎｅｙ他に付与された米国特許第６、６５３、７０４号、「磁性膜をパターン化する方法」いう名称のＰｅｎｄｈａｒｋａｒ他に付与された米国特許第６、０２４、８８５号、及び「制御磁気応答を備えた磁気トンネル接合部」という名称のＧａｌｌａｇｈｅｒ他に付与された米国特許第５、６５０、９５８号に説明されており、これらの特許の全ては、本明細書において引用により組み込まれている。
【００１７】
磁性膜スタックの配向は、図１に示す順番に対して逆にすることができることを理解すべきである。すなわち、膜構造の配向は、膜スタックが逆の順番で堆積することができ、上部接触層及び自由磁石層が誘電トンネル層の下方にあり、多層固定層及び反強磁性層が誘電トンネル層より上方に設けられるようなものとすることができる。また、磁性膜スタックは、自由層を誘電体トンネル層より上方か、又は誘電体トンネル層の下方に堆積させる配向の複数の磁気トンネル接合部を含むことができ、かつ本発明の方法の範囲内に留まることができることも理解すべきである。
【００１８】
図２に示す１つの単純化された実施形態では、ＭＴＪスタックは、基板１０１、下部接触層１４、固定下部磁石層１６、誘電トンネル層１８、切換可能上部磁石層２１、及び上部接触層２２を含む。スタック構造は、フォトレジスト層２８でパターン化される。この単純化した構造は、本発明の好ましい実施形態の以下の説明で使用する。
【００１９】
本発明のエッチング停止処理シーケンスを図３、図４、及び図５に示している。
【００２０】
図３は、本発明の処理シーケンスを示すものであり、磁気スタックを堆積させ（１００）、ＰＲをパターン化し（１０２）、硬質マスク層及び上部接触層の一方又は両方をエッチングし（１０４）、反応性エッチング処理を用いて上部磁石層の一部を除去する（１０６）。上部磁石層の反応性エッチング１０６の後、ＭＴＪデバイス構造に直接に本発明のエッチング停止処理を行うか（１０８）、又は最初にＤＩ洗浄処理、ＰＲ剥離利、及びプラズマベースの腐食処理から成る腐食処理シーケンス、次に、本発明のエッチング停止処理を行う（１０８）。
【００２１】
本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行う図３に示す一実施形態では、ＭＴＪデバイス構造のパターン化を完了すると、デバイスは、その後の処理に移る（１１４）。本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行う第２の実施形態では、デバイスに一連の処理を行って腐食を防止する。塩素含有及び臭素含有エッチング化学物質に磁性膜が露出されると、周囲条件下で、デバイスの真空からの除去時に及び被エッチング膜が湿気にその後に露出された時に有害反応が発生する可能性がある。膜の感度に基づいて、図３に示すような有害腐食性反応を防止する様々なシーケンスが開発されている。
腐食防止処理を使用し、かつ腐食処理をトンネル層上でのエッチング停止１０８の後に使用する本発明の方法の一実施形態では、腐食処理シーケンスは、ＤＩ洗浄処理と、その次に行うフォトレジスト剥離／腐食処理１１２とから構成される。腐食防止処理を使用し、かつ腐食防止処理をトンネル層上でのエッチング停止１０８の後に使用する本発明の方法の第２の実施形態では、腐食防止処理シーケンスは、フォトレジスト剥離／腐食処理１１２と、その次に行うＤＩ水洗浄処理１１０とから構成される。
【００２２】
図３に示す一実施形態では、本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行わず、むしろ、腐食処理１１０及び１１２を先に行う。本発明のエッチング停止処理を上部磁石の反応性部分エッチング１０６に直後に行わない図３に示す第１の実施形態では、ＭＴＪデバイス構造は、トンネル層の上で本発明のエッチング停止１０８の前にＤＩ水洗浄処理１１０を行い、その次に、フォトレジスト剥離／腐食処理１１２を行う。本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行わない本発明の方法の第２の実施形態では、デバイスには、フォトレジスト剥離／腐食処理１１２を行い、次に、トンネル層上での本発明のエッチング停止１０８の前にＤＩ水洗浄処理を行う。
【００２３】
図４は、本発明の処理シーケンスを示すものであり、磁気スタックを堆積させ（１００）、ＰＲをパターン化し（１０２）、硬質マスクをエッチングする（１０３）。硬質マスクエッチング１０３後、ＭＴＪデバイス構造にフォトレジストスト剥離処理を行うか（１０７）、又は反応性エッチング１０５を行って上部接触層を除去し、反応性エッチング処理１０６を行って上部磁石の一部を除去する。硬質マスクエッチング処理１０３に続いてフォトレジスト剥離処理１０７を行う本発明の方法の第１の実施形態では、フォトレジスト処理１０７の後に、ＭＴＪデバイスに反応性エッチング１０５を行って上部接触層を除去し、反応性エッチング処理１０６を行って上部磁石の一部を除去する。硬質マスクエッチング処理１０３を行い、その次に反応性エッチング処理１０５を行って上部接触層を除去し、反応性エッチング処理１０６を行って上部磁石の一部を除去する本発明の方法の第２の実施形態では、ＭＴＪデバイスに、次に、フォトレジスト剥離処理１０７を行う。
【００２４】
レジスト剥離１０７及び反応性エッチング処理１０５を組み合わせた段階を行って上部接触層及び１０６を除去し、かつ上部磁石の一部を除去した後、ＭＴＪデバイスに直接にエッチング停止処理１０８を行うか、又は最初にＤＩ洗浄処理及びプラズマベースの腐食処理１１３から成る腐食処理シーケンスを行い、その次に本発明のエッチング停止処理１０８を行う。
【００２５】
本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行うか、又は上部磁石の反応性部分エッチング１０６が先行したフォトレジスト剥離処理１０７の後に行う図４に示す一実施形態では、ＭＴＪデバイス構造のパターン化を完了すると、デバイスは、その後の処理１１４に移る。本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行うか、又は上部磁石の反応性部分エッチング１０６が先行したフォトレジスト剥離処理１０７の後に行う第２の実施形態では、デバイスに一連の処理を行って腐食を防止する。塩素含有及び臭素含有エッチング化学物質に磁性膜が露出されると、周囲条件下で、真空からのデバイス除去時に及び被エッチング膜が湿気にその後に露出された時に有害反応が発生する可能性がある。膜の感度に基づいて、図４に示すような有害腐食反応を防止する様々なシーケンスが開発されている。
【００２６】
腐食防止処理を使用し、かつ腐食処理をトンネル層上でのエッチング停止１０８の後で使用する本発明の方法の一実施形態では、腐食防止処理シーケンスは、ＤＩ水洗浄処理と、その次に行うプラズマベース腐食処理１１２とから構成される。腐食防止処理を使用し、かつ腐食防止処理をトンネル層上でのエッチング停止１０８の後に使用する本発明の方法の第２の実施形態では、腐食防止処理シーケンスは、プラズマベース腐食防止処理１１２と、その次に行うＤＩ水洗浄処理１１０とから構成される。
【００２７】
図４に示す一実施形態では、本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行わず、むしろ、腐食防止処理１１０及び１１３を先に行う。本発明のエッチング停止処理を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行わない図４に示す第１の実施形態では、ＭＴＪデバイス構造は、トンネル層の上で本発明のエッチング停止１０８の前に、ＤＩ水洗浄処理１１０を行い、その次に、プラズマベース腐食処理１１３を行う。本発明のエッチング停止処理１０８を上部磁石の反応性部分エッチング１０６の直後に行わない本発明の方法の第２の実施形態では、デバイスには、プラズマベース腐食処理１１３を行い、次に、トンネル層上での本発明のエッチング停止１０８の前にＤＩ水洗浄処理を行う。
【００２８】
図３及び図４に示すようなその後の処理１１４に対する２つの手法を図５ａ及び図５ｂに示している。これらの図は、具体的には本発明のエッチング停止処理の段階１０８によって得られる付随する機能を利用する２つの特定の方法を説明するものである。
【００２９】
図５ａでは、ＭＴＪデバイス構造の側壁を不動態化してその後の処理中の電気的短絡を防止するために、スペーサが使用されている。側壁スペーサは、図３及び図４に示すエッチング停止処理１０８により説明されているように、エッチング停止処理と共に使用する。図５ａは、図３及び図４に示す本発明のエッチング停止処理１０８に後に行うその後の処理の段階の好ましい実施形態を示している。この好ましい実施形態では、図３及び図４で説明するその後の処理１１４は、本方法つまり下部磁石／下部接触エッチング１３４を完了し、次に、ＤＩ水洗浄処理段階、次に、プラズマベース腐食防止処理１４２を行うために、スペーサ誘電体堆積１３０、スペーサエッチング１３２、及び下部磁石／下部接触エッチング１３４から成る。代替的に、プラズマベース腐食防止処理１４２は、デバイス１５０をその後の処理を続ける前に、図５ａに示すように、ＤＩ水洗浄処理に先行することができる。
図５ｂでは、その後の処理１１４の代替手法が示されており、二酸化珪素又は窒化珪素のような絶縁硬質マスク層を堆積させ（１２０）、フォトレジストをパターン化し（１２２）、硬質マスクをエッチングし（１２４）、フォトレジストを剥離し（１２６）、磁石及び下部接触をエッチングする（１２８）。この手法では、フォトレジストパターン化は、二酸化珪素又は窒化珪素硬質マスク層が、初期の硬質マスクエッチング１０３、上部接触エッチング１０５、反応性上部磁石エッチング１０６、及びエッチング停止処理１０８から生成した垂直側壁を超えて側方に延びるようなものである。垂直側壁を超えた硬質マスク１２０の側方の延在は、フォトレジストパターン化１２２の時に、初期の硬質マスク、上部接触及び上部磁石の側壁が硬質マスク層エッチング１２４の後に硬質マスク層１２０で覆われたままであるようなものであるべきである。
【００３０】
ＭＲＡＭスタック又は他の磁気デバイス構造を含む層は、膜堆積の当業者により使用される技術を用いて堆積させる（１００）。膜は、物理気相堆積、化学気相堆積、原子層堆積、ナノ層堆積、原子層堆積、蒸発、及び他の技術により堆積させることができる。スタック内の膜はまた、１つの形態でこれらの方法のうちの１つにより堆積させて、第２のチャンバでその後改質することができる。アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）誘電体は、例えば、アルミニウムの層を堆積させて、次に、アルミニウムに酸化処理を行ってアルミナを形成することにより形成することができる。同様に、ＭｇＯは、マグネシウムの層を堆積させて、次に、マグネシウムに酸化処理を行ってＭｇＯを形成することにより形成することができる。
【００３１】
フォトレジスト堆積及びパターン化段階１０２を用いてＭＴＪ又はＭＲＡＭスタックを形成するパターンを作り出す。図２の単純化したＭＲＡＭスタックの例では示していないが、反射防止コーティングをフォトレジストと共に使用してパターン転写の精度を改善することができる。更に、硬質マスク層をフォトレジストと上部接触層との間に組み込むことができる。二酸化珪素及び窒化珪素のような硬質マスク層を使用することができる。代替的に、導電上部接触層の厚みは、硬質マスク及び上部接触層の二重の目的に役立たせることができるようなものとすることができる。図２は、磁気スタック堆積１００及びその後のフォトレジストパターン化１０２の後の単純化したＭＲＡＭスタック構造を示している。
【００３２】
好ましい実施形態では、硬質マスク層及び上部接触層は、当業者により使用される一般的な技術を用いてパターン化される（１０３）。酸化シリコン硬質マスクを、もしあれば、反応性エッチングする一般的な処理の一例は、ＣＦ4、ＣＨＦ3、及びＡｒの混合物を使用することである。酸化物エッチングは、文献で広く紹介されている。同様に、上部導体層１０４、１０５を反応性エッチングするために一般的に用いる方法の化学物質の例は、Ａｒ／Ｃｌ2の混合物の使用である。また、金属接触層エッチングは、文献で広く公開されている。酸化物及び窒化硬質マスク及び金属接触層は、長年、使用されており、これらの層を除去するのに使用する技術は、当業者に明らかである。接触エッチング後の単純化したＭＲＡＭスタック構造を図６に示している。
【００３３】
磁気多層スタックにある磁気層の除去は、当業技術において十分に確立されていない。エッチング停止処理１０８と組み合わせた上部磁石層反応性エッチング１０６に特に十分に適する方法の使用は、本発明の範囲である。この本発明の方法１０６は、上部磁石層の一部を除去するためのＣｌ2、ＢＣｌ3、及びＨＣｌのような塩素含有ガス、並びにＣＦ4、ＳＦ6、ＣＨＦ3のようなフッ素含有ガスのガス混合物から成る。代替的に、Ｃｌ及びＦ原子を含有するガス分子を使用することができる。塩素含有ガスとフッ素含有ガスの比は、２：１から２０：１の範囲であるべきである。「Ｔｅｇａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」により製造される「Ｓｐｅｃｔｒａ（登録商標）」誘導結合処理モジュールにおいて明らかにされた反応性エッチング段階１０６の一般的な処理条件は、以下の通りであり、すなわち、誘導ソースコイルでの４００Ｗの１３．５６ＭＨｚのｒｆ電源、基板に印加する２０Ｗの４５０ｋＨｚのｒｆ電源、４０ｓｃｃｍのＣｌ2、８ｓｃｃｍのＣＦ4、及び４ｍＴ処理圧力である。磁石層反応性エッチング１０６の後の単純化したＭＲＡＭスタック構造を図７に示している。
【００３４】
塩素含有エッチング処理の添加物としてのフッ素の介在は、滑らかな被エッチング面（図８に示すように）を生成して、かつ上部磁石反応性エッチング段階１０６の後に残る磁性体の非常に薄い膜内での塩素種の拡散を防止するものであることが公知である。フッ素／塩素含有ガス混合物の使用は、残りの上部磁石層と下層誘電トンネル層との間のインタフェースの５Åから２５Å内に上部磁石層を除去することを可能にする。
【００３５】
本発明の上部磁石反応性エッチング処理１０６の好ましい実施形態では、残りの上部磁石層は、エッチング停止処理１０８、ＤＩ水洗浄処理１１０、又はＰＲ剥離／腐食処理１１２のようなその後の処理段階に移る前に、特徴部の近くでトンネル誘電体層に浸み込むことなく、残りの上部磁石層２０と下層誘電体層１８の間のインタフェースのできるだけ近くまでエッチングされることになる。好ましい実施形態では、上部磁石層２０を均一にエッチングすると、下層誘電体層１８は、図７に示すように、上部磁石層反応性エッチング１０６中にはウェーハのどこでも破れない。
【００３６】
しかし、本発明の方法の一実施形態では、上部磁石層２０を完全に除去すると、下層誘電体層１８は破れるが、被パターン化ＭＴＪスタックの直近ではない（図９を参照されたい）。本発明の方法のこの実施形態では、上部磁石層エッチング１０６は、以下のガス又はガス混合物、すなわち、Ｃｌ2、Ｃｌ2／Ａｒ、Ｃｌ2／ＣＦ4、Ｃｌ2／ＣＨＦ3、Ｃｌ2／Ａｒ、ＢＣｌ3／Ｃｌ2、ＢＣｌ3／Ｃｌ2／Ａｒ、ＢＣｌ3／ＨＢｒ、ＢＣｌ3／ＨＢｒ／Ａｒ、ＮＨ3、ＨＮ3／ＣＯのうちの１つ又はそれよりも多くを含有するエッチング処理で除去される。
【００３７】
別の実施形態では、上部磁石層２０を完全に除去し、下層誘電体層１８も被パターン化ＭＴＪスタックの直近の傾斜区域の外側で除去し、かつ下部磁石層１６の全部又は一部及び下部接触層１４の全て又は一部を除去する。（図１０を参照されたい。）この実施形態の付随する利点は、完全なＭＲＡＭ構造を単一のマスクでパターン化すること、すなわち、その後の処理段階１１４は不要であるということである。本発明の方法のこの実施形態では、上部磁石層エッチング１０６は、以下の反応ガス及びガス混合物、すなわち、Ｃｌ2、Ｃｌ2／Ａｒ、Ｃｌ2／ＣＦ4、Ｃｌ2／ＣＨＦ3、Ｃｌ2／Ａｒ、ＢＣｌ3／Ｃｌ2、ＢＣｌ3／Ｃｌ2／Ａｒ、ＢＣｌ3／ＨＢｒ、ＢＣｌ3／ＨＢｒ／Ａｒ、ＮＨ3、ＨＮ3／ＣＯのうちの１つ又はそれよりも多くを含有するエッチング処理で除去される。
【００３８】
上述の実施形態において反応段階１０６で除去されない上部磁石層の残りは、次に、好ましい実施形態では、アルゴンのような非反応ガス及び酸素のような酸化ガスの混合物から成るエッチング停止処理１０８を用いて除去し、それによってトンネル障壁層の誘電体は、停止層として機能する。好ましい実施形態では、不活性ガス流量は、一般的に１０から３５０ｓｃｃｍの範囲であり、酸素含有ガスの流量は、０．０２から０．１５ｓｃｃｍの範囲である。酸素含有ガスの実際の流量は、不活性ガスの流量、酸素含有ガスの選択、及び使用するプラズマシステムの形式によって異なる可能性がある。「Ｔｅｇａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」により製造される「Ｓｐｅｃｔｒａ（登録商標）」誘導結合エッチングモジュール内に使用される一般的な方法１０８は、２００ｍｍ直径のシリコン基板に対しては以下の通りであり、すなわち、ソースコイル上での１００Ｗの１３．５６ＭＨｚのｒｆ周波数電力、基板に印加する２０Ｗの４５０ｋＨｚのｒｆ電力、３５０ｓｃｃｍのＡｒ、０．０８ｓｃｃｍのＯ2、１０ｍＴ処理圧力である。エッチング停止スパッタ処理段階１０８に対して先に示した条件は、「Ｔｅｇａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」により製造される「Ｓｐｅｃｔｒａ  ＩＣＰ」処理モジュールを処理において〜９０：１のＮｉＦｅとアルミナの間のスパッタ選択性が得られることが見出されている例示的な組の条件を提供することを目的とする。（図１１を参照されたい。）
【００３９】
様々な処理条件及びチャンバ構成を用いて上部磁石材料と誘電体の間で高い選択性を有する結果を得ることができる。高い選択性を達成する際に考慮すべきである２つの要素は、処理チャンバ内での不活性ガスと酸素含有ガスの比の制御、及び低いバイアス電力レベルでの本方法の操作である。これらの２つの要素に対して、以下の段落でより詳細に説明する。
【００４０】
好ましい実施形態において、エッチング停止処理では、上部磁石層２０と下層誘電体層１８の間で高い選択性（＞５：１）が必要である。上部磁石層２０は、下層誘電体層１８、例えば、Ａｌ2Ｏ3がエッチングされる速度の少なくとも５倍の速度でエッチングされることが予想される。ＮｉＦｅとＣｏＦｅの間のスパッタ閾値及びＡｌ2Ｏ3及びＭｇＯのような酸化金属の閾値に著しい差があるために、ＮｉＦｅ／ＣｏＦｅエッチング速度の正確な制御が可能である。「Ｔｅｇａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ」（ペタルマ、ＣＡ）により製造される「Ｓｐｅｃｔｒａｎ（登録商標）」処理モジュールを使用して、これらの現象を確認する実験が行われた。
【００４１】
具体的には、ＮｉＦｅ及びＣｏＦｅスパッタ速度を単層試験ウェーハで測定し、アルミナエッチング速度をアルミナ／ＮｉＦｅ試験構造で測定した。試験構造は、基板上に堆積したＮｉＦｅ層及びＮｉＦｅ上のアルミナ（〜１５Å）の非常に薄い層を有する基板から成るものであった。測定したアルミナエッチング速度は、磁気トンネル接合部を収容するスタックで見られると考えられる薄膜特性を表すものであった。
【００４２】
図１２のグラフから明らかなように、磁気合金に対するスパッタリングの開始とアルミナのものとの間に著しい差が観察された。著しい差は、更に、１０Ｗから２５Ｗのバイアス電力レベルでアルミナ／ＮｉＦｅ試験構造に行ったエッチング速度試験で観察され、アルミナは、明確に分るほどにはエッチングされなかった。これらの観察結果によれば、特定の処理条件の下では、かなりの量のＮｉＦｅ及びＣｏＦｅをＴＭＲスタックからエッチング除去することができ、一方、同じ時間量で少量のアルミナしか除去されない。
【００４３】
図７、図９、及び図１０に示すような反応性エッチングの段階１０６及びエッチング停止処理１０８の好ましい実施形態の後で結果として生じるデバイスプロフィールを図１３、図１４、及び図１５に示している。これらの実施形態の各々においては、反応性エッチング段階１０６後の上部磁石層２０の残る残留金属膜を下層誘電体層１８から除去する。低バイアス非反応性エッチング停止１０８を備えた反応段階１０６後に残る上部磁石層２０の除去により、下層誘電体層１８を損傷することなく、他の公知の方法を凌ぐ優れた電気的分離が得られる。ＭＴＪスタックを組み込む構造のデバイス性能を制限することが公知の電気的短絡の付随する危険なく、本発明の方法の３つの実施形態の各々において幾何学的な隔離が得られる。上部磁石層２０と下部磁石層１６の間の優れた電気的分離も、腐食性化学物質を使用することに関わる関連の危険なく、確実なデバイスを生成するのに極めて重要である処理の段階で本発明の方法により達成される。
【００４４】
先に示したエッチング停止１０８の典型的な処理条件は、ＮｉＦｅ又はＣｏＦｅとアルミナの間の例外的に高い選択性が得られることが見出されている処理を表すことを目的としたものである。「Ｓｐｅｃｔｒａ」反応器内の処理条件の変形を本発明のエッチング停止処理１０８の範囲で使用することができる。
【００４５】
塩素含有ガス及びフッ素含有ガスの混合物を使用する上部磁石層全体を除去する第１の段階及び誘電トンネル層上で停止させるために不活性ガス及び酸素含有ガスの混合物を使用する第２の段階の一方又は両方の手法を利用する類似した処理は、他の誘導結合プラズマ反応器、容量結合プラズマ反応器、電子サイクロトロン共鳴反応器、及び磁性膜からデバイスを製造するためにプラズマを生成するのに使用する他の反応器で開発することができ、それでも、これらの処理は、本発明の方法の範囲である。更に、塩素含有ガス及びフッ素含有ガスの混合物を使用して上部磁石層全体を除去する初期の段階なしにエッチング停止として誘電体層を使用するための不活性ガス及び酸素含有ガスの混合物の使用も本発明の方法の範囲である。
【００４６】
ＮｉＦｅとアルミナの間の上述のエッチング停止１０８のための例示的な実施形態の高い選択性は、アルゴン及び酸素のガス混合物で観察される。エッチング停止処理１０８において〜９０：１のＮｉＦｅ／アルミナ選択性を明らかにするのに使用したアルゴン／酸素ガス混合物の好ましい実施形態の代替不活性成分及び酸化成分の一方又は両方の使用は、本発明の方法の範囲である。例えば、ヘリウム、ネオン、クリプトン、及び窒素は、アルゴンの代わりに又はアルゴンと組み合わせて使用すると、エッチング停止処理１０８の不活発成分をもたらすことができる。同様に、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、ＣＯ、及びＣＯ2のような酸素の代替物は、特に、酸素の代わりに又は酸素と組み合わせて使用すると、エッチング停止処理１０８の酸化成分を生成することができる。代替的に、本発明の方法の範囲で、酸素含有ガスは、以下の段落で説明するように、酸素含有ガスの意図的な導入以外の方法によりエッチングチャンバでの酸素濃度を制御することにより排除することができる。
【００４７】
Ａｒのような不活発スパッタガスでＮｉＦｅのような遷移金属を含む磁気層をプラズマスパッタリングした時、プラズマチャンバ内の酸素の量を調整することは、下層アルミナに対するエッチング選択性に影響を与えることができることが明らかにされている。すなわち、より高いＮｉＦｅ／アルミナ選択性は、プラズマチャンバに入る酸素の流量を制御することにより達成することができる。このプラズマによる過剰エッチング処理の一実施形態では、同時に測定可能かつ制御可能な方法でプラズマチャンバに酸素を再導入しながら、エッチング処理に影響を及ぼさないレベルに背景酸素を低減することが必要である。プラズマチャンバに入ることができる背景酸素の供給源としては、例えば、（１）酸素含有内部チャンバ部品のスパッタリング、（２）空気中の酸素、（３）チャンバの材料からの脱ガス化作用、及び（４）処理システム内の他の処理モジュールがある。
【００４８】
チャンバ内の制御されない背景酸素を低減した時、ＮｉＦｅとアルミナの間の選択性は、非常に少ない量（例えば、〜０．０８ｓｃｃｍ）の酸素をチャンバに再導入することにより最適化することができる。酸素を再導入する１つの技術では、チャンバに接続されている２つの別々の搬送ガス供給源を使用する。第１の供給源は、９９．９％のＡｒ及び０．１％のＯ2を含むＡｒ／Ｏ2２ガス混合物をプラズマチャンバに供給し、一方、第２の供給源は、チャンバと平行して１００％のＡｒを含有するガスを供給する。プラズマチャンバに酸素を再導入する時、チャンバの基本圧力を〜０．００１ｍＴ又はそれ未満に低減することが好ましい。更に、内部チャンバ部品の表面のスパッタリングは、最小にするか、又は制御すべきである。例えば、誘導電源電力は、ウィンドウスパッタリングを最小にするために、低い（１００Ｗから２００Ｗ）ものであるべきである。チャンバ内の過度の量の酸素は、金属磁性膜のエッチング速度を減速することができ、かつ磁石層と誘電体層の間の選択性の低減を引き起こすことができる。
【００４９】
代替的に、第２の技術において、酸素供給源と処理チャンバを分離するオリフィスを通じて処理チャンバに酸素を導入する。オリフィスは、不活性ガスを混合させる時に酸素含有ガスの流れにより上部磁性膜とトンネリング誘電体の間でスパッタリング選択性の強化が生成されるようなサイズにする。
【００５０】
制御したレベルの酸素を不活性ガスに導入して誘電体層上の磁性体を選択的にエッチングするのに必要な条件を達成する他の手段も本特許の範囲で使用することができる。このような実施形態では、プラズマ反応器内での酸素含有材料の内面のスパッタリングを酸素供給源として使用することができる。この実施形態では、磁性体とトンネリング誘電体層の間の選択的な除去が得られるように、質量流量コントローラ又はニードル弁のような従来の手段により、エッチングされている上部磁気層の表面で不活性ガス及び酸素含有種の混合物を生成するような容積でアルゴンのような不活性ガスを導入する。処理条件は、磁性体を＞５Å／ｍｉｎの速度で除去し、誘電体層を＜１Å／ｍｉｎの速度で除去するように調整する。
【００５１】
本発明の別の実施形態では、酸素含有ガスのレベルは、真空槽に入る大気ガスの漏れを制御することにより達成される。プラズマベースの半導体製作工程は、一般的に０．１から１０００のミリトルの範囲で行う。これらの大気圧より低い条件においては、酸素は、不完全なシールを通じて、多孔性材料を通じて、かつ処理質の各部のガス抜けから不注意に導入される可能性がある。漏れの速度は、従来のプラズマ処理機器で簡単に測定することができる。
【００５２】
この実施形態では、磁性体とトンネリング誘電体層の間の選択的な除去が得られるように、質量流量コントローラ又はニードル弁のような従来の手段により、エッチングされている上部磁気層の表面で不活性ガス及び酸素含有種の混合物を生成するような容積でアルゴンのような不活性ガスを導入する。磁性体を＞５Å／ｍｉｎの速度で除去し、誘電体層を＜１Å／ｍｉｎの速度で除去する程度まで不活性ガス及び酸素含有種の所要の混合物を生成する従来の手段を通じた制御された不活性ガス流の導入と組み合わせて、大気からの酸素含有漏れを制御する手法は、本発明の範囲である。
【００５３】
フォトレジストを除去すると共に腐食を防止する処理、すなわち、図３の１１２、図４の１１３、図５ａの１４２、及び図５ｂの１２６及び１４２は、磁気フィルム構造と適合すべきである。レジスト除去、及びハロゲン元素含有エッチング化学物質にＭＲＡＭ膜スタックが露出されることから生じる可能性がある腐食を防止することに適する水素含有ガス混合物の使用は、本発明の範囲である。好ましい実施形態では、磁性膜スタックを水素含有プラズマに露出してフォトレジストを除去するか、又は周囲条件に露出される時の腐食を防止する方法を行うか、又はその両方が行われる。水素と、ヘリウム、ネオン、アルゴン、又は窒素のような不活性ガスとの混合物で、処理チャンバに水素が導入される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】磁気トンネル接合部を有する典型的ＭＲＡＭ構造の図である。
【図２】磁気トンネル接合部を有する単純化したＭＲＡＭ構造の図である。
【図３】本発明のＭＲＡＭ処理シーケンスの図である。
【図４】本発明のＭＲＡＭ処理シーケンスの図である。
【図５ａ】本発明のＭＲＡＭ処理シーケンスの図である。
【図５ｂ】本発明のＭＲＡＭ処理シーケンスの図である。
【図６】上部接触パターン化後のＭＲＡＭスタック構造の図である。
【図７】反応性磁石層エッチング段階後のＭＲＡＭスタック構造の図である。
【図８】反応性磁石層エッチング後のＭＲＡＭスタック構造の図である。
【図９】トンネル誘電体層が特徴部の近くで破れていないが、マスク特徴部直近ではない区域では破れている本発明のＭＲＡＭパターン化シーケンスの実施形態の図である。
【図１０】エッチング停止処理の前の反応性エッチング段階中に傾斜プロフィールで意図的に磁気スタック層をエッチングする本発明のＭＲＡＭパターン化シーケンスの実施形態の図である。
【図１１】プロット中の２つのピークが、２つのＮｉＦｅ層の除去を示し、２つのピーク間の時間が、１５Åアルミナ層を除去するのに必要な時間を示し、グラフを生成するのに使用する処理から得られるＮｉＦｅ対アルミナのエッチング選択性が、９０：１よりも大きい、５０ÅＮｉＦｅ／１５Åアルミナ／５０ÅＮｉＦｅスタック構造のエッチング中に得られる光放射信号強度のプロットの図である。
【図１２】ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、及びアルミナのエッチングスパッタ速度のグラフである。
【図１３】反応性磁石層エッチング（図６を参照されたい）及びエッチング停止処理後のＭＲＡＭスタック構造の図である。
【図１４】反応性磁石層エッチング（図７を参照されたい）及びエッチング停止処理後のＭＲＡＭスタック構造の図である。
【図１５】反応性磁石層エッチング（図８を参照されたい）及びエッチング停止処理後のＭＲＡＭスタック構造の図である。
【符号の説明】
【００５５】
１００  磁気スタックを堆積させる処理
１０２  ＰＲをパターン化する処理
１０８  本発明のエッチング停止処理
【図１】
2009530825.tif 000003
【図２】
2009530825.tif 000004
【図３】
2009530825.tif 000005
【図４】
2009530825.tif 000006
【図５ａ】
2009530825.tif 000007
【図５ｂ】
2009530825.tif 000008
【図６】
2009530825.tif 000009
【図７】
2009530825.tif 000010
【図８】
2009530825.tif 000011
【図９】
2009530825.tif 000012
【図１０】
2009530825.tif 000013
【図１１】
2009530825.tif 000014
【図１２】
2009530825.tif 000015
【図１３】
2009530825.tif 000016
【図１４】
2009530825.tif 000017
【図１５】
2009530825.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成20年11月21日(2008.11.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部金属層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、前記上部金属層と前記絶縁層とのスパッタ閾値間のバイアス電力による前記基板へのバイアスの印加を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記選択的除去処理は、非反応ガス雰囲気内で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記上部金属層を選択的に除去する段階は、更に、非反応ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
磁気接合メモリデバイスを製作する方法であって、
（ａ）基板を準備する段階と、
（ｂ）絶縁層を前記基板の上に形成する段階と、
（ｃ）上部層を前記絶縁層の上に形成する段階と、
（ｄ）下に重なる前記絶縁層に対して前記上部金属層を選択的に除去する段階と、
を含み、
前記選択的除去処理は、非反応ガスと＜１％の酸素含有ガスとの混合物を使用する物理的スパッタ処理を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記上部金属層を選択的に除去する段階の前に、
（ｃｌ）フッ素含有ガスと塩素含有ガスとの混合物を使用して前記上部金属層の一部分を除去する段階、
を実行する段階を更に含むことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の方法。
【請求項６】
塩素含有ガスとフッ素含有ガスの比が、２：１から２０：１の範囲にあることを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記非反応ガスは、Ａｒ、Ｈｅ、Ｎｅ、Ｋｒ、Ｎ2、又はＸｅ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項２、請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記酸素含有ガスは、Ｏ、Ｏ2、Ｎ2Ｏ、ＮＯ、空気、ＣＯ、又はそのあらゆる組合せであることを特徴とする請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項９】
非反応ガスと酸素含有ガスとの混合物が、第１の流量コントローラを通じて導入され、非反応ガスが、第２の流量コントローラを通じて導入されることを特徴とする請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記非反応ガスは、１０から３５０ｓｃｃｍの範囲にあり、前記酸素含有ガスは、０．０２から０．１５ｓｃｃｍの範囲にあることを特徴とする請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
酸素含有ガスが、酸素含有固体の固体源のスパッタリングから前記処理に導入されることを特徴とする請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記絶縁層の下に下部金属層を形成する段階を更に含むことを特徴とする請求項１、請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項１３】
前記絶縁層は、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又はあらゆる絶縁酸化物を含むことを特徴とする請求項１、請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項１４】
上部金属層が、磁気層、ＭＲＡＭスタック構造の一部、又はＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、及びＣｏＦｅＢの１つ又はそれよりも多くの層を含むことを特徴とする請求項１、請求項３、請求項４、又は請求項５に記載の方法。
【請求項１５】
前記塩素含有ガスは、Ｃｌ2、ＢＣｌ3、ＨＣｌ、原子塩素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含み、
前記フッ素含有ガスは、ＣＦ4、ＳＦ6、ＣＨＦ3、原子フッ素含有ガス、又はそのあらゆる組合せを含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【国際調査報告】
2009530825.tif 000019