(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）デバイスの製造方法であって、
基準層、前記基準層上に配置されたバリア層、および前記バリア層上に配置された自由層を含む複数のＭＴＪ層を、基板ウェハ上に堆積させるステップと、
前記複数のＭＴＪ層の上方にハードマスクを堆積させるステップと、
前記ハードマスクの一部の上に第１のフォトレジスト層を形成するステップと、
前記ハードマスクおよび前記複数のＭＴＪ層をエッチングして、前記第１のフォトレジスト層の下にＭＴＪピラーを形成するステップであって、前記自由層および前記バリア層がエッチングされ、前記自由層および前記バリア層の側面、ならびに前記ＭＴＪピラーに隣接する前記基準層の表面が露出するステップと、
前記ＭＴＪピラー上、前記自由層および前記バリア層の露出した前記側面上、ならびに前記基準層の露出した前記表面上に第１の絶縁層を堆積させるステップと、
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングして、前記ＭＴＪピラーの水平面および前記基準層の前記露出した表面の上に配置される前記第１の絶縁層の一部を除去するステップと、
前記ＭＴＪ層を前記基板ウェハまでエッチングして、前記ＭＴＪピラーを隣接するＭＴＪピラーから電気的に絶縁するステップと、
前記基板ウェハを平坦化するステップと
を含み、
前記ＭＴＪ層をエッチングする前記ステップが、少なくとも１つの反応性イオンエッチングおよび少なくとも１つのイオンビームエッチングを含む
方法。
【請求項２】
複数のＭＴＪ層を堆積させる前記ステップが、
前記自由層上にタンタル窒化物キャッピング層を堆積させるステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層上に垂直偏極子を堆積させるステップと
をさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記ＭＴＪ層をエッチングする前記ステップが、
前記ハードマスクを反応性イオンエッチングするステップと、
前記垂直偏極子をイオンビームエッチングするステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層を反応性イオンエッチングするステップと、
前記自由層および前記バリア層をイオンビームエッチングするステップと
をさらに含む、請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記自由層が、前記タンタル窒化物キャッピング層の前記反応性イオンエッチングのエッチング止めとして働くＣｏＦｅＢ薄膜を備える、請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記垂直偏極子をイオンビームエッチングする前記ステップの後に、第３の絶縁層を前記ＭＴＪピラー上に共形的に堆積させる、請求項３に記載の製造方法。
【請求項６】
前記ＭＴＪピラーをエッチングして、前記ＭＴＪピラーの水平面上に配置される前記第３の絶縁層を除去するステップをさらに含む、請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップが、前記基板ウェハに対して垂直な角度でイオンビームを照射するステップを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項８】
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップの後に、第２の絶縁層を前記ＭＴＪピラー上に共形的に堆積させるステップをさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項９】
前記バリア層が、マグネシウムの酸化物からなる、請求項１から８のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１０】
２次イオン質量分析法終点検出を使用して、前記バリア層の前記イオンビームエッチングを止めるステップをさらに含む、請求項３に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップの前に、第２のフォトレジスト層を前記ＭＴＪピラー上の前記第１の絶縁層上に形成するステップをさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記第２のフォトレジスト層が、前記第１のフォトレジスト層の幅より大きい幅を前記ＭＴＪピラー上に有する、請求項１１に記載の製造方法。
【請求項１３】
磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）デバイスの製造方法であって、
基板ウェハ上に少なくとも１つの下層を堆積させるステップと、
前記少なくとも１つの下層上に反強磁性層を堆積させるステップと、
前記反強磁性層上に、基準層を含む合成反強磁性構造を堆積させるステップと、
前記基準層上にバリア層を堆積させるステップと、
前記バリア層上に自由層を堆積させるステップと、
前記自由層上にタンタル窒化物キャッピング層を堆積させるステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層上に少なくとも１つの上層を堆積させるステップと、
前記少なくとも１つの上層上にハードマスクを堆積させるステップと、
前記ハードマスクの一部の上に第１のフォトレジスト層を形成するステップと、
前記ハードマスクを反応性イオンエッチングするステップと、
前記少なくとも１つの上層をイオンビームエッチングするステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層を反応性イオンエッチングするステップと、
前記自由層および前記バリア層をイオンビームエッチングして、前記自由層および前記バリア層の側面、ならびに前記バリア層の前記側面に隣接する前記基準層の表面を露出させるステップと、
前記自由層および前記バリア層の露出した前記側面上、ならびに前記基準層の露出した前記表面上に第１の絶縁層を堆積させるステップと、
前記基板ウェハに対して垂直な角度でイオンビームエッチングして、少なくとも１つのＭＴＪピラーを分離するステップと、
第２の絶縁層を堆積させるステップと、
前記基板ウェハを平坦化するステップと
を含む方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの上層をイオンビームエッチングする前記ステップの後に、第３の絶縁層を共形的に堆積させるステップをさらに含む、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記第３の絶縁層の水平面を除去するさらなる反応性イオンエッチングのステップをさらに含む、請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップの前に、第２のフォトレジスト層を前記ＭＴＪピラー上の前記第１の絶縁層上にコーティングするステップをさらに含む、請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記第２のフォトレジスト層が、前記第１のフォトレジスト層の幅より大きい幅を前記ＭＴＪピラーの上に有する、請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
読取ヘッド用途の磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）デバイスの製造方法であって、
基準層、前記基準層上に配置されたバリア層、および前記バリア層上に配置された自由層を含む複数のＭＴＪ層を、基板ウェハ上に堆積させるステップと、
前記複数のＭＴＪ層の上方にハードマスクを堆積させるステップと、
前記ハードマスクの一部の上に第１のフォトレジスト層を形成するステップと、
反応性イオンエッチングを利用して前記ハードマスクをエッチングし、および前記複数のＭＴＪ層をエッチングして、前記第１のフォトレジスト層の下にＭＴＪピラーを形成するステップであって、前記自由層および前記バリア層がエッチングされ、前記自由層および前記バリア層の側面、ならびに前記ＭＴＪピラーに隣接する前記基準層の表面が露出するステップと、
前記ＭＴＪピラー上、前記自由層および前記バリア層の露出した前記側面上、ならびに前記基準層の露出した前記表面上に第１の絶縁層を堆積させるステップと、
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングして、前記ＭＴＪピラーの水平面および前記基準層の前記露出した表面の上に配置される前記第１の絶縁層の一部を除去するステップと、
前記ＭＴＪピラー上に第２の絶縁層を堆積させるステップと、
前記第２の絶縁層上に磁性安定化層を堆積させるステップと、
前記基板ウェハを平坦化するステップと
を含み、
前記エッチングするステップが、少なくとも１つの反応性イオンエッチングおよび少なくとも１つのイオンビームエッチングを含む
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許文献は、概して、ＭＲＡＭデバイスの製造方法、特に、密度および品質仕様が向上したＭＴＪメモリデバイス用ＭＴＪピラーの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ」）は、磁気記憶素子によってデータを記憶する不揮発性メモリ技術である。これらの素子は、磁場を保持することができ、かつ非磁性金属もしくは絶縁体などの非磁性材料（すなわちバリア層）によって分離される２つの強磁性プレートまたは電極である。一般に、これらのプレートのうちの一方は、そのピン留めされた磁化を有し（すなわち「基準層」）、つまり、この層は、他方の層より高い保磁力を有し、その磁化の方向を変更するにはより大きい磁場またはスピン偏極電流が必要であることを意味する。第２のプレートは、典型的には自由層と呼ばれ、その磁化方向は、基準層に比べて小さい磁場またはスピン偏極電流によって変更することができる。
【０００３】
ＭＲＡＭデバイスは、自由層の磁化の方向を変更することによって情報を記憶する。特に、自由層が基準層に対して平行か、または反平行かに基づいて、「１」または「０」のいずれかを各ＭＲＡＭセルに記憶することができる。スピン偏極電子トンネル効果により、セルの電気抵抗は２層の磁場の方向で変わる。セルの抵抗は、平行状態および反平行状態で異なり、したがってセルの抵抗を使用して、「１」と「０」とを識別することができる。ＭＲＡＭデバイスは、電源オフ時でさえ情報を維持するため、それらの重要な一特徴は、不揮発性メモリデバイスであることである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＲＡＭデバイスは、広範囲のメモリ用途向けの次世代構造であると考えられる。磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）層スタックと、ＭＴＪ層スタックのＭＴＪメモリデバイス用ピラーへの処理とが、ＭＲＡＭ技術開発の２つの最も重要な点である。しかしながら、従来の製造機構では、シャントがない、ＤＲＡＭのような密度のピラー状ＭＴＪデバイスを製造することができない。
【０００５】
現在の処理技術の一制約を図１に示す。フォトマスクおよびハードマスクを形成したら、指向性イオンビーム１１０を使用してＭＴＪスタックをエッチングする。エッチング工程中に、ＭＴＪピラー１２０の基部から除去される材料がＭＴＪピラーの側面に再堆積する。この再堆積材料１３０は、絶縁性酸化物を形成しない、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）などの金属を含む。その結果、これらがＭＴＪピラー１２０のバリア層の縁部１２２に存在することで、デバイスの動作が著しく損なわれる。具体的には、この導電性再堆積材料１３０はバリアを短絡させ、ＭＴＪ構造のトンネル接合を動作不能にする。従来の製造工程では、非常に高いイオンビーム角度（通常７０°）で側面を洗浄し、ＭＴＪピラーのバリア層の側面１２２の再堆積材料１３０を除去することによって、この問題を軽減する。しかしながら、この除去工程は、デバイス密度に受け入れがたい制限を加える。例えば図１に示すように、１００ｎｍのＭＴＪデバイス構造では、イオンビーム洗浄には約２７０ｎｍの間隔が必要であり、これは隣接するＭＴＪピラー間が１００ｎｍ以下という密度要件より著しく大きい。さらに、高いイオンビーム角度での側壁洗浄は、薄いＭＴＪ層へのビーム損傷を著しく増加させ、このことは、ＭＴＪの性能をさらに低下させるだけである。ＭＲＡＭ開発会社はかなりの資源および労力を費やして、反応性イオンエッチングなどの他の製造工程とともに、イオンビーム洗浄技術を開発しているが、既存の製造工程では、ＭＴＪピラーのための満足のいく工程およびツール技術をもたらしていない。
【０００６】
したがって、将来的なＭＴＪメモリ製品用途向けの密度および品質要件を満たす、ＭＴＪメモリデバイス用ＭＴＪピラーの製造方法の必要性が強く感じられる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
今日直面しているこれらの重要なＭＲＡＭデバイス処理問題に対処するＭＴＪピラー形成処理ステップおよび製造方法を提供する。本明細書で意図する製造方法では、薄い絶縁体層と、イオンビームエッチングと、反応性イオンエッチングとを組み合わせて使用して、ＭＴＪピラーを画定する。本方法は、基板上に複数のＭＴＪ層を堆積させるステップと、基板上にハードマスクを堆積させるステップと、ハードマスク上にフォトレジストをコーティングするステップとを含む。さらに、反応性イオンエッチングステップとイオンビームエッチングステップを交互に行い、ＭＴＪピラーを分離し、ＭＴＪ層の側面を露出させる。ＭＴＪ層の側面を保護するために絶縁層を施す。化学機械研磨を使用してデバイスを平坦化する前に、第２の絶縁層を堆積させる。
【０００８】
開示する方法は、ＭＴＪピラーの側面への材料の再堆積を抑え、シャントがトンネルバリア層の縁部で形成されるのを防ぎ、高角度イオンビーム洗浄の使用によるＭＴＪ層の縁部で生じる損傷を減らすことによって、従来のＭＴＪデバイス製造の問題を解決する。
【０００９】
別個のイオンビームエッチングするステップを使用することによって、本明細書に開示する製造方法は、高角度イオンビーム洗浄の必要性を制限または排除し、ＭＴＪ  ＭＲＡＭ技術に関する最大の製造障害のうちの１つを解決する処理方法、すなわち高密度または近接して離間するＭＴＪピラーの処理を提供し、現在の工程ツール／技術を使用してＭＴＪピラーを画定することができる。
【００１０】
本明細書の一部として含まれる添付図面は、上記の一般的な説明および下記の詳細な説明と共に現在の好ましい実施形態を示し、本明細書に記載するＭＴＪデバイス製造方法の原理を説明および教示する助けとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ＭＴＪデバイスの従来の製造方法を示す。
【図２】本明細書に記載する製造方法の例示的実施形態に従って使用される例示的ＭＴＪ層スタック（垂直スピン注入ＭＴＪ）を示す。
【図３−１３】本明細書に記載する例示的実施形態による製造方法の選択された処理ステップの断面図を示す。
【００１２】
図は、必ずしも縮尺通りに描かれておらず、同様の構造または機能の要素は、図全体にわたって説明のために全体として同様の参照符号で示す。図は単に、本明細書に記載する様々な実施形態を説明しやすくするものであり、本明細書に開示する教示のすべての態様を記載しておらず、また特許請求の範囲を限定しない。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）メモリデバイスの製造方法を本明細書に開示する。本明細書に開示する特徴および教示のそれぞれは、他の特徴および教示と別々に、または共に利用することができる。これらの追加的特徴および教示の多くを利用する代表的な例について、別々に、また組み合わせて、添付図面を参照しながらより詳細に記載する。この詳細な説明は単に、本教示の好ましい態様を実施するためのさらなる詳細を当業者に教示するものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。したがって、以下の詳細な説明に開示する特徴の組合せは、教示を最も広い意味で実施するには必要がない場合があり、その代わりに、本教示の特に代表的な例を説明するためだけに教示する。
【００１４】
以下の記述では、本明細書に記載するようなＭＴＪメモリデバイスおよびその製造方法について完全に理解するために、説明のみの目的で特定の名称を記載する。代表的な例の様々な特徴および従属クレームは、本教示のさらなる有用な実施形態を提供するために、具体的かつ明確には列挙していない方法で組み合わせてもよい。また、当初の開示の目的および特許請求する主題を限定する目的で、値の範囲またはエンティティのグループの指示によって、あらゆる可能な中間値または中間エンティティが開示されることに特に留意する。また、図に示す構成要素の寸法および形状は、本教示をどのように実施するかを理解する助けとなるように設計するが、例に示す寸法および形状を限定するものではないことに特に留意する。
【００１５】
図２は、本明細書で意図するＭＴＪメモリデバイス用の例示的ＭＴＪ層スタック２００を示す。例示的ＭＴＪ層スタック２００は、２０１４年４月１日付けで出願された特許出願第ＵＳ１４／２４２，４１９号明細書に詳細に記載され、その内容を参照によって本明細書に援用する。本明細書に記載する例示的製造方法は、ＭＴＪ層スタック２００からＭＴＪメモリデバイスを製造するために提供することが理解されるべきである。しかしながら、本明細書に記載する例示的工程は、代替の層スタックを有するＭＴＪメモリデバイスを製造するために施すこともできるであろう。
【００１６】
図２に示すように、ＭＴＪ層スタック２００は、上方に堆積した層内で所望の結晶成長を開始するために、スタック２００の底部に設けられた１つまたは複数のシード層２１０を含む。シード層２１０の上方には、ピンニング層２１２および合成反強磁性（「ＳＡＦ」）構造２２０がある。例示的実施形態によれば、ピンニング層２１２は白金マンガンＰｔＭｎ合金であり、ＳＡＦ構造２２０は層２２２、層２２４および基準層２３２（後述）の３層からなる。層２２２はコバルト鉄合金であり、層２２４はルテニウム金属であることが好ましい。ＳＡＦ構造２２０の上には、ＭＴＪ構造２３０を形成する。ＭＴＪ構造２３０は、３つの別個の層、すなわちＳＡＦ構造２２０内に形成された基準層２３２、バリア層２３４および自由層２３６を含む。例示的実施形態では、基準層２３２および自由層２３６は、コバルト−鉄−ボロン（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ）合金薄膜である。さらに、バリア層２３４は、マグネシウムの酸化物ＭｇＯから形成する。示すように、ＭｇＯバリア層２３４は、基準層２３２と自由層２３６との間に配置し、上に述べたような２層間の絶縁体として働く。
【００１７】
図２にさらに示すように、自由層２３６の上には、タンタル窒化物ＴａＮキャッピング材料２３８の非常に薄い層を配置する。ＭＴＪ層スタック２００はさらに、ＴａＮキャッピング材料２３８上に配置された非磁性スペーサ２４０と、非磁性スペーサ２４０上に配置された垂直偏極子２５０とを含む。垂直偏極子２５０は、２つのラミネート層２５２および２５４を備え、ＭＴＪデバイスに照射する電子（「スピン整列した電子」）の流れを偏極させるために設け、次いで、自由層２３６の磁化方向に垂直な角運動量を担持する偏極電子から自由層２３６にかかるトルクによってＭＴＪ構造の自由層２３６の磁化方向を変更することができる。非磁性スペーサ２４０は、ＭＴＪ構造２３０から垂直偏極子２５０を絶縁するために設ける。さらに、ＭＴＪ層スタック２００の下部の層を保護するために、１つまたは複数のキャッピング層２６０（すなわち層２６２および２６４）を垂直偏極子２５０の上に設ける。ハードマスク２７０は、キャッピング層２６０上に堆積させ、タンタルＴａなどの金属を含んでもよい。
【００１８】
図３〜図１３は、本明細書に開示する製造方法の例示的実施形態によってＭＴＪ層スタック２００からなるＭＴＪメモリデバイスを製造する選択された工程段階の断面図を示す。図の断面図は全体として、ウェハ表面に垂直な平面内のメモリセルのほぼ中心に沿って切り取られている。１つまたはいくつかのＭＴＪピラーしか図に示していないが、本方法は、多くのデバイスをウェハ上にアレイ状に製造するために使用してもよいことが理解されるべきである。さらに、関連する回路類を備えた複数の配列を単一のウェハ上に作ることができ、次いで、それを最終動作デバイスへさらに処理するために、より小さいチップに切断することができる。
【００１９】
図３は、例示的実施形態によるＭＴＪメモリデバイスの製造方法の最初の積層ステップを示す断面図である。図３は、図２について上述したＭＴＪ層スタック２００に対応するＭＴＪ層構造３００の形成を示す。さらに説明するように、上述したＭＴＪ構造２００の特定の層は、図３に詳細には示していない。
【００２０】
図３に示すように、基板３１１を設け、薄膜スパッタ堆積などの堆積技術を使用して、基板３１１上にＭＴＪ層スタックのさらなる層を堆積させる。上方に堆積した層内で所望の結晶成長を開始するために、下から上に、１つまたは複数のシード層（例えば、図２のシード層２１０）を含む下層／底部コンタクト３１２を基板３１１上に堆積させることができる。さらに、下層／底部コンタクト３１２上に反強磁性層３１３（例えば、図２のピンニング層２１２）を堆積させ、反強磁性層３１３上に合成反強磁性層３１４（例えば、図２の層２２２、２２４および基準層２３２）を堆積させる。合成反強磁性層３１４上にはバリア層３１５（すなわち、図２のバリア層２３４）を堆積させ、バリア層３１５上には自由層３１６（すなわち、図２の自由層２３６）を堆積させる。上述のように、基準層２３２、バリア層２３４および自由層２３６は集合的に、自由層２３６上に非常に薄いＴａＮキャッピング層２３８が形成されたＭＴＪ構造を形成する。図２に示す非磁性スペーサ２４０、垂直偏極子２５０および１つまたは複数のキャッピング層２６０を含み得る上層３１７を、図３にさらに示すようにＴａＮキャッピング層２３８上に堆積させる。ＭＴＪスタックの層すべてを基板３１１上に堆積させたら、ハードマスク３１８（例えば、図２のハードマスク２７０）を上層３１７の上に堆積させ、後述するように反応性イオンエッチング（「ＲＩＥ」）工程を使用してＭＴＪ層スタックの下地層をパターンニングするために設ける。繰り返し述べるが、図２および図３は同じＭＴＪ層スタックを説明しており、唯一の違いは、図３では明瞭にするために、図２に示す個々の層のうちのいくつかを単一層として組み合わせたことである。
【００２１】
図３の層スタックを形成した後に、製造方法は、ハードマスク３１８上にフォトレジスト３１９をコーティングする次のステップが続く。ＭＴＪメモリデバイス用ＭＴＪピラーを形成すべきハードマスク３１８の一部を覆うフォトレジスト３１９を残すように、ハードマスク３１８をパターンニングまたは現像する。フォトレジスト３１９は、電子ビームまたは他のフォトリソグラフィツールで露光することが好ましい。深紫外光を使用すべき場合には、還元反応性イオンエッチング工程などを使用して、フォトレジスト３１９の限界寸法を小さくすることができる。
【００２２】
図５は、ＭＴＪ層スタックをＭＴＪ構造のバリア層３１５までエッチングするための２つの代替実施形態を示す。特に、図５は、エッチングするステップの第１の実施形態を示す。示すように、エッチングするステップにより、フォトレジスト３１９の幅によって画定された幅を有するＭＴＪピラー３３０が形成される。上述のように、例示的実施形態では、バリア層３１５をマグネシウムの酸化物（ＭｇＯ）から形成する。ＭＴＪ層スタックをＭＴＪピラー形状のデバイスに処理するには、スタック層すべてにわたってエッチング深さを正確に制御する必要があることが理解されるべきである。バリア抵抗制御は、自由層３１６およびバリア層３１５のエッチングの精度に基づいて部分的に決まる。シャントをなくすため、また自由層３１６の縁部損傷を減らすためには、バリア層３１５上への再堆積をなくすようにウェハ全体にわたりバリア層３１５で止めることが必要である。さらに、ＯＳＴ−ＭＴＪ構造の場合と同様に、自由層３１６に達するためにより多くの層をエッチングする必要がある場合には、バリア層３１５で止めることはより困難であることが理解されるべきである。
【００２３】
上述のように、図５は、イオンミリングのステップを行い、ＭＴＪ層スタックをバリア層３１５までエッチングする第１の実施形態を示す。エッチングするステップによって、フォトレジスト３１９の幅によって画定された幅を有するＭＴＪピラー３３０が形成される。この第１の実施形態では、ＭＴＪ層スタックをイオンミリングした後に、製造工程は、図６について後述するような薄い共形絶縁体の堆積に移る。
【００２４】
例示的実施形態によるＭＴＪ層スタックをエッチングするための第２の実施形態を説明する。特に、複数のイオンビームエッチングおよび反応性イオンエッチング技術を使用するエッチングを説明する。まず、図４に示すようにフォトレジスト３１９を塗布した後に、反応性イオンエッチングを使用してハードマスク３１８をエッチングし、イオンビームエッチングを使用して、垂直偏極子２５０を含む上層３１７をＴａＮキャッピング層２３８（上層３１７の一部として図示する）までエッチングする。
【００２５】
ＭＴＪピラーの同様の製造方法は、垂直偏極子２５０などを有する層スタック向けに開発されていないことが理解されるべきである。したがって、従来の製造方法は、反応性イオンエッチングを使用してフォトレジスト３１９をエッチングした後の別個のイオンビームエッチングを意図していない。この例示的実施形態では、２次イオン質量分析法（「ＳＩＭＳ」）終点検出を使用して、イオンビームエッチングをＴａＮキャッピング層２３８で止める。
【００２６】
エッチングの後のさらなる一実施形態では、垂直偏極子２５０の端部でイオンビームエッチングを止めた後に、垂直偏極子２５０の縁部を保護するために絶縁体層をウェハ上に堆積させる。平面エッチングも他の化学的または物理的イオンビームエッチング技術を使用して行うことができることを理解されるべきであるが、絶縁体層を堆積させたら、好ましくは誘導結合プラズマエッチング装置を使用して、平面上で絶縁体の反応性イオンエッチングを行う。エッチングは、平面上の絶縁材料を除去して終了する。この等方性エッチングは、垂直偏極子２５０の側壁に保護絶縁体を残す。
【００２７】
上層３１７をＴａＮキャッピング層２３８（上層３１７の一部である）までイオンビームエッチングした後に、反応性イオンエッチングを行い、残りのＴａＮキャッピング層２３８を除去する。この反応性イオンエッチングが自由層３１６で停止するため、これまでのエッチングと厚さとの不均一性がすべてなくなるように、反応性イオンエッチングによりウェハが平坦化される。上述のように、自由層３１６（自由層２３６として図２にも示す）は、コバルト−鉄−ボロン（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ）合金薄膜からなる。したがって、自由層３１６は、反応性イオンエッチングのこの第２のステップのエッチング止めとして働く。
【００２８】
次に、第２のイオンビームエッチングを行い、自由層３１６およびバリア層３１５をエッチングすることができる。例示的実施形態では、イオンミリングは、２次イオン質量分析法（「ＳＩＭＳ」）終点検出を使用して、所望の点（すなわち、図２にバリア層２３４としても示すＭｇＯバリア層３１５）で終了する。一実施形態では、バリア層３１５のＭｇＯ縁部を確実に清浄かつ平滑にするために、より高角度のエッチングでイオンビームエッチングを終了することができる。最も重要なことには、導電材料がバリア層の側面に再堆積する前にエッチングを止めるべきである。再堆積を防ぐことができない場合には、再堆積材料をバリア層の側面から除去し得ることが意図される。どんなに少量の再堆積材料でも、イオンビームエッチングするステップの後に、４５°以下などの浅い角度でさらなるイオンビームを使用することによって除去し得ることが好ましい。イオンミリングエッチングはＭｇＯバリア層３１５の端部で終了し、これにより、バリア縁部の再堆積材料を除去することが好ましい。要するに、第２の実施形態では、交互のイオンビームエッチング工程および反応性イオンエッチング工程を使用する別個のエッチングするステップを使用して、様々な層をバリア層３１５までエッチングする。
【００２９】
エッチングを第１の実施形態（図５）に従って行おうと、第２の実施形態に従って行おうと、次のステップは、図６に示すようなＭＴＪピラー３３０上への保護絶縁層３２０の堆積を伴う。保護絶縁層３２０は二酸化ケイ素（Ｓｉ０２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などであることが好ましい。例示的実施形態では、保護絶縁層３２０は、原子層堆積（「ＡＬＤ」）法またはプラズマ化学気相堆積（「ＰＥＣＶＤ」）法を使用して、ＭＴＪピラー３３０上に共形的に堆積させることができる。重要なことには、保護絶縁層３２０は、ＭＴＪピラー３３０の水平面および垂直面の両方の上に堆積させ、好ましくは、均一にまたは実質的に均一に堆積させる。例示的実施形態では、保護絶縁層３２０は、数ナノメートル（例えば１ナノメートル〜２ナノメートル）〜１００ナノメートルの厚さを有することが好ましい。一実施形態では、保護絶縁層３２０の厚さは約１０ｎｍである。
【００３０】
低密度のＭＴＪメモリデバイスを製造するために、さらなるフォトレジストステップを、保護絶縁層を備えて、または備えずにピラーの周りに形成してもよく、イオンビームエッチングを使用して、ＭＴＪデバイスを分離し得ることが意図される。
【００３１】
図６に示すように保護絶縁層３２０をＭＴＪピラー３３０上に堆積させた後に、例示的方法により、２つの工程ステップのうちの１つを行い、ＭＴＪ構造内の各メモリデバイスを分離する。図７は、第２のフォトレジストをデバイスの各ＭＴＪピラー上に形成する一実施形態を示す。特に、フォトレジスト層をＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃ上にそれぞれ形成する。フォトレジスト層は、各ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃを覆う保護絶縁層３２０の上に形成する（すなわち、堆積させ、パターンニングし、現像する）。例示的実施形態では、各フォトレジスト層は、上に述べたような各ＭＴＪピラーを形成するために堆積させた元のフォトレジスト３１９より広い幅を有することが意図される。その結果、各ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃの下層／底部コンタクト３１２、反強磁性層３１３および合成反強磁性層３１４のそれぞれは、堆積した第２のフォトレジスト層とほぼ等しい幅を有し、この幅は、各ＭＴＪピラーの上方に堆積した層（すなわち層３１５〜３１９）より幅広い。
【００３２】
図７にさらに示すように、第２のフォトレジスト層を各ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃの上に堆積させたら、本実施形態による製造方法は、イオンビームエッチングするステップを行い、第２のフォトレジスト層によって覆われていない、合成反強磁性層３１４と、反強磁性層３１３と、下層／底部コンタクト３１２とをエッチングすることが意図される。示すように、イオンビームエッチングのこのステップによって、ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃのそれぞれが分離する。
【００３３】
図８は、図７に示す処理ステップの代替案を示し、各メモリデバイスをＭＴＪ構造内に形成する。ＭＴＪピラー３３０上で行うイオンビームエッチング（説明のために下向き矢印として示す）のステップを説明する。イオンビームを、垂直な角度または垂直に近い角度でＭＴＪピラー３３０上に下向きに照射する。このステップでは、イオンビームエッチングによって、ＭＴＪピラー３３０の水平面上の保護絶縁材料を除去するが、側（すなわち、垂直）面はエッチングしない。その結果、図８に示すように、保護絶縁材料３２０ａおよび３２０ｂによって、バリア層および自由層の縁部が完全に保護される。各ＭＴＪピラーが、隣接するＭＴＪピラーそれぞれから電気的に絶縁されるまで、イオンビームエッチングを継続することが好ましい。
【００３４】
図８は、３つのＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃを備えた、イオンビームエッチングの結果生じる構造を示す。ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃそれぞれの垂直面上の保護絶縁材料３２０ａおよび３２０ｂにより、このエッチングするステップ中に、エッチングされた材料がバリア層３１５上に再堆積せず、いかなる損傷もない。さらに、除去しづらく、シャントを引き起こす材料（例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）金属など）が、バリア層３１５と接触するのを防ぐ。このことは、これらの金属が容易に酸化せず、したがって、バリア層３１５上に微量でも再堆積すると著しくデバイス性能を損なうため重要である。保護絶縁材料３２０ａおよび３２０ｂはバリア層３１５の縁部を完全に絶縁するため、絶縁層３２０ａおよび３２０ｂの側面に再堆積するいかなる材料も、シャントを引き起こし得ない。この工程によって、高角度イオンミリング洗浄の必要をなくし、これによって、高密度デバイスを作る時に従来の製造工程が直面する妨げをなくす。
【００３５】
さらに、指向性反応性エッチングを使用して、ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃの水平面上の保護絶縁層３２０を除去し得ることが意図される。指向性反応性エッチングの後に、残るＭＴＪ層をイオンビームエッチングすることができ、またはこれらの技術の異なる組合せを使用することができる。
【００３６】
イオンビームエッチングが完了したら（すなわち、図７）、図９に示すように再びＡＬＤ法またはＰＥＣＶＤ法を使用して、新しい絶縁層３２１をＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃ上に堆積させる。さらに、一実施形態において、新しい絶縁層３２１を堆積させる前に、各ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃの側面の保護絶縁材料３２０ａおよび３２０ｂを反応性イオンエッチングによって除去し得ることが意図される。
【００３７】
図１０は、ウェハを平坦化し、その結果、各ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃのハードマスク３１８を露出させることによるＭＴＪピラーの最終処理ステップを示す。このような平坦化は、従来の化学機械研磨によって行ってもよい。当業者に理解されるべきであるように、このＣＭＰステップ後に、次いで、上部コンタクト層をウェハ（図示せず）上に堆積させることができる。
【００３８】
図１１Ａ〜図１３は、ハードドライブ用読取ヘッド用途のＭＴＪデバイスの製造方法におけるさらに別の例示的実施形態を示す。特に、図１１Ａ〜図１３は、上に述べた図９および図１０に開示したステップの代替ステップを示す。言いかえれば、代替実施形態は、３つの分離したＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃを生じ、各ＭＴＪピラーが、バリア層３１５および自由層３１６の縁部を覆う保護絶縁層を備える、上に述べた同じ最初の製造ステップを意図する。図１１Ａ〜図１３は、図７または図８のいずれかに図示したイオンビームエッチングするステップに続き、自由層３１６にかかる安定化磁場を制御するための方法を提供する。
【００３９】
まず、図１１Ａに示すように、各ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃの水平面および垂直面の上に絶縁層３２２を堆積させる。絶縁層３２２は、二酸化ケイ素（Ｓｉ０２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）などであることが好ましい。代替方法として、絶縁層３２２を堆積させる前に、バリア層の縁部上にある既存の保護絶縁材料３２０ａおよび３２０ｂをまず除去することができ、これを図１１Ｂに示す。有利には、後述するように、新しい絶縁層を堆積させる前に既存の保護絶縁材料３２０ａおよび３２０ｂを除去することで、自由層３１６と磁性安定化層を分離する絶縁層３２２の厚さがより正確に画定される。
【００４０】
どちらの実施形態でも、絶縁層３２２の堆積（図１１Ａまたは図１１Ｂに示したステップ）に続き、図１２に示すように絶縁層３２２の上に磁性安定化層３２３を堆積させる。最後に、図１３は、ウェハを平坦化し、その結果、各ＭＴＪピラー３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃのハードマスク３１８を露出させることによるＭＴＪ読取ヘッドデバイスの最終処理ステップを示す。上に開示した例示的実施形態と同様に、このような平坦化は、従来の化学機械研磨によって行ってもよい。当業者に理解されるべきであるように、このＣＭＰステップ後に、磁性安定化層３２３の磁化をピン留めする別の磁性層と導電リードとをウェハ上に堆積させることができる（図示せず）。保護絶縁層３２２の厚さを変更および制御することによって、図１１Ａ〜図１３に記載した実施形態により、磁性層３２３を安定化させる安定化磁場を有利に修正することができる。この製造の変形形態は、ハードドライブ用ＭＴＪ読取ヘッド用途の動作において重要になり得る。
【００４１】
上記の説明および図面は単に、本明細書に記載する特徴および利点を達成する特定の実施形態を説明するものと考えられるべきである。特定の工程条件を修正および置換することができる。したがって、本特許文献の実施形態は、先の説明および図面によって限定されるものとは見なされない。
「以下の項目は、国際出願時の特許請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）デバイスの製造方法であって、
基準層、前記基準層上に配置されたバリア層、および前記バリア層上に配置された自由層を含む複数のＭＴＪ層を、基板ウェハ上に堆積させるステップと、
前記複数のＭＴＪ層の上方にハードマスクを堆積させるステップと、
前記ハードマスクの一部の上に第１のフォトレジスト層を形成するステップと、
前記ハードマスクおよび前記複数のＭＴＪ層をエッチングして、前記第１のフォトレジスト層の下にＭＴＪピラーを形成するステップであって、前記自由層および前記バリア層がエッチングされ、前記自由層および前記バリア層の側面、ならびに前記ＭＴＪ構造に隣接する前記基準層の表面が露出するステップと、
前記ＭＴＪピラー上、前記自由層および前記バリア層の露出した前記側面上、ならびに前記基準層の露出した前記表面上に第１の絶縁層を堆積させるステップと、
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングして、前記ＭＴＪピラーの水平面および前記基準層の前記露出した表面の上に配置される前記第１の絶縁層の一部を除去するステップと、
前記ＭＴＪ層を前記基板ウェハまでエッチングして、前記ＭＴＪピラーを隣接するＭＴＪピラーから電気的に絶縁するステップと、
前記基板ウェハを平坦化するステップと
を含み、
前記ＭＴＪ層をエッチングする前記ステップが、少なくとも１つの反応性イオンエッチングおよび少なくとも１つのイオンビームエッチングを含む
方法。
（項目２）
複数のＭＴＪ層を堆積させる前記ステップが、
前記自由層上にタンタル窒化物キャッピング層を堆積させるステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層上に垂直偏極子を堆積させるステップと
をさらに含む、項目１に記載の製造方法。
（項目３）
前記ＭＴＪ層をエッチングする前記ステップが、
前記ハードマスクを反応性イオンエッチングするステップと、
前記垂直偏極子をイオンビームエッチングするステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層を反応性イオンエッチングするステップと、
前記自由層および前記バリア層をイオンビームエッチングするステップと
をさらに含む、項目２に記載の製造方法。
（項目４）
前記自由層が、前記タンタル窒化物キャッピング層の前記反応性イオンエッチングのエッチング止めとして働くＣｏＦｅＢ薄膜を備える、項目３に記載の製造方法。
（項目５）
前記垂直偏極子をイオンビームエッチングする前記ステップの後に、第３の絶縁層を前記ＭＴＪピラー上に共形的に堆積させる、項目３に記載の製造方法。
（項目６）
前記ＭＴＪピラーをエッチングして、前記ＭＴＪ構造の水平面上に配置される前記第３の絶縁層の一部を除去するステップをさらに含む、項目５に記載の製造方法。
（項目７）
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップが、前記基板ウェハに対して垂直な角度でイオンビームを照射するステップを含む、項目１に記載の製造方法。
（項目８）
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップの後に、第２の絶縁層を前記ＭＴＪピラー上に共形的に堆積させるステップをさらに含む、項目１に記載の製造方法。
（項目９）
前記バリア層が、マグネシウムの酸化物からなる、項目１に記載の製造方法。
（項目１０）
２次イオン質量分析法終点検出を使用して、前記バリア層の前記イオンビームエッチングを止めるステップをさらに含む、項目３に記載の製造方法。
（項目１１）
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップの前に、第２のフォトレジスト層を前記ＭＴＪピラー上の前記第１の絶縁層上に形成するステップをさらに含む、項目１に記載の製造方法。
（項目１２）
前記第２のフォトレジスト層が、前記第１のフォトレジスト層の幅より大きい幅を前記ＭＴＪピラー上に有する、請求項１１に記載の製造方法。
（項目１３）
磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）デバイスの製造方法であって、
基板ウェハ上に少なくとも１つの下層を堆積させるステップと、
前記少なくとも１つの下層上に反強磁性層を堆積させるステップと、
前記反強磁性層上に、基準層を含む合成反強磁性構造を堆積させるステップと、
前記基準層上にバリア層を堆積させるステップと、
前記バリア層上に自由層を堆積させるステップと、
前記自由層上にタンタル窒化物キャッピング層を堆積させるステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層上に少なくとも１つの上層を堆積させるステップと、
前記少なくとも１つの上層上にハードマスクを堆積させるステップと、
前記ハードマスクの一部の上に第１のフォトレジスト層を形成するステップと、
前記ハードマスクを反応性イオンエッチングするステップと、
前記少なくとも１つの上層をイオンビームエッチングするステップと、
前記タンタル窒化物キャッピング層を反応性イオンエッチングするステップと、
前記自由層および前記バリア層をイオンビームエッチングして、前記自由層および前記バリア層の側面、ならびに前記バリア層の前記側面に隣接する前記基準層の表面を露出させるステップと、
前記ＭＴＪピラー上、前記自由層および前記バリア層の露出した前記側面上、ならびに前記基準層の露出した前記表面上に第１の絶縁層を堆積させるステップと、
前記基板ウェハに対して垂直な角度でイオンビームエッチングして、少なくとも１つのＭＴＪピラーを分離するステップと、
第２の絶縁層を堆積させるステップと、
前記基板ウェハを平坦化するステップと
を含む方法。
（項目１４）
前記少なくとも１つの上層をイオンビームエッチングする前記ステップの後に、第３の絶縁層を共形的に堆積させるステップをさらに含む、項目１３に記載の製造方法。
（項目１５）
前記第３の絶縁層の水平面を除去するさらなる反応性イオンエッチングのステップをさらに含む、項目１４に記載の製造方法。
（項目１６）
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングする前記ステップの前に、第２のフォトレジスト層を前記ＭＴＪピラー上の前記第１の絶縁層上にコーティングするステップをさらに含む、項目１５に記載の製造方法。
（項目１７）
前記第２のフォトレジスト層が、前記第１のフォトレジスト層の幅より大きい幅を前記ＭＴＪピラーの上に有する、項目１６に記載の製造方法。
（項目１８）
磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）デバイスの製造方法であって、
基準層、前記基準層上に配置されたバリア層、および前記バリア層上に配置された自由層を含む複数のＭＴＪ層を、基板ウェハ上に堆積させるステップと、
前記複数のＭＴＪ層の上方にハードマスクを堆積させるステップと、
前記ハードマスクの一部の上に第１のフォトレジスト層を形成するステップと、
前記ハードマスクおよび前記複数のＭＴＪ層をエッチングして、前記第１のフォトレジスト層の下にＭＴＪピラーを形成するステップであって、前記自由層および前記バリア層がエッチングされ、前記自由層および前記バリア層の側面、ならびに前記ＭＴＪピラーに隣接する前記基準層の表面が露出するステップと、
前記ＭＴＪピラー上、前記自由層および前記バリア層の露出した前記側面上、ならびに前記基準層の露出した前記表面上に第１の絶縁層を堆積させるステップと、
前記ＭＴＪピラー上の前記第１の絶縁層上、および前記基準層の前記露出した表面の一部の上に第２のフォトレジスト層を形成するステップと、
前記基板ウェハに対して垂直な角度でイオンビームエッチングして、前記ＭＴＪピラーを分離するステップと、
第２の絶縁層を堆積させるステップと、
前記基板ウェハを平坦化するステップと
を含む方法。
（項目１９）
前記第２のフォトレジスト層が、前記第１のフォトレジスト層の幅より大きい幅を前記ＭＴＪピラーの上に有する、項目１８に記載の製造方法。
（項目２０）
読取ヘッド用途の磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）デバイスの製造方法であって、
基準層、前記基準層上に配置されたバリア層、および前記バリア層上に配置された自由層を含む複数のＭＴＪ層を、基板ウェハ上に堆積させるステップと、
前記複数のＭＴＪ層の上方にハードマスクを堆積させるステップと、
前記ハードマスクの一部の上に第１のフォトレジスト層を形成するステップと、
前記ハードマスクおよび前記複数のＭＴＪ層をエッチングして、前記第１のフォトレジスト層の下にＭＴＪピラーを形成するステップであって、前記自由層および前記バリア層がエッチングされ、前記自由層および前記バリア層の側面、ならびに前記ＭＴＪ構造に隣接する前記基準層の表面が露出するステップと、
前記ＭＴＪピラー上、前記自由層および前記バリア層の露出した前記側面上、ならびに前記基準層の露出した前記表面上に第１の絶縁層を堆積させるステップと、
前記ＭＴＪピラーをイオンビームエッチングして、前記ＭＴＪピラーの水平面および前記基準層の前記露出した表面の上に配置される前記第１の絶縁層の一部を除去するステップと、
前記ＭＴＪピラー上に第２の絶縁層を堆積させるステップと、
前記第２の絶縁層上に磁性安定化層を堆積させるステップと、
前記基板ウェハを平坦化するステップと
を含み、
前記エッチングするステップが、少なくとも１つの反応性イオンエッチングおよび少なくとも１つのイオンビームエッチングを含む
方法。
【図１】
0006762231.tif 000002
【図２】
0006762231.tif 000003
【図３】
0006762231.tif 000004
【図４】
0006762231.tif 000005
【図５】
0006762231.tif 000006
【図６】
0006762231.tif 000007
【図７】
0006762231.tif 000008
【図８】
0006762231.tif 000009
【図９】
0006762231.tif 000010
【図１０】
0006762231.tif 000011
【図１１Ａ】
0006762231.tif 000012
【図１１Ｂ】
0006762231.tif 000013
【図１２】
0006762231.tif 000014
【図１３】
0006762231.tif 000015