消除磁性随机存取存储器器件结构中的电短路的干法蚀刻停止工艺的制作方法

专利名称：消除磁性随机存取存储器器件结构中的电短路的干法蚀刻停止工艺的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及半导体制造，具体涉及制造包含例如用于磁性隧道结器 件(magnetic tunnel junction device)和存储器器件的金属-绝缘体-金属分层
薄膜堆叠的器件结构。
背景技术：
金属-绝缘体-金属的层叠膜用作例如磁性随机存取存储器(MRAM, magnetic random access memory )等的存储器器件中的存储元件。用于MRAM 技术的存储器元件是多层材料的图案化结构并且通常由例如Ni:Fe、 CoFe、 PtMn、 Ru等的不同材料的堆叠构成，并可以包括例如Al203或MgO的绝缘 体性(insulator-like )材料。典型的堆叠可以包含多达十层或更多层的这些材 料，这些材料中的一些是非磁性的， 一些是磁性的，并且一层或两层是绝缘 的。本说明书中的绝缘膜定义为其体形式表现出高电阻的氧化或氮化金属 层。为了制作存储元件，需要逐层地以重叠的毯式膜的形式沉积材料，以形 成光致抗蚀剂的图案层并将膜蚀刻成合适的结构。
已经采用离子束研磨或者离子束蚀刻工艺来移除磁阻材料。然而，离子 束研磨是物理研磨工艺。未被掩模保护的区域通过离子轰击被移除。离子轰 击溅射或剥离未保护的材料。离子束研磨以低的选择性工作，接近掩模边缘 的堆叠部分或者MRAM单体(cell body)的边界可能容易被损坏。
化学蚀刻技术也已经被采用以选择性地移除部分沉积层。蚀刻技术的实 例包括干法蚀刻技术和湿法蚀刻技术。目前的蚀刻技术的一个缺点是MRAM结构轮廓容易受到穿过薄隧道结 的电短路的影响。在绝缘电介质隧道层上面的上磁体(UM)层和该隧道层 下面的下磁体层之间的垂直隔离不足以防止电短路。

发明内容
本发明的实施例旨在，其一，在等离子体过蚀刻上^t性层期间由隧道势 垒层充当停止层制作^i性隧道结(MTJ)器件。得到的MTJ器件显示出穿过 隧道势垒层的优良的电隔离。
在本发明的另 一个实施例中，在等离子体过蚀刻期间所使用的气体优选 排除导致上磁性层相对于隧道势垒层的高的选择性蚀刻的包含卣素的种类。 在气体中引入氧气可以提高工艺的可重复性。
在本发明的再一个实施例中，氟氯混合气体用来局部地蚀刻在隧道势垒 层上的磁体层。
最后，另一个实施例旨在在光致抗蚀剂(PR)掩模剥离之前或期间使用 He和H2气体的腐蚀等离子体处理。可选择地，剥离步骤之后可以采用水清 洗及He和H2去水烘烤。


图1.具有》兹性隧道结的典型的MRAM结构
图2.具有石兹性隧道结的简化的MRAM结构
图3.发明的MRAM的工艺工序
图4.发明的MRAM的工艺工序
图5a.发明的MRAM的工艺工序
图5b.发明的MRAM的工艺工序
图6.顶接触图案化之后的MRAM堆叠结构
图7.反应磁体层蚀刻步骤之后的MRAM堆叠结构
图8.反应；兹体层蚀刻之后的MRAM堆叠结构
图9.本发明的MRAM图案化工序的实施例，其中隧道电介质层在特征 的附近没有缺口 ，而是在不极接近掩模特征的区域中有缺口 。
图10.本发明的MRAM图案化工序的实施例，其中在蚀刻停止工艺之 前的反应蚀刻步骤期间，故意蚀刻磁性堆叠层具有倾斜的轮廓。
ii图11.蚀刻50ANiFe/15A氧化铝/50ANiFe堆叠结构期间获得的发光射 信号强度图。图中的两个峰表明两个NiFe层的移除。两个峰之间的时间表 明移除15A氧化铝层所需要的时间。从用于产生该图的工艺获得的NiFe对 于氧化铝的蚀刻选择性大于90: 1。
图12. CoFe、 NiFe和氧化铝的蚀刻溅射速率曲线图。
图13.反应》兹体层蚀刻(见图6)和蚀刻停止工艺之后的MRAM堆叠 结构。
图14.反应》兹体层蚀刻(见图7)和蚀刻停止工艺之后的MRAM堆叠 结构。
图15.在反应磁体层蚀刻(见图8)和蚀刻停止工艺之后的MRAM堆
叠结构。
具体实施例方式
本发明部分地基于开发用于制作在磁性随机存取存储器(MRAM)器件 中使用的磁性隧道结(MTJ)器件的图案化方法。正如这里要进一步描述的， 本发明的关键方面是由发明的工艺制备的MTJ器件相比于现有技术提供了 与电介质隧道层接触的磁体层之间的优良电隔离。
其中包含有MTJ的典型MRAM结构在图1中示出。MRAM结构是在 衬底上的,兹性、导电和绝缘膜的复合堆叠。在图1中，示出了典型MRAM 结构的具体部件并且由衬底10、势垒层12、底接触(BM)层14、由CoFe、 Ru、 NiFe、 IrMn、 PtMn等的层构成的多层固定磁体结构16、例如氧化铝或 MgO的电介质隧道层18、可变换(switchable) i兹体层20 (NiFe、 CoFe、 CoNiFe、 CoFeB等)和顶接触层22 (Ta、 TaN、 Ti、 W等)构成。
图1中还示出了硬掩模(HM)层24、抗反射涂层(ARC)26和图案化的 光致抗蚀剂层28。光致抗蚀剂层28是光敏材料，通常被电子器件制造领域 的技术人员作为掩模用于蚀刻光致抗蚀剂下面的一层或者多层下层，使得未 被抗蚀剂层保护的下层的部分可以被蚀刻掉。抗反射涂层26，典型厚度是 300A到800A,通常用于吸收辐射以形成不透光的膜来提高成像抗蚀剂的对 比度。ARC涂层有效地减少了返回到上面PR掩模层的入射辐射的反射。这 防止了光致抗蚀剂材料的过曝光。硬掩模层24通常作为居间的掩模传递层 而被用于器件制造。当使用时，光致抗蚀剂用作干法蚀刻掩才莫将图形转印至硬掩模和可能的一个或多个下层，此后，硬掩模层用作掩模将图形转印至未 使用光致抗蚀剂定义的剩余的下层。例如二氧化硅和氮化硅的硬掩模通常用 作改善相对于抗蚀剂的掩模耐久性的方法，并用作允许在聚合物光致抗蚀剂 层的软化点以上的温度进行处理的方法。
典型地，-兹性堆叠结构形成在衬底10上。衬底IO可以包括具有暴露表 面的任何结构。结构优选这些用于半导体器件制造的结构，诸如硅晶片、绝
缘体上硅(SOI)、蓝宝石上硅(SOS)、掺杂和未掺杂碳化铝钛(AlTiC)的 半导体、in-V或II-VI半导体、由基体半导体基座(foundation)支撑的硅外 延层以及其它半导体结构。半导体不一定是硅基的。半导体可以是硅锗、锗 或者砷化镓。结构还可以是例如玻璃或者聚合物的非半导体。衬底10可以 包括与磁性多层堆叠能结合使用的例如晶体管、二极管、电容器、和电阻器 的埋入电子器件，或者任何其它器件或电路元件。
对于图1所示的包含有MTJ的典型多层MRAM结构，应该理解的是具 体的层，例如形成多层结构的材料和它们的布置可以变化。MTJ和MRAM 结构在本领域内是已知的并被描述过，例如在Yates等的名称为"Methods of Fabricating an MRAM Device Using Chemical Mechanical Polishing(利用4匕学 机械抛光的MRAM器件的制造方法)"的美国专利6，673,675、 Lu等的名称为
存取存储器(MRAM)单元图案化)，，的美国专利6，677，165、 Gurney等的名 称为"Magnetic Memory with Tunnel Junction Memory Cells and Phase Transition Material for Controlling Current to the Cells (具有用于控制单元电流 的隧道结存储器单元和相变材料的磁性存储器)"的美国专利6,653,704、 Pendharkar等的名称为"Process for Patterning Magnetic Films (用于图案化》兹 性膜的工艺)"的美国专利6,024,885和Gallagher等的名称为"Magnetic Tunnel Junctions with Controlled Magnetic Response(具有控制；兹响应的石兹性隧道结)" 的美国专利5,650,958中被描述过，它们的内容通过引用方式结合于此。
应该理解的是,兹性膜堆叠的取向可以相对于图1所示的顺序反转。也就 是，膜结构的取向可以使得膜堆叠以反向的顺序沉积，反向顺序为顶接触层 和自由磁体层在电介质隧道层的下方并且多层固定的和反铁磁性层放置在 电解质隧道层的上方。还应该理解的是磁性膜堆叠可以包括取向是自由层被 沉积在电介质隧道层上方或电介质隧道层下方的若干^t性隧道结，并保持在本发明的方法范围内。
在图2所示的一个筒化实施例中，MTJ堆叠包括衬底10、底接触层14、 固定的底磁体(BM)层16、电介质隧道层18、可变换上磁体层20和顶接 触层22。堆叠结构用光致抗蚀剂层28图案化。该筒化结构将用于下面的本 发明优选实施例的描述。
发明的蚀刻停止工艺工序在图3、 4和5中^皮提供。
图3示出发明的工艺工序，其中磁性堆叠被沉积100、 PR被图案化102、 硬掩模和顶接触层之一被刻蚀或者二者都被蚀刻，并且反应蚀刻工艺被用来 去除部分上磁体层106。跟着上磁体层的反应蚀刻106, MTJ器件结构直接 经历(exposed to)发明的蚀刻停止工艺108,或者首先经历由DI清洗、PR 剥离和等离子体塞腐蚀处理构成的腐蚀处理工序，接着为发明的蚀刻停止工 艺108。
在图3所示的其中本发明的蚀刻停止工艺108直接跟着上》兹体的反应局 部蚀刻106的一个实施例中，MTJ器件结构的图案化完成，并且器件被移到 后续处理114。在发明的蚀刻停止工艺108直接跟着上磁体的反应局部蚀刻 106的第二个实施例中，器件经历防止腐蚀的处理工序。当器件从真空移出 并随后将蚀刻膜暴露于周围环境条件下的湿气时，磁性膜暴露于含氯和含溴 的蚀刻化学物质会产生不利的反应。取决于膜的敏感性，已经开发了各种工 序以防止如图3所示的不利的腐蚀反应。
在本发明的工艺的一个实施例中，其中采用防腐蚀处理并且在隧道层上 的蚀刻停止108之后采用腐蚀处理，腐蚀处理工序包括DI水清洗110，接着 是光致抗蚀剂剥离/腐蚀处理112。在本发明的工艺的第二个实施例中，其中 采用防腐蚀处理并且在隧道层上的蚀刻停止108之后采用防腐蚀处理，防腐 蚀处理工序包括光致抗蚀剂剥离/腐蚀处理112，接着为DI水清洗110。
在图3所示的一个实施例中，其中本发明的蚀刻停止工艺108不直接跟 着上磁体的反应局部蚀刻106,而是之前先进行防腐蚀处理110和112。在 图3所示的其中本发明的蚀刻停止工艺不直接跟着上;兹体的反应局部蚀刻 106的第一个实施例中，在隧道层上的本发明的蚀刻停止108之前，MTJ器 件结构经历DI水清洗110，接着经历光致抗蚀剂剥离/腐蚀处理112。在其中 本发明的蚀刻停止工艺108不直接跟着上石兹体的反应局部蚀刻106的第二个 实施例中，在隧道层上的发明的蚀刻停止108之前，器件经历光致抗蚀剂剥离/腐蚀处理112，接着为DI水清洗。
图4示出发明的工艺工序，其中》兹性堆叠被沉积100、 PR一皮图案化102 以及硬掩模被蚀刻103。跟着硬掩模蚀刻103, MTJ器件结构经历光致抗蚀 剂剥离工艺107或者经历反应蚀刻工艺105以去除顶接触层和反应蚀刻工艺 106以移除部分上磁体。在其中光致抗蚀剂剥离工艺107跟着硬掩模蚀刻工 艺103的本发明工艺的第一个实施例中，在光致抗蚀剂工艺107之后，MTJ 器件面临反应蚀刻工艺105以移除顶接触层和反应蚀刻工艺106以移除部分 上磁体层。在其中去除顶接触层的反应蚀刻工艺105和移除部分上磁体层的 反应蚀刻工艺106跟着硬掩模蚀刻工艺103的本发明工艺的第二个实施例 中，MTJ器件随后经历光致抗蚀剂剥离工艺107。
跟着光致抗蚀剂剥离107以及移除顶接触层的反应蚀刻工艺105和移除 部分上磁体层的106的联合步骤，MTJ器件直接经历蚀刻停止工艺108,或 者首先经历包括DI清洗和等离子体基腐蚀处理113的腐蚀处理工序，跟着 为发明的蚀刻停止工艺108。
在图4所示的其中本发明的蚀刻停止工艺108直接跟着上》兹体的反应局 部蚀刻106，或者跟着在其之前先进行上磁体的反应局部蚀刻106的光致抗 蚀剂剥离工艺107的一个实施例中，MTJ器件结构的图案化完成并且器件被 转移到后续工艺114。在其中本发明的蚀刻停止工艺108直接跟着上^t体的 反应局部蚀刻106或者跟着在其之前先进行上磁体的反应局部蚀刻106的光 致抗蚀剂剥离工艺107的第二个实施例中，器件经历防腐蚀的处理工序。当 器件从真空移出并随后将蚀刻膜暴露于周围环境条件下的湿气时，磁性膜暴 露于含氯和含溴的蚀刻化学物质会产生不利的反应。取决于膜的敏感性，已 经开发了各种工序用于防止如图4所示的不利的腐蚀反应。
在其中采用防腐蚀处理并且其中跟着隧道层上的蚀刻停止108采用腐蚀 处理的本发明工艺的一个实施例中，防腐蚀处理工序包括DI水清洗110，接 着为等离子体基腐蚀处理112。在其中釆用防腐蚀处理并且跟着隧道层上的 蚀刻停止108采用防腐蚀处理的本发明工艺的第二个实施例中，防腐蚀处理 工序包括等离子体基防腐蚀处理112，接着为DI水清洗llO。
在图4所示的其中本发明的蚀刻停止工艺108不直接跟着上磁体的反应 局部蚀刻106的一个实施例中，而是之前先进行防腐蚀处理110和113。在 图4所示的其中本发明的蚀刻停止工艺不直接跟着上磁体的反应局部蚀刻
15106的第一个实施例中，在隧道层上的本发明的蚀刻停止108之前，MTJ器 件结构经历DI水清洗，接着为等离子体基腐蚀处理113。在其中本发明的蚀 刻停止工艺108不直接跟着上磁体的反应局部蚀刻106的本发明工艺的第二 个实施例中，在隧道层上的本发明的蚀刻停止108之前，器件经历等离子体 基腐蚀处理113，接着为DI水清洗。
图3和图4中所示的后续工艺114的两种途径示于图5a和5b中。这些 图描述了两种具体方法，其具体地利用了由发明的蚀刻停止工艺步骤108提 供的独特能力。
在图5a中，分隔物用来钝化MTJ器件结构的侧壁以防止后续工艺期间 的电短路。侧壁分隔物与例如由图3和图4所示的蚀刻停止工艺108描述的 蚀刻停止工艺结合使用。图5a示出跟着图3和图4所示的本发明的蚀刻停 止工艺108的后续处理步骤的优选实施例。在该优选实施例中，图3和图4 中所描述的后续工艺114包括分隔物电介质沉积130、分隔物蚀刻132以 及底磁体/底接触蚀刻134来完成该工艺或者在底磁体/底接触蚀刻134之后 是DI水清洗步骤，接着是等离子体基防腐蚀处理142。可选地，在进行器件 的后续处理150之前，如图5a所示，等离子体基防腐蚀处理142可以在DI 水清洗之前进行。
在图5b中，示出后续工艺114的替代方法，其中例如二氧化硅或者氮 化硅的绝缘硬掩模层被沉积120、光致抗蚀剂被图案化122、硬掩模被蚀刻 124、光致抗蚀剂被剥离126并且底》兹体和底接触被蚀刻128。在该方法中， 光致抗蚀剂的图案化使得二氧化硅或者氮化硅硬掩模层侧向延伸超过由初 始硬掩才莫蚀刻103、上接触蚀刻105、反应上》兹体蚀刻106和蝕刻停止工艺 108制造的垂直侧壁。在光致抗蚀剂图案化122时，超过垂直侧壁的硬掩模 120的侧向延伸应该使得初始硬掩模的侧壁、上接触和上磁体层在硬掩模层 蚀刻124之后保持由硬掩模层覆盖120。
利用膜沉积领域技术人员采用的技术，包括MRAM堆叠或者其它；兹性 器件结构的层^C沉积100。膜可以利用物理气相沉积、化学气相沉积、原子 层沉积、纳米层沉积、原子层沉积、蒸发以及其它技术沉积。堆叠中的膜还 可以通过这些方法中的 一种以 一种形式来沉积，并在第二个腔室中随后一皮改 性。例如，氧化铝(A1203 )电介质可以通过沉积铝层并随后使铝经历氧化工 艺形成氧化铝而形成。相似地，MgO可以通过沉积4美层并随后〗吏Mg经历氧化工艺形成MgO而形成。
光致抗蚀剂沉积和图案化步骤102用以产生用于定义MTJ或者MRAM 堆叠的图案。尽管在图2中的简化MRAM堆叠实例中未示出，但抗反射涂 层可以与光致抗蚀剂结合使用以改善图形转印的精确性。此外，硬掩模层可 以加入在光致抗蚀剂和顶接触层之间。诸如二氧化硅和氮化硅的硬掩模层可
接触层的双重作用。图2示出在磁性堆叠沉积100和随后的光致抗蚀剂图案 化102之后的简化的MRAM堆叠结构。
在优选实施例中，硬掩模层和上接触层利用本领域技术人员采用的常规 技术被图案化103。如果介绍的话，则用于反应蚀刻氧化硅硬掩模的常规工 艺的一个实例是使用CF4、 CHF3和Ar的混合物。氧化物蚀刻工艺在文献中 可大量地得到。相似地，通常用于反应蚀刻顶导电体层工艺104、 105的化 学物质的实例是使用Ar/Cl2的混合物。再次地，金属接触层蚀刻在文献中已 经大量地发表。氧化物和氮化物硬掩模及金属接触层已经使用了很多年，并 且用来去除这些层的技术对于本领域的技术人员来说是显而易见的。接触蚀 刻之后的简化MRAM堆叠结构示于图6。
在》兹性多层堆叠中存在的磁性层的移除在本领域中并没有很好地被确 定。在本发明的范围内，是特别适合于反应上磁体层蚀刻106与蚀刻停止工 艺108联合的工艺的使用。本发明的工艺106包括例如Cl2、 BCl3和HCl的 含氯气体和例如CF4、 SF6和CHF3的含氟气体的气体混合物以移除部分顶》兹 体层。可选地，包含Cl和F原子的气体分子可以使用。含氯气体与含氟气 体的比例应该在2: 1到20: 1的范围内。在Tegal公司制造的Spectra⑧感应 耦合工艺模块中所证明的用于反应蚀刻步骤106的典型工艺条件如下 13.56MHz的400W射频功率的感应源线圈、450kHz的20W射频功率施加至 衬底、40sccm Cl2、 8sccm CF4和4mT工艺压强。反应；兹体层蚀刻106之后 的简化MRAM堆叠结构示于图7。
已经发现作为含氯蚀刻工艺添加剂的氟的引入可以产生光滑的蚀刻表 面(如图8所示)并防止氯物质扩散通过在反应上磁体蚀刻步骤106之后剩 余的非常薄的磁性材料膜。含氟/氯气体混合物的使用允许上磁体层的移除在 剩余的上磁体层和下面的电解质隧道层之间的界面的5-25A范围之内。
在本发明的反应上;兹体蚀刻工艺106的优选实施例中，剩余的上磁体层
17将蚀刻以尽可能地接近剩余的上磁体层20和下面的电介质层18间的界面，
而不会在转移到例如蚀刻停止工艺108、 DI水清洗110或者PR剥离/腐蚀处 理112的后续处理步骤之前穿透在特征附近的隧道电介质层。在优选实施例 中，上磁体层20被均勻地蚀刻，并且如图7所示在反应上石兹体层蚀刻106 的期间下面的电介质层18不会在晶片上的任何位置有缺口 。
然而，在本发明工艺的一个实施例中，上^兹体层20被完全移除并且下 面的电介质层18有缺口 ，但不在极接近图案化的MTJ堆叠特征的范围内(见 图9)。在本发明工艺的此实施例中，上磁体层蚀刻106由包含下列气体的一 种或多种气体或者气体混合物的蚀刻工艺被去除Cl2、 Cl2/Ar、 C12/CF4、 C12/CHF3、 Cl2/Ar、 BC13/C12、 BCl3/Cl2/Ar、 BCl3/HBr、 BCl3/HBr/Ar、 NH3、 NH3/CO。
在另一个实施例中，上磁体层20完全被移除，下面的电介质层18在极 接近图案化的MTJ堆叠的倾斜区域的外部也被移除，且全部或者部分底磁体 层16和全部或者部分底接触层14也被移除(见图10)。该实施例的独特优 势是整个MRAM结构由单个的掩模图案化，不需要后续的工艺步骤114。在 本发明工艺的实施例中，上;兹体层蚀刻106由包含下列反应气体的一种或多 种气体以及气体混合物的蚀刻工艺移除Cl2、 Cl2/Ar、 C12/CF4、 C12/CHF3、 Cl2/Ar、 BC13/C12、 BCl3/Cl2/Ar、 BCl3/HBr、 BCl3/HBr/Ar、 NH3、 NH3/CO。
在反应步骤106中未被去除的上;兹体层的剩余物，在前述的实施例中随 后利用蚀刻停止工艺108被去除，在优选实施例中，蚀刻停止工艺108包括 例如氩的非活性气体和例如氧的氧化气体，由此隧道势垒层的电介质充当停 止层。在优选实施例中，惰性气体流量典型地在10到350sccm的范围，含 氧气体的流量在0.02到0.15 sccm的范围。实际的含氧气体流量可以根据惰 性气体的流量、含氧气体的选择以及使用的等离子体系统的类型而变化。在 Tegal公司制造的Spectra⑧感应耦合工艺模块中使用的用于200 mm直径的硅 衬底的典型工艺108如下13.56MHz的100W射频功率的源线圈、450kHz 的20W射频功率施加至衬底、350sccm的Ar、 0.08sccm的02和10mT的工 艺压强。上面提供的用于蚀刻停止、溅射工艺步骤108的条件旨在提供示例 性的条件，在Tegal公司制造的Spectra ICP工艺模块中，已经发现其在NiFe 和氧化铝之间产生~卯1的溅射选择性(见图11 )。
很多的工艺条件和腔室构造都可以用于产生上,兹体材料和电介质间的高选择性的结果。在获得高选择性方面必须考虑的两个因素是工艺腔室中惰 性气体与含氧气体的比例的控制以及在低偏置功率水平下运行工艺。这两个 因素将在下面的段落更详细地讨论。
在优选实施例中，蚀刻停止工艺要求上;兹体层20和下面的电介质层18
之间的高选择性(>5:1 )。期望上;兹体层以比下面电介质层18,例如A1203 的蚀刻速率快至少5倍的速率被蚀刻。是可能精确控制NiFe/CoFe的蚀刻速 率的，因为NiFe及CoFe和例如A1203及MgO的氧化金属之间的溅射阈值 有着显著的差别。使用Tegal公司(Petaluma, CA )制造的Spectra⑧工艺模块 进行了证实这些现象的试验。
具体地，NiFe和CoFe的賊射速率利用单层测试晶片测定，氧化铝的蚀 刻速率利用氧化铝/NiFe测试结构测定。测试结构包括具有沉积于其上的 NiFe层的衬底和在NiFe上的非常薄的氧化铝(~ 15A)层。测定的氧化铝 蚀刻速率是在包含磁性隧道结的堆叠中可以发现的薄膜特性的代表。
正如从图12中的曲线图所看到的，与溅射氧化铝的初始相比，观察到 了賊射磁性合金的初始与其之间的显著差别。以大于10W且低于25W的偏 置功率级在氧化铝/NiFe测试结构上进行的蚀刻速率测试中还观察到氧化铝 没有产生可测量的蚀刻。这些观察说明在具体的工艺条件下相当大量的NiFe 和CoFe可以从TMR堆叠中蚀刻掉，而同时在等量的时间内仅有少量的氧化 铝移除。
跟着如图7、 9和10所示的反应蚀刻步骤106及蚀刻停止工艺108的优 选实施例的结果器件轮廓示于图13、 14、和15中。在这些实施例的每个中， 在反应蚀刻步骤106之后作为上磁体层20的剩余的残余金属膜被从下面的 电介质层18移除。以低偏压无反应蚀刻停止108移除在反应步骤106之后 剩余的上磁体层20提供了优于其它熟知方法的电隔离且没有损坏下面的电 介质层18。在本发明工艺的三个实施例的每个中都提供了几何隔离且没有电 短路的固有危险，已知电短路会限制并入MTJ堆叠的结构的器件性能。上磁 体层20和下磁体层16之间的优良电隔离同样可以由本发明的工艺实现，且 没有在工艺阶段涉及与使用腐蚀性化学物质相关联的危险，这对于生产可靠 的器件是非常关键的。
上面提供的用于蚀刻停止108的典型工艺条件旨在成为被发现在NiFe 或CoFe与氧化铝之间产生了格外高的选择性的代表工艺。在本发明的蚀刻
19停止工艺108的范围内，可以使用在Spectra反应器中的工艺条件的变化。
还可以在其它的感应耦合等离子体反应器、电容耦合等离子体反应器、 电子回旋共振反应器和其它的为了从磁性膜制作器件的目的而用于产生等 离子体的反应器中开发利用第 一步骤和第二步骤之一或两者的方法的相似 工艺并仍然在发明工艺的范围内，其中第一步骤使用含氯和含氟气体的混合 物移除上;兹体层块，第二步骤使用惰性气体和含氧气体的混合物用于在电介 质隧道层上停止。附加地，为了利用电介质层作为蚀刻停止的目的，使用惰 性气体和含氧气体的混合物而没有使用含氯和含氟的气体混合物以移除上 磁体层块的初始步骤也在本发明工艺的范围内。
在上述的用于蚀刻停止108的示例性实施例中，使用氩和氧的气体混合 物观察到了 NiFe与氧化铝之间的高的选择性。使用惰性和氧化组分之一或 二者替代优选实施例的在刻蚀停止工艺108中用于表明NiFe/氧化铝的~ 90: 1的选择性的氩气/氧气的混合物在本发明工艺的范围内。举例来说，氦、氖、 氪和氮可用于替代氩或者与氩结合以提供蚀刻停止工艺108的惰性组分。相 似地，其中，氧的代替物例如N20、 NO、 CO和(302可用于替代氧或者与氧 结合以产生蚀刻停止工艺108的氧化组分。可选地，在本发明的工艺范围内， 可以通过除故意卩)入含氧气体以外的方法控制蚀刻腔室中的氧的水平来去 除含氧气体，正如要在下面的段落中讨论的。
已经证实当利用例如氩的惰性溅射气体，等离子体溅射包括过渡金属的 磁性层，例如NiFe时，等离子体腔室中的氧的量的调节可以影响相对于下 面氧化铝的蝕刻选择性。也就是，通过控制进入等离子体腔室的氧流量可以 获得更高的NiFe/氧化铝选择性。等离子体过蚀刻工艺的一个实施例要求将 背景氧减少至不影响蚀刻工艺的水平并同时以可测量和可控制的方式将氧 再次引入等离子体腔室。举例来说，可以进入等离子体腔室的背景氧源包括 (1)含氧的内部腔室部件的溅射；(2)大气的氧；(3)来自腔室中的材料 的除气；及(4)工艺系统中的其它处理模块。
当腔室中的"未控制"的背景氧减少时，通过将极少量(例如，~ 0.08sccm) 的氧再次引入腔室可以优化NiFe和氧化铝之间的选择性。再次引入氧的一 种技术采用了两个连接至腔室的独立的载气源。第一源向等离子体腔室供应 包括99.9 %氩和0.1 %氧的Ar/02气体混合物，而第二源并行地向腔室供应包 含100%氩的气体。当向等离子体腔室再次引入氧时，优选地腔室的基础压强减少至 0.001mT或更小。可选地，内部腔室部件的表面的溅射应该减到 最小或者被控制。举例来说，感应源功率应该降低(100-200W)以最小化窗 口溅射。腔室中的过量的氧可能降低金属性〃磁性膜的蚀刻速率并且可能导致 磁性层和电介质层间的选择性的降低。
可选地，在第二种技术中，通过分离氧源和工艺腔室孔(orifice)将氧 引入工艺腔室。确定通孔的尺寸使得当其与惰性气体混合时含氧气体的流量 造成上磁体膜和隧道电介质之间的溅射选择性的提高。
在本专利的范围内还可以使用其它的方法，将控制级别的氧引入至惰性 气体从而为在电介质层上选择性蚀刻磁性材料提供需要的条件。在这样的实 施例中，等离子体反应器中，含氧材料的内表面的溅射可以用作氧源。在该 实施例中，可以通过例如质量流量控制器或针阀的常规工具以使得在要被蚀 刻的上磁体层的表面产生惰性气体和含氧物质的混合物的体积将例如氩的 惰性气体引入，使得产生磁性材料和隧道电介质层间的选择性移除。应该调 节工艺条件使得磁性材料以^A/min被去除，电介质层以〈lA/min的速率被 去除。
在该发明的另一个实施例中，通过控制泄漏至真空腔室的大气气体来设 置含氧气体的水平。典型地，等离子体基半导体制造工艺在O.l到1000毫托 的范围内进行。在这样的次大气(sub-atmospheric)条件下，可以通过不完 全密封、通过多孔材料以及来自工艺腔室中的部件除气而将氧不经意地引 入。在常规等离子体工艺设备中，可以容易地测定泄漏速率。
在该实施例中，可以通过例如质量流量控制器或针间的常规工具以使得 在要被蚀刻的上磁体层的表面产生惰性气体和含氧物质的混合物的体积将 例如氩的惰性气体引入，使得产生磁性材料和隧道电介质层间的选择性移 除。在本发明的范围内，途径是控制来自大气的含氧泄露并结合通过传统方 法？ 1入控制流量的惰性气体，从而产生所需的惰性气体和含氧物质的混合物 以达到磁性材料以〉5A/min且电介质层以〈A/min的速率移除的程度。
移除光致抗蚀剂和防止腐蚀的工艺，即图3中的112、图4中的113、 图5a中的142和图5b中的126及142必须与；兹性月莫结构兼容。适合于抗蚀 剂移除和适合于防止由MRAM膜堆叠暴露于含卤素蚀刻化学物质引起的腐 蚀的含氢气体混合物的使用在本发明的范围内。在优选实施例中，将磁性膜 堆叠暴露于含氢等离子体以移除光致抗蚀剂、以使石兹性层经历当被暴露于周
21围环境条件时可以防止腐蚀的工艺或者两者都实现。以氢和惰性气体，例如 氦、氖、氩、或者氮的混合物的形式将氢引入工艺腔室中。
权利要求
1、一种用于制造磁性结存储器器件的工艺，包括(a)设置衬底；(b)在所述衬底上形成绝缘层；(c)在所述绝缘层上形成顶金属层；以及(d)相对于下面的所述绝缘层选择性地移除所述顶金属层，其中，选择性移除的工艺在非活性气体环境中进行，并包括用所述顶金属层和所述绝缘层的溅射阈值之间的偏置功率将偏压施加至所述衬底。
2、 根据权利要求1所述的工艺，其中所述非活性气体是Ar、 He、 Ne、 Kr、 N2或者Xe，或者它们的4壬意组合。
3、 根据权利要求1所述的工艺，还包括在所述绝缘层下形成底金属层 的步骤。
4、 根据权利要求1所述的工艺，其中由所述非活性气体形成等离子体。
5、 根据权利要求1所述的工艺，其中所述绝缘层包括氧化铝、氧化镁、 或者任意绝缘氧化物。
6、 根据权利要求1所述的工艺，其中上金属层包括磁性层、部分MRAM 堆叠结构、或者NiFe、 CoFe、 CoNiFe和CoFeB层中的一层或多层。
7、 一种用于制造磁性结存储器器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶层；以及(d) 相对于下面的所述绝缘层选择性地移除所述顶金属层，其中，选择性移除的工艺包括利用非活性气体和< 1 %的含氧气体的混合 物的物理濺射工艺。
8、 根据权利要求7所述的工艺，其中所述非活性气体是Ar、 He、 Ne、 Kr、 N2或者Xe,或者它们的任意组合。
9、 根据权利要求7所述的工艺，其中所述含氧气体是O、 02、 N20、 NO、空气、CO或者它们的任意组合。
10、 根据权利要求7所述的工艺，其中所述混合物是99.9%的Ar和 0.1 %的02。
11、 根据权利要求7所述的工艺，其中所述非活性气体和所述含氧气体 的混合物通过第一流量控制器被引入，所述非活性气体通过第二流量控制器 被引入。
12、 根据权利要求7所述的工艺，其中所述第一流量控制器提供80 sccm 的Ar和0.08 sccm的02，所述第二流量控制器提供270 sccm的Ar。
13、 根据权利要求7所述的工艺，其中所述非活性气体在10到350 sccm 的范围，所述含氧气体在0.02到0.15 sccm的范围。
14、 根据权利要求7所述的工艺，其中含氧气体通过含氧固体的固体源 的溅射被引入至所述工艺。
15、 根据权利要求14所述的工艺，其中所述固体源包括氧化铝或者石英。
16、 根据权利要求7所述的工艺，其中含氧气体通过控制来自于周围环 境的泄漏被引入。
17、 根据权利要求7所述的工艺，还包括在所迷绝缘层下形成底金属层 的步骤。
18 、根据权利要求7所述的工艺，其中由所述非活性气体形成等离子体。
19、 根据权利要求7所述的工艺，其中所述绝缘层包括氧化铝、氧化镁、或者任意绝缘氧化物。
20、 根据权利要求7所述的工艺，其中上金属层包括磁性层、部分MRAM 堆叠结构，或者NiFe、 CoFe、 CoNiFe和CoFeB层中的一层或多层。
21、 一种用于制造^t性结存储器器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；以及(d )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除所述顶金属层， 其中，选择性移除的工艺包括i) 用所述顶金属层和所述绝缘层的溅射阔值之间的偏置功率将偏压施 加至所述一于底；以及ii) 利用非活性气体和<1%的含氧气体的混合物的物理溅射工艺。
22、 根据权利要求21所述的工艺，其中所述非活性气体是Ar、 He、 Ne、 Kr、 N2或者Xe，或者它们的任意组合。
23、 根据权利要求21所述的工艺，其中所述含氧气体是O、 02、 N20、 NO、空气、CO或者它们的任意组合。
24、 根据权利要求21所述的工艺，其中所述混合物是99.9%的Ar和 0.1 %的02。
25、 根据权利要求21所述的工艺，其中非活性气体和含氧气体的混合 物通过第一流量控制器被引入并且非活性气体通过第二流量控制器被引入。
26、 根据权利要求21所述的工艺，其中所述第 一流量控制器提供80 sccm 的Ar和0.08 sccm的02，所述第二流量控制器提供270 sccm的Ar。
27、 根据权利要求21所述的工艺，其中所述非活性气体在10到350 sccm 的范围内，所述含氧气体在0.02到0.15 sccm的范围内。
28、 根据权利要求21所述的工艺，其中含氧气体通过含氧固体的固体 源的溅射被？)入至所述工艺。
29、 根据权利要求28所述的工艺，其中所述固体源包括氧化铝或者石英。
30、 根据权利要求21所述的工艺，其中含氧气体通过控制来自于周围 环境的泄漏^^皮引入。
31、 根据权利要求21所述的工艺，还包括在所述绝缘层下形成底金属 层的步骤。
32、 根据权利要求21所述的工艺，其中由所述非活性气体形成等离子体。
33、 根据权利要求21所述的工艺，其中所述绝缘层包括氧化铝、氧化 ^:、或者任意绝缘氧化物。
34、 根据权利要求21所述的工艺，其中上金属层包括磁性层、部分 MRAM堆叠结构，或者NiFe、 CoFe、 CoNiFe和CoFeB层中的一层或多层。
35、 一种用于制造器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；以及(d) 相对于下面的所述绝缘层选择性地移除所述顶金属层，其中，选"t奪性移除的工艺包括用所述顶金属层和所述绝缘层的溅射阔值 之间的偏置功率将偏压施加至所述^H"底。
36、 根据权利要求35所述的工艺，其中所述绝缘层包括绝缘氧化物。
37、 一种用于制造器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；以及(d )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除所述顶金属层， 其中，选择性移除的工艺包括使用惰性气体和<1%的含氧气体的混合物 的物理賊射工艺。
38、 一种用于制造器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；以及(d )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除所述顶金属层， 其中，选择性移除的工艺包括i) 用所述顶金属层和所述绝缘层的溅射阈值之间的偏置功率将偏压施 加至所述^H"底；及ii) 使用非活性气体和<1%的含氧气体的混合物的物理溅射工艺。
39、 一种用于制造^f兹性结存储器器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；以及(d) 利用含氟和含氯气体的混合物移除所述顶金属层的一部分；以及 (e )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除剩余的所述顶金属层，其中，选择性移除的工艺发生在非活性气体环境中进行，并包括用所述 顶金属层和所述绝缘层的溅射阈值之间的偏置功率将偏压施加至所述衬底。
40、 根据权利要求39所述的工艺，其中所述含氯气体包括Cl2、 BC13、 HC1、含氯原子气体(atomic chlorine-containing gas ),或者它们的任意组合。
41、 根据权利要求39所述的工艺，其中所述含氟气体包括CF4、 SF6、 CHF3、含氟原子气体(atomic fluorine-containing gas )，或者它们的任意组合。
42、 根据权利要求39所述的工艺，其中含氯气体对于含氟气体的比例 在2: 1到20: 1的范围。
43、 根据权利要求39所述的工艺，其中所述非活性气体是Ar、 He、 Ne、 Kr、 N2、或者Xe，或者它们的任意组合。
44、 根据权利要求39所述的工艺，还包括在所述绝缘层下形成底金属 层的步骤。
45、 根据权利要求39所述的工艺，其中由所述非活性气体形成等离子体。
46、 根据权利要求39所述的工艺，其中所述绝缘层包括氧化铝、氧化 镁或者任意绝缘氧化物。
47、 根据权利要求39所述的工艺，其中上金属层包括磁性层、部分 MRAM堆叠结构、或者NiFe、 CoFe、 CoNiFe、和CoFeB层中的一层或多层。
48、 一种用作制造^f兹性结存储器器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶层；以及(d) 使用含氟和含氯气体的混合物移除所述顶金属层的一部分；以及 (e )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除剩余的所述顶金属层，其中，选择性移除的工艺包括利用非活性气体和<1%的含氧气体的混合 物的物理賊射工艺。
49、根据权利要求48所述的工艺，其中所迷含氯气体包括Cl2、 BC13、 HC1、含氯原子气体，或者它们的任意组合。
50、 根据权利要求48所述的工艺，其中所述含氟气体包括CF4、 SF6、 CHF3、含氟原子气体，或者它们的任意组合。
51、 根据权利要求48所述的工艺，其中含氯气体对于含氟气体的比例 在2: 1到20: 1的范围。
52、 根据权利要求48所述的工艺，其中所述非活性气体是Ar、 He、 Ne、 Kr、 N2或者Xe，或者它们的任意组合。
53、 根据权利要求48所述的工艺，其中所述含氧气体是O、 02、 N20、 NO、空气、CO，或者它们的任意组合。
54、 根据权利要求48所述的工艺，其中所述混合物是99.9%的Ar和 0.1 %的02。
55、 根据权利要求48所述的工艺，其中非活性气体和含氧气体的混合 物通过第一流量控制器被引入，非活性气体通过第二流量控制器被引入。
56、 根据权利要求48所述的工艺，其中所述第 一流量控制器提供80 sccm 的Ar和0.08 sccm的02，所述第二流量控制器提供270 sccm的Ar。
57、 根据权利要求48所述的工艺，其中所述非活性气体在10到350 sccm 的范围，所述含氧气体在0.02到0.15 sccm的范围。
58、 根据权利要求48所述的工艺，其中含氧气体通过含氧固体的固体 源的溅射而？ 1入至所述工艺。
59、 根据权利要求58所述的工艺，其中所述固体源包括氧化铝或者石英。
60、 根据权利要求48所述的工艺，其中含氧气体通过控制来自于周围 环境的泄漏被引入。
61、 根据权利要求48所述的工艺，还包括在所述绝缘层下形成底金属层的步骤。
62、 根据权利要求48所述的工艺，其中由所述非活性气体形成等离子体。
63、 根据权利要求48所述的工艺，其中所述绝缘层包括氧化铝、氧化 镁、或者任意绝缘氧化物。
64、 根据权利要求48所述的工艺，其中上金属层包括磁性层、部分 MRAM堆叠结构、或者NiFe、 CoFe、 CoNiFe、和CoFeB层中的一层或多层。
65、 一种用于制造^t性结存储器器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；以及(d) 使用含氟和含氯气体的混合物移除所述顶金属层的一部分；以及 (e )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除剩余的所述顶金属层，其中，选择性移除的工艺包括i) 用所述顶金属层和所述绝缘层的溅射阈值之间的偏置功率将偏压施 加至所述衬底；以及ii) 使用非活性气体和<1%的含氧气体的混合物的物理溅射工艺。
66、 根据权利要求65所述的工艺，其中所述含氯气体包括Cl2、 BC13、 HC1、含氯原子气体，或者它们的任意组合。
67、 根据权利要求65所述的工艺，其中所述含氟气体包括CF4、 SF6、 CHF3、含氟原子气体，或者它们的任意组合。
68、 、根据权利要求65所述的工艺，其中含氯气体对于含氟气体的比例 在2: 1到20: 1的范围。
69、 根据权利要求65所述的工艺，其中所述非活性气体是Ar、 He、 Ne、 Kr、 N2或者Xe，或者它们的任意组合。
70、 根据权利要求65所述的工艺，其中所述含氧气体是O、 02、 N20、 NO、空气、CO，或者它们的任意组合。
71、 根据权利要求65所述的工艺，其中所述混合物是99.9%的Ar和 0.1 %的02。
72、 根据权利要求65所述的工艺，其中非活性气体和含氧气体的混合 物通过第一流量控制器被引入，且非活性气体通过第二流量控制器被引入。
73 、根据权利要求65所述的工艺，其中所述第 一流量控制器提供80 sccm 的Ar和0.08 sccm的02，所述第二流量控制器提供270 sccm的Ar。
74、 根据权利要求65所述的工艺，其中所述非活性气体在10到350 sccm 的范围，所述含氧气体在0.02到0.15 sccm的范围。
75、 根据权利要求65所述的工艺，其中含氧气体通过含氧固体的固体 源的賊射而51入至所述工艺。
76、 根据权利要求75所述的工艺，其中所述固体源包括氧化铝或者石英。
77、 根据权利要求65.所述的工艺，其中含氧气体通过控制来自于周围 环境的泄漏被引入。
78、 根据权利要求65所述的工艺，还包括在所述绝缘层下形成底金属 层的步骤。
79、 根据权利要求65所述的工艺，其中由所述非活性气体形成等离子体。
80、 根据权利要求65所述的工艺，其中所述绝缘层包括氧化铝、氧化 镁、或者任意绝缘氧化物。
81、 根据权利要求65所述的工艺，其中上金属层包括磁性层、部分MRAM堆叠结构、或者NiFe、 CoFe、 CoNiFe、和CoFeB层中的一层或多层。
82、 一种用于制造器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；(d) 使用含氟和含氯气体的混合物移除所述顶金属层的一部分；以及 (e )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除剩余的所述顶金属层，其中，选择性移除的工艺包括用所述顶金属层和所述绝缘层的賊射阈值 之间的偏置功率将偏压施加至所述^f底。
83、 根据权利要求82所述的工艺，其中所述绝缘层包括绝缘氧化物。
84、 一种用于制造器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；(d) 使用含氟和含氯气体的混合物移除所述顶金属层的一部分；以及(e) 相对于下面的所述绝缘层选择性地移除剩余的所述顶金属层， 其中，选择性移除的工艺包括使用惰性气体和<1%的含氧气体的混合物的物理賊射工艺。
85、 一种用于制造器件的工艺，包括(a) 设置衬底；(b) 在所述衬底上形成绝缘层；(c) 在所述绝缘层上形成顶金属层；(d) 使用含氟和含氯气体的混合物移除部分所述顶金属层；及(e )相对于下面的所述绝缘层选择性地移除剩余的所述顶金属层， 其中，选择性移除的工艺包括i) 用所述顶金属层和所述绝缘层的溅射阈值之间的偏置功率将偏压施 力口至,斤ii^M; & —ii) 使用惰性气体和< 1 %的含氧气体的混合物的物理溅射工艺。
全文摘要
本发明总地涉及半导体制造并具体涉及制造磁性隧道结器件。具体地，本发明涉及利用隧道结中的电介质层作为蚀刻停止层以消除来自于图案化工艺的电短路的方法。
文档编号H01L21/00GK101449361SQ200780017865
公开日2009年6月3日 申请日期2007年3月16日 优先权日2006年3月16日
发明者罗伯特·迪蒂奇奥 申请人:泰格尔公司