专利名称：用于材料构图的硬掩模结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料的图案形成，尤其涉及用于材料构图的改进的 硬掩模结构。
背景技术：
器件例如磁性存储器件可以使用标准图案形成技术形成。磁性 存储器件使用磁性存储单元存储信息。信息存储在这种磁性存储器 件中，作为与存储单元中参考层的磁化方向相比较磁性存储单元中
存储层的磁化方向。存储层的磁化可能与参考层平行或反平行定
向，表示逻辑"0，，或"1"。
一种类型的存储单元，磁性隧道结
(MTJ)，包括由隧道势垒分隔的存储层和参考层。
磁性存储单元的图案形成可以例如以与互补金属氧化物半导体
(CMOS)技术中用来对晶体管形成图案的类似方式使用反应离子 刻蚀完成。作为选择，图案形成可以例如以与用来对磁盘驱动器的 读出头构图的类似方式使用离子束刻蚀完成。但是，在刻蚀以对磁 性存储单元构图期间，已经从晶片表面去除的非挥发性材料可能变 得重新沉积在单元的部分上，具有有害作用。重新沉积的材料例如 通过使用不精确材料终止边缘可以导致不清晰的单元形状。此外， 在MTJ的情况下，例如，重新沉积的材料可以引起跨越隧道势垒的 短路。因此，常规刻蚀技术的使用可以负面地影响单元的性质。该 问题可能因使用特别难以刻蚀的某种材料而更糟，因为当在正常处 理温度下与刻蚀气体相互作用时它们不容易形成挥发性化合物。
因此，最小化或消除重新沉积的材料的作用的刻蚀技术将是期望的。
发明内容
根据本发明的说明性实施方案，提供一种使用硬掩模结构对材 料构图的技术。在本发明的一个方面，对至少一种材料构图的方法 包括下面的步骤。硬掩模结构形成在将要构图的材料的至少一个表 面上。硬掩模结构配置成具有最接近材料的基底，以及与基底相对 的顶部。基底具有比硬掩模结构顶部的一个或多个横向尺寸大的一 个或多个横向尺寸，使得基底的至少一部分横向延伸到顶部之外一 段距离。硬掩模结构的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底大的垂直 距离处。例如，当以横截面观看时，横向延伸到顶部之外的基底的
至少一部分的每个具有基底最长横向尺寸的大约20%至大约40%， 例如大约30%至大约40%的最长横向尺寸。刻蚀材料。
本发明的更完整理解，以及本发明的更多特征和优点，将通过 参考下面的详细描述和附图而获得。
图l是使用常规刻蚀技术形成的磁性器件的横截面图像； 图2是使用常规刻蚀技术形成的磁性器件的一部分的图像； 图3是使用根据本发明实施方案的本技术形成的磁性器件的横 截面图像；
图4是说明根据本发明实施方案形成磁性器件的一种实例方法
的图5是说明根据本发明实施方案形成磁性器件的另一种实例方 法的图6A-B是说明根据本发明实施方案形成磁性器件的再一种实 例方法的图7A-D是说明使用根据本发明实施方案的本技术分级的硬掩 模结构的图像；以及
图8A-D是根据本发明实施方案在底层非挥发性材料刻蚀之后 使用本技术分级的硬掩模结构的图像。
具体实施例方式
在描述本发明的发明方面之前，将描述涉及常规刻蚀技术的图
l和2。应当理解，附随附图中显示的各个层和/或区域可能不按比例 绘制。此外，为了容易说明，通常在这种集成电路结构中使用的类 型的一个或多个半导体层可能不明确地显示在给定附图中。这并不 暗示着没有明确显示的半导体层在实际的集成电路器件中省略。
图1是使用常规刻蚀技术形成的磁性器件102的横截面图像。 磁性器件102的部分104在下面描述的图2中放大显示。磁性器件 102包括磁性隧道结(MTJ)。
图2是(图1的)磁性器件102的部分104的图像。如图2中 所示，磁性器件102包括存储层例如软层202，其包括由耦合层204 分隔的磁性层203和213。磁性器件102也包括由隧道势垒212与存 储层202分隔的参考层210。盖层/硬掩模/刻蚀停止层206， 207， 208和209存在于存储层202顶上。
在磁性器件102的刻蚀期间，由刻蚀去除的材料可能变得重新 分布，例如由箭头214指示的。重新分布的材料可能不期望地重新 沉积在磁性器件102的部分上，这典型地是非挥发性材料刻蚀期间 的情况。
特别地，重新分布的材料可能重新沉积在已经刻蚀的磁性器件 102的部分上。例如，因参考层210的刻蚀而重新分布的材料可能重 新沉积在存储层202和隧道势垒212的部分上，这可以不利地导致 具有变化形状和/或尺寸的磁性器件102，例如由箭头216指示的。 刻蚀期间器件侧壁上材料的重新沉积在这里称作"侧壁重新沉积"。
重新分布的材料也可以变得重新沉积从而形成从存储层202到 参考层210的连续电触点，短路隧道势垒212。如此，形成的器件的 磁性和电子行为可能受到不利影响。
虽然本描述提供磁性器件例如磁性随机存取存储(MRAM)器 件的形成作为实例模型，但是应当理解，本技术广泛适用于材料的图案形成，包括不容易由标准反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀的非挥 发性材料。本技术的其他适当应用包括，但不局限于，由例如基于 非挥发性铂(Pt)或铱(Ir)的电极构成的电容器的刻蚀，铁电随机 存取存储器(FRAM)的铁电材料(例如钛酸铅锆(PLZT))的刻 蚀，相变材料例如相变存储器(PCM)的硫族化物的刻蚀，以及晶 体管应用例如互补金属氧化物半导体(CMOS)的金属栅极材料的 刻蚀，其中材料包括，但不局限于，钼(Mo) 、 Ir、铑(Rh)、铼 (Re )、钌(Ru )、镍(Ni)、鵠(W )和钽(Ta )。
图3是使用本技术形成的磁性器件302的横截面图像。根据一 种实例实施方案，磁性器件302包括MTJ。磁性器件302包括存储 例如软层304，其自身包括由耦合层308分隔的、反平行配置中的磁 性层306和310。磁性器件302也包括由势垒层314与存储层304分 隔的参考层312。参考层312可以包括单层，或者作为选择，包括多 层。
在磁性器件302的形成期间，使用包括薄硬掩模层316和厚硬 掩模层318的硬掩模结构315以至少部分地防止在刻蚀期间变得重 新分布的重新沉积的非挥发性材料的不期望作用，例如由箭头320 指示的。在这里使用的术语"非挥发性材料"表示不容易在低于大约 200。C的温度下，像常规RIE的情况一样通过与刻蚀气体反应形成 挥发性化合物的材料。这种非挥发性材料将附着到晶片和刻蚀室的 暴露表面，而不是作为刻蚀的气相副产品被带走。在这里使用的术 语"硬掩模"通常指任何非光致抗蚀剂材料。
具体地，硬掩模结构315配置成具有最接近被刻蚀的材料的基 底以及与基底相对的顶部。基底具有比硬掩模结构315顶部的一个 或多个横向尺寸大的一个或多个横向尺寸，使得基底的至少一部分 横向延伸到顶部之外一段距离。根据一种实例实施方案，当以横截 面观看时，横向延伸到顶部之外的基底的每个部分具有基底最长横 向尺寸的大约20%至大约40%的最长横向尺寸。例如，横向延伸到 顶部之外的基底的每个部分具有基底最长横向尺寸的大约30%至大约40%的最长横向尺寸。
硬掩模结构315的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底更大的垂 直距离处。例如，硬掩模结构315可以包括基底，例如包括薄硬掩 模层316，以及顶部，例如包括厚硬掩模层318，以便形成"顶帽"构 造。
此外，当作为横截面观看时，硬掩模结构315可以是圆形，或 者基本上圆形(例如椭圆形)结构，其中基底具有比处于被刻蚀的 材料远侧的硬掩模结构315顶部的直径大的直径。参看例如图7A-D，其显示与图3中横截面中看到的结构类似的椭圆形结构的自顶向 下和斜角侧视图。具体地，根据一种实例实施方案，硬掩模结构315 是圆形的，并且其基底处的直径324大于其顶部处的直径326。
但是，圆形或基本上圆形硬掩模结构仅是一种实例构造。其他 适当硬掩模结构构造，例如包括，但不局限于，矩形或线形构造。 此外，横向延伸到顶部之外的基底的每个部分具有第一斜率，并且 顶部的至少一个侧壁具有第二斜率，第一斜率不同于第二斜率。具 体地，以基底和顶点的界面作为原点，可以包括无穷大斜率(或者 等价于90度)的顶部斜率基本上大于可以包括零斜率，或者在一些 实例实施方案中负斜率的基底斜率，使得基底的最外横向延伸部分 比原点处基底的部分厚。
此外，如图3中所示，从基底处的较大直径到顶部处的较小直 径的进展可以是台阶式的(例如从薄硬掩模层316到厚硬掩模层318 的直径的突然改变)。但是，如图5中所示，并且如下描述的，硬 掩模结构可以具有锥形构造。
结果，硬掩模结构315在其中心最厚，例如中心厚度322。如 将在下面详细描述的，该构造对于在将磁性器件302连接到器件上 相关布线级的应用中是期望的。
使用其基底处直径大于其顶部处直径的硬掩模结构具有几个明 显的优点。例如，使用这种硬掩模结构，进入的刻蚀剂的屏蔽达到 最小，这增加侧壁重新沉积的溅射产量。如此，侧壁在未掩模区域的刻蚀期间保持清洁。而且，本硬掩模构造使硬掩模的表面积达到 最小，这可以用作刚好位于软层和隧道势垒的敏感暴露边缘上的非 挥发性残余物的收集器。因此，将存在较少的材料会被向下溅射，
例如并联隧道势垒。参考图3，厚硬掩模318上的侧壁重新沉积可能 再次(在形成的重新沉积材料的相同刻蚀过程期间)向下位移(向 前溅射)从而到达薄硬掩模316顶上。但是根据本技术，该材料保 持与活动层例如存储层304和势垒层314的敏感边缘相隔一段距 离。敏感边缘附近减小的硬掩模厚度(例如仅来自层316)导致较少 的可用材料向前溅射，从而减少并联器件例如短路势垒层314或更 改其行为的风险。
如上所述，根据一种实例实施方案，本硬掩模结构在形成MTJ 时使用，其中作为MTJ的集成部分，硬掩模结构的部分保持后刻 蚀。根据该实例实施方案，硬掩模结构是导电的。如此，本硬掩模 结构是有利的，因为它在中心最厚并且提供到与器件相关联的布线 级的容易连接。例如，在图3中，硬掩模结构315在其中心最厚， 例如厚度322，这提供到器件上的布线层330的自对准连接，参看下 面的描述。
包括厚/薄硬掩模双层的硬掩模结构在磁性隧道结形成期间的使 用例如在图4中示意地显示，并且在下面描述。
图4是说明形成磁性器件的实例方法的图。根据一种实例实施 方案，形成的磁性器件包括MTJ。在步骤402中，提供用来形成磁 性器件的层。具体地，磁性层408将用作磁性器件的参考层。用于 形成磁性层408的适当材料包括，但不局限于铱-锰(IrMn)、铂-锰(PtMn)、钴國铁(CoFe) 、 Ru、钴画铁画硼(CoFeB )、镍画铁 (NiFe)、铬-钼(CrMo) 、 Ta以及氮化钽(TaN )的一种或多 种。磁性层408可以包括单层，或作为选择，包括多层。
沉积在磁性层408顶面上的势垒层410将用作磁性器件的隧道 势垒。形成势垒层410的适当材料包括，但不局限于氧化铝 (A1203 )、氧化镁(MgO)、氮化硼(BN)、氧化硅(例如Si02)及其非化学计量变体的一种或多种。
沉积在与磁性层408相对的势垒层410的一侧上的磁性层412 将用作磁性器件的例如多层存储层构造的底部存储层。形成磁性层 412的适当材料包括，但不局限于NiFe、 CoFe、 CoFeB、镍画钴画铁 (NiCoFe)的一种或多种，以及包括前述一种或多种的多层。此 外，磁性层412可以具有高达大约10nm,例如大约2nm至大约 10nm的厚度。根据一种实例实施方案，磁性层412包括NiFe且大 约5nm厚。
沉积在与势垒层410相对的磁性层412的一侧上的耦合层414 将用作例如多层存储层构造的磁性层412和磁性层416的耦合层 (下面描述)。形成耦合层414的适当材料包括，但不局限于Ru、 CrMo和TaN的一种或多种。此外，耦合层414可以具有高达大约 10nm，例如大约0.5nm至大约10nm的厚度。根据一种实例实施方 案，耦合层414包括Ru且大约5nm厚。
沉积在与磁性层412相对的耦合层414的一侧上的磁性层416 将用作磁性器件的例如多层存储层构造的顶部存储层。形成磁性层 416的适当材料包括，但不局限于NiFe、 CoFe、 CoFeB、 NiCoFe的 一种或多种，以及包括前述一种或多种的多层。此外，磁性层416 可以具有高达大约10nm，例如大约2nm至大约10nm的厚度。根据 一种实例实施方案，磁性层416包括NiFe且大约5nm厚。
盖层/刻蚀停止层418沉积在与耦合层414相对的磁性层416的 一侧上。该层是可选的。例如，取决于使用的刻蚀化学物质和/或材 料，磁性层416可以用作刻蚀停止层，从而不需要盖层/刻蚀停止层 418。此外，可以使用单独的盖层和刻蚀停止层。例如，盖层可以为 了它下面的材料的稳定性而需要，但是可以不用作刻蚀停止层。因 此，可以在盖层上面使用单独的材料作为刻蚀停止。仅作为实例， 包括Ru的盖层/刻蚀停止层可以允许氧扩散通过，并且更改底层磁 性层的性质。在该实例中，在Ru层下面另外使用包括例如TaN的 层可能是期望的。根据该实例构造，包括TaN的层将用作盖层，并且包括Ru的层将用作刻蚀停止层。
形成盖层/刻蚀停止层418的适当材料包括，但不局限于Ru、 Ta和TaN。此外，盖层/刻蚀停止层418可以具有高达大约10nm， 例如大约2nm至大约10nm的厚度。根据一种实例实施方案，盖层/ 刻蚀停止层418包括Ru且大约10nm厚。
薄硬掩模层420沉积在与磁性层416相对的盖层/刻蚀停止层 418的一侧上。形成薄硬掩模层420的适当材料包括，但不局限于 TaN、 W、 Ta、铝(Al)和Ru的一种或多种。此外，薄硬掩模层 420可以具有高达大约40nm，例如大约5nm至大约40nm的厚度。 根据一种实例实施方案，薄硬掩模层420包括TaN且大约20nm 厚。
厚硬掩模层422沉积在与盖层/刻蚀停止层418相对的薄硬掩模 层420的一侧上。如将在下面步骤404和406中描述的，薄硬掩模 层420和厚硬掩模层422构成硬掩模双层结构423，并且将在磁性隧 道结的形成期间使用。形成厚硬掩模层422的适当材料包括，但不 局限于氮化钛(TiN) 、 W、 Al、 Ta、 TaN和硅(Si)的一种或多 种。此外，厚硬掩模层422可以具有高达大约40nm,例如大约5nm 至大约40nm的厚度。根据一种实例实施方案，厚硬掩模层422包括 TiN且大约20nm厚。
如步骤402中所示，例如使用干法刻蚀工艺刻蚀硬掩模双层结 构423，例如薄硬掩模层420和厚硬掩模层422。薄硬掩模层420和 厚硬掩模层422的刻蚀在薄硬掩模层420下紧靠着的层，例如该实 施方案中盖层/刻蚀停止层418处停止。在该"硬掩模打开"步骤之 后，硬掩模双层结构423具有近似磁性器件期望尺寸的占地 (footprint)。参看例如下面描述的步骤406。
在步骤404中，使用温和湿法刻蚀工艺使得厚硬掩模层422逐 渐变薄。适当的湿法刻蚀工艺包括，但不局限于，例如对于包括 TiN的厚硬掩模层422,包括过氧化氢/氢氧化铵(H202/NH4OH)湿 法刻蚀剂，以及例如对于包括Al的厚硬掩模层422，包括氢氧化铵(NH4OH)湿法刻蚀剂的那些。在厚硬掩模层422的逐渐变薄期 间，作为刻蚀的结果，厚硬掩模层422的厚度可以减小例如高达大 约50nm。例如，如果厚石更掩模层422最初大约150nm厚，在湿法 刻蚀之后，它可以大约100nm厚(在它的最厚点)。除非存在厚硬 掩模层422顶部的残留掩模，否则作为使用的湿法刻蚀的各向同性 的结果，厚度将减小与侧壁横向凹进近似相同的量。
用于使厚硬掩模层422逐渐变薄的湿法刻蚀工艺应当是选择性 的，以便主要刻蚀厚硬掩模层422。例如，在一种实施方案中，使用 H202/NH4OH湿法刻蚀剂选择性地刻蚀厚硬掩模层422 (包括 TiN)，而将薄硬掩模层420 (包括TaN)和盖层/刻蚀停止层418
(包括Ru )排除在外，它们基本上不受H202/NH4OH湿法刻蚀剂的 刻蚀。
如图4的步骤404中所示，选择性地刻蚀厚硬掩模层422留下 由薄硬掩模层420与盖层/刻蚀停止层418之间的接缝确定的清晰掩 模边缘。例如由箭头424指示的该接缝的横向尺寸近似地表示磁性 器件的期望最终横向尺寸。
如例如结合上面图3的描述所描述的，硬掩模双层结构423配 置成具有最接近被刻蚀的材料的基底，以及与基底相对的顶部。基 底具有比硬掩模双层结构423顶部的一个或多个横向尺寸大的一个 或多个横向尺寸，使得基底的至少一部分横向延伸到顶部之外一段 距离。根据一种实例实施方案，当以横截面观看时，横向延伸到顶 部之外的基底的每个部分具有基底最长横向尺寸的大约20%至大约 40%的最长横向尺寸。例如，横向延伸到顶部之外的基底的每个部 分具有基底最长横向尺寸的大约30%至大约40%的最长横向尺寸。
硬掩模双层结构423的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底更大 的垂直距离处。例如，硬掩模双层结构423可以包括顶部，例如包 括厚硬掩模层422，以及基底，例如包括薄硬掩模层420。硬掩模双 层结构423可以是圆形，或者基本上圆形(例如椭圆形)结构，其 中基底具有比处于被刻蚀的材料远侧的硬掩模双层结构423顶部的直径大的直径。参看例如图7A-D。具体地，根据一种实例实施方 案，硬掩模双层结构423是圆形的，并且其基底处的直径424大于 其顶部处的直径426。
此外，横向延伸到顶部之外的基底的每个部分具有与其顶面相 关联的第一斜率，并且顶部的至少一个侧壁具有第二斜率，第一斜 率不同于第二斜率。具体地，顶部的侧壁的斜率大于基底的顶面的 斜率。根据这里提出的讲授，在这里公开的实施方案的任何一个 中，第一斜率和第二斜率的每个可以具有零至无穷大的值。例如， 如图4的步骤404中所示，基底的斜率为零且顶部的斜率在其最高 表面附近大约为80度。
在步骤406中，使用干法刻蚀工艺刻蚀盖层/刻蚀停止层418、 磁性层416、耦合层414、磁性层412,并且刻蚀到势垒层410中或 通过势垒层410。可以使用与使用薄硬掩模层420进行磁性器件的形 状限定相兼容的任何适当干法刻蚀工艺。例如，当使用基于Ta或Ti 的薄硬掩模层420时，可以单独地或者与另一种刻蚀技术例如离子 束刻蚀(IBE)(纯'减射而不使用反应成分)或湿法化学刻蚀结合地 使用高选择性的基于氧的化学物质，例如CO-NH3。根据一种实例实 施方案，执行基于氧的刻蚀以便刻蚀通过盖层/刻蚀停止层418，继 之以对于剩余物的IBE。
作为选择，可以从头至尾唯一地使用IBE。如果这样，增加薄 硬掩模层420的厚度，例如比被刻蚀的层的总体厚度厚高达大约 10nm，使得它不会在刻蚀期间完全腐蚀可能是期望的。
上面的技术将最小化或防止重新分布的非挥发性材料重新沉积 在器件中的磁性层上，并且负面地影响磁性层的性能。例如，上面 的技术减小例如IBE或RIE期间在刻蚀正面进入离子的屏蔽，如由 薄硬掩模层420没有屏蔽的区域限定的，因为厚硬掩模层422从刻 蚀正面的边缘凹进。结果，与使用常规屏蔽技术的刻蚀相比较，增 加的材料溅射产量(例如材料被溅射离去)在重新沉积最有害的器 件区域处进行。没有从晶片表面完全溅射离去的任何非挥发性材料将在例如厚硬掩模层422附近除气，并且远离暴露磁性层408、 412、 414和416以及势垒层410的边缘的敏感刻蚀正面。如此，非 挥发性刻蚀副产品(重新分布的材料)将保持远离磁性层408、 412、 414和416以及势垒层410的边缘。此外，当与常规刻蚀技术 相比较时，重新沉积的材料返回到刻蚀正面的向前溅射显著减少， 因为该向前溅射在距离刻蚀正面一定距离处发生。具体地，从厚硬 掩模层422的边缘向前溅射的任何材料将沉积在厚硬掩模层422下 面伸出的薄硬掩才莫层420的部分上。因此，层408、 410、 412、 414 和416的敏感边缘通过刻蚀副产品返回到敏感区域中的减少的向前 溅射，以及敏感边缘附近的材料的增加溅射产量而可以保持没有重 新沉积的材料，因为进入的刻蚀剂原子、离子或分子的减小屏蔽。
这里描述的技术，例如在使用充分控制的垂直干法刻蚀限定器 件的最终形状之后，使用各向同性湿法刻蚀产生期望的硬掩模轮 廓，是友好缩放的，也就是可以用来产生各种尺寸的器件，包括这 里提出的器件的缩小版本。例如根据本技术，几何斜角不一定限制 缩放/最小化器件尺寸，因为锥度(斜率)仅在总体硬掩模宽度的小 部分上窄，并且使用接近垂直的侧壁构建硬掩模厚度的主体，以便 与器件的相关布线层集成。
此外，如上所述，硬掩模结构可能包括导电材料并且可以用来 形成到布线级的接触。根据该实施方案，可以使用各向同性湿法刻 蚀对硬掩模结构构图。各向同性湿法刻蚀用来以近似相同的速率刻 蚀硬掩模结构的所有表面。因此，根据本技术使用各向同性湿法刻 蚀构图的导电硬掩模结构将包括位于器件上中心，或者基本上中心 的电接触。这种接触在这里称作"自对准"接触，因为它在器件形成 期间形成。该实施方案允许器件的致密封装，例如，因为它消除了 与具有另外的通孔级以用于连接相关联的复杂度。自对准导电硬掩 模提供连接器件顶上的布线的直接方法。参看例如在上面描述的图3 中，其中布线层330接触导电厚硬掩模层318，而没有布线层330不 注意地接触隧道势垒下面的层且并联器件的风险。厚硬掩模层，例如厚硬掩模层318和422，通常更容易与随后的布线级集成，因为存 在这些布线层接触势垒层314下面的层的较少危险。但是，对于硬 掩模层的厚度存在限制。例如，如果厚硬掩模层通过上述屏蔽和向 前溅射工艺而不利地影响刻蚀，从而导致性能损失，则它可能太 厚。例如，在使用与布线层330类似的布线层产生磁场以开关器件 的MTJ器件中，开关器件所需的功率将随着布线层330远离活动磁 性层移动而增加。同时，虽然薄硬掩模结构(例如具有薄或不存在 厚硬掩模层422的硬掩模双层结构423)可以解决刻蚀重新沉积的问 题，但是它可能难以与随后的布线层集成，因为它不提供自对准接 触的方法。这里提出的硬掩模结构将厚硬掩模层的好处与薄硬掩模 层的好处结合在一起，以提供接触随后布线层的实例方法，同时提 供在刻蚀期间限定结构的方法。
图5是说明形成磁性器件的另一种实例方法的图。图5中显示 的磁性器件的形成包括非挥发性材料的刻蚀。根据一种实例实施方 案，形成的磁性器件包括MTJ。在步骤502中，提供用来形成磁性 器件的层。具体地，磁性层506将用作磁性器件的参考层。形成磁 性层506的适当材料包括，但不局限于上面结合磁性层408的描述 而描述的那些。磁性层506可以包括单层，或者作为选择，包括多 层。
沉积在磁性层506的顶面上的势垒层508将用作磁性器件的隧 道势垒。形成势垒层508的适当材料包括，但不局限于上面结合势 垒层410的描述而描述的那些。
沉积在与磁性层506相对的势垒层508的一侧上的磁性层510 将用作磁性器件的例如多存储层构造的底部存储层。形成磁性层510 的适当材料包括，但不局限于上面结合磁性层412的描述而描述的 那些。
沉积在与势垒层508相对的磁性层510的一侧上的耦合层512 将用作例如多层存储层构造的磁性层510和磁性层514 (下面描述) 的耦合层。形成耦合层512的适当材料包括，但不局限于上面结合耦合层414的描述而描述的那些。
沉积在与磁性层510相对的耦合层512的一侧上的磁性层514 将用作磁性器件的例如多层存储层构造的顶部存储层。形成磁性层 514的适当材料包括，但不局限于上面结合磁性层416的描述而描述 的那些。
盖层/刻蚀停止层516沉积在与耦合层512相对的磁性层514的 一侧上。形成盖层/刻蚀停止层516的适当材料包括，但不局限于上 面结合盖层/刻蚀停止层418的描述而描述的那些。此外，盖层/刻蚀 停止层516可以具有高达大约20nm，例如大约2nm至大约20nm的 厚度。根据一种实例实施方案，盖层/刻蚀停止层516包括Ru且大 约IO扁厚。
硬掩模层518沉积在与磁性层514相对的盖层/刻蚀停止层516 的一侧上。如将在下面的步骤504中描述的，将使用硬掩模层518 例如作为磁性器件形成期间的硬掩模结构。形成硬掩模层518的适 当材料包括，但不局限于上面结合厚硬掩模层422的描述而描述的 那些。此外，硬掩模层518可以具有高达大约200nm，例如大约 70nm至大约200nm的厚度。根据一种实例实施方案，硬掩模层518 包括TiN且大约200nm厚。因此，根据图5中所示的实例实施方 案，硬掩模结构包括单层，硬掩模层518。
在步骤504中，使用刻蚀使厚硬掩模层518逐渐变薄。根据一 种实例实施方案，使用湿法刻蚀技术来刻蚀硬掩模层518。
如例如结合上面图3和4的描述所描述的，硬掩模结构配置成 具有最接近被刻蚀的材料的基底，其具有比硬掩模结构顶部的一个 或多个横向尺寸大的一个或多个横向尺寸，使得基底的至少一部分 横向延伸到顶部之外一段距离。根据一种实例实施方案，当以横截 面观看时，横向延伸到顶部之外的基底的每个部分具有基底最长横 向尺寸的大约20%至大约40%的最长横向尺寸。例如，横向延伸到 顶部之外的基底的每个部分具有基底最长横向尺寸的大约30%至大 约40%的最长横向尺寸。硬掩模结构的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底大的垂直距离 处。例如，根据一种实例实施方案，基底限定为从被刻蚀的材料水
平向内延伸多达大约10nm的硬掩模结构的一部分。因此顶部是从被 刻蚀的材料水平向内延伸多达大约10nm之外的硬掩模结构的任何部 分。仅作为实例，在图5的步骤504中，基底和顶部可以由在从被 刻蚀的材料水平向内延伸多达大约10nm的硬掩模结构的部分上开始 的直线524区分。
硬掩模结构可以包括圆形，或者基本上圆形(例如椭圆形)结 构，其中基底具有比处于被刻蚀的材料远侧的硬掩模结构顶部的直 径大的直径。参看例如图7A-D。具体地，根据一种实例实施方案， 硬掩模结构是圆形的，并且其基底处的直径520大于其顶部处的直 径522。此外，横向延伸到顶部之外的基底的每个部分具有与其最高 表面相关联的第一斜率，并且顶部的至少一个侧壁具有第二斜率， 第一斜率不同于第二斜率。具体地，顶部的斜率大于基底的斜率。
另外，硬掩模结构可以包括与硬掩模层518结合的其他材料， 包括但不局限于，电介质掩模、可去除心轴，以及包括前述另外材 料中至少一种的组合。当使用电介质掩模时，它可以可选地涂敷有 金属隔离物材料。使用金属隔离物材料涂覆电介质掩模提供与硬掩 模结构上面的布线级的接触，例如，像硬掩模导电的实施方案中一 样。
可去除心轴技术包括可丢弃硬掩模的使用。具体地，在器件层 的刻蚀之后，器件和硬掩模结构封装在电介质中。如果还没有暴 露，则硬掩模由内刻蚀或抛光步骤暴露。接下来，选择性地去除硬 掩模结构，例如心轴，并且使用导电材料填充新形成的空腔，这提 供器件与例如器件上的布线级之间的接触。该方法提供自对准接
触，即使不使用导电硬掩模，并且同时利用本掩模结构刻蚀非挥发 性材料。
根据一种实例实施方案，使用干法刻蚀(代替湿法刻蚀)化学 物质刻蚀硬掩模层518。期望地，使用的干法刻蚀具有高级各向同性，例如产生在所有方向上基本上均匀的刻蚀轮廓，导致硬掩模结 构在中心比在边缘高的轮廓(以及在自对准接触的情况下，如上所 述，硬掩模结构在器件的中心比在器件边缘显著高)。虽然典型地 大部分湿法刻蚀的自然结果，使用干法刻蚀实现各向同性需要注意
结合化学刻蚀成分使用低偏置功率。这对于可以使用标准RIE (挥 发性副产物)技术刻蚀的硬掩模结构不会特别困难。可以使用氯 (Cl)、溴(Br)或氟(F)刻蚀硬掩模材料例如Ta、 Ti、 Al、 W、 Si以及由其产生的化合物。
如上所述，为了减少刻蚀正面的屏蔽，以及为了进一步工艺集 成以接触上面布线层，各向同性刻铀技术的使用产生期望的硬掩模 形状。在硬掩模刻蚀之后，用来对磁性层构图的刻蚀应当相对于刻 蚀硬掩模材料具有高度选择性，因为硬掩模结构朝向器件的边缘而 变薄(参看步骤504)。例如，可以结合基于Ta或Ti的硬掩模结构 使用CO-NH3或甲醇刻蚀以实现这种选择性。虽然图5中所示的实 施方案不如图4的实施方案复杂，图4中概述的工艺给予对器件形 状和尺寸的更多控制，因此对于形状和尺寸重要的大部分应用是优 选的。
此外根据该实例实施方案，包括刻蚀速率(在硬掩模刻蚀工艺 中)低于硬掩模层518的材料的层，例如中间硬掩模层(没有显 示)，可以在硬掩模层518与盖层/刻蚀停止层516之间使用。形成 中间硬掩模层的适当材料包括，但不局限于Ta、 TaN、 Ti、 TiN、 Si、 Al、 W、 Cr、 Mo以及包括前述材料的至少一种的组合。使用这 种层用来例如以与图4中描述的类似方式增加边缘附近的硬掩模的 厚度，但是没有在中间硬掩模层刻蚀之后使得硬掩模层518凹进的 显式步骤。
图6A-B是说明形成磁性器件的另一种实例方法的图。根据一 种实例实施方案，形成的磁性器件包括MTJ。在步骤602中，提供 用来形成磁性器件的层。具体地，磁性层610将用作磁性器件的参 考层。形成磁性层610的适当材料包括，但不局限于上面结合磁性层408和506的描述而描述的那些。磁性层610可以包括单层，或 者作为选择，包括多层。
沉积在磁性层610的顶面上的势垒层612将用作磁性器件的隧 道势垒。形成势垒层612的适当材料包括，但不局限于上面结合势 垒层410和508的描述而描述的那些。
沉积在与磁性层610相对的势垒层612的一侧上的磁性层614 将用作磁性器件的例如多层存储层构造的底部存储层。形成磁性层 614的适当材料包括，但不局限于上面结合磁性层412和510的描述 而描述的那些。
沉积在与势垒层612相对的磁性层614的一侧上的耦合层616 将用作例如多层存储层构造的磁性层614和磁性层618 (下面描述) 的耦合层。形成耦合层616的适当材料包括，但不局限于上面结合 耦合层414和512的描述而描述的那些。
沉积在与磁性层614相对的耦合层616的一侧上的磁性层618 将用作磁性器件的例如多层存储层构造的顶部存储层。形成磁性层 618的适当材料包括，但不局限于上面结合磁性层416和514的描述 而描述的那些。
组合的盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620沉积在与耦合层616相对 的磁性层618的一侧上。形成盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620的适当 材料包括，但不局限于Ru、 Ta和TaN以及包括前述一种或多种的 双层。此外，盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620可以具有高达大约 20nm,例如大约2至大约20nm的厚度。根据一种实例实施方案， 盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620包括TaN且大约10nm厚。
硬掩模层624沉积在与磁性层618相对的盖层/刻蚀停止/薄硬掩 模层620的一侧上。形成硬掩模层624的适当材料包括，但不局限 于TiN、 W、 Al、 Ta、 TaN和Si的一种或多种。此外，硬掩模层 624可以具有高达大约200nm，例如大约50nm至大约200nm的厚 度。根据一种实例实施方案，硬掩模层624包括TiN且大约100nm 厚。如步骤602中所示，刻蚀硬掩模层624。具体地，可以例如使 用标准各向异性RIE将硬掩模层624向下刻蚀到盖层/刻蚀停止/薄硬 掩模层620，产生接近垂直的侧壁。
在步骤604中，使用隔离物材料626涂覆刻蚀的硬掩模层624 的边缘。隔离物材料626的形状使用包括保形薄膜沉积的标准技术 以及从所有水平表面择优地去除隔离物材料626的各向异性刻蚀而 获得。适当的隔离物材料包括，但不局限于有机聚合物、电介质和 金属的一种或多种。根据步骤604中所示的实例实施方案，隔离物 材料626在其基底处具有大约10nm至大约50nm的宽度。
在步骤606中，在刻蚀盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620，然后例 如使用相对于刻蚀硬掩模624和盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620具有 选择性的干法或湿法刻蚀去除隔离物材料626时，形成最终的硬掩 模结构。因此，根据图6中所示的实例实施方案，硬掩模结构包括 硬掩模层624和盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620。
如例如结合上面图3-5的描述所描述的，硬掩模结构配置成具 有最接近被刻蚀的材料的基底，其具有比硬掩模结构顶部大的一个 或多个横向尺寸，使得基底的至少一部分横向延伸到顶部之外一段 距离。根据一种实例实施方案，当以横截面观看时，横向延伸到顶 部之外的基底的每个部分具有基底最长横向尺寸的大约20%至大约 40%的最长横向尺寸。例如，横向延伸到顶部之外的基底的每个部 分具有基底最长横向尺寸的大约30%至大约40%的最长横向尺寸。
硬掩模结构的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底大的距离处。 例如，硬掩模结构可以包括基底，例如包括盖层/刻蚀停止/薄硬掩模 层620，以及顶部，例如包括硬掩模层624。硬掩模结构可以是圆 形，或者基本上圆形(例如椭圆形)结构，其中基底具有比处于被 刻蚀的材料远侧的硬掩模结构顶部的直径大的直径。参看例如图7A-D。具体地，根据一种实例实施方案，硬掩模结构是圆形的，并且其 基底处的直径628大于其顶部处的直径630。此外，横向延伸到顶部 之外的基底的每个部分具有与其最高表面相关联的第一斜率，并且顶部的至少一个侧壁具有第二斜率，第一斜率不同于第二斜率。具
体地，顶部的斜率大于基底的斜率。例如，如图6b的步骤606中所 示，基底和顶部的斜率分别是零和无穷大(90度)。
在步骤608中，使用相对于刻蚀盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620 具有选择性的刻蚀技术将磁性层614、耦合层616和磁性层618刻蚀 成例如与盖层/刻蚀停止/薄硬掩模层620类似的尺寸。在备选实施方 案，隔离物材料626将保持直到磁性层刻蚀之后。然后将执行剥离 以与可能在磁性材料的刻蚀期间累积在其表面上的任何残留非挥发 性材料一起去除隔离物材料626。
实例
图7A-D是使用本技术分级的硬掩模结构的图像。具体地，图 7A和7C显示自顶向下的视图，图7B和7D显示分级硬掩模结构的 倾斜角侧视图。
图7A-D中显示的硬掩模结构的每个包括位于薄硬掩模层顶上 的厚硬掩模层，例如分别为硬掩模层704和702。硬掩模层702,厚 硬掩模层，包括TiN。硬掩模层704，薄硬掩模层，包括TaN。硬掩 模层704作为脚在硬掩模层702下面伸出。以上面图4中描述的方 式形成结构，例如使用基于氯的RIE对硬掩模层702和704构图， 以及使用H202/NH4OH湿法刻蚀使得TiN在TaN的脚后面凹进。
如例如结合上面图3-6的描迷所描述的，硬掩模结构可以包括 圆形，或者基本上圆形(例如椭圆形)结构，其中基底具有比处于 被刻蚀的材料远侧的硬掩模结构顶部的直径大的直径。例如，如图 7A-D中所示，硬掩模层704具有大于硬掩模层702的直径。
图8A-D也是使用本技术分级的硬掩模结构的图像。图8A-D中 的图像揭示在已经使用分级硬掩模结构执行刻蚀之后，例如磁性器 件的磁性层。具体地，图8A和8C显示自顶向下视图，图8B和8D 显示使用分级硬掩模结构完全刻蚀后的磁性器件的倾斜角侧视图。 如上面结合图7A-D的描述而描述的，图8A-D中显示的硬掩模结构的每个包括位于薄硬掩模层顶上的厚硬掩模层，例如分别为硬掩模
层804和802。硬掩模层802，厚硬掩模层，包括TiN。硬掩模层 804，薄硬掩模层，包括TaN。硬掩模层804作为脚在硬掩模层802 下面伸出。
使用CO-NH3等离子的反应离子刻蚀已经用来刻蚀存在于硬掩 模层804下面的磁性层。如所示，硬掩模层804提供相对于刻蚀的 坚固掩模。
总之，这里提出的技术至少部分地用于防止由器件形成期间重 新沉积的非挥发性材料产生的不利磁性器件特征。
虽然已经在这里描述了本发明的说明性实施方案，但是应当理 解，本发明并不局限于那些精确的实施方案，并且可以由本领域技 术人员进行各种其他改变和修改而不背离本发明的范围或本质。
权利要求
1.一种对至少一种材料构图的方法，该方法包括步骤在将要构图的材料的至少一个表面上形成硬掩模结构，硬掩模结构配置成具有最接近材料的基底，以及与基底相对的顶部，基底具有比硬掩模结构顶部的一个或多个横向尺寸大的一个或多个横向尺寸，使得基底的至少一部分横向延伸到顶部之外一段距离，硬掩模结构的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底更大的垂直距离处；以及刻蚀材料。
2. 根据权利要求l的方法，其中横向延伸到顶部之外的基底的 至少一部分具有与其最高表面相关联的第一斜率，并且顶部的至少 一个侧壁具有第二斜率，第一斜率小于第二斜率。
3. 根据权利要求l的方法，其中当以横截面观看时，横向延伸 到顶部之外的基底的每个至少一部分具有基底最长横向尺寸的大约 20%至大约40%的最长横向尺寸。
4. 根据权利要求l的方法，其中当以横截面观看时，横向延伸 到顶部之外的基底的每个至少一部分具有基底最长横向尺寸的大约 30%至大约40%的最长横向尺寸。
5. 根据权利要求1的方法，其中被刻蚀的材料包括至少一种非 挥发性材料。
6. 根据权利要求1的方法，还包括减小硬掩模结构的顶部的一 个或多个横向尺寸的步骤。
7. 根据权利要求1的方法，还包括通过刻蚀减小硬掩模结构的 顶部的一个或多个横向尺寸的步骤。
8. 根据权利要求l的方法，还包括通过使用选择性湿法刻蚀和 选择性反应离子刻蚀技术中的一种或多种，减小硬掩模结构的顶部 的一个或多个横向尺寸的步骤。
9. 根据权利要求l的方法，还包括利用一种或多种可丢弃隔离物材料实现横向延伸到顶部之外一段距离的基底的至少一部分的步
10. 根据权利要求8的方法，其中一种或多种可丢弃隔离物材 料包括有机聚合物、电介质材料和金属的一种或多种。
11. 根据权利要求1的方法，其中材料的刻蚀包括反应离子刻 蚀和离子束刻蚀中的一种或多种的使用。
12. 根据权利要求1的方法，其中材料包括磁性器件的一层或多层。
13. —种形成包括至少一种非挥发性材料的器件的方法，该方 法包括步骤在将要构图的材料的至少一个表面上形成硬掩模结构，硬掩模 结构配置成具有最接近材料的基底，以及与基底相对的顶部，基底 具有比硬掩模结构顶部的一个或多个横向尺寸大的一个或多个横向 尺寸，使得基底的至少一部分横向延伸到顶部之外一段距离，硬掩 模结构的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底更大的垂直距离处；以 及刻蚀材料。
14. 根据权利要求13的方法，其中硬掩模结构包括其至少一部 分用作器件中的触点的导电材料。
15. 根据权利要求13的方法，其中器件包括磁性器件。
16. 根据权利要求15的方法，其中非挥发性材料包括一个或多 个磁性层。
17. 根据权利要求13的方法，其中器件包括铁电随机存取存储 器器件、相变存储器器件以及互补金属氧化物半导体器件中的一种 或多种。
18. —种硬掩模结构，包括配置成在所述硬掩模结构上提供基底的至少 一 个硬掩模部件， 基底具有比硬掩模结构顶部的一个或多个横向尺寸大的一个或多个 横向尺寸，使得基底的至少一部分横向延伸到顶部之外一段距离。
19. 根据权利要求18的硬掩模结构，其中当以横截面观看时， 横向延伸到顶部之外的基底的每个至少一部分具有基底最长横向尺 寸的大约20%至大约40%的最长横向尺寸。
20. 根据权利要求18的硬掩模结构，其中当以横截面观看时， 横向延伸到顶部之外的基底的每个至少一部分具有基底最长横向尺 寸的大约30%至大约40%的最长横向尺寸。
21. 根据权利要求18的硬掩模结构，其中至少一个硬掩模部件 具有锥形构造。
22. 根据权利要求18的硬掩模结构，其中至少一个硬掩模部件 包括一对硬掩模层。
23. 根据权利要求18的硬掩模结构，其中至少一个硬掩模部件 包括一对硬掩模层，该对硬掩模层的一个具有比该对硬掩模层的另 一个大的厚度。
24. 根据权利要求18的硬掩模结构，其中至少一个硬掩模部件 包括一对硬掩模层，该对硬掩模层的一个包括TiN且该对硬掩模层 的另一个包括TaN。
25. 根据权利要求18的硬掩模结构，包括单个硬掩模层。
全文摘要
提供磁性器件制造的技术。在一个方面，对至少一种例如非挥发性材料构图的方法包括下面的步骤。硬掩模结构形成在将要构图的材料的至少一个表面上。硬掩模结构配置成具有最接近材料的基底，以及与基底相对的顶部。基底具有比硬掩模结构顶部的一个或多个横向尺寸大的一个或多个横向尺寸，使得基底的至少一部分横向延伸到顶部之外一段距离。硬掩模结构的顶部处于距离被刻蚀的材料比基底更大的垂直距离处。刻蚀材料。
文档编号B44C1/22GK101300661SQ200580051001
公开日2008年11月5日 申请日期2005年12月7日 优先权日2005年7月8日
发明者斯瓦南达·K.·卡纳卡萨巴帕西, 欧格尼·J.·奥沙利文, 迈克尔·C.·盖蒂斯 申请人:国际商业机器公司