磁阻设备和用于制造磁阻设备的方法与流程

本文中描述的实施例大体上涉及磁阻设备和用于制造磁阻设备的方法，包括磁阻传感器和制造这样的传感器的方法。

背景技术：

磁阻设备可以基于一个或多个磁阻技术——例如包括隧道磁阻（TMR）、巨磁阻（GMR）、各向异性磁阻（AMR）和/或如（一个或多个）相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它磁阻技术——所述一个或多个磁阻技术可以被统称为xMR技术。可以使用各种电气触点配置例如电流在平面内（CIP）配置或者电流垂直于平面（CPP）配置来配置磁阻技术。在CIP配置中，电流在设置于设备的同一侧上的电气触点之间与磁阻设备的层系统平行流动，而在CPP配置中，电流在设置于设备的相对侧上的电气触点之间与层系统垂直流动。

附图说明

被合并在本文中并且形成说明书的一部分的附图图示出本公开的实施例，并且与描述一起进一步用于解释实施例的原理以及使相关领域的技术人员能够做出和使用所述实施例。

图1A和1B图示出根据本公开的示例性实施例的磁阻层结构的示意性横截面图。

图2A-2D图示出根据本公开的示例性实施例的用于制造磁阻设备的方法的横截面图。

图3A-3D图示出根据本公开的示例性实施例的用于制造磁阻设备的方法的横截面图。

将参考附图描述本公开的示例性实施例。其中元素首次出现的附图通常由对应的标号中的（一个或多个）最左数位指示。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述了大量特定的细节以便提供对本公开的实施例的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员将显而易见的是，可以在没有这些特定的细节的情况下实践包括结构、系统和方法的实施例。本文中的描述和表示是被本领域的技术人员或有经验人员使用来向本领域的其他技术人员最有效地传达他们的工作的实质的常见手段。在其它实例中，未详细描述公知的方法、规程、部件和电路，以避免不必要地使本公开的实施例模糊不清。

图1A和1B分别图示出根据本公开的示例性实施例的磁阻层结构100A和100B的示意性横截面图。出于本公开的目的，磁阻层结构也可以被称为“磁阻堆叠”或者“xMR堆叠”。

图1A图示出具有底部自旋值（BSV）配置的磁阻层结构的示意性横截面图。在BSV配置中，自由层70被设置在钉扎层30之上，如图1A中所图示的那样。图1B图示出具有顶部自旋值（TSV）配置的磁阻层结构的示意性横截面图。在TSV配置中，钉扎层30被设置在自由层70之上，如图1B中所图示的那样。

在示例性实施例中，磁阻层结构100A和100B可以每个包括种子层10、反铁磁层20、钉扎层30、耦接层40、参考层50、间隔层60、自由层70和覆盖层80。在另一示例性实施例中，磁阻层结构100A和/或磁阻层结构100B可以省略覆盖层80。例如，磁阻层结构100A和/或磁阻层结构100B可以包括种子层10、反铁磁层20、钉扎层30、耦接层40、参考层50、间隔层60和自由层70。

在如图1A中所图示的BSV配置中，反铁磁层20被设置在种子层10上，钉扎层30被设置在反铁磁层20上，耦接层40被设置在钉扎层30上，参考层50被设置在耦接层40上，间隔层60被设置在参考层50上，以及自由层70被设置在间隔层60上。在包括覆盖层80的示例性实施例中，覆盖层80被设置在自由层70上。

在如图1B中所图示的TSV配置中，自由层70被设置在种子层10上，间隔层60被设置在自由层70上，参考层50被设置在间隔层60上，耦接层40被设置在参考层50上，以及钉扎层30被设置在耦接层40上，反铁磁层20被设置在钉扎层30上。在包括覆盖层80的示例性实施例中，覆盖层80被设置在反铁磁层20上。

在示例性实施例中，对于TSV和BSV配置类似地，各种层中的两层或更多层可以与彼此平行或者基本上平行。例如，自由层70可以与种子层10、间隔层60、参考层50、耦接层40、钉扎层30、反铁磁层20和/或覆盖层80平行或者基本上平行。

种子层10可以包括以下各项中的一项或多项：例如，Cu、CuN、Ru、Ta、TaN、NiFe、NiCr、NiFeCr和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。种子层10可以具有例如5 nm的厚度。

反铁磁层20可以包括以下各项中的一项或多项：例如，PtMn、NiMn、IrMn和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。反铁磁层20可以具有范围例如从3到50 nm的厚度或者范围例如从10到30 nm的厚度。在示例性实施例中，反铁磁层20具有例如15 nm的厚度。

钉扎层30可以包括以下各项中的一项或多项：例如，CoFe、CoFeB、CoFeNi、NiFe和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。钉扎层30可以具有范围例如从1到5 nm的厚度或者范围例如从2到3 nm的厚度。在示例性实施例中，钉扎层30具有例如2 nm的厚度。

耦接层40可以包括以下各项中的一项或多项：例如，Ru、Ta、Ti、TiN、Cu、Cr、CuN和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。耦接层40可以具有范围例如从0.5到3 nm的厚度。在示例性实施例中，耦接层40具有例如1 nm的厚度。

参考层50可以包括以下各项中的一项或多项：例如，CoFe、CoFeB、NiFe、CoFeNi和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。参考层50可以具有范围例如从1到5 nm的厚度或者范围例如从2到3 nm的厚度。在示例性实施例中，参考层50具有例如2 nm的厚度。

间隔层60可以包括以下各项中的一项或多项：例如，氧化镁（MgO）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化铪（HfO）和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。在GMR技术中，间隔层60可以是例如铜（Cu）和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。间隔层60可以具有范围例如从0.5到4 nm的厚度。在示例性实施例中，间隔层60具有例如 1nm的厚度。

自由层70可以包括以下各项中的一项或多项：例如，CoFe、CoFeB、CoFeNi、NiFe、这些层中的一层或多层的组合——诸如例如CoFe/Ru/NiFe——和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。自由层70可以具有范围例如从1到5 nm的厚度或者范围例如从2到3 nm的厚度。在示例性实施例中，自由层70具有例如3 nm的厚度。

覆盖层80可以包括以下各项中的一项或多项：例如，Ru、Ta、TaN和/或如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。覆盖层80可以具有范围例如从3-50 nm的厚度。在示例性实施例中，覆盖层80具有例如5 nm的厚度。

各种层的材料和/或复合物不限于本文中讨论的示例性材料和/或复合物，以及所述层中的一层或多层可以包括如相关领域的技术人员将理解的一个或多个其它复合物和/或材料。类似地，各种层的厚度和厚度范围不限于本文中讨论的示例性厚度值，以及所述层中的一层或多层可以具有如相关领域的技术人员将理解的不同厚度。

图2A-2D示意地图示出根据本公开的示例性实施例的用于制造磁阻设备的方法200的横截面图。

在图2A中，提供了基底205。基底205可以包括电绝缘材料或者由电绝缘材料制成，所述电绝缘材料例如包括二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。在其它实施例中，基底205可以包括电介质材料或者由电介质材料制成。

继续参考图2A，磁阻层结构210被提供和设置在基底205上，硬掩模215被提供和设置在磁阻层结构210上，以及光致抗蚀剂220被提供和设置在硬掩模215上。在一些示例中，磁阻层结构100A或者磁阻层结构100B可以是磁阻层结构210的实施例。

可以使用一个或多个沉积过程来沉积磁阻层结构210和/或硬掩模215，所述一个或多个沉积过程例如包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它沉积过程。

在图2B中，硬掩模215的部分被去除。在示例性实施例中，可以使用一个或多个蚀刻过程来去除硬掩模215的部分，所述一个或多个蚀刻过程例如包括反应离子蚀刻（RIE）、深层RIE、离子束蚀刻、一个或多个其它等离子体蚀刻过程、一个或多个化学蚀刻过程和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它蚀刻过程。在一些示例中，在暴露磁阻层结构210之前停止去除/蚀刻过程，由此在磁阻层结构210的顶部上留下硬掩模215的部分216。通过在适当的位置留下硬掩模215的部分216，磁阻层结构210不被暴露到去除/蚀刻过程。因此，可以保护磁阻层结构210免于可能由去除/蚀刻处理引入/引起的例如腐蚀、其它破坏性反应和/或杂质。

图2C图示出去除光致抗蚀剂220之后的磁阻设备的形成。在本示例中，已在如图2B中所图示的硬掩模215的部分的去除之后去除光致抗蚀剂220。

在图2D中，磁阻设备的形成经受可以去除以下各项中的一项或多项的去除过程：（1）先前由光致抗蚀剂220保护的硬掩模215的至少部分；（2）硬掩模215的部分216；以及（3）底层磁阻层结构210（例如在部分216之下的磁阻层结构210的部分）。对底层磁阻层结构210的去除可以暴露基底205的部分。在一些示例中，在去除底层磁阻层结构210期间所暴露的基底205的部分中的至少一些也可以在去除过程期间被去除。

在示例性实施例中，去除过程可以包括蚀刻过程，所述蚀刻过程例如包括溅射蚀刻、气相蚀刻、一个或多个化学蚀刻过程和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它蚀刻过程。在一些实施例中，如图2B中所图示的硬掩模215的蚀刻过程可以与如图2D中所图示的硬掩模215、磁阻层结构210和基底205的蚀刻过程不同。例如，如图2B中所图示的硬掩模215的蚀刻过程可以是反应蚀刻过程（例如RIE、离子束蚀刻等），以及硬掩模215、磁阻层结构210和基底205的蚀刻可以是非反应蚀刻过程（例如溅射蚀刻、气相蚀刻等）。

在示例性实施例中，如图2D中所示出的硬掩模215、磁阻层结构210和基底205的蚀刻可以在单独的蚀刻过程中被执行。然而，所述层中的两层或更多层的蚀刻可以在同一蚀刻过程中被执行，或者所有这些层的蚀刻可以在单个蚀刻过程中被执行。

在去除硬掩模215和磁阻层结构210的对应部分之后，形成了磁阻设备。在一些实施例中，磁阻设备包括作为磁阻层结构210的磁阻层结构100A或者磁阻层结构100B。

在本示例中，并且如图2D中所图示的，与在图2D中的去除处理之前的硬掩模215的厚度（H1）（例如图2C中）相比，硬掩模215的厚度（H2）已被减小（即，H2 < H1）。还可以去除硬掩模215的边缘，从而创建一个或多个刻面（facet）230。此外，图2D中的去除处理可以导致位于被去除的磁阻层结构210下面的基底的部分也被去除。在本示例中，刻面的程度可以受在图2B中所图示的蚀刻过程之后留下的硬掩模215的量（例如部分216）的影响。例如，随着部分216的厚度增加，由图2D中所图示的蚀刻过程引起的（一个或多个）刻面230可以也增加。即，部分216的增加可能需要用于去除剩余的硬掩模215（部分216）和底层磁阻层结构210的蚀刻过程的增加，由此增加（一个或多个）刻面230。在一些情况下，过度刻面可能将磁阻层结构210暴露于可能由蚀刻硬掩模215引入/引起的潜在腐蚀性或其它破坏性的反应和/或杂质。相反地，通过去除硬掩模210的更大厚度（例如减少剩余的部分216），将底层磁阻层结构210暴露于腐蚀性或其它破坏性反应和/或杂质的可能性可能也增加。

图3A-3D示意地图示出根据本公开的示例性实施例的用于制造磁阻设备的方法300的横截面图。

在图3A中，提供了基底305。基底305可以包括电绝缘材料或者由电绝缘材料制成，所述电绝缘材料例如包括二氧化硅（SiO₂）、氮化硅（Si₃N₄）和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。在其它实施例中，基底305可以包括电介质材料或者由电介质材料制成。

继续参考图3A，磁阻层结构310被提供和设置在基底305上，蚀刻停止层（ESL）350被提供和设置在磁阻层结构310上，硬掩模315被提供和设置在ESL 350上，以及光致抗蚀剂320被提供和设置在硬掩模315上。在一些示例中，磁阻层结构100A或者磁阻层结构100B可以是磁阻层结构310的实施例。

在示例性实施例中，ESL 350可以包括以下各项或者由以下各项制成：例如，氧化镁（MgO）、氧化铝（Al₂O₃）、氮化铝（AlN）、氧化钛（TiO₂）、氧化锆（ZrO₂）、氧化铪（HfO₂）和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。在其它实施例中，ESL 350可以包括以下各项或者由以下各项制成：例如，铜（Cu）、铝（Al）和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它材料和/或复合物。例如，在TMR技术中，ESL 350可以是金属的，并且包括Cu、Al等或者由Cu、Al等制成。在GMR技术中，ESL 350可以包括以下各项中的一项或多项或者由以下各项中的一项或多项制成：MgO、Al₂O₃、AlN、TiO₂、ZrO₂、HfO₂等。

ESL 350的组成可以被选择为使得ESL 350对一种类型的去除过程有抵抗力，同时对另一个去除过程有较小抵抗力。例如，ESL 350可以被配置为，对例如反应蚀刻过程（例如反应离子蚀刻（RIE）、离子束蚀刻等）具有高抵抗力，同时对非反应蚀刻过程（例如溅射蚀刻、气相蚀刻等）具有低抵抗力。在一些实施例中，与硬掩模315相比，ESL 350可以对于去除/蚀刻过程具有更低的抵抗力。

ESL 350可以具有例如1-5 nm、2-4 nm、1-3 nm、2-3 nm的厚度和/或如相关领域的普通技术人员将理解的另一厚度。相比之下，硬掩模315可以具有例如100-300 nm的厚度，以及磁阻层结构310可以具有例如50 nm的厚度。即，在一个或多个实施例中，硬掩模315和磁阻层结构310可以具有例如是ESL 350的厚度至少10倍的厚度。

在示例性实施例中，ESL 350被设置在例如磁阻层结构100A或者磁阻层结构100B的覆盖层80上。在其它实施例中，ESL 350可以被设置在磁阻层结构100A、100B中的覆盖层80与底层自由层70/反铁磁层20之间。在其它实施例中，磁阻层结构100A或者磁阻层结构100B可以省略覆盖层80，以及ESL 350可以分别被设置在自由层70或者反铁磁层20上。在本示例中，ESL 350除了起蚀刻停止层的作用之外可以起覆盖层80的作用。

可以使用一个或多个沉积过程来沉积磁阻层结构310、ESL 350和/或硬掩模315，所述一个或多个沉积过程例如包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它沉积过程。

在图3B中，硬掩模315的部分被去除以暴露ESL 350的底层部分。在本示例中，硬掩模315的整个厚度可以被去除，这与其中硬掩模215的部分216不被去除的图2B中所图示的去除过程不同。在本示例中，对ESL 350的包括允许去除硬掩模315的整个厚度，同时保护磁阻层结构310免于去除过程。例如，可以保护磁阻层结构310免于可能由去除/蚀刻处理引入/引起的例如腐蚀、其它破坏性反应和/或杂质。

在示例性实施例中，可以使用一个或多个蚀刻过程来去除硬掩模315的部分，所述一个或多个蚀刻过程例如包括反应离子蚀刻（RIE）、深层RIE、离子束蚀刻、一个或多个其它等离子体蚀刻过程、一个或多个化学蚀刻过程和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它蚀刻过程。

图3C图示出在完成对硬掩模315的部分的去除之后的磁阻设备的形成。在本示例中，光致抗蚀剂320也已在对硬掩模315的部分的去除之后被去除。

在图3D中，磁阻设备的形成经受可以去除以下各项中的一项或多项的去除过程：（1）先前受光致抗蚀剂320保护的硬掩模315的至少部分；（2）ESL 350；以及（3）底层磁阻层结构310。对ESL 350和底层磁阻层结构310的去除可以暴露基底305的部分。在一些示例中，在去除过程期间还可以去除在去除底层磁阻层结构310期间所暴露的基底305的部分中的至少一些。

通过包括包含比剩余的硬掩模部分（例如图2B中的216）更小的厚度和/或与硬掩模315相比具有减小的对去除/蚀刻过程的抵抗力的ESL 350，当与图2D中所图示的类似去除处理相比时，图3D中所图示的去除处理的程度可以被减小。例如，与图2D中所图示的去除处理相比，图3D中所图示的去除处理可以在更短的时间段内和/或以减小的强度被实施。

在示例性实施例中，去除过程可以包括一个或多个蚀刻过程，所述一个或多个蚀刻过程例如包括溅射蚀刻、气相蚀刻、一个或多个化学蚀刻过程和/或如相关领域的普通技术人员将理解的一个或多个其它蚀刻过程。在一些实施例中，如图3B中所图示的硬掩模315的蚀刻过程可以与如图3D中所图示的蚀刻ESL 350、磁阻层结构310和基底305的蚀刻过程不同。例如，如图3B中所图示的硬掩模315的蚀刻过程可以是反应蚀刻过程（例如RIE、离子束蚀刻等），以及ESL 350、磁阻层结构310和基底305的蚀刻可以是非反应蚀刻过程（例如溅射蚀刻、气相蚀刻等）。

在示例性实施例中，可以在单独的蚀刻过程中执行如图3D中所示出的硬掩模315、磁阻层结构310、ESL 350和基底305的蚀刻。然而，可以在同一蚀刻过程中执行所述层中的两层或更多层的蚀刻，或者可以在单个蚀刻过程中执行所有这些层的蚀刻。

在去除ESL 350和磁阻层结构310之后，形成磁阻设备。在一些实施例中，磁阻设备包括作为磁阻层结构310的磁阻层结构100A或者磁阻层结构100B。

在本示例中，并且如图3D中所图示的，去除处理将硬掩模315的厚度（H3）减小到硬掩模315的厚度（H4）。然而，因为图3D中所图示的去除处理的程度作为所包括的ESL 350的结果而与图2D中所图示的类似处理相比可以被降低，所以剩余的硬掩模315的厚度（H4）比图2D中所图示的硬掩模215的厚度（H2）更大。即，因为图3B中所图示的去除处理去除硬掩模315的整个厚度并且暴露ESL 350，以及因为ESL 350可以被配置为具有比硬掩模215/315更小的厚度（例如部分216的厚度）和/或比硬掩模215/315更低的对去除处理的抵抗力，所以用于去除磁阻层结构310的随后去除处理（例如图3D）的程度可以比图2D中所图示的类似去除处理更小。

因此，硬掩模315的比图2D中所图示的对应硬掩模215的更多剩余并且形成磁阻设备的一部分。即，硬掩模315的厚度（H4）比图2D中所图示的对应硬掩模215的厚度（H2）更大。此外，还可以去除硬掩模315的边缘，从而创建一个或多个刻面330。然而，如图3D中所图示的，由于用在图3D中所图示的磁阻设备的形成中的去除处理的减少，刻面330可以比图2D中所图示的实施例的刻面230更小。在本示例中，对ESL 350的包括可以允许如图3B中所图示的硬掩模315的完全去除，同时减少和/或消除将底层磁阻层结构310向可能由硬掩模315的蚀刻引入/引起的潜在腐蚀性或其它破坏性的反应和/或杂质的暴露。此外，通过如完全去除图3B中所示出的硬掩模315的（一个或多个）部分，由于如图3D中所示出的用于去除ESL 350和底层磁阻层结构310的随后蚀刻过程的减少，结果产生的刻面330可以被减少。

结论

特定实施例的前述描述将如此充分地展现本公开的一般性质，以至于其他人可以在没有过度试验和不脱离本公开的一般概念的情况下，通过应用本领域技能内的知识容易地修改这样的特定实施例和/或使这样的特定实施例适应各种应用。因此，基于本文中提出的教导和指导，这样的适应和修改旨在在所公开的实施例的等价物的意义和范围内。应当理解，本文中的措辞或者术语出于描述而非限制的目的，使得本领域的技术人员应当按照所述教导和指导解释本说明书的术语或者措辞。

在本说明书中对“一个实施例（one embodiment）”、“实施例（an embodiment）”、“一个示例性实施例”等的参考指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或者特性，但是每个实施例可以不必包括特定的特征、结构或者特性。此外，这样的短语不必指代同一实施例。另外，当结合实施例描述特定的特征、结构或者特性时，主张其在本领域的技术人员的知识内以结合其它实施例（不论是否被明确描述）对这样的特征、结构或者特性起作用。

本文中描述的示例性实施例被提供用于说明性目的并且不是限制性的。其它示例性实施例是可能的，并且可以对示例性实施例做出修改。因此，本说明书将不意在限制本公开。替代地，仅根据所附权利要求及其等价物来定义本公开的范围。

上文已借助于图示出指定的功能及其关系的实施方式的功能构建块描述了本公开。为了描述的方便，在本文中已任意地定义了这些功能构建块的边界。只要指定的功能及其关系被适当地执行，则可以定义可替换的边界。