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技術 MTJメモリデバイスの製造方法

出願人 スピンメモリインコーポレイテッド
発明者 プナルバシュムスタファ
出願日 2015年7月16日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2016-529428
公開日 2017年9月14日 (3年3ヶ月経過) 公開番号 2017-527097
状態 特許登録済
技術分野 MRAM・スピンメモリ技術 ホール/MR素子
主要キーワード 保護絶縁体 最終処理ステップ 強磁性プレート 製造機構 最終動作 品質仕様 エッチング止め バリア抵抗
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (15)

課題・解決手段

MTメモリデバイス用MTJピラーの製造方法。本方法は、基板上に複数のMTJ層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イオンビームエッチングとの交互のステップを行い、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平坦化する前に、第2の絶縁層を堆積させる。

概要

背景

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。

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。

概要

MTメモリデバイス用MTJピラーの製造方法。本方法は、基板上に複数のMTJ層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イオンビームエッチングとの交互のステップを行い、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平坦化する前に、第2の絶縁層を堆積させる。

目的

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

効果

実績

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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。

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、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照射するステップを含む、請求項1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、マグネシウム酸化物からなる、請求項1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。

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

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。

請求項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、請求項18に記載の製造方法。

請求項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。

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MT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。

発明が解決しようとする課題

0004

MRAMデバイスは、広範囲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構造トンネル接合動作不能にする。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、MTJMRAM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

MTJデバイスの従来の製造方法を示す。
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。
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。

実施例

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5Aおよび図5B〜図5D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5A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5A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

図5B〜図5Dは、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の実施形態を示す。特に、図5B〜図5Dは、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(説明のために、共に図5B〜図5Dに下向き矢印で示す)を使用するエッチングを示す。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。これらの2つのエッチングするステップを図5Bにまとめて示す。

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。図5B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

図5Bに示す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

図5Bに戻って参照すると、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、図5Cに示すように残りの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、図5Dに示すように、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、図5B〜図5D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第2の実施形態を示す。

0029

エッチングを第1の実施形態(図5A)に従って行おうと、第2の実施形態(図5B〜図5D)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331a、331bおよび331c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331a、331bおよび331c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331a、331bおよび331c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331a、331bおよび331c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331a、331bおよび331c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331a、331bおよび331c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8Aおよび図8B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。特に、図8Aは、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)のステップを示す。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8B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8B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または図8Aのいずれか)、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8A〜図8B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。

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