在有/无稀有气体的磁性穿隧结(MTJ)蚀刻过程中将氧化剂导入至甲醇以改善磁性穿隧结(MTJ)性能制造技术

公开一种用于形成具有最少的侧壁残留物及减少的低尾族群(low tail population)的磁性穿隧结(MTJ)的工艺流程，其中首先在作为MTJ层最上层的硬掩模中形成图案。之后，蚀刻转移硬掩模图案穿过包括参考层/穿隧阻障/自由层堆叠的下方MTJ层。可以基于第一流速的氧气及第二流速的氧化剂(例如甲醇)在单一RIE步骤中完成蚀刻转移，其中甲醇/氧气的比例至少为7.5：1。RIE也可以包括稀有气体的流速。在其他实施例中，当离子束蚀刻或等离子体蚀刻涉及稀有气体离子时，可在蚀刻转移穿过MTJ堆叠后，以氧化剂例如甲醇进行化学处理以及在50℃至450℃进行挥发。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在有/无稀有气体的磁性穿隧结(MTJ)蚀刻过程中将氧化剂导入至甲醇以改善磁性穿隧结(MTJ)性能相关专利申请本申请与以下相关：案卷号：HT17-005，申请日为2017年5月15日，申请号：15/595,484以及案卷号：HT17-011，申请日为2017年8月3日，申请号：15/668,113，其与本案具有相同受让人，且其整体内容通过引用方式并入本公开。
本公开有关于一种在蚀刻过程中减少MTJ侧壁损坏及残留物的方法，其蚀刻过程将掩模图案转移穿过MTJ堆叠层，从而产生MTJ纳米柱阵列，其MTJ纳米柱阵列具有改善的磁阻比(magnetoresistiveratio,DRR)及其他磁性特性，包括在DRR对最小电阻的图中具有减少的低尾族群。
技术介绍
MTJ存储元件也称为MTJ纳米柱或MTJ，是磁性记录装置以及存储装置例如磁阻式随机存取存储器(magnetoresistiverandomaccessmemory,MRAM)及自旋力矩转移-磁阻式随机存取存储器(spintorquetransferMRAM,STT-MRAM)中的关键元件。制造MTJ阵列的重要步骤为蚀刻转移上方硬掩模中的图案穿过MTJ堆叠层，以形成具有临界尺寸(criticaldimension,CD)的MTJ阵列，从上向下观察，其MTJ阵列的临界尺寸在现有技术中大抵小于100nm。蚀刻转移工艺通常涉及多个蚀刻步骤，包括反应性离子蚀刻(reactiveionetch,RIE)及/或离子束蚀刻(ionbeametch,IBE)，并停止在基板上，其基板通常为底部电极。MTJ堆叠层包括两个铁磁层，称为自由层(freelayer,FL)及参考层(referencelayer,RL)，以及位于FL和RL之间的介电层(穿隧阻障)。RL具有固定的磁化优选在垂直于平面的方向(垂直磁非等向性(perpendicularmagneticanisotropy,PMA))，而FL可以自由旋转至与RL磁化方向平行(parallel,P)或反平行(anti-parallel,AP)的方向从而为MTJ建立“0＂或“1”的存储态。磁阻比以dR/R(或DRR)表示，dR是当电流流过MTJ时两个磁态(RAP-RP)之间的电阻差，R等于RP，为最小电阻值。最底部的MTJ层通常为非磁性晶种层，可促进上方层的均匀成长，并增强上方RL或FL中的PMA。盖层例如Ta形成为最上层的MTJ层，并在随后的物理及化学蚀刻中作为保护层。因此，进行单一蚀刻转移工艺穿过MTJ堆叠层具有挑战性，因为当采用具有Ar的IBE或常规基于甲醇的RIE时，存在多种具有不同蚀刻速率的材料(磁性合金、非磁性金属及介电膜)。详细而言，尽管在侧壁上有最少的蚀刻材料再沉积，但甲醇RIE会对MTJ侧壁造成化学及等离子体损坏。另一方面，IBE不会产生化学损坏，且留下最少的等离子体损坏，但会导致MTJ侧壁上高度的再沉积材料。在RIE及IBE中，所谓的死层都形成在MTJ侧壁上，并由再沉积材料及受损材料包括MTJ层的氧化部分的一或两者形成。当死层包括来自硬掩模或另一MTJ层或底部电极的一种或多种金属，并形成在穿隧阻障上时，可能会容易发生电分流或“短路”，并使装置无法使用。如图1所示，在DRR对电阻(RP)关系图中，电分流通常被视为“低尾”族群。群集3的数据点在主要族群2之外并向零DRR及零RP扩展，被定义为“低尾”。对于STT-MRAM的应用，不期望具有低尾族群的MTJ，因为它们具有较小的DRR和较低的RP。出现此结果的原因是，随着电短路(分流)变大，更多电流通过分流路径，而不对穿隧磁阻产生贡献。现有技术并未提供转移硬掩模图案穿过整个堆叠层，而不在MTJ侧壁上大抵再沉积一种或多种MTJ材料或不对侧壁造成重大损坏的单一蚀刻解决方案。在任何方案中，从侧壁去除材料都需要一个或多个额外的步骤，这些步骤会降低产量并增加成本。此外，损坏的侧壁难以修复并且经常导致产量降低，因此导致每单位可接受产品的成本更高。因此，需要一种用于在单一蚀刻工艺中蚀刻MTJ堆叠层的新方法以达到更高的产量和更低的成本，并且其方法必须维持或优选地改善所产生的多个MTJ中的磁性特性，包括增加DRR和减少低尾族群。此外，期望一种用于蚀刻MTJ侧壁的工艺流程，其工艺流程可以大抵减少直径(CD)约为60nm或更小的装置的侧壁残留物。
技术实现思路
本公开的一个目的是提供一种通过单一蚀刻步骤蚀刻硬掩模下方MTJ堆叠中所有层的方法，其方法留下最少的残留物，从而减少电分流的发生。本公开的第二目的是提供一种用于MTJ蚀刻的工艺流程，其与常规基于甲醇的RIE相比，满足了第一目的并且大抵减少侧壁损坏及相关的边缘效应，从而改善装置性能包括更高的DRR，特别是对于临界尺寸小于60nm的MTJ纳米柱。根据优选实施例，这些目的是通过具有至少参考层、自由层、在自由层与参考层之间的穿隧阻障以及最上层的硬掩模的MTJ堆叠层实现。在一些实施例中，将晶种层作为最底部的MTJ层。首先在硬掩模层上方的光阻掩模层中定义出包括具有最终MTJ纳米柱所需临界尺寸的多个岛状部件(islandfeature)的图案。优选地，在硬掩模和光阻掩模层之间存在底部抗反射涂层(bottomanti-reflectivecoating,BARC)或介电抗反射涂层(dielectricanti-reflectivecoating,DARC)，其比光阻掩模对后续蚀刻工艺具有更好的耐受性。图案通过第一RIE或IBE步骤通过BARC或DARC进行蚀刻转移，然后通过继续执行第一蚀刻步骤，或通过执行包含氟碳或氯碳气体的第二RIE步骤，或通过第二IBE步骤转移图案。根据本公开的一个实施例，之后通过包括稀有气体、氧气以及化学品(氧化剂)例如甲醇、乙醇、氨、或CO与NH3的组合的RIE步骤，将岛状部件的图案转移穿过剩余的MTJ层。详细而言，Ar离子或其类似物为蚀刻提供物理成分，而氧气及一种或多种化学品提供用于化学蚀刻的等离子体成分。因此，稀有气体离子或等离子体大抵最少化对MTJ侧壁的化学损坏，并由于氧气和化学成分产生的等离子体，MTJ侧壁上的蚀刻残留物的再沉积显著减少。与常规基于甲醇的RIE相比，可以优化蚀刻条件以产生大抵更少的侧壁损坏及侧壁残留物。在一个优选的实施例中，甲醇/氧气的比例大于7.5：1。在替代实施例中，或等于1：1，或者稀有气体流量可以减少至零，同时保持甲醇/氧气比例大于7.5：1。之后，将封装层沉积在所得的MTJ上，然后执行化学机械抛光(chemicalmechanicalpolish,CMP)工艺或替代的平坦化方法以去除硬掩模上的所有层。CMP工艺形成与周围封装层共平面的硬掩模顶表面。由上往下看，MTJ形成例如圆形或椭圆形的阵列。在第二实施例中，使用工艺流程将硬掩模中岛状的图案转移穿过剩余的MTJ层。从而产生具有最少的侧壁损坏及残留物的多个MTJ。第一工艺流程包括IBE步骤，然后是单独的化学处理以将MTJ侧壁上的非挥发性残留物转化为挥发性残留物。之后，采用第二I本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种蚀刻磁性穿隧结(MTJ)堆叠层的方法，包括：/n(a)在一第一电极上提供一磁性穿隧结堆叠层，其中该磁性穿隧结堆叠层包括最上层的一硬掩模层，以及一第一堆叠层，包括一参考层、一自由层以及位于该参考层与该自由层之间的一穿隧阻障层；/n(b)通过一第一蚀刻工艺在该硬掩模层中形成一图案，该第一蚀刻工艺为使用稀有气体的离子束蚀刻(IBE)或使用氟碳化合物或氯碳化合物的反应性离子蚀刻(RIE)，其中该图案具有从一硬掩模顶表面延伸到该第一堆叠层的一顶表面的一侧壁；以及/n(c)在该第一堆叠层中形成一图案，该第一堆叠层的一侧壁与该硬掩模层中的该侧壁形成一连续表面，并且延伸到该第一电极的一顶表面，其中该第一堆叠层中的该图案通过一第二蚀刻步骤产生，该第二蚀刻步骤包括以一第一流速由氧气以及一第二流速由一氧化剂所产生的离子或等离子体，该氧化剂是一种或多种选自：甲醇、乙醇、氨、N

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20171228 US 15/856,1291.一种蚀刻磁性穿隧结(MTJ)堆叠层的方法，包括：
(a)在一第一电极上提供一磁性穿隧结堆叠层，其中该磁性穿隧结堆叠层包括最上层的一硬掩模层，以及一第一堆叠层，包括一参考层、一自由层以及位于该参考层与该自由层之间的一穿隧阻障层；
(b)通过一第一蚀刻工艺在该硬掩模层中形成一图案，该第一蚀刻工艺为使用稀有气体的离子束蚀刻(IBE)或使用氟碳化合物或氯碳化合物的反应性离子蚀刻(RIE)，其中该图案具有从一硬掩模顶表面延伸到该第一堆叠层的一顶表面的一侧壁；以及
(c)在该第一堆叠层中形成一图案，该第一堆叠层的一侧壁与该硬掩模层中的该侧壁形成一连续表面，并且延伸到该第一电极的一顶表面，其中该第一堆叠层中的该图案通过一第二蚀刻步骤产生，该第二蚀刻步骤包括以一第一流速由氧气以及一第二流速由一氧化剂所产生的离子或等离子体，该氧化剂是一种或多种选自：甲醇、乙醇、氨、N2O、H2O2、H2O以及CO的化学品，其中该第二流速大于该第一流速。


2.如权利要求1所述的方法，其中该第二蚀刻步骤更包括一稀有气体的一流速，该稀有气体为Ar、Kr、Ne及Xe其中之一。


3.如权利要求1所述的方法，其中更包括一挥发步骤，以在该第二蚀刻步骤之后去除该第一堆叠侧壁上的挥发性残留物。


4.如权利要求3所述的方法，其中该挥发步骤为包括稀有气体及射频(RF)或直流(DC)功率的离子束蚀刻或等离子体溅射蚀刻。


5.如权利要求4所述的方法，其中在该挥发步骤期间的该离子束蚀刻或等离子体溅射蚀刻产生稀有气体离子或等离子体，上述稀有气体离子或等离子体以0°到90°的穿透角定向以进行该离子束蚀刻，或垂直于该第一电极的一顶表面以进行该等离子体溅射蚀刻。


6.如权利要求3所述的方法，其中该挥发步骤包括约50℃至450℃之间的温度的热处理。


7.如权利要求1所述的方法，其中在该第二蚀刻步骤中，离子及等离子体的方向大抵垂直该第一电极的该顶表面。


8.如权利要求1所述的方法，其中该第二蚀刻步骤中的离子及等离子体是通过600至3000瓦的射频功率产生。


9.如权利要求5所述的方法，其中该挥发步骤更包括稀有气体的流速或氧气及稀有气体的流速。


10.如权利要求1所述的方法，其中该第二流速至少比该第一流速大7.5倍。


11.一种蚀刻磁性穿隧结(MTJ)堆叠层的方法，包括：
(a)在一第一电极上提供一磁性穿隧结堆叠层，其中该磁性穿隧结堆叠层包括最上层的一硬掩模层，以及一第一堆叠层，包括一参考层、一自由层以及位于该参考层与该自由层之间的一穿隧阻障层；
(b)通过一第一蚀刻工艺在该硬掩模层中形成一图案，该第一蚀刻工艺为使用稀有气体的离子束蚀刻(IBE)或使用氟碳化合物或氯碳化合物的反应性离子蚀刻(RIE)，其中该图案具有从一硬掩模顶表面延伸到该第一堆叠层的一顶表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈冬娜，王郁仁，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：中国台湾;71