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制造技术

本发明专利技术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，本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的实施例旨在，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。在本专利技术的另 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。在本专利技术的再一个实施例中，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。附图说明图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.专利技术的MRAM的工艺工序图4.专利技术的MRAM的工艺工序图5a.专利技术的MRAM的工艺工序图5b.专利技术的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.本专利技术的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.本专利技术的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。具体实施例方式本专利技术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， 本专利技术的关键方面是由专利技术的工艺制备的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 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-3-16 60/783,157;US 2007-3-14 11/724,5561、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-cont...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伯特迪蒂奇奥，
申请(专利权)人：泰格尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]