制造基于磁電阻的器件的方法
【專利說明】制造基于磁電阻的器件的方法
[0001]本申請(qǐng)要求2012年8月14日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)N0.61/682，860的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]此處描述的示例性實(shí)施例通常涉及基于磁電阻的器件，并且更具體地，涉及制造基于磁電阻的器件的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]基于磁電阻的器件、自旋電子學(xué)器件和自旋電子器件對(duì)于利用主要由電子自旋所引起的效應(yīng)的器件是同義術(shù)語(yǔ)。在許多信息器件中使用基于磁電阻的器件提供非易失性的、可靠的、抗輻射的和高密度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和取回。許多基于磁電阻的器件包括，但不限于用于磁盤驅(qū)動(dòng)器的讀/寫頭、磁電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)和磁傳感器。
[0004]通常，MRAM包括磁電阻存儲(chǔ)器元件的陣列。每個(gè)磁電阻存儲(chǔ)器元件通常具有包括由各種非磁層分開的多個(gè)磁層的結(jié)構(gòu)(例如磁隧道結(jié)(MTJ))，并且呈現(xiàn)取決于器件磁狀態(tài)的電阻。在磁層中，信息被存儲(chǔ)為磁化矢量的方向。一個(gè)磁層中的磁化矢量被磁性地固定或者釘扎，而另一個(gè)磁層的磁化方向可以在相同方向與相反方向(分別稱為“平行”與“反平行”狀態(tài))之間自由轉(zhuǎn)換。與平行和反平行磁狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，磁存儲(chǔ)器元件分別具有低電阻狀態(tài)和高電阻狀態(tài)。因此，電阻的檢測(cè)允許磁電阻存儲(chǔ)器元件(例如MTJ器件)提供存儲(chǔ)在磁存儲(chǔ)器元件中的信息。有兩個(gè)完全不同的方法用于對(duì)自由層進(jìn)行編程:場(chǎng)切換和自旋扭矩切換。在場(chǎng)切換MRAM中，鄰近MTJ位的載流線用于生成作用于自由層的磁場(chǎng)。在自旋扭矩MRAM中，用通過MTJ本身的電流脈沖完成切換。由自旋極化隧道電流承載的自旋角動(dòng)量引起自由層的反轉(zhuǎn)，由電流脈沖的極性確定最終狀態(tài)(平行或者反平行)。存儲(chǔ)器元件由載流導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)編程。通常，將兩個(gè)載流導(dǎo)體(“數(shù)字線”(digit line)和“位線”)排列成交叉點(diǎn)矩陣以提供用于對(duì)存儲(chǔ)器元件進(jìn)行編程的磁場(chǎng)。由于數(shù)字線通常在存儲(chǔ)器元件下面形成使得存儲(chǔ)器元件可以磁耦合至數(shù)字線，因此使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS處理形成通常將存儲(chǔ)器元件耦合至晶體管的互連疊層，其偏離存儲(chǔ)器元件。
[0005]人們一直在努力改進(jìn)MRAM陣列中的MTJ元件的縮放比例或者密度。然而，這種努力已經(jīng)包括使用消耗MRAM器件中寶貴資源的多個(gè)掩模和蝕刻步驟的方法。由于MRAM器件可能包括數(shù)百萬MTJ元件，因此在每個(gè)MTJ元件的形成中這樣使用資源會(huì)導(dǎo)致MRAM器件密度的顯著降低。
[0006]因此，需要制造基于磁電阻的器件的方法，包括圖案化磁隧道結(jié)和耦合至其上的電極。此外，結(jié)合附圖以及上述技術(shù)領(lǐng)域和背景，通過后續(xù)的詳細(xì)說明和所附權(quán)利要求，示例性實(shí)施例的其它期望特性和特征將變得明顯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]提供了使用超過一個(gè)硬掩模制造基于磁電阻的器件的方法。
[0008]在示例性實(shí)施例中，一種制造基于磁電阻的器件的方法包括以下步驟，其中該基于磁電阻的器件具有在第一導(dǎo)電層之上形成的磁性材料層，該磁性材料層包括在第一磁性材料層與第二磁性材料層之間形成的隧道勢(shì)皇(tunnel barrier)層，該方法包括在第二磁性材料層之上圖案化第一硬掩模；去除不受第一硬掩模保護(hù)的第二磁性材料層以分別形成第二磁性材料；在隧道勢(shì)皇層、第一硬掩模和第二磁性材料的側(cè)面之上圖案化第二硬掩模；以及去除不受第二硬掩模保護(hù)的第一磁性材料層和隧道勢(shì)皇層以形成第一磁性材料和隧道勢(shì)皇。
[0009]在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種制造基于磁電阻的器件的方法包括以下步驟，其中該基于磁電阻的器件具有在第一導(dǎo)電層之上形成的磁性材料層，該磁性材料層包括在第一磁性材料層與第二磁性材料層之間形成的隧道勢(shì)皇層，該方法包括對(duì)不受第一硬掩模保護(hù)的第二磁性材料層的一部分進(jìn)行蝕刻以分別形成第二磁性材料；在隧道勢(shì)皇層、第一硬掩模和第二磁性材料的側(cè)面之上圖案化第二硬掩模；以及去除不受第二硬掩模保護(hù)的第一磁性材料層和隧道勢(shì)皇層以形成第二磁性材料和隧道勢(shì)皇，其中第一硬掩模包括第二電極。
[0010]在又另一個(gè)示例性實(shí)施例中，一種制造基于磁電阻的器件的方法包括以下步驟，其中該基于磁電阻的器件具有在第一導(dǎo)電層與第二導(dǎo)電層之間形成的磁性材料層，該磁性材料層具有在第一磁性材料層與第二磁性材料層之間形成的隧道勢(shì)皇層，該方法包括在第二導(dǎo)電層之上形成第一硬掩模層；在第一硬掩模層之上圖案化第一光致抗蝕劑；對(duì)第一硬掩模層進(jìn)行蝕刻以在第一光致抗蝕劑與第二導(dǎo)電層之間產(chǎn)生第一硬掩模；對(duì)第二導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻以在第一硬掩模與第二磁性材料層之間產(chǎn)生第二導(dǎo)電電極；對(duì)第二磁性材料層進(jìn)行蝕刻以在第二導(dǎo)電電極與隧道勢(shì)皇層之間產(chǎn)生第二磁性材料，第一硬掩模、第二導(dǎo)電電極和第二磁性材料限定側(cè)面；在隧道勢(shì)皇層、第一硬掩模和側(cè)面之上沉積第二硬掩模層；在第二硬掩模上以及在第一硬掩模層之上圖案化第二光致抗蝕劑；對(duì)第二硬掩模層進(jìn)行蝕刻以產(chǎn)生第二硬掩模；對(duì)隧道勢(shì)皇層進(jìn)行蝕刻以在第二磁性材料與第一磁性材料層之間產(chǎn)生隧道勢(shì)皇；對(duì)第一磁性材料層進(jìn)行蝕刻以在隧道勢(shì)皇與第一導(dǎo)電層之間產(chǎn)生第一磁性材料；以及對(duì)第一導(dǎo)電層進(jìn)行蝕刻以產(chǎn)生鄰近第一磁性材料的第一電極。
【附圖說明】
[0011]將在下文中結(jié)合下列附圖描述本發(fā)明，其中相同數(shù)字指示相同元件，以及
[0012]圖1A-1L是根據(jù)第一示例性實(shí)施例的半導(dǎo)體工藝的橫截面圖；
[0013]圖2A-2B是根據(jù)第二示例性實(shí)施例的半導(dǎo)體工藝的橫截面圖；
[0014]圖3A-3N是根據(jù)第三示例性實(shí)施例的半導(dǎo)體工藝的橫截面圖
[0015]圖4A-4D是根據(jù)第四示例性實(shí)施例的半導(dǎo)體工藝的橫截面圖；
[0016]圖5A-5B是根據(jù)第五示例性實(shí)施例的半導(dǎo)體工藝的橫截面圖；
[0017]圖6A-6C是根據(jù)第六示例性實(shí)施例的半導(dǎo)體工藝的橫截面圖；
[0018]圖7是根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例的方法的流程圖；以及
[0019]圖8是根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下列【具體實(shí)施方式】本質(zhì)上僅僅是說明性的并且不旨在限制本主題的實(shí)施例或者這種實(shí)施例的應(yīng)用和使用。此處描述為示例性的任何實(shí)現(xiàn)方式不必被解釋為優(yōu)先于或者優(yōu)越于其它實(shí)現(xiàn)方式。此外，也不意圖受前面的技術(shù)領(lǐng)域、【背景技術(shù)】、
【發(fā)明內(nèi)容】
或者下列【具體實(shí)施方式】中表述的任何明示或者暗示的理論的約束。
[0021]在該描述過程中，根據(jù)圖示各種示例性實(shí)施例的不同圖，使用相同的數(shù)字標(biāo)識(shí)相同的元件。
[0022]可以使用如下的已知光刻工藝制造此處描述的示例性實(shí)施例。集成電路、微電子器件、微機(jī)電器件、微流體器件和光子器件的制造涉及產(chǎn)生以某個(gè)方式相互作用的若干材料層。可以對(duì)這些層中的一個(gè)或者多個(gè)進(jìn)行圖案化，使得層的各種不同區(qū)域具有不同的電氣特征或者其它特征，所述各種不同區(qū)域可以在層內(nèi)互相連接或者與其它層互相連接以產(chǎn)生電氣組件和電路?？梢酝ㄟ^選擇性地引入或者去除各種材料來產(chǎn)生這些區(qū)域。通常通過光刻工藝產(chǎn)生限定這種區(qū)域的圖案。例如，將一層光致抗蝕劑材料涂敷到覆在晶片襯底上的層上。使用光掩模(包括透明區(qū)和不透明區(qū))以通過輻射(諸如紫外光、電子或者X射線)的形式選擇性地曝光該光致抗蝕劑材料。通過施加顯影劑去除暴露于輻射或者沒有暴露于輻射的光致抗蝕劑材料?？梢越又鴮?duì)不受剩余抗蝕劑保護(hù)的層施加蝕刻，并且當(dāng)抗蝕劑被去除時(shí)，覆在襯底上的層被圖案化?？蛇x地，還可以使用加性的工藝，例如使用光致抗蝕劑作為模板來構(gòu)建結(jié)構(gòu)。
[0023]此處描述和圖示了許多發(fā)明，以及這些發(fā)明的許多方面和實(shí)施例。在一個(gè)方面中，本發(fā)明尤其涉及制造基于磁電阻的器件(例如，磁電阻傳感器或者存儲(chǔ)器單元)的方法，該基于磁電阻的器件具有一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)電電極或者導(dǎo)體(在下文中，共同稱為“電極”)，其并置有磁性材料疊層(例如，一個(gè)或者多個(gè)磁性材料層以及一個(gè)或多個(gè)隧道勢(shì)皇的一層或多層)。在一個(gè)實(shí)施例中，制造方法采用多個(gè)硬掩模(例如兩個(gè)相同類型或者不同類型的硬掩模)以形成、限定和/或圖案化具有一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)電電極以及磁性材料疊層的磁隧道結(jié)(MTJ)器件。值得注意的是，MTJ器件可以是例如換能器(例如電磁傳感器)和/或存儲(chǔ)器單元。如此處使用的，當(dāng)“硬”與“硬掩?！?一起使用時(shí)意味著耐受特定蝕刻的能力。
[0024]在一個(gè)實(shí)施例中，在形成、限定和/或圖案化導(dǎo)電電極和磁性材料疊層期間，硬掩模(例如，金屬和/或非金屬硬掩模)可以對(duì)一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)電材料和磁性材料的蝕刻工藝是相對(duì)惰性的。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用第一硬掩模(例如，金屬硬掩模)以形成、限定和/或圖案化MTJ器件的第一部分(例如，第一導(dǎo)電電極和/或磁性材料疊層(或者其部分))。這種硬掩?？梢园ㄒ粋€(gè)或者多個(gè)導(dǎo)電材料層的選擇性(與蝕刻工藝(例如，化學(xué)蝕刻和/或機(jī)械蝕刻工藝相關(guān))，其大于或者等于10:1，以及在優(yōu)選實(shí)施例中，包括大于或者等于20:1的選擇性。第一硬掩模還可以包括一個(gè)或者多個(gè)磁性材料層的與化學(xué)蝕刻和/或機(jī)械蝕刻工藝相關(guān)的大于或者等于10:1的選擇性，以及在優(yōu)選實(shí)施例中，包括大于或者等于20:1的選擇性。
[0025]在形成、限定和/或圖案化MTJ器件的第一部分(例如，第一導(dǎo)電電極和/或磁性材料疊層(或者其部分))之后，在一個(gè)實(shí)施例中，可以采用第二硬掩模(其可以包括與第一硬掩模相同或者不同的類型和/或材料)以形成、限定和/或圖案化MTJ器件的第二部分(例如，第二導(dǎo)電電極和/或磁性材料疊層的第二部分)。在這點(diǎn)上，在部分形成或者蝕亥丨J的MTJ器件之上限定第二硬掩模以便利MTJ器件的第二部分的合適蝕刻或者形成。可以在MTJ器件的第一部分之上以及周圍形成第二硬掩模，由此保護(hù)該第一部分不受MTJ器件第二部分的后續(xù)蝕刻工藝的影響和/或使該第一部分與MTJ器件第二部分的后續(xù)蝕刻工藝隔離。
[0026]值得注意的是，在形成、限定和/或圖案化MTJ器件的磁性材料疊層的一部分期間，MTJ器件的制造可以采用超過兩個(gè)的硬掩模。
[0027]在一個(gè)實(shí)施例中，硬掩模包括氧化硅和/或氮化硅(例如，具有大約500-2500埃的厚度范圍，以及在優(yōu)選實(shí)施例中，具有大約1000-2000埃的厚度范圍，以及在更優(yōu)選的實(shí)施例中，具有大約1250-1750埃的厚度范圍)。除此之外或者取而代之地，硬掩模可以包括一個(gè)或者多個(gè)貴金屬和/或其合金，例如，貴金屬與過渡金屬的合金(例如，鉑(Pt)、銥(Ir)、鉬(Mo)、鎢(W)、釕(Ru)和 / 或合金 AB (其中 A = Pt、Ir、Mo、W、Ru 以及 B =鐵(Fe)、N1、錳(Mn))。在該實(shí)施例中，金屬硬掩?？梢园ù蠹s5-200埃的厚度范圍，以及在優(yōu)選實(shí)施例中，包括大約10-200埃的厚度范圍，以及在更優(yōu)選實(shí)施例中包括大約20-100埃的厚度范圍。例如，金屬掩模可以包括PtMn或者IrMn并且包括例如15-150?；蛘?0-100埃的厚度范圍。
[0028]值得注意的是，在另一個(gè)實(shí)施例中，在形成、限定和/或圖案化磁性材料疊層之后，硬掩?？梢员Ａ粼诖判圆牧席B層上或者之上，并且此后用作導(dǎo)電電極(或者其部分)。即，在經(jīng)由蝕刻一個(gè)或者多個(gè)導(dǎo)電材料層形成、限定和/或圖案化導(dǎo)電電極