TW201338224A - 磁性裝置及其製造方法 - Google Patents

磁性裝置及其製造方法 Download PDF

Info

Publication number
TW201338224A
TW201338224A TW101142664A TW101142664A TW201338224A TW 201338224 A TW201338224 A TW 201338224A TW 101142664 A TW101142664 A TW 101142664A TW 101142664 A TW101142664 A TW 101142664A TW 201338224 A TW201338224 A TW 201338224A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
etching
gas
stacked structure
magnetic
layer
Prior art date
Application number
TW101142664A
Other languages
English (en)
Other versions
TWI565110B (zh
Inventor
Woo-Cheol Lee
Ken Tokashiki
Hyung-Joon Kwon
Myung-Hoon Jung
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Samsung Electronics Co Ltd filed Critical Samsung Electronics Co Ltd
Publication of TW201338224A publication Critical patent/TW201338224A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI565110B publication Critical patent/TWI565110B/zh

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
    • C23F1/10—Etching compositions
    • C23F1/12—Gaseous compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
    • C23F1/02—Local etching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F4/00—Processes for removing metallic material from surfaces, not provided for in group C23F1/00 or C23F3/00
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/127—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive
    • G11B5/31—Structure or manufacture of heads, e.g. inductive using thin films
    • G11B5/3163—Fabrication methods or processes specially adapted for a particular head structure, e.g. using base layers for electroplating, using functional layers for masking, using energy or particle beams for shaping the structure or modifying the properties of the basic layers
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

一種磁性裝置的製造方法，包括：形成堆疊結構，此堆疊結構包括磁層；以及使用蝕刻氣體蝕刻此堆疊結構，蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體。

Description

磁性裝置及其製造方法 [相關申請的引用]
本申請案主張2011年12月7日在韓國知識產權局提交的第10-2011-0130474號韓國專利申請案的權益，所述申請案的揭示內容以全文引用的方式併入本文中。
本發明是有關於一種磁性裝置及其製造方法，且特別是有關於一種包括非揮發性磁層的磁性裝置及其製造方法。
關於使用磁穿隧接面(magnetic tunnel junction，MTJ)的磁阻特性的電子裝置的許多研究已被進行。特別是如下的事情引起了注意：當一個高度整合的磁性隨機存取記憶體(magnetic random access memory，MRAM)裝置的一個MTJ單元小型化時，通過使用一種稱為自旋轉移力矩(spin transfer torque，STT)的物理現象(即通過將電流直接施加於MTJ單元並且誘導磁化反轉)來存儲信息的STT-MRAM。需要形成微小尺寸的MTJ結構來完成一個高度整合的STT-MRAM。需要開發一種蝕刻技術，此蝕刻技術於形成具有微小尺寸的MTJ結構時能容易地實現一個可靠的MTJ單元。
本發明概念提供一種具有非揮發性磁層的磁性裝置的製造方法，藉由蝕刻製程來製造高度整合、高密度的磁性裝置。
本發明概念又提供一種磁性裝置，包括用於高度整合、高密度的磁性裝置的具有大高寬比(aspect ratio)磁圖案(magnetic pattern)。
根據本發明概念的一個觀點，提供磁性裝置的製造方法，此方法包括：形成堆疊結構，堆疊結構包括磁層；以及使用蝕刻氣體蝕刻堆疊結構，蝕刻氣體以體積計包括至少80%的氫(H2)氣體。
堆疊結構的蝕刻可包括使用包含H2氣體與附加氣體的蝕刻氣體，附加氣體包括惰性氣體(inert gas)及/或氨(NH3)氣體。
附加氣體中之惰性氣體可包括氮(N2)、氖(Ne)、氬(Ar)、氪(Kr)以及氙(Xe)中的至少一種。
堆疊結構的蝕刻可包括使用不包含鹵素的蝕刻氣體。
堆疊結構的形成可包括使用鈷(Co)/鈀(Pd)、鈷/鉑(Pt)、鈷/鎳(Ni)、鐵(Fe)/鈀、鐵/鉑、氧化鎂(MgO)、鉑錳(PtMn)、銥錳(IrMn)、鈷鐵(CoFe)合金以及鈷鐵硼(CoFeB)合金中的至少一種。
堆疊結構的蝕刻可包括進行電漿蝕刻製程。
堆疊結構的蝕刻可包括：使用電漿蝕刻裝置，電漿蝕刻裝置包括用於施加源電源(source power)的源電源輸出 單元與用於施加偏壓電源(bias power)的偏壓電源輸出單元；以及重複地進行源電源和偏壓電源中的至少一個電源在導通狀態(on state)和關斷狀態(off state)之間交替的操作。
此方法可更包括於堆疊結構的蝕刻之前，暴露堆疊結構的一區域於氫電漿。
堆疊結構的形成可包括形成磁層於上電極及下電極之間，上電極及下電極面向彼此；以及堆疊結構的蝕刻可包括使用蝕刻氣體蝕刻上電極、下電極以及磁層。
根據本發明概念的另一個觀點，提供磁性裝置的製造方法，此方法包括：形成堆疊結構，堆疊結構包括依序地由底部往頂部堆疊的下磁層、穿隧阻障層以及上磁層；於堆疊結構上形成罩幕圖案，使得一部分的堆疊結構被覆蓋；透過罩幕圖案進行第一蝕刻，以蝕刻堆疊結構的第一部分，第一部分至少包含上磁層以及穿隧阻障層，而且第一蝕刻包括使用第一蝕刻氣體以及第一附加氣體，第一蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體；透過罩幕圖案進行第二蝕刻，以蝕刻堆疊結構的第二部分，第二部分包含堆疊結構的下磁層，而且第二蝕刻於與第一蝕刻不同的蝕刻環境下進行。
第二蝕刻可包括使用第二蝕刻氣體及第二附加氣體，第二蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體，第二附加氣體包括與第一附加氣體不同的組成成分。
第一附加氣體及第二附加氣體各自包括惰性氣體或NH3氣體。
第一附加氣體及第二附加氣體各自包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種。
第一附加氣體可包括N2、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種，且第二附加氣體包括NH3。
堆疊結構的形成可更包括形成下電極層與上電極層，而下磁層、穿隧阻障層以及上磁層被***於下電極層與上電極層之間；第一蝕刻的進行可包括使用第一蝕刻氣體蝕刻上電極層的一部分，使得上電極層被分離為多個上電極；以及第二蝕刻的進行可包括使用第二蝕刻氣體蝕刻下電極層的一部分，使得下電極層被分離為多個下電極。
第一蝕刻的進行及第二蝕刻的進行各自可包括使用電漿蝕刻製程。
第一蝕刻的進行及第二蝕刻的進行可各自包括使用電漿蝕刻裝置，電漿蝕刻裝置具有用於施加源電源的源電源輸出單元與用於施加偏壓電源的偏壓電源輸出單元；以及第一蝕刻與第二蝕刻中的至少一者可包括重複地進行源電源或偏壓電源在導通狀態和關斷狀態之間交替的操作。
第一蝕刻可包括施加定波模式(constant wave mode)下的偏壓電源，而且第二蝕刻包括重複地進行偏壓電源在導通狀態和關斷狀態之間交替的操作。
此方法可更包括於罩幕圖案的形成後及第一蝕刻的進行前，暴露堆疊結構的頂端面於氫電漿。
堆疊結構的形成可包括使用第一物質以及第二物質，第一物質為Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一種，而且第二物質為鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、鉭(Ta)、TaN、釕(Ru)以及鎢(W)中的至少一種。
根據本發明概念的另一個觀點，提供磁性裝置，包括：配置於基底上的至少一磁阻裝置，磁阻裝置具有實質上垂直的輪廓的側壁，其中，此至少一磁阻裝置的高度至少為此至少一磁阻裝置的寬度的1.5倍。
此至少一磁阻裝置可包括下電極、磁結構、以及上電極，其依序地於垂直的方向上堆疊；而且下電極、磁結構以及上電極各自具有實質上垂直的輪廓的側壁。
磁結構可包括非揮發性金屬，而且下電極、磁結構以及上電極各自的整個側壁可沿著基底的法線延伸。
磁結構可包括下磁層圖案、穿隧阻障層以及上磁層圖案，其依序地於垂直的方向上堆疊。
磁結構可包括Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一種。
此至少一磁阻裝置的高度可為此至少一磁阻裝置的寬度的約1.5倍至約4倍。
根據本發明概念的再另一個觀點，提供磁性裝置的製造方法，此方法包括：形成堆疊結構，堆疊結構包括非揮發性金屬層；以及藉由蝕刻氣體蝕刻包括非揮發性金屬層 的堆疊結構，蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體。
下面參照附圖更全面地描述典型實施例。然而，可藉由許多不同形式實施並且不應解釋為侷限於本案中所提出的實施例。更確切地說，提供這些實施例使得本公開內容更加透徹且完整，並且向本領域熟知此項技藝者傳達本發明的範圍。
在附圖中，為了清晰起見，對層和區域的尺寸可能進行了放大。要理解，當層或元件被稱為“位於”另一層或基底之上時，它可以直接位於其他層或基底上，或者亦可以存在中間層。此外，要理解，當層被稱為“介於”兩層之間時，它僅可以為單一層介於兩層之間，或者亦可以存在一或多個中間層。全文中類似的標號表示類似的元件。
如同本案中所使用，術語“及/或”包括相關列舉項目中的一項或多項的任意以及所有組合。當如“至少一”的措辭置於元件的列舉之前，為修飾全部的列舉元件而不是修飾個別的列舉元件。
要理解，儘管使用術語第一、第二以及第三等描述不同的元件、部件、區、層及/或部份，但這些元件、部件、區、層及/或部份不應被這些術語所限制。這些術語與特定的順序、排列或等級有關，而且僅用於區分一個元件、部件、區、層或部分與另一元件、部件、區、層或部分。因而，在不脫離實施例的教導的情況下，可以將下文討論的 第一元件、部件、區、層或部分稱為第二元件、部件、區、層或部分。例如，在不脫離本發明概念的保護範圍的情況下可以將第一元件稱為第二元件，而且相似地，亦可以將第二元件稱為第一元件。
除非以其他方式定義，本案中所使用的所有術語(包括技術和或科學術語)的含義與例示實施例所屬領域的通常技藝者所通常理解的相同。更要理解，例如常用字典中所定義的那些術語的含義應解釋為與其在相關領域的情況下的含義一致，並且不應以理想化或者過份正式的形式進行解釋，除非本案中明確地這樣定義。
如果任何實施例用別的方法實施，一個不同於所描述順序的特殊過程可被進行。例如，兩個接連描述的過程可能實質上同時地進行或以相反於所描述的順序的順序進行。
圖式中，例如，圖示的形狀可製造技術及/或公差(tolerance)而變化。因而，本發明的例示實施例不限於本說明書所圖示的特定形狀，而且可包括由製造過程產生的形狀偏差。
圖1為圖示根據本發明概念之一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法的流程圖。
於圖1的操作12中，堆疊結構包括至少一磁層，以及使用蝕刻氣體蝕刻此堆疊結構，此蝕刻氣體以體積計包括至少80%的氫(H2)氣體。
於一些實施例中，藉由電漿蝕刻製程進行堆疊結構的蝕刻。例如，操作12的蝕刻製程的進行可使用電漿蝕刻裝置，此電漿蝕刻裝置包括用於施加源電源的源電源輸出單元與用於施加偏壓電源的偏壓電源輸出單元。例如圖示於圖6的電漿蝕刻裝置60，可當作此電漿蝕刻裝置。在操作12的蝕刻製程中，為了於脈波模式(pulsed mode)下輸出源電源以及偏壓電源中的至少一個，於脈波模式下施加的一個電源可根據預先決定的時間而保持於關斷狀態。參照圖6與圖7A至圖7E，脈波模式下的此源電源以及脈波模式下的此偏壓電源將更詳細地描述如下。
於一些實施例中，操作12的蝕刻製程可於約(-10)℃至約65℃的溫度、約2 mTorr至約5mTorr的壓力下進行。
於操作12的蝕刻製程中的蝕刻氣體不包括包含鹵素的氣體。於乾式蝕刻製程，例如電漿蝕刻製程，使用包含鹵素的蝕刻氣體，例如作為使用於傳統的磁層蝕刻製程，非揮發性蝕刻副產物可能再沈積於為蝕刻結果結構的圖案的側壁上。此外，於形成為蝕刻結果結構的圖案的表面上，可能會殘留使磁層的磁特性劣化的包含鹵素的蝕刻殘餘物，因此劣化磁阻裝置特性。
尤其，用於形成磁阻裝置的乾式蝕刻製程包括驅動磁阻裝置的磁穿隧接面(magnetic tunnel junction，MTJ)結構的蝕刻。磁穿隧接面結構包括自由層(free layer)、穿隧阻障層(tunneling barrier layer)以及固定層(fixing layer)。磁穿隧接面結構的穿隧阻障層包括強磁性物質例 如CoFeB或其類似物、以及氧化鎂(magnesium oxide，MgO)。於包含鹵素的氣體的乾式蝕刻製程期間，例如於氯(chlorine，Cl)系電漿蝕刻期間，強磁性物質與氧化鎂可能會被損壞，從而造成穿隧阻障層的損害以及磁穿隧接面結構的侵蝕。
然而，於根據本發明概念的磁性裝置的製造方法中，可使用蝕刻氣體來蝕刻包括磁層的堆疊結構，此蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體且不包括含鹵素成分，因此解決了傳統製程中的問題。
圖2為圖示根據本發明概念之另一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法的流程圖。
於圖2的操作22中，暴露包括至少一磁層的堆疊結構的待蝕刻區域於氫電漿，從而進行堆疊結構的預處理。
於一些實施例中，為了要進行操作22中的預處理製程，此堆疊結構被置入電漿蝕刻反應腔體(chamber)，而且反應腔體內僅提供H2氣體，從而產生氫電漿。由於預處理製程，經加速的反應性氫離子可被提供於堆疊結構的待蝕刻區域，並且待蝕刻區域以及氫離子之間的化學反應可發生於待蝕刻區域的表面上。因此，當在預處理製程中氫氣離子碰撞待蝕刻區域時，隨後的化學和物理蝕刻製程可變得容易進行，而且蝕刻速率將被加速。
於一些實施例中，操作22的預處理製程可被進行約10秒鐘至10分鐘。操作22的預處理製程可於約(-10)℃ 至約65℃的溫度、約2mTorr至約5mTorr的壓力下進行。視需要，可省略操作22的預處理製程。
於操作24中，在預處理製程之後，可使用蝕刻氣體來蝕刻堆疊結構的待蝕刻區域，此蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體。此蝕刻氣體以體積計剩餘的20%或20%以下可包括附加氣體，例如，氫氣以外的氣體。
於一些實施例中，可藉由電漿蝕刻製程進行堆疊結構的蝕刻。於一些實施例中，附加氣體可包括惰性氣體及NH3氣體中的至少一種。例如，附加氣體可包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr以及Xe中的至少一種。
操作24的蝕刻製程可於操作22的預處理製程後且於相同的反應腔體中進行。操作24的蝕刻製程可於約(-10)°C至約65℃的溫度、約2 mTorr至約5 mTorr的壓力下進行。
當操作24的蝕刻製程進行時，經加速的反應性氫離子與經加速的附加氣體的離子可被提供於堆疊結構的待蝕刻區域。於待蝕刻區域中，由於自附加氣體所產生的經加速的離子的物理蝕刻可和與到達待蝕刻區域的表面的經加速的氫離子的化學反應同時進行。附加氣體包括原子量比氫原子大的原子。因此，自附加氣體產生的經加速的離子比氫原子更強烈地碰撞待蝕刻的堆疊結構。因此，相當大的物理力(physical force)施加於堆疊結構的待蝕刻區域，如此堆疊結構的物理蝕刻可容易地進行。
圖3為圖示圖2中所圖示的操作22的預處理製程以及圖示圖2中所圖示的操作24的蝕刻製程中的氣體供應操作的氣體供應脈波曲線圖。例如，如同圖3中所圖示，可於預處理以及蝕刻階段(即圖2的操作22與操作24)中持續地提供氫氣的離子，而附加氣體(例如N2氣體)可僅於蝕刻時提供。
於圖1的操作12的蝕刻製程以及圖2的操作24的蝕刻製程中，具有待蝕刻層的堆疊結構可包括多種類型的磁層。於一些實施例中，堆疊結構包括至少一非揮發性磁層。例如，堆疊結構可包括由Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金或CoFeB合金中的至少一種所形成的磁層。
圖1的操作12的蝕刻製程以及圖2的操作24的蝕刻製程可使用電漿進行，此電漿產自於感應耦合電漿(inductively coupled plasma，ICP)源、電容耦合電漿(capacitively coupled plasma，CCP)源、電子迴旋共振(electron cyclotron resonance，ECR)電漿源、螺旋波激發電漿(helicon-wave excited plasma，HWEP)源或適性耦合電漿(adaptively coupled plasma，ACP)源。
圖4和圖5為根據本發明概念之實施例的堆疊結構40和50的剖面圖，此堆疊結構40和50可使用蝕刻氣體來蝕刻，此蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體。為了簡潔，省略關於此的重複描述。
更詳細而言，如同圖4中所圖示，堆疊結構40可包括下電極層42、下磁層44、穿隧阻障層45、上磁層46以及上電極層48，其相繼地由底部往頂部堆疊。
下電極層42可包括例如Ti、Ta、Ru、TiN、TaN或W中的至少一種。於一些實施例中，下電極層42可具有雙層結構(bi-layer structure)，例如，Ti\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru以及TiN\Ru。於一些實施例中，下電極層42可具有約20 Å至50 Å的厚度。
下磁層44可包括例如Fe、Co、Ni、Pd以及Pt中的至少一種。於一些實施例中，下磁層44可由Co-M1合金(其中，M1為選自於由Pt、Pd以及Ni所組成之族群的金屬中的至少一種)或Fe-M2合金(其中，M2為選自於由Pt、Pd以及Ni所組成之族群的金屬中的至少一種)所形成。於一些實施例中，下磁層44可更包括C、Cu、Ag、Au或Cr中的至少一種。於一些實施例中，下磁層44具有約10 Å至約50 Å的厚度。
上磁層46可包括例如Co、Co-M1合金(其中，M1為選自於Pt、Pd以及Ni的金屬中的至少一種)、Fe-M2合金(其中，M2為選自於Pt、Pd以及Ni的金屬中的至少一種)、Ru、Ta、Cr以及Cu中的至少一種。於一些實施例中，上磁層46具有約30 Å至200 Å的厚度。
於一些實施例中，下磁層44以及上磁層46中的至少一者包括垂直磁性各向異性(perpendicular magnetic anisotropy，PMA)材料。於一些實施例中，下磁層44以 及上磁層46中的至少一者包括合成反鐵磁體(synthetic anti-ferromagnet，SAF)結構。藉由***Ru中間層於強磁性的堆疊結構中而形成合成反鐵磁體結構。例如，合成反鐵磁體結構可具有CoFeB/Ta/(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pd)n(其中，m與n為自然數)的多層結構。本發明概念中雖使用了合成反鐵磁體結構，但不限定於此，亦可使用各種修改的結構。
***於下磁層44以及上磁層46之間的穿隧阻障層45可由例如MgO、Al2O3、B2O3及/或SiO2所形成。於一些實施例中，穿隧阻障層45具有約5 Å至約30 Å的厚度。
上電極層48可包括例如Ti、Ta、Ru、TiN、TaN、及/或W中的至少一種。於一些實施例中，上電極層48可具有例如T\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru或TiN\Ru的雙層結構。於一些實施例中，上電極層48可具有約20 Å至約50 Å的厚度。
堆疊結構40的下磁層44以及上磁層46不限於上述，亦可經過各種修改。例如，下磁層44的描述可應用於上磁層46，而且反之亦然。
於一些實施例中，堆疊結構40可用於執行使用垂直磁化的磁穿隧接面裝置。
如同圖5中所圖示，堆疊結構50可包括下電極層42、下磁層44、穿隧阻障層45、上磁層56以及上電極層48，其相繼地由底部往頂部堆疊。
上磁層56可包括被釘孔層(pinned layer)56A以及釘孔層(pinning layer)56B，其相繼地堆疊於穿隧阻障層45上。被釘孔層56A可包括選自於由Co、Fe、Pt以及Pd所組成之族群的強磁性材料中的至少一種。被釘孔層56A可具有如同圖4中所圖示的合成反鐵磁體結構。於一些實施例中，被釘孔層56A可具有約30 Å至約50 Å的厚度。
釘孔層56B可包括反強磁性材料(antiferromagnetic material)。於一些實施例中，釘孔層56B可包括例如PtMn、IrMn、NiMn、FeMn、MnO、MnS、MnTe、MnF2、FeCl2、FeO、CoCl2、CoO、NiCl2、NiO或Ni中的至少一種。於一些實施例中，釘孔層56B具有約50 Å至150 Å。
於一些實施例中，堆疊結構50可用於執行使用水平磁化的磁穿隧接面裝置。
圖6圖示可進行根據本發明概念之一實施例的磁性裝置的製造方法的電漿蝕刻製程的電漿蝕刻裝置60的概略圖。
參照圖6，電漿蝕刻裝置60可包括反應腔體62、源電極63以及偏壓電極64。偏壓電極64作為用於支撐基底W的支撐件。源電極63可具有線圈形狀(coil shape)而捲繞反應腔體62多次。
射頻(radio frequency，RF)源電源可施加於源電極63，射頻偏壓電源可施加於偏壓電極64。用於電漿蝕刻的蝕刻氣體藉由進氣口(gas inlet)65流入反應腔體62。藉由使用渦輪分子泵(turbo molecular pump，TMP)，將蝕 刻後殘留的未反應蝕刻氣體及反應副產物由反應腔體62排出。
於使用電容耦合電漿方法的電漿蝕刻裝置中，可使用平坦式電極，此平坦式電極配置於反應腔體62，而且是靠近進氣口65而不是靠近源電極63。
電漿蝕刻裝置60可更包括源電源輸出單元66以及偏壓電源輸出單元68。源電源輸出單元66以及偏壓電源輸出單元68各自可於適於進行同步脈波(synchronous pulse)電漿蝕刻製程的模式下輸出源電源以及偏壓電源。
源電源輸出單元66可包括源匹配網路(source match network)66A、源整合器(source mixer)66B、源控制器(source controller)66C以及源射頻產生器66D。偏壓電源輸出單元68可包括偏壓匹配網路68A、偏壓整合器68B、偏壓控制器68C以及偏壓射頻產生器68D。
由源電源輸出單元66輸出的源電源施加於源電極63。源電極63用於在反應腔體62中產生電漿。由偏壓電源輸出單元68輸出的偏壓電源施加於偏壓電極64。偏壓電極64用於控制進入基底W的離子能量(ion energy)。
源電源輸出單元66的源控制器66C可輸出具有第一頻率以及第一工作週期(duty cycle)的脈波調制(pulse-modulated)的射頻源電源而且可輸出包括關於射頻源電源的相位的資訊的控制訊號至射頻偏壓電源輸出單元68。源整合器66B接收由源射頻產生器66D輸出的源射頻訊號以 及由源控制器66C輸出的源脈波訊號(source pulse signal)，並且整合之，從而輸出脈波調制的射頻源電源。
偏壓電源輸出單元68輸出具有第二頻率以及第二工作週期的射頻偏壓電源至偏壓電極64，響應由源電源輸出單元66輸出的控制訊號。
於一些實施例中，由偏壓電源輸出單元68將射頻偏壓電源施加於偏壓電極64，使得反應腔體62內部的基底W上形成的電漿的離子具有方向性(directivity)。
用於加熱被支撐於偏壓電極64上的基底W的加熱器(未圖示)以及用於控制反應腔體62的內部溫度的溫度感測器(未圖示)可額外地配置於偏壓電極64的底部上或偏壓電極64的內部。
於一些實施例中，若必要，源電源輸出單元66以及偏壓電源輸出單元68可各自選擇性地被控制，以輸出定波模式或脈波模式下電源。為此目的，源電源輸出單元66以及偏壓電源輸出單元68可各自操作去控制電源輸出的導通狀態和關斷狀態的相互之間的轉換。例如，可控制源電源輸出單元66以及偏壓電源輸出單元68各自的導通狀態和關斷狀態，如此可各自由源電源輸出單元66以及偏壓電源輸出單元68輸出脈波模式下的源電源以及脈波模式下的偏壓電源。
圖7A為電漿蝕刻裝置60中的定波模式下輸出的源電源隨時間變化之曲線圖。圖7B為電漿蝕刻裝置60中的定波模式下輸出的偏壓電源隨時間變化之曲線圖。圖7C為 電漿蝕刻裝置60中的脈波模式下輸出的源電源的工作週期D隨時間變化之曲線圖。圖7D為電漿蝕刻裝置60中的脈波模式下輸出的偏壓電源的工作週期隨時間變化之曲線圖。
於圖7C以及圖7D中，導通狀態時間T1和關斷狀態時間T2可以各種方式設定。導通狀態時間T1和關斷狀態時間T2可為相同或不相同。導通狀態時間T1和關斷狀態時間T2可根據待蝕刻層的品質與厚度、蝕刻環境或其類似條件而任意地選擇。於一些實施例中，導通狀態時間T1和關斷狀態時間T2可隨著製程時間的過去而變化地去設定。
圖7E是為了使用電漿蝕刻裝置60的同步脈波電漿蝕刻進行蝕刻製程之脈波模式下輸出的源電源以及偏壓電源的工作週期D隨時間變化之曲線圖。
圖8A至圖8C為根據本發明概念之另一例示實施例之磁性裝置80(見圖8C)的製造方法中的階段剖面圖。於本實施例中，將敘述磁性裝置80的製造方法，包括蝕刻圖4的堆疊結構40的製程。
參照圖8A，配合圖4所述的堆疊結構40可形成於下結構之上，此下結構即包括層間絕緣層(interlayer insulating layer)82以及穿透層間絕緣層82而形成的下電極連接部(lower electrode contact)84的結構。然後，用於暴露上電極層48的頂端面的一部分的罩幕圖案86可形成於堆疊結構40之上。
罩幕圖案86可形成於相同於下電極連接部84的軸上的堆疊結構40上，例如，罩幕圖案86可相對於下電極連接部84而與其呈平行與重疊。於一些實施例中，罩幕圖案86可包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti以及Ta中的至少一種。於一些實施例中，罩幕圖案86可具有雙層結構，例如Ru\TiN或TiN\W，而且可具有約300 Å至約800 Å的厚度。
參照圖8B，可將圖8A的結果結構置入電漿蝕刻反應腔體。例如，可將圖8A的結果結構置於電漿蝕刻裝置60的反應腔體62中的偏壓電極64之上。
接著，相同於圖2的操作22，可暴露堆疊結構40的上電極層48的暴露區域於反應腔體62中的氫電漿88，從而於堆疊結構40上進行預處理。若需要，可省略使用氫電漿88的預處理製程。
參照圖8C，相同於圖2的操作24，可藉由使用蝕刻氣體與藉由使用罩幕圖案86作為蝕刻罩幕來非等向性蝕刻經過預製程的堆疊結構40，蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體與剩餘的附加氣體。
可藉由電漿蝕刻製程進行堆疊結構40的蝕刻。可形成多個磁性裝置80，各自包括下電極42A、下磁層圖案44A、穿隧阻障層45A、上磁層圖案46A、上電極48A以及剩餘的罩幕圖案部分86，其相繼地由底部往頂部堆疊，作為堆疊結構40的蝕刻的結果結構。多個磁性裝置80中，各自的剩餘的罩幕圖案部分86以及上電極48A當作一個電 極。多個磁性裝置80各自可電性連接至下電極連接部84。當蝕刻堆疊結構40時，可藉由蝕刻自罩幕圖案86的頂端面損耗堆疊結構40的一部分，即，相對於非等向性蝕刻前的圖案部分86的總厚度，非等向性蝕刻後的圖案部分86的總厚度可能會減少。
例如，蝕刻氣體以體積計可包括約80%至約95%的H2氣體以及以體積計約5%至約20%的附加氣體。於一些實施例中，附加氣體可包括例如N2、NH3、Ne、Ar、Kr以及Xe中的至少一種。
堆疊結構40的蝕刻製程可於相同於圖8B的預處理製程的反應腔體中進行(且接續於預處理製程後)。於一些實施例中，於保持有相對高的離子能量以及相對低的電漿密度(plasma density)的環境下進行堆疊結構40的蝕刻。例如，當堆疊結構40被蝕刻時，可保持有高於約500電子伏特(electron volt，eV)的離子能量以及低於約1×10 11cm-3的電漿密度。堆疊結構40的蝕刻製程可於約(-10)℃至約65℃的溫度、約2 mTorr至約5 mTorr的壓力下進行。
圖9A至圖9C為根據本發明概念之另一例示實施例之磁性裝置90(見圖9C)的製造方法中的階段剖面圖。於本實施例中，將敘述磁性裝置90的製造方法，包括蝕刻圖5的堆疊結構50的製程。
參照圖9A，堆疊結構50，即，如配合圖5所述，可形成於下結構上，此下結構包括層間絕緣層82以及下電極 連接部84。用於暴露上電極層48的頂端面的一部分的罩幕圖案96可形成於堆疊結構50上。
罩幕圖案96可形成於相同於下電極連接部84的軸上的堆疊結構50上。於一些實施例中，罩幕圖案96可包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti以及Ta中的至少一種。於一些實施例中，罩幕圖案96可具有雙層結構，例如Ru\TiN或TiN\W。罩幕圖案96可具有約300 Å至約800 Å的厚度。
參照圖9B，可將圖9A中的結果結構置入電漿蝕刻反應腔體。例如，可將包括罩幕圖案96的結果結構置於圖6的電漿蝕刻裝置的反應腔體62中的偏壓電極64上。
接著，如圖2的操作22中所述，可暴露反應腔體62中的堆疊結構50的上電極層48的暴露區域於氫電漿98，從而於堆疊結構50上進行預處理。
參照圖9C，如圖2的操作24中所述，可藉由使用罩幕圖案96作為蝕刻罩幕與藉由使用蝕刻氣體來非等向性蝕刻經過於蝕刻氣體的電漿態的預製程的堆疊結構50，蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體與剩餘的附加氣體。
可藉由電漿蝕刻製程進行堆疊結構50的蝕刻。可形成多個磁性裝置90，各自包括下電極42A、下磁層圖案44A、穿隧阻障層45A、上磁層圖案56P、上電極48A以及剩餘的罩幕圖案部分96，其相繼地由底部往頂部堆疊，作為堆疊結構50的蝕刻的結果結構。多個磁性裝置90中，各自的剩餘的罩幕圖案部分96以及上電極48A當作一個電 極。多個磁性裝置90各自可電性連接至下電極連接部84。當蝕刻堆疊結構50時，可藉由蝕刻自罩幕圖案96的頂端面損耗堆疊結構50的一部分。
例如，蝕刻氣體以體積計可包括約80%至約95%的H2氣體以及以體積計約5%至約20%的附加氣體。於一些實施例中，附加氣體可包括例如N2、NH3、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種。
堆疊結構50的蝕刻製程可於相同於圖9B的預處理製程的反應腔體中進行，而且接續在預處理製程後。於一些實施例中，於保持有相對高的離子能量以及相對低的電漿密度的環境下進行堆疊結構50的蝕刻。例如，當蝕刻堆疊結構50時，可保持有高於約500 eV的離子能量以及低於約1×10 11cm-3的電漿密度。堆疊結構50的蝕刻製程可於約(-10)℃至約65℃的溫度、約2 mTorr至約5 mTorr的壓力下進行。
於圖示於圖8A至8C中的磁性裝置80的製造方法以及圖示於圖9A至9C中的磁性裝置90的製造方法中，可使用圖6的電漿蝕刻裝置60去進行堆疊結構40或堆疊結構50的蝕刻製程。於電漿蝕刻裝置60中，當蝕刻堆疊結構40或堆疊結構50時，源電源以及偏壓電源可各自於定波模式下輸出，如圖7A以及圖7B中所圖示。於一些實施例中，當蝕刻堆疊結構40或堆疊結構50時，可輸出脈波模式下的源電源或脈波模式下的偏壓電源，其中此源電源或此偏壓電源於導通狀態和關斷狀態之間交替，如圖7C 以及圖7D中所圖示。於一些實施例中，當蝕刻堆疊結構40或堆疊結構50時，為了進行同步脈波電漿蝕刻製程，如圖7E中所圖示，可同時地施加脈波模式下的源電源以及脈波模式下的偏壓電源。
堆疊結構40以及堆疊結構50各自可包括不易被傳統的蝕刻製程蝕刻的非揮發性材料層，例如Pt、Pd、Co、Mg、Fe、Ir及/或其類似物的層。由於相對於其他蝕刻材料，例如相對於揮發性材料，於非揮發性材料的蝕刻製程期間所產生的反應材料的飽和蒸汽壓(saturation vapor pressure)非常低，因而於蝕刻製程期間非揮發性材料可具有非常低的蝕刻速率。因此，於蝕刻製程期間非揮發性材料的反應產物，例如蝕刻副產物，可能再沈積於蝕刻後形成的圖案的側壁上。當蝕刻副產物以這種方式再沈積於圖案的側壁上時，作為蝕刻結果而形成的最終圖形的側壁輪廓可能為陡峭地傾斜的，因而難以做臨界尺寸(critical dimension，CD)的控制。此外，當非揮發性金屬反應副產物被再沈積於圖案的側壁上時，下電極與上電極之間的電性短路發生可能發生，從而可能劣化磁穿隧接面。
在另一方面，於根據本發明概念的磁性裝置的製造方法中，當蝕刻包括非揮發性磁層的堆疊結構40或堆疊結構50時，使用蝕刻氣體蝕刻堆疊結構40或堆疊結構50，此蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體與剩餘的附加氣體。就這一點而言，可於單一步驟中從上電極層48至下電極層42蝕刻堆疊結構40或堆疊結構50，並且可分離堆 疊結構40或堆疊結構50為多個磁性裝置80或磁性裝置90。作為使用蝕刻氣體蝕刻堆疊結構40或堆疊結構50的結果(蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體與剩餘的附加氣體)，可阻止蝕刻副產物再沈積於各經蝕刻的表面上，即，各自於圖8C以及圖9C中的多個磁性裝置80的側壁80S或多個磁性裝置90的側壁90S，而且磁性裝置可具有垂直側壁輪廓，即，側壁沿著支撐磁性裝置80或磁性裝置90的表面的法線延伸。
圖10A圖示當於源電源與偏壓電源各自以定波模式輸出的條件下蝕刻堆疊結構40時離子A+/-的移動路徑10A。
詳細而言，圖10A為圖示當藉由配合圖8C所描述之使用電漿蝕刻裝置60之製程於如圖7A與圖7B中所圖示之源電源與偏壓電源各自以定波模式輸出的條件下蝕刻堆疊結構40時由蝕刻氣體產生的經加速的離子A+/-的移動路徑10A。
圖10B圖示於同步脈波電漿蝕刻製程中的蝕刻氣體產生的離子A+/-的移動路徑10B。
詳細而言，圖10B圖示當於藉由配合圖8C所描述之使用電漿蝕刻裝置60之製程於如圖7E中所圖示之源電源與偏壓電源各自以脈波模式輸出的條件下蝕刻堆疊結構40從而進行同步脈波電漿蝕刻製程時由蝕刻氣體產生的經加速的離子A+/-的移動路徑10B。
如圖10A與圖10B所見，當進行同步脈波電漿蝕刻製程時(圖10B)，相比於使用定波模式之源電源與偏壓電 源(圖10A)，經加速的離子A+/-的移動範圍增加。因此，經加速的離子A+/-分散的移動範圍增加。進而，即便當副產物再沈積於側壁80S上，由於在增加的移動範圍中移動的多個經加速的離子A+/-，可移除再沈積副產物。這樣的效果亦適用於配合圖9C所描述之堆疊結構50的蝕刻製程。因此，即便當蝕刻包括多個磁層的堆疊結構去製造具有非常微小的數十nm的寬度(例如約20 nm)的磁性裝置80或磁性裝置90時，可使用根據本發明概念的磁性裝置的製造方法蝕刻包括多個磁層的堆疊結構，如此由於可進行高非等向性蝕刻而不具有蝕刻副產物的再沈積，因而可容易地製造各自具有垂直的側壁輪廓的小型化的磁性裝置。
圖11為根據本發明概念之另一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法的流程圖。
於圖11的操作112中，罩幕圖案可形成於包括下磁層、穿隧阻障層以及上磁層(其相繼地由底部往頂部堆疊)的堆疊結構上，以覆蓋堆疊結構的一部分。
於一些實施例中，堆疊結構可更包括下電極層以及上電極層，其形成於***於此下電極層以及此上電極層之間的下磁層、穿隧阻障層以及上磁層的下方以及上方。堆疊結構可包括例如由Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一種所形成的磁層。例如，堆疊結構可包括圖4或圖5的堆疊結構40或堆疊結構50。
罩幕圖案可包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti以及Ta中的至少一種。於一些實施例中，罩幕圖案可具有雙層結構，例如Ru\TiN或TiN\W。
於操作114中，可暴露操作112的結果結構(即堆疊結構)的頂端面於氫電漿去進行堆疊結構的預處理。於一些實施例中，為了進行使用氫電漿的預處理製程，包括堆疊結構的結構可置入於電漿蝕刻裝置60的反應腔體62中，而且藉由僅提供H2氣體進入反應腔體62中來產生氫電漿。操作114中的預處理製程的更詳細描述為實質上相同於如圖2的操作22中所描述的預處理製程。因此，省略其詳細描述。若需要，可省略操作114。
於操作116中，可使用第一蝕刻氣體以及藉由使用形成於操作112中的罩幕圖案作為蝕刻罩幕由堆疊結構的暴露的頂端面進行蝕刻包括至少上磁層以及穿隧阻障層的第一部分的第一蝕刻製程，第一蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體與剩餘的第一附加氣體。
於操作116中，可藉由電漿蝕刻製程進行第一蝕刻製程。為了進行第一蝕刻製程，可使用圖6中所圖示的電漿蝕刻裝置60。第一蝕刻製程可於相同的反應腔體62中進行，而且接續於操作114的預處理製程後。
第一附加氣體可包括例如惰性氣體以及NH3氣體中的至少一種。例如，第一附加氣體可包括例如N2、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種。
當進行操作116中的第一蝕刻製程時，源電源以及偏壓電源各自可於定波模式下輸出，如圖7A以及圖7B所圖示。於一些實施例中，當進行第一蝕刻製程時，源電源或偏壓電源可於脈波模式下輸出，其中源電源或偏壓電源在導通狀態和關斷狀態之間交替，如圖7C或圖7D所圖示。於一些實施例中，當進行第一蝕刻製程時，為了進行如圖7E所圖示的同步脈波電漿蝕刻製程，脈波模式下的源電源以及脈波模式下的偏壓電源可同時或以事先決定的時間差來輸出。操作116的第一蝕刻製程可於約(-10)℃至約65℃的溫度、約2 mTorr至約5 mTorr的壓力下進行。
於操作116中，當蝕刻圖4的堆疊結構40時，進行第一蝕刻製程之後，上電極層48、上磁層46以及穿隧阻障層45各自分離成多個上電極、多個上磁圖案以及多個穿隧阻障。
於操作118中，蝕刻包括堆疊結構的下磁層的第二部份的第二蝕刻製程，使用第二蝕刻氣體以及藉由使用罩幕圖案作為蝕刻罩幕來進行，第二蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體與剩餘的第二附加氣體。於操作118中，當蝕刻圖4的堆疊結構40時，進行第二蝕刻製程之後，下磁層44以及下電極層42分離成多個下磁圖案以及多個下電極。
可藉由電漿蝕刻製程進行操作118中的第二蝕刻製程。為了進行第二蝕刻製程，可使用圖示於圖6的電漿蝕 刻裝置60。第二蝕刻製程可於相同的反應腔體62中進行，而且接續於操作116的第一蝕刻製程後。
第二附加氣體可包括例如惰性氣體以及NH3氣體中的至少一種。第二附加氣體可包括例如N2、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種。於一些實施例中，第二附加氣體可包括不同於操作116中使用的第一附加氣體的氣體。例如，N2氣體可被用作為操作116中的第一附加氣體，且NH3氣體可被用作為操作118中的第二附加氣體。
當進行操作118中的第二蝕刻製程時，於電漿蝕刻裝置60中，源電源以及偏壓電源各自可於定波模式下輸出，如圖7A以及圖7B所圖示。於一些實施例中，當進行第二蝕刻製程時，源電源或偏壓電源可於脈波模式下輸出，其中源電源或偏壓電源在導通狀態和關斷狀態之間交替，如圖7C或圖7D所圖示。於一些實施例中，當進行第二蝕刻製程時，為了進行同步脈波電漿蝕刻製程，如圖7E所圖示，脈波模式下的源電源以及脈波模式下的偏壓電源可同時或以事先決定的時間差來輸出。可於約(-10)℃至約65°C的溫度、約2 mTorr至約5 mTorr的壓力下進行操作118的第二蝕刻製程。
於一些實施例中，用於操作118的第二蝕刻製程的源電源以及偏壓電源的各自的輸出模式可設置為不同於用於操作116的第一蝕刻製程的源電源以及偏壓電源的各自的輸出模式。例如，當進行操作116中的第一蝕刻製程時，源電源以及偏壓電源各自可於定波模式下輸出，如圖7A 以及圖7B所圖示；而且，當進行操作118中的第二蝕刻製程時，如圖7E所圖示，可輸出脈波模式下的源電源以及脈波模式下的偏壓電源，以進行同步脈波電漿蝕刻製程。
可於同步脈波電漿蝕刻製程條件下進行操作118的第二蝕刻製程，如此由蝕刻氣體產生的經加速的離子於增加的移動範圍中移動，並且碰撞待蝕刻區域。於堆疊結構的待蝕刻區域中，進行與到達此區域表面的經加速的氫離子的化學反應。同時地，自第二附加氣體所得的經加速的離子所致的物理蝕刻可均勻地於待蝕刻區域中進行。因此，氫離子以及由第二附加氣體產生的經加速的離子可更有效地用於進行待蝕刻層的高非等向性蝕刻以及移除再沈積層。因此，可容易地形成各自具有垂直側壁輪廓的微小的磁阻裝置，而且可防止副產物再沈積於蝕刻後所得的圖案的側壁。因此，不用進行用於移除再沈積的蝕刻副產物的額外清除製程或後處理(post-treatment)製程。
圖12A至圖12H為根據本發明概念之另一例示實施例之磁性裝置200(見圖12H)的製造方法中的階段剖面圖。本實施例圖示製造自旋轉移力矩磁阻式隨機存取記憶體(spin transfer torque magnetoresistive random access memory，STT-MRAM)裝置的過程，作為製造磁性裝置200的過程。
參照圖12A，隔離層(isolation layer)204可形成於基底202上，以定義主動區206。至少一個電晶體210可形成於主動區206上。
於一些實施例中，基底202可為半導體晶圓(semiconductor wafer)。於至少一實施例中，基底202可包括例如矽(silicon，Si)。於一些實施例中，基底202可包括半導體元素，例如鎵(Ge)，或化合物半導體(compound semiconductor)，例如SiC、GaAs、InAs或InP。於至少一實施例中，基底202可具有絕緣層覆矽(silicon on insulator，SOI)結構。例如，基底202可包括埋入氧化物(buried oxide，BOX)層。於一些實施例中，基底202可包括傳導性區(conductive region)，例如摻雜雜質的井或摻雜雜質的結構。隔離層204可具有淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)結構。
電晶體210可包括閘極絕緣層(gate insulating layer)212、閘極電極(gate electrode)214、源極區(source region)216以及汲極區(drain region)218。閘極電極214可形成為絕緣覆蓋層(insulating capping layer)220與絕緣間隙壁(insulating spacer)222分別地使閘極電極214的頂端面與兩側壁絕緣。
接著，用於覆蓋電晶體210的平坦化的第一層間絕緣層230、穿透第一層間絕緣層230以及電性連接至源極區216的多個第一接觸插塞(contact plug)232以及電性連接至汲極區218的多個第二接觸插塞234可相繼地形成於基底202上。於第一層間絕緣層230上形成傳導層(conduct ive layer)後，可圖案化傳導層，從而形成經由多個第一接觸插塞232而電性連接至源極區216的多個源極線(so urce line)236以及於源極線236的兩側的經由多個第二接觸插塞234而電性連接至汲極區218的多個傳導圖案238。
接著，第二層間絕緣層240可形成於第一層間絕緣層230之上，以覆蓋源極線236以及傳導圖案238。藉由使用微影製程，可移除第二層間絕緣層240的一部分，以暴露傳導圖案238的頂端面，從而形成下電極接觸孔240H。藉由於下電極接觸孔240H中填充傳導性材料以及藉由研磨傳導性材料去暴露第二層間絕緣層240的頂端面，下電極接觸插塞242可形成於下電極接觸孔240H中。於一些實施例中，下電極接觸插塞242可包括例如TiN、Ti、TaN、Ta或W中的至少一種。
參照圖12B，下電極層252、下磁層254、穿隧阻障層255、上磁層256以及上電極層258相繼地由底部往頂部堆疊的堆疊結構250可形成於第二層間絕緣層240以及下電極接觸插塞242之上。
堆疊結構250可包括圖4或圖5的堆疊結構40或堆疊結構50。然而，本發明概念的觀點不限於此，根據要形成的磁性裝置的所需特性，各種類型的層可被可加入或取代。
參照圖12C，多個傳導罩幕圖案260形成於堆疊結構250之上，以覆蓋堆疊結構250的頂端面的一部分。多個傳導罩幕圖案260可包括金屬或金屬氮化物。於一些實施例中，多個傳導罩幕圖案260可包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti以及Ta中的至少一種。例如，傳導罩幕圖案260 可具有Ru\TiN或TiN\W的雙層結構。傳導罩幕圖案260可形成於相同於下電極接觸插塞242的軸上，例如傳導罩幕圖案260可沿著垂直基底202的垂直軸而與下電極接觸插塞242對準。
於一些實施例中，為了形成多個傳導罩幕圖案260，傳導罩幕層可先形成於堆疊結構250上，而且多個硬罩幕圖案(未圖示)可形成於傳導罩幕層上。可使用多個硬罩幕圖案作為蝕刻罩幕蝕刻傳導罩幕層，使得多個傳導罩幕圖案260可保持於堆疊結構250上。
參照圖12D，可透過傳導罩幕圖案260暴露堆疊結構250的暴露的頂端面於氫電漿262去進行堆疊結構250的暴露的頂端面的預處理。使用氫電漿262的預處理製程相同於圖2的操作22以及配合圖8B與圖9B所描述的使用氫電漿的預處理製程。視需要可省略使用氫電漿262的預處理製程。
參照圖12E，藉由使用電漿蝕刻製程蝕刻上電極層258、上磁層256以及穿隧阻障層255的第一蝕刻製程可藉由使用第一蝕刻氣體以及藉由使用傳導罩幕圖案260作為蝕刻罩幕來進行，第一蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體以及剩餘的第一附加氣體。因此，可形成多個上電極258A、多個上磁層圖案256A以及多個穿隧阻障層255A。圖12E的第一蝕刻製程實質上相同於圖11的操作116。當進行第一蝕刻製程時，由於第一蝕刻製程的蝕刻環境，多個傳導罩幕圖案260的一部分可自其頂端面損耗。
當進行第一蝕刻製程時，於形成多個穿隧阻障層255A後暴露的下磁層254可進一步地自其頂端面蝕刻事先決定的厚度，從而完成第一蝕刻製程。於一些實施例中，為了決定第一蝕刻製程的終止點(end point)，可使用光學放射光譜儀(optical emission spectroscopy)。為了進行藉由設定下磁層254作為終止點的第一蝕刻製程，可進行第一蝕刻製程直到光學放射光譜儀偵測到下磁層254的一個元素的放射波長(emission wavelength)。
於一些實施例中，可於應用去構成第一蝕刻製程的蝕刻環境的源電源以及偏壓電源各自於定波模式下輸出的狀態下，如圖7A與圖7B所圖示，進行第一蝕刻製程。
參照圖12F，蝕刻暴露於多個傳導罩幕圖案260之間的下磁層254與於堆疊結構250(見圖12B)的下磁層254之下的下電極層252的第二蝕刻製程可使用第二蝕刻氣體以及藉由使用傳導罩幕圖案260作為蝕刻罩幕來進行，第二蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體以及剩餘的第二附加氣體。因此，可形成多個下磁層圖案254A以及多個下電極252A。圖12F的第二蝕刻製程實質上相同於圖11的操作118。
於一些實施例中，以體積計約80%至約95%的H2氣體以及以體積計約5%至約20%的第二附加氣體可用作第二蝕刻氣體。第二附加氣體可包括例如N2、NH3、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種。於一些實施例中，第二附加氣體 包括不同於第一附加氣體的氣體。例如，當N2氣體用作第一附加氣體，NH3可用作第二附加氣體。
可於保持有高於約500電子伏特的離子能量以及低於約1×1011cm-3的電漿密度的環境下進行第二蝕刻製程。第二蝕刻製程可於約(-10)℃至約65℃的溫度、約2 mTorr至約5 mTorr的壓力下進行。當進行第二蝕刻製程時，由於第二蝕刻製程的蝕刻環境，多個傳導罩幕圖案260的一部分可自其頂端面損耗。儘管未顯示，當進行第二蝕刻製程時，於形成多個下電極252A後暴露的第二層間絕緣層240可自其頂端面蝕刻事先決定的厚度。
包括下電極252A、下磁層圖案254A、穿隧阻障層255A、上磁層圖案256A、上電極258A以及剩餘的傳導罩幕圖案部分260的多個磁阻裝置270，作為第二蝕刻製程的結果結構，形成於多個下電極接觸插塞242之上。於多個磁阻裝置270中，剩餘的傳導罩幕圖案部份260以及上電極258A當作一個電極。
藉由進行各自使用以體積計包括至少80%的H2氣體的蝕刻氣體的圖12E的第一蝕刻製程以及圖12F的第二蝕刻製程，可得到多個磁阻裝置270。多個磁阻裝置270可具備具有實質上垂直的側壁輪廓的側壁270S，即，側壁270可實質上地沿著不具坡度(例如，傾斜)或不具副產物堆積其上的基底202的法線延伸。亦即，當進行圖12E的第一蝕刻製程以及圖12E的第二蝕刻製程時，可阻止蝕刻殘餘物(例如非揮發性材料)再沈積於磁阻裝置270的 側壁270S上。因此，可避免由副產物再沈積於側壁270S上所致的磁阻裝置270的特性的劣化，而且可排除用於自側壁270S移除再沈積副產物的額外清除製程或後處理製程，從而簡化磁阻裝置270的製造過程。
此外，即便當多個磁阻裝置270各自的寬度W具有數十nm(例如約20 nm)，的非常微小的尺寸時，亦可於堆疊結構250上進行高非等向性蝕刻而不具有蝕刻副產物的再沈積。因此，可容易地製造各自具有垂直的側壁輪廓的具有大高寬比的微小的磁性裝置。
於一些實施例中，磁阻裝置270各自的高度H至少為磁阻裝置270的寬度的1.5倍。例如，磁阻裝置270的高度H可為磁阻裝置270的寬度的約1.5倍至約3.5倍。於一些實施例中，穿隧阻障層255A的寬度可設作為磁阻裝置270的寬度的根基。就這一點而言，磁阻裝置270的高度可至少為穿隧阻障層255A的寬度的1.5倍。
參照圖12G，平坦的第三層間絕緣層280可形成去覆蓋多個磁阻裝置270，而且可藉由蝕刻移除第三層間絕緣層280的一部分去形成多個位元線接觸孔(bit line contact hole)280H，此位元線接觸孔280H暴露磁阻裝置270各自的傳導罩幕圖案260的頂端面。接著，形成用於填充多個位元線接觸孔280H的傳導性層後，可研磨或蝕刻此傳導性層直到暴露第三層間絕緣層280的頂端面，從而於多個位元線接觸孔280H中各自形成多個位元線接觸插塞282。
參照圖12H，可形成傳導性層於第三層間絕緣層280以及多個位元線接觸插塞282之上，而且可圖案化傳導性層，從而形成各自電性連接至多個位元線接觸插塞282的位元線290(例如具有線形)，以形成磁性裝置200。
圖13為根據本發明概念之一實施例所顯示之根據實施例之包括磁層的堆疊結構的蝕刻以及再沈積速率的評估結果隨蝕刻氣體中的H2濃度變化的曲線圖。
於圖13的評估，使用Ti(20 Å)\Ru(20 Å)\Ta(4 Å)\CoFeB(11 Å)\MgO(10 Å)\CoFeB(12 Å)\Ta(4 Å)\Co(5 Å)\Pt(10 Å)\[Co(2.5 Å)\Pd(10 Å)]×3\Co(5 Å)\Ru(8 Å)\Co(5 Å)\[Pd(10 Å)\Co(2.5 Å)]×7\Pd(10 Å)\Ti(10 Å)\Ru(50 Å)相繼地由底部往頂部堆疊的堆疊結構。為了蝕刻堆疊結構，形成具有Ru(500 Å)\TiN(600 Å)的結構的傳導罩幕圖案於堆疊結構上，並且使用傳導罩幕圖案作為蝕刻罩幕蝕刻堆疊結構。於圖13中所示的各種條件下使用蝕刻氣體來電漿蝕刻用於評估的試樣。用於蝕刻的製程溫度、製程壓力、源電源以及偏壓電源各自設為230℃、2 mTorr、500 W以及350 W。如圖13中所見，當蝕刻氣體中的H2氣體的濃度增加，副產物於側壁上的再沈積速率降低。
圖14為根據本發明概念之一實施例所圖示之配合蝕刻氣體中的H2氣體濃度的根據實施例之包括磁層的堆疊結構的相依性的評估結果的虛擬掃描式電子顯微鏡(virtual scanning electron microscope，VSEM)相片。
於圖14的評估，使用用於圖13的評估的堆疊結構以及傳導罩幕圖案，而且使用相同的蝕刻環境條件。圖14顯示於上所述的蝕刻條件下藉由從其頂端面至MgO層(即穿隧阻障層)蝕刻堆疊結構所形成的結果結構。如圖14中所見，當蝕刻氣體中的H2氣體濃度以體積計為80%或更多，則蝕刻圖案的側壁具有垂直輪廓而且避免副產物的再沈積。
圖15圖示藉由使用根據本發明概念之一實施例的磁性裝置的製造方法蝕刻包括磁層的堆疊結構而形成的結構的VSEM相片。
於圖15的評估，使用Ti(20 Å)\Ru(20 Å)\Ta(4 Å)\CoFeB(11 Å)\MgO(10 Å)\CoFeB(12 Å)\Ta(4 Å)\Co(5 Å)\Pt(10 Å)\[Co(2.5 Å)\Pd(10 Å)]×3\Ru(8 Å)\CoPt(80 Å)\Ru(50 Å)相繼地由底部往頂部堆疊的的堆疊結構。為了蝕刻堆疊結構，形成具有TiN(100 Å)\W(600 Å)的結構的傳導罩幕圖案於堆疊結構上，而且使用傳導罩幕圖案作為蝕刻罩幕蝕刻堆疊結構。
為了蝕刻堆疊結構，藉由使用得自於以體積計包括90%的H2氣體以及10%的N2氣體的第一蝕刻氣體的電漿，從Ru層(即上電極)至MgO層(即穿隧阻障層)進行第一蝕刻製程。第一蝕刻製程的製程溫度、製程壓力、源電源以及偏壓電源各自設為60℃、2 mTorr、350 W、以及600 W。於第一蝕刻製程中，施加定波模式下的偏壓電源。接著，藉由使用得自於以體積計包括80%的H2氣體以及2 0%的NH3氣體的第二蝕刻氣體的電漿，從CoFeB層至Ti層(亦即下電極)進行第二蝕刻製程。第二蝕刻製程的製程溫度、製程壓力、源電源以及偏壓電源各自設為60℃、2 mTorr、750 W、以及340 W。於第二蝕刻製程中，施加脈波模式下的偏壓電源。因此，得到於圖15中所示的多個磁穿隧接面裝置。
於圖15的相片中，參考標號412和414各自表示TiN層和W層，其各自用作為蝕刻罩幕，而且參考標號416表示MgO層，亦即穿隧阻障層，並且參考標號418表示層間絕緣層。於圖15中的VSEM相片所示的透過第一蝕刻製程以及第二蝕刻製程而得的多個磁穿隧接面裝置中，平均高度相對於平均寬度的比為大約1：1.5。
圖16圖示根據本發明概念之一實施例所顯示之關於用在包括磁層的堆疊結構上的蝕刻氣體中的不同的H2氣體的濃度的堆疊結構之評估結果的VSEM相片。
於圖16的評估，使用Ti(20 Å)\Ru(20 Å)\Ta(4 Å)\CoFeB(11 Å)\MgO(10 Å)\CoFeB(12 Å)\Ta(4 Å)\Co(5 Å)\Pt(10 Å)\[Co(2.5 Å)\Pd(10 Å)]×3\Ru(8 Å)\[Co(2.5 Å)\Pd(10 Å)]×7\Ru(50 Å)相繼地由底部往頂部堆疊的堆疊結構。為了蝕刻堆疊結構，形成具有Ru(500 Å)\TiN(600 Å)的結構的傳導罩幕圖案於堆疊結構上，而且藉由使用傳導罩幕圖案作為蝕刻罩幕蝕刻堆疊結構來製造多個磁穿隧接面裝置。
使用得自於具有圖16所示的各種組成成分的蝕刻氣體的電漿非等向性蝕刻用於評估的試樣。當蝕刻堆疊結構時，蝕刻氣體的組成成分與組成成分比為相同的，而且蝕刻的製程溫度、製程壓力、源電源以及偏壓電源各自設定為60℃、2 mTorr、350 W、以及600 W。
於圖16中，(1)為顯示於蝕刻前、於形成具有Ru(500 Å)\TiN(600 Å)的結構的傳導罩幕圖案於堆疊結構上後的堆疊結構的相片。(2)為由於使用得自於包括100%的H2氣體的蝕刻氣體的電漿蝕刻堆疊結構因而顯示未被蝕刻之堆疊結構的結果結構的相片。(3)為顯示藉由使用得自於以體積計包括95%的H2氣體以及5%的N2氣體的蝕刻氣體的電漿蝕刻堆疊結構所形成的結果結構的相片。(4)為顯示藉由使用得自於以體積計包括90%的H2氣體以及10%的N2氣體的蝕刻氣體的電漿蝕刻堆疊結構所形成的結果結構的相片。(5)為顯示藉由使用得自於以體積計包括90%的H2氣體以及10%的Ar氣體的蝕刻氣體的電漿蝕刻堆疊結構所形成的結果結構的相片。
於圖16的相片(3)、相片(4)以及相片(5)中，高等向性蝕刻堆疊結構而不具有蝕刻副產物的再沈積。比較相片(2)，即僅使用H2氣體蝕刻堆疊結構，與相片(3)、相片(4)以及相片(5)，即使用包括附加的N2氣體或Ar氣體(亦即非揮發性氣體)的蝕刻氣體蝕刻堆疊結構，蝕刻氣體中的H2氣體是用於化學蝕刻堆疊結構。另外，比較相片(4)與相片(5)，所得的磁穿隧接面裝置的輪廓為相似。因此，於相 片(4)中用作為附加氣體的N2氣體以及於相片(5)中用作為附加氣體的Ar氣體進行相同的操作。
於圖16的VSEM相片(3)中所示的各磁穿隧接面裝置中，高度相對於寬度的比為大約1：4。於圖16的VSEM相片(4)中所示的各磁穿隧接面裝置中，高度相對於寬度的比為大約1：3.5。
圖17A與圖17B為顯示當藉由使用根據本發明概念之一實施例的磁性裝置的製造方法蝕刻包括磁層的堆疊結構時藉由評估當施加脈波偏壓電源時的效果所形成的結果結構的VSEM相片。
於圖17A以及圖17B的評估，使用用於圖15的評估的堆疊結構以及罩幕圖案結構，並且使用相同的蝕刻環境條件。
圖17A為顯示藉由於定波模式下施加偏壓電源進行從Ru層512(亦即上電極)至MgO層514(亦即穿隧阻障層)蝕刻堆疊結構的第一蝕刻製程的結果的相片。圖17B為顯示藉由於脈波模式下施加偏壓電源進行從CoFeB層(亦即MgO層514的下結構)至Ti層(亦即下電極)蝕刻堆疊結構的第二蝕刻製程的結果的相片。於圖17A以及圖17B中，參考標號516和518各自表示用作為蝕刻罩幕的TiN層和W層。
於圖17A的相片中，即，顯示當於定波模式下施加偏壓電源時進行第一蝕刻製程至MgO層514的情況，小量的蝕刻殘餘物520貼附至第一蝕刻製程後暴露的MgO層 514的側壁。於圖17B的相片中，即，顯示藉由於脈波模式下施加偏壓電源於圖17A的結果結構上進行第二蝕刻製程的結果，自MgO層514的側壁移除了蝕刻殘餘物520，而且MgO層514的側壁完全地暴露了。於圖17B的VSEM相片中所示的多個磁穿隧接面裝置中，即，透過第二蝕刻製程所得，平均高度相對於平均寬度的比為約1：1.5。
圖18為藉由使用根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法所形成的磁性裝置600的概略剖面圖。參照圖18，磁性裝置600可包括硬碟(hard disk drive，HDD)的記錄頭(recording head)610。記錄頭610可包括磁穿隧接面裝置612。
如箭頭所表示，由於垂直的磁極化(magnetic polarization)而資料記錄於記錄介質(recording medium)620的各定義域(domain)622。記錄頭610可記錄資料於記錄介質620上，或可從記錄介質620讀取記錄的資料。磁性裝置的製造方法，根據本發明概念，可應用於形成記錄頭610的磁穿隧接面裝置612。
圖19圖示藉由使用根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法而可實行的系統700。參照圖19，系統700可包括控制器710、輸入/輸出裝置720、記憶裝置730以及界面740。系統700可為行動式系統或者用於傳送或接收資訊的系統。於一些實施例中，行動式系統例如是個人數位助理(personal digital assistant，PDA)、可攜式電腦、平板電腦(web tablet)、無線電話、行動電話、數位 音樂播放器、或記憶卡。控制器710控制系統700中的執行程式，而且可包括例如微處理機、數位信號處理器(digital signal processor)、微控制器或其類似物。輸入/輸出裝置720可使用於從或至系統700輸入或輸出資料。藉由使用輸入/輸出裝置720，系統700可連接至外部裝置，例如個人電腦(personal computer，PC)或網路，而且可與外部裝置交換資料。輸入/輸出裝置720例如可為電腦小型鍵盤(keypad)、鍵盤(keyboard)或顯示器。
記憶裝置730可儲存為了控制器710的操作的代碼(code)及/或資料，或者可儲存經控制器710處理的資料。記憶裝置730可包括藉由根據本發明概念之至少一實施例的磁性裝置的製造方法所製造的磁性裝置。
界面740可為系統700以及另一個外部裝置(未圖示)間的資料傳送路徑。控制器710、輸入/輸出裝置720、記憶裝置730以及界面740可透過匯流排(bus)750互相連接彼此。系統700可用於例如行動電話、MP3播放器、導航裝置(navigation device)、可攜式多媒體播放器(portable multimedia player，PMP)、固態硬碟(solid state disk，SSD)或家用電器(household appliance)。
圖20圖示藉由使用根據本發明概念之一實施例的磁性裝置的製造方法而可實行的記憶卡800。參照圖20，記憶卡800可包括記憶裝置810以及記憶控制器820。
記憶裝置810可儲存資料。於一些實施例中，記憶裝置810具有即便當電源的供應停止時亦可保留所儲存的資 料的非揮發性特性。記憶裝置810包括藉由根據本發明概念之至少一實施例的磁性裝置的製造方法所製造的磁性裝置。
記憶控制器820可從記憶裝置810讀取所儲存的資料，或可儲存資料於記憶裝置810中以響應主機(host)830的讀取/寫入請求。
於此，已經公開了本發明的典型實施例，並且儘管採用了特定的術語，但它們僅以一般性以及說明性的意義來解釋，而不是出於限制的目的。在某些情況下，對如本申請提交的技術領域中的通常技藝者而言顯而易見的是，一個特定的實施例中所描述之相關的特徵、特性、及/或元素可以單獨使用，或者組合其他實施例中所描述之相關的特徵、特性、及/或元素而使用，除非另有具體說明。因此，本領域技藝者將理解，可在不脫離如同提出於以下的申請專利範圍的本發明的精神和範圍的情況下，進行各種形式或細節的變化。
10A、10B‧‧‧移動路徑
12、22、24、112、114、116、118‧‧‧操作
40、50、250‧‧‧堆疊結構
42、252‧‧‧下電極層
44、254‧‧‧下磁層
45、255‧‧‧穿隧阻障層
46、56、256‧‧‧上磁層
48、258‧‧‧上電極層
42A、252A‧‧‧下電極
44A、254A‧‧‧下磁層圖案
45A、255A‧‧‧穿隧阻障層
46A、56P、256A‧‧‧上磁層圖案
48A、258A‧‧‧上電極
56A‧‧‧被釘孔層
56B‧‧‧釘孔層
60‧‧‧電漿蝕刻裝置
62‧‧‧反應腔體
63‧‧‧源電極
64‧‧‧偏壓電極
65‧‧‧進氣口
66‧‧‧源電源輸出單元
66A‧‧‧源匹配網路
66B‧‧‧源整合器
66C‧‧‧源控制器
66D‧‧‧源射頻產生器
68‧‧‧偏壓電源輸出單元
68A‧‧‧偏壓匹配網路
68B‧‧‧偏壓整合器
68C‧‧‧偏壓控制器
68D‧‧‧偏壓射頻產生器
80、90、200、600‧‧‧磁性裝置
80S、90S、270S‧‧‧側壁
82、418‧‧‧層間絕緣層
84‧‧‧下電極連接部
86、96‧‧‧罩幕圖案
88、98、262‧‧‧氫電漿
202‧‧‧基底
204‧‧‧隔離層
206‧‧‧主動區
210‧‧‧電晶體
212‧‧‧閘極絕緣層
214‧‧‧閘極電極
216‧‧‧源極區
218‧‧‧汲極區
220‧‧‧絕緣覆蓋層
222‧‧‧絕緣間隙壁
230‧‧‧第一層間絕緣層
232‧‧‧第一接觸插塞
234‧‧‧第二接觸插塞
236‧‧‧源極線
238‧‧‧傳導圖案
240‧‧‧第二層間絕緣層
240H‧‧‧下電極接觸孔
242‧‧‧下電極接觸插塞
260‧‧‧傳導罩幕圖案
270‧‧‧磁阻裝置
280‧‧‧第三層間絕緣層
280H‧‧‧位元線接觸孔
282‧‧‧位元線接觸插塞
290‧‧‧位元線
412、516‧‧‧TiN層
414、518‧‧‧W層
416、514‧‧‧MgO層
512‧‧‧Ru層
520‧‧‧蝕刻殘餘物
610‧‧‧記錄頭
612‧‧‧磁穿隧接面裝置
620‧‧‧記錄介質
622‧‧‧定義域
700‧‧‧系統
710‧‧‧控制器
720‧‧‧輸入/輸出裝置
730‧‧‧記憶裝置
740‧‧‧界面
750‧‧‧匯流排
800‧‧‧記憶卡
810‧‧‧記憶裝置
820‧‧‧記憶控制器
830‧‧‧主機
W‧‧‧寬度
H‧‧‧高度
W‧‧‧基底
A+/-‧‧‧加速離子
TMP‧‧‧渦輪分子泵
D‧‧‧工作週期
T1‧‧‧導通狀態時間
T2‧‧‧關斷狀態時間
藉由參照附圖的詳細描述之例示實施例，並配合所附圖式，使特徵對於本領域之通常技藝人員而言將更明顯，其中：圖1圖示根據本發明概念之一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法的流程圖。
圖2圖示根據本發明概念之另一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法的流程圖。
圖3圖示於圖1以及圖2中所圖示之磁性裝置的製造方法的預處理製程以及蝕刻製程中的氣體供應操作的一種氣體供應脈波曲線圖。
圖4圖示用於根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法中的一種例示堆疊結構的剖面圖。
圖5圖示用於根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法中的另一種例示堆疊結構的剖面圖。
圖6圖示用於根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法中的一種例示電漿蝕刻裝置的概略圖。
圖7A圖示顯示於圖6中所圖示的電漿蝕刻裝置中的定波模式下輸出的源電源隨時間變化之曲線圖。
圖7B圖示顯示於圖6中所圖示的電漿蝕刻裝置中的定波模式下輸出的偏壓電源隨時間變化之曲線圖。
圖7C圖示顯示於圖6中所圖示的電漿蝕刻裝置中的脈波模式下輸出的源電源的工作週期隨工作週期時間變化之曲線圖。
圖7D圖示顯示於圖6中所圖示的電漿蝕刻裝置中的脈波模式下輸出的偏壓電源的工作週期隨時間變化之曲線圖。
圖7E圖示顯示為了使用圖6中所圖示的電漿蝕刻裝置的同步脈波電漿蝕刻進行蝕刻製程而於脈波模式下輸出的源電源與偏壓電源的工作週期隨時間變化之曲線圖。
圖8A至圖8C圖示根據本發明概念之另一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法中的階段剖面圖。
圖9A至圖9C圖示根據本發明概念之另一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法中的階段剖面圖。
圖10A圖示當於源電源與偏壓電源各自以定波模式輸出的條件下蝕刻堆疊結構時的離子的移動路徑的剖面圖。
圖10B圖示於同步脈波電漿蝕刻製程中的離子的移動路徑的剖面圖。
圖11圖示根據本發明概念之另一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法的流程圖。
圖12A至圖12H圖示根據本發明概念之另一例示實施例之一種磁性裝置的製造方法中的階段剖面圖。
圖13圖示顯示蝕刻以及再沈積速率的就蝕刻氣體中的H2氣體的濃度而言的相依性的曲線圖。
圖14圖示根據本發明概念之一實施例依照蝕刻氣體中的H2氣體的不同濃度的經蝕刻的堆疊結構的虛擬掃描式電子顯微鏡(virtual scanning electron microscope，VSEM)相片。
圖15圖示顯示藉由使用根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法蝕刻包括磁層的堆疊結構而形成的一種結果結構的VSEM相片。
圖16圖示根據本發明概念之一實施例依照用在包括磁層的堆疊結構上的蝕刻氣體中的H2氣體的不同的比例與濃度的經蝕刻的堆疊結構的VSEM相片。
圖17A與圖17B為圖示當藉由使用根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法蝕刻包括磁層的堆疊結構時藉由評估當施加脈波偏壓電源時的效果所形成的結果結構的VSEM相片。
圖18圖示藉由使用根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法而可實行的一種磁性裝置的概略剖面圖。
圖19圖示藉由使用根據本發明概念之一實施例之磁性裝置的製造方法而可實行的一種系統。
圖20圖示藉由使用根據本發明概念之一實施例的磁性裝置的製造方法而可實行的一種記憶卡。
202‧‧‧基底
204‧‧‧隔離層
206‧‧‧主動區
210‧‧‧電晶體
212‧‧‧閘極絕緣層
214‧‧‧閘極電極
216‧‧‧源極區
218‧‧‧汲極區
220‧‧‧絕緣覆蓋層
222‧‧‧絕緣間隙壁
230‧‧‧第一層間絕緣層
232‧‧‧第一接觸插塞
234‧‧‧第二接觸插塞
236‧‧‧源極線
238‧‧‧傳導圖案
240‧‧‧第二層間絕緣層
240H‧‧‧下電極接觸孔
242‧‧‧下電極接觸插塞
252A‧‧‧下電極
254A‧‧‧下磁層圖案
255A‧‧‧穿隧阻障層
256A‧‧‧上磁層圖案
258A‧‧‧上電極
260‧‧‧傳導罩幕圖案
270‧‧‧磁阻裝置
270S‧‧‧側壁
W‧‧‧寬度
H‧‧‧高度

Claims (30)

  1. 一種磁性裝置的製造方法，包括：形成堆疊結構，所述堆疊結構包括磁層；以及使用蝕刻氣體蝕刻所述堆疊結構，所述蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置的製造方法，其中蝕刻所述堆疊結構包括使用包含H2氣體與附加氣體的蝕刻氣體，所述附加氣體包括惰性氣體及/或NH3氣體。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之磁性裝置的製造方法，其中所述附加氣體中之所述惰性氣體包括N2、Ne、Ar、Kr以及Xe中的至少一種。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置的製造方法，其中蝕刻所述堆疊結構包括使用不包含鹵素的蝕刻氣體。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置的製造方法，其中形成所述堆疊結構包括使用Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一種。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置的製造方法，其中蝕刻所述堆疊結構包括進行電漿蝕刻製程。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置的製造方法，其中蝕刻所述堆疊結構包括：使用電漿蝕刻裝置，所述電漿蝕刻裝置包括用於施加 源電源的源電源輸出單元與用於施加偏壓電源的偏壓電源輸出單元；以及重複地進行所述源電源和所述偏壓電源中的至少一個電源在導通狀態和關斷狀態之間交替的操作。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置的製造方法，更包括於蝕刻所述堆疊結構之前暴露所述堆疊結構的一部分於氫電漿。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之磁性裝置的製造方法，其中：形成所述堆疊結構包括形成所述磁層於上電極及下電極之間，所述上電極及所述下電極面向彼此；以及所述堆疊結構的蝕刻包括使用所述蝕刻氣體蝕刻所述上電極、所述下電極以及所述磁層。
  10. 一種磁性裝置的製造方法，包括：形成堆疊結構，所述堆疊結構包括相繼地由底部往頂部堆疊的下磁層、穿隧阻障層以及上磁層；形成罩幕圖案於所述堆疊結構上，使得一部分的所述堆疊結構被覆蓋；進行第一蝕刻，所述第一蝕刻透過所述罩幕圖案去蝕刻所述堆疊結構的第一部分，所述第一部分至少包含所述上磁層以及所述穿隧阻障層，而且所述第一蝕刻包括使用第一蝕刻氣體，所述第一蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體以及第一附加氣體；以及進行第二蝕刻，所述第二蝕刻透過所述罩幕圖案去蝕 刻所述堆疊結構的第二部分，所述第二部分包含所述堆疊結構的所述下磁層，而且所述第二蝕刻於與所述第一蝕刻不同的蝕刻環境下進行。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之磁性裝置的製造方法，其中所述第二蝕刻包括使用第二蝕刻氣體，所述第二蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體及第二附加氣體，所述第二附加氣體具有與所述第一附加氣體不同的組成成分。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之磁性裝置的製造方法，其中所述第一附加氣體及所述第二附加氣體各自包括惰性氣體或NH3氣體。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之磁性裝置的製造方法，其中所述第一附加氣體及所述第二附加氣體各自包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之磁性裝置的製造方法，其中所述第一附加氣體包括N2、Ne、Ar、Kr或Xe中的至少一種，且所述第二附加氣體包括NH3。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之磁性裝置的製造方法，其中：形成所述堆疊結構更包括形成下電極層與上電極層，而所述下磁層、所述穿隧阻障層以及所述上磁層***於所述下電極層與所述上電極層之間；進行所述第一蝕刻包括使用所述第一蝕刻氣體蝕刻所述上電極層的一部分，使得所述上電極層被分離為多個 上電極；以及進行所述第二蝕刻包括使用所述第二蝕刻氣體蝕刻所述下電極層的一部分，使得所述下電極層被分離為多個下電極。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之磁性裝置的製造方法，其中進行所述第一蝕刻及進行所述第二蝕刻各自包括使用電漿蝕刻製程。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之磁性裝置的製造方法，其中：進行所述第一蝕刻及進行所述第二蝕刻各自包括使用電漿蝕刻裝置，所述電漿蝕刻裝置具有用於施加源電源的源極電源輸出單元與用於施加偏壓電源的偏壓電源輸出單元；以及所述第一蝕刻與所述第二蝕刻中的至少一者包括重複地進行所述源電源或所述偏壓電源在導通狀態和關斷狀態之間交替的操作。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之磁性裝置的製造方法，其中所述第一蝕刻包括以定波模式施加所述偏壓電源，而且所述第二蝕刻包括重複地進行所述偏壓電源在導通狀態和關斷狀態之間交替的操作。
  19. 如申請專利範圍第10項所述之磁性裝置的製造方法，更包括於形成所述罩幕圖案後及進行所述第一蝕刻前暴露所述堆疊結構的頂端面於氫電漿。
  20. 如申請專利範圍第10項所述之磁性裝置的製造 方法，其中形成所述堆疊結構包括使用第一材料以及第二材料，所述第一材料為Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一種，而且所述第二材料為Ti、TiN、Ta、TaN、Ru以及W中的至少一種。
  21. 一種磁性裝置，包括：至少一磁阻裝置，配置於基底上，所述磁阻裝置具有實質上垂直的輪廓的側壁，其中，所述至少一磁阻裝置的高度為所述至少一磁阻裝置的寬度的至少1.5倍。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之磁性裝置，其中：所述至少一磁阻裝置包括相繼地於垂直的方向上堆疊的下電極、磁結構、以及上電極，而且所述下電極、所述磁結構以及所述上電極各自具有實質上垂直的輪廓的側壁。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之磁性裝置，其中：所述磁結構包括非揮發性金屬，而且所述下電極、所述磁結構以及所述上電極各自的整個側壁沿著所述基底的法線延伸。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之磁性裝置，其中所述磁結構包括相繼地於垂直的方向上堆疊的下磁層圖案、穿隧阻障層以及上磁層圖案。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之磁性裝置，其中所述磁結構包括Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、 PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一種。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之磁性裝置，其中所述至少一磁阻裝置的高度為所述至少一磁阻裝置的寬度的約1.5倍至約4倍。
  27. 一種磁性裝置的製造方法，包括：形成堆疊結構，所述堆疊結構包括非揮發性金屬層；以及藉由蝕刻氣體蝕刻包括所述非揮發性金屬層的所述堆疊結構，所述蝕刻氣體以體積計包括至少80%的H2氣體。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之磁性裝置的製造方法，其中蝕刻所述堆疊結構包括使用包含H2氣體與附加氣體的蝕刻氣體，所述附加氣體包括惰性氣體及/或NH3氣體。
  29. 如申請專利範圍第27項所述之磁性裝置的製造方法，其中蝕刻所述堆疊結構包括進行電漿蝕刻製程。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之磁性裝置的製造方法，更包括於蝕刻所述堆疊結構之前暴露所述堆疊結構的一部分於氫電漿。
TW101142664A 2011-12-07 2012-11-15 磁性裝置及其製造方法 TWI565110B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110130474A KR20130063871A (ko) 2011-12-07 2011-12-07 자기 소자 및 그 제조 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW201338224A true TW201338224A (zh) 2013-09-16
TWI565110B TWI565110B (zh) 2017-01-01

Family

ID=48464799

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW101142664A TWI565110B (zh) 2011-12-07 2012-11-15 磁性裝置及其製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8847342B2 (zh)
KR (1) KR20130063871A (zh)
CN (1) CN103151457B (zh)
DE (1) DE102012110442A1 (zh)
TW (1) TWI565110B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10833255B2 (en) 2017-09-21 2020-11-10 Hitachi High-Tech Corporation Method for manufacturing magnetic tunnel junction element, and inductively coupled plasma processing apparatus
TWI758691B (zh) * 2019-09-10 2022-03-21 日商鎧俠股份有限公司 磁性記憶裝置

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8747680B1 (en) 2012-08-14 2014-06-10 Everspin Technologies, Inc. Method of manufacturing a magnetoresistive-based device
KR20150112979A (ko) * 2013-01-31 2015-10-07 에버스핀 테크놀러지스, 인크. 자기저항 디바이스를 제조하는 방법
KR102082322B1 (ko) 2013-08-09 2020-02-27 삼성전자주식회사 자기 기억 소자의 제조 방법
US9269894B2 (en) * 2013-10-15 2016-02-23 Everspin Technologies, Inc. Isolation of magnetic layers during etch in a magnetoresistive device
US9142762B1 (en) 2014-03-28 2015-09-22 Qualcomm Incorporated Magnetic tunnel junction and method for fabricating a magnetic tunnel junction
US9336998B2 (en) * 2014-05-09 2016-05-10 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Apparatus and method for dynamic control of ion beam energy and angle
KR102324627B1 (ko) * 2014-10-31 2021-11-10 삼성전자주식회사 자기 저항 소자를 포함하는 반도체 소자
KR102350441B1 (ko) * 2015-06-05 2022-01-14 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 프로세스 챔버
JP6568822B2 (ja) * 2016-05-16 2019-08-28 東京エレクトロン株式会社 エッチング方法
US10096649B2 (en) * 2016-08-04 2018-10-09 Qualcomm Incorporated Reducing or avoiding metal deposition from etching magnetic tunnel junction (MTJ) devices, including magnetic random access memory (MRAM) devices
CN107958950B (zh) * 2016-10-14 2020-09-22 中电海康集团有限公司 Mtj器件的制作方法、mtj器件及stt-mram
CN108511602B (zh) * 2017-02-28 2021-07-13 中电海康集团有限公司 Mtj单元及stt-mram
US10896690B1 (en) 2017-06-07 2021-01-19 Sandisk Technologies Llc Magnetic head with current assisted magnetic recording and method of making thereof
US10891974B1 (en) 2017-06-07 2021-01-12 Sandisk Technologies Llc Magnetic head with current assisted magnetic recording and method of making thereof
EP3673522B1 (en) 2017-08-23 2022-10-05 Everspin Technologies, Inc. Magnetoresistive bit fabrication by multi-step etching
US10839844B1 (en) 2018-06-18 2020-11-17 Western Digital Technologies, Inc. Current-assisted magnetic recording write head with wide conductive element in the write gap
US11017801B1 (en) 2018-10-09 2021-05-25 Western Digital Technologies, Inc. Magnetic head with assisted magnetic recording and method of making thereof
US10891975B1 (en) 2018-10-09 2021-01-12 SanDiskTechnologies LLC. Magnetic head with assisted magnetic recording and method of making thereof
CN114530550A (zh) * 2020-11-23 2022-05-24 江苏鲁汶仪器有限公司 一种mram磁隧道结的刻蚀方法
US12010924B2 (en) * 2021-03-18 2024-06-11 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Method for manufacturing semiconductor structure with memory device

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002237486A (ja) * 2001-02-08 2002-08-23 Tokyo Electron Ltd プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
US6911346B2 (en) * 2002-04-03 2005-06-28 Applied Materials, Inc. Method of etching a magnetic material
CN100440449C (zh) * 2002-06-27 2008-12-03 东京毅力科创株式会社 等离子体处理方法
KR100923299B1 (ko) 2003-01-28 2009-10-23 삼성전자주식회사 자기 램의 자기 터널 접합층 형성 방법
US7221584B2 (en) * 2004-08-13 2007-05-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. MRAM cell having shared configuration
US20060035173A1 (en) * 2004-08-13 2006-02-16 Mark Davidson Patterning thin metal films by dry reactive ion etching
JP4534664B2 (ja) 2004-08-24 2010-09-01 ソニー株式会社 磁気記憶装置の製造方法
TW200739716A (en) * 2006-02-27 2007-10-16 Applied Materials Inc Method for controlling corrosion of a substrate
US20090023294A1 (en) * 2007-07-16 2009-01-22 Applied Materials, Inc. Method for etching using advanced patterning film in capacitive coupling high frequency plasma dielectric etch chamber
US9696803B2 (en) 2009-03-12 2017-07-04 Immersion Corporation Systems and methods for friction displays and additional haptic effects
JP2012522327A (ja) * 2009-03-23 2012-09-20 インテバック・インコーポレイテッド パターニングされた媒体の溝と島の比率の最適化のための方法
US20100304504A1 (en) * 2009-05-27 2010-12-02 Canon Anelva Corporation Process and apparatus for fabricating magnetic device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10833255B2 (en) 2017-09-21 2020-11-10 Hitachi High-Tech Corporation Method for manufacturing magnetic tunnel junction element, and inductively coupled plasma processing apparatus
TWI722285B (zh) * 2017-09-21 2021-03-21 日商日立全球先端科技股份有限公司 磁穿隧接合元件之製造方法及感應耦合型電漿處理裝置
TWI758691B (zh) * 2019-09-10 2022-03-21 日商鎧俠股份有限公司 磁性記憶裝置

Also Published As

Publication number Publication date
US8847342B2 (en) 2014-09-30
KR20130063871A (ko) 2013-06-17
CN103151457A (zh) 2013-06-12
TWI565110B (zh) 2017-01-01
DE102012110442A1 (de) 2013-06-13
CN103151457B (zh) 2017-09-01
US20130146997A1 (en) 2013-06-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI565110B (zh) 磁性裝置及其製造方法
TWI538050B (zh) 磁性元件及其製造方法
KR101390382B1 (ko) 자기 터널 접합 저장 엘리먼트 및 그것의 제조 방법
KR101870873B1 (ko) 반도체 소자의 제조방법
CN108242502B (zh) 一种制备磁性隧道结的方法
US7834410B2 (en) Spin torque transfer magnetic tunnel junction structure
US8772845B2 (en) Technique for smoothing an interface between layers of a semiconductor device
KR20160031832A (ko) 자기 메모리 장치
CN104737317A (zh) 制造基于磁电阻的器件的方法
CN107623069B (zh) 一种刻蚀磁性隧道结及其底电极的方法
JPWO2011030529A1 (ja) 磁気抵抗素子の製造方法
US20130008867A1 (en) Methods for manufacturing magnetic tunnel junction structure
CN108063184A (zh) 一种防止磁性随机存储器记忆层和参考层短路的制造方法
CN113809230B (zh) 形成存储器单元的方法以及集成电路
CN108075037B (zh) 一种制备磁性隧道结的方法
CN108232000A (zh) 一种制造超小型磁性随机存储记忆单元的方法
US8823119B2 (en) Magnetic device having a metallic glass alloy
CN109994600B (zh) 一种磁性随机存储器的制作方法
CN111490151B (zh) 一种制作超小型磁性随机存储器阵列的方法
CN108242503B (zh) 一种优化磁性隧道结的方法
CN108231821B (zh) 一种氧气气体团簇离子束制备磁性隧道结阵列的方法
CN103151456B (zh) 磁器件及其制造方法
CN111490152B (zh) 一种制作超小型磁性随机存储器阵列的方法
CN108242504A (zh) 一种磁性隧道结的修剪方法及其制备方法
JP2006173166A (ja) 磁気記憶装置の製造方法