TWI698034B - Magnetoresistive device and method for forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
本發明實施例是有關於磁阻裝置,且特別是有關於包含應力釋放結構的磁阻裝置。The embodiment of the present invention relates to a magnetoresistive device, and particularly relates to a magnetoresistive device including a stress relief structure.
磁阻裝置已廣泛地使用於各種電子產品中,舉例而言,諸如個人電腦、手機、以及數位相機等。磁阻裝置包含由磁阻材料構成的磁阻,而磁阻的磁矩排列方向會受到外加磁場改變,使得磁阻的電阻值發生改變。常見的磁阻包含異向性磁阻(anisotropic magnetoresistor,AMR)、巨磁阻(giant magnetoresistor,GMR)、以及穿隧磁阻(tunneling magnetoresistor,TMR)。舉例異向性磁阻(AMR),一般其磁矩的排列方向會平行於磁阻的長度方向;當磁矩的排列方向與流通於磁阻的電流方向平行時,磁阻具有最大的電阻值;當磁矩的排列方向與流通於磁阻的電流方向垂直時,磁阻具有最小的電阻值。Magnetoresistive devices have been widely used in various electronic products, such as personal computers, mobile phones, and digital cameras, for example. The magnetoresistive device includes a magnetoresistance composed of a magnetoresistive material, and the magnetic moment arrangement direction of the magnetoresistance is changed by an external magnetic field, which changes the resistance value of the magnetoresistance. Common magnetoresistance includes anisotropic magnetoresistor (AMR), giant magnetoresistor (GMR), and tunneling magnetoresistor (TMR). For example, anisotropic magnetoresistance (AMR), generally the arrangement direction of the magnetic moment will be parallel to the length direction of the magnetoresistance; when the arrangement direction of the magnetic moment is parallel to the direction of the current flowing in the magnetoresistance, the magnetoresistance has the largest resistance value ; When the arrangement direction of the magnetic moment is perpendicular to the direction of the current flowing in the magnetic resistance, the magnetic resistance has the smallest resistance value.
舉例包含異向性磁阻AMR的磁阻裝置,其電性連接一般是在AMR上形成導電結構的接線,而對於用於感測磁場方向與大小的應用,則會在AMR上形成具有類似理髮店招牌(BarBer Pole)圖案的BBP導電結構,理想的設計是使流通於AMR的電流方向在介於BBP導電結構之間是沿BBP導電結構之間的最短距離。一般設計是使BBP導電結構的長度方向與AMR的長度方向呈夾角45度,使AMR的電阻值對於外加磁場的變化呈最佳的線性反應。For example, a magnetoresistive device including an anisotropic magnetoresistance AMR. The electrical connection is generally a wire forming a conductive structure on the AMR. For applications used to sense the direction and size of the magnetic field, the AMR will have a similar haircut. The ideal design of the BBP conductive structure with the BarBer Pole pattern is that the direction of current flowing in the AMR is between the BBP conductive structures and along the shortest distance between the BBP conductive structures. The general design is that the length direction of the BBP conductive structure and the length direction of the AMR form an angle of 45 degrees, so that the resistance value of the AMR has the best linear response to the change of the applied magnetic field.
目前在磁阻裝置的製造過程中,電連接結構的製程仍有諸多挑戰,特別是降低對磁阻元件的傷害。因此,磁阻裝置的形成方法仍有待進一步改善。At present, in the manufacturing process of the magnetoresistive device, there are still many challenges in the manufacturing process of the electrical connection structure, especially to reduce the damage to the magnetoresistive element. Therefore, the formation method of the magnetoresistive device still needs further improvement.
本發明的一些實施例提供磁阻裝置,此磁阻裝置包含設置於基底之上的磁阻、覆蓋磁阻的側表面的應力釋放結構、設置於磁阻之上的電連接結構、以及設置於電連接結構和應力釋放結構之上的鈍化層。Some embodiments of the present invention provide a magnetoresistive device. The magnetoresistive device includes a magnetoresistive device disposed on a substrate, a stress relief structure covering the side surface of the magnetoresistor, an electrical connection structure disposed on the magnetoresistor, and The passivation layer on the electrical connection structure and the stress relief structure.
本發明的一些實施例提供磁阻裝置的形成方法,此方法包含形成磁阻於基底之上、形成介電材料於磁阻之上、蝕刻介電材料以形成應力釋放結構圍繞磁阻的側表面、形成電連接結構於磁阻之上、以及形成鈍化層覆蓋電連接結構和應力釋放結構。Some embodiments of the present invention provide a method for forming a magnetoresistive device. The method includes forming a magnetoresistance on a substrate, forming a dielectric material on the magnetoresistance, and etching the dielectric material to form a stress relief structure surrounding the side surface of the magnetoresistance , Forming an electrical connection structure on the magnetic resistance, and forming a passivation layer to cover the electrical connection structure and the stress relief structure.
以下揭露提供了許多的範例或實施例,用於實施所提供的磁阻裝置之不同元件。各元件和其配置的具體範例描述如下,以簡化本發明實施例之說明。當然,這些僅僅是範例,並非用以限定本發明實施例。舉例而言,敘述中若提及第一元件形成在第二元件之上,可能包含第一和第二元件直接接觸的實施例,也可能包含額外的元件形成在第一和第二元件之間,使得它們不直接接觸的實施例。此外,本發明實施例可能在不同的範例中重複參考數字及/或字母。如此重複是為了簡明和清楚,而非用以表示所討論的不同實施例之間的關係。The following disclosure provides many examples or embodiments for implementing different components of the provided magnetoresistive device. Specific examples of each element and its configuration are described below to simplify the description of the embodiments of the present invention. Of course, these are only examples and are not used to limit the embodiments of the present invention. For example, if the description mentions that the first element is formed on the second element, it may include an embodiment in which the first and second elements are in direct contact, or may include additional elements formed between the first and second elements. , So that they do not directly touch the embodiment. In addition, the embodiment of the present invention may repeat reference numbers and/or letters in different examples. Such repetition is for conciseness and clarity, and is not used to express the relationship between the different embodiments discussed.
以下描述實施例的一些變化。在不同圖式和說明的實施例中,相似的元件符號被用來標示相似的元件。可以理解的是,在方法的前、中、後可以提供額外的步驟,且一些所敘述的步驟可在該方法的其他實施例被取代或刪除。Some changes of the embodiment are described below. In the embodiments of different drawings and descriptions, similar component symbols are used to denote similar components. It is understood that additional steps may be provided before, during, and after the method, and some of the described steps may be replaced or deleted in other embodiments of the method.
第1A-1D圖是根據一些範例,顯示第1D圖所示之磁阻裝置100在各個不同製程階段的剖面示意圖。FIGS. 1A-1D show schematic cross-sectional views of the
請參考第1D圖,磁阻裝置100包含基底102、磁阻104、以及電連接結構116。基底102可包含主動元件(例如,邏輯電路)、以及位於主動元件之上的內連線結構。內連線結構包含介電層(例如,層間介電層及金屬間介電層)和導電部件(例如,接觸件、導孔、及/或導線),以電性連接主動元件至磁阻104。電連接結構116設置於磁阻104之上,用以改變在電連接結構116之間的磁阻104中之電流的流通方向,使得磁阻104的電阻值對於外加磁場的變化呈線性反應。電連接結構116包含依序堆疊於磁阻104之上的下阻障(barrier)層106’、金屬主體層108’、上阻障層110’、以及抗反射塗層112’。以下說明第1D圖的磁阻裝置100的形成方法。Please refer to FIG. 1D, the
請參考第1A圖,提供基底102,並且在基底102之上形成磁阻材料,例如鎳鐵(NiFe)、鈷鐵(CoFe)、鈷鐵棚(CoFeB)、鉑錳(PtMn)、釕(Ru)、銥錳(IrMn)、銅(cu)、及/或鉭(Ta)的堆疊結構。接著,圖案化磁阻材料以形成磁阻104,例如異向性磁阻(AMR)或是巨磁阻(GMR)。圖案化製程包含微影製程和乾蝕刻製程。一般而言,乾蝕刻製程會過蝕刻至基底102的介電層,從而形成深度D1的高低差,例如約500埃(Å)至約1000Å的範圍內。請參考第1B圖,在基底102之上依序形成第一阻障材料106(例如,鈦鎢(TiW))、金屬主體材料108(例如,鋁銅(AlCu)合金)、第二阻障材料110(氮化鈦(TiN))、以及抗反射塗層112。接著,進行圖案化製程,其包含在抗反射塗層112之上形成圖案化光阻層114,如第1B圖所示。圖案化製程包含對抗反射塗層112、第二阻障材料110、和金屬主體材料108進行乾蝕刻製程,以分別形成圖案化抗反射塗層112’、上阻障層110’、和金屬主體層108’,如第1C圖所示。在蝕刻製程中,第一阻障材料106作為蝕刻停止層,以保護下方的磁阻104免於受到蝕刻的損傷。圖案化製程還包含透過灰化(ashing)製程移除圖案化光阻層114。接著,請參考第1D圖,使用濕蝕刻製程移除第一阻障材料106未被金屬主體層108’覆蓋的部分,以形成下阻障層106’。Please refer to Figure 1A, a
值得注意的是,第一阻障材料106與磁阻104之間的黏著力大於磁阻104與基底102的介電層之間的黏著力,所以在灰化光阻層114期間(第1C圖),第一阻障材料106因高溫產生的形變應力,會傾向從磁阻104的圖案邊緣處(例如,區域A)以局部方式裂開來將應力釋放,這造成磁阻104的圖案邊緣被局部裂開的第一阻障材料106黏起而與基底102的介電層分離。如此,後續移除第一阻障材料106的濕蝕刻製程期間(第1D圖),磁阻104的圖案邊緣(例如,區域A)發生局部剝離(peel),從而降低磁阻裝置的製造良率並損害磁阻裝置的可靠度。It is worth noting that the adhesive force between the
第2圖是根據另一些範例之磁阻裝置200的剖面示意圖,其中相同於前述第1A-1D圖的範例的部件係使用相同的標號並省略其說明。第2圖所示之磁阻裝置200與前述第1D圖之磁阻裝置100的差別在於,磁阻裝置200包含含鉭(Ta)黏著層202。黏著層202形成於磁阻104與基底102之間,並且配置以增加磁阻104與基底102的介電層之間的黏著力,這可阻止第一阻障材料106從磁阻104的圖案邊緣處裂開。因此,在如第1D圖所述的濕蝕刻製程期間,不會在磁阻104的圖案邊緣處(例如,區域A)發生局部剝離。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
在第2圖的範例中,如果黏著層202的鉭原子擴散至磁阻104中,會造成磁阻104的磁阻比(MR%)降低。因此,在形成黏著層202與磁阻104之後,製程溫度被限制在300℃以下。舉例而言,在第1A-1D圖之範例中,形成抗反射塗層112的化學氣相沉積(CVD)製程溫度在約300℃至約400℃範圍內。然而,在第2圖的範例中,形成抗反射塗層112的化學氣相沉積(CVD)製程溫度限制在約250℃至約300℃的範圍內。較低溫度的化學氣相沉積(CVD)具有較低沉積速率和較差的厚度均勻度,並且造成較多的不期望顆粒表現,從而降低磁阻裝置200的生產效率和生產良率。此外,製程溫度限制300℃以下導致磁阻104無法透過後續高溫退火來提升磁阻比(MR%)。In the example of FIG. 2, if the tantalum atoms of the
第3A-1至3I-1圖是根據一些實施例,顯示包含應力釋放結構的磁阻裝置在各個不同製程階段的剖面示意圖;第3A-2至3I-2圖是根據一些實施例,顯示此磁阻裝置在各個不同製程階段的上視示意圖,其中第3A-1至3I-1圖分別是沿著第3A-2至3I-2圖中的線I-I擷取。在一些實施例中,在不使用含鉭黏著層的情況下,透過形成應力釋放結構覆蓋磁阻的側表面,釋放了施加於磁阻的應力,這避免磁阻的圖案邊緣處發生局部裂開,進而避免磁阻的圖案邊緣發生局部剝離的問題。Figures 3A-1 to 3I-1 are cross-sectional schematic diagrams showing magnetoresistive devices including stress relief structures at various process stages according to some embodiments; Figures 3A-2 to 3I-2 are based on some embodiments, showing this The top view schematic diagram of the magnetoresistive device at various stages of the manufacturing process, wherein Figures 3A-1 to 3I-1 are taken along line II in Figures 3A-2 to 3I-2, respectively. In some embodiments, without using a tantalum-containing adhesive layer, by forming a stress relief structure to cover the side surface of the magnetoresistor, the stress applied to the magnetoresistor is released, which prevents local cracks at the edge of the magnetoresistance pattern. , Thereby avoiding the problem of local peeling of the pattern edge of the magnetoresistance.
根據一些實施例,提供基底302,如第3A-1圖所示。在一些實施例中,基底302包含半導體基底303、設置於半導體基底303上的主動元件304、以及多層內連線結構305。在一些實施例中,半導體基底303可以是矽基底、矽鍺(SiGe)基底、化合物半導體基底、絕緣層上覆矽(silicon on insulator,SOI)基底、或類似基底。在一些實施例中,主動元件304是邏輯電路,例如電晶體。在一些實施例中,多層內連線結構305包含介電層310(例如金屬間介電層及/或層間介電層)、以及被介電層310圍繞的導電部件(例如,提供垂直電佈線的接觸插塞308及/或導孔314、以及提供水平電佈線的導線312)。According to some embodiments, a
根據一些實施例,在基底302的介電層310之上形成磁阻材料316,如第3A-1圖所示。在一些實施例中,磁阻材料316包含或者是鎳鐵(NiFe)、鈷鐵(CoFe)、鈷鐵硼(CoFeB)、銅(Cu)、鉑錳(PtMn)、銥錳(IrMn)、釕(Ru)等類似材料、前述之多層、前述之組合、或其他適合用於構成異向性磁阻(AMR)或巨磁阻(GMR)的堆疊結構。在一些實施例中,透過化學氣相沈積(CVD)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、其他適合沉積技術、或前述之組合,形成磁阻材料316。在一些實施例中,介電層310與磁阻材料316之間不存有含鉭黏著層。According to some embodiments, a
根據一些實施例,在磁阻材料316之上形成保護材料318,如第3A-1和3A-2圖所示。在一些實施例中,保護材料318包含或者是鈦鎢(TiW)、鈦(Ti)、氮化鈦(TiN)、或前述之組合。在一些實施例中,透過物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、其他適合沉積技術、或前述之組合,形成保護材料318。在一些實施例中,保護材料318的厚度範圍在約300Å至約1500Å。在一實施例中,保護材料318由鈦鎢(TiW)形成,其中鈦及鎢的重量比為約1:9。According to some embodiments, a
根據一些實施例,對保護材料318和磁阻材料316進行圖案化製程,以分別形成保護層319A、319B、以及磁阻317A、317B,如第3B-1和3B-2圖所示。根據一些實施例中,保護層319A的側表面對齊於磁阻317A的側表面之上,且保護層319B的側表面對齊於磁阻317B的側表面之上。在一些實施例中,圖案化製程包含微影製程和蝕刻製程。舉例而言,在保護材料318(第3A-1圖)之上形成遮罩元件(例如,光阻),接著蝕刻移除保護材料318和磁阻材料316未被遮罩元件覆蓋的部分,直到暴露出基底302的介電層310。蝕刻製程可以是乾蝕刻,例如離子束蝕刻(ion bean etch,IBE)、反應性離子蝕刻(reactive ion etch,RIE)、或其他適合蝕刻技術。根據一些實施例,多層內連線結構305耦接主動元件304至磁阻317A及/或磁阻317B、及/或磁阻317A和磁阻317B下方的電連接結構(未顯示)。According to some embodiments, a patterning process is performed on the
根據一些實施例,在基底302、磁阻317A、317B、以及保護層319A、319B之上順性應地(conformally)形成介電材料320,如第3C-1和3C-2圖所示。根據一些實施例,介電材料320沿著介電層310的上表面、磁阻317A、317B的側表面、以及保護層319A、319B的側表面和上表面順應性地橫向延伸。在一些實施例中,介電材料320包含或者是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、前述之組合、或其他適合介電材料。在一些實施例中,透過化學氣相沉積(CVD)(例如,低溫化學氣相沉積)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或其他適合沉積技術,形成介電材料320。在一些實施例中,介電材料320的厚度範圍在約500Å至約5000Å。According to some embodiments, the
根據一些實施例,對介電材料320進行蝕刻製程,直到暴露出保護層319A、319B的上表面、以及介電層310的上表面,如第3D-1和3D-2圖所示。蝕刻製程可以是乾蝕刻,例如離子束蝕刻(IBE)、反應性離子蝕刻(RIE)、或其他適合蝕刻技術。在一些實施例中,此蝕刻製程是無遮罩蝕刻製程,也就是說,在蝕刻製程期間,沒有遮罩元件形成於介電材料320之上。According to some embodiments, the
根據一些實施例,在蝕刻製程之後,剩餘的介電材料320形成應力釋放結構321A、321B。根據一些實施例,應力釋放結構321A和應力釋放結構321B各自以封閉環形方式橫向延伸,以圍繞磁阻317A的側表面和磁阻317B的側表面。根據一些實施例,應力釋放結構321A、321B完全覆蓋磁阻317A、317B的側表面。也就是說,在一些實施例中,應力釋放結構321A、321B向上延伸超出磁阻317A、317B的上表面,以至少部分覆蓋保護層319A、319B的側表面。根據一些實施例,應力釋放結構321A、321B面向磁阻317A、317B的內側表面抵接磁阻317A、317B和保護層319A、319B。According to some embodiments, after the etching process, the remaining
根據一些實施例,應力釋放結構321A、321B配置為將磁阻317A、317B上方的材料層(例如,保護層319A、319B、及後續形成材料層)施加於磁阻317A、317B的應力轉移至應力釋放結構321A、321B,從而釋放施加於磁阻317A、317B的應力。由此,應力釋放結構透過覆蓋磁阻與保護層於邊緣處的界面,從而避免磁阻圖案於邊緣處發生局部裂開,進而剝離的問題。According to some embodiments, the
根據一些實施例,形成第一阻障材料322於基底302、應力釋放結構321A、321B、以及保護層319A、319B之上,如第3E-1圖所示。根據一些實施例,第一阻障材料322沿著介電層310的上表面、應力釋放結構321A、321B的外側表面、以及保護層319A、319B的上表面(及如果有暴露出來側表面)順應性地延伸。在一些實施例中,第一阻障材料322包含或者是鈦鎢(TiW)、氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)、氮化鉭(TaN)、鉭(Ta)、前述之組合、或其他適合阻障材料。在一些實施例中,透過物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或其他適合沉積技術,形成第一阻障材料322。在一些實施例中,第一阻障材料322的厚度範圍在約250Å至約750Å。According to some embodiments, the
根據一些實施例,形成金屬主體材料324於第一阻障材料322之上,如第3E-1圖所示。在一些實施例中,金屬主體材料324包含或者是鋁銅(AlCu)、鋁矽銅(AlSiCu)、前述之組合、或其他適合金屬材料。在一些實施例中,透過物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、電鍍、或其他適合沉積技術,形成金屬主體材料324。在一些實施例中,金屬主體材料324的厚度範圍在約3000Å至約8000Å內。According to some embodiments, the
根據一些實施例,形成第二阻障材料326於金屬主體材料324之上,如第3E-1和3E-2圖所示。在一些實施例中,第二阻障材料326包含或者是氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)、氮化鉭(TiN)、鉭(Ta)、前述之組合、或其他適合阻障材料。在一些實施例中,透過物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或其他適合沉積技術,形成第二阻障材料326。在一些實施例中,第二阻障材料326的厚度範圍在約250Å至約500Å。According to some embodiments, the
根據一些實施例,對第二阻障材料326和金屬主體材料324進行圖案化製程1000。圖案化製程1000包含微影製程,形成遮罩元件328(例如,光阻)於第二阻障材料326的上表面之上,如第3F-1和3F-2圖所示。根據一些實施例,遮罩元件328的圖案對應於後續形成於磁阻317A、317B之上的電連接結構的圖案。在一些實施例中,在形成遮罩元件328之前,可形成抗反射塗層(ARC)於第二阻障材料326的上表面之上。According to some embodiments, the
根據一些實施例,圖案化製程1000還包含對第二阻障材料326和金屬主體材料324進行蝕刻製程1100,直到暴露出第一阻障材料322的上表面,如第3G-1和3G-2圖所示。根據一些實施例,在蝕刻製程1100中,第一阻障材料322作為蝕刻停止層,以保護下方的磁阻317A、317B免於受到蝕刻的傷害。在一些實施例中,蝕刻製程1100可以是乾蝕刻,例如離子束蝕刻(ion bean etch,IBE)、反應性離子蝕刻(reactive ion etch,RIE)、或其他適合蝕刻技術。According to some embodiments, the
根據一些實施例,蝕刻製程1100移除第二阻障材料326和金屬主體材料324未被遮罩元件328覆蓋的部分,使得遮罩圖案328轉移至第二阻障材料326和金屬主體材料324中。根據一些實施例,剩餘的第二阻障材料326和金屬主體材料324分別稱為上阻障層327A、327B以及金屬主體層325A、325B,其中金屬主體層325B並未顯示於第3G-1和3G-2圖。根據一些實施例,上阻障層327A和金屬主體層325A對應於磁阻319A,並且上阻障層327B和金屬主體層325B對應於磁阻319B。根據一些實施例,上阻障層327A對齊於金屬主體層325A之上,並且上阻障層327B對齊於金屬主體層325B之上。According to some embodiments, the etching process 1100 removes the portions of the
根據一些實施例,圖案化製程1000還包含使用灰化製程移除遮罩元件328(例如,光阻),從而暴露出上阻障層327A、327B。According to some embodiments, the
根據一些實施例,使用金屬主體層325A、325B作為蝕刻遮罩,對第一阻障材料322和保護層319A、319B進行濕蝕刻製程1200,直到暴露出磁阻317A和317B的上表面和介電層310的上表面,如第3H-1和3H-2圖所示。根據一些實施例,應力釋放結構321A、321B面向磁阻317A、318B的內側表面也部分暴露出來。根據一些實施例,濕蝕刻製程1200使用含過氧化氫(H
2O
2)的溶液,以避免磁阻317A和磁阻317B受到損傷。
According to some embodiments, the metal body layers 325A, 325B are used as etching masks, and the
根據一些實施例,濕蝕刻製程1200移除了第一阻障材料322和保護層319A、319B未被金屬主體層325A、325B覆蓋的部分。根據一些實施例,剩餘的第一阻障材料322稱為下阻障層323A和323B,並且剩餘的保護層319A、319B標示為保護層319A’、319B’,其中下阻障層323B和保護層319B’並未顯示於第3H-1和3H-2圖。根據一些實施例,下阻障層323A對齊於金屬主體層325A之下,且下阻障層323B對齊於金屬主體層325B之下。根據一些實施例,上阻障層327A、金屬主體層325A、以及下阻障層323A結合以形成磁阻317A上的電連接結構330A,並且上阻障層327B、金屬主體層325B、以及下阻障層323B結合以形成磁阻317B上的電連接結構330B。According to some embodiments, the
根據一些實施例,電連接結構330A(或330B)配置以改變在電連接結構330A(或330B)之間的磁阻317A(或317B)中之電流的流通方向,使磁阻值對於外加磁場的變化呈線性反應。根據一些實施例,電連接結構330A、330B的延伸方向與磁阻317A、317B的延伸方向的夾角可以為約45度。根據一些實施例,電連接結構330A、330B橫向延伸超出應力釋放結構321A、321B背離磁阻317A、317B的外側表面。也就是說,電連接結構330A、330B部分覆蓋應力釋放結構321A、321B的外側表面。According to some embodiments, the
根據一些實施例,透過覆蓋磁阻與保護層於邊緣處的界面,應力釋放結構321A、321B釋放施加於磁阻317A、317B的應力,因而避免了磁阻317A、317B的圖案邊緣處發生局部裂開。由此,在進行濕蝕刻製程1200期間,如前面第1A-1D圖之範例所述的磁阻的圖案邊緣發生局部剝離的問題得以避免。According to some embodiments, by covering the interface between the magnetoresistor and the protective layer at the edge, the
根據一些實施例,形成鈍化層332覆蓋介電層310以及電連接結構330A、330B,如第3I-1和3I-2圖所示。接著,形成開口334通過鈍化層332,以暴露出電連接結構330A之上阻障層327A的上表面,從而製得磁阻裝置300。在一些實施例中,鈍化層330包含或者是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或前述之組合。在一些實施例中,透過化學氣相沈積(CVD)形成鈍化層330。According to some embodiments, a
根據一些實施例,由於磁阻317A、318B與介電層310之間並無含鉭黏著層,形成鈍化層332的化學氣相沈積(CVD)可執行於較高的溫度,例如約400℃至約450℃的溫度的範圍內。使用較高溫度執行的化學氣相沉積來形成鈍化層332,不僅得致較高沉積速率和較佳的厚度均勻度,並且有著較少的不期望顆粒表現,進而提升磁阻裝置的生產效率和生產良率。According to some embodiments, since there is no tantalum-containing adhesion layer between the magnetoresistor 317A, 318B and the
此外,根據一些實施例,於形成鈍化層332的開口334之後,可對磁阻裝置300執行高溫退火,例如退火溫度在350℃至約450℃範圍內的溫度,以改善磁阻317A、318B的特性,例如包含提高磁阻比(MR%)與降低片電阻(Rsq)。In addition, according to some embodiments, after the
第4A-1至4H-1圖是根據一些實施例,顯示包含應力釋放結構的磁阻裝置在各個不同製程階段的剖面示意圖;第4A-2至4H-2圖是根據一些實施例,顯示磁阻裝置在各個不同製程階段的上視示意圖,其中第4A-1至4H-1圖分別是沿著第4A-2至4H-2圖中的線I-I擷取。Figures 4A-1 to 4H-1 are cross-sectional schematic diagrams showing magnetoresistive devices including stress relief structures at various stages of the manufacturing process according to some embodiments; Figures 4A-2 to 4H-2 are diagrams showing magnetic properties according to some embodiments The top view schematic diagram of the resistance device at various stages of the process, in which Figures 4A-1 to 4H-1 are taken along line II in Figures 4A-2 to 4H-2, respectively.
第4A-1至4H-2圖的實施例的磁阻裝置與第3A-1至3I-2圖的實施例的磁阻裝置大致上相似,除了應力釋放結構。第4A-1至4H-2圖中相同於前述第3A-1至3I-2圖之實施例的部件係使用相同的標號並省略其說明。The magnetoresistive device of the embodiment in FIGS. 4A-1 to 4H-2 is substantially similar to the magnetoresistive device of the embodiment in FIGS. 3A-1 to 3I-2, except for the stress relief structure. The components in Figures 4A-1 to 4H-2 that are the same as those of the aforementioned embodiment in Figures 3A-1 to 3I-2 are given the same reference numerals and their description is omitted.
在形成保護層319A、319B以及磁阻317A、317B之後,在基底302、磁阻317A、317B、以及保護層319A、319B之上形成介電材料420,如第4A-1和4A-2圖所示。在一些實施例中,介電材料420包含或者是氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、前述之組合、或其他適合介電材料。在一些實施例中,透過化學氣相沉積(CVD)(例如,低溫化學氣相沉積)、物理氣相沉積(PVD)、原子層沉積(ALD)、或其他適合沉積技術,形成介電材料420。在一些實施例中,介電材料420的厚度範圍在約500Å至約5000Å。After the
根據一些實施例,介電材料420包含延伸於介電層305之上的平坦部424、以及對應於且覆蓋磁阻317A、317B的突起部422A、422B。根據一些實施例,突起部422A、422B突出於平坦部424之上。According to some embodiments, the
根據一些實施例,全面地形成光阻材料440於介電材料420之上,如第4B-1和4B-2圖所示。According to some embodiments, the
根據一些實施例,回蝕光阻材料440,直到暴露出介電材料420的突起部422A、422B,如第4C-1和4C-2圖所示。根據一些實施例,在回蝕製程之後,剩餘的光阻材料440留在介電材料420的平坦部424之上,並標示為光阻材料440’。According to some embodiments, the
根據一些實施例,對介電材料420和光阻材料440’進行蝕刻製程,直到暴露出保護層319A、319B的上表面,如第4D-1和4D-2圖所示。根據一些實施例,在蝕刻製程之後,剩餘的介電材料420形成應力釋放結構421。在一些實施例中,蝕刻製程可以是乾蝕刻,例如離子束蝕刻(IBE)、反應性離子蝕刻(RIE)、或其他適合蝕刻技術。According to some embodiments, the
在一些實施例中,在蝕刻製程期間,光阻材料440’ 完全耗盡。根據一些實施例,由於介電材料420和光阻材料440’之間存有蝕刻選擇性,所以介電材料420的平坦部424留在介電層310的上表面上,從而形成應力釋放結構421的平坦部424’。再者,蝕刻製程移除介電材料420在保護層319A、319B上方的突起部424A、424B,從而形成應力釋放結構421的突起部426A和426B。In some embodiments, the
根據一些實施例,突起部426A和426B突出於平坦部424’之上。根據一些實施例,突起部426A和426B各自以封閉環形方式橫向延伸,以圍繞磁阻317A和磁阻317B的側表面。根據一些實施例,突起部426A和426B完全覆蓋磁阻317A、317B的側表面。也就是說,突起部426A和426B向上延伸超出磁阻317A、317B的上表面,以至少部分覆蓋保護層319A、319B的側表面。根據一些實施例,突起部426A和426B面向磁阻317A、317B的內側表面抵接磁阻317A、317B和保護層319A、319B。根據一些實施例,平坦部424延伸於介電層310之上,且延伸於突起部426A和突起部426B之間。According to some embodiments, the
根據一些實施例,依序形成第一阻障材料322、金屬主體材料324、以及第二阻障材料326於應力釋放結構421以及保護層319A、319B之上,如第4E-1和4E-2圖所示。According to some embodiments, the
根據一些實施例,對第二阻障材料326和金屬主體材料324進行如前述關於第3F-1至3G-2的圖案化製程1000,以形成上阻障層327A、327B以及金屬主體層325A、325B,如第4F-1和4F-2圖所示。其中,金屬主體層325B並未顯示於第4F-1和4F-2圖。根據一些實施例,在圖案化製程1000的灰化製程之後,暴露出上阻障層327A、327B。According to some embodiments, the
根據一些實施例,使用金屬主體層325A、325B作為蝕刻遮罩,對第一阻障材料322和保護層319A、319B進行如前述關於第3H-1和3H-2的濕蝕刻製程1200,直到暴露出磁阻317A和317B的上表面和應力釋放結構421,如第4G-1和4G-2圖所示。根據一些實施例,應力釋放結構421的突起部426A、426B面向磁阻317A、317B的側表面也部分暴露出來。According to some embodiments, the metal body layers 325A, 325B are used as etching masks, and the
根據一些實施例,在濕蝕刻製程1200之後,剩餘的第一阻障材料322稱為下阻障層323A和323B,並且剩餘的保護層319A、319B標示為保護層319A、319B’,其中下阻障層323B和保護層319B’並未顯示於第4G-1和4G-2圖。根據一些實施例,上阻障層327A、金屬主體層325A、以及下阻障層323A結合以形成磁阻317A上的電連接結構330A,並且上阻障層327B、金屬主體層325B、以及下阻障層323B結合以形成磁阻317B上的電連接結構330B。根據一些實施例,電連接結構330A、330B橫向延伸超出應力釋放結構421的突起部426A、426B,並且部分覆蓋應力釋放結構421的平坦部424’的上表面。According to some embodiments, after the
根據一些實施例,透過覆蓋磁阻與保護層於邊緣處的界面,應力釋放結構421的突起部426A、426B釋放了施加於磁阻317A、317B的應力,因而避免了磁阻317A、317B的圖案邊緣處發生局部裂開。由此,在進行濕蝕刻製程1200的期間,如第1A-1D圖之範例所述的磁阻的圖案邊緣發生局部剝離的問題得以避免。
According to some embodiments, by covering the interface between the magnetoresistance and the protective layer at the edge, the
根據一些實施例,形成鈍化層332覆蓋基底302以及電連接結構330A、330B,如第4H-1和4H-2圖所示。接著,形成開口334通過鈍化層332,以暴露出電連接結構330A之上阻障層337A的上表面,從而製得磁阻裝置400。
According to some embodiments, the
第5A和5B圖是根據一些實施例之磁阻裝置的一部分,以說明應力釋放結構的一些細節。 Figures 5A and 5B are a part of a magnetoresistive device according to some embodiments to illustrate some details of the stress relief structure.
根據一些實施例,為了完全移除未被遮罩元件覆蓋的磁阻材料316,形成磁阻317A、317B的蝕刻製程(第3B-1圖)進一步凹蝕基底302的介電層310,從而形成平台510M,如第5A和5B圖所示。根據一些實施例,前述關於第3A-1至3I-2圖之應力釋放結構321A(或321B)覆蓋且圍繞平台510M的側表面,如第5A圖所示圖。根據一些實施例,前述關於第4A-1至4H-2圖之應力釋放結構421的突起部426A(或426B)覆蓋且圍繞平台510M的側表面,如第5B圖所示。
According to some embodiments, in order to completely remove the
綜上所述,根據本發明實施例,透過形成應力釋放結構覆蓋磁阻的側表面,釋放了施加於磁阻的應力,這避免磁阻的圖案邊緣處發生局部裂開,進而避免磁阻的圖案邊緣發生局部剝離的問題。因此,提升磁阻裝置的製造良率。 In summary, according to the embodiments of the present invention, by forming a stress release structure to cover the side surface of the magnetoresistor, the stress applied to the magnetoresistor is released, which prevents local cracks at the edges of the magnetoresistance pattern, thereby avoiding the magnetoresistance The problem of local peeling at the edge of the pattern. Therefore, the manufacturing yield of the magnetoresistive device is improved.
此外,根據本發明實施例,由於磁阻與下方的介電層之間不存有含鉭黏著層,所以製程溫度不會被限制於300℃以下。因此,可對磁阻裝置進行高溫退火,以提升磁阻裝置的效能。In addition, according to the embodiment of the present invention, since there is no tantalum-containing adhesion layer between the magnetoresistance and the underlying dielectric layer, the process temperature is not limited to below 300°C. Therefore, high temperature annealing can be performed on the magnetoresistive device to improve the performance of the magnetoresistive device.
以上概述數個實施例,以便在本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更理解本發明實施例的觀點。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解,他們能以本發明實施例為基礎,設計或修改其他製程和結構,以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。在本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到,此類等效的製程和結構並無悖離本發明的精神與範圍,且他們能在不違背本發明之精神和範圍之下,做各式各樣的改變、取代和替換。The foregoing summarizes several embodiments so that those with ordinary knowledge in the technical field of the present invention can better understand the viewpoints of the embodiments of the present invention. Those with ordinary knowledge in the technical field of the present invention should understand that they can design or modify other processes and structures based on the embodiments of the present invention to achieve the same purposes and/or advantages as the embodiments described herein. Those with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains should also understand that such equivalent manufacturing processes and structures do not depart from the spirit and scope of the present invention, and they can, without departing from the spirit and scope of the present invention, Make all kinds of changes, substitutions and replacements.
100、200、300、400:磁阻裝置100, 200, 300, 400: Magnetoresistive device
102、302:基底102, 302: base
104、317A、317B:磁阻104, 317A, 317B: Magnetoresistance
106、322:第一阻障材料106, 322: the first barrier material
106’、323A、323B:下阻障層106’, 323A, 323B: Lower barrier layer
108、324:金屬主體材料108, 324: Metal body material
108’、325A、325B:金屬主體層108’, 325A, 325B: Metal body layer
110、326:第二阻障材料110, 326: second barrier material
110’、327A、327B:上阻障層110’, 327A, 327B: upper barrier layer
112:抗反射塗層112: Anti-reflective coating
112’:圖案化抗反射塗層112’: Patterned anti-reflective coating
114:圖案化光阻層114: patterned photoresist layer
116、330A、330B:電連接結構116, 330A, 330B: electrical connection structure
202:黏著層202: Adhesive layer
303:半導體基底303: Semiconductor substrate
304:主動元件304: active component
305:多層內連線結構305: Multi-layer interconnect structure
308:接觸插塞308: contact plug
310:介電層310: Dielectric layer
312:導線312: Wire
314:導孔314: Pilot Hole
316:磁阻材料316: Magnetoresistive material
318:保護材料318: Protective Materials
319A、319A’、319B、319B’:保護層319A, 319A’, 319B, 319B’: protective layer
320、420:介電材料320, 420: Dielectric materials
321A、321B、421:應力釋放結構321A, 321B, 421: stress relief structure
332:鈍化層332: passivation layer
334:開口334: open
422A、422B、426A、426B:突起部422A, 422B, 426A, 426B: protrusion
424、424’:平坦部424, 424’: flat part
440、440’:光阻材料440, 440’: Photoresist
510M:平台510M: platform
1000:圖案化製程1000: Patterning process
1100:蝕刻製程1100: etching process
1200:濕蝕刻製程1200: Wet etching process
A:區域A: area
D:深度D: depth
藉由以下詳細描述和範例配合所附圖式,可以更加理解本發明實施例。為了使圖式清楚顯示,圖式中各個不同的元件可能未依照比例繪製,其中: 第1A-1D圖是根據一些範例,顯示磁阻裝置在各個不同製程階段的剖面示意圖。 第2圖是根據另一些範例的磁阻裝置。 第3A-1至3I-1及3A-2至3I-2圖是根據一些實施例,顯示包含應力釋放結構的磁阻裝置在各個不同製程階段的示意圖。 第4A-1至4H-1及4A-2至4H-2圖是根據一些實施例,顯示包含應力釋放結構的磁阻裝置在各個不同製程階段的示意圖。 第5A和5B圖是根據一些實施例之磁阻裝置的一部分,以說明應力釋放結構的一些細節。 The embodiments of the present invention can be better understood through the following detailed description and examples in conjunction with the accompanying drawings. In order to make the diagram clearly displayed, the various elements in the diagram may not be drawn to scale, among which: Figures 1A-1D are schematic cross-sectional diagrams showing magnetoresistive devices at various stages of the manufacturing process according to some examples. Figure 2 shows magnetoresistive devices according to other examples. FIGS. 3A-1 to 3I-1 and 3A-2 to 3I-2 are schematic diagrams showing the magnetoresistive device including the stress relief structure in various process stages according to some embodiments. 4A-1 to 4H-1 and 4A-2 to 4H-2 are schematic diagrams showing the magnetoresistive device including the stress relief structure at various stages of the manufacturing process according to some embodiments. Figures 5A and 5B are a part of a magnetoresistive device according to some embodiments to illustrate some details of the stress relief structure.
300:磁阻裝置 300: Magnetoresistive device
302:基底 302: Base
303:半導體基底 303: Semiconductor substrate
304:主動元件 304: active component
305:多層內連線結構 305: Multi-layer interconnect structure
308:接觸插塞 308: contact plug
310:介電層 310: Dielectric layer
312:導線 312: Wire
314:導孔 314: Pilot Hole
317A、317B:磁阻 317A, 317B: Magnetoresistance
319A’:保護層 319A’: Protective layer
321A、321B:應力釋放結構 321A, 321B: stress relief structure
323A:下阻障層 323A: Lower barrier layer
325A:金屬主體層 325A: Metal body layer
327A:上阻障層 327A: Upper barrier layer
330A:電連接結構 330A: Electrical connection structure
332:鈍化層 332: passivation layer
334:開口 334: open
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