蝕刻非揮發(fā)性金屬材料的方法
【專利說明】蝕刻非揮發(fā)性金屬材料的方法
相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0001]本申請(qǐng)根據(jù)35U.S.C.§ 119(e)要求在2014年3月27日提出申請(qǐng)的題為“蝕刻和去除蝕刻后金屬殘留物”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)N0.61/971，032的優(yōu)先權(quán)，在此以參考的方式被全部并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明涉及在半導(dǎo)體器件的生產(chǎn)期間通過掩膜來蝕刻非揮發(fā)性材料層。更具體而言，本發(fā)明涉及蝕刻金屬磁性隧道結(jié)(MTJ)堆疊。
[0003]在半導(dǎo)體晶片加工期間，可以通過含金屬層蝕刻特征。在形成磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)或者電阻式隨機(jī)存儲(chǔ)器(RRAM)設(shè)備期間，多個(gè)薄的金屬層或者膜可被依次進(jìn)行蝕亥IJ。對(duì)于MRAM，多個(gè)薄金屬層可以被用于形成磁性隧道結(jié)堆疊。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述和根據(jù)本發(fā)明的目的，提供了一種蝕刻帶有含釕層的堆疊的方法，所述含釕層設(shè)置在硬掩膜的下方和帶有針扎層的磁性隧道結(jié)(MTJ)堆疊的上方。所述硬掩膜被使用干法蝕刻蝕刻。所述含釕層被使用基于次氯酸鹽和/或臭氧的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行蝕亥IJ。所述MTJ堆疊被蝕刻。所述MTJ堆疊由電介質(zhì)材料覆蓋。所述針扎層緊接著所述MTJ覆蓋被蝕刻。
[0005]在本發(fā)明的另一表現(xiàn)形式中，提供了一種蝕刻包括硬掩膜的堆疊的方法，所述硬掩膜位于含釕層之上，所述含釕層位于針扎層上的磁性隧道結(jié)(MTJ)堆疊之上。所述硬掩膜、含釕層以及MTJ堆疊被蝕刻。所述MTJ堆疊被密封。所述針扎層被蝕刻。
[0006]在本發(fā)明的另一表現(xiàn)形式中，提供了一種蝕刻帶有針扎層的堆疊的方法，所述針扎層設(shè)置在MTJ堆疊的下方，所述MTJ堆疊設(shè)置在含釕層的下方，所述含釕層設(shè)置在硬掩膜層的下方。所述硬掩膜被使用干法蝕刻蝕刻。所述含釕層被蝕刻。所述MTJ堆疊被蝕刻。所述MTJ堆疊由電介質(zhì)材料覆蓋。所述針扎層使用對(duì)于貴金屬有選擇性的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行蝕亥IJ，所述化學(xué)物質(zhì)包括亞硫酰氯/吡啶混合物、溴化氫/ 二甲基亞砜(DMSO)混合物、或者四氯化碳與二甲基亞砜、乙腈、芐腈或二甲基甲酰胺(DMF)中的至少一個(gè)的混合物。
[0007]本發(fā)明的這些和其他特征將在本發(fā)明的具體說明中并結(jié)合附圖在以下進(jìn)行更具體的敘述。
【附圖說明】
[0008]本發(fā)明在以下附圖中是以示例的方式而不是以限定的方式示出，且附圖中相似的參考標(biāo)記指代類似的元件，其中:
[0009]圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的高級(jí)流程圖。
[0010]圖2A至圖2G是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行處理的堆疊的示意圖。
[0011]圖3是可用于蝕刻的蝕刻反應(yīng)器的示意圖。
[0012]圖4示出了一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其適于實(shí)現(xiàn)在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的控制器。
【具體實(shí)施方式】
[0013]現(xiàn)在將參考附圖中所示的一些優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體說明。在下面的說明中，舉出了多個(gè)具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)本發(fā)明的徹底理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來講，顯而易見的是，本發(fā)明沒有這些具體細(xì)節(jié)的部分或者全部也可以實(shí)施。在其他情況下，眾所周知的工藝步驟和/或結(jié)構(gòu)并未被詳細(xì)敘述以免非必要地模糊本發(fā)明。
[0014]為了便于理解，圖1是在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中使用的工藝的高級(jí)流程圖。提供了具有堆疊的基底，該堆疊具有被配置在硬掩膜的下方以及磁性隧道結(jié)(MTJ)堆疊的上方的含釕(Ru)層。硬掩膜被蝕刻或者打開(步驟104)。含釕層被使用次氯酸鹽(hypochlorite)和/或基于臭氧的化學(xué)物質(zhì)蝕刻(步驟108)。MTJ堆疊被蝕刻(步驟112)。經(jīng)蝕刻的MTJ堆疊被密封(步驟116)。磁性釘扎層被蝕刻(步驟120)。這樣的磁性釘扎層被描述在IBM J.RES.&DEV.期刊2006年I月第I期第50卷的“IBM的磁性隧道結(jié)MRAM的發(fā)展:從第一結(jié)到 16_Mb MRAM演不芯片，，(Development ofthe magnetic tunnel junct1nMRAM at IBM:From first junct1ns to a 16-Mb MRAM demonstrator chip) 一文中，其以參考的方式被全部并入本文中。
實(shí)施例
[0015]圖2A是堆疊200的橫截面視圖，其在該實(shí)施例中被用于磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)。在本實(shí)施例中，堆疊200的底層是形成在基底之上的鉭鈹(TaBe)層204。鉑錳(PtMn)層208被形成在TaBe層204之上。第一鈷鐵(CoFe)層212被形成在PtMn層208之上。第一釕(Ru)層216被形成在第一 CoFe層212之上。第二 CoFe層220被形成在第一 Ru層216之上。第一鎂氧(MgO)層224被形成在第二 CoFe層220之上。第三CoFe層228被形成在第一 MgO層224之上。第二 MgO層232被形成在第三CoFe層228之上。鈦(Ti)層236被形成在第二 MgO層232之上。第四CoFe層240被形成在Ti層236之上。第一鉭(Ta)層248被形成在第四CoFe層240之上。第二 Ru層252被形成在第一鉭層248之上。第二鉭層256被形成在第二 Ru層252之上。包含氮化鈦(TiN)層260和氮化硅(SiN)層264的掩模被形成圖案在第二 Ta層256之上。在此實(shí)施例中，包含第一 CoFe層212和第一 Ta層248以及在第一鈷鐵層212和第一鉭層248之間的層形成磁性隧道結(jié)(MTJ)層268。PtMn層208和TaBe層204形成針扎層270。該針扎層270可以由其他材料形成。
[0016]在一實(shí)施例中，所有處理可以在一個(gè)單一的等離子體蝕刻腔內(nèi)進(jìn)行。圖3是可用于實(shí)施本實(shí)施例的蝕刻反應(yīng)器(etch reactor)的示意圖。在本發(fā)明的一個(gè)或者多個(gè)實(shí)施例中，蝕刻反應(yīng)器300包括在由腔壁350密封的蝕刻腔內(nèi)的氣體分配板306，該氣體分配板306具有氣體進(jìn)口和卡盤308。在蝕刻腔349內(nèi)，其上形成有堆疊的基底304被定位在卡盤308的頂部上?？ūP308可以作為靜電卡盤(ESC)自ESC源348提供偏壓以保持基底304或者可以使用另一種夾持力以保持基底304。提供了一種例如發(fā)熱燈的熱源310以加熱金屬層。前驅(qū)體氣體源324通過分配板306連接到蝕刻腔349。
[0017]圖4是示出了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)400的高級(jí)框圖，該計(jì)算機(jī)系統(tǒng)400適于實(shí)現(xiàn)在本發(fā)明的實(shí)施例中使用的控制器335。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以具有多種物理形式，其范圍從集成電路、印刷電路板以及小型手持設(shè)備到巨型超級(jí)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)400包括一個(gè)或者多個(gè)處理器402，并且進(jìn)一步可以包括電子顯示裝置404 (用于顯示圖形、文本以及其他數(shù)據(jù))、主存儲(chǔ)器406 (例如，隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM))、存儲(chǔ)設(shè)備408 (例如，硬盤驅(qū)動(dòng)器)、可移動(dòng)存儲(chǔ)裝置410(例如，光盤驅(qū)動(dòng)器)、用戶接口設(shè)備412(例如，鍵盤、觸摸屏、小鍵盤、鼠標(biāo)或者其他指示設(shè)備等)以及通信接口 414(例如，無線網(wǎng)絡(luò)接口)。通信接口 414允許軟件和數(shù)據(jù)通過連接在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)400和外部設(shè)備之間傳輸。系統(tǒng)還可以包括通信基礎(chǔ)設(shè)施416 (例如，通信總線、交叉棒(cross-over bar)、或者網(wǎng)絡(luò))，前述的設(shè)備/模塊被連接于該通信基礎(chǔ)設(shè)施 416。
[0018]經(jīng)由通信接口 414傳輸?shù)男畔⒖梢允峭ㄟ^通信連接的信號(hào)形式，所述信號(hào)是例如電子、電磁、光感、或者其他能夠由通信接口 414接收的信號(hào)，所述通信連接攜帶信號(hào)并且可以是使用電線或電纜、光纖、電話線、蜂窩電話鏈路、射頻鏈路、和/或其他通信通道實(shí)現(xiàn)的通信連接。根據(jù)這樣的通信接口，可預(yù)期，一個(gè)或者多個(gè)處理器402可以自網(wǎng)絡(luò)接收信息或者可以在實(shí)施上述方法步驟的過程中向網(wǎng)絡(luò)輸出信息。另外，本發(fā)明的方法實(shí)施例可以在處理器上單獨(dú)地執(zhí)行或者可以與遠(yuǎn)程處理器結(jié)合在諸如因特網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行，所述遠(yuǎn)程處理器共享部分處理。
[0019]術(shù)語“非暫態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)”一般用來指諸如主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、可移動(dòng)存儲(chǔ)、以及存儲(chǔ)設(shè)備(例如硬盤、閃存、硬盤驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器、CD-ROM以及其他形式的永久性存儲(chǔ)器)之類的介質(zhì)，并且不得被解釋為涵蓋諸如載波或者信號(hào)之類的暫時(shí)性的主題。計(jì)算機(jī)代碼的例子包括例如由編譯器產(chǎn)生的機(jī)器代碼，以及包括使用解釋器的由計(jì)算機(jī)執(zhí)行的更高級(jí)代碼的文件。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)還可以是通過體現(xiàn)在載波中的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸并且表示為由處理器可執(zhí)行的指令序列的計(jì)算機(jī)代碼。
[0020]硬掩膜被蝕刻或者打開(步驟104)。在此例中，硬掩膜為鉭(Ta)層256。SiN層264和TiN層260被用作蝕刻Ta層256的掩膜。在此實(shí)施例中，等離子體蝕刻被用于蝕刻Ta層256。在此實(shí)施例中，可以采用使用Cl2作為蝕刻氣體的干法蝕刻。圖2B是在鉭層256已被蝕刻后的堆疊200的橫截面視圖。
[0021]第二 Ru層252使用基于次氯酸鹽和/或臭氧的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行蝕刻(步驟108)。在一實(shí)施例中，等離子體蝕刻可以被用于所提供的基于次氯酸鹽和/或臭氧的化學(xué)物質(zhì)的蝕刻。在另一實(shí)施例中，基于次氯酸鹽和臭氧的化學(xué)物質(zhì)可以被用于濕法蝕刻。在這樣的實(shí)施例中，在蝕刻第二 Ru層252之前，稀釋氟化氫(dHF)預(yù)清洗可以被用于去除二氧化硅殘留物(silicon oxide residue)。次氯酸鈉(NaClO)水溶液可以被用在濕法蝕刻中以蝕刻第二 Ru層252。在此例中，Ru蝕刻是使用NaClO水溶液的濕法蝕刻。其他次氯酸鹽蝕刻工藝包括在pH>12的無鈉(Na)溶液中的高氯酸(HC10);在有機(jī)溶劑里的有機(jī)次氯酸鹽R-次氯酸(R-0C1);含1?的烷基類(-CH3.- CH2CH3, _C (CH3) 3等)、環(huán)烷基類(cycloalkly)、或者芳香族羰基化合物(acromati