JP5878116B2 - 磁性層のパターニングと接続 - Google Patents

Description

本発明は、磁性層（magnetic layer）のパターニングの分野に関する。更には、本発明は、磁気デバイスの製造に関する。

今日、マイクロデバイスおよびナノデバイスのための磁性層の使用は、例えばＭＲＡＭメモリ、スピントルク発振器、ハードディスクの読取ヘッドおよびセンサ応用、更には磁気論理回路のような多くの応用で関心が抱かれている。そのようなデバイスのプロセス中に発生する重要な問題は、磁性層のパターニングである。磁気デバイスは、一般に、多層の非常に薄い磁性層および非磁性層を含む。そのような多層の反応性エッチングは困難である。なぜならば、材料が多様であり、このため異なる材料に対して異なるエッチャントが必要となるからである。それゆえに、そのような多層スタックのパターニングは、一般には反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）技術またはイオンミリング技術を用いて行われる。それらの技術の欠点は、層のパターニング中における、全てのエッチングされた材料の混合物の再堆積である。一般に磁性層や導電層の場合、この再堆積は導電性材料からなり、図１Ａや図１Ｂに示すように、この導電性材料が側壁に堆積することにより、エッチングされたスタックの短絡を引き起こす。図１Ａおよび図１Ｂは、イオンミリング前の磁気スタックを示す。磁気スタック１０は、例えば薄い酸化層のような絶縁層１２により分離された２つの磁性層１１、例えば金属のような導電性の下部電極１３、および例えば金属のような導電性の上部電極１４を含む。磁気スタック１０のパターニングが必要な場合、適当にパターニングされたレジスト層１５が形成される。図１Ｂは、イオンミリング後の磁気スタック１０を示す。イオンミリング中に、導電性ポリマ１６が、レジスト１５、磁性層１１、および絶縁層１２の側壁に堆積するのが見られる。磁性層１１と絶縁層１２の側壁は導電性ポリマ１６で覆われるため、磁性層１１は短絡する。明らかに、この望まない電気的短絡は、最終デバイスの完全な機能不全につながる。

例えばナノメーター範囲のような小型の、そのような磁気デバイスの製造中の第２の問題は、パターニングされたデバイスとの電気的コンタクト実現するためのメタライゼーションのアライメントである。リソグラフィパターニング工程に非常に高い解像度とアライメントが要求されるため、従来の方法（スタック１０のパターニング：図２Ａ参照、酸化物２０の堆積：図２Ｂ参照、フォトレジスト２１の堆積：図２Ｃ参照、リソグラフィと酸化物２０のエッチングによるコンタクトホールの形成：図２Ｄおよび図２Ｅ参照）を使うことはできない。図２Ｄから分かるように、標準のリソグラフィは、制限された解像度と非常に良好なアライメントを有し、悪い電気的コンタクトとなる。代わりの具体例では、図２Ｅのように、標準のリソグラフィは非常に良好な解像度を有するが、考えられるアライメントエラーを有し、これにより悪い電気的コンタクトとなる。不十分な解像度または不正確なアライメントは、デバイスの導電性短絡となり、結果として最終デバイスの完全な機能不全につながる。（図２Ｄおよび図２Ｅ参照）。図２Ｆに示すように、非常に先端的なリソグラフィのみが、良好な解像度とアライメントを有し、正しい電気的コンタクトとなる。しかしながら、非常に先端的なリソグラフィは、多くの厳しい強要を使用する機器に強いるとともに、常に得られるものではない。このように、このメタライゼーション工程の代わりのアプローチが用いられるべきである。

ナノ磁気デバイスのためのセルフアライメントされた電気的コンタクトの興味深いプロセス手順が、図３Ａから図３Ｆに示される。手順は図３Ａに例示したように、パターニングされた磁気スタック１０から始まり、例えば酸化物３０の堆積（図３Ｂ参照）のような絶縁材料の使用を含み、続いて、ＣＭＰが行われ（図３Ｃ）、磁気デバイスを囲む絶縁層を形成する。絶縁材料のＣＭＰは、上部金属電極１４を解放するために適用される。ＣＭＰの時間調節は、特に上部電極１４の金属層が薄い場合に非常に厳格である（図１Ｂに示すように、より厚い金属層は、より多くの側壁堆積となる）。このＣＭＰプロセス工程３１の後に、金属層３２が堆積され、これがリソグラフィおよびエッチングを用いてパターニングされる。後者の場合、リソグラフィ工程は厳格ではない。下にある磁気デバイスが完全に絶縁性酸化物により囲まれているため、大きな金属パターンを形成することができアライメントは厳格では無い（図３Ｄ、３Ｅ、および３Ｆ参照）。重要な問題は、しかしながら酸化物のＣＭＰプロセス３１である。多くの露出した材料に対するＣＭＰプロセスの選択性が最適化されなければならないだけでなく、特にこのＣＭＰプロセスが厳格かどうかの時間調整、即ちオーバーポリッシング（長すぎるＣＭＰ）が、デバイスの周囲の絶縁物の除去に繋がり、磁性層１１の側壁はもはや絶縁物で覆われず、再度短絡になるか、またはデバイス自体の上部の除去に繋がり、双方の場合に完全な機能不全なデバイスになる（図３Ｆ参照）。もし、ＣＭＰ工程が短か過ぎる場合、図３Ｄに示すように、ＣＭＰが停止した場合に上部金属電極１４はまだ絶縁材料３０で覆われており、磁気デバイスと金属層３２との電気的コンタクトが妨げられる。このように、機能的なデバイスは得られない。成功したＣＭＰプロセスを得るために、図３Ｅに示すように、ＣＭＰの時間調節が完全なだけでなく、上部金属電極１４が十分に厚くなければならなく、これが更なる問題のパターニングや再堆積の問題に繋がる。

再堆積の問題を解決するために、先端技術で使用される１つの方法は、イオンビームに対して所定の角度でウエハを配置する「斜めイオンビームエッチング（skewed ion beam etching）」による第２のエッチング工程を用いて、パターニング工程後に、再堆積を除去する工程である。この方法の欠点は、斜めエッチングは複雑な経験的技術であり、標準のＣＭＯＳプロセスに転用できないことである。更に、アライメントと制御されたＣＭＰプロセスが必要であるという問題がなおも存在する。

ＵＳ２００７０１６６８４０（ＵＳ’８４０）は、集積回路中に磁気トンネル接合を形成する方法であって、側壁スペーサ形状が膜スタックの処理中に形成される方法を開示する。それらの側壁スペーサ形状は、膜スタックのエッチング中に、副産物の再堆積を避ける傾斜したマスク形状を形成する。しかしながら、この方法の欠点は、（上部コンタクトのアライメントを実現するために、先端のリソグラフィ技術に必要とされる）パターニングの必要性が残り、スペーサが寸法を十分に増加させることである。

ＵＳ’８４０は、再堆積の問題を解決する方法を開示するが、アライメントの問題は解決しない。更に、ＵＳ’８４０は、更に小さいマスク寸法を必要とし、結果としてより弱いＣＤ（臨界寸法）制御となる。

このように、磁性層のスタックをパターニングするために、いまだ問題が存在し、これにより上述のアライメントの問題が除去され、これにより非常に先端的なリソグラフィの必要性を避けている。更に、上述の酸化物ＣＭＰプロセスを大幅に簡略化し、酸化物のＣＭＰプロセスの時間調節がより制御しやすくなり、デバイスや周囲の絶縁層のダメージのリスクを無くすことが、望まれている。

本発明の具体例の目的は、上述の問題を克服する、磁性層をパターニングする方法、特に、多層の磁性層（magnetic multilayer）をパターニングする方法を提供することである。多層の磁性層のパターニングは、多層の磁性層の間に、ＭｇＯ層のようなバリア（絶縁）層を有し、高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）値を生じる、磁気トンネル接合を形成するものである。この磁気トンネル接合では薄い絶縁バリアを通って、１つの磁性材料（層）から他の磁性材料（層）に、電子がトンネルする。

本発明の具体例は、短絡により機能不全デバイスとなる、多層の磁性層のパターニング（イオンミリング）中の磁性材料の再堆積の問題を回避する。本発明の方法の具体例を使用することにより、イオンミリングによる磁性材料の再堆積の影響を低減し、それを無害な領域に限定し（犠牲層のまっすぐな側壁）、実際の能動デバイス層の電気的な短絡を回避することが可能となる。第２に、本発明の具体例は、パターニングされた多層の磁性層のスタックを囲む絶縁材料の平坦化に用いられた、酸化物のような絶縁材料のＣＭＰのような平坦化プロセスを大幅に容易にし、この平坦化プロセスの時間調節をより制御しやすくする。更に、本発明の具体例は、アライメントの問題を除去し、非常に先端的なリソグラフィの必要性を避ける。これは、本発明の具体例にかかる特別なリソグラフィプロセスを開発することにより達成され、これによりフォトレジスト層の下の犠牲層を用いる。このプロセスの注意深い最適化により、上述の１またはそれ以上の問題に向かう。（磁性層のパターニング中の）再堆積が無害な領域に限定され、または完全に緩和され、酸化物のような絶縁材料のＣＭＰプロセスが、犠牲層の高さにより大幅に容易になり、犠牲層は、酸化物のＣＭＰプロセス中になおも存在し、酸化物ＣＭＰプロセスの時間調節が、デバイスや周囲の絶縁層の損傷のリスク無しに容易に制御でき、リソグラフィパターニング工程中のアライメントの問題が低減または除去される。

第１の形態では、本発明の具体例にかかる方法が、磁性層をパターニングして上述の問題を克服するために、フォトレジスト層のような第２の犠牲層の下に、第１の犠牲層を用いるリソグラフィプロセスを提供する。

本発明の具体例にかかる方法は、磁性層と、下部導電性電極と、その反対側で磁性層サブスタックを電気的に接続する上部導電性電極とを含む磁性層サブスタックを含む磁気スタックを形成する工程と、磁気スタックの上に犠牲柱を形成する工程であって、犠牲柱は上に横たわる第２の犠牲材料に対するアンダーカットと、磁気スタックに向かって断面寸法が大きくなる傾斜フットを有する工程と、犠牲柱を磁気スタックのパターニングのために使用する工程と、犠牲柱の周囲に絶縁層を堆積する工程と、犠牲柱を選択的に除去し、これによりパターニングされた磁気スタックに向かってコンタクトホールを形成する工程と、コンタクトホールを電気的な導電性材料（８１）で埋める工程とを含む。

犠牲柱の傾斜したフットは、磁気サブスタック中で後にエッチングされる形状を、僅かに大きくする。犠牲柱の傾斜した壁は、角度の下でのエッチングをまねて、傾斜面上に再堆積する材料は、後に直ぐに再エッチングされる。電気的な導電性材料と磁気スタックとのセルフアライメントが起きることが、本発明の具体例にかかる方法の更なる特徴である。

特別な具体例では、第１犠牲層は、非導電性である。第１および第２の犠牲層の双方を適用した後、リソグラフィパターニング工程のようなパターニング工程が、第２犠牲層のパターニングに用いられる。（ガスの混合、チャンバ中の圧力、エッチング時間等のエッチングパラメータを適用して）このエッチング工程を注意深く制御することにより、エッチングされた第１犠牲層の側壁の形状が、パターニングされた（第２の犠牲層に近い）第１犠牲層の上部のアンダーカットと、傾斜した底部部分（フット）との双方を形成するように調整されて、パターニングされた第１犠牲層の最終寸法が、第２犠牲層のパターンより小さくなる。５０ｎｍのマスク寸法に対して、アンダーカットは、５ｎｍから１５ｎｍまでの範囲であり、パターニングされた第１犠牲層は、４０ｎｍと２０ｎｍの間の範囲の直径を有するようになる。パターニングされた第１犠牲層の下部は、傾斜した形状またはフットを有し、パターニングされた第１犠牲層の底が、例えば、５０ｎｍのような、マスクの最初の直径と等しいかまたはこれに近づく直径を達成しても良い。フットの傾斜は、３０°から５０°の範囲である。

非導電性材料として第１犠牲層、アンダーカットおよび形状の選択は、磁性層をパターニングするために、ＣＤ（臨界寸法）を制御し、続くイオンミリング工程中の再堆積を避けるための重要なパラメータである。このようなアンダーカットと傾斜した形状を形成することにより、急速な再エッチングを得るその比を除いて、再堆積が最初に、第１犠牲層の側壁の直線部分に限定される。犠牲柱の傾斜した側壁は、（急激な再エッチングにより）再堆積材料で覆われず、これにより、磁気デバイスの側壁が導電性の再堆積した材料で覆われるのを防止する。更に、第１犠牲層中のアンダーカットは、再堆積がマスク材料の横方向の寸法を増加させるのを防止する。

第２の形態では、本発明の具体例は、磁気デバイスとの電気的コンタクトを実現するために、最終メタライゼーション工程とアライメントを実現する方法を提供する。最初に、絶縁層（例えば酸化物）が、パターニングされた磁性層の上に堆積され、続いて化学機械研磨工程（ＣＭＰ）のような平坦化工程が行われ、デバイスを囲む絶縁層を形成する。平坦化工程は、絶縁層が第２絶縁層のレベルより下で平坦化され、これによりパターニングされた第１犠牲層の十分な部分を残す。

次の工程では、金属層のような電気的導電層が堆積され、リソグラフィパターニングとエッチングを用いてパターニングされる。上部のアンダーカットと傾斜した形状の双方を形成するための上述の本発明の第１形態の具体例にかかるリソグラフィプロセスと組み合わせて、この方法を用いた場合、ＣＭＰのような平坦化方法の時間調節が、より厳格でなくなり、第１犠牲層の全高さのいずれでも停止できる。平坦化工程を行った後、第１犠牲層から形成されたプラグ（柱）が、それぞれの磁気デバイスを覆う。この第１犠牲層は、続いて選択的にエッチングされ、一方、周囲の絶縁層は影響されないまま残る。非常に小さい、良好な、清潔なコンタクトホールが絶縁層中に形成されるとともに、このプロセスに内在するセルフアライメントにより、それぞれの下層の磁気デバイスに完全に整列する。それらのコンタクトホールは、メタライゼーション工程のような電気的な導電材料を提供する続く工程中に充填され、容易なリソグラフィパターニングおよびエッチング工程を用いて、この電気的な導電層がパターニングされる。解像度とアライメントの要求が制限されるために、この最後のリソグラフィパターニング工程は簡単なプロセス工程である。

更に、本発明の具体例は、例えばＭＲＡＭメモリ、スピントルク発振器、ハードディスク読取りヘッド、センサ応用、および磁気論理回路中で用いられる磁気デバイスの製造に関し、この製造方法は、磁性層をパターニングする本発明の具体例にかかる方法を使用する。

本発明の特別で好適な形態は、添付する独立請求項および従属請求項で述べられる。従属請求項の特徴は、独立請求項の特徴、および他の従属請求項の特徴と適当に組み合わせても良く、単に請求項に記載された通りではない。

この分野においては、デバイスの一定の改良、変化、および進歩があるが、本概念は従来技術からの出発を含み、この性質のより効果的で安定して信頼性のあるデバイスを提供する、本質的に新しくて新規な改良を表すと信じられる。

上記および他の、本発明の特徴、長所および利点は、本発明の原理を例示の方法で表した添付された図面と共に、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。この接系は例示のみを目的とし、本発明を限定するものではない。以下で引用される参照符号は、添付の図面に関する。

図面は、本発明のいくつかの形態と例示的な具体例を示すことを意図する。図面は、明確化のために単純化して描かれる。全ての代替えおよび選択肢が示されるものではなく、それゆえに本発明は、所定の図面の内容に限定されない。同じ番号は、異なる図面中で同じ部分を参照するために用いられる。

イオンミリング後の、デバイスの重要な部分上の導電性材料の側壁再堆積の従来技術の問題を示し、この結果、磁性層の間の絶縁層の上の導電性ブリッジとなり、これにより機能不全のデバイスとなる。 イオンミリング後の、デバイスの重要な部分上の導電性材料の側壁再堆積の従来技術の問題を示し、この結果、磁性層の間の絶縁層の上の導電性ブリッジとなり、これにより機能不全のデバイスとなる。 パターニングと最終メタライゼーション工程中に起きる従来技術の問題を示す。 パターニングと最終メタライゼーション工程中に起きる従来技術の問題を示す。 パターニングと最終メタライゼーション工程中に起きる従来技術の問題を示す。 パターニングと最終メタライゼーション工程中に起きる従来技術の問題を示す。限定された解像度と非常に良好なアライメントを有する標準リソグラフィパターニングを用いるミスアライメントの問題を示し、これにより大きすぎる開口部となり、これにより悪い電気的コンタクトと短絡となる。 パターニングと最終メタライゼーション工程中に起きる従来技術の問題を示す。非常に良好な解像度であるが、悪いアライメントを有する標準リソグラフィパターニングを用いたミスアライメントの問題を示し、これにより悪くアライメントされた電気的コンタクトと短絡となる。 パターニングと最終メタライゼーション工程中に起きる従来技術の問題を示す。非常に先端的なリソグラフィパターニングを用いたリソグラフィパターニングを示し、良好な解像度とアライメントになり、これにより正しい電気的コンタクトとなる。 酸化物のＣＭＰに続く金属パターニングを用いる磁気デバイスを接続するための従来技術の問題を示す。 酸化物のＣＭＰに続く金属パターニングを用いる磁気デバイスを接続するための従来技術の問題を示す。 酸化物のＣＭＰに続く金属パターニングを用いる磁気デバイスを接続するための従来技術の問題を示す。 酸化物のＣＭＰに続く金属パターニングを用いる磁気デバイスを接続するための従来技術の問題を示す。短すぎるＣＭＰ工程が行われた場合の問題を示し、これにより導電性電極の上に絶縁材料が残り、電気的コンタクトがなくなり、この結果、機能的なデバイスで無くなる。 酸化物のＣＭＰに続く金属パターニングを用いる磁気デバイスを接続するための従来技術の問題を示す。実施が非常に困難な完全なＣＭＰ時間調節を示し、解放された上部電極と良好な電気的コンタクトに繋がる。 酸化物のＣＭＰに続く金属パターニングを用いる磁気デバイスを接続するための従来技術の問題を示す。長すぎるＣＭＰ工程が行われた場合の問題を示し、これにより絶縁層でもはや覆われていない側壁を有する磁気構造になり、磁性デバイスの上部が除去されて、完全なデバイスの機能不全となる。 犠牲層のアンダーカットと傾斜形状が有用でフットの被覆なしに制御された堆積ができることを示す本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を示す。イオンミリング前のパターニングされたリソグラフィと犠牲層を示す。 犠牲層のアンダーカットと傾斜形状が有用でフットの被覆なしに制御された堆積ができることを示す本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を示す。２分間のイオンミリング後のパターニングされたリソグラフィと犠牲層を示し、制御された側壁堆積となっている。 犠牲層のアンダーカットと傾斜形状が有用でフットの被覆なしに制御された堆積ができることを示す本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を示す。４分間のイオンミリング後のパターニングされたリソグラフィと犠牲層を示し、過多の側壁堆積となっている。なぜならば、完全に機能的なデバイスを得るためには、磁性層上への導電性材料の堆積は許されないからである。 模式的な図４Ａに対応するＳＥＭ像であり、本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を示す。（図４Ａに対応して）イオンミリング前のパターニングされたリソグラフィと犠牲層を示す。 模式的な図４Ｂに対応するＳＥＭ像であり、本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を示す。（図４Ｂに対応して）２分間のイオンミリング後のパターニングされたリソグラフィと犠牲層を示す。 模式的な図４Ｃに対応するＳＥＭ像であり、本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を示す。（図４Ｃに対応して）４分間のイオンミリング後のパターニングされたリソグラフィと犠牲層を示す。 イオンミリング時間の関数として、本発明の具体例にかかる側壁堆積（犠牲層柱の幅をｎｍで表す）を示す。 ２分間のイオンミリング後の本発明の具体例にかかる対応するエッチングされた柱と側壁堆積を示す。（犠牲層の形状により）磁気デバイスの重要な場所への側壁堆積を避けるためには、最適イオンミリング時間は２分間を越えないことが更に明らかである。 デバイスを囲む絶縁（酸化物）層を形成するための、パターニングされた磁性層の上の金属（酸化物）堆積を示す。 本発明の具体例にかかる磁気デバイスにコンタクトするための、酸化物堆積後のプロセス工程を示す。連続する酸化物堆積後の、本発明の具体例にかかるパターニングされた柱を示す。 本発明の具体例にかかる磁気デバイスにコンタクトするための、酸化物堆積後のプロセス工程を示す。化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いた酸化層の平坦化後の構造を示す。 本発明の具体例にかかる磁気デバイスにコンタクトするための、酸化物堆積後のプロセス工程を示す。磁気デバイスに向かってコンタクトホールを形成するための、犠牲材料の選択的除去後の構造を示す。 本発明の具体例にかかる磁気デバイスにコンタクトするための、酸化物堆積後のプロセス工程を示す。コンタクトホール中に金属層を堆積した後の構造を示す（メタライゼーション）。 本発明の具体例にかかる磁気デバイスにコンタクトするための、酸化物堆積後のプロセス工程を示す。リソグラフィパターニング、金属エッチング、およびレジスト除去後の最終デバイスを示す。

本発明は、特定の具体例について、添付図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらにより限定されるものではなく、請求の範囲によってのみ限定されるものである。記載された図面は、単に概略であり、限定するものではない。図面において、図示目的で、いくつかの要素の大きさは拡張され、縮尺通りに記載されていない。寸法と相対寸法は、本発明の実施の実際の縮小には対応していない。

また、説明や請求の範囲中の、上等の用語は、記載目的のために使用され、相対的な位置を示すものではない。そのように使用される用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに記載された発明は、ここに記載や図示されたものと異なる位置でも操作できることを理解すべきである。

また、請求の範囲で使用される「含む（comprising）」の用語は、それ以降に示される手段に限定して解釈されるべきではなく、他の要素や工程を排除しない。このように、言及された特徴、数字、工程、または成分は、その通りに解釈され、１またはそれ以上の他の特徴、数字、工程、または成分、またはこれらの組み合わせの存在または追加を排除してはならない。このように、「手段ＡおよびＢを含むデバイス」の表現の範囲は、構成要素ＡとＢのみを含むデバイスに限定されるべきではない。本発明では、単にデバイスに関連した構成要素がＡとＢであることを意味する。

この明細書を通じて参照される「一の具体例（one embodiment）」または「具体例（an embodiment）」は、この具体例に関係して記載された特定の長所、構造、または特徴は、本発明の少なくとも１つの具体例に含まれることを意味する。このように、この明細書を通して多くの場所の「一の具体例で（in one embodiment）」または「具体例で（in an embodiment）」の語句の表現は、同じ具体例を表す必要はなく、表しても構わない。更に、特定の長所、構造、または特徴は、この記載から当業者に明らかなように、１またはそれ以上の具体例中で適当な方法で組み合わせることができる。

同様に、本発明の例示の記載中において、能率的に開示し、多くの発明の形態の１またはそれ以上の理解を助ける目的で、本発明の多くの長所は、時には１つの具体例、図面、またはその記載中にまとめられることを評価すべきである。しかしながら、この開示の方法は、請求される発明がそれぞれの請求項に記載されたものより多くの特徴を必要とすることを意図して表されていると解釈すべきではない。むしろ、以下の請求項が表すように、発明の態様は、１つの記載された具体例の全ての長所より少なくなる。このように詳細な説明に続く請求の範囲は、これにより詳細な説明中に明確に含まれ、それぞれの請求項は、この発明の別々の具体例としてそれ自身で成立する。

更に、ここで記載された幾つかの具体例は、幾つかの特徴で他の具体例に含まれる以外の特徴を含み、異なった具体例の長所の組み合わせは、本発明の範囲に入ることを意味し、当業者に理解されるように異なった具体例を形成する。例えば、以下の請求の範囲では、請求された具体例のいくつかは、他の組み合わせにおいても使用することができる。

ここで与えられる記載において、多くの特別な細部が示される。しかしながら、本発明の具体例はそれらの特別な細部無しに実施できることを理解すべきである。他の例では、公知の方法、構造、および技術は、この記載の理解をわかりにくくしないために、詳細には示されていない。

本発明は、多くの具体例の詳細な記載によって記載される。他の具体例は、添付された請求の範囲で規定される本発明の技術的示唆から離れることなく、当業者の知識により形成できることができることは明かである。

イオンミリングまたはイオンビームエッチングの用語は、不活性ガスを用いたスパッタによる原子の除去に基づく技術である。説明を通して、この技術は多層磁性層のスタックのパターニングに用いられる。イオンミリングの代わりに、異なる材料に対して選択的でない他のプロセスを用いても良い。

本発明の具体例では、磁性層のパターニングと電気的接続のための方法が提供され、特にフォトリソグラフィパターニング、反応性イオンエッチング、イオンミリング、および化学機械研磨（ＣＭＰ）の組み合わせを用いる磁性層のパターニングのための方法が提供される。

本発明の具体例にかかる方法は、簡略化と共に、パターニング（イオンミリング）中にデバイスの重要な領域の上に磁性材料の望まない再堆積なしに、磁気デバイスをパターニングすることにより、より広いプロセスウインドウにより、より緩和されたプロセス精度とすることを目的とする。

本発明の具体例は、多層磁性層ともよばれる磁気スタックのパターニング（イオンミリング）中の磁性材料の再堆積の問題を解決して、短絡による機能不全を無くす。多層（広い範囲の異なる材料）の複雑さと層の小さな膜厚（１ｎｍから１０ｎｍの範囲）のために反応性イオンエッチングを用いて磁性層のスタックをパターニングし、これにより、エッチング中に再堆積を避けるために除去される揮発性の化合物が形成されることは、容易ではない。イオンミリングまたはスパッタエッチングは、多層磁性層をパターニングするために特に有用な方法である。しかしながら、イオンミリング技術は、高エネルギのイオン（例えば希ガス、しばしばＡｒ^＋）により基板に衝撃を与え、これは基板から原子をたたき出し、望まない基板（デバイス）領域に再堆積させる。これらの再堆積は、スパッタされた材料の混合物からなるため、例えば選択ウエットエッチングにより、後にこれらの再堆積を選択的に除去することは困難である。しかしながら、本発明の具体例にかかる方法を用いた場合、イオンミリングにより引き起こされる、磁性材料の再堆積を無くし、または少なくとも無害な領域（犠牲層の真直ぐな側壁）に限定して、実際の能動デバイス層の電気的な短絡を回避することが可能となる。

更に、本発明の具体例は、パターニングされた多層磁性層のスタックの周囲の絶縁材料の平坦化に使用される酸化物の化学機械平坦化／研磨（ＣＭＰ）プロセスを容易にして、酸化物のＣＭＰプロセスの時間調節をより制御しやすくする。

上述の問題は、特定の二重層リソグラフィプロセスを開発し、これによりフォトレジストの下の犠牲層を用いる、本発明の具体例により解決される。このプロセスを注意深く最適化することにより、上述の双方の問題に向かう。即ち、（磁性層のパターニング中の）再堆積が、害のない領域に限定され、酸化物のＣＭＰプロセスが、犠牲層の高さにより大幅に容易になる。これは、ＣＭＰプロセス中にも存在し、酸化物のＣＭＰプロセスの時間調節は、デバイスまたは周囲の絶縁層の損傷のリスク無しに容易に制御できる。

本発明の具体例にかかる方法の長所は、更に、非常に先端的で高価なリソグラフィパターニング技術の少なくとも使用を避けることである。

本発明の具体例にかかる磁気スタックのパターニングと電気的コンタクトの方法は、少なくとも以下の工程：
磁性層と、下部導電性電極と、その反対側で磁性層サブスタックを電気的に接続する上部導電性電極とを含む磁性層サブスタックを含む磁気スタックを形成する工程と、
磁気スタックの上に犠牲柱を形成する工程であって、犠牲柱は上に横たわる第２の犠牲材料に対するアンダーカットと、磁気スタックに向かって断面寸法が大きくなる傾斜フットを有する工程と、
磁気スタックのパターニングのために犠牲柱を使用する工程と、
その後に犠牲柱の周囲に絶縁層を堆積する工程と、
その後に犠牲柱を選択的に除去し、これによりパターニングされた磁気スタックに向かうコンタクトホールを形成する工程と、
コンタクトホールを電気的に導電性の材料で埋める工程と、
を含む。

特定の具体例では、磁気デバイスをパターニングし、磁気デバイスとコンタクトするための本発明の方法は、少なくとも以下の工程：
磁性層を含む磁気スタックを形成し、これにより多層磁性層サブスタックを形成する工程であって、磁気スタックは、多層磁性層サブスタックの下にある下部金属層と、上にある上部金属層を有する工程と、
次に、第１犠牲層を堆積する工程と、
次に、例えばフォトリソグラフィ層のような第２犠牲層を堆積する工程と、
例えばリソグラフィパターニングのような第２犠牲層のパターニングを行う工程と、
パターニングした第２犠牲層をエッチングマスクに用いて第１犠牲層をパターニングして、第１犠牲層の側壁の形状が、リソグラフィマスクの下の上部のアンダーカットと、磁気スタックに近い下部に向かう傾斜形状とを含むようにする工程と、
磁気スタックの上部金属層と少なくとも幾つかの磁性層とをイオンミリングして磁性柱を形成し、これにより磁性材料の一部を、パターニングされた犠牲層の傾斜した側壁上に再堆積し、磁性層の上には堆積しない工程と、
次に、パターニングされた第１犠牲層の少なくとも周囲に、絶縁層を堆積する工程と、
次に、第２犠牲層により形成されたマスクのレベルの下に、絶縁層を平坦化し、これによりパターニングされた第１犠牲層の十分な部分を残す工程と、
第１犠牲層を選択的に除去して、コンタクトホールを形成する工程と、
次に、残された絶縁層の上に導電性材料の層を堆積し、これにより例えば金属のような電気的に導電性の材料によりコンタクトホールを完全に充填する工程と、
導電性の材料をパターニングして、互いに電気的に絶縁された、個々の電気的に接続可能な磁気デバイスを形成する工程と、
を含む。

本発明の具体例にかかる方法の第１部分は、図４Ａから図４Ｃに示される。それらの図面は、本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を表し、犠牲層のアンダーカットと傾斜形状は有用であり、フット被覆の無い制御された堆積に繋がることを明確に示す。

本発明の具体例では、磁気スタック４０が提供される。示された具体例では、磁気スタック４０は、例えば薄い酸化層のような絶縁層４２により分離された２つの磁性層４１を含む磁気サブスタックを含む。磁気スタックは更に、導電性の下部電極４３と導電性の上部電極４４を含む。

具体例では、磁性層のスタック４０は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎのような磁気特性を示す幅広い範囲の材料から選択しても良い。それぞれの層の膜厚は、１ｎｍから１０ｎｍの範囲である。異なる磁性層は、スパッタ技術（物理気相堆積（ＰＶＤ））を用いて堆積しても良い。

具体例では、磁性層のスタック４０は、更に、薄い酸化物層のような絶縁層４２を含む。好適な酸化物層の例はＭｇＯである。酸化物層の膜厚は応用に依存し、例えば１ｎｍのオーダーである。

具体例では、磁気デバイスを形成するのに使用される、多層磁性層を含む可能なスタック４０は、以下の層：Ｔａ、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ、ＩｎＭｎ、ＦｅＣｕＮ、Ｔａ、Ｐｔの１またはそれ以上を含んでも良い。層の膜厚は、１ｎｍから１０ｎｍの範囲内である。層を堆積するために使用される堆積方法は、スパッタでも良い。

具体例では、導電性の底部電極と導電性の上部電極が、金属から形成されても良い。金属層として使用される好適な金属の例は、ＡｕとＣｕであるが、電極として働くのに好適な、電気的に導電性の材料を用いることもできる。

磁気スタック４０の上に、このスタック４０をパターニングして電気的コンタクトを形成するために、第１犠牲層が提供される。

具体例では、第１犠牲層は、良好な絶縁層の標準を満たし、例えばｎｍサイズのレジスト層のような第２犠牲層を支えるのに十分に硬く、ＲＩＥでエッチング可能で、ＣＭＰ後に除去可能で、電子ビーム露光に反応しない。好適な犠牲層の例は、ＢＡＲＣ（下部反射防止膜）またはＢＡＲＬｉ（下部反射防止層）のようなレジスト型材料である。ＢＡＲＣは、むしろ電子ビーム露光に反応せず、上の電子ビーム反応レジストに対して非常にエッチングされやすい。第１犠牲層の膜厚は、少なくとも１００ｎｍから５００ｎｍまでである。

第１犠牲層の上に、第２犠牲層が形成され、この層は、例えばフォトレジスト層のようなフォトグラフ層でも良い。第２犠牲層は例えばリソグラフィパターニングによりパターニングされる。この方法で、パターニングされた第２犠牲層４５が形成され、これがその下の第１犠牲層のパターニングのためのマスクとして使用される。

パターニングされた第２犠牲層４５により形成されたマスクは、続いて第１犠牲層のパターニングのためのエッチングマスクとして使用される。具体例では、第１犠牲層のパターニング工程は、マウスの下の上部のアンダーカットと下部に向かう傾斜形状を達成するように調整される、異方性反応性イオンエッチングを用いて行われても良い。この調整は、例えば反応性イオンプラズマのようなエッチャントの化学成分に対する、例えばプラズマのようなエッチャントの指向性を注意深く最適化することにより達成される。

第１犠牲層をエッチングするためのエッチングプロセスの結果、柱４６が形成される。エッチングの後、残る柱４６の上部部分は、パターニングされた第２犠牲層４５により形成されたマスクや、マスク４５の幅と実質的に等しい幅を有する傾斜した下部部分（フット）４７より小さい幅を有する。これを得るために、上部の第２犠牲層に対して選択的な方法でエッチングできる、第１犠牲層が使用されても良い。更に、エッチングは、アンダーエッチが過多にならないように制御される。換言すれば、所望の結果を得るために、特別に選択された犠牲層が特別に選択されたＲＩＥエッチングと組み合わされても良い。当業者は、所望の結果に結びつく犠牲層やエッチングケミストリを知っている。

図４Ａは、イオンミリング前の、パターニングされた第１犠牲層および第２犠牲層を示す。

所定の形状（マスクに対するアンダーカットと傾斜した下部形状）を有する柱４６が形成されて、スタック４０からの材料の除去が、例えばイオンミリングを用いて行われる。本発明の具体例では、イオンミリング工程またはイオンビームエッチング技術は、例えばＡｒやＸｅのような原子を衝突させるために用いて行っても良い。イオンミリングの時間（機器依存性）は、例えば薄い酸化物バリア層のような絶縁層４２の側壁、および絶縁層４２の下方のパターニングされた磁性層４１の側壁で、再堆積が起きないようでなければならない。イオンミリング工程の時間は、絶縁層４２の中で正確に停止するように最適化されても良い。

図４Ｂは、柱４６で覆われていない磁気スタック４０から材料を除去するための、２分間のイオンミリング後の、パターニングされた第１犠牲層４６および第２犠牲層４５を示す。イオンミリングプロセスは、柱４６およびマスク４５の上の、導電性の磁性材料４８の制御された側壁堆積となる。図４Ｂから分かるように、イオンミリングプロセスが過剰に長く続かなければ（柱４６の正確な形状、特にフット４７の傾斜、磁性スタック４０、特に上部電極４４の膜厚への時間依存性）、再堆積した導電性の磁性材料４８は、磁性層４１を短絡しない。

図４Ｃは、柱４６で覆われていない磁気スタック４０から材料を除去するための、４分間のイオンミリング後の、パターニングされた第１犠牲層４６および第２犠牲層４５を示し完全に機能的なデバイスを得るために磁性層４１の上には導電性材料の堆積が許されないため、過多の側壁堆積４８となっている。

図５Ａから図５Ｃは、図４Ａから図４Ｃに対応するＳＥＭ像であり、本発明の具体例にかかる制御された側壁堆積を示す。（図４Ａに対応する）図５Ａは、イオンミリング前のパターニングされた第１犠牲層４６および第２犠牲層４５を示す。（図４Ｂに対応する）図５Ｂは、２分間のイオンミリング後のパターニングされた第１犠牲層４６および第２犠牲層４５を示す。（図４Ｃに対応する）図５Ｃは、４分間のイオンミリング後のパターニングされた第１犠牲層４６および第２犠牲層４５を示す。

図６Ａは、イオンミリング時間の関数として、（ｎｍで表された柱４６の幅を表す）イオンミリング中の磁性／導電性材料の側壁堆積を表す。対応するエッチングされた柱４６と側壁堆積４８は、図６Ｂに、最適イオンミリングプロセスに近いものを示す。図６Ａは、２つのグラフを示す。グラフ６１は、柱４６の下部のレベルにおけるイオンミリング時間中の側壁堆積４８を有する柱４６の全幅を示す。グラフ６２は、柱４６の上部のレベルにおけるイオンミリング時間中の側壁堆積４８を有する柱４６の全幅を示す。所定の時間（示された具体例では２分間）、柱４６の側壁上に材料が再堆積し、傾斜したフット４７上には実質的に再堆積しないことがわかる。更に、（犠牲層の形状により）磁気デバイスの重要な場所での側壁堆積を避けるため、（２分間を超えないように設定された示された機器で）最適イオンミリング時間は超過すべきでないことが明らかである。

イオンビームミリングの後、絶縁層７０が構造上に適用されても良い。本発明の具体例では、絶縁層７０が酸化されても良い。図７は、磁気スタック４０のパターニングにより形成された磁気デバイスの周囲の絶縁（酸化）層と、その上の柱４６を形成するための、パターニングされた磁性層の上の酸化物を示す。

次の工程では、例えば絶縁層７０が、例えば機械的な平坦化工程を用いて平坦化される。絶縁層を平坦化するための１つの可能性は、例えばフライカッティングのようなカッティングである。代わりに具体例では、絶縁層７０の平坦化工程は、化が機機械研磨を用いて行われる。平坦化は、パターニングされた第１犠牲層４６の重要な部分が磁性構造上に残され、十分な絶縁材料７０がパターニングされた磁気スタック（デバイス）の側壁上に残るようでなければならない。それにもかかわらず、柱４６の犠牲材料を解放するために、十分な絶縁材料７０は、少なくともマスク４５がそれとともに除去されるように除去される必要がある。平坦化のための可能なプロセスウインドウ、例えばＣＭＰプロセスウインドウが、図７中に参照番号７１で示される。

図８Ａから図８Ｅは、磁気デバイスのコンタクトを行うために、酸化物堆積からのプロセス工程を示す。図８Ａは、図７に示された状態のデバイスを示す。平坦化工程後のデバイスの状態が、図８Ｂに示される。少なくともマスク４５が除去されて、柱４６の表面が解放される。

この後に、図８Ｃに示すように、柱４６中の第１犠牲材料の残った材料が選択的に除去される。本発明の具体例では、コンタクトホールを形成するために犠牲層４６を選択的に除去する工程は、選択的ドライエッチングを用いて行われる。例えば犠牲材料がＢＡＲＣ層の場合、柱４６から犠牲材料を除去するために、Ｏ_２およびＡｒ系プラズマを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）工程が用いられ、これによりコンタクトホール８０を形成する。しかしながら、選択的な除去プロセスは、使用される第１犠牲材料の型に依存し、これは、エッチングパラメータを選択された第１犠牲材料に合うように適用する必要があることを意味する。

この後に、図８Ｄに示すように、コンタクトホール８０が電気的な導電性材料８１で充填される。これは、例えば堆積により、絶縁層７０の残った部分の全体の上に電気的な導電性材料の層を形成し、同時にコンタクトホール８０を充填して行っても良い。電気的な導電性材料は金属でも良い。本発明の具体例では、コンタクトホール中と残った絶縁層の上に堆積するために使用された金属層が、ＡｕやＣｕのような良好な導電性を有する材料から選択されても良い。

上記記載では、単体の電気的に接続可能な磁気デバイスの製造を参照しながら、プロセスを説明した。同じプロセスが例えばそのようなデバイスのアレイのような複数のそのようなデバイスを同時に製造するために用いることができることは、当業者にとって明らかであろう。特別に接続可能な（互いに絶縁された）デバイスを形成するために、本発明の具体例では、電気的な導電性材料の層がパターニングされても良い。磁気デバイスと接続するために使用される例えば金属層のような、電気的な導電性層のパターニングは、標準的なリソグラフィパターニング、ドライエッチング、およびレジスト除去を用いて行われても良い。

図８Ｅは、リソグラフィパターニング、金属エッチング、およびレジスト除去後の最終デバイスを示す。

本発明の具体例にかかる方法は、例えばＭＲＡＭメモリ、スピントルク発振器、ハードディスク読取りヘッド、およびセンサ応用、更には、一般には小電流通電磁気デバイスが使用される磁気論理回路で使用するような磁気デバイスの製造に使用しても良い。

例として、実験中に使用される本発明の具体例にかかる方法のプロセス工程を、以下に示す。

第１工程では、熱酸化されたＳｉ−ＳｉＯ_２ウエハ上にＭＴＪスタックの堆積が行われる。以下のスタック：Ｔａ ３／ＣｕＮ ４０／Ｔａ ３／ＰｔＭｎ ２０／ＣｏＦｅ ２／Ｒｕ ０．８／ＣｏＦｅＢ ２／Ｍｇ １．３＋ｏｘ／ＣｏＦｅＢ ３／Ｔａ ８（数字はｎｍ表記の膜厚）が堆積される。

この後に、プロセス前の標準ウエハ洗浄が行われる。

次の工程で、光学リソグラフィとイオンビームエッチングの手段により下部コンタクトが形成され、デバイスが電気的に分離される。

この後に、例えば材料のスピニングとベーキングにより犠牲材料の第１層が形成され、例えば同様にスピニングとベーキングにより犠牲材料の第２層が形成される。双方の層は、重なるように形成される。犠牲層の第２層では、所望の形状が形成され、第１犠牲材料の層のパターニングのためのマスクを形成する。

マスクを形成して、犠牲材料の第１層のＲＩＥエッチングが、所望のアンダーカットと傾斜を有する柱を得るために行われる。実験では、所望の柱形状を得るためのパラメータは以下の通りである。５０秒間のＯ_２＋Ａｒ処理（ＲＦパワー３０Ｗ、ＩＣＰパワー１００Ｗ、Ａｒ１５ｓｃｃｍ、Ｏ_２１０ｓｃｃｍ、圧力２０Ｔｏｒｒ、２０℃、Ｈｅ背圧８Ｔｏｒｒ、オクスフォードプラズマラボエッチャー）。

この後に、イオンビームエッチングが行われ、ナノ柱が形成された。即ち、マスクが多層磁性スタックに転写された。

次に、デバイスが、例えば１１０ｎｍのＳｉＯ_２の堆積によりパッシベーションされた。

ＳｉＯ_２を研磨するためのＳＦ１研磨液を用いて、柱への上部コンタクトを解放するための研磨により、パッシベーション層がＣＭＰされる。

次に、光学リソグラフィとＲＩＥエッチングの手段により、ＳｉＯ_２中にバイアが形成され、（柱から「遠く（far）」離れた）下部コンタクトに接続する。

この後に、光学リソグラフィとスパッタ堆積の手段で、上部電極が形成された。

本発明にかかるデバイスについて、材料の同様に、特定の具体例、特定の構造および形状が検討されたが、形態や細部における多くの変化や変形が、添付された請求の範囲で定義される本発明の範囲から離れることなしに行えることが理解されるであろう。

明細書や請求の範囲で使用される成分、反応条件等の量を表す全ての番号は、「約（about）」の用語により全ての例で変形できるものと理解する。それゆえに、それと反対であると示されない限り、明細書や添付の請求の範囲に示された数字のパラメータは概数であり、本発明により得られると思われる所望の性質に依存して変化しても良い。控えめに言っても、特許請求の範囲への均等論の適用を制限するものではなく、それぞれの数値パラメータは、有効数字や通常の四捨五入法を参照して解釈されるべきである。

Claims (13)

1. 磁気スタック（４０）をパターニングし、電気的に接続する方法であって、
   磁性層（４１）と、下部導電性電極（４３）と、その反対側で磁性層サブスタックを電気的に接続する上部導電性電極（４４）とを含む磁性層サブスタックを含む磁気スタック（４０）を形成する工程と、
   磁気スタック（４０）の上に犠牲柱（４６）を形成する工程であって、犠牲柱（４６）は上に横たわる第２犠牲材料（４５）に対するアンダーカットと、磁気スタック（４１）に向かって断面寸法が大きくなる傾斜フット（４７）を有する工程と、
   犠牲柱（４６）を磁気スタック（４０）のパターニングのために使用する工程と、
   犠牲柱（４６）の周囲に絶縁層（７０）を堆積する工程と、
   第２犠牲材料（４５）のレベルの下に絶縁層（７０）を平坦化し、これにより犠牲柱（４６）の重要な部分を残し、続いて犠牲柱（４６）を選択的に除去し、これによりパターニングされた磁気スタックに向かってコンタクトホール（８０）を形成する工程と、
   コンタクトホール（８０）を電気的な導電性材料（８１）で埋める工程と、を含み、
   磁気スタック（４０）をパターニングするために犠牲柱を用いる工程が、
   上部導電性電極（４４）および磁性層（４１）を、イオンミリングによりパターニングして磁性柱を形成し、これにより、磁性材料（４８）の一部を、パターニングされた第１犠牲層（４６）の傾斜した側壁上に再堆積し、磁性層（４１）の上に再堆積しない工程である方法。
2. 傾斜したフット（４７）を有する犠牲柱（４６）を形成する工程が、
   第１犠牲層を形成する工程と、
   第１犠牲層の上に第２犠牲材料を形成する工程と、
   第２犠牲材料をパターニングする工程と、
   パターニングした第２犠牲材料（４５）をマスクに用いて第１犠牲層をパターニングし、これにより、磁気スタック（４０）から離れたパターニングされた第１犠牲層（４６）の部分が、マスク（４５）の幅より小さい幅を有し、磁気スタック（４０）に近いパターニングされた第１犠牲層（４６）の部分が、磁気スタック（４０）との界面においてマスクと実質的に等しい幅を有する傾斜した下部の部分（７０）を有するように、第１犠牲層中にアンダーカットを形成する工程と、を含む請求項１に記載の方法。
3. 更に、再堆積された磁性材料（４８）に囲まれた柱（４６）の周囲に絶縁層（７０）を堆積する工程を含む請求項１に記載の方法。
4. 更に、コンタクトホール（８０）を充填する導電性材料（８１）をパターニングする工程を含む請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 磁気スタック（４０）は、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎから選択される磁性層（４１）を形成する工程を含む請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 磁性スタック（４０）を形成する工程が、更に、絶縁層（４２）を形成する工程を含む請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 磁気スタックをパターニングする工程が、絶縁層（４２）の中で停止する請求項６に記載の方法。
8. 磁性スタック（４０）を形成する工程が、１またはそれ以上の以下に示す層：Ｔａ、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ、Ｒｕ、ＣｏＦｅ、ＩｎＭｎ、ＦｅＣｕＮ、およびＴａ層を含む多層磁性層を形成する工程を含む請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 磁気スタック（４０）を形成する工程が、１ｎｍから１０ｎｍの範囲の膜厚を有する磁性層（４１）を形成する工程を含む請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 犠牲柱を形成する工程が、１００ｎｍから５００ｎｍの高さを有する犠牲柱を形成する工程を含む請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 第１犠牲層をパターニングする工程が、パターニングされた第２犠牲材料の下にある上部でアンダーカットを達成し、下部に向かって傾斜した形状を達成するように調整された異方性の反応性イオンエッチングを用いる工程を含み、この調整は、反応性イオンプラズマの化学的組成に対する反応性イオンプラズマの指向性を注意深く最適化することで達成される請求項２に記載の方法。
12. 絶縁層（７０）を平坦化する工程が、化学機械研磨を用いる工程を含む請求項４〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 犠牲柱（４６）を選択的に除去してコンタクトホール（８０）を形成する工程が、選択的ドライエッチング工程を用いて行われる請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。