TW201115803A - Process and apparatus for fabricating magnetic device - Google Patents

Description

201115803 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種製造磁性裝置之方法，該方法包括乾 蝕刻方法。更具體言之’本發明係關於用於磁性材料在下 文中’磁性材料'一詞係用於鐵磁性及反鐵磁性材料，諸 如 FeNi、CoFe、FeMn、CoPt、CoFeB、PtMn、及 lrMn 之 薄膜或堆疊薄膜之微處理的乾蝕刻方法。 【先前技術】 使用磁性材料之隨機存取記憶體，如MR AM (磁性隨 機存取記憶體）及STRAM (自旋轉移隨機存取記憶體） ’因爲用作記憶體時具有與DRAM相同等級之高整合密度 以及和S RAM相同等級之高速性能而且不具揮發性且可無 限制重寫而受到注目。同樣地，構成磁阻裝置如G M R (巨 磁阻）及TMR (穿隧性磁阻）之薄膜磁頭、磁感應器及類 似物也已快速開發。 到目前爲止，離子硏磨方法經常用作磁性材料的蝕刻 方法。然而，因離子硏磨方法係爲物理噴濺蝕刻方法，故 難以選擇性地蝕刻不同材料。離子硏磨也有蝕刻後輪廓會 具有錐形或似裙緣形狀的問題。所以，離子硏磨方法不適 合特別是用於製造需要精細處理技術的具有大容量之 MR AM。此外，離子硏磨難以高均勻性處理3 00公釐大面 積的基板’所以在現有環境下難以提高產量。 很多已在半導體工業中孕育之技術正開始引進以替代 -5- 201115803 此類離子硏磨方法》在這些技術中，蝕刻製程有積極的發 展，該等蝕刻製程有的是使用以nh3 + co爲基礎之氣體， 此氣體可有效地處理鐵磁性材料而不會形成後-腐蝕（日 本專利公開申請案第H8-25388 1號），有的是使用CH3OH 氣體（日本專利公開申請案第2005-42143號）。然而，使 用這些反應物氣體的蝕刻製程在磁性材料之已處理表面上 會引起氧化反應，因此在該磁性材料處理後會產生磁性惡 化的問題。 習知的MR AM裝置或TMR感應器裝置具有相當大的接 面面積，使得在磁性材料上因已處理表面之氧化而致的受 損層不會對磁性有很大的影響。然而，當接面面積變得較 小時’因該處理表面上所形成之氧化層（受損層）而致的 影響就不能忽視。當微處理在未來更加進步時，此一問題 將更加對磁性有重要影響，而可能無法獲得正常裝置特性 【發明內容】 本發明之目標係提供一種製造磁性裝置之方法，其係 使用可減低會使磁性惡化的蝕刻損害之乾蝕刻方法，該蝕 刻方法係藉由使用不會氧化磁性材料之已處理表面的氣體 ，在蝕刻該磁性材料時，係使用非有機材料作爲遮罩材料 :以及提供用於此方法之設備。 爲了達成上述目標，本發明提出一種使用碳氫化物氣 體與惰性氣體之混合氣體及由非有機材料製成之遮罩來蝕 -6- 201115803 刻磁性材料的乾蝕刻方法。上述蝕刻氣體之實例爲乙烯（ c2H4)氣體與氮氣（n2)之混合氣體。 由非有機材料製成之遮罩可使用由Ta、Ti、A1、及Si 之任一者之單一膜或堆疊膜所製成的遮罩材料，或由Ta、

Ti、A1、及Si中任一者之氧化物或氮化物的單一膜或堆疊 膜所製成之遮罩材料。遮罩材料可使用例如由單一元素Ta 、Ti、A1、及Si中之任一者所製成的單一膜或堆疊膜。遮 罩材料也可使用由Ta氧化物、Ti氧化物、A1氧化物（如

Al2〇3) 、Si氧化物（如 Si02) 、TaN、TiN、AIN、SiN 及 類似物（它們係爲Ta、Ti、A1及Si中任一者之氧化物或氮 化物）所製成的單一膜或堆疊膜。該遮罩材料也可使用單 一元素膜、氧化物膜、及/或氮化物膜之任何組合的堆疊 〇 在本發明所採用之上述乾蝕刻方法中，係在磁性材料 的溫度較理想地維持在250 °C或更低的範圍內時蝕刻該磁 性材料。此乃爲了預防極薄之磁性薄膜免於不必要的熱損 害。更佳的溫度在20至100 °C範i內。在本發明所採用之 上述乾蝕刻方法中，該磁性材料較理想地係在0.005Pa至 10Pa範圍的真空中蝕刻。此壓力範圍可以優異的各向異性 處理該磁性材料。在根據本發明之上述乾蝕刻方法中，可 將一或多種惰性氣體加到蝕刻氣體中作爲添加劑氣體。較 理想的是加入範圍在〇體積％或更多但95體積％或更少的惰 性氣體。本文中所定義的該（等）惰性氣體包括氮氣以及 諸如He ' Ar、Ne、Xe、及Kr之稀有氣體。 201115803 當使用本發明所採用之乾蝕刻方法及由非有機材料製 成之遮罩來蝕刻磁性材料時，便可排除後-腐蝕處理之需 求’而且蝕刻設備的耐腐蝕性也不需要特別考慮❶ 再者，根據本發明之乾蝕刻方法可藉由在蝕刻過程期 間抑制該已處理之表面的氧化，而減低使用由非有機材料 製成之遮罩來蝕刻磁性材料時所發生且會導致磁性惡化的 蝕刻損害。 因此，本發明可提供一種有用於微處理鐵磁性薄膜之 乾蝕刻方法，該鐵磁性薄膜係由以Fe-Ni-爲基礎之合金、 以Co-Fe-爲基礎之合金、以Fe-Mn-爲基礎之合金、以Copt-爲基礎 之合金 、以 Ni-Fe-Cr-爲基礎 之合金 、以 Co_Cr_ 爲基礎之合金、以Co-Pt-爲基礎之合金、以Co-Cr-Pt-爲基 礎之合金、以Co-Pd -爲基礎之合金、及以Co-Fe-B -爲基礎 之合金的單一膜或堆疊膜所製成。 【實施方式】 根據本發明之範例性具體實施例係使用如圖1所示之 裝配有ICP (感應耦合電漿）來源的蝕刻設備。在本發明 之設備中，如圖2A至圖2C所示之MTJ裝置係使用蝕刻氣體 (其爲乙烯（C2H4)氣體與氮氣（N2)之混合氣體）及Ta 遮罩而加以蝕刻。 圖2A至圖2C說明一種MTJ (磁穿隧接面）裝置之基本 結構的實例。其中係將具有圖2A所示之結構狀態的MTJ裝 置導入蝕刻設備中。在圖2A中該結構係藉由將Ta層69堆 201115803 疊在Si基材S上而特定地形成；在其上面有由PtMn製得之 反鐵磁性層68，由三層CoFe/Ru/CoFe製得之磁性固定層（ magnetic pinned layer) 67，由氧化鎂、氧化銘或類似物 製得之絕緣層66，及由NiFe/Ru/NiFe製得之磁性自由層65 ;以及由Ru製得之上部電極層64，作爲金屬遮罩層之Ta 層63，抗反射層（BARC層）62，及形成於其上之光阻層 (PR層）61，以使其具有預定之圖案[圖2A]。該MTJ裝置 之膜結構及材料並不侷限於圖2A中所說明者，且可包括 TMR膜，此膜至少由絕緣層及在其兩側上所形成之鐵磁層 所構成。例如，構成磁性自由層及磁性固定層之鐵磁層除 了上述之NiFe及CoFe外，還可爲以Fe-Ni-爲基礎之合金、 以Co-Fe-爲基礎之合金、以Fe-Mn-爲基礎之合金、以Co-Pt-爲基礎之合金、以Ni-Fe-Cr-爲基礎之合金、以Co-Cr-爲基礎之合金、以Co-Pt-爲基礎之合金、以Co-Cr-Pt-爲基 礎之合金、以Co-Pd-爲基礎之合金及以Co-Fe-B-爲基礎之 合金的單一膜或堆疊膜。 具有圖2A所示結構之MTJ裝置係藉由使用CF4氣體及 作爲遮罩之光阻（PR)層61來蝕刻Ta層63而進行處理， 使得具有圖2B所示之預定圖案。此程序係具體依下述方式 進行。 圖1所示之真空容器2的內部係經由排氣系統2 1來排氣 ’並在下列步驟之後使用溫度控制機制4 1來維持在預定溫 度下：打開未示出之閘閥；將晶圓9傳送至真空容器2內， 該晶圓9爲具有如圖2A所示結構之MTJ裝置並具有堆疊於 201115803 其上之TMR膜；以及使基材固定器4固定住晶圓9。隨後， 操作氣體導入裝置3，並在預定之流速下經由球管33、流 速控制器34及導管32將蝕刻氣體（CF4)從裝滿CF4 (圖1 中未示出）之鋼瓶31導入真空容器2。管路21爲排氣系統 。導入之蝕刻氣體係通過真空容器2而發散到介電壁容器 1 1內。在此操作電漿來源1。該電漿來源1係由下列構成： 介電壁容器1 1，其係以密封方式連接到真空容器2，使得 內部空間互相連通；一個線匝之天線1 2，其係用來在介電 壁容器Η中產生感應場；用於電漿之高頻電源13，其係經 由傳輸線1 5及未示出之匹配箱與天線1 2連接，並產生供應 至天線12的高頻功率（電源功率）：及電磁體14，其係用 來在介電壁容器11發中產生預定之磁場。當高頻功率（其 已藉由用於電漿之高頻電源1 3所產生）已經由傳輸線1 5供 應到天線1 2時，電流會在該一個線匝之天線1 2中流通。結 果，電漿便在介電壁容器1 1之內部形成。將大量用於側壁 之磁鐵22排列在真空容器2側壁的外圍，使得該等磁鐵在 與真空容器2之側壁相對的面上具有與各相鄰磁鐵不同的 磁極。藉此，沿著真空容器2之側壁內面的外圍方向上連 續形成尖點磁場，而防止電漿發散到真空容器2之側壁內 面。此時，同時操作用於偏壓之高頻電源5，且施加自偏 壓（其係一種形成負直流電的電壓）至待蝕刻目標物晶圓 9 ’並控制來自電漿而入射於晶圓9之表面上的離子能量。 已依上述方式所形成之電漿係自介電壁容器11發散到真空 容器2內，並到達晶圓9表面附近。此時，晶圓9之表面即 -10- 201115803 被蝕刻。 舉例而言，上述用於形成Ta層63之蝕刻製程係在下列 條件下使用CF4及PR層61來進行。

蝕刻氣體（CF4)之流速：50 seem 電源功率：500W 偏壓功率：70 W 真空容器2中之壓力：0.8 Pa 基材固定器4中之溫度：40 °C 隨後，包括TMR膜之層64至6 9係藉由使用碳氫化物氣 體與惰性氣體之混合氣體作爲蝕刻氣體，並使用已在上述 程序中所形成之Ta層63作爲遮罩而加以蝕刻，且經處理以 具有如圖2C所示之預定圖案。此程序亦爲使用如圖1所示 之裝配有ICP電漿來源的蝕刻設備來進行，但將在上述程 序中之CF4氣體導入系統藉由未示出之氣體轉換機制而轉 換爲未示出之氣體導入系統。將碳氫化物氣體與不會氧化 磁性材料之惰性氣體之混合氣體經由流速控制器在預定流 速下導入真空容器2，並依類似於上述程序之方式進行蝕 刻。依此獲得MTJ裝置。 可使用之碳氫化物氣體包括：烯烴，如乙烯（C2H4) 及丙烯（C3H6 ):烷烴，如乙烷、丙烷及丁烷；炔類如乙 炔，芳烴如苯，胺類如甲胺，及腈類如乙腈。可使用之惰 性氣體（下文中有時會稱爲“添加劑氣體”）包括例如N2 氣體及He、Ar、Ne、Xe、Kr之氣體及類似物。該等氣體 可單獨使用或以混合物形式使用。較理想的是使用氮氣作 -11 - 201115803 爲惰性氣體，因爲晶圓上之有機材料的數量可予適當控制 。導入真空容器內以進行乾蝕刻之氣體不包含氧及鹵素。 本發明之製造磁性裝置的方法主要係利用將氣體離子 提取到待處理物件上的技術，及將源自於碳氫化物氣體之 碳化合物沉積在待處理表面上的反應，來選擇性地蝕刻該 等層。換言之，當碳化合物沉積在難以物理-噴濺的遮罩 層時，該遮罩層轉變爲更難以蝕刻的平面，而在遮罩層與 磁性層之間產生蝕刻速率的差異。藉此，可選擇性地蝕刻 各層，且根據本發明之方法可將這些層處理成預定之形狀 ，而不會引起因氧化作用及類似者所致之裝置惡化。因此 ，添加劑氣體之最適當添加量取決於各別添加劑氣體之類 型而變化，但一般而言，當該添加劑氣體係以該蝕刻氣體 總量計〇體積％或更多但95體積％或更少的範圍添加時，該 混合物便爲可用的。另一方面，若該添加劑氣體之量超過 9 5體積％，則在遮罩層與磁性層之間的蝕刻速率之差異會 變小，這將降低蝕刻之選擇性。 上文說明了根據本發明之較佳具體實施例。然而，本 發明並不受限於上述之具體實施例，而是也可在申請專利 範圍所涵括之技術範圍內予以修改爲各種形式。 例如，蝕刻設備並不侷限於圖1所示之具有一個線匝 之天線的ICP-形式電漿設備，而是也可使用所謂高密度電 漿來源之螺旋型電漿設備、雙頻激發平行板型電漿設備、 微波型電漿設備及類似物。本發明也可應用於RIBE (反 應性離子束蝕刻）。本發明亦不受限於TMR裝置，而是也 -12- 201115803 可應用於GMR裝置。本發明也可用於製造磁感應器裝置。 此外，本發明可用於蝕刻具有一或多層磁性層之任何裝置 〇 對根據本發明之上述乙烯（c2H4)與氮氣（N2)的蝕 刻氣體進行電漿發射光譜分析。也同樣對習知技藝中所用 之甲醇（ch3oh )蝕刻氣體進行電漿發射光譜分析，並比 較結果。 (根據本發明之蝕刻氣體的電漿發射光譜分析） 蝕刻氣體之乙烯（c2H4)與氮氣（n2 )的流速：18 sccm/12 seem 電源功率：1，8 0 0 W 偏壓功率：1,600 W 真空容器2中之壓力：1.0 Pa (CH3 OH蝕刻氣體的電漿發射光譜分析） 蝕刻氣體（CH3OH氣體）的流速：15 seem 電源功率：1，500 W 偏壓功率：1，3 00 W 真空容器2中之壓力：0·4 Pa 比較結果示於圖3A及圖3B中。圖3B之電漿光譜係經 由CH3OH氣體的電漿發射光譜分析而得，其顯示促進氧化 作用之〇、OH及類似物的存在。這些基團被認爲是經由 CH3OH之分解作用而形成。另一方面，在圖3A中之C2H4 -13- 201115803 與N2氣體的電漿發射光譜中，有許多CH、CN及N之波峰 出現，但〇及OH之波峰則沒出現。因此發現，在使用C2H4 與N2氣體之電漿進行磁性材料之蝕刻處理期間，會氧化待 處理之表面的反應性物種並未形成。 對已使用本發明乾飩刻方法來蝕刻裝置的情況以及已 使用以CH3OH爲基礎之氣體來蝕刻裝置的情況，進行蝕刻 特徵的比較及檢視。 使用圖1所示之設備來蝕刻圖2所示之MTJ裝置，並比 較蝕刻特徵。 比較試驗程序中的條件各別如下所述。 (本發明方法） 蝕刻氣體之乙烯（C2H4 )與氮氣（N2 )的流速：21 sccm/9 seem

電源功率：1，8 0 0 W 偏壓功率：1，600 W 真空容器2中之壓力：1.0 Pa 基材固定器4中之溫度：40°C (比較實施例） 蝕刻氣體（CH3OH氣體）的流速：15 seem 電源功率：1，5 0 0 W 偏壓功率：1，300 W 真空容器2中之壓力：〇·4 Pa -14- 201115803 基材固定器4中之溫度：4(TC 此比較試驗之結果總結於下表中。 [表1] 表1 :飩刻特徵之比較表 c2h4+n2 CH3OH NiFefi 刻速率[nm/min] 44.6 48.6 NiFe/Ta選擇性 11 12.6 MTJ錐角 84 80 關於N i F e之蝕刻速率、該蝕刻速率之平面內均勻性及 NiFe對Ta遮罩之選擇性，根據本發明之乙烯（C2H4 )與氮 氣（N2 )的蝕刻特徵顯示和甲醇（CH3OH )之蝕刻特徵約 略相等的數値。至於MTJ裝置之蝕刻形狀，相較於使用甲 醇（CH3OH )之蝕刻程序，使用本發明之乙烯（C2H4 )與 氮氣（N2 )的蝕刻程序提供更爲垂直的MTJ錐角》這顯示 本發明蝕刻程序在MTJ裝置之尺寸隨著未來裝置小型化的 趨勢而變得更小的情況中是很有效用的。 圖4係顯示已使用本發明之乙烯（C2H4 )與氮氣（N2 )的蝕刻程序所獲得之MTJ裝置形狀的SEM影像，左圖係 從上方傾斜觀看之影像，右圖是切斷面影像。該蝕刻程序 並沒有引起側壁上之再沉積，也沒有在已蝕刻表面上形成 殘留物，並且提供足夠的蝕刻形狀。再者，該MTJ裝置即 使在蝕刻處理後也沒有引起腐蝕。 爲了檢測使用各種添加劑惰性氣體時之添加量下限而 -15- 201115803 進行試驗。現已發現添加劑氣體之下限係取決於其他程序 條件，如乙烯氣體流量、室壓力、電源功率、偏壓功率及 其他者。在某些情況中，蝕刻可在不使用任何添加劑氣體 下進行。再者，使用另外的碳氫化物氣體時，對該添加劑 氣體會有不同的下限。 也對使用根據本發明之乙烯（c2H4)與氮氣（N2 )的 蝕刻程序檢測NiFe膜因蝕刻程序而致之磁化損失，並與 (：Η3ΟΗ@ f乍t匕◎。糸吉m胃王見，$ $辛刀01 ( $ _亥IJ )才目· ，經過本發明之乙烯（C2H4 )與氮氣（Ν2 )程序後的磁化 變化遠比經過CH3OH程序後的變化小很多。 再者，已觀察到，根據本發明之乙烯（C2H4 )與氮氣 (N2 )程序也可蝕刻非磁性之材料。實例包括-氧化物如 Si02、AI2O3、MgO、Nb2〇5、Zr02、NiO、PrCaMnO、摻 雜 Cr 之 SrZr03、摻雜 V 之 SrZr03、PbZrTi03、CuO、LaNiO 、HfOx、BiOx、及類似物；單一元素材料如Si、Ru、Cu 、Fe、Cr、Ni、Pt、Au、Ir、Os、Re及類似物；合金材料 如Cu-N合金、Pt-Mn合金、Ir-Mn合金' Ni-Fe-Cr合金、 Ni-Cr合金、及類似物。所以，本發明也關於蝕刻由非磁 性及/或磁性材料所組成之單層膜或堆疊膜。例如，本發 明所揭示之方法可應用在圖案化磁性記錄媒體（例如， BPM (位元規則媒體）、DTM (離散磁軌媒體））及類似 物的技術中。 【圖式簡單說明】 -16- 201115803 圖1係可用於根據本發明之方法中的蝕刻設備的示意 性方塊圖。 圖2A係說明尙未蝕刻之本發明磁穿隧接面（MTJ )裝 置結構之範例性具體實施例的視圖。 圖2B係Ta遮罩已在圖2A之結構上形成的視圖。 圖2C係說明MTJ裝置之範例性具體實施例的視圖，該 裝置係經由根據本發明之蝕刻處理使用圖2B之Ta遮罩而 製造。 圖3 A係在根據本發明之氣體中引起放電時的發射光 譜分析圖。 圖3 B係在CH3OH氣體中引起放電時的發射光譜分析圖 〇 圖4係已使用本發明之方法加以處理的MTJ裝置之 SEM影像。 【主要元件符號說明】 6 1 :光阻層 62 :抗反射層 63 : Ta層（金屬遮罩層） 64 :上部電極層 65 :磁性自由層 66 :絕緣層 6 7 :磁性固定層 68 :反鐵磁性層 -17- 201115803 69 ： Ta層 S : Si基材 1 :電漿來源 2 :真空容器 3 :氣體導入裝置 4 :基材固定器 5:用於偏壓之高頻電源 9 ·晶圓 1 1 :介電壁容器 1 2 :天線 1 3 :高頻電源 14 :電磁體 1 5 :傳輸線 2 1 :排氣系統 2 2 :磁鐵 3 1 :鋼瓶 3 3 :球管 3 4 :流速控制器 4 1 :溫度控制機制 32 :導管 -18-

Claims (1)

1. 201115803 七、申請專利範圍： 1·一種製造磁性裝置之方法，其包含： 製備包括至少一種磁性層或抗磁性層之結構物；及 使用非有機材料之遮罩藉由烴氣體與惰性氣體之混合 氣體的電漿處理該結構物而乾蝕刻該磁性層或抗磁性層。 2.如申請專利範圍第1項之方法，其中該烴氣體包含 烯、炔、芳烴、胺、或腈氣體或彼等之混合物。 3 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該惰性氣體包 括氮氣’或He、Ne、Ar、Kr之氣體，或類似物。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該混合氣體包 括乙烯氣體及氮氣。 5. 如申請專利範圍第〗項之方法，其中該遮罩爲單層 或多層，且包含Ta、Ti、A1或Si，或Ta、Ti、AI或Si之氧 化物，或Ta、Ti、A1或Si之氮化物。 6 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該混合氣體包 括以該混合氣體總體積計〇體積％至95體積％的惰性氣體 〇 7.—種製造磁性裝置之設備，其包含： 用於在基材上形成磁性層或抗磁性層的膜形成單元； 及 乾蝕刻單元，其包含配有室之電漿產生裝置、位於該 室內之基材固定器、將氣體導入該室之氣體導入裝置、產 生氣體電漿之電漿產生裝置、自氣體電漿提取離子並將該 等提取之離子導引至基材固定器的偏壓施加裝置、及控制 -19- 201115803 器， 其中該控制器係控制該乾蝕刻單元以藉由該氣體導入 裝置將烴氣體與惰性氣體之混合氣體導入該室，經由該電 漿產生裝置產生該導入之氣體的電漿，及自此氣體電漿提 取惰性離子並將該提取之惰性氣體導引至該基材固定裝置 -20-