專利名稱：使用氣態(tài)轉(zhuǎn)變圖形化磁性薄膜的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及圖形化薄膜的方法和系統(tǒng)，更具體地涉及使用氣態(tài)轉(zhuǎn)變圖形化磁性薄膜的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在例如薄膜磁盤驅(qū)動器讀磁頭和磁性存儲器元件等的各種傳感器和器件中應(yīng)用的薄磁性膜的圖形化依賴于通過反應(yīng)離子蝕刻(RIE)、離子研磨和其它減去技術(shù)去除(例如物理去除)材料。
因此，這些方法使用材料的物理去除，以便勾畫出磁和電的區(qū)域。通常，要圖形化的區(qū)域?yàn)槲⒚谆騺單⒚壮叽?，并且往往對邊緣粗糙度敏感，外形和重新淀積的材料確定最終產(chǎn)品的質(zhì)量。
最近，實(shí)驗(yàn)(例如，參見W.H.Bruenger等人在1999年9月21-23日的25th Internaional Conference on Micro and Nano Engineering，Rome，Italy的“Ion Projection Lithography for Resistless Patterningof Thin Magnetic Films”和2000年6月的MicroelectronicsEngineering(Netherlands)Vol.53，No.1-4的第605-608頁以及B.D.Terris等人在2000年5月的Journal of Applied Physics(USA)，Volume 87，No.9 Pt.1-3的第7004-7006頁的“Patterning MagneticFilms by Ion Beam Irradiation”)已經(jīng)利用離子束圖形化(例如，通過破壞和注入)，而沒有材料的物理去除。具體地，這種方法使用氧注入技術(shù)。但是，在本發(fā)明之前，這種技術(shù)沒有用于磁性存儲器件中。
在磁性存儲器(MRAM)結(jié)構(gòu)的情況下，隧道結(jié)器件的上述圖形化對于實(shí)現(xiàn)最終的成功和產(chǎn)生高性能的產(chǎn)品是至關(guān)重要的。
最終產(chǎn)品的失敗主要是由于在存儲器芯片上的大約幾百萬個(gè)結(jié)中磁性翻轉(zhuǎn)特性的不一致性造成的。這種可變性是由于許多不同因素引起的，但其中最重要的一個(gè)是在圖形化工藝中。形狀上的總的差別導(dǎo)致磁性翻轉(zhuǎn)場(magnetic switching field)的變化。而且，已知邊緣粗糙度導(dǎo)致由于磁化的邊緣釘扎引起的變化。
最后，由于氧化引起邊緣的磁性硬化、邊緣變薄以及由于重新淀積材料引起的磁效應(yīng)都會影響磁性能。在使用材料去除的所有圖形化方法(例如，離子研磨、反應(yīng)離子蝕刻(RIE)等)中，這些方法中的至少一種會損壞圖形化區(qū)域的邊緣。
因此，離子束圖形化(針對離子研磨)提供顯著改善性能的希望，但是還沒有被證實(shí)。
但是，如上所述，雖然常規(guī)方法已經(jīng)嘗試用于氧化圖形化的氧注入，但是對于MRAM器件還沒有嘗試，也還沒有通過暴露在反應(yīng)等離子體中圖形化MRAM器件的任何嘗試，更不用說使用氟化了。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到傳統(tǒng)方法和結(jié)構(gòu)的上述和其它典型的問題、缺陷和不利之處，本發(fā)明的示例性特征是提供一種方法(和所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu))，其中進(jìn)行薄磁性膜的圖形化，而沒有所關(guān)心的磁性薄膜材料的物理去除。
本發(fā)明的另一個(gè)示例性特征是提供一種用于通過將磁性薄膜材料的選定部分轉(zhuǎn)變(例如，化學(xué)方式)為非磁性和/或絕緣狀態(tài)方法(和結(jié)構(gòu))。
本發(fā)明的再一個(gè)特征是提供一種在磁性膜的轉(zhuǎn)變中使用氟化的方法(和結(jié)構(gòu))。
在本發(fā)明的第一個(gè)示例性方案中，圖形化磁性薄膜的方法(和所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu))包括對磁性薄膜的一部分使用化學(xué)轉(zhuǎn)變，將該部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判缘暮碗娊^緣的。
在第二個(gè)示例性方案中，磁性薄膜包括圖形化的磁性隧道結(jié)(MTJ)和在圖形化的MTJ的第一和第二側(cè)面上形成的氟化的、非磁性的、電絕緣部件。
在第三個(gè)示例性方案中，磁性器件包括上述第二方案中的磁性薄膜和連接到圖形化的MTJ上的導(dǎo)電部件(例如，銅等金屬)。
采用本發(fā)明獨(dú)特的和不顯著的特征，通過將磁性薄膜的選擇部分暴露給反應(yīng)等離子體，可以進(jìn)行選擇性的低功率等離子體轉(zhuǎn)變，從而圖形化MRAM器件的磁性薄膜。
另外，對于本發(fā)明，不需要防護(hù)或重新淀積材料。因此，隧道結(jié)的頂層和底層不需要短接(shorting)。此外，形貌問題很小或沒有。


通過參考附圖對本發(fā)明的典型實(shí)施例的以下詳細(xì)介紹，將能更好地理解上述和其它示例性目的、方案和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1說明根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例要圖形化的結(jié)構(gòu)100；圖2A-2C說明根據(jù)本發(fā)明用于圖形化薄膜的方法200的處理步驟；圖3說明對應(yīng)于在圖2A-2C中示出的處理步驟的方法300的流程圖；以及圖4A-4B說明表示材料的磁滯回線的圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考附圖，更具體地參考圖1-4B，示出了根據(jù)本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)的優(yōu)選實(shí)施例。
示例性實(shí)施例現(xiàn)在參考圖1，將介紹本發(fā)明的示例性方法(和由該方法形成的結(jié)構(gòu))。具體地，將描述使用化學(xué)轉(zhuǎn)變將膜的不需要的部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判缘膱D形化磁性薄膜(例如，在示例性實(shí)施例中為坡莫合金)的方法。
圖1示出了具有襯底110的結(jié)構(gòu)100。襯底可以是任何合適的材料(例如，硅、SiO2、藍(lán)寶石等)。
在襯底110的表面(例如頂表面)上形成磁性膜120(例如，坡莫合金、鎳、鐵和鈷的合金，以及大量其它磁性合金材料中的任一種)。最好，薄膜120的厚度范圍在大約10到大約50的范圍內(nèi)，但是當(dāng)然本發(fā)明并不局限于這些厚度，并且具有可縮放性(scalability)，正如本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將本申請作為一個(gè)整體看待將知道的那樣。
在形成磁性膜120之后，掩模130放在磁性膜120的選擇部分上。隨后，磁性膜暴露在反應(yīng)等離子體140中。有利地，在較低的溫度(例如，在室溫下或接近室溫)下暴露在等離子體中。即，即使被等離子體在一定程度上自然加熱，本發(fā)明的方法也不需要加熱結(jié)構(gòu)中的襯底或任何其它材料。當(dāng)然，在轉(zhuǎn)變工藝中加熱也可以提供好處。
注意，在示例性實(shí)施例中的反應(yīng)等離子體中使用氟，但是也可以使用其它氣體和材料。
例如，可以使用含有諸如氬的其它氣體的各種碳氟化合物等離子體，以及六氟化硫等。
另外，含有預(yù)定的少量(例如，5-10％)溴化物的氣體可以加到氟基氣體(例如，NF3、CF4、SF6、CHF3等)中。對于等離子體的主要考慮是如上所述轉(zhuǎn)變下面的薄磁性膜，同時(shí)保持膜的附著性。
因此，本發(fā)明技術(shù)的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)為首先使用光刻技術(shù)，以常規(guī)方式在磁性薄膜樣品120的頂部上提供掩模130。在要保留的磁性薄膜區(qū)的頂部形成該掩模130，并且以依賴于光致抗蝕劑作為掩模材料120和/或包括類金剛石碳(DLC)、TiN、TaN或類似材料的硬掩模圖形化層的通常方式制成。在這種情況下，可以組合或依次進(jìn)行硬掩模開口和轉(zhuǎn)變。
不管為掩模130選擇的材料如何，保護(hù)掩模不受在隨后的等離子體暴露步驟中的等離子體的影響是重要的。
通過例如CF4等的低功率等離子體實(shí)現(xiàn)磁性膜120的暴露部分的轉(zhuǎn)變。對于本發(fā)明的目的，“低功率”的意思是不希望所用的功率明顯去掉材料。在選擇采用的壓力和功率下，將不會去掉磁性薄膜材料(例如，坡莫合金、NiFe等)，而是將磁性薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)楹哪ぁ?br> 所關(guān)心的氟化層的某些特性包括磁性不活潑的(即，非鐵磁性的)和電絕緣的。另外，氟化層牢固地附著在下面的襯底上。即，它不會被在制造工藝期間經(jīng)歷的應(yīng)力剝離。因此，從襯底上剝離、剝落或吹掉氟化層的風(fēng)險(xiǎn)被減到最小。
按已知的方式(例如，如通常所進(jìn)行的)進(jìn)行隨后的處理，制造功能磁性器件。在圖2A-2C中示出了這種結(jié)構(gòu)的例子。
即，圖2A(例如，示出了上述低功率等離子體暴露步驟的結(jié)果)說明具有磁性薄膜的襯底210的結(jié)構(gòu)200。
具體地，顯示出上面具有掩模230的圖形化的隧道結(jié)220。暴露在反應(yīng)等離子體(氟)中的磁性薄膜顯示為在圖形化的隧道結(jié)220任一側(cè)上的氟化的坡莫合金(Py)250。最好，在大約5mT到大約100mT的壓力范圍內(nèi)進(jìn)行低功率等離子體暴露，更優(yōu)選大約10mT到大約30mT，最優(yōu)選大約20mTorr。注意，最優(yōu)選的功率對工具是特定的，但是最大功率為大約200W。
圖2B(例如，示出了鈍化步驟的結(jié)果)說明具有在氟化的Py 250和掩模上形成的絕緣層(例如，SiO2等氧化物、SiN，SiC，SiLK(例如，在半導(dǎo)體器件的絕緣層中使用低介電常數(shù)的介質(zhì)樹脂聚合物，由DowChemical Corporation制造)等氮化物等；僅僅為了示例性的目的，下面將介紹SiO2，并且在圖2B中示出)的結(jié)構(gòu)200，然后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平面化掩模和SiO2等的上表面。
圖2C(例如，示出了形成接觸的結(jié)果)說明通過選擇性蝕刻等去掉掩模230的結(jié)構(gòu)200，并且在絕緣層260和曾經(jīng)是掩模230的區(qū)域(例如，過孔或栓塞)上形成導(dǎo)電材料(例如，金屬、多晶硅等；銅、鎢和鋁，最優(yōu)選銅)。由此，完成器件。
關(guān)于上述層的優(yōu)選厚度，掩模的厚度優(yōu)選為大約200到1500，金屬的厚度優(yōu)選為大約1000到4000。
圖3說明對應(yīng)于圖2A-2C所示的處理步驟的方法300的流程圖。
具體地，在步驟310中，提供其上形成磁性薄膜的襯底。
在步驟320中，在磁性薄膜的選擇部分上形成掩模。
在步驟330中，磁性膜暴露在反應(yīng)等離子體(例如，氟等)中，從而將暴露在反應(yīng)等離子體中的磁性膜(例如，NiFe膜等)的暴露部分轉(zhuǎn)變?yōu)楹哪?。含氟的膜是無磁性的和電絕緣的。
在步驟340中，形成功能磁性器件(例如，在步驟330中形成的結(jié)構(gòu)的頂部形成接觸)。
對于本發(fā)明，提供一種方法(和得到的結(jié)構(gòu))，其中實(shí)現(xiàn)100％的磁矩減小。因此，本發(fā)明可以將磁矩減小到0。
圖4A和4B說明在亞微米級完成的根據(jù)本發(fā)明的材料的磁性圖形化中的磁滯現(xiàn)象。即，良好的翻轉(zhuǎn)行為表示良好的圖形化。在圖4B中示出了原始數(shù)據(jù)，對應(yīng)于亞微米尺寸器件的氟圖形化陣列(Fluorine-patterned array)的磁滯回線。水平軸是以O(shè)e為單位的外加磁場H。垂直軸以emu為單位，表示總樣品的磁矩的測量值M(該樣品具有幾平方毫米的面積)。圖4A中的數(shù)據(jù)中是原始數(shù)據(jù)的數(shù)值微分，用于給出翻轉(zhuǎn)場并對于兩個(gè)轉(zhuǎn)變而展開(左至右，右到左)。在圖4A中水平軸是以O(shè)e為單位的外加磁場H，垂直軸表示總樣品的磁矩對外加磁場H的微分dM/dH，單位任意或與Oe/emu成比例。
因此，對于本發(fā)明，該材料表現(xiàn)出圖4A和4B中的磁滯回線，通過磁矩的幅度和較大的翻轉(zhuǎn)場表示在亞微米級上實(shí)現(xiàn)了磁性圖形化。
仔細(xì)觀察圖4A和4B，來自磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)據(jù)說明在磁滯回線上存在顯著的翻轉(zhuǎn)場，從而表示隔離的磁性點(diǎn)。此外，電測量顯示樣品是絕緣的，預(yù)期的結(jié)果給出未保護(hù)的坡莫合金膜如上所述轉(zhuǎn)變?yōu)榉癄顟B(tài)。
另外，原子力顯微鏡(AFM)圖像顯示表面(例如，除保留硬掩模材料之外的表面)是平坦的，所以圖形化沒有包括材料的實(shí)際去除，而是從原來的坡莫合金轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣的和非磁性的材料。
因此，對于本發(fā)明獨(dú)特的和不明顯的特征，由于以下的考慮提供了在當(dāng)前處理方法中的顯著改善。即，對于本發(fā)明，磁性隧道結(jié)的邊緣沒有暴露在氧中。
另外，與RIE或離子研磨的情況相比，本發(fā)明更銳利地勾畫出邊緣。邊緣的平滑度最主要的是由光致抗蝕劑線邊緣的粗糙度確定，而不是工藝本身。
此外，在圖形化之后有很小的形貌，所以可以簡化隨后的制造。
雖然根據(jù)幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，本發(fā)明可以在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行修改來實(shí)施。
此外，應(yīng)注意申請人試圖覆蓋所有權(quán)利要求要素的等效物，即使在隨后的訴訟期間進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
1.一種圖形化磁性薄膜的方法，包括對磁性薄膜的一部分使用化學(xué)轉(zhuǎn)變，將所述部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判缘暮碗娊^緣的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括使用光刻工藝在要保留的磁性薄膜的所述部分上提供掩模。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，還包括通過反應(yīng)等離子體轉(zhuǎn)變所述磁性薄膜的所述部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述使用所述化學(xué)轉(zhuǎn)變包括使用氟基反應(yīng)等離子體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述氟基反應(yīng)等離子體包括NF3、CF4、SF6、CHF3中的任一個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中在所述轉(zhuǎn)變中使用的壓力在大約10mT到大約30mT的范圍內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述磁性薄膜的所述部分包括坡莫合金以及鎳、鐵和鈷合金中的任一個(gè)，并且所述轉(zhuǎn)變包括將所述坡莫合金以及鎳、鐵和鈷合金中的任一個(gè)轉(zhuǎn)變?yōu)楹哪ぁ?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述含氟的膜是非鐵磁性的。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述含氟的膜是非磁性的。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中所述含氟的膜是電絕緣的。
11.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述掩模包括光致抗蝕劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述掩模包括由類金剛石碳、TiN和TaN之一構(gòu)成的硬掩模圖形化層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括制造功能磁性器件。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在室溫下進(jìn)行所述化學(xué)轉(zhuǎn)變。
15.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述反應(yīng)等離子體包括碳氟化合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述反應(yīng)等離子體包括氬。
17.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述反應(yīng)等離子體包括六氟化硫。
18.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述反應(yīng)等離子體包括溴化物。
19.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中對所述等離子體濺射選擇性地采用壓力，使得磁性薄膜材料基本不被腐蝕。
20.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，還包括在所述磁性薄膜的轉(zhuǎn)變部分和所述掩模上形成絕緣膜；以及蝕刻所述絕緣膜和所述掩模，平面化掩模和絕緣層的上表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，還包括選擇性地蝕刻所述掩模；以及在絕緣層和選擇性蝕刻掩模的區(qū)域上形成導(dǎo)電材料。
22.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述掩模包括絕緣硬掩模，所述方法還包括在所述轉(zhuǎn)變之后，選擇性地蝕刻所述絕緣硬掩模，圖形化所述絕緣硬掩模。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括在蝕刻絕緣硬掩模的區(qū)域上形成導(dǎo)電材料。
24.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述反應(yīng)等離子體包括O2和含氟的氣體。
25.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述磁性薄膜包括磁性隧道結(jié)，并且其中在所述轉(zhuǎn)變所述部分之后，磁性隧道結(jié)的邊緣沒有暴露在氧中。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中磁性隧道結(jié)的邊緣平滑度由掩模的線邊緣粗糙度確定。
27.一種磁性薄膜，包括由氟化的、非磁性的、電絕緣材料構(gòu)成的周圍區(qū)域定義的磁性隧道結(jié)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的磁性薄膜，其中所述氟化的、非磁性的、電絕緣材料包括氟化的坡莫合金材料以及鎳、鐵和鈷的任一種的氟化合金材料中的一種。
29.一種磁性器件，包括權(quán)利要求27的磁性薄膜；以及連接到所述磁性隧道結(jié)的導(dǎo)電部件。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的磁性器件，其中所述氟化的、非磁性的、電絕緣材料包括氟化的坡莫合金材料以及鎳、鐵和鈷的任一種的氟化合金材料中的一種。
31.根據(jù)權(quán)利要求29的磁性器件，還包括在氟化的、非磁性的、電絕緣材料上形成的絕緣層。
全文摘要
一種圖形化磁性薄膜的方法，包括對磁性薄膜的一部分使用化學(xué)轉(zhuǎn)變，將該部分轉(zhuǎn)變?yōu)榉谴判缘暮碗娊^緣的，以及所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。
文檔編號C23F4/00GK1606107SQ200410056328
公開日2005年4月13日 申請日期2004年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月8日
發(fā)明者戴維·威廉·亞伯拉罕, 尤金·約翰·歐蘇利瓦 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司