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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-10-24
(45)【発行日】2024-11-01
(54)【発明の名称】ＭＲＡＭ応用のための構造を形成する方法
(51)【国際特許分類】
H10B 61/00 20230101AFI20241025BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20241025BHJP
H10N 50/20 20230101ALI20241025BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20241025BHJP
【ＦＩ】
H10B61/00
H10N50/10 Z
H10N50/20
H01L29/82 Z
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2021526558
(86)(22)【出願日】2019-10-17
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-18
(86)【国際出願番号】 US2019056818
(87)【国際公開番号】W WO2020106387
(87)【国際公開日】2020-05-28
【審査請求日】2022-09-26
(31)【優先権主張番号】16/195,313
(32)【優先日】2018-11-19
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】390040660
【氏名又は名称】アプライド マテリアルズ インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＡＰＰＬＩＥＤ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＥＤ
【住所又は居所原語表記】３０５０ Ｂｏｗｅｒｓ Ａｖｅｎｕｅ Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ ＣＡ ９５０５４ Ｕ．Ｓ．Ａ．
(74)【代理人】
【識別番号】110002077
【氏名又は名称】園田・小林弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】ツェン， シンウェイ
(72)【発明者】
【氏名】パク， チャンド
(72)【発明者】
【氏名】アン， ジェス
(72)【発明者】
【氏名】シュエ， リン
(72)【発明者】
【氏名】パカラ， マヘンドラ
【審査官】渡邊 佑紀
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－１１２３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０９０７３３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２２５４２３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０２７９０４０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３５１７９２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／００６１４６７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１５１２１０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／０１１４３５（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｂ ６１／００
Ｈ１０Ｎ ５０／１０
Ｈ１０Ｎ ５０／２０
Ｈ０１Ｌ ２９／８２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
相互接続構造において、基板上に配置された少なくとも３つの磁気トンネル接合構造であって、当該少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のそれぞれが、
第１の強磁性層と、
第１の下部相互接続構造の上方に配置された第２の強磁性層と、ここで前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層はトンネルバリア層を挟み、
前記第１の強磁性層上に配置されたハードマスク層と
を含む、磁気トンネル接合構造、
前記ハードマスク層の上面に接触して当該上面上に配置された最底面を有する、導電性のスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層、及び
前記ＳＯＴ層上に配置された２つ以上のバックエンド構造
を含み、前記２つ以上のバックエンド構造の数は前記少なくとも３つの磁気トンネル接合構造の数より少ない、相互接続構造。
【請求項2】
前記ハードマスク層が、前記ＳＯＴ層と同じ材料から形成される、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項3】
前記ハードマスク層の材料が、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、ＣｕＢｉ、Ｍｏ、及びＲｕである、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項4】
前記２つ以上のバックエンド構造のうちの少なくとも１つがデュアルダマシン構造である、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項5】
前記第１の下部相互接続構造が前記少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のそれぞれの下に形成されている、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項6】
前記ＳＯＴ層が、前記少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のそれぞれを介して前記２つ以上のバックエンド構造のうちの少なくとも１つを前記第１の下部相互接続構造に接続する、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項7】
前記２つ以上のバックエンド構造のうちの少なくとも１つが第２の下部相互接続構造に接続される、請求項５に記載の相互接続構造。
【請求項8】
前記少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のうちの３つが前記ＳＯＴ層に接続される、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項9】
前記少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のそれぞれが、当該磁気トンネル接合構造の底部に形成されたシード層
をさらに含む、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項10】
当該少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のそれぞれの下にピン止め層又は結合層が配置される、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項11】
前記ＳＯＴ層の幅が、前記ハードマスク層の幅よりも大きい、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項12】
前記２つ以上のバックエンド構造のうちの少なくとも１つが、前記少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のそれぞれの縁の外に配置されている、請求項１に記載の相互接続構造。
【請求項13】
前記ＳＯＴ層が、前記２つ以上のバックエンド構造のうちの少なくとも１つを前記少なくとも３つの磁気トンネル接合構造のそれぞれに電気的に接続するように構成されている、請求項１に記載の相互接続構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の実施形態は、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）応用に用いられる構造を製造するための方法に関する。より詳細には、本開示の実施形態は、ＭＲＡＭ応用のための磁気トンネル接合構造を製造するための方法に関する。
【背景技術】
【0002】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、電荷の代わりに抵抗値を使用してデータを格納するＭＲＡＭセルのアレイを含むメモリデバイスの一種である。概して、各ＭＲＡＭセルは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造を含む。ＭＴＪ構造は、論理状態「０」又は「１」を表すために調整可能な抵抗を有しうる。ＭＴＪ構造は、典型的には、２つの強磁性層が、薄い非磁性誘電体、例えば絶縁トンネル層によって分離されている構成を有する磁性層のスタックを含む。上部電極と下部電極を利用してＭＴＪ構造を挟み、上部電極と下部電極の間に電流が流れるようにする。
【0003】
１つの強磁性層、例えば基準層は、固定方向を有する磁化によって特徴付けられる。他方の強磁性層、例えば貯蔵層は、磁場を印加することなどによるデバイスの書き込みの際に、磁化の方向が変化することによって特徴付けられる。幾つかのデバイスでは、誘電体酸化物層などの絶縁体材料が、強磁性層の間に挟まれた薄いトンネルバリア層として形成されうる。これらの層は通常、上層ブランケット（overlying blanketed）膜として逐次的に堆積する。続いて、強磁性層及び絶縁体材料は、デバイスの特徴を形成するために、１つ以上の層が部分的に又は全体的に除去されるさまざまなエッチングプロセスによってパターン化される。
【0004】
基準層と貯蔵層のそれぞれの磁化が逆平行である場合、磁気トンネル接合の抵抗は高く、高い論理状態「１」に対応する抵抗値Ｒｍａｘを有する。一方、それぞれの磁化が平行である場合、磁気トンネル接合の抵抗は低く、すなわち、低い論理状態「０」に対応する抵抗値Ｒｍｉｎを有する。ＭＲＡＭセルの論理状態は、その抵抗値を基準抵抗値Ｒｒｅｆと比較することによって読み取られ、この基準抵抗値Ｒｒｅｆは、基準セル又は参照セルの群から導出され、高論理状態「１」と低論理状態「０」との中間の抵抗値を表す。
【0005】
スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ ＭＲＡＭ）及びスピン軌道トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ ＭＲＡＭ）は、それぞれ独自の電気的性能とエネルギー効率を有する、異なるチップアーキテクチャである。ハイブリッドかつ統合型のスピン軌道トルク磁気スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ－ＳＴＴ ＭＲＡＭ）に対する需要は、その複合的な利点を理由として、最近増加している。しかしながら、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造にとって望ましい生産収率と十分に統合された成膜スキームを備えたＳＯＴ－ＳＴＴ ＭＲＡＭをいかにして製造するかは依然として課題である。
【0006】
したがって、ＭＲＡＭ応用のためのＭＴＪ構造を製造するための改善された方法及び装置が必要とされている。
【発明の概要】
【0007】
本開示の実施形態は、ＭＲＡＭ応用、特に、ハイドライド（hydride）スピン軌道トルク磁気スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ－ＳＴＴ ＭＲＡＭ）応用のための磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造をバックエンド相互接続構造とともに基板上に製造するための方法及び装置を提供する。一実施形態では、相互接続構造は、基板上に配置された磁気トンネル接合構造を含む。磁気トンネル接合構造は、トンネルバリア層を挟む第１の強磁性層と第２の強磁性層、磁気トンネル接合構造上に配置されたスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層、及び該スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層上に配置されたバックエンド構造を含む。
【0008】
別の実施形態では、相互接続構造を形成する方法は、トンネルバリア層を挟む第１の強磁性層と第２の強磁性層とを有する膜スタックを基板上に形成すること、膜スタック上にパターン化されたハードマスク層を形成すること、パターン化用ハードマスク層をエッチングマスク層として使用して膜スタックをパターン化すること、第１の絶縁材料を形成して基板上のパターン化されたハードマスク層及び膜スタックを覆うこと、ハードマスク層の上面が露出するまで第１の絶縁材料を研磨すること、ハードマスク層の上面にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層を形成すること、及びスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層上にバックエンド相互接続構造を形成することを含む。
【0009】
さらに別の実施形態では、メモリデバイスのための相互接続構造は、ＳＯＴ層に接続された複数の磁気トンネル接合構造を含み、ここで、磁気トンネル接合構造は、ＳＯＴ層と同じ材料から製造された、ＳＯＴ層を接続するキャッピング層と、ＳＯＴ層に接続されたデュアルダマシンバックエンド構造とを有する。
【0010】
本開示の上記の特徴を詳細に理解できるように、その一部が添付の図面に示されている実施形態を参照することにより、上に簡単に要約されている本開示のより詳細な説明を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本開示の一実施形態を実施するためのクラスタ処理システムの一実施形態
【図2】本開示の一実施形態を実施するためのクラスタ処理システムの別の実施形態
【図3】本開示の一実施形態による、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造をバックエンド相互接続構造とともに製造するための方法を示すフロー図
【図5】基板上にバックエンド相互接続構造が形成された、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造の別の例の断面図
【図6】バックエンド相互接続構造が基板上に形成された、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造のさらに別の例の断面図
【発明を実施するための形態】
【0012】
理解を容易にするため、可能な場合には、図面に共通する同一の要素を示すために同一の参照番号が用いられる。一実施形態で開示される要素は、具体的な記述がなくとも、他の実施形態において有益に利用することができることが想定されている。
【0013】
しかしながら、本開示は他の等しく有効な実施形態も許容しうることから、添付の図面はこの開示の典型的な実施形態のみを例示しており、したがって本開示の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。
【0014】
本開示の実施形態は、概して、ＭＴＪ構造と、ＭＲＡＭ応用のために基板上に配置されたＭＴＪ構造に電気的に接続されたバックエンド相互接続構造とを形成するための装置及び方法を提供する。本開示の実施形態は、スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ ＭＲＡＭ）、スピン軌道トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ ＭＲＡＭ）、及び／又はハイブリッド（又は統合型と呼ばれる）スピン軌道トルク磁気スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ－ＳＴＴ ＭＲＡＭ）応用に使用することができる。一実施形態では、ＭＴＪ構造を形成するために膜スタックをパターン化する一方で、ハードマスクを利用することができる。このようなハードマスク層は、ＭＴＪ構造上に配置されたスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層と同じ材料でありうる。幾つかの例では、ハードマスク層はまた、ＭＴＪ構造がパターン化及び形成されるときに、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層としても機能しうる。ＭＴＪ構造及びその上にＳＯＴ層が形成された後、バックエンド（例えば、単一ダマシン又はデュアルダマシン）相互接続構造は、該バックエンド相互接続構造がＭＴＪ構造に電気的に通信するように、ＳＯＴ層上に形成されうる。化学機械研磨プロセス（ＣＭＰ）は、ＭＴＪ構造とバックエンド相互接続構造とを形成する際に利用することができる。ＭＴＪ構造とバックエンド相互接続構造は、基板をシステムから移動させることなく、かつ真空を破壊することなく、クラスタ処理システムに一体的に形成することができる。幾つかの例では、複数のＭＴＪ構造を、バックエンド（例えば、単一ダマシン又はデュアルダマシン）相互接続構造にさらに電気的に接続されているＳＯＴ層に接続することができる。
【0015】
図１は、その中に組み込まれ、統合された処理チャンバ１１１、１２１、１３２、１２８、１２０のうちの１つ以上を含む、例示的なクラスタ処理システム１００の概略的な上面図である。一実施形態では、クラスタ処理システム１００は、米国カリフォルニア州サンタクララ所在のＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．社から市販されているＣｅｎｔｕｒａ（登録商標）又はＥｎｄｕｒａ（登録商標）統合処理システムでありうる。他の処理システム（他の製造業者からのものを含む）が、本開示から利益を得るように適合することができることが想定されている。
【0016】
クラスタ処理システム１００は、真空気密処理プラットフォーム１０４、ファクトリインターフェース１０２、及びシステムコントローラ１４４を含む。プラットフォーム１０４は、複数の処理チャンバ１１１、１２１、１３２、１２８、１２０、及び真空基板移送チャンバ１３６に結合された少なくとも１つのロードロックチャンバ１２２を含む。２つのロードロックチャンバ１２２が図１に示されている。ファクトリインターフェース１０２は、ロードロックチャンバ１２２によって移送チャンバ１３６に結合される。
【0017】
一実施形態では、ファクトリインターフェース１０２は、基板の移送を容易にするために、少なくとも１つのドッキングステーション１０８と、少なくとも１つのファクトリインターフェースロボット１１４とを含む。ドッキングステーション１０８は、１つ以上の前方開口型統一ポッド（ＦＯＵＰ）を受け入れるように構成される。２つのＦＯＵＰ１０６Ａ－Ｂが、図１の実施形態に示されている。ロボット１１４の一端に配置されたブレード１１６を有するファクトリインターフェースロボット１１４は、ロードロックチャンバ１２２を介して処理するために、基板をファクトリインターフェース１０２から処理プラットフォーム１０４へと移送するように構成される。任意選択的に、１つ以上の計測ステーション１１８を、ＦＯＵＰ１０６Ａ～Ｂからの基板の測定を容易にするためにファクトリインターフェース１０２の端子１２６に接続することができる。
【0018】
ロードロックチャンバ１２２の各々は、ファクトリインターフェース１０２に結合した第１のポートと、移送チャンバ１３６に結合した第２のポートとを有する。ロードロックチャンバ１２２は、該ロードロックチャンバ１２２をポンプダウン及びベントして、移送チャンバ１３６の真空環境とファクトリインターフェース１０２の実質的に周囲（例えば、大気）環境との間の基板の通過を容易にする、圧力制御システム（図示せず）に結合される。
【0019】
移送チャンバ１３６は、該チャンバ内に配置された真空ロボット１３０を有する。真空ロボット１３０は、ロードロックチャンバ１２２、計測システム１１０、及び処理チャンバ１１１、１２１、１３２、１２８、１２０の間で基板１２４を移送可能なブレード１３４を有する。
【0020】
クラスタ処理システム１００の一実施形態では、該クラスタ処理システム１００は、堆積チャンバ（例えば、物理的気相堆積チャンバ、化学気相堆積、又は他の堆積チャンバ）、アニーリングチャンバ（例えば、高圧アニーリングチャンバ、ＲＴＰチャンバ、レーザアニーリングチャンバ）、エッチングチャンバ、洗浄チャンバ、硬化チャンバ、リソグラフィ露光チャンバ、又は他の同様のタイプの半導体処理チャンバでありうる、１つ以上の処理チャンバ１１１、１２１、１３２、１２８、１２０を含むことができる。クラスタ処理システム２００の幾つかの実施形態では、処理チャンバ１１１、１２１、１３２、１２８、１２０のうち１つ以上、移送チャンバ１３６、ファクトリインターフェース１０２、及び／又はロードロックチャンバ１２２の少なくとも１つ。
【0021】
システムコントローラ１４４は、クラスタ処理システム１００に結合される。コンピューティングデバイス１０１を含みうる、又はコンピューティングデバイス１０１内に含まれうるシステムコントローラ１４４は、クラスタ処理システム１００の処理チャンバ１１１、１２１、１３２、１２８、１２０の直接制御を使用して、クラスタ処理システム１００の動作を制御する。あるいは、システムコントローラ１４４は、処理チャンバ１１１、１２１、１３２、１２８、１２０及びクラスタ処理システム１００に関連するコンピュータ（又はコントローラ）を制御することができる。動作中、システムコントローラ１４４はまた、それぞれのチャンバからのデータ収集及びフィードバックを可能にし、クラスタ処理システム１００の性能を最適化する。
【0022】
システムコントローラ１４４は、上述のコンピューティングデバイス１０１と同様に、概して、中央処理装置（ＣＰＵ）１３８、メモリ１４０、及びサポート回路１４２を含む。ＣＰＵ１３８は、産業環境で使用することができる任意の形態の汎用コンピュータプロセッサの１つでありうる。サポート回路１４２は、慣例的にＣＰＵ１３８に結合され、キャッシュ、クロック回路、入出力サブシステム、電源などを含みうる。ソフトウェアルーチンは、ＣＰＵ１３８を特定の目的のコンピュータ（コントローラ）１４４へと変換する。ソフトウェアルーチンはまた、クラスタ処理システム１００から離れて配置された第２のコントローラ（図示せず）によって格納及び／又は実行させることもできる。
【0023】
図２は、本明細書に記載される方法を実施することができるクラスタ処理システム２００の別の例の平面図である。本開示から利益を得るように適合されうる１つの処理システムは、米国カリフォルニア州サンタクララ所在のＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ．社から市販されている、３００ｍｍ又は４５０ｍｍのＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）処理システムである。クラスタ処理システム２００は、概して、ＦＯＵＰ２１４に含まれる基板カセット２１８が支持され、基板がロードロックチャンバ２０９にロードされ、ロードロックチャンバ２０９からアンロードされる正面プラットフォーム２０２と、基板ハンドラ２１３を収容する移送チャンバ２１１と、該移送チャンバ２１１に取り付けられた一連のタンデム処理チャンバ２０６とを含む。
【0024】
タンデム処理チャンバ２０６の各々は、基板を処理するための２つの処理領域を含む。２つの処理領域は、共通のガス供給、共通の圧力制御、及び共通のプロセスガス排気／ポンプシステムを共有する。本システムのモジュール設計により、１つの構成から他の任意の構成への迅速な変換が可能となる。チャンバの配置及び組合せは、具体的な処理ステップを実施するという目的のために、変更することができる。タンデム処理チャンバ２０６のいずれも、１つ以上のチャンバ構成を含む、後述する本開示の態様によるリッドを含みうる。クラスタ処理システム２００は、必要に応じて、堆積プロセス、エッチングプロセス、硬化プロセス、リソグラフィ露光プロセス、又は加熱／アニーリングプロセスを実行するように構成することができることに留意されたい。
【0025】
一実装形態では、クラスタ処理システム２００は、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理的気相堆積（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、スピンコーティング、エッチング、硬化、リソグラフィ露光、又は加熱／アニーリングプロセスなどの他のさまざまな既知のプロセスに対応することが知られている支持チャンバハードウェアを有するタンデム処理チャンバの１つ以上に適合させることができる。例えば、クラスタ処理システム２００は、基板上に形成されたパッシベーション層、若しくは金属含有誘電体層、金属層、又は絶縁材料を形成するための化学気相堆積処理チャンバ又は物理的気相堆積チャンバとしての処理チャンバ２０６の１つによって構成することができる。このような構成は、研究開発の製造利用を強化し、必要に応じて、大気へのエッチングされたフィルムの露出を実質的に排除することができる。
【0026】
本開示のプロセスの制御を促進するために、中央処理装置（ＣＰＵ）２４４、メモリ２４２、及びサポート回路２４６を含むコントローラ２４０が、クラスタ処理システム２００のさまざまな構成要素に結合される。メモリ２４２は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フロッピーディスク、ハードディスクなどの任意のコンピュータ可読媒体、若しくは、クラスタ処理システム２００又はＣＰＵ２４４に対してローカル又は遠隔の他の任意の形態のデジタルストレージでありうる。サポート回路２４６は、従来の方法でＣＰＵを支持するためにＣＰＵ２４４に結合される。これらの回路には、キャッシュ、電源、クロック回路、入出力回路、及びサブシステムなどが含まれる。メモリ２４２に格納されたソフトウェアルーチン又は一連のプログラム命令は、ＣＰＵ２４４によって実行されると、タンデム処理チャンバ２０６を実行する。
【0027】
図３は、本開示の一実施形態によるＭＲＡＭ応用のための基板上にＭＴＪ構造及びバックエンド相互接続構造を製造するためのプロセス３００を示すフロー図である。ＭＴＪ構造及びバックエンド相互接続構造を製造するためのプロセス３００は、スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ ＭＲＡＭ）、スピン軌道トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ ＭＲＡＭ）、及び／又はハイブリッド（又は統合型と呼ばれる）スピン軌道トルク磁気スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ－ＳＴＴ ＭＲＡＭ）応用、特に、ハイブリッド（又は統合型と呼ばれる）スピン軌道トルク磁気スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ－ＳＴＴ ＭＲＡＭ）応用に利用することができることに留意されたい。図４Ａ～４Ｋは、図３のプロセスのさまざまな段階における基板４０２上に形成された相互接続構造４５０の概略的な断面図である。プロセス３００は、堆積チャンバ、エッチングチャンバ、又は図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた他の適切な処理チャンバを含む、適切な処理チャンバにおいて実行することができることが想定されている。また、プロセス３００は、他の製造業者からのものを含む適切な処理チャンバにおいて実行することができることにも留意されたい。
【0028】
プロセス３００は、図４Ａに示されるように、第１の絶縁構造４０４内に形成された第１の相互接続構造４０７を有する基板４０２などの基板を提供することによって、動作３０２から開始される。第１の相互接続構造４０７及び第１の絶縁構造４０４は、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内に形成されうる。一実施形態では、基板４０２は、金属又は、ガラス、ケイ素、誘電体バルク材料、及び金属合金又は、複合ガラス、結晶シリコン（例えば、Ｓｉ＜１００＞又はＳｉ＜１１１＞）、酸化ケイ素、ストレインドシリコン、シリコンゲルマニウム、ゲルマニウム、ドープされた又はドープされていないポリシリコン、ドープされた又はドープされていないシリコンウエハ、及びパターン化された又はパターン化されていないウエハシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）、炭素がドープされた酸化ケイ素、窒化ケイ素、ドープされたケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、ガラス、又はサファイアを含む。基板４０２は、２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍ、又は他の直径などのさまざまな寸法を有してよく、また、長方形又は正方形のパネルであってもよい。別途明記されない限り、本明細書に記載される例は、直径２００ｍｍ、直径３００ｍｍ、又は直径４５０ｍｍの基板上で実施される。一実施形態では、基板４０２は、図４Ａに示されるように、基板４０２上に配置された第１の絶縁構造４０４内に形成された第１の相互接続構造４０７を含む。
【0029】
第１の絶縁構造４０４は、ＳｉＮ、ＳｉＣＮ、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＳｉＣ、アモルファスカーボン、ＳｉＯＣ、又は他の適切な低誘電率材料などの誘電体材料を含みうる。第１の相互接続構造４０７は、アルミニウム、タングステン、銅、ニッケルなどの金属含有材料を含む。一例では、第１の絶縁構造４０４は、ＳｉＯＣなどの低誘電率の誘電体材料を含み、第１の相互接続構造４０７は銅を含む。
【0030】
動作３０４では、図４Ｂに示されるように、膜スタック４０６及びハードマスク層４１４が、基板４０２上に配置される。膜スタック４０６及びハードマスク層４１４は、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内に形成されうる。膜スタック４０６は、トンネルバリア層４１０を挟む第１の強磁性層４１２と第２の強磁性層４０８とをさらに含む。図４Ｂ～４Ｋに記載された膜スタック４０６は３つの層のみを含んでいるが、必要に応じて、追加の又は複数の膜層が、膜スタック４０６内にさらに形成されうることに留意されたい。膜スタック４０６内に形成された追加の又は複数の膜層の例の１つについて、図７を参照して以下にさらに説明する。トンネルバリア層４１０は、トンネル接合磁気抵抗（ＴＭＲ）センサの場合は酸化物バリア層であってよく、あるいは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）センサの場合は導電層でありうる。膜スタック４０６がＴＭＲセンサを形成するように構成される場合、トンネルバリア層４１０は、ＭｇＯ、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、ＴａＯｘ、Ａｌ２Ｏ３、又は他の適切な材料を含みうる。図４Ｂ～４Ｋに示される実施形態では、トンネルバリア層４１０は、約１０オングストロームなど、約１から約１５オングストロームの厚さを有するＭｇＯを含みうる。
【0031】
第１及び第２の強磁性層４１２、４０８は、金属含有材料又は磁性材料、例えば、Ｍｏ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔａ、ＭｇＯ、Ｈｆ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢなどでありうる。第１及び第２の強磁性層４１２、４０８は、必要に応じて、同じ材料又は異なる材料から製造されうることに留意されたい。
【0032】
ハードマスク層４１４は、膜スタック４０６上に配置され、後で、その後のパターン化プロセス及び／又はエッチングプロセス中にエッチングマスク層として利用される。ハードマスク層４１４は、後でその上に形成されるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４（図４Ｉに示される）に似た、又はそれと同じ材料から形成される。一例では、ハードマスク層４１４は、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、ＣｕＢｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、それらの合金、又はそれらの組合せから製造される。
【0033】
動作３０４では、パターン化プロセス、例えばエッチングプロセスは、最初に、ハードマスク層４１４をパターン化し、図４Ｃに示されるように、ハードマスク層４１４に開口部領域４１６を形成するように実行される。第１のパターン化プロセスは、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内で実行することができる。ハードマスク層４１４に形成された開口部領域４１６は、膜スタック４０６から、所望の寸法を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２（図４Ｄに示される）を形成するようにパターン化するために膜スタック４０６の一部を露出させる。
【0034】
動作３０８では、第２のパターン化プロセスは、パターン化されたハードマスク層４１４によって露出された膜スタック４０６を、図４Ｄに示されるように、下にある第１の絶縁材料４０４が露出するまでパターン化（例えば、エッチング）して、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２を形成するように実行される。第２のパターン化プロセスは、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内で実行することができる。パターン化されたハードマスク層４１４は、膜スタック４０６上に残されたままであり、動作３０８で実行されるパターン化プロセスの後に磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２の一部として形成されるように意図されていることに留意されたい。したがって、第２のパターン化プロセスの後にハードマスク層４１４を除去するために、追加の灰又はストリッピングプロセスは必要ではない。膜スタック４０６をパターン化するための第２のパターン化プロセスは、各層に含まれる材料に従って異なる層をエッチングするために異なるガス混合物又はエッチング液を供給するように構成された幾つかのステップ又は異なる方策を含みうる。
【0035】
パターン化中、エッチングガス混合物又は異なるエッチング種を有する幾つかのガス混合物が基板表面に順次供給され、パターン化されたハードマスク層４１４によって露出された膜スタック４０６の部分が基板４０２から除去される。
【0036】
動作３０８におけるパターン化プロセスの終点は、時間又は他の適切な方法によって制御することができる。例えば、パターン化プロセスは、図４Ｄに示されるように、下にある第１の絶縁材料４０４が露出されるまで、約２００秒から約１０分の間実行した後で終了させることができる。パターン化プロセスは、必要に応じて、ＯＥＳ検出器又は他の適切な検出器などの終点検出器からの決定によって終了させることができる。
【0037】
膜スタック４０６をパターン化した後に形成された磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２のプロファイルはテーパ状の側壁を有するが、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２は、実質的に垂直な側壁プロファイル、又は必要に応じて所望の傾斜を有する任意の適切な側壁プロファイルを有していてよいことに留意されたい。
【0038】
動作３１０では、パターン化プロセスの後、堆積プロセスが実行されて、図４Ｅに示されるように、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２上に第２の絶縁構造４１８（例えば、パターン化されたハードマスク層４１４及びパターン化された膜スタック４０６を含む）を形成する。第２の絶縁構造４１８は、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内で形成されうる。第２の絶縁構造４１８は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２を覆うのに十分な厚さを有するように形成される。第２の絶縁構造４１８は、動作３０８でのパターン化プロセスの後に実行される堆積プロセスによって形成された誘電体層でありうる。第２の絶縁構造４１８は、第１の絶縁構造４０４と同じであっても、類似していてもよい。一例では、第２の絶縁構造４１８は、ＳｉＯＣを含む低誘電率材料を含む。
【0039】
動作３１２では、化学機械研磨プロセスが実行されて、図４Ｆに示されるように、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２の上面４３５（例えば、パターン化されたハードマスク層４１４の上面４３５）が露出するように過剰な第２の絶縁構造４１８を研磨除去し、その結果、パターン化されたハードマスク層４１４の上面４３５が第２の絶縁構造４１８と実質的に同一平面上になるようにする。実行されるＣＭＰプロセスは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２が露出されたときに、近くの材料に悪影響を与えること又は過度に研磨することなく、過剰な第２の絶縁構造４１８を除去することができる。比較的低い研磨ダウンフォース及び遅い研磨速度を使用することにより、材料を損傷すること又は過度に研磨することなく、第２の絶縁構造４１８を磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２から除去することができる。
【0040】
化学機械研磨プロセスは、研磨プロセス中に供給される流体を使用することによって、又はＤＩ水によって、第２の絶縁構造４１８を除去又は研磨することができる。化学機械研磨プロセス中は、９０％を超える弾性を有するパッドなどの比較的柔らかい研磨パッドを使用することができる。研磨中、選択された研磨パッドは比較的柔らかい表面を有しており、したがって、必要に応じて、スラリー又は他の化学流体を排除してもよい。一例では、化学機械研磨プロセス中にＤＩ水を利用することができる。化学機械研磨プロセスの後に、基板表面の清浄度を高めるために、必要に応じて洗浄プロセスが行われる。
【0041】
動作３１４では、図４Ｇに示されるように、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２及び第２の絶縁構造４１８上に第３の絶縁構造４２０が形成される。第３の絶縁構造４２０は、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内で形成されうる。同様に、第３の絶縁構造４２０は、ＣＶＤ、ＡＬＤ、ＰＶＤ、スピンコーティング、スプレーコーティング、又は任意の適切な堆積プロセスなど、任意の適切な堆積技術から形成することができる。第３の絶縁構造４２０は、第１又は第２の絶縁構造４０４、４１８と同じであっても、類似していてもよい。一例では、第３の絶縁構造４２０は、ＳｉＯＣを含む低誘電率材料を含む。
【0042】
動作３１６では、別のパターン化プロセスが実行されて、図４Ｈに示されるように、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２の上面４３５を露出するように第３の絶縁構造４２０に開口部４２２を形成する。パターン化プロセスは、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内で実行することができる。第３の絶縁構造４２０における開口部４２２の形成を支援するために、１つ以上のパターン化用マスク（図示せず）を利用することができる。パターン化プロセスは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２の上面４３５が露出するまで、第３の絶縁構造４２０をパターン化するように実行される。
【0043】
動作３１８では、基板上にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４を形成し、図４Ｉに示されるように、第３の絶縁構造４２０内及びその上に画成された開口部４２２を満たすように、堆積プロセスが実行される。堆積プロセスは、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００又は２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内で実行することができる。スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４の材料は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２の電気的性能を促進するように、ハードマスク層４１４と類似するか、又は同一になるように選択される。さらには、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４及びハードマスク層４１４の材料は類似又は同一であるため、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４とハードマスク層４１４との間の界面での接着制御が比較的容易であり、適合性があることから、製造上の懸念又は複雑さを軽減することができる。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２内に残されたハードマスク層４１４はまた、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４への良好な電気的接触を提供するためのキャッピング層として機能することができる。一実施形態では、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４は、Ｔａ、Ｒｕ、ＭｇＯ、Ｗ、Ｐｔ、ＣｕＢｉ、Ｍｏ、又はそれらの組合せから製造される。
【0044】
動作３２０では、化学機械研磨プロセスをさらに実行して、図４Ｊに示されるように、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４の上面４２５が第３の絶縁構造４２０の上面４２６と実質的に同一平面になるように、過剰なスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４を研磨除去する。実行されるＣＭＰプロセスは、近くの材料に悪影響を与えること又は過度に研磨することなく、過剰なスピン軌道相互作用（ＳＯＴ）層４２４を除去することができ、その結果、過剰なスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４は、下にある磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２への電気的接続を提供するように、所望の寸法で第３の絶縁構造４２０を満たすことができる。比較的低い研磨ダウンフォース及び遅い研磨速度を使用することにより、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２及び第３の絶縁構造４２０から材料を損傷すること又は過度に研磨することなく、過剰なスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４を除去することができる。
【0045】
ＳＯＴ層４２４が第３の絶縁構造４２０に形成された後、追加の相互接続構造４３２がスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層４２４の上に形成されて、図４Ｋに示されるように、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２への電気的接続及び／又は通信を提供する。追加の相互接続構造４３２は、第４の絶縁構造４３０内にも形成されて、バックエンド構造を形成する。第４の絶縁構造４３０内に形成された追加の相互接続構造４３２は、単一のダマシン構造である。追加の相互接続構造は、デュアルダマシン構造又は他の適切な構造など、他の形態で形成されてもよいことに留意されたい。
【0046】
図５は、基板４０２上に形成された相互接続構造５５０の別の例を示している。図４Ｋに示された相互接続構造４５０と同様に、相互接続構造５５０は、第１の絶縁構造４０４内に形成された第１の相互接続構造４０７、該第１の相互接続構造４０７上に形成された磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２、及び該磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２上に形成されたＳＯＴ層４２４を含む。しかしながら、図５に示されるこの例のＳＯＴ層４２４は、その上に追加の２つの上部相互接続構造５０４ａ、５０４ｂの形成を可能にする比較的長い幅を有している。２つの上部相互接続構造５０４ａ、５０４ｂはそれぞれ、ＳＯＴ層４２４に接続する第１の導電線５０６ａ、５０６ｂと、２つの下部相互接続構造５０２ａ、５０２ｂに接続する第２の導電線５０８ａ、５０８ｂとを有する。本明細書で用いられる上部相互接続構造５０４ａ、５０４ｂは、デュアルダマシン構造である。２つの上部相互接続構造５０４ａ、５０４ｂは、第２の導電線５０８ａ、５０８ｂを介して２つの下部相互接続構造５０２ａ、５０２ｂと直接接触し、電気的に接続／通信している。第１の相互接続構造４０７及び磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２は、図５に示されるように、２つの上部相互接続構造５０４ａ、５０４ｂと２つの下部相互接続構造５０２ａ、５０２ｂとの間に垂直に挿入されうる。
【0047】
図６は、基板４０２上に形成された相互接続構造６５０のさらに別の例を示している。相互接続構造６５０は、それぞれが下部相互接続構造６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ上に形成された、複数、例えば３つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２ａ、４５２ｂ、４５２ｃを含む。ＳＯＴ層４２４は、追加の２つの上部相互接続構造６４０ａ、６４０ｂをＳＯＴ層４２４上に形成可能にするために、比較的長い幅を有している。この例では、上部相互接続構造６４０ａ、６４０ｂは、下部相互接続構造６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃと直接接触していない。代わりに、上部相互接続構造６４０ａ、６４０ｂは、ＳＯＴ層４２４及びそれらの間に介在する３つの磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２ａ、４５２ｂ、４５２ｃを介して下部相互接続構造６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃと電気的に接続／通信している。複数の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造４５２ａ、４５２ｂ、４５２ｃ及び相互接続構造６０２ａ、６０２ｂ、６０２ｃ、６４０ａ、６４０ｂを利用することにより、電気的性能が向上し、デバイス密度を増加させることができる。
【0048】
図７は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）７０２の別の例を示している。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）７０２は、図４Ｋ、５及び６に示される磁気トンネル接合（ＭＴＪ）４５２としても利用することができる。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）７０２は、トンネルバリア層４１０を挟む第１の強磁性層４１２及び第２の強磁性層４０８を備えた、上に示された膜スタック４０６を含む。膜スタック４０６に加えて、シード層７１０が磁気トンネル接合（ＭＴＪ）７０２の底部に形成されうる。材料は、ＮｉＣｒ、Ｐｔ、Ｃｒ、ＣｏＦｅＢ、Ｔａ、Ｒｕ、ＴａＮ、合金、又はそれらの組合せを含むシード層７１０を形成するために利用されうる。ピン止め層７０８がシード層７１０上に形成されうる。ピン止め層７０８は、単純なピン止め、逆平行ピン止め、自己ピン止め、又は反強磁性ピン止めセンサなどの、幾つかのタイプのピン止め層のうちの１つ以上を含みうる。一例では、図７に示されるように、ピン止め層７０８は、複数の層、例えば４つの層を含む。ピン止め層７０８の数は、必要に応じて任意の数であってよいことに留意されたい。ピン止め層７０８は、ホウ素ドーパント、酸素ドーパント、又は他の適切な材料などのドーパントを含む、金属合金などの幾つかの磁性材料で構成することができる。金属合金は、ニッケル含有材料、白金含有材料、Ｒｕ含有材料、コバルト含有材料、タンタル含有材料、及びパラジウム含有材料でありうる。ピン止め層７０８を含みうる磁性材料の適切な例には、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｎｉ、ＴａＮ、ＮｉＦｅＯｘ、ＮｉＦｅＢ、ＣｏＦｅＯｘＢ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＯｘＢ、ＣｏＢＯｘ、ＦｅＢＯｘ、ＣｏＦｅＮｉＢ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｄ、ＴａＯｘなどが含まれる。
【0049】
ルーダーマン－キッテル－カスヤ－ヨシダ（ＲＫＫＹ）層７０６（結合層とも呼ばれる）が、膜スタック４０６の下のピン止め層７０８上に配置されうる。ＲＫＫＹ層７０６は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）７０２におけるスピン方向を制御するために形成されうる。ＲＫＫＹ層７０６の製造に利用される材料には、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、それらの合金、又はそれらの組合せが含まれる。
【0050】
キャッピング層７０４が、膜スタック４０６上に形成されうる。上に示した例では、キャッピング層７０４は、図４Ｉ、５、及び６を参照して上で説明したパターン化されたハードマスク層４１４でありうる。幾つかの例では、追加のキャッピング層は、必要に応じて、膜スタック４０６上、パターン化されたハードマスク層４１４上、又は磁気トンネル接合（ＭＴＪ）７０２内の他の適切な位置に形成されうる。キャッピング層７０４（又はパターン化されたハードマスク層４１４）の適切な例には、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、ＣｕＢｉ、Ｍｏ、Ｒｕ、それらの合金、及びそれらの組合せのうちの１つ以上での１つ以上の層が含まれる。一例では、膜スタック７１０は、合計で、ＴａＮ、ＮｉＣｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｃｏ又はＮｉ、Ｍｏ、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ、Ｍｏ、ＣｏＦｅＢ、ＭｇＯ、ＣｏＦｅＢ、Ｍｏ、及びＲｕ層を含む複数の層を含む。
【0051】
図７に示される例では、これらすべての層又は膜スタック７１０、７０８、７０６、４０６、７０４は、ＣＶＤ、ＰＶＤ、ＡＬＤ、スピンコーティング、スプレーコーティング、及び任意の適切な方法など、任意の適切な技術によって形成されうる。これらの層を形成するために使用することができるシステムの一例には、ＣＥＮＴＵＲＡ（登録商標）、ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ５０００（登録商標）、及びＰＲＯＤＵＣＥＲ（登録商標）堆積システムが含まれ、これらはすべて、米国カリフォルニア州サンタクララ所在のＡｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｉｎｃ．社又は他の製造業者から入手可能である。他の製造業者から入手可能なものを含む他の処理システムが、本開示を実施するために適合されうることが想定される。磁気トンネル接合（ＭＴＪ）７０２内のこれらすべての層及び膜スタック ７１０、７０８、７０６、４０６、７０４が、図１及び２に示されるクラスタ処理システム１００、２００に組み込まれた１つ以上の処理チャンバ内に形成することができることに留意されたい。
【0052】
したがって、ＭＲＡＭのため、特に、ハイブリッド（又は統合型と呼ばれる）スピン軌道トルク磁気スピン移動トルク磁気ランダムアクセスメモリ（ＳＯＴ－ＳＴＴ ＭＲＡＭ）応用のためのＭＴＪデバイス構造を形成するプロセス及び装置が提供される。一実施形態では、ＭＴＪ構造を形成するために膜スタックをパターン化する一方で、ハードマスクを利用することができる。このようなハードマスク層は、ＭＴＪ構造上に配置されたスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層と同じ材料でありうる。幾つかの例では、ハードマスク層はまた、ＭＴＪ構造がパターン化及び形成されるときに、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）層としても機能しうる。ＭＴＪ構造及びその上にＳＯＴ層が形成された後、バックエンド（例えば、単一ダマシン又はデュアルダマシン）相互接続構造は、該バックエンド相互接続構造がＭＴＪ構造に電気的に通信するように、ＳＯＴ層上に形成されうる。複数のバックエンド構造及びＭＴＪ構造を利用して、ＭＲＡＭデバイスの密度及び電気的性能を向上させることができる。
【0053】
上記は本開示の実施形態を対象とするが、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施形態及び更なる実施形態が考案されうる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図4H】
【図4I】
【図4J】
【図4K】
【図5】
【図6】
【図7】