专利名称：磁器件及其制造方法
技术领域：
示例实施例涉及一种磁器件，更具体地，涉及一种制造该磁器件的方法，更具体地，涉及一种包括非易失性磁层的磁器件以及制造该磁器件的方法。
背景技术：
已经开展了对利用磁隧道结(MTJ)的磁阻特性的电子器件的研究。具体地，随着高度集成的磁随机存取存储器(MRAM)器件的MTJ单元被小型化，自旋转移扭矩(STT)-MRAM已经引起关注，其通过直接施加电流到MTJ单元并引起磁反转而利用称作STT的物理现象来存储信息。为了实现高度集成的STT-SRAM，需要形成具有微小尺寸的MTJ结构。需要开发一种蚀刻技术，其可以易于实现用于具有微小尺寸的MTJ结构的可靠MTJ单元。
发明内容
示例实施例涉及一种磁器件，更具体地，涉及一种制造该磁器件的方法，更具体地，涉及一种包括非易失性磁层的磁器件以及制造该磁器件的方法。示例实施例提供了一种制造磁器件的方法，该方法包括可易于执行以制造高度集成的高密度磁器件的蚀刻工艺。示例实施例还提供一种包括磁图案的磁器件，该磁图案具有适于高度集成的高密度磁器件的微小宽度。根据示例实施例，提供一种制造磁器件的方法，该方法包括通过使用蚀刻气体来蚀刻包括至少一个磁层的堆叠结构，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体。含氢气体可以包括从CH4气体、H2气体及其组合选择的至少一种。在一些示例实施例中，含氢气体是CH4气体，以及蚀刻气体可以包括约70至约98体积百分比的CH4气体以及约2至约30体积百分比的CO气体。在一些示例实施例中，含氢气体是H2气体，以及蚀刻气体可以包括约70至约98体积百分比的H2气体以及2至30体积百分比的CO气体。蚀刻气体还可以包括附加气体，该附加气体包括从He、Ne、Ar、Kr、Xe及其组合选择的至少一种。堆叠结构的蚀刻可以在约-10°C至约20°C的温度执行。蚀刻气体可以不包括卤族元素。堆叠结构可以包括从Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO, PtMn, IrMn, CoFe合金、CoFeB合金及其组合选择的至少一种。堆叠结构的蚀刻可以包括利用等离子体蚀刻装置的等离子体蚀刻，该等离子体蚀刻装置包括配置为施加源功率的源功率输出单兀和配置为施加偏置功率的偏置功率输出单元。在一些示例实施例中，堆叠结构的蚀刻可以包括源功率和偏置功率中的至少一种功率在开状态和关状态之间交替。在一些示例实施例中，堆叠结构的蚀刻可以包括施加恒幅波模式的源功率以及在开状态和关状态之间交替的脉冲模式的偏置功率。
该方法还可以包括:在堆叠结构的蚀刻之前，将堆叠结构的待蚀刻区域暴露于氢等离子体。堆叠结构可以包括依次堆叠的下磁层、隧穿阻挡层和上磁层，以及堆叠结构的蚀刻可以包括利用蚀刻气体分别等离子体蚀刻下磁层、隧穿阻挡层和上磁层以形成磁阻器件。该方法还可以包括在堆叠结构上形成掩模图案，其中堆叠结构的蚀刻包括利用掩模图案作为蚀刻掩模。该方法还可以包括:在堆叠结构的蚀刻之后，将磁阻器件的暴露表面暴露于氧等离子体。根据示例实施例，提供一种制造磁器件的方法，包括:形成包括至少一个磁层的堆叠结构；以及通过将至少一个磁层暴露于蚀刻气体而蚀刻至少一个磁层，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体以及至少2体积百分比的CO气体。至少一个磁层可以包括从Pt、Pd、N1、Mn、Co、Mg、Fe、Ir及其组合选择的至少一种。去除至少一个磁层的部分可以形成多个磁阻器件，每个磁阻器件具有约20nm或更小的宽度。蚀刻气体可以包括至少80体积百分比的含氢气体以及至少10体积百分比的CO气体。 至少一个磁层可以包括垂直磁各向异性材料。根据示例实施例，提供一种磁器件，该磁器件包括至少一个磁阻器件，该磁阻器件具有通过使用蚀刻气体的等离子体蚀刻工艺形成的侧壁，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体以及至少2体积百分比的CO气体，其中侧壁的至少一部分具有不大于约20nm的宽度。
从以下结合附图的详细描述，示例实施例将被更清楚地理解，附图中:图1是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图；图2A是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图；图2B是气体供应脉冲图，示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的预处理工艺和蚀刻工艺中的气体供应操作的示例；图3A是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图；图3B是气体供应脉冲图，示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的预处理工艺和蚀刻工艺中的气体供应操作的另一示例；图4是可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法蚀刻的堆叠结构的截面图；图5是可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法蚀刻的堆叠结构的截面图；图6示出等离子体蚀刻装置的主要元件，该等离子体蚀刻装置可以用于执行根据示例实施例的制造磁器件的方法的等离子体蚀刻工艺；图7A是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以恒幅波模式(constantwave mode)输出的源功率与时间的曲线图；图7B是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以恒幅波模式输出的偏置功率与时间的曲线图；图7C是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以脉冲模式(pulsed mode)输出的源功率的占空比与时间的曲线图；图7D是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以脉冲模式输出的偏置功率的占空比与时间的曲线图；图7E是示出源功率和偏置功率的占空比与时间的曲线图，源功率和偏置功率以脉冲模式输出以利用图6所示的等离子体蚀刻装置的同步脉冲等离子体蚀刻执行蚀刻工艺；图8A至图SC是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的工艺次序的截面图；图9A至图9C是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的工艺次序的截面图；图1OA是在源功率和偏置功率分别以恒幅波模式输出的条件下蚀刻堆叠结构时离子的运动路径的截面图；图1OB是在同步脉冲等离子体蚀刻工艺中由蚀刻气体产生的离子的运动路径的截面图；图11是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图；图12A至图12H是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的工艺次序的截面图；图13A至图13C是虚拟扫描电子显微(VSEM)照片，示出当利用根据示例实施例的制造磁器件的方法蚀刻包括磁层的堆叠结构时蚀刻气氛温度的依赖性的评估结果；图14是可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法实现的磁器件的示意截面图；图15示出可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法实现的系统；以及图16示出可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法实现的存储卡。
具体实施例方式现在将参照附图更全面地描述各个示例实施例，附图中示出一些示例实施例。然而，这里公开的特定结构和功能细节仅是代表性的，为了描述示例实施例的目的。因此，本发明可以以许多替代的形式实施，而不应被解释为仅限于这里阐述的示例实施例。因此，应当理解，无意将示例实施例限制到公开的特定形式，而是相反的，示例实施例涵盖落在本发明范围内的所有变型、等同物和替代物。在附图中，为了清晰，层和区域的厚度可以被夸大，并且同样的附图标记在附图的描述中始终指代同样的元件。虽然这里可以使用术语第一、第二等描述各个元件，但这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区别开。例如，第一元件可以被称为第二元件，类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不背离示例实施例的范围。如这里所采用的，术语“和/或”包括一个或多个所列相关项目的任何及所有组合。将理解，如果称一个元件“连接到”或“耦接到”另一元件，它可以直接连接到或耦接到另一元件，或者可以存在插入元件。相反，如果称一个元件“直接连接到”或“直接耦接至IJ”另一元件，不存在插入元件。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以类似的方式解释(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“与...相邻”与“直接与...相邻”等)。这里所采用的术语只是为了描述特定实施例的目的，并非要限制示例实施例。如这里所采用的，除非上下文另有明确表述，否则单数形式“一”和“该”均同时旨在包括复数形式。将进一步理解，术语“包括”和/或“包含”，如果在这里使用，表明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。为便于描述这里可以使用空间相对性术语(例如，“在…之下”、“在...下面”、“下”、“在…之上”、“上”等)，以描述如附图所示的一个元件或特征与另一个元件或特征之间的关系。将理解，空间相对性术语旨在涵盖除附附图中所示取向之外器件在使用或操作中的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转过来，被描述为“在”其它元件或特征“之下”或“下面”的元件将会取向在其它元件或特征的“上方”。因此，例如，术语“在…下面”能够涵盖之上以及之下两种取向。器件可以采取其它取向(旋转90度或在其它取向观看或参照)，这里所采用的空间相对性描述符应做相应解释。这里参照截面图描述示例实施例，这些图为理想化实施例(和中间结构)的示意图。因而，由例如制造技术和/或公差引起的图示形状的变化是可能发生的。因此，示例实施例不应被解释为仅限于这里示出的区域的特定形状，而是包括由例如制造引起的形状偏差。例如，示出为矩形的注入区可以具有圆化或弯曲的特征和/或在其边缘处的(例如，注入浓度)的梯度，而不是从注入区到非注入区的二元变化。类似地，通过注入形成的埋入区可以导致在埋入区和通过其发生注入的表面之间的区域中的某些注入。因此，附图中示出的区域在本质上是示意性的，它们的形状不必示出器件的区域的实际形状，也不对范围进行限制。还应当注意，在一些可选的实施方式中，所提到的功能/动作可以不按照附图中提到的次序来发生。例如，根据所涉及的功能/动作，依次示出的两个附图可以实际上基本同时地执行或者可以有时以相反的次序执行。除非另行定义，此处使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)都具有本发明所属领域内的普通技术人员所通常理解的同样的含义。将进一步理解，诸如通用词典中所定义的术语，除非此处加以明确定义，否则应当被解释为具有与它们在相关领域的语境中的含义相一致的含义，而不应被解释为理想化的或过度形式化的意义。为了更具体地描述示例实施例，将参照附图详细描述各个方面。然而，本发明不限于描述的不例实施例。示例实施例涉及一种磁器件，更具体地，涉及制造该磁器件的方法，更具体地，涉及一种包括非易失性磁层的磁器件以及制造该磁器件的方法。图1是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图。
在图1的操作12中，利用蚀刻气体蚀刻包括磁层的堆叠结构，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体以及至少2体积百分比的CO气体(基于蚀刻气体的总体积百分比)。在一些示例实施例中，通过等离子体蚀刻工艺执行堆叠结构的蚀刻。操作12的蚀刻工艺可以利用等离子体蚀刻装置执行，该等离子体蚀刻装置包括配置用于施加源功率的源功率输出单兀以及配置用于施加偏置功率的偏置功率输出单兀。例如，图6所不的等尚子体蚀刻装置60可以用作等离子体蚀刻装置。在操作12的蚀刻工艺中，为了以脉冲模式输出源功率和偏置功率中的至少一个，以脉冲模式施加的功率可以根据给定的周期保持在关状态。以下将参照图6和图7A至图7E更详细地描述脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏置功率。在操作12中，堆叠结构的蚀刻工艺可以在约-10°C至约80°C的温度执行。在一些示例实施例中，操作12的蚀刻工艺可以在约-10°C至20°C的温度执行。在一些示例实施例中，操作12的蚀刻工艺可以在约2mT至约5mT的压力下执行。蚀刻气体不包括含卤素气体。在利用含卤族元素的蚀刻气体(其在现有的磁层蚀刻工艺中使用)的等离子体蚀刻工艺中，非易失性蚀刻副产物再次沉积在形成为蚀刻所得结构的图案的侧壁上。此外，使磁层的磁化特性恶化的含卤族元素蚀刻残余物保留在形成为蚀刻所得结构的图案的表面上，因此磁阻器件的特性恶化。具体地，用于形成磁阻器件的干蚀刻工艺中的一个重要问题是磁隧道结(MTJ)结构的蚀刻，该MTJ结构在驱动磁阻器件中起到重要作用。MTJ结构包括自由层、隧穿阻挡层和固定层。MTJ结构包括铁磁材料(例如，CoFeB)等，并且在形成隧穿阻挡层时主要使用镁氧化物(MgO)。在利用含卤族元素气体的等离子体蚀刻期间，具体地，在基于氯(Cl)的等离子体蚀刻期间，这些材料导致对隧穿阻挡层的严重损伤，以及MTJ结构中的腐蚀。在根据示例实施例的制造磁器件的方法中，利用蚀刻气体蚀刻包括磁层的堆叠结构，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体以及至少2体积百分比的CO气体并且不包括卤族元素，从而解决了现有工艺中的问题。含氢气体可以是从CH4气体、H2气体及其组合选择的一种。在一些示例实施例中，蚀刻气体包括70至98体积百分比的CH4气体以及2至30体积百分比的CO气体。在一些示例实施例中，蚀刻气体包括70至98体积百分比的H2气体以及2至30体积百分比的CO气体。在一些示例实施例中，蚀刻气体还包括附加气体，该附加气体包括从He、Ne、Ar、Kr、Xe及其组合选择的至少一种。蚀刻气体中可以包括至少10体积百分比的附加气体。图2A是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图。在图2A的操作22中，将包括至少一个磁层的堆叠结构的待蚀刻区域暴露于氢等离子体，从而对堆叠结构执行预处理。在一些示例实施例中，为了执行操作S22中的预处理工艺，将堆叠结构装载到用于等离子体蚀刻的腔室中并且仅H2气体被供应到腔室，从而产生氢等离子体。由于该预处理工艺，被加速的反应性氢离子可以被供应到堆叠结构的待蚀刻区域，并且在待蚀刻区域的表面上可以发生待蚀刻区域与氢离子之间的化学反应。因而，当蚀刻气体离子与待蚀刻区域碰撞时，后续的化学和物理蚀刻工艺可以容易地执行，并且蚀刻速率可以被加速。在一些示例实施例中，操作22的预处理工艺执行约10秒至约10分钟。操作22的预处理工艺可以在约-10°C至约80°C的温度在约2mT至约5mT的压力下执行。如果需要，可以省略操作S22的预处理工艺。在操作24中，利用蚀刻气体蚀刻包括磁层的堆叠结构的待蚀刻区域，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的CH4气体和至少2体积百分比的CO气体。在一些示例实施例中，为了蚀刻堆叠结构，使用包括约70至98体积百分比的CH4气体和约2至30体积百分比的CO气体的蚀刻气体。在一些示例实施例中，蚀刻气体还包括附加气体，该附加气体包括从He、Ne、Ar、Kr、Xe及其组合选择的至少一种。在蚀刻气体中可以包括至少10体积百分比的附加气体。
在操作22的预处理工艺之后，在相同的腔室中可以执行操作24的蚀刻工艺。操作24的蚀刻工艺可以在约-10°C至80°C的温度在约2mT至约5mT的压力下执行。当执行操作24的蚀刻工艺时，加速的反应性氢离子连同加速的附加气体的离子可以被供应到堆叠结构的待蚀刻区域。在待蚀刻区域中，由于从附加气体产生的加速离子引起的物理蚀刻可以与到达待蚀刻区域的表面的加速氢离子的化学反应同时地执行。附加气体包括具有比氢原子大的原子量的原子。因此，与氢原子相比，从附加气体产生的加速离子与待蚀刻的堆叠结构更强地碰撞。因而，将相对大的物理力施加到堆叠结构的待蚀刻区域，使得堆叠结构的物理蚀刻可以容易地执行。图2B是气体供应脉冲图，示出在图2A所示的操作22的预处理工艺和图2A所示的操作24的蚀刻工艺中的气体供应操作。图3A是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图。在图3A的操作32中，包括至少一个磁层的堆叠结构的待蚀刻区域被暴露于氢等离子体，从而预处理堆叠结构。操作32的预处理工艺与图2A中的操作22的预处理中描述的相同。在操作34中，利用蚀刻气体蚀刻包括至少一个磁层的堆叠结构的待蚀刻区域，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的H2气体和至少2体积百分比的CO气体。在一些示例实施例中，为了蚀刻堆叠结构，使用包括约70至98体积百分比的H2气体和约2至30体积百分比的CO气体的蚀刻气体。在一些示例实施例中，蚀刻气体还包括附加气体，该附加气体包括从He、Ne、Ar、Kr、Xe及其组合选择的至少一种。在蚀刻气体中包括至少10体积百分比的附加气体。在操作32的预处理工艺之后，在相同的腔室中可以执行操作34的蚀刻工艺。操作34的蚀刻工艺可以在约-10°C至80°C的温度在约2mT至约5mT的压力下执行。当在操作34中执行蚀刻工艺时，如同图2A的操作24中，加速的反应性氢离子和加速的附加气体的离子可以一起被供应到堆叠结构的待蚀刻区域。因此，由于从附加气体产生的加速离子，将相对大的物理力施加到堆叠结构的待蚀刻区域。图3B是气体供应脉冲图，示出在图3A的操作32的预处理工艺和图3A的操作34的蚀刻工艺中的气体供应操作。在图1的操作12的蚀刻工艺、图2A的操作24的蚀刻工艺和图3A的操作34的蚀刻工艺中，具有待蚀刻层的堆叠结构可以包括各种类型的磁层。在一些示例实施例中，堆叠结构包括至少一个非易失性磁层。例如,堆叠结构可以包括由从Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn> IrMn、CoFe合金、CoFeB合金及其组合选择的至少一种材料形成的磁层。图1的操作12的蚀刻工艺、图2A的操作24的蚀刻工艺和图3A的操作34的蚀刻工艺可以利用等离子体执行，该等离子体从感应耦合等离子体(ICP)源、电容耦合等离子体(CCP)源、电子回旋共振(ECR)等离子体源、螺旋形波激发等离子体(HWEP)源或自适应耦合等离子体(ACP)源产生。图4是可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法蚀刻的堆叠结构的截面图。图5是可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法蚀刻的堆叠结构的截面图。参照图4和图5，可以通过执行根据示例实施例的制造磁器件的方法利用蚀刻气体蚀刻堆叠结构40和50，该蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体以及至少2体积百分比的CO气体。在图4和图5中，同样的附图标记指代同样的元件。为了清晰，省略对其的重复描述。更具体地，图4所示的堆叠结构40包括从底部到顶部依次堆叠的下电极层42、下磁层44、隧穿阻挡层45、上磁层46和上电极层48。下电极层42可以包括从T1、Ta、Ru、TiN, TaN, W及其组合选择的至少一种材料。在一些示例实施例中，下电极层42可以具有从Ti\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru或TiN\Ru选择的双层结构。在一些示例实施例中，下电极层42可以具有约20A至50A^厚度。下磁层44可以包括从Fe、Co、N1、Pd、Pt及其组合选择的至少一种。在一些示例实施例中，下磁层44由Co-Ml合金(其中Ml为从Pt、Pd、Ni及其组合选择的至少一种金属)或Fe-M2合金(其中M2是从Pt、Pd、Ni及其组合选择的至少一种金属)形成。在一些示例实施例中，下磁层44还包括从B、C、Cu、Ag、Au、Cr及其组合选择的至少一种材料。在一些示例实施例中，下磁层44具有约j() 4至、OAlI]厚度。上磁层46可以 包括从Co、Co-Ml合金(其中Ml为从Pt、Pd、Ni及其组合选择的至少一种金属)、Fe-M2合金(其中M2是从Pt、Pd、Ni及其组合选择的至少一种金属)、Ru、Ta、Cr、Cu及其组合选择的至少一种。在一些示例实施例中，上磁层46具有！ JlO A至200A的厚度。在一些不例实施例中，下磁层44和上磁层46中的至少一个包括垂直磁各向异性(PMA)材料。在一些示例实施例中，下磁层44和上磁层46中的至少一个包括合成反铁磁(SAF)结构。SAF结构通过将Ru中间层插入铁磁堆叠结构中而形成。例如，SAF结构可具有CoFeB/Ta/(C0/Pt)m/Ru/(C0/Pd)n的多层结构(其中m和η是自然数)。在示例实施例中可采用的SAF结构不限于此，而可以使用各种变型的结构。插设在下磁层44和上磁层46之间的隧穿阻挡层45可以由MgO、A1203、B2O3> SiO2或其组合形成。在一些示例实施例中，隧穿阻挡层45具有约5 A至30A的厚度。上电极层48可以包括从T1、Ta、Ru、TiN, TaN、W及其组合选择的至少一种材料。在一些示例实施例中，上电极层48可以具有从Ti\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru或TiN\Ru选择的双层结构。在一些示例实施例中，上电极层48可以具有约20A至50A的厚度。堆叠结构40的下电极层44和上电极层46不限于以上描述，而可以不同地修改。例如，下磁层44的描述可以应用到上磁层46，反之亦然。在一些示例实施例中，在实现利用垂直磁化的MTJ器件中可以使用堆叠结构40。图5所示的堆叠结构50包括从底部到顶部依次堆叠的下电极层42、下磁层44、隧穿阻挡层45、上磁层56和上电极层48。上磁层56包括依次堆叠在隧穿阻挡层45上的被钉扎层56A和钉扎层56B。被钉扎层56A可以包括从Co、Fe、Pt、Pd及其组合选择的至少一种铁磁材料。被钉扎层56A可以具有图4所示的SAF结构。在一些示例实施例中，被钉扎层56A具有约30 A
至50 厚度。钉扎层56B可以包括反铁磁材料。在一些示例实施例中，钉扎层56B可以包括从PtMn, IrMn, NiMn, FeMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO, Ni 或其组合选择的至少一种。在一些示例实施例中，钉扎层56B具有约50 A至150A的厚度。在一些示例实施例中，在实现利用水平磁化的MTJ器件中可以使用堆叠结构50。图6示出等离子体蚀刻装置的主要元件，该等离子体蚀刻装置可以用于执行根据示例实施例的制造磁器件的方法的等离子体蚀刻工艺。参照图6，等离子体蚀刻装置60包括腔室62、源电极63和偏置电极64。偏置电极64配置作为用于支撑基板W的支架。源电极63可以具有使腔室62被多次缠绕的线圈形状。射频(RF)源功率可以施加到源电极63，而RF偏置功率可以施加到偏置电极64。在等离子体蚀刻中使用的蚀刻气体经由气体入口 65流入到腔室62中。在蚀刻之后保留的未反应的蚀刻气体和反应副产物通过使用涡轮分子泵(TMP)从腔室62排出。在利用CCP法的等离子体蚀刻装置中，可以使用设置在腔室62中靠近气体入口 65的扁平型电极，来代替源电极63。等尚子体蚀刻装置60包括源功率输出单兀66和偏置功率输出单兀68。源功率输出单元66和偏置功率输出单元68可以以适于执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺的模式分别输出源功率和偏置功率。源功率输出单元66包括源匹配网络66A、源混合器66B、源控制器66C和源RF产生器66D。偏置功率输出单元68包括偏置匹配网络68A、偏置混合器68B、偏置控制器68C和偏置RF产生器68D。从源功率输出单兀66输出的源功率施加到源电极63。源电极63配置用于在腔室62中产生等尚子体。从偏置功率输出单兀68输出的偏置功率施加到偏置电极64。偏置电极64配置用于控制进入基板W的离子能量。源功率输出单元66可以输出具有第一频率和第一占空比的脉冲调制RF源功率，并且可以输出控制信号到RF偏置功率输出单元68，该控制信号包括关于RF源功率的相位的信息。源混合器66B接收从源RF产生器66D输出的源RF信号以及从源控制器66C输出的源脉冲信号并且将它们混合，从而输出脉冲调制RF源功率。偏置功率输出单兀68响应于从源功率输出单兀66输出的控制信号而输出具有第二频率和第二占空比的RF偏置功率。在一些示例实施例中，RF偏置功率从偏置功率输出单元68施加到偏置电极64，使得形成在腔室62内的基板W上的等离子体的离子具有方向性。配置用于加热支撑在偏置电极64上的基板W的加热器(未示出)和配置用于控制腔室62的内部温度的温度传感器(未示出)可以附加地设置在偏置电极64的底部上或者在偏置电极64内。在一些示例实施例中，如果需要，源功率输出单元66和偏置功率输出单元68可以被控制为分别选择性地以恒幅波模式输出功率或者以脉冲模式输出功率。为此，源功率输出单兀66和偏置功率输出单兀68可以操作为分别控制功率输出的开状态和关状态的交互式转换。例如，源功率输出单兀66和偏置功率输出单兀68每个的开状态和关状态可以控制为使得脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏置功率可以分别从源功率输出单元66和偏置功率输出单兀68输出。图7A是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以恒幅波模式输出的源功率与时间的曲线图。图7B是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以恒幅波模式输出的偏置功率与时间的曲线图。图7C是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以脉冲模式输出的源功率的占空比D与时间的曲线图。图7D是示出图6所示的等离子体蚀刻装置中以脉冲模式输出的偏置功率的占空比D与时间的曲线图。在图7C和图7D中，开状态时间Tl和关状态时间T2可以以各种方式设定。开状态时间Tl和关状态时间T2可以相同或不同。开状态时间Tl和关状态时间T2可以根据待蚀刻层的质量和厚度、蚀刻气氛等而任意地选择。在一些示例实施例中，开状态时间Tl和关状态时间T2可以随着工艺时间进行而可变地设定。图7E是示出源功率和偏置功率的占空比D与时间的曲线图，源功率和偏置功率以脉冲模式输出，以利用图6所示的等离子体蚀刻装置的同步脉冲等离子体蚀刻执行蚀刻工艺。图8A至图SC是示出根据示例实施例的制造磁器件(参见图SC)的方法的工艺的次序的截面图。在当前示例实施例中，将描述制造磁器件80的方法，包括图4的堆叠结构40的蚀刻工艺。在图8A至图SC中，图4中的同样的附图标记指代同样的元件，并且为了清晰而省略对其的重复描述。参照图8A，在参照图4描述的堆叠结构40形成在所得结构(包括层间绝缘层82和穿过层间绝缘层82形成的下电极接触84)上之后，用于暴露上电极层48的顶表面的一部分的掩模图案86形成在堆叠结构40上。掩模图案86以与下电极接触84相同的轴形成在堆叠结构40上。在一些示例实施例中，掩模图案86可以包括从Ru、W、TiN, TaN,T1、Ta及其组合选择的至少一种材料。在一些示例实施例中，掩模图案86具有Ru\TiN或TiN\W的双层结构。掩模图案86可以具有约300 A至800A的厚度。参照图SB，包括掩模图案86的所得结构被装载到等离子体蚀刻腔室中。例如，包括掩模图案86的所得结构可以被装载到图6的等离子体蚀刻装置60的腔室62中的偏置电极64上。接着，类似于图2A的操作22或图3A的操作32，在腔室62中堆叠结构40的上电极层48的暴露区域被暴露于氢等离子体88，从而对堆叠结构40执行预处理。如果需要，可以省略利用氢等离子体88的预处理工艺。参照图SC，类似于图1的操作12，通过使用蚀刻气体以及使用掩模图案86作为蚀刻掩模来各向异性地蚀刻经预处理的堆叠结构40，该蚀刻气体包括70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体。在一些示例实施例中，为了蚀刻堆叠结构40，类似于图2A的操作24，使用包括至少70体积百分比的CH4气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体。在一些示例实施例中，类似于图3A的操作34，使用包括至少70体积百分比的H2气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体。在一些示例实施例中，蚀刻气体还包括附加气体，该附加气体包括从He、Ne、Ar、Kr、Xe及其组合选择的至少一种。在蚀刻气体中可以包括至少10体积百分比的附加气体。例如,蚀刻气体可以包括80体积百分比的CH4气体和20体积百分比的CO气体。可选地，蚀刻气体可以包括80体积百分比的CH4气体、10体积百分比的CO气体和10体积百分比的Ar气体。可选地，蚀刻气体可以包括80体积百分比的H2气体和20体积百分比的CO气体。可选地，蚀刻气体可以包括80体积百分比的H2气体、10体积百分比的CO气体和10体积百分比的Ar气体。作为堆叠结构40的蚀刻所得结构，形成多个磁器件80，每个包括从底部到顶部依次堆叠的下电极42A、下磁层图案44A、隧穿阻挡层45A、上磁层图案46A、上电极48A和残余的掩模图案86。在多个磁器件80的每个中，残余的掩模图案86和上电极48A配置作为一个电极。多个磁器件80的每个电连接到下电极接触84。当堆叠结构40被蚀刻时，可以通过蚀刻从掩模图案86的顶表面消耗堆叠结构40的一部分。在预处理工艺之后，在与用于执行图SB的预处理工艺的腔室相同的腔室中可以执行堆叠结构40的蚀刻工艺。堆叠结构40的蚀刻工艺可以在约-10°C至80°C的温度在约2mT至约5mT的压力下执行。例如，堆叠结构40的蚀刻工艺可以在约20°C的温度在约2mT的压力下执行。图9A至图9C是示出根据示例实施例的制造磁器件(参见图9C)的方法的工艺的次序的截面图。在当前示例实施例中，将描述制造磁器件90的方法，包括图5的堆叠结构50的蚀刻工艺。在图9A至图9C中，图4、图5和图8A至图8C中同样的附图标记指代同样的元件，并且为了清晰而省略对其的具体描述。参照图9A，在如参照图5描述的堆叠结构50形成在包括层间绝缘层82和下电极接触84的所得结构上之后，用于暴露上电极层48的顶表面的一部分的掩模图案96形成在堆叠结构50上。掩模图案96以与下电极接触84相同的轴形成在堆叠结构50上。在一些示例实施例中，掩模图案96可以包括从Ru、W、TiN, TaN,T1、Ta及其组合选择的至少一种材料。在一些示例实施例中，掩模图案96具有Ru\TiN或TiN\W的双层结构。掩模图案96可以具有约300人至800人的厚度。参照图9B，包括掩模图案96的所得结构被装载到等离子体蚀刻腔室中。例如，包括掩模图案96的所得结构可以装载到图6的等离子体蚀刻装置60的腔室62中的偏置电极64上。接着，如图2A的操作22或图3A的操作32中所描述的，在腔室62中堆叠结构50的待蚀刻的上电极层48的暴露区域被暴露于氢等离子体98，从而对堆叠结构50执行预处理。参照图9C，通过利用蚀刻气体并利用掩模图案96作为蚀刻掩模来各向异性地蚀刻在蚀刻气体的等离子体状态下被预处理的堆叠结构50，该蚀刻气体包括70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体。在一些示例实施例中，为了蚀刻堆叠结构50，类似于图2A的操作24，使用包括至少70体积百分比的CH4气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体。在一些示例实施例中，类似于图3A的操作34，使用包括至少70体积百分比的H2气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体。在一些示例实施例中，蚀刻气体还包括附加气体，该附加气体包括从He、Ne、Ar、Kr、Xe及其组合选择的至少一种。在蚀刻气体中可以包括至少10体积百分比的附加气体。例如,蚀刻气体可以包括80体积百分比的CH4气体和20体积百分比的CO气体。可选地，蚀刻气体可以包括80体积百分比的CH4气体、10体积百分比的CO气体和10体积百分比的Ar气体。可选地，蚀刻气体可以包括80体积百分比的H2气体和20体积百分比的CO气体。可选地，蚀刻气体可以包括80体积百分比的H2气体、10体积百分比的CO气体和10体积百分比的Ar气体。作为堆叠结构40的蚀刻所得结构，形成多个磁器件90。多个磁器件90包括从底部到顶部依次堆叠的下电极42A、下磁层图案44A、隧穿阻挡层45A、上磁层图案56P、上电极48A和残余的掩模图案96。在多个磁器件90中，残余的掩模图案96和上电极48A配置作为一个电极。多个磁器件90的每个电连接到下电极接触84。当堆叠结构50被蚀刻时，可以通过蚀刻从掩模图案86的顶表面消耗堆叠结构50的一部分。在预处理工艺之后，在与用于执行图9B的预处理工艺的腔室相同的腔室中可以执行堆叠结构50的蚀刻工艺。堆叠结构50的蚀刻工艺可以在约-10°C至80°C的温度在约2mT至约5mT的压力下执行。例如，堆叠结构50的蚀刻工艺可以在约20°C的温度在约2mT的压力下执行。在图8A至图8C所示的制造磁器件80的方法和图9A至图9C所示的制造磁器件90的方法中，图6的等离子体蚀刻装置60可以用于执行堆叠结构40或50的蚀刻工艺。在等离子体蚀刻装置60中，当堆叠结构40或50被蚀刻时，可以分别以恒幅波模式输出源功率和偏置功率，如图7A和图7B所示。在一些示例实施例中，当堆叠结构40或50被蚀刻时，可以输出脉冲模式的源功率或脉冲模式的偏置功率，其中源功率或偏置功率在开状态和关状态之间交替，如图7C或图7D所示。在一些示例实施例中，当堆叠结构40或50被蚀刻时，为了执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺，可以同时地施加脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏置功率，如图7E所示。图4或图5的堆叠结构40或50可以包括非易失性材料(例如，Pt、Pd、Co、Mg、Fe、Ir等)，其不容易通过传统蚀刻工艺蚀刻。因为与其它蚀刻材料相比，在蚀刻工艺期间产生的反应材料的饱和蒸汽压非常低，这些非易失性材料在现有的蚀刻工艺条件下具有非常低的蚀刻速率，并且蚀刻工艺期间的反应产物再次沉积在蚀刻之后形成的图案的侧壁上。当蚀刻副产物以此方式再次沉积在图案的侧壁上时，由蚀刻所形成的最终图案的垂直侧壁轮廓严重倾斜，并且难以控制临界尺寸(⑶)。此外，非易失性金属反应副产物再次沉积在图案的侧壁上，从而发生下电极与上电极之间的电短路并且MTJ特性退化。另一方面，在根据示例实施例的制造磁器件的方法中，当包括非易失性磁层的堆叠结构40或50被蚀刻时，利用包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体来蚀刻堆叠结构40或50。在这点上，堆叠结构40或50在单个步骤中从上电极层48到下电极层42被蚀刻，并被分离成多个磁器件80或90。由于通过采用包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体(基于蚀刻气体的总体积百分比)的蚀刻气体来蚀刻堆叠结构40或50，因此可以防止蚀刻副产物再次沉积在每个被蚀刻表面(即，多个磁器件80的侧壁80S或多个磁器件90的侧壁90S)上，并且磁器件可以具有垂直的侧壁轮廓。
图1OA不出在源功率和偏置功率分别以恒幅波模式输出的条件下蚀刻堆叠结构时离子的运动路径。具体地，图1OA示出在源功率和偏置功率分别以图7A和图7B所示的恒幅波模式输出的条件下通过参照图8C描述的工艺利用等离子体蚀刻装置60蚀刻堆叠结构40时从蚀刻气体产生的加速离子A+/_的运动路径IOA0图1OB示出在同步脉冲等离子体蚀刻工艺中从蚀刻气体产生的离子的运动路径。具体地，图1OB不出在源功率和偏置功率分别以图7E所不的脉冲模式输出的条件下通过参照图8C描述的工艺利用等离子体蚀刻装置60蚀刻堆叠结构40时从蚀刻气体产生的加速离子A+/_的运动路径10B，从而执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺。如从比较图1OA和图1OB的结果而显见的，当执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺时，从蚀刻气体产生的加速离子A+/_的运动范围与源功率和偏置功率分别以恒幅波模式输出的情形相比增加。因此，加速离子A+/_分散的运动范围增加。即使蚀刻副产物再次沉积在蚀刻堆叠结构40时暴露的侧壁80S上时，由于多个加速离子A+/_在增大的运动范围内运动而可以去除再次沉积的副产物。这样的效果可以应用到参照图9C描述的堆叠结构50的蚀刻工艺。因此，即使当包括多个磁层的堆叠结构被蚀刻以制造具有几十nm (例如20nm)的非常微小宽度的磁器件80或90时，包括多个磁层的堆叠结构仍可以利用根据示例实施例的制造磁器件的方法而被蚀刻，从而由于在没有蚀刻副产物的再次沉积的情况下可以执行高各向异性蚀刻而可以容易地制造每个具有垂直侧壁轮廓的小型化磁器件。图11是示出根据示例实施例的制造磁器件的方法的流程图。在图11的操作112中，掩模图案形成在堆叠结构(包括从底部到顶部依次堆叠的下磁层、隧穿阻挡层和上磁层)上以覆盖堆叠结构的一部分。在一些示例实施例中，堆叠结构还包括下电极层和上电极层，下电极层和上电极层形成在下磁层、隧穿阻挡层和上磁层之下和之上，而下磁层、隧穿阻挡层和上磁层插设在下电极层与上电极层之间。堆叠结构可以包括由从Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn> IrMn、CoFe合金、CoFeB合金及其组合选择的至少一种形成的磁层。例如,堆叠结构可以包括图4或图5的堆叠结构40或50。掩模图案可以包括从Ru、W、TiN、TaN、T1、Ta及其组合选择的至少一种材料。在一些示例实施例中，掩模图案具有RiATiN或TiN\W的双层结构。在操作114中，在形成有掩模图案的所得结构中，将堆叠结构的暴露顶表面暴露于氢等离子体，并且堆叠结构被预处理。在一些示例实施例中，为了执行利用氢等离子体的预处理工艺，包括堆叠结构(例如，基板)的结构被装载到图6所示的等离子体蚀刻装置60的腔室62中，并且通过仅供应H2气体到腔室62而产生氢等离子体。操作114中的预处理工艺的更详细描述与图2A的操作22中描述的预处理工艺或图3A的操作32中描述的预处理工艺基本相同。因此，省略对其的详细描述。如果需要，可以省略操作114。在操作116中，通过利用第一蚀刻气体并利用操作112中形成的掩模图案作为蚀刻掩模而从堆叠结构的暴露顶表面蚀刻上磁层、隧穿阻挡层和下磁层，第一蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体，同时重复地执行源功率或偏置功率在开状态和关状态之间交替的操作。
操作116的蚀刻工艺可以利用图6所示的等离子体蚀刻装置60执行。在操作114的预处理工艺之后，在相同的腔室62中可以执行操作116的蚀刻工艺。操作116的蚀刻工艺可以以与图2A的操作24中描述的蚀刻工艺或图3A的操作34中描述的蚀刻工艺相同的方式执行。然而，在操作116中，当执行堆叠结构的蚀刻工艺时，重复地执行源功率或偏置功率在开状态和关状态之间交替的操作。例如，当执行蚀刻工艺时，源功率或偏置功率可以以源功率或偏置功率在开状态和关状态之间交替的脉冲模式输出，如图7C或图7D所示。在一些示例实施例中，当执行蚀刻工艺时，为了执行如图7E所示的同步脉冲等离子体蚀刻工艺，脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏置功率可以同时输出或者以给定的时差输出。操作116的蚀刻工艺可以在约-10°C至80°C的温度在约2mT至约5mT的压力下执行。操作116的蚀刻工艺在利用脉冲模式的源功率、脉冲模式的偏置功率或其结合的等离子体蚀刻工艺条件下执行，使得从蚀刻气体产生的加速离子在增大的运动范围内运动并与待蚀刻区域碰撞。在堆叠结构的待蚀刻区域中，与到达该区域的表面的加速氢离子的化学反应被进行，并且同时地，由于从蚀刻气体获得的加速离子的物理蚀刻可以在待蚀刻区域中均匀地进行。因此，氢离子和加速离子被更有效地用于执行待蚀刻层的高各向异性蚀刻和再次沉积层的去除。因而，可以容易地形成每个具有垂直侧壁轮廓的微型磁阻器件，并且可以防止蚀刻副产物再次沉积在蚀刻之后获得的图案的侧壁上。图12A至图12H是示出根据示例实施例的制造磁器件200 (参见图12H)的方法的工艺次序的截面图。本示例实施例示出制造自旋转移扭矩磁阻随机存取存储器(STT-MRAM)器件的工艺作为制造磁器件200的工艺。参照图12A，隔离层204形成在基板202上以由此限定有源区206，并且至少一个晶体管210形成在有源区206中。在一些示例实施例中，基板202是半导体晶片。在至少一个示例实施例中，基板202包括娃(Si)。在一些示例实施例中，基板202可以包括半导体元素(例如，Ge)或者化合物半导体(例如，SiC、GaAs、InAs或InP)。在示例实施例中，基板202可以具有绝缘体上硅(SOI)结构。例如，基板202可以包括埋入氧化物(BOX)层。在一些示例实施例中，基板202可以包括导电区域(例如，掺有杂质的阱)或掺有杂质的结构。隔离层204可以具有浅沟槽隔离(STI)结构。晶体管210包括栅极绝缘层212、栅电极214、源极区216和漏极区218。栅电极214形成为使得栅电极214的顶表面和两个侧壁可以分别通过绝缘覆盖层220和绝缘间隔物222绝缘。接着，配置为覆盖晶体管210的平坦化第一层间绝缘层230、穿过第一层间绝缘层230并且电连接到源极区216的多个第一接触插塞232、以及电连接到漏极区218的多个第二接触插塞234依次形成在基板202上。在导电层形成在第一层间绝缘层230上之后，该导电层被图案化，从而形成多个源极线236以及在源极线236两侧的多个导电图案238，多个源极线236经由多个第一接触插塞232电连接到源极区216，多个导电图案238经由多个第二接触插塞234电连接到漏极区218。接着，第二层间绝缘层240形成在第一层间绝缘层230上以覆盖源极线236和导电图案238。通过利用光刻工艺，第二层间绝缘层240的一部分被去除以暴露导电图案238的顶表面，从而形成下电极接触孔240H。通过在下电极接触孔240H中填充导电材料并通过抛光导电材料以暴露第二层间绝缘层240的顶表面，从而形成下电极接触插塞242。在一些示例实施例中，下电极接触插塞242包括从TiN、T1、TaN、Ta、W及其组合选择的至少一种材料。参照图12B，堆叠结构250(其中从底部到顶部依次堆叠下电极层252、下磁层254、隧穿阻挡层255、上磁层256和上电极层258)形成在第二层间绝缘层240和下电极接触插塞242上。堆叠结构250可以包括图4或图5的堆叠结构40或50。然而，示例实施例不限于此，并且各种类型的层可以根据待形成的磁器件的期望特性而被添加或替换。参照图12C，多个导电掩模图案260形成在堆叠结构250上，以覆盖堆叠结构250的顶表面的一部分。多个导电掩模图案260可以包括金属或金属氮化物。在一些不例实施例中，多个导电掩模图案260包括从Ru、W、TiN, TaN, T1、Ta及其组合选择的至少一种材料。例如，导电掩模图案260可以具有Ru\TiN或TiN\W的双层结构。导电掩模图案260形成在与下电极接触插塞242相同的轴上。在一些不例实施例中，为了形成多个导电图案260,可以使用如下工艺,其中导电掩模层首先形成在堆叠结构250上，多个硬掩模图案(未示出)形成在导电掩模层上，以及利用多个硬掩模图案作为蚀刻掩模来蚀刻导电掩模层，从而保留多个导电掩模图案260。参照图12D，在形成有导电掩模图案260的所得结构中，将堆叠结构250的暴露顶表面暴露于氢等离子体262，以由此对堆叠结构250执行预处理。利用氢等离子体262的预处理工艺与图2A的操作22、图3A的操作32以及参照图SB和图9B描述的利用氢等离子体的预处理工艺相同。如果需要，可以省略利用氢等离子体262的预处理工艺。参照图12E，通过利用等离子体蚀刻工艺，利用包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体并且利用导电掩模图案260作为蚀刻掩模，依次蚀刻堆叠结构250的上电极层258、上磁层256、隧穿阻挡层255、下磁层254和下电极层252。结果，形成多个上电极258A、多个上磁层图案256A、多个隧穿阻挡层255A、多个下磁层图案254A和多个下电极252A。堆叠结构250的蚀刻工艺的更详细描述可以参照图11的操作116。在一些示例实施例中，堆叠结构250的蚀刻工艺可以利用图6所示的等离子体蚀刻装置60执行。在参照图12D描述的利用氢等离子体262的预处理工艺之后，在相同的腔室62中可以执行堆叠结构250的蚀刻工艺。堆叠结构250的蚀刻工艺可以以与图2A的操作24中描述的蚀刻工艺或图3A的操作34中描述的蚀刻工艺相同的方式执行。在一些示例实施例中，当执行堆叠结构250的蚀刻工艺时，重复地执行源功率或偏置功率在开状态和关状态之间交替的操作。例如，当执行蚀刻工艺时，源功率或偏置功率可以以源功率或偏置功率在开状态和关状态之间交替的脉冲模式输出，如图7C或图7D所示。在一些示例实施例中，当执行蚀刻工艺时，为了执行如图7E所示的同步脉冲等离子体蚀刻工艺，脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏置功率可以同时输出或者以给定的时差输出。堆叠结构250的蚀刻工艺可以在约-10°C至80°C的温度在约2mT至约5mT的压力下执行。当执行堆叠结构250的蚀刻工艺时，多个导电掩模图案260的部分可以从它们的顶表面被消耗。尽管没有示出，但是在通过蚀刻堆叠结构250形成在多个下电极252A之后暴露的第二层间绝缘层240可以从第二层间绝缘层240的顶表面被蚀刻给定的厚度。作为通过蚀刻堆叠结构250形成的所得结构，多个磁阻器件270形成在多个下电极接触插塞242上，该多个磁阻器件270包括下电极252A、下磁层图案254A、隧穿阻挡层255A、上磁层图案256A、上电极258A和剩余的导电掩模图案260。在多个磁阻器件270中，剩余的导电掩模图案260和上电极258A可以配置作为一个电极。多个磁阻器件270通过蚀刻工艺形成，因此具有带有垂直侧壁轮廓的侧壁270S，该蚀刻工艺利用包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体。此外，当执行图12E的蚀刻工艺时，防止蚀刻残留物(例如，非易失性材料)再次沉积在磁阻器件270的侧壁270S上。因此，可以防止由于副产物再次沉积在侧壁270S上引起的磁阻器件270的特性恶化。此外，即使当多个磁阻器件270的每个的宽度W具有几十nm (例如，20nm)的非常微小尺寸时，可以在没有蚀刻副产物的再次沉积的情况下对堆叠结构250执行高各向异性蚀刻，从而可以容易地制造每个具有垂直侧壁轮廓的微型磁器件并且可以容易地形成每个具有大的高宽比的磁阻器件270。在一些示例实施例中，隧穿阻挡层255A的宽度被设定作为磁阻器件270的宽度W的基础。磁阻器件270的隧穿阻挡层255A可以具有不大于20nm的宽度。例如，隧穿阻挡层255A可以具有约10至20nm的宽度。参照图12F，执行将形成有多个磁阻器件270的所得结构暴露于氧等离子体278的后处理工艺。当导电残余物保留在多个磁阻器件270的侧壁上时，导电残余物可以由于利用氧等离子体278的后处理工艺而被氧化并改变为绝缘层。因此，即使当在形成多个磁阻器件270之后导电残余物保留在多个磁阻器件270的侧壁上时，也可以防止问题(例如，由导电残余物引起的电短路)的发生。如果需要，可以省略利用氧等离子体278的后处理工艺。参照图12G，平坦化的第三层间绝缘层280形成为覆盖多个磁阻器件270，并且第三层间绝缘层280的一部分通过蚀刻而被去除以形成多个位线接触孔280H，多个位线接触孔280H暴露每个磁阻器件270的导电掩模图案260的顶表面。接着，在形成用于填充多个位线接触孔280H的导电层之后，对该导电层进行抛光或蚀刻直到暴露第三层间绝缘层280的顶表面，从而分别在多个位线接触孔280H中形成多个位线接触插塞282。参照图12H，在第三层间绝缘层280和多个位线接触插塞282上形成导电层，并且将该导电层图案化，从而形成分别电连接到多个位线接触插塞282的具有线形形状的位线290，以形成磁器件200。图13A至图13C是虚拟扫描电子显微(VSEM)照片，示出当利用根据示例实施例的制造磁器件的方法蚀刻包括磁层的堆叠结构时蚀刻气氛温度的依赖性的评估结果。对于图13A至图13C的评估，使用从底部到顶部依次堆叠Ti (20) \ Ru (20) \Ta (4) \ CoFeB(Il) \ MgO(IO) \ CoFeB (12) \ Ta (4) \ Co (5) \ Pt(IO) \ [Co (2.5) \Pd (10) ] X 3 \ Co (5) \ Ru (8) \ Co (5) \ [Pd (10) \ Co (2.5) ] X 7 \ Pd (10) \ Ti (10) \Ru (50)的堆叠结构(其中括号中的数字表示以A为单位的厚度)。为了蚀刻堆叠结构，具有Ru(500) \ TiN(600)的结构的导电掩模图案形成在堆叠结构上，并且利用导电掩模图案作为蚀刻掩模来蚀刻堆叠结构。80体积百分比的CH4气体和20体积百分比的CO气体被用作用于蚀刻堆叠结构的蚀刻气体，并使用图6所示的利用ICP方法的等离子体蚀刻装置60。为了控制蚀刻温度，控制等离子体蚀刻装置60的偏置电极64的温度。图13A至图13C示出当偏置电极64的温度分别设定为20°C、40°C和80°C的情形。在图13A至图13C中，工艺压力、源功率和偏置功率分别设定为2mT、500W和350W。在图13A至图13C中，随着蚀刻温度降低，再次沉积在蚀刻之后获得的图案的侧壁上的蚀刻副产物的量减少，并且具有主要成分为碳的聚合物副产物310的量也减少。因此，蚀刻温度越低，越容易获得期望的蚀刻所得结构。图14是可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法实现的磁器件的示意截面图。参照图14，磁器件600包括硬盘驱动器(HDD)的记录头610。记录头610包括MTJ器件612。数据由于垂直磁极化(如箭头所示)而被记录在记录介质620的每个畴622中。记录头610可以将数据记录在记录介质620上,或者可以从记录介质620读取所记录的数据。根据示例实施例的制造磁器件的方法可以应用于形成记录头610的MTJ器件612。图15示出可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法实现的系统。参照图15，系统700包括控制器、输入/输出装置720、存储装置730和接口 740。系统700可以是移动系统或用于传送或接收信息的系统。在一些示例实施例中，移动系统是个人数字助理(PDA)、便携式计算机、上网本、无线电话、手机、数字音乐播放器或存储卡。控制器710控制系统700中的执行程序并可以包括微处理器、数字信号处理器、微控制器等。输入/输出装置720可以用于输入数据到系统700或从系统700输出数据。系统700可以通过利用输入/输出装置720连接到外部设备(例如，个人计算机(PC)或网络)，并可以与外部设备交换数据。输入/输出装置720可以例如是键板、键盘或显示器。存储装置730可以存储用于控制器710的操作的代码和/或数据，或者可以存储被控制器710处理的数据。存储装置730包括通过根据示例实施例的制造磁器件的方法制造的磁器件。接口 740可以是系统700与另一外部设备(未示出)之间的数据传输通路。控制器710、输入/输出装置720、存储装置730和接口 740可以经由总线750彼此通信。系统700可以用于手机、MP3播放器、导航设备、便携式多媒体播放器(PMP)、固态盘(SSD)或家用电器。图16示出可利用根据示例实施例的制造磁器件的方法实现的存储卡。参照图16，存储卡800包括存储装置810和存储控制器820。存储装置810可以存储数据。在一些示例实施例中，存储装置810具有非易失特性，其中存储的数据即使在电源停止时仍可以保留。存储装置810包括通过根据示例实施例的制造磁器件的方法制造的磁器件。存储控制器820可以响应主机830的读/写请求从存储装置810读取存储的数据，或者可以存储数据在存储装置810中。以上是对示例实施例的说明而不应被解释为对其进行限制。尽管已经描述了几个示例实施例，但本领域技术人员将易于理解，可以在示例实施例中做出许多修改而在本质上不脱离新颖教导和优点。因此，所有这样的修改旨在被包括在本发明由权利要求所限定的范围内。在权利要求中，方法加功能条款意在覆盖此处所述的执行所述功能的结构以及结构等价物和等价结构。因此，将理解，以上是对各个示例实施例的说明，不应将其解释为限于所公开的具体实施例，并且对公开的实施例以及其它实施例的修改旨在被包括在随附权利要求的范围之内。本申请要求于2011年12月7日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请N0.10-2011-0130476的优先权权益，其公开内容通过引用整体结合于此。
权利要求
1.一种制造磁器件的方法，所述方法包括: 通过使用蚀刻气体来蚀刻包括至少一个磁层的堆叠结构，所述蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述含氢气体包括从CH4气体、H2气体及其组合选择的至少一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述含氢气体是CH4气体，以及 所述蚀刻气体包括70至98体积百分比的CH4气体以及2至30体积百分比的CO气体。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述含氢气体是H2气体，以及 所述蚀刻气体包括70至98体积百分比的H2气体以及2至30体积百分比的CO气体。
5.如权利要求1所述的方法,其中所述蚀刻气体还包括附加气体,所述附加气体包括从He、Ne、Ar、Kr、Xe及其组合选择的至少一种。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述堆叠结构的蚀刻在-10°C至20°C的温度执行。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻气体不包括卤族元素。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述堆叠结构包括从Co/Pd、Co/Pt、Co/N1、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn> IrMn、CoFe合金、CoFeB合金及其组合选择的至少一种。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述堆叠结构的蚀刻包括: 利用等离子体蚀刻装置的等离子体蚀刻，所述等离子体蚀刻装置包括配置为施加源功率的源功率输出单兀和配置为施加偏置功率的偏置功率输出单兀，以及 所述源功率和所述偏置功率中的至少一种功率在开状态和关状态之间重复地交替。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述堆叠结构的蚀刻包括: 利用等离子体蚀刻装置的等离子体蚀刻，所述等离子体蚀刻装置包括配置为施加源功率的源功率输出单兀和配置为施加偏置功率的偏置功率输出单兀，以及 施加恒幅波模式的所述源功率以及在开状态和关状态之间交替的脉冲模式的所述偏置功率。
11.如权利要求1所述的方法，还包括: 在所述堆叠结构的蚀刻之前，将所述堆叠结构的待蚀刻区域暴露于氢等离子体。
12.如权利要求1所述的方法，其中所述堆叠结构包括依次堆叠的下磁层、隧穿阻挡层和上磁层，以及 所述堆叠结构的蚀刻包括利用所述蚀刻气体分别等离子体蚀刻所述下磁层、所述隧穿阻挡层和所述上磁层以形成磁阻器件。
13.如权利要求12所述的方法，还包括: 在所述堆叠结构上形成掩模图案， 其中所述堆叠结构的蚀刻包括利用所述掩模图案作为蚀刻掩模。
14.如权利要求12所述的方法，还包括: 在所述堆叠结构的蚀刻之后，将所述磁阻器件的暴露表面暴露于氧等离子体。
15.—种制造磁器件的方法,包括: 形成包括至少一个磁层的堆叠结构；以及 通过将所述至少一个磁层暴露于蚀刻气体而蚀刻所述至少一个磁层，所述蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体以及至少2体积百分比的CO气体。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述至少一个磁层包括从Pt、Pd、N1、Mn、Co、Mg、Fe、Ir及其组合选择的至少一种。
17.如权利要求15所述的方法，其中去除所述至少一个磁层的部分形成多个磁阻器件，每个磁阻器件具有20nm或更小的宽度。
18.如权利要求15所述的方法，其中所述蚀刻气体包括至少80体积百分比的含氢气体以及至少10体积百分比的CO气体。
19.如权利要求15所述的方法，其中所述至少一个磁层包括垂直磁各向异性材料。
20.—种磁器件,包括: 至少一个磁阻器件，所述磁阻器件具有通过使用蚀刻气体的等离子体蚀刻工艺形成的侧壁，所述蚀刻气体包括至少70体积百分比的含氢气体以及至少2体积百分比的CO气体，其中所述侧壁的至少一部分具有不大于20nm的宽度。
全文摘要
本发明提供了磁器件及其制造方法。该磁器件包括具有至少一个磁层的堆叠结构，该堆叠结构利用包括至少70体积百分比的含氢气体和至少2体积百分比的CO气体的蚀刻气体来蚀刻。
文档编号H01L43/08GK103151456SQ20121052369
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月7日 优先权日2011年12月7日
发明者李学善, 渡嘉敷健, 金明哲, 权亨峻, 李相旻, 李佑澈, 郑明勋 申请人:三星电子株式会社