DE10050076C2 - Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetischen Struktur und ferromagnetisches Bauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer ferromagneti­ schen Struktur zur Verwendung in einem MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), wobei eine Maske strukturiert wird, die Maske an einem Substrat angeordnet wird und an einem nicht von der Maske bedeckten Oberflächenbereich des Substrats die mikrotechnische Struktur erzeugt wird. Die Er­ findung betrifft weiterhin ein ferromagnetisches Bauelement mit einem Substrat und einer an dem Substrat angeordneten ferro­ magnetischen Struktur.

Insbesondere bei mikroelektronischen Bauelementen, d. h. bei elektronischen Bauelementen, deren Strukturabmessungen Werte im µm-Bereich und Subµm-Bereich erreichen, werden spezielle hochentwickelte Strukturierungsprozesse angewendet. Struktu­ ren mit besonders kleinen Abmessungen werden vor allem bei der Entwicklung von Datenspeichern angestrebt. Aber auch bei Mikrostrukturen für andere Anwendungen, wie beispielsweise Schreib- und/oder Leseköpfe für Festplatten, werden derartige Strukturierungsprozesse angewendet.

Bekannt ist es, zur Strukturierung dünner Schichten und Schichtsysteme Lithographieprozesse und Ätzprozesse anzuwen­ den. Insbesondere werden dabei durch die Lithographieprozesse Strukturen in Photolackschichten erzeugt und durch Ätzprozes­ se in die darunter liegenden dünnen Schichten bzw. Schichtsy­ steme übertragen. Für Schichtstrukturierungen im µm- und Subµm-Bereich sind anisotrope Plasmaätzverfahren bekannt, beispielsweise RIE (Reactive Ion Etching), RSE (Reactive Sputter Etching), ECR-Ätzen (Electron Cyclotron Resonance- Ätzen), ICP-Ätzen (Inductively Coupled Plasma-Ätzen) und CAIBE (Chemically Assisted Ion Beam Etching). Bei derartigen Ätzprozessen ist es erforderlich, daß die aus dem abzuätzen­ den Material entstandenen Reaktionsprodukte in die Gasphase übergehen und aus der Reaktionskammer entfernt werden können. Zahlreiche von ihren physikalischen Eigenschaften her für Mi­ krostrukturen geeignete Materialien können mit manchen oder allen bekannten Ätzverfahren nicht in befriedigender Weise strukturiert werden, da die beim Ätzen entstehenden Reakti­ onsprodukte an der Oberfläche des zu ätzenden Materials eine Passivierungsschicht bilden und so ein weiteres Ätzen und Entfernen des Materials verhindern. Weiterhin kann es bei Ätzprozessen generell zu Redepositionen des abgeätzten Mate­ rials kommen, beispielsweise an Ätzmasken, den Rändern der abzuätzenden Bereiche und an Teilen der Ätzkammer. Die Folge sind beispielsweise unerwünschte schräge Ätzflanken und Ver­ änderungen der Abmessungen von Ätzmasken. Es können aber auch elektrische Kurzschlüsse durch elektrisch leitfähige Redepo­ sitionen an den Flanken von Mehrfachschichtsystemen entste­ hen.

Insbesondere zum Einsatz in zukünftigen MRAM (Magnetoresistive Random Access Memories) werden Strukturen mit ferromagnetischen Materialien wie Ni, Fe und Co sowie Le­ gierungen mit diesen Materialien hergestellt und auf ihre Tauglichkeit untersucht. Bei der Strukturierung dieser Mate­ rialien in Ätzprozessen bilden sich die oben beschriebenen nichtflüchtigen Passivierungsschichten. In der Veröffentli­ chung "High Rate Etching of Metals for magnetoelectronic Applications" von S. J. Pearton et al., Electrochemical Socie­ ty Proceedings Volume 97-21, Seiten 270-285 (im folgenden kurz "Pearton" genannt) wird vorgeschlagen, einen Plasmaätz­ prozeß mit hoher Ionendichte anzuwenden, um die Bildung einer störenden Passivierungsschicht zu vermeiden. Nach Pearton führt die hohe Ionendichte zu einem hohen Ionenfluß, so daß normalerweise nicht flüchtige Reaktionsprodukte abgesputtert werden. Pearton schlägt vor, ferromagnetische Metallegierun­ gen wie NiFe und NiFeCo bei Anwesenheit von Cl im Ätzgas zu ätzen. Dadurch werden zwar höhere Ätzraten erreicht als mit reinem Ar-Ätzgas, jedoch führen resultierende chlorhaltige Verbindungen nach dem Ätzen zu einer Korrosion der Metalle­ gierungen. Die chlorhaltigen Verbindungen müssen in einem weiteren Prozeßschritt entfernt werden.

In der Veröffentlichung "Assessment of Dry Etching Damage in Permalloy Thin Films" von S. D. Kim et al., Journal of Applied Physics, Vol. 85, Nr. 8, Seiten 5992-5994 vom 15. April 1999 wird berichtet, daß Plasma-Trockenätzprozesse wie IBE (Ion Beam Etching) und RIE (Reactive Ion Etching) bei NiFe (Permalloy) aufgrund des Beschusses mit Ionen zu einer Beein­ trächtigung der magnetischen Eigenschaften führen.

Ein weiterer Nachteil von Plasma-Ätztechniken ist die geringe Selektivität der Ätzwirkung sowohl zur Ätzmaske als auch zum Substrat, auf dem das zu ätzende Material aufgebracht ist. Die Folge sind eine Abnutzung von Ätzmasken und eine uner­ wünschte Strukturierung des Substrats.

Die DE 25 40 300 C3 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Leitermusters auf einem Körper, wobei auf einer Ober­ fläche des Körpers eine maskierende Schicht angebracht wird, welche eine obere Teilschicht mit einem überhängenden Quer­ schnitt aufweist. Durch diese Maske werden leitende Teil­ schichten auf einem nicht von der Maske bedeckten Oberflä­ chenabschnitt des Körpers durch gerichtete Abscheideprozesse derart aufgebracht, dass die gesamte freie Oberfläche einer ersten leitenden Teilschicht von einer zweiten leitenden Teilschicht überdeckt wird.

Aus der Publikation "Stencil technique for the preparation of thin-film Josephson devices" von L. N. Dunkleberger in "J. Vac. Sci. Technol.", 15 (1978) 1, pp. 88-90, ist ebenfalls bekannt, auf einem Substrat eine Maske mit einem nach oben überhängenden Querschnitt anzuordnen und durch gerichtete Ab­ lagerungsprozesse die Schichten der Josephson-Kontakte durch die Maske abzulagern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetischen Struktur der eingangs ge­ nannten Art anzugeben und ferner ein ferromagnetisches Bau­ element mit einer an einem Substrat angeordneten ferromagne­ tischen Struktur anzugeben, bei denen durch die Erzeugung der endgültigen lateralen Abmessungen der Struktur (Struk­ turierung) möglichst keine Schäden an der Struktur und dem Substrat bewirkt und/oder verursacht werden bzw. sind. Insbe­ sondere bei Strukturen mit ferromagnetischen Materialien sol­ len die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien durch die Strukturierung und nachfolgende, durch die Strukturierung bedingte Prozeßschritte nicht negativ beeinflußt werden.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, das Anordnen des Materials der Struktur an dem Substrat in ein und demselben Prozeßschritt vorzunehmen wie zumindest einen Teil der Strukturierung der herzustellenden Struktur. Es wird zumindest an einer Stelle des Substrats al­ lein durch das Anordnen des Strukturmaterials an dem Substrat eine laterale Begrenzung der Struktur bewirkt. Ein nachfol­ gender Ätzprozeß, bei dem eine Schädigung der Struktur und/oder des Substrats eintreten könnte, wird somit überflüs­ sig.

Bei einer Ausführungsform wird eine Maske derart strukturiert und an dem Substrat angeordnet, daß die Maske einen Oberflä­ chenbereich des Substrats zwar abschattet, aber nicht be­ deckt. In Richtung einer Oberflächennormalen befindet sich die Maske in diesem Oberflächenbereich in einem Abstand zur Oberfläche. Danach wird Material der herzustellenden Struktur in einem gerichteten Ablagerungsprozeß an dem Substrat abge­ lagert. Unter einem gerichteten Ablagerungsprozeß wird ein Ablagerungsprozeß verstanden, bei dem sich das abzulagernde Material in der Regel gerichtet, nämlich geradlinig in Rich­ tung der Ablagerungsstelle bewegt. Dies schließt nicht aus, daß sich die Bewegungsrichtung des abzulagernden Materials beispielsweise durch Wechselwirkung einer Mehrzahl von Teil­ chen des Ablagerungsmaterials und/oder Beugung an Struktur­ kanten und/oder durch Streuung an ortsfesten Strukturen geän­ dert werden kann. Der überwiegende Teil des abzulagernden Ma­ terials wird sich jedoch im wesentlichen geradlinig von einer Ablagerungsquelle bzw. von einem Quellbereich der Ablagerung bis zum Ablagerungsort bewegen.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht dar­ in, daß an dem abgeschatteten Oberflächenbereich des Substrats deutlich weniger Material abgelagert wird als an unbedeckten und nicht abgeschatteten Oberflächenbereichen des Substrats. Ferner ist auch innerhalb des abgeschatteten Bereichs die Ablagerungsrate abhängig davon, wie weit der Abla­ gerungsort von dem Rand des abgeschatteten Bereichs entfernt ist. In der Regel wird die Ablagerungsrate mit zunehmendem Abstand vom Rand des abgeschatteten Bereichs stetig abnehmen. Durch die Dimensionierung der Maske und durch Einstellen des Abstandes der Maske von dem abgeschatteten Oberflächenbereich des Substrats sowie durch die Art und Prozeßführung des ge­ richteten Ablagerungsprozesses kann somit die örtliche Ver­ teilung der Dicke des abgelagerten Materials im abgeschatte­ ten Bereich gesteuert werden. Es ist daher beispielsweise möglich, am Rand des abgeschatteten Bereichs eine steilere oder weniger steile Flanke des abgelagerten Materials zu er­ zielen.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, bei der durch Ablagerung einer Mehrzahl von übereinander liegenden Schichten an dem Substrat die in diesem Fall mehrschichtige ferromagnetische Struktur erzeugt wird, können die zuvor ge­ nannten Steuerungsmöglichkeiten in vorteilhafter Weise ge­ nutzt werden. So ist es beispielsweise möglich, daß eine spä­ ter abgelagerte Schicht eine früher abgelagerte Schicht bis über den Rand der früher abgelagerten Schicht vollständig be­ deckt. Die später abgelagerte Schicht ist beispielsweise eine Tunnelbarriere, Diffusionsbarriere und/oder eine Trenn­ schicht, die eine Berührung des Materials der früher abgela­ gerten Schicht mit Material einer noch später als die Trenn­ schicht abgelagerten Schicht verhindert. Insbesondere kann so ein TMR (Tunnel Magnetoresistance)-Element oder ein GMR (Giant Magnetoresistance)-Element hergestellt werden. TMR- und GMR-Elemente können beispielsweise als Speicherelemente für zukünftige MRAM eingesetzt werden.

Insbesondere werden die später angeordnete Schicht und die früher angeordnete Schicht in Ablagerungsprozessen mit unter­ schiedlicher Winkelverteilung des abzulagernden Materials hergestellt. Unter Winkelverteilung wird hierbei die Winkel­ verteilung des abzulagernden Materials aus Sicht einer Quelle des Ablagerungsprozesses bzw. eines Quellbereichs des Ablage­ rungsprozesses verstanden. Quellen des Ablagerungsprozesses können beispielsweise ein Sputtertarget, eine elektrisch heizbare Verdampfungsquelle und/oder das Target eines elek­ tronischen Strahlverdampfers sein. Insbesondere durch Ioni­ sierung des abzulagernden Materials und durch elektrische Felder läßt sich die Winkelverteilung einstellen. Reine PVD (Physical Vapor Deposition)-Prozesse haben eine gleichmäßige­ re Winkelverteilung als PVD-Prozesse mit ionisiertem Ablage­ rungsmaterial bei Anwesenheit elektrischer Feldkräfte. Bei Elektronprozessen ist der Fluß von Ablagerungsteilchen in Richtung der elektrischen Feldkräfte größer.

Die Maske, die den Oberflächenbereich des Substrats abschat­ tet, kann vor, während und/oder nach ihrer Anordnung an dem Substrat strukturiert werden. Vorteilhafterweise wird sie derart angeordnet und strukturiert, daß ein erster Teil der Maske einen Oberflächenbereich des Substrats bedeckt und ein zweiter Teil der Maske einen Überhang bildet, der durch den ersten Teil gegen das Substrat abgestützt wird und der den abgeschatteten Oberflächenbereich definiert. Bevorzugtermaßen wird die Länge des Überhangs so auf die oben genannten Ein­ flußfaktoren zur Steuerung der Ablagerung des Strukturmateri­ als abgestimmt, daß der Rand der erzeugten Struktur nicht an die Maske anstößt. Zwischen die Maske und den Rand kann dann in einem folgenden Verfahrensschritt Füllmaterial angeordnet werden, das beispielsweise der elektrischen Isolierung oder als Diffusionsbarriere dient.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird bei der Anordnung der Maske an dem Substrat zunächst eine erste Mas­ kenschicht an dem Substrat abgeschieden. Dann wird eine zwei­ te Maskenschicht an der ersten Maskenschicht abgeschieden. Das Substrat ist somit in dem Bereich, in dem später die mi­ krotechnische Struktur erzeugt werden soll, von zwei aneinan­ der liegenden Maskenschichten bedeckt. Zur Strukturierung der Maske werden die zweite Maskenschicht und die erste Maskenschicht in definierten Bereichen wieder entfernt. Hierdurch ents teht ein Oberflächenbereich des Substrats, der weder bedeckt noch abgeschattet ist und somit für die Anlagerung des Struk­ turmaterials zur Verfügung steht. Die erste und die zweite Maskenschicht sind vorzugsweise aus unterschiedlichem Materi­ al. Der Prozeß zur Entfernung der ersten und der zweiten Mas­ kenschicht kann ein einstufiger oder mehrstufiger Prozeß sein. Danach wird in einem isotropen Ätzprozeß zusätzliches Material der ersten Maskenschicht zwischen der zweiten Mas­ kenschicht und dem Substrat entfernt. Hierdurch entsteht der Überhang, der durch die zweite Maskenschicht gebildet wird.

Häufig besteht Bedarf für ferromagnetische Strukturen, die ei­ nen geschlossen umlaufenden Rand mit definierter lokaler An­ ordnung haben sollen. Beispielsweise werden ferromagnetische Strukturen an einem definierten Ort unmittelbar auf ei­ nem Material abgeschieden, das dem elektrischen Anschluß der mikroelektronischen Struktur dient. Wird die Struktur nicht exakt an der richtigen Stelle angeordnet, ist die elektrische Kontaktierung ungenügend und können später Kurzschlüsse ent­ stehen. Hierfür bittet die zuvor beschriebene Anordnung und Strukturierung der Maske eine zuverlässige Lösung. Beispiels­ weise durch lithographische Verfahren können die erste und die zweite Maskenschicht präzise an der richtigen Stelle ge­ öffnet werden. Im wesentlichen definieren die Ränder der so geöffneten Bereiche auch die Ränder der später herzustellen­ den Struktur. Insbesondere bildet der abgeschattete Oberflä­ chenbereich einen geschlossen umlaufenden Rand um einen nicht abgeschatteten, mit der mikrotechnischen Struktur zu verse­ henden Oberflächenbereich des Substrats.

Beispielsweise um die ferromagnetische Struktur elektrisch zu isolieren und/oder um die Struktur mechanisch zu stabilisie­ ren, wird nach dem Erzeugen der ferromagnetischen Struktur vorzugsweise der abgeschattete Oberflächenbereich des Substrats und/oder die Oberfläche der ferromagnetischen Struktur mit einem Füllmaterial bedeckt. Insbesondere bei der zu­ vor beschriebenen Art der Anordnung und Strukturierung der Maske kann der gesamte in der ersten und zweiten Masken­ schicht geöffnete Bereich mit dem Füllmaterial aufgefüllt werden. Vorzugsweise wird wiederum danach durch Entfernen ei­ nes Teils der Maske und eines Teils des Füllmaterials eine planare Oberfläche gebildet. Die planare Oberfläche erlaubt dann beispielsweise die Abscheidung weiterer, planarer Schichten und somit die Erzeugung weiterer Strukturelemente in an sich bekannter Weise.

Das erfindungsgemäße ferromagnetische Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die sich entlang der gemeinsamen Grenz­ fläche zu dem Substrat erstreckende Struktur nach dem erfin­ dungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde und daß die Formge­ bung der Strukturoberfläche oder zumindest einer Schicht der Struktur am Rand der Struktur ausschließlich das Resultat der Ablagerung des Strukturmaterials in dem gerichteten Ablage­ rungsprozeß ist. Die Oberfläche des Randes der Struktur bzw. der Schicht weist daher keinerlei Spuren einer nachträgli­ chen, nach dem Ende der Ablagerung des Strukturmaterials durchgeführten Strukturierungsmaßnahme auf. Insbesondere sind dort keine Reste von in einem Ätzprozeß auftretenden Chemika­ lien und/oder Ionen zu finden und ist der Oberflächenverlauf wie für einen Ablagerungsprozeß typisch, leicht unregelmäßig, d. h. die Oberfläche weist die typische Rauhigkeit auf. Dies läßt sich in entsprechender Weise wie in der oben genannten Veröffentlichung von S. D. Kim et al. beschrieben durch Rönt­ gen-Strukturanalyse-Untersuchungen feststellen.

Insbesondere wenn die ferromagnetische Struktur mit einem aus­ reichend langen Überhang der Schattenmaske hergestellt wurde, weist die Struktur an ihrem Rand eine charakteristische S- förmig geformte Oberfläche auf. Die Dicke der Struktur nimmt dort S-förmig von etwa 0 auf einen für die Struktur durch­ schnittlichen Wert zu.

Vorzugsweise ist die Struktur von einem angrenzenden Füllma­ terial umrahmt, welches auf das Substrat aufgebracht ist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, daß auf aufwendi­ ge Plasmaätzverfahren zur Strukturierung der ferromagnetischen Struktur verzichtet werden kann. Zur Strukturierung der Schattenmaske können beispielsweise wesentlich einfacher auf­ gebaute Ätzanlagen mit bewährten Ätzprozessen verwendet wer­ den, die für Damascene-Prozesse eingesetzt werden. Insbeson­ dere bei mikroelektronischen Strukturen werden diese Anlagen ohnehin zur Herstellung der elektrischen Anschlußleitungen verwendet. Aufgrund der in situ-Strukturierung der Struktur durch gezielte örtlich begrenzte Ablagerung des Strukturmate­ rials werden Beschädigung der Struktur und/oder des Substrats durch strukturierende Ätzprozesse vermieden.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1-7 verschiedene Stadien der Herstellung einer ferromagnetischen Struktur,

Fig. 8 und 9 jeweils einen beispielhaften Aufbau einer ferromagnetischen Struktur im Querschnitt,

Fig. 10 Simulationsergebnisse, die ein Querschnitts­ profil einer mikrotechnischen Struktur an ihrem Rand wiedergeben, und

Fig. 11(a)-11(c) verschiedene Stadien der Integration eines TMR-Elements in ein MRAM-Speicherbauelement.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Substrat S mit daran angeordneten Schichten. Der Einfachheit halber wird im fol­ genden mit den Begriffen "oben" und "unten" auf die in den Fig. 1 bis 11 gewählte Darstellung Bezug genommen, ohne daß dies einschränkend für die Ausführung der Erfindung verstan­ den werden soll. Das Substrat S kann beispielsweise eine CMOS-, Bipolar-, BiCMOS- oder GaAs-Halbleiterschaltung inklu­ sive Metallisierungsstrukturen sein. Auf dem Substrat S ist eine erste Dielektrikumsschicht D1 aus einem ersten dielek­ trischen Material abgeschieden. Wiederum auf der Schicht D1 ist eine zweite Dielektrikumsschicht D2 aus einem zweiten, von dem ersten dielektrischen Material unterschiedlichen die­ lektrischen Material abgeschieden. Wiederum auf der Schicht D2 ist eine lithographisch erzeugte Maske LM angeordnet. Die Maske LM weist eine lochartige, durch die Maskenschicht durchgehende Öffnung O auf.

Ausgehend von dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wird in ei­ nem folgenden Prozeßschritt durch einen anisotropen Ätzprozeß die Öffnung O möglichst maßhaltig in die Schicht D2 übertra­ gen, d. h. es wird eine Durchgangsöffnung in der Schicht D2 mit möglichst derselben Öffnungsweite erzeugt. Anschließend wird in einem isotropen Ätzprozeß das Material der Schicht D1 geätzt, so daß in der Schicht D1 eine Öffnung mit größerer Öffnungsweite als die Weite der Öffnung in der Schicht D2 entsteht. Der isotrope Ätzprozeß ist ein selektiver Ätzpro­ zeß, in dem das Material der Schicht D2 und das des Substrats S allenfalls geringfügig abgeätzt werden. Anschließend wird die Maske LM entfernt. Der so entstandene Aufbau ist in Fig. 2 dargestellt.

Die auf diese Weise strukturierten Schichten D1, D2 bilden eine Schattenmaske SM, wobei das Material der Schicht D2 an der Öffnung einen in sich geschlossen umlaufenden Überhang U bildet, die Länge des Überhangs U ist gleich der Differenz der Radien der kreisförmigen Öffnungen in den Schichten D1, D2. Alternativ können die Öffnungen auch eine rechteckige Form oder andere Formen aufweisen.

Durch gerichtetes Abscheiden, z. B. durch Sputtern des abzula­ gernden Materials oder durch direktes Verdampfen des abzula­ gernden Materials, wird ein Strukturelement SE auf der Ober­ fläche des Substrats S abgeschieden (Fig. 3). Aufgrund der Abschattung eines Teils der Oberfläche des Substrats S durch den Überhang U und aufgrund der Direktionalität des Ablage­ rungsprozesses entsteht am Rand des abgeschatteten Oberflä­ chenbereichs eine Flanke bzw. ein Rand R des Strukturelements SE. Da während des Ablagerungsprozesses sich Material auch an der Schicht D2 anlagert und somit die Öffnungsweite der Schicht D2 verringert und da die Schichtdicke des Strukture­ lements SE kontinuierlich zunimmt, verläuft der Rand R nicht in senkrechter Richtung zur Oberfläche des Substrats S. Im Gegensatz zu vorbekannten Strukturierungsprozessen durch Ätz­ techniken, bei denen solche Flanken meist unerwünscht sind, da sie beispielsweise die laterale elektrische Isolierung der Struktur erschweren, ist die Formgebung des Randes R hier kein Nachteil. Es bleibt, so weit überhaupt eine Isolation erforderlich ist, genügend Raum zwischen dem Rand R und dem Material der Schicht D1 für eine gute Isolierung. Weiterhin kann, wie noch näher erläutert wird, der geneigte Verlauf des Randes R ein Vorteil sein, wenn eine weitere, dünne Schicht auf dem Strukturelement SE abgeschieden werden soll.

Wie Fig. 10 zeigt, verläuft der Rand R im Querschnitt nicht geradlinig. Fig. 10 zeigt das Ergebnis einer Simulation der Abscheidung eines Strukturelements, das sich aus drei Schich­ ten zusammensetzt. In Fig. 10 ist ein Ausschnitt der in Fig. 3 gezeigten Öffnung in den Schichten D1, D2 dargestellt. Die Maßeinheit der an der horizontalen und vertikalen Achse auf­ getragenen Werte ist beispielsweise µm. Die untere und die obere Schicht des Strukturelements bestehen aus Ta, die Zwi­ schenschicht aus Al. Aus Fig. 10 ist das typische S-förmige Querschnittsprofil des Randes R deutlich erkennbar. Ausgehend von einem durchschnittlichen Dickenwert für die Dicke des Strukturelements, wie er etwa bei dem Wert 0,1 auf der hori­ zontalen Achse vorliegt, nimmt die Dicke zum Rand hin zunächst progressiv, d. h. schneller als linear, ab und dann nach Erreichen eines Wendepunktes degressiv, d. h. langsamer als linear, ab. Die Ablagerung AB (Fig. 3 und Fig. 10) führt zu einer Verringerung der Öffnungsweite in der Schicht D2 und beeinflußt damit die Formgebung des Randes R. In Fig. 10 ist deutlich erkennbar, daß die obere Schicht aus Ta wegen des sich schließenden Spaltes zwischen dem Strukturelement und der Schicht D2 kaum noch Material am auslaufenden Ende des Randes R aufweist.

Nach der Herstellung des Strukturelements SE wird die Öffnung in den Schichten D1, D2 vollständig mit einem Füllmaterial aufgefüllt, so daß eine Füllschicht FS entsteht. Dies erfolgt beispielsweise durch einen CVD (Chemical Vapor Deposition)- Prozeß, in dem SiO₂ oder Si₃N₄ als Füllmaterial abgeschieden wird. Weitere Möglichkeiten sind das Aufschleudern von Spin- on-Glas oder von Polyimid oder andere bekannte Füllprozesse. Es ist nicht erforderlich, daß die Öffnung in den Schichten D1, D2 lunkerfrei aufgefüllt wird. Vorteilhafterweise wird jedoch das Strukturelement SE durch das Füllmaterial voll­ ständig bedeckt. Vorzugsweise wird nach Erreichen des in Fig. 4 dargestellten Aufbaus das Material der Füllschicht FS und der Schattenmaske SM so weit abgetragen, daß Bereiche, in de­ nen Hohlräume vorhanden sein könnten, vollständig aus dem Ge­ samtaufbau entfernt sind. Dies erfolgt beispielsweise durch CMP (Chemisch Mechanisches Polieren) bis das Material der Schicht D2 vollständig abgetragen ist (Fig. 5). Dabei können auch Ätzprozesse wie Plasmaätzen und naßchemisches Ätzen ein­ bezogen werden. Die vollständige Bedeckung des Strukturele­ ments SE schützt dieses dabei und ggf. in späteren Prozeß­ schritten vor Beschädigungen. Falls nach einem teilweisen Entfernen des Füllmaterials und des Materials der Schatten­ maske SM die Öffnung in der Schattenmaske SM bzw. in den Schichten D1, D2 noch nicht ausreichend aufgefüllt sein soll­ te, kann dies nun unter vereinfachten Bedingungen nachgeholt werden. Das Auffüllen ist erleichtert, da das Aspektverhält­ nis der Öffnung (Verhältnis der Öffnungstiefe zur Öffnungsweite) deutlich verringert ist. Vorteilhafterweise wird zu­ nächst das Material der Schicht D2 und der Füllschicht FS bis unter das Niveau der Unterkante der Schicht D2 entfernt, be­ vor mit dem erneuten Aufbringen von Füllmaterial begonnen wird.

Insbesondere wenn das Strukturelement SE an seiner Oberfläche freigelegt werden muß, beispielsweise um es elektrisch zu kontaktieren, kann durch CMP weiteres Material der Schatten­ maske SM (der Schicht der D1) und der Füllschicht FS entfernt werden, bis die Oberfläche des Strukturelements SE freigelegt ist (Fig. 6). Alternativ wird die Oberfläche des Strukturele­ ments SE durch ein lithographisches Verfahren und anschlie­ ßendes Ätzen eines Loches freigelegt. Das Ätzen erfolgt bei­ spielsweise durch RIE (Reactive Ion Etching). Der dadurch er­ reichte Aufbau ist in Fig. 7 dargestellt.

Fig. 8 und Fig. 9 zeigen unterschiedliche Varianten des Auf­ baus eines Strukturelements SE, wie es beispielsweise in den Prozeßschritten gemäß Fig. 1 bis Fig. 7 hergestellt wurde.

Das in Fig. 8 dargestellte Strukturelement SE weist eine Grundschicht GS mit einer im wesentlichen planaren Oberfläche und eine Deckschicht DS mit ebenfalls einer im wesentlichen planaren Oberfläche auf. Die Deckschicht DS bedeckt in diesem Ausführungsbeispiel nicht, oder nicht vollständig, den Rand der Grundschicht GS. Dieser Aufbau kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß die Deckschicht DS und die Grundschicht GS in Ablagerungsprozessen mit zunehmender Di­ rektionalität bzw. mit zunehmend ausgeprägter ungleichförmi­ ger Winkelverteilung aufgebracht werden kann. Auf diese Weise gelangt das Material der Deckschicht DS nicht mehr in den Randbereich der Grundschicht GS.

Der in Fig. 9 gezeigte Aufbau des Strukturelements SE unter­ scheidet sich von dem in Fig. 8 Gezeigten dadurch, daß eine zusätzliche Zwischenschicht ZS zwischen die Grundschicht GS und die Deckschicht DS aufgebracht wurde. Die Zwischenschicht ZS wurde in einem Ablagerungsprozeß mit geringerer Direktio­ nalität bzw. gleichförmigerer Winkelverteilung aufgebracht, so daß die Ränder der Grundschicht GS vollständig mit dem Ma­ terial der Zwischenschicht ZS bedeckt sind. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise TMR- oder GMR-Elemente zum Einsatz in MRAM-Bauelementen herstellen. Bei TMR-Elementen besteht die Grundschicht (beispielsweise die hartmagnetische Schicht) z. B. aus NiFeCo, die Zwischenschicht beispielsweise aus Al₂O₃ und die Deckschicht DS z. B. NiFe (beispielsweise die weichma­ gnetische Schicht).

Die anhand von Fig. 1 bis Fig. 7 beschriebenen Fertigungspro­ zesse werden beispielsweise wie folgt durchgeführt: die Deck­ schicht D1 wird bei einer Schichtdicke von 50 nm in einem PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)-Prozeß her­ gestellt. Das Material ist beispielsweise Si₃N₄. Die Schicht D2 besteht beispielsweise aus SiO₂, das mit einer Schichtdic­ ke von 200 nm ebenfalls in einem PECVD-Prozeß aufgebracht wurde. Bei der Photolithographie zur Erzeugung der Maske LM wurden Löcher mit einer Breite von ca. 350 nm strukturiert. Die Strukturierung der Schicht D2 erfolgte in einem anisotro­ pen RIE (Reactive Ion Etching)-Prozeß mit CHF₃, CF₄ und Ar- Ätzgas. Die isotrope Ätzung der Schicht D1 wurde durch RIE, Plasmaätzen und/oder durch CDE (Chemical Dry Etching) be­ wirkt. Geeignete Ätzgase sind CF₄ mit O₂, SF₆ und NF₃. Alter­ nativ kann das Loch in der Schicht D1 naßchemisch bei Anwe­ senheit von H₃PO₄ und Temperaturen von 160 bis 180°C erfolgen.

Das Strukturelement SE ist beispielsweise ein TMR-Element, das unter Anpassung der Direktionalität des Ablagerungspro­ zesses in der anhand von Fig. 9 erläuterten Form hergestellt wurde. Dabei wurden der Druck und die grundsätzliche Art des Ablagerungsprozesses entsprechend angepaßt. In einem Sputter- Prozeß wurde der Target-Substrat-Abstand und die elektrische Spannung der Hochfrequenz einer Sputter-Anlage verändert. Als weiterer Parameter steht wie bereits beschrieben der Ionisierungsgrad des Gases in der Prozeßkammer zur Verfügung (IMP- Prozeß, im Unterschied zum Standard PVD-Prozeß). Bei der Ent­ fernung der Schicht D1 außerhalb des Zellenfeldes ZF (Fig. 11a) wurde ein RIE-Prozeß unter Anwesenheit von CF₄ mit Ar oder SF₆ mit He angewandt. Der hierzu erforderliche Lithogra­ fieschritt ist hinsichtlich Auflösung und Overlay- Justiergenauigkeit unkritisch. Die Schicht D3 (Fig. 11) wur­ de in einem PECVD-Prozeß bei einer Schichtdicke von 50 nm aus dem Material Si₃N₄ abgeschieden. Die Schicht D4 wurde eben­ falls in einem PECVD-Prozeß mit einer Schichtdicke von 400-­ 600 nm als SiO₂ abgeschieden. Die Strukturierung der oberen Leiterbahnen L_o (Fig. 11) im Zellenfeld ZF und für die Vias in der Peripherie P erfolgte durch eine Damascene-Prozeß, d. h. durch Photolithographie, RIE der SiO₂-Schicht D4 selek­ tiv zur Schicht D3 unter Anwesenheit von CHF₃ und CF₄ und Ar, durch RIE der Schicht D3 selektiv zu dem obersten Schichtma­ terial des Strukturelements und selektiv zu dem Material der Füllschicht FS unter Anwesenheit von CF₄ und Ar, durch Ab­ scheidung einer TaN/Ta-Doppelschicht von 15 nm Gesamtdicke als Diffusionbarriere DB in einem Sputter-Prozeß und durch Abscheidung von Cu mit einer Dicke von mindestens 200 nm durch Sputtern. Schließlich wurde die in Fig. 11(c) darge­ stellte planare Oberfläche in einem CMP-Prozeß erreicht, in­ dem das Cu und das TaN bzw. Ta selektiv zu dem SiO₂ der Schicht D4 abgetragen wurde.

Fig. 11 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil eines Zel­ lenfeldes ZF mit angrenzendem Peripheriebereich. Beispielhaft ist nur eine TMR-Zelle des Zellenfeldes ZF dargestellt, näm­ lich das Strukturelement SE, das beispielsweise in einem Ver­ fahren hergestellt wurde, wie es anhand von Fig. 1 bis Fig. 9 beschrieben wurde. Das Zellenfeld ZF ist ein Feld von Spei­ cherzellen wie bei dem Strukturelement SE für ein MRAM.

Nach dem Erreichen des Aufbaus, der in Fig. 9 dargestellt ist, wird zunächst die Schicht D1 im Bereich der Peripherie P abgetragen. Anschließend wird eine dritte Dielektrikumsschicht D3 auf die durch die Schicht D1, die Füllschicht FS und das Strukturelement SE gebildete planare Oberfläche (im Zellenfeld ZF) bzw. auf die bereits vorhandene untere Leiter­ bahn L_u zur elektrischen Kontaktierung des Zellenfeldes bzw. einer Reihe des Zellenfeldes aufgebracht. Die untere Leiter­ bahn L_u ist bereits in eine Diffusionsbarriere DB eingebet­ tet, welche wiederum nach unten durch das eigentliche Substrat S des Aufbaus begrenzt wird. Seitlich ist die Diffu­ sionsbarriere DB um die untere Leiterbahn L_u durch ein Die­ lektrikumsmaterial begrenzt. Weiterhin kann die untere Lei­ terbahn L_u an ihrer oberen Seite ebenfalls durch eine Diffu­ sionsbarriere (nicht dargestellt) begrenzt sein, die sich in diesem Fall zwischen der unteren Leiterbahn L_u und dem Struk­ turelement SE befindet. Auf die dritte Dielektrikumsschicht D3 wird wiederum eine vierte Dielektrikumsschicht D4 aufge­ bracht. Damit ist der in Fig. 11(a) gezeigte Aufbau er­ reicht.

Anschließend werden obere Leiterbahnen L_o (im Zellenfeld ZF) bzw. Vias V (in der Peripherie P) nach der Damascene-Technik (Inlay-Technik) hergestellt. Hierzu werden zunächst nach ei­ nem Lithographieverfahren mit anschließender Ätzung Löcher bzw. Gräben durch die Schichten D3, D4 hindurch bis zu den Strukturelementen SE bzw. zu der unteren Leiterbahn L_u er­ zeugt (Fig. 11(b)). Wiederum anschließend wird zunächst eine Diffusionsbarriere DB in die erzeugten Löcher eingebracht, so daß sie den Rand der Löcher vollständig bedeckt. Die Diffusi­ onsbarriere DB dient insbesondere der Verhinderung von Diffu­ sion des noch einzubringenden Materials der Leiterbahnen L_o, V (beispielsweise Cu). Anschließend werden die länglichen Kontaktlöcher mit elektrisch leitendem Material aufgefüllt. Abschließend erfolgt das Planarisieren der Oberfläche. Dieser Zustand ist in Fig. 11(c) dargestellt.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer ferromagnetischen Struktur (SE) zur Verwendung in einem MRAM, bei welchem
eine Maske (SM) auf einem Substrat (S) derart angeordnet wird, dass sie einen Oberflächenbereich des Substrats (S) zwar abschattet, aber nicht bedeckt, und
auf einem nicht von der Maske (SM) bedeckten Oberflächenbe­ reich des Substrats (S) die ferromagnetische Struktur (SE) dadurch gebildet wird, dass eine erste ferromagnetische Schicht (GS), eine nicht magnetische Zwischenschicht (ZS) und eine zweite ferromagnetische Schicht (DS) jeweils durch einen gerichteten Ablagerungsprozess übereinander abgela­ gert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Maske (SM) derart angeordnet und strukturiert wird, dass ein erster Teil der Maske (SM) einen Oberflächenbereich des Substrats (S) bedeckt und ein zweiter Teil der Maske (SM) ei­ nen Überhang (U) bildet, der durch den ersten Teil gegen das Substrat (S) abgestützt wird und der den abgeschatteten Ober­ flächenbereich definiert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Anordnung der Maske (SM) zunächst eine erste Masken­ schicht (D1) auf dem Substrat (S) abgeschieden wird und dann auf der ersten Maskenschicht (D1) eine zweite Maskenschicht (D2) abgeschieden wird und daß zur Strukturierung der Maske (SM) die zweite Maskenschicht (D2) und die erste Masken­ schicht (D1) in definierten Bereichen wieder entfernt werden und durch einen isotropen Ätzprozeß zusätzliches Material der ersten Maskenschicht (D1) zwischen der zweiten Maskenschicht (D2) und dem Substrat (S) entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der abgeschattete Oberflächenbereich einen geschlossen umlau­ fenden Rand um einen nicht abgeschatteten, mit der ferroma­ gnetischen Struktur (SE) zu versehenden Oberflächenbereich des Substrats (S) bildet.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erzeugen der ferromagnetischen Struktur (SE) der ab­ geschattete Oberflächenbereich de Substrats (S) und/oder die Oberfläche der ferromagnetischen Struktur (SE) mit einem Füllmaterial bedeckt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch Entfernen eines Teils der Maske (SM) und eines Teils des Füllmaterials eine planare Oberfläche gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine später angeordnete Schicht (ZS; DS) auf einer früher an­ geordneten Schicht (GS; ZS) der Struktur (SE) angeordnet wird, wobei die Schichten (GS, ZS; ZS, DS) in Ablagerungspro­ zessen mit unterschiedlicher Winkelverteilung des abzulagern­ den Materials hergestellt werden.

8. Ferromagnetisches Bauelement mit
einem Substrat (S) und
einer auf dem Substrat (S) angeordneten ferromagnetischen Struktur (SE),
dadurch gekennzeichnet, dass
die sich entlang der gemeinsamen Grenzfläche zu dem Substrat (S) erstreckende Struktur (SE) nach einem Verfahren gemäß ei­ nem der Ansprüche 1 bis 7 hergestellt wurde und die Formge­ bung der Strukturoberfläche oder zumindest einer Schicht (GS, ZS, DS) der Struktur (SE) am Rand (R) der Struktur (SE) ausschließlich das Resultat der Ablagerung des Strukturmaterials in dem richtungsabhängigen Ablagerungsprozeß ist.

9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Struktur (SE) am Rand (R) der Struktur (SE) S- förmig von etwa 0 auf einen für die Struktur (SE) durch­ schnittlichen Wert zunimmt.

10. Bauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (SE) von einem angrenzenden Füllmaterial umrahmt ist, welches auf das Substrat (S) aufgebracht ist.