磁性器件及其制造方法.pdf

一种制造磁性器件的方法包括：形成层叠结构，该层叠结构包括磁性层；通过使用蚀刻气体蚀刻该层叠结构，该蚀刻气体包括按体积计的至少80%的H2气体。

权利要求书一种制造磁性器件的方法，所述方法包括：
形成层叠结构，所述层叠结构包括磁性层；以及
通过使用蚀刻气体蚀刻所述层叠结构，所述蚀刻气体包括按体积计的至少80%的H2气体。
根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述层叠结构包括使用包括H2气体和额外气体的蚀刻气体，所述额外气体包括惰性气体和/或NH3气体。
根据权利要求2所述的方法，其中所述额外气体中的所述惰性气体包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。
根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述层叠结构包括使用不含卤素的蚀刻气体。
根据权利要求1所述的方法，其中形成所述层叠结构包括使用Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金和CoFeB合金中的至少之一。
根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述层叠结构包括执行等离子体蚀刻工艺。
根据权利要求1所述的方法，其中蚀刻所述层叠结构包括：
使用包括用于施加源功率的源功率输出单元以及用于施加偏压功率的偏压功率输出单元的等离子体蚀刻装置，以及
重复地执行在其中所述源功率和所述偏压功率中的至少一种功率在开启状态和关闭状态之间交替的操作。
根据权利要求1所述的方法，还包括：在蚀刻层叠结构之前，将所述层叠结构的一区域暴露于氢等离子体。
根据权利要求1所述的方法，其中：
形成所述层叠结构包括在上电极和下电极之间形成所述磁性层，所述上电极和所述下电极彼此面对，以及
蚀刻所述层叠结构包括通过使用所述蚀刻气体蚀刻所述上电极、所述下电极和所述磁性层。
一种制造磁性器件的方法，所述方法包括：
形成层叠结构，所述层叠结构包括自下而上顺序层叠的下磁性层、隧道势垒层和上磁性层；
在所述层叠结构上形成掩模图案，使得所述层叠结构的一部分被覆盖；
通过所述掩模图案执行第一蚀刻以蚀刻所述层叠结构的第一部分，所述第一部分至少包括所述上磁性层和所述隧道势垒层，所述第一蚀刻包括使用第一蚀刻气体，该第一蚀刻气体具有按体积计的至少80%的H2气体和第一额外气体；以及
通过所述掩模图案执行第二蚀刻，以蚀刻所述层叠结构的第二部分，所述第二部分包括所述层叠结构的所述下磁性层，所述第二蚀刻在与所述第一蚀刻不同的蚀刻气氛下执行。
根据权利要求10所述的方法，其中所述第二蚀刻包括使用第二蚀刻气体，该第二蚀刻气体具有按体积计的至少80%的H2气体以及第二额外气体，所述第二额外气体包括与所述第一额外气体不同的成分。
根据权利要求11所述的方法，其中所述第一额外气体和所述第二额外气体的每个包括惰性气体或NH3气体。
根据权利要求11所述的方法，其中所述第一额外气体和所述第二额外气体的每个包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe的至少之一。
根据权利要求11所述的方法，其中所述第一额外气体包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe的至少之一，所述第二额外气体包括NH3。
根据权利要求10所述的方法，其中：
形成所述层叠结构还包括形成下电极层和上电极层，所述下磁性层、所述隧道势垒层和所述上磁性层插置在所述下电极层和所述上电极层之间，
执行所述第一蚀刻包括通过使用所述第一蚀刻气体蚀刻所述上电极层的一部分使得所述上电极层被分成多个上电极，以及
执行所述第二蚀刻包括通过使用所述第二蚀刻气体蚀刻所述下电极层的一部分，使得所述下电极层被分成多个下电极。
根据权利要求10所述的方法，其中执行所述第一蚀刻和所述第二蚀刻的每个包括使用等离子体蚀刻工艺。
根据权利要求16所述的方法，其中：
执行所述第一蚀刻和所述第二蚀刻的每个均包括使用等离子体蚀刻装置，该等离子体蚀刻装置具有用于施加源功率的源功率输出单元以及用于施加偏压功率的偏压功率输出单元，以及
所述第一蚀刻和所述第二蚀刻的至少一个包括重复地执行在其中所述源功率或偏压功率在开启状态和关闭状态之间交替的操作。
根据权利要求17所述的方法，其中所述第一蚀刻包括以等幅波模式施加所述偏压功率，所述第二蚀刻包括重复地执行在其中所述偏压功率在开启状态和关闭状态之间交替的操作。
根据权利要求10所述的方法，还包括：在形成所述掩模图案之后且在执行所述第一蚀刻之前，将所述层叠结构的顶表面暴露于氢等离子体。
根据权利要求10所述的方法，其中形成所述层叠结构包括使用第一材料和第二材料，所述第一材料是Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金和CoFeB合金中的至少之一，第二材料是Ti、TiN、Ta、TaN、Ru和W中的至少之一。
一种磁性器件，包括：
在衬底上的至少一个磁阻器件，所述磁阻器件具有侧壁，所述侧壁具有实质上竖直的轮廓，
其中所述至少一个磁阻器件的高度是所述至少一个磁阻器件的宽度的至少1.5倍。
根据权利要求21所述的磁性器件，其中
所述至少一个磁阻器件包括在竖直方向上顺序层叠的下电极、磁性结构和上电极，以及
所述下电极、所述磁性结构和所述上电极的每个具有侧壁，所述侧壁具有实质上竖直的轮廓。
根据权利要求22所述的磁性器件，其中
所述磁性结构包括非挥发性金属，以及
所述下电极、所述磁性结构和所述上电极的每个的整个侧壁沿着所述衬底的法线延伸。
根据权利要求22所述的磁性器件，其中所述磁性结构包括在竖直方向上顺序层叠的下磁性层图案、隧道势垒层和上磁性层图案。
根据权利要求22所述的磁性器件，其中所述磁性结构包括Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一个。
根据权利要求21所述的磁性器件，其中所述至少一个磁阻器件的所述高度是所述至少一个磁阻器件的所述宽度的约1.5至约4倍。
一种制造磁性器件的方法，所述方法包括：
形成层叠结构，所述层叠结构包括非挥发性金属层；以及
利用包括按体积计的至少80%的H2气体的蚀刻气体来蚀刻包括所述非挥发性金属层的所述层叠结构。
根据权利要求27所述的方法，其中蚀刻所述层叠结构包括使用包括H2气体和额外气体的蚀刻气体，所述额外气体包括惰性气体和/或NH3气体。
根据权利要求27所述的方法，其中蚀刻所述层叠结构包括执行等离子体蚀刻工艺。
根据权利要求29所述的方法，还包括：在蚀刻层叠结构之前，将所述层叠结构的一区域暴露于氢等离子体。

说明书磁性器件及其制造方法
技术领域
本发明构思涉及磁性器件以及制造该磁性器件的方法。更具体而言，本发明构思涉及包括非挥发性磁性层的磁性器件，以及涉及制造该磁性器件的方法。
背景技术
已经进行了对于利用磁隧道结（MTJ）的磁阻特性的电子设备的许多研究。特别地，随着高集成的磁随机存取存储器（MRAM）装置的MTJ单元小型化，通过利用被称为STT的物理现象（即，通过直接施加电流到MTJ单元并诱导磁化反转）来存储信息的自旋转移扭矩（STT）‑MRAM已经引起注意。需要形成具有微小尺寸的MTJ结构来实现高集成的STT‑MRAM。需要开发在形成具有微小尺寸的MTJ结构时可以用于容易地实现可靠的MTJ单元的蚀刻技术。
发明内容
本发明构思提供一种经由蚀刻工艺制造具有非挥发性磁性层的磁性器件的方法，从而制造高集成、高密度的磁性器件。
本发明构思还提供一种包括磁性图案的磁性器件，该磁性图案具有大的高宽比，用于高集成、高密度的磁性器件。
根据本发明构思的一方面，提供一种制造磁性器件的方法，该方法包括：形成层叠结构，该层叠结构包括磁性层；以及通过使用蚀刻气体蚀刻层叠结构，该蚀刻气体包括按体积计的至少80%的H2气体。
蚀刻层叠结构可以包括使用包括H2气体和额外气体的蚀刻气体，该额外气体包括惰性气体和/或NH3气体。
额外气体中的惰性气体可以包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。
蚀刻层叠结构可以包括使用不含卤素的蚀刻气体。
形成层叠结构可以包括使用Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金和CoFeB合金中的至少之一。
蚀刻层叠结构可以包括执行等离子体蚀刻工艺。
蚀刻层叠结构可以包括：使用包括用于施加源功率的源功率输出单元以及用于施加偏压功率的偏压功率输出单元的等离子体蚀刻装置，以及重复地执行在其中源功率和偏压功率中的至少一种功率在开启状态和关闭状态之间交替的操作。
该方法还可以包括：在蚀刻层叠结构之前，将层叠结构的一区域暴露于氢等离子体。
形成层叠结构可以包括在上电极和下电极之间形成磁性层，上电极和下电极彼此面对，以及蚀刻层叠结构可以包括通过使用所述蚀刻气体蚀刻上电极、下电极和磁性层。
根据本发明构思的另一方面，提供一种制造磁性器件的方法，该方法包括：形成层叠结构，该层叠结构包括自下而上顺序层叠的下磁性层、隧道势垒层和上磁性层；在层叠结构上形成掩模图案，使得层叠结构的一部分被覆盖；通过掩模图案执行第一蚀刻以蚀刻层叠结构的第一部分，该第一部分至少包括上磁性层和隧道势垒层，第一蚀刻包括使用第一蚀刻气体，该第一蚀刻气体具有按体积计的至少80%的H2气体和第一额外气体；以及通过所述掩模图案执行第二蚀刻，以蚀刻层叠结构的第二部分，该第二部分包括层叠结构的下磁性层，第二蚀刻在与第一蚀刻不同的蚀刻气氛下执行。
第二蚀刻可以包括使用第二蚀刻气体，该第二蚀刻气体具有按体积计的至少80%的H2气体以及第二额外气体，该第二额外气体包括与第一额外气体不同的成分。
第一额外气体和第二额外气体的每个可以包括惰性气体或NH3气体。
第一额外气体和第二额外气体的每个可以包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe的至少之一。
第一额外气体可以包括N2、Ne、Ar、Kr和Xe的至少之一，第二额外气体包括NH3。
形成层叠结构还可以包括形成下电极层和上电极层，下磁性层、隧道势垒层和上磁性层插置在下电极层和上电极层之间，执行第一蚀刻可以包括通过使用第一蚀刻气体蚀刻上电极层的一部分，使得上电极层被分成多个上电极，以及执行第二蚀刻可以包括通过使用第二蚀刻气体蚀刻下电极层的一部分，使得下电极层被分成多个下电极。
执行第一蚀刻和第二蚀刻的每个可以包括使用等离子体蚀刻工艺。
执行第一蚀刻和第二蚀刻的每个均可以包括使用具有用于施加源功率的源功率输出单元以及用于施加偏压功率的偏压功率输出单元的等离子体蚀刻装置，以及第一蚀刻和第二蚀刻的至少一个可以包括重复地执行在其中源功率或偏压功率在开启状态和关闭状态之间交替的操作。
第一蚀刻可以包括以等幅波模式施加偏压功率，第二蚀刻包括重复地执行在其中偏压功率在开启状态和关闭状态之间交替的操作。
该方法还可以包括在形成掩模图案之后且在执行第一蚀刻之前，将层叠结构的顶表面暴露于氢等离子体。
形成层叠结构可以包括使用第一材料和第二材料，第一材料是Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金和CoFeB合金中的至少之一，第二材料是Ti、TiN、Ta、TaN、Ru和W中的至少之一。
根据本发明构思的另一方面，提供一种磁性器件，该磁性器件包括：在衬底上的至少一个磁阻器件，该磁阻器件具有侧壁，该侧壁具有实质上竖直的外形，其中至少一个磁阻器件的高度是该至少一个磁阻器件的宽度的至少1.5倍。
至少一个磁阻器件可以包括在竖直方向上顺序层叠的下电极、磁性结构和上电极，以及下电极、磁性结构和上电极的每个具有侧壁，该侧壁具有实质上竖直的外形。
磁性结构可以包括非挥发性金属，以及下电极、磁性结构和上电极的每个的整个侧壁可以沿着衬底的法线延伸。
磁性结构可以包括在竖直方向上顺序层叠的下磁性层图案、隧道势垒层和上磁性层图案。
磁性结构可以包括Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金以及CoFeB合金中的至少一个。
至少一个磁阻器件的高度可以是该至少一个磁阻器件的宽度的约1.5至约4倍。
根据本发明构思的又一方面，提供一种制造磁性器件的方法，该方法包括：形成层叠结构，该层叠结构包括非挥发性金属层；以及利用包括按体积计的至少80%的H2气体的蚀刻气体来蚀刻包括所述非挥发性金属层的层叠结构。
附图说明
对于本领域的普通技术人员来说，通过参考附图详细描述示例性实施方式，特征将变得明显，其中：
图1示出根据本发明构思的一示例性实施方式的制造磁性器件的方法的流程图；
图2示出根据本发明构思的另一示例性实施方式的制造磁性器件的方法的流程图；
图3示出在图1和图2所示的制造磁性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气体供应脉冲曲线图；
图4示出根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法中使用的一示例性层叠结构的剖视图；
图5示出根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法中使用的另一示例性层叠结构的剖视图；
图6示出根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法中使用的一示例性等离子体蚀刻装置的示意图；
图7A示出曲线图，显示出作为时间的函数的、在图6所示的等离子体蚀刻装置中以等幅波模式输出的源功率；
图7B示出曲线图，显示出作为时间的函数的、在图6所示的等离子体蚀刻装置中以等幅波模式输出的偏压功率；
图7C示出曲线图，显示出作为工作周期（duty cycle）时间的函数的、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工作周期；
图7D示出曲线图，显示出作为时间的函数的、图6所示的等离子体蚀刻装置中以脉冲模式输出的偏压功率的工作周期；
图7E示出一曲线图，显示出作为时间函数的、以脉冲模式输出从而利用图6所示的等离子体蚀刻装置的同步脉冲等离子蚀刻执行蚀刻工艺的源功率和偏压功率的工作周期；
图8A至图8C示出根据本发明构思的另一示例性实施方式的制造磁性器件的方法中的各阶段的剖视图；
图9A至图9C示出根据本发明构思的另一示例性实施方式的制造磁性器件的方法中的各阶段的剖视图；
图10A示出当在源功率和偏压功率分别以等幅波模式输出的条件下蚀刻层叠结构时离子的移动路径的剖视图；
图10B示出在同步脉冲等离子体蚀刻工艺中离子的移动路径的剖视图；
图11示出根据本发明构思的另一示例性实施方式的制造磁性器件的方法的流程图；
图12A至图12H示出根据本发明构思的另一示例性实施方式的制造磁性器件的方法中的各阶段的剖视图；
图13示出一曲线图，显示出蚀刻和再沉积速率与蚀刻气体中的H2气体浓度的相关性；
图14示出根据本发明构思的一实施方式的、根据蚀刻气体中的不同H2气体浓度的蚀刻层叠结构的虚扫描电子显微镜（VSEM）图片；
图15示出VSEM图片，其显示出根据本发明构思的一实施方式的、通过利用制造磁性器件的方法蚀刻包括磁性层的层叠结构而形成的所得结构；
图16示出根据本发明构思的一实施方式的、根据在层叠结构上使用的蚀刻气体中H2气体的不同比率和浓度的被蚀刻的层叠结构的VSEM图片；
图17A和图17B是VSEM图片，示出在通过利用根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法来蚀刻包括磁性层的层叠结构时，通过评价在施加脉冲偏压功率时的效应而形成的所得结构；
图18示出根据本发明构思的一实施方式的、通过利用制造磁性器件的方法可以实现的磁性器件的示意剖视图；
图19示出根据本发明构思的一实施方式的、通过利用制造磁性器件的方法可以实现的系统；以及
图20示出根据本发明构思的一实施方式的、通过利用制造磁性器件的方法可以实现的存储卡。
具体实施方式
现在将参考附图在以下文中更全面地描述示例实施方式；然而，示例实施方式可以以不同形式实施且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。而是，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并且将向本领域的技术人员全面传达本发明的范围。
在图中，为了图示清晰，可以夸大层和区域的尺寸。还将理解，当层或元件被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在所述另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，还将理解，当层被称为在两个层“之间”时，它可以是在这两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或更多中间层。相同的附图标记始终指代相同的元件。
在此使用时，术语“和/或”包括一个或更多相关列举项目的任意和所有组合。在一列元件之前的表述诸如“至少之一”修饰所有列举的元件而不修饰该列举中的个别元件。
将理解，虽然术语第一、第二、第三等等可以用于此来描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语涉及具体的顺序、级别或优势，并且仅用于区分一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分。因而，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而没有脱离示例实施方式的教导。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，而不背离本发明构思的保护范围。
除非另外地定义，在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与示例性实施方式所属的领域中的普通技术人员通常理解的相同含义。还将理解，术语（诸如在通常使用的字典中所定义的那些）应被理解为具有与在相关领域的背景中的含义一致的含义，将不被理解为理想化或过度正式的意义，除非在此清楚地如此定义。
如果任何实施方式以别的方式实现，则具体工艺可以与所述顺序不同地执行。例如，所描述的两个连续工艺可以实质上同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行。
在附图中，例如，所示出的形状可以根据制造技术和/或容限而变形。因此，本发明的示例性实施方式不限于在本说明书中示出的特定形状，而是可以包括制造工艺中引起的形状的更改。
图1是示出根据本发明构思的一示例性实施方式的制造磁性器件的方法的流程图。
在图1的操作12中，包括至少一个磁性层的层叠结构利用包括按体积计地至少80%的H2气体的蚀刻气体蚀刻。
在一些实施方式中，层叠结构的蚀刻通过等离子体蚀刻工艺执行。例如，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用于施加源功率（source power）的源功率输出单元以及用于施加偏压功率（bias power）的偏压功率输出单元。例如，图6示出的等离子体蚀刻装置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压功率中的至少之一，以脉冲模式施加的功率可以根据预定周期保持处于关闭状态。以下将参考图6和图7A至图7E更详细地描述脉冲模式的源功率以及脉冲模式的偏压功率。
在一些实施方式中，操作12的蚀刻工艺可以在约（‑10）℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。
在操作12的蚀刻工艺中的蚀刻气体不包括含卤素的气体。在利用含卤素的蚀刻气体（例如，如在传统的磁性层蚀刻工艺中所使用的）的干刻工艺（例如，等离子体蚀刻工艺）中，非挥发性蚀刻副产物会再沉积在形成为蚀刻所得结构的图案的侧壁上。此外，使磁性层的磁化特性退化的含卤素蚀刻残留物可能保留在形成为蚀刻所得结构的图案的表面上，由此使磁阻器件的特性退化。
特别地，用于形成磁阻器件的干蚀刻工艺包括对于驱动磁阻器件的磁隧道结（MTJ）结构进行蚀刻。MTJ结构包括自由层、隧道势垒层以及固定层。MTJ结构的隧道势垒层包括铁磁材料例如CoFeB或类似物，以及镁氧化物（MgO）。铁磁材料和镁氧化物会在利用含卤素的气体的干刻工艺期间，例如，在氯（Cl）基等离子体蚀刻期间，被损坏，由此导致对隧道势垒层的损坏以及在MTJ结构中的侵蚀。
然而，在根据本发明构思的制造磁性器件的方法中，可以使用包括按体积计的至少80%的H2且没有含卤素元素的蚀刻气体蚀刻包括磁性层的层叠结构，由此解决传统工艺中的问题。
图2是流程图，示出根据本发明构思的另一示例性实施方式的制造磁性器件的方法。
在图2的操作22中，包括至少一个磁性层的层叠结构的将被蚀刻的区域暴露于氢等离子体，由此执行对层叠结构的预处理。
在一些实施方式中，为了执行在操作22中的预处理，层叠结构被装载到用于等离子体蚀刻的腔室中，且仅H2气体被供应到该腔室，由此产生氢等离子体。被加速的活性氢离子可以由于预处理工艺而被供应到层叠结构的将被蚀刻的区域，所述将被蚀刻的区域与氢离子之间的化学反应可以在所述将被蚀刻的区域的表面上发生。结果，当在预处理工艺中氢气离子与将被蚀刻的区域碰撞时，可以容易地执行随后的化学和物理蚀刻工艺并且可以加速蚀刻速度。
在一些实施方式中，操作22的预处理工艺可以执行约10秒到约10分钟。操作22的预处理工可以在约（‑10）℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。如有必要，可以省略操作22的预处理工艺。
在操作24中，在预处理工艺之后，可以使用包括按体积计的至少80%的H2气体的蚀刻气体蚀刻层叠结构的将被蚀刻的区域。剩余的按体积计的20%或更少的蚀刻气体可以包括额外气体，例如，除了氢气之外的气体。
在一些实施方式中，可以通过等离子体蚀刻工艺执行层叠结构的蚀刻。在一些实施方式中，额外气体可以包括惰性气体和NH3气体中的至少一种。例如，额外气体可以包括N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种。
可以在操作22的预处理工艺之后并且在相同的腔室中执行操作24的蚀刻工艺。操作24的蚀刻工艺可以在约（‑10）℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。
在执行操作24的蚀刻工艺时，加速的活性氢离子可以与额外气体的加速离子一起被供应到层叠结构的将被蚀刻的区域。在将被蚀刻的区域中，由于自额外气体产生的加速离子而引起的物理蚀刻可以和与到达将被蚀刻的区域的表面的加速氢离子的化学反应同时执行。额外气体包括原子量比氢原子的原子量大的原子。因而，与氢原子相比，自额外气体产生的加速离子与将被蚀刻的层叠结构更强烈地碰撞。结果，相对大的物理力被施加到层叠结构的将被蚀刻的区域，从而可以容易地执行层叠结构的物理蚀刻。
图3是气体供应脉冲曲线图，示出在图2所示的操作22的预处理工艺中以及图2所示的操作24的蚀刻工艺中的气体供应操作。例如，如图3所示，氢气的离子可以在预处理和蚀刻阶段（即，图2的操作22和24）连续地供应，而额外气体，例如N2气体可以仅在蚀刻期间供应。
在图1的操作12的蚀刻工艺以及图2的操作24的蚀刻工艺中，具有将被蚀刻的层的层叠结构可以包括各种类型的磁性层。在一些实施方式中，层叠结构包括至少一个非挥发性磁性层。例如，层叠结构可以包括由Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金或CoFeB合金的至少之一形成的磁性层。
图1的操作12的蚀刻工艺以及图2的操作24的蚀刻工艺可以使用电感耦合等离子体（ICP）源、电容耦合等离子体（CCP）源、电子回旋共振（ECR）等离子体源、螺旋波激发等离子体（HWEP）源或自适应耦合等离子体（ACP）源产生的等离子体来执行。
图4和图5是根据本发明构思的实施方式的、可以使用包括按体积计的至少80%的H2气体的蚀刻气体来蚀刻的层叠结构40和50的剖视图。为了清晰，省略其重复描述。
更详细地，如图4所示，层叠结构40可以包括自下而上顺序层叠的下电极层42、下磁性层44、隧道势垒层45、上磁性层46和上电极层48。
下电极层42可以包括例如Ti、Ta、Ru、TiN、TaN和W中的至少一种。在一些实施方式中，下电极层42可具有双层结构，例如Ti\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru和TiN\Ru。在一些实施方式中，下电极层42可具有约20至的厚度。
下磁性层44可以包括例如Fe、Co、Ni、Pd和Pt中的至少一种。在一些实施方式中，下磁性层44可以由Co‑M1合金（其中M1是选自由Pt、Pd和Ni组成的组中的至少一种金属）或Fe‑M2合金（其中M2是选自由Pt、Pd和Ni组成的组中的至少一种金属）形成。在一些实施方式中，下磁性层44还可以包括C、Cu、Ag、Au和Cr的至少一种。在一些实施方式中，下磁性层44具有约至约的厚度
上磁性层46可以包括例如Co、Co‑M1合金（其中M1是从Pt、Pd和Ni中选出的至少一种金属）、Fe‑M2合金（其中M2是从Pt、Pd和Ni中选出的至少一种金属）、Ru、Ta、Cr和Cu的至少一种。在一些实施方式中，上磁性层46具有约至的厚度。
在一些实施方式中，下磁性层44和上磁性层46的至少之一包括垂直磁各向异性（PMA）材料。在一些实施方式中，下磁性层44和上磁性层46的至少之一包括合成反铁磁（SAF）结构。SAF结构通过在铁磁层叠结构中插入Ru中间层而形成。例如，SAF结构可具有CoFeB/Ta/(Co/Pt)m/Ru/(Co/Pd)n的多层结构（其中m和n是自然数）。可以在本发明构思中采用的SAF结构不限于此，可以使用各种变型结构。
在下磁性层44和上磁性层46之间插入的隧道势垒层45可以由例如MgO、Al2O3、B2O3和/或SiO2形成。在一些实施方式中，隧道势垒层45具有约至约的厚度。
上电极层48可以包括例如Ti、Ta、Ru、TiN、TaN和/或W中的至少之一。在一些实施方式中，上电极层48可具有例如Ti\Ru、Ta\Ru、TiN\Ru、TaN\Ru或TiN\Ru的双层结构。在一些实施方式中，上电极层48可具有约至约的厚度。
层叠结构40的下磁性层44和上磁性层46不局限于以上描述，而是可以不同地更改。例如，下磁性层44的描述可以适用于上磁性层46，反之亦然。
在一些实施方式中，层叠结构40可以利用垂直磁化而被用于实现MTJ器件。
如图5所示，层叠结构50可以包括自下而上顺序层叠的下电极层42、下磁性层44、隧道势垒层45、上磁性层56和上电极层48。
上磁性层56可以包括顺序层叠在隧道势垒层45上的被钉扎层56A和钉扎层56B。被钉扎层56A可以包括选自由Co、Fe、Pt和Pd组成的组中的至少一种铁磁材料。被钉扎层56A可具有图4所示的SAF结构。在一些实施方式中，被钉扎层56A可具有约至约的厚度。
钉扎层56B可以包括反铁磁材料。在一些实施方式中，钉扎层56B可以包括例如PtMn、IrMn、NiMn、FeMn、MnO、MnS、MnTe、MnF2、FeCl2、FeO、CoCl2、CoO、NiCl2、NiO和Ni中的至少之一。在一些实施方式中，钉扎层56B具有约至约的厚度。
在一些实施方式中，层叠结构50可以利用水平磁化而被用于实现MTJ器件。
图6示出等离子体蚀刻装置60的示意图，该等离子体蚀刻装置60可以执行根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法的等离子体蚀刻工艺。
参考图6，等离子体蚀刻装置60可以包括腔室62、源电极63和偏压电极64。偏压电极64用作用于支撑衬底W的支持物（holder）。源电极63可具有绕腔室62缠绕多次的盘绕形状。
射频（RF）源功率可以施加到源电极63，RF偏压功率可以施加到偏压电极64。在等离子体蚀刻中使用的蚀刻气体经由进气口65流入腔室62。在蚀刻之后留下的未反应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。
在使用CCP方法的等离子体蚀刻装置中，代替源电极63，可以使用设置在腔室62中的靠近进气口65的扁平电极（flat type electrode）。
等离子体蚀刻装置60还可以包括源功率输出单元66和偏压功率输出单元68。源功率输出单元66和偏压功率输出单元68可以分别以适于执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺的模式输出源功率和偏压功率。
源功率输出单元66可以包括源匹配网络66A、源混合器66B、源控制器66C和源RF发生器66D。偏压功率输出单元68可以包括偏压匹配网络68A、偏压混合器68B、偏压控制器68C和偏压RF发生器68D。
从源功率输出单元66输出的源功率被施加到源电极63。源电极63用于在腔室62中产生等离子体。从偏压功率输出单元68输出的偏压功率被施加到偏压电极64。偏压电极64用于控制进入衬底W的离子能量。
源功率输出单元66的源控制器66C可以输出具有第一频率和第一工作周期（duty cycle）的脉冲调制的RF源功率到RF偏压功率输出单元68，并且可以输出包括关于RF源功率的相位的信息的控制信号到RF偏压功率输出单元68。源混合器66B接收从源RF发生器66D输出的源RF信号以及从源控制器66C输出的源脉冲信号，并混合所述源RF信号以及所述源脉冲信号，由此输出脉冲调制的RF源功率。
响应从源功率输出单元66输出的控制信号，偏压功率输出单元68输出具有第二频率和第二工作周期的RF偏压功率到偏压电极64。
在一些实施方式中，RF偏压功率被从偏压功率输出单元68施加到偏压电极64，使得形成在腔室62内部的衬底W上的等离子体离子具有方向性。
用于加热被支撑在偏压电极64上的衬底W的加热器（未示出）以及用于控制腔室62的内部温度的温度传感器（未示出）可以另外设置在偏压电极64的底部或偏压电极64内部。
在一些实施方式中，如有必要，源功率输出单元66和偏压功率输出单元68可以分别被控制成选择性地输出等幅波（constant wave）模式的功率或脉冲模式的功率。为此，源功率输出单元66和偏压功率输出单元68可以运行以分别控制功率输出的开启状态和关闭状态的交互转换。例如，源功率输出单元66和偏压功率输出单元68的每一个的开启状态和关闭状态可以被控制使得脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏压功率可以分别从源功率输出单元66和偏压功率输出单元68输出。
图7A是作为时间的函数的、在等离子体蚀刻装置60中以等幅波模式输出的源功率的曲线图。图7B是作为时间的函数的、在等离子体蚀刻装置60中以等幅波模式输出的偏压功率的曲线图。图7C是作为时间的函数的、在等离子体蚀刻装置60中以脉冲模式输出的源功率的工作周期D的曲线图。图7D是作为时间的函数的、在等离子体蚀刻装置60中以脉冲模式输出的偏压功率的工作周期D的曲线图。
在图7C和7D中，开启状态时间T1和关闭状态时间T2可以以各种方式设置。开启状态时间T1和关闭状态时间T2可以相同或不同。开启状态时间T1和关闭状态时间T2可以根据将被蚀刻的层的品质和厚度、蚀刻气氛等任意选择。在一些实施方式中，开启状态时间T1和关闭状态时间T2可以随着工艺时间行进而可变地设置。
图7E是曲线图，显示出源功率和偏压功率的工作周期D，该源功率和偏压功率作为时间的函数的、以脉冲模式输出从而通过使用等离子体蚀刻装置60的同步脉冲等离子体蚀刻来执行蚀刻工艺的。
图8A至图8C是根据本发明构思的另一示例性实施方式的、在制造磁性器件80（见图8C）的方法中的各阶段的剖视图。在当前实施方式中，将描述制造磁性器件80的方法，其包括蚀刻图4的层叠结构40的工艺。
参考图8A，参考图4描述的层叠结构40可以形成在下结构（即，包括层间绝缘层82以及穿过层间绝缘层82形成的下电极接触84的结构）上。然后，用于暴露上电极层48的顶表面的一部分的掩模图案86可以形成在层叠结构40上。
掩模图案86可以在与下电极接触84相同的轴上形成在层叠结构40上，例如，掩模图案86可以与下电极接触84平行且与之重叠。在一些实施方式中，掩模图案86可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta的至少一种。在一些实施方式中，掩模图案86可具有双层结构，例如Ru\TiN或TiN\W，并且可具有约至约的厚度。
参考图8B，图8A的所得结构可以被装载到等离子体蚀刻腔室中。例如，图8A的所得结构可以被装载到等离子体蚀刻装置60的腔室62中的偏压电极64上。
接着，类似于图2的操作22，层叠结构40的上电极层48的暴露区域可以暴露于腔室62中的氢等离子体88，由此对层叠结构40执行预处理。如有必要，可以省略使用氢等离子体88的预处理工艺。
参考图8C，类似于图2的操作24，通过使用包括按体积计的至少80%的H2气体以及余数的额外气体的蚀刻气体并且通过使用掩模图案86作为蚀刻掩模可以各向异性地蚀刻预处理的层叠结构40。
层叠结构40的蚀刻可以通过等离子体蚀刻工艺执行。作为层叠结构40的蚀刻所得结构，可以形成多个磁性器件80，其中每个磁性器件80包括自下而上顺序层叠的下电极42A、下磁性层图案44A、隧道势垒层45A、上磁性层图案46A、上电极48A和剩余的掩模图案部分86。在多个磁性器件80的每个中，剩余的掩模图案部分86和上电极48A用作一个电极。多个磁性器件80的每个可以电连接到下电极接触84。在蚀刻层叠结构40时，层叠结构40的一部分可以通过蚀刻而从掩模图案86的顶表面消耗，即，在各向异性蚀刻之后的图案部分86的总厚度可以相对于各向异性蚀刻之前的总厚度而减小。
例如，蚀刻气体可以包括按体积计的约80%至约95%的H2气体以及按体积计的约5%至约20%的额外气体。在一些实施方式中，额外的气体可以包括例如N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少一种。
层叠结构40的蚀刻工艺可以在与例如图8B的预处理工艺相同的腔室中执行，并且在图8B的预处理工艺之后。在一些实施方式中，层叠结构40的蚀刻可以在保持相对高的离子能量和相对低的等离子体密度的气氛中执行。例如，在蚀刻层叠结构40时，可以保持高于约500eV的离子能量和低于约1×1011cm‑3的等离子体密度。层叠结构40的蚀刻工艺可以在约（‑10）℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。
图9A至图9C是根据发明构思的另一示例性实施方式的、在制造磁性器件90（见图9C）的方法中的各阶段的剖视图。在当前实施方式中，将描述制造磁性器件90的方法，其包括蚀刻图5的层叠结构50的工艺。
参考图9A，层叠结构50，即参考图5所描述的，可以形成在包括层间绝缘层82和下电极接触84的下结构上。用于暴露上电极层48的顶表面的一部分的掩模图案96可以形成在层叠结构50上。
掩模图案96可以在与下电极接触84相同的轴上形成在层叠结构50上。在一些实施方式中，掩模图案96可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta的至少之一。在一些实施方式中，掩模图案96可具有例如Ru\TiN或TiN\W的双层结构。掩模图案96可具有约至约的厚度。
参考图9B，图9A中的所得结构可以被装载到等离子体蚀刻腔室中。例如，包括掩模图案96的所得结构可以被装载到图6的等离子体蚀刻装置60的腔室62中的偏压电极64上。
接着，如图2的操作22中所描述的，腔室62中的层叠结构50的上电极层48的暴露区域可以暴露于氢等离子体98，由此对层叠结构50执行预处理。
参考图9C，以等离子态的蚀刻气体预处理的层叠结构50可以通过使用掩模图案96作为蚀刻掩模并且通过使用包括按体积计的至少80%的H2气体以及余数的额外气体的蚀刻气体被各向异性地蚀刻，如在图2的操作24中所描述的。
层叠结构50的蚀刻可以通过等离子体蚀刻工艺执行。作为层叠结构50的蚀刻所得结构，可以形成多个磁性器件90，每个磁性器件90包括自下而上顺序层叠的下电极42A、下磁性层图案44A、隧道势垒层45A、上磁性层图案56P、上电极48A和剩余的掩模图案部分96。在多个磁性器件90的每个中，剩余的掩模图案部分96和上电极48A用作一个电极。多个磁性器件90的每个电连接到下电极接触84。在蚀刻层叠结构50时，一部分层叠结构50可能通过蚀刻而从掩模图案96的顶表面被消耗。
例如，蚀刻气体可以包括按体积计的约80%至约95%的H2气体以及按体积计的约5%至约20%的额外气体。在一些实施方式中，额外气体可以包括例如N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。
层叠结构50的蚀刻工艺可以在与图9B的预处理工艺相同的腔室中执行并且在该预处理工艺之后。在一些实施方式中，层叠结构50的蚀刻可以在保持相对高的离子能量和相对低的等离子体密度的气氛中执行。例如，在蚀刻层叠结构50时，可以保持高于约500eV的离子能量以及低于约1×1011cm‑3的等离子体密度。层叠结构50的蚀刻工艺可以在约(‑10)℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。
在图8A至图8C示出的制造磁性器件80的制造方法中以及图9A至图9C示出的磁性器件90的制造方法中，图6的等离子体蚀刻装置60可以用于执行层叠结构40或50的蚀刻工艺。在等离子体蚀刻装置60中，在蚀刻层叠结构40或50时，源功率和偏压功率可以分别如图7A和图7B所示地以等幅波模式输出。在一些实施方式中，在蚀刻层叠结构40或50时，可以输出脉冲模式的源功率或脉冲模式的偏压功率，其中源功率或偏压功率在开启状态和关闭状态之间交替，如图7C或图7D所示。在一些实施方式中，在蚀刻层叠结构40或50时，为了执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺，如图7E中所示，可以同时施加脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏压功率。
层叠结构40和50的每个可以包括通过传统的蚀刻工艺不容易被蚀刻的非挥发性材料层，例如Pt、Pd、Co、Mg、Fe、Ir和/或类似物的层。因为相对于其它蚀刻材料，例如与挥发性材料相比，在非挥发性材料的蚀刻工艺期间产生的反应材料的饱和蒸气压力非常低，所以非挥发性材料可在蚀刻工艺期间具有非常低的蚀刻速度。因此，在蚀刻工艺期间非挥发性材料的反应产物例如蚀刻副产物会再沉积在蚀刻之后形成的图案的侧壁上。当蚀刻副产物以这种方式再沉积到图案的侧壁上时，由于蚀刻形成的最终图案的侧壁外形可以陡峭地倾斜，由此使得临界尺寸（CD）的控制困难。此外，当非挥发性金属反应副产物再沉积在所述图案的侧壁上时，可能发生下电极和上电极之间的电短路，其进而可能使MTJ退化。
另一方面，在根据本发明构思的制造磁性器件的方法中，在包括非挥发性磁性层的层叠结构40或50被蚀刻时，使用包括按体积计的至少80%的H2气体以及余数的额外气体的蚀刻气体蚀刻层叠结构40或50。在这点上，层叠结构40或50可以在单一步骤中被从上电极层48蚀刻到下电极层42，并且可以被分成多个磁性器件80或90。由于通过使用包括按体积计的至少80%的H2气体以及余数的额外气体的蚀刻气体来蚀刻层叠结构40或50，所以可以防止蚀刻副产物再沉积在每个蚀刻表面上，即，可以防止蚀刻副产物再沉积在相应的图8C和图9C的多个磁性器件80的侧壁80S或多个磁性器件90的侧壁90S上，以及磁性器件可具有竖直的侧壁外形，即，具有沿着支撑磁性器件80或90的表面的法线延伸的侧壁。
图10A示出当层叠结构40在源功率和偏压功率分别以等幅波模式输出的条件下被蚀刻时离子A+/‑的移动路径10A。
详细地，图10A示出当通过参考图8C描述的工艺使用等离子体蚀刻装置60、在源功率和偏压功率分别以图7A和图7B示出的等幅波模式输出的条件下蚀刻层叠结构40时，从蚀刻气体产生的加速离子A+/‑的移动路径10A。
图10B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A+/‑的移动路径10B。
详细地，图10B示出当通过参考图8C描述的工艺使用等离子体蚀刻装置60、在源功率和偏压功率分别以图7E示出的脉冲模式输出的条件下蚀刻层叠结构40并由此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+/‑的移动路径10B。
如图10A和图10B所示，在执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺时（图10B），与源功率和偏压功率采用等幅波模式（图10A）相比，加速离子A+/‑的移动范围增大。因而，加速离子A+/‑被分散的移动范围增大。此外，即使在副产物再沉积在侧壁80S上时，也可以由于在增大的移动范围内移动的多个加速离子A+/‑而去除再沉积的副产物。这样的效应也适用于参考图9C描述的层叠结构50的蚀刻工艺。因而，即使在蚀刻包括多个磁性层的层叠结构从而制造具有几十nm（例如，约20nm）的非常细小的宽度的磁性器件80或90时，也可以使用根据本发明构思的制造磁性器件的方法来蚀刻包括多个磁性层的所述层叠结构，从而由于可以执行高各向异性蚀刻而没有蚀刻副产物的再沉积，所以可以容易地制造每个具有竖直的侧壁外形的小型化磁性器件。
图11是根据本发明构思的另一示例性实施方式的制造磁性器件的方法的流程图。
在图11的操作112中，掩模图案可以形成在包括自下而上顺序层叠的下磁性层、隧道势垒层和上磁性层的层叠结构上，以覆盖层叠结构的一部分。
在一些实施方式中，层叠结构还可以包括形成在下磁性层下面和上面的下电极层和上电极层，隧道势垒层和上磁性层插置在下电极层和上电极层之间。层叠结构可以包括磁性层，该磁性层由例如Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Pd、Fe/Pt、MgO、PtMn、IrMn、CoFe合金和CoFeB合金的至少之一形成。例如，层叠结构可以包括图4或图5的层叠结构40或50。
掩模图案可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta中的至少之一。在一些实施方式中，掩模图案可具有例如Ru\TiN或TiN\W的双层结构。
在操作114中，操作112的所得结构（即，层叠结构）的顶表面可以暴露于氢等离子体以执行层叠结构的预处理。在一些实施方式中，为了使用氢等离子体执行预处理工艺，包括层叠结构的结构可以被装载到等离子体蚀刻装置60的腔室62中，氢等离子体通过仅供应H2气体到腔室62中产生。操作114中的预处理工艺的更详细说明大体上与图2的操作22中描述的预处理工艺相同。因而，省略其详细说明。如有必要，可以省略操作114。
在操作116中，可以使用包括以体积计的至少80%的H2气体以及余数的第一额外气体的第一蚀刻气体并通过使用在操作112中形成的掩模图案作为蚀刻掩模，来执行自层叠结构的暴露顶表面蚀刻第一部分的第一蚀刻工艺，该第一部分至少包括上磁性层和隧道势垒层。
在操作116中，可以通过等离子体蚀刻工艺执行第一蚀刻工艺。为了执行第一蚀刻工艺，可以使用图6中示出的等离子体蚀刻装置60。第一蚀刻工艺可以在与操作114的预处理工艺相同的腔室62中执行，并且在操作114的预处理工艺之后。
第一额外气体可以包括例如惰性气体和NH3气体中的至少一种。例如，第一额外气体可以包括例如N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。
在执行操作116中的第一蚀刻工艺时，源功率和偏压功率可以分别如图7A和图7B所示地以等幅波模式输出。在一些实施方式中，在执行第一蚀刻工艺时，源功率或偏压功率可以以其中源功率或偏压功率在开启状态和关闭状态之间交替的脉冲模式输出，如图7C或图7D所示。在一些实施方式中，在执行第一蚀刻工艺时，为了如图7E中所示地执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺，可以同时或以预定时间差输出脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏压功率。操作116的第一蚀刻工艺可以在约（‑10）℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。
在操作116中蚀刻图4的层叠结构40时，在执行第一蚀刻工艺之后，上电极层48、上磁性层46和隧道势垒层45分别分成多个上电极、多个上磁性图案以及多个隧道势垒。
在操作118中，使用包括以体积计的至少80%的H2气体以及余数的第二额外气体的第二蚀刻气体以及通过使用所述掩模图案作为蚀刻掩模来执行蚀刻层叠结构的包括下磁性层的第二部分的第二蚀刻工艺。在操作118中蚀刻图4的层叠结构40时，在第二蚀刻工艺之后，下磁性层44和下电极层42被分成多个下磁性图案和多个下电极。
操作118中的第二蚀刻工艺可以通过等离子体蚀刻工艺执行。为了执行第二蚀刻工艺，可以使用图6中示出的等离子体蚀刻装置60。第二蚀刻工艺可以在与操作116的第一蚀刻工艺相同的腔室62中执行，并且在操作116的第一蚀刻工艺之后。
第二额外气体可以包括例如惰性气体和NH3气体中的至少一种。第二额外气体可以包括例如N2、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。在一些实施方式中，第二额外气体可以包括与操作116中使用的第一额外气体不同的气体。例如，N2气体可以在操作116中用作第一额外气体，NH3气体可以在操作118中用作第二额外气体。
在等离子体蚀刻装置60中执行操作118中的第二蚀刻工艺时，源功率和偏压功率可以分别如图7A和图7B所示地以等幅波模式输出。在一些实施方式中，在执行第二蚀刻工艺时，源功率或偏压功率可以以其中源功率或偏压功率在开启状态和关闭状态之间交替的脉冲模式输出，如图7C或图7D所示。在一些实施方式中，在执行第二蚀刻工艺时，为了执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺，可以同时或以预定时间差输出脉冲模式的源功率和脉冲模式的偏压功率，如图7E所示。操作118的第二蚀刻工艺可以在约（‑10）℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。
在一些实施方式中，用于操作118的第二蚀刻工艺的源功率和偏压功率中每个的输出方式可以与用于操作116的第一蚀刻工艺的源功率和偏压功率中每个的输出方式不同地设置。例如，在执行操作116中的第一蚀刻工艺时，源功率和偏压功率可以分别以等幅波模式输出，如图7A和7B所示，而在执行操作118中的第二蚀刻工艺时，可以输出脉冲模式的源功率以及脉冲模式的偏压功率，如图7E所示，从而执行同步脉冲等离子体蚀刻工艺。
操作118的第二蚀刻工艺可以在同步脉冲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移动范围内移动并与将被蚀刻的区域碰撞。在层叠结构的将被蚀刻的区域，进行与到达所述区域的表面的加速氢离子的化学反应。同时，可以在将被蚀刻的区域中均匀地执行由于从第二额外气体获得的加速离子而引起的物理蚀刻。因而，可以在执行将被蚀刻的层的高各向异性蚀刻以及去除再沉积层的过程中更有效地使用氢离子和从第二额外气体产生的加速离子。结果，可以容易地形成每个具有竖直的侧壁外形的细小的磁阻器件，可以防止副产物再沉积在蚀刻之后获得的图案的侧壁上。因而，不执行用于去除再沉积的蚀刻副产物的额外的清洗工艺或后处理工艺。
图12A至图12H是根据本发明构思的另一示例性实施方式的、在制造磁性器件200（见图12H）的方法中的各阶段的剖视图。当前实施方式示出自旋转移扭矩磁阻随机存取存储器（STT‑MRAM）装置的制造工艺作为磁性器件200的制造工艺。
参考图12A，隔离层204可以形成在衬底202上以限定有源区206。至少一个晶体管210可以形成在有源区206中。
在一些实施方式中，衬底202可以是半导体晶片。在至少一个实施方式中，衬底202可以包括例如硅（Si）。在一些实施方式中，衬底202可以包括半导体元素，例如Ge，或化合物半导体，例如SiC、GaAs、InAs或InP。在至少一个实施方式中，衬底202可具有绝缘体上硅（SOI）结构。例如，衬底202可以包括掩埋氧化物（BOX）层。在一些实施方式中，衬底202可以包括导电区域，例如用杂质掺杂的阱，或者用杂质掺杂的结构。隔离层204可具有浅沟槽隔离（STI）结构。
晶体管210可以包括栅绝缘层212、栅电极214、源极区216和漏极区218。栅电极214可以形成使得栅电极214的顶表面和两个侧壁分别通过绝缘盖层220和绝缘间隔物222而绝缘。
接着，用于覆盖晶体管210的平坦化的第一层间绝缘层230、穿透第一层间绝缘层230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可以顺序地形成在衬底202上。在导电层形成在第一层间绝缘层230上之后，可以图案化该导电层，由此形成经由多个第一接触插塞232电连接到源极区216的多条源极线236以及在源极线236两侧的、经由多个第二接触插塞234电连接到漏极区218的多个导电图案238。
接着，第二层间绝缘层240可以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。通过使用光刻工艺，一部分第二层间绝缘层240可以被移除从而暴露导电图案238的顶表面，由此形成下电极接触孔240H。通过在下电极接触孔240H中填充导电材料并通过抛光该导电材料以暴露第二层间绝缘层240的顶表面，可以在下电极接触孔240H中形成下电极接触插塞242。在一些实施方式中，下电极接触插塞242可以包括例如TiN、Ti、TaN、Ta和W的至少之一。
参考图12B，层叠结构250，其中下电极层252、下磁性层254、隧道势垒层255、上磁性层256和上电极层258自下而上顺序层叠，可以形成在第二层间绝缘层240和下电极接触插塞242上。
层叠结构250可以包括图4或图5的层叠结构40或50。然而，本发明构思的各方面不限于此，可以根据将形成的磁性器件的期望特性而增加或替代各种类型的各层。
参考图12C，多个导电掩模图案260形成在层叠结构250上，从而覆盖层叠结构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。在一些实施方式中，多个导电掩模图案260可以包括例如Ru、W、TiN、TaN、Ti和Ta的至少之一。例如，导电掩模图案260可具有Ru\TiN或TiN\W的双层结构。导电掩模图案260可以形成在与下电极接触插塞242相同的轴上，例如，导电掩模图案260可以沿着垂直于衬底202的竖直轴与下电极接触插塞242对齐。
在一些实施方式中，为了形成多个导电掩模图案260，导电掩模层可以首先形成在层叠结构250上，多个硬掩模图案（未示出）可以形成在导电掩模层上。导电掩模层可以使用多个硬掩模图案作为蚀刻掩模被蚀刻，使得多个导电掩模图案260可以保留在层叠结构250上。
参考图12D，层叠结构250的暴露顶表面可以通过导电掩模图案260而暴露于氢等离子体262，以执行层叠结构250的暴露顶表面的预处理。使用氢等离子体262的预处理工艺与图2的操作22以及参考图8B和图9B描述的使用氢等离子体的预处理工艺相同。如有必要，可以省略使用氢等离子体262的预处理工艺。
参考图12E，可以通过使用包括以体积计的至少80%的H2气体以及余数的第一额外气体的第一蚀刻气体并通过使用导电掩模图案260作为蚀刻掩模，来执行通过使用等离子体蚀刻工艺蚀刻上电极层258、上磁性层256和隧道势垒层255的第一蚀刻工艺。结果，可以形成多个上电极258A、多个上磁性层图案256A和多个隧道势垒层255A。图12E的第一蚀刻工艺大体上与图11的操作116相同。在执行第一蚀刻工艺时，由于第一蚀刻工艺的蚀刻气氛，使得多个导电掩模图案260的一部分可以从其顶表面被消耗。
在执行第一蚀刻工艺时，在多个隧道势垒层255A形成之后暴露的下磁性层254可以从其顶表面起被进一步蚀刻预定厚度，从而完成第一蚀刻工艺。在一些实施方式中，为了确定第一蚀刻工艺的终点，可以使用发射光谱。为了通过设置下磁性层254作为终点来执行第一蚀刻工艺，可以执行第一蚀刻工艺直到在发射光谱中检测到下磁性层254的各元素中的其中之一的发射波长。
在一些实施方式中，在源功率和偏压功率分别如图7A和图7B所示地以等幅波模式输出的状态下可以执行第一蚀刻工艺，该源功率和偏压功率被施加以构成第一蚀刻工艺的蚀刻气氛。
参考图12F，蚀刻在多个导电掩模图案260之间暴露的下磁性层254以及在层叠结构250（见图12B）的下磁性层254下面的下电极层252的第二蚀刻工艺可以使用包括以体积计的至少80%的H2气体以及余数的第二额外气体的第二蚀刻气体并通过使用导电掩模图案260作为蚀刻掩模来执行。结果，可以形成多个下磁性层图案254A和多个下电极252A。图12F的第二蚀刻工艺大体上与图11的操作118相同。
在一些实施方式中，以体积计的约80%至约95%的H2气体以及以体积计的约5%至约20%的第二额外气体可以用作第二蚀刻气体。第二额外气体可以包括例如N2、NH3、Ne、Ar、Kr和Xe中的至少之一。在一些实施方式中，第二额外气体包括与第一额外气体不同的气体。例如，当N2气体用作第一额外气体时，NH3可以用作第二额外气体。
第二蚀刻工艺可以在其中保持高于约500eV的离子能量以及低于约1×1011cm‑3的等离子体密度的气氛中执行。第二蚀刻工艺可以在约（‑10）℃至约65℃的温度下、在约2mTorr至约5mTorr的压力下执行。在执行第二蚀刻工艺时，由于第二蚀刻工艺的蚀刻气氛，多个导电掩模图案260的一部分可以从其顶表面被消耗。虽然未示出，但是在执行第二蚀刻工艺时，在形成多个下电极252A之后暴露的第二层间绝缘层240可以自其顶表面被蚀刻预定厚度。
作为第二蚀刻工艺的所得结构，包括下电极252A、下磁性层图案254A、隧道势垒层255A、上磁性层图案256A、上电极258A和剩余的导电掩模图案部分260的多个磁阻器件270形成在多个下电极接触插塞242上。在多个磁阻器件270中，剩余的导电掩模图案部分260和上电极258A用作一个电极。
多个磁阻器件270可以通过执行图12E的第一蚀刻工艺以及图12F的第二蚀刻工艺获得，第一蚀刻工艺和第二蚀刻工艺的每个使用包括以体积计的至少80%的H2气体的蚀刻气体。多个磁阻器件270可具有侧壁270S，该侧壁270S具有大体上竖直的侧壁外形，即侧壁270可以实质上沿着衬底202的法线延伸而没有倾斜，例如没有斜面（inclines），或者没有副产品积累在其上。也就是说，在执行图12E的第一蚀刻工艺以及图12F的第二蚀刻工艺时，可以防止蚀刻残留物，例如非挥发性材料，再沉积在磁阻器件270的侧壁270S上。因而，可以防止由于副产物再沉积在侧壁270S上而引起的磁阻器件270的特性的退化，可以消除用于从侧壁270S去除再沉积的副产物的额外的清洗工艺或后处理工艺，由此简化磁阻器件270的制造工艺。
此外，即使当多个磁阻器件270的每个的宽度W具有几十nm，例如约20nm的非常细小的尺寸时，也可以在层叠结构250上执行高各向异性蚀刻而没有蚀刻副产物的再沉积。因此，可以容易地制造具有大的高宽比（aspectratio）的细小的磁性器件，每个磁性器件具有竖直的侧壁外形。
在一些实施方式中，每个磁阻器件270的高度H至少是磁阻器件270的宽度W的1.5倍。例如，磁阻器件270的高度H可以是磁阻器件270的宽度W的约1.5倍至约3.5倍。在一些实施方式中，隧道势垒层255A的宽度可以被设置为磁阻器件270的宽度W的基础（base）。在这点上，磁阻器件270的高度H可以是隧道势垒层255A的宽度的至少1.5倍。
参考图12G，平坦化的第三层间绝缘层280可以形成为覆盖多个磁阻器件270，第三层间绝缘层280的一部分可以通过蚀刻被去除以形成多个位线接触孔280H，该位线接触孔280H暴露出每个磁阻器件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，可以抛光或蚀刻该导电层直到暴露第三层间绝缘层280的顶表面，由此分别在多个位线接触孔280H中形成多个位线接触插塞282。
参考图12H，可以在第三层间绝缘层280和多个位线接触插塞282上形成导电层并且可以图案化该导电层，由此形成例如具有线形状的位线290，位线290分别电连接到多个位线接触插塞282，以形成磁性器件200。
图13是曲线图，显示出作为根据本发明构思的一实施方式的蚀刻气体中的H2浓度的函数的、包括根据实施方式的磁性层的层叠结构的蚀刻速率和再沉积速率的评估结果。
对于图13的评估，使用自上而下顺序层叠的的层叠结构。为了蚀刻该层叠结构，在该层叠结构上形成具有的结构的导电掩模图案，层叠结构使用该导电掩模图案作为蚀刻掩模被蚀刻。使用图13所示的各种情况下的蚀刻气体来等离子体蚀刻用于评估的样品。用于蚀刻的工艺温度、工艺压力、源功率和偏压功率分别被设置成230℃、2mTorr、500W和350W。如图13所示，随着蚀刻气体中的H2气体的浓度增加，侧壁上的副产物的再沉积速率减小。
图14示出包括根据实施方式的磁性层的层叠结构关于根据本发明构思的一实施方式的蚀刻气体中的H2气体浓度的相关性的评估结果的虚拟扫描电子显微镜（VSEM）图片。
对于图14的评估，使用在图13的评估中使用的层叠结构和导电掩模图案，并且使用相同的蚀刻气氛条件。图14显示出通过在如上所述的蚀刻条件下，自层叠结构的顶表面蚀刻层叠结构至MgO层（即，隧道势垒层）而形成的所得结构。如图14所示，当蚀刻气体中的H2气体的浓度是按体积计的80%或更高时，蚀刻图案的侧壁具有竖直外形且防止了副产物的再沉积。
图15示出通过使用根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法，通过蚀刻包括磁性层的层叠结构而形成的结构的VSEM图片。
对于图15的评估，使用自上而下顺序层叠的的层叠结构。为了蚀刻层叠结构，具有的结构的导电掩模图案形成在该层叠结构上，使用该导电掩模图案作为蚀刻掩模来蚀刻层叠结构。
为了蚀刻层叠结构，通过使用从包括按体积计的90%的H2气体以及按体积计的10%的N2气体的第一蚀刻气体获得的等离子体，执行从Ru层（即，上电极）到MgO层（即，隧道势垒层）的第一蚀刻工艺。用于第一蚀刻工艺的工艺温度、工艺压力、源功率和偏压功率分别是60℃、2mTorr、350W和600W。在第一蚀刻工艺中，施加等幅波模式的偏压功率。接着，通过使用从包括按体积计的80%的H2气体以及按体积计的20%的NH3气体的第二蚀刻气体获得的等离子体，执行从CoFeB层到Ti层（其是下电极）的第二蚀刻工艺。用于第二蚀刻工艺的工艺温度、工艺压力、源功率和偏压功率分别是60C、2mTorr、750W和340W。在第二蚀刻工艺中，施加脉冲模式的偏压功率。结果，获得图15所示的多个MTJ器件。
在图15的图片中，附图标记412和414分别表示TiN层和W层，其中每个用作蚀刻掩模，附图标记416表示作为隧道势垒层的MgO层，附图标记418表示层间绝缘层。在通过第一蚀刻工艺和第二蚀刻工艺获得的多个MTJ器件中，其在图15的VSEM图片中示出，平均高度关于平均宽度的比率是约1∶1.5。
图16示出VSEM图片，其显示出层叠结构关于在层叠结构上使用的蚀刻气体中的H2气体的不同浓度的评估结果，该层叠结构包括根据本发明构思的一实施方式的磁性层。
对于图16的评估，使用自上而下顺序层叠的的层叠结构。为了蚀刻该层叠结构，具有的结构的导电掩模图案形成在该层叠结构上，通过使用该导电掩模图案作为蚀刻掩模来蚀刻该层叠结构，制造了多个MTJ器件。
使用从图16所示的具有不同成分的蚀刻气体获得的等离子体各向异性地蚀刻用于评估的样品。在蚀刻层叠结构时，蚀刻气体的成分和成分比例相同，用于蚀刻的工艺温度、工艺压力、源功率和偏压功率分别被设置成60℃、2mTorr、350W和600W。
在图16中，(1)是显示出在具有的结构的导电掩模图案形成在层叠结构之后，在蚀刻之前的层叠结构的图片。(2)是显示出其中由于使用从包括100%H2气体的蚀刻气体获得的等离子体来蚀刻层叠结构，所得到的结构的图片，在该所得到的结构中层叠结构没有被蚀刻。(3)是显示出通过使用从包括按体积计的95%的H2气体以及按体积计的5%的N2气体的蚀刻气体获得的等离子体，蚀刻层叠结构而形成的所得结构的图片。(4)是显示出通过使用从包括按体积计的90%的H2气体以及按体积计的10%的N2气体的蚀刻气体获得的等离子体，蚀刻层叠结构而形成的所得结构的图片。(5)是显示出通过使用从包括按体积计的90%的H2气体以及按体积计的10%的N2气体的蚀刻气体获得的等离子体，蚀刻层叠结构而形成的所得结构的图片。
在图16的图片(3)、(4)和(5)中，层叠结构被高各向异性地蚀刻，而没有蚀刻副产物的再沉积。比较图片(2)（即，在该情况下仅使用H2气体蚀刻层叠结构）与图片(3)、(4)和(5)（即，在该情况下使用包括作为非挥发性气体的添加的N2气体或Ar气体的蚀刻气体来蚀刻层叠结构），蚀刻气体中的H2气体用于化学地蚀刻层叠结构。此外，比较图片(4)和(5)，获得的MTJ器件的外形类似。因而，在图片(4)中用作额外气体的N2气体和在图片(5)中用作额外气体的Ar气体执行相同的操作。
在图16的VSEM图片(3)所示的每个MTJ器件中，高度关于宽度的比率是1∶4。在图16的图片(4)的VSEM照片所示的每个MTJ器件中，高度关于宽度的比率是1∶3.5。
图17A和图17B是VSEM图片，显示出在通过使用根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法蚀刻包括磁性层的层叠结构时，通过评价在施加脉冲偏压功率时的效应而形成的所得结构。
对于图17A和图17B的评估，使用在图15的评估中使用的层叠结构和掩模图案结构，并且使用相同的蚀刻气氛条件。
图17A是图片，显示出通过以等幅波模式施加偏压功率，执行自作为上电极的Ru层512到作为隧道势垒层的MgO层514蚀刻层叠结构的第一蚀刻工艺的结果。图17B是图片，显示出通过以脉冲模式施加偏压功率，执行自作为MgO层514的下结构的CoFeB层到作为下电极的Ti层蚀刻层叠结构的第二蚀刻工艺的结果。在图17A和图17B中，附图标记516和518分别表示用作蚀刻掩模的TiN层和W层。
在图17A的图片中，即，显示出其中在以等幅波模式施加偏压功率时执行第一蚀刻工艺直到MgO层514的情形，少量蚀刻残留物520粘接在MgO层514的在第一蚀刻工艺之后暴露的侧壁上。在图17B的图片中，即，显示出通过以脉冲模式施加偏压功率在图17A的所得结构上执行第二蚀刻工艺的结果，蚀刻残留物520被从MgO层514的侧壁去除，MgO层514的侧壁完全暴露。在图17B的VSEM图片中示出（即，通过第二蚀刻工艺获得）的多个MTJ器件中，平均高度关于平均宽度的比率是约1∶1.5。
图18通过使用根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法而形成的磁性器件600的示意图剖视图。参考图18，磁性器件600可以包括硬盘驱动器（HDD）的记录磁头610。记录磁头610可以包括MTJ器件612。
数据由于垂直磁极化而被记录在记录媒质620的每个磁畴622中，如由箭头所指示。记录磁头610可以在记录媒介620上记录数据，或者可以从记录媒质620读取被记录的数据。根据本发明构思的制造磁性器件的方法可以应用于形成记录磁头610的MTJ器件612。
图19示出可以通过使用根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法实现的系统700。参考图19，系统700可以包括控制器710、输入/输出器件720、存储器件730和接口740。系统700可以是可移动系统，或者用于传送或接收信息的系统。在一些实施方式中，移动系统是例如个人数字助理（PDA）、便携式计算机、上网本、无线电话、移动式电话、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，并且可以包括例如微处理器、数字信号处理器、微控制器或类似物。输入/输出器件720可以在从系统700输入数据或者输出数据到系统700中使用。系统700可以通过使用输入/输出器件720连接到外部设备，例如个人计算机（PC）或网络，并且可以与外部设备交换数据。输入/输出器件720可以是例如键区、键盘或显示器。
存储器件730可以存储用于控制器710的操作的代码和/或数据，或者可以存储由控制器710处理的数据。存储器件730可以包括通过根据本发明构思的至少一个实施方式的制造磁性器件的方法制造的磁性器件。
接口740可以是系统700和另一外部设备（未示出）之间的数据传输通道。控制器710、输入/输出器件720、存储器件730和接口740可以经由总线750彼此通信。系统700可以在例如移动式电话、MP3播放器、导航器件、便携式多媒质播放器（PMP）、固态盘（SSD）或家用电器中使用。
图20示出可以通过使用根据本发明构思的一实施方式的制造磁性器件的方法实现的存储卡800。参考图20，存储卡800可以包括存储器件810以及存储器控制器820。
存储器件810可以存储数据。在一些实施方式中，存储器件810具有即使在功率供应停止时也可以保持所存储的数据的非挥发性特性。存储器件810包括通过根据本发明构思的至少一个实施方式的制造磁性器件的方法制造的磁性器件。
响应主机830的读/写请求，存储器控制器820可以从存储器件810读取所存储的数据，或者可以在存储器件810中存储数据。
在此已经公开了实例实施方式，虽然采用了专用术语，但是它们可以仅被使用且将被理解为一般的和描述性的意义而不用于限制目的。在一些情况下，如对于提交本申请所属的领域内的普通技术人员来说可能是显然的，关于特定实施方式描述的特征、特性、和/或元件可以单独地使用或者可以与关于其它实施方式描述的特征、特性、和/或元件一起使用，除非另外地特别指出。因此，本领域的技术人员将理解，可以进行形式和细节的各种变化，而不脱离由权利要求书所阐述的本发明的精神和范围。
本申请要求享有2011年12月7日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10‑2011‑0130474的权益，其公开通过全文引用结合于此。