KR100452618B1 - 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 워드선 제조방법 - Google Patents
자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 워드선 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 워드선 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 자기 메모리 및 센서에서 자화를 반전시키는데 필요한 자기장을 발생시키는 워드선(또는 비트선)의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계와; 상기 절연막에 광식각 공정을 이용하여 소정 깊이의 트렌치(Trench)를 형성하는 단계와; 상기 트렌치의 내외측 전표면에 구리(Cu) 재질의 시드(seed)막을 증착하는 단계와; 상기 시드막 상에 트렌치를 충분히 덮을 수 있을 정도 두께로 구리(Cu) 재질의 도전막을 전기도금 방식으로 증착하는 단계와; 상기 절연막의 상부 표면이 노출될때 까지 CMP 공정을 이용하여 평탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 워드선 제조방법을 제시한다.
따라서, 본 발명은 자기 메모리 및 자기센서에 응용 가능한 워드선 및 비트선에 대하여 자화를 반전시키는데 필요한 자기장이 최대가 되도록 워드선/비트선에 대한 최적의 형상을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 워드선 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 자기 메모리 및 센서에서 자화를 반전시키는데 필요한 자기장을 발생시키는 워드선(또는 비트선)의 제조방법에 관한 것이다.
자기 메모리 및 센서는 자성재료로 된 박막을 핵심 구성 요소로 하는 다층막으로 구성되어 있다. 자기 메모리 및 센서의 작동은 자성 다층막 중 일부 또는 전부의 자화 반전을 필요로 하며, 자화 반전에 필요한 자기장은 워드선 및 비트선에 전류를 흘려줌으로써 얻어진다. MRAM(magnetic random access memory)으로 알려진 자기메모리 소자는 넓은 의미로서 자성재료를 이용한 메모리 소자를 통칭하며, 이는 1970년대의 페라이트 코어로부터 출발하여 자기버블 기술까지 다소 오랜 역사를 가지고 있다.
그러나 협의의 자기 메모리 소자는 자기저항(MR: magnetoresistance) 현상을 이용한 것으로서 이러한 예로서 초기의 이방성(anisotropic) MR (AMR)에서 최근의 거대자기저항(GMR: giant magnetoresistance) 및 턴넬링형 자기저항(TMR: tunneling-type magnetoresistance) 현상을 이용한 자기메모리 소자를 들 수 있다. 이러한 자기 메모리 소자에서 디지털 정보는 자성 다층막에서 자화의 방향에 의해 결정된다. 자성 다층막은 통상 3개의 핵심층으로 구성되어 있는데, 2개의 자성막이 도전막(GMR 현상) 또는 절연막(TMR 현상)을 에워싸는 구조로 이루어져 있다. 디지털 정보의 쓰기 및 읽기 과정은 하나 또는 두 자성막의 자화 반전을 수반한다.
하나의 예로서 TMR 현상을 이용한 자기 메모리 소자의 경우 통상 소자의 작동시 하나의 자성막의 자화는 항상 고정되어 있으며, 다른 하나의 자성막만이 자화 반전된다. 고정된 자성막을 고정층, 자화가 반전되는 자성막을 자유층이라 일컫는다. 고정층의 자화가 (+)X 방향으로 고정되어 있으며, 자유층 또한 X축 방향으로 일축 자기이방성이 형성되어 있어 자화가 (+)X 또는 (-)X 방향으로만 향하는 경우를 생각해 보자.
자기저항박막에서 저항은 두 자성층에 있는 자화의 방향에 의존하는데 구체적으로 자화 방향이 평행하면 낮은 저항상태가 되며, 자화방향이 반평행하면 높은 저항상태가 된다. 자유층의 자화가 (+)X 방향인 경우 두 자성층의 자화가 같은 방향을 향하고 있기 때문에 낮은 저항상태가 되며, 반대로 자유층의 자화가 (-)X 방향을 향하는 경우 높은 저항상태가 된다. 자유층의 자화 상태가 (+)X 또는 (-)X 방향의 2가지 방향만을 향하기 때문에 자유층의 자화 방향은 디지털 정보를 저장하는 것이 가능하다.
통상의 자기 메모리 소자는 많은 수의 워드선과 비트선으로 구성되어 있는데 2개의 선은 서로 수직으로 교차한다. 워드선과 비트선은 통상 비저항이 낮은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)-구리(Cu) 합금으로 이루어져 있다. 디지털정보를 저장하는 자성 다층막은 서로 직교하는 워드선과 비트선 사이에 위치하는데, 자성 다층막에서 자화의 반전은 워드선과 비트선에 흐르는 전류로부터 발생되는 자기장에 의해 달성된다.
이는 자유층과 고정층의 2개 자성층으로 이루어진 자기 메모리 소자에서 자유층의 자화 반전은 워드선과 비트선에 전류를 동시에 흘려줌으로써 달성된다. 이 때 워드선과 비트선에 흘려주는 전류의 크기는 자유층의 자화 반전에 필요한 자기장의 크기에 의존한다.
즉, 자화 반전에 필요한 자기장이 크면 워드선과 비트선에 많은 전류를 흘려주어야 하며, 자화 반전 자기장이 작은 경우 작은 전류를 흘려주어도 자화가 반전된다. 워드선과 비트선에 지나치게 많은 전류를 흘려주는 경우 많은 전력이 소비되는 것은 물론 발열로 인한 소자의 성능에 문제를 야기할 수 있으며, 전류 밀도 또한 높아지게 되어 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 의해 배선이 손상될 가능성이 높아지게 된다.
따라서 메모리 소자의 작동시 워드선과 비트선에 흐르는 전류의 크기를 적정한 크기 이하로 낮추는 것이 매우 중요하다.
한편, 자기 메모리를 포함한 메모리 소자에서 상업적으로 가장 중요한 인자 중의 하나가 밀도이다. 자기 메모리 소자에서 고밀도화를 달성하기 위해서는 정보를 저장하는 자성 다층막의 크기를 줄이는 것이 필요하다. 자기 메모리 소자가 기존의 다른 메모리 기술과 경쟁하기 위해 요구되는 밀도에서 자성막의 크기는 서브마이크론(submicron) 범위가 될 것으로 예상된다. 자성막의 이러한 크기 범위에서 정자기 상호작용(magnetostatic interactions)이 매우 크기 때문에 자화를 반전시키는데 매우 큰 자기장이 필요하게 되며, 따라서 소자를 작동시키는데 워드선과 비트선에 많은 전류를 흘려주는 것이 필요하게 된다.
이를 요약하면, 자기 메모리가 기존의 메모리 기술과 경쟁하기 위해서는 고밀도화가 요구되며, 이는 디지털 정보를 저장하는 자성막의 크기를 감소시켜 높은 정자기 상호작용에 의해 자화 반전에 필요한 자기장을 증가시키게 된다.
반면, 자화 반전에 필요한 자기장을 발생시키는 워드선과 비트선에 어느 수준 이상의 전류 밀도가 흐르게 되면 일렉트론마이그레이션(electromigration) 등 많은 문제가 발생하기 때문에, 이러한 도전체에 흐르는 전류를 어느 수준 이하로 낮추는 것이 필요하다.
상기와 같은 자기 메모리의 고밀도화와 관련된 이러한 문제들을 해결하는 방법 중의 하나로서 도전체에 흐르는 전류 밀도와 전류가 흐르는 단면적을 일정하게 유지하면서도 도전체로부터 얻어지는 자기장의 크기를 증가시키는 것을 들 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 워드선과 비트선의 형상 및 워드선/비트선과 자성 다층막간의 간격에 따라 자성 다층막에 인가되는 자기장의 크기가 변화하는 결과를 보임으로써 워드선과 비트선 형상에 대한 최적화를 달성하고자 한다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은
반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계와; 상기 절연막에 광식각 공정을 이용하여 소정 깊이의 트렌치(Trench)를 형성하는 단계와; 상기 트렌치의 내외측 전표면에 구리(Cu) 재질의 시드(seed)막을 증착하는 단계와; 상기 시드막 상에 트렌치를 충분히 덮을 수 있을 정도 두께로 구리(Cu) 재질의 도전막을 전기도금 방식으로 증착하는 단계와; 상기 절연막의 상부 표면이 노출될때 까지 CMP 공정을 이용하여 평탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 워드선 제조방법을 제공한다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따라 워드선의 제조 공정을 나타낸 공정 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따라 워드선의 종횡비가 워드선으로부터 발생되는 자기장의 크기에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 반도체 기판 102 : 절연막
104 : 트렌치(Trench) 106 : 시드(seed)막
108 : 도전막
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 자기 메모리 소자에서 통상 정보를 저장하는 자성 다층막의 자화 반전은 워드선과 비트선에 전류를 동시에 인가함으로써 달성되지만, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 워드선에 대해서만 기술하고자 한다. 참고로, 본 발명에서의 워드선과 비트선의 형상은 종횡비(aspect ratio; 두께/폭 비)로 나타내었다.
도 1a 내지 도 1e는 본 발명에 따라 워드선의 제조 공정을 나타낸 공정 단면도이다.
반도체 기판(100) 즉, 실리콘 기판 위에 실리콘 산화막으로 이루어진 절연막(102)을 형성한다.(도 1a 참조) 이어서, 상기 절연막(102)에 통상의 광식각 공정을 사용하여 소정 깊이의 트렌치(Trench)(또는 캐비티(cavity))(104)를 형성한다.(도 1b 참조)
그 다음, 상기 트렌치(104)의 내외측 전표면에 구리(Cu) 재질의 시드막(seed)(106)을 얇게 형성한 후(도 1c 참조), 전기 도금에 의해 도전막(108)으로 구리(Cu)를 입힌다. 이 때, 상기 도전막(108)은 트렌치(104)를 충분히 덮을 수 있을 정도의 두께로 증착한다.(도 1d 참조)
그 후, 상기 절연막(102)의 상부 표면이 노출될때 까지 화학적기계적 평탄화(CMP : chemical-mechanical planarization) 공정을 이용하여 불필요한 박막을 제거함과 동시에 최종 상층면을 평탄화한다.(도 1e 참조)
여기서, 도 1e에 좌표축으로 가로축을 y, 세로축을 z로 나타내었다. x축은 종이 면에 수직한 방향으로서 전류가 흐르는 방향과 같다.
또한, 도 1e에는 워드선의 종횡비가 1에 유사한 경우에 대한 공정도를 나타내었지만, 다른 종횡비를 가진 워드선을 제작하기 위한 공정은 본 발명과 유사하다. 본 발명에서 고려한 다양한 형태의 워드선 종횡비 및 실제 워드선의 단면적은 다음과 같다.
종횡비가 16인 경우 (4.0 μm (두께) × 0.25 μm (폭)), 9인 경우 (3.0 μm (두께) × 0.333 μm (폭)), 4인 경우 (2.0 μm (두께) × 0.5 μm (폭))이다.
종횡비가 1.56인 경우 (1.25 μm (두께) × 0.8 μm (폭)), 1.0인 경우 (1.0 μm (두께) × 1.0 μm (폭)), 0.44인 경우 (0.67 μm (두께) × 1.5 μm (폭)), 0.25인 경우 (0.5 μm (두께) × 2.0 μm (폭))이다.
도 2는 워드선의 종횡비가 워드선으로부터 발생되는 자기장의 크기에 어떤 영향을 미치는지를 나타낸 그래프이다.
도 2에서 워드선에 인가된 전류의 크기는 10 mA이며, 단면적은 1이다. 이는 워드선에 흐르는 전류 밀도가 매우 유사하다는 것을 의미한다. 도 2에서의 가로축은 워드선의 중앙 (y=0)에서 z 방향으로 워드선으로부터 떨어진 거리이며 세로축은 자기장의 y 방향 성분 (Hy)이다.
자기 메모리에 응용하는 경우 해당되는 거리 (통상 z=0.1∼0.2 um 범위)에서 Hy의 크기는 다음의 2가지 특징을 보인다. 첫째는 Hy의 크기가 종횡비에 매우 민감하게 변한다는 것이며, 둘째는 어떤 종횡비 범위에서 자기장의 크기가 최대가 된다는 점이다. 이러한 특징은 자기 메모리 소자의 설계시 워드선 형상의 최적화가 필요하다는 것이다.
보다 구체적으로 워드선으로부터 떨어진 거리가 작은 경우 Hy는 종횡비가 감소함에 따라 증가하여 1.0의 종횡비에서 최대를 보이며 종횡비가 더 이상 감소하면 Hy가 다시 감소한다.
도 3은 워드선으로부터 z 방향으로 0.13 μm 떨어진 거리 (z=0.13 μm)에서 얻어진 y 방향 성분의 자기장 (Hy)이 y 방향 (수평 방향)의 길이이 따라 변화하는 것을 나타낸 그래프이다.
여기서 y=0은 워드선의 중앙을 나타낸다. z=0.13 μm는 통상의 자기 메모리에서 워드선과 자유층 사이의 거리에 해당된다. 워드선에 인가된 전류의 크기는 10 mA이며, 단면적은 1이다. 워드선의 중앙 (y=0)인 경우 도 2에서 이미 언급한 바와 같이 종횡비가 1.0인 경우 Hy가 최대이다. 종횡비가 크면 워드선의 중앙에서 벗어남에 따라 Hy는 크게 변화하나, 종횡비가 작으면 워드선의 중앙에서 벗어남에 따라 Hy는 작게 변화한다.
한 예로서 종횡비 0.25 이하에서는 워드선의 중앙으로부터 0.3 μm 거리까지 벗어나더라도 Hy의 변화는 거의 없다. Hy의 크기 및 워드선의 중앙으로부터 벗어남에 따른 Hy의 변화를 고려할 때 최적의 종횡비는 0.25 ∼ 1.56 사이일 때이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 자기 메모리를 중심으로 기술하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 자기센서, 특히 마이크로 자기센서의 응용에도 유사하게 적용될 수 있다. 즉, 마이크로 자기센서에서 자기장은 구리 등에 전류를 흘려줌으로써 얻어지며 이러한 응용에서 낮은 전류(전류밀도)에서 큰 자기장을 얻는 것은 매우 중요하기 때문이다.
이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 자기 메모리 및 자기센서에 응용 가능한 워드선 및 비트선에 대하여 자화를 반전시키는데 필요한 자기장이 최대가 되도록 워드선/비트선에 대한 최적의 형상을 제공할 수 있다.
이는 고밀도 자기 메모리에 해당되는 소자에서 자화 반전에 필요한 자기장의 크기는 워드선/비트선의 형상에 민감하며 특정한 형상에서 최대의 자기장이 얻어진다. 자화 반전에 필요한 자기장의 관점에서 볼 때 워드선/비트선의 최적 형상은 종횡비가 0.25 ∼ 1.56 사이일 때이다.
Claims (2)
- 반도체 기판 상에 절연막을 형성하는 단계와, 상기 절연막에 광식각 공정을 이용하여 소정 깊이의 트렌치(Trench)를 형성하는 단계와, 상기 트렌치의 내외측 전표면에 구리(Cu) 재질의 시드(seed)막을 증착하는 단계와, 상기 시드막 상에 트렌치를 충분히 덮을 수 있을 정도 두께로 구리(Cu) 재질의 도전막을 전기도금 방식으로 증착하는 단계와, 그리고 상기 절연막의 상부 표면이 노출될때 까지 CMP 공정을 이용하여 평탄화하는 단계를 포함하여 워드선을 형성시키되, 상기 워드선의 최적 형상 종횡비를 0.25 ∼ 1.56 사이에서 설정하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 워드선 제조방법.
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