KR100570475B1 - Methods of fabricating a magnetic random access memory cell having split sub-digit lines surrounded by cladding layers - Google Patents
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Abstract
도금층으로 둘러싸인 분할된 서브 디지트 라인들을 갖는 자기 램 셀의 제조방법들을 제공한다. 이 방법들은 반도체기판 상에 제1 층간절연층을 형성하는 것과, 상기 제1 층간절연층 내에 그루브를 형성하는 것을 구비한다. 상기 그루브를 갖는 기판 상에 콘포말한 도금층(conformal cladding layer)을 형성한다. 상기 그루브 내의 상기 도금층의 소정영역 상에 격리벽(separating wall)을 형성하여 상기 그루브의 적어도 일부를 제1 및 제2 그루브들로 분할시킨다. 상기 제1 및 제2 그루브들 내에 각각 제1 및 제2 서브 디지트 라인들을 형성한다. 상기 격리벽 및 도금층을 관통하여 상기 서브 디지트 라인들 사이의 영역을 지나는 개구부를 형성하고, 상기 개구부의 측벽 상에 스페이서를 형성한다. 상기 스페이서를 식각 마스크로 사용하여 상기 제1 층간절연막을 식각하여 상기 반도체기판을 노출시키는 자기저항체 콘택 홀을 형성한다.Provided are methods of manufacturing a magnetic ram cell having divided sub digit lines surrounded by a plating layer. These methods include forming a first interlayer insulating layer on a semiconductor substrate and forming a groove in the first interlayer insulating layer. A conformal cladding layer is formed on the substrate having the groove. A separating wall is formed on a predetermined region of the plating layer in the groove to divide at least a portion of the groove into first and second grooves. First and second sub digit lines are formed in the first and second grooves, respectively. An opening is formed through the isolation wall and the plating layer and passes through the area between the sub digit lines, and a spacer is formed on the sidewall of the opening. The first interlayer insulating layer is etched using the spacer as an etch mask to form a magnetoresistive contact hole exposing the semiconductor substrate.
Description
도 1은 종래의 자기 램 셀을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional magnetic ram cell.
도 2는 분할된 서브 디지트 라인들을 갖는 종래의 자기 램 셀을 설명하기 위한 단면도이다.2 is a cross-sectional view illustrating a conventional magnetic ram cell having divided sub digit lines.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 램 셀들을 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view illustrating magnetic ram cells according to example embodiments.
도 4 내지 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 램 셀의 제조방법들을 설명하기 위한 단면도들이다.4 through 10 are cross-sectional views for describing a method of manufacturing a magnetic ram cell according to example embodiments.
본 발명은 반도체 메모리 셀을 제조하는 방법들에 관한 것으로, 특히 도금층으로 둘러싸인 분할된 서브 디지트 라인들을 갖는 자기 램 셀을 제조하는 방법들에 관한 것이다.The present invention relates to methods of fabricating semiconductor memory cells, and more particularly to methods of fabricating magnetic RAM cells having divided sub digit lines surrounded by a plating layer.
자기 램 소자들은 저전압 및 고속에서 동작될 수 있는 비휘발성 기억소자들로서 널리 사용되고 있다. 상기 자기 램 소자의 단위 셀에 있어서, 데이터는 자기 저항체(magnetic resistor)의 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 내에 저장된다. 상기 자기 터널 접합(MTJ)은 제1 및 제2 강자성층들(ferromagnetic layers) 및 그들 사이에 개재된 터널링 절연층(tunneling insulation layer)을 포함한다. 자유층(free layer)이라고도 언급되는 상기 제1 강자성층의 자기 분극(magnetic polarization)은 상기 자기 터널 접합을 가로지르는 자계를 이용하여 변화시킬 수 있다. 상기 자계는 상기 자기 터널 접합의 주위를 지나는 전류에 의해 유기될(induced) 수 있고, 상기 자유층의 자기 분극은 고정층(pinned layer)이라고도 언급되는 상기 제2 강자성층의 자기 분극에 평행하거나 반평행(anti-parallel)할 수 있다. 상기 자계를 생성시키기 위한 전류는 상기 자기 터널 접합의 주위에 배치된 디지트 라인(digit line)이라고 불리우는 도전층을 통하여 흐른다.Magnetic RAM devices are widely used as nonvolatile memories that can operate at low voltages and high speeds. In the unit cell of the magnetic RAM device, data is stored in a magnetic tunnel junction (MTJ) of a magnetic resistor. The magnetic tunnel junction MTJ includes first and second ferromagnetic layers and a tunneling insulation layer interposed therebetween. Magnetic polarization of the first ferromagnetic layer, also referred to as a free layer, can be varied using a magnetic field across the magnetic tunnel junction. The magnetic field may be induced by a current passing around the magnetic tunnel junction, and the magnetic polarization of the free layer is parallel or antiparallel to the magnetic polarization of the second ferromagnetic layer, also referred to as a pinned layer. It can be anti-parallel. Current for generating the magnetic field flows through a conductive layer called a digit line disposed around the magnetic tunnel junction.
양자역학(quantum mechanics)에 기초한 스핀트로닉스(spintronics)에 따르면, 상기 자유층 및 고정층 내의 자기 스핀들이 서로 평행하도록 배열된 경우에, 상기 자기 터널 접합을 통하여 흐르는 터널링 전류는 최대값을 보인다. 이에 반하여, 상기 자유층 및 고정층 내의 자기 스핀들이 서로 반평행하도록 배열된 경우에, 상기 자기 터널 접합을 통하여 흐르는 터널링 전류는 최소값을 보인다. 따라서, 상기 자기 램 셀의 데이터는 상기 자유층 내의 자기 스핀들의 방향에 따라서 결정될 수 있다.According to spintronics based on quantum mechanics, when the magnetic spindles in the free layer and the fixed layer are arranged parallel to each other, the tunneling current flowing through the magnetic tunnel junction shows a maximum value. In contrast, when the magnetic spindles in the free layer and the fixed layer are arranged antiparallel to each other, the tunneling current flowing through the magnetic tunnel junction shows a minimum value. Thus, the data of the magnetic ram cell may be determined according to the direction of the magnetic spindle in the free layer.
도 1은 종래의 자기 램 셀을 보여주는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a conventional magnetic ram cell.
도 1을 참조하면, 반도체기판(1) 상에 제1 층간절연층(3)이 적층된다. 상기 제1 층간절연층(3) 상에 디지트 라인(5)이 배치된다. 상기 디지트 라인(5) 및 상기 제1 층간절연층(3)은 제2 층간절연층(7)으로 덮여진다. 상기 제2 층간절연층(7) 상에 상기 디지트 라인(5)의 소정영역과 중첩하도록 자기 저항체(16)가 배치된다. 상기 자기 저항체(16)는 차례로 적층된 하부 전극(11), 자기 터널 접합(13) 및 상부 전극(15)을 포함한다. 상기 자기 저항체(16) 및 상기 제2 층간절연층(7)은 제3 층간절연층(17)으로 덮여진다. 상기 제3 층간절연층(17) 상에 상기 상부전극(15)에 전기적으로 접속된 비트라인(19)이 배치된다.Referring to FIG. 1, a first
상기 하부전극(11)은 상기 반도체기판(1)의 소정영역에 전기적으로 접속되어야 한다. 따라서, 상기 하부전극(11)은 상기 디지트 라인(5)보다 넓은 폭을 갖도록 형성되어야 한다. 다시 말해서, 상기 하부전극(11)은 상기 디지트 라인(5)과 중첩하지 않는 연장부(A)를 갖도록 형성되어야 한다. 상기 연장부(A)는 상기 제1 및 제2 층간절연층들(3, 7)을 관통하는 하부전극 플러그(9)를 통하여 상기 반도체기판(1)의 소정영역에 전기적으로 접속된다.The
결론적으로, 상기 하부전극(11)의 연장부(A)는 도 1에 보여진 종래의 자기 램 셀 사이즈의 축소(shrink)에 있어서 어려움을 초래한다.In conclusion, the extension A of the
최근에, 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 분할된 서브 디지트 라인들을 갖는 자기 램 셀이 제안된 바 있다. 이에 더하여, 상기 자기 램 셀의 쓰기 효율(writing efficiency)을 향상시키기 위하여 상기 디지트 라인들의 측벽 및 하부면을 둘러싸는 도금층(cladding layer)이 널리 사용되고 있다. 상기 도금층을 채택하는 자기 램 셀이 미국특허 제6,430,084 B1에 "강자성 도금층을 구비하는 디지트 라인들 및 비트 라인들을 갖는 자기 램(Magnetic random access memory having digit lines and bit lines with a ferromagnetic cladding layer)"라는 제목으로 리쪼 등(Rizzo et al.)에 의해 개시된 바 있다.Recently, a magnetic RAM cell having divided sub digit lines has been proposed to solve the above problems. In addition, a cladding layer surrounding sidewalls and bottom surfaces of the digit lines is widely used to improve the writing efficiency of the magnetic RAM cell. The magnetic ram cell employing the plating layer is described in US Patent No. 6,430,084 B1 as "Magnetic random access memory having digit lines and bit lines with a ferromagnetic cladding layer". It has been disclosed by Rizza et al. In the title.
도 2는 상기 분할된 서브 디지트 라인들에 상기 미국특허 제6,430,084 B1에 개시된 도금층을 적용한 자기 램 셀을 도시한 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a magnetic RAM cell in which the plating layer disclosed in US Pat. No. 6,430,084 B1 is applied to the divided sub digit lines.
도 2를 참조하면, 반도체기판(21) 상에 제1 층간절연층(23)이 적층된다. 상기 제1 층간절연층(23) 내에 제1 및 제2 평행한 분할된 서브 디지트 라인들(27a, 27b)이 배치된다. 상기 제1 서브 디지트 라인(27a)의 양 측벽들 및 하부면은 제1 도금층(25a)에 의해 둘러싸여지고, 상기 제2 서브 디지트 라인(27b)의 양 측벽들 및 하부면 역시 제2 도금층(25b)에 의해 둘러싸여진다. 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(27a, 27b) 및 상기 제1 및 제2 도금층들(25a, 25b)을 갖는 반도체기판의 전면 상에 제2 층간절연층(29)이 적층된다. 상기 반도체기판(21)의 소정영역은 상기 제1 및 제2 층간절연층들(23, 29)을 관통하는 자기터널 접합 콘택 플러그(31)에 전기적으로 접속된다. 상기 자기터널 접합 콘택 플러그(31)는 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(27a, 27b) 사이의 영역을 지난다(pass through). 상기 제2 층간절연층(29) 상에 상기 자기터널 접합 콘택 플러그(31)와 접촉하는 자기터널 접합(33)이 배치된다.Referring to FIG. 2, a first
도 2에 보여진 상기 자기 램 셀 내에 데이터를 저장시키기 위하여 상기 분할된 서브 디지트 라인들(27a, 27b)에 쓰기 전류(writing current)를 가하면, 제1 및 제2 자계들(35a, 35b)이 형성된다. 상기 제1 및 제2 자계들(35a, 35b)은 각각 도 2에 도시된 바와 같이 상기 자기터널 접합(33)의 일 측 및 타 측 내에 주로 분포된 다. 다시 말해서, 상기 쓰기 동작(writing operation) 동안 상기 자기 터널 접합(33)의 전체에 걸쳐서 균일하게 분포되는 자계를 형성시키기가 어렵다. 이는, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(27a, 27b)의 모든 측벽들이 상기 제1 및 제2 도금층들(25a, 25b)에 의해 둘러싸여지기 때문이다. 이에 따라, 상기 분할된 서브 디지트 라인들(27a, 27b)을 갖는 자기 램 셀이 자계를 집속시키는 도금층을 채택할지라도, 상기 자기 램 셀의 쓰기 효율을 향상시키는 데 한계가 있다.When writing current is applied to the divided
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 집적도와 아울러서 쓰기 효율을 개선시킬 수 있는 자기 램 셀들의 제조방법들을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide methods for manufacturing magnetic RAM cells, which may improve integration efficiency as well as write efficiency.
본 발명의 일 양태에 따르면, 분할된 디지트 라인들을 갖는 자기 램 셀의 제조방법들이 제공된다. 이 방법들은 반도체기판 상에 제1 층간절연층을 형성하는 것과, 상기 제1 층간절연층 내에 그루브를 형성하는 것을 포함한다. 상기 그루브를 갖는 기판 상에 콘포말한 도금층(conformal cladding layer)을 형성한다. 상기 그루브 내의 상기 도금층의 소정영역 상에 격리벽(separating wall)을 형성하여 상기 그루브의 적어도 일부(at least a portion)를 제1 및 제2 그루브들로 분할시킨다. 상기 제1 및 제2 그루브들 내에 각각 제1 및 제2 서브 디지트 라인들을 형성한다. 상기 서브 디지트 라인들을 형성하는 동안, 상기 제1 층간절연층의 상부면 상의 상기 도금층이 선택적으로 제거된다. 그 결과, 상기 그루브의 측벽들 및 하부면 만을 덮는 도금층 패턴이 형성된다. 상기 서브 디지트 라인들 및 상기 도금층 패턴을 갖 는 기판 상에 캐핑층을 형성한다. 상기 캐핑층, 상기 격리벽 및 상기 도금층 패턴을 관통하는 개구부를 형성한다. 상기 개구부는 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들 사이의 영역을 지나도록 형성된다. 상기 개구부의 측벽 상에 절연성 스페이서(insulating spacer)를 형성한다. 상기 절연성 스페이서를 식각 마스크로 사용하여 상기 제1 층간절연막을 식각하여 상기 반도체기판을 노출시키는 자기저항체 콘택 홀을 형성한다.According to one aspect of the present invention, methods of manufacturing a magnetic ram cell having divided digit lines are provided. These methods include forming a first interlayer dielectric layer on a semiconductor substrate and forming a groove in the first interlayer dielectric layer. A conformal cladding layer is formed on the substrate having the groove. A separating wall is formed on a predetermined region of the plating layer in the groove to divide at least a portion of the groove into first and second grooves. First and second sub digit lines are formed in the first and second grooves, respectively. While forming the sub digit lines, the plating layer on the top surface of the first interlayer insulating layer is selectively removed. As a result, a plating layer pattern covering only the sidewalls and the bottom surface of the groove is formed. A capping layer is formed on the substrate having the sub digit lines and the plating layer pattern. An opening penetrating the capping layer, the isolation wall, and the plating layer pattern is formed. The opening is formed to pass through an area between the first and second sub digit lines. An insulating spacer is formed on the sidewall of the opening. The first interlayer insulating layer is etched using the insulating spacer as an etch mask to form a magnetoresistive contact hole exposing the semiconductor substrate.
본 발명의 몇몇 실시예들에서, 상기 그루브는 상기 제1 층간절연층을 부분 식각함으로써(partially etching) 형성될 수 있다.In some embodiments of the present invention, the groove may be formed by partially etching the first interlayer insulating layer.
다른 실시예들에서, 상기 도금층은 강자성층으로 형성할 수 있다.In other embodiments, the plating layer may be formed of a ferromagnetic layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 격리벽의 형성은 상기 도금층을 갖는 기판 상에 몰딩층(molding layer)을 형성하는 것과, 상기 몰딩층을 평탄화시키어 상기 그루브 내에 몰딩층 패턴을 형성함과 동시에 상기 제1 층간절연층의 상부면 상의 상기 도금층을 노출시키는 것과, 상기 몰딩층 패턴을 패터닝하는 것을 포함할 수 있다.In still other embodiments, the forming of the isolation wall may include forming a molding layer on the substrate having the plating layer, planarizing the molding layer, and forming a molding layer pattern in the groove. The method may include exposing the plating layer on an upper surface of the one interlayer insulating layer and patterning the molding layer pattern.
또 다른 실시예들에서, 상기 격리벽은 라인 형태 또는 섬 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 상기 격리벽이 상기 라인 형태를 갖도록 형성되는 경우에, 상기 제1 및 제2 그루브들은 서로 평행할 수 있다. 또한, 상기 격리벽이 상기 섬 형태를 갖도록 형성되는 경우에, 상기 제1 및 제2 그루브들은 서로 연결되어 하나의 통합된 그루브(a single merged groove)를 구성할 수 있다.In still other embodiments, the isolation wall may be formed to have a line shape or an island shape. When the isolation wall is formed to have the line shape, the first and second grooves may be parallel to each other. In addition, when the isolation wall is formed to have the island shape, the first and second grooves may be connected to each other to form a single merged groove.
또 다른 실시예들에서, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들의 형성은 상기 격리벽을 갖는 기판 상에 상기 제1 및 제2 그루브들을 채우는 도전층을 형성하는 것과, 상기 도전층 및 상기 도금층을 평탄화시키어 상기 제1 층간절연층의 상부면 및 상기 격리벽의 상부면을 노출시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 도전층은 구리층으로 형성할 수 있고, 상기 도전층 및 상기 도금층은 화학기계적 연마 공정을 사용하여 평탄화될 수 있다.In still other embodiments, the formation of the first and second sub digit lines may include forming a conductive layer filling the first and second grooves on the substrate having the isolation wall, and forming the conductive layer and the plating layer. Planarization may include exposing an upper surface of the first interlayer insulating layer and an upper surface of the isolation wall. The conductive layer may be formed of a copper layer, and the conductive layer and the plating layer may be planarized using a chemical mechanical polishing process.
또 다른 실시예들에서, 상기 캐핑층 및 상기 절연성 스페이서는 상기 제1 층간절연층에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연층으로 형성할 수 있다.In other embodiments, the capping layer and the insulating spacer may be formed as an insulating layer having an etch selectivity with respect to the first interlayer insulating layer.
또 다른 실시예들에서, 상기 자기저항체 콘택 홀을 형성하기 전에 상기 절연성 스페이서를 갖는 기판 상에 제2 층간절연층을 추가로 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 자기저항체 콘택 홀은 상기 캐핑층 및 상기 절연성 스페이서를 식각 마스크로 사용하여 상기 제1 및 제2 층간절연층들을 식각함으로써 형성될 수 있다.In still other embodiments, before forming the magnetoresistive contact hole, a second interlayer insulating layer may be further formed on the substrate having the insulating spacer. In this case, the magnetoresistive contact hole may be formed by etching the first and second interlayer insulating layers using the capping layer and the insulating spacer as an etching mask.
더 나아가서, 상기 자기저항체 콘택 홀 내에 자기저항체 콘택 플러그를 형성하고, 상기 절연층 상에 상기 자기저항체 콘택 플러그에 전기적으로 접속된 자기저항체를 할 수 있다. 이에 더하여, 상기 자기저항체를 갖는 기판 상에 상부 층간절연층을 형성하고, 상기 상부 층간절연층 상에 상기 자기저항체에 전기적으로 접속된 비트라인을 형성할 수 있다. 상기 비트라인은 상기 서브 디지트 라인들의 상부를 가로지르도록 형성될 수 있다.Furthermore, a magnetoresistive contact plug can be formed in the magnetoresistive contact hole, and a magnetoresistive body electrically connected to the magnetoresistive contact plug can be formed on the insulating layer. In addition, an upper interlayer insulating layer may be formed on a substrate having the magnetoresistive body, and a bit line electrically connected to the magnetoresistive body may be formed on the upper interlayer insulating layer. The bit line may be formed to cross the upper portion of the sub digit lines.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 층 및 영역들의 두께는 명확성을 기하여 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided to ensure that the disclosed subject matter is thorough and complete, and that the scope of the invention to those skilled in the art will fully convey. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity. Like numbers refer to like elements throughout.
도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 자기 램 셀들을 설명하기 위한 단면도이다.3 is a cross-sectional view for describing magnetic ram cells according to example embodiments.
도 3을 참조하면, 반도체기판(51)의 소정영역에 소자분리층(101)이 배치된다. 상기 소자분리층(101)은 활성영역(101a)을 한정한다. 상기 활성영역(101a) 내에 서로 이격된 소오스 영역(107s) 및 드레인 영역(107d)이 제공된다. 상기 소오스 영역(107s) 및 드레인 영역(107d) 사이의 채널 영역 상부에 게이트 전극(105)이 배치된다. 상기 게이트 전극(105)은 상기 활성영역(101a)의 상부를 가로지르도록 연장되어 워드라인의 역할을 할 수 있다. 상기 게이트 전극(105) 및 상기 채널 영역 사이에 게이트 절연층(103)이 개재된다. 상기 게이트 전극(105), 소오스 영역(107s) 및 드레인 영역(107d)은 억세스 트랜지스터를 구성한다.Referring to FIG. 3, the
상기 억세스 트랜지스터를 갖는 반도체기판 상은 하부 층간절연층(109)으로 덮여진다. 상기 하부 층간절연층(109) 상에 공통 소오스 라인(111)이 배치된다. 상기 공통 소오스 라인(111)은 상기 하부 층간절연층(109)을 관통하는 공통 소오스 라인 콘택 플러그(110)를 통하여 상기 소오스 영역(107s)에 전기적으로 접속된다. 상기 공통 소오스 라인(111)은 상기 게이트 전극(105)에 평행하도록 배치될 수 있다.The semiconductor substrate having the access transistor is covered with a lower
상기 공통 소오스 라인(111) 및 상기 하부 층간절연층(109)은 제1 층간절연 층(53)으로 덮여진다. 상기 제1 층간절연층(53) 내에 서로 이격된 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)이 배치된다. 상기 제1 서브 디지트 라인(57a)의 하부면(bottom surface) 및 외측벽(outer sidewall)은 제1 도금층 패턴(a first cladding layer pattern; 55a)에 의해 둘러싸여진다. 상기 제1 서브 디지트 라인(57a)의 상기 외측벽은 상기 제2 서브 디지트 라인(57b)의 반대편에 위치하는 측벽에 해당한다. 이와 마찬가지로, 상기 제2 서브 디지트 라인(57b)의 하부면 및 외측벽은 제2 도금층 패턴(a second cladding layer pattern; 55b)에 의해 둘러싸여진다. 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)은 구리층 또는 알루미늄층과 같은 도전층이고, 상기 제1 및 제2 도금층 패턴들(55a, 55b)은 니켈철(nickel iron; NiFe)과 같은 강자성층(ferromagnetic layer)인 것이 바람직하다. 상기 제1 및 제2 도금층 패턴들(55a, 55b)은 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)을 통하여 흐르는 전류에 의해 생성되는 자속(magnetic flux)을 집속시키는 역할을 한다.The
상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)은 연장되어 서로 접촉할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b) 사이에 홀 형태의 개구부(hole-shaped opening)가 제공된다. 이와는 달리, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)은 연장되어 평행할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b) 사이에 라인 형태의 개구부(line-shaped opening)가 제공된다.The first and second
상기 제1 층간절연층(53)은 차례로 적층된 제1 하부 층간절연층(53a) 및 제1 상부 층간절연층(53b)을 포함할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)과 아울러서 상기 제1 및 제2 도금층 패턴들(55a, 55b)은 상기 제1 상부 층간절연층(53b) 내에 제공될 수 있다.The first
상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 상부면들은 캐핑층(59)으로 덮여질 수 있다. 상기 캐핑층(59)은 연장되어 상기 제1 층간절연층(53)을 덮는다. 이에 더하여, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 내측벽들(inner sidewalls), 즉 상기 개구부의 측벽은 절연성 스페이서(insulating spacer; 65)로 덮여질 수 있다. 상기 절연성 스페이서(65)는 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b) 상의 상기 캐핑층(59)의 측벽을 덮도록 연장된 것이 바람직하다.Top surfaces of the first and second
상기 캐핑층(59) 및 상기 절연성 스페이서(65)를 갖는 반도체기판은 제2 층간절연층(67)으로 덮여진다. 상기 캐핑층(59) 및 상기 절연성 스페이서(65)는 적어도 상기 제1 및 제2 층간절연층들(53, 67)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연층인 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제1 및 제2 층간절연층들(53, 67)이 실리콘 산화층인 경우에, 상기 캐핑층(59) 및 상기 절연성 스페이서(65)는 실리콘 질화층일 수 있다. 상기 드레인 영역(107d)은 상기 제1 및 제2 층간절연층들(53, 67) 및 상기 하부 층간절연층(109)을 관통하는 자기저항체 콘택 플러그(69)에 전기적으로 접속된다. 상기 자기저항체 콘택 플러그(69)는 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b) 사이의 영역을 지난다. 이 경우에, 상기 자기저항체 콘택 플러그(69)는 상기 캐핑층(59) 및 상기 절연성 스페이서(65)의 존재에 기인하여 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b)과 자기정렬될 수 있다.The semiconductor substrate having the
상기 제2 층간절연층(67) 상에 상기 자기저항체 콘택 플러그(69)를 덮는 자 기저항체(71)가 제공된다. 상기 자기저항체(71)는 차례로 적층된 하부전극(121), 피닝층(pinning layer; 123), 고정층(pinned layer; 125), 터널링 절연층(tunneling insulation layer; 127), 자유층(free layer; 129) 및 상부전극(131)을 포함한다. 이 경우에, 상기 하부전극(121)은 상기 자기저항체 콘택 플러그(69)에 전기적으로 접속된다. 상기 피닝층(123)은 반강자성층(antiferromagnetic layer)이고, 상기 고정층(125) 및 자유층(129)은 강자성층(ferromagnetic layer)이다. 이에 더하여, 상기 터널링 절연층(127)은 알루미늄 산화층과 같은 절연층일 수 있다.A
상기 자기저항체(71) 및 상기 제2 층간절연층(67)은 상부 층간절연층(73)으로 덮여진다. 상기 상부 층간절연층(73) 상에 비트라인(75)이 제공된다. 상기 비트라인(75)은 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 상부를 가로지르도록 배치되고 상기 상부 층간절연층(73)을 관통하는 비트라인 콘택홀을 통하여 상기 상부전극(131)에 전기적으로 접속된다.The
도 4 내지 도 10은 도 3에 보여진 자기 램 셀을 제조하는 방법들을 설명하기 위한 단면도들이다.4 to 10 are cross-sectional views illustrating methods of manufacturing the magnetic ram cell shown in FIG. 3.
도 4를 참조하면, 반도체기판(51) 상에 제1 층간절연층(53)을 형성한다. 상기 제1 층간절연층(53)을 형성하기 전에, 상기 반도체기판(51)에 통상의 방법을 사용하여 도 3에 보여진 소자분리층(101), 억세스 트랜지스터, 하부 층간절연층(109) 및 공통 소오스 라인(111)을 형성할 수 있다.Referring to FIG. 4, a first
상기 제1 층간절연층(53)을 부분 식각하여 그루브(groove; G)를 형성한다. 상기 그루브(G)를 갖는 제1 층간절연층(53) 상에 콘포말한 도금층(conformal cladding layer; 55) 및 상기 그루브(G)를 채우는 몰딩층(molding layer)을 차례로 형성한다. 상기 콘포말한 도금층(55)은 강자성층으로 형성할 수 있고, 상기 몰딩층은 상기 도금층(55)에 대하여 식각 선택비를 갖는 물질층으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 상기 도금층(55)이 니켈철(nickel iron; NiFe)층으로 형성되는 경우에, 상기 몰딩층은 실리콘 산화막, 실리콘 질화막 또는 실리콘 산질화막으로 형성할 수 있다. 상기 제1 층간절연막(53)의 상부면 상의 상기 도금층(55)이 노출될 때까지 상기 몰딩층을 평탄화시키어 상기 그루브(G) 내에 몰딩층 패턴(56)을 형성한다. 상기 몰딩층의 평탄화는 에치백 공정 또는 화학기계적 연마 공정을 사용하여 실시될 수 있다. The first
한편, 상기 제1 층간절연층(53)은 제1 하부 층간절연층(53a) 및 제1 상부 층간절연층(53b)을 차례로 적층시키어 형성할 수 있다. 이 경우에, 상기 제1 상부 층간절연층(53b)은 상기 제1 하부 층간절연층(53a)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연층으로 형성하는 것이 바람직하고, 상기 그루브(G)는 상기 제1 상부 층간절연층(53b) 내에 형성될 수 있다.The first
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 몰딩층 패턴(56)을 패터닝하여 상기 그루브(G)의 적어도 일부(at least a portion)를 제1 및 제2 그루브들(G1, G2)로 분할시키는 격리벽(separating wall; 56a)을 형성한다. 상기 격리벽(56a)이 라인 형태(line shape)를 갖도록 형성되는 경우에, 상기 제1 및 제2 그루브들(G1, G2)은 서로 평행할 수 있다. 이와는 달리, 상기 격리벽(56a)이 섬 형태(island shape)를 갖도록 형성되는 경우에, 상기 제1 및 제2 그루브들(G1, G2)은 상기 격리벽들(56a) 사이의 영역들(regions)에서 서로 연결되어 통합된 그루브(merged groove)를 형성한다.Referring to FIGS. 5 and 6, the
상기 격리벽(56a)을 갖는 기판 상에 상기 제1 및 제2 그루브들(G1, G2)을 채우는 도전층을 형성한다. 상기 도전층은 구리층 또는 알루미늄층과 같은 금속층으로 형성할 수 있다. 본 실시예들은 상기 도전층이 통상의 사진/식각 공정(photolithography/etching process)을 사용하여 패터닝될 수 없는 금속층으로 형성되는 경우에 적합할 수 있다. 다시 말해서, 본 실시예들은 상기 도전층이 다마신 공정으로 패터닝되어야만 하는 금속층으로 형성되는 경우에 적합할 수 있다. 예를 들면, 본 실시예들은 상기 도전층이 구리층으로 형성되는 경우에 효과적일 수 있다.A conductive layer filling the first and second grooves G1 and G2 is formed on the substrate having the
상기 도전층 및 상기 도금층(55)을 평탄화시키어 상기 제1 층간절연층(53)의 상부면 및 상기 격리벽(56a)의 상부면을 노출시킨다. 상기 도전층이 전술한 바와 같이 구리층으로 형성되는 경우에, 상기 도전층 및 상기 도금층(55)은 화학기계적 연마 공정을 사용하여 평탄화될 수 있다. 그 결과, 상기 그루브(G)의 측벽들 및 바닥면(bottom surface)을 덮는 도금층 패턴(55')이 형성되고, 상기 제1 및 제2 그루브들(G1, G2) 내에 각각 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)이 형성된다. 상기 격리벽(56a)이 상술한 바와 같이 라인 형태를 갖는 경우에, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)은 서로 평행하도록 형성될 수 있다. 이와는 달리, 상기 격리벽(56a)이 상술한 바와 같이 섬 형태를 갖는다면, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)은 상기 격리벽들(56a) 사이의 영역들에서 서로 연결되어 통 합된 디지트 라인(merged digit line)을 구성한다.The conductive layer and the
계속해서, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)을 갖는 기판 상에 캐핑층(59)을 형성할 수 있다. 상기 캐핑층(59)은 상기 제1 층간절연층(53)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연층으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제1 층간절연층(53)이 실리콘 산화층으로 형성되는 경우에, 상기 캐핑층(59)은 실리콘 질화층 또는 실리콘 산질화층으로 형성할 수 있다. 한편, 상기 제1 층간절연층(53)이 전술한 바와 같이 상기 제1 하부 층간절연층(53a) 및 상기 제1 상부 층간절연층(53b)을 차례로 적층시킴으로써 형성되는 경우에, 상기 캐핑층(59)은 적어도 상기 제1 하부 층간절연층(53a)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연층으로 형성할 수 있다.Subsequently, a
상기 캐핑층(59) 상에 포토레지스트 패턴(61)을 형성한다. 상기 포토레지스트 패턴(61)은 상기 캐핑층(59)의 일 부분을 노출시키는 개구부(opening; 61a)를 갖도록 형성된다. 상기 개구부(61a)는 상기 격리벽(56a)의 상부에 위치하고 홀 형태(hole shape)를 가질 수 있다. 상기 개구부(61a)의 폭(61w)은 상기 격리벽(56a)의 폭(56w)보다 크거나 동일할 수 있다. 이와는 달리, 상기 개구부(61a)의 폭(61w)은 상기 격리벽(56a)의 폭(56w)보다 작을 수 있다.A
도 7을 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(61)을 식각 마스크들로 사용하여 상기 캐핑층(59), 상기 격리벽(56a) 및 상기 도금층 패턴(55')을 식각하여 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b) 사이의 영역을 지나는(pass through) 개구부(63)를 형성한다. 결과적으로, 상기 제1 서브 디지트 라인(57a)의 하부면(57sb) 및 외측벽 (57sw)만을 덮는 제1 도금층 패턴(55a)이 형성되고, 상기 제2 서브 디지트 라인(57b)의 하부면(57sb) 및 외측벽(57sw)만을 덮는 제2 도금층 패턴(55b)이 형성된다. 즉, 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 내측벽들 상에는 어떠한 도금층도 형성되지 않는다. 상기 포토레지스트 패턴(61)의 개구부(61a)의 폭(61w)이 상기 격리벽(56a)의 폭(56w)보다 큰 경우에, 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b)은 상기 개구부(63)를 형성하는 동안 식각저지층의 역할을 할 수 있다. 이어서, 상기 포토레지스트 패턴(61)을 제거한다.Referring to FIG. 7, the
도 8을 참조하면, 상기 포토레지스트 패턴(61)이 제거된 기판 상에 절연성 스페이서층을 형성하고, 상기 절연성 스페이서층을 이방성 식각하여 상기 개구부(63)의 측벽을 덮는 절연성 스페이서(65)를 형성한다. 상기 절연성 스페이서층은 상기 제1 층간절연층(53)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연층으로 형성하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 제1 층간절연층(53)이 실리콘 산화층으로 형성되는 경우에, 상기 절연성 스페이서층은 실리콘 질화층 또는 실리콘 산질화층으로 형성할 수 있다. 한편, 상기 제1 층간절연층(53)이 전술한 바와 같이 상기 제1 하부 층간절연층(53a) 및 상기 제1 상부 층간절연층(53b)을 차례로 적층시킴으로써 형성되는 경우에, 상기 절연성 스페이서층은 적어도 상기 제1 하부 층간절연층(53a)에 대하여 식각 선택비를 갖는 절연층으로 형성할 수 있다. 결과적으로, 상기 절연성 스페이서(65)는 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 내측벽들 및 상기 제1 및 제2 도금층 패턴들(55a, 55b)의 내측벽들을 덮도록 형성된다.Referring to FIG. 8, an insulating spacer layer is formed on the substrate from which the
도 9를 참조하면, 상기 절연성 스페이서(65)를 갖는 기판 상에 제2 층간절연 층(67)을 형성할 수 있다. 상기 제2 층간절연층(67)은 상기 제1 층간절연층(53)과 동일한 물질층으로 형성할 수 있다. 이에 따라, 상기 캐핑층(59) 및 상기 절연성 스페이서(65)는 상기 제1 및 제2 층간절연층들(53, 67)에 대하여 식각 선택비를 가질 수 있다. 이어서, 상기 제1 및 제2 층간절연층들(53, 67)을 식각공정을 사용하여 패터닝하여 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b) 사이의 영역을 지나는(pass through) 자기저항체 콘택 홀(67a)을 형성한다. 도 3에 도시된 바와 같이 상기 반도체기판에 억세스 트랜지스터 및 하부 층간절연층(109)이 형성되는 경우에, 상기 자기저항체 콘택홀(67a)은 상기 하부 층간절연층(109)을 관통하여 상기 억세스 트랜지스터의 드레인 영역(도 3의 107d)을 노출시킨다.Referring to FIG. 9, a second
상기 자기저항체 콘택홀(67a)을 형성하는 동안 상기 캐핑층(59) 및 스페이서(65)는 식각저지막(etch stop layer)의 역할을 한다. 이에 따라, 상기 자기저항체 콘택홀(67a)은 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)과 자기정렬될 수 있다.The
도 10를 참조하면, 상기 자기저항체 콘택홀(67a) 내에 통상의 방법을 사용하여 자기저항체 콘택 플러그(69)를 형성할 수 있다. 상기 제2 층간절연층(67) 상에 상기 자기저항체 콘택 플러그(69)를 덮는 자기저항체(71)를 형성한다. 상기 자기저항체(71)는 상기 자기저항체 콘택 플러그(69) 및 상기 제2 층간절연층(67) 상에 하부전극층, 피닝층, 고정층, 터널링 절연층, 자유층 및 상부전극층을 차례로 형성하고, 상기 상부전극층, 자유층, 터널링 절연층, 고정층, 피닝층 및 하부전극층을 연속적으로 패터닝함으로써 형성될 수 있다. 상기 피닝층은 반강자성층으로 형성하 고, 상기 고정층 및 자유층은 강자성층으로 형성한다. 이어서, 상기 자기저항체(71)를 갖는 반도체기판 상에 상부 층간절연층(73)을 형성한다.Referring to FIG. 10, the
상기 상부 층간절연층(73)을 패터닝하여 상기 자기저항체(71)를 노출시키는 비트라인 콘택홀을 형성한다. 상기 비트라인 콘택홀을 갖는 반도체기판 상에 금속층과 같은 도전층을 형성하고, 상기 도전층을 패터닝하여 상기 비트라인 콘택홀을 덮고 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 상부를 가로지르는 비트라인(75)을 형성한다. 결과적으로, 상기 비트라인(75)은 상기 비트라인 콘택홀을 통하여 상기 자기저항체(71)에 전기적으로 접속된다.The upper
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 자기 램 셀의 상기 제1 및 제2 도금층 패턴들(55a, 55b)은 상기 제1 및 제2 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 하부면들 및 외측벽들만을 덮도록 형성된다. 이에 따라, 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b)에 쓰기 전류(ID)를 인가하면, 상기 자기저항체(71)의 전체에 걸쳐서 상기 비트라인에 평행한 방향을 따라 균일한 자계(H)가 형성될 수 있다. 이는 상기 도금층 패턴들(55a, 55b)이 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b)의 내측벽들 상에 형성되지 않기 때문이다. 이에 따라, 본 발명에 따른 자기램 셀은 종래기술에 비하여 현저히 개선된 쓰기 효율을 보일 수 있다. 이에 더하여, 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b)은 화학기계적 연마 공정을 채택하는 다마신 기술을 사용하여 패터닝될 수 있다. 따라서, 본 발명은 상기 서브 디지트 라인들(57a, 57b)을 구리층으로 형성하는 경우에 매우 유용할 수 있다.As described above, the first and second
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