KR100915065B1 - 마그네틱 램의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네틱 램 ( magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함 ) 의 제조방법에 관한 것으로, 특히 소자의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 MTJ 물질층 상부에 하드마스크층을 형성하지 않고 MTJ 셀이 형성된 층간절연막 상부에 제1감광막, 셀부에 형성된 식각정지막 및 제2감광막을 적층하고 콘택마스크를 이용한 식각공정으로 상기 MTJ 셀과 연결층을 노출시키는 콘택홀을 형성한 다음, 후속공정으로 금속배선을 형성함으로써 전도성 부식물에 의한 쇼트나 과도식각에 의한 MTJ 셀의 손상없이 소자를 형성할 수 있어 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 기술이다.

Description

마그네틱 램의 제조방법{A method for manufacturing of a Magnetic random access memory}

본 발명은 마그네틱 램 ( magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함 ) 의 제조방법에 관한 것으로, 특히 SRAM 보다 빠른 속도, DRAM 과 같은 집적도 그리고 플레쉬 메모리 ( flash memory ) 와 같은 비휘발성 메모리의 특성을 갖는 마그네틱 램의 제조 공정을 변화시켜 소자의 전기적 특성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로 강자성체 물질을 이용하는 MRAM 의 개발을 하고 있다.

상기 MRAM 은 강자성 박막을 다층으로 형성하여 각 박막의 자화방향에 따른 전류 변화를 감지함으로써 정보를 읽고 쓸 수 있는 기억소자로서, 자성 박막 고유의 특성에 의해 고속, 저전력 및 고집적화를 가능하게 할뿐만 아니라, 플레쉬 메모리와 같이 비휘발성 메모리 동작이 가능한 소자이다.

상기 MRAM 은 스핀이 전자의 전달 현상에 지대한 영향을 미치기 때문에 생기는 거대자기저항 ( giant magnetoresistive, GMR ) 현상이나 스핀 편극 자기투과 현상을 이용해 메모리 소자를 구현하는 방법이 있다.

상기 거대자기저항 ( GMR ) 현상을 이용한 MRAM 은, 비자성층을 사이에 둔 두 자성층의 스핀 방향이 같은 경우보다 다른 경우의 저항이 크게 다른 현상을 이용해 GMR 자기 메모리 소자를 구현하는 것이다.

상기 스핀 편극 자기투과 현상을 이용한 MRAM 은, 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 다른 경우보다 전류 투과가 훨씬 잘 일어난다는 현상을 이용하여 자기투과 접합 메모리 소자를 구현하는 것이다.

상기 MRAM 은 하나의 트랜지스터와 하나의 MTJ 셀로 형성한다.

이때, 상기 MTJ 셀은 하나의 마스크, 즉 MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 실시한다.

그러나, 상기 MTJ 셀에 사용되는 금속 성분(하드마스크)에 기인된 전도성 식각부산물들이 MTJ 셀 측벽에 유발되어 누설전류를 유발시키고 이는 소자의 전기적 특성을 열화시킨다.

도 1a 내지 도 1f 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도이다.

도 1a 를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(11)을 형성한다.

이때, 상기 층간절연막(도시안됨)은 소자분리막(도시안됨), 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터(도시안됨), 그라운드 라인 및 도전층(도시안됨), 라이트 라인인 제2워드라인(도시안됨)을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.

그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층(13)을 도전층으로 형성한다.

그리고, 상기 연결층(13) 상부를 평탄화시키는 층간절연막(도시안됨)을 형성하고 이를 CMP ( chemical mechanical polishing, 이하에서 CMP 라 함 ) 하여 상기 연결층(13)을 노출시킨다.

그 다음, 전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다.

이때, 상기 MTJ 물질층은 고정자화층 ( magnetic pinned layers )(15), 터널장벽층 ( tunneling barrier layers )(17) 및 자유자화층 ( magnetic free layers )(19)을 순차적으로 적층하여 형성한 것이다.

여기서, 상기 터널링 장벽층은 데이터 센싱 ( data sensing ) 에 필요한 최소한의 두께인 2 ㎚ 이하의 두께로 형성된다.

그 다음, MTJ 물질층 상부에 제1하드마스크층(21)과 제2하드마스크층(23)을 형성한다.

그리고, 상기 제2하드마스크층(23) 상부에 감광막패턴(25)을 형성한다.

이때, 상기 감광막패턴(25)은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한다.

도 1b를 참조하면, 상기 감광막패턴(25)을 마스크로 하는 식각공정으로 상기 제2하드마스크층(23)과 제1하드마스크층(21)을 식각하고 상기 감광막패턴(25)을 제거한다.

이때, 상기 제1하드마스크층(21)은 상기 제2하드마스크층(23)보다 넓게 식각되어 상기 제1하드마스크층(21)의 테일(27)이 형성된다.

도 1c를 참조하면, 상기 식각된 제1,2하드마스크층(21,23)을 마스크로 하여 MTJ 물질층을 식각하여 MTJ 셀을 형성한다.

그러나, 상기 MTJ 물질층의 측벽에 전도성의 식각부산물(29)이 형성된다. 즉, 상기 하드마스크층의 식각 반응물에 의해 MTJ 물질층의 측벽에 식각부산물(29)이 형성된다.

이로 인하여, ⓐ 부분인 터널장벽층(17)의 식각면을 통하여 고정자화층(15)과 자유자화층(19)이 쇼트 ( short ) 된다.

도 1d를 참조하면, 전체표면상부에 층간절연막(31)을 증착하고 그 상부에 감광막패턴(33)을 형성한다.

이때, 상기 감광막패턴(33)은 콘택마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한 것이다.

도 1e를 참조하면, 상기 감광막패턴(33)을 마스크로 하여 상기 자유자화층(19) 및 연결층(13)을 노출시키는 제1콘택홀(35)과 제2콘택홀(37)을 형성한다.

도 1f를 참조하면, 상기 제1콘택홀(35)과 제2콘택홀(37)을 매립하는 금속배선(39)을 형성한다.

상기한 바와 같이 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법은, 패터닝된 MTJ 셀 측벽에 식각부산물이 부착될 수 있으며 이로 인한 소자의 누설전류가 유발될 수 있으며, MTJ 물질층이 손실될 수 있어 소자의 전기적 특성을 열화시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, MTJ 물질층 상부를 평탄화시키는 층간절연막을 증착하고 그 상부에 제1감광막, 식각정지막 및 제2감광막을 적층하고 이들을 이용하여 상기 MTJ 물질층과 연결에 접속되는 금속배선을 형성함으로써 소자의 전기적 특성을 향상시켜 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 마그네틱 램의 제조방법을 제공하는데 그 목적을 갖는 발명입니다.

상기 목적 달성을 위해 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법은,

하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층을 형성하는 공정과,

상기 연결층 상에 MTJ 물질층을 증착하는 공정과,

상기 MTJ 물질층을 MTJ 셀 마스크를 이용한 노광 및 현상공정으로 패터닝하여 MTJ 셀을 형성하는 공정과,

전체표면상부를 평탄화시키는 층간절연막을 형성하는 공정과,

상기 층간절연막 상부에 감광막을 도포하고 그 상부에 셀부 상부에만 식각정지막을 형성하는 공정과,

콘택마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 셀 및 연결층을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 공정과,

상기 콘택홀을 통하여 상기 MTJ 셀 및 연결층과 접속되는 금속배선을 형성하는 공정을 포함하는 것과,

상기 식각정지막은 주변회로부를 노출시키는 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 형성한 것과,

상기 콘택마스크를 이용한 사진식각공정은 상기 제2감광막과 식각정지막의 식각선택비 차이를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 2a 내지 도 2e 는 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도이다.

도 2a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(41)을 형성한다.

이때, 상기 층간절연막(도시안됨)은 소자분리막(도시안됨), 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터(도시안됨), 그라운드 라인 및 도전층(도시안됨), 라이트 라인인 제2워드라인(도시안됨)을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.

그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층(43)을 도전층으로 형성한다.

그리고, 상기 연결층(43) 상부를 평탄화시키는 층간절연막(도시안됨)을 형성하고 이를 CMP ( chemical mechanical polishing, 이하에서 CMP 라 함 ) 하여 상기 연결층(43)을 노출시킨다.

그 다음, 전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다.

이때, 상기 MTJ 물질층은 고정자화층 ( magnetic pinned layers )(45), 터널장벽층 ( tunneling barrier layers )(47) 및 자유자화층 ( magnetic free layers )(49)을 순차적으로 적층하여 형성한 것이다.

여기서, 상기 터널링 장벽층은 데이터 센싱 ( data sensing ) 에 필요한 최소한의 두께인 2 ㎚ 이하의 두께로 형성된다.

도 2b를 참조하면, MTJ 물질층 상부에 제1감광막패턴(51)을 형성한다. 즉, 본 발명에서는 종래와 같이 MTJ 물질층 상부에 하드마스크층을 형성하지 않고 바로 감광막패턴을 형성한다.

이때, 상기 제1감광막패턴(51)은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한다.

도 2c를 참조하면, 상기 제1감광막패턴(51)을 마스크로 하여 상기 MTJ 물질층을 식각하여 MTJ 셀(53)을 형성한다. 이때, 본 발명에서는 하드마스크층을 사용하지 않기 때문에 종래와 같이 하드마스크층이 식각되면서 발생되는 식각부산물이 생겨나지 않게 된다. 따라서, 도 1c에서와 같은 하드마스크층의 식각부산물(29)이 MTJ 셀의 측벽에 형성되는 것을 원천적으로 차단할 수 있다.

그리고, 전체표면상부를 평탄화시키는 층간절연막(55)을 형성하고 그 상부에 제2감광막(57)을 형성한다.

그리고, 상기 제2감광막(57) 상부에 식각정지막(59)을 패터닝한다.

이때, 상기 식각정지막(59)은 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 사진식각공정으로 소자의 주변회로부에 형성된 식각정지막을 식각하여 셀부에만 남긴 것이다.

그 다음, 전체표면상부에 제3감광막(61)을 도포한다.

도 2d를 참조하면, 상기 제3감광막(61)을 콘택마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 패터닝하여 제3감광막(61)패턴을 형성한다.

도 2e를 참조하면, 상기 제3감광막(61)패턴을 마스크로 하여 상기 MTJ 셀 물질층과 연결층(43)을 노출시키는 제1콘택홀(63)과 제2콘택홀(65)을 형성한다.

그리고, 상기 제1,2콘택홀(63,65)을 매립하는 금속배선(67)을 형성한다.

본 발명의 다른 실시예는 상기 MTJ 셀(53)을 AMR, GMR, 스핀 밸브 ( spin valve ), 강자성체/금속·반도체 하이브리드 구조, III-V족 자성 반도체 복합구조, 금속(준금속)/반도체 복합구조, CMR ( Colossal Magneto-Resistance ), 등과 같은 자화 또는 자성에 의하여 저항값이 변하는 모든 종류의 자기저항 소자와, 전기 신호에 의한 물질 상변환에 따라 저항값이 변하는 상변환 소자로 형성하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법은, MTJ 물질층 상부에 하드마스크층을 형성하지 않고 MTJ 셀이 형성된 층간절연막 상부에 제1감광막, 셀부에 형성된 식각정지막 및 제2감광막을 적층하고 콘택마스크를 이용한 식각공정으로 상기 MTJ 셀과 연결층을 노출시키는 콘택홀을 형성하고 후속공정으로 금속배선을 형성함으로써 하드마스크층의 식각부산물로 인한 소자의 누설전류가 유발되는 것을 방지하고, MTJ 물질층의 손실을 방지하여 소자의 전기적 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.

도 1a 내지 도 1f 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도.

도 2a 내지 도 2e 는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

11,41 : 반도체기판 13,43 : 연결층

15,45 : 고정자화층 17,47 : 터널장벽층

19,49 : 자유자화층 21 : 제1하드마스크층

23 : 제2하드마스크층 25,33 : 감광막패턴

27 : 테일 ( 제1하드마스크층 ) 29 : 식각부산물

31,55 : 층간절연막 35,63 : 제1콘택홀

37,65 : 제2콘택홀 39,67 : 금속배선

51 : 제1감광막패턴 53 : MTJ 셀

57 : 제2감광막 59 : 식각정지막

61 : 제3감광막

Claims (3)

1. 하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층을 형성하는 공정과,

   상기 연결층 상에 MTJ 물질층을 증착하는 공정과,

   상기 MTJ 물질층을 MTJ 셀 마스크를 이용한 노광 및 현상공정으로 패터닝하여 MTJ 셀을 형성하는 공정과,

   전체표면상부를 평탄화시키는 층간절연막을 형성하는 공정과,

   상기 층간절연막 상부에 감광막을 도포하고 그 상부에 셀부 상부에만 식각정지막을 형성하는 공정과,

   콘택마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 셀을 노출시키는 제 1 콘택홀 및 주변회로부의 상기 연결층을 노출시키는 제 2 콘택홀을 동시에 형성하는 공정과,

   상기 제 1 콘택홀 및 상기 제 2 콘택홀을 통하여 상기 MTJ 셀 및 연결층과 접속되는 금속배선을 형성하는 공정을 포함하는 마그네틱 램의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 식각정지막은 주변회로부를 노출시키는 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 형성한 것을 특징으로 하는 마그네틱 램의 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 콘택마스크를 이용한 사진식각공정은 상기 감광막과 식각정지막의 식각선택비 차이를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 램의 제조방법.