KR101669720B1 - 자기저항 랜덤 액세스 메모리 구조물 및 그 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물은 바닥 전극 구조물을 포함한다. 자기 터널 접합(MTJ) 엘리먼트는 바닥 전극 구조물 위에 있다. MTJ 엘리먼트는 반강자성 물질층을 포함한다. 강자성 고정층은 반강자성 물질층 위에 있다. 터널링층은 강자성 고정층 위에 있다. 강자성 자유층은 터널링층 위에 있다. 강자성 자유층은 제1 부분 및 탈자화된 제2 부분을 갖는다. MRAM은 또한 제1 부분 위의 최상단 전극 구조물을 포함한다.
Description
일반적으로, 본 발명개시는 반도체 구조물에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 자기저항 랜덤 액세스 메모리 구조물 및 자기저항 랜덤 액세스 메모리 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이다.
집적 회로(integrated circuit; IC) 디바이스들에서, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(magnetoresistive random access memory; MRAM)는 다음 세대의 비휘발성 메모리 디바이스들을 위한 신흥 기술이다. MRAM은 MRAM 셀들의 어레이를 포함하는 메모리 구조물이다. 각각의 셀에서의 데이터 비트는 전하보다는, 저항을 이용하여 판독이 된다. 특히, 각각의 MRAM 셀은 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 엘리먼트를 포함하며, MTJ 엘리먼트의 저항은 논리 "0" 또는 논리 "1"을 표현하기 위해 조정가능하다. MTJ 엘리먼트는 터널링 절연층에 의해 분리된 하나의 강자성(ferromagnetic) 고정층과 하나의 강자성 자유층을 포함한다. MTJ 엘리먼트의 저항은 강자성 고정층의 자기 모멘트의 방향에 대하여 강자성 자유층의 자기 모멘트의 방향을 변경시킴으로써 조정이 된다. 디지털 신호 "1" 또는 "0"을 표시하기 위해 로우 저항 및 하이 저항이 활용되며, 이로써 데이터 저장을 가능케 한다.
응용의 관점에서, MRAM은 많은 장점들을 갖는다. MRAM은 단순한 셀 구조와 CMOS 로직에 필적한 프로세스들을 갖는데, 이것은 다른 비휘발성 메모리 구조물들과 비교하여 제조 복잡성과 비용의 감소를 초래시킨다. 상술한 매력적인 특성들에도 불구하고, MRAM의 개발과 관련하여 많은 해결과제들이 존재한다. 디바이스 성능을 한층 더 개선시키고자 이러한 MRAM의 구성 및 물질과 관련된 다양한 기술들이 구현되어 왔다.
본 발명개시의 하나의 양태는 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물을 설명한다. MRAM 구조물은 바닥 전극 구조물을 포함한다. 자기 터널 접합(MTJ) 엘리먼트는 바닥 전극 구조물 위에 있다. MTJ 엘리먼트는 반강자성 물질층을 포함한다. 강자성 고정층은 반강자성 물질층 위에 배치된다. 터널링층은 강자성 고정층 위에 배치된다. 강자성 자유층은 터널링층 위에 배치된다. 강자성 자유층은 제1 부분 및 탈자화된 제2 부분을 갖는다. MRAM은 또한 제1 부분 위에 배치된 최상단 전극 구조물을 포함한다.
본 발명개시의 추가적인 양태는 MRAM 구조물을 설명한다. MRAM 구조물은 바닥 전극 구조물을 포함한다. 자기 터널 접합(MTJ) 엘리먼트는 바닥 전극 구조물 위에 있다. MTJ 엘리먼트는 바닥 전극 구조물 위에 반강자성 물질층을 포함한다. 강자성 고정층은 반강자성 물질층 위에 배치된다. 터널링층은 강자성 고정층 위에 배치된다. 강자성 자유층은 터널링층 위에 배치된다. 강자성 자유층은 제1 부분 및 처리된 제2 부분을 갖는다. MRAM은 또한 강자성 자유층의 제1 부분 위에 배치된 최상단 전극 구조물을 포함한다. 최상단 전극 구조물은 측벽 표면들을 갖는다. 보호 스페이서들은 최상단 전극 구조물의 측벽 표면들 위 및 강자성 자유층의 처리된 제2 부분 위에 배치된다. 최상단 전극층은 에칭되어 최상단 전극 구조물을 형성하고 강자성 자유층의 일부분을 노출시킨다.
본 발명개시의 다른 양태는 MRAM 구조물을 형성하는 방법을 설명한다. 반도체 구조물은 또한 기판을 포함한다. 본 방법은, 반강자성 물질층, 반강자성 물질층 위의 고정층, 고정층 위의 터널링층, 터널링층 위의 강자성 자유층, 및 강자성 자유층 위의 최상단 전극층을 제공하는 단계를 포함한다. 처리는 강자성 자유층의 노출된 부분에 수행된다. 보호층은 최상단 전극 구조물 및 강자성 자유층의 처리된 부분 위에 형성된다. 보호층은 에칭되어 최상단 전극 구조물의 측벽 표면들 및 강자성 자유층의 처리된 부분의 일부분 위에 보호 스페이서들을 형성한다. 강자성 자유층의 처리된 부분, 터널링층, 고정층 및 반강자성 물질층은 에칭되어 자기 터널 접합 엘리먼트를 형성한다.
자기저항 랜덤 액세스 메모리 구조물 및 그 형성 방법이 제공된다.
본 발명개시의 양태들은 첨부 도면들과 아래의 상세한 설명으로부터 이해될 수 있다. 본 산업계에서의 표준적인 관행에 따라, 다양한 피처들은 실척도로 작도되지 않았음을 강조해둔다. 실제로, 다양한 피처들의 치수는 설명의 명료함을 위해 임의적으로 증가되거나 또는 감소될 수 있다.
도 1은 본 발명개시의 적어도 하나의 실시예에 따른 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물을 형성하는 방법의 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 방법의 하나 이상의 실시예들에 따른 다양한 제조 단계들에서의 MRAM 구조물의 단면도들이다.
도 1은 본 발명개시의 적어도 하나의 실시예에 따른 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물을 형성하는 방법의 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2g는 도 1의 방법의 하나 이상의 실시예들에 따른 다양한 제조 단계들에서의 MRAM 구조물의 단면도들이다.
이하에서는 예시적인 실시예들의 제조 및 이용을 자세하게 설명한다. 하지만, 본 발명개시는 폭넓은 다양한 특정 환경들에서 구현될 수 있는 수 많은 적용가능한 발명 개념들을 제공한다는 점을 이해해야 한다. 설명하는 특정한 실시예들은 본 발명의 단순한 예시에 불과하며, 본 발명개시의 범위를 한정시키려는 것은 아니다.
본 발명개시의 하나 이상의 실시예들에 따라, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물이 형성된다. MRAM 구조물은 자기 터널 접합(MTJ) 엘리먼트를 포함한다. MTJ 엘리먼트는 강자성 고정층과 강자성 자유층 사이에 형성된 터널층을 포함한다. 터널층은 전자들이 하나의 강자성층으로부터 다른 강자성층으로 터널링할 수 있도록 충분히 얇다(일반적으로, 몇 나노미터). MTJ 엘리먼트의 저항은 강자성 고정층의 자기 모멘트의 방향에 대하여 강자성 자유층의 자기 모멘트의 방향을 변경시킴으로써 조정이 된다. 강자성 자유층의 자기 모멘트가 강자성 고정층의 자기 모멘트와 평행한 때, MTJ 엘리먼트의 저항은 디지털 신호 "0"에 대응하는, 로우 저항 상태에 있게 된다. 강자성 자유층의 자기 모멘트가 강자성 고정층의 자기 모멘트와 역평행한 때, MTJ 엘리먼트의 저항은 디지털 신호 "1"에 대응하는, 하이 저항 상태에 있게 된다. MTJ 엘리먼트는 최상단 전극 구조물과 바닥 전극 구조물 사이에 결합되고, MTJ 엘리먼트의 디지털 신호 상태 및 저항을 결정하기 위해 하나의 전극으로부터 나머지 다른 하나의 전극으로 MTJ 엘리먼트에 흐르는 전류(터널층을 통과하는 터널링)가 검출된다.
본 발명개시의 하나 이상의 실시예들에 따라, MRAM 구조물이 기판의 칩 영역 내에 형성된다. 복수의 반도체 칩 영역들은 칩 영역들 사이의 스크라이브 라인들에 의해 기판 상에 마킹된다. MRAM 구조물들을 형성하기 위해 기판은 다양한 세정, 레이어링, 패터닝, 에칭 및 도핑 단계들을 거칠 것이다. 여기서 용어 "기판"은 일반적으로 다양한 층들과 디바이스 엘리먼트들이 형성되는 벌크 기판을 가리킨다. 몇몇의 실시예들에서, 벌크 기판은 GaAs, InP, Si/Ge, 또는 SiC와 같은 실리콘 또는 화합물 반도체를 포함한다. 이러한 층들의 예시들은 유전체층들, 도핑층들, 폴리실리콘층들 또는 도전층들을 포함한다. 디바이스 엘리먼트들의 예시들에는 트랜지스터, 저항기, 및/또는 캐패시터가 포함되며, 이들은 상호연결층을 통해 추가적인 집적 회로들에 상호연결될 수 있다.
도 1은 본 발명개시의 적어도 하나의 실시예에 따른 MRAM 구조물을 갖는 반도체 구조물을 형성하는 방법(100)의 흐름도이다. 도 2a 내지 도 2g는 도 1의 방법(100)의 다양한 실시예들에 따른 다양한 제조 단계들에서의 MRAM 구조물(200)의 단면도들이다. 추가적인 프로세스들이 도 1의 방법(100) 이전에, 그 도중에, 또는 그 이후에 수행될 수 있다. 다양한 도면들은 본 발명개시의 발명적 개념들의 보다 나은 이해를 위해 단순화되었다.
이제 도 1을 참조하면, 방법(100)의 흐름도는 동작(101)으로 시작한다. 적어도 하나의 실시예에서, 반강자성(anti-ferromagnetic) 물질층 위의 고정층, 고정층 위의 터널링층, 터널링층 위의 강자성 자유층, 및 강자성 자유층 위의 최상단 전극층이 제공된다. 반강자성 물질층은 바닥 전극 구조물 위에 형성된다. 바닥 전극 구조물은 유전체층에 임베딩된 도전성 플러그 위에 형성되며, 유전체층은 기판 위에 있다.
동작(101)을 수행한 후의 MRAM 구조물(200)의 일부분의 단면도인 도 2a를 참조한다. MRAM 구조물(200)은 기판(미도시됨)을 포함한다.
도전성 플러그(미도시됨)가 기판 위의 유전체층(미도시됨)에 임베딩되면서 형성된다. 몇몇의 실시예들에서, 도전성 플러그는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리, 구리 합금, 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 텅스텐, 금속 실리사이드, 실리콘 또는 이들의 조합을 포함한다. 유전체층은 실리콘 산화물, FSG(fluorinated silica glass), 탄소 도핑된 실리콘 산화물, TEOS(tetra-ethyl-ortho-silicate) 산화물, PSG(phosphosilicate glass), BPSG(borophosphosilicate glass), 블랙 다이아몬드®(캘리포니아주 산타 클라라에 위치한 어플라이드 머터리얼스), 비정형 불소화 탄소, 로우 k 유전체 물질, 또는 이들의 조합을 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 형성 프로세스는 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD), 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD), 고밀도 플라즈마 CVD(high density plasma CVD; HDPCVD) 또는 스핀 온 글래스(spin-on glass; SOG)를 포함한다.
바닥 전극 구조물(201)은 유전체층의 최상위 표면 위에 형성되고 도전성 플러그와 전기적으로 접촉한다. 바닥 전극 구조물(201)은 도전성 물질을 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 바닥 전극 구조물(201)은 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 이들의 조합을 포함한다. 바닥 전극 구조물(201)의 가능한 형성 방법들은 스퍼터링, PVD 또는 ALD를 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 바닥 전극 구조물(201)은 도전성 플러그를 통해, 트랜지스터와 같은, 아래에 위치한 전기적 컴포넌트에 전기적으로 연결된다.
도 2a를 계속해서 참조하면, 반강자성 물질(anti-ferromagnetic material; AFM)층(203)이 바닥 전극 구조물(201) 위에 형성된다. 반강자성 물질(AFM)층(203)에서, 원자들(또는 분자들)의 자기 모멘트들은 규칙적인 패턴으로 이웃 원자들(또는 분자들)의 자기 모멘트들과 반대 방향으로 정렬된다. AFM 층(203)의 순 자기 모멘트는 제로(0)이다. 어떤 실시예들에서, AFM 층(203)은 백금 망간(PtMn)을 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, AFM 층(203)은 이리듐 망간(IrMn), 로듐 망간(RhMn), 또는 철 망간(FeMn)을 포함한다. AFM 층(203)의 가능한 형성 방법들은 스퍼터링, PVD 또는 ALD를 포함한다. AFM 층(203)은 약 100Å 내지 약 200Å의 범위의 두께를 갖는다.
강자성 고정층(205)은 AFM 층(203) 위에 형성된다. 강자성 고정층(205)은 영구 자석을 형성하고 자석들과 강한 상호작용들을 나타낸다. 강자성 고정층(205)의 자기 모멘트의 방향은 인접한 AFM 층(203)에 의해 고정되고, MRAM 구조물(200)의 연계된 자기 터널 접합(MTJ) 엘리먼트의 동작 동안에 변경되지 않는다. 어떤 실시예들에서, 강자성 고정층(205)은 코발트 철 붕소(CoFeB)를 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 강자성 고정층(205)은 CoFeTa, NiFe, Co, CoFe, CoPt, 또는 Ni, Co 및 Fe의 합금을 포함한다. 강자성 고정층(205)의 가능한 형성 방법들은 스퍼터링, PVD 또는 ALD를 포함한다. 적어도 하나의 실시예에서, 강자성 고정층(205)은 다층 구조물을 포함한다.
터널링층(207)은 강자성 고정층(205) 위에 형성된다. 터널링층(207)은, 바이어싱 전압이 MRAM 구조물(200)에 인가될 때, 전자들이 터널링층을 터널링할 수 있도록 충분히 얇다. 어떤 실시예들에서, 터널링층(207)은 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 알루미늄 산화질화물(AlON), 하프늄 산화물(HfO2) 또는 지르코늄 산화물(ZrO2)을 포함한다. 터널링층(207)은 약 5Å 내지 약 30Å의 범위의 두께를 갖는다. 터널링층(207)의 가능한 형성 방법들은 스퍼터링, PVD 또는 ALD를 포함한다.
도 2a를 계속해서 참조하면, MRAM 구조물(200)은 터널링층(207) 위에 형성된 강자성 자유층(209)을 포함한다. 강자성 자유층(209)의 자기 모멘트의 방향은 고정되어 있지 않은데, 그 이유는 어떠한 반강자성 물질도 강자성 자유층(209)에 인접해 있지 않기 때문이다. 그러므로, 이 층의 자기 배향은 조정가능하며, 이에 따라 이 층을 자유층이라고 부른다. 적어도 하나의 실시예에서, 강자성 자유층(209)의 자기 모멘트의 방향은 강자성 고정층(205)의 자기 모멘트의 고정된 방향과 평행하거나 역평행해지도록 자유롭게 회전된다. 강자성 자유층(209)은 강자성 고정층(205)에서의 물질과 유사한 강자성 물질을 포함할 수 있다. 어떤 실시예들에서, 강자성 자유층(209)은 코발트, 니켈, 철, 또는 붕소를 포함한다. 강자성 자유층(209)의 가능한 형성 방법들은 스퍼터링, PVD 또는 ALD를 포함한다.
MRAM 구조물(200)은 강자성 자유층(209) 위에 형성된 최상단 전극층(211)을 포함한다. 최상단 전극층(211)은 도전성 물질을 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, 최상단 전극층(211)은 조성의 관점에서 바닥 전극 구조물(201)과 유사하다. 몇몇의 실시예들에서, 최상단 전극층(211)은 티타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 백금(Pt), 루테늄(Ru), 텅스텐(W), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 이들의 조합을 포함한다. 최상단 전극층(211)은 전기적 라우팅을 위한 상호연결 구조물을 통해 MRAM 구조물(200)로부터 다른 부분들로의 전기적 연결을 제공한다.
도 2b를 참조하면, 패터닝된 마스크층(213)이 최상단 전극층(211) 위에 형성된다. 어떤 실시예들에서, 패터닝된 마스크층(213)은 산화물, 질화물 또는 산화질화물과 같은 유전체 물질을 포함한다. 패터닝된 마스크층(213)은 퇴적, 리소그래피 패터닝, 및 에칭 프로세스들을 비롯한 적절한 프로세스에 의해 형성된다. 패터닝된 마스크층(213)은 최상단 전극 구조물을 정의하기 위한 에칭 마스크로서 이용된다.
도 1을 다시 참조하면, 방법(100)은 동작(102)으로 이어진다. 동작(102)에서, 최상단 전극층은 에칭되어 최상단 전극 구조물을 형성하고 강자성 자유층의 일부분을 노출시킨다.
동작(102)을 수행한 후의 MRAM 구조물(200)의 일부분의 단면도인 도 2c를 참조한다. 최상단 전극 구조물(211E)을 정의하고 패터닝된 마스크층(213)에 의해 커버되지 않은 최상단 전극층(211)을 제거하기 위해 에칭 프로세스(215)가 수행된다. 에칭 프로세스(215)는 강자성 자유층(209)의 최상위 표면에서 중단될 수 있고, 에칭 프로세스(215) 이후 강자성 자유층(209)의 일부분은 노출이 된다. 최상단 전극 구조물(211E)은 측벽 표면들을 갖는다. 몇몇의 실시예들에서, 패터닝된 마스크층(213)의 일부분은 에칭 프로세스(215) 동안 소모되며, 이후의 프로세스들을 위해 나머지 패터닝된 마스크층(213)은 남겨진다.
도 1을 다시 참조하면, 방법(100)은 동작(103)으로 이어진다. 동작(103)에서, 강자성 자유층의 노출된 부분을 탈자화(demagnetize)시키기 위한 처리가 수행된다.
동작(103)을 수행한 후의 MRAM 구조물(200)의 일부분의 단면도인 도 2d를 참조한다. 처리(217)는 강자성 자유층의 노출된 부분(209T)에 수행된다. 처리(217)는 강자성 자유층의 노출된 부분(209T)을 탈자화시킨다. 최상단 전극 구조물(211E) 아래의 강자성 자유층의 부분(209N)은 처리(217)를 받지 않는다. 강자성 자유층의 부분(209N)은 강자성 고정층(205)의 제2 자기 모멘트의 방향에 대해 제1 자기 모멘트의 방향을 변경시키도록 구성가능하다. 강자성 자유층의 처리된 부분(209T)은 강자성 고정층(205)의 제2 자기 모멘트의 방향에 대해 제1 자기 모멘트의 방향을 변경시킬 수 없다.
어떤 실시예들에서, 처리(217)는 플라즈마 환경에서 수행된다. 몇몇의 실시예들에서, 플라즈마 환경은 산소 또는 질소와 같은 주요 가스를 포함한다. 플라즈마 환경의 동작 압력은 약 1 미리토르(mT) 내지 약 1000 mT의 범위에 있다. 이 압력 범위 밖에서는, 적절한 플라즈마 동작을 유지시키는 것은 어렵거나 또는, 몇몇의 경우들에서, 플라즈마는 점화될 수 없다. 분위기(ambience) 내에서의 산소 또는 질소의 주요 가스의 흐름은 약 5 sccm 내지 약 500 sccm의 범위에 있다. 몇몇의 실시예들에서, Ar, He 또는 Xe와 같은 캐리어 가스(또는 불활성 가스)가 첨가된다. 적어도 하나의 예시에서, 주요 가스의 흐름에 대한 캐리어 가스의 흐름의 비율은 약 80 내지 약 120의 범위에 있다. 이 흐름 범위 밖에서는, 강자성 자유층의 노출된 부분(209T)을 탈자화시키는 것은 어렵거나, 또는 몇몇의 경우들에서, 처리(217)는 최상단 전극 구조물(211E) 아래의 강자성 자유층의 부분(209N)의 일부분들을 횡측으로 손상시킬 것이다.
몇몇의 실시예들에서, 처리(217)는 열 처리 프로세스에서 수행된다. 몇몇의 실시예들에서, 강자성 자유층의 처리된 부분(209T)은 코발트, 니켈, 철, 붕소, 산소 또는 질소를 포함한다.
도 1을 다시 참조하면, 방법(100)은 동작(104)으로 이어진다. 동작(104)에서, 보호층이 최상단 전극 구조물 및 강자성 자유층의 처리된 부분 위에 형성된다.
동작(104)을 수행한 후의 MRAM 구조물(200)의 일부분의 단면도인 도 2e를 참조한다. 보호층(221)은 패터닝된 마스크층(213), 최상단 전극 구조물(211E)의 측벽 표면들, 및 강자성 자유층의 처리된 부분(209T) 위에 블랭킷 퇴적(blanket deposited)된다. 보호층(221)은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물 또는 로우 k 유전체와 같은 적어도 하나의 유전체 물질을 포함한다. 보호층(221)의 가능한 형성 방법들은 CVD, SOG 또는 ALD를 포함한다.
도 1을 다시 참조하면, 방법(100)은 동작들(105, 106)으로 이어진다. 동작(105)에서, 보호층은 에칭되어 최상단 전극 구조물의 측벽 표면들 및 강자성 자유층의 처리된 부분의 일부분 위에 보호 스페이서들을 형성한다. 동작(106)에서, 강자성 자유층의 처리된 부분, 터널링층, 고정층 및 반강자성 물질층은 에칭되어 자기 터널 접합 엘리먼트를 형성한다. 몇몇의 실시예들에서, 동작들(105, 106) 사이에서 자기 터널 접합 엘리먼트를 공기와 같은 외부 환경에 노출시키지 않는 상이한 프로세스 쳄버들을 갖는 동일한 어셈블리에서 동작들(105, 106)이 수행된다.
동작들(105, 106)을 수행한 후의 MRAM 구조물(200)의 일부분의 단면도인 도 2f를 참조한다. 보호층(221)을 에칭하고 강자성 자유층의 처리된 부분(209T) 위의 보호층(221)의 대부분을 제거하기 위해 에칭 프로세스(미도시됨)가 수행된다. 보호 스페이서들(221S)은 최상단 전극 구조물(211E)의 측벽 표면들 및 강자성 자유층의 처리된 부분(209T)의 일부분 위에 형성된다. 몇몇의 실시예들에서, 패터닝된 마스크층(213)은 이 에칭 프로세스에서 소모되며, 최상단 전극 구조물(211E)의 최상위 표면은 노출된다.
동작(106)을 수행한 후의 MRAM 구조물(200)의 일부분의 단면도인 도 2f를 계속해서 참조한다. 강자성 자유층의 처리된 부분(209T), 터널링층(207), 강자성 고정층(205) 및 AFM 층(203)을 에칭하여 자기 터널 접합(MTJ) 엘리먼트(250)를 형성하기 위해 에칭 프로세스(223)가 수행된다. 몇몇의 실시예들에서, 에칭 프로세스(223)는 플라즈마 환경에서 수행된다. 보호 스페이서들(221S) 및 최상단 전극 구조물(211E)에 의해 커버되지 않는 층들(209, 207, 205, 203)의 부분들은 제거된다. MTJ 엘리먼트(250A)를 형성하기 위해 보호 스페이서들(221S)은 에칭 마스크로서 이용되며, 보호 스페이서들(221S)의 측벽 표면은 MTJ 엘리먼트(250)의 측벽 표면과 실질적으로 정렬된다. MTJ 엘리먼트(250)는 AFM 층(203), 강자성 고정층(205), 터널링층(207), 최상단 전극 구조물(211E) 아래에 있는 강자성 자유층의 부분(209N)(이것을 또한 기능부(209N)라고 칭한다), 및 강자성 자유층의 처리된 부분(209T)(이것을 또한 비기능부(209T)라고 칭한다)을 포함한다. 강자성 자유층의 비기능부(209T)는 최상단 전극 구조물(211E)의 가장자리를 넘어 연장한다.
유리하게도, 강자성 자유층의 기능부(209N)는, 비기능부(209T)에 의해 둘러싸여지며, MTJ 엘리먼트(250)의 형성 동안에 플라즈마 환경으로부터 격리된다. 몇몇의 실시예들에서, MTJ 엘리먼트(250) 형성을 위한 에칭 프로세스(223)에서의 플라즈마 공격으로 인해 기능부(209N)의 자기 특성들은 저하되지 않는다. 기능부(209N)의 자기 특성들을 유지하기 때문에 MRAM 구조물(200)에 대한 전기 특성 안정성은 증대된다.
도 2g는 동작(106)을 수행한 후에 택일적 사항으로서 형성된 MRAM 구조물(200)의 단면도이다. MRAM 구조물(200)은 유전체층(225) 및 바닥 전극 구조물(201) 아래에 있는 도전성 플러그(229A)를 더 포함한다. 금속간 유전체(inter-metal dielectric; IMD)층(227)이 도 2g에서 도시된 바와 같이, MRAM 구조물(200) 위에 형성된다. 몇몇의 실시예들에서, IMD층(227)은 MRAM 구조물(200)을 둘러싼다. IMD층(227)을 평탄화시키기 위해 MRAM 구조물(200)에 화학 기계적 폴리싱(chemical mechanical polishing; CMP) 프로세스가 추가로 적용된다. 몇몇의 실시예들에서, IMD층(227)은 다중 유전체층들을 포함한다. 몇몇의 실시예들에서, IMD층(227)은 실리콘 산화물, FSG(fluorinated silica glass), 탄소 도핑된 실리콘 산화물, TEOS(tetra-ethyl-ortho-silicate) 산화물, PSG(phosphosilicate glass), BPSG(borophosphosilicate glass), 블랙 다이아몬드®(캘리포니아주 산타 클라라에 위치한 어플라이드 머터리얼스), 비정형 불소화 탄소, 로우 k 유전체 물질, 또는 이들의 조합을 포함한다.
어떤 실시예들에서, 최상단 전극 구조물(211E)과 전기적으로 접촉하는 도전성 와이어(231) 및 도전성 플러그(229B)를 형성하기 위해, 듀얼 다마신 프로세스가 IMD 층(227)에서 수행된다. 도전성 와이어(231) 및 도전성 플러그(229B)의 도전성 물질에는 구리, 구리 합금, 알루미늄 또는 텅스텐이 포함된다.
본 실시예들 및 이들의 장점들을 자세하게 설명하였지만, 여기에 다양한 변경, 대체, 및 변동이 첨부된 청구범위들에 의해 정의된 본 실시예들의 범위 및 사상을 벗어나지 않고서 행해질 수 있다는 것을 이해해야 한다. 본 발명분야의 당업자라면 여기서 설명된 대응하는 실시예들과 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 또는 이와 실질적으로 동일한 결과를 달성하는 물질, 수단, 방법, 또는 단계의 공정, 머신, 제조, 조성이 본 발명개시에 따라 이용될 수 있다는 것을 본 발명개시로부터 손쉽게 알 것이다. 따라서, 첨부된 청구항들은 이와 같은 물질, 수단, 방법, 또는 단계의 공정, 머신, 제조, 조성을 청구항의 범위내에 포함하는 것으로 한다.
Claims (10)
- 자기저항 랜덤 액세스 메모리(magnetoresistive random access memory; MRAM) 구조물에 있어서,
바닥 전극 구조물;
상기 바닥 전극 구조물 위의 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 엘리먼트로서, 상기 MTJ 엘리먼트는,
상기 바닥 전극 구조물 위의 반강자성 물질(anti-ferromagnetic material; AFM)층;
상기 반강자성 물질층 위의 강자성 고정층;
상기 강자성 고정층 위의 터널링층; 및
제1 부분 및 탈자화된(demagnetized) 제2 부분을 가지며, 상기 터널링층 위에 있는 강자성 자유층을 포함하는 것인, 상기 MTJ 엘리먼트; 및
상기 제1 부분 위의 제1 너비를 갖는 최상단 전극으로서, 상기 최상단 전극은 측벽들 및 상기 측벽들의 하부 부분 위의 보호 스페이서들을 포함하고, 상기 보호 스페이서들은 상기 강자성 자유층의 탈자화된 제2 부분 위에 놓이며 상기 최상단 전극의 최상단 표면을 노출시키고, 상기 보호 스페이서들 중 적어도 하나는 상기 탈자화된 제2 부분과 정렬되고 상기 탈자화된 제2 부분으로부터 상기 최상단 전극으로 연장하는 곡면 표면을 갖는 것인, 상기 최상단 전극
을 포함하고,
상기 최상단 전극의 측벽들의 일부분은 상기 보호 스페이서들의 최상단 표면 위에 있는 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물. - 제1항에 있어서, 상기 강자성 자유층의 탈자화된 제2 부분은 코발트, 니켈, 철, 붕소, 산소 또는 질소 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 반강자성 물질층, 상기 강자성 고정층, 상기 터널링층 및 상기 강자성 자유층은 총괄적으로 상기 제1 너비와 동일한 제2 너비를 갖는 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 보호 스페이서들은 산화물, 질화물, 산화질화물, 실리콘 카바이드 또는 로우 k 유전체 물질 중 적어도 하나를 포함하는 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물.
- 제1항에 있어서, 상기 강자성 자유층의 제1 부분은 상기 강자성 고정층의 제2 자기 모멘트의 방향에 대해 상기 제1 부분의 제1 자기 모멘트의 방향을 변경시키도록 구성가능하며, 상기 탈자화된 제2 부분의 제1 자기 모멘트는 일정한 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물.
- 자기저항 랜덤 액세스 메모리(magnetoresistive random access memory; MRAM) 구조물에 있어서,
바닥 전극 구조물;
상기 바닥 전극 구조물 위의 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction; MTJ) 엘리먼트로서, 상기 MTJ 엘리먼트는,
상기 바닥 전극 구조물 위의 반강자성 물질층;
상기 반강자성 물질층 위의 강자성 고정층;
상기 강자성 고정층 위의 터널링층; 및
제1 부분 및 탈자화된 제2 부분을 가지며, 상기 터널링층 위에 있는 강자성 자유층을 포함하는 것인, 상기 MTJ 엘리먼트; 및
측벽 표면들을 가지며, 상기 강자성 자유층의 제1 부분 위에 있는 최상단 전극 구조물; 및
상기 최상단 전극 구조물의 측벽 표면들 위 및 상기 강자성 자유층의 탈자화된 제2 부분 위의 보호 스페이서들
을 포함하고,
상기 보호 스페이서들 중 적어도 하나는 상기 강자성 자유층의 탈자화된 제2 부분의 적어도 두 개의 측벽들과 정렬되고, 상기 최상단 전극 구조물의 측벽들의 일부분은 상기 보호 스페이서들의 최상단 곡면 표면 위에 있는 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물. - 제6항에 있어서, 상기 보호 스페이서들의 측벽 표면은 상기 MTJ 엘리먼트의 측벽 표면과 정렬되는 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물.
- 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물을 형성하는 방법에 있어서,
반강자성 물질층, 상기 반강자성 물질층 위의 고정층, 상기 고정층 위의 터널링층, 상기 터널링층 위의 강자성 자유층, 및 상기 강자성 자유층 위의 최상단 전극층을 제공하는 단계;
상기 최상단 전극층을 에칭하여 최상단 전극 구조물을 형성하고 상기 강자성 자유층의 일부분을 노출시키는 단계;
상기 강자성 자유층의 노출된 부분에 탈자화를 수행하는 단계;
상기 최상단 전극 구조물 및 상기 강자성 자유층의 탈자화된 부분 위에 보호층을 형성하는 단계;
상기 최상단 전극 구조물의 측벽들의 일부분이 보호 스페이서들의 상단 표면 위에 있도록, 상기 보호층을 에칭하여 상기 최상단 전극 구조물의 하부 측벽 표면들 및 상기 강자성 자유층의 탈자화된 부분의 일부분 위에 상기 보호 스페이서들을 형성하는 단계; 및
상기 강자성 자유층의 탈자화된 부분, 상기 터널링층, 상기 고정층 및 상기 반강자성 물질층을 에칭하여 자기 터널 접합 엘리먼트를 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 보호 스페이서들 중 적어도 하나는 상기 탈자화된 부분과 정렬되고 상기 탈자화된 부분으로부터 상기 최상단 전극 구조물로 연장하는 곡면 표면을 갖는 것인, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물을 형성하는 방법. - 제8항에 있어서, 상기 최상단 전극층을 에칭하여 상기 최상단 전극 구조물을 형성하기 전에 상기 최상단 전극층 위에 패터닝된 마스크층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물을 형성하는 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 보호 스페이서들을 에칭 마스크로서 이용하여 상기 강자성 자유층의 탈자화된 부분, 상기 터널링층, 상기 고정층 및 상기 반강자성 물질층을 에칭하여 상기 자기 터널 접합 엘리먼트를 형성하는 단계를 더 포함하는, 자기저항 랜덤 액세스 메모리(MRAM) 구조물을 형성하는 방법.
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