KR101740040B1 - A pattern structure, method for forming the same and method for manufacturing a semiconductor device using the same - Google Patents
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Abstract
패턴 구조물, 패턴 구조물 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에서, 패턴 구조물 형성 방법으로, 기판 상에 적어도 하나의 자성 물질을 포함하는 자성 물질막을 형성한다. 상기 자성 물질막 상에 금속을 포함하는 하드 마스크 패턴을 형성한다. 불소 함유 가스 및 암모니아 가스를 혼합한 식각 가스와, 하드 마스크의 소모를 방지하는 산소 가스를 사용하여 상기 자성 물질막을 플라즈마 반응성 식각함으로써 자성 패턴을 형성한다. 상기 방법에 의하면, 높은 신뢰성을 갖고 측벽 프로파일이 양호한 패턴 구조물을 형성할 수 있다.A method of forming a pattern structure, a pattern structure, and a method of manufacturing a semiconductor device using the same, wherein a magnetic material layer including at least one magnetic material is formed on a substrate. A hard mask pattern including a metal is formed on the magnetic material film. A magnetic pattern is formed by plasma-reactive-etching the magnetic material film using an etching gas obtained by mixing a fluorine-containing gas and an ammonia gas and an oxygen gas for preventing consumption of a hard mask. According to the above method, it is possible to form a pattern structure having high reliability and good sidewall profile.
Description
본 발명은 패턴 구조물 및 그 형성 방법 및 이를 이용한 반도체 소자의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자성을 갖는 전이 금속 또는 상전이 물질을 포함하는 패턴 구조물 및 그 형성 방법 및 이를 이용한 메모리 소자의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pattern structure, a method of forming the same, and a method of manufacturing a semiconductor device using the pattern structure. More particularly, the present invention relates to a pattern structure including a transition metal having a magnetic property or a phase change material, a method of forming the same, and a method of manufacturing a memory device using the same.
자기 메모리 소자 및 상전이 메모리 소자는 고속 기입 및 고속 읽기 동작이 가능하며, 비휘발성을 가지므로 차세대 메모리로써 부상되고 있다.Magnetic memory devices and phase change memory devices are capable of high-speed writing and high-speed reading operations and are floating as next generation memories because they have non-volatility.
상기 자기 메모리 소자에는 기존의 반도체 메모리 소자들에서는 사용되지 않았던 자성을 갖는 금속 물질들이 포함된다. 또한, 상기 상전이 메모리 소자 역시 2성분계 이상의 상전이 금속 물질이 포함된다. 상기 메모리 소자들에 포함되는 각 금속 물질들은 반응성 식각 공정 또는 물리적 식각 등을 통해 패터닝하고 있으나, 식각율이 매우 낮다. 또한, 상기 식각 공정을 수행하기에 적합한 고 선택비를 갖는 하드 마스크 패턴을 형성하는 것이 어렵다. 때문에, 상기 하드 마스크 패턴이 식각 중에 과도하게 제거되어, 하부의 패턴 구조물들을 정상적으로 패터닝할 수 없는 등의 문제가 빈번하게 발생된다. 그러므로, 차세대 메모리 소자의 제조 시에, 상기 하드 마스크 패턴을 충분하게 남기면서 측벽 프로파일이 수직한 패턴 구조물을 형성할 수 있는 식각 공정이 요구되고 있다.The magnetic memory device includes magnetic metal materials not used in conventional semiconductor memory devices. Also, the phase change memory element includes a phase transition metal material having a two-component system or more. Each of the metal materials included in the memory devices is patterned through a reactive etching process or a physical etching process, but the etching rate is very low. In addition, it is difficult to form a hard mask pattern having a high selectivity suitable for performing the etching process. Therefore, the hard mask pattern is excessively removed during etching, and problems such as failure to properly pattern the underlying pattern structures frequently occur. Therefore, in the fabrication of a next-generation memory device, an etching process capable of forming a pattern structure having a vertical sidewall profile while sufficiently leaving the hard mask pattern is required.
본 발명의 목적은 자성 물질을 포함하는 패턴 구조물을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a pattern structure comprising a magnetic material.
본 발명의 다른 목적은 패턴 구조물의 형성 방법을 제공하는데 있다. It is another object of the present invention to provide a method of forming a pattern structure.
본 발명의 다른 목적은 자성 물질 또는 적어도 3개의 원소 합금으로 이루어진 상변화 물질을 포함하는 패턴 구조물의 형성 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of forming a pattern structure including a magnetic substance or a phase change material composed of at least three element alloys.
본 발명의 다른 목적은 우수한 동작 특성을 갖고, 공정 불량이 감소되는 자기 메모리 소자의 제조 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a magnetic memory device having excellent operating characteristics and reducing process defects.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 구조물은 기판 상에 구비되고 적어도 하나의 자성 물질을 포함하는 자성 패턴을 포함한다. 상기 자성 패턴 상에는 금속을 포함하는 하드 마스크 패턴이 구비된다. 상기 하드 마스크 패턴 표면에는 금속 산화물이 구비된다.According to an aspect of the present invention, a pattern structure includes a magnetic pattern formed on a substrate and including at least one magnetic material. A hard mask pattern including a metal is provided on the magnetic pattern. The surface of the hard mask pattern is provided with a metal oxide.
본 발명의 일 실시예로, 상기 금속 산화물에 포함된 금속은 상기 하드 마스크 패턴에 포함된 금속과 동일한 것일 수 있다.In one embodiment of the present invention, the metal contained in the metal oxide may be the same as the metal contained in the hard mask pattern.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 구조물 형성 방법으로, 기판 상에 적어도 하나의 자성 물질을 포함하는 자성 물질막을 형성한다. 상기 자성 물질막 상에 금속을 포함하는 하드 마스크 패턴을 형성한다. 불소 함유 가스 및 암모니아 가스를 혼합한 식각 가스와, 하드 마스크의 소모를 방지하는 산소 가스를 사용하여 상기 자성 물질막을 플라즈마 반응성 식각함으로써 자성 패턴을 형성한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a pattern structure, comprising: forming a magnetic material layer including at least one magnetic material on a substrate; A hard mask pattern including a metal is formed on the magnetic material film. A magnetic pattern is formed by plasma-reactive-etching the magnetic material film using an etching gas obtained by mixing a fluorine-containing gas and an ammonia gas and an oxygen gas for preventing consumption of a hard mask.
본 발명의 일 실시예로, 상기 자성 물질막은 Co, Fe, Tb, Ru, Pd, Pt 및 Mn으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 2개의 원소의 합금 물질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the magnetic material layer may include an alloy material of at least two elements selected from the group consisting of Co, Fe, Tb, Ru, Pd, Pt, and Mn.
본 발명의 일 실시예로, 상기 불소 함유 가스는 SF6, NF3, SiF4 및 CF4 로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the fluorine-containing gas may include at least one selected from the group consisting of SF 6 , NF 3 , SiF 4 and CF 4 .
본 발명의 일 실시예로, 상기 식각 가스에 포함되는 암모니아의 유량은 상기 불소 함유 가스의 유량과 동일하거나, 상기 불소 함유 가스의 유량보다 더 많을 수 있다.In one embodiment of the present invention, the flow rate of ammonia contained in the etching gas may be equal to or greater than the flow rate of the fluorine-containing gas.
상기 불소 함유 가스 및 암모니아 가스의 유량비는 1 : 1 내지 50일 수 있다. 상기 산소 가스는 상기 암모니아 가스 유량의 10%보다 작은 유량이 유입될 수 있다.The flow rate ratio of the fluorine-containing gas and the ammonia gas may be 1: 1 to 50. The oxygen gas may have a flow rate smaller than 10% of the ammonia gas flow rate.
본 발명의 일 실시예로, 상기 산소 가스는 10 내지 100sccm의 유량으로 유입될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxygen gas may be introduced at a flow rate of 10 to 100 sccm.
본 발명의 일 실시예로, 상기 하드 마스크 패턴은 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 텅스텐, 텅스텐 질화물로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나의 물질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the hard mask pattern may include at least one material selected from the group consisting of titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, tungsten, and tungsten nitride.
본 발명의 일 실시예로, 상기 플라즈마 반응성 식각을 수행한 후 후속 처리 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 후속 처리 단계에서 상기 산소 가스가 유입될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the plasma etching may further include a subsequent processing step after the plasma reactive etching, and the oxygen gas may be introduced in the subsequent processing step.
본 발명의 일 실시예로, 상기 식각 공정에서, 상기 하드 마스크 패턴의 표면 상에 산화물을 생성시킬 수 있다.In one embodiment of the present invention, in the etching process, an oxide may be generated on the surface of the hard mask pattern.
본 발명의 일 실시예로, 상기 자성 패턴은 30 내지 100㎚의 선폭을 갖도록 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the magnetic pattern may be formed to have a line width of 30 to 100 nm.
본 발명의 일 실시예로, 상기 자성 물질막을 식각하는 공정은 10 내지 300℃의 온도 및 1 내지 10mTorr의 압력 하에서 수행될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the step of etching the magnetic material film may be performed at a temperature of 10 to 300 DEG C and a pressure of 1 to 10 mTorr.
본 발명의 일 실시예로, 상기 산소 가스는 상기 하드 마스크 패턴의 표면을 산화시키면서, 상기 자성 물질막 표면은 산화되지 않도록 하는 유량 범위로 유입될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxygen gas may be introduced into a flow rate range such that the surface of the magnetic material film is not oxidized while oxidizing the surface of the hard mask pattern.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 메모리 소자의 제조 방법으로, 기판 상에 셀 선택 소자를 형성한다. 상기 기판 상에 상기 셀 선택 소자를 덮는 층간 절연막을 형성한다. 상기 층간 절연막 상에 하부 자성막, 터널 베리어막, 및 상부 자성막을 형성한다. 상기 상부 자성막 상에 하드 마스크 패턴을 형성한다. 또한, 불소 함유 가스 및 암모니아 가스를 포함하는 식각 가스 및 하드 마스크 소모를 방지하는 산소 가스를 사용하여, 상기 상부 자성막, 터널 베리어막 및 하부 자성막을 순차적으로 플라즈마 반응성 식각함으로써, 자기터널 접합 구조물을 형성할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a magnetic memory device, comprising: forming a cell selection device on a substrate; And an interlayer insulating film for covering the cell selection device is formed on the substrate. A lower magnetic film, a tunnel barrier film, and an upper magnetic film are formed on the interlayer insulating film. A hard mask pattern is formed on the upper magnetic film. The upper magnetic film, the tunnel barrier film, and the lower magnetic film are sequentially subjected to plasma reactive etching using an etching gas containing a fluorine-containing gas and an ammonia gas and an oxygen gas for preventing hard mask consumption, thereby forming a magnetic tunnel junction structure .
본 발명의 일 실시예로, 상기 식각 가스에 포함되는 암모니아의 유량은 상기 불소 함유 가스의 유량과 동일하거나, 상기 불소 함유 가스의 유량보다 더 많을 수 있다. 상기 산소 가스는 상기 암모니아 가스 유량의 10%보다 작은 유량이 유입될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the flow rate of ammonia contained in the etching gas may be equal to or greater than the flow rate of the fluorine-containing gas. The oxygen gas may have a flow rate smaller than 10% of the ammonia gas flow rate.
본 발명의 일 실시예로, 상기 산소 가스는 10 내지 100sccm의 유량으로 유입될 수 있다.In one embodiment of the present invention, the oxygen gas may be introduced at a flow rate of 10 to 100 sccm.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 패턴 구조물 형성 방법으로, 기판 상에, 자성 물질 및 적어도 3개의 원소 합금으로 이루어진 상변화 물질 중 어느 하나의 물질을 포함하는 식각 대상막을 형성한다. 상기 식각 대상막 상에 금속을 포함하는 하드 마스크 패턴을 형성한다. 적어도 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 식각 가스와 상기 암모니아 가스보다 작은 유량의 산소 가스를 사용하여 상기 식각 대상막을 플라즈마 반응성 식각함으로써 패턴 구조물을 형성한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of forming a pattern structure, the method comprising: forming a film to be etched on a substrate, the film including any one of a magnetic material and a phase change material comprising at least three element alloys; do. A hard mask pattern including a metal is formed on the etch target film. A pattern structure is formed by plasma-reactive-etching the etch target film using an etching gas containing at least ammonia (NH 3 ) gas and an oxygen gas having a flow rate smaller than that of the ammonia gas.
본 발명의 일 실시예로, 상기 상변화 물질을 포함하는 식각 대상막은 Ge, Sb, Te, In 및 Bi으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 3개의 원소의 합금 물질을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the etching target film containing the phase change material may include an alloy material of at least three elements selected from the group consisting of Ge, Sb, Te, In, and Bi.
본 발명의 일 실시예로, 상기 식각 가스는 Ar, CF4, CO, Hbr 및 SF6로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the etching gas may further include at least one selected from the group consisting of Ar, CF 4 , CO, Hbr and SF 6 .
본 발명에 의하면, 자성 물질을 포함하고, 측벽에 폴리머가 부착되지 않고, 하드 마스크 패턴의 소모가 작은 패턴 구조물을 용이하게 형성할 수 있다. 또한, 상기 패턴 구조물의 형성 방법을 통해, 좁은 피치를 가지고, 양호한 수직 프로파일을 갖고, 식각에 의해 하드 마스크 패턴의 소모가 감소된 자성 패턴을 포함하는 자기 메모리 소자를 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to easily form a pattern structure that includes a magnetic material, does not adhere to the side wall, and has a small consumption of the hard mask pattern. In addition, through the method of forming the pattern structure, a magnetic memory device including a magnetic pattern having a narrow pitch, a good vertical profile, and a reduced consumption of the hard mask pattern by etching can be manufactured.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 자성 패턴의 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 자성 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 5는 실시예 1의 방법으로 자성 물질막을 식각할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예 2에 따른 자기 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따라 자성 물질막을 식각 및 후속 처리할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따라 자성 물질막을 식각 및 후속 처리할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.
도 16은 본 발명의 실시예 5에 따라 자성 물질막을 식각 및 후속 처리할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.
도 17은 본 발명의 실시예 1의 식각 방법을 이용하여 형성된 MTJ 구조물의 샘플 1을 나타내는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예들과 비교하기 위한 MJT 구조물의 비교 샘플 1을 나타내는 단면도이다.
도 19는 샘플 1들에서 측정된 저항별 자기 저항비를 나타내는 그래프이다.
도 20은 비교 샘플 1들에서 측정된 저항별 자기 저항비를 나타내는 그래프이다.
도 21은 식각 공정시에 산소 유입량에 따른 하드 마스크 패턴의 식각된 두께를 나타낸다.
도 22 내지 도 24는 본 발명의 실시예 6에 따른 상변화 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 25 내지 도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 29 내지 도 31은 본 발명의 실시예 7에 따른 상변화 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.
도 32는 본 발명의 실시예들의 메모리 소자가 포함된 전자 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 33은 본 발명의 실시예들의 반도체 소자를 포함하는 메모리 카드를 나타내는 블록도이다.1 is a cross-sectional view of a magnetic pattern according to a first embodiment of the present invention.
FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views showing the magnetic pattern forming method shown in FIG.
5 is a timing chart showing influx of a reaction gas when the magnetic material film is etched by the method of the first embodiment.
6 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
11 to 13 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a magnetic memory device according to a second embodiment of the present invention.
14 is a timing chart showing influx of a reaction gas when etching and subsequent processing of a magnetic material film according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 15 is a timing chart showing influent of a reaction gas when etching and subsequent processing of a magnetic material film according to Embodiment 4 of the present invention. FIG.
16 is a timing chart showing influent of a reaction gas when etching and subsequent processing of a magnetic material film according to
17 is a cross-sectional view showing a sample 1 of an MTJ structure formed using the etching method of Example 1 of the present invention.
18 is a cross-sectional view showing a comparative sample 1 of an MJT structure for comparison with the embodiments of the present invention.
19 is a graph showing a resistance-to-resistance ratio measured in the sample 1;
20 is a graph showing a resistance-to-resistance ratio measured in Comparative Sample 1. FIG.
21 shows the etched thickness of the hard mask pattern according to the oxygen inflow in the etching process.
22 to 24 are sectional views showing a method for forming a phase change pattern according to a sixth embodiment of the present invention.
25 to 28 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase-change memory device according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 29 to 31 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a phase change memory device according to a seventh embodiment of the present invention.
32 is a block diagram illustrating an electronic system including memory elements of embodiments of the present invention.
33 is a block diagram showing a memory card including semiconductor elements according to embodiments of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.In the drawings of the present invention, the dimensions of the structures are enlarged to illustrate the present invention in order to clarify the present invention.
본 발명에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the present invention, the terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
본 발명에 있어서, 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 대상체, 기판, 각 층(막), 영역, 전극 또는 패턴들의 "상에", "상부에" 또는 "하부"에 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층(막), 영역, 전극, 패턴 또는 구조물들이 직접 기판, 각 층(막), 영역, 또는 패턴들 위에 형성되거나 아래에 위치하는 것을 의미하거나, 다른 층(막), 다른 영역, 다른 전극, 다른 패턴 또는 다른 구조물들이 대상체나 기판 상에 추가적으로 형성될 수 있다.In the present invention, it is to be understood that each layer (film), region, electrode, pattern or structure may be formed on, over, or under the object, substrate, layer, Means that each layer (film), region, electrode, pattern or structure is directly formed or positioned below a substrate, each layer (film), region, or pattern, , Other regions, other electrodes, other patterns, or other structures may additionally be formed on the object or substrate.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다.For the embodiments of the invention disclosed herein, specific structural and functional descriptions are set forth for the purpose of describing an embodiment of the invention only, and it is to be understood that the embodiments of the invention may be practiced in various forms, But should not be construed as limited to the embodiments set forth in the claims.
즉, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
That is, the present invention is capable of various modifications and various forms, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the following description. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
실시예 1Example 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 자성 패턴의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a magnetic pattern according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 기판(10) 상에, 적어도 하나의 자성 물질을 포함하는 자성 패턴(14)이 구비된다. 상기 자성 패턴(14)은 30 내지 100㎚의 선폭을 가질 수 있다. 상기 자성 패턴(14)은 하부 자성 패턴(14a), 터널 베리어 패턴(14b) 및 상부 자성 패턴(14c)이 적층된 구조를 갖는다.Referring to FIG. 1, a
구체적으로, 상기 하부 자성 패턴(14a)은 Co, Fe, Tb, Ru, Pd, Pt, Mn, Ir 중 적어도 2개의 원소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 하부 자성 패턴(14a)은 단일막으로 도시되어 있으나, 다수의 물질이 적층된 형상을 갖는 것이 더 바람직하다.Specifically, the lower
상기 터널 베리어 패턴(14b)은 절연성을 갖는 금속 산화물을 포함할 수 있으며, 일 예로, 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(AlOx) 등을 포함할 수 있다.The tunnel barrier pattern 14b may include a metal oxide having an insulating property. For example, the tunnel barrier pattern 14b may include magnesium oxide (MgO), aluminum oxide (AlO x ), and the like.
또한, 상기 상부 자성 패턴(14c)은 Co, Fe, Tb, Ru, Pd, Pt, Mn, Ni 중 적어도 2개의 원소의 합금 물질들을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 상부 자성 패턴(14c)은 CoFeB, CoFe 또는 NiFe일 수 있다.The upper
본 실시예에서, 상기 하부 자성 패턴(14a)은 자화 방향이 고정된 고정된 고정막 패턴으로 사용되고, 상기 상부 자성 패턴(14c)은 자화 반전이 가능한 자유막 패턴으로 사용된다. 그러나, 상, 하부 자성 패턴(14a, 14c)의 물질을 서로 뒤바꾸어, 하부 자성 패턴(14a)이 자화 반전이 가능한 자유막 패턴으로 사용하고, 상부 자성 패턴(14c)이 자화 방향이 고정된 고정막 패턴으로 사용할 수도 있다.In the present embodiment, the lower
상기 자성 패턴(14) 상에는 금속을 포함하는 하드 마스크 패턴(16)이 구비된다. 상기 하드 마스크 패턴(16)으로 사용되는 물질의 예로는 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 텅스텐, 텅스텐 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 2 이상이 적층된 형상을 가질 수 있다.On the
상기 하드 마스크 패턴(16) 표면에는 금속 산화물(18)이 구비된다. 상기 금속 산화물(18)에 포함된 금속은 상기 하드 마스크 패턴(16)에 포함된 금속과 동일하다. 상기 금속 산화물(18)은 상기 하드 마스크 패턴(16) 표면이 산화됨으로써 생성된 것이다. 상기 금속 산화물(18)은 약 100Å이하의 두께를 갖는다.
A
도 2 내지 도 4는 도 1에 도시된 자성 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.FIGS. 2 to 4 are cross-sectional views showing the magnetic pattern forming method shown in FIG.
도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 적어도 2개의 원소 합금 물질로 이루어지고 자성 물질을 포함하는 자성 물질막(12)을 형성한다. 상기 자성 물질막(12)은 Co, Fe, Tb, Ru, Pd, Pt, Mn 중에서 적어도 2개의 원소의 합금 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, a
본 실시예에서, 상기 자성 물질막(12)은 자기 터널 접합 구조물을 형성하기 위한 적층 구조를 갖는 것으로 설명한다. 즉, 상기 자성 물질막(12)은 하부 자성막(12a), 터널 베리어막(12b) 및 상부 자성막(12c)을 적층시켜 형성된다.In the present embodiment, the
구체적으로, 상기 하부 자성막(12a)은 Co, Fe, Tb, Ru, Pd, Pt, Mn, Ir 중 적어도 2개의 원소 중 적어도 하나를 증착시켜 형성할 수 있다. 상기 하부 자성막(12a)은 자화 방향이 한 방향으로 고정된다. 상기 하부 자성막(12a)은 단일막으로 도시되어 있으나, 다수의 물질이 적층된 형상을 갖는 것이 더 바람직하다.Specifically, the lower
상기 터널 베리어막(12b)은 절연성을 갖는 금속 산화물로 형성할 수 있으며, 일 예로, 마그네슘 산화물(MgO), 알루미늄 산화물(AlOx) 등으로 형성할 수 있다.The
또한, 상기 상부 자성막(12c)은 Co, Fe, Tb, Ru, Pd, Pt, Mn, Ni 중 적어도 2개의 원소의 합금 물질들을 증착시켜 형성할 수 있다. 상기 상부 자성막은 자화 방향이 한 방향으로 고정되지 않고, 자화 반전될 수 있다. 일 예로, 상기 상부 자성막(12c)은 CoFeB, CoFe 또는 NiFe로 형성할 수 있다.The upper
본 실시예에서는 상기 하부 자성막(12a)이 자화 방향이 고정된 고정막으로 사용되고, 상기 상부 자성막(12c)이 자화 반전이 가능한 자유막으로 설명하였다. 그러나, 이와는 다른 예로, 상기 하부 자성막(12a)이 자화 반전이 가능한 자유막으로 형성되고, 상기 상부 자성막(12c)이 자화 방향이 고정된 고정막으로 형성될 수도 있다.In the present embodiment, the lower
도 3을 참조하면, 상기 자성 물질막(12) 상에 하드 마스크막(도시안함)을 형성한다. 상기 하드 마스크막은 금속을 포함할 수 있다. 상기 하드 마스크막은 금속 또는 금속 질화물로 형성될 수 있다. 상기 하드 마스크막으로 사용될 수 있는 물질의 예로는 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 텅스텐, 텅스텐 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 2 이상이 적층된 형상을 가질 수 있다. 상기 하드 마스크막을 패터닝함으로써 하드 마스크 패턴(16)을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴(16)은 30 내지 100㎚의 선폭을 가질 수 있다.Referring to FIG. 3, a hard mask film (not shown) is formed on the
도 4를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(16)을 식각 마스크로 사용하여 상기 자성 물질막을 플라즈마 반응성 식각한다.Referring to FIG. 4, the magnetic material layer is plasma-reactive-etched using the
상기 식각을 위하여, 불소 함유 가스 및 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 식각 가스 및 하드 마스크 패턴(16)의 소모를 억제하기 위한 산소 가스를 반응 가스로 사용한다. 상기 식각에 의해, 하부 자성막 패턴(14a), 터널 베리어막 패턴(14b) 및 상부 자성막 패턴(14c)을 포함하는 자성 패턴(14)을 형성한다.For the etching, an etching gas containing a fluorine-containing gas and ammonia (NH 3 ) gas and an oxygen gas for suppressing the consumption of the
도 5는 실시예 1의 방법으로 자성 물질막을 식각할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.5 is a timing chart showing influx of a reaction gas when the magnetic material film is etched by the method of the first embodiment.
상기 불소 함유 가스의 예로는 SF6, NF3, SiF4, CF4 등을 들 수 있다. 상기 불소 함유 가스는 1종 또는 2종 이상이 사용될 수 있다. 상기 불소 함유 가스는 상기 자성 물질을 식각하는 역할 이 외에, 식각에 의해 형성된 자성 패턴(14)의 측벽에 금속성 폴리머가 부착되지 않도록 하는 역할을 한다. 상기 자성 패턴(14) 측벽의 금속성 폴리머를 억제하는 효과를 높이기 위해서, 상기 불소 함유 가스는 SF6를 사용하는 것이 가장 바람직하다. 이하에서는, 상기 불소 함유 가스로 SF6를 사용하는 것으로 설명한다.Examples of the fluorine-containing gas include SF 6 , NF 3 , SiF 4 , CF 4 , and the like. The fluorine-containing gas may be used alone or in combination of two or more. The fluorine-containing gas serves not only to etch the magnetic material but also to prevent the metallic polymer from adhering to the side wall of the
상기 암모니아 가스는 상기 자성 물질에 포함된 금속과 반응하여 금속 암모늄을 생성시키고, 상기 생성된 금속 암모늄이 휘발됨으로써 상기 자성 물질막을 식각한다. 따라서, 상기 암모니아 가스를 사용함으로써, 상기 열거된 자성 물질막들을 빠르게 식각할 수 있다.The ammonia gas reacts with the metal contained in the magnetic material to produce metal ammonium, and the generated metal ammonium is volatilized to thereby etch the magnetic material film. Therefore, by using the ammonia gas, the magnetic material films listed above can be rapidly etched.
상기 불소 함유 가스는 상기 자성 물질의 금속과 반응하여 불화 금속을 생성시키고, 상기 생성된 불화 금속이 휘발됨으로써 상기 자성 물질막을 식각한다. 예를들어, 상기 SF6는 백금(Pt)과 같은 특정 금속을 빠르게 식각할 수 있다. 상기 SF6에 포함된 황(S)은 상기 암모니아 가스에 포함된 질소와 결합하여 휘발되므로 질소에 의해 생성되는 폴리머를 제거할 수 있다. 또한, 상기 SF6는 상기 자성 물질막들이 식각된 후 다시 측벽에 부착되는 도전성을 갖는 금속 폴리머들을 F기(F-)에 의해 제거할 수 있다.The fluorine-containing gas reacts with the metal of the magnetic material to generate metal fluoride, and the generated metal fluoride is volatilized to thereby etch the magnetic material film. For example, the SF 6 can rapidly etch a specific metal such as platinum (Pt). The sulfur (S) contained in the SF 6 is combined with the nitrogen contained in the ammonia gas and is volatilized, so that the polymer produced by the nitrogen can be removed. In addition, SF 6 may remove conductive metal polymers that are attached to the sidewalls again after the magnetic material films are etched by an F group (F-).
그러나, 상기 불소 함유 가스는 하부의 자성 물질막 뿐 아니라 상기 하드 마스크 패턴도 빠르게 식각한다. 그러므로, 상기 불소 함유 가스의 함량을 증가시키면 식각 중에 상기 하드 마스크 패턴(16)이 과도하게 소모되므로 바람직하지 않다. 상기 하드 마스크 패턴(16)이 소모되면, 하부의 자성 물질막이 정상적인 형태로 패터닝되기가 어렵다. 특히, 상기 불소 함유 가스를 감소시킨다 하더라도, 상기 하드 마스크 패턴(16)의 소모로 인해 30 내지 100㎚의 좁은 선폭을 갖는 자성 패턴을 형성할 때 이웃하는 자성 패턴간의 노드 분리 불량이 다발하게 된다. 때문에, 일반적인 방법으로는 상기 30 내지 100㎚의 좁은 선폭을 갖는 자성 패턴을 형성하는 것은 용이하지 않다.However, the fluorine-containing gas rapidly etches the hard mask pattern as well as the underlying magnetic material film. Therefore, increasing the content of the fluorine-containing gas is undesirable because the
따라서, 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 자성 물질막(12)을 식각하기 위한 주 식각 가스는 암모니아 가스인 것이 바람직하다. 그러므로, 식각 공정시에, 상기 암모니아 가스의 유량은 상기 불소 함유 가스와 동일하거나 상기 불소 함유 가스보다 더 많은 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 SF6 및 암모니아의 유량비는 1 : 1 내지 50인 것이 바람직하다.Therefore, as shown in FIG. 5, it is preferable that the main etch gas for etching the
한편, 상기 불소 함유 가스를 사용하지 않고, 암모니아 가스만으로 식각 공정을 수행하는 경우에는 자성 패턴(14)의 측벽에 폴리머가 과도하게 생성된다. 그러므로, 상기 자성 패턴(14)의 측벽 폴리머가 제거될 수 있도록 상기 불소 함유 가스가 함께 유입되어야 한다.On the other hand, when the etching process is carried out using only the ammonia gas without using the fluorine-containing gas, the polymer is excessively generated on the side wall of the
또한, 상기 불소 함유 가스 및 암모니아 가스를 사용하여 식각 공정을 수행할 때 발생되는 상기 하드 마스크 패턴(16)의 소모를 억제시키기 위하여 식각 공정시에 산소 가스를 함께 유입한다. 상기 산소 가스는 상기 하드 마스크 패턴(16)의 표면과 반응하여 상기 하드 마스크 패턴(16) 표면에 금속 산화물(18)을 형성시킨다. 상기 하드 마스크 패턴(16) 표면에 생성된 금속 산화물(18)은 상기 하드 마스크 패턴(16)과 비교할 때 불소 함유 가스에 의한 식각율이 낮다. 그러므로, 식각 가스로 사용되는 상기 불소 함유 가스가 유입되더라도, 상기 하드 마스크 패턴(16)이 거의 소모되지 않는다.In order to suppress the consumption of the
그런데, 상기 산소 가스가 다량 유입되는 경우에는, 하드 마스크 패턴(16)의 표면뿐 아니라, 상기 자성 패턴(14)의 표면까지 산화되는 문제가 발생된다. 그러므로, 상기 산소 가스는 상기 하드 마스크 패턴(16)의 표면을 산화시키면서, 상기 자성 패턴(14)의 표면은 산화되지 않을 정도의 유량 범위로 유입되는 것이 바람직하다.However, when the oxygen gas flows in a large amount, there arises a problem that the surface of the
상기 산소 가스가 암모니아 가스 유량의 10% 이상 유입되는 경우에는, 상기 산소 가스에 의해 자성 패턴(14)까지 산화될 수 있으며 산소 가스에 의해 자성 패턴(14)의 식각이 방해를 받을 수 있어서 바람직하지 않다. 그러므로, 상기 산소 가스가 암모니아 가스의 유량의 10%보다 작은 유량으로 유입되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산소 가스는 10 내지 100sccm의 유량으로 유입되는 것이 바람직하다. 상기와 같이 산소 가스를 유입하는 경우, 상대적으로 산소에 대해 높은 반응성을 갖는 하드 마스크 패턴(16)의 표면에만 금속 산화물(18)이 생성될 수 있다. 상기 금속 산화물(18)은 100Å이하의 얇은 두께로 형성될 수 있다.If the oxygen gas flows in at least 10% of the ammonia gas flow rate, it can be oxidized to the
도 5에 도시된 것과 같이, 상기 산소 가스는 식각 공정을 수행하는 단계에서 계속적으로 유입되는 것이 바람직하다. 그러나, 이와는 다른 예로, 상기 산소 가스는 식각 공정을 수행하는 단계에서 일부 시간 동안만 유입될 수도 있다.As shown in FIG. 5, the oxygen gas preferably flows continuously in the step of performing the etching process. However, as another example, the oxygen gas may be introduced for some time in the step of performing the etching process.
한편, 상기 식각 공정을 수행할 때, 추가적으로 비활성 가스가 더 유입될 수 있다. 상기 비활성 가스는 아르곤을 포함한다. 상기 비활성 가스는 상기 자성 물질막(12)을 물리적으로 식각(physical etch)하거나, 식각 챔버 내의 압력을 조절하거나 또는 플라즈마를 활성화시키는 등의 역할을 할 수 있다. 그러나, 상기 비활성 가스는 선택적으로 사용될 수 있으며, 본 실시예의 경우, 상기 비활성 가스가 포함되지 않더라도 상기 자성 물질막(12)을 효과적으로 식각할 수 있다.On the other hand, when performing the etching process, an additional inert gas may be further introduced. The inert gas includes argon. The inert gas may physically etch the
상기 자성 물질막(12)을 식각하기에 적합한 식각 조건은 다음과 같다. 상기 식각 공정은 10℃ 내지 300℃의 온도 및 1 내지 10mTorr의 압력 하에서 수행할 수 있다. 또한, 상기 식각 공정시에 700 내지 1500W의 마이크로 웨이브 파워, 200 내지 700W의 R.F 바이어스 파워가 가해질 수 있다.The etching conditions suitable for etching the
설명한 것과 같이, 본 실시예의 방법에 의하면, 자성 물질을 식각하는데 있어서, 식각 가스 및 폴리머 억제 가스가 유입됨으로써 도전성 폴리머의 생성을 억제할 수 있다.As described above, according to the method of the present embodiment, when the magnetic material is etched, the generation of the conductive polymer can be suppressed by introducing the etching gas and the polymer suppressing gas.
한편, 상기 자성 물질막(12)을 식각하는데 있어서 염소계열의 가스를 사용하지 않음으로써, 자성 물질막의 부식 문제를 감소시킬 수 있다. 식각 가스로써 탄소 계열의 가스를 사용하지 않으므로, 금속 카보닐의 형성을 억제할 수 있다. 또한, 물리적인 방법으로 식각하지 않기 때문에 상기 자성 물질이 패턴 구조물 측벽에 재증착(re-deposition)되는 문제를 억제할 수 있다.On the other hand, since the chlorine-based gas is not used for etching the
또한, 상기 식각 공정시에 산소가 유입됨으로써, 하드 마스크 패턴(16)이 소모되는 것을 억제할 수 있다. 상기 하드 마스크 패턴(16)이 소모되는 경우, 자성 패턴의 측벽 프로파일이 나빠지거나 또는 패턴에 어택이 가해짐으로써 패턴이 무너지는 등의 문제가 발생될 수 있다. 특히, 좁은 선폭의 패턴을 형성할 때 이웃하는 자성 패턴(14) 간의 노드 분리가 되지 않는 불량이 발생된다. 그리고, 상기 자성 패턴(14)들이 균일한 선폭 및 높이를 가지면서 형성되지 않음으로써 저항 산포 등의 문제가 발생될 수 있다. 그러나, 설명한 것과 같이, 본 실시예의 방법을 수행하는 경우 상기 하드 마스크 패턴이 소모되는 것을 억제할 수 있어서 상기 언급한 문제들이 감소된다. 또한, 하드 마스크 패턴(16) 하부에 남아있는 자성 패턴(14)의 두께도 더 두꺼워질 수 있다.In addition, oxygen can be prevented from flowing into the
이와같이, 본 실시예에 의하면, 자기 터널 접합 구조를 갖는 최적화된 자성 패턴을 형성할 수 있다.
Thus, according to this embodiment, an optimized magnetic pattern having a magnetic tunnel junction structure can be formed.
자기 메모리 소자 제조Manufacture of magnetic memory devices
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.6 to 10 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
본 실시예의 자기 메모리 소자는 스핀 주입 토크-자기 메모리 소자(Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory: STT-MRAM)이다. 본 실시예에서, 소자 내의 자성 패턴 형성 시에 도 3 및 4를 참고로 설명한 식각 방법이 동일하게 사용된다.The magnetic memory device of this embodiment is a Spin Transfer Torque Magnetic Random Access Memory (STT-MRAM). In this embodiment, the etching method described with reference to FIGS. 3 and 4 is used at the same time in forming the magnetic pattern in the element.
도 6을 참조하면, 반도체 기판(100)에 소자 분리 패턴(도시안함)을 형성하여 액티브 영역 및 소자 분리 영역을 구분한다. 상기 반도체 기판(100)에 셀 선택을 위한 MOS 트랜지스터를 형성한다. 상기 MOS 트랜지스터를 형성하기 위하여, 반도체 기판(100) 상에 게이트 산화막(102) 및 게이트 전극막을 형성한다. 이 후, 상기 게이트 전극막을 패터닝하여 게이트 전극(104)을 형성한다. 다음에, 상기 게이트 전극(104) 양측의 반도체 기판 표면 아래에 불순물을 주입시켜 불순물 영역(106)을 형성한다. 상기 게이트 전극(104)은 워드 라인으로 제공될 수 있으며, 제1 방향으로 연장되는 형상을 가질 수 있다. 도시하지 않았지만, 상기 게이트 전극(104) 양측에 게이트 스페이서를 형성할 수도 있다.Referring to FIG. 6, a device isolation pattern (not shown) is formed in the
상기 반도체 기판(100) 상에 상기 MOS 트랜지스터를 덮는 제1 층간 절연막(108)을 형성한다. 상기 제1 층간 절연막(108)을 관통하여 상기 불순물 영역(106)과 접촉하는 제1 콘택 플러그(110)들을 형성한다. 또한, 상기 제1 층간 절연막(108) 상에 상기 제1 콘택 플러그(110)들과 전기적으로 연결되는 도전 패턴(112)을 형성한다.A first
상기 제1 층간 절연막(108) 상에 상기 도전 패턴(112)을 덮는 제2 층간 절연막(114)을 형성한다. 상기 제2 층간 절연막(114)의 일부분을 사진 식각 공정을 통해 제거함으로써 상기 도전 패턴(112)의 상부면을 노출하는 개구부를 형성한다. 상기 개구부는 콘택홀의 형상을 갖는다. 상기 개구부 내부에 도전 물질을 채우고, 상기 제2 층간 절연막(114)의 상부면이 노출되도록 상기 도전 물질을 연마함으로써, 하부 전극 콘택(BEC, bottom electrode contact, 116)을 형성한다.A second
도 7을 참조하면, 상기 제2 층간 절연막(114) 및 하부 전극 콘택(116) 상에 MTJ 구조물로 제공되는 박막들을 차례로 적층한다. 본 실시예에서는, 베리어 금속막(118), 고정막 구조물(120), 터널 베리어막(122) 및 자유막(124)을 차례로 적층한다.Referring to FIG. 7, thin films provided as an MTJ structure are sequentially stacked on the second
구체적으로, 상기 베리어 금속막(118)은 상기 고정막 구조물에 포함되는 금속의 이상 성장을 방지하기 위하여 제공되며, 비정질의 금속 물질을 포함한다. 상기 베리어 금속막(118)으로 사용되는 금속 물질의 예로는 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 티타늄, 티타늄 질화물 등을 들 수 있다. 상기 베리어 금속막(118)은 예시된 물질들 중에서 선택된 적어도 하나로 형성할 수 있다.Specifically, the
상기 고정막 구조물(120)은 고정막(120a, pinning layer), 하부 강자성막(120b), 반강자성 커플링 스페이서막(120c), 상부 강자성막(120d)을 포함한다. 상기 고정막(120a)은 상기 하부 강자성막(120b)의 자화 방향을 하나의 방향으로 고정시키는 물질로 형성한다. 상기 고정막(120a)으로 사용될 수 있는 물질의 예로는 망간철(FeMn), 망간이리듐(IrMn), 망간백금(PtMn), 산화망간(MnO), 황화망간(MnS), 텔루르망간(MnTe), 불화망간(MnF2), 불화철(FeF2), 염화철(FeCl2), 산화철(FeO), 염화코발트(CoCl2), 산화코발트(CoO), 염화니켈(NiCl2), 산화니켈(NiO), 크롬(Cr) 등을 들 수 있다. 상기 고정막(120a)은 예시된 물질들 중에서 선택된 적어도 하나로 형성할 수 있다. 상기 상, 하부 강자성막(120b, 120d)은 철(Fe), 니켈(Ni) 및 코발트(Co) 중에 선택된 적어도 하나를 포함하는 강자성체로 형성하는 것이 바람직하다. 예를들어, 상기 상, 하부 강자성층은 철코발트(CoFe), 철니켈(NiFe) 또는 붕소화철코발트(CoFeB)로 형성할 수 있다. 상기 반강자성 커플링 스페이서막(120c)은 루테늄(Ru), 이리듐(Ir) 또는 로듐(Rh)으로 형성할 수 있다.The fixed
또한, 상기 터널 베리어막(122)은 알루미늄 산화막 또는 마그네슘산화막으로 형성할 수 있다. 상기 터널 베리어막(122)을 마그네슘 산화막으로 형성하면 자기 저항비가 더 우수하다. 그러므로, 상기 터널 베리어막(122)은 마그네슘 산화막으로 형성되는 것이 더 바람직하다.The
상기 자유막(124)은 철(Fe), 니켈(Ni) 및 코발트(Co) 중에 선택된 적어도 하나를 포함하는 강자성체로 형성하는 것이 바람직하다. 상기 자유막(124)으로 사용될 수 있는 물질의 예로는 철코발트(CoFe), 철니켈(NiFe) 또는 붕소화철코발트(CoFeB)등을 들 수 있다.The
상기 자유막(124) 상에는 하드 마스크막(126)을 형성한다. 상기 하드 마스크막(126)은 금속 또는 금속 질화물로 형성된다. 상기 하드 마스크막(126)으로 사용되는 물질의 예로는 티타늄, 티타늄 질화막, 탄탈륨, 탄탈륨 질화막, 텅스텐, 텅스텐 질화막 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 또는 복합막으로 사용될 수 있다.A
도 8을 참조하면, 상기 하드 마스크막(126)을 이방성 식각함으로써, 하부의 MTJ 구조물로 제공되는 박막들을 식각하기 위한 하드 마스크 패턴(126a)을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴(126a)은 상기 하부 전극 콘택(116)의 상부면과 중첩되도록 위치한다. 상기 하드 마스크 패턴(126a)은 30 내지 100㎚의 선폭을 가질 수 있다.Referring to FIG. 8, the
도 9를 참조하면, 상기 하드 마스크 패턴(126a)을 식각 마스크로 사용하여 하부의 MTJ 구조물로 제공되는 박막들을 식각함으로써 베리어 금속막 패턴(118a), 고정막 적층 패턴(121), 터널 베리어막 패턴(122a) 및 자유막 패턴(124a)이 적층된 MTJ 구조물을 형성한다.Referring to FIG. 9, the thin film provided to the lower MTJ structure is etched using the
이 때, 불소 함유 가스 및 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 식각 가스 및 하드 마스크 패턴의 소모를 억제하기 위한 산소 가스를 사용하는 플라즈마 반응성 식각을 통해 MTJ 구조물로 제공되는 박막들을 식각한다. 상기 MTJ 구조물을 형성하기 위한 식각 공정의 구체적인 방법은 도 3 및 도 4를 참조로 설명한 것과 동일하다. 상기 박막들을 식각하고 나면, 상기 산소 가스와의 반응에 의해 상기 하드 마스크 패턴(126a)의 표면에 금속 산화막(127)이 형성된다.At this time, the thin films provided to the MTJ structure are etched through plasma reactive etching using an etching gas containing fluorine-containing gas and ammonia (NH 3 ) gas and an oxygen gas for suppressing consumption of the hard mask pattern. The specific method of the etching process for forming the MTJ structure is the same as that described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. After the thin films are etched, a
상기 설명한 방법의 식각 공정을 수행하여 완성된 상기 MTJ 구조물은 하드 마스크 패턴(127)의 소모가 매우 적다. 그러므로, 상기 MTJ 구조물이 30㎚ 내지 100㎚ 정도의 좁은 선폭 및 간격을 갖고 형성되더라도 패턴이 무너지지 않으며, 노드 분리가 된다.The MTJ structure completed by performing the etching process of the above-described method has very little consumption of the
도시하지는 않았지만, 상기 MTJ 구조물 표면에 상기 MTJ 구조물을 보호하기 위한 캡핑막을 형성할 수 있다. 상기 캡핑막은 50 내지 300Å의 두께를 갖도록 형성할 수 있다. 또한, 상기 캡핑막은 알루미늄 산화물과 같이 절연성을 갖는 금속 산화물로 형성할 수 있다.Although not shown, a capping layer for protecting the MTJ structure may be formed on the surface of the MTJ structure. The capping layer may be formed to have a thickness of 50 to 300 ANGSTROM. In addition, the capping film may be formed of a metal oxide having insulating properties such as aluminum oxide.
도 10을 참조하면, 상기 MTJ 구조물을 덮는 제3 층간 절연막(128)을 형성한다. 상기 제3 층간 절연막(128)의 일부 영역 및 금속 산화막(127)을 식각하여 도전성을 갖는 하드 마스크 패턴(126a)의 상부면을 노출하는 콘택홀을 형성한다. 상기 콘택홀 내부에 도전 물질을 채우고, 상기 제3 층간 절연막(128)의 상부면이 노출되도록 상기 도전 물질을 연마함으로써 상부 전극 콘택(TEC, Top Electric Contant, 130)을 형성한다.Referring to FIG. 10, a third
상기 제3 층간 절연막(128) 및 상기 상부 전극 콘택(130) 상에 도전막을 형성하고 패터닝함으로써, 비트 라인(132)을 형성한다. 그러나, 공정을 단순화시키기 위하여, 상기 상부 전극 콘택(130)을 형성하지 않고, 상기 하드 마스크 패턴(126a)과 직접 접촉하도록 비트 라인(132)을 형성할 수도 있다.A
상기 설명한 공정을 통해, 자기 메모리 소자가 완성된다.Through the above-described process, the magnetic memory element is completed.
상기 자기 메모리 소자는 상기 MTJ 구조물의 터널 베리어막 패턴 양단의 고정막 적층 패턴과 자유막 패턴의 자화 방향이 동일할 때(이하, 평행 상태)에는 저저항을 갖고, 상기 MTJ의 터널 베리어막 패턴 양단의 고정막 적층 패턴과 자유막 패턴의 자화 방향이 서로 다를 때(이하, 반 평행 상태)에는 고저항을 갖는 것을 이용하여 데이터를 저장한다. 때문에, 상기 평행 상태 및 반 평행 상태에서의 저항값의 차이가 매우 큰 것이 바람직하다. 이러한 저항값의 변화는 자기 저항비(Magnatoresistance Ratio, MR)라 하며, 상기 자기 저항비는 높은 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 자기 저항비는 적어도 50%가 되어야 하며, 80% 이상인 것이 바람직하다.The magnetic memory device has a low resistance when the magnetization direction of the fixed film lamination pattern at both ends of the tunnel barrier film pattern of the MTJ structure is equal to the magnetization direction of the free film pattern (hereinafter referred to as a parallel state) (Hereinafter, referred to as " antiparallel state ") when the magnetization directions of the free layer pattern and the free layer pattern are different from each other. Therefore, it is preferable that the difference in resistance value between the parallel state and the antiparallel state is very large. The change in the resistance value is referred to as a magnetoresistance ratio (MR), and the magnetoresistance ratio is preferably high. Specifically, the magnetoresistance ratio should be at least 50%, preferably at least 80%.
그런데, 상기 MTJ 구조물의 측벽에 도전성 폴리머가 부착되어 상기 고정막 적층 패턴과 자유막 패턴이 쇼트되면, 반 평행 상태에서도 상기 쇼트된 측벽 부위를 통해 전류가 흐르게 되어 MR이 0%가 된다. 또한, 상기 하드 마스크 패턴(126a)이 소모되어 MTJ 구조물의 선폭 및 특성 변동이 빈번하게 발생하는 경우, MR이 매우 낮거나 0%인 자기 메모리 소자가 다발하게 된다.When the conductive polymer is attached to the side wall of the MTJ structure and the fixed film stacked pattern and the free film pattern are shorted, current flows through the shorted sidewall portion even in the antiparallel state, and the MR becomes 0%. Also, when the
그러나, 본 실시예의 방법에 의하면 MTJ 구조물은 도전성 폴리머가 거의 부착되지 않을 뿐 아니라, 상기 하드 마스크 패턴의 소모도 거의 되지 않기 때문에 90% 이상의 매우 높은 MR 특성을 갖는 자기 메모리 소자를 제조할 수 있다. 특히, 30 내지 100㎚의 좁은 선폭을 갖는 MTJ 구조물을 형성할 수 있으므로, 고집적화되면서도 높은 MR 특성을 갖는 자기 메모리 소자를 제조할 수 있다.However, according to the method of this embodiment, the MTJ structure hardly adheres to the conductive polymer, and since the hard mask pattern is not consumed, a magnetic memory device having a very high MR characteristic of 90% or more can be manufactured. In particular, since an MTJ structure having a narrow line width of 30 to 100 nm can be formed, a magnetic memory device having high integration and high MR characteristics can be manufactured.
또한, 상기 하드 마스크 패턴의 소모가 적기 때문에, 고집적화되면서도 특성 산포가 작은 자기 메모리 소자를 제조할 수 있다.
In addition, since the consumption of the hard mask pattern is small, a magnetic memory device with high integration and small characteristic scattering can be manufactured.
실시예 2Example 2
도 11 내지 도 13은 본 발명의 실시예 2에 따른 자기 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.11 to 13 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a magnetic memory device according to a second embodiment of the present invention.
본 실시예의 자기 메모리 소자는 외부 자기장을 이용하여 자화 반전하는 자기 메모리 소자이다. 본 실시예에서는 실시예 1에서 설명한 식각 방법이 동일하게 사용된다.The magnetic memory device of this embodiment is a magnetic memory device which magnetizes and inverts using an external magnetic field. In this embodiment, the etching method described in the first embodiment is used equally.
도 11을 참조하면, 반도체 기판(200)에 소자 분리 패턴을 형성하여 액티브 영역 및 소자 분리 영역을 구분한다. 상기 기판에 셀 선택을 위한 MOS 트랜지스터를 형성한다. 도시하지 않았지만, MOS 트랜지스터의 게이트 전극(204) 양측에 게이트 스페이서를 형성할 수도 있다.Referring to FIG. 11, a device isolation pattern is formed on a
상기 반도체 기판(200) 상에 상기 MOS 트랜지스터를 덮는 제1 층간 절연막(208)을 형성한다. 상기 제1 층간 절연막(208)을 관통하여 상기 불순물 영역(206)과 접촉하는 제1 콘택 플러그(210)들을 형성한다.A first
상기 제1 층간 절연막 (208)상에 디짓 라인(212a, digit line)을 형성한다. 상기 디짓 라인(212a)은 고집적화를 위하여 상기 게이트 전극(204)과 서로 중첩된 위치에 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 콘택 플러그(210) 상에 패드 전극(212b)을 형성한다.A digit line (212a) is formed on the first interlayer insulating film (208). The
상기 제1 층간 절연막(208) 상에 상기 디짓 라인(212a) 및 패드 전극(212b)을 덮는 제2 층간 절연막(214)을 형성한다. 상기 제2 층간 절연막(214)의 일부분을 사진 식각 공정을 통해 제거함으로써 상기 패드 전극(212b)의 상부면을 노출하는 개구부를 형성한다. 상기 개구부는 콘택홀의 형상을 갖는다.A second
상기 개구부 내부에 도전 물질을 채우고, 상기 제2 층간 절연막(214)의 상부면이 노출되도록 상기 도전 물질을 연마함으로써, 제2 콘택 플러그(216)를 형성한다.The
상기 제2 콘택 플러그(216) 상에 도전막을 형성하고, 상기 도전막을 식각함으로써 보조 라인(218, bypass line)을 형성한다. 상기 보조 라인(218)은 MTJ 구조물을 상기 디짓 라인(212a)과 서로 대향하게 형성하도록 하기 위하여 제공되며, 상기 제2 콘택 플러그(216) 상부면으로부터 상기 디짓 라인(212a) 위로 연장되는 형상을 갖는다.A conductive film is formed on the
상기 보조 라인(218) 사이의 갭을 채우는 제3 층간 절연막(219)을 형성한다.A third
도 12를 참조하면, 상기 제3 층간 절연막(219) 및 보조 라인(218) 상에 MTJ 구조물로 제공되는 박막들을 차례로 적층한다. 상기 MTJ 구조물로 제공되는 박막은 베리어 금속막, 고정막 구조물, 터널 베리어막 및 자유막을 포함한다. Referring to FIG. 12, thin films provided as an MTJ structure on the third
상기 자유막 상에 하드 마스크막을 형성하고, 상기 하드 마스크막을 식각하여 하드 마스크 패턴(126a)을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴(126a)을 식각 마스크로 사용하여 하부의 MTJ 구조물로 제공되는 박막들을 식각함으로써 베리어 금속막 패턴(118a), 고정막 적층 패턴(121), 터널 베리어막 패턴(122a) 및 자유막 패턴(124a)이 적층된 MTJ 구조물을 형성한다. 상기 식각 공정에서, 불소 함유 가스 및 암모니아(NH3) 가스를 포함하는 식각 가스와 상기 하드 마스크의 소모를 억제하기 위한 산소 가스를 함께 사용한다. 또한, 상기한 식각 가스들을 사용하는 플라즈마 반응성 식각을 통해 상기 자성 물질막들을 식각한다. 상기에서 설명한 공정들은 도 7 내지 도 9를 참조로 설명한 것과 동일하다. 상기 식각 공정을 수행하면, 하드 마스크 패턴(126a)의 표면에는 금속 산화막(127)이 형성된다.A hard mask film is formed on the free film, and the hard mask film is etched to form a
도 13을 참조하면, 상기 MTJ 구조물을 덮는 제4 층간 절연막(128a)을 형성한다. 상기 제4 층간 절연막(128a)의 일부 영역을 식각하여 도전성을 갖는 마스크 패턴의 상부면을 노출하는 콘택홀을 형성한다. 상기 콘택홀 내부에 도전 물질을 채우고, 상기 제4 층간 절연막(128a)의 상부면이 노출되도록 상기 도전 물질을 연마함으로써 상부 전극 콘택(230)을 형성한다.Referring to FIG. 13, a fourth
상기 제4 층간 절연막(128a) 및 상기 상부 전극 콘택(230) 상에 도전막을 형성하고 이를 패터닝함으로써, 비트 라인(232)을 형성한다.A
그러나, 공정을 단순화시키기 위하여, 상기 상부 전극 콘택(230)을 형성하지 않고, 상기 하드 마스크 패턴(126a)과 직접 접촉하도록 비트 라인(232)을 형성할 수도 있다.
However, in order to simplify the process, the
실시예 3Example 3
이하에서 설명하는 실시예 3의 자성 패턴 형성 방법은 실시예 1의 자성 패턴 형성 방법을 동일하게 수행한 다음, 후속 처리를 더 수행한다.The magnetic pattern forming method of Embodiment 3 described below performs the same method of forming the magnetic pattern of Embodiment 1, and then performs further processing.
구체적으로, 도 2 및 도 3을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행하여, 도 3에 도시된 자성 물질막(12)들을 형성한다. 이후, 도 4를 참조로 설명한 것과 같이, 상기 자성 물질막(12)들을 식각함으로써 자성 패턴(14)을 형성한다.Specifically, the same processes as those described with reference to FIGS. 2 and 3 are performed to form the
상기 자성 패턴(14)을 형성하기 위한 식각 공정이 완료되면, 상기 자성 패턴(14)의 표면 클리닝 및 잔류 폴리머를 제거하면서, 상기 하드 마스크 패턴(16)의 소모를 억제시키기 위한 후속 처리가 수행된다. 상기 후속 처리는 상기 식각 공정이 수행된 식각 챔버 내에서 인시튜로 진행될 수 있다.When the etching process for forming the
이하에서는, 상기 후속 처리에 대해 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the following process will be described in more detail.
도 14는 본 발명의 실시예 3에 따라 자성 물질막을 식각 및 후속 처리할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.14 is a timing chart showing influx of a reaction gas when etching and subsequent processing of a magnetic material film according to Embodiment 3 of the present invention.
도 4 및 도 14를 참조하면, 상기 후속 처리 공정은 암모니아 가스, 불소 함유 가스 및 산소 가스를 사용한다. 상기 후속 처리 공정에서 사용되는 불소 함유 가스는 식각 공정시에 사용하였던 가스와 동일한 것이 바람직하다. 그러나, 상기 불소 함유 가스는 식각 공정시에 사용하였던 가스와 다른 가스로 사용할 수도 있다. 상기 불소 함유 가스의 예로는 SF6, NF3, SiF4, CF4 등을 들 수 있다. 이와같이, 상기 후속 처리 공정은 식각 공정과 동일한 가스를 사용하지만, 각 가스의 유량이 상기 식각 공정 시와 다르다.Referring to FIGS. 4 and 14, the subsequent processing uses ammonia gas, fluorine-containing gas, and oxygen gas. The fluorine-containing gas used in the subsequent treatment step is preferably the same as the gas used in the etching step. However, the fluorine-containing gas may be used as a gas other than the gas used in the etching process. Examples of the fluorine-containing gas include SF 6 , NF 3 , SiF 4 , CF 4 , and the like. Thus, the subsequent process uses the same gas as the etching process, but the flow rate of each gas differs from that in the etching process.
상기 자성 패턴(14)의 표면을 건식 클리닝하고 잔류 폴리머를 제거하기 위하여, 상기 후속 처리 공정에서는, 불소를 포함하는 가스를 증가시키고, 폴리머를 생성시키는 식각 가스인 암모니아 가스를 감소시킨다. 따라서, 상기 불소 함유 가스의 유량은 상기 암모니아 가스와 동일하거나, 상기 암모니아 가스보다 더 많은 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 암모니아 및 불소 함유 가스의 유량비는 1 : 1 내지 50인 것이 바람직하다.In order to dry-clean the surface of the
또한, 상기 불소 함유 가스에 의해 자성 패턴(14) 상에 구비되는 하드 마스크 패턴(16)이 과도하게 식각되지 않도록 상기 식각 공정보다 짧은 시간동안 상기 후속 처리 공정을 수행한다.Further, the subsequent processing process is performed for a shorter time than the etching process so that the
또한, 상기 불소 함유 가스에 의해 자성 패턴(14) 상에 구비되는 하드 마스크 패턴(16)이 과도하게 식각되지 않도록 하기 위하여, 상기 식각 공정시에 비해 산소 가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 상기 후속 처리 공정은 단시간에 이루어지므로, 상기 식각 공정시에 비해 산소 가스의 유입을 증가시키더라도 상기 자성 패턴(14)의 표면이 산화되지 않게 할 수 있다. 그러나, 이와는 달리, 상기 후속 처리 공정시에 상기 산소 가스는 상기 식각 공정 시와 동일한 유량으로 제공될 수도 있다.Further, the flow rate of the oxygen gas can be increased in comparison with the etching process in order to prevent the
상기 후속 처리 공정에서, 상기 산소 가스가 불소 함유 가스 유량의 0.1배보다 작으면 상기 하드 마스크 패턴(16)의 소모를 억제하기가 어렵다. 반면에, 상기 산소 가스가 불소 함유 가스 유량의 2배보다 많으면, 불소 함유 가스에 의한 도전성 폴리머의 제거 효과가 떨어지고 산소 가스에 의해 자성 패턴의 표면이 산화될 수도 있다. 그러므로, 상기 후속 처리 공정에서 상기 산소 가스는 불소 함유 가스 유량의 0.1 내지 2배 유량으로 유입되는 것이 바람직하다.In the subsequent processing step, if the oxygen gas is smaller than 0.1 times the flow rate of the fluorine-containing gas, it is difficult to suppress the consumption of the
상기 후속 처리 공정은 10℃ 내지 300℃의 온도 및 1 내지 10mTorr의 압력 하에서 수행할 수 있다. 상기 후속 처리 공정에서, 온도 및 압력 조건은 이 전의 식각 공정과 동일한 것이 바람직하지만, 상기 식각 공정과 다를 수도 있다.The subsequent treatment may be carried out at a temperature of from 10 캜 to 300 캜 and a pressure of from 1 to 10 mTorr. In the subsequent processing step, the temperature and pressure conditions are preferably the same as in the previous etching process, but may be different from the etching process.
또한, 상기 후속 처리 공정시에 700 내지 1500W의 마이크로 웨이브 파워, 200 내지 700W의 R.F 바이어스 파워가 가해질 수 있다. 상기 후속 처리 공정에서, 마이크로 웨이브 파워, 및 R.F 바이어스 파워조건은 이 전의 식각 공정과 동일한 것이 바람직하지만, 상기 식각 공정과 다를 수도 있다.Microwave power of 700 to 1500 W and R.F bias power of 200 to 700 W can be applied in the subsequent processing step. In the subsequent processing step, the microwave power and R.F bias power conditions are preferably the same as the previous etching process, but they may be different from the etching process.
상기 설명한 방법에 의하면, 자기 터널 접합 구조를 갖고, 측벽에 도전성 폴리머가 거의 생성되지 않으면서도 하드 마스크 패턴의 소모가 거의 없는 자성 패턴을 형성할 수 있다.According to the above-described method, it is possible to form a magnetic pattern having a magnetic tunnel junction structure and hardly consuming a hard mask pattern without generating a conductive polymer on the side wall.
또한, 상기 자성 패턴 형성을 위한 식각 방법을 이용하여, 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.In addition, a magnetic memory element can be formed using the above-described etching method for forming a magnetic pattern.
일 예로, 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행한 후, 상기 실시예 3에 따른 식각 방법을 통해 MTJ 구조물용 박막들을 식각하여 MTJ 구조물을 형성한다. 다음에, 도 10을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 10에 도시된 스핀 주입 토크 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.For example, after performing the same process as described with reference to FIGS. 6 to 8, the MTJ structure is formed by etching the thin films for the MTJ structure through the etching method according to the third embodiment. Next, the spin injection torque magnetic memory device shown in FIG. 10 can be formed by performing the process described with reference to FIG.
다른 예로, 도 11을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행한 후, MTJ 구조물용 박막들 및 마스크 패턴을 형성한다. 이 후, 상기 실시예 3에 따른 식각 방법을 통해 MTJ 구조물을 식각한다. 다음에, 도 13을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 13에 도시된 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.
As another example, after performing the same process as described with reference to FIG. 11, thin films and a mask pattern for the MTJ structure are formed. Thereafter, the MTJ structure is etched through the etching method according to the third embodiment. Next, the magnetic memory element shown in FIG. 13 can be formed by performing the process described with reference to FIG.
실시예 4Example 4
이하에서 설명하는 실시예 4의 자성 패턴 형성 방법은 실시예 1의 자성 패턴 형성 방법을 동일하게 수행한 다음, 후속 처리를 더 수행한다.The magnetic pattern forming method of Embodiment 4 described below performs the same method of forming the magnetic pattern of Embodiment 1, and then performs further processing.
도 15는 본 발명의 실시예 4에 따라 자성 물질막을 식각 및 후속 처리할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.FIG. 15 is a timing chart showing influent of a reaction gas when etching and subsequent processing of a magnetic material film according to Embodiment 4 of the present invention. FIG.
도 4 및 도 15를 참조하면, 상기 후속 처리 공정은 불소 함유 가스 및 산소 가스만이 사용되며, 암모니아 가스는 사용되지 않는다.4 and 15, only the fluorine-containing gas and the oxygen gas are used in the subsequent treatment process, and ammonia gas is not used.
상기 후속 처리 공정에서 사용되는 불소 함유 가스는 식각 공정시에 사용하였던 가스와 동일한 것이 바람직하다. 그러나, 상기 불소 함유 가스는 식각 공정시에 사용하였던 가스와 다른 가스로 사용할 수도 있다. 상기 불소 함유 가스의 예로는 SF6, NF3, SiF4, CF4 등을 들 수 있다.The fluorine-containing gas used in the subsequent treatment step is preferably the same as the gas used in the etching step. However, the fluorine-containing gas may be used as a gas other than the gas used in the etching process. Examples of the fluorine-containing gas include SF 6 , NF 3 , SiF 4 , CF 4 , and the like.
상기 후속 처리 공정에서, 상기 자성 패턴(14)의 표면을 건식 클리닝하고 잔류 폴리머를 제거하기 위하여, 불소를 포함하는 가스만을 유입하며, 폴리머를 생성시키는 식각 가스인 암모니아 가스는 유입하지 않는다.In the subsequent processing step, in order to dry-clean the surface of the
상기 후속 처리 공정에서 유입되는 불소 함유 가스의 유량은 상기 식각 공정시에 유입되는 불소 함유 가스와 동일하거나 또는 상기 식각 공정시에 유입되는 불소 함유 가스보다 더 많은 것이 바람직하다.It is preferable that the flow rate of the fluorine-containing gas flowing in the subsequent processing step is larger than the fluorine-containing gas flowing in the etching step or more than the fluorine-containing gas flowing in the etching step.
또한, 상기 불소 함유 가스에 의해 자성 패턴 상에 구비되는 하드 마스크 패턴(16)이 과도하게 식각되지 않도록 상기 식각 공정보다 짧은 시간동안 상기 후속 처리 공정을 수행한다.Further, the subsequent processing process is performed for a shorter time than the etching process so that the
이에 더하여, 상기 불소 함유 가스에 의해 자성 패턴 상에 구비되는 하드 마스크 패턴(16)이 과도하게 식각되지 않도록 하기 위하여, 상기 식각 공정시에 비해 산소 가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 그러나, 이와는 달리, 상기 후속 처리 공정시에 상기 산소 가스는 상기 식각 공정 시와 동일한 유량으로 제공될 수도 있다. 상기 산소 가스의 유량은 상기 불소 함유 가스의 0.1 내지 2배일 수 있다.In addition, the flow rate of the oxygen gas can be increased compared with the etching process in order to prevent the
상기 후속 처리 공정은 10℃ 내지 300℃의 온도 및 1 내지 10mTorr의 압력 하에서 수행할 수 있다. 상기 후속 처리 공정에서, 온도 및 압력 조건은 이 전의 식각 공정과 동일한 것이 바람직하지만, 상기 식각 공정과 다를 수도 있다.The subsequent treatment may be carried out at a temperature of from 10 캜 to 300 캜 and a pressure of from 1 to 10 mTorr. In the subsequent processing step, the temperature and pressure conditions are preferably the same as in the previous etching process, but may be different from the etching process.
또한, 상기 후속 처리 공정시에 700 내지 1500W의 마이크로 웨이브 파워, 200 내지 700W의 R.F 바이어스 파워가 가해질 수 있다. 상기 후속 처리 공정에서, 마이크로 웨이브 파워, 및 R.F 바이어스 파워조건은 이 전의 식각 공정과 동일한 것이 바람직하지만, 상기 식각 공정과 다를 수도 있다.Microwave power of 700 to 1500 W and R.F bias power of 200 to 700 W can be applied in the subsequent processing step. In the subsequent processing step, the microwave power and R.F bias power conditions are preferably the same as the previous etching process, but they may be different from the etching process.
상기 설명한 방법에 의하면, 자기 터널 접합 구조를 갖고, 측벽에 도전성 폴리머가 거의 생성되지 않는 자성 패턴(14)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 자성 패턴(14) 상의 하드 마스크 패턴(16)이 거의 소모되지 않고, 상기 하드 마스크 패턴(16) 표면에는 금속 산화물이 형성된다.According to the above-described method, the
또한, 상기 자성 패턴 형성을 위한 식각 방법을 동일하게 사용하여, 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.In addition, a magnetic memory element can be formed by using the same etching method for forming the magnetic pattern.
일 예로, 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행한 다음, 상기 실시예 4에 따른 식각 방법을 통해 MTJ 구조물용 박막들을 식각하여 MTJ 구조물을 형성한다. 다음에, 도 10을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 10에 도시된 스핀 주입 토크 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.For example, the MTJ structure is formed by performing the same processes as described with reference to FIGS. 6 to 8, and then etching the thin films for the MTJ structure through the etching method according to the fourth embodiment. Next, the spin injection torque magnetic memory device shown in FIG. 10 can be formed by performing the process described with reference to FIG.
다른 예로, 도 11을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행한 다음, MTJ 구조물용 박막들 및 마스크 패턴을 형성한다. 이 후, 상기 실시예 4에 따른 식각 방법을 통해 MTJ 구조물을 식각한다. 다음에, 도 13을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 13에 도시된 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.
As another example, the same process as described with reference to FIG. 11 is performed, and then the thin films and the mask pattern for the MTJ structure are formed. Thereafter, the MTJ structure is etched through the etching method according to the fourth embodiment. Next, the magnetic memory element shown in FIG. 13 can be formed by performing the process described with reference to FIG.
실시예 5Example 5
이하에서 설명하는 실시예 5의 자성 패턴 형성 방법은 자성막의 식각 방법과 상기 식각 공정 이 후에 후속 처리를 수행한다는 점에서 실시예 1과 차이가 있다.The magnetic pattern forming method of
구체적으로, 도 2 및 도 3을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행하여, 도 3에 도시된 자성 물질막(12)들을 형성한다. 이 후, 상기 자성 물질막들을 식각하여 자성 패턴(14)을 형성하고, 상기 자성 패턴(14)에 대해 후속 처리를 한다.Specifically, the same processes as those described with reference to FIGS. 2 and 3 are performed to form the
도 16은 본 발명의 실시예 5에 따라 자성 물질막을 식각 및 후속 처리할 때의 반응 가스의 유입을 나타내는 타이밍도이다.16 is a timing chart showing influent of a reaction gas when etching and subsequent processing of a magnetic material film according to
도 4 및 16을 참조하면, 상기 자성 물질막(12)은 암모니아(NH3) 및 산소 가스를 식각 가스로 사용하여 식각한다. 상기 식각 단계에서, 상기 산소 가스는 상기 암모니아 가스 유량의 10%보다 작은 유량으로 유입되는 것이 바람직하다. 상기 산소 가스는 10 내지 100sccm의 유량을 유입한다.Referring to FIGS. 4 and 16, the
도시되지는 않았지만, 상기 암모니아 가스에 추가적으로 비활성 가스를 더 유입할 수 있다. 상기 비활성 가스는 아르곤을 포함한다.Although not shown, an additional inert gas may be further introduced into the ammonia gas. The inert gas includes argon.
상기 암모니아 가스는 상기 자성 물질의 금속과 반응하여 금속 암모늄을 생성시키고, 상기 생성된 금속 암모늄이 휘발됨으로써 상기 자성 물질막을 식각한다. 상기 암모니아 가스는 상기 열거된 자성 물질막(12)들을 빠르게 식각할 수 있다. 또한, 상기 산소 가스는 상기 하드 마스크 패턴(16) 표면에 금속 산화물(18)을 생성시킴으로써 상기 하드 마스크 패턴(16)이 소모되는 것을 억제한다.The ammonia gas reacts with the metal of the magnetic material to produce metal ammonium, and the generated metal ammonium is volatilized to thereby etch the magnetic material film. The ammonia gas can quickly etch the
상기 식각 공정은 10℃ 내지 300℃의 온도 및 1 내지 10mTorr의 압력 하에서 수행할 수 있다. 또한, 상기 식각 공정시에 700 내지 1500W의 마이크로 웨이브 파워, 200 내지 700W의 R.F 바이어스 파워가 가해질 수 있다.The etching process may be performed at a temperature of 10 to 300 DEG C and a pressure of 1 to 10 mTorr. Microwave power of 700 to 1500 W and R.F bias power of 200 to 700 W can be applied during the etching process.
상기 식각 공정을 통해 자성 패턴(14)을 형성한다.The
상기 식각 공정이 완료되면, 후속 처리를 위하여 불소 함유 가스를 유입한다. 상기 후속 처리 시에, 상기 암모니아 가스는 유입하지 않을 수 있다. 그러나, 이와는 달리, 상기 암모니아 가스의 유입량을 감소시킬 수도 있다. 상기에서 설명한 것과 같이, 상기 불소 함유 가스를 유입함으로써, 상기 자성 패턴(14)의 표면을 건식 클리닝하고 잔류 폴리머를 제거할 수 있다.When the etching process is completed, a fluorine-containing gas is introduced for subsequent processing. During the subsequent treatment, the ammonia gas may not flow. Alternatively, however, the inflow amount of the ammonia gas may be reduced. As described above, by introducing the fluorine-containing gas, the surface of the
또한, 상기 후속 처리 시에 상기 하드 마스크 패턴(16)의 소모를 억제시키기 위하여, 상기 식각 공정에 비해 산소 가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 상기 산소 가스는 상기 불소 함유 가스 유량의 0.1 내지 2배의 유량으로 유입할 수 있다.Also, in order to suppress the consumption of the
상기 설명한 공정을 통해, 자기 터널 접합 구조를 갖고, 측벽에 도전성 폴리머가 거의 생성되지 않는 자성 패턴(14)을 형성할 수 있다. 또한, 상기 하드 마스크 패턴(16)이 거의 소모되지 않음으로써 측벽 프로파일이 우수한 자성 패턴(14)을 형성할 수 있다.Through the above-described process, a
또한, 상기 자성 패턴 형성을 위한 식각 방법을 동일하게 사용하여, 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.In addition, a magnetic memory element can be formed by using the same etching method for forming the magnetic pattern.
일 예로, 도 6 내지 도 8을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행하고, 상기 실시예 5에 따른 식각 방법을 통해 MTJ 구조물용 박막들을 식각하여 MTJ 구조물을 형성한다. 다음에, 도 10을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 10에 도시된 스핀 주입 토크 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.For example, the MTJ structure is formed by performing the same process as described with reference to FIGS. 6 to 8 and etching the thin films for the MTJ structure through the etching method according to the fifth embodiment. Next, the spin injection torque magnetic memory device shown in FIG. 10 can be formed by performing the process described with reference to FIG.
다른 예로, 도 11을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행하고, MTJ 구조물용 박막들 및 마스크 패턴을 형성한다. 이 후, 상기 실시예 5에 따른 식각 방법을 통해 MTJ 구조물을 식각한다. 다음에, 도 13을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 13에 도시된 자기 메모리 소자를 형성할 수 있다.
As another example, the same process as described with reference to FIG. 11 is performed and thin films and mask patterns for the MTJ structure are formed. Thereafter, the MTJ structure is etched through the etching method according to the fifth embodiment. Next, the magnetic memory element shown in FIG. 13 can be formed by performing the process described with reference to FIG.
비교 실험 1Comparative Experiment 1
샘플 1Sample 1
도 17은 본 발명의 실시예 1의 식각 방법을 이용하여 형성된 MTJ 구조물의 샘플 1을 나타내는 단면도이다.17 is a cross-sectional view showing a sample 1 of an MTJ structure formed using the etching method of Example 1 of the present invention.
샘플 1은 아래에 설명한 방법으로 제조하였다.Sample 1 was prepared by the method described below.
도 17에 도시된 것과 같이, 기판(10) 상에 MTJ 물질막을 형성하였다. 구체적으로, Ta으로 이루어지는 베리어 금속막을 형성하였다. 상기 Ta막 상에는 망간백금(PtMn)막으로 이루어진 고정막을 형성하였다. 상기 고정막 상에는 CoFe막, Ru막 및 CoFe막이 적층하였다. 또한, 상기 CoFe막 상에는 MgO막으로 이루어진 터널 베리어막을 형성하였다. 상기 MgO막 상에 CoFeB막으로 이루어진 자유막을 형성하였다.An MTJ material film was formed on the
상기 MTJ 물질막 상에 하드 마스크막을 형성하였다. 상기 하드 마스크막은 티타늄막 및 티타늄 질화막을 형성하였다. 이 후, 상기 하드 마스크막을 패터닝하여 하드 마스크 패턴(16)을 형성하였다. 상기 하드 마스크 패턴(16)은 티타늄/티타늄 질화막 패턴이 적층된 형상을 갖는다. 이 때, 하드 마스크 패턴(16)의 선폭은 약 50㎚이었다.A hard mask film was formed on the MTJ material film. The hard mask film formed a titanium film and a titanium nitride film. Thereafter, the hard mask film was patterned to form a
계속하여, 도 4를 참조로 설명한 식각 공정을 통해 상기 MTJ 물질막을 식각함으로써, 약 50㎚의 선폭을 갖는 MTJ 구조물(14)을 형성하였다. 상기 식각 공정시에 사용된 식각 가스는 SF6, NH3 및 산소 가스이었다. 각 식각 가스의 유량은, NH3 가스 2000sccm, SF6 가스 50sccm, 산소 가스 30sccm이었다. 상기 식각 공정을 수행하면, 상기 하드 마스크 패턴(16)의 표면에는 금속 산화물(18)이 형성된다.Subsequently, the MTJ material film was etched through the etching process described with reference to FIG. 4 to form the
상기한 방법으로, 터널 베리어 패턴의 저항이 다른 복수의 샘플 1들을 제조하였다.In the above-described manner, a plurality of samples 1 having different resistances of the tunnel barrier pattern were prepared.
비교 샘플 1Comparative Sample 1
도 18은 본 발명의 실시예들과 비교하기 위한 MTJ 구조물의 비교 샘플 1을 나타내는 단면도이다.18 is a cross-sectional view showing a comparative sample 1 of an MTJ structure for comparison with the embodiments of the present invention.
산소 가스의 유입에 따른 하드 마스크 패턴의 소모량 차이를 비교하기 위하여, 비교 샘플 1을 제조하였다. 즉, 기판(10) 상에 MTJ 물질막 및 하드 마스크막을 형성하였다. 상기 하드 마스크막을 패터닝하여 하드 마스크 패턴(16a)을 형성하였다. 상기 MTJ 물질막 및 하드 마스크 패턴(16a)은 샘플 1에서 설명한 것과 동일한 방법으로 형성하였다.Comparative Sample 1 was prepared in order to compare the difference in consumption of the hard mask pattern due to the flow of oxygen gas. That is, an MTJ material film and a hard mask film were formed on the
계속하여, 상기 MTJ 물질막을 식각함으로써, 약 50㎚의 선폭을 갖는 MTJ 구조물(14)을 형성하였다. 상기 식각 공정시에 사용된 식각 가스는 SF6 및 NH3를 사용하였으며, 이 때 산소 가스는 유입하지 않았다. 각 식각 가스의 유량은, NH3 가스 2000sccm, SF6 가스 50sccm이었다. 상기 식각 공정을 수행하면, 상기 하드 마스크 패턴(16a)의 표면에는 금속 산화물이 형성되지 않는다.Subsequently, the MTJ material film was etched to form an
상기 방법을 이용하여, 터널 베리어 패턴의 저항이 다른 복수의 비교 샘플들을 제조하였다.Using this method, a plurality of comparative samples having different resistances of the tunnel barrier pattern were prepared.
상기 샘플 1 및 비교 샘플 1들에 대해 각각 자기 저항비를 측정하였다.Resistivity ratios were measured for the sample 1 and the comparative sample 1, respectively.
도 19는 샘플 1들에서 측정된 저항별 자기 저항비를 나타내는 그래프이다.19 is a graph showing a resistance-to-resistance ratio measured in the sample 1;
도 19를 참조하면, 상기 MTJ 구조물에 포함된 터널 베리어막 패턴의 저항에 관계없이, 복수개의 샘플 1의 자기 저항비가 대부분 80%이상으로 높게 측정되었다. 또한, 샘플 1들의 자기 저항비 평균은 약 91.3%로 높게 측정되었다. 또한, 상기 샘플 1들에서는 상기 고정막 적층 패턴과 자유막 패턴이 쇼트되어 자기 저항비가 20% 이하로 낮아지는 불량이 발생되지 않았다. 또한, 샘플 1들에서의 자기 저항비의 산포는 4.4%이었다.Referring to FIG. 19, the magnetoresistance ratio of a plurality of samples 1 was measured to be as high as 80% or more, regardless of the resistance of the tunnel barrier film pattern included in the MTJ structure. Also, the magnetoresistive ratio average of the sample 1 was measured to be as high as about 91.3%. Further, in the samples 1, the fixed film laminated pattern and the free film pattern were short-circuited, and no defects such that the magnetoresistive ratio was lowered to 20% or less did not occur. Also, the dispersion of the magnetoresistive ratio in the sample 1 was 4.4%.
도 20은 비교 샘플 1들에서 측정된 저항별 자기 저항비를 나타내는 그래프이다.20 is a graph showing a resistance-to-resistance ratio measured in Comparative Sample 1. FIG.
도 20을 참조하면, 비교 샘플 1들에서는 자기 저항비가 70% 이하로 낮은 값을 갖는 비교 샘플들이 다발하였다. 또한, 상기 고정막 적층 패턴과 자유막 패턴이 쇼트되어 자기 저항비가 0% 로 측정되는 비교 샘플들도 발생되었다. 상기 비교 샘플 1들에서는 자기 저항비 평균이 약 51.5%로 낮게 측정되었으며, 자기 저항비의 산포도 16.5%로 높게 측정되었다.Referring to FIG. 20, in the comparative samples 1, comparative samples having a magnetoresistance ratio of as low as 70% or less were mixed. Further, the fixed film laminated pattern and the free film pattern were short-circuited, and comparative samples were also generated in which the magnetoresistance ratio was measured at 0%. In the comparative samples 1, the magnetoresistance ratio average was measured as low as about 51.5%, and the magnitude ratio of the magnetoresistance ratio was measured as high as 16.5%.
도 19 및 20의 실험 결과에 따르면, 본 발명의 방법에 따라 자성막들을 식각함으로써 높은 자기 저항비를 갖는 MTJ 구조물을 제조할 수 있음을 알 수 있었다. 즉, 식각 공정시에 하드 마스크 패턴의 소모를 억제하기 위한 산소 가스가 추가적으로 유입됨으로써 높은 자기 저항비를 갖는 MTJ 구조물이 형성될 수 있음을 알 수 있었다. 특히, 50㎚급의 좁은 선폭을 갖는 MTJ 패턴 구조물을 형성할 경우에는, 산소 가스의 유입이 자기 저항비를 결정짓는데 매우 지배적인 것을 알 수 있었다.According to the experimental results of FIGS. 19 and 20, it can be seen that an MTJ structure having a high magnetoresistance ratio can be manufactured by etching the magnetic films according to the method of the present invention. That is, it was found that the MTJ structure having a high magnetoresistance ratio can be formed by additionally introducing oxygen gas for suppressing the consumption of the hard mask pattern during the etching process. Particularly, in the case of forming an MTJ pattern structure having a narrow line width of 50 nm, it has been found that the inflow of oxygen gas is very dominant in determining the MR ratio.
또한, 본 발명의 방법에 의해 고성능을 가지고 고집적화된 자기 메모리 소자를 제조할 수 있음을 알 수 있었다.Further, it has been found that a magnetic memory device with high performance and high integration can be manufactured by the method of the present invention.
이에 더하여, 본 발명에 의하면, MTJ 구조물의 불량 발생이 감소됨을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명을 적용하는 경우 자기 메모리 소자의 제조 수율이 향상됨을 알 수 있었다.In addition, according to the present invention, occurrence of defects in the MTJ structure is reduced. Therefore, it was found that the manufacturing yield of the magnetic memory device was improved when the present invention was applied.
한편, 도시하지는 않았지만, 300㎚급 이상의 선폭을 갖는 비교적 큰 사이즈의 MTJ 패턴 구조물을 형성하는 경우에는 산소가 유입되지 않더라도 SF6 및 NH3를 식각 가스로 사용하는 것만으로도 80%이상의 높은 자기 저항비를 수득할 수 있었다. 특히, 식각 가스로써 Cl2 및 아르곤을 사용하는 경우와 비교할 때 자기 저항비 특성이 더욱 양호함을 알 수 있었다.On the other hand, in the case of forming a relatively large-sized MTJ pattern structure having a line width of 300 nm or more, though not shown, even if oxygen is not introduced, even if SF 6 and NH 3 are used as an etching gas, The ratio could be obtained. In particular, it was found that the magnetoresistance ratio characteristics were better than those in the case of using Cl 2 and argon as the etching gas.
그러나, 상기에서도 설명한 것과 같이, 30 내지 100㎚ 정도의 좁은 선폭을 갖는 MTJ 패턴 구조물을 형성할 경우에는, 산소 가스의 유입하여 하드 마스크 패턴의 소모를 억제함으로써 목표한 자기 저항비를 수득할 수 있었다.
However, as described above, when the MTJ pattern structure having a narrow line width of about 30 to 100 nm is formed, consumption of the hard mask pattern is suppressed by the flow of oxygen gas, and a desired magnetoresistance ratio can be obtained .
비교 실험 2Comparative Experiment 2
본 발명의 방법에 의해 형성된 산소를 유입하여 식각하였을 때의 MTJ 구조물 및 본 발명과 다르게 산소를 유입하지 않고 식각하였을 때의 MTJ 구조물에 대해 각각 MTJ 구조물에 남아있는 하드 마스크 두께를 비교하였다. 이로써, 산소 가스의 유입에 따른 하드 마스크 패턴의 소모량 차이를 비교하였다. 실험을 위한 샘플은 다음과 같이 제조되었다.The thickness of the hard mask remaining in the MTJ structure was compared with respect to the MTJ structure formed by etching the oxygen formed by the method of the present invention and the MTJ structure obtained by etching without introducing oxygen, unlike the present invention. Thus, the difference in consumption amount of the hard mask pattern due to the inflow of the oxygen gas was compared. Samples for experiments were prepared as follows.
샘플 2는 상기 샘플 1과 동일한 방법으로 제조하였으며, 다만 MTJ 물질막을 식각하는 공정에서 산소 가스의 유량에서 차이가 있다. 즉, 상기 식각 공정에서, 각 식각 가스의 유량은 NH3 가스 2000sccm, SF6 가스 50sccm 및 산소 가스 10sccm이었다. 샘플 2의 MTJ 구조물의 선폭은 약 50㎚이었다.Sample 2 was prepared in the same manner as Sample 1, except that the flow rate of oxygen gas differs in the process of etching the MTJ material film. That is, in the etching process, the flow rates of the respective etching gases were 2000 sccm of NH 3 gas, 50 sccm of SF 6 gas, and 10 sccm of oxygen gas. The line width of the MTJ structure of Sample 2 was about 50 nm.
각 샘플들의 식각 가스 조건The etching gas conditions of each sample
도 21은 식각 공정시에 산소 유입량에 따른 하드 마스크 패턴의 식각된 두께를 나타낸다.21 shows the etched thickness of the hard mask pattern according to the oxygen inflow in the etching process.
도 21을 참조하면, 산소 유입량이 증가할수록 하드 마스크 패턴의 식각 두께가 감소되는 것을 알 수 있었다. 즉, 상기 산소가 유입됨으로써, 식각 중에 상기 하드 마스크 패턴이 제거되는 것을 억제할 수 있었다.
Referring to FIG. 21, it can be seen that the etching thickness of the hard mask pattern decreases as the oxygen inflow amount increases. That is, since the oxygen is introduced, it is possible to suppress the removal of the hard mask pattern during etching.
이하에서는, 상변화 물질막을 식각하여 상변화 패턴을 형성하는데 적합한 식각 방법 및 이를 이용한 상변화 메모리 소자의 제조 방법에 대해 설명하고자 한다.
Hereinafter, an etch method suitable for forming a phase change pattern by etching a phase change material film and a method for manufacturing a phase change memory device using the same will be described.
실시예 6Example 6
도 22 내지 도 24는 본 발명의 실시예 6에 따른 상변화 패턴 형성 방법을 나타내는 단면도들이다.22 to 24 are sectional views showing a method for forming a phase change pattern according to a sixth embodiment of the present invention.
도 22를 참조하면, 기판(50) 상에 상변화 물질을 포함하는 상변화막(52)을 형성한다. 상기 상변화막(52)은 Ge, Sb, Te, In, Bi 중 적어도 3개의 원소의 합금 물질로 형성할 수 있다. 일 예로, 상기 상변화막(52)은 Ge, Sb 및 Te의 합금 물질(Ge2Sb2Te5, GST), In, Sb 및 Te의 합금 물질(IST), Ge, Bi 및 Te의 합금 물질(GBT)과 같은 3상 계열의 물질로 형성될 수 있다. 본 실시예에서, 상기 상변화막은 GST로 형성한다. 상기 GST는 이미 상용화되어 있는 상변화형 광정보저장 장치(CD-RW나 DVD 등)에 널리 사용되어 온 재료로써 매우 안정한 것으로 평가되므로, 상변화막(52)으로써 적합하다.Referring to FIG. 22, a
도 23을 참조하면, 상기 상변화막(52) 상에 제1 마스크막(도시안함)을 형성한다. 상기 제1 마스크막은 금속 또는 금속 질화물로 이루어질 수 있다. 상기 제1 마스크막으로 사용될 수 있는 물질의 예로는 티타늄, 티타늄 질화물, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물, 텅스텐, 텅스텐 질화물 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용되거나 2 이상이 적층된 형상을 가질 수 있다.Referring to FIG. 23, a first mask film (not shown) is formed on the
상기 제1 마스크막 상에는 제2 마스크막(도시안함)이 형성된다. 상기 제2 마스크막은 제1 마스크막을 패터닝하기 위한 식각 마스크로 사용된다. 상기 제2 마스크막은 실리콘 질화물로 형성될 수 있다.A second mask film (not shown) is formed on the first mask film. The second mask film is used as an etching mask for patterning the first mask film. The second mask film may be formed of silicon nitride.
상기 제2 마스크막을 패터닝함으로써 제2 마스크 패턴(56)을 형성한다. 상기 제2 마스크 패턴(56)을 식각 마스크로 사용하여 상기 제1 마스크막을 식각한다. 상기 공정에 의해 상변화막을 식각하기 위한 마스크로 사용되는 제1 마스크 패턴(54)이 형성된다. 이 때, 상기 제1 마스크 패턴(54)들 사이의 이격되는 폭(d)은 1000Å보다 좁게 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 마스크 패턴(54)의 선폭은 30 내지 100㎚일 수 있다.A
도 24를 참조하면, 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)을 식각 마스크로 사용하고, 암모니아(NH3) 가스를 식각 가스로 사용하고 상기 제1 및 제2 마스크 패턴의 소모를 억제하기 위한 산소 가스를 함께 사용하여 상기 상변화막을 플라즈마 반응성 식각한다. 이로써, 상변화 패턴(52a)이 형성된다. 상기 상변화 패턴(52a)의 선폭은 30 내지 100㎚일 수 있다.Referring to FIG. 24, the first and
상기 암모니아 가스는 상기 상변화막(52)에 포함된 상변화 물질들과 반응하고, 상기 반응물이 휘발됨으로써 상기 상변화막(52)을 식각한다.The ammonia gas reacts with the phase change materials contained in the
상기 암모니아 가스를 식각 가스로 사용하는 경우, 상기 상변화막(52)에 포함된 Ge, Sb, Te 원소들 중 특정 원소가 빠르게 식각되지 않고, 각 원소들이 균일한 속도로 식각된다. 그러므로, 식각 공정 중에 상기 상변화막(52)에 포함되는 각 원소들의 조성이 거의 변화되지 않는다. 즉, 상기 식각 공정을 수행할 때 상기 상변화막(52)에 식각 데미지가 거의 발생되지 않는다. 구체적으로, 상기 상변화 패턴(52a)에 포함된 원소들 각각의 성분은 증착 상태에서의 상기 상변화막(52)에 포함된 원소들 각각의 성분과 비교할 때 5% 이내의 차이를 가질 수 있다. 즉, 증착 상태 및 식각 공정 이 후의 상태에서의 상기 Ge, Sb, Te 원소들은 5% 이내의 성분의 차이를 가질 수 있다.When the ammonia gas is used as an etching gas, specific elements among the Ge, Sb and Te elements contained in the
또한, 식각되어야 할 부위의 너비가 매우 좁더라도 식각 속도가 느려지지 않는다. 따라서, 상기 상변화 패턴(52a)은 수직 프로파일이 양호할 뿐 아니라, 좁은 피치를 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 상변화 패턴(52a)의 측벽 및 상기 상변화 패턴(52a)들 사이의 평탄면 사이의 예각(R)은 80°이상일 수 있다. 또한, 상기 상변화 패턴(52a)들 사이의 간격은 1000Å보다 작을 수 있다. 이와같이, 좁은 간격을 갖는 상변화 패턴(52a)들을 형성하더라도, 상기 상변화 패턴(52a)들 사이가 식각되지 않는 언에치 불량이 거의 발생되지 않는다.In addition, even if the width of the portion to be etched is very narrow, the etching rate is not slowed down. Therefore, the
상기 암모니아 가스를 사용하여 식각 공정을 수행할 때 발생되는 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)의 소모를 억제시키기 위하여 식각 공정시에 산소 가스를 함께 유입한다. 상기 산소 가스는 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)의 표면과 반응하여 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56) 표면에 산화물(57)을 형성시킨다. 식각 공정시에, 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56) 표면에 생성된 산화물(57)은 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)에 비해 낮은 식각율을 갖는다. 그러므로, 식각 공정 중에 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)이 제거되는 것을 억제할 수 있다.In order to suppress the consumption of the first and
상기 산소 가스가 다량 유입되는 경우에는, 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)의 표면뿐 아니라, 상기 상변화 패턴(52a)의 표면까지 산화되는 문제가 발생된다. 그러므로, 상기 산소 가스는 상기 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)의 표면을 산화시키면서, 상기 상변화 패턴(52a)의 표면은 산화되지 않을 정도의 유량 범위로 유입되는 것이 바람직하다.When the oxygen gas flows in a large amount, there arises a problem that the surface of the
상기 산소 가스가 암모니아 가스 유량의 10% 이상 유입되는 경우에는, 상기 산소 가스에 의해 상변화 패턴(52a)까지 산화될 수 있으며 산소 가스에 의해 상변화 패턴(52a)의 식각이 방해를 받을 수 있어서 바람직하지 않다. 그러므로, 상기 산소 가스가 암모니아 가스의 유량의 10%보다 작은 유량으로 유입되는 것이 바람직하다.When the oxygen gas flows in at least 10% of the ammonia gas flow rate, the oxygen gas may be oxidized to the
상기 상변화막(52)을 식각하기에 적합한 식각 조건은 다음과 같다. 상기 식각 공정은 10℃ 내지 300℃의 온도 및 1 내지 10mTorr의 압력 하에서 수행할 수 있다. 또한, 상기 식각 공정시에 700 내지 1500W의 마이크로 웨이브 파워, 200 내지 700W의 R.F 바이어스 파워가 가해질 수 있다.The etching conditions suitable for etching the
본 실시예의 방법과 달리, 상변화막(52)을 식각하는데 있어서 일반적으로 사용되는 염소 및 불소와 같은 할로겐 계열의 가스를 사용하는 경우, 상기 상변화막 내에 포함된 원소들 간의 반응성 차이로 인하여 원소들 간의 식각 속도가 서로 다르다. 이로인해, 상기 식각 공정 후에 생성되는 상변화패턴 내의 원소들의 조성이 크게 변하게 된다. 상기 상변화 패턴에 포함된 원소들의 특정 성분이 증가 또는 감소하면, 상기 상변화 패턴은 상변화 특성이 나빠지게 되거나 상변화 특성을 나타내지 못하게 된다. 또한, 상기 상변화 패턴에서 특정 원소가 크게 부족하게 되는 경우에는 상기 상변화 패턴내의 원소들의 결합력이 약해지게 되어 상기 상변화 패턴이 쓰러지는 등의 문제가 발생된다.Unlike the method of the present embodiment, when halogen-based gases such as chlorine and fluorine, which are generally used for etching the
그러나, 설명한 것과 같이, 본 실시예의 방법에 의하면, 상변화막(52)을 식각하는데 있어서 염소 및 불소와 같은 할로겐 계열의 가스를 사용하지 않고 암모니아 가스를 사용하기 때문에 상기 상변화막(52) 내에 포함된 원소들 간의 반응성이 거의 동일하다. 따라서, 상기 식각 공정 후에도 상변화 패턴(52a)에 포함된 원소의 조성이 크게 변하지 않고 균일하게 유지할 수 있다. 또한, 상기 식각 공정에 의해 상기 상변화 패턴(52a) 내의 원소의 결합력이 약해지지 않으므로, 상기 상변화 패턴(52a)이 쓰러지는 등의 문제가 거의 발생되지 않는다. 따라서, 상기 상변화 패턴(52a)은 상변화 특성이 양호하며, 패턴의 측벽 프로파일이 우수하다.However, as described above, according to the method of this embodiment, ammonia gas is used for etching the
본 발명과는 달리, 일반적인 식각 공정을 통해 상변화막을 식각하면, 완성된 상변화 패턴의 표면에 잔류하는 불소 또는 염소를 포함하는 식각 가스에 의해 식각 공정이 완료된 이 후에도 상기 상변화 패턴이 계속하여 손상된다. 그러므로, 상기 상변화 패턴의 신뢰성이 매우 저하된다. 그러나, 본 실시예와 같이, 암모니아 가스를 사용하여 상기 상변화막(52)을 식각하는 경우에는 완성된 상변화 패턴(52a)에 질소 성분이 잔류하여, 상기 상변화 패턴(52a)의 표면이 보호된다. 때문에, 잔류 식각 가스에 의해 상기 상변화 패턴(52a)이 손상되는 문제가 거의 발생되지 않는다. 이로인해, 상기 상변화 패턴(52a)의 신뢰성이 높아진다.Unlike the present invention, when the phase-change film is etched through a general etching process, the phase-change pattern continues after the etching process is completed by the etching gas containing fluorine or chlorine remaining on the surface of the completed phase- It is damaged. Therefore, the reliability of the phase change pattern is greatly reduced. However, when the
일반적인 물리적 식각 공정을 수행하는 경우, 식각 후에 상변화 패턴의 조성이 변화되지는 않지만 패턴 형성 시 측벽 프로파일이 불량할 뿐 아니라 상변화 패턴들 사이의 갭이 좁을 경우 언에치 불량이 다발하게 된다. 그러나, 설명한 것과 같이, 본 실시예의 방법에 의하면, 상변화막을 물리적 식각 공정을 통해 식각하지 않기 때문에, 좁은 피치를 갖는 상변화 패턴(52a)을 용이하게 형성할 수 있다.When a general physical etching process is performed, the composition of the phase change pattern is not changed after the etching, but the sidewall profile is poor at the time of pattern formation, and when the gap between the phase change patterns is narrow, However, as described above, according to the method of this embodiment, since the phase change film is not etched through the physical etching process, the
또한, 식각 공정에서 산소 가스를 유입함으로써, 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)이 소모되는 것을 억제함으로써 원하는 폭 및 형상을 갖는 상변화 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 상기 상변화 패턴(52a)의 특성 산포를 감소시킬 수 있다.Further, by introducing oxygen gas in the etching process, it is possible to suppress the consumption of the first and
이와같이, 본 실시예에 의하면, 식각 전후에 상변화 물질의 조성이 크게 변화하지 않도록 하면서, 좁은 패턴 피치를 가지고, 양호한 수직 프로파일을 갖는 상변화 패턴을 형성할 수 있다.
Thus, according to this embodiment, it is possible to form a phase change pattern with a narrow pattern pitch and a good vertical profile without changing the composition of the phase change material before and after etching.
상변화 메모리 소자 제조Manufacturing phase-change memory devices
도 25 내지 도 28은 본 발명의 일 실시예에 따른 상변화 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.25 to 28 are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a phase-change memory device according to an embodiment of the present invention.
본 실시예의 상변화 메모리 소자를 제조할 때, 도 23 및 도 24를 참고로 설명한 식각 방법이 동일하게 사용된다.When manufacturing the phase change memory element of this embodiment, the same etching method as described with reference to FIGS. 23 and 24 is used.
도 25를 참조하면, 기판(300)에 N형 불순물을 주입하여 불순물 영역(302)을 형성한다. 상기 기판(300)의 일부 영역을 식각하여 제1 방향으로 연장되는 소자 분리용 트렌치(304)를 형성한다. 상기 소자 분리용 트렌치(304) 내부를 채우도록 소자 분리막을 형성하고, 이를 평탄화함으로써 소자 분리막 패턴(306)을 형성한다.Referring to FIG. 25, an
상기 기판(300) 상에 제1 층간 절연막(308)을 형성한다. 상기 제1 층간 절연막(308)을 부분적으로 식각하여 불순물 영역(302)을 노출시키는 제1 개구부(도시안함)를 형성한다. 상기 제1 개구부를 채우도록 실리콘막을 형성한 다음, 상기 제1 층간 절연막(308)의 상부면이 노출되도록 상기 실리콘막을 연마하여 제1 개구부 내부에 실리콘막 패턴을 형성한다.A first
이후, 상기 P형 불순물을 상기 실리콘막 패턴의 상부에 주입하고, N형 불순물을 상기 실리콘막 패턴의 하부에 주입한다. 이로써, 상기 제1 개구부 내부에 N형 불순물이 도핑된 실리콘막 패턴 및 P형 불순물이 도핑된 실리콘막 패턴을 포함하는 P-N 다이오드(310)가 형성된다.Then, the P-type impurity is implanted into the upper portion of the silicon film pattern, and the N-type impurity is implanted into the lower portion of the silicon film pattern. Thereby, a
상기 P-N 다이오드(310) 상에 금속 실리사이드(312a) 및 금속(312b)이 적층된 패드 전극(312)을 형성한다.A
도 26을 참조하면, 상기 제1 층간 절연막(308) 및 패드 전극(312) 상에 제2 층간 절연막(314)을 형성한다. 상기 제2 층간 절연막(314)의 일부분을 식각함으로써, 상기 패드 전극(312)의 상부면 일부를 노출하는 제2 개구부(도시안함)를 형성한다.Referring to FIG. 26, a second
상기 제2 개구부 내부를 채우는 하부 전극 콘택(316)을 형성한다. 구체적으로, 상기 제2 개구부 측벽 및 저면을 따라 베리어 금속막을 형성하고, 상기 베리어 금속막 상에 상기 제2 개구부 내부를 채우는 금속막을 형성한다. 이 후, 상기 제2 층간 절연막의 상부면이 노출되도록 상기 금속막 및 베리어 금속막을 연마함으로써, 베리어 금속막 패턴(316a) 및 금속 패턴(316b)을 포함하는 하부 전극 콘택(316)을 형성한다. 상기 베리어 금속막 패턴(316a)은 티타늄, 티타늄 질화물등을 포함할 수 있으며, 이들은 단독으로 형성되거나, 2층 이상 적층될 수 있다. 또한, 상기 금속 패턴(316b)은 텅스텐, 알루미늄, 구리 등을 포함할 수 있다.A
상기 제2 층간 절연막(314) 및 하부 전극 콘택(316) 상에 상변화막(318)을 형성한다. 상기 상변화막(318)은 Ge, Sb, Te, In, Bi 중 적어도 3개의 원소의 합금 물질로 형성할 수 있다. 본 실시예에서, 칼코게나이드 화합물인 GST를 증착시켜 형성한다. 상기 상변화막(318)은 물리 기상 증착 공정, 화학 기상 증착 공정, 졸-겔 공정, 원자층 적층 공정, 싸이클릭 화학 기상 증착 공정 등을 이용하여 형성될 수 있다.A
상기 상변화막(318) 상에 상부 전극막(320)을 형성한다. 상기 상부 전극막(320)은 티타늄 질화물을 증착시켜 형성할 수 있다. 상기 상부 전극막(320) 상에 하드 마스크막(322)을 형성한다. 상기 하드 마스크막(322)은 실리콘 질화물을 증착시켜 형성할 수 있다.The
도 27을 참조하면, 상기 하드 마스크막(322)을 패터닝하여 하드 마스크 패턴(322a)을 형성한다. 또한, 상기 하드 마스크 패턴(322a)을 식각 마스크로 이용하여 상기 상부 전극막(320)을 패터닝함으로써 상부 전극(320a)을 형성한다. 상기 하드 마스크 패턴(322a)은 30 내지 100㎚의 선폭을 가질 수 있다.Referring to FIG. 27, the
계속하여, 상기 상부 전극(320a) 및 하드 마스크 패턴(322a)을 식각 마스크로 이용하여 상기 상변화막(318)을 식각한다. 구체적으로, 암모니아(NH3) 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 하드 마스크 패턴의 소모를 감소시키기 위한 산소 가스를 함께 사용하여 상기 상변화막(318)을 플라즈마 반응성 식각한다. 이로써, 상변화 패턴(318a)이 형성된다. 상기 상변화막(318)을 식각하는 공정은 도 24를 참조로 설명한 것과 동일하다.Subsequently, the
상기 공정을 통해 형성된 상변화 패턴(318a)은 상기 상변화막(318)과 비교할 때 성분 변화가 거의 없다. 즉, 상기 상변화 패턴(318a)은 표면에 식각 데미지가 거의 발생되지 않는다. 상기 상변화 패턴(318a)은 수직 프로파일이 매우 양호하다. 또한, 상기 상변화 패턴(318a)들 간의 간격이 매우 좁더라도 상기 상변화 패턴(318a)들 사이의 갭 부위가 언에치되는 불량이 거의 발생하지 않는다.The
또한, 상기 산소 가스의 유입에 의해 상기 하드 마스크 패턴(322a) 및 상부 전극(320a)의 표면에는 산화물(321a)이 형성된다. 따라서, 상기 하드 마스크 패턴(322a)의 소모가 감소되며, 상기 상변화 패턴(318a)이 목표한 선폭 및 측벽 프로파일을 가질 수 있고 특성 산포가 작다.In addition, an oxide 321a is formed on the surfaces of the
도 28을 참조하면, 상기 제2 층간 절연막(314) 상에 상기 상부 전극(322a)을 덮는 제3 층간 절연막(324)을 형성한다.Referring to FIG. 28, a third
상기 제3 층간 절연막(324)의 일부분을 식각함으로써, 상기 상부 전극(320a)의 상부면을 일부 노출하는 콘택홀을 형성한다. 상기 콘택홀 내부에 도전 물질을 증착함으로써, 상부 전극 콘택(326)을 형성한다. 상기 상부 전극 콘택(326)은 금속 물질로 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 전극 콘택(326)은 텅스텐으로 형성할 수 있다. 상기 상부 전극 콘택(326) 상에 배선(도시안함)을 형성한다.A part of the third
설명한 것과 같이, 본 실시예에 따르면, 공정 불량이 감소되면서 고집적화된 상변화 메모리 소자를 구현할 수 있다.
As described above, according to the present embodiment, a highly integrated phase-change memory device can be realized with reduced process defects.
실시예 7Example 7
도 29 내지 도 31은 본 발명의 실시예 7에 따른 상변화 메모리 소자 제조 방법을 나타내는 단면도들이다.FIGS. 29 to 31 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a phase change memory device according to a seventh embodiment of the present invention.
본 실시예의 상변화 메모리 소자를 제조할 때, 도 25 및 도 26을 참고로 설명한 식각 방법이 동일하게 사용된다. 즉, 본 실시예에서 상변화막을 식각하는 방법은 실시예 6과 동일하다. 그러나, 상변화 메모리 소자의 구조는 실시예 6과 차이가 있다.In manufacturing the phase change memory element of this embodiment, the etching method described with reference to FIGS. 25 and 26 is used equally. That is, the method of etching the phase change film in this embodiment is the same as that of the sixth embodiment. However, the structure of the phase-change memory element is different from that of the sixth embodiment.
먼저, 도 25를 참조하여 설명한 공정들을 동일하게 수행한다.First, the processes described with reference to FIG. 25 are performed in the same manner.
도 29를 참조하면, 상기 제1 층간 절연막(308) 및 패드 전극(312) 상에 제2 층간 절연막(314)을 형성한다. 상기 제2 층간 절연막(314)을 관통하여 상기 패드 전극(312)과 접촉하는 하부 전극 콘택(316)을 형성한다. 상기 공정은 도 26을 참조로 설명한 것과 동일하다.Referring to FIG. 29, a second
상기 제2 층간 절연막(314) 및 하부 전극 콘택(316) 상에 제3 층간 절연막(350)을 형성한다. 상기 제3 층간 절연막(350)은 실리콘 산화물로 형성되며, 높은 치밀도를 갖는 실리콘 산화물로써 이루어지는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 제3 층간 절연막(350)은 고밀도 플라즈마 공정을 통해 형성된 실리콘 산화물로 형성될 수 있다.A third
상기 제3 층간 절연막(350)의 일부분을 식각하여, 상기 하부 전극 콘택(316)의 상부면을 노출하는 개구부(352)를 형성한다. 상기 개구부(352)는 측벽 경사를 가짐으로써 하부로 갈수록 내부 폭이 좁게 되도록 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 하부 전극 콘택(316)과 후속 공정에서 형성되는 상변화 패턴과의 접촉 면적이 감소된다.A portion of the third
도 30을 참조하면, 상기 개구부(352) 내부를 채우면서 상기 제3 층간 절연막(350) 상에 상변화막(354)을 형성한다. 상기 상변화막(354) 상에 상부 전극막(356)을 형성한다. 상기 상부 전극막(356) 상에 하드 마스크막(358)을 형성한다.Referring to FIG. 30, a
도 31을 참조하면, 상기 하드 마스크막(358)을 패터닝하여 하드 마스크 패턴(358a)을 형성한다. 상기 상부 전극막(356)을 패터닝하여 상부 전극(356a)을 형성한다. 이 때, 상기 상부 전극(356a)은 상기 개구부(352)의 입구 부위를 전면을 덮도록 형성하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 31, the
이 후, 상기 상부 전극(356a) 및 하드 마스크 패턴(358a)을 식각 마스크로 사용하여 상기 상변화막(354)을 식각함으로써 상변화 패턴(354a)을 형성한다. 구체적으로, 암모니아(NH3) 가스를 식각 가스로 사용하고, 상기 하드 마스크의 소모를 억제하기 위한 산소 가스를 함께 사용하여 상기 상변화막(354)을 플라즈마 반응성 식각한다. 상기 상변화막(354)을 식각하는 공정은 도 24를 참조로 설명한 것과 동일하다.Thereafter, the
계속하여, 제3 층간 절연막(350) 상에 상기 상부 전극(356a)을 덮는 제4 층간 절연막(360)을 형성한다. 또한, 상기 제4 층간 절연막(360)을 관통하여 상부 전극 콘택(362)을 형성한다. 상기 상부 전극 콘택(362) 상에 배선(도시안함)을 형성한다.
Then, a fourth
실시예 8Example 8
이하에서 설명하는 실시예 8의 상변화 패턴 형성 방법은 식각 가스 조건을 제외하고 실시예 6의 자성 패턴 형성 방법과 동일하다. 그러므로, 도 22 내지 24를 참조로 설명한다.The method of forming a phase change pattern of Example 8 described below is the same as the method of forming a magnetic pattern of Example 6 except for the etching gas condition. Therefore, it will be described with reference to Figs. 22 to 24.
구체적으로, 도 22 및 도 23을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행하여, 도 23에 도시된 상변화막(52), 제1 및 제2 마스크 패턴(54, 56)을 형성한다.Specifically, the same processes as those described with reference to FIGS. 22 and 23 are performed to form the
다음에, 암모니아(NH3) 가스, 산소 가스 및 보조 식각 가스를 유입하여 상기 상변화막을 플라즈마 반응성 식각함으로써 상변화 패턴(52a)을 형성한다. 이 때, 상기 산소 가스는 암모니아 가스의 10% 이내로 유입할 수 있다. 상기 보조 식각 가스는 CF4, CO, HBr, SF6 등을 들 수 있으며, 이들 중 적어도 하나를 사용할 수 있다. 이에 더하여, 상기 식각 공정시에 비활성 가스를 유입할 수 있다. 상기 비활성 가스는 아르곤, 핼륨 등을 들 수 있다. 상기 비활성 가스를 유입함으로써 식각 챔버 내의 식각 분위기를 조절할 수 있다.Subsequently, ammonia (NH 3 ) gas, oxygen gas, and auxiliary etching gas are introduced to form a
상기 보조 식각 가스를 유입함으로써, 상변화 패턴(52a)의 형상을 용이하게 조절할 수 있다. 즉, 상기 보조 식각 가스는 형성하고자하는 상변화 패턴(52a)의 폭 및 높이, 상변화 패턴(52a)들 간의 간격, 상변화 패턴(52a)들의 측벽 경사 등을 고려하여 유입량을 조절할 수 있다. 또한, 상기 보조 식각 가스의 유입량을 조절함으로써, 상기 상변화막의 식각 속도를 조절할 수 있다.The shape of the
상기 식각 공정은 10℃ 내지 300℃의 온도 및 1 내지 10mTorr의 압력 하에서 수행할 수 있다. 또한, 상기 식각 공정시에 700 내지 1500W의 마이크로 웨이브 파워, 200 내지 700W의 R.F 바이어스 파워가 가해질 수 있다.The etching process may be performed at a temperature of 10 to 300 DEG C and a pressure of 1 to 10 mTorr. Microwave power of 700 to 1500 W and R.F bias power of 200 to 700 W can be applied during the etching process.
본 실시예의 방법으로 상변화 패턴을 형성하더라도, 상기 상변화막(52)에 포함된 Ge, Sb, Te 원소들 중 특정 원소가 빠르게 식각되지 않고, 각 원소들이 균일한 속도로 식각된다. 따라서, 식각 공정 중에 상기 상변화막에 포함되는 각 원소들의 조성이 거의 변화되지 않는다. 즉, 상기 식각 공정에서 상기 상변화막에 식각 데미지가 거의 발생되지 않는다.Even if the phase change pattern is formed by the method of this embodiment, the specific elements among the Ge, Sb, and Te elements included in the
또한, 식각되어야 할 부위의 너비가 매우 좁더라도 식각 속도가 느려지지 않는다. 그러므로, 상기 상변화 패턴은 양호한 수직 프로파일을 갖는다.
In addition, even if the width of the portion to be etched is very narrow, the etching rate is not slowed down. Therefore, the phase change pattern has a good vertical profile.
본 실시예에 따른 상기 식각 방법을 이용하여, 상변화 메모리 소자를 형성할 수 있다.The phase change memory element can be formed using the etching method according to this embodiment.
일 예로, 도 25 및 도 26을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행한 후, 상기 실시예 8에 따른 식각 방법을 통해 상변화막을 식각하여 상변화 패턴을 형성한다. 다음에, 도 28을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 28에 도시된 상변화 메모리 소자를 형성할 수 있다.For example, after performing the same process as described with reference to FIGS. 25 and 26, the phase change film is etched through the etching method according to the eighth embodiment to form a phase change pattern. Next, the phase change memory element shown in Fig. 28 can be formed by performing the process described with reference to Fig.
다른 예로, 도 29 및 30을 참조로 설명한 것과 동일한 공정을 수행한 후, 상기 실시예 8에 따른 식각 방법을 통해 상변화막을 식각하여 상변화 패턴을 형성한다. 다음에, 도 31을 참조로 설명한 공정을 수행하여, 도 31에 도시된 상변화 메모리 소자를 형성할 수 있다.
As another example, after performing the same process as described with reference to FIGS. 29 and 30, the phase change film is etched through the etching method according to the embodiment 8 to form a phase change pattern. Next, the phase change memory element shown in Fig. 31 can be formed by performing the process described with reference to Fig.
도 32는 본 발명의 실시예들의 메모리 소자가 포함된 전자 시스템을 나타내는 블록도이다.32 is a block diagram illustrating an electronic system including memory elements of embodiments of the present invention.
도 32를 참조하면, 전자 시스템(400)은 제어기(410), 입출력 장치(420) 및 기억 장치(430)를 포함할 수 있다.32, the
상기 제어기(410), 입출력 장치(420) 및 기억 장치(430)는 버스(450, bus)를 통하여 서로 커플링(coupling)될 수 있다.The
상기 버스(450)는 데이터들 및/또는 동작 신호들이 이동하는 통로에 해당한다. 상기 제어기(410)는 적어도 하나의 마이크로프로세서, 디지털 신호 프로세서, 마이크로컨트롤러, 및 이들과 유사한 기능을 수행할 수 있는 논리 소자들 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.The
상기 입출력 장치(420)는 키패드, 키보드 및 표시 장치(display device)등에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.The input /
상기 기억 장치(430)는 데이터를 저장하는 장치이다. 상기 기억 장치(430)는 데이터 및/또는 상기 제어기(410)에 의해 실행되는 명령어 등을 저장할 수 있다. 상기 기억 장치(430)는 상술한 실시예의 방법에 의해 제조된 자기 메모리 소자를 포함할 수 있다. 상기 전자 시스템(400)은 통신 네트워크로 데이터를 전송하거나 통신 네트워크로부터 데이터를 수신하기 위한 인터페이스(440)를 더 포함할 수 있다. 상기 인터페이스(440)는 유선 또는 무선 형태일 수 있다. 예컨대, 상기 인터페이스(440)는 안테나 또는 유무선 트랜시버 등을 포함할 수 있다.The
상기 전자 시스템(400)은 모바일 시스템, 개인용 컴퓨터, 산업용 컴퓨터 또는 다양한 기능을 수행하는 시스템 등으로 구현될 수 있다. 예컨대, 상기 모바일 시스템은 개인 휴대용 정보 단말기(PDA; Personal Digital Assistant), 휴대용 컴퓨터, 웹 타블렛(web tablet), 모바일폰(mobile phone), 무선폰(wireless phone), 랩탑(laptop) 컴퓨터, 메모리 카드, 디지털 뮤직 시스템(digital music system) 또는 정보 전송/수신 시스템 등일 수 있다. 상기 전자 시스템(400)이 무선 통신을 수행할 수 있는 장비인 경우에, 상기 전자 시스템(400)은 CDMA, GSM, NADC, E-TDMA, WCDAM, CDMA2000 같은 3세대 통신 시스템 같은 통신 인터페이스 프로토콜에서 사용될 수 있다.
The
도 33은 본 발명의 실시예들의 반도체 소자를 포함하는 메모리 카드를 나타내는 블록도이다.33 is a block diagram showing a memory card including semiconductor elements according to embodiments of the present invention.
도 33을 참조하면, 메모리 카드(500)는 기억 장치(510) 및 메모리 제어기(520)를 포함한다.Referring to FIG. 33, the
상기 기억 장치(510)는 데이터를 저장할 수 있다. 상기 기억 장치(510)는 전원 공급이 중단될지라도 저장된 데이터를 그대로 유지하는 비휘발성 특성을 갖는 것이 바람직하다. 상기 기억 장치(510)는 상술한 실시예들에 의해 제조된 자기 메모리 소자를 포함할 수 있다. 상기 메모리 제어기(520)는 호스트(host)의 판독/쓰기 요청에 응답하여 상기 기억 장치(510)에 저장된 데이터를 독출하거나, 상기 기억 장치(510)에 데이터를 저장할 수 있다.The
10 : 기판 12: 자성 물질막
100, 200 : 반도체 기판 104, 204 : 게이트 전극
108, 208 : 제1 층간 절연막 110 : 제1 콘택 플러그
112 : 도전 패턴 114 : 제2 층간 절연막
118 : 베리어 금속막 120 : 고정막 구조물
122 : 터널 베리어막 124 : 자유막
126a: 하드 마스크 패턴 128 : 제3 층간 절연막
130 : 상부 전극 콘택 132, 232 : 비트 라인
212a : 디짓라인 212b : 패드 전극
50 : 기판 52 : 상변화막
54 : 제1 마스크 패턴 56 : 제2 마스크 패턴
300 : 기판 302 : 불순물 영역
308 : 제1 층간 절연막 310 : PN 다이오드
312 : 패드 전극 314 : 제2 층간 절연막
318 : 상변화막 320 : 상부 전극막
322 : 하드 마스크막 324 : 제3 층간 절연막
326 : 상부 전극 콘택10: substrate 12: magnetic material film
100, 200:
108, 208: first interlayer insulating film 110: first contact plug
112: conductive pattern 114: second interlayer insulating film
118: Barrier metal film 120: Fixed film structure
122: tunnel barrier film 124: free film
126a: Hard mask pattern 128: Third interlayer insulating film
130:
212a:
50: substrate 52: phase change film
54: first mask pattern 56: second mask pattern
300: substrate 302: impurity region
308: first interlayer insulating film 310: PN diode
312: pad electrode 314: second interlayer insulating film
318: phase change film 320: upper electrode film
322: hard mask film 324: third interlayer insulating film
326: upper electrode contact
Claims (10)
상기 자성 물질막 상에 금속을 포함하는 하드 마스크 패턴을 형성하는 단계;
불소 함유 가스 및 암모니아 가스를 혼합한 식각 가스와, 하드 마스크 패턴의 소모를 방지하는 산소 가스를 사용하여 상기 자성 물질막을 플라즈마 반응성 식각함으로써 자성 패턴을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴 구조물 형성 방법.Forming a magnetic material film on the substrate, the magnetic material film including at least one magnetic material;
Forming a hard mask pattern including a metal on the magnetic material film;
Forming a magnetic pattern by plasma-reactive-etching the magnetic material film using an etching gas obtained by mixing a fluorine-containing gas and an ammonia gas and an oxygen gas for preventing consumption of a hard mask pattern, Way.
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