KR102518467B1 - 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법 - Google Patents

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Abstract

단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법으로서, 사용되는 식각 장치에 샘플 탑재 쳄버, 진공 전환 쳄버, 반응 이온 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버, 코팅 쳄버 및 진공 전송 쳄버가 포함되고, 진공이 중단되지 않는 상황 하에, 반응 이온 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버에서 특정된 단계에 따라 웨이퍼 가공 및 처리를 실행한다. 본 개시는 고밀도의 소형 소자의 생산 공정에서 마스킹 효과에 의한 영향을 효과적으로 개선할 수 있고. 또한, 이온 빔 식각 쳄버와 반응 이온 식각 쳄버를 결합하여 사용함으로써, 자성 터널 접합의 막층구조의 금속 얼룩 및 손상을 크게 감소시켰고, 소자의 성능 및 신뢰성을 크게 향상시켰으며, 또한 종래의 단일 식각 방법에 존재하는 기술적 과제를 극복하였고, 생산의 효율과 식각의 공정 정밀도를 향상시켰다.

Description

단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법
본 출원은 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM) 분야에 관한 것으로, 상세하게는, 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 피처 사이즈(Feature size)가 동등한 비율로 더 한층 작아짐에 따라, 종래의 플래시 메모리 기술이 사이즈의 한계에 도달했다. 소자의 성능을 더 한층 향상시키기 위하여, 연구 개발자들은, 새로운 재료, 새로운 공정에 대해 적극적으로 탐색해 왔다. 최근 몇 년간, 여러 가지 신규 비휘발성 메모리(Non-Volatile Memory, NVM)가 신속히 발전되었다. 여기서, 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)는 정적 랜덤 액세스 메모리(Static Random-Access Memory, SRAM)의 빠른 속도의 읽기/쓰기 기능과 동적 랜덤 액세스 메모리(Dynamic Random Access Memory, DRAM)의 고집적도를 겸비함에 의해, 전력 소모가 동적 랜덤 액세스 메모리보다 훨씬 적고, 또한 플래시 메모리(Flash Memory)에 비해, 사용 기간이 늘어 남에 따라 성능이 퇴화되지 않는 등 장점으로 인해 업계에서 점점 더 많은 주목을 받고 있으며, 정적 랜덤 액세스 메모리, 동적 랜덤 액세스 메모리, 플래시 메모리를 대체할 가능성이 제법 높은 것으로 짐작되어, 차세대의 "통용" 메모리의 강력한 후보의 하나로 꼽고 있다. 업계 및 연구 개발 단체들은 성공적으로 상용화할 수 있는 자기 랜덤 액세스 메모리 소자를 얻기 위해, 회로 설계, 공정 방법 및 집적 수단의 최적화에 전력을 다하였다.
자기 터널 접합(MTJ)은 자기 랜덤 액세스 메모리의 핵심 구조이다. 자기 터널 접합을 패턴화하는 주요한 방법으로는 여전히 식각의 방법이 수요되고, 자기 터널 접합의 재료는 건식 식각을 실행하기 어려운 재료인 Fe, Co, Mg 등이므로, 휘발성 생성물이 형성되기 힘들고, 또한 부식성 가스(Cl2 등)을 사용하여서는 안되는바, 그렇지 않으면, 자기 터널 접합의 성능에 영향이 끼치게 되므로, 비교적 복잡한 식각 방법을 사용하여야 만이 실현 가능하고, 식각 공정이 매우 어렵고 도전적이다. 종래의 큰 사이즈의 자기 터널 접합에 대한 식각은 모두 이온 빔을 통해 식각을 완성한다. 이온 빔 식각은 불활성 가스를 사용하므로, 화학 식각의 성분을 도입하여 반응 쳄버로 진입시키는 일은 거의 없으므로, 자기 터널 접합의 측벽에 화학 반응으로 인한 침식을 받지 않는다. 측벽의 깨끗함을 보장하는 상황하에, 이온 빔 식각은 비교적 완벽한 자기 터널 접합의 측벽, 즉 깨끗하고도 화학적 파괴를 당하지 않는 측벽을 얻을 수 있다. 그러나, 이온 빔 식각에도 단점이 있다. 한면으로는, 이온 빔 식각이 실행 가능한 요인은 비교적 강한 물리 공격력이지만, 지나친 물리 공격력에 의해 자기 터널 접합의 측벽, 특히 격리층 및 부근의 핵심층의 원자층 순서 배열이 간섭을 받게 되므로, 자기 터널 접합의 자성 특징이 파괴된다. 다른 한 면으로는, 이온 빔 식각은 모두 일정한 각도에 의해 식각을 실행하나, 이는 이온 빔 식각에 한계를 안겨준다. 자기 터널 접합 소자의 사이즈가 점점 작아짐에 따라, 이온 빔 식각에서 흔히 사용되는 각도로 자기 터널 접합의 하부까지 닿지 못함으로써, 자기 터널 접합 소자의 분리 요구 사항에 달하지 못하여, 패턴화가 실패된다. 그리고, 이온 빔 식각의 시간이 비교적 길어서, 각 설비의 생산율이 높지 않다는 한계가 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 개시는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법을 개시하였고, 사용되는 식각 장치는 샘플 탑재 쳄버, 진공 전환 쳄버, 반응 이온 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버, 코팅 쳄버 및 진공 전송 쳄버를 포함하되, 상기 진공 전환 쳄버는 각각 상기 샘플 탑재 쳄버 및 상기 진공 전송 쳄버와 연통 가능한 방식으로 연결되고, 상기 반응 이온 식각 쳄버, 상기 이온 빔 식각 쳄버 및 상기 코팅 쳄버는 각각 상기 진공 전송 쳄버와 연통 가능한 방식으로 연결되며,
진공이 중단되지 않는 상황 하에, 반응 이온 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버에서,
반도체 기판 상에 하부 전극층, 자기 터널 접합, 캡핑층 및 마스크층을 포함한 식각 대기 구조를 형성시키는 샘플 준비 단계 - 상기 자기 터널 접합은 고정층, 자유층 및 격리층을 포함함 -;
상기 샘플을 샘플 탑재 쳄버에 탑재하고, 진공 전환 쳄버를 거쳐 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 진입시키는 샘플 탑재 단계;
샘플을 반응 이온 식각 쳄버로 진입시켜, 반응 이온 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 식각을 실행하되, 자유층 또는 격리층에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 반응 이온 식각 단계;
상기 샘플을 상기 진공 전송 쳄버에서 이온 빔 식각 쳄버로 전송하고, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 하부 전극에 도착할 때까지 식각을 실행하는 이온 빔 식각 단계;
상기 샘플을 이온 빔 식각 쳄버에 계속하여 체류시켜, 이온 빔을 이용하여 상기 반응 이온 식각 단계 및 상기 이온 빔 식각 단계에서 생성된 금속 얼룩 및 측벽 손상을 제거하며, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 제 1 이온 빔 세정 단계;
상기 샘플을 코팅 쳄버로 진입시켜, 식각 완료된 샘플의 상부 표면 및 주변에 대해 코팅을 실행하여 보호하며, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 보호 단계; 및
상기 샘플을 진공 전송 쳄버로부터 진공 전환 쳄버를 거쳐, 샘플 탑재 쳄버로 반환시키는 샘플 인출 단계; 에 따라 웨이퍼에 대해 가공 및 처리를 실행한다.
본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 반응 이온 식각 단계와 상기 이온 빔 식각 단계 사이에, 상기 샘플을 진공 전송 쳄버에서 이온 빔 식각 쳄버로 전송하고, 이온 빔을 이용하여 상기 반응 이온 식각 단계에서 생성된 금속 얼룩 및 측벽 손상을 제거하며, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 제 2 이온 빔 세정 단계를 더 포함한다.
본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 자기 터널 접합의 구조는 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있거나 또는 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있다.
본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 반응 이온 식각 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스, 불소계 가스, NH3, 아미노계 가스, CO, CO2, 알코올류 또는 그들의 조합이다.
본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 이온 빔 식각 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 또는 그들의 조합을 포함한다.
본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 보호 단계에서, 코딩된 박막은 인접한 자기 터널 접합 소자를 분리시키는 유전체 재료이다.
본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 유전체 재료는 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토류 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 질화물, 알칼리 토류 금속 질소 산화물 또는 그들의 조합이다.
본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서, 바람직하게는, 코팅된 박막의 두께는 1nm-500nm이다.
본 개시는 고밀도의 소형 소자의 생산 공정에서 마스크 효과에 의한 영향을 효과적으로 개선할 수 있고. 또한, 이온 빔 식각 쳄버와 반응 이온 식각 쳄버를 결합하여 사용함으로써, 자성 터널 접합의 막층 구조의 금속 얼룩 및 손상을 크게 감소시켰고, 소자의 성능 및 신뢰성을 크게 향상시켰으며, 또한 종래의 단일 식각 방법에 존재하는 기술적 과제를 극복하였고, 생산의 효율과 식각의 공정 정밀도를 향상시켰다.
도 1은 본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 사용되는 식각 장치의 기능 블록도이다.
도 2는 본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법의 제 1 실시예의 흐름도이다.
도 3은 식각 대기 소자의 구조 개략도이고, 여기서, 자기 터널 접합의 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있다.
도 4는 반응 이온 식각 단계를 실행한 후에 형성된 소자의 구조 개략도이다.
도 5는 이온 빔 식각 단계를 실행한 후에 형성된 소자의 구조 개략도이다.
도 6은 제1 이온 빔 세정 단계를 실행한 후에 형성된 소자의 구조 개략도이다.
도 7은 상이한 세정 공정 파라미터에 따라, 자성 터널 접합의 측벽에 나타나는 세 가지 상황의 형태:(a) 90 oC <α<130 oC, (b) α<90 oC, (c) α<60 oC이다.
도 8은 보호 단계를 실행한 후에 형성되는 소자의 구조 개략도이다.
도 9는 본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법의 제 2 실시예의 흐름도이다.
도 10은 식각 대기 소자의 다른 구조의 개략도이며, 여기서, 자기 터널 접합의 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있다.
본 개시의 목적 및 기술방안을 보다 똑똑하고 알기 쉽게 하기 위하여, 아래에 본 개시의 실시예 중의 도면을 결합하여 본 개시의 실시예에 따른 기술방안에 대해 명확하고 완전하게 설명하는바, 이해해야 할 것은, 본 명세서에서 설명하는 구체적인 실시예는 단지 본 개시를 해석하기 위한 것으로, 본 개시를 한정하려는 것은 아니다. 본 명세서에서 설명하는 실시예는 단지 본 개시의 일부 실시예일 뿐, 전부의 실시예가 아니다. 본 개시의 실시예에 기초하여, 해당 분야의 당업자들의 창의적 노동에 의지하지 않는 전제로 획득한 모든 기타 실시예는 전부 본 개시의 보호 범위 내에 속한다.
본 명세서에서, 설명해야 할 것은, 용어 "위", "아래", "급경사", "경사" 등에 의해 지시되는 방향과 위치 또는 위치적 관계는 도면에서 도시하는 방향과 위치 또는 위치적 관계를 기초로 하는바, 단지 본 개시를 쉽게 설명하고 간략하게 설명하기 위한 것으로, 해당 장치 또는 소자가 반드시 특정된 방향과 위치를 갖고 있어, 특정된 방향과 위치에 따라 구성되거나 조작해야 한다는 것을 지시하거나 또는 암시하려는 것이 아니므로, 본 개시에 대한 한정으로 이해하여서는 안된다. 또한, 용어 "제1", "제2"는 단지 설명을 하기 위한 것으로, 상대적인 중요성을 지시 또는 암시하는 것으로 이해하여서는 안된다.
또한, 본 개시를 보다 명확하게 이해할 수 있도록, 아래에 본 개시의 여러 가지 특정된 세부, 예를 들면, 소자의 구조, 재료, 사이즈, 처리 공정 및 기술에 대해 설명하였으나, 해당 분야의 기술자들이라면 이해할 수 있는바, 아래에 명시하지 않은 한, 이들의 특정된 세부에 따르지 않고 본 개시를 구현할 수 있다. 아래에 명시하지 않은 한, 소자 중의 각 부분은 해당 분야의 기술자들에 의해 공지된 재료로 구성되거나 또는 미래에 개발되는 유사한 기능의 재료를 사용할 수 있다.
아래에, 도면을 결합하여, 본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 사용되는 장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 사용되는 식각 장치의 기능 블록도이다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 식각 장치는 반응 이온 식각 쳄버(10), 이온 빔 식각(IBE) 쳄버(11), 코팅 쳄버(12), 진공 전송 쳄버(13), 진공 전환 쳄버(14) 및 샘플 탑재 쳄버(15)를 포함한다. 여기서, 진공 전환 쳄버(14)는 각각 샘플 탑재 쳄버(15) 및 진공 전송 쳄버(13)와 연통 가능한 방식으로 연결된다. 반응 이온 식각 쳄버(10), 이온 빔 식각 쳄버(11) 및 코팅 쳄버(12)는 각각 진공 전송 쳄버(13)와 연통 가능한 방식으로 연결된다. 또한, 상술한 각 쳄버는 복수 개일 수도 있다.
반응 이온 식각 쳄버(10)는 유도 결합 플라즈마(Inductance Coupling Plasma, ICP)쳄버, 용량성 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 쳄버, 헬리콘파 플라즈마 쳄버 등 반응 이온 식각 쳄버일 수 있다. 이온 빔 식각(IBE) 쳄버(11)은 이온 빔 식각일 수 있고, 중성입자 빔(Neutral Particle Beam) 식각 쳄버 등일 수 있다. 코팅 쳄버(12)는 물리 기상 증착(Physical Vapor Deposition, PVD) 코팅 쳄버일 수 있고, 펄스형 화학 기상 증착(Pulsed CVD) 코팅 쳄버, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 코팅 쳄버, 유도 결합 플라즈마 강화 화학 기상 증착(ICP-PECVD) 코팅 쳄버, 원자층(ALD) 코팅 쳄버 등 화학 기상 증착(CVD) 코팅 쳄버일 수도 있다.
또한, 식각 장치는 각 쳄버에서의 샘플의 전달을 실현하도록 구성되는 샘플 전송 시스템, 각 쳄버 및 샘플 전송 시스템 등에 대해 제어하도록 구성되는 제어 시스템, 각 쳄버에서 요구되는 진공도를 구현하도록 구성되는 진공 펌핑 시스템, 및 냉각 시스템 등 재래식 식각 장치에 포함되는 기능 유닛들이 더 포함된다. 해당 분야 당업자는 종래 기술을 이용하여 이들의 모든 장치 구조를 구현할 수 있다.
도 2에서 도시되는 바와 같이, 본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법의 제1 실시예는 하기와 같은 단계를 통하여 구현된다. 우선, 샘플 준비 단계(S1)에서, 반도체 기판 상에 자기 터널 접합을 포함하는 식각 대기 구조를 형성한다. 도 3에서 도시하는 바와 같이, 식각 대기 구조는 하부 전극층(100), 자기 터널 접합(고정층(101), 격리층(102) 및 자유층(103)을 포함함), 캡핑층(104) 및 하드 마스크(105)를 포함한다.
다음, 샘플 탑재 단계(S2)에서, 샘플을 샘플 탑재 쳄버(15)에 탑재하고, 진공 전환 쳄버(14)를 경과하여 샘플이 진공 전송 쳄버(13)에 진입한다.
다음에, 반응 이온 식각 단계(S3)에서, 샘플을 반응 이온 식각 쳄버(10)로 진입시켜, 반응 이온 플라즈마를 이용하여 샘플에 대해 식각을 수행하며, 캡핑층(104)에 대한 식각이 완성되면, 식각을 중지시킨다. 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 반응 이온 식각 쳄버에 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스, 불소계 가스, NH3, 아미노계 가스, CO, CO2, 알코올류 등일 수 있다. 식각 공정에서는 소자의 분리 및 소자로서 요구되는 급경사 각도를 구현할 것을 목적으로 하고, 식각하여 형성되는 소자의 측벽은 금속 얼룩이 없는 것을 추구하지만, 나노급의 금속 얼룩 또는 극소량의 1nm보다 작은 금속 얼룩까지 전부 회피하기는 어렵다. 또한, 식각 공정에서 자기 터널 접합의 측벽에 나노급의 손상층이 형성될 우려가 있다. 도 4는 반응 이온 식각 단계를 실행한 후에 형성된 소자의 구조 개략도이다. 도 4는 예시적으로 플라즈마 식각 공정에서 형성되는 금속 얼룩(106) 및 자기 터널 접합의 측벽의 손상층(107)를 도시하였다. 반응 이온 식각에 의해 캡핑층을 패턴화한 후에, 마스크층은 보통 이미 소모가 있는 것으로, 이때, 전체 소자(마스크층을 포함함)의 높이 대 폭비가 낮아지고, 이는 후속 이온 빔 식각 쳄버의 식각과 세정 공정이 비교적 큰 경사 각도에서 실행할 수 있게 하고, 특히 전체 식각 공정이 완료된 후, 전체 소자의 측벽에 대해 철저한 세정 및 표면처리가 실행될 수 있게 마련해준다. 이에 따라, 고밀도(1：1 등간격)의 소형 소자(20nm 및 그 이하)의 생산 공정에서 마스킹 효과에 의한 영향을 개선할 수 있다.
다음에, 이온 빔 식각 단계(S4)에서, 샘플을 이온 빔 식각 쳄버(11)로 진입시켜, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 계속 식각하되, 하부 전극에 도착 시 식각을 중지시키고, 얻은 구조는 도 5에서 도시한 바와 같다. 이온 빔 식각의 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 등일 수 있다. 이온 빔 식각에서 사용되는 각도는 10도 내지 80도가 바람직하고, 해당 각도는 이온 빔과 샘플 스테이지의 법선 면과의 협각을 가리킨다.
다음에, 제 1 이온 빔 세정 단계(S5)에서, 샘플을 이온 빔 식각 쳄버(11)에 계속하여 체류시켜, 이온 빔을 이용하여 금속 잔여물 제거 및 샘플 표면 처리를 실행함으로써, 상술한 반응 이온 식각 단계 및 이온 빔 식각 단계에서 형성된 측벽의 금속 얼룩 및 측벽의 손상층을 완전히 제거하며, 동시에, 소자의 하부 전극 윗 쪽의 금속 얼룩 및 상이한 소자의 하부 전극 사이의 유전체층 윗 쪽의 금속 얼룩을 완전히 제거시켜, 소자의 전기학적인 완전 격리를 실현하고, 소자와 소자 사이의 합선을 회피한다. 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)으로 반환시킨다. 해당 이온 빔 세정 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 등일 수 있고, 상술한 이온 빔 식각 단계에서 사용되는 가스는 서로 같을 수도 있고 서로 다를 수도 있으며, 이온 빔 식각의 각도, 이온 빔의 에너지 및 밀도도 서로 같을 수 있고 서로 다를 수 있다. 0.1nm-5.0nm인 자기 터널 접합의 측벽을 제거하는 것이 바람직하다. 상술한 두 쳄버의 식각 단계를 경과한 후, 소자의 측벽은 깨끗해졌고 또한 완전 분리가 실현되었다. 도 6은 제1 이온 빔 세정 단계를 실행한 후에 형성된 소자 구조의 개략도이다.
상술한 전체의 식각 공정이 완료된 후, 전체 소자의 높이 대 폭비가 낮아지는데, 본 단계의 이온 빔 세정은 비교적 큰 경사 각도에서 전체의 소자 측벽에 대해 철저한 세정 및 표면처리를 실행할 수 있다. 또한, 이온 빔 세정 공정의 파라미터를 조정함으로써, 급경사 측벽 형태를 구현할 수 있고, 소자의 일드 및 신뢰성이 분명히 개선되도록 할 수 있다. 또한, 하부의 금속 얼룩을 제거하는 공정에서, 하부 전극층에 대한 일정한 정도의 오버 식각이 허용되는 상황 하에, 소자의 신뢰성 및 일드는 현저히 향상되도록 할 수 있다. 도 7에서 도시한 바와 같이, 상이한 세정 공정 파라미터에 따라, 자성 터널 접합의 측벽 형태에 세 가지 상황이 나타날수 있다. 제1 상황에서, 자기 터널 접합의 측벽과 금속 하부 전극 금속층 또는 유전체층 표면의 협각 α는 90°보다 큰 구조로 나타나고, 각도는 최대로 130°를 초과하지 않으며; 제2 상황에서, 파라미터가 적합한 세정 공정 조건 하에, 자기 터널 접합의 측벽과 금속 하부 전극 금속층 또는 유전체층 표면의 협각 α는 90°인 구조로 나타나며; 제3 상황에서, 자기 터널 접합의 측벽과 하부 표면의 협각 α는 90°보다 작은 구조로 나타나는바, 최소로 60°보다 작지 않다. 세정 공정 파라미터를 조정함으로써, 식각 결과물인 측벽의 급경사도 형태를 제어할 수 있고, 급경사 또는 급경사에 비슷한 측벽 형태를 얻을 수 있다.
다음에, 보호 단계(S6)에서, 샘플을 코팅 쳄버(12)로 진입시켜, 식각 완료된 샘플의 상부 표면 및 주변에 대해 코팅을 실행하여 보호하며, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)으로 반환시킨다. 도 8에서 보호 단계를 실행한 후의 소자의 구조의 개략도를 도시하였다. 여기서, 유전체 박막(108)은 인접한 자기 터널 접합 소자를 분리시키는 유전체 재료로서, 예를 들면 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이 질화물, 전이 질소 산화물, 알칼리 토류 금속 산화물, 알칼리 토류 질화물, 알칼리 토류 질소 산화물 등일 수 있다. 코팅막의 두께는 1nm 이상 및 500nm 이하일 수 있다. 코팅 쳄버의 원 위치에서 코팅막으로 보호함으로써 소자가 후속 공정에서 대기 환경에 노출되어 파괴되는 것을 방지할 수 있고, 또한 소자와 소자 사이의 절연적인 완전 격리를 실현할 수 있다.
마지막으로, 샘플 인출 단계(S7)에서, 진공 전환 쳄버(14)를 통해, 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로부터 샘플 탑재 쳄버(15)로 반환시킨다.
본 개시의 제2 실시예는 제1 실시예와 거의 비슷하고, 차이점은, 반응 이온 식각 단계(S3)와 이온 빔 식각 단계(S4) 사이에 도 9에서 도시한 바와 같이, 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로부터 이온 빔 식각 쳄버(11)로 전송시키고, 이온 빔을 이용하여 반응 이온 식각 단계에서 생성된 금속 얼룩 및 측벽 손상를 제거하고, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)으로 반환시키는 제2 이온 빔 세정 단계(S8)을 더 포함한다. 해당 공정 단계를 추가함으로써, 반응 이온 식각 공정에서 남긴 결함이 후속 자기 터널 접합의 핵심층 식각 공정에 미치는 영향을 더 한층 줄일 수 있다. 기타 단계는 제1 실시예와 같으므로, 여기서 더 이상 자세히 설명하지 않는다.
본 개시의 제3 실시예는 제1 실시예와 거의 비슷하고, 차이점은, 반응 이온 식각 단계(S3)에서, 샘플을 반응 이온 식각 쳄버(10)로 진입시켜, 반응 이온 플라즈마를 이용하여 샘플에 대해 식각을 수행하며, 캡핑층(104) 및 자유층(103)에 대한 식각을 완료하고, 격리층(102)에 도착하면 식각을 중지시킨다. 기타 단계는 제 1 실시예와 같으므로, 여기서 더 이상 자세히 설명하지 않는다. 반응 이온 식각이 격리층에 도착한 후, 마스크층은 보통 이미 소모가 있는 것으로, 이때, 전체 소자(마스크층을 포함함)의 높이 대 폭비가 낮아지고, 이는 후속 이온 빔 식각 쳄버의 식각과 세정 공정이 비교적 큰 경사 각도에서 실행할 수 있게 하고, 특히 전체 식각 공정이 완료된 후, 전체 소자의 측벽에 대해 철저한 세정 및 표면처리를 실행할 수 있게 마련해준다. 또한, 격리층의 아래 쪽에 위치하는 자기 터널 접합의 핵심층은 이온 빔 식각에 의해 완성된 것으로, 반응 이온 식각의 화학 가스 분위기에 나타나지 않으므로, 전반 공정에서, 화학가스에 의한 소자 및 소자 막층구조의 손상을 최대한 감소시켜, 성능이 더 한층 향상된 소자를 얻을 수 있다.
본 개시의 제4 실시예는 제2 실시예와 거의 비슷하고, 차이점은, 반응 이온 식각 단계(S3)에서, 샘플을 반응 이온 식각 쳄버(10)로 진입시켜, 반응 이온 플라즈마를 이용하여 샘플에 대해 식각을 수행하며, 캡핑층 및 자유층에 대한 식각을 완료하고, 격리층에 도착하면 식각을 중지시킨다. 기타 단계는 제2 실시예와 같으므로, 여기서 더 이상 자세히 설명하지 않는다.
상술 내용은 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법을 실시하기 위한 구체적인 실시형태에 대해 상세하게 설명하였으나, 본 개시는 이에 의해 한정되지 않는다. 각 단계의 구체적인 실시형태는 상황에 따라 다를 수 있다. 또한, 일부 단계에 기초하여 순서 교체, 일부 단계에 대해 생략 등을 실행할 수 있다. 설명해야 할 것은, 상술한 자기 터널 접합의 구조는 단지 예시일 뿐, 실제의 소자 응용에서는, 도 10에서 도시한 바와 같이, 자기 터널 접합의 구성은 자유층이 격리층의 아래 쪽에 있는 것일 수도 있고, 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있는 것일 수도 있다. 본 개시에 따른 단일 격리층의 자기 터널 접합 제조 방법은 이들과 다른 구조에도 마찬가지로 적용된다.
상술한 내용은 단지 본 개시를 실시하기 위한 구체적인 실시형태일 뿐, 본 개시의 보호 범위는 이에 의해 한정되지 않으며, 해당 기술 분야를 숙지하는 기술자라면 본 개시에서 개시된 기술 범위 내에서 변화 또는 교체를 쉽게 생각해낼 수 있으며, 이들은 전부 본 개시의 보호 범위 내에 속한다.

Claims (8)

  1. 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법에 있어서,
    사용되는 식각 장치에 샘플 탑재 쳄버, 진공 전환 쳄버, 반응 이온 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버, 코팅 쳄버 및 진공 전송 쳄버가 포함되고, 상기 진공 전환 쳄버는 각각 상기 샘플 탑재 쳄버 및 상기 진공 전송 쳄버와 연통 가능한 방식으로 연결되며, 상기 반응 이온 식각 쳄버, 상기 이온 빔 식각 쳄버 및 상기 코팅 쳄버는 각각 상기 진공 전송 쳄버와 연통 가능한 방식으로 연결되되,
    진공이 중단되지 않는 상황 하에, 반응 이온 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버에서,
    반도체 기판 상에 하부 전극층, 자기 터널 접합, 캡핑층 및 마스크층을 포함한 식각 대기 구조를 형성시키는 샘플 준비 단계 - 상기 자기 터널 접합에 고정층, 자유층 및 격리층이 포함됨 -;
    상기 샘플을 샘플 탑재 쳄버에 탑재하고, 진공 전환 쳄버를 거쳐 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 진입시키는 샘플 탑재 단계;
    샘플을 반응 이온 식각 쳄버로 진입시키고, 반응 이온 식각 방법을 이용하여 샘플을 식각하되, 자유층에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 반응 이온 식각 단계;
    상기 샘플을 상기 진공 전송 쳄버에서 이온 빔 식각 쳄버로 전송하고, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 하부 전극에 도착할 때까지 샘플을 식각하는 이온 빔 식각 단계;
    상기 샘플을 상기 이온 빔 식각 쳄버에 계속하여 체류시켜, 이온 빔을 이용하여 상기 반응 이온 식각 단계 및 상기 이온 빔 식각 단계에서 생성된 금속 얼룩 및 측벽 손상을 제거하며, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 제1 이온 빔 세정 단계;
    상기 샘플을 코팅 쳄버로 진입시키고, 식각 완료된 샘플의 상부 표면 및 주변에 대해 코팅을 실행하여 보호하며, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 보호 단계; 및
    상기 샘플을 진공 전송 쳄버로부터 진공 전환 쳄버를 거쳐, 샘플 탑재 쳄버로 반환시키는 샘플 인출 단계; 에 따라 웨이퍼에 대해 가공 및 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 반응 이온 식각 단계와 상기 이온 빔 식각 단계 사이에, 상기 샘플을 진공 전송 쳄버에서 이온 빔 식각 쳄버로 전송하고, 이온 빔을 이용하여 상기 반응 이온 식각 단계에서 생성된 금속 얼룩 및 측벽 손상을 제거하며, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 제2 이온 빔 세정 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 자기 터널 접합의 구조는 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있거나 또는 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있는 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 반응 이온 식각 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스, 불소계 가스, NH3, 아미노계 가스, CO, CO2, 알코올류 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 이온 빔 식각 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 또는 그들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 보호 단계에서 코딩된 박막은 인접한 자기 터널 접합 소자를 분리시키는 유전체 재료인 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 유전체 재료가 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토류 금속 산화물, 알칼리 토류 금속 질화물, 알칼리 토류 금속 질소 산화물 또는 그들의 조합인 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
  8. 제6 항에 있어서,
    코팅된 박막의 두께가 1nm-500nm인 것을 특징으로 하는 단일 격리층의 자기 터널 접합의 식각 방법.
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