KR102525086B1 - 자기 터널 접합의 제조 방법 - Google Patents

자기 터널 접합의 제조 방법 Download PDF

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동동 후
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즈원 조우
홍유에 선
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장쑤 루벤 인스트루먼츠 컴퍼니 리미티드
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Abstract

본 개시는 자기 터널 접합의 제조 방법을 개시하며, 사용되는 식각 장치에 샘플 탑재 쳄버, 진공 전환 쳄버, 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버, 코팅 쳄버 및 진공 전송 쳄버가 포함되고, 진공이 중단되지 않는 상황 하에, 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버의 결합을 이용하여 자기 터널 접합에 대해 식각, 세정 및 코팅막 보호를 실행한다. 본 개시는 소자의 손상과 얼룩을 효과적으로 감소시킬 수 있고, 오버 식각에 인한 영향을 회피하고, 소자의 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한, 식각 패턴의 급경사 각도를 정확하게 제어하여, 성능 요구에 만족되는 패턴 결과를 얻을 수 있다.

Description

자기 터널 접합의 제조 방법
본 출원은 반도체 분야에 관한 것으로, 상세하게는, 자기 터널 접합의 제조 방법에 관한 것이다.
자기 터널 접합은 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory, MRAM)의 핵심 구조로서, 캡핑(capping)층, 고정층, 비자성 격리층 및 자유층의 구성을 포함하고, 자유층의 바닥부는 하부 전극 금속층 또는 유전체층일 수 있다. 여기서, 고정층은 비교적 두껍고, 자성이 비교적 강하며, 자기 모멘트(magnetic moments)는 역전하기 쉽지 않고, 자유층은 비교적 얇고, 자성이 비교적 약하며, 자기 모멘트는 역전하기 쉽다. 자기 터널 접합의 재료는 건식 식각하기 어려운 재료인 Fe, Co, Mg 등으로서, 휘발성 생성물이 형성되기 힘들고, 또한 부식성 가스 Cl2 등을 사용하여서는 안되는바, 그렇지 않으면, 자기 터널 접합의 성능에 영향이 끼치게 되므로, 비교적 복잡한 식각 방법을 사용해야 만이 실현 가능하고, 식각 공정이 매우 어렵고 도전적이다.
자기 터널 접합의 식각에서 흔히 사용되는 방법으로는 반응 이온 식각이 있다. 반응 이온 식각은 높은 플라즈마 밀도 등 특성을 갖고 있어, 자기 터널 접합의 재료에 의해 휘발성 생성물이 형성되기 어렵더라도, 높은 플라즈마 밀도에 의해, 자기 터널 접합에 대한 신속한 식각을 실현할 수 있고, 적합한 형태를 얻을 수 있다. 식각 공정은 물리 공격력이 비교적 약한 상황 하에, 비교적 빠른 식각 속도를 얻을 수 있다. 그러나, 반응 이온 식각에 의한 자기 터널 접합의 식각에 몇 가지 기술적 과제가 있다. 반응 이온 식각에 의해 식각을 실현하는 공정은 화학 식각 공정과 물리 식각 공정을 포함하되, 화학 식각은 자기 터널 접합의 측벽에 화학적 손상을 입혀, 자기 터널 접합의 자성과 소자 성능에 영향을 미칠 수 있다. 또한, 식각 기간의 약한 물리 공격에 의한 식각은 자기 터널 접합의 측벽과 바닥부에 재증착을 일으켜, 금속 얼룩이 생성될 오려가 있고, 특히 금속 얼룩이 격리층에 생성 시, 직접 소자 절연층의 도통을 일으켜, 소자 기능을 상실하게 한다. 자기 터널 접합 소자의 사이즈가 점점 작아짐에 따라, 성능에 대한 금속 얼룩의 영향도 점점 심중해져, 금속 얼룩를 회피하는 것은 고도로 집적화한 소자를 구현함에 있어서 매우 중요하다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 개시는 자기 터널 접합의 제조 방법을 개시하며, 사용되는 식각 장치에 샘플 탑재 쳄버(chamber), 진공 전환 쳄버, 반응 이온 플라즈마 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 연결되고, 상기 반응 이온 플라즈마 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 플라즈마 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버에서:
반도체 기판 상에 하부 전극 금속층, 자기 터널 접합, 캡핑층 및 마스크 층을 포함한 식각 대기 구조를 형성시키는 샘플 준비 단계;
상기 샘플을 샘플 탑재 쳄버에 탑재하고, 상기 샘플을 진공 전환 쳄버를 거쳐 진공 전송 쳄버로 진입시키는 샘플 탑재 단계;
샘플을 이온 빔 식각 쳄버로 진입시켜, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 식각을 실행하되, 하부 전극 금속층에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 이온 빔 식각 단계;
상기 샘플을 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버로 진입시켜, 반응 이온 플라즈마를 이용하여 금속 잔여물 제거 및 샘플 표면 처리를 실행함으로써, 상기 이온 빔 식각 단계에서 형성된 금속 얼룩 및 측벽의 손상층을 완전 제거시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 반응 이온 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.
다른 자기 터널 접합의 제조 방법으로는, 사용되는 식각 장치에 샘플 탑재 쳄버, 진공 전환 쳄버, 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버, 코팅 쳄버 및 진공 전송 쳄버가 포함되고, 상기 진공 전환 쳄버는 각각 상기 샘플 탑재 쳄버, 상기 진공 전송 쳄버와 연통 가능한 방식으로 연결되며, 상기 반응 이온 플라즈마 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 플라즈마 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버에서,
반도체 기판 상에 하부 전극 금속층, 자기 터널 접합, 캡핑층 및 마스크 층을 포함한 식각 대기 구조를 형성하되, 상기 자기 터널 접합에 고정층, 격리층 및 자유층이 포함되는 샘플 준비 단계;
상기 샘플을 샘플 탑재 쳄버에 탑재하고, 진공 전환 쳄버를 거쳐 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 진입시키는 샘플 탑재 단계;
샘플을 이온 빔 식각 쳄버로 진입시켜, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 식각을 실행하되, 고정층의 하부 전극 금속층과 접근한 위치에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 이온 빔 식각 단계;
상기 샘플을 이온 빔 식각 쳄버에 계속하여 체류시켜, 이온 빔을 이용하여 금속 잔여물 제거 및 샘플 표면 처리를 실행함으로써, 상기 이온 빔 식각 단계에서 형성된 금속 얼룩 및 측벽의 손상층을 완전히 제거시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 이온 빔 세정 단계;
상기 샘플을 코팅 쳄버로 진입시켜, 샘플의 상부 표면과 주변에 유전체 박막을 형성시키고, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 유전체 코팅 단계;
상기 샘플을 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버로 진입시켜, 소자 윗 쪽 및 바닥부의 유전체 박막을 오픈하고, 소자 측벽의 일부 유전체 박막을 보류하며, 식각이 하부 전극 금속층에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 반응 이온 식각 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 대한 가공 및 처리를 실행한다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 자기 터널 접합의 구조는 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있거나 또는 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 자기 터널 접합의 격리층은 단일 층 또는 복수 층이다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 이온 빔 식각 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 또는 그들의 조합을 포함한다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스, 불소-계(fluorine-based) 가스, 암모니아(NH3), 아미노-계(amino-based) 가스, 일산화탄소(CO), 이산화탄소, 알코올류 또는 그들의 조합을 포함한다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 유전체 박막은 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 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 보호 단계에서 코팅된 유전체 박막의 두께가 1 nm-500 nm이다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 반응 이온 세정 단계에서 두께가 0.1 nm-5.0 nm인 상기 자기 터널 접합의 측벽을 제거한다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서, 선택적으로, 상기 유전체 코팅 단계에서 코팅된 유전체 박막의 두께가 0.5 nm-50 nm이다.
도 1은 본 개시에 따른 자기 터널 접합 식각 방법에 사용되는 식각 장치의 기능 블록도이다.
도 2는 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있는 자기 터널 접합을 포함하는 식각 대기 구조의 개략도이다.
도 3은 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있는 자기 터널 접합을 포함하는 식각 대기 구조의 개략도이다.
도 4는 자기 터널 접합의 제조 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
도 5는 이온 빔 식각 단계를 실행한 후 형성된 소자의 구조 개략도이다.
도 6은 반응 이온 세정 단계를 실행한 후 형성된 소자의 구조 개략도이다.
도 7은 보호 단계를 실행한 후 형성된 소자의 구조 개략도이다.
도 8은 자기 터널 접합의 제조 방법의 다른 실시예의 흐름도이다.
도 9는 고정층까지 이온 빔 식각하고 또한 세정을 실행한 후 형성된 소자의 구조 개략도이다.
도 10은 유전체 코팅 단계를 실행한 후의 소자의 구조 개략도이다.
도 11은 하부 전극 금속층까지 반응 이온 식각한 후의 소자의 구조 개략도이다.
도 12는 보호 단계를 실행한 후 형성된 소자의 구조 개략도이다.
본 개시의 목적 및 기술방안을 보다 똑똑하고 명확하게 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 얻은 모든 기타 실시예는 전부 본 개시의 보호 범위 내에 속한다.
본 명세서에서, 설명해야 할 것은, 용어 "상", "하", "수직", "수평" 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 "제 1", "제 2"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 자기 터널 접합의 제조 방법에서 사용되는 장치에 대해 설명한다. 도 1은 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에서 사용되는 식각 장치의 기능 블록도이다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 식각 장치에 반응 이온 플라즈마 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)가 포함된다. 여기서, 진공 전환 쳄버(14)는 각각 샘플 탑재 쳄버(15) 및 진공 전송 쳄버(13)와 연통 가능한 방식으로 연결된다. 반응 이온 플라즈마 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 플라즈마 식각 쳄버(10)는 유도 결합 플라즈마(Inductance Coupling Plasma, ICP) 쳄버, 용량성 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma, CCP) 쳄버, 헬리콘파 플라즈마(Helicon Wave Plasma) 쳄버 등 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버일 수 있다. 이온 빔 식각(IBE) 쳄버(11)는 이온 빔 식각 쳄버, 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 Chemical Vapor Deposition, Pulsed CVD) 코팅 쳄버, 플라즈마 강화 화학 기상 증착(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD) 코팅 쳄버, 유도 결합 플라즈마 강화 화학 기상 증착(ICP-PECVD) 코팅 쳄버, 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD) 코팅 쳄버 등 화학 기상 증착(CVD) 코팅 쳄버일 수도 있다.
또한, 식각 장치에 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 자기 터널 접합을 포함한 식각 대기 소자의 구조 개략도를 도시한다. 도 2에서 도시한 바와 같이, 식각 대기 구조는 하부 전극 금속층(100), 자기 터널 접합(고정층(101), 격리층(102) 및 자유층(103)을 포함함), 캡핑층(104) 및 하드 마스크 층(105)을 포함한다. 설명해야 할 것은, 해당 구조는 단지 예시일 뿐, 실제의 소자 응용에서는, 도 3에서 도시한 바와 같이, 자기 터널 접합의 구성은 자유층이 격리층의 아래 쪽에 있을 수도 있고, 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있을 수 있다. 또한, 격리층은 더블층 이상 등일 수도 있다. 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법은 이들의 상이한 구조의 전부에 적용된다.
아래에 도 2에서 도시한 식각 대기 구조를 예로, 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법에 대해 상세하게 설명한다. 도 4는 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법의 일 실시예의 흐름도이다.
우선, 샘플 준비 단계(S11)에서, 반도체 기판 상에 자기 터널 접합을 포함한 식각 대기 구조를 형성한다. 구체적인 구조는 도 2에서 도시한 바와 같다.
다음에, 샘플 탑재 단계(S12)에서, 샘플을 샘플 탑재 쳄버(15)에 탑재하고, 진공 전환 쳄버(14)를 거쳐 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 진입시킨다.
다음에, 이온 빔 식각 단계(S13)에서, 샘플을 이온 빔 식각 쳄버(11)로 진입시켜, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 완전 식각을 실행하며, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 이온 빔 식각에서 사용하는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 등일 수 있다. 이온 빔 식각에서 사용하는 각도는 10도 내지 80도이고, 해당 각도는 이온 빔과 웨이퍼 표면의 법선 방향과의 협각을 가리킨다. 식각이 하부 전극 금속층에 도착 시, 식각을 중지시킨다. 보통 광학 스펙트럼 또는 2차 이온 질량 스펙트럼에 의해 식각의 종점을 감시한다. 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 예하면 1 nm보다 작은 극소량의 금속 얼룩까지 전부 회피하기는 어렵다. 또한, 식각 공정에서 자기 터널 접합의 측벽에 나노급의 손상층이 형성될 우려가 있고, 소자의 하부 전극 금속층 윗 쪽의 잔여 금속 및 상이한 소자의 하부 전극 금속층 사이의 유전체층 윗 쪽의 잔여 금속이 완전 제거되지 못할 가능성이 있다. 도 5는 이온 빔 식각 단계를 실행한 후 형성된 소자의 구조 개략도이다. 도 5는 예시적으로 이온 빔 식각 공정에서 형성된 금속 얼룩(106) 및 자기 터널 접합의 측벽의 손상층(107)을 도시하였다.
다음에, 반응 이온 세정 단계(S14)에서, 상기 샘플을 반응 이온 식각 쳄버(10)로 진입시켜, 반응 이온 식각 방법을 이용하여 금속 잔여물 제거 및 샘플 표면 처리를 실행하되, 두께가 0.1 nm-5.0 nm인 자기 터널 접합의 측벽을 제거시키고, 이온 빔 식각 단계(S13)에서 형성된 측벽의 금속 얼룩 및 측벽의 손상층을 완전 제거시키며, 동시에, 소자의 하부 전극 금속층 윗 쪽의 잔여 금속 및 상이한 소자의 하부 전극 금속층 사이의 유전체층 상의 잔여 금속을 완전 제거함으로써 소자의 전기학적인 완전 격리를 실현하고, 소자와 소자 사이의 합선을 회피한다. 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 반응 이온 식각에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스, 불소-계 가스, NH3, 아미노-계 가스, CO, CO2, 알코올류 등일 수 있다. 상술한 두 쳄버 식각 단계를 실행한 후의 소자의 측벽은 깨끗해졌고 또한 완전 분리가 실현되었다. 도 6에서 반응 이온 세정 단계를 실행한 후 형성된 소자의 구조 개략도를 도시하였다.
다음에, 보호 단계(S15)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)로 반환시킨다. 도 7에서 보호 단계를 실행한 후의 소자의 구조 개략도를 도시하였다. 여기서, 코팅한 박막(108)은 인접된 자기 터널 접합의 소자를 분리시키는 유전체 재료이다. 유전체 박막 재료는 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 등 인접된 자기 터널 접합의 소자를 분리시키는 유전체 재료일 수 있다. 코팅막의 두께는 1 nm-500 nm일 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(S16)에서, 진공 전환 쳄버(14)를 거쳐, 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로부터 샘플 탑재 쳄버(15)로 반환시킨다.
본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법은 이온 빔 식각 쳄버를 이용하여 자기 터널 접합을 패턴화함으로써, 식각한 패턴의 급경사 각도를 정확하게 제어할 수 있고, 성능 요구에 만족되는 패턴 결과를 얻을 수 있다. 진공를 파괴시키지 않는 전제하에, 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버에 의하여 자기 터널 접합에 대해 표면처리를 실행함으로써, 이온 빔 식각 공정으로 인한 불리한 영향, 예를 들면, 소자의 손상 및 얼룩을 해소시킬수 있고, 소자의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법의 가공 공정은 항상 진공 환경에 처하므로, 식각에 대한 외부 환경의 영향을 회피하였다.
도 8은 자기 터널 접합의 제조 방법의 다른 실시예의 흐름도이다. 도 8에서 도시한 바와 같이, 우선, 샘플 준비 단계(S21)에서, 반도체 기판 상에 자기 터널 접합을 포함한 식각 대기 구조를 형성한다. 구체적인 구조는 도 2에서 도시한 바와 같다.
다음에, 샘플 탑재 단계(S22)에서, 샘플을 샘플 탑재 쳄버(15)에 탑재하고, 진공 전환 쳄버(14)를 거쳐 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 진입시킨다.
다음에, 이온 빔 식각 단계(S23)에서, 샘플을 이온 빔 식각 쳄버(11)로 진입시켜, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 식각을 실행하되, 고정층의 하부 전극 금속층과 접근한 위치까지 식각한 후 식각을 중지시켜, 몇 나노 미터 밖에 안되는 두께의 고정층을 보류하며, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 이온 빔 식각에서 사용하는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 등일 수 있다. 이온 빔 식각에서 사용하는 각도는 10도 내지 80도이고, 해당 각도는 이온 빔과 웨이퍼 표면의 법선 방향과의 협각을 가리킨다.
다음에, 이온 빔 세정 단계(S24)에서, 상기 샘플을 이온 빔 식각 쳄버(11)에 계속하여 체류시켜, 이온 빔을 이용하여 샘플을 세정한다. 더 한층의 이온 빔 세정을 통해, 이온 빔 식각 공정에서 형성된 금속 얼룩과 측벽의 손상을 제거할 수 있고, 얻은 구조는 도 9에서 도시한 바와 같으며, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 이온 빔 세정에 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스 등일 수 있고, 각도는 10도 내지 80도가 바람직하다. 본 단계에 사용되는 가스 및 각도는 이온 빔 식각 단계에서 사용되는 가스 및 각도와 서로 같거나 또는 서로 다를 수 있다.
유전체 코팅 단계(S25)에서, 샘플을 코팅 쳄버(12)로 진입시켜, 샘플의 상부 표면과 주변에 유전체 박막(108)을 형성시키며, 얻은 구조는 도 10에서 도시한 바와 같고, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 해당 유전체 박막의 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 등 인접된 자기 터널 접합의 소자를 분리시키는 유전체 재료일 수 있다. 유전체 코팅막의 두께는 0.5 nm-50 nm일 수 있다.
반응 이온 식각 단계(S26)에서, 샘플을 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버(10)로 진입시켜, 반응 이온 플라즈마를 이용하여 샘플에 대해 식각을 수행하되, 소자 윗 쪽 및 바닥부의 유전체 박막을 오픈하고, 소자 측벽의 일부 유전체 박막을 보류하며, 식각이 하부 전극 금속층(100)에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 반응 이온 식각에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스, 불소-계 가스, NH3, 아미노-계 가스, CO, CO2, 알코올류 등일 수 있다. 도 11에서 반응 이온 식각 단계를 거쳐 형성된 소자의 구조 개략도를 도시하였다. 해당 단계에서, 공정의 가스 선택을 조정함으로써, 높은 선택 비율을 실현할 수 있고, 오버 식각을 효과적으로 감소시키고, 소자의 일드를 향상시킬 수 있다.
다음에, 보호 단계(S27)에서, 샘플을 코팅 쳄버(12)로 진입시켜, 식각 완료된 샘플의 상부 표면 및 주변에 유전체 박막(108)을 형성시키며, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로 반환시킨다. 도 12에서 보호 단계를 실행한 후의 소자의 구조 개략도를 도시하였다. 여기서, 유전체 박막(108)은 인접된 자기 터널 접합의 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. 유전체 박막의 두께는 1 nm-500 nm일 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(S28)에서, 진공 전환 쳄버(14)를 거쳐, 샘플을 진공 전송 쳄버(13)로부터 샘플 탑재 쳄버(15)로 반환시킨다.
해당 실시예는 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있고, 자유층이 격리층의 윗 쪽에 있는 자기 터널 접합에 대해 설명하였다. 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있거나, 자유층이 격리층의 아래 쪽에 있는 자기 터널 접합일 경우에는, 상응적으로, 이온 빔 식각 단계(S23)에서, 자유층의 하부 전극 금속층에 접근한 위치까지 식각한 후 식각을 중지시킨다.
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. 반응 이온 플라즈마 쳄버에서 식각 또는 세정을 실행하는 단계는 하나의 단계 또는 복수의 단계일 수 있고, 복수의 단계일 경우, 상이한 단계에 사용되는 가스, 전력, 기류 및 압력은 같거나 또는 다를 수 있다. 이온 빔 식각 쳄버에서 식각 또는 세정을 실행하는 단계는 하나의 단계 또는 복수의 단계일 수 있고, 복수의 단계일 경우, 상이한 단계에서 사용되는 가스, 이온 빔에 대한 샘플 스테이지의 각도, 이온 빔의 에너지 및 밀도는 같거나 또는 다를 수 있다. 또한, 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법은 자기 터널 접합, 전이금속 및 그들의 산화물의 식각에 적용된다. 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법는 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있거나 또는 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있는 자기 터널 접합의 식각에 적용된다. 본 개시에 따른 자기 터널 접합의 제조 방법은 격리층이 단일 층 또는 복수 층인 자기 터널 접합의 식각에 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 (10)

  1. 자기 터널 접합의 제조 방법에 있어서,
    사용되는 식각 장치에 샘플 탑재 쳄버, 진공 전환 쳄버, 반응 이온 플라즈마 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 플라즈마 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 플라즈마 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버에서,
    반도체 기판 상에 하부 전극 금속층, 자기 터널 접합, 캡핑층 및 마스크 층을 포함한 식각 대기 구조를 형성시키는 샘플 준비 단계;
    상기 샘플을 샘플 탑재 쳄버에 탑재하고, 진공 전환 쳄버를 거쳐 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 진입시키는 샘플 탑재 단계;
    샘플을 이온 빔 식각 쳄버로 진입시켜, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 식각을 실행하되, 하부 전극 금속층에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 이온 빔 식각 단계로서, 상기 이온 빔 식각 챔버는 이온 빔 식각 챔버 또는 중성 입자 빔 식각 챔버를 포함하는, 단계;
    상기 샘플을 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버로 진입시켜, 반응 이온 플라즈마를 이용하여 금속 잔여물 제거 및 샘플 표면 처리를 실행함으로써, 상기 이온 빔 식각 단계에서 형성된 금속 얼룩 및 측벽의 손상층을 완전 제거시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 반응 이온 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 실행하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
  2. 사용되는 식각 장치에 샘플 탑재 쳄버, 진공 전환 쳄버, 반응 이온 플라즈마 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 플라즈마 식각 쳄버, 상기 이온 빔 식각 쳄버, 상기 코팅 쳄버는 각각 상기 진공 전송 쳄버와 연통 가능한 방식으로 연결되되,
    진공이 중단되지 않는 상황 하에, 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버, 이온 빔 식각 쳄버 및 코팅 쳄버에서,
    반도체 기판 상에 하부 전극 금속층, 자기 터널 접합, 캡핑층 및 마스크 층을 포함한 식각 대기 구조를 형성시키고, 상기 자기 터널 접합에 고정층, 격리층 및 자유층이 포함되는 샘플 준비 단계;
    상기 샘플을 샘플 탑재 쳄버에 탑재하고, 진공 전환 쳄버를 거쳐 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 진입시키는 샘플 탑재 단계;
    샘플을 이온 빔 식각 쳄버로 진입시켜, 이온 빔 식각 방법을 이용하여 샘플에 대해 식각을 실행하되, 고정층의 하부 전극 금속층과 접근한 위치까지 식각한 후 식각을 중지시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 이온 빔 식각 단계로서, 상기 이온 빔 식각 챔버는 이온 빔 식각 챔버 또는 중성 입자 빔 식각 챔버를 포함하는, 단계;
    상기 샘플을 이온 빔 식각 쳄버에 계속하여 체류시켜, 이온 빔을 이용하여 금속 잔여물 제거 및 샘플 표면 처리를 실행함으로써, 상기 이온 빔 식각 단계에서 형성된 금속 얼룩 및 측벽의 손상층을 완전히 제거시키고, 그 다음에 상기 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 이온 빔 세정 단계;
    상기 샘플을 코팅 쳄버로 진입시켜, 샘플의 상부 표면과 주변에 유전체 박막을 형성시키며, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 유전체 코팅 단계;
    상기 샘플을 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버로 진입시켜, 소자 윗 쪽 및 바닥부의 유전체 박막을 오픈하고, 소자 측벽의 일부 유전체 박막을 보류하며, 식각이 하부 전극 금속층에 도착 시 식각을 중지시키고, 그 다음에 샘플을 진공 전송 쳄버로 반환시키는 반응 이온 식각 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 실행하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
  3. 제1 항 에 있어서,
    상기 자기 터널 접합의 구조는 고정층이 격리층의 윗 쪽에 있거나 또는 고정층이 격리층의 아래 쪽에 있는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 자기 터널 접합의 격리층은 단일 층 또는 복수 층인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 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 자기 터널 접합의 제조 방법.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 반응 이온 플라즈마 식각 쳄버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소 가스, 산소 가스, 불소-계 가스, 암모니아(NH3), 아미노-계 가스, 일산화탄소(CO), 이산화탄소, 알코올 류 또는 그들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
  7. 제2 항에 있어서,
    상기 유전체 박막은 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 자기 터널 접합의 제조 방법.
  8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 보호 단계에서 코팅된 유전체 박막의 두께가 1 nm-500 nm인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 반응 이온 세정 단계에서 두께가 0.1 nm-5.0 nm인 상기 자기 터널 접합의 측벽을 제거하는 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 유전체 코팅 단계에서 코팅된 유전체 박막의 두께가 0.5 nm-50 nm인 것을 특징으로 하는 자기 터널 접합의 제조 방법.
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