KR20030044596A - A wordline with a magnetic field keeper for magnetic memory devices and sensors and method of manufacture therefor - Google Patents

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KR20030044596A
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신경호
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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a wordline having a keeper layer capable of applying to a magnetic memory and a sensor is provided to supply a magnetic layer mainly constituted of Co serving as a magnetic field keeper and having an excellent characteristics as a barrier layer. CONSTITUTION: A method for manufacturing a wordline having a keeper layer capable of applying to a magnetic memory and a sensor includes the steps of: forming an insulating layer(102) on a semiconductor substrate(100), forming a trench in the insulating layer(102) at a predetermined depth by using photolithography method, coating a magnetic keeper layer(106) on the inner and exterior surface of the trench by using a physical vapor deposition method, depositing seed layer made of copper(Cu) on the entire surface of the magnetic keeper layer(106), depositing a conducting layer(110) made of Cu at a predetermined thickness so as to cover the trench(104) formed on the top of the seed layer by using an electroplating method and planarizing the conducting layer(110) by using a chemical mechanical polishing(CMP) method until the top surface of the insulating layer is exposed.

Description

자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 키퍼층을 가진 워드선 제조방법{A wordline with a magnetic field keeper for magnetic memory devices and sensors and method of manufacture therefor}A wordline with a magnetic field keeper for magnetic memory devices and sensors and method of manufacture therefor}

본 발명은 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 키퍼층을 가진 워드선 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 자기 메모리 및 센서에서 자화를 반전시키는데 필요한 자기장을 발생시키는 키퍼층을 가진 워드선(또는 비트선) 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a word line manufacturing method having a keeper layer applicable to a magnetic memory and a sensor. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a word line (or bit line) having a keeper layer for generating a magnetic field necessary for inverting magnetization in a magnetic memory and a sensor.

자기 메모리 및 센서는 자성재료로 된 박막을 핵심 구성 요소로 하는 다층막으로 구성되어 있다. 자기 메모리 및 센서의 작동은 자성 다층막 중 일부 또는 전부의 자화 반전을 필요로 하며, 자화 반전에 필요한 자기장은 워드선 및 비트선에 전류를 흘려줌으로써 얻어진다. MRAM(magnetic random access memory)으로 알려진 자기메모리 소자는 넓은 의미로서 자성재료를 이용한 메모리 소자를 통칭하며, 이는 1970년대의 페라이트 코어로부터 출발하여 자기버블 기술까지 다소 오랜 역사를 가지고 있다.Magnetic memories and sensors consist of a multilayered film whose core component is a thin film of magnetic material. The operation of the magnetic memory and the sensor requires the magnetization reversal of some or all of the magnetic multilayer films, and the magnetic field required for the magnetization reversal is obtained by passing a current through the word line and the bit line. Magnetic memory devices known as magnetic random access memory (MRAM) are broadly referred to as memory devices using magnetic materials, which have a long history from the ferrite core of the 1970s to magnetic bubble technology.

그러나, 협의의 자기 메모리 소자는 자기저항(MR: magnetoresistance) 현상을 이용한 것으로서 이러한 예로서 초기의 이방성(anisotropic) MR (AMR)에서 최근의 거대자기저항(GMR: giant magnetoresistance) 및 턴넬링형 자기저항(TMR: tunneling-type magnetoresistance) 현상을 이용한 자기메모리 소자를 들 수 있다. 이러한 자기 메모리 소자에서 디지털 정보는 자성 다층막에서 자화의 방향에 의해 결정된다. 자성 다층막은 통상 3개의 핵심층으로 구성되어 있는데, 2개의 자성막이 도전막(GMR 현상) 또는 절연막(TMR 현상)을 에워싸는 구조로 이루어져 있다. 디지털 정보의 쓰기 및 읽기 과정은 하나 또는 두 자성막의 자화 반전을 수반한다.However, the negotiated magnetic memory device uses a magnetoresistance (MR) phenomenon. As an example, the recent giant magnetoresistance (GMR) and turnneling magnetoresistance (GMR) have been used in the initial anisotropic MR (AMR). Magnetic memory devices using TMR (tunneling-type magnetoresistance) phenomenon. In such magnetic memory devices, digital information is determined by the direction of magnetization in the magnetic multilayer. The magnetic multilayer film is usually composed of three core layers, and the two magnetic films have a structure surrounding the conductive film (GMR development) or the insulating film (TMR development). The process of writing and reading digital information involves the magnetization reversal of one or two magnetic films.

하나의 예로서 TMR 현상을 이용한 자기 메모리 소자의 경우 통상 소자의 작동시 하나의 자성막의 자화는 항상 고정되어 있으며, 다른 하나의 자성막만이 자화반전된다. 고정된 자성막을 고정층, 자화가 반전되는 자성막을 자유층이라 일컫는다. 고정층의 자화가 (+)X 방향으로 고정되어 있으며, 자유층 또한 X축 방향으로 일축 자기이방성이 형성되어 있어 자화가 (+)X 또는 (-)X 방향으로만 향하는 경우를 생각해 보자.As an example, in the case of a magnetic memory device using a TMR phenomenon, the magnetization of one magnetic film is always fixed during operation of the device, and only the other magnetic film is magnetized inverted. The fixed magnetic film is called a fixed layer, and the magnetic film whose magnetization is reversed is called a free layer. Consider the case where the magnetization of the pinned layer is fixed in the (+) X direction, and the free layer also has uniaxial magnetic anisotropy in the X-axis direction, so that the magnetization is directed only in the (+) X or (-) X direction.

자기저항박막에서 저항은 두 자성층에 있는 자화의 방향에 의존하는데 구체적으로 자화 방향이 평행하면 낮은 저항상태가 되며, 자화방향이 반평행하면 높은 저항상태가 된다. 자유층의 자화가 (+)X 방향인 경우 두 자성층의 자화가 같은 방향을 향하고 있기 때문에 낮은 저항상태가 되며, 반대로 자유층의 자화가 (-)X 방향을 향하는 경우 높은 저항상태가 된다. 자유층의 자화 상태가 (+)X 또는 (-)X 방향의 2가지 방향만을 향하기 때문에 자유층의 자화 방향은 디지털 정보를 저장하는 것이 가능하다.In the magnetoresistive thin film, the resistance depends on the direction of magnetization in the two magnetic layers. Specifically, when the magnetization directions are parallel, the resistance is low, and when the magnetization directions are antiparallel, the resistance is high. When the magnetization of the free layer is in the (+) X direction, the magnetization of the two magnetic layers is in the same direction, and thus the resistance is low. On the contrary, the magnetization of the free layer is in the high resistance state when the magnetization of the free layer is in the (-) X direction. The magnetization direction of the free layer is capable of storing digital information because the magnetization state of the free layer is directed only in two directions of (+) X or (-) X directions.

통상의 자기 메모리 소자는 많은 수의 워드선과 비트선으로 구성되어 있는데 2개의 선은 서로 수직으로 교차한다. 워드선과 비트선은 통상 비저항이 낮은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)-구리(Cu) 합금으로 이루어져 있다. 디지털정보를 저장하는 자성 다층막은 서로 직교하는 워드선과 비트선 사이에 위치하는데, 자성 다층막에서 자화의 반전은 워드선과 비트선에 흐르는 전류로부터 발생되는 자기장에 의해 달성된다.A typical magnetic memory element is composed of a large number of word lines and bit lines, and the two lines cross each other perpendicularly. Word lines and bit lines are usually made of a low resistivity copper (Cu) or aluminum (Al) -copper (Cu) alloy. A magnetic multilayer film for storing digital information is located between word lines and bit lines that are orthogonal to each other. In the magnetic multilayer film, inversion of magnetization is achieved by a magnetic field generated from current flowing through the word lines and bit lines.

이는 자유층과 고정층의 2개 자성층으로 이루어진 자기 메모리 소자에서 자유층의 자화 반전은 워드선과 비트선에 전류를 동시에 흘려줌으로써 달성된다. 이 때 워드선과 비트선에 흘려주는 전류의 크기는 자유층의 자화 반전에 필요한 자기장의 크기에 의존한다.This is accomplished in the magnetic memory device consisting of two magnetic layers, a free layer and a fixed layer, by magnetizing reversal of the free layer by simultaneously flowing a current through the word line and the bit line. At this time, the magnitude of the current flowing through the word line and the bit line depends on the magnitude of the magnetic field required for magnetization inversion of the free layer.

즉, 자화 반전에 필요한 자기장이 크면 워드선과 비트선에 많은 전류를 흘려주어야 하며, 자화 반전 자기장이 작은 경우 작은 전류를 흘려주어도 자화가 반전된다. 워드선과 비트선에 지나치게 많은 전류를 흘려주는 경우 많은 전력이 소비되는 것은 물론 발열로 인한 소자의 성능에 문제를 야기할 수 있으며, 전류 밀도 또한 높아지게 되어 일렉트로마이그레이션(electromigration)에 의해 배선이 손상될 가능성이 높아지게 된다.That is, if the magnetic field required for magnetization reversal is large, a large amount of current must be flowed into the word line and the bit line. If the magnetization reversal magnetic field is small, the magnetization is inverted even if a small current is flowed. If too much current flows through the word line and bit line, it may not only consume a lot of power, but may also cause problems with the performance of the device due to heat generation. Will be higher.

따라서 메모리 소자의 작동시 워드선과 비트선에 흐르는 전류의 크기를 적정한 크기 이하로 낮추는 것이 매우 중요하다.Therefore, it is very important to reduce the magnitude of the current flowing through the word line and the bit line to less than the proper size when the memory device operates.

한편, 자기 메모리를 포함한 메모리 소자에서 상업적으로 가장 중요한 인자 중의 하나가 밀도이다. 자기 메모리 소자에서 고밀도화를 달성하기 위해서는 정보를 저장하는 자성 다층막의 크기를 줄이는 것이 필요하다. 자기 메모리 소자가 기존의 다른 메모리 기술과 경쟁하기 위해 요구되는 밀도에서 자성막의 크기는 서브마이크론(submicron) 범위가 될 것으로 예상된다. 자성막의 이러한 크기 범위에서 정자기 상호작용(magnetostatic interactions)이 매우 크기 때문에 자화를 반전시키는데 매우 큰 자기장이 필요하게 되며, 따라서 소자를 작동시키는데 워드선과 비트선에 많은 전류를 흘려주는 것이 필요하게 된다.On the other hand, one of the most commercially important factors in memory devices including magnetic memory is density. In order to achieve high density in magnetic memory devices, it is necessary to reduce the size of the magnetic multilayer film that stores information. At the density required for magnetic memory devices to compete with other existing memory technologies, the size of the magnetic film is expected to be in the submicron range. Because of the large magnetostatic interactions in this size range of the magnetic film, a very large magnetic field is required to invert the magnetization, thus driving a large amount of current to the word and bit lines to operate the device. .

이러한 문제를 해결하기 위하여 Hurst 등은 미국 특허 제 5,956,267에서 워드선의 일부분을 연자성 막으로 에워싸는 방법을 제안하였다. 워드선을 에워싼 연자성 막을 자기장 키퍼층(magnetic field keeper layer) 이라고 하는데, 이러한 키퍼층의 사용에 의해 워드선/비트선으로부터 자성 다층막에 가해지는 자기장의 크기가 증가함을 보였다. 이는 워드선과 비트선에 인가되는 전류의 크기를 감소시키며, 따라서 고전류 밀도와 관련된 문제를 줄이는 역할을 하게 된다.To solve this problem, Hurst et al. Proposed a method of enclosing a part of a word line with a soft magnetic film in US Pat. No. 5,956,267. The soft magnetic film surrounding the word line is called a magnetic field keeper layer. The use of the keeper layer has shown that the magnetic field applied to the magnetic multilayer film from the word line / bit line increases. This reduces the magnitude of the current applied to the word line and the bit line, thus reducing the problems associated with high current density.

자기 메모리 소자의 고밀도화를 달성하기 위해서는 자성 다층막의 크기를 줄이는 것은 물론 워드선과 비트선의 폭 및 두께 또한 줄이는 것이 요구된다. 이는 전류가 흐르는 도전체의 단면적이 줄어들어 일정한 전류를 흘리더라도 도전체에 흐르는 전류밀도를 증가시키게 된다.In order to achieve higher density of the magnetic memory device, it is required to reduce the size of the magnetic multilayer film as well as the width and thickness of the word line and the bit line. This reduces the cross-sectional area of the conductor through which current flows, and increases the current density flowing through the conductor even though a constant current flows.

이를 요약하면, 고밀도의 자기 메모리 소자에서 자성막의 크기가 줄어듦에 따라 자화반전에 필요한 자기장이 크게 증가함에도 불구하고 워드선과 비트선의 크기 또한 감소하여 워드선과 비트선에 많은 전류를 흘리는 것이 어려워 자화반전에 필요한 자기장을 얻기가 어렵게 되는데, 이것이 자기 메모리의 고밀도화를 달성하는데 있어 가장 큰 장애요인 중의 하나이다.In summary, as the size of the magnetic film decreases in the high-density magnetic memory device, the size of the word line and the bit line also decreases even though the magnetic field required for the magnetization reversal greatly increases, making it difficult to flow a large current to the word line and the bit line. It is difficult to obtain the required magnetic field, which is one of the biggest obstacles in achieving high density of magnetic memory.

또한, 자기 메모리 소자의 밀도가 높아지게 되면 이웃한 셀 간의 간격이 감소하여 셀 간의 간섭(cross-talk)이 일어날 가능성이 커지는데, 키퍼층은 셀 간의 간섭을 줄이는 역할도 한다.In addition, as the density of the magnetic memory device is increased, the distance between neighboring cells decreases, thereby increasing the possibility of cross-talk between cells. The keeper layer also reduces the interference between cells.

워드선과 비트선은 실리콘 산화막으로 주로 구성된 두꺼운 절연막에 트렌치 (trench) 또는 캐비티(cavity)를 미세가공 기술에 의해 제작한 다음 구리를 전해 도금하는 공정을 통하여 제작된다. 종래의 기술에서 자기장 키퍼층을 도전체의 일부에 에워쌈으로써 자화 반전에 필요한 자기장을 증가시키고자 하였는데, 이 때 자기장 키퍼층으로는 NiFe, NiFeCo 및 CoFe 재료를 사용하였다.The word line and the bit line are fabricated through a process of fabricating a trench or cavity by a micromachining technique in a thick insulating film composed mainly of a silicon oxide film and then electroplating copper. In the prior art, the magnetic field keeper layer was enclosed in a part of the conductor to increase the magnetic field required for magnetization reversal. In this case, NiFe, NiFeCo and CoFe materials were used as the magnetic field keeper layer.

이러한 재료의 자기장 키퍼층을 절연막과 워드선/비트선 사이에 곧바로 위치시키는 경우 키퍼층 재료가 절연막으로 확산되어 들어가거나 키퍼층과 구리와의 반응이 일어나 소자의 성능과 신뢰성에 큰 문제를 일으킬 가능성이 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여 종래의 기술에서는 자기장 키퍼층의 전후에 장벽층(barrier layer)을 삽입하였다.If the magnetic field keeper layer of such material is placed directly between the insulating film and the word line / bit line, the keeper layer material may diffuse into the insulating film or the reaction between the keeper layer and copper may cause a big problem in the performance and reliability of the device. There is this. In order to prevent this problem, in the related art, a barrier layer is inserted before and after the magnetic field keeper layer.

즉, 장벽층은 절연막과 키퍼층 사이 및 키퍼층과 워드선/비트선 사이에 위치하게 된다. 장벽층으로는 Ta, TiW, TiN 또는 TaN 등이 사용되어 왔다. 이러한 장벽층의 삽입은 추가적인 공정을 요구할 뿐만 아니라, 전류가 주로 흐르는 구리의 단면적을 감소시키기 때문에 전류밀도를 증가시키게 된다.That is, the barrier layer is located between the insulating film and the keeper layer and between the keeper layer and the word line / bit line. Ta, TiW, TiN or TaN or the like has been used as the barrier layer. Insertion of such barrier layers not only requires an additional process, but also increases current density because it reduces the cross-sectional area of copper through which current flows.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 자기장 키퍼층으로서 주로 Co로 구성된 자성층을 제공하는데 있다. 이 때, 본 발명에서 제공하는 주성분이 Co로 구성된 자성층은 연자성 특성이 비교적 우수하여 자기장 키퍼의 역할을 함과 동시에 장벽층으로서도 우수한 특성을 가지고 있기 때문에 추가적인 장벽층의 삽입이 필요하지 않다.Accordingly, the present invention has been made to solve this problem, and an object of the present invention is to provide a magnetic layer mainly composed of Co as a magnetic field keeper layer. At this time, since the magnetic layer composed of Co as a main component provided in the present invention has excellent soft magnetic properties and serves as a magnetic field keeper and also has excellent characteristics as a barrier layer, no additional barrier layer is required to be inserted.

또한, 본 발명에서 제공하는 또 다른 목적은 정보를 저장하는 자성 다층막의 자화 반전에 필요한 자기장의 크기가 키퍼층을 가진 워드선과 비트선의 형상에 매우 민감하기 때문에, 자기장 키퍼층을 가진 워드선과 비트선의 형상을 최적화하는 기술을 제공하고자 한다.Further, another object provided by the present invention is that the size of the magnetic field required for magnetization reversal of the magnetic multilayer film storing information is very sensitive to the shape of the word line and the bit line having the keeper layer, and thus the It is to provide a technique for optimizing the shape.

좀 더 구체적으로 워드선과 비트선의 구체적인 형상 및 워드선/비트선과 자성 다층막간의 간격에 따라 자성 다층막에 인가되는 자기장의 크기가 변화하는 결과를 보임으로써 자기 메모리 소자에 사용되는 워드선과 비트선의 형상에 대한 최적화를 달성하고자 한다. 그러나 본 발명의 원리는 유사한 자기장 키퍼 층을 가진 워드선과 비트선에도 동일하게 적용될 수 있음은 주지의 사실이다.More specifically, the size of the magnetic field applied to the magnetic multilayer film varies depending on the specific shape of the word line and the bit line and the spacing between the word line / bit line and the magnetic multilayer film. We want to achieve optimization. However, it is well known that the principles of the present invention can be equally applied to word lines and bit lines having similar magnetic field keeper layers.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은As a technical idea for achieving the above object of the present invention

반도체 기판 상에 절연층을 형성하는 단계와; 상기 절연층에 광식각 공정을 이용하여 소정 깊이의 트렌치(Trench)를 형성하는 단계와; 상기 트렌치의 내외측 전표면에 물리적 기상증착법을 이용하여 자기장 키퍼(keeper)층을 코팅하는 단계와; 상기 키퍼층 상부의 전면에 구리(Cu) 재질의 시드(seed)층을 증착하는 단계와; 상기 시드층 상에 트렌치를 충분히 덮을 수 있을 정도 두께로 구리(Cu) 재질의 도전층을 전기도금 방식으로 증착하는 단계와; 상기 절연층의 상부 표면이 노출될때 까지 CMP 공정을 이용하여 평탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 키퍼층을 가진 워드선 제조방법을 제공한다.Forming an insulating layer on the semiconductor substrate; Forming a trench having a predetermined depth in the insulating layer using a photoetch process; Coating a magnetic field keeper layer on the inner and outer surfaces of the trench by using physical vapor deposition; Depositing a seed layer made of copper (Cu) on an entire surface of the keeper layer; Depositing a copper (Cu) conductive layer by electroplating to a thickness sufficient to cover the trench on the seed layer; It provides a word line manufacturing method having a keeper layer applicable to a magnetic memory and a sensor comprising the step of planarizing using a CMP process until the upper surface of the insulating layer is exposed.

도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 따라 키퍼층을 가진 워드선의 제조 공정을 나타낸 공정 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing a word line having a keeper layer according to the present invention.

도 2는 키퍼층의 유무에 따라 워드선으로부터 발생되는 자기장의 크기를 비교한 그래프이다.2 is a graph comparing the magnitude of a magnetic field generated from a word line with or without a keeper layer.

도 3 및 도 4는 키퍼층이 존재하는 워드선에서 종횡비가 워드선으로부터 발생되는 자기장의 크기에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다.3 and 4 are graphs showing the effect of the aspect ratio on the magnitude of the magnetic field generated from the word line in the word line in which the keeper layer is present.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

100 : 반도체 기판102 : 절연층100 semiconductor substrate 102 insulating layer

104 : 트렌치(Trench)106 : 키퍼(keeper)층104: trench 106: keeper layer

108 : 시드(seed)층110 : 도전층108: seed layer 110: conductive layer

이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 자기 메모리 소자에서 통상 정보를 저장하는 자성 다층막의 자화 반전은 워드선과 비트선에 전류를 동시에 인가함으로써 달성되지만, 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 워드선에 대해서만 기술하고자 한다. 참고로 본 발명에서의 워드선과 비트선의 형상은 종횡비(aspect ratio; 두께/폭비)로 나타내었다.Prior to the detailed description of the present invention, the magnetization reversal of the magnetic multilayer film that normally stores information in the magnetic memory device is achieved by simultaneously applying current to the word line and the bit line, but in the present invention, only the word line is described for convenience of description. do. For reference, the shape of the word line and the bit line in the present invention is represented by an aspect ratio (thickness / width ratio).

도 1a 내지 도 1f는 본 발명에 따라 키퍼층을 갖는 워드선의 제조 공정을 나타낸 공정 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views showing the manufacturing process of a word line having a keeper layer according to the present invention.

반도체 기판(100) 즉, 실리콘 기판 위에 실리콘 산화막으로 이루어진 절연층(102)을 형성한다.(도 1a 참조) 이어서, 상기 절연층(102)에 통상의 광식각 공정을 사용하여 소정 깊이의 트렌치(Trench)(또는 캐비티(cavity))(104)를 형성한다.(도 1b 참조)An insulating layer 102 made of a silicon oxide film is formed on the semiconductor substrate 100, that is, a silicon substrate. (See FIG. 1A). A trench having a predetermined depth may be formed on the insulating layer 102 using a conventional photolithography process. A trench (or cavity) 104 is formed (see FIG. 1B).

그 다음, 상기 트렌치(104)의 내외측 전표면에 스퍼터링 방법과 같은 물리적기상증착법을 이용하여 자기장 키퍼(keeper)층(106)을 코팅한 후(도 1c 참조) 그 상부 전면에 구리(Cu) 재질의 시드(seed)층(108)을 얇게 형성한다.Then, the magnetic field keeper layer 106 is coated on the inner and outer surfaces of the trench 104 using a physical vapor deposition method such as sputtering method (see FIG. 1C), and then copper (Cu) on the upper front surface thereof. The seed layer 108 of the material is thinly formed.

이 때, 상기 자기장 키퍼층(106)은 주로 Co로 구성된 합금을 사용한다. 구체적으로는 Co-P 합금, Co-B 합금, Co-Si 합금, Co-Nb 합금, Co-Ta 합금, Co-Mo 합금, Co-Cu 합금, Co-W 합금 등을 들 수 있다. 이러한 합금들은 구리가 절연층(102)으로 확산되는 것을 방지하는 절연 역할과 함께 투자율이 높아 자기장 키퍼의 역할도 동시에 수행한다.(도 1d 참조)At this time, the magnetic field keeper layer 106 mainly uses an alloy composed of Co. Specifically, Co-P alloy, Co-B alloy, Co-Si alloy, Co-Nb alloy, Co-Ta alloy, Co-Mo alloy, Co-Cu alloy, Co-W alloy, etc. are mentioned. These alloys also have a high permeability, as well as an insulating role that prevents copper from diffusing into the insulating layer 102 (see FIG. 1D).

다음, 상기 시드층(108) 상부의 전면에 전기 도금에 의해 도전층(110)으로 구리(Cu)를 입힌다. 이 때, 상기 도전층(110)은 트렌치(104)를 충분히 덮을 수 있을 정도의 두께로 증착한다.(도 1e 참조)Next, copper (Cu) is coated on the front surface of the seed layer 108 to the conductive layer 110 by electroplating. At this time, the conductive layer 110 is deposited to a thickness sufficient to cover the trench 104 (see FIG. 1E).

그 후, 상기 절연층(102)의 상부 표면이 노출될때 까지 화학적기계적 평탄화(CMP : chemical-mechanical planarization) 공정을 이용하여 불필요한 박막을 제거함과 동시에 최종 상층면을 평탄화한다.(도 1f 참조)Subsequently, the final upper layer is planarized while removing unnecessary thin films using a chemical-mechanical planarization (CMP) process until the upper surface of the insulating layer 102 is exposed (see FIG. 1F).

여기서, 도 1f에 좌표축으로 가로축을 y, 세로축을 z로 나타내었다. x축은 종이 면에 수직한 방향으로서 전류가 흐르는 방향과 같다.Here, in FIG. 1F, the horizontal axis is represented by y as the coordinate axis and the vertical axis is represented by z. The x-axis is the direction perpendicular to the paper plane and is the same as the direction in which the current flows.

또한, 도 1f에는 워드선의 종횡비가 1에 유사한 경우에 대한 공정도를 나타내었지만, 다른 종횡비를 가진 워드선을 제작하기 위한 공정은 본 발명과 유사하다. 본 발명에서 고려한 다양한 형태의 워드선 종횡비 및 실제 워드선의 단면적은 다음과 같다.1F shows a process diagram for the case where the aspect ratio of the word line is similar to 1, the process for producing word lines having other aspect ratios is similar to the present invention. Various types of word line aspect ratios and actual cross-sectional areas of word lines considered in the present invention are as follows.

종횡비가 16인 경우 (4.0 μm (두께) × 0.25 μm (폭)), 9인 경우 (3.0 μm (두께) × 0.333 μm (폭)), 4인 경우 (2.0 μm (두께) × 0.5 μm (폭))이다.For aspect ratio 16 (4.0 μm (thickness) × 0.25 μm (width)), for 9 (3.0 μm (thickness) × 0.333 μm (width)), for 4 (2.0 μm (thickness) × 0.5 μm (width) ))to be.

종횡비가 1.56인 경우 (1.25 μm (두께) × 0.8 μm (폭)), 1.0인 경우 (1.0 μm (두께) × 1.0 μm (폭)), 0.44인 경우 (0.67 μm (두께) × 1.5 μm (폭)), 0.25인 경우 (0.5 μm (두께) × 2.0 μm (폭))이다.For an aspect ratio of 1.56 (1.25 μm (thickness) × 0.8 μm (width)), for 1.0 (1.0 μm (thickness) × 1.0 μm (width)), for 0.44 (0.67 μm (thickness) × 1.5 μm (width) )), Which is 0.25 (0.5 μm (thickness) x 2.0 μm (width)).

도 2는 키퍼층의 효과를 얻기 위하여 본 발명에 따라 주성분이 Co로 구성된 키퍼층을 가진 워드선으로부터 발생되는 자기장과 키퍼층이 없는 워드선으로부터 발생되는 자기장의 크기를 비교한 그래프이다.Figure 2 is a graph comparing the magnitude of the magnetic field generated from the word line without the keeper layer and the magnetic field generated from the word line having a keeper layer consisting of Co according to the present invention in order to obtain the effect of the keeper layer.

이 때, 두 워드선의 종횡비는 각각 1.0이며, 키퍼 층의 두께는 0.03 μm이다. 워드선에 인가된 전류의 크기는 10 mA이며, 단면적은 1 um2 이다. 도 2의 가로축은 y 방향(수평 방향)의 길이를 나타내며, 여기서 y=0은 워드선의 중앙을 나타낸다. 세로축은 워드선에서 z방향(수직 방향)으로 0.13 μm 떨어진 거리(즉 z=0.13 μm)에서 y방향 성분의 자기장(Hy)을 나타낸다. z=0.13 μm는 통상의 자기 메모리에서 워드선과 자유층 사이의 거리에 해당된다.At this time, the aspect ratios of the two word lines are each 1.0, and the thickness of the keeper layer is 0.03 µm. The magnitude of the current applied to the word line is 10 mA and the cross section is 1 um2. 2 represents the length in the y direction (horizontal direction), where y = 0 represents the center of the word line. The vertical axis represents the magnetic field Hy of the y-direction component at a distance 0.13 μm away from the word line in the z-direction (vertical direction) (that is, z = 0.13 μm). z = 0.13 μm corresponds to the distance between the word line and the free layer in a conventional magnetic memory.

도 2에서 세로로 나타낸 2개의 점선은 워드선의 폭을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이 키퍼층의 존재에 의해 워드선으로부터 발생되는 자기장은 매우 크게 증가한다. 또한, 발생되는 자기장이 워드선 주변에만 존재하고 워드선으로부터의 거리가 증가함에 따라 매우 급격하게 감소한다. 도 2의 결과로부터 키퍼층은 워드선의 전류밀도를 줄이고, 고밀도 자기 메모리에서 발생되는 셀 간의 간섭을 줄이는데 매우 효과적임을 알 수 있다.Two dashed lines shown vertically in FIG. 2 indicate the width of the word line. As shown in Fig. 2, the magnetic field generated from the word line due to the presence of the keeper layer is greatly increased. In addition, the generated magnetic field exists only around the word line and decreases very rapidly as the distance from the word line increases. From the results of FIG. 2, it can be seen that the keeper layer is very effective in reducing the current density of the word line and reducing the interference between cells generated in the high density magnetic memory.

도 3은 키퍼층이 존재하는 워드선에서 종횡비가 워드선으로부터 발생되는 자기장의 크기에 어떤 영향을 미치는지를 나타내는 그래프이다. 도 3을 살펴보면, 워드선에 인가된 전류의 크기는 10 mA이며, 단면적은 1 um2 이다. 가로축은 워드선의 중앙 (y=0)에서 z 방향으로 워드선으로부터 떨어진 거리이며 세로축은 자기장의 y 방향 성분 (Hy)이다.3 is a graph showing how an aspect ratio affects the magnitude of a magnetic field generated from a word line in a word line in which a keeper layer exists. Referring to Figure 3, the magnitude of the current applied to the word line is 10 mA, the cross-sectional area is 1 um2. The horizontal axis is the distance away from the word line in the z direction at the center of the word line (y = 0) and the vertical axis is the y-direction component (Hy) of the magnetic field.

도 3에 도시된 바와 같이 워드선의 단면적이 동일함에도 불구하고 Hy는 종횡비에 따라 매우 민감하게 변화하는데, 특히 워드선으로부터 떨어진 거리가 작은 경우 종횡비에 따른 Hy의 변화는 매우 크다. 자기 메모리에 응용하는 경우 해당되는 거리 (통상 z=0.1∼0.2 um 범위)에서 Hy의 크기는 다음의 2가지 특징을 보인다.Although the cross-sectional area of the word line is the same as shown in FIG. 3, Hy is very sensitive to the aspect ratio. In particular, when the distance from the word line is small, the change of Hy is very large depending on the aspect ratio. When applied to magnetic memory, the size of Hy shows the following two characteristics at the corresponding distance (typically in the range of z = 0.1 to 0.2 um).

첫째는 Hy의 크기가 종횡비에 매우 민감하게 변한다는 것이며, 둘째는 어떤 종횡비 범위에서 자기장의 크기가 최대가 된다는 점이다. 이러한 특징은 자기 메모리 소자의 설계시 워드선 형상의 최적화가 필요하다는 것이다. 보다 구체적으로 워드선으로부터 떨어진 거리가 작은 경우 Hy는 종횡비가 감소함에 따라 증가하여 4.0의 종횡비에서 최대를 보이며 종횡비가 더 이상 감소하면 Hy가 다시 감소한다.The first is that the magnitude of Hy varies very sensitive to the aspect ratio, and the second is that the magnetic field is at its maximum in any aspect ratio range. This feature requires the optimization of the word line shape in the design of magnetic memory devices. More specifically, when the distance from the word line is small, Hy increases as the aspect ratio decreases, showing a maximum at an aspect ratio of 4.0, and Hy decreases again when the aspect ratio further decreases.

또 하나의 추가적인 특징은 종횡비가 큰 경우 워드선으로부터 떨어진 거리에 따라 Hy는 급격하게 변화하나, 종횡비가 작은 경우 Hy는 서서히 감소한다. 이러한 결과 워드선으로부터 떨어진 거리가 큰 경우 종횡비에 따른 Hy의 변화는 워드선으로부터 떨어진 거리가 작은 경우에 비하여 매우 작다.Another additional feature is that Hy rapidly changes depending on the distance from the word line when the aspect ratio is large, but Hy decreases gradually when the aspect ratio is small. As a result, when the distance from the word line is large, the change of Hy according to the aspect ratio is very small compared to the case where the distance from the word line is small.

도 4는 여러 종횡비에 대하여 키퍼 층을 가진 워드선으로부터 발생되는 자기장에 대한 결과를 도 2와 유사하게 나타낸 그래프이다. 즉, 가로축은 y 방향의 길이를 나타내며, y=0은 워드선의 중앙을 나타낸다. 세로축은 워드선에서 z 방향으로 0.13 μm 떨어진 거리(즉 z=0.13 μm)에서 y 방향 성분의 자기장 (Hy)을 나타낸다. 워드선에 인가된 전류의 크기는 10 mA이며, 단면적은 1 um2 이다. 워드선의 중앙 (y=0)인 경우 도 3에서 이미 언급한 바와 같이 종횡비가 4.0인 경우 Hy가 최대이나 워드선의 중앙에서 벗어남에 따라 Hy는 매우 급격히 변화한다. 이러한 변화는 종횡비가 증가할수록 더욱 크게 나타난다. 그러나 1.56의 종횡비에서 Hy의 변화는 매우 작으며, 종횡비가 감소함에 따라 Hy의 변화는 감소한다.FIG. 4 is a graph similar to FIG. 2 showing the results for a magnetic field generated from a word line with a keeper layer for different aspect ratios. That is, the horizontal axis represents the length in the y direction, and y = 0 represents the center of the word line. The vertical axis represents the magnetic field (Hy) of the y-direction component at a distance 0.13 μm away from the word line in the z direction (that is, z = 0.13 μm). The magnitude of the current applied to the word line is 10 mA and the cross section is 1 um2. In the case of the center of the word line (y = 0) As already mentioned in FIG. 3, when the aspect ratio is 4.0, Hy is very rapidly changed as Hy is out of the center of the word line. This change is more pronounced as the aspect ratio increases. However, the change in Hy is very small at an aspect ratio of 1.56, and the change in Hy decreases as the aspect ratio decreases.

한 예로서 종횡비 1.0 이하에서는 워드선의 중앙으로부터 0.3 μm 거리까지 벗어나더라도 Hy의 변화는 거의 없다. Hy의 크기 및 워드선의 중앙으로부터 벗어남에 따른 Hy의 변화를 고려할 때 최적의 종횡비는 0.44 ∼ 4.0 범위로 생각되며, 더욱 바람직한 범위는 1.0 ∼ 1.56이다.As an example, at an aspect ratio of 1.0 or less, there is little change in Hy even if it deviates to a distance of 0.3 m from the center of the word line. Considering the magnitude of Hy and the change of Hy due to deviation from the center of the word line, the optimum aspect ratio is considered to be in the range of 0.44 to 4.0, and more preferably in the range of 1.0 to 1.56.

이상에서 본 발명에서는 자기 메모리를 중심으로 기술하였으나, 본 발명은 자기센서, 특히 마이크로 자기센서의 응용에도 유사하게 적용될 수 있다. 마이크로자기센서에서 자기장은 자기 메모리와 유사하게 구리 등의 도전체에 전류를 흘려줌으로써 얻어지며, 이러한 응용에서도 자기 메모리와 마찬가지로 낮은 전류 (전류밀도)에서 큰 자기장을 얻는 것은 매우 중요하기 때문이다.Although the present invention has been described above with reference to the magnetic memory, the present invention can be similarly applied to the application of a magnetic sensor, in particular a micro magnetic sensor. The magnetic field in a micromagnetic sensor is obtained by passing a current through a conductor such as copper similarly to a magnetic memory, and in this application, it is very important to obtain a large magnetic field at low current (current density) as in the magnetic memory.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 키퍼층을 가진 워드선 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the word line manufacturing method having the keeper layer applicable to the magnetic memory and the sensor according to the present invention has the following effects.

첫째, 본 발명에서는 연자성 특성이 비교적 우수하여 자기장 키퍼의 역할을 함과 동시에 장벽층으로서도 우수한 특성을 가지고 있는 주로 Co로 구성된 자성층을 제공한다.First, the present invention provides a magnetic layer mainly composed of Co, which is relatively excellent in soft magnetic properties and serves as a magnetic field keeper and also has excellent characteristics as a barrier layer.

통상의 자기장 키퍼 층을 가진 워드선/비트선에서는 키퍼층의 전,후에 장벽층이 필요하나 본 발명에서 제공하는 주성분이 Co 구성된 막을 사용하면 장벽층이 추가로 필요하지 않게 된다. 이는 자기 메모리 소자에 필요한 공정을 줄여주며, 또한 전류가 주로 흐르는 구리의 단면적 감소를 최소화시키게 된다. 이는 일정한 크기의 전류에 대하여 구리를 통한 전류 밀도를 낮추어 주기 때문에 높은 전류밀도와 관련된 문제들을 줄이게 된다.In a word line / bit line having a conventional magnetic field keeper layer, a barrier layer is required before and after the keeper layer. However, when the main component provided by the present invention uses a film composed of Co, the barrier layer is not required. This reduces the process required for the magnetic memory device and also minimizes the reduction in cross-sectional area of the copper through which current flows. This lowers the current density through copper for a constant amount of current, thereby reducing the problems associated with high current density.

둘째, 본 발명에서는 상기의 자기장 키퍼층을 가진 워드선/비트선에 대하여 자화 반전에 필요한 자기장이 최대가 되도록 워드선/비트선에 대한 최적의 형상을 제공한다.Second, the present invention provides an optimal shape for the word line / bit line so that the magnetic field necessary for magnetization reversal is maximized with respect to the word line / bit line having the magnetic field keeper layer.

고밀도 자기 메모리에 해당되는 소자에서 자화 반전에 필요한 자기장의 크기는 워드선/비트선의 형상에 매우 민감하며 특정한 형상에서 최대의 자기장이 얻어진다. 자화 반전에 필요한 자기장의 관점에서 볼 때, 워드선/비트선의 최적 형상은 종횡비가 0.44 ∼ 4.0 사이일 때이다.In the device corresponding to the high density magnetic memory, the size of the magnetic field required for magnetization reversal is very sensitive to the shape of the word line / bit line, and the maximum magnetic field is obtained in the specific shape. In view of the magnetic field required for magnetization reversal, the optimum shape of the word line / bit line is when the aspect ratio is between 0.44 and 4.0.

Claims (3)

반도체 기판 상에 절연층을 형성하는 단계와;Forming an insulating layer on the semiconductor substrate; 상기 절연층에 광식각 공정을 이용하여 소정 깊이의 트렌치(Trench)를 형성하는 단계와;Forming a trench having a predetermined depth in the insulating layer using a photoetch process; 상기 트렌치의 내외측 전표면에 물리적 기상증착법을 이용하여 자기장 키퍼(keeper)층을 코팅하는 단계와;Coating a magnetic field keeper layer on the inner and outer surfaces of the trench by using physical vapor deposition; 상기 키퍼층 상부의 전면에 구리(Cu) 재질의 시드(seed)층을 증착하는 단계와;Depositing a seed layer made of copper (Cu) on an entire surface of the keeper layer; 상기 시드층 상에 트렌치를 충분히 덮을 수 있을 정도 두께로 구리(Cu) 재질의 도전층을 전기도금 방식으로 증착하는 단계와;Depositing a copper (Cu) conductive layer by electroplating to a thickness sufficient to cover the trench on the seed layer; 상기 절연층의 상부 표면이 노출될때 까지 CMP 공정을 이용하여 평탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 키퍼층을 가진 워드선 제조방법.And planarizing using a CMP process until the upper surface of the insulating layer is exposed, wherein the word line manufacturing method has a keeper layer applicable to a magnetic memory and a sensor. 청구항 1에 있어서, 상기 키퍼층은 Co-P 합금, Co-B 합금, Co-Si 합금, Co-Nb 합금, Co-Ta 합금, Co-Mo 합금, Co-Cu 합금, Co-W 합금 중에 임의로 선택되는 어느 하나의 층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 키퍼층을 가진 워드선 제조방법.The method according to claim 1, wherein the keeper layer is optionally selected from Co-P alloy, Co-B alloy, Co-Si alloy, Co-Nb alloy, Co-Ta alloy, Co-Mo alloy, Co-Cu alloy, Co-W alloy A word line manufacturing method having a keeper layer applicable to a magnetic memory and a sensor, characterized in that it consists of any one layer selected. 청구항 1에 있어서, 상기 워드선의 최적 형상 종횡비는 0.44 ∼ 4.0 사이인 것을 특징으로 하는 자기 메모리 및 센서에 응용 가능한 키퍼층을 가진 워드선 제조방법.The word line manufacturing method according to claim 1, wherein an optimum shape aspect ratio of the word line is between 0.44 and 4.0.
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