KR20030088572A - 마그네틱 램의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마그네틱 램 ( magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함 ) 의 제조방법에 관한 것으로, 특히 MTJ 물질층의 식각공정시 상기 MTJ 물질층의 식각면인 측벽에 전도성 식각부산물이 부착되어 소자의 전기적 특성을 향상시키기 위하여 MTJ 물질층의 식각공정후 상기 MTJ 물질층 표면에 KrF 레이저를 조사함으로써 상기 MTJ 물질층 측벽에서 상기 식각부산물을 제거하여 소자의 전기적 특성을 향상시키는 기술이다.
Description
본 발명은 마그네틱 램 ( magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함 ) 의 제조방법에 관한 것으로, 특히 SRAM 보다 빠른 속도, DRAM 과 같은 집적도 그리고 플레쉬 메모리 ( flash memory ) 와 같은 비휘발성 메모리의 특성을 갖는 마그네틱 램의제조 공정을 변화시켜 소자의 전기적 특성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.
대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로 강자성체 물질을 이용하는 MRAM 의 개발을 하고 있다.
상기 MRAM 은 강자성 박막을 다층으로 형성하여 각 박막의 자화방향에 따른 전류 변화를 감지함으로써 정보를 읽고 쓸 수 있는 기억소자로서, 자성 박막 고유의 특성에 의해 고속, 저전력 및 고집적화를 가능하게 할뿐만 아니라, 플레쉬 메모리와 같이 비휘발성 메모리 동작이 가능한 소자이다.
상기 MRAM 은 스핀이 전자의 전달 현상에 지대한 영향을 미치기 때문에 생기는 거대자기저항 ( giant magnetoresistive, GMR ) 현상이나 스핀 편극 자기투과 현상을 이용해 메모리 소자를 구현하는 방법이 있다.
상기 거대자기저항 ( GMR ) 현상을 이용한 MRAM 은, 비자성층을 사이에 둔 두 자성층의 스핀 방향이 같은 경우보다 다른 경우의 저항이 크게 다른 현상을 이용해 GMR 자기 메모리 소자를 구현하는 것이다.
상기 스핀 편극 자기투과 현상을 이용한 MRAM 은, 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 다른 경우보다 전류 투과가 훨씬 잘 일어난다는 현상을 이용하여 자기투과 접합 메모리 소자를 구현하는 것이다. 상기 MRAM 은 하나의 트랜지스터와 하나의 MTJ 셀로 형성한다. 이때, 상기 MTJ 셀은 하나의 마스크, 즉 MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 실시한다.
그러나, 상기 MTJ 셀에 사용되는 금속 성분에 기인된 전도성 식각 부산물들이 MTJ 셀 측벽에 유발되어 누설전류를 유발시키고 이는 소자의 전기적 특성을 열화시킨다.
도 1a 내지 도 1c 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도이고, 도 2 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 셈사진을 도시한다.
도 1a 을 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 층간절연막(도시안됨)을 형성한다.
이때, 상기 층간절연막은 소자분리막(도시안됨), 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터(도시안됨), 그라운드 라인 및 도전층(도시안됨), 라이트 라인인 제2워드라인(도시안됨)을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층(도시안됨)을 도전층으로 형성한다.
상기 도전층 상부를 평탄화시키는 층간절연막(도시안됨)을 형성하고 이를 CMP ( chemical mechanical polishing, 이하에서 CMP 라 함 ) 하여 상기 연결층을 노출시킨다.
전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다.
이때, 상기 MTJ 물질층은 버퍼 레이어 ( buffer layer )(도시안됨), 씨드 레이어 ( seed layer )(도시안됨), 자화 고정층 ( magnetic pinned layers )(11), 터널링 장벽층(13), 자화 자유층(15) 및 하드마스크층(도시안됨)을 적층하여 형성한 것이다.
그 다음, 상기 자화 자유층(15) 상부에 감광막패턴(17)을 형성한다.
이때, 상기 감광막패턴(17)은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한 것이다.
도 1b를 참조하면, 감광막패턴(17)을 마스크로 하여 상기 MTJ 물질층을 식각한다.
이때, 상기 MTJ 물질층과 감광막패턴(17) 측벽에 전도성 식각 부산물(19)이 부착된다.
이로 인하여, 상기 고정 자화층(11)과 자유 자화층(15)이 쇼트되어 누설전류가 발생되고 그에 따른 소자의 전기적 특성이 열화된다.
도 1c를 참조하면, 도 1b의 단계후 감광막패턴(17)을 제거한다.
이때, 상기 전도성 식각 부산물(19)이 여전히 부착되어 있다.
도 2 는 종래기술에 따른 MTJ 셀의 측벽에 전도성 식각 부산물이 부착된 경우를 도시한 셈(SEM) 사진이다.
상기한 바와 같이 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법은, MTJ 셀의 패터닝 공정을 이용하여 한번의 사진식각공정으로 실시함으로써 패터닝된 MTJ 셀 측벽에 식각 부산물이 부착될 수 있으며 이로 인한 소자의 누설전류가 유발될 수 있어 소자의 전기적 특성을 열화시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 두 개의 마스크를 이용하여 MTJ 셀을 패터닝 함으로써 소자의 전기적 특성을 향상시켜 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 마그네틱 램의 제조방법을 제공하는데 그 목적을 갖는 발명입니다.
도 1a 내지 도 1c 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도.
도 2 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 셈사진.
도 3a 및 도 3b 는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
11,21 : 고정 자화층 13,23 : 터널링 장벽층
15,25 : 자유 자화층17 : 감광막패턴
19,27 : 전도성 식각부산물
상기 목적 달성을 위해 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법은,
소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상에 고정 자화층, 터널링 장벽층 및 자유 자화층의 적층구조로 형성된 MTJ 물질층을 적층하는 공정과,
MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 물질층을 플라즈마 식각하되, 상기 MTJ 물질층 측벽에 식각부산물이 부착되는 공정과,
상기 MTJ 물질층 표면을 KrF 레이저로 조사하여 상기 식각부산물을 제거하는 공정을 포함하며,
상기 플라즈마 식각공정은 플라즈마 식각 척 ( plasma etch chuck ) 에 인가되는 바이어스 전력을 500 ∼ 2000 와트로 인가하여 실시하는 것과,
상기 플라즈마 식각공정은 C 를 함유한 화합물을 이용하여 RIE ( reactive ion etching ) 방법으로 실시하거나 플라즈마 발생 가스로 Ar 만을 사용하는 이온 밀링 ( ion milling ) 방법으로 실시하는 것과,
상기 KrF 레이저 조사 공정은 100 ∼ 400 mJ/㎠ 의 에너지로 실시하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 기술적 원리는,
248 ㎚ 파장의 KrF 레이저를 조사하여 MTJ 물질층과 전도성 식각부산물의 열팽창계수 차이에 의한 스트레스를 일으킴으로써 상기 식각부산물을 제거할 수 있도록 하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 3a 및 도 3b 는 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도이다.
도 3a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 층간절연막(도시안됨)을 형성한다.
이때, 상기 층간절연막은 활성영역을 정의하는 소자분리막(도시안됨), 트랜지스터의 게이트전극, 즉 MRAM 의 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터(도시안됨), 상기 소오스/드레인에 각각 접속되는 그라운드 라인 및 도전층(도시안됨), MTJ 셀 하측에 구비되는 라이트 라인인 제2워드라인(도시안됨)을 형성하고 그 상부를 절연막으로 평탄화시켜 형성한 것이다.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층(도시안됨)을 도전층으로 형성한다.
상기 도전층 상부를 평탄화시키는 층간절연막(도시안됨)을 형성하고 이를 CMP ( chemical mechanical polishing, 이하에서 CMP 라 함 ) 하여 상기 연결층을 노출시킨다.
전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다.
이때, 상기 MTJ 물질층은 버퍼 레이어 ( buffer layer )(도시안됨), 씨드 레이어 ( seed layer )(도시안됨), 자화 고정층 ( magnetic pinned layers )(21), 터널링 장벽층(23), 자화 자유층(25) 및 하드마스크층(도시안됨)을 적층하여 형성한 것이다.
그 다음, 상기 자화 자유층(25) 상부에 감광막패턴(도시안됨)을 형성한다.
이때, 상기 감광막패턴은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한 것이다.
그 다음, 상기 감광막패턴을 마스크로 하여 상기 MTJ 물질층을 식각한다.
이때, 상기 MTJ 물질층 식각공정은 플라즈마 식각 방법을 이용하여 실시한다.
상기 플라즈마 식각 방법은 플라즈마 식각 척 ( plasma etch chuck ) 에 인가되는 바이어스 전력을 500 ∼ 2000 와트로 인가하여 실시하되, 식각가스에 C를 함유한 화합물을 이용하여 RIE ( reactive ion etching ) 방법으로 실시하거나 플라즈마 발생 가스로 Ar 만을 사용하는 이온 밀링 ( ion milling ) 방법으로 실시한다.
여기서, 상기 MTJ 물질층과 감광막패턴 측벽에 전도성 식각부산물(27)이 부착된다.
이로 인하여, 상기 고정 자화층(21)과 자유 자화층(25)이 쇼트되어 누설전류가 발생되고 그에 따른 소자의 전기적 특성이 열화될 수 있는 문제점이 있다.
그 다음, 상기 감광막패턴을 제거한다.
상기 MTJ 물질층에 KrF 레이저를 조사하여 상기 전도성 식각부산물(27)을 상기 MTJ 물질층으로부터 분리시킴으로써 고정 자화층(21), 터널링 장벽층(23) 및 자유 자화층(25)의 적층구조로 형성된 MTJ 셀을 형성한다.
이때, 상기 KrF 레이저 조사 공정은 100 ∼ 400 mJ/㎠ 의 에너지로 상기 MTJ 물질층 표면을 조사하여 상기 MTJ 물질층과 전도성 식각부산물(27)의 열팽창계수 차이에 의한 스트레스를 일으킴으로써 상기 전도성 식각부산물(27)을 제거한 것이다.
후속공정으로 비트라인을 형성하여 MRAM을 형성한다.
도 4 는 본 발명에 따른 MRAM 의 SEM 사진을 도시한 것으로서, 식각 부산물이 제거된 것을 도시한다.
본 발명의 다른 실시예는 상기 MTJ 셀을 AMR, GMR, 스핀 밸브 ( spin valve ), 강자성체/금속·반도체 하이브리드 구조, III-V족 자성 반도체 복합구조, 금속(준금속)/반도체 복합구조, CMR ( Colossal Magneto-Resistance ), 등과 같은 자화 또는 자성에 의하여 저항값이 변하는 모든 종류의 자기저항소자와, 전기 신호에 의한 물질 상변환에 따라 저항값이 변하는 상변환 소자로 형성하는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법은, MTJ 층을 안정적으로 형성할 수 있는 기술력을 확보할 수 있고, MTJ 층 측벽에 형성되는 전도성 식각부산물을 완전히 제거할 수 있어 MRAM 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
Claims (4)
- 소정의 하부구조물이 구비되는 반도체기판 상에 고정 자화층, 터널링 장벽층 및 자유 자화층의 적층구조로 형성된 MTJ 물질층을 적층하는 공정과,MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 물질층을 플라즈마 식각하되, 상기 MTJ 물질층 측벽에 식각부산물이 부착되는 공정과,상기 MTJ 물질층 표면을 KrF 레이저로 조사하여 상기 식각부산물을 제거하는 공정을 포함하는 마그네틱 램의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 플라즈마 식각공정은 플라즈마 식각 척 ( plasma etch chuck ) 에 인가되는 바이어스 전력을 500 ∼ 2000 와트로 인가하여 실시하는 것을 특징으로 마그네틱 램의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 플라즈마 식각공정은 C 를 함유한 화합물을 이용하여 RIE ( reactive ion etching ) 방법으로 실시하거나 플라즈마 발생 가스로 Ar 만을 사용하는 이온 밀링 ( ion milling ) 방법으로 실시하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 램의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 KrF 레이저 조사 공정은 100 ∼ 400 mJ/㎠ 의 에너지로 실시하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 램의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| US9660186B2 (en) | 2015-10-07 | 2017-05-23 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Method of inspecting by-products and method of manufacturing semiconductor device using the same |
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| KR100190083B1 (ko) * | 1996-08-20 | 1999-06-01 | 윤종용 | 반도체 장치의 게이트 전극 형성 방법 |
| JP2000339622A (ja) * | 1999-05-31 | 2000-12-08 | Fujitsu Ltd | 薄膜磁気ヘッドの磁極形成方法 |
| KR20030002142A (ko) * | 2001-06-30 | 2003-01-08 | 주식회사 하이닉스반도체 | 자기저항식 랜덤 액세스 메모리의 자성 터널링 접합층형성 방법 |
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