KR20040008483A - A method for manufacturing of a Magnetic random access memory - Google Patents
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Abstract
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 램의 제조 공정을 변화시켜 소자의 전기적 특성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing magnetic RAM (hereinafter referred to as MRAM), in particular magnetic RAM having characteristics of faster speed than SRAM, density like DRAM, and nonvolatile memory such as flash memory. It relates to a technique for improving the electrical properties of the device by changing the manufacturing process of.
대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로 강자성체 물질을 이용하는 MRAM 의 개발을 하고 있다.Most semiconductor memory manufacturers are developing MRAM using ferromagnetic materials as one of the next generation memory devices.
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.The MRAM is a memory device that reads and writes information by forming ferromagnetic thin films in multiple layers to sense current changes according to the magnetization direction of each thin film. The MRAM not only enables high speed, low power, and high integration, The device is capable of operating a nonvolatile memory such as a flash memory.
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.The MRAM has a method of implementing a memory device using a giant magnetoresistive (GMR) phenomenon or a spin polarization magnetic permeation phenomenon, which occurs because spin has a great effect on electron transfer.
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.In the MRAM using the giant magnetoresistance (GMR) phenomenon, a GMR magnetic memory device is implemented by using a phenomenon in which the resistances of the two magnetic layers having a nonmagnetic layer interposed therebetween are significantly different than in the same case.
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.In the MRAM using the spin polarization magnetic permeation phenomenon, a magnetic permeation junction memory device is implemented by using a phenomenon in which current permeation occurs much better than two cases in which the spin directions are the same in two magnetic layers having an insulating layer therebetween.
상기 MRAM 은 하나의 트랜지스터와 하나의 MTJ 셀로 형성한다.The MRAM is formed of one transistor and one MTJ cell.
이때, 상기 MTJ 셀은 하나의 마스크, 즉 MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 실시한다.In this case, the MTJ cell is performed by a photolithography process using one mask, that is, an MTJ cell mask.
그러나, 상기 MTJ 셀에 사용되는 금속 성분에 기인된 전도성 식각부산물들이 MTJ 셀 측벽에 유발되어 누설전류를 유발시키고 이는 소자의 전기적 특성을 열화시킨다.However, conductive etch byproducts due to the metal components used in the MTJ cell are induced on the side walls of the MTJ cell, causing leakage current, which degrades the electrical characteristics of the device.
도 1a 내지 도 1f 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도이다.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a magnetic ram according to the prior art.
도 1a 를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(11)을 형성한다.Referring to FIG. 1A, a lower insulating layer 11 is formed on a semiconductor substrate (not shown).
이때, 상기 층간절연막(도시안됨)은 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.In this case, the interlayer insulating film (not shown) is a device isolation film (not shown), a first word line as a lead line and a transistor (not shown) having a source / drain, a ground line and a conductive layer (not shown), and a light line. It is formed by forming a second word line (not shown) and planarizing an upper portion thereof.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층(13)을 도전층으로 형성한다.Next, the connection layer 13 connected to the said conductive layer is formed as a conductive layer.
그리고, 상기 연결층(13) 상부를 평탄화시키는 층간절연막(도시안됨)을 형성하고 이를 CMP ( chemical mechanical polishing, 이하에서 CMP 라 함 ) 하여 상기 연결층(13)을 노출시킨다.In addition, an interlayer insulating film (not shown) is formed to planarize an upper portion of the connection layer 13, and the connection layer 13 is exposed by chemical mechanical polishing (CMP).
그 다음, 전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다.A MTJ material layer is then deposited over the entire surface.
이때, 상기 MTJ 물질층은 고정자화층 ( magnetic pinned layers )(15), 터널장벽층 ( tunneling barrier layers )(17) 및 자유자화층 ( magnetic free layers )(19)을 순차적으로 적층하여 형성한 것이다.In this case, the MTJ material layer is formed by sequentially stacking magnetic pinned layers 15, tunneling barrier layers 17, and magnetic free layers 19. .
여기서, 상기 터널링 장벽층은 데이터 센싱 ( data sensing ) 에 필요한 최소한의 두께인 2 ㎚ 이하의 두께로 형성된다.Here, the tunneling barrier layer is formed to a thickness of 2 nm or less, which is the minimum thickness required for data sensing.
그 다음, MTJ 물질층 상부에 제1하드마스크층(21)과 제2하드마스크층(23)을 형성한다.Next, the first hard mask layer 21 and the second hard mask layer 23 are formed on the MTJ material layer.
그리고, 상기 제2하드마스크층(23) 상부에 감광막패턴(25)을 형성한다.The photoresist pattern 25 is formed on the second hard mask layer 23.
이때, 상기 감광막패턴(25)은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한다.In this case, the photoresist pattern 25 is formed by an exposure and development process using an MTJ cell mask (not shown).
도 1b를 참조하면, 상기 감광막패턴(25)을 마스크로 하는 식각공정으로 상기 제2하드마스크층(23)과 제1하드마스크층(21)을 식각하고 상기 감광막패턴(25)을 제거한다.Referring to FIG. 1B, the second hard mask layer 23 and the first hard mask layer 21 are etched by the etching process using the photoresist pattern 25 as a mask, and the photoresist pattern 25 is removed.
이때, 상기 제1하드마스크층(21)은 상기 제2하드마스크층(23)보다 넓게 식각되어 상기 제1하드마스크층(21)의 테일(27)이 형성된다.In this case, the first hard mask layer 21 is etched wider than the second hard mask layer 23 to form a tail 27 of the first hard mask layer 21.
도 1c를 참조하면, 상기 식각된 제1,2하드마스크층(21,23)을 마스크로 하여 MTJ 물질층을 식각하여 MTJ 셀을 형성한다.Referring to FIG. 1C, the MTJ material layer is etched using the etched first and second hard mask layers 21 and 23 as a mask to form an MTJ cell.
그러나, 상기 MTJ 물질층의 측벽에 전도성의 식각부산물(29)이 형성된다.However, conductive etch byproducts 29 are formed on the sidewalls of the MTJ material layer.
이로 인하여, ⓐ 부분인 터널장벽층(17)의 식각면을 통하여 고정자화층(15)과 자유자화층(19)이 쇼트 ( short ) 된다.As a result, the stator magnetization layer 15 and the free magnetization layer 19 are shorted through the etching surface of the tunnel barrier layer 17, which is a part of.
도 1d를 참조하면, 전체표면상부에 층간절연막(31)을 증착하고 그 상부에 감광막패턴(33)을 형성한다.Referring to FIG. 1D, an interlayer insulating film 31 is deposited on the entire surface and a photoresist pattern 33 is formed thereon.
이때, 상기 감광막패턴(33)은 콘택마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한 것이다.In this case, the photoresist pattern 33 is formed by an exposure and development process using a contact mask (not shown).
도 1e를 참조하면, 상기 감광막패턴(33)을 마스크로 하여 상기 자유자화층(19) 및 연결층(13)을 노출시키는 제1콘택홀(35)과 제2콘택홀(37)을 형성한다.Referring to FIG. 1E, the first contact hole 35 and the second contact hole 37 exposing the free magnetization layer 19 and the connection layer 13 are formed using the photoresist pattern 33 as a mask. .
도 1f를 참조하면, 상기 제1콘택홀(35)과 제2콘택홀(37)을 매립하는 금속배선(39)을 형성한다.Referring to FIG. 1F, a metal wiring 39 filling the first contact hole 35 and the second contact hole 37 is formed.
상기한 바와 같이 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법은, 패터닝된 MTJ 셀 측벽에 식각부산물이 부착될 수 있으며 이로 인한 소자의 누설전류가 유발될 수 있으며, MTJ 물질층이 손실될 수 있어 소자의 전기적 특성을 열화시키는 문제점이 있다.As described above, in the method of manufacturing the magnetic RAM according to the related art, an etching byproduct may be attached to the sidewall of the patterned MTJ cell, which may cause leakage current of the device, and the MTJ material layer may be lost. There is a problem of deteriorating electrical characteristics.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, MTJ 물질층 상부를 평탄화시키는 층간절연막을 증착하고 그 상부에 제1감광막, 식각정지막 및 제2감광막을 적층하고 이들을 이용하여 상기 MTJ 물질층과 연결에 접속되는 금속배선을 형성함으로써 소자의 전기적 특성을 향상시켜 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키는 마그네틱 램의 제조방법을 제공하는데 그 목적을 갖는 발명입니다.The present invention, in order to solve the problems of the prior art as described above, by depositing an interlayer insulating film to planarize the upper MTJ material layer, the first photoresist film, the etch stop film and the second photoresist film laminated thereon and using the MTJ It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a magnetic ram that improves the characteristics and reliability of the device by improving the electrical properties of the device by forming a metal wiring connected to the material layer and the connection.
도 1a 내지 도 1f 는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도.1A to 1F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a magnetic ram according to the prior art.
도 2a 내지 도 2e 는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a magnetic ram according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
11,41 : 반도체기판13,43 : 연결층11,41 semiconductor substrate 13,43 connection layer
15,45 : 고정자화층17,47 : 터널장벽층15,45: Stator magnetization layer 17,47: Tunnel barrier layer
19,49 : 자유자화층21 : 제1하드마스크층19,49: Free magnetization layer 21: First hard mask layer
23 : 제2하드마스크층25,33 : 감광막패턴23: second hard mask layer 25, 33: photoresist pattern
27 : 테일 ( 제1하드마스크층 )29 : 식각부산물27: tail (first hard mask layer) 29: etching by-product
31,55 : 층간절연막35,63 : 제1콘택홀31,55: interlayer insulating film 35,63: first contact hole
37,65 : 제2콘택홀39,67 : 금속배선37,65 Second contact hole 39,67 Metal wiring
51 : 제1감광막패턴53 : MTJ 셀51: first photosensitive film pattern 53: MTJ cell
57 : 제2감광막59 : 식각정지막57 second photosensitive film 59: etch stop film
61 : 제3감광막61: third photosensitive film
상기 목적 달성을 위해 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법은,Method of manufacturing a magnetic ram according to the present invention for achieving the above object,
하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층을 형성하는 공정과,Forming a connection layer connected to the semiconductor substrate through the lower insulating layer;
상기 연결층 상에 MTJ 물질층을 증착하는 공정과,Depositing an MTJ material layer on the connection layer;
상기 MTJ 물질층을 MTJ 셀 마스크를 이용한 노광 및 현상공정으로 패터닝하여 MTJ 셀을 형성하는 공정과,Patterning the MTJ material layer by an exposure and development process using an MTJ cell mask to form an MTJ cell;
전체표면상부를 평탄화시키는 층간절연막을 형성하는 공정과,Forming an interlayer insulating film to planarize the entire upper surface;
상기 층간절연막 상부에 감광막을 도포하고 그 상부에 셀부 상부에만 식각정지막을 형성하는 공정과,Coating a photoresist film on the interlayer insulating film and forming an etch stop film only on the upper part of the cell;
콘택마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 셀 및 연결층을 노출시키는 콘택홀을 형성하는 공정과,Forming a contact hole exposing the MTJ cell and the connection layer by a photolithography process using a contact mask;
상기 콘택홀을 통하여 상기 MTJ 셀 및 연결층과 접속되는 금속배선을 형성하는 공정을 포함하는 것과,Forming a metal wiring connected to the MTJ cell and a connection layer through the contact hole;
상기 식각정지막은 주변회로부를 노출시키는 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 형성한 것과,The etching stop layer is formed by a photolithography process using a cell mask to expose the peripheral circuit portion,
상기 콘택마스크를 이용한 사진식각공정은 상기 제2감광막과 식각정지막의 식각선택비 차이를 이용하여 실시하는 것을 특징으로 한다.The photolithography process using the contact mask may be performed using an etching selectivity difference between the second photoresist layer and the etch stop layer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.
도 2a 내지 도 2e 는 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법을 도시한 단면도이다.2A to 2E are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing the magnetic ram according to the present invention.
도 2a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(41)을 형성한다.Referring to FIG. 2A, a lower insulating layer 41 is formed on a semiconductor substrate (not shown).
이때, 상기 층간절연막(도시안됨)은 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.In this case, the interlayer insulating film (not shown) is a device isolation film (not shown), a first word line as a lead line and a transistor (not shown) having a source / drain, a ground line and a conductive layer (not shown), and a light line. It is formed by forming a second word line (not shown) and planarizing an upper portion thereof.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층(43)을 도전층으로 형성한다.Next, the connection layer 43 connected to the said conductive layer is formed as a conductive layer.
그리고, 상기 연결층(43) 상부를 평탄화시키는 층간절연막(도시안됨)을 형성하고 이를 CMP ( chemical mechanical polishing, 이하에서 CMP 라 함 ) 하여 상기 연결층(43)을 노출시킨다.In addition, an interlayer insulating film (not shown) is formed to planarize an upper portion of the connection layer 43, and the connection layer 43 is exposed by chemical mechanical polishing (CMP).
그 다음, 전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다.A MTJ material layer is then deposited over the entire surface.
이때, 상기 MTJ 물질층은 고정자화층 ( magnetic pinned layers )(45), 터널장벽층 ( tunneling barrier layers )(47) 및 자유자화층 ( magnetic free layers )(49)을 순차적으로 적층하여 형성한 것이다.In this case, the MTJ material layer is formed by sequentially stacking magnetic pinned layers 45, tunneling barrier layers 47, and magnetic free layers 49. .
여기서, 상기 터널링 장벽층은 데이터 센싱 ( data sensing ) 에 필요한 최소한의 두께인 2 ㎚ 이하의 두께로 형성된다.Here, the tunneling barrier layer is formed to a thickness of 2 nm or less, which is the minimum thickness required for data sensing.
도 2b를 참조하면, MTJ 물질층 상부에 제1감광막패턴(51)을 형성한다.Referring to FIG. 2B, the first photoresist layer pattern 51 is formed on the MTJ material layer.
이때, 상기 제1감광막패턴(51)은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한다.In this case, the first photoresist pattern 51 is formed by an exposure and development process using an MTJ cell mask (not shown).
도 2c를 참조하면, 상기 제1감광막패턴(51)을 마스크로 하여 상기 MTJ 물질층을 식각하여 MTJ 셀(53)을 형성한다Referring to FIG. 2C, the MTJ material layer is etched using the first photoresist pattern 51 as a mask to form an MTJ cell 53.
그리고, 전체표면상부를 평탄화시키는 층간절연막(55)을 형성하고 그 상부에제2감광막(57)을 형성한다.Then, an interlayer insulating film 55 is formed to planarize the entire upper surface, and a second photosensitive film 57 is formed thereon.
그리고, 상기 제2감광막(57) 상부에 식각정지막(59)을 패터닝한다.The etch stop layer 59 is patterned on the second photoresist layer 57.
이때, 상기 식각정지막(59)은 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 사진식각공정으로 소자의 주변회로부에 형성된 식각정지막을 식각하여 셀부에만 남긴 것이다.In this case, the etch stop layer 59 is a photo etch process using a cell mask (not shown) to etch the etch stop layer formed in the peripheral circuit portion of the device, leaving only the cell portion.
그 다음, 전체표면상부에 제3감광막(61)을 도포한다.Then, the third photosensitive film 61 is applied over the entire surface.
도 2d를 참조하면, 상기 제3감광막(61)을 콘택마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 패터닝하여 제3감광막(61)패턴을 형성한다.Referring to FIG. 2D, the third photoresist layer 61 is patterned by an exposure and development process using a contact mask (not shown) to form a third photoresist layer 61 pattern.
도 2e를 참조하면, 상기 제3감광막(61)패턴을 마스크로 하여 상기 MTJ 셀 물질층과 연결층(43)을 노출시키는 제1콘택홀(63)과 제2콘택홀(65)을 형성한다.Referring to FIG. 2E, the first contact hole 63 and the second contact hole 65 exposing the MTJ cell material layer and the connection layer 43 are formed using the third photoresist layer 61 as a mask. .
그리고, 상기 제1,2콘택홀(63,65)을 매립하는 금속배선(67)을 형성한다.In addition, metal wirings 67 may be formed to fill the first and second contact holes 63 and 65.
본 발명의 다른 실시예는 상기 MTJ 셀(53)을 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 자기저항 소자와, 전기 신호에 의한 물질 상변환에 따라 저항값이 변하는 상변환 소자로 형성하는 것이다.According to another embodiment of the present invention, the MTJ cell 53 may include AMR, GMR, spin valve, ferromagnetic / metal / semiconductor hybrid structure, III-V magnetic semiconductor composite structure, metal (metalloid) / semiconductor composite. It is formed of all kinds of magnetoresistive elements whose resistance values change due to magnetization or magnetism, such as a structure, a Colossal Magneto-Resistance (CMR), and a phase change element whose resistance values change according to a material phase change by an electrical signal.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마그네틱 램의 제조방법은, MTJ 물질층 상부에 하드마스크층을 형성하지 않고 MTJ 셀이 형성된 층간절연막 상부에 제1감광막, 셀부에 형성된 식각정지막 및 제2감광막을 적층하고 콘택마스크를 이용한 식각공정으로 상기 MTJ 셀과 연결층을 노출시키는 콘택홀을 형성하고 후속공정으로 금속배선을 형성함으로써 전도성 부식물에 의한 쇼트나 과도식각에 의한 MTJ 셀의 손상없이 소자의 특성을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.As described above, in the method of manufacturing the magnetic RAM according to the present invention, the first photoresist film, the etch stop film and the second photoresist film are formed on the interlayer insulating film on which the MTJ cell is formed without forming a hard mask layer on the MTJ material layer. And the contact hole exposing the MTJ cell and the connection layer by an etching process using a contact mask, and forming a metal wiring in a subsequent process, so that the characteristics of the device without damaging the MTJ cell by short or transient etching due to conductive corrosion Provides the effect to improve.
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2002
- 2002-07-18 KR KR1020020042122A patent/KR100915065B1/en not_active IP Right Cessation
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| CN102376875A (en) * | 2010-08-24 | 2012-03-14 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | Forming method of magnetoresistive memory |
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