KR20040060312A - 마그네틱 램의 형성방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마그네틱 램(magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함)의 형성방법에 관한 것으로, MRAM 의 제조 공정시 MTJ 셀 및 연결층의 특성 및 신뢰성을 향상시키기 위하여,
하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층 상에 MTJ 물질층인 고정자화층, 터널장벽층, 자유자화층 및 제1하드마스크층을 형성하고, MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제1하드마스크층과 자유자화층을 식각한 다음, 상기 자유자화층의 표면 및 노출된 터널 장벽층의 표면을 산화시켜 산화막을 형성하고 전체표면상부에 제2하드마스크층을 형성한 다음, 연결층 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제2하드마스크층, 산화막, 터널장벽층, 고정자화층 및 연결층용 금속층을 식각함으로써 식각공정시 유발될 수 있는 금속성 폴리머나 식각잔류물에 의한 소자의 전기적 특성 열화를 방지하고 그에 따른 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다.
Description
본 발명은 마그네틱 램(magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함)의 형성방법에관한 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.
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 셀(magnetic tunnel junction cell)로 형성한다.
도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도이다.
도 1a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(11)을 형성한다.
이때, 상기 하부절연층(11)은 소자분리막(도시안됨), 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터(도시안됨), 그라운드 라인(도시안됨) 및 도전층(도시안됨), 라이트 라인인 제2워드라인(도시안됨)을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층용 금속층(13)을 형성한다. 이때, 상기 연결층용 금속층(13)은 W, Al, Pt, Cu, Ir, Ru 등과 같이 반도체소자에 사용되는 일반적이 금속으로 형성한 것이다.
상기 연결층용 금속층(13) 상부에 전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다. 이때, 상기 MTJ 물질층은 고정자화층(magnetic pinned layers)(15), 터널장벽층(tunneling barrier layers)(17) 및 자유자화층(magnetic free layers)(19)을 순차적으로 적층하여 형성한다.
상기 고정자화층(15) 및 자유자화층(19)은 CO, Fe, NiFe, CoFe, PtMn, IrMn 등과 같은 자성물질로 형성한다.
그 다음, MTJ 물질층(15,17,19) 상부에 제1하드마스크층(21)을 형성한다.
도 1b를 참조하면, 제1하드마스크층(21) 상에 제1감광막패턴(23)을 형성한다. 이때, 상기 제1감광막패턴(23)은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상 공정으로 형성한 것이다.
도 1c 및 도 1d를 참조하면, 상기 제1감광막패펀(23)을 마스크로 하여 상기 제1하드마스크층(21), 자유자화층(19), 터널장벽층(17) 및 고정자화층(15)을 식각한다. 이때, 상기 식각공정은 상기 MTJ 물질층(19,17,15)의 측벽에 금속성 폴리머(25)나 식각잔류물(도시안됨)을 유발시켜 소자의 전기적 특성을 열화시킨다.
상기 제1감광막패턴(23)을 제거한다.
도 1e 및 도 1f를 참조하면, 전체표면상부에 제2하드마스크층(27)을 형성하고 그 상부에 제2감광막패턴(29)을 형성한다. 이때, 상기 제2감광막패턴(29)은 연결층 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한 것이다.
도 1g를 참조하면, 상기 제2감광막패턴(29)을 마스크로 하여 상기 제2하드마스크층(27) 및 연결층용 도전층(13)을 식각한다.
상기 제2감광막패턴(29)을 제거한다.
상기한 바와 같이 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법은, 자성물질의 식각공정시 금속성 폴리머 또는 식각잔류물이 MTJ 물질층의 식각면에 부착되어 자유자화층(19)과 고정자화층(15)을 전기적으로 쇼트(short) 시켜 소자의 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여,
MTJ 셀 마스크를 이용하여 하드마스크층과 자유자화층을 패터닝하고 상기 자유자화층의 외부로부터 일정두께 산화시켜 후속공정으로 자성물질을 식각할 때 유발되는 식각잔류물이나 금속성 폴리머로 인한 자유자화층과 고정자화층의 쇼트를방지할 수 있어 소자의 전기적 특성을 향상시키고 그에 따른 마그네틱 햄의 형성방법을 제공하는데 그 목적을 갖는 발명입니다.
도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11,41 : 반도체기판 13,43 : 연결층용 금속층
15,45 : 고정자화층 17,47 : 터널장벽층
19,49 : 자유자화층 21,51 : 제1하드마스크층
23,53 : 제1감광막패턴 25 : 금속성 폴리머, 식각잔류물
27,57 : 제2하드마스크층 29,59 : 제2감광막패턴
55 : 산화막
상기 목적 달성을 위해 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법은,
하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층을 형성하는 공정과,
상기 연결층용 금속층 상에 MTJ 물질층인 고정자화층, 터널장벽층 및 자유자화층을 적층하는 공정과,
상기 MTJ 물질층 상부에 제1하드마스크층을 형성하는 공정과,
MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제1하드마스크층과 자유자화층을 식각하는 공정과,
상기 자유자화층의 표면 및 노출된 터널 장벽층의 표면을 산화시켜 산화막을 형성하는 공정과,
전체표면상부에 제2하드마스크층을 형성하고 연결층 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제2하드마스크층, 산화막, 터널장벽층, 고정자화층 및 연결층용 금속층을 식각하는 공정을 포함하는 것과,
상기 자유자화층은 상기 산화공정으로 인하여 상기 제1하드마스크층보다 작게 형성되되, 상기 제1하드마스크층의 내측에 위치되는 것과,
상기 산화 공정은 RTO(rapid thermal oxidation) 공정으로 실시하는 것과,
상기 자유자화층은 RTO 공정 조건을 조절하여 크기가 조절되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도이다.
도 2a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(41)을 형성한다.
이때, 상기 하부절연층(41)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.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층용 금속층(43)으로 형성한다.
상기 연결층용 금속층(43) 상부에 고정자화층(45), 터널장벽층(tunneling barrier layers)(47) 및 자유자화층(magnetic free layers)(49)이 순차적으로 적층된 MTJ 물질층을 형성한다. 여기서, 상기 터널링 장벽층은 데이터 센싱(data sensing)에 필요한 최소한의 두께인 2 ㎚ 이하의 두께로 형성된다.
상기 MTJ 물질층 상부에 제1하드마스크층(51)을 형성한다.
도 2b를 참조하면, 상기 제1하드마스크층(51) 상부에 제1감광막패턴(53)을 형성한다. 이때, 상기 제1감광막패턴(53)은 MTJ 셀 마스크를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한다.
도 2c를 참조하면, 상기 제1감광막패턴(53)을 마스크로 하여 상기 제1하드마스크층(51) 및 자유자화층(49)을 식각한다.
상기 감광막패턴(53)을 제거한다.
도 2d를 참조하면, 노출된 표면을 산화시켜 산화막(55)을 형성하되, 상기 자유자화층(49)의 식각면으로부터 내측으로 산화되어 MTJ 셀 마스크에 의하여 패터닝된 제1하드마스크층(51)의 크기보다 작게 자유자화층(49)이 형성된다.
여기서, 상기 산화막(55)은 후속공정으로 실시되는 하부 자성물질의 식각공정시 유발될 수 있는 상기 자유자화층(49)과의 전기적 특성 열화를 방지하기 위하여 형성한 것이다.
상기 산화막(55)을 형성하는 산화 공정은 RTO 공정을 실시하며, 공정 조건에 따라 상기 산화막(55)의 두께를 조절하여 상기 자유자화층(49)의 크기를 조절할 수 있다.
도 2e를 참조하면, 전체표면상부에 제2하드마스크층(57)을 형성한다.
도 2f를 참조하면, 상기 제2하드마스크층(57) 상부에 제2감광막패턴(59)을 형성한다. 이때, 상기 제2감광막패턴(59)은 연결층 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상 공정으로 형성한 것이다.
도 2g를 참조하면, 상기 제2감광막패턴(59)을 마스크로 하여 상기 산화막(55), 터널장벽층(47), 고정자화층(45) 및 연결층용 금속층(43)을 식각함으로써 MTJ 셀을 형성하는 동시에 연결층을 패터닝한다.
상기 제2감광막패턴(59)을 제거한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법은,
자유자화층의 노출면을 산화시켜 산화막을 형성함으로써 고정자화층 및 연결층용 금속층의 식각공정으로 유발될 수 있는 자유자화층과의 전기적 특성 열화를 방지할 수 있어 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키고 그에 따른 공정을 단순화시킬 수 있어 반도체소자를 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
Claims (4)
- 하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층을 형성하는 공정과,상기 연결층용 금속층 상에 MTJ 물질층인 고정자화층, 터널장벽층 및 자유자화층을 적층하는 공정과,상기 MTJ 물질층 상부에 제1하드마스크층을 형성하는 공정과,MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제1하드마스크층과 자유자화층을 식각하는 공정과,상기 자유자화층의 표면 및 노출된 터널 장벽층의 표면을 산화시켜 산화막을 형성하는 공정과,전체표면상부에 제2하드마스크층을 형성하고 연결층 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제2하드마스크층, 산화막, 터널장벽층, 고정자화층 및 연결층용 금속층을 식각하는 공정을 포함하는 마그네틱 램의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 자유자화층은 상기 산화공정으로 인하여 상기 제1하드마스크층보다 작게 형성되되, 상기 제1하드마스크층의 내측에 위치되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 램의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 산화 공정은 RTO 공정으로 실시하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 램의 형성방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 자유자화층은 RTO 공정 조건을 조절하여 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 램의 형성방법.
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