KR20040083935A - 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 자성을 향상시키기 위하여,
자성물질인 고정자화층과 자유자화층의 형성공정시 수반되는 열처리 공정을 제1열처리와 제2열처리 두 차례로 나누어 실시하되, 상기 제1열처리 공정시 마그네틱 필드를 상기 자성물질 성장방향과 다른 방향으로 인가하거나 회전 방향으로 인가하고 상기 제2열처리 공정시 마그네틱 필드를 상기 자성물질 성장방향과 같은 단일축 방향으로 인가함으로써 상기 고정자화층, 터널장벽층 및 자유자화층의 적층구조로 구비되는 MTJ 셀 구성층 간의 계면이 평탄해지도록 하여 MRAM 의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다.
Description
본 발명은 마그네틱 램 ( magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함 ) 의 형성방법에 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 공정 중에서 MTJ ( magnetic tunnel junction ) 셀을 형성하는 박막의 특성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로 강자성체 물질을 이용하는 MRAM 의 개발을 실시하고 있다.
상기 MRAM 은 강자성 박막을 다층으로 형성하여 각 박막의 자화방향에 따른전류 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.
도시되지 않았으나, 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체기판 상에 하부절연층을 형성한다.
이때, 상기 하부절연층은 소자분리막, 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터, 그라운드 라인 및 도전층, 라이트 라인인 제2워드라인을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.
상기 도전층은 상기 하부절연층을 통해 상기 반도체기판에 접속되며 상기 하부절연층 상부로 노출되어 구비된 것이다.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층용 금속층을 형성한다. 이때, 상기 연결층용 금속층은 W, Al, Pt, Cu, Ir, Ru 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 임의의 한가지 금속으로 형성한 것이다.
상기 연결층용 금속층 상부에 고정자화층 ( magnetic pinned layers )(15)을 형성한다. 이때, 상기 고정자화층의 형성공정은 단일축 ( easy direction ) 방향으로 마그네틱 필드 ( magnetic field )를 인가함과 동시에 열을 인가하여 자성 박막의 이방성을 고착시켜 형성한다.
여기서, 상기 고정자화층은 CO, Fe, NiFe, CoFe, PtMn, IrMn 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 임의의 자성물질로 형성한다.
그 다음, 상기 고정자화층 상부에 터널장벽층 ( tunneling barrier layers )(17)을 형성한다. 이때, 상기 터널장벽층은 비자성 물질인 절연막으로 형성하며 초기 막질에 따라 그 특성이 결정되고, 열처리 효과로 인한 박막 특성의 극대화는 기대할 수 없다.
상기 터널장벽층 상부에 자유자화층 ( magnetic free layers )(19)을 형성한다. 이때, 상기 자유자화층은 상기 고정자화층과 같은 방법으로 형성한다.
상기 자유자화층 상부에 MTJ 캐핑층을 형성하여 MTJ 물질층을 형성한다.
후속공정으로 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 캐핑층, 자유자화층, 터널장벽층 및 고정자화층을 식각하여 MTJ 셀을 패터닝한다.
도 1 은 종래기술에 자성물질의 증착 공정시 성장방향과 상기 증착 공정시 인가되는 마그네틱 필드의 방향을 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 일측은 웨이퍼에 형성된 자성 물질의 이방성 방향이 상기 웨이퍼의 플랫존 ( flat zone ) 에 수직한 단일축 방향으로 형성되고,
타측은 열처리시 인가되는 마그네틱 필드의 방향이 상기 단일축 방향과 동일한 것을 도시한다.
상기 자성물질은 마그네틱 램에서 고정자화층 및 자유자화층이 있다.
상기한 바와 같이 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법은, 고정자화층의 형성공정시 단일축 방향으로 마그네틱 필드를 인가함과 동시에 열을 인가하여 자성 박막 자체의 이방성을 고착시킬 수는 있으나 터널장벽층의 막질 향상에 큰 영향을 주지 못하여 상기 터널장벽층의 낮은 균일도는 소자의 특성 및 신뢰성을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여,
단일축 방향으로 마그네틱 필드를 이용하여 고정자화층의 고착화에 중점을 두는 종래기술과 달리 마그네틱 필드의 인가 방향을 회전시키거나 상기 단일축 방향과 다른 방향으로 하며 열처리하여 마그네틱 도메인 회전에 의한 자성 물질들의 재배열을 유도함으로써 상기 고정자화층의 상부에 형성되는 비자성 물질인 터널장벽층의 계면 평탄화를 이루고 그에 따른 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 마그네틱 램의 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1 은 종래기술에 따른 마그네틱 램의 자성물질 성장방향 및 마그네틱 필드 방향을 도시한 개략도.
도 2a 및 도 2b 는 본 발명에 따른 마그네틱 램의 자성물질 성장방향 및 마그네틱 필드 방향을 도시한 개략도.
상기 목적 달성을 위해 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법은,
하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층을 형성하는 공정과,
상기 연결층용 금속층 상에 고정자화층을 단일축 방향으로 형성하되, 상기 단일축 방향과 다른 방향 또는 회전방향으로 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제1열처리 공정을 실시하고, 상기 단일축 방향과 같은 방향으로 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제2열처리 공정을 실시하여 형성하는 공정과,
상기 고정자화층 상부에 터널장벽층, 자유자화층 및 MTJ 캐핑층을 적층하는 공정과,
MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 캐핑층, 자유자화층, 터널장벽층 및 고정자화층을 식각하여 MTJ 셀을 패터닝하는 공정을 포함하는 것을 제1특징으로 한다.
또한, 상기 목적 달성을 위해 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법은,
하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층을 형성하는 공정과,
상기 연결층용 금속층 상에 고정자화층을 단일축 방향으로 형성하되, 상기 단일축 방향으로부터 180 도 씩 바꿔가며 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제1열처리 공정을 실시하고, 상기 단일축 방향과 같은 방향으로 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제2열처리 공정을 실시하여 형성하는 공정과,
상기 고정자화층 상부에 터널장벽층, 자유자화층 및 MTJ 캐핑층을 적층하는 공정과,
MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 캐핑층, 자유자화층, 터널장벽층 및 고정자화층을 식각하여 MTJ 셀을 패터닝하는 공정을 포함하는 것을 제2특징으로 한다.
도 2a 및 도 2b 를 참조하여 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 반도체기판 상에 하부절연층을 형성한다. 이때, 상기 하부절연층은 소자분리막, 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터, 그라운드 라인 및 도전층, 라이트 라인인 제2워드라인을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.
상기 도전층은 상기 하부절연층을 통해 상기 반도체기판에 접속되며 상기 하부절연층 상부로 노출되어 구비된 것이다.
그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층용 금속층을 형성한다. 이때, 상기 연결층용 금속층은 W, Al, Pt, Cu, Ir, Ru 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 임의의 한가지 금속으로 형성한 것이다.
상기 연결층용 금속층 상부에 고정자화층 ( magnetic pinned layers )(15)을 형성한다. 이때, 상기 고정자화층의 형성공정은 단일축 ( easy direction ) 방향을 기준으로 회전방향 또는 다른 방향으로 마그네틱 필드 ( magnetic field )를 인가함과 동시에 제1열처리하고, 상기 단일축 방향으로 마그네틱 필드를 인가하며제2열처리하여 형성함으로써 마그네틱 도메인 9 magnetic omain ) 의 재배열을 유도하여 주변의 자화층과 평탄화된 계면을 유지한다. 상기 제1열처리공정시 마그네틱 필드를 180 도 씩 회전하며 실시할 수도 있다. 상기 제1열처리공정은 반강자성 물질의 브로킹 온도 ( blocking temperature ) 보다 높은 온도에서 실시한다.
여기서, 상기 고정자화층은 CO, Fe, NiFe, CoFe, PtMn, IrMn 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택된 임의의 자성물질로 형성한다.
그 다음, 상기 고정자화층 상부에 터널장벽층 ( tunneling barrier layers )을 5 ∼ 20 Å 두께만큼 형성한다. 이때, 상기 터널장벽층은 비자성 물질인 절연막으로 형성하며 초기 막질에 따라 그 특성이 결정되므로 상기 고정자화층과의 계면이 평탄화된 상태로 형성된다.
후속공정으로, 상기 터널장벽층 상부에 자유자화층 ( magnetic free layers )을 형성한다. 이때, 상기 자유자화층은 상기 고정자화층과 같은 방법으로 형성한다.
상기 자유자화층 상부에 MTJ 캐핑층을 형성하여 MTJ 물질층을 형성한다.
후속공정으로 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 캐핑층, 자유자화층, 터널장벽층 및 고정자화층을 식각하여 MTJ 셀을 패터닝한다.
상기 도 2a 는 본 발명에 따른 자성물질인 고정자화층 및 자유자화층의 증착 공정시 단일축 성장방향을 일측에 도시하고, 상기 증착 공정시 인가되는 마그네틱 필드의 방향을 타측에 도시한 것으로, 상기 마그네틱 필드의 인가 방향은 상기 단일축 방향과 다른 방향 또는 회전방향으로 인가하는 동시에 제1열처리 공정을 실시한다.
상기 도 2b 는 상기 도 2a 의 마그네틱 필드 인가 및 제1열처리 공정후 제2열처리 공정을 실시하는 동시에 상기 단일축 방향으로 마그네틱 필드를 인가하여 상기 자성물질의 마그네틱 도메인을 고착화시킨다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법은,
MTJ 셀의 주요 특성인 자성비 ( magneto resistance ratio )를 향상시키기 위하여 워킹 다이 ( working die ) 의 수율을 증가시킬 수 있으며, 균일한 부도체층의 형성은 종래기술에서의 부도체층보다 낮은 두께로 형성되어 낮은 저항을 갖게됨으로써 센싱 마진 ( sensing margin )을 증가시키는 효과를 제공한다.
Claims (2)
- 하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층을 형성하는 공정과,상기 연결층용 금속층 상에 고정자화층을 단일축 방향으로 형성하되, 상기 단일축 방향과 다른 방향 또는 회전방향으로 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제1열처리 공정을 실시하고, 상기 단일축 방향과 같은 방향으로 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제2열처리 공정을 실시하여 형성하는 공정과,상기 고정자화층 상부에 터널장벽층, 자유자화층 및 MTJ 캐핑층을 적층하는 공정과,MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 캐핑층, 자유자화층, 터널장벽층 및 고정자화층을 식각하여 MTJ 셀을 패터닝하는 공정을 포함하는 마그네틱 램의 형성방법.
- 하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층을 형성하는 공정과,상기 연결층용 금속층 상에 고정자화층을 단일축 방향으로 형성하되, 상기 단일축 방향으로부터 180 도 씩 바꿔가며 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제1열처리 공정을 실시하고, 상기 단일축 방향과 같은 방향으로 마그네틱 필드를 인가하는 동시에 제2열처리 공정을 실시하여 형성하는 공정과,상기 고정자화층 상부에 터널장벽층, 자유자화층 및 MTJ 캐핑층을 적층하는 공정과,MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 MTJ 캐핑층, 자유자화층, 터널장벽층 및 고정자화층을 식각하여 MTJ 셀을 패터닝하는 공정을 포함하는 마그네틱 램의 형성방법.
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| KR100763910B1 (ko) * | 2006-02-23 | 2007-10-05 | 삼성전자주식회사 | 마그네틱 도메인 드래깅을 이용하는 자성 메모리 소자 |
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| Date | Code | Title | Description |
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E601 | Decision to refuse application |