KR20120094396A - Semiconductor device - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for manufacturing a semiconductor device is provided to prevent the deterioration of an MTJ(Magnetic Tunnel Junction) device by preventing the deterioration of a multilayer pattern. CONSTITUTION: A multilayer pattern(30a) is formed on a substrate(10). A sacrificial film pattern(20a) with a hole exposing a preset area of the multilayer pattern is formed. A metal film pattern is formed in the hole. The sacrificial film pattern is removed. A magneto-resistive device is formed by patterning a multilayer using the metal film pattern as an etch mask.

Description

반도체 장치의 제조방법{SEMICONDUCTOR DEVICE}Manufacturing Method of Semiconductor Device {SEMICONDUCTOR DEVICE}

본 발명은 반도체 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 반도체 장치의 패드 영역에 관한 것이다.
The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a pad region of a semiconductor device.

현재 널리 사용되고 있는 대표적인 메모리 소자인 디램(DRAM)의 경우, 고속 동작과 고집적이 가능하다는 장점이 있는 반면에, 휘발성 메모리로서 전원이 꺼지면 데이터를 잃게 될 뿐만 아니라 동작 중에도 계속하여 데이터의 리프레쉬(REFRESH)를 통해 재기록해야 하므로 전력 손실 측면에서 큰 단점이 있다. 또한 비휘발성과 고집적을 특징으로 하는 플래쉬(FLASH) 메모리는 동작 속도가 느린 단점이 있다. 이에 대하여, 자기저항 차이를 이용하여 정보를 저장하는 자기저항 메모리(MRAM)는 비휘발성 및 고속 동작의 특성을 가지면서도 고집적이 가능하다는 장점이 있다. DRAM, a widely used memory device, has the advantages of high speed operation and high integration, whereas volatile memory not only loses data when power is turned off, but also continuously refreshes data during operation (REFRESH). There is a big disadvantage in terms of power dissipation since it must be rewritten via. In addition, flash memory, which is characterized by non-volatile and high density, has a disadvantage of slow operation. On the other hand, a magnetoresistive memory (MRAM) for storing information by using magnetoresistance difference has an advantage that it can be highly integrated while having characteristics of nonvolatile and high speed operation.

한편, MRAM은 강자성체 간의 자화(Magnetization) 방향에 따른 자기저항 변화를 이용한 비휘발성 메모리 소자를 말한다. 현재 MRAM으로 가장 많이 채용되고 있는 셀(Cell) 구조로는, 거대자기저항(Giant Magneto-Resistance; GMR) 효과를 이용한 GMR 소자, 터널자기저항(Tunnel Magneto-Resistance: TMR) 효과를 이용한 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction; MTJ) 소자 등이 있으며, 이외에도 GMR 소자의 단점을 복하기 위해 강자성층을 영구자석으로 보강하고 자유층을 연자성층으로 채용한 스핀 밸브(Spin-Valve) 소자 등이 있다. 특히, MTJ 소자는 빠른 속도, 저전력을 갖으며, 디램(DRAM)의 커패시터 대용으로 사용되어 저전력 및 고속 그래픽, 모바일 소자에 응용될 수 있다.On the other hand, MRAM refers to a nonvolatile memory device using a change in magnetoresistance according to the magnetization direction between the ferromagnetic material. Cell structures that are most commonly used in MRAMs include GMR devices using Giant Magneto-Resistance (GMR) effects and magnetic tunnel junctions using Tunnel Magneto-Resistance (TMR) effects. (Magnetic Tunnel Junction (MTJ)) devices, etc. In addition, spin-valve devices including a ferromagnetic layer reinforced with a permanent magnet and a free layer used as a soft magnetic layer to overcome the disadvantages of the GMR device. In particular, the MTJ device has a high speed and low power, and is used as a substitute for a capacitor of a DRAM and thus may be applied to low power and high speed graphics and mobile devices.

일반적으로, 자기저항소자는 두 자성층의 스핀 방향(즉, 자기모멘텀의 방향)이 같은 방향이면 저항이 작고 스핀 방향이 반대이면 저항이 크다. 이와 같이 자성층의 자화 상태에 따라 셀의 저항이 달라지는 사실을 이용하여 자기저항 메모리 소자에 비트 데이터를 기록할 수 있다. MTJ 구조의 자기저항 메모리를 예로 하여 설명하면, 강자성층/절연층/강자성층 구조의 MTJ 메모리 셀에서 첫번째 강자성체층을 지나가는 전자가 터널링 장벽(Tunneling Barrier)으로 사용된 절연층을 통과할 때 두번째 강자성체층의 자화 방향에 따라 터널링 확률이 달라진다. 즉, 두 강자성층의 자화방향이 평행일 경우 터널링 전류는 최대가 되고, 반평행할 경우 최소가 되므로, 예를 들면, 저항이 클 때 데이터 '1'(또는 '0')이, 그리고 저항이 작을 때 데이터 '0'(또는 '1')이 기록된 것으로 간주할 수 있다. 여기서, 두 강자성층 중 한 층은 자화 방향이 고정된 고정자화층으로, 그리고 나머지 하나는 외부 자기장 또는 전류에 의해 자화 방향이 반전되는 자유자화층이라 칭한다.In general, the magnetoresistive element has a small resistance when the two magnetic layers have the same spin direction (that is, the direction of the magnetic momentum), and a larger resistance when the spin directions are opposite. As described above, the bit data can be written in the magnetoresistive memory device by using the fact that the resistance of the cell varies depending on the magnetization state of the magnetic layer. In the case of the MTJ-structured magnetoresistive memory as an example, in a MTJ memory cell having a ferromagnetic layer / insulation layer / ferromagnetic layer structure, electrons passing through the first ferromagnetic layer pass through an insulating layer used as a tunneling barrier. The tunneling probability depends on the magnetization direction of the layer. That is, the tunneling current is maximum when the magnetization directions of the two ferromagnetic layers are parallel, and minimum when they are antiparallel. For example, when the resistance is large, the data '1' (or '0') and the resistance are When small, data '0' (or '1') can be regarded as recorded. Here, one of the two ferromagnetic layers is referred to as a stator magnetization layer in which the magnetization direction is fixed, and the other is called a free magnetization layer in which the magnetization direction is reversed by an external magnetic field or current.

한편, 많은 연구소와 학교에서 이러한 자성 메모리들을 오랜 기간 연구했으나 지금까지 상용화되지 못한 원인은 1:2 또는 1:3의 종횡비(aspect ratio)를 유지하면서 수직하고 재증착이 필요없는 자기터널접합 구조의 식각 공정의 개발이 이루어지지 못한 것이다. 즉, 자기터널접합 구조를 제조하기 위해 다층의 막을 패터닝하기가 매우 어려운 것이 최근까지 문제였다.On the other hand, many laboratories and schools have studied these magnetic memories for a long time, but the reason that has not been commercialized so far is that the vertical and redeposition-free magnetic tunnel junction structure is maintained while maintaining the aspect ratio of 1: 2 or 1: 3. The development of the etching process has not been accomplished. That is, until recently, it has been a problem that it is very difficult to pattern a multilayer film to manufacture a magnetic tunnel junction structure.

본 발명은 공정신뢰성을 높인 자기터널접합 소자를 가진 반도체 장치의 제조방법을 제공한다.
The present invention provides a method of manufacturing a semiconductor device having a magnetic tunnel junction element with improved process reliability.

본 발명은 자기저항소자를 구성하기 위한 다층의 패턴을 기판상에 형성하는 단계; 상기 다층의 패턴을 패터닝하기 위해 상기 다층의 패턴의 예정된 영역이 노출되는 홀을 구비한 희생막 패턴을 형성하는 단계; 상기 홀에 금속막 패턴을 형성하는 단계; 상기 희생막 패턴을 제거하는 단계; 및 상기 금속막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 자기저항소자를 구성하기 위한 다층을 패터닝하여 자기저항소자를 형성하는 단계 포함하는 반도체 장치의 제조방법를 제공한다.
The present invention comprises the steps of forming a multi-layered pattern for forming a magnetoresistive element on the substrate; Forming a sacrificial layer pattern having holes for exposing predetermined areas of the multilayer pattern to pattern the multilayer pattern; Forming a metal film pattern in the hole; Removing the sacrificial layer pattern; And forming a magnetoresistive element by patterning a multilayer for constituting the magnetoresistive element using the metal film pattern as an etch mask.

본 발명에 따른 반도체 장치의 제조방법은 MTJ를 위한 소자를 위한 패턴으로 사용되는 금속 하드마스크의 패턴을 형성시 건식 식각을 적용하지 않는다. 따라서, 금속 하드마스크 패턴의 건식 식각에 의한 MTJ 소자를 이루는 각 층 특히 상부의 층의 손상을 방지함으로서 MTJ 소자의 특성 저하를 막을 수 있다.
The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention does not apply dry etching when forming a pattern of a metal hard mask used as a pattern for a device for MTJ. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the characteristics of the MTJ element by preventing damage to each layer, particularly the upper layer, constituting the MTJ element by dry etching of the metal hard mask pattern.

도1은 본 발명이 실시예에 따른 반도체 장치의 제조방법에 따라 제조된 반도체 장치의 단면도.
도2와 도3은 도1에 도시된 자기터널저항 소자를 나타내는 단면도.
도4a 내지 도4f는 본 발명이 실시예에 따른 반도체 장치의 제조방법을 나타내는 공정단면도.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured according to the method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.
2 and 3 are cross-sectional views showing the magnetic tunnel resistance element shown in FIG.
4A to 4F are cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, in order to facilitate a person skilled in the art to easily carry out the technical idea of the present invention. do.

본 발명은 1:2 또는 1:3의 종횡비(aspect ratio)를 갖는 콘택홀을 형성 후 베리어 메탈(Barrier metal)로 TaN을 증착하고, 구리 다마신(damascene) 공정을 이용하여 콘택홀을 채운 후 구리와 높은 선택비를 갖는 물질을 스퍼터링 방법으로 증착 후 화학적기계적 연마(CMP) 공정으로 평탄화 후 실리콘 산화물을 습식 식각 방법으로 제거함으로써 자기터널접합 구조의 하드마스크의 패턴을 형성하는 방법을 제안한다.The present invention forms a contact hole having an aspect ratio of 1: 2 or 1: 3, deposits TaN with a barrier metal, and fills the contact hole using a copper damascene process. A method of forming a hard mask pattern of a magnetic tunnel junction structure by removing a silicon oxide by wet etching after planarization by chemical mechanical polishing (CMP) after deposition of a material having a high selectivity with copper by a sputtering method.

본 발명은 자기터널접합 구조의 자화 반전을 이용하는 자성 메모리인 마그네틱 램, STT 램(Spin-Transfer Torque RAM) 및 수직 자화 마그네틱 램(perpendicular Magnetic RAM)에 적용가능하다. The present invention is applicable to magnetic RAM, spin-transfer torque RAM (STT) RAM and vertical magnetic RAM (perpendicular magnetic RAM), which are magnetic memories using magnetization reversal of a magnetic tunnel junction structure.

본 발명은 자기 메모리 등에 적용하기 위한 자기터널접합 구조(이하 MTJ)의 1:2 또는 1:3 종횡비를 갖는 패턴을 형성하기 위하여 1:2 또는 1:3의 높은 종횡비를 갖는 금속 하드마스크의 패턴을 식각하지 않고, 공정을 진행할 수 있다.The present invention provides a pattern of a metal hard mask having a high aspect ratio of 1: 2 or 1: 3 to form a pattern having a 1: 2 or 1: 3 aspect ratio of a magnetic tunnel junction structure (hereinafter referred to as MTJ) for application to a magnetic memory. The process can proceed without etching.

본 발명을 적용하여 금속 하드마스크의 패턴을 형성할 경우 MTJ와 같이 건식 식각을 통해 패턴 형성이 어려운 물질의 금속 하드마스크를 건식 식각 공정을 진행하지 않고 형성할 수 있다. 따라서, 제조후의 MTJ 소자의 특성 열화가 없으며, 저항이 낮은 구리를 사용하고, 상부 전극 컨택(Top electrode contact)을 형성하는 공정이 제거됨으로써 적은 공정수로 MTJ 소자의 전극을 형성할 수 있다. 본 발명을 자기 메모리와 같은 핵심 구조의 패턴 형성이 어려운 차세대 메모리에 적용함으로써 열화 없이 높은 효율성을 갖는 메모리를 제작할 수 있다. When the pattern of the metal hard mask is formed by applying the present invention, a metal hard mask of a material that is difficult to form a pattern through dry etching, such as MTJ, may be formed without performing a dry etching process. Therefore, there is no deterioration in characteristics of the MTJ element after manufacture, and the process of forming the top electrode contact is eliminated by using copper having low resistance, so that the electrode of the MTJ element can be formed with a small number of steps. By applying the present invention to a next-generation memory which is difficult to form a pattern of a core structure such as a magnetic memory, a memory having high efficiency can be manufactured without deterioration.

도1은 본 발명이 실시예에 따른 반도체 장치의 제조방법에 따라 제조된 반도체 장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a semiconductor device manufactured according to the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment of the present invention.

도1을 참조하여 살펴보면, 반도체 장치는 기판(10) 상에 게이트 패턴(12,13,14,15), 층간절연막(11,16,20)과 비트라인(17), 비트라인 콘택(18), 하부전극(19), 자기터널저항 소자(30), 상부전극(40), 배선(50)이 형성된다. 게이트 패턴(12,13,14,15)은 하부 절연막(12,) 도전막(13), 하드마스크막(15), 측벽 스페이서(13)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a semiconductor device may include gate patterns 12, 13, 14, and 15, interlayer insulating layers 11, 16, and 20, bit lines 17, and bit line contacts 18 on a substrate 10. The lower electrode 19, the magnetic tunnel resistance element 30, the upper electrode 40, and the wiring 50 are formed. The gate patterns 12, 13, 14, and 15 may include a lower insulating layer 12, a conductive layer 13, a hard mask layer 15, and sidewall spacers 13.

자기터널접합 소자(30)는 Co, Fe, Pt, Ta 등 건식 식각 공정 적용으로 패턴 형성이 어려운 금속 물질을 포함하는 합금들이 다층 박막 구조로 이루어져 있다. 이에 따라서 자기터널접합 소자를 제조하는 과정에서 고분자 물질로 이루어진 포토레지스트 외에 실리콘 산화물, 실리콘 질화물과 같은 비교적 단단한 마스크가 쓰이고 있으나, 자기터널접합 소자와의 식각 선택비가 높지 않다는 문제점이 있다.The magnetic tunnel junction element 30 has a multilayer thin film structure in which alloys containing a metal material having a difficult pattern formation by applying a dry etching process such as Co, Fe, Pt, and Ta are applied. Accordingly, in the manufacturing of the magnetic tunnel junction device, a relatively hard mask such as silicon oxide and silicon nitride is used in addition to the photoresist made of a polymer material, but there is a problem that the etching selectivity with the magnetic tunnel junction device is not high.

이와 같은 문제점을 극복하기 위해 TiN이나 Ta과 같은 금속을 자기터널접합소자의 제조시 하드마스크로 사용하기도 한다. 그러나 Ta의 경우 막의 스트레스가 커서 자기터널접합 소자를 이루는 각 층 계면에서의 들뜸 현상을 발생시킬 수 있으며, 산화가 잘되는 금속으로 패턴 형성 후 금속 배선 형성을 위해 산화막을 제거하는 공정이 추가로 적용되어야 하는 문제점이 있다. TiN의 경우, 자기터널접합 소자와의 식각 선택비가 높지 않아 두껍게 증착해야 하며, 두꺼운 금속 하드마스크로 인해 자기터널접합 소자의 식각 공정시 쉽게 금소 하드마그크의 일부가 재증착하는 문제점이 있다. To overcome this problem, a metal such as TiN or Ta may be used as a hard mask in the manufacture of a magnetic tunnel junction device. However, in the case of Ta, the stress of the film is large, which may cause the phenomenon of lifting at the interface of each layer forming the magnetic tunnel junction element. In addition, a process of removing the oxide film to form the metal wiring after the pattern formation with a well-oxidized metal should be additionally applied. There is a problem. In the case of TiN, since the etching selectivity with the magnetic tunnel junction device is not high, it is necessary to deposit a thick layer, and due to the thick metal hard mask, a portion of the hard mug is easily redeposited during the etching process of the magnetic tunnel junction device.

도2와 도3은 도1에 도시된 자기터널저항 소자를 나타내는 단면도이다.2 and 3 are cross-sectional views showing the magnetic tunnel resistance element shown in FIG.

도2는 in-plane MTJ 층을 가지는 자기터널접합 소자이며, 도3은 수직 MTJ 층을 가지는 자기터널접합 소자이다. 도1에 도시된 자기터널저항 소자는 도2에 도시된 소자 또는 도3에 도시된 소자가 적용될 수 있다. 또한 경우에 따라서는 다른 형태의 자기터널저항 소자에도 적응될 수 있다.Figure 2 is a magnetic tunnel junction element with an in-plane MTJ layer, Figure 3 is a magnetic tunnel junction element with a vertical MTJ layer. The magnetic tunnel resistance element shown in FIG. 1 may be the element shown in FIG. 2 or the element shown in FIG. 3. In some cases, it can also be adapted to other types of magnetic tunnel resistance elements.

도2을 참조하여 살펴보면, in-plane MTJ 층의 자기터널접합 소자는 하부 전극층(31), 피닝층(pinning layer,32), 핀드층(pinned layer,33), 터널 장벽층(34), 프리층(free layer,35), 캐핑층(capping layer,36)을 포함한다. 하부 전극층은 금속 물질, 피닝층(33)은 PtMn 혹은 IrMn 등의 반강자성 물질, 핀드층(33)은 Co, Fe의 합금 혹은 CoFeB/Ru/CoFe 의 세층으로 이루어진 합성 반 강자성체(synthetic anti-ferromagnetic) 구조로 이루어져 있다. 터널 장벽층(tunnel barrier layer)은 금속 산화물로 저항이 높은 물질이 사용되며, 자유층(35)은 Co, Fe, Ni 등과 같은 강자성 물질의 합금으로 이루어진다. 캐핑층(36)은 Ta, Ru 등과 같은 금속 물질로 이루어지며, MTJ 소자의 최상부층에 위치한다.Referring to FIG. 2, the magnetic tunnel junction element of the in-plane MTJ layer includes a lower electrode layer 31, a pinning layer 32, a pinned layer 33, a tunnel barrier layer 34, and a free layer. And a free layer 35 and a capping layer 36. The lower electrode layer is a metallic material, the pinning layer 33 is an antiferromagnetic material such as PtMn or IrMn, and the pinned layer 33 is a synthetic anti-ferromagnetic material composed of an alloy of Co, Fe, or three layers of CoFeB / Ru / CoFe. ) Consists of a structure. The tunnel barrier layer is a metal oxide, and a high resistance material is used. The free layer 35 is made of an alloy of ferromagnetic materials such as Co, Fe, and Ni. The capping layer 36 is made of a metal material such as Ta, Ru, and the like, and is positioned on the top layer of the MTJ element.

또한, 도3을 참조하여 살펴보면, 수직 MTJ 층을 가지는 자기터널접합 소자는하부 전극층(31a), 피닝층(pinning layer,32a), 핀드층(pinned layer,33a), 터널 장벽층(34a), 프리층(free layer,35a), 핀드층(pinned layer,33b). 캐핑층(capping layer,36a)을 포함한다.
In addition, referring to FIG. 3, the magnetic tunnel junction element having the vertical MTJ layer may include a lower electrode layer 31a, a pinning layer 32a, a pinned layer 33a, a tunnel barrier layer 34a, Free layer 35a, pinned layer 33b. And a capping layer 36a.

도4a 내지 도4f는 본 발명이 실시예에 따른 반도체 장치의 제조방법을 나타내는 공정단면도이다.4A to 4F are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention.

도4a를 참조하여 살펴보면, 기판(10)상에 층간절연막(11)과, 게이트 패턴(12,13,14,15)을 형성한다. 게이트 패턴(12,13,14,15)은 하부 절연막(12,) 도전막(13), 하드마스크막(15), 측벽 스페이서(13)를 포함한다. 게이트 패턴 상부에 층간절연막(16)을 관통하는 비트라인(16)과, 비트라인 콘택(18)을 형성한다. 이어서 자기터널접합 소자의 하부전극이 될 전극막(19)을 형성한다.Referring to FIG. 4A, an interlayer insulating film 11 and gate patterns 12, 13, 14, and 15 are formed on the substrate 10. The gate patterns 12, 13, 14, and 15 may include a lower insulating layer 12, a conductive layer 13, a hard mask layer 15, and sidewall spacers 13. The bit line 16 and the bit line contact 18 penetrating the interlayer insulating layer 16 are formed on the gate pattern. Subsequently, an electrode film 19 to be a lower electrode of the magnetic tunnel junction element is formed.

이어서 그 상부에 자기터널접합 소자를 이루는 각 층이 적층된 다층 패턴(30a)을 형성한다. 이어서, 그 상부에 자기터널접합 소자를 이루는 각 다층 패턴(30a)을 패터닝하기 위해 콘택홀(60)을 가지고 있는 층간절연막 패턴(20a)을 형성한다. 여기서 층간절연막 패턴(20a)은 결국 희생막 역할을 한다.Subsequently, a multi-layer pattern 30a in which each layer constituting the magnetic tunnel junction element is stacked is formed thereon. Subsequently, an interlayer insulating film pattern 20a having contact holes 60 is formed thereon to pattern each multilayer pattern 30a constituting the magnetic tunnel junction element. Here, the interlayer insulating film pattern 20a eventually serves as a sacrificial film.

이어서 도4b를 참조하여 살펴보면, 콘택홀(60)에 구리를 매립하기 전에 구리의 확산을 방지하고 다층 패턴(30a)을 건식 식각 공정 시 측면에 가해지는 플라즈마로 인한 손상을 방지하기 위하여 ALD 공정을 적용하여 TaN막(41)을 콘택홀(60)의 상부, 하부 및 측면에 수 나노미터 두께로 증착한다. 그 위로 구리막(42)을 다마신 공법을 적용하여 컨택홀에 형성한다.Subsequently, referring to FIG. 4B, an ALD process may be performed to prevent the diffusion of copper and to prevent damage due to plasma applied to the side surface during the dry etching process of the multilayer pattern 30a before the copper is embedded in the contact hole 60. The TaN film 41 is applied to the upper, lower and side surfaces of the contact hole 60 by a few nanometers in thickness. The copper film 42 is formed on the contact hole by applying the damascene method.

도4c를 참조하여 살펴보면, 구리막(42)과 층간절연막(20a)인 실리콘 산화막간의 제거 속도 차이로 인한 선택비가 높은 연마제를 이용한 화학적기계적 연마 공정을 적용하여 컨택홀 상부에서 구리막(42)와 실리콘 산화막의 단차가 10~20 나노미터 정도 생길 수 있도록 구리막(42)을 제거한다. 제거되어 컨택홀 내부에만 남아있는 구리막(42)의 상부, 즉 컨택홀의 상부에 구리막(42)과 식각 가스에 대한 선택비가 높은 TaN막(43)을 20~30 나노미터 두께로 증착한다.Referring to FIG. 4C, the copper film 42 and the upper contact hole are applied by applying a chemical mechanical polishing process using an abrasive having a high selectivity due to a difference in removal rate between the copper film 42 and the silicon oxide film, which is the interlayer insulating film 20a. The copper film 42 is removed so that a step of the silicon oxide film may occur about 10 to 20 nanometers. The TaN film 43 having a high selectivity for the copper film 42 and the etching gas is deposited to a thickness of 20 to 30 nanometers on top of the copper film 42 that is removed and remains only inside the contact hole.

도4d를 참조하여 살펴보면, 컨택홀의 상부에 증착된 TaN막(43)을 컨택홀 외의 지역에 남지 않도록 화학적기계적 연마 공정을 이용해 제거하고 평탄화한다.Referring to FIG. 4D, the TaN film 43 deposited on the top of the contact hole is removed and planarized using a chemical mechanical polishing process so that the TaN film 43 is not left outside the contact hole.

이어서 도4e를 참조하여 살펴보면, 습식식각을 적용하여 TaN막(43)과 구리막(42)이 매립된 컨택홀 이외의 층간절연막(20a)을 제거한다. 이어서, 구리막(42)과 TaN막(43)으로 구성된 금속 하드마스크(42,43)를 식각 배리어로 이용하고 CH3OH, CH4/NH3 등의 식각 가스를 이용하여 MTJ 소자를 형성하기 위한 다층 패턴(30a)을 건식 식각한다. 건식 식각된 금속 하드마스크(42,43)와 MTJ 소자를 형성하기 위해 패터닝된 다층 패턴(30a)의 상부면과 측면에 산화를 방지하기 위하여 실리콘 질화막(44)을 화학적기상 증착법(CVD) 방법으로 증착한다. 이과정에서 TaN막(43)이 제거된다.Subsequently, referring to FIG. 4E, a wet etching is applied to remove the interlayer insulating film 20a other than the contact hole in which the TaN film 43 and the copper film 42 are embedded. Subsequently, the multilayered pattern for forming the MTJ element using the metal hard masks 42 and 43 composed of the copper film 42 and the TaN film 43 as an etching barrier and using an etching gas such as CH 3 OH or CH 4 / NH 3 ( Dry etch 30a). In order to prevent oxidation on the top and side surfaces of the patterned multilayer patterns 30a to form the dry etched metal hard masks 42 and 43 and the MTJ element, the silicon nitride film 44 is chemically vapor deposited (CVD). Deposit. In this process, the TaN film 43 is removed.

이어서 도4f에 도시된 바와 같이, 실리콘 질화막(45)으로 덮어진 패터닝된 다층 패턴(30a)과 금속 하드마스크(42,43) 상에 실리콘 산화막(20)을 증착하고 CMP 공정을 적용하여 펑탄화 한 후 금속 배선(50)을 형성한다.
Subsequently, as shown in FIG. 4F, the silicon oxide film 20 is deposited on the patterned multilayer pattern 30a and the metal hard masks 42 and 43 covered with the silicon nitride film 45, and then subjected to a CMP process to apply functification. After the metal wiring 50 is formed.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 장치의 제조방법은 MTJ 소자를 위해 다층 패턴을 건식 식각할 때 사용되는 식각마스크로 식각 가스인, CH3OH 혹은 CH4/NH3에 의해 식각 속도가 매우 낮은 TaN와 Cu를 포함하는 하드마스크를 이용한다. 특히, 식각 선택비가 높은 TaN와 Cu를 TaN/Cu /TaN 순서로 적층하여 두께가 50 나노미터 정도로 얇은 금속 하드마스크를 구현한 것이 특징이다.As described above, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment is an etching mask used when dry etching a multi-layered pattern for an MTJ element, and the etching rate of TaN, which is etched by CH3OH or CH4 / NH3, is very low. And using a hard mask containing Cu. In particular, TaN and Cu having high etching selectivity are stacked in the order of TaN / Cu / TaN to realize a metal hard mask having a thickness of about 50 nanometers.

또한 구리막(42)의 확산을 방지하기 위해 구리막(42)의 상하부와 측면에 TaN(43)가 얇게 증착되는 구조를 이용한다. 본 실시예에의 경우 MTJ 층의 건식 식각을 위해 금속 하드마스크의 패턴 형성 시 층간절연막에서 컨택홀을 형성한 후 컨택홀에 TaN막과 구리막을 적층시킨다. 이어서 평탄화 공정을 진행하여 매립된 컨택홀에만 TaN막과 구리막을 남긴다. 평탄화 공정시 층간절연막으로 사용되는 실리콘 산화층과 구리막의 선택비가 큰 슬러리(slurry)를 사용하여 컨택홀에 심한 디싱(dishing) 현상이 생기도록 한다.In addition, in order to prevent diffusion of the copper film 42, a structure in which TaN 43 is thinly deposited on upper and lower portions and side surfaces of the copper film 42 is used. In the present exemplary embodiment, when a pattern of a metal hard mask is formed for dry etching of the MTJ layer, a contact hole is formed in the interlayer insulating film, and then a TaN film and a copper film are stacked in the contact hole. Subsequently, the planarization process is performed to leave the TaN film and the copper film only in the buried contact holes. In the planarization process, a high dishing ratio between the silicon oxide layer and the copper film used as the interlayer insulating film is used to cause severe dishing in the contact hole.

디싱 현상이 생기는 부분을 TaN막으로 매립하고, 평탄화 공정으로 다시 컨택홀에만 TaN막을 남긴후 거푸집역할을 했던 층간절연막을 습식 식각으로 제거하면 금속 하드마스크의 패턴을 건식 식각 공정 적용 없이 형성할 수 있다. 건식 식각 공정의 적용이 없으므로 금속 하드마스크 패턴 형성 시 그 하부층인 MTJ 소자를 위한 다층패턴의 열화를 방지할 수 있다. 컨택홀의 매립을 통한 패턴 형성 방법으로 높은 종횡비를 갖는 금속 하드마스크 패턴을 형성할 수 있는 것이다.
The pattern of the metal hard mask can be formed without applying the dry etching process by filling the portion where dishing occurs with the TaN film, and removing the interlayer insulating film, which was used as a die, by leaving the TaN film only in the contact hole again by the planarization process. . Since there is no application of the dry etching process, it is possible to prevent deterioration of the multilayer pattern for the MTJ device, which is a lower layer, when the metal hard mask pattern is formed. The metal hard mask pattern having a high aspect ratio may be formed by a method of forming a pattern through filling a contact hole.

계속해서 본 실시예에 따른 반도체 장치의 제조방법은 단계별로 살펴보면 다음과 같다. Subsequently, the manufacturing method of the semiconductor device according to the present embodiment will be described in stages.

먼저, MTJ 소자를 위해 적층된 다층 막의 상부에 금속 하드마스크 패턴을 형성하기 위해서 그 다층막 상부에 층간절연막을 증착한다. 이어서, 증착된 층간절연막을 선택적으로 제거하여 콘택홀을 형성하기 위해 포토리소그래피 공정을 적용하여 감광막 패턴을 준비한다. 이어서 층간절연막 위에 형성된 포토레지스트의 패턴을 마스크로 사용하여 컨택홀을 건식식각으로 형성한다. First, an interlayer insulating film is deposited over the multilayer film to form a metal hard mask pattern on the multilayer film stacked for the MTJ element. Subsequently, a photoresist pattern is prepared by applying a photolithography process to selectively remove the deposited interlayer insulating film to form contact holes. Subsequently, the contact hole is formed by dry etching using the pattern of the photoresist formed on the interlayer insulating film as a mask.

이어서, 층간절연막에 형성된 콘택홀 상에 원자층 증착법(atomic layer deposition) 공정을 적용하여 TaN를 컨택홀의 하부, 측면 및 상부를 증착한다. 이어서, 구리의 확산을 막기 위한 배리어 막으로 TaN막을 컨택홀에 다미신 공정으로 형성한다. Subsequently, TaN is deposited on the bottom, side, and top of the contact hole by applying an atomic layer deposition process on the contact hole formed in the interlayer insulating film. Subsequently, a TaN film is formed in a contact hole by a damycin process as a barrier film for preventing diffusion of copper.

이어서, 층간절연막상에 형성된 구리막을 층간절연막과 높은 식각 선택비를 가지는 슬러리를 이용하여 화학적 기계적 연마공정으로 제거한다. 이때 컨택홀 상부에 디싱이 생기도록 한다. 컨택홀 상부에 형성된 디싱현상에 의해 생긴 영역을 매립하기 위해 TaN을 스퍼터링 방법으로 증착한다.Subsequently, the copper film formed on the interlayer insulating film is removed by a chemical mechanical polishing process using a slurry having an interlayer insulating film and a high etching selectivity. At this time, dishing is generated in the upper portion of the contact hole. TaN is deposited by sputtering in order to fill up the region caused by dishing on the contact hole.

이어서, 화학적 기계적 연마공정을 이용하여 컨택홀 상부와 층간절연막 상에 형성된 TaN를 제거하여 컨택홀 내에만 TaN을 형성한다. 따라서, TaN, 구리, TaN 구조로 이루어진 금속 하드마스크 패턴이 형성된다. 이어서, 금속 하드 마스크 패턴을 감싸고 있는 층간절연막을 제거한다.Subsequently, TaN is formed on the contact hole and the interlayer insulating layer by using a chemical mechanical polishing process to form TaN only in the contact hole. Thus, a metal hard mask pattern made of TaN, copper, and TaN structures is formed. Next, the interlayer insulating film surrounding the metal hard mask pattern is removed.

이어서, 금속 하드 마스크 패턴을 식각베리어로 MTJ 소자를 위해 적층된 다층 막을 패터닝한다. 이어서, 패터닝되어 형성된 MTJ 소자와 금속 하드마스크 패턴 상부와 측면의 산화를 방지하기 위해 화학적기상증착법을 이용하여 실리콘 질화막을 형성한다. 이어서, 실리콘 질화막이 형성된 MTJ 소자와 금속 하드마스크 패턴상에 층간절연막을 형성하고, 화학적기계적 연마 공정을 적용하여 금속 하드마스크 상부를 노출시킨다. 노출된 금속 하드마스크 패턴 상부에 Ti, TiN, Al, Cu 등과 같은 금속 물질을 증착하여 금속 배선을 형성한다.Subsequently, the multilayer film deposited for the MTJ device is patterned using a metal hard mask pattern as an etch barrier. Subsequently, a silicon nitride film is formed by chemical vapor deposition in order to prevent oxidation of the patterned MTJ element and the upper and side surfaces of the metal hard mask pattern. Subsequently, an interlayer insulating film is formed on the MTJ element on which the silicon nitride film is formed and the metal hard mask pattern, and the upper surface of the metal hard mask is exposed by applying a chemical mechanical polishing process. A metal wire is formed by depositing a metal material such as Ti, TiN, Al, Cu, or the like on the exposed metal hard mask pattern.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 실시예에 따른 반도체 장치의 제조방법은 MTJ를 위한 소자를 위한 패턴으로 사용되는 금속 하드마스크의 패턴을 형성시 건식 식각을 적용하지 않는다. 따라서, 금속 하드마스크 패턴의 건식 식각에 의한 MTJ 소자를 이루는 각 층 특히 상부의 자유층에 대한 손상을 방지함으로서 터널자기저항(Tunnel Magneto-Resistance: TMR) 성능 저하 등, MTJ 소자의 특성 저하를 막을 수 있다. 또한, MTJ 소자의 각 층과의 식각 선택비가 높은 TaN와 구리를 적층한 하드마스크 패턴은 후속 금속 배선 공정 시 평탄화를 위한 화학적기계적 연마 공정 적용에 있어서 배리어로 이용할 수 있다. 또한, 구리와 TaN막으로 된 금속하드마스크 패턴을 상부전극으로 사용하게 됨으로서, 낮은 저항의 우수한 상부 전극을 형성할 수 있다. As described above, the method of manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment does not apply dry etching when forming a pattern of a metal hard mask used as a pattern for a device for MTJ. Therefore, it is possible to prevent damage to each layer constituting the MTJ element, particularly the free layer, on the upper layer by dry etching of the metal hard mask pattern, thereby preventing the deterioration of the characteristics of the MTJ element, such as deterioration of Tunnel Magneto-Resistance (TMR) performance. Can be. In addition, a hard mask pattern in which TaN and copper are laminated with high etching selectivity with each layer of the MTJ element may be used as a barrier in applying a chemical mechanical polishing process for planarization in a subsequent metal wiring process. In addition, by using the metal hard mask pattern made of copper and TaN as the upper electrode, it is possible to form an excellent upper electrode of low resistance.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, I will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims, as well as the appended claims.

Claims (12)

자기저항소자를 구성하기 위한 다층의 패턴을 기판상에 형성하는 단계;
상기 다층의 패턴을 패터닝하기 위해 상기 다층의 패턴의 예정된 영역이 노출되는 홀을 구비한 희생막 패턴을 형성하는 단계;
상기 홀에 금속막 패턴을 형성하는 단계;
상기 희생막 패턴을 제거하는 단계; 및
상기 금속막 패턴을 식각 마스크로 하여 상기 자기저항소자를 구성하기 위한 다층을 패터닝하여 자기저항소자를 형성하는 단계
를 포함하는 반도체 장치의 제조방법.
Forming a multi-layered pattern for forming the magnetoresistive element on the substrate;
Forming a sacrificial layer pattern having holes for exposing predetermined areas of the multilayer pattern to pattern the multilayer pattern;
Forming a metal film pattern in the hole;
Removing the sacrificial layer pattern; And
Forming a magnetoresistive element by patterning a multilayer for constituting the magnetoresistive element using the metal film pattern as an etching mask;
Method for manufacturing a semiconductor device comprising a.
제 1 항에 있어서,
상기 홀에 금속막 패턴을 형성하는 단계는
상기 홀의 형태를 따라 제1 확산방지용 금속을 형성하는 단계;
상기 확산방지용 금속상에 식각 베리어용 금속을 형성하는 단계; 및
상기 식각 베리어용 금속상에 제2 확산방지용 금속을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
Forming the metal film pattern in the hole
Forming a first diffusion barrier metal along a shape of the hole;
Forming an etching barrier metal on the diffusion preventing metal; And
And forming a second diffusion barrier metal on the etch barrier metal.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 확산방지용 금속은 TaN이고, 상기 식각 베리어용 금속은 구리인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
Wherein the first and second diffusion barrier metals are TaN, and the etching barrier metal is copper.
제 2 항에 있어서,
상기 홀에 금속막 패턴을 형성하는 단계는
상기 식각 베리어용 금속상에 제2 확산방지용 금속을 형성하는 단계는
상기 식각 베리어용 금속을 형성하는 과정에서, 화학적기계적연마공정을 이용하여 상기 홀의 상단일정부분이 디싱현상이 생기도록 하고, 상기 디싱현상에 의해 홀의 상단부분에 생긴 공간에 상기 제2 확산방지용 금속을 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 2,
Forming the metal film pattern in the hole
Forming a second diffusion barrier metal on the etching barrier metal
In the process of forming the etching barrier metal, the upper portion of the hole is dished using a chemical mechanical polishing process, and the second diffusion barrier metal is formed in the space formed in the upper portion of the hole by the dishing. The semiconductor device manufacturing method characterized by the above-mentioned.
제 1 항에 있어서,
상기 금속막 패턴은 TaN/Cu/TaN 패턴인 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
The metal film pattern is a manufacturing method of a semiconductor device, characterized in that the TaN / Cu / TaN pattern.
제 1 항에 있어서,
상기 금속막 패턴과 같은 높이의 절연막을 상기 금속막 패턴의 주변영역에 형성하는 단계; 및
상기 금속막 패턴과 접하는 금속배선을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
Forming an insulating film having the same height as the metal film pattern in a peripheral region of the metal film pattern; And
And forming a metal wiring in contact with the metal film pattern.
제 6 항에 있어서,
상기 금속막 패턴과 같은 높이의 절연막을 상기 금속막 패턴의 주변영역에 형성하는 단계는
상기 절연막을 상기 금속막 패턴을 덮을 수 있도록 형성하는 단계; 및
화학적기계적 연마 공정으로 상기 금속막 패턴이 노출되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method according to claim 6,
Forming an insulating film having the same height as the metal film pattern in the peripheral region of the metal film pattern
Forming the insulating film to cover the metal film pattern; And
And exposing the metal film pattern by a chemical mechanical polishing process.
제 7 항에 있어서,
상기 금속막 패턴의 산화를 방지하기 위해 실리콘질화막을 상기 금속막 패턴의 상부와 측면에 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
And forming a silicon nitride film on the top and side surfaces of the metal film pattern to prevent oxidation of the metal film pattern.
제 1 항에 있어서,
자기저항소자를 구성하기 위한 다층의 패턴은 자기터널접합 소자를 위한 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
A multi-layered pattern for forming a magnetoresistive element is a method for manufacturing a semiconductor device, characterized in that for a magnetic tunnel junction element.
제 1 항에 있어서,
상기 다층의 패턴은
하부 전극층/피닝층/핀드층/터널 장벽층/프리층/캐핑층이 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
The multilayer pattern is
A lower electrode layer, a pinning layer, a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, and a capping layer are stacked.
제 1 항에 있어서,
상기 다층의 패턴은
하부 전극층/피닝층/핀드층/터널 장벽층/프리층/핀드층/캐핑층이 적층된 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
The multilayer pattern is
A lower electrode layer, a pinning layer, a pinned layer, a tunnel barrier layer, a free layer, a pinned layer, and a capping layer are stacked.
제 1 항에 있어서,
상기 기판과 자기저항소자를 구성하기 위한 다층의 패턴 사이에 게이트 패턴 및 상기 게이트 패턴 상부에 비트라인 및 비트라인 콘택을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조방법.
The method of claim 1,
And forming a bit line and a bit line contact between the substrate and the multilayer pattern for forming a magnetoresistive element.
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