KR20130016823A - 자기저항소자 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기판 상에 Pt막과 Mn막이 복수로 교차 증착된 피닝막을 형성하는 단계, 상기 피닝막 상에 핀드막을 형성하는 단계, 상기 핀드막 상에 터널절연막을 형성하는 단계, 상기 터널절연막 상에 자유막을 형성하는 단계 및 열처리를 진행하는 단계를 포함하는 자기저항소자 제조 방법을 제공한다.

Description

자기저항소자 제조 방법{METHOD FOR FABRICATING MAGNETIC TUNNEL JUNCTION}
본 발명은 자기저항소자 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 설명하면 터널절연막의 결정성을 향상시키는 자기저항소자 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자를 대표하는 것은 DRAM과 플래시 메모리 소자이다. DRAM은 데이터 접근이 자유로워 데이터 처리 속도가 빠르고, 플래시 메모리 소자는 데이터를 비휘발하는 장점이 있다. 반면, DRAM은 주기적으로 데이터를 리프레쉬시켜야 하고, 플래시 메모리 소자는 데이터 접근이 용이하지 못하여 데이터 처리 속도가 느리다는 단점도 있다.
최근, 반도체 소자 업계에서는 DRAM과 플래시 메모리 소자의 장점만을 취한 새로운 반도체 소자를 개발하기 위해 노력하고 있으며, 결과물로서는 자기저항 메모리 소자(Spin Transfer Torque Random Access Memory)이 개발되었다. 자기저항 메모리 소자은 자기저항(magnetoresistance)이라는 양자역학적 효과를 이용한 반도체 소자로서, DRAM의 자유로운 데이터 접근성과 플래시 메모리 소자의 데이터 비휘발성을 고루 갖춘 반도체 소자이다.
자기저항 메모리 소자는 데이터를 저장하기 위해 자기저항소자(Magnetic Tunnel Junction)를 포함한다. 자기저항소자는 두 개의 강자성막을 포함하며, 두 개의 강자성막은 자화방향(magnetization direction)에 따라 자기저항비(magnetoresistance, MR)가 달라진다. 자기저항 메모리 소자는 이와 같은 자기저항비의 변화를 감지하여 자기저항소자에 저장된 데이터가 1 인지 0 인지를 판독한다.
자기저항소자는 피닝막(pinning layer), 핀드막(pinned layer), 터널절연막(tunnel insulator) 및 자유막(free layer)을 포함한다. 여기서, 터널절연막은 MgO막으로 형성된다. MgO막은 약 400℃의 고온에서 열처리를 진행하여 결정성을 향상시킨다. 하지만, 결정성을 향상시키기 위해 MgO막에 대한 열처리를 진행하면, 피닝막의 금속성분 중 Mn이 MgO막에 침투하여, MgO막의 성능을 저하시킨다. 즉, MgO막에 대한 열처리는 MgO막의 성능을 향상시킬 수도 있고, 반대로 저하시킬수도 있다. 따라서, MgO막에 대한 열처리시, MgO막의 성능이 열화되는 문제를 해결할 수 있는 방안이 필요하다.
본 발명은 터널절연막의 결정화를 향상시킬 수 있는 자기저항소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 기판 상에 Pt막과 Mn막이 복수로 교차 증착된 피닝막을 형성하는 단계, 상기 피닝막 상에 핀드막을 형성하는 단계, 상기 핀드막 상에 터널절연막을 형성하는 단계, 상기 터널절연막 상에 자유막을 형성하는 단계 및 열처리를 진행하는 단계를 포함하는 자기저항소자 제조 방법을 포함한다.
본 발명은 기판 상에 Ir막과 Mn막이 복수로 교차 증착된 피닝막을 형성하는 단계, 상기 피닝막 상에 핀드막을 형성하는 단계, 상기 핀드막 상에 터널절연막을 형성하는 단계, 상기 터널절연막 상에 자유막을 형성하는 단계 및 열처리를 진행하는 단계를 포함하는 자기저항소자 제조 방법을 포함한다.
본 발명은 기판 상에 Mn을 포함하는 피닝막을 형성하는 단계, 상기 피닝막 상에 박막 내 일부가 비정질인 핀드막을 형성하는 단계, 상기 핀드막 상에 터널절연막을 형성하는 단계, 상기 터널절연막 상에 자유막을 형성하는 단계 및 열처리하는 단계를 포함하는 자기저항소자 제조 방법을 포함한다.
본 발명은 피닝막으로서 Pt막(또는 Ir막)과 Mn막을 복수로 교차 증착한 후 열처리를 통해 합금화한다. 이 경우, 합금 내 잉여 Mn이 존재하지 않기 때문에, Mn이 MgO막으로 침투되는 현상이 방지된다. 더불어, 열처리는 터널절연막으로 사용된 MgO막의 결정성을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 핀드막의 일부를 비정질 상태로 형성한다. 이 경우, 피닝막과 인접한 계면엔 강자성 성분이 존재하기 때문에 강한 EX(Exchange Coupling)가 유지되고, 터널절연막과 인접한 계면엔 비정질 강자성 성분이 존재하기 때문에 열처리 공정에서 피닝막의 Mn이 터널절연막으로 확산되는 것이 방지된다.
결과적으로, 위와 같은 현상들로 인해 본 발명의 자기저항소자는 자기저항특성 중, TMR(Tunneling Magneto Resistance) 특성을 충분히 확보할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 자기저항소자의 제조 방법을 나타낸 공정순서도이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기저항소자의 제조 방법을 나타낸 공정순서도이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명의 권리 보호 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
도 1a 내지 도 1d는 본 발명의 일실시예에 따른 자기저항소자의 제조 방법을 나타낸 공정순서도이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 소정의 하부층(1)이 형성된 기판상에 하부전극(2)을 형성한다.
하부층(1)은 자기저항소자를 선택하기 위한 트랜지스터와 트랜지스터의 일측 접합영역과 자기저항소자를 연결하기 위한 콘택플러그(contact plug)를 포함한다.
하부전극(2)은 콘택플러그와 연결되며, 금속막으로 형성된다. 특히, 하부전극(2)은 Ti, Ta, TiN 및 W 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 하부전극(2) 상에 피닝막(3)을 형성한다.
피닝막(3)은 핀드막(4)의 자화방향을 고정시키기 위한 박막으로서, Pt막(3A)과 Mn막(3B)이 복수로 교차 증착되어 형성된다. Pt막(3A)은 1~10Å의 두께로 형성되고, Mn막(3B)도 1~10Å의 두께로 형성된다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 피닝막(3) 상에 핀드막(4)을 형성한다.
핀드막(4)은 피닝막(3)에 의하여 자화방향이 고정된다. 이를 위해, 핀드막(4)은 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, CoFe, MnAs, MnBi, MnSb,CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중 적어도 어느 하나의 박막으로 형성된다.
이어서, 핀드막(4) 상에 터널절연막(5)을 형성한다. 터널절연막(5)은 MgO막을 포함한다.
이어서, 터널절연막(5) 상에 자유막(6)을 형성한다.
자유막(6)은 공급되는 전류의 공급 방향에 따라 자화방향이 변화한다. 이를 위해, 자유막(6)은 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, CoFe, MnAs, MnBi, MnSb,CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중 적어도 어느 하나의 박막으로 형성된다.
이어서, 자유막(6) 상에 상부전극(7)을 형성한다.
상부전극(7)은 금속막으로 형성된다. 특히, 상부전극(7)은 Ti, Ta, TiN 및 W 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 열처리를 한다.
열처리는 300~600℃의 온도 및 진공분위기의 챔버 내에서 진행한다. 이와 같이 열처리를 진행하면, 피닝막(3)은 단기(short-range) 확산이 발생하면서 원하는 조성비를 갖는 PtMn 합금으로 형성되고, 잉여 Mn 또는 Pt가 존재하지 않는다. 따라서, 열처리 후속 열공정에 의한 Mn의 확산 및 다른 박막으로의 침투는 발생하지 않는다. 이때, PtMn 합금의 조성비는 Pt막(3A)과 Mn막(3B)의 두께 비율을 조절함으로써 조절가능하다. 또한, 위와 같이 열처리를 진행하면, 터널절연막(4)으로 사용된 MgO막의 결정성이 향상된다. PtMn 합금은 조성에 따라 약간의 차이는 있으나, 평균적으로 녹는점이 1100℃이상으로서 이후 소자를 형성하는 과정에서 진행하는 열처리에서도 Mn의 확산은 발생하지 않는다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예는 피닝막(3)으로서 Pt막(3A)과 Mn막(3B)을 복수로 교차 증착한 후 열처리를 통해 합금화한다. 합금화 하면, PtMn 합금 내 잉여 Mn이 존재하지 않기 때문에, Mn이 다른 박막으로 침투되는 현상이 방지된다. 더불어, 터널절연막(4)으로 사용된 MgO막의 결정성이 향상된다. 따라서, 자기저항소자의 자기저항특성 중, TMR 특성을 충분히 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
예컨대, 전술한 실시예에서 형성된 피닝막(3)은 Pt막(3A)과 Mn막(3B) 뿐만 아니라, Ir막(3A)과 Mn막(3B)이 복수로 교차 증착되어 형성될 수도 있다. Ir막(3A)은 1~10Å의 두께로 형성되고, Mn막(3B)도 1~10Å의 두께로 형성된다. 이와 같은 구성으로 피닝막(3)을 형성한 후, 열처리를 진행하여도 Pt막(3A)과 Mn막(3B)일 경우와 동일한 효과를 갖는다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기저항소자의 제조 방법을 나타낸 공정순서도이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 소정의 하부층(11)이 형성된 기판상에 하부전극(12)을 형성한다.
하부층(11)은 자기저항소자를 선택하기 위한 트랜지스터와 트랜지스터의 일측 접합영역과 자기저항소자를 연결하기 위한 콘택플러그를 포함한다.
하부전극(12)은 콘택플러그와 연결되며, 금속막으로 형성된다. 특히, 하부전극(2)은 Ti, Ta, TiN 및 W 중 적어도 어느 하나로 형성된다. 하부전극(2)은 피닝막(13)을 형성하기 위한 시드(seed)층으로도 작용한다.
이어서, 하부전극(12) 상에 피닝막(13)을 형성한다.
피닝막(13)은 핀드막(14)의 자화방향을 고정시키기 위한 박막으로서, PtMn막 또는 IrMn막으로 형성된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 피닝막(13) 상에 핀드막(14)을 형성한다.
핀드막(14)은 피닝막(13)에 의해 자화방향이 고정되는 박막이다. 뿐만 아니라, 핀드막(14)은 피닝막(13)에 포함된 Mn이 터널절연막에 침투하는 것을 방지하는 확산방지막으로도 작용한다. 이를 위해, 핀드막(14)은 박막 내 일부가 비정질 상태를 갖는다. 특히, 핀드막(14)은 박막 내 상부(14B)가 비정질 상태를 갖는다. 구체적으로, 핀드막(14)은 박막 내 하부(14A)의 결합구조가 CoFe이고, 상부(14B)의 결합구조는 CoFeB이다. 즉, 핀드막(14)은 B에 의해 상부(14B)가 비정질 상태를 갖는다. 핀드막(14)에서 Fe와 B의 함유량은 하부(14A)보다 상부(14B)에서 높다. 예를 들어, 핀드막(14)의 하부(14A)에서 CoFe의 함유량은 각각 7:3이고, 상부(14B)에서 CoFeB의 함유량은 각각 4:4:2일 수 있다. 핀드막(14)은 코-스퍼터링(co-sputtering) 방식으로 형성되며, 형성시 Fe 및 B의 함량을 점진적으로 증가시켜 상부(14B)를 비정질 상태로 형성한다. 즉, 핀드막(14) 내에서 B의 농도경사가 형성되도록 제어한다.
이와 같이 핀드막(14)을 형성하면, 피닝막(13)과 인접한 계면엔 CoFe가 존재하기 때문에 강한 EX(Exchange Coupling)가 유지되고, 터널절연막과 인접한 계면엔 CoFeB가 존재하기 때문에 열처리 공정에서 피닝막(13)의 Mn이 터널절연막으로 확산되는 것이 방지된다. 한편, 핀드막(14)은 Ru와 CoFeB를 더 포함할 수 있다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 핀드막(14) 상에 터널절연막(15)을 형성한다. 터널절연막(15)은 MgO막을 포함한다.
이어서, 터널절연막(15) 상에 자유막(16)을 형성한다.
자유막(16)은 공급되는 전류의 공급 방향에 따라 자화방향이 변화한다. 이를 위해, 자유막(16)은 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, CoFeB, MnAs, MnBi, MnSb,CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중 적어도 어느 하나의 박막으로 형성된다.
이어서, 자유막(16) 상에 상부전극(17)을 형성한다.
상부전극(17)은 금속막으로 형성된다. 특히, 상부전극(17)은 Ti, Ta, TiN 및 W 중 적어도 어느 하나로 형성된다.
도 2d에 도시된 바와 같이, 열처리를 한다.
열처리는 터널절연막(15)으로 사용된 MgO막의 결정성을 향상시키기 위해 진행한다. 이를 위해, 열처리는 300~600℃의 온도 및 진공분위기의 챔버 내에서 진행한다. 이때, 피닝막(13) 내 Mn이 터널절연막(15) 방향으로 확산될 수 있으나, 핀드막(14)의 일부가 비정질 상태이기 때문에 터널절연막(15)으로의 Mn 침투는 발생하지 않는다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예는 핀드막(14)의 일부를 비정질 상태로 형성한다. 이와 같이 핀드막(14)을 형성하면, 피닝막(13)과 인접한 계면엔 강자성 성분이 존재하기 때문에 강한 EX(Exchange Coupling)가 유지되고, 터널절연막(15)과 인접한 계면엔 비정질 강자성 성분이 존재하기 때문에 열처리 공정에서 피닝막(13)의 Mn이 터널절연막(15)으로 확산되는 것이 방지된다. 즉, 핀드막(14)의 일부를 비정질 상태로 형성하면, 피닝막(13)의 Mn의 확산계수가 현저히 낮아지기 때문에, Mn이 터널절연막(15)으로 침투되는 것이 방지된다. 이로 인해, 열처리가 가능하기 때문에, 터널절연막(15)의 결정성을 충분히 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 있어 명백할 것이다.
1, 11: 하부층 2, 12: 하부전극
3, 13: 피닝막 4, 14: 핀드막
5, 15: 터널절연막 6, 16: 자유막
7, 17: 상부전극

Claims (18)

  1. 기판 상에 Pt막과 Mn막이 복수로 교차 증착된 피닝막을 형성하는 단계;
    상기 피닝막 상에 핀드막을 형성하는 단계;
    상기 핀드막 상에 터널절연막을 형성하는 단계;
    상기 터널절연막 상에 자유막을 형성하는 단계; 및
    열처리하여, 상기 Pt막과 Mn막을 합금화하는 단계
    를 포함하는 자기저항소자 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널절연막은 MgO막을 포함하는 자기저항소자 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열처리는 300~600℃의 온도 및 진공분위기의 챔버 내에서 진행하는 자기저항소자 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 핀드막은 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, CoFe, MnAs, MnBi, MnSb,CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중 적어도 어느 하나의 박막으로 형성하는 자기저항소자 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 자성막은 Fe, Co, Ni, Gd, Dy, NiFe, CoFe, MnAs, MnBi, MnSb,CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중 적어도 어느 하나의 박막으로 형성하는 자기저항소자 제조 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 MgO막은 상기 열처리에서 결정화되는 자기저항소자 제조 방법.
  7. 기판 상에 Ir막과 Mn막이 복수로 교차 증착된 피닝막을 형성하는 단계;
    상기 피닝막 상에 핀드막을 형성하는 단계;
    상기 핀드막 상에 터널절연막을 형성하는 단계;
    상기 터널절연막 상에 자유막을 형성하는 단계; 및
    열처리하여 상기 Ir막과 Mn막을 합금화하는 단계
    를 포함하는 자기저항소자 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 터널절연막은 MgO막을 포함하는 자기저항소자 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 열처리는 300~600℃의 온도 및 진공분위기의 챔버 내에서 진행하는 자기저항소자 제조 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 MgO막은 상기 열처리에서 결정화되는 자기저항소자 제조 방법.
  11. 기판 상에 Mn을 포함하는 피닝막을 형성하는 단계;
    상기 피닝막 상에 박막 내 일부가 비정질인 핀드막을 형성하는 단계;
    상기 핀드막 상에 터널절연막을 형성하는 단계;
    상기 터널절연막 상에 자유막을 형성하는 단계; 및
    열처리하는 단계
    를 포함하는 자기저항소자 제조 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 핀드막은 하부의 결합구조가 CoFe이고, 상부의 결합구조는 CoFeB인 것을 특징으로 하는 자기저항소자 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 핀드막에서 상기 Fe와 B의 함유량은 하부보다 상부에서 높은 것을 특징으로 하는 자기저항소자 제조 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 핀드막의 하부에서 CoFe의 함유량은 각각 7:3이고, 상부에서 CoFeB의 함유량은 각각 4:4:2인 것을 특징으로 하는 자기저항소자 제조 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 피닝막은 PtMn이거나, IrMn인 자기저항소자 제조 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 터널절연막은 MgO막을 포함하는 자기저항소자 제조 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 열처리는 300~600℃의 온도 및 진공분위기의 챔버 내에서 진행하는 자기저항소자 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 MgO막은 상기 열처리에서 결정화되는 자기저항소자 제조 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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