KR20140091856A - 멀티스텝 식각공정을 통하여 자기램에서 자기 터널 접합층 형성 방법 - Google Patents
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Abstract
MTJ를 형성하는 단계는 소오스라인 및 제 1 층간 절연막층 상에 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계, 상기 제 2 층간절연막 및 제 1 층간 절연막을 선택 식각하여 하부전극 콘텍을 형성하는 단계, 상기 제 2 층간 절연막 및 하부전극 콘텍 상에 고정자성막, 터널장벽막, 자유자성막, 캡핑막 및 마스크층을 순차적으로 적층하고 상기 고정자성막, 터널장벽막, 자유자성막 등 각각의 막을 멀티스텝 식각공정으로 건식과 습식을 교대로 진행하는 단계를 포함한다.
상기 MTJ를 멀티스텝 식각공정으로 건식과 습식을 교대로 진행하면 노블금속성 폴리머를 습식식각 공정을 통하여 완전히 제거할 수 있어 자기적 및 전기적인 좋은 특성을 갖는 자기기억 소자를 얻을 수 있다.
상기 MTJ를 멀티스텝 식각공정으로 건식과 습식을 교대로 진행하면 노블금속성 폴리머를 습식식각 공정을 통하여 완전히 제거할 수 있어 자기적 및 전기적인 좋은 특성을 갖는 자기기억 소자를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 자기형 비휘발성 메모리에 관한 것으로, 보다 자세하게는 자기형 비휘발성 메모리 셀 중에서 자기 터널 접합층을 형성하는 자기형 비휘발성 메모리 반도체를 만드는 제조방법에 관한 것이다.
전자기기의 고속화, 저소비전력화에 따라 이에 내장되는 반도체 디바이스 중 자기기억 소자는 고속동작 및 비휘발성 특성을 가지고 있어 차세대 메모리로 각광을 받는다.
일반적으로 알려진 자기기억 소자의 자기터널접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 구조는 캡핑막(Capping layer), 자유자성막(Free layer), 터널베리어(Tunnel barrier)막, 고정자성막(Fixed layer) 등 다층의 노블금속으로 구성되어있다.
상기 노블금속층의 건식식각 과정에서 측벽에 재데포되는 형태의 폴리머들이 형성된다. 이러한 폴리머들이 제거되지 않을 경우 자성 특성 열화뿐만 아니라 전기적인 쇼트(short) 특성을 나타낼 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전기적 및 자기적인 좋은 특성을 갖는 자기 기억 소자의 형성방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 자기적 및 전기적인 좋은 특성을 갖는 자기 기억 소자를 제공하는 데에 있다.
상술한 기술적인 과제들을 해결하기 위한 자기 기억 소자의 형성방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 기억 소자 형성방법은 반도체 기판에 게이트를 형성하는 단계, 인접한 상기 게이트들에 공유되는 소오스/드레인 영역과 연결되는 소오스라인을 형성하는 단계, 상기 게이트들의 비공유 소오스/ 드레인 영역과 연결되는 MTJ를 형성하는 단계, 및 상기 MTJ와 연결되는 비트라인을 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 소오스라인을 형성하는 단계는, 상기 게이트들 사이에 렌딩플러그 콘텍을 형성하는 단계, 상기 게이트 및 렌딩플러그 콘텍 상에 제 1 층간 절연막을 형성하는 단계, 상기 제 1 층간 절연막을 선택 식각하여 이를 패터닝하는 단계를 포함한다. 이때 소오스라인 콘텍을 형성 후 콘텍 홀이 매립되도록 도전막을 형성하고 평탄화하는 단계를 포함한다.
본 발명에서 상기 MTJ를 형성하는 단계는 상기 소오스라인 및 제 1 층간 절연막층 상에 제 2 층간 절연막을 형성하는 단계, 상기 제 2 층간절연막 및 제 1 층간 절연막을 선택 식각하여 하부전극 콘텍을 형성하는 단계, 상기 제 2 층간 절연막 및 하부전극 콘텍 상에 고정자성막, 터널장벽막, 자유자성막, 캡핑막 및 마스크층을 순차적으로 적층하고 상기 고정자성막, 터널장벽막, 자유자성 각각의 막을 멀티스텝 식각공정으로 건식과 습식을 교대로 진행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 고정자성막, 터널장벽막, 자유자성막은 노블금속으로 형성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 고정자성막, 터널장벽막, 자유자성막 캡핑막 및 마스크를 건식식각하며 발생하는 재데포(Re-deposition)되는 노블금속성 폴리머를 제거하기 위한 습식식각을 진행하는 공정은 유기용매에 아민 또는 황산 그룹 식각물질을 사용하는 것을 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 자기 기억 소자 자기터널접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 구조 형성 시 발생하는 노블금속성 폴리머를 완전히 제거할 수 있어 자기적 및 전기적인 좋은 특성을 갖는 자기기억 소자를 얻을 수 있다.
또한 자기기억 소자 자기터널접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 구조 형성 시 발생하는 노블금속성 폴리머를 완전히 제거할 수 있어 자기적 및 전기적인 좋은 특성을 갖는 자기 기억 소자 제조 방법을 얻을 수 있다.
도 1은 일반적인 MRAM의 구조를 보여주는 공정 단면도이다.
도 2 내지 도 10은 본 발명의 MRAM을 제조하는 방법을 순서대로 나타내는 공정 단면도이다.
도 2 내지 도 10은 본 발명의 MRAM을 제조하는 방법을 순서대로 나타내는 공정 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본발명의 MRAM의 장치 구조를 보여주는 공정 단면도이다.
도 1을 참조하면, 반도체 기판(SUB)에 소자분리막(STI)이 형성되어 있고, 워드라인(WL)이 될 수 있는 게이트가 기판(SUB)상에 형성되며, 게이트 사이의 소오스드레인 영역 상에는 랜딩 플러그 콘텍(LPC:Landing Plug Contact)이 형성되어 있다.
게이트(WL) 사이에 형성된 랜딩 플러그 콘텍(LPC) 상부에는 소오스라인 콘텍(SLC) 및 하부 전극 콘텍(BEC: Bottom Electrode Contact)을 포함하는 층간 절연막이 형성되어 있다.
소오스 라인 콘텍(SLC) 상에는 소오스 라인 콘텍(SLC)과 연결되며 게이트(WL)방향으로 진행하는 소오스 라인(SL)이 형성되어 있다. 두개의 워드라인(WL)이 한 개의 소오스라인을 공유하는 형태가 되어있다.
하부 전극 콘텍(BEC) 상에는 MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 및 상부전극 콘텍(TEC: Top Electrode Contact)이 형성되어 있고 비트라이(BL) 및 주변회로와 연결될 수 있는 금속라인 콘텍(M1C, M2C) 및 금속라인(M1,M2)이 형성되어 있다.
도 2 내지 도 10은 본 발명의 MRAM을 제조하는 방법을 순서대로 나타내는 공정 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반도체 기판(100)에 소자분리막(105)을 형성하여 활성영역과 비활성영역을 구분한다. 상기 활성영역 상에 워드라인을 포함하는 게이트 구조물(110)을 형성한다. 게이트 구조물(110) 사이의 소오스/드레인 영역 상에 랜딩 플러그 콘텍 LPC(Landing Plug Contact: 120)을 형성한다. 상기 게이트 구조물(110)과 랜딩 플러그 콘텍 (120) 사이의 절연을 위해서 측벽 (115)을 형성한다.
상기 게이트 구조물(110)과 랜딩 플러그 콘텍 (120) 상에 제 1 층간절연막(125)을 형성하고, 공유하는 소오스/드레인 영역에 있는 랜딩 플러그 콘텍 (120) 상에 소오스라인 콘텍(130)을 형성 후 소오스라인(135)을 형성하고 제 1 층간절연막 (125) 상에 제 2 층간 절연막(140)을 형성한다. 제 2 층간절연막(140) 형성 후 하부 전극콘텍 BEC( Bottom Electrode Contact: 150)을 형성한다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 하부 전극콘텍 (150) 상에 고정자성막(160), 터널장벽막(165), 자유자성막(170), 캠핑막(175) 마스크(180)막으로 MTJ(Magnetic Tunnelling Junction) 구조막을 형성한다. 상기 고정자성막(160)은 이리듐 망간(IrMn), 백금망간(PtMn) 또는 철망간(FeMn) 등을 사용한다. 상기 터널장벽막(165)은 MgO을 사용하고, 자유자성막(170)은 CoFe, CoFeB, Pd 또는 Pt 등 노블금속을 사용하여 형성한다.
발명의 개념을 설명하기 위하여 하부전극 콘텍 상에 고정자성막(160), 터널장벽막(165), 자유자성막(170), 캠핑막(175)의 순서로 MTJ층을 도시하였으나 필요에 따라서 다양한 층으로 MTJ층을 구성 할 수 있다. 그리고 각층의 구성 물질도 강자성 및 반강자성 등 다양한 금속물질로 층을 이룰 수 있다. 단지 이러한 멀티층을 식각함에 있어서 생성되는 폴리머를 효과적으로 제거하는 방법을 간단한 구조를 통하여 보여주려고 한다.
마스크(180)층을 이용하여 캡핑층(175)까지 패터닝한다. 이때 먼저 건식식각으로 식각공정을 진행한다. 공정 중 발생하는 폴리머(185)가 형성되어 측벽에 재데포 된다.
상기 측벽에 형성된 폴리머(185)를 제거하기 위해서 습식식각을 진행한다. 습식식각 용액은 유기용매에 소량의 H2O와 아민 또는 황산 그룹 식각물질을 포함한다. 그러면 습식식각 공정 중 측벽에 형성된 폴리머들은 완전히 제거 된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 건식식각 공정을 통하여 자유자성막(170)을 식각 패턴을 형성한다. 상기 자유자성막(170)을 형성하는 금속물질에 따라서 식각가스는 다양하게 사용할 수 있다. 이때도 마찬가지로 금속성 물질인 폴리머(190)가 재데포 되면서 측벽이 형성된다.
상기 건식식각 공정 중에 측벽에 형성된 폴리머(190)를 제거하기 위해서 습식식각을 진행한다. 습식식각 용액은 유기용매에 소량의 H2O와 아민 또는 황산 그룹 식각물질을 포함한다. 상기 아민계열 식각물질과 물과의 혼합비는 아인계열이 전체 중량의 50% 이상을 차지 할 수 있도록 하고, 물의 함량은 전체 중량대비 0 내지 30% 이하를 차지 할 수 있도록 혼합비를 조절한다. 습식식각 용액의 사용온도는 상온에서 시작하여 80℃ 이하의 온도에서 사용할 수 있다. 그러면 습식식각 공정 중 측벽에 형성된 폴리머(190)들은 완전히 제거 된다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 건식식각 공정을 통하여 터널장벽막(165)을 식각하여 패턴을 형성한다. 상기 터널장벽막(165)을 형성하는 금속물질에 따라서 식각가스는 다양하게 사용할 수 있다. 그러나 일반적으로 터널장벽층(165)은 MgO을 사용하고 있기 때문에 일반적인 건식식각으로도 쉽게 식각이 되며 이때도 마찬가지로 금속성 물질인 폴리머(195)가 재데포 되면서 측벽을 형성한다.
상기 건식식각 공정 중에 측벽에 형성된 폴리머(195)를 제거하기 위해서 습식식각을 진행한다. 터널장벽막(165)의 폴리머는 일반적인 습식공정으로 쉽게 제거되기 때문에 유기용매를 사용하지 않아도 된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 건식식각 공정을 통하여 고정자성막(160)을 식각하여 패턴을 형성한다. 상기 고정자성막(100)을 형성하는 금속물질에 따라서 식각가스는 다양하게 사용할 수 있다. 이때도 마찬가지로 금속성 물질인 폴리머(200)가 재데포 되면서 측벽이 형성된다.
상기 건식식각 공정 중에 측벽에 형성된 폴리머(200)를 제거하기 위해서 습식식각을 진행한다. 습식식각 용액은 유기용매에 소량의 H2O와 아민 또는 황산 그룹 식각물질을 포함한다.
추후 반도체 일반적인 공정을 통하여 층간절연막 및 금속배선 보호막을 형성하여 자기기억소자를 완성함으로 여기서는 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기에서 설명한 것과 같이 자기기억 소자 자기터널접합(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 구조 형성 시 발생하는 노블금속성 폴리머를 습식식각 공정을 통하여 완전히 제거할 수 있어 자기적 및 전기적인 좋은 특성을 갖는 자기기억 소자를 얻을 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 반도체 기판 105: 소자분리막
110: 게이트 구조물 115: 측벽
120: 랜딩 플러그 콘텍 125: 제1 층간절연막
130: 소오스라인 콘텍 135: 소오스라인
140: 제2 층간절연막 150: 하부 전극콘텍
160: 고정자성막 165: 터널장벽막
170: 자유자성막 175: 캠핑막
180: 마스크막
185, 190, 195, 200: 폴리머
110: 게이트 구조물 115: 측벽
120: 랜딩 플러그 콘텍 125: 제1 층간절연막
130: 소오스라인 콘텍 135: 소오스라인
140: 제2 층간절연막 150: 하부 전극콘텍
160: 고정자성막 165: 터널장벽막
170: 자유자성막 175: 캠핑막
180: 마스크막
185, 190, 195, 200: 폴리머
Claims (10)
- 반도체 기판에 소자분리막을 형성하는 단계;
상기 반도체 기판 상에 게이트 구조물 및 렌딩 플러그 콘텍을 형성하는 단계;
상기 게이트 구조물 및 렌딩 플러그 콘텍 상에 제 1, 제 2 층간절연막을 형성하고 층간 절연막에 하부전극 콘텍을 형성하는 단계;
상기 하부전극 콘텍 및 제 2 층간절연막 상에 고정자성막, 터널장벽막, 자유자성막, 캠핑막 및 마스크막을 차례로 형성하는 단계;
상기 캠핑막 및 마스크막를 건식식각으로 패턴을 형성하는 단계;
상기 캠핑막 및 마스크막를 건식식각으로 식각하면서 생긴 측벽 폴리머를 습식식각으로 제거하는 단계;
상기 자유자성막을 건식식각으로 식각하면서 생긴 측벽 폴리머를 습식식각으로 제거하는 단계;
상기 터널장벽막을 건식식각으로 식각하면서 생긴 측벽 폴리머를 습식식각으로 제거하는 단계;
상기 고정자성막을 건식식각으로 패턴을 형성하는 단계; 및
상기 고정자성막을 건식식각으로 식각하면서 생긴 측벽 폴리머를 습식식각으로 제거하는 단계를 포함하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 고정자성막 형성은 이리듐 망간(IrMn), 백금망간(PtMn) 또는 철망간(FeMn) 등을 사용하여 형성하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 터널장벽막은 MgO을 사용하여 형성하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 자유자성막은 CoFe, CoFeB, Pd 또는 Pt 등 노블금속을 사용하여 형성하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 층간절연막은 산화막으로 형성하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 습식식각 식각용액 용매는 유기 용매를 사용하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 습식식각 식각용액 식각물질은 H2O와 아민 또는 황산 그룹 식각물질을 사용하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 습식식각 식각 용액은 아민계열 식각물질과 물과의 혼합비는 아인계열 식각 물질이 식각용액 전체 중량의 50% 이상을 차지하는 것을 사용하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 습식식각 용액의 사용온도는 상온에서 시작하여 80℃ 이하의 온도에서 진행하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 피닝막 패턴 형성 후 일반적인 반도체 공정을 진행하여 자기기억소자를 형성하는 것이 특징인 자기기억 소자 반도체 제조방법.
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| KR1020130003823A KR20140091856A (ko) | 2013-01-14 | 2013-01-14 | 멀티스텝 식각공정을 통하여 자기램에서 자기 터널 접합층 형성 방법 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10793812B2 (en) | 2017-05-31 | 2020-10-06 | SK Hynix Inc. | Cleaning composition and method for fabricating electronic device using the same |
-
2013
- 2013-01-14 KR KR1020130003823A patent/KR20140091856A/ko not_active Application Discontinuation
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