KR20200022356A - 모멘트 향상에 의한 자기 랜덤 액세스 메모리(mram)를 위한 개선된 자기 층 - Google Patents
모멘트 향상에 의한 자기 랜덤 액세스 메모리(mram)를 위한 개선된 자기 층 Download PDFInfo
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Abstract
붕소 함유 자유 층(FL)이 불활성 가스로 플라즈마 처리되고, 상부에 있는 층들이 퇴적되기 전에 B2O3를 형성하기 위해 자연 산화(NOX) 공정이 행해지는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ)이 개시되어 있다. FL의 수직 자기 이방성을 증가시키는 Hk 향상 층을 형성하는 제1 단계로서, 또는 FL 상에 터널 장벽 층을 형성하는 제1 단계로서 Mg와 같은 금속 층이 FL 상에 증착된다. 자유 층으로부터의 B2O3 분리를 보조하고 FL 자기 모멘트를 증가시키기 위해서는 하나 이상의 어닐링 단계가 필수적이다. 금속 층이 퇴적되기 전에 FL 상부 표면에 근접한 B2O3를 부분적으로 제거하기 위해 산화 후 플라즈마 처리가 또한 사용될 수 있다. 양쪽 플라즈마 처리 모두는 최대 2 옹스트롬 FL 두께를 제거하기 위해 저전력(<50 와트)을 사용한다.
Description
관련 특허 출원
본 출원은 미국 특허 제9,425,387호; 2017년 3월 20일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제15/463,113호; 및 2018년 3월 23일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 제15/933,479호와 관련되며; 이들은 공동 양수인에게 양도되며 본 명세서에 그 전체가 참고로 통합된다.
기술 분야
본 개시는, 터널 장벽층과의 제1 계면 및 자유층 내의 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy; PMA)과 열적 안정성을 증가시키는 금속 또는 금속 산화물 Hk 강화층과의 제2 계면를 갖는 자유층으로 구성되는 수직 자화 자기 터널 접합(Perpendicularly Magnetized Magnetic Tunnel Junction; p-MTJ)에 관한 것으로, 특히 붕소 함유 자유층으로부터 붕소를 분리 및 제거하여 PMA를 추가로 확대시키고, 일부 경우 자기 저항(magnetoresistive; MR) 비율도 증가시키는 방법에 관한 것이다.
수직 자화 MTJ(Perpendicularly Magnetized MTJ; p-MTJ)는 임베디드 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM) 애플리케이션 및 독립형 MRAM 애플리케이션에 사용되는 주요 기술이다. 메모리 비트의 기록을 위해 스핀 토크를 사용하는 p-MTJ MRAM 기술(STT-MRAM)은 J. Slonczewski에 의해 문서["Current driven excitation of magnetic multilayers", J. Magn. Magn. Mater. V 159, L1-L7(1996)"]에서 설명되었으며, 임베디드 플래시 메모리와 임베디드 캐시 메모리(SRAM)를 대체할 차세대 비휘발성 메모리의 점차 유망한 후보이다.
MRAM 및 STT-MRAM은 모두 터널 자기 저항(Tunneling MagnetoResistance; TMR) 효과에 기초한 p-MTJ 셀을 가지며, 여기서 복수의 층의 스택은 두 개의 강자성층이 MgO와 같은 얇은 절연 터널 장벽층에 의해 분리되는 구성을 갖는다. 고정층(pinned layer)이라 불리는 강자성층 중 하나는, 각층의 평면이 x축 및 y축 방향으로 배치될 때, +z 방향과 같은 평면 외 방향으로 고정되는 자기 모멘트를 갖는다. 두 번째 강자성층은 +z축(평행 또는 P 상태) 또는 -z축(역평행 또는 AP 상태) 방향으로 자유롭게 회전할 수 있는 면 외 자화 방향을 갖는다. P 상태(Rp)와 AP 상태(Rap) 사이의 저항 차이는 DRR 또는 MR 비율이라고도 알려진 식인 (Rap-Rp)/Rp에 의해 특성화된다. MR 비율은 메모리 비트의 읽기 마진 및 P 상태와 AP 상태(0 또는 1 비트)를 얼마나 쉽게 구별할 수 있는지와 직접 관련되기 때문에, p-MTJ 셀이 큰 MR 비율, 바람직하게 100 %를 초과하는 비율을 가지는 것이 중요하다.
p-MTJ에 대한 또 다른 중요한 요구 사항은, 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor; CMOS) 제품 내에 임베디드 메모리 장치를 제조할 때 백엔드라인(back-end-of-line; BEOL) 공정 동안의 일반적인 온도인 400℃에 대한 열적 안정성이다. 일반적인 경향은 터널 장벽/FL 계면와 유사한 제2 금속 산화물/자유층(Free Layer; FL) 계면를 도입함으로써 자유층 내의 PMA 및 Hk를 강화시키고 열적 안정성을 개선하는 것이었다. 열적 안정성(Δ)은 식(1)과 같이 수직 이방성 장의 함수이다.
(1) 
여기서 Ms는 자기 포화 값이고, Hkeff ,⊥는 평면 외 (수직) 이방성 장이고, V는 자유층의 부피이고, KB는 볼츠만 상수이며, T는 온도이다.
자유층의 수직 이방성 장(Perpendicular Anisotropy Field; PMA)은 다음과 같이 식(2)로 표현된다.
(2) 
여기서 d는 자유층의 두께이고, Hk,χ ,⊥는 수직 방향의 결정성 이방성 장이며, 
는 자유층의 최상부 및 최하부 표면의 표면 수직 이방성이다. 따라서, 표면(계면) 수직 이방성 성분을 강화시키는 제2 자유층/금속 산화물 계면의 도입으로 PMA가 증가된다. 작은 장치 크기에서 데이터를 보존하려면 PMA가 높은 것이 특히 중요하다.
일반적으로, Fe 리치 합금이 자유층으로 사용되고, MgO가 터널 장벽 및 Hk 강화층으로 사용되어 층 간의 격자 정합을 가능하게 하고, 스핀 필터링 요소로 MgO를 사용하여 장치를 위한 최적의 MR 비율과 우수한 읽기 신호를 제공한다. 또한, 붕소는 CoFeB인 Fe 리치 합금에 통상적으로 포함되어, 예를 들어, 후속하는 어닐링 동안 결정화되는 비정질(amorphous) 자유층이 퇴적되도록 하여, MgO 터널 장벽 및 Hk 강화층과의 격자 정합을 촉진시킨다. 불행하게도, 자유층에 붕소가 존재하면 모멘트(Ms)가 낮아지고 PMA가 감소한다. 붕소는 어닐링 동안 FeB 또는 CoFeB내의 자성 구성 요소(들)로부터 어느 정도 분리되지만, 퇴적된 Fe 또는 CoFe층의 원하는 Ms 값은 결코 실현되지 않는다. 또한, 붕소 함유 자유층의 낮은 Ms 값은 P에서 AP 상태로 전환하는 동안, 또는 그 반대의 경우에도, 자유층의 불균일한 반전 메커니즘을 촉진하며, 이는 결과적으로 스위칭에 대한 에너지 장벽을 낮추고 낮은 열적 안정성을 야기한다.
최적의 격자 정합을 위해 비정질 붕소 함유 자유층을 퇴적하는 이점이, 어닐링 단계 후에 Ms를 낮추지 않고 PMA 및 열적 안정성을 손상시키지 않으면서 유지되도록 p-MTJ 내에 자유층을 제조하는 개선된 공정이 필요하다.
본 개시의 하나의 목적은 자유층 내의 자성 합금에 대한 붕소의 Ms 감소 효과를 최소화하는, p-MTJ 내의 붕소 함유 자유층을 형성하는 방법을 제공하는 것이다.
두 번째 목적은 MR 비율을 포함하는 다른 p-MTJ 자기 특성을 열화시키지 않는 첫 번째 목적에 따른 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 복수 층의 p-MTJ 스택이 퇴적되며, 여기서 자유층은 금속 산화물 터널 장벽층과 금속 또는 금속 산화물 Hk 강화층 사이에 형성된다. p-MTJ 스택은 자유층 아래의 터널 장벽층을 갖는 바텀 스핀 밸브 구성, 또는 터널 장벽층 아래의 자유층을 갖는 탑 스핀 밸브 구성을 가질 수 있다.
자유층은 단일층 또는 다층 구조 일 수 있으며, 여기서 하나 이상의 층 각각은 FexCoyBz 조성을 가질 수 있고, 여기서 x > y, y ≥ 0, 및 x + y + z = 100 원자%이다. 다른 실시예에서, 자유층 내의 하나 이상의 층은 (FexCoyBz)wM100-w 조성을 가질 수 있고, 여기서 x > 합금 내의 자성 원소의 50 원자%, y ≥ 0, M은 Ni와 같은 자성이거나 W 또는 Mo와 같은 비자성인 하나 이상의 금속이다. 또한, 30 옹스트롬을 초과하는 두께는 면 내 자화를 생성하는 경향이 있기 때문에, PMA를 촉진시키도록, 자유층의 두께는 바람직하게는 10 내지 30옹스트롬이다. 모든 실시예에서, B 함량은 바람직하게는 충분히 커서, 퇴적 동안 비정질 자유층을 제공하여 보다 큰 막 균일성(평활도)을 가능하도록 한다. 비정질 특성은 또한 어닐링 동안 자유층이 결정화되도록 함으로써, 터널 장벽 및 Hk 강화층과의 격자 매칭이 개선된다.
본 개시의 주요 피처는 자유층 내의 자성 구성 요소로부터 붕소의 분리를 강화시키고, 자유층으로부터 붕소 함량의 적어도 일부를 제거하는 일련의 공정이다. 일 실시예에 따르면, 자유층은 Ar과 같은 불활성 기체로 저전력 플라즈마 처리(<50 와트)를 받는다. 다음으로, 분당 약 1 표준 입방 센티미터(sccm) 이하의 산소 흐름이 약 1분 동안 적용되어 자유층 내의 B 원자의 적어도 일부를 산화시키는 자연 산화 (Natural Oxidation; NOX) 공정이 수행된다. 생성된 B2O3는 B의 융점(mp = 236°K)보다 상당히 낮은 720°K (447℃)의 융점을 가지며, 진공에 근접한 저압 조건에서 주위 온도 근처에서 휘발성일 것으로 예상된다. 따라서, 저압에서의 사후 산화 플라즈마 처리가 B2O3 제거 공정을 보조하기 위해 사용될 수 있다. p-MTJ층 위에 위치하는 Hk 강화층 및 최상위 선택적 하드 마스크를 포함하여 모든 p-MTJ층이 퇴적되면, p-MTJ 스택을 패터닝하기 전 또는 후에 어닐링 단계가 수행되어 p-MTJ 셀을 형성한다. 어닐링은 인접한 p-MTJ 셀를 전기적으로 분리하는 봉지(encapsulation) 공정 동안 발생할 수 있다. 어닐링은 사후 산화 플라즈마 처리에 의해 제거되지 않은 B2O3를 추가로 분리할 것으로 예상된다. 분리된 B2O3는 Hk 강화층과의 계면 및 터널 장벽층과의 계면를 형성할 수 있다.
바텀 스핀 밸브 실시예에서, 하드 마스크가 자유층 상에 형성되기 전에, 산화된 자유층 상에 Mg층이 퇴적될 수 있다. Mg층은, 산소가 자유층 자성 구성 요소를 산화시키지 않도록, 산화 단계로부터의 임의의 과잉 산소와 반응할 것으로 여겨진다. 또한, 생성된 MgO층은 효과적으로 금속 산화물/FL 계면을 형성하고 Hk 강화층으로서 기능한다. 탑 스핀 밸브 실시예에서, 산화된 자유층 상에 퇴적된 Mg층은 터널 장벽의 일부가 된다. 대안적으로, 산화된 자유층 상에 Mg 이외의 금속이 퇴적될 수 있다. 자유층 내의 과잉 산소를 효율적으로 흡수하고 반응시키도록, Mo, W, Ta, Zr, Hf, Ti, Sr, Nb 또는 V와 같은 금속은 Fe 및 Co보다 산화가 용이(산화물 생성에 대해 더 음의 자유 에너지)해야 한다. 그러나, W 및 Mo를 포함하는 일부 금속은 산화된 자유층 상에 실질적으로 산화되지 않은 상태로 남을 수 있으며, FL 계면에서 상당한 계면 수직 이방성을 여전히 제공하여 자유층 내의 PMA를 강화시킬 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 바텀 스핀 밸브 구성에서 터널 장벽층과 Hk 강화층 사이에 자유층이 형성된 p-MTJ 셀을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른 탑 스핀 밸브 구성에서 자유층이 Hk 강화층과 터널 장벽층 사이에 형성된 p-MTJ 셀을 도시한 단면도이다.
도 3은 부분적으로 형성된 p-MTJ 스택 내의 자유층이 산화 단계 전에 플라즈마 처리되는 본 개시의 일 실시예에 따른 공정에서 제1 단계를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따라 자유층이 산화되는 도 3에서 부분적으로 형성된 p-MTJ의 단면도이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따라, 산화된 자유층이 플라즈마 처리되는 부분적으로 형성된 p-MTJ 스택의 단면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라, 산화된 자유층 상에 Mg와 같은 금속이 퇴적된 후에 도 5의 부분적으로 형성된 p-MTJ 스택의 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따라, 바텀 스핀 밸브 구성을 갖는 p-MTJ 스택 내의 모든 층이 퇴적되고, 포토 레지스트 패턴이 그 위에 형성된 후의 단면도이다.
도 8은 에칭 공정이 수행되어 p-MTJ 셀이 형성된 후에 도 7의 복수 층의 p-MTJ 스택의 단면도이다.
도 9는 봉지 공정이 수행된 후에 도 8의 p-MTJ 셀의 단면도이다.
도 10은 최상부 전극과 최하부 전극 사이의 행과 열의 어레이로 형성된 복수의 p-MTJ 셀의 평면도이다.
도 11 내지 도 15는 본 개시의 일 실시예에 따라 붕소 함유 자유층이 산화되는 탑 스핀 밸브 p-MTJ 스택을 형성하는 일련의 단계를 도시하는 단면도이다.
도 16A 내지 16B는 각각 산화된 CoFeB층 및 산화되지 않은 CoFeB층에 대한 Ms 대 자유층 두께의 플롯이다.
도 17A 내지 17B는 각각 산화된 Fe층 및 산화되지 않은 Fe층에 대한 Ms 대 자유층 두께의 플롯이다.
도 18은 본 개시에 따른 산화된 CoFeB 자유층을 갖는 p-MTJ 스택과 CoFeB 자유층이 산화되지 않은 종래의 p-MTJ 스택의 결과를 비교하는 Kerr 신호 대 자기장의 플롯이다.
도 19는 다양한 금속에 대한 산화물 형성의 자유 에너지를 나타내는 표이다.
도 2는 본 개시의 다른 실시예에 따른 탑 스핀 밸브 구성에서 자유층이 Hk 강화층과 터널 장벽층 사이에 형성된 p-MTJ 셀을 도시한 단면도이다.
도 3은 부분적으로 형성된 p-MTJ 스택 내의 자유층이 산화 단계 전에 플라즈마 처리되는 본 개시의 일 실시예에 따른 공정에서 제1 단계를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따라 자유층이 산화되는 도 3에서 부분적으로 형성된 p-MTJ의 단면도이다.
도 5는 본 개시의 다른 실시예에 따라, 산화된 자유층이 플라즈마 처리되는 부분적으로 형성된 p-MTJ 스택의 단면도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라, 산화된 자유층 상에 Mg와 같은 금속이 퇴적된 후에 도 5의 부분적으로 형성된 p-MTJ 스택의 단면도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따라, 바텀 스핀 밸브 구성을 갖는 p-MTJ 스택 내의 모든 층이 퇴적되고, 포토 레지스트 패턴이 그 위에 형성된 후의 단면도이다.
도 8은 에칭 공정이 수행되어 p-MTJ 셀이 형성된 후에 도 7의 복수 층의 p-MTJ 스택의 단면도이다.
도 9는 봉지 공정이 수행된 후에 도 8의 p-MTJ 셀의 단면도이다.
도 10은 최상부 전극과 최하부 전극 사이의 행과 열의 어레이로 형성된 복수의 p-MTJ 셀의 평면도이다.
도 11 내지 도 15는 본 개시의 일 실시예에 따라 붕소 함유 자유층이 산화되는 탑 스핀 밸브 p-MTJ 스택을 형성하는 일련의 단계를 도시하는 단면도이다.
도 16A 내지 16B는 각각 산화된 CoFeB층 및 산화되지 않은 CoFeB층에 대한 Ms 대 자유층 두께의 플롯이다.
도 17A 내지 17B는 각각 산화된 Fe층 및 산화되지 않은 Fe층에 대한 Ms 대 자유층 두께의 플롯이다.
도 18은 본 개시에 따른 산화된 CoFeB 자유층을 갖는 p-MTJ 스택과 CoFeB 자유층이 산화되지 않은 종래의 p-MTJ 스택의 결과를 비교하는 Kerr 신호 대 자기장의 플롯이다.
도 19는 다양한 금속에 대한 산화물 형성의 자유 에너지를 나타내는 표이다.
본 개시는, 붕소 원소를 선택적으로 산화시키기 위해 자유층을 자연 산화시키고, 이 붕소 원소는 선택적 사후 산화 플라즈마 처리 및 어닐링 단계에서 자유층으로부터 부분적으로 또는 완전히 분리될 수 있는, 임베디드 메모리 애플리케이션을 위한 p-MTJ 셀을 제조하는 방법이다. p-MTJ는 MRAM, STT-MRAM, 또는 스핀 토크 오실리에이터(Spin Torque Oscillator; STO), 자기 센서 또는 바이오 센서와 같은 다른 스핀트로닉 장치에 통합될 수 있다. 도면에는 단 하나의 p-MTJ 셀만이 도시되어 있지만, 일반적으로 하나의 메모리 장치의 제조 동안 수백만 개의 p-MTJ 셀이 기판 상에 행과 열로 배열된다. 층의 최하부 표면이 기판과 대면하는 반면 최상부 표면은 기판을 바라보지 않는 표면으로 정의된다. 계면은 하나의 층의 최하부 표면과 두 번째 층의 인접한 최상부 표면으로 구성된 경계 영역이다. 각 층의 두께는 z축 방향이고, 평면(최상부 표면 또는 최하부 표면)은 x축 및 y축 방향으로 배치되어 있다. 자기 모멘트 및 자화라는 용어는 상호 교환적으로 사용될 수 있다.
관련 미국 특허 제9,425,387호에서, 본 개시자들은 MgO 및 BOx 중 하나 또는 둘 다일 수 있는 Hk 강화층, 및 Hk 강화층을 통해 하드 마스크로부터 자유층(Free Layer; FL)으로 비자성 금속이 이동하는 것을 방지하기 위한 확산 장벽을 개시하였다. 따라서, FL 자기 모멘트(Ms)가 희석되지 않고 FL/Hk 강화층 계면에서의 계면 수직 이방성이 유지되기 때문에 PMA가 개선된다. 관련 미국 특허 출원 일련 번호 제15/933,479호에서, 본 개시자들은, 400℃ 공정 온도에서의 열적 안정성, 100 % 초과의 MR 비율, RA 곱 < 5 ohm-㎛2, 및 스위칭 전압 < 0.15 V(DC), 특히 p-MTJ 임계 치수 < 60 nm을 동시에 달성하기 위한, 장벽층 및 Hk 강화층과의 각각의 계면에서 Fe 리치 부분을 가지며, CoFeB 중간 부분을 갖는 자유층에 대한 최적화된 조성물을 개시하였다. 이제 본 개시자들은 붕소 함유 자유층으로부터, 특히 바텀 스핀 밸브 구성에서 Hk 강화층에 근접한 상부에서 붕소 분리를 촉진하여 Fe 리치 함량을 촉진하고 더 나아가 Ms, PMA 및 열적 안정성을 포함하는 자기 특성을 강화시키는 방법을 발견하였다.
도 1은 선택적인 시드층(11), 고정층(12), 터널 장벽층(13), 자유층(14x2), Hk 강화층(17) 및 하드 마스크(16)가 예를 들어, MRAM 구조에서 최하부 전극(10)인 기판의 최상부 표면(10t) 상에 순차적으로 형성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 패턴된 p-MTJ(1)을 도시한다. p-MTJ 셀 상의 측벽(1)은 종래의 포토 레지스트 패터닝 및 에칭 시퀀스 동안 형성되며, 여기서 하드 마스크의 최상부 표면(16t)상의 포토 레지스트층(미도시)에 형성된 패턴은 후술하는 바와 같이 그 아래에 위치한 복수 층의 p-MTJ 스택을 통해 에칭 전사된다. 자유층 자화(14m)는 이 바텀 스핀 밸브 실시예에서 고정층 자화(12m)에 평행 또는 역평행하게 자유롭게 회전한다. 터널 장벽층과의 계면(40) 및 Hk 강화층과의 계면(41)에서 생성된 계면 수직 이방성은 자유층의 PMA에 기여한다.
도 2에서, p-MTJ(2)로 도시된 본 개시의 다른 실시예에 따르면, p-MTJ층이 상이한 순서로 스택된 것을 제외하고는 도 1의 p-MTZ가 유지되는 탑 스핀 밸브 구성이 도시되어 있다. 여기서, 선택적인 시드층(11), Hk 강화층(17), 자유층(14x2), 터널 배리어(13), 기준층(12) 및 하드 마스크(16)는 최상위 최하부 전극(10)으로 구성된 기판 상에 순차적으로 형성된다.
본 개시는 바텀 스핀 밸브 구성을 갖는 p-MTJ가 형성되는 도 3 내지 도 10에 관한 제1 실시예 및 탑 스핀 밸브 실시예를 갖는 p-MTJ가 제조되는 도 11 내지 도 15에 도시된 제2 실시예를 망라한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 주요 피처는 붕소 함유 자유층의 제조이며, 여기서 붕소는 이후에 산화물로서 분리되고, 바람직하게는 그 위에 위치하는 층을 형성하기 전에 적어도 부분적으로 제거된다. 복수 층의 p-MTJ 스택의 제조는 자유층의 위 및 아래에 위치하는 층에 대한 특정 조성물로 제한되지 않는다. 예를 들어, 시드층(11)은 NiCr, Ta, Ru, Ti, TaN, Cu, Mg, 또는 그 위에 위치하는 층에서 부드럽고 균일한 결정립 구조를 촉진시키기 위해 전형적으로 사용되는 그 밖의 재료 중 하나 이상으로 구성될 수 있다.
기준층(12)은 AP2/Ru/AP1으로 표현되는 합성 역평행(Synthetic Anti-Parallel; SyAP) 구성을 가질 수 있으며, 여기서 Ru, Rh 또는 Ir로 만들어진 반강자성 결합층은 예를 들어 AP2 자성층과 AP1 자성층(미도시) 사이에 게재된다. AP2 (외부 고정)층은 도 1의 시드층(11) 위에 형성되거나, 도 2의 하드 마스크(16)에 인접한다. AP1은 내부 고정층이며 일반적으로 터널 장벽과 접촉한다. AP1 및 AP2층 중 하나 또는 둘 다는 CoFe, CoFeB, Fe, Co 또는 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, AP1 및 AP2층 중 하나 또는 둘 모두는 (Co/Ni)n,(CoFe/Ni)n,(Co/NiFe)n,(Co/Pt)n(Co/NiCo)n,(Co/Pd)n 등과 같은 고유 PMA를 갖는 적층 스택일 수 있고, 여기서 n은 라미네이션 수이다.
터널 배리어층(13)은 바람직하게는 MgO, TiOx, AlTiO, MgZnO, Al2O3, ZnO, ZrOx, HfOx 또는 MgTaO 중 하나인 금속 산화물, 또는 하나 이상의 상기 언급된 금속 산화물의 적층이다. 더 바람직하게는, MgO가 가장 높은 MR 비율을 제공하기 때문에 터널 장벽층으로서 선택된다.
자유층(14)은 붕소 함유층으로서 퇴적되며, 단일층 또는 하나 이상의 층이 붕소를 함유하는 다층일 수 있다. 자유층(FL)이 단일층인 실시예에서, 자유층은 바람직하게는 Fe 리치이고, FexCoyBz 조성을 가질 수 있고, 여기서 x > y, y ≥ 0, 및 x + y + z = 100 원자%이다. 다른 실시예에서, 자유층 내에는 하나 이상의 추가 구성 요소가 존재하여 (FexCoyBz)wM100-w 조성물을 제공할 수 있는데, 여기서 x ≥ 그 내부의 자성 구성 요소의 50 원자%이고, y ≥ 0이며, M은 Ni와 같은 자성이거나 W, Cr, Mg, Zr, Hf, Nb, Ta, Ti, Sr, V 또는 Mo와 같은 비자성인 하나 이상의 금속이다.
관련 미국 특허 출원 일련 번호 제15/933,479호에 개시된 바와 같이, 자유층(14)이 삼중층 조성을 가질 때, FL 구성은 바람직하게는 Fe 또는 FeB층이 W 또는 Mo Hk 강화층과 접촉할 때 FeB/CoFeB/Fe 또는 FeB/CoFeB/FeB이다. FeB층이 터널 장벽층(13)과 접촉하는 하나의 이점은, MgO/FeB 계면(40)이 MgO/CoFeB 계면와 비교하여 강화된 Hk를 제공한다는 것이다. 그러나, FeB인 단일 자유층은 강화된 Hk와 동시에 높은 MR 비율을 제공하지 못한다. 따라서, 철(iron)이 리치한 FeCoB 중간층에는 임의의 양의 Co가 사용된다. Co는 Fe보다 산소에 대한 친화성이 낮기 때문에, 터널 장벽층으로부터 FL 중간 부분의 반대쪽에 위치하는 Fe 또는 FeB층으로의 산소 이동을 차단함으로써 최종 장치에서 Hk 강화층(17)과의 계면(41)로부터 발생하는 PMA를 유지하도록, Co는 자유층의 중간 부분에서 유리하게 사용된다. 중간층의 FeB 합금에 Co를 첨가하면 또한 MR 비율이 강화된다. CoFeB와 같은 Co 또는 Co 합금이 W, Mo, Mo 합금, 또는 W 합금층과 혼합될 때 발생하는 PMA가 거의 또는 전혀없는 데드 존을 최소화하거나 피하도록, Hk 강화층과 접촉하는 자유층 부분이 Fe 또는 Fe 리치 물질인 것 또한 중요하다. 따라서, Fe 또는 Fe-리치 FeB층은 본질적으로 W, Mo 또는 이들의 합금과의 혼합을 갖지 않아서 도 1(또는 도 2)의 계면(41)으로부터 야기되는 최대 Hk 값을 제공한다. Fe층이 Hk 강화층과 접촉하는 FeB/FeCoB/Fe 삼중층은 MR 비율과 Hk의 곱으로 보여지는 가장 높은 가치의 장점을 제공한다.
본 개시의 p-MTJ 제조 공정 흐름의 일 실시예에 따르면, 전술한 p-MTJ층(11-14)은 도 3에 도시된 바와 같이 기판(10) 상에 순차적으로 형성된다. 제1 플라즈마 처리(30)가 수행되고, 이는 50 와트 미만의 낮은 무선 주파수(RF) 전력 및 일정 기간, 일반적으로 1분 미만 동안 Ar, Kr, Xe 또는 Ne 중 하나인 불활성 기체의 흐름으로 구성된다. 이론에 구속되는 것은 아니지만, 플라즈마 처리는 다음 결과 중 하나 또는 둘 모두로 FL 최상부 표면(14t)을 변형시키는 것으로 여겨진다. 결과(a)는 개선된 필름 균일성 또는 평활도이고; 결과(b)는 추측컨대 FL 표면 화학적 성질을 개질함으로써 후속 단계에서 보다 제어된 산화를 가능하게하는 것이다. 시전 산화(pre-oxidation; PT)로도 알려진 제1 플라즈마 처리(PT)는 스퍼터 퇴적 툴 내의 챔버에서 수행될 수 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 모든 실시예의 주요 피처는 FL 최상부 표면(14t)을 약 1초 내지 600초의 기간, 바람직하게는 1분 이하 동안, 바람직하게는 0.1 내지 1 sccm의 산소 흐름에 노출시키는 것을 포함하는 자연 산화(natural oxidation;NOX) 공정(31)이다. 산화는 스퍼터 퇴적 툴 내의 산화 챔버에서 수행될 수있다. 일부 실시예에서, NOX 공정은 처리량을 향상시키기 위해 사전 산화(PT)(30)와 동일한 챔버에서 수행된다. Fe, Co 또는 Ni보다 큰 산소에 대한 친화도를 갖는 붕소는 NOX 공정 동안 O2 흐름의 시간 및 크기에 따라 적어도 자유층(14x)의 상부에서 B2O3로 산화된다. 산화 정도는 또한 바람직하게는 10 내지 30옹스트롬인 FL 두께, 및 자유층의 B 함량에 의존한다. 따라서, FL 두께가 증가하고 B 함량이 커짐에 따라, 특히 약한 NOX 조건에 있어서, B2O3 형성이 자유층의 상부로 제한될 수 있다.
도 5는 사후 산화(Post-oxidation; PT)(32)가 NOX 공정(31)을 따르는 본 개시의 실시예를 도시한다. 사후 산화(PT)는 처리량을 향상시키기 위해 NOX 공정과 동일한 산화 챔버에서 수행될 수 있으며, 50 와트 미만의 RF 전력 및 1초 내지 600초 동안의 비활성 기체 흐름으로 구성될 수 있다. 사후 산화(PT)는 FL 최상부 표면(14t)에 위치하는 또는 그에 근접하는 B2O3를 제거하는 것으로 여겨진다. 생성된 자유층(14x1)은 원래 퇴적된 FL(14)보다 낮은 B 함량을 갖는다. 사후 산화(PT)는 휘발성 B2O3의 제거를 보조하는 부분적 진공을 포함하고, FL 최상부 표면에서 최대 1 또는 2 옹스트롬의 재료를 제거하도록 충분히 제어된다는 점에 유의한다. 일부 실시예에서, 사전 산화(PT)만이 또는 사후 산화(PT)만이 수행되는 반면, 다른 실시예에서, 사전 산화(PT) 또는 사후 산화(PT) 둘 모두는 자유층 조성을 변형시키는 NOX 공정을 갖는 공정 순서에서 사용된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예는 금속층(17m), 바람직하게는 Mg가, NOX 공정(31) 또는 (만약 제조 시퀀스에 포함된다면) 사후 산화(PT)(32) 후에, FL 최상부 표면(14t) 상에 퇴적되는 것으로 도시되어 있다. 금속층은 바람직하게는 3 내지 10옹스트롬의 두께를 가지고, 도 19에 도시된 표에서 도시된 바와 같이 Fe보다 음의 산화물 형성의 자유 에너지를 갖는다. 다시 말해서, 금속층은 자유층(14x1)으로부터 미반응 산소를 제거함으로써 FL 자기 요소의 바람직하지 않은 산화를 방지하여 FL PMA의 열화를 피하도록 유리하게 사용된다. 최종 장치에서 Hk 강화층(17)은 본질적으로 산화되지 않은 금속 원자를 갖지 않는 화학량론적 산화 상태를 가지거나, 상당히 많은 수의 금속 원자가 산화되지 않은 채로 존재하는 비화학량론적 상태를 가질 수 있다. 바텀 스핀 밸브 실시예에서, 금속층은 최종 장치에서 금속 산화물 Hk 강화층(17)으로 변형되어 전술한 계면(41)에서 계면 자기 이방성을 제공한다. 그러나, 도 2에서와 같이 탑 스핀 밸브 실시예를 형성하는 공정(후술함)에서, 생성된 MgO층 또는 선택적 금속 산화물은 터널 장벽층(13)이 된다.
대안적인 실시예에서, 금속층(17m)은 W, Mo, Ta, Zr, Hf, Ti, Sr, Nb, V 또는 이들의 합금일 수 있으며, 예를 들어 Fe의 자유 에너지에 가까운 산화물 형성의 자유 에너지를 갖는다. W 또는 Mo 금속층은 Mg보다 산소와 상당히 적은 반응성을 갖기 때문에, W 또는 Mo 금속층은 p-MTJ 제조 공정 전반에 걸쳐 실질적으로 비산화 상태로 유지될 수 있다. 따라서, 생성된 Hk 강화층(17)은 내부의 금속이 W 또는 Mo 일 때 비화학량론적 산화 상태를 가지기 쉽다. 금속층이 W, Mo 또는 이들의 합금인 실시예에서도, 생성된 계면(41)는 인접한 자유층(14x1)에서 허용 가능한 Hk 강화를 생성한다. 그러나, W 또는 Mo Hk 강화층에 인접하는 자유층의 일부에는 Co가 없어서 W 또는 Mo와의 혼합 및 FL PMA의 열화를 방지하도록 해야 한다.
도 7을 참조하면, MTJ 스택의 나머지는 Hk 강화층(17)이 형성되고 나서 퇴적된다. 특히, 캐핑층으로도 알려진 하드 마스크(16)는 Hk 강화층의 최상부 표면(17t) 상에 최상위층으로서 형성된다. 하드 마스크는 비자성이고, 일반적으로 Ta, Ru, TaN, Ti, TiN 및 W를 비제한적으로 포함하는 하나 이상의 전도성 금속 또는 합금으로 구성된다. 선택적으로, 최하부 전극 상에서 정지하는 측벽을 갖는 MTJ 셀을 형성하는 에칭 공정 동안 그 아래에 위치하는 MTJ층에 비해 높은 에칭 선택성을 제공하기 위해, MnPt를 포함하는 다른 하드 마스크 재료가 선택될 수 있다. 또한, 하드 마스크는 RuOx, ReOx, IrOx, MnOx, MoOx, TiOx 또는 FeOx와 같은 전기 전도성 산화물을 포함할 수 있다.
유전체 최하부 반사 방지 코팅물(Dielectric Bottom Antireflective Coating; DARC) 또는 하부 반사 방지 코팅물(Bottom Antireflective Coating; BARC)(18)이 하드 마스크 상에 퇴적되거나 스핀 코팅된 다음, 포토 레지스트층(19)이 DARC 또는 BARC 상에 코팅되고 베이킹된다. 포토 레지스트층은 종래의 포토 리소그래피 방법으로 패터닝되어, 임계 치수(w) 및 개구부(50)에 의해 둘러싸인 측벽(19)을 각각 갖는 아일랜드 피처의 어레이를 제공한다. 개구부(50)는 DARC/BARC층의 최상부 표면을 노출시킨다. 포토 레지스트 아일랜드 피처가 원형인 일부 실시예에서, w는 x축 방향 및 y축 방향 모두로 형성된다. 다른 실시예에서, 포토 레지스트 아일랜드 피처는 x축 치수가 w와 상이한 타원형 또는 다각형 형상을 가질 수 있다.
도 8에 도시된 다음 단계에서, 개구부(50)가 복수의 층의 p-MTJ 스택의 노출된 부분을 통해 에칭 전사되고 최하부 전극(10)의 최상부 표면(10t) 상에서 정지하여 p-MTJ 셀(1)을 생성함에 따라, 포토 레지스트 아일랜드(19)는 에칭 마스크로서 기능한다. 에칭 공정은 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etch; RIE) 및 이온 빔 에칭(Ion Beam Etch; IBE) 중 하나 또는 둘 모두로 구성될 수 있다. 개구부가 DARC/BARC(18) 및 하드 마스크(16)를 통해 전사되는 중간 단계 동안, 포토 레지스트층은 화학적 에칭에 의해 제거될 수 있다. 일부 실시예에서, 포토 레지스트층은 하드 마스크 에칭 후에 별도의 공정으로 스트리핑된다. DARC/BARC층은 그 아래에 위치하는 층(11-13), FL(14x1) 및 Hk 강화층(17)을 통한 에칭 공정 동안 또는 후술하는 화학적 기계적 연마(Chemical Mechanical Polish; CMP) 공정 동안 제거될 수 있다.
도 9를 참조하면, 하나 이상의 유전체층이 개구부(50)를 채우고 p-MTJ 측벽(1s)과 접촉하도록 퇴적되는 봉지 공정이 수행된다. 본 개시자들은 바람직한 봉지 공정을 관련 미국 특허 출원 일련 번호 제15/463,113호에 상세하게 기술하였다. 일부 실시예에서, 어닐링은, p-MTJ 셀(1)을 형성한 후에 (그리고 봉지 공정 전에) 360℃ 내지 400℃의 온도에서 불활성 기체 상태에서 수행되어, 자유층으로부터 B2O3를 분리하고 도 1에서와 같이 FL(14x2)을 형성한다. 다른 실시예에서, 어닐링은 봉지 공정 동안 수행될 수 있고, 도 8의 FL(14x1)을 도 9의 FL(14x2)로 변형할 수 있다. 또한, p-MTJ 제조 공정 동안 하나 이상의 어닐링이 사용될 수있다. 모든 실시예에서, 어닐링은 자유층을 결정화하도록 적어도 100℃, 바람직하게는 300℃를 초과하는 온도로 구성되어야 한다. 전술한 바와 같이, 하나 이상의 어닐링 단계는, B2O3가 Hk 강화층(17)과의 계면을 형성하고 효과적으로 Hk 강화층의 일부가 되도록, 바람직하게는 자유층으로부터 B2O3를 분리한다. 다음으로, CMP 공정은 평탄화 단계로서 사용되어 봉지층(20)의 최상부 표면(20t)과 동일 평면에 있는 하드 마스크 최상부 표면(16t)을 형성한다.
도 10은 행과 열의 어레이로 형성되고 봉지층(20)에 의해 분리된 복수의 봉지된 p-MTJ 셀(1a-1d)의 평면도를 도시한다. 최하부 전극(bottom electrode; BE)(10)은 p-MTJ 셀(1a, 1b)을 포함하는 p-MTJ 셀의 하나의 행 아래에 형성되고, 제2 최하부 전극(10b)는 BE(10)에 평행하게 정렬되고 p-MTJ 셀(1c, 1d)을 포함하는 p-MTJ 셀의 제2 행 아래에 위치한다. 최상부 전극(21a, 21b)은 봉지층(20) 상에 그리고 유전체층(미도시) 내에 형성되고, 각각 p-MTJ 셀(1a, 1c) 및 p-MTJ 셀(1b, 1d)의 최상부 표면과 접촉한다. 최상부 전극은 x축을 따라 길이 방향을 가지며, BE(10) 및 BE(10b)에 직교하도록 정렬된다. 전술한 바와 같이, p-MTJ 셀이 원형일 때, y축 방향의 임계 치수(w)는 x축 방향의 임계 치수(c)와 동일하다. 대체적으로, c는 w와 상이하다. 최하부 전극 및 최상부 전극의 폭 방향 치수(b, w1)는 각각 일반적으로 c 및 w보다 크다. 도 9의 단면도는 p-MTJ 셀(1)이 도 10의 p-MTJ 셀(1a 또는 1b)일 수 있는 평면 30-30에서 취해진다는 점에 유의한다.
탑 스핀 밸브 구성을 갖는 p-MTJ 셀이 제조되는 본 개시의 다른 실시예에 따르면, 초기 공정 흐름은 최하부 전극(10) 상에 선택적인 시드층(11), 금속층(17m) 및 자유층(14)을 순차적으로 퇴적하는 단계를 포함한다. 다음으로, 도 11에 도시된 바와 같이, 전술한 사전 산화(pre-oxidation; PT)(30)가 수행되어, 산화를 위한 자유층 최상부 표면(14t)을 준비할 수 있다.
다음으로, 도 12에서, 전술한 NOX 공정(31)이 수행되고, 자유층 내의 붕소를 적어도 부분적으로 산화시켜 이제 B2O3를 함유하는 자유층(14x)을 형성하도록 한다. 도 13을 참조하면, 선택적 사후 산화(post-oxidation;PT)(32)가 사용되어, 최상부 표면(14t)에 위치하는 또는 그에 근접한 B2O3를 제거할 수 있다.
도 14에 도시된 다음 단계에서, Mg와 같은 금속층(13m)이 자유층 최상부 표면(14t) 상에 퇴적된다. 금속층은 자유층(14x1) 내에서 느슨하게 결합된 산소와 반응하여 금속층을 부분적으로 산화시킬 수 있다. 다음으로, 도 15에서, 금속층을 추가로 산화하고 터널 장벽층(13)으로 변형시키도록, NOX 공정(34)이 수행될 수 있다. 대안적인 실시예(미도시)에서, 금속(Mg)층의 퇴적 단계에 이은 NOX 공정(34) 단계라는 시퀀스가 한 번 이상 반복될 수 있다. 또한, 최종 NOX 공정 후에 최상위 금속층이 터널 장벽층 상에 퇴적될 수 있다. 최상위 금속층은 이후에 터널 장벽 내에서 느슨하게 결합된 산소 및 인접층으로부터 확산되는 산소와 반응하여 적어도 부분적으로 산화되어 터널 장벽층의 최상위 부분이 된다는 점에 유의한다.
탑 스핀 밸브 구성으로 p-MTJ 스택을 형성하는 최종 단계는 터널 장벽층 최상부 표면(13t) 상에 기준층(12)을 퇴적하는 단계, 그리고 다음으로 기준층 상에 하드 마스크(16)를 퇴적하는 단계를 포함한다. 전술한 포토 레지스트층을 패터닝하는 시퀀스(도 7), 복수 층의 p-MTJ 스택(도 8)을 통한 패턴의 에칭 전달 단계, 및 봉지 단계(도 9)가 이어져 도 2의 p-MTJ 셀(2)을 형성한다. 어닐링은 봉지 전 또는 봉지 동안 수행될 수 있다. 또한, p-MTJ 셀 제조 동안 하나 이상의 어닐링이 사용될 수 있다. 금속층(17m)은 하나 이상의 어닐링의 결과로서 Hk 강화층(17)으로 변형된다는 점에 유의한다. 전술한 바와 같이, Hk 강화층은 화학량론적 산화 상태 또는 비화학량론적 산화 상태를 가질 수 있다.
붕소 함유 자유층을 산화하여 그 내부의 자기 모멘트를 강화시키는 가설을 테스트하기 위해, 기판 상에 두 개의, 복수 층의 스택을 준비하였다. 각각의 스택은 TiN50/Mo5/Co20Fe60B20X/Mo10/TiN50/Ru100 구성을 가지며, 여기서 각층의 옹스트롬 두께는 조성에 따른 수이고, CoFeB층의 두께(X)는 10옹스트롬에서 30옹스트롬으로 변하였다. 제1 웨이퍼에서, Co20Fe60B20층은 Mo/TiN/Ru 층의 스택을 퇴적하기 전에 산화되지 않았다. 제2 웨이퍼상의 Co20Fe60B20층은 Mo/TiN/Ru 층의 스택을 퇴적하기 전에 60초 동안 1 sccm의 산소로 구성되는 NOX 공정으로 처리하였다. 다음으로, 어닐링이 다양한 조건에서 수행되었다. CoFeB 두께의 함수로서 자화 포화(Ms)가 측정되었고, 그 결과를 산화된 CoFeB층을 갖는 웨이퍼의 경우 도 16a에, 산화되지 않은 CoFeB층을 갖는 웨이퍼의 경우 도 16b에 나타내었다. 모든 어닐링 조건 후에, 산화되지 않은 CoFeB층과 비교하여, 산화된 CoFeB층이, 소정의 두께에 대해 더 높은 모멘트(Ms)를 나타냄을 관찰하였다. 퇴적된 상태에서, 산화되지 않은 CoFeB층은 약간 더 높은 Ms 값을 가진다. 10분 동안 300℃, 생산자 단계(producer stage)에서 30분 동안 400℃, 오븐에서 220분 동안 400℃, 오븐에서 30분 동안 450℃의 4 가지 상이한 어닐링 조건이 모두 불활성 기체 상태에서 수행되었다. 데이터는 어닐링이 산화된 CoFeB층에서 Ms를 강화시킨다는 것을 보여준다. 한편, 어닐링은 산화되지 않은 CoFeB층에서 퇴적된 상태와 비교하여 Ms를 낮추는 경향이있다. 도 16a의 자기 모멘트의 증가는 CoFeB층에서 붕소의 산화 및 인접한 Mo층과의 하나 또는 둘 모두의 계면으로의 B2O3의 분리를 개선한 것에 기인한다.
가설을 추가로 검증하기 위해, 산화된 CoFeB층 및 산화되지 않은 CoFeB층을 각각 산화된 Fe층 및 산화되지 않은 Fe층으로 대체한 것을 제외하고는 이전 실험과 유사한 두 개의, 복수 층의 스택을 준비하였다. 자성 Fe층은 붕소를 함유하지 않기 때문에, 본 개시자들은 산화된 샘플에서 어닐링 동안 자기 모멘트의 개선을 기대하지 않을 것이다. 결과는 산화된 Fe층 및 산화되지 않은 Fe층 각각에 대해 도 17a 및 17b에 도시되었다. 이전 실험에서와 같이, 퇴적된 형태(어닐링 전)의 산화된 자기(Fe)층은 산화되지 않은 Fe층보다 낮은 Ms 값을 갖는다. 그러나, 산화된 CoFeB층과 달리, 산화된 Fe층의 자기 모멘트는 모든 어닐링 조건 동안 상당히 감소한다. 따라서, Fe층이 NOX 공정 처리된 웨이퍼는 Fe의 산화로 인해 예상되는 바와 같이 더 낮은 Ms 값을 갖는다. 결론적으로, 자유층이 붕소를 함유할 때에만, 그리고 본 개시의 일 실시예에 따라 적어도 하나의 어닐링 단계가 수행된 후에만, 자유층의 산화는 그 내부에서 자기 모멘트(PMA)를 유리하게 강화시킨다.
붕소 함유 자유층에 NOX 공정이 적용되는 p-MTJ의 이점을 입증하기 위해, 레코드 공정(Process of Record; POR)에 따라 제조된 p-MTJ 스택을 본 개시의 일 실시예에 따라 형성된 p-MTJ 스택과 비교하는 실험이 수행되었다. 모든 p-MTJ 스택에 사용되는 기본 필름 구조는 시드층/고정층/MgO/Co20Fe60B2015/Mg/Mo/TiN/Ru이며, 여기서 CoFeB 프리층은 15 옹스트롬의 두께를 갖는다. 여기서, MgO는 터널 장벽이고, Mo층은 FL를 위한 Hk 강화층이고, TiN/Ru는 하드 마스크이다. POR(비교 예)의 경우, 퇴적 후에 자유층에 추가 처리가 수행되지 않았다. 본 개시의 일 실시예에 따른 p-MTJ 제조 시퀀스는 자유층과 관련된 두 개의 추가 공정을 포함하였다. 먼저, 10 와트 RF 전력 및 200 sccm의 Ar로 구성된 사전 산화(pre-oxidation; PT)가 30초 동안 수행되고, 다음으로, Mg층이 퇴적되기 전에 자유층을 5 sccm 유량의 산소로 NOX 공정에 60초 동안 노출시켰다.
모든 p-MTJ층이 퇴적된 후, 각 스택은 오븐에서 400℃에서 200분 동안 어닐링되었다. 도 18은 어닐링 단계가 완료된 후 전체 필름 레벨에서 Kerr 자기 측정에 의해 측정된 히스테리시스 루프를 도시한다. 본 개시의 공정 시퀀스를 사용하여 제조된 p-MTJ 스택에 대한 이방성 장(실선 71)은 명백히 비교 예(점선 70)보다 상당히 더 높은 PMA를 갖는다. 본 개시의 실시예에 따라 형성된 p-MTJ 스택에 대한 강자성 공명에 의해 결정된 실제 이방성 장은 5800 Oe이다. 저항 x 면적(Resistance x Area; RA) 곱 및 MR 비율은 CIPT에 의해 측정되었고, 각각 5.5 ohm-㎛2 및 116.2 %인 것으로 밝혀졌다. 따라서, 결과는 붕소 함유 자유층의 직접 산화가 어닐링 단계 후 POR 예에서 보다 더 높은 PMA로 변환되는 개선된 이방성 장을 갖는 자유층을 생성함을 확인시켜 준다.
본 명세서에 기술된 모든 실시예는 표준 툴 및 공정와 함께 제조 계획에 통합될 수 있다. 본 명세서에 개시된 바람직한 실시예에 따라 형성된 p-MTJ 셀은 허용 가능한 RA, MR 비율 > 100 %, 및 POR p-MTJ 셀와 비교하여 400℃ 공정 온도에서 개선된 열적 안정성을 제공하기에 충분한 이방성 장를 갖는다. 전반적인 p-MTJ 성능이 종래 기술에 비해 개선되어, 64Mb 및 256Mb STT-MRAM 기술, 및 RA 곱, MR 비율 및 열적 안정성이 모두 중요한 매개 변수인 관련 스핀트로닉 장치와 같은 진보된 제품 노드의 공정 수율을 높일 수 있을 것이다.
본 개시가 바람직한 실시예를 참조하여 특히 도시되고 설명되었지만, 당업자는 본 개시의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 형태 및 세부 사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.
<부 기>
1. 수직 자화 자기 터널 접합(Perpendicularly Magnetized Magnetic Tunnel Junction; p-MTJ) 셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 최상위(uppermost) 터널 장벽층을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택(p-MTJ stack of layers)을 제공하는 단계;
(b) 상기 터널 장벽층 상에 자유층을 퇴적하는 단계 - 상기 자유층은 붕소를 함유하는 단일층, 또는 적어도 하나의 층이 붕소를 함유하는 다층(multilayer)임 -;
(c) 상기 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제1 플라즈마 처리를 수행하는 단계;
(d) B2O3를 형성하도록 상기 자유층의 적어도 상부 내의 붕소를 산화시키는 산소의 흐름으로 자연 산화(Natural Oxidation; NOX) 공정을 수행하는 단계;
(e) 상기 산화된 자유층 상에 금속층을 퇴적시키는 단계; 및
(f) 상기 자유층으로부터 상기 B2O3를 분리시키도록 적어도 하나의 어닐링 단계를 수행하는 단계를 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 바텀 스핀 밸브 구성을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택을 형성하도록 상기 금속층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계를 더 포함하며, 기준층이 상기 터널 장벽층의 하부 표면과 접촉하고, 상기 하드 마스크는 상기 어닐링 단계가 수행되기 전에 퇴적되는 것인, 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 복수의 p-MTJ 셀을 형성하도록 상기 자유층, 상기 금속층 및 상기 하드 마스크를 포함하는 상기 복수 층의 p-MTJ 스택을 패터닝하는 단계; 및 인접한 p-MTJ 셀을 전기적으로 격리하도록 유전체층을 퇴적하는 단계를 포함하는 밀봉(encapsulation) 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 상기 밀봉 공정 이전에 또는그 밀봉 공정 동안에 수행되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 p-MTJ 셀은, 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM) 장치, 스핀 토크(Spin Torque; STT)-MRAM, 자기 센서 내에, 또는 바이오 센서 내에 형성되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 적어도 100℃ 온도를 포함하는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 금속층은 Mg, W, Mo, Ta, Zr, Hf, Ti, Sr, Nb 또는 V 중 하나이고, 상기 자유층 내에서 수직 자기 이방성을 증가시키는 Hk 강화층을 형성하는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 금속층이 퇴적되기 전에 상기 산화된 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제2 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 처리는 50 와트 미만의 RF 전력을 포함하고, 상기 불활성 기체는 Ar, Kr, Xe 또는 Ne 중 하나인 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
10. 제1항에 있어서, 상기 NOX 공정 동안의 상기 산소의 흐름이 1초 내지 600초의 기간 동안 분당 0.1 내지 1 표준 입방 센티미터인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 자유층은 약 10옹스트롬 내지 30옹스트롬의 두께를 갖는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
12. 수직 자화 자기 터널 접합(Perpendicularly Magnetized Magnetic Tunnel Junction; p-MTJ) 셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 최상위 Hk 강화층을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택을 제공하는 단계로서, 상기 최상위 Hk 강화층은 그 위에 위치하는 자성층 내에서 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy; PMA)을 증가시키는 것인, 상기 p-MTJ 스택을 제공하는 단계;
(b) 상기 Hk 강화층 상에 자유층을 퇴적하는 단계 - 상기 자유층은 붕소를 함유하는 단일층, 또는 적어도 하나의 층이 붕소를 함유하는 다층임 -;
(c) 상기 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제1 플라즈마 처리를 수행하는 단계;
(d) B2O3를 형성하도록 상기 자유층의 적어도 상부 내의 붕소를 산화시키는 산소의 흐름으로 자연 산화(Natural Oxidation; NOX) 공정을 수행하는 단계;
(e) 상기 산화된 자유층 상에 금속층을 퇴적시키는 단계; 및
(f) 상기 자유층으로부터 B2O3를 분리시키도록 적어도 하나의 어닐링 단계를 수행하는 단계를 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
13. 제12항에 있어서, 탑 스핀 밸브 구성을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택을 생산하기 위하여, 상기 적어도 하나의 어닐링 단계를 수행하기 전에, 상기 금속층을 산화시켜 터널 장벽층을 형성하는 단계, 상기 터널 장벽층 상에 기준층을 형성하는 단계, 및 상기 기준층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 복수 층의 p-MTJ 스택을 패터닝하여 복수의 p-MTJ 셀을 형성하는 단계; 및 인접한 p-MTJ 셀을 전기적으로 격리하도록 유전체층을 퇴적하는 단계를 포함하는 밀봉 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 밀봉 공정 이전에 또는 그 동안에 수행되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
16. 제12항에 있어서, 상기 p-MTJ 셀은 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM) 장치, 스핀 토크(Spin Torque; STT)-MRAM, 자기 센서, 또는 바이오 센서 내에 형성되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
17. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 적어도 100℃의 온도를 포함하는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
18. 제12항에 있어서, 상기 HK 강화층은 Mg, W, Mo, 또는 W와 Mo의 합금으로 구성되는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
19. 제12항에 있어서, 상기 NOX 공정 후에 그리고 상기 금속층이 퇴적되기 전에 상기 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제2 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
20. 제12항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 처리는 약 50 와트 미만의 RF 전력을 포함하며, 상기 불활성 기체는 Ar, Kr, Xe 또는 Ne 중 하나인 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
21. 제12항에 있어서, 상기 NOX 공정 동안 상기 산소의 흐름이 1초 내지 600초의 기간 동안 분당 0.1 내지 1 표준 입방 센티미터인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
22. 제12항에 있어서, 상기 자유층은 약 10옹스트롬 내지 30옹스트롬의 두께를 갖는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
Claims (22)
- 수직 자화 자기 터널 접합(Perpendicularly Magnetized Magnetic Tunnel Junction; p-MTJ) 셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 최상위(uppermost) 터널 장벽층을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택(p-MTJ stack of layers)을 제공하는 단계;
(b) 상기 터널 장벽층 상에 자유층을 퇴적하는 단계 - 상기 자유층은 붕소를 함유하는 단일층, 또는 적어도 하나의 층이 붕소를 함유하는 다층(multilayer)임 -;
(c) 상기 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제1 플라즈마 처리를 수행하는 단계;
(d) B2O3를 형성하도록 상기 자유층의 적어도 상부 내의 붕소를 산화시키는 산소의 흐름으로 자연 산화(Natural Oxidation; NOX) 공정을 수행하는 단계;
(e) 상기 산화된 자유층 상에 금속층을 퇴적시키는 단계; 및
(f) 상기 자유층으로부터 상기 B2O3를 분리시키도록 적어도 하나의 어닐링 단계를 수행하는 단계를 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법. - 제1항에 있어서, 바텀 스핀 밸브 구성을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택을 형성하도록 상기 금속층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계를 더 포함하며, 기준층이 상기 터널 장벽층의 하부 표면과 접촉하고, 상기 하드 마스크는 상기 어닐링 단계가 수행되기 전에 퇴적되는 것인, 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제2항에 있어서, 복수의 p-MTJ 셀을 형성하도록 상기 자유층, 상기 금속층 및 상기 하드 마스크를 포함하는 상기 복수 층의 p-MTJ 스택을 패터닝하는 단계; 및 인접한 p-MTJ 셀을 전기적으로 격리하도록 유전체층을 퇴적하는 단계를 포함하는 밀봉(encapsulation) 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 상기 밀봉 공정 이전에 또는그 밀봉 공정 동안에 수행되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 p-MTJ 셀은, 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM) 장치, 스핀 토크(Spin Torque; STT)-MRAM, 자기 센서 내에, 또는 바이오 센서 내에 형성되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 적어도 100℃ 온도를 포함하는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속층은 Mg, W, Mo, Ta, Zr, Hf, Ti, Sr, Nb 또는 V 중 하나이고, 상기 자유층 내에서 수직 자기 이방성을 증가시키는 Hk 강화층을 형성하는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 금속층이 퇴적되기 전에 상기 산화된 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제2 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 처리는 50 와트 미만의 RF 전력을 포함하고, 상기 불활성 기체는 Ar, Kr, Xe 또는 Ne 중 하나인 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 NOX 공정 동안의 상기 산소의 흐름이 1초 내지 600초의 기간 동안 분당 0.1 내지 1 표준 입방 센티미터인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 자유층은 약 10옹스트롬 내지 30옹스트롬의 두께를 갖는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 수직 자화 자기 터널 접합(Perpendicularly Magnetized Magnetic Tunnel Junction; p-MTJ) 셀을 제조하는 방법으로서,
(a) 최상위 Hk 강화층을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택을 제공하는 단계로서, 상기 최상위 Hk 강화층은 그 위에 위치하는 자성층 내에서 수직 자기 이방성(Perpendicular Magnetic Anisotropy; PMA)을 증가시키는 것인, 상기 p-MTJ 스택을 제공하는 단계;
(b) 상기 Hk 강화층 상에 자유층을 퇴적하는 단계 - 상기 자유층은 붕소를 함유하는 단일층, 또는 적어도 하나의 층이 붕소를 함유하는 다층임 -;
(c) 상기 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제1 플라즈마 처리를 수행하는 단계;
(d) B2O3를 형성하도록 상기 자유층의 적어도 상부 내의 붕소를 산화시키는 산소의 흐름으로 자연 산화(Natural Oxidation; NOX) 공정을 수행하는 단계;
(e) 상기 산화된 자유층 상에 금속층을 퇴적시키는 단계; 및
(f) 상기 자유층으로부터 B2O3를 분리시키도록 적어도 하나의 어닐링 단계를 수행하는 단계를 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법. - 제12항에 있어서, 탑 스핀 밸브 구성을 갖는 복수 층의 p-MTJ 스택을 생산하기 위하여, 상기 적어도 하나의 어닐링 단계를 수행하기 전에, 상기 금속층을 산화시켜 터널 장벽층을 형성하는 단계, 상기 터널 장벽층 상에 기준층을 형성하는 단계, 및 상기 기준층 상에 하드 마스크를 형성하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제13항에 있어서, 상기 복수 층의 p-MTJ 스택을 패터닝하여 복수의 p-MTJ 셀을 형성하는 단계; 및 인접한 p-MTJ 셀을 전기적으로 격리하도록 유전체층을 퇴적하는 단계를 포함하는 밀봉 공정을 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제14항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 밀봉 공정 이전에 또는 그 동안에 수행되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 p-MTJ 셀은 자기 랜덤 액세스 메모리(Magnetic Random Access Memory; MRAM) 장치, 스핀 토크(Spin Torque; STT)-MRAM, 자기 센서, 또는 바이오 센서 내에 형성되는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 어닐링은 적어도 100℃의 온도를 포함하는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법..
- 제12항에 있어서, 상기 HK 강화층은 Mg, W, Mo, 또는 W와 Mo의 합금으로 구성되는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 NOX 공정 후에 그리고 상기 금속층이 퇴적되기 전에 상기 자유층에 불활성 기체를 포함하는 제2 플라즈마 처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 제1 플라즈마 처리는 약 50 와트 미만의 RF 전력을 포함하며, 상기 불활성 기체는 Ar, Kr, Xe 또는 Ne 중 하나인 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 NOX 공정 동안 상기 산소의 흐름이 1초 내지 600초의 기간 동안 분당 0.1 내지 1 표준 입방 센티미터인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 자유층은 약 10옹스트롬 내지 30옹스트롬의 두께를 갖는 것인 수직 자화 자기 터널 접합(p-MTJ) 셀을 제조하는 방법.
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