KR20200054081A - Stt-mram(스핀 토크 트랜스퍼-마그네틱 랜덤 액세스 메모리) 디바이스의 pma(수직 자기 이방성) 강화를 위한 냉각 - Google Patents

Stt-mram(스핀 토크 트랜스퍼-마그네틱 랜덤 액세스 메모리) 디바이스의 pma(수직 자기 이방성) 강화를 위한 냉각 Download PDF

Info

Publication number
KR20200054081A
KR20200054081A KR1020190140147A KR20190140147A KR20200054081A KR 20200054081 A KR20200054081 A KR 20200054081A KR 1020190140147 A KR1020190140147 A KR 1020190140147A KR 20190140147 A KR20190140147 A KR 20190140147A KR 20200054081 A KR20200054081 A KR 20200054081A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
layer
manufacturing
cooling
product
mram cell
Prior art date
Application number
KR1020190140147A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102386037B1 (ko
Inventor
후안롱 리우
구에놀레 잔
루-잉 통
지안 즈
유안-젠 이
조디 마리 이와타
사힐 파텔
비그네쉬 선다르
Original Assignee
타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드 filed Critical 타이완 세미콘덕터 매뉴팩쳐링 컴퍼니 리미티드
Publication of KR20200054081A publication Critical patent/KR20200054081A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102386037B1 publication Critical patent/KR102386037B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H01L43/12—
    • H01L43/02—
    • H01L43/08—
    • H01L43/10—
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

STT MTJ MRAM 디바이스의 제조 공정은 제조 중의 개개 단계에서 또는 다수의 단계에서 디바이스를 냉각시키는 단계를 포함한다. 다른 다층 디바이스의 제조 중에도 마찬가지로 적용될 수 있는 냉각 공정은, 그렇게 제조되지 않은 유사한 디바이스들이 통상 저장된 데이터를 소실하게 되거나 다른 식으로 제대로 동작하지 못하게 하는 동작 중의 유해한 열작용에 더욱 내성을 갖는 작동 디바이스를 생산하는 것으로 입증되고 있다.

Description

STT-MRAM(스핀 토크 트랜스퍼-마그네틱 랜덤 액세스 메모리) 디바이스의 PMA(수직 자기 이방성) 강화를 위한 냉각{COOLING FOR PMA (PERPENDICULAR MAGNETIC ANISOTROPY) ENHANCEMENT OF STT-MRAM (SPIN TORQUE TRANSFER-MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY) DEVICES}
본 발명은 일반적으로 STT-MRAM(spin-torque transfer random access memory) 디바이스 및 디바이스 성능을 개선하는 방법으로서 제조 공정에 대한 열 냉각의 적용에 관한 것이다.
MRAM 성능의 중요한 양상은 열 안정성, 즉 디바이스가 리프레시(refresh) 또는 다른 외부 도움없이 온도 변화에 대해 저장된 정보를 안정적으로 유지할 수 있는 능력이다. 이는, 열 안정성이 이론적으로 자기 터널 접합(MTJ) 크기에 비례하고 실제로 MTJ 크기와 양으로(positively) 상관되기 때문에, 진보된 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 기술 노드들의 경우 유닛 셀 크기가 축소되므로 특히 중요하다. 또한, 일부 표준 반도체 조립 공정들은 CMOS 칩을, 매립된 메모리들의 후보로서 MRAM이 준수할 필요가 있는 고온(예를 들어, 260℃)에 노출시킨다. 이러한 온도에서, 열 안정성이 단지 MTJ의 자유 층(free layer)의 요건이라는 기존의 생각은 더 이상 적용되지 않는다. 먼저, 열 MTJ 안정성의 온도 의존성은 자유 층 및 고정 층(pinned layer)이 상이한 재료들로 구성될 수 있기 때문에, 이들에 대해 상이할 수 있다. 제조 처리 온도가 통상적인 데이터 유지 문제들에 대한 정상 온도 범위 보다 훨씬 높으므로, 고정 층은 부가적인 연구 없이도, 단지 칩 작동 온도 범위(일반적으로 125℃ 또는 150℃ 미만) 내에 있기 때문에, 자유 층보다 열 안정성이 더 양호하다고 말할 순 없다. 보다 중요하게는, 자유 층은 일반적으로, SAF(Anti-Ferromagnetic) 고정 층으로부터의 밸런싱 이중극장(balanced dipole field)에 또는 그 근처에 있는 반면, 고정 층은 그렇지 않다. 온도가 증가하고 보자력 필드가 감소함에 따라, 밸런싱 및 언밸런싱 이중극장의 차이는 열 안정성에 큰 영향을 줄 수 있다. 결과적으로, 표준 반도체 제품 절차들을 따르는 임베디드 MRAM 애플리케이션들의 경우 자유 층 및 고정 층 둘 모두에 대한 열 안정성들을 고려할 필요가 있다.
작동하는 MRAM들에 대한 필름 스택들이 점점 더 복잡해지고 각각의 기능 층은 더 나은 성능을 위해 상이한 재료들의 다수의 층들로 형성되는 경향이 있기 때문에, 단일 스택 층(즉, 타겟들, 챔버 압력, 가스들 및 유량들을 포함하는 한 세트의 퇴적 툴 파라미터들을 사용하여 퇴적된 층)은 종종 초박형이며, 200mm 내지 300mm 웨이퍼에 걸쳐서 퇴적된 소정의 재료들의 소수의 일원자(mono-atomic) 층들(수 옹스트롬)로만 구성된다. 이 수준에서, MTJ 스택에 퇴적된 필름들은 벌크 재료들과 상당히 상이한 성질들을 가지며, 퇴적 조건은 필름의 형태를 크게 변화시키고, 이에 따라 열 안정성을 포함한 총 MTJ 성능에 영향을 줄 수 있다.
종래의 자기 터널링 접합(MTJ) 디바이스는, 평행한(수직으로 분리된) 상위 및 하위 자화 층들의 자기 모멘트들의 상대적 배향이 이러한 층들 사이에 형성된 매우 얇은 유전체 층(터널링 배리어 층)을 통해 터널링하는 스핀 분극 전자들의 흐름을 제어하는 초고 자기저항 디바이스의 형태이다. 주입된 전자들이 상위 층을 통과할 때, 이들의 스핀은 그 층의 자기 모멘트와의 상호작용에 의해 분극된다. 전자들 대다수는 상위 층의 자기 모멘트의 방향으로 분극되어 나타나고, 소수는 그 방향과 반대로 분극된다. 이 분극된 전자가 그런 다음 개재 터널링 배리어 층을 통해 하위 층으로 터널링하는 확률은 터널링 전자가 점유할 수 있는 하위 층 내의 상태들의 이용 가능성에 의존한다. 이 수는 결국, 하부 전극의 자화 방향에 의존한다. 그리하여, 터널링 확률은 스핀 의존적이고 전류의 크기(터널링 확률 x 배리어 층에 충돌하는 전자들의 수)는 배리어 층 위 및 아래의 자성 층들의 자화의 상대적 배향에 의존한다. 따라서, MTJ 디바이스는, 자기 모멘트들의 상이한 상대적 배향들(예를 들어, 평행 및 반평행)이 디바이스를 통과하는 전류의 크기를 변화시키기 때문에, 일종의 다중-상태 저항기로서 고려될 수 있다. 일반적인 유형의 디바이스 구성(스핀 필터)에서, 자성 층들 중 하나는 반강자성 층에 대한 교환 커플링(exchange coupling)에 의해 그것의 자기 모멘트가 일 방향으로 고착(고정)되게 하는 반면, 다른 자성 층은 그것의 자기 모멘트가 자유롭게 움직이게 한다(자유 층). 그 후, 자유 층의 자기 모멘트는 고정 층의 자기 모멘트와 평행하게 되는 것(그리하여, 터널링 전류가 큼)으로부터 고정 층에 반평행하게 되는 것(그리하여 터널링 전류는 작음)으로 그것의 방향을 스위칭하도록 이루어진다. 따라서, 이 디바이스는 사실상 2-상태 저항기이다. 자유 층 모멘트 방향의 스위칭(기록(writing))은 셀에 인접한 전도 라인들을 통과하는 전류들의 결과인 외부 자기장에 의해 달성된다.
필름 성질에 크게 영향을 미치는 퇴적 파라미터들 중 하나는 웨이퍼의 온도이며, 이는 웨이퍼 상에서 성장된 필름들은 일반적으로 그 웨이퍼에 다양한 원자 종들의 스퍼터링의 산물이라는 사실의 결과이다. 스퍼터링된 종들이 차가운 표면에 도달할 때, 그들은 이동하고 그리고(또는) 덜 침투하는 경향이 있고, 뜨거운 표면에 도달하는 경우에는 그 반대도 가능하다. 따라서, 스퍼터링 공정의 결과는 퇴적되는 재료 및 이전에 퇴적된 재료의 친화성에 의존한다. 이 사실을 이용하여, 새롭게 퇴적된 필름에 대해 일정 원하는 형태(커버리지, 입자 크기 등)를 획득하기 위해 웨이퍼 온도가 "튜닝"되거나 조정될 수 있다. 이러한 이해는 작동 디바이스의 열 안정성을 어렵게 하는 바로 그 팩터들이 또한 그 디바이스의 제조에 영향을 미치는 팩터들에서 중요한 역할을 한다는 명제로 본 발명자들을 이끌었다. 이러한 이해는 본 발명자들 및 당업계의 일부 사람들이, 디바이스 제조 동안 존재하는 열 조건들이 최종 제조 디바이스의 열 안정성에 영향을 줄 수 있음을 제안하게 하였다. 최종 디바이스에서 열등한 동작 특성들을 완화시키기 위해 제조 동안 열 조건을 조절하기 위한 종래 기술의 시도들의 예들은 다음을 포함한다.
미국 특허 제9,761,795호(Park 등)는 고정 층이 형성된 후 그리고 MgO 층이 형성되기 전에 냉각 챔버에서 기판을 50-300 K까지 냉각시키는 것을 개시한다. 냉각은 냉매를 챔버로 도입함으로써 이루어진다.
미국 특허 출원 제2013/0216702호(Kaiser 등)는 자유 층의 일부가 형성되기 전 또는 후에 냉각 챔버에서 기판을 50-293 K까지 냉각시키는 것을 교시한다.
미국 특허 출원 제2016/0130693호(Sawada 등)는 터널 배리어 층을 퇴적하기 전에 냉각 챔버에서 기판을 실온으로 냉각시키는 것을 교시한다.
미국 출원 제2016/0099288호(Watanabe 등)는 냉각 공정이 기록 층(recording layer)의 형성 이전에 수행되는 것이 바람직하다는 것을 기술한다.
본 발명자들은 이러한 접근법들 중 어느 것도 본원에서 개시되는 방법의 결과들을 생성하지 않는다는 것을 발견했다.
본 개시내용의 제 1 목적은 열 변화 속에서 개선된 안정성, 즉 리프레시 사이클 또는 다른 외부 지원 없이 데이터의 저장을 유지하는 능력을 갖는 MRAM 디바이스를 제공하는 것이다.
본 개시내용의 제 2 목적은 제조 공정의 소정의 부분들 동안 제조되는 디바이스의 온도들을 낮추는 제조 방법을 통해 이러한 MRAM 디바이스를 제공하는 것이다.
본 개시내용의 제 3 목적은 웨이퍼들 상에 퇴적되는 박막들의 성질들에 가장 유리한 영향을 미치는 처리 방법들의 적용에 의해 열 안정성 문제를 해결하는 것이다.
위에서 언급한 바와 같이, 필름 성질에 크게 영향을 미치는 퇴적 파라미터들은 웨이퍼의 온도이다. 스퍼터링된 종들이 차가운 표면에 도달할 때, 그것은 이동하고 그리고(또는) 표면에 덜 침투하는 경향이 있고, 뜨거운 표면에 도달하는 경우에는 그 반대도 가능하다. 따라서, 스퍼터링 공정의 결과는 퇴적되는 재료 및 이전에 퇴적된 재료의 친화성에 의존한다. 이 사실을 이용하여, 새롭게 퇴적된 필름에 대해 일정 원하는 형태(커버리지, 입자 크기 등)를 획득하기 위해 웨이퍼 온도가 "튜닝"되거나 조정될 수 있다.
본 발명자들은, 냉각된 온도에서 현재 사용되는 스택들 중 하나에 고정 층의 일부를 퇴적함으로써, 고정 층의 열 안정성 및 이에 따라, 칩 전체의 열 안정성이 현저히 측정 가능하게 증가한다는 것을 발견하였다.
이러한 냉각은 퇴적 툴 내의 특수 냉각 챔버 내부에서 달성된다. 고정 층의 초기 부분 퇴적 후에, 웨이퍼는 초진공 상태에서 냉각 챔버로 이송된다. 그 후, 그것은 소정의 시구간 동안 챔버 내부에서 차가운 스테이지(60K)에 고정된다. 실제 웨이퍼 온도는 이 공정 초반에 감소하고 약 200초 후에 스테이지의 온도에 근접한 안정된 온도에 도달한다. 그 후, 웨이퍼는, 여전히 초진공 상태에 있으면서, 남은 고정 층 퇴적 동안 퇴적 챔버로 신속하게 이송된다. 웨이퍼의 온도는 남은 고정 층 퇴적 동안 여전히 냉각된 상태를 유지하면서 서서히 상승할 것이다.
도 1은 본원에서 설명된 냉각 공정을 사용하여 제조된 MTJ MRAM 스택의 개략도이다.
도 2는 도 1의 MTJ MRAM 스택의 제조의 제 1 단계를 도시하는 개략도이다.
도 3은 도 1의 MTJ MRAM 스택의 제조의 제 2 단계를 도시하는 개략도이다.
도 4a 내지 도 4c은 도 1의 MTJ MRAM 스택의 제조의 제 3 단계 동안 냉각된 제조물 상에 층을 형성하는 데 요구되는 3개의 연속적인 공정들을 도시하는 개략도이다.
도 5는 도 1의 MTJ MRAM 스택의 제조의 제 4 단계를 도시하는 개략도이다.
도 6은 도 1의 MTJ MRAM 스택의 제조의 제 5 단계를 도시하는 개략도이다.
도 7은 도 1의 MTJ MRAM 스택의 제조의 제 6 단계를 도시하는 개략도이다.
도 8은 도 1의 MTJ MRAM 스택의 제조의 최종 단계를 도시하는 개략도이다.
본 개시내용의 바람직한 실시예는 공정의 여러 단계들 중 임의의 개개의 하나의 단계 동안 또는 단계들 중 여러 단계들 동안 온도를 저하(즉, 냉각)시켜 제조된 예시적인 STT MTJ MRAM 셀의 제조이다. 공정은 이 셀과 같은 예시적인 디바이스의 제조로 결코 제한되는 것이 아니라, 이 특정 디바이스는 업계에서 중요한 것 중 하나이며, 일반적으로 적용되는 다수의 제조 기술들을 포함하여서 냉각 공정이 널리 테스트될 수 있다는 것이 주목한다. 예시적인 MRAM 디바이스는 완성 시에 도 1에 개략적으로 도시된 퇴적된 층들의 시퀀스를 포함하는 MTJ 층형 구조(패터닝되지 않은 스택)이다. 도 2 내지 도 8에서, 궁극적으로 도 1의 스택을 생성하는 개별 퇴적 및 냉각 공정들의 본질이 설명 및 예시될 것이다. 아래의 도 2 내지 도 8을 사용하여 설명될 제조 공정은 제조에 있어서 하나의 특정 지점에서 냉각 단계의 적용으로 제한되며, 이는 SAF(Synthetic Antiferromagnetic) 고정 층에서 AP1 층을 형성하는 동안의 단계이다. 이 단계에서, AP1 층은 연속적으로 퇴적된 2개의 층들(44 및 42)로서 형성되고, 층(44)이 냉각된 층(42) 상에 퇴적될 수 있도록 냉각 단계가 층(42)에 대해 수행된다. 냉각 단계는 제조에 있어서 다수의 다른 스테이지들에서 수행될 수 있으며, 이들을 설명하는 도면들은 단계가 수행되는 장소만 상이할 것이란 점이 이해될 것이다.
그런 후에, 도 1을 참조하면, 제조된 층들의 다음의 시퀀스가 개략적으로 도시되며, 이들의 개별 성질들이 아래에서 논의될 것이다. 후속 층들이 제조되는 베이스로서 웨이퍼 기판(5)이 제공된다. 기판은 후속 층들을 제조하기 위한 표면 영역을 제공하기 위해 패터닝되었다(패터닝은 도시되지 않음). 기판은 다양한 유형들의 퇴적 및 처리를 위해 구성된 별개의 챔버들을 포함하는 진공-밀봉식 다챔버 시스템의 스퍼터링/퇴적 서브시스템에서 다양한 스테이지들에 탈착 가능하게 부착될 것이다. 다챔버 시스템은 또한 온도-저하 열 처리 서브시스템을 포함한다. 이 시스템은 아래에서 좀 더 자세하게 설명될 것이다.
기판(5) 상에는 Ta 또는 TiN과 같은 전도성 질화물의 층(7)이 형성되어 있으며, 이는 그 후 SiO2에 의해 둘러싸이고 전체는 CMP(chemical mechanical polishing) 공정에 의해 평탄화된다. 이는 후속적으로 퇴적된 시드 층(10)에 대해 양호한 컨택을 제공할 것이며, 이 시드 층(10) 상에는, 그 커플링이 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida) 상호작용에 의해 유지되는 SAF(synthetic anti-ferromagnetically coupled) 고정 층(55)이 더 형성된다. 이 커플링된 고정 층 시스템(55) 그 자체는 3개의 층들 즉, 하위 층(AP2)(20), RKKY 상호작용(또는 커플링) 층(30) 및 상위 이중 층(AP1)(42/44)을 포함한다. 여기서 AP1 층은 도면 부호 42 및 44로 표시된 2개의 순차적으로 퇴적된 층들(이는 아래에서 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 추가로 논의될 것임)로 형성된다는 것에 주목한다. 층들(AP1 및 AP2)의 자기 모멘트들은 RKKY 상호작용의 결과로 그 형성 평면들에 수직으로 반평행한 구성으로 유지되며, 이는 인접한 자성 층들 사이의 자기 모멘트들을 커플링하는 효과가 당업계에 잘 알려진 커플링 층(30)을 커플링함으로써 용이하게 된다. AP1 및 AP2라는 용어들을 사용한 두 층에 대한 지정은 단순히 터널링 장벽 층(50)(이는 이 예에서, AP1 층 상에 형성된 MgO의 층이지만, 다른 금속 산화물들도 가능함)에 대한 AP1의 근접성을 단순히 숫자 "1"로 표시하기 위한 것이다. 층(AP2)은 층(50)으로부터 더 떨어져 있다. 다음으로, 강자성 자유 층(60)이 터널링 장벽 층 상에 형성되고; 이어서, MgO 캡핑 층(70)이 자유 층 상에 형성되고 하드 마스크 층(80)이 캡핑 층 상에 형성되며, 하드 마스크 층은 완성된 스택의 후속 패터닝 단계들에서 사용될 것이다. 위에서 언급된 바와 같이, 이들 개별 층들은, 한 챔버는 스퍼터링/퇴적 능력 없이 웨이퍼를 냉각시키는데 전용되고 여러 다른 챔버들은 특정 스퍼터링/퇴적 공정들에 대해 사용되는, 다챔버 시스템 내부에서 스퍼터링 공정들에 의해 연속적으로 형성된다. 냉각 공정은 냉각이 요구될 때 제조물을 냉각 챔버로 이송하고, 이 제조물을 클램프로 금속 스테이지(이 금속 스테이지 상에 60K의 Ar 가스를 흐르게 함으로써 그 온도로 온도 고정됨)에 부착함으로써 수행된다. 이는 아래의 도 4b에서 예시된다. 스테이지와의 접촉에 의해 제조물의 냉각이 신속하게 발생하는데, 본 공정에서는, 200초 안에 발생하고 그 후에 안정화된다. 냉각된 온도가 달성되면, 제조물은 상온에서 퇴적이 수행되는 특정 별개의 챔버로 이송된다. 이들 공정들에 사용되는 시스템은 상업적으로 입수 가능하며(CANON ANELVA C7100), 그것은 냉각 챔버와 퇴적 챔버들 중 임의의 하나 사이에서 용이한 이송을 제공한다는 것에 주목한다. 기본적으로, 도시되지 않은 시스템은 6개의 위성 챔버가 뻗어있는 중앙 이송 유닛으로 구성되며, 여기서 하나의 위성 챔버는 냉각 설비를 제공하고 나머지는 다양한 층 퇴적들을 생성하기 위한 설비들을 제공한다. 제조물이 냉각 챔버로 이송될 때, 그것은 양호한 열 접촉이 이루어지는 금속 스테이지에 클램핑되고 전체 제조물은 그 후 가스 전달 공정에 의해 냉각된다. 제조물이 원하는 온도에 도달할 때, 제조물은 옮겨져서 퇴적 챔버들 중 하나로 이송되며, 여기서 제조물은 척에 재고정되고 필요한 퇴적이 진행되는 동안 제조물은 원하는 냉각 온도 범위 내에서 유지된다. 퇴적 공정이 발생할 챔버에 일단 배치되면, 제조물은 더 이상 활성으로 냉각되지 않아서, 그것의 온도는 상온으로 서서히 상승할 것이다. 그러나, 온도의 느린 상승으로 인해, 원하는 저온(여기서는 60K)에서의 제조물 상의 퇴적 공정이 효과적으로 수행된다. 이 시스템 및 그와 유사한 다른 시스템들은 당업계에 알려져 있어서, 추가의 상세한 설명이 본원에서 제공되지 않을 것이다.
이제 도 2를 참조하면, 모든 공정들이 진공으로 그리고 필요한 경우, 온도-제어 조건들로 유지될 수 있는 전술한 다챔버 시스템 내에서 발생하는 일련의 제조 공정들 중 제 1 단계가 개략적으로 예시된다. 각각의 냉각 단계는 시스템의 냉각 챔버에서 발생한다는 것에 주목한다. 전체 제조에 있어서 하나의 특정 단계에서만 냉각이 수행되는 본 예시적인 공정에 대한 설명을 시작한다. 이 단일 냉각 단계 공정은 또한 다른 제조 지점들에도 적용될 수 있으며, 또한 설명될 것이다. 또한, 단일 제조 동안 여러 냉각 단계들이 또한 적용될 수 있다. 제조물이 냉각 챔버(도 4b에 도시됨)의 스테이지에 부착되고 냉각된 후, 제조물은 추후에 어떤 퇴적 공정이든 발생하도록 설계된 상온의 챔버로 다시 이송된다. 이에, 퇴적 공정은, 이미 냉각되고 더 이상 활성으로 냉각되고 있지 않은 제조물에 적용된다.
다시 도 2를 참조하면, MTJ 스택이 제조될 표면 영역을 생성하기 위해 패터닝된(여기서 도시되지 않음) 기판(5)이 제공된다. 이 패터닝된 기판(5) 상에는, Ta 또는 전도성 질화물(TiN)의 층(7)이 수백 옹스트롬(Å)(통상적으로 400 Å(Angstroms)을 가짐)의 두께로 스퍼터링에 의해 퇴적된다. 주위 영역은 SiO2로 채워지고 전체 영역은 그 후 산화물 CMP 공정으로 평탄화된다. 그 후, 약 30Å 내지 100Å 두께의 NiCr의 시드 층(10)이 층(7) 상에 퇴적되며, 이는 (111) 방향을 따른 양호한 격자 성장을 갖는, 반복된 Co/X 다층인 AP2 층(20)을 시딩(seed)할 것이다. 여기서 X는 Ni, Pt 또는 Pd로부터 선택될 수 있으며, 개별 층들(즉, Co, X)은 통상적으로 두께가 약 1Å 내지 10Å이다. 이 다층화된 구조는 층들 사이의 반복된 계면 상호작용의 결과로서 전체 스택에 PMA(perpendicular magnetic anisotropy)를 제공할 것이다. 또한, RKKY 상호작용의 결과로서, AP2 층은 반-강자성적으로 AP1 층과 커플링하여, 그 퇴적 평면들에 수직으로 대향하게 지향되는 자기 모멘트들을 생성할 것이다.
이제 도 3을 참조하면, 약 3.5Å 내지 4Å 두께의 Ru, 약 4.5Å 내지 5.5Å 두께의 Ir 또는 약 5Å 내지 6Å의 두께의 Mo의 층일 수 있는 RKKY 상호작용 층(30)의 퇴적이 보여지며, 이는 AP2와 AP1 층들 사이의 반-강자성 커플링 상호작용(이는 그들의 자기 모멘트의 반병렬 배향을 초래함)을 제공한다.
다음으로, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, AP1 층의 제조가 도시되며, 이는 여기서, 다음의 2개의 층들:
(i) 나머지 [AP1/MgO 장벽/자유 층] 구조의 (001) 결정 구조로부터 AP2 층의 (111) 결정 구조를, 이들이 RKKY 상호작용을 통해 자기적으로 연결된 채로 유지하면서, 분리하기 위한 하부의 대체로 비정질의 얇은 상-분리 층(42), 및
(ii) MgO 배리어 층(50)과 접촉할 상부의 CoFeB 층(44)으로서 형성된다.
먼저 도 4a를 참조하면, 층(30)이 형성된 제조물이 챔버에서 상온으로 유지되는 동안, 위의 (i)에서와 같은 층(42)의 형성이 도시된다.
다음으로 도 4b를 참조하면, 냉각 챔버로 이송된, 이제 방금 퇴적된 층(42)을 포함하는 제조물이 도시되며, 여기서 제조물은 가스 흐름(2)에 의해 원하는 60K 온도로 자체 냉각되는 금속 스테이지(3) 상에 배치되고, 스테이지(4)에 탈착 가능하게 클램핑되고 그 스테이지에 열 접촉함으로써 냉각된다.
이제 도 4c를 참조하면, 상온의 퇴적 챔버로 다시 이송된 것으로 도시된, 위의 (ii)에서와 같은 층(44)이 이제 퇴적되는 냉각된 제조물이 도시된다.
제조물은 퇴적 동안 매우 서서히 상온으로 돌아가 층(44)은 실제로 차가운 층(42) 상에 형성된다. 웨이퍼의 온도는 서서히 상승할 것이나, 나머지 AP1 층의 퇴적의 처음 몇 분 동안, 온도가 매우 많이 상승하지 않아야 한다.
이제 도 5를 참조하면, 냉각 단계가 완료되고 잔여 퇴적 단계들이 상온에서 수행된다. 그러나 원하는 경우, 추가 냉각 단계들도 가능하지만 여기서는 도시되지 않는다. CoFeB 층(44)의 상부에서의 MgO 터널링 장벽 층(50)의 형성이 이제 도시된다. MgO 층은 두께가 5Å 내지 30Å이다. MgO 퇴적이 완료되기 전에, 이 제조 단계에서도 냉각 단계가 적용될 수 있다. 이러한 냉각 단계는 AP1의 형성과 관련하여 앞서 논의된 단계에 추가될 수 있거나, 또는 AP1의 퇴적과 관련하여 수행된 것 대신에 행해질 수 있다. MgO는 추후에 산화되는 Mg 층의 스퍼터링 퇴적에 의해 또는 MgO의 타겟으로부터의 직접 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다는 것에 주목한다.
다음으로 도 6을 참조하면, 일반적으로 CoFeB 기반 재료들로 형성되고 5Å 내지 25Å의 두께로 형성된 강자성 자유 층(60)의 형성이 도시된다. 자유 층이 퇴적되기 전에 또는 자유 층이 퇴적되는 동안 냉각 단계가 또한 적용될 수 있다. 자유 층 퇴적 동안 냉각 단계가 수행되는 경우, 자유 층이 완전히 퇴적되기 전에 제조물이 냉각 챔버로 옮겨진다. 통상적으로, 이러한 퇴적중 냉각은 자유 층의 절반이 퇴적될 때 행해질 것이며, 이는 일반적으로 두께가 5Å 내지 25Å인 자유 층의 절반일 것이다. 일반적으로, 자유 층은 Fe70B30 층에 이은 Co20Fe60B20 층과 같은 다층 퇴적이다. 이 경우에, Co20Fe60B20의 퇴적 전에 냉각이 발생할 것이다.
다음으로, 도 7을 참조하면, 자유 층(60)의 상부에서의 MgO 캡핑 층(70)의 퇴적이 도시된다. 이 경우에도, MgO는 Mg 층을 산화시키거나 MgO 층을 스퍼터링함으로써 형성될 수 있다는 것에 주목한다. 캡핑 층은 두께가 5Å 내지 30Å이고 냉각 단계는 자유 층 퇴적의 완료 후에 그리고 캡핑 층 퇴적 이전에 적용될 수 있다. 냉각 공정은 제조물을 냉각 챔버로 먼저 이송한 후 각각의 퇴적 공정 이전에 또는 그 중간에 전술한 바와 같이 각각의 냉각 단계가 적용되는 일련의 공정들로서 적용될 수 있다는 것에 주목한다. 또한, 스택의 특정 본질이 냉각의 유리한 성질들에 영향을 미치는 것으로 여겨지기 때문에, 냉각 공정을 적용하기 위한 가장 적절한 제조 단계(들)는 경험적으로 발견될 수 있다는 것에 또한 주목한다.
마지막으로 도 8을 참조하면, 약 600Å 두께의 Ta로 형성되고 완성된 스택을 패터닝하는 용도로 사용되는 하드 마스크(80)의 퇴적이 도시된다. 또한, 디바이스를 더 큰 MRAM 시스템에 통합해야 할 필요성에 따라 요구될 수 있는 다양한 어닐링 단계들 중 임의의 것을 나타내지 않음을 알아야 한다. 이 어닐링은 냉각 단계들의 역할에 영향을 미치지 않고 RKKY 상호작용의 자화를 설정하는데 요구되지도 않는다.
이 제조 방법의 유리한 결과들은 리플로우 테스트들을 사용하여 증명될 수 있다. 하기 표에 도시된 바와 같이, (아래에서 설명되는 바와 같이) 합성 반강자성(SAF) 고정 층의 AP1 층을 형성하는 데 있어서 냉각 단계 없이 그리고 하나의 냉각 단계를 거쳐 제조된 것 외에는 2개의 동일한 구조들이 리플로우 공정 후에 상이한 에러율을 나타낸다. 리플로우는 고체 땝납 층을 가열하고 그것을 액화(리플로우)되게 함으로써 칩이 소켓에 납땜되는 칩 제조 공정이며, 그것은 MTJ 스택의 열 안정성에 대한 가장 엄격한 요건으로서 소용이 된다. 통상적으로, 리플로우 공정의 결과로서, 칩은 약 90초 동안 약 260℃의 온도를 경험할 것이고, 리플로우 이전에 칩에 저장된 정보는 공정 동안 소실되지 않아야 한다.
냉각 없음 냉각 있음
리플로우 후의 에러율 10 ppm 1 ppm
테스트는 다음과 같이 웨이퍼 레벨에서 행해진다. 50개 초과의 칩들을 포함하는 웨이퍼가 오븐 내부의 2개의 금속 슬래브들 사이에 삽입된다. 금속 슬래브들의 온도는 적어도 260℃이고 웨이퍼는 적어도 90초 동안 오븐 내부에 있다. 각각의 칩은 10Mb MTJ 유닛들을 가지며, 테스트 전에 정보(0 또는 1)를 저장하도록 프로그래밍되었다. 베이킹 공정 동안 저장된 정보가 변경된 MTJ 유닛들의 수를 결정하도록, 테스트 후에 각각의 칩이 판독된다. 그 후, 자신의 정보 콘텐츠가 변경된 MTJ 유닛들의 수를 총 MTJ 디바이스들의 수로 나눈 것이 에러율로서 계산된다.
냉각 없이 제조된 웨이퍼는 10 ppm의 에러율(1,000,000개의 디바이스들 중 10개의 에러들)을 나타내는 반면, 냉각을 거쳐 제조된 웨이퍼는 단 1 ppm의 에러율을 나타낸다. 데이터는 제안된 냉각 단계로부터 고정 층의 PMA의 상당한 개선을 명확하게 나타낸다.
당업자가 마침내 이해할 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들은 본 발명을 제한하기보다는, 본 발명을 예시하는 것이다. 다양한 스테이지들에서의 냉각을 포함하는 공정을 사용하여 MTJ MRAM 셀 디바이스를 형성 및 제공하는 데 사용되는 방법들, 재료들, 구조들 및 치수들에 대한 개정들 및 수정들은, 첨부된 청구항들에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위에 따라 그러한 디바이스 및 그 형성 방법을 여전히 형성하고 제공하면서 이루어질 수 있다.

Claims (41)

  1. 일련의 재료 층들로서 형성된 STT MTJ MRAM(Spin Torque Transfer Magnetic Tunneling Junction Magnetic Random Access Memory) 셀을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    패터닝된 기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 시드 층을 형성하는 단계;
    상기 시드 층 상에 RKKY 커플링된 SAF 고정 층(pinned layer) 구조의 제 1 또는 AP2 층을 형성하는 단계;
    상기 AP2 층 상에 RKKY 커플링 층을 형성하는 단계;
    상기 RKKY 커플링 층 상에 AP1 층의 제 1 부분을 형성하는 단계;
    제조물(fabrication)을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 제조물의 상기 제 1 부분 상에 상기 AP1 층의 제 2 부분을 형성하여 상기 고정 층을 완성하는 단계;
    상기 고정 층 상에 상기 STT MTJ MRAM 셀의 잔여 요소들을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 잔여 요소들은 터널링 배리어 층, 강자성 자유 층 및 캡핑 층을 그 순차적 순서로 포함하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재료 층들은 진공 밀봉된 다챔버(multi-chamber) 시스템의 스퍼터링 챔버들에서 스퍼터링에 의해 형성되고, 상기 냉각은 상기 시스템의 별개의 냉각 챔버에서 발생하고, 상기 제조물은 열 접촉에 의한 냉각을 위해 상기 스퍼터링 챔버들로부터 상기 냉각 챔버로 이송되고, 그 후 상기 제조물이 상온으로 돌아가는 동안, 남은 처리를 위해 상기 별개의 스퍼터링 챔버들로 리턴되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제조물은 60K의 온도로 냉각되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 시드 층은 상기 AP2 퇴적의 (111) 방향으로 양호한 격자 성장을 용이하게 하기 위해 30Å 내지 100Å의 NiCr 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 AP2 퇴적은 Co/X 다층이며, 여기서 X는 Ni, Pt, Pd 등인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 AP2 퇴적은 전체 제조물에 PMA(perpendicular magnetic anisotropy)를 제공하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 RKKY 커플링 층은, 약 3.5Å 내지 4Å의 두께의 Ru 층, 또는 약 4.5Å 내지 5.5Å의 두께의 Ir 층, 또는 약 5Å 내지 6Å의 두께의 Mo 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 AP1 층의 상기 제 1 부분은, 나머지 AP1/MgO 배리어 층/FL 구조의 (001) 결정 구조로부터 상기 AP2 층의 (111) 결정 구조를, 이들이 RKKY 상호작용을 통해 자기적으로 연결된 채로 유지하면서, 분리(break)하는 데 사용되는, 통상적으로 비정질의 상 분리 층(phase breaking layer)인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 AP1 층의 상기 제 2 부분은 5Å 내지 25Å의 두께로 형성된 CoFeB 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  10. 일련의 재료 층들로서 형성된 STT MTJ MRAM(Spin Torque Transfer Magnetic Tunneling Junction Magnetic Random Access Memory) 셀을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 시드 층을 형성하는 단계;
    상기 시드 층 상에 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조를 형성하는 단계;
    제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 제조물의 상기 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조 상에 MgO 터널링 배리어 층을 형성하는 단계;
    상기 MgO 터널링 배리어 층 상에 상기 STT MTJ MRAM 셀의 잔여 요소들을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 잔여 요소들은 강자성 자유 층 및 캡핑 층을 그 순차적 순서로 포함하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 재료 층들은 진공 밀봉된 다챔버 시스템의 스퍼터링 챔버들에서 스퍼터링에 의해 형성되고, 상기 냉각은 상기 시스템의 별개의 냉각 챔버에서 발생하고, 상기 제조물은 열 접촉에 의한 냉각을 위해 상기 스퍼터링 챔버들로부터 상기 냉각 챔버로 이송되고, 그 후 상기 제조물이 상온으로 돌아가는 동안, 남은 처리를 위해 상기 별개의 스퍼터링 챔버들로 리턴되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제조물은 60K의 온도로 냉각되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 시드 층은 상기 RKKY 고정 층 구조의 AP2 퇴적의 (111) 방향으로 양호한 격자 성장을 용이하게 하기 위해 30Å 내지 100Å의 NiCr 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 SAF 고정 층은 Co/X 다층들의 퇴적으로서 형성된 AP2 층을 포함하고, 여기서 X는 Ni, Pt, Pd 등이고, 상기 AP2 층 상에는, 약 3.5Å 내지 4Å의 두께의 Ru 층, 또는 약 4.5Å 내지 5.5Å의 두께의 Ir 층, 또는 약 5Å 내지 6Å의 두께의 Mo 층인 RKKY 커플링 층이 형성되어 있고, 상기 RKKY 커플링 층 상에는, AP1 층이 두 부분들로 형성되어 있는데, 제 1 부분은, 나머지 AP1/MgO 배리어/FL 구조의 (001) 결정 구조로부터 상기 AP2 층의 (111) 결정 구조를, 이들이 RKKY 상호작용을 통해 자기적으로 연결된 채로 유지하면서, 분리하는 데 사용되는, 통상적으로 비정질의 상 분리 층이고, 상기 AP1 층의 제 2 부분은 5Å 내지 25Å의 두께로 상기 제 1 부분 상에 형성된 CoFeB 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 MgO 터널링 배리어 층은 약 5Å 내지 30Å의 두께로 형성되고, 상기 냉각된 제조물 상에 Mg 층의 산화에 의해 또는 MgO의 타겟(target)을 사용한 스퍼터링 퇴적에 의해 형성될 수 있는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  16. 일련의 재료 층들로서 형성된 STT MTJ MRAM(Spin Torque Transfer Magnetic Tunneling Junction Magnetic Random Access Memory) 셀을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 시드 층을 형성하는 단계;
    상기 시드 층 상에 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조를 형성하는 단계;
    상기 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조 상에 MgO 터널링 배리어 층을 형성하는 단계;
    제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 제조물의 상기 터널링 배리어 층 상에 강자성 자유 층을 형성하는 단계;
    상기 강자성 자유 층 상에 상기 STT MTJ MRAM 셀의 잔여 요소들을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 잔여 요소들은 캡핑 층을 그 순차적 순서로 포함하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 재료 층들은 진공 밀봉된 다챔버 시스템의 스퍼터링 챔버들에서 스퍼터링에 의해 형성되고, 상기 냉각은 상기 시스템의 별개의 냉각 챔버에서 발생하고, 상기 제조물은 열 접촉에 의한 냉각을 위해 상기 스퍼터링 챔버들로부터 상기 냉각 챔버로 이송되고, 그 후 상기 제조물이 상온으로 돌아가는 동안, 남은 처리를 위해 상기 별개의 스퍼터링 챔버들로 리턴되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 제조물은 60K의 온도로 냉각되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 시드 층은 상기 RKKY 고정 층 구조의 AP2 퇴적의 (111) 방향으로 양호한 격자 성장을 용이하게 하기 위해 30Å 내지 100Å의 NiCr 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 SAF 고정 층은 Co/X 다층들의 퇴적으로서 형성된 AP2 층을 포함하고, 여기서 X는 Ni, Pt, Pd 등이고, 상기 AP2 층 상에는, 약 3.5Å 내지 4Å의 두께의 Ru 층, 또는 약 4.5Å 내지 5.5Å의 두께의 Ir 층, 또는 약 5Å 내지 6Å의 두께의 Mo 층인 RKKY 커플링 층이 형성되어 있고, 상기 RKKY 커플링 층 상에는, AP1 층이 두 부분들로 형성되어 있는데, 제 1 부분은, 나머지 AP1/MgO 배리어/FL 구조의 (001) 결정 구조로부터 상기 AP2 층의 (111) 결정 구조를, 이들이 RKKY 상호작용을 통해 자기적으로 연결된 채로 유지하면서, 분리하는 데 사용되는, 통상적으로 비정질의 상 분리 층이고, 상기 AP1 층의 제 2 부분은 5Å 내지 25Å의 두께로 상기 제 1 부분 상에 형성된 CoFeB 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 AP2 퇴적은 전체 제조물에 PMA(perpendicular magnetic anisotropy)를 제공하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  22. 일련의 재료 층들로서 형성된 STT MTJ MRAM(Spin Torque Transfer Magnetic Tunneling Junction Magnetic Random Access Memory) 셀을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 시드 층을 형성하는 단계;
    상기 시드 층 상에 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조를 형성하는 단계;
    상기 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조 상에 MgO 터널링 배리어 층을 형성하는 단계;
    상기 터널링 배리어 층 상에 강자성 자유 층을 부분적으로 형성하는 단계;
    제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 제조물을 스퍼터링 서브-시스템으로 리턴하고 상기 냉각된 제조물 상의 상기 강자성 자유 층의 형성을 완료하는 단계;
    상기 완료된 강자성 자유 층 상에 상기 STT MTJ MRAM 셀의 잔여 요소들을 형성하는 단계
    를 포함하고, 상기 잔여 요소들은 캡핑 층을 그 순차적 순서로 포함하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 재료 층들은 진공 밀봉된 다챔버 시스템의 스퍼터링 챔버들에서 스퍼터링에 의해 형성되고, 상기 냉각은 상기 시스템의 별개의 냉각 챔버에서 발생하고, 상기 제조물은 열 접촉에 의한 냉각을 위해 상기 스퍼터링 챔버들로부터 상기 냉각 챔버로 이송되고, 그 후 상기 제조물이 상온으로 돌아가는 동안, 남은 처리를 위해 상기 별개의 스퍼터링 챔버들로 리턴되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 제조물은 60K의 온도로 냉각되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 시드 층은 상기 RKKY 고정 층 구조의 AP2 퇴적의 (111) 방향으로 양호한 격자 성장을 용이하게 하기 위해 30Å 내지 100Å의 NiCr 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  26. 제 22 항에 있어서,
    상기 SAF 고정 층은 Co/X 다층들의 퇴적으로서 형성된 AP2 층을 포함하고, 여기서 X는 Ni, Pt, Pd 등이고, 상기 AP2 층 상에는, 약 3.5Å 내지 4Å의 두께의 Ru 층, 또는 약 4.5Å 내지 5.5Å의 두께의 Ir 층, 또는 약 5Å 내지 6Å의 두께의 Mo 층인 RKKY 커플링 층이 형성되어 있고, 상기 RKKY 커플링 층 상에는, AP1 층이 두 부분들로 형성되어 있는데, 제 1 부분은, 나머지 AP1/MgO 배리어/FL 구조의 (001) 결정 구조로부터 상기 AP2 층의 (111) 결정 구조를, 이들이 RKKY 상호작용을 통해 자기적으로 연결된 채로 유지하면서, 분리하는 데 사용되는, 통상적으로 비정질의 상 분리 층이고, 상기 AP1 층의 제 2 부분은 5Å 내지 25Å의 두께로 상기 제 1 부분 상에 형성된 CoFeB 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 AP2 퇴적은 전체 제조물에 PMA(perpendicular magnetic anisotropy)를 제공하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  28. 일련의 재료 층들로서 형성된 STT MTJ MRAM(Spin Torque Transfer Magnetic Tunneling Junction Magnetic Random Access Memory) 셀을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 시드 층을 형성하는 단계;
    상기 시드 층 상에 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조를 형성하는 단계;
    상기 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조 상에 MgO 터널링 배리어 층을 형성하는 단계;
    상기 MgO 터널링 배리어 층 상에 자유 층을 형성하는 단계;
    제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 제조물을 스퍼터링 서브-시스템으로 리턴하고 상기 냉각된 제조물의 상기 강자성 자유 층 상에 캡핑 층을 형성하는 단계
    를 포함하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 재료 층들은 진공 밀봉된 다챔버 시스템의 스퍼터링 챔버들에서 스퍼터링에 의해 형성되고, 상기 냉각은 상기 시스템의 별개의 냉각 챔버에서 발생하고, 상기 제조물은 열 접촉에 의한 냉각을 위해 상기 스퍼터링 챔버들로부터 상기 냉각 챔버로 이송되고, 그 후 상기 제조물이 상온으로 돌아가는 동안, 남은 처리를 위해 상기 별개의 스퍼터링 챔버들로 리턴되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제조물은 60K의 온도로 냉각되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 시드 층은 상기 RKKY 고정 층 구조의 AP2 퇴적의 (111) 방향으로 양호한 격자 성장을 용이하게 하기 위해 30Å 내지 100Å의 NiCr 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 SAF 고정 층은 Co/X 다층들의 퇴적으로서 형성된 AP2 층을 포함하고, 여기서 X는 Ni, Pt, Pd 등이고, 상기 AP2 층 상에는, 약 3.5Å 내지 4Å의 두께의 Ru 층, 또는 약 4.5Å 내지 5.5Å의 두께의 Ir 층, 또는 약 5Å 내지 6Å의 두께의 Mo 층인 RKKY 커플링 층이 형성되어 있고, 상기 RKKY 커플링 층 상에는, AP1 층이 두 부분들로 형성되어 있는데, 제 1 부분은, 나머지 AP1/MgO 배리어/FL 구조의 (001) 결정 구조로부터 상기 AP2 층의 (111) 결정 구조를, 이들이 RKKY 상호작용을 통해 자기적으로 연결된 채로 유지하면서, 분리하는 데 사용되는, 통상적으로 비정질의 상 분리 층이고, 상기 AP1 층의 제 2 부분은 5Å 내지 25Å의 두께로 상기 제 1 부분 상에 형성된 CoFeB 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 AP2 퇴적은 전체 제조물에 PMA(perpendicular magnetic anisotropy)를 제공하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  34. 일련의 재료 층들로서 형성된 STT MTJ MRAM(Spin Torque Transfer Magnetic Tunneling Junction Magnetic Random Access Memory) 셀을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    기판을 제공하는 단계;
    상기 기판 상에 시드 층을 형성하는 단계;
    상기 시드 층 상에 RKKY 커플링된 SAF 고정 층 구조의 제 1 또는 AP2 층을 형성하는 단계;
    상기 AP2 층 상에 RKKY 커플링 층을 형성하는 단계;
    상기 RKKY 커플링 층 상에 AP1 층의 제 1 부분을 형성하는 단계;
    제 1 시간 동안 제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 냉각된 제 1 부분 상에 상기 AP1 층의 제 2 부분을 형성하는 단계;
    제 2 시간 동안 상기 제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 SAF 고정 층 상에 터널링 배리어 층을 형성하는 단계;
    제 3 시간 동안 상기 제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 터널링 배리어 층 상에 강자성 자유 층을 형성하는 단계;
    제 4 시간 동안 상기 제조물을 냉각시키는 단계;
    상기 강자성 자유 층 상에 캡핑 층을 형성하는 단계
    를 포함하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  35. 제 34 항에 있어서,
    상기 재료 층들은 진공 밀봉된 다챔버 시스템의 스퍼터링 챔버들에서 스퍼터링에 의해 형성되고, 상기 4개의 냉각 공정들 각각은 상기 시스템의 별개의 냉각 챔버에서 발생하고, 상기 제조물은 열 접촉에 의한 냉각을 위해 상기 스퍼터링 챔버들로부터 상기 냉각 챔버로 이송되고, 그 후 상기 제조물이 상온으로 돌아가는 동안, 남은 처리를 위해 상기 별개의 스퍼터링 챔버들로 리턴되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  36. 제 34 항에 있어서,
    상기 제조물은 각각의 냉각 공정 동안 60K의 온도로 냉각되는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  37. 제 34 항에 있어서,
    상기 AP1 층의 상기 제 1 부분은, 나머지 AP1/MgO 배리어/FL 구조의 (001) 결정 구조로부터 상기 AP2 층의 (111) 결정 구조를, 이들이 RKKY 상호작용을 통해 자기적으로 연결된 채로 유지하면서, 분리하는 데 사용되는, 통상적으로 비정질의 상 분리 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  38. 제 34 항에 있어서,
    상기 AP1 층의 상기 제 2 부분은 5Å 내지 25Å의 두께로 형성된 CoFeB 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  39. 제 34 항에 있어서,
    상기 시드 층은 상기 RKKY 고정 층 구조의 AP2 퇴적의 (111) 방향으로 양호한 격자 성장을 용이하게 하기 위해 30Å 내지 100Å의 NiCr 층인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  40. 제 34 항에 있어서,
    상기 AP2는 Co/X 다층이며, 여기서 X는 Ni, Pt, Pd 등인, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
  41. 제 34 항에 있어서,
    상기 AP2 퇴적은 전체 제조물에 PMA(perpendicular magnetic anisotropy)를 제공하는, STT MTJ MRAM 셀을 제조하기 위한 방법.
KR1020190140147A 2018-11-08 2019-11-05 Stt-mram(스핀 토크 트랜스퍼-마그네틱 랜덤 액세스 메모리) 디바이스의 pma(수직 자기 이방성) 강화를 위한 냉각 KR102386037B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/184,518 2018-11-08
US16/184,518 US10784310B2 (en) 2018-11-08 2018-11-08 Cooling for PMA (perpendicular magnetic anisotropy) enhancement of STT-MRAM (spin torque transfer-magnetic random access memory) devices

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200054081A true KR20200054081A (ko) 2020-05-19
KR102386037B1 KR102386037B1 (ko) 2022-04-14

Family

ID=70469413

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190140147A KR102386037B1 (ko) 2018-11-08 2019-11-05 Stt-mram(스핀 토크 트랜스퍼-마그네틱 랜덤 액세스 메모리) 디바이스의 pma(수직 자기 이방성) 강화를 위한 냉각

Country Status (5)

Country Link
US (2) US10784310B2 (ko)
KR (1) KR102386037B1 (ko)
CN (1) CN111162165A (ko)
DE (1) DE102019124487A1 (ko)
TW (1) TW202018985A (ko)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102169622B1 (ko) * 2018-01-17 2020-10-26 한양대학교 산학협력단 메모리 소자
US10784310B2 (en) 2018-11-08 2020-09-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Cooling for PMA (perpendicular magnetic anisotropy) enhancement of STT-MRAM (spin torque transfer-magnetic random access memory) devices
US20220238799A1 (en) * 2021-01-27 2022-07-28 Yimin Guo Magnetoresistive element having a composite recording structure

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006286669A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Tdk Corp 磁気抵抗効果素子の製造方法
US9245549B2 (en) * 2013-05-13 2016-01-26 HGST Netherlands B.V. Thermally stable low random telegraph noise sensor
US9590010B1 (en) * 2016-03-24 2017-03-07 Qualcomm Incorporated Perpendicular magnetic tunnel junction (pMTJ) devices employing a thin pinned layer stack and providing a transitioning start to a body-centered cubic (BCC) crystalline / amorphous structure below an upper anti-parallel (AP) layer

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6086362A (en) * 1998-05-20 2000-07-11 Applied Komatsu Technology, Inc. Multi-function chamber for a substrate processing system
US6802935B2 (en) 2002-03-21 2004-10-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd Semiconductor chamber process apparatus and method
JP2005320590A (ja) 2004-05-10 2005-11-17 National Institute For Materials Science コンビナトリアル成膜方法とその装置
JP4550778B2 (ja) * 2006-07-07 2010-09-22 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子の製造方法
US8758850B2 (en) * 2010-12-10 2014-06-24 Avalanche Technology, Inc. STT-MRAM MTJ manufacturing method with in-situ annealing
US8325448B2 (en) * 2011-02-11 2012-12-04 Headway Technologies, Inc. Pinning field in MR devices despite higher annealing temperature
US9093639B2 (en) 2012-02-21 2015-07-28 Western Digital (Fremont), Llc Methods for manufacturing a magnetoresistive structure utilizing heating and cooling
US8871365B2 (en) * 2012-02-28 2014-10-28 Headway Technologies, Inc. High thermal stability reference structure with out-of-plane aniotropy to magnetic device applications
US9147408B1 (en) * 2013-12-19 2015-09-29 Western Digital (Fremont), Llc Heated AFM layer deposition and cooling process for TMR magnetic recording sensor with high pinning field
US9991313B2 (en) 2014-10-02 2018-06-05 Toshiba Memory Corporation Magnetic memory and manufacturing method of the same
US20160130693A1 (en) 2014-11-11 2016-05-12 Kazuya Sawada Method of manufacturing magnetoresistive memory device and manufacturing apparatus of the same
KR102287755B1 (ko) * 2014-11-18 2021-08-09 삼성전자주식회사 자기 저항 메모리 소자를 형성하는 방법
JP6863780B2 (ja) * 2017-03-10 2021-04-21 株式会社Ｓｃｒｅｅｎホールディングス 熱処理方法および熱処理装置
KR20190140147A (ko) 2018-06-11 2019-12-19 정선옥 차량 광고 중계 플랫폼 시스템
US10468592B1 (en) * 2018-07-09 2019-11-05 Applied Materials, Inc. Magnetic tunnel junctions and methods of fabrication thereof
US10784310B2 (en) * 2018-11-08 2020-09-22 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Cooling for PMA (perpendicular magnetic anisotropy) enhancement of STT-MRAM (spin torque transfer-magnetic random access memory) devices

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006286669A (ja) * 2005-03-31 2006-10-19 Tdk Corp 磁気抵抗効果素子の製造方法
US9245549B2 (en) * 2013-05-13 2016-01-26 HGST Netherlands B.V. Thermally stable low random telegraph noise sensor
US9590010B1 (en) * 2016-03-24 2017-03-07 Qualcomm Incorporated Perpendicular magnetic tunnel junction (pMTJ) devices employing a thin pinned layer stack and providing a transitioning start to a body-centered cubic (BCC) crystalline / amorphous structure below an upper anti-parallel (AP) layer

Also Published As

Publication number Publication date
US10784310B2 (en) 2020-09-22
US11956971B2 (en) 2024-04-09
TW202018985A (zh) 2020-05-16
US20200152698A1 (en) 2020-05-14
KR102386037B1 (ko) 2022-04-14
US20210013260A1 (en) 2021-01-14
DE102019124487A1 (de) 2020-05-14
CN111162165A (zh) 2020-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11309489B2 (en) Magnetic tunnel junction with low defect rate after high temperature anneal for magnetic device applications
US9455400B2 (en) Magnetic tunnel junction for MRAM applications
US8736004B2 (en) Magnetic tunnel junction for MRAM applications
US9082960B2 (en) Fully compensated synthetic antiferromagnet for spintronics applications
JP4292128B2 (ja) 磁気抵抗効果素子の製造方法
US9159908B2 (en) Composite free layer within magnetic tunnel junction for MRAM applications
KR102386037B1 (ko) Stt-mram(스핀 토크 트랜스퍼-마그네틱 랜덤 액세스 메모리) 디바이스의 pma(수직 자기 이방성) 강화를 위한 냉각
KR102510134B1 (ko) 비-강자성 스페이싱 복합층, 그 방법, 합성 반강자성 적층 구조물, 및 자기저항성 랜덤 액세스 메모리
US10867651B2 (en) Initialization process for magnetic random access memory (MRAM) production
JP4774092B2 (ja) 磁気抵抗効果素子およびそれを用いたｍｒａｍ
US12052927B2 (en) Magnetoresistive stack device fabrication methods
JP2009044173A (ja) 磁性多層膜形成装置

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right