KR20210079359A - 반도체 디바이스 제조 방법 - Google Patents

반도체 디바이스 제조 방법 Download PDF

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Abstract

샘플로딩챔버(15), 진공전이챔버(14), 반응성이온플라즈마에칭챔버(10), 이온빔에칭챔버(11), 필름코팅챔버(12), 진공이송챔버(13)를 포함한 에칭 장치를 사용한 반도체 디바이스 제조 방법. 진공을 중단함이 없이, 반응성 이온 에칭이 먼저 채택되어 절연층(102)을 에칭하고; 그 다음 고정층(101)을 형성하기 위한 이온빔 에칭이 수행되고 하부전극금속층(100) 부근에서 정지되어 소량의 고정층(101)만 남기며; 그 다음 반응성 이온 에칭이 채택되어 하부전극금속층(100)을 에칭하고; 마지막으로 금속 잔류물을 제거하고 샘플 표면을 처리하기 위한 이온빔 세척을 수행하여 코팅 보호가 이루어진다. 이온빔 에칭과 반응성 이온 에칭을 조합하여 에칭 및 세정 단계를 수행하는 것은 물리적 에칭으로 인한 측벽 금속 오염 및 구조적 손상을 효과적으로 줄이고 에칭 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 과다 에칭의 위험을 줄이고 디바이스 성능 및 수율을 개선할 수 있다.

Description

반도체 디바이스 제조 방법
본 발명은 반도체 분야에 관한 것으로, 특히 반도체 디바이스 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 피처 크기가 더욱 감소함에 따라 기존 플래시메모리 기술은 크기 한계에 도달할 것이다. 디바이스 성능을 더욱 개선시키기 위해 연구 개발 인력은 새로운 구조, 새로운 재료 및 새로운 프로세스를 적극적으로 탐구하기 시작한다. 최근 몇 년 동안 다양한 유형의 새로운 비휘발성메모리가 빠르게 발전했다. 이러한 메모리 중에서 MRAM은 SRAM의 고속 읽기/쓰기 기능, DRAM의 고집적화 및 DRAM보다 훨씬 낮은 전력 소비를 갖추고 있으며 플래시메모리(이하 플래시)에 비해 사용시간에 따라 성능이 저하되지 않는다. 이러한 장점으로 인해 MRAM은 업계에서 점점 더 많은 관심을 받고 있으며 SRAM, DRAM 및 플래시를 대체할 가능성이 매우 높은 차세대 "범용" 메모리의 강력한 후보 중 하나로 간주된다. 업계 및 연구기관은 성공적으로 상용화할 수 있는 MRAM 디바이스를 얻기 위해 회로 설계, 공정 방법 및 통합 솔루션을 최적화하기 위해 노력하고 있다.
자기터널접합(MTJ)은 MRAM의 핵심 구조이다. MTJ 패터닝의 주요 방법으로 여전히 에칭 방법이 필요하다. MTJ의 재료는 Fe, Co 또는 Mg와 같은 건식 에칭 재료에 비해 휘발성 제품을 생성하는 것이 상대적으로 어려우며 게다가 에칭 가스(예를 들어, Cl2)를 사용할 수 없거나 그렇지 않으면 MTJ의 성능이 저하된다. 따라서 상대적으로 복잡한 에칭 방법을 필연적으로 사용하여 MTJ 패터닝을 구현할 수 있으며 에칭 공정이 매우 어렵고 도전적이다. 기존의 대형 MTJ 에칭은 일반적으로 이온빔 에칭(이하IBE)을 통해 실현된다. IBE 공정은 불활성 가스를 사용하기 때문에 기본적으로 화학 에칭 성분이 반응 챔버에 도입되지 않으므로 MTJ 측벽이 화학적 침식으로부터 보호된다. 깨끗한 측벽을 확보하는 조건에서 IBE를 사용하여 깨끗하고 화학적으로 손상되지 않은 완벽한 MTJ 측벽을 얻을 수 있다. 그러나 IBE에는 단점도 있다. 한편, IBE의 구현 원리 중 하나는 높은 물리적 충격력을 사용하는 것이지만, 지나치게 큰 물리적 충격력은 MTJ 측벽의 원자층들의 순서, 특히 절연층과 인접한 코어의 순서를 방해할 수 있으므로 MTJ의 자기 특성에 지장을 준다. 반면에 IBE는 반드시 특정 각도를 사용하여 실현되므로 IBE에 한계가 있다. MTJ의 크기가 점점 더 작아짐에 따라 자주 사용되는 각도에서 MTJ 바닥까지 IBE를 수행할 수 없으므로 MTJ 디바이스 분리 요구사항을 충족하지 못해 패터닝이 실패하게 된다. 또한, IBE 시간이 상대적으로 길기 때문에 각 디바이스의 수율이 제한된다. 또한 반응성 이온 에칭은 빠른 에칭 속도와 높은 선택 비율을 가지고 있기 때문에 두 가지 에칭 방법의 조합은 MTJ 에칭 문제를 해결하기 위한 유망한 방향을 만든다.
본 발명은 진공을 중단하지 않고, 이온빔 에칭과 반응성 이온 에칭의 조합을 통해 에칭 및 세정 단계를 수행하여 물리적 에칭으로 인한 측벽 금속 오염 및 구조적 손상을 효과적으로 줄이고 에칭 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 과다 에칭의 위험을 줄이고 디바이스 성능과 수율을 개선하기 위한 것이다.
전술한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 샘플로딩챔버, 진공전이챔버, 반응성이온플라즈마에칭챔버, IBE챔버, 필름코팅챔버 및 진공이송챔버를 포함하는 에칭 장치를 사용하되, 상기 진공전이챔버는 개별적으로 연결 가능한 방식으로 상기 샘플로딩챔버와 상기 진공이송챔버에 연결되고, 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버, 상기 IBE챔버 및 상기 필름코팅챔버는 연결 가능한 방식으로 상기 진공이송챔버에 개별적으로 연결되는 반도체 디바이스 제조 방법을 개시한다.
상기 방법은: 에칭될 구조를 형성하고 반도체 기판에 하부전극금속층, MTJ, 캡층 및 마스크층을 포함하되, 상기 MTJ는 고정층, 절연층 및 자유층을 포함하는 샘플준비단계; 샘플을 상기 샘플로딩챔버에 로딩하고, 상기 샘플은 상기 진공전이챔버를 통해 상기 진공이송챔버로 들어가는 샘플로딩단계; 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 들어가고, 반응성 이온 에칭에 의해 상기 샘플을 에칭하고, 상기 절연층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1반응성이온에칭단계; 상기 샘플을 상기 진공이송챔버에서 상기 IBE챔버로 이송하고, IBE를 사용하여 상기 샘플을 상기 고정층 속으로 에칭하고, 상기 하부전극금속층 부근에서 에칭을 중지하는 IBE단계; 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 들어가고, 반응성 이온 에칭에 의해 상기 샘플을 연속적으로 에칭하고, 상기 하부전극금속층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2반응성이온에칭단계; 상기 샘플이 상기 IBE챔버에 들어가고 금속 잔류물을 제거하고 샘플 표면을 처리하여 전술한 에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽손상 층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1이온빔세정단계; 상기 샘플이 상기 필름코팅챔버에 진입하여 에칭 과정을 거친 상기 샘플의 상면 및 주위에 유전체박막을 형성한 후 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀되는 보호단계; 및 상기 샘플이 상기 진공이송챔버에서 상기 진공전이챔버를 통해 상기 샘플로딩챔버로 복귀하는 샘플인출단계를 포함한다.
본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에 있어서, 바람직하게는, 상기 방법은, 상기 IBE단계 이후 및 상기 제2반응성이온에칭단계 이전에, 상기 샘플이 상기IBE챔버에 지속적으로 머무르며, 이온빔을 이용하여 금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 상기 에칭단계에서 형성된 상기 금속 오염 및 상기 측벽손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2이온빔세정단계; 상기 샘플이 상기 필름코팅챔버로 들어가 상기 샘플의 상부 표면 및 주위에 유전체 박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 유전체코팅단계; 및 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버로 들어가 반응성 이온 플라즈마를 사용하여 상기 샘플을 에칭하여 상기 디바이스의 상단 및 하단 부분에 있는 유전체 박막을 개방하고 상기 디바이스 측벽에 일부를 남겨 두고 에칭을 중지하는 유전체박막개방단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에서, 바람직하게는 상기 MTJ는 상기 고정층이 상기 절연층의 위 또는 아래에 있는 구조를 갖는다.
본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에서, 바람직하게는 상기 MTJ에 단일 또는 다중 절연층이 존재한다.
본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에서, 바람직하게는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에서, 바람직하게는 상기 IBE챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에서, 바람직하게는 상기 유전체 박막은 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물, 또는 이들의 조합이다.
본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에서, 바람직하게는 상기 유전체코팅단계에서 상기 유전체박막은 0.5nm 내지 50nm의 두께를 갖는다.
진공을 중단하지 않고, 본 발명은 이온빔 에칭과 반응성 이온 에칭의 조합을 통해 에칭 및 세정 단계를 수행하여 물리적 에칭으로 인한 측벽 금속 오염 및 구조적 손상을 효과적으로 줄이고 에칭 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 과다 에칭의 위험을 줄이고 디바이스 성능과 수율을 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에 사용되는 에칭 장치의 기능 블록도이며,
도 2는 에칭될 MTJ를 포함하는 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 3은 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법의 일 실시 예의 흐름도이며,
도 4는 제 1 반응성이온에칭단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 5는 제1IBE단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 6은 제2반응성이온에칭단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 7은 제1이온빔세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 8은 보호단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 9는 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법의 다른 실시 예의 흐름도이며,
도 10은 제2이온빔세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 11은 유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며, 및
도 12는 유전체박막개방단계 이후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결방법 및 장점을 보다 명확하게 하기 위해, 본 발명의 실시 예의 기술적 해결방법은 본 발명의 실시 예의 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 명확하고 완전하게 설명된다. 여기서 설명된 특정 실시 예는 본 발명을 제한하기보다는 단지 본 발명을 설명하기 위해 사용된다는 점에 유의해야 한다. 설명된 실시 예는 본 발명의 모든 실시 예가 아닌 일부이다. 본 발명의 설명된 실시 예에 기초하여, 당업자에 의해 창조적인 노력 없이 획득된 다른 실시 예는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
본 발명의 설명에서, 용어 "상부", "하부", "가파른", "기울어진" 등으로 표시되는 방향 또는 위치 관계는 도시된 방향 또는 위치 관계에 근거함에 유의해야 한다. 이는 표시된 디바이스 또는 디바이스가 특정 방향을 가져야 하거나 특정 방향으로 구성 및 작동되어야 함을 나타내거나 암시하기보다는 본 발명을 설명하고 설명을 단순화하기 위한 편의를 위해서만 사용된다. 따라서 이러한 용어는 본 발명을 제한하는 것으로 해석될 수 없다. 또한, "제1" 및 "제2"라는 용어는 설명을 위해 사용된 것일 뿐, 표시 또는 상대적 중요성을 암시하는 것으로 해석되지는 않는다.
또한, 본 발명의 보다 명확한 이해를 위해 디바이스의 구조, 재료, 치수, 처리 공정 및 기술과 같은 본 발명의 많은 특정 세부사항이 아래에 설명된다. 그러나, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 본 발명은 이러한 특정 세부사항에 따라 구현되지 않을 수 있다. 아래에서 달리 명시하지 않는 한, 디바이스의 다양한 부분은 당업자에게 알려진 재료로 만들어지거나 또는 미래에 개발될 유사한 기능을 가진 재료로 만들어 질 수 있다.
이하, 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에 사용되는 디바이스를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법에 사용되는 에칭 장치의 기능 블록도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 에칭 장치는 반응성이온플라즈마에칭챔버(10), IBE챔버(11), 필름코팅챔버(12), 진공이송챔버(13), 진공전이챔버(14) 및 샘플로딩챔버(15)를 포함한다. 진공전이 챔버(14)는 샘플로딩챔버(15) 및 진공이송챔버(13)에 개별적으로 연결 가능한 방식으로 연결된다. 반응성이온플라즈마에칭챔버(10), IBE챔버(11) 및 필름코팅챔버(12)는 개별적으로 연결 가능한 방식으로 진공이송챔버(13)에 연결된다. 또한 각 유형의 챔버가 여러 개 있을 수 있다.
반응성이온플라즈마에칭챔버(10)는 유도결합플라즈마(ICP)챔버, 용량결합플라즈마(CCP)챔버, 헬리콘웨이브플라즈마챔버 등일 수 있다. IBE챔버(11)는 이온빔에칭챔버, 중성입자빔에칭챔버 등일 수 있다. 필름코팅챔버(12)는 물리적기상증착(PVD)코팅챔버일 수 있고, 또한 펄스CVD코팅챔버, 플라즈마강화화학기상증착(PECVD)코팅챔버, ICP-PECVD코팅챔버, 원자층증착(ALD)코팅챔버와 같은 화학기상증착(CVD)코팅챔버 등일 수도 있다.
또한, 에칭 장치는 챔버 간 샘플 전달을 실현하기 위한 샘플이송시스템, 챔버 및 샘플 이송시스템을 제어하기 위한 제어시스템, 각 챔버에 필요한 진공도를 달성하기 위한 진공펌핑시스템, 냉각시스템 및 종래의 에칭 장치에 포함된 다른 기능 유닛을 더 포함한다. 이러한 디바이스 구조는 모두 기존 기술을 사용하여 당업자에 의해 구현될 수 있다.
도 2는 에칭될 디바이스 및 MTJ를 포함하는 개략적인 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 에칭될 구조는 하부전극금속층(100), MTJ {고정층(101), 절연층(102) 및 자유층(103) 포함}, 캡층(104) 및 하드마스크층(105)을 포함한다. 이 구조는 단지 예일 뿐이며 실제 디바이스 응용에서 MTJ의 구성에서 자유층은 절연층 아래에 있고 고정층은 절연층 위에 있을 수 있다. MTJ에는 단일 또는 다중 절연층이 있을 수 있다. 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법은 이러한 모든 상이한 구조에도 적용된다.
도 3에 도시 된 바와 같이, 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법은 다음 단계들을 사용하여 구현된다. 먼저, 샘플준비단계(S1)에서, MTJ를 포함하는 에칭될 구조물이 도 1에 도시된 바와 같이 반도체 기판 상에 형성된다. 2. 하드 마스크 층의 두께는 50nm이고 높이 대 너비 비율은 2.5 : 1이다.
이후, 샘플로딩단계(S2)에서 샘플은 샘플로딩챔버(15)에 로딩된 후 진공전이챔버(14)를 통해 진공이송챔버(13)로 들어간다.
그 후, 제1반응성이온에칭단계(S3)에서, 샘플은 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)로 들어가 반응성 이온 플라즈마를 사용하여 에칭된다. 에칭은 절연층에서 중지된다. 에칭 종료점은 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 자동광학종료점검출기를 사용하여 정의된다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 등일 수 있다. 도 4는 제1반응성이온에칭공정에서 형성된 금속오염물(106) 및 MTJ 측벽 손상층(107)을 개략적으로 도시하는, 제1반응성이온에칭단계 이후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
이후, IBE단계 (S4)에서 샘플은 진공이송챔버(13)에서 IBE챔버(11)로 이송되고, IBE에 의해 고정층(101) 속으로 에칭된다. 에칭은 하부전극금속층(100) 부근에서 중지되어 약 2nm의 소량의 고정층만 남는다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. IBE 각도는 75°, 에칭 시간은 300초, 샘플 스테이지의 회전 속도는 10rpm이다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. IBE에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 등일 수 있다. IBE 각도는 바람직하게는 10° 내지 80° 범위이다(웨이퍼 표면에 대한 수직 성을 기준으로함으로써, 각도는 수직 상황에서 0°이다). 도 5는 IBE단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다. IBE는 주로 물리적 충격을 기반으로 하고 선택비가 작기 때문에 과다 에칭이 쉽게 발생한다. 소량의 고정층을 남겨두고 후속 단계에서 추가 에칭을 위한 반응성 이온 에칭에 의해, 본 발명은 에칭 가스를 선택함으로써 에칭의 선택 비율을 향상시킬 수 있으며, 따라서 효과적으로 과다 에칭을 줄이고 수율을 개선할 수 있다.
이어서, 제2반응성이온에칭단계(S5)에서, 샘플은 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)로 들어가 반응성 이온 에칭에 의해 연속적으로 에칭된다. 하부전극금속층(100)에서 에칭이 중지된 다음 샘플이 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 사용된 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 등일 수 있는 제1반응성이온에칭단계에서 사용된 가스와 동일하거나 다를 수 있다. 도 6은 제2반응성이온에칭단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
전술한 에칭 공정에서는 나노-스케일의 금속 오염이나 1nm 미만의 오염과 같은 최소한의 금속 오염이 발생하며, 추가로 나노-스케일의 MTJ 측벽손상층이 에칭 공정에서 형성될 수도 있다. 금속 오염 및 측벽 손상을 제거하기 위해 다음의 제1이온빔세정단계(S6)에서 샘플은 IBE챔버(11)로 들어가고 금속 오염은 제거되고 샘플 표면은 이온빔을 사용하여 처리된다. 빔 각도는 75°, 처리 시간은 120초, 샘플 스테이지의 회전 속도는 10rpm으로, 전술한 에칭 단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽손상층이 완전히 제거된다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 이온빔 세정에 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 등일 수 있다. 도 7은 제1이온빔세정단계 이후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
보호단계(S7)에서, 샘플은 코팅 보호를 위해 필름코팅챔버(12)로 들어가고, 5nm 두께의 실리콘 질화물 유전체박막(108)이 샘플의 상면 및 주변에 형성된다. 그 후 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 확실히, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 유전체박막의 재료는 또한 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물 또는 인접한 MTJ 디바이스의 분리를 실현할 수 있는 기타 유전체 재료일 수 있다. 유전체박막은 1nm 이상 500nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 두 개의 챔버에서 앞서 에칭한 후 디바이스의 측벽이 깨끗하고 완전한 분리가 실현된다. 보호단계는 후속 공정에서 대기에 노출될 때 디바이스를 손상으로부터 보호할 수 있으며 절연 및 디바이스 간의 완전한 절연을 구현할 수 있다. 도 8은 보호단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
마지막으로 샘플인출단계(S8)에서 샘플은 진공이송챔버(13)에서 진공전이챔버(14)를 통해 샘플로딩챔버(15)로 복귀한다.
도 9는 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법의 다른 실시 예의 흐름도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시 예와 전술한 실시 예의 차이점은 IBE단계(S4) 이후 및 제2반응성이온에칭단계(S5) 이전에 다음 단계를 더 포함한다는 점에 있다.
제2이온빔세정단계(S9)에서는 샘플이 IBE챔버(11)에 계속 머무르고 금속 잔류물을 제거하고 이온빔을 사용하여 샘플 표면을 처리하여 전술한 에칭 단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽손상층을 완전히 제거하여 도 10에 도시된 구조를 얻는다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 이온빔 세정에 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 등 일 수 있으며 사용된 각도는 바람직하게는 10° 내지 80° 범위이다. 이 단계에서 사용되는 가스 및 각도는 제1이온빔세정단계에서 사용된 것과 동일하거나 다를 수 있다.
유전체코팅단계(S10)에서 샘플은 필름코팅챔버로 들어가고, 3nm 두께의 실리콘-질화물 유전체박막(108)이 샘플의 상부 표면 및 주변에 형성되어 도 11에 도시된 구조를 얻는다. 그 후 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 확실히, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 유전체박막의 재료는 또한 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물 또는 인접한 MTJ 장치의 분리를 실현할 수 있는 기타 유전체 재료일 수 있다. 유전체 박막은 0.5nm 내지 50nm의 두께를 가질 수 있다.
유전체박막개방단계(S11)에서 샘플은 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)로 들어가고 반응성 이온 플라즈마를 사용하여 에칭되어 디바이스의 상부 및 하부에 있는 유전체박막을 개방하지만 일부는 장치 측벽에 상에 그대로 둔다. 그런 다음 에칭을 중지하여 도 12에 도시된 구조를 얻는다.
전술한 단계를 도입함으로써, 에칭된 구조는 후속 에칭 단계에 의해 야기되는 악영향으로부터 보호될 수 있고, 따라서 디바이스 성능을 더욱 개선시킬 수 있다. 또한 MTJ 측벽의 일부를 유전체 박막으로 보호한 후 더 많은 반응성 가스를 사용하여 남은 MTJ를 에칭할 수 있으므로 화학 반응의 메커니즘에 의해 필름의 일부를 에칭하여 물리적 에칭으로 인한 측벽에 대한 금속 오염을 감소시키고 및 에칭 효율을 더욱 개선시킨다. 더욱이, 본 발명은 MTJ 코어층의 플라즈마에 대한 노출을 최소화하여 MTJ에 대한 플라즈마의 자기 손상을 줄이고 수율을 개선한다.
이상에서는 본 발명의 반도체 디바이스 제조 방법의 구체적인 구현을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 단계의 특정 구현은 조건에 따라 서로 다를 수 있다. 또한 일부 단계의 순서를 변경할 수 있으며 일부 단계는 생략할 수 있다. 자유층이 절연층 아래에 있고 고정층이 절연층 위에 있는 MTJ의 경우, 이에 대응하여 IBE단계에서 절연층의 하부전극금속층 부근에서 에칭이 중지된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 보호 범위는 이에 제한되지 않는다. 본 발명의 기술적 범위 내에서 당업자에 의해 쉽게 구상되는 변경 또는 대체는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.

Claims (8)

  1. 샘플로딩챔버, 진공전이챔버, 반응성이온플라즈마에칭챔버, 이온빔에칭(이하 IBE)챔버, 필름코팅챔버 및 진공이송챔버를 포함하는 에칭 장치를 사용하되, 상기 진공전이챔버는 개별적으로 연결 가능한 방식으로 상기 샘플로딩챔버와 상기 진공이송챔버에 연결되고,
    상기 반응성이온플라즈마에칭챔버, 상기 IBE챔버 및 상기 필름코팅챔버는 연결 가능한 방식으로 상기 진공이송챔버에 개별적으로 연결되는 반도체 디바이스 제조 방법에 있어서,
    에칭될 구조를 형성하고 반도체 기판에 하부전극금속층, 자기터널접합(이하 MTJ), 캡층 및 마스크층을 포함하되, 상기 MTJ는 고정층, 절연층 및 자유층을 포함하는 샘플준비단계;
    샘플을 상기 샘플로딩챔버에 로딩하고,
    상기 샘플은 상기 진공전이챔버를 통해 상기 진공이송챔버로 들어가는 샘플로딩단계;
    상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 들어가고,
    반응성 이온 에칭에 의해 상기 샘플을 에칭하고,
    상기 절연층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1반응성이온에칭단계;
    상기 샘플을 상기 진공이송챔버에서 상기 IBE챔버로 이송하고,
    IBE를 사용하여 상기 샘플을 상기 고정층 속으로 에칭하고,
    상기 하부전극금속층 부근에서 에칭을 중지하는 IBE단계;
    상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 들어가고,
    반응성 이온 에칭에 의해 상기 샘플을 연속적으로 에칭하고,
    상기 하부전극금속층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2반응성이온에칭단계;
    상기 샘플이 상기 IBE챔버에 들어가고 금속 잔류물을 제거하고 샘플 표면을 처리하여 전술한 에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽손상 층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1이온빔세정단계;
    상기 샘플이 상기 필름코팅챔버에 진입하여 에칭 과정을 거친 상기 샘플의 상면 및 주위에 유전체박막을 형성한 후 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀되는 보호단계; 및
    상기 샘플이 상기 진공이송챔버에서 상기 진공전이챔버를 통해 상기 샘플로딩챔버로 복귀하는 샘플인출단계를 포함하는 반도체 디바이스 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 IBE단계 이후 및 상기 제2반응성이온에칭단계 이전에,
    상기 샘플이 상기IBE챔버에 지속적으로 머무르며, 이온빔을 이용하여 금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 상기 에칭단계에서 형성된 상기 금속 오염 및 상기 측벽손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2이온빔세정단계;
    상기 샘플이 상기 필름코팅챔버로 들어가 상기 샘플의 상부 표면 및 주위에 유전체 박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 유전체코팅단계; 및
    상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버로 들어가 반응성 이온 플라즈마를 사용하여 상기 샘플을 에칭하여 상기 디바이스의 상단 및 하단 부분에 있는 유전체 박막을 개방하고 상기 디바이스 측벽에 일부를 남겨 두고 에칭을 중지하는 유전체박막개방단계를 더 포함하는 반도체 디바이스 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 MTJ는 상기 고정층이 상기 절연층의 위 또는 아래에 있는 구조를 갖는
    반도체 디바이스 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 MTJ에 단일 또는 다중 분리층이 존재하는
    반도체 디바이스 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 또는 이들의 조합을 포함하는 반도체 디바이스 제조 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 IBE챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 또는 이들의 조합을 포함하는 반도체 디바이스 제조 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체 박막은 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물, 또는 이들의 조합인 반도체 디바이스 제조 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유전체코팅단계에서 상기 유전체박막은 0.5nm 내지 50nm의 두께를 갖는 반도체 디바이스 제조 방법.

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