KR20210082499A - 다층 자기터널접합 에칭 방법 및 mram 디바이스 - Google Patents
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Abstract
다층 자기터널접합 에칭 방법 및 MRAM 장치. 웨이퍼는 진공을 중단하지 않고 특정 단계에 따라 처리된다. 반응성이온플라즈마에칭챔버(10) 및 이온빔에칭챔버(11)는 적어도 한 번 별도로 사용된다. 다층 자기터널접합이 처리는 항상 진공 환경에서 처리되므로 에칭에 대한 외부 환경의 영향을 받지 않는다.
에칭과 세정을 결합하는 과정을 통해 디바이스 구조가 양호한 경사도를 유지하고 자기터널접합 필름 구조의 금속 오염 및 손상이 크게 감소하여 디바이스의 성능과 신뢰성이 크게 향상된다. 또한 이온빔에칭챔버(11)와 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)를 모두 사용함으로써 기존 단일 에칭 방식의 기술적 문제를 해결하고 생산 효율과 식각 공정 정밀도를 높일 수 있다.
에칭과 세정을 결합하는 과정을 통해 디바이스 구조가 양호한 경사도를 유지하고 자기터널접합 필름 구조의 금속 오염 및 손상이 크게 감소하여 디바이스의 성능과 신뢰성이 크게 향상된다. 또한 이온빔에칭챔버(11)와 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)를 모두 사용함으로써 기존 단일 에칭 방식의 기술적 문제를 해결하고 생산 효율과 식각 공정 정밀도를 높일 수 있다.
Description
본 발명은 반도체 기술 분야에 관한 것으로, 특히 다층 자기터널접합(MTJ) 에칭 방법 및 자기랜덤액세스메모리(MRAM) 디바이스에 관한 것이다.
자기메모리는 컴퓨터 아키텍처의 중요한 부분이며 컴퓨터의 속도, 통합 및 전력소비에 결정적인 영향을 미친다. 그러나 기존 메모리로는 다양한 성능지표를 달성하기가 어렵다. 예를 들어, 하드디스크의 저장용량은 높지만(최대 1.3Tb/ in2에 도달할 수 있음) 액세스 속도가 다소 느리다(마이크로 초).
반대로 캐시는 속도가 빠르지만 통합이 낮다. 다양한 메모리를 최대한 활용하기 위해 일반적인 컴퓨터 저장시스템은 계층 구조를 사용한다. 한편, 자주 사용되는 명령과 데이터는 중앙처리장치와 신속하게 상호작용할 수 있도록 캐시와 메인 메모리에 저장된다. 반면에 자주 사용하지 않는 많은 시스템 프로그램과 파일은 고밀도 하드디스크(HDD 또는 SSD)에 저장된다.
이러한 계층 구조를 사용함으로써 저장시스템은 고속 및 고용량의 장점을 결합한다. 그러나 반도체 공정의 피처 크기가 더욱 감소함에 따라 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정을 기반으로 하는 기존 캐시 및 메인 메모리는 성능 병목현상에 부딪혔다.
소비전력 측면에서 CMOS 트랜지스터의 누설전류는 공정 크기가 작아 질수록 증가하기 때문에 SRAM 및 DRAM의 정적 소비전력이 증가한다. 속도와 관련하여 프로세서와 메모리 간의 상호연결 지연은 시스템의 주요 주파수를 제한한다. 이 문제를 해결하는 효과적인 방법은 시스템이 절전 모드에서 작동할 수 있지만 데이터가 손실되지 않도록 비휘발성 캐시와 주 메모리를 구성하여 누설전류와 정적 전력소비를 제거하는 것이다.
또한, 비휘발성 메모리는 백-오브-엔드-라인(back-of-end-line) 기법을 통해 CMOS 회로에 직접 통합되어 상호연결 지연을 줄일 수 있다. STT-MRAM은 속도, 면적, 쓰기 시간 및 전력소비 측면에서 좋은 절충안을 달성할 수 있으므로 업계에서 차세대 비휘발성 캐시 및 메인 메모리를 구축하는 데 이상적인 디바이스로 간주된다.
MTJ의 코어 부분은 두 개의 강자성 금속층 사이에 터널링 장벽층을 끼워서 형성된 샌드위치 구조입니다. 강자성층 중 하나는 기준층 또는 고정층이라고 하며 자화는 용이축 방향을 따라 고정된다. 다른 강자성 층은 자유층이라고 하며, 그 자화는 고정층과 평행하거나 역평행하는 두 개의 안정된 방향을 갖는다. 따라서 MTJ는 낮은 저항 상태 또는 높은 저항 상태로 만들어 진다. 이 현상을 터널자기저항(TMR)이라고 하며, 이 두 저항 상태는 이진 데이터에서 "0"과 "1"을 사용하여 각각 표현될 수 있다.
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.
MTJ 장치의 크기가 점점 더 작아짐에 따라 MTJ 필름과 마스크는 두께가 끝없이 압축될 수 없다. 두께가 30nm 이하인 MTJ 장치는 일반적으로 2 : 1 이상의 종횡비(height-to-width ratio)를 가지며 MTJ의 크기가 작을수록 종횡비가 높아진다. 이 종횡비에서는 자주 사용되는 각도에서 MTJ 바닥까지 IBE를 수행할 수 없으므로 MTJ 장치 분리 요구사항을 충족하지 못하여 패터닝이 실패한다. 또한 IBE 시간이 상대적으로 길기 때문에 각 장치의 수율이 제한된다.
본 발명은 에칭과 세정을 결합하는 과정을 통해 디바이스 구조는 양호한 경사도를 유지하고 금속 오염과 MTJ 필름 구조의 손상을 크게 줄여 디바이스의 성능과 신뢰성을 크게 개선시키기 위한 것이다. 또한 IBE챔버와 반응성이온플라즈마에칭챔버를 모두 사용하여 기존 단일 에칭 방식의 기술적 문제를 해결하고 생산효율과 에칭 공정 정밀도를 개선시키기 위한 것이다.
전술한 문제를 해결하기 위해 본 발명은 샘플로딩챔버, 진공전이챔버, 반응성이온플라즈마에칭챔버, IBE챔버, 필름코팅챔버, 및 진공이송챔버를 포함하는 에칭 장치를 사용하는 다층 MTJ 에칭 방법을 개시하며, 여기서 상기 진공전이챔버는 연결 가능한 방식으로 개별적으로 상기 샘플로딩챔버와 상기 진공이송챔버에 연결되며, 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버, 상기 IBE챔버 및 상기 필름코팅챔버는 연결 가능한 방식으로 상기 진공이송챔버에 개별적으로 연결되고, 진공을 중단하지 않고 샘플을 처리하며, 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버와 상기 IBE챔버는 적어도 한 번은 별도로 사용된다. 상기 방법은: 상기 샘플을 상기 샘플로딩챔버에 로딩하고, 상기 샘플은 상기 진공전이챔버를 통해 진공이송챔버로 들어가며, 상기 샘플이 반도체 기판 상에 형성되고 하부전극, MTJ, 캡층 및 마스크층을 포함하고; 상기 MTJ는 핀고정층, 절연층 및 자유층을 포함하고; 복수의 절연층과 자유층이 있는, 샘플준비단계 및 샘플로딩단계; 상기 샘플은 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버로 들어가고, 상기 캡층 및 상기 자유층에 대한 에칭을 완료하고 제1절연층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1에칭단계; 상기 샘플이 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 들어가고, 금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 제1에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1세정단계; 상기 샘플이 상기 필름코팅챔버에 들어가고, 상기 샘플의 상부 표면 및 주변에 제1유전체박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1유전체코팅단계; 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고, 상기 디바이스의 상부 및 하부 부분에 있는 상기 제1유전체박막을 개방하되 상기 디바이스 측벽에 일부를 남겨두고 에칭을 중지하며, 그 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하고, 각 에칭은 최하부 절연층이 될 때 다음 절연층에서 중지되는 상기 단계를 반복하는 제1유전체박막개방단계; 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고, 상기 샘플을 에칭하고, 하부전극금속층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 최종에칭단계; 상기 샘플은 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 진입하여 금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 상기 최종에칭단계에서 형성된 상기 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 최종세정단계; 상기 샘플은 코팅 보호를 위해 상기 필름코팅챔버로 진입하여 상기 샘플의 상기 상부 표면 및 주위에 최종 유전체박막을 형성한 다음, 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 최종유전체코팅단계; 및 상기 샘플이 상기 진공이송챔버에서 상기 진공전이챔버를 통해 상기 샘플로딩챔버로 복귀하는 샘플인출단계를 포함한다.
본 발명의 다층 MTJ 에칭 방법에서, 바람직하게는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 에칭 또는 세정 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올, 또는 이들의 조합이며, 서로 다른 단계에서 사용되는 가스, 전력, 기류 및 압력은 동일하거나 다르다.
본 발명의 다층 MTJ 에칭 방법에서, 바람직하게는 상기 IBE챔버의 에칭 또는 세정 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 또는 이들의 조합이며, 서로 다른 단계에서 사용되는 가스, 이온빔 각도, 이온빔 에너지 및 이온빔 밀도는 동일하거나 다르다.
본 발명의 다층MTJ에칭방법에서, 바람직하게는, 상기 제1유전체박막과 상기 최종유전체박막의 재료는 동일하거나 상이하며, 상기 제1유전체박막 또는 상기 최종유전체박막의 재료는 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 조합이며, 상기 제1유전체박막의 재료는 서로 다른 제1유전체코팅단계에서 동일하거나 다르다.
제1항에 따른 다층MTJ에칭방법을 사용하여 제조된 다층MTJ를 포함하는 MRAM 장치가 제공되며, 여기서 상기 다층MTJ에서 각각의 절연층 및 절연층 위의 자유층은 계단형 구조를 나타낸다.
샘플로딩챔버, 진공전이챔버, 반응성이온플라즈마에칭챔버, IBE챔버, 필름코팅챔버 및 진공이송챔버를 포함하는 에칭 장치를 사용하는 다층MTJ에칭방법이 더 제공되며, 상기 진공전이챔버는 연결 가능한 방식으로 개별적으로 상기 샘플로딩챔버와 상기 진공이송챔버에 연결되며, 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버, 상기 IBE챔버 및 상기 필름코팅챔버는 연결 가능한 방식으로 상기 진공이송챔버에 개별적으로 연결되고, 샘플은 진공을 중단하지 않고 처리되며, 및 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버와 상기 IBE챔버는 적어도 한 번은 별도로 사용된다. 상기 방법은: 상기 샘플을 상기 샘플로딩챔버에 로딩하고, 상기 샘플은 상기 진공전이챔버를 통해 상기 진공이송챔버로 들어가고, 상기 샘플은 반도체 기판 상에 형성되고 하부전극, MTJ, 캡층 및 마스크층을 포함하고, 상기 MTJ는 고정층, 분리층 및 자유층을 포함하고, 그리고 다중 절연층과 자유층이 있는 샘플로딩단계; 상기 샘플이 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버로 들어가고, 상기 샘플을 에칭하고, 특정 절연층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1에칭단계; 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고, 금속 잔류물을 제거하고 샘플 표면을 처리하여 상기 제1에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거된 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1세정단계; 상기 샘플이 상기 필름코팅챔버에 들어가고, 상기 샘플의 상부 표면 및 주위에 제1유전체박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1유전체코팅단계; 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고, 상기 디바이스의 상부 및 하부 부분에 있는 상기 제1유전체박막을 개방하되 상기 디바이스 측벽에 일부를 남겨두고 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1유전체박막개방단계; 상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고, 상기 샘플의 나머지 층을 에칭하고, 하부전극금속층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2에칭단계; 상기 샘플이 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버로 들어가고, 금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 상기 제2에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2세정단계; 상기 샘플이 코팅 보호를 위해 상기 필름코팅챔버로 들어가고, 상기 샘플의 상기 상부 표면 및 주위에 제2유전체박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2유전체코팅단계; 및 상기 샘플이 상기 진공이송챔버에서 상기 진공전이챔버를 통해 상기 샘플로딩챔버로 복귀하는 샘플인출단계를 포함한다.
본 발명의 다층 MTJ 에칭 방법에서, 바람직하게는 상기 IBE챔버의 에칭 또는 세정 각도는 이온빔과 샘플 스테이지의 법선면 사이에 포함된 각도인 10° 내지 80° 범위이다.
본 발명의 다층 MTJ 에칭 방법에서, 상기 제1유전체박막의 두께는 0.5nm 내지 5nm이고, 상기 제2유전체박막의 두께는 1nm 내지 500nm이다.
본 발명의 다층 MTJ 식각 방법에서, 0.1nm 내지 10.0nm의 두께를 갖는 상기 MTJ 측벽은 상기 제1세정단계 및 상기 제2세정단계에서 개별적으로 제거된다.
제6항에 따른 다층 MTJ 에칭 방법을 사용하여 제조된 다층 MTJ를 포함하는 MRAM 디바이스가 제공되며, 여기서 상기 제1에칭단계에서 에칭이 중단되는 절연층 및 상기 다층 MTJ에서 상기 절연층 위의 자유층은 계단과 같은 구조를 나타낸다.
본 발명에서, 다층 MTJ의 처리는 항상 진공 환경에 있으므로 에칭에 대한 외부 환경의 영향을 피할 수 있다. 에칭과 세정을 결합하는 과정을 통해 디바이스 구조는 양호한 경사도를 유지하고 금속 오염과 MTJ 필름 구조의 손상을 크게 줄여 디바이스의 성능과 신뢰성을 크게 개선시킨다. 또한 IBE챔버와 반응성이온플라즈마에칭챔버를 모두 사용하여 기존 단일 에칭 방식의 기술적 문제를 해결하고 생산효율과 에칭 공정 정밀도를 개선시킨다.
도 1은 본 발명의 MTJ 에칭 방법에 사용되는 에칭 디바이스의 기능 블록도이며,
도 2는 다층 MTJ를 포함하는 샘플의 개략적인 구조 다이어그램이고,
도 3은 MTJ 에칭 방법의 실시 예의 흐름도이며,
도 4는 제1절연층까지 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 5는 제1유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 6은 제2절연층까지 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 7은 제1유전체코팅단계의 반복 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 8은 최하부 절연층까지 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 9는 하부전극금속층을 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 10은 최종유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 11은 MTJ 에칭 방법의 다른 실시 예의 흐름도이며,
도 12는 제1세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 13은 제1유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 14는 제1유전체박막개방단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 15는 제2세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며, 그리고
도 16은 제2유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
도 2는 다층 MTJ를 포함하는 샘플의 개략적인 구조 다이어그램이고,
도 3은 MTJ 에칭 방법의 실시 예의 흐름도이며,
도 4는 제1절연층까지 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 5는 제1유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 6은 제2절연층까지 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 7은 제1유전체코팅단계의 반복 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 8은 최하부 절연층까지 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 9는 하부전극금속층을 에칭하고 세정한 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 10은 최종유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 11은 MTJ 에칭 방법의 다른 실시 예의 흐름도이며,
도 12는 제1세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 13은 제1유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며,
도 14는 제1유전체박막개방단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이고,
도 15는 제2세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이며, 그리고
도 16은 제2유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
본 발명의 목적, 기술적 해결책 및 장점을 보다 명확하게 하기 위해, 본 발명의 실시 예에서의 기술적 해결책은 본 발명의 실시 예에서 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 아니라 일부이다. 본 발명의 설명된 실시 예에 기초하여, 당업자가 창의적인 노력없이 획득한 다른 실시 예는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다.
본 발명의 설명에서, 용어 "상부", "하부", "수직", "수평" 등으로 표시되는 방향 또는 위치 관계는 도시된 방향 또는 위치 관계를 기반으로 함을 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 않습니다.
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 재료 또는 미래에 개발될 유사한 기능을 가진 재료로 만들어 질 수 있다.
이하, 본 발명에서 MTJ 에칭 방법에 사용되는 디바이스를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 MTJ 에칭 방법에 사용되는 에칭 디바이스의 기능 블록도이다. 도1에 도시된 바와 같이, 에칭 디바이스는 반응성이온플라즈마에칭챔버(10), IBE챔버(11), 필름코팅챔버(12), 진공이송챔버(13), 진공전이챔버(14) 및 샘플로딩챔버(15)를 포함한다. 진공전이챔버(14)는 샘플로딩챔버(15) 및 진공이송챔버(13)에 개별적으로 연결 가능한 방식으로 연결된다. 반응성이온플라즈마에칭챔버(10), IBE챔버(11) 및 필름코팅챔버(12)는 연결 가능한 방식으로 진공이송챔버(13)에 개별적으로 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 디바이스는 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 디바이스에 포함된 다른 기능 유닛을 더 포함한다. 이러한 디바이스 구조는 모두 기존 기술을 사용하여 당업자에 의해 구현될 수 있다.
다층 MTJ를 에칭하기 전에, 에칭될 다층 MTJ를 포함하는 구조가 반도체 기판 상에 형성된다. 도 3은 에칭될 디바이스 및 다층 MTJ를 포함하는 개략적인 구조도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 에칭될 구조는 하부전극금속층(100), MTJ, 캡층(104) 및 하드마스크층(105)을 포함하고, 여기서 MTJ는 고정층(101), 절연층(102) 및 자유층(103)을 포함한다. 고정층(101) 상에 교대로 형성되는 다수의 절연층(102) 및 자유층(103)이 존재한다. 각 층의 두께와 재료 및 층의 수는 실제 요구사항에 따라 선택된다. 설명의 편의를 위해, 절연층(102)은 아래에서 제1절연층, 제2절연층, 및 제3절연층으로서 위로부터 아래로 설명된다.
도 2는 다층 MTJ 에칭 방법의 실시 예의 흐름도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 샘플로딩단계(S11)에서는 샘플이 샘플로딩챔버(15)에 로딩되고 진공전이챔버(14)를 통해 진공이송챔버(13)로 들어간다.
그 후, 제1에칭단계(S12)에서 샘플은 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)로 들어가 반응성 이온 플라즈마를 이용하여 에칭된다. 에칭은 제1절연층에서 중지된다. 이후, 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 등일 수 있다. 디바이스 절연을 실현하고 에칭 중에 디바이스에서 요구하는 경사도를 달성해야 한다.
1nm 미만의 오염과 같은 최소한의 금속 오염이 생성될 수 있으며 에칭 중에 MTJ 측벽에 나노-스케일 손상층이 형성될 수도 있다. 따라서, 후속적으로, 제1세척단계(S13)에서 샘플은 IBE챔버(11)로 들어가고 금속 잔류물이 제거되고 샘플 표면은 이온빔을 사용하여 처리된다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. IBE챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 등일 수 있다. IBE 각도는 바람직하게는 10° 내지 80° 범위이며, 이는 이온빔과 웨이퍼의 법선면 사이에 포함된 각이다. 바람직하게는 0.1nm 내지 10.0nm MTJ 측벽을 제거하여 제1에칭 단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거한다. 도 4는 제1세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
그 후, 제1유전체코팅단계(S14)에서, 샘플은 필름코팅챔버(12)로 들어가고, 제1유전체박막(106)이 전술한 에칭 공정을 거친 샘플의 상부 표면 및 주변에 형성된 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 도 5는 제1유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다. 코팅에 의해 형성된 제1유전체박막(106)은 인접한 MTJ 디바이스의 분리를 실현할 수 있는 유전체 물질로, 예를 들어 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물 등일 수 있다. 제1유전체박막은 0.5nm 초과 50nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 제1유전체코팅단계에 의해, 개방된 MTJ의 측벽은 후속 에칭 공정에서 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
그 다음, 제1유전체박막개방단계(S15)에서, 전술한 단계에서 필름 코팅된 샘플은 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)로 들어가고, 반응성 이온 플라즈마를 사용하여 제1유전체박막(106)을 에칭함으로써 디바이스의 상부 및 하부 부분 상의 제1유전체박막(106)이 에칭된다. MTJ 측벽에 형성된 제1유전체박막의 두께가 수평면에 형성된 제1유전체 박막의 두께보다 두껍기 때문에, 제1유전체박막(106)의 일부는 여전히 MTJ 측벽에 남아 있다.
샘플은 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)에 계속 머무르고, 반응성 이온 플라즈마를 이용하여 샘플을 에칭하기 위해 제1에칭단계(S12)를 반복하고, 제2절연층에서 에칭을 중지한다. 그 다음, 제1세정단계(S13)를 반복하여 금속 오염 및 측벽 손상을 제거하여 도 6에 도시된 구조를 획득한다. 제1유전체코팅단계(S14)를 반복하여 전술한 제2에칭 및 세정을 거친 구조 상에 제1유전체박막을 형성하여 도 7에 도시된 구조를 얻는다. 이후, 제1유전체박막개방단계(S15)가 연속적으로 수행된다. 에칭된 MTJ의 측벽에 유전체박막의 일부를 남김으로써, 개방된 MTJ의 측벽이 후속 에칭 공정에서 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다. 이후, 단계 S12 내지 S15를 반복하고 도 8에 도시된 바와 같이 최하부 절연층까지 에칭을 수행한다.
이어서, 최종에칭단계(S16)가 수행된다. MTJ는 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)에서 연속적으로 에칭되고, 하부전극금속층(100)에서 에칭이 중지된다. 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 등일 수 있다. 개방된 MTJ는 제1유전체박막(106)에 의해 보호되기 때문에, 후속 에칭에서 보호된 MTJ의 필름층에 대한 손상을 고려할 필요가 없으므로 사용되는 에칭 가스는 더 넓은 범위에서 선택될 수 있다.
이후 최종세정단계(S17)에서 샘플은 IBE챔버(11)로 들어가 금속 잔류물을 제거하고 이온빔을 사용하여 샘플 표면을 처리하여 전술한 에칭 단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층이 완전히 제거된다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. IBE 챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 등일 수 있다. IBE 각도는 바람직하게는 10° 내지 80° 범위이고, 바람직하게는 0.1nm 내지 10.0nm의 MTJ 측벽이 제거된다. 전술한 에칭 및 세척 단계 후에 디바이스 측벽은 깨끗하며 완전한 분리가 실현된다. 도 9는 최종세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
그 후, 최종유전체코팅단계(S18)에서, 샘플은 코팅 보호를 위해 필름코팅챔버(12)로 들어가고, 샘플의 상부 표면 및 주변에 최종유전체박막(107)이 형성된다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버로 복귀한다. 최종유전체박막의 재질은 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리성 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물 또는 인접한 MTJ 장치의 분리를 실현할 수 있는 기타 유전체 재료일 수 있다. 최종유전체박막은 1nm 이상 500nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 최종유전체코팅단계는 후속 공정에서 대기에 노출될 때 디바이스가 손상되는 것을 방지할 수 있으며 장치 간의 완전한 절연 및 분리를 구현할 수 있다. 도 10은 최종유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
마지막으로 샘플인출단계(S19)에서 샘플은 진공이송챔버(13)에서 진공전이챔버(14)를 통해 샘플로딩챔버 (15)로 복귀한다.
이상에서는 본 발명의 다층 MTJ 식각 방법의 구체적인 일 실시 예를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다층 MTJ 에칭 방법의 다른 실시 예에서, 제1에칭단계, 최종에칭단계 및 제1유전체박막개방단계는 또한 이온빔을 사용하여 에칭을 완료함으로써 IBE챔버에서 수행될 수 있다. 제1 및 최종 세정단계는 또한 반응성이온플라즈마를 사용하여 세정을 완료함으로써 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 수행될 수 있다. 즉, 각 에칭단계 및 각 세정단계는 선택에 의해 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 IBE챔버에서 수행될 수 있으며, 따라서 가능한 다중 기술 프로세스를 실현할 수 있다. 이러한 기술 프로세스는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다. 그러나, 생산 효율과 에칭 공정의 정밀도를 고려할 때, 본 발명은 모든 에칭 및 세정 단계가 동일한 챔버(IBE챔버 또는 반응성이온플라즈마에칭챔버)에서 수행되는 해결책을 채택하지 않는다. 다시 말하면, 본 발명의 MTJ 에칭 방법에서는 반응성이온플라즈마에칭챔버와 IBE챔버를 적어도 1회 이상 별도로 사용해야 한다.
또한, 단계의 특정 구현은 조건에 따라 서로 다를 수 있다. IBE챔버의 에칭 또는 세정 단계에서, 서로 다른 단계에서 사용되는 가스, 이온빔 각도, 이온빔 에너지 및 이온빔 밀도는 동일하거나 다를 수 있다. 반응성이온플라즈마에칭챔버의 에칭 또는 세정 단계에서, 상이한 단계에서 사용되는 가스, 전력, 기류 및 압력은 동일하거나 상이할 수 있다.
본 실시 예에서, MTJ의 처리는 항상 진공 환경에 있어서 에칭에 대한 외부 환경의 영향을 피한다. 또한, 절연층과 자유층은 모두 다른 단계에서 에칭, 세척 및 코팅 보호를 받음으로 금속 오염 및 MTJ 필름 구조의 손상을 크게 완화하고 디바이스 성능과 신뢰성을 크게 개선시킨다. 또한, IBE챔버와 반응성이온플라즈마에칭챔버를 모두 사용함으로써 종래 기술의 단일 에칭 방법으로 인한 문제를 해결하고 생산 효율 및 에칭 공정 정밀도를 개선시킨다.
또한, 다층MTJ에칭방법의 전술한 실시 예에 따라 형성된 MTJ에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 각각의 절연층(102) 및 절연층 위의 자유층(103)은 계단형 구조를 나타낸다. 따라서, 다층 MTJ를 포함하는 MRAM 디바이스도 이러한 특징을 갖는다.
도 11은 다층 MTJ 에칭 방법의 다른 실시 예의 흐름도이다. 이어서, 샘플로딩단계(S21)에서 샘플은 샘플로딩챔버(15)에 로딩되고, 진공전이챔버(14)를 통해 진공이송챔버(13)로 들어간다.
제1에칭단계(S22)에서, 샘플은 IBE챔버(11)로 들어가 이온빔을 사용하여 에칭된다. 에칭은 제2절연층에서 중지된 다음 샘플은 진공이송챔버로 복귀한다. IBE챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 등일 수 있다. IBE 각도는 바람직하게는 10° 내지 80° 범위이다.
그 다음, 제1세정단계(S23)에서, 샘플은 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)로 들어가고 반응성이온플라즈마를 사용하여 세정되어 금속 오염 및 측벽 손상을 제거한다. 얻어진 구조는 도 12에 도시되어 있다. 그 후, 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 바람직하게는 0.1nm 내지 10.0nm 두께의 MTJ 측벽이 제거되어 금속 오염 및 측벽 손상이 완전히 제거된다. 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 등일 수 있다.
그 후, 제1유전체코팅단계(S24)에서, 샘플은 필름코팅챔버(12)로 들어가고, 전술한 에칭 공정을 거친 샘플의 상부 표면 및 주변에 제1유전체박막(106)이 형성된다; 그 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. 도 13은 제1유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다. 코팅에 의해 형성된 제1유전체박막(106)은 인접한 MTJ 디바이스의 분리를 실현할 수 있는 유전체 물질로, 예를 들어 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물 등일 수 있다. 제1유전체박막은 0.5nm 초과 50nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 제1유전체코팅단계에 의해, 개방된 MTJ의 측벽은 후속 에칭 공정에서 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
그 다음, 제1유전체박막개방단계(S25)에서, 전술한 단계에서 필름코팅된 샘플이 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)로 들어가고, 반응성 이온 플라즈마를 사용하여 제1유전체 박막이 에칭되어, 디바이스의 상부 및 하부 부분에 있는 제1유전체박막이 에칭된다. MTJ 측벽에 형성된 제1유전체박막의 두께가 수평면에 형성된 제1유전체박막의 두께보다 두껍기 때문에, 제1유전체박막(106)의 일부는 여전히 MTJ 측벽에 남아있다. 제1유전체 박막의 에칭 종료점은 반응성이온에칭챔버에서 자동광학종료점검출기를 사용하여 정의된다. 도 14는 제1유전체박막개방단계 이후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
이어서, 제2에칭단계(S26)에서 다층 MTJ는 반응성이온플라즈마에칭챔버(10)에서 연속적으로 에칭되고, 에칭은 하부전극금속층(100)에서 중단된다. 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소- 기반 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올 등일 수 있다. 이 단계에서 사용되는 가스는 제1에칭단계에서 사용된 것과 동일하거나 다를 수 있다. 개방된 MTJ는 제1유전체박막(108)에 의해 보호되기 때문에, 후속 에칭에서 보호된 MTJ의 필름층에 대한 손상을 고려할 필요가 없으므로 사용되는 에칭 가스를 더 넓은 범위에서 선택할 수 있다.
그런 다음 제2세정단계(S27)에서 샘플은 IBE챔버(11)로 들어가고 금속 잔류물을 제거하고 이온빔을 사용하여 샘플 표면을 처리하여 전술한 에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층이 완전히 제거된다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버(13)로 복귀한다. IBE챔버에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 등일 수 있다. IBE 각도는 바람직하게는 10° 내지 80° 범위이고, 바람직하게는 0.1nm 내지 10.0nm의 MTJ 측벽이 제거된다. 전술한 에칭 및 세척 단계 후에, 장치 측벽은 깨끗하고 완전한 분리가 실현된다. 도 15는 제2세정단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
그 후, 제2유전체코팅단계(S28)에서, 샘플은 코팅 보호를 위해 필름코팅챔버(12)로 들어가고, 샘플의 상면 및 주변에 제2유전체박막(107)이 형성된다. 그런 다음 샘플은 진공이송챔버로 복귀한다. 제2유전체 박막의 재료는 IV족 산화물, IV족 질화물, IV족 질소 산화물, 전이금속 산화물, 전이금속 질화물, 전이금속 질소 산화물, 알칼리성 토금속 산화물, 알칼리 토금속 질화물, 알칼리 토금속 질소 산화물 또는 인접한 MTJ 장치의 분리를 실현할 수 있는 기타 유전체 재료일 수 있다. 제2유전체박막은 1nm 이상 500nm 미만의 두께를 가질 수 있다. 제2유전체코팅단계는 후속 공정에서 대기에 노출될 때 디바이스가 손상되는 것을 방지할 수 있으며, 디바이스 간의 완전한 절연 및 분리를 구현할 수 있다. 도 16은 제2유전체코팅단계 후에 형성된 디바이스의 개략적인 구조도이다.
마지막으로 샘플인출단계(S29)에서 샘플은 진공이송챔버(13)에서 진공전이챔버(14)를 통해 샘플로딩챔버(15)로 복귀한다.
이상에서는 본 발명의 다층 MTJ 에칭 방법의 구체적인 일 실시 예를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 다층 MTJ 에칭 방법의 다른 실시 예에서, 제1에칭단계는 또한 제1절연층, 제3절연층, 제4절연층 등과 같은 임의의 다른 절연층에서 중지될 수 있다. 또한, 제1에칭 단계는 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 수행될 수도 있고, 제2에칭단계는 IBE챔버에서도 수행될 수 있다. 즉, 각 에칭단계 및 각 세정단계는 선택에 의해 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 IBE챔버에서 수행될 수 있으며, 따라서 복수의 가능한 기술 프로세스를 실현할 수 있다. 이러한 기술 프로세스는 모두 본 발명의 보호 범위에 속한다. 그러나, 생산 효율과 에칭 공정의 정밀도를 고려할 때, 본 발명은 모든 에칭 및 세정 단계가 동일한 챔버(IBE챔버 또는 반응성이온플라즈마에칭챔버)에서 수행되는 해결책을 채택하지 않는다. 즉, 본 발명의 다층 MTJ 식각 방법에서는 반응성이온플라즈마식각챔버와 IBE챔버를 적어도 1회 이상 별도로 사용해야 한다. 또한, 단계의 특정 구현은 조건에 따라 서로 다를 수 있다. IBE챔버의 에칭 또는 세정 단계에서, 서로 다른 단계에서 사용되는 가스, 이온빔 각도, 이온빔 에너지 및 이온빔 밀도는 동일하거나 다를 수 있다. 반응성이온플라즈마에칭챔버의 에칭 또는 세정 단계에서, 서로 다른 단계에서 사용되는 가스, 전력, 기류 및 압력은 동일하거나 다를 수 있다.
본 실시 예에서, 다층 MTJ의 처리는 항상 진공 환경에 있어서 에칭에 대한 외부 환경의 영향을 피한다. 에칭과 세정을 결합하는 과정을 통해 디바이스 구조는 양호한 경사도를 유지하고 금속 오염과 MTJ 필름구조의 손상을 크게 줄여 디바이스의 성능과 신뢰성을 크게 개선시킨다. 또한 IBE챔버와 반응성이온플라즈마에칭챔버를 모두 사용하여 기존 단일 에칭 방식의 기술적 문제를 해결하고 생산 효율과 에칭 공정 정밀도를 개선시킨다.
또한, 다층 MTJ 에칭 방법의 전술한 실시 예에 따라 형성된 MTJ에서, 도 16에 도시된 바와 같이, 제2절연층(102) 및 제2절연층 위의 자유층(103)은 계단형 구조를 나타낸다. 따라서, 다층 MTJ를 포함하는 MRAM 장치도 이러한 특징을 갖는다. 물론, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 제1에칭단계가 다른 절연층, 예를 들어 제3절연층 또는 제4절연층에서 중단될 때, 이 절연층과 그 위의 자유층은 함께 계단형 구조를 나타낸다.
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 (10)
- 샘플로딩챔버, 진공전이챔버, 반응성이온플라즈마에칭챔버, IBE챔버, 필름코팅챔버, 및 진공이송챔버를 포함하는 에칭 장치를 사용하는 다층 자기터널접합(이하 MTJ) 에칭 방법에 있어서,
상기 진공전이챔버는 연결 가능한 방식으로 개별적으로 상기 샘플로딩챔버와 상기 진공이송챔버에 연결되며,
상기 반응성이온플라즈마에칭챔버, 상기 IBE챔버 및 상기 필름코팅챔버는 연결 가능한 방식으로 상기 진공이송챔버에 개별적으로 연결되고, 진공을 중단하지 않고 샘플을 처리하며,
상기 반응성이온플라즈마에칭챔버와 상기 IBE챔버는 적어도 한 번은 별도로 사용되고,
상기 방법은:
상기 샘플을 상기 샘플로딩챔버에 로딩하고,
상기 샘플은 상기 진공전이챔버를 통해 진공이송챔버로 들어가며,
상기 샘플이 반도체 기판 상에 형성되고 하부전극, MTJ, 캡층 및 마스크층을 포함하고;
상기 MTJ는 핀고정층, 절연층 및 자유층을 포함하고;
복수의 절연층과 자유층이 있는, 샘플준비단계 및 샘플로딩단계;
상기 샘플은 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버로 들어가고,
상기 캡층 및 상기 자유층에 대한 에칭을 완료하고 제1절연층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1에칭단계;
상기 샘플이 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 들어가고,
금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 제1에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플이 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1세정단계;
상기 샘플이 상기 필름코팅챔버에 들어가고,
상기 샘플의 상부 표면 및 주변에 제1유전체박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1유전체코팅단계;
상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고,
상기 디바이스의 상부 및 하부 부분에 있는 상기 제1유전체박막을 개방하되 상기 디바이스 측벽에 일부를 남겨두고 에칭을 중지하며,
그 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하고,
각 에칭은 최하부 절연층이 될 때 다음 절연층에서 중지되는 상기 단계를 반복하는 제1유전체박막개방단계;
각각의 에칭이 최하부 절연층까지 다음 절연층에서 중지되는 상기 단계를 반복하는 단계;
상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고, 상기 샘플을 에칭하고, 하부전극금속층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 최종에칭단계;
상기 샘플은 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에 진입하여 금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 상기 최종에칭단계에서 형성된 상기 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 최종세정단계;
상기 샘플은 코팅 보호를 위해 상기 필름코팅챔버로 진입하여 상기 샘플의 상기 상부 표면 및 주위에 최종 유전체박막을 형성한 다음, 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 최종유전체코팅단계; 및
상기 샘플이 상기 진공이송챔버에서 상기 진공전이챔버를 통해 상기 샘플로딩챔버로 복귀하는 샘플인출단계를 포함하는 다층 MTJ 에칭 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 반응성이온플라즈마에칭챔버에서 에칭 또는 세정 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소, 불소계 가스, NH3, 아미노 가스, CO, CO2, 알코올, 또는 이들의 조합이며,
서로 다른 단계에서 사용되는 가스, 전력, 기류 및 압력은 동일하거나 다른 다층 MTJ 에칭 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 IBE챔버의 에칭 또는 세정 단계에서 사용되는 가스는 불활성 가스, 질소, 산소 또는 이들의 조합이며,
서로 다른 단계에서 사용되는 가스, 이온빔 각도, 이온빔 에너지 및 이온빔 밀도는 동일하거나 다른 다층 MTJ 에칭 방법.
- 제1항에 있어서,
상기 제1유전체박막과 상기 최종유전체박막의 재료는 동일하거나 다르며, 상기 제1유전체박막 또는 상기 최종유전체박막의 재료는 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 조합이며,
상기 제1유전체박막의 재료는 서로 다른 제1유전체코팅단계에서 동일하거나 다른 다층 MTJ 에칭 방법.
- 제1항에 따른 다층MTJ에칭방법을 사용하여 제조된 다층MTJ를 포함하는 MRAM 디바이스에 있어서,
상기 다층MTJ에서 각각의 절연층 및 절연층 위의 자유층은 계단형 구조를 나타내는 MRAM 디바이스.
- 샘플로딩챔버, 진공전이챔버, 반응성이온플라즈마에칭챔버, IBE챔버, 필름코팅챔버 및 진공이송챔버를 포함하는 에칭 장치를 포함하는 다층 자기터널접합(이하 MTJ) 에칭 방법에 있어서,
상기 진공전이챔버는 연결 가능한 방식으로 개별적으로 상기 샘플로딩챔버와 상기 진공이송챔버에 연결되며,
상기 반응성이온플라즈마에칭챔버, 상기 IBE챔버 및 상기 필름코팅챔버는 연결 가능한 방식으로 상기 진공이송챔버에 개별적으로 연결되고,
샘플은 진공을 중단하지 않고 처리되며, 및 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버와 상기 IBE챔버는 적어도 한 번은 별도로 사용되며,
상기 방법은:
상기 샘플을 상기 샘플로딩챔버에 로딩하고,
상기 샘플은 상기 진공전이챔버를 통해 상기 진공이송챔버로 들어가고,
상기 샘플은 반도체 기판 상에 형성되고 하부전극, MTJ, 캡층 및 마스크층을 포함하고,
상기 MTJ는 고정층, 분리층 및 자유층을 포함하고, 그리고 다중 절연층과 자유층이 있는 샘플로딩단계;
상기 샘플이 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버로 들어가고, 상기 샘플을 에칭하고, 특정 절연층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1에칭단계;
상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고, 금속 잔류물을 제거하고 샘플 표면을 처리하여 상기 제1에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거된 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1세정단계;
상기 샘플이 상기 필름코팅챔버에 들어가고,
상기 샘플의 상부 표면 및 주위에 제1유전체박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1유전체코팅단계;
상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고,
상기 디바이스의 상부 및 하부 부분에 있는 상기 제1유전체박막을 개방하되 상기 디바이스 측벽에 일부를 남겨두고 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제1유전체박막개방단계;
상기 샘플이 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버 또는 상기 IBE챔버에 들어가고,
상기 샘플의 나머지 층을 에칭하고, 하부전극금속층에서 에칭을 중지한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2에칭단계;
상기 샘플이 상기 IBE챔버 또는 상기 반응성이온플라즈마에칭챔버로 들어가고, 금속 잔류물을 제거하고 상기 샘플 표면을 처리하여 상기 제2에칭단계에서 형성된 금속 오염 및 측벽 손상층을 완전히 제거한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2세정단계;
상기 샘플이 코팅 보호를 위해 상기 필름코팅챔버로 들어가고,
상기 샘플의 상기 상부 표면 및 주위에 제2유전체박막을 형성한 다음 상기 샘플은 상기 진공이송챔버로 복귀하는 제2유전체코팅단계; 및
상기 샘플이 상기 진공이송챔버에서 상기 진공전이챔버를 통해 상기 샘플로딩챔버로 복귀하는 샘플인출단계를 포함하는 다층 자기터널접합(이하 MTJ) 에칭 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 IBE챔버의 에칭 또는 세정 각도는 이온빔과 샘플 스테이지의 법선면 사이에 포함된 각도인 10° 내지 80° 범위인 다층 MTJ 에칭 방법.
- 제6항에 있어서,
상기 제1유전체박막의 두께는 0.5nm 내지 5nm이고, 상기 제2유전체박막의 두께는 1nm 내지 500nm인 다층 MTJ 에칭 방법.
- 제6항에 있어서,
0.1nm 내지 10.0nm의 두께를 갖는 상기 MTJ 측벽은 상기 제1세정단계 및 상기 제2세정단계에서 개별적으로 제거되는 다층 MTJ 에칭 방법.
- 제6항에 따른 다층 MTJ 에칭 방법을 사용하여 제조된 다층 MTJ를 포함하는 MRAM 디바이스에 있어서,
상기 제1에칭단계에서 에칭이 중단되는 절연층 및 상기 다층 MTJ에서 상기 절연층 위의 자유층은 계단과 같은 구조를 나타내는 MRAM 디바이스.
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| KR20230174084A (ko) | 2022-06-20 | 2023-12-27 | 한국과학기술원 | 반대 상태를 가지는 한 쌍의 자기 터널 접합을 구비한 mram 셀, 및 그를 이용한 메모리 장치 |
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