KR100546116B1

KR100546116B1 - Formation method of magnetic ram

Info

Publication number: KR100546116B1
Application number: KR1020020087082A
Authority: KR
Inventors: 이계남; 장인우; 박영진
Original assignee: 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2002-12-30
Filing date: 2002-12-30
Publication date: 2006-01-24
Also published as: KR20040060312A

Abstract

본 발명은 마그네틱 램(magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함)의 형성방법에 관한 것으로, MRAM 의 제조 공정시 MTJ 셀 및 연결층의 특성 및 신뢰성을 향상시키기 위하여, The present invention relates to a method of forming a magnetic RAM (hereinafter referred to as MRAM), in order to improve the characteristics and reliability of the MTJ cell and the connection layer in the manufacturing process of the MRAM,

하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층 상에 MTJ 물질층인 고정자화층, 터널장벽층, 자유자화층 및 제1하드마스크층을 형성하고, MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제1하드마스크층과 자유자화층을 식각한 다음, 상기 자유자화층의 표면 및 노출된 터널 장벽층의 표면을 산화시켜 산화막을 형성하고 전체표면상부에 제2하드마스크층을 형성한 다음, 연결층 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제2하드마스크층, 산화막, 터널장벽층, 고정자화층 및 연결층용 금속층을 식각함으로써 식각공정시 유발될 수 있는 금속성 폴리머나 식각잔류물에 의한 소자의 전기적 특성 열화를 방지하고 그에 따른 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 기술이다. An MTJ material layer, a stator magnetization layer, a tunnel barrier layer, a free magnetization layer, and a first hard mask layer are formed on the metal layer for the connection layer connected to the semiconductor substrate through the lower insulating layer. After etching the first hard mask layer and the free magnetization layer, the surface of the free magnetization layer and the exposed tunnel barrier layer are oxidized to form an oxide film, and a second hard mask layer is formed on the entire surface. Electrical characteristics of devices due to metallic polymers or etching residues that may be caused during etching by etching the second hard mask layer, oxide layer, tunnel barrier layer, stator magnetization layer and connection layer metal layer by a photolithography process using a layer mask. It is a technology that can prevent deterioration and thereby improve the characteristics and reliability of the device.

Description

A method for manufacturing of a Magnetic random access memory

도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도.1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of forming a magnetic ram according to the prior art.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도. 2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of forming a magnetic ram according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for main parts of the drawings>

11,41 : 반도체기판 13,43 : 연결층용 금속층11,41: semiconductor substrate 13,43: metal layer for connection layer

15,45 : 고정자화층 17,47 : 터널장벽층15,45: Stator magnetization layer 17,47: Tunnel barrier layer

19,49 : 자유자화층 21,51 : 제1하드마스크층19,49 Free magnetization layer 21,51 First hard mask layer

23,53 : 제1감광막패턴 25 : 금속성 폴리머, 식각잔류물23,53: first photosensitive film pattern 25: metallic polymer, etching residue

27,57 : 제2하드마스크층 29,59 : 제2감광막패턴27,57: second hard mask layer 29,59: second photoresist pattern

55 : 산화막 55 oxide film

본 발명은 마그네틱 램(magnetic RAM, 이하에서 MRAM 이라 함)의 형성방법에 관한 것으로, 특히 SRAM 보다 빠른 속도, DRAM 과 같은 집적도 그리고 플레쉬 메모리(flash memory)와 같은 비휘발성 메모리의 특성을 갖는 마그네틱 램의 제조 공정을 변화시켜 소자의 전기적 특성을 향상시키는 기술에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of forming magnetic RAM (hereinafter referred to as MRAM), in particular magnetic RAM having characteristics of faster speed than SRAM, density like DRAM, and nonvolatile memory such as flash memory. It relates to a technique for improving the electrical properties of the device by changing the manufacturing process of.

대부분의 반도체 메모리 제조 업체들은 차세대 기억소자의 하나로 강자성체 물질을 이용하는 MRAM 의 개발을 하고 있다. Most semiconductor memory manufacturers are developing MRAM using ferromagnetic materials as one of the next generation memory devices.

상기 MRAM 은 강자성 박막을 다층으로 형성하여 각 박막의 자화방향에 따른 전류 변화를 감지함으로써 정보를 읽고 쓸 수 있는 기억소자로서, 자성 박막 고유의 특성에 의해 고속, 저전력 및 고집적화를 가능하게 할뿐만 아니라, 플레쉬 메모리와 같이 비휘발성 메모리 동작이 가능한 소자이다. The MRAM is a memory device that reads and writes information by forming ferromagnetic thin films in multiple layers to sense current changes according to the magnetization direction of each thin film. The MRAM not only enables high speed, low power, and high integration, The device is capable of operating a nonvolatile memory such as a flash memory.

상기 MRAM 은 스핀이 전자의 전달 현상에 지대한 영향을 미치기 때문에 생기는 거대자기저항(giant magnetoresistive, GMR)현상이나 스핀 편극 자기투과 현상을 이용해 메모리 소자를 구현하는 방법이 있다. The MRAM has a method of implementing a memory device by using a giant magnetoresistive (GMR) phenomenon or a spin polarization magnetic permeation phenomenon, which occurs because spin has a great influence on electron transfer.

상기 거대자기저항(GMR) 현상을 이용한 MRAM 은, 비자성층을 사이에 둔 두 자성층의 스핀 방향이 같은 경우보다 다른 경우의 저항이 크게 다른 현상을 이용해 GMR 자기 메모리 소자를 구현하는 것이다.In the MRAM using the giant magnetoresistance (GMR) phenomenon, a GMR magnetic memory device is implemented by using a phenomenon in which the resistances of the two magnetic layers having a nonmagnetic layer interposed therebetween are significantly different than in the same case.

상기 스핀 편극 자기투과 현상을 이용한 MRAM 은, 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 다른 경우보다 전류 투과가 훨씬 잘 일어난다는 현상을 이용하여 자기투과 접합 메모리 소자를 구현하는 것이다. In the MRAM using the spin polarization magnetic permeation phenomenon, a magnetic permeation junction memory device is implemented by using a phenomenon in which current permeation occurs much better than two cases in which the spin directions are the same in two magnetic layers having an insulating layer therebetween.

상기 MRAM 은 하나의 트랜지스터와 하나의 MTJ 셀(magnetic tunnel junction cell)로 형성한다. The MRAM is formed of one transistor and one MTJ cell.

도 1a 내지 도 1g는 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도이다.1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of forming a magnetic ram according to the prior art.

도 1a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(11)을 형성한다. Referring to FIG. 1A, a lower insulating layer 11 is formed on a semiconductor substrate (not shown).

이때, 상기 하부절연층(11)은 소자분리막(도시안됨), 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터(도시안됨), 그라운드 라인(도시안됨) 및 도전층(도시안됨), 라이트 라인인 제2워드라인(도시안됨)을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.In this case, the lower insulating layer 11 may include a device isolation layer (not shown), a first word line serving as a lead line, a transistor including a source / drain (not shown), a ground line (not shown), and a conductive layer (not shown). The second word line (not shown), which is a light line, is formed and the upper portion thereof is planarized.

그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층용 금속층(13)을 형성한다. 이때, 상기 연결층용 금속층(13)은 W, Al, Pt, Cu, Ir, Ru 등과 같이 반도체소자에 사용되는 일반적이 금속으로 형성한 것이다. Next, the metal layer 13 for a connection layer connected to the said conductive layer is formed. In this case, the connection layer metal layer 13 is formed of a general metal used in a semiconductor device such as W, Al, Pt, Cu, Ir, Ru, and the like.

상기 연결층용 금속층(13) 상부에 전체표면상부에 MTJ 물질층을 증착한다. 이때, 상기 MTJ 물질층은 고정자화층(magnetic pinned layers)(15), 터널장벽층(tunneling barrier layers)(17) 및 자유자화층(magnetic free layers)(19)을 순차적으로 적층하여 형성한다.The MTJ material layer is deposited on the entire surface of the metal layer 13 for the connection layer. In this case, the MTJ material layer is formed by sequentially stacking magnetic pinned layers 15, tunneling barrier layers 17, and magnetic free layers 19.

상기 고정자화층(15) 및 자유자화층(19)은 CO, Fe, NiFe, CoFe, PtMn, IrMn 등과 같은 자성물질로 형성한다. The stator magnetization layer 15 and the free magnetization layer 19 are formed of a magnetic material such as CO, Fe, NiFe, CoFe, PtMn, IrMn, or the like.

그 다음, MTJ 물질층(15,17,19) 상부에 제1하드마스크층(21)을 형성한다.Next, the first hard mask layer 21 is formed on the MTJ material layers 15, 17, and 19.

도 1b를 참조하면, 제1하드마스크층(21) 상에 제1감광막패턴(23)을 형성한다. 이때, 상기 제1감광막패턴(23)은 MTJ 셀 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상 공정으로 형성한 것이다. Referring to FIG. 1B, the first photoresist layer pattern 23 is formed on the first hard mask layer 21. In this case, the first photoresist layer pattern 23 is formed by an exposure and development process using an MTJ cell mask (not shown).

도 1c 및 도 1d를 참조하면, 상기 제1감광막패펀(23)을 마스크로 하여 상기 제1하드마스크층(21), 자유자화층(19), 터널장벽층(17) 및 고정자화층(15)을 식각한다. 이때, 상기 식각공정은 상기 MTJ 물질층(19,17,15)의 측벽에 금속성 폴리머(25)나 식각잔류물(도시안됨)을 유발시켜 소자의 전기적 특성을 열화시킨다. 1C and 1D, the first hard mask layer 21, the free magnetization layer 19, the tunnel barrier layer 17, and the stator magnetization layer 15 using the first photoresist film fabric 23 as a mask. Etch). In this case, the etching process causes a metallic polymer 25 or an etching residue (not shown) on the sidewalls of the MTJ material layers 19, 17, and 15 to deteriorate the electrical characteristics of the device.

상기 제1감광막패턴(23)을 제거한다. The first photoresist pattern 23 is removed.

도 1e 및 도 1f를 참조하면, 전체표면상부에 제2하드마스크층(27)을 형성하고 그 상부에 제2감광막패턴(29)을 형성한다. 이때, 상기 제2감광막패턴(29)은 연결층 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한 것이다. 1E and 1F, a second hard mask layer 27 is formed on the entire surface, and a second photoresist layer pattern 29 is formed thereon. In this case, the second photoresist pattern 29 is formed by an exposure and development process using a connection layer mask (not shown).

도 1g를 참조하면, 상기 제2감광막패턴(29)을 마스크로 하여 상기 제2하드마스크층(27) 및 연결층용 도전층(13)을 식각한다. Referring to FIG. 1G, the second hard mask layer 27 and the connection layer conductive layer 13 are etched using the second photoresist pattern 29 as a mask.

상기 제2감광막패턴(29)을 제거한다. The second photoresist pattern 29 is removed.

상기한 바와 같이 종래기술에 따른 마그네틱 램의 형성방법은, 자성물질의 식각공정시 금속성 폴리머 또는 식각잔류물이 MTJ 물질층의 식각면에 부착되어 자유자화층(19)과 고정자화층(15)을 전기적으로 쇼트(short) 시켜 소자의 전기적 특성을 저하시키는 문제점이 있다. As described above, in the method of forming the magnetic RAM according to the related art, the metal polymer or the etching residue is attached to the etching surface of the MTJ material layer during the etching process of the magnetic material. There is a problem in that the electrical short of the (short) to reduce the electrical characteristics of the device.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, The present invention to solve the above problems of the prior art,

MTJ 셀 마스크를 이용하여 하드마스크층과 자유자화층을 패터닝하고 상기 자유자화층의 외부로부터 일정두께 산화시켜 후속공정으로 자성물질을 식각할 때 유발되는 식각잔류물이나 금속성 폴리머로 인한 자유자화층과 고정자화층의 쇼트를 방지할 수 있어 소자의 전기적 특성을 향상시키고 그에 따른 마그네틱 햄의 형성방법을 제공하는데 그 목적을 갖는 발명입니다. Patterning the hard mask layer and the free magnetization layer using an MTJ cell mask and oxidizing a certain thickness from the outside of the free magnetization layer to free magnetic layer due to the etching residue or metallic polymer caused by etching the magnetic material in a subsequent process. It is an invention having the purpose to improve the electrical characteristics of the device and to provide a method of forming a magnetic ham according to the short circuit of the stator magnetization layer can be prevented.

상기 목적 달성을 위해 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법은, Method of forming the magnetic ram according to the present invention for achieving the above object,

하부절연층을 통하여 반도체기판에 접속되는 연결층용 금속층을 형성하는 공정과,Forming a metal layer for a connection layer connected to the semiconductor substrate through the lower insulating layer;

상기 연결층용 금속층 상에 MTJ 물질층인 고정자화층, 터널장벽층 및 자유자화층을 적층하는 공정과,Stacking a stator magnetization layer, a tunnel barrier layer, and a free magnetization layer, which are MTJ material layers, on the connection layer metal layer;

상기 MTJ 물질층 상부에 제1하드마스크층을 형성하는 공정과,Forming a first hard mask layer on the MTJ material layer;

MTJ 셀 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제1하드마스크층과 자유자화층을 식각하는 공정과,Etching the first hard mask layer and the free magnetization layer by a photolithography process using an MTJ cell mask;

상기 자유자화층의 표면 및 노출된 터널 장벽층의 표면을 산화시켜 산화막을 형성하는 공정과,Oxidizing the surface of the free magnetization layer and the surface of the exposed tunnel barrier layer to form an oxide film;

전체표면상부에 제2하드마스크층을 형성하고 연결층 마스크를 이용한 사진식각공정으로 상기 제2하드마스크층, 산화막, 터널장벽층, 고정자화층 및 연결층용 금속층을 식각하는 공정을 포함하는 것과,Forming a second hard mask layer on the entire surface and etching the second hard mask layer, an oxide film, a tunnel barrier layer, a stator magnetization layer, and a metal layer for the connection layer by a photolithography process using a connection layer mask;

상기 자유자화층은 상기 산화공정으로 인하여 상기 제1하드마스크층보다 작게 형성되되, 상기 제1하드마스크층의 내측에 위치되는 것과,The free magnetization layer is formed smaller than the first hard mask layer due to the oxidation process, and is located inside the first hard mask layer,

상기 산화 공정은 RTO(rapid thermal oxidation) 공정으로 실시하는 것과,The oxidation process is performed by a rapid thermal oxidation (RTO) process,

상기 자유자화층은 RTO 공정 조건을 조절하여 크기가 조절되는 것을 특징으 로 한다.The free magnetization layer is characterized in that the size is adjusted by adjusting the RTO process conditions.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 2a 내지 도 2g는 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법을 도시한 단면도이다. 2A to 2G are cross-sectional views illustrating a method of forming the magnetic ram according to the present invention.

도 2a를 참조하면, 반도체기판(도시안됨) 상에 하부절연층(41)을 형성한다. Referring to FIG. 2A, a lower insulating layer 41 is formed on a semiconductor substrate (not shown).

이때, 상기 하부절연층(41)은 소자분리막(도시안됨), 리드라인인 제1워드라인과 소오스/드레인이 구비되는 트랜지스터(도시안됨), 그라운드 라인 및 도전층(도시안됨), 라이트 라인인 제2워드라인(도시안됨)을 형성하고 그 상부를 평탄화시켜 형성한 것이다.In this case, the lower insulating layer 41 may include an isolation layer (not shown), a first word line as a lead line and a transistor including a source / drain (not shown), a ground line and a conductive layer (not shown), and a light line. It is formed by forming a second word line (not shown) and planarizing an upper portion thereof.

그 다음, 상기 도전층에 접속되는 연결층용 금속층(43)으로 형성한다. Then, it is formed of the metal layer 43 for the connection layer connected to the conductive layer.

상기 연결층용 금속층(43) 상부에 고정자화층(45), 터널장벽층(tunneling barrier layers)(47) 및 자유자화층(magnetic free layers)(49)이 순차적으로 적층된 MTJ 물질층을 형성한다. 여기서, 상기 터널링 장벽층은 데이터 센싱(data sensing)에 필요한 최소한의 두께인 2 ㎚ 이하의 두께로 형성된다. The MTJ material layer in which the stator magnetization layer 45, the tunneling barrier layers 47, and the magnetic free layers 49 are sequentially stacked is formed on the connection layer metal layer 43. . Here, the tunneling barrier layer is formed to a thickness of 2 nm or less, which is the minimum thickness required for data sensing.

상기 MTJ 물질층 상부에 제1하드마스크층(51)을 형성한다. The first hard mask layer 51 is formed on the MTJ material layer.

도 2b를 참조하면, 상기 제1하드마스크층(51) 상부에 제1감광막패턴(53)을 형성한다. 이때, 상기 제1감광막패턴(53)은 MTJ 셀 마스크를 이용한 노광 및 현상공정으로 형성한다. Referring to FIG. 2B, a first photoresist layer pattern 53 is formed on the first hard mask layer 51. In this case, the first photoresist pattern 53 is formed by an exposure and development process using an MTJ cell mask.

도 2c를 참조하면, 상기 제1감광막패턴(53)을 마스크로 하여 상기 제1하드마스크층(51) 및 자유자화층(49)을 식각한다. Referring to FIG. 2C, the first hard mask layer 51 and the free magnetization layer 49 are etched using the first photoresist pattern 53 as a mask.

상기 감광막패턴(53)을 제거한다. The photoresist pattern 53 is removed.

도 2d를 참조하면, 노출된 표면을 산화시켜 산화막(55)을 형성하되, 상기 자유자화층(49)의 식각면으로부터 내측으로 산화되어 MTJ 셀 마스크에 의하여 패터닝된 제1하드마스크층(51)의 크기보다 작게 자유자화층(49)이 형성된다. Referring to FIG. 2D, the exposed surface is oxidized to form an oxide film 55, but is oxidized inward from an etching surface of the free magnetization layer 49 and patterned by an MTJ cell mask to form a first hard mask layer 51. The free magnetization layer 49 is formed smaller than the size of.

여기서, 상기 산화막(55)은 후속공정으로 실시되는 하부 자성물질의 식각공정시 유발될 수 있는 상기 자유자화층(49)과의 전기적 특성 열화를 방지하기 위하여 형성한 것이다. Here, the oxide film 55 is formed to prevent the deterioration of electrical characteristics with the free magnetization layer 49 that may be caused during the etching process of the lower magnetic material which is performed in a subsequent process.

상기 산화막(55)을 형성하는 산화 공정은 RTO 공정을 실시하며, 공정 조건에 따라 상기 산화막(55)의 두께를 조절하여 상기 자유자화층(49)의 크기를 조절할 수 있다. In the oxidation process of forming the oxide film 55, an RTO process may be performed, and the size of the free magnetization layer 49 may be adjusted by adjusting the thickness of the oxide film 55 according to process conditions.

도 2e를 참조하면, 전체표면상부에 제2하드마스크층(57)을 형성한다.Referring to FIG. 2E, a second hard mask layer 57 is formed on the entire surface.

도 2f를 참조하면, 상기 제2하드마스크층(57) 상부에 제2감광막패턴(59)을 형성한다. 이때, 상기 제2감광막패턴(59)은 연결층 마스크(도시안됨)를 이용한 노광 및 현상 공정으로 형성한 것이다. Referring to FIG. 2F, a second photoresist layer pattern 59 is formed on the second hard mask layer 57. In this case, the second photoresist pattern 59 is formed by an exposure and development process using a connection layer mask (not shown).

도 2g를 참조하면, 상기 제2감광막패턴(59)을 마스크로 하여 상기 산화막(55), 터널장벽층(47), 고정자화층(45) 및 연결층용 금속층(43)을 식각함으로써 MTJ 셀을 형성하는 동시에 연결층을 패터닝한다. Referring to FIG. 2G, the MTJ cell is etched by etching the oxide film 55, the tunnel barrier layer 47, the stator magnetization layer 45, and the connection layer metal layer 43 using the second photoresist pattern 59 as a mask. The connection layer is patterned at the same time.

상기 제2감광막패턴(59)을 제거한다. The second photoresist pattern 59 is removed.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 마그네틱 램의 형성방법은, As described above, the method for forming the magnetic ram according to the present invention,

자유자화층의 노출면을 산화시켜 산화막을 형성함으로써 고정자화층 및 연결층용 금속층의 식각공정으로 유발될 수 있는 자유자화층과의 전기적 특성 열화를 방지할 수 있어 소자의 특성 및 신뢰성을 향상시키고 그에 따른 공정을 단순화시킬 수 있어 반도체소자를 생산성 및 수율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다. By oxidizing the exposed surface of the free magnetization layer to form an oxide film, it is possible to prevent the deterioration of electrical characteristics with the free magnetization layer which may be caused by the etching process of the stator magnetization layer and the connection layer metal layer, thereby improving the characteristics and reliability of the device. Since the process can be simplified, the semiconductor device can provide an effect of improving productivity and yield.

Claims

Forming a metal layer for a connection layer connected to the semiconductor substrate through the lower insulating layer;

Stacking a stator magnetization layer, a tunnel barrier layer, and a free magnetization layer, which are MTJ material layers, on the connection layer metal layer;

Forming a first hard mask layer on the MTJ material layer;

Etching the first hard mask layer and the free magnetization layer by a photolithography process using an MTJ cell mask;

Oxidizing the surface of the free magnetization layer and the surface of the exposed tunnel barrier layer to form an oxide film;

Magnetic RAM including forming a second hard mask layer on the entire surface and etching the second hard mask layer, the oxide film, the tunnel barrier layer, the stator magnetization layer and the metal layer for the connection layer by a photolithography process using a connection layer mask. Method of formation.

The method of claim 1,

The free magnetization layer is formed smaller than the first hard mask layer due to the oxidation process, characterized in that located on the inside of the first hard mask layer.

The method of claim 1,

And the oxidation step is performed by RTO process.

The method of claim 1,

The free magnetization layer is a method of forming a magnetic RAM, characterized in that the size is adjusted by adjusting the RTO process conditions.