(57)【要約】【課題】本発明は、磁気抵抗の比率を向上させるために合成-反強磁性層構造を持つＭＴＪセルの形成工程で高い磁場と低い磁場を順次に印加しながら二重アニーリング工程を実施することで磁性体の磁化プローブ不良発生によるＭＲ比率減少を防止するＭＴＪセル形成方法に関するものである。【解決手段】本発明は、ＳＡＦ構造のマグネチックラムのＭＴＪセル形成工程時に高い磁場の印加による磁化プローブ不良が発生した状態で順次に低い磁場の印加による２重アニーリング工程を実施して磁化プローブ不良を除去し、スピン方向の均一性を向上させたマグネチックラムのＭＴＪセルを形成することができる。【選択図】図１
2004297039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部絶縁層を通じて半導体基板に接続する連結層用金属層を形成する段階と、
前記連結層用金属層上部に第１固定磁化層を形成する段階と、
前記第１固定磁化層上部に第２固定磁化層を形成するが、前記第２固定磁化層は第１磁場を印加しながら第１アニーリング工程を遂行し、前記第１磁場より小さいサイズを有する第２磁場を印加しながら第２アニーリング工程を遂行して形成する段階と、
前記第２固定磁化層上部にトンネル障壁層、自由磁化層及び ＭＴＪキャッピング層を積層する段階と、
ＭＴＪセルマスクを利用した写真エッチング工程により前記ＭＴＪキャッピング層、自由磁化層、トンネル障壁層、第２固定磁化層及び第２固定磁化層をパターニングしてＭＴＪセルを形成する段階と、
を含むマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法。
【請求項２】
前記第２固定磁化層は磁性層/絶縁膜/磁性層の積層構造で形成することを特徴とする請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法。
【請求項３】
前記第１磁場及び第２磁場はそれぞれ１〜１０ＫＯｅ、及び１００〜９９９Ｏｅのサイズを有し、前記第１アニーリング工程、及び第2 アニーリング工程は２５０〜３００℃、及び２５０〜３００℃の温度で行うことを特徴とする請求項１に記載のマグネチックラムの ＭＴＪセル形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネチックラム(magnetic RAM、以下でＭＲＡＭと称する)のＭＴＪセル形成方法に関するもので、特に磁気抵抗(magnetic resistance、ＭＲ) の比率を向上させるために合成―反強磁性層(synthetic anti-ferromagnetic、以下ＳＡＦと称する)構造を有するＭＴＪセルの形成工程で、高い磁場と低い磁場を順次に印加しながら二重アニーリング工程を実施することで、磁性体の磁化プローブ不良発生によるＭＲ比率減少を防止するＭＴＪセル形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マグネチックラムは、ＳＲＡＭより早い速度、ＤＲＡＭのような集積度そしてフラッシュメモリ(flash memory)のような不揮発性メモリの特性を持っている。
大部分の半導体メモリ製造業者は次世代記憶素子の一つとして強磁性体物質を利用するＭＲＡＭの開発を行っている。
前記ＭＲＡＭは、強磁性薄膜を多層で形成して各薄膜の磁化方向による電流変化を感知することで情報を読み出し、書き込むことができる記憶素子であって、磁性薄膜固有の特性によって高速、低電力及び高集積化できるだけではなく、フラッシュメモリと共に不揮発性メモリ動作が可能な素子である。
【０００３】
前記ＭＲＡＭは、スピンが電子の伝達現象に多大な影響を与えることで生ずる巨大磁気抵抗(giant magnetoresistive、GMR)現象や、スピン偏極磁気透過現象を利用してメモリ素子を具現する方法がある。
前記巨大磁気抵抗(GＭＲ)現象を利用したＭＲＡＭは、非磁性層を間に置いた二つの磁性層のスピン方向が同一の場合、更に他の場合の抵抗が大きく異なる現象を利用してＧＭＲ磁気のメモリ素子を具現するものである。
【０００４】
前記スピン偏極磁気透過現象を利用したＭＲＡＭは、絶縁層を間に置いた二つの磁性層でスピン方向が同じ場合が、異なる場合より電流透過が遙かによく起きるという現象を利用して磁気透過接合メモリ素子を具現するものである。
前記ＭＲＡＭは一つのトランジスタと一つのＭＴＪセル(magnetic tunnel junction cell)で形成する。
【０００５】
図５及び図６は、従来技術によるＳＡＦ構造のマグネチックラム構造と磁性物質の蒸着方法を説明した断面図及び概略図である。
図５を参照すれば、半導体基板（図示省略）上に素子分離膜（図示省略）、リードラインである第1ワードライン及びソース/ドレーンを備えたトランジスタ（図示省略）、グラウンドライン（図示省略） 及び導電層（図示省略）、ライトラインである第２ワドライン（図示省略）を形成して全体表面上部を平坦化する下部絶縁層（図示省略）を形成する。ここで、前記導電層は前記下部絶縁層を通じて前記半導体基板に接続し、その上部面が前記下部絶縁層によって露出するように形成される。
【０００６】
次に、前記導電層に接続される連結層用金属層１１を形成する。ここで、連結層用金属層１１は W層、Ａｌ層、Ｐｔ層、Ｃｕ層、Ｉｒ層、Ｒｕ層、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されるいずれか一つで形成する。
次には、連結層用金属層１１上部に第１固定磁化層(pinned magnetic layers)１３及び第２固定磁化層２１を順次に形成する。 第１固定磁化層１３は Co層、Fe層、NｉFe層、CｏFｅ層、ＰｔMｎ層、ＩｒMｎ層、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つの磁性物質で形成する。
第２固定磁化層２１は互いに反対になる磁化方向(polarization direction)を持つ二つの磁性層(１５、１９) の間に介在する絶縁膜１７で構成されている。 第２固定磁化層２１は磁場を印加しながらアニーリングして形成する。 例えば、図６に図示したように、右側の矢印３１方向に１〜１０ＫＯｅの磁場を印加しながらアニーリング工程を実施すれば、ウェーハ２７のフラットゾーン(flat zone)に垂直な左側の矢印２９方向に第２固定磁化層２１の磁性層(１５、１９)の磁化方向が形成される。
【０００７】
図５を参照すれば、第２固定磁化層２１の上部にトンネル障壁層２３を形成する。トンネル障壁層２３は非磁性物質である絶縁膜で形成する。次に、トンネル障壁層２３上部に自由磁化層２５を形成する。自由磁化層２５上部にＭＴＪキャッピング層（図示省略）を形成してＭＴＪセルマスク（図示省略）を利用した写真エッチング工程で前記ＭＴＪキャッピング層、自由磁化層２５、トンネル障壁層２３、第２固定磁化層２１、及び第１固定磁化層１３をパターニングしてＭＴＪセルを形成する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図５のように磁化方向が θだけ外れる磁化プローブ不良が発生して実際ＭＲ の比率(Magnetic Resistance Ratio)の減少する問題点がある。このような問題を解決するために１〜１０ＫＯｅの高い磁場でアニーリング工程を実施しているが、素子の高集積化によって更に高い磁場を必要とするので、磁場の強さを高める方法には限界があるという問題点がある。
【０００９】
また、前記したように従来技術によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法は、ＳＡＦ層である前記第２固定磁化層のスピン方向の均一性が減少する磁化プローブ不良が誘発されて素子のＭＲ比率が減少し、これによる素子の特性を低下させるという問題点がある。
【００１０】
本発明は前記した従来技術の問題点を解決するために、高い磁場の印加によって磁化プローブ不良が発生した状態で低い磁場を印加して磁化プローブ不良を除去することで素子のＭＲ比率の減少を防止して素子の特性、及び信頼性を向上させるマグネチックラムの ＭＴＪセル形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の問題を解決のために、請求項１に記載の発明においては、マグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、下部絶縁層を通じて半導体基板に接続される連結層用金属層を形成する段階と、前記連結層用金属層上部に第１固定磁化層を形成する段階と、前記第１固定磁化層上部に第２固定磁化層を形成するが、前記第２固定磁化層が第１磁場を印加しながら第１アニーリング工程を遂行し、前記第１磁場より小さいサイズを持つ第２磁場を印加しながら第２アニーリング工程を遂行して形成する段階と、前記第２固定磁化層上部にトンネル障壁層、自由磁化層及び ＭＴＪキャッピング層を積層する段階と、ＭＴＪ セルマスクを利用した写真エッチング工程で前記ＭＴＪキャッピング層、自由磁化層、トンネル障壁層、第２固定磁化層及び第２固定磁化層をパターニングしてＭＴＪセルを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１２】
このように請求項１に記載の発明によれば、ＳＡＦ構造のマグネチックラムのＭＴＪセル形成工程時に高い磁場の印加による磁化プローブ不良が発生した状態で順次に低い磁場の印加による２重アニーリング工程を実施して磁化プローブ不良を除去し、スピン方向の均一性を向上させたマグネチックラムのＭＴＪセルを形成することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、前記第２固定磁化層を磁性層/絶縁膜/磁性層の積層構造で形成することを特徴とする。
【００１４】
このように請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、前記第２固定磁化層を磁性層/絶縁膜/磁性層の積層構造で形成することにより磁化プローブ不良の発生を防止した良好なマグネチックラムのＭＴＪセルを形成することができる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、前記第１磁場及び第２磁場はそれぞれ１〜１０ＫＯｅ、及び１００〜９９９Ｏｅのサイズを有し、前記第１アニーリング工程、及び第２アニーリング工程は２５０〜３００℃、及び２５０〜３００℃の温度で行うことを特徴とする。
【００１６】
このように請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、前記第１アニーリング工程、第２アニーリング工程を順次行うことにより良好に前記固定磁化層の磁化プローブ不良を除去することができる。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の発明によれば、ＭＴＪセルの主要特性であるＭＲ比率を向上させるために、ＳＡＦ構造のマグネチックラムのＭＴＪセル形成工程時に高い磁場と低い磁場を順次に印加してアニーリング工程を実施してスピン方向の均一性を向上させることができるので、高い磁場の印加による磁化プローブ不良が発生した状態で順次に低い磁場の印加によって磁化プローブ不良の発生を除去することで素子のＭＲ比率の減少を防止して素子の特性及び信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、前記第２固定磁化層を磁性層/絶縁膜/磁性層の積層構造で形成することにより素子のＭＲ比率の減少を防止した良好なマグネチックラムのＭＴＪセルを形成することができるので、これにより素子の特性及び信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、前記第１アニーリング工程、第２アニーリング工程を順次行うことにより良好に前記固定磁化層の磁化プローブ不良を除去することができるので、ＭＲ比率の減少を防止したマグネチックラムのＭＴＪセルを形成することができ、これにより素子の特性及び信頼性を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付された図面を参照として本発明を詳しく説明すれば次の通りである。
図１及び図２は本発明によるＳＡＦ構造のマグネチックラム構造と磁性物質の蒸着方法を説明した断面図及び概略図である。
図１を参照すれば、半導体基板（図示省略）上に素子分離膜（図示省略）、リードラインである第1 ワードライン及びソース/ドレーンを備えたトランジスタ（図示省略）、グラウンドライン（図示省略） 及び導電層（図示省略）、ライトラインである第２ワードライン（図示省略）を形成して全体表面上部を平坦化する下部絶縁層（図示省略）を形成する。ここで、前記導電層は前記下部絶縁層を通じて前記半導体基板に接続され、その上部面が前記下部絶縁層によって露出するように形成される。
【００２１】
また、前記導電層に接続される連結層用金属層４１を形成する。連結層用金属層４１は Ｗ層、Ａ層、Ｐｔ層、Ｃｕ層、Ｉｒ層、Ｒｕ層、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つで形成することが望ましい。
次には、連結層用金属層４１上部に第１固定磁化層(pinned magnetic layers)４３及び第２固定磁化層５１を順次に形成する。 第１固定磁化層４３は Co層、Ｆｅ層、NｉＦｅ層、ＣｏＦｅ層、ＰｔMｎ層、ＩｒMｎ層、及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか一つの磁性物質で形成することが望ましい。
【００２２】
第２固定磁化層５１は、互いに反対になる磁化方向を持つ二つの磁性層（４５、４９）の間に介在する絶縁膜４７で構成されている。 第２固定磁化層５１の磁性層(４５、４９)は１〜１０ＫＯｅの高い磁場を印加し、２５０〜３００℃の温度で第１アニーリング工程を実施し、１００〜９９９Ｏｅの低い磁場を印加し、２５０〜３００℃の温度で第２アニーリング工程を実施して形成する。図２に図示したように、ウェーハ５７のフラットゾーンに垂直な左側の矢印５９方向と等しい矢印６１方向で１〜１０ＫＯｅ大きさの磁場を印加しながら第１アニーリング工程を実施し、矢印６１方向で１００〜９９９Ｏｅ大きさの磁場を印加しながら第２アニーリング工程を実施して第２固定磁化層５１の磁化方向を均一化して磁化プローブ不良を防止することができる。
【００２３】
図１を参照すれば、第２固定磁化層５１の上部にトンネル障壁層５３を形成する。トンネル障壁層５３は非磁性物質である絶縁膜で形成することが望ましい。次には、トンネル障壁層５３上部に自由磁化層５５を形成する。自由磁化層５５上部にＭＴＪキャッピング層（図示省略）を形成してＭＴＪセルマスク（図示省略）を利用した写真エッチング工程で前記ＭＴＪキャッピング層、自由磁化層５５、トンネル障壁層５３、第２固定磁化層５１及び第１固定磁化層４３をパターニングしてＭＴＪセルを形成する。
【００２４】
図５及び図６は従来技術と本発明によるＭＲ比率差を図示したグラフ図である。図５及び図６を参照すれば、ＭＲ比率が従来の製造方法によるマグネチックラムの ＭＴＪセルより増加したことが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明によるマグネチックラムの構造を図示した断面図である。
【図２】本発明によるマグネチックラムの磁性物質成長方向及び磁場方向を図示した概略図である。
【図３】本発明によるマグネチックラムの特性向上を図示したグラフである。
【図４】本発明によるマグネチックラムの特性向上を図示したグラフである。
【図５】従来技術によるマグネチックラムの構造を図示した断面図である。
【図６】従来技術によるマグネチックラムの磁性物質成長方向及び磁場方向を図示した概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
４１        連結層用金属層
４３        第１固定磁化層
４５，４９  磁性層
４７        絶縁膜
５１        第２固定磁化層、合成-反強磁性層(SAF)
５３        トンネル障壁層
５５        自由磁化層
５７        ウェーハ
５９    磁性層成長方向
６１    磁場の印加方向
【図１】
2004297039.tif 000003
【図２】
2004297039.tif 000004
【図３】
2004297039.tif 000005
【図４】
2004297039.tif 000006
【図５】
2004297039.tif 000007
【図６】
2004297039.tif 000008