(57)【要約】【課題】本発明は、自由磁化層を非晶質化し、これを酸化させてエッチング残留物の発生を抑制するマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法に関する。【解決手段】従来の自由磁化層のエッジング工程の代わりにハロイオンインプラント工程を利用してＭＴＪ物質層を構成する自由磁化層の露出した部分を非晶質化し、後続熱工程で前記非晶質化された部分を酸化することによる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定磁化層、トンネル障壁層であるアルミナ層及び自由磁化層の積層構造を形成する段階と、
前記積層構造の上部にハードマスク層を形成する段階と、
ＭＴＪセルマスクを利用した写真エッチング工程で前記ハードマスク層をパターニングして前記自由磁化層を露出させるハードマスク層パターンを形成する段階と、
前記ハードマスク層パターンをマスクとして前記自由磁化層の露出した部分に対してハロイオンインプラント工程を行って前記露出した自由磁化層を非晶質化する段階と、
前記非晶質化された自由磁化層を酸化させる段階と、
ＭＴＪセルをパターニングする段階と
を含むことを特徴とするマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法。
【請求項２】
前記ハロイオンインプラント工程は０°より大きく９０°より小さい傾斜角を維持しながら４方向から施す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、ＭＲＡＭ という)の形成方法に関するもので、特にＳＲＡＭより速い速度、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有するマグネチックラムの製造工程を改善させ、素子の電気的特性を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリメーカー等は、ほとんど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、強磁性薄膜を多層に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リード及びライトすることができる記憶素子であり、磁性薄膜固有の特性によって高速、低電力及び高集積化を可能とするだけでなく、フラッシュメモリのように不揮発性メモリ動作が可能な素子である。
前記ＭＲＡＭには、スピンが電子の伝達現象に及ぼす多大な影響により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。
【０００３】
前記巨大磁気抵抗(GMR)現象を利用したＭＲＡＭは、非磁性層を挟んだ二つの磁性層のスピン方向が同じ場合に比べて異なる場合の抵抗が極めて異なる現象を利用してＧＭＲ磁気メモリ素子を具現するものである。
前記スピン偏極磁気透過現象を利用したＭＲＡＭは、絶縁層を挟んだ二つの磁性層でスピン方向の同じ場合が、異なる場合に比べて電流透過が遥かによく発生す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。
【０００４】
前記ＭＲＡＭは、一つのトランジスタと一つのＭＴＪセルで形成する。
図４及び図５は、従来技術によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法を示した断面図である。
【０００５】
図５に示されているように、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の上部を平坦化する下部絶縁層１１を形成する。
【０００６】
前記下部絶縁層１１の上部に前記導電層に接続される連結層用金属層１３を形成する。ここで、前記連結層用金属層１３をW、Al、Pt、Cu、Ir、Ruなどの半導体素子に用いられる一般的な金属で形成する。
前記連結層用金属層１３の上部にＭＴＪ物質層を蒸着する。このとき、前記ＭＴＪ物質層は、固定磁化層(pinned magnetic layers)１５、トンネル障壁層(tunneling barrier layers)１７及び自由磁化層(free magnetic layers)１９の積層構造からなる。ここで、固定磁化層１５及び自由磁化層１９を、CO、Fe、NiFe、CoFe、PtMn、IrMnなどの磁性物質で形成する。
【０００７】
前記自由磁化層１９の上部にハードマスク層２１を形成した後、ハードマスク層２１上に感光膜パターン２３を形成する。感光膜パターン２３は、ＭＴＪセルマスク（図示省略）を利用した露光及び現象工程で形成したものである。
図４に示されているように、感光膜パターン２３をマスクとして用いて前記ハードマスク層２１と自由磁化層１９をエッチングして、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、このようなエッジング工程で、自由磁化層１９のエッチングから発生する酸化力の高い磁性物質によって腐食（corrosion）が発生し、これによって自由磁化層１９と固定磁化層１５が電気的にブリッジされてショートを発生するおそれがある。また、自由磁化層１９とハードマスク層２１の側壁に不揮発性反応生成物であるポリマー２５が附着してトンネル障壁層１７にピンホール２７を形成するか、ピンホール２７に前記ポリマー２５が附着するおそれがある。
【０００９】
前記の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、自由磁化層と固定磁化層のショートを誘発するおそれがあり、前記磁化層のコロ−ジョン現象を誘発するおそれもある。また、感光膜パターンの形成工程で側壁でのシャドー(shadow)問題があり、効果的なチャネルの長さを確保できなくなるおそれがある。これらのことから、マグネチックラムのＭＴＪセルの素子の特性及び信頼性を低下させるという問題がある。
【００１０】
そこで、本発明の課題は、磁性層である自由磁化層のエッチング副産物の誘発とシャドーの発生を防止し、素子の特性及び信頼性を向上させることのでき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】
前記の問題を解決するために、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、固定磁化層、トンネル障壁層であるアルミナ層及び自由磁化層の積層構造を形成する段階と、
前記積層構造の上部にハードマスク層を形成する段階と、
ＭＴＪセルマスクを利用した写真エッチング工程で前記ハードマスク層をパターニングして前記自由磁化層を露出させるハードマスク層パターンを形成する段階と、
前記ハードマスク層パターンをマスクとして前記自由磁化層の露出した部分に対してハロイオンインプラント工程を行って前記露出した自由磁化層を非晶質化する段階と、
前記非晶質化された自由磁化層を酸化させる段階と、
ＭＴＪ セルをパターニングする段階と、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、従来の自由磁化層のエッジング工程の代わりにハロイオンインプラント工程を利用してＭＴＪ物質層を構成する自由磁化層の露出した部分を非晶質化し、後続熱工程で前記非晶質化された部分を酸化することにより、ＭＴＪセルパターニング工程でエッチング副産物の不揮発性反応生成物の誘発を防止することができる。
【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、前記ハロイオンインプラント工程を０°より大きく９０°より小さい傾斜角を維持しながら４方向から施すことを特徴とする。
【００１４】
このように請求項２に記載の発明によれば、ＭＴＪ物質層を構成する自由磁化層の露出した部分にハロイオンインプラント工程を０°より大きく９０°より小さい傾斜角を維持しながら４方向から施すことにより、より良好にＭＴＪ物質層を構成する自由磁化層の露出した部分を非晶質化することができる。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、ＭＴＪセルパターニング工程でエッチング副産物の誘発を防止することができるので、エッチング副産物による自由磁化層と固定磁化層のショートの発生及び前期磁化層のコロージョン現象の誘発を防止することができる。このことによって、マグネチックラムのＭＴＪセルの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。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、より良好にＭＴＪ物質層を構成する自由磁化層の露出した部分を非晶質化することができるので、エッチング副産物による自由磁化層と固定磁化層のショートの発生及び前期磁化層のコロージョン現象の誘発を防止するとともに、シャドーの発生と過度な下地層の損傷を防止することができる。このことによって、マグネチックラムのＭＴＪセルの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】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図１及び図２は、本発明によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法を示した断面図である。
図２に示されているように、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の上部を平坦化する下部絶縁層４１を形成する。
【００１８】
前記下部絶縁層４１上部に前記導電層に接続する連結層用金属層４３を形成する。
前記連結層用金属層４３の上部に固定磁化層４５を形成する。前記固定磁化層４５は合成−反強磁性層(synthetic anti-ferromagnetic：以下、ＳＡＦとする)構造で形成するが、CO、Fe、NiFe、CoFe、PtMn、IrMn などの磁性物質を利用して形成するのが望ましい。
【００１９】
前記固定磁化層４５上部にトンネル障壁層であるアルミナ層４７を蒸着する。前記アルミナ層４７は、データセンシング(data sensing)に必要な最小限の厚さである８〜２０Åの厚さに形成することが望ましく、アルミニウム薄膜を蒸着してオゾンガス雰囲気でプラズマ放電工程を行って形成するのが望ましい。その後、前記アルミナ層４７上部に自由磁化層４９を形成する。前記自由磁化層４９は、固定磁化層４５のような物質で形成するのが望ましい。
【００２０】
前記自由磁化層４９の上部にハードマスク層５１を形成する。前記ハードマスク層（図示省略）の上部にＭＴＪセルマスクを利用した露光及び現象工程で感光膜パターン５３を形成した後、感光膜パターン５３をマスクとしてハードマスク層（図示省略）をエッチングして自由磁化層４９の除去される部分を露出させるハードマスク層パターン５１を形成する。
前記感光膜パターン５３及びハードマスク層パターン５１をマスクとして自由磁化層４９の露出した部分に対し分子量の大きいガス分子でハロイオンインプラント工程５５を行う。ハロイオンインプラント工程５５によって自由磁化層４９の露出した部分に物理的な損傷が発生して非晶質状態となる。ここで、ハロイオンインプラント工程５５は、０°より大きく９０゜より小さい大きさのチルト角で、半導体基板を回転させながら四つの方向からインプラント工程を行って、シャドーの発生を防止し、過度な下地層の損傷を防止するように実施するのが望ましい。
【００２１】
前記感光膜パターン５３が残っている場合にこれを除去する。
図１に示されているように、非晶質化された自由磁化層４９をRTO(rapid temperature oxidation) 工程で酸化させて酸化膜５７を形成する。ここで、前記RTO工程は、ハードマスク層パターン５１の下部の自由磁化層４９の一部まで酸化するように行うのが望ましい。前記ハードマスク層５１をマスクとして酸化膜５７、アルミナ層４７及び固定磁化層４５をエッチングしてＭＴＪセルを形成する。
【００２２】
ＭＴＪ セルパターン工程で自由磁化層４９ではない酸化膜５７をエッチングすることにより、従来技術による工程とは異なる自由磁化層４９のエッチング工程によるエッチング残留物が発生することなく自由磁化層４９と固定磁化層４５のショートの発生を防止することのできるＭＴＪセルを形成することができる。
【００２３】
図３は、本発明による ＭＴＪ素子の磁性特性を示したグラフで、電場によるトランジスタの磁気抵抗率を示す。このことにより、本発明によって ＭＴＪ素子の磁性特性を向上させることができることを明らかにした。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法を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ＭＴＪセル形成方法を示した断面図である。
【図３】本発明によるマグネチックラムの特性を示したグラフ図である。
【図４】従来技術によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法を示した断面図である。
【図５】従来技術によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法を示した断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
４１  下部絶縁層
４３  連結層用金属層
４５  固定磁化層
１７  トンネル障壁層
４９  自由磁化層
５１  ハードマスク層
５３  感光膜パターン
２５  ポリマー
２７  ピンホール
４７  アルミナ層
５５  分子量が大きいガス分子
５７  酸化膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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