KR20250128860A - A magnetoresistive random access memory device - Google Patents
A magnetoresistive random access memory deviceInfo
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Abstract
본 개시의 하나 이상의 실시 예에 따른 자기 저항 메모리 소자는, 상부 배선층 및 하부 배선층 사이에 배치되는 메모리 구조물 및 하부 배선층에 포함된 하부 배선 및 메모리 구조물의 사이에 배치되는 코발트 캡핑층을 포함하고, 메모리 구조물은, 코발트 캡핑층의 상면과 맞닿으며, 코발트 캡핑층의 상면의 수평 너비보다 넓은 수평너비의 하면을 갖는 하부 패드 및 하부 패드의 상면에 배치되는 MTJ 구조물을 포함하고, 하부 패드의 상면의 수평 너비는 MTJ 구조물의 하면의 수평 너비와 동일하고, 코발트 캡핑층의 하면의 수평 너비는 하부 배선의 상면의 수평 너비와 동일하며, 상부 배선층 및 하부 배선층은 트랜지스터 구조의 상부에 배치되는 복수의 배선층 중에서 서로 인접하게 배치된 두 개의 배선층일 수 있다.A magnetoresistive memory device according to one or more embodiments of the present disclosure includes a memory structure disposed between an upper wiring layer and a lower wiring layer, and a cobalt capping layer disposed between the lower wiring included in the lower wiring layer and the memory structure, wherein the memory structure includes a lower pad in contact with an upper surface of the cobalt capping layer and having a lower surface having a horizontal width wider than a horizontal width of the upper surface of the cobalt capping layer, and an MTJ structure disposed on an upper surface of the lower pad, wherein the horizontal width of the upper surface of the lower pad is the same as the horizontal width of the lower surface of the MTJ structure, and the horizontal width of the lower surface of the cobalt capping layer is the same as the horizontal width of the upper surface of the lower wiring, and the upper wiring layer and the lower wiring layer may be two wiring layers disposed adjacent to each other among a plurality of wiring layers disposed on an upper surface of a transistor structure.
Description
본 발명은 반도체 소자에 관한 것으로, 보다 자세하게는 자기 저항 메모리 소자(MRAM device)에 관한 것이다.The present invention relates to a semiconductor device, and more particularly, to a magnetoresistive memory device (MRAM device).
임베디드 자기 저항 메모리 셀(Embedded MRAM Cell) 구조가 지속적으로 개발되고 있다. 임베디드 자기 저항 메모리 셀 구조에서, 자기 저항 메모리 셀은 BEOL 공정에서 형성되는 복수의 배선층 사이에 배치될 수 있다. 최근에는, 자기 저항 메모리 소자의 회로 선폭 및 수직 두께를 줄이기 위한 연구가 수행되고 있다.Embedded MRAM cell structures are continuously being developed. In embedded MRAM cell structures, MRAM cells can be positioned between multiple wiring layers formed during the BEOL process. Recently, research is being conducted to reduce the circuit line width and vertical thickness of MRAM devices.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 축소된 회로 선폭 및 축소된 수직 두께를 갖는 자기 저항 메모리 소자를 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is to provide a magnetoresistive memory device having a reduced circuit line width and reduced vertical thickness.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있다.However, the problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 개시의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자는 상부 배선층 및 하부 배선층 사이에 배치되는 메모리 구조물 및 상기 하부 배선층에 포함된 하부 배선 및 상기 메모리 구조물의 사이에 배치되는 코발트 캡핑층을 포함하고, 상기 메모리 구조물은, 상기 코발트 캡핑층의 상면과 맞닿으며, 상기 코발트 캡핑층의 상면의 수평 너비보다 넓은 수평너비의 하면을 갖는 하부 패드 및 상기 하부 패드의 상면에 배치되는 MTJ 구조물을 포함하고, 상기 하부 패드의 상면의 수평 너비는 상기 MTJ 구조물의 하면의 수평 너비와 동일하고, 상기 코발트 캡핑층의 하면의 수평 너비는 상기 하부 배선의 상면의 수평 너비와 동일하며, 상기 상부 배선층 및 상기 하부 배선층은 트랜지스터 구조의 상부에 배치되는 복수의 배선층 중에서 서로 인접하게 배치된 두 개의 배선층일 수 있다.In order to solve the above-described problem, a magnetoresistive memory device according to an embodiment of the present disclosure includes a memory structure disposed between an upper wiring layer and a lower wiring layer, and a cobalt capping layer disposed between the lower wiring included in the lower wiring layer and the memory structure, wherein the memory structure includes a lower pad in contact with an upper surface of the cobalt capping layer and having a lower surface having a horizontal width wider than a horizontal width of the upper surface of the cobalt capping layer, and an MTJ structure disposed on an upper surface of the lower pad, wherein the horizontal width of the upper surface of the lower pad is the same as the horizontal width of the lower surface of the MTJ structure, and the horizontal width of the lower surface of the cobalt capping layer is the same as the horizontal width of the upper surface of the lower wiring, and the upper wiring layer and the lower wiring layer may be two wiring layers disposed adjacent to each other among a plurality of wiring layers disposed on an upper portion of a transistor structure.
본 개시의 하나 이상의 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자는 하부 배선의 상면에 형성되는 코발트 캡핑층 및 상기 코발트 캡핑층의 상면에 배치되는 하부 패드를 포함함으로써, MTJ 구조물과 하부 배선 사이의 안정적인 연결을 형성할 수 있고, 소자의 회로 선폭 및 소자의 수직 두께가 감소할 수 있다.A magnetoresistive memory device according to one or more embodiments of the present disclosure can form a stable connection between an MTJ structure and the lower wiring by including a cobalt capping layer formed on an upper surface of a lower wiring and a lower pad disposed on an upper surface of the cobalt capping layer, and can reduce a circuit line width of the device and a vertical thickness of the device.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면들로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects described above, and effects not mentioned can be clearly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains from this specification and the attached drawings.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자의 단면도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 임베디드 셀 구조의 단면도이다.
도 3 내지 도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 임베디드 셀 구조의 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetoresistive memory device according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 2 is a cross-sectional view of an embedded cell structure according to one embodiment of the present disclosure.
FIGS. 3 to 10 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a magnetoresistive memory element according to one embodiment of the present disclosure.
FIG. 11 is a cross-sectional view of an embedded cell structure according to one embodiment of the present disclosure.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 도면 상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하고, 이들에 대한 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Identical components in the drawings are designated by the same reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted.
이하에서, 본 개시의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 개시를 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 개시의 실시예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described clearly and in detail to such an extent that a person having ordinary skill in the art of the present disclosure can easily practice the present disclosure.
본 명세서에서, 특정 방향(예컨대, 수직 방향으로 이격된, 수평 방향으로 이격된 등)으로 다른 요소로부터 "이격"된 것으로 설명되는 요소 및/또는 다른 요소와 "분리된" 것으로 설명되는 요소는, 특정 방향(예컨대, 수직 방향으로 다른 요소와의 직접적인 접촉(direct contact)으로부터 분리(isolated)된, 수평 방향으로 다른 요소와의 직접적인 접촉으로부터 분리된 등)으로 다른 요소와 직접 접촉으로부터 분리된 것으로 이해될 수 있을 것이다. 마찬가지로, 특정 방향으로 서로 "이격"된 것으로 설명되는 요소들(예: 수직 방향으로 이격, 수평 방향으로 이격 등) 및/또는 서로 "분리"된 것으로 설명되는 요소들은 특정 방향으로 서로 직접적인 접촉으로부터 분리된 것으로 이해될 수 있다(예: 수직 방향으로 서로 직접적인 접촉으로부터 분리, 수평 방향으로 서로 직접적인 접촉으로부터 분리 등). 유사하게, 본 명세서에서 두 개의 다른 구조물 사이에 위치하여 두 개의 다른 구조물을 서로 분리하는 구조물은 두 개의 다른 구조물이 서로 직접 접촉하지 않도록 분리되도록 구성되는 것으로 이해될 수 있을 것이다.In this specification, elements described as being “isolated” from other elements in a particular direction (e.g., vertically spaced, horizontally spaced, etc.) and/or elements described as being “isolated” from other elements will be understood to be isolated from direct contact with other elements in the particular direction (e.g., vertically spaced, horizontally spaced, etc.). Similarly, elements described as being “isolated” from one another in a particular direction (e.g., vertically spaced, horizontally spaced, etc.) and/or elements described as being “isolated” from one another will be understood to be isolated from direct contact with one another in the particular direction (e.g., vertically spaced, horizontally spaced, etc.). Similarly, a structure positioned between two other structures and separating the two other structures from one another will be understood to be configured to be isolated such that the two other structures do not come into direct contact with one another.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자(10)의 단면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view of a magnetoresistive memory element (10) according to one embodiment of the present disclosure.
도 1을 참조하면, 자기 저항 메모리 소자(10)는 트랜지스터 구조(100), 임베디드 셀 구조(300), 비트 라인(400)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, a magnetoresistive memory element (10) may include a transistor structure (100), an embedded cell structure (300), and a bit line (400).
트랜지스터 구조(100)는 기판(101), 하부 층간 절연층(110a) 및 상부 층간 절연층(110b)을 포함할 수 있다.The transistor structure (100) may include a substrate (101), a lower interlayer insulating layer (110a), and an upper interlayer insulating layer (110b).
기판(101)은 소자 분리층(102) 및 셀 트랜지스터(200)를 포함할 수 있다. 기판(101)은 실리콘, 게르마늄, 실리콘-게르마늄, 또는 GaP, GaAs, GaSb 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 화합물을 포함할 수 있다.The substrate (101) may include a device isolation layer (102) and a cell transistor (200). The substrate (101) may include silicon, germanium, silicon-germanium, or a group III-V compound such as GaP, GaAs, GaSb, etc.
소자 분리층(102)은 기판(101)에 형성될 수 있다. 소자 분리층(102)은 기판(101)을 액티브 영역과 필드 영역으로 구분할 수 있다. 소자 분리층(102)은 셸로우 트렌치 분리(Shallow Trench Isolation, STI) 공정을 통해서 형성될 수 있다. 소자 분리층(102)에 의해 구분된 상기 액티브 영역에는 셀 트랜지스터(200)가 형성될 수 있다. A device isolation layer (102) may be formed on a substrate (101). The device isolation layer (102) may divide the substrate (101) into an active region and a field region. The device isolation layer (102) may be formed through a shallow trench isolation (STI) process. A cell transistor (200) may be formed in the active region divided by the device isolation layer (102).
셀 트랜지스터(200)는 기판(101)의 액티브 영역에 형성될 수 있다. 셀 트랜지스터(200)는 메모리 구조물(MS)과 전기적으로 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 소자 분리층(102)에 의해 구분된 액티브 영역에는 2개의 셀 트랜지스터(200)가 형성될 수 있다. A cell transistor (200) may be formed in an active area of a substrate (101). The cell transistor (200) may be electrically connected to a memory structure (MS). In some embodiments, as illustrated in FIG. 1, two cell transistors (200) may be formed in an active area separated by a device isolation layer (102).
일부 실시예에서, 셀 트랜지스터(200)는 매립 게이트형 트랜지스터일 수 있다. 이 경우, 셀 트랜지스터(200)는 게이트 절연층(202), 게이트 전극(203), 하드 마스크 패턴(204), 제1 불순물 영역(210) 및 제2 불순물 영역(212)을 포함할 수 있다. 게이트 절연층(202), 게이트 전극(203) 및 하드 마스크 패턴(204)은 제2 수평 방향(Y 방향)으로 연장되는 트렌치(201)의 내부에 배치될 수 있다. 또한, 제1 불순물 영역(210) 및 제2 불순물 영역(212)은 각각 게이트의 양 측에 배치된 액티브 영역 내에 불순물을 주입함으로써 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 불순물 영역(210)은 2개의 셀 트랜지스터(200)에 대한 공통의 소스 영역일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 불순물 영역(210)은 소스 영역일 수 있고, 제2 불순물 영역(212)은 드레인 영역일 수 있다.In some embodiments, the cell transistor (200) may be a buried gate transistor. In this case, the cell transistor (200) may include a gate insulating layer (202), a gate electrode (203), a hard mask pattern (204), a first impurity region (210), and a second impurity region (212). The gate insulating layer (202), the gate electrode (203), and the hard mask pattern (204) may be disposed within a trench (201) extending in the second horizontal direction (Y direction). In addition, the first impurity region (210) and the second impurity region (212) may be formed by implanting impurities into active regions disposed on both sides of the gate, respectively. As illustrated in FIG. 1, the first impurity region (210) may be a common source region for two cell transistors (200). As illustrated in FIG. 1, the first impurity region (210) may be a source region, and the second impurity region (212) may be a drain region.
도 1은 트랜지스터 구조(100)의 셀 트랜지스터(200)가 매립 게이트형 트랜지스터라는 점만을 도시하고 있지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다. 트랜지스터 구조(100)에 포함될 수 있는 셀 트랜지스터(200)는 플래너 게이트형 트랜지스터, 핀형 트랜지스터일 수도 있는 등 다양한 종류의 트랜지스터로 구현될 수 있음은 물론이다.Although Fig. 1 only illustrates that the cell transistor (200) of the transistor structure (100) is a buried gate type transistor, this is only for convenience of explanation. It goes without saying that the cell transistor (200) that may be included in the transistor structure (100) may be implemented as various types of transistors, such as a planar gate type transistor or a fin type transistor.
소스 라인(114)은 하부 층간 절연층(110a)을 관통하도록 배치될 수 있다. 소스 라인(114)은 제1 불순물 영역(210)의 상면과 접촉할 수 있다. 소스 라인(114)은 예를 들어, 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨 등과 같은 금속 또는 텅스텐 질화물, 티타늄 질화물, 탄날륨 질화물 등과 같은 금속 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The source line (114) may be arranged to penetrate the lower interlayer insulating layer (110a). The source line (114) may be in contact with the upper surface of the first impurity region (210). The source line (114) may include, for example, at least one of a metal such as tungsten, titanium, tantalum, etc., or a metal nitride such as tungsten nitride, titanium nitride, tantalum nitride, etc.
콘택 플러그(112)는 하부 층간 절연층(110a) 및 상부 층간 절연층(110b)을 관통하도록 배치될 수 있다. 콘택 플러그(112)는 제2 불순물 영역(212)의 상면과 접촉할 수 있다. 콘택 플러그(112)의 상면은 소스 라인(114)의 상면보다 높은 수직 레벨에 배치될 수 있다. The contact plug (112) may be positioned to penetrate the lower interlayer insulating layer (110a) and the upper interlayer insulating layer (110b). The contact plug (112) may be in contact with the upper surface of the second impurity region (212). The upper surface of the contact plug (112) may be positioned at a vertical level higher than the upper surface of the source line (114).
또한, 도 1에는 자세히 도시되지 않았지만, 콘택 플러그(112) 상에는 제1 배선층에 포함된 제1 배선이 배치될 수 있고, 복수의 제1 배선의 사이에는 제1 배선간 절연층이 배치될 수 있다. 콘택 플러그(112)는 제1 배선과 전기적으로 연결될 수 있다. In addition, although not illustrated in detail in FIG. 1, a first wiring included in a first wiring layer may be arranged on a contact plug (112), and a first wiring inter-insulating layer may be arranged between a plurality of first wirings. The contact plug (112) may be electrically connected to the first wiring.
여기서, 제1 배선층이란 트랜지스터 구조(100)의 상부에 배치되는 복수의 배선층 중에서, 가장 하부에 배치된 최하부 배선층을 의미할 수 있다. 일 예로, 복수의 배선층은 제1 내지 제10 배선층을 포함할 수 있다. 이 경우, 10개의 배선 층 중에서, 제1 배선층은 최하부 배선층이고, 제10 배선층은 최상부 배선층이다. 최하부 배선층은 콘택 플러그(112)와 맞닿을 수 있고, 최상부 배선층은 비트 라인(400)과 맞닿을 수 있다.Here, the first wiring layer may refer to the lowest wiring layer positioned at the bottom among the plurality of wiring layers positioned on the upper portion of the transistor structure (100). For example, the plurality of wiring layers may include the first to tenth wiring layers. In this case, among the ten wiring layers, the first wiring layer is the lowest wiring layer, and the tenth wiring layer is the uppermost wiring layer. The lowermost wiring layer may be in contact with the contact plug (112), and the uppermost wiring layer may be in contact with the bit line (400).
임베디드 셀 구조(300)는 하부 배선층 및 메모리 구조물(MS)을 포함할 수 있다.The embedded cell structure (300) may include a lower wiring layer and a memory structure (MS).
하부 배선층은 복수의 하부 배선(302) 및 복수의 하부 배선(302)을 둘러싸는 하부 배선간 절연층(301)을 포함할 수 있다. 하부 배선층은 메모리 구조물(MS)의 하부에 배치되는 배선층을 의미할 수 있다. The lower wiring layer may include a plurality of lower wirings (302) and an inter-lower wiring insulation layer (301) surrounding the plurality of lower wirings (302). The lower wiring layer may refer to a wiring layer disposed at the bottom of the memory structure (MS).
메모리 구조물(MS)은 서로 인접하게 배치된 두개의 배선층 사이에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 메모리 구조물(MS)은 제3 배선층 및 제4 배선층 사이에 배치될 수 있고, 이 경우 하부 배선층은 제3 배선층일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 메모리 구조물(MS)은 제5 배선층 및 제6 배선층 사이에 배치될 수 있고, 이 경우 하부 배선층은 제5 배선층일 수 있다. 본 개시에서는 설명의 편의를 위해, 하부 배선층이 제N 배선층(N은 1이상의 자연수)이라고 가정하도록 한다.The memory structure (MS) may be disposed between two adjacent wiring layers. In one embodiment, the memory structure (MS) may be disposed between the third wiring layer and the fourth wiring layer, in which case the lower wiring layer may be the third wiring layer. In another embodiment, the memory structure (MS) may be disposed between the fifth wiring layer and the sixth wiring layer, in which case the lower wiring layer may be the fifth wiring layer. In the present disclosure, for convenience of explanation, it is assumed that the lower wiring layer is the Nth wiring layer (N is a natural number greater than or equal to 1).
하부 배선(302)은 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 하부 배선(302)은 구리 또는 구리 합금으로 구성될 수 있다. 이 경우, 하부 배선(302)은 다마신(Damascene) 공정을 통해 형성될 수 있다. 또한, 하부 배선(302)은 알루미늄을 포함하지 않거나, 알루미늄을 거의 포함하지 않을 수 있다. 상술한 예시는 하부 배선(302)이 포함하는 금속의 종류를 예시한 것일 뿐이며, 하부 배선(302)은 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨 등 다양한 종류의 금속을 포함할 수도 있음은 물론이다.The lower wiring (302) may include a metal. In some embodiments, the lower wiring (302) may be composed of copper or a copper alloy. In this case, the lower wiring (302) may be formed through a damascene process. In addition, the lower wiring (302) may not include aluminum or may contain little aluminum. The above examples are merely illustrative of the types of metals included in the lower wiring (302), and it is to be understood that the lower wiring (302) may include various types of metals, such as tungsten, titanium, and tantalum.
하부 배선간 절연층(301)은 복수의 하부 배선(302)을 둘러쌀 수 있다. 하부 배선간 절연층(301)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 산화물보다 유전율이 낮은 절연물질로 이루어질 수 있다. 하부 배선간 절연층(301)은 TEOS(tetraethyl orthosilicate) 막, ULK(ultra low K) 막 또는 ELK(extreme low-k) 막으로 이루어질 수 있다. 일부 실시 예에서, 상기 ULK 막 또는 상기 ELK 막은 약 2 내지 약 3.5의 유전상수를 가질 수 있다. 일부 실시 예에서, 하부 배선간 절연층(301)은 SiOC 막, SiOF 막, SiCH 막, SiCOH 막 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. The lower interconnection insulating layer (301) can surround a plurality of lower interconnections (302). The lower interconnection insulating layer (301) can be formed of silicon oxide or an insulating material having a lower dielectric constant than silicon oxide. The lower interconnection insulating layer (301) can be formed of a tetraethyl orthosilicate (TEOS) film, an ultra low K (ULK) film, or an extreme low-k (ELK) film. In some embodiments, the ULK film or the ELK film can have a dielectric constant of about 2 to about 3.5. In some embodiments, the lower interconnection insulating layer (301) can include a SiOC film, a SiOF film, a SiCH film, a SiCOH film, or a combination thereof.
하부 배선(302)의 상면에는 코발트 캡핑층(310)이 배치될 수 있다. 코발트 캡핑층(310)의 수직 방향 두께는 수 ㎚ 내지 수십 ㎚일 수 있다. 코발트 캡핑층(310)은 코발트(Co)를 포함할 수 있고, 하부 배선(302)의 상면에 대한 선택적 증착 공정에 의해 형성될 수 있다. 코발트 캡핑층(310)의 하면의 수평 너비는 하부 배선(302)의 상면의 수평 너비와 실질적으로 동일할 수 있다. A cobalt capping layer (310) may be disposed on the upper surface of the lower wiring (302). The vertical thickness of the cobalt capping layer (310) may be several nm to several tens of nm. The cobalt capping layer (310) may include cobalt (Co) and may be formed by a selective deposition process on the upper surface of the lower wiring (302). The horizontal width of the lower surface of the cobalt capping layer (310) may be substantially the same as the horizontal width of the upper surface of the lower wiring (302).
하부 배선간 절연층(301)의 상부에는 식각 저지층(311)이 배치될 수 있다. 식각 저지층(311)은 제1 절연층(321)과의 높은 식각 선택비를 가지는 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 식각 저지층(311)은 실리콘 질화물을 포함하고, 제1 절연층(321)은 실리콘 탄화물을 포함할 수 있다.An etch-stop layer (311) may be disposed on top of the lower wiring inter-insulating layer (301). The etch-stop layer (311) may include a material having a high etching selectivity with respect to the first insulating layer (321). In some embodiments, the etch-stop layer (311) may include silicon nitride, and the first insulating layer (321) may include silicon carbide.
식각 저지층(311)의 하면과 코발트 캡핑층(310)의 하면은 동일한 수직 레벨에 배치될 수 있다. 식각 저지층(311)의 수직 방향 두께는 코발트 캡핑층(310)의 수직 방향 두께보다 클 수 있다. 식각 저지층(311)은 코발트 캡핑층(310)의 측벽을 둘러쌀 수 있다.The lower surface of the etch-stop layer (311) and the lower surface of the cobalt capping layer (310) may be arranged at the same vertical level. The vertical thickness of the etch-stop layer (311) may be greater than the vertical thickness of the cobalt capping layer (310). The etch-stop layer (311) may surround the sidewall of the cobalt capping layer (310).
제1 절연층(321)은 식각 저지층(311)의 상면에 배치될 수 있고, 보호층(342)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 절연층(321)은 실리콘 탄화물, 알루미늄 질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 절연층(321)은 복수의 하부 패드(322) 사이에 배치될 수 있다. 제1 절연층(321)은 하부 패드(322)의 하부 구조를 둘러쌀 수 있다. 제1 절연층(321)이 실리콘 탄화물, 알루미늄 질화물 등과 같은 와이드 밴드 갭 물질을 포함함으로써, 인접한 하부 패드(322) 및 하부 배선(302) 사이에서 누설 전류가 흐르는 현상을 방지할 수 있다.The first insulating layer (321) may be disposed on the upper surface of the etch stop layer (311) and may be disposed under the protective layer (342). The first insulating layer (321) may include silicon carbide, aluminum nitride, or a combination thereof. The first insulating layer (321) may be disposed between a plurality of lower pads (322). The first insulating layer (321) may surround the lower structure of the lower pads (322). Since the first insulating layer (321) includes a wide band gap material such as silicon carbide, aluminum nitride, or the like, a phenomenon in which leakage current flows between adjacent lower pads (322) and lower wiring (302) may be prevented.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 절연층(321)의 하면은 평평한 형상을 가지는 반면, 제1 절연층(321)의 상면은 수직 방향에 대해 오목한 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 절연층(321)의 상면은 하부 방향으로 볼록한 형상을 가질 수 있다. 제1 절연층(321)의 측벽은 수직 방향에 대해 일정한 기울기로 경사진 상태일 수 있다. 제1 절연층(321)의 측벽은 상부에서 하부로 내려올수록 제1 절연층(321)의 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 상태일 수 있다.As illustrated in FIG. 1, the lower surface of the first insulating layer (321) may have a flat shape, while the upper surface of the first insulating layer (321) may have a concave shape with respect to the vertical direction. Specifically, the upper surface of the first insulating layer (321) may have a convex shape in the downward direction. The side wall of the first insulating layer (321) may be inclined at a constant incline with respect to the vertical direction. The side wall of the first insulating layer (321) may be inclined in a direction away from the central axis of the first insulating layer (321) as it goes from the top to the bottom.
메모리 구조물(MS)은 하부 패드(322), MTJ 구조물(330) 및 상부 패드(341)를 포함할 수 있다. The memory structure (MS) may include a lower pad (322), an MTJ structure (330), and an upper pad (341).
하부 패드(322)는 코발트 캡핑층(310)의 상면과 맞닿을 수 있다. 하부 패드(322)의 하면의 수평 너비는 코발트 캡핑층(310)의 상면의 수평 너비보다 클 수 있다. 하부 패드(322)의 상면의 수평 너비는 MTJ 구조물(330)의 하면의 수평 너비와 동일할 수 있다. 또한, 하부 패드(322)는 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 탄탈륨 산화물(TaOx) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.The lower pad (322) may be in contact with the upper surface of the cobalt capping layer (310). The horizontal width of the lower surface of the lower pad (322) may be greater than the horizontal width of the upper surface of the cobalt capping layer (310). The horizontal width of the upper surface of the lower pad (322) may be the same as the horizontal width of the lower surface of the MTJ structure (330). In addition, the lower pad (322) may include tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), tantalum oxide (TaOx), or a combination thereof.
하부 패드(322)는 하부 배선(302)과 MTJ 구조물(330)을 전기적으로 연결할 수 있다. 하부 패드(322)는 음각 방식으로 형성될 수 있다. 하부 패드(322)가 음각 방식으로 형성되는 방법에 대해서는 후술하는 도 6 내지 도 8에 대한 설명에서 자세히 설명하도록 한다. The lower pad (322) can electrically connect the lower wiring (302) and the MTJ structure (330). The lower pad (322) can be formed in a negative manner. The method for forming the lower pad (322) in a negative manner will be described in detail in the description of FIGS. 6 to 8 below.
MTJ 구조물(330)은 고정층(331), 터널 배리어층(332) 및 자유층(333)을 포함할 수 있다. 고정층(331), 터널 배리어층(332) 및 자유층(333)은 순서대로 적층될 수 있다. MTJ 구조물(330)의 측벽은 수직 방향에 대해 일정한 기울기로 경사진 상태일 수 있다. MTJ 구조물(330)의 측벽은 상부에서 하부로 내려올수록 MTJ 구조물(330)의 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 상태일 수 있다. The MTJ structure (330) may include a fixed layer (331), a tunnel barrier layer (332), and a free layer (333). The fixed layer (331), the tunnel barrier layer (332), and the free layer (333) may be sequentially stacked. The side walls of the MTJ structure (330) may be inclined at a constant inclination with respect to the vertical direction. The side walls of the MTJ structure (330) may be inclined in a direction away from the central axis of the MTJ structure (330) as they go from the top to the bottom.
상부 패드(341)는 MTJ 구조물(330)의 상부에 배치될 수 있다. 상부 패드(341)의 하면의 수평 너비는 MTJ 구조물(330)의 상면의 수평 너비와 동일할 수 있다. 상부 패드(341)는 하부에 배치된 MTJ 구조물(330)을 형성하기 위한 식각 공정에서 식각 마스크로써의 기능을 수행할 수도 있다. 상부 패드(341)는 텅스텐, 티타늄, 탄탈륨, 철 등과 같은 금속 또는 텅스텐 질화물, 티타늄 질화뮬, 탄탈륨 질화물 등과 같은 금속 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상부 패드(341)의 측벽은 경사진 상태일 수 있다. 일 예로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상부 패드(341)의 측벽은 MTJ 구조물(330)의 측벽과 동일한 기울기로 경사질 수 있다. 도 1에 자세히 도시되지는 않았지만, 상부 패드(341)는 임베디드 셀 구조(300)의 상부에 배치되는 상부 배선층의 상부 배선과 맞닿을 수 있다.The upper pad (341) may be arranged on the upper side of the MTJ structure (330). The horizontal width of the lower side of the upper pad (341) may be the same as the horizontal width of the upper side of the MTJ structure (330). The upper pad (341) may also function as an etching mask in an etching process for forming the MTJ structure (330) arranged thereunder. The upper pad (341) may include at least one of a metal such as tungsten, titanium, tantalum, iron, or a metal nitride such as tungsten nitride, titanium nitride, tantalum nitride, or the like. The sidewall of the upper pad (341) may be inclined. For example, as illustrated in FIG. 1, the sidewall of the upper pad (341) may be inclined at the same incline as the sidewall of the MTJ structure (330). Although not shown in detail in FIG. 1, the upper pad (341) may be in contact with the upper wiring of the upper wiring layer disposed on the upper side of the embedded cell structure (300).
보호층(342)은 메모리 구조물(MS)을 보호하는 물질층일 수 있다. 보호층(342)은 메모리 구조물(MS)의 측벽을 둘러쌀 수 있다. 보호층(342)은 제1 절연층(321)의 상면과 맞닿을 수 있다. 보호층(342)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. The protective layer (342) may be a material layer that protects the memory structure (MS). The protective layer (342) may surround the sidewall of the memory structure (MS). The protective layer (342) may be in contact with the upper surface of the first insulating layer (321). The protective layer (342) may include silicon nitride.
보호층(342) 상에는, 상기 보호층(342)을 둘러싸고, 제1 절연층(321)에 비해 상대적으로 높은 수직 레벨에 형성된 제2 절연층(350)이 배치될 수 있다. 도 1에 자세히 도시되지는 않았지만, 제2 절연층(350)은 임베디드 셀 구조(300)의 상부에 배치되는 상부 배선층의 상부 배선간 절연층과 맞닿을 수 있다. On the protective layer (342), a second insulating layer (350) may be disposed to surround the protective layer (342) and be formed at a relatively higher vertical level than the first insulating layer (321). Although not illustrated in detail in FIG. 1, the second insulating layer (350) may be in contact with the upper inter-wire insulating layer of the upper wiring layer disposed on top of the embedded cell structure (300).
비트 라인(400)은 배리어 금속층(401) 및 금속층(402)을 포함할 수 있다. 배리어 금속층(401)은 티타늄, 티타늄 질화뮬, 탄탈륨, 탄탈륨 질화물 등을 포함할 수 있다. 금속층(402)은 구리, 텅스텐, 알루미늄 등을 포함할 수 있다. 비트 라인(400)은 최상부 배선층과 맞닿을 수 있다. 일부 실시예에서, 임베디드 셀 구조(300)의 상부에 배선층이 배치되지 않는 경우에는, 비트 라인(400)은 상부 패드(341)와 맞닿을 수도 있다.The bit line (400) may include a barrier metal layer (401) and a metal layer (402). The barrier metal layer (401) may include titanium, titanium nitride, tantalum, tantalum nitride, or the like. The metal layer (402) may include copper, tungsten, aluminum, or the like. The bit line (400) may be in contact with the top wiring layer. In some embodiments, when the wiring layer is not disposed on top of the embedded cell structure (300), the bit line (400) may be in contact with the top pad (341).
본 개시의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자(10)는 MTJ 구조물(330) 및 하부 배선(302) 사이에 배치되는 코발트 캡핑층(310) 및 하부 패드(322)를 포함함으로써, 회로 선폭 및 수직 방향 두께를 감소된 경우에도, 안정적인 연결 구조를 형성할 수 있다.A magnetoresistive memory device (10) according to one embodiment of the present disclosure includes a cobalt capping layer (310) and a lower pad (322) disposed between an MTJ structure (330) and a lower wiring (302), thereby forming a stable connection structure even when the circuit line width and vertical thickness are reduced.
복수의 하부 배선(302) 사이의 피치가 매우 작은 경우에도, 하부 배선(302)의 상면에 형성되는 코발트 캡핑층(310)은 복수의 하부 배선(302) 사이에서 발생할 수 있는 누설 전류(leakage current)를 억제할 수 있다. 또한, 코발트 캡핑층(310)은 하부 배선(302)을 구성하는 물질이 MTJ 구조물(330) 측으로 확산되는 것을 방지하는 배리어 기능을 수행할 수도 있다.Even when the pitch between the plurality of lower wirings (302) is very small, the cobalt capping layer (310) formed on the upper surface of the lower wirings (302) can suppress leakage current that may occur between the plurality of lower wirings (302). In addition, the cobalt capping layer (310) can also perform a barrier function that prevents the material constituting the lower wirings (302) from diffusing toward the MTJ structure (330).
또한, 하부 배선(302) 및 MTJ 구조물(330) 사이에 하부 패드(322)가 배치되는 바, 자기 저항 메모리 소자(10)는 수직 방향으로 길게 연장된 하부 전극 콘택(Bottom Electrode Contact, BEC)을 포함하지 않을 수 있다. 하부 패드(322)는 MTJ 구조물(330) 및 하부 배선(302)보다 넓은 수평 너비를 가지며, 음각 방식으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 하부 배선(302) 및 MTJ 구조물(330) 사이에 수직 방향으로 길게 연장된 하부 전극 콘택이 존재하지 않더라도, MTJ 구조물(330)을 형성하기 위한 식각 공정(예컨대, IBE 공정, 후술하는 도 9에서 자세히 설명)에서 하부 배선(302)이 노출되지 않는다. In addition, since a lower pad (322) is arranged between the lower wiring (302) and the MTJ structure (330), the magnetoresistive memory element (10) may not include a bottom electrode contact (BEC) that extends vertically. The bottom pad (322) has a wider horizontal width than the MTJ structure (330) and the lower wiring (302), and may be formed in an engraved manner. Accordingly, even if a bottom electrode contact that extends vertically does not exist between the lower wiring (302) and the MTJ structure (330), the lower wiring (302) is not exposed in an etching process (e.g., an IBE process, which will be described in detail in FIG. 9 below) for forming the MTJ structure (330).
또한, 하부 패드(322)가 하부 배선(302) 및 MTJ 구조물(330) 사이에 배치됨으로써, 하부 패드(322)는 식각 공정, 세정 공정 등에 사용되는 wet chemical이 하부 배선(302)으로 침투하는 현상을 방지하는 배리어 기능을 수행할 수도 있다. 하부 패드(322)는 하부 배선(302)과 MTJ 구조물(330)을 서로 물리적으로 이격시킬 뿐만 아니라, 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 탄탈륨 산화물(TaOx) 등의 비정질 물질로 구성됨으로써 wet chemical의 침투 현상을 억제할 수도 있다.In addition, since the lower pad (322) is placed between the lower wiring (302) and the MTJ structure (330), the lower pad (322) can also perform a barrier function to prevent wet chemicals used in an etching process, a cleaning process, etc. from penetrating into the lower wiring (302). The lower pad (322) not only physically separates the lower wiring (302) and the MTJ structure (330) from each other, but can also suppress the penetration of wet chemicals by being composed of an amorphous material such as tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), or tantalum oxide (TaOx).
후술하는 도 2에 대한 설명에서는 상술한 바와 같은 하부 패드(322)의 구조에 대해서 자세히 설명하도록 한다.In the description of FIG. 2 described below, the structure of the lower pad (322) as described above will be described in detail.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 임베디드 셀 구조(300)의 단면도이다.FIG. 2 is a cross-sectional view of an embedded cell structure (300) according to one embodiment of the present disclosure.
도 2에 대한 설명에서는 도 1에 대한 설명과 중복되는 부분은 생략하고, 도 1에 대한 설명에서 구체적으로 설명하지 않은 구성을 중심으로 설명하도록 한다.In the description of Fig. 2, any overlapping parts with the description of Fig. 1 will be omitted, and the description will focus on the configurations not specifically described in the description of Fig. 1.
도 2를 참조하면, 하부 패드(322)의 수직 방향 두께(h3)는 MTJ 구조물(330)의 수직 방향 두께(h4)보다 작을 수 있다. 하부 패드(322)의 수직 방향 두께(h3)가 MTJ 구조물(330)의 수직 방향 두께(h4)보다도 작게 구현됨으로써, 하부 전극 콘택(BEC)을 포함하는 자기 저항 메모리 소자에 비해 축소된 수직 두께를 가질 수 있다. Referring to FIG. 2, the vertical thickness (h3) of the lower pad (322) may be smaller than the vertical thickness (h4) of the MTJ structure (330). Since the vertical thickness (h3) of the lower pad (322) is implemented to be smaller than the vertical thickness (h4) of the MTJ structure (330), a reduced vertical thickness may be achieved compared to a magnetoresistive memory element including a lower electrode contact (BEC).
또한, 하부 패드(322)의 하면의 수평 너비(w2)는 하부 패드(322)의 상면의 수평 너비(w4)에 비해 상대적으로 클 수 있다. 또한, 하부 패드(322)의 하면의 수평 너비(w2)는 코발트 캡핑층(310)의 수평 너비(w1) 및 하부 배선(302)의 수평 너비에 비해 상대적으로 클 수 있다. 상술한 바와 같이, 하부 패드(322)의 하면의 수평 너비(w2)가 코발트 캡핑층(310)의 수평 너비(w1) 및 하부 배선(302)의 수평 너비에 비해 크게 구성됨에 따라, 하부 패드(322)는 하부 배선(302)에 대한 물리적인 배리어의 기능을 수행할 수 있다.In addition, the horizontal width (w2) of the lower surface of the lower pad (322) may be relatively larger than the horizontal width (w4) of the upper surface of the lower pad (322). In addition, the horizontal width (w2) of the lower surface of the lower pad (322) may be relatively larger than the horizontal width (w1) of the cobalt capping layer (310) and the horizontal width of the lower wiring (302). As described above, since the horizontal width (w2) of the lower surface of the lower pad (322) is configured to be larger than the horizontal width (w1) of the cobalt capping layer (310) and the horizontal width of the lower wiring (302), the lower pad (322) may function as a physical barrier for the lower wiring (302).
또한, 하부 패드(322)는 하측 패드 구조(322l) 및 상측 패드 구조(322u)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 하부 패드(322)는 측벽의 형상에 따라, 하측 패드 구조(322l) 및 상측 패드 구조(322u)로 구분될 수 있다. 상측 패드 구조(322u)는 하측 패드 구조(322l) 상에 배치되고, 상측 패드 구조(322u)의 측벽은 MTJ 구조물(330)의 측벽과 연결되어, MTJ 구조물(330)의 측벽의 형상과 연속적인 형태일 수 있다. 반면, 하측 패드 구조(322l)의 측벽은 MTJ 구조물(330)의 측벽과 불연속적인 형태일 수 있다. In addition, the lower pad (322) may include a lower pad structure (322l) and an upper pad structure (322u). Specifically, the lower pad (322) may be divided into a lower pad structure (322l) and an upper pad structure (322u) depending on the shape of the side wall. The upper pad structure (322u) is disposed on the lower pad structure (322l), and the side wall of the upper pad structure (322u) is connected to the side wall of the MTJ structure (330), so that the side wall may be continuous with the shape of the side wall of the MTJ structure (330). On the other hand, the side wall of the lower pad structure (322l) may be discontinuous with the side wall of the MTJ structure (330).
일부 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 패드(322)는 상측 패드 구조(322u) 및 하측 패드 구조(322l)의 경계면에서 최대 수평 너비(w3)를 가질 수 있다.In some embodiments, as illustrated in FIG. 2, the lower pad (322) may have a maximum horizontal width (w3) at the boundary between the upper pad structure (322u) and the lower pad structure (322l).
하부 패드(322)의 최대 수평 너비(w3)는 하부 배선(302)의 피치(p)보다 작고, MTJ 구조물(330)의 하면의 수평 너비(w4)보다 클 수 있다. 여기서, 하부 배선(302)의 피치(p)는 복수의 하부 배선(302) 중에서, 인접한 두 개의 하부 배선(302)의 중심(예컨대, 도 2의 A1 및 A2) 사이의 수평 거리를 의미할 수 있다. 하부 패드(322)의 최대 수평 너비(w3)가 하부 배선(302)의 피치(p)보다 작게 구현됨으로써, 인접한 두 개의 하부 패드(322) 사이에 제1 절연층(321)이 배치될 수 있고, 인접한 두 개의 하부 배선(302)이 전기적으로 연결되는 현상을 방지할 수 있다. The maximum horizontal width (w3) of the lower pad (322) may be smaller than the pitch (p) of the lower wiring (302) and larger than the horizontal width (w4) of the lower surface of the MTJ structure (330). Here, the pitch (p) of the lower wiring (302) may refer to the horizontal distance between the centers of two adjacent lower wirings (302) among the plurality of lower wirings (302) (e.g., A1 and A2 of FIG. 2). By implementing the maximum horizontal width (w3) of the lower pad (322) to be smaller than the pitch (p) of the lower wiring (302), a first insulating layer (321) may be disposed between two adjacent lower pads (322), and a phenomenon in which two adjacent lower wirings (302) are electrically connected may be prevented.
상측 패드 구조(322u)의 측벽은 곡면형 경사 구조를 가질 수 있다. 상기 곡면형 경사 구조는 하부 방향으로 볼록한 형상이며, 상측 패드 구조(322u)의 측벽은 하부 패드(322)의 중심축을 향해 라운드된 형상일 수 있다. 상측 패드 구조(322u)는 상부 방향으로 갈수록 수평 방향 단면적이 감소하는 구조일 수 있다. 구체적으로, 상측 패드 구조(322u)의 측벽은 상부에서 하부로 내려갈수록, 하부 패드(322)의 중심축으로부터 멀어지는 경사 구조를 가질 수 있다.The side wall of the upper pad structure (322u) may have a curved slanted structure. The curved slanted structure may have a convex shape in a downward direction, and the side wall of the upper pad structure (322u) may have a rounded shape toward the central axis of the lower pad (322). The upper pad structure (322u) may have a structure in which the horizontal cross-sectional area decreases as it goes upward. Specifically, the side wall of the upper pad structure (322u) may have a slanted structure that moves away from the central axis of the lower pad (322) as it goes downward from the top.
하측 패드 구조(322l)의 측벽은 직선형 경사 구조를 가질 수 있다. 즉, 하측 패드 구조(322l)의 측벽은 일정한 기울기로 경사진 상태일 수 있다. 하측 패드 구조(322l)는 상부 방향으로 갈수록 수평 방향 단면적이 증가하는 구조일 수 있다. 구체적으로, 하측 패드 구조(322l)의 측벽은 상부에서 하부로 내려갈수록 하부 패드(322)의 중심축과 가까워지는 경사 구조를 가질 수 있다.The side wall of the lower pad structure (322l) may have a linear slope structure. That is, the side wall of the lower pad structure (322l) may be sloped at a constant incline. The lower pad structure (322l) may have a structure in which the horizontal cross-sectional area increases as it goes upward. Specifically, the side wall of the lower pad structure (322l) may have a slope structure in which it gets closer to the central axis of the lower pad (322) as it goes downward from the top.
상술한 바와 같이, 상측 패드 구조(322u)의 측벽 형상과 하측 패드 구조(322l)의 측벽 형상은 서로 상이할 수 있다. 이는 상측 패드 구조(322u)는 MTJ 구조물(330)을 형성하기 위한 식각 공정(예컨대, IBE 공정)에 의해 식각된 결과로 형성된 하부 패드(322)의 상측 구조이고, 하측 패드 구조(322l)는 상기 식각 공정에 의해 식각되지 않은 상태의 하부 패드(322)의 하측 구조이기 때문이다.As described above, the sidewall shape of the upper pad structure (322u) and the sidewall shape of the lower pad structure (322l) may be different from each other. This is because the upper pad structure (322u) is the upper structure of the lower pad (322) formed as a result of etching by an etching process (e.g., IBE process) for forming the MTJ structure (330), and the lower pad structure (322l) is the lower structure of the lower pad (322) that has not been etched by the etching process.
일부 실시예에서, 상측 패드 구조(322u)의 수직 방향 두께(h2)는 하측 패드 구조(322l)의 수직 방향 두께(h1)에 비해 상대적으로 클 수 있다. 이에 따라, 복수의 메모리 구조물(MS) 사이의 전기적 분리가 보장될 수 있고, 하부 배선(302)은 상기 식각 공정에 노출되지 않을 수 있다.In some embodiments, the vertical thickness (h2) of the upper pad structure (322u) may be relatively larger than the vertical thickness (h1) of the lower pad structure (322l). Accordingly, electrical isolation between the plurality of memory structures (MS) may be ensured, and the lower wiring (302) may not be exposed to the etching process.
구체적으로, 복수의 메모리 구조물(MS) 사이의 정확한 전기적 분리를 위해서, 상기 식각 공정(예컨대, IBE 공정)은 서로 인접한 2개의 메모리 구조물(MS) 사이에 배치된 제1 절연층(321)에 깊은 리세스(recess)가 형성될 때까지 수행될 수 있다. 이에 따라, 제1 절연층(321)과 맞닿는 하부 패드(322)도 상기 식각 공정에 의해 깊게 식각될 수 있다. 결국, 상기 식각 공정에 의해 식각된 하부 패드(322)의 일부분인 상측 패드 구조(322u)의 수직 방향 두께(h2)는 식각되지 않은 하부 패드(322)의 나머지 일부분인 하측 패드 구조(322l)의 수직 방향 두께(h1)에 비해 상대적으로 클 수 있다. 또한, 상기 식각 공정에 의해 식각되지 않고, 하면의 수평 너비(w2)가 넓은 하측 패드 구조(322l)가 존재함에 따라, 하부 배선(302) 및 코발트 캡핑층(310)은 식각 공정에 의해 노출되지 않을 수 있다.Specifically, in order to achieve precise electrical isolation between a plurality of memory structures (MS), the etching process (e.g., IBE process) may be performed until a deep recess is formed in the first insulating layer (321) disposed between two adjacent memory structures (MS). Accordingly, the lower pad (322) in contact with the first insulating layer (321) may also be deeply etched by the etching process. Consequently, the vertical thickness (h2) of the upper pad structure (322u), which is a portion of the lower pad (322) etched by the etching process, may be relatively larger than the vertical thickness (h1) of the lower pad structure (322l), which is the remaining portion of the lower pad (322) that is not etched. In addition, since there is a lower pad structure (322l) that is not etched by the above etching process and has a wide horizontal width (w2) of the lower surface, the lower wiring (302) and the cobalt capping layer (310) may not be exposed by the etching process.
일부 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상측 패드 구조(322u)의 측벽은 보호층(342)에 둘러싸일 수 있고, 하측 패드 구조(322l)의 측벽은 제1 절연층(321) 및 식각 저지층(311)에 둘러싸일 수 있다. 상측 패드 구조(322u)의 측벽 및 하측 패드 구조(322l)의 측벽은 절연 물질로 구성된 보호층(342), 제1 절연층(321) 및 식각 저지층(311)에 의해 둘러싸일 수 있고, 인접한 메모리 구조물(MS) 사이의 전기적 분리가 보장될 수 있다.In some embodiments, as illustrated in FIG. 2, the sidewall of the upper pad structure (322u) may be surrounded by a protective layer (342), and the sidewall of the lower pad structure (322l) may be surrounded by a first insulating layer (321) and an etch-stop layer (311). The sidewall of the upper pad structure (322u) and the sidewall of the lower pad structure (322l) may be surrounded by the protective layer (342), the first insulating layer (321), and the etch-stop layer (311) made of an insulating material, and electrical isolation between adjacent memory structures (MS) may be ensured.
후술하는 도 3 내지 도 10에 대한 설명에서는, 상술한 자기 저항 메모리 소자(10)의 제조 방법을 자세히 설명하도록 한다.In the description of FIGS. 3 to 10 described below, the manufacturing method of the above-described magnetoresistive memory element (10) will be described in detail.
도 3 내지 도 10은 본 개시의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.FIGS. 3 to 10 are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing a magnetoresistive memory element according to one embodiment of the present disclosure.
도 3을 참조하면, 하부 배선간 절연층(301)을 형성하고, 하부 배선간 절연층(301)을 관통하는 하부 배선(302)을 형성할 수 있다. 여기서, 도 1에서 전술한 바와 같이, 하부 배선간 절연층(301) 및 하부 배선(302)을 포함하는 하부 배선층은 트랜지스터 구조(도 1의 100)의 상부에 배치된 복수의 배선층 중에서, 제N 배선층(N은 1이상의 자연수)일 수 있다.Referring to FIG. 3, a lower wiring insulation layer (301) may be formed, and a lower wiring (302) penetrating the lower wiring insulation layer (301) may be formed. Here, as described above in FIG. 1, the lower wiring layer including the lower wiring insulation layer (301) and the lower wiring (302) may be the Nth wiring layer (N is a natural number greater than or equal to 1) among a plurality of wiring layers arranged on top of the transistor structure (100 in FIG. 1).
일부 실시예에서, 하부 배선(302)은 음각 방식으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 하부 배선간 절연층(301)을 식각하여 하부 배선간 절연층(301)을 관통하는 개구부를 형성할 수 있다. 상기 개구부의 내부를 채우는 금속 물질 층(예컨대, 구리(Cu) 층)을 형성하고 평탄화하여, 하부 배선(302)을 형성할 수 있다. 상기 평탄화 공정은 화학 기계적 연마 공정(CMP) 공정을 포함할 수 있다. 하부 배선(302)은 하부 배선간 절연층(301)을 관통하며, 하부 배선(302)의 상면은 하부 배선간 절연층(301)의 상면과 동일한 수직 레벨에 형성된다.In some embodiments, the lower wiring (302) may be formed in an engraved manner. Specifically, the lower wiring inter-insulating layer (301) may be etched to form an opening penetrating the lower wiring inter-insulating layer (301). A metal material layer (e.g., a copper (Cu) layer) filling the interior of the opening may be formed and planarized to form the lower wiring (302). The planarization process may include a chemical mechanical polishing process (CMP) process. The lower wiring (302) penetrates the lower wiring inter-insulating layer (301), and the upper surface of the lower wiring (302) is formed at the same vertical level as the upper surface of the lower wiring inter-insulating layer (301).
상기 개구부의 내부에 금속 물질 층을 형성하는 공정은 구리 전해 도금(Electroplating) 공정, 물리 기상 증착(PVD) 공정, 화학 기상 증착(CVD) 공정 또는 원자층 증착(ALD) 공정 등의 다양한 공정에 기초하여 수행될 수 있다. 또한, 하부 배선간 절연층(301)은 화학 기상 증착 공정, 원자층 증착 공정 또는 스핀 코팅 공정 등의 다양한 공정에 기초하여 형성될 수 있다.The process of forming a metal material layer inside the above-mentioned opening can be performed based on various processes such as a copper electroplating process, a physical vapor deposition (PVD) process, a chemical vapor deposition (CVD) process, or an atomic layer deposition (ALD) process. In addition, the lower wiring insulation layer (301) can be formed based on various processes such as a chemical vapor deposition process, an atomic layer deposition process, or a spin coating process.
도 4를 참조하면, 하부 배선(302)의 상면에 코발트 캡핑층(310)을 형성할 수 있다. 코발트 캡핑층(310)은 코발트(Co)를 포함하고, 코발트 캡핑층(310)의 수직 방향 두께는 수 ㎚ 내지 수십㎚ 일수 있다. 코발트 캡핑층(310)의 하면의 수평 너비는 하부 배선(302)의 상면의 수평 너비와 실질적으로 동일할 수 있다.Referring to FIG. 4, a cobalt capping layer (310) may be formed on the upper surface of the lower wiring (302). The cobalt capping layer (310) includes cobalt (Co), and the vertical thickness of the cobalt capping layer (310) may be several nm to several tens of nm. The horizontal width of the lower surface of the cobalt capping layer (310) may be substantially the same as the horizontal width of the upper surface of the lower wiring (302).
일부 실시예에서, 코발트 캡핑층(310)을 형성하는 공정은 선택적 증착 공정에 기초하여 수행될 수 있다. 상기 선택적 증착 공정은 금속의 표면에만 코발트를 증착시키고, 절연층의 표면에는 코발트를 증착시키지 않는 공정을 의미할 수 있다. 예를 들어, 코발트 캡핑층(310)은 코발트 전구체 가스를 이용하는 화학 기상 증착 공정 또는 원자층 증착 공정에 기초하여 형성될 수 있다. 상기 코발트 전구체 가스는 Co(CO)4, Co2(CO)8 등 코발트(Co)를 구성 성분으로 하는 다양한 물질로 구현될 수 있다.In some embodiments, the process of forming the cobalt capping layer (310) may be performed based on a selective deposition process. The selective deposition process may refer to a process of depositing cobalt only on the surface of the metal and not depositing cobalt on the surface of the insulating layer. For example, the cobalt capping layer (310) may be formed based on a chemical vapor deposition process or an atomic layer deposition process using a cobalt precursor gas. The cobalt precursor gas may be implemented with various materials containing cobalt (Co) as a component, such as Co(CO) 4 , Co2 (CO) 8 , etc.
일부 실시예에서, 하부 배선(302)의 상면에 코발트 전구체 가스가 흡착되기 이전에 하부 배선간 절연층(301)의 상면에 대해 소수성 기능기가 흡착될 수도 있다. 상기 소수성 기능기는 절연층과는 잘 반응하고, 금속층과는 잘 반응하지 않는 특성을 갖는 물질일 수 있다. 예를 들어, 소수성 기능기는 HMDS(hexaemthyldisiazane) 등의 물질로 구성될 수 있다. 상기 소수성 기능기가 하부 배선(302)의 상면에는 흡착되지 않고, 하부 배선간 절연층(301)의 상면에만 흡착됨으로써, 코발트의 선택적 증착 특성이 더 커질 수 있다. In some embodiments, a hydrophobic functional group may be adsorbed onto the upper surface of the lower interconnection insulating layer (301) before the cobalt precursor gas is adsorbed onto the upper surface of the lower interconnection (302). The hydrophobic functional group may be a material having a property of reacting well with the insulating layer and not reacting well with the metal layer. For example, the hydrophobic functional group may be composed of a material such as hexaemthyldisiazane (HMDS). Since the hydrophobic functional group is not adsorbed onto the upper surface of the lower interconnection (302) but is adsorbed only onto the upper surface of the lower interconnection insulating layer (301), the selective deposition characteristics of cobalt may be further enhanced.
도 5를 참조하면, 하부 배선간 절연층(301)의 상면 및 코발트 캡핑층(310)을 둘러싸는 식각 저지층(311)이 형성될 수 있다. 또한, 식각 저지층(311)의 상면을 덮는 제1 절연층(321)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5, an etch-stop layer (311) surrounding the upper surface of the lower wiring interlayer insulating layer (301) and the cobalt capping layer (310) may be formed. In addition, a first insulating layer (321) covering the upper surface of the etch-stop layer (311) may be formed.
식각 저지층(311)의 하면은 코발트 캡핑층(310)의 하면과 동일한 수직 레벨에 배치되고, 식각 저지층(311)의 상면은 코발트 캡핑층(310)의 상면보다 높은 수직 레벨에 배치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 식각 저지층(311)은 제1 절연층(321)과의 높은 식각 선택비를 가지는 물질을 포함할 수 있다.The lower surface of the etch-stop layer (311) may be arranged at the same vertical level as the lower surface of the cobalt capping layer (310), and the upper surface of the etch-stop layer (311) may be arranged at a higher vertical level than the upper surface of the cobalt capping layer (310). As described above, the etch-stop layer (311) may include a material having a high etching selectivity with respect to the first insulating layer (321).
제1 절연층(321)의 하면은 식각 저지층(311)의 상면과 맞닿을 수 있다. 제1 절연층(321)의 수직 방향 두께는 식각 저지층(311)의 수직 방향 두께에 비해 클 수 있다. 제1 절연층(321)은 알루미늄 질화물, 실리콘 탄화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제1 절연층(321)은 화학 기상 증착 공정 또는 원자층 증착 공정 등에 기초하여 형성될 수 있다. The lower surface of the first insulating layer (321) may be in contact with the upper surface of the etch-stop layer (311). The vertical thickness of the first insulating layer (321) may be greater than the vertical thickness of the etch-stop layer (311). The first insulating layer (321) may include aluminum nitride, silicon carbide, or a combination thereof. The first insulating layer (321) may be formed based on a chemical vapor deposition process or an atomic layer deposition process.
도 6을 참조하면, 식각 마스크(360)를 제1 절연층(321)의 상면에 배치할 수 있다. 여기서, 식각 마스크(360)는 노광 및 현상을 통해 형성된 식각 패턴을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 6, an etching mask (360) can be placed on the upper surface of the first insulating layer (321). Here, the etching mask (360) can include an etching pattern formed through exposure and development.
이어서, 식각 마스크(360)를 이용한 식각 공정을 통해 제1 절연층(321)을관통하고 식각 저지층(311)의 일부를 관통하는 개구부를 형성할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 절연층(321)을 관통하는 상기 개구부에 의해 코발트 캡핑층(310)의 상면, 식각 저지층(311)의 일부 및 제1 절연층(321)의 일부가 외부로 노출될 수 있다. 식각 마스크(360)를 이용하여 상기 개구부를 형성하는 공정은 반응성 이온 식각(RIE) 공정, 플라즈마 식각 공정 등의 식각 공정에 기초하여 수행될 수 있다.Next, an opening penetrating the first insulating layer (321) and a portion of the etch-stop layer (311) can be formed through an etching process using an etching mask (360). As illustrated in FIG. 6, the upper surface of the cobalt capping layer (310), a portion of the etch-stop layer (311), and a portion of the first insulating layer (321) can be exposed to the outside through the opening penetrating the first insulating layer (321). The process of forming the opening using the etching mask (360) can be performed based on an etching process such as a reactive ion etching (RIE) process or a plasma etching process.
상기 개구부의 하단 수평 너비는 상기 개구부의 상단 수평 너비보다 작을 수 있다. 구체적으로, 상기 개구부의 측면은 수직 방향에 대해 경사진 상태일 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 개구부를 둘러싸는 모든 측면은 상부에서 하부로 내려갈수록 상기 개구부의 중심축과 가까워지는 방향으로 경사진 상태일 수 있다. 또한, 상기 개구부의 하면의 수평 너비는 코발트 캡핑층(310)의 수평 너비보다 클 수 있다.The lower horizontal width of the opening may be smaller than the upper horizontal width of the opening. Specifically, the side surfaces of the opening may be inclined with respect to the vertical direction. As illustrated in FIG. 6, all side surfaces surrounding the opening may be inclined in a direction that becomes closer to the central axis of the opening as they go from top to bottom. In addition, the horizontal width of the lower surface of the opening may be larger than the horizontal width of the cobalt capping layer (310).
도 7을 참조하면, 식각 마스크(360)를 제거하고 제1 절연층(321)을 관통하는 상기 개구부를 충진하는 하부 패드(322)를 형성할 수 있다. 상기 하부 패드(322)는 제1 절연층(321)의 상면을 덮을 수 있다. 상기 하부 패드(322)는 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 탄탈륨 산화물(TaOx) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 개구부를 충진하는 하부 패드(322)를 형성하는 공정은 물리 기상 증착 공정, 화학 기상 증착 공정, 원자층 증착 공정 등에 기초하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 7, the etching mask (360) may be removed and a lower pad (322) may be formed to fill the opening penetrating the first insulating layer (321). The lower pad (322) may cover the upper surface of the first insulating layer (321). The lower pad (322) may include tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), tantalum oxide (TaOx), or a combination thereof. The process of forming the lower pad (322) to fill the opening may be performed based on a physical vapor deposition process, a chemical vapor deposition process, an atomic layer deposition process, or the like.
도 8을 참조하면, 하부 패드(322)를 평탄화할 수 있다. 평탄화된 하부 패드(322)의 상면은 제1 절연층(321)의 상면과 동일한 수직 레벨에 배치될 수 있다. 상기 하부 패드(322)에 대한 평탄화 공정은 화학 기계적 연마 공정 등에 기초하여 수행될 수 있다. Referring to Fig. 8, the lower pad (322) can be flattened. The upper surface of the flattened lower pad (322) can be placed at the same vertical level as the upper surface of the first insulating layer (321). The flattening process for the lower pad (322) can be performed based on a chemical mechanical polishing process, etc.
도 8에 도시된 바와 같이, 평탄화된 하부 패드(322)는 하부 임계 치수(Critical dimension, CD)가 상부 임계 치수보다 작을 수 있다. 또한, 하부 패드(322)의 측벽은 수직 방향에 대해 일정한 기울기로 경사진 상태일 수 있다. 하부 패드(322)의 측벽은 상부에서 하부 방향으로 내려갈수록 하부 패드(322)의 중심축과 가까워지는 방향으로 경사진 상태일 수 있다. 하부 패드(322)는 코발트 캡핑층(310)의 상면을 덮을 수 있고, 제1 절연층(321) 및 식각 저지층(311)과 맞닿을 수 있다.As illustrated in FIG. 8, the flattened lower pad (322) may have a lower critical dimension (CD) smaller than an upper critical dimension. In addition, the sidewall of the lower pad (322) may be inclined at a constant incline with respect to the vertical direction. The sidewall of the lower pad (322) may be inclined in a direction that becomes closer to the central axis of the lower pad (322) as it goes from the top to the bottom. The lower pad (322) may cover the upper surface of the cobalt capping layer (310) and may be in contact with the first insulating layer (321) and the etch-stop layer (311).
도 6 내지 도 8에서 설명한 바와 같이, 하부 패드(322)는 음각 방식을 통해 형성될 수 있다. 음각 방식을 통해 형성된 하부 패드(322)는 후속 식각 공정에 코발트 캡핑층(310) 및 하부 배선(302)이 노출되지 않도록 하는 배리어의 기능을 수행할 수 있다.As described in FIGS. 6 to 8, the lower pad (322) can be formed through an engraving process. The lower pad (322) formed through an engraving process can function as a barrier to prevent the cobalt capping layer (310) and the lower wiring (302) from being exposed during a subsequent etching process.
도 9를 참조하면, 하부 패드(322) 및 제1 절연층(321) 상에 MTJ 구조물(330)을 형성할 수 있다. MTJ 구조물(330)은 순차적으로 적층된 고정층(331), 터널 배리어층(332) 및 자유층(333)을 포함할 수 있다. Referring to Fig. 9, an MTJ structure (330) can be formed on the lower pad (322) and the first insulating layer (321). The MTJ structure (330) can include a sequentially stacked fixed layer (331), a tunnel barrier layer (332), and a free layer (333).
고정층(331)은 예를 들어, 코발트, 백금, 철, 니켈 등의 강자성체를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 고정층(331)은 코발트와 백금의 합금을 포함하거나, 코발트막 및 백금막이 교대로 적층된 복합층 구조를 가질 수도 있다. 터널 배리어층(332)은 예를 들어, 마그네슘 산화물 또는 알루미늄 산화물을 포함할 수 있다. 자유층(333)은 예를 들어, 코발트, 백금, 철, 니켈 등의 강자성체를 포함할 수 있다.The fixed layer (331) may include a ferromagnetic material such as cobalt, platinum, iron, nickel, etc. In some embodiments, the fixed layer (331) may include an alloy of cobalt and platinum, or may have a composite layer structure in which cobalt films and platinum films are alternately laminated. The tunnel barrier layer (332) may include, for example, magnesium oxide or aluminum oxide. The free layer (333) may include, for example, a ferromagnetic material such as cobalt, platinum, iron, nickel, etc.
고정층(331), 터널 배리어층(332) 및 자유층(333)은 제1 절연층(321) 및 하부 패드(322) 상에 순차적으로 형성될 수 있다. 고정층(331), 터널 배리어층(332) 및 자유층(333)을 형성하는 공정은 물리 기상 증착 공정, 화학 기상 증착 공정, 원자층 증착 공정 등에 기초하여 수행될 수 있다. 여기서, MTJ 구조물(330)의 수직 방향 두께는 하부 패드(322)의 수직 방향 두께보다 클 수 있다.The fixed layer (331), the tunnel barrier layer (332), and the free layer (333) may be sequentially formed on the first insulating layer (321) and the lower pad (322). The process of forming the fixed layer (331), the tunnel barrier layer (332), and the free layer (333) may be performed based on a physical vapor deposition process, a chemical vapor deposition process, an atomic layer deposition process, or the like. Here, the vertical thickness of the MTJ structure (330) may be greater than the vertical thickness of the lower pad (322).
이어서, 자유층(333)의 상부에 MTJ 식각 마스크(370)를 배치할 수 있다. MTJ 식각 마스크(370)는 MTJ 구조물(330)을 식각하기 위해 제공되는 식각 마스크일 수 있다. 일부 실시예에서, MTJ 식각 마스크(370)는 전술한 도 6의 식각 마스크(360)와 동일한 물질을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, MTJ 식각 마스크(370)는 MTJ 구조물(330)의 식각 공정을 위해 제공되는 금속 하드 마스크로, 상기 식각 공정의 수행 이후, 도 1의 상부 패드(341)로 구현될 수도 있다.Next, an MTJ etching mask (370) may be placed on top of the free layer (333). The MTJ etching mask (370) may be an etching mask provided for etching the MTJ structure (330). In some embodiments, the MTJ etching mask (370) may include the same material as the etching mask (360) of FIG. 6 described above. In another embodiment, the MTJ etching mask (370) is a metal hard mask provided for the etching process of the MTJ structure (330), and after performing the etching process, may be implemented as the upper pad (341) of FIG. 1.
MTJ 식각 마스크(370)는 하부 패드(322)에 대해 얼라인된 상태로 배치될 수 있다. 일 실시예에서, MTJ 식각 마스크(370)의 중심축과 하부 패드(322)의 중심축이 동일한 수평 좌표를 갖도록 MTJ 식각 마스크(370)가 얼라인될 수 있다. 이 경우, 하부 배선(302), 코발트 캡핑층(310), 하부 패드(322) 및 MTJ 식각 마스크(370) 각각의 중심축은 모두 동일한 수평 좌표에 얼라인된 상태일 수 있다.The MTJ etch mask (370) may be arranged in an aligned state with respect to the lower pad (322). In one embodiment, the MTJ etch mask (370) may be aligned so that the central axis of the MTJ etch mask (370) and the central axis of the lower pad (322) have the same horizontal coordinate. In this case, the central axes of the lower wiring (302), the cobalt capping layer (310), the lower pad (322), and the MTJ etch mask (370) may all be aligned to the same horizontal coordinate.
도 10을 참조하면, MTJ 식각 마스크(370)를 이용한 MTJ 구조물(330)의 식각 공정을 수행할 수 있다. 식각된 MTJ 구조물(330)은 하부 임계 치수가 상부 임계 치수에 비해 큰 상태일 수 있다. 구체적으로, MTJ 구조물(330)의 측벽은 수직 방향에 대해 일정한 기울기로 경사진 상태일 수 있다. MTJ 구조물(330)의 측벽은 상부에서 하부 방향으로 내려갈수록 MTJ 구조물(330)의 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 경사진 상태일 수 있다. 상기 식각 공정은 이온 빔 식각(Ion Beam Etching, IBE) 공정에 기초하여 수행될 수 있다.Referring to FIG. 10, an etching process of an MTJ structure (330) may be performed using an MTJ etching mask (370). The etched MTJ structure (330) may have a lower critical dimension that is larger than an upper critical dimension. Specifically, the sidewall of the MTJ structure (330) may be inclined at a constant slope with respect to the vertical direction. The sidewall of the MTJ structure (330) may be inclined in a direction away from the central axis of the MTJ structure (330) as it goes down from the top to the bottom. The etching process may be performed based on an ion beam etching (IBE) process.
여기서, 이온 빔 식각 공정은 이온화된 비활성 기체를 이용하는 물리적 식각 공정이다. 또한, 이온 빔 식각 공정은 플라즈마 식각 공정 및 반응성 이온 식각 공정과는 달리, 중성종(예컨대, 라디칼), 전자를 이용하지 않는 식각 공정이다.Here, the ion beam etching process is a physical etching process that utilizes ionized inert gases. Furthermore, unlike plasma etching and reactive ion etching, the ion beam etching process does not utilize neutral species (e.g., radicals) or electrons.
이온 빔 식각 공정으로 인해, 도 9의 고정층(331), 터널 배리어층(332), 자유층(333), 제1 절연층(321) 및 하부 패드(322)는 식각될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, MTJ 구조물(330)의 외측에는 깊은 리세스가 형성될 수 있다. 구체적으로, MTJ 구조물(330)의 우측 및 좌측 각각에는 리세스가 형성될 수 있다. 상기 MTJ 구조물(330)의 우측에 형성된 리세스와 MTJ 구조물(330)의 좌측에 형성된 리세스는 MTJ 구조물(330)의 중심축을 기준으로 서로 대칭인 형상을 가질 수 있다. 또한, 도 10에 자세히 도시되지는 않았지만, MTJ 구조물(330)의 좌측 및 우측에 형성된 리세스는 서로 연결된 구조를 가지고 있으며, MTJ 구조물(330)을 둘러쌀 수 있다.Due to the ion beam etching process, the fixed layer (331), the tunnel barrier layer (332), the free layer (333), the first insulating layer (321), and the lower pad (322) of FIG. 9 can be etched. As illustrated in FIG. 10, a deep recess can be formed on the outside of the MTJ structure (330). Specifically, a recess can be formed on each of the right and left sides of the MTJ structure (330). The recess formed on the right side of the MTJ structure (330) and the recess formed on the left side of the MTJ structure (330) can have shapes that are symmetrical with respect to the central axis of the MTJ structure (330). In addition, although not illustrated in detail in FIG. 10, the recesses formed on the left and right sides of the MTJ structure (330) have a structure that is connected to each other and can surround the MTJ structure (330).
상술한 바와 같이, 이온 빔 식각 공정으로 인해, 제1 절연층(321)의 대부분이 제거되면서 깊은 리세스가 형성되는 경우에도, MTJ 구조물(330)의 하부에 배치되며, MTJ 구조물(330) 및 하부 배선(302)보다 넓은 수평 너비를 갖는 하부 패드(322)가 하부 배선(302)의 상부에 배치됨에 따라, 하부 배선(302)은 이온 빔 식각 공정에 노출되지 않을 수 있다. As described above, even when a deep recess is formed due to the ion beam etching process, whereby most of the first insulating layer (321) is removed, the lower pad (322) is positioned on the lower side of the MTJ structure (330) and has a wider horizontal width than the MTJ structure (330) and the lower wiring (302), so that the lower wiring (302) may not be exposed to the ion beam etching process.
도 11은 본 개시의 일 실시예에 따른 임베디드 셀 구조(300)의 단면도이다. FIG. 11 is a cross-sectional view of an embedded cell structure (300) according to one embodiment of the present disclosure.
도 9로 돌아가서, MTJ 식각 마스크(370)가 하부 패드(322)에 대해 미스 얼라인된 상태로 이온 빔 식각 공정이 수행될 수도 있다. 이 경우, 도 11을 참조하면, MTJ 구조물(330)의 중심축과 하부 배선(302)의 중심축은 서로 다른 수평 좌표에 위치할 수 있다.Returning to FIG. 9, the ion beam etching process may be performed with the MTJ etching mask (370) misaligned with respect to the lower pad (322). In this case, referring to FIG. 11, the central axis of the MTJ structure (330) and the central axis of the lower wiring (302) may be located at different horizontal coordinates.
미스얼라인이 발생하는 경우, 도 11에 도시된 바와 같이, 하부 패드(322a)의 양 측벽은 서로 다른 형태로 구현될 수 있다. 하부 패드(322a)의 제1 측벽(322sw-1)은 라운드된 측벽 부분의 비율이 더 클 수 있고, 하부 패드(322a)의 제2 측벽(322sw-2)은 직선형 측벽 부분의 비율이 더 클 수 있다. 여기서, 제1 측벽(322sw-1)은 제2 측벽(322sw-2)에 비해 상대적으로 MTJ 구조물(330)에 멀리 이격된 하나의 측벽일 수 있다. 반대로, 제2 측벽(322sw-2)은 제1 측벽(322sw-1)에 비해 상대적으로 MTJ 구조물(330)에 더 인접하게 배치된 하나의 측벽일 수 있다. When misalignment occurs, as illustrated in FIG. 11, the two side walls of the lower pad (322a) may be implemented in different shapes. The first side wall (322sw-1) of the lower pad (322a) may have a larger proportion of rounded side wall portions, and the second side wall (322sw-2) of the lower pad (322a) may have a larger proportion of straight side wall portions. Here, the first side wall (322sw-1) may be one side wall that is relatively farther away from the MTJ structure (330) than the second side wall (322sw-2). Conversely, the second side wall (322sw-2) may be one side wall that is relatively closer to the MTJ structure (330) than the first side wall (322sw-1).
미스얼라인이 발생하는 경우에도, 하부 배선(302), 코발트 캡핑층(310), 하부 패드(322a) 및 MTJ 구조물(330)은 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 경우에도, 하부 패드(322a)는 하부 배선(302)의 상면을 완전히 덮을 수 있고, 하부 배선(302)은 이온 빔 식각 공정에 노출되지 않을 수 있다. 이에 따라, 하부 배선(302)의 불량을 방지할 수 있다.Even when misalignment occurs, the lower wiring (302), cobalt capping layer (310), lower pad (322a), and MTJ structure (330) can have a sequentially stacked structure. In this case, the lower pad (322a) can completely cover the upper surface of the lower wiring (302), and the lower wiring (302) can not be exposed to the ion beam etching process. Accordingly, defects in the lower wiring (302) can be prevented.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 개시의 일 실시예에 따른 자기 저항 메모리 소자(10)는 하부 배선(302)에 가해질 수 있는 물리, 화학적 손상을 방지할 수 있고, 축소된 회로 선폭 및 소자의 두께를 가질 수 있다.As described above, the magnetoresistive memory element (10) according to one embodiment of the present disclosure can prevent physical and chemical damage that may be applied to the lower wiring (302), and can have a reduced circuit line width and element thickness.
지금까지, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to the embodiments illustrated in the drawings, these are merely exemplary. Those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 자기 저항 메모리 소자
100: 트랜지스터 구조
200: 셀 트랜지스터
300: 임베디드 셀 구조
301: 하부 배선간 절연층
302: 하부 배선
310: 코발트 캡핑층
311: 식각 저지층
321: 제1 절연층
322, 322a: 하부 패드
330: MTJ 구조물
341: 상부 패드
342: 보호층
350: 제2 절연층
400: 비트 라인
MS: 메모리 구조물10: Magnetoresistive memory device
100: Transistor structure 200: Cell transistor
300: Embedded cell structure 301: Lower wiring insulation layer
302: Lower wiring 310: Cobalt capping layer
311: Etch stop layer 321: First insulating layer
322, 322a: Lower pad 330: MTJ structure
341: Top pad 342: Protective layer
350: Second insulation layer 400: Bit line
MS: Memory Structure
Claims (10)
상기 하부 배선층에 포함된 하부 배선 및 상기 메모리 구조물의 사이에 배치되는 코발트 캡핑층; 을 포함하고,
상기 메모리 구조물은,
상기 코발트 캡핑층의 상면과 맞닿으며, 상기 코발트 캡핑층의 상면의 수평 너비보다 넓은 수평너비의 하면을 갖는 하부 패드; 및
상기 하부 패드의 상면에 배치되는 MTJ 구조물; 을 포함하고,
상기 하부 패드의 상면의 수평 너비는 상기 MTJ 구조물의 하면의 수평 너비와 동일하고,
상기 코발트 캡핑층의 하면의 수평 너비는 상기 하부 배선의 상면의 수평 너비와 동일하며,
상기 상부 배선층 및 상기 하부 배선층은 트랜지스터 구조의 상부에 배치되는 복수의 배선층 중에서 서로 인접하게 배치된 두 개의 배선층인, 자기 저항 메모리 소자.A memory structure disposed between an upper wiring layer and a lower wiring layer; and
A cobalt capping layer disposed between the lower wiring included in the lower wiring layer and the memory structure;
The above memory structure,
A lower pad that is in contact with the upper surface of the cobalt capping layer and has a lower surface having a horizontal width wider than the horizontal width of the upper surface of the cobalt capping layer; and
An MTJ structure disposed on the upper surface of the lower pad;
The horizontal width of the upper surface of the above lower pad is the same as the horizontal width of the lower surface of the above MTJ structure,
The horizontal width of the lower surface of the above cobalt capping layer is the same as the horizontal width of the upper surface of the above lower wiring,
A magnetoresistive memory element, wherein the upper wiring layer and the lower wiring layer are two wiring layers arranged adjacent to each other among a plurality of wiring layers arranged on the upper portion of a transistor structure.
상기 하부 패드는 탄탈륨(Ta), 탄탈륨 질화물(TaN), 탄탈륨 산화물(TaOx) 또는 이들의 조합을 포함하고,
상기 하부 패드의 수직 방향 두께는 상기 MTJ 구조물의 수직 방향 두께보다 작은 자기 저항 메모리 소자.In the first paragraph,
The above lower pad comprises tantalum (Ta), tantalum nitride (TaN), tantalum oxide (TaOx) or a combination thereof,
A magnetoresistive memory element wherein the vertical thickness of the lower pad is smaller than the vertical thickness of the MTJ structure.
상기 하부 패드의 최대 수평 방향 너비는, 상기 MTJ 구조물의 최대 수평 방향 너비보다 크고,
상기 하부 패드의 최대 수평 방향 너비는, 상기 하부 배선의 피치보다 작으며,
상기 하부 배선의 피치는, 상기 하부 배선층에 포함된 복수의 하부 배선 중 인접한 두 개의 하부 배선의 중심 사이의 수평 거리인, 자기 저항 메모리 소자.In the first paragraph,
The maximum horizontal width of the above lower pad is greater than the maximum horizontal width of the above MTJ structure,
The maximum horizontal width of the lower pad is smaller than the pitch of the lower wiring,
A magnetoresistive memory element in which the pitch of the lower wiring is the horizontal distance between the centers of two adjacent lower wirings among a plurality of lower wirings included in the lower wiring layer.
상기 하부 패드는 곡면형 경사 구조의 측벽을 갖는 상측 패드 구조 및 직선형 경사 구조의 측벽을 갖는 하측 패드 구조를 포함하고,
상기 상측 패드 구조는 상기 하측 패드 구조 상에 배치되는, 자기 저항 메모리 소자.In the first paragraph,
The above lower pad includes an upper pad structure having a side wall of a curved slope structure and a lower pad structure having a side wall of a straight slope structure,
A magnetoresistive memory element in which the upper pad structure is disposed on the lower pad structure.
상기 상측 패드 구조의 수직 방향 두께는 상기 하측 패드 구조의 수직 "??* 두께 이상인, 자기 저항 메모리 소자.In paragraph 4,
A magnetoresistive memory element in which the vertical thickness of the upper pad structure is greater than or equal to the vertical "??* thickness of the lower pad structure.
상기 상측 패드 구조는 상부 방향으로 갈수록 수평 단면적이 감소하고,
상기 하측 패드 구조는 상부 방향으로 갈수록 수평 단면적이 증가하는, 자기 저항 메모리 소자.In paragraph 4,
The above upper pad structure has a horizontal cross-sectional area that decreases as it goes upward,
The above lower pad structure is a magnetoresistive memory element in which the horizontal cross-sectional area increases as it goes upward.
상기 상측 패드 구조는 상기 하부 패드의 중심축을 향해 라운드된 측벽을 포함하는 자기 저항 메모리 소자.In paragraph 6,
A magnetoresistive memory element wherein the upper pad structure includes a side wall rounded toward the central axis of the lower pad.
상기 메모리 구조물의 측벽을 둘러싸는 보호층;
상기 보호층 및 상기 하부 배선층 사이에 배치되는 제1 절연층; 및
상기 보호층을 둘러싸고, 상기 제1 절연층에 비해 상대적으로 높은 수직 레벨에 형성된 제2 절연층; 을 더 포함하고,
상기 상측 패드 구조의 측벽은 상기 보호층에 둘러싸이고,
상기 하측 패드 구조의 측벽은 상기 제1 절연층에 둘러싸이는, 자기 저항 메모리 소자.In paragraph 4,
A protective layer surrounding the side walls of the above memory structure;
A first insulating layer disposed between the protective layer and the lower wiring layer; and
Further comprising a second insulating layer formed at a relatively higher vertical level than the first insulating layer, surrounding the protective layer;
The side wall of the above upper pad structure is surrounded by the above protective layer,
A magnetoresistive memory element, wherein the side wall of the lower pad structure is surrounded by the first insulating layer.
상기 제1 절연층은 알루미늄 질화물(AlN), 실리콘 탄화물(SiC), 또는 이들의 조합을 포함하는, 자기 저항 메모리 소자.In paragraph 8,
A magnetoresistive memory element, wherein the first insulating layer comprises aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), or a combination thereof.
상기 코발트 캡핑층은 상기 하부 배선의 상면에 대한 선택적 증착에 기초하여 형성된, 자기 저항 메모리 소자.
In the first paragraph,
A magnetoresistive memory device, wherein the cobalt capping layer is formed based on selective deposition on the upper surface of the lower wiring.
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| KR1020250006392A KR20250128860A (en) | 2025-01-15 | 2025-01-15 | A magnetoresistive random access memory device |
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