KR102665796B1 - Resistance variable memory device and method for fabricating the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가변 저항 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 제1 도전 라인들, 상기 제1 도전 라인들과 교차하는 제2 도전 라인들 및 상기 제1 도전 라인들과 제2 도전 라인들 사이의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들을 포함하고, 메모리 셀들의 각각은 선택 소자 및 가변 저항 구조체를 포함하되, 상기 가변 저항 구조체는 차례로 적층된 하부 전극, 자기터널접합, 캡핑 패턴, 스트레스 인가 패턴 및 상부 전극을 포함하고. 상기 자기터널접합은 고정층 패턴, 자유층 패턴 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층 패턴을 포함하고, 상기 스트레스 인가 패턴은 인장 스트레스(tensile stress)를 갖는 도전 물질을 포함하고, 상기 고정층 패턴, 상기 자유층 패턴 및 상기 터널 배리어층 패턴의 폭은 상기 캡핑 패턴 및 상기 스트레스 인가패턴의 폭보다 작은 가변 저항 메모리 소자를 제공한다.The present invention relates to a variable resistance memory device and a method of manufacturing the same, including first conductive lines, second conductive lines intersecting the first conductive lines, and a connection between the first conductive lines and the second conductive lines. It includes memory cells provided at each intersection, and each of the memory cells includes a selection element and a variable resistance structure, wherein the variable resistance structure includes a lower electrode, a magnetic tunnel junction, a capping pattern, a stress application pattern, and an upper electrode sequentially stacked. Contains electrodes. The magnetic tunnel junction includes a fixed layer pattern, a free layer pattern, and a tunnel barrier layer pattern interposed between them, the stress applying pattern includes a conductive material having tensile stress, and the fixed layer pattern and the free layer pattern include A variable resistance memory device is provided in which the width of the layer pattern and the tunnel barrier layer pattern is smaller than the width of the capping pattern and the stress application pattern.
Description
본 발명은 가변 저항 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 자기터널접합을 가변 저항으로 이용하는 가변 저항 메모리 소자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a variable resistance memory device and a method of manufacturing the same, and more specifically, to a variable resistance memory device using a magnetic tunnel junction as a variable resistance and a method of manufacturing the same.
최근 휴대용 디지털 기기의 보급과 디지털 데이터의 저장 필요성이 증가하면서 전원이 차단된 후에도 저장된 데이터가 소실되지 않는 비휘발성 메모리 소자에 대한 관심이 높아지고 있다.Recently, with the spread of portable digital devices and the increasing need for digital data storage, interest in non-volatile memory devices that do not lose stored data even when the power is turned off is increasing.
반도체 소자로서 디램 메모리 소자와 같이 실리콘 공정을 기반으로 함으로써 저비용으로 제조할 수 있는 플래시 메모리 소자가 널리 이용되고 있다. 그러나, 플래시 메모리 소자는 휘발성 메모리 소자인 디램 메모리 소자에 비하여 상대적으로 집적도가 낮고 동작속도가 느리며 데이터의 저장에 상대적으로 고전압이 요구되는 단점이 있다.As a semiconductor device, flash memory devices that can be manufactured at low cost based on a silicon process, such as DRAM memory devices, are widely used. However, compared to DRAM memory devices, which are volatile memory devices, flash memory devices have the disadvantage of having relatively low integration, slow operating speed, and requiring a relatively high voltage to store data.
이와 같은 플래시 메모리 소자의 단점을 극복하기 위해 상변화 메모리 소자(phase changeable RAM, PRAM), 자기 메모리 소자(magnetic RAM, MRAM) 및 저항 메모리 소자(resistance changeable RAM, RRAM)와 같은 다양한 차세대 반도체 소자가 제안되고 있다. 이와 같은 차세대 비휘발성 메모리 소자는 비교적 낮은 전압에서 동작이 가능하고 액세스 타임(access time)이 빨라서 플래시 메모리 소자의 단점을 상당부분 상쇄하고 있다. 특히, 자기 메모리 소자는 고속 동작 및/또는 비휘발성의 특성을 가질 수 있어 차세대 메모리로 각광받고 있다. To overcome these shortcomings of flash memory devices, various next-generation semiconductor devices such as phase changeable RAM (PRAM), magnetic RAM (MRAM), and resistance changeable RAM (RRAM) are being developed. It is being proposed. These next-generation non-volatile memory devices can operate at relatively low voltages and have fast access times, thereby offsetting many of the disadvantages of flash memory devices. In particular, magnetic memory devices are attracting attention as next-generation memories because they can operate at high speeds and/or have non-volatile characteristics.
전자 산업이 고도로 발전함에 따라, 자기 메모리 소자에 대한 고집적화 및/또는 저 소비전력화에 대한 요구가 심화되고 있다. 따라서, 이러한 요구들을 충족시키기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다.As the electronics industry develops, the demand for high integration and/or low power consumption for magnetic memory devices is intensifying. Therefore, many studies are being conducted to meet these demands.
본원의 배경이 되는 기술은 공개특허 제10-2018-0065071호에 개시되어 있다.The technology behind this application is disclosed in Patent Publication No. 10-2018-0065071.
본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는, 전기적 특성 및 신뢰성이 향상된 가변 저항 메모리 소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 있다. The technical problem to be solved by the present invention is to provide a variable resistance memory device with improved electrical characteristics and reliability and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자는 제1 도전 라인들; 상기 제1 도전 라인들과 교차하는 제2 도전 라인들; 및 상기 제1 도전 라인들과 제2 도전 라인들 사이의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들을 포함하고, 메모리 셀들의 각각은 선택 소자 및 가변 저항 구조체를 포함하되, 상기 가변 저항 구조체는 차례로 적층된 하부 전극, 자기터널접합, 캡핑 패턴, 스트레스 인가 패턴 및 상부 전극을 포함하고, 상기 자기터널접합은 고정층 패턴, 자유층 패턴 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층 패턴을 포함하고, 상기 스트레스 인가 패턴은 인장 스트레스(tensile stress)를 갖는 도전 물질을 포함하고, 상기 고정층 패턴, 상기 자유층 패턴 및 상기 터널 배리어층 패턴의 폭은 상기 캡핑 패턴 및 상기 스트레스 인가패턴의 폭보다 작다. A variable resistance memory device according to embodiments of the present invention for achieving the above object includes first conductive lines; second conductive lines intersecting the first conductive lines; and memory cells provided at intersections between the first conductive lines and the second conductive lines, each of the memory cells including a selection element and a variable resistance structure, wherein the variable resistance structures are sequentially stacked. It includes a lower electrode, a magnetic tunnel junction, a capping pattern, a stress application pattern, and an upper electrode, wherein the magnetic tunnel junction includes a fixed layer pattern, a free layer pattern, and a tunnel barrier layer pattern interposed between them, and the stress application pattern is It includes a conductive material having tensile stress, and the width of the fixed layer pattern, the free layer pattern, and the tunnel barrier layer pattern is smaller than the width of the capping pattern and the stress application pattern.
일 실시예에 따르면, 상기 캡핑 패턴 및 상기 스트레스 인가 패턴의 일 측면들은 공면을 이루고, 상기 캡핑 패턴 및 상기 스트레스 인가 패턴의 상기 일 측면들에 인접한 상기 자기터널접합의 일 측면은 상기 일 측면들과 정렬되지 않고 내측으로 만입된 형태를 가질 수 있다. According to one embodiment, one side of the capping pattern and the stress application pattern is coplanar, and one side of the magnetic tunnel junction adjacent to the one side of the capping pattern and the stress application pattern is adjacent to the one side. It may be unaligned and indented inward.
일 실시예에 따르면, 상기 가변 저항 구조체의 측벽들을 덮으며, 상기 상부 전극의 상부면을 노출하는 보호 패턴을 더 포함하고, 상기 상부 전극은 상응하는 제2 도전 라인에 접속될 수 있다.According to one embodiment, the display device further includes a protection pattern that covers side walls of the variable resistance structure and exposes an upper surface of the upper electrode, and the upper electrode may be connected to a corresponding second conductive line.
본 발명의 실시예들에 따르면, 자기터널접합 상에 인장 스트레스를 갖는 스트레스 인가 패턴이 배치됨에 따라 자기터널접합의 보자력이 증가되고, 스위칭 전류가 향상될 수 있다. 특히, 스트레스 인가 패턴이 자기터널접합의 층들보다 큰 폭을 가짐에 따라 스트레스 인가 효율이 향상되어 자기터널접합의 자기적 특성 및 전기적 특성이 더욱 강화되고, 리텐션 불량 비트(Retention Fail Bit)가 감소될 수 있다.According to embodiments of the present invention, as a stress application pattern having tensile stress is disposed on the magnetic tunnel junction, the coercive force of the magnetic tunnel junction can be increased and the switching current can be improved. In particular, as the stress application pattern has a larger width than the layers of the magnetic tunnel junction, the stress application efficiency is improved, further strengthening the magnetic and electrical characteristics of the magnetic tunnel junction, and reducing retention fail bits. It can be.
결과적으로, 전기적 특성 및 신뢰성이 향상된 가변 저항 소자의 제공이 가능할 수 있다.As a result, it may be possible to provide a variable resistance element with improved electrical characteristics and reliability.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 셀들을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합을 설명하기 위한 개념도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.1 is a perspective view schematically showing a variable resistance memory device according to embodiments of the present invention.
Figure 2 is a diagram for explaining memory cells according to embodiments of the present invention.
3A and 3B are conceptual diagrams for explaining magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
Figure 4 is a cross-sectional view illustrating a variable resistance memory device according to an embodiment of the present invention.
5 to 16 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a variable resistance memory device according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms. The present embodiments are merely provided to ensure that the disclosure of the present invention is complete and to provide common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. The same reference numerals refer to the same elements throughout the specification.
본원 명세서에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 또한, 본원 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In the present specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where a member is in contact with another member, but also the case where another member exists between the two members. In addition, in the specification of the present application, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components, rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때, 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. As used throughout the specification, the terms “about,” “substantially,” and the like are used to mean at or close to that value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are given, and are understood herein. Precise or absolute figures are used to assist in preventing unscrupulous infringers from taking unfair advantage of the stated disclosure.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 가변 저항 메모리 소자를 개략적으로 나타내는 사시도이다. 1 is a perspective view schematically showing a variable resistance memory device according to embodiments of the present invention.
도 1을 참조하면, 제1 방향(D1)으로 연장되는 제1 도전 라인들(CL1), 및 제1 방향(D1)에 교차하는 제2 방향(D2)으로 연장되는 제2 도전 라인들(CL2)이 제공될 수 있다. 제2 도전 라인들(CL2)은 제1 방향(D1) 및 제2 방향(D2)에 수직한 제3 방향(D3)을 따라 제1 도전 라인들(CL1)로부터 이격될 수 있다. 메모리 셀 스택(MCA)은 제1 도전 라인들(CL1)과 제2 도전 라인들(CL2) 사이에 제공될 수 있다. 메모리 셀 스택(MCA)은 제1 도전 라인들(CL1)과 제2 도전 라인들(CL2)의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들(MC)을 포함할 수 있다. 메모리 셀들(MC)은 행과 열을 이루며 이차원적으로 배열될 수 있다. 본 실시예에서 하나의 메모리 셀 스택(MCA)을 도시하나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 메모리 셀 스택(MCA)은 복수 개로 제공되어 수직 적층될 수 있다.Referring to FIG. 1 , first conductive lines CL1 extending in a first direction D1, and second conductive lines CL2 extending in a second direction D2 intersecting the first direction D1. ) can be provided. The second conductive lines CL2 may be spaced apart from the first conductive lines CL1 along the first direction D1 and the third direction D3 perpendicular to the second direction D2. The memory cell stack MCA may be provided between the first conductive lines CL1 and the second conductive lines CL2. The memory cell stack MCA may include memory cells MC provided at intersections of the first conductive lines CL1 and the second conductive lines CL2. Memory cells MC may be two-dimensionally arranged in rows and columns. Although one memory cell stack (MCA) is shown in this embodiment, embodiments of the present invention are not limited thereto. A plurality of memory cell stacks (MCAs) may be provided and vertically stacked.
메모리 셀들(MC)의 각각은 선택 소자(SW) 및 가변 저항 구조체(VR)를 포함할 수 있다. 선택 소자(SW) 및 가변 저항 구조체(VR)는 이들에 연결되는 한 쌍의 도전 라인들(CL1, CL2) 사이에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다. Each of the memory cells MC may include a selection element SW and a variable resistance structure VR. The selection element SW and the variable resistance structure VR may be electrically connected to each other between a pair of conductive lines CL1 and CL2 connected thereto.
일 예로, 메모리 셀들(MC)의 각각에 포함된 선택 소자(SW) 및 가변 저항 구조체(VR)는 대응하는 제1 도전 라인(CL1)과 대응하는 제2 도전 라인(CL2) 사이에서 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 도전 라인(CL1)은 워드 라인(word line)이고, 제2 도전 라인(CL2)은 비트 라인(bit line)일 수 있다. 또한, 도 1에는 선택 소자(SW) 위에 가변 저항 구조체(VR)가 제공되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다.As an example, the selection element SW and the variable resistance structure VR included in each of the memory cells MC are electrically connected to each other between the corresponding first conductive line CL1 and the corresponding second conductive line CL2. can be connected Here, the first conductive line CL1 may be a word line, and the second conductive line CL2 may be a bit line. In addition, although FIG. 1 shows that a variable resistance structure (VR) is provided on the selection element (SW), embodiments of the present invention are not limited thereto.
제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2)을 통해 메모리 셀(MC)의 가변 저항 구조체(VR)에 전압이 인가되어 가변 저항 구조체(VR)에 전류가 흐를 수 있으며, 인가되는 전압에 따라 선택된 메모리 셀(MC)의 가변 저항 구조체(VR)의 저항이 변화될 수 있다.A voltage is applied to the variable resistance structure (VR) of the memory cell (MC) through the first conductive line (CL1) and the second conductive line (CL2), so that a current can flow in the variable resistance structure (VR), and the applied voltage Accordingly, the resistance of the variable resistance structure (VR) of the selected memory cell (MC) may change.
가변 저항 구조체(VR)의 저항 변화에 따라, 메모리 셀(MC)에서는 "0" 또는 "1"과 같은 디지털 정보를 기억할 수 있게 되며, 메모리 셀(MC)으로부터 디지털 정보를 소거할 수 있게 된다. 예컨대, 메모리 셀(MC)에서 고저항 상태 "0"과 저저항 상태 "1"로 데이터를 기입할 수 있다. 여기서, 고저항 상태 "0"에서 저저항 상태 "1"로의 기입을 "세트 동작"이라 칭할 수 있고, 저저항 상태 "1"에서 고저항 상태 "0"으로의 기입을 "리셋 동작"이라 칭할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 셀(MC)은 예시된 고저항 상태 "0" 및 저저항 상태 "1"의 디지털 정보에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 저항 상태들을 저장할 수 있다.According to the change in resistance of the variable resistance structure (VR), the memory cell (MC) can store digital information such as “0” or “1”, and the digital information can be erased from the memory cell (MC). For example, data can be written in the high-resistance state “0” and the low-resistance state “1” in the memory cell (MC). Here, writing from the high-resistance state “0” to the low-resistance state “1” may be referred to as a “set operation,” and writing from the low-resistance state “1” to the high-resistance state “0” may be referred to as a “reset operation.” You can. However, the memory cell MC according to embodiments of the present invention is not limited to the digital information of the illustrated high-resistance state “0” and low-resistance state “1” and can store various resistance states.
가변 저항 구조체(VR)는 정보 저장을 가능케 하는 물질을 포함할 수 있다. 본 발명에서, 가변 저항 구조체(VR)는 자기장 또는 스핀 전달 토크(Spin Transfer Torque: STT)에 의해 저항이 변하는 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 가변 저항 구조체(VR)는 자기-저항(magnetoresistance) 특성을 보이도록 구성되는 박막 구조를 가질 수 있으며, 적어도 하나의 강자성 물질들 및/또는 적어도 하나의 반강자성 물질들을 포함하는 자기터널접합(Magnetic Tunnel Junction: MTJ) 구조를 포함할 수 있다. 이 경우, 메모리 셀(MC)은 자기 저항 메모리 소자(Magnetic RAM: MRAM)의 메모리 셀로서 제공될 수 있다.The variable resistance structure (VR) may include a material that enables information storage. In the present invention, the variable resistance structure (VR) may include a material whose resistance changes by a magnetic field or spin transfer torque (STT). For example, the variable resistance structure (VR) may have a thin film structure configured to exhibit magnetoresistance properties, and a magnetic tunnel junction (Magnetic Tunnel Junction) including at least one ferromagnetic material and/or at least one antiferromagnetic material. Magnetic Tunnel Junction: MTJ) structure may be included. In this case, the memory cell (MC) may be provided as a memory cell of a magnetoresistive memory device (Magnetic RAM: MRAM).
선택 소자(SW)는 가변 저항 구조체(VR)를 지나는 전하의 흐름을 선택적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 선택 소자(SW)는 다이오드, 피엔피 바이폴라 트랜지스터, 엔피엔 바이폴라 트랜지스터, 엔모스 전계효과 트랜지스터 및 피모스 전계효과 트랜지스터 중의 하나일 수 있다. 선택 소자(SW)가 3단자 소자인 바이폴라 트랜지스터 또는 모스 전계효과 트랜지스터로 구성되는 경우, 추가적인 배선(예컨대, 소스 라인, 미도시)이 선택 소자(SW)에 연결될 수 있다.The selection element (SW) may be configured to selectively control the flow of charge passing through the variable resistance structure (VR). For example, the selection device (SW) may be one of a diode, a PNP bipolar transistor, an NPN bipolar transistor, an NMOS field effect transistor, and a PMOS field effect transistor. When the selection element SW is composed of a three-terminal bipolar transistor or MOS field effect transistor, an additional wiring (eg, source line, not shown) may be connected to the selection element SW.
제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2)의 선택에 의해 임의의 메모리 셀(MC)이 어드레싱될 수 있으며, 제1 도전 라인(CL1)과 제2 도전 라인(CL2) 사이에 소정의 신호를 인가하여, 메모리 셀(MC)을 프로그래밍하고, 제1 도전 라인(CL1)을 통하여 전류 값을 측정함으로써 해당 메모리 셀(MC)을 구성하는 가변 저항체의 저항값에 따른 정보가 판독될 수 있다.Any memory cell (MC) can be addressed by selecting the first conductive line (CL1) and the second conductive line (CL2), and a predetermined distance between the first conductive line (CL1) and the second conductive line (CL2) By applying a signal to program the memory cell (MC) and measuring the current value through the first conductive line (CL1), information according to the resistance value of the variable resistor constituting the corresponding memory cell (MC) can be read. there is.
도 2는 본 발명의 실시예들에 따른 메모리 셀들을 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 is a diagram for explaining memory cells according to embodiments of the present invention.
도 2를 참조하면, 메모리 셀(MC)은 메모리 소자로서 자기터널접합(MTJ)을 포함하고, 선택 소자(SW)로서 선택 트랜지스터(SE)를 포함할 수 있다. 자기터널접합(MJT)는 그것을 통과하는 전류에 의한 스핀 전달 과정을 이용하여 그것의 전기적 저항이 변화될 수 있는 박막 구조를 갖도록 형성될 수 있다. Referring to FIG. 2, the memory cell MC may include a magnetic tunnel junction (MTJ) as a memory element and a selection transistor SE as a selection element SW. A magnetic tunnel junction (MJT) can be formed to have a thin film structure whose electrical resistance can be changed using a spin transfer process caused by a current passing through it.
일 실시예에 따르면, 자기터널접합(MTJ)은 고정층(PL), 자유층(FL) 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층(TBL)을 포함할 수 있다. 고정층(PL)은 일 방향으로 고정된 자화방향을 갖고, 자유층(FL)은 고정층(PL)의 자화방향에 평행 또는 반평행하도록 변경 가능한 자화방향을 갖는다. 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 고정층(PL)과 자유층(FL)의 자화방향들에 따라 달라질 수 있다. 자기터널접합(MTJ)에서 고정층(PL)과 자유층(FL)의 자화 방향이 평행한 경우, 자기터널접합(MTJ)은 낮은 저항 상태를 가지며, 제1 데이터에 상응하는 '0'이 기입될 수 있다. 이와 달리, 자기터널접합(MTJ)에서 고정층(PL)과 자유층(FL)의 자화 방향이 반평행한 경우, 자기터널접합(MTJ)은 높은 저항 상태를 가지며, 제2 데이터에 상응하는 '1'이 기입될 수 있다.According to one embodiment, the magnetic tunnel junction (MTJ) may include a pinned layer (PL), a free layer (FL), and a tunnel barrier layer (TBL) interposed between them. The pinned layer (PL) has a magnetization direction fixed in one direction, and the free layer (FL) has a magnetization direction that can be changed to be parallel or anti-parallel to the magnetization direction of the pinned layer (PL). The electrical resistance of the magnetic tunnel junction (MTJ) may vary depending on the magnetization directions of the pinned layer (PL) and the free layer (FL). When the magnetization directions of the pinned layer (PL) and the free layer (FL) in the magnetic tunnel junction (MTJ) are parallel, the magnetic tunnel junction (MTJ) has a low resistance state, and '0' corresponding to the first data is written. You can. On the other hand, when the magnetization directions of the pinned layer (PL) and the free layer (FL) in the magnetic tunnel junction (MTJ) are antiparallel, the magnetic tunnel junction (MTJ) has a high resistance state and '1' corresponding to the second data. ' can be entered.
선택 트랜지스터(SE)의 게이트 전극은 상응하는 워드 라인(WL)에 연결될 수 있으며, 선택 트랜지스터(SE)의 제1 단자는 제1 도전 라인(CL1)에 전기적으로 연결되고, 선택 트랜지스터(SE)의 제2 단자는 자기터널접합(MTJ)을 통해 제2 도전 라인(CL2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 일 예로, 제1 도전 라인(CL1)은 선택 트랜지스터(SE)의 소스(source)에 전기적으로 연결되는 소스 라인에 해당하고, 제2 도전 라인(CL2)은 선택 트랜지스터(SE)의 드레인(drain)에 전적으로 연결되는 비트 라인에 해당할 수 있다. 이와 달리, 제1 도전 라인(CL1)이 비트 라인에 해당하고, 제2 도전 라인(CL2)이 소스 라인에 해당할 수도 있다. 비트 라인을 통해 인가되는 쓰기 전압에 의해 자기터널접합(MJT)에 데이터가 기입될 수 있고, 비트 라인을 통해 인가되는 읽기 전압에 의해 자기터널접합(MJT) 내 저장된 데이터가 판독될 수 있다. The gate electrode of the selection transistor SE may be connected to the corresponding word line WL, the first terminal of the selection transistor SE may be electrically connected to the first conductive line CL1, and the first terminal of the selection transistor SE may be electrically connected to the first conductive line CL1. The second terminal may be electrically connected to the second conductive line CL2 through a magnetic tunnel junction (MTJ). For example, the first conductive line CL1 corresponds to a source line electrically connected to the source of the selection transistor SE, and the second conductive line CL2 corresponds to the drain of the selection transistor SE. It may correspond to a bit line that is entirely connected to . Alternatively, the first conductive line CL1 may correspond to a bit line, and the second conductive line CL2 may correspond to a source line. Data can be written to the magnetic tunnel junction (MJT) by a write voltage applied through the bit line, and data stored in the magnetic tunnel junction (MJT) can be read by a read voltage applied through the bit line.
본 예에서, 자유층(FL)이 제2 도전 라인(CL2)에 연결되고, 고정층(PL)이 선택 트랜지스터(SE)에 연결되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 도시된 바와 달리, 고정층(PL)이 제2 도전 라인(CL2)에 연결되고, 자유층(FL)이 선택 트랜지스터(SE)에 연결될 수 있다. 이하, 자기터널접합(MTJ)에 대해 도 3a 및 도 3b를 참조하여 상세히 설명한다.In this example, the free layer FL is shown as connected to the second conductive line CL2 and the fixed layer PL is shown as connected to the selection transistor SE, but the present invention is not limited thereto. According to another embodiment, unlike shown, the fixed layer PL may be connected to the second conductive line CL2 and the free layer FL may be connected to the selection transistor SE. Hereinafter, the magnetic tunnel junction (MTJ) will be described in detail with reference to FIGS. 3A and 3B.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예들에 따른 자기터널접합을 설명하기 위한 개념도들이다. 3A and 3B are conceptual diagrams for explaining magnetic tunnel junction according to embodiments of the present invention.
자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 자화 방향들에 의존적일 수 있다. 예컨대, 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 자화 방향들이 평행한(parallel) 경우에 비해 이들이 반평행한(antiparallel) 경우에 훨씬 클 수 있다. 결과적으로, 자기터널접합(MTJ)의 전기적 저항은 자유층(FL)의 자화 방향을 변경함으로써 조절될 수 있으며, 이는 본 발명에 따른 자기 메모리 장치에서의 데이터 저장 원리로서 이용될 수 있다.The electrical resistance of the magnetic tunnel junction (MTJ) may depend on the magnetization directions of the pinned layer (PL) and the free layer (FL). For example, the electrical resistance of the magnetic tunnel junction (MTJ) may be much greater when the magnetization directions of the pinned layer (PL) and the free layer (FL) are antiparallel compared to when the magnetization directions of the pinned layer (PL) and the free layer (FL) are parallel. As a result, the electrical resistance of the magnetic tunnel junction (MTJ) can be adjusted by changing the magnetization direction of the free layer (FL), which can be used as a data storage principle in the magnetic memory device according to the present invention.
도 3a를 참조하면, 고정층(PL) 및 자유층(FL)은 자화 방향이 터널 배리어층(TBL)의 상면과 실질적으로 평행한 수평 자화 구조를 형성하기 위한 자성층들일 수 있다. 이 경우, 고정층(PL)은 반강자성 물질(anti-ferromagnetic material)을 포함하는 층과 강자성 물질(ferromagnetic material)을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 반강자성 물질을 포함하는 층은 PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO 및 Cr 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 반강자성 물질을 포함하는 층은 희유 금속(precious metal) 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 희유 금속은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 오스뮴(Os), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 금(Au) 또는 은(Ag)을 포함할 수 있다. 한편, 강자성 물질을 포함하는 층은 CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3A , the pinned layer PL and the free layer FL may be magnetic layers for forming a horizontal magnetization structure in which the magnetization direction is substantially parallel to the top surface of the tunnel barrier layer TBL. In this case, the pinned layer PL may include a layer containing an anti-ferromagnetic material and a layer containing a ferromagnetic material. According to one embodiment, the layer containing an antiferromagnetic material may include at least one of PtMn, IrMn, MnO, MnS, MnTe, MnF2, FeCl2, FeO, CoCl2, CoO, NiCl2, NiO, and Cr. According to another embodiment, the layer including an antiferromagnetic material may include at least one selected from rare metals. Rare metals may include ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), osmium (Os), iridium (Ir), platinum (Pt), gold (Au), or silver (Ag). Meanwhile, the layer containing a ferromagnetic material contains at least one of CoFeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO and Y3Fe5O12. It can be included.
자유층(FL)은 변화 가능한 자화 방향을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 자유층(FL)은 강자성 물질을 포함할 수 있다. 일 예로, 자유층(FL)은 FeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO 및 Y3Fe5O12중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The free layer (FL) may include a material having a changeable magnetization direction. The free layer (FL) may include a ferromagnetic material. As an example, the free layer (FL) is at least one selected from FeB, Fe, Co, Ni, Gd, Dy, CoFe, NiFe, MnAs, MnBi, MnSb, CrO2, MnOFe2O3, FeOFe2O3, NiOFe2O3, CuOFe2O3, MgOFe2O3, EuO and Y3Fe5O12 may include.
자유층(FL)은 복수의 층으로 구성될 수 있다. 일 예로, 복수의 강자성 물질을 포함하는 층들과 층들 사이에 개재되는 비자성 물질을 포함하는 층을 포함할 수 있다. 이 경우, 강자성 물질을 포함하는 층들과 비자성 물질을 포함하는 층은 합성 반강자성층(synthetic antiferromagnetic layer)을 구성할 수 있다. 합성 반강자성층은 자기 기억 소자의 임계 전류 밀도를 감소시키고, 열적 안정성을 향상시킬 수 있다.The free layer (FL) may be composed of multiple layers. As an example, it may include a plurality of layers containing a ferromagnetic material and a layer containing a non-magnetic material interposed between the layers. In this case, the layers containing a ferromagnetic material and the layer containing a non-magnetic material may constitute a synthetic antiferromagnetic layer. Synthetic antiferromagnetic layers can reduce the critical current density of magnetic memory devices and improve thermal stability.
터널 배리어층(TBL)은 마그네슘(Mg)의 산화물, 티타늄(Ti)의 산화물, 알루미늄(Al), 마그네슘-아연(MgZn)의 산화물, 마그네슘-보론(MgB)의 산화물, 티타늄(Ti)의 질화물 및 바나듐(V)의 질화물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 터널 배리어층(TBL)은 산화마그네슘(MgO)의 단층일 수 있다. 이와 달리, 터널 배리어층(TBL)은 복수의 층들을 포함할 수 있다. 터널 배리어층(TBL)은 화학 기상 증착(CVD) 공정을 이용하여 형성될 수 있다.The tunnel barrier layer (TBL) is made of magnesium (Mg) oxide, titanium (Ti) oxide, aluminum (Al), magnesium-zinc (MgZn) oxide, magnesium-boron (MgB) oxide, and titanium (Ti) nitride. and at least one of vanadium (V) nitride. As an example, the tunnel barrier layer (TBL) may be a single layer of magnesium oxide (MgO). Alternatively, the tunnel barrier layer (TBL) may include multiple layers. The tunnel barrier layer (TBL) may be formed using a chemical vapor deposition (CVD) process.
도 3b를 참조하면, 고정층(PL) 및 자유층(FL)은 자화 방향이 터널 배리어층(TBL)의 상면에 실질적으로 수직한 수직 자화 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 L10 결정구조를 갖는 물질, 조밀육방격자를 갖는 물질, 및 비정질 RE-TM(Rare-Earth Transition Metal) 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Co50Pd50 및 Fe50Ni50를 포함하는 L10 결정구조를 갖는 물질 중 적어도 하나일 수 있다. 이와 달리, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 조밀육방격자를 갖는 10 내지 45 at. %의 백금(Pt) 함량을 갖는 코발트-백금(CoPt) 무질서 합금(disordered alloy) 또는 Co3Pt 질서합금(ordered alloy)을 포함할 수 있다. 이와 달리, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 철(Fe), 코발트(Co) 및 니켈(Ni) 중 선택된 적어도 하나와 희토류 금속인 터븀(Tb), 디스프로슘(Dy) 및 가돌리늄(Gd) 중 적어도 하나를 포함하는 비정질 RE-TM 합금 중 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3B, the pinned layer PL and the free layer FL may have a perpendicular magnetization structure in which the magnetization direction is substantially perpendicular to the top surface of the tunnel barrier layer TBL. In this case, each of the fixed layer (PL) and the free layer (FL) may include at least one of a material having an L10 crystal structure, a material having a close-packed hexagonal lattice, and an amorphous Rare-Earth Transition Metal (RE-TM) alloy. there is. As an example, each of the fixed layer (PL) and the free layer (FL) may be at least one of materials having an L10 crystal structure including Fe50Pt50, Fe50Pd50, Co50Pt50, Co50Pd50, and Fe50Ni50. In contrast, each of the fixed layer (PL) and the free layer (FL) has a dense hexagonal lattice of 10 to 45 at. It may include a cobalt-platinum (CoPt) disordered alloy or a Co3Pt ordered alloy having a platinum (Pt) content of %. In contrast, each of the fixed layer (PL) and the free layer (FL) contains at least one selected from iron (Fe), cobalt (Co), and nickel (Ni) and rare earth metals terbium (Tb), dysprosium (Dy), and gadolinium ( It may include at least one selected from amorphous RE-TM alloys containing at least one of Gd).
고정층(PL) 및 자유층(FL)은 계면 수직 자기 이방성(interface perpendicular magnetic anisotropy)을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 계면 수직 자기 이방성은 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성층이 그와 인접하는 다른 층과의 계면으로부터의 영향에 의하여 수직 자화 방향을 갖는 현상을 말한다. 여기서, 내재적 수평 자화 특성은 외부적 요인이 없을 경우, 자성층이 그것의 가장 넓은 표면에 평행한 자화 방향을 갖는 특성을 의미한다. 일 예로, 내재적 수평 자화 특성을 갖는 자성층이 기판 상에 형성되고 외부적 요인이 없을 경우, 자성층의 자화 방향은 터널 배리어층(TBL)의 상면과 실질적으로 평행할 수 있다.The pinned layer (PL) and the free layer (FL) may include a material having interface perpendicular magnetic anisotropy. Interfacial perpendicular magnetic anisotropy refers to a phenomenon in which a magnetic layer with intrinsic horizontal magnetization characteristics has a perpendicular magnetization direction due to the influence from the interface with another adjacent layer. Here, the intrinsic horizontal magnetization characteristic means that in the absence of external factors, the magnetic layer has a magnetization direction parallel to its widest surface. For example, when a magnetic layer having intrinsic horizontal magnetization characteristics is formed on a substrate and there are no external factors, the magnetization direction of the magnetic layer may be substantially parallel to the top surface of the tunnel barrier layer (TBL).
일 예로, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 코발트(Co), 철(Fe) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 보론(B), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 탄탈륨(Ta), 실리콘(Si), 은(Ag), 금(Au), 구리(Cu), 탄소(C) 및 질소(N)를 포함하는 비자성 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 CoFe 또는 NiFe를 포함하되, 보론(B)을 더 포함할 수 있다. 이에 더하여, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 포화 자화량을 낮추기 위해, 고정층(PL) 및 자유층(FL)의 각각은 티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 탄탈륨(Ta) 및 실리콘(Si) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.As an example, each of the fixed layer (PL) and the free layer (FL) may include at least one of cobalt (Co), iron (Fe), and nickel (Ni). In addition, each of the fixed layer (PL) and free layer (FL) is made of boron (B), zinc (Zn), aluminum (Al), titanium (Ti), ruthenium (Ru), tantalum (Ta), silicon (Si), It may further include at least one of non-magnetic materials including silver (Ag), gold (Au), copper (Cu), carbon (C), and nitrogen (N). As an example, each of the fixed layer (PL) and the free layer (FL) includes CoFe or NiFe, and may further include boron (B). In addition, in order to lower the saturation magnetization amount of the fixed layer (PL) and free layer (FL), each of the fixed layer (PL) and free layer (FL) is made of titanium (Ti), aluminum (Al), silicon (Si), and magnesium. It may further include at least one of (Mg), tantalum (Ta), and silicon (Si).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자를 설명하기 위한 단면도이다.Figure 4 is a cross-sectional view illustrating a variable resistance memory device according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 기판(100)이 제공될 수 있다. 기판(100)은 예컨대, 실리콘 기판, 게르마늄 기판 또는 실리콘-게르마늄 기판과 같은 반도체 기판일 수 있다. 기판(100)에는 메모리 셀들(MC)의 선택 소자들(SW, 도 1 참조)에 해당하는 선택 트랜지스터들(SE)이 제공될 수 있다.Referring to FIG. 4, a substrate 100 may be provided. The substrate 100 may be, for example, a semiconductor substrate such as a silicon substrate, germanium substrate, or silicon-germanium substrate. The substrate 100 may be provided with selection transistors SE corresponding to selection elements SW (see FIG. 1) of the memory cells MC.
기판(100) 상에 선택 트랜지스터들(SE)을 덮는 하부 층간 절연막(110)이 배치될 수 있다. 하부 층간 절연막(110) 내에는 선택 트랜지스터들(SE)과 전기적으로 연결되는 콘택 플러그들(112)이 제공될 수 있다. 콘택 플러그들(112)은 금속(예컨대, 텅스텐, 또는 구리) 또는 도전성 금속 질화물(예컨대, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 또는 텅스텐 질화물)을 포함할 수 있다. 하부 층간 절연막(110)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.A lower interlayer insulating film 110 covering the selection transistors SE may be disposed on the substrate 100 . Contact plugs 112 electrically connected to the selection transistors SE may be provided within the lower interlayer insulating layer 110. Contact plugs 112 may include metal (eg, tungsten, or copper) or conductive metal nitride (eg, titanium nitride, tantalum nitride, or tungsten nitride). The lower interlayer insulating film 110 may include silicon oxide or silicon nitride.
하부 층간 절연막(110) 내에는 하부 도전 라인들(미도시)이 배치될 수 있다. 하부 도전 라인들(미도시)은 콘택 플러그들(112)과 동일한 물질을 포함할 수 있다. 하부 도전 라인들(미도시)은 도 2를 참조하여 설명한 제1 도전 라인(CL1)에 해당할 수 있다. 본 실시예에서 하나의 층간 절연막이 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 기판(100) 상에는 콘택 플러그들 및 연결 도전 패턴을 포함하는 복수의 층간 절연막들(미도시)이 적층 형성될 수 있다. 또한, 기판(100) 상에는 트랜지스터, 콘택, 배선 등을 포함하는 주변 회로(미도시)가 형성될 수 있다. Lower conductive lines (not shown) may be disposed within the lower interlayer insulating film 110. Lower conductive lines (not shown) may include the same material as the contact plugs 112 . The lower conductive lines (not shown) may correspond to the first conductive line CL1 described with reference to FIG. 2 . In this embodiment, one interlayer insulating film is shown, but this is for convenience of explanation and the present invention is not limited thereto. A plurality of interlayer insulating films (not shown) including contact plugs and connection conductive patterns may be stacked on the substrate 100 . Additionally, a peripheral circuit (not shown) including transistors, contacts, wiring, etc. may be formed on the substrate 100.
하부 층간 절연막(110) 상에 콘택 플러그들(112)과 전기적으로 연결되는 가변 저항 구조체들(VR)이 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 가변 저항 구조체들(VR)의 각각은 차례로 적층된 하부 전극(114), 자기터널접합(MTJ), 캡핑 패턴(116), 스트레스 인가 패턴(118) 및 상부 전극(120)을 포함할 수 있다.Variable resistance structures VR electrically connected to the contact plugs 112 may be disposed on the lower interlayer insulating film 110 . According to embodiments of the present invention, each of the variable resistance structures VR includes a lower electrode 114, a magnetic tunnel junction (MTJ), a capping pattern 116, a stress application pattern 118, and an upper electrode sequentially stacked. It may include (120).
하부 전극(114)은 콘택 플러그(112)에 접속될 수 있다. 하부 전극(114)은 콘택 플러그(112)보다 큰 폭을 가질 수 있다. 예컨대, 하부 전극(114)은 Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 하부 전극(114)은 TiN 층을 포함할 수 있다.The lower electrode 114 may be connected to the contact plug 112. The lower electrode 114 may have a larger width than the contact plug 112 . For example, the lower electrode 114 may include Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, or a combination thereof. In one embodiment, the lower electrode 114 may include a TiN layer.
자기터널접합(MTJ)은 하부 전극(114) 상에 배치될 수 있다. 자기터널접합(MTJ)은 고정층 패턴(PLc), 자유층 패턴(FLc) 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층 패턴(TBLc)을 포함할 수 있다. 본 예에서, 고정층 패턴(PLc)이 하부 전극(114)과 접하는 것으로 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 도시된 바와 달리 자유층 패턴(FLc)이 하부 전극(114)과 접하고, 고정층 패턴(PLc)은 캡핑층(116)과 접할 수 있다. 자기터널접합(MTJ)의 고정층 패턴(PLc), 터널 배리어층 패턴(TBLc) 및 자유층 패턴(FLc)은 각각 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하여 설명한 고정층(PL), 자유층(FL) 및 터널 배리어층(TBL)과 동일한 물질을 포함할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.A magnetic tunnel junction (MTJ) may be disposed on the lower electrode 114. The magnetic tunnel junction (MTJ) may include a fixed layer pattern (PLc), a free layer pattern (FLc), and a tunnel barrier layer pattern (TBLc) sandwiched between them. In this example, the fixed layer pattern PLc is shown as being in contact with the lower electrode 114, but the present invention is not limited thereto. According to another embodiment, unlike shown, the free layer pattern (FLc) may contact the lower electrode 114, and the fixed layer pattern (PLc) may contact the capping layer 116. The fixed layer pattern (PLc), tunnel barrier layer pattern (TBLc), and free layer pattern (FLc) of the magnetic tunnel junction (MTJ) are the fixed layer (PL) and free layer (FL) described with reference to FIGS. 2, 3A, and 3B, respectively. ) and the tunnel barrier layer (TBL), so detailed description thereof will be omitted.
자기터널접합(MTJ) 상에 캡핑 패턴(116)이 배치될 수 있다. 캡핑 패턴(116)은 RuO, MgO, VO, WO, VdO, TaO, HfO, MoO, 또는 이들의 조합과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 예로, 캡핑 패턴(116)은 RuO 층과 같은 유전 층(dielectric layer)을 포함할 수 있다.A capping pattern 116 may be disposed on the magnetic tunnel junction (MTJ). The capping pattern 116 may include a metal oxide such as RuO, MgO, VO, WO, VdO, TaO, HfO, MoO, or a combination thereof. As an example, the capping pattern 116 may include a dielectric layer such as a RuO layer.
캡핑 패턴(116) 상에 스트레스 인가 패턴(118)이 배치될 수 있다. 즉, 스트레스 인가 패턴(118)은 캡핑 패턴(116)과 상부 전극(120) 사이에 개재될 수 있다. 스트레스 인가 패턴(118)의 하부면은 캡핑 패턴(116)의 상부면에 직접적으로 접촉될 수 있고, 스트레스 인가 패턴(118)의 상부면은 상부 전극(120)의 하부면에 직접적으로 접촉될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스트레스 인가 패턴(118)의 두께는 캡핑 패턴(116)보다 두껍고 상부 전극(120)보다 얇을 수 있다. 일 예로, 스트레스 인가 패턴(118)의 두께는 4nm 내지 60nm 일 수 있다. 이 때, 캡핑 패턴(116)의 두께는 스트레스 인가 패턴(118)의 두께보다 작고, 상부 전극(120)의 두께는 스트레스 인가 패턴(118)의 두께보다 클 수 있다.A stress application pattern 118 may be disposed on the capping pattern 116. That is, the stress application pattern 118 may be interposed between the capping pattern 116 and the upper electrode 120. The lower surface of the stress applying pattern 118 may be in direct contact with the upper surface of the capping pattern 116, and the upper surface of the stress applying pattern 118 may be in direct contact with the lower surface of the upper electrode 120. there is. In one embodiment, the thickness of the stress application pattern 118 may be thicker than the capping pattern 116 and thinner than the upper electrode 120. For example, the thickness of the stress application pattern 118 may be 4 nm to 60 nm. At this time, the thickness of the capping pattern 116 may be smaller than the thickness of the stress application pattern 118, and the thickness of the upper electrode 120 may be greater than the thickness of the stress application pattern 118.
스트레스 인가 패턴(118)은 인장 스트레스(tensile stress)를 갖는 도전 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 스트레스 인가 패턴(118)은 TiN, TaN, WN, 또는 이들의 조합과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스트레스 인가 패턴(118)은 TiN 층 일 수 있다. 스트레스 인가 패턴(118)은 1 GPa 내지 4 GPa 의 인장 스트레스를 가질 수 있다. 스트레스 인가 패턴(118)은 자기터널접합(MTJ)에 인장 스트레스를 제공할 수 있으며, 이를 통해 자기터널접합(MTJ)의 자기적 특성 및 전기적 특성을 향상시킬 수 있다.The stress application pattern 118 may include a conductive material having tensile stress. For example, the stress application pattern 118 may include a metal nitride such as TiN, TaN, WN, or a combination thereof. In one embodiment, the stress application pattern 118 may be a TiN layer. The stress application pattern 118 may have a tensile stress of 1 GPa to 4 GPa. The stress application pattern 118 may provide tensile stress to the MTJ, thereby improving the magnetic and electrical properties of the MTJ.
상부 전극(120)은 스트레스 인가 패턴(118) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 상부 전극(120)은 Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상부 전극(120)은 TiN 층을 포함할 수 있다.The upper electrode 120 may be disposed on the stress application pattern 118 . For example, the upper electrode 120 may include Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, or a combination thereof. In one embodiment, the upper electrode 120 may include a TiN layer.
차례로 적층된 하부 전극(114), 자기터널접합(MTJ), 캡핑 패턴(116), 스트레스 인가 패턴(118) 및 상부 전극(120)은 도 1을 참조하여 설명한 가변 저항 구조체(VR)에 대응될 수 있다. The sequentially stacked lower electrode 114, magnetic tunnel junction (MTJ), capping pattern 116, stress application pattern 118, and upper electrode 120 correspond to the variable resistance structure (VR) described with reference to FIG. 1. You can.
본 발명의 실시예들에 따르면, 가변 저항 구조체(VR)의 자기터널접합(MTJ)의 폭은 다른 층들의 폭보다 작을 수 있다. 예컨대, 자기터널접합(MTJ)의 고정층 패턴(PLc), 터널 배리어층 패턴(TBLc) 및 자유층 패턴(FLc)의 폭은 캡핑 패턴(116) 및 스트레스 인가 패턴(118)의 폭보다 작을 수 있다. 달리 얘기하면, 캡핑 패턴(116) 및 스트레스 인가 패턴(118)의 일 측면들은 공면을 이루는 반면, 상기 일 측면들에 인접한 자기터널접합(MTJ)의 일 측면은 캡핑 패턴(116) 및 스트레스 인가 패턴(118)의 상기 일 측면들과 정렬되지 않고 내측으로 만입된 형태를 가질 수 있다. 이와 같이, 스트레스 인가 패턴(118)이 자기터널접합(MTJ) 보다 큰 폭을 가짐에 따라, 인장 스트레스의 인가 효율이 증대될 수 있다.According to embodiments of the present invention, the width of the magnetic tunnel junction (MTJ) of the variable resistance structure (VR) may be smaller than the widths of other layers. For example, the width of the fixed layer pattern (PLc), tunnel barrier layer pattern (TBLc), and free layer pattern (FLc) of the magnetic tunnel junction (MTJ) may be smaller than the width of the capping pattern 116 and the stress application pattern 118. . In other words, one side of the capping pattern 116 and the stress application pattern 118 are coplanar, while one side of the magnetic tunnel junction (MTJ) adjacent to the one side is the capping pattern 116 and the stress application pattern. It may have a shape that is not aligned with the sides of (118) and is indented inward. In this way, as the stress application pattern 118 has a width larger than the magnetic tunnel junction (MTJ), the efficiency of applying tensile stress can be increased.
가변 저항 구조체(VR)의 측벽들 상에 보호 패턴(132)이 제공될 수 있다. 보호 패턴(132)은 가변 저항 구조체(VR)의 측벽들을 덮으며 하부 층간 절연막(110) 상으로 연장되어 인접한 가변 저항 구조체(VR)의 측벽들을 덮는 보호 패턴(132)과 서로 연결될 수 있다. 보호 패턴(132)은 상부 전극(120)의 상부면을 노출할 수 있다. 보호 패턴(132)은 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 보호 패턴(132)은 가변 저항 구조체(VR)의 표면이 산화되거나 손상되는 것을 보호하는 기능을 수행할 수 있다.A protection pattern 132 may be provided on the sidewalls of the variable resistance structure VR. The protection pattern 132 covers the sidewalls of the variable resistance structure VR and extends onto the lower interlayer insulating film 110 to be connected to the protection pattern 132 covering the sidewalls of the adjacent variable resistance structure VR. The protection pattern 132 may expose the upper surface of the upper electrode 120. The protection pattern 132 may include silicon nitride. The protection pattern 132 may function to protect the surface of the variable resistance structure VR from oxidation or damage.
하부 층간 절연막(110) 상에 상부 층간 절연막(140)이 제공될 수 있다. 상부 층간 절연막(140)은 보호 패턴(132)이 형성된 가변 저항 구조체들(VR) 사이를 채울 수 있다. 상부 층간 절연막(140)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 상부 층간 절연막(140), 보호 패턴(132) 및 상부 전극(120)의 상부면은 서로 공면을 이룰 수 있다. 즉, 상부 층간 절연막(140), 보호 패턴(132) 및 상부 전극(120)의 상부면은 서로 동일한 높이를 가질 수 있다.An upper interlayer insulating film 140 may be provided on the lower interlayer insulating film 110 . The upper interlayer insulating film 140 may fill the space between the variable resistance structures VR where the protection pattern 132 is formed. The upper interlayer insulating film 140 may include silicon oxide or silicon nitride. The upper surfaces of the upper interlayer insulating film 140, the protection pattern 132, and the upper electrode 120 may be coplanar with each other. That is, the upper surfaces of the upper interlayer insulating film 140, the protection pattern 132, and the upper electrode 120 may have the same height.
상부 도전 라인(150)이 상부 전극(120) 상에 배치될 수 있다. 상부 도전 라인(150)은 비트 라인에 해당되거나 비트 라인에 접속될 수 있다. 상부 도전 라인(150)은 금속(예컨대, 텅스텐, 또는 구리) 또는 도전성 금속 질화물(예컨대, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 또는 텅스텐 질화물)을 포함할 수 있다. An upper conductive line 150 may be disposed on the upper electrode 120. The upper conductive line 150 may correspond to or be connected to a bit line. The upper conductive line 150 may include a metal (eg, tungsten, or copper) or a conductive metal nitride (eg, titanium nitride, tantalum nitride, or tungsten nitride).
이하 도 5 내지 도 16을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법에 대해 설명한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 5 to 16, a method of manufacturing a variable resistance memory device according to an embodiment of the present invention will be described.
도 5 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 저항 메모리 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 단면도들이다.5 to 16 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a variable resistance memory device according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 기판(100) 상에 선택 트랜지스터들(SE)을 덮는 하부 층간 절연막(110)이 형성될 수 있다. 선택 트랜지스터들(SE)은 예컨대, 활성 영역, 소스/드레인 영역들, 게이트 유전층 및 게이트 전극을 포함하도록 형성될 수 있다. Referring to FIG. 5 , a lower interlayer insulating film 110 may be formed on the substrate 100 to cover the selection transistors SE. The selection transistors SE may be formed to include, for example, an active region, source/drain regions, a gate dielectric layer, and a gate electrode.
하부 층간 절연막(110) 내에 선택 트랜지스터들(SE)과 접속하는 콘택 플러그들(112)이 형성될 수 있다. 예컨대, 콘택 플러그들(112)은 하부 층간 절연막(110) 내에 선택 트랜지스터들(SE)의 일 단자를 노출하는 콘택 홀들을 형성하고, 콘택 홀들 내에 도전 물질을 채워 형성될 수 있다. 도전 물질은 금속(예컨대, 텅스텐, 또는 구리) 또는 도전성 금속 질화물(예컨대, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 또는 텅스텐 질화물)을 포함할 수 있다.Contact plugs 112 connected to the selection transistors SE may be formed in the lower interlayer insulating layer 110. For example, the contact plugs 112 may be formed by forming contact holes exposing one terminal of the selection transistors SE in the lower interlayer insulating film 110 and filling the contact holes with a conductive material. The conductive material may include a metal (eg, tungsten, or copper) or a conductive metal nitride (eg, titanium nitride, tantalum nitride, or tungsten nitride).
콘택 플러그들(112)이 형성된 하부 층간 절연막(110) 상에 하부 전극층(113)이 형성될 수 있다. 하부 전극층(113)은 Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 하부 전극층(113)은 TiN 층을 포함할 수 있다.A lower electrode layer 113 may be formed on the lower interlayer insulating film 110 on which the contact plugs 112 are formed. The lower electrode layer 113 may include Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, or a combination thereof. In one embodiment, the lower electrode layer 113 may include a TiN layer.
도 6을 참조하면, 하부 전극층(113) 상에 고정층(PLa), 터널 배리어층(TBLa) 및 자유층(FLa)을 포함하는 자기터널접합 박막층(MTJL)이 형성될 수 있다. 고정층(PLa), 터널 배리어층(TBLa) 및 자유층(FLa)의 각각은 도 3a 또는 도 3b를 참조하여 설명한 고정층(PL), 터널 배리어층(TBL) 및 자유층(FL)과 동일한 물질을 포함할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 예에서, 고정층(PLa)이 하부 전극층(113)과 접하는 것으로 도시되었으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 다른 실시예에 따르면, 자유층(FLa)이 하부 전극층(113)과 접하고, 고정층(PLa)이 터널 배리어층(TBLa)을 사이에 두고 자유층(FLa)과 이격 형성될 수도 있다.Referring to FIG. 6, a magnetic tunnel junction thin film layer (MTJL) including a pinned layer (PLa), a tunnel barrier layer (TBLa), and a free layer (FLa) may be formed on the lower electrode layer 113. Each of the pinned layer (PLa), tunnel barrier layer (TBLa), and free layer (FLa) is made of the same material as the pinned layer (PL), tunnel barrier layer (TBL), and free layer (FL) described with reference to Figure 3a or 3b. Since it may be included, detailed description thereof is omitted. In this example, the fixed layer (PLa) is shown as being in contact with the lower electrode layer 113, but the present invention is not limited thereto. According to another embodiment, the free layer (FLa) may be in contact with the lower electrode layer 113, and the fixed layer (PLa) may be formed to be spaced apart from the free layer (FLa) with the tunnel barrier layer (TBLa) interposed therebetween.
자기터널접합 박막층(MTJL) 상에 캡핑층(115)이 형성될 수 있다. 캡핑층(115)은 RuO, MgO, VO, WO, VdO, TaO, HfO, MoO, 또는 이들의 조합과 같은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 일 예로, 캡핑층(115)은 RuO 층과 같은 유전층(dielectric layer)을 포함할 수 있다.A capping layer 115 may be formed on the magnetic tunnel junction thin film layer (MTJL). The capping layer 115 may include a metal oxide such as RuO, MgO, VO, WO, VdO, TaO, HfO, MoO, or a combination thereof. As an example, the capping layer 115 may include a dielectric layer such as a RuO layer.
캡핑층(115) 상에 스트레스 인가층(117)이 형성될 수 잇다. 스트레스 인가층(117)은 캡핍층(115)의 상부면에 직접적으로 접촉될 수 있다. 스트레스 인가층(117)은 인장 스트레스(tensile stress)를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 스트레스 인가층(117)의 두께는 캡핍층(115)보다 두꺼울 수 있다. 예컨대, 스트레스 인가층(117)의 두께는 4nm 내지 60nm 일 수 있다. 스트레스 인가층(117)은 물리 기상 증착(physical vapor deposition; PVD) 방법, 원자층 증착(atomic layer deposition; ALD) 방법, 화학 기상 증착(chemical vapor deposition; CVD) 방법, 또는 이들의 조합을 이용하여 형성될 수 있다. 일 예로, 스트레스 인가층(117)은 PVD 방법을 이용하여 형성될 수 있다. 스트레스 인가층(117)은 TiN, TaN, WN, 또는 이들의 조합과 같은 금속 질화물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 스트레스 인가층(117)은 TiN 층 일 수 있다. A stress-inducing layer 117 may be formed on the capping layer 115. The stress-inducing layer 117 may directly contact the upper surface of the capping layer 115. The stress-inducing layer 117 may have tensile stress. In one embodiment, the thickness of the stress-inducing layer 117 may be thicker than the capping layer 115. For example, the thickness of the stress-inducing layer 117 may be 4 nm to 60 nm. The stress-inducing layer 117 is formed using a physical vapor deposition (PVD) method, an atomic layer deposition (ALD) method, a chemical vapor deposition (CVD) method, or a combination thereof. can be formed. As an example, the stress-inducing layer 117 may be formed using a PVD method. The stress-inducing layer 117 may include a metal nitride such as TiN, TaN, WN, or a combination thereof. In one embodiment, the stress-inducing layer 117 may be a TiN layer.
도 7을 참조하면, 자기터널접합 박막층(MTJL)을 결정화하기 위한 열처리 공정이 수행될 수 있다. 상기 열처리 공정은 진공 또는 저압 분위기에서 350℃ 내지 400℃ 온도로 50분 내지 70분 동안 수행될 수 있다. 예컨대, 자기터널접합 박막층(MTJL)을 결정화하기 위한 열처리 공정은 진공 또는 저압 챔버 내에서 약375℃ 온도 하에 약 1시간 동안 스트레스 인가층(117) 및 자기터널접합 박막층(MTJL)이 형성된 기판(100)을 열처리하는 것을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, a heat treatment process may be performed to crystallize the magnetic tunnel junction thin film layer (MTJL). The heat treatment process may be performed in a vacuum or low pressure atmosphere at a temperature of 350°C to 400°C for 50 to 70 minutes. For example, the heat treatment process for crystallizing the magnetic tunnel junction thin film layer (MTJL) is performed by treating the substrate 100 on which the stress-inducing layer 117 and the magnetic tunnel junction thin film layer (MTJL) are formed for about 1 hour at a temperature of about 375° C. in a vacuum or low pressure chamber. ) may include heat treatment.
도 8을 참조하면, 열처리 공정의 수행 후 스트레스 인가층(117) 상에 상부 전극층(119)이 형성될 수 있다. 예컨대, 상부 전극층(119)은 Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상부 전극층(119)은 TiN 층을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 8, the upper electrode layer 119 may be formed on the stress-inducing layer 117 after performing the heat treatment process. For example, the upper electrode layer 119 may include Ti, TiN, Ta, TaN, W, WN, or a combination thereof. In one embodiment, the upper electrode layer 119 may include a TiN layer.
이어서, 상부 전극층(119) 상에 마스크 패턴들(125)이 형성될 수 있다. 마스크 패턴들(125)은 포토레지스트 패턴, 하드마스크 패턴, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.Next, mask patterns 125 may be formed on the upper electrode layer 119. The mask patterns 125 may include a photoresist pattern, a hardmask pattern, or a combination thereof.
도 9를 참조하면, 마스크 패턴들(125)을 식각 마스크로 하는 제1 식각 공정으로 상부 전극층(119), 스트레스 인가층(117), 캡핑층(115) 및 자유층(FLa)이 식각되어 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116) 및 예비 자유층 패턴(FLb)이 형성될 수 있다. 제1 식각 공정은 이방성 식각 공정을 포함할 수 있다. 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116) 및 예비 자유층 패턴(FLb)은 정렬되는 일 측면들을 가질 수 있으며, 터널 배리어층(TBLa)의 상부면은 노출될 수 있다.Referring to FIG. 9, the upper electrode layer 119, the stress-inducing layer 117, the capping layer 115, and the free layer (FLa) are etched in a first etching process using the mask patterns 125 as an etch mask to form the upper electrode layer 119. An electrode 120, a stress application pattern 118, a capping pattern 116, and a preliminary free layer pattern (FLb) may be formed. The first etching process may include an anisotropic etching process. The upper electrode 120, the stress applying pattern 118, the capping pattern 116, and the preliminary free layer pattern (FLb) may have one side surfaces aligned, and the upper surface of the tunnel barrier layer (TBLa) may be exposed. .
도 10을 참조하면, 제2 식각 공정으로 예비 자유층 패턴(FLb)을 선택적으로 식각하여 자유층 패턴(FLc)이 형성될 수 있다. 제2 식각 공정은 등방성 식각 공정을 포함할 수 있다. 제2 식각 공정의 결과, 예비 자유층 패턴(FLb)의 측면이 선택적으로 식각되어 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116)의 폭보다 작은 폭을 갖는 자유층 패턴(FLc)이 형성될 수 있다. 즉, 자유층 패턴(FLc)의 측면은 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116)의 일 측면들과 정렬되지 않고 내측으로 오프셋(혹은 만입) 될 수 있다.Referring to FIG. 10 , the free layer pattern FLc may be formed by selectively etching the preliminary free layer pattern FLb through a second etching process. The second etching process may include an isotropic etching process. As a result of the second etching process, the side surfaces of the preliminary free layer pattern (FLb) are selectively etched to form a free layer pattern ( FLc) may be formed. That is, the side surface of the free layer pattern FLc may not be aligned with one side surface of the upper electrode 120, the stress application pattern 118, and the capping pattern 116, but may be offset (or indented) inward.
도 11을 참조하면, 마스크 패턴들(125)을 식각 마스크로 하는 제3 식각 공정으로 터널 배리어층(TBLa)이 식각되어 예비 터널 배리어층 패턴(TBLb)이 형성될 수 있다. 제3 식각 공정은 이방성 식각 공정을 포함할 수 있으며, 제3 식각 공정의 결과 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116)의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 예비 터널 배리어층 패턴(TBLb)이 형성되고, 고정층(PLa)의 상부면이 노출될 수 있다.Referring to FIG. 11 , the tunnel barrier layer TBLa may be etched through a third etching process using the mask patterns 125 as an etch mask to form a preliminary tunnel barrier layer pattern TBLb. The third etching process may include an anisotropic etching process, and as a result of the third etching process, a preliminary tunnel barrier has a width substantially equal to the width of the upper electrode 120, the stress application pattern 118, and the capping pattern 116. The layer pattern TBLb may be formed, and the upper surface of the fixed layer PLa may be exposed.
도 12를 참조하면, 제4 식각 공정으로 예비 터널 배리어층 패턴(TBLb)을 선택적으로 식각하여 터널 배리어층 패턴(TBLc)이 형성될 수 있다. 제4 식각 공정은 등방성 식각 공정을 포함할 수 있다. 제4 식각 공정의 결과, 예비 터널 배리어층 패턴(TBLc)의 측면이 선택적으로 식각되어 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116)의 폭보다 작은 폭을 갖는 터널 배리어층 패턴(TBLc)이 형성될 수 있다.Referring to FIG. 12 , the tunnel barrier layer pattern (TBLc) may be formed by selectively etching the preliminary tunnel barrier layer pattern (TBLb) in the fourth etching process. The fourth etching process may include an isotropic etching process. As a result of the fourth etching process, the side surfaces of the preliminary tunnel barrier layer pattern (TBLc) are selectively etched to form a tunnel barrier layer having a width smaller than the width of the upper electrode 120, the stress application pattern 118, and the capping pattern 116. A pattern (TBLc) may be formed.
도 13을 참조하면, 마스크 패턴들(125)을 식각 마스크로 하는 제6 식각 공정으로 고정층(PLa)을 식각하여 예비 고정층 패턴(PLb)이 형성될 수 있다. 제6 식각 공정은 이방성 식각 공정을 포함할 수 있으며, 제6 식각 공정의 결과 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116)의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 예비 고정층 패턴(PLb)이 형성되고, 하부 전극층(113)의 상부면이 노출될 수 있다.Referring to FIG. 13 , the preliminary pinned layer pattern PLb may be formed by etching the pinned layer PLa through a sixth etching process using the mask patterns 125 as an etch mask. The sixth etching process may include an anisotropic etching process, and as a result of the sixth etching process, a preliminary pinned layer pattern having a width substantially equal to the width of the upper electrode 120, the stress application pattern 118, and the capping pattern 116 (PLb) may be formed, and the upper surface of the lower electrode layer 113 may be exposed.
도 14를 참조하면, 제7 식각 공정으로 예비 고정층 패턴(PLb)을 선택적으로 식각하여 고정층 패턴(PLc)이 형성될 수 있다. 제7 식각 공정은 등방성 식각 공정을 포함할 수 있다. 제7 식각 공정의 결과, 예비 고정층 패턴(PLb)의 측면이 선택적으로 식각되어 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116)의 폭보다 작은 폭을 갖는 고정층 패턴(PLc)이 형성될 수 있으며, 이로써 자기터널접합(MTJ)의 형성이 완료될 수 있다.Referring to FIG. 14 , the pinned layer pattern PLc may be formed by selectively etching the preliminary pinned layer pattern PLb through the seventh etching process. The seventh etching process may include an isotropic etching process. As a result of the seventh etching process, the side surfaces of the preliminary pinned layer pattern (PLb) are selectively etched to form a pinned layer pattern (PLc) having a width smaller than the width of the upper electrode 120, the stress application pattern 118, and the capping pattern 116. can be formed, and thus the formation of a magnetic tunnel junction (MTJ) can be completed.
도 15를 참조하면, 마스크 패턴들(125)을 식각 마스크로 하는 제8 식각 공정으로 하부 전극층(113)을 식각하여 하부 전극(114)이 형성될 수 있다. 제8 식각 공정은 이방성 식각 공정을 포함할 수 있으며, 제8 식각 공정의 결과 상부 전극(120), 스트레스 인가 패턴(118), 캡핑 패턴(116)의 폭과 실질적으로 동일한 폭을 갖는 하부 전극(114)이 형성되고, 하부 층간 절연막(110)의 상부면이 노출될 수 있다. Referring to FIG. 15 , the lower electrode 114 may be formed by etching the lower electrode layer 113 using the eighth etching process using the mask patterns 125 as an etch mask. The eighth etching process may include an anisotropic etching process, and as a result of the eighth etching process, a lower electrode ( 114) may be formed, and the upper surface of the lower interlayer insulating film 110 may be exposed.
이로써, 차례로 적층된 하부 전극(114), 자기터널접합(MTJ), 캡핑 패턴(116), 스트레스 인가 패턴(118), 상부 전극(120)을 포함하는 가변 저항 구조체(VR)의 형성이 완료될 수 있다.As a result, the formation of the variable resistance structure (VR) including the sequentially stacked lower electrode 114, magnetic tunnel junction (MTJ), capping pattern 116, stress application pattern 118, and upper electrode 120 will be completed. You can.
도 16을 참조하면, 마스크 패턴들(125)이 제거되고, 가변 저항 구조체(VR)의 표면을 컨포말하게 덮는 보호막(130)이 형성될 수 있다. 보호막(130)은 플라즈마를 사용하는 화학 기상 증착(Chemical vapor deposition)방법을 통해 형성될 수 있다. 보호막(130)은 예컨대, 실리콘 질화물을 포함할 수 있다. 바람직하게, 보호막(130)은 실리콘 소스 가스, 수소를 포함하지 않는 질소 소스 가스 및 해리 가스를 사용하여 플라즈마를 이용한 플라즈마 강화-화학 기상 증착 방법(Plasma enhanced-CVD)으로 형성될 수 있다. 보호막(130)은 후속 공정에서 자기터널접합(MTJ)의 측면들이 산화되는 것을 방지하기 위해 형성될 수 있다.Referring to FIG. 16 , the mask patterns 125 may be removed, and a protective film 130 may be formed to conformally cover the surface of the variable resistance structure VR. The protective film 130 may be formed through a chemical vapor deposition method using plasma. The protective film 130 may include, for example, silicon nitride. Preferably, the protective film 130 may be formed by a plasma enhanced-CVD method using plasma using a silicon source gas, a nitrogen source gas not containing hydrogen, and a dissociation gas. The protective film 130 may be formed to prevent the sides of the magnetic tunnel junction (MTJ) from being oxidized in a subsequent process.
다시 도 4를 참조하면, 보호막(130)이 형성된 가변 저항 구조체들(VR)를 사이를 채우는 상부 층간 절연막(140)을 형성하고, 상부 전극(120)의 상부면이 노출하도록 평탄화 공정이 수행될 수 있다. 그 결과, 가변 저항 구조체(VR)의 측벽들 상에 상부 전극(120)을 노출하는 보호 패턴(132)이 형성될 수 있다. 평탄화 공정은 예컨대, 화학 기계적 연마(Chemical Mechanical Polish: CMP) 공정을 포함할 수 있다. 상부 층간 절연막(140), 보호 패턴(132) 및 상부 전극(120)의 상부면은 동일한 높이를 가질 수 있다. 상부 층간 절연막(140)은 실리콘 산화물 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.Referring again to FIG. 4, the upper interlayer insulating film 140 is formed between the variable resistance structures VR on which the protective film 130 is formed, and a planarization process is performed to expose the upper surface of the upper electrode 120. You can. As a result, a protection pattern 132 exposing the upper electrode 120 may be formed on the sidewalls of the variable resistance structure VR. The planarization process may include, for example, a chemical mechanical polish (CMP) process. The upper surfaces of the upper interlayer insulating film 140, the protection pattern 132, and the upper electrode 120 may have the same height. The upper interlayer insulating film 140 may include silicon oxide or silicon nitride.
이어서, 상부 전극(120)과 접속하는 상부 도전 라인(150)이 형성될 수 있다. 상부 도전 라인(150)은 보호 패턴(132)이 형성된 기판(100) 상에 상부 도전막을 형성한 후 이를 패터닝하여 형성될 수 있다. 상부 도전막은 금속(예컨대, 텅스텐, 또는 구리) 또는 도전성 금속 질화물(예컨대, 티타늄 질화물, 탄탈륨 질화물 또는 텅스텐 질화물)을 포함할 수 있다. Subsequently, an upper conductive line 150 connected to the upper electrode 120 may be formed. The upper conductive line 150 may be formed by forming an upper conductive film on the substrate 100 on which the protection pattern 132 is formed and then patterning it. The upper conductive layer may include a metal (eg, tungsten, or copper) or a conductive metal nitride (eg, titanium nitride, tantalum nitride, or tungsten nitride).
전술한 공정들을 수행함으로써 가변 저항 메모리 소자가 완성될 수 있다.A variable resistance memory device can be completed by performing the above-described processes.
본 발명의 실시예들에 따르면, 자기터널접합(MTJ) 상에 인장 스트레스를 갖는 스트레스 인가 패턴(118)이 배치됨에 따라 자기터널접합(MTJ)의 보자력이 증가되고, 스위칭 전류가 향상될 수 있다. 특히, 스트레스 인가 패턴(118)이 자기터널접합(MTJ)의 층들보다 큰 폭을 가짐에 따라 스트레스 인가 효율이 향상되어 자기터널접합(MTJ)의 자기적 특성 및 전기적 특성이 더욱 강화되고, 리텐션 불량 비트(Retention Fail Bit)가 감소될 수 있다.According to embodiments of the present invention, as the stress applying pattern 118 having tensile stress is disposed on the magnetic tunnel junction (MTJ), the coercive force of the magnetic tunnel junction (MTJ) can be increased and the switching current can be improved. . In particular, as the stress application pattern 118 has a larger width than the layers of the magnetic tunnel junction (MTJ), the stress application efficiency is improved, the magnetic and electrical properties of the magnetic tunnel junction (MTJ) are further strengthened, and retention Retention Fail Bits can be reduced.
결과적으로, 전기적 특성 및 신뢰성이 향상된 가변 저항 소자의 제공이 가능할 수 있다.As a result, it may be possible to provide a variable resistance element with improved electrical characteristics and reliability.
이상 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들 및 응용 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the attached drawings, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. You will understand that you can. Therefore, the embodiments and application examples described above should be understood as illustrative in all respects and not restrictive.
Claims (3)
상기 제1 도전 라인들과 교차하는 제2 도전 라인들; 및
상기 제1 도전 라인들과 제2 도전 라인들 사이의 교차점들에 각각 제공되는 메모리 셀들을 포함하고,
메모리 셀들의 각각은 선택 소자 및 가변 저항 구조체를 포함하되,
상기 가변 저항 구조체는 차례로 적층된 하부 전극, 자기터널접합, 캡핑 패턴, 스트레스 인가 패턴 및 상부 전극을 포함하고,
상기 자기터널접합은 고정층 패턴, 자유층 패턴 및 이들 사이에 개재된 터널 배리어층 패턴을 포함하고,
상기 스트레스 인가 패턴은 인장 스트레스(tensile stress)를 갖는 도전 물질을 포함하고,
상기 고정층 패턴, 상기 자유층 패턴 및 상기 터널 배리어층 패턴의 폭은 상기 캡핑 패턴 및 상기 스트레스 인가패턴의 폭보다 작고,
상기 캡핑 패턴 및 상기 스트레스 인가 패턴의 일 측면들은 공면을 이루고,
상기 캡핑 패턴 및 상기 스트레스 인가 패턴의 상기 일 측면들에 인접한 상기 자기터널접합의 일 측면은 상기 일 측면들과 정렬되지 않고 내측으로 만입된 형태를 갖는 가변 저항 메모리 소자.first conductive lines;
second conductive lines intersecting the first conductive lines; and
Comprising memory cells provided at intersections between the first conductive lines and the second conductive lines, respectively,
Each of the memory cells includes a selection element and a variable resistance structure,
The variable resistance structure includes a lower electrode, a magnetic tunnel junction, a capping pattern, a stress application pattern, and an upper electrode stacked in order,
The magnetic tunnel junction includes a fixed layer pattern, a free layer pattern, and a tunnel barrier layer pattern sandwiched between them,
The stress application pattern includes a conductive material having tensile stress,
A width of the fixed layer pattern, the free layer pattern, and the tunnel barrier layer pattern is smaller than the width of the capping pattern and the stress application pattern,
One side of the capping pattern and the stress application pattern are coplanar,
A variable resistance memory device wherein one side of the magnetic tunnel junction adjacent to the one side of the capping pattern and the stress application pattern is not aligned with the one side but is indented inward.
상기 가변 저항 구조체의 측벽들을 덮으며, 상기 상부 전극의 상부면을 노출하는 보호 패턴을 더 포함하고,
상기 상부 전극은 상응하는 제2 도전 라인에 접속되는 가변 저항 메모리 소자.According to claim 1,
It further includes a protection pattern that covers side walls of the variable resistance structure and exposes an upper surface of the upper electrode,
A variable resistance memory element wherein the upper electrode is connected to a corresponding second conductive line.
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2023
- 2023-01-19 KR KR1020230007944A patent/KR102665796B1/en active IP Right Grant
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