KR20040003479A - cell structure in magnetic random access memories and fabricating method therefore - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 메모리 디바이스에 관한 것으로, 특히 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조 및 그 제조방법에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to semiconductor memory devices, and more particularly, to a cell structure of a magnetic random access memory device and a method of manufacturing the same.
최근, 자성체의 새로운 기술적 응용으로 급부상하고 있는 분야가 자기 랜던 억세스 메모리 (MRAM : Magnetic Random Access Memories) 기술분야이다. 그러한 메모리는 자기 자극으로 기록 가능한 자기 터널 접합(magnetic tunnel junction :'MTJ') 셀들을 메모리 셀로서 가진다.Recently, a field that is rapidly emerging as a new technical application of the magnetic material is the magnetic random access memory (MRAM) technology. Such a memory has magnetic tunnel junction ('MTJ') cells, which are writable by magnetic stimulation, as memory cells.
상기 자기 메모리의 원리는 스핀이 전자의 전달현상에 지대한 영향을 미침에 의해 생기는 거대 자기저항(GMR) 현상이나 스핀 편극 자기투과현상을 이용하는 것이다. 거대 자기저항(GMR) 현상은 비자성층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀방향이 같은 경우보다 다른 경우의 저항이 크게 다른 현상을 말하며, 이를 이용하면 GMR 자기메모리 소자가 구현되는 것이다. 한편, 절연층을 사이에 둔 두 자성층에서 스핀 방향이 같은 경우가 다른 경우보다 전류의 투과가 훨씬 잘 일어난다는 현상을 이용하면 스핀 편극 자기 투과 접합 메모리 소자가 구현될 수 있다.The principle of the magnetic memory is to use a large magnetoresistance (GMR) phenomenon or spin polarization magnetic permeation phenomenon caused by the spin has a significant effect on the electron transfer phenomenon. The large magnetoresistance (GMR) phenomenon refers to a phenomenon in which the resistance in the case where the spin directions are different in the two magnetic layers having a nonmagnetic layer therebetween is significantly different, and the GMR magnetic memory device is realized using this. On the other hand, the spin polarization self-transmitting junction memory device can be implemented by using the phenomenon that the transmission of current occurs much better than the case where the spin direction is the same in the two magnetic layers having the insulating layer interposed therebetween.
상기한 MRAM이 양산화된다면, 오늘날 반도체 SRAM의 빠른 속도와 고밀도의 DRAM의 장점을 겸비한 불휘발성 메모리가 실현될 수 있다. 또한, 통상의 반도체 메모리 소자에 비해 MRAM은 전력소모가 현저히 적고 가격도 저렴하고 생산공정도 간단한 장점을 갖는다.If the MRAM is mass-produced, a nonvolatile memory that combines the advantages of the high speed and high density DRAM of a semiconductor SRAM can be realized today. In addition, compared to the conventional semiconductor memory device, MRAM has the advantages of significantly less power consumption, low cost and simple production process.
상기와 같은 MRAM은 도 1에 도시한 바와 같이 기판(10)내에 행방향으로 배열된 워드라인(wordline)(20)과, 상기 워드라인(20)과 일정간격을 갖고 직교하도록 열방향으로 배열된 비트라인(bitline)(90)과, 상기 워드라인(20)과 비트라인(90)의 교차점에 형성된 자기 터널 접합(Magnetic Tunneling Junction:MTJ) 셀(1)을 기본적으로 포함한다. 여기서, 상기 자기 터널 접합 셀(1)은 고정 층인 제1 자성층(40), 터널 배리어층(50)과 자유 자성층인 제2 자성층(60)으로 구성된다. 상기 도 1에는 또 다른 워드라인(21)상에 형성되는 자기 터널 접합 셀(2)이 층간 절연막(80)내에 인접하여 형성되어 있다.As shown in FIG. 1, the MRAM is arranged in a column direction such that a word line 20 arranged in a row direction in the substrate 10 and orthogonally intersects at a predetermined interval with the word line 20. It basically includes a bitline 90 and a magnetic tunnel junction (MTJ) cell 1 formed at the intersection of the wordline 20 and the bitline 90. Here, the magnetic tunnel junction cell 1 is composed of a first magnetic layer 40, which is a fixed layer, a tunnel barrier layer 50, and a second magnetic layer 60, which is a free magnetic layer. 1, a magnetic tunnel junction cell 2 formed on another word line 21 is formed adjacent to an interlayer insulating film 80. In FIG.
상기 MTJ 셀의 정보저장은 상기 제2 자성층(60)의 자화 방향이 제1 자성층(40)의 자화방향과 반대로 바뀜으로써 이루어진다. 이를 위해 필요한 자계는 워드라인에서인가되는 전류 및 비트라인에서 인가되는 전류에 의해 발생된다. 상기 자계는 워드라인과 비트라인의 교차점인, 즉 MTJ 셀 영역에서 중첩되며, 상기 두 자성층의 자화 방향이 동일하게 설정되면 MTJ 셀은 낮은 전기 저항을 갖고, 반대로 두 자성층의 자화 방향이 동일하지 않거나 역평행인 경우는 높은 저항을 갖는 것으로 된다. 결국, 두 자성층에서의 평행 자화 방향과 역평행 자화 방향간의 이러한 저항 변동은 디지털 메모리 응용에서 정보 저장을 위해 이용되는 것이다.Information storage of the MTJ cell is performed by changing the magnetization direction of the second magnetic layer 60 to the opposite direction of the magnetization direction of the first magnetic layer 40. The magnetic field required for this is generated by the current applied at the word line and the current applied at the bit line. The magnetic field is overlapped at the intersection of the word line and the bit line, that is, overlapped in the MTJ cell region, and if the magnetization directions of the two magnetic layers are set to be the same, the MTJ cell has a low electrical resistance, and conversely, the magnetization directions of the two magnetic layers are not equal In the case of antiparallel, it has high resistance. As a result, this resistance variation between the parallel and anti-parallel magnetization directions in the two magnetic layers is used for information storage in digital memory applications.
상기와 같은 구조의 MTJ 셀에서 상기 비트라인(90)은 상기 제2 자성층(60)의 상부로만 직선적으로 배치되어 있으므로, 자화방향을 바꾸는 부분이 되는 자유자성층 즉, 상기 제2 자성층(60)에 충분히 미치는 자기장의 세기가 약하다. 상기 제2 자성층(60)에 미치는 자기장의 세기는 정보의 저장에 매우 중요한 요소가 되는데, 상기한 종래의 셀 구조는 보다 적은 전류로 상기 제2 자성층(60)을 자화시키기에는 미약한 문제점을 갖는다.In the MTJ cell having the above structure, since the bit line 90 is linearly disposed only above the second magnetic layer 60, the bit line 90 may be formed in the free magnetic layer, ie, the second magnetic layer 60. The strength of the magnetic field is weak enough. The strength of the magnetic field applied to the second magnetic layer 60 becomes a very important factor for storing information, and the conventional cell structure has a weak problem to magnetize the second magnetic layer 60 with less current. .
따라서, 정보의 저장에 필요한 전류의 양을 줄이면서도 셀의 자유자성층에 미치는 자기 필드를 보다 강화시킬 수 있는 개선된 셀 구조가 요망된다.Thus, there is a need for an improved cell structure that can further enhance the magnetic field on the free magnetic layer of the cell while reducing the amount of current required to store information.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결할 수 있는 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a cell structure of a magnetic random access memory device and a method of manufacturing the same, which can solve the above-mentioned conventional problems.
본 발명의 다른 목적은 정보의 저장에 필요한 전류의 양을 줄이면서도 셀의 자유자성층에 미치는 자기 필드를 보다 강화시킬 수 있는 개선된 셀 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide an improved cell structure and a method of manufacturing the same, which can further enhance the magnetic field on the free magnetic layer of the cell while reducing the amount of current required for storing information.
본 발명의 다른 목적은 자기 터널 접합 셀의 3면을 감싸는 비트라인 구조를 갖는 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조 및 그 제조방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a cell structure of a magnetic random access memory device having a bit line structure surrounding three sides of a magnetic tunnel junction cell and a method of manufacturing the same.
상기한 목적들 가운데 일부의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상(aspect)에 따라, 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조는, 워드라인의 상부에 형성된 자기 터널 접합 셀을, 상기 셀의 상부와 양측면을 감싸는 비트라인을 배치함에 의해 셀의 3면이 감싸여 자계의 세기가 강화되도록 한 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention for achieving some of the above objects, a cell structure of a magnetic random access memory device comprises a magnetic tunnel junction cell formed on top of a wordline, the top of the cell and the top of the cell. By arranging bit lines surrounding both sides, three sides of the cell are wrapped to enhance the strength of the magnetic field.
본 발명의 다른 양상에 따라, 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 제조방법은, 기판상에 제1방향으로 워드라인을 형성하고, 그 상부에 자기 터널 접합 셀들을 복수로 형성하는 단계와; 상부 전면에 제1 층간절연막, 하부 비트라인으로서 기능할 도전성 금속 층, 및 제2 층간 절연막을 차례로 도포한 후 패터닝하여 복수의 셀들을 분리하는 단계와; 결과물 상부에 비트라인을 형성하여, 하부에 형성된 상기 도전성 금속 층과 상부의 비트라인이 상기 제2 층간 절연막을 에워싸면서 상기 셀들의 3면에서 대향하는 구조가 되도록 하는 단계를 가짐을 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, a cell manufacturing method of a magnetic random access memory device includes: forming a word line on a substrate in a first direction, and forming a plurality of magnetic tunnel junction cells thereon; Applying a first interlayer insulating film, a conductive metal layer to function as a lower bit line, and a second interlayer insulating film on an upper entire surface, and then patterning the plurality of cells to separate the plurality of cells; And forming a bit line on the resultant, such that the conductive metal layer and the upper bit line formed on the bottom face the second interlayer insulating film to face each other on three sides of the cells. .
상기한 구조 및 방법적 구성에 따라, 정보의 저장에 필요한 전류의 양을 줄이면서도 셀의 자유자성층에 미치는 자기 필드를 보다 강화시킬 수 있는 효과가 있다.According to the above structure and method configuration, it is possible to further strengthen the magnetic field on the free magnetic layer of the cell while reducing the amount of current required for storing information.
도 1은 종래기술에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조도1 is a cell structure diagram of a magnetic random access memory device according to the prior art
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조도2 is a cell structure diagram of a magnetic random access memory device according to an embodiment of the present invention;
도 3 내지 도 7은 도 2의 셀 구조를 제조하는 순서를 보인 공정단면도들3 to 7 are cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the cell structure of FIG. 2.
이하에서는 본 발명의 실시 예에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명된다. 비록 다른 도면에 표시되어 있더라도 동일 내지 유사한 기능을 가지는 구성요소들은 동일 내지 유사한 참조부호로서 나타나 있다.Hereinafter, a cell structure of a magnetic random access memory device and a method of manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Although shown in different drawings, components having the same or similar functions are represented by the same or similar reference numerals.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조도로서, 워드라인(20)의 상부에 형성된 자기 터널 접합 셀(1)을, 상기 셀의 상부와 양측면을 감싸는 비트라인(90,90a)을 배치함에 의해 셀의 3면이 감싸여 자계의 세기가 강화되도록 한 구조가 보여진다. 여기서, 상기 비트라인(90,90a)은 하나의 비트라인을 구성하며, 고립된 층간 절연막(81)을 둘러싸고 있음을 알 수 있다.FIG. 2 is a cell structure diagram of a magnetic random access memory device according to an exemplary embodiment of the present invention, and includes a magnetic tunnel junction cell 1 formed on an upper portion of a word line 20, and a bit line 90 surrounding upper and both sides of the cell. By arranging 90a), three structures of the cell are wrapped to enhance the strength of the magnetic field. Here, it can be seen that the bit lines 90 and 90a constitute one bit line and surround the isolated interlayer insulating layer 81.
이에 따라, 비트라인에 흐르는 전류가 동일하다고 가정하면, 종래에 비해 자기 필드가 더 강화되므로 보다 적은 양의 전류로써도 상기 제2 자성층(60)을 충분히 자화시킬 수 있다.Accordingly, assuming that the current flowing through the bit line is the same, the magnetic field is further strengthened as compared with the conventional art, so that the second magnetic layer 60 can be sufficiently magnetized even with a smaller amount of current.
도 3 내지 도 7은 도 2의 셀 구조를 제조하는 순서를 보인 공정단면도들이다. 이하에서는 상기한 도 2의 셀 구조를 제조하는 순서가 설명될 것이다.3 to 7 are process cross-sectional views illustrating a procedure of manufacturing the cell structure of FIG. 2. Hereinafter, the procedure of manufacturing the cell structure of FIG. 2 will be described.
먼저, 도 3에서 보여지는 바와 같이, 기판(10)상에 일라인 방향으로 배열되도록 워드라인(WL)(20,21)을 형성한다. 그리고 워드라인(20,21)의 상부에 배선영역(30,31)을 형성하고, 기판(10)의 상부 전면에 제 1 강자성 물질(40,41)과산화알루미나 재질의 터널 절연막(50,51)과 제 2 강자성 물질(60,61) 및 반강자성층(70,71)을 차례로 증착한 후, 건식식각으로 패터닝하여 MTJ셀들(1,2)을 라인 타입으로 형성한다.First, as shown in FIG. 3, word lines WL 20 and 21 are formed on the substrate 10 to be arranged in one line direction. The wiring regions 30 and 31 are formed on the word lines 20 and 21, and the tunnel insulating layers 50 and 51 made of alumina oxide and the first ferromagnetic materials 40 and 41 are formed on the entire upper surface of the substrate 10. And second ferromagnetic materials 60 and 61 and antiferromagnetic layers 70 and 71 are sequentially deposited, and then patterned by dry etching to form MTJ cells 1 and 2 in a line type.
다음에는 도 4에서 보여지는 바와 같이, 상기 MTJ 셀들(1,2)을 포함한 기판(10)의 상부 전면에 층간절연막(80)을 증착하여 셀들을 감싼 후에, 도전성 금속 예컨대 텅스텐 또는 알루미늄 재질의 금속층(90a)을 형성하고, 그 상부에 층간 절연막(81a)을 데포지션한다. 여기서, 상기 금속층(90a)은 후속의 공정에서 형성되는 비트라인과 함께 접촉되는 층으로서 마찬가지로 비트라인과 일체로서 기능한다. 따라서, 비트라인의 재질보다 저항이 낮은 재질을 사용하면 셀의 측면으로 흐르는 전류의 양을 많게 되어 자기 필드를 더욱 증가시킬 수 있다.Next, as shown in FIG. 4, after the interlayer insulating layer 80 is deposited on the entire upper surface of the substrate 10 including the MTJ cells 1 and 2, the cells are wrapped to form a conductive metal such as tungsten or aluminum. 90a is formed, and the interlayer insulating film 81a is deposited on top thereof. Here, the metal layer 90a functions as an integral part of the bit line as a layer in contact with the bit line formed in a subsequent process. Therefore, the use of a material having a lower resistance than that of the bit line increases the amount of current flowing to the side of the cell, thereby further increasing the magnetic field.
그리고 나서, 도 5에서 보여지는 바와 같이, 에치 백 또는 화학적 기계적 폴리싱으로 평탄화공정을 진행하고, 비트라인 방향(AD)으로 패터닝을 한다.Then, as shown in FIG. 5, the planarization process is performed by etch back or chemical mechanical polishing, and patterning is performed in the bit line direction AD.
이후에 도 6에서 보여지는 바와 같이, 비트라인 방향으로 패터닝된 식각 부분을 층간 절연막으로 채우고 평탄화를 수행하여 독립된 사각형 모양의 셀 형태를 만든다. 그리고 나서, 도 7에서 보여지는 바와 같이, 비트라인(90)을 형성하면, 하부에 형성된 비트라인(90a)과 상부의 비트라인(90)이 상기 절연막(81)을 에워싸면서 상기 셀들의 3면과 대향하는 구조가 형성된다. 그럼에 의해, 셀과 3면에서 대향된 비트라인 구조는 정보의 저장에 필요한 전류의 양을 줄이면서도 셀의 자유자성층에 미치는 자기 필드를 보다 강화시킬 수 있는 이점을 제공한다.Subsequently, as shown in FIG. 6, an etched portion patterned in the bit line direction is filled with an interlayer insulating film and planarization is performed to form an independent rectangular cell shape. Then, as shown in FIG. 7, when the bit line 90 is formed, the bit line 90a formed below and the upper bit line 90 surround the insulating film 81 to form three of the cells. A structure facing the face is formed. Thereby, the opposing bit line structure on the three sides of the cell provides the advantage of enhancing the magnetic field on the free magnetic layer of the cell while reducing the amount of current required to store the information.
상기한 설명에서는 본 발명의 실시 예를 위주로 도면을 따라 예를 들어 설명하였지만, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 또는 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이다. 예를 들어, 사안이 다른 경우에 막질의 재질이나 구조의 형상을 다양한 형태로 변경할 수 있음은 물론이다.In the above description, the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, for example. However, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be variously modified or changed within the scope of the technical idea of the present invention. . For example, if the matter is different, it is a matter of course that the shape of the material or structure of the film can be changed into various forms.
상기한 바와 같은 자기 랜덤 액세스 메모리 디바이스의 셀 구조 및 그 제조방법에 따르면, 정보의 저장에 필요한 전류의 양을 줄이면서도 셀의 자유자성층에 미치는 자기 필드를 보다 강화시킬 수 있는 효과가 있다.According to the cell structure of the magnetic random access memory device as described above and a method of manufacturing the same, the magnetic field applied to the free magnetic layer of the cell can be further enhanced while reducing the amount of current required for storing information.
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