特許 5964573 磁気トンネル接合構造体の製造方法及びこれを利用する磁気メモリ素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5964573

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】磁気トンネル接合構造体の製造方法及びこれを利用する磁気メモリ素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/8246 20060101AFI20160721BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20160721BHJP

   H01L 29/82 20060101ALI20160721BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20160721BHJP

   H01L 43/12 20060101ALI20160721BHJP

【ＦＩ】

   H01L27/10 447

   H01L29/82 Z

   H01L43/08 Z

   H01L43/12

【請求項の数】9

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2011-260388(P2011-260388)

(22)【出願日】2011年11月29日

(65)【公開番号】特開2012-119684(P2012-119684A)

(43)【公開日】2012年6月21日

【審査請求日】2014年11月10日

(31)【優先権主張番号】10-2010-0119756

(32)【優先日】2010年11月29日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(72)【発明者】

【氏名】申 喜珠

(72)【発明者】

【氏名】鄭 峻昊

(72)【発明者】

【氏名】李 將銀

(72)【発明者】

【氏名】▲呉▼ 世忠

【審査官】 佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００５／００７９６３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２１４２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３４９６７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０５６７２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０７９２５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２３７４７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２７４０１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２０４５８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０５４２２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第６８５２５５０（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 米国特許第７３８８７７１（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／８２４６

２７／１０５

２７／２２

２９／８２

４３／００−４３／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上にコンタクトプラグを含む第１層間絶縁層を形成し、
前記第１層間絶縁層上に第１磁性層、トンネル絶縁層、及び第２磁性層を順次に積層して磁気トンネル接合層を形成し、
前記第２磁性層上にマスクパターンを形成し、
少なくとも一つのエッチング工程及び少なくとも一つの酸化工程を複数回行い、磁気トンネル接合層パターン及び前記磁気トンネル接合層パターンの少なくとも一つの側壁上に側壁絶縁層パターンを形成し、
前記少なくとも一つのエッチング工程は、不活性ガスと前記マスクパターンを利用して前記磁気トンネル接合層の一部をエッチングする第１エッチング工程を含み、
前記少なくとも一つの酸化工程は、前記磁気トンネル接合層のエッチング面に付着した第１エッチング生成物を酸化させる第１酸化工程を含み、
前記磁気トンネル接合層パターン及び前記側壁絶縁層パターンを形成した後、
前記側壁絶縁層パターンを利用して前記側壁絶縁層パターン周囲の前記第１層間絶縁層の一部をエッチングして前記側壁絶縁層パターン上に側壁保護層パターンを形成することをさらに含む磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項2】

前記第１層間絶縁層の一部をエッチングすることは、不活性ガスを利用することを含む請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項3】

前記側壁保護層パターンを形成した後、
前記側壁保護層パターンにアッシング（ａｓｈｉｎｇ）工程を行うことをさらに含み、
前記アッシング工程は、酸素ガスまたは酸素プラズマを利用した少なくとも一つの処理を含む請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項4】

前記第１層間絶縁層、前記磁気トンネル接合層パターン、及び前記側壁絶縁層パターン上にコンフォーマルに保護層を形成することをさらに含む請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項5】

前記コンタクトプラグと前記第１磁性層が互いに直接接触している請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項6】

前記第１層間絶縁層上に第２層間絶縁層形成し、
前記第２層間絶縁層上にビットラインを形成することをさらに含む請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項7】

前記不活性ガスはＮＨ_３ガスを含む請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項8】

前記酸化工程は、２００Ｗ以下の電力を利用して行われる請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【請求項9】

前記少なくとも一つのエッチング工程は、少なくとも２回のエッチング工程を含み、
前記トンネル絶縁層は、前記少なくとも２回のエッチング工程のうち一つによってエッチングされる請求項１に記載の磁気メモリ素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気トンネル接合構造体の製造方法及びこれを利用する磁気メモリ素子の製造方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

磁気メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）素子は、高速な書き込みと読み出し動作が可能であり、不揮発性特性を有する。このような特性によって磁気メモリ素子は新しい記憶素子として脚光を浴びている。

【0003】

一般的には、磁気メモリ素子の単位セルは、データを保存する要素として磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）パターンを主に採用している。磁気トンネル接合パターンは、二つの強磁性層とその間に位置するトンネル絶縁層を含む。すなわち、磁化（ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）の方向が固定されている固定強磁性（ｐｉｎｎｅｄ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層と、固定強磁性層に対して磁化方向が平行（ｐａｒａｌｌｅｌ）または反平行（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）に変化する強磁性自由（ｆｒｅｅ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層と、及び固定強磁性層と自由強磁性層との間に配置されたトンネル絶縁層とを含む。

【0004】

磁気トンネル接合パターンを形成するために磁性層を、物理的エッチングを利用してエッチングすると、エッチングによって発生する導電性の生成物が磁気トンネル接合パターンの側壁に付着する。このように磁気トンネル接合パターンの側壁に付着した導電性のエッチング生成物によって磁気トンネル接合パターンが短絡する問題がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、磁気トンネル接合構造体の短絡を防止し、抵抗特性を改善できる磁気トンネル接合構造体の製造方法を提供することにある。

【0006】

本発明が解決しようとする他の課題は、磁気トンネル接合構造体の短絡を防止し、抵抗特性を改善できる磁気メモリ素子の製造方法を提供することにある。

【0007】

本発明の技術的課題は、以上で言及した技術的課題に制限されず、言及されていないまた他の技術的課題は、次の記載から当業者に明確に理解できるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記技術的課題を達成するための本発明の磁気トンネル接合構造体の製造方法の一実施形態は、基板上に第１磁性層、トンネル絶縁層、及び第２磁性層を順次に積層して磁気トンネル接合層を形成し、前記第２磁性層上にマスクパターンを形成し、少なくとも１回のエッチング工程と少なくとも１回の酸化工程を複数回行い、磁気トンネル接合層パターン及び前記磁気トンネル接合層パターンの少なくとも一つの側壁上に側壁絶縁層パターンを形成し、前記少なくとも一つのエッチング工程は、不活性ガスと前記マスクパターンを利用して前記磁気トンネル接合層の一部をエッチングする第１エッチング工程を含み、前記少なくとも一つの酸化工程は、前記磁気トンネル接合層のエッチング面に付着した第１エッチング生成物を酸化する第１酸化工程を含む。

【0009】

前記他の技術的課題を達成するための本発明の磁気メモリ素子の製造方法の一実施形態は、前記第１層間絶縁層上に第１磁性層、トンネル絶縁層、及び第２磁性層を順次に積層して磁気トンネル接合層を形成し、前記第２磁性層上にマスクパターンを形成し、少なくとも一つのエッチング工程及び少なくとも一つの酸化工程を複数回行い、磁気トンネル接合層パターン及び前記磁気トンネル接合層パターンの少なくとも一つの側壁上に側壁絶縁層パターンを形成し、前記少なくとも一つのエッチング工程は、不活性ガスと前記マスクパターンを利用して前記磁気トンネル接合層の一部をエッチングする第１エッチング工程を含み、前記少なくとも一つの酸化工程は、前記磁気トンネル接合層のエッチング面に付着した第１エッチング生成物を酸化する第１酸化工程を含む。

【0010】

その他実施形態の具体的な内容は詳細な説明及び図面に含まれている。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の断面図である。

【図2】本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の断面図である。

【図3】本発明の他の実施形態による磁気メモリ素子の断面図である。

【図4】本発明のまた他の実施形態による磁気メモリ素子の断面図である。

【図5】本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の製造方法を順に示す断面図である。

【図6】本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の製造方法を順に示す断面図である。

【図7】本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の製造方法を順に示す断面図である。

【図8】本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の製造方法を順に示す断面図である。

【図9】本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の製造方法を順に示す断面図である。

【図10】本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の製造方法を順に示す断面図である。

【図11】本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の製造方法を順に示す断面図である。

【図12】本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の製造方法を順に示す断面図である。

【図13】本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の製造方法を順に示す断面図である。

【図14】本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の製造方法を順に示す断面図である。

【図15】本発明の他の実施形態による磁気メモリ素子の製造方法の中間段階を示す断面図である。

【図16】本発明のまた他の実施形態による磁気メモリ素子の製造方法の中間段階を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

本発明の利点、特徴、及びそれらを達成する方法は、図面と共に詳細に後述する実施形態を参照すると明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示する実施形態に限定されるものではなく、異なる多様な形態で具現することが可能である。本実施形態は、単に本発明の開示が完全になるように、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に対して発明の範疇を完全に知らしめるために提供するものであり、本発明は、請求項の範疇によってのみ定義される。図面において層及び領域のサイズ及び相対的なサイズは説明の明瞭性のために誇張することがある。

【0013】

なお、明細書全体にかけて、同一の参照符号は同一の構成要素を指すものとする。

【0014】

本明細書で使用された用語は、実施形態を説明するためであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において単数形は、文言で特別に言及しない限り、複数形をも含む。明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、言及した構成要素、段階、動作、および／または素子は、一つ以上の他の構成要素、段階、動作、および／または素子の存在または追加を排除しない。

【0015】

第１、第２等が、多様な構成要素を説明するために使用される。しかしながら、これらの構成要素は、これらの用語によって制限されないことはもちろんである。これらの用語は単に一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用されるものである。したがって、以下で言及される第１構成要素は、本発明の技術的思想内で第２素子、第２構成要素であり得ることはもちろんである。

【0016】

本明細書で記述する実施形態は本発明の概略図の平面図および断面図を参照して説明する。したがって、製造技術および／または許容誤差などによって例示図の形態を変形することがある。したがって、本発明の実施形態は、図示する特定の形態に制限されず、製造プロセスにより生成される形態の変化も含む。したがって、図面で例示する領域は概略的な属性を有し、図面で例示する領域の形態は素子の領域の特定形態を例示するためであり、発明の範疇を制限するためではない。

【0017】

他に定義されなければ、本明細書で使用されるすべての用語（技術および科学的用語を含む）は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に共通に理解され得る意味において使用されるものである。また、一般的に使用される辞典に定義されている用語は、明確に特別に定義されていない限り理想的にまたは過度に解釈されない。

【0018】

図１は、本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の断面図である。

【0019】

図１を参照すると、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）構造体１０は、基板１００上に順次に積層された第１磁性層パターン１１０、トンネル絶縁層パターン１２０、及び第２磁性層パターン１３０を含む磁気トンネル接合層パターン１４０及び磁気トンネル接合層パターン１４０の側壁上に形成された側壁絶縁層パターン１５０を含む。

【0020】

第１磁性層パターン１１０及び第２磁性層パターン１３０のうち片方は磁化方向が固定されている固定強磁性（ｐｉｎｎｅｄ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層パターンであり、他方は磁気トンネル接合層パターン１４０に印加される電流の方向に応じて磁化方向が変化する自由強磁性（ｆｒｅｅ ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）層パターンであり得る。第１磁性層パターン１１０及び第２磁性層パターン１３０は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、またはコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）などを利用して形成される。

【0021】

トンネル絶縁層パターン１２０は、アルミニウム酸化物またはマグネシウム酸化物などで形成される。

【0022】

側壁絶縁層パターン１５０は、磁気トンネル接合層パターン１４０の側壁に形成されており、前記側壁と接触して形成される。側壁絶縁層パターン１５０は、磁気トンネル接合層パターン１４０を形成するエッチング工程の際に発生し、磁気トンネル接合層パターン１４０の側壁に付着した生成物を酸化させて形成される。したがって、側壁絶縁層パターン１５０は、磁気トンネル接合層パターン１４０を形成する物質の酸化物で形成される。後述するが、磁気トンネル接合層パターン１４０は少なくとも２回以上、すなわち複数のエッチング工程により形成され、側壁絶縁層パターン１５０は、それぞれのエッチング工程後で行われた複数の酸化工程により形成される。

【0023】

図２は、本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の断面図である。

【0024】

図２に図示する磁気メモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）素子は、ＳＴＴ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ）磁気メモリ素子である。ＳＴＴ磁気メモリ素子は、スピン向きが揃った高密度の電流が磁性体に入射する場合、磁性体の磁化方向が電流のスピン方向と一致しなければ、電流のスピン方向に揃えようとする現象を利用する。ＳＴＴ磁気メモリ素子は、ディジット（ｄｉｇｉｔ）ラインを必要としないため、磁気メモリ素子の小型化が可能である。

【0025】

図２を参照すると、基板２００の一定領域にアクセス素子が配置される。基板２００は、シリコン基板、ガリウムヒ素基板、シリコンゲルマニウム基板、セラミック基板、石英基板またはディスプレイ用ガラス基板などであり得、ＳＯＩ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であり得る。前記アクセス素子はＭＯＳトランジスタであり得る。この場合、アクセストランジスタは、基板２００の一定領域に形成された素子分離層２０１によって限定される活性領域に配置される。具体的には、前記アクセストランジスタは、前記活性領域内に配置され、互いに離隔したソース領域２０３及びドレーン領域２０２を含み、ソース領域２０３とドレーン領域２０２との間のチャンネル領域の上部に形成されたゲート電極２１２を含み得る。ゲート電極２１２は、前記活性領域の上部を横切るように延び、ワードラインの役割を果たす。ゲート電極２１２は、ゲート絶縁層２１１により前記活性領域から絶縁される。

【0026】

前記アクセストランジスタを有する基板２００の上部に第１層間絶縁層２１０が形成され、ソース領域２０３に対応する第１層間絶縁層２１０の一定領域上にソースライン２２１が配置される。ソースライン２２１はゲート電極２１２と同一な方向に延びるように形成される。図２では、隣接するアクセストランジスタ間にソース領域２０３を共有するものを図示しているが、本発明はこれに限定されなく、隣接するアクセストランジスタ間にソース領域２０３及びドレーン領域２０２を共有しないこともある。

【0027】

第１層間絶縁層２１０内にはソースライン２２１とソース領域２０３を電気的に接続するソースラインコンタクトプラグ２１５及びドレーン領域２０２上に形成されたランディングコンタクトプラグ２１４が形成される。

【0028】

ソースライン２２１が配置された第１層間絶縁層２１０上には第２層間絶縁層２２０が形成される。第２層間絶縁層２２０内にはドレーン領域２０２上に形成されたランディングコンタクトプラグ２１４と電気的に接続される下部電極コンタクトプラグ２２２が形成される。

【0029】

第２層間絶縁層２２０上に磁気トンネル接合層パターン１４０及び側壁絶縁層パターン１５０を含む磁気トンネル接合構造体１０が配置される。磁気トンネル接合層パターン１４０は、第２層間絶縁層２２０上に順次に積層された第１磁性層パターン１１０、トンネル絶縁層パターン１２０、及び第２磁性層パターン１３０を含む。磁気トンネル接合構造体１０は、図１に図示する本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体１０と同一であるため、具体的な説明は省略する。

【0030】

磁気トンネル接合層パターン１４０とドレーン領域２０２は、ランディングコンタクトプラグ２１４及び下部電極コンタクトプラグ２２２を介して電気的に接続される。

【0031】

磁気トンネル接合構造体１０が配置された基板２００上に第３層間絶縁層２４０が形成される。第３層間絶縁層２４０上にゲート電極２１２と交差するようにビットライン２５０が配置される。ビットライン２５０と磁気トンネル接合層パターン１４０は上部電極コンタクトプラグ２４１を介して電気的に接続される。

【0032】

第１層間絶縁層２１０、第２層間絶縁層２２０及び第３層間絶縁層２４０は、例えば、シリコン酸化層またはシリコン酸窒化層などで形成される。ランディングコンタクトプラグ２１４、ソースラインコンタクトプラグ２１５、ソースライン２２１、下部電極コンタクトプラグ２２２、上部電極コンタクトプラグ２４１、ビットライン２５０は、例えば、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｌ、またはドーピングされたポリシリコンなどを利用して形成することができる。

【0033】

ビットライン２５０上には周辺回路部（図示せず）の回路との電気的接続のための金属配線がさらに形成されることもある。

【0034】

図３は、本発明の他の実施形態による磁気メモリ素子の断面図である。

【0035】

図３を参照すると、本発明の他の実施形態による磁気メモリ素子が図２に図示する本発明の一実施形態による磁気メモリ素子と違う点は、側壁絶縁層パターン１５０上に側壁保護層パターン２３０がさらに形成されたことである。側壁保護層パターン２３０は、磁気トンネル接合構造体１０の周囲に位置する第２層間絶縁層２２０の一部をエッチングして発生する生成物が側壁絶縁層パターン１５０上に付着して形成される。磁気トンネル接合構造体１０の周囲に位置する第２層間絶縁層２２０の一定領域にはリセスが形成される。側壁保護層パターン２３０は、側壁絶縁層パターン１５０に接触して形成される。

【0036】

図４は、本発明のまた他の実施形態による磁気メモリ素子の断面図である。

【0037】

図４を参照すると、本発明のまた他の実施形態による磁気メモリ素子が図２に図示する本発明の一実施形態による磁気メモリ素子と違う点は、第２層間絶縁層２２０及び磁気トンネル接合構造体１０に沿ってコンフォーマルに（ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌｙ）形成された保護層２６０をさらに含むことある。

【0038】

図１及び図５〜図９を参照して本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の製造方法について説明する。図５〜図９は、本発明の一実施形態による磁気トンネル接合構造体の製造方法を順に示す断面図である。

【0039】

図５を参照すると、基板１００上に第１磁性層１１１、トンネル絶縁層１２１、及び第２磁性層１３１を順次に積層して磁気トンネル接合層１４１を形成する。第１磁性層１１１及び第２磁性層１３１は、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、またはコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）などを利用して形成され、トンネル絶縁層１２１はアルミニウム酸化物またはマグネシウム酸化物などで形成され得る。第２磁性層１３１の一定領域上にマスクパターン３００を形成する。

【0040】

図６を参照すると、マスクパターン３００をエッチングマスクパターンとして利用して磁気トンネル接合層１４１の一部、例えば、第２磁性層１３１の一部をエッチングする第１エッチング工程を行う。磁気トンネル接合層１４１をエッチングするため、不活性ガスを使用する物理的エッチング（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｅｔｃｈ）を利用する。

【0041】

不活性ガスを使用する物理的エッチングを利用して磁気トンネル接合層１４１をエッチングすると、エッチングによって除去される磁気トンネル接合層１４１を構成する物質の一部が磁気トンネル接合層１４１のエッチング面に付着する。すなわち、第１エッチング工程から発生する生成物１５１が磁気トンネル接合層１４１のエッチング面に付着する。

【0042】

図６及び図７を参照すると、磁気トンネル接合層１４１のエッチング面に付着した生成物１５１を酸化させる第１酸化工程を行う。第１酸化工程によって磁気トンネル接合層１４１のエッチング面に付着した生成物１５１は絶縁特性を有する側壁絶縁層パターン１５０を形成することに使用される。

【0043】

図７及び図８を参照すると、第１エッチング工程によってエッチングされない磁気トンネル接合層１４１の一部をエッチングする第２エッチング工程を行う。第２エッチング工程では、例えば、第２磁性層１３１の残り部分、トンネル絶縁層１２１、及び第１磁性層１１１の一部がエッチングされ得る。第２エッチング工程で第２磁性層１３１を使用して第２磁性層パターン１３０を形成し、トンネル絶縁層１２１を使用してトンネル絶縁層パターン１２０を形成する。第２エッチング工程から発生する生成物も磁気トンネル接合層のエッチング面、例えば、第２磁性層パターン１３０の側壁、トンネル絶縁層パターン１２０の側壁、及びエッチングされた第１磁性層１１１の側壁に付着する。

【0044】

続いて第２エッチング工程から発生して磁気トンネル接合層のエッチング面に付着した生成物を酸化させる第２酸化工程を行い、第２磁性層パターン１３０の側壁、トンネル絶縁層パターン１２０の側壁、及びエッチングされた第１磁性層１１１の側壁まで側壁絶縁層パターン１５０が形成される。

【0045】

図８及び図９を参照すると、第２エッチング工程によってエッチングされない磁気トンネル接合層の残部をエッチングする第３エッチング工程を行う。第３エッチング工程で第１磁性層１１１を使用して第１磁性層パターン１１０を形成する。第１磁性層パターン１１０、トンネル絶縁層パターン１２０、及び第２磁性層パターン１３０は磁気トンネル接合層パターン１４０を形成する。第３エッチング工程から発生する生成物も磁気トンネル接合層のエッチング面、すなわち磁気トンネル接合層パターン１４０の側壁に付着する。

【0046】

続いて第３エッチング工程から発生して磁気トンネル接合層パターン１４０のエッチング面に付着した生成物を酸化させる第３酸化工程を行い、エッチングされた第１磁性層パターン１１０の側壁にも側壁絶縁層パターン１５０が形成されるようにする。

【0047】

前述した第１エッチング工程〜第３エッチング工程は、不活性ガスを使用する物理的エッチングを利用するが、不活性ガスとしてはＮＨ_３ガスを利用することができ、ＮＨ_３ガスにＣＯガスまたはＳＦ_６ガスなどが混合したガスを利用することもできる。

【0048】

前記第１酸化工程〜第３酸化工程は、ラジカル（ｒａｄｉｃａｌ）酸化工程またはプラズマ（ｐｌａｓｍａ）酸化工程を利用することができる。また前記第１酸化工程〜第３酸化工程は、２００Ｗ以下の電力を利用して行うことができる。

【0049】

本実施形態では、磁気トンネル接合層（図５の１４１）の一部のみをエッチングするエッチング工程後、前記エッチング工程によって生成されて磁気トンネル接合層１４１のエッチング面に付着したエッチング生成物を酸化する酸化工程を直ちに行い、前記酸化工程後でエッチングされない磁気トンネル接合層１４１の一部をエッチングするまた他のエッチング工程及び前記また他のエッチング工程によって発生する生成物を酸化するまた他の酸化工程を行う。すなわち、エッチング工程及び前記エッチング工程後の酸化工程を含むエッチング及び酸化工程セットを複数回行う。本実施形態では、前記エッチング及び酸化工程セットを複数回行うため、それぞれの酸化工程の酸化率（ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒａｔｅ）を調節することができる。酸化工程を高電力で行う場合、磁気トンネル接合層パターン（図９の１４０）、特に絶縁層パターン（図９の１２０）が損傷を受けることがある。しかし、本実施形態では、磁気トンネル接合層（図５の１４１）の一部のみをエッチングするエッチング工程後、前記エッチング工程によってのみ発生した生成物（図５の１５１）のみを酸化する酸化工程を行うことによって磁気トンネル接合層パターン（図９の１４０）、特に絶縁層パターン（図９の１２０）が損傷しない低電力、すなわち、２００Ｗ以下の電力を利用してそれぞれの酸化工程を行うことができる。これに対し、磁気トンネル接合層（図５の１４１）を１回のエッチング工程によりパターニングした後に前記エッチング工程から発生した生成物を１回の酸化工程により酸化する場合には２００Ｗを超える高電力を利用して酸化工程を行わなければならないため、前記酸化工程により磁気トンネル接合層パターン（図９の１４０）、特に絶縁層パターン（図９の１２０）が損傷を受けることがある。

【0050】

また、それぞれのエッチング工程後で行われるそれぞれの酸化工程はエッチング工程とインサイチュ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で行う。前記エッチング工程及び前記酸化工程をインサイチュで行う場合、空気によって磁気トンネル接合構造体が腐食（ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ）あるいは劣化現象を防止することができる。

【0051】

例えば、トンネル絶縁層（図５の１２１）は、１回のエッチング工程によってエッチングされることが好ましい。すなわち、それぞれのエッチング工程がトンネル絶縁層１２１内で終了しないようにする。仮に、ｎ番目のエッチング工程がトンネル絶縁層１２１の一部のみをエッチングした状態で終了すると、トンネル絶縁層１２１の一部はｎ番目の酸化工程中に露出し得る。この場合、ｎ番目の酸化工程によってトンネル絶縁層１２１の特性が劣化され得る。したがって、酸化工程の際、トンネル絶縁層１２１が露出しないようにするためにトンネル絶縁層１２１は、１回のエッチング工程によってエッチングされることが好ましい。

【0052】

磁気トンネル接合層（図５の１４１）のエッチング工程の際に発生するエッチング生成物は導電性を有している。しかし、このような生成物が磁気トンネル接合層パターン（図９の１４０）の側壁に付着すると、磁気トンネル接合層パターン１４０の抵抗分布特性を劣化させる。しかし、本実施形態では、このようなエッチング生成物を酸化させて側壁絶縁層パターン（図９の１５０）を形成することによって、磁気トンネル接合層パターン１４０の第１磁性層パターン１１０と第２磁性層パターン１３０と間の短絡を防止することができる。また、磁気トンネル接合層パターン１４０の抵抗分布特性の劣化を防止することができ、磁気トンネル接合層パターン１４０の第１磁性層パターン１１０と第２磁性層パターン１３０との間の短絡を防止するための追加のキャッピング層または保護層を形成する必要がないため、工程単純化及びコスト削減の効果がある。

【0053】

一方、本実施形態では、エッチング及び酸化工程のセットを３回行い、磁気トンネル接合構造体を形成することについて説明したが、本発明はこれに限定されなく、２回あるいは４回以上で行い、磁気トンネル接合構造体を形成できることはもちろんである。

【0054】

図９及び図１を参照すると、マスクパターン３００を除去して磁気トンネル接合構造体１０を完成させる。

【0055】

図２及び図１０〜図１４を参照して本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の製造方法について説明する。図１０〜図１４は、本発明の一実施形態による磁気メモリ素子の製造方法を順に示す断面図である。

【0056】

図１０を参照すると、基板２００内に例えば、ＳＴＩ（Ｓｈａｌｌｏｗ Ｔｒｅｎｃｈ Ｉｓｏｌａｔｉｏｎ）法を利用して活性領域を定義する素子分離層２０１を形成する。活性領域上にゲート絶縁層２１１及びゲート電極２１２を形成する。ゲート電極２１２によって露出された基板２００の活性領域に不純物を注入してソース領域２０３及びドレーン領域２０２を形成する。

【0057】

続いて、ゲート電極２１２が形成された基板２００上に第１層間絶縁層２１０を形成する。ドレーン領域２０２及びソース領域２０３の一定領域を露出させるように第１層間絶縁層２１０の一定領域をエッチングしてコンタクトホールを形成した後、前記コンタクトホールを充填するランディングコンタクトプラグ２１４及びソースラインコンタクトプラグ２１５を形成する。

【0058】

続いて、ソースラインコンタクトプラグ２１５上にソースラインコンタクトプラグ２１５と電気的に接続されるソースライン２２１を形成する。ソースライン２２１が形成された基板２００の全面上に第２層間絶縁層２２０を形成する。

【0059】

続いて、ランディングコンタクトプラグ２１４の一定領域を露出させるように第２層間絶縁層２２０の一定領域を除去してコンタクトホールを形成した後に、前記コンタクトホールを充填する下部電極コンタクトプラグ２２２を形成する。

【0060】

続いて、下部電極コンタクトプラグ２２２が形成された基板２００上に第１磁性層１１１、トンネル絶縁層１２１、及び第２磁性層１３１を順次に積層して磁気トンネル接合層１４１を形成する。第２磁性層１３１の一定領域上にマスクパターン３００を形成する。

【0061】

図１１〜図１４を参照すると、図６〜図９のようにマスクパターン３００をエッチングマスクパターンとして利用して磁気トンネル接合層１４１の一部をエッチングするエッチング工程、及び前記エッチング工程によって発生した生成物１５１を酸化する酸化工程を含むエッチング及び酸化工程のセットを複数回、例えば３回行い、磁気トンネル接合層パターン１４０及び磁気トンネル接合層パターン１４０の側壁に形成される側壁絶縁層パターン１５０を形成する。

【0062】

図１４及び図２を参照すると、マスクパターン３００を除去した後に、磁気トンネル接合構造体１０が形成された基板２００上に第３層間絶縁層２４０を形成する。続いて、第２磁性層パターン１３０の一部を露出するように第３層間絶縁層２４０の一部を除去してコンタクトホールを形成した後、前記コンタクトホールを充填する上部電極コンタクトプラグ２４１を形成する。続いて第３層間絶縁層２４０上にゲート電極２１２と交差するビットライン２５０を形成する。

【0063】

図３及び図１０〜図１５を参照して本発明の他の実施形態による磁気メモリ素子の製造方法について説明する。図１５は、本発明の他の実施形態による磁気メモリ素子の製造方法の中間段階を示す断面図である。

【0064】

図１０〜図１４で言及したように第２層間絶縁層２２０上に磁気トンネル接合構造体１０を形成する。

【0065】

図１５を参照すると、磁気トンネル接合構造体１０をエッチングマスクパターンとして利用して磁気トンネル接合構造体１０の周囲に位置する第２層間絶縁層２２０の一部をエッチングする。前記エッチングは、不活性ガスを利用する物理的エッチングを利用する。第２層間絶縁層２２０を、不活性ガスを利用して物理的エッチングを行い、エッチングによって除去される第２層間絶縁層２２０の物質の一部が側壁絶縁層パターン１５０上に付着し、これによって側壁絶縁層パターン１５０上に側壁保護層パターン２３０を形成する。第２層間絶縁層２２０は、シリコン酸化物またはシリコン酸化物などのような絶縁物質で形成されるため、第２層間絶縁層２２０のエッチングによって発生するエッチング生成物で形成された側壁保護層パターン２３０も絶縁特性を有する。

【0066】

一方、側壁保護層パターン２３０を形成した後、側壁保護層パターン２３０をさらに強固に形成するために酸素ガスを利用するアッシング（ａｓｈｉｎｇ）工程または酸素プラズマ処理をさらに行うこともできる。

【0067】

続いて、図１５及び図３を参照すると、マスクパターン３００を除去した後、磁気トンネル接合構造体１０及び側壁保護層パターン２３０が形成された基板２００上に第３層間絶縁層２４０、上部電極コンタクトプラグ２４１、及びビットライン２５０を形成する。

【0068】

図４、図１０〜図１４、及び図１６を参照して本発明のまた他の実施形態による磁気メモリ素子の製造方法について説明する。図１６は、本発明のまた他の実施形態による磁気メモリ素子の製造方法の中間段階を示す断面図である。

【0069】

図１０〜図１４で言及したように第２層間絶縁層２２０上に磁気トンネル接合構造体１０を形成する。

【0070】

図１６を参照すると、第２層間絶縁層２２０及び磁気トンネル接合構造体１０に沿ってコンフォーマルに（ｃｏｎｆｏｒｍａｌｌｙ）保護層２６０を形成する。保護層２６０は、シリコン酸化層、シリコン酸窒化層、またはシリコン窒化層などを利用して形成することができる。

【0071】

続いて、図１６及び図４を参照すると、磁気トンネル接合構造体１０及び保護層２６０が形成された基板２００上に第３層間絶縁層２４０、上部電極コンタクトプラグ２４１、及びビットライン２５０を形成する。

【0072】

以上、添付する図面を参照して本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で製造されることができ、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更しない範囲で他の具体的な形態で実施され得ることを理解することができる。したがって、上記実施形態はすべての面で例示的なものであり、限定なものではないと理解しなければならない。

【符号の説明】

【0073】

１０ 磁気トンネル接合構造体
１００ 基板
１２０ トンネル絶縁層パターン
１２１ トンネル絶縁層
１４０ 磁気トンネル接合層パターン
１４１ 磁気トンネル接合層
１５０ 側壁絶縁層パターン
１５１ 生成物
２００ 基板
２０１ 素子分離層
２０２ ドレーン領域
２０３ ソース領域
２１１ ゲート絶縁層
２１２ ゲート電極
２１４ ランディングコンタクトプラグ
２１５ ソースラインコンタクトプラグ
２２１ ソースライン
２２２ 下部電極コンタクトプラグ
２３０ 側壁保護層パターン
２４１ 上部電極コンタクトプラグ
２５０ ビットライン
２６０ 保護層
３００ マスクパターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】