專利名稱：利用磁疇壁移動的半導體器件及其制造方法
技術領域：
本發明的裝置和方法涉及一種半導體器件且，更具體地，涉及一種利用磁疇壁移動(magnetic domain wall movement)的半導體器件及其制造方法。
技術背景數據存儲器件大致分為關閉電源時失去所有記錄的數據的易失性數據 存儲器件和關閉電源時保留數據的非易失性數據存儲器件。非易失性數據存儲器件包括硬盤驅動器(HDD )和非易失性隨機存取存 儲器(RAM)。 HDD包括讀和寫頭以及旋轉的數據記錄媒介，且可以存儲 100吉比特或更多的數據。但是，類似于HDD的具有旋轉部分的器件有一 個問題是其隨著時間的流逝而磨損，并且因此，存在操作故障的可能性，因 此降低了可靠性。因此，作為解決前述常規非易失性數據存儲器件缺陷的方法，已經進行 了多個關于利用磁疇壁移動的新型數據存儲器件的研究和開發。現在將描述在磁性物質中的磁疇和磁疇壁。然后，將描述利用磁疇和磁 疇壁的存儲器件。構成鐵磁體的微小的磁性區域稱為磁疇。磁疇中電子的旋轉，即，磁矩 的方向是相同的。石茲疇的尺寸和^t化方向可以通過;茲性物質的形狀、尺寸和 特性以及外能而得到適當的控制。磁疇壁是具有與另 一磁疇磁化方向不同的磁疇的邊界部分。磁疇壁可以 通過外部^f茲場或通過向^f茲性物質施加的電流而移動。磁疇壁移動的原理可以應用到例如HDD的數據存儲器件。即，當磁性 物質中對應于具體數據而磁化的磁疇通過讀/寫頭而移動時，讀/寫數據的操 作成為可能。這種情況下，不直接地旋轉記錄媒介也能進行讀/寫操作。因此， 常規HDD的磨損和故障問題可以得到解決。在美國專利第6834005B1中公 開了應用磁疇壁移動原理的數據存儲器件的例子。此外，磁疇壁移動原理可以應用到例如非易失性RAM的存儲器中。即，可以讀/寫數據"0"或'T，的非易失性存儲器件能通過利用這樣的原理實現磁性物質中的電壓根據磁性物質中的磁疇壁的移動而改變，其中該磁性物質 具有沿特定方向磁化的》茲疇以及》茲疇壁。這樣，由于可以通過在線型》茲性物 質中流過特定電流而改變磁疇壁的位置來讀和寫數據，所以可以實現具有簡 單結構的高度集成的器件。因此，當應用磁疇壁移動原理時，具有很大存儲容量的存儲器的制造成為可能。在公開號為10-2006- 0013476的韓國專利 和美國專利第6781871B2中公開了將磁疇壁移動原理應用到類似于RAM的 存儲器中的實例。但是，利用磁疇壁移動的半導體器件的發展仍然處于初始階段，且為了 使其應用于實際中， 一些問題仍要解決。其中 一個問題涉及》茲疇壁的可靠性。為了獲得在磁疇壁的移動中的可靠性，使用了人造凹口 (notch)。圖l是 如在韓國專利第10 - 2006 - 0013476中公開的其中形成有多個凹口的相關技 術》茲性層200的平面圖。圖1中的附圖標記20和25分別表示;茲疇和^茲疇壁。 雖然圖1中的磁疇壁25為二維描述，但實際上是三維實體。參考圖1，凹口是分別在相關技術的磁性層200的兩側形成的縮進，且 用于釘扎磁疇壁的移動。即，凹口允許磁疇壁以1位為單位移動。但是，在只有幾十個納米寬度和厚度的磁性層中形成凹口非常困難。更 困難的是形成一致距離、尺寸和形狀的凹口。如果凹口的距離、尺寸和形狀 不一致，釘扎磁疇壁移動的磁場強度(即，釘扎磁場的強度)將不同，所以 相應器件的特性也將不一致。此外，當凹口平行于襯底形成時，由于曝光工藝的局限性，難以減小凹 口之間的距離。這等同于難于減小位尺寸。因此，當使用凹口時，難以實現器件的高集成度和磁疇壁的可靠移動。發明內容本發明示范性實施例提供一種使用磁疇壁移動的半導體器件，具有可靠 的^f茲疇壁移動、同時避免凹口導致的問題。本發明還提供一種制造上述半導體器件的方法。依照本發明的一方面，提供一種半導體器件，包括設置在襯底上且具 有多個磁疇的磁性層；以及使磁性層中的磁疇壁移動的能量供應單元，其中 磁性層平行于村底而形成，且包括沿磁性層縱向交替形成的凸起部(prominence)和凹陷部(depression)。多個絕緣層圖案進一步設置于襯底和凸起部之間。當在襯底和凸起部之 間提供絕緣圖案時，磁性層可以與襯底和絕緣層圖案的表面共形地 (conformally)形成。對應于凸起部的襯底部分可以突出。當對應于凸起部的襯底部分突出 時，磁性層可以與襯底表面共形地形成。襯底可以包括平坦化表面。在磁性層兩端的凸起部或凹陷部具有的長度可大于其它凸起部和凹陷 部的長度。在磁性層兩端的凸起部或凹陷部的長度可以是磁性層寬度的1 _ 3倍。 其它凸起部和凹陷部可以具有磁性層寬度1 - 2倍的節距(pitch)。 第 一 電極和第二電極分別形成在磁性層的 一端和另 一端，為磁性層提供 電流。依照本發明的另 一方面，提供一種利用磁疇壁移動的半導體器件的制造 方法，該方法包括在襯底上形成虛擬圖案(dummy pattern);在襯底上于虛 擬圖案的任一側形成絕緣層圖案；移除虛擬圖案；以及在襯底和絕緣層圖案 上形成磁性層。虛擬圖案可以是線型圖案。該虛擬圖案也可以是具 一 致間隔線的多線圖 案(multi-line pattern)。該虛擬圖案可以用硅形成。該絕緣層圖案可以用氮化硅形成。該方法進一步包括在形成絕緣層圖案之后且在虛擬圖案移除之前蝕刻 虛擬圖案和絕緣層圖案的上面部分。依照本發明另一方面，提供一種利用磁疇壁移動的半導體器件的制造方 法，該方法包括在襯底上以相同厚度形成磁性層；在磁性層上形成第一圖 案；在磁性層上的第一圖案的任一側形成第二圖案；以及利用第二圖案作為 蝕刻掩模蝕刻磁性層的 一部分厚度。第一圖案可以是橫越磁性層的線圖案。第 一 圖案可以是具有 一 致間隔線的多線圖案。第一圖案可以用硅形成。第二圖案可以用氮化硅形成。該方法進一步包括在形成第二圖案之后且在第一圖案移除之前蝕刻第 一和第二圖案的上面部分。該方法進一步包括在蝕刻磁性層部分厚度之后移除第二圖案。
通過參照附圖詳細描述其示例性實施例，本發明的上述和其它特征及優 點將變得更加明顯，附圖中圖1是相關技術的磁性層的平面圖；圖2是依照本發明示范性實施例的利用磁疇壁移動的半導體器件的局部 透視圖；圖3A到3F是闡述依照本發明示范性實施例的利用磁疇壁移動的半導體 器件的制造方法的截面圖；圖4到6是闡述依照本發明示范性實施例的半導體器件的磁性層不同形 態的截面圖；圖7是依照本發明另一示范性實施例的利用磁疇壁移動的半導體器件的 局部透視圖；以及圖8A到8G是闡述依照本發明另一示范性實施例的利用磁疇壁移動的 半導體器件的制造方法的截面圖。
具體實施方式
現在將參考示出本發明示范性實施例的附圖，更全面的描述符合本發明 的利用磁疇壁移動的半導體器件及其制造該半導體器件的方法。在附圖中， 為了清楚而放大了層和區域的厚度。圖2是依照本發明示范性實施例的利用磁疇壁移動的半導體器件的局部 透視圖。參考圖2，依照本發明示范性實施例的半導體器件包括形成于襯底1上 且具有多個磁疇的磁性層300、及包括第一和第二晶體管Tl和T2且為移動 磁性層300中的磁疇壁(磁疇的壁)提供能量的單元。該磁性層300平行于 襯底1而形成，且包括沿著石茲性層300縱向交替形成的凸起部4和凹陷部5。 凸起部4和凹陷部5的寬度可以與^f茲性層300的寬度相同。多個絕緣層圖案3可以形成于襯底1和凸起部4之間。這種情況下，磁性層300形成得與襯底1和絕緣層圖案3的表面共形。替代插入絕緣層圖案 3,對應于凸起部4的襯底1的部分可以制作成突出。這種情況下，磁性層 300形成得與襯底1的表面共形。至少可提供多個凸起部4和凹陷部5其中之一。設置于磁性層300任一端部上的凸起部4或凹陷部5的長度可以長于其 它凸起部4或凹陷部5的長度。特別地，位于石茲性層300任一端部的該凸起 部或者凹陷部的長度可以是磁性層300寬度的1 - 3倍。圖2中，位于磁性 層300任一端部的該凹陷部的長度顯示為與磁性層300寬度相同。其它凸起部和凹陷部的節距可以與磁性層300的寬度相同，或者其它凸 起部和凹陷部的節距可以是磁性層300寬度的1 - 2倍。這里，節距是兩個 相鄰凸起部或者兩個相鄰的凹陷部的中心之間的長度。提供用于移動磁疇壁的能量可以是電流或磁場的形式。在用于移動磁疇壁的能量是電流的情況下，第一和第二電極400a和 400b可以分別設置于》茲性層300的一端和另 一端。第一和第二電極400a和 400b可以分別連接到第一和第二晶體管Tl和T2、或者交流電流發生器(未 示出)。第一和第二晶體管Tl和T2或者交流電流發生器構成了利用第一和 第二電極400a和400b供應能量以移動磁疇壁的單元的實例。雖然沒有示出，但是讀頭和寫頭可以進一步提供在磁性層300的中部。 該讀頭和寫頭可以整體形成，且可以提供在磁性層300的任一端部之一而不 是在中部。當提供這樣的讀頭和寫頭時，符合本發明示范性實施例的半導體 器件是記錄器件(recording device)。如果，替代讀頭和寫頭，提供用于選擇 磁性層300特定位置的字線和位線，則符合本發明的半導體器件是存儲器件 (memory device)。以下，將描述符合本發明示范性實施例的利用磁疇壁移動的半導體器件 的制造方法。圖3A到3F是示出符合本發明示范性實施例的利用磁疇壁移動的半導體 器件的制造工藝的步驟的截面圖。參考圖3A，虛擬圖案2形成于襯底1上。該虛擬圖案2可以是以規則 間隔分離的多個線的圖案。虛擬圖案2的材料可以是硅，虛擬圖案2的節距 可以是2F, F是特性尺寸(featuresize)。這種情況下，F是將在后序工藝中形 成的磁性層的寬度，且可以是曝光工藝要求的最小線寬度。參考圖3B，絕緣層3'形成于襯底1上以覆蓋虛擬圖案2。該絕緣層3， 可以是氮化硅層(SixNy ),且可以形成得與襯底1和虛擬圖案2的表面共形。參考圖3C，該絕緣層3'被各向異性蝕刻，例如，使用反應離子蝕刻 (RIE)，以暴露虛擬圖案2的上部表面和村底1的一部分。從而，絕緣層圖 案3在虛擬圖案2的任一側形成于襯底1上。絕緣層圖案3的節距是F，且 兩絕緣層圖案3之間的間隙是F/2。參考圖3D，虛擬圖案2的上部和絕緣層圖案3的上部使用化學機械拋 光(CMP)而蝕刻。該CMP是可選的工藝。參考圖3E，虛擬圖案2使用濕法或干法蝕刻工藝而移除。該濕法或干 法蝕刻是由硅材料制成的虛擬圖案2的選擇性蝕刻工藝。參考圖3F,磁性層300形成于襯底1和絕緣層圖案3的表面上之后， 磁性層300被構圖成線。磁性層300平行于襯底1而形成，且形成了具有多 個凸起部4和多個凹陷部5的磁性層300。該凸起部4和凹陷部5沿著^茲性 層300的縱向交替形成。凸起部4和凹陷部5的節距是F，且凸起部4和凹 陷部5的長度大約是F/2。這里，雖然未示出，但是在磁性層300任一端的 凸起部或凹陷部的長度可以長于其它凸起部或凹陷部的長度。磁性層300任 一端的凸起部或凹陷部的長度制作得較長的原因是保證其上形成的電極的 才妄角蟲^f谷量(contact margin)。其次，雖然未示出，但是第一和第二電極可以形成于磁性層300任一端 部，用以移動磁疇壁。移動磁疇壁的裝置可以采用其它形式。以上描述的本發明示范性實施例中，虛擬圖案2用于在襯底上1上形成 具有F節距的絕緣層圖案3,且之后磁性層300形成于襯底1和絕緣層圖案 3的表面上。因此，形成了具有交替的凸起部4和凹陷部5的磁性層300, 其中凸起部4和凹陷部5的節距分別為F,且凸起部4和凹陷部5的長度大 約是F/2。在符合本發明當前的示范性實施例的半導體器件中，凸起部4和凹陷部 5交替設置，從而保證了磁疇壁在一位單位的移動的可靠性。即，凸起部4 和凹陷部5的每一個臺階部分可以實現相關技術中凹槽的相同功能。這種情 況下，磁疇壁釘扎在臺階部分。另一方面，除臺階部分之外的部分，即，凸 起部4的中央部分和凹陷部5的中央部分可以實現凹槽的相同功能。這種情 況下，磁疇壁釘扎在凸起部4和凹陷部5的中央部分。^t疇壁的釘扎位置取決于磁性層的形式。圖4到6是闡述符合本發明示范性實施例的半導體器件磁性層的不同形式的截面圖。在圖4到6中描述了磁性層300a、 300b和300c以及絕緣層圖 案3a，、 3b，和3c，各自部分的尺寸。磁性層300a、 300b和300c各自部分的尺 寸取決于磁性層的材料、形成條件和臺階覆蓋(stepcoverage)。圖4到6中的 附圖標記1代表襯底。磁性層的本征能(intrinsic energy)是自旋交換能、晶體各向異性能和靜磁 能之間相互作用的結果。凹凸狀磁性層的磁疇壁在特定位置具有較低能量。 如上文所述，磁疇壁的釘扎位置可以依照磁性層的形式而改變，所以通過調 節磁性層的形式，磁疇壁能夠釘扎在所期望的位置。當磁疇壁釘扎在凸起部(或凹陷部)的中央部分時，該凸起部(或凹陷 部)的中央部分是一位。另一方面，當磁疇壁釘扎在凸起部和凹陷部的臺階 部分時，該臺階部分是一位。因此，在使用符合本發明示范性實施例的磁疇 壁移動的半導體器件中，該磁疇壁能夠可靠地釘扎在位單元中。這里， 一位 的尺寸可以大約是Fx (F/2)。當磁性層之間的距離是F時，符合本發明示 范性實施例的半導體器件的存儲單元尺寸可以大約為2Fx (F/2) =1F2。符合本發明示范性實施例的半導體器件的位和存儲單元尺寸大約是依照相關 技術的工藝能夠形成的位和存儲單元尺寸的一半。圖7是依照本發明另一示范性實施例的利用磁疇壁移動的半導體器件的 局部透視圖。除了在依照本發明當前實施例的半導體器件的襯底和磁性層之 間沒有絕緣層之外，半導體器件的其它結構，除磁性層平坦的下表面外，都 與參考圖2所描述的前述實施例的半導體器件的結構相同。因此，在圖2和 7中用相同的附圖標記代表相同的元件。參考圖7，符合本發明示范性實施例的半導體器件的磁性層600a的下表 面是平坦化的。而且，凸起部4和凹陷部5的節距是磁性層600a寬度的1 -2倍。圖8A到8G是示出了符合本發明另一示范性實施例的利用磁疇壁移動 的半導體器件的制造工藝步驟的截面圖。參考圖8A,具有一致厚度的磁性層600形成于襯底1上。之后，第一 圖案2a形成于磁性層600上。該第 一 圖案2a可以是橫越磁性層600的線圖 案，且可以是具有一致間隔線的多線圖案。該第一圖案2a的材料可以是硅，且第一圖案2a的節距可以是2F。參考圖8B,絕緣層3，，形成于磁性層600上以覆蓋第一圖案2a。該絕緣 層3，，可以是氮化硅(SixNy)層，且可以形成得與磁性層600和第一圖案2a 的表面共形。參考圖8C，例如使用RIE方法各向異性地蝕刻該絕緣層3"，以暴露第 一圖案2a的上表面和磁性層600的一部分。從而，第二圖案3a在第一圖案 2a的任一側形成于磁性層600上。第二圖案3a的節距是F，且第二圖案3a 間的間隔是F/2。參考圖8D,第一圖案2a和第二圖案3a的上部通過CMP而蝕刻，該 CMP是可選工藝。參考圖8E，該第一圖案2a通過濕法或干法蝕刻工藝而移除。該濕法或 干法蝕刻工藝選擇性地蝕刻由硅材料制成的第 一 圖案。參考圖8F，第二圖案3a用作蝕刻掩模來蝕刻磁性層600部分厚度。因 此，形成了具有多個凸起部4和多個凹陷部5的磁性層600a,同時下表面是 平坦化的。凸起部4和凹陷部5沿著磁性層600a縱向交替設置。凸起部4 的節距和凹陷部5的節距是F,且凸起部4和凹陷部5的長度大約是F/2。 這里，雖然未示出，但是在磁性層600a的任一端的凸起部或者凹陷部的長 度可以長于其它凸起部或凹陷部的長度。在/f茲性層600a的端部形成的凸起 部或凹陷部的長度長于其它凸起部或凹陷部的原因是保證其上將形成的電 才及的接觸^谷量。參考圖8G,移除第二圖案3a。之后，第一和第二電極(未示出)可以 分別形成于磁性層600a的任一端，以用于移動磁疇壁。可替代地使用用于 移動磁疇壁的其它裝置。在符合本發明當前示范性實施例的使用移動磁疇壁的半導體器件中，相 對于磁性層600a的臺階位置，磁疇壁可以可靠地在位單元中移動。但是， 因為符合本發明示范性實施例的半導體器件的磁性層600a的下表面是平坦 化的，而不像前述實施例，全部凸起部4或凹陷部5都變成磁疇壁區域。因如上所述，依照本發明的利用磁疇壁移動的半導體器件的磁性層具有臺階形式。由于一致的突出磁性層，保證了在位單元中磁疇壁的可靠移動。具有F節距的絕緣層圖案形成在襯底上之后， 一磁性層形成得與襯底和絕 緣層圖案的表面共形，所以可以獲得的集成度是形成凹槽的常規方法的兩 倍。因為依照本發明示范性實施例的半導體器件的存儲單元尺寸是IF2,當F是30nm時，可以制造具有記錄密度為100GB/cm2的高集成的半導體器件。 而且，本發明能夠形成具有磁疇壁的高可靠移動的半導體器件，避免了 相關技術中形成凹口導致的制造問題和器件均一性的損失。因為形成凹口困 難，獲得均一性就更難。所以，符合本發明的利用磁疇壁移動的半導體器件 更加顯示出適用于大規模生產和可重復性。通過參考相應示范性實施例已經詳細地展示和描述了本發明，可以理解 的是那些本領域技術人員可以在不背離本發明下列權利要求所定義的范圍 和精神的情況下，在形式和細節上作出各種改變。例如，符合本發明的半導 體器件可以是根據需要的如HDD的存儲器件，如RAM的內存器件，或者 邏輯器件。且，在每種情況下，其它元件可以有多種變化。而且，符合本發 明的半導體器件的制造方法不局限于以上所描述的方法，且凸起部和凹陷部 的節距和形式可以作多種方式的改變。
權利要求
1.一種半導體器件，包括設置在襯底上且具有多個磁疇的磁性層；以及供應能量從而在所述磁性層中移動磁疇壁的單元，其中所述磁性層平行于襯底而形成且包括沿磁性層縱向交替形成的多個凸起部和多個凹陷部。
2、 如權利要求1的半導體器件，還包括進一步設置于所述襯底和凸起 部之間的多個絕緣層圖案。
3、 如權利要求2的半導體器件，其中所述磁性層形成得與所述襯底和 絕緣層圖案的表面共形。
4、 如權利要求1的半導體器件，其中所述襯底的部分相應于突出的所 述凸起部。
5、 如權利要求4的半導體器件，其中所述磁性層形成為與所述襯底表面共開
6、 如權利要求1的半導體器件，其中所述襯底包括平坦化的表面。
7、 如權利要求1的半導體器件，其中所述磁性層兩端處的凸起部或凹 陷部具有的長度大于其它凸起部或凹陷部的長度。
8、 如權利要求7的半導體器件，其中所述磁性層兩端的凸起部或凹陷 部具有的長度是所述磁性層的寬度的1 _ 3倍。
9、 如權利要求7的半導體器件，其中所述其它凸起部具有的節距是所 述磁性層寬度的1 - 2倍。
10、 如權利要求7的半導體器件，其中所述其它凹陷部具有的節距是所 述磁性層寬度的1 _2倍。
11、 如權利要求1的半導體器件，其中第一電極和第二電極分別形成于 所述磁性層的一端和另 一端，用以給所述磁性層提供電流。
12、 一種制造利用磁疇壁移動的半導體器件的方法，該方法包括 在襯底上形成虛擬圖案；在所述虛擬圖案的任一側于所述襯底上形成絕緣層圖案； 移除所述虛擬圖案；以及 在所述襯底和絕緣層圖案上形成磁性層。
13、 如權利要求12的方法，其中虛擬圖案是線型圖案。
14、 如權利要求12的方法，其中虛擬圖案是具有一致間隔的線的多線圖案。
15、 如權利要求12的方法，其中虛擬圖案由硅形成。
16、 如權利要求12的方法，其中絕緣層圖案由氮化硅形成。
17、 如權利要求12的方法，還包括在形成所述絕緣層圖案之后且在移 除所述虛擬圖案之前，蝕刻所述虛擬圖案和絕緣層圖案的上部。
18、 一種制造利用磁疇壁移動的半導體器件的方法，該方法包括 在襯底上形成具有一致厚度的磁性層； 在磁性層上形成第一圖案；在所述第一圖案任一側于所述磁性層上形成第二圖案； 移除第一圖案；以及使用第二圖案作為蝕刻掩模而蝕刻所述磁性層的 一 部分厚度。
19、 如權利要求18的方法，其中第一圖案是橫越磁性層的線圖案。
20、 如權利要求19的方法，其中第一圖案是具有一致間隔的線的多線 圖案。
21、 如權利要求18的方法，其中第一圖案由硅形成。
22、 如權利要求18的方法，其中第二圖案由氮化硅形成。
23、 如權利要求18的方法，還包括在形成所述第二圖案之后且在移除 所述第一圖案之前，蝕刻所述第一和第二圖案的上部。
24、 如權利要求18的方法，還包括在蝕刻所述磁性層的部分厚度之后 移除所述第二圖案。
全文摘要
本發明提供一種利用磁疇壁移動的半導體器件以及該半導體器件的制造方法。該半導體器件包括設置在襯底上且具有多個磁疇的磁性層，以及使磁性層中的磁疇壁移動的能量供應單元。該磁性層平行于襯底而形成，且包括沿磁性層縱向交替形成的多個凸起部和多個凹陷部。該磁性層具有臺階形態以保證在一位單元中磁疇壁的可靠移動。
文檔編號G11C11/15GK101241755SQ20071030354
公開日2008年8月13日 申請日期2007年10月18日 優先權日2006年10月18日
發明者李成喆, 黃仁俊 申請人:三星電子株式會社