JP2005183579A - 半導体装置の製造方法および半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】第1の導体と第2の導体との間に第3の導体が存在する場合において、第1および第2の導体と、第3の導体との間の電気的な絶縁性を確保しながら第1および第2の導体を電気的に導通させる。
【解決手段】本製造方法に係る半導体装置は、少なくとも、第1、第2、および第3の導電膜1、3a、7を有し、第2の導電膜3aが第1および第3の導電膜1、7と絶縁され、かつ第1と第3の導電膜1、7とが電気的に接続された半導体装置である。本製造方法は、第1の導電膜1を形成する工程と、第1の導電膜上を含む領域に第2の導電膜3aを形成する工程と、第2の導電膜3aに第1の導電膜1に達するビアホール6を形成し、ビアホール6の側壁に絶縁領域5を形成する行程と、側壁絶縁領域5が形成されたビアホール6を導電性物質で充填する工程と、第3の導電膜7を形成する工程とを有する。
【選択図】 図9
【解決手段】本製造方法に係る半導体装置は、少なくとも、第1、第2、および第3の導電膜1、3a、7を有し、第2の導電膜3aが第1および第3の導電膜1、7と絶縁され、かつ第1と第3の導電膜1、7とが電気的に接続された半導体装置である。本製造方法は、第1の導電膜1を形成する工程と、第1の導電膜上を含む領域に第2の導電膜3aを形成する工程と、第2の導電膜3aに第1の導電膜1に達するビアホール6を形成し、ビアホール6の側壁に絶縁領域5を形成する行程と、側壁絶縁領域5が形成されたビアホール6を導電性物質で充填する工程と、第3の導電膜7を形成する工程とを有する。
【選択図】 図9
Description
本発明は、少なくとも3つの導電膜を有する半導体装置において、上部の導電膜と下部の導電膜とを電気的に導通させ、中間の導電膜をこれらと電気的に絶縁させる半導体装置の製造方法および半導体装置に関し、特にトンネル磁気抵抗効果(Tunneling Magneto Resistive、以下TMRという。)を利用して記録再生を行う構造をメモリセルとして用いた磁気記憶装置(Magnetic Random Access Memory、以下MRAMという。)の製造方法に関する。
近年、情報記憶素子として、TMRを利用したMRAMが提案されている(例えば、非特許文献1参照。)。図10にはTMR素子の原理を示す模式図を示す。
TMR素子101は、図10(a)のように、上部磁性層113、下部磁性層111の2層の磁性体薄膜の間に極薄の絶縁層からなるトンネル障壁層112が挟まれた構造を有しており、トンネル障壁層112を挟む上下の上部磁性層113、下部磁性層111の面内方向のスピンの向きが互いに平行になった場合と反平行になった場合の2つの異なる状態をとる。スピンの向きが互いに平行になった場合、TMR素子の電気抵抗は最も低くなり、この状態で“0”を記憶させることができる。一方、スピンの向きが互いに反平行になった場合、TMR素子の電気抵抗は最も高くなり、この状態で“1”を記憶させることができる。
TMR素子101に情報を書き込むには、TMR素子101の下方に配置した書き込み線103とビット線(図示せず)とを選択し、両方にパルス電流を流し、それらの合成電流磁界を発生させる。書き込み線103とビット線との交差部に位置している選択されたTMR素子101にかかる合成磁界が反転閾値を超えると、図10(b)に示すように、TMR素子101に“1”または“0”の情報が書き込まれる。“1”または“0”は書き込み線の電流の向きによって選択される。
TMR素子101に書き込まれた情報を読み出す場合は、TMR素子101のトンネル抵抗と参照セル(図示せず)との抵抗値の違いをセンスアンプ(図示せず)で読み取ることによって、“1”または“0”の情報を読み出す。
図11に一般的なMRAMの断面構成図を示す。MRAMは複数のメモリセルを有している。基板109上にはNMOSトランジスタで構成され、書き込み、読み込みの対象となるメモリセルを選択する選択トランジスタ108が形成されている。選択トランジスタ108上には層間絶縁膜104が形成されており、層間絶縁膜104内にTMR素子101、書き込み線103等が形成されている。
TMR素子101はローカルインターコネクト121、配線122、123、および電極124を介して、選択トランジスタ108のドレイン領域181に接続されている。また、TMR素子101の他端は、層間絶縁膜104内に設けられたビット線プラグ106を介してビット線107に接続している。ビット線107は層間絶縁膜125に覆われている。
書き込み線103はTMR素子101の下方に設けられている。ビット線107と書き込み線103は各々複数設けられており、互いに直交するように格子状に配列されている。そして、書き込み線103とビット線107とが交差する各位置にTMR素子101が設けられている。
なお、図11では書き込み線以外の書き込み/読み出し回路とそれに付随した周辺回路は記載していないが、周知の技術で構成することができる。
ところで、MRAMは高集積化のためにTMR素子等の微細化が要求されるが、一般に、面内磁化膜においては、微細化に伴って膜面内の反磁界によりスピンが膜端面でカーリングして、磁化情報が安定に保存できないという問題が生じる。そこで出願人は、膜面垂直方向に磁化した磁性膜(垂直磁化膜)を用いたTMR素子の技術を開示している(例えば、特許文献1参照。)。垂直磁化膜は、微細化してもカーリングの問題が発生することがないため、磁気メモリセルの微細化に適している。
図12に垂直磁化膜を用いたTMR素子の原理を示す模式図を示す。TMR素子201は、図12(a)のように、上部磁性層213、下部磁性層211の2枚の磁性体薄膜の間に極薄の絶縁膜からなるトンネル障壁層212が挟まれた構造を有している。トンネル障壁層212を挟む上下の上部磁性層213、下部磁性層211は、水平磁化方式のTMR素子と異なり、スピンの向きが膜面垂直方向に互いに平行になった場合と反平行になった場合の2つの異なる状態をとる。そして、TMR素子201に“1”または“0”情報を書き込む場合は、図12(b)のようにTMR素子201の側方に配置した書き込み線203とビット線(図示せず)とを選択し、両方にパルス電流を流し、それらの合成電流磁界を発生させる。
このように垂直磁化膜を用いたTMR素子201では、書き込み線203がTMR素子201の側方に形成されていることが望ましい。その理由は、垂直磁化膜を用いたTMR素子201において書き込み線203から発生する電流磁界を効率良くTMR素子201に作用させるには、TMR素子201の側方かつ近傍に書き込み線203を配置することが好ましいためである。
図13には図12のTMR素子を用いたMRAMの機能構成図を示す。図11と同様、書き込み線以外の書き込み/読み出し回路とそれに付随した周辺回路は記載していない。
垂直磁化膜を用いたMRAMは面内磁化膜の場合と同様、基板209上にNMOSトランジスタで構成された選択トランジスタ208が形成されている。選択トランジスタ208上には層間絶縁膜204が形成されており、層間絶縁膜204内にTMR素子201、書き込み線203等が形成されている。TMR素子201はビアプラグ221、電気配線222、223、およびコンタクト224を介して、選択トランジスタ208のドレイン領域281に接続されている。また、TMR素子201の他端は、層間絶縁膜204内に設けられたビット線プラグ206を介してビット線207に接続している。ビット線207は層間絶縁膜225に覆われている。そして、面内磁化膜の場合と異なり、書き込み線203はTMR素子201の側方に設けられている。
Roy Scheuerlein他著、「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」、ISSCC2000、Technical Digest、p.128 特開平11−213650号公報
Roy Scheuerlein他著、「A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell」、ISSCC2000、Technical Digest、p.128
しかし、MRAMにおいて、TMR素子の側部に書き込み線等の配線を形成した場合に、情報を読み取るためのビット線プラグと書き込み線とを電気的に絶縁することが困難であるというプロセス上の問題があった。
図14は図13に示すMRAMの製造段階における部分断面図である。図14は、TMR素子201を基板上(図示せず)に形成し、TMR素子201の側方に絶縁層からなるサイドウォール202を形成した後、TMR素子201の上方に書き込み金属膜203aと層間絶縁膜204bとを積層し、その上部にエッチングのためのレジスト226を形成した状態を示している。ここで、書き込み金属膜203aは図13に示す書き込み線203を形成するための配線である。特に垂直磁化膜のTMR素子を用いたMRAMの場合、書き込み線をTMR素子の側方に配置した方が、効率よく磁界を印加することができるため、図示のような積層状態が発生する。
この状態で、層間絶縁層204bの上部に設けられるビット線(図示せず)とTMR素子201との電気的なコンタクトを取るためにTMR素子201の上方をエッチングしてコンタクトホールを形成する必要があるが、そのためには、書き込み線203のエッチングが不可欠である。しかし、書き込み線203とビット線とは電気的に導通してはならないため、絶縁状態を確保しつつコンタクトホールを形成することは困難であった。
また、面内磁化膜を用いた構成でも、書き込み線をTRM素子の側方および上方に積層する構成を採用した場合には同様の課題が生じることになる。
そこで本発明の目的は、第1の導体と第2の導体との間に第3の導体が存在する場合において、第1および第2の導体と、第3の導体との間の電気的な絶縁性を確保しながら第1および第2の導体を電気的に導通させる方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の半導体の製造方法は、少なくとも、第1、第2、および第3の導電膜を有し、第2の導電膜が第1および第3の導電膜と絶縁され、かつ第1と第3の導電膜とが電気的に接続された半導体装置の製造方法であって、第1の導電膜を形成する工程と、第1の導電膜上を含む領域に第2の導電膜を形成する工程と、第2の導電膜に第1の導電膜に達するビアホールを形成し、ビアホールの側壁に絶縁領域を形成する工程と、第3の導電膜とを絶縁する絶縁膜から第1の導電膜に達する空洞を形成し、空洞の側壁に側壁絶縁膜を形成する空洞形成工程と、側壁絶縁領域が形成されたビアホールを導電性物質で充填する工程と、第3の導電膜を形成する工程とを有する製造方法とを有している。
これによって、第2の導電膜と第1、第3の導電膜との絶縁を確保しながら、第1、第3の導電膜を電気的に接続させることができ、第2の導電膜の位置の制約の低減による設計自由度の拡大や、導電膜の集中化による集積度の向上を図ることができる。
本発明の半導体の製造方法はまた、第1の導電膜の上に、エッチング反応によって側壁絶縁膜が形成される側壁絶縁膜原料膜を積層する工程をさらに有し、ビアホール形成工程は側壁絶縁膜原料膜をエッチングする工程を含んでいる。
本発明は、第1の導電膜と側壁絶縁膜原料膜との間にエッチングの進行を阻止するエッチストッパ層を形成してもよい。
側壁絶縁膜原料膜は、シリコンまたはシリコンと酸素、窒素、炭素の少なくとも1つとの化合物から構成することができる。また、エッチストッパ層は、白金、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかより構成することができる。また、第2の導電膜は、アルミニウムまたはアルミニウムと銅、タングステン、シリコン、チタンの少なくとも1つとの化合物から構成することができる。また、第3の導電膜および導電性物質は、アルミニウムまたはアルミニウムと銅、タングステン、シリコン、チタンの少なくとも1つとの化合物から構成することができる。
さらに、第1の導電膜は、磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子とし、第2の導電膜は、磁気抵抗効果素子に情報を書き込む導電性の書き込み導電膜とし、第3の導電膜は、磁気抵抗効果素子に情報を書き込みまたは読み出すビット線とするよう構成することもできる。
本発明の半導体装置は、少なくとも、第1、第2、および第3の導電膜を有し、第2の導電膜が第1および第3の導電膜と絶縁され、かつ第1と第3の導電膜とが電気的に接続された半導体装置であって、第1の導電膜と第3の導電膜を接続するプラグは、第2の絶縁膜及び第2と第3の導電膜とを絶縁する絶縁膜を貫通して第1の導電膜に達して形成され、プラグの周囲に側壁絶縁膜が形成されている。
また、第1の導電膜は、磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の上部磁性層であり、第2の導電膜は、磁気抵抗効果素子に情報を書き込む導電性の書き込み導電膜であり、第3の導電膜は、磁気抵抗効果素子に情報を書き込みまたは読み出すビット線である。
以上、説明したように本発明によれば、磁気抵抗効果素子にビット線を接続するためのコンタクトホールを形成すると同時に、書き込み線のパターニングを行い、書き込み線とビット線/ビット線プラグ間との間の層間絶縁膜を同時に形成することができる。そのため、集積度の高いメモリセルを作製することができると同時に、電流磁界駆動の書き込み線を素子近傍に配置してデバイス化できるため、消費電力を低くすることが可能となる。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面を用いて説明する。図1には、本発明に係るMRAMの断面構成図を示す。ここでは磁性膜として垂直磁化膜を用いた場合の例を示す。書き込み線以外の書き込み/読み出し回路とそれに付随した周辺回路は記載していない。
垂直磁化膜を用いたMRAMは、シリコンの基板9上に選択トランジスタ8が形成されている。選択トランジスタ8上には層間絶縁膜4が形成されており、層間絶縁膜4内にTMR素子1、書き込み線3等が形成されている。TMR素子1はビアプラグ21、金属配線22、23、および電極24を介して、選択トランジスタ8のドレイン領域81に接続されている。また、TMR素子1の他端は、層間絶縁膜4内に設けられたビット線プラグ6を介してビット線7に接続している。ビット線7は層間絶縁膜25に覆われている。そして、書き込み線3はTMR素子1の側方に設けられている。
選択トランジスタ8は特定のTMR素子を選択するためのスイッチ素子として作用する。ソース領域82は金属配線17を介して基準電位に接続され、ゲート電極16に電圧が印加されると、ビット線7からTMR素子1、選択トランジスタ8、および金属配線17を通って電流が流れ、TMR素子1の記憶内容(すなわち、上下磁性層のスピンの向きの平行、反平行)に応じた抵抗を検出して記憶内容の読み取りを行う。
図2はTMR素子1と、エッチストッパ14と、側壁絶縁膜原料膜15の膜構成を示す模式図である。図中、積層される順に下方から第1層、第2層、・・・と表示している。第6層と第7層は各々後述するエッチストッパ14と側壁絶縁膜原料膜15である。第1層と第5層の組成は2通りの選択肢を表示しているが、いずれを用いてもよい。すなわち、第1層と第5層の組成に関しては4種類の組合せが可能である。さらに、第1層と第5層は交換することも可能である。ここで側壁絶縁膜原料膜15は、後述するTMR素子とビット線とを接続するプラグを設ける際に、該プラグとTMR素子の側部に設けられた書き込み線とを絶縁するために設けられるものである。したがって、ビット線とTMR素子との良好な導電をとるために、プロセス工程において、全て取り除かれることが好ましいが、ビット線とTMR素子との導電性に問題のない程度に残っていてもよい。
次に、以上説明したMRAMの製造工程を説明する。図3〜9は、特にビット線プラグ用のコンタクトホールを形成する工程に着目した説明図である。各図においては図1に示すA−A線より上方の構成のみを示している。本実施形態では、エッチングガスとしてCF系ガスを用いてSiO2をエッチングし、次にCl2ガスを用いて書き込み金属膜をエッチングし、さらにHBrおよびO2ガスを用いて、コンタクトホールを形成している。
ステップ1:図3に示すように、選択トランジスタ8のソース領域82から引き出された層間絶縁膜4a内のビアプラグ21上に、下部磁性層11、トンネル障壁層12、上部磁性層13で構成されるTMR素子1と、エッチストッパ14と、側壁絶縁膜原料膜15とを順に積層する。表1には、図2に示した膜構成のうち、第1層にTbFeCoを、第5層にGdFeCoを用いた場合のTMR素子1、エッチストッパ14、および側壁絶縁膜原料膜15の成膜条件の一例を示す。表1中の膜構成は、Siが最上層の、TbFeCoが最下層の膜であることを示している。層間絶縁膜4aは層間絶縁膜4のうちビアプラグ21が形成されているレベルにおける絶縁膜である。
TMR素子1は、スパッタ成膜装置を用いたPVD(Physical Vapor Deposition)法によって成膜され、ドライエッチングにより素子化される。エッチストッパ14は後工程のエッチングによってTMR素子1に影響が生じないよう、空洞(ビアホール)16(図7〜9参照)形成時のエッチングの進行を阻止するためのものであり、白金で形成されるが、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウム等の貴金属を用いてもよい。側壁絶縁膜原料膜15はシリコンからなり、空洞16の側壁に堆積する側壁絶縁膜5(図7〜9参照)の原料として、エッチストッパ14の上面に形成される。側壁絶縁膜原料膜15は、シリコンと酸素、窒素、炭素の少なくとも1つとの化合物であってもよい。
表2に書き込み用金属膜3aの成膜条件の一例を示す。書き込み用金属膜3aはここではAlSiを用いているが、アルミニウムまたはアルミニウムと銅、タングステン、シリコン、チタンの少なくとも1つとの化合物を用いることができ、例えば、純AlまたはAlCu、AlSiCu等他のAl合金材料を用いることが可能である。
ステップ5:次に、図7に示すように、レジスト26をマスクとして、層間絶縁膜4b、書き込み用金属膜3a、および側壁堆積原料膜15のドライエッチングを行い、空洞16と側壁絶縁膜5を形成する。表4にエッチング条件の一例を示す。これによって、レジストマスクによってマスキングされていない領域の層間絶縁膜4b、書き込み用金属膜3aが除去されるとともに、側壁絶縁膜原料膜15のエッチング反応によって空洞16の側壁に側壁絶縁膜5が形成される。エッチングはエッチストッパ14で止まり、TMR素子1に影響を及ぼすことはない。側壁絶縁膜5は、SiOx 系生成物の他に、CBrx ポリマー,SiBrx 等が取り込まれたものとなっている。
上記ステップはエッチングガスとしてHBrガスおよびO2ガスを用いたが、代わりにCl2ガスを用いてもよい。この場合、側壁絶縁膜5には、SiOx 系生成物の他に、CClx ポリマー,SiClx 等が取り込まれる。
以上のステップに従い、TMR素子1の側方に書き込み金属膜3aを配置した構成で書き込み金属膜3aとビット線7とを電気的に絶縁するための層間絶縁膜4bと、ビット線プラグ用6とを同時に形成することができる。
なお、以上の説明はTMR素子の側方に書き込み金属膜を配置した、垂直磁化膜を用いたMRAMを例に行ったが、水平磁化膜を用いたMRAMにおいても、TMR素子の側方に配線が存在する構成を用いた場合には同様の課題が発生するため、本発明を適用することができる。さらに、本発明の適用範囲はMRAMに限らず、第1の導体と第2の導体との間に第3の導体が存在する場合において、第1および第2の導体と、第3の導体との間の電気的な絶縁性を確保しながら第1および第2の導体を電気的に導通させる必要性のある場合に、広く適用可能なものである。
1 TMR素子
2 サイドウォール
3 書き込み線
3a 書き込み用金属膜
4 層間絶縁膜
4a 層間絶縁膜
4b 層間絶縁膜
5 側壁絶縁膜
6 ビット線プラグ
7 ビット線
8 選択トランジスタ
9 基板
11 下部磁性層
12 トンネル障壁層
13 上部磁性層
14 エッチストッパ
15 側壁絶縁膜原料膜
16 空洞
17 金属配線
21 ビアプラグ
22 金属配線
23 金属配線
24 電極
25 層間絶縁膜
26 レジスト
2 サイドウォール
3 書き込み線
3a 書き込み用金属膜
4 層間絶縁膜
4a 層間絶縁膜
4b 層間絶縁膜
5 側壁絶縁膜
6 ビット線プラグ
7 ビット線
8 選択トランジスタ
9 基板
11 下部磁性層
12 トンネル障壁層
13 上部磁性層
14 エッチストッパ
15 側壁絶縁膜原料膜
16 空洞
17 金属配線
21 ビアプラグ
22 金属配線
23 金属配線
24 電極
25 層間絶縁膜
26 レジスト
Claims (10)
- 少なくとも、第1、第2、および第3の導電膜を有し、該第2の導電膜が該第1および該第3の導電膜と絶縁され、かつ該第1と該第3の導電膜とが電気的に接続された半導体装置の製造方法であって、
前記第1の導電膜を形成する工程と、
該第1の導電膜上を含む領域に前記第2の導電膜を形成する工程と、
該第2の導電膜に前記第1の導電膜に達するビアホールを形成し、該ビアホールの側壁に絶縁領域を形成する行程と、
該側壁絶縁領域が形成された前記ビアホールを導電性物質で充填する工程と、
前記第3の導電膜を形成する工程とを有する製造方法。 - 前記第1の導電膜の上に、エッチング反応によって前記側壁絶縁膜が形成される側壁絶縁膜原料膜を積層する工程をさらに有し、
前記ビアホール形成工程は、該側壁絶縁膜原料膜をエッチングする工程を含む、請求項1に記載の製造方法。 - 前記側壁絶縁膜原料膜は、シリコンまたはシリコンと酸素、窒素、炭素の少なくとも1つとの化合物からなる、請求項2に記載の製造方法。
- 前記第1の導電膜と前記側壁絶縁膜原料膜との間にエッチングの進行を阻止するエッチストッパ層を形成する工程をさらに有する、請求項2または3に記載の製造方法。
- 前記エッチストッパ層は、白金、パラジウム、銀、ジルコニウム、ハフニウムのいずれかよりなる、請求項4に記載の製造方法。
- 前記第2の導電膜は、アルミニウムまたはアルミニウムと銅、タングステン、シリコン、チタンの少なくとも1つとの化合物からなる、請求項1から5のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記第3の導電膜および前記導電性物質は、アルミニウムまたはアルミニウムと銅、タングステン、シリコン、チタンの少なくとも1つとの化合物からなる、請求項1から6のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記第1の導電膜は、磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の上部磁性層であり、
前記第2の導電膜は、該磁気抵抗効果素子に情報を書き込む導電性の書き込み導電膜であり、
前記第3の導電膜は、該磁気抵抗効果素子に情報を書き込みまたは読み出すビット線である、請求項1から7のいずれか1項に記載の製造方法。 - 少なくとも、第1、第2、および第3の導電膜を有し、該第2の導電膜が該第1および該第3の導電膜と絶縁され、かつ該第1と該第3の導電膜とが電気的に接続された半導体装置であって、
前記第1の導電膜と前記第3の導電膜を接続するプラグは、前記第2の絶縁膜及び前記第2と前記第3の導電膜とを絶縁する絶縁膜を貫通して前記第1の導電膜に達して形成され、該プラグの周囲に側壁絶縁膜が形成されている半導体装置。 - 前記第1の導電膜は、磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の上部磁性層であり、前記第2の導電膜は、該磁気抵抗効果素子に情報を書き込む導電性の書き込み導電膜であり、
前記第3の導電膜は、該磁気抵抗効果素子に情報を書き込みまたは読み出すビット線である、請求項9に記載の半導体装置。
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