JP2005322760A - 磁気記憶装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ビット線の側部に選択的に良質の軟磁性体層を形成して、電流磁界を効率良く記憶素子に導くことにより、磁界を発生させるために必要な供給電流を小さくして磁気記憶装置の消費電力の低減と記憶感度の向上を図ること。
【解決手段】 ワード線１２と；トンネルバリア層３を強磁性体２及び２６で挟持してなり、絶縁層５０によってワード線１２と電気的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子１０と；記憶素子１０を覆う絶縁層５６と；記憶素子１０と電気的に接続され、記憶素子１０を間にしてワード線１２と立体的に交差した状態で絶縁層５６に埋め込まれているビット線１１と；を有する、不揮発性の磁気記憶装置において、ビット線１１の側部に軟磁性体層９１が金属シード層９０上に無電解めっきによって形成されている磁気記憶装置、特にＭＲＡＭ。
【選択図】 図４

Description

本発明は、磁気記憶装置及びその製造方法に関し、詳しくは強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行となることによって抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気記憶装置及びその製造方法に関するものである。

情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成するメモリ素子やロジック素子等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。特に不揮発性メモリはユビキタス時代に必要不可欠の素子と考えられている。

例えば、電源の消耗やトラブルが生じたり、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合でも、不揮発性メモリは個人の重要な情報を保護することができる。そして、不揮発性メモリの高密度化、大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクに置き換わる技術として、ますます重要になってきている。

また、最近の携帯機器は、不要な回路ブロックをスタンバイ状態にしてでき得る限り消費電力を抑えようと設計されているが、高速ネットワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリの無駄を無くすことができる。また、電源を入れると瞬時に起動できる、いわゆるインスタント・オン機能も、高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。

不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro Electric Random Access Memory）などがあげられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒の桁であるために遅いという欠点がある。また、構造が複雑なために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が１００ｎｓ程度と遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０¹²〜１０¹⁴回で、完全にスタティックランダムアクセスメモリやダイナミックランダムアクセスメモリに置き換わるには、耐久性が低いという問題が指摘されている。また、強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという課題も指摘されている。

これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory ）もしくはＭＲ（Magneto Resistance）メモリと呼ばれる磁気メモリであり、近年のトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ：という、ＴＭＲはTunnel Magnetic Resistanceの略）材料の特性向上により、注目を集めるようになってきている（例えば、Wang et al.,IEEE Trans. Magn. 33 (1997) p4498-4512 参照）。また、ＭＲＡＭは配線部に記憶素子を形成することから、記憶部搭載の大きな自由度、容易なインテグレーション、ロジック回路との容易な混載、ＣＭＯＳプロセスとのコンパティビリティー等の点で優れている。

ＭＲＡＭは、構造が単純であるために、高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために、書き換え回数が大であると予測されている。また、アクセス時間についても、非常に高速であることが予想され、既に１００ＭＨｚで動作可能であることが報告されている（例えば、R.Scheuerlein et al, ISSCC Digest of Papers (Feb.2000) p128-129参照）。また、ＧＭＲ効果により高出力が得られるようになった現在では、大きく改善されてきている。

こうしたＭＲＡＭについて更に詳細に説明すると、図８に概略的に示すように、ＭＲＡＭのメモリセルの記憶素子となるＴＭＲ素子１０は、磁化方向が固定された磁化固定層２６と、磁化が比較的容易に回転する記憶層２とがトンネルバリア層３を介して積層された構造からなるメモリ素子である。

記憶層２と磁化固定層２６には、ニッケル、鉄又はコバルト、或いはこれらの合金からなる強磁性体が用いられ、またトンネルバリア層３はアルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化物又は窒化物等の絶縁体からなっていて、記憶層２と磁化固定層２６との磁気的結合を切るとともに、トンネル電流を流すための役割を担う。

図示省略したが、磁化固定層２６は第１の磁化固定層と第２の磁化固定層とを有し、これらが反強磁性的に結合するようなルテニウム、銅、クロム、金、銀などの導体層が両磁化固定層間に挟持されていてよく、また第２の磁化固定層は、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウムなどのマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物などの反強磁性体層と接していて、これらの層間に働く交換相互作用によって、第２の磁化固定層は強い一方向の磁気異方性を持つことになる。

メモリセルにおいては、例えばｐ型シリコン半導体基板１３内に形成されたｐ型ウェル領域内に形成されたゲート絶縁膜１５、ゲート電極１６、ソース領域１７、ドレイン領域１８よりなるｎ型の読み出し用電界効果トランジスタ１９が配置され、その上部に、書き込み用ワード線１２、ＴＭＲ素子１０、ビット線１１が配置されている。ＴＭＲ素子１０は、最上層の導電層を介してビット線１１に接続され、また下部では絶縁層を介してワード線１２が設けられている。ソース領域１７には、ソース電極２０を介してセンスライン２１が接続されている。電界効果トランジスタ１９は、読み出しのためのスイッチング素子として機能し、ワード線１２とＴＭＲ素子１０との間から引き出された読み出し用配線２２がドレイン電極２３を介してドレイン領域１８に接続されている。なお、トランジスタ１９は、ｎ型又はｐ型電界効果トランジスタであってよいが、その他、ダイオード、バイポーラトランジスタ、ＭＥＳＦＥＴ（Metal Semiconductor Field Effect Transistor）等、各種のスイッチング素子が使える。

図９は、ＭＲＡＭの等価回路図を示すが、相互に交差するビット線１１及び書き込み用ワード線１２を有し、これらの書き込み線の交点には、記憶素子１０と共に、記憶素子１０に接続されて読み出しの際に素子選択を行う電界効果トランジスタ１９及びセンスライン２１を有する。センスライン２１は、センスアンプ２３に接続され、記憶された情報を検出する。なお、図中の２４は双方向の書き込み用ワード線電流駆動回路、２５はビット線電流駆動回路である。

図１０は、ＭＲＡＭの書き込み条件を示すアステロイド曲線であって、印加された磁化容易軸方向磁界Ｈ_EA及び磁化困難軸方向磁界Ｈ_HAによる記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。このアステロイド曲線の外部に、相当する合成磁界ベクトルが発生すると、磁界反転を生じるが、アステロイド曲線の内部の合成磁界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反転させることはない。また、電流を流しているワード線及びビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線又はビット線単独で発生する磁界が印加されるため、それらの大きさが一方向反転磁界Ｈ_K以上の場合は、交点以外のセルの磁化方向も反転してしまうため、合成磁界が図中の灰色の領域にある場合のみに、選択されたセルを選択書き込みが可能となるようにしておく。

このように、ＭＲＡＭでは、ビット線とワード線の２本の書き込み線を使用することにより、アステロイド磁化反転特性を利用して、指定されたメモリセルだけが磁性スピンの反転により書き込むことが一般的である。単一記憶領域における合成磁化は、それに印加された磁化容易軸方向磁界Ｈ_ＥＡと磁化困難軸方向磁界Ｈ_ＨＡとのベクトル合成によって決まる。ビット線を流れる書き込み電流は、セルに磁化容易軸方向の磁界Ｈ_ＥＡを印加し、またワード線を流れる電流は、セルに磁化困難軸方向の磁界Ｈ_ＨＡを印加する。

図１１は、ＭＲＡＭの読み出し動作を説明するものである。即ち、上記したように、情報の書き込みは、マトリックス状に配線したビット線１１とワード線１２との交点の合成磁場によってセルの磁性スピンを反転させて、その向きを“１”、“０”の情報として記録する。また、読み出しは、磁気抵抗効果を応用したＴＭＲ効果を利用して行なうが、ＴＭＲ効果とは、磁性スピンの向きによって抵抗値が変化する現象であり、磁性スピンが反平行の抵抗の高い状態と、磁性スピンが平行の抵抗の低い状態により、情報の“１”、“０”を検出する。この読み出しは、ワード線１２とビット線１１との間に読み出し電流（トンネル電流）を流し、上記の抵抗の高低に応じた出力を上記した読み出し用電界効果トランジスタ１９を介してセンスライン２１に読み出すことによって行う。

図１２及び図１３（図１２のＸ−Ｘ線に沿う断面図）には、ＭＲＡＭの要部をより詳細に示す。

これらの図は、メモリ部に配置される多数のメモリセルの１つを示し、上記したように、各メモリセルには、例えばｐ型シリコン半導体基板１３内に形成されたｐ型ウェル領域１４に、ドレイン電極２３、ドレイン領域１８、ゲート電極１６、ゲート絶縁膜１５、ソース領域１７、及びソース電極２０からなるｎ型の読み出し用電界効果型トランジスタ１９が設けられ、その上部にセンスライン２１、書き込み用ワード線１２、ＴＭＲ素子１０、及びビット線１１が配置されている。

ＴＭＲ素子１０は層間絶縁膜５０の上に設けられるが、スパッタ法などによって、読み出し用配線２２となる下地電極層としてのタンタル層の上に、反強磁性体層としての白金−マンガン合金層と、第２の磁化固定層としての鉄−コバルトの合金層と、磁性層を反強磁性的に結合する導体層としてのルテニウム層と、第１の磁化固定層としての鉄−コバルトの合金層とを積層した磁化固定層２６が形成され、更にこの上に、トンネルバリア層３として酸化アルミニウム層、磁化自由層２として鉄−コバルト−ホウ素合金層（ＣｏＦｅ−３０Ｂ）が形成され、トップコート層（図示省略）としてタンタル層が形成されている。読み出し用配線２２には、下地電極層と共に磁化固定層２６も用いられてよいが、この読み出し用配線２２は、ＴＭＲ素子１０の読み出し電流を接続プラグ２７及び読み出し用ランド２８を経て、読み出し用トランジスタ１９のドレイン電極２３に伝達する働きをする。なお、図中の４２、４４、４６、５０、５４、５６はそれぞれ層間絶縁膜であり、ビット線１１上の絶縁膜６８は更に上層配線が存在する場合には層間絶縁膜となる。また、各トランジスタ間は絶縁層４１によりアイソレーションされている。

一方、周辺回路部には、ビット線駆動トランジスタ３０（図１２）と、ワード線駆動トランジスタ４０（図１３）とが設けられている。これらのトランジスタ３０、４０は、上記した読み出し用トランジスタ１９と同様に構成され、ソース電極３６を接続したソース領域３５と、ドレイン電極３１を接続したドレイン領域３２との間に、ゲート絶縁膜３３を介してゲート電極３４が設けられている。ドレイン電極３１は、ランド３７を介してビット線１１又はワード線１２に接続されている。

上記したように、ＭＲＡＭは、今までの電子(電気)による記憶機能とは異なり、磁化方向の変動により生じる磁気抵抗変化を記憶媒体とする装置であり、磁化方向変化の応答を電子伝導の応答と同等の速度で動作させる必要がある。ＭＲＡＭのＴＭＲ素子の磁化方向はメタル配線に流れる電流により変化する。即ち、配線に電流が流れることにより、配線を中心に磁界が発生する。その磁界をＴＭＲ素子（以下、ＭＲＡＭ素子と称することがあり、これはＭＴＪとも称される。）が検知し、ＴＭＲ素子内の磁性体が配線から発生した磁界方向にリンクした方向に磁化される。磁性体が磁化されると、磁気抵抗を発生するため、その磁気抵抗を電圧、電流変化として読み取る。発生した磁界を効率良くＴＭＲ素子に導引することが重要であり、ＴＭＲ素子の動作速度及び感度を決定するものと予想される。効率良く磁界をＴＭＲ素子に導引するための因子としては、（Ｉ）強い磁界の発生、（II）磁界発散の低減、（III）ＭＲＡＭ素子の強磁界部への設置、（IV）高感度なＭＲＡＭ（ＴＭＲ）素子、等々が挙げられる。

（Ｉ）に関しては、磁界強度は電流密度に依存し、配線の電流密度増加に従い、磁界強度は増加する。電流密度の増加は配線のエレクトロマイグレーションを加速する方向であるため、アルミニウム配線ではなく、銅配線を適用することにより、改善を試みている。（III）に関しては、配線とＭＲＡＭ素子を近接するように配置することにより解決される。（IV）に関しては、ＭＲＡＭ素子材料及び形成方法により解決される。

（II）に関して具体的に説明する。ＭＲＡＭにおける記憶は、配線に電流を流すことによって発生する誘導磁場で記憶層の磁化を回転させることによって行っている。ところが、高集積化によって、配線が細くなるに伴い、書き込み線に流すことができる臨界電流値が下がるため、得られる磁界が小さくなり、被記憶領域の保磁力を小さくせざるを得ない。これは、情報記憶装置の信頼性が低下することを意味する。また、磁界は光や電子線のように絞ることができないため、高集積化した場合にはクロストークの大きな原因になると考えられる。これを防止するためにキーパ構造等も提案されている（例えば米国特許第６４１３７８８号公報参照）が、構造の複雑化は避けられない。以上のように、電流磁場による書き込みには本質的に多くの課題があり、誘導磁場による書き込みが将来のＭＲＡＭにおける大きな欠点になる恐れがある。

（II）に関しては、配線部を軟磁性体層にて囲うクラッド構造によって解決を図ろうとしている（例えば、後記の特許文献１（特開２００２−２４６５６６号公報）参照）。但し、完全に配線を囲うわけではなく、ＭＲＡＭ素子と対向する配線面から磁界をＭＲＡＭ素子へ供給しなければならないので、ＭＲＡＭ素子面側には軟磁性体層は形成はされない。通常、ワード線はＭＲＡＭ素子の下層に設置されるため、ワード線上層には軟磁性体層を形成せず、またビット線はＭＲＡＭ素子の上層に設置されるため、ビット線下層には軟磁性体層を形成しない。

図１４について、こうした埋め込み配線による一般的なクラッド構造とその作用効果を説明する。

図１４（Ａ）には、クラッド構造からなるワード線１２及びビット線１１と、これらの配線間のＴＭＲ素子１０とを概略図示しているが、素子１０を上下から挟む各書き込み線１２及び１１がいずれも、Ｃｕ、Ａｌ又はこれらの合金等の導電性物質からなる非磁性導体層６０、６１と、これらを囲む高透磁率の軟磁性体層６２、６３（軟磁性導電層）とからなる複合構造（クラッド構造）によって形成されている。軟磁性体層６２、６３の構成材料としては、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらを主成分とする合金を用いればよい。具体的には、パーマロイと呼ばれるＮｉ−Ｆｅ合金（鉄−ニッケル合金）を用いる。

また、各書き込み線１１、１２はいずれも、その断面が略方形状に形成されており、記憶素子１０側の面を除く三面が略コ字状の軟磁性体層６２、６３によって被覆されており、記憶素子１０側の面のみに非磁性導体層６０、６１が露出している。従って、各書き込み線１１、１２同士では、非磁性導体層６１、６２の露出面が向き合っており、また軟磁性体層６２、６３が互いに対称となるように配されている。更に、各書き込み線１１、１２において、非磁性導体６０、６１の記憶素子１０側に露出する部分の断面幅（図中、Ａ、Ｂ）は、記憶素子１０の素子幅（図中、ａ、ｂ）以上の大きさに形成されている。

このような構成の書き込み線１１、１２を用いるＭＲＡＭでは、クラッド構造のうちの軟磁性体層６２、６３の部分で磁束が透過するので、これまでのように書き込み線の周囲に分布していた磁力線が高透磁率の軟磁性体層６２、６３によって収束され、非磁性導体層６０、６１が露出している部分、即ち記憶素子１０の部分に集中して発生するようになる。

図１４（Ｂ）は、書き込み線一本分における発生磁力線のシミュレーション結果の具体例を示す説明図である。図１４（Ａ）に示したように、略方形状の周囲三方を軟磁性体層６２、６３で被覆した場合には、書き込み電流を与えると、その周囲に均一に分布した状態で磁力線が発生するのではなく、その軟磁性体層６２、６３での磁束透過によって、非磁性導体層６０、６１の部分に集中して磁力線が発生することがわかる。具体的には、数値シミュレーションによると、書き込み線１１、１２の幅と厚さがそれぞれ０．２５μｍである場合、１ｍＡの電流を流すと、非磁性導体層６０、６１に面する記憶素子１０の中央部分に発生する磁界の大きさは約８５Ｏeとなる。

これに対して、非磁性導体層のみで書き込み線を構成した場合には、その周囲に磁力線が均一に分布してしまうので、０．２５μｍの幅及び厚さの書き込み線に１ｍＡの電流を流しても、記憶素子１０の中央部分では、約２３Ｏｅ程度の大きさの磁界しか得られない。

従って、上記のクラッド構造の書き込み線１１、１２を用いれば、これまでのように磁力線が均一に分布する場合よりも効率良く書き込み磁界を発生させることができるので、結果として小さな電流で記憶素子１０の磁化方向を反転させ得るようになる。

このような効果を効率的に得るためには、書き込み線１１、１２の非磁性導体層６０、６１を被覆する軟磁性体層６２、６３の透磁率を概ね１０以上とすることが望ましい。また、その被覆厚さは０．０１μｍ以上とすれば、発生磁界増加の効果が得られることが確認されている。

また、略方形状の周囲三方を軟磁性体層６２、６３で被覆した場合には、略コ字状の軟磁性体層６２、６３の両先端部分よりも内側部分（非磁性導体層６０、６１の部分）に多くの磁力線が集中する。そのため、非磁性導体層６０、６１の断面幅Ａ、Ｂを記憶素子１０の素子幅ａ、ｂ以上の大きさに形成すれば、軟磁性体層６２、６３の両先端部の間隔よりも記憶素子１０の情報記憶層２の幅が短くなり、その両先端部に挟まれる形で情報記憶層２が配置されることになるので、発生した磁力線を効率良く情報記憶層２に集中して印加することができる。

図１４に示したＭＲＡＭは、書き込み線１１、１２を非磁性導体層６０、６１と軟磁性体層６２、６３とからなる複合構造とすることによって、書き込み線に電流を与えた場合に非磁性導体の部分に集中して磁力線が発生するようになるので、これまでよりも小さい書き込み電流で記憶素子１０への情報書き込みが可能となる。従って、記憶素子の保磁力を小さくすることなく、書き込み電流の低減が図れるので、書き込み線駆動回路の縮小等によるＭＲＡＭの微細化（高密度化）、低消費電力化、書き込み線のエレクトロマイグレーションによる配線破断の低減による信頼性向上等の実現が容易となる。

こうしたクラッド構造の形成に関しては、いくつかの方法が提案されているが、最も一般的な方法をワード線について説明する。

即ち、図示はしないが、（ａ）絶縁膜にワード線用の配線溝を形成し、（ｂ）この配線溝の内面に拡散バリアメタル層、軟磁性体層、銅シード層を例えばスパッタリングによって順次成膜し、（ｃ）めっき法又は化学的気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法等により、配線溝に配線材料を埋め込み、（ｄ）配線溝のみに配線材料を残すように、絶縁膜上の余剰の配線材料を化学的機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）により除去するとともに絶縁膜表面を平坦化することによって、配線溝内に残された配線材料からなるワード線を形成する。

一方、ビット線のクラッド構造の形成方法は複雑である。その一例を図１５〜図１９の概略断面図について説明する。但し、これらの図は、メモリ部の１つのメモリセルについての詳細な断面図であって、図１２及び図１３の一部分に相当するものである（以下、同様）。

図１５（１）に示すように、基板１３上に、読み出し用トランジスタ１９等の選択素子、センス線２１等（いずれも、ここでは図示せず）を常法に従って形成し、これらを覆うように層間絶縁膜４４をＣＶＤ法により形成する。そして、この絶縁膜４４上に、ワード線等を埋め込むための層間絶縁膜４６をＣＶＤ法により形成し、この絶縁膜に形成した溝６６内に溝配線（ダマシン）構造のワード線１２や、選択素子（図示せず）の電極２３に接続される電極ランド２８等を埋め込む。ワード線１２（更にはランド２８）は、Ｃｕ等の導電性物質からなる非磁性導体層６１と、これを囲む高透磁率の軟磁性体層６３（軟磁性導電層）とをスパッタリング法等で積層してなる複合構造（クラッド構造）によって形成するが、更に、軟磁性体層６３の両面には金属原子の拡散防止用のバリアメタル層６４、６５をそれぞれ形成するのがよい。非磁性導体層６１の下地としてＣｕシード層等を予め形成しておくのがよい。軟磁性体層６３の構成材料としては、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらを主成分とする合金を用い、具体的には、パーマロイと呼ばれるＮｉ−Ｆｅ合金（鉄−ニッケル合金）を用いる。

そして、層間絶縁膜４６上に、ワード線１２、電極ランド２８を被覆する層間絶縁膜５０をＣＶＤ法により形成し、この絶縁膜を介して、ワード線１２上に記憶素子を形成する。この記憶素子は、例えばトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子１０からなり、常法に従って、下地電極層、反強磁性体層、導体層、強磁性体層（磁化固定層）、トンネルバリア層、強磁性体層（記憶層）、上部電極層（トップコート層）をスパッタリング法等で順次積層した後、ドライエッチングにより各層を選択的にパターニングして、ＴＭＲ素子１０及び読み出し用配線２２を形成する。ＴＭＲ素子１０の下部において反強磁性体層、導電層等で形成した読み出し用配線（バイパス線）２２は、絶縁膜５０に形成した接続孔６７に埋め込んだプラグ２７を介して電極２８に接続する。このプラグ２７を設けないで、配線２２を接続孔６７に直接被着してもよい（以下、同様）。

次いで、図１５（２）に示すように、層間絶縁膜５０上に、ＴＭＲ素子１０を被覆するように、層間絶縁膜５４をＣＶＤ法により形成した後、その絶縁膜５４を平坦化してＴＭＲ素子１０の上面を露出させる。その後、層間絶縁膜５４上に、ＴＭＲ素子１０を覆うように層間絶縁膜５６をＣＶＤ法により成膜した後、この絶縁膜５６にＴＭＲ素子１０の上面を露出させるように、エッチングによりビット線形成用の配線溝６９を形成するとともに、電極ランドに達する接続孔（図示せず）を形成する。

次いで、図１５（３）及び図１６（４）に示すように、配線溝６９（及び接続孔）にバリアメタル層７０、軟磁性体層７１を順次成膜する。

バリアメタル層７０は、スパッタリング法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法等で成膜し、その成膜方法はバリアメタル層７０が形成される配線溝６９の形状及び大きさにより選択する。バリアメタル層７０には、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）等を用い、その膜厚は、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲が適当である。

軟磁性体層７１の形成には、スパッタリング法等を用いる。軟磁性体層７１の構成材料としては、例えばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ又はこれらを主成分とする合金を用い、具体的には、パーマロイと呼ばれるＮｉ−Ｆｅ合金（鉄−ニッケル合金）を用いる。軟磁性体層７１の膜厚は、後述のエッチバック量で調整する必要がある。即ち、エッチバックでは、配線溝６９の底部の軟磁性体層７１を完全に除去すること、かつ配線溝６９の側壁に磁束収束効果を有するための膜厚を残すことの両方を満足する必要があるためである。このことは、軟磁性体層７１の膜厚だけでなく、成膜方法の有する被覆性（カバレッジ）にも影響される。例えば、スパッタリング法の場合、サイドカバレッジは多くて十数％、底部カバレッジは数十％である。このようにサイドカバレッジが悪いため、ある程度厚い膜を成膜する必要がある。

次いで、図１６（５）に示すように、配線溝６９の底部に成膜された軟磁性体層７１を除去する。この除去には、一般的には、ドライエッチングによるエッチバックを採用する。この除去工程では、配線溝６９の底部の軟磁性体層７１の完全除去と、配線溝６９の側壁に磁束収束効果を有するだけの膜厚に軟磁性体層７１を残すことが重要である。そして、この除去工程には、異方性エッチングを用いるのが一般的であり、配線溝６９の側壁に軟磁性体層７１を残す必要があることから、より異方性の強いエッチングが望ましく、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）等の高密度エッチング種を発生させるプラズマエッチング技術や、物理的エッチング効果の大きいイオンミリングを用いる。

次いで、図１６（６）に示すように、配線溝６９（及び接続孔）の内面を含む面に、上記した方法によって再びバリアメタル層７２を上記した材料によって形成する。

次いで、図１７（７）に示すように、銅シード層８０を成膜する。銅シード層８０は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等を用いる。その成膜方法の選択及び膜厚は、ビット線が形成される配線溝６９（及び接続孔）の形状及び大きさによって適宜選択される。

次いで、図１７（８）に示すように、例えば電解めっき法（ＥＣＤ：Electro-chemical Deposition）、ＣＶＤ法、無電解めっき法等により、配線溝６９（及び接続孔）に配線材料層６０を埋め込む。この配線材料には、銅又は銅合金を用いる。

次いで、図１７（９）に示すように、配線溝６９（及び接続孔）の内部に配線材料６０を残すように、絶縁膜５６上の余剰な配線材料（銅シード層８０も含む）６０、バリアメタル層７２、軟磁性体層７１及びバリアメタル層７０を化学的機械研磨（ＣＭＰ）により除去し、配線溝６９（及び接続孔）内に配線材料層６０、バリアメタル層７２、軟磁性体層７１及びバリアメタル層７０等を残して、ビット線１１を形成するとともに、表面を平坦化する。

次いで、図１８（１０）に示すように、絶縁膜５６上に、ビット線１１を被覆する拡散バリアメタル層７３及び軟磁性体層７４を成膜する。これらの各層の材料及びその成膜方法に関しては、上記したものと同様である。なお、軟磁性体層７４の材料によっては、デバイス中へ拡散する原子を含むものもあるので、この場合には、軟磁性体層７４の下にもバリアメタル層７３を設けることが好ましい。

次いで、図１８（１１）に示すように、レジスト塗布及びリソグラフィー技術により、ビット線１１を被覆する軟磁性体層パターンを形成するためのレジストマスク７５を、ビット線１１上に形成する。このレジストマスク７５はビット線１１上を完全に覆うように形成する必要がある。何故ならば、軟磁性体層７４が形成されていない部分から磁束漏れが発生し、その磁束漏れ部に磁束漏れが集中するためである。ミスアライメントによるレジストマスクずれは、磁束漏れの要因になるため、ミスアライメントが発生しても、軟磁性体層７４がビット線１１を覆うように、レチクルマスクにマージンを設ける必要がある。

次いで、図１８（１２）に示すように、レジストマスク７５を用いたドライエッチングにより軟磁性体層７４及びバリアメタル層７３を加工した後、図１９（１３）に示すように、レジストマスク７５をアッシングにより剥離し、更にクリーニングを行う。この結果、ビット線１２の側方及び上方をそれぞれ被覆する軟磁性体層７１、７４（図１４に示した軟磁性体層６２に相当）が形成される。

なお、レジストマスク７５を用いて軟磁性体層７４をエッチングする際に、レジストマスク７５の耐久性に問題がある場合がある。その場合には、シリコン酸化膜又は窒化膜からなるハードマスクを用いる。例えば、軟磁性体層７４を成膜した後、ハードマスクとなるシリコン酸化膜又は窒化膜を成膜し、レジストマスクを用いてハードマスクを加工し、レジストマスクの剥離後に、軟磁性体層７４及びバリアメタル層７３のエッチングを行う。

次いで、図１９（１４）に示すように、ビット線１１を含む上面に、ビット線上に設けられる配線（図示せず）との絶縁性を保つための絶縁膜６８をＣＶＤ法により形成する。

なお、ワード線１２のクラッド構造を形成することは、図１５（１）で説明したように簡単なプロセスで実現することが可能であり、特に問題はない。

特開２００２−２４６５６６号公報（第４頁、図６） 米国特許第６,５５５,８５８号公報（第６欄４４行目〜第８欄５３行目、ＦＩＧ.７−１３）

しかしながら、ビット線にクラッド構造を形成することに関しては、いくつかの課題がある。それらを以下に記述する。

上述の図１５〜図１９に示した従来技術による方法の大きな問題点は、軟磁性体層７１をビット線側部（配線溝６９の側壁面）にのみ形成するドライプロセスによる異方性エッチングにある。

即ち、まず、第１の課題は、軟磁性体層のドライエッチングプロセスに実績がないことである。金属のドライエッチングの場合、一般的には、蒸気圧の低い塩化物を生成させて蒸発させるが、軟磁性体層を構成する主な元素はニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）であるため、いずれの元素もその蒸気圧が高くてエッチングされにくいものである。例えば、半導体配線で使用されているアルミニウム（Ａｌ）塩化物の蒸気圧が１５２ｍｍＨｇ（１００℃）であるのに対し、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）の塩化物の蒸気圧はそれぞれ、８４２ｍｍＨｇ、８６６ｍｍＨｇ（１００℃）である。

一方、イオンミリングによるエッチバックの場合、スパッタリング効率が課題となる。例えば、アルゴン（Ａｒ）イオン３００ｅＶでスパッタリングを行う場合、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）のスパッタリング効率はそれぞれ、０．７、１．６、１、０．９、０．８（任意単位）であって軟磁性体膜のスパッタリング効率は相対的に低い。アルミニウム（Ａｌ）配線の半導体ではその配線加工に異方性の（ケミカル）ドライエッチングが用いられており、イオンミリングはほとんど用いられていないが、その理由の一つに、スパッタリング効率の悪さが挙げられる。

第２の課題には、腐食の問題がある。ドライプロセス後には、反応生成物やパーティクル等の異物除去プロセスを行うことが一般的であるが、このプロセスには湿式系の洗浄プロセスが用いられる。湿式系の洗浄プロセスであるため、その薬液には、酸、アルカリ、有機酸等が用いられる。例えば、水素イオンとの共存下において、イオン化傾向が良い目安となるが、水素（Ｈ）の標準電極電位を０Ｖとしたとき、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）の標準電極電位は、Ｆｅ −０．４４Ｖ＜Ｃｏ −０．２８７Ｖ＜Ｎｉ −０．２２８Ｖ＜Ｈ ０Ｖ＜Ｃｕ ０．３３７Ｖであり、水素（Ｈ）の標準電極電位より小さいニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）は腐食する傾向になる。

第３の課題は、ビット線側部に残された軟磁性体層の膜質である。上述した従来技術におけるエッチバックでは、軟磁性体層はプラズマ活性種（イオン又はラジカル）に晒されるので、プラズマ活性種と軟磁性体層とのケミカル反応によるエッチングを小さくすること、また、ビット線側部にのみにプラズマ活性種を効率良く導入するために異方性を強くすることが必要である。強い異方性での物理的なエッチングは、スパッタリングによるエッチングが一般的である。凹部として形成される配線溝底部のスパッタリングを行うと、その凹部の側壁面の軟磁性体層に底部からスパッタリングされた物質が再付着することはよく知られている。特に、微細でかつアスペクト比の大きい溝や穴においては、平均自由工程やスパッタリング放出角度にもよるが、再付着がより顕著になる。

再付着された物質が所望の軟磁性特性を有する場合には、問題はない。しかしながら、化合物系のスパッタリングでは、成膜される膜の化合物組成と、スパッタリングターゲットの化合物組成とは異なることが一般的である。例えば、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）の場合、タングステン（Ｗ）とシリコン（Ｓｉ）の組成比１：ｘ＝１：（２．１〜２．３）で成膜したい場合、そのスパッタリングターゲットのタングステン（Ｗ）とシリコン（Ｓｉ）の組成比を１：（２．７〜２．９）にする必要がある。

上述した如き従来技術で必要とされる軟磁性体層の場合、高飽和磁束密度及び低保磁力が要求されるが、これらの特性は軟磁性体層の組成比に対してトレードオフであるため、最適値のウインドーが狭い。即ち、ビット線底部に成膜された軟磁性体層は特性に合致した組成比であるが、ビット線底部からエッチバックされた物質がビット線側部に再付着した軟磁性体層は、特性に合致した組成比にならないことは容易に予想できる。

また、スパッタリング効率が悪く、スパッタリング効率の違う２元素を含む軟磁性体層をエッチバックする場合、エッチバック過剰の場合も想定する必要がある。過剰のエッチバックにより、ビット線底部の軟磁性体層の下に存在するバリアメタルもスパッタリングされる可能性があるので、軟磁性体と共にバリアメタルもビット線側部に再付着し、軟磁性体層中にバリアメタル材料が混入することにより、軟磁性特性を決定する磁区の回転や磁化特性を劣化させる可能性がある。

本発明の目的は、配線の側部に選択的に良質の軟磁性体層を形成して、電流磁界を効率良く記憶素子に導くことにより、磁界を発生させるために必要な供給電流を小さくして磁気記憶装置の消費電力の低減と記憶感度の向上を図ることにある。

即ち、本発明は、
第１配線と、
トンネル絶縁層を強磁性体で挟持してなり、第１絶縁層によって前記第１配線と電気 的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子と、
前記記憶素子を覆う第２絶縁層と、
前記記憶素子と電気的に接続され、前記記憶素子を間にして前記第１配線と立体的に 交差した状態で前記第２絶縁層に埋め込まれている第２配線と
を有する、不揮発性の磁気記憶装置において、
前記第２配線の側部に軟磁性体層が無電解めっきによって形成されていること
を特徴とする、磁気記憶装置に係るものである。

また、本発明は、
第１配線を形成する工程と、
トンネル絶縁層を強磁性体で挟持してなり、第１絶縁層によって前記第１配線と電気 的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、
前記記憶素子を覆う第２絶縁層を形成する工程と、
前記記憶素子と電気的に接続され、前記記憶素子を間にして前記第１配線と立体的に 交差した第２配線を前記第２絶縁層に埋め込む工程と
を有する、不揮発性の磁気記憶装置の製造方法において、
前記第２配線の側部に軟磁性体層を無電解めっきによって形成する工程
を有することを特徴とする、磁気記憶装置の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、第２配線の側部は軟磁性体層によって被覆されるので、第２配線に電流を流すことにより発生する電流磁界を第２配線の側部から漏出することなしに効率良く記憶素子に導くことができる。また、上述した従来技術のように軟磁性体層をドライプロセスで加工せずに無電解めっきで形成するので、軟磁性特性に敏感な軟磁性体層の組成の制御が容易であると共に、軟磁性体層を形成するための下地層はデバイスに影響を与えない範囲において材質に特に制限がないため、耐腐食性、エッチングの容易性等を考慮した金属層を選択でき、ローバストなプロセス設計が可能となる。

本発明においては、前記第２配線の前記側部に前記軟磁性体層を選択的に形成させるための金属層を前記第２配線の前記側部にのみ形成し、前記金属層上に前記軟磁性体層を選択的に形成するのがよい。

この金属層は、軟磁性体層を無電解めっきにて選択的に形成するための下地層となるものであり、第２配線の底部の金属層をエッチバックにより除去することができる。

この場合、前記第１配線及び前記第２配線のうち少なくとも前記第２配線を埋め込むための凹部を絶縁層に形成し、この凹部の内壁面を含む全面に前記金属層の構成材料を被着し、異方性エッチングによって前記凹部の底面及び前記絶縁層上に存在する前記構成材料を除去して、前記凹部の側壁面にのみ前記金属層を形成するのがよい。

特に、前記凹部の内壁面を含む全面に、第１拡散バリア層と前記金属層との各構成材料を積層した後、これらの構成材料に前記異方性エッチングを施して前記凹部の側壁面にのみ前記第１拡散バリア層と前記金属層との積層体を残し、前記金属層上に前記軟磁性体層を無電解めっきによって形成し、更に全面に第２拡散バリア層を形成した後、この第２拡散バリア層上に前記第１配線を被着するのがよい。

これによって、前記第１配線及び前記第２配線のうち少なくとも前記第２配線が、絶縁層に形成された凹部内に埋め込まれ、この凹部の内壁面上に、前記第１拡散バリア層と前記金属層と前記軟磁性体層と前記第２拡散バリア層とが積層され、更にこの第２拡散バリア層に接して配線が埋め込まれる。

前記軟磁性体層を無電解めっきで形成するときには、前記金属層の表面を触媒で置換し、この触媒を核として前記軟磁性体層を無電解めっきによって形成するのがよい。

また、前記第１配線及び前記第２配線の主配線材を銅又は銅合金によって形成するのが望ましい。

本発明は、前記第１配線及び前記第２配線にそれぞれ電流を流すことによって誘起される磁界で前記記憶素子の記憶層を所定方向に磁化して情報を書き込み、この書き込み情報を前記トンネル絶縁層を介してのトンネル磁気抵抗効果によって読み出すように構成された磁気ランダムアクセスメモリに適用することが望ましい。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に説明する。

図１〜図７は、本発明の実施の形態によるＭＲＡＭをその製造方法に従って示すものである。但し、図１〜図４は、図１５〜図１９と同様に、ビット線幅方向の断面図を左に、その長さ方向の断面図を右に示す（以下、同様）。

図１（１）は、図１５（１）及び（２）に示したと同様の工程を経て、層間絶縁膜５６にビット線形成用の配線溝６９及びワード線１２への接続孔（図示せず）を形成した状態を示すが、層間絶縁膜５６より下部の構成は既述したものと同様であり、共通部分には共通符号を付している。従って、ここでは各部の形成方法の説明は省略する。但し、記憶素子１０は、例えばトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子又は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magneto Resistance）素子からなる。

次いで、図１（２）に示すように、配線溝６９（及び接続孔）を含む全面にバリアメタル層７０を成膜する。

このバリアメタル層７０は、スパッタリング法、化学的気相成長（ＣＶＤ）法、ＡＬＤ法等で成膜し、その成膜方法はバリアメタル層７０が形成される配線溝形状及び大きさにより選択する。このバリアメタル層７０は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）等で形成し、その膜厚は、５ｎｍ〜５０ｎｍの範囲が適当である。

次いで、図１（３）に示すように、バリアメタル層７０上の全面に金属層９０を成膜する。この金属層９０は、後述する軟磁性体層の無電解めっきのシード層であり、後述する触媒めっきにおいて触媒と置換されることになる。この置換めっきでは、イオン化傾向の大きさの違いを利用する。

この触媒めっきには、一般的には、貴な金属、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等が用いられる。パラジウム（Ｐｄ）を触媒とする場合、パラジウム（Ｐｄ）の酸化還元電位は＋０．９９Ｖであるため、＋０．９９Ｖよりも小さい酸化還元電位を有する材料がこの金属膜９０に適用できる。例えば、銅（Ｃｕ：酸化還元電位＋０．３４Ｖ）、ニッケル（Ｎｉ：酸化還元電位−０．２５Ｖ）、コバルト（Ｃｏ：酸化還元電位−０．２８Ｖ）、チタン（Ｔｉ：酸化還元電位−１．６３Ｖ）等は金属膜９０として使用できるものである。ここでは、半導体として広く使用され、その後のプロセスにおいてプロセスウィンドーの比較的広い銅（Ｃｕ）について記載する。

金属層９０の成膜方法には、例えばスパッタリング法、ＣＶＤ法、無電解めっき法等が用いられる。その成膜方法の選択及び膜厚は、ビット線が形成される配線溝６９（及び接続孔）の形状及び大きさ、及びその後に行われる配線溝６９の底部に存在する金属層９０の除去工程の能力によって適宜選択される。

次いで、図２（４）に示すように、配線溝６９の底部に成膜された金属層９０を除去する。この工程では、配線溝６９の底部の金属層９０の完全除去と、配線溝６９の側壁面上に後述する軟磁性体層のシード層としての役割を有する膜厚を残すこととが重要である。

従って、この工程には、異方性エッチングを用いるのが一般的であり、配線溝６９の側壁面上に金属層９０を残す必要があることから、より異方性の強いエッチングが望ましく、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance）等の高密度エッチング種を発生させ、更に基板側に高いバイアスを印加させ、より異方性を強めるエッチング技術を採用する。また、物理的エッチング効果の大きいイオンミリング法を用いることも有効である。なお、配線溝６９の底部をエッチングする際、同時に層間絶縁膜５６の表面もエッチングされることになるが、特に問題はない。

ここで、金属層９０に銅（Ｃｕ）を選択した理由を述べる。特に、従来技術で使われている軟磁性体、特に、ニッケル−鉄パーマロイ（Ｎｉ−Ｆｅ）との比較を行う。

まず、配線溝６９の側壁面上にのみ残す除去プロセスにおいて、上記の異方性反応性エッチングを用いる場合について考察する。金属層のエッチングの場合、エッチングを容易にするために、塩素（Ｃｌ）又はその化合物をエッチングガスに導入し、塩素（Ｃｌ）と当該金属との化合物を生成させる。銅（Ｃｕ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）の単体の蒸気圧（６０℃）はそれぞれ、２１２７、２２８９、２２８３ｍｍＨｇであり、その塩化物の蒸気圧（６０℃）はそれぞれ、８８６、８４０、８０５ｍｍＨｇである。いずれも同じような数値であり、特に有意な差は見られない。上記のイオンミリング法の場合においては、スパッタリング効率がプロセス優位性を決定するパラメータであり、それぞれのアルゴン（Ａｒ）イオン３００ｅＶにおけるスパッタリング効率は、１．６、１、０．８（任意単位）であり、銅（Ｃｕ）のスパッタリング効率は他のそれを上回っている。

ここで、異方性反応性エッチングとイオンミリング法による配線溝底部のエッチングに関して考えてみる。このエッチングにおける目標となる形状は、配線溝底部の金属層の完全除去と、配線溝側壁面上の金属層の残存である。この目標を達成するためには、配線溝６９に対して垂直方向の活性種を多くし、かつ、全体の活性種に対する垂直方向の活性種の比率を多くすることが必要である。イオンミリング法を異方性反応性エッチング法と比較すると、イオンミリング法は低圧プロセスであるために、エッチングに寄与する活性種の平均自由工程が長く、またアルゴン（Ａｒ）イオンによる物理的エッチングによるものである。このような観点から、配線溝底部の金属層の除去にはイオンミリング法の方が望ましく、イオンミリング法によるエッチングに適しているのはスパッタリング効率の高い銅（Ｃｕ）であることが分る。

また、ドライエッチングプロセス後には、通常、パーティクル除去等の湿式プロセスが導入される。例えば、純水による洗浄について考察する。純水の場合、僅かではあるが、水素イオン（Ｈ^＋）、水酸基イオン（ＯＨ⁻）に電離している。イオン化傾向を考えると、鉄（Ｆｅ）−０．４４Ｖ＜ニッケル（Ｎｉ）−０．２５Ｖ＜水素（Ｈ）±０Ｖ＜銅（Ｃｕ）＋０．３４Ｖであり、水素（Ｈ）の還元により、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）がイオン化、即ち、溶出する可能性がある。一方、銅（Ｃｕ）の酸化還元電位は水素（Ｈ）のそれより大きいので、銅（Ｃｕ）からは水素（Ｈ）還元のための電子供給はない。従って、銅（Ｃｕ）は溶出しないので、プロセス的に安定である。

次に、配線溝６９の側壁面上に形成された金属層９０をシード層として、図２（６）に示すように軟磁性体層９１を形成する場合、前記した銅をシード層としたときのプロセスを説明する。まず、図２（５）に示すように、シード銅９０上に触媒１００を形成する。

この触媒には、貴な金属である金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）等が用いられる。ここでは、パラジウム（Ｐｄ）触媒を例として、そのプロセスを説明する。パラジウム（Ｐｄ）をシード銅９０上のみに選択的に形成するには、置換めっきが有効である。置換めっきとは、イオン化傾向の違いを利用したものであり、貴な金属がイオン化されているめっき液に卑な金属を浸漬すると、卑な金属はイオン化溶解し、溶解した卑な金属のところに貴な金属が置換される現象である。

例えば、パラジウム（Ｐｄ）の場合、硫酸パラジウム、塩化パラジウムが置換めっき用の薬液であり、それらはペーハー（ｐＨ）２以上の強酸である。強酸中においてシードである銅は容易に溶解する。即ち、硫酸パラジウム、塩化パラジウム液にシード銅を浸漬すると、シード銅はイオン化溶解し、その溶解した銅のところには、パラジウムが置換析出することになる。また、硫酸パラジウム、塩化パラジウム等のパラジウム含有溶液に溶解しない部分では、この置換めっき現象は起こらない。即ち、置換めっきされる部分は配線溝６９の側壁面上のシード銅９０の領域だけである。そのため、配線溝６９の側壁面上のみに触媒１００が被着することになる。

このパラジウム置換めっきでは、硫酸パラジウム、塩酸パラジウム等の強酸の薬品を使用するため、シード銅の過剰なエッチングは、特に、配線溝６９の側壁面上のシード銅層９０の膜厚は３０ｎｍ以下と薄いので、十分に注意する必要がある。即ち、パラジウム置換めっきによるシード銅の溶解速度がパラジウムの置換速度より大きいとパラジウムの置換めっきができない。逆に、シード銅の溶解速度が小さく、部分的に不均一になり、パラジウム形成の均一性が悪くなると、触媒を核にして無電解めっきにより成長する軟磁性体層９１の膜厚均一性が劣化することになる。従って、この両者を調整して、満足するように条件を決定する必要がある。1つの方法としては、パラジウム濃度を下げて（ｐＨを上げて）処理時間を延ばすか、或いは、パラジウム濃度を上げて処理時間を短くする方法も選択肢の一つである。一例として、前者ではパラジウム濃度１〜１０ｐｐｍ／処理時間６０〜１８０秒、後者ではパラジウム濃度１５０〜４００ｐｐｍ／処理時間１〜１０秒が挙げられる。

このパラジウム置換めっき終了後、純水にてクリーニングを行う。純水のみの洗浄では不十分な場合、例えば、パラジウムめっき液中に溶解した銅の再付着等もありうるので、有機酸、キレート剤等によるクリーニングも有効な手段である。更に、超音波洗浄等を併用することによって、洗浄効果が一層向上する。

次いで、図２（６）に示すように、無電解めっきによる軟磁性体層９１の形成を行う。上記した工程までは前処理のような形を呈しているが、これらの前処理を怠ると、以下の無電解めっきによる選択成膜に不備を生じ易い。一般的な無電解めっきでは、ナトリウム（Ｎａ）等のアルカリ金属を含有するめっき液を使用するが、半導体においては、アルカリ金属は界面準位の増加を招き、半導体にピットを形成する等、悪影響をもたらす。従って、アルカリ金属が混入した薬液を使用することができない。本発明者は、「ＡＤＭＥＴＡ（Advanced Metallization Conference）２００１、アジアンセッション予稿集、ＵＳセッション編」、ｐ．９０−９１に記載されているように、アルカリフリーの薬液にて、Ｃｏ−Ｗ−Ｐ(コバルト-タングステン-リン)の成膜に成功しており、このプロセスを応用することにより、軟磁性体層９１を形成した。

軟磁性体層９１の材料には、ニッケル−鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）、コバルト−鉄（Ｃｏ−Ｆｅ）、ニッケル−コバルト−鉄（Ｎｉ−Ｃｏ−Ｆｅ）等が代表例として挙げられ、また、これらの軟磁性体にホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、チタン（Ｔｉ）等の添加物が混入したものでもよい（これらの添加物は無電解めっき膜である軟磁性体層９１中に残留する）。ここでは、ニッケル-鉄（Ｎｉ−Ｆｅ）を主成分とし、還元剤としてジメチルアミンボラン（ＤＭＡＢ）を用いたニッケル−鉄−ホウ素（Ｎｉ−Ｆｅ−Ｂ）の軟磁性体層形成について示す。図５には、ニッケル−鉄−ホウ素（Ｎｉ−Ｆｅ−Ｂ）の無電解めっき成膜条件の一例を示す。

また、図６には、無電解めっきで成膜されたニッケル−鉄−ホウ素膜（軟磁性体層）の組成変化を示し、図７には、その磁気特性を示す。これによれば、アニール後には、軟磁性特性を示す保磁力の小さい磁気特性を有していることが分る。

この無電解めっきプロセス後には、被めっき物にめっき液が付着しているので、十分に純水洗浄を行い、めっき液を洗い流す。より洗浄効果を高めるには有機酸洗浄、有機酸にキレート剤、界面活性剤等が混入した洗浄液による洗浄が有利であり、物理的洗浄効果を有する超音波洗浄との併用は有効である。

次いで、図３（７）に示すように、底部の金属層９０が除去され、その側壁面上に軟磁性体層９１が形成された配線溝６９を含む全面に、バリアメタル層７２及び銅シード層８０を成膜する。

バリアメタル層７２には前記のバリアメタル層７０と同様の成膜方法を適用するが、配線溝６９（及び接続孔）の形状及び大きさによって適宜選択される。例えば、配線溝６９の底部の金属層９０の除去において、配線溝６９（及び接続孔）が小さくなり、バリアメタル層７０の成膜方法を適用できない場合には、別の方法を採用してもよい。

銅シード層８０の形成には、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、無電解めっき法等を用いる。その成膜方法の選択及び膜厚は、ビット線が形成される配線溝６９及び（及び接続孔）の形状や大きさによって適宜選択される。

次いで、図３（８）に示すように、銅シード層８０を核として、例えば、電解めっき法（ＥＣＤ:electro-chemical deposition）、ＣＶＤ法、無電解めっき法等により、配線溝６９（及び接続孔）に配線材料６０を埋め込む。

次いで、図３（９）に示すように、配線溝６９（及び接続孔）の内部に配線材料８０を残すように、層間絶縁膜５６上の余剰な配線材料（銅シード層８０も含む。）６０、バリアメタル層７２及び７０を化学的機械研磨（ＣＭＰ）により除去し、配線溝６９（及び接続孔）内に配線材料６０、バリアメタル層７２、７０、軟磁性体層９１等を残して、ビット線（第２配線）１１を形成するとともに、表面を平坦化する。

ここで、無電解めっきによる軟磁性体層９１が無電解めっきの選択性劣化のために、上記の余剰配線材料の除去部に残っている可能性があるが、これは以下の理由により問題はない。この除去工程で使用される薬液には、一般的に強酸が用いられる。そのため、軟磁性体を形成している材料は容易にエッチングされる。また、選択性劣化で残存する軟磁性体は層状に残留するのではなく、島状に残留し、その厚さもせいぜい例えば５０ｎｍであり、バリアメタル層７０、７２と比較して同等又はそれ以下である。このように、軟磁性体層の無電解めっき選択性が劣化しても、この余剰配線材料除去工程でリカバリーができるので、プロセスウインドーは広くなる。

次いで、図４（１０）、（１１）に示すように、ビット線１１の上部からの磁束漏れを防ぐために、ビット線１１上部のみにバリアメタル層７３及び軟磁性体層７４を形成する。

ビット線１１の上部のバリアメタル層７３及び軟磁性体層７４の形成方法はいくつかあるが、ここでは、どのような方法を採用してもかまわない。図４（１１）には、一例として、バリアメタル層７３及び軟磁性体層７４をドライエッチングで加工したときの構造を示す。

その工程を簡単に示すと、まず、バリアメタル層７３、続いて軟磁性体層７４を成膜する。次に、レジスト塗布（図示せず）、続いてビット線１１を完全に覆うように露光／現像（図示せず）を行う。次に、加工されたレジスト（図示せず）をマスクとして、バリアメタル層７３及び軟磁性体層７４をドライエッチングし、最後にマスクであるレジストをアッシング等で除去する。ここで、マスクであるレジスト（図示せず）がドライエッチング耐性に乏しい場合には、軟磁性体層７４の上層に軟磁性体との相互拡散を及ぼさない絶縁層（図示せず）、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ）、シリコンカーボン膜（ＳｉＣ）、アモルファスカーボン膜（ａ−Ｃ）等を成膜し、その絶縁膜をハードマスクとしてドライエッチングする方法も採用される。

また、バリアメタル層７３及び軟磁性体層７４をビット線１１上部に埋め込む方法（図示せず）も用いることができる（米国特許第６５５５８５８号参照）。この方法は次のような工程である。まず、ビット線１１の上部にバリアメタル層７３及び軟磁性体層７４を埋め込むためのリセスを形成し、続いて、バリアメタル層７３及び軟磁性体層７４を成膜する。最後に、ビット線１１上部のリセス部分のみにバリアメタル層７３及び軟磁性体層７４を残すように、全面を化学的機械研磨法又はドライエッチング法によりエッチバックする。

次いで、図４（１２）に示すように、ビット線１１を含む上面に、ビット線上に設けられる配線（図示せず）との絶縁性を保つための絶縁膜６８をＣＶＤ法により形成する。

本実施の形態において、図１（３）の工程における金属層９０の成膜工程では、金属層として銅（Ｃｕ）を使用した例を述べた。それは、その後の触媒付与工程を考慮したためである。しかしながら、この金属層はどのような金属で形成してもよい。即ち、軟磁性体層９１を成膜するために触媒付与を行い、更に触媒付与ができるように金属層の成膜及びエッチバックを行っているが、こうした金属層を触媒となる金属自体（例えばパラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ））のスパッタリング等で成膜することも可能である。その場合には、触媒が含有された薬液による触媒置換めっき工程は省略することが可能である。

上述したように、本実施の形態によれば、ビット線側部に形成する軟磁性体層９１には加工を施さないので、ビット線側部に形成される軟磁性体層９１として、制御可能な所望の軟磁性体特性を示す膜を形成できる。既述した従来技術では、ビット線底部に軟磁性体層を残さないようにするために、ビット線底部に成膜された軟磁性体層をエッチバックしているので、そのエッチバックされた軟磁性体は、ビット線外部に飛散するものや、ビット線側部に再付着してしまうものもあり、特に、ビット線が微細化するにつれて、ビット線側部への再付着は顕著になる。このようにビット線側部に再付着した場合、軟磁性体層の膜質がエッチバック前の（ビット線底部に成膜されたときの）膜質と同等であれば問題はないが、スパッタリングの場合、スパッタリングにより成膜された膜の組成比は、スパッタリング前の膜（スパッタリングされる膜）の組成比と異なることはよく知られている。即ち、エッチバックにより物質が再付着したビット線側部の軟磁性体層の組成比は、もともとビット線側部に形成されている軟磁性体層の組成比と異なる。特に、軟磁性体層については、軟磁性体を構成する元素の組成比により軟磁性特性が大きく変化する。以上のような観点から、軟磁性体層のエッチバックによってビット線側部に軟磁性体層を形成することには問題があった。

また、本実施の形態では、エッチバック技術を採用してはいるが、既述した従来技術と比べてエッチバックする材料に違いがある。即ち、従来技術では軟磁性体層であり、本実施の形態では銅（金属層９０）である。軟磁性体層と銅のエッチバックの容易さについては、前述したように、スパッタリング効率によるところが大きく、その効率は２倍近く銅の方が良好である。また、エッチバック後に何らかの湿式洗浄が導入されるが、その湿式洗浄に含まれる水素イオンに着目すると、イオン化傾向の観点から、軟磁性体層を構成する元素(ニッケルや鉄)の酸化還元電位が水素のそれより小さいため、水素イオンの還元により、軟磁性体を構成する元素が溶解する可能性がある。一方、銅の酸化還元電位は水素のそれより大きいため、銅が湿式環境において溶解することはない。従って、上記に示したように、エッチバック工程の観点から鑑みたプロセスの容易さを比較すると、従来技術における軟磁性体層のエッチバックより、本実施の形態の方が有利である。

本実施の形態による磁気記憶装置の製造方法は、磁気抵抗効果を利用して情報の書き込みを行う磁気記憶装置のビット線に対して適用することができる。従って、ビット線より下層の構成は上記の実施の形態で説明した構成に限定されることはない。また、本発明はＭＲＡＭに好適であるが、磁化可能な磁性層を有するメモリ素子からなる他の磁気メモリ装置にも適用可能であり、またこのＭＲＡＭは磁化方向を固定してＲＯＭ的に使用することもできる。

以上に説明したように、本発明の磁気記憶装置及びその製造方法によれば、ビット線の側部のみに選択的に軟磁性体層を形成することができるので、ビット線で発生される電流磁界を効率良く記憶素子に導くことができる。従って、磁界を発生させるために必要なビット線への供給電流を小さくすることができるので、磁気記憶装置の消費電力の低減が図れるとともに、記憶感度を高めることができる。また、ビット線による書き込み効率を向上させるために、ビット線と記憶素子との間の距離を短くする必要がないので、その間の絶縁層を形成するときのプロセスマージンを広げることができる。

本発明の実施の形態による磁気記憶装置の製造方法の工程断面図である。 同、磁気記憶装置の製造方法の工程断面図である。 同、磁気記憶装置の製造方法の工程断面図である。 同、磁気記憶装置の製造方法の工程断面図である。 同、軟磁性体層（ニッケル−鉄−ホウ素）の無電解めっき条件の一例を示す表である。 同、無電解めっきで形成された軟磁性体層（ニッケル−鉄−ホウ素）の組成変化を示すグラフである。 同、軟磁性体層の磁気特性を示すヒステリシス曲線図である。 ＭＲＡＭのメモリセルの概略断面図である。 ＭＲＡＭの等価回路図である。 ＭＲＡＭの書き込み時の臨界応答特性図である。 ＭＲＡＭの読み出し動作原理図である。 従来例によるＭＲＡＭの要部断面図である。 同、図１２のＸ−Ｘ線断面図である。 同、ＭＲＡＭの要部断面斜視図（Ａ）と、配線による誘導磁場発生状態を示す断面図（Ｂ）である。 同、ＭＲＡＭの製造方法を工程順に示す断面図である。 同、ＭＲＡＭの製造方法を工程順に示す断面図である。 同、ＭＲＡＭの製造方法を工程順に示す断面図である。 同、ＭＲＡＭの製造方法を工程順に示す断面図である。 同、ＭＲＡＭの製造方法を工程順に示す断面図である。

符号の説明

２…記憶層（フリー層）、２…トンネルバリア層、１０…ＴＭＲ素子、
１１…ビット線、１２…書き込み用ワード線、２２…読み出し用配線、
２６…磁化固定層、２７…接続プラグ、４４、５０、５４、５６…層間絶縁膜、
６０、６１…配線材料層又は非磁性層（銅層）、
６４、６５、７０、７２、７３…バリアメタル層、
６２、６３、７１、７４、９１…軟磁性体層、６６、６９…配線溝、８０…シード層、
９０…金属層（シード層）

Claims (13)

1. 第１配線と、
   トンネル絶縁層を強磁性体で挟持してなり、第１絶縁層によって前記第１配線と電気 的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子と、
   前記記憶素子を覆う第２絶縁層と、
   前記記憶素子と電気的に接続され、前記記憶素子を間にして前記第１配線と立体的に 交差した状態で前記第２絶縁層に埋め込まれている第２配線と
   を有する、不揮発性の磁気記録装置において、
   前記第２配線の側部に軟磁性体層が無電解めっきによって形成されていること
   を特徴とする、磁気記憶装置。
2. 前記第２配線の前記側部に前記軟磁性体層を選択的に形成させるための金属層が前記第２配線の前記側部にのみ形成され、前記金属層上に前記軟磁性体層が選択的に形成されている、請求項１に記載した磁気記憶装置。
3. 前記金属層の表面が触媒で置換され、この触媒を核として前記軟磁性体層が無電解めっきによって形成されている、請求項２に記載した磁気記憶装置。
4. 前記第１配線及び前記第２配線のうち少なくとも前記第２配線が、絶縁層に形成された凹部内に埋め込まれており、この凹部の内壁面上に、第１拡散バリア層と前記金属層と前記軟磁性体層と第２拡散バリア層とが積層され、更にこの第２拡散バリア層に接して配線が埋め込まれることによって前記第２配線が形成されている、請求項２に記載した磁気記憶装置。
5. 前記第１配線及び前記第２配線の主配線材が銅又は銅合金からなっている、請求項１に記載した磁気記憶装置。
6. 前記第１配線及び前記第２配線にそれぞれ電流を流すことによって誘起される磁界で前記記憶素子の記憶層を所定方向に磁化して情報を書き込み、この書き込み情報を前記トンネル絶縁層を介してのトンネル磁気抵抗効果によって読み出すように構成された磁気ランダムアクセスメモリである、請求項１に記載した磁気記憶装置。
7. 第１配線を形成する工程と、
   トンネル絶縁層を強磁性体で挟持してなり、第１絶縁層によって前記第１配線と電気 的に絶縁された磁気抵抗効果型の記憶素子を形成する工程と、
   前記記憶素子を覆う第２絶縁層を形成する工程と、
   前記記憶素子と電気的に接続され、前記記憶素子を間にして前記第１配線と立体的に 交差した第２配線を前記第２絶縁層に埋め込む工程と
   を有する、不揮発性の磁気記憶装置の製造方法において、
   前記第２配線の側部に軟磁性体層を無電解めっきによって形成する工程
   を有することを特徴とする、磁気記憶装置の製造方法。
8. 前記第２配線の前記側部に前記軟磁性体層を選択的に形成させるための金属層を前記第２配線の前記側部にのみ形成し、前記金属層上に前記軟磁性体層を選択的に形成する、請求項７に記載した磁気記憶装置の製造方法。
9. 前記金属層の表面を触媒で置換し、この触媒を核として前記軟磁性体層を無電解めっきによって形成する、請求項８に記載した磁気記憶装置の製造方法。
10. 前記第１配線及び前記第２配線のうち少なくとも前記第２配線を埋め込むための凹部を絶縁層に形成し、この凹部の内壁面を含む全面に前記金属層の構成材料を被着し、異方性エッチングによって前記凹部の底面及び前記絶縁層上に存在する前記構成材料を除去して、前記凹部の側壁面にのみ前記金属層を形成する、請求項８に記載した磁気記憶装置の製造方法。
11. 前記凹部の内壁面を含む全面に、第１拡散バリア層と前記金属層との各構成材料を積層した後、これらの構成材料に前記異方性エッチングを施して前記凹部の側壁面にのみ前記第１拡散バリア層と前記金属層との積層体を残し、前記金属層上に前記軟磁性体層を無電解めっきによって形成し、更に全面に第２拡散バリア層を形成した後、この第２拡散バリア層上に前記第１配線を被着する、請求項１０に記載した磁気記憶装置の製造方法。
12. 前記第１配線及び前記第２配線の主配線材を銅又は銅合金によって形成する、請求項７に記載した磁気記憶装置の製造方法。
13. 前記第１配線及び前記第２配線にそれぞれ電流を流すことによって誘起される磁界で前記記憶素子の記憶層を所定方向に磁化して情報を書き込み、この書き込み情報を前記トンネル絶縁層を介してのトンネル磁気抵抗効果によって読み出すように構成された磁気ランダムアクセスメモリを製造する、請求項７に記載した磁気記憶装置の製造方法。
    
    
    
    

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