JP2005519482A - Ｍｒａｍの伝導線上の磁束集中被覆材料 - Google Patents

Abstract

ＭＲＡＭ装置で用いる被覆部位を製作する方法であり磁気抵抗メモリ装置（４０）に近接した伝導ビット線（４７）の形成を含む。伝導ビット線は、伝導線上に第１のバリア層を置換めっきするのに充分であるだけの時間、第１の伝導性材料の溶解イオンを含む第１の浴に浸漬される。続いて第１のバリア層（４９）は無電解めっき浴に浸漬され、第１のバリア層上に磁束集中層（５０）を形成する。磁束集中層は磁束集中層上に第２のバリア層（５２）を置換めっきするのに充分であるだけの時間、第２の伝導性材料の溶解イオンを含む第２の浴に浸漬される。

Description

本発明は半導体メモリ装置に関する。
さらに詳しくは、本発明は磁場を利用する半導体ランダムアクセスメモリ装置の改良された製作方法に関する。

磁気メモリ装置は非磁性層に隔てられた強磁性層を有する構造を持つ。情報は磁性層中の磁化ベクトルの向きとして格納される。例えば、一方の磁性層中の磁化ベクトルは磁気的に固定またはピン止めされているのに対して、他方の磁性層の磁化の向きは同一及び反対方向に自由に切り替わることができ、それぞれ「平行」および「反平行」状態と呼ばれる。平行および反平行状態に応じて、磁気メモリ装置は２つの異なった抵抗値を示す。抵抗値は、２つの磁性層の磁化ベクトルが実質的に同一及び反対の方向を指すときに、それぞれ最小値及び最大値を示す。従って、抵抗値の変化を検出することで磁気メモリ装置に情報を格納させることが可能となる。

磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（以下ＭＲＡＭという）装置中では、銅配線などの電流供給伝導体により誘起された磁場によってメモリセルがプログラムされる。一般的に２つの配線が用いられ、一方はＭＲＡＭ装置の上方に位置（一般にビット線と呼ばれる）し、他方はＭＲＡＭ装置の下方に位置する（一般にデジット線と呼ばれる）。配線の名前や位置は種々の用途で異なるため、以下では一方または両方の配線を意味するのに一般に「伝導線」という語を用いる。電気的な伝導線の目的は、ＭＲＡＭ装置をプログラミングするための磁場を与えることにある。

ＭＲＡＭ装置の伝導線に関して半導体加工が持つ問題には、高価で複雑な真空蒸着装置および複雑な処理工程を多く用いられることがあり、サイクルタイムとコストを増大させている。例えば、伝導線を形成する好適な方法は、ダマシン即ち埋め込み法により銅配線を形成することであり、一般的に伝導線が磁束集中層で覆われている。磁束集中層はＭＲＡＭセルまたはビットに向けて伝導線付近の磁場を集束させるよう機能し、その結果として、必要とされるプログラミング電流を約半分に減少させる。しかしながら、磁束集中材料の形成に必要とされる工程では、幾つかの真空蒸着およびエッチングのための手段のみならず、感光層の使用が必要とされる。例えば、反応性イオンエッチング（以下ＲＩＥという）は一般的に不要な領域から蒸着層を除去するために用いられる。残念ながらＲＩＥは層をオーバーエッチすることがあり、短絡の原因となる。また、感光層は装置の製作においては高価な手段であり、代替技術を利用することによりコストを低減できる。

従って、先行技術の持つ前述のおよび他の欠点を改善することは非常に有用である。

前述のおよび他の目的および効果を達成するために、ＭＲＡＭ装置で用いる磁束集中部位を製作する改良された方法を提供する。この方法は、電気化学的堆積法による伝導線上に位置した磁束集中部位の形成を伴う。好適な実施例においては、伝導線は銅、アルミニウムまたは類似の金属等のような伝導性物質を含有する。磁束集中層を製作する新規な方法は、伝導線を構成する金属よりも貴である金属の溶解金属イオンを含有する浴中への伝導線の浸漬を有する。例えば、伝導線が銅ならば、浴はパラジウム、白金、ルテニウムまたはロジウムを含有してよい。溶解金属イオンは伝導線よりも貴であるため、置換めっき
として知られる過程は伝導線上でのみ起こり、他のいかなる場所でも起こらない。この過程で伝導線上にバリア層が形成される。バリア層は続いて無電解めっき浴に浸漬され、バリア層上に位置する磁束集中層が形成される。ある好適な実施例では、磁束集中層はＮｉＦｅを含有するが、他の無電解めっき材料を使用してもよい。

任意で追加できる処理工程では、磁束集中層は溶解金属イオンを含有する第２の置換めっき浴に浸漬される。第２の浴の溶解金属イオンは、置換めっきにより磁束集中層上に第２のバリア層を形成する。第１のバリア層、磁束集中層および第２のバリア層は共に、伝導ビットまたはデジット線に近接した磁場を増大させる被覆または磁束集中部位を形成する。また、第１の外層、磁束集中層、第２のバリア層の厚さは、各種の浴での浸漬時間により制御できる。

本発明における前述のおよび他のおよび更に他の具体的な目的及び効果は、以下の図面を伴った以下の好適な実施例の詳細な説明から当業者には容易に理解されるであろう。
ＭＲＡＭ装置の伝導線上に被覆材料を形成する好適な方法を説明するため、ＭＲＡＭ装置に磁気的に近接した被覆された伝導線の幾つかの実施例を図を参照して記載する。まず図１〜５では、本発明に従って、被覆された伝導線を持つＭＲＡＭ装置１０の製作における各一連の工程が説明されている。好適な実施例では伝導線は銅を含有する。しかしながら、製作工程または材料が若干異なることがあったとしても、概して、伝導線が他の伝導性物質、アルミニウム、タングステン、チタンまたはそれらを積層したものを含有して良いことは明らかである。

図１では具体的に、ＭＲＡＭ装置１０における伝導線の製作の第１の工程が説明されている。これは簡略化された図であり、関連する領域、特に伝導線領域を一般的に示したものであることは明らかである。また、説明を容易にするために、ＭＲＡＭ装置１０に電気的に接触した伝導線の製作は図１〜５を参照する。しかし当然のことながら、ＭＲＡＭ装置１０に隣接しており電気的に接触していない伝導ビット線の形成も本明細書の開示から予想できるものである。

さらにまた、この実施形態では、ＭＲＡＭ装置１０は技術的に周知の方法により形成された標準的なＭＲＡＭビットまたはセルである。便宜上、標準的なＭＲＡＭビットが本明細書で説明されるが、当業者には明らかなように他の多くの種類のメモリ装置が供せられて良い。また便宜上、単独のＭＲＡＭビットが説明されているが、当然のことながら磁気メモリビットアレイの周辺部付近に完全な装置アレイまたは制御／駆動回路が形成されていても構わない。

一般的なダマシン法による伝導線は一般に以下の工程でＭＲＡＭ装置１０に近接して形成される。誘電体層１２はＭＲＡＭ装置１０および任意の周辺材料の表面上に形成される。具体的な実施例によっては、ＭＲＡＭ装置１０の製作中に層１２がＭＲＡＭ装置１０の周辺に形成されても良い。窒化物（任意の窒化物、例えば金属窒化物）層１４は層１２上に位置し、一般にエッチング停止層として機能する。第２の酸化物層１６は窒化物層１４上に形成される。続いて任意の周知の方法により、ＭＲＡＭ装置１０に沿って層１２，１４，１６を通じたトレンチが形成される。タンタル、タンタル窒化物または同種のものからなる薄いバリア層１８は、トレンチおよび周辺の層１２、１４、１６の表面に堆積される。銅の薄いシード層（図示せず）がバリア層１８上に堆積される。便宜上、バリア層１８は一般にバリア／銅シード層を指すものとする。続いて厚い銅層２０がバリア／銅シード層１８の上に電気めっきされる。銅層２０およびバリア／銅シード層１８は、任意の周知の方法（例えば、化学的機械的研磨法または類似の技術）により部分的に除去され、酸化物層１６はエッチングにより除去され（エッチング工程中に窒化物層１４が除去されて
もあるいはされなくてもよい）、図２に説明されているような伝導線２２を与える。

好適な実施例では伝導線２２は銅を含有するが、アルミニウム、タングステン等のような、他の伝導性物質を含有しても良いことは明らかである。しかしながら、当技術分野で周知のように、高度な半導体加工において伝導性配線を形成するには一般に銅が使用される。従って、本明細書に記載される方法は選択された金属プロセスに応じて材料および製作工程を適合させた銅ダマシン法および他の金属ダマシン法または非ダマシン法のいずれへの適用も対象とするものである。ＭＲＡＭ装置の被覆に関しての詳細は、２００１年４月３日に特許された「Method of Fabricating Flux Concentrating Layer for use with Magnetoresistive Random Access Memories 」という題名の米国特許第６，２１１，０９０号に見つけることができるので、本願に引用して援用する。

図３で、第１のバリア層２５は以下のようにして伝導線２２上に形成される。伝導線２２は良いバリア性を与えるのに充分な厚さを持つバリア層２５を形成するために選択された金属の溶解イオンを含む浴に浸漬される。金属イオン浴は、伝導線２２に含有される金属（例えば銅）よりも貴である溶解イオンを含有するため、置換めっきが起こる。第１の浴に適する金属イオンには、白金、パラジウム、ルテニウム、またはロジウムがあるが、伝導線２２の組成次第では他の物質が使用されても良い。バリア層２５の厚さは、伝導線２２を金属イオン浴に浸漬する時間を変えることにより一般に制御できる。バリア層２５は、銅、およびニッケル−鉄合金のような、拡散が速い元素に対する拡散バリアとして働く。

図４を参照すると、バリア層２５は無電解めっき浴に浸漬され、良好な磁束集中特性を与えるのに充分な厚さを持つ磁束集中層２７が形成される。さらにまた、バリア層２５を無電解めっき浴に浸漬する時間を変えることにより、磁束集中層２７の厚さを一般に制御できる。磁束集中層２７は高透磁率の磁性体からなり、伝導線２２中を流れる電流により生じる磁束が集中しているという特徴を具えており、その結果、所望の作用を生じるのに必要な電流量が低減される。無電解めっき浴は、例えば、Ｎｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｐ、Ｃｏ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｆｅ／Ｂ／ＰまたはＮｉ／Ｆｅ／Ｃｏ／Ｐのうちの１つ以上を含んで良いが、特定の用途で他の材料系を使用しても良いことは明らかである。磁束集中層２７は、また電気的に伝導性を持つ誘電体であり、ニッケル鉄のような、または所望の部位に磁束を集中させるのに充分高い磁化率を持つ任意の好適な物質であって、残りの材料構造と金属的に混合可能なものである。

また図５を参照すると、磁束集中層２７は第２の金属の溶解イオンを含む第２の浴に浸漬されて、第２のバリア層２９が形成される。第２の浴での使用に好適な金属イオンには、白金、パラジウム、ルテニウムまたはロジウムがあるが、当然のことながら他の物質が使われても良い。磁束集中層２７を第２の金属のイオン浴に浸漬する時間を変えることにより、一般にバリア層２９の厚さを制御できる。当然のことながら実施例によってはバリア層２９の形成が好ましくないこともあるが、図示のみを目的として好適な実施例の場合を示した。

バリア層２５、磁束集中層２７およびバリア層２９は共に被覆領域３０を形成する。被覆領域３０の層は浸漬または無電解めっきにより堆積し、上述のように、被覆材料をパターンニングおよびエッチングする必要が解消される。パターンニングおよびエッチング作業が無くなると、結果的に工程が改良され（例えば、工程段階の簡略化、コストの低減、サイクルタイムの短縮）より信頼性の高い製品が製造される（例えば、短絡および類似の問題を被りにくくなる）。

図６〜１０では、本発明に従って、自己整合により伝導線に伴う磁束集中部位を製作す
る工程が説明されている。図６では具体的に、任意の周知の方法でＭＲＡＭセルまたは装置４０が形成されており、平滑な上部表面４１を与えるように物質４２中に少なくとも部分的に包まれている。誘電体である層４４には、例えば酸化物、窒化物または同様のもの等があるが、表面４１上に堆積され、ＭＲＡＭ装置４０に沿ってトレンチを与えるようにパターンニングされている。側壁のスペーサ４５は任意の周知の方法によりトレンチ中に形成される（例として、米国特許第５，９４０，３１９号を本願に引用して援用する）。本実施例では、スペーサ４５は被覆材料または磁束集中材料、および状況に応じてはバリア材料を形成することで、ＭＲＡＭ装置４０に向けて磁束が集中または配向することを促進する。続いてトレンチは、銅、チタン、アルミニウム等のような伝導性物質で充填され、伝導線４７が形成される。

また図７では、伝導線４７は選択された金属の溶解イオンを含む浴に浸漬され、バリア層４９が形成される。上述のように、金属イオン浴は伝導線４７に含有される金属（例えば銅）よりも貴である溶解イオンを含んでいるので、置換めっきが起こる。第１の浴に適する金属イオンには、白金、パラジウム、ルテニウムまたはロジウムがあるが、伝導線４７の組成次第では他の物質が使用されてもよい。バリア層４９の厚さは、伝導線４７を金属イオン浴に浸漬する時間を変えることにより一般に制御できる。バリア層４９は、銅、およびニッケル−鉄合金のような、拡散が速い元素に対する拡散バリアとして働く。ここで注目すべきは、置換めっきが伝導線４７に接合してのみ起きることであり、その結果、バリア層４９は伝導線４７に自己整合される。

また図８を参照すると、バリア層４９は無電解めっき浴に浸漬され、良い磁束集中特性を与えるのに充分な厚さを持つ磁束集中層５０を形成している。バリア層４９を無電解めっき浴に浸漬する時間を変えることにより、磁束集中層５０の厚さを一般に制御できる。磁束集中層５０は高透磁率の磁性体からなり、伝導線４７中を流れる電流により生じる磁束が集中しているという特徴を具えており、その結果、所望の作用を生じるのに必要な電流量が低減される。無電解めっき浴は例えば、Ｎｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｐ、Ｃｏ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｆｅ／Ｂ／ＰまたはＮｉ／Ｆｅ／Ｃｏ／Ｐのうちの１つ以上を含んで良いが、特定の目的で他の材料系を使用しても良いことは明らかである。磁束集中層５０は、また電気的に伝導性を持つ誘電体であり、ニッケル鉄のような、または所望の領域に磁束を集中させるのに充分高い磁化率を持つ任意の好適な物質であって、かつ残りの材料構造と金属的に混合可能なものである。再び注目すべきは、めっきがバリア層４９に接合してのみ起きることであり、その結果、磁束集中層５０はバリア層４９および伝導線４７に自己整合する。

さらに図９を参照すると、磁束集中層５０は第２の金属の溶解イオンを含む第２の浴に浸漬され、第２のバリア層５２を形成している。第２の浴での使用に好適な金属イオンには、白金、パラジウム、ルテニウムまたはロジウムが含まれるが、当然のことながら他の物質が使われても良い。磁束集中層５０を第２の金属のイオン浴に浸漬する時間を変えることにより、バリア層５２の厚さを一般に制御できる。当然のことながら実施例によってはバリア層５２の形成が好ましくないこともあるが、図示のみを目的として好適な実施例の場合を示した。バリア層４９、磁束集中層５０およびバリア層５２（含まれる場合）は一般に被覆部位５５と呼ばれる。

図１０では、誘電体である層６０（例えば酸化物、窒化物または同様のもの）は、被覆部位５５付近の層４４上に堆積する。ここでは当然のことながら、上述のように、特定の目的および構造の他の部位で用いられる工程に応じて、層６０が被覆部位５５の形成に先立って堆積されパターンニングされても、後に堆積されても良い。工程によっては、例えば、磁束集中層５０およびバリア層５２は既に形成されている層の縁部に（例えば、各々バリア層４９、磁束集中層５０に）わずかに広がっている可能性がある。この余分な材料
が好ましくない場合には、（例えば、部品またはＭＲＡＭ装置の近接のため）層６０を利用してその形成を制限できる。

上述のように、図５中の被覆部位３０および図１０中の被覆部位５５を製作する方法には、必要な層を形成するために、浸漬や無電解めっきのような電気化学的堆積法の利用が含まれる。電気化学的堆積法は感光層を除けるので製作手順が改善される。上述のように、製作工程が簡略化されより高価でなくなる。また、被覆部位３０および５５を形成するのに電気化学的堆積法を用いると、感光工程の必要がなくＭＲＡＭ装置を製作するサイクルタイムは短縮される。また、電気化学的堆積法を用いると、サブトラクティブ法によるパターンニングに付随した短絡の問題を避けられ、かつ高価な感光層の数も減少する。説明目的で選択された本明細書の実施例に対して、様々な修正及び変形が当業者には容易に生じるであろう。そのような変形及び修正は、本発明の精神から逸脱しない程度に、以下の請求項の公正な説明によってのみ評価されるその範囲内に含まれるものとする。

本発明に従い、ダマシン法による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、ダマシン法による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、ダマシン法による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、ダマシン法による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、ダマシン法による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、自己整合による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、自己整合による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、自己整合による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、自己整合による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。 本発明に従い、自己整合による伝導ビット線を持つ磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を製作する方法の各工程を説明する簡略化された断面図。

Claims (12)

1. 磁気抵抗メモリ装置に用いる被覆部位を製作する方法において、
   伝導性材料によって形成され磁気抵抗メモリ装置に近接して位置する伝導線を設ける工程と、
   前記伝導性配線上に第１のバリア層を形成するために第１の電気化学的堆積浴を用いる工程と、
   前記第１のバリア層上に磁束集中層を形成するために第２の電気化学的堆積浴を用いる工程とを備える方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記磁束集中層上に第２のバリア層を形成するために第３の電気化学的堆積浴を用いる工程を更に有する方法。
3. 請求項１に記載の方法において、前記第１の電気化学的堆積法を用いる工程および前記第２の電気化学的堆積方を用いる工程のそれぞれは、浸漬および無電解めっきの一方を用いる工程を有する方法。
4. 請求項１に記載の方法において、前記第１の電気化学的堆積法を用いる工程に置換めっきを用いる工程を有する方法。
5. 請求項１に記載の方法において、前記第１のバリア層を形成するために前記第１の電気化学的堆積浴を用いる工程は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、レニウム、イリジウムおよび前記伝導線に含有される前記伝導性材料よりも貴である他の好適な材料のうちの１つを含有する第１の浸漬浴を用いる工程を有する方法。
6. 請求項１に記載の方法において、前記磁束集中層を形成するために前記第２の電気化学的堆積浴を用いる工程は、無電解めっき浴にＮｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｐ、Ｃｏ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｆｅ／Ｃｏ／Ｐ、Ｎｉ／Ｆｅ／Ｂ／Ｐのうちの１つを含有する前記無電解めっき浴を用いる工程を有する方法。
7. 請求項２に記載の方法において、前記第２の外部のバリア層を形成するために前記第３の電気化学的堆積浴に用いる工程は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、レニウム、イリジウムおよび前記磁束集中層よりも貴である他の好適な材料のうちの１つを含有する第２の浸漬浴を用いる工程を有する方法。
8. 磁気抵抗メモリ装置に用いる被覆部位を製作する方法において、
   表面を有する磁気抵抗ランダムアクセスメモリを形成する工程と、
   前記磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置を覆う誘電体層を形成する工程と、
   前記磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置に近接して前記誘電体層を貫通するトレンチを形成する工程と、
   前記トレンチ内に被覆材料または被覆材料とバリア材料の組み合わせのうちの１つからなる側壁のスペーサを形成する工程と、
   前記トレンチ内に前記側壁のスペーサを用いて伝導性材料からなる伝導線を該伝導線の上面が露出されるように形成する工程と、
   前記伝導線の前記露出した上面上に第１のバリア層を形成するために、第１の伝導性材料の溶解イオンを含有する第１のイオン浴中に前記伝導線の前記露出した上面を一定時間浸漬する工程と、
   前記第１のバリア層上に磁束集中層を形成するために前記第１のバリア層を一定時間無電解めっき浴に浸漬する工程とを備える方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記磁束集中層上に第２のバリア層を形成するために第２の伝導性物質の溶解イオンを含む第２のイオン浴中に一定時間前記磁束集中層を浸漬する工程を更に有する方法。
10. 請求項８に記載の方法において、前記伝導線の前記露出された表面を前記第１のイオン浴中に浸漬する工程は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、レニウム、イリジウムおよび前記伝導ビット線の前記伝導性材料よりも貴である他の好適な材料のうちの１つを第１の浴に用いる工程を有する方法。
11. 請求項８に記載の方法において、前記無電解めっき浴はＮｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｐ、Ｃｏ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｐ、Ｆｅ／Ｎｉ／Ｂ、Ｎｉ／Ｆｅ／Ｃｏ／ＰおよびＮｉ／Ｆｅ／Ｂ／Ｐのうちの１つを含有する方法。
12. 請求項９に記載の方法において、前記磁束集中層を前記第２のイオン浴に浸漬する工程は、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、レニウム、イリジウムおよび前記磁束集中層に含まれる材料よりも貴である他の好適な材料のうちの１つを含有する第２の浴を用いる工程を有する方法。

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