JP2007165505A - Semiconductor device, and method of manufacturing same - Google Patents

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雅彦 藤澤
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reliable MRAM by solving a trade-off problem between securing the functions of TMR element and the conditions for forming an interlayer insulation film and a Cu interconnection. <P>SOLUTION: The interlayer insulation films 4-6 each consist of an SiOC film having a relative permittivity of 3.0 or below formed by plasma CVD method, and are formed at a temperature of 300°C or higher (not exceeding 450°C or around). The interlayer insulation films 13-15 and 17 each consist of an insulation film having a relative permittivity larger than 3.0, and are formed at a temperature of 300°C or lower (not lower than 200°C or around). <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は半導体装置およびその製造方法に関し、特に、磁気トンネル抵抗素子を個々のメモリセルに使用する不揮発性メモリアレイを有した半導体装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device having a nonvolatile memory array using a magnetic tunnel resistance element for each memory cell and a manufacturing method thereof.

絶縁体を2つの強磁性体で挟んだ構造を磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction:MTJ)と呼称し、少なくとも1つの磁気トンネル接合を有して構成される素子を、磁気トンネル抵抗素子あるいは磁気トンネル接合素子と呼称する。   A structure in which an insulator is sandwiched between two ferromagnets is called a magnetic tunnel junction (MTJ), and an element having at least one magnetic tunnel junction is a magnetic tunnel resistance element or a magnetic tunnel. It is called a junction element.

2つの強磁性体間に電圧を印加した場合、絶縁体をトンネルする電流を測定すると、2つの強磁性体の磁化ベクトル(スピン)の向きによって電流値が異なる現象が観測される。この現象は、絶縁体における磁気トンネル抵抗が変化するために発生し、トンネル磁気抵抗(Tunnel Magnetic Resistance:TMR)効果と呼称される。   When a voltage is applied between two ferromagnets, when a current tunneling through the insulator is measured, a phenomenon is observed in which the current value varies depending on the direction of the magnetization vectors (spin) of the two ferromagnets. This phenomenon occurs because the magnetic tunnel resistance in the insulator changes, and is referred to as a tunnel magnetic resistance (TMR) effect.

2つの強磁性体のうち、一方の磁化ベクトルの方向を固定し、他方の磁化ベクトルの方向を、一方と同じか、正反対の方向に任意に変更可能な構成とすることで、2つの強磁性体の磁化方向を、ビット0あるいはビット1に対応させて、情報を記憶する装置がMRAM(Magnetic Random Access Memory)である。   Of the two ferromagnets, the direction of one magnetization vector is fixed, and the direction of the other magnetization vector can be arbitrarily changed to the same or opposite direction. A device that stores information by correlating the magnetization direction of the body with bit 0 or bit 1 is an MRAM (Magnetic Random Access Memory).

すなわち、2つの強磁性体の磁化方向の2つの組み合わせのうち、抵抗が高い方の組み合わせをビット1、抵抗が低い方の組み合わせをビット0、あるいはこれらの逆に設定することで、ビット情報の記憶が可能となる。   That is, of the two combinations of the magnetization directions of the two ferromagnets, the combination with the higher resistance is set to bit 1, the combination with the lower resistance is set to bit 0, or vice versa. Memory becomes possible.

このような、磁性を利用したMRAMは、フラッシュメモリに続く次世代不揮発メモリとして期待されている。   Such MRAM using magnetism is expected as a next-generation nonvolatile memory following the flash memory.

MRAMの最大の特長は高速な書き込み、読み出し動作が可能という点であり、この特長を生かす応用分野として、自動車用途のマイクロコンピュータにSOC(System on Chip)の形態で搭載することが有望視されている。   The biggest feature of MRAM is that high-speed write and read operations are possible. As an application field that makes use of this feature, it is promising to be mounted in the form of SOC (System on Chip) in microcomputers for automobiles. Yes.

ここで、近年製造されている130nmノード以降のSOCでは、配線抵抗Rと配線容量Cの積(RC)によって決まる配線遅延による性能劣化を防止するため、Cu/Low−k配線構造が適用されている。   Here, in the SOC manufactured after 130 nm node manufactured in recent years, Cu / Low-k wiring structure is applied in order to prevent performance deterioration due to wiring delay determined by the product (RC) of wiring resistance R and wiring capacitance C. Yes.

Cu/Low−k配線構造とは、配線材料としてアルミニウムよりも抵抗率が低い銅を使用することで配線抵抗Rを低減し、層間絶縁膜として誘電率が低い(誘電率3.0以下)「炭素を含むシリコン酸化膜:SiOC」を使用することで配線容量Cを低減した配線構造を指す。   The Cu / Low-k wiring structure reduces the wiring resistance R by using copper having a lower resistivity than aluminum as a wiring material, and has a low dielectric constant as an interlayer insulating film (dielectric constant of 3.0 or less). This refers to a wiring structure in which the wiring capacitance C is reduced by using “silicon oxide film containing carbon: SiOC”.

この配線構造を使用することで、配線遅延が抑制され、デバイスの高速動作が可能となる。   By using this wiring structure, the wiring delay is suppressed and the device can be operated at high speed.

従って、MRAMを搭載したSOCを製造するためには、Cu(銅)/Low−k配線構造とMRAMとを共存させる技術が必要となる。   Therefore, in order to manufacture an SOC on which MRAM is mounted, a technique for coexisting a Cu (copper) / Low-k wiring structure and MRAM is required.

図29に、従来の技術を用いて製造したCu/Low−k配線構造を適用したSOCのMRAM部分の断面図を示す。   FIG. 29 shows a cross-sectional view of the MRAM portion of the SOC to which the Cu / Low-k wiring structure manufactured by using the conventional technique is applied.

図29では、MRAMにおける磁気トンネル抵抗素子(TMR素子)およびその近傍部分だけを示している。   FIG. 29 shows only the magnetic tunnel resistance element (TMR element) and its vicinity in the MRAM.

図29に示すように、層間絶縁膜101上を覆うように絶縁膜104が配設され、絶縁膜104上にストラップ配線106が選択的に配設されている。そして、ストラップ配線106上には平板状のTMR素子107が選択的に配設されている。TMR素子107は、絶縁膜を2枚の強磁性体膜で挟んだ多層構造を有している。   As shown in FIG. 29, an insulating film 104 is disposed so as to cover the interlayer insulating film 101, and a strap wiring 106 is selectively disposed on the insulating film 104. A flat TMR element 107 is selectively disposed on the strap wiring 106. The TMR element 107 has a multilayer structure in which an insulating film is sandwiched between two ferromagnetic films.

TMR素子107の具体的な構成としては、例えば非特許文献1の図1にMTJの断面写真が示され、第1頁から第2頁にかけて、トンネル絶縁膜にはAlOXのようなアルミナ系の絶縁材料を使用し、強磁性体膜にはCoFeを使用することが開示されている。   As a specific configuration of the TMR element 107, for example, a cross-sectional photograph of the MTJ is shown in FIG. 1 of Non-Patent Document 1. From the first page to the second page, the tunnel insulating film has an alumina-based insulation such as AlOX. It is disclosed that a material is used and CoFe is used for the ferromagnetic film.

ストラップ配線106およびTMR素子107は層間絶縁膜105によって覆われ、層間絶縁膜105上にはビット線108が配設され、ビット線108は層間絶縁膜109によって覆われている。そして、TMR素子107は、層間絶縁膜105を貫通してTMR素子107に達するコンタクト部105aを介して、ビット線108に電気的に接続される構成となっている。   The strap wiring 106 and the TMR element 107 are covered with an interlayer insulating film 105, a bit line 108 is disposed on the interlayer insulating film 105, and the bit line 108 is covered with an interlayer insulating film 109. The TMR element 107 is configured to be electrically connected to the bit line 108 through a contact portion 105 a that penetrates the interlayer insulating film 105 and reaches the TMR element 107.

また、層間絶縁膜101の表面内にはTMR素子107の下方に対応する位置に、デジット線102が配設され、デジット線102の近傍にはリード線103が配設されている。   A digit line 102 is disposed in the surface of the interlayer insulating film 101 at a position corresponding to the lower side of the TMR element 107, and a lead wire 103 is disposed in the vicinity of the digit line 102.

そして、リード線103は、絶縁膜104を貫通してリード線103に達するコンタクト部104aを介して、ストラップ配線106に電気的に接続される構成となっている。   The lead wire 103 is configured to be electrically connected to the strap wiring 106 via a contact portion 104 a that penetrates the insulating film 104 and reaches the lead wire 103.

書き込み配線であるビット線108およびデジット線102は、非接触で平面視的に直交するように配設されており、TMR素子107はビット線108およびデジット線102の交差部において、両者に挟まれるように配設されている。   The bit line 108 and the digit line 102 which are write wirings are arranged so as to be orthogonal to each other in a plan view without contact, and the TMR element 107 is sandwiched between the bit line 108 and the digit line 102. It is arranged like this.

リード線103は読み出し配線であり、TMR素子107に流れるトンネル電流は、引き出し配線であるストラップ配線106を介して、リード線103に与えられる。   The lead wire 103 is a read wire, and the tunnel current flowing through the TMR element 107 is given to the lead wire 103 via the strap wire 106 that is a lead wire.

図29に示すA−A線での断面構成を図30に示す。
図30に示すように、ビット線108は複数並列して配設され、また、複数のビット線108に平面視的に直交するように複数のデジット線102が配設されてマトリックスを構成している。
FIG. 30 shows a cross-sectional configuration along the line AA shown in FIG.
As shown in FIG. 30, a plurality of bit lines 108 are arranged in parallel, and a plurality of digit lines 102 are arranged so as to be orthogonal to the plurality of bit lines 108 in a plan view to form a matrix. Yes.

ここで、TMR素子107より下層に配置されるデジット線102およびリード線103、TMR素子107より上層に配置されるビット線108にはCuを材料として用いており、また、これらの配線を覆う層間絶縁膜105および107には、SiOC膜等の比誘電率3.0以下の低誘電率膜(Low−k膜)を材料として使用している。   Here, the digit line 102 and the lead wire 103 disposed below the TMR element 107 and the bit line 108 disposed above the TMR element 107 are made of Cu, and an interlayer covering these wirings. For the insulating films 105 and 107, a low dielectric constant film (Low-k film) having a relative dielectric constant of 3.0 or less such as a SiOC film is used as a material.

非特許文献2には、Cu配線を覆うLow−k膜の層間絶縁膜として、SiOC膜およびSiC膜を使用する構成が開示されている。   Non-Patent Document 2 discloses a configuration in which a SiOC film and a SiC film are used as an interlayer insulating film of a low-k film that covers a Cu wiring.

MRAMを製造する際の課題として、TMR素子の耐熱性という問題がある。すなわち、TMR素子に使用される強磁性体膜は、300〜350℃よりも高温の熱処理を加えると、磁性の元となるスピンの規則的な配列が乱され、TMR素子としての機能を果たせなくなる。   As a problem when manufacturing the MRAM, there is a problem of heat resistance of the TMR element. That is, when a ferromagnetic film used for a TMR element is subjected to a heat treatment at a temperature higher than 300 to 350 ° C., the regular arrangement of spins as a source of magnetism is disturbed, and the function as a TMR element cannot be performed. .

具体的には、2枚の強磁性体膜のうち、磁化ベクトルの方向を固定しておくべき強磁性体膜、すなわちピン層の磁気特性が劣化あるいは消滅することになる。   Specifically, among the two ferromagnetic films, the magnetic characteristic of the ferromagnetic film whose magnetization vector should be fixed, that is, the pinned layer is deteriorated or disappears.

従って、TMR素子を形成した後の製造工程においては、熱処理工程を300℃以下にする必要がある。   Therefore, in the manufacturing process after forming the TMR element, it is necessary to set the heat treatment process to 300 ° C. or lower.

しかし、以下の2つの理由から、TMR素子を形成した後の熱処理工程を300℃以下で済ますことは困難とされている。   However, for the following two reasons, it is difficult to perform the heat treatment step after forming the TMR element at 300 ° C. or less.

まず、第1の理由として、図29に示したようにTMR素子の形成後にも低誘電率の層間絶縁膜を形成する工程が必要であることが挙げられる。   First, as a first reason, as shown in FIG. 29, a step of forming a low dielectric constant interlayer insulating film is necessary even after the formation of the TMR element.

すなわち、低誘電率の層間絶縁膜の形成においては、代表的な形成方法として、塗布法とプラズマCVD法とがある。   That is, in the formation of a low dielectric constant interlayer insulating film, there are a coating method and a plasma CVD method as typical forming methods.

前者は、溶剤に溶かした絶縁膜材料を半導体基板上に塗布した後、焼成を行う。ここで、安定的な膜質の絶縁膜を得るためキーポイントは、溶剤中の材料を架橋反応させて網目状の分子構造の絶縁膜を形成するための焼成工程であり、安定的な分子構造を得るためには、最低でも350℃以上、望ましくは400℃以上での熱処理が不可避である。   In the former, an insulating film material dissolved in a solvent is applied onto a semiconductor substrate and then baked. Here, the key point for obtaining an insulating film having a stable film quality is a baking process for forming an insulating film having a network structure by cross-linking the materials in the solvent. In order to obtain it, heat treatment at 350 ° C. or higher, preferably 400 ° C. or higher is inevitable.

一方、後者のプラズマCVD法はプラズマによって材料ガス分子の分解および合成反応をアシストするため、低温化の可能性を持つ。しかし、3.0以下の比誘電率と、製造工程に耐えるための強度とを確保するには、成膜温度を300℃以下とすることはきわめて困難である。   On the other hand, the latter plasma CVD method assists the decomposition and synthesis reaction of the material gas molecules by the plasma, and thus has a possibility of lowering the temperature. However, in order to ensure a relative dielectric constant of 3.0 or less and strength to withstand the manufacturing process, it is extremely difficult to set the film formation temperature to 300 ° C. or less.

以上のように、低誘電率の層間絶縁膜の形成において、熱処理工程を300℃以下とすることは非常に難しいと言える。   As described above, it can be said that it is very difficult to set the heat treatment step to 300 ° C. or lower in the formation of the low dielectric constant interlayer insulating film.

次に、第2の理由として、Cu配線形成のためのCu膜形成後には、300℃以上の熱処理を加える工程が必要であることが挙げられる。   Next, as a second reason, after the formation of the Cu film for forming the Cu wiring, a step of applying a heat treatment at 300 ° C. or higher is necessary.

すなわち、Cu配線の信頼性上の課題として、膜中ストレスに起因して発生するビアホール部分でのボイド(SIV:Stress-Induced Voiding)の問題がある。   That is, as a problem in reliability of the Cu wiring, there is a problem of a void (SIV: Stress-Induced Voiding) in a via hole portion generated due to stress in the film.

ここで、SIVとは、製造工程完了後の温度変化に伴う膜中ストレスによって、配線、または配線間を接続する接続孔(ビアホール)にボイドが発生し、配線抵抗の上昇や断線が発生する現象であるが、この故障モードに対しては、配線を形成するためのCu膜を形成した後に、所定の熱処理を加えることで、SIV耐性を高める手法が採られている。そして、この熱処理においては300℃以上の熱処理が有効とされている。   Here, SIV is a phenomenon in which voids are generated in wirings or connection holes (via holes) connecting the wirings due to stress in the film accompanying a temperature change after the manufacturing process is completed, resulting in an increase in wiring resistance or disconnection. However, for this failure mode, a technique of increasing the SIV resistance by applying a predetermined heat treatment after forming a Cu film for forming a wiring is employed. In this heat treatment, heat treatment at 300 ° C. or higher is effective.

S. Ueno et al.,“A 0.13μm MRAM with 0.26x0.44μm2 MTJ optimized on Universal MR-RA relation for 1.2V high-speed operation beyond 143MHz ”,“Technology Digest of International Electron Devices Meeting 2004,pp.579-582”S. Ueno et al., “A 0.13μm MRAM with 0.26x0.44μm2 MTJ optimized on Universal MR-RA relation for 1.2V high-speed operation beyond 143MHz”, “Technology Digest of International Electron Devices Meeting 2004, pp.579- 582 ” M.Matsuura et al.,“Robust Low-k SiOC Integraion in Cu Damascene Interconnect for 90nm Node SoC Technology”,“Proceedings of Advanced Metallization Conference 2002,pp.493-499”M. Matsuura et al., “Robust Low-k SiOC Integration in Cu Damascene Interconnect for 90nm Node SoC Technology”, “Proceedings of Advanced Metallization Conference 2002, pp.493-499”

以上説明したように、TMR素子の形成後にも低誘電率の層間絶縁膜を形成する工程が必要であり、所定の比誘電率や膜質を得るためには熱処理工程を300℃以下とすることが難しい。また、信頼性の高いCu配線を得るためには、Cu膜形成後に300℃以上の熱処理を加える工程が有効であるが、TMR素子は、300〜350℃よりも高温の熱処理を加えることでTMR素子としての機能を果たせなくなるので、TMR素子の機能確保と、層間絶縁膜およびCu配線の形成条件との間には解決し難いトレードオフ関係があった。   As described above, a process for forming an interlayer insulating film having a low dielectric constant is necessary even after the formation of the TMR element. In order to obtain a predetermined relative dielectric constant and film quality, the heat treatment process should be 300 ° C. or lower. difficult. In order to obtain a highly reliable Cu wiring, a process of applying a heat treatment of 300 ° C. or higher after the Cu film is formed is effective. However, a TMR element can be obtained by applying a heat treatment at a temperature higher than 300 to 350 ° C. Since the function as an element cannot be achieved, there is a trade-off relationship that is difficult to solve between ensuring the function of the TMR element and the conditions for forming the interlayer insulating film and the Cu wiring.

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、TMR素子の機能確保と、層間絶縁膜およびCu配線の形成条件との間のトレードオフ関係を解決して、信頼性の高いMRAMを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and solves the trade-off relationship between ensuring the function of the TMR element and the formation conditions of the interlayer insulating film and the Cu wiring, thereby improving reliability. An object is to provide a high MRAM.

本発明に係る請求項1記載の半導体装置は、半導体基板上に多層に配設された複数の配線層と、前記複数の配線層間にそれぞれ配設された複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜のうちの1層をなす第1の層間絶縁膜中に配設された、磁気トンネル接合を含む磁気トンネル抵抗素子とを備え、前記第1の層間絶縁膜よりも下層に配設された少なくとも1層の第2の層間絶縁膜が、比誘電率3.0以下の絶縁膜で構成され、前記第1の層間絶縁膜、該第1の層間絶縁膜上に配設された第3の層間絶縁膜が、比誘電率3.0よりも大きな絶縁膜で構成される。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a plurality of wiring layers arranged in multiple layers on a semiconductor substrate; a plurality of interlayer insulating films respectively arranged between the plurality of wiring layers; A magnetic tunnel resistance element including a magnetic tunnel junction disposed in a first interlayer insulating film forming one layer of the interlayer insulating films, and disposed below the first interlayer insulating film. In addition, at least one second interlayer insulating film is formed of an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less, and the first interlayer insulating film and a third layer disposed on the first interlayer insulating film. The interlayer insulating film is made of an insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.0.

本発明に係る請求項6記載の半導体装置は、半導体基板上に多層に配設された複数の配線層と、前記複数の配線層間にそれぞれ配設された複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜のうちの1層をなす第1の層間絶縁膜中に配設された、磁気トンネル接合を含む磁気トンネル抵抗素子と、を備えた半導体装置の製造方法であって、前記半導体基板の上方に、前記第1の層間絶縁膜の下層膜となる第2の層間絶縁膜を形成する工程(a)と、前記第2の層間絶縁膜の表面内に、第1の銅配線層を形成する工程(b)と、前記第2の層間絶縁膜上に銅の拡散を防止する第1の絶縁膜を形成する工程(c)と、前記第1の絶縁膜上に選択的に導体層を形成した後、該導体層上に前記磁気トンネル抵抗素子を形成する工程(d)と、前記導体層および前記磁気トンネル抵抗素子を覆うように、前記第1の絶縁膜上に前記第1の層間絶縁膜を形成する工程(e)と、前記第1の層間絶縁膜上に第3の層間絶縁膜を形成する工程(f)と、前記第3の層間絶縁膜の表面内に、第2の銅配線層を形成する工程(g)とを備え、前記工程(a)は、比誘電率3.0以下の絶縁膜で前記第2の層間絶縁膜を形成する工程を含み、前記工程(e)は、比誘電率3.0よりも大きな絶縁膜で前記第1の層間絶縁膜を形成する工程を含み、前記工程(f)は、比誘電率3.0よりも大きな絶縁膜で前記第3の層間絶縁膜を形成する工程を含む。   According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a plurality of wiring layers disposed in multiple layers on a semiconductor substrate; a plurality of interlayer insulating films respectively disposed between the plurality of wiring layers; A method of manufacturing a semiconductor device, comprising: a magnetic tunnel resistance element including a magnetic tunnel junction, disposed in a first interlayer insulating film forming one layer of the interlayer insulating films, A step (a) of forming a second interlayer insulating film to be a lower layer film of the first interlayer insulating film, and forming a first copper wiring layer in the surface of the second interlayer insulating film; A step (b), a step (c) of forming a first insulating film for preventing diffusion of copper on the second interlayer insulating film, and a conductive layer selectively on the first insulating film. (D) forming the magnetic tunnel resistance element on the conductor layer after forming, the conductor layer and the magnetic layer Forming a first interlayer insulating film on the first insulating film so as to cover the tunnel resistance element; and forming a third interlayer insulating film on the first interlayer insulating film. A step (f) and a step (g) of forming a second copper wiring layer in the surface of the third interlayer insulating film, wherein the step (a) has a relative dielectric constant of 3.0 or less. A step of forming the second interlayer insulating film with an insulating film, and the step (e) includes a step of forming the first interlayer insulating film with an insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.0. The step (f) includes a step of forming the third interlayer insulating film with an insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.0.

本発明に係る請求項1記載の半導体装置によれば、第1の層間絶縁膜よりも下層に配設された少なくとも1層の第2の層間絶縁膜が、比誘電率3.0以下の絶縁膜で構成されるので、配線容量Cを小さくすることが可能となり、配線抵抗Rと配線容量Cの積(RC)によって決まる配線遅延を抑制できる。また、第1の層間絶縁膜、該第1の層間絶縁膜上に配設された第3の層間絶縁膜が、比誘電率3.0よりも大きな絶縁膜で構成されるので、第1および第3の層間絶縁膜の形成に際しては300℃以下の温度で形成した場合でも所定の比誘電率や膜質を得ることができる。この結果、磁気トンネル抵抗素子に加わる温度履歴を300℃以下とすることができ、磁気トンネル抵抗素子の機能確保と、層間絶縁膜の形成条件との間のトレードオフ関係を解決できる。   According to the semiconductor device of the first aspect of the present invention, at least one second interlayer insulating film disposed below the first interlayer insulating film is an insulating material having a relative dielectric constant of 3.0 or less. Since it is composed of a film, it is possible to reduce the wiring capacitance C and to suppress the wiring delay determined by the product (RC) of the wiring resistance R and the wiring capacitance C. In addition, since the first interlayer insulating film and the third interlayer insulating film disposed on the first interlayer insulating film are composed of insulating films having a relative dielectric constant of 3.0, the first and When the third interlayer insulating film is formed, a predetermined relative dielectric constant and film quality can be obtained even when formed at a temperature of 300 ° C. or lower. As a result, the temperature history applied to the magnetic tunnel resistance element can be made 300 ° C. or less, and the trade-off relationship between ensuring the function of the magnetic tunnel resistance element and the formation conditions of the interlayer insulating film can be solved.

本発明に係る請求項6記載の半導体装置の製造方法によれば、磁気トンネル抵抗素子に加わる温度履歴を300℃以下とすることができ、磁気トンネル抵抗素子の機能確保と、層間絶縁膜の形成条件との間のトレードオフ関係を解決した半導体装置を得ることができる。   According to the method of manufacturing a semiconductor device according to the sixth aspect of the present invention, the temperature history applied to the magnetic tunnel resistance element can be set to 300 ° C. or less, the function of the magnetic tunnel resistance element is ensured, and the interlayer insulating film is formed. A semiconductor device in which the trade-off relationship between the conditions is solved can be obtained.

<実施の形態>
<A.製造方法>
まず、本発明に係る実施の形態のMRAM(Magnetic Random Access Memory)の製造方法について、図1〜図24を用いて説明する。
<Embodiment>
<A. Manufacturing method>
First, a method for manufacturing an MRAM (Magnetic Random Access Memory) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1〜図24は、本実施の形態のMRAMの製造方法を工程順に説明する断面図であり、最終工程を説明する図24において本発明に係るMRAM100を示している。なお、図1〜図24においては、メモリセル部およびロジック回路部をそれぞれ部分的に示している。   1 to 24 are cross-sectional views for explaining the MRAM manufacturing method of the present embodiment in the order of steps, and FIG. 24 for explaining the final step shows the MRAM 100 according to the present invention. 1 to 24 partially show the memory cell portion and the logic circuit portion.

まず、図1に示す工程において、シリコン基板等の半導体基板1を準備し、半導体基板1上のメモリセル部およびロジック回路部に対応する領域に半導体集積回路を形成する。   First, in a step shown in FIG. 1, a semiconductor substrate 1 such as a silicon substrate is prepared, and a semiconductor integrated circuit is formed in a region corresponding to the memory cell portion and the logic circuit portion on the semiconductor substrate 1.

図1では、半導体集積回路を構成する半導体素子の一例として、メモリセル部およびロジック回路部に、それぞれMOSトランジスタ2および3を示している。   In FIG. 1, MOS transistors 2 and 3 are shown in a memory cell portion and a logic circuit portion, respectively, as an example of a semiconductor element constituting a semiconductor integrated circuit.

MOSトランジスタ2は、半導体基板1上にゲート絶縁膜21を介して配設されたゲート電極22と、ゲート電極22の側面に配設されたサイドウォール絶縁膜23と、ゲート電極22のゲート長方向の両側面外方の半導体基板1の表面内にそれぞれ配設されたソース・ドレイン層24とを有して構成されている。   The MOS transistor 2 includes a gate electrode 22 disposed on the semiconductor substrate 1 via a gate insulating film 21, a sidewall insulating film 23 disposed on a side surface of the gate electrode 22, and a gate length direction of the gate electrode 22. The source / drain layers 24 are respectively disposed in the surface of the semiconductor substrate 1 outside the both side surfaces.

また、MOSトランジスタ3は、半導体基板1上にゲート絶縁膜31を介して配設されたゲート電極32と、ゲート電極32の側面に配設されたサイドウォール絶縁膜33と、ゲート電極32のゲート長方向の両側面外方の半導体基板1の表面内にそれぞれ配設されたソース・ドレイン層34とを有して構成されている。   The MOS transistor 3 includes a gate electrode 32 disposed on the semiconductor substrate 1 via a gate insulating film 31, a sidewall insulating film 33 disposed on a side surface of the gate electrode 32, and a gate of the gate electrode 32. A source / drain layer 34 is provided in the surface of the semiconductor substrate 1 outside both side surfaces in the longitudinal direction.

なお、MOSトランジスタ2および3等の半導体素子は周知の技術により形成するので、製造方法の説明は省略する。   Since semiconductor elements such as MOS transistors 2 and 3 are formed by a well-known technique, description of the manufacturing method is omitted.

次に、半導体基板1上全面に、例えばプラズマCVD法で形成された比誘電率3.0以下のSiOC膜を形成して層間絶縁膜4(第2の層間絶縁膜)を設ける。なお、層間絶縁膜4はSiOC膜に限定されるものではなく、比誘電率3.0以下の絶縁膜(下限は1.5程度)であれば良い。また、ここで、ゲート電極32の段差に起因する埋め込み不良を改善する場合には、TEOS(tetra ethyl orthosilicate)膜などの埋め込み特性の良好なシリコン酸化膜(SiO2膜)を用いても良い。   Next, an interlayer insulating film 4 (second interlayer insulating film) is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 1 by forming a SiOC film having a relative dielectric constant of 3.0 or less formed by, for example, plasma CVD. The interlayer insulating film 4 is not limited to the SiOC film, and may be an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less (the lower limit is about 1.5). Here, in order to improve the filling failure caused by the step of the gate electrode 32, a silicon oxide film (SiO 2 film) having good filling characteristics such as a TEOS (tetraethyl orthosilicate) film may be used.

そして、メモリセル部においては層間絶縁膜4を貫通して、MOSトランジスタ2のソース・ドレイン層24に達するホール4bを設け、また、ロジック回路部においては層間絶縁膜4を貫通して、MOSトランジスタ3のソース・ドレイン層34に達するホール4bを設ける。   In the memory cell portion, holes 4b reaching the source / drain layers 24 of the MOS transistor 2 through the interlayer insulating film 4 are provided, and in the logic circuit portion, the interlayer insulating film 4 is penetrated to form the MOS transistor. Hole 4b reaching the source / drain layer 34 is provided.

その後、図2に示す工程において、スパッタリング法により層間絶縁膜4の全面を覆うとともにホール4bの内面を覆うようにTiN(窒化チタン)膜あるいはTi(チタン)膜を形成し、ホール4bの内面にバリアメタル層BMを設け、続いて、ホール4b内にCVD法によりタングステン(W)を充填してコンタクト部4aを形成する。   Thereafter, in the step shown in FIG. 2, a TiN (titanium nitride) film or a Ti (titanium) film is formed so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 4 and the inner surface of the hole 4b by sputtering, and is formed on the inner surface of the hole 4b. A barrier metal layer BM is provided, and subsequently, the contact 4a is formed by filling the hole 4b with tungsten (W) by CVD.

次に、図3に示す工程において、層間絶縁膜4上全面に、例えばプラズマCVD法により比誘電率3.0以下のSiOC膜を形成して層間絶縁膜5(第2の層間絶縁膜)を設ける。なお、層間絶縁膜5はSiOC膜に限定されるものではなく、比誘電率3.0以下の絶縁膜(下限は1.5程度)であれば良い。   Next, in the step shown in FIG. 3, an SiOC film having a relative dielectric constant of 3.0 or less is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 4 by, eg, plasma CVD to form an interlayer insulating film 5 (second interlayer insulating film). Provide. The interlayer insulating film 5 is not limited to the SiOC film, and may be an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less (the lower limit is about 1.5).

そして、メモリセル部およびロジック回路部において、写真製版およびエッチングを用いて、層間絶縁膜5を貫通して、それぞれのコンタクト部4aに達する配線溝5bをパターニングする。   Then, in the memory cell portion and the logic circuit portion, the wiring trenches 5b that penetrate through the interlayer insulating film 5 and reach the respective contact portions 4a are patterned using photolithography and etching.

その後、図4に示す工程において、スパッタリング法により層間絶縁膜5の全面を覆うとともに配線溝5bの内面を覆うようにTaN(窒化タンタル)膜あるいはTa(タンタル)膜を形成し、配線溝5bの内面にバリアメタル層BM1を設け、続いて、配線溝5b内にCVD法あるいはメッキ法によりCu膜を充填して配線層5a(第1の銅配線層)を形成する。なお、Cu膜の形成後は、300℃以上(上限は450℃程度)の熱処理を加える。   Thereafter, in the step shown in FIG. 4, a TaN (tantalum nitride) film or a Ta (tantalum) film is formed by sputtering to cover the entire surface of the interlayer insulating film 5 and the inner surface of the wiring groove 5b. A barrier metal layer BM1 is provided on the inner surface, and then a wiring layer 5a (first copper wiring layer) is formed by filling the wiring groove 5b with a Cu film by CVD or plating. Note that after the formation of the Cu film, heat treatment at 300 ° C. or higher (upper limit is about 450 ° C.) is applied.

次に、図5に示す工程において、層間絶縁膜5の主面全面を覆うように例えばプラズマCVD法によりSiN膜等の絶縁膜を形成して、Cuの拡散を防止する拡散防止絶縁膜PD1(第1の絶縁膜)を形成する。なお、拡散防止絶縁膜PD1は、SiN膜に限定されるものではなく、上部に形成される層間絶縁膜とのエッチング選択性が得られる絶縁膜であれば良く、SiC膜あるいはSiCN膜で構成しても良い。   Next, in the step shown in FIG. 5, an insulating film such as a SiN film is formed by, for example, plasma CVD so as to cover the entire main surface of the interlayer insulating film 5 to prevent diffusion of Cu. A first insulating film) is formed. The diffusion preventing insulating film PD1 is not limited to the SiN film, and may be any insulating film that can provide etching selectivity with respect to the interlayer insulating film formed on the upper part. The diffusion preventing insulating film PD1 is composed of a SiC film or a SiCN film. May be.

その後、拡散防止絶縁膜PD1上全面に、例えばプラズマCVD法によりSiOC膜を形成して層間絶縁膜6(第2の層間絶縁膜)を設ける。   Thereafter, an interlayer insulating film 6 (second interlayer insulating film) is formed on the entire surface of the diffusion preventing insulating film PD1 by, for example, forming a SiOC film by a plasma CVD method.

そして、層間絶縁膜6上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて層間絶縁膜6をエッチングし、メモリセル部およびロジック回路部において、層間絶縁膜6を貫通するホール6bを設ける。なお、ホール6bは配線層5aの上部に対応する位置に設ける。   Then, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 6 through a photolithography process, the interlayer insulating film 6 is etched using the resist mask, and the interlayer insulating film is formed in the memory cell portion and the logic circuit portion. A hole 6 b penetrating through 6 is provided. The hole 6b is provided at a position corresponding to the upper part of the wiring layer 5a.

次に、層間絶縁膜6上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて、層間絶縁膜6をエッチングし、メモリセル部およびロジック回路部において、それぞれホール6bに連通する配線溝7bをパターニングする。   Next, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 6 through a photoengraving process, and the interlayer insulating film 6 is etched using the resist mask. In the memory cell portion and the logic circuit portion, respectively. The wiring groove 7b communicating with the hole 6b is patterned.

次に、SiN膜をエッチングする条件で、ホール6bの底部に露出する拡散防止絶縁膜PD1を除去し、ホール6bが配線層5aに達するようにする。   Next, under the conditions for etching the SiN film, the diffusion preventing insulating film PD1 exposed at the bottom of the hole 6b is removed so that the hole 6b reaches the wiring layer 5a.

その後、スパッタリング法により層間絶縁膜6の全面を覆うとともに配線溝7bおよびホール6bの内面を覆うようにTaN膜あるいはTa膜を形成する。   Thereafter, a TaN film or a Ta film is formed by sputtering so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 6 and to cover the inner surfaces of the wiring grooves 7b and the holes 6b.

続いて、層間絶縁膜6の全面を覆うようにCVD法あるいはメッキ法によりCu膜を形成することで、配線溝7bおよびホール6b内にCu膜を充填する。なお、Cu膜の形成後は、300℃〜450℃の熱処理を加える。   Subsequently, a Cu film is formed by CVD or plating so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 6, thereby filling the wiring trench 7b and the hole 6b with the Cu film. In addition, after formation of Cu film | membrane, the heat processing of 300 to 450 degreeC is added.

その後、層間絶縁膜6上の不要なCu膜およびTaN膜あるいはTa膜を、CMP(Chemical Mechanical Polish)法等を用いて除去して、図6に示すようなバリアメタル層BM1、配線層7a(第1の銅配線層)およびコンタクト部6aを得る。   Thereafter, unnecessary Cu film and TaN film or Ta film on the interlayer insulating film 6 are removed by using a CMP (Chemical Mechanical Polish) method or the like, and a barrier metal layer BM1 and a wiring layer 7a (as shown in FIG. A first copper wiring layer) and a contact portion 6a are obtained.

次に、図7に示す工程において、層間絶縁膜6の主面全面を覆うように例えばプラズマCVD法によりSiN膜等の絶縁膜を形成して、Cuの拡散を防止する拡散防止絶縁膜PD1を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 7, an insulating film such as a SiN film is formed by plasma CVD, for example, so as to cover the entire main surface of the interlayer insulating film 6, and a diffusion preventing insulating film PD1 for preventing the diffusion of Cu is formed. Form.

その後、拡散防止絶縁膜PD1上全面に、例えばプラズマCVD法によりSiOC膜を形成して層間絶縁膜7(第2の層間絶縁膜)を設ける。   Thereafter, an interlayer insulating film 7 (second interlayer insulating film) is formed on the entire surface of the diffusion preventing insulating film PD1 by, for example, forming a SiOC film by a plasma CVD method.

そして、層間絶縁膜7上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて層間絶縁膜7をエッチングし、メモリセル部およびロジック回路部において、層間絶縁膜7を貫通するホール8bを設ける。なお、ホール8bは配線層7aの上部に対応する位置に設ける。   Then, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 7 through a photolithography process, the interlayer insulating film 7 is etched using the resist mask, and the interlayer insulating film is formed in the memory cell portion and the logic circuit portion. 7 is provided. The hole 8b is provided at a position corresponding to the upper part of the wiring layer 7a.

次に、層間絶縁膜7上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて、層間絶縁膜7をエッチングし、メモリセル部およびロジック回路部において、それぞれ複数の配線溝9bをパターニングする。なお、複数の配線溝9bのうち少なくとも1つは、ホール8bに連通するように配設する。   Next, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 7 through a photoengraving process, and the interlayer insulating film 7 is etched using the resist mask. In the memory cell portion and the logic circuit portion, respectively. A plurality of wiring grooves 9b are patterned. Note that at least one of the plurality of wiring grooves 9b is arranged to communicate with the hole 8b.

次に、SiN膜をエッチングする条件で、ホール8bの底部に露出する拡散防止絶縁膜PD1を除去し、ホール8bが配線層7aに達するようにする。   Next, under the conditions for etching the SiN film, the diffusion preventing insulating film PD1 exposed at the bottom of the hole 8b is removed so that the hole 8b reaches the wiring layer 7a.

その後、図8に示す工程において、スパッタリング法により層間絶縁膜7の全面を覆うとともに配線溝9bおよびホール8bの内面を覆うようにTaN膜あるいはTa膜を形成し、配線溝9bおよびホール8bの内面にバリアメタル層BM1を設ける。   Thereafter, in the step shown in FIG. 8, a TaN film or a Ta film is formed so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 7 and cover the inner surfaces of the wiring grooves 9b and the holes 8b by sputtering, and the inner surfaces of the wiring grooves 9b and the holes 8b. A barrier metal layer BM1 is provided.

続いて、層間絶縁膜7の全面を覆うようにCVD法あるいはメッキ法によりCu膜MLを形成することで、配線溝9bおよびホール8b内にCu膜MLを充填する。なお、Cu膜MLの形成後は、300℃〜450℃の熱処理を加える。   Subsequently, a Cu film ML is formed by a CVD method or a plating method so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 7, thereby filling the wiring groove 9b and the hole 8b with the Cu film ML. Note that after the formation of the Cu film ML, a heat treatment at 300 ° C. to 450 ° C. is performed.

その後、層間絶縁膜7上の不要なCu膜MLおよびバリアメタル層BM1を、CMP(Chemical Mechanical Polish)法等を用いて除去して、図9に示すような配線層9a(第1の銅配線層)およびコンタクト部8aを得る。   Thereafter, unnecessary Cu film ML and barrier metal layer BM1 on interlayer insulating film 7 are removed by using a CMP (Chemical Mechanical Polish) method or the like, and wiring layer 9a (first copper wiring) as shown in FIG. Layer) and contact portion 8a.

続いて、層間絶縁膜7の主面全面を覆うように例えばプラズマCVD法によりSiN膜等の絶縁膜を形成して、Cuの拡散を防止する拡散防止絶縁膜PD1を形成する。   Subsequently, an insulating film such as a SiN film is formed by, for example, a plasma CVD method so as to cover the entire main surface of the interlayer insulating film 7, thereby forming a diffusion preventing insulating film PD1 for preventing diffusion of Cu.

次に、図10に示す工程において、拡散防止絶縁膜PD1上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて、メモリセル部のコンタクト部8aに連通する配線層9a上に位置する拡散防止絶縁膜PD1をエッチングし、配線層9aに達する開口部OP1を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 10, a resist mask (not shown) is patterned on the diffusion prevention insulating film PD1 through a photolithography process, and communicated with the contact portion 8a of the memory cell portion using the resist mask. The diffusion preventing insulating film PD1 located on the wiring layer 9a is etched to form an opening OP1 reaching the wiring layer 9a.

その後、拡散防止絶縁膜PD1上全面を覆うように、例えば熱CVD法によりW(タングステン)膜等の金属膜を形成することで、開口部OP1内に金属膜を充填し、コンタクト部10aを形成する。なお、拡散防止絶縁膜PD1上の不要な金属膜は、CMP法等を用いて除去する。   Thereafter, a metal film such as a W (tungsten) film is formed by, eg, thermal CVD so as to cover the entire surface of the diffusion prevention insulating film PD1, thereby filling the opening OP1 with the metal film and forming the contact portion 10a. To do. The unnecessary metal film on the diffusion preventing insulating film PD1 is removed by using a CMP method or the like.

ここで、コンタクト部10aに充填される金属膜としては、Ta膜やCu膜、あるいはTa膜、Cu膜およびW膜のうち、少なくとも2種類の膜で構成される多層膜であっても良い。なお、Ta膜の形成にはスパッタリング法を使用し、Cu膜の形成にはメッキ法を使用すれば良い。   Here, the metal film filled in the contact portion 10a may be a Ta film, a Cu film, or a multilayer film composed of at least two kinds of films among the Ta film, the Cu film, and the W film. A sputtering method may be used for forming the Ta film, and a plating method may be used for forming the Cu film.

次に、図11に示す工程において、拡散防止絶縁膜PD1上の全面に、例えばスパッタリング法によりTa膜あるいはTiN膜等の金属膜ML1を形成する。そして、さらにその上に、トンネル絶縁膜を2枚の強磁性体膜で挟んだ積層膜を少なくとも含んで構成される多層構造の複合膜SL1を形成する。   Next, in the step shown in FIG. 11, a metal film ML1 such as a Ta film or a TiN film is formed on the entire surface of the diffusion prevention insulating film PD1 by, for example, a sputtering method. Further, a composite film SL1 having a multilayer structure including at least a laminated film in which a tunnel insulating film is sandwiched between two ferromagnetic films is formed thereon.

なお、2枚の強磁性体膜のうち、磁化ベクトルの方向を固定しておくべき強磁性体膜(ピン層)は、例えばCoFe合金で構成し、磁化ベクトルの方向を変化させる強磁性体膜(フリー層)は、例えばNiFe合金で構成し、トンネル絶縁膜はAl2O3で構成することができる。   Of the two ferromagnetic films, the ferromagnetic film (pinned layer) whose magnetization vector direction should be fixed is made of, for example, a CoFe alloy and changes the magnetization vector direction. The (free layer) can be made of, for example, a NiFe alloy, and the tunnel insulating film can be made of Al 2 O 3.

なお、複合膜SL1は磁気トンネル接合を形成するための膜であり、上述した構成に限定されるものではなく、また、特に新規な組成のものを使用する必要はなく、周知の組成の膜を採用すれば良い。   Note that the composite film SL1 is a film for forming a magnetic tunnel junction, and is not limited to the above-described configuration. In addition, it is not necessary to use a film having a new composition, and a film having a known composition is used. Adopt it.

次に、図12に示す工程において、金属膜ML1および複合膜SL1を写真製版工程およびエッチング工程を経て所望の形状に加工し、メモリセル部の拡散防止絶縁膜PD1上にストラップ配線11が選択的に配設され、ストラップ配線11上にTMR素子12が選択的に配設された構成を得る。なお、ロジック回路部においては金属膜ML1および複合膜SL1が残らないように除去される。   Next, in the process shown in FIG. 12, the metal film ML1 and the composite film SL1 are processed into a desired shape through a photolithography process and an etching process, and the strap wiring 11 is selectively formed on the diffusion prevention insulating film PD1 in the memory cell portion. The TMR element 12 is selectively disposed on the strap wiring 11. In the logic circuit portion, the metal film ML1 and the composite film SL1 are removed so as not to remain.

ストラップ配線11は、拡散防止絶縁膜PD1を貫通するコンタクト部10a上を覆うように延在し、ストラップ配線11はコンタクト部10aを介して配線層9aに電気的に接続されることになる。   The strap wiring 11 extends so as to cover the contact portion 10a penetrating the diffusion preventing insulating film PD1, and the strap wiring 11 is electrically connected to the wiring layer 9a through the contact portion 10a.

ここで、ストラップ配線11と電気的に接続される配線層9aは、TMR素子12に流れるトンネル電流を読み出すリード線であり、TMR素子12に流れるトンネル電流は、引き出し配線であるストラップ配線11を介してリード線に与えられる。   Here, the wiring layer 9a electrically connected to the strap wiring 11 is a lead wire for reading a tunnel current flowing through the TMR element 12, and the tunnel current flowing through the TMR element 12 is passed through the strap wiring 11 which is a lead wiring. Given to the lead wire.

なお、リード線を構成する配線層9aはパッド状の形状を有し、また、その下方に存在する配線層7aおよび5aもパッド状の形状を有している。   The wiring layer 9a constituting the lead wire has a pad shape, and the wiring layers 7a and 5a existing below the wiring layer 9a also have a pad shape.

また、層間絶縁膜7の表面内のTMR素子12の下方に対応する位置に存在する配線層9aは、流れる電流によって磁場を発生させて、TMR素子12にデータを書き込む書き込み配線(デジット線)であり、図面に対して垂直な方向に延在している。   The wiring layer 9a existing at a position below the TMR element 12 in the surface of the interlayer insulating film 7 is a write wiring (digit line) for generating data in the TMR element 12 by generating a magnetic field by the flowing current. Yes, extending in a direction perpendicular to the drawing.

次に、図13に示す工程において、拡散防止絶縁膜PD1上全面に、例えばプラズマCVD法によりSiO膜を形成して層間絶縁膜13(第1の層間絶縁膜)を設け、ストラップ配線11およびTMR素子12を覆う。ここで、層間絶縁膜13は、比誘電率が3.0より大きな絶縁膜で構成され、300℃以下(下限は200℃程度)の温度で形成される。   Next, in the step shown in FIG. 13, an interlayer insulating film 13 (first interlayer insulating film) is provided on the entire surface of the diffusion preventing insulating film PD1 by, for example, plasma CVD to provide an interlayer insulating film 13 (first interlayer insulating film). The element 12 is covered. Here, the interlayer insulating film 13 is formed of an insulating film having a relative dielectric constant larger than 3.0, and is formed at a temperature of 300 ° C. or lower (the lower limit is about 200 ° C.).

次に、図14に示す工程において、層間絶縁膜13を貫通してTMR素子12上に達する開口部OP2を形成した後、層間絶縁膜13上全面を覆うように、例えばCVD法によりW(タングステン)膜等の金属膜を形成することで、開口部OP2内に金属膜を充填し、コンタクト部11aを形成する。なお、層間絶縁膜13上の不要な金属膜は、CMP法等を用いて除去する。   Next, in the step shown in FIG. 14, after forming the opening OP2 penetrating the interlayer insulating film 13 and reaching the TMR element 12, W (tungsten) is formed by CVD, for example, so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 13. ) By forming a metal film such as a film, the opening OP2 is filled with the metal film to form the contact portion 11a. The unnecessary metal film on the interlayer insulating film 13 is removed by using a CMP method or the like.

ここで、コンタクト部11aに充填される金属膜としては、Ta膜やCu膜、あるいはTa膜、Cu膜およびW膜のうち、少なくとも2種類の膜で構成される多層膜であっても良い。なお、Ta膜の形成にはスパッタリング法を使用し、Cu膜の形成にはメッキ法を使用すれば良い。   Here, the metal film filled in the contact portion 11a may be a Ta film, a Cu film, or a multilayer film composed of at least two kinds of films among the Ta film, the Cu film, and the W film. A sputtering method may be used for forming the Ta film, and a plating method may be used for forming the Cu film.

次に、図15に示す工程において、層間絶縁膜13上全面に、例えばプラズマCVD法によりSiO膜を形成して層間絶縁膜14(第3の層間絶縁膜)を設ける。ここで、層間絶縁膜14はSiO膜に限定されるものではなく、比誘電率が3.0より大きな絶縁膜で構成され、300℃以下の温度で形成される絶縁膜であれば良い。   Next, in the step shown in FIG. 15, an interlayer insulating film 14 (third interlayer insulating film) is formed on the entire surface of the interlayer insulating film 13 by forming a SiO film by, for example, plasma CVD. Here, the interlayer insulating film 14 is not limited to the SiO film, and may be an insulating film formed of an insulating film having a relative dielectric constant larger than 3.0 and formed at a temperature of 300 ° C. or lower.

次に、図16に示す工程において、層間絶縁膜14上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて層間絶縁膜14および13をエッチングし、ロジック回路部において、層間絶縁膜14および13を貫通して配線層9aに達するホール13bを設ける。   Next, in the process shown in FIG. 16, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 14 through a photoengraving process, and the interlayer insulating films 14 and 13 are etched using the resist mask, whereby a logic circuit is formed. In the portion, a hole 13b that penetrates through the interlayer insulating films 14 and 13 and reaches the wiring layer 9a is provided.

なお、図16では、ホール13bは複数の配線層9aのうち、下層の配線層7aに繋がっていない方の配線層9aの上部に対応する位置に設けているが、これは一例に過ぎない。   In FIG. 16, the hole 13b is provided at a position corresponding to the upper part of the wiring layer 9a that is not connected to the lower wiring layer 7a among the plurality of wiring layers 9a, but this is only an example.

続いて、層間絶縁膜14上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて、層間絶縁膜14をエッチングし、メモリセル部およびロジック回路部において、配線溝14bをパターニングする。   Subsequently, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 14 through a photolithography process, the interlayer insulating film 14 is etched using the resist mask, and wiring is performed in the memory cell portion and the logic circuit portion. The groove 14b is patterned.

なお、メモリセル部においては、配線溝14bがコンタクト部11aを露出させるように設けられ、また、配線溝14bは、層間絶縁膜7の表面内に設けられたデジット線となる配線層9aに平面視的に直交する方向(図面に対して水平方向)に延在するように設けられる。   In the memory cell portion, the wiring groove 14b is provided so as to expose the contact portion 11a, and the wiring groove 14b is flat on the wiring layer 9a serving as a digit line provided in the surface of the interlayer insulating film 7. It is provided so as to extend in a direction orthogonal to the view (horizontal direction with respect to the drawing).

また、ロジック回路部においては、配線溝14bがホール13bに連通するように配設される。   In the logic circuit portion, the wiring groove 14b is disposed so as to communicate with the hole 13b.

次に、SiN膜をエッチングする条件で、ホール13bの底部に露出する拡散防止絶縁膜PD1を除去し、ホール13bが配線層9aに達するようにする。   Next, under the conditions for etching the SiN film, the diffusion preventing insulating film PD1 exposed at the bottom of the hole 13b is removed so that the hole 13b reaches the wiring layer 9a.

その後、図17に示す工程において、スパッタリング法により層間絶縁膜14の全面を覆うとともに配線溝14bおよびホール13bの内面を覆うようにTaN膜あるいはTa膜を形成し、配線溝14bおよびホール13bの内面にバリアメタル層BM1を設ける。   Thereafter, in the step shown in FIG. 17, a TaN film or a Ta film is formed so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 14 and cover the inner surfaces of the wiring grooves 14b and the holes 13b by sputtering, and the inner surfaces of the wiring grooves 14b and the holes 13b. A barrier metal layer BM1 is provided.

続いて、層間絶縁膜14の全面を覆うようにCVD法あるいはメッキ法によりCu膜MLを形成することで、配線溝14bおよびホール13b内にCu膜MLを充填する。なお、Cu膜MLの形成後は、300℃未満(下限は100℃程度)の熱処理を加える。   Subsequently, a Cu film ML is formed by a CVD method or a plating method so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 14, thereby filling the wiring groove 14b and the hole 13b with the Cu film ML. Note that after the formation of the Cu film ML, a heat treatment of less than 300 ° C. (the lower limit is about 100 ° C.) is applied.

次に、図18に示す工程において、層間絶縁膜14上の不要なCu膜MLおよびバリアメタル層BM1を、CMP法等を用いて除去して、配線層14a(第2の銅配線層)およびコンタクト部13aを得る。なお、メモリセル部において、コンタクト部11aを介してTMR素子12に電気的に接続される配線層14aは、流れる電流によって磁場を発生させて、TMR素子12にデータを書き込む書き込み配線(ビット線)である。   Next, in the step shown in FIG. 18, unnecessary Cu film ML and barrier metal layer BM1 on interlayer insulating film 14 are removed by using a CMP method or the like, and wiring layer 14a (second copper wiring layer) and Contact part 13a is obtained. In the memory cell portion, the wiring layer 14a electrically connected to the TMR element 12 via the contact portion 11a generates a magnetic field by a flowing current and writes data to the TMR element 12 (bit line). It is.

次に、層間絶縁膜14上および配線層14a上を覆うように、例えばプラズマCVD法によりSiN膜等の絶縁膜を形成して、Cuの拡散を防止する拡散防止絶縁膜PD2(第2の絶縁膜)を形成する。なお、拡散防止絶縁膜PD2は、SiN膜に限定されるものではなく、比誘電率が3.0より大きな絶縁膜であって、300℃以下の温度で形成され、上部に形成される層間絶縁膜とのエッチング選択性が得られる絶縁膜であれば良い。   Next, an insulating film such as a SiN film is formed by, for example, a plasma CVD method so as to cover the interlayer insulating film 14 and the wiring layer 14a, thereby preventing the diffusion preventing insulating film PD2 (second insulating film) Film). The diffusion preventing insulating film PD2 is not limited to the SiN film, and is an insulating film having a relative dielectric constant larger than 3.0, formed at a temperature of 300 ° C. or lower, and formed on the upper part. Any insulating film may be used as long as etching selectivity with the film is obtained.

次に、図19に示す工程において、拡散防止絶縁膜PD2上全面に、例えばプラズマCVD法によりSiO膜を形成して層間絶縁膜15(第4の層間絶縁膜)を設ける。ここで、層間絶縁膜15はSiO膜に限定されるものではなく、比誘電率が3.0より大きな絶縁膜で構成され、300℃以下の温度で形成される絶縁膜であれば良い。   Next, in the step shown in FIG. 19, an interlayer insulating film 15 (fourth interlayer insulating film) is formed on the entire surface of the diffusion preventing insulating film PD2 by forming a SiO film by, for example, plasma CVD. Here, the interlayer insulating film 15 is not limited to the SiO film, and may be an insulating film formed of an insulating film having a relative dielectric constant larger than 3.0 and formed at a temperature of 300 ° C. or lower.

そして、層間絶縁膜15上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて層間絶縁膜15をエッチングし、ロジック回路部において、層間絶縁膜15を貫通するホール15bを設ける。なお、ホール15bは配線層14aの上部に対応する位置に設ける。ここで、ホール15bの直径は0.2μm以上(上限は0.5μm程度)とする。   Then, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 15 through a photolithography process, the interlayer insulating film 15 is etched using the resist mask, and penetrates the interlayer insulating film 15 in the logic circuit portion. A hole 15b is provided. The hole 15b is provided at a position corresponding to the upper part of the wiring layer 14a. Here, the diameter of the hole 15b is 0.2 μm or more (the upper limit is about 0.5 μm).

次に、層間絶縁膜15上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて、層間絶縁膜15をエッチングし、ロジック回路部において、ホール15bに連通する配線溝16bをパターニングする。   Next, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 15 through a photolithography process, the interlayer insulating film 15 is etched using the resist mask, and communicates with the holes 15b in the logic circuit portion. The wiring trench 16b is patterned.

次に、SiN膜をエッチングする条件で、ホール15bの底部に露出する拡散防止絶縁膜PD2を除去し、ホール15bが配線層14aに達するようにする。   Next, under the conditions for etching the SiN film, the diffusion preventing insulating film PD2 exposed at the bottom of the hole 15b is removed so that the hole 15b reaches the wiring layer 14a.

その後、図20に示す工程において、スパッタリング法により層間絶縁膜15の全面を覆うとともに配線溝16bおよびホール15bの内面を覆うようにTaN膜あるいはTa膜を形成し、配線溝16bおよびホール15bの内面にバリアメタル層BM1を設ける。   Thereafter, in the step shown in FIG. 20, a TaN film or a Ta film is formed so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 15 and cover the inner surfaces of the wiring grooves 16b and the holes 15b by sputtering, and the inner surfaces of the wiring grooves 16b and the holes 15b. A barrier metal layer BM1 is provided.

続いて、層間絶縁膜15の全面を覆うようにCVD法あるいはメッキ法によりCu膜MLを形成することで、配線溝16bおよびホール15b内にCu膜MLを充填する。なお、Cu膜MLの形成後は、300℃未満の熱処理を加える。   Subsequently, a Cu film ML is formed by a CVD method or a plating method so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 15, thereby filling the wiring groove 16b and the hole 15b with the Cu film ML. Note that after the formation of the Cu film ML, a heat treatment of less than 300 ° C. is performed.

次に、図21に示す工程において、層間絶縁膜15上の不要なCu膜MLおよびバリアメタル層BM1を、CMP法等を用いて除去して、配線層16aおよびコンタクト部15aを得る。   Next, in the step shown in FIG. 21, unnecessary Cu film ML and barrier metal layer BM1 on interlayer insulating film 15 are removed by using a CMP method or the like to obtain wiring layer 16a and contact portion 15a.

次に、層間絶縁膜15上および配線層16a上を覆うように、例えばプラズマCVD法によりSiN膜等の絶縁膜を形成して、Cuの拡散を防止する拡散防止絶縁膜PD2を形成する。   Next, an insulating film such as a SiN film is formed by, for example, a plasma CVD method so as to cover the interlayer insulating film 15 and the wiring layer 16a, thereby forming a diffusion preventing insulating film PD2 for preventing Cu diffusion.

次に、図22に示す工程において、拡散防止絶縁膜PD2上全面に、例えばプラズマCVD法によりSiO膜を形成して層間絶縁膜17(第4の層間絶縁膜)を設ける。ここで、層間絶縁膜17はSiO膜に限定されるものではなく、比誘電率が3.0より大きな絶縁膜で構成され、300℃以下の温度で形成される絶縁膜であれば良い。   Next, in the step shown in FIG. 22, an interlayer insulating film 17 (fourth interlayer insulating film) is formed on the entire surface of the diffusion preventing insulating film PD2 by forming a SiO film by, for example, plasma CVD. Here, the interlayer insulating film 17 is not limited to the SiO film, and may be an insulating film formed of an insulating film having a relative dielectric constant larger than 3.0 and formed at a temperature of 300 ° C. or lower.

そして、層間絶縁膜17上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて層間絶縁膜17をエッチングし、ロジック回路部において、層間絶縁膜17を貫通するホール17bを設ける。なお、ホール17bは配線層16aの上部に対応する位置に設ける。ここで、ホール17bの直径は0.2μm以上(上限は0.5μm程度)とする。   Then, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 17 through a photolithography process, the interlayer insulating film 17 is etched using the resist mask, and penetrates the interlayer insulating film 17 in the logic circuit portion. A hole 17b is provided. The hole 17b is provided at a position corresponding to the upper part of the wiring layer 16a. Here, the diameter of the hole 17b is 0.2 μm or more (the upper limit is about 0.5 μm).

次に、層間絶縁膜17上に写真製版工程を経てレジストマスク(図示せず)をパターニングし、当該レジストマスクを用いて、層間絶縁膜17をエッチングし、ロジック回路部において、ホール17bに連通する配線溝18bをパターニングする。   Next, a resist mask (not shown) is patterned on the interlayer insulating film 17 through a photolithography process, the interlayer insulating film 17 is etched using the resist mask, and communicates with the hole 17b in the logic circuit portion. The wiring groove 18b is patterned.

次に、SiN膜をエッチングする条件で、ホール17bの底部に露出する拡散防止絶縁膜PD2を除去し、ホール17bが配線層16aに達するようにする。   Next, under the conditions for etching the SiN film, the diffusion preventing insulating film PD2 exposed at the bottom of the hole 17b is removed so that the hole 17b reaches the wiring layer 16a.

その後、図23に示す工程において、スパッタリング法により層間絶縁膜17の全面を覆うとともに配線溝18bおよびホール17bの内面を覆うようにTaN膜あるいはTa膜を形成し、配線溝18bおよびホール17bの内面にバリアメタル層BM1を設ける。   Thereafter, in the step shown in FIG. 23, a TaN film or a Ta film is formed so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 17 and cover the inner surfaces of the wiring grooves 18b and the holes 17b by sputtering, and the inner surfaces of the wiring grooves 18b and the holes 17b. A barrier metal layer BM1 is provided.

続いて、層間絶縁膜17の全面を覆うようにCVD法あるいはメッキ法によりCu膜MLを形成することで、配線溝18bおよびホール17b内にCu膜MLを充填する。なお、Cu膜MLの形成後は、300℃未満の熱処理を加える。   Subsequently, a Cu film ML is formed by a CVD method or a plating method so as to cover the entire surface of the interlayer insulating film 17, thereby filling the wiring groove 18b and the hole 17b with the Cu film ML. Note that after the formation of the Cu film ML, a heat treatment of less than 300 ° C. is performed.

次に、図24に示す工程において、層間絶縁膜17上の不要なCu膜MLおよびバリアメタル層BM1を、CMP法等を用いて除去して、配線層18aおよびコンタクト部17aを得る。   Next, in the step shown in FIG. 24, unnecessary Cu film ML and barrier metal layer BM1 on interlayer insulating film 17 are removed by using a CMP method or the like to obtain wiring layer 18a and contact portion 17a.

最後に、層間絶縁膜17上および配線層18a上を覆うように、例えばプラズマCVD法によりSiN膜等の絶縁膜を形成して、Cuの拡散を防止する拡散防止絶縁膜PD2を形成することで、MRAM100を得る。   Finally, an insulating film such as a SiN film is formed by, for example, a plasma CVD method so as to cover the interlayer insulating film 17 and the wiring layer 18a, thereby forming a diffusion preventing insulating film PD2 for preventing the diffusion of Cu. , MRAM100 is obtained.

<B.効果>
以上説明した製造工程を経て得られるMRAM100においては、その構造的特徴および製造方法から以下に説明する効果が得られる。
<B. Effect>
In the MRAM 100 obtained through the manufacturing steps described above, the effects described below can be obtained from the structural features and the manufacturing method.

<B−1.第1の効果>
まず第1には、TMR素子12よりも下層に配設される層間絶縁膜4〜7には、比誘電率3.0以下の絶縁膜を使用しているので、配線容量Cを小さくすることが可能となり、配線抵抗Rと配線容量Cの積(RC)によって決まる配線遅延を抑制できるという効果が得られる。
<B-1. First effect>
First, since the insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less is used for the interlayer insulating films 4 to 7 disposed below the TMR element 12, the wiring capacitance C should be reduced. As a result, the wiring delay determined by the product (RC) of the wiring resistance R and the wiring capacitance C can be suppressed.

また、層間絶縁膜4〜7の形成に際しては、TMR素子12への熱的な影響を考慮する必要がないので、プラズマCVD法を用いて形成する場合に、300℃以上(上限は450℃程度)での形成が可能となり、3.0以下の比誘電率と、製造工程に耐えるための強度とを確保することができる。   In forming the interlayer insulating films 4 to 7, it is not necessary to consider the thermal influence on the TMR element 12. Therefore, when the interlayer insulating films 4 to 7 are formed by using the plasma CVD method, the upper limit is about 450 ° C. ) And a relative dielectric constant of 3.0 or less and a strength for withstanding the manufacturing process can be secured.

<B−2.第2の効果>
第2に、TMR素子12を覆う層間絶縁膜13および、層間絶縁膜13より上層の層間絶縁膜14〜17および拡散防止絶縁膜PD2は、比誘電率が3.0よりも大きな絶縁膜で構成され、これらの絶縁膜は、300℃以下の温度で形成した場合でも、所定の比誘電率や膜質を得ることができるので、TMR素子12に加わる温度履歴を300℃以下とすることができ、TMR素子12の磁気特性を維持できるという効果が得られる。
<B-2. Second effect>
Second, the interlayer insulating film 13 covering the TMR element 12, the interlayer insulating films 14 to 17 and the diffusion preventing insulating film PD2 above the interlayer insulating film 13 are composed of insulating films having a relative dielectric constant larger than 3.0. Even when these insulating films are formed at a temperature of 300 ° C. or lower, a predetermined dielectric constant and film quality can be obtained, so that the temperature history applied to the TMR element 12 can be 300 ° C. or lower, The effect that the magnetic characteristics of the TMR element 12 can be maintained is obtained.

<B−3.第3の効果>
第3に、SIV耐性の改善の効果が得られる。
図25は、高温保存(200℃)による複数のビアホールのビアホール抵抗(ビアホール径:0.14μm)の変化特性を表す図であり、高温保存前と高温保存後とで測定したビアホール抵抗の測定結果に基づいて得られたものであり、横軸にビアホール抵抗の変動率(%)を、横軸に熱処理の相対累積度数(%)の分布を示している。
<B-3. Third effect>
Third, the effect of improving SIV resistance is obtained.
FIG. 25 is a diagram showing change characteristics of via hole resistance (via hole diameter: 0.14 μm) of a plurality of via holes by high temperature storage (200 ° C.), and the measurement result of via hole resistance measured before and after high temperature storage. The horizontal axis represents the variation rate (%) of the via hole resistance, and the horizontal axis represents the distribution of the relative cumulative frequency (%) of the heat treatment.

図25における分布Xは、下層側となる配線が形成された層間絶縁膜と、下層側配線と上層側となる配線とを繋ぐビアホール(すなわちコンタクト部)が形成された層間絶縁膜の両方に、比誘電率3.0以下の絶縁膜を使用した配線構造Xにおけるビアホール抵抗の変動率の分布を示している。   The distribution X in FIG. 25 indicates that both the interlayer insulating film in which the wiring on the lower layer side is formed and the interlayer insulating film in which the via hole (that is, the contact portion) connecting the lower layer wiring and the upper layer wiring is formed. The distribution of the variation rate of the via hole resistance in the wiring structure X using an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less is shown.

図25より、この配線構造Xの場合、熱処理によってビアホール抵抗が増加する現象が発生していることが判る。このような抵抗値の増加は高温保存で発生する応力によって生じたボイド(SIV)に起因するものである。   From FIG. 25, it can be seen that in the case of this wiring structure X, a phenomenon in which the via hole resistance increases due to heat treatment occurs. Such an increase in resistance value is caused by voids (SIV) generated by stress generated during high temperature storage.

図25における分布Yは、下層側となる配線(下層配線)が形成された層間絶縁膜に、比誘電率3.0以下の絶縁膜を使用し、下層配線と上層側となる配線(上層配線)とを繋ぐビアホール(コンタクト部)が形成された層間絶縁膜に、比誘電率4.3の絶縁膜を使用した配線構造Yにおけるビアホール抵抗の変動率の分布を示している。   In the distribution Y in FIG. 25, an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less is used for the interlayer insulating film on which the lower layer side wiring (lower layer wiring) is formed, and the lower layer wiring and the upper layer side wiring (upper layer wiring). The distribution of the variation in the via hole resistance in the wiring structure Y in which the insulating film having a relative dielectric constant of 4.3 is used for the interlayer insulating film in which the via hole (contact portion) connecting the two is formed is shown.

図25より、この配線構造Yでは、高温保存によるビアホール抵抗の増加がほとんど発生していないことが判る。   From FIG. 25, it can be seen that in this wiring structure Y, there is almost no increase in via hole resistance due to high temperature storage.

これは、低誘電率の絶縁膜と比較して、強度の高い誘電率4.3の絶縁膜によって下層側の配線上部が覆われることで、熱ストレスによる応力勾配が緩和され、SIVが発生しにくくなったと考えられる。   This is because the upper part of the wiring on the lower layer side is covered with an insulating film having a high dielectric constant of 4.3 compared to an insulating film having a low dielectric constant, so that the stress gradient due to thermal stress is alleviated and SIV is generated. It seems that it became difficult.

この第3の効果は、TMR素子12よりも下層に配設される層間絶縁膜4〜7には、比誘電率3.0以下の絶縁膜を使用し、TMR素子12の周囲を含めて、TMR素子12よりも上層に配設される絶縁膜には、比誘電率が3.0より大きな絶縁膜を使用するという本発明特有の構造によって得られるものである。   The third effect is that an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less is used for the interlayer insulating films 4 to 7 disposed below the TMR element 12, including the periphery of the TMR element 12, The insulating film disposed above the TMR element 12 is obtained by a structure unique to the present invention in which an insulating film having a relative dielectric constant larger than 3.0 is used.

<B−4.第4の効果>
第4に、TMR素子12よりも下層の配線層4a、7aおよび9aを形成するためのCu膜の形成後に、300℃〜450℃の熱処理を加えるので、SIVの発生を抑制できるという効果が得られる。
<B-4. Fourth effect>
Fourth, heat treatment at 300 ° C. to 450 ° C. is performed after the formation of the Cu film for forming the wiring layers 4a, 7a and 9a below the TMR element 12, so that the effect of suppressing the generation of SIV is obtained. It is done.

ここで、図26にSIVに起因する故障率とCu膜形成後の熱処理温度との相関を示す。
図26において横軸にはCu膜形成後の熱処理温度を、縦軸には高温(150〜300℃)保存による加速評価によって発生するSIVに起因する故障率を示している。
FIG. 26 shows the correlation between the failure rate due to SIV and the heat treatment temperature after Cu film formation.
In FIG. 26, the horizontal axis represents the heat treatment temperature after Cu film formation, and the vertical axis represents the failure rate due to SIV generated by accelerated evaluation by storage at a high temperature (150 to 300 ° C.).

図26より明らかなように、SIVによる故障率は、Cu膜形成後の熱処理を低温化するほど顕著となり、逆に高温化すると減少し、400℃ではほぼ0となる。   As is clear from FIG. 26, the failure rate due to SIV becomes more pronounced as the heat treatment after Cu film formation is lowered, and conversely decreases as the temperature rises, and becomes almost zero at 400 ° C.

従って、信頼性の高いCu配線を得るためには、Cu膜形成後に300℃以上の熱処理を加える工程が有効であることが判る。   Therefore, it can be seen that a process of applying a heat treatment at 300 ° C. or higher after forming the Cu film is effective for obtaining a highly reliable Cu wiring.

なお、TMR素子12よりも下層の配線層を形成する際に300℃以上の熱処理を行うので、TMR素子12への熱的な影響を考慮する必要がなく、TMR素子12の磁気特性を維持できるという効果も得られる。   Since a heat treatment at 300 ° C. or higher is performed when forming a wiring layer below the TMR element 12, it is not necessary to consider the thermal influence on the TMR element 12, and the magnetic characteristics of the TMR element 12 can be maintained. The effect is also obtained.

<B−5.第5の効果>
第5に、TMR素子12よりも上層の配線層14a、16aおよび18aを形成するためのCu膜の形成後の熱処理を300℃未満で行うので、TMR素子12に加わる温度履歴を、300℃以下とすることができ、TMR素子12の磁気特性を維持できるという効果が得られる。
<B-5. Fifth effect>
Fifth, since the heat treatment after the formation of the Cu film for forming the wiring layers 14a, 16a and 18a above the TMR element 12 is performed at less than 300 ° C., the temperature history applied to the TMR element 12 is 300 ° C. or less. The magnetic characteristics of the TMR element 12 can be maintained.

ただし、TMR素子12よりも上層の配線層を形成するためのCu膜の形成後の熱処理は300℃未満で行うので、TMR素子12よりも下層の配線層との接続部分で、SIV耐性が劣化することが懸念される。   However, since the heat treatment after the formation of the Cu film for forming the upper wiring layer than the TMR element 12 is performed at less than 300 ° C., the SIV resistance deteriorates at the connection portion with the lower wiring layer than the TMR element 12. There is a concern to do.

ここで、SIVに起因する不良箇所の代表的な解析結果を図27に示す。
図27は、下層配線201および上層配線203と、両者を繋ぐビアホール202の断面解析写真を示している。この写真から判るように、SIVによるボイドVDはビアホール202直下の下層配線部分に発生する。
Here, FIG. 27 shows a typical analysis result of a defective portion caused by SIV.
FIG. 27 shows a cross-sectional analysis photograph of the lower layer wiring 201 and the upper layer wiring 203 and the via hole 202 connecting them. As can be seen from this photograph, the void VD due to SIV is generated in the lower layer wiring portion immediately below the via hole 202.

Cu膜の形成後の高温の熱処理によってSIV耐性が改善するのは、Cu膜のグレイン成長と空孔の減少によってボイドの発生が抑制されるためと考えられ、問題となるボイドVDが、下層配線201内で発生していることから、下層配線201を形成するためのCu膜を高温(300℃〜450℃)で熱処理しておけば、SIV耐性の劣化は発生しないことが判る。従って、図24に示すMRAM100において、TMR素子12の下層の配線層9aを形成するためのCu膜を高温(300℃〜450℃)で熱処理しておけば、TMR素子12の上層の配線層14aを形成するためのCu膜の形成後の熱処理を300℃未満で行っても、SIV耐性が劣化することを防止できる。   The reason why the SIV resistance is improved by the high-temperature heat treatment after the formation of the Cu film is thought to be because the generation of voids is suppressed by the grain growth of the Cu film and the reduction of vacancies. Since it is generated in 201, it can be seen that if the Cu film for forming the lower layer wiring 201 is heat-treated at a high temperature (300 ° C. to 450 ° C.), the SIV resistance does not deteriorate. Therefore, in the MRAM 100 shown in FIG. 24, if the Cu film for forming the lower wiring layer 9a of the TMR element 12 is heat-treated at a high temperature (300 ° C. to 450 ° C.), the upper wiring layer 14a of the TMR element 12 is formed. Even if the heat treatment after the formation of the Cu film for forming the film is performed at less than 300 ° C., it is possible to prevent the SIV resistance from deteriorating.

<B−6.第6の効果>
また、第6の効果として、配線層14aよりも上層の配線層16aおよび18aについては、配線層14aと配線層16aとを接続するコンタクト部15a(ビアホール)、および配線層16aと配線層18aとを接続するコンタクト部17a(ビアホール)の直径を0.2μm以上(上限は0.5μm程度)としているので、SIV耐性の低下を抑制することができる。
<B-6. Sixth effect>
Further, as a sixth effect, for the wiring layers 16a and 18a above the wiring layer 14a, the contact portion 15a (via hole) connecting the wiring layer 14a and the wiring layer 16a, and the wiring layer 16a and the wiring layer 18a Since the diameter of the contact portion 17a (via hole) for connecting is set to 0.2 μm or more (the upper limit is about 0.5 μm), it is possible to suppress a decrease in SIV resistance.

図28にはSIVによる故障率と、ビアホール径との関係を示す。   FIG. 28 shows the relationship between the failure rate due to SIV and the via hole diameter.

図28において、横軸にはビアホールの直径(μm)を、縦軸にはSIVによる故障率(任意単位)を示している。   In FIG. 28, the horizontal axis represents the via hole diameter (μm), and the vertical axis represents the failure rate (arbitrary unit) due to SIV.

図28より、SIVによる故障は0.2μm未満のビアホールで顕著に発生しており、ビアホール径を大きくすることによって故障率は下がっていることが判る。   From FIG. 28, it can be seen that the failure due to SIV occurs remarkably in the via hole of less than 0.2 μm, and the failure rate is lowered by increasing the via hole diameter.

従って、TMR素子12よりも上層の配線形成するためのCu膜については、300℃未満の熱処理を行うが、ビアホール径を大きくすることで、SIV耐性の低下を抑制することが可能となる。   Therefore, the Cu film for forming the wiring above the TMR element 12 is subjected to a heat treatment at less than 300 ° C., but the increase in the via hole diameter can suppress the decrease in SIV resistance.

<C.変形例>
以上説明したMRAM100においては、半導体基板1側から数えて第3層目にあたる配線層9aと、第4層目にあたる配線層14aとの間にTMR素子12を設けた例を示したが、TMR素子12の配設位置はこれに限定されるものではない。
<C. Modification>
In the MRAM 100 described above, an example in which the TMR element 12 is provided between the wiring layer 9a corresponding to the third layer counted from the semiconductor substrate 1 side and the wiring layer 14a corresponding to the fourth layer is shown. The arrangement position of 12 is not limited to this.

例えば、半導体基板側から数えて第1層目にあたる配線層と、第2層目にあたる配線層との間、あるいは、半導体基板側から数えて最上層にあたる配線層と、当該配線層より1層下の配線層との間にTMR素子を配設しても良い。   For example, between the wiring layer corresponding to the first layer counted from the semiconductor substrate side and the wiring layer corresponding to the second layer, or the wiring layer corresponding to the uppermost layer counted from the semiconductor substrate side, and one layer below the wiring layer A TMR element may be disposed between the two wiring layers.

本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る実施の形態の半導体装置の製造工程を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the manufacturing process of the semiconductor device of embodiment which concerns on this invention. 高温保存による複数のビアホールのビアホール抵抗の変化特性を表す図である。It is a figure showing the change characteristic of via-hole resistance of a plurality of via holes by high temperature preservation. SIVに起因する故障率とCu膜形成後の熱処理温度との相関を示す図である。It is a figure which shows the correlation with the failure rate resulting from SIV, and the heat processing temperature after Cu film formation. SIVに起因する不良箇所の代表的な解析結果を示す図である。It is a figure which shows the typical analysis result of the defect location resulting from SIV. SIVによる故障率と、ビアホール径との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the failure rate by SIV, and a via-hole diameter. Cu/Low−k配線構造を適用したSOCのMRAM部分の断面図である。It is sectional drawing of the MRAM part of SOC to which a Cu / Low-k wiring structure is applied. Cu/Low−k配線構造を適用したSOCのMRAM部分の断面図である。It is sectional drawing of the MRAM part of SOC to which a Cu / Low-k wiring structure is applied.

符号の説明Explanation of symbols

4〜7,13〜15,17 層間絶縁膜、9a,14a 配線層、11 ストラップ配線、12 TMR素子。
4-7, 13-15, 17 Interlayer insulating film, 9a, 14a wiring layer, 11 strap wiring, 12 TMR element.

Claims (9)

半導体基板上に多層に配設された複数の配線層と、
前記複数の配線層間にそれぞれ配設された複数の層間絶縁膜と、
前記複数の層間絶縁膜のうちの1層をなす第1の層間絶縁膜中に配設された、磁気トンネル接合を含む磁気トンネル抵抗素子と、を備え、
前記第1の層間絶縁膜よりも下層に配設された少なくとも1層の第2の層間絶縁膜が、比誘電率3.0以下の絶縁膜で構成され、
前記第1の層間絶縁膜、該第1の層間絶縁膜上に配設された第3の層間絶縁膜が、比誘電率3.0よりも大きな絶縁膜で構成される、半導体装置。
A plurality of wiring layers arranged in multiple layers on a semiconductor substrate;
A plurality of interlayer insulating films respectively disposed between the plurality of wiring layers;
A magnetic tunnel resistance element including a magnetic tunnel junction disposed in a first interlayer insulating film forming one layer of the plurality of interlayer insulating films,
At least one second interlayer insulating film disposed below the first interlayer insulating film is composed of an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less;
The semiconductor device, wherein the first interlayer insulating film and the third interlayer insulating film disposed on the first interlayer insulating film are formed of an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0.
前記少なくとも1層の第2の層間絶縁膜は、300℃より高い温度で形成され、
前記第1および第3の層間絶縁膜は、300℃以下の温度で形成される、請求項1記載の半導体装置。
The at least one second interlayer insulating film is formed at a temperature higher than 300 ° C .;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the first and third interlayer insulating films are formed at a temperature of 300 ° C. or lower.
前記複数の配線層は、少なくとも1層の第2の層間絶縁膜の表面内に配設された第1の銅配線層を含み、
前記第1の銅配線層は、300℃以上の熱処理を経て形成され、
前記複数の配線層は、前記第3の層間絶縁膜の表面内に配設された第2の銅配線層を含み、
前記第2の銅配線層が、300℃未満の熱処理を経て形成される、請求項1または請求項2に記載の半導体装置。
The plurality of wiring layers include a first copper wiring layer disposed in a surface of at least one second interlayer insulating film;
The first copper wiring layer is formed through a heat treatment of 300 ° C. or higher,
The plurality of wiring layers include a second copper wiring layer disposed in the surface of the third interlayer insulating film,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second copper wiring layer is formed through a heat treatment at less than 300 ° C. 3.
前記第3の層間絶縁膜よりも上層に配設された少なくとも1層の第4の層間絶縁膜と、
前記少なくとも1層の第4の層間絶縁膜中に配設され、上下関係にある配線層間を接続するコンタクト部とをさらに備え、
前記コンタクト部の直径が0.2μm以上である、請求項1ないし請求項3の何れかに記載の半導体装置。
At least one fourth interlayer insulating film disposed above the third interlayer insulating film; and
A contact portion disposed in the at least one fourth interlayer insulating film and connecting the wiring layers in a vertical relationship;
The semiconductor device according to claim 1, wherein a diameter of the contact portion is 0.2 μm or more.
前記少なくとも1層の第4の層間絶縁膜は、300℃以下の温度で形成され
前記第2の銅配線層は、前記少なくとも1層の第4の層間絶縁膜の表面内にも配設される、請求項4記載の半導体装置。
The at least one fourth interlayer insulating film is formed at a temperature of 300 ° C. or less, and the second copper wiring layer is also disposed in the surface of the at least one fourth interlayer insulating film. The semiconductor device according to claim 4.
半導体基板上に多層に配設された複数の配線層と、前記複数の配線層間にそれぞれ配設された複数の層間絶縁膜と、前記複数の層間絶縁膜のうちの1層をなす第1の層間絶縁膜中に配設された、磁気トンネル接合を含む磁気トンネル抵抗素子と、を備えた半導体装置の製造方法であって、
(a)前記半導体基板の上方に、前記第1の層間絶縁膜の下層膜となる第2の層間絶縁膜を形成する工程と、
(b)前記第2の層間絶縁膜の表面内に、第1の銅配線層を形成する工程と、
(c)前記第2の層間絶縁膜上に銅の拡散を防止する第1の絶縁膜を形成する工程と、
(d)前記第1の絶縁膜上に選択的に導体層を形成した後、該導体層上に前記磁気トンネル抵抗素子を形成する工程と、
(e)前記導体層および前記磁気トンネル抵抗素子を覆うように、前記第1の絶縁膜上に前記第1の層間絶縁膜を形成する工程と、
(f)前記第1の層間絶縁膜上に第3の層間絶縁膜を形成する工程と、
(g)前記第3の層間絶縁膜の表面内に、第2の銅配線層を形成する工程と、を備え、
前記工程(a)は、
比誘電率3.0以下の絶縁膜で前記第2の層間絶縁膜を形成する工程を含み、
前記工程(e)は、比誘電率3.0よりも大きな絶縁膜で前記第1の層間絶縁膜を形成する工程を含み、
前記工程(f)は、比誘電率3.0よりも大きな絶縁膜で前記第3の層間絶縁膜を形成する工程を含む、半導体装置の製造方法。
A plurality of wiring layers disposed in multiple layers on the semiconductor substrate; a plurality of interlayer insulating films respectively disposed between the plurality of wiring layers; and a first layer forming one of the plurality of interlayer insulating films A method of manufacturing a semiconductor device comprising: a magnetic tunnel resistance element including a magnetic tunnel junction disposed in an interlayer insulating film;
(a) forming a second interlayer insulating film to be a lower layer film of the first interlayer insulating film above the semiconductor substrate;
(b) forming a first copper wiring layer in the surface of the second interlayer insulating film;
(c) forming a first insulating film for preventing diffusion of copper on the second interlayer insulating film;
(d) after selectively forming a conductor layer on the first insulating film, forming the magnetic tunnel resistance element on the conductor layer;
(e) forming the first interlayer insulating film on the first insulating film so as to cover the conductor layer and the magnetic tunnel resistance element;
(f) forming a third interlayer insulating film on the first interlayer insulating film;
(g) forming a second copper wiring layer in the surface of the third interlayer insulating film,
The step (a)
Forming the second interlayer insulating film with an insulating film having a relative dielectric constant of 3.0 or less,
The step (e) includes a step of forming the first interlayer insulating film with an insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.0,
The method (f) includes a step of forming the third interlayer insulating film with an insulating film having a relative dielectric constant greater than 3.0.
前記工程(a)は、
前記第2の層間絶縁膜を300℃より高い温度で形成する工程を含み、
前記工程(e)は、
前記第1の層間絶縁膜を300℃以下の温度で形成する工程を含み、
前記工程(f)は、
前記第3の層間絶縁膜を300℃以下の温度で形成する工程を含む、請求項6記載の半導体装置の製造方法。
The step (a)
Forming the second interlayer insulating film at a temperature higher than 300 ° C .;
The step (e)
Forming the first interlayer insulating film at a temperature of 300 ° C. or lower;
The step (f)
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, comprising a step of forming the third interlayer insulating film at a temperature of 300 ° C. or lower.
前記工程(b)は、
前記第2の層間絶縁膜の表面内を所定深さまで除去して、第1の配線溝をパターニングする工程と、
前記第2の層間絶縁膜上に銅層を形成して前記第1の配線溝内に前記銅層を充填した後、前記銅層に300℃以上の熱処理を施す工程とを含み、
前記工程(g)は、
前記第3の層間絶縁膜の表面内を所定深さまで除去して、第2の配線溝をパターニングする工程と、
前記第3の層間絶縁膜上に銅層を形成して前記第2の配線溝内に前記銅層を充填した後、前記銅層に300℃未満の熱処理を施す工程とを含む、請求項6または請求項7記載の半導体装置の製造方法。
The step (b)
Removing the surface of the second interlayer insulating film to a predetermined depth and patterning the first wiring groove;
Forming a copper layer on the second interlayer insulating film, filling the copper layer in the first wiring trench, and then subjecting the copper layer to a heat treatment of 300 ° C. or higher,
The step (g)
Removing the surface of the third interlayer insulating film to a predetermined depth and patterning the second wiring trench;
Forming a copper layer on the third interlayer insulating film and filling the second wiring trench with the copper layer, and then subjecting the copper layer to a heat treatment of less than 300 ° C. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 7.
前記工程(g)の後に、
(h)前記第3の層間絶縁膜上に、銅の拡散を防止する第2の絶縁膜を形成する工程と、
(i)前記第2の絶縁膜上に少なくとも1層の第4の層間絶縁膜を形成する工程と、
(j)前記少なくとも1層の第4の層間絶縁膜中に、上下関係にある配線層間を接続するコンタクト部を形成する工程と、をさらに備え、
前記工程(j)は、
前記コンタクト部の直径を0.2μm以上とする工程を含む、請求項6ないし請求項8の何れかに記載の半導体装置の製造方法。
After step (g)
(h) forming a second insulating film for preventing copper diffusion on the third interlayer insulating film;
(i) forming at least one fourth interlayer insulating film on the second insulating film;
(j) further comprising the step of forming a contact portion connecting the wiring layers in a vertical relationship in the at least one fourth interlayer insulating film,
The step (j)
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6, comprising a step of setting the diameter of the contact portion to 0.2 μm or more.
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