JP2007242663A - Semiconductor device including magnetoresistive effect element and its fabrication process - Google Patents

Semiconductor device including magnetoresistive effect element and its fabrication process Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a process for fabricating a semiconductor device in which variation can be suppressed in resistance of magnetoresistic effect elements. <P>SOLUTION: A magnetoresistive effect element is formed on a semiconductor substrate while sandwiching a nonmagnetic layer between a pinned layer composed of a ferromagnetic material having a fixed magnetization direction and a free layer having a magnetization direction which varies depending on the external magnetic field (a). An interlayer dielectric layer is formed to cover the magnetoresistive effect element, in such an insulating material as becoming an insulator which permeate less moisture as compared with the original material through nitriding (b). Surface layer of the interlayer dielectric layer is then nitrided (c). <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を含む半導体装置及びその製造方法に関し、磁気抵抗効果素子の抵抗変化により情報を記憶するメモリに適した半導体装置及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device including a magnetoresistive effect element and a manufacturing method thereof, and more particularly to a semiconductor device suitable for a memory for storing information by resistance change of the magnetoresistive effect element and a manufacturing method thereof.

下記の特許文献1に、磁気抵抗効果素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリ(MagneticRandom Access Memory:MRAM)が開示されている。MRAMは、トンネル磁気抵抗(Tunnel Magneto Resistance)効果を示す磁気トンネル接合(MagneticTunnel Junction:MTJ)素子に、磁気を利用して情報を書き込み、MTJ素子の磁化方向によって抵抗が変化する現象を利用して情報を読み出す。   Patent Document 1 listed below discloses a magnetic random access memory (MRAM) using a magnetoresistive effect element. MRAM uses a phenomenon in which information is written in a magnetic tunnel junction (MTJ) element exhibiting a tunnel magnetoresistance (MTJ) element using magnetism, and resistance changes depending on the magnetization direction of the MTJ element. Read information.

図8Aに、一般的なMTJ素子の概略断面図を示す。層間絶縁膜100の上に、MTJ素子110が形成されている。層間絶縁膜115がMTJ素子110を覆う。MTJ素子110は、磁化方向が固定されたピンド層103と磁化方向が自由に変化するフリー層105で、トンネル絶縁膜104を挟んだ積層構造を有する。この積層構造の両面に、それぞれ電極120及び121が形成されている。フリー層105内の磁化方向が変化することにより、MTJ素子110の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を検出することにより、情報の読出しが行われる。   FIG. 8A shows a schematic cross-sectional view of a general MTJ element. An MTJ element 110 is formed on the interlayer insulating film 100. An interlayer insulating film 115 covers the MTJ element 110. The MTJ element 110 has a stacked structure in which a tunnel insulating film 104 is sandwiched between a pinned layer 103 whose magnetization direction is fixed and a free layer 105 whose magnetization direction freely changes. Electrodes 120 and 121 are formed on both sides of the laminated structure, respectively. As the magnetization direction in the free layer 105 changes, the electrical resistance of the MTJ element 110 changes. Information is read by detecting this change in electrical resistance.

なお、トンネル絶縁膜に代えて、非磁性導電材料からなる膜を用いてもよい。このような素子を、一般的に磁気抵抗効果素子と呼ぶ。   Note that a film made of a nonmagnetic conductive material may be used instead of the tunnel insulating film. Such an element is generally called a magnetoresistive element.

特開2005−340468号公報JP 2005-340468 A

MTJ素子110は、NiFeやCoFe等の酸化されやすい材料を含む。これらの材料が酸化されると素子抵抗が変化してしまう。例えば、原料ガスをプラズマで分解して層間絶縁膜を形成する工程で、MTJ素子110が酸化されてしまう。   The MTJ element 110 includes a material that is easily oxidized, such as NiFe or CoFe. When these materials are oxidized, the element resistance changes. For example, the MTJ element 110 is oxidized in the process of forming the interlayer insulating film by decomposing the source gas with plasma.

図8Bに、同一基板上に形成した80個のMTJ素子の電気抵抗の測定結果を示す。評価対象のMTJ素子は、トンネル接合面の寸法が0.2μm×0.4μmのものである。なお、測定にあたっては、フリー層105の磁化方向とピンド層103の磁化方向とが平行の状態で行った。   FIG. 8B shows the measurement results of electrical resistance of 80 MTJ elements formed on the same substrate. The MTJ element to be evaluated has a tunnel junction surface size of 0.2 μm × 0.4 μm. In the measurement, the magnetization direction of the free layer 105 and the magnetization direction of the pinned layer 103 were parallel.

素子抵抗が1kΩ・μm〜3kΩ・μmの範囲でばらついていることがわかる。素子抵抗のばらつきがあると、MTJ素子ごとに”0”状態と”1”状態との判定しきい値が変動してしまい、安定して情報の読出しを行うことができない。 It can be seen that the element resistance is varied in a range of 1kΩ · μm 2 ~3kΩ · μm 2 . If the element resistance varies, the determination threshold value between the “0” state and the “1” state varies for each MTJ element, and information cannot be read stably.

本発明の目的は、磁気抵抗効果素子の抵抗のばらつきを抑制することができる半導体装置及びその製造方法を提供することである。   The objective of this invention is providing the semiconductor device which can suppress the dispersion | variation in resistance of a magnetoresistive effect element, and its manufacturing method.

本発明の一観点によると、
(a)磁化方向が固定された強磁性材料からなるピンド層と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層とで非磁性層を挟んだ磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
(b)前記磁気抵抗効果素子を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の表層部を窒化する工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
(A) forming a magnetoresistive element in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a pinned layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field;
(B) forming an interlayer insulating film so as to cover the magnetoresistive element;
(C) providing a method of manufacturing a semiconductor device including a step of nitriding a surface layer portion of the interlayer insulating film.

本発明の他の観点によると、
第1の方向に延在する複数のディジット線と、
前記第1の方向と交差する第2の方向に延在する複数のビット線と、
前記ディジット線とビット線との交差箇所に配置され、磁化方向が固定された強磁性材料からなるピンド層と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層とで非磁性層を挟んでなる磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子を覆うように形成され、その表層部が窒化されている層間絶縁膜と
を有し、前記ビット線が前記層間絶縁膜の上に形成されている半導体装置が提供される。
According to another aspect of the invention,
A plurality of digit lines extending in a first direction;
A plurality of bit lines extending in a second direction intersecting the first direction;
Magnetoresistance formed by pinching a pinned layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field and sandwiching a nonmagnetic layer at the intersection of the digit line and the bit line An effect element;
There is provided a semiconductor device having an interlayer insulating film formed so as to cover the magnetoresistive element and having a surface layer portion nitrided, and wherein the bit line is formed on the interlayer insulating film.

層間絶縁膜を窒化することにより、水分を透過させにくい窒化物層が形成される。これにより、磁気抵抗効果素子の強磁性材料が酸化されることを防止し、抵抗のばらつきを小さくすることができる。   By nitriding the interlayer insulating film, a nitride layer that is difficult to transmit moisture is formed. As a result, the ferromagnetic material of the magnetoresistive effect element can be prevented from being oxidized, and the resistance variation can be reduced.

図1A〜図3を参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。図1A〜図1Fには、1つのメモリセルを示す。このメモリセルが、基板上に行列状に多数配置される。   A method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 1A to 1F show one memory cell. Many memory cells are arranged in a matrix on the substrate.

図1Aに示すように、シリコン等からなる半導体基板1の表層部に素子分離絶縁膜2を形成し、活性領域を画定する。この活性領域内に、MOSトランジスタ3を形成する。MOSトランジスタ3のゲート電極はワード線4を兼ねており、紙面に垂直な方向に延在する。MOSトランジスタ3を覆うように、半導体基板1の上に層間絶縁膜5を形成する。   As shown in FIG. 1A, an element isolation insulating film 2 is formed on a surface layer portion of a semiconductor substrate 1 made of silicon or the like to define an active region. A MOS transistor 3 is formed in this active region. The gate electrode of the MOS transistor 3 also serves as the word line 4 and extends in a direction perpendicular to the paper surface. An interlayer insulating film 5 is formed on the semiconductor substrate 1 so as to cover the MOS transistor 3.

層間絶縁膜5にビアホールを形成し、ビアホール内に導電プラグ6及び7を充填する。導電プラグ6及び7は、それぞれMOSトランジスタ3のソース及びドレイン領域に接続される。層間絶縁膜5の上に層間絶縁膜8を形成する。層間絶縁膜8に配線溝を形成し、配線溝内に、孤立配線9及びグランド線10を充填する。孤立配線9は導電プラグ6に接続され、グランド線10は、もう一方の導電プラグ7に接続されている。グランド線10は、紙面に垂直な方向に延在する。   Via holes are formed in the interlayer insulating film 5, and conductive plugs 6 and 7 are filled in the via holes. Conductive plugs 6 and 7 are connected to the source and drain regions of MOS transistor 3, respectively. An interlayer insulating film 8 is formed on the interlayer insulating film 5. A wiring groove is formed in the interlayer insulating film 8, and the isolated wiring 9 and the ground line 10 are filled in the wiring groove. The isolated wiring 9 is connected to the conductive plug 6, and the ground line 10 is connected to the other conductive plug 7. The ground line 10 extends in a direction perpendicular to the paper surface.

層間絶縁膜8の上に、さらに層間絶縁膜13を形成する。この層間絶縁膜13にビアホールを形成し、このビアホール内に、孤立配線9に接続される導電プラグ14を充填する。層間絶縁膜13の上に、さらに層間絶縁膜15を形成する。層間絶縁膜15に配線溝を形成し、この配線溝内に、孤立配線17及びディジット線16を充填する。孤立配線17はその下の導電プラグ14に接続される。ディジット線16は、ワード線4と平行な方向に延在する。層間絶縁膜15の上に、さらに層間絶縁膜20を形成する。層間絶縁膜20にビアホールを形成し、このビアホール内に、孤立配線17に接続される導電プラグ21を充填する。   An interlayer insulating film 13 is further formed on the interlayer insulating film 8. A via hole is formed in the interlayer insulating film 13 and a conductive plug 14 connected to the isolated wiring 9 is filled in the via hole. An interlayer insulating film 15 is further formed on the interlayer insulating film 13. A wiring trench is formed in the interlayer insulating film 15, and the isolated wiring 17 and the digit line 16 are filled in the wiring trench. The isolated wiring 17 is connected to the conductive plug 14 therebelow. The digit line 16 extends in a direction parallel to the word line 4. An interlayer insulating film 20 is further formed on the interlayer insulating film 15. A via hole is formed in the interlayer insulating film 20 and a conductive plug 21 connected to the isolated wiring 17 is filled in the via hole.

これらの層間絶縁膜5、8、13、15及び20は、例えば酸化シリコン、有機絶縁材料等で形成される。最下層の導電プラグ6及び7はタングステン(W)等で形成される。上層の導電プラグ14、21、孤立配線9、17、グランド線10、ディジット線16は、銅(Cu)等で形成される。なお、必要に応じて、配線層の数を増やしてもよい。また、デュアルダマシン法を用いて、導電プラグと配線とを同時に形成してもよい。   These interlayer insulating films 5, 8, 13, 15, and 20 are formed of, for example, silicon oxide, an organic insulating material, or the like. The lowermost conductive plugs 6 and 7 are made of tungsten (W) or the like. The upper conductive plugs 14 and 21, the isolated wirings 9 and 17, the ground line 10, and the digit line 16 are formed of copper (Cu) or the like. Note that the number of wiring layers may be increased as necessary. Alternatively, the conductive plug and the wiring may be formed at the same time using a dual damascene method.

図1Bに示すように、層間絶縁膜20の上に、導電プラグ21に接続され、対応するディジット線16の上方まで達する配線25を形成する。配線25は、例えばTi膜、TiN膜、Al膜、及びTiN膜がこの順番に積層された層構造を有する。   As shown in FIG. 1B, a wiring 25 connected to the conductive plug 21 and reaching above the corresponding digit line 16 is formed on the interlayer insulating film 20. The wiring 25 has a layer structure in which, for example, a Ti film, a TiN film, an Al film, and a TiN film are stacked in this order.

配線25の上に、MTJ素子30を形成する。MTJ素子30は、配線25とディジット線16とが交差する領域の上に配置される。   An MTJ element 30 is formed on the wiring 25. The MTJ element 30 is disposed on a region where the wiring 25 and the digit line 16 intersect.

図2に、MTJ素子30の層構造を示す。Taからなる下部電極61の上に、NiFe層62、反強磁性層63、ピンド層64、トンネルバリア層65、フリー層66、及び上部電極67がこの順番に積層されている。NiFe層62の厚さは、例えば2nmである。反強磁性層63は、PtMn、IrMn等の反強磁性材料で形成され、その厚さは20nmである。   FIG. 2 shows a layer structure of the MTJ element 30. On the lower electrode 61 made of Ta, a NiFe layer 62, an antiferromagnetic layer 63, a pinned layer 64, a tunnel barrier layer 65, a free layer 66, and an upper electrode 67 are laminated in this order. The thickness of the NiFe layer 62 is 2 nm, for example. The antiferromagnetic layer 63 is made of an antiferromagnetic material such as PtMn or IrMn, and has a thickness of 20 nm.

ピンド層64は、下側から順番に厚さ3nmのCoFe層64A、厚さ0.9nmのRu層64B、及び厚さ3nmのCoFe層64Cがこの順番に積層された3層で構成される。トンネルバリア層65は酸化アルミニウム(AlO)で形成され、その厚さは1nmである。フリー層66は、下側から順番に厚さ6nmのNiFe層66A、厚さ0.9nmのRu層66B、及び厚さ4nmのNiFe層66Cが積層された3層で構成される。上部電極67はTaで形成される。 The pinned layer 64 includes three layers in which a CoFe layer 64A having a thickness of 3 nm, a Ru layer 64B having a thickness of 0.9 nm, and a CoFe layer 64C having a thickness of 3 nm are stacked in this order from the bottom. The tunnel barrier layer 65 is made of aluminum oxide (AlO x ) and has a thickness of 1 nm. The free layer 66 includes three layers in which a NiFe layer 66A having a thickness of 6 nm, a Ru layer 66B having a thickness of 0.9 nm, and a NiFe layer 66C having a thickness of 4 nm are stacked in this order from the bottom. The upper electrode 67 is made of Ta.

これらの各層は、例えばスパッタリングにより成膜され、イオンミリング等によりパターニングされる。   Each of these layers is formed by sputtering, for example, and patterned by ion milling or the like.

図1Cに示すように、層間絶縁膜20の上に酸化シリコンからなる層間絶縁膜35を、プラズマCVDにより形成する。層間絶縁膜35は、配線25及びMTJ素子30を覆う。層間絶縁膜35の厚さは、100〜300nmの範囲内とする。   As shown in FIG. 1C, an interlayer insulating film 35 made of silicon oxide is formed on the interlayer insulating film 20 by plasma CVD. The interlayer insulating film 35 covers the wiring 25 and the MTJ element 30. The thickness of the interlayer insulating film 35 is in the range of 100 to 300 nm.

図1Dに示すように、層間絶縁膜35の表層部を窒化することにより、窒化シリコンからなる保護膜36を形成する。この窒化処理は、例えば、層間絶縁膜35の表面を、下記の条件で、NHとHとの混合ガスのプラズマに晒すことにより行うことができる。 As shown in FIG. 1D, a protective film 36 made of silicon nitride is formed by nitriding the surface layer portion of the interlayer insulating film 35. This nitriding treatment can be performed, for example, by exposing the surface of the interlayer insulating film 35 to plasma of a mixed gas of NH 3 and H 2 under the following conditions.

NH流量:40sccm
流量:10sccm
圧力:1.0Pa
RFパワー:200W
処理時間:10秒
基板温度:室温〜400℃
図3A及び図3Bに、それぞれ窒化処理前と窒化処理後の層間絶縁膜35の深さ方向に関する構成元素分布を、オージェ電子分光分析により測定した結果を示す。横軸は、スパッタリング時間を単位「分」で表し、表面からの深さに対応する。縦軸は、各元素の検出強度を示す。窒化処理を行うことにより、表層部に窒素が導入され、シリコン窒化物が形成されていることがわかる。なお、窒化処理後の最表面において酸素が検出されているが、これは測定前に測定対象物を大気に晒したことにより表面が自然酸化されたためである。
NH 3 flow rate: 40 sccm
H 2 flow rate: 10 sccm
Pressure: 1.0Pa
RF power: 200W
Processing time: 10 seconds Substrate temperature: Room temperature to 400 ° C
3A and 3B show the results of measuring the constituent element distribution in the depth direction of the interlayer insulating film 35 before and after the nitriding treatment by Auger electron spectroscopy, respectively. The horizontal axis represents the sputtering time in units of “minutes” and corresponds to the depth from the surface. The vertical axis shows the detection intensity of each element. It can be seen that by performing the nitriding treatment, nitrogen is introduced into the surface layer portion and silicon nitride is formed. Note that oxygen is detected on the outermost surface after the nitriding treatment, which is because the surface was naturally oxidized by exposing the measurement object to the atmosphere before the measurement.

図1Eに示すように、層間絶縁膜35及び保護膜36にビアホール37を形成し、MTJ素子30の上部電極67の表面の一部を露出させる。   As shown in FIG. 1E, a via hole 37 is formed in the interlayer insulating film 35 and the protective film 36 to expose a part of the surface of the upper electrode 67 of the MTJ element 30.

図1Fに示すように、保護膜36の上にビット線40を形成する。ビット線40は、図1Fの横方向に延在し、ビアホール37内を経由してMTJ素子30の上部電極67に接続される。ビット線40は、MTJ素子30の下部電極61に接続された配線25と同一の積層構造を有する。保護膜36の上に、ビット線40を覆うように酸化シリコンからなる層間絶縁膜45を形成する。次いで、化学機械研磨(CMP)を行うことにより層間絶縁膜45の表面を平坦化する。層間絶縁膜45の上に配線50を形成する。さらに、配線50を覆うように、層間絶縁膜45の上に層間絶縁膜51を形成する。   As shown in FIG. 1F, the bit line 40 is formed on the protective film 36. The bit line 40 extends in the horizontal direction of FIG. 1F and is connected to the upper electrode 67 of the MTJ element 30 through the via hole 37. The bit line 40 has the same stacked structure as the wiring 25 connected to the lower electrode 61 of the MTJ element 30. An interlayer insulating film 45 made of silicon oxide is formed on the protective film 36 so as to cover the bit line 40. Next, the surface of the interlayer insulating film 45 is planarized by chemical mechanical polishing (CMP). A wiring 50 is formed on the interlayer insulating film 45. Further, an interlayer insulating film 51 is formed on the interlayer insulating film 45 so as to cover the wiring 50.

次に、図4A〜図4Dを参照して、第2の実施例による半導体装置の製造方法について説明する。   Next, with reference to FIGS. 4A to 4D, a method for fabricating a semiconductor device according to the second embodiment will be described.

図4Aに示すビット線40を形成するまでの工程は、第1の実施例の図1Fに示したビット線40を形成するまでの工程と共通である。ビット線40を覆うように、保護膜36の上に酸化シリコンからなる層間絶縁膜45を形成する。図4Bに示すように、化学機械研磨(CMP)を行うことにより層間絶縁膜45の表面を平坦化する。   The process until the bit line 40 shown in FIG. 4A is formed is the same as the process until the bit line 40 shown in FIG. 1F of the first embodiment is formed. An interlayer insulating film 45 made of silicon oxide is formed on the protective film 36 so as to cover the bit line 40. As shown in FIG. 4B, the surface of the interlayer insulating film 45 is planarized by performing chemical mechanical polishing (CMP).

図4Cに示すように、層間絶縁膜45の表層部を窒化することにより、保護膜46を形成する。窒化処理は、図1Dに示した保護膜36の形成方法と同一である。図4Dに示すように、保護膜46の上に配線50を形成する。さらに、配線50を覆うように、保護膜46の上に層間絶縁膜51を形成する。このようにして、多層配線層を順次形成していく。   As shown in FIG. 4C, the protective film 46 is formed by nitriding the surface layer portion of the interlayer insulating film 45. The nitriding treatment is the same as the method for forming the protective film 36 shown in FIG. 1D. As shown in FIG. 4D, the wiring 50 is formed on the protective film 46. Further, an interlayer insulating film 51 is formed on the protective film 46 so as to cover the wiring 50. In this way, multilayer wiring layers are formed sequentially.

図5Aに、第1の実施例による方法で同一基板上に形成した80個のMTJ素子の抵抗のばらつきの測定結果を示す。図5Bに、第2の実施例による方法で同一基板上に形成した80個のMTJ素子の抵抗のばらつきの測定結果を示す。図5Cに、図1Fに示した第1の実施例による半導体装置の層間絶縁膜35を、酸化シリコンに代えてSiOFで形成した第3の実施例による半導体装置のMTJ素子の抵抗のばらつきを示す。第1の実施例では窒化処理時間を10秒としたが、第3の実施例では、窒化処理時間を15秒とした。横軸は素子番号を表し、縦軸は、MTJ素子30の抵抗を単位「Ω・μm」で表す。 FIG. 5A shows the measurement results of the resistance variation of 80 MTJ elements formed on the same substrate by the method according to the first embodiment. FIG. 5B shows measurement results of resistance variations of 80 MTJ elements formed on the same substrate by the method according to the second embodiment. FIG. 5C shows variation in resistance of MTJ elements of the semiconductor device according to the third embodiment in which the interlayer insulating film 35 of the semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1F is formed of SiOF instead of silicon oxide. . In the first embodiment, the nitriding time is 10 seconds. In the third embodiment, the nitriding time is 15 seconds. The horizontal axis represents the element number, and the vertical axis represents the resistance of the MTJ element 30 in the unit “Ω · μm 2 ”.

図8Bに示した従来例を比較すると、第1〜第3の実施例のいずれの場合にも、抵抗のばらつきが小さくなっていることがわかる。これは、シリコン窒化物からなる保護膜36及び46により、MTJ素子30への水分の侵入が防止されたためと考えられる。   Comparing the conventional example shown in FIG. 8B, it can be seen that the variation in resistance is small in any of the first to third embodiments. This is presumably because the intrusion of moisture into the MTJ element 30 was prevented by the protective films 36 and 46 made of silicon nitride.

層間絶縁膜36及び46の材料として、酸化シリコン、SiOF以外に、窒化されることによって、元の材料よりも水分を透過させにくい絶縁物になるものを用いてもよい。例えば、SiC、SiOC等のSiを含む絶縁材料で形成してもよいし、Al等のAlを含む絶縁材料で形成してもよい。層間絶縁膜35及び45をSiOCで形成する場合には、窒化処理時間を、例えば15秒とする。また、SiCやAlで形成する場合には、窒化処理時間を例えば20秒とする。 As a material of the interlayer insulating films 36 and 46, in addition to silicon oxide and SiOF, an insulating material that is less permeable to moisture than the original material by nitriding may be used. For example, it may be formed of an insulating material containing Si such as SiC or SiOC, or may be formed of an insulating material containing Al such as Al 2 O 3 . When the interlayer insulating films 35 and 45 are formed of SiOC, the nitriding time is set to 15 seconds, for example. Further, in the case of forming with SiC or Al 2 O 3 , the nitriding time is set to 20 seconds, for example.

一般に、シリコン窒化物やアルミニウム窒化物は、シリコン酸化物、シリコン炭化物、シリコン酸化フッ化物、アルミニウム酸化物に比べて、高い誘電率を有する。層間絶縁膜35及び45の表層部を窒化することにより形成される保護膜36及び46は、層間絶縁膜35及び45よりも高い誘電率を有する。このため、保護膜36及び46を厚くしすぎると、配線間の寄生容量が大きくなり、信号の伝搬遅延の要因になる。逆に、保護膜36及び46を薄くしすぎると、水分の侵入を防止する効果が低下してしまう。従って、保護膜36及び46の各々の厚さを10〜30nmの範囲内とすることが好ましい。   In general, silicon nitride and aluminum nitride have a higher dielectric constant than silicon oxide, silicon carbide, silicon oxyfluoride, and aluminum oxide. The protective films 36 and 46 formed by nitriding the surface layer portions of the interlayer insulating films 35 and 45 have a dielectric constant higher than that of the interlayer insulating films 35 and 45. For this reason, if the protective films 36 and 46 are too thick, the parasitic capacitance between the wirings increases, which causes a signal propagation delay. On the other hand, if the protective films 36 and 46 are too thin, the effect of preventing the entry of moisture will be reduced. Therefore, it is preferable that the thickness of each of the protective films 36 and 46 is in the range of 10 to 30 nm.

図6に、第1〜第3の実施例による半導体装置の等価回路図を示す。複数のワード線4が第1の方向(図6において縦方向)に延在する。ワード線4に対応して、第1の方向に延在するディジット線16が配置されている。複数のビット線40が、第1の方向と交差する第2の方向(図6において横方向)に延在する。   FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of the semiconductor device according to the first to third embodiments. A plurality of word lines 4 extend in the first direction (vertical direction in FIG. 6). A digit line 16 extending in the first direction is arranged corresponding to the word line 4. The plurality of bit lines 40 extend in a second direction (lateral direction in FIG. 6) intersecting the first direction.

ビット線40とディジット線16との交差箇所に、MTJ素子30が配置されている。ワード線4とビット線40との交差箇所にMOSトランジスタ3が配置されている。MTJ素子30の一方の端子が、対応するビット線40に接続されており、他方の端子が対応するMOSトランジスタ3の一方の端子に接続されている。MOSトランジスタ3の他方の端子は接地されている。MOSトランジスタ3のゲート電極は、対応するワード線4に接続されている。   An MTJ element 30 is disposed at the intersection of the bit line 40 and the digit line 16. A MOS transistor 3 is arranged at the intersection of the word line 4 and the bit line 40. One terminal of the MTJ element 30 is connected to the corresponding bit line 40, and the other terminal is connected to one terminal of the corresponding MOS transistor 3. The other terminal of the MOS transistor 3 is grounded. The gate electrode of the MOS transistor 3 is connected to the corresponding word line 4.

図7に、第1〜第3の実施例による半導体装置の平面図を示す。複数のワード線4及びディジット線16が、第1の方向(図7において縦方向)に延在する。両者は、平面視においてほぼ重なっている。2本のワード線4に対して1本のグランド線10が、その間に配置されている。複数のビット線40が第2の方向(図7において横方向)に延在している。ビット線40とディジット線16との交差箇所にMTJ素子30が配置されている。   FIG. 7 is a plan view of the semiconductor device according to the first to third embodiments. A plurality of word lines 4 and digit lines 16 extend in a first direction (vertical direction in FIG. 7). Both are almost overlapping in plan view. One ground line 10 is arranged between two word lines 4. A plurality of bit lines 40 extend in the second direction (lateral direction in FIG. 7). An MTJ element 30 is disposed at the intersection of the bit line 40 and the digit line 16.

2本のワード線4とそれに対応するグランド線10からなる3本の配線と、ビット線40との交差箇所に活性領域50が配置されている。ワード線4とビット線40との交差箇所に、MOSトランジスタ3が配置されている。すなわち、1つの活性領域50内に2つのMOSトランジスタ3が配置されており、グランド線10に接続される不純物拡散領域が共有されている。MOSトランジスタ3の、グランド線10とは反対側の不純物拡散領域とMTJ素子30とを配線25が接続する。全面を、保護膜36が覆っている。   An active region 50 is arranged at the intersection of the three lines composed of the two word lines 4 and the corresponding ground line 10 and the bit line 40. A MOS transistor 3 is arranged at the intersection of the word line 4 and the bit line 40. That is, two MOS transistors 3 are arranged in one active region 50, and an impurity diffusion region connected to the ground line 10 is shared. A wiring 25 connects the impurity diffusion region of the MOS transistor 3 opposite to the ground line 10 and the MTJ element 30. A protective film 36 covers the entire surface.

選択された1本のディジット線16と1本のビット線40とに書き込み電流を流すと、両者の交差箇所に合成磁場が発生する。この合成磁場により、MTJ素子30のフリー層の磁化方向が変化し、書き込みが行われる。MOSトランジスタ3を導通させてMTJ素子30の電気抵抗を検出することにより、情報の読出しが行われる。   When a write current is passed through one selected digit line 16 and one bit line 40, a composite magnetic field is generated at the intersection of the two. By this synthetic magnetic field, the magnetization direction of the free layer of the MTJ element 30 changes, and writing is performed. Information is read by conducting the MOS transistor 3 and detecting the electrical resistance of the MTJ element 30.

第1〜第3の実施例による半導体装置においては、複数のMTJ素子30の抵抗のばらつきが小さい。このため、複数のMTJ素子30について、安定した情報の読出しを行うことができる。   In the semiconductor devices according to the first to third embodiments, the resistance variation of the plurality of MTJ elements 30 is small. For this reason, it is possible to read information stably with respect to the plurality of MTJ elements 30.

上記第1〜第3の実施例では、磁気抵抗効果素子としてMTJ素子を用いたが、その他に、外部磁場によって磁気抵抗が変化する素子、例えばMTJ素子のトンネル絶縁膜を非磁性導電材料からなる膜で置き換えた磁気抵抗効果素子を用いることも可能である。   In the first to third embodiments, the MTJ element is used as the magnetoresistive effect element. In addition, an element whose magnetic resistance is changed by an external magnetic field, for example, a tunnel insulating film of the MTJ element is made of a nonmagnetic conductive material. It is also possible to use a magnetoresistive effect element replaced with a film.

また、上記第1〜第3の実施例による層間絶縁膜と保護膜との組み合わせは、磁気抵抗効果素子を用いたMRAMのみならず、強誘電体材料を利用した強誘電体メモリ(FRAM)や抵抗変化を利用したレジスタンスRAM(RRAM)にも適用可能である。   The combination of the interlayer insulating film and the protective film according to the first to third embodiments is not limited to MRAM using a magnetoresistive effect element, but also ferroelectric memory (FRAM) using a ferroelectric material, The present invention can also be applied to a resistance RAM (RRAM) using resistance change.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

上記実施例から、以下の付記に示された発明が導出される。   The invention shown in the following supplementary notes is derived from the above embodiments.

(付記1)
(a)磁化方向が固定された強磁性材料からなるピンド層と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層とで非磁性層を挟んだ磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
(b)前記磁気抵抗効果素子を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の表層部を窒化する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
(Appendix 1)
(A) forming a magnetoresistive element in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a pinned layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field;
(B) forming an interlayer insulating film so as to cover the magnetoresistive element;
(C) a method of manufacturing a semiconductor device, including a step of nitriding a surface layer portion of the interlayer insulating film.

(付記2)
前記層間絶縁膜が、SiまたはAlを含み、前記工程cにおいて、シリコン窒化物またはアルミニウム窒化物を形成する付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 2)
The method for manufacturing a semiconductor device according to appendix 1, wherein the interlayer insulating film contains Si or Al, and silicon nitride or aluminum nitride is formed in the step c.

(付記3)
前記工程cにおいて窒化される表層部の厚さが、10〜30nmの範囲内である付記1または2に記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 3)
The manufacturing method of a semiconductor device according to appendix 1 or 2, wherein a thickness of the surface layer portion nitrided in the step c is in a range of 10 to 30 nm.

(付記4)
前記工程cは、プラズマCVDによるものである付記1〜3のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
(Appendix 4)
The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of appendices 1 to 3, wherein the step c is performed by plasma CVD.

(付記5)
第1の方向に延在する複数のディジット線と、
前記第1の方向と交差する第2の方向に延在する複数のビット線と、
前記ディジット線とビット線との交差箇所に配置され、磁化方向が固定された強磁性材料からなるピンド層と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層とで非磁性層を挟んでなる磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子を覆うように形成され、その表層部が窒化されている層間絶縁膜と
を有し、前記ビット線が前記層間絶縁膜の上に形成されている半導体装置。
(Appendix 5)
A plurality of digit lines extending in a first direction;
A plurality of bit lines extending in a second direction intersecting the first direction;
Magnetoresistance formed by pinching a pinned layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field and sandwiching a nonmagnetic layer at the intersection of the digit line and the bit line An effect element;
A semiconductor device having an interlayer insulating film formed so as to cover the magnetoresistive effect element and having a surface layer portion nitrided, and wherein the bit line is formed on the interlayer insulating film.

(付記6)
さらに、
前記ビット線上に形成され、その表層部が窒化されている第2の層間絶縁膜と、
前記第2の層間絶縁膜の上に形成された配線層と
を有する付記5に記載の半導体装置。
(Appendix 6)
further,
A second interlayer insulating film formed on the bit line, the surface layer portion of which is nitrided;
The semiconductor device according to appendix 5, further comprising: a wiring layer formed on the second interlayer insulating film.

(付記7)
前記層間絶縁膜が、SiまたはAlを含み、その表層部がシリコン窒化物またはアルミニウム窒化物で形成されている付記5または6に記載の半導体装置。
(Appendix 7)
The semiconductor device according to appendix 5 or 6, wherein the interlayer insulating film includes Si or Al, and a surface layer portion thereof is formed of silicon nitride or aluminum nitride.

(付記8)
前記層間絶縁膜の窒化された表層部の厚さが、10〜30nmの範囲内である付記5〜7のいずれかに記載の半導体装置。
(Appendix 8)
The semiconductor device according to any one of appendices 5 to 7, wherein the thickness of the nitrided surface layer portion of the interlayer insulating film is in the range of 10 to 30 nm.

(1A)及び(1B)は、第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中段階の装置断面図(その1)である。FIGS. 1A and 1B are cross-sectional views (part 1) of a device in the middle of manufacturing for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment. FIGS. (1C)及び(1D)は、第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中段階の装置断面図(その2)である。(1C) and (1D) are sectional views (part 2) of the device in the middle of manufacture for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment. (1E)は、第1の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中段階の装置断面図(その3)であり、(1F)は、第1の実施例による半導体装置の断面図である。(1E) is a cross-sectional view of the device in the middle of manufacture for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment (No. 3), and (1F) is a cross section of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. MTJ素子の断面図である。It is sectional drawing of an MTJ element. (3A)は、窒化処理前の層間絶縁膜の厚さ方向の不純物分布を示すグラフであり、(3B)は、窒化処理後の層間絶縁膜の厚さ方向の不純物分布を示すグラフである。(3A) is a graph showing the impurity distribution in the thickness direction of the interlayer insulating film before nitriding treatment, and (3B) is a graph showing the impurity distribution in the thickness direction of the interlayer insulating film after nitriding treatment. (4A)及び(4B)は、第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中段階の装置断面図(その1)である。FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views (part 1) of a device in the middle of manufacture for explaining a method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment. FIGS. (4C)は、第2の実施例による半導体装置の製造方法を説明するための製造途中段階の装置断面図(その2)であり、(4D)は、第2の実施例による半導体装置の断面図である。(4C) is a cross-sectional view of a device in the middle of manufacturing for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment (No. 2), and (4D) is a cross section of the semiconductor device according to the second embodiment. FIG. (5A)、(5B)及び(5C)は、それぞれ第1、第2及び第3の実施例による半導体装置のMTJ素子の電気抵抗のばらつきを示すグラフである。(5A), (5B), and (5C) are graphs showing variations in electrical resistance of the MTJ elements of the semiconductor devices according to the first, second, and third embodiments, respectively. 第1〜第3の実施例による半導体装置の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the semiconductor device by the 1st-3rd Example. 第1〜第3の実施例による半導体装置の平面図である。It is a top view of the semiconductor device by the 1st-3rd Example. (8A)は、従来の半導体装置のMTJ素子部分の断面図であり、(8B)は、MTJ素子の抵抗のばらつきを示すグラフである。(8A) is a cross-sectional view of an MTJ element portion of a conventional semiconductor device, and (8B) is a graph showing variation in resistance of the MTJ element.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
2 素子分離絶縁膜
3 MOSトランジスタ
4 ワード線
5、8、13、20、35、45、51 層間絶縁膜
6、7、14、21 導電プラグ
9、15 孤立配線
10 グランド線
16 ディジット線
25、50 配線
30 MTJ素子
36、46 保護膜
37 ビアホール
40 ビット線
50 活性領域
61 下部電極
62 NiFe層
63 反強磁性層
64 ピンド層
65 トンネルバリア層
66 フリー層
67 上部電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Element isolation insulating film 3 MOS transistor 4 Word line 5, 8, 13, 20, 35, 45, 51 Interlayer insulating film 6, 7, 14, 21 Conductive plug 9, 15 Isolated wiring 10 Ground line 16 Digit line 25 50 Wiring 30 MTJ elements 36, 46 Protective film 37 Via hole 40 Bit line 50 Active region 61 Lower electrode 62 NiFe layer 63 Antiferromagnetic layer 64 Pinned layer 65 Tunnel barrier layer 66 Free layer 67 Upper electrode

Claims (5)

(a)磁化方向が固定された強磁性材料からなるピンド層と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層とで非磁性層を挟んだ磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
(b)前記磁気抵抗効果素子を覆うように層間絶縁膜を形成する工程と、
(c)前記層間絶縁膜の表層部を窒化する工程と
を有する半導体装置の製造方法。
(A) forming a magnetoresistive element in which a nonmagnetic layer is sandwiched between a pinned layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field;
(B) forming an interlayer insulating film so as to cover the magnetoresistive element;
(C) a method of manufacturing a semiconductor device, including a step of nitriding a surface layer portion of the interlayer insulating film.
前記層間絶縁膜が、SiまたはAlを含み、前記工程cにおいて、シリコン窒化物またはアルミニウム窒化物を形成する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the interlayer insulating film includes Si or Al, and silicon nitride or aluminum nitride is formed in the step c. 前記工程cにおいて窒化される表層部の厚さが、10〜30nmの範囲内である請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein a thickness of the surface layer portion nitrided in the step c is in a range of 10 to 30 nm. 第1の方向に延在する複数のディジット線と、
前記第1の方向と交差する第2の方向に延在する複数のビット線と、
前記ディジット線とビット線との交差箇所に配置され、磁化方向が固定された強磁性材料からなるピンド層と、外部磁場によって磁化方向が変化するフリー層とで非磁性層を挟んでなる磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子を覆うように形成され、その表層部が窒化されている層間絶縁膜と
を有し、前記ビット線が前記層間絶縁膜の上に形成されている半導体装置。
A plurality of digit lines extending in a first direction;
A plurality of bit lines extending in a second direction intersecting the first direction;
Magnetoresistance formed by pinching a pinned layer made of a ferromagnetic material whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field and sandwiching a nonmagnetic layer at the intersection of the digit line and the bit line An effect element;
A semiconductor device having an interlayer insulating film formed so as to cover the magnetoresistive effect element and having a surface layer portion nitrided, and wherein the bit line is formed on the interlayer insulating film.
前記層間絶縁膜が、SiまたはAlを含み、その表層部がシリコン窒化物またはアルミニウム窒化物で形成されている請求項4に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 4, wherein the interlayer insulating film includes Si or Al, and a surface layer portion thereof is formed of silicon nitride or aluminum nitride.
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