JP2007324269A - 磁気記憶装置とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
新規な磁壁ピニング構造を有する磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】
磁気記憶装置は、多数の磁区形成領域が磁壁形成領域によって分離された磁性材料細線を有する磁気記憶装置であって、前記磁区形成領域と前記磁壁形成領域とは異なる磁気的物性を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁気記憶装置とその製造方法に関し、特に磁壁移動を利用する磁気記憶装置とその製造方法に関する。

不揮発性磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、フラッシュ（ＦＬＡＳＨ）メモリに代わる次世代の超大容量不揮発性メモリの有力候補として注目されている。大容量と高速性の要求を満たすため、様々なＭＲＡＭが提案されている。

磁気抵抗素子は、非磁性スペーサ層を介して対向した２つの磁性層の磁化方向の相対関係に基づいて２つの磁性層間の電気抵抗が変化する磁気抵抗を利用する素子である。磁気抵抗素子として、非磁性スペーサ層が導電体である巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子や、非磁性スペーサ層が絶縁バリア層であるトンネリング磁気抵抗（ＴＭＲ）素子が利用されている。ＴＭＲ素子は大きな磁気抵抗比を得やすい。

磁性層の磁化方向は、磁性層の形状などにより一定の方向に決めることができる。２つの磁性層の磁化方向が平行か、反平行かになるようにすると、２つの磁性層間の磁気抵抗は反平行の時高く、平行の時低くなる。磁気抵抗素子の一方の磁性層の磁化方向を固定し（磁化固定層）、他方の磁性層（磁化自由層）の磁化方向を磁化固定相の磁化方向に対して平行か、反平行にして、磁気的記憶を行う。反強磁性層の上に、第１の強磁性層、第１の非磁性層、第２の強磁性層を積層すると、第１の強磁性層は反強磁性層の磁化方向に磁化し、第２の強磁性層は反平行に磁化して磁化固定層が形成される。第２の強磁性層の上に第２の非磁性層、第３の強磁性層を形成すると、第３の強磁性層で磁化自由層が形成される。

ＭＲＡＭは、通常多数の磁気抵抗素子を行列状に配置する。行列の行方向、列方向に沿って配線を形成し、配線に電流を流し、誘導磁界を生じさせ磁気抵抗素子の磁化自由層に情報を書き込む。誘導磁界を消去しても磁化は残り、情報が記憶される。磁気抵抗素子を微細化すると、反磁界が大きくなる。より大きな発生磁界が必要となり、より大きな書き込み電流が必要となる。

特開２０００−１９５２５０号は、強磁性層の少なくとも一方と配線層を積層構造とすることを提案する。例えば、２層の強磁性層を交差するように対向配置し、その外側に配線層を積層した構造を用いる。交差部が行列状に形成される構造の場合、固定磁化層を構成する強磁性層は交差部のみに配置してもよい。自由磁化層を構成する強磁性層に括れを形成して、磁壁を積極的にピニングする構成も提案している。

特開２００２−２９９５８４号は、配線と強磁性層とを兼用する構成を提案している。例えば、ビット線を強磁性体で形成し、固定磁化層を兼ねさせる。ビット線の全体を強磁性体で作成する必要はなく、自由磁化層と対向する部分のみを強磁性体で作成してもよい。自由磁化層を配線として利用してもよい。

特開２００６−００５３０８号は、磁気ヒステリシス特性を有する材料で棒状磁性層を形成し、両端と中央部に電極を形成したメモリを提案する。印加した外部磁界を減少させて磁壁を生じさせた後、棒状磁性層に電流を流して磁壁を電流と逆方向に移動させ、情報を記憶する。中央部の電極の左側に磁壁があるか、右側に磁壁があるかによって変化する、右部分、左部分の少なくとも一方の抵抗、または右部分と左部分の抵抗の差を検出して情報を読み出す。磁壁の位置をピニングするため、棒状磁性膜の左部分及び右部分に狭窄部を形成することも提案する。

スピン注入型のＭＲＡＭ素子が提案されている。磁化固定層からスピン偏極した電子を磁化自由層に流入させることで、磁化自由層に対して交換相互作用によりトルクが発生する。このトルクが十分大きい場合、磁化自由層の磁化方向が反転する。電流の方向により磁化方向を決め、スピン注入により磁化自由層の書き込みを行うのがスピン注入型のＭＲＡＭである。スピン注入型のＭＲＡＭは、素子サイズの減少と共に磁化自由層の体積が減少する。体積の減少により反転電流も減少する。このため、スケーリングが容易であり、大容量化、低消費電力化に適している。

米国特許第６，８３４，００５号は、磁性材料の細線に多数の磁壁を作成し、情報を磁壁として記憶する大容量のメモリストレージを提案している。細線に電流を流すことで磁壁を移動させ、読み出し装置、書き込み装置を通過させ、読み出し、書き込みを行う。磁化は細線に垂直方向か長さ方向であり、書き込みは誘導磁界で行い、読出は磁気トンネリング接合等を用いて行なう。

Phys. Rev. L. 92, p.077205-1 (2004)は、幅２４０ｎｍの磁性材料細線に逆向きの２つの磁区を形成すると、逆方向の磁区の間に渦型磁壁（vortexdomain wall)が形成されることを磁力顕微鏡による観察とシミュレーションにより結論付けた。観察された磁壁はサブミクロンの寸法を有する。磁性材料細線に電流を流すと、磁壁は電流方向と逆方向に、平均的に電流値に比例した距離移動する。但し、一定電流によって移動する距離は局所的に変化する。磁性材料細線内の欠陥分布によるものであろうとされている。また、磁壁を移動させる電流値には閾値が存在する。閾値以下の電流では磁壁は移動しない。観察された閾値は、１．０×１０^１２Ａ／ｍ^２であった。

特開２０００−１９５２５０号公報 特開２００２−２９９５８４号公報 特開２００６−００５３０８号公報 米国特許第６，８３４，００５号公報 Phys. Rev. L. 92, p.077205-1 (2004)

磁壁を移動させて情報を書き込み、読み出しするストレージメモリにおいては、安定した磁区の形成が不可欠である。磁性材料細線にノッチを形成して磁壁をピニングする場合、微細化と共にノッチ形状の制御が容易でなくなる。

ノッチによる磁壁のトラップサイトの障壁エネルギＥ_Ｗを細線部分とノッチ部分の面積の差ΔＳに基づくものとする解析が行われている。この解析に寄れば、
Ｅ_Ｗ ＝ （Ａ・Ｋ）^１／２ΔＳ
となる。ここで、Ａ：交換スティフネス定数、Ｋ：磁気異方性定数である。微細化するにつれ、細線部分とノッチ部分との面積差ΔＳは小さくなり、障壁エネルギは小さくなる。熱揺らぎにより磁壁が消滅してしまう可能性がある。ノッチで磁壁をピニングすることには、限界があるであろう。

本発明の目的は、新規な磁壁ピニング構造を有する磁気記憶装置を提供することである。

本発明の他の目的は、安定に磁壁をピニングできる構造を作成できる磁気記憶装置の製造方法を提供することである。

本発明の１観点によれば、
多数の磁区形成領域が磁壁形成領域によって分離された磁性材料細線を有する磁気記憶装置であって、
前記磁区形成領域と前記磁壁形成領域とは異なる磁気的物性を有する磁気記憶装置
が提供される。

本発明の他の観点によれば、
磁性材料細線層を形成する工程と、
前記磁性材料細線層に選択的にイオンビームを照射し、前記磁性材料細線層の磁気的物性を選択的に変化させる工程と、
を含む磁気記憶装置の製造方法
が提供される。

磁性材料細線の磁気的物性を選択的に変化させることにより磁壁ピニング効果を得ることができる。

本発明者らは、磁性材料細線に多数ビットの記憶を行い、大容量のメモリを実現することを検討した。磁性材料細線が、長さ１．４ｍｍを有する時、６０ｎｍのスペースを介して長さ６０ｎｍの磁区を形成すると、１本の磁性材料細線に約１１．７ｋビットの記憶を行うことができる。磁性材料細線の幅を５０ｎｍとし、５０ｎｍのスペースを介して並列に配置すると、幅１ｍｍのメモリ領域に約１０，０００本の磁性材料細線を配置でき、約１２０Ｍビットの記憶容量が得られる。８個のメモリ領域を形成すれば、約１Ｇビットの記憶容量となる。これは、あくまで概算であるが、大容量メモリの可能性が示唆される。なお、磁性材料の細線の厚さと幅は、ほぼ同程度が好ましい。

全ての磁区に、書き込み構造、読み出し構造を設ける代わりに、限られた数の書き込み構造、読み出し構造を設け、磁区を電流で移動させることにより所望の磁区に書き込み、読み出しを行うようにすれば、構成を簡略化でき、微細化に有利となる。磁壁を電流で移動させる場合、移動距離を安定化するためには磁壁をピニングすることが望まれる。ピニング機構として、ノッチが知られているが、例えば幅５０ｎｍの磁性材料細線の両側壁から深さ５−１０ｎｍのノッチを形成することは容易でない。ノッチを形成する代わりに磁壁をピニングできる構成を考察した。磁性材料の組成を変化させる、ないし磁性材料に不純物をドープすると、磁気的物性が変化することが知られている。イオン注入を利用して、磁性材料細線の磁気的物性を調整することにより、磁壁ピニング構造を形成できるであろう。

図１Ａ，１Ｂは、本発明の実施例による磁気記憶装置を示す概略断面図及び磁気材料細線の上面図である。

図１Ａに示すように、例えばｐ型のシリコン基板ＳＵＢに通常の製造工程により必要なＭＯＳトランジスタを形成する。まず、シリコン基板ＳＵＢに素子分離溝を形成し、酸化膜ライナ、窒化膜ライナを形成し、酸化シリコン等の絶縁膜を埋め込み、化学機械研磨（ＣＭＰ）で表面を平坦化してシャロートレンチアイソレーションによる素子分離領域ＳＴＩを形成する。イオン注入を行いｎウェルＮＷ，ｐウェルＰＷを形成する。素子分離領域ＳＴＩで画定された活性領域表面を酸化してゲート酸化膜を形成し、その上に多結晶シリコン層等を堆積しパターニングしてゲート電極Ｇを形成する。浅いイオン注入を行い、ゲート電極Ｇ両側にソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄのエクステンション領域を形成し、サイドウォールスペーサを形成した後高濃度のイオン注入を行い。ソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄの高濃度領域を形成する。図中左側のトランジスタＴＲ１が読み出し用トランジスタであり、その右側のトランジスタＴＲ２が書き込み用トランジスタであり、さらに右側のトランジスタＴＲ３が磁壁移動用（電流駆動用）トランジスタである。

各トランジスタを覆って、第１層間絶縁膜ＩＬ１を堆積し、ＣＭＰで表面を平坦化した後、各トランジスタに対するコンタクトホールを開口する。コンタクトホール内を埋めるように、ＴｉＮ層、Ｗ層を堆積し、不要部をＣＭＰで除去して、導電性プラグＰＬＧ１，ＰＬＧ２，ＰＬＧ３を形成する。第１層間絶縁膜ＩＬ１上に第２層間絶縁膜ＩＬ２を堆積し、配線溝をエッチングして導電性プラグＰＬＧ表面を露出し、Ｔａ層をＣＶＤ等で形成し、Ｔａ層をシードとしてその上にＣｕ層をメッキで形成する。ＣＭＰで不要部を除去してＣｕ配線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を形成する。なお、以上の工程で周辺回路領域に周辺回路用のトランジスタ、配線も形成する。これらの工程は周知であり、他の公知の工程を用いてもよい。この上に、書き込み装置として巨大磁気抵抗素子ＧＭＲ、読み出し装置としてトンネリング磁気抵抗素子ＴＭＲを形成する。

図２Ａに示すように、第２層間絶縁膜ＩＬ２の上に第３層間絶縁膜ＩＬ３を堆積し、コンタクトホールを形成して、配線Ｗ１、Ｗ２の表面を露出する。ＴｉＮ層、Ｗ層を堆積し、不要部を除去して導電性プラグＰＬＧ４，ＰＬＧ５を形成する。第３層間絶縁膜ＩＬ３の上に導電性プラグＰＬＧ４，ＰＬＧ５，に接続される、厚さ約５０ｎｍのＴａ膜であるローカル配線層ＬＷを形成する。ローカル配線層ＬＷは、必要に応じて形成される、巨大磁気抵抗素子ＧＭＲ，トンネリング磁気抵抗素子ＴＭＲ用のローカル配線を形成する層である。

図２Ｂに示すように、ローカル配線層ＬＷの上に、巨大磁気抵抗素子構成層ＧＭＲを例えばスパッタリングで積層する。ＧＭＲは、例えば、
Ｒｕ４／ＩｒＭｎ７／ＣｏＦｅ２／Ｒｕ０．８／ＣｏＦｅ２／Ｃｕ３／ＣｏＦｅＢ５／Ｔａ３０（数値は厚さを単位ｎｍで示す）
の積層で形成する。最上Ｔａ層はキャップ層であり、強磁性ＣｏＦｅＢ層までのＧＭＲ構造を保護する層である。

図２Ｃに示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより導電性プラグＰＬＧ４近傍に巨大磁気抵抗素子構成層ＧＭＲをパターニングし、巨大磁気抵抗素子ＧＭＲを形成する。

図２Ｄに示すように、巨大磁気抵抗素子ＧＭＲをレジストパターンＲＰ１で覆い、ローカル配線層ＬＷの上にトンネリング磁気抵抗素子構成層ＴＭＲを例えばスパッタリングで積層する。ＴＭＲは、例えば、
Ｔａ３／Ｒｕ４／ＩｒＭｎ７／ＣｏＦｅ２／Ｒｕ０．７／ＣｏＦｅＢ２／ＭｇＯ２／ＣｏＦｅＢ５／Ｔａ３０（数値は厚さを単位ｎｍで示す）
の積層で形成する。最上Ｔａ層はキャップ層であり、強磁性ＣｏＦｅＢ層までのＴＭＲ構造を保護する層である。

図２Ｅに示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチングにより導電性プラグＰＬＧ５近傍にトンネリング磁気抵抗素子構成層ＴＭＲをパターニングし、トンネリング磁気抵抗素子ＴＭＲを形成する。続いて、ＴＭＲ保護用のレジストパターンＲＰを除去する。

図２Ｆに示すように、フォトリソグラフィ及びドライエッチングによりローカル配線層ＬＷをパターニングし、ＧＭＲ，ＴＭＲと導電性プラグとを接続するローカル配線をパターニングする。

なお、ローカル配線ＬＷを形成せず、導電性プラグの上に直接巨大磁気抵抗素子ＧＭＲ、トンネリング磁気抵抗素子ＴＭＲを形成することも可能である。ＧＭＲ，ＴＭＲを別工程で形成する場合を説明したが一部工程を共用することも可能であろう。読み出し装置としてはＴＭＲが大きな磁気抵抗比が得られて好ましい。書き込み装置としては、ＧＭＲのかわりにＴＭＲを用いることも可能である。読み出し装置、書き込み装置をともにＴＭＲで形成する場合も、その特性はそれぞれの目的に合わせて選択することが好ましい。

また、書き込み装置として、従来型のＭＲＡＭと同様に磁場による書き込み素子を用いてもよい。

なお、情報書き込み素子、情報読み出し素子は、磁性材料細線に沿って８ビット、１６ビット等一定ビット数毎に複数個設けるのが望ましい。例えば８ビット毎に書き込み素子、読み出し素子を設ければ、８ビット分の磁壁移動を行えばいずれのビットも、書き込み、読み出しすることができる。磁性材料の細線の磁壁移動用マージンの距離を短くすることができる。

図２Ｇに示すように、ＧＭＲ，ＴＭＲを覆って第３層間絶縁膜ＩＬ３上に、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜の積層等で第４層間絶縁膜ＩＬ４を堆積し、ＣＭＰにより平坦化すると共に、キャップＴａ層を研磨、除去し、その下のＣｏＦｅＢ磁化自由層が約２ｎｍ残るまで研磨する。このようにして、ＧＭＲ，ＴＭＲの磁化自由層を露出する。

図２Ｈに示すように、第４層間絶縁膜ＩＬ４上に例えば厚さ約５０ｎｍのＮｉＦｅ（パーマロイ）等の磁性材料層１を堆積する。磁性材料層１は、ＧＭＲ，ＴＭＲのＣｏＦｅＢ層と共に磁化自由層を構成する。磁性材料層１をパターニングすれば磁気細線となる。

図２Ｉの断面図、図２Ｊの平面図に示すように、磁性材料層１の上にストライプ状のレジストパターンＲＰ２を形成する。例えば磁区形成領域となる領域を覆うように、幅約１００ｎｍのレジストパターンを約３０ｎｍの間隔をおいて並列に抜きパターンを形成する。レジストパターンの形成には、ＫｒＦ，ＡｒＦエキシマ露光、電子ビーム露光等により露光、現像することで形成するが、磁壁形成領域はより微細なパターンを形成する必要があるため、露光、現像後に、シュリンク材等の抜きパターン幅を縮小させることができる材料を用いて露光限界以上の微細パターンを形成することができる。レジストパターンＲＰ２をマスクとして、Ｔａを５ａｔ％−１５ａｔ％イオン注入する。Ｔａは、ＮｉＦｅの磁気的特性を弱め、磁壁をトラップするトラップサイトを形成する。

図２Ｋは、Ｎｉ（８０％）Ｆｅ（２０％）パーマロイとＴａをスパッタ法により作成した薄膜の飽和磁束密度のＴａ組成に対する変化を示すグラフである。Ｔａ組成の増加と共に、飽和磁束密度が減少する。このため、Ｔａドープ領域は磁壁をピニングするトラップサイトとなる。

図２Ｌの平面図に示すように、レジストパターンＲＰを除去し、新たにイオン注入していない領域２ｘ、イオン注入した領域３ｘを横断するように磁性材料細線形状の例えば幅約５０ｎｍのレジストパターンＲＰ３を間隔約５０ｎｍで並列に形成する。レジストパターンＲＰ３をマスクとして磁性材料層１をパターニングして、図１Ｂに示すような磁性材料の細線を形成する。幅約５０ｎｍ、高さ約５０ｎｍの磁気細線が形成される。磁性材料の細線１には、磁区形成領域２と磁壁形成領域３とが交互に形成されている。

なお、Ｔａをイオン注入して磁壁形成領域を形成する場合を説明したが、Ｔａの代わりに、Ｃｒ，Ｈｆ，Ｒｕ，Ｔｉ，Ｇａ，Ｇｅ，Ａｓ，Ｂ，Ｐを５ａｔ％−１５ａｔ％ドープしても、磁化を小さくすることができる。磁性材料の細線はＮｉＦｅの他、ＣｏＦｅなどで形成することもできる。Ａｒ，Ｘｅ，Ｋｒなどの希ガスをイオン注入し、ダメージ層を形成することによっても磁化を小さくすることができよう。

図１Ａに示すように、磁性材料の細線を覆って第5層間絶縁膜ＩＬ５を堆積し、ＣＭＰにより表面を平坦化する。フォトリソグラフィとエッチングによりコンタクトホールを開口し、磁性材料の細線端部および配線Ｗ３を露出する。ＴｉＮ層、Ｗ層を堆積し、不要部をＣＭＰで除去して導電性プラグＰＬＧ６，ＰＬＧ７を形成する。その上にＡｌ等の配線Ｗ４を形成する。配線Ｗ４を覆って第7層間絶縁膜ＩＬ７を堆積し、ＣＭＰで表面を平坦化する。必要に応じて、さらに配線、層間絶縁膜、キャップ層等の形成を行ない、磁気記憶装置を作成する。

図３Ａ、３Ｂは、図２Ｉ、２Ｊに対応する変形例を示す断面図、平面図である。レジストパターンＲＰ４は磁壁形成領域を覆い、磁区形成領域を露出する。磁性材料層１に磁化を増強する組成、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ，Ｆｅ，Ｎｉ−Ｆｅ等をイオン注入する。磁区形成領域の磁化が増大するので、相対的に磁壁形成領域の磁化が小さくなり、磁壁をピニングする機能を発揮する。その他の工程は、実施例同様である。

磁壁作成のためのイオン注入後、レジストパターンＲＰを剥離し、必要に応じてアニールを行う。

なお、磁壁形成領域にノッチを形成してもよい。例えば、図２Ｉ，２Ｊの工程において、希ガスをイオン注入する場合、ミリングを生じる条件で行い時期細線層表面にノッチを形成してもよい。磁気的物性の差とノッチとの相乗作用により、磁壁をより安定にピニングできるであろう。

以上、実施例に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、種々の変形、改良、置換、組合せ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１Ａ，１Ｂは、本発明の実施例による磁気記憶装置の概略断面図、及び磁性材料の細線の概略上面図である。 ／ ／ 図２Ａ−２Ｉは、本発明の実施例による磁気記憶装置の製造方法の主要工程を示す断面図、図２Ｊは図２Ｉに対応する平面図、図２Ｋはパーマロイ中Ｔａ組成に対する飽和磁束密度の変化を示すグラフ、図２Ｌは磁気細線パターニング用レジストパターンを示す平面図である。 図３Ａ，３Ｂは、変形例を示す断面図、平面図である。

符号の説明

ＳＵＢ 基板、
ＳＴＩ 素子分離領域、
Ｗ ウェル、
Ｇ ゲート電極、
Ｓ／Ｄ ソース／ドレイン領域、
ＴＲ トランジスタ、
ＰＬＧ プラグ、
Ｗ 配線、
ＧＭＲ 巨大磁気抵抗（素子）、
ＴＭＲ トンネリング磁気抵抗（素子）、
ＩＬ 層間絶縁膜、
１ 磁性材料の細線、
２ 磁壁形成領域、
３ 磁区形成領域

Claims (6)

1. 多数の磁区形成領域が磁壁形成領域によって分離された磁性材料細線を有する磁気記憶装置であって、
   前記磁区形成領域と前記磁壁形成領域とは異なる磁気的物性を有する磁気記憶装置。
2. 前記磁性材料細線の書き込み領域に接続された、スピン注入型書き込み構造と、
   前記磁性材料細線の読み出し領域に接続された、磁気抵抗型読み出し構造と、
   前記磁性材料細線に電流を供給し、磁壁を移動する磁壁駆動回路と、
   をさらに有する請求項１記載の磁気記憶装置。
3. 前記磁壁形成領域は、前記磁区形成領域より飽和磁束密度が低い請求項１または２記載の磁気記憶装置。
4. 磁性材料細線層を形成する工程と、
   前記磁性材料細線層に選択的にイオンビームを照射し、前記磁性材料細線層の磁気的物性を選択的に変化させる工程と、
   を含む磁気記憶装置の製造方法。
5. 前記イオンビームが、前記磁性材料細線層の磁化を減少させる不純物のイオンビーム、または希ガスのイオンビームであり、前記磁壁形成領域にイオン注入される請求項４記載の磁気記憶装置の製造方法。
6. 前記イオンビームが、前記磁性材料細線層の磁化を増加させる磁性調整材料のイオンビームであり、前記磁区形成領域にイオン注入される請求項４記載の磁気記憶装置の製造方法。

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