JP2008218649A - 半導体装置およびその製造方法ならびに磁気メモリ素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体装置は、フリー層MFを含む磁気トンネル接合TMRを有し、TMRの近傍に流れる電流が発生する磁場によって、フリー層MFの磁化方向が制御される標準MRAMと、フリー層MFを含むTMRを有し、TMRに供給されるスピン注入電流により、フリー層MFの磁化方向が制御されるSTT−MRAMとを備え、標準MRAMおよびSTT−MRAMが同一基板上に搭載される。
【選択図】図1
Description
図1(a)は、標準MRAMの一例を示す部分斜視図であり、図1(b)は、標準MRAMの等価回路図である。図1(c)は、STT−MRAMの一例を示す部分斜視図であり、図1(d)は、STT−MRAMの等価回路図である。
図10〜図16は、本発明に係る半導体装置の製造工程の他の例を示す説明図であり、図10(a)〜図16(a)は標準MRAMの部分平面図、図10(b)〜図16(b)はその部分断面図である。図10(c)〜図16(c)はSTT−MRAMの部分平面図、図10(d)〜図16(d)はその部分断面図である。本実施形態では、標準MRAMおよびSTT−MRAMを異なる製造プロセスを用いて同一基板上に個別に形成する方法について説明する。
図17(a)は、本発明に係る半導体装置のチップレイアウトの一例を示す平面図である。図17(b)は、本発明に係る半導体装置のチップレイアウトの他の一例を示す平面図である。
図19(a)〜図19(c)は、磁気トンネル接合TMRの各種例を示す構成図である。
図20は、シングルピン構造の層構成の一例を示す構成図である。シングルピン構造のTMRにおいて、機能的な観点から、ピン層MP、トンネル絶縁層MTおよびフリー層MFに区別しているが、典型的なピン層MP及び/又はフリー層MFは多層で構成される。
図21は、磁気トンネル接合TMRの平面形状の他の例を示す平面図である。図6および図10では、標準MRAMのTMRおよびSTT−MRAMのTMRともに、楕円形状を持つ例を説明した。ここでは、STT−MRAMのTMRを楕円の2軸対称形状とし、標準MRAMのTMRをD字状の1軸対称形状として、両者の平面形状を異ならせるとともに、STT−MRAMのTMRは、標準MRAMのTMRより面積を小さくしている。標準MRAMの場合、こうしたD字状のTMRにより、ビットラインBLの電流方向の変化に対するフリー層MFの磁化方向の変化に非対称な特性が付与されるため、ノイズマージンが改善される。
本実施形態では、STT−MRAMの磁気トンネル接合TMRの下方に、標準MRAMと同様なディジットラインDLを配置して、即ち、図1(a)と同様な構造を持つSTT−MRAMを採用している。この場合、STT−MRAMのTMRは、標準MRAMのTMRと同じ層構成または異なる層構成でもよく、構造的な観点からは標準MRAMのようなシングルピン構造を採用してもよく、デュアルピン構造あるいはデュアルTMR構造を採用してもよい。
図6では、単一のフォトマスクを用いてTMR用のマスクMKを形成し、写真製版、異方性エッチングを行って、両者のTMRを一回のパターニングで形成した。
40 層間絶縁膜、 41 金属層、 42 TMR層間膜、
51,52,53パッシベーション膜、 60 層間絶縁膜、 61 金属層、
62 TMR層間膜、 71,72 パッシベーション膜、
96 パッド、 97 パワーライン、 BL ビットライン、
DLディジットライン、 MP ピン層、 MT トンネル絶縁層、
MF フリー層、 ST ストラップ、 TMR 磁気トンネル接合、
TRトランジスタ
Claims (33)
- 少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造の近傍に流れる電流が発生する磁場によって、磁気トンネル接合構造のフリー層の磁化方向が制御される第1磁気メモリ素子と、
少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造に供給されるスピン注入電流により、磁気トンネル接合構造のフリー層の磁化方向が制御される第2磁気メモリ素子とを備え、
第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子が、同一基板上に搭載されていることを特徴とする半導体装置。 - 少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造の第1主面側および第2主面側に、第1配線および第2配線が互いに交差するようにそれぞれ配置されている第1磁気メモリ素子と、
少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造の第1主面側に、第3配線が配置されている第2磁気メモリ素子とを備え、
第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子が、同一基板上に搭載されていることを特徴とする半導体装置。 - 第1磁気メモリ素子は、第2磁気メモリ素子と同じ層構成を有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、ピン層、トンネル絶縁層およびフリー層が積層された磁気トンネル接合構造を有することを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、第1ピン層、トンネル絶縁層、フリー層、スペーサ層および第2ピン層が積層された磁気トンネル接合構造を有することを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、第1ピン層、第1トンネル絶縁層、フリー層、第2トンネル絶縁層および第2ピン層が積層された磁気トンネル接合構造を有することを特徴とする請求項3記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子及び/又は第2磁気メモリ素子を構成するピン層およびフリー層のうち少なくとも1層が、SAF(Synthetic Anti-Ferromagnet)構造を有することを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載の半導体装置。
- 基板上に、層間絶縁膜および配線層が積層された多層配線構造が設けられ、
第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、該多層配線構造の同一層内に配置されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 第1磁気メモリ素子の第1主面側に配置される第1配線と、第2磁気メモリ素子の第1主面側に配置される第3配線とが、該多層配線構造の同一層内に配置されることを特徴とする請求項8記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子は、第2磁気メモリ素子とは異なる層構成を有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子は、ピン層、トンネル絶縁層およびフリー層が積層された磁気トンネル接合構造を有し、
第2磁気メモリ素子は、第1ピン層、トンネル絶縁層、フリー層、スペーサ層および第2ピン層が積層された磁気トンネル接合構造を有することを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 - 第1磁気メモリ素子は、ピン層、トンネル絶縁層およびフリー層が積層された磁気トンネル接合構造を有し、
第2磁気メモリ素子は、第1ピン層、第1トンネル絶縁層、フリー層、第2トンネル絶縁層および第2ピン層が積層された磁気トンネル接合構造を有することを特徴とする請求項10記載の半導体装置。 - 第1磁気メモリ素子及び/又は第2磁気メモリ素子を構成するピン層およびフリー層のうち少なくとも1層が、SAF(Synthetic Anti-Ferromagnet)構造を有することを特徴とする請求項11〜12のいずれかに記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子は、平面視で第2磁気メモリ素子より大きい面積を有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、楕円の平面形状を有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子は、第2磁気メモリ素子とは異なる平面形状を有することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 第1磁気メモリ素子は、D字状の平面形状を有し、第2磁気メモリ素子は、楕円の平面形状を有することを特徴とする請求項16記載の半導体装置。
- 基板上に、層間絶縁膜および配線層が積層された多層配線構造が設けられ、
第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、該多層配線構造の異なる層内に配置されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、互いに5μm以上の距離を隔てて搭載されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。
- 基板上に、電源ラインおよびグランドラインが搭載され、
第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子は、電源ラインおよびグランドラインから5μm以上の距離を隔てて搭載されることを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 電源ラインおよびグランドラインの、基板の外周からの距離は、第1磁気メモリ素子の、基板の外周からの距離より小さいことを特徴とする請求項20記載の半導体装置。
- 電源ラインおよびグランドラインの、基板の外周からの距離は、第1磁気メモリ素子の、基板の外周からの距離より大きいことを特徴とする請求項20記載の半導体装置。
- 基板上に、プログラムに従ってデータ処理を実行するマイクロプロセッサが搭載され、
第1磁気メモリ素子は、該マイクロプロセッサのキャッシュメモリとして機能し、
第2磁気メモリ素子は、該マイクロプロセッサのメインメモリとして機能することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 基板上に、プログラムに従ってデータ処理を実行するマイクロプロセッサが搭載され、
第1磁気メモリ素子は、該マイクロプロセッサのプログラムメモリとして機能し、
第2磁気メモリ素子は、該マイクロプロセッサのデータメモリとして機能することを特徴とする請求項1または2記載の半導体装置。 - 少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造に供給されるスピン注入電流および該磁気トンネル接合構造の近傍に流れる電流が発生する磁場によって、磁気トンネル接合構造のフリー層の磁化方向が制御されることを特徴とする磁気メモリ素子。
- 磁気トンネル接合構造の第1主面側および第2主面側に、磁場発生用の電流が流れる第1配線および第2配線が互いに交差するようにそれぞれ配置され、
第1配線に流れる電流値は、第2配線に流れる電流値とは異なることを特徴とする請求項25記載の磁気メモリ素子。 - 磁気トンネル接合構造の第1主面側および第2主面側に、磁場発生用の電流が流れる第1配線および第2配線が互いに交差するようにそれぞれ配置され、
磁気トンネル接合構造と第1配線との距離は、磁気トンネル接合構造と第2配線との距離とは異なることを特徴とする請求項25記載の磁気メモリ素子。 - 請求項25記載の第1磁気メモリ素子と、
少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造の近傍に流れる電流が発生する磁場によって、磁気トンネル接合構造のフリー層の磁化方向が制御される第2磁気メモリ素子とを備え、
第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子が、同一基板上に搭載されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項25記載の第1磁気メモリ素子と、
少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造に供給されるスピン注入電流により、磁気トンネル接合構造のフリー層の磁化方向が制御される第2磁気メモリ素子とを備え、
第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子が、同一基板上に搭載されていることを特徴とする半導体装置。 - 請求項25記載の第1磁気メモリ素子と、
少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造の近傍に流れる電流が発生する磁場によって、磁気トンネル接合構造のフリー層の磁化方向が制御される第2磁気メモリ素子と、
少なくともピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を有し、該磁気トンネル接合構造に供給されるスピン注入電流により、磁気トンネル接合構造のフリー層の磁化方向が制御される第3磁気メモリ素子とを備え、
第1磁気メモリ素子、第2磁気メモリ素子および第3磁気メモリ素子が、同一基板上に搭載されていることを特徴とする半導体装置。 - 絶縁膜の上に、ピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を形成する工程と、
単一のフォトマスクを用いて磁気トンネル接合構造のパターニングを行って、平面視において互いに面積の異なる第1磁気メモリ素子および第2磁気メモリ素子を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 絶縁膜の上に、ピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む磁気トンネル接合構造を形成する工程と、
第1フォトマスクを用いて磁気トンネル接合構造のパターニングを行って、第1磁気メモリ素子を形成する工程と、
第2フォトマスクを用いて磁気トンネル接合構造のパターニングを行って、第2磁気メモリ素子を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 第1絶縁膜の上に、ピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む第1磁気トンネル接合構造を形成する工程と、
第1フォトマスクを用いて磁気トンネル接合構造のパターニングを行って、第1磁気メモリ素子を形成する工程と、
第2絶縁膜の上に、ピン層、トンネル絶縁層およびフリー層を含む第2磁気トンネル接合構造を形成する工程と、
第2フォトマスクを用いて磁気トンネル接合構造のパターニングを行って、第2磁気メモリ素子を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
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