JP2008218829A - 磁気抵抗素子及びその製造方法 - Google Patents

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Masayoshi Iwayama
昌由 岩山
Takeshi Kajiyama
健 梶山
Yoshiaki Asao
吉昭 浅尾
Keiji Hosoya
啓司 細谷
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Abstract

【課題】磁性層同士のショートを防ぐ。
【解決手段】磁気抵抗素子は、磁化の方向が固定された第1の固定層13、第1の非磁性層14、磁化の方向が変化する自由層15、第2の非磁性層16、磁化の方向が固定された第2の固定層17が順に積層された積層体と、第2の非磁性層16上で第2の固定層17の側面に接しかつ第2の固定層17を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる第1の側壁19と、第1の非磁性層14上で自由層15及び第1の側壁19の側面に接しかつ自由層15及び第1の側壁19を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる第2の側壁20とを具備する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、磁気抵抗素子及びその製造方法に係り、例えば双方向に電流を供給することで情報を記録することが可能な磁気抵抗素子及びその製造方法に関する。
強磁性体を用いた磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM:Magnetic Random Access Memory)は、不揮発性、高速動作、大容量、低消費電力を備えた不揮発性メモリとして期待されている。MRAMは、トンネル磁気抵抗(TMR:Tunneling Magnetoresistive)効果を利用するMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子を記憶素子として備え、このMTJ素子の磁化状態により情報を記憶する。
従来型の配線電流による磁場でデータの書き込みを行うMRAMにおいては、MTJ素子サイズを縮小すると保持力が大きくなるために、書き込みに必要な電流が大きくなる傾向がある。この従来型MRAMでは、大容量化に向けたセルサイズの微細化と低電流化の両立は困難である。
このような課題を克服する書き込み方式としてスピン角運動量移動(SMT:Spin Momentum Transfer)書き込み方式を用いたスピン注入型MRAMが提案されている。スピン注入型MRAMでは、情報の書き込みは、MTJ素子に直接電流通電して、この電流の向きで自由層の磁化の方向を変化させることで行われる。また、自由層を挟むように配置された2つの固定層を具備するMTJ素子では、スピントルクを増大させることができるため、MTJ素子の臨界電流密度を低減することができる。
このようなMTJ素子を形成する場合、エッチング工程により、二重磁気トンネル接合をMTJ素子ごとに分離する。しかし、接合分離の際のエッチングによる反応生成物が素子側面に付着して、自由層と固定層とがショートしてしまう。この自由層と固定層とのショートを回避するために、テーパーエッチングを行うことが考えられる。ところが、加工の断面形状がテーパー形状となり、固定層の2層化によるエッチング膜厚の増大化のためにテーパーエッチングにおける加工変換差が増大して、MTJ素子サイズが大きくなってしまう。
また、この種の関連技術として、MTJセルを形成する際に金属性ポリマー等の発生を防ぐことで、素子の特性及び信頼性を向上させる技術が開示されている(特許文献1参照)。
特開2004−214600号公報
本発明は、磁性層同士のショートを防ぐことが可能な磁気抵抗素子を提供する。
本発明の第1の視点に係る磁気抵抗素子は、磁化の方向が固定された第1の固定層、第1の非磁性層、磁化の方向が変化する自由層、第2の非磁性層、磁化の方向が固定された第2の固定層が順に積層された積層体と、前記第2の非磁性層上で前記第2の固定層の側面に接しかつ前記第2の固定層を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる第1の側壁と、前記第1の非磁性層上で前記自由層及び前記第1の側壁の側面に接しかつ前記自由層及び前記第1の側壁を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる第2の側壁とを具備する。
本発明の第2の視点に係る磁気抵抗素子の製造方法は、磁化の方向が固定された第1の固定層、第1の非磁性層、磁化の方向が変化する自由層、第2の非磁性層、磁化の方向が固定された第2の固定層を順に積層する工程と、前記第2の固定層上にハードマスクを形成する工程と、前記ハードマスクをマスクとして、前記第2の固定層をエッチングする工程と、前記第2の非磁性層上で前記第2の固定層の側面に、絶縁体からなる第1の側壁を形成する工程と、前記第1の側壁をマスクとして、前記第2の非磁性層及び前記自由層をエッチングする工程と、前記第1の非磁性層上で前記自由層及び前記第2の非磁性層の側面に、絶縁体からなる第2の側壁を形成する工程と、前記第2の側壁をマスクとして、前記第1の非磁性層及び前記第1の固定層をエッチングする工程とを具備する。
本発明によれば、磁性層同士のショートを防ぐことが可能な磁気抵抗素子を提供することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。
図1は、本発明の一実施形態に係るMTJ素子(磁気抵抗素子)10の構成を示す平面図であり、図2は、図1に示したII−II線に沿ったMTJ素子10の断面図である。
MTJ素子10は、電流供給のために使用される配線に電気的に接続されたコンタクトプラグ11上に設けられている。MTJ素子10は、このコンタクトプラグ11上に、下部電極12、第1の固定層(或いは、ピン層ともいう)13、第1のトンネルバリア層(非磁性層)14、自由層(或いは、記録層ともいう)15、第2のトンネルバリア層(非磁性層)16、第2の固定層17、上部電極18が順に積層された積層構造を有する。
すなわち、本実施形態のMTJ素子10は、デュアルピン層構造(すなわち、自由層の両側にそれぞれ非磁性層を介して2つの固定層が配置される構造)を有する磁気抵抗素子の構成例である。MTJ素子10の平面形状については特に限定されず、本実施形態では例えば円形を有している。
第1の固定層13及び第2の固定層17は、磁化(或いは、スピン)の方向が固定されている。また、第1の固定層13と第2の固定層17との容易磁化方向は、反平行(反対方向)に設定される。自由層15は、磁化の方向が変化(反転)する。固定層13、17、及び自由層15の容易磁化方向は膜面に垂直であってもよいし、膜面に平行であってもよい。
固定層13、17、及び自由層15としては、強磁性体が用いられる。具体的には、固定層13及び17としてはそれぞれ、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、イリジウム(Ir)、白金(Pt)、マンガン(Mn)、ルテニウム(Ru)のうち1つ以上の元素を含む磁性体が用いられる。自由層15としては、コバルト(Co)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)のうち1つ以上の元素を含む磁性体が用いられる。また、これらの磁性体に、ホウ素(B)などの元素を添加してもよい。下部電極12、上部電極18、及びコンタクトプラグ11としては、タンタル(Ta)などの導電体が用いられる。
第1のトンネルバリア層14としては、酸化マグネシウム、或いは酸化アルミニウムなどの金属酸化物が用いられる。第2のトンネルバリア層16としては、常磁性金属が用いられ、例えば銅(Cu)、金(Au)、或いは銀(Ag)が用いられる。第1のトンネルバリア層14として金属酸化物を用いた場合には、TMR効果を利用することができる。また、第2のトンネルバリア層16として常磁性金属を用いた場合には、GMR(Giant Magnetoresistive)効果を利用することが可能となる。MR比は、GMRに比べてTMRの方が十分大きい。よって、データの読み出し時には、主にTMRのMR比を利用している。
なお、TMR素子10を構成する層は、積層順序が逆転していても構わない。この場合、第1のトンネルバリア層14としては常磁性金属が用いられ、第2のトンネルバリア層16としては金属酸化物が用いられる。また、トンネルバリア層14及びトンネルバリア層16それぞれに、金属酸化物を用いるようにしてもよい。この場合は、トンネルバリア層14とトンネルバリア層16とは、異なる膜厚に設定される。これは、データ読み出し時に、MR比に差を持たせるためである。
MTJ素子10は、スピン注入型の磁気抵抗素子である。従って、MTJ素子10に情報を書き込む、或いはMTJ素子10から情報を読み出す場合、MTJ素子10は、膜面(或いは、積層面)に垂直な方向において、双方向に電流通電される。MTJ素子10への情報の書き込みは、以下のように行われる。
固定層13側から電子(すなわち、固定層13から自由層15へ向かう電子)を供給した場合、固定層13の容易磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層17により反射されることで固定層17の容易磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが自由層15に注入される。この場合、自由層15の磁化の方向は、固定層13の容易磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、固定層13と自由層15との磁化の方向が平行配列となる。この平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も小さくなり、この場合をデータ“0”と規定する。
一方、固定層17側から電子(すなわち、固定層17から自由層15へ向かう電子)を供給した場合、固定層17の容易磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子と、固定層13により反射されることで固定層13の容易磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが自由層15に注入される。この場合、自由層15の磁化の方向は、固定層13の容易磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、固定層13と自由層15との磁化の方向が反平行配列となる。この反平行配列のときはMTJ素子10の抵抗値は最も大きくなり、この場合をデータ“1”と規定する。
次に、データの読み出しは、以下のように行われる。MTJ素子10に読み出し電流を供給する。この読み出し電流は、自由層15の磁化の方向が反転しない値(書き込み電流よりも小さい値)に設定される。この時のMTJ素子10の抵抗値の変化をセンスアンプにより検出する。
ところで、MTJ素子10に含まれる積層構造(固定層13、トンネルバリア層14、自由層15、トンネルバリア層16、固定層17を含む)は、その断面形状が階段状を有している。そして、階段状の積層構造の2つの段差部分にはそれぞれ、側壁19、20が設けられている。すなわち、側壁19は、トンネルバリア層16上に設けられ、かつ、固定層17及び上部電極18の側面に接触しかつ囲むように設けられている。また、側壁20は、トンネルバリア層14上に設けられ、かつ、自由層15、トンネルバリア層16及び側壁19の側面に接触しかつ囲むように設けられている。側壁19、20としては、絶縁体が用いられ、例えばシリコン酸化膜、或いはシリコン窒化膜が用いられる。
断面形状において、自由層15の膜面方向の長さは、固定層13の膜面方向の長さ(或いは、トンネルバリア層14の膜面方向の長さ)よりも、側壁20の膜厚t2の2倍値分短い。すなわち、固定層13の側面と自由層15の側面とが側壁20の膜厚t2分離れている。換言すると、自由層15の面積は、固定層13の面積(或いは、トンネルバリア層14の面積)より小さい。これにより、固定層13と自由層15とのショートを防ぐことができる。
また、断面形状において、固定層17の膜面方向の長さは、自由層15の膜面方向の長さ(或いは、トンネルバリア層16の膜面方向の長さ)よりも、側壁19の膜厚t1の2倍値分短い。すなわち、自由層15の側面と固定層17の側面とが側壁19の膜厚t1分離れている。換言すると、固定層17の面積は、自由層15の面積(或いは、トンネルバリア層16の面積)より小さい。これにより、自由層15と固定層17とのショートを防ぐことができる。
また、MTJ素子10の側面(具体的には、固定層13、17、及び自由層15それぞれの側面)はテーパー形状ではなく、膜面に対して垂直である。
また、MTJ素子10のサイズ(膜厚方向の最大長さ)は、固定層17の膜面方向の長さに側壁19及び20の膜厚の2倍値を足した長さに抑えられる。これにより、磁性層同士のショートを防ぎつつ、MTJ素子の微細化が可能となる。
次に、MTJ素子10の製造方法の一例について図面を参照しながら説明する。例えば半導体基板(図示せず)上には、MTJ素子10の数に対応する複数のコンタクトプラグが形成され、これら複数のコンタクトプラグ11の間は、層間絶縁層21で満たされている。層間絶縁層21としては、例えばシリコン酸化膜が用いられる。
図3及び図4に示すように、複数のコンタクトプラグ11上に、下部電極12、第1の固定層13、第1のトンネルバリア層14、自由層15、第2のトンネルバリア層16、第2の固定層17を順に堆積する。固定層13、17、及び自由層15としては、例えばCo−Fe−B合金が用いられる。第1のトンネルバリア層14としては酸化マグネシウム、第2のトンネルバリア層16としては銅(Cu)が用いられる。
続いて、固定層17上に、MTJ素子10の数に対応する複数のハードマスク18を形成する。ハードマスク18は、その平面形状が、所望の固定層17の平面形状と同じになるように形成される。本実施形態では、例えばハードマスク18の平面形状は円形である。ハードマスク18としては、導電体(例えば、タンタル)が用いられる。本実施形態では、ハードマスク18は、上部電極として使用される。
続いて、図5及び図6に示すように、イオンミリング工程などにより、ハードマスク18をマスクとして固定層17のみをエッチングし、トンネルバリア層16の上面を露出させる。
続いて、図7に示すように、装置全面に、シリコン窒化膜からなる絶縁膜19を堆積する。この工程の際、絶縁膜19が固定層17及びハードマスク18の側面に形成されるようにする。
続いて、図8及び図9に示すように、RIE(Reactive Ion Etching)工程により、絶縁膜19を異方性エッチングし、トンネルバリア層16の上面を露出させる。これにより、固定層17及びハードマスク18の側面上に側壁19が形成される。
続いて、図10及び図11に示すように、イオンミリング工程などにより、側壁19をマスクとしてトンネルバリア層16及び自由層15をエッチングし、トンネルバリア層14の上面を露出させる。この工程の際、固定層17は側壁19で覆われているため、エッチングによる反応生成物(エッチング生成物)が固定層17に付着するのを防ぐことができる。これにより、固定層17と自由層15とがショートするのを防ぐことができる。
続いて、図12に示すように、装置全面に、シリコン窒化膜からなる絶縁膜20を堆積する。この工程の際、絶縁膜20が自由層15及びトンネルバリア層16の側面に形成されるようにする。
続いて、図13及び図14に示すように、RIE工程により、絶縁膜20を異方性エッチングし、トンネルバリア層14の上面を露出させる。これにより、自由層15、トンネルバリア層16、及び側壁19の側面上に側壁20が形成される。
続いて、図15及び図16に示すように、イオンミリング工程などにより、側壁20をマスクとしてトンネルバリア層14、固定層13、及び下部電極12をエッチングし、層間絶縁層21の上面を露出させる。このようにして、MTJ膜が複数の磁気トンネル接合に分離される。この工程の際、自由層15は側壁20で覆われているため、エッチング生成物が自由層15に付着するのを防ぐことができる。これにより、固定層13と自由層15とがショートするのを防ぐことができる。
続いて、図17に示すように、装置全面に、層間絶縁層21を堆積する。そして、ハードマスク18上にコンタクトプラグを形成し、このコンタクトプラグ上に配線23を形成する。このようにして、MTJ素子10が形成される。
以上詳述したように本実施形態では、固定層13の側面と自由層15の側面との膜面方向の距離が、側壁20の膜厚t2分離れている。そして、この距離を埋めるように、トンネルバリア層14上で自由層15の側面上には、絶縁体からなる側壁20が設けられている。これにより、固定層13と自由層15とのショートを防ぐことができる。
同様に、自由層15の側面と固定層17の側面との膜面方向の距離が、側壁19の膜厚t1分離れている。そして、この距離を埋めるように、トンネルバリア層16上で固定層17の側面上には、絶縁体からなる側壁19が設けられている。これにより、固定層17と自由層15とのショートを防ぐことができる。
また、MTJ素子10のサイズ(膜厚方向の最大長さ)は、固定層17の膜面方向の長さに側壁19及び20の膜厚の2倍値を足した長さに抑えられる。これにより、磁性層同士のショートを防ぎつつ、MTJ素子の微細化が可能となる。本実施形態のMTJ素子10では、固定層13、17、及び自由層15の膜厚が厚くなればなるほど、テーパーエッチングを用いて形成されたMTJ素子に比べて、微細化の効果は大きくなる。
また、ハードマスク18を用いてMTJ素子10を加工する場合の変換差である加工変換差(ハードマスク18の膜面方向の長さとMTJ素子の膜面方向の長さとの差)を側壁19及び20の膜厚の2倍値にまで低減することができる。
また、固定層13、17、及び自由層15が面内磁化膜の場合、固定層13からの漏れ磁場が発生する。しかし、本実施形態のMTJ素子10では、固定層13の側面と自由層15の側面とが側壁20の膜厚t2分離れているため、固定層13からの漏れ磁場が自由層15の磁化に与える影響を抑制することができる。同様の理由により、固定層17からの漏れ磁場が自由層15の磁化に与える影響を抑制することができる。
なお、前述したように、MTJ素子10の平面形状については特に限定されない。他の一例として、MTJ素子10の平面形状が楕円形である場合について説明する。図18は、MTJ素子10の他の一例を示す平面図である。図19は、図18に示したXIX−XIX線に沿ったMTJ素子10の断面図である。図20は、図18に示したXX−XX線に沿ったMTJ素子10の断面図である。
下部電極12、第1の固定層13、第1のトンネルバリア層14、自由層15、第2のトンネルバリア層16、第2の固定層17、及び上部電極18はそれぞれ、平面形状が楕円形である。そして、側壁19は、トンネルバリア層16上に設けられ、かつ、固定層17及び上部電極18の側面に接触しかつ囲むように設けられている。また、側壁20は、トンネルバリア層14上に設けられ、かつ、自由層15、トンネルバリア層16及び側壁19の側面に接触しかつ囲むように設けられている。
この場合でも、断面形状において、自由層15の膜面方向の長さは、固定層13の膜面方向の長さ(或いは、トンネルバリア層14の膜面方向の長さ)よりも、側壁20の膜厚t2の2倍値分短い。換言すると、自由層15の面積は、固定層13の面積(或いは、トンネルバリア層14の面積)より小さい。
また、断面形状において、固定層17の膜面方向の長さは、自由層15の膜面方向の長さ(或いは、トンネルバリア層16の膜面方向の長さ)よりも、側壁19の膜厚t1の2倍値分短い。換言すると、固定層17の面積は、自由層15の面積(或いは、トンネルバリア層16の面積)より小さい。
図18乃至20に示すようMTJ素子10を構成した場合でも、平面形状が円形の場合と同様の効果を得ることができる。さらに、図18乃至20に示すような平面形状が楕円のMTJ素子10を形成する場合には、ハードマスク18の平面形状を楕円形或いは長方形にすればよい。その他の製造工程は、前述した製造工程と同じである。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で、構成要素を変形して具体化できる。また、実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を構成することができる。例えば、実施形態に開示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよいし、異なる実施形態の構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明の一実施形態に係るMTJ素子10の構成を示す平面図。 図1に示したII−II線に沿ったMTJ素子10の断面図。 本発明の一実施形態に係るMTJ素子10の製造工程を示す平面図。 図3に示したIV−IV線に沿ったMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図3に続くMTJ素子10の製造工程を示す平面図。 図5に示したVI−VI線に沿ったMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図6に続くMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図7に続くMTJ素子10の製造工程を示す平面図。 図8に示したIX−IX線に沿ったMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図8に続くMTJ素子10の製造工程を示す平面図。 図10に示したXI−XI線に沿ったMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図11に続くMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図12に続くMTJ素子10の製造工程を示す平面図。 図13に示したXIV−XIV線に沿ったMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図13に続くMTJ素子10の製造工程を示す平面図。 図15に示したXVI−XVI線に沿ったMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 図16に続くMTJ素子10の製造工程を示す断面図。 MTJ素子10の他の一例を示す平面図。 図18に示したXIX−XIX線に沿ったMTJ素子10の断面図。 図18に示したXX−XX線に沿ったMTJ素子10の断面図。
符号の説明
10…MTJ素子、11…コンタクトプラグ、12…下部電極、13…第1の固定層、14…第1のトンネルバリア層、15…自由層、16…第2のトンネルバリア層、17…第2の固定層、18…上部電極、18…ハードマスク、19,20…側壁、21…層間絶縁層、23…配線。

Claims (5)

  1. 磁化の方向が固定された第1の固定層、第1の非磁性層、磁化の方向が変化する自由層、第2の非磁性層、磁化の方向が固定された第2の固定層が順に積層された積層体と、
    前記第2の非磁性層上で前記第2の固定層の側面に接しかつ前記第2の固定層を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる第1の側壁と、
    前記第1の非磁性層上で前記自由層及び前記第1の側壁の側面に接しかつ前記自由層及び前記第1の側壁を囲むように設けられ、かつ絶縁体からなる第2の側壁と、
    を具備することを特徴とする磁気抵抗素子。
  2. 前記自由層の面積は、前記第1の非磁性層の面積よりも小さく、
    前記第2の固定層の面積は、前記第2の非磁性層の面積よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗素子。
  3. 前記第1の固定層、前記自由層、及び前記第2の固定層の側面は、膜面に対して垂直であることを特徴とする請求項1又は2に記載の磁気抵抗素子。
  4. 前記第1及び第2の非磁性層は、金属酸化物、或いは常磁性金属からなることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の磁気抵抗素子。
  5. 磁化の方向が固定された第1の固定層、第1の非磁性層、磁化の方向が変化する自由層、第2の非磁性層、磁化の方向が固定された第2の固定層を順に積層する工程と、
    前記第2の固定層上にハードマスクを形成する工程と、
    前記ハードマスクをマスクとして、前記第2の固定層をエッチングする工程と、
    前記第2の非磁性層上で前記第2の固定層の側面に、絶縁体からなる第1の側壁を形成する工程と、
    前記第1の側壁をマスクとして、前記第2の非磁性層及び前記自由層をエッチングする工程と、
    前記第1の非磁性層上で前記自由層及び前記第2の非磁性層の側面に、絶縁体からなる第2の側壁を形成する工程と、
    前記第2の側壁をマスクとして、前記第1の非磁性層及び前記第1の固定層をエッチングする工程と、
    を具備することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
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