JP2008226919A - 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程の数の増加を抑制しながら、磁気抵抗素子の強磁性体層のダメージを低減する。
【解決手段】本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、磁化自由層２１と、磁化自由層２１を被覆し、且つ、磁化自由層２１を底面で露出するビアホール２７が形成された層間絶縁層２６と、ビアホール２７の内部に、ビアホール２７の底面で磁化自由層２１に接触するように形成されたトンネルバリア層２２と、ビアホール２７の内部に、且つ、トンネルバリア層２２の上に形成された磁化固定層２３とを具備する。
【選択図】図３Ｆ

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（以下、「ＭＲＡＭ」という。）及びその製造方法に関し、特に、ＭＲＡＭの磁気抵抗素子の構造、及びその形成方法に関する。

ＭＲＡＭは、２つの磁性体層とその間に設けられた非磁性層とからなる磁気抵抗素子をメモリセルとして用いるメモリデバイスである。ＭＲＡＭのメモリセルでは、２つの磁性体層の磁化の相対方向としてデータが記憶される。メモリセルのデータは、磁気抵抗素子の抵抗が２つの磁性体層の磁化の相対方向に依存して変化する現象を利用して読み出される。非磁性層が導電体であるような磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗効果（GMR: Giant Magnetoresistive effect）によって抵抗が変化するため、ＧＭＲ素子と呼ばれる。一方、非磁性層が絶縁体であるような磁気抵抗素子は、トンネル磁気抵抗効果（TMR: Tunneling Magnetoresistive effect）によって抵抗が変化するため、ＴＭＲ素子と呼ばれる。

ＭＲＡＭのデータ書き込みは、一般に、２つの磁性体層の一方の磁性体層の磁化を書き込みデータに応じて反転させることによって行われる。他方の磁性体層の磁化は、一般に、固定される。磁化が反転可能である磁性体層は、磁化自由層と呼ばれることがあり、磁化が固定された磁性体層は、磁化固定層と呼ばれる。本明細書において、磁化自由層という用語は、その一部分の磁化のみが反転可能なものも含む意味で使用されていることに留意されたい。

磁化自由層の磁化を反転させる一つの方法は、電流誘起磁界を磁化自由層に印加することである。この方法を採用するＭＲＡＭでは、磁気抵抗素子の上下に金属配線が設けられ、その金属配線に書き込み電流が流される。書き込み電流から発生する磁界により、磁化自由層の磁化が反転される。

電流誘起磁界によって磁化を反転させる方法の一つの問題は、書き込み電流の大きさがメモリセルの微細化に従って増加することである。磁性体層の磁化を反転させる磁界は、磁性体層の寸法の減少に伴って増加するため、従って、ＭＲＡＭの集積度を上げるためにメモリセルを微細化すると、書き込み電流が著しく増加してしまう。

書き込み電流の低減のために、様々な方法が提案されている。例えば、特開２００４−２５９９７８号は、ヨーク層によって書き込み電流を低減させる技術を開示している。更に、特開２００５−１５０３０３号公報は、磁化自由層の端部の磁化を、容易軸と直交する成分を持つ方向に向けることにより、書き込み電流を低減させる技術を開示している。しかしながら、このような技術は、書き込み電流の増加に根本的に対処するものではない。

ＭＲＡＭの微細化に伴う書き込み電流の増加を回避するための方法として、スピン注入磁化反転効果を利用する方法が知られている。スピン注入磁化反転効果とは、スピン偏極電子を磁性体層に注入することによって磁生体層の磁化が反転される現象のことである。スピン注入磁化反転効果を利用する方法では、磁化の反転の発生の有無は、（書き込み電流の大きさではなく）磁化自由層における電流密度に依存する。従って、書き込み電流の大きさは、メモリセルの微細化に伴い減少する。従って、スピン注入磁化反転効果を利用する方法は、大容量のＭＲＡＭを実現するために好適な方法である。

図１Ａは、スピン注入磁化反転効果を利用するＭＲＡＭの構造の例を示す平面図であり、図１Ｂは、図１のＭＲＡＭのＡ−Ａ’ 断面における断面図である。図１Ａ、図１Ｂには、ＭＲＡＭのメモリセルの磁気抵抗素子のみが図示されている。

半導体素子や配線層が集積化された基板１５の上には、磁化自由層１１が形成されている。磁化自由層１１は、磁化固定領域１１ａ、１１ｂと、磁化反転領域１１ｃとで構成されている。磁化固定領域１１ａ、１１ｂの磁化は同一の方向に（図１Ａでは、＋ｙ方向に）固定されている一方、磁化反転領域１１ｃは、その磁化がｘ軸方向に反転自在であるように形成されている。データは、磁化反転領域１１ｃの磁化の向きとして保存される。磁化自由層１１の磁化反転領域１１ｃの上には、トンネルバリア層１２、磁化固定層１３、及びキャップ導電層１４が順次に形成されている。トンネルバリア層１２は、磁化反転領域１１ｃのみならず、磁化固定領域１１ａ、１１ｂを被覆していてもよい。磁化固定層１３、キャップ導電層１４は、磁化反転領域１１ｃの一部分のみを被覆するように形成されている。

図１Ａ、図１ＢのＭＲＡＭでは、磁化固定領域１１ａ、１１ｂから磁化反転領域１１ｃにスピン偏極電子を注入して磁化反転領域１１ｃの磁化を反転させることにより、所望のデータが磁化反転領域１１ｃに書き込まれる。磁化反転領域１１ｃの磁化を−ｘ方向に向けるためには、スピン偏極電子が磁化固定領域１１ａから磁化反転領域１１ｃに注入される。言い換えれば、磁化固定領域１１ｂから磁化固定領域１１ａに向かって電流が流される。ここで、電流の向きと電子が移動する向きは逆であることに留意されたい。一方、磁化反転領域１１ｃの磁化を＋ｘ方向に向けるためには、スピン偏極電子が磁化固定領域１１ｂから磁化反転領域１１ｃに注入される。即ち、磁化固定領域１１ａから磁化固定領域１１ｂに向かって電流が流される。

このような構成のＭＲＡＭは、例えば、H. Nomura et al, "Magnetic Configuration of A New Memory Cell Utilizing Domain Wall Motion", Intermag 2006, HQ03に開示されている。また、特開２００５−１９１０３２号公報は、磁化自由層が直線状に形成され、且つ、磁化が反転する磁化反転部分と、磁化が固定される磁化固定部分との境界部にくびれが形成された構成が開示されている。更に、特開２００６−７３９３０号公報は、磁化自由層の磁化が垂直方向に向けられているＭＲＡＭにおいて、磁壁をパルス電流で移動させる技術を開示している。

図１Ａ、図１Ｂに示された構造を実現する上での一つの問題は、磁化固定層１３及びキャップ層１４の加工の際、トンネルバリア層１２が薄いために磁化自由層１１が露出し、磁化自由層１１が物理的、又は化学的ダメージを受けやすいことである。物理的ダメージの一つの例としては、エッチングガスが磁化自由層１１の結晶中に入り込んで結晶構造を乱し、これにより磁化自由層１１の磁気特性を変化させることが挙げられる。また、化学的ダメージの一つの例としては、エッチングガスが磁化自由層１１の表面を化学的に変化させ、磁化自由層１１の磁気特性が変化させることが挙げられる。

特開２００３−３３２６５０号公報は、２つの磁性体層のうち上方に位置する磁性体層をエッチングするときにトンネル絶縁膜でエッチングを止めることの困難性の問題を指摘しており、このような問題を解決する技術を開示している。図２Ａ〜図２Ｅは、この公報に開示されているＭＲＡＭの製造方法を説明する図である。

図２Ａに示されているように、まず、半導体素子や配線が形成された基板１０１の上に反強磁性体層１０２が形成され、その上に、磁化固定層となる第１強磁性体層１０３が形成される。更に、酸化シリコンによって加工停止層１０４が形成された後、底面で第１強磁性体層１０３を露出させる開口１１１が形成される。特開２００３−３３２６５０号公報には、開口１１１が傾斜面に形成されてもよいことが開示されている。続いて、図２Ｂに示されているように、トンネルバリア層１０５と、磁化自由層となる第２強磁性体層１０６と、キャップ層１０７とが順次に形成され、その後、レジストマスク１１２が形成される。続いて、図２Ｃに示されているように、レジストマスク１１２を用いたエッチングにより、トンネルバリア層１０５、第２強磁性体層１０６と、キャップ層１０７がパターンニングされる。パターニングの後、レジストマスク１１２が除去される。続いて、図２Ｄに示されているように、酸化シリコン層１０８が全面に形成された後、エッチングにより、酸化シリコン層１０８及び加工停止層１０４がパターニングされる。酸化シリコン層１０８は、トンネルバリア層１０５、第２強磁性体層１０６と、キャップ層１０７を被覆するような形状にパターニングされる。続いて、図２Ｅに示されているように、酸化シリコン層１０８をハードマスクとして用いて第１強磁性体層１０３及び反強磁性体層１０２がパターニングされ、これにより、磁気抵抗素子１１０の形成が完了する。

このような技術によれば、第２強磁性体層１０６の加工の際にトンネルバリア層１０５でエッチングを止める必要がない上、第１強磁性体層１０３も露出されない。従って、第２強磁性体層１０６の加工が容易である。

上述の製造方法の一つの問題は、製造工程の数が増加することである。製造工程の数の増加は、製造コストを低減するためには好ましくない。発明者の検討によれば、強磁性体層のダメージを抑制しつつ製造工程の数の増加を抑制できる方法が存在する。
特開２００４−２５９９７８号公報 特開２００５−１５０３０３号公報 特開２００５−１９１０３２号公報 特開２００６−７３９３０号公報 特開２００３−３３２６５０号公報 H. Nomura et al, "Magnetic Configuration of A New Memory Cell Utilizing Domain Wall Motion", Intermag 2006, HQ03

従って、本発明の目的は、製造工程の数の増加を抑制しながら、磁気抵抗素子の強磁性体層のダメージを低減することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、以下に述べられる手段を採用する。その手段の記述には、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］の記載との対応関係を明らかにするために、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号が付記されている。但し、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲を限定的に解釈するために用いてはならない。

一の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、基板（２５）と、前記基板（２５）の上方に形成された磁化自由層（２１）と、前記磁化自由層（２１）を被覆し、且つ、前記磁化自由層（２１）を底面で露出するビアホール（２７、３７）が形成された層間絶縁層（２６）と、前記ビアホール（２７、３７）の内部に、前記ビアホール（２７、３７）の底面で前記磁化自由層（２１）に接触するように形成されたトンネルバリア層（２２）と、前記ビアホール（２７、３７）の内部に、且つ、前記トンネルバリア層（２２）の上に形成された磁化固定層（２３）とを具備する。

このような構成の磁気ランダムアクセスメモリは、磁化固定層（２３）の加工の際に磁化自由層（２１）が露出されないため、磁化自由層（２１）のダメージを低減することができる。加えて、トンネルバリア層（２２）と磁化固定層（２３）の加工にリソグラフィー工程が不必要であるため、製造工程の数の増大を抑制することができる。

他の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、基板（２５）と、基板（２５）の上方に形成された磁化自由層（２１）と、前記磁化自由層（２１）の上に形成されたトンネルバリア層（２２）と、前記トンネルバリア層（２２）を被覆し、且つ、前記トンネルバリア層（２２）を底面で露出するビアホール（２７、３７）が形成された層間絶縁層（２６）と、前記ビアホール（２７、３７）の内部に、前記ビアホール（２７、３７）の底面で前記トンネルバリア層（２２）に接触するように形成された磁化固定層（２３）とを具備する。このような構成でも、磁化自由層（２１）のダメージを低減し、製造工程の数の増大を抑制することができる。

一実施形態では、本発明の磁気ランダムアクセスメモリは、前記磁化固定層（２３）の上に形成され、前記ビアホール（２７、３７）を埋め込むキャップ導電層（２４）を更に具備する。このような構成では、キャップ導電層（２４）の加工についてもリソグラフィー工程が不必要である。

前記ビアホール（３７）は、前記磁化自由層（２１）に隣接し、テーパーが付けられているテーパー部分（３７ａ）と、前記テーパー部分に隣接し、前記基板（２５）に対して垂直な垂直部分（３７ｂ）とを含むことが好ましい。

上述の構成は、前記磁化自由層（２１）が、磁化が反転可能に形成された磁化反転領域と、磁化が固定され、前記磁化反転領域にスピン偏極電子を注入する磁化固定領域とを含む場合に特に有効である。この場合、前記ビアホール（２７、３７）の幅が、前記磁化反転領域の幅よりも大きいことを許容すれば、レイアウトの自由度を有効に向上させることができる。

更に他の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、
基板（２５）の上方に磁化自由層（２１）を形成する工程と、
前記磁化自由層（２１）を被覆する層間絶縁層（２６）を形成する工程と、
前記層間絶縁層（２６）に、前記磁化自由層（２１）を底面で露出するビアホール（２７、３７）を形成する工程と、
非磁性絶縁層と、強磁性体膜を含む磁性層と、導電層とを、前記磁化自由層（２１）及び前記層間絶縁層（２６）を被覆するように順次に形成する工程
前記非磁性絶縁層と前記磁性層と前記導電層の前記ビアホール（２７、３７）の外部にある部分を除去することにより、トンネルバリア層（２２）と磁化固定層（２３）とキャップ層（２４）とを前記ビアホール（２７、３７）の内部に形成する工程
とを具備する。

このような製造方法によれば、磁化固定層（２３）の加工の際に磁化自由層（２１）が露出されないため、磁化自由層（２１）のダメージを低減することができる。加えて、トンネルバリア層（２２）、磁化固定層（２３）及びキャップ層（２４）の加工にリソグラフィー工程が不必要であるため、製造工程の数の増大を抑制することができる。

前記非磁性絶縁層と前記磁性層と前記導電層の前記ビアホール（２７、３７）の外部にある部分の除去は、下記一連の工程：
前記絶縁層と前記磁性層とが露出しないように、前記導電層の上部をＣＭＰによって除去する工程、及び
前記絶縁層と前記磁性層と前記導電層の残存部分のうち、前記ビアホール（２７、３７）の外部に位置する部分をエッチバックによって除去する工程
を含むプロセスによって行われることが好ましい。

本発明の更に他の観点において、本発明の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法は、
基板（２５）の上方に磁化自由層（２１）を形成する工程と、
前記磁化自由層（２１）の上にトンネルバリア層（２２）を形成する工程と、
前記磁化自由層（２１）と前記トンネルバリア層（２２）とを被覆する層間絶縁層（２６）を形成する工程と、
前記層間絶縁層（２６）に、前記トンネルバリア層（２２）を底面で露出するビアホール（２７、３７）を形成する工程と、
強磁性体膜を含む磁性層と導電層とを、前記磁化自由層（２１）及び前記層間絶縁層（２６）を被覆するように順次に形成する工程
前記磁性層と前記導電層の前記ビアホール（２７、３７）の外部にある部分を除去することにより、磁化固定層（２３）とキャップ層とを前記ビアホール（２７、３７）の内部に形成する工程
とを具備する。

このような製造方法によれば、磁化固定層（２３）の加工の際に磁化自由層（２１）が露出されないため、磁化自由層（２１）のダメージを低減することができる。加えて、磁化固定層（２３）及びキャップ層（２４）の加工にリソグラフィー工程が不必要であるため、製造工程の数の増大を抑制することができる。

本発明によれば、製造工程の数の増加を抑制しながら、磁気抵抗素子の強磁性体層のダメージを低減することができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明のＭＲＡＭの実施形態を説明する。図面において、同一又は対応する符号は、同一又は類似の構成要素を示している。また、実施形態の説明では、ｘ軸とｙ軸とが直交するｘｙ座標系が使用されることがある。

図３Ａ乃至図３Ｇは、本発明の一実施形態のＭＲＡＭの製造方法を示す図である。
まず、図３Ａ、図３Ｂに示されているように、半導体素子や配線層（いずれも図示されない）が集積化された基板２５の上に、凹型（又はＵ字型）の磁化自由層２１が形成される。磁化自由層２１は、例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢのような強磁性体膜、強磁性体膜の積層体、又は、強磁性体膜と非磁性膜の積層体で形成され得る。

磁化自由層２１は、磁化固定領域２１ａ、２１ｂと、磁化反転領域２１ｃとから形成されている。磁化固定領域２１ａ、２１ｂは、磁化が固定される領域であり、磁化反転領域２１ｃは、その磁化が反転可能である領域である。磁化反転領域２１ｃはｘ軸方向に延伸するように形成されており、磁化反転領域２１ｃの磁化容易軸は、ｘ軸に平行である。即ち、磁化反転領域２１ｃの磁化は、ｘ軸方向において反転可能である。磁化固定領域２１ａ、２１ｂは、磁化反転領域２１ｃの端からｙ軸方向に延伸するように形成されており、磁化固定領域２１ａ、２１ｂの磁化容易軸はｙ軸に平行である。磁気抵抗素子の形成工程の完了の後、磁化固定領域２１ａ、２１ｂの磁化は、ｙ軸に平行な同一方向（例えば＋ｙ方向）に向けられる。図１Ａ、図１ＢのＭＲＡＭと同様に、磁化固定領域２１ａ、２１ｂは、磁化反転領域２１ｃにスピン偏極電子を注入して磁化反転領域２１ｃの磁化を反転させるために使用される。スピン偏極電子が注入されると、磁化反転領域２１ｃで磁壁が移動し、磁化反転領域２１ｃの磁化が反転する。磁壁の移動は、磁化固定領域２１ａ、２１ｂと磁化反転領域２１ｃとの境界部分で停止され、磁化固定領域２１ａ、２１ｂの中には磁壁は入ってこない。

続いて、図３Ｃに示されているように、磁化自由層２１の上に、層間絶縁層２６が形成される。層間絶縁層２６としては、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、低誘電率膜等が使用される。必要であれば、層間絶縁層２６の成膜の後、ＣＭＰ（chemical mechanical polishing）等によって層間絶縁層２６が平坦化される。

続いて、図３Ｄに示されているように、磁化自由層２１の磁化反転領域２１ｃに開口するビアホール２７が形成される。ビアホール２７は、テーパーをつけて、即ち、その側壁が斜めであるように形成される。ビアホール２７にテーパーが付けられることは、その後に形成される膜、特に、トンネルバリア層をビアホール２７の底面に均一に形成するために有効である。

ビアホール２７の形成の後、図３Ｅに示されているように、トンネルバリア層２２、磁化固定層２３、及びキャップ導電層２４が順次に形成される。トンネルバリア層２２は、非磁性の絶縁体、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）で形成される。磁化固定層２３は、複数の膜（図示されない）の積層体で形成される。積層体のうちのトンネルバリア層２２に接する第１層は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅのような強磁性体膜で形成される。第１層の上には、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅ等の強磁性体膜や、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＦｅＭｎ等の反強磁性体膜や、Ｒｕ等の非磁性体膜等が、必要に応じて順次に形成される。キャップ導電層２４は、例えば、Ｔａ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｌ、ＴｉＮ、Ｔｉのような導電膜、又はそれらの積層体で形成される。一実施形態では、トンネルバリア層２２、磁化固定層２３、及びキャップ導電層２４は、スパッタリングによって成膜される。キャップ導電層２４は、スパッタリングによって形成された下地層と、メッキによって形成されたメッキ膜の積層体であってもよい。

キャップ導電層２４の形成の後、図３Ｆに示されているように、キャップ導電層２４、磁化固定層２３、及びトンネルバリア層２２の、ビアホール２７の外部にある部分がＣＭＰによって除去される。加工の後には、磁化固定層２３、及びトンネルバリア層２２は、ビアホール２７の側壁及び底面を被覆しており、且つ、キャップ導電層２４は、ビアホール２７を埋め込んでいる。ＣＭＰの代わりにエッチバックが使用されることも可能であるが、加工時間を短縮するためには、ＣＭＰを用いることが好ましい。

キャップ導電層２４と磁化固定層２３とトンネルバリア層２２の加工は、自己整合的に行われ、従って、リソグラフィー工程が必要ないことに留意されたい。キャップ導電層２４と磁化固定層２３とトンネルバリア層２２の、ビアホール２７の外部にある部分の除去は、ＣＭＰやエッチバックのように基板２５の全面を加工する方法によって行うことができる。従って、リソグラフィー工程は不要である。図２Ｂ、図２Ｃに示された従来技術では、トンネルバリア層１０５、第２強磁性層１０６、及びキャップ層１０７の加工がレジストマスク１１２を用いて行われるため、リソグラフィー工程が必要である。これは、製造工程の数を増加させるため好ましくない。

続いて、図３Ｇに示されているように、上部配線２８が形成される。上部配線２８は、例えば、ＣｕやＡｌ系合金で形成される。Ｃｕで上部配線２８を形成する場合、上部配線２８の形成は、例えば、ダマシン法によって行われる。一方、Ａｌ系合金で上部配線２８を形成する場合、上部配線２８の形成は、例えば、スパッタリングによってＡｌ系合金膜が成膜された後、リソグラフィ及びエッチングによってＡｌ系合金膜をパターニングすることによって行われる。

本実施形態のＭＲＡＭの製造方法によれば、磁化固定層２３の加工の際に磁化自由層２１が露出されないため、磁化自由層２１のダメージを低減させることができる。

加えて、上記のＭＲＡＭの製造方法によれば、キャップ導電層２４と磁化固定層２３とトンネルバリア層２２の加工が自己整合的に行われ、リソグラフィー工程が不要である。従って、製造工程の数の増加を抑制することができる。

上記のＭＲＡＭの製造方法によって形成された図３Ｇの構造は、磁化固定層が磁化自由層に印加するバイアス磁界を低減させるためにも有効である。磁化固定層が発生するバイアス磁界は、磁化自由層の磁化反転に影響を与える。例えば、バイアス磁界が印加されると、磁化自由層の磁化曲線が非対称になる、即ち、磁化の反転に必要な書き込み電流の大きさが磁化の方向に依存して非対称になるため好ましくない。図３Ｇの構造は、磁化固定層の端が磁化自由層から膜面に対して垂直方向に離れているため、磁化固定層の端から磁化自由層の距離が長くなり、磁化固定層が磁化自由層に印加するバイアス磁界を有効に低減させる。

上述の製造方法は、製造工程の数の増加を抑制しながら、磁気自由層２１のダメージを低減させるために有効である。しかしながら、キャップ導電層２４、磁化固定層２３、及びトンネルバリア層２２をＣＭＰによって加工する場合には、スラリー液又は洗浄液により、トンネルバリア層２２や磁化固定層２３が腐食する可能性がある。以下では、トンネルバリア層２２や磁化固定層２３の腐食を防ぐための変形例について説明する。

トンネルバリア層２２や磁化固定層２３の腐食を防ぐための第１の変形例では、図４Ａに示されているように、ＣＭＰによるキャップ導電層２４の加工が、磁化固定層２３及びトンネルバリア層２２が露出する前に停止される。続いて、図４Ｂに示されているように、エッチバックによりキャップ導電層２４、磁化固定層２３、及びトンネルバリア層２２が、ビアホール２７の内部にある部分のみが残存するように加工される。このような工程によれば、トンネルバリア層２２や磁化固定層２３がＣＭＰで使用されるスラリー液又は洗浄液に曝されないので、トンネルバリア層２２や磁化固定層２３の腐食を防ぐことができる。

第２の変形例では、図４Ｃに示されているように、テーパーが付けられたテーパー部分３７ａと基板２５に対して垂直な垂直部分３７ｂとを有するビアホール３７が、磁化自由層２１を露出するように形成される。テーパー部分３７ａは、磁化自由層２１に隣接して下方に位置しており、垂直部分３７ｂはテーパー部分３７ａの上側に隣接して位置している。このような形状のビアホール３７は、層間絶縁層２６を垂直にエッチングした後、テーパーがつくような条件で層間絶縁層２６をエッチングすることによって形成可能である。

ビアホール３７の形成の後、図４Ｄに示されているように、トンネルバリア層２２及び磁化固定層２３が成膜される。トンネルバリア層２２及び磁化固定層２３は、例えばロングスロースパッタ法のように、ビアホール３７の底面３７ｃ及びテーパー部分３７ａに堆積しやすく、垂直部分３７ｂに堆積しにくい条件で形成される。スパッタリング条件を最適化すれば、トンネルバリア層２２及び磁化固定層２３は、ビアホール３７の垂直部分３７ｂに殆ど形成されない。図４Ｄでは、トンネルバリア層２２及び磁化固定層２３のうち、ビアホール３７の垂直部分３７ｂを被覆する部分は、極めて薄いため図示されていない。

続いて、図４Ｅに示されているように、キャップ導電層２４が、基板２５の全面にビアホール３７を埋めるように形成された後、トンネルバリア層２２、磁化固定層２３、及びキャップ導電層２４のうち、ビアホール３７の外部にある部分がＣＭＰによって除去される。

このような工程によれば、トンネルバリア層２２、磁化固定層２３のうちＣＭＰで使用されるスラリー液又は洗浄液に曝されるのは、垂直部分３７ｂを被覆する極めて薄い部分のみであるため、腐食が起こりにくい。

図５に示されているように、ビアホール２７（又は３７）の底面の幅が、磁化自由層２１の磁化反転領域２１ｃの幅よりも大きくてもよい。ここで、ビアホール２７（又は３７）及び磁化反転領域２１の「幅」とは、磁化反転領域２１の磁化容易軸の方向に垂直な方向の寸法をいうことに留意されたい。このような構成は、特に、微細化が進んだ（即ち、集積度が高い）ＭＲＡＭの実現に好適である。スピン偏極電流による反転を行うためには、磁化反転領域２１の幅を細くする必要がある。磁化反転領域２１の幅が細い場合にビアホール２７（又は３７）の底面の幅が磁化自由層２１の磁化反転領域２１ｃの幅よりも大きいことを許容することは、レイアウトの自由度を向上させ、集積度の向上に有効である。

以上には、磁化自由層２１にビアホール２７を開口する実施形態が述べられているが、図６に示されているように、磁化自由層２１の上にトンネルバリア層２２が形成され、そのトンネルバリア層２２にビアホール２７が開口されてもよい。この場合、磁化自由層２１とトンネルバリア層２２との積層体が形成された後、その積層体が凹型にパターニングされる。その後、層間絶縁層２６が形成され、その層間絶縁層２６に、底面でトンネルバリア層２２を露出するビアホール２７が形成される。続いて、磁化固定層２３、及びキャップ導電層２４が成膜され、その後、磁化固定層２３、及びキャップ導電層２４のうちビアホール２７の外部にある部分が例えばＣＭＰによって除去される。図６は、磁化固定層２３、及びキャップ導電層２４の加工が終わった後の、ＭＲＡＭの断面の構造を示している。このような製造方法でも、製造工程の数の増大を抑制しながら、磁化固定層２３の加工の際に磁化自由層２１が露出されないため、磁化自由層２１のダメージを低減させることができる。なお、図６の本実施形態においても、（図４Ｄのビアホール３７と同様に）ビアホール２７が、テーパーがつけられたテーパー部分と基板に垂直な垂直部分とで構成されてよいことは、当業者には自明的であろう。

図１Ａは、従来の、スピン注入磁化反転効果を利用するＭＲＡＭの構造の例を示す平面図である。 図１Ｂは、図１のＭＲＡＭのＡ−Ａ’ 断面における断面図である。 図２Ａは、従来のＭＲＡＭの製造方法を示す断面図である。 図２Ｂは、従来のＭＲＡＭの製造方法を示す断面図である。 図２Ｃは、従来のＭＲＡＭの製造方法を示す断面図である。 図２Ｄは、従来のＭＲＡＭの製造方法を示す断面図である。 図２Ｅは、従来のＭＲＡＭの製造方法を示す断面図である。 図３Ａは、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す平面図である。 図３Ｂは、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、Ｂ−Ｂ’断面における断面図である。 図３Ｃは、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、Ｂ−Ｂ’断面における断面図である。 図３Ｄは、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図３Ｅは、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図３Ｆは、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図３Ｇは、本発明の一実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図４Ａは、第１の変形例におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図４Ｂは、第１の変形例におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図４Ｃは、第２の変形例におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図４Ｄは、第２の変形例におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図４Ｅは、第２の変形例におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図５は、本発明の他の実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。 図６は、本発明の更に他の実施形態におけるＭＲＡＭの製造方法を示す、断面Ｂ−Ｂ’における断面図である。

符号の説明

１１：磁化自由層
１１ａ、１１ｂ：磁化固定領域
１１ｃ：磁化反転領域
１２：トンネルバリア層
１３：磁化固定層
１４：キャップ導電層
１５：基板
２１：磁化自由層
２１ａ、２１ｂ：磁化固定領域
２１ｃ：磁化反転領域
２２：トンネルバリア層
２３：磁化固定層
２４：キャップ導電層
２５：基板
２６：層間絶縁層
２７、３７：ビアホール
３７ａ：テーパー部分
３７ｂ：垂直部分
３７ｃ：底面
１０１：基板
１０２：反強磁性体層
１０３：第１強磁性体層
１０４：加工停止層
１０５：トンネルバリア層
１０６：第２強磁性体層
１０７：キャップ層
１０８：酸化シリコン層
１１１：開口
１１２：レジストマスク

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板の上方に形成された磁化自由層と、
   前記磁化自由層を被覆し、且つ、前記磁化自由層を底面で露出するビアホールが形成された層間絶縁層と、
   前記ビアホールの内部に、前記ビアホールの底面で前記磁化自由層に接触するように形成されたトンネルバリア層と、
   前記ビアホールの内部に、且つ、前記トンネルバリア層の上に形成された磁化固定層
   とを具備する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
2. 基板と、
   前記基板の上方に形成された磁化自由層と、
   前記磁化自由層の上に形成されたトンネルバリア層と、
   前記トンネルバリア層を被覆し、且つ、前記トンネルバリア層を底面で露出するビアホールが形成された層間絶縁層と、
   前記ビアホールの内部に、前記ビアホールの底面で前記トンネルバリア層に接触するように形成された磁化固定層
   とを具備する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
3. 請求項１又は請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記磁化固定層の上に形成され、前記ビアホールを埋め込むキャップ導電層を更に具備する
   磁気ランダムアクセスメモリ。
4. 請求項１又は請求項２に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記ビアホールは、
   前記磁化自由層に隣接し、テーパーが付けられているテーパー部分と、
   前記テーパー部分に隣接し、前記基板に対して垂直な垂直部分
   とを含む
   磁気ランダムアクセスメモリ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記磁化自由層は、
   磁化が反転可能に形成された磁化反転領域と、
   磁化が固定され、前記磁化反転領域にスピン偏極電子を注入する磁化固定領域
   とを含む
   磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 請求項５に記載の磁気ランダムアクセスメモリであって、
   前記ビアホールの幅が、前記磁化反転領域の幅よりも大きい
   磁気ランダムアクセスメモリ。
7. 基板の上方に磁化自由層を形成する工程と、
   前記磁化自由層を被覆する層間絶縁層を形成する工程と、
   前記層間絶縁層に、前記磁化自由層を底面で露出するビアホールを形成する工程と、
   非磁性絶縁層と、強磁性体膜を含む磁性層と、導電層とを、前記磁化自由層及び前記層間絶縁層を被覆するように順次に形成する工程
   前記非磁性絶縁層と前記磁性層と前記導電層の前記ビアホールの外部にある部分を除去することにより、トンネルバリア層と磁化固定層とキャップ層とを前記ビアホールの内部に形成する工程
   とを具備する
   磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
8. 請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法であって、
   前記非磁性絶縁層と前記磁性層と前記導電層の前記ビアホールの外部にある部分の除去は、下記一連の工程：
   前記絶縁層と前記磁性層とが露出しないように、前記導電層の上部をＣＭＰによって除去する工程、及び
   前記絶縁層と前記磁性層と前記導電層の残存部分のうち、前記ビアホールの外部に位置する部分をエッチバックによって除去する工程
   を含むプロセスによって行われる
   磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
9. 請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリの製造方法であって、
   前記ビアホールは、前記磁化自由層に隣接し、テーパーが付けられているテーパー部分と、前記テーパー部分に隣接し、前記基板に対して垂直な垂直部分とを含むように形成される
   磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。
10. 基板の上方に磁化自由層を形成する工程と、
    前記磁化自由層の上にトンネルバリア層を形成する工程と、
    前記磁化自由層と前記トンネルバリア層とを被覆する層間絶縁層を形成する工程と、
    前記層間絶縁層に、前記トンネルバリア層を底面で露出するビアホールを形成する工程と、
    強磁性体膜を含む磁性層と導電層とを、前記磁化自由層及び前記層間絶縁層を被覆するように順次に形成する工程
    前記磁性層と前記導電層の前記ビアホールの外部にある部分を除去することにより、磁化固定層とキャップ層とを前記ビアホールの内部に形成する工程
    とを具備する
    磁気ランダムアクセスメモリの製造方法。

Images