JP2010165790A - 不揮発性磁気メモリ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】不揮発性磁気メモリ装置は、(A)磁化容易軸が垂直方向を向いている記録層53を有する積層構造体50、(B)積層構造体50の下部に電気的に接続された第1の配線41、並びに、(C)積層構造体50の上部に電気的に接続された第2の配線42から成る磁気抵抗効果素子を備えており、積層構造体50の側面に近接して、記録層53を構成する材料のヤング率よりも高い値のヤング率を有する高ヤング率領域171が配置されている。
【選択図】 図1
Description
(A)磁化容易軸が垂直方向を向いている記録層を有する積層構造体、
(B)積層構造体の下部に電気的に接続された第1の配線、並びに、
(C)積層構造体の上部に電気的に接続された第2の配線、
から成る磁気抵抗効果素子を備えており、
積層構造体の側面に近接して、記録層を構成する材料のヤング率よりも高い値のヤング率を有する高ヤング率領域が配置されている。
(A)磁化容易軸が垂直方向を向いている記録層を有する積層構造体、
(B)積層構造体の下部に電気的に接続された第1の配線、並びに、
(C)積層構造体の上部に電気的に接続された第2の配線、
から成る磁気抵抗効果素子を備えており、
積層構造体の上方、又は、積層構造体の下方、又は、積層構造体の上方及び下方には、記録層を構成する材料のヤング率よりも低い値のヤング率を有する低ヤング率領域が配置されている。
1.本発明の第1の態様及び第2の態様に係る不揮発性磁気メモリ装置、全般に関する説明
2.実施例1(本発明の第1の態様に係る不揮発性磁気メモリ装置)
3.実施例2(実施例1の変形)
4.実施例3(実施例2の変形)
5.実施例4(本発明の第2の態様に係る不揮発性磁気メモリ装置)
6.実施例5(実施例4の変形)
7.実施例6(実施例4及び実施例5の変形)
8.実施例7(実施例4の別の変形)
9.実施例8(実施例5の変形)
10.実施例9(実施例6の変形)
11.実施例10(実施例4の更に別の変形)
12.実施例11(実施例4の更に別の変形、その他)
本発明の第2の態様に係る不揮発性磁気メモリ装置にあっては、積層構造体の側面に近接して、記録層を構成する材料のヤング率よりも高い値のヤング率を有する高ヤング率領域が更に配置されている構成とすることができる。尚、このような構成を、便宜上、『第2Aの構成の不揮発性磁気メモリ装置』と呼ぶ。
EH−E0≧1×1011Pa(100GPa)
好ましくは、
EH−E0≧3×1011Pa(300GPa)
を満足する構成とすることが好ましい。高ヤング率領域を構成する材料として、導電材料を挙げることができる。具体的には、高ヤング率領域は、イリジウム(Ir)、レニウム(Re)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、窒化チタン(TiN)、硼素化チタン(TiB2)、硼化ジルコニウム(ZrB2)、窒化ジルコニウム(ZrN)、硼化バナジウム(VB2)、硼化ニオブ(NbB2)、硼化タンタル(TaB2)、硼化クロム(CrB2)、硼化モリブデン(Mo2B5)、硼化タングステン(W2B5)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化タングステン(WC)から成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る構成とすることができる。あるいは又、高ヤング率領域を構成する材料として、例えば3×1011Pa以上のヤング率を有する材料から、適宜、選択すればよい。あるいは又、高ヤング率領域を構成する材料として、記録層に、1×108Pa乃至5×109Paの圧縮応力を加え得る材料から、適宜、選択すればよい。
E0−EL≧1×1011Pa(100GPa)
好ましくは、
E0−EL≧3×1011Pa(300GPa)
を満足する構成とすることが好ましい。尚、低ヤング率領域を構成する材料として、導電材料、絶縁材料を挙げることができるし、あるいは又、場合によっては、低ヤング率領域を空洞から構成することもできる。ここで、低ヤング率領域を導電材料から構成する場合、低ヤング率領域は、金(Au)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)、錫(Sn)、鉛(Pb)、ニオブ(Nb)、チタン(Ti)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属、又は、該金属の合金(例えば、Cu系合金、Al系合金)から成る構成とすることができる。
半導体基板に形成された選択用トランジスタ、及び、
選択用トランジスタを覆う下層絶縁層、
を備え、
下層絶縁層上に第1の配線が形成されており、
第1の配線が、下層絶縁層に設けられた接続孔(あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線)を介して選択用トランジスタに電気的に接続されており、
層間絶縁層は、下層絶縁層及び第1の配線を覆い、積層構造体を取り囲んでおり、
第2の配線は層間絶縁層上に形成されている構成を例示することができる。
(A)磁化容易軸が垂直方向を向いている記録層53を有する積層構造体50、
(B)積層構造体50の下部に電気的に接続された第1の配線41、並びに、
(C)積層構造体50の上部に電気的に接続された第2の配線42、
から成る磁気抵抗効果素子を備えている。実施例1〜実施例11にあっては、磁気抵抗効果素子は、スピン注入による磁化反転を応用したスピン注入型磁気抵抗効果素子から成る。
記録層53
厚さ約1nmのCoFeB層と厚さ約3nmのTbFeCo層の積層構造
非磁性体膜(トンネル絶縁膜)52
厚さ1.0nmのMgO膜
磁化参照層51
厚さ約1nmのCoFeB層と厚さ約30nmのGdFeCo層の積層構造
先ず、周知の方法に基づき、シリコン半導体基板10に素子分離領域11を形成し、素子分離領域11によって囲まれたシリコン半導体基板10の部分に、ゲート酸化膜13、ゲート電極12、ソース/ドレイン領域14A,14Bから成る選択用トランジスタTRを形成する。次いで、第1下層絶縁層21を形成し、ソース/ドレイン領域14Aの上方の第1下層絶縁層21の部分にタングステンプラグ15を形成し、更には、第1下層絶縁層21上にセンス線16を形成する。その後、全面に第2下層絶縁層23を形成し、ソース/ドレイン領域14Bの上方の下層絶縁層21,23の部分にタングステンプラグから成る接続孔22を形成する。こうして、下層絶縁層21,23で覆われた選択用トランジスタTRを得ることができる。
その後、スパッタリング法にて、真空中での連続成膜にて、全面に、2層構造の第1の配線41、積層構造体50、キャップ層61、接続部62を形成する。
プロセスガス :アルゴン=100sccm
成膜雰囲気圧力:0.6Pa
DCパワー :200W
[磁化参照層51]
プロセスガス :アルゴン=50sccm
成膜雰囲気圧力:0.3Pa
DCパワー :100W
[非磁性体膜52]
プロセスガス :アルゴン=100sccm
成膜雰囲気圧力:1.0Pa
RFパワー :500W
[記録層53]
プロセスガス :アルゴン=50sccm
成膜雰囲気圧力:0.3Pa
DCパワー :200W
[キャップ層61]
プロセスガス :アルゴン=100sccm
成膜雰囲気圧力:0.6Pa
DCパワー :200W
[接続部62]
プロセスガス :アルゴン=30sccm
成膜雰囲気圧力:0.7Pa
DCパワー :10kW
その後、得られた第1の配線41、積層構造体50、キャップ層61、接続部62の上にSiO2から成るハードマスク層(図示せず)をバイアス高密度プラズマCVD(HDP−CVD)法にて形成し、ハードマスク層上にパターニングされたレジスト層を形成して、ドライエッチング法にてハードマスク層をエッチングし、レジスト層をアッシング処理にて除去する。その後、ハードマスク層をエッチング用マスクとして、接続部62、キャップ層61及び積層構造体50を反応性イオンエッチング法(RIE法)に基づきエッチングして、図2に点線で模式的な平面図を示すような円筒形の積層構造体50を設ける。尚、場合によっては、積層構造体50の内の記録層53までエッチングを行い、この時点では、非磁性体膜(トンネル絶縁膜)52及び磁化参照層51のエッチングを行わなくともよい。また、接続部62、キャップ層61及び記録層53をRIE法によってパターニングする代わりに、イオンミリング法(イオンビームエッチング法)に基づきパターニングすることもできる。その後、エッチング用マスクを形成して、第1の配線41のパターニングを行う。非磁性体膜52及び磁化参照層51のエッチングを行わなかった場合には、この時点で、非磁性体膜52及び磁化参照層51のエッチングを行えばよい。
次いで、全面に、CVD法にてSiO2層から成る層間絶縁層30を成膜した後、層間絶縁層30及びハードマスク層を化学的機械的研磨法(CMP法)にて平坦化し、接続部62を露出させる。
その後、フォトリソグラフィ技術及びドライエッチング技術に基づき、この層間絶縁層30に高ヤング率領域171を形成するための溝部31を設ける。
次いで、周知の方法に基づき、溝部31内を含む層間絶縁層30上に第2の配線42、及び、第2の配線42の延在部43から成る高ヤング率領域171を形成する。こうして、図1及び図2に示した構造の不揮発性磁気メモリ装置を得ることができる。
(A)磁化容易軸が垂直方向を向いている記録層53を有する積層構造体50、
(B)積層構造体50の下部に電気的に接続された第1の配線41、並びに、
(C)積層構造体50の上部に電気的に接続された第2の配線42、
から成る磁気抵抗効果素子を備えている。
Claims (19)
- (A)磁化容易軸が垂直方向を向いている記録層を有する積層構造体、
(B)積層構造体の下部に電気的に接続された第1の配線、並びに、
(C)積層構造体の上部に電気的に接続された第2の配線、
から成る磁気抵抗効果素子を備えており、
積層構造体の側面に近接して、記録層を構成する材料のヤング率よりも高い値のヤング率を有する高ヤング率領域が配置されている不揮発性磁気メモリ装置。 - 積層構造体は、磁化参照層を更に有し、
高ヤング率領域を配置することによって記録層及び磁化参照層に対して圧縮応力が加わり、記録層及び磁化参照層の垂直磁気異方性が増大される請求項1に記載の不揮発性磁気メモリ装置。 - 高ヤング率領域は、第2の配線から延在している請求項1に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 高ヤング率領域のヤング率をEH、記録層を構成する材料の有するヤング率をE0としたとき、
EH−E0≧1×1011Pa
を満足する請求項1に記載の不揮発性磁気メモリ装置。 - 高ヤング率領域は、イリジウム(Ir)、レニウム(Re)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、窒化チタン(TiN)、硼素化チタン(TiB2)、硼化ジルコニウム(ZrB2)、窒化ジルコニウム(ZrN)、硼化バナジウム(VB2)、硼化ニオブ(NbB2)、硼化タンタル(TaB2)、硼化クロム(CrB2)、硼化モリブデン(Mo2B5)、硼化タングステン(W2B5)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化タングステン(WC)から成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る請求項4に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 磁気抵抗効果素子はスピン注入型磁気抵抗効果素子から成ることを特徴とする請求項1に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- (A)磁化容易軸が垂直方向を向いている記録層を有する積層構造体、
(B)積層構造体の下部に電気的に接続された第1の配線、並びに、
(C)積層構造体の上部に電気的に接続された第2の配線、
から成る磁気抵抗効果素子を備えており、
積層構造体の上方、又は、積層構造体の下方、又は、積層構造体の上方及び下方には、記録層を構成する材料のヤング率よりも低い値のヤング率を有する低ヤング率領域が配置されている不揮発性磁気メモリ装置。 - 積層構造体は、磁化参照層を更に有し、
低ヤング率領域を配置することによって記録層及び磁化参照層において内部応力が発生し、記録層及び磁化参照層の垂直磁気異方性が増大される請求項7に記載の不揮発性磁気メモリ装置。 - 積層構造体の上部と第2の配線との間に低ヤング率領域が配置されている請求項7に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 積層構造体の下部と第1の配線との間に低ヤング率領域が配置されている請求項7に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 積層構造体の下部と第1の配線との間に第1の低ヤング率領域が配置されており、
積層構造体の上部と第2の配線との間に第2の低ヤング率領域が配置されている請求項7に記載の不揮発性磁気メモリ装置。 - 低ヤング率領域のヤング率をEL、記録層を構成する材料の有するヤング率をE0としたとき、
E0−EL≧1×1011Pa
を満足する請求項7に記載の不揮発性磁気メモリ装置。 - 低ヤング率領域は、金(Au)、銀(Ag)、亜鉛(Zn)、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、インジウム(In)から成る群から選択された少なくとも1種類の金属、又は、該金属の合金から成る請求項12に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 積層構造体の側面に近接して、記録層を構成する材料のヤング率よりも高い値のヤング率を有する高ヤング率領域が更に配置されている請求項7に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 高ヤング率領域を配置することによって記録層に対して圧縮応力が加わり、記録層の垂直磁気異方性が増大される請求項14に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 高ヤング率領域は、第2の配線から延在している請求項14に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 高ヤング率領域のヤング率をEH、記録層を構成する材料の有するヤング率をE0としたとき、
EH−E0≧1×1011Pa
を満足する請求項14に記載の不揮発性磁気メモリ装置。 - 高ヤング率領域は、イリジウム(Ir)、レニウム(Re)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、窒化チタン(TiN)、硼素化チタン(TiB2)、硼化ジルコニウム(ZrB2)、窒化ジルコニウム(ZrN)、硼化バナジウム(VB2)、硼化ニオブ(NbB2)、硼化タンタル(TaB2)、硼化クロム(CrB2)、硼化モリブデン(Mo2B5)、硼化タングステン(W2B5)、炭化ニオブ(NbC)、炭化タンタル(TaC)、炭化タングステン(WC)から成る群から選択された少なくとも1種類の材料から成る請求項17に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
- 磁気抵抗効果素子はスピン注入型磁気抵抗効果素子から成ることを特徴とする請求項7に記載の不揮発性磁気メモリ装置。
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