JP2013102161A - 磁気抵抗素子構造の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、磁気抵抗材料と集積回路とを巧みに統合することのできる、磁気抵抗素子構造の製造方法を提供する。
【解決手段】基板を提供する工程と、上記基板の上に金属ダマシン構造を形成する工程と、該金属ダマシン構造に電気的に接続するように該金属ダマシン構造の上にパターン化磁気抵抗ユニットを形成する工程とを含む、磁気抵抗素子構造の製造方法である。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、磁気抵抗素子構造の製造方法に関し、特に集積回路の製造工程に応用できる磁気抵抗素子構造の製造方法に関する。

磁気抵抗素子において、主な機能は空間の磁場の変化によって電気抵抗値が変化するため、多くの電子製品、例えば、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）や磁力計に広く応用することができる。しかし、磁気抵抗素子は、機能が完全に発揮するように周辺回路と組み合わせる必要がある。このため、磁気抵抗素子を如何に集積回路の製造工程に統合し、これによって周辺回路と一緒に基板上に形成するかが、製造業者が達成しようとする目標となっている。しかし、現在の技術手段ではまだ多くの問題が存在している。このため、従来の手段における欠点を如何に改善するかが、本発明の主な目的である。

本発明は、パターン化磁気抵抗ユニットと集積回路とを巧みに統合することのできる、磁気抵抗素子構造の製造方法を提供する。

本発明の磁気抵抗素子構造の製造方法は、基板を提供する工程と、上記基板の上に金属ダマシン構造を形成する工程と、上記金属ダマシン構造に電気的に接続するように、上記金属ダマシン構造の上に磁気抵抗素子を形成する工程と、を含む。

好ましくは、上記基板の上に集積回路構造層を形成する。上記集積回路構造層は、金属配線、論理回路素子、記憶素子、静電気保護素子（ＥＳＤ）又は他の従来の素子構造を含むことができる。また、好ましくは、上記回路構造層の上に平坦化誘電体層及び誘電体層構造を形成する工程と、上記誘電体層構造に少なくとも１つの溝を形成する工程と、上記溝を利用して金属ダマシン構造を形成する、又は上記溝を位置合せマークとして利用する工程と、上記溝を有する上記誘電体層構造の上に磁気抵抗材料層を形成する工程と、上記位置合せマークを利用して上記磁気抵抗材料層に対しパターンを定義することにより磁気抵抗ユニットを形成する工程と、をさらに含む。

上記手段により、本発明に係る磁気抵抗素子構造の製造方法は、集積回路と磁気抵抗ユニットとを統合することで体積を最小化することができるのみならず、位置合せマークを製造工程に巧みに統合することができるため、フォトマスクの層数を削減することができる。

図１Ａは、本発明に係る磁気抵抗素子の製造方法の流れを示す概略図である。 図１Bは、本発明に係る磁気抵抗素子の製造方法の流れを示す概略図である。 図１Cは、本発明に係る磁気抵抗素子の製造方法の流れを示す概略図である。 図１Ｄは、本発明に係る磁気抵抗素子の製造方法の流れを示す概略図である。

図１Ａ〜図１Ｄは、本発明に係る磁気抵抗素子の製造方法の流れを示す概略図である。先ず、基板１を提供し、その上に集積回路構造１０を形成する。上記集積回路構造１０は、少なくとも１つの金属相互接続構造、論理回路素子、記憶素子、静電気保護素子（ＥＳＤ）又は他の従来の素子構造（未図示）を含むことができる。そのうち、上記金属相互接続構造は、セット／リセット（ｓｅｔ/ｒｅｓｅｔ）及びオフセット（ｏｆｆｓｅｔ）などの回路装置（未図示）を含むことが可能である。もちろん、上記金属相互接続構造は、金属配線パッド１００を含むことも可能である。上記集積回路構造１０の最上方は平坦化誘電体層である。具体的には、上記集積回路構造１０上に、もう１つの誘電体層構造１１を形成する。上記誘電体層構造１１は、例えば、酸化ケイ素１１０と、窒化ケイ素１１１と、酸化ケイ素１１２とからなる三層構造である。また、誘電体層構造１１内に、金属ダマシン構造１１３を形成することができる。言及に値することは、図に示される誘電体層構造１１の構造は、１つの実施例に過ぎないため、当業者は、実際のニーズに沿って単層又は多層の誘電体層構造に設計することができる。金属ダマシン構造１１３は、主に後で完成される磁気抵抗材料構造の間に電気的な接続を与える。その製造方法は、以下のとおりである。すなわち、先ず、誘電体層構造１１の表面に金属ダマシンパターンの溝を形成する。次に、金属層で誘電体層構造１１の表面を覆い、上記溝を埋め込む。最後は、化学機械研磨工程により、誘電体層構造１１の表面にある金属層を除去し、パターンの溝内にある金属層のみを残す。上記金属層の材料として、タングステン又は銅が好ましい。通常、金属ダマシン構造１１３を形成した後には平坦化工程を行う。このため、平坦化工程の後では誘電体層構造１１と金属ダマシン構造１１３との上面は、結構平坦である。しかし、後で磁気抵抗材料層をパターニングする工程では、過度に平坦すぎる表面が問題となる。本発明は、この問題を改善するため、下記工程を行う。

図１Ｂに示すように、先ず、誘電体層構造１１内の特定の位置に、フォトマスクリソグラフィ工程により、溝１１４ａ、１１４ｂを定義する。溝構造の主な目的の１つは、後続のリソグラフィ工程で必要となる位置合せパターンを定義するのに用いることである。このため、溝構造を、素子の特性を影響しないような領域に設けることができる。例えば、溝１１４ａを切断線の領域に設けることができる。また、溝１１４ｂを金属配線パッド１００の上に設けることもできる。溝１１４ｂの深さは、以下のように設定することができる。すなわち、一部の誘電体層構造のみをエッチングして除去するか、又は金属配線パッドより上にある誘電体層を全部エッチングして除去する。さらに、金属配線パッドより上にある誘電体層を全部除去してから、さらに下へエッチングすることにより、上記溝の深さを上記誘電体層構造１１の厚さより大きくすることもできる。
また、溝構造を磁気抵抗ユニットの配列領域内（未図示）に設け、溝構造により特殊設計の磁気抵抗素子を定義することもできる。

再び図１Ｂを参照すれば、次に、溝１１４ａ、１１４ｂが完成された誘電体層構造１１の表面に、もう１つの磁気抵抗材料層１１５を形成することができる。上記磁気抵抗材料層は、単層又は多層構造であってよい。但し、通常磁気抵抗材料層が光不透過であるため、パターニングにより定義された位置合せマークが磁気抵抗材料層によって覆われると、機能を効果的に発揮することができない。しかし、本発明の溝１１４ａは、以下の理由により、上記問題を改善することができる。すなわち、溝１１４ａが磁気抵抗材料層により埋め込まれた後、磁気抵抗材料層の表面にはまだでこぼこが残っているため、光の反射角が変化する。従って、露光装置は、でこぼこによる光と影の線を利用してフォトマスクの位置合せを行うことが可能である。これにより、磁気抵抗ユニット１１５'の形状を定義することができる。

図１Ｃに示すように、磁気抵抗素子の形状を定義する時、溝１１４の側壁には、製造工程のパラメータ調整のため完全に除去されていない磁気抵抗材料スペーサ１１５"が残される場合がある。なお、上記磁気抵抗ユニット１１５'は、金属ダマシン構造１１３に電気的に接続されている。また、上記磁気抵抗ユニット１１５'の形状及び位置は、従来のフォトレジスト露光現像工程により定義することができる。或いは、金属層又は誘電体層をハードマスク（ｈａｒｄ ｍａｓｋ）として利用すると共に、従来のエッチング技術を使うことにより、フォトレジスト又はハードマスクにより覆われていない領域を除去することにより、パターンされた磁気抵抗ユニット１１５'を形成することもできる。上記磁気抵抗ユニット１１５'は、その機能設計により、その一部又は全部が誘電体層構造１１の上面を覆うことができる。

続いて、上記磁気抵抗ユニット１１５'の表面にさらに保護層１１６を形成する。上記保護層１１６は、磁気抵抗ユニット１１５'が外部からの汚染又は損傷を受けることを防止する。なお、上記保護層１１６は、低熱予算（ｌｏｗ ｔｈｅｒｍａｌ ｂｕｄｇｅｔ）工程により形成された多層構造又は単層の窒化ケイ素であってよい。例えば、図１Ｄに示すように、窒化ケイ素１１６０と、酸化ケイ素１１６１と、窒化ケイ素１１６２とで構成させる三層構造を例として挙げることができる。この時、金属配線パッド１００の上にある溝１１４ｂは、もう１つの機能を発揮することができる。即ち、後続の製造工程では金属配線パッド１００を完全に窓開けする時、金属配線パッド１００の上にある、厚さが減少した誘電体層構造１１及び保護層１１６のみを除去すれば、ワイヤーボンディング開口１１７を完成し金属配線パッド１００を露出させることができる。これにより、エッチング工程の時間を短縮できるため、素子に与える悪影響を減らすことができる。同じように、ここで示した保護層１１６の構造は１つの実施例に過ぎないため、当業者は、実際のニーズに沿って単層又は多層の保護層構造に設計することができる。

なお、上記実施例で言及した基板１は、シリコン基板、又は誘電材料又はシリコンゲルマニウム、ガリウムヒ素、炭化ケイ素などの材料によって覆われているシリコン基板であってよい。また、上記基板１の上には、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、アナログ集積回路、論理集積回路、又は混成集積回路等が形成されていてもよい。また、磁気抵抗ユニット１１５は、異方性磁気抵抗（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＡＭＲ）、巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＧＭＲ）、トンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、ＴＭＲ）、又は超巨大磁気抵抗（ＣＭＲ、Ｃｏｌｏｓｓａｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）などの磁気抵抗メカニズムによる磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）又は磁力計などであってよい。

以上のように、本発明は、技術の改良を行った後、従来技術での問題を効果的に改善することができた。本発明を好適な実施例に沿って以上のように開示したが、本発明は上記内容に制限されない。当業者は、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更及び置換を行うことが可能である。したがって、本発明の保護範囲は、添付されている以下の特許請求の範囲により定義される。

１ 基板
１０ 集積回路構造
１００ 金属配線パッド
１１ 誘電体層構造
１１０ 酸化ケイ素
１１１ 窒化ケイ素
１１２ 酸化ケイ素
１１３ 金属ダマシン構造
１１４ａ、１１４ｂ 溝
１１５ 磁気抵抗材料層
１１５' 磁気抵抗ユニット
１１５" 磁気抵抗材料スペーサ
１１６ 保護層
１１６０ 窒化ケイ素
１１６１ 酸化ケイ素
１１６２ 窒化ケイ素
１１７ ワイヤーボンディング開口
１０１ 平坦化誘電体層

Claims (13)

1. 基板を提供する工程と、
   該基板の上に金属ダマシン構造を形成する工程と、
   該金属ダマシン構造に電気的に接続するように、該金属ダマシン構造の上にパターン化磁気抵抗ユニットを形成する工程と、を含むことを特徴とする磁気抵抗素子構造の製造方法。
2. 該金属ダマシン構造を形成する工程は、
   該基板の上に集積回路構造を形成する工程と、
   該集積回路構造の上に少なくとも１つの平坦化誘電体層を形成する工程と、
   該平坦化誘電体層の上に該金属ダマシン構造を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
3. 該平坦化誘電体層の上に誘電体層構造を形成する工程と、
   該誘電体層構造に少なくとも１つの溝を形成する工程と、
   該溝を覆うように該誘電体層構造の表面に磁気抵抗材料層を形成する工程と、
   該磁気抵抗材料層を定義し、磁気抵抗ユニットを形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
4. 該溝を位置合せマークとして利用し、該磁気抵抗材料層に対しパターンを定義することを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
5. 該誘電体層構造を形成する工程は、
   酸化ケイ素層を形成する工程と、
   該酸化ケイ素層の表面に窒化ケイ素層を形成する工程と、
   該窒化ケイ素層の表面にさらにもう１つの酸化ケイ素層を形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
6. 該溝を該基板内の１つの切断線の領域に形成することを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
7. 該溝を該金属配線パッドの上に形成することを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
8. 該溝を該基板の１つの磁気抵抗素子の配列領域内に形成することを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
9. 該磁気抵抗ユニットの一部を該誘電体層構造の上面に形成することを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
10. 該磁気抵抗ユニットの全部を該誘電体層構造の上面に形成することを含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
11. 該磁気抵抗材料層を該溝の側壁に残すことをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
12. 少なくとも１つの金属相互接続構造を該集積回路構造内に形成することを含み、
    さらに少なくとも１つの金属配線パッドを該金属相互接続構造内に形成することを含むことを特徴とする請求項２に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。
13. 該磁気抵抗ユニットの表面に保護層を形成する工程と、
    該保護層の一部を除去することにより、該金属配線パッドを露出させるように、ワイヤーボンディング開口を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の磁気抵抗素子構造の製造方法。