JP2013197413A - Method of manufacturing magnetoresistive effect element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、磁気抵抗効果素子の製造方法に関する。 Embodiments described herein relate generally to a method of manufacturing a magnetoresistive element.
抵抗変化メモリの製造プロセスでは、下部電極層、可変抵抗層、上部電極層を堆積した後、リソグラフィ技術でレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとして上部電極層、可変抵抗層、下部電極層をエッチングすることで、可変抵抗素子を形成する。 In the process of manufacturing a resistance change memory, after depositing a lower electrode layer, a variable resistance layer, and an upper electrode layer, a resist pattern is formed by lithography, and the upper electrode layer, variable resistance layer, and lower electrode layer are formed using the resist pattern as a mask. Is etched to form a variable resistance element.
MRAM(Magnetic Random Access Memory)では、可変抵抗素子として磁気抵抗効果素子(Magnetoresistive element)が用いられる。磁気抵抗効果素子は、第1磁性層、中間層(トンネルバリア層)、第2磁性層を含む磁気トンネル接合(MTJ)素子で構成される。 In MRAM (Magnetic Random Access Memory), a magnetoresistive element is used as a variable resistance element. The magnetoresistive element is composed of a magnetic tunnel junction (MTJ) element including a first magnetic layer, an intermediate layer (tunnel barrier layer), and a second magnetic layer.
このMTJ素子における磁性層は、腐食耐性を有さない。このため、磁性層のエッチングとして一般的な塩素ガスを用いたRIE(Reactive Ion Etching)を行うと、エッチング後に吸着している残留塩素により磁性層が吸湿し、腐食してしまう。 The magnetic layer in this MTJ element does not have corrosion resistance. For this reason, when RIE (Reactive Ion Etching) using a general chlorine gas is performed as the etching of the magnetic layer, the magnetic layer absorbs moisture due to residual chlorine adsorbed after the etching and corrodes.
この対策として、磁性層をIBE(Ion Beam Etching)等の物理エッチングにより、エッチングする方法が提案されている。しかし、物理エッチングを行うと、磁性層のエッチング端部に加工ダメージが生じる。このため、素子の微細化に伴い磁性層端部のダメージの影響が大きくなり、磁気特性が劣化してしまう。 As a countermeasure, a method of etching the magnetic layer by physical etching such as IBE (Ion Beam Etching) has been proposed. However, when physical etching is performed, processing damage occurs at the etching end of the magnetic layer. For this reason, with the miniaturization of the element, the influence of the damage on the end portion of the magnetic layer is increased, and the magnetic characteristics are deteriorated.
加工ダメージを回避する磁気抵抗効果素子の製造方法を提供する。 A method of manufacturing a magnetoresistive element that avoids processing damage is provided.
本実施形態によれば、磁気抵抗効果素子の製造方法が提供される。磁気抵抗効果素子の製造方法においては、基板上に、第1絶縁層を形成する。前記第1絶縁層上に、第2絶縁層を形成する。前記第2絶縁層を貫通する第2孔を形成した後、前記第2孔に連接し、かつ前記第1絶縁層を貫通する第1孔を形成する。前記第1孔の径が前記第2孔の径よりも大きくなるように前記第1絶縁層および前記第2絶縁層を加工する。前記第1孔内の前記基板上、および前記第1孔および前記第2孔外の前記第2絶縁層上に、互いに分離するように第1磁性層を形成する。前記第1孔の径および前記第2孔の径が大きくなるように前記第1絶縁層および前記第2絶縁層を加工する。前記第1孔および前記第2孔外の前記第1磁性層を除去する。前記第1孔内の前記第1磁性層上、および前記第1孔および前記第2孔外の前記第2絶縁層上に、互いに分離するように、かつ前記第1孔内の前記第1磁性層を覆うようにトンネルバリア層を形成する。前記第1孔内の前記トンネルバリア層上、および前記第1孔および前記第2孔外の前記トンネルバリア層上に、互いに分離するように第2磁性層を形成する。前記第1孔および前記第2孔外の前記第2磁性層および前記トンネルバリア層を除去する。 According to the present embodiment, a method for manufacturing a magnetoresistive effect element is provided. In the method for manufacturing a magnetoresistive element, a first insulating layer is formed on a substrate. A second insulating layer is formed on the first insulating layer. After forming the second hole penetrating the second insulating layer, the first hole connecting to the second hole and penetrating the first insulating layer is formed. The first insulating layer and the second insulating layer are processed so that the diameter of the first hole is larger than the diameter of the second hole. A first magnetic layer is formed on the substrate in the first hole and on the second insulating layer outside the first hole and the second hole so as to be separated from each other. The first insulating layer and the second insulating layer are processed so that the diameter of the first hole and the diameter of the second hole are increased. The first magnetic layer outside the first hole and the second hole is removed. The first magnetic layer in the first hole so as to be separated from each other on the first magnetic layer in the first hole and on the second insulating layer outside the first hole and the second hole. A tunnel barrier layer is formed so as to cover the layer. A second magnetic layer is formed on the tunnel barrier layer in the first hole and on the tunnel barrier layer outside the first hole and the second hole so as to be separated from each other. The second magnetic layer and the tunnel barrier layer outside the first hole and the second hole are removed.
本実施形態を以下に図面を参照して説明する。図面において、同一部分には同一の参照符号を付す。また、重複する説明は、必要に応じて行う。 The present embodiment will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same parts are denoted by the same reference numerals. In addition, overlapping explanation will be given as necessary.
<MRAM構成例>
図1および図2を用いて、MARMの構成例について説明する。
<MRAM configuration example>
A configuration example of MARM will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1は、MARMのメモリセルを示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a MARM memory cell.
図1に示すように、メモリセルアレイMA内のメモリセルは、磁気抵抗効果素子MTJとスイッチ素子(例えば、FET)Tとの直列接続体を備える。直列接続体の一端(磁気抵抗効果素子MTJの一端)は、ビット線BLAに接続され、直列接続体の他端(スイッチ素子Tの一端)は、ビット線BLBに接続される。スイッチ素子Tの制御端子、例えば、FETのゲート電極は、ワード線WLに接続される。 As shown in FIG. 1, the memory cell in the memory cell array MA includes a serial connection body of a magnetoresistive effect element MTJ and a switch element (for example, FET) T. One end of the series connection body (one end of the magnetoresistive effect element MTJ) is connected to the bit line BLA, and the other end of the series connection body (one end of the switch element T) is connected to the bit line BLB. The control terminal of the switch element T, for example, the gate electrode of the FET is connected to the word line WL.
ワード線WLの電位は、第1の制御回路11により制御される。また、ビット線BLA,BLBの電位は、第2の制御回路12により制御される。
The potential of the word line WL is controlled by the
図2は、MARMのメモリセルの構造を示す断面図である。 FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a MARM memory cell.
図2に示すように、メモリセルは、半導体基板21上に配置されたスイッチ素子Tおよび磁気抵抗効果素子MTJで構成される。
As shown in FIG. 2, the memory cell includes a switch element T and a magnetoresistive effect element MTJ disposed on the
半導体基板21は、例えば、Si(シリコン)基板であり、その導電型は、P型でもN型でもどちらでもよい。半導体基板21内には、素子分離絶縁層22として、例えば、STI構造のシリコン酸化膜が配置される。
The
半導体基板21の表面領域、具体的には、素子分離絶縁層22により取り囲まれた素子領域(アクティブエリア)内には、スイッチ素子Tが配置される。本例では、スイッチ素子Tは、FETであり、半導体基板21内の2つのソース/ドレイン拡散層23と、それらの間のチャネル領域上に配置されるゲート電極24とを有する。ゲート電極24は、ワード線WLとして機能する。
The switch element T is disposed in the surface region of the
スイッチ素子Tは、層間絶縁層により覆われる。コンタクトホールは、層間絶縁層内に設けられ、コンタクトビア(CB)26は、そのコンタクトホール内に配置される。コンタクトビア26は、例えば、W(タングステン)、Cu(銅)などの金属材料から形成される。 The switch element T is covered with an interlayer insulating layer. The contact hole is provided in the interlayer insulating layer, and the contact via (CB) 26 is disposed in the contact hole. The contact via 26 is formed of a metal material such as W (tungsten) or Cu (copper).
コンタクトビア26の下面は、スイッチ素子に接続される。本例では、コンタクトビア26は、ソース/ドレイン拡散層23に直接接触している。
The lower surface of the contact via 26 is connected to the switch element. In this example, the contact via 26 is in direct contact with the source /
コンタクトビア26上には、下部電極(LE)27が配置される。下部電極27は、例えば、TiN(チタンナイトライド)で構成される。
A lower electrode (LE) 27 is disposed on the contact via 26. The
下部電極27上、すなわち、コンタクトビア26の直上には、磁気抵抗効果素子MTJが配置される。本実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの詳細については、後述する。
A magnetoresistive element MTJ is disposed on the
磁気抵抗効果素子MTJ上には、上部電極(UE)28が配置される。上部電極28は、例えばTiNで構成される。上部電極28は、ビア(例えば、Cu)29を介して、ビット線(例えば、Cu)BLAに接続される。
An upper electrode (UE) 28 is disposed on the magnetoresistive element MTJ. The
<第1の実施形態>
図3乃至図10を用いて、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて説明する。第1の実施形態では、第2絶縁層33に第2孔34を形成し、第1絶縁層32に第2孔34よりも大きい径(平面における径)を有する第1孔35を形成する。そして、第2孔34を介したスパッタリング法により、第1孔35内の底部に磁気抵抗効果素子MTJを形成する。これにより、エッチングをすることなく、磁気抵抗効果素子MTJを形成することができ、磁気抵抗効果素子MTJの加工ダメージを回避することができる。以下に、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて詳説する。
<First Embodiment>
The magnetoresistive effect element MTJ according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. In the first embodiment, the
[第1の実施形態の構造]
まず、図3を用いて、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造について説明する。
[Structure of First Embodiment]
First, the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
図3は、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造を示す断面図である。なお、図3において、図2におけるビア29は省略している。 FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the first embodiment. In FIG. 3, the via 29 in FIG. 2 is omitted.
図3に示すように、磁気抵抗効果素子MTJは、記憶層37、トンネルバリア層38、および参照層39等を備える。
As shown in FIG. 3, the magnetoresistive element MTJ includes a
記憶層37は、下部電極27上(上面上)に、図示せぬ下地層を介して形成される。下部電極27は、配線間絶縁層31内に形成されたコンタクトビア26上に接して形成され、半導体基板21に電気的に接続される。記憶層37は、磁化方向が可変の強磁性層であり、膜面(上面/下面)に対して垂直またはほぼ垂直となる垂直磁化を有する。ここで、磁化方向が可変とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを示す。また、磁化方向が垂直またはほぼ垂直とは、膜面に対して、45°<θ≦90°の範囲内にあることを意味する。
The
また、記憶層37は、例えばCo(コバルト)、またはFe(鉄)のうち1つ以上の元素を含む強磁性体で構成される。また、飽和磁化、または結晶磁気異方性などを調整する目的で、強磁性体にB(ホウ素)、C(炭素)、またはSiなどの元素を添加してもよい。
The
トンネルバリア層38は、記憶層37上(上面上)に形成される。トンネルバリア層38は、非磁性層であり、例えばMgO(酸化マグネシウム)で構成される。
The
参照層39は、トンネルバリア層38上(上面上)に形成される。参照層39は、磁化方向が不変の強磁性層であり、膜面に対して垂直またはほぼ垂直となる垂直磁化を有する。ここで、磁化方向が不変とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを示す。すなわち、参照層39は、記憶層37よりも磁化方向の反転閾値が大きい。
The
また、参照層39は、例えばCo、Fe、B、Ni(ニッケル)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Mn(マンガン)、またはRuのうち1つ以上の元素を含む強磁性体で構成される。
The
参照層39上(上面上)には、上部電極28が形成される。この上部電極28上には、図示せぬビアを介してビット線BLAが形成される。これにより、上部電極28は、ビット線BLAに電気的に接続される。
An
記憶層37、トンネルバリア層38、および参照層39を備える磁気抵抗効果素子MTJの平面形状は、例えば円形である。また、記憶層37、トンネルバリア層38、および参照層39の径は、例えば同程度である。すなわち、磁気抵抗効果素子MTJは、円柱状に形成される。また、下部電極27および上部電極28は、これらと同様の平面形状および径を有する。なお、磁気抵抗効果素子MTJの平面形状は、円形に限らない。磁性層として面内磁化膜を使用する場合、磁気抵抗効果素子MTJの平面形状は、楕円形状であってもよい。
The planar shape of the magnetoresistive effect element MTJ including the
なお、図示はしないが、参照層39とトンネルバリア層38との界面に、界面層が形成されてもよい。界面層は、下部で接するトンネルバリア層38との間で格子整合性を図る。界面層は、例えば、参照層39と同一材料で構成されるが、その組成比は異なっていてもよい。
Although not shown, an interface layer may be formed at the interface between the
また、参照層39上に、図示せぬスペーサ層(例えば、Ru等)を介してシフト調整層が形成されてもよい。シフト調整層は、磁化方向が不変の磁性層であり、膜面に対して垂直またはほぼ垂直となる垂直磁化を有する。また、その磁化方向は、参照層39の磁化方向と反対方向である。これにより、シフト調整層は、記憶層37にかかる参照層39からの漏洩磁界を打ち消すことができる。言い換えると、シフト調整層は、参照層39からの漏れ磁場による記憶層37に対する反転特性のオフセットを逆方向へ調整する効果を有する。このシフト調整層は、例えば、Ni、Fe、Co等の磁性材料とCu、Pd、Pt等の非磁性材料との積層構造からなる人工格子などから構成される。
Further, a shift adjustment layer may be formed on the
また、記憶層37と参照層39は配置が逆になっていてもよい。すなわち、下部電極27上に順に、参照層39、トンネルバリア層38、および記憶層37が形成されてもよい。
Further, the arrangement of the
磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の側面上には、第3絶縁層40が形成される。言い換えると、第3絶縁層40は、磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の周囲を囲うように形成される。この第3絶縁層40は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜で構成される。
A third insulating
第3絶縁層40の側面上には、第1絶縁層32が形成される。言い換えると、第1絶縁層32は、第3絶縁層40の周囲を囲うように形成される。また、第1絶縁層32の下面は下部電極27の下面と同じ高さに形成され、第1絶縁層32の上面は上部電極28の上面と同じ高さまたはそれよりも高く形成される。この第1絶縁層32は、例えばシリコン酸化膜で構成される。
A first insulating
このように、第1絶縁層32に形成された後述する第1孔35の側壁として第3絶縁層40が形成され、第1孔35内における第3絶縁層40の側面上に磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28が形成される。
Thus, the third insulating
第1絶縁層32の上面上には、第2絶縁層33が形成される。この第2絶縁層33は、第1絶縁層32よりも窒素濃度が高く、例えばシリコン酸窒化膜で構成される。
A second insulating
第1絶縁層32および第2絶縁層33を構成する材料は、上記材料に限らない。後述するウェットエッチングプロセスにおいて、第1絶縁層32のほうが第2絶縁層33よりもエッチングレートが大きくなるような絶縁材料で構成されればよい。例えば、第1絶縁層32は窒素濃度の低いシリコン酸窒化膜で構成され、第2絶縁層33は窒素濃度の高いシリコン酸窒化膜で構成されてもよい。また、第1絶縁層32はシリコン酸窒化膜で構成され、第2絶縁層33はシリコン窒化膜で構成されてもよい。
The material which comprises the 1st insulating
次に、磁気抵抗効果素子MTJの動作例について説明する。 Next, an operation example of the magnetoresistive element MTJ will be described.
磁気抵抗効果素子MTJは、例えばスピン注入型の磁気抵抗効果素子である。したがって、磁気抵抗効果素子MTJにデータを書き込む場合、または磁気抵抗効果素子MTJからデータを読み出す場合、磁気抵抗効果素子MTJは、膜面(積層面)に垂直な方向において、双方向に電流が通電される。 The magnetoresistive element MTJ is, for example, a spin injection type magnetoresistive element. Therefore, when writing data to the magnetoresistive effect element MTJ or reading data from the magnetoresistive effect element MTJ, the magnetoresistive effect element MTJ is energized in both directions in a direction perpendicular to the film surface (lamination surface). Is done.
より具体的には、磁気抵抗効果素子MTJへのデータの書き込みは、以下のように行われる。 More specifically, data writing to the magnetoresistive effect element MTJ is performed as follows.
上部電極28側から電子(参照層39から記憶層37へ向かう電子)が供給される場合、参照層39の磁化方向と同じ方向にスピン偏極された電子が記憶層37に注入される。この場合、記憶層37の磁化方向は、参照層39の磁化方向と同じ方向に揃えられる。これにより、参照層39の磁化方向と記憶層37の磁化方向とが、平行配列となる。この平行配列のとき、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値は最も小さくなる。この場合を例えばデータ“0”と規定する。
When electrons are supplied from the
一方、下部電極27側から電子(記憶層37から参照層39へ向かう電子)が供給される場合、参照層39により反射されることで参照層39の磁化方向と反対方向にスピン偏極された電子とが記憶層37に注入される。この場合、記憶層37の磁化方向は、参照層39の磁化方向と反対方向に揃えられる。これにより、参照層39の磁化方向と記憶層37磁化方向とが、反平行配列となる。この反平行配列のとき、磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値は最も大きくなる。この場合を例えばデータ“1”と規定する。
On the other hand, when electrons (electrons traveling from the
また、データの読み出しは、以下のように行われる。 Data is read as follows.
磁気抵抗効果素子MTJに、読み出し電流が供給される。この読み出し電流は、記憶層32の磁化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。この時の磁気抵抗効果素子MTJの抵抗値の変化を検出することにより、メモリ動作可能な半導体装置となる。 A read current is supplied to the magnetoresistive element MTJ. This read current is set to a value that does not reverse the magnetization direction of the storage layer 32 (a value smaller than the write current). By detecting a change in the resistance value of the magnetoresistive effect element MTJ at this time, a semiconductor device capable of memory operation is obtained.
[第1の実施形態の製造方法]
次に、図4乃至図10を用いて、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造方法について説明する。
[Production Method of First Embodiment]
Next, a method for manufacturing the magnetoresistive element MTJ according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
図4乃至図10は、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造工程を示す断面図である。 4 to 10 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the magnetoresistive element MTJ according to the first embodiment.
まず、図4に示すように、セルトランジスタ(スイッチ素子T)が形成された半導体基板21上に配線間絶縁層31が形成される。この配線間絶縁層31内にコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内に例えばWで構成されるコンタクトビア26が形成される。これにより、後に形成される磁気抵抗効果素子MTJと半導体基板21とを電気的に接続することができる。なお、以下の説明において、コンタクトビア26が形成された配線間絶縁層31を基板と称する場合がある。
First, as shown in FIG. 4, an inter-wiring insulating
次に、図5に示すように、例えばPECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)法により、コンタクトビア26が形成された配線間絶縁層31上に、第1絶縁層32が形成される。この第1絶縁層32は、例えばシリコン酸化膜で構成される。また、第1絶縁層32の膜厚は、後に形成される下部電極27、磁気抵抗効果素子MTJ、および上部電極28の積算膜厚よりも厚い。
Next, as shown in FIG. 5, the first insulating
次に、例えばPECVD法により、第1絶縁層32上に、第2絶縁層33が形成される。この第2絶縁層33は、第1絶縁層32よりも窒素濃度が高く、例えばシリコン酸窒化膜で構成される。
Next, the second insulating
次に、リソグラフィ技術により、第2絶縁層33上に、図示せぬレジストパターンが形成される。このレジストパターンをマスクとして、例えばRIEにより、第2絶縁層33および第1絶縁層32に、その上面から下面まで貫通する貫通孔36が形成される。貫通孔36は、第2絶縁層33を貫通する第2孔34と、第2孔34に連接し、第1絶縁層32を貫通する第1孔35とで構成される。これにより、貫通孔36(第1孔35)の底面において、基板、特にコンタクトビア26の上面が露出する。また、貫通孔36の平面形状は、例えば円形である。
Next, a resist pattern (not shown) is formed on the second insulating
次に、図6に示すように、例えば希釈されたフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングにより、第1絶縁層32および第2絶縁層33が等方的にエッチングされる。このとき、第2絶縁層33の上面は図示せぬレジストパターンで覆われているため、第1絶縁層32および第2絶縁層33の側面がエッチングされる。
Next, as shown in FIG. 6, the first insulating
このとき、シリコン酸化膜からなる第1絶縁層32のほうが、それよりも多くの窒素を含むシリコン酸窒化膜からなる第2絶縁層33よりもエッチングレートが大きい。このため、第1孔35における第1絶縁層32の側面のほうが、第2孔34における第2絶縁層33の側面よりもエッチングされる。これにより、第1孔35の径(貫通孔36の上部側の径)が第2孔34の径(貫通孔36の下部側の径)よりも大きくなる。言い換えると、第2絶縁層33は、第1絶縁層32よりも貫通孔36の円柱中心軸に向かって突出する。そして、第2絶縁層33の突出部下の第1孔35内には、隙間60が形成される。すなわち、平面でみると、第2孔34の円形状は、第1孔35の円形状内に含まれる。その後、図示せぬレジストパターンが除去される。
At this time, the first insulating
次に、図7に示すように、例えばスパッタリング法により、例えばTiNで構成される下部電極27が堆積される。このとき、例えばコリメータ等を用いた膜面に対して垂直成分の高い(垂直方向またはほぼ垂直方向からの)スパッタリング法が行われる。これにより、下部電極27は、第2孔34内における第2絶縁層33の側面上にほとんど成膜されない。また、第1孔35には隙間60が設けられているため、下部電極27は、第1孔35内における第1絶縁層32の側面上にも形成されない。
Next, as shown in FIG. 7, the
なお、垂直方向またはほぼ垂直方向からのスパッタリング法とは、堆積膜が第2孔34内における第2絶縁層33の側面上に実質的に形成されない程度の方向から堆積分子を飛来させるスパッタリング法である。
Note that the sputtering method from the vertical direction or the substantially vertical direction is a sputtering method in which deposited molecules fly from a direction in which the deposited film is not substantially formed on the side surface of the second insulating
その結果、下部電極27は、隙間60を空けて、第1孔35内におけるコンタクトビア26上、すなわち、第1孔35内の底面上に形成される。また、同時に、下部電極27は、貫通孔36外における第2絶縁層33上にも形成される。このとき、第1孔35内のコンタクトビア26上の下部電極27と、貫通孔36外における第2絶縁層33上の下部電極27とは互いに分離するように形成される。
As a result, the
また、下部電極27は第2孔34を介したスパッタリング法により形成されるため、下部電極27の平面形状は第2孔34の平面形状と同程度となる。また、下部電極27の径は、第2孔34の径と同程度となる。
Further, since the
次に、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28が順に堆積される。このとき、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28は、第2孔34内における第2絶縁層33の側面上にほとんど成膜されない。また、第1孔35には隙間60が設けられているため、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28は、第1孔35内における第1絶縁層32の側面上にも形成されない。
Next, the
その結果、隙間60を空けて、第1孔35内における下部電極27上(上面上)に、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28が順に形成される。また、同時に、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28は、貫通孔36外における下部電極27上にも形成される。このとき、第1孔35内の下部電極27上の記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28と、貫通孔36外における下部電極27上の記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28とはそれぞれ互いに分離するように形成される。
As a result, the
また、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28は第2孔34を介したスパッタリング法により形成されるため、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28の平面形状は第2孔34(下部電極27)の平面形状と同程度となる。また、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28の径は、第2孔34(下部電極27)の径と同程度となる。
Further, since the
記憶層37は、例えばCo、またはFeのうち1つ以上の元素を含む強磁性体で構成される。トンネルバリア層38は、非磁性層であり、例えばMgOで構成される。参照層39は、例えばCo、Fe、B、Ni、Ir、Pt、Mn、またはRuのうち1つ以上の元素を含む強磁性体で構成される。上部電極28は、例えばTiNで構成される。
The
このようにエッチングをすることなく、貫通孔35内に、下部電極27、磁気抵抗効果素子MTJ、および上部電極28が形成される。
Thus, the
次に、図8に示すように、例えばスピン塗布法により、第1孔35および第2孔34を埋め込むように、第3絶縁層40が形成される。この第3絶縁層40は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜で構成される。なお、第3絶縁層40の形成方法は、スピン塗布法に限らず、磁気抵抗効果素子MTJへの酸化作用を有さない成膜方法であればよい。また、後工程において磁気抵抗効果素子MTJへの酸素の侵入を抑制するため、第3絶縁層40は例えばシリコン窒化膜で構成されることが望ましい。
Next, as shown in FIG. 8, the third insulating
次に、図9に示すように、例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)により、貫通孔36外の第2絶縁層33上に形成された上部電極28、参照層39、トンネルバリア層38、記憶層37、および下部電極27が除去される。また、第3絶縁層40の上部側の一部も除去される。
Next, as shown in FIG. 9, the
次に、図10に示すように、リソグラフィ技術により、第2絶縁層33(および第3絶縁層40)上に、図示せぬレジストパターンが形成される。このレジストパターンをマスクとして、例えばRIEにより、第1絶縁層32、第2絶縁層33、および第3絶縁層40に配線溝41が形成される。これにより、配線溝41の底面において上部電極28の上面が露出する。
Next, as shown in FIG. 10, a resist pattern (not shown) is formed on the second insulating layer 33 (and the third insulating layer 40) by lithography. Using this resist pattern as a mask,
次に、図3に示すように、例えばスパッタリング法により、全面に図示せぬCuシード層を形成した後、例えば電解めっき技術により、Cuシード層上にCu層が形成される。その後、配線溝41外の第2絶縁層33上に形成されたCu層が除去され、配線溝41内にCuで構成されるビット線BLAが形成される。
Next, as shown in FIG. 3, after forming a Cu seed layer (not shown) on the entire surface by, for example, sputtering, a Cu layer is formed on the Cu seed layer by, for example, an electrolytic plating technique. Thereafter, the Cu layer formed on the second insulating
このようにして、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJ、およびそれに接続される配線電極等が形成される。 Thus, the magnetoresistive effect element MTJ according to the first embodiment, the wiring electrode connected thereto, and the like are formed.
[第1の実施形態の効果]
上記第1の実施形態によれば、第1絶縁層32および第2絶縁層33を積層した後、第2絶縁層33に第2孔34を形成し、第1絶縁層32に第2孔34よりも大きい径を有する第1孔35を形成する。そして、第2孔34を介したスパッタリング法により、第1孔35内の底部に下部電極27、磁気抵抗効果素子MTJ(記憶層37、トンネルバリア層38、および参照層39)、および上部電極28を形成する。これにより、エッチングをすることなく、磁気抵抗効果素子MTJを形成することができる。したがって、エッチングを行うことで生じていた磁気抵抗効果素子MTJの加工ダメージを回避することができる。
[Effect of the first embodiment]
According to the first embodiment, after the first insulating
<第2の実施形態>
図11乃至図18を用いて、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて説明する。第2の実施形態は、第1の実施形態の変形例であり、記憶層37を形成した後、第2孔34の径を大きくすることで、その後に形成されるトンネルバリア層38で記憶層37の上面および側面を覆う例である。以下に、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて詳説する。
<Second Embodiment>
A magnetoresistive element MTJ according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 11 to 18. The second embodiment is a modification of the first embodiment. After the
なお、第2の実施形態において、上記第1の実施形態と同様の点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。 Note that in the second embodiment, description of the same points as in the first embodiment will be omitted, and different points will be mainly described.
[第2の実施形態の構造]
まず、図11を用いて、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造について説明する。
[Structure of Second Embodiment]
First, the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
図11は、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造を示す断面図である。なお、図11において、図2におけるビア29は省略している。 FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the second embodiment. In FIG. 11, the via 29 in FIG. 2 is omitted.
図11に示すように、第2の実施形態において、上記第1の実施形態と異なる点は、トンネルバリア層38が、記憶層37の上面および側面、下部電極27の側面を覆うように形成される点である。
As shown in FIG. 11, the second embodiment is different from the first embodiment in that the
より具体的には、下部電極27は、配線間絶縁層31内に形成されたコンタクトビア26上に形成される。この下部電極27上(上面上)に、下部電極27と同程度の平面形状および径を有する記憶層37が形成される。これら記憶層37の上面および側面、および下部電極27の側面を覆うように、トンネルバリア層38が形成される。言い換えると、トンネルバリア層38は、記憶層37の上面上および側面上、および下部電極27の側面上に連接して形成される。これにより、記憶層37の端部はトンネルバリア層38によって覆われ、参照層39との間でリークを防ぎ、これらを絶縁分離することができる。また、トンネルバリア層38は、基板上(コンタクトビア26上および配線間絶縁層31上)まで連接して形成されてもよい。
More specifically, the
トンネルバリア層38上(上面上)には、参照層39が形成される。このとき、トンネルバリア層38が記憶層37の側面上にも形成されている分、参照層39は記憶層37よりも径が大きく形成される。これにより、記憶層37に対する参照層39からの漏洩磁場の影響を抑制することができ、記憶層37の反転効率の向上を図ることができる。なお、参照層39がトンネルバリア層38の側面上まで連接して形成されてもよい。
A
参照層39上(上面上)には、上部電極28が形成される。このとき、上部電極28は、参照層39と同程度の平面形状および径を有する。なお、上部電極28が参照層39の側面上または/およびトンネルバリア層38の側面上まで連接して形成されてもよい。
An
[第2の実施形態の製造方法]
次に、図12乃至図18を用いて、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造方法について説明する。
[Manufacturing Method of Second Embodiment]
Next, a method for manufacturing the magnetoresistive element MTJ according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
図12乃至図18は、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造工程を示す断面図である。 12 to 18 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the magnetoresistive element MTJ according to the second embodiment.
まず、第1の実施形態に係る図4乃至図6の工程が行われる。すなわち、第1絶縁層33および第2絶縁層32に対してウェットエッチングを行うことで、第1孔35の径を第2孔34の径よりも大きくする。
First, the steps of FIGS. 4 to 6 according to the first embodiment are performed. That is, the diameter of the
次に、図12に示すように、例えばスパッタリング法により、例えばTiNで構成される下部電極27が堆積される。このとき、例えばコリメータ等を用いた膜面に対して垂直成分の高い(垂直方向またはほぼ垂直方向からの)スパッタリング法が行われる。これにより、下部電極27は、隙間60を空けて、第1孔35内におけるコンタクトビア26上、すなわち、第1孔35内の底面上に形成される。また、同時に、下部電極27は、貫通孔36外における第2絶縁層33上にも、第1孔35内のコンタクトビア26上とは分離するように形成される。
Next, as shown in FIG. 12, the
次に、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、記憶層37が堆積される。これにより、記憶層37は、第1孔35内における下部電極27上に形成される。また、同時に、記憶層37は、貫通孔36外における下部電極27上にも、第1孔35内の下部電極27上とは分離するように形成される。
Next, the
次に、図13に示すように、例えば希釈されたフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングにより、第1絶縁層32および第2絶縁層33が等方的にエッチングされる。このとき、第2絶縁層33の上面は下部電極27および記憶層37で覆われているため、第1絶縁層32および第2絶縁層33の側面がエッチングされる。これにより、第1孔35の径および第2孔34の径がそれぞれ大きくなる。
Next, as shown in FIG. 13, the first insulating
次に、図14に示すように、貫通孔36外における第2絶縁層33上に形成された記憶層37および下部電極27が除去される。貫通孔36外の記憶層37および下部電極27の除去は、例えば、これらをターゲットにしたRFスパッタリング法(逆スパッタリング法)によって行われる。
Next, as shown in FIG. 14, the
次に、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、トンネルバリア層38が堆積される。このとき、トンネルバリア層38は、記憶層37の形成時よりも大きい径を有する第2孔34を介したスパッタリング法によって形成される。このため、トンネルバリア層38は、第1孔35内において、記憶層37の形成領域よりも大きい領域に形成される。言い換えると、トンネルバリア層38の径は、記憶層37の径より大きくなる。
Next, the
その結果、トンネルバリア層38は、第1孔35内における記憶層37の側面および上面、および下部電極27の側面を覆うように形成される。言い換えると、トンネルバリア層38は、記憶層37の上面上および側面上、および下部電極27の側面上に連接して形成される。これにより、記憶層37の端部を覆うことができる。
As a result, the
また、同時に、トンネルバリア層38は、貫通孔36外における第2絶縁層33上にも形成される。このとき、第1孔35内の記憶層37上のトンネルバリア層38と、貫通孔36外における第2絶縁層33上のトンネルバリア層38とは、互いに分離するように形成される。
At the same time, the
次に、図15に示すように、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、参照層39および上部電極28が順に堆積される。これにより、参照層39および上部電極28は、第1孔35内におけるトンネルバリア層38上(上面上)に順に形成される。このとき、トンネルバリア層38が記憶層37の側面上にも形成されている分、参照層39および上部電極28は記憶層37よりも径が大きく形成される。なお、参照層39および上部電極28がトンネルバリア層38の側面上まで連接して形成されてもよい。
Next, as shown in FIG. 15, the
また、同時に、参照層39および上部電極28は、貫通孔36外におけるトンネルバリア層38上にも形成される。このとき、第1孔35内のトンネルバリア層38上の参照層39および上部電極28と、貫通孔36外におけるトンネルバリア層38上の参照層39および上部電極28とはそれぞれ、互いに分離するように形成される。
At the same time, the
次に、図16に示すように、例えばスピン塗布法により、第1孔35および第2孔34を埋め込むように、第3絶縁層40が形成される。この第3絶縁層40は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜で構成される。
Next, as shown in FIG. 16, the third insulating
次に、図17に示すように、例えばCMPにより、貫通孔36外の第2絶縁層33上に形成された上部電極28、参照層39、およびトンネルバリア層38が除去される。また、第3絶縁層40の上部側の一部も除去される。
Next, as shown in FIG. 17, the
次に、図18に示すように、リソグラフィ技術により、第2絶縁層33(および第3絶縁層40)上に、図示せぬレジストパターンが形成される。このレジストパターンをマスクとして、例えばRIEにより、第1絶縁層32、第2絶縁層33、および第3絶縁層40に配線溝41が形成される。これにより、配線溝41の底面において上部電極28の上面が露出する。
Next, as shown in FIG. 18, a resist pattern (not shown) is formed on the second insulating layer 33 (and the third insulating layer 40) by lithography. Using this resist pattern as a mask,
次に、図11に示すように、例えばスパッタリング法により、全面に図示せぬCuシード層を形成した後、例えば電解めっき技術により、Cuシード層上にCu層が形成される。その後、配線溝41外の第2絶縁層33上に形成されたCu層が除去され、配線溝41内にCuで構成されるビット線BLAが形成される。
Next, as shown in FIG. 11, after forming a Cu seed layer (not shown) on the entire surface by, for example, sputtering, a Cu layer is formed on the Cu seed layer by, for example, an electrolytic plating technique. Thereafter, the Cu layer formed on the second insulating
このようにして、第2の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJ、およびそれに接続される配線電極等が形成される。 Thus, the magnetoresistive effect element MTJ according to the second embodiment, the wiring electrode connected to the magnetoresistive effect element MTJ, and the like are formed.
[第2の実施形態の効果]
上記第2の実施形態によれば、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
[Effects of Second Embodiment]
According to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained.
さらに、第2の実施形態では、記憶層37を形成した後、第2孔34の径を大きくする。そして、記憶層37の形成時よりも径が大きい第2孔34を介したスパッタリング法により、第1孔35内の記憶層37の上面および側面を覆うように、トンネルバリア層38を形成する。これにより、成膜されにくい記憶層37の端部付近にもトンネルバリア層38を十分な膜厚で形成することができる。したがって、特に端部付近における、記憶層37とその後に形成される参照層39との間のリークを抑制し、これらの間を絶縁分離することができる。
Furthermore, in the second embodiment, after the
ところで、孔内に形成された記憶層を覆うようにトンネルバリア層を形成する方法として、垂直方向ではなく、傾斜を付けたスパッタリング法により成膜する方法が挙げられる。しかし、傾斜を付けたスパッタリング法によりトンネルバリア層を形成する場合、記憶層の端部、特に側面において十分な膜厚を確保することができない。このため、記憶層と参照層との間でリークが生じる場合がある。この問題は、素子の微細化が進むとより顕著になる。 By the way, as a method of forming the tunnel barrier layer so as to cover the memory layer formed in the hole, there is a method of forming a film by a sputtering method with an inclination instead of a vertical direction. However, when the tunnel barrier layer is formed by an inclined sputtering method, a sufficient film thickness cannot be ensured at the end of the memory layer, particularly at the side surface. For this reason, a leak may occur between the storage layer and the reference layer. This problem becomes more conspicuous as device miniaturization proceeds.
これに対し、第2の実施形態では、記憶層37の端部、すなわち側面にも十分な膜厚のトンネルバリア層38を形成することが可能である。このため、素子の微細化が進んでも、記憶層37と参照層39との間のリークの抑制を図ることができる。
On the other hand, in the second embodiment, it is possible to form the
<第3の実施形態>
図19乃至図25を用いて、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて説明する。第3の実施形態では、第1絶縁層32に第1孔35を形成した後、第1孔35の内面上にカバレッジの悪い第4絶縁層51を形成する。これにより、第1孔35の径を上部側から下部側に向かって大きくする。この第1孔35を介したスパッタリング法により、第1孔35内の底部に磁気抵抗効果素子MTJを形成する。これにより、第1の実施形態と同様に効果を得ることができる。以下に、第1の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて詳説する。
<Third Embodiment>
A magnetoresistive element MTJ according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. In the third embodiment, after forming the
なお、第3の実施形態において、上記各実施形態と同様の点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。 Note that in the third embodiment, a description of the same points as in the above-described embodiments will be omitted, and different points will mainly be described.
[第3の実施形態の構造]
まず、図19を用いて、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造について説明する。
[Structure of Third Embodiment]
First, the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
図19は、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造を示す断面図である。なお、図19において、図2におけるビア29は省略している。 FIG. 19 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the third embodiment. In FIG. 19, the via 29 in FIG. 2 is omitted.
図19に示すように、第3の実施形態において、上記各実施形態と異なる点は、磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の側面上に、第3絶縁層40、第4絶縁層51、および第1絶縁層32が形成される点である。
As shown in FIG. 19, the third embodiment is different from the above embodiments in that the third insulating
より具体的には、磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の側面上には、第3絶縁層40が形成される。言い換えると、第3絶縁層40は、磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の周囲を囲うように形成される。この第3絶縁層40は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜で構成される。また、第3絶縁層40は、上部側から下部側に向かって、その膜厚が厚くなるように形成される。
More specifically, the third insulating
第3絶縁層40の側面上には、第4絶縁層51が形成される。言い換えると、第4絶縁層51は、第3絶縁層40の周囲を囲うように形成される。この第4絶縁層51は、例えばシリコン酸化膜で構成されるが、これに限らない。第4絶縁層51は、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、またはhigh-k膜等の種々の絶縁膜で構成されてもよい。また、第4絶縁層51は、上部側から下部側に向かって、その膜厚が薄くなるように形成される。これにより、磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の側面上に形成された第4絶縁層51と第3絶縁層40との積算膜厚は、一定となる。
A fourth insulating
第4絶縁層51の側面上には、第1絶縁層32が形成される。言い換えると、第1絶縁層32は、第4絶縁層51の周囲を囲うように形成される。
A first insulating
このように、第1絶縁層32に形成された第1孔35の側壁として第4絶縁層51および第3絶縁層40が順に形成され、第1孔35内における第3絶縁層40の側面上に磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28が形成される。
As described above, the fourth insulating
第1絶縁層32の上面上には、第4絶縁層51が形成される。第1絶縁層32の側面上の第4絶縁層51と、第1絶縁層32の上面上の第4絶縁層51とは、連接して形成されてもよいし、ビット線BLA(配線溝41)の形成によって分離されてもよい。
A fourth insulating
[第3の実施形態の製造方法]
次に、図20乃至図25を用いて、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造方法について説明する。
[Manufacturing Method of Third Embodiment]
Next, a manufacturing method of the magnetoresistive effect element MTJ according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
図20乃至図25は、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造工程を示す断面図である。 20 to 25 are cross-sectional views illustrating manufacturing steps of the magnetoresistive element MTJ according to the third embodiment.
まず、第1の実施形態における図4の工程が行われる。すなわち、配線間絶縁層31内に図示せぬコンタクトホールが形成され、このコンタクトホール内にコンタクトビア26が形成される。
First, the process of FIG. 4 in the first embodiment is performed. That is, a contact hole (not shown) is formed in the inter-wiring insulating
次に、図20に示すように、例えばPECVD法により、コンタクトビア26が形成された配線間絶縁層31上に、第1絶縁層32が形成される。この第1絶縁層32は、例えばシリコン酸化膜で構成される。
Next, as shown in FIG. 20, the first insulating
次に、リソグラフィ技術により、第1絶縁層32上に、図示せぬレジストパターンが形成される。このレジストパターンをマスクとして、例えばRIEにより、第1絶縁層32に、その上面から下面まで貫通する第1孔35が形成される。
Next, a resist pattern (not shown) is formed on the first insulating
次に、例えばPECVD法により、第4絶縁層51が堆積される。このとき、PECVD法は、堆積膜が拡散律速となる条件で行われる。これにより、第1絶縁層32上および基板上に、カバレッジの悪い第4絶縁層51が形成される。
Next, the 4th insulating
より具体的には、第4絶縁層51は、第1孔35内における第1絶縁層32の側面上、第1孔35内における基板の上面上、および第1孔35外における第1絶縁層32の上面上に形成される。この第4絶縁層51は、第1孔35内における第1絶縁層32の側面上において、上部側から下部側に向かって膜厚が薄くなるように形成される。これにより、第1孔35の径が上部側から下部側に向かって大きくなるように形成される。
More specifically, the fourth insulating
第4絶縁層51は、例えばシリコン酸化膜で構成されるが、これに限らない。第4絶縁層51は、シリコン窒化膜、シリコン酸窒化膜、またはhigh-k膜等の種々の絶縁膜で構成されてもよい。
The fourth insulating
次に、図21に示すように、例えばRIEにより、第1孔35内における基板の上面上に形成された第4絶縁層51が除去され、基板が露出する。このとき、第1孔35外における第1絶縁層32の上面上に形成された第4絶縁層51も除去されるが、膜厚が厚いために残存する。
Next, as shown in FIG. 21, the fourth insulating
次に、図22に示すように、例えばスパッタリング法により、例えばTiNで構成される下部電極27が堆積される。このとき、例えばコリメータ等を用いた膜面に対して垂直成分の高い(垂直方向またはほぼ垂直方向からの)スパッタリング法が行われる。このとき、第1孔35が下部側に向かって大きくなる径を有するため、下部電極27は第1孔35内における第4絶縁層51の側面上には形成されない。これにより、下部電極27は、第1孔35内におけるコンタクトビア26上、すなわち、第1孔35内の底面上に形成される。また、同時に、下部電極27は、第1孔35外における第4絶縁層51上にも、第1孔35内のコンタクトビア26上とは分離するように形成される。
Next, as shown in FIG. 22, the
また、下部電極27は、径が最も小さい第1孔35の最上部を介したスパッタリング法により形成される。このため、下部電極27の平面形状は第1孔35の最上部の平面形状と同程度となる。また、下部電極27の径は、第1孔35の最上部の径と同程度となる。
The
次に、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28が順に堆積される。このとき、第1孔35が下部側に向かって大きくなる径を有するため、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28は第1孔35内における第4絶縁層51の側面上には形成されない。これにより、第1孔35内における下部電極27上(上面上)に、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28が順に形成される。また、同時に、記憶層37、トンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28は、第1孔35外における下部電極27上にも第1孔35内における下部電極27上とはそれぞれ互いに分離するように形成される。
Next, the
次に、図23に示すように、例えばスピン塗布法により、第1孔35を埋め込むように、第3絶縁層40が形成される。この第3絶縁層40は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜で構成される。
Next, as shown in FIG. 23, the third insulating
次に、図24に示すように、例えばCMPにより、第1孔35外の第4絶縁層51上に形成された上部電極28、参照層39、トンネルバリア層38、記憶層37、および下部電極27が除去される。また、第3絶縁層40の上部側の一部も除去される。
Next, as shown in FIG. 24, the
次に、図25に示すように、リソグラフィ技術により、第4絶縁層51(および第3絶縁層40)上に、図示せぬレジストパターンが形成される。このレジストパターンをマスクとして、例えばRIEにより、第4絶縁層51、第1絶縁層32、および第3絶縁層40に配線溝41が形成される。これにより、配線溝41の底面において上部電極28の上面が露出する。
Next, as shown in FIG. 25, a resist pattern (not shown) is formed on the fourth insulating layer 51 (and the third insulating layer 40) by lithography. Using this resist pattern as a mask,
次に、図19に示すように、例えばスパッタリング法により、全面に図示せぬCuシード層を形成した後、例えば電解めっき技術により、Cuシード層上にCu層が形成される。その後、配線溝41外の第4絶縁層51上に形成されたCu層が除去され、配線溝41内にCuで構成されるビット線BLAが形成される。
Next, as shown in FIG. 19, after forming a Cu seed layer (not shown) on the entire surface by, for example, sputtering, a Cu layer is formed on the Cu seed layer by, for example, an electrolytic plating technique. Thereafter, the Cu layer formed on the fourth insulating
このようにして、第3の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJ、およびそれに接続される配線電極等が形成される。 Thus, the magnetoresistive effect element MTJ according to the third embodiment, the wiring electrode connected to the magnetoresistive effect element MTJ, and the like are formed.
[第3の実施形態の効果]
上記第3の実施形態によれば、第1絶縁層32に第1孔35を形成した後、第1孔35の内面上にカバレッジの悪い第4絶縁層51を形成する。これにより、第1孔35の径を上部側から下部側に向かって大きくする。そして、径が最も小さい第1孔35の最上部を介したスパッタリング法により、第1孔35内の底部に磁気抵抗効果素子MTJを形成する。これにより、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
[Effect of the third embodiment]
According to the third embodiment, after forming the
また、第3の実施形態では、リソグラフィ技術の限界寸法で第1絶縁層32に第1孔35を形成し、その後、表面に第4絶縁層51を形成することで第1孔35の径をリソグラフィ技術の限界寸法よりも小さくする。すなわち、リソグラフィ技術の限界寸法以下の磁気抵抗効果素子MTJを形成することができる。
In the third embodiment, the
<第4の実施形態>
図26乃至図33を用いて、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて説明する。第4の実施形態は、第3の実施形態の変形例であり、記憶層37を形成した後、第1孔35の径を大きくすることで、その後に形成されるトンネルバリア層38で記憶層37の上面および側面を覆う例である。すなわち、第4の実施形態は、第3の実施形態に第2の実施形態を組み合わせたものである。以下に、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJについて詳説する。
<Fourth Embodiment>
A magnetoresistive element MTJ according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 26 to 33. The fourth embodiment is a modification of the third embodiment. After the
なお、第4の実施形態において、上記各実施形態と同様の点については説明を省略し、主に異なる点について説明する。 Note that in the fourth embodiment, a description of the same points as in the above-described embodiments will be omitted, and different points will mainly be described.
[第4の実施形態の構造]
まず、図26を用いて、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造について説明する。
[Structure of Fourth Embodiment]
First, the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
図26は、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの構造を示す断面図である。なお、図26において、図2におけるビア29は省略している。 FIG. 26 is a cross-sectional view showing the structure of the magnetoresistive element MTJ according to the fourth embodiment. In FIG. 26, the via 29 in FIG. 2 is omitted.
図26に示すように、第4の実施形態において、上記各実施形態と異なる点は、トンネルバリア層38が記憶層37の上面および側面、下部電極27の側面を覆うように形成され、かつ磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の周囲を囲うように第3絶縁層40、第4絶縁層51、および第1絶縁層32が形成される点である。
As shown in FIG. 26, the fourth embodiment is different from the above embodiments in that the
より具体的には、下部電極27は、配線間絶縁層31内に形成されたコンタクトビア26上に形成される。この下部電極27上(上面上)に、記憶層37が形成される。これら記憶層37の上面および側面、および下部電極27の側面を覆うように、トンネルバリア層38が形成される。言い換えると、トンネルバリア層38は、記憶層37の上面上および側面上、および下部電極27の側面上に連接して形成される。
More specifically, the
トンネルバリア層38上(上面上)には、参照層39が形成される。このとき、トンネルバリア層38が記憶層37の側面上にも形成されている分、参照層39は記憶層37よりも径が大きく形成される。また、参照層39上(上面上)には、上部電極28が形成される。
A
磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の周囲を囲うように、第3絶縁層40が形成される。すなわち、第3絶縁層40は、記憶層37の側面を覆うトンネルバリア層38、参照層39、および上部電極28の側面上に形成される。また、第3絶縁層40は、上部側から下部側に向かって、その膜厚が厚くなるように形成される。
A third insulating
第3絶縁層40の側面上には、第4絶縁層51が形成される。言い換えると、第4絶縁層51は、第3絶縁層40の周囲を囲うように形成される。また、第4絶縁層51は、上部側から下部側に向かって、その膜厚が薄くなるように形成される。これにより、磁気抵抗効果素子MTJ、下部電極27、および上部電極28の側面上に形成された第4絶縁層51と第3絶縁層40との積算膜厚は、一定となる。
A fourth insulating
第4絶縁層51の側面上には、第1絶縁層32が形成される。言い換えると、第1絶縁層32は、第4絶縁層51の周囲を囲うように形成される。
A first insulating
[第4の実施形態の製造方法]
次に、図27乃至図33を用いて、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造方法について説明する。
[Manufacturing Method of Fourth Embodiment]
Next, a manufacturing method of the magnetoresistive element MTJ according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
図27乃至図33は、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJの製造工程を示す断面図である。 27 to 33 are cross-sectional views showing manufacturing steps of the magnetoresistive element MTJ according to the fourth embodiment.
まず、第3の実施形態における図20および図21の工程が行われる。すなわち、第1絶縁層32に第1孔35を形成した後、カバレッジの悪い第4絶縁層51が第1絶縁層32の側面上および第1孔35外における第1絶縁層32の上面上に形成される。
First, the steps of FIGS. 20 and 21 in the third embodiment are performed. That is, after forming the
次に、図27に示すように、例えばスパッタリング法により、例えばTiNで構成される下部電極27が堆積される。このとき、例えばコリメータ等を用いた膜面に対して垂直成分の高い(垂直方向またはほぼ垂直方向からの)スパッタリング法が行われる。これにより、下部電極27は、第1孔35内におけるコンタクトビア26上、すなわち、第1孔35内の底面上に形成される。また、同時に、下部電極27は、第1孔35外における第4絶縁層51上にも、第1孔35内のコンタクトビア26上とは分離するように形成される。
Next, as shown in FIG. 27, the
次に、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、記憶層37が堆積される。このとき、第1孔35が下部側に向かって大きくなる径を有するため、記憶層37は第1孔35内における第4絶縁層51の側面上には形成されない。これにより、第1孔35内における下部電極27上(上面上)に、記憶層37が形成される。また、同時に、記憶層37は、第1孔35外における下部電極27上にも第1孔35内における下部電極27上とは互いに分離するように形成される。
Next, the
次に、図28に示すように、例えば希釈されたフッ酸水溶液を用いたウェットエッチングにより、第4絶縁層51が等方的にエッチングされる。このとき、第4絶縁層51の上面は下部電極27および記憶層37で覆われているため、第4絶縁層51の側面がエッチングされる。これにより、第1孔35の径が大きくなる。
Next, as shown in FIG. 28, the fourth insulating
次に、図29に示すように、第1孔35外における第4絶縁層51上に形成された記憶層37および下部電極27が除去される。
Next, as shown in FIG. 29, the
次に、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、トンネルバリア層38が堆積される。このとき、トンネルバリア層38は、記憶層37の形成時よりも大きい径を有する第1孔35を介したスパッタリング法によって形成される。このため、トンネルバリア層38は、第1孔35内において、記憶層37の形成領域よりも大きい領域に形成される。
Next, the
その結果、トンネルバリア層38は、第1孔35内における記憶層37の側面および上面、および下部電極27の側面を覆うように形成される。言い換えると、トンネルバリア層38は、記憶層37の上面上および側面上、および下部電極27の側面上に連接して形成される。これにより、記憶層37の端部を覆うことができる。
As a result, the
また、同時に、トンネルバリア層38は、第1孔35内における第4絶縁層51にも形成される。このとき、第1孔35内の記憶層37上のトンネルバリア層38と、第1孔35外における第4絶縁層51上のトンネルバリア層38とは、互いに分離するように形成される。
At the same time, the
次に、図30に示すように、例えば下部電極27の場合と同様のスパッタリング法により、参照層39および上部電極28が順に堆積される。これにより、参照層39および上部電極28は、第1孔35内におけるトンネルバリア層38上(上面上)に順に形成される。このとき、トンネルバリア層38が記憶層37の側面上にも形成されている分、参照層39および上部電極28は記憶層37よりも径が大きく形成される。
Next, as shown in FIG. 30, the
また、同時に、参照層39および上部電極28は、第1孔35外におけるトンネルバリア層38上にも形成される。このとき、第1孔35内のトンネルバリア層38上の参照層39および上部電極28と、第1孔35外におけるトンネルバリア層38上の参照層39および上部電極28とはそれぞれ、互いに分離するように形成される。
At the same time, the
次に、図31に示すように、例えばスピン塗布法により、第1孔35を埋め込むように、第3絶縁層40が形成される。この第3絶縁層40は、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜で構成される。
Next, as shown in FIG. 31, the third insulating
次に、図32に示すように、例えばCMPにより、第1孔35外の第4絶縁層51上に形成された上部電極28、参照層39、およびトンネルバリア層38が除去される。また、第3絶縁層40の上部側の一部も除去される。
Next, as shown in FIG. 32, the
次に、図33に示すように、リソグラフィ技術により、第4絶縁層51(および第3絶縁層40)上に、図示せぬレジストパターンが形成される。このレジストパターンをマスクとして、例えばRIEにより、第4絶縁層51、第1絶縁層32、および第3絶縁層40に配線溝41が形成される。これにより、配線溝41の底面において上部電極28の上面が露出する。
Next, as shown in FIG. 33, a resist pattern (not shown) is formed on the fourth insulating layer 51 (and the third insulating layer 40) by lithography. Using this resist pattern as a mask,
次に、図26に示すように、例えばスパッタリング法により、全面に図示せぬCuシード層を形成した後、例えば電解めっき技術により、Cuシード層上にCu層が形成される。その後、配線溝41外の第2絶縁層33上に形成されたCu層が除去され、配線溝41内にCuで構成されるビット線BLAが形成される。
Next, as shown in FIG. 26, after forming a Cu seed layer (not shown) on the entire surface by, for example, sputtering, a Cu layer is formed on the Cu seed layer by, for example, an electrolytic plating technique. Thereafter, the Cu layer formed on the second insulating
このようにして、第4の実施形態に係る磁気抵抗効果素子MTJ、およびそれに接続される配線電極等が形成される。 Thus, the magnetoresistive effect element MTJ according to the fourth embodiment, the wiring electrode connected to the magnetoresistive effect element MTJ, and the like are formed.
[効果]
上記第4の実施形態によれば、第2の実施形態および第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。
[effect]
According to the fourth embodiment, it is possible to obtain the same effects as those of the second embodiment and the third embodiment.
なお、上記各実施形態では、MRAMの磁気抵抗効果素子MTJに適用する例を示したが、これに限らない。上記各実施形態は、円柱状に形成される素子であればReRAM(Resistance Random Access Memory)、PRAM(Phase-change Random Access Memory)の可変抵抗素子にも適用可能である。 In each of the above-described embodiments, an example in which the present invention is applied to the magnetoresistive element MTJ of the MRAM has been shown, but the present invention is not limited to this. Each of the above embodiments can be applied to a variable resistance element such as a ReRAM (Resistance Random Access Memory) or a PRAM (Phase-change Random Access Memory) as long as it is an element formed in a cylindrical shape.
その他、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形することが可能である。さらに、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention when it is practiced. Furthermore, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be obtained as an invention.
26…コンタクトビア、31…配線間絶縁層、32…第1絶縁層、33…第2絶縁層、34…第2孔、35…第1孔、37…記憶層、38…トンネルバリア層、39…参照層、40…第3絶縁層 26 ... Contact via, 31 ... Inter-wiring insulating layer, 32 ... First insulating layer, 33 ... Second insulating layer, 34 ... Second hole, 35 ... First hole, 37 ... Memory layer, 38 ... Tunnel barrier layer, 39 ... Reference layer, 40 ... Third insulating layer
Claims (7)
前記第1絶縁層上に、第2絶縁層を形成する工程と、
前記第2絶縁層を貫通する第2孔を形成した後、前記第2孔に連接し、かつ前記第1絶縁層を貫通する第1孔を形成する工程と、
前記第1孔の径が前記第2孔の径よりも大きくなるように前記第1絶縁層および前記第2絶縁層を加工する工程と、
前記第1孔内の前記基板上、および前記第1孔および前記第2孔外の前記第2絶縁層上に、互いに分離するように第1磁性層を形成する工程と、
前記第1孔の径および前記第2孔の径が大きくなるように前記第1絶縁層および前記第2絶縁層を加工する工程と、
前記第1孔および前記第2孔外の前記第1磁性層を除去する工程と、
前記第1孔内の前記第1磁性層上、および前記第1孔および前記第2孔外の前記第2絶縁層上に、互いに分離するように、かつ前記第1孔内の前記第1磁性層を覆うようにトンネルバリア層を形成する工程と、
前記第1孔内の前記トンネルバリア層上、および前記第1孔および前記第2孔外の前記トンネルバリア層上に、互いに分離するように第2磁性層を形成する工程と、
前記第1孔および前記第2孔外の前記第2磁性層および前記トンネルバリア層を除去する工程と、
を具備することを特徴とする磁気抵抗効果素子の製造方法。 Forming a first insulating layer on the substrate;
Forming a second insulating layer on the first insulating layer;
Forming a second hole penetrating the second insulating layer and then forming a first hole connected to the second hole and penetrating the first insulating layer;
Processing the first insulating layer and the second insulating layer such that the diameter of the first hole is larger than the diameter of the second hole;
Forming a first magnetic layer on the substrate in the first hole and on the second insulating layer outside the first hole and the second hole so as to be separated from each other;
Processing the first insulating layer and the second insulating layer such that the diameter of the first hole and the diameter of the second hole are increased;
Removing the first magnetic layer outside the first hole and the second hole;
The first magnetic layer in the first hole so as to be separated from each other on the first magnetic layer in the first hole and on the second insulating layer outside the first hole and the second hole. Forming a tunnel barrier layer to cover the layer;
Forming a second magnetic layer on the tunnel barrier layer in the first hole and on the tunnel barrier layer outside the first hole and the second hole so as to be separated from each other;
Removing the second magnetic layer and the tunnel barrier layer outside the first hole and the second hole;
A method of manufacturing a magnetoresistive effect element comprising:
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- 2012-03-21 JP JP2012064452A patent/JP2013197413A/en active Pending
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