JP2017212330A - Method of manufacturing magnetic storage element and magnetic storage element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気記憶素子の製造方法および磁気記憶素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a magnetic memory element and a magnetic memory element.
近年、磁化方向の違いによる抵抗変化を利用した磁気トンネル接合(MTJ:Magnetic Tunnel Junction)素子を、磁気抵抗メモリ(MRAM:Magnetoresistive Random Access Memory)へ応用することが注目されている。 In recent years, attention has been focused on applying a magnetic tunnel junction (MTJ) element using a resistance change caused by a difference in magnetization direction to a magnetoresistive memory (MRAM).
MRAMに用いられるMTJ素子は、例えば、磁化方向が固定された固定磁化層(固定磁性層)、磁化方向が可変の自由磁化層(自由磁性層)、および、両者の間に配置されたトンネル絶縁層を含む。 The MTJ element used in the MRAM includes, for example, a fixed magnetization layer (fixed magnetic layer) having a fixed magnetization direction, a free magnetization layer (free magnetic layer) having a variable magnetization direction, and tunnel insulation disposed between the two. Including layers.
ここで、MTJ素子の抵抗は、自由磁性層と固定磁性層の磁化方向が平行(同じ向き)のときは低くなり、反平行(反対向き)のときは高くなるため、その平行状態と反平行状態を、例えば、データ『0』と『1』に対応させるようになっている。 Here, the resistance of the MTJ element is low when the magnetization directions of the free magnetic layer and the pinned magnetic layer are parallel (same direction), and is high when the magnetization direction is antiparallel (opposite direction). The state corresponds to, for example, data “0” and “1”.
また、MRAMは、書き込み方法の観点から、例えば、書き込み配線型とスピン注入型に分類される。書き込み配線型のMRAMは、書き込み用ワード線に流れる電流によって発生する磁場に基づいて、自由磁性層の磁化方向が制御される。一方、スピン注入型のMRAMは、MTJ素子に電流を流したときに発生するスピントランスファー効果により自由磁性層の磁化方向が制御される。 In addition, MRAM is classified into, for example, a write wiring type and a spin injection type from the viewpoint of a writing method. In the write wiring type MRAM, the magnetization direction of the free magnetic layer is controlled based on the magnetic field generated by the current flowing in the write word line. On the other hand, in the spin injection type MRAM, the magnetization direction of the free magnetic layer is controlled by the spin transfer effect generated when a current is passed through the MTJ element.
このように、MTJ素子を適用した磁気記憶素子(MTJ素子を適用したMRAM)は、MTJ素子に電流を流すことにより磁化方向(抵抗状態)を変化させているため、消費電力が大きいという問題がある。そのため、電流ではなく、電圧によって自由磁性層の磁化方向を変化させる試みがなされている。 As described above, the magnetic memory element to which the MTJ element is applied (MRAM to which the MTJ element is applied) changes the magnetization direction (resistance state) by passing a current through the MTJ element, and thus has a problem that power consumption is large. is there. Therefore, an attempt has been made to change the magnetization direction of the free magnetic layer not by current but by voltage.
ところで、従来、MTJ素子を適用した磁気記憶素子(磁気抵抗メモリ)の製造方法としては、様々なものが提案されている。 By the way, conventionally, various methods for manufacturing a magnetic memory element (magnetoresistance memory) using an MTJ element have been proposed.
前述したように、例えば、MTJ素子を適用した磁気記憶素子は、MTJ素子に電流を流すことにより磁化方向を変化させているため、消費電力が大きいという問題があり、電流ではなく、電圧によって磁化方向を制御する技術の開発がなされている。 As described above, for example, a magnetic memory element to which an MTJ element is applied has a problem that the magnetization direction is changed by passing a current through the MTJ element. Technology to control the direction has been developed.
この電圧によってMTJ素子の磁化方向(抵抗状態)を変化させる磁気記憶素子として、二端子や三端子といった様々な形式の磁気記憶素子が提案されている。ただし、これらの磁気記憶素子において、MTJ素子を挟み込む上方電極(第1電極)および下方電極(第2電極)としては、例えば、導電性を有するタンタル(Ta)が使用されている。 Various types of magnetic memory elements such as two terminals and three terminals have been proposed as magnetic memory elements that change the magnetization direction (resistance state) of the MTJ element by this voltage. However, in these magnetic memory elements, for example, tantalum (Ta) having conductivity is used as the upper electrode (first electrode) and the lower electrode (second electrode) sandwiching the MTJ element.
ところで、磁気記憶素子(MRAM)を製造する場合、MTJ素子は磁性材料を使用しているため、通常、微細加工で利用される反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching:RIE)では、磁性材料を削るのが難しい。そのため、レジストマスク(レジスト)の厚みを十分に厚くしてMTJ素子のエッチングを行うことになるが、その場合、レジストマスクの形状に基づいて高精度にMTJ素子を形成するのが難しくなる。 By the way, when manufacturing a magnetic memory element (MRAM), since an MTJ element uses a magnetic material, the reactive ion etching (RIE) usually used in microfabrication scrapes the magnetic material. It is difficult. Therefore, the MTJ element is etched by sufficiently increasing the thickness of the resist mask (resist). In this case, it is difficult to form the MTJ element with high accuracy based on the shape of the resist mask.
すなわち、厚いレジストマスクを用いてエッチングを行うと、レジストマスクの厚み方向だけでなく幅方向も削られるため、例えば、レジストマスクのサイズ(幅方向)に余裕を持たせることになり、高い精度で磁気記憶素子を製造することが困難になる。 In other words, when etching is performed using a thick resist mask, not only the thickness direction of the resist mask but also the width direction is removed, so that, for example, the resist mask size (width direction) has a margin, and with high accuracy. It becomes difficult to manufacture a magnetic memory element.
1つの態様では、絶縁層を自由磁性層と固定磁性層で挟んだ構造を有し前記自由磁性層の磁化方向によって抵抗状態が変化する磁気トンネル接合素子と、前記磁気トンネル接合素子を挟む第1電極および第2電極とを含む磁気記憶素子の製造方法は、前記第1電極をパターンニングした後、前記第1電極の表面を化学処理する第1の処理と、前記第1電極をマスクとして、前記磁気トンネル接合素子を加工する第2の処理と、を有する。 In one aspect, a magnetic tunnel junction element having a structure in which an insulating layer is sandwiched between a free magnetic layer and a pinned magnetic layer, the resistance state of which varies depending on the magnetization direction of the free magnetic layer, and a first that sandwiches the magnetic tunnel junction element. According to a method of manufacturing a magnetic memory element including an electrode and a second electrode, after patterning the first electrode, a first process of chemically treating a surface of the first electrode, and using the first electrode as a mask, A second process for processing the magnetic tunnel junction element.
1つの側面として、高い精度で磁気記憶素子を製造することができるという効果を奏する。 As one aspect, the magnetic memory element can be manufactured with high accuracy.
まず、本実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の実施例を詳述する前に、磁気記憶素子の例およびその問題点を、図1〜図5を参照して説明する。 First, before describing in detail an example of a method for manufacturing a magnetic memory element according to this embodiment, an example of a magnetic memory element and its problems will be described with reference to FIGS.
図1は、磁気トンネル接合(MTJ)素子の動作を説明するための図であり、スピン注入型の磁気抵抗メモリ(MRAM)に適用されるMTJ素子の動作を説明するためのものである。図1に示されるように、MTJ素子1は、絶縁層(トンネル絶縁層)13を自由磁性層(自由磁化層)11と固定磁性層(固定磁化層)12で挟むようになっている。
FIG. 1 is a diagram for explaining the operation of a magnetic tunnel junction (MTJ) element, and for explaining the operation of an MTJ element applied to a spin injection type magnetoresistive memory (MRAM). As shown in FIG. 1, the
ここで、図1(a)および図1(c)は、高抵抗状態(自由磁性層11と固定磁性層12の磁化方向が反平行(反対向き)のとき)を示し、図1(b)は、低抵抗状態(自由磁性層11と固定磁性層12の磁化方向が平行(同じ向き)のとき)を示す。
1A and 1C show a high resistance state (when the magnetization directions of the free
まず、図1(a)に示されるように、例えば、データ『0』に対応する自由磁性層11と固定磁性層12の磁化方向が反対向き(反平行)のMTJ素子1に対して、自由磁性層11から固定磁性層12に向かう所定の電流(正電流)を流すと、図1(b)のように変化する。なお、固定磁性層12における磁化方向は、固定されている。
First, as shown in FIG. 1A, for example, the free
すなわち、MTJ素子1に対して正電流を流すことにより、自由磁性層11における磁化方向が反転し、自由磁性層11と固定磁性層12の磁化方向が同じ向き(平行)になり、MTJ素子1には、例えば、データ『1』が保持される(書き込まれる)。
That is, by passing a positive current through the
また、図1(b)に示されるように、例えば、データ『1』に対応する自由磁性層11と固定磁性層12の磁化方向が平行のMTJ素子1に対して、固定磁性層12から自由磁性層11に向かう所定の電流(負電流)を流すと、図1(c)のように変化する。
Further, as shown in FIG. 1B, for example, the free
すなわち、MTJ素子1に対して負電流を流すことにより、自由磁性層11における磁化方向が反転し、自由磁性層11と固定磁性層12の磁化方向が反平行になり、MTJ素子1には、再びデータ『0』が保持される。
That is, by passing a negative current through the
なお、図1に示すMTJ素子1は、自由磁性層11および固定磁性層12における磁化方向が、自由磁性層11および固定磁性層12と絶縁層13の接合面に対して垂直(直交)しているが、接合面と同じMTJ素子でもデータ『0』,『1』を保持可能である。
In the
図2は、磁気記憶素子の一例を模式的に示す図であり、二端子型の磁気記憶素子100の一例を示すものである。ここで、MTJ素子は、図1を参照して説明したのと同様の構成を有している。
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the magnetic memory element, and shows an example of the two-terminal type
図2において、参照符号1はMTJ素子,11は自由磁性層,12は固定磁性層,13は絶縁層(トンネル絶縁層),21は第1電極(上方電極),22は第2電極(下方電極),31は第1配線,32は第2配線,41はカバー膜,そして,42は層間膜を示す。
In FIG. 2,
図2に示されるように、第1電極21は、MTJ素子1(自由磁性層11)の上部に設けられ、この第1電極21は、第1配線31に対して電気的に接続されている。また、第2電極22は、MTJ素子1(固定磁性層12)の下部に設けられ、この第2電極22は、第2配線32に対して電気的に接続されている。
As shown in FIG. 2, the
図3は、図2に示す磁気記憶素子における電界を示す図であり、図4は、図2に示す磁気記憶素子により磁気抵抗メモリを形成する場合における1つのメモリセルを示す等価回路図である。 3 is a diagram showing an electric field in the magnetic memory element shown in FIG. 2, and FIG. 4 is an equivalent circuit diagram showing one memory cell when a magnetoresistive memory is formed by the magnetic memory element shown in FIG. .
まず、図1(図1(a)〜図1(c))を参照して説明したように、MTJ素子1に流す電流を、正電流または負電流とすることにより、MTJ素子1に保持するデータを『0』または『1』に制御する。
First, as described with reference to FIG. 1 (FIGS. 1A to 1C), the current flowing in the
図3に示されるように、第1電極21と第2電極22の間に挟まれたMTJ素子1に対して正電流を流すと、MTJ素子1には、第1電極21から第2電極22に向かう電界が発生し、MTJ素子1は、例えば、図1(b)に示すような低抵抗状態になる。
As shown in FIG. 3, when a positive current is passed through the
ここで、第1電極21および第2電極22に接続された第1配線31および第2配線32は、MTJ素子1により、磁気抵抗メモリ(MRAM)のメモリセルを形成するために使用される。
Here, the
図4に示されるように、MRAMにおける1つのメモリセルは、磁気記憶素子(可変抵抗)100と、メモリセルのアクセス(読み出し/書き込み)を制御するトランジスタ9により形成することができる。
As shown in FIG. 4, one memory cell in the MRAM can be formed by a magnetic memory element (variable resistor) 100 and a
すなわち、例えば、第1電極21に接続された第1配線31は、ビット線BLに接続され、第2電極22に接続された第2配線32は、トランジスタ9のドレインに接続される。ここで、トランジスタ9のソースは、接地され、トランジスタ9のゲートは、ワード線WLに接続される。
That is, for example, the
なお、図4に示すメモリセル(磁気記憶素子100およびトランジスタ9)をマトリクス状に複数配置し、知られているロウデコーダ,コラムデコーダ,書き込み回路および読み出し回路等を適用することでMRAM(磁気抵抗メモリ)を形成することができる。
Note that a plurality of memory cells (
図5は、磁気抵抗素子の製造方法の一例を説明するための図である。ここで、図5(a)は、基板5上に各層が積層された様子を示し、図5(b)は、第1電極21上に形成されたレジストマスク61を示し、図5(c)は、レジストマスク61により第2電極22の表面まで加工(エッチング処理)した様子を示す。なお、図5(a)〜図5(c)において、前述した図2の磁気記憶素子100と同じ参照符号は、同様のものを示している。
FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a method of manufacturing a magnetoresistive element. Here, FIG. 5A shows a state in which each layer is laminated on the
磁気抵抗素子の製造方法の一例では、まず、図5(a)に示されるように、例えば、シリコン基板5上に層間膜42(例えば、SiO2,SiN等)を形成したウエハに対して、第2電極22,磁性層12,絶縁層13,磁性層11および第1電極21を順に成膜する。ここで、磁性層12,絶縁層13および磁性層11は、MTJ素子1の固定磁性層12,トンネル絶縁層13および自由磁性層11に対応する。
In an example of a method for manufacturing a magnetoresistive element, first, as shown in FIG. 5A, for example, a wafer in which an interlayer film 42 (for example, SiO 2 , SiN, etc.) is formed on a
次に、図5(b)に示されるように、第1電極21上にレジストマスク61を形成、すなわち、第1電極21上にレジストを塗布して露光し、所定形状のレジストによるマスク61を形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (b), a resist
さらに、図5(c)に示されるように、レジストマスク61を使用して、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)により、第1電極21と共に、磁性層12,絶縁層13および磁性層11を削ってMTJ素子1を形成する。ここで、MTJ素子1には、例えば、コバルト鉄ボロン(CoFeB)等の磁性層11,12が含まれ、これら磁性層11,12は、RIEにより削るのが難しい。例えば、レジストマスク61の厚みを相当厚く形成してRIEを行うことになるが、その場合、MTJ素子1(磁気記憶素子)を所望の形状に高い精度で形成するのが困難となっている。
Further, as shown in FIG. 5C, using the resist
以下、本実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。 Hereinafter, examples of the method for manufacturing a magnetic memory element according to the present embodiment will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図6〜図8は、本実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の一実施例を説明するための図であり、図6(a)〜図6(e)の処理は、前述した図5(a)〜図5(c)の処理に対応する。ここで、図7(a)〜図7(c)および図8(a)〜図8(c)の処理は、図9に示す磁気記憶素子を製造するための処理の一例であり、例えば、図2に示す磁気記憶素子を製造する場合には、図5(a)〜図5(c)の処理の後に、同様の処理を行うことになる。 6 to 8 are diagrams for explaining an example of the method of manufacturing the magnetic memory element according to this embodiment. The processes in FIGS. 6A to 6E are the same as those in FIG. This corresponds to the processing of (a) to FIG. Here, the processes of FIGS. 7A to 7C and FIGS. 8A to 8C are examples of processes for manufacturing the magnetic memory element shown in FIG. When the magnetic memory element shown in FIG. 2 is manufactured, the same processing is performed after the processing of FIGS. 5 (a) to 5 (c).
図9は、本実施形態に係る磁気記憶素子の一実施例を模式的に示す図であり、図6〜図8に示す磁気記憶素子の製造方法により製造された磁気記憶素子の一例を示すものである。また、図10は、図6〜図8に示す磁気記憶素子の製造方法により製造された磁気記憶素子の代表的な構造の例を説明するための図である。 FIG. 9 is a diagram schematically showing an example of the magnetic memory element according to the present embodiment, and shows an example of the magnetic memory element manufactured by the method for manufacturing the magnetic memory element shown in FIGS. It is. FIG. 10 is a diagram for explaining an example of a typical structure of the magnetic memory element manufactured by the method of manufacturing the magnetic memory element shown in FIGS.
なお、図9では、前述した図2に対応する二端子型の磁気記憶素子が描かれているが、本実施形態に係る磁気記憶素子は、二端子型の磁気記憶素子に限定されるものではなく、三端子型、或いは、他の形状の磁気記憶素子であってもよいのはいうまでもない。 In FIG. 9, the two-terminal magnetic memory element corresponding to FIG. 2 described above is illustrated, but the magnetic memory element according to the present embodiment is not limited to the two-terminal magnetic memory element. Needless to say, it may be a three-terminal type or other shape magnetic memory element.
図9と、前述した図2の比較から明らかなように、本実施形態に係る磁気記憶素子300の一実施例では、第1電極(上方電極)21が上部第1電極21aと下部第1電極21bの二層構造とされている。
As is clear from a comparison between FIG. 9 and FIG. 2 described above, in one example of the
ただし、本実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の適用に関して、第1電極21は、必ずしも二層構造としなくてもよい。また、図9に示す磁気記憶素子300において、上部第1電極21aの側面(周囲)には、表面が酸化された部分21cが残存するが、この酸化部分21cが問題となることはない。
However, regarding the application of the method for manufacturing a magnetic memory element according to this embodiment, the
次に、図6〜図8を参照して、本実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の一実施例を詳述する。まず、図6(a)に示されるように、例えば、シリコン基板5上に層間膜42(例えば、SiO2,SiN等)を形成したウエハに対して、第2電極22,磁性層12,絶縁層13,磁性層11,下部第1電極21bおよび上部第1電極21aを順に成膜する。なお、前述した図5(a)と同様に、磁性層12,絶縁層13および磁性層11は、MTJ素子1の固定磁性層12,トンネル絶縁層13および自由磁性層11に対応する。
Next, an example of a method for manufacturing the magnetic memory element according to this embodiment will be described in detail with reference to FIGS. First, as shown in FIG. 6A, for example, the
ここで、第1電極21は、上部第1電極21aおよび下部第1電極21bの二層構造とされている。後に詳述するが、上部第1電極21aは、表面を化学処理すると加工耐性が向上する第1金属材料で形成され、下部第1電極21bは、上記化学処理によっても導電性が確保できる第2金属材料で形成されている。また、下部第1電極21bとしては、酸化されにくい、或いは、酸化されると昇華する(酸化物が残留しない)材料が好ましい。
Here, the
具体的に、上部第1電極21aの表面の化学処理が酸化処理の場合、例えば、第1金属材料としてタンタル(Ta)を適用し、第2金属材料としてルテニウム(Ru),白金(Pt)またはイリジウム(Ir)を適用することができる。また、上記化学処理が窒化処理の場合、例えば、第1金属材料としてアルミニウム(Al),タングステン(W),チタン(Ti)またはタンタル(Ta)を適用し、第2金属材料としてルテニウム(Ru),白金(Pt)またはイリジウム(Ir)を適用することができる。
Specifically, when the chemical treatment of the surface of the upper
なお、層間膜42を設けたシリコン基板5に対する第2電極22,MTJ素子1および第1電極21(21b,21a)の成膜は、図10において、ix→viii→…→ii→iの順に形成することになる。また、図10の第2電極22は、上から順に、エッチングでMTJ素子1を形成するときのストップ層として機能するタンタル(Ta),第2電極の抵抗を下げるためのルテニウム(Ru)および層間膜42との密着性を向上させるタンタル(Ta)の積層構造としている。ここで、図10に示す構造,材料および膜厚等は、単なる例であり、様々に変更および変形することができるのはいうまでもない。
The
次に、図6(b)に示されるように、上部第1電極21a(第1電極21)上にレジストマスク62を形成、すなわち、上部第1電極21a上にレジストを塗布して露光し、所定形状のレジストによるマスク62を形成する。ここで、上部第1電極21aをパターンニングするのは、例えば、レジストマスク62をマスクとし、六フッ化硫黄(SF6))をエッチングガスとしたドライエッチングにより行う。また、レジストマスク(レジスト)62の厚みは、上部第1電極21aをエッチング(誘導結合プラズマ(ICP)エッチング)するだけでよいため、前述した図5(b)におけるレジストマスク61よりも十分に薄くすることができる。
Next, as shown in FIG. 6B, a resist
さらに、図6(c)に示されるように、レジストマスク62を使用して、例えば、反応性イオンエッチング(RIE)により、上部第1電極21aを所定形状にパターンニングし、その後、図6(d)に示されるように、上部第1電極21aの表面を化学処理する。すなわち、上述したように、上部第1電極21aの表面を酸化処理または窒化処理して、加工耐性を向上させる。
Further, as shown in FIG. 6C, the upper
具体的に、例えば、タンタル(Ta)で形成された上部第1電極21aの表面を酸化処理することで、上部第1電極21aの表面21cにタンタルの酸化膜を形成し、MTJ素子1を形成するためのエッチング加工における耐性を向上させる。ここで、上部第1電極21aの酸化処理は、全てを酸化させてしまうと電導性(電気電導性)が失われてしまうので表面21cのみが酸化するように制御する。
Specifically, for example, the surface of the upper
なお、第1電極21を、上部第1電極21aおよび下部第1電極21bの二層構造とせずに、一層のままとした場合、レジストマスク62を使用して、例えば、RIEにより、第1電極21を所定形状にパターンニングする。その後、図6(d)に示されるように、第1電極21の表面を化学処理(酸化処理または窒化処理)して加工耐性を向上させることもできる。ただし、第1電極21を、例えば、タンタル(Ta)による一層として形成した場合、第1電極21の表面だけを酸化させると共に、十分な電導性を確保できるように制御することが求められる。そのため、前述したように、第1電極21を二層化した方が容易に実施可能である。
When the
なお、本実施形態において、図6(d)の処理は、例えば、上部第1電極21aを加工する図6(c)の処理を行うエッチング装置内において、酸素プラズマを照射することにより上部第1電極21aの表面21cを酸化処理した。具体的に、酸素プラズマ条件としては、例えば、ソースパワー/バイアスパワー=300W/100Wとし、酸素を2パスカル(Pa)で5分間照射した。ただし、この酸化処理方法および条件は、単なる例であり、様々な変形および変更が可能なのはいうまでもない。
In the present embodiment, the process shown in FIG. 6D is performed by irradiating oxygen plasma in the etching apparatus performing the process shown in FIG. 6C for processing the upper
また、上部第1電極21aの表面21cを窒化処理するには、例えば、窒素ガス(N2),アンモニアガス(NH3)またはこれらの混合ガスによるプラズマ照射で実現することができる。さらに、例えば、酸素ガスと窒素ガスを混合して、酸化処理と窒化処理を同時に行うことも可能であり、この場合、上部第1電極21aの表面21cは、酸化膜と窒化膜の混合膜が形成される。なお、本実施形態における図6(d)の処理は、上部第1電極21a(第1電極21)の表面を処理して加工耐性を向上させるものであれば、酸化処理および窒化処理、並びに、両者の混合処理に限定されるものではない。
Further, the nitriding treatment of the
そして、図6(e)に示されるように、表面21cが酸化処理されて加工耐性が向上した上部第1電極21aをハードマスクとして使用し、MTJ素子1の加工を行う。この図6(e)における処理は、例えば、メタノール(CH3OH)をエッチングガスとし、下部第1電極21bおよびMTJ素子1をドライエッチングする。
Then, as shown in FIG. 6E, the
ところで、MTJ素子1のサイズは、例えば、20nm〜50nm程度であるが、磁気記憶素子300を高密度化(磁気抵抗メモリ(MRAM)を大容量化)するには、MTJ素子1のサイズは小さい方が好ましい。また、例えば、自由磁性層11の磁化を反転させる磁化反転電流(=消費電力)を低減するためにも、MTJ素子1のサイズは小さい方が好ましい。
By the way, the size of the
本実施形態では、レジストマスク62の厚みを、例えば、図5(b)におけるレジストマスク61よりも十分に薄くすることができるため、レジストマスクのサイズ(幅方向)に対する余裕を小さくすることができる。また、表面21cを酸化させた上部第1電極21aは、MTJ素子1を形成するためのエッチング処理に対して高い加工耐性を有することになるため、MTJ素子1(磁気記憶素子300)を高い精度で製造することができる。これにより、MTJ素子1のサイズを小さくして、磁気記憶素子の高密度化、並びに、MRAMの大容量化および低消費電力化が可能となる。
In the present embodiment, the thickness of the resist
さらに、図7(a)に示されるように、MTJ素子1のカバー膜41(カバー絶縁層:例えば、SiN,SiO2等)を成膜する。ここで、カバー膜41の膜厚としては、例えば、5nm〜30nm程度とすることができる。
Further, as shown in FIG. 7A, a cover film 41 (cover insulating layer: for example, SiN, SiO 2, etc.) of the
その後、図7(b)に示されるように、レジスト63を形成し、MTJ素子1の第2電極22を加工するための露光を行い、そして、図7(c)に示されるように、カバー膜41および第2電極22のエッチングを行う。ここで、第2電極22は、図10を参照して説明したように、タンタル(Ta)/ルテニウム(Ru)/タンタル(Ta)の積層構造とされているが、例えば、塩素およびアルゴン(Cl2+Ar)をエッチングガスとしたドライエッチングにより一括で加工することができる。ただし、例えば、TaとRuを分けて、それぞれの条件で加工することも可能である。
Thereafter, as shown in FIG. 7 (b), a resist 63 is formed, exposure for processing the
そして、図8(a)に示されるように、MTJ素子1の埋め込みを行うために、層間膜(例えば、SiO2)42を形成する。この層間膜42の形成は、例えば、一般的な化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法を適用して行うことができる。ここで、図6(a)を参照して説明した基板5上の層間膜42をSiO2で形成した場合、カバー膜41上に形成した層間膜42と一体化することになる。
Then, as shown in FIG. 8A, in order to embed the
次に、図8(b)に示されるように、層間膜42,カバー膜41および上部第1電極21aの表面21cを、例えば、化学的機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)法を適用して平坦化し、上部第1電極21aを直接露出させる。さらに、図8(c)に示されるように、第2電極22との配線を行うためのコンタクトホール80を形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, the
そして、図9に示されるように、上部第1電極21a(第1電極21)上に第1配線31を形成するとともに、第2電極22上にコンタクトホール80を介して第2配線32を形成する。ここで、コンタクトホール80には、例えば、アルミニウムAl(デバイスによっては、銅(Cu))を使用して、第2電極22と第2配線32を電気的に接続する。また、配線31,32の形成時には、通常、層間膜42の表面をクリーニングするためのスパッタエッチングが行われ、れにより、例えば、上部第1電極21aの上部表面の酸化されたタンタル(Ta)を除去して第1配線31との電気的接続を確保している。
Then, as shown in FIG. 9, the
このようにして、図9に示す本実施形態の磁気記憶素子300を形成することができる。なお、図6〜図8を参照して説明した磁気記憶素子の製造方法(処理工程)は、単なる例であり、例えば、上部第1電極21a(第1電極21)の表面を、酸化処理や窒化処理等を行う化学処理の工程を含め、様々な処理工程を適用することができる。
Thus, the
以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものであり、特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではない。また、明細書のそのような記載は、発明の利点および欠点を示すものでもない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。 Although the embodiment has been described above, all examples and conditions described herein are described for the purpose of helping understanding of the concept of the invention applied to the invention and the technology. It is not intended to limit the scope of the invention. Nor does such a description of the specification indicate an advantage or disadvantage of the invention. Although embodiments of the invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.
以上の実施例を含む実施形態に関し、さらに、以下の付記を開示する。
(付記1)
絶縁層を自由磁性層と固定磁性層で挟んだ構造を有し、前記自由磁性層の磁化方向によって抵抗状態が変化する磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子を挟む第1電極および第2電極と、を含む磁気記憶素子の製造方法であって、
前記第1電極をパターンニングした後、前記第1電極の表面を化学処理する第1の処理と、
前記第1電極をマスクとして、前記磁気トンネル接合素子を加工する第2の処理と、を有する、
ことを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。
Regarding the embodiment including the above examples, the following supplementary notes are further disclosed.
(Appendix 1)
A magnetic tunnel junction element having a structure in which an insulating layer is sandwiched between a free magnetic layer and a pinned magnetic layer, and the resistance state changes depending on the magnetization direction of the free magnetic layer;
A method of manufacturing a magnetic memory element including a first electrode and a second electrode sandwiching the magnetic tunnel junction element,
A first treatment for chemically treating the surface of the first electrode after patterning the first electrode;
A second process for processing the magnetic tunnel junction element using the first electrode as a mask,
A method of manufacturing a magnetic memory element.
(付記2)
前記第1電極は、上部第1電極、および、下部第1電極を含み、
前記第1の処理は、前記上部第1電極をパターンニングした後、
前記上部第1電極の表面を化学処理することであり、
前記第2の処理は、前記上部第1電極をマスクとして、前記下部第1電極および前記磁気トンネル接合素子を加工する処理である、
ことを特徴とする付記1に記載の磁気記憶素子の製造方法。
(Appendix 2)
The first electrode includes an upper first electrode and a lower first electrode,
In the first treatment, after patterning the upper first electrode,
Chemically treating the surface of the upper first electrode;
The second process is a process of processing the lower first electrode and the magnetic tunnel junction element using the upper first electrode as a mask.
The method for manufacturing a magnetic memory element according to
(付記3)
前記上部第1電極は、化学処理により加工耐性が向上する第1金属材料であり、
前記下部第1電極は、前記化学処理によっても導電性が確保できる第2金属材料である、
ことを特徴とする付記2に記載の磁気記憶素子の製造方法。
(Appendix 3)
The upper first electrode is a first metal material whose work resistance is improved by chemical treatment,
The lower first electrode is a second metal material that can ensure conductivity even by the chemical treatment.
The method for manufacturing a magnetic memory element according to
(付記4)
前記化学処理は、酸化処理であり、
前記第1金属材料は、タンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする付記3に記載の磁気記憶素子の製造方法。
(Appendix 4)
The chemical treatment is an oxidation treatment,
The first metal material includes tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The method for manufacturing a magnetic memory element according to appendix 3, wherein:
(付記5)
前記化学処理は、窒化処理であり、
前記第1金属材料は、アルミニウム,タングステン,チタンまたはタンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする付記3に記載の磁気記憶素子の製造方法。
(Appendix 5)
The chemical treatment is a nitriding treatment,
The first metal material includes aluminum, tungsten, titanium, or tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The method for manufacturing a magnetic memory element according to appendix 3, wherein:
(付記6)
前記上部第1電極をパターンニングするのは、露光されたレジストをマスクとし、六フッ化硫黄をエッチングガスとしたドライエッチングにより行う、
ことを特徴とする付記2乃至付記5のいずれか1項に記載の磁気記憶素子の製造方法。
(Appendix 6)
Patterning the upper first electrode is performed by dry etching using an exposed resist as a mask and sulfur hexafluoride as an etching gas.
6. The method for manufacturing a magnetic memory element according to any one of
(付記7)
前記上部第1電極をマスクとして前記下部第1電極および前記磁気トンネル接合素子を加工するのは、メタノールをエッチングガスとしたドライエッチングにより行う、
ことを特徴とする付記2乃至付記6のいずれか1項に記載の磁気記憶素子の製造方法。
(Appendix 7)
Processing the lower first electrode and the magnetic tunnel junction element using the upper first electrode as a mask is performed by dry etching using methanol as an etching gas.
The method of manufacturing a magnetic memory element according to any one of
(付記8)
前記ドライエッチングは、誘導結合プラズマエッチングである、
ことを特徴とする付記6または付記7に記載の磁気記憶素子の製造方法。
(Appendix 8)
The dry etching is inductively coupled plasma etching.
The method for manufacturing a magnetic memory element according to appendix 6 or appendix 7, wherein:
(付記9)
絶縁層を自由磁性層と固定磁性層で挟んだ構造を有し、前記自由磁性層の磁化方向によって抵抗状態が変化する磁気トンネル接合素子と、
前記磁気トンネル接合素子を挟む第1電極および第2電極と、を含む磁気記憶素子であって、
前記第1電極は、
表面を化学処理すると加工耐性が向上する第1金属材料の上部第1電極と、
前記上部第1電極および前記磁気トンネル接合素子の間に設けられ、前記化学処理によっても導電性が確保できる第2金属材料の下部第1電極と、を有する、
ことを特徴とする磁気記憶素子。
(Appendix 9)
A magnetic tunnel junction element having a structure in which an insulating layer is sandwiched between a free magnetic layer and a pinned magnetic layer, and the resistance state changes depending on the magnetization direction of the free magnetic layer;
A magnetic memory element including a first electrode and a second electrode sandwiching the magnetic tunnel junction element,
The first electrode is
An upper first electrode of a first metal material whose processing resistance is improved by chemically treating the surface;
A lower first electrode of a second metal material that is provided between the upper first electrode and the magnetic tunnel junction element and can ensure conductivity even by the chemical treatment,
A magnetic memory element.
(付記10)
前記化学処理は、酸化処理であり、
前記第1金属材料は、タンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする付記9に記載の磁気記憶素子。
(Appendix 10)
The chemical treatment is an oxidation treatment,
The first metal material includes tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The magnetic memory element according to
(付記11)
前記化学処理は、窒化処理であり、
前記第1金属材料は、アルミニウム,タングステン,チタンまたはタンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする付記9に記載の磁気記憶素子。
(Appendix 11)
The chemical treatment is a nitriding treatment,
The first metal material includes aluminum, tungsten, titanium, or tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The magnetic memory element according to
1 磁気トンネル接合素子(MTJ素子)
5 基板
9 トランジスタ
11 自由磁性層
12 固定磁性層
13 絶縁層(トンネル絶縁層)
21 第1電極(上方電極)
21a 上部第1電極
21b 下部第1電極
21c 上部第1電極の表面
22 第2電極(下方電極)
31 第1配線(ビット線:BL)
32 第2配線
33 第3配線
41 カバー膜(カバー絶縁層)
42 層間膜
100,300 磁気記憶素子
61,62,63 レジストマスク(レジスト)
80 コンタクトホール
1 Magnetic tunnel junction element (MTJ element)
5
21 First electrode (upper electrode)
21a Upper
31 1st wiring (bit line: BL)
32 Second wiring 33
42
80 contact hole
Claims (8)
前記磁気トンネル接合素子を挟む第1電極および第2電極と、を含む磁気記憶素子の製造方法であって、
前記第1電極をパターンニングした後、前記第1電極の表面を化学処理する第1の処理と、
前記第1電極をマスクとして、前記磁気トンネル接合素子を加工する第2の処理と、を有する、
ことを特徴とする磁気記憶素子の製造方法。 A magnetic tunnel junction element having a structure in which an insulating layer is sandwiched between a free magnetic layer and a pinned magnetic layer, and the resistance state changes depending on the magnetization direction of the free magnetic layer;
A method of manufacturing a magnetic memory element including a first electrode and a second electrode sandwiching the magnetic tunnel junction element,
A first treatment for chemically treating the surface of the first electrode after patterning the first electrode;
A second process for processing the magnetic tunnel junction element using the first electrode as a mask,
A method of manufacturing a magnetic memory element.
前記第1の処理は、前記上部第1電極をパターンニングした後、
前記上部第1電極の表面を化学処理することであり、
前記第2の処理は、前記上部第1電極をマスクとして、前記下部第1電極および前記磁気トンネル接合素子を加工する処理である、
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶素子の製造方法。 The first electrode includes an upper first electrode and a lower first electrode,
In the first treatment, after patterning the upper first electrode,
Chemically treating the surface of the upper first electrode;
The second process is a process of processing the lower first electrode and the magnetic tunnel junction element using the upper first electrode as a mask.
The method of manufacturing a magnetic memory element according to claim 1.
前記下部第1電極は、前記化学処理によっても導電性が確保できる第2金属材料である、
ことを特徴とする請求項2に記載の磁気記憶素子の製造方法。 The upper first electrode is a first metal material whose work resistance is improved by chemical treatment,
The lower first electrode is a second metal material that can ensure conductivity even by the chemical treatment.
The method of manufacturing a magnetic memory element according to claim 2.
前記第1金属材料は、タンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気記憶素子の製造方法。 The chemical treatment is an oxidation treatment,
The first metal material includes tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The method of manufacturing a magnetic memory element according to claim 3.
前記第1金属材料は、アルミニウム,タングステン,チタンまたはタンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気記憶素子の製造方法。 The chemical treatment is a nitriding treatment,
The first metal material includes aluminum, tungsten, titanium, or tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The method of manufacturing a magnetic memory element according to claim 3.
前記磁気トンネル接合素子を挟む第1電極および第2電極と、を含む磁気記憶素子であって、
前記第1電極は、
表面を化学処理すると加工耐性が向上する第1金属材料の上部第1電極と、
前記上部第1電極および前記磁気トンネル接合素子の間に設けられ、前記化学処理によっても導電性が確保できる第2金属材料の下部第1電極と、を有する、
ことを特徴とする磁気記憶素子。 A magnetic tunnel junction element having a structure in which an insulating layer is sandwiched between a free magnetic layer and a pinned magnetic layer, and the resistance state changes depending on the magnetization direction of the free magnetic layer;
A magnetic memory element including a first electrode and a second electrode sandwiching the magnetic tunnel junction element,
The first electrode is
An upper first electrode of a first metal material whose processing resistance is improved by chemically treating the surface;
A lower first electrode of a second metal material that is provided between the upper first electrode and the magnetic tunnel junction element and can ensure conductivity even by the chemical treatment,
A magnetic memory element.
前記第1金属材料は、タンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶素子。 The chemical treatment is an oxidation treatment,
The first metal material includes tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The magnetic memory element according to claim 6.
前記第1金属材料は、アルミニウム,タングステン,チタンまたはタンタルを含み、
前記第2金属材料は、ルテニウム,白金またはイリジウムを含む、
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶素子。 The chemical treatment is a nitriding treatment,
The first metal material includes aluminum, tungsten, titanium, or tantalum,
The second metal material includes ruthenium, platinum or iridium.
The magnetic memory element according to claim 6.
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