JP2020043289A - 磁気記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 メモリセルを積層したときの構造の最適化がはかられた磁気記憶装置を提供する。【解決手段】 実施形態に係る磁気記憶装置は、第1の配線11と、第1の配線の上層側に設けられた第2の配線12と、第2の配線の上層側に設けられた第3の配線13と、第1の配線と第2の配線との間に設けられ、磁性層を含む第1の積層構造を含む第1のメモリセル21と、第2の配線と第3の配線との間に設けられ、磁性層を含む第2の積層構造を含む第2のメモリセル22と、第1の配線の上層側であって且つ第3の配線の下層側に設けられ、光透過率よりも高い光反射率を有する光反射層31aとを備える。【選択図】 図4
Description
本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。
半導体基板上に磁気抵抗効果素子及び磁気抵抗効果素子を選択するスイッチング機能を有する素子が設けられた磁気記憶装置(半導体集積回路装置)が提案されている。
上述した磁気記憶装置において、集積度を高めるために、磁気抵抗効果素子及びスイッチング機能を有する素子を含むメモリセルを積層することも提案されている。
しかしながら、従来は、メモリセルを積層したときの構造の最適化が十分にはかられているとは言えなかった。
メモリセルを積層したときの構造の最適化がはかられた磁気記憶装置を提供する。
実施形態に係る磁気記憶装置は、第1の配線と、前記第1の配線の上層側に設けられた第2の配線と、前記第2の配線の上層側に設けられた第3の配線と、前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられ、磁性層を含む第1の積層構造を含む第1のメモリセルと、前記第2の配線と前記第3の配線との間に設けられ、磁性層を含む第2の積層構造を含む第2のメモリセルと、前記第1の配線の上層側であって且つ前記第3の配線の下層側に設けられ、光透過率よりも高い光反射率を有する光反射層と、を備える。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
(実施形態1)
図1は、本実施形態において用いられる磁気記憶装置(半導体集積回路装置)の概略構成を模式的に示した鳥瞰図である。図2は、本実施形態において用いられる磁気記憶装置(半導体集積回路装置)の概略構成を模式的に示した断面図である。
図1は、本実施形態において用いられる磁気記憶装置(半導体集積回路装置)の概略構成を模式的に示した鳥瞰図である。図2は、本実施形態において用いられる磁気記憶装置(半導体集積回路装置)の概略構成を模式的に示した断面図である。
図1及び図2に示すように、半導体基板等を含む下地領域10上に、第1の配線11と、第2の配線12と、第3の配線13と、第1のメモリセル21と、第2のメモリセル22とが設けられている。なお、図1及び図2では図示していないが、第1の配線11、第2の配線12、第3の配線13、第1のメモリセル21及び第2のメモリセル22が設けられていない領域には、絶縁領域が設けられている。
第2の配線12は第1の配線11の上層側に設けられ、第3の配線13は第2の配線12の上層側に設けられている。第1の配線11及び第3の配線13は第1の方向に延伸しており、第2の配線12は、第1の方向に直交する第2の方向に延伸している。第1のメモリセル21は第1の配線11と第2の配線12との間に設けられ、第2のメモリセル22は第2の配線12と第3の配線13との間に設けられている。なお、図面上では、第1の方向をX方向、第2の方向をY方向、第1の方向及び第2の方向に直交する第3の方向をZ方向として示している。
第1のメモリセル21は、磁性層を含む第1の積層構造21aと、第1の積層構造21aに接続された第1のセレクタ21bとを含んでいる。同様に、第2のメモリセル22は、磁性層を含む第2の積層構造22aと、第2の積層構造22aに接続された第2のセレクタ22bとを含んでいる。なお、図1及び図2では、第1の積層構造21aが第1のセレクタ21bに対して下層側に設けられているが、第1の積層構造21aが第1のセレクタ21bに対して上層側に設けられていてもよい。同様に、図1及び図2では、第2の積層構造22aが第2のセレクタ22bに対して下層側に設けられているが、第2の積層構造22aが第2のセレクタ22bに対して上層側に設けられていてもよい。
図3Aは、第1の積層構造21a及び第2の積層構造22aの基本的な第1構成例を模式的に示した断面図である。
第1の積層構造21a及び第2の積層構造22aはいずれも、垂直磁化を有するSTT(spin transfer torque)型の磁気抵抗効果素子として機能し、可変の磁化方向を有する第1の磁性層211と、固定された磁化方向を有する第2の磁性層212と、第1の磁性層211と第2の磁性層212との間に設けられた非磁性層213とを含んでいる。可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変化することを意味する。固定された磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変化しないことを意味する。
第1の磁性層211は、磁気抵抗効果素子の記憶層として機能する。第1の磁性層211は、少なくとも鉄(Fe)及びボロン(B)を含有する。第1の磁性層211は、鉄(Fe)及びボロン(B)に加えてさらにコバルト(Co)を含有していてもよい。
第2の磁性層212は、磁気抵抗効果素子の参照層として機能する。第2の磁性層212は、第1のサブ磁性層212a及び第2のサブ磁性層212bを含んでいる。第1のサブ磁性層212aは、少なくとも鉄(Fe)及びボロン(B)を含有する。第1のサブ磁性層211は、鉄(Fe)及びボロン(B)に加えてさらにコバルト(Co)を含有していてもよい。第2のサブ磁性層212bは、コバルト(Co)と、プラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)から選択された少なくとも1つの元素とを含有している。
非磁性層213は、磁気抵抗効果素子のトンネルバリア層として機能する。非磁性層213は、マグネシウム(Mg)及び酸素(O)を含有している。
なお、積層構造(第1の積層構造21a、第2の積層構造22a)には、第2の磁性層(参照層)212から第1の磁性層(記憶層)211に印加される磁化をキャンセルするための第3の磁性層(シフトキャンセリング層)がさらに含まれていてもよい。
また、図3Aに示した例では、積層構造(第1の積層構造21a、第2の積層構造22a)の積層順序は、第1の磁性層211、非磁性層213及び第2の磁性層212の順序であるが、図3Bに示すように、第2の磁性層212、非磁性層213及び第1の磁性層211の順序であってもよい。
図1及び図2に示した第1のセレクタ21bは第1の積層構造21aを選択するために用いられ、第2のセレクタ22bは第2の積層構造22aを選択するために用いられる。第1のセレクタ21b及び第2のセレクタ22bはいずれも、2端子間スイッチとして機能する。例えば、2端子間に印加される電圧が閾電圧よりも小さい場合には、2端子間スイッチ素子は高抵抗状態(例えば、電気的に非導通状態)である。2端子間に印加される電圧が閾電圧よりも大きい場合には、2端子間スイッチ素子は低抵抗状態(例えば、電気的に導通状態)である。2端子間スイッチ素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。
上述したスイッチ素子は、Te、Se及びSからなる群から選択された少なくとも1つのカルコゲン元素を含んでもよい。或いは、これらのカルコゲン元素を含有する化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。また、上述したスイッチ素子は、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P及びSbからなる群から選択された少なくとも1つの元素を含んでいてもよい。
上述したような構成を有する磁気記憶装置の製造において、下層側の第1のメモリセル21は、上層側の第2のメモリセル22に比べてより多くの熱処理を経ることになる。すなわち、第1の積層構造21aは第2の積層構造22aに比べてより多くの熱処理を経ることになる。そのため、第1のメモリセル21(第1の積層構造21a)の特性が悪化する、或いは、第1のメモリセル21(第1の積層構造21a)と第2のメモリセル22(第2の積層構造22a)との間で特性差が生じる場合がある。このような特性の悪化や特性差が生じると、所望の性能を有する磁気記憶装置を得ることが困難になる。
本実施形態では、上述したような問題を低減するために、以下に示すような構成を提案している。
図4は、本実施形態の第1の構成例を模式的に示した断面図である。
図4に示すように、メモリセル領域1000が周辺回路領域(トランジスタ及び配線等で形成されている)2000上に設けられている。
メモリセル領域1000には、光反射層31aが設けられている。光反射層31aは、第1の配線11と第3の配線13との間に設けられた部分を含む。すなわち、光反射層31aは、第1の配線11の上層側であって且つ第3の配線13の下層側に設けられている。本構成例では、光反射層31aは、第1の配線11の上層側であって且つ第2のメモリセル22の下層側に設けられている。光反射層31aの上面は、第1のメモリセル21よりも上層側に設けられていることが好ましい。また、本構成例では、光反射層31aと第3の配線13との間には、層間絶縁膜32が設けられている。光反射層31aは、光透過率よりも高い光反射率を有しており、アルミニウム酸化物で形成されている。具体的には、後述するハロゲンランプの光に対して、光透過率よりも高い光反射率を有している。
上述したように、光反射層31aを設けることで、上層側の第2のメモリセル22に対して熱処理を行う際に、下層側の第1のメモリセル21への熱処理の影響を低減することが可能である。
図5は、第2のメモリセル膜22fを形成した後の熱処理について示した図である。より具体的には、第2の積層構造膜を形成した後の熱処理について示した図である。熱処理には、ハロゲンランプアニールを用いる。例えば、400℃で30秒程度のハロゲンランプアニールを行う。ランプ光40の一部は第2のメモリセル膜22fで吸収され、第2のメモリセル膜22fが熱処理される。第2のメモリセル膜22fを透過したランプ光40の大部分は、光反射層31で反射されるため、第1のメモリセル21にはランプ光40がほとんど到達しない。そのため、第1のメモリセル21が加熱されることを大幅に抑制することができる。
次に、本実施形態の第2の構成例について説明する。なお、基本的な事項は第1の構成例と同様であるため、第1の構成例で説明した事項の説明は省略する。
図6は、第2のメモリセル膜22fを形成した後の熱処理について示した図である。より具体的には、第2の積層構造膜を形成した後の熱処理について示した図である。本構成例では、層間絶縁膜32及び第2の配線12上に光反射層31bを形成し、光反射層31b上に第2のメモリセル膜22fを形成している。光反射層31bは、ハロゲンランプの光に対して、光透過率よりも高い光反射率を有している。光反射層31bは、アルミニウム(Al)或いは銅(Cu)で形成されている。ランプ光40の一部は第2のメモリセル膜22fで吸収され、第2のメモリセル膜22fが加熱される。第2のメモリセル膜22fを透過したランプ光40の大部分は、光反射層31bの表面で反射されるため、第1のメモリセル21にはランプ光40がほとんど到達しない。そのため、第1のメモリセル21が加熱されることを大幅に抑制することができる。
図7は、ハロゲンランプの分光放射率特性を示した図である。図8は、各種材料の反射率特性を示した図である。図7及び図8からわかるように、上述したアルミニウム酸化物(Al2O3)、アルミニウム(Al)及び銅(Cu)は、ハロゲンランプの分光放射率のピーク波長(1μm)において高い反射率を有している。
以上のように、本実施形態では、第1の配線11の上層側であって且つ第3の配線13の下層側に光反射層31a或いは31bを設けることにより、第1のメモリセル21(特に、第1の積層構造21a)が加熱されることを抑制することができ、優れた性能を有する磁気記憶装置を得ることができる。
(実施形態2)
次に、第2の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
次に、第2の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
図9は、第2の実施形態に係る磁気記憶装置(半導体集積回路装置)の構成を模式的に示した断面図である。
本実施形態では、第2の配線12の上層側であって且つ第3の配線13の下層側に光吸収層33が設けられている。図に示した例では、光吸収層33は、第2のメモリセル22の上層側に設けられている。光吸収層33は、光透過率よりも高い光吸収率を有している。具体的には、光吸収層33は、ハロゲンランプの光に対して光透過率よりも高い光吸収率を有している。光吸収層33は、シリコン窒化物(SiN)或いはシリコン炭化物(SiC)で形成されている。
上述したように、光吸収層33を設けることで、上層側の第2のメモリセル22に対して熱処理を行う際に、下層側の第1のメモリセル21への熱処理の影響を低減することが可能である。
図10は、第2のメモリセル膜22fを形成した後の熱処理について示した図である。より具体的には、第2の積層構造膜を形成した後の熱処理について示した図である。熱処理には、ハロゲンランプアニールを用いる。ランプ光40の大部分は光吸収層33で吸収され、光吸収層33で発生した熱によって第2のメモリセル膜22fが熱処理される。ランプ光40の大部分は光吸収層33で吸収されるため、第1のメモリセル21にはランプ光40がほとんど到達しない。そのため、第1のメモリセル21が加熱されることを大幅に抑制することができる。
以上のように、本実施形態では、第2の配線12の上層側であって且つ第3の配線13の下層側に光吸収層33を設けることにより、第1のメモリセル21(特に、第1の積層構造21a)が加熱されることを抑制することができ、優れた性能を有する磁気記憶装置を得ることができる。
(実施形態3)
次に、第3の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
次に、第3の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
図11A及び図11Bは、第3の実施形態に係る磁気記憶装置(半導体集積回路装置)の第1の構成例及び第2の構成例を模式的に示した断面図である。
本実施形態では、第1の配線11の上層側であって且つ第3の配線13の下層側に空隙34が設けられている。図11A及び図11Bに示すように、空隙34が形成される位置は、空隙34の埋め込み特性に応じて変化する。
上述したように、空隙34を設けることで、上層側の第2のメモリセル22に対して熱処理を行う際に、下層側の第1のメモリセル21への熱処理の影響を低減することが可能である。
図12は、第2のメモリセル膜22fを形成した後の熱処理について示した図である。より具体的には、第2の積層構造膜を形成した後の熱処理について示した図である。熱処理には、ハロゲンランプアニールを用いる。ランプ光40によって第2のメモリセル膜22fが加熱され、第2のメモリセル膜22fが熱処理される。一方、第2のメモリセル膜22fの下層側には空隙34が設けられているため、第2のメモリセル膜22fで発生した熱は第1のメモリセル21に伝導し難い。そのため、第1のメモリセル21が加熱されることを大幅に抑制することができる。
以上のように、本実施形態では、空隙34を設けることにより、第1のメモリセル21(特に、第1の積層構造21a)が加熱されることを抑制することができ、優れた性能を有する磁気記憶装置を得ることができる。
(実施形態4)
次に、第4の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
次に、第4の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であるため、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
図13は、第4の実施形態に係る磁気記憶装置(半導体集積回路装置)の第1の構成例を模式的に示した断面図である。
本実施形態では、第2の配線12が第1の配線11よりも低い熱伝導率を有している。また、第2の配線12は、第3の配線13よりも低い熱伝導率を有していることが好ましい。第2の配線12の材料としては、チタン(Ti)或いはニクロム(Ni)を用いることが可能である。
上述したように、第2の配線12を低熱伝導率材料で形成することにより、上層側の第2のメモリセル22に対して熱処理を行う際に、下層側の第1のメモリセル21への熱処理の影響を低減することが可能である。
図14は、第2のメモリセル膜22fを形成した後の熱処理について示した図である。より具体的には、第2の積層構造膜を形成した後の熱処理について示した図である。熱処理には、ハロゲンランプアニールを用いる。ランプ光40によって第2のメモリセル膜22fが加熱され、第2のメモリセル膜22fが熱処理される。第1のメモリセル21と第2のメモリセル膜22fとの間には、低熱伝導率材料で形成された第2の配線12が設けられているため、第2のメモリセル膜22fで発生した熱は第1のメモリセル21に伝導し難い。そのため、第1のメモリセル21が加熱されることを大幅に抑制することができる。
次に、本実施形態の第2の構成例について説明する。なお、基本的な事項は第1の構成例と同様であるため、第1の構成例で説明した事項の説明は省略する。
図15及び図16は、第4の実施形態に係る磁気記憶装置の第2の構成例を模式的に示した断面図である。図15に示した断面の方向と図16に示した断面の方向とは、互いに垂直である。本構成例では、第1の導電部分12aと、第2の導電部分12bと、第1の導電部分12aと第2の導電部分12bとの間の絶縁部分12cとによって、第2の配線12が構成されている。図16に示すように、第2の配線12の端部において第1の導電部分12aと第2の導電部分12bとが導電性接続部分35によって接続されている。したがって、第1の導電部分12aと第2の導電部分12bとの間に絶縁部分12cが介在していても、第2の配線12は実質的に配線として機能する。本構成例では、絶縁部分12cによって熱伝導が抑制されるため、第1のメモリセル21が加熱されることを大幅に抑制することができる。
図17は、第2の構成例の変更例を模式的に示した断面図である。本変更例では、絶縁膜12cによって配線間を完全に分離している。この場合、絶縁膜12cをさらに厚くすることで、より熱伝導を抑制することができる。
以上のように、本実施形態では、低熱伝導率材料を含む第2の配線12を設けることにより、第1のメモリセル21(特に、第1の積層構造21a)が加熱されることを抑制することができ、優れた性能を有する磁気記憶装置を得ることができる。
(実施形態5)
次に、第5の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1〜第4の実施形態と同様であるため、第1〜第4の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
次に、第5の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1〜第4の実施形態と同様であるため、第1〜第4の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
上述した第1〜第4の実施形態では、ランプアニールとしてハロゲンランプアニールを用いていたが、本実施形態では、ランプアニールとしてフラッシュランプアニールを用いている。
図18は、第2のメモリセル膜22fを形成した後の熱処理について示した図である。より具体的には、第2の積層構造膜を形成した後の熱処理について示した図である。第2のメモリセル膜22fを形成した後、フラッシュランプ光によって熱処理を行うようにしている。
第1〜第4の実施形態で述べた熱処理において、フラッシュランプアニールを用いることにより、極めて短い時間で熱処理が完了するため、下層側への熱の伝達をより抑制することが可能となる。その結果、第1のメモリセル21(特に、第1の積層構造21a)が加熱されることを抑制することができ、優れた性能を有する磁気記憶装置を得ることができる。
また、上述の各実施形態では、セレクタとして2端子間スイッチ素子が適用される場合について説明したが、セレクタとして3端子間スイッチ素子である電界効果トランジスタ、例えばMOS(metal oxide semiconductor)トランジスタやFIN型トランジスタ等が適用されてもよい。また、2端子型のダイオード機能を有する素子が適用されてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
10…下地領域
11…第1の配線 12…第2の配線 13…第3の配線
21…第1のメモリセル
21a…第1の積層構造 21b…第1のセレクタ
211…第1の磁性層 212…第2の磁性層 213…非磁性層
22…第2のメモリセル
22a…第2の積層構造 22b…第2のセレクタ
22f…第2のメモリセル膜
31a、31b…光反射層
32…層間絶縁膜 33…光吸収層 34…空隙
35…導電性接続部分
40…ランプ光
1000…メモリセル領域 2000…周辺回路領域
11…第1の配線 12…第2の配線 13…第3の配線
21…第1のメモリセル
21a…第1の積層構造 21b…第1のセレクタ
211…第1の磁性層 212…第2の磁性層 213…非磁性層
22…第2のメモリセル
22a…第2の積層構造 22b…第2のセレクタ
22f…第2のメモリセル膜
31a、31b…光反射層
32…層間絶縁膜 33…光吸収層 34…空隙
35…導電性接続部分
40…ランプ光
1000…メモリセル領域 2000…周辺回路領域
Claims (10)
- 第1の配線と、
前記第1の配線の上層側に設けられた第2の配線と、
前記第2の配線の上層側に設けられた第3の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられ、磁性層を含む第1の積層構造を含む第1のメモリセルと、
前記第2の配線と前記第3の配線との間に設けられ、磁性層を含む第2の積層構造を含む第2のメモリセルと、
前記第1の配線の上層側であって且つ前記第3の配線の下層側に設けられ、光透過率よりも高い光反射率を有する光反射層と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置。 - 前記光反射層は、アルミニウム酸化物、アルミニウム又は銅で形成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。 - 第1の配線と、
前記第1の配線の上層側に設けられた第2の配線と、
前記第2の配線の上層側に設けられた第3の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられ、磁性層を含む第1の積層構造を含む第1のメモリセルと、
前記第2の配線と前記第3の配線との間に設けられ、磁性層を含む第2の積層構造を含む第2のメモリセルと、
前記第2の配線の上層側であって且つ前記第3の配線の下層側に設けられ、光透過率よりも高い光吸収率を有する光吸収層と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置。 - 前記光吸収層は、シリコン窒化物又はシリコン炭化物で形成されている
ことを特徴とする請求項3に記載の磁気記憶装置。 - 第1の配線と、
前記第1の配線の上層側に設けられた第2の配線と、
前記第2の配線の上層側に設けられた第3の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられ、磁性層を含む第1の積層構造を含む第1のメモリセルと、
前記第2の配線と前記第3の配線との間に設けられ、磁性層を含む第2の積層構造を含む第2のメモリセルと、
を備えた磁気記憶装置であって、
前記第1の配線の上層側であって且つ前記第3の配線の下層側に空隙が設けられている
ことを特徴とする磁気記憶装置。 - 第1の配線と、
前記第1の配線の上層側に設けられた第2の配線と、
前記第2の配線の上層側に設けられた第3の配線と、
前記第1の配線と前記第2の配線との間に設けられ、磁性層を含む第1の積層構造を含む第1のメモリセルと、
前記第2の配線と前記第3の配線との間に設けられ、磁性層を含む第2の積層構造を含む第2のメモリセルと、
を備えた磁気記憶装置であって、
前記第2の配線は、前記第1の配線よりも低い熱伝導率を有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。 - 前記第2の配線は、チタン又はニクロムで形成された部分を含む
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶装置。 - 前記第2の配線は、絶縁材料で形成された部分を含む
ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶装置。 - 前記第1のメモリセルは、前記第1の積層構造に接続された第1のスイッチ素子をさらに含み、
前記第2のメモリセルは、前記第2の積層構造に接続された第2のスイッチ素子をさらに含む
ことを特徴とする請求項1、3、5又は6に記載の磁気記憶装置。 - 前記第1の積層構造及び前記第2の積層構造はそれぞれ、可変の磁化方向を有する第1の磁性層と、固定された磁化方向を有する第2の磁性層と、前記第1の磁性層と前記第2の磁性層との間に設けられた非磁性層とを含む
ことを特徴とする請求項1、3、5又は6に記載の磁気記憶装置。
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