JP2024043056A - 磁気記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 パターニングを適切に行うことが可能な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、電極２０と、電極上に設けられた磁気抵抗効果素子１０とを備え、電極は、第１の電極部分２１と、磁気抵抗効果素子と第１の電極部分との間に設けられ且つモリブデン（Ｍｏ）及びルテニウム（Ｒｕ）から選択された金属元素を含有する第２の電極部分２２とを含む。【選択図】図１
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が集積化された磁気記憶装置が提案されている。
パターニングを適切に行うことが可能な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、電極と、前記電極上に設けられた磁気抵抗効果素子と、を備える磁気記憶装置であって、前記電極は、第１の電極部分と、前記磁気抵抗効果素子と前記第１の電極部分との間に設けられ且つモリブデン（Ｍｏ）及びルテニウム（Ｒｕ）から選択された金属元素を含有する第２の電極部分とを含む。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
本実施形態に係る磁気記憶装置は、半導体基板を含む下部構造（図示せず）上に複数の積層構造１００が設けられた構造を有している。
積層構造１００は、磁気抵抗効果素子１０、電極２０、ハードマスク３０及び側壁絶縁層４０を含んでいる。
図２は、磁気抵抗効果素子１０の構成を模式的に示した断面図である。
磁気抵抗効果素子１０は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子であり、電極２０上に設けられている。磁気抵抗効果素子１０は、記憶層（第１の磁性層）１１、参照層（第２の磁性層）１２及びトンネルバリア層（非磁性層）１３を含む積層構造を有している。
記憶層１１は、可変の磁化方向を有する強磁性層であり、例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有するＣｏＦｅＢ層を含んでいる。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わることを意味する。
参照層１２は、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、例えば、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有するＣｏＦｅＢ層を含んでいる。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わらないことを意味する。
トンネルバリア層１３は、記憶層１１と参照層１２との間に設けられた絶縁層であり、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層を含んでいる。
記憶層１１の磁化方向が参照層１２の磁化方向に対して平行である場合には、磁気抵抗効果素子１０は低抵抗状態を呈する。記憶層１１の磁化方向が参照層１２の磁化方向に対して反平行である場合には、磁気抵抗効果素子１０は高抵抗状態を呈する。したがって、磁気抵抗効果素子１０は、その抵抗状態（低抵抗状態、高抵抗状態）に応じて２値データを記憶することが可能である。
磁気抵抗効果素子１０は、ＳＴＴ（Spin Transfer Torque）型の磁気抵抗効果素子から構成されており、垂直磁化を有している。すなわち、記憶層１１の磁化方向はその主面に対して垂直であり、参照層１２の磁化方向はその主面に対して垂直である。
なお、図２では、記憶層１１が参照層１２の下層側に位置するボトムフリー型の磁気抵抗効果素子を示しているが、記憶層１１が参照層１２の上層側に位置するトップフリー型の磁気抵抗効果素子を用いてもよい。
図１の説明に戻る。電極２０は、磁気抵抗効果素子１０の下部電極として機能するものであり、第１の電極部分２１及び第２の電極部分２２を含んでいる。
第１の電極部分１１は、カーボン（Ｃ）を含有する。具体的には、第１の電極部分１１は、カーボンを主成分として含有しており、カーボン以外の元素を実質的に含有しないカーボン層で形成されている。
第２の電極部分２２は、磁気抵抗効果素子１０と第１の電極部分２１との間に設けられており、モリブデン（Ｍｏ）及びルテニウム（Ｒｕ）から選択された金属元素を含有している。具体的には、第２の電極部分２２は、モリブデン及びルテニウムから選択された金属元素を主成分として含有しており、モリブデン及びルテニウム以外の元素を実質的に含有しないモリブデン層或いはルテニウム層で形成されている。第２の電極部分２２の上面は磁気抵抗効果素子１０の下面に接し、第２の電極部分２２の下面は第１の電極部分２１の上面に接している。
ハードマスク３０は、磁気抵抗効果素子１０上に設けられており、導電材料で形成されている。ハードマスク３０は、磁気抵抗効果素子１０のパターン及び電極２０のパターンを形成するときのマスクとして機能する。また、ハードマスク３０は、磁気抵抗効果素子１０の上部電極としての機能も有している。
側壁絶縁層４０は、磁気抵抗効果素子１０の側面、第２の電極部分２２の側面及び第１の電極部分２１の側面の上部分に沿って設けられている。側壁絶縁層４０は、磁気抵抗効果素子１０を保護する機能を有している。
次に、図３、図４及び図１を参照して、実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を説明する。
まず、図３に示すように、半導体基板を含む下部構造（図示せず）上に、第１の電極層２１ｓ及び第１の電極層２１ｓ上の第２の電極層２２ｓを含む電極層２０ｓを形成する。第１の電極層２１ｓはカーボン層で形成され、第２の電極層２２ｓはモリブデン層或いはルテニウム層で形成される。続いて、電極層２０ｓ上に、記憶層、参照層及びトンネルバリア層を含む磁気抵抗効果素子層１０ｓを形成する。さらに、磁気抵抗効果素子層１０ｓ上にハードマスク３０を形成する。
次に、図４に示すように、ハードマスク３０をマスクとして用いて、磁気抵抗効果素子層１０ｓ及び第２の電極層２２ｓをエッチングする。具体的には、ＩＢＥ（Ion Beam Etching）によってエッチングが行われる。このエッチング工程で、第１の電極層２１ｓの上部分もエッチングされる。また、ハードマスク３０の一部もエッチングされる。このエッチング工程により、磁気抵抗効果素子１０のパターン及び第２の電極部分２２のパターンが得られる。
次に、図１に示すように、図４のエッチング工程で得られたパターンの側面に側壁絶縁層４０を形成する。続いて、ハードマスク３０をマスクとして用いて第１の電極層２１ｓをエッチングし、第１の電極部分２１を形成する。具体的には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によってエッチングが行われる。このとき、磁気抵抗効果素子１０は、側壁絶縁層４０によって保護されている。
このようにして、図１に示すような磁気記憶装置が形成される。
以上のように、本実施形態では、電極２０が磁気抵抗効果素子１０と第１の電極部分２１との間に設けられた第２の電極部分２２を含んでおり、第２の電極部分２２がモリブデン及びルテニウムから選択された金属元素を含有している。本実施形態では、このような構成により、以下に述べるように、適切なパターニングを行うことが可能となる。
仮に、第２の電極部分２２が設けられていないとすると、図４のＩＢＥ工程で生じた磁気抵抗効果素子層１０ｓの材料成分がノッキングによって第１の電極層２１ｓの表面に残るおそれがある。すなわち、磁気抵抗効果素子層１０ｓの材料成分が残渣（residue）として第１の電極層２１ｓの表面に残るおそれがある。そのため、図４の工程の後のＲＩＥ工程で第１の電極層２１ｓをエッチングする際に、第１の電極層２１ｓの表面に残った残渣によって第１の電極層２１ｓのエッチングが阻害されるおそれがある。その結果、隣接する積層構造１００の間に第１の電極層２１ｓの一部が残り、隣接する積層構造１００間で第１の電極層２１ｓを十分に分離できなくなるおそれがある。特に、磁気記憶装置が微細化され、隣接する積層構造１００間の距離が小さくなると、第１の電極層２１ｓを十分に分離できなくなるおそれが高くなる。
本実施形態では、磁気抵抗効果素子層１０ｓと第１の電極層２１ｓとの間に、モリブデン及びルテニウムから選択された金属元素を含有する第２の電極層２２ｓが設けられている。モリブデン及びルテニウムは、ノッキングによって第１の電極層２１ｓの表面に残るおそれが少ない。また、図４のＩＢＥ工程では、磁気抵抗効果素子層１０ｓがエッチングされた後に第２の電極層２２ｓがエッチングされるため、ＩＢＥで生じた磁気抵抗効果素子層１０ｓの材料成分は第２の電極層２２をエッチングする際に除去される。そのため、第１の電極層２１ｓの表面には、ＲＩＥを阻害するような残渣はほとんど残らない。したがって、ＲＩＥ工程で第１の電極層２１ｓを確実にエッチングすることができ、隣接する積層構造１００間で第１の電極層２１ｓを確実に分離することが可能となる。
図５は、上述した積層構造１００が適用される磁気記憶装置の概略構成を模式的に示した斜視図である。なお、図５に示したＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに交差する方向である。具体的には、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに直交している。
図５に示された磁気記憶装置は、それぞれがＸ方向に延伸する複数の第１の配線１１０と、それぞれがＹ方向に延伸する複数の第２の配線１２０と、複数の第１の配線１１０と複数の第２の配線１２０との間に設けられた複数のメモリセル１３０とを含んでいる。第１の配線１１０及び第２の配線１２０の一方はワード線に対応し、第１の配線１１０及び第２の配線１２０の他方はビット線に対応する。
メモリセル１３０は、磁気抵抗効果素子１４０と、磁気抵抗効果素子１４０に対して直列に接続されたセレクタ（スイッチング素子）１５０とを含んでおり、磁気抵抗効果素子１４０及びセレクタ１５０が第１の配線１１０と第２の配線１２０との間に設けられている。メモリセル１３０が上述した積層構造１００を含んでおり、図５では、磁気抵抗効果素子１４０が上述した積層構造１００に概ね対応している。
セレクタ１５０は、下部電極と、上部電極と、下部電極と上部電極との間に設けられたセレクタ材料層とを含む２端子型のスイッチング素子であり、２端子間に印加される電圧が閾値電圧以上になるとオフ状態からオン状態に移行する特性を有している。
すなわち、第１の配線１１０と第２の配線１２０との間に電圧を印加してセレクタ１５０をオン状態に設定することで、磁気抵抗効果素子１４０に電流が流れ、磁気抵抗効果素子１４０に対して書き込み或いは読み出しを行うことが可能となる。
なお、セレクタ１５０の材料としては、例えば、所定電圧で抵抗値が急激に下がり、それに伴い印加電圧が急激に下がり且つ電流が増加するような特性（スナップバック特性）を有する材料も適用できる。
また、図１に示した電極２０を、磁気抵抗効果素子１４０の下部電極として用いるとともに、セレクタ１５０の上部電極として用いてもよい。
上述した積層構造１００を図５に示したような磁気記憶装置に適用することで、優れた磁気記憶装置を得ることが可能である。
なお、図５では、磁気抵抗効果素子１４０がセレクタの上層側に設けられているが、磁気抵抗効果素子１４０がセレクタの下層側に設けられていてもよい。
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…磁気抵抗効果素子 １０ｓ…磁気抵抗効果素子層
１１…記憶層（第１の磁性層） １２…参照層（第２の磁性層）
１３…トンネルバリア層（非磁性層）
２０…電極 ２０ｓ…電極層
２１…第１の電極部分 ２１ｓ…第１の電極層
２２…第２の電極部分 ２２ｓ…第２の電極層
３０…ハードマスク ４０…側壁絶縁層
１００…積層構造
１１０…第１の配線 １２０…第２の配線 １３０…メモリセル
１４０…磁気抵抗効果素子 １５０…セレクタ（スイッチング素子）
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Claims (12)
- 電極と、
前記電極上に設けられた磁気抵抗効果素子と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記電極は、第１の電極部分と、前記磁気抵抗効果素子と前記第１の電極部分との間に設けられ且つモリブデン（Ｍｏ）及びルテニウム（Ｒｕ）から選択された金属元素を含有する第２の電極部分とを含む
ことを特徴とする磁気記憶装置。 - 前記第１の電極部分は、カーボン（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記磁気抵抗効果素子上に設けられたハードマスクをさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記磁気抵抗効果素子の側面及び前記第２の電極部分の側面に沿って設けられた側壁絶縁層をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記磁気抵抗効果素子は、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に記載の磁気記憶装置。 - 前記磁気抵抗効果素子に対して直列に接続されたスイッチング素子をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 第１の方向に延伸する第１の配線と、
前記第１の方向と交差する第２の方向に延伸する第２の配線と、
をさらに備え、
前記磁気抵抗効果素子及び前記スイッチング素子は、前記第１の配線と前記第２の配線との間に設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶装置。 - 第１の電極層及び前記第１の電極層上の第２の電極層を含む電極層を形成する工程と、
前記電極層上に磁気抵抗効果素子層を形成する工程と、
前記磁気抵抗効果素子層上にハードマスクを形成する工程と、
前記ハードマスクをマスクとして用いて前記磁気抵抗効果素子層及び前記第２の電極層をエッチングする工程と、
を備える磁気記憶装置の製造方法であって、
前記第２の電極層は、モリブデン（Ｍｏ）及びルテニウム（Ｒｕ）から選択された金属元素を含有する
ことを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。 - 前記第１の電極層は、カーボン（Ｃ）を含有する
ことを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶装置の製造方法。 - 前記磁気抵抗効果素子層及び前記第２の電極層をエッチングする工程は、ＩＢＥ（Ion Beam Etching）によって行われる
ことを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶装置の製造方法。 - 前記磁気抵抗効果素子層及び前記第２の電極層をエッチングする工程で得られたパターンの側面に側壁絶縁層を形成する工程と、
前記側壁絶縁層を形成する工程の後に、前記ハードマスクをマスクとして用いて前記第１の電極層をエッチングする工程と、
をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の磁気記憶装置の製造方法。 - 前記第１の電極層をエッチングする工程は、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって行われる
ことを特徴とする請求項１１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
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