JP4192075B2

JP4192075B2 - 磁気記憶装置の製造方法

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Inventors: 健太郎中島; 啓司細谷
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Description

本発明は、強磁性体を用いた情報再生技術に係わり、特に磁気抵抗効果素子を利用した磁気記憶装置の製造方法に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（Magnetic Random Access Memory：以下ＭＲＡＭと略記）とは、情報の記録媒体として強磁性体の磁化方向を利用した、記録情報を随時、書き換え、保持、読み出すことができる固体メモリの総称である。

ＭＲＡＭのメモリセルは、通常、複数の強磁性体を積層した構造を有する。情報の記録は、メモリセルを構成する複数の強磁性体の磁化の相対配置を平行又は反平行にし、この平行又は反平行の状態を２進の情報“１”，“０”にそれぞれ対応させて行う。

記録情報の書き込みは、クロスストライプ状に配置された書き込み線に電流を流し、この電流によって生じる電流磁界により、各セルの強磁性体の磁化方向を反転させることによって行われる。記録保持時の消費電力は原理的にゼロであり、また電源を切っても記録保持が行われる不揮発性メモリである。

一方、記録情報の読み出しは、セルを構成する強磁性体の磁化方向とセンス電流との相対角又は複数の強磁性層間の磁化の相対角によってメモリセルの電気抵抗が変化する現象、いわゆる磁気抵抗効果を利用して行う。

ＭＲＡＭの機能と従来の誘電体を用いた半導体メモリの機能とを比較すると、（１）完全な不揮発性であり、また１０¹⁵回以上の書き換えが可能であること、（２）非破壊読み出しが可能であり、リフレッシュ動作を必要としないため読み出しサイクルを短くすることが可能であること、（３）電荷蓄積型のメモリセルに比べ、放射線に対する耐性が強いこと、等の多くの利点を有している。ＭＲＡＭの単位面積あたりの集積度、書き込み及び読み出し時間は、おおむねＤＲＡＭと同程度となりうることが予想される。従って、不揮発性という大きな特色を生かし、携帯機器用の外部記録装置、ＬＳＩ混載用途、さらにはパーソナルコンピューターの主記憶メモリへの応用が期待されている。

現在、実用化の検討が進められているＭＲＡＭでは、メモリセルに強磁性トンネル効果（Tunnel Magneto-Resistance：以下ＴＭＲ効果と略記）を示す素子を用いている（例えば、非特許文献１参照。）。このＴＭＲ効果を示す素子（以下ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子と略記）は、主として強磁性層／絶縁層／強磁性層からなる３層膜で構成され、絶縁層をトンネルして電流が流れる。トンネル抵抗値は、両強磁性金属層の磁化の相対角の余弦に比例して変化し、両磁化が反平行の場合に極大値をとる。例えばＮｉＦｅ／Ｃｏ／Ａｌ_２Ｏ_３／Ｃｏ／ＮｉＦｅからなるトンネル接合では、５０ＯｅＶ以下の低磁界において２５％を越える磁気抵抗変化率が見いだされている（例えば、非特許文献２参照。）。ＭＴＪ素子の構造としては、磁界感度の改善を目的として、一方の強磁性体に隣接して反強磁性体を配置し、磁化方向を固着させた、いわゆるスピンバルブ構造のもの（例えば、非特許文献３参照。）、また磁気抵抗変化率のバイアス依存性を改善するために、２重のトンネルバリアを設けたもの（例えば、非特許文献４参照。）が、知られている。
Roy Scheuerlein, et al.，A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell，「2000 ISSCC Digest of Technical Papers」，（米国），2000年2月，p.128-129 M Sato, et al.，Spin-Valve-Like Properties and Annealing Effect in Ferromagnetic Tunnel Junctions，「IEEE Trans.Mag.」，（米国），1997年，第33巻，第5号，p.3553-3555 M Sato, et al.，Spin-Valve-Like Properties of Ferromagnetic Tunnel Junctions，「Jpn.J.Appl.Phys.」，1997年，第36巻，Part 2，p.200-201 K Inomata, et al.，Spin-dependent tunneling between a soft ferromagnetic layer and hard magnetic nano particles，「Jpn.J.Appl.Phys.」，1997年，第36巻，Part 2，p.1380-1383

以上のようなＭＴＪ素子をＭＲＡＭに応用した場合、メモリセルは、例えば図５７及び図５８に示す平面構造となる。つまり、図５７及び図５８に示すように、ＭＴＪ素子１９は、ワード線１０及びビット線２３間のワード線１０及びビット線２３の交点に配置されている。そして、ＭＴＪ素子１９の下面には下部金属層１３及びコンタクト１２を介してＭＯＳトランジスタ等のスイッチング素子（図示せず）が接続されている。

このような従来技術によるＭＲＡＭにおいて、下部金属層１３は、ＭＴＪ素子１９及びコンタクト１２の側面よりも外側まで広げて形成され、ＭＴＪ素子１９及びコンタクト１２との合わせずれを考慮した余裕量が設けられている。一方、隣接セルを分離するために、下部金属層１３間は最小ピッチＡ、Ｂで保たれている。従って、これらの状況から、ワード線１０間のピッチＸ’，Ｘ”やビット線２３間のピッチＹ’，Ｙ”を所定の間隔以上縮小することは困難であった。そして、この問題は、セルの微細化が要求されるに伴って、さらに顕著となっていた。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、セル面積を縮小することが可能な磁気記憶装置の製造方法を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するために以下に示す手段を用いている。

本発明の第１の視点による磁気記憶装置の製造方法は、第１の絶縁膜上に、金属層、磁気抵抗効果膜、金属からなる第１のマスク層、及び第２のマスク層を順に形成する工程と、前記第２のマスク層を磁気抵抗効果素子の素子形状にパターニングする工程と、パターニングした前記第２のマスク層を用いて前記第１のマスク層を前記素子形状にパターニングする工程と、パターニングした前記第１のマスク層を用いて前記磁気抵抗効果膜を前記素子形状にパターニングし、前記磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記第１のマスク層及び前記金属層上にレジストを形成する工程と、前記レジストをセル毎に分離する分離形状にパターニングする工程と、パターニングした前記レジストを用いて前記金属層を前記分離形状にパターニングし、前記金属層の側面の一部を前記磁気抵抗効果素子の側面と一致させる工程とを具備する。

本発明の第２の視点による磁気記憶装置の製造方法は、第１の絶縁膜上に、金属層、磁気抵抗効果膜、金属からなる第１のマスク層、及び第２のマスク層を順に形成する工程と、前記第２のマスク層を磁気抵抗効果素子の素子形状にパターニングする工程と、パターニングした前記第２のマスク層を用いて前記第１のマスク層を前記素子形状にパターニングする工程と、パターニングした前記第１のマスク層を用いて前記磁気抵抗効果膜を前記素子形状にパターニングし、前記磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記第１のマスク層及び前記金属層上に第３のマスク層を形成する工程と、前記第３のマスク層上にレジストを形成する工程と、前記レジストをセル毎に分離する分離形状にパターニングする工程と、パターニングした前記レジストを用いて前記第３のマスク層を前記分離形状にパターニングする工程と、パターニングした前記第３のマスク層を用いて前記金属層を前記分離形状にパターニングし、前記金属層の側面の一部を前記磁気抵抗効果素子の側面と一致させる工程とを具備する。

以上説明したように本発明によれば、セル面積を縮小することが可能な磁気記憶装置及の製造方法を提供できる。

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。この説明に際し、全図にわたり、共通する部分には共通する参照符号を付す。

［第１の実施形態］
第１の実施形態は、下部金属層を磁気抵抗効果素子に対して余裕量を設けて形成せずに、下部金属層の側面の一部を磁気抵抗効果素子の側面と一致するように形成している。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の断面図を示す。図２は、本発明の第１の実施形態に係る下部金属層の平面図を示し、ここではビット線及びワード線を参考のために示す。図３は、図１のIII-III線に沿った磁気記憶装置の断面図を示す。図４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の斜視図を示す。

図１乃至図４に示すように、第１の実施形態に係る磁気記憶装置は、下部金属層１３が磁気抵抗効果素子１９の周辺に余裕を設けて形成されずに、下部金属層１３の側面の一部が磁気抵抗効果素子１９の側面と一致している。このため、下部金属層１３の一部が磁気抵抗効果素子１９と同一の形状で形成されている。

また、磁気抵抗効果素子１９は、ワード線１０及びビット線２３間のワード線１０及びビット線２３の交点に配置されている。この磁気抵抗効果素子１９の上面には第２のコンタクト２２を介してビット線２３が接続され、磁気抵抗効果素子１９の下面には下部金属層１３及び第１のコンタクト１２を介してＭＯＳトランジスタ等のスイッチング素子（図示せず）が接続されている。そして、磁気抵抗効果素子１９は、磁気抵抗効果素子１９の磁化容易軸方向がビット線２３の延在方向に向くように、配置されている。

ここで、第１のコンタクト１２は、下部金属層１３に覆われ、磁気抵抗効果素子１９の長手方向（磁化容易軸方向）に配置されている。具体的には、第１のコンタクト１２は、隣接するワード線１０間で、かつ、ビット線２３の下方に配置されている。そして、この第１のコンタクト１２側の磁気抵抗効果素子１９の側面と反対側の側面と下部金属層１３の側面の一部とが一致するように、下部金属層１３はパターニングされている。

第２のコンタクト２２は、磁気抵抗効果素子１９のパターニング時のマスクとして使用した後、そのまま残存させてコンタクトとして使用する。このため、第２のコンタクト２２の平面形状は磁気抵抗効果素子１９と同一の形状をしている。そして、第２のコンタクト２２の上面の一部はビット線２３に接しておらず、段差部１５ａが形成されている。

尚、磁気抵抗効果素子１９は、例えば、磁化の向きが固定された磁化固着層（磁性層）と、トンネル接合層（非磁性層）と、磁化の向きが反転する磁気記録層（磁性層）とからなるＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。また、ＭＴＪ素子は、上記のような１層のトンネル接合層からなる１重トンネル接合構造であってもよいし、２層のトンネル接合層からなる２重トンネル接合構造であってもよい。さらに、磁化固着層及び磁気記録層の少なくとも一方は、強磁性層と非磁性層と強磁性層とからなる３層構造であってもよい。尚、ＭＴＪ素子の代わりに、例えば、２つの磁性層とこれら磁性層に挟まれた導体層とからなるＧＭＲ（Giant Magneto Resistive）素子を用いてもよい。

図５乃至図２４は、本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置の製造工程の断面図を示す。以下に、第１の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法について説明する。尚、ここでは、第１の絶縁膜１１内に、第１のコンタクト１２やワード線（図示せず）が形成された後の工程から説明する。

まず、図５及び図６に示すように、第１の絶縁膜１１及び第１のコンタクト１２上に下部金属層１３が形成され、この下部金属層１３上に磁気抵抗効果膜１４が形成される。そして、この磁気抵抗効果膜１４上に２層の第１及び第２のハードマスク１５，１６が積層される。ここで、第１のハードマスク１５は例えば導電性膜で形成され、第２のハードマスク１６は非導電性膜（絶縁膜）で形成される。尚、第２のハードマスク１６は、導電性膜で形成されてもよい。

次に、図７及び図８に示すように、第２のハードマスク１６が選択的にエッチングされ、磁気抵抗効果素子１９の形状が第２のハードマスク１６に転写される。

続いて、図９及び図１０に示すように、第２のハードマスク１６を用いて、第１のハードマスク１５がエッチングされ、磁気抵抗効果素子１９の形状が第１のハードマスク１５に転写される。

その後、図１１及び図１２に示すように、第２のハードマスク１６が剥離される。

次に、図１３及び図１４に示すように、第１のハードマスク１５を用いて磁気抵抗効果膜１４がエッチングされ、磁気抵抗効果膜１４が磁気抵抗効果素子１９の形状にパターニングされる。

次に、図１５及び図１６に示すように、下部金属層１３及び第１のハードマスク１５上にフォトレジスト７０が塗布され、所望の形状にパターニングされる。このフォトレジスト７０の所望の形状は、第１のコンタクト１２を覆い、かつ第１のハードマスク１５の一部を覆うような形状である。つまり、第１のハードマスク１５の一部は、フォトレジスト７０で覆われずに露出している。

次に、図１７及び図１８に示すように、フォトレジスト７０を用いて下部金属層１３がエッチングされる。この際、第１のハードマスク１５の露出した部分も一部除去され、段差部１５ａが形成される。その後、フォトレジスト７０は除去される。

尚、フォトレジスト７０は磁気抵抗効果膜１４を完全に被覆していないが、磁気抵抗効果膜１４上には第１のハードマスク１５が存在するため、エッチングは磁気抵抗効果膜１４まで進行しない。これを保証するためには、下部金属層１３のエッチング時に第１のハードマスク１５が完全にエッチングされないように、下部金属層１３と第１のハードマスク１５の材料、膜厚、またエッチング条件を最適化すればよい。つまり、第１のハードマスク１５には、Ｍｏ，Ｗ，Ｔａなどの高融点遷移金属が適しており、下部金属層１３には、Ｍｏ，Ｗ，Ｔａなどに比べてエッチングレートが早いＰｔ，Ｉｒ，Ｒｕなどの貴金属、又はＴｉＮ，ＴａＮなどの導電性金属窒化物が適している。また、下部金属層１３よりも第１のハードマスク１５を厚くすればよい。

次に、図１９及び図２０に示すように、第１の絶縁膜１１、下部金属層１３及び第１のハードマスク１５上に第２の絶縁膜２１が形成される。

次に、図２１及び図２２に示すように、化学機械研磨法（Chemical Mechanical Polish；以下ＣＭＰと略記）や反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etching；以下ＲＩＥと略記)を用いて、第１のハードマスク１５に達するまで、第２の絶縁膜２１の表面が平坦化される。これにより、第１のハードマスク１５からなる第２のコンタクト２２の表面が露出され、自己整合的にコンタクト開口がなされる。

尚、第１のハードマスク１５の上面には段差部１５ａが存在するが、第１のハードマスク１５の一部は第２の絶縁膜２１から露出してコンタクト２２として十分機能するため、特に問題になるものではない。

次に、図２３及び図２４に示すように、第２のコンタクト２２及び第２の絶縁膜２１上にビット線２３が形成される。

上記第１の実施形態によれば、下部金属層１３を磁気抵抗効果素子１９の周辺に余裕を設けて形成せずに、下部金属層１３の側面の一部を磁気抵抗効果素子１９の側面と一致させている。このため、ビット線２３の延在方向における隣接する下部金属層１３間を最小ピッチＡで保った場合、隣接するワード線１０のピッチＸ１を、従来のピッチＸ’よりも縮小することができる（図１参照）。このように、第１の実施形態によれば、ビット線２３の延在方向における下部金属層１３の面積を縮小することができるため、セル面積を縮小することができる。

ここで、従来における図５７のピッチＡは、リソグラフィとエッチング技術や埋め込み技術などによって決まるミニマムフューチャーサイズであり、このミニマムフューチャーサイズよりも小さくすることは困難であった。これに対し、第１の実施形態における図１のピッチＡは、下部金属層１３及び磁気抵抗効果素子１９の自己整合形成により決まるため、ミニマムフューチャーサイズよりも小さくすることができる。従って、第１の実施形態では、従来よりも飛躍的にセルサイズを縮小でき、セルの高密度化を実現できる。

また、従来のプロセスでは、第１のハードマスクを磁気抵抗効果素子の形状にパターニングする際に、すでに下部金属層がパターニングされており、この下部金属層下の第１の絶縁膜の表面の一部が露出している。このため、第１のハードマスクや磁気抵抗効果膜のパターニング時に、第１の絶縁膜がオーバーエッチングされてしまう。これに対し、第１の実施形態では、磁気抵抗効果素子１９の加工を、下部金属層１３の加工よりも先に行っているため、従来よりも第１の絶縁膜１１のオーバーエッチングを低減することができる。

また、第１のハードマスク１５を導電膜で形成することでコンタクト２２として機能させているため、次のような効果も得られる。例えば、従来技術では、金属膜に対して物理的なエッチングを行うと、マスク材側面にフェンスが形成される場合が多い。そして、このようなフェンスは、ブラシスクラブ、ミスト噴射、超音波洗浄などの方式で除去しなければならない。これに対し、第１の実施形態では、マスク材（第１のハードマスク１５）に導電膜を用い、このマスク材を剥離せずにそのまま残存させる。つまり、このマスク材にコンタクトプラグの機能を持たせることで、フェンスを除去する工程が不要となり、プロセスが容易となる。

また、磁気抵抗効果素子１９の周囲からはみ出した下部金属層１３の領域を減らすことで、磁気抵抗効果素子１９の固定層又は記録層に起因した漏れ磁場による磁気特性のシフトを低減することができ、より安定した特性の磁気抵抗効果素子１９を形成することが可能である。特に、磁気抵抗効果素子１９の磁化容易軸方向における端部において、下部金属層１３のはみ出し領域を減少させることによって、上記効果をより発揮させることができる。

尚、第１の実施形態において、図２５に示すように、磁気抵抗効果素子１９は、磁気抵抗効果素子１９の磁化困難軸方向がビット線２３の延在方向に向くように配置してもよい。この場合、ビット線２３の延在方向におけるピッチＡを縮小できるだけでなく、ワード線１０の延在方向におけるピッチＢも縮小できる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１の実施形態における下部金属層の形状を変形させたものであり、磁気抵抗効果素子の磁化容易軸方向に、下部金属層が磁気抵抗効果素子を跨ぐ形状になっている。

図２６は、本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置の断面図を示す。図２７は、本発明の第２の実施形態に係る下部金属層の平面図を示し、ここではビット線及びワード線を参考のために示す。図２８は、図２６のXXVIII-XXVIII線に沿った磁気記憶装置の断面図を示す。図２９は、本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置の斜視図を示す。

図２６乃至図２９に示すように、第２の実施形態に係る磁気記憶装置は、第１の実施形態と下部金属層１３の形状が異なるため、下部金属層１３の側面と磁気抵抗効果素子１９の側面とが一致している箇所も異なる。つまり、第２の実施形態では、ワード線１０を跨ぐように下部金属層１３を形成し、この下部金属層１３の中央の側面を磁気抵抗効果素子１９の側面と一致させている。このため、下部金属層１３のワード線１０の上方における側面が、磁気抵抗効果素子１９と同一の形状になっている。そして、磁気抵抗効果素子１９は、磁気抵抗効果素子１９の磁化容易軸方向がビット線２３の延在方向に向くように、配置されている。

尚、第２の実施形態に係る磁気記憶装置は、図３０及び図３１に示すレジスト７０を用いて下部金属膜１３のパターニングが行われ、その他は第１の実施形態と同様の方法で形成される。

上記第２の実施形態によれば、下部金属層１３を磁気抵抗効果素子１９の周辺に余裕を設けて形成せずに、下部金属層１３の側面の一部を磁気抵抗効果素子１９の側面と一致させている。このため、ワード線１０の延在方向における隣接する下部金属層１３間を最小ピッチＢで保った場合、ビット線２３のピッチＹ２を、従来のピッチＹ”よりも縮小することができる（図２６参照）。このように、第２の実施形態によれば、ワード線１０の延在方向における下部金属層１３の面積を縮小することができるため、セル面積を縮小することができる。

また、第１の実施形態と同様、オーバーエッチングの低減や、プロセスが容易になるといった効果も得ることができる。

尚、第２の実施形態において、図３２に示すように、磁気抵抗効果素子１９は、磁気抵抗効果素子１９の磁化困難軸方向がビット線２３の延在方向に向くように配置してもよい。この場合、ビット線２３の延在方向におけるピッチＡを縮小することができる。

また、図３３に示すように、ワード線１０の延在方向において隣り合う下部金属層１３Ａ，１３Ｂをペアとして考えた場合、一方の下部金属層１３Ａにおける他方の下部金属層１３Ｂと反対側の側面を磁気抵抗効果素子１９の側面と一致させ、他方の下部金属層１３Ｂにおける一方の下部金属層１３Ｂ側の側面を磁気抵抗効果素子１９の側面と一致させてもよい。この場合、図２６の構造よりもピッチＢを縮小できる。

また、図３４に示すように、図３３の構造をもとに、磁気抵抗効果素子１９を、磁気抵抗効果素子１９の磁化困難軸方向がビット線２３の延在方向に向くように配置してもよい。この場合、ビット線２３の延在方向におけるピッチＡを縮小することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態は、第２の実施形態の変形例である。第２の実施形態では、下部金属層の側面を磁気抵抗効果素子の３側面と一致させるのに対し、第３の実施形態では、下部金属層の側面を磁気抵抗効果素子の４側面と一致させる。

図３５は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置の断面図を示す。図３６は、本発明の第３の実施形態に係る下部金属層の平面図を示し、書き込み配線を参考のために示す。図３７は、図３５のXXXVII-XXXVII線に沿った磁気記憶装置の断面図を示す。図３８は、本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置の斜視図を示す。

図３５乃至図３８に示すように、第３の実施形態に係る磁気記憶装置において、上記第２の実施形態と異なる点は、下部金属層１３の側面を磁気抵抗効果素子１９の４側面と一致させる点である。ここで、磁気抵抗効果素子１９の２側面は全てが下部金属層１３の側面と一致し、残りの２側面は一部が下部金属層１３の側面と一致している。また、第１及び第２の実施形態と同様、下部金属層１３の側面の一部が磁気抵抗効果素子１９の側面と一致しているため、下部金属層１３の一部が磁気抵抗効果素子１９と同一の形状で形成されている。

尚、第３の実施形態に係る磁気記憶装置は、図３９及び図４０に示すレジスト７０を用いて下部金属膜１３のパターニングが行われ、その他は第１の実施形態と同様の方法で形成される。

上記第３の実施形態によれば、下部金属層１３を磁気抵抗効果素子１９の周辺に余裕を設けて形成せずに、下部金属層１３の側面の一部を磁気抵抗効果素子１９の側面と一致させている。このため、ワード線１０の延在方向における隣接する下部金属層１３間を最小ピッチＢ，Ｃで保った場合、ビット線２３のピッチＹ３を、従来のピッチＹ”よりも縮小することができる（図３５参照）。このように、第３の実施形態によれば、ワード線１０の延在方向における下部金属層１３の面積を縮小することができるため、セル面積を縮小することができる。

尚、第３の実施形態において、図４１に示すように、磁気抵抗効果素子１９は、磁気抵抗効果素子１９の磁化困難軸方向がビット線２３の延在方向に向くように配置してもよい。この場合、ビット線２３の延在方向におけるピッチＡを縮小することができる。

また、図４２に示すように、ワード線１０の延在方向において隣り合う下部金属層１３Ａ，１３Ｂをペアとして考えた場合、一方の下部金属層１３Ａにおけるコンタクト１２を他方の下部金属層１３Ｂに近づけて配置し、他方の下部金属層１３Ｂにおけるコンタクト１２を一方の下部金属層１３Ａに遠ざけて配置してもよい。この場合、図３５の構造よりもピッチＢを縮小できる。

また、図４３に示すように、図４２の構造をもとに、磁気抵抗効果素子１９を、磁気抵抗効果素子１９の磁化困難軸方向がビット線２３の延在方向に向くように配置してもよい。この場合、ビット線２３の延在方向におけるピッチＡを縮小することができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態は、第３の実施形態と同様の構造であるが、第３の実施形態と製造方法が異なる。

図４４乃至図４９は、本発明の第４の実施形態に係る磁気記憶装置の製造工程の断面図を示す。以下に、第４の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法について説明する。尚、上記第１の実施形態と同様の工程は省略又は簡略化する。

まず、図５乃至図１４に示すように、第１の実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子１９が形成される。

次に、図４４及び図４５に示すように、磁気抵抗効果素子１９を覆うように絶縁性の第３のハードマスク７１が形成され、この第３のハードマスク７１上にフォトレジスト７０が形成される。その後、フォトレジスト７０が下部金属層１３の形状にパターニングされる。

次に、図４６及び図４７に示すように、フォトレジスト７０をマスクとして第３のハードマスク７１がパターニングされ、第３のハードマスク７１に下部金属層１３の形状が転写される。

次に、図４８及び図４９に示すように、第３のハードマスク７１をマスクとして下部金属層１３がエッチングされる。この際、第１のハードマスク１５の露出した部分も一部除去され、段差部１５ａが形成される。その後は、第１の実施形態と同様であるため、説明は省略する。

上記第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、第４の実施形態では、下部金属層１３の加工時において、第３のハードマスク７１に下部金属層１３の形状を一旦転写し、このハードマスク７１を用いて下部金属層１３の加工を行っている。従って、レジスト７０が磁気抵抗効果膜１４に直接接触しないため、レジスト７０中の強酸等によって磁気抵抗効果膜１４が腐食することを防止できる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態では、上記各実施形態において、磁気抵抗効果素子の側面に絶縁保護膜を設ける例である。

図５０乃至図５３は、本発明の第５の実施形態に係る磁気記憶装置の製造工程の断面図を示す。ここでは、第１の実施形態に第５の実施形態を適用した場合を例にあげて説明する。

まず、第１の実施形態と同様に、図５乃至図１０に示すように、第２のハードマスク１６を用いて、第１のハードマスク１５がパターニングされる。ここで、第１のハードマスク１５は導電性膜で形成され、第２のハードマスク１６は例えばＳｉＯｘからなる絶縁膜で形成される。

次に、図５０に示すように、第１及び第２のハードマスク１５，１６を用いて磁気抵抗効果膜１４がパターニングされ、磁気抵抗効果素子１９が形成される。

次に、図５１に示すように、第１及び第２のハードマスク１５，１６及び磁気抵抗効果素子１９の側面に、絶縁保護膜８０が形成される。この絶縁保護膜８０の材料としては、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、アルミナなどがあげられる。

次に、図５２に示すように、下部金属層１３、第２のハードマスク１６及び絶縁保護膜８０上にフォトレジスト７０が塗布され、このフォトレジスト７０が下部金属層１３の所望の形状にパターニングされる。次に、フォトレジスト７０を用いて下部金属層１３がエッチングされる。その後、フォトレジスト７０は除去される。

次に、図５３に示すように、第１の絶縁膜１１、下部金属層１３、第２のハードマスク１６及び絶縁保護膜８０上に第２の絶縁膜２１が形成される。次に、ＣＭＰ又はＲＩＥを用いて、第１のハードマスク１５に達するまで、第２の絶縁膜２１の表面が平坦化される。これにより、第１のハードマスク１５からなる第２のコンタクト２２の表面が露出され、自己整合的にコンタクト開口がなされる。次に、第２のコンタクト２２、第２の絶縁膜２１及び絶縁保護膜８０上にビット線２３が形成される。

上記第５の実施形態によれば、下部金属層１３の加工時に、磁気抵抗効果素子１９の側面に絶縁保護膜８０が形成してあるため、下部金属層１３の導電性の堆積物が磁気抵抗効果素子１９の側面に付着することを防止できる。従って、磁気抵抗効果素子１９の接合部に下部金属層１３の導電性の堆積物が付着することでショート等の問題が生じてしまうこと防止できるため、信頼性の高い接合を実現できる。

［第６の実施形態］
第６の実施形態は、上記各実施形態に、読み出し用スイッチング素子を用いない構造を適用した例である。

図５４及び図５５は、本発明の第６の実施形態に係る磁気記憶装置の斜視図を示す。図５４及び図５５に示すように、ワード線が書き込み配線と読み出し配線とに分かれており、書き込み時にはビット線２３及び書き込みワード線１０が用いられ、読み出し時にはビット線２３及び読み出しワード線３０が用いられる。

図５４の構造では、下部金属層１３がコンタクト１２を介して読み出しワード線３０に接続されている。この読み出しワード線３０は、書き込みワード線１０と同一面上に配置され、書き込みワード線１０と平行して延在している。

図５５の構造では、磁気抵抗効果素子１９に読み出しワード線３０が直接接続されている。この読み出しワード線３０は書き込みワード線１０と平行して延在し、読み出しワード線３０の側面の一部が磁気抵抗効果素子１９の側面と一致している。

尚、図５４及び図５５において、磁気抵抗効果素子１９は、磁気抵抗効果素子１９の磁化容易軸方向をビット線２３の延在方向に向けているが、磁気抵抗効果素子１９の磁化困難軸方向をビット線２３の延在方向に向けてもよい。

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。例えば、図５６に示すように、下部金属層１３と磁気抵抗効果素子１９との接続部分において、下部金属層１３を磁気抵抗効果素子１９よりも小さくすることも可能である。この場合、磁気抵抗効果素子１９の磁化容易軸方向における端部において、下部金属層１３のはみ出し領域を全てなくすことができるので、第１の実施形態で述べた漏れ磁場による磁気特性のシフトを特に低減することができる。

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。

本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第１の実施形態に係る下部金属層を示す平面図。図１のIII-III線に沿った磁気記憶装置を示す断面図。本発明の第１の実施形態に係る磁気記憶装置を示す斜視図。本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図５のVI-VI線に沿った磁気記憶装置の断面図。図５に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図７のVIII-VIII線に沿った磁気記憶装置の断面図。図７に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図９のX-X線に沿った磁気記憶装置の断面図。図９に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図１１のXII-XII線に沿った磁気記憶装置の断面図。図１１に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図１３のXIV-XIV線に沿った磁気記憶装置の断面図。図１３に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図１５のXVI-XVI線に沿った磁気記憶装置の断面図。図１５に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図１７のXVIII-XVIII線に沿った磁気記憶装置の断面図。図１７に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図１９のXX-XX線に沿った磁気記憶装置の断面図。図１９に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図２１のXXII-XXII線に沿った磁気記憶装置の断面図。図２１に続く、本発明の第１の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図２３のXXIV-XXIV線に沿った磁気記憶装置の断面図。本発明の第１の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第２の実施形態に係る下部金属層を示す平面図。図２６のXXVIII-XXVIII線に沿った磁気記憶装置を示す断面図。本発明の第２の実施形態に係る磁気記憶装置を示す斜視図。本発明の第２の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図３０のXXXI-XXXI線に沿った磁気記憶装置の断面図。本発明の第２の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第２の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第２の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第３の実施形態に係る下部金属層を示す平面図。図３５のXXXVII-XXXVII線に沿った磁気記憶装置を示す断面図。本発明の第３の実施形態に係る磁気記憶装置を示す斜視図。本発明の第３の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図３９のXL-XL線に沿った磁気記憶装置の断面図。本発明の第３の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第３の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第３の実施形態に係る他の磁気記憶装置を示す平面図。本発明の第４の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図４４のXLV-XLV線に沿った磁気記憶装置の断面図。図４４に続く、本発明の第４の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図４６のXLVII-XLVII線に沿った磁気記憶装置の断面図。図本発明の第４の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図４８のXLIX-XLIX線に沿った磁気記憶装置の断面図。本発明の第５の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図５０に続く、本発明の第５の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図５１に続く、本発明の第５の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。図５２に続く、本発明の第５の実施形態に係わる磁気記憶装置の製造工程を示す平面図。本発明の第６の実施形態に係わる磁気記憶装置を示す斜視図。本発明の第６の実施形態に係わる磁気記憶装置を示す斜視図。本発明の各実施形態に係わる他の磁気記憶装置を示す平面図。第１の従来技術による磁気記憶装置を示す平面図。第２の従来技術による磁気記憶装置を示す平面図。

符号の説明

１０…第１の書き込み配線、１１…第１の絶縁膜、１２…第１のコンタクト、１３…下部金属層、１４…磁気抵抗効果膜、１５…第１のハードマスク、１５ａ…段差部、１６…第２のハードマスク、１９…磁気抵抗効果素子、２１…第２の絶縁膜、２２…第２のコンタクト、２３…第２の書き込み配線、３０…読み出しワード線、７０…フォトレジスト、７１…第３のハードマスク、８０…絶縁保護膜。

Claims

第１の絶縁膜上に、金属層、磁気抵抗効果膜、金属からなる第１のマスク層、及び第２のマスク層を順に形成する工程と、
前記第２のマスク層を磁気抵抗効果素子の素子形状にパターニングする工程と、
パターニングした前記第２のマスク層を用いて前記第１のマスク層を前記素子形状にパターニングする工程と、
パターニングした前記第１のマスク層を用いて前記磁気抵抗効果膜を前記素子形状にパターニングし、前記磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
前記第１のマスク層及び前記金属層上にレジストを形成する工程と、
前記レジストをセル毎に分離する分離形状にパターニングする工程と、
パターニングした前記レジストを用いて前記金属層を前記分離形状にパターニングし、前記金属層の側面の一部を前記磁気抵抗効果素子の側面と一致させる工程と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
前記金属層を前記分離形状にパターニングする際、前記第１のマスク層の一部を露出する前記分離形状の前記レジストを用いて前記第１のマスク層の前記一部を除去し、前記第１のマスク層に段差部を形成することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
前記第１のマスク層を前記素子形状にパターニングした後に、前記第２のマスク層を除去する工程と、
前記金属層を前記分離形状にパターニングした後に、前記第１の絶縁膜、前記第１のマスク層及び前記金属層上に第２の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１のマスク層の表面が露出するまで前記第２の絶縁膜を除去することで、前記第１のマスク層からなるコンタクトを自己整合的に形成する工程と
をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
前記第２の絶縁膜は、ＣＭＰを用いて除去することを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶装置の製造方法。
前記第２のマスク層は、絶縁層で形成されることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置の製造方法。
第１の絶縁膜上に、金属層、磁気抵抗効果膜、金属からなる第１のマスク層、及び第２のマスク層を順に形成する工程と、
前記第２のマスク層を磁気抵抗効果素子の素子形状にパターニングする工程と、
パターニングした前記第２のマスク層を用いて前記第１のマスク層を前記素子形状にパターニングする工程と、
パターニングした前記第１のマスク層を用いて前記磁気抵抗効果膜を前記素子形状にパターニングし、前記磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
前記第１のマスク層及び前記金属層上に第３のマスク層を形成する工程と、
前記第３のマスク層上にレジストを形成する工程と、
前記レジストをセル毎に分離する分離形状にパターニングする工程と、
パターニングした前記レジストを用いて前記第３のマスク層を前記分離形状にパターニングする工程と、
パターニングした前記第３のマスク層を用いて前記金属層を前記分離形状にパターニングし、前記金属層の側面の一部を前記磁気抵抗効果素子の側面と一致させる工程と
を具備することを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
前記第３のマスク層は、絶縁層で形成されることを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶装置の製造方法。