JP4775616B2 - Ｍｒａｍ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（magnetic random access memory: MRAM）に関する。本発明は、特に、磁気抵抗素子に磁界を印加する配線の周囲に、該磁気抵抗素子に磁界を集中させるためのヨークを備えたＭＲＡＭに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速書き込みが可能であり、且つ、大きな書き換え回数を有するＭＲＡＭは、有力な不揮発性メモリの一つである。典型的なＭＲＡＭは、メモリセルとして機能する複数の磁気トンネル接合（magnetic tunnel junction）が行列に配列されたメモリセルアレイを含む。ＭＴＪは、固定された磁化を有する固定強磁性層と、反転可能な磁化を有する自由強磁性層と、固定強磁性層と自由強磁性層との間に介設されたトンネルバリア層とを含む。自由強磁性層は、その磁化の向きが、固定強磁性層の磁化の向きと平行、又は反平行に向くことが許されるように、反転可能に形成される。
【０００３】
ＭＴＪは、１ビットのデータを、固定強磁性層と自由強磁性層との磁化の相対方向として記憶する。ＭＴＪは、固定強磁性層の磁化と自由強磁性層の磁化とが平行である”平行”状態と、それらの自発磁化が反平行である”反平行”状態の２つの状態を取り得る。”平行”状態と、”反平行”状態とのうちの一方は”０”に、他方は”１”に対応付けられ、ＭＴＪは、１ビットのデータを記憶することができる。
【０００４】
ＭＴＪへのデータの書き込みは、ＭＴＪの近傍に設けられた配線に電流を流して磁界を発生し、該磁界によって自由強磁性層の磁化を所望の方向に向けることによって行われる。電流の方向は、向けられるべき自由強磁性層の磁化の方向に応じて選択される。
【０００５】
ＭＲＡＭの消費電流を抑制するために、自由強磁性層の磁化を反転させる電流（書き込み電流）の低減が求められている。特許文献１乃至特許文献３は、書き込み電流が流される配線の周囲に、透磁率が高い磁性材料で形成されたヨークが設けられているＭＲＡＭを開示している。ヨークは、ＭＲＡＭのメモリセルに磁界を集中させ、書き込み電流を有効に低減する。
【０００６】
書き込み電流を低減するためには、ヨークは、磁界を自由強磁性層に一層に集中させるような形状に形成されることが望まれる。
【０００７】
その一方で、ヨークは、その形状のばらつきが少ないように形成可能であることが望まれる。ヨークの形状のばらつきは、ＭＴＪの特性のばらつきの原因となり、好ましくない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１１０９３８号公報
【特許文献２】
米国特許公報第６，２１１，０９０号
【特許文献３】
特表２００２−５２２９１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、磁界を自由強磁性層に一層に集中させるような形状を有し、且つ、その形状のばらつきが少ないように形成することが容易であるヨークを備えたＭＲＡＭを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段が以下に記述される。その手段に含まれる技術的事項には、［発明の実施の形態］の記載で使用される番号・符号が付記され、これにより、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係が明確にされている。ただし、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
本発明によるＭＲＡＭは、基板（１）と、記憶データに応じた方向に向けられる磁化を有し、且つ、基板（１）の上方に形成された自由強磁性層（９）と、自由強磁性層（９）の上方に設けられ、磁化を反転させる磁界を発生する電流が流される配線（１２）と、配線（１２）の配線側面に接合された側面ヨーク層（１４）と、側面ヨーク層（１４）を、自由強磁性層（９）から分離する層間絶縁層（１５）とを備えている。側面ヨーク層（１４）は、配線（１２）のエッジから下方に突出する角部（１４ａ）を含む。層間絶縁層（１５）は、基板（１）と概ね平行な上面を有し、且つ、上面において角部（１４ａ）の下端に接合する第１部分（１５ｂ）と、側面ヨーク層（１４）と自由強磁性層（９）の側面との間に介設された第２部分（１５ａ）とを含む。層間絶縁層（１５）の第１部分（１５ｂ）と第２部分（１５ａ）とは、一体に形成されている。即ち、層間絶縁層（１５）の第１部分（１５ｂ）と第２部分（１５ａ）とは、絶縁膜（２６）を形成する一の成膜工程と、その絶縁膜（２６）を加工する加工工程とによって形成される。このような構造は、側面ヨーク層（１４）を自己整合的に形成することを可能にし、側面ヨーク層（１４）の形状のばらつきを有効に抑制する。
【００１２】
当該ＭＲＡＭは、更に、第２部分（１５ａ）と自由強磁性層（９）との間に介設されたサイドウオール（１６）を備えていることが好適である。サイドウオール（１６）は、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）の突出長さと、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）と自由強磁性層（９）との距離の自由度を高める。
【００１３】
サイドウオール（１６）は、比透磁率が１０よりも大きい磁性体で形成されることが好適である。磁性体で形成されたサイドウオール（１６）は、自由強磁性層（９）に磁界を集中させ、書き込み電流を有効に低減する。
【００１４】
層間絶縁層（１５）とサイドウオール（１６）とは、層間絶縁層（１５）がサイドウオール（１６）に対して選択的にエッチング可能であるような材料で形成されていることが好適である。
【００１５】
本発明によるＭＲＡＭ製造方法は、
基板（１）の上方に、自由強磁性層（９）を形成する工程と、
基板（１）と概ね平行な上面を有する第１部分（１５ｂ）と、自由強磁性層（９）の側面に対向する第２部分（１５ａ）とを含む層間絶縁層（１５）を形成する工程と、
自由強磁性層（９）の上方に配線（１２）を形成する工程と、
配線（１２）の配線側面に接合する側面ヨーク層（１４）を形成する工程
とを備えている。側面ヨーク層（１４）は、配線（１２）のエッジから下方に突出する角部（１４ａ）を含む。角部（１４ａ）の下端は、第１部分（１５ｂ）に接合する。上述の構造を有する層間絶縁層（１５）は、側面ヨーク層（１４）を自己整合的に形成することを可能にする。
【００１６】
側面ヨーク層（１４）を自己整合的にを形成するためには、側面ヨーク層（１４）を形成する工程は、
層間絶縁層（１５）と配線（１２）とを被覆する磁性体膜（図示されない）を形成する工程と、
該磁性体膜を上方からエッチバックして側面ヨーク層（１４）を形成する工程とを含むことが好適である。
【００１７】
当該ＭＲＡＭ製造方法が、更に、自由強磁性層（９）の上にメタルキャップ層（１１）を形成する工程を備えている場合には、層間絶縁層（１５）を形成する工程は、
基板（１）とメタルキャップ層（１１）とを被覆する第１絶縁膜（２６）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）を被覆する第２絶縁膜（２７）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）と第２絶縁膜（２７）との一部を、メタルキャップ層（１１）の上面が露出するように除去する工程
とを含むことが好適である。この場合、第１絶縁膜（２６）の残存部が、層間絶縁層（１５）になる。
【００１８】
この場合、配線（１２）を形成する工程は、
メタルキャップ層（１１）の上面が露出された後、メタルキャップ層（１１）の上面と第２絶縁膜（２７）の上面との上に導電膜（図示されない）を形成する工程と、
該導電膜をエッチングして配線（１２）を形成する工程
とを含み、
当該ＭＲＡＭ製造方法は、更に、配線（１２）の形成の後、第２絶縁膜（２７）のうち配線（２７）に被覆されていない部分を除去して、層間絶縁膜（１５）の第１部分（１５ｂ）を露出する工程を備え、
側面ヨーク層（１４）を形成する工程は、
層間絶縁層（１５）と配線（１２）とを被覆する磁性体膜（図示されない）を形成する工程と、
該磁性体膜を上方からエッチバックして側面ヨーク層（１４）を形成する工程とを含むことが好ましい。
【００１９】
当該ＭＲＡＭ製造方法は、更に、
自由強磁性層（９）の側面と、層間絶縁層（１５）の第２部分（１５ａ）との間に、サイドウオール（１６）を形成する工程
を備えていることが好ましい。サイドウオール（１６）の形成は、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）の突出長さと、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）と自由強磁性層（９）との距離の自由度を高める。
【００２０】
サイドウオール（１６）を形成する工程は、
基板（１）と自由強磁性層（９）とを被覆する第３絶縁膜（図示されない）を形成する工程と、
該第３絶縁膜を上方からエッチバックしてサイドウオール（１６）を形成する工程
とを含むことが好適である。
【００２１】
当該ＭＲＡＭ製造方法が、更に、自由強磁性層（９）の上にメタルキャップ層（１１）を形成する工程を備えている場合、サイドウオール（１６）を形成する工程は、
基板（１）とメタルキャップ層（１１）とを被覆する第３絶縁膜を形成する工程と、
該第３絶縁膜をメタルキャップ層（１１）が露出されるように上方からエッチバックしてサイドウオール（１６）を形成する工程
とを含み、
層間絶縁層（１５）を形成する工程は、
基板（１）とサイドウオール（１６）とメタルキャップ層（１１）とを被覆する第１絶縁膜（２６）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）を被覆する第２絶縁膜（２７）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）と第２絶縁膜（２７）との一部をエッチングして、サイドウオール（１６）の上端とメタルキャップ層（１１）の上面とが露出されるように除去する工程
とを含むことが好適である。この場合、第１絶縁膜（２６）の残存部が、層間絶縁層（１５）になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明によるＭＲＡＭの実施の形態を説明する。
【００２３】
本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態では、図１に示されているように、その表面部にトランジスタ（図示されない）が形成された基板１が、層間絶縁層２で被覆されている。層間絶縁層２には溝が設けられ、その溝には、ワード線３が埋め込まれている。図２に示されているように、ワード線３は、基板１の表面に平行なｘ軸方向に延伸するように設けられている。
【００２４】
図１に示されているように、ワード線３の底面及び側面は、ヨーク層４で被覆されている。ヨーク層４は、高い透磁率を有する磁気的にソフトな磁性材料、例えば、ＦｅＮｉで形成されている。ヨーク層４は、ワード線３の底面又は側面の一方のみを被覆するように形成されることも可能である。
【００２５】
層間絶縁層２及びワード線３は、層間絶縁層５で被覆され、その層間絶縁層５の上には、ＭＴＪ６が形成されている。層間絶縁層５には、層間絶縁層５を貫通する導電性のビア１０が設けられている。
【００２６】
ＭＴＪ６は、固定された磁化を有する固定強磁性層７と、絶縁体で形成されたトンネルバリア層８と、及び反転可能な磁化を有する自由強磁性層９とを含む。固定強磁性層７は、層間絶縁層５の上に形成されている。固定強磁性層７は、ビア１０を介して、ワード線３に電気的に接続されている。トンネルバリア層８は、固定強磁性層７の上に形成さている。トンネルバリア層８の厚さは、トンネル電流を流し得る程度に薄い。自由強磁性層９は、トンネルバリア層８の上に、固定強磁性層７の一部のみを被覆するように形成されている。自由強磁性層９は、ＭＴＪ６を保護するためのメタルキャップ層１１によって被覆されている。
【００２７】
自由強磁性層９の上方には、ビット線１２が設けられている。ビット線１２は、メタルキャップ層１１によって自由強磁性層９に電気的に接続されている。図２に示されているように、ビット線１２は、図２に示されているように、ワード線３は、基板１の表面に平行、且つ、ｘ軸方向に垂直なｙ軸方向に延伸するように設けられている。
【００２８】
ビット線１２の上面と側面とは、それぞれ、上面ヨーク層１３と側面ヨーク層１４とによって被覆されている。上面ヨーク層１３と側面ヨーク層１４とは、いずれも、導電体で、高い透磁率を有し、且つ、磁気的にソフトな磁性材料、例えば、ＦｅＮｉで形成されている。
【００２９】
側面ヨーク層１４は、その一部分がビット線１２の基板１の側のエッジから下方に突出し、自由強磁性層９の側面に対向するように設けられている。側面ヨーク層１４のエッジから突出する部分は、以下において、角部１４ａと呼ばれる。角部１４ａの存在は、ビット線１２が発生する磁界を、自由強磁性層９に効果的に集中させる。
【００３０】
側面ヨーク層１４は、層間絶縁層１５及びサイドウオール１６によって、固定強磁性層７及び自由強磁性層９から分離されている。層間絶縁層１５は、角部１４ａの側面に接合し、且つ、自由強磁性層９の側面に対向するように形成された垂直部分１５ａと、垂直部分１５ａの下端に接続し、且つ、固定強磁性層７を被覆する水平部分１５ｂとを含む。水平部分１５ｂの上面は、基板１に概ね平行である。側面ヨーク層１４は、角部１４ａの側面が垂直部分１５ａの側面に接触し、且つ、角部１４ａの下端が、水平部分１５ｂに接合するように形成されている。サイドウオール１６は、層間絶縁層１５の垂直部分１５ａと自由強磁性層９の側面との間に介設されている。サイドウオール１６は、典型的には、シリコン酸化膜、及びシリコン窒化膜で形成される。
【００３１】
ビット線１２が発生する磁界を、自由強磁性層９に効果的に集中させるためには、サイドウオール１６は、高い透磁率（具体的には、１０よりも大きい非透磁率）を有し、且つ、磁気的にソフトな磁性材料で形成されることが好適である。サイドウオール１６は、典型的には、Ｆｅ２Ｏ３を主成分とするフェリ磁性酸化物（ソフトフェライト）で形成される。フェリ磁性酸化物としては、１０００よりも大きい比透磁率μｓを有するＭｎＺｎフェライト、１００よりも大きい比透磁率を有するＣｕＺｎフェライト、及び１０よりも大きい比透磁率を有するＮｉＺｎフェライトが例示される。
【００３２】
サイドウオール１６は、絶縁体に、強磁性材料の超微粒子が分散された複合材料で形成され得る。典型的には、サイドウオール１６は、ＢａＳｒフェライトの超微粒子が、酸化シリコンに分散された複合材料で形成される。強磁性材料は、径が極めて小さい超微粒子に形成されると強磁性的な振る舞いを示さなくなり、透磁率が大きい常磁性体として振舞う。従って、このような複合材料は、透磁率が高く、且つ、強磁性を示さない。かかる複合材料によってサイドウオール１６が形成されることは、ビット線１２が発生する磁界を、自由強磁性層９に一層に効果的に集中させる点で好ましい。強磁性材料が、かかる振る舞いを示すようにするためには、超微粒子の径は、１〜５００ｎｍであることが好ましい。超微粒子の形状を制御し、さらに、配向を制御することにより、サイドウオール１６の透磁率を増加することが可能である。
【００３３】
図３は、角部１４ａを有する側面ヨーク層１４、及びサイドウオール１６が、磁場を自由強磁性層９に集中させる効果を示すために行われたシミュレーションの結果を示すグラフである。該シミュレーションでは、図４（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示されている構造Ａ乃至構造Ｄが採用されたときに自由強磁性層９に印加される磁界の強さが計算されている。図４（ａ）の構造は、本実施の形態のＭＲＡＭの構造に対応している。図４（ｂ）の構造は、サイドウオール１６がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような非磁性材料で形成される場合に対応している。図４（ｃ）の構造では、側面ヨーク層１４から角部１４ａが除かれている。図４（ｄ）の構造では、上面ヨーク層１３、及び側面ヨーク層１４が除かれている。図３の線５１、５２は、いずれも、図４（ａ）の構造についてのシミュレーションの結果を示している。線５１は、サイドウオール１６の比透磁率が２．５であり、線５２は、サイドウオール１６の比透磁率が２５００であるときのシミュレーションの結果を示している。図３の線５３、５４、５５は、それぞれ、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の構造についてのシミュレーションの結果を示している。
【００３４】
シミュレーションは、下記の条件で行われている。ビット線１２のｚ軸方向の厚さ及びｘ軸方向の幅は、それぞれ０．４（μｍ）である。側面ヨーク層１４及びサイドウオール１６の厚さは、それぞれ、０．０５（μｍ）である。角部１４ａの突出長さｚ０は、０．１μｍである。ビット線１２の底面は、ｘｙ平面上にあり、且つ、原点Ｏは、ｘ軸方向においてビット線１２の中心である点に取られている。自由強磁性層９の上面は、ｚ＝０．１（μｍ）で規定される平面の上にある、即ち、ビット線１２と自由強磁性層９との距離は０．１（μｍ）である。０≦ｘ≦０．１４、ｚ＝０．１を満足する位置、即ち、自由強磁性層９の上面にあり、自由強磁性層９の中心からの距離が０以上０．１４（μｍ）以下である複数の位置における磁界の強さが算出されている。
【００３５】
図３の線５３と線５４とから理解されるように、側面ヨーク層１４に角部１４ａを設けることは、ビット線１２が発生する磁界を自由強磁性層９に有効に集中させる。更に、線５２から理解されるように、高い透磁率を有するサイドウオール１６の使用は、磁界を自由強磁性層９に一層に有効に集中させる。サイドウオール１６の透磁率が高いことは、自由強磁性層９への磁界の集中に有効である。サイドウオール１６の透磁率が２５００である場合には、図４（ａ）の構造は、図４（ｄ）の構造の８倍の磁界を自由強磁性層９に印加することを可能にする。
【００３６】
自由強磁性層９に磁界を効果的に集中する角部１４ａは、その形状のバラツキが小さいように形成されることが重要である。角部１４ａの形状のバラツキは、自由強磁性層９に印加される磁界のバラツキの原因となる。自由強磁性層９に印加される磁界のバラツキは、ＭＪＴ６の特性のバラツキの原因となる。ＭＪＴ６の特性のバラツキは、ＭＲＡＭの動作に好ましくない。
【００３７】
しかし、図１の構造の採用は、側面ヨーク層１４の角部１４ａの形状のバラツキが少なくなるように、側面ヨーク層１４を自己整合的に形成することを可能にする。角部１４ａがビット線１２のエッジから下方に突出する突出長さｘは、層間絶縁層１５の水平部分１５ｂの厚さによって自己整合的に決定され、従って、突出長さｘは、そのバラツキを容易に小さくすることできる。更に、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９の側面との距離は、層間絶縁層１５の垂直部分１５ａとサイドウオール１６との厚さによって自己整合的に決定され、従って、該距離は、そのバラツキを容易に小さくすることできる。図１の構造は、側面ヨーク層１４の角部１４ａの形状のバラツキを抑制するために効果的である。
【００３８】
図５から図９は、図１のＭＲＡＭの製造工程を示している。図５（ａ）に示されているように、基板１の上に層間絶縁層２が形成された後、層間絶縁層２に溝が設けられる。ＦｅＮｉのような磁性材料膜と、Ｃｕのような導電膜とが順次に全面に形成された後、それらの膜のうち溝の外部にある部分が除去される。この工程により、層間絶縁層２に設けられた溝の内部にワード線３及びヨーク層４が形成される。更に、層間絶縁層２及びワード線３が層間絶縁層５によって被覆される。
【００３９】
図５（ｂ）に示されているように、層間絶縁層５を貫通するビア１０が形成された後、固定強磁性層７になる磁性体積層膜２１、トンネルバリア層８になる絶縁膜２２、自由強磁性層９となる磁性体積層膜２３、及びメタルキャップ層１１となる金属膜２４が順次に形成される。
【００４０】
続いて、図６（ａ）に示されているように、金属膜２４の上にハードマスク２５が形成される。
【００４１】
続いて、絶縁膜２２、強磁性体積層膜２３、及び金属膜２４のうちハードマスク２５に被覆されていない部分がエッチングされて、図６（ｂ）に示されているように、トンネルバリア層８、自由強磁性層９、及びメタルキャップ層１１が形成される。更に、磁性体積層膜２１がパターニングされて固定強磁性層７が形成された後、ハードマスク２５が除去される。以上の工程により、ＭＴＪ６の形成が完了する。
【００４２】
続いて、図７（ａ）に示されているように、サイドウオール１６が、自由強磁性層９及びメタルキャップ層１１の側面に形成される。サイドウオール１６の形成は、ＭＯＳトランジスタのサイドウオールの形成と同様の構成で行われる。絶縁膜が全面に形成された後、自由強磁性層９及びメタルキャップ層１１の側面のみに該絶縁膜が残るように、該絶縁膜がエッチバックされる。該絶縁膜の残存した部分が、サイドウオール１６となる。
【００４３】
続いて、図７（ｂ）に示されているように、絶縁膜２６と絶縁膜２７とが全面に形成される。絶縁膜２６は、後述の工程によって層間絶縁層１５に加工される。絶縁膜２７は、自由強磁性層９及びメタルキャップ層１１よりも充分に厚く形成される。絶縁膜２７は、絶縁膜２６に対して選択的にエッチング可能な材料で形成される。絶縁膜２６がシリコン酸化膜で形成される場合、絶縁膜２７は、例えば、シリコン窒化膜又はアルミナで形成される。
【００４４】
上述のサイドウオール１６及び絶縁膜２６の厚さは、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０及び角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離が所望値になるように選ばれる。側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０は、自由強磁性層９、メタルキャップ層１１及び絶縁膜２６の厚さで決定され、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離は、サイドウオール１６の厚さと絶縁膜２６の厚さとで決定される。従って、サイドウオール１６及び絶縁膜２６の厚さを適切に選択することにより、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０及び角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離を所望値にすることができる。
【００４５】
更に、図８（ａ）に示されているように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって絶縁膜２６及び絶縁膜２７の一部が除去され、メタルキャップ層１１の上面が露出される。このＣＭＰにより、絶縁膜２６のうちのメタルキャップ層１１の上面を被覆する部分が除去され、層間絶縁層１５が形成される。
【００４６】
絶縁膜２６及び絶縁膜２７の除去は、ＣＭＰの代わりにエッチバックによって行われ得る。この場合、絶縁膜２６及び絶縁膜２７は、サイドウオール１６に対して選択的にエッチング可能な材料で形成されることが好適である。サイドウオール１６がエッチングされないように絶縁膜２６及び絶縁膜２７をエッチングすることは、自由強磁性層９を保護する点で重要である。
【００４７】
続いて、図８（ｂ）に示されているように、ビット線１２となる金属膜と、上面ヨーク層１３となる磁性膜とが全面に順次に形成された後、該金属膜と該磁性体膜とがパターニングされ、ビット線１２と上面ヨーク層１３とが形成される。
【００４８】
この金属膜と磁性体膜とのエッチングに引き続いて絶縁膜２７がエッチングされ、絶縁膜２７のうちビット線１２に被覆されていない部分が除去される。絶縁膜２７は、層間絶縁層１５がエッチングされないように、選択的にエッチングされる。即ち、絶縁膜２７のエッチングは、層間絶縁層１５に対する選択比が高い条件で行われる。絶縁膜２７の残存部（図示されない）は、ビット線１２をワード線７から絶縁する層間絶縁膜になる。
【００４９】
続いて、図９に示されているように、磁性体膜が全面に形成された後、該磁性体膜が異方性エッチングによってエッチバックされ、側面ヨーク層１４が形成される。以上の工程により、図１のＭＲＡＭの製造が完了する。
【００５０】
上述の製造方法は、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離とのばらつきを抑制する上で有利である。側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０は、自由強磁性層９、メタルキャップ層１１及び層間絶縁層１５の厚さで決定され、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離は、層間絶縁層１５の厚さとサイドウオール１６の厚さとで決定される。従って、上述の製造方法では、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離との安定性は、自由強磁性層９、メタルキャップ層１１、層間絶縁層１５、及びサイドウオール１６の厚さの安定性に依存することになる。一般に、薄膜を、その厚みが所望値になるように安定的に形成することは、比較的に容易である。従って、上述の製造方法は、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離とを、より容易に安定化することができる。
【００５１】
本実施の形態において、図１０に示されているように、サイドウオール１６が形成されないことが可能である。この場合でも、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９との距離とは、層間絶縁層１５、自由強磁性層９、及びメタルキャップ層１１の膜厚で決定される。従って、層間絶縁層１５、自由強磁性層９、及びメタルキャップ層１１の膜厚を安定化することにより、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０のばらつきと、側面ヨーク層１４の角部１４ａから自由強磁性層９への距離のばらつきとを少なくすることができる。ただし、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９との距離の自由度を高めるためには、サイドウオール１６が形成されることが有効である。サイドウオール１６の挿入は、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０と独立に、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９との距離を定めることを可能にする。
【００５２】
【発明の効果】
本発明により、磁界を自由強磁性層に一層に集中させるような形状を有し、且つ、その形状のばらつきが少ないように形成可能であるヨークを備えたＭＲＡＭが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態を示す平面図である。
【図３】図３は、側面ヨーク部１４ａに設けられた角部１４ａと、高い透磁率を有するサイドウオール１６とが自由強磁性層９に磁界を集中させる効果を示すグラフである。
【図４】図４は、図３のグラフを作成するために行われたシミュレーションの対象の構造を示している。
【図５】図５は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明によるＭＲＡＭの実施の他の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１：基板
２：層間絶縁層
３：ワード線
４：ヨーク層
５：層間絶縁層
６：ＭＴＪ
７：固定強磁性層
８：トンネルバリア層
９：自由強磁性層
１０：ビア
１１：メタルキャップ層
１２：ビット線
１３：上面ヨーク層
１４：側面ヨーク層
１５：層間絶縁層
１６：サイドウオール
２１：磁性体積層膜
２２：絶縁膜
２３：磁性体積層膜
２４：金属膜
２５：ハードマスク
２６：絶縁膜
２７：絶縁膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（magnetic random access memory: MRAM）に関する。本発明は、特に、磁気抵抗素子に磁界を印加する配線の周囲に、該磁気抵抗素子に磁界を集中させるためのヨークを備えたＭＲＡＭに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高速書き込みが可能であり、且つ、大きな書き換え回数を有するＭＲＡＭは、有力な不揮発性メモリの一つである。典型的なＭＲＡＭは、メモリセルとして機能する複数の磁気トンネル接合（magnetic tunnel junction）が行列に配列されたメモリセルアレイを含む。ＭＴＪは、固定された磁化を有する固定強磁性層と、反転可能な磁化を有する自由強磁性層と、固定強磁性層と自由強磁性層との間に介設されたトンネルバリア層とを含む。自由強磁性層は、その磁化の向きが、固定強磁性層の磁化の向きと平行、又は反平行に向くことが許されるように、反転可能に形成される。
【０００３】
ＭＴＪは、１ビットのデータを、固定強磁性層と自由強磁性層との磁化の相対方向として記憶する。ＭＴＪは、固定強磁性層の磁化と自由強磁性層の磁化とが平行である”平行”状態と、それらの自発磁化が反平行である”反平行”状態の２つの状態を取り得る。”平行”状態と、”反平行”状態とのうちの一方は”０”に、他方は”１”に対応付けられ、ＭＴＪは、１ビットのデータを記憶することができる。
【０００４】
ＭＴＪへのデータの書き込みは、ＭＴＪの近傍に設けられた配線に電流を流して磁界を発生し、該磁界によって自由強磁性層の磁化を所望の方向に向けることによって行われる。電流の方向は、向けられるべき自由強磁性層の磁化の方向に応じて選択される。
【０００５】
ＭＲＡＭの消費電流を抑制するために、自由強磁性層の磁化を反転させる電流（書き込み電流）の低減が求められている。特許文献１乃至特許文献３は、書き込み電流が流される配線の周囲に、透磁率が高い磁性材料で形成されたヨークが設けられているＭＲＡＭを開示している。ヨークは、ＭＲＡＭのメモリセルに磁界を集中させ、書き込み電流を有効に低減する。
【０００６】
書き込み電流を低減するためには、ヨークは、磁界を自由強磁性層に一層に集中させるような形状に形成されることが望まれる。
【０００７】
その一方で、ヨークは、その形状のばらつきが少ないように形成可能であることが望まれる。ヨークの形状のばらつきは、ＭＴＪの特性のばらつきの原因となり、好ましくない。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−１１０９３８号公報
【特許文献２】
米国特許公報第６，２１１，０９０号
【特許文献３】
特表２００２−５２２９１５号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、磁界を自由強磁性層に一層に集中させるような形状を有し、且つ、その形状のばらつきが少ないように形成することが容易であるヨークを備えたＭＲＡＭを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための手段が以下に記述される。その手段に含まれる技術的事項には、［発明の実施の形態］の記載で使用される番号・符号が付記され、これにより、［特許請求の範囲］の記載と［発明の実施の形態］の記載との対応関係が明確にされている。ただし、付記された番号・符号は、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１１】
本発明によるＭＲＡＭは、基板（１）と、記憶データに応じた方向に向けられる磁化を有し、且つ、基板（１）の上方に形成された自由強磁性層（９）と、自由強磁性層（９）の上方に設けられ、磁化を反転させる磁界を発生する電流が流される配線（１２）と、配線（１２）の配線側面に接合された側面ヨーク層（１４）と、側面ヨーク層（１４）を、自由強磁性層（９）から分離する層間絶縁層（１５）とを備えている。側面ヨーク層（１４）は、配線（１２）のエッジから下方に突出する角部（１４ａ）を含む。層間絶縁層（１５）は、基板（１）と概ね平行な上面を有し、且つ、上面において角部（１４ａ）の下端に接合する第１部分（１５ｂ）と、側面ヨーク層（１４）と自由強磁性層（９）の側面との間に介設された第２部分（１５ａ）とを含む。層間絶縁層（１５）の第１部分（１５ｂ）と第２部分（１５ａ）とは、一体に形成されている。即ち、層間絶縁層（１５）の第１部分（１５ｂ）と第２部分（１５ａ）とは、絶縁膜（２６）を形成する一の成膜工程と、その絶縁膜（２６）を加工する加工工程とによって形成される。このような構造は、側面ヨーク層（１４）を自己整合的に形成することを可能にし、側面ヨーク層（１４）の形状のばらつきを有効に抑制する。
【００１２】
当該ＭＲＡＭは、更に、第２部分（１５ａ）と自由強磁性層（９）との間に介設されたサイドウオール（１６）を備えていることが好適である。サイドウオール（１６）は、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）の突出長さと、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）と自由強磁性層（９）との距離の自由度を高める。
【００１３】
サイドウオール（１６）は、比透磁率が１０よりも大きい磁性体で形成されることが好適である。磁性体で形成されたサイドウオール（１６）は、自由強磁性層（９）に磁界を集中させ、書き込み電流を有効に低減する。
【００１４】
層間絶縁層（１５）とサイドウオール（１６）とは、層間絶縁層（１５）がサイドウオール（１６）に対して選択的にエッチング可能であるような材料で形成されていることが好適である。
【００１５】
本発明によるＭＲＡＭ製造方法は、
基板（１）の上方に、自由強磁性層（９）を形成する工程と、
基板（１）と概ね平行な上面を有する第１部分（１５ｂ）と、自由強磁性層（９）の側面に対向する第２部分（１５ａ）とを含む層間絶縁層（１５）を形成する工程と、
自由強磁性層（９）の上方に配線（１２）を形成する工程と、
配線（１２）の配線側面に接合する側面ヨーク層（１４）を形成する工程
とを備えている。側面ヨーク層（１４）は、配線（１２）のエッジから下方に突出する角部（１４ａ）を含む。角部（１４ａ）の下端は、第１部分（１５ｂ）に接合する。上述の構造を有する層間絶縁層（１５）は、側面ヨーク層（１４）を自己整合的に形成することを可能にする。
【００１６】
側面ヨーク層（１４）を自己整合的にを形成するためには、側面ヨーク層（１４）を形成する工程は、
層間絶縁層（１５）と配線（１２）とを被覆する磁性体膜（図示されない）を形成する工程と、
該磁性体膜を上方からエッチバックして側面ヨーク層（１４）を形成する工程とを含むことが好適である。
【００１７】
当該ＭＲＡＭ製造方法が、更に、自由強磁性層（９）の上にメタルキャップ層（１１）を形成する工程を備えている場合には、層間絶縁層（１５）を形成する工程は、
基板（１）とメタルキャップ層（１１）とを被覆する第１絶縁膜（２６）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）を被覆する第２絶縁膜（２７）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）と第２絶縁膜（２７）との一部を、メタルキャップ層（１１）の上面が露出するように除去する工程
とを含むことが好適である。この場合、第１絶縁膜（２６）の残存部が、層間絶縁層（１５）になる。
【００１８】
この場合、配線（１２）を形成する工程は、
メタルキャップ層（１１）の上面が露出された後、メタルキャップ層（１１）の上面と第２絶縁膜（２７）の上面との上に導電膜（図示されない）を形成する工程と、
該導電膜をエッチングして配線（１２）を形成する工程
とを含み、
当該ＭＲＡＭ製造方法は、更に、配線（１２）の形成の後、第２絶縁膜（２７）のうち配線（２７）に被覆されていない部分を除去して、層間絶縁膜（１５）の第１部分（１５ｂ）を露出する工程を備え、
側面ヨーク層（１４）を形成する工程は、
層間絶縁層（１５）と配線（１２）とを被覆する磁性体膜（図示されない）を形成する工程と、
該磁性体膜を上方からエッチバックして側面ヨーク層（１４）を形成する工程とを含むことが好ましい。
【００１９】
当該ＭＲＡＭ製造方法は、更に、
自由強磁性層（９）の側面と、層間絶縁層（１５）の第２部分（１５ａ）との間に、サイドウオール（１６）を形成する工程
を備えていることが好ましい。サイドウオール（１６）の形成は、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）の突出長さと、側面ヨーク層（１４）の角部（１４ａ）と自由強磁性層（９）との距離の自由度を高める。
【００２０】
サイドウオール（１６）を形成する工程は、
基板（１）と自由強磁性層（９）とを被覆する第３絶縁膜（図示されない）を形成する工程と、
該第３絶縁膜を上方からエッチバックしてサイドウオール（１６）を形成する工程
とを含むことが好適である。
【００２１】
当該ＭＲＡＭ製造方法が、更に、自由強磁性層（９）の上にメタルキャップ層（１１）を形成する工程を備えている場合、サイドウオール（１６）を形成する工程は、
基板（１）とメタルキャップ層（１１）とを被覆する第３絶縁膜を形成する工程と、
該第３絶縁膜をメタルキャップ層（１１）が露出されるように上方からエッチバックしてサイドウオール（１６）を形成する工程
とを含み、
層間絶縁層（１５）を形成する工程は、
基板（１）とサイドウオール（１６）とメタルキャップ層（１１）とを被覆する第１絶縁膜（２６）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）を被覆する第２絶縁膜（２７）を形成する工程と、
第１絶縁膜（２６）と第２絶縁膜（２７）との一部をエッチングして、サイドウオール（１６）の上端とメタルキャップ層（１１）の上面とが露出されるように除去する工程
とを含むことが好適である。この場合、第１絶縁膜（２６）の残存部が、層間絶縁層（１５）になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明によるＭＲＡＭの実施の形態を説明する。
【００２３】
本発明によるＭＲＡＭの実施の第１形態では、図１に示されているように、その表面部にトランジスタ（図示されない）が形成された基板１が、層間絶縁層２で被覆されている。層間絶縁層２には溝が設けられ、その溝には、ワード線３が埋め込まれている。図２に示されているように、ワード線３は、基板１の表面に平行なｘ軸方向に延伸するように設けられている。
【００２４】
図１に示されているように、ワード線３の底面及び側面は、ヨーク層４で被覆されている。ヨーク層４は、高い透磁率を有する磁気的にソフトな磁性材料、例えば、ＦｅＮｉで形成されている。ヨーク層４は、ワード線３の底面又は側面の一方のみを被覆するように形成されることも可能である。
【００２５】
層間絶縁層２及びワード線３は、層間絶縁層５で被覆され、その層間絶縁層５の上には、ＭＴＪ６が形成されている。層間絶縁層５には、層間絶縁層５を貫通する導電性のビア１０が設けられている。
【００２６】
ＭＴＪ６は、固定された磁化を有する固定強磁性層７と、絶縁体で形成されたトンネルバリア層８と、及び反転可能な磁化を有する自由強磁性層９とを含む。固定強磁性層７は、層間絶縁層５の上に形成されている。固定強磁性層７は、ビア１０を介して、ワード線３に電気的に接続されている。トンネルバリア層８は、固定強磁性層７の上に形成さている。トンネルバリア層８の厚さは、トンネル電流を流し得る程度に薄い。自由強磁性層９は、トンネルバリア層８の上に、固定強磁性層７の一部のみを被覆するように形成されている。自由強磁性層９は、ＭＴＪ６を保護するためのメタルキャップ層１１によって被覆されている。
【００２７】
自由強磁性層９の上方には、ビット線１２が設けられている。ビット線１２は、メタルキャップ層１１によって自由強磁性層９に電気的に接続されている。図２に示されているように、ビット線１２は、図２に示されているように、ワード線３は、基板１の表面に平行、且つ、ｘ軸方向に垂直なｙ軸方向に延伸するように設けられている。
【００２８】
ビット線１２の上面と側面とは、それぞれ、上面ヨーク層１３と側面ヨーク層１４とによって被覆されている。上面ヨーク層１３と側面ヨーク層１４とは、いずれも、導電体で、高い透磁率を有し、且つ、磁気的にソフトな磁性材料、例えば、ＦｅＮｉで形成されている。
【００２９】
側面ヨーク層１４は、その一部分がビット線１２の基板１の側のエッジから下方に突出し、自由強磁性層９の側面に対向するように設けられている。側面ヨーク層１４のエッジから突出する部分は、以下において、角部１４ａと呼ばれる。角部１４ａの存在は、ビット線１２が発生する磁界を、自由強磁性層９に効果的に集中させる。
【００３０】
側面ヨーク層１４は、層間絶縁層１５及びサイドウオール１６によって、固定強磁性層７及び自由強磁性層９から分離されている。層間絶縁層１５は、角部１４ａの側面に接合し、且つ、自由強磁性層９の側面に対向するように形成された垂直部分１５ａと、垂直部分１５ａの下端に接続し、且つ、固定強磁性層７を被覆する水平部分１５ｂとを含む。水平部分１５ｂの上面は、基板１に概ね平行である。側面ヨーク層１４は、角部１４ａの側面が垂直部分１５ａの側面に接触し、且つ、角部１４ａの下端が、水平部分１５ｂに接合するように形成されている。サイドウオール１６は、層間絶縁層１５の垂直部分１５ａと自由強磁性層９の側面との間に介設されている。サイドウオール１６は、典型的には、シリコン酸化膜、及びシリコン窒化膜で形成される。
【００３１】
ビット線１２が発生する磁界を、自由強磁性層９に効果的に集中させるためには、サイドウオール１６は、高い透磁率（具体的には、１０よりも大きい非透磁率）を有し、且つ、磁気的にソフトな磁性材料で形成されることが好適である。サイドウオール１６は、典型的には、Ｆｅ２Ｏ３を主成分とするフェリ磁性酸化物（ソフトフェライト）で形成される。フェリ磁性酸化物としては、１０００よりも大きい比透磁率μｓを有するＭｎＺｎフェライト、１００よりも大きい比透磁率を有するＣｕＺｎフェライト、及び１０よりも大きい比透磁率を有するＮｉＺｎフェライトが例示される。
【００３２】
サイドウオール１６は、絶縁体に、強磁性材料の超微粒子が分散された複合材料で形成され得る。典型的には、サイドウオール１６は、ＢａＳｒフェライトの超微粒子が、酸化シリコンに分散された複合材料で形成される。強磁性材料は、径が極めて小さい超微粒子に形成されると強磁性的な振る舞いを示さなくなり、透磁率が大きい常磁性体として振舞う。従って、このような複合材料は、透磁率が高く、且つ、強磁性を示さない。かかる複合材料によってサイドウオール１６が形成されることは、ビット線１２が発生する磁界を、自由強磁性層９に一層に効果的に集中させる点で好ましい。強磁性材料が、かかる振る舞いを示すようにするためには、超微粒子の径は、１〜５００ｎｍであることが好ましい。超微粒子の形状を制御し、さらに、配向を制御することにより、サイドウオール１６の透磁率を増加することが可能である。
【００３３】
図３は、角部１４ａを有する側面ヨーク層１４、及びサイドウオール１６が、磁場を自由強磁性層９に集中させる効果を示すために行われたシミュレーションの結果を示すグラフである。該シミュレーションでは、図４（ａ）〜（ｄ）にそれぞれ示されている構造Ａ乃至構造Ｄが採用されたときに自由強磁性層９に印加される磁界の強さが計算されている。図４（ａ）の構造は、本実施の形態のＭＲＡＭの構造に対応している。図４（ｂ）の構造は、サイドウオール１６がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜のような非磁性材料で形成される場合に対応している。図４（ｃ）の構造では、側面ヨーク層１４から角部１４ａが除かれている。図４（ｄ）の構造では、上面ヨーク層１３、及び側面ヨーク層１４が除かれている。図３の線５１、５２は、いずれも、図４（ａ）の構造についてのシミュレーションの結果を示している。線５１は、サイドウオール１６の比透磁率が２．５であり、線５２は、サイドウオール１６の比透磁率が２５００であるときのシミュレーションの結果を示している。図３の線５３、５４、５５は、それぞれ、図４（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の構造についてのシミュレーションの結果を示している。
【００３４】
シミュレーションは、下記の条件で行われている。ビット線１２のｚ軸方向の厚さ及びｘ軸方向の幅は、それぞれ０．４（μｍ）である。側面ヨーク層１４及びサイドウオール１６の厚さは、それぞれ、０．０５（μｍ）である。角部１４ａの突出長さｚ０は、０．１μｍである。ビット線１２の底面は、ｘｙ平面上にあり、且つ、原点Ｏは、ｘ軸方向においてビット線１２の中心である点に取られている。自由強磁性層９の上面は、ｚ＝０．１（μｍ）で規定される平面の上にある、即ち、ビット線１２と自由強磁性層９との距離は０．１（μｍ）である。０≦ｘ≦０．１４、ｚ＝０．１を満足する位置、即ち、自由強磁性層９の上面にあり、自由強磁性層９の中心からの距離が０以上０．１４（μｍ）以下である複数の位置における磁界の強さが算出されている。
【００３５】
図３の線５３と線５４とから理解されるように、側面ヨーク層１４に角部１４ａを設けることは、ビット線１２が発生する磁界を自由強磁性層９に有効に集中させる。更に、線５２から理解されるように、高い透磁率を有するサイドウオール１６の使用は、磁界を自由強磁性層９に一層に有効に集中させる。サイドウオール１６の透磁率が高いことは、自由強磁性層９への磁界の集中に有効である。サイドウオール１６の透磁率が２５００である場合には、図４（ａ）の構造は、図４（ｄ）の構造の８倍の磁界を自由強磁性層９に印加することを可能にする。
【００３６】
自由強磁性層９に磁界を効果的に集中する角部１４ａは、その形状のバラツキが小さいように形成されることが重要である。角部１４ａの形状のバラツキは、自由強磁性層９に印加される磁界のバラツキの原因となる。自由強磁性層９に印加される磁界のバラツキは、ＭＪＴ６の特性のバラツキの原因となる。ＭＪＴ６の特性のバラツキは、ＭＲＡＭの動作に好ましくない。
【００３７】
しかし、図１の構造の採用は、側面ヨーク層１４の角部１４ａの形状のバラツキが少なくなるように、側面ヨーク層１４を自己整合的に形成することを可能にする。角部１４ａがビット線１２のエッジから下方に突出する突出長さｘは、層間絶縁層１５の水平部分１５ｂの厚さによって自己整合的に決定され、従って、突出長さｘは、そのバラツキを容易に小さくすることできる。更に、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９の側面との距離は、層間絶縁層１５の垂直部分１５ａとサイドウオール１６との厚さによって自己整合的に決定され、従って、該距離は、そのバラツキを容易に小さくすることできる。図１の構造は、側面ヨーク層１４の角部１４ａの形状のバラツキを抑制するために効果的である。
【００３８】
図５から図９は、図１のＭＲＡＭの製造工程を示している。図５（ａ）に示されているように、基板１の上に層間絶縁層２が形成された後、層間絶縁層２に溝が設けられる。ＦｅＮｉのような磁性材料膜と、Ｃｕのような導電膜とが順次に全面に形成された後、それらの膜のうち溝の外部にある部分が除去される。この工程により、層間絶縁層２に設けられた溝の内部にワード線３及びヨーク層４が形成される。更に、層間絶縁層２及びワード線３が層間絶縁層５によって被覆される。
【００３９】
図５（ｂ）に示されているように、層間絶縁層５を貫通するビア１０が形成された後、固定強磁性層７になる磁性体積層膜２１、トンネルバリア層８になる絶縁膜２２、自由強磁性層９となる磁性体積層膜２３、及びメタルキャップ層１１となる金属膜２４が順次に形成される。
【００４０】
続いて、図６（ａ）に示されているように、金属膜２４の上にハードマスク２５が形成される。
【００４１】
続いて、絶縁膜２２、強磁性体積層膜２３、及び金属膜２４のうちハードマスク２５に被覆されていない部分がエッチングされて、図６（ｂ）に示されているように、トンネルバリア層８、自由強磁性層９、及びメタルキャップ層１１が形成される。更に、磁性体積層膜２１がパターニングされて固定強磁性層７が形成された後、ハードマスク２５が除去される。以上の工程により、ＭＴＪ６の形成が完了する。
【００４２】
続いて、図７（ａ）に示されているように、サイドウオール１６が、自由強磁性層９及びメタルキャップ層１１の側面に形成される。サイドウオール１６の形成は、ＭＯＳトランジスタのサイドウオールの形成と同様の構成で行われる。絶縁膜が全面に形成された後、自由強磁性層９及びメタルキャップ層１１の側面のみに該絶縁膜が残るように、該絶縁膜がエッチバックされる。該絶縁膜の残存した部分が、サイドウオール１６となる。
【００４３】
続いて、図７（ｂ）に示されているように、絶縁膜２６と絶縁膜２７とが全面に形成される。絶縁膜２６は、後述の工程によって層間絶縁層１５に加工される。絶縁膜２７は、自由強磁性層９及びメタルキャップ層１１よりも充分に厚く形成される。絶縁膜２７は、絶縁膜２６に対して選択的にエッチング可能な材料で形成される。絶縁膜２６がシリコン酸化膜で形成される場合、絶縁膜２７は、例えば、シリコン窒化膜又はアルミナで形成される。
【００４４】
上述のサイドウオール１６及び絶縁膜２６の厚さは、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０及び角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離が所望値になるように選ばれる。側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０は、自由強磁性層９、メタルキャップ層１１及び絶縁膜２６の厚さで決定され、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離は、サイドウオール１６の厚さと絶縁膜２６の厚さとで決定される。従って、サイドウオール１６及び絶縁膜２６の厚さを適切に選択することにより、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０及び角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離を所望値にすることができる。
【００４５】
更に、図８（ａ）に示されているように、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）によって絶縁膜２６及び絶縁膜２７の一部が除去され、メタルキャップ層１１の上面が露出される。このＣＭＰにより、絶縁膜２６のうちのメタルキャップ層１１の上面を被覆する部分が除去され、層間絶縁層１５が形成される。
【００４６】
絶縁膜２６及び絶縁膜２７の除去は、ＣＭＰの代わりにエッチバックによって行われ得る。この場合、絶縁膜２６及び絶縁膜２７は、サイドウオール１６に対して選択的にエッチング可能な材料で形成されることが好適である。サイドウオール１６がエッチングされないように絶縁膜２６及び絶縁膜２７をエッチングすることは、自由強磁性層９を保護する点で重要である。
【００４７】
続いて、図８（ｂ）に示されているように、ビット線１２となる金属膜と、上面ヨーク層１３となる磁性膜とが全面に順次に形成された後、該金属膜と該磁性体膜とがパターニングされ、ビット線１２と上面ヨーク層１３とが形成される。
【００４８】
この金属膜と磁性体膜とのエッチングに引き続いて絶縁膜２７がエッチングされ、絶縁膜２７のうちビット線１２に被覆されていない部分が除去される。絶縁膜２７は、層間絶縁層１５がエッチングされないように、選択的にエッチングされる。即ち、絶縁膜２７のエッチングは、層間絶縁層１５に対する選択比が高い条件で行われる。絶縁膜２７の残存部（図示されない）は、ビット線１２をワード線７から絶縁する層間絶縁膜になる。
【００４９】
続いて、図９に示されているように、磁性体膜が全面に形成された後、該磁性体膜が異方性エッチングによってエッチバックされ、側面ヨーク層１４が形成される。以上の工程により、図１のＭＲＡＭの製造が完了する。
【００５０】
上述の製造方法は、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離とのばらつきを抑制する上で有利である。側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０は、自由強磁性層９、メタルキャップ層１１及び層間絶縁層１５の厚さで決定され、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離は、層間絶縁層１５の厚さとサイドウオール１６の厚さとで決定される。従って、上述の製造方法では、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離との安定性は、自由強磁性層９、メタルキャップ層１１、層間絶縁層１５、及びサイドウオール１６の厚さの安定性に依存することになる。一般に、薄膜を、その厚みが所望値になるように安定的に形成することは、比較的に容易である。従って、上述の製造方法は、側面ヨーク１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、角部１４ａから自由強磁性層９の側面までの距離とを、より容易に安定化することができる。
【００５１】
本実施の形態において、図１０に示されているように、サイドウオール１６が形成されないことが可能である。この場合でも、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９との距離とは、層間絶縁層１５、自由強磁性層９、及びメタルキャップ層１１の膜厚で決定される。従って、層間絶縁層１５、自由強磁性層９、及びメタルキャップ層１１の膜厚を安定化することにより、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０のばらつきと、側面ヨーク層１４の角部１４ａから自由強磁性層９への距離のばらつきとを少なくすることができる。ただし、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０と、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９との距離の自由度を高めるためには、サイドウオール１６が形成されることが有効である。サイドウオール１６の挿入は、側面ヨーク層１４の角部１４ａの突出長さｚ０と独立に、側面ヨーク層１４の角部１４ａと自由強磁性層９との距離を定めることを可能にする。
【００５２】
【発明の効果】
本発明により、磁界を自由強磁性層に一層に集中させるような形状を有し、且つ、その形状のばらつきが少ないように形成可能であるヨークを備えたＭＲＡＭが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態を示す平面図である。
【図３】図３は、側面ヨーク部１４ａに設けられた角部１４ａと、高い透磁率を有するサイドウオール１６とが自由強磁性層９に磁界を集中させる効果を示すグラフである。
【図４】図４は、図３のグラフを作成するために行われたシミュレーションの対象の構造を示している。
【図５】図５は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図８】図８は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明によるＭＲＡＭの実施の一形態の製造方法を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明によるＭＲＡＭの実施の他の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１：基板
２：層間絶縁層
３：ワード線
４：ヨーク層
５：層間絶縁層
６：ＭＴＪ
７：固定強磁性層
８：トンネルバリア層
９：自由強磁性層
１０：ビア
１１：メタルキャップ層
１２：ビット線
１３：上面ヨーク層
１４：側面ヨーク層
１５：層間絶縁層
１６：サイドウオール
２１：磁性体積層膜
２２：絶縁膜
２３：磁性体積層膜
２４：金属膜
２５：ハードマスク
２６：絶縁膜
２７：絶縁膜
Claims (10)
- 基板と、
記憶データに応じた方向に向けられる磁化を有し、且つ、前記基板の上方に形成された自由強磁性層と、
前記自由強磁性層の上方に設けられ、前記磁化を反転させる磁界を発生する電流が流される配線と、
前記配線の配線側面に接合された側面ヨーク層と、
前記側面ヨーク層を、前記自由強磁性層から分離する層間絶縁層と、
サイドウオール
とを備え、
前記側面ヨーク層は、前記配線のエッジから下方に突出する角部を含み、
前記層間絶縁層は、
前記基板と概ね平行な上面を有し、且つ、前記上面において前記角部の下端に接合する第１部分と、
前記側面ヨーク層と前記自由強磁性層の側面との間に介設された第２部分
とを含み、
前記第１部分と前記第２部分とは、一体に形成され、
前記サイドウオールは、前記第２部分と前記自由強磁性層との間に介設された
ＭＲＡＭ。 - 請求項１に記載のＭＲＡＭにおいて、
前記サイドウオールは、比透磁率が１０よりも大きい磁性体で形成された
ＭＲＡＭ。 - 請求項１に記載のＭＲＡＭにおいて、
前記層間絶縁層と前記サイドウオールとは、前記層間絶縁層が前記サイドウオールに対して選択的にエッチングがなされる材料で形成されている
ＭＲＡＭ。 - 基板の上方に、自由強磁性層を形成する工程と、
前記基板と概ね平行な上面を有する第１部分と、前記自由強磁性層の側面に対向する第２部分とを含む層間絶縁層を形成する工程と、
前記自由強磁性層の上方に配線を形成する工程と、
前記配線の配線側面に接合する側面ヨーク層を形成する工程と、
前記自由強磁性層の前記側面と、前記層間絶縁層の前記第２部分との間に、サイドウオールを形成する工程
とを備え、
前記側面ヨーク層は、前記配線のエッジから下方に突出する角部を含み、
前記角部の下端は、前記第１部分に接合する
ＭＲＡＭ製造方法。 - 請求項４に記載のＭＲＡＭ製造方法において、
前記側面ヨーク層を形成する工程は、
前記層間絶縁層と前記サイドウオールと前記配線とを被覆する磁性体膜を形成する工程と、
前記磁性体膜を上方からエッチバックして前記側面ヨークを形成する工程
とを含む
ＭＲＡＭ製造方法。 - 請求項４に記載のＭＲＡＭ製造方法において、
更に、前記自由強磁性層の上にメタルキャップ層を形成する工程を備え、
前記層間絶縁層を形成する工程は、
前記基板と前記メタルキャップ層とを被覆する第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜を被覆する第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜との一部を、前記メタルキャップ層の上面が露出するように除去する工程
とを含み、
前記層間絶縁層は、前記第１絶縁膜の残存部である
ＭＲＡＭ製造方法。 - 請求項６に記載のＭＲＡＭ製造方法において、
前記配線を形成する工程は、
前記メタルキャップ層の上面が露出された後、前記メタルキャップ層の前記上面と前記第２絶縁膜の上面との上に導電膜を形成する工程と、
前記導電膜をエッチングして前記配線を形成する工程
とを含み、
当該ＭＲＡＭ製造方法は、更に、前記配線の形成の後、前記第２絶縁膜のうち前記配線に被覆されていない部分を除去して、前記層間絶縁層の前記第１部分を露出する工程を備え、
前記側面ヨーク層を形成する工程は、
前記層間絶縁層と前記配線とを被覆する磁性体膜を形成する工程と、
前記磁性体膜を上方からエッチバックして前記側面ヨークを形成する工程
とを含む
ＭＲＡＭ製造方法。 - 請求項４に記載のＭＲＡＭ製造方法において、
前記サイドウオールは、比透磁率が１０よりも大きい磁性体で形成された
ＭＲＡＭ製造方法。 - 請求項４に記載のＭＲＡＭ製造方法において、
前記サイドウオールを形成する工程は、
前記基板と前記自由強磁性層とを被覆する第３絶縁膜を形成する工程と、
前記第３絶縁膜を上方からエッチバックして前記サイドウオールを形成する工程
とを含む
ＭＲＡＭ製造方法。 - 請求項４に記載のＭＲＡＭ製造方法において、
更に、前記自由強磁性層の上にメタルキャップ層を形成する工程を備え、
前記サイドウオールを形成する工程は、
前記基板と前記メタルキャップ層とを被覆する第３絶縁膜を形成する工程と、
前記第３絶縁膜を前記メタルキャップ層が露出されるように上方からエッチバックして前記サイドウオールを形成する工程
とを含み、
前記層間絶縁層を形成する工程は、
前記基板と前記サイドウオールと前記メタルキャップ層とを被覆する第１絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜を被覆する第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜と前記第２絶縁膜との一部をエッチングして、前記サイドウオールの上端と前記メタルキャップ層の上面とが露出されるように除去する工程
とを含み、
前記層間絶縁層は、前記第１絶縁膜の残存部である
ＭＲＡＭ製造方法。
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