JP5019344B2 - 均一な厚さのトンネル膜を有するmtj層を含む磁気抵抗メモリ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
トランジスタTは、切り替え器の役割を果たすものであり、MTJ層Sには“0”または“1”のようなデータが記録される。
半導体基板10のゲート積層物12を挟んで向かい合う位置には、ソース領域14と、ドレイン領域16とが形成されており、ゲート積層物12と、半導体基板10に形成されたソース領域14と、ドレイン領域16とによりトランジスタTが構成されている。
半導体基板10上には、トランジスタTとフィールド酸化膜11とを覆う層間絶縁膜18が形成されている。
この層間絶縁膜18内のゲート積層物12の上側の領域であって、ゲート積層物12から所定距離離間した位置には、データライン20が、ゲート積層物12に対して平行に設けられている。
層間絶縁膜18上には、パッド導電層26が、導電性プラグ24の上面と接触させた状態で、データライン20の上側の位置まで及んで設けられている。
MTJ層Sとバッド導電層26との上面には、第2層間絶縁膜28が、MTJ層Sとパッド導電層26とを覆うように設けられている。
そして、この第2層間絶縁膜28内には、その底部においてMTJ層Sを露出するビアホール30が形成されており、第2層間絶縁膜28上に、ゲート積層物12及びデータライン20に対して直行するように設けられたビットライン32が、このビアホール30を介して、MTJ層Sと接続されている。
図2を参照して、従来のMRAMのMTJ層Sは、下部磁性膜(S1、S2、S3)と、トンネル膜S4と、上部磁性膜(S5、S6)とを含んで構成され、これらの膜は、パッド導電層26上に、順次積層されている。
下部磁性膜(S1、S2、S3)は、それぞれ、下部電極S1、ピニング磁性膜S2、そしてピンド磁性膜S3であり、トンネル膜S4は、アルミニウム酸化膜である。
アルミニウム酸化膜は、ピンド磁性膜S3上にアルミニウム(Al)膜を形成した後に、プラズマ酸化、紫外線酸化、自然酸化、またはオゾン酸化方法のうちの何れかの方法を利用した酸化により形成されるものである。
さらに、上部磁性膜(S5、S6)は、それぞれ、フリー強磁性膜S5とキャッピング膜S6である。
第一の問題点は、図2に示すように、下部電極S1を形成する過程において下部電極S1に生じたグレイン境界(grain boundary)34が、ピニング磁性膜S2とピンド磁性膜S3とを経てトンネル膜S4まで到達する。
その結果、トンネル膜S4の厚さが、グレイン境界34と接触する部分と接触しない部分とで異なってしまう。
図3に示すMRAMの場合、下部電極S1は、Ta/Ru電極であり、ピニング磁性膜S2は、IrMn膜であり、ピンド磁性膜S3は、SAF(Synthetic Artificial Ferromagnetic)膜である。そして、トンネル膜S4は、厚さが15Åのアルミニウム酸化膜であり、フリー強磁性膜S5はCoFe膜である。
ここで、トンネル膜S4にウィークポイントが存在すると、その部分に電流が集中してトンネル膜S4の絶縁破壊電圧(insulation breakdown voltage)を急激に低下させる。その結果、スイッチング均一度が減少し、セル抵抗やMRが減少してしまう。
図2には、便宜上、トンネル膜S4として、厚さが均一でかつ平坦なものが示されているが、実際のトンネル膜S4の場合、トンネル膜S4は、図4に示す模式図のように平坦でない。
すなわち、下部電極S1表面の形状が屈曲形状となると、この形状は、下部電極S1上に積層されたピニング磁性膜S2やピンド磁性膜S3に、そしてピンド磁性膜3の上に積層されるトンネル膜S4にそのまま転写される。
その結果、トンネル膜S4の形状は、下部電極S1表面の屈曲した形状と同一になる。
この図4において、参照符号tFは、トンネル膜S4上に積層されたフリー強磁性膜S5の厚さを、tSは、トンネル膜S4の厚さを、それぞれ示す。
さらに、参照符号HMは、フリー強磁性膜S5をスイッチング(切り替え)させる磁場(以下、スイッチング磁場)を、HNは、トンネル膜S4が屈曲していることに起因するニールカップリングにより発生する磁場であって、前記スイッチング磁場のシフトを生ずる磁場(以下、シフト磁場)である。
この前記スイッチング磁場HMのシフトの程度は、シフト磁場HNの大きさによって変化するものであり、ニールカップリングによるシフト磁場HNは、下記式(1)で表される。
このように従来のMTJ層の場合、トンネル膜S4の非平坦化によって、フリー強磁性膜S5内のシフト磁場HNが存在するようになる。これにより、フリー強磁性膜S5の保磁力(coercivity)が増加し、フリー強磁性膜S5をスイッチングさせるための磁場がシフト磁場HNほどシフトされる。
その結果、MTJ層に対してデータの記録/再生を行う過程で、エラーが発生する可能性が生じ、その結果、MTJ層に対して記録/再生したデータの信頼性が低くなるという問題があった。
さらに、本発明が解決しようとする他の技術的課題は前記MRAMの製造方法を提供することである。
この磁気抵抗メモリでは、前記MTJ層は、下部電極、下部磁性膜、屈曲なく均一な厚さを有するトンネル膜、及び上部磁性膜を含み、前記下部電極は、第1下部電極と非晶質の第2下部電極とから構成される。
この磁気抵抗メモリでは、前記MTJ層は、下部電極、平坦化膜、下部磁性膜、屈曲なく均一な厚さを有するトンネル膜、及び上部磁性膜を含んで構成される。
そして、前記非晶質金属化合物電極は、非晶質のRE−TM化合物電極であり、前記トンネル膜は、アルミニウム酸化膜(AlOX)、アルミニウムハフニウム酸化膜(AlXHf1-XOy)、MgO、YOx及びCaFxからなる群から選択された何れか一つであることが好ましい。
また、本発明は、一つのトランジスタとこれに連結された一つのMTJ層とでメモリセルが構成される磁気抵抗メモリの製造方法に関するものである。
この製造方法において、前記MTJ層は、前記トランジスタに連結されるパッド層上に第1下部電極と非晶質の第2下部電極とを順次形成する段階と、前記第2下部電極上に下部磁性膜を形成する段階と、前記下部磁性膜上に屈曲なく均一な厚さのトンネル膜を形成する段階と、前記トンネル膜上に上部磁性膜を形成する段階と、前記パッド層上に積層された物質膜をエッチングして所定形態にパターニングする段階とを経て形成される。
本発明は、また前記他の技術的課題を達成するために、一つのトランジスタとこれに連結された一つのMTJ層とでメモリセルが構成されるMRAMの製造方法において、前記MTJ層は、前記トランジスタに連結されるパッド層上に下部電極を形成する段階と、前記下部電極上に平坦化膜を形成する段階と、前記平坦化膜上に下部磁性膜を形成する段階と、前記下部磁性膜上に屈曲なく均一な厚さのトンネル膜を形成する段階と、前記トンネル膜上に上部磁性膜を形成する段階と、前記パッド層上に積層された物質膜を逆順にエッチングして所定形態にパターニングする段階と、を経て形成することを特徴とするMRAMの製造方法を提供する。
ここで、導電性パッド層40は、スイッチング手段であるMOSFET(図示せず)のソースと連結されている。
下部電極42aは、このほかに、例えばチタンナイトライド(TiN)電極や、チタン/チタンナイトライド(Ti/TiN)電極などの金属化合物電極を採用することでも実現可能である。なお、この場合、金属化合物の表面は平坦化されていることが望ましい。
この平坦化膜42bにより、下部電極42aの表面に存在する屈曲が、平坦化膜42bの表面に近づくに従って徐々に緩和され、平坦化膜42bの表面では、屈曲が存在せずに平坦な平面となる。
これにより、平坦化膜42bの上に、ピニング強磁性膜42cそしてピンド強磁性膜42dの順番で積層されたこれらの膜の表面も平坦になる。
表面が平坦なピンド強磁性膜42d上に形成されるため、トンネル膜42eも屈曲なしに平坦になり、厚さも均一になる。
平坦化膜42bは、非晶質金属、または非晶質金属化合物からなる膜であり、一例として、CoZrNb膜(以下、CZN膜)などが挙げられるが、CoTb膜、CoFeTb膜、CoZr膜などの非晶質のRE−TM化合物からなる膜であってもよい。
なお、このトンネル膜42eは、酸化アルミニウム(AlOX)、酸化アルミニウムハフニウム(AlXHf1-XOy)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化イットリウム(YOx)、またはフッ化カルシウム(CaFx)などから構成される膜である。
そして、ピニング強磁性膜42cとピンド強磁性膜42dとを一つの下部磁性膜とすることもでき、さらに、フリー強磁性膜42fとキャッピング膜42gとを一つの上部磁性膜とすることもできる。
図7では、MTJ層の下部電極がTa/Ru膜であり、ピニング強磁性膜がIrMn膜であり、ピンド強磁性膜がSAF膜である従来のMRAMの抵抗特性(以下、従来の抵抗特性)が、−■−で示してある。
そして、MTJ層の下部電極がTa/Ru膜であり、平坦化膜がCZN膜であり、ピニング強磁性膜がIrMn膜であり、ピンド強磁性膜がSAF膜である本発明のMRAMの抵抗特性(以下、本発明の第1抵抗特性)が、−●−で示してある。
そして、MTJ層の下部電極がTa膜であり、平坦化膜がCZN膜(14Å)であり、ピニング強磁性膜がIrMn膜であり、ピンド強磁性膜がSAF膜である本発明のMRAMの抵抗特性(以下、本発明の第3抵抗特性)が−▲−で示してある。
図8から明らかなように、MR特性もまた、従来のMRAMのMR特性(図中、−■−で示す)よりも、本発明のMRAMのMR特性(図中、−●−、−▲−、−▼−で示す)の方がはるかに優れていることが判る。
すなわち、MR特性の値は、従来のMRAMのMRよりも本発明のMRAMのMRの方が、はるかに大きいことが分かる。
そして、MTJ層の下部電極がTa/Ru膜であり、平坦化膜がCZN膜であり、ピニング強磁性膜がIrMn膜であり、ピンド強磁性膜がSAF膜である本発明のMRAMのMR特性が、−●−で示してある。
さらに、MTJ層の下部電極がTa膜であり、平坦化膜がCZN膜(38Å)であり、ピニング強磁性膜がIrMn膜であり、ピンド強磁性膜がSAF膜である本発明のMRAMのMR特性が、−▼−で示してある。
そして、MTJ層の下部電極がTa膜であり、平坦化膜がCZN膜(14Å)であり、ピニング強磁性膜がIrMn膜であり、ピンド強磁性膜がSAF膜である本発明のMRAMのMR特性が−▲−で示してある。
図9において、参照符号BE1は、下部電極がTa/Ruで構成された従来のMRAMの絶縁破壊電圧(以下、従来の絶縁破壊電圧)を示し、BE2は、下部電極がTa/Ru/CZN(14Å)で構成された本発明のMRAMの絶縁破壊電圧(以下、第1絶縁破壊電圧)を示す。そして、参照符号BE3は、下部電極がTa/CZN(14Å)で構成された本発明のMRAMの絶縁破壊電圧(以下、第2絶縁破壊電圧)を示す。また、参照符号BE4は、下部電極がTa/CZN(38Å)で構成された本発明のMRAMの絶縁破壊電圧(以下、第3絶縁破壊電圧)を示す。
そして、本発明の第2絶縁破壊電圧BE3は、1.4Vよりはるかに高い1.7V〜1.8Vであり、本発明の第3絶縁破壊電圧BE4は、1.5V〜1.8Vであることが判る。
このように、本発明のMRAMの絶縁破壊電圧は、従来のMRAMの絶縁破壊電圧より高い。
そして、図12は、下部電極が平坦化されたTiNとCZNで構成された本発明のMRAM間の抵抗偏差(以下、第2抵抗偏差)を示す。
しかし、従来の抵抗(66.56)に比べて、前記第2抵抗偏差と関連した抵抗(217.57)がはるかに大きいために、両者の標準偏差を単純に比較するよりも、表1の第4列の項目に表したような、標準偏差と抵抗との比で、両者の比較を行うことが好ましい。
したがって、以下の説明において、基板に本発明のMTJ層と連結されるMOSFETを形成する過程に関する説明は省略し、前記MOSFETと連結される導電性パッド層上に本発明のMTJ層を形成する過程から説明する。
続いて、下部電極42aの上に、平坦化膜42bを所定厚さで形成する。平坦化膜42bは下部電極の一部としても使用されるものである。この場合、下部電極42aは第1下部電極と、平坦化膜42bは第2下部電極となる。
平坦化膜42bは、グレインサイズが小さい。したがって、下部電極42a上に平坦化膜42bを形成する過程で、下部電極42aのグレイン境界が下部電極42aの上側に位置する層におよぶことが防止される。
さらに続いて、平坦化膜42bの上に、下部磁性膜を構成するピニング強磁性膜42cとピンド強磁性膜42dとを順次形成する。
ピニング強磁性膜42cは、例えばIrMnからなる磁性膜である。そして、ピンド強磁性膜42dは、SAF膜である。
また、ピニング強磁性膜42cとピンド強磁性膜42dからなる下部磁性膜は、IrMn膜、CoFe膜、Ru膜、CoFe膜を順次に積層して形成することも可能である。
この際、平坦化膜42bの存在により、下部電極42aの表面の屈曲が上側に転写されないだけでなく、下部電極42aに存在するグレイン境界も下部電極42aの上側に侵入しない。
したがって、トンネル膜42eはトンネル膜42eが形成される全領域で屈曲とウィークポイントがなく均一な厚さに形成できる。トンネル膜42eは、アルミニウム酸化膜(AlOX)で形成できるが、アルミニウムハフニウム酸化膜(AlXHf1-XOy)、MgO、YOxまたはCaFxで形成してもよい。
フリー強磁性膜42fは、鉄(Fe)を含む化合物膜、例えばCoFe膜またはCoFe膜とNiFe膜からなる二重膜で形成できる。
そして、キャッピング膜42gは、ルテニウム(Ru)膜で形成できるが、他の金属膜または金属化合物膜で形成しても良い。
続いて、キャッピング膜42gの上に第1感光膜PR1を形成する。第1感光膜PR1は本発明のMTJ層が形成される領域を限定する。第1感光膜PR1をエッチングマスクとして使ってキャッピング膜42gの露出された部分をエッチングする。
エッチングは、導電性パッド層40が露出するまで実施する。
第1感光膜PR1はアッシングとストリップして除去する。その後に洗浄及び乾燥工程を行う。これにより、図14に示したように、導電性パッド層40上に本発明のMTJ層42が形成される。
図15を参照して、導電性パッド層40の上に下部電極60を形成する。下部電極60は金属化合物電極、例えばTiN電極で形成できる。次いで、下部電極60の表面を平坦化する。この時、下部電極60の表面は化学機械的研磨方法で平坦化することが望ましいが、他の平坦化方法を使用してもよい。
42a 下部電極(シード膜)
42b 平坦化膜
42c ピニング強磁性膜
42d ピンド強磁性膜
42e トンネル膜
42f フリー強磁性膜
42g キャッピング膜
Claims (6)
- 一つのトランジスタとこれに連結された一つのMTJ層とでメモリセルが構成される磁気抵抗メモリにおいて、
前記MTJ層は、下部電極、下部磁性膜、屈曲なく均一な厚さを有するトンネル膜、及び上部磁性膜を含み、
前記下部電極は、第1下部電極と非晶質の第2下部電極とからなり、前記第1下部電極はシード膜であり、前記第2下部電極は前記シード膜の表面屈曲が前記シード膜上に形成される物質膜へ転写されることを防止する平坦化膜であり、
前記第2下部電極は、非晶質のCoZrNb電極であることを特徴とする磁気抵抗メモリ。 - 前記第1下部電極は、金属電極と表面が平坦化された金属化合物電極とのうちの一方であることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗メモリ。
- 前記トンネル膜は、アルミニウム酸化膜(AlOX)、アルミニウムハフニウム酸化膜(AlXHf1-XOy)、MgO、YOx及びCaFxからなる群から選択された何れか一つであることを特徴とする請求項1に記載の磁気抵抗メモリ。
- 一つのトランジスタとこれに連結された一つのMTJ層とでメモリセルが構成される磁気抵抗メモリの製造方法において、
前記MTJ層は、
前記トランジスタに連結されるパッド層上に第1下部電極と非晶質の第2下部電極とを順次形成する段階と、
前記第2下部電極上に下部磁性膜を形成する段階と、
前記下部磁性膜上に屈曲なく均一な厚さのトンネル膜を形成する段階と、
前記トンネル膜上に上部磁性膜を形成する段階と、
前記パッド層上に積層された物質膜をエッチングして所定形態にパターニングする段階と、を経て形成され、前記第1下部電極はシード膜であり、前記第2下部電極は前記シード膜の表面屈曲が前記シード膜上に形成される物質膜へ転写されることを防止する平坦化膜であり、
前記第2下部電極は、非晶質のCoZrNb電極であることを特徴とする磁気抵抗メモリの製造方法。 - 前記トンネル膜は、アルミニウム酸化膜(AlOX)、アルミニウムハフニウム酸化膜(AlXHf1-XOy)、MgO、YOx及びCaFxからなる群から選択された何れか一つで形成されることを特徴とする請求項4に記載の磁気抵抗メモリの製造方法。
- 前記第2下部電極の形成前に、前記第1下部電極の表面を平坦化する段階を含むことを特徴とする請求項4に記載の磁気抵抗メモリの製造方法。
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