JP5051411B2 - Semiconductor integrated circuit - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路に関し、特に磁性素子を含有する磁気半導体集積回路に関する。 The present invention relates to a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a magnetic semiconductor integrated circuit containing a magnetic element.
磁気トンネル接合(MTJ:magnetic tunnel junction)を記憶素子とする磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)は、不揮発記録、高速動作、および書き換え耐性に優れ、従来型の揮発メモリを代替して、またロジック混載用途でも使用可能であるとして期待が高い。 Magnetic Random Access Memory (MRAM) using magnetic tunnel junction (MTJ) as a memory element is excellent in non-volatile recording, high-speed operation, and rewrite resistance. But expectation is high as being usable.
図1は、磁気ランダム・アクセス・メモリ(MRAM:Magnetic random Access Memory)に用いられる一般的なMTJ素子の構造を示している。図1を参照して、MTJ素子の下部層111は、導体101と下部磁性層を備えている。下部磁性層は、反強磁性層102、第1強磁性層103、結合層104、第2強磁性層105を備えている。MTJの下部磁性層は、導体101およびスルーホール106を介して基板に形成された回路に接続されている。反強磁性層102は、一般的に厚さ10〜20nm程度のIrMn層、PtMn層などが用いられる。結合層104には、例えば厚さ1nm程度のRu層が用いられ、第1強磁性層103と第2強磁性層105には、厚さ3nm程度のCoFe層、CoFeB層などが一般的に用いられる。結合層104は、交換相互作用により第1強磁性層103と第2強磁性層105の磁化を互いに逆方向に結合する。第1強磁性層103と第2強磁性層105、および結合層104は、合わせて固定層(ピンド層)と呼ばれる。固定層の磁化方向は、反強磁性層102により固定され、通常動作において、MTJ素子に印加される磁場では、固定層の磁化方向は変化しない。
FIG. 1 shows a structure of a general MTJ element used for a magnetic random access memory (MRAM). Referring to FIG. 1, the
MTJ素子は、上部磁性層108を備えている。上部磁性層108には、例えば2〜5nmの厚さのNiFe層、CoFe層、CoFeB層などが用いられる。図1に示される素子は、この後の工程で、層間絶縁膜で覆われ、上部磁性層108上にコンタクトが形成され、上部配線が形成される。MTJ素子の場合、上部配線を流れる電流により外部磁場が生成される。外部磁場が無い場合には、上部磁性層108の磁化方向が、第2強磁性層105の磁化方向と、平行あるいは反平行のうちのいずれかの向きを取ることができるように、上部磁性層108の形状異方性、結晶異方性等が調整されている。上部磁性層108の磁化方向は、記録されるべきデータの"1"または"0"に応じて変化させることが可能である。そのため、上部磁性層108は自由層または記録層とも呼ばれている。このように、第2強磁性層105の磁化方向を基準として、上部磁性層108の相対的な磁化の向きにより、情報は記録され、保持される。
The MTJ element includes an upper
第2強磁性層105と上部磁性層108の間には、薄いトンネルバリヤ層107が形成され、トンネル接合を形成している。上部電極108の相対的な磁化の向きにより、記録された情報は、上部電極108、トンネルバリヤ層107、第2強磁性層105と、素子の垂直方向の抵抗値の変化に基づいて読み出すことが可能である。第2強磁性層105と上部電極108の磁化が反平行の時には、抵抗値は大きく、第2強磁性層105と上部電極108の磁化が平行の時には抵抗値は小さい。したがって、情報を記録している上部電極108の相対的な磁化の向きは、抵抗値を調べることで判定することが可能であり、それぞれの抵抗値が、データの"1"または"0"に対応付けられる。上部電極108の面積および幅は、それぞれ、MTJ素子の抵抗、反転磁場に影響し、MTJ素子の読み出し特性、書き込み特性を決める重要なパラメータである。
A thin
図1は、下部電極111を例えば酸化シリコンのハードマスクを用いて、加工した後の断面構造を示している。下部電極111中の反強磁性層102の材料としてIr、Ptなどの貴金属が用いられることが多い。周知のようにIr、Ptなどの貴金属は、ハロゲン化物の蒸気圧が低く、加工の際に完全に揮発させることが困難である。
FIG. 1 shows a cross-sectional structure after the
MTJ素子のトンネルバリヤ層107は、1nm程度と非常に薄い。上部電極108がパターニングされる際には、加工終了の制御を正確に行う必要がある。仮に、上部電極108が形成される際に第2強磁性層105まで深く加工されてしまうと、第2強磁性層の加工時の再付着物が下部電極111の側面とトンネルバリヤ層107の側面に付着し、上部電極108と第2強磁性層105を短絡してしまう。結果として、MTJ素子としての機能が失われる。
The
また、トンネルバリヤ層107の側面での上部電極108と第2強磁性層105の短絡を防ぐために、上部電極108は、平面形状において、一般的に下部電極111より小さく形成されれば、下部電極111の加工時に上部磁性層108の側部は露出せず、再付着物によるトンネル素子内での短絡を防ぐことができる。しかしながら、上部磁性層108の側部が露出していないとしても、再付着物110により、下部磁性層111と上部配線とが短絡を起こしてしまうことがある。結果として、MTJ素子としての機能が失われる。
Further, in order to prevent a short circuit between the
また、データの書き込み動作において、上部配線を流れる電流により上部磁性層108に発生される磁界の強度は、上部配線と上部磁性層108の距離に依存する。すなわち、データ書き込み時の低消費電力化のためには、層間絶縁膜を薄くして、上部配線をなるべく上部磁性層108に近づける必要がある。しかしながら、金属の再付着物110が下部電極111の側面に堆積している状況では、再付着物110が短絡経路となり、層間絶縁膜の薄層化は困難である。
In the data write operation, the strength of the magnetic field generated in the upper
上述のように、上下に磁性層を有する素子を用いる半導体集積回路、特にMTJなどのトンネル接合素子を有する半導体集積回路の製造歩留まりを確保するためには、上部磁性層108よりも大きい平面形状を持つように下部磁性層111を設計することが必要である。また、このような素子を用いてメモリを構成する場合、メモリセルを2次元アレイ状に配置する際には、使用される露光装置の解像度に応じた間隔で、下部磁性層111を平面的に配置することが必要である。図2は、従来技術を用いて2個の素子が配置されたときの状態を示す平面図である。図2に示されるように、半導体集積回路上で、素子密度を決定付けるのは下部磁性層111のパターン密度となっている。使用される露光装置のアライメント精度により、下部磁性層111に対する上部磁性層108の大きさが決定され、また、露光装置のパターン解像度により下部磁性層111間の距離が決められる。
As described above, in order to secure the manufacturing yield of a semiconductor integrated circuit using elements having magnetic layers above and below, particularly a semiconductor integrated circuit having tunnel junction elements such as MTJ, a planar shape larger than that of the upper
磁性層加工時のパタン変換差を無視すると、下部磁性層111の大きさは、
(下部磁性層の大きさ)=(上部磁性層の大きさ)+2×(アライメント精度) (1)
で決定され、また、アレイ配置時における下部磁性層のピッチは、
(下部磁性層ピッチ)
=(下部磁性層の大きさ)+(露光装置解像度)
=(上部磁性層の大きさ)+2×(アライメント精度)+(露光装置解像度)(2)
で決定される。
If the pattern conversion difference at the time of processing the magnetic layer is ignored, the size of the lower
(Size of lower magnetic layer) = (Size of upper magnetic layer) + 2 × (Alignment accuracy) (1)
The pitch of the lower magnetic layer when the array is arranged is
(Lower magnetic layer pitch)
= (Size of lower magnetic layer) + (Exposure device resolution)
= (Size of upper magnetic layer) + 2 x (alignment accuracy) + (exposure device resolution) (2)
Determined by
上記説明と関連して、半導体装置の製造方法が特開平9−270497号公報に開示されている。この従来例によれば、誘電体膜が、半導体基板上に形成されたキャパシタの下部磁性層となる第1導電体膜上に形成され、第2導電体膜が誘電体膜上に形成される。第2導電体膜は前記キャパシタの上部磁性層形状に加工される。上部磁性層形状に加工された第2導電体膜をマスクにして誘電体膜がエッチングされる。第1絶縁膜は、誘電体膜及び第2導電体膜の側面を覆うように形成される。 In connection with the above description, a method for manufacturing a semiconductor device is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-270497. According to this conventional example, the dielectric film is formed on the first conductor film that becomes the lower magnetic layer of the capacitor formed on the semiconductor substrate, and the second conductor film is formed on the dielectric film. . The second conductor film is processed into the shape of the upper magnetic layer of the capacitor. The dielectric film is etched using the second conductor film processed into the shape of the upper magnetic layer as a mask. The first insulating film is formed so as to cover the side surfaces of the dielectric film and the second conductor film.
また、容量の製造方法が特開2001−36024号公報に開示されている。この従来例では、下部磁性層、誘電体層、上部磁性層が基板上に順次形成される。上部磁性層上にエッチングマスクが形成される。エッチングマスクをマスクとして用いて第1エッチングにより誘電体層が所定の厚さまでエッチングされる。エッチングされた層の側面に選択的に絶縁層が形成される。エッチングマスクおよび絶縁膜をマスクとして用いて下部磁性層まで第2エッチングが行われる。 Further, a method for manufacturing a capacitor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-36024. In this conventional example, a lower magnetic layer, a dielectric layer, and an upper magnetic layer are sequentially formed on a substrate. An etching mask is formed on the upper magnetic layer. The dielectric layer is etched to a predetermined thickness by the first etching using the etching mask as a mask. An insulating layer is selectively formed on the side surface of the etched layer. The second etching is performed up to the lower magnetic layer using the etching mask and the insulating film as a mask.
また、磁気トンネル接合素子が特開2003−174215号公報に開示されている。この従来例では、基板を覆う絶縁膜の上に、下から順に第1導電材層、反強磁性層、第1強磁性層、トンネルバリア層、第2強磁性層及び第2導電材層が形成される。その後、第1強磁性層(又は反強磁性層)から第2導電材層までの積層に選択エッチングが実行され、分離溝を形成し、溝38で分離された磁気トンネル接合部を得る。第1の導電材層及び反強磁性層の積層(又は第1導電材層の単層)に絶縁膜からなるハードマスクを選択マスクとする選択エッチング処理を施して分離溝を形成し、磁気トンネル接合部に対応したTMR素子を得る。各TMR素子において、トンネルバリア層の端部を絶縁材で覆うことにより、電気的な短絡やリーク等を防止している。
本発明の課題は、再付着物の堆積が抑制され、短絡不良が防止できる半導体集積回路を提供することである。
本発明の他の課題は、素子歩留まりを確保しつつ、露光装置のアライメント精度とパターン解像度を超えた素子密度を有する半導体集積回路を提供することである。
An object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit in which deposition of redeposits is suppressed and a short circuit failure can be prevented.
Another object of the present invention is to provide a semiconductor integrated circuit having an element density exceeding the alignment accuracy and pattern resolution of an exposure apparatus while ensuring the element yield.
以下に、[発明を実施するための最良の形態]で使用する番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、[特許請求の範囲]の記載と発明を実施するための最良の形態の記載との対応関係を明らかにするために付加されたものであるが、[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。 Hereinafter, means for solving the problem will be described using the numbers and symbols used in [Best Mode for Carrying Out the Invention]. These numbers and symbols are added to clarify the correspondence between the description of [Claims] and the description of the best mode for carrying out the invention. ] Should not be used for interpretation of the technical scope of the invention described in the above.
本発明の観点では、半導体集積回路は、基板(301)の直接的あるいは間接的に上部に形成された、2端子素子の下部層(306)と、前記下部層(306)より小さい平面形状を有するように前記下部層(306)の上部に形成された前記2端子素子の上部層(308)と、前記下部層(306)と前記上部層(308)との間に形成された前記2端子素子の中間層(307)と、前記上部層(308)を覆うように形成され、上端部に傾斜部を有する絶縁層(309,310,311)とを備えている。前記絶縁層(309,310,311)の平面形状と前記下部層(306)と前記中間層(307)の平面形状は同一である。
また、前記絶縁層(309,310,311)は、前記中間層(307)を介して前記上部層(308)を覆う第1絶縁膜(309)と、前記上部層(308)の少なくとも一部に対応する前記第1絶縁膜(309)の上に形成された第2絶縁膜(310)と、前記第1絶縁膜(309)上で前記第2絶縁膜(310)の周囲に形成され、前記上端部に傾斜部を有する第3絶縁膜(311)とを具備してもよい。前記第3絶縁層の前記傾斜部の傾斜角は、前記基板法線に関する角度が20度から70度の範囲にあることが好ましい。
また、前記絶縁層(309,310)は、前記中間層(307)を介して前記上部層(308)を覆う第1絶縁膜(309)と、前記上部層(308)の少なくとも一部に対応する前記第1絶縁膜(309)の上に形成され、前記上端部に傾斜部を有する第2絶縁膜(310)とを具備してもよい。前記第2絶縁層の前記傾斜部の傾斜角は、前記基板法線に関する角度が20度から70度の範囲にあることが好ましい。
以上の半導体集積回路において、前記下部層(306)は、Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Mnの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層を含んでもよい。それらは一般的に難エッチング性を有し、エッチング時に再付着しやすいが、本発明により再付着を軽減し、短絡不良を防止することができる。
前記下部層(306)、前記中間層(307)、前記上部層(308)は、TMR素子を構成し、前記中間層(307)はトンネルバリア層でありってもよい。前記下部層(306)は、Ni、Fe、Coの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層を用いた多層膜であってもよい。また、前記上部層(308)は、Ni,Fe、Coの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層が含まれてもよい。前記トンネルバリア層は、AlまたはMgのうちから選択されたものの酸化物層または窒化物層である。
本発明の他の観点では、半導体集積回路の製造方法は、基板(301)の直接的あるいは間接的に上部に2端子素子の下部層(306)を形成し、前記下部層(306)の上に前記2端子素子の中間層(307)を形成し、前記中間層(307)上に前記2端子素子の上部層(308)を形成し、前記上部層を所望の形状にパターニングし、前記上部層(308)を覆うように、また上端部に傾斜部を有するように絶縁層(309,310,311)を形成し、前記絶縁層(309,310,311)の平面形状と前記下部層(306)と前記中間層(307)の平面形状が同一となるように、前記絶縁層をマスクとして前記中間層(307)と前記下部層(306)をパターニングすることにより達成される。
ここで、前記絶縁層(309,310,311)を形成するステップは、前記上部層(308)を覆うように前記中間層(307)上に第1絶縁膜(309)を形成し、前記上部層(308)の少なくとも一部に対応するように前記第1絶縁膜(309)の上に第2絶縁膜(310)を形成し、前記第1絶縁膜(309)と前記第2絶縁膜(310)の上に第3絶縁膜(311)を堆積し、前記第3絶縁膜をエッチバックして、前記第1絶縁膜(309)上に前記第2絶縁膜(310)の周囲に絶縁傾斜部(311)を形成することにより達成されてもよい。このとき、前記絶縁傾斜部(311)の傾斜角は、前記基板法線に関する角度が20度から70度の範囲にあることが好ましい。
前記下部層(306)、前記中間層(307)、前記上部層(308)は、TMR素子を構成し、前記中間層(307)はトンネルバリア層であってもよい。
このとき、前記下部層は多層膜であり、前記下部層(306)を形成するステップは、Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Mnの群から選択される1つ以上の元素を含む層を形成するステップをそなえていてもよい。また、前記下部層(306)を形成するステップは、Ni、Fe、Coの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層を形成するステップを備えていてもよい。
また、前記上部層(308)を形成するステップは、Ni、Fe、Coの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層を形成するステップを備えていてもよい。
前記トンネルバリアは、AlまたはMgのうちから選択されたものの酸化物層または窒化物層であることが好ましい。
In an aspect of the present invention, the semiconductor integrated circuit has a lower layer (306) of a two-terminal element formed directly or indirectly on the substrate (301) and a planar shape smaller than the lower layer (306). The two terminals formed between the upper layer (308) of the two-terminal element formed on the lower layer (306) and the lower layer (306) and the upper layer (308). An intermediate layer (307) of the element and an insulating layer (309, 310, 311) formed so as to cover the upper layer (308) and having an inclined portion at the upper end portion are provided. The planar shape of the insulating layers (309, 310, 311) and the planar shape of the lower layer (306) and the intermediate layer (307) are the same.
The insulating layer (309, 310, 311) includes a first insulating film (309) covering the upper layer (308) via the intermediate layer (307) and at least a part of the upper layer (308). A second insulating film (310) formed on the first insulating film (309) corresponding to the first insulating film (309), and around the second insulating film (310) on the first insulating film (309), You may comprise the 3rd insulating film (311) which has an inclination part in the said upper end part. The inclination angle of the inclined portion of the third insulating layer is preferably in the range of 20 degrees to 70 degrees with respect to the substrate normal.
The insulating layers (309, 310) correspond to a first insulating film (309) covering the upper layer (308) through the intermediate layer (307) and at least a part of the upper layer (308). And a second insulating film (310) formed on the first insulating film (309) and having an inclined portion at the upper end. The inclination angle of the inclined portion of the second insulating layer is preferably in the range of 20 degrees to 70 degrees with respect to the substrate normal.
In the above semiconductor integrated circuit, the lower layer (306) may include a metal layer containing one or more elements selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Rh, Pd, and Mn. They generally have poor etching properties and are easily reattached during etching, but the present invention can reduce reattachment and prevent short circuit failure.
The lower layer (306), the intermediate layer (307), and the upper layer (308) may constitute a TMR element, and the intermediate layer (307) may be a tunnel barrier layer. The lower layer (306) may be a multilayer film using a metal layer containing one or more elements selected from the group consisting of Ni, Fe, and Co. The upper layer (308) may include a metal layer including one or more elements selected from the group of Ni, Fe, and Co. The tunnel barrier layer is an oxide layer or a nitride layer selected from Al or Mg.
In another aspect of the present invention, a method of manufacturing a semiconductor integrated circuit includes: forming a lower layer (306) of a two-terminal element directly or indirectly on a substrate (301); Forming an intermediate layer (307) of the two-terminal element, forming an upper layer (308) of the two-terminal element on the intermediate layer (307), patterning the upper layer into a desired shape, and An insulating layer (309, 310, 311) is formed so as to cover the layer (308) and have an inclined portion at the upper end, and the planar shape of the insulating layer (309, 310, 311) and the lower layer ( 306) and the intermediate layer (307) are formed by patterning the intermediate layer (307) and the lower layer (306) using the insulating layer as a mask so that the planar shapes thereof are the same.
Here, in the step of forming the insulating layer (309, 310, 311), a first insulating film (309) is formed on the intermediate layer (307) so as to cover the upper layer (308), and the upper portion is formed. A second insulating film (310) is formed on the first insulating film (309) so as to correspond to at least part of the layer (308), and the first insulating film (309) and the second insulating film ( 310), a third insulating film (311) is deposited, the third insulating film is etched back, and an insulating gradient is formed around the second insulating film (310) on the first insulating film (309). It may be achieved by forming part (311). At this time, the inclination angle of the insulating inclined portion (311) is preferably in the range of 20 degrees to 70 degrees with respect to the substrate normal.
The lower layer (306), the intermediate layer (307), and the upper layer (308) may constitute a TMR element, and the intermediate layer (307) may be a tunnel barrier layer.
At this time, the lower layer is a multilayer film, and the step of forming the lower layer (306) includes a layer containing one or more elements selected from the group of Pt, Ir, Ru, Rh, Pd, and Mn. You may have the step to form. In addition, the step of forming the lower layer (306) may include the step of forming a metal layer containing one or more elements selected from the group of Ni, Fe, and Co.
The step of forming the upper layer (308) may include the step of forming a metal layer containing one or more elements selected from the group consisting of Ni, Fe, and Co.
The tunnel barrier is preferably an oxide layer or a nitride layer selected from Al or Mg.
本発明によれば、加工時の再付着物の堆積を抑制し、層間絶縁膜の信頼性を確保しつつ、層間絶縁膜の薄層化を行うことを目的とする。本発明をMRAMに適用した場合には、層間絶縁膜の薄層化により電流磁界効率が向上し、消費電力の小さいMRAMを提供できる。また、本発明によれば、既存の製造設備での高密度化が可能であるので、より低コストな半導体集積回路の提供が可能となる。 According to the present invention, it is an object to reduce the thickness of an interlayer insulating film while suppressing the accumulation of redeposits during processing and ensuring the reliability of the interlayer insulating film. When the present invention is applied to an MRAM, the current magnetic field efficiency is improved by thinning the interlayer insulating film, and an MRAM with low power consumption can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to increase the density in existing manufacturing equipment, so that it is possible to provide a lower cost semiconductor integrated circuit.
以下に、本発明の半導体集積回路、特に磁気半導体集積回路について添付図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a semiconductor integrated circuit of the present invention, particularly a magnetic semiconductor integrated circuit, will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[第1実施形態]
図3は、本発明の第1実施形態による磁気半導体集積回路の断面構造を示している。トランジスタ、多数の配線などを備える回路(図示せず)が半導体基板301に形成されている。そのような基板301上に、第1配線層302(302−1、302−2)が形成されている。配線層302は絶縁層303で埋め込まれている。絶縁層303の上には、素子305が配置されている。素子305が例えば2端子磁気トンネル接合(MTJ:magnetic tunnel junction)素子の場合、素子305は、下部磁性層306、上部磁性層308、及びそれらの間に配置された中間層としての薄い絶縁層307を備えている。下部磁性層306と上部磁性層308は、それぞれ、磁性元素を含む多層膜である。例えば上記のような構成の素子305の下部磁性層306は、コンタクト304を介して第1配線層302と接続されている。さらに、第1配線層302は、基板上の適当な位置において、基板301に形成されたトランジスタ、多数の配線などからなる回路と接続されている。
[First Embodiment]
FIG. 3 shows a cross-sectional structure of the magnetic semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention. A circuit (not shown) including a transistor, a large number of wirings, and the like is formed over the
具体的には、MTJ素子の下部磁性層306は、下層から、50nm厚のTa層、20nm厚のPtMn層、3nm厚のCoFe層、1nm厚のRu層、3nm厚のCoFe層の多層膜として形成されている。強磁性体としてはCoFeの代わりにCoFeBなど、Fe、Co、Niなどから選択される1種類以上の元素を含む磁性金属、磁性合金を用いることも可能である。また、反強磁性体としては、PtMnの代わりに、IrMn、FeMnなどの他の反強磁性体を用いることも可能である。MTJ素子における上部磁性層308は、具体的には、下層から、5nm厚のNiFe層、5nm厚のTa層、50nm厚のTiN層などの多層膜として形成される。磁性体としてNiFeの代わりにCoFe、CoFeBなど、Fe、Co、Niなどから選択される1種類以上の元素を含む磁性金属、磁性合金を用いることも可能である。また、上部磁性層308は、複数の磁性層を有する多層膜であっても、本発明において本質的な差異は生じない。また、Ta層は、磁性金属の酸化防止、拡散防止のための層であり、目的に合致するならば、他の材料への置き換えは可能である。TiN層は、上部磁性層308を加工形成する際の加工マスクとコンタクト313を加工形成する際のエッチングストッパ層の役割を担っており、目的に合致するならば、他の材料への置き換えは可能である。
Specifically, the lower
図3に示される断面図では、素子305は、さらに、上表面を覆う薄い保護絶縁層309を有している。この保護絶縁層309は、製造工程においてプラズマダメージ、化学的ダメージから素子305を保護するためのもので、例えば30nm厚のSiN層などが用いられる。下部磁性層306の平面の内側の領域で保護絶縁層309上に絶縁層310が形成されている。さらに、同じく保護絶縁層309上で、この絶縁層310の平面上の周囲を取り囲むように絶縁層311が形成されている。絶縁層311の上端部は、緩やかな曲部を有している。絶縁層310と絶縁層311は、下部磁性層306を加工する際の加工マスクとして用いられる。すなわち、絶縁層310と絶縁層311を足し合わせた平面形状が、下部磁性層306に対応する平面形状となっている。
In the cross-sectional view shown in FIG. 3, the
図3に示されるように、素子305は、さらに例えばSiO2からなる絶縁層312で埋め込まれている。絶縁層312上には配線314が形成されている。保護層309、絶縁層310、絶縁層312を貫通して上部磁性層308と配線314を接続するように、コンタクト313が形成されている。
As shown in FIG. 3, the
本発明の第1実施形態による磁気半導体集積回路のMTJ素子では、従来例と同様に、下部磁性層306は、難エッチング材料であるPtを含んでいる。したがって、従来例と同様に、再付着物315が、下部磁性層306の周囲に堆積している。しかしながら、本発明における、下部磁性層306の加工のためのマスクの周辺にあたる絶縁層311の上端部には、緩やかな曲部が形成されているので、この部分には、再付着物315は成長しない。したがって、従来例より再付着物の高さが低く、絶縁層312の厚さを薄くしても、下部磁性層306と配線314の絶縁性は充分に保たれ、素子歩留まりは低下しない。
In the MTJ element of the magnetic semiconductor integrated circuit according to the first embodiment of the present invention, the lower
図4は、SiO2のエッチング速度の、基板法線に対するArイオンの入射角依存性を示している。物理的なエッチングが主体である場合には、図4に示されるように、平坦面や垂直面よりも傾斜面でのエッチング速度が増大している。この傾斜角は、好ましくは、20度から70度の範囲であり、より好ましくは20度から50度の範囲である。本発明の第1実施形態における下部磁性層306は、難エッチング材料であるPtを含んでいるので、加工の際には、物理的なエッチングが支配的となる。したがって、マスクの周辺部に緩やかな曲部が傾斜面として形成され、あるいは、特定の傾斜角を持つ傾斜面が形成されると、その部分でのエッチング速度が増大し、再付着物315の成長は阻害され、下部磁性層306と配線314の間の短絡を防ぐことができる。ここで重要なのは、下部磁性層306の加工のためのマスクの周辺部に平坦面や垂直面でない、曲面部が存在していることである。その点では、絶縁層311の上端部が特定の角度を持つ傾斜面を有していても効果は同様である。これは、下部磁性層306の加のための工マスクの端部に、平面でも垂直でもない特定の角度を設け、相対的なイオンの入射角を変化させることで、パターン端部の加工速度を増大させ、再付着物の成長を阻害するという原理に基づいている。
FIG. 4 shows the dependence of the etching rate of SiO 2 on the incident angle of Ar ions with respect to the substrate normal. When physical etching is mainly used, as shown in FIG. 4, the etching rate on the inclined surface is higher than that on the flat surface or the vertical surface. This inclination angle is preferably in the range of 20 degrees to 70 degrees, and more preferably in the range of 20 degrees to 50 degrees. Since the lower
次に、図5の平面図を用いて本発明の効果を説明する。一般的なフォトリソグラフィーとドライエッチング技術による半導体集積回路の製造工程では、通常、フォトリソグラフィーの解像度に比べて、エッチングの最小加工寸法の方が小さい。ここで、
2×LSW = (リソグラフィー解像度)−(最小加工寸法) (3)
と定義する。本発明の半導体集積回路のように、素子中で下部磁性層306、上部磁性層308の2つの磁性層を用い、上部磁性層308に対して下部磁性層306を平面サイズで大きく作る場合には、使用される露光装置のアライメント精度に応じて決定されるオーバーラップ量を用いて上部磁性層308に対する下部磁性層306の大きさが設計される。これは、従来技術と同様である。しかし、ここでは、式(1)のLSWを用いてオーバーラップ量を、
(オーバーラップ量)= (アライメント精度)−LSW (4)
と決定する。したがって、下部磁性層の大きさは、
(下部磁性層の設計サイズ)=(上部磁性層の大きさ)+2×(オーバーラップ量)
=(上部磁性層の大きさ)+2×(アライメント精度)
−2×LSW (5)
と決定される。フォトマスク上では、下部磁性層306は式(5)の大きさで設計され、光学的な制約を受けるのは、式(5)のサイズの下部磁性層306のマスクパターンである。したって、メモリセルのアレイの配置時における下部磁性層306のピッチは、
(下部磁性層ピッチ)=(下部磁性層の設計サイズ)+(露光装置解像度)
=(上部磁性層の大きさ)+2×(アライメント精度)
−2×LSW+(露光装置解像度) (6)
で決定される。式(2)の従来例の下部磁性層ピッチと比較して、2×LSWだけ小さくすることができることが分かる。また、このLSWの大きさは、図3に示される本発明の断面図において、絶縁層311の大きさに他ならない。
Next, the effect of the present invention will be described with reference to the plan view of FIG. In the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit by general photolithography and dry etching techniques, the minimum processing dimension of etching is usually smaller than the resolution of photolithography. here,
2 × LSW = (lithographic resolution) − (minimum processing dimension) (3)
It is defined as When two magnetic layers of the lower
(Overlap amount) = (Alignment accuracy) −LSW (4)
And decide. Therefore, the size of the lower magnetic layer is
(Design size of lower magnetic layer) = (Size of upper magnetic layer) + 2 × (overlap amount)
= (Size of upper magnetic layer) + 2 x (alignment accuracy)
-2 x LSW (5)
Is determined. On the photomask, the lower
(Lower magnetic layer pitch) = (design size of lower magnetic layer) + (exposure device resolution)
= (Size of upper magnetic layer) + 2 x (alignment accuracy)
-2 x LSW + (exposure device resolution) (6)
Determined by It can be seen that the pitch can be reduced by 2 × LSW as compared with the lower magnetic layer pitch of the conventional example of Formula (2). The size of the LSW is nothing but the size of the insulating
以上のように、本発明によれば、加工時の再付着物の堆積を抑制し、層間絶縁膜の信頼性の低下を防止し、層間絶縁膜を薄層化することができる。同時に、素子密度を向上させることが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to suppress deposition of redeposits during processing, prevent a decrease in reliability of the interlayer insulating film, and reduce the thickness of the interlayer insulating film. At the same time, the element density can be improved.
また、下部磁性層306を加工する際には、マスクの端部に、基板表面に平行でも垂直でもない、角度を有する傾斜面が設けられ、相対的なイオンの入射角が変更される。こうして、パターン端部の加工速度を増大させ、再付着物315の成長を阻害することが重要であることは、前述の通りである。その点においては、絶縁層311を用いずに、絶縁層310の周辺部に、緩やかな曲部、あるいは、特定の角度を持つ傾斜面が形成され、その絶縁層310をマスクとして用いて下部磁性層306を加工しても同様の効果が達成される。この方法は、製造工程数をより少なくすることが可能であるが、前述したLSWを活用する素子の高密度化は不可能である。したがって、下部磁性層306のピッチは、従来例と同様に式(2)で規定され、リソグラフィーの解像度とアライメント精度がそのまま反映される。
Further, when the lower
次に、本発明の第1実施形態によるMTJ素子を用いる磁気半導体集積回路の製造方法を、図6Aから6Hを参照して説明する。図6Aから6Hの各図はMTJ素子の断面図と平面図を示している。平面図には2つのメモリセルが示されている。 Next, a method for manufacturing a magnetic semiconductor integrated circuit using the MTJ element according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6A to 6H. 6A to 6H show a cross-sectional view and a plan view of the MTJ element. In the plan view, two memory cells are shown.
まず、図6Aに示されるように、トランジスタ、多数の配線などからなる回路が形成された基板301上に、配線層302(302−1,302−2)が形成され、配線層302は絶縁層303で埋め込まれている。配線層302の上には、絶縁層303を貫通するように、コンタクト304が形成されている。このコンタクトに接触するように、絶縁層303上には、下部磁性層306とトンネルバリヤ膜307が順番に成膜されている。下部磁性層膜306は、下層から、50nm厚のTa層、20nm厚のPtMn層、3nm厚のCoFe層、1nm厚のRu層、3nm厚のCoFe層のような多層膜として形成される。強磁性体としてはCoFeの代わりに、CoFeBなど、Fe、Co、Niなどから選択される1種類以上の元素を含む磁性金属、磁性合金を用いることも可能である。また、反強磁性体としては、PtMnの代わりに、IrMn、FeMnなどの他の反強磁性体を用いることも可能である。トンネルバリヤ膜307は、厚さが0.5nmから3nm程度の膜厚を有し、Al、Mg、SiHf、Ta,Ca、Zrなどの酸化物、窒化物、酸窒化物、フッ化物の膜、あるいはそれらの複合膜などで形成されている。さらに、上部磁性層308が形成される。上部磁性層308は、下層から、5nm厚のNiFe層、5nm厚のTa層、50nm厚のTiN層などの多層膜として形成される。磁性体としてNiFeの代わりに、CoFe、CoFeBなど、Fe、Co、Niなどから選択される1種類以上の元素を含む磁性金属、磁性合金を用いることも可能である。また、Ta層は、磁性金属の酸化防止、拡散防止のための層であり、目的に合致するならば、他の材料への置き換えは可能である。TiN層は、上部磁性層308を加工する際のマスクとコンタクト313を形成する際のエッチング停止層の役割を担っている。目的に合致するならば、他の材料への置き換えが可能である。図6Aでは、上部磁性層膜308はすでに、MTJ素子の上部磁性層の形状にパターニングされている。
First, as shown in FIG. 6A, a wiring layer 302 (302-1, 302-2) is formed on a
次に、図6Bに示されるように、ウェハ全面を覆うように、薄い保護絶縁層309および絶縁層310が成膜される。この保護絶縁層309は、製造工程におけるプラズマダメージ、化学的ダメージから素子を保護するためのもので、例えば30nm厚の窒化シリコン層などが用いられる。絶縁層310は、下部磁性層膜306および、トンネルバリヤ膜307を所望の素子形状に加工する際の、加工マスクとして用いられる層であり、例えば、100nm厚の酸化シリコン層などが用いられる。
Next, as shown in FIG. 6B, a thin protective
図6Cに示されるように、下部磁性層膜306とトンネルバリヤ膜307を所望の素子形状に加工するために、一般的なフォトリソグラフィー工程による、レジストパターン316形成の様子を示している。図6Cに示されるように、形成されたレジストパターン316は、リソグラフィーの解像度の間隔で配置され、大きさは、式(5)で規定されている。また、レジストパターン316は、上部磁性層膜308に対してアライメントされているが、図6Cでは、露光装置のアライメント精度に依存する合わせずれが生じている状態を示している。
As shown in FIG. 6C, the resist
次に、図6Dに示されるように、絶縁層310は、レジストパターン316の形状に加工される。加工には、F系のガスを用いた反応性イオンエッチング法を用いるのが一般的である。薄い保護絶縁層309は、この加工でのエッチングストッパとして利用される。この加工の後、レジストパターン316は、例えば、酸素プラズマを用いて、除去される。このとき、保護絶縁層309は、酸素プラズマのダメージから素子を保護する役目を担っている。
Next, as illustrated in FIG. 6D, the insulating
次に、図6Eに示されるように、全面に絶縁層311として、例えばCVD法で、窒化シリコンが成膜される。絶縁層311は、引き続き、例えばF系のガスを用いた反応性イオンエッチング法で全面エッチバックされる。
Next, as shown in FIG. 6E, silicon nitride is formed as an insulating
その結果、絶縁層311は、図6Fに示されるように、絶縁層310の平面の周囲のみに残される。このとき、絶縁層310の周囲のみに残される絶縁層311の大きさLSWは、式(3)で決められる。したがって、式(3)で決められたLSWになるように、絶縁層311の成膜厚さ、エッチバック加工条件などのプロセス条件は予め決められている。窒化シリコン311の大きさLSWを得るためには、絶縁層310の厚さ調整などが必要な場合もある。図6Fにおいて、第2絶縁層310とその周囲に形成された絶縁層311は、次工程での下部磁性層306を加工する際の加工マスクとして使用される。式(3)で決められたLSW、および式(5)で決められた下部磁性層の設計サイズを用いて、適切なパターン設計をすることで、上部磁性層308と、下部磁性層306のアライメントずれは、実効的に解消されている。また、この絶縁層311のように、エッチバック法で形成されたサイドウォールでは、一般的に上端部にゆるやかな曲率もつ。
As a result, the insulating
次に、図6Gに示されるように、絶縁層310とその周囲に形成された絶縁層311を加工マスクとして用い、例えばArミリング法で保護絶縁層309と下部磁性層306が加工される。この加工で素子は分離され、図6Gでは2つのMTJ素子305が形成される。下部磁性層306は、Pt、Ru、あるいはIrなどの難エッチング材料を含むので、素子305の周囲には、加工時の再付着物315が形成されている。しかしながら、絶縁層311の部分では、上端部にゆるやかな曲率を持つため、再付着物が成長しにくい。このメカニズムは前述したとおりである。
次に、図6Hに示されるように、素子305はさらに例えば酸化シリコンからなる絶縁層312で埋め込まれ、上部磁性層308上には、保護層309、絶縁層310、絶縁層312を貫通するようにコンタクト313が形成される。こうして、配線314と上部磁性層308は、コンタクト313を介して接続される。
Next, as shown in FIG. 6G, the protective insulating
Next, as shown in FIG. 6H, the
本発明の製造方法によれば、下部磁性層306の加工マスクの周辺にあたる絶縁層311の上端部には、緩やかな曲部を有している。このため、この部分には、再付着物315は成長しない。したがって、従来例における再付着物よりも高さが低く、絶縁層312の厚さを薄くしたとしても、下部磁性層306と配線314の絶縁性は充分に保たれ、素子歩留まりは劣化しない。また、絶縁層311の大きさLSWを利用して、下部磁性層の設計寸法316はあらかじめ小さく設計することが可能となり、従来例と比較して、素子ピッチを2×LSW分小さくすることが可能となる。
According to the manufacturing method of the present invention, the upper end portion of the insulating
また、下部磁性層306と配線314の絶縁性のみに注目した場合、絶縁層311の形成は必ずしも必須ではない。絶縁性の向上のメカニズムは第1実施形態で述べた通りである。この場合には、絶縁層311を形成する代わりに、絶縁層310の周囲領域の上面に傾斜あるいは、曲面を設ける工程を用いることになる。このときでも、下部磁性層306と配線314の絶縁信頼性は確保される。
When attention is paid only to the insulation between the lower
101,301:基板
102:反強磁性層
103,105:強磁性層
104:結合層
106:コンタクト
107:トンネルバリア層
108:磁性層
109:絶縁層
302、314:配線
303:絶縁層
304,313:コンタクト
305:素子(MTJ素子)
306:下部磁性層
307:絶縁層
308:上部磁性層
309:保護絶縁膜
310,311:絶縁膜
312:層間絶縁膜
101, 301: substrate 102:
306: Lower magnetic layer 307: Insulating layer 308: Upper magnetic layer 309:
Claims (7)
前記下部層より小さい平面形状を有するように前記下部層の上部に形成された前記MTJ素子の上部層と、
前記下部層と前記上部層との間に形成された前記MTJ素子の中間層と、
前記上部層を覆うように形成され、上端部に傾斜部を有する絶縁層と
を備え、
前記絶縁層の平面形状と前記下部層と前記中間層の平面形状は同一であり、
前記絶縁層は、前記中間層上で前記上部層を覆う第1絶縁膜と、前記上部層の少なくとも一部に対応する前記第1絶縁膜の上に形成され、前記上端部に傾斜部を有する第2絶縁膜とを備える
半導体集積回路。 A lower layer of the MTJ element formed directly or indirectly on the substrate;
And an upper layer before Symbol MTJ element formed on top of the lower layer so as to have a smaller plane shape than the lower layer,
An intermediate layer before Symbol MTJ element formed between the upper layer and the lower layer,
An insulating layer formed so as to cover the upper layer and having an inclined portion at the upper end;
The planar shape of the insulating layer and the planar shape of the lower layer and the intermediate layer are the same,
The insulating layer is formed on the first insulating film covering the upper layer on the intermediate layer and the first insulating film corresponding to at least a part of the upper layer, and has an inclined portion at the upper end. A semiconductor integrated circuit comprising a second insulating film.
前記第2絶縁膜は、
前記上部層の少なくとも一部に対応する前記第1絶縁膜の上に形成された第3絶縁膜と、
前記第1絶縁膜上で前記第3絶縁膜の周囲に形成され、前記上端部に傾斜部を有する第4絶縁膜と
を具備する
半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit according to claim 1,
It said second insulation Enmaku is
A third insulating film formed on the first insulating film corresponding to at least a part of the upper layer;
A semiconductor integrated circuit comprising: a fourth insulating film formed on the first insulating film and around the third insulating film and having an inclined portion at the upper end.
前記第4絶縁膜の前記傾斜部の傾斜角は、前記基板法線に関する角度が20度から70度の範囲にある
半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit according to claim 2,
The inclination angle of the inclined portion of the fourth insulation Enmaku a semiconductor integrated circuit which angle about the substrate normal is in the range of 70 degrees from 20 degrees.
前記下部層は、Pt、Ir、Ru、Rh、Pd、Mnの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層を具備する
半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit according to any one of claims 1 to 3,
The lower layer includes a metal layer including one or more elements selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Rh, Pd, and Mn. A semiconductor integrated circuit.
前記中間層はトンネルバリア層であり、
前記下部層は、Ni、Fe、Coの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層を用いた多層膜である
半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit according to any one of claims 1 to 4 ,
Before Symbol intermediate layer is a tunnel barrier layer,
The lower layer is a multilayer film using a metal layer containing one or more elements selected from the group of Ni, Fe, and Co. Semiconductor integrated circuit.
前記上部層は、Ni,Fe、Coの群から選択される1つ以上の元素を含む金属層が含まれる
半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit according to claim 5,
The upper layer includes a metal layer containing one or more elements selected from the group of Ni, Fe, and Co. Semiconductor integrated circuit.
前記トンネルバリア層は、AlまたはMgのうちから選択されたものの酸化物層または窒化物層である
半導体集積回路。 The semiconductor integrated circuit according to claim 5 or 6,
The tunnel barrier layer is an oxide layer or a nitride layer selected from Al or Mg. Semiconductor integrated circuit.
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