JP5710743B2

JP5710743B2 - 磁気トンネル接合記憶素子の製造

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Publication number: JP5710743B2
Application number: JP2013502677A
Authority: JP
Inventors: ウェイ−チュアン・チェン; スン・エイチ・カン
Original assignee: クアルコム，インコーポレイテッド
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2013524515A; WO2011123357A1; TWI514638B; KR20130007638A; BR112012023755A2; TW201143180A; US8981502B2; US20110235217A1; EP2553742A1; CN102823008A; KR101390382B1

Description

開示される実施形態は、スピン注入トルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルにおいて使用可能な磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子、およびそれを製造する方法に関する。

磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、磁性素子を用いる非揮発性のメモリ技術である。たとえば、スピン注入トルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、薄膜（スピンフィルタ）を通るとスピン偏極した状態になる電子を用いる。ＳＴＴ−ＭＲＡＭは、スピン注入トルクＲＡＭ（ＳＴＴ−ＲＡＭ）、スピントルク注入磁化反転ＲＡＭ（Ｓｐｉｎ−ＲＡＭ）、およびスピン運動量注入ＲＡＭ（ＳＭＴ−ＲＡＭ）としても知られる。

図１は、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭビットセル１００を示す。ＳＴＴ−ＭＲＡＭビットセル１００は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子１０５、トランジスタ１０１、ビット線１０２、およびワード線１０３を含む。ＭＴＪ記憶素子は、たとえば、少なくとも２つの強磁性層（ピンド層およびフリー層）から形成され、強磁性層の各々は、磁場または磁気極性を有してもよく、薄い非磁性の絶縁層（トンネルバリア）により分離される。強磁性層に印加されるバイアス電圧の下でのトンネル効果により、２つの強磁性層からの電子は、トンネルバリアを貫通することができる。フリー層の磁気極性は、ピンド層およびフリー層の極性が、実質的に揃うか反対になるかのいずれかとなるように、反転され得る。ＭＴＪを通る電気的な経路の抵抗は、ピンド層およびフリー層の極性の一致度に応じて変化する。この抵抗の変動は、ビットセル１００を設定し読み取るのに用いられ得る。ＳＴＴ−ＭＲＡＭビットセル１００は、ソース線１０４、センス増幅器１０８、読取り／書込み回路１０６、およびビット線参照１０７も含む。メモリセル１００の動作および構成は単なる例として与えられることが、当業者には理解されよう。

図２Ａ〜Ｃを参照すると、従来のＭＴＪ記憶素子は一般に、まず下部固定層をまずパターニングするステップ、単一のダマシンを形成するステップ、トンネルバリア／フリー層／上部電極の積層を堆積するステップ、化学機械研磨（ＣＭＰ）ステップを実行することによって、形成される。さらなる詳細が、たとえば、全体が参照により本明細書に組み込まれる、非特許文献１において与えられる。

たとえば、図３に示されるように、従来のＭＴＪ記憶素子は一般に、Ｓｉ基板のような下部電極３０２の上に形成される。１つまたは複数のシード層（図示せず）が、下部電極３０２の上に形成され得る。まず、反磁性（ＡＦＭ）層３０４が下部電極３０２の上に形成され、次いで、第１の強磁性層がＡＦＭ層の上に形成される。第１の強磁性層は、一定の磁化により「ピン止め」され、ピンド層を形成する。ピンド層は、下部ピンド層３０６、ルテニウムのような非磁性の金属で通常形成されるカップリング層３０８、および上部ピンド層３１０などの、１つまたは複数の層を含み得る。トンネルバリア層３１２が、ピンド層の上に、金属酸化物のような絶縁体で形成される。フリー層３１４が、トンネルバリア３１２の上に直接、第２の強磁性層で形成される。上部電極またはハードマスク層３１６（たとえば、タンタル）が、フリー層３１４の上に形成される。

次に、ＭＴＪ積層体３００に、真空中での磁気アニーリングプロセスが施される。そして、リソグラフィ技術を用いて、パターンがＭＴＪ積層体に適用される。フォトレジスト（図３には示されない）が、ハードマスク層３１６の上に形成される。パターニングされるセルサイズは、最終的なサイズよりも大きくてよい。前述の層の各々は、１つまたは複数の層もしくは膜からなっていてもよい。

次に、ＭＴＪ積層体３００が、反応性イオンエッチングのようなエッチングプロセスを用いて、エッチングされる。エッチングプロセスは、フォトレジストのサイズのトリミング、ハードマスク３１６のパターニング、フォトレジストの除去、フリー層３１４のエッチング、バリア層３１２のエッチング、ピンド層３０６、３０８、および３１０のエッチング、ならびに、ピンニング層ＡＦＭ３０４のエッチングを含む。次に、ＭＴＪ記憶素子および層間誘電体（ＩＬＤ）絶縁層３１８を保護するために、パッシベーション層が堆積される。ＭＴＪを保護し、ＭＴＪとＩＬＤの接着を促すために、低い堆積温度とともに、組合せの積層が必要になり得る。最後に、平坦化およびメタライゼーションが実行される。

ＭＴＪ積層体３００は、エッチングの副産物の再堆積により、エッチングプロセスの間に損傷を受けやすい。フォトレジストの除去に関係するステップは、酸素灰化のようなプロセスを含み得る。酸素灰化は、フォトレジスト除去プロセスの間に、ハードマスク層３１６に損傷を引き起こし得る。酸素灰化はまた、フリー層３１４の側壁の上側部分３２０に損傷を引き起こし得る。上で説明されたように、エッチングプロセスは、ＭＴＪ積層体３００の上部のハードマスク層３１６のエッチングから、積層の下部のピンド層のエッチングに向かって進む。エッチングプロセスがＭＴＪ積層体のより深くに進むに従って、損傷が、フリー層３１４の側壁３２２に引き起こされ得る。エッチングプロセスが積層のさらに下部に進むに従って、バリア層３１２の側壁の上側部分３２４および下側部分３２６も、影響を受け得る。

エッチングの副産物の一部は導電性であることがあるので、そのようなエッチングの副産物の再堆積によるＭＴＪの側壁への損傷は、漏洩経路となることがあり、それにより、ＭＴＪの磁気抵抗（ＭＲ）率が下がる。そのようなプロセスに関連する損傷は、非常に低い歩留まりをもたらし得る。製造プロセスの間に引き起こされる損傷からＭＴＪを保護する技術に対する、需要がある。

米国特許出願公開第２００８／０２１１０５５号明細書

Ｍ．Ｈｏｓｏｍｉ他、ＡＮｏｖｅｌＮｏｎｖｏｌａｔｉｌｅＭｅｍｏｒｙｗｉｔｈＳｐｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＴｏｒｑｕｅＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＭａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎＳｗｉｔｃｈｉｎｇ：Ｓｐｉｎ−ＲＡＭ、ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆＩＥＤＭｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（２００５）

本発明の例示的な実施形態は、ＭＴＪ記憶デバイスを形成するための方法と、その方法により形成されるデバイスとを対象とする。ＭＴＪ記憶素子は、スピン注入トルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルおよび様々な他の電子デバイスに含まれ得る。

たとえば、例示的な実施形態は、フリー層、バリア層、およびピンド層を有する、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子を形成する方法を含んでもよく、この方法は、フリー層の上に調整層を形成するステップと、調整層の上に上部電極を形成するステップと、上部電極をパターニングしてエッチングするステップと、上部電極をマスクとして利用して、調整層およびフリー層をエッチングするステップと、調整層と、フリー層と、上部電極の少なくとも一部とを、スペーサ層により封入するステップと、ＭＴＪのバリア層およびピンド層をエッチングするステップと、スペーサ層、バリア層、およびピンド層を覆って保護被覆層を堆積するステップとを、含む。

別の実施形態は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子を含んでもよく、ＭＴＪ記憶素子は、フリー層、バリア層、およびピンド層を含むＭＴＪ積層体と、フリー層の上に形成される調整層と、調整層の上に形成される上部電極と、上部電極の少なくとも一部、調整層、およびフリー層を封入するスペーサ層と、スペーサ層およびＭＴＪ積層体の上に形成される保護被覆層とを、含む。

別の実施形態は、フリー層、バリア層、およびピンド層を有する、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子を形成する方法を含んでもよく、この方法は、フリー層の上に調整層を形成するためのステップと、調整層の上に上部電極を形成するためのステップと、上部電極をパターニングしてエッチングするためのステップと、上部電極をマスクとして利用して、調整層およびフリー層をエッチングするためのステップと、調整層と、フリー層と、上部電極の少なくとも一部とを、スペーサ層により封入するためのステップと、ＭＴＪのバリア層およびピンド層をエッチングするためのステップと、スペーサ層、バリア層、およびピンド層を覆って保護被覆層を堆積するためのステップとを、含む。

別の実施形態の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子は、ＭＴＪ積層体を含み、ＭＴＪ積層体は、第１の極性を保持する第１の磁気手段と、トンネル電流が流れることを可能にする第１の絶縁手段と、第２の極性を保持する第２の磁気手段であって、第２の極性が反転可能である、第２の磁気手段と、第２の磁気手段の側壁部分および上側部分を、プロセスに関連する損傷から保護する第１の保護手段であって、第２の磁気手段の側壁部分および上側部分に沿って配置される、第１の保護手段と、第１の磁気手段および第１の絶縁手段を、プロセスに関連する損傷から保護する第２の保護手段であって、第１の磁気手段および第１の絶縁手段と接触する、第２の保護手段とを、含む。

添付の図面は、本発明の実施形態の説明を補助するために提示され、実施形態の限定ではなく、実施形態の例示のためのみに提供されるものである。

従来のスピン注入トルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）セルアレイを示す図である。図２Ａは従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの断面図であり、図２Ｂは図２Ａによる従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭセルの一部の拡大図であり、図２Ｃは図２Ａによる従来のＭＴＪセルの拡大図である。プロセスに関連する損傷を受けやすいＭＴＪ積層体の部分を示す、従来のＭＴＪ積層体の概略的な断面図である。ＭＴＪ積層体をプロセスに関連する損傷から保護するための、従来の技術を示す図である。製造の最初の段階の例示的なＭＴＪ積層体の概略的な断面図である。製造の中間の段階の例示的なＭＴＪ積層体の概略的な断面図である。製造の最終的な段階の例示的なＭＴＪ積層体の概略的な断面図である。例示的な方法を示す流れ図である。

本発明の特定の実施形態を対象とする以下の説明および関連する図面で、本発明の態様を開示する。本発明の範囲から逸脱することなく代替的な実施形態を考案することができる。さらに、本発明の関連する詳細を不明瞭にしないように、本発明のよく知られている要素は、詳細に説明されず、または省略される。

「例示的な」という言葉は、「一例、実例または例示として提供される」を意味するために本明細書で使用される。「例示的」として本明細書で説明する任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されない。同様に、「本発明の実施形態」という用語は、本発明のすべての実施形態が、論じられた特徴、利点または動作モードを含むことを必要としない。本明細書で用いられる用語は、特定の実施形態の説明のみを目的とするものであり、本発明の実施形態を限定することは意図されない。

本明細書で用いられる場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、別段文脈から明らかではない限り、複数形も含むことが意図される。本明細書で用いられる場合、用語「備える」、「備えている」、「含む」および／または「含んでいる」は、述べられた機構、整数、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を特定するが、１つまたは複数の他の機構、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および／またはこれらの群の、存在または追加を排除しないことが、さらに理解されよう。

従来の方法では、ハードマスク層３１６、ＭＴＪ積層体３００の側壁、ならびに特に、フリー層３１４の上側部分３２０および側壁３２２、ならびにトンネルバリア層３１２の上側部分３２４および下側部分３２６を、プロセスに関連する損傷から保護することが難しい可能性があるということを、開示される実施形態は認識する。既存の技術は、上で説明された少なくともすべてのプロセスに関連する損傷からＭＴＪを保護するための、効果的な解決策を提供しない。たとえば、特許文献１（Ａｓｓｅｆａ他、「ＵｔｉｌｉｚｉｎｇＳｉｄｅｗａｌｌＳｐａｃｅｒＦｅａｔｕｒｅｓｔｏＦｏｒｍＭａｇｎｅｔｉｃＴｕｎｎｅｌＪｕｎｃｔｉｏｎｓｉｎａｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ」）は、図４に示される可能性のある損傷に対する効果的な措置を少なくとも提供できない。

図４に示されるように、従来技術では、フリー層１２０の上側部分３２０が、フォトレジスト１５０の除去およびハードマスク１４０のエッチングのプロセスの間に、損傷にさらされる。Ａｓｓｅｆａ他の文献で説明される側壁スペーサ１６０Ｓは、エッチングプロセスの間にハードマスク層１４０に副産物が再堆積することによる損傷を避けるのを助けるとされる、先細のマスキング機構を作成する。しかし、図４に示されるように、側壁スペーサの形成は、損傷からフリー層１２０の上側部分３２０を保護するには十分ではない。さらに、Ａｓｓｅｆａ他は、ＭＴＪ積層体のエッチングの間に、フリー層１２０の側壁３２２、バリア１３０の側壁４０２、およびピンド層１１０を損傷から保護するための解決策を、何ら提供しない。

本明細書で論じられる例示的な実施形態は、有利なことに、少なくとも上で説明されたプロセスに関連する損傷からＭＴＪ積層体を保護できるようにして、それにより、ＭＴＪの製造における高い歩留まりを実現する。たとえば、調整層がフリー層３１４とハードマスク層３１６の間に導入され、フォトレジスト除去の間の酸素灰化による損傷からフリー層を保護する。また、実施形態によれば、１つまたは複数のスペーサ層が形成され、トンネルバリア３１２およびピンド層の積層のエッチングプロセスの間、フリー層３１４の側壁を保護する。さらに、実施形態によれば、被覆層が形成され、エッチングプロセスの後でＭＴＪを修復し、自然酸化からパターニングされた（エッチングされた）ＭＴＪを保護する。

加えて、実施形態によれば、ＭＴＪのトンネルバリアは、灰化および洗浄プロセスにはさらされない。さらに、従来技術と比較して、実施形態は、平面領域（ＭＴＪ積層体の上面から見た、平面に沿った領域）がより広いピンド層を実現し、これにより、フリー層３１４に対するピンド層の漂遊磁場の影響を減らす。

ここで、図５〜図７を参照して、プロセスに関連する損傷を低減する、ＭＴＪを効率的に製造する方法の例示的な実施形態が説明される。

図５Ａ〜Ｄは、例示的な実施形態による、フリー層５１４とハードマスク層（上部電極）５１６との間に配置される調整層５１５により形成される、磁気トンネル接合の概略図を示す。本明細書で前に説明されたように、調整層５１５は、ＭＴＪの製造プロセスにおいて、フリー層５１４を形成するステップの後、かつ、ハードマスク層５１６を形成するステップの前に、形成される。調整層５１５の有益な役割には、フォトレジスト５２８の除去プロセスの間の酸素灰化、およびハードマスク層５１６のエッチングの間のエッチング副産物の再堆積から、フリー層５１４を保護することがある。好ましくは、調整層５１５は、酸素との反応により酸化物を容易に形成し得るように、酸化電位の高い材料から形成され得る。調整層５１５を形成するのに用いられ得る材料の例には、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔａ、ＨｆおよびＲｕがある。

図５Ａ〜Ｄに示されるように、保護調整層５１５がフリー層５１４の上に形成される。次いで、フォトレジスト層５２８およびハードマスク層５１６が、図５Ａに示されるようなエッチングプロセスを用いてパターニングされる。エッチングプロセスは、ＣＦ_４のような化学物質、フッ素ベースの気体または塩素ベースの気体を含み得る。次のステップは、図５Ｂに示されるような、酸素灰化のようなプロセスを用いた、フォトレジスト層５２８の除去を含む。調整層５１５は、上で説明されたように、パターニングおよび酸素灰化のプロセスステップの間、損傷からフリー層５１４を保護する。次いで、図５Ｃに示されるように、調整層５１５およびフリー層５１４がパターニングされる。パターニングプロセスは、ＣＨ_３ＯＨ、ＣＯ／ＮＨ_３または塩素ベースの気体のような化学物質の使用を含み得る。図５Ｄは、上で説明され図５Ａ〜Ｃに示されるようなプロセスステップを経た、ＭＴＪ積層体５００を示す。ＭＴＪ積層体の様々な層は、限定ではなく単に例示のために提供されることが、理解されよう。さらなる層が追加されてもよく、かつ／または、層は除去もしくは結合されてもよく、示されたものとは異なる材料を含んでもよい。

次に、図６Ａに示されるように、１つまたは複数のスペーサ層６０２、６０４、およびパッシベーション層６０６が、ＭＴＪ積層体５００の上に形成される。ＭＴＪ積層体５００の上に形成される２つのスペーサ層を含む例示的な実施形態によれば、２つのスペーサ層６０２、６０４は、同じ材料または異なる材料のいずれにより形成されてもよい。単一のスペーサ層（たとえば６０２）および二重のスペーサ層（たとえば６０２および６０４）を含む実施形態が、本開示の以下のセクションにおいてさらに論じられる。パッシベーション層６０６が、スペーサ層６０２、６０４の上に形成される。パッシベーション層６０６は、ＳｉＮのような材料から形成されてよく、スペーサ層６０２および６０４の側壁の厚さを増強するという利益をもたらすことができ、さらに、エッチングのようなプロセスステップの間にスペーサ層６０２および６０４を保護することができる。最初に、図６に示される例示的な実施形態では、スペーサ層６０２、６０４、およびパッシベーション層６０６は、ハードマスク層５１６およびフリー層５１４の周りに保護層を形成するということに、留意されたい。図４に示される従来技術のスペーサ１６０Ｓは、フリー層５１４の側壁３２２のための保護層は提供しない。

次に、図６Ａの実施形態は、ＣＦ_４エッチング、フッ素ベースの気体によるエッチング、または塩素ベースの気体によるエッチングのようなプロセスを用いた、エッチングを受ける。まず、図６Ｂに示されるように、このプロセスの間、スペーサ層６０２、６０４およびパッシベーション層６０６が、ハードマスク層５１６、調整層５１５、およびフリー層５１４の側壁を保護する。ＣＦ_４エッチングのようなプロセスを用いて、パッシベーション層６０６ならびにスペーサ層６０２および６０４をさらにパターニングすると、図６Ｃに示されるように、スペーサ層６０２および６０４は、ハードマスク層５１６、調整層５１５、およびフリー層５１４の側壁の周りに保護層として残る。次いで、図６Ｄに示されるように、バリア層５１２、ピンド層の積層および反磁性層５０４が、ＣＨ_３ＯＨエッチング、ＣＯ／ＮＨ_３エッチング、または塩素ベースの気体によるエッチングのようなエッチングプロセスを用いてパターニングされ、ＭＴＪ積層体６００を形成する。フリー層５１４は、上で説明されたプロセスステップの間に、プロセスに関連する損傷から保護されることが、当業者には理解されよう。

図６Ｄに示されるように、スペーサ層６０２および６０４が、上で説明されたエッチングプロセスの間、フリー層５１４の側壁の周りに保護層として残るので、トンネルバリア５１２、ピンド層の積層、およびＡＦＭ層５０４の平面領域は、エッチング後は、少なくともフリー層５１４の平面領域よりも大きくてよい。したがって、バリア層５１２の上側部分３２４および下側部分３２６は損傷から保護され、ＣＨ_３ＯＨエッチングプロセスの影響を受けないことが、当業者には理解されよう。他の構成が可能であるが、図６Ｄの示された実施形態は、磁気的な安定性の改善のような、さらなる利点を実現することができる。さらに、ピンド層の平面領域が広くなるほど、フリー層５１４に対する漂遊磁場の影響が小さくなる。フリー層５１４の平面領域は、ＭＴＪ積層体６００の実効抵抗の特性を支配する。したがって、（平面領域がより広い）トンネルバリア５１２およびピンド層の積層の側壁に対するプロセスに関連する損傷は、あったとしても、ＭＴＪ積層体６００の適切な動作に大きな影響は与えない。

上で言及されたような例示的な実施形態は、異なる材料から形成された２つのスペーサ層６０２および６０４を含み得る。「内側」スペーサ層６０２は、磁性でも非磁性でもあってよい、金属から形成され得る。したがって、金属の材料から形成されるスペーサ層６０２は、有利なことに、エッチングの後、フリー層５１４の側壁３２２を修復する役割を果たし得る。「外側」スペーサ層６０４は、絶縁体から形成されてよく、有利なことに、エッチングプロセスの間、フリー層５１４の側壁３２２を保護する役割を果たし得る。金属の内側スペーサ層６０２および絶縁体の外側スペーサ層５０４を含む、そのような「二重の」スペーサ構造は、スイッチングの一様性をさらに改善し、ＭＴＪの熱的な安定性を向上させることができる。

二重のスペーサの実施形態の内側スペーサ層６０２は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＣｏＦｅ、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔおよびＣｏＣｒＰｔのような磁性金属から、ならびに、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｔｂ、Ｇｄ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｔａ、ＨｆおよびＲｕのような非磁性金属から形成され得る。二重スペーサの実施形態の外側スペーサ層６０４は、ＳｉＮｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＯＮ、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴａＯｘおよびＴｉＯｘのような絶縁体材料を含み得る。

さらに別の例示的な実施形態は、同じ材料から形成される、単一のスペーサ層（たとえば６０２）または複数のスペーサ層を含み得る。単一のスペーサ層を含む方法では、スペーサ層がフリー層５１４の側壁３２２まで延び、側壁３２２を完全に覆うが、従来のスペーサ層（たとえば図４の１６０Ｓ）はフリー層５１４の側壁３２２を保護しないという点で、単一のスペーサ層を含む方法は従来技術に対する改善を少なくとも含む。上で説明されたような単一のスペーサ層は、調整層５１５と同じ材料から形成され得る。

図７Ａに示されるように、プロセスを継続することができ、ＭＴＪ積層体６００を覆って被覆層を堆積するステップを含む。被覆層は、パッシベーション層６０６と同様であり、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＭｇＯ、ＴａＯｘおよびＡｌＯｘのような材料で形成され得る。被覆層の機能は、エッチングされたＭＴＪ積層体６００の周りに、保護および修復のための被覆を提供することである。図７Ｂに示されるように、ＩＬＤ層７１８が被覆層７０２の上に堆積される。次のステップは、ＩＬＤ層５１８および被覆層７０２を平坦化し再びエッチングし、図７Ｃに示されるように、上部電極またはハードマスク層５１６が、金属層に接続できるようにするステップを含む。次にメタライゼーションが実行され、金属層７０４が上部電極またはハードマスク層５１６と接触するように、金属層７０４がＭＴＪ積層体の上に堆積される。上のプロセスステップの結果として得られるＭＴＪ積層体７００が、図７Ｄに示される。

例示的な方法によれば、ＭＴＪ製造の従来の方法に共通の、プロセスに関連する損傷を伴わずに、またはそうした損傷を減らして、ＭＴＪ記憶素子を製造することができる。上で説明されたように、例示的な実施形態は、有利なことに、側壁の上側部分３２０、フリー層５１４の側壁３２２、ならびにバリア層５１２の上側部分３２４および下側部分３２６を、エッチングプロセスの間、損傷から保護する。一般に、例示的な実施形態は、ＭＴＪ積層体７００を、製造の間、プロセスに関連する損傷から保護する。

さらに、実施形態によれば、バリア層５１２、ピンド層の積層、および下部電極またはＡＦＭ層５０４の平面領域は、フリー層５１４の平面領域よりも大きく、これにより、磁気的な安定性の向上と、ＭＴＪの動作に対する漂遊磁場による影響の低減とを実現する。

実施形態は、本明細書で開示されるプロセス、機能および／またはアルゴリズムを実行するための、様々な方法を含むことが理解されよう。たとえば、図８に示されるように、実施形態は、フリー層、バリア層およびピンド層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子を形成する方法を、含み得る。方法は、ブロック８０２において、上で論じられたようにフリー層を保護するために、フリー層の上に調整層を形成するステップを含み得る。ブロック８０４において、上部電極が調整層の上に形成され得る。ブロック８０６において、上部電極がパターニングされエッチングされ得る。ブロック８０８において、調整層およびフリー層が、上部電極をマスクとして利用してエッチングされ得る。ブロック８１０において、調整層と、フリー層と、上部電極の少なくとも一部とが、スペーサ層により封入され得る。ブロック８１２において、ＭＴＪのバリア層およびピンド層がエッチングされ得る。そして、ブロック８１４において、保護被覆層が、スペーサ層（すでに調整層およびフリー層を覆っている）、バリア層およびピンド層（およびＭＴＪ積層体の任意の残りの層）を覆って、堆積され得る。

本明細書で説明されたＭＴＪ記憶素子を含む記憶デバイスは、携帯電話、ポータブルコンピュータ、携帯型パーソナル通信システム（ＰＣＳ）ユニット、携帯情報端末（ＰＤＡ）のようなポータブルデータユニット、ＧＰＳ対応デバイス、ナビゲーションデバイス、セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、娯楽ユニット、計測機器のような固定位置データユニット、データもしくはコンピュータ命令を記憶しもしくは取り出す任意の他のデバイス、またはこれらの任意の組合せの中に、含まれ得ることが理解されよう。したがって、本開示の実施形態は、本明細書で説明されたようなＭＴＪ記憶素子を有するメモリを含む、能動的な集積回路を含む、任意のデバイスで適切に利用され得る。

さらに、様々な記憶デバイスは、本明細書で開示されたようなＭＴＪ記憶素子のアレイを含み得ることが、理解されよう。さらに、本明細書で開示されたＭＴＪ記憶素子は、論理回路のような様々な他の用途において用いられ得る。したがって、前述の開示の一部は単独型のＭＴＪ記憶素子を論じるが、様々な実施形態は、ＭＴＪ記憶素子が組み込まれるデバイスを含み得ることが、理解されよう。

前述の開示されたデバイスおよび方法は、コンピュータ可読媒体に記憶されるＧＤＳＩＩおよびＧＥＲＢＥＲコンピュータファイルとなるように、設計され構成され得る。次いでこれらのファイルは、これらのファイルに基づいてデバイスを製造する製造担当者に与えられる。得られる製品は半導体ウェハであり、このウェハは次いで、半導体ダイに切断され、半導体チップにパッケージングされる。そして、このチップが、上で説明されたデバイスで利用される。

したがって、実施形態は、プロセッサにより実行されると、プロセッサおよび任意の他の協働する素子を、本明細書で説明された機能を命令で与えられたように実行するための機械に変換する命令を具現化する、機械可読媒体またはコンピュータ可読媒体を含み得る。

前述の開示は例示的な実施形態を示すが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書において様々な変更および修正を行えることに留意されたい。本明細書で説明した実施形態による方法クレームの機能、ステップおよび／またはアクションは、特定の順序で実行されなくてもよい。さらに、実施形態の要素は、単数形で説明または請求されていることがあるが、単数形に限定することが明示的に述べられていない限り、複数形が企図される。

３００ＭＴＪ積層体
３０２下部電極
３０４反磁性層
３０６下部ピンド層
３０８カップリング層
３１０上部ピンド層
３１２トンネルバリア
３１４フリー層
３１６ハードマスク層
３１８層間誘電体絶縁層
５１５調整層
６０２スペーサ層
６０４スペーサ層
６０６パッシベーション層
７０２被覆層

Claims

フリー層、バリア層、およびピンド層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子を形成する方法であって、
前記フリー層の上に調整層を形成するステップと、
前記調整層の上に上部電極を形成するステップと、
前記上部電極をパターニングしてエッチングするステップと、
前記上部電極をマスクとして利用して、前記調整層および前記フリー層をエッチングするステップと、
前記調整層と、前記フリー層と、前記上部電極の少なくとも一部とを含むスペーサ層であって、外側スペーサ層及び金属材料から形成される内側スペーサ層を含むスペーサ層により封入するステップと、
前記ＭＴＪの前記バリア層および前記ピンド層をエッチングするステップと、
前記スペーサ層、前記バリア層、および前記ピンド層を覆って、保護被覆層を堆積するステップと
を含む、方法。
前記金属材料が磁性体である、請求項１に記載の方法。
前記外側スペーサ層が、絶縁材料から形成される、請求項１に記載の方法。
前記ＭＴＪが、前記ピンド層に隣接する反磁性層をさらに含み、前記保護被覆層が前記反磁性層を被覆する、請求項１に記載の方法。
前記上部電極をパターニングするステップが、酸素灰化を利用してフォトレジストを除去するステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記フリー層の上側部分が酸素灰化から保護されるように、前記調整層が、前記フリー層の前記上側部分の上で保護層として働く、請求項５に記載の方法。
前記バリア層の平面領域が、前記フリー層の平面領域よりも大きい、請求項１に記載の方法。
前記ＭＴＪが反磁性層をさらに含み、前記ピンド層の積層体および前記反磁性層の平面領域が、前記フリー層の平面領域よりも大きい、請求項１に記載の方法。
前記ピンド層の積層体が、底部ピンド層、カップリング層、および上部ピンド層を含む、請求項１に記載の方法。
前記保護被覆層の一部を除去して、前記上部電極の一部を露出するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
フリー層、バリア層、およびピンド層を含むＭＴＪ積層体と、
前記フリー層の上に形成される調整層と、
前記調整層の上に形成される上部電極と、
前記上部電極の少なくとも一部、前記調整層、および前記フリー層を封入するスペーサ層であって、外側スペーサ層及び金属材料から形成される内側スペーサ層を含むスペーサ層と、
前記スペーサ層および前記ＭＴＪ積層体の上に形成される、保護被覆層と
を含む、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子。
前記金属材料が磁性体である、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記金属材料が非磁性体である、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記外側スペーサ層が、絶縁材料から形成されている、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記ＭＴＪ積層体が、前記ピンド層に隣接する反磁性層をさらに含む、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記バリア層の平面領域が、前記フリー層の平面領域よりも大きい、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記ピンド層の平面領域が、前記フリー層の平面領域よりも大きい、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記ピンド層が、底部ピンド層、カップリング層、および上部ピンド層を含む、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記上部電極の少なくとも一部が、前記スペーサ層および前記保護被覆層から露出されている、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、娯楽ユニット、ナビゲーションデバイス、携帯電話、ポータブルコンピュータ、携帯型パーソナル通信システム（ＰＣＳ）ユニット、通信デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、固定位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択される電子デバイスに組み込まれる、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
複数のＭＴＪ記憶素子を含むメモリアレイに組み込まれる、請求項１１に記載のＭＴＪ記憶素子。
第１の極性を保持する第１の磁気手段と、トンネル電流が流れることを可能にする第１の絶縁手段と、第２の極性を保持する第２の磁気手段とを含む、ＭＴＪ積層体であって、前記第２の極性が反転可能である、ＭＴＪ積層体と、
前記第２の磁気手段の側壁部分および上側部分を、プロセスに関連する損傷から保護する第１の保護手段であって、外側保護手段及び金属材料から形成される内側保護手段を含み、前記第２の磁気手段の前記側壁部分および前記上側部分に沿って配置される、第１の保護手段と、
前記第１の磁気手段および前記第１の絶縁手段を、プロセスに関連する損傷から保護する第２の保護手段であって、前記第１の磁気手段および前記第１の絶縁手段と接触する、第２の保護手段と
を含む、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子。
前記金属材料が磁性体である、請求項２２に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記外側保護手段が、絶縁材料から形成されている、請求項２２に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記第１の絶縁手段の平面領域が、前記第２の磁気手段の平面領域よりも大きい、請求項２２に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記第１の磁気手段の平面領域が、前記第２の磁気手段の平面領域よりも大きい、請求項２２に記載のＭＴＪ記憶素子。
前記第１の磁気手段が、底部磁気手段、カップリング手段、および上部磁気手段を含む、請求項２２に記載のＭＴＪ記憶素子。
セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、娯楽ユニット、ナビゲーションデバイス、携帯電話、ポータブルコンピュータ、携帯型パーソナル通信システム（ＰＣＳ）ユニット、通信デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、固定位置データユニット、およびコンピュータからなる群から選択される電子デバイスに組み込まれる、請求項２２に記載のＭＴＪ記憶素子。
複数のＭＴＪ記憶素子を含むメモリアレイに組み込まれる、請求項２２に記載のＭＴＪ記憶素子。
フリー層、バリア層、およびピンド層を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）記憶素子を形成する方法であって、
前記フリー層の上に調整層を形成するステップと、
前記調整層の上に上部電極を形成するステップと、
前記上部電極をパターニングしてエッチングするステップと、
前記上部電極をマスクとして利用して、前記調整層および前記フリー層をエッチングするステップと、
前記調整層と、前記フリー層と、前記上部電極の少なくとも一部とを、外側スペーサ層及び金属材料から形成される内側スペーサ層を含むスペーサ層により封入するステップと、
前記ＭＴＪの前記バリア層および前記ピンド層をエッチングするステップと、
前記スペーサ層、前記バリア層、および前記ピンド層を覆って、保護被覆層を堆積するステップと
を含む、方法。
前記金属材料が磁性体である、請求項３０に記載の方法。
前記外側スペーサ層が、絶縁材料から形成される、請求項３０に記載の方法。
前記ＭＴＪが、前記ピンド層に隣接する反磁性層をさらに含み、前記保護被覆層が前記反磁性層を被覆する、請求項３０に記載の方法。
前記上部電極をパターニングするステップが、酸素灰化を利用してフォトレジストを除去するステップを含む、請求項３０に記載の方法。
前記フリー層の上側部分が酸素灰化から保護されるように、前記調整層が、前記フリー層の前記上側部分の上で保護層として働く、請求項３４に記載の方法。
前記バリア層の平面領域が、前記フリー層の平面領域よりも大きい、請求項３０に記載の方法。
前記ＭＴＪが反磁性層をさらに含み、前記ピンド層の積層体および前記反磁性層の平面領域が、前記フリー層の平面領域よりも大きい、請求項３０に記載の方法。
前記ピンド層の積層体が、底部ピンド層、カップリング層、および上部ピンド層を含む、請求項３０に記載の方法。
前記保護被覆層の一部を除去して、前記上部電極の一部を露出するステップをさらに含む、請求項３０に記載の方法。