JP5779871B2 - Magnetoresistive element, semiconductor memory, and method of manufacturing magnetoresistive element - Google Patents
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Description
本発明は、磁気抵抗素子および半導体メモリに関する。 The present invention relates to a magnetoresistive element and a semiconductor memory.
抵抗値に応じて論理を記憶するメモリセルを有する半導体メモリとして、MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)が知られている。MRAMの記憶素子として使用される強磁性トンネル接合(MTJ;Magnetic Tunnel Junction)素子は、トンネル絶縁膜を介して積層される2つの強磁性層(固定層と自由層)を有している。例えば、強磁性トンネル接合素子に情報を記憶させるときに必要な書き込み電流を減らすために、自由層にTaを含有させることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 An MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) is known as a semiconductor memory having memory cells that store logic according to a resistance value. A ferromagnetic tunnel junction (MTJ) element used as a memory element of an MRAM has two ferromagnetic layers (a fixed layer and a free layer) stacked via a tunnel insulating film. For example, in order to reduce a write current required when information is stored in a ferromagnetic tunnel junction element, it has been proposed to include Ta in the free layer (see, for example, Patent Document 1).
強磁性トンネル接合素子は、半導体基板上に積層される固定層、トンネル絶縁膜、自由層等を、例えば、Ta等のハードマスクを用いてCO−NH3ガスやメタノールガスによりエッチングすることにより形成される。ハードマスクは、フォトリソグラフィ技術を用いてフォトレジストを選択的に形成し、フォトレジストで覆われていない部分をCl(塩素)やCF4等のハロゲン系のガスによりエッチングすることで形成される。ハードマスクをエッチングするときに強磁性トンネル接合素子までエッチングされることを防止するために、例えば、Ru等のストッパー層がハードマスクと自由層の間に配置される。また、自由層の結晶化がトンネル絶縁膜側から始まるように、ストッパー層は、結晶化の温度が自由層の結晶化の温度より高いTa等のキャップ層を介して自由層上に積層される。 A ferromagnetic tunnel junction element is formed by etching a fixed layer, a tunnel insulating film, a free layer, and the like laminated on a semiconductor substrate with CO-NH 3 gas or methanol gas using a hard mask such as Ta, for example. Is done. The hard mask is formed by selectively forming a photoresist using a photolithography technique and etching a portion not covered with the photoresist with a halogen-based gas such as Cl (chlorine) or CF 4 . In order to prevent the ferromagnetic tunnel junction element from being etched when the hard mask is etched, for example, a stopper layer such as Ru is disposed between the hard mask and the free layer. Further, the stopper layer is laminated on the free layer through a cap layer of Ta or the like whose crystallization temperature is higher than the crystallization temperature of the free layer so that the crystallization of the free layer starts from the tunnel insulating film side. .
Ta等のキャップ層は、CO−NH3ガスやメタノールガスによるエッチングレートが低く、エッチングされにくいため薄く形成する必要がある。一方、キャップ層を薄くすると、ストッパー層と自由層およびトンネル絶縁膜との距離が近くなり、ストッパー層のRuが自由層やトンネル絶縁膜に与える影響が大きくなる。例えば、キャップ層が1nmより薄いと、強磁性トンネル接合素子のエッチング時に揮発するRuがトンネル絶縁膜の側面に付着しやすくなり、ショート不良の原因になる。また、熱処理時にRuがトンネル絶縁膜側に拡散しやすくなる。Ruが拡散により自由層の界面に現れると、自由層とトンネル絶縁膜の界面が汚染されるため、磁気抵抗素子の電気的特性が悪くなる。このように、Ta等のキャップ層は、エッチングレートを考慮すると薄い方が望ましいが、Ruによる汚染を考慮すると厚い方が望ましい。 The cap layer made of Ta or the like has a low etching rate with CO—NH 3 gas or methanol gas and is difficult to be etched, so it needs to be formed thin. On the other hand, when the cap layer is thinned, the distance between the stopper layer, the free layer, and the tunnel insulating film is reduced, and the influence of Ru of the stopper layer on the free layer and the tunnel insulating film is increased. For example, if the cap layer is thinner than 1 nm, Ru that volatilizes during etching of the ferromagnetic tunnel junction element tends to adhere to the side surface of the tunnel insulating film, causing a short circuit failure. Further, Ru becomes easy to diffuse to the tunnel insulating film side during the heat treatment. When Ru appears at the interface of the free layer due to diffusion, the interface between the free layer and the tunnel insulating film is contaminated, so that the electrical characteristics of the magnetoresistive element are deteriorated. As described above, the cap layer of Ta or the like is preferably thin in consideration of the etching rate, but is preferably thick in consideration of contamination by Ru.
本発明の一形態では、磁気抵抗素子は、半導体基板上に配置される固定層と、固定層上に配置されるトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜上に配置され、Feを含む第1自由層と、第1自由層上に配置され、FeおよびTaを含む第2自由層と、第2自由層上に配置され、Ruを含むストッパー層とストッパー層上に配置されるハードマスクとを備え、第2自由層は、ストッパー層のRuによるトンネル絶縁膜の汚染と、エッチング容易性と、抵抗状態を変えるための書き込み電流とに関する制約に応じて設定された、第1自由層の厚さの2倍から3倍までの範囲内の厚さを有する。 In one embodiment of the present invention, a magnetoresistive element includes a fixed layer disposed on a semiconductor substrate, a tunnel insulating film disposed on the fixed layer, and a first free layer disposed on the tunnel insulating film and including Fe. A second free layer that is disposed on the first free layer and includes Fe and Ta, a stopper layer that is disposed on the second free layer and includes Ru, and a hard mask disposed on the stopper layer, The second free layer has a thickness of 2 of the first free layer, which is set according to the restrictions on the contamination of the tunnel insulating film due to the Ru of the stopper layer, the ease of etching, and the write current for changing the resistance state. It has a thickness in the range from double to triple .
第1自由層とストッパー層との間隔を第2自由層により大きくでき、ストッパー層のRuがトンネル絶縁膜に付着することを防止でき、ストッパー層のRuが第1自由層の界面に現れることを防止できる。FeおよびTaを含む第2自由層は、純粋なTaに比べてエッチングレートが高い。この結果、エッチング時間を長くすることなく、トンネル絶縁膜の汚染を防止でき、磁気抵抗素子の電気的特性の悪化を防止できる。 The distance between the first free layer and the stopper layer can be increased by the second free layer, the Ru of the stopper layer can be prevented from adhering to the tunnel insulating film, and the Ru of the stopper layer can appear at the interface of the first free layer. Can be prevented. The second free layer containing Fe and Ta has a higher etching rate than pure Ta. As a result, the tunnel insulating film can be prevented from being contaminated without increasing the etching time, and the electrical characteristics of the magnetoresistive element can be prevented from deteriorating.
以下、実施形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
図1は、一実施形態における磁気抵抗素子MREの例を示している。例えば、磁気抵抗素子MREは、不揮発性半導体メモリの一種であるスピン注入型MRAMまたは配線電流磁界型MRAMの記憶素子として形成される。磁気抵抗素子MREは、下部電極BEL上に積層される反強磁性層AFL、強磁性トンネル接合素子MTJ、ストッパー層STOPおよびハードマスクHMを有している。 FIG. 1 shows an example of a magnetoresistive element MRE in one embodiment. For example, the magnetoresistive element MRE is formed as a memory element of a spin injection type MRAM or a wiring current magnetic field type MRAM which is a kind of nonvolatile semiconductor memory. The magnetoresistive element MRE includes an antiferromagnetic layer AFL, a ferromagnetic tunnel junction element MTJ, a stopper layer STOP, and a hard mask HM stacked on the lower electrode BEL.
例えば、下部電極BELは、Ta(例えば厚さ5nm)、Ru(例えば厚さ50nm)およびTa(例えば厚さ15nm)により形成されている。反強磁性層AFLは、IrMn(厚さ7〜12nm)またはPtMn(厚さ10〜20nm)により形成される。
For example, the lower electrode BEL is formed of Ta (for example,
強磁性トンネル接合素子MTJは、順に積層される固定層PL(強磁性層)、トンネル絶縁膜TL、自由層FL1(強磁性層)および自由層FL2(強磁性層)を有している。例えば、固定層PLは、反強磁性層AFL側から、CoFe(厚さ1.5〜3.0nm)、Ru(厚さ0.6〜0.9nm)およびCoFeNiB(厚さ1.5〜3.0nm)を順に積層することで形成される。トンネル絶縁膜TLは、MgO(厚さ0.8〜1.2nm)により形成される。なお、トンネル絶縁膜TLは、AlO(酸化アルミニウム)、TiOまたはHfOにより形成されてもよい。 The ferromagnetic tunnel junction element MTJ has a fixed layer PL (ferromagnetic layer), a tunnel insulating film TL, a free layer FL1 (ferromagnetic layer), and a free layer FL2 (ferromagnetic layer) which are sequentially stacked. For example, the fixed layer PL includes, from the antiferromagnetic layer AFL side, CoFe (thickness 1.5 to 3.0 nm), Ru (thickness 0.6 to 0.9 nm), and CoFeNiB (thickness 1.5 to 3). .0 nm) in order. The tunnel insulating film TL is formed of MgO (thickness 0.8 to 1.2 nm). Note that the tunnel insulating film TL may be formed of AlO (aluminum oxide), TiO, or HfO.
自由層FL1はCoFeB(厚さ0.5〜2nm)により形成される。自由層FL2はCoFeBTa(厚さ1〜4nm)により形成される。自由層FL2の厚さは、自由層FL1の厚さより大きい。なお、自由層FL1は、Fe、FeB、NiFeB、CoNiFeBのいずれかにより形成されてもよい。自由層FL2は、FeTa、FeBTa、NiFeBTa、CoNiFeBTaのいずれかにより形成されてもよい。ストッパー層STOPは、Ru(厚さ5〜10nm)により形成される。ハードマスクHMは、Ta(厚さ2〜10nm)あるいはTiNにより形成される。
The free layer FL1 is formed of CoFeB (thickness 0.5 to 2 nm). The free layer FL2 is made of CoFeBTa (
図2〜図4は、図1に示した磁気抵抗素子MREの製造方法の例を示している。まず、図2(A)に示すように、シリコン等の半導体基板SUBの拡散層DL上にSiNまたはSiO2の絶縁膜INS1がCVD(Chemical Vapor Deposition)等により形成される。次に、絶縁膜INS1にビアホールVIA1(プラグコンタクト)が形成される。例えば、ビアホールVIA1が接続される拡散層DLは、図11に示す選択トランジスタSTのドレインDRである。この後、スパッタリングにより、下部電極BEL、反強磁性層AFL、強磁性トンネル接合素子MTJ、ストッパー層STOPおよびハードマスクHMが絶縁膜INS1上に順に形成される。 2 to 4 show an example of a manufacturing method of the magnetoresistive element MRE shown in FIG. First, as shown in FIG. 2A, an insulating film INS1 of SiN or SiO 2 is formed on the diffusion layer DL of the semiconductor substrate SUB such as silicon by CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like. Next, a via hole VIA1 (plug contact) is formed in the insulating film INS1. For example, the diffusion layer DL to which the via hole VIA1 is connected is the drain DR of the selection transistor ST shown in FIG. Thereafter, the lower electrode BEL, the antiferromagnetic layer AFL, the ferromagnetic tunnel junction element MTJ, the stopper layer STOP, and the hard mask HM are sequentially formed on the insulating film INS1 by sputtering.
次に、図2(B)に示すように、フォトレジストRESが塗布され、フォトリソグラフィ技術を用いて、フォトレジストRESによるマスクが選択的に形成される。そして、Cl(塩素)やCF4等のハロゲン系のガスにより1回目の反応性イオンエッチング(RIE;Reactive Ion Etching)が実施される。フォトレジストRESで覆われていない部分のハードマスクHMはエッチングされ、強磁性トンネル接合素子MTJの横断面形状に対応する形状を有するハードマスクHMが形成される。ストッパー層STOP(Ru)は、ハロゲン系のガスによるエッチングレートが低いため、ほとんどエッチングされない。すなわち、ストッパー層STOPは、ハードマスクHMを形成するときのストッパーとして作用する。この後、フォトレジストRESは除去される。 Next, as shown in FIG. 2B, a photoresist RES is applied, and a mask made of the photoresist RES is selectively formed using a photolithography technique. Then, the first reactive ion etching (RIE) is performed with a halogen-based gas such as Cl (chlorine) or CF 4 . The portion of the hard mask HM that is not covered with the photoresist RES is etched to form a hard mask HM having a shape corresponding to the cross-sectional shape of the ferromagnetic tunnel junction element MTJ. The stopper layer STOP (Ru) is hardly etched because the etching rate with the halogen-based gas is low. That is, the stopper layer STOP acts as a stopper when forming the hard mask HM. Thereafter, the photoresist RES is removed.
次に、図3(A)に示すように、ハードマスクHMをマスクとして、CO−NH3ガスやメタノールガスにより2回目の反応性イオンエッチング(RIE)が実施される。そして、ストッパー層STOP、自由層FL2、FL1、トンネル絶縁膜TL、固定層PLおよび反強磁性層AFLが順にエッチングされ、図1に示した強磁性トンネル接合素子MTJが形成される。下部電極BELのTaは、CO−NH3ガスやメタノールガスによるエッチングレートが低いため、ほとんどエッチングされない。 Next, as shown in FIG. 3A, the second reactive ion etching (RIE) is performed with CO—NH 3 gas or methanol gas using the hard mask HM as a mask. Then, the stopper layer STOP, the free layers FL2 and FL1, the tunnel insulating film TL, the fixed layer PL, and the antiferromagnetic layer AFL are sequentially etched to form the ferromagnetic tunnel junction element MTJ shown in FIG. Ta of the lower electrode BEL is hardly etched because the etching rate with CO—NH 3 gas or methanol gas is low.
このとき、Taを含有する自由層FL2は、純粋なTa膜に比べてエッチングレートが高いため、容易にエッチング可能である。例えば、Taを33原子%含む自由層FL2のエッチングレートは、純粋なTa膜のエッチングレートの約3倍である。このため、エッチング時間を同じにするとき、従来のTaのキャップ層代わりに、キャップ層より3倍厚い自由層FL2を形成可能である。 At this time, the free layer FL2 containing Ta has a higher etching rate than a pure Ta film, and therefore can be easily etched. For example, the etching rate of the free layer FL2 containing 33 atomic% of Ta is about three times that of a pure Ta film. Therefore, when the etching time is the same, a free layer FL2 that is three times thicker than the cap layer can be formed instead of the conventional Ta cap layer.
厚い自由層FL2が形成されることで、ストッパー層STOPとトンネル絶縁膜TLとの距離は大きくなり、ストッパー層STOPのRuは、トンネル絶縁膜TLの側面に付着しにくくなる。したがって、トンネル絶縁膜TLの側壁に付着するRuにより固定層PLと自由層FL1とがショートすることを防止できる。 By forming the thick free layer FL2, the distance between the stopper layer STOP and the tunnel insulating film TL is increased, and Ru of the stopper layer STOP is difficult to adhere to the side surface of the tunnel insulating film TL. Therefore, it is possible to prevent the fixed layer PL and the free layer FL1 from being short-circuited by Ru adhering to the side wall of the tunnel insulating film TL.
また、自由層FL2がストッパー層STOPと自由層FL1との間に配置されることにより、Ruは自由層FL1側に拡散しにくくなる。これにより、自由層FL1とトンネル絶縁膜TLの界面汚染を防ぐことができ、自由層FL1の電気的特性が悪くなることを防止できる。 In addition, since the free layer FL2 is disposed between the stopper layer STOP and the free layer FL1, Ru becomes difficult to diffuse to the free layer FL1 side. Thereby, interface contamination between the free layer FL1 and the tunnel insulating film TL can be prevented, and deterioration of the electrical characteristics of the free layer FL1 can be prevented.
さらに、Taを含む自由層FL2は、Taを含まない自由層に比べて飽和磁化量を3分の1程度に小さくできる。このため、自由層FL2を厚くするときにも、強磁性トンネル接合素子MTJの抵抗状態を書き換えるために必要な書き込み電流が増加することを防止できる。後述するように、磁気抵抗比MRや面抵抗RAも、従来に比べて同等以下にできる。このように、従来のキャップ層(Ta)の代わりに自由層FL2を形成することにより、エッチング時間を延ばすことなく、Ruに起因する汚染や電気的特性の劣化を防止できる。 Furthermore, the free layer FL2 containing Ta can reduce the saturation magnetization amount to about one third as compared with the free layer not containing Ta. For this reason, even when the free layer FL2 is thickened, it is possible to prevent an increase in the write current necessary for rewriting the resistance state of the ferromagnetic tunnel junction device MTJ. As will be described later, the magnetoresistance ratio MR and the sheet resistance RA can be made equal to or less than the conventional one. As described above, by forming the free layer FL2 instead of the conventional cap layer (Ta), it is possible to prevent contamination and deterioration of electrical characteristics due to Ru without extending the etching time.
次に、図3(B)に示すように、フォトレジストRESが塗布され、フォトリソグラフィ技術を用いて、Cl(塩素)等のガスにより反応性イオンエッチングが実施され、下部電極BELが形成される。絶縁膜INS1は、塩素系のガスによるエッチングレートが低いため、ほとんどエッチングされない。この後、フォトレジストRESは除去される。 Next, as shown in FIG. 3B, a photoresist RES is applied, and reactive ion etching is performed with a gas such as Cl (chlorine) using a photolithography technique to form the lower electrode BEL. . The insulating film INS1 is hardly etched because the etching rate with a chlorine-based gas is low. Thereafter, the photoresist RES is removed.
次に、図4(A)に示すように、SiNまたはSiO2等の絶縁膜INS2がCVD(Chemical Vapor Deposition)等により絶縁膜INS1上に形成される。次に、図4(B)に示すように、ビアホールVIA2(プラグコンタクト)が絶縁膜INS2に形成され、磁気抵抗素子MREが製造される。例えば、ビアホールVIA2は、図9および図10に示すビット線BLに接続される。 Next, as shown in FIG. 4A, an insulating film INS2 such as SiN or SiO 2 is formed on the insulating film INS1 by CVD (Chemical Vapor Deposition) or the like. Next, as shown in FIG. 4B, a via hole VIA2 (plug contact) is formed in the insulating film INS2, and the magnetoresistive element MRE is manufactured. For example, the via hole VIA2 is connected to the bit line BL shown in FIGS.
図5は、図1に示した磁気抵抗素子MREの自由層FL2の膜厚と磁気抵抗比MRとの関係を示している。自由層FL2の組成はCoFeBTaである。白い四角印は、CoFeB、Taの含有率がそれぞれ66原子%と34原子%の自由層FL2の特性を示している。黒い丸印は、CoFeB、Taの含有率がそれぞれ56原子%と44原子%の自由層FL2の特性を示している。自由層FL1は厚さ0.5nmのCoFeBであり、Co、Fe、Bの含有率は、それぞれ42原子%、42原子%、16原子%である。 FIG. 5 shows the relationship between the film thickness of the free layer FL2 of the magnetoresistive element MRE shown in FIG. 1 and the magnetoresistance ratio MR. The composition of the free layer FL2 is CoFeBTa. The white square marks indicate the characteristics of the free layer FL2 in which the content ratios of CoFeB and Ta are 66 atomic% and 34 atomic%, respectively. The black circles indicate the characteristics of the free layer FL2 in which the content ratios of CoFeB and Ta are 56 atomic% and 44 atomic%, respectively. The free layer FL1 is CoFeB having a thickness of 0.5 nm, and the contents of Co, Fe, and B are 42 atomic%, 42 atomic%, and 16 atomic%, respectively.
磁気抵抗比MRは、強磁性トンネル接合素子MTJの高抵抗状態の抵抗値RAPと低抵抗状態の抵抗値RPとを用いて、式(1)で表される。例えば、磁気抵抗素子MREを用いたメモリセルMC(図9、図10)では、抵抗値RAP、RPに応じてソース線SLに発生する電流または電圧によりメモリセルMCに保持されている論理が判定される。このため、磁気抵抗比MRの値が大きいほど、メモリセルMCの読み出しマージンを大きくできる。読み出しマージンを確保するために磁気抵抗比MRは、例えば80%以上であることが望ましい。
MR=(RAP−RP)/RP ...(1)
図5の特性では、磁気抵抗比MRは、自由層FL2の膜厚が1.5nm以上のときに飽和し、ほぼ一定になる。50原子%のTaを含む自由層FL2の特性は、破線を示すものと推定される。以上より、自由層FL2を設けるときにも、磁気抵抗比MRを従来と同等にできる。自由層FL2のTaの含有率は、磁気抵抗比MR(80%以上)およびエッチングの容易性を考慮すると、50原子%以下が望ましい。
The magnetoresistance ratio MR is expressed by Equation (1) using the resistance value RAP in the high resistance state and the resistance value RP in the low resistance state of the ferromagnetic tunnel junction element MTJ. For example, in the memory cell MC (FIGS. 9 and 10) using the magnetoresistive element MRE, the logic held in the memory cell MC is determined by the current or voltage generated in the source line SL according to the resistance values RAP and RP. Is done. For this reason, the read margin of the memory cell MC can be increased as the value of the magnetoresistance ratio MR is increased. In order to ensure a read margin, the magnetoresistance ratio MR is desirably 80% or more, for example.
MR = (RAP-RP) / RP. . . (1)
In the characteristics of FIG. 5, the magnetoresistance ratio MR is saturated and becomes almost constant when the thickness of the free layer FL2 is 1.5 nm or more. It is estimated that the characteristics of the free layer FL2 containing 50 atomic% Ta show a broken line. As described above, when the free layer FL2 is provided, the magnetoresistance ratio MR can be made equivalent to the conventional one. In consideration of the magnetoresistance ratio MR (80% or more) and the ease of etching, the Ta content in the free layer FL2 is preferably 50 atomic% or less.
図6は、図1に示した磁気抵抗素子MREの自由層FL1の膜厚と磁気抵抗比MRとの関係を示している。自由層FL1の組成はCoFeBであり、Co、Fe、Bの含有率は、それぞれ42原子%、42原子%、16原子%である。自由層FL2の組成はCoFeBTaである。白い四角印は、CoFeB、Taの含有率がそれぞれ66原子%と34原子%であり、膜厚が1.2nmの自由層FL2の特性を示している。黒い丸印は、CoFeB、Taの含有率がそれぞれ56原子%と44原子%であり、膜厚が1.4nmの自由層FL2の特性を示している。磁気抵抗比MRは、自由層FL1の膜厚が厚いほど大きくなる。磁気抵抗比MRを80%以上にするために必要な自由層FL1の膜厚は0.5nm以上である。 FIG. 6 shows the relationship between the thickness of the free layer FL1 of the magnetoresistive element MRE shown in FIG. 1 and the magnetoresistance ratio MR. The composition of the free layer FL1 is CoFeB, and the contents of Co, Fe, and B are 42 atomic%, 42 atomic%, and 16 atomic%, respectively. The composition of the free layer FL2 is CoFeBTa. White square marks indicate the characteristics of the free layer FL2 having a CoFeB and Ta content of 66 atomic% and 34 atomic%, respectively, and a film thickness of 1.2 nm. The black circles indicate the characteristics of the free layer FL2 having a CoFeB and Ta content of 56 atomic% and 44 atomic%, respectively, and a film thickness of 1.4 nm. The magnetoresistance ratio MR increases as the thickness of the free layer FL1 increases. The film thickness of the free layer FL1 required to increase the magnetoresistance ratio MR to 80% or more is 0.5 nm or more.
図7は、図1に示した磁気抵抗素子MREの自由層FL2の膜厚とショート不良率との関係を示している。自由層FL2の組成はCoFeBTaであり、CoFeB、Taの含有率は、それぞれ66原子%と34原子%である。自由層FL1の組成はCoFeBであり、Co、Fe、Bの含有率は、それぞれ42原子%、42原子%、16原子%である。自由層FL1の膜厚は0.5nmである。 FIG. 7 shows the relationship between the film thickness of the free layer FL2 of the magnetoresistive element MRE shown in FIG. The composition of the free layer FL2 is CoFeBTa, and the contents of CoFeB and Ta are 66 atomic% and 34 atomic%, respectively. The composition of the free layer FL1 is CoFeB, and the contents of Co, Fe, and B are 42 atomic%, 42 atomic%, and 16 atomic%, respectively. The film thickness of the free layer FL1 is 0.5 nm.
ショート不良率は、自由層FL2の膜厚が1.6nm以上のときにほぼ7.5%に収束する。自由層FL2の膜厚が薄いとき(例えば、1.5nm以下)、図1に示したストッパー層STOPとトンネル絶縁膜TLとの間隔は短くなる。このため、エッチング時に揮発されるRuがトンネル絶縁膜TLの側面に付着しやすくなり、ショート不良が発生する。換言すれば、自由層FL2の膜厚が1.6nm以上のとき、Ruのトンネル絶縁膜TLへの付着によるショート不良は発生しない。自由層FL2の膜厚に依存しない7.5%の不良率は、不良解析により、ビアホール(プラグコンタクト)と他の配線等とのショートが原因で発生していることが分かっている。 The short-circuit defect rate converges to approximately 7.5% when the thickness of the free layer FL2 is 1.6 nm or more. When the film thickness of the free layer FL2 is thin (for example, 1.5 nm or less), the distance between the stopper layer STOP and the tunnel insulating film TL shown in FIG. 1 is shortened. For this reason, Ru that is volatilized during etching is likely to adhere to the side surface of the tunnel insulating film TL, and a short circuit defect occurs. In other words, when the thickness of the free layer FL2 is 1.6 nm or more, a short circuit failure due to adhesion of Ru to the tunnel insulating film TL does not occur. A failure rate of 7.5% that does not depend on the thickness of the free layer FL2 is found to be caused by a short circuit between a via hole (plug contact) and another wiring or the like, based on failure analysis.
なお、自由層FL1を厚くしても、ストッパー層STOPとトンネル絶縁膜TLとの間隔を大きくできる。しかし、飽和磁化量の大きい自由層FL1を厚くすると、書き込み電流が大きくなるため望ましくない。したがって、ストッパー層STOPとトンネル絶縁膜TLとの間隔は、自由層FL2を厚くすることにより離すことが望ましい。Ruによる汚染、エッチングの容易性および書き込み電流を考慮すると、自由層FL2の厚さは、例えば、自由層FL1の厚さの2〜3倍が望ましい。 Even if the free layer FL1 is thickened, the distance between the stopper layer STOP and the tunnel insulating film TL can be increased. However, increasing the thickness of the free layer FL1 having a large saturation magnetization is not desirable because the write current increases. Therefore, it is desirable that the distance between the stopper layer STOP and the tunnel insulating film TL be increased by increasing the thickness of the free layer FL2. In consideration of contamination by Ru, ease of etching, and write current, the thickness of the free layer FL2 is preferably, for example, 2 to 3 times the thickness of the free layer FL1.
図8は、図1に示した磁気抵抗素子MREの自由層FL2の膜厚と面抵抗RAとの関係を示している。自由層FL1、FL2の組成は、図7と同じである。図8に示す面抵抗RAは、例えば、図1に示した強磁性トンネル接合素子MTJが低抵抗状態のときの値である。面抵抗RAは、自由層FL2の膜厚が1.6nm以上のときにほぼ一定になる。これより、自由層FL2の膜厚は1.6nmが望ましいことが分かる。 FIG. 8 shows the relationship between the film thickness of the free layer FL2 of the magnetoresistive element MRE shown in FIG. 1 and the sheet resistance RA. The compositions of the free layers FL1 and FL2 are the same as those in FIG. The sheet resistance RA shown in FIG. 8 is, for example, a value when the ferromagnetic tunnel junction device MTJ shown in FIG. 1 is in a low resistance state. The sheet resistance RA becomes substantially constant when the thickness of the free layer FL2 is 1.6 nm or more. This shows that the film thickness of the free layer FL2 is preferably 1.6 nm.
図9は、図1に示した磁気抵抗素子MREを含むメモリセルMCを有する半導体メモリMEMの例を示している。例えば、半導体メモリMEMは、強磁性トンネル接合素子MTJを有するスピン注入型(Spin Transfer Torque)MRAMである。半導体メモリMEMは、メモリセルアレイARY、ワード線ドライバWLDRV、ビット線ドライバBLDRV、ソース線ドライバSLDRVおよびセンスアンプSAを有している。 FIG. 9 shows an example of a semiconductor memory MEM having memory cells MC including the magnetoresistive element MRE shown in FIG. For example, the semiconductor memory MEM is a spin transfer torque MRAM having a ferromagnetic tunnel junction element MTJ. The semiconductor memory MEM includes a memory cell array ARY, a word line driver WLDRV, a bit line driver BLDRV, a source line driver SLDRV, and a sense amplifier SA.
メモリセルアレイARYは、マトリックス状に配置された複数のメモリセルMCを有している。図9の横方向に並ぶメモリセルMCは、共通のワード線WLに接続されている。図9の縦方向に並ぶメモリセルMCは、共通のソース線SLおよび共通のビット線BLに接続されている。メモリセルMCは、図1に示した磁気抵抗素子MREと、選択トランジスタSTとを有している。例えば、各メモリセルMCは、強磁性トンネル接合素子MTJが高抵抗状態のときに論理1を記憶し、強磁性トンネル接合素子MTJが低抵抗状態のときに論理0を記憶する。強磁性トンネル接合素子MTJは、図1に示したハードマスクHM側がビット線BLに接続され、下部電極BEL側が選択トランジスタSTを介してソース線SLに接続されている。選択トランジスタSTのゲートはワード線WLに接続されている。強磁性トンネル接合素子MTJに示す矢印は、先端側に自由層FL2(ハードマスクHM側)が配置されることを示す。
The memory cell array ARY has a plurality of memory cells MC arranged in a matrix. The memory cells MC arranged in the horizontal direction in FIG. 9 are connected to a common word line WL. The memory cells MC arranged in the vertical direction in FIG. 9 are connected to a common source line SL and a common bit line BL. The memory cell MC includes the magnetoresistive element MRE shown in FIG. 1 and a selection transistor ST. For example, each memory cell MC stores a
ワード線ドライバWLDRVは、書き込み動作時および読み出し動作時に、アドレス信号ADに応じて、ワード線WLのいずれかをハイレベルに活性化し、他のワード線WLをロウレベルに非活性化する。ビット線ドライバBLDRVは、書き込み動作時に、ビット線BLを書き込みデータDIの論理に応じてロウレベル(例えば、接地電圧)またはハイレベル(書き込み電圧)に設定する。ビット線ドライバBLDRVは、読み出し動作時に、ビット線BLをハイレベル(読み出し電圧)に設定する。 The word line driver WLDRV activates one of the word lines WL to a high level and deactivates another word line WL to a low level according to an address signal AD during a write operation and a read operation. The bit line driver BLDRV sets the bit line BL to a low level (for example, ground voltage) or a high level (write voltage) according to the logic of the write data DI during a write operation. The bit line driver BLDRV sets the bit line BL to a high level (read voltage) during a read operation.
ソース線ドライバSLDRVは、書き込み動作時に、ソース線SLを書き込みデータDIの論理に応じてハイレベル(書き込み電圧)またはロウレベル(例えば、接地電圧)に設定する。これにより、ソース線SLの電圧レベルは、書き込み動作時に、対応するビット線BLの電圧レベルの逆に設定される。ソース線ドライバSLDRVは、読み出し動作時に、ソース線SLをフローティング状態に設定する。そして、メモリセルMCに保持されているデータの論理に応じた電圧または電流がソース線SLに生成される。 The source line driver SLDRV sets the source line SL to a high level (write voltage) or a low level (for example, ground voltage) according to the logic of the write data DI during a write operation. Thereby, the voltage level of the source line SL is set to be opposite to the voltage level of the corresponding bit line BL during the write operation. The source line driver SLDRV sets the source line SL in a floating state during a read operation. Then, a voltage or current corresponding to the logic of data held in the memory cell MC is generated on the source line SL.
センスアンプSAは、読み出し動作時に動作し、ソース線SLの電圧または電流に基づいて、活性化されているワード線WLに接続されるメモリセルMCに保持されている論理を判定し、判定した論理を読み出しデータDOとして出力する。 The sense amplifier SA operates during a read operation, determines the logic held in the memory cell MC connected to the activated word line WL based on the voltage or current of the source line SL, and determines the determined logic. Is output as read data DO.
図10は、図1に示した磁気抵抗素子MREを含むメモリセルMCを有する半導体メモリMEMの別の例を示している。例えば、半導体メモリMEMは、強磁性トンネル接合素子MTJを有する配線電流磁界型のMRAMである。配線電流磁界型のMRAMでは、強磁性トンネル接合素子MTJの近くに、書き込みワード線WWLが配線される。例えば、書き込みワード線WWLは、図9の横方向に並ぶ強磁性トンネル接合素子MTJに沿って配線されている。 FIG. 10 shows another example of the semiconductor memory MEM having the memory cell MC including the magnetoresistive element MRE shown in FIG. For example, the semiconductor memory MEM is a wiring current magnetic field type MRAM having a ferromagnetic tunnel junction element MTJ. In the wiring current magnetic field type MRAM, the write word line WWL is wired near the ferromagnetic tunnel junction element MTJ. For example, the write word line WWL is wired along the ferromagnetic tunnel junction elements MTJ arranged in the horizontal direction in FIG.
ワード線ドライバWLDRVは、書き込み動作時に書き込みワード線WWLを駆動し、読み出し動作時にワード線WLを駆動する。ビット線ドライバBLDRVおよびソース線ドライバSLDRVは、読み出し動作時のみ駆動される。半導体メモリMEMのその他の構成および機能は、図9と同様である。 The word line driver WLDRV drives the write word line WWL during the write operation and drives the word line WL during the read operation. The bit line driver BLDRV and the source line driver SLDRV are driven only during a read operation. Other configurations and functions of the semiconductor memory MEM are the same as those in FIG.
図11は、図10に示したメモリセルMCの構造と書き込み動作の例を示している。強磁性トンネル接合素子MTJは、半導体基板SUBの表面に形成される選択トランジスタST上に形成される。例えば、半導体基板SUBはp形基板であり、選択トランジスタSTはnMOSトランジスタである。 FIG. 11 shows an example of the structure and write operation of the memory cell MC shown in FIG. The ferromagnetic tunnel junction element MTJ is formed on the selection transistor ST formed on the surface of the semiconductor substrate SUB. For example, the semiconductor substrate SUB is a p-type substrate, and the selection transistor ST is an nMOS transistor.
選択トランジスタSTのドレインDRは、ビアホールVIA1(プラグコンタクト)および接続配線CN1を介して強磁性トンネル接合素子MTJの固定層PL側に接続される。ビット線BLは、強磁性トンネル接合素子MTJの自由層FL1側に接続される。選択トランジスタSTのソースSCは、ビアホールVIA2(プラグコンタクト)を介して図10に示したソースSLに接続される。ドレインDRおよびソースSCは拡散層の一種である。 The drain DR of the selection transistor ST is connected to the fixed layer PL side of the ferromagnetic tunnel junction element MTJ through the via hole VIA1 (plug contact) and the connection wiring CN1. The bit line BL is connected to the free layer FL1 side of the ferromagnetic tunnel junction device MTJ. The source SC of the selection transistor ST is connected to the source SL shown in FIG. 10 via a via hole VIA2 (plug contact). The drain DR and the source SC are a kind of diffusion layer.
書き込みワード線WWLは、ワード線WLと強磁性トンネル接合素子MTJの間に、ワード線WLに沿って配線される。特に限定されないが、ワード線WLはポリシリコン配線層を用いて形成される。書き込みワード線WWL、ビット線BL、接続配線CN1および図10に示したソース線SLは金属配線層を用いて形成される。 The write word line WWL is wired along the word line WL between the word line WL and the ferromagnetic tunnel junction element MTJ. Although not particularly limited, the word line WL is formed using a polysilicon wiring layer. The write word line WWL, the bit line BL, the connection wiring CN1, and the source line SL shown in FIG. 10 are formed using a metal wiring layer.
配線電流磁界型のMRAMの書き込み動作では、強磁性トンネル接合素子MTJは、ビット線BLに流れる電流I1により発生する磁場MF1と書き込みワード線WWLに流れる電流I2により発生する磁場MF2とに応じて、抵抗値が書き換わり、データの論理が書き込まれる。書き込まれるデータの論理は、ビット線BLに流れる電流の向きにより設定される。
例えば、強磁性トンネル接合素子MTJ内に矢印で示すように、固定層PLと自由層FL1の磁化方向が互いに逆(反平行)のとき、強磁性トンネル接合素子MTJは高抵抗状態に設定されている。これに対して、固定層PLと自由層FL1の磁化方向が同じ(平行)のとき、強磁性トンネル接合素子MTJは低抵抗状態に設定されている。なお、スピン注入型MRAMのメモリセルMCは、図11から書き込みワード線WWLを取り除いた構造にほぼ等しい。
In the write operation of the wiring current magnetic field type MRAM, the ferromagnetic tunnel junction element MTJ has a magnetic field MF1 generated by the current I1 flowing through the bit line BL and a magnetic field MF2 generated by the current I2 flowing through the write word line WWL. The resistance value is rewritten and the data logic is written. The logic of data to be written is set by the direction of current flowing through the bit line BL.
For example, as indicated by an arrow in the ferromagnetic tunnel junction element MTJ, when the magnetization directions of the fixed layer PL and the free layer FL1 are opposite (antiparallel), the ferromagnetic tunnel junction element MTJ is set in a high resistance state. Yes. On the other hand, when the magnetization directions of the fixed layer PL and the free layer FL1 are the same (parallel), the ferromagnetic tunnel junction device MTJ is set in a low resistance state. The memory cell MC of the spin injection MRAM is almost the same as the structure in which the write word line WWL is removed from FIG.
以上、この実施形態では、トンネル絶縁膜TLとストッパー層STOPとの間隔を自由層FL2の介在により大きくすることで、ストッパー層STOPのRuがエッチング時にトンネル絶縁膜TLに付着することを防止できる。自由層FL1とストッパー層STOPとの間隔を自由層FL2の介在により大きくすることで、ストッパー層STOPのRuが自由層FL1の界面に現れることを防止でき、磁気抵抗素子MREの電気的特性が悪化することを防止できる。 As described above, in this embodiment, by increasing the distance between the tunnel insulating film TL and the stopper layer STOP by the interposition of the free layer FL2, it is possible to prevent the Ru of the stopper layer STOP from adhering to the tunnel insulating film TL during etching. By increasing the distance between the free layer FL1 and the stopper layer STOP by the interposition of the free layer FL2, it is possible to prevent the Ru of the stopper layer STOP from appearing at the interface of the free layer FL1, and the electrical characteristics of the magnetoresistive element MRE deteriorate. Can be prevented.
自由層FL1に比べて飽和磁化量が小さい自由層FL2を、自由層FL1より厚く形成することで、書き込み電流を増やすことなく、トンネル絶縁膜TLとストッパー層STOPとの間隔または自由層FL1とストッパー層STOPとの間隔を大きくできる。Taを含む自由層FL2は、純粋なTaに比べてエッチングレートが高いため、自由層FL2を形成するときにもエッチング時間が長くなることを防止できる。以上より、エッチング時間を長くすることなく、トンネル絶縁膜TLの汚染を防止でき、磁気抵抗素子MREの電気的特性の悪化を防止できる。 By forming the free layer FL2 having a smaller saturation magnetization than the free layer FL1 thicker than the free layer FL1, the distance between the tunnel insulating film TL and the stopper layer STOP or the free layer FL1 and the stopper can be increased without increasing the write current. The distance from the layer STOP can be increased. Since the free layer FL2 containing Ta has a higher etching rate than that of pure Ta, it is possible to prevent the etching time from becoming long even when the free layer FL2 is formed. As described above, the contamination of the tunnel insulating film TL can be prevented without increasing the etching time, and the electrical characteristics of the magnetoresistive element MRE can be prevented from deteriorating.
図12は、上述した半導体メモリMEMが搭載されるシステムSYSの例を示している。システムSYS(ユーザシステム)は、例えば、携帯機器等のマイクロコンピュータシステムの少なくとも一部を含んでいる。システムSYSの形態は、シリコン基板上に複数のマクロが集積されたシステムオンチップ、あるいはパッケージ基板上に複数のチップが搭載されたシステムインパッケージのいずれでもよい。 FIG. 12 shows an example of a system SYS on which the above-described semiconductor memory MEM is mounted. The system SYS (user system) includes at least a part of a microcomputer system such as a portable device. The system SYS may be a system-on-chip in which a plurality of macros are integrated on a silicon substrate, or a system-in-package in which a plurality of chips are mounted on a package substrate.
例えば、システムSYSは、CPU、ROMおよび周辺回路PERIと、上述した半導体メモリMEMのいずれかとを有している。CPU、ROM、周辺回路PERIおよび半導体メモリMEMは、システムバスSBUSにより互いに接続されている。ROMは、CPUにより実行されるプログラムを格納している。CPUは、ROMにアクセスするとともに、半導体メモリMEMにアクセスし、システム全体の動作を制御する。なお、CPUにより実行されるプログラムが半導体メモリMEMに格納されるとき、ROMは不要である。周辺回路PERIは、システムSYSに接続される入力装置および出力装置の少なくともいずれかを制御する。半導体メモリMEMは、CPUからのアクセス要求に応じて、書き込み動作および読み出し動作を実行する。 For example, the system SYS includes a CPU, a ROM, a peripheral circuit PERI, and any of the semiconductor memories MEM described above. The CPU, ROM, peripheral circuit PERI, and semiconductor memory MEM are connected to each other by a system bus SBUS. The ROM stores a program executed by the CPU. The CPU accesses the ROM and also accesses the semiconductor memory MEM to control the operation of the entire system. Note that the ROM is not necessary when the program executed by the CPU is stored in the semiconductor memory MEM. The peripheral circuit PERI controls at least one of an input device and an output device connected to the system SYS. The semiconductor memory MEM performs a write operation and a read operation in response to an access request from the CPU.
以上の実施形態において説明した発明を整理して、付記として開示する。
(付記1)
半導体基板上に配置される固定層と、
前記固定層上に配置されるトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に配置され、Feを含む第1自由層と、
前記第1自由層上に配置され、FeおよびTaを含む第2自由層と、
前記第2自由層上に配置され、Ruを含むストッパー層と
前記ストッパー層上に配置されるハードマスクと
を備えていることを特徴とする磁気抵抗素子。
(付記2)
前記第2自由層の厚さは、前記第1自由層の厚さより大きいこと
を特徴とする付記1記載の磁気抵抗素子。
(付記3)
前記第2自由層は、さらにBを含むこと
を特徴とする付記1または付記2記載の磁気抵抗素子。
(付記4)
前記第2自由層は、さらにCo、Niの少なくともいずれかを含むこと
を特徴とする付記3記載の磁気抵抗素子。
(付記5)
半導体基板上に順に配置される固定層と、トンネル絶縁膜と、Feを含む第1自由層と、FeおよびTaを含む第2自由層と、Ruを含むストッパー層と、ハードマスクとを有する磁気抵抗素子と、
ドレインが前記固定層に接続される選択トランジスタと
を含むメモリセルと、
前記ハードマスクに接続されるビット線と、
前記選択トランジスタのソースに接続されるソース線と、
前記選択トランジスタのゲートに接続されるワード線と、
前記ビット線、前記ソース線および前記ワード線を駆動するドライバと
を備えていることを特徴とする半導体メモリ。
(付記6)
前記第2自由層の厚さは、前記第1自由層の厚さより大きいこと
を特徴とする付記5記載の半導体メモリ。
(付記7)
前記第2自由層は、さらにBを含むこと
を特徴とする付記5または付記6記載の半導体メモリ。
(付記8)
前記第2自由層は、さらにCo、Niの少なくともいずれかを含むこと
を特徴とする付記7記載の半導体メモリ。
(付記9)
半導体基板上に固定層と、トンネル絶縁膜と、Feを含む第1自由層と、FeおよびTaを含む第2自由層と、Ruを含むストッパー層と、ハードマスクとを順に積層する積層工程と、
フォトリソグラフィ技術を用いて前記ハードマスクを選択的にエッチングする第1エッチング工程と、
エッチング後に残された前記ハードマスクをマスクとして、前記ストッパー層と、前記第2自由層と、前記第1自由層と、前記トンネル絶縁膜と、前記固定層とを選択的にエッチングする第2エッチング工程と
を有することを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。
(付記10)
前記積層工程において、前記第2自由層の厚さを、前記第1自由層の厚さより大きく形成すること
を特徴とする付記9記載の磁気抵抗素子の製造方法。
The invention described in the above embodiments is organized and disclosed as an appendix.
(Appendix 1)
A fixed layer disposed on a semiconductor substrate;
A tunnel insulating film disposed on the fixed layer;
A first free layer disposed on the tunnel insulating film and containing Fe;
A second free layer disposed on the first free layer and comprising Fe and Ta;
A magnetoresistive element comprising: a stopper layer that is disposed on the second free layer and includes Ru; and a hard mask that is disposed on the stopper layer.
(Appendix 2)
The magnetoresistive element according to
(Appendix 3)
The magnetoresistive element according to
(Appendix 4)
The magnetoresistive element according to
(Appendix 5)
A magnetic layer having a fixed layer, a tunnel insulating film, a first free layer containing Fe, a second free layer containing Fe and Ta, a stopper layer containing Ru, and a hard mask arranged in order on a semiconductor substrate A resistance element;
A memory cell including a select transistor having a drain connected to the fixed layer;
A bit line connected to the hard mask;
A source line connected to a source of the selection transistor;
A word line connected to the gate of the select transistor;
A semiconductor memory comprising: a driver for driving the bit line, the source line, and the word line.
(Appendix 6)
The semiconductor memory according to
(Appendix 7)
The semiconductor memory according to
(Appendix 8)
The semiconductor memory according to appendix 7, wherein the second free layer further includes at least one of Co and Ni.
(Appendix 9)
A laminating step of sequentially laminating a fixed layer, a tunnel insulating film, a first free layer containing Fe, a second free layer containing Fe and Ta, a stopper layer containing Ru, and a hard mask on a semiconductor substrate; ,
A first etching step of selectively etching the hard mask using a photolithography technique;
Second etching for selectively etching the stopper layer, the second free layer, the first free layer, the tunnel insulating film, and the fixed layer using the hard mask left after etching as a mask A method of manufacturing a magnetoresistive element comprising the steps of:
(Appendix 10)
The method of manufacturing a magnetoresistive element according to claim 9, wherein, in the stacking step, the thickness of the second free layer is formed larger than the thickness of the first free layer.
以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずであり、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。 From the above detailed description, features and advantages of the embodiments will become apparent. This is intended to cover the features and advantages of the embodiments described above without departing from the spirit and scope of the claims. Further, any person having ordinary knowledge in the technical field should be able to easily come up with any improvements and changes, and there is no intention to limit the scope of the embodiments having the invention to those described above. It is also possible to rely on suitable improvements and equivalents within the scope disclosed in.
AFL‥反強磁性層;ARY‥メモリセルアレイ;BEL‥下部電極;BL‥ビット線;BLDRV‥ビット線ドライバ;CN1‥接続配線;DL‥拡散層;DR‥ドレイン;FL1、FL2‥自由層;HM‥ハードマスク;INS1、INS2‥絶縁膜;MC‥メモリセル;MEM‥半導体メモリ;MF1、MF2‥磁場;MRE‥磁気抵抗素子;MTJ‥強磁性トンネル接合素子;PERI‥周辺回路;PL‥固定層;RES‥フォトレジスト;SA‥センスアンプ;SBUS‥システムバス;SC‥ソース;SL‥ソース線;SLDRV‥ソース線ドライバ;ST‥選択トランジスタ;STOP‥ストッパー層;SUB‥半導体基板;SYS‥システム;TL‥トンネル絶縁膜;VIA1、VIA2‥ビアホール;WL‥ワード線;WLDRV‥ワード線ドライバ;WWL‥書き込みワード線 AFL: Antiferromagnetic layer; ARY: Memory cell array; BEL: Lower electrode; BL: Bit line; BLDRV: Bit line driver; CN1: Connection wiring: DL: Diffusion layer; DR: Drain; FL1, FL2: Free layer; INS, INS2, insulating film, MC, memory cell, MEM, semiconductor memory, MF1, MF2, magnetic field, MRE, magnetoresistive element, MTJ, ferromagnetic tunnel junction element, PERI, peripheral circuit, PL, fixed layer RES, photoresist, SA, sense amplifier, SBUS, system bus, SC, source, SL, source line, SLDRV, source line driver, ST, selection transistor, STOP, stopper layer, SUB, semiconductor substrate, SYS, system; TL Tunnel insulating film; VIA1, VIA2 Via hole; WL Word line; W DRV ‥ word line driver; WWL ‥ write word line
Claims (3)
前記固定層上に配置されるトンネル絶縁膜と、
前記トンネル絶縁膜上に配置され、Feを含む第1自由層と、
前記第1自由層上に配置され、FeおよびTaを含む第2自由層と、
前記第2自由層上に配置され、Ruを含むストッパー層と
前記ストッパー層上に配置されるハードマスクとを備え、
前記第2自由層は、前記ストッパー層のRuによる前記トンネル絶縁膜の汚染と、エッチング容易性と、抵抗状態を変えるための書き込み電流とに関する制約に応じて設定された、前記第1自由層の厚さの2倍から3倍までの範囲内の厚さを有する
ことを特徴とする磁気抵抗素子。 A fixed layer disposed on a semiconductor substrate;
A tunnel insulating film disposed on the fixed layer;
A first free layer disposed on the tunnel insulating film and containing Fe;
A second free layer disposed on the first free layer and comprising Fe and Ta;
A stopper layer disposed on the second free layer and including Ru; and a hard mask disposed on the stopper layer,
The second free layer is set according to constraints on contamination of the tunnel insulating film due to Ru of the stopper layer, etching ease, and a write current for changing a resistance state. A magnetoresistive element having a thickness in a range of 2 to 3 times the thickness.
ドレインが前記固定層に接続される選択トランジスタと
を含むメモリセルと、
前記ハードマスクに接続されるビット線と、
前記選択トランジスタのソースに接続されるソース線と、
前記選択トランジスタのゲートに接続されるワード線と、
前記ビット線、前記ソース線および前記ワード線を駆動するドライバとを備え、
前記第2自由層は、前記ストッパー層のRuによる前記トンネル絶縁膜の汚染と、エッチング容易性と、抵抗状態を変えるための書き込み電流とに関する制約に応じて設定された、前記第1自由層の厚さの2倍から3倍までの範囲内の厚さを有する
ことを特徴とする半導体メモリ。 A magnetic layer having a fixed layer, a tunnel insulating film, a first free layer containing Fe, a second free layer containing Fe and Ta, a stopper layer containing Ru, and a hard mask arranged in order on a semiconductor substrate A resistance element;
A memory cell including a select transistor having a drain connected to the fixed layer;
A bit line connected to the hard mask;
A source line connected to a source of the selection transistor;
A word line connected to the gate of the select transistor;
A driver for driving the bit line, the source line, and the word line;
The second free layer is set according to constraints on contamination of the tunnel insulating film due to Ru of the stopper layer, etching ease, and a write current for changing a resistance state. A semiconductor memory having a thickness in the range of 2 to 3 times the thickness.
フォトリソグラフィ技術を用いて前記ハードマスクを選択的にエッチングする第1エッチング工程と、
エッチング後に残された前記ハードマスクをマスクとして、前記ストッパー層と、前記第2自由層と、前記第1自由層と、前記トンネル絶縁膜と、前記固定層とを選択的にエッチングする第2エッチング工程とを備え、
前記積層工程において、前記第2自由層を、前記ストッパー層のRuによる前記トンネル絶縁膜の汚染と、エッチング容易性と、抵抗状態を変えるための書き込み電流とに関する制約に応じて設定された、前記第1自由層の厚さの2倍から3倍までの範囲内の厚さに形成する
ことを特徴とする磁気抵抗素子の製造方法。 A laminating step of sequentially laminating a fixed layer, a tunnel insulating film, a first free layer containing Fe, a second free layer containing Fe and Ta, a stopper layer containing Ru, and a hard mask on a semiconductor substrate; ,
A first etching step of selectively etching the hard mask using a photolithography technique;
Second etching for selectively etching the stopper layer, the second free layer, the first free layer, the tunnel insulating film, and the fixed layer using the hard mask left after etching as a mask A process,
In the stacking step, the second free layer is set according to restrictions on contamination of the tunnel insulating film due to Ru of the stopper layer, etching ease, and a write current for changing a resistance state, A method of manufacturing a magnetoresistive element, comprising forming the thickness within a range of 2 to 3 times the thickness of the first free layer.
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