JP7828700B2

JP7828700B2 - 磁気頂部コンタクトを含むｍｒａｍ

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Publication number: JP7828700B2
Application number: JP2023540049A
Authority: JP
Inventors: リッツォーロ、マイケル; ゼア、サーバ; メータ、ビラト、バサフ; エバーツ、エリック、レイモンド
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2021-01-27
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2026-03-12
Anticipated expiration: 2042-01-14
Also published as: US11665974B2; CN116806448A; EP4285419A1; US20220238794A1; JP2024505125A; WO2022161792A1

Description

本発明は、メモリ・デバイスに関し、より詳細には、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）に関する。

従来のランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）チップ技術とは異なり、磁気ＲＡＭ（ＭＲＡＭ）は、電荷としてデータを記憶せず、代わりに、記憶素子の磁気分極によってデータを記憶する。典型的には、記憶素子は、トンネル層によって分離された２つの強磁性層から形成されている。強磁性層の一方は、特定の極性に設定された少なくとも１つのピン止めされた磁気分極（「参照」層または「固定」層としても知られている）を有する。もう一方の強磁性層（または自由層）の磁気極性は、「１」（すなわち、固定層に対して逆平行の極性）または「０」（すなわち、固定層に対して平行の極性）のいずれかを表すように変更される。固定層、トンネル層、および自由層を有する１つのデバイスは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）である。ＭＴＪの電気抵抗は、固定層の磁気極性と比較した自由層の磁気極性に依存する。ＭＲＡＭなどのメモリ・デバイスは、個々にアドレス指定可能なＭＴＪのアレイから構築することができる。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）において、電流誘起磁化がＭＲＡＭデバイスにとって関心のある主な現象である。そのため、自由層（ＦＬ）に対する平均外部磁場はゼロである必要がある。そうするために、参照層は、反対方向の磁化を有するように薄い反強磁性層で分離され、これらの２つの層をバランスさせることによってゼロ磁場を達成する。２つの層間のバランスをとることは、非常に困難な場合があり、これらの層のそれぞれの厚さを数オングストロームにまで制御することによって行われている。さらに、ＩＢＥなどの一部の統合プロセス・フローは、頂部参照層および底部参照層をそれらの側壁において不均一にエッチングすることによって、ブランケット膜の堆積後であっても、参照層のサイズを単純に修正し、バランスを変更することができる。

したがって、当技術分野では、前述の問題に対処する必要がある。

第１の態様から見ると、本発明は、磁気トンネル接合スタックと、磁気トンネル接合スタックと頂部コンタクトとの間に配置された磁気ライナとを備え、磁気ライナが強磁性材料を含む、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を提供する。

さらなる態様から見ると、本発明は、磁気トンネル接合スタックと、磁気トンネル接合スタック上の金属と、金属の頂面に配置された磁気ライナとを備え、磁気ライナが強磁性材料を含む、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を提供する。

さらなる態様から見ると、本発明は、磁気トンネル接合スタックと、磁気トンネル接合スタック上の金属と、金属の側面に配置された磁気ライナとを備え、磁気ライナが強磁性材料を含む、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を提供する。

さらなる態様から見ると、本発明は、磁気トンネル接合スタックと、磁気トンネル接合スタック上の金属と、金属の頂面および側面に配置された磁気ライナとを備え、磁気ライナが磁性材料を含む、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を提供する。

さらなる態様から見ると、本発明は、磁気トンネル接合スタックの上方に磁気ライナを形成することと、磁気ライナの上方に頂部コンタクトを形成することとを含む、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を形成する方法を提供する。

本発明の一実施形態は、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタックを含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタックと頂部コンタクトとの間に配置された磁気ライナを含むことができ、磁気ライナは強磁性材料であってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

ＭＲＡＭ構造体の一実施形態では、強磁性材料は、コバルトであってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

ＭＲＡＭ構造体の一実施形態では、強磁性材料は、ニッケル、鉄、希土類元素、またはそれらの組合せであってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

ＭＲＡＭ構造体の一実施形態では、強磁性材料の厚さは、約１～約２０ｎｍであってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

ＭＲＡＭ構造体の一実施形態では、頂部コンタクトと磁気ライナとの間に拡散ライナが存在してもよい。これにより、磁気ライナの長期的なデバイス信頼性および機能を向上させることができる。

ＭＲＡＭ構造体の一実施形態では、金属コンタクトと磁気トンネル接合スタックとの間に配置された金属が存在してもよい。これにより、磁気ライナの長期的なデバイス信頼性および機能を向上させることができる。

本発明の一実施形態は、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタックを含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタック上に金属を含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、金属の頂面に配置された磁気ライナを含むことができ、磁気ライナは、強磁性材料であってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

本発明の一実施形態は、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタックを含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタック上に金属を含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、金属の側面に配置された磁気ライナを含むことができ、磁気ライナは、強磁性材料であってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

本発明の一実施形態は、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタックを含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、磁気トンネル接合スタック上に金属を含むことができる。ＭＲＡＭ構造体は、金属の頂面および側面に配置された磁気ライナを含むことができ、磁気ライナは、強磁性材料であってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

本発明の一実施形態は、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を形成する方法を含むことができる。本方法は、磁気トンネル接合スタックの上方に金属ライナを形成することを含むことができる。本方法は、金属ライナの上方に頂部コンタクトを形成することを含むことができる。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用する構造体を形成することを可能にすることができる。

本方法の一実施形態では、強磁性材料は、コバルトであってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用する構造体を形成することを可能にすることができる。

本方法の一実施形態では、強磁性材料の厚さは、約１～約２０ｎｍであってもよい。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用する構造体を形成することを可能にすることができる。

本方法の一実施形態において、磁気トンネル接合スタックの上方に磁気ライナを形成することは、磁気トンネル接合スタックの上方に配置された金属ハード・マスク上に磁気ライナを選択的に形成することを含むことができる。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用する構造体を形成することを可能にすることができる。

本方法の一実施形態において、金属ハード・マスクの頂面に配置された磁気ライナの一部を除去することができる。これにより、ＭＴＪ層においてゼロ磁場を達成するために、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用する構造体を形成することを可能にすることができる。

本発明は、ここで、以下の図面に示されるような好ましい実施形態を参照して、単なる例として説明される。

例示的な実施形態によるＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、金属ハード・マスク上に逆カップ形状の磁気ライナを堆積させた後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、ライナを堆積させた後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、頂部コンタクトを形成した後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態によるＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、金属ハード・マスク上に磁気ライナを堆積させた後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、おおむね平坦なライナを堆積させた後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、頂部コンタクトを形成した後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態によるＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、金属ハード・マスクの周りに環状磁気ライナを堆積させた後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、ライナを堆積させた後のＭＲＡＭセルを示す図である。例示的な実施形態による、頂部コンタクトを形成した後のＭＲＡＭセルを示す図である。

図の要素は、必ずしも縮尺通りではなく、本発明の特定のパラメータを描写することを意図したものではない。説明を明確かつ容易にするために、要素の寸法は誇張されている場合がある。正確な寸法については、詳細な説明を参照されたい。図面は、本発明の典型的な実施形態のみを示すことが意図されており、したがって、本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではない。図面において、同様の番号は同様の要素を表す。

次に、例示的な実施形態が示されている添付の図面を参照して、例示的な実施形態について本明細書でより完全に説明する。しかしながら、本開示は、多くの異なる形態で具現化されてもよく、本明細書に記載される例示的な実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの例示的な実施形態は、本開示が徹底的かつ完全であり、本開示の範囲を当業者に伝えるように提供される。説明において、よく知られている特徴および技術の詳細は、提示された実施形態を不必要に曖昧にすることを避けるために省略されることがある。

以下の説明の目的のために、「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」、およびそれらの派生語などの用語は、図面において方向付けられるような、開示された構造および方法に関連するものとする。「上にある（overlying）」、「の上に（atop）」、「上に（on top）」、「上に位置する（positioned on）」または「の上に位置する（positioned atop）」などの用語は、第１の構造などの第１の要素が、第２の構造などの第２の要素上に存在し、界面構造などの介在要素が第１の要素と第２の要素との間に存在してもよいことを意味する。「直接接触」という用語は、第１の構造などの第１の要素と、第２の構造などの第２の要素とが、２つの要素の界面において中間の導電層、絶縁層または半導体層なしに接続されることを意味する。

本発明の実施形態の提示を不明瞭にしないために、以下の詳細な説明では、当技術分野で知られているいくつかの処理ステップまたは動作は、提示および例示のために一緒に組み合わされていることがあり、場合によっては、詳細に説明されていないことがある。他の事例では、当技術分野で知られているいくつかの処理ステップまたは動作は、全く説明されないことがある。以下の説明は、むしろ、本発明の様々な実施形態の特有の特徴または要素に焦点を当てていることを理解されたい。

ＭＴＪスタックのコンタクトに選択的な金属ライナを追加することによって、自由層の磁場をバランスさせるための追加の調整可能なパラメータを生成することができる。

図１は、始めの磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）を示す。ＭＲＡＭデバイスは、半導体デバイスのＭｘ層１００上に配置されている。ＭＲＡＭデバイスは、底部コンタクト１２０と、拡散バリア１３０と、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタック１４０と、金属ハード・マスク１５０とを含むことができる。ＭＲＡＭデバイスは、ＩＬＤ１１０によって周囲のデバイスから絶縁されていてもよい。

Ｍｘ層１００は、下層にある配線、メモリ、または論理デバイスを含むことができる。このような下層構造では、ＭＲＡＭに含まれる状態を、ＭＲＡＭが一部である半導体デバイスの計算または機能に使用する。

ＩＬＤ１１０は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＣ、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ、およびＳｉＣＨ化合物などのシリコン含有材料、Ｓｉの一部または全部が炭素ドープ酸化物によって置換された上述のシリコン含有材料、無機酸化物、無機ポリマ、ハイブリッド・ポリマ、ポリアミドまたはＳｉＬＫ（商標）などの有機ポリマ、他の炭素含有材料、スピン・オン・ガラスおよびシルセスキオキサン系材料などの有機無機材料、ならびに非晶質水素化炭素（α－Ｃ：Ｈ）としても知られているダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる群から選択することができる。ＩＬＤ１１０の追加の選択肢には、多孔質形態の、あるいは処理中に多孔質または透過性あるいはその両方から、非多孔質または非透過性あるいはその両方に変化する形態の、前述の材料のいずれかが含まれる。本実施形態では、ＩＬＤ１１０内のトレンチは、金属ハード・マスク１５０の頂部よりも下に達し、それにより、金属ハード・マスク１５０の側面の下まで磁気ライナ１６０を形成することが可能になる。金属ハード・マスク１５０の高さを下回るトレンチの距離は、金属ハード・マスク１５０の高さの５～５０％であってもよい。

底部コンタクト１２０は、半導体デバイス全体にわたって配置された他のデバイスへの接続を含むことができる。底部コンタクト１２０は、例えば、銅、アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタル、またはタングステンなどの材料を含むことができる。

拡散バリア１３０は、ＭＴＪスタック１４０から底部コンタクト１２０への、またはその逆の原子またはイオンの移動を阻止する任意の導電性材料であってもよい。例えば、拡散バリア１３０は、タンタル、チタン、タングステン、窒化タングステン、ニッケル、白金、ルテニウムなどの金属で形成することができる。

ＭＴＪスタック１４０は、薄い絶縁トンネル障壁層によって分離された２層の強磁性材料を含む。絶縁トンネル障壁層は、電荷キャリアの量子力学的トンネリングが強磁性電極間で起こるように十分に薄い。トンネリング・プロセスは、電子スピン依存性があり、これは、接合を横切るトンネル電流が、強磁性材料のスピン依存性電子特性に依存し、２つの強磁性層の磁気モーメントの相対的配向（磁化方向）の関数であることを意味する。２つの強磁性層は、それらのモーメントの相対的な配向を外部磁場によって変化させることができるように、磁場に対する応答が異なるように設計されている。ＭＴＪは、例えば、不揮発性磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）アレイ内のメモリ・セルとして、および例えば、磁気記録ディスク・ドライブ内の磁気抵抗読取りヘッドなどの磁場センサとして使用可能である。強磁性層材料は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅなどを含む強磁性材料または強磁性薄膜などの、磁気特性を示す任意の適切な材料、材料の組合せ、または合金とすることができる。絶縁層は、絶縁性であり、絶縁層を横切るトンネリングを可能にする任意の適切な材料または材料の組合せであってもよい。

ＭＲＡＭは、情報を記憶するためにトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）を使用する固体メモリの一種である。ＭＲＡＭは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と呼ばれる磁気抵抗メモリ素子の電気的に接続されたアレイで構成される。各ＭＴＪは、磁化方向が可変の自由層と、磁化方向が不変の固定層とを含む。自由層および固定層はそれぞれ、磁性材料の層を含み、絶縁非磁性トンネル障壁によって分離されている。ＭＴＪは、自由層の磁化状態を切り替えることによって情報を記憶する。自由層の磁化方向が固定層の磁化方向と平行である場合、ＭＴＪは低抵抗状態にある。自由層の磁化方向が固定層の磁化方向に対して反平行である場合、ＭＴＪは高抵抗状態にある。ＭＴＪの抵抗の差を使用して、論理「１」または「０」を示すことができ、それによって１ビットの情報を記憶することができる。ＭＴＪのＴＭＲは、高抵抗状態と低抵抗状態の抵抗の差を決定する。高抵抗状態と低抵抗状態との比較的大きな差は、ＭＲＡＭの読み出し動作を容易にする。

金属ハード・マスク１５０は、形成中にＭＴＪスタック１４０のフットプリントを画定するために使用される金属層であってもよい。金属ハード・マスク１５０は、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、ルテニウム／窒化ルテニウム、窒化コバルト、白金族金属窒化物、これらの純金属対応物（pure-metal counterpart）などとすることができる。

図２を参照すると、金属ハード・マスク１５０の表面に磁気ライナ１６０を選択的に堆積させている。磁気ライナ１６０の堆積は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、またはＩＬＤ１１０上に磁気ライナを堆積させることなく金属ハード・マスク１５０上に磁気ライナ１６０を選択的に堆積させることができる任意の他の適切な技術によって行うことができる。磁気ライナ１６０は、ＭＴＪスタック１４０に磁場を作用させることができる強磁性ライナであってもよい。磁気ライナ１６０は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、希土類元素、またはそれらの組合せなどの材料で作られてもよい。磁気ライナは、約１～２０ｎｍの厚さを有することができ、金属ハード・マスク１５０の高さの５～５０％延在することができる。

図３を参照すると、磁気ライナ上に、かつトレンチの側壁に沿ってライナ１７０を堆積させることができる。拡散バリア１３０と同様に、ライナ１７０は、原子またはイオンが磁気ライナ１６０の外または中に移動するのを阻止することができる材料を含むことができる。ライナは、例えば、タンタルまたは窒化タンタルで作られてもよく、ライナ材料の１つまたは複数の層を含んでもよい。ライナ１７０は、電気めっき、無電解めっき、化学気相堆積、物理的気相堆積、または方法の組合せなどの充填堆積技術を使用して形成されてもよい。

図４を参照すると、トレンチは、頂部コンタクト１８０で充填することができる。頂部コンタクト１８０は、例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＴａＮ、または他の適切な材料などの低抵抗金属として選択されてもよい。頂部コンタクト１８０は、電気めっき、無電解めっき、化学気相堆積、物理的気相堆積、または方法の組合せなどの充填技術を使用して形成されてもよい。頂部コンタクト１８０は、トレンチまたはビアの一部として形成されてもよく、半導体チップのより高レベルの追加配線に接続されてもよい。

図１～図４に概説されたステップの後に、磁気ライナ１６０が金属ハード・マスク１５０によってＭＴＪスタック１４０から分離されたＭＲＡＭセルが存在する。ＭＴＪスタック１４０は、拡散バリア１３０によって底部コンタクト１２０から分離されていてもよい。磁気ライナ１６０は、ライナ１７０によって頂部コンタクト１８０から分離されていてもよい。磁気ライナ１６０は、ＩＬＤ１１０を越えて延在する金属ハード・マスク１５０のすべての部分に配置されていてもよい。これにより、ＭＴＪスタック１４０の自由層において０磁場を達成するために、その層の磁場を磁気ライナ１６０がバランスさせることを可能にすることができる。これにより、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

図５は、始めの磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）を示す。ＭＲＡＭデバイスは、半導体デバイスのＭｘ層２００上に配置されている。ＭＲＡＭデバイスは、底部コンタクト２２０と、拡散バリア２３０と、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタック２４０と、金属ハード・マスク２５０とを含むことができる。ＭＲＡＭデバイスは、ＩＬＤ２１０によって周囲のデバイスから絶縁されていてもよい。

Ｍｘ層２００は、下層にある配線、メモリ、または論理デバイスを含むことができる。このような下層構造では、ＭＲＡＭに含まれる状態を、ＭＲＡＭが一部である半導体デバイスの計算または機能に使用する。

ＩＬＤ２１０は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＣ、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ、およびＳｉＣＨ化合物などのシリコン含有材料、Ｓｉの一部または全部が炭素ドープ酸化物によって置換された上述のシリコン含有材料、無機酸化物、無機ポリマ、ハイブリッド・ポリマ、ポリアミドまたはＳｉＬＫ（商標）などの有機ポリマ、他の炭素含有材料、スピン・オン・ガラスおよびシルセスキオキサン系材料などの有機無機材料、ならびに非晶質水素化炭素（α－Ｃ：Ｈ）としても知られているダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる群から選択することができる。ＩＬＤ２１０の追加の選択肢には、多孔質形態の、あるいは処理中に多孔質または透過性あるいはその両方から、非多孔質または非透過性あるいはその両方に変化する形態の、前述の材料のいずれかが含まれる。ＩＬＤ２１０に形成されたトレンチの底部は、金属ハード・マスク２５０の頂面と実質的に同一平面上にある。

底部コンタクト２２０は、半導体デバイス全体にわたって配置された他のデバイスへの接続を含むことができる。底部コンタクト２２０は、例えば、銅、アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタル、またはタングステンなどの材料を含むことができる。

拡散バリア２３０は、ＭＴＪスタック２４０から底部コンタクト２２０への、またはその逆の原子またはイオンの移動を阻止する任意の導電性材料であってもよい。例えば、拡散バリア２３０は、タンタル、チタン、タングステン、窒化タングステン、ニッケル、白金、ルテニウムなどの金属で形成することができる。

ＭＴＪスタック２４０は、薄い絶縁トンネル障壁層によって分離された２層の強磁性材料を含む。絶縁トンネル障壁層は、電荷キャリアの量子力学的トンネリングが強磁性電極間で起こるように十分に薄い。トンネリング・プロセスは、電子スピン依存性があり、これは、接合を横切るトンネル電流が、強磁性材料のスピン依存性電子特性に依存し、２つの強磁性層の磁気モーメントの相対的配向（磁化方向）の関数であることを意味する。２つの強磁性層は、それらのモーメントの相対的な配向を外部磁場によって変化させることができるように、磁場に対する応答が異なるように設計されている。ＭＴＪは、例えば、不揮発性磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）アレイ内のメモリ・セルとして、および例えば、磁気記録ディスク・ドライブ内の磁気抵抗読取りヘッドなどの磁場センサとして使用可能である。強磁性層材料は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅなどを含む強磁性材料または強磁性薄膜などの、磁気特性を示す任意の適切な材料、材料の組合せ、または合金とすることができる。絶縁層は、絶縁性であり、絶縁層を横切るトンネリングを可能にする任意の適切な材料または材料の組合せであってもよい。

金属ハード・マスク２５０は、形成中にＭＴＪスタック２４０のフットプリントを画定するために使用される金属層であってもよい。金属ハード・マスク２５０は、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、ルテニウム／窒化ルテニウム、窒化コバルト、白金族金属窒化物、これらの純金属対応物などとすることができる。

図６を参照すると、金属ハード・マスク２５０の表面に磁気ライナ２６０を選択的に堆積させている。磁気ライナ２６０の堆積は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、またはＩＬＤ２１０上に磁気ライナを堆積させることなく金属ハード・マスク２５０上に磁気ライナ２６０を選択的に堆積させることができる任意の他の適切な技術によって行うことができる。磁気ライナ２６０は、ＭＴＪスタック２４０に磁場を作用させることができる強磁性ライナであってもよい。磁気ライナ２６０は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、希土類元素、またはそれらの組合せなどの材料で作られてもよい。磁気ライナは、約２～２０ｎｍの厚さを有することができ、金属ハード・マスク２５０の高さの５～５０％延在することができる。

図７を参照すると、磁気ライナ上に、かつトレンチの側壁に沿ってライナ２７０を堆積させることができる。拡散バリア２３０と同様に、ライナ２７０は、磁気ライナ２６０からの原子またはイオンの移動を阻止することができる材料を含むことができる。ライナは、例えば、タンタルまたは窒化タンタルで作られてもよく、ライナ材料の１つまたは複数の層を含んでもよい。ライナ２７０は、電気めっき、無電解めっき、化学気相堆積、物理的気相堆積、または方法の組合せなどの充填技術を使用して形成されてもよい。

図８を参照すると、トレンチは、頂部コンタクト２８０で充填することができる。頂部コンタクト２８０は、例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＴａＮ、または他の適切な材料などの低抵抗金属として選択されてもよい。頂部コンタクト２８０は、電気めっき、無電解めっき、化学気相堆積、物理的気相堆積、または方法の組合せなどの充填技術を使用して形成されてもよい。頂部コンタクト２８０は、トレンチまたはビアの一部として形成されてもよく、半導体チップのより高レベルの追加配線に接続されてもよい。

図５～図８に概説されたステップの後に、磁気ライナ２６０が金属ハード・マスク２５０によってＭＴＪスタック２４０から分離されたＭＲＡＭセルが存在する。ＭＴＪスタック２４０は、拡散バリア２３０によって底部コンタクト２２０から分離されていてもよい。磁気ライナ２６０は、ライナ２７０によって頂部コンタクト２８０から分離されていてもよい。磁気ライナ２６０は、金属ハード・マスク２５０の頂面に配置されていてもよい。これにより、ＭＴＪスタック２４０の自由層において０磁場を達成するために、その層の磁場を磁気ライナ２６０がバランスさせることを可能にすることができる。これにより、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

図９は、始めの磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）を示す。ＭＲＡＭデバイスは、半導体デバイスのＭｘ層３００上に配置されている。ＭＲＡＭデバイスは、底部コンタクト３２０と、拡散バリア３３０と、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタック３４０と、金属ハード・マスク３５０とを含むことができる。ＭＲＡＭデバイスは、ＩＬＤ３１０によって周囲のデバイスから絶縁されていてもよい。

Ｍｘ層３００は、下層にある配線、メモリ、または論理デバイスを含むことができる。このような下層構造では、ＭＲＡＭに含まれる状態を、ＭＲＡＭが一部である半導体デバイスの計算または機能に使用する。

ＩＬＤ３１０は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯｘＮｙ、ＳｉＣ、ＳｉＣＯ、ＳｉＣＯＨ、およびＳｉＣＨ化合物などのシリコン含有材料、Ｓｉの一部または全部が炭素ドープ酸化物によって置換された上述のシリコン含有材料、無機酸化物、無機ポリマ、ハイブリッド・ポリマ、ポリアミドまたはＳｉＬＫ（商標）などの有機ポリマ、他の炭素含有材料、スピン・オン・ガラスおよびシルセスキオキサン系材料などの有機無機材料、ならびに非晶質水素化炭素（α－Ｃ：Ｈ）としても知られているダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）からなる群から選択することができる。ＩＬＤ３１０の追加の選択肢には、多孔質形態の、あるいは処理中に多孔質または透過性あるいはその両方から、非多孔質または非透過性あるいはその両方に変化する形態の、前述の材料のいずれかが含まれる。本実施形態では、ＩＬＤ１１０内のトレンチは、金属ハード・マスク１５０の頂部よりも下に達し、それにより、金属ハード・マスク１５０の側面の下まで磁気ライナ１６０を形成することが可能になる。金属ハード・マスク１５０の高さを下回るトレンチの距離は、金属ハード・マスク１５０の高さの５～５０％であってもよい。

底部コンタクト３２０は、半導体デバイス全体にわたって配置された他のデバイスへの接続を含むことができる。底部コンタクト３２０は、例えば、銅、アルミニウム、窒化チタン、窒化タンタル、またはタングステンなどの材料を含むことができる。

拡散バリア３３０は、ＭＴＪスタック３４０から底部コンタクト３２０への、またはその逆の原子またはイオンの移動を阻止する任意の導電性材料であってもよい。例えば、拡散バリア３３０は、タンタル、チタン、タングステン、窒化タングステン、ニッケル、白金、ルテニウムなどの金属で形成することができる。

ＭＴＪスタック３４０は、薄い絶縁トンネル障壁層によって分離された２層の強磁性材料を含む。絶縁トンネル障壁層は、電荷キャリアの量子力学的トンネリングが強磁性電極間で起こるように十分に薄い。トンネリング・プロセスは、電子スピン依存性があり、これは、接合を横切るトンネル電流が、強磁性材料のスピン依存性電子特性に依存し、２つの強磁性層の磁気モーメントの相対的配向（磁化方向）の関数であることを意味する。２つの強磁性層は、それらのモーメントの相対的な配向を外部磁場によって変化させることができるように、磁場に対する応答が異なるように設計されている。ＭＴＪは、例えば、不揮発性磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）アレイ内のメモリ・セルとして、および例えば、磁気記録ディスク・ドライブ内の磁気抵抗読取りヘッドなどの磁場センサとして使用可能である。強磁性層材料は、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅなどを含む強磁性材料または強磁性薄膜などの、磁気特性を示す任意の適切な材料、材料の組合せ、または合金とすることができる。絶縁層は、絶縁性であり、絶縁層を横切るトンネリングを可能にする任意の適切な材料または材料の組合せであってもよい。

金属ハード・マスク３５０は、形成中にＭＴＪスタック３４０のフットプリントを画定するために使用される金属層であってもよい。金属ハード・マスク３５０は、窒化タンタル、窒化チタン、窒化タングステン、ルテニウム／窒化ルテニウム、窒化コバルト、白金族金属窒化物、これらの純金属対応物などとすることができる。

図１０を参照すると、金属ハード・マスク３５０の表面に磁気ライナ３６０を選択的に堆積させている。磁気ライナ３６０の堆積は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学気相堆積（ＣＶＤ）、またはＩＬＤ３１０上に磁気ライナを堆積させることなく金属ハード・マスク３５０上に磁気ライナ３６０を選択的に堆積させることができる任意の他の適切な技術によって行うことができる。磁気ライナ３６０は、ＭＴＪスタック３４０に磁場を作用させることができる強磁性ライナであってもよい。磁気ライナ３６０は、例えば、コバルト、ニッケル、鉄、希土類元素、またはそれらの組合せなどの材料で作られてもよい。磁気ライナは、約３～３０ｎｍの厚さを有することができ、金属ハード・マスク３５０の高さの５～５０％延在することができる。選択的堆積に続いて、ＲＩＥなどの異方性エッチングを行って、金属ハード・マスク２５０の頂面から磁性材料を除去することができる。

図１１を参照すると、磁気ライナ上に、かつトレンチの側壁に沿ってライナ３７０を堆積させることができる。拡散バリア３３０と同様に、ライナ３７０は、磁気ライナ３６０からの原子またはイオンの移動を阻止することができる材料を含むことができる。ライナは、例えば、タンタルまたは窒化タンタルで作られてもよく、ライナ材料の１つまたは複数の層を含んでもよい。ライナ３７０は、電気めっき、無電解めっき、化学気相堆積、物理的気相堆積、または方法の組合せなどの充填技術を使用して形成されてもよい。

図１２を参照すると、トレンチは、頂部コンタクト３８０で充填することができる。頂部コンタクト３８０は、例えば、Ａｌ、Ｗ、Ｃｕ、ＴｉＮ、ＴａＮ、または他の適切な材料などの低抵抗金属として選択されてもよい。頂部コンタクト３８０は、電気めっき、無電解めっき、化学気相堆積、物理的気相堆積、または方法の組合せなどの充填技術を使用して形成されてもよい。頂部コンタクト３８０は、トレンチまたはビアの一部として形成されてもよく、半導体チップのより高レベルの追加配線に接続されてもよい。

図９～図１２に概説されたステップの後に、磁気ライナ３６０が金属ハード・マスク３５０によってＭＴＪスタック３４０から分離されたＭＲＡＭセルが存在する。ＭＴＪスタック３４０は、拡散バリア３３０によって底部コンタクト３２０から分離されていてもよい。磁気ライナ３６０は、ライナ３７０によって頂部コンタクト３８０から分離されていてもよい。磁気ライナ３６０は、ＩＬＤ３１０を越えて延在する金属ハード・マスク３５０の側壁の部分に配置されていてもよい。これにより、ＭＴＪスタック３４０の自由層において０磁場を達成するために、その層の磁場を磁気ライナ３６０がバランスさせることを可能にすることができる。これにより、ＭＴＪ膜スタックの磁気パラメータの多くをバランスさせるための独立変数として磁気ライナが作用することを可能にすることができる。

本発明の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されてきたが、網羅的であることは意図されておらず、開示された実施形態に限定されることも意図されていない。記載された実施形態の範囲から逸脱することなく、当業者には多くの変更形態および変形形態が明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見出される技術に対する実際の適用または技術的改善を最もよく説明するために、または他の当業者が本明細書に開示された実施形態を理解できるようにするために選択された。したがって、本発明は、説明および図示された厳密な形態および詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。

Claims

磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体であって、
拡散バリアと、
前記拡散バリアの上方の磁気トンネル接合スタックと、
前記磁気トンネル接合スタックと頂部コンタクトとの間に配置された平坦な磁気ライナであって、強磁性材料を含む、前記磁気ライナと、
前記磁気ライナと前記磁気トンネル接合スタックとの間に配置された金属と
を備え、前記磁気ライナは、トレンチまたはビア内で前記金属の頂面上に前記金属の頂面に整合して配置される、構造体。
前記強磁性材料が、コバルト、ニッケル、鉄、希土類元素からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む、請求項１に記載の構造体。
前記強磁性材料の厚さが１ｎｍ～２０ｎｍである、請求項１または２に記載の構造体。
前記頂部コンタクトと前記磁気ライナとの間に拡散ライナをさらに含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載の構造体。
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体であって、
磁気トンネル接合スタックと、
前記磁気トンネル接合スタックと頂部コンタクトとの間に配置された磁気ライナであって、強磁性材料を含む、前記磁気ライナと、
前記磁気ライナと前記磁気トンネル接合スタックとの間に配置された金属と、
を備え、
前記磁気ライナが前記金属の側面に接触して配置されている、
構造体。
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を形成する方法であって、
拡散バリアを形成することと、
前記拡散バリアの上方に磁気トンネル接合スタックを形成することと、
前記磁気トンネル接合スタックの上方に平坦な磁気ライナを形成することと、
前記磁気ライナの上方に頂部コンタクトを形成することであって、前記磁気ライナが強磁性材料を含む、前記形成することと
を含み、前記方法は、
前記磁気ライナと前記磁気トンネル接合スタックとの間に金属ハード・マスクを形成することをさらに含み、前記磁気ライナを形成することは、トレンチまたはビア内で前記金属ハード・マスクの頂面上に前記金属ハード・マスクの頂面に整合して前記磁気ライナを形成することを含む、方法。
前記強磁性材料が、コバルト、ニッケル、鉄、希土類元素からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む、請求項６に記載の方法。
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）構造体を形成する方法であって、
磁気トンネル接合スタックを形成することと、
前記磁気トンネル接合スタックの上方に磁気ライナを形成することと、
前記磁気ライナの上方に頂部コンタクトを形成することであって、前記磁気ライナが強磁性材料を含む、前記形成することと、
前記磁気ライナと前記磁気トンネル接合スタックとの間に金属ハード・マスクを形成することと、
前記金属ハード・マスクの頂面に配置された前記磁気ライナの一部を除去することと、
を含む、方法。
前記磁気ライナの厚さが１ｎｍ～２０ｎｍである、請求項６ないし８のいずれか一項に記載の方法。