WO2003069674A1 - Dispositif a memoire magnetique et procede de fabrication associe - Google Patents

Dispositif a memoire magnetique et procede de fabrication associe Download PDF

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WO2003069674A1
WO2003069674A1 PCT/JP2003/000191 JP0300191W WO03069674A1 WO 2003069674 A1 WO2003069674 A1 WO 2003069674A1 JP 0300191 W JP0300191 W JP 0300191W WO 03069674 A1 WO03069674 A1 WO 03069674A1
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Makoto Motoyoshi
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Sony Corporation
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    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic memory device and a method of manufacturing the same, and more particularly, to record information using the fact that the spin value of a ferromagnetic material constituting a tunnel magnetoresistive element changes depending on the parallel or antiparallel.
  • the present invention relates to a nonvolatile magnetic memory device and a method for manufacturing the same. Background art
  • non-volatile memory can protect important personal information, even if power or power is lost or a server or network is disconnected due to some kind of failure.
  • Higher densities and higher capacities of non-volatile memories are becoming increasingly important as technologies for replacing hard disks and optical disks, which cannot be reduced in size due to the existence of moving parts.
  • non-volatile memory that can serve as both high-speed network memory and large-capacity storage memory has been developed. If it can be realized, waste of power consumption and memory can be eliminated. The so-called instant-on function, which can be started immediately when the power is turned on, will be possible if a high-speed, large-capacity nonvolatile memory can be realized.
  • the non-volatile memory include a flash memory using a semiconductor and a ferroelectric random access memory (FRAM) using a strong dielectric.
  • FRAM ferroelectric random access memory
  • flash memory has the disadvantage that the writing speed is slow because it is on the order of seconds.
  • MR AM Magnetic Random Access Memory
  • MRAM is expected to be easily integrated with a simple structure and to be rewritten many times because recording is performed by rotating the magnetic moment.
  • the access time is also expected to be very fast, and it is already possible to operate at 100 MHz.
  • MR AM using the TMR effect shows that the tunnel resistance of an oxide film (tunnel oxide film) with a thickness of 0.5 nm to 5 nm sandwiched between ferromagnetic materials changes depending on the direction of magnetization of the ferromagnetic material. I use it to remember. However, since the tunnel resistance varies greatly with the thickness of the tunnel oxide, the thickness of the tunnel oxide must be precisely and uniformly made. Depending on the degree of integration and device performance, this variation should be kept at 3% to 5%.
  • Tunnel oxide film is reduced by diffusion of hydrogen and oxygen in the thin film process by hydrogen and forming gas contained in interlayer insulating film.
  • the thickness of the tunnel oxide film between the ferromagnetic materials varies due to oxidation of the ferromagnetic material, and if the thickness is severe, a short circuit occurs. Disclosure of the invention
  • the present invention is directed to a magnetic memory device and a method of manufacturing the same that have been made to solve the above-mentioned problems.
  • the magnetic memory device of the present invention includes a tunnel magnetoresistive element having a tunnel insulating layer sandwiched between ferromagnetic substances, and utilizes the fact that the spin direction of the ferromagnetic substance changes its resistance depending on whether it is parallel or antiparallel.
  • the side surface of the tunnel magnetoresistive element is covered with the side wall barrier layer that does not allow impurities to pass through, for example, hydrogen ions of the reducing substance and hydroxyl ions of the oxidizing substance are removed from the tunnel magnetoresistive element. Intrusion from the side is prevented.
  • the thickness of the tunnel insulating layer of the tunnel magnetoresistive element changes, for example, due to the reduction effect of the hydrogen contained in the interlayer insulating film or the diffusion of hydrogen in the forming process by the forming gas, and the film thickness is reduced.
  • the problem that the ferromagnetic layers are short-circuited with the tunnel insulating layer interposed therebetween when the reduction reaction proceeds excessively is avoided.
  • the problem that the ferromagnetic layer formed with the tunnel insulating layer interposed therebetween is oxidized and the thickness of the tunnel insulating layer is thereby increased is also avoided.
  • a tunnel magnetoresistive element having a tunnel insulating layer sandwiched between ferromagnetic materials is formed, and the resistance value changes depending on whether the spin direction of the ferromagnetic material is parallel or antiparallel.
  • a side wall barrier layer on the side surface of the tunnel magnetoresistive element that does not allow impurities to pass through;
  • a side wall paria layer that does not allow impurity ions to pass through is formed on the side surface of the tunnel magnetoresistive element, for example, hydrogen ions of a reducing substance and hydroxyl ions of an oxidizing substance are converted into tunnel magnetoresistance elements. Is prevented from entering from the side surface.
  • the thickness of the tunnel insulating layer of the tunnel magnetoresistive element is reduced by, for example, the diffusion of hydrogen generated in the interlayer insulating film in the process of forming the interlayer insulating film and the reduction effect of hydrogen diffusion in a sintering process by a forming gas.
  • the reduction reaction proceeds too much due to the change in the thickness, the problem that the ferromagnetic layers are short-circuited with the tunnel insulating layer interposed therebetween is avoided. Further, the problem that the ferromagnetic layer formed with the tunnel insulating layer interposed therebetween is oxidized, thereby increasing the thickness of the tunnel insulating layer is also avoided.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic configuration perspective view showing an example of a TMR element.
  • 3A to 3C are cross-sectional views showing the steps of a method for manufacturing a magnetic memory device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 An embodiment of a magnetic memory device according to the present invention will be described with reference to a schematic configuration sectional view of FIG. 1 and a schematic configuration perspective view of FIG.
  • a P-type well region 22 is formed on a surface side of a semiconductor substrate (for example,! Type semiconductor substrate 21.
  • an element isolation region 23 for isolating a transistor formation region is formed by so-called STI (Shallow Trench Isolation).
  • STI Shallow Trench Isolation
  • a gate electrode (lead line) 26 is formed on the p-type well region 22 with a gate insulating film 25 interposed therebetween.
  • the p-type well region 22 on both sides of the gate electrode 26 has a diffusion layer region (for example, N + diffusion layer regions 27 and 28 are formed, and a field effect transistor 24 for selection is formed.
  • the field effect transistor 24 functions as a switching element for reading. It is possible to use not only n-type or p-type field-effect transistors but also various switching elements such as diodes and bipolar transistors.
  • a first insulating film 41 is formed so as to cover the field-effect transistor 24.
  • contacts for example, tungsten plugs
  • 29 and 30 connected to the diffusion layer regions 27 and 28 are formed.
  • a sense line 15 connected to the contact 29, a first landing pad 31 connected to the contact 30 and the like are formed.
  • a second insulating film 42 that covers the sense lines 15, the first landing pad 31, and the like is formed.
  • a contact (for example, a tungsten plug) 33 connected to the first landing pad 31 is formed on the second insulating film 42.
  • a second landing pad 35 connected to the contact 33, a write word line 11 and the like are formed.
  • a third insulating film 43 that covers the write word line 11, the second landing pad 35, and the like is formed.
  • a contact (for example, a tungsten plug) 37 connected to the second landing pad 35 is formed on the third insulating film 43.
  • a base conductive layer 312 connected to the upper end of the contact 37 from above the write word line 11 is formed of a conductive material. Have been.
  • the underlying conductive layer 312 may be formed of the same material as the antiferromagnetic layer.
  • the antiferromagnetic material layer 300 is formed on the underlying conductive layer 310, and a tunnel is formed on the antiferromagnetic material layer 310 and above the write word line 11.
  • An information storage element (hereinafter, referred to as a TMR element) 13 having a configuration in which an insulating layer 303 is sandwiched between a magnetization fixed layer 302 made of a ferromagnetic layer and a storage layer 304 is formed.
  • the TMR element 13 will be described later in detail.
  • silicon nitride for example, plasma having a high barrier property against hydrogen (including hydrogen ions), hydroxyl ions, oxygen, etc.
  • the sidewall barrier layer 61 is formed so as to cover the sidewall of the tunnel insulating layer 303 of the TMR element 13 and the sidewall near the interface between the tunnel insulating layer 303 and the storage layer 304. If so, it is not necessary to cover the entire side wall of the TMR element 13.
  • a fourth insulating film 44 is formed to cover the antiferromagnetic layer 305, the TMR element 13, and the like.
  • the surface of the fourth insulating film 44 is flattened, and the uppermost layer of the TMR element 13 is exposed.
  • the fourth insulating film 44 is connected to the upper surface of the TMR element 13, and intersects (for example, orthogonally) vertically between the write lead line 11 and the TMR element 13.
  • the bit line 12 of the second wiring is formed.
  • a conductor layer 3 is formed such that the first magnetization fixed layer 303 and the magnetic layer are antiferromagnetically coupled. 07 and the second magnetization fixed layer 310 are sequentially laminated, and the magnetization fixed layer 302, the tunnel insulating layer 303, the storage layer 304, and the cap layer 313 are sequentially laminated. It is configured.
  • the fixed magnetization layer 302 has a laminated structure here, a single-layer structure of ferromagnetic layers may be used, or a structure in which three or more ferromagnetic layers are laminated with a conductive layer interposed therebetween. It may be.
  • the storage layer 304 and the first magnetization fixed layer 303, 308 may be made of, for example, nickel, iron or cobalt, or an alloy made of at least two of nickel, iron and cobalt. Made of ferromagnetic material.
  • the conductor layer 307 is formed of, for example, ruthenium, copper, chromium, gold, silver, or the like.
  • the first magnetization fixed layer 303 is formed in contact with the antiferromagnetic layer 305, and the first magnetization fixed layer 306 is formed by an exchange interaction acting between these layers. It has strong unidirectional magnetic anisotropy.
  • the antiferromagnetic layer 300 is formed of, for example, one of iron manganese alloy, nickel manganese alloy, platinum manganese alloy, iridium manganese alloy, rhodium manganese alloy, cobalt oxide and nickel oxide. Can be used.
  • the tunnel insulating layer 303 is made of, for example, aluminum oxide, magnesium oxide, silicon oxide, aluminum nitride, magnesium nitride, silicon nitride, aluminum oxynitride, magnesium oxynitride, or silicon oxynitride.
  • the tunnel insulating layer 303 has a function of cutting off magnetic coupling between the storage layer 304 and the magnetization fixed layer 302 and flowing a tunnel current.
  • These magnetic films and conductor films are mainly formed by a sputtering method.
  • Tunnel insulating layer is formed by sputtering method
  • the obtained metal film can be obtained by oxidizing, nitriding or oxynitriding.
  • a cap layer 3 13 is formed on the uppermost layer.
  • the cap layer 313 has functions of preventing mutual diffusion between the wiring connecting the TMR element 13 and another TMR element 13, reducing contact resistance, and preventing the storage layer 304 from being oxidized.
  • it is formed of a material such as copper, tantalum nitride, tantalum, and titanium nitride.
  • the antiferromagnetic layer 305 can also serve as the underlying conductive layer 312 (see FIG. 1) used for connection with the switching element connected in series with the TMR element.
  • the TMR element 13 reads out information by detecting a change in tunnel current due to the magnetoresistive effect.
  • the effect is obtained by the storage layer 304 and the first and second magnetization fixed layers 303 and 308. Depends on the relative magnetization direction.
  • a current is applied to the pit line 12 and the write pad line 11, and the resultant magnetic field changes the direction of magnetization of the storage layer 304 to record “1” or “0”. .
  • Reading is performed by detecting a change in tunnel current due to the magnetoresistance effect.
  • the resistance is set to low (for example, this is set to “0”), and the storage layer 304 and the magnetization fixed layers 303 and 306 are determined.
  • the case where the magnetization direction of 08 is antiparallel is defined as high resistance (this is set to “1”, for example).
  • the interface between the side surface of the TMR element 13, particularly the side surface of the tunnel insulating layer 303, and the magnetization fixed layer 302 and the storage layer 304 sandwiching the tunnel insulating layer 303 is provided.
  • the side surface in the vicinity is covered with a sidewall barrier layer 61 made of silicon nitride or aluminum oxide which has high barrier properties against hydrogen (including hydrogen ions), hydroxyl groups, oxygen, etc.
  • the oxidizing atmosphere and the like at the start of the formation of the fourth insulating film 44 It can prevent the intrusion of hydrogen (including hydrogen ions) and hydroxyl ions contained in the interlayer insulating film. Therefore, deterioration of the characteristics of the TMR element 13 and variation in the thickness of the tunnel insulating layer 303 are suppressed.
  • the tunnel insulating layer of the TMR element is included in the silicon oxide based insulating film. It is reduced by hydrogen (including hydrogen ions (H +)) and hydroxyl ions (OH—), and in the worst case, its function as a tunnel insulating layer is lost.
  • the metal (or metal compound) film is oxidized in an oxidizing atmosphere immediately after the silicon oxide-based insulating film formation process is started, causing a variation in the thickness of the tunnel insulating layer.
  • a readout circuit including a readout transistor, a first insulating film covering the readout circuit, and the like are formed on a semiconductor substrate. Further, as shown in FIG. 3A, contacts 29, 30 and the like connected to the diffusion layer of the read transistor (not shown) are formed in the first insulating film 41. Further, a sense line 15 connected to the contact 29, a first landing pad 31 connected to the contact 30 and the like are formed on the first insulating film 41. Next, silicon oxide (P-TEO) covering the first landing pad 31 and the sense line 15 is formed on the first insulating film 41 by, for example, a plasma CVD method using tetraethoxysilane as a raw material.
  • P-TEO silicon oxide
  • An S) film (not shown) is formed to a thickness of, for example, 100 nm, and then a silicon oxide (HDP) film 421 is formed to a thickness of, for example, 800 nm by a high-density plasma CVD method. Film, Further, a silicon oxide (P-TEOS) film 422 is formed to a thickness of, for example, 1200 nm to form a second insulating film 42. Then, for example, by chemical machinery polishing, to leave a film thickness of the thickness of the first landing pad 3 1 for example, on 7 0 0 n m, polished the second insulating film 4 2.
  • a silicon oxide (HDP) film 421 is formed to a thickness of, for example, 800 nm by a high-density plasma CVD method.
  • a silicon oxide (P-TEOS) film 422 is formed to a thickness of, for example, 1200 nm to form a second insulating film 42. Then, for example, by chemical machinery polishing
  • an etching stopper layer (not shown), for example, a silicon nitride (P-SiN) film is formed on the planarized second insulating film 42 by, for example, a plasma CVD method.
  • the film is formed to have a thickness of 0 nm.
  • a via hole pattern is opened in the etching stopper layer 47 through a resist coating step, a lithography step, and an etching step.
  • a P-TEOS film is formed to a thickness of, for example, 300 nm on the etching stopper layer so as to bury the via hole pattern, thereby forming a third insulating film 43 (431). .
  • a resist coating step a lithography step, and an etching step, a wiring groove 49 is formed in the third insulating film 431, and a via hole 48 reaching the first landing pad 31 is opened again.
  • This etching step is performed under conditions where silicon oxide is selectively etched with respect to silicon nitride.
  • a barrier metal layer (not shown) is formed on each inner surface of the via hole 48 and the wiring groove 49 by a PVD (Physical Vapor Deposition) method.
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • a tantalum nitride film or a tantalum film is formed to a thickness of 20 nm.
  • a titanium film is formed to a thickness of 5 nm.
  • copper is deposited to a thickness of 80 nm by sputtering, and then copper is deposited by an electrolytic plating method so as to fill the via hole 48 and the wiring groove 49.
  • the excess tungsten and the barrier metal layer deposited on the third insulating film 431 are removed by chemical mechanical polishing, and the wiring groove 49 is made of copper through the barrier metal layer.
  • the second landing pad 35 are formed.
  • a plug 50 made of copper is formed in the via hole 48 via a barrier metal layer.
  • the third insulating film 4 3 (4 3 2) of the upper layer covering the write word line 11, the second landing pad 35, and the like is formed on the third insulating film 4 3 1 by, for example, a P-TEOS film. Is deposited to a thickness of, for example, 100 nm. Thus, the third insulating film 43 covering the write word line 11, the second landing pad 35, and the like is formed of the P-TEOS film.
  • the sense line 15, the first landing pad 31, etc. can be formed by a trench wiring technique, and the write word line 11, the second landing pad 35, etc. Can be formed by ordinary wiring technology.
  • a mask (not shown) is formed on the third insulating film 43 by a resist coating step and a lithography step, and the via hole 51 connected to the second landing pad 35 by etching using the mask.
  • a barrier layer (not shown), an antiferromagnetic layer 305, a fixed magnetization layer 302 made of a ferromagnetic material, and a tunnel insulating layer 303 are formed by a physical vapor deposition (PVD) method.
  • PVD physical vapor deposition
  • barrier layer for example, titanium nitride, tantalum, or tantalum nitride can be used.
  • tantalum nitride for example, titanium nitride, tantalum, or tantalum nitride can be used.
  • antiferromagnetic layer 305 for example, a manganese alloy such as iron-manganese, nickel-manganese, platinum-manganese, and iridium-manganese can be used.
  • the magnetization fixed layer 302 made of a ferromagnetic material, for example, an alloy material having ferromagnetism such as nickel-iron-cobalt-iron or a cobalt alloy can be used.
  • This magnetization fixed layer 302 is used for exchange coupling with the antiferromagnetic layer 305. Therefore, the direction of magnetization is pinned.
  • the magnetization fixed layer 302 may have a laminated structure of ferromagnetic layers sandwiching a conductor layer.
  • the tunnel insulating layer 303 for example, aluminum oxide is used. Since the tunnel insulating layer 303 usually needs to be formed as a very thin film of about 0.5 nm to 5 nm, for example, after the film is formed by ALD (Atomic Layer Deposition) method or sputtering, It is formed by Kursa oxidation.
  • ALD Atomic Layer Deposition
  • the storage layer 304 made of a ferromagnetic material for example, a ferromagnetic alloy material such as nickel-iron or cobalt-iron can be used.
  • the direction of magnetization of the storage layer 304 can be changed to be parallel or anti-parallel to the magnetization fixed layer 302 by an externally applied magnetic field of the TMR element 13.
  • the cap layer 313 can be formed of, for example, tungsten, tantalum, titanium nitride, or the like.
  • a mask is formed on the cap layer 313 by a resist coating step and a lithography step, and the mask is used for etching (for example, reactive ion etching). Etch the cap layer 3 13. After removing the resist mask by, for example, ashing, the laminated film (for example, the storage layer 304 to the antiferromagnetic layer 304) for forming the TMR element using the cap layer 313 as a mask is formed. ) To form a TMR element 13. In the drawing, the portion from the storage layer 304 to the upper portion of the magnetization fixed layer 302 is processed.
  • the end point of the etching is set so as to end from the tunnel insulating layer 303 to the middle of the lowermost antiferromagnetic layer 305.
  • the etching has been completed on the magnetization fixed layer 302.
  • chlorine (C 1) is used as an etching gas.
  • NH 3 ammonia
  • CO carbon monoxide
  • a sidewall barrier layer for example, a silicon nitride (for example, plasma-silicon nitride) film is deposited so as to cover the TMR element 13 by, for example, a chemical vapor deposition method.
  • the side wall barrier layer 61 is formed by etching back the entire surface of the silicon nitride film and leaving the P-silicon nitride film in a side wall shape on the side surface of the TMR element 13.
  • the side wall barrier layer 61 needs to be formed so as to cover at least the side surface of the tunnel insulating layer 303 of the TMR element 13 and the interface between the tunnel insulating layer 303 and the storage layer 304.
  • the sidewall barrier layer 61 may be an insulating film having a high barrier property against hydrogen (including hydrogen ions), hydroxyl ions, oxygen, and the like, and may be formed of, for example, an aluminum oxide film in addition to a silicon nitride film. it can.
  • the film forming method may be any film forming method as long as it can form a film on the side surface of the TMR element 13. For example, film forming by sputtering may be performed.
  • a resist mask is formed using resist coating technology and lithography technology, and the remaining TMR material is processed by reactive ion etching using the resist mask to connect the TMR element 13 to the second landing pad 35.
  • the bypass line 317 to be formed is formed by using a part of the TMR laminated film. Here, it is mainly formed of the fixed magnetization layer 302, the antiferromagnetic layer 305, and the barrier layer.
  • a fourth insulating film 44 made of silicon oxide or aluminum oxide is deposited on the entire surface so as to cover the TMR element 13 by the CVD method or the PVD method. .
  • the side surface of the TMR element 13 is covered with the side wall barrier layer 61 made of silicon nitride or aluminum oxide, an oxidizing atmosphere is formed when the fourth insulating film 44 starts to be deposited. There is no exposure to the atmosphere. Thereafter, the surface of the deposited fourth insulating film 44 is planarized by chemical mechanical polishing, and the uppermost cap layer 313 of the TMR element 13 is exposed.
  • the bit line 12 which crosses the write word line 11 three-dimensionally with the TMR element 13 in between and connects to the TMR element 13 and the wiring of peripheral circuits (not shown) ), Forming a bonding pad region (not shown) and the like. Further, after forming a fifth insulating film (not shown) made of a plasma silicon nitride film on the entire surface, the bonding pad portion (not shown) is opened to complete the wafer process of the LSI.
  • the side wall barrier layer 61 that does not allow impurity ions to pass through is formed on the side surface of the TMR element 13, for example, hydrogen ions of a reducing substance and hydroxyl ions of an oxidizing substance Intrusion is prevented.
  • the diffusion of hydrogen generated from the fourth insulating film 44 in the formation process of the fourth insulating film 44 and the reduction effect of the diffusion of hydrogen in the sintering process by the forming gas cause the TMR element 13
  • the thickness of the tunnel insulating layer 303 changes and becomes thinner, and the reduction reaction proceeds excessively, the magnetization fixed layer 302 and the storage layer 304 short-circuit with the tunnel insulating layer 303 interposed therebetween. Problem is avoided.
  • Another problem is that the magnetization fixed layer 302 and the storage layer 304 formed with the tunnel insulating layer 303 interposed therebetween are oxidized, thereby increasing the thickness of the tunnel insulating layer 303. Be avoided.
  • a sidewall barrier layer having a high barrier property against hydrogen (including hydrogen ions), hydroxyl ions, oxygen, and the like is provided on the side surface of the TMR element.
  • the TMR element is not oxidized in an oxidizing atmosphere immediately after the start of film formation when the insulating film covering the TMR element is formed, and hydrogen (including hydrogen ions) and hydroxyl groups contained in the insulating film are not oxidized.
  • the ions do not undergo oxidation or reduction, and the deterioration of TMR characteristics and the increase in variations in tunnel resistance can be suppressed. Therefore, it is possible to provide a magnetic memory device equipped with a highly reliable TMR element without deterioration in characteristics.
  • a sidewall barrier layer having a high barrier property against hydrogen (including hydrogen ions), hydroxyl ions, oxygen, etc. is formed on the side surfaces of the TMR element.
  • the TMR element is not oxidized in an oxidizing atmosphere immediately after the start of film formation, and is not oxidized or reduced by hydrogen (including hydrogen ions) or hydroxyl ions contained in the insulating film. .
  • hydrogen including hydrogen ions
  • hydroxyl ions contained in the insulating film.

Description

明細書 磁気メモリ装置およびその製造方法 技術分野
本発明は、 磁気メモリ装置およびその製造方法に関し、 詳しくは、 ト ンネル磁気抵抗素子を構成する強磁性体のスピン方向が平行もしくは反 平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記録する不揮発性 の磁気メモリ装置およびその製造方法に関する。 背景技術
情報通信機器、 特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及に ともない、 これを構成するメモリ素子やロジック素子等の素子には、 高 集積化、 高速化、 低消費電力化など、 一層の高性能化が要求されている, 特に不揮発性メモリはュビキタス時代に必要不可欠の素子と考えられて いる。
例えば、 電源の消耗やトラブル、 サーバーとネットワークが何らかの 障害により切断された場合であっても、 不揮発性メモリは個人の重要な 情報を保護することができる。 そして、 不揮発性メモリの高密度化、 大 容量化は、 可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディ スクゃ光ディスクを置き換える技術としてますます重要になってきてい る。
また、 最近の携帯機器は不要な回路ブロックをスタンバイ状態にして でき得る限り消費電力を抑えようと設計されているが、 高速ネットヮ一 クメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモ リが実現できれば、 消費電力とメモリとの無駄を無くすことができる。 また、 電源を入れると瞬時に起動できる、 いわゆるインスタント ·オン 機能も高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。 不揮発性メモリとしては、 半導体を用いたフラッシュメモリや、 強誘 電体を用レ た F RAM (Fer r 0 electric Random Access Memory) などがあげられる。 しかしながら、 フラッシュメモリは、 書き込み速度 が 秒の桁であるため遅いという欠点がある。 一方、 F RAMにおい ては、 書き換え可能回数が 1 012〜1 0 "で完全にス夕ティックランダ ムアクセスメモリやダイナミックランダムアクセスメモリに置き換える には耐久性が低いという問題が指摘されている。 また、 強誘電体キャパ シ夕の微細加工が難しいという課題も指摘されている。
これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、
MR AM (Magnetic Random Access Memory) とよばれる磁気メモリ である。 初期の MR AMは】. M. Daughton, "Thin Sol id
Films" Vol.216 (1992), p.162-168で報告されている AMR
(Anisotropic Magneto Res i s ti ve)効果や D. D. Tang e t
al. , "I EDM Technical Digest" (1997)， p.995- 997で報告されてい る GMR (Giant Magneto Res i s t ance)効果を使ったスピンバルブを 基にしたものであった。 しかし、 負荷のメモリセル抵抗が 1 0 Ω〜 1 0 0 Ω と低いため、 読み出し時のビットあたりの消費電力が大きく大容 量化が難しいという欠点があつた。
一方 TMR (Tunnel Magneto Resistance) 効果は R. Meservey et al. , "Pysics Reports" Vol.238 (1994)， p.214-217で報告され ているように抵抗変化率が室温で 1 %〜 2 %しかなかったが、 近年 T. Miyazaki et a 1. , J. Magnetism & Magnetic
Material" Vol. 139 (1995) , L231で報告されているように抵抗変化率 2 0 %近く得られるようになり、 T MR効果を使った MR AMに注目が 集まるようになってきている。
MR AMは、 構造が単純であるため高集積化が容易であり、 また磁気 モーメントの回転により記録を行うために、 書き換え回数が大であると 予測されている。 またアクセス時間についても、 非常に高速であること が予想され、 既に 1 0 0 MH zで動作可能であることが、
R. Scheuer 1 e in e t a 1. , ISSCC Digest of Technical
Papers" (Feb. 2000) , p.128-129で報告されている。
TMR効果を用いた MR AMは、 強磁性体に挟まれた厚さが 0. 5 n m〜 5 nmの酸化膜 （トンネル酸化膜） のトンネル抵抗が上記強磁性体 の磁化の方向によって変わることを利用して記憶を行っている。 しかし ながら、 トンネル酸化膜の厚さに対して十ンネル抵抗は大きく変化する ため、 トンネル酸化膜の厚さを精密に均一に作る必要がある。 集積度や デバイスの性能にもよるがこのバラツキは 3 %〜 5 %程度に抑える必要 がある。
これはトンネル酸化膜の形成時における膜厚の均一性のみならず、 後 のレジストアツシング工程 （K. Tsuj i et
al. , "IEDM" (2001) , 799) 、 層間絶縁膜中に含まれる水素やフォ一 ミングガスによるシン夕工程での水素や酸素の拡散等によって、 トンネ ル酸化膜が還元される、 強磁性体が酸化される等によって、 強磁性体間 のトンネル酸化膜の膜厚がバラツキ、 程度がひどい場合は短絡にまで至 るという問題があった。 発明の開示
本発明は、 上記課題を解決するためになされた磁気メモリ装置および その製造方法である。 本発明の磁気メモリ装置は、 トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなる トンネル磁気抵抗素子を備え、 前記強磁性体のスピン方向が平行もしく は反平行によって抵抗値が変化することを利用して情報を記憶するもの で、 前記トンネル磁気抵抗素子を間にして立体的に交差するように配置 される第 1配線および第 2配線を備え、 前記第 1配線と前記トンネル磁 気抵抗素子とは電気的に絶縁され、 前記第 2配線と前記トンネル磁気抵 抗素子とは電気的に接続されている不揮発性の磁気メモリ装置において- 前記トンネル磁気抵抗素子の側面は不純物を通さない側壁バリァ層で被 覆されているものである。
上記磁気メモリ装置では、 トンネル磁気抵抗素子の側面は不純物を通 さない側壁バリア層で被覆されていることから、 例えば還元性物質の水 素イオンや酸化性物質の水酸基イオンがトンネル磁気抵抗素子の側面よ り侵入することが防止される。 この結果、 例えば層間絶縁膜中に含まれ る水素やフォーミングガスによるシン夕工程での水素の拡散による還元 作用によって、 トンネル磁気抵抗素子のトンネル絶縁層の膜厚が変化し て膜厚が薄くなり、 還元反応が進みすぎた場合にトンネル絶縁層を挟み 強磁性体層同士が短絡するという問題が回避される。 また、 トンネル絶 緣層を挟んで形成される強磁性体層が酸化され、 それによつてトンネル 絶縁層の膜厚が厚くなるという問題も回避される。
本発明の磁気メモリ装置の製造方法は、 トンネル絶縁層を強磁性体で 挟んでなるトンネル磁気抵抗素子が形成されるもので、 前記強磁性体の スピン方向が平行もしくは反平行によって抵抗値が変化することを利用 して情報を記憶する不揮発性の磁気メモリ装置の製造方法において、 前 記トンネル磁気抵抗素子を形成した後で前記トンネル磁気抵抗素子を被 覆する絶縁膜を形成する前に、 前記トンネル磁気抵抗素子の側面に不純 物を通さない側壁バリァ層を形成する工程を備えている。 上記磁気メモリ装置の製造方法では、 トンネル磁気抵抗素子の側面に 不純物イオンを通さない側壁パリア層を形成することから、 例えば還元 性物質の水素イオンや酸化性物質の水酸基イオンがトンネル磁気抵抗素 子の側面より侵入することが防止される。 この結果、 例えば層間絶縁膜 の形成工程において層間絶縁膜中より発生する水素の拡散や、 フォーミ ングガスによるシンタエ程での水素の拡散による還元作用によって、 ト ンネル磁気抵抗素子のトンネル絶縁層の膜厚が変化して膜厚が薄くなり 還元反応が進みすぎた場合にトンネル絶縁層を挟み強磁性体層同士が短 絡するという問題が回避される。 また、 トンネル絶縁層を挟んで形成さ れる強磁性体層が酸化され、 それによつてトンネル絶縁層の膜厚が厚く なるという問題も回避される。 図面の簡単な説明
第 1図は、 本発明の磁気メモリ装置に係る実施の形態を示す概略構成 断面図である。
第 2図は、 TMR素子の一例を示す概略構成斜視図である。
第 3 A図乃至第 3 C図は、 本発明の磁気メモリ装置の製造方法に係る 実施の形態を示す製造工程断面図である。 発明を実施するための最良の形態
本発明の磁気メモリ装置に係る実施の形態を、 第 1図の概略構成断面 図および第 2図の概略構成斜視図によって説明する。
第 1図に示すように、 半導体基板 （例えば！)型半導体基板） 2 1の表 面側には P型ゥエル領域 2 2が形成されている。 この p型ゥエル領域 2 2には、 トランジスタ形成領域を分離する素子分離領域 2 3が、 いわゆ る S T I (Shallow Trench Isolation) で形成されている。 上記 p 型ゥエル領域 2 2上には、 ゲート絶縁膜 2 5を介してゲート電極 （ヮー ド線） 2 6が形成され、 ゲート電極 2 6の両側における p型ゥエル領域 2 2には拡散層領域 （例えば N +拡散層領域） 2 7、 2 8が形成され、 選択用の電界効果型トランジスタ 2 4が構成されている。
上記電界効果型トランジスタ 2 4は読み出しのためのスィツチング素 子として機能する。 これは、 n型または p型電界効果型トランジスタの 他に、 ダイオード、 バイポーラトランジスタ等の各種スイッチング素子 を用いることも可能である。
上記電界効果型トランジスタ 2 4を覆う状態に第 1絶縁膜 4 1が形成 されている。 この第 1絶縁膜 4 1には上記拡散層領域 2 7、 2 8に接続 するコンタクト （例えばタングステンプラグ） 2 9、 3 0が形成されて いる。 さらに第 1絶縁膜 4 1上にはコンタクト 2 9に接続するセンス線 1 5、 コンタクト 3 0に接続する第 1ランディングパッド 3 1等が形成 されている。
上記第 1絶縁膜 4 1上には、 上記センス線 1 5、 第 1ランディングパ ッド 3 1等を覆う第 2絶縁膜 4 2が形成されている。 この第 2絶縁膜 4 2には上記第 1ランディングパッド 3 1に接続するコンタクト （例えば タングステンプラグ) 3 3が形成されている。 さらに上記第 2絶縁膜 4 2上には、 コンタクト 3 3に接続する第 2ランディングパッド 3 5、 書 き込みワード線 1 1等が形成されている。
上記第 2絶縁膜 4 2上には、 上記書き込みワード線 1 1、 第 2ランデ ィングパッド 3 5等を覆う第 3絶縁膜 4 3が形成されている。 この第 3 絶縁膜 4 3には、 上記第 2ランディングパッド 3 5に接続するコンタク ト （例えばタングステンプラグ） 3 7が形成されている。 さらに上記第 3絶縁膜 4 3上には、 上記書き込みワード線 1 1上方より上記コンタク ト 3 7の上端部に接続する下地導電層 3 1 2が導電性材料により形成さ れている。 この下地導電層 3 1 2は反強磁性体層と同様の材料で形成さ れるものであってもよい。
さらに、 上記下地導電層 3 1 2上には上記反強磁性体層 3 0 5が形成 され、 この反強磁性体層 3 0 5上でかつ上記書き込みワード線 1 1の上 方には、 トンネル絶縁層 3 0 3を強磁性体層からなる磁化固定層 3 0 2 と記憶層 3 0 4で挟む構成を有する情報記憶素子 （以下、 TMR素子と いう） 1 3が形成されている。 この TMR素子 1 3については、 後に詳 述する。
上記 TMR素子 1 3の側壁には、 水素 （水素イオンも含む） や水酸基 イオン、 酸素等に対するバリア性が高い窒化シリコン （例えばプラズマ
—窒化シリコンシリコン） もしくは酸化アルミニウムからなるものでサ イドウォール状の側壁バリア層 6 1が形成されている。 なお、 この側壁 バリア層 6 1は、 TMR素子 1 3のトンネル絶縁層 3 0 3の側壁、 およ びトンネル絶縁層 3 0 3と記憶層 3 04との界面近傍の側壁を被覆する ように形成されていれば、 必ずしも TMR素子 1 3の側壁全面を被覆す る必要はない。
上記第 3の絶縁膜 43上には上記反強磁性体層 3 0 5、 TMR素子 1 3等を覆う第 4の絶縁膜 44が形成されている。 この第 4の絶縁膜 44 は表面が平坦化され、 上記 T MR素子 1 3の最上層が露出されている。 上記第 4の絶縁膜 44上には、 上記 TMR素子 1 3の上面に接続するも のでかつ上記書き込みヮード線 1 1と上記 TMR素子 1 3を間にして立 体的に交差 （例えば直交） する第 2配線のビット線 1 2が形成されてい る。
次に、 上記 TMR素子 1 3の一例を、 第 2図の概略構成斜視図によつ て説明する。 第 2図に示すように、 上記反強磁性体層 3 0 5上に、 第 1 の磁化固定層 3 0 6と磁性層が反強磁性的に結合するような導電体層 3 0 7と第 2の磁化固定層 3 0 8とを順に積層してなる磁化固定層 3 0 2、 トンネル絶縁層 3 0 3、 記憶層 3 0 4、 さらにキャップ層 3 1 3を順に 積層して構成されている。 ここでは磁化固定層 3 0 2を積層構造とした が、 強磁性体層の単層構造であってもよく、 もしくは 3層以上の強磁性 体層を、 導電体層を挟んで積層させた構造であってもよい。
上記記憶層 3 0 4、 上記第 1の磁化固定層 3 0 6、 3 0 8は、 例えば， ニッケル、 鉄もしくはコバルト、 またはニッケル、 鉄およびコバルトの うちの少なくとも 2種からなる合金のような、 強磁性体からなる。
上記導電体層 3 0 7は、 例えば、 ルテニウム、 銅、 クロム、 金、 銀等' で形成されている。
上記第 1の磁化固定層 3 0 6は、 反強磁性体層 3 0 5と接する状態に 形成されていて、 これらの層間に働く交換相互作用によって、 第 1の磁 化固定層 3 0 6は、 強い一方向の磁気異方性を有している。
上記反強磁性体層 3 0 5は、 例えば、 鉄 'マンガン合金、 ニッケル ' マンガン合金、 白金マンガン合金、 ィリジゥム ·マンガン合金、 ロジゥ ム ·マンガン合金、 コバルト酸化物およびニッケル酸化物のうちの 1種 を用いることができる。
上記トンネル絶縁層 3 0 3は、 例えば、 酸化アルミニウム、 酸化マグ ネシゥム、 酸化シリコン、 窒化アルミニウム、 窒化マグネシウム、 窒化 シリコン、 酸化窒化アルミニウム、 酸化窒化マグネシウムもしくは酸化 窒化シリコンからなる。
上記トンネル絶縁層 3 0 3は、 上記記憶層 3 0 4と上記磁化固定層 3 0 2との磁気的結合を切るとともに、 トンネル電流を流すための機能を 有する。 これらの磁性膜および導電体膜は、 主に、 スパッタリング法に よって形成される。 トンネル絶縁層は、 スパッタリング法によって形成 された金属膜を酸化、 窒化もしくは酸化窒化させることにより得ること ができる。
さらに最上層にはキャップ層 3 1 3が形成されている。 このキャップ 層 3 1 3は、 TMR素子 1 3と別の TMR素子 1 3とを接続する配線と の相互拡散防止、 接触抵抗低減および記憶層 3 0 4の酸化防止という機 能を有する。 通常、 銅、 窒化タンタル、 タンタル、 窒化チタン等の材料 により形成されている。 上記反強磁性体層 3 0 5は、 TMR素子と直列 に接続されるスイッチング素子との接続に用いられる下地導電層 3 1 2 (第 1図参照） を兼ねることも可能である。
次に上記磁気メモリ装置 1の動作を説明する。 上記 TMR素子 1 3で は、 磁気抵抗効果によるトンネル電流変化を検出して情報を読み出すが， その効果は記憶層 3 0 4と第 1、 第 2の磁化固定層 3 0 6、 3 0 8との 相対磁化方向に依存する。
また上記 TMR素子 1 3では、 ピット線 1 2および書き込みヮ一ド線 1 1に電流を流し、 その合成磁界で記憶層 3 04の磁化の方向を変えて 「 1」 または 「0」 を記録する。 読み出しは磁気抵抗効果によるトンネ ル電流変化を検出して行う。 記憶層 3 0 4と磁化固定層 3 0 6、 3 0 8 の磁化方向が等しい場合を低抵抗（これを例えば 「0」 とする）とし、 記憶層 3 04と磁化固定層 3 0 6、 3 0 8の磁化方向が反平行の場合を 高抵抗（これを例えば 「 1」 とする）とする。
本発明の磁気メモリ装置 1では、 TMR素子 1 3の側面、 特にトンネ ル絶縁層 3 0 3の側面とこのトンネル絶縁層 3 0 3を挟む磁化固定層 3 0 2および記憶層 3 04との界面付近の側面は、 水素 （水素イオンも含 む） 、 水酸基、 酸素等に対してバリア性が高い窒化シリコンまたは酸化 アルミニウムからなる側壁バリア層 6 1で覆われている構成が採用され ていることから、 第 4絶縁膜 44の形成開始時における酸化性雰囲気や 層間絶縁膜中に含まれる水素 （水素イオンも含む） や水酸基イオンの侵 入を防御することができる。 このため、 TMR素子 1 3の特性の劣化や トンネル絶縁層 3 0 3の膜厚バラツキを生じることが抑えられる。
一方、 本発明の磁気メモリ装置 1の比較例として、 TMR素子 1 3の 側面に側壁バリア層 6 1が形成されていない磁気メモリ装置では、 TM R素子 1 3を被覆する P— TE O S (Plasma Tetra-EthoxySi lane) や HD P (High Density Plasma CVD) 等の通常使用される酸化シリ コン系絶縁膜が形成された際に、 TMR素子のトンネル絶縁層は、 酸化 シリコン系絶縁膜中に含まれる水素 （水素イオン （H+ ) も含む） や水 酸基イオン （OH— ) によって還元され、 最悪の場合にはトンネル絶縁 層としての機能が消滅する。 また上記酸化シリコン系絶縁膜の成膜工程 を開始した直後の酸化性雰囲気で TMR素子の特に金属 （もしくは金属 化合物） 膜が酸化され、 トンネル絶縁層の膜厚にばらつきを生じさせる 次に、 本発明の磁気メモリ装置の製造方法に係る実施の形態を、 第 3 A図乃至第 3 C図の製造工程断面図によって説明する。
まず、 図示はしないが、 半導体基板に、 読み出しトランジスタを備え た読み出し回路、 それを覆う第 1絶縁膜等を形成する。 さらに第 3 A図 に示すように、 第 1絶縁膜 4 1に、 図示はしていない読み出しトランジ ス夕の拡散層に接続されるコンタクト 2 9、 3 0等を形成する。 さらに 上記第 1絶縁膜 4 1上にコンタクト 2 9に接続するセンス線 1 5、 コン タクト 3 0に接続する第 1ランディングパッド 3 1等を形成する。 次い で上記この第 1絶縁膜 4 1上に、 例えばテトラエトキシシランを原料に 用いたプラズマ CVD法により、 上記第 1ランディングパッド 3 1、 セ ンス線 1 5等を覆う酸化シリコン （P— TEO S) 膜 （図示せず） を例 えば 1 0 0 nmの厚さに成膜し、 次いで高密度プラズマ C V D法により 酸化シリコン （HD P) 膜 4 2 1を例えば 8 0 0 nmの厚さに成膜し、 さらに酸化シリコン （P— TE O S) 膜 4 2 2を例えば 1 2 0 0 nmに 厚さに成膜して、 第 2絶縁膜 4 2を形成する。 その後、 例えば化学的機 械研磨によって、 上記第 1ランディングパッド 3 1上に例えば 7 0 0 n mの厚さの膜厚を残すように、 上記第 2絶縁膜 4 2を研磨する。
次に、 上記平坦化された上記第 2絶縁膜 4 2上に、 例えばプラズマ C VD法により、 エッチングストッパ層 （図示せず） を、 例えば窒化シリ コン （P— S i N) 膜を例えば 2 0 nmの厚さに成膜して形成する。 そ の後、 レジスト塗布工程、 リソグラフィー工程、 エッチング工程を経て， 上記エッチングストツパ層 4 7にビアホールパターンを開口する。
次いで、 上記ビアホールパターンを埋め込むように上記エッチングス トッパ層上に P— TEO S膜を例えば 3 0 0 nmの厚さに成膜して、 第 3絶縁膜 4 3 (4 3 1 ) を形成する。 その後、 レジスト塗布工程、 リソ グラフィ一工程、 エッチング工程を経て、 第 3絶縁膜 4 3 1に配線溝 4 9を形成するとともに上記第 1ランディングパッド 3 1に達するビアホ —ル 4 8を再び開口する。 このエッチング工程は、 窒化シリコンに対し て酸化シリコンが選択的にエッチングされる条件で行う。
次いで、 P VD (Physical Vapor Deposition) 法によって、 上記 ビアホール 4 8および上記配線溝 4 9の各内面にバリアメタル層 （図示 せず） を、 例えば窒化タンタル膜またはタンタル膜を 2 0 nmの厚さに 堆積した後チタン膜を 5 nmの厚さに堆積して形成する。
次いで、 スパッタリングによって、 銅を 8 0 nmの厚さに堆積した後， 電解めつき法によって、 上記ビアホ一ル 4 8および上記配線溝 4 9を埋 め込むように、 銅を堆積する。 その後、 化学的機械研磨によって、 第 3 絶縁膜 4 3 1上に堆積した余剰のタングステンとバリアメタル層とを除 去して、 上記配線溝 4 9内にバリアメタル層を介して銅より成る書き込 みワード線 1 1、 第 2ランディングパッド 3 5を形成するとともに、 上 記ビアホール 4 8内にバリアメタル層を介して銅より成るプラグ 5 0を 形成する
その後、 上記第 3絶縁膜 4 3 1上に上記書き込みワード線 1 1、 第 2 ランディングパッド 3 5等を覆う上層部分の第 3絶縁膜 4 3 (4 3 2 ) を、 例えば P— TEO S膜を例えば 1 0 0 nmの厚さに堆積して形成す る。 このように、 書き込みワード線 1 1、 第 2ランディングパッド 3 5 等を覆う第 3絶縁膜 4 3が P— TEO S膜で形成される。
上記プロセスは一例であって、 例えば、 センス線 1 5、 第 1ランディ ングパッド 3 1等は溝配線技術によって形成することも可能であり、 書 き込みワード線 1 1、 第 2ランディングパッド 3 5等は通常の配線技術 によって形成することも可能である。
次いで、 レジスト塗布工程、 リソグラフィー工程により、 上記第 3の 絶縁膜 4 3上にマスク （図示せず） を形成した後、 そのマスクを用いて エッチングにより第 2ランディングパッド 3 5に接続するビアホール 5 1を形成する。
続いて、 P VD (Physical Vapor Depos i t i on)法によって、 バリア 層 （図示せず） 、 反強磁性体層 3 0 5、 強磁性体からなる磁化固定層 3 0 2、 トンネル絶縁層 3 0 3、 強磁性体からなる記憶層 3 0 4、 キヤッ プ層 3 1 3を順次成膜する。
上記バリア層には、 例えば、 窒化チタン、 タンタルもしくは窒化タン タルを用いることができる。 上記反強磁性体層 3 0 5には、 例えば、 鉄 ·マンガン、 ニッケル ·マンガン、 白金 ·マンガン、 イリジウム ·マ ンガン等のマンガン合金を用いることができる。
強磁性体からなる上記磁化固定層 3 0 2には、 例えば、 ニッケル ·鉄. コバルト ·鉄、 コバルト合金等の強磁性を有する合金材料を用いること ができる。 この磁化固定層 3 0 2は反強磁性体層 3 0 5との交換結合に よって、 磁化の方向がピニング （pinning) される。 なお、 上記磁化固 定層 30 2は前記第 2図によって説明したように、 導電体層を挟む強磁 性体層の積層構造としてもよい。
上記トンネル絶縁層 3 0 3には、 例えば、 酸化アルミニウムが用いら れる。 このトンネル絶縁層 3 0 3は、 通常、 0. 5 nm〜 5 nm程度の 非常に薄い膜で形成される必要があるため、 例えば、 ALD (Atomic Layer Deposition) 法、 もしくはスパッタリングによる成膜後にプラ ズマ酸化して形成する。
強磁性体からなる上記記憶層 3 04には、 例えば、 ニッケル ·鉄、 コ バルト ·鉄等の強磁性を有する合金材料を用いることができる。 この記 憶層 304は、 TMR素子 1 3の外部印加磁場によって、 磁化の方向が 磁化固定層 30 2に対して平行もしくは反平行に変えることができる。 上記キャップ層 3 1 3は、 例えば、 タングステン、 タンタル、 窒化チ 夕ン等で形成することができる。
次いで、 第 3 B図に示すように、 レジスト塗布工程、 リソグラフィ一 工程により、 上記キャップ層 3 1 3上にマスクを形成した後、 そのマス クを用いてエッチング （例えば反応性イオンエッチング） により上記キ ヤップ層 3 1 3をエッチングする。 その後レジス卜のマスクを例えばァ ッシングにより除去した後、 上記キャップ層 3 1 3をマスクにして TM R素子を形成するための上記積層膜 （例えば記憶層 3 04〜反強磁性体 層 3 0 5 ) を加工して、 TMR素子 1 3を形成する。 図面では記憶層 3 04から磁化固定層 3 0 2上までを加工している。 エッチングの終点は. トンネル絶縁層 3 0 3から最下層の反強磁性体層 3 0 5の途中で終わる ように設定する。 図面では磁化固定層 302上でエッチングが終了して いる。 このエッチングには、 エッチングガスとして例えば塩素 （C 1 ) を含んだハロゲンガスもしくは一酸化炭素 （CO) にアンモニア （NH 3 ) を添加したガス系を用いる。
次に、 側壁バリア層を形成するために、 上記 TMR素子 1 3を被覆す るように例えば窒化シリコン （例えばプラズマー窒化シリコンシリコ ン） 膜を例えば化学的気相成長法によって堆積する。 次いで、 窒化シリ コン膜を全面エッチバックして、 TMR素子 1 3の側面に P—窒化シリ コン膜をサイドウオール状に残すことで側壁バリア層 6 1を形成する。 この側壁バリァ層 6 1は、 少なくとも TMR素子 1 3のトンネル絶縁層 3 0 3側面およびトンネル絶縁層 3 0 3と記憶層 3 04との界面を覆う ように形成される必要がある。 また側壁バリア層 6 1は、 水素 （水素ィ オンも含む） や水酸基イオン、 酸素等に対するバリア性が高い絶縁膜で あればよく、 窒化シリコン膜の他に例えば酸化アルミニウム膜で形成す ることができる。 なお、 成膜方法は、 TMR素子 1 3の側面に膜付けで きる成膜方法であればいかなる成膜方法であってもよく、 例えばスパッ 夕リングによる成膜もできる。
次いで、 レジスト塗布技術とリソグラフィー技術とによって、 レジス トマスクを形成し、 それを用いた反応性イオンエッチングにより、 残り の TMR材料を加工して、 TMR素子 1 3と第 2ランディングパッド 3 5とを接続するバイパス線 3 1 7を TMR積層膜の一部を用いて形成す る。 ここでは、 主として磁化固定層 3 0 2と反強磁性体層 3 0 5とバリ ァ層とで形成する。
次に、 第 3 C図に示すように、 C VD法もしくは P VD法によって、 TMR素子 1 3を覆うように全面に酸化シリコンもしくは酸化アルミ二 ゥム等からなる第 4絶縁膜 44を堆積する。 このとき TMR素子 1 3の 側面は、 窒化シリコンまたは酸化アルミニウムからなる側壁バリァ層 6 1によって覆われているため、 第 4絶縁膜 44の堆積開始時に酸化性雰 囲気にさらされることは無い。 その後、 化学的機械研磨によって、 その 堆積した第 4の絶縁膜 4 4表面を平坦化するとともに、 T M R素子 1 3 の最上層のキャップ層 3 1 3を露出させる。
次いで、 標準的な配線形成技術によって、 書き込みワード線 1 1に T M R素子 1 3を間にして立体的に交差しかつ T M R素子 1 3に接続する ビット線 1 2、 周辺回路の配線 （図示せず） 、 ボンディングパッド領域 (図示せず） 等を形成する。 さらに全面にプラズマ窒化シリコン膜から なる第 5絶縁膜 （図示せず） を形成した後、 上記ボンディングパッド部 分 （図示せず） を開口して、 L S Iのウェハプロセス工程を完了させる 上記磁気メモリ装置の製造方法では、 T M R素子 1 3の側面に不純物 イオンを通さない側壁バリア層 6 1を形成することから、 例えば還元性 物質の水素イオンや酸化性物質の水酸基イオンが T M R素子 1 3の側面 より侵入することが防止される。 この結果、 例えば第 4絶縁膜 4 4の形 成工程において第 4絶縁膜 4 4中より発生する水素の拡散や、 フォーミ ングガスによるシンタエ程での水素の拡散による還元作用によって、 T M R素子 1 3のトンネル絶縁層 3 0 3の膜厚が変化して膜厚が薄くなり 還元反応が進みすぎた場合にトンネル絶縁層 3 0 3を挟み磁化固定層 3 0 2と記憶層 3 0 4とが短絡するという問題が回避される。 また、 トン ネル絶縁層 3 0 3を挟んで形成される磁化固定層 3 0 2や記憶層 3 0 4 が酸化され、 それによつてトンネル絶縁層 3 0 3の膜厚が厚くなるとい う問題も回避される。
なお、 上記実施の形態で説明した絶縁膜の構成は一例であって、 素子 間、 配線間等の電気的絶縁が達成される構成であれば、 いかなる絶縁膜 構成であってもよい。 また上記実施の形態で示した各種膜の膜厚等の数 値は一例であって、 適宜各数値は設定される。 以上、 説明したように本発明の磁気メモリ装置によれば、 TMR素子 側面に水素 （水素イオンも含む） や水酸基イオン、 酸素等に対してバリ ァ性が高い側壁バリア層が備えられているので、 T M R素子を覆う絶縁 膜を形成する際の成膜開始直後の酸化性雰囲気で T MR素子が酸化され ることがなく、 また絶縁膜中に含まれる水素 （水素イオンも含む） や水 酸基イオンによって酸化や還元を受けることがなく、 TMR特性の劣化 やトンネル抵抗バラツキの増加が抑えることができる。 よって、 特性劣 化がなく信頼性の高い TMR素子を搭載した磁気メモリ装置を提供する ことができる。
本発明の磁気メモリ装置の製造方法によれば、 TMR素子側面に水素 (水素イオンも含む） や水酸基イオン、 酸素等に対してバリア性が高い 側壁バリァ層を形成するので、 TMR素子を覆う絶縁膜を形成する際の 成膜開始直後の酸化性雰囲気で TMR素子が酸化されることや、 絶縁膜 中に含まれる水素 （水素イオンも含む） や水酸基イオンによって、 酸化 や還元を受けることがない。 このため、 TMR特性の劣化やトンネル抵 抗バラツキの増加を抑えることができる。 よって、 特性劣化がなく信頼 性の高い TMR素子を搭載した磁気メモリ装置を製造することができる

Claims

請求の範囲
1 . トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるトンネル磁気抵抗素子を 備え、 前記強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行によつて抵抗値 が変化することを利用して情報を記憶するもので、
前記トンネル磁気抵抗素子を間にして立体的に交差するように配置さ れる第 1配線および第 2配線を備え、
前記第 1配線と前記トンネル磁気抵抗素子とは電気的に絶縁され、 前記第 2配線と前記トンネル磁気抵抗素子とは電気的に接続されてい る不揮発性の磁気メモリ装置において、
前記トンネル磁気抵抗素子の側面は不純物を通さない側壁バリァ層で 被覆されている
ことを特徴とする磁気メモリ装置。
2 . 前記側壁バリア層は、 酸化アルミニウムもしくは窒化シリコンか らなることを特徴とする請求の範囲第 1項記載の磁気メモリ装置。
3 . トンネル絶縁層を強磁性体で挟んでなるトンネル磁気抵抗素子が 形成されるもので、 前記強磁性体のスピン方向が平行もしくは反平行に よつて抵抗値が変化することを利用して情報を記憶する不揮発性の磁気 メモリ装置の製造方法において、
前記トンネル磁気抵抗素子を形成した後で前記トンネル磁気抵抗素子 を被覆する絶縁膜を形成する前に、 前記トンネル磁気抵抗素子の側面に 不純物を通さない側壁バリァ層を形成する工程
を備えたことを特徴とする磁気メモリ装置の製造方法。
4 . 前記側壁バリア層を酸化アルミニウムもしくは窒化シリコンで形 成することを特徴とする請求の範囲第 3項記載の磁気メモリ装置の製造 方法。
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