JP2005056975A - Magnetic memory device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁化方向が固定された磁化固定層と、トンネルバリア層と、磁化方向の変化が可能な磁性層とが積層されてなるトンネル磁気抵抗効果素子によって磁気メモリ素子が構成され、この磁気メモリ素子からなるメモリ部と、このメモリ部の周辺回路部とを有する磁気メモリ装置、特に磁気ランダムアクセスメモリ、いわゆる不揮発性メモリであるMRAM(Magnetic Random Access Memory)として構成された磁気メモリ装置、及びその製造方法に関するものである。 In the present invention, a magnetic memory element is constituted by a tunnel magnetoresistive effect element formed by laminating a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetic layer capable of changing the magnetization direction. A magnetic memory device having a memory part composed of memory elements and a peripheral circuit part of the memory part, in particular a magnetic random access memory, a magnetic memory device configured as a so-called nonvolatile memory MRAM (Magnetic Random Access Memory), and It relates to the manufacturing method.
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伴い、これを構成するメモリやロジックなどの素子には、高集積化、高速化、低電力化など、一層の高性能化が要求されている。 With the rapid spread of information communication devices, especially small personal devices such as mobile terminals, the elements such as memory and logic that make up these devices have higher performance such as higher integration, higher speed, and lower power consumption. Is required.
特に不揮発性メモリの高密度、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や光ディスクに置き換える技術として、ますます重要になってきている。 In particular, increasing the density and capacity of non-volatile memories is becoming increasingly important as a technology for replacing hard disks and optical disks that are essentially impossible to downsize due to the presence of moving parts.
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、強誘電体を用いたFRAM(Ferroelectric Random Access Memory)なども挙げられる。 Examples of the nonvolatile memory include a flash memory using a semiconductor and an FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) using a ferroelectric.
しかしながら、フラッシュメモリは、構造が複雑なために高集積化が困難であり、しかもアクセス時間が100ns程度と遅いという欠点がある。一方、FRAMにおいては、書き換え可能回数が少ないという問題が指摘されている。 However, the flash memory has a drawback that it is difficult to achieve high integration due to its complicated structure, and the access time is as slow as about 100 ns. On the other hand, in FRAM, a problem that the number of rewritable times is small has been pointed out.
これらの欠点を有さず、高速、大容量(高集積化)、低消費電力の不揮発性メモリとして注目されているのが、例えばWang et al., IEEE Trans. Magn. 33 (1997), 4498に記載されているような、MRAM(Magnetic Random Access Memory)もしくはMR(Magnetoresistance)メモリと称される磁気メモリであり、近年のTMR(Tunnel Magnetoresistance)材料の特性向上により、注目を集めるようになってきている。 For example, Wang et al., IEEE Trans. Magn. 33 (1997), 4498 are attracting attention as non-volatile memories with high speed, large capacity (high integration), and low power consumption. Is a magnetic memory called MRAM (Magnetic Random Access Memory) or MR (Magnetoresistance) memory, and has been attracting attention due to the recent improvement in properties of TMR (Tunnel Magnetoresistance) materials. ing.
しかも、MRAMは、構造が単純であるために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可能回数が大であり、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ている。 In addition, since the MRAM has a simple structure, it can be easily integrated, and since the recording can be performed by rotating the magnetic moment, the number of rewrites is large, and the access time is very high. Expected.
このように近年注目されているMRAMに用いられるTMR素子は、2つの磁性層の間にトンネル酸化膜を挟む構造で形成されており、2つの磁性層のスピンの方向により、トンネル酸化膜を流れる電流の強度が変化することを利用することで記憶素子として用いられている。 As described above, the TMR element used in MRAM attracting attention in recent years has a structure in which a tunnel oxide film is sandwiched between two magnetic layers, and flows through the tunnel oxide film depending on the spin direction of the two magnetic layers. It is used as a memory element by utilizing the fact that the current intensity changes.
こうしたMRAMについて更に詳細に説明すると、図13に例示するように、MRAMのメモリセルの記憶素子となるTMR素子10は、支持基板9上に設けられた、磁化が比較的容易に回転する記憶層2と磁化固定層4、6とを含む。
Describing in more detail about such an MRAM, as illustrated in FIG. 13, a
磁化固定層は第1の磁化固定層4と第2の磁化固定層6の二つの磁化固定層を持ち、これらの間には、これらの磁性層が反強磁性的に結合するような導体層5が配置されている。記憶層2と磁化固定層4、6には、ニッケル、鉄又はコバルト、或いはこれらの合金からなる強磁性体が用いられ、また導体層5の材料としては、ルテニウム、銅、クロム、金、銀などが使用可能である。第2の磁化固定層6は反強磁性体層7と接しており、これらの層間に働く交換相互作用によって、第2の磁化固定層6は強い一方向の磁気異方性を持つことになる。反強磁性体層7の材料としては、鉄、ニッケル、白金、イリジウム、ロジウムなどのマンガン合金、コバルトやニッケル酸化物などを使用できる。
The magnetization fixed layer has two magnetization fixed layers of a first magnetization fixed
また、磁性層である記憶層2と第1の磁化固定層4との間には、アルミニウム、マグネシウム、シリコン等の酸化物又は窒化物等からなる絶縁体によるトンネルバリア層3が挟持されており、記憶層2と磁化固定層4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役割を担う。これらの磁性層及び導体層は主にスパッタリング法により形成されるが、トンネルバリア層3は、スパッタリングで形成された金属膜を酸化もしくは窒化させることにより得ることができる。トップコート層1は、TMR素子10とこのTMR素子に接続される配線との相互拡散防止、接触抵抗低減及び記憶層2の酸化防止という役割があり、通常は、Cu、Ta、TiN等の材料を使用できる。下地電極層8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。この下地層8は反強磁性体層7を兼ねてもよい。
In addition, a
このように構成されたメモリセルにおいては、後述するように、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、その効果は記憶層と磁化固定層との相対磁化方向に依存する。 In the memory cell configured as described above, as described later, information is read out by detecting a tunnel current change due to the magnetoresistive effect, and the effect depends on the relative magnetization directions of the storage layer and the magnetization fixed layer.
図14は、一般的なMRAMの一部を簡略化して示す拡大斜視図である。ここでは、簡略化のために読み出し回路部分は省略してあるが、例えば9個のメモリセルを含み、相互に交差するビット線11及び書き込み用ワード線12を有する。これらの交点には、TMR素子10が配置されていて、TMR素子10への書き込みは、ビット線11及び書き込み用ワード線12に電流を流し、これらから発生する磁界の合成磁界によって、ビット線11と書き込み用ワード線12との交点にあるTMR素子10の記憶層2の磁化方向を磁化固定層に対して平行又は反平行にして書き込みを行う。
FIG. 14 is an enlarged perspective view showing a part of a general MRAM in a simplified manner. Here, the read circuit portion is omitted for simplification, but includes, for example, nine memory cells, and has a
図15は、メモリセルの断面を模式的に示していて、例えばp型シリコン半導体基板13内に形成されたp型ウェル領域14内に形成されたゲート絶縁膜15、ゲート電極16、ソース領域17、ドレイン領域18よりなるn型の読み出し用電界効果型トランジスタ19が配置され、その上部に、書き込み用ワード線12、TMR素子10、ビット線11が配置されている。ソース領域17には、ソース電極20を介してセンスライン21が接続されている。電界効果トランジスタ19は、読み出しのためのスイッチング素子として機能し、ワード線12とTMR素子10との間から引き出された読み出し用配線22がドレイン電極23を介してドレイン領域18に接続されている。なお、トランジスタ19は、n型又はp型電界効果トランジスタであってよいが、その他、ダイオード、バイポーラトランジスタ、MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)等、各種のスイッチング素子が使える。
FIG. 15 schematically shows a cross section of the memory cell. For example, a
図16は、MRAMの等価回路図を示すが、例えば6個のメモリセルを含み、相互に交差するビット線11及び書き込み用ワード線12を有し、これらの書き込み線の交点には、記憶素子10と共に、記憶素子10に接続されて読み出しの際に素子選択を行う電界効果トランジスタ19及びセンスライン21を有する。センスライン21は、センスアンプ23に接続され、記憶された情報を検出する。なお、図中の24は双方向の書き込み用ワード線電流駆動回路、25はビット線電流駆動回路である。
FIG. 16 shows an equivalent circuit diagram of the MRAM, which includes, for example, six memory cells, has a
図17は、MRAMの書き込み条件を示すアステロイド曲線であって、印加された磁化容易軸方向磁界HEA及び磁化困難軸方向磁界HHAによる記憶層磁化方向の反転しきい値を示している。このアステロイド曲線の外部に、相当する合成磁界ベクトルが発生すると、磁界反転を生じるが、アステロイド曲線の内部の合成磁界ベクトルは、その電流双安定状態の一方からセルを反転させることはない。また、電流を流しているワード線及びビット線の交点以外のセルにおいても、ワード線又はビット線単独で発生する磁界が印加されるため、それらの大きさが一方向反転磁界HK以上の場合は、交点以外のセルの磁化方向も反転してしまうため、合成磁界が図中の灰色の領域にある場合のみに、選択されたセルを選択書き込みが可能となるようにしておく。 FIG. 17 is an asteroid curve showing the write condition of the MRAM, and shows the reversal threshold value of the storage layer magnetization direction by the applied easy axis magnetic field HEA and hard axis magnetic field HHA . When a corresponding synthetic magnetic field vector is generated outside the asteroid curve, magnetic field reversal occurs, but the synthetic magnetic field vector inside the asteroid curve does not invert the cell from one of its current bistable states. Also in cells other than the intersections of word lines and bit lines are a current flows, a magnetic field generated by the word line or bit line alone is applied, if their size is more than one direction reversal magnetic field H K Since the magnetization direction of the cells other than the intersection is also reversed, the selected cell can be selectively written only when the combined magnetic field is in the gray region in the figure.
このように、MRAMでは、ビット線とワード線の2本の書き込み線を使用することにより、アステロイド磁化反転特性を利用して、指定されたメモリセルだけが磁性スピンの反転により選択的に書き込むことが一般的である。単一記憶領域における合成磁化は、それに印加された磁化容易軸方向磁界HEAと磁化困難軸方向磁界HHAとのベクトル合成によって決まる。ビット線を流れる書き込み電流は、セルに磁化容易軸方向の磁界HEAを印加し、またワード線を流れる電流は、セルに磁化困難軸方向の磁界HHAを印加する。 As described above, in the MRAM, by using the two write lines of the bit line and the word line, only the designated memory cell is selectively written by the reversal of the magnetic spin using the asteroid magnetization reversal characteristic. It is common. Synthetic magnetization in a single storage area is determined by the vector combination of the magnetization hard axis magnetic field H HA and the magnetization easy axis magnetic field H EA applied thereto. The write current flowing through the bit line, the magnetic field H EA easy magnetization axis direction is applied to the cell, and the current flowing through the word line applies a magnetic field H HA hard magnetization axis direction cell.
図18は、MRAMの読み出し動作を説明するものである。ここでは、TMR素子10の層構成を概略図示しており、上記した磁化固定層を単一層26として示し、記憶層2及びトンネルバリア層3以外は図示省略している。
FIG. 18 explains the read operation of the MRAM. Here, the layer configuration of the
即ち、上記したように、情報の書き込みは、マトリックス状に配線したビット線11とワード線12との交点の合成磁場によりセルの磁性スピンを反転させて、その向きを“1”、“0”の情報として記録する。また、読み出しは、磁気抵抗効果を応用したTMR効果を利用して行なうが、TMR効果とは、磁性スピンの向きによって抵抗値が変化する現象であり、磁性スピンが反平行の抵抗の高い状態と、磁性スピンが平行の抵抗の低い状態により、情報の“1”、“0”を検出する。この読み出しは、ワード線12とビット線11の間に読み出し電流(トンネル電流)を流し、上記の抵抗の高低に応じた出力を上記した読み出し用電界効果トランジスタ19を介してセンスライン21に読み出すことによって行う。
That is, as described above, the information is written by inverting the magnetic spin of the cell by the combined magnetic field at the intersection of the
従来構造のMRAMの形成方法を図19〜21により簡略に説明する。 A conventional method for forming an MRAM will be briefly described with reference to FIGS.
図19(a)は、CMOS技術を用いて形成されたTr(トランジスタ)や配線層を形成した基板(図示せず)に、例えば厚さがT(400nm)のシリコン酸化膜からなる層間絶縁膜31の領域のメモリ部Aに、ワードライン123、読み出しライン123が配線幅がW(260nm)、間隔がL(280nm)に形成され、周辺回路部Bにその下層配線33、34が配線幅がW(260nm)に形成されている。
FIG. 19A shows an interlayer insulating film made of a silicon oxide film having a thickness of T (400 nm), for example, on a substrate (not shown) on which a Tr (transistor) formed using CMOS technology and a wiring layer are formed. The
ワードライン12及び周辺回路部Bの下層配線33、34は、上部の層間絶縁膜35との間に、配線の銅イオンの拡散防止のためのシリコン窒化膜からなる拡散防止膜32が介在しているが、読み出しライン123は層間絶縁膜35をエッチングにより開口して形成した上部配線123aが接続され、その上面に例えば、Ta/PtMn/CoFe(第2ピン層)/Ru/CoFe(第1ピン層)を含むピン層26、Al2O3からなるトンネルバリア層3、CoFe−30B(フリー層)/Taを含むフリー層2からなるTMR素子の材料が積層された後、TMR素子10を形成するために、ワードライン12の上方以外のフリー層2及びトンネルバリア層3がエッチングにより除去された状態を示している。
A
なお、各部共に接続孔への配線のCuめっきには、例えばTa等からバリア膜を設け、このバリア膜をシードメタルとしてダマシン法により、Cuの拡散防止装置がなされている(図22(b)参照)が、図示省略する。 In addition, in each part, Cu plating of the wiring to the connection hole is provided with a barrier film made of Ta or the like, for example, and a Cu diffusion preventing device is made by the damascene method using this barrier film as a seed metal (FIG. 22B). Reference) is omitted.
図19(b)は、TMR素子10と読み出しライン123とがピン層26の下地金属層(Ta等)による配線22で接続されると共に、ピン層26の下層金属(例えばTa)によって、読み出しライン123のCuの上方への拡散を防ぐように形成された後に、ワードライン12と、読み出しライン123が配線22にて接続されたTMR素子10とからなるメモリセルが、メモリセルを素子分離するために、ピン層26上にレジストマスク36が形成され、隣接するメモリセル間をエッチングにより分割(分離)した状態を示している。
In FIG. 19B, the
しかし、この分割の際に非マスク部のピン層26も除去されると同時に、オープンスペースである周辺回路部Bは反応ガスが作用し易いため、ピン層26と共に、層間絶縁膜35の上部35b(仮想線部分)までエッチングされてしまう。
However, the pinned
図20(c)は、レジストマスクを除去後の状態を示し、図20(d)は、この上に層間絶縁膜40及び拡散防止膜41を積層し、これに接続孔(図示せず)を形成後にCuめっきにより接続孔を埋め込んで、メモリ部AのTMR素子10とビット線とを接続するためのコンタクトプラグ12aの形成、周辺回路部Bの一方の下層配線33上にビット線に接続するためのコンタクトプラグ33aの形成、及び周辺回路部Bの他方の下層配線34上に上部配線34aが形成された状態を示している。
FIG. 20 (c) shows a state after removing the resist mask, and FIG. 20 (d) shows that an
図21(e)は、この上に層間絶縁膜42及び拡散防止膜43を積層した後に、レジストマスク(図示せず)を形成してパターニングすることにより、ビット線領域の形成及び周辺回路部Bの上部配線34a上に接続孔の形成を行い、ビット線領域及び上部配線34上の接続孔をCuめっきにより埋め込み、ビット線11の形成及び周辺回路部Bの上部配線34a上に更にコンタクトプラグ34bを形成した状態である。
In FIG. 21E, an
これにより、メモリ部Aのコンタクトプラグ12a及び周辺回路部Bの下層配線33に接続されたコンタクトプラグ33aがビット線11に接続される。また周辺回路部Bの他方の下層配線34に連続した上部配線34aを外部機器等に接続するための接続端子が形成される。
Thereby, the contact plug 33 a connected to the contact plug 12 a of the memory part A and the
MRAMに関する一例としては、メモリ部をTMR素子で構成すると共に、周辺回路領域に、TMR素子を抵抗素子、フューズ素子又はコンタクトとして用いることにより、チップ面積を縮小化することが提案されている(後記の特許文献1参照)。 As an example of the MRAM, it has been proposed to reduce the chip area by configuring the memory unit with TMR elements and using the TMR elements as resistance elements, fuse elements, or contacts in the peripheral circuit region (described later). Patent Document 1).
MRAMが効率良く動作するためには、ビット線とワード線とによって、TMR素子10に対して十分な合成磁場を作用させる必要がある。したがって、図22に示すように、ワードライン12とピン層26の距離は小さい方がよい。そのためには下層絶縁層35の厚みは、磁場を強くするために出来るだけ小さい方がよい。しかしながら、上記したピン層26の下層に用いられる金属層のオーバーエッチングにより、メモリー部A以外の周辺回路部Bのオープンスペースの下地の削れが生じるため、下層配線33、34のCu(銅)が露出し易い。
In order for the MRAM to operate efficiently, it is necessary to apply a sufficient synthetic magnetic field to the
このようにCuが露出すると、上記した下地金属層(例えばTa、PtMn等)のエッチングに通常用いられるCl2(塩素)ガスでの腐食が問題となり、またその他の加工用ガスであってもCuの配線層がエッチングされた場合は、配線抵抗のばらつきが生じ、また、飛散したCuによる配線間ショートといった不良の原因になるという問題がある。従って、ピン層26の厚みを薄くすることが出来ないため、上記した合成磁場が弱くなることを回避できない。
When Cu is exposed in this way, corrosion with Cl 2 (chlorine) gas that is usually used for etching the above-mentioned base metal layer (for example, Ta, PtMn, etc.) becomes a problem. When the wiring layer is etched, there is a problem that the wiring resistance varies and causes a defect such as a short circuit between wirings due to scattered Cu. Therefore, since the pinned
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、周辺回路部の下層配線を保護してその信頼性を向上させることができる磁気メモリ装置及びその製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetic memory device capable of protecting the lower layer wiring of the peripheral circuit portion and improving its reliability, and a method for manufacturing the same. There is to do.
即ち、本発明は、磁化方向が固定された磁化固定層と、トンネルバリア層と、磁化方向の変化が可能な磁性層とが積層されてなるトンネル磁気抵抗効果素子によって磁気メモリ素子が構成され、この磁気メモリ素子からなるメモリ部と、このメモリ部の周辺回路部とを有する磁気メモリ装置において、
前記磁化固定層及びその下地導電層を構成する金属層の少なくとも一部と同じ構成材 料によって、前記周辺回路部の下層配線が覆われている
ことを特徴とする、磁気メモリ装置(以下、本発明のメモリ装置と称することがある。)に係るものである。
That is, in the present invention, a magnetic memory element is constituted by a tunnel magnetoresistive effect element in which a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetic layer capable of changing the magnetization direction are stacked. In a magnetic memory device having a memory unit composed of the magnetic memory element and a peripheral circuit unit of the memory unit,
A lower layer wiring of the peripheral circuit section is covered with the same constituent material as at least a part of the metal layer constituting the magnetization fixed layer and the underlying conductive layer. It may be referred to as a memory device of the invention).
また本発明は、磁化方向が固定された磁化固定層と、トンネルバリア層と、磁化方向の変化が可能な磁性層とが積層されてなるトンネル磁気抵抗効果素子によって磁気メモリ素子が構成され、この磁気メモリ素子からなるメモリ部と、このメモリ部の周辺回路部とを有する磁気メモリ装置の製造方法において、
前記周辺回路部に前記下層配線を形成する工程と、
前記下層配線上も含めて前記メモリ部上に、前記磁化固定層の下地導電層、前記磁化 固定層、前記トンネルバリア層及び前記磁性層の各構成材料をこの順に積層する工程と 、
前記下層配線を覆うように、前記磁化固定層及び前記下地導電層を構成する金属層の 少なくとも一部をパターニングし、かつ前記磁気メモリ素子を形成する工程と
を有することを特徴とする、磁気メモリ装置の製造方法(以下、本発明の製造方法と称する。)に係るものである。
Further, according to the present invention, a magnetic memory element is constituted by a tunnel magnetoresistive effect element formed by stacking a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetic layer capable of changing the magnetization direction. In a method of manufacturing a magnetic memory device having a memory unit composed of a magnetic memory element and a peripheral circuit unit of the memory unit,
Forming the lower layer wiring in the peripheral circuit portion;
Laminating each constituent material of the underlying conductive layer of the magnetization fixed layer, the magnetization fixed layer, the tunnel barrier layer, and the magnetic layer in this order on the memory unit including the lower layer wiring;
And a step of patterning at least a part of the metal layer constituting the magnetization fixed layer and the base conductive layer so as to cover the lower layer wiring, and forming the magnetic memory element. The present invention relates to a device manufacturing method (hereinafter referred to as a manufacturing method of the present invention).
本発明によれば、周辺回路部の下層配線を覆っている金属材料によって下層配線が保護されることにより、製造過程でのエッチングで下層配線が露出することを防止できる、したがって、層間絶縁膜が存在しなくても或いその膜厚が小さくても、下層配線が腐食することもなく、接触抵抗の少ない良好な配線を形成することができ、その結果、合成磁場を強められるような層構成が可能になる磁気メモリ装置を得ることができる。しかも、周辺回路部の下層配線上の上記金属材料をメモリ素子分割のエッチングと同時に、工程の追加なしに容易に形成することができる。 According to the present invention, since the lower layer wiring is protected by the metal material covering the lower layer wiring of the peripheral circuit portion, it is possible to prevent the lower layer wiring from being exposed by etching in the manufacturing process. Even if it does not exist or its film thickness is small, the lower layer wiring does not corrode, and it is possible to form good wiring with low contact resistance, resulting in a layer structure that can strengthen the synthetic magnetic field Therefore, it is possible to obtain a magnetic memory device that can achieve the above. In addition, the metal material on the lower layer wiring of the peripheral circuit portion can be easily formed without adding a process simultaneously with the etching for dividing the memory element.
上記した本発明の磁気メモリ装置及び製造方法においては、前記周辺回路部の前記下層配線に接続された上層配線(上部配線)が、前記磁気メモリ素子のビットラインに接続されて、前記磁気メモリ素子において前記ビットラインとは反対側に配置されたワードラインと前記下地導電層との間には、前記ワードラインの構成金属元素の拡散を防止する絶縁性拡散防止膜のみが存在していることが望ましく、これにより磁場を強められる点で望ましい。 In the above-described magnetic memory device and manufacturing method of the present invention, the upper layer wiring (upper wiring) connected to the lower layer wiring of the peripheral circuit section is connected to the bit line of the magnetic memory element, and the magnetic memory element In this case, only an insulating diffusion prevention film for preventing diffusion of the constituent metal elements of the word line exists between the word line disposed on the opposite side of the bit line and the base conductive layer. It is desirable in that it can strengthen the magnetic field.
この場合、前記ワードラインが埋め込まれた絶縁層に、前記下地導電層に接続された読み出しラインが埋め込まれ、前記絶縁層に前記周辺回路部の下層配線が埋め込まれていることが望ましい。 In this case, it is preferable that a read line connected to the base conductive layer is embedded in the insulating layer in which the word line is embedded, and a lower layer wiring of the peripheral circuit portion is embedded in the insulating layer.
また、前記磁気メモリ素子に対する前記ビットラインの接続と、前記上層配線の形成とが、絶縁層を介して行われていてよい。 Further, the connection of the bit line to the magnetic memory element and the formation of the upper layer wiring may be performed through an insulating layer.
更に、前記下層配線、前記ワードライン及び前記読み出しラインが銅又は銅合金からなっていることが、導電性が良い点で望ましい。 Furthermore, it is desirable that the lower layer wiring, the word line, and the read line are made of copper or a copper alloy in terms of good conductivity.
そして、前記磁化固定層と前記磁性層との間に絶縁体層又は導電体層が挟持され、前記メモリ素子の上面及び下面に設けられた前記ビットライン及び前記ワードラインにそれぞれ電流を流すことによって誘起される磁界で前記磁性層を所定方向に磁化して情報を書き込み、この書き込み情報を前記トンネルバリア層を介してのトンネル磁気抵抗効果によって読み出すように構成することにより、好適に磁気メモリ装置を形成することができる。 An insulator layer or a conductor layer is sandwiched between the magnetization pinned layer and the magnetic layer, and currents are passed through the bit line and the word line provided on the upper surface and the lower surface of the memory element, respectively. A magnetic memory device is suitably configured by writing information by magnetizing the magnetic layer in a predetermined direction with an induced magnetic field and reading out the written information by a tunnel magnetoresistance effect through the tunnel barrier layer. Can be formed.
次に、上記した本発明を実施するための最良の形態を図面参照下で具体的に説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
実施の形態1
図1は、本実施の形態のMRAMの概略断面図を示し、基板(図示せず)上に、下層、中間層及び上層からなる3層構造の層間絶縁膜(以下、単に絶縁膜と称することがある。)31、35、42が、層間に拡散防止膜32、41を挟んで積層され、メモリ部Aにおいて、下層の絶縁膜31に配されたワードライン12及び読み出しライン123と、拡散防止膜32上の配線22によって読み出しライン123に対して接続されたTMR素子10とからなるメモリセルが形成されている。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the MRAM according to the present embodiment. A three-layer interlayer insulating film (hereinafter simply referred to as an insulating film) consisting of a lower layer, an intermediate layer, and an upper layer on a substrate (not shown). 31, 35, and 42 are stacked with the
このTMR素子10はコンタクトプラグ12aを介して上方のビットライン11に接続され、周辺回路部Bの一方の下層配線33はキャップ45を挟んでコンタクトプラグ33aに接続され、このコンタクトプラグ33aがビットライン11に接続されている。また、周辺回路部Bの他方の下層配線34は同様にキャップ45を挟んで上部配線34aが形成され、更にはコンタクトプラグ34bに接続され、上層の絶縁膜42上の拡散防止膜43に外部機器等と接続するための端子が形成されている。
The
そして、本実施の形態では、TMR素子10を構成するピン層26を用いて、TMR素子10と読み出しライン123とを接続する配線22を形成していることは従来と同様であるが、中間の絶縁膜35を選択的に除去(省略)してTMR素子10が拡散防止膜32の上に接して配置されていることが異なり、更に、少なくともピン層26の下地金属層である後述するタンタル及び白金とマンガンの合金層26aからなる積層構造と同じ材料が、周辺回路部Bの下層配線33、34を全幅及び全長に亘って覆うキャップ45として形成され、この上にそれぞれのコンタクトプラグ又は上部配線が形成されていることが本実施の形態の特筆すべき特徴である。
In the present embodiment, the
なお、このTMR素子10は、Ta(タンタル)(3)/PtMn(白金・マンガンの合金)(30)/CoFe(コバルト・鉄の合金)(2.4)/Ru(ルテニウム)(0.75)/CoFe(コバルト・鉄の合金)(2.2)/Al2O3(酸化アルミニウム)(1.5)/CoFe(コバルト・鉄の合金)−30B(4)/Ta(タンタル)(5)(但し、カッコ内の数字は膜厚(単位nm)を示す。)の構造により形成されている。ここで、図1における符号2bはメタル電極となる最上層のTa、2aはCoFe−30B、符号3はトンネルバリア層(Al2O3)、符号26bはCoFe/Ru/CoFe、26aはTa/PtMnを示しているが、以降の説明においては、2aと2bをまとめてフリー層2、26aと26bをまとめてピン層26とする。
The
特にRIE(リアクティブイオンエッチング)によりパターニングされる際に接続孔に埋め込まれたCuが露出して変質するのを防止するために、上記のように周辺回路部Bの下層配線33、34上を金属層(キャップ層)45で覆った構造としている。
In particular, in order to prevent Cu embedded in the connection hole from being exposed and degenerated when patterning is performed by RIE (reactive ion etching), the
しかも、このキャップ層45により銅又は銅合金(以下、Cuと称する。)からなる下層配線の銅イオンを閉じ込め、特に上方への拡散を防止することができると共に、TMR素子10が下層配線との間に拡散防止膜32のみを挟み、ワードライン12に近接されていることにより、ビットライン11とワードライン12間の距離が小さくなるため、十分な合成磁場を作用させることができ、MRAMの動作性を高めることができる。
In addition, the
また、メモリ部Aにおいても、読み出しライン123上にピン層の下地金属(Ta)が被着され、かつ、それ以外のワードライン12上も拡散防止膜32が覆っているため、読み出しライン123及びワードライン12のCuが上方へ拡散することもない。なお、周辺回路部における下層配線33、34の全幅、全長が、拡散防止作用のあるピン層材料で覆われているので、それらの下層配線のCuの上方への拡散及び上部配線やコンタクトプラグからのCuの下方への拡散を防止できる。
Also in the memory portion A, since the base metal (Ta) of the pinned layer is deposited on the read
ここで、図22に示した従来構造において、合成磁場を強くするためには、ワードライン12とビットライン11との間の絶縁膜35の膜厚を薄くし、ビットライン11とワードライン12との距離を小さくすることが考えられるが、両者間の絶縁膜35を薄くすると、次の(1)及び(2)の問題が起こる。
Here, in the conventional structure shown in FIG. 22, in order to increase the combined magnetic field, the film thickness of the insulating
(1)接続孔にコンタクトプラグ123aとしてCuめっきを埋め込むために、接続孔の内壁面に付着させるシードメタルの表面の密着性を高めるための逆スパッタの際に、孔の径が拡幅されることを避けるだけの逆スパッタマージンがとり難い。また、逆スパッタ量を増加させると絶縁膜35がなくなってしまう。
(2)接続孔にコンタクトプラグ123aとしてCuめっき後に行うCMP等による表面研磨時に、層間絶縁膜35の剥離を避けるだけの研磨マージンがとり難い。
(1) In order to embed Cu plating as a
(2) It is difficult to obtain a polishing margin sufficient to avoid peeling of the
しかし、本実施の形態は、上記したように、TMR素子10が下層配線上の拡散防止膜32に接していることにより、従来構造における層間絶縁膜35を省略しているために、層間絶縁膜へのCuめっきによる埋め込みやCMP研磨が不要となって、上記(1)及び(2)の問題も同時に解消することができる。
However, in the present embodiment, as described above, since the
このような構造の配線は、図2に示す概略平面図のようにマトリックス状に形成されている。図2は図1の平面図であるが、各配線の関係を明示するために配線のみを実線で示したものである。そして図示の如く、TMR素子10は平面形状は楕円形に形成される。
The wiring having such a structure is formed in a matrix as shown in the schematic plan view of FIG. 2 is a plan view of FIG. 1, in which only the wiring is shown by a solid line in order to clearly show the relationship between the wirings. As shown in the figure, the
このMRAMの製造プロセスの概略を図3〜図8により説明する。なお、以下のプロセスにおいては、例えば、接続孔にCuの埋めに際してはTa等によるバリア層が形成される。また埋め込み後はCMPによる表面研磨がなされる。またレジストマスクの形成はフォトリソグラフィ技術等の工程を経て形成される。またエッチングはそれぞれ必要なエッチングガス等を用いて行われるが単にエッチングと称し、これらの処理がなされることを前提とし、各プロセスにおける説明は省略することがある。 An outline of the manufacturing process of the MRAM will be described with reference to FIGS. In the following process, for example, a barrier layer made of Ta or the like is formed when Cu is buried in the connection hole. Further, after the filling, surface polishing by CMP is performed. The resist mask is formed through a process such as a photolithography technique. Etching is performed using a necessary etching gas or the like, but is simply referred to as etching, and description of each process may be omitted on the assumption that these processes are performed.
まず、図3(a)に示すように、例えばCMOS技術を用いて形成されたTr、配線層を形成した基板(図示せず)上のメモリ部Aに、例えば、シリコン酸化膜からなる層間絶縁膜31内にCuを埋め込んで400nm厚のワードライン12及び読み出しライン123を形成し、周辺回路部Bにも同様にその下層配線33、34を形成後に、更に、拡散防止膜32となるシリコン窒化膜をCVD法により30nm厚に堆積し、TMR素子に接続する配線等との接続孔27を形成する。
First, as shown in FIG. 3A, for example, an insulating layer made of, for example, a silicon oxide film is formed in a memory portion A on a substrate (not shown) on which a Tr and a wiring layer are formed. Cu is embedded in the
次に図3(b)に示すように、Ta/PtMn/CoFe/Ru/CoFeからなるピン層26、Al2O3からなるトンネルバリア層3、CoFe−30B/Taからなるフリー層2で構成する磁性体層10Aを積層する。
Next, as shown in FIG. 3 (b), consists of the
次に図3(c)に示すように、磁性体層10Aの上に磁性体層10Aを加工の際に必要となるマスク層46を積層する。このマスク層としては、例えば65nm厚のシリコン窒化膜46a/250nm厚のシリコン酸化膜46b(以下、46a、46bをまとめて46とする。)をCVD法により堆積し、この上にこれをパターニングするためのレジストマスク49を形成する。
Next, as shown in FIG. 3C, a
次に図4(d)に示すように、レジストマスク49によるマスク層46のエッチングをドライエッチングにより行い、次に図4(e)に示すように、マスク層46をマスクに用い、トンネルバリア層3上のフリー層2(CoFe−30B/Ta)のドライエッチングを行う。このエッチングによりマスク層46は薄膜化する。
Next, as shown in FIG. 4D, the
次に図4(f)に示すように、メモリ部A及び周辺回路部B上に再度マスク層47を形成する。このマスク層47としては、例えば65nm厚のシリコン窒化膜47a/250nm厚のシリコン酸化膜47b(以下、47a、47bをまとめて47とする。)の構造で形成する。
Next, as shown in FIG. 4F, a
次に図5(g)に示すように、マスク層47をマスクにしてトンネルバリア層3及びピン層26のエッチングをドライエッチングにて行う。
Next, as shown in FIG. 5G, the
これにより、メモリ部Aにおいては、薄膜化したマスク46下に、ワードライン12上に拡散防止膜32を挟んで、ピン層26/トンネルバリア層3/フリー層2からなるTMR素子10が形成され、ピン層26からなる配線22によって読み出しライン123とTMR素子とが接続された一対のメモリセルが、隣接するメモリセルと分離された状態に形成される。これにより読み出しライン123の上面がピン層26の下地金属層(Ta)で被覆され、Cuの上方への拡散が防止される。そして、このメモリセルの分離時に、周辺回路部Bの下層配線33、34上を覆う後述するキャップ45を形成できるので、このキャップ45を工程の追加なしに容易に形成することができる。
As a result, in the memory portion A, the
次に図5(h)に示すように、周辺回路部Bのマスク層47のみを除去し、この領域の下層配線33、34上のトンネルバリア層3とピン層26の上層金属(CoFe/Ru/CoFe)をドライエッチングでエッチングし、ピン層26の下地金属層Taとこの上の金属層(PtMn)のみが残る状態にする。これにより、下層配線33、34の上面からCuの上方への拡散を防ぐと共に、導電性のキャップ45で被覆される。なお、このエッチングによりマスク層47は薄膜化する。
Next, as shown in FIG. 5H, only the
次に図5(i)に示すように、マスク層47を含む上面に層間絶縁膜35を形成した後、CMPにより層間絶縁膜35を平坦化し、次に図6(j)に示すように、レジストマスク48を形成してエッチングすることにより、メモリ部AのTMR素子10及び周辺回路部Bの下層配線33、34との接続孔28を形成する。
Next, as shown in FIG. 5 (i), an
次に図6(k)に示すように、接続孔28にめっきによりCuを埋め込み、メモリ部Aのコンタクトプラグ12aを形成し、かつ周辺回路部Bの下層配線33とビッド線とを接続するためのコンタクトプラグ33aと、周辺回路部Bの他方の下層配線34上に上部配線34aを形成して、埋め込んだCuをCMPにより研磨した後に、図6(l)に示すように、この上に拡散防止膜41を堆積する。これにより、周辺回路部Bの下層配線33、34も導電性の下地金属層(Ta/PtMn)を介して上部へ接続されるために、接触抵抗を小さくして上部へ取り出すことができ、しかも下地金属層によってCuの上下方向への拡散が防止される。
Next, as shown in FIG. 6 (k), Cu is embedded in the
次に図7(m)に示すように、この上に層間絶縁膜42及び拡散防止膜43を形成後に、図7(n)に示すように、レジストマスク51を形成してエッチングすることにより、ビット線領域39の形成及び周辺回路部Bの下層配線34に連続した上部配線34aとの接続孔29を形成する。更に不図示のマスクにより、ビット線に接続するためにコンタクトプラグ12a、33a上を開口する。
Next, as shown in FIG. 7 (m), after the
次に図8(o)に示すように、ビット線11の形成及び接続孔29の埋め込みをCuめっきにて行うことにより、メモリ部Aのコンタクトプラグ12a及び周辺回路部Bの下層配線33に接続されたコンタクトプラグ33aがビット線11に接続される。また、周辺回路部Bの他方の下層配線34に連続した上部配線34aを外部機器等に接続するための外部端子が形成され、図1と同様のMRAMを形成できる。
Next, as shown in FIG. 8 (o), the
上記したプロセスでMRAMを形成することにより、下層配線33、34の上面がピン層26の下地金属層(Ta/PtMn)45で覆われるため、下層配線(Cu)のエッチングを防ぎ、Cuが露出しないようにすることができると共に、ワードライン12とTMR素子10との間に拡散防止膜32のみが存在するので、ビット線11とワード線12との距離が小さくなり、十分な合成磁界の作用が可能になり、TMR素子10への下書き込みを良好に行える。
By forming the MRAM by the above-described process, the upper surfaces of the
図9に本実施の形態の変形例を示す。メモリ部AのTMR素子10と読み出しライン123とを接続する配線22及び周辺回路部Bの下層配線33、34上のキャップ45の形成は、この変形例のプロセスによって形成してもよい。
FIG. 9 shows a modification of the present embodiment. The formation of the
即ち、図9(a)は既述した図5(g)と同じ状態であり、マスク層47をマスクとしてエッチングすることにより、マスク間に露出したトンネルバリア層3及びピン層26の露出部が除去された状態である。
That is, FIG. 9A is the same state as FIG. 5G described above, and the exposed portions of the
次に図9(b)に示すように、前工程で残存していたマスク46を含むマスク47を除去後に、TMR素子10上のみに例えばSiN/SiOからなるマスク層50を形成し、このマスク層50をマスクとしてエッチングする。
Next, as shown in FIG. 9B, after removing the
これにより、図9(c)に示すように、上記のマスク層50を除去して、周辺回路部Bのみならず、メモリ部Aにおいてもトンネルバリア層3及びピン層26の上層金属(CoFe/Ru/CoFe)26bを除去し、ピン層26のTa/PtMnからなる下層金属層26aで、TMR素子10と読み出しライン123とを接続する配線22及び周辺回路部Bの下層配線33、34のキャップ45を形成することができる。
As a result, as shown in FIG. 9C, the mask layer 50 is removed, and the upper layer metal (CoFe / P) of the
そして、これによっても上記と同様に、配線のCuの拡散防止及びワードライン12とビット線11との間の距離が小さくされ、十分な合成磁界が作用することにより、TMR素子10への書き込みを良好に行える。
Also in this manner, similarly to the above, the diffusion of Cu in the wiring is prevented, the distance between the
また、図10は、他の変形例を示す。これによって周辺回路部Bの下層配線33、34のキャップ45を形成してもよい。
FIG. 10 shows another modification. Thus, the
即ち、図10(a)は、上記と同様に、記述した図5(g)と同じ状態を示す。そして、前工程で残存していたマスク46を含むマスク47を除去後、図10(b)に示すようにこの上に層間絶縁膜35及び拡散防止膜41を形成し、その上にレジストマスク48を形成してマスクパターンにエッチングする。
That is, FIG. 10 (a) shows the same state as FIG. 5 (g) as described above. Then, after removing the
これにより、図10(b)に示すように、層間膜35及び拡散防止膜41がレジストマスク48のパターンに開口され、TMR素子10上及び周辺回路部Bの下層配線33、34上に接続孔28が形成されるが、最初のエッチングにより接続孔28下の層間絶縁膜35までが除去され、メモリ部AはTMR素子10の表面が露出し、周辺回路部Bは下層配線33、34上のトンネルバリア層3の上部が露出状態になる(図示せず)。
As a result, as shown in FIG. 10B, the
次に、トンネルバリア層3及びピン層の上層(CoFe/Ru/CoFe)26bのみをエッチング可能なエッチングガスを用いて再度エッチングすることにより、図10(b)のように周辺回路部Bの接続孔28の周辺には、ピン層26の下層金属(Ta/PtMn)26aのみからなるキャップ45が形成され、層間膜35にはトンネルバリア層3及びピン層26の上層金属26bが残存する。
Next, only the
この場合、メモリ部A又は周辺回路部Bの接続孔28のいずれかをマスク等によって覆い、最初から異なるエッチングガスを用いて、別々にエッチングしてもよい。 In this case, either one of the connection holes 28 of the memory part A or the peripheral circuit part B may be covered with a mask or the like and etched separately using a different etching gas from the beginning.
次に図10(c)に示すように、接続孔にめっきでCuを埋め込むことにより、メモリ部Aのコンタクトプラグ12a、及び周辺回路部Bの下層配線33上にコンタクトプラグ33aを形成し、周辺回路の他方の下層配線34上に上部配線34aを形成する。
Next, as shown in FIG. 10C, the
この場合も、上記と同様に、各下層配線上がキャップ45で覆われるため、配線のCuの拡散を防止できると同時に、ワードライン12とビット線11間の距離が小さくなり、十分な合成磁界が作用することにより、TMR素子10への書き込みを良好に行える。
In this case as well, since each lower layer wiring is covered with the
本実施の形態によれば、ピン層26及びその下地金属層を構成するTa/PtMnからなる金属層26aの少なくとも1部と同じ構成材料のキャップ45によって、周辺回路部Bの下層配線33、34の上面が覆われているので、メモリセル分割のためのエッチングの際に、下層配線を覆っているキャップ45によって下層配線33、34が保護されることにより、下層配線33、34の露出を防止できる。したがって、層間絶縁膜35が存在しなくても、下層配線33、34が塩素ガス等によって腐食することもなく、接触抵抗が少なく、Cuの上方への拡散を防止して良好な配線を形成することができる。
According to the present embodiment, the
更に、ワードライン12とビットライン11との間の距離を小さくできることにより、合成磁場を強くしてTMR素子10への書き込みが良くなるような層構成の磁気メモリ装置が得られ、しかも、周辺回路部の下層配線上の上記金属層材料は、メモリ素子の分割と同時にエッチングで形成できるので、工程の追加なしに容易に形成することができる。更に、層間絶縁膜31上の拡散防止膜32に接してTMR素子10が形成されるため、層間絶縁膜が薄い場合の逆スパッタマージンや研磨マージンの問題も解消できる。
Further, since the distance between the
実施の形態2
図11及び図12は、本実施の形態によるMRAMの構造及びその概略の形成プロセスを示す概略断面図である。
11 and 12 are schematic cross-sectional views showing the structure of the MRAM according to the present embodiment and a schematic formation process thereof.
本実施の形態が上記した実施の形態1と異な点は、従来例の如き構成において、TMR素子10と下層の層間絶縁膜31上の拡散防止膜32との間に層間絶縁膜35aを薄く形成して、上述した合成磁場が作用し易くしていると共に、この層間絶縁膜35aに、上述したダマシン構造と同様に銅層123a、33a、34aが埋め込まれ、読み出しライン123、及び下層配線33、34の一部をなしていることである。
This embodiment is different from the first embodiment described above in that a thin
即ち、図11(a)は、メモリ部Aにおけるメモリセル分割時に、周辺回路部Bの上部がオーバーエッチングされる前の状態(但し、TMR素子10においてはトンネルバリア膜3は既にフリー層と同一パターンに加工されている。)である。
11A shows a state before the upper part of the peripheral circuit portion B is over-etched when the memory cell is divided in the memory portion A (however, in the
次に図11(b)に示すように、レジストマスク51を用いてエッチングすることにより、オープンスペースの周辺回路部Bにおいては、TMR素子10のメモリセル分割と同時に下層配線33、34上を覆うピン層材料26を容易に形成することができるが、メモリ部Aよりもエッチングが進行し、レジストマスク51で覆われていない領域は拡散防止膜32のみならず、層間絶縁膜31の上部までエッチングされ易い。
Next, as shown in FIG. 11B, by etching using the resist
しかし、図11(b)に示したエッチング時には、周辺回路部の下層配線33、34(33a、34a)上がマスク51、更にはピン層材料26によって覆われて保護されているため、下層配線が露出することがない。これによって、実施の形態1と同様に、下層配線の腐食及び配線抵抗の増大を防止することができる。しかも、図11(c)に示すようにレジストマスクの除去後は、周辺回路部Bの下層配線33、34の上部では、下層配線33、34の側面が層間膜31、拡散防止膜32及び層間膜35aで被覆され、上部はピン層材料26からなるマスク45が被覆した状態となるため、Cuの上方への拡散を防止できる。
However, at the time of etching shown in FIG. 11B, the
また、層間膜35aの存在により、メモリセル間の分割エッチング時にメモリ部Aにおいては、この下層の拡散防止膜32が保護されて損傷されないため、ワードライン12及び読み出しライン123のCuイオンの浸み出しを防ぎ、メモリセル間のショートを防止できると共に、周辺回路部における下層の層間膜31のエッチング量を少なくして表面を比較的平坦化することもできる。
In addition, due to the presence of the
これ以後は図20(d)及び図21に示した従来例と同様のプロセスを施す。即ちこの上に層間絶縁膜40及び拡散防止膜41を積層し、これに接続孔(図示せず)を形成後に、図12(d)に示すように、Cuめっきによって、メモリ部AのTMR素子10上にビット線に接続するためのコンタクトプラグ12a、及び周辺回路部Bの一方の下層配線33(33a)上にビット線に接続するためのコンタクトプラグ33bを形成し、他方の下層配線34(34a)上に上部配線34bを形成する。
Thereafter, the same process as in the conventional example shown in FIGS. That is, an
次に図12(e)に示すように、この上に層間絶縁膜42及び拡散防止膜43を積層した後に、レジストマスク(図示せず)を形成し、これをパターニングすることにより、ビット線領域の形成及び周辺回路部Bの上部配線34b上に接続孔の形成を行い、ビット線領域及び上部配線34b上の接続孔にCuめっきにて埋め込むことにより、ビット線11の形成及び周辺回路部Bの上部配線34b上にコンタクトプラグ34cを形成する。
Next, as shown in FIG. 12E, after the
これにより、メモリ部Aのコンタクトプラグ12a及び周辺回路部Bの下層配線33(33a)に接続されたコンタクトプラグ33bがビット線11に接続され、また、周辺回路部Bの上部配線34bに接続したコンタクトプラグ34cが外部機器等との接続端子をなす、MRAMを形成することができる。
Thereby, the contact plug 33b connected to the
本実施の形態によれば、実施の形態1と同様に、ピン層26の下地金属層の少なくとも一部を構成するTa/PtMnからなる金属層26aで形成したキャップ45により、周辺回路部Bの下層配線の一部となっている33a、34aが覆われているので、層間絶縁膜がオーバーエッチングされても、下層配線を覆っているキャップ45(マスク)によって下層配線33a、34aが保護されることにより、下層配線33a、34aの露出を防止できる。また周辺回路部Bの下層配線上を覆う上記金属層材料を工程の追加なしに容易に形成することもできる。これにより、下層配線33a、34aが塩素ガス等によって腐食することもなく、接触抵抗が小さく、またCuの上方への拡散を防げる。
According to the present embodiment, as in the first embodiment, the
しかも、層間絶縁膜35aが存在していても、これは薄いので上述した合成磁場は作用し易い。
Moreover, even if the
更に、ピン層26下に層間膜35aが存在することにより、メモリセル間の分割エッチング時に、メモリ部においては拡散防止膜32を保護することができる。なお、周辺回路部Bにおける下層配線33(33a)、34(34a)の全幅、全長が、拡散防止作用のあるピン層材料で覆われているので、それらの下層配線のCuの上方への拡散及びコンタクトプラグ又は上部配線からのCuの下方への拡散を防止できる。
Further, since the
上記した各実施の形態は、本発明の技術的思想に基づいて種々に変形することができる。 Each of the above-described embodiments can be variously modified based on the technical idea of the present invention.
例えば、上述の実施の形態1において、素子分離後の図5(g)の状態でピン層26上にトンネルバリア膜3が存在しているが、それ以前の工程でトンネルバリア膜3をフリー層2と同一パターンに形成しておいてもよい。これにより、周辺回路部の下層配線上にはトンネルバリア膜が存在しないことになるから、その後の図5(h)の工程が不要になる。
For example, in the first embodiment described above, the
また、図11(c)の工程でピン層26(更にはPtMn層)をエッチングで除去してTaのみを下層配線33a、34a上に残せば、図11(c)の工程において下層配線33aとこの上に接続するコンタクトプラグ33b及び下層配線、34aとこの上に接続する上部配線34bとの接触抵抗を小さくすることができる。
Further, if the pinned layer 26 (and also the PtMn layer) is removed by etching in the step of FIG. 11C and only Ta is left on the
また、ピン層26、トンネルバリア層3及びフリー層2の構成材料や膜厚も、各実施の形態と同等な機能を有するものであれば適宜に実施することができる。
The constituent materials and film thicknesses of the pinned
また、各マスク層の材料及び膜厚や拡散防止膜の材料や膜厚等も適宜であってもよく、MRAMの形成プロセスも実施の形態に限定するものではない。 Further, the material and film thickness of each mask layer, the material and film thickness of the diffusion prevention film, and the like may be appropriate, and the formation process of the MRAM is not limited to the embodiment.
また、本発明はMRAMに好適であるが、磁化可能な磁性層を有するメモリ素子からなる他の磁気メモリ装置にも適用可能であり、また本発明のMRAMは磁気方向を固定してROM的に使用することもできる。 Although the present invention is suitable for MRAM, it can also be applied to other magnetic memory devices composed of a memory element having a magnetizable magnetic layer. The MRAM of the present invention is ROM-like with a fixed magnetic direction. It can also be used.
1…トップコート層、2…記憶層(フリー層)、3…トンネルバリア層、
4…第1の磁化固定層、5…反強磁性結合層、6…第2の磁化固定層、
7…反強磁性体層、8…下地層、9…支持基板、10…TMR素子、10A…磁性体層、11…ビット線、12…書き込み用ワード線、12a…コンタクト線、
13…シリコン基板、14…ウェル領域、15…ゲート絶縁膜、16…ゲート電極、
17…ソース領域、18…ドレイン領域、
19…読み出し用電界効果トランジスタ(選択用トランジスタ)、20…ソース電極、
21…センスライン、22…配線、24…ワード線電流駆動回路、
25…ビット線電流駆動回路、26…磁化固定層(ピン層)、
27、28、29…接続孔、30…バリア膜、31、35、40、42…層間絶縁膜、
32、41、43…拡散防止膜、33、34…下層配線、
36、48、51…レジストマスク、37…分離溝、39…ビット線形成領域、
45…キャップ、46、47、49、50…マスク層、123…読み出しライン、
A…メモリ部、B…周辺回路部、T…厚さ、L…間隔、W…幅
DESCRIPTION OF
4 ... 1st magnetization fixed layer, 5 ... Antiferromagnetic coupling layer, 6 ... 2nd magnetization fixed layer,
DESCRIPTION OF
13 ... Silicon substrate, 14 ... Well region, 15 ... Gate insulating film, 16 ... Gate electrode,
17 ... Source region, 18 ... Drain region,
19: Read-out field effect transistor (selection transistor), 20: Source electrode,
21 ... sense line, 22 ... wiring, 24 ... word line current drive circuit,
25: bit line current drive circuit, 26: magnetization fixed layer (pinned layer),
27, 28, 29 ... connection hole, 30 ... barrier film, 31, 35, 40, 42 ... interlayer insulating film,
32, 41, 43 ... Diffusion prevention film, 33, 34 ... Lower layer wiring,
36, 48, 51 ... resist mask, 37 ... separation groove, 39 ... bit line formation region,
45 ... Cap, 46, 47, 49, 50 ... Mask layer, 123 ... Read-out line,
A ... Memory part, B ... Peripheral circuit part, T ... Thickness, L ... Spacing, W ... Width
Claims (10)
前記磁化固定層及びその下地導電層を構成する金属層の少なくとも一部と同じ構成材 料によって、前記周辺回路部の下層配線が覆われている
ことを特徴とする、磁気メモリ装置。 A magnetic memory element is constituted by a tunnel magnetoresistive effect element formed by laminating a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetic layer capable of changing the magnetization direction. In a magnetic memory device having a memory unit and a peripheral circuit unit of the memory unit,
A magnetic memory device, wherein a lower layer wiring of the peripheral circuit portion is covered with the same constituent material as at least a part of a metal layer constituting the magnetization fixed layer and the underlying conductive layer.
前記周辺回路部に前記下層配線を形成する工程と、
前記下層配線上も含めて前記メモリ部上に、前記磁化固定層の下地導電層、前記磁化 固定層、前記トンネルバリア層及び前記磁性層の各構成材料をこの順に積層する工程と 、
前記下層配線を覆うように、前記磁化固定層及び前記下地導電層を構成する金属層の 少なくとも一部をパターニングし、かつ前記磁気メモリ素子を形成する工程と
を有することを特徴とする、磁気メモリ装置の製造方法。 A magnetic memory element is constituted by a tunnel magnetoresistive effect element formed by laminating a magnetization fixed layer with a fixed magnetization direction, a tunnel barrier layer, and a magnetic layer capable of changing the magnetization direction. In a method of manufacturing a magnetic memory device having a memory unit and a peripheral circuit unit of the memory unit,
Forming the lower layer wiring in the peripheral circuit portion;
Laminating each constituent material of the underlying conductive layer of the magnetization fixed layer, the magnetization fixed layer, the tunnel barrier layer, and the magnetic layer in this order on the memory unit including the lower layer wiring;
And a step of patterning at least a part of the metal layer constituting the magnetization fixed layer and the base conductive layer so as to cover the lower layer wiring, and forming the magnetic memory element. Device manufacturing method.
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