JP2020043201A - 磁気記憶装置及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 優れた特性を有するトンネルバリア層を含む磁気記憶装置を提供する。【解決手段】 実施形態に係る磁気記憶装置は、下部領域１０と、下部領域上に設けられ、可変の磁化方向を有する第１の磁性層３１と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層３２と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられ且つ第１のカチオン元素と第１のアニオン元素とで形成された第１の化合物を含む非磁性層３３とを含む積層構造３０と、積層構造の側面上に設けられ、第２のカチオン元素と第２のアニオン元素とで形成された第２の化合物を含む所定材料層４０とを備え、第２のカチオン元素の価数の絶対値は第１のカチオン元素の価数の絶対値よりも小さく、第２のアニオン元素の価数の絶対値は第１のアニオン元素の価数の絶対値よりも小さい。【選択図】 図１
Description
本発明の実施形態は、磁気記憶装置及びその製造方法に関する。
半導体基板上に磁気抵抗効果素子及びトランジスタが集積化された磁気記憶装置（半導体集積回路装置）が提案されている。
上述した磁気抵抗効果素子は、可変の磁化方向を有する記憶層と、固定された磁化方向を有する参照層と、記憶層と参照層との間に設けられたトンネルバリア層とを含んでいる。優れた磁気抵抗効果素子を得るためには、優れた特性を有するトンネルバリア層を形成することが重要である。
しかしながら、従来は、必ずしも優れた特性を有するトンネルバリア層が得られているとは言えなかった。
優れた特性を有するトンネルバリア層を含む磁気記憶装置を提供する。
実施形態に係る磁気記憶装置は、下部領域と、前記下部領域上に設けられ、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ且つ第１のカチオン元素と第１のアニオン元素とで形成された第１の化合物を含む非磁性層と、を含む積層構造と、前記積層構造の側面上に設けられ、第２のカチオン元素と第２のアニオン元素とで形成された第２の化合物を含む所定材料層と、を備えた磁気記憶装置であって、前記第２のカチオン元素の価数の絶対値は前記第１のカチオン元素の価数の絶対値よりも小さく、前記第２のアニオン元素の価数の絶対値は前記第１のアニオン元素の価数の絶対値よりも小さい。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、実施形態に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。
半導体基板、トランジスタ及び配線等を含む下部領域１０上に、下部配線２０が設けられている。
下部配線２０上には、磁気抵抗効果素子として機能する積層構造３０が設けられている。なお、磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子とも呼ばれる。積層構造３０は、記憶層（第１の磁性層）３１と、参照層（第２の磁性層）３２と、トンネルバリア層（非磁性層）３３とを含んでいる。
記憶層（第１の磁性層）３１は、可変の磁化方向を有する。磁化方向が可変とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。記憶層３１は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する。記憶層３１は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）に加えてさらにコバルト（Ｃｏ）を含有していてもよい。
参照層（第２の磁性層）３２は、固定された磁化方向を有している。磁化方向が固定されているとは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。参照層３２は、トンネルバリア層３３に接する第１のサブ層と、第１のサブ層上に設けられた第２のサブ層とで形成されている。第１のサブ層は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する。第１のサブ層は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）に加えてさらにコバルト（Ｃｏ）を含有していてもよい。第２のサブ層は、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有している。具体的には、第２のサブ層は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ或いはＣｏ／Ｐｄ等の人工格子で形成されている。
トンネルバリア層（非磁性層）３３は、記憶層３１と参照層３２との間に設けられた絶縁層である。トンネルバリア層３３は、第１のカチオン元素と第１のアニオン元素とを含む第１の化合物で形成されている。例えば、第１のカチオン元素の価数は「＋２」であり、第１のアニオン元素の価数は「−２」である。本実施形態では、第１のカチオン元素はマグネシウム（Ｍｇ）であり、第１のアニオン元素は酸素（Ｏ）である。すなわち、トンネルバリア層３３は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で形成されている。
なお、トンネルバリア層３３は、第１のカチオン元素がアルミニウム（Ａｌ）で、第１のアニオン元素が酸素（Ｏ）である酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）によって形成されていてもよい。また、トンネルバリア層３３として、チタン酸化物（ＴｉＯ2）或いはハフニウム酸化物（ＨｆＯ2）を用いてもよい。
積層構造３０上にはハードマスク層４０が形成されている。ハードマスク層４０は、積層構造３０のパターンを形成するときのマスクとして機能する。
積層構造３０の側面、ハードマスク層４０の側面及び下部配線２０の上面には、絶縁性の所定材料層５０が形成されている。所定材料層５０は、第２のカチオン元素と第２のアニオン元素とを含む第２の化合物で形成されている。第２のカチオン元素の価数の絶対値は第１のカチオン元素の価数の絶対値よりも小さく、第２のアニオン元素の価数の絶対値は第１のアニオン元素の価数の絶対値よりも小さい。例えば、第２のカチオン元素の価数は「＋１」であり、第２のアニオン元素の価数は「−１」である。具体的には、１族カチオン元素と１７族アニオン元素との組み合わせを用いることができる。また、トンネルバリア層３３としてＭｇＯを用いた場合には、Ｍｇの置換サイトを１価カチオンが占め、Ｏの置換サイトを１価アニオンが占めている組み合わせを用いることもできる。さらに、Ｍｇの置換サイトを１価カチオンが占め、格子間に水素（Ｈ）が存在するような材料を用いてもよい。所定材料層５０の厚さは、１〜２ｎｍ程度、或いは１〜２ｎｍ程度以下でもよい。
本実施形態では、第２のカチオン元素はリチウム（Ｌｉ）であり、第２のアニオン元素はフッ素（Ｆ）である。すなわち、所定材料層５０は、フッ化リチウム（ＬｉＦ）で形成されている。なお、所定材料層５０は、第２のカチオン元素がナトリウム（Ｎａ）で、第２のアニオン元素がフッ素（Ｆ）であるフッ化ナトリウム（ＮａＦ）によって形成されていてもよい。
トンネルバリア層３３として酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を用いる場合には、所定材料層５０には、１価又は２価のカチオン元素と１価のアニオン元素との組み合わせを用いることができる。また、トンネルバリア層３３として、チタン酸化物（ＴｉＯ2）或いはハフニウム酸化物（ＨｆＯ2）を用いる場合には、所定材料層５０には、１価、２価又は３価のカチオン元素と１価のアニオン元素との組み合わせを用いることができる。
積層構造３０の外側には層間絶縁膜６０が形成されており、層間絶縁膜６０によって積層構造３０の側面等が覆われている。層間絶縁膜６０には、例えば、シリコン酸化膜等が用いられる。
ハードマスク層４０、所定材料層５０及び層間絶縁膜６０上には、上部配線７０が形成されている。
次に、本実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を説明する。
図２〜図７は、本実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を模式的に示した断面図である。
まず、図２に示すように、下部領域１０上に下部配線２０を形成する。続いて、下部配線２０上に積層膜３０ａを形成する。すなわち、積層膜３０ａとして、記憶層３１、トンネルバリア層３３及び参照層３２を順次形成する。さらに、積層膜３０ａ上にハードマスク層４０を形成する。積層膜３０ａ及びハードマスク層４０の形成には、スパッタリングを用いることができる。
次に、図３に示すように、リソグラフィ及びＲＩＥ（reactive ion etching）によってハードマスク層４０をパターニングして、ハードマスクパターンを形成する。
次に、図４に示すように、パターニングされたハードマスク層４０をマスクとして用いて、積層膜３０ａをエッチングする。エッチングには、ＩＢＥ（ion beam etching）を用いる。これにより、積層構造３０が得られる。このエッチング工程において、トンネルバリア層３３の側面にダメージが生じる。その結果、トンネルバリア層３３の側面近傍に粒界８０が発生する。
次に、図５に示すように、下部配線２０、積層構造３０及びハードマスク層４０を覆う所定材料層５０を形成する。所定材料層５０は、例えば、スパッタリングによって形成することができる。
次に、図６に示すように、積層構造３０及び所定材料層５０に対して熱処理を行う。熱処理温度は、２００℃程度以上であることが好ましい。この熱処理により、トンネルバリア層３３の側面近傍に存在していた粒界８０が、所定材料層５０側に移動する。すでに述べたように、所定材料層５０の第２のカチオン元素の価数の絶対値は、トンネルバリア層３３の第１のカチオン元素の価数の絶対値よりも小さく、所定材料層５０の第２のアニオン元素の価数の絶対値は、トンネルバリア層３３の第１のアニオン元素の価数の絶対値よりも小さい。その結果、上述したように、粒界８０を所定材料層５０側に移動させることができる。このことは、計算結果（シミュレーション結果）からも確認されている。
次に、図７に示すように、所定材料層５０上に層間絶縁膜６０を形成する。続いて、所定材料層５０及び層間絶縁膜６０に対して平坦化処理を行う。さらに、ハードマスク層４０、所定材料層５０及び層間絶縁膜６０上に上部配線７０を形成する。
以上のように、本実施形態では、上述したような所定材料層５０を設けることにより、トンネルバリア層３３の側面近傍に存在している粒界８０を、所定材料層５０側に移動させることができる。その結果、粒界８０に起因するリーク電流を抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、トンネルバリア層３３の特性を向上させることができ、優れた磁気抵抗効果素子を得ることができる。
図８は、本実施形態の第１の変更例に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。本変更例では、所定材料層５０と層間絶縁膜６０との間に保護絶縁膜９０を設けている。保護絶縁膜９０には、例えば、シリコン窒化膜等を用いることができる。このように、保護絶縁膜９０を設けた場合も、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
図９は、本実施形態の第２の変更例に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。上述した実施形態では、参照層３２の下層側に記憶層３１が設けられていたが、本変更例では、参照層３２の上層側に記憶層３１が設けられている。このような構成を採用した場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
図１０は、本実施形態の第３の変更例に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。本変更例では、第２の変更例と同様に、参照層３２の上層側に記憶層３１が設けられている。また、本変更例では、第１の変更例と同様に、所定材料層５０と層間絶縁膜６０との間に保護絶縁膜９０が設けられている。このような構成を採用した場合にも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…下部領域 ２０…下部配線
３０…積層構造
３１…記憶層（第１の磁性層） ３２…参照層（第２の磁性層）
３３…トンネルバリア層（非磁性層）
４０…ハードマスク層 ５０…所定材料層
６０…層間絶縁膜 ７０…上部配線
８０…粒界 ９０…保護絶縁膜
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Claims (10)
- 下部領域と、
前記下部領域上に設けられ、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ且つ第１のカチオン元素と第１のアニオン元素とで形成された第１の化合物を含む非磁性層と、を含む積層構造と、
前記積層構造の側面上に設けられ、第２のカチオン元素と第２のアニオン元素とで形成された第２の化合物を含む所定材料層と、
を備えた磁気記憶装置であって、
前記第２のカチオン元素の価数の絶対値は前記第１のカチオン元素の価数の絶対値よりも小さく、前記第２のアニオン元素の価数の絶対値は前記第１のアニオン元素の価数の絶対値よりも小さい
ことを特徴とする磁気記憶装置。 - 前記第１のカチオン元素の価数は「＋２」であり、前記第１のアニオン元素の価数は「−２」である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第１のカチオン元素はマグネシウム（Ｍｇ）であり、前記第１のアニオン元素は酸素（Ｏ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第１のカチオン元素はアルミニウム（Ａｌ）であり、前記第１のアニオン元素は酸素（Ｏ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２のカチオン元素の価数は「＋１」であり、前記第２のアニオン元素の価数は「−１」である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２のカチオン元素はリチウム（Ｌｉ）であり、前記第２のアニオン元素はフッ素（Ｆ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２のカチオン元素はナトリウム（Ｎａ）であり、前記第２のアニオン元素はフッ素（Ｆ）である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記所定材料層は、前記下部領域上にも設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記所定材料層上に設けられた絶縁層をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 下部領域上に、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ且つ第１のカチオン元素と第１のアニオン元素とで形成された第１の化合物を含む非磁性層と、を含む積層構造を形成する工程と、
前記積層構造の側面に、第２のカチオン元素と第２のアニオン元素とで形成された第２の化合物を含む所定材料層を形成する工程と、
を備えた磁気記憶装置の製造方法であって、
前記第２のカチオン元素の価数の絶対値は前記第１のカチオン元素の価数の絶対値よりも小さく、前記第２のアニオン元素の価数の絶対値は前記第１のアニオン元素の価数の絶対値よりも小さい
ことを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
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