JP2022049883A - 磁気記憶装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 素子の特性において信頼性を有する適正な特性を有する磁気抵抗効果素子を備えた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、複数の第1の配線10と、複数の第2の配線20と、それぞれが直列接続された第1のスイッチング素子32及び第1の磁気抵抗効果素子31を含み、第1のスイッチング素子が対応する第1の配線に接続され、第1の磁気抵抗効果素子が対応する第2の配線に接続された複数の第1のメモリセル30とを備え、第1のスイッチング素子は、第1の下部電極32aと、第1の上部電極32bと、第1の下部電極と第1の上部電極との間に設けられた第1のスイッチング材料層32cとを含み、第1の方向で互いに隣り合った第1のメモリセルに含まれる第1の下部電極は、第1の方向で互いに隣り合った第1のメモリセルを接続する第1の配線上に連続的に設けられている。【選択図】 図2B

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。
半導体基板上に磁気抵抗効果素子及びスイッチング素子で構成されたメモリセルが集積化された磁気記憶装置が提案されている。
しかしながら、素子の微細化に伴い、メモリセルの加工が困難になってきている。このような状況、素子の特性上において信頼性を有する磁気抵抗効果素子求められている。
特開2018-152432号公報
適正な特性を有する磁気抵抗効果素子を備えた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、それぞれが第1の方向に延伸する複数の第1の配線と、それぞれが前記第1の方向と交差する第2の方向に延伸する複数の第2の配線と、前記複数の第1の配線と前記複数の第2の配線との間に設けられ、それぞれが直列接続された第1のスイッチング素子及び第1の磁気抵抗効果素子を含み、前記第1のスイッチング素子が対応する前記第1の配線に接続され、前記第1の磁気抵抗効果素子が対応する前記第2の配線に接続された複数の第1のメモリセルと、を備える磁気記憶装置であって、前記第1のスイッチング素子は、前記第1の配線側に設けられた第1の下部電極と、前記第1の磁気抵抗効果素子側に設けられた第1の上部電極と、前記第1の下部電極と前記第1の上部電極との間に設けられた第1のスイッチング材料層とを含み、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルに含まれる前記第1の下部電極は、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線上に連続的に設けられている。
第1の実施形態に係る磁気記憶装置の基本的な構成を模式的に示した斜視図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係り、セレクタの電流-電圧特性を模式的に示した図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態に係り、アライメントずれが生じた場合の磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第1の実施形態の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態に係り、アライメントずれが生じた場合の磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第1の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第2の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第2の実施形態の第3の変形例に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。 第3の実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
(実施形態1)
図1は、第1の実施形態に係る不揮発性磁気記憶装置の基本的な構成を模式的に示した斜視図である。図2Aは、第1の実施形態に係る不揮発性磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図(Y方向に沿った断面図)である。図2Bは、第1の実施形態に係る不揮発性磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図(X方向に沿った断面図)である。なお、各図において、X方向(第1の方向)、Y方向(第2の方向)及びZ方向(第3の方向)は互いに交差している。具体的には、X方向(第1の方向)、Y方向(第2の方向)及びZ方向(第3の方向)は互いに直交している。
本実施形態の磁気記憶装置は、それぞれがX方向に延伸する複数の第1の配線10と、それぞれがY方向に延伸する複数の第2の配線20と、複数の第1の配線10と複数の第2の配線20との間に設けられた複数のメモリセル30とを備えている。これらの第1の配線10、第2の配線20及びメモリセル30は、層間絶縁膜40で囲まれている。これらの第1の配線10、第2の配線20、メモリセル30及び層間絶縁膜40は、半導体基板101を含む下地領域100上に設けられている。
第1の配線10及び第2の配線20は、タングステン(W)及びモリブデン(Mo)等の金属によって形成されている。第1の配線10及び第2の配線20の一方はワード線として機能し、第1の配線10及び第2の配線20の他方はビット線として機能する。
各メモリセル30は、磁気抵抗効果素子31、セレクタ(スイッチング素子)32及び側壁絶縁層33を含んでいる。磁気抵抗効果素子31及びセレクタ32は直列接続されている。磁気抵抗効果素子31の一端は第2の配線20に接続されており、磁気抵抗効果素子31の他端はセレクタ32に接続されている。セレクタ32の一端は第1の配線10に接続されており、セレクタ32の他端は磁気抵抗効果素子31に接続されている。
本実施形態及び他の実施形態において、磁気抵抗効果素子31として、MTJ(magnetic tunnel junction)素子の場合で説明を行う。磁気抵抗効果素子31は、記憶層(第1の磁性層)31aと、参照層(第2の磁性層)31bと、記憶層31aと参照層31bとの間に設けられたトンネルバリア層(非磁性層)31cとを含んでいる。参照層31b上には、ハードマスク層31dが設けられている。磁気抵抗効果素子31には、参照層31bから記憶層31aに印加される磁界をキャンセルするためのシフトキャンセリング層がさらに設けられていてもよい。
記憶層31aは、可変の磁化方向を有する強磁性層であり、例えば、コバルト(Co)、鉄(Fe)及びボロン(B)を含有するCoFeB層で形成されている。なお、可変の磁化方向とは、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。
参照層31bは、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、例えば、コバルト(Co)、鉄(Fe)及びボロン(B)を含有するCoFeB層と、コバルト(Co)とプラチナ(Pt)、ニッケル(Ni)及びパラジウム(Pd)から選択された所定元素との超格子層とで形成されている。なお、固定された磁化方向とは、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。
トンネルバリア層31cは、記憶層31aと参照層31bとの間に介在している絶縁層であり、例えば、マグネシウム(Mg)及び酸素(O)を含有するMgO層で形成されている。
記憶層31aの磁化方向が参照層31bの磁化方向に対して平行である場合には、磁気抵抗効果素子31は低抵抗状態である。記憶層31aの磁化方向が参照層31bの磁化方向に対して反平行である場合には、磁気抵抗効果素子31は高抵抗状態である。したがって、磁気抵抗効果素子31の抵抗状態に応じて2値データを記憶することが可能である。また、磁気抵抗効果素子31に流れる電流の方向に応じて、磁気抵抗効果素子31に低抵抗状態又は高抵抗状態を設定することが可能である。
上述した磁気抵抗効果素子31は、STT(spin transfer torque)型の磁気抵抗効果素子であり、垂直磁化を有している。すなわち、記憶層31aはその膜面に対して垂直な磁化方向を有し、参照層31bはその膜面に対して垂直な磁化方向を有している。
セレクタ32は、第1の配線10側に設けられた下部電極32aと、磁気抵抗効果素子31側に設けられた上部電極32bと、下部電極32aと上部電極32bとの間に設けられたセレクタ材料層(スイッチング材料層)32cとを含んでいる。下部電極32a及び上部電極32bは、窒化チタン(TiN)、窒化タングステン(WN)或いは炭素(C)等で形成されている。セレクタ材料層32cは、絶縁体からなる材料で形成されており、イオン注入によって導入された15族元素が含有されている。例えば、ヒ素(As)やゲルマニウム(Ge)が含有されている。絶縁体は、窒化物及び(又は)酸化物を含み、例えば、シリコン窒化物(SiN)、ハフニウム酸化物(HfOx )、シリコン酸化物(SiO2 )或いはSiO2 から実質的に形成された材料を含む。
セレクタ32は、2端子型のスイッチング素子であり、2端子間に印加される電圧が閾値未満の場合には、高抵抗状態、例えば電気的に非導通状態であり、2端子間に印加される電圧が閾値以上の場合には、低抵抗状態、例えば電気的に導通状態へと変わる。
図3は、セレクタ32の電流-電圧特性を模式的に示した図である。セレクタ32は、2端子間の電圧が閾電圧Vthに達すると、2端子間の電圧はホールド電圧Vholdまで低下し、電流が急激に増加する特性を有している。
第1の配線10と第2の配線20との間に所定の電圧以上の電圧を印加することで、セレクタ32がオン状態(導通状態)となり、セレクタ32に直列に接続された磁気抵抗効果素子31に対して書き込み(抵抗状態の書き込み)或いは読み出し(抵抗状態の読み出し)を行うことが可能となる。
図1、図2A及び図2Bに示すように、本実施形態では、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30に含まれるセレクタ32の下部電極32aは、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30を接続する第1の配線10上に連続的に設けられている。具体的には、Z方向から見て、上述した第1の配線10上に連続的に設けられた下部電極32aのパターンは、上述した第1の配線10のパターンと一致している。
また、本実施形態では、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30に含まれるセレクタ材料層32cは、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30間の領域で互いに離間しており、Y方向で互いに隣り合ったメモリセル30に含まれるセレクタ材料層32cは、Y方向で互いに隣り合ったメモリセル30間の領域で互いに離間している。
セレクタ32の上部電極32b及びセレクタ材料層32cの側壁並びに磁気抵抗効果素子31の側壁には、側壁絶縁層33が設けられている。側壁絶縁層33は、窒化シリコン(SiN)によって形成されており、RIE(reactive ion etching)の際に磁気抵抗効果素子31を保護する機能を有している。
次に、本実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を、図4A及び図4B~図9A及び図9Bを参照して説明する。図4A~図9AはY方向に沿った断面図であり、図4B~図9BはX方向に沿った断面図である。
まず、図4A及び図4Bに示すように、半導体基板101を含む下地領域100上に、第1の配線10用の層及びセレクタの下部電極32a用の層を形成する。
次に、図5A及び図5Bに示すように、X方向に延伸するマスクパターン(図示せず)をマスクとして用いて、RIEによって第1の配線10用の層及び下部電極32a用の層をライン状にパターニングする。さらに、マスクパターンを除去することで、第1の配線10のパターン及びセレクタの下部電極32aのパターンが得られる。このように、共通のマスクパターンを用いて第1の配線10用の層及び下部電極32a用の層のパターニングを行うため、第1の配線10のパターン及び下部電極32aのパターンは互いに整合している。すなわち、Z方向から見て、第1の配線10のパターン及び下部電極32aのパターンは互いに一致している。
次に、図6A及び図6Bに示すように、層間絶縁膜40aを全面に形成し、さらにCMP(chemical mechanical polishing)によって平坦化を行う。続いて、平坦化された構造上に、セレクタ材料層32c、上部電極32b用の層、記憶層31a、トンネルバリア層31c及び参照層31bを形成する。さらに、参照層31b上にハードマスク層31dのパターンを形成する。
次に、図7A及び図7Bに示すように、ハードマスク層31dのパターンをマスクとして用いて、IBE(ion beam etching)により参照層31b、トンネルバリア層31c、記憶層31a、上部電極32b用の層及びセレクタ材料層32cをエッチングする。
次に、図8A及び図8Bに示すように、図7A及び図7Bの工程で得られた構造の表面に沿って側壁絶縁層33を形成する。これにより、磁気抵抗効果素子を構成する層は、側壁絶縁層33によって保護される。
次に、図9A及び図9Bに示すように、RIEによって、側壁絶縁層33及びセレクタ材料層32cをエッチングする。このとき、磁気抵抗効果素子31を構成する層は側壁絶縁層33によって保護されている。また、セレクタに関しては、下部電極32aのパターニングはすでに完了しているため、実質的にセレクタ材料層32cのみをエッチングすればよい。そのため、側壁絶縁層33が過度にエッチングされることによる磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを防止することができる。
その後、層間絶縁膜及び第2の配線20を形成することで、図2A及び図2Bに示すように、層間絶縁膜40によってメモリセル30が囲まれた構造が得られる。
以上のように、本実施形態によれば、図5A及び図5Bの工程で、共通のマスクパターンを用いて、第1の配線10用の層及びセレクタ32の下部電極32a用の層がパターニングされ、第1の配線10のパターン及びセレクタの下部電極32aのパターンが得られる。仮に、第1の配線10のパターンを形成した後に、セレクタ32用の各層及び磁気抵抗効果素子31用の各層を形成した場合には、図9A及び図9Bの工程では、セレクタ材料層32cに加えてさらにセレクタ32の下部電極32a用の層をエッチングする必要がある。そのため、図9A及び図9Bの工程で側壁絶縁層33が過度にエッチングされ、磁気抵抗効果素子31を側壁絶縁層33によって確実に保護できないおそれがある。その結果、磁気抵抗効果素子31がエッチングダメージを受け、磁気抵抗効果素子31の特性が悪化するおそれがある。
本実施形態では、図5A及び図5Bの工程で、第1の配線10のパターン及びセレクタの下部電極32aのパターンが形成される。そのため、図9A及び図9Bの工程では、セレクタ32の下部電極32aをエッチングする必要はなく、実質的にセレクタ材料層32cのみをエッチングすればよい。したがって、側壁絶縁層33によって磁気抵抗効果素子31を確実に保護することができ、磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを防止することができる。その結果、本実施形態では、エッチングダメージによる磁気抵抗効果素子31の特性の悪化を防止することができ、適正な特性を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置を得ることができる。
なお、図2A及び図2B並びに図4A及び図4B~図9A及び図9Bで示した例では、アライメントずれが生じない場合を想定しているが、実際の製造工程では一般にアライメントずれが生じる。本実施形態では、アライメントずれが生じた場合には、図10に示すように、Z方向から見て、磁気抵抗効果素子31のパターンは、第1の配線10のパターン及びセレクタ32の下部電極32aのパターンに対してY方向にずれる。ただし、本実施形態では、アライメントずれが生じても、第1の配線10のパターンと下部電極32aのパターンとは互いに整合しており、Z方向から見て、第1の配線10のパターン及び下部電極32aのパターンは互いに一致している。
次に、本実施形態の変形例について説明する。
図11A及び図11B並びに図12A及び図12Bは、本変形例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。図11A及び図12AはY方向に沿った断面図であり、図11B及び図12BはX方向に沿った断面図である。
まず、上述した実施形態の図4A及び図4B~図6A及び図6Bに示した工程と同様の工程を行う。
次に、図11A及び図11Bに示すように、ハードマスク層31dのパターンをマスクとして用いて、IBEによって参照層31b、トンネルバリア層31c、記憶層31a、上部電極32b用の層及びセレクタ材料層32cをエッチングする。上述した実施形態の図7A及び図7Bの工程では、セレクタ材料層32cのエッチングを途中で止めたが、本変形例では、セレクタ材料層32cを最後までエッチングする。
次に、図12A及び図12Bに示すように、層間絶縁膜及び第2の配線20を形成することで、層間絶縁膜40によってメモリセル30が囲まれた構造が得られる。
本変形例では、側壁絶縁層33を形成しないため、磁気抵抗効果素子31がエッチングダメージを受けるおそれがあるが、本変形例でも、上述した実施形態の図5A及び図5Bの工程と同様に、第1の配線10のパターンとともにセレクタの下部電極32aのパターンが予め形成される。そのため、上述した実施形態と同様に、図11A及び図11Bの工程では、セレクタ32の下部電極32aをエッチングする必要がない。
したがって、本変形例でも、磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを抑制することが可能である。その結果、エッチングダメージによる磁気抵抗効果素子31の特性の悪化を抑制することができ、信頼性を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置を得ることができる。
(実施形態2)
次に、第2の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1の実施形態と同様であり、第1の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
図13Aは、第2の実施形態に係る不揮発性磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図(Y方向に沿った断面図)である。図13Bは、第2の実施形態に係る不揮発性磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図(X方向に沿った断面図)である。
図13A及び図13Bに示すように、本実施形態でも、第1の実施形態と同様に、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30に含まれるセレクタ32の下部電極32aは、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30を接続する第1の配線10上に連続的に設けられている。また、本実施形態では、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30に含まれるセレクタ材料層32cが、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30を接続する第1の配線10の上方に連続的に設けられている。具体的には、Z方向から見て、上述した第1の配線10上に連続的に設けられた下部電極32aのパターン及びセレクタ材料層32cのパターンは、上述した第1の配線10のパターンと一致している。
次に、本実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を、図14A及び図14B~図17A及び図17Bを参照して説明する。図14A~図17AはY方向に沿った断面図であり、図17B~図17BはX方向に沿った断面図である。
まず、図14A及び図14Bに示すように、半導体基板101を含む下地領域100上に第1の配線10用の層を形成し、第1の配線10用の層上にセレクタの下部電極32a用の層、セレクタ材料層32c及びセレクタの上部電極32b用の層を形成する。
次に、図15A及び図15Bに示すように、X方向に延伸するマスクパターン(図示せず)をマスクとして用いて、RIEによって第1の配線10用の層、下部電極32a用の層、セレクタ材料層32c及び上部電極32b用の層をライン状にパターニングする。さらに、マスクパターンを除去する。
このように、共通のマスクパターンを用いて、第1の配線10用の層、下部電極32a用の層、セレクタ材料層32c及び上部電極32b用の層のパターニングを行うため、第1の配線10のパターン、セレクタの下部電極32aのパターン、セレクタ材料層32cのパターン及びセレクタの上部電極32bのパターンは互いに整合している。すなわち、Z方向から見て、第1の配線10のパターン、セレクタの下部電極32aのパターン、セレクタ材料層32cのパターン及びセレクタの上部電極32bのパターンは互いに一致している。
次に、図16A及び図16Bに示すように、層間絶縁膜40aを全面に形成し、さらにCMPによって平坦化を行う。続いて、平坦化された構造上に、磁気抵抗効果素子の記憶層31a、トンネルバリア層31c及び参照層31bを形成する。さらに、参照層31b上にハードマスク層31dのパターンを形成する。
次に、図17A及び図17Bに示すように、ハードマスク層31dのパターンをマスクとして用いて、IBEによって参照層31b、トンネルバリア層31c、記憶層31a、上部電極32b用の層及びセレクタ材料層32cをエッチングする。このとき、X方向で隣り合ったパターン間では、セレクタ材料層32cの一部はエッチングされずに残っている。また、セレクタの下部電極32aのパターニングはすでに完了している。そのため、セレクタ用の層のエッチング量を少なくすることができる。したがって、セレクタ用の層をエッチングする際の磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを抑制することができる。
その後、層間絶縁膜及び第2の配線20を形成することで、図13A及び図13Bに示すように、層間絶縁膜40によってメモリセル30が囲まれた構造が得られる。
以上のように、本実施形態によれば、図15A及び図15Bの工程で、共通のマスクパターンを用いて、第1の配線10用の層、下部電極32a用の層、セレクタ材料層32c及び上部電極32b用の層がパターニングされ、第1の配線10のパターン、セレクタの下部電極32aのパターン、セレクタ材料層32cのパターン及びセレクタの上部電極32bのパターンが得られる。仮に、第1の配線10のパターンを形成した後に、セレクタ32用の各層及び磁気抵抗効果素子31用の各層を形成した場合には、図17A及び図17Bの工程では、セレクタ32の下部電極32a用の層をエッチングする必要がある。そのため、図17A及び図17Bでセレクタ用の層のエッチング量が多くなり、磁気抵抗効果素子31が大きなエッチングダメージを受け、磁気抵抗効果素子31の特性が悪化するおそれがある。
本実施形態では、図15A及び図15Bの工程で、第1の配線10のパターン及びセレクタの下部電極32aのパターンが形成される。そのため、図17A及び図17Bでのエッチング量を少なくすることができ、磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを抑制することができる。その結果、本実施形態では、エッチングダメージによる磁気抵抗効果素子31の特性の悪化を防止することができ、適正な特性を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置を得ることができる。
なお、図13A及び図13B~図17A及び図17Bでは、アライメントずれが生じない場合を想定しているが、実際の製造工程では一般にアライメントずれが生じる。本実施形態では、アライメントずれが生じた場合には、図18に示すように、Z方向から見て、磁気抵抗効果素子31のパターンは、第1の配線10のパターン及びセレクタ32の下部電極32a、セレクタ材料層32c及び上部電極32bのパターンに対してY方向にずれる。ただし、本実施形態では、アライメントずれが生じても、第1の配線10のパターンとセレクタ32の下部電極32a及びセレクタ材料層32cのパターンとは互いに整合しており、Z方向から見て、第1の配線10のパターンとセレクタ32の下部電極32a及びセレクタ材料層32cのパターンは互いに一致している。
次に、本実施形態の第1の変形例について、図19に示した断面図(X方向に沿った断面図)を参照して説明する。
上述した実施形態では、図13Bに示すように、X方向で隣り合ったメモリセル30間の領域でセレクタ材料層32cが連続的に設けられていたが、本変形例では、X方向で隣り合ったメモリセル30間の領域でセレクタ材料層32cが分断されている。図17A及び図17Bの工程でセレクタ材料層32cが分断されるまでエッチングを行うことで、図18に示すような構成が得られる。
セレクタ材料層32cは絶縁性がある程度高いため、隣り合ったメモリセル30間でセレクタ材料層32cが連続的に設けられていても基本的には大きな問題は生じないが、隣り合ったメモリセル30のセレクタ32間で多少の相互干渉が生じるおそれがある。本変形例では、上述したような構成により、隣り合ったメモリセル30間でのセレクタ32の相互干渉を確実に抑制することが可能である。
次に、本実施形態の第2の変形例について、図20に示した断面図(X方向に沿った断面図)を参照して説明する。
本変形例では、セレクタ材料層32cが、絶縁体からなる材料で形成されており、イオン注入によって導入された15族元素(例えば、ヒ素(As)、アンチモン(Sb)及びリン(P)から選択された少なくとも1つの元素)を含有する酸化シリコンで形成され、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30間の部分32cxでは、セレクタ材料層32cが13族元素(例えば、ボロン(B)及びガリウム(Ga)から選択された少なくとも1つの元素)をさらに含有している。すなわち、X方向で互いに隣り合ったメモリセル30間の部分32cxでは、セレクタ材料層32cが、15族元素及び13族元素を含有する酸化シリコンで形成されている。
図17A及び図17Bの工程の後、隣り合ったメモリセル30間の部分に対してセレクタ材料層32cに13族元素をイオン注入することで、図19に示すような構成が得られる。
13族元素が導入された領域では、15族元素の作用が13族元素によって打ち消されるため、セレクタ材料層32cの絶縁性を高めることができる。したがって、本変形例では、上述したような構成により、隣り合ったメモリセル30間でのセレクタ32の相互干渉を確実に抑制することが可能である。
次に、本実施形態の第3の変形例について説明する。
図21A及び図21B~図28A及び図28Bは、第3の変形例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。図21A~図28AはY方向に沿った断面図であり、図21B~図28BはX方向に沿った断面図である。
まず、図21A及び図21Bに示すように、半導体基板101を含む下地領域100上に、第1の配線10用の層及びセレクタ用の層(下部電極32a用の層、セレクタ材料層32c及び上部電極32b用の層)を形成する。
次に、図22A及び図22Bに示すように、X方向に延伸するマスクパターン35をマスクとして用いて、RIEによってセレクタ用の層(下部電極32a用の層、セレクタ材料層32c及び上部電極32b用の層)をライン状にパターニングする。
次に、図23A及び図23Bに示すように、側壁絶縁層36として窒化シリコン層を全面に形成する。続いて、RIEによって側壁絶縁層36の一部を除去し、セレクタ用のパターンの側壁にのみ側壁絶縁層36を残す。
次に、図24A及び図24Bに示すように、図23A及び図23Bの工程によって得られたパターンをマスクとして用いて、RIEによって第1の配線10用の層をエッチングし、第1の配線10のパターンを形成する。
次に、図25A及び図25Bに示すように、全面に層間絶縁層40aを形成し、さらに平坦化処理を行うことでマスクパターン35を除去する。
次に、図26A及び図26Bに示すように、図25A及び図25Bの工程で得られた平坦化された構造上に、磁気抵抗効果素子の記憶層31a、トンネルバリア層31c及び参照層31bを形成する。さらに、参照層31b上にハードマスク層31dのパターンを形成する。
次に、図27A及び図27Bに示すように、ハードマスク層31dのパターンをマスクとして用いて、IBEによって参照層31b、トンネルバリア層31c、記憶層31a、上部電極32b用の層及びセレクタ材料層32cをエッチングする。このとき、X方向で隣り合ったパターン間の領域では、セレクタ材料層32c一部はエッチングされずに残っている。また、セレクタの下部電極32aのパターニングはすでに完了している。そのため、セレクタ用の層のエッチング量を少なくすることができる。したがって、セレクタ用の層をエッチングする際の磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを抑制することができる。
その後、層間絶縁膜及び第2の配線20を形成することで、図28A及び図28Bに示すように、層間絶縁膜40によってメモリセル30が囲まれた構造が得られる。
本変形例でも、上述した実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを抑制することができ、エッチングダメージによる磁気抵抗効果素子31の特性の悪化を防止することが可能である。
(実施形態3)
次に、第3の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第1及び第2の実施形態と同様であり、第1及び第2の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
図29Aは、第3の実施形態に係る不揮発性磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図(Y方向に沿った断面図)である。図29Bは、第3の実施形態に係る不揮発性磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図(X方向に沿った断面図)である。
本実施形態の磁気記憶装置は、Z方向に複数のメモリセルが設けられた構造を有している。図29A及び図29Bに示した例では、2層のメモリセルが設けられた構造を示している。第1層目及び第2層目の基本的な構成は、第1の実施形態或いは第2の実施形態で示した構成と同様である。
本実施形態では、X方向に延伸する複数の第1の配線10及びY方向に延伸する複数の第2の配線20に加えてさらに、X方向に延伸する複数の第3の配線50が設けられている。複数の第2の配線20と複数の第3の配線50との間に、複数のメモリセル60が設けられている。メモリセル60等は、層間絶縁膜70によって囲まれている。
メモリセル60は、直列接続された磁気抵抗効果素子61及びセレクタ(スイッチング素子)62を含んでいる。磁気抵抗効果素子61の一端は第3の配線50に接続されており、磁気抵抗効果素子61の他端はセレクタ62に接続されている。セレクタ62の一端は第2の配線20に接続されており、セレクタ62の他端は磁気抵抗効果素子61に接続されている。
磁気抵抗効果素子61の基本的な構成は、第1及び第2の実施形態で示した磁気抵抗効果素子31の構成と同様であり、記憶層61aと、参照層61bと、記憶層61aと参照層61bとの間に設けられたトンネルバリア層61cとを含んでいる。参照層61b上には、ハードマスク層61dが設けられている。磁気抵抗効果素子61には、参照層61bから記憶層61aに印加される磁界をキャンセルするためのシフトキャンセリング層がさらに設けられていてもよい。
セレクタ62の基本的な構成も、第1及び第2の実施形態で示したセレクタ32の構成と同様であり、第2の配線20側に設けられた下部電極62aと、磁気抵抗効果素子61側に設けられた上部電極62bと、下部電極62aと上部電極62bとの間に設けられたセレクタ材料層(スイッチング材料層)62cとを含んでいる。
図29A及び図29Bに示すように、Y方向で互いに隣り合ったメモリセル60に含まれるセレクタ62の下部電極62aは、Y方向で互いに隣り合ったメモリセル60を接続する第2の配線20上に連続的に設けられている。具体的には、Z方向から見て、上述した第2の配線20上に連続的に設けられた下部電極62aのパターンは、上述した第2の配線20のパターンと一致している。
次に、本実施形態に係る磁気記憶装置の製造方法を、図30A及び図30B~図33A及び図33B並びに図29A及び図29Bを参照して説明する。
まず、図30A及び図30Bに示すように、第2の実施形態で示した図14A及び図14B~図17A及び図17Bの工程と同様の工程を行い、図17A及び図17Bに示した構造と同様の構造を形成する。続いて、層間絶縁膜40を形成した後、全面に第2の配線20用の層を形成し、第2の配線20用の層上にセレクタの下部電極62a用の層、セレクタ材料層62c及びセレクタの上部電極62b用の層を形成する。
次に、図31A及び図31Bに示すように、Y方向に延伸するマスクパターン(図示せず)をマスクとして用いて、RIEによって第2の配線20用の層、下部電極62a用の層、セレクタ材料層62c及び上部電極62b用の層をライン状にパターニングする。さらに、マスクパターンを除去する。
このように、共通のマスクパターンを用いて、第2の配線20用の層、下部電極62a用の層、セレクタ材料層62c及び上部電極62b用の層のパターニングを行うため、第2の配線20のパターン、セレクタの下部電極62aのパターン、セレクタ材料層62cのパターン及びセレクタの上部電極62bのパターンは互いに整合している。すなわち、Z方向から見て、第2の配線20のパターン、セレクタの下部電極62aのパターン、セレクタ材料層62cのパターン及びセレクタの上部電極62bのパターンは互いに一致している。
次に、図32A及び図32Bに示すように、層間絶縁膜70aを全面に形成し、さらにCMPによって平坦化を行う。続いて、平坦化された構造上に、磁気抵抗効果素子の記憶層61a、トンネルバリア層61c及び参照層61bを形成する。さらに、参照層61b上にハードマスク層61dのパターンを形成する。
次に、図33A及び図33Bに示すように、ハードマスク層61dのパターンをマスクとして用いて、IBEによって参照層61b、トンネルバリア層61c、記憶層61a、上部電極62b用の層及びセレクタ材料層62cをエッチングする。このとき、Y方向で隣り合ったパターン間では、セレクタ材料層62cの一部はエッチングされずに残っている。また、セレクタの下部電極62aのパターニングはすでに完了している。そのため、セレクタ用の層のエッチング量を少なくすることができる。したがって、セレクタ用の層をエッチングする際の磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを抑制することができる。
その後、層間絶縁膜及び第3の配線50を形成することで、図29A及び図29Bに示すように、層間絶縁膜70によってメモリセル60が囲まれた構造が得られる。
以上のように、本実施形態においても、第1及び第2の実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子31のエッチングダメージを抑制することができる。その結果、本実施形態でも、エッチングダメージによる磁気抵抗効果素子31の特性の悪化を防止することができ、適正な特性を有する磁気抵抗効果素子を備えた磁気記憶装置を得ることができる。
なお、上述した実施形態では2層のメモリセルを有する構造について説明したが、同様の方法によって3層以上のメモリセルを有する構造を形成してもよい。
また、第1及び第2の実施形態で説明した構造或いは第1及び第2の実施形態で説明した構造を組み合わせた構造によって、Z方向に複数のメモリセルが設けられた構造を有する磁気記憶装置を形成するようにしてもよい。
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…第1の配線 20…第2の配線
30…メモリセル(第1のメモリセル)
31…磁気抵抗効果素子(第1の磁気抵抗効果素子)
31a…記憶層 31b…参照層 31c…トンネルバリア層
31d…ハードマスク層
32…セレクタ(第1のスイッチング素子)
32a…下部電極(第1の下部電極) 32b…上部電極(第1の上部電極)
32c…セレクタ材料層(第1のスイッチング材料層)
33…側壁絶縁層 35…マスクパターン 36…側壁絶縁層
40…層間絶縁膜
50…第3の配線
60…メモリセル(第2のメモリセル)
61…磁気抵抗効果素子(第2の磁気抵抗効果素子)
61a…記憶層 61b…参照層 61c…トンネルバリア層
61d…ハードマスク層
62…セレクタ(第2のスイッチング素子)
62a…下部電極(第2の下部電極) 62b…上部電極(第2の上部電極)
62c…セレクタ材料層(第2のスイッチング材料層)
70…層間絶縁膜
100…下地領域 101…半導体基板

Claims (14)

  1. それぞれが第1の方向に延伸する複数の第1の配線と、
    それぞれが前記第1の方向と交差する第2の方向に延伸する複数の第2の配線と、
    前記複数の第1の配線と前記複数の第2の配線との間に設けられ、それぞれが直列接続された第1のスイッチング素子及び第1の磁気抵抗効果素子を含み、前記第1のスイッチング素子が対応する前記第1の配線に接続され、前記第1の磁気抵抗効果素子が対応する前記第2の配線に接続された複数の第1のメモリセルと、
    を備える磁気記憶装置であって、
    前記第1のスイッチング素子は、前記第1の配線側に設けられた第1の下部電極と、前記第1の磁気抵抗効果素子側に設けられた第1の上部電極と、前記第1の下部電極と前記第1の上部電極との間に設けられた第1のスイッチング材料層とを含み、
    前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルに含まれる前記第1の下部電極は、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線上に連続的に設けられている
    ことを特徴とする磁気記憶装置。
  2. 前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向から見て、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線上に連続的に設けられた前記第1の下部電極のパターンは、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線のパターンと一致している
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。
  3. 前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向から見て、任意の前記第1のメモリセルに含まれる前記第1の磁気抵抗効果素子のパターンは、前記任意の第1のメモリセルに含まれる前記第1のスイッチング素子の前記第1の下部電極のパターンに対して前記第2の方向にずれている
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。
  4. 前記第1のメモリセルは、前記第1のスイッチング素子の前記第1の上部電極及び前記第1のスイッチング材料層の側壁並びに前記第1の磁気抵抗効果素子の側壁に設けられた側壁絶縁層をさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。
  5. 前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルに含まれる前記第1のスイッチング材料層は、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセル間の領域で互いに離間している
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。
  6. 前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルに含まれる前記第1のスイッチング材料層は、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線の上方に連続的に設けられている
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。
  7. 前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向から見て、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線の上方に連続的に設けられた前記第1のスイッチング材料層のパターンは、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線のパターンと一致している
    ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶装置。
  8. 前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向から見て、任意の前記第1のメモリセルに含まれる前記第1の磁気抵抗効果素子のパターンは、前記任意の第1のメモリセルに含まれる前記第1のスイッチング素子の前記第1のスイッチング材料層のパターンに対して前記第2の方向にずれている
    ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶装置。
  9. 前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向から見て、任意の前記第1のメモリセルに含まれる前記第1の磁気抵抗効果素子のパターンは、前記任意の第1のメモリセルに含まれる前記第1のスイッチング素子の前記第1の上部電極のパターンに対して前記第2の方向にずれている
    ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶装置。
  10. 前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセルを接続する前記第1の配線の上方に連続的に設けられた前記第1のスイッチング材料層は、15族元素を含有する酸化シリコンで形成されており、前記第1の方向で互いに隣り合った前記第1のメモリセル間の部分では13族元素をさらに含有している
    ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶装置。
  11. 前記第1のメモリセルは、前記第1のスイッチング素子の側壁に設けられた側壁絶縁層をさらに含む
    ことを特徴とする請求項6に記載の磁気記憶装置。
  12. 前記第1のスイッチング素子は、2端子間に印加される電圧が閾値未満の場合には高抵抗状態を呈し、2端子間に印加される電圧が閾値以上の場合には低抵抗状態を呈する
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。
  13. それぞれが前記第1の方向に延伸する複数の第3の配線と、
    前記複数の第2の配線と前記複数の第3の配線との間に設けられ、それぞれが直列接続された第2のスイッチング素子及び第2の磁気抵抗効果素子を含み、前記第2のスイッチング素子が対応する前記第2の配線に接続され、前記第2の磁気抵抗効果素子が対応する前記第3の配線に接続された複数の第2のメモリセルと、
    をさらに備え、
    前記第2のスイッチング素子は、前記第2の配線側に設けられた第2の下部電極と、前記第2の磁気抵抗効果素子側に設けられた第2の上部電極と、前記第2の下部電極と前記第2の上部電極との間に設けられた第2のスイッチング材料層とを含み、
    前記第2の方向で互いに隣り合った前記第2のメモリセルに含まれる前記第2の下部電極は、前記第2の方向で互いに隣り合った前記第2のメモリセルを接続する前記第2の配線上に連続的に設けられている
    ことを特徴とする請求項1に記載の磁気記憶装置。
  14. 前記第1及び第2の方向と交差する第3の方向から見て、前記第2の方向で互いに隣り合った前記第2のメモリセルを接続する前記第2の配線上に連続的に設けられた前記第2の下部電極のパターンは、前記第2の方向で互いに隣り合った前記第2のメモリセルを接続する前記第2の配線のパターンと一致している
    ことを特徴とする請求項13に記載の磁気記憶装置。
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