WO2014168012A1 - 半導体装置及びその製造方法 - Google Patents

半導体装置及びその製造方法 Download PDF

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magnetic layer
layer
magnetic
thin film
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Inventor
本庄　弘明
俊輔 深見
啓蔵 木下
大野　英男
Original Assignee
日本電気株式会社
国立大学法人東北大学
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor device and a manufacturing method thereof.
  • the stripe pattern of soft magnetic material is divided into two regions with different magnetization directions, and the domain wall formed at the boundary between the two regions is moved by the spin torque phenomenon caused by the current flowing in the stripe
  • a semiconductor device in which the magnetization direction at a specific position (information recording portion) of the stripe pattern is directed in two different directions, thereby enabling writing / holding of “0” and “1” of information to be recorded. It has been put into practical use.
  • the semiconductor device further detects a state of “0” and “1” of the information to be recorded by detecting the magnetization direction at the specific position by a magnetoresistive effect element formed adjacently, for example, a magnetic tunnel junction element.
  • a basic structure as shown in FIG. 9 is adopted.
  • This basic structure corresponds to the information recording portion with reference to FIG. 9, and has a stripe pattern 2 of the soft magnetic material 1 as the first magnetic layer.
  • This basic structure also includes a first island pattern 4 and a second island made of a hard magnetic material 3 as a second magnetic layer that can be magnetically coupled to the first magnetic layer on both ends of the stripe pattern 2.
  • Pattern 5
  • a magnetoresistive effect element (or magnetic tunnel junction element) 6 is disposed above the distance between the first island pattern 4 and the second island pattern 5 at a distance at which a leakage magnetic field from the center of the stripe pattern 2 can be detected.
  • the configuration of the information recording unit is characteristic. That is, the magnetization directions of the two first island patterns 4 and the second island patterns 5 by the hard magnetic material 3 are different. For this reason, two different magnetization direction regions are formed in the stripe pattern 2 of the soft magnetic material 1 formed by being magnetically coupled to the first and second island patterns 4 and 5. And the domain wall 7 which becomes a boundary of the two magnetization directions is formed somewhere between two different magnetization direction regions.
  • FIG. 9 shows an example in which the domain wall 7 is formed in the vicinity of the first island pattern 4.
  • the domain wall 7 moves due to the spin torque effect. That is, when a current is passed through the stripe pattern 2 from the second island pattern 5 side, the magnetization direction region on the first island pattern 4 side expands and passes through the center of the stripe pattern 2 to form the second island pattern 5.
  • the domain wall 7 moves to the vicinity.
  • the reverse occurs when a current is passed, and the domain wall 7 passes through the central portion of the stripe pattern 2 and returns to the vicinity of the first island pattern 4 on the opposite side.
  • the magnetoresistive effect element 6 is arranged so as to realize a configuration in which the magnetization direction of the central portion of the stripe pattern 2 as an information recording unit is read out by detecting a leakage magnetic field, and information recorded in the information recording unit is recorded. Reading of “1” or “0” is possible. For example, when a perpendicular magnetization film is used for the stripe pattern 2, an in-plane magnetization film is used for the magnetoresistive effect element 6, and information is read from the center line along the length direction of the stripe pattern 2 and the center of the magnetoresistive effect element 6.
  • the semiconductor device is configured as a readable / writable semiconductor device by being shifted by an appropriate distance.
  • the soft magnetic material 1 and the hard magnetic material 3 do not have to be a combination of a soft magnetic material and a hard magnetic material, which are generally referred to, and have different magnetic characteristics with a difference in coercive force between the two. Any combination of magnetic materials having a The portions of the stripe pattern 2 of the soft magnetic material 1 that are in magnetic contact with the first island pattern 4 and the second island pattern 5 of the hard magnetic material 3 may be magnetized in parallel with each other. And the domain wall 7 should just move by a spin torque effect. Next, a method for manufacturing the information recording unit of the first example of the semiconductor device shown in FIG. 9 will be described with reference to FIGS.
  • Non-Patent Document 1 a multilayer film in which Co films and Ni films are alternately stacked is used as the soft magnetic material 1, and a multilayer film in which Co films and Pt films are alternately stacked is used as the hard magnetic material 3.
  • An example of a semiconductor device is described.
  • FIG. 10A the soft magnetic material 1 in which Co films and Ni films are alternately stacked as the first magnetic layer, and the Co film and Pt film are alternately stacked as the second magnetic layer.
  • the hard magnetic material 3 and the upper electrode material 10 made of a Ta film are formed on the substrate 100 by sputtering.
  • the substrate 100 is composed of, for example, a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) substrate formed on a Si substrate.
  • CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor
  • FIG. 10B only the upper electrode material 10 and the hard magnetic material 3 are etched into the shapes of the first island pattern 4 and the second island pattern 5.
  • An appropriate mask and an argon ion milling method are used for the etching process. The etching process is terminated when the soft magnetic material 1 is exposed.
  • FIG. 10C a mask of the stripe pattern 2 is formed on the first island pattern 4 and the second island pattern 5 and the region between them to form the lowermost layer.
  • the information recording part of the semiconductor device is formed by etching a part of the upper electrode material 10 and the hard magnetic material 3 on the second island pattern 5 side. .
  • the part of the hard magnetic material 3 of the second island pattern 5 is etched by using the same hard magnetic material 3 and different magnetic characteristics between the first island pattern 4 and the second island pattern 5. It is for having.
  • the semiconductor device can realize a configuration in which the magnetoresistive effect element 6 reads the magnetization direction of the information recording portion at the center of the stripe pattern 2 by detecting the leakage magnetic field.
  • a readable / writable semiconductor device is manufactured.
  • the argon ion milling method used in the manufacturing method of the information recording unit of the semiconductor device is a performance required for manufacturing a semiconductor manufacturing device applicable to a large-diameter wafer that has been widely used recently. This is known to be difficult. In addition, even a small-diameter wafer may be difficult to etch if the density of the pattern to be etched is high on the wafer (the distance between adjacent patterns is small).
  • the magnetic random access memory includes a magnetic recording layer 20 that is a ferromagnetic layer having perpendicular magnetic anisotropy, a pinned layer 30, and a non-magnetic layer provided between the magnetic recording layer 20 and the pinned layer 30. And a magnetic tunnel barrier layer 32.
  • the magnetic recording layer 20 has a reversible magnetization region, is connected to the magnetization reversal region 23 joined to the pinned layer 30 via the tunnel barrier layer 32, and the magnetization reversal region 23, and the magnetization direction is fixed. It has magnetization fixed regions 21a and 21b.
  • Reference numerals 24a and 24b denote current terminals
  • reference numeral 31 denotes a wiring layer.
  • the domain wall in the stripe pattern formed of the soft magnetic material moves by the spin torque effect. Therefore, the direction of the magnetization state in the vicinity of the central portion of the stripe pattern is used for information recording, and the magnetization direction of the information recording portion is read by the magnetoresistive effect element.
  • the above semiconductor device has the following problems.
  • the problem with the semiconductor devices disclosed in Patent Document 1 and Patent Document 3 and the manufacturing method thereof is that there is a trade-off between the time required for manufacturing and the performance of the semiconductor device.
  • etching occurs at a threshold energy or higher, and the etching rate increases in proportion to the square root of the ion energy.
  • reactive ion etching using methanol plasma as described in Patent Document 2 is used, most of magnetic materials used in semiconductor devices have poor chemical reactivity, and the etching rate is accelerated by the chemical reaction. There is nothing.
  • the material that is etched by the oxygen that constitutes methanol oxidizes, and the etching rate often decreases.
  • the semiconductor device of the first example in which the material to be etched is a hard magnetic material, or the semiconductor device of the second example in which the material to be etched is a magnetoresistive element constituting material layer. is there. Therefore, in both the first and second examples of the semiconductor device, in order to shorten the manufacturing time and increase the production efficiency, it is necessary to increase the ion energy during etching and increase the etching rate. .
  • the material to be etched is a hard magnetic material, or in the second example in which the material to be etched is a magnetoresistive element constituting material layer
  • the underlying soft magnetic material 1 exposed at the end of etching is irradiated with ions of high ion energy.
  • high-energy ions penetrate into the soft magnetic material 1 over a depth of, for example, several nm to 10 nm and collide with atoms constituting the soft magnetic material 1 to destroy the crystal structure.
  • the magnetic properties of the soft magnetic material 1 serving as a base deteriorate.
  • the increase in the current value is due to destruction of the semiconductor device itself due to local temperature increase of the semiconductor device due to Joule heat generated by the current, increase in power consumption of equipment using the semiconductor device, and decrease in driving speed.
  • the performance of the semiconductor device and the effectiveness as a product are remarkably reduced, such as a reduction in the performance of equipment using the semiconductor device.
  • the same dry etching technique is applied in the step of forming the magnetoresistive element immediately above the stripe pattern of the soft magnetic material formed in the upper layer.
  • a specific object of the present invention is to make it possible to suppress deterioration of magnetic characteristics due to alteration of a magnetic material caused by exposure to plasma or an ion beam in manufacturing a semiconductor device.
  • a semiconductor device includes a first magnetic layer disposed on a flat substrate surface, and a magnetostatic coupling to the first magnetic layer disposed above the first magnetic layer. And a second magnetic layer magnetically coupled by exchange coupling, and a conductive thin film layer is formed at least in a region corresponding to a part of the upper surface of the first magnetic layer.
  • the first magnetic layer and the second magnetic layer are formed on a flat substrate surface in the order of the first magnetic layer and the second magnetic layer.
  • a semiconductor device comprising: a first magnetic layer disposed on a flat substrate surface; and a magnetostatic force disposed on the first magnetic layer disposed above the first magnetic layer. And a second magnetic layer magnetically coupled by coupling or exchange coupling, wherein a conductive thin film layer is formed on at least part of the upper surface of the second magnetic layer.
  • the method for manufacturing a semiconductor device includes a step of forming a first magnetic layer on a flat substrate surface, and a planar shape of the first magnetic layer on the first magnetic layer. Forming a different second magnetic layer; forming a magnetoresistive element constituting material layer on the second magnetic layer; and then etching the magnetoresistive element having a predetermined shape by plasma or ion beam Forming a conductive thin film layer on the second magnetic layer at least in a region corresponding to the magnetoresistive element constituting material layer removed by the etching, and performing a heat treatment Then, the alteration of the second magnetic layer due to the plasma or ion beam irradiation is recovered.
  • the magnetic layer under the magnetic layer is prevented from being deteriorated due to the alteration of the magnetic material when exposed to the etching plasma or the ion beam, and the domain wall motion by the spin torque effect is improved.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a first embodiment of a semiconductor device according to the present invention.
  • 2 is a cross-sectional view showing an AA cross section of the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing a BB cross section of the semiconductor device shown in FIG. 1.
  • 3B is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line CC of the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 4A is a diagram for explaining a first step in a method of manufacturing the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 4B is a diagram for explaining a second step following the first step of FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a diagram for explaining a third step following the second step of FIG. 4B.
  • FIG. 4D is a diagram for explaining a fourth step following the third step of FIG. 4C.
  • FIG. 4E is a diagram for explaining a fifth step following the fourth step of FIG. 4D.
  • FIG. 4F is a diagram for explaining a sixth step following the fifth step in FIG. 4E.
  • FIG. 5 is a view for explaining dry etching conditions used in the manufacturing method of the first embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a second embodiment of the semiconductor device according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing an AA cross section of the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 8A is a drawing for explaining a first step in the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG. FIG.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining a second step following the first step of FIG. 8A.
  • FIG. 8C is a diagram for explaining a third step following the second step of FIG. 8B.
  • FIG. 8D is a diagram for explaining a fourth step following the third step of FIG. 8C.
  • FIG. 8E is a diagram for explaining a fifth step following the fourth step of FIG. 8D.
  • FIG. 8F is a diagram for explaining a sixth step following the fifth step of FIG. 8E.
  • FIG. 8G is a diagram for explaining a seventh step following the sixth step of FIG. 8F.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a first example of a semiconductor device according to the related art.
  • FIG. 10A is a drawing for explaining a first step in the method for manufacturing the semiconductor device shown in FIG.
  • FIG. 10B is a diagram for explaining a second step following the first step of FIG. 10A.
  • FIG. 10C is a diagram for explaining a third step following the second step of FIG. 10B.
  • FIG. 10D is a diagram for explaining a fourth step following the third step of FIG. 10C.
  • FIG. 10E is a diagram for explaining a fifth step following the fourth step of FIG. 10D.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a second example of a semiconductor device according to the related art.
  • FIG. 1 is a perspective view of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
  • 2, 3 ⁇ / b> A, and 3 ⁇ / b> B are cross-sectional views taken along lines AA, BB, and CC in FIG. 1, respectively.
  • the etching end point detection layer 8 formed for detecting an etching end point when etching a hard magnetic material (second magnetic layer) 3 described later. Then, the hard magnetic material 3 in the shape of the first island pattern 4 and the second island pattern 5 exists on the etching end point detection layer 8. According to such a configuration, the first magnetic layer and the second magnetic layer are different in planar shape, and the second magnetic layer is disposed above the first magnetic layer and is magnetostatic to the first magnetic layer. It can be said that they are magnetically coupled by coupling or exchange coupling. The first island pattern 4 and the second island pattern 5 are adjusted to have different magnetic characteristics.
  • a conductive thin film layer 11 is formed on the surface of the first island pattern 4, the side surface of the second island pattern 5, and the region between the first island pattern 4 and the second island pattern 5.
  • the film thickness of the conductive thin film layer 11 is desirably a monoatomic layer or more.
  • the magnetoresistive effect element (or magnetic tunnel junction element) 6 having a predetermined shape changes the magnetization direction of the central portion of the stripe pattern 2 to the leakage magnetic field as in the first example of the semiconductor device described above.
  • the arrangement is such that a readable configuration can be realized by detection. Accordingly, this semiconductor device can also read whether the information recorded in the information recording unit is “1” or “0”, as in the first example of the semiconductor device described above.
  • a hard magnetic material 3 in which a Co film and a Pt film are alternately stacked and an upper electrode material 10 made of a Ta film are sequentially formed by a sputtering method to form a laminated structure constituting an information recording portion.
  • the substrate 100 is composed of, for example, a CMOS substrate formed on a Si substrate, but detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 4B by etching the upper electrode material 10 and the hard magnetic material 3 using an appropriate mask material (mask pattern), a first island pattern having a desired shape is obtained. 4 and a second island pattern 5 are formed.
  • the planar shape of the first island pattern 4 and the second island pattern 5 need not be the same.
  • plasma of a mixed gas of ammonia and carbon monoxide is generated using a dry etching apparatus equipped with an inductively coupled plasma source, and a low frequency bias is applied to the substrate.
  • the etching conditions in this case are shown in FIG.
  • gas pressure 1.3 Pa
  • discharge power 800 W
  • substrate bias power 300 W
  • substrate temperature 75 degrees.
  • a mask pattern having a laminated structure of a silicon nitride film and a silicon oxide film can be used.
  • Etching is terminated when the Pd film 9 acting as the etching end point detection layer 8 is detected by plasma emission spectroscopy. Note that ion beam etching may be employed instead of plasma etching.
  • a conductive thin film layer 11 is formed on the etching detection layer 8 and the entire first island pattern 4 and second island pattern 5.
  • the characteristics of the final semiconductor device of the first embodiment are improved as compared with the case where the conductive thin film layer 11 is not formed. It was done. That is, in the above (ii), there is a possibility that the soft magnetic material 1 has been altered by the ion species in the etching plasma that has entered beyond the etching end point detection layer 8. On the other hand, in this embodiment, even if the soft magnetic material 1 has an altered portion, after the conductive thin film 11 is formed, the altered portion is modified by annealing (heat treatment). (Iv) Subsequently, as shown in FIG.
  • the conductive thin film layer 11 and the upper electrode material 10 and a part of the hard magnetic material 3 in the second island pattern 5 are etched to form the first island pattern 4 and A second island pattern 5 having magnetic characteristics of different hard magnetic materials is realized.
  • a mask of the stripe pattern 2 is formed on the first island pattern 4 (FIG. 4B) and the second island pattern 5 after the shape adjustment, and from the conductive thin film layer 11 to the lowermost layer. Etching is performed with plasma of a mixed gas of ammonia and carbon monoxide up to the lower surface of the soft magnetic material 1 in FIG. As a result, as shown in FIG. 4E, portions other than the region where the stripe pattern 2, the first island pattern 4, and the second island pattern 5 are projected are removed.
  • Etching conditions are the same as those shown in FIG.
  • the etching may be continued until the light emission of Co and Ni contained in the soft magnetic material 1 disappears.
  • the semiconductor device can realize a configuration in which the magnetoresistive effect element 6 is read by detecting the leakage magnetic field from the magnetization direction of the information recording portion at the center of the stripe pattern 2.
  • the semiconductor device is arranged and annealed as necessary to manufacture a readable / writable semiconductor device.
  • the arrangement form of the magnetoresistive effect element 6 is realized by the cantilever beam portion 6-1 formed above the first island pattern 4.
  • a process is adopted in which the etching end point is detected when 9 is detected by plasma emission spectroscopy.
  • the soft magnetic material 1 has been altered by the ion species in the etching plasma that has entered beyond the etching end point detection layer 8.
  • Such a problem is solved by forming the conductive thin film layer 11 described in (iii) above and performing annealing.
  • an example in which a Ta film is used as the conductive thin film layer 11 is shown.
  • the conductive thin film layer 11 is an alloy or a conductive material containing at least one element selected from the group consisting of Hf, W, Zr, Nb, Mo, Ti, Cr, V, Al, Na, Mg, and Ca. If it is a nitride, the same effect can be obtained.
  • the etching end point detection layer 8 is interposed between the first magnetic layer (soft magnetic material 1 in the first embodiment) and the second magnetic layer (hard magnetic material 3 in the first embodiment). And the etching end point is detected when light emission in the plasma of the etching end point detection layer 8 is detected.
  • the material of the etching end point detection layer 8 is changed to a material other than the Pd film described in the first embodiment, it may be changed to a material not used for the second magnetic layer, for example, a Ru film.
  • a method of etching the upper side of the second island pattern 5 is employed in order to give a difference in magnetic characteristics between the first island pattern 4 and the second island pattern 5.
  • other methods may be used instead. For example, from the beginning, a hard magnetic material 3 having different characteristics is formed in each island region, or ion implantation, ion irradiation, oxidation, or the like is performed only on the second island pattern 5 portion to form the second island. A method of modifying the material of the pattern 5 portion can also be applied.
  • FIG. 6 is a perspective view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
  • first island pattern 4 and the second island pattern 5 of the hard magnetic material (first magnetic layer) 3 and the soft magnetic material (first magnetic layer) 3 are formed as a pattern including the information recording portion.
  • a stripe pattern 2 of a magnetic material (second magnetic layer) 1 is formed.
  • the hard magnetic material 3 is the first magnetic layer and the soft magnetic material 1 is the second magnetic layer.
  • the second magnetic layer is disposed above the first magnetic layer and is magnetically coupled to the first magnetic layer by magnetostatic coupling or exchange coupling. Note that the first island pattern 4 and the second island pattern 5 of the hard magnetic material 3 are adjusted to have different magnetic characteristics.
  • a magnetoresistive effect element 6 having a predetermined shape is arranged on the stripe pattern 2 so as to be able to read the magnetization direction of the central part of the stripe pattern 2, and information recorded in the information recording portion is recorded by the magnetoresistive effect element 6. Reading of “1” or “0” is possible. Further, an insulator spacer 13 is formed on both sides of the magnetoresistive effect element 6, and a conductive thin film layer 11 is formed on the soft magnetic material 1 and the magnetoresistive effect element 6. Also in the second embodiment, it is desirable that the thickness of the conductive thin film layer 11 is not less than a monoatomic layer. In the semiconductor device according to the second embodiment, when the magnetoresistive effect element 6 described later is etched (FIG.
  • the time when the stripe pattern 2 of the underlying soft magnetic material 1 appears is set as the etching end point. Become. Therefore, as in the first embodiment, it is essential to improve the characteristics of the stripe pattern 2 of the soft magnetic material 1 by performing annealing after forming the electric thin film layer 11.
  • a method for fabricating the semiconductor device according to the second embodiment will be described.
  • a hard magnetic material 3 layer formed by alternately stacking Co films and Pt films on a substrate (not shown) is formed using an appropriate mask material (mask pattern) as shown in FIG. Etching is performed into the shape of one island pattern 4 and second island pattern 5.
  • the hard magnetic material is manufactured so that the characteristics of the first island pattern 4 and the second island pattern 5 are different.
  • the first and second island patterns 4 and 5 are filled with an interlayer insulating film, and planarized by CMP (Chemical Mechanical Polishing) or the like to expose the upper surfaces of the first and second island patterns 4 and 5.
  • CMP Chemical Mechanical Polishing
  • FIG. 8A to 8G the illustration of the interlayer insulating film is omitted.
  • the substrate exists below the first and second island patterns 4 and 5, and the substrate is formed on the substrate. It is easy to understand that an interlayer insulating film is formed around the first and second island patterns 4 and 5 up to the same height as the top surfaces of the first and second island patterns 4 and 5. it can.
  • the soft magnetic material 1 in which the Co film and the Ni film are alternately stacked on the upper surface side of the planarized first and second island patterns 4 and 5, and the magnetic The resistive effect element constituting material layer 12 is sequentially formed over the entire substrate by sputtering to create a laminated structure of the information recording portion material.
  • the magnetoresistive element constituting material layer 12 is etched by using the same mask or plasma as described in the first embodiment using an appropriate mask pattern.
  • the magnetoresistive effect element 6 having a predetermined shape is formed on the soft magnetic material 1.
  • the time when the stripe pattern 2 of the underlying soft magnetic material 1 appears is the etching end point.
  • the soft magnetic material 1 has been altered by the ion species in the etching plasma incident before the end of etching.
  • the soft magnetic material 1 has an altered portion, as will be described later, after the conductive thin film is formed, the altered portion is modified by annealing. . (Iv) Subsequently, as shown in FIG.
  • a material that becomes the insulator spacer 13 is formed on the entire upper surfaces of the magnetoresistive effect element 6 and the soft magnetic material 1.
  • a silicon nitride film 13 ′ is formed as a film for forming the insulator spacer 13.
  • FIG. 8E the insulating spacer 13 is left around the magnetoresistive effect element 6, and the silicon nitride film 13 'in other regions is etched by using an appropriate mask pattern. Remove. Etching conditions may be carbon tetrafluoride gas plasma.
  • etching by plasma since the etching rate of the soft magnetic material 1 is low, a decrease in light emission of CN molecules or SiF molecules as reaction products can be set as an etching end point.
  • a conductive thin film layer 11 is formed on the entire upper surfaces of the magnetoresistive element 6 and the soft magnetic material 1.
  • etching other than the regions of the stripe pattern 2, the first island pattern 4, and the second island pattern 5 is deleted using an appropriate mask pattern. Processing is performed so that the magnetoresistive element 6 reads the magnetization direction of the information recording portion at the center of the stripe pattern 2.
  • annealing is performed at 300 degrees to manufacture a readable / writable semiconductor device.
  • the altered portion is modified by annealing here.
  • FIG. 8G the interlayer insulating film around the first and second island patterns 4 and 5 and the substrate under the first and second island patterns 4 and 5 are not shown. Yes.
  • the annealing in the second embodiment is also appropriately adjusted in the range of 200 degrees to 400 degrees.
  • a semiconductor device having a structure in which at least two kinds of magnetic materials having different functions, that is, a soft magnetic material and a hard magnetic material, are stacked in different plane shapes, magnetically
  • a conductive thin film layer on the top surface of the material exposed to the etching plasma or ion beam and applying an annealing treatment, the alteration of the magnetic material exposed to the etching plasma or ion beam is recovered, and the semiconductor is recovered. It is possible to provide a semiconductor device in which the characteristics and performance of the device are improved, the variation is reduced, and the production yield is improved.
  • Examples of utilization of the present invention include a semiconductor device used for a spin logic circuit element using a magnetic random access memory (MRAM) or a magnetic tunnel junction element, and a racetrack memory using a stripe-shaped magnetic thin film as an external recording medium for information.
  • MRAM magnetic random access memory
  • a racetrack memory using a stripe-shaped magnetic thin film as an external recording medium for information can be mentioned.

Landscapes

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Abstract

　平坦な基板面上に配置される、軟磁性材料による第１の磁性層と、前記第１の磁性層の上方に配置され前記第１の磁性層に静磁結合あるいは交換結合により磁気的に結合される第２の磁性層と、を備える半導体装置であって、少なくとも前記第１の磁性層の上面の一部に対応する領域に導電性薄膜層１１が形成されている。

Description

半導体装置及びその製造方法
　本発明は、半導体装置及びその製造方法に関する。
　近年の技術の発展に伴い、軟磁性材料のストライプパターンを磁化方向の異なる二つの領域に分け、二つの領域の境界に形成される磁壁をストライプ中に流された電流によるスピントルク現象により移動させることで、ストライプパターンの特定位置（情報記録部）の磁化方向を二つの異なる方向に向かわせしめ、それによって記録したい情報の“０”と“１”を区別して書き込み／保持可能とした半導体装置が実用化されている。この半導体装置は、さらに、前記特定位置の磁化方向を、隣接して形成した磁気抵抗効果素子、例えば磁気トンネル接合素子によって検出することで、前記記録したい情報の“０”と“１”の状態を非破壊で読み出し可能な、記録情報の不揮発特性を有する。
　例えば、非特許文献１に記載されている半導体装置の第１の例では、図９に示すような基本構造を採用している。この基本構造は、図９を参照して、情報記録部に該当し、第１の磁性層である軟磁性材料１のストライプパターン２を有する。この基本構造はまた、ストライプパターン２の両端側上部に、第１の磁性層と磁気的に結合可能な第２の磁性層として、ハード磁性材料３による第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５とを有する。そして、第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５の間の上方でストライプパターン２中央部からの漏れ磁場を検出可能な距離に磁気抵抗効果素子（あるいは磁気トンネル接合素子）６を配置している。
　図９に示す半導体装置の第１の例では、前記情報記録部の構成が特徴的である。すなわち、ハード磁性材料３による２つの第１のアイランドパターン４及び第２のアイランドパターン５の磁化方向が異なっている。このため、第１、第２のアイランドパターン４、５に磁気的に結合して形成された軟磁性材料１のストライプパターン２中には、異なる２つの磁化方向領域が形成される。そして、異なる２つの磁化方向領域の間のどこかに前記二つの磁化方向の境界になる磁壁７が形成される。図９では、第１のアイランドパターン４近傍に磁壁７が形成された例を示している。
　図９に示す半導体装置の第１の例では、一般的にはストライプパターン２に第２のアイランドパターン５側から電流を流すと、スピントルク効果により磁壁７が移動する。すなわち、ストライプパターン２に第２のアイランドパターン５側から電流を流すと、第１のアイランドパターン４側の磁化方向領域が拡大し、ストライプパターン２中央部を通過して第２のアイランドパターン５の近傍まで磁壁７が移動する。ここで、逆に電流を流すと逆のことが起こり、磁壁７は、ストライプパターン２中央部を通過して反対側の第１のアイランドパターン４近傍まで戻る。このようにして、ストライプパターン２中央部の磁化方向は、電流を流す方向によって変化させることが可能であり、この部分が半導体装置の情報記録部になる。
　なお、磁気抵抗効果素子６は、情報記録部であるストライプパターン２中央部の磁化方向を漏れ磁場の検出によって読み出す構成を実現できるように配置されており、情報記録部に記録されている情報が“１”か“０”かの読み出しが可能である。例えば、ストライプパターン２に垂直磁化膜を用いる場合、磁気抵抗効果素子６には面内磁化膜を用い、ストライプパターン２の長さ方向に沿った中心線と磁気抵抗効果素子６の中心を情報読み出しに適切な距離だけずらして配置することで、読み書き可能な半導体装置として構成される。
　また、軟磁性材料１とハード磁性材料３とは、一般的に言われている軟磁性材料とハード磁性材料の組み合わせである必要はなく、両者の間で保磁力に差のある、異なる磁気特性を持つ磁性材料の組み合わせであればよい。ハード磁性材料３の第１のアイランドパターン４及び第２のアイランドパターン５に磁気的に接する軟磁性材料１のストライプパターン２の部分が、各々磁気的に平行に磁化されればよい。そして、磁壁７がスピントルク効果により移動すれば良い。
　つぎに、図９に示す半導体装置の第１の例の情報記録部の製造方法について、図１０Ａ~図１０Ｅに基づいて、以下に説明する。
　非特許文献１には、軟磁性材料１として、Ｃｏ膜とＮｉ膜とを交互に積み重ねた多層膜を用い、ハード磁性材料３として、Ｃｏ膜とＰｔ膜とを交互に積み重ねた多層膜を用いる半導体装置の例が述べられている。
　（ｉ）始めに、図１０Ａに示すように、第１の磁性層としてＣｏ膜とＮｉ膜を交互に積み重ねた軟磁性材料１と、第２の磁性層としてＣｏ膜とＰｔ膜を交互に積み重ねたハード磁性材料３と、Ｔａ膜による上部電極材料１０とを、スパッタリング法により基板１００上に成膜する。基板１００は、例えばＳｉ基板上に形成されたＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）基板から成り、図１０Ｂ以降は図示を省略する。
　（ｉｉ）次に、図１０Ｂに示すように、上部電極材料１０及びハード磁性材料３のみを第１のアイランドパターン４及び第２のアイランドパターン５の形状にエッチング加工する。エッチング加工には、適切なマスクとアルゴンイオンミリング法とを用いる。エッチング加工は、軟磁性材料１が露出するところで終点とする。
　（ｉｉｉ）続いて、図１０Ｃに示すように、形成された第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５及びそれらの間の領域の上に、ストライプパターン２のマスクを形成して最下層にある軟磁性材料１の不要部が除去されるところまで、アルゴンイオンミリング法でエッチングする。
　（ｉｖ）最後に、図１０Ｄに示すように、第２のアイランドパターン５側の上部電極材料１０及びハード磁性材料３の一部をエッチングすることで、半導体装置の情報記録部を形成している。ここで、第２のアイランドパターン５のハード磁性材料３の一部をエッチングするのは、同じハード磁性材料３を用いつつ、第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５とに異なる磁気特性を持たせるためである。
　（ｖ）半導体装置としては、この後、図１０Ｅに示すように、磁気抵抗効果素子６を、ストライプパターン２の中央部の情報記録部の磁化方向を漏れ磁場の検出によって読み出す構成を実現できるように配置することにより、読み書き可能な半導体装置を製造する。
　なお、前記半導体装置の情報記録部の製造方法で用いたアルゴンイオンミリング法は、最近広く用いられている大口径のウェハーへ適用可能な半導体製造装置の製造が、半導体製造装置に要求される性能の点で困難のあることが知られている。また、小口径のウェハーでも、エッチングするべきパターンのウェハー上での密度が高い（隣接するパターン間の距離が小さい）場合には、エッチング困難な場合がある。これは、アルゴンイオンミリング法の適用時に一般的に行われるウェハー法線方向に対して斜めに傾斜した方向からのイオンビーム入射時に、隣接パターンの影になる部分が生じてしまうとエッチングが進行しなくなるためである。
　このような制約がある場合、特許文献２に記載のように、大口径ウェハー用のドライエッチング装置をアルゴンイオンミリング装置の代わりに用い、同じ製造フローを適用することで、半導体装置を製造することも行われている。この特許文献２は、メタノールをプラズマ化し、ウェハーに基板バイアスを印加して磁性材料の薄膜に対して反応性イオンエッチングを行う技術について記載している。
　また、前記スピントルク効果を用いた情報の読み書きを行う、半導体装置の第２の例を、図１１に示す。この半導体装置は、特許文献１や特許文献３に磁気ランダムアクセスメモリとして記載されている。図１１において、この磁気ランダムアクセスメモリは、垂直磁気異方性をもつ強磁性層である磁気記録層２０と、ピン層３０と、磁気記録層２０とピン層３０との間に設けられた非磁性のトンネルバリア層３２とを具備する。磁気記録層２０は、反転可能な磁化領域を有し、トンネルバリア層３２を介してピン層３０に接合される磁化反転領域２３と、磁化反転領域２３に接続され、磁化の向きが固定された磁化固定領域２１ａ、２１ｂを有している。２４ａ，２４ｂは電流端子、３１は配線層である。
　上記の半導体装置の第１、第２の例のいずれの場合も、軟磁性材料で形成されるストライプパターン中の磁壁がスピントルク効果で移動する。そこで、ストライプパターンの中央部付近の磁化状態の向きを情報記録に用い、磁気抵抗効果素子でこの情報記録部の磁化方向を読み取る。
国際公開第２００９／０１９９４７号 特開２００５−４２１４３号公報 特開２００９−９９６２５号公報
２０１２年、ｐｐ．０７Ｃ９０３（Ｈ．　Ｈｏｎｊｏ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，　ｖｏｌ．１１１，　ｐｐ．　０７Ｃ９０３　（２０１２））
　しかしながら、上記の半導体装置には、以下の問題がある。
　まず、特許文献１、特許文献３に開示された半導体装置及びその製造方法の問題点は、製造に要する時間と半導体装置の性能のトレードオフがある点である。
　前記アルゴンイオンミリング法のように物理的なスパッタリング効果によるイオンエッチングでは、エッチングはあるしきい値エネルギー以上で生じ、イオンエネルギーの平方根に比例してエッチングレートが増大する。また、特許文献２に記載されるようなメタノールのプラズマによる反応性イオンエッチングを用いる場合でも、半導体装置に用いている磁性材料の多くは化学反応性に乏しく、化学反応によってエッチングレートが加速されることはない。むしろ、メタノールを構成する酸素によってエッチングされる材料の酸化が起こり、エッチングレートが低下する場合が多い。これはエッチングされる材料がハード磁性材料である上記第１の例の半導体装置、あるいはエッチングされる材料が磁気抵抗効果素子構成材料層である上記第２の例の半導体装置であっても同じである。そのため、上記第１、第２のいずれの例の半導体装置の場合も製造時間を短くして生産効率を高くするためには、エッチング時にイオンエネルギーを高くして、エッチングレートを高くする必要がある。
　しかしながら、高いイオンエネルギーを用いると、エッチングされる材料がハード磁性材料である上記第１の例、あるいはエッチングされる材料が磁気抵抗効果素子構成材料層である上記第２の例であっても、エッチング終了時に露出する下地の軟磁性材料１に、高いイオンエネルギーのイオンが照射される。高エネルギーのイオンは、そのエネルギーに応じて、例えば数ｎｍから１０ｎｍの深さにわたって軟磁性材料１に侵入し、軟磁性材料１を構成する原子と衝突して結晶構造を破壊するため、エッチングが終了するより前に、下地になる軟磁性材料１の磁気特性が劣化する。
　エッチング後に軟磁性材料１の磁気特性が維持されていることが、後述される本発明の２種類の半導体装置にとって重要であることは言うまでもない。本発明者らの試作検討では、よりイオンの照射エネルギーが小さいと考えられる上記第１の例の半導体装置であっても、エッチングが終了するよりも前に不用意にある程度のエネルギーのイオン照射を受けた軟磁性材料１を用いて半導体装置を構成すると、前記磁壁７がスピントルク効果によって移動する際に必要な電流が大きくなり、極端な場合には磁壁７が移動しないという結果が得られた。さらに、前記電流値の上昇は、電流により発生するジュール熱によって半導体装置の局所的な温度上昇を生じることによる半導体装置自体の破壊、半導体装置を用いる機器の消費電力の増大、駆動速度の低下による、半導体装置を用いた機器の性能低下など、半導体装置の性能と製品としての有効性を著しく低下させる。
　また、特に特許文献３に記載の第２の例の半導体装置においては、上層に形成された軟磁性材料のストライプパターンの直上に、磁気抵抗効果素子を形成する工程において同様のドライエッチング技術を適用することになるため、軟磁性材料で形成されるストライプパターンの上面に、高いイオンエネルギーのイオンが照射される点が回避しづらく、半導体装置の性能に重大な課題が発生する。
　そこで、本発明は、上記の問題を解決しようとするものである。
　本発明の具体的な目的は、半導体装置の製造に際し、プラズマやイオンビームの曝露に起因した磁性材料の変質による磁気特性の劣化を抑制できるようにしようとするものである。
　本発明の第１の態様による半導体装置は、平坦な基板面上に配置される第１の磁性層と、前記第１の磁性層の上方に配置され前記第１の磁性層に静磁結合あるいは交換結合により磁気的に結合される第２の磁性層と、を含み、少なくとも前記第１の磁性層の上面の一部に対応する領域に導電性薄膜層が形成されている。
　上記第１の態様による半導体装置の製造方法は、平坦な基板面上に、第１の磁性層、第２の磁性層の順に、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とを成膜する工程と、前記第２の磁性層の一部を、マスクパターンを用いてプラズマあるいはイオンビームを用いたドライエッチング法によりエッチングする工程と、前記エッチングにより除去された前記第２の磁性層の領域であって前記第１の磁性層の上面に対応する領域に導電性薄膜層を形成し熱処理する工程と、を含む。
　また、本発明の第２の態様による半導体装置は、平坦な基板面上に配置される第１の磁性層と、前記第１の磁性層の上方に配置され前記第１の磁性層に静磁結合あるいは交換結合により磁気的に結合される第２の磁性層と、を備える半導体装置であって、少なくとも前記第２の磁性層の上面の一部に導電性薄膜層が形成されている。
　上記第２の態様による半導体装置の製造方法は、平坦な基板面上に第１の磁性層を成膜する工程と、前記第１の磁性層上に、該第１の磁性層と平面形状の異なる第２の磁性層を成膜する工程と、前記第２の磁性層上に、磁気抵抗効果素子構成材料層を形成した後、プラズマあるいはイオンビームを用いたエッチングにより所定形状の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、前記第２の磁性層上であって、少なくとも前記エッチングにより除去された前記磁気抵抗効果素子構成材料層に対応する領域に導電性薄膜層を形成し、熱処理を行うことにより、前記プラズマあるいはイオンビーム照射による前記第２の磁性層の変質を回復する。
　本発明によれば、下層にある磁性層がエッチングプラズマやイオンビームに曝露した際の磁性材料の変質に伴う磁気特性の劣化を抑制し、スピントルク効果による磁壁移動が改善される。
　図１は、本発明に係る半導体装置の第１の実施形態を示す斜視図である。
　図２は、図１に示された半導体装置のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
　図３Ａは、図１に示された半導体装置のＢ−Ｂ断面を示す断面図である。
　図３Ｂは、図１に示された半導体装置のＣ−Ｃ断面を示す断面図である。
　図４Ａは、図１に示された半導体装置の製法の第１工程を説明するための図である。
　図４Ｂは、図４Ａの第１工程に続く第２工程を説明するための図である。
　図４Ｃは、図４Ｂの第２工程に続く第３工程を説明するための図である。
　図４Ｄは、図４Ｃの第３工程に続く第４工程を説明するための図である。
　図４Ｅは、図４Ｄの第４工程に続く第５工程を説明するための図である。
　図４Ｆは、図４Ｅの第５工程に続く第６工程を説明するための図である。
　図５は、本発明に係る半導体装置の第１の実施形態の製法で用いる、ドライエッチング条件について説明するための図である。
　図６は、本発明に係る半導体装置の第２の実施形態を示す斜視図である。
　図７は、図６に示された半導体装置のＡ−Ａ断面を示す断面図である。
　図８Ａは、図６に示された半導体装置の製法の第１工程を説明するための図である。
　図８Ｂは、図８Ａの第１工程に続く第２工程を説明するための図である。
　図８Ｃは、図８Ｂの第２工程に続く第３工程を説明するための図である。
　図８Ｄは、図８Ｃの第３工程に続く第４工程を説明するための図である。
　図８Ｅは、図８Ｄの第４工程に続く第５工程を説明するための図である。
　図８Ｆは、図８Ｅの第５工程に続く第６工程を説明するための図である。
　図８Ｇは、図８Ｆの第６工程に続く第７工程を説明するための図である。
　図９は、関連技術による半導体装置の第１の例を示す斜視図である。
　図１０Ａは、図９に示された半導体装置の製法の第１工程を説明するための図である。
　図１０Ｂは、図１０Ａの第１工程に続く第２工程を説明するための図である。
　図１０Ｃは、図１０Ｂの第２工程に続く第３工程を説明するための図である。
　図１０Ｄは、図１０Ｃの第３工程に続く第４工程を説明するための図である。
　図１０Ｅは、図１０Ｄの第４工程に続く第５工程を説明するための図である。
　図１１は、関連技術による半導体装置の第２の例を示す断面図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施形態］
　図１は、本発明の第１の実施形態による半導体装置の斜視図である。図２及び図３Ａ、図３Ｂはそれぞれ、図１のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線に沿った断面図である。図示しない基板上に、情報記録部を含むパターンとして、ストライプパターン２、第１のアイランドパターン４、及び第２のアイランドパターン５を投影した形状の軟磁性材料（第１の磁性層）１のパターンが形成されている。この軟磁性材料１のパターン上には、後述するハード磁性材料（第２の磁性層）３のエッチング時にエッチング終点の検出のために形成されたエッチング終点検出層８が存在する。そして、エッチング終点検出層８上に、第１のアイランドパターン４、及び第２のアイランドパターン５の形状にした、ハード磁性材料３が存在する。このような構成によれば、第１の磁性層と第２の磁性層は平面形状において異なり、第２の磁性層は、第１の磁性層の上方に配置され第１の磁性層に静磁結合あるいは交換結合により磁気的に結合されていると言える。なお、第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５とは、異なる磁気特性を持つように調整されている。さらに、第１のアイランドパターン４の表面と第２のアイランドパターン５の側面及び第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５の間の領域には導電性薄膜層１１が形成されている。導電性薄膜層１１の膜厚は、単原子層以上であることが望ましい。
　図３Ａから明らかなように、所定形状の磁気抵抗効果素子（あるいは磁気トンネル接合素子）６が、前述した半導体装置の第１の例と同様に、ストライプパターン２中央部の磁化方向を漏れ磁場の検出によって読み出し可能な構成を実現できるように配置されている。従って、この半導体装置も、前述した半導体装置の第１の例と同様に、情報記録部に記録されている情報が“１”か“０”かの読み出しが可能である。
　次に、図４Ａ~図４Ｆを参照して、第１の実施形態による半導体装置の製造方法を説明する。
　（ｉ）始めに、図４Ａに示すように、平坦な基板１００の全面上にＣｏ膜とＮｉ膜を交互に積み重ねた軟磁性材料１と、エッチング終点検出層８として作用するＰｄ膜９と、Ｃｏ膜とＰｔ膜を交互に積み重ねたハード磁性材料３と、Ｔａ膜による上部電極材料１０とを、スパッタリング法により順次成膜して、情報記録部を構成する積層構造を作成する。基板１００は、例えばＳｉ基板上に形成されたＣＭＯＳ基板から成るが、詳細な説明は省略する。また、図４Ａ以外の図においては、基板１００の図示を省略しており、第２の実施形態においても同様である。
　（ｉｉ）次に、図４Ｂに示すように、上部電極材料１０とハード磁性材料３を、適切なマスク材料（マスクパターン）を用いてエッチング加工することにより、所望の形状の第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５を形成する。第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５の平面形状は同じである必要は無い。エッチング加工には、例えば誘導結合プラズマ源を搭載したドライエッチング装置を用いてアンモニアと一酸化炭素の混合気体のプラズマを生成し、基板に低周波バイアスを印加する。この場合のエッチング条件を図５に示す。図５の例では、ガス流量：アンモニア／一酸化炭素＝７２／７５ｓｃｃｍ、ガス圧：１．３Ｐａ、放電電力：８００Ｗ、基板バイアス電力：３００Ｗ、基板温度：７５度としている。適切なマスク材料としては、例えば、シリコン窒化膜とシリコン酸化膜の積層構造のマスクパターンを用いることが可能である。そして、エッチングは、エッチング終点検出層８として作用するＰｄ膜９がプラズマの発光分光法で検出されたところで終点とする。なお、プラズマによるエッチングに代えてイオンビームによるエッチングが採用されても良い。
　（ｉｉｉ）次に、図４Ｃに示すように、エッチング検出層８及び第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５の全体に、導電性薄膜層１１を形成する。本発明者らの検討では、導電性薄膜層１１としてＴａ膜を３ｎｍ厚で形成すると、最終的な第１の実施形態の半導体装置の特性が、導電性薄膜層１１を形成しない場合よりも改善された。すなわち、上記（ｉｉ）では、エッチング終点検出層８を越えて入射したエッチングプラズマ中のイオン種によって、軟磁性材料１が変質している可能性がある。これに対し、本実施形態では、軟磁性材料１に変質箇所があったとしても、導電性薄膜１１を形成した後、アニール（熱処理）を行うことで変質箇所が改質される。
　（ｉｖ）続いて、図４Ｄに示すように、第２のアイランドパターン５における導電性薄膜層１１及び上部電極材料１０とハード磁性材料３の一部をエッチングして、第１のアイランドパターン４と異なるハード磁性材料の磁気特性を持つ第２のアイランドパターン５を実現する。
　（ｖ）続いて、第１のアイランドパターン４（図４Ｂ）と、形状調整後の第２のアイランドパターン５の上に、ストライプパターン２のマスクを形成して、導電性薄膜層１１から最下層にある軟磁性材料１の下面まで、アンモニアと一酸化炭素の混合ガスのプラズマでエッチングする。これにより、図４Ｅに示すように、ストライプパターン２、第１のアイランドパターン４、及び第２のアイランドパターン５を投影した領域以外の部分を除去する。エッチング条件は、図５に示した条件と同じである。ここで、エッチングは、軟磁性材料１中に含まれるＣｏ及びＮｉの発光が消失するまで続ければよい。
　（ｖｉ）半導体装置としては、この後、図４Ｆに示すように、磁気抵抗効果素子６を、ストライプパターン２中央部の情報記録部の磁化方向を漏れ磁場の検出によって読み出す構成が実現できるように配置し、必要に応じてアニールを実施して、読み書き可能な半導体装置として製造する。第１の実施形態では、磁気抵抗効果素子６の配置形態を、第１のアイランドパターン４の上方に形成した片持ち梁式の梁部６−１で実現している。
　第１の実施形態では、上記（ｉｉ）で説明したように、第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５を形成すべくエッチング加工する際に、エッチング終点検出層８として作用するＰｄ膜９がプラズマの発光分光法で検出された時点でエッチング終点とするプロセスを採用している。この状態では、エッチング終点検出層８を越えて入射したエッチングプラズマ中のイオン種によって、軟磁性材料１が変質している可能性がある。このような課題を、上記（ｉｉｉ）で説明した導電性薄膜層１１を形成し、アニールを行うことで解決している。
　第１の実施形態では、上記（ｉｉｉ）で説明したように、導電性薄膜層１１としてＴａ膜を用いた例を示した。導電性薄膜層１１は、Ｔａ以外にも、Ｈｆ，Ｗ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ａｌ，Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａからなる元素の少なくとも１種類の元素を含む合金あるいは導電性窒化物であれば同等の効果が得られる。
　第１の実施形態では、第１の磁性層（第１の実施形態では軟磁性材料１）と第２の磁性層（第１の実施形態ではハード磁性材料３）の間にエッチング終点検出層８を形成し、エッチング終点検出層８のプラズマ中での発光を検出した際にエッチング終点としている。エッチング終点検出層８の材料は、第１の実施形態で述べたＰｄ膜以外の材料に変更する場合、第２の磁性層に用いない材料、例えばＲｕ膜に変更してもよい。
　さらに、第１の実施形態では、第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５の磁気特性に差を持たせるために、第２のアイランドパターン５の上部側をエッチングするという手法を採用しているが、他の手法で代用しても良い。例えば、最初からハード磁性材料３として異なる特性のものを各々のアイランド領域に形成する手法、あるいは第２のアイランドパターン５部分にのみイオン注入、イオン照射、又は酸化等を行って、第２のアイランドパターン５部分の材料を改質する手法等も適用可能である。
　また、第１の実施形態における上記（ｉｉｉ）でのアニールは、軟磁性材料１に用いる材料によって最適な温度、時間が異なることは当然である。具体的には、２００度以上のアニール温度であれば、導電性薄膜層１１により軟磁性材料１の特性の劣化は回復される。一方で４００度を越えるアニール温度での処理は、配線等の半導体装置としての基本的な機能を喪失する可能性があるため、適切ではない。従って、第１の実施形態におけるアニールは、２００度から４００度の範囲で適宜調整されうる。
［第２の実施形態］
　図６は、本発明の第２の実施形態による半導体装置の斜視図である。図７は、図６のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図６、図７において、図示しない基板上には、情報記録部を含むパターンとして、ハード磁性材料（第１の磁性層）３の第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５、及び軟磁性材料（第２の磁性層）１のストライプパターン２が形成されている。第２の実施形態では、第１の実施形態とは逆に、ハード磁性材料３が第１の磁性層で、軟磁性材料１が第２の磁性層である点が注目されるべきである。そして、第２の磁性層が、第１の磁性層の上方に配置されて第１の磁性層に静磁結合あるいは交換結合により磁気的に結合している。なお、ハード磁性材料３の第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５とは、異なる磁気特性を持つように調整されている。
　ストライプパターン２上に、所定形状の磁気抵抗効果素子６がストライプパターン２中央部の磁化方向を読み出すことができるように配置され、磁気抵抗効果素子６により、情報記録部に記録されている情報が“１”か“０”かの読み出しが可能である。さらに、磁気抵抗効果素子６の両側には絶縁物スペーサー１３が形成され、軟磁性材料１及び磁気抵抗効果素子６の上には導電性薄膜層１１が形成されている。第２の実施形態でも、導電性薄膜層１１の膜厚は、単原子層以上であることが望ましい。
　第２の実施形態に係る半導体装置においては、後述される磁気抵抗効果素子６のエッチングの際（図８Ｃ）に、下地の軟磁性材料１のストライプパターン２の出現時をエッチング終点とすることになる。従って、第１の実施形態と同様、電性薄膜層１１を形成した後アニールを行うことで軟磁性材料１のストライプパターン２の特性を改善することが必須となる。
　次に、図８Ａ~図８Ｇを参照して、第２の実施形態による半導体装置の製造方法を説明する。
　（ｉ）始めに、図示しない基板上にＣｏ膜とＰｔ膜を交互に積み重ねて形成したハード磁性材料３による層を、適切なマスク材料（マスクパターン）を用いて図８Ａに示すように、第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５の形状にエッチング加工する。この際、ハード磁性材料の特性が、第１のアイランドパターン４と第２のアイランドパターン５で異なるように製作する。この後に第１、第２のアイランドパターン４、５を層間絶縁膜で埋め込み、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）等で平坦化処理を行い、第１、第２のアイランドパターン４、５の上面を露出させる。なお、図８Ａ~図８Ｇにおいては、層間絶縁膜の図示を省略しているが、図８Ａで言えば第１、第２のアイランドパターン４、５の下側に基板が存在し、この基板上であって第１、第２のアイランドパターン４、５の周囲には第１、第２のアイランドパターン４、５の上面と同じ高さ位置まで層間絶縁膜が形成されていることは容易に理解できる。
　（ｉｉ）次に、図８Ｂに示すように、平坦化処理された第１、第２のアイランドパターン４、５の上面側にＣｏ膜とＮｉ膜を交互に積み重ねた軟磁性材料１と、磁気抵抗効果素子構成材料層１２をスパッタリング法により基板全域に順次成膜して、情報記録部の材料の積層構造を作成する。
　（ｉｉｉ）続いて、適切なマスクパターンを用い、第１の実施形態で説明したのと同様のプラズマ又はイオンビームにより、図８Ｃに示すように、磁気抵抗効果素子構成材料層１２をエッチング加工し、所定形状の磁気抵抗効果素子６を軟磁性材料１上に形成する。
　第２の実施形態では第１の実施形態におけるようなエッチング終点検出層が無いために、磁気抵抗効果素子６の形成に際しては下地の軟磁性材料１のストライプパターン２の出現時をエッチング終点とする。この場合、第１の実施形態において説明したように、エッチングの終了前に入射したエッチングプラズマ中のイオン種によって、軟磁性材料１が変質している可能性がある。これに対し、第２の実施形態においても、軟磁性材料１に変質箇所があったとしても、後述するように、導電性薄膜を形成した後に、アニールを行うことで変質箇所が改質される。
　（ｉｖ）続いて、図８Ｄに示すように、絶縁物スペーサー１３になる材料を磁気抵抗効果素子６及び軟磁性材料１の上面全面に成膜する。ここでは、絶縁物スペーサー１３を形成するための膜として窒化シリコン膜１３‘を成膜した。
　（ｖ）続いて、図８Ｅに示すように、磁気抵抗効果素子６の周囲に絶縁物スペーサー１３を残して、それ以外の領域の前記窒化シリコン膜１３‘を適切なマスクパターンを用いてエッチングで除去する。エッチング条件は、四フッ化炭素ガスのプラズマで良い。該プラズマによるエッチングでは軟磁性材料１のエッチングレートが低いため、反応生成物であるＣＮ分子あるいはＳｉＦ分子の発光の低下をエッチング終点とすることが可能である。
　（ｖｉ）次に、図８Ｆに示すように、磁気抵抗効果素子６及び軟磁性材料１の上面全面に導電性薄膜層１１を成膜する。
　（ｖｉｉ）半導体装置としては、この後、図８Ｇに示すように、適切なマスクパターンを用いてストライプパターン２、第１のアイランドパターン４、及び第２のアイランドパターン５の領域以外を削除するエッチング加工を行い、磁気抵抗効果素子６によりストライプパターン２中央部の情報記録部の磁化方向を読み出す構成にする。そして、３００度のアニールを行い、読み書き可能な半導体装置として製造する。ここで、図８Ｃのエッチング工程において、仮に軟磁性材料１の表面に変質箇所が発生していたとしても、ここでのアニールにより変質箇所が改質される。
　前述したように、図８Ｇでも第１、第２のアイランドパターン４、５の周囲にある層間絶縁膜及び第１、第２のアイランドパターン４、５の下側にある基板は図示が省略されている。第２の実施形態におけるアニールも、２００度から４００度の範囲で適宜調整される。
　以上説明してきたように、上記実施形態によれば、少なくとも二種類の異なる機能の磁性材料、すなわち軟磁性材料、ハード磁性材料を、異なる平面形状で上下に積層した構造を有する半導体装置において、磁性材料の上面であってエッチングプラズマやイオンビームに曝露される部分に導電性薄膜層を形成しアニール処理を施すことで、該エッチングプラズマやイオンビームに曝露された磁性材料の変質を回復し、半導体装置の特性、性能の向上、バラツキの減少と、製造分留まりの向上を実現した半導体装置を提供することができる。
　本発明の活用例として、磁気ランダムアクセスメモリー（ＭＲＡＭ）や磁気トンネル接合素子を用いるスピン論理回路素子に使用される半導体装置、さらにストライプ状の磁性薄膜を情報の外部記録媒体として用いるレーストラックメモリーが挙げられる。
　この出願は、２０１３年４月１０日に出願された日本出願特願第２０１３−８１８４９号を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込むものである。
　１　　軟磁性材料
　２　　ストライプパターン
　３　　ハード磁性材料
　４　　第１のアイランドパターン
　５　　第２のアイランドパターン
　６　　磁気抵抗効果素子（磁気トンネル接合素子）
　７　　磁壁
　８　　エッチング終点検出層
　９　　Ｐｄ膜
　１０　　上部電極材料
　１１　　導電性薄膜層
　１２　　磁気トンネル接合素子構成材料層
　１３　　絶縁物スペーサー

Claims (18)

  1. 　磁気的に結合した二つ以上の異なる磁性材料層が積層されている半導体装置の製造方法において、
    　前記異なる磁性材料層のうちの上層の磁性材料層を、プラズマあるいはイオンビームを用いたエッチングにより、下層の磁性材料層と平面形状が異なるように加工した後に、少なくとも前記エッチングにより除去された前記上層の磁性材料層の領域であって前記下層の磁性材料層の上面に対応する領域に導電性薄膜層を形成し、熱処理を行うことにより、前記プラズマあるいはイオンビーム照射による前記下層の磁性材料層の変質を回復することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  2. 　前記導電性薄膜層を形成した後に、２００度から４００度の前記熱処理を加えることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 　平坦な基板面上に配置される第１の磁性層と、前記第１の磁性層の上方に配置され前記第１の磁性層に静磁結合あるいは交換結合により磁気的に結合される第２の磁性層と、を備える半導体装置であって、
    　少なくとも前記第１の磁性層の上面の一部に対応する領域に導電性薄膜層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  4. 　前記導電性薄膜層は、Ｔａ、Ｈｆ，Ｗ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ａｌ、Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａからなる元素の少なくとも１種類の元素を含む合金あるいは導電性窒化物であること特徴とする請求項３に記載の半導体装置。
  5. 　前記導電性薄膜層の膜厚は、単原子層以上であることを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体装置。
  6. 　前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とは、互いに異なる平面形状を有していることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  7. 　前記第２の磁性層は、第１のアイランドパターンと第２のアイランドパターンとを有することを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  8. 　前記第１の磁性層は、積層したＣｏ膜とＮｉ膜とを含み、
    　前記第２の磁性層は、積層したＣｏ膜とＰｔ膜とを含むことを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか１項に記載の半導体装置。
  9. 　少なくとも前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とから構成される情報記録部から、情報を読み出す磁気トンネル接合素子をさらに備えることを特徴とする請求項３乃至請求項８のいずれか１項に記載の半導体装置。
  10. 　平坦な基板面上に第１の磁性層を成膜する工程と、
    　前記第１の磁性層上に、該第１の磁性層と平面形状の異なる第２の磁性層を成膜する工程と、
    　前記第２の磁性層上に、磁気抵抗効果素子構成材料層を形成した後、プラズマあるいはイオンビームを用いたエッチングにより所定形状の磁気抵抗効果素子を形成する工程と、
    　前記第２の磁性層上であって、少なくとも前記エッチングにより除去された前記磁気抵抗効果素子構成材料層に対応する領域に導電性薄膜層を形成し、熱処理を行うことにより、前記プラズマあるいはイオンビーム照射による前記第２の磁性層の変質を回復することを特徴とする半導体装置の製造方法。
  11. 　前記導電性薄膜層を形成した後に、２００度から４００度の前記熱処理を加えることを特徴とする請求項１０に記載の半導体装置の製造方法。
  12. 　平坦な基板面上に配置される第１の磁性層と、前記第１の磁性層の上方に配置され前記第１の磁性層に静磁結合あるいは交換結合により磁気的に結合される第２の磁性層と、を備える半導体装置であって、
    　少なくとも前記第２の磁性層の上面の一部に導電性薄膜層が形成されていることを特徴とする半導体装置。
  13. 　前記導電性薄膜層は、Ｔａ、Ｈｆ，Ｗ，Ｚｒ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｃｒ，Ｖ，Ａｌ、Ｎａ，Ｍｇ，Ｃａからなる元素の少なくとも１種類の元素を含む合金あるいは導電性窒化物であること特徴とする請求項１２に記載の半導体装置。
  14. 　前記導電性薄膜層の膜厚は、単原子層以上であることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の半導体装置。
  15. 　前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とは、互いに異なる平面形状を有していることを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載の半導体装置。
  16. 　前記第１の磁性層は、第１のアイランドパターンと第２のアイランドパターンとを有することを特徴とする請求項１２乃至請求項１５のいずれか１項に記載の半導体装置。
  17. 　前記第１の磁性層は、積層したＣｏ膜とＰｔ膜とを含み、
    　前記第２の磁性層は、積層したＣｏ膜とＮｉ膜とを含むことを特徴とする請求項１２乃至請求項１６のいずれか１項に記載の半導体装置。
  18. 　少なくとも前記第１の磁性層と前記第２の磁性層とから構成される情報記録部から、情報を読み出す磁気トンネル接合素子をさらに備えることを特徴とする請求項１２乃至請求項１７のいずれか１項に記載の半導体装置。
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