(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メモリデバイス基体と、
前記メモリデバイス基体上に配置された複数のメモリセルであって、各メモリセルは、他の各メモリセルと共通の積層体に配置された複数の磁性層及び導電層を含む積層体を備える、メモリセルと、
前記メモリセルとその周囲の各メモリセルとの間に配置された注入マトリクスであって、前記注入マトリクスは、注入種と混合された各メモリセルの前記積層体の構成素材を含み、前記注入マトリクスは、非導電材料及び非磁性材料を含む、注入マトリクスと、を備え、
各メモリセルは電気的及び磁気的に互いに他のメモリセルから孤立されており、
前記注入マトリクスの外表面は、凹形状を有する、磁気メモリ。
【請求項２】
前記注入マトリクスは、酸素及びリンを含む、請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記複数のメモリセルは、貴金属を含む少なくとも１つの層を備え、前記注入マトリクスは、前記メモリセルの単位面積あたりの濃度より低い濃度の貴金属を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
注入マトリクスの単位体積当たりの貴金属の濃度は、各メモリセルの積層体の貴金属濃度の約１０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
基板のベース部上に複数の磁性層及び複数の導電層を備える積層体を提供するステップと、
第１の保護領域上の積層体の外表面上に第１のマスクフィーチャを、第２の保護領域上の積層体の外表面上に第２のマスクフィーチャを形成するステップであって、前記第１のマスクフィーチャ及び前記第２のマスクフィーチャは、それらの間にある前記積層体の部分に前記積層体の露出領域を画定するステップと、
前記第１の保護領域を前記第２の保護領域から磁気的に孤立させるのに有効なイオン照射で前記積層体の前記露出領域の方へイオンを向けるステップと、を含み、
前記イオン照射は前記積層体の前記露出領域の外表面に凹形状を生成する、磁気メモリの形成方法。
【請求項６】
前記第１の保護領域を前記第２の保護領域から電気的に孤立させるために、第２のイオン照射で、前記露出領域にイオンを向けるステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記積層体は貴金属を含み、前記第２のイオン照射は、前記積層体から貴金属種を選択的に除去するのに有効である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のマスクフィーチャ又は前記第２のマスクフィーチャの少なくとも１つの形成後に前記積層体上にキャッピング層を形成するステップをさらに含む、請求項５〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
基板のベース部上に複数の磁性層及び複数の導電層を備える積層体を提供するステップと、
第１の保護領域上の積層体の外表面上に第１のマスクフィーチャを、第２の保護領域上の積層体の外表面上に第２のマスクフィーチャを形成するステップであって、前記第１のマスクフィーチャ及び前記第２のマスクフィーチャは、それらの間にある前記積層体の部分に前記積層体の露出領域を画定するステップと、
前記第１の保護領域を前記第２の保護領域から磁気的に孤立させるのに有効な第１のイオン照射で前記積層体の前記露出領域の方へと第１のイオンを向けるステップであって、前記第１のイオン照射はさらにゲッタリング種を含む、ステップと、
前記第１の保護領域を前記第２の保護領域から電気的に孤立させる第２のイオン照射で前記積層体の前記露出領域の方へと第２のイオンを向けるステップであって、前記第１のイオンは、前記第２のイオン照射中に前記積層体内で前記第２のイオンの拡散を低減させるのに有効であるステップとを含む、磁気メモリの形成方法。
【請求項１０】
前記第１のイオンはリン及び／又はヒ素であり、前記第２のイオンは酸素である、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、2012年4月27日出願の米国仮特許出願第 61/639,184号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明の実施形態は、不揮発性記憶装置の分野に関する。特に、本実施形態は、磁気メモリ及びそれに関連する製造技術に関する。
【背景技術】
【０００３】
不揮発性メモリデバイスを含む、従来の記憶媒体の製造は、記憶密度を増やしたり、個々のメモリ記憶セルの大きさを小さくしたりするといった多くの課題に直面している。磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスには、いくつかの魅力的な特徴がある。従来のランダムアクセスメモリチップ技術とは異なり、ＭＲＡＭデバイスのデータは、電荷又は電流の流れとしてではなく、磁気記憶素子によって記憶される。さらに、ダイナミックランダムアクセスメモリとは異なり、ＭＲＡＭデバイスは全て不揮発性であり、セルの記憶状態を維持するためにリフレッシュする必要がない。
【０００４】
MRAMデバイスは、それぞれが磁場を保持でき、薄い絶縁層で分離される２つの強磁性プレートから形成される記憶素子を含むことができる。２つのプレートのうちの一方は、特定の極性に設定された永久磁石とすることができ、他方のプレートは、メモリに記憶させるために外部の磁界に合わせて変化する磁場を有することができる。この構成は「スピンバルブ」として知られており、ＭＲＡMビットセルの最も簡易な構造である。メモリデバイスは、このような「セル」の格子、例えば２次元アレイで構成することができる。
【０００５】
最近の変形ＭＲＡＭは、従来の磁気ランダムアクセスメモリより電力消費が低く、スケーラビリティが優れているという利点があり、能動素子をフリップさせるのに磁場を活用するスピン転送トルク（spin-transfer torque）ランダムアクセスメモリ、すなわちＳＴＴ−ＲＡＭである。スピン転送トルクは、磁気トンネル接合又はスピンバルブにおける磁性層の方位をスピン偏極電流を用いて変更することができるところにある。その効果は、通常、ナノメートルスケールのデバイスで最も明らかである。したがって、不揮発性メモリのデバイスのサイズはサブ１００ナノメートルの寸法に縮小するので、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ技術を使用することがより魅力的となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＳＴＴ−ＭＲＡMのようなＭＲＡＭデバイスのパターニングは、絶縁層によって分離された少なくとも２つの磁性層を含む層のスタックの頂部に形成したパターン化マスクを画定することにより行うことができる。典型的には、パターン化マスクは、マスクフィーチャの間にある基板の領域を露出させる孤立したマスクフィーチャを含み、露出した領域は、その後に、メモリデバイスを構成する層のスタックとは別にエッチング除去される。エッチング後には、個々のメモリビットを構成する孤立したアイランド又はピラーが残る。しかし、そのようなメモリデバイスを画定するのに、直接エッチングが採用されてきたが、層のスタックに用いられる典型的な材料はエッチングするのが難しい。さらに、エッチングをした後、メモリビット間の空き領域には誘電体が充填される。メモリビットの性能は、アイランドの側壁の状態に極めて影響されるため、誘電体を充填するプロセスが実行される前にアイランドの側壁をきれいにし、不動態化するのに細心の注意を払わなければならない。これら及び他の検討からして本改善が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態は、ＭＲＡＭデバイスの性能向上ための方法及び構造に向けられる。本発明の一実施形態において、磁気メモリを形成する方法は、基板のベース部の上に複数の磁性層及び複数の導電層を備える積層体を提供するステップと、第１の保護領域上の積層体の外表面上に第１のマスクフィーチャを、第２の保護領域上の積層体の外表面上に第２のマスクフィーチャを形成するステップであって、第１のマスクフィーチャ及び第２のマスクフィーチャは、それらの間の積層体の部分に積層体の露出領域を画定するステップと、積層体の露出領域を除去せずに、第１の保護領域を第２の保護領域から磁気的に孤立させ、かつ、第１の保護領域を第２の保護領域から電気的に孤立させるのに有効なイオン照射で、イオンを積層体の露出領域の方へと向けるステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１Ａ及び１Ｂは、イオン注入を用いて処理するＭＲＡＭデバイスに関わる模範的な動作を例示している基板の側断面図であり、図１Ｃ及び１Ｄは、図１Ａ及び１Ｂにそれぞれ相当するデバイスの上面図である。
【図２】イオン注入が、磁性材料の磁気特性に及ぼす効果を示すグラフである。
【図３】図３Ａは、酸素イオン注入が第１の積層体の特性に関わる組成に及ぼす効果を示すグラフであり、図３Ｂは、酸素イオン注入が第２の積層体の特性に関わる組成に及ぼす効果を示すグラフである。
【図４】図４Ａ〜４Ｃは、イオン注入を用いて処理するＭＲＡＭデバイスに関わる模範的な処理を例示している基板の側断面図である。
【図５】図５Ａ〜５Ｄは、イオン注入を用いて処理するＭＲＡＭデバイスに関わる模範的な処理を例示している基板の側断面図である。
【図６】図６Ａ〜６Ｄは、イオン注入を用いて処理するＭＲＡＭデバイスに関わる模範的な処理を例示している基板の側断面図である。
【図７】図７Ａ及び７Ｂは、イオン注入を用いて処理するＭＲＡＭデバイスに関わる模範的な処理を例示している基板の側断面図である。
【図８】イオン注入を用いて処理するＭＲＡＭデバイスの模範的な結果を例示している基板と注入種の分布とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示は、いくつかの実施形態が示される添付の図面を参照して、以降で十分に説明される。しかし、本開示の主題は多くの異なる形態で具体化することができ、本明細書で明らかにされる実施形態に限定されるような解釈をするべきではない。それどころか、これらの実施形態は、本開示が十分で完全であり、当業者への本開示の課題の範囲を十分に伝えるように提供される。図面において、全体を通して同様の番号は同様な構成要素を指す。
【００１０】
前述した方法に関連する欠点を解決するために、基板をパターニングするための新規の技術が紹介される。特に、本開示は、ＭＲＡＭ、特にＳＴＴ−ＲＡＭのような磁気記憶構造をパターニングするためにイオン注入プロセスを伴う技術に焦点を当てる。本明細書に開示される方法は、各ＭＲＡＭセルが層の特定のスタックを含む、多数のＭＲＡＭセルをＭＲＡMアレイ内に画定するのにイオン注入プロセスを単独で、又はマスキングプロセスと併用して採用することができる。しかし、当業者は、本明細書に開示される技術が、ＭＲＡＭセルを画定する層の特定のスタックをエッチングする特定のプロセスと併用して用いることに限定されないことを認識するだろう。
【００１１】
また、本実施形態は、イオンベースの基板処理システムを用いる技術としても記載される。しかし、当業者は、プラズマ処理を含む他のタイプの亜原子、原子、または分子粒子ベースの基板処理システムのほかに、そのような粒子を生成するのに用いられるビームラインイオン注入システムも、本開示の範囲内であることを認識するであろう。
【００１２】
様々な実施形態において、磁気記憶セルをパターニングするプロセスは、ベース部と及びＭＲＡＭ記憶素子又はＭＲＡＭセルを構成する層のスタックとを含む基板のブランケット注入を伴う。多くの実施形態において、ＭＲＡＭセルは、従来のＳＴＴ−ＲＡＭデバイスを含む、従来のＭＲＡＭデバイスの層のスタックと同一又は類似の層のスタック（本明細書では「積層体」ともいう）から製造することができる。イオンが注入される基板は、その基板上に配置された積層体の外部に配置され、基板に注入されるイオンを遮蔽するマスクとして作用するようなマスクフィーチャを含むことができる。このように、ブランケット注入プロセスの間、パターン化フィーチャの下に配置された積層体の部分は、注入イオンから部分的に又は全体的に保護されたままとなり、一方、マスクフィーチャによって保護されない積層体の部分にはイオンが注入される。多くの実施形態に一貫して、注入イオンの線量及びエネルギーは、ＭＲＡＭセル構造を形成するプロセスを最適化するために用いることができ、それにより、個々のＭＲＡＭセル及び／又はＭＲＡＭセルの特性を最適化することができる。
【００１３】
以下に詳述するように、本実施形態は、ＭＲＡＭデバイスのようなデバイスを形成するのに複雑な積層体をパターニングするための課題に対処する。特に、本実施形態は、不揮発メモリの形成に新規のアプローチをするイオン注入操作を提供する。いくつかの実施形態では、例示目的のために、不揮発性メモリを形成するために用いられる層の組み合わせは、特定のＭＲＡＭデバイス構成のために示されている。しかし、本実施形態は、ＭＲＡＭセルを形成するために用いられる層の、いずれの特定の組み合わせにも限定されない。多くの実施形態において、ＭＲＡＭセルを形成するための積層体は、既知の技術に従って基板ベースの上に形成することができる。「基板ベース」、「ベース部」、又は「基層」という用語は、本明細書において、ＭＲＡＭセルを形成するための積層体が上に形成される任意組みの層及び／又は構造を含む任意の基板のことをいう。当業者に明らかなように、基板の基層、又は、基板ベース（ベース部）は平面である必要はなく、その表面上に多数の異なる構造を含むことができる。しかし、以降の図において、ＭＲＡＭデバイスの積層体が上に形成される基板ベースの部分は平面として示されている。
【００１４】
様々な実施形態において、イオン注入は、ＭＲＡＭセル間に配置されている積層体材料を除去する必要なく、ＭＲＡMセルのアレイを画定するために行われる。これは、ＭＲＡＭセルの間にある基板の露出領域にイオン処理を提供することによって成し遂げられ、イオン処理はＭＲＡＭセルを電気的にも磁気的にも互いに孤立させるのに有効である。以下の記載で、「イオン照射」という用語は、１回以上のイオン照射を示すために用いることができるが、「イオン処理」及び「イオン照射」という用語は、一般に互換的に用いられる。「電気的に孤立させる」という用語は、本明細書において、異なるＭＲＡＭセル間の導電経路をなくすことをいう。「磁気的に孤立させる」という用語は、各ＭＲＡＭセルが非磁性材料又はＭＲＡＭセルにおける磁力に比べて実質的に低減した磁力の材料によって囲まれている磁性材料のアイランドを構成するように、ＭＲＡＭセルのようなフィーチャの間の磁性材料を非磁性にすることをいう。
【００１５】
本実施形態において、イオン処理は、露出領域を除去せずに、ＭＲＡＭセルを磁気的及び電気的に互いに孤立させるのに有効である。特に、イオン処理は露出領域を変化させ、それにより露出した積層体を形成している素材の混合物を含むことができる変性領域を生成する。この混合物は、注入種と積層体材料の反応で形成された化合物又は合金や、孤立した注入種のほかに、変性した積層の材料を含むことができる。いくつかの例では、積層体の異なる層からの材料が混合され、積層体の１つ以上の層内の材料がアイランドに凝集する。いくつかの実施形態において、非反応性金属種のような材料は積層体の１つ以上の層から選択的に除去することができ、ＭＲＡＭセルの電気的な孤立を助けることができる。
【００１６】
図１Ａ〜図１Ｄは、イオン注入を用いて処理するＭＲＡＭデバイスの一実施形態を示している。特に、図１Ａ及び図１Ｃは、ＭＲＡＭデバイスを形成するのに用いられる基板１００の側断面図および上面図をそれぞれ例示している。例示されているように、基板１００は、電気的に絶縁性であるベース部分、すなわち基板ベース１０２を含み、この上に複数の層を含む積層体１００が配置されている。以降で詳述されるように、ＭＲＡＭデバイスを画定するために、一組のマスクフィーチャ１０６が基板１００上に設けられている。様々な実施形態において、積層体１０４は、電気的な絶縁層によって分離される第１の磁性層及び第２の磁性層を含む。また、積層体１０４は、各磁性層に接触させるのに用いられる導電層も含む。第１の磁性層及び第２の磁性層も導電性であるのは勿論である。図１Ａに示される特定の実施形態において、積層体１０４は、磁性材料から成る固定層１１０と、いくつかの実施形態ではＭｇＯとすることができる、電気絶縁層１１２と、磁性材料から成る参照層１１４と、及びそれぞれ導電層である接点層１０８，１１６とを含む。積層体１０４内の他の層は特に示していないが、当業者にとって明らかなように、追加の磁性層及び接点層を含む様々な追加の層を含むことができる。
【００１７】
図１Ａの実施形態において、マスクフィーチャ１０６は、積層体１０４の外表面１３０上に形成され、積層体１０４を部分的にマスクする。マスクフィーチャ１０６は、任意の簡便なプロセスを用いて形成することができ、いくつかの実施形態では、堅いマスク材料とすることができる。様々な実施形態において、マスクフィーチャ１０６は、任意の所望の形状を有することができ、任意の所望のパターンに配置することができる。図１Ｃに例示される特定の実施形態において、マスクフィーチャ１０６は、平面図で円形状を有し、２次元アレイに配置されている。図１Ａ〜１Ｄの例示では、マスクフィーチャ１０６は第１のマスクフィーチャ、第２のマスクフィーチャ、及び第３のマスクフィーチャとして示されている。しかし、図１Ａ〜１Ｄは、基板１００の一部のみを示しているにすぎず、基板１００は１０６〜１０１２個、あるいは、それ以上の多数のマスクフィーチャ１０６を備えることができ、各マスクフィーチャ１０６は、以下に詳述されるようにＭＲＡＭデバイスのＭＲＡＭセルを画定するために用いられることは、容易にわかるだろう。
【００１８】
積層体１０４の上にマスクフィーチャ１０６を形成した後、マスクフィーチャ１０６は、マスクフィーチャ１０６の下に配置される積層体１０４の部分にＭＲＡＭセルを画定するのに用いられる。図１Ａに示すように、マスクフィーチャ１０６は、各マスクフィーチャの下の積層体１０４内にある、幅Ｄ１の保護領域１１８（３つが例示されている）を画定する。基板１００が、イオン照射のような処理を受けると、マスクフィーチャ１０６は、イオンを弱め、イオンが保護領域１１８を侵すのを防ぐことができる。その一方で、積層体１０４のうち、マスクフィーチャ１０６間にある幅Ｄ２の露出領域１２０は、イオンが基板１００に向けられると、イオン注入、エッチング及び他の処理を受けることができる。
【００１９】
図１Ｂ及び図１Ｄに例示されるように、マスクフィーチャ１０６が適切な位置にあるときに、イオン１２２は基板１００の方へと向けられる。イオン１２２は、非マスク領域を含む基板１００のほかにマスクフィーチャ１０６内にも注入される。個々の層、マスクフィーチャ、又は他の機構のうちのいずれの寸法も、Ｘ方向又はＺ方向のいずれの方向にも、必ずしも一定の縮尺で描かれていないことに留意すべきである。例えば、マスクフィーチャ１０６の（Ｚ方向の）厚さは、積層体１０４の全体の厚さに比べて厚くするのがよい。したがって、イオン１２２のイオンエネルギーを調整して、マスクフィーチャ１０６内に注入するイオン１２２を、下にある積層体１０４の部分に侵入させないでマスクフィーチャ１０６内で減衰させることができる。同時に、マスクフィーチャ１０６がない露出領域１２０における積層体１０４を直接打つイオン１２２は、積層体１０４の全体の厚さを含む任意所望の厚さの積層体１０４を貫通することができる。イオンは、従来のビームラインイオン注入システム、従来のプラズマ堆積（ＰＬＡＤ）装置、又は基板にイオンを送達するための任意のシステムによって提供することができる。
【００２０】
ビームラインイオン注入システムでイオン１２２を発生させる実施形態を含む様々な実施形態において、イオン１２２は、ほぼ平行なイオンビームとして向けるのがよい。特定の実施形態では、イオン１２２は、Ｚ方向に平行に、すなわち、Ｘ方向に沿って置かれている基板１００の平面Ｐに対して垂直の方向で基板１００に衝突する。このように、基板１００に衝突するイオン１２２によって、１つ以上の注入領域１２４を画定することができる。いくつかの実施形態において、注入領域１２４は、Ｘ及びＹ方向に、露出領域１２０と同様の、又はほぼ同一の寸法を有することができる。しかし、いくつかの実施形態において、注入領域１２４の寸法は、図８につき後に説明されるように、Ｘ及びＹ方向に、露出領域１２０より多少大きくすることができる。他の実施形態では、注入領域１２４の寸法は、露出領域１２０よりも、多少小さくすることができる。さらに、図１ＢのＸ−Ｚ平面（Ｙ−Ｚ平面も同様）に示す注入領域１２４の断面形状は実施形態によって変えることができる。したがって、図１Ｂに示すように、注入領域１２４の下位部は湾曲しているも、他の実施形態では、その形状は、例えば図４に示すように、より長方形にすることができる。
【００２１】
前述したように、イオンエネルギー及びイオン線量を適切に選定することによって、保護領域１１８がイオン注入を受けないように、マスクフィーチャ１０６によってイオン１２２を減衰させることができる。保護領域１１８を取り囲む少なくとも露出領域１２０の部分は、注入領域１２４に変換されるため、所定の保護領域１１８は、注入領域１２４によって他の保護領域から孤立される。様々な実施形態において、イオン１２２のイオン種、イオンエネルギー及びイオン１２２のイオン線量は、イオン種と、イオンエネルギーと、イオン線量との組み合わせが、イオン１２２の照射後に注入領域１２４を磁気的に「不活性」（“dead”）にするよう選定される。これは、保護領域１１８を隣接する保護領域１１８から磁気的に孤立させて、保護領域１１８のサイズと同様のサイズのＭＲＡＭセル１２６を画定するのに役立つ。図１Ｂの例では、ＭＲＡＭセル１２６の幅は、マスクフィーチャ１０６に向かう上部で約Ｄ１であるが、基板ベース１０２との界面に向かって大きくなる。しかし、他の実施形態では、ＭＲＡＭセルのＺ方向の幅はほぼ均一である。本明細書で用いられる用語「磁気的に孤立」とは、保護領域１１８のような所定の磁気領域を包囲している最初は磁性の領域を非磁性領域（磁気的不活性領域）に変換することをいう。図１Ａに例示されるように、保護領域１１８における磁性領域は、多数の層を含み、そのうちのいくつかの層だけが磁性層である。そのため、磁性及び非磁性層の適切なスタックを有する、磁気的に孤立された領域は、注入領域１２４のような非磁性領域によって他のＭＲＡＭセルから孤立されるＭＲＡＭセルを形成することができる。したがって、注入領域１２４を磁気的に不活性にするおかげで、ＭＲＡＭセル１２６のサイズ及び形状はイオン注入プロセスで画定される。
【００２２】
いくつかの実施形態において、イオン１２２の条件は、イオン種、インエネルギー及びイオン線量の組み合わせによって、注入領域１２４の全ての部分の層を電気的に絶縁性とし、それにより隣接するＭＲＡＭセル間の電気的な短絡も防ぐことができるように、イオン１２２の状態を選定することができる。このように、イオン１２２は、所定の保護領域１１８を他の保護領域１１８から磁気的にも電気的にも孤立させることができる。したがって、イオン１２２の注入後は、各ＭＲＡＭセル１２６は他の各ＭＲＡＭセルから電気的に孤立されているため、隣接するＭＲＡMセル１２６間の積層体１０４はエッチングする必要がない。注入領域１２４を除去しない、図１Ａに示されるような実施形態に関しては、露出領域を磁気的に不活性化するのに必要なイオン線量／イオンエネルギー／イオン種の組み合わせは、露出領域を電気的に絶縁性にするために必要な組み合わせとは異なることに留意すべきである。したがって、このようなケースに用いるべきイオン線量／イオンエネルギー／イオン種の組み合わせは、両方の機能を果たす組み合わせに基づいて選定するのがよい。
【００２３】
上記の方法で、新規の磁気メモリ構造が形成される。ＭＲＡＭメモリは、マスクフィーチャが露出領域によって分離される保護領域のセットを画定するように、マスクフィーチャを用いてパターニングされる積層体を含む基板にイオン照射を提供することによって形成され、イオン照射は、積層体の露出領域を除去せずに、第１の保護領域を第２の保護領域から磁気的に孤立させるとともに、第１の保護領域を第２の保護領域から電気的に孤立させるのに有効である。本明細書において、用語「露出領域を除去せずに」とは、露出領域における積層体の一部はＭＲＡＭ処理の間に除去されても、露出領域における積層体全体は除去されないことをいう。
【００２４】
再び図１Ｂを参照するに、最終的な磁気メモリは、メモリデバイスの基体（基板ベース１０２）及びメモリセルの基体上に配置される複数のメモリセル（ＭＲＡＭセル１２６）を含み、各メモリセルは、積層体を含む。積層体は、互いのメモリセルに共通の層のスタックに配置された複数の磁性層及び複数の導電層を順に含む。したがって、各ＭＲＡＭセル１２６の各積層体は、同一順序で配置された層１１６，１１４，１１２，１１０，１０８を含む。また、磁気メモリは、メモリセル間に配置され、各メモリセルを取り囲む注入マトリクス（注入領域１２４）も含み、注入マトリクスは、注入種と混在される各メモリセルの積層体の成分素材を含み、注入マトリクスは非導電材料と非磁性材料とからなり、各メモリセルは電気的にも磁気的にもそれぞれ他の各メモリセルから孤立される。したがって、図１Ｂに示されるように、注入領域１２４は、元の積層体１０４からの素材とイオン１２２との混合物であり、メモリセル１２６とは異なり、混合物は電気的に絶縁性であり、非磁性（磁気的に不活性）である。注入領域１２４の上面は、本明細書で、以下に記載される様々な実施形態において、ＭＲＡＭセル１２６の上面と概して同一の面に示されているが、注入領域（マトリクス）１２４の上面又は外表面は、ＭＲＡＭセルの上面より高くても、低くても、あるいは同一平面であってもよい。さらに、いくつかの実施形態において、注入マトリクス（領域）は、隣接するパターン化されたマスクフィーチャから最も離れた注入マトリクスの部分が、パターン化されたマスクフィーチャに近い部分より低くなる凹状とすることができる。
【００２５】
いくつかの実施形態において、積層体１０４の露出領域を磁気的に不活性とするために、イオン１２２のイオン線量は２×１０１５/ｃｍ２〜５×１０１７/ｃｍ２の範囲内とする。イオン１２２の例には、窒素、酸素、リン、及びシリコンがある。様々な実施形態において、注入イオンのイオンエネルギーは、約３ｋｅＶ〜約６０ｋｅＶの範囲内とすることができ、注入イオン種及び積層体１０４内への注入イオン種の所望注入深さに従って調整することができる。
【００２６】
さらに、異なる実施形態によれば、イオン１２２は、１回以上のイオン照射からなるイオン処理として提供することができる。例えば、イオン処理は、２回のイオン照射、すなわち、第１のイオンエネルギー及び第１のイオン線量で酸素イオンを用いる第１のイオン照射と、第２のイオンエネルギー及び第２のイオン線量で窒素イオンを用いる第２のイオン照射とを含み、第２のイオンエネルギー及び第２のイオン線量はそれぞれ第１のイオンエネルギー及び第１のイオン線量とは相違してもよい。このように、異なるイオン照射は、異なる目的のために調整することができる。例えば、リンイオン照射は、リンイオンを注入するために行うことができ、リンイオンは特に積層体１０４の露出領域を磁気的に不活性化するのに有効であり、また、酸素イオン照射は、酸素イオンを注入するために行うことができ、酸素イオンは、積層体１０４の導電層を最初に電気的絶縁層に変換し、積層体１０４の保護領域１１８を電気的に孤立させるのに有効である。特定の変形例では、リン注入は酸素注入より先に行うのがよく、これは、保護領域１１８を電気的に孤立させる酸素イオン注入の効果を高めることができる。実施形態は、この内容に限定されない。
【００２７】
ＭＲＡＭセルのサイズを画定するためにイオン注入を用いることの利点は、イオン注入の次に行われる処理にかかわらず、ＭＲＡＭセルの寸法を正確に画定することができることである。したがって、積層体の露出領域を磁気的に不活性にするのに、注入が用いられる様々な実施形態に一貫して、イオン注入後に形成されることになるＭＲＡＭセル構造の物理的な大きさ及び形状は、磁気的に活性な領域の大きさを決定しない。これは、このようなデバイスの後の処理に対する要件を緩和する。さらに、マスクフィーチャ間の領域をイオンにさらして、露出領域を磁気的に不活性化にした後には、電気的に絶縁性とする部分の大きさは磁気的に不活性にする領域の大きさに正確に一致させる必要がない。
【００２８】
本発明の実施形態に一貫して、イオン種、イオンエネルギー、及びイオン線量は、イオン注入によってＭＲＡＭセルを形成する処理を最適化させるために調整することができる。図２は、イオン線量が初期の磁性層を磁気的に不活性にするのに及ぼす効果を例示する実験結果を示している。このデータは、イオン注入を用いるＭＲＡＭ製造プロセスを最適化するために用いることができる。特に、図２は、酸素（曲線２０２）、ホウ素（曲線２０４）、シリコン（曲線２０６）、アルゴン（曲線２０８）、炭素（２１０）、窒素（曲線２１２）及びリン（曲線２１４）を含むいくつかの異なる注入種に対して、５×１０１６/ｃｍ２までのイオン注入線量の関数として、Ｃｏ、Ｃｒ及びＰｔを含む１２ｎｍ厚のフィルムの磁化の測定結果を表している。全ての種に対して、磁化はイオン線量に従って単調に低減する。全てのイオン線量で、リンは磁化を低減させるのにより有効であることが観察され、リンイオンのほかにアルゴン及び炭素もまた５×１０１６/ｃｍ２の線量で磁化を実質上消去する。他の注入種では、５×１０１６/ｃｍ２で磁化は実質上低減されるが、消去はされない。したがって、本実施形態では、リンイオン注入は、図２のコバルト含有フィルムのような磁性層を含む積層体にＭＲＡＭデバイス構造を形成するのに有利に用いることができる。これにより、リン注入は、イオン線量の関数として最も迅速に磁化を破壊するため、基板の露出部分を磁気的に不活性にするのに用いられる注入種のイオン線量を最少にすることができる。しかし、他のイオン種を用いて、露出部分を磁気的に不活性にすることもできる。例えば、ＭＲＡＭセル間の露出領域の磁気モーメントが、非注入領域の約２/３に低減されたときにＭＲＡＭセルが適切に機能する場合、図２のどのイオン種によっても、５×１０１６/ｃｍ２のイオン線量で適切に磁気的に不活性にすることができる。
【００２９】
リン注入によって、デバイス構造における保護領域が有効に磁気的に孤立することが観察されていたが、保護領域を電気的に孤立させるには他のイオン種が有効なこともある。例えば、原則的には、いくつかの異なる種が、積層体内における最初は導電性の材料を電気的絶縁性の化合物、電気的絶縁性の合金、又はアモルファス混合物に変換するのに有効なこともある。したがって、様々な実施形態において、基板１００に注入するために任意の都合のよいイオン種を用いることができ、コバルト又は鉄素材のような、積層体の導電材料を電気的絶縁材料に変換するのに有効なイオン種を用いることができる。これを実現するのに有効なイオン線量は、積層体の厚さｔ（図１A）及び積層体１０４の材料の組成に応じて２×１０１５/ｃｍ２〜５×１０１７/ｃｍ２の間の範囲とすることができる。
【００３０】
しかし、磁気メモリに用いられる多くの積層体は、化合物又は合金の形成に耐性のある貴金属を用いており、そのため、多量のイオン照射を受けた後でも導電性のままのことがある。例えば、Ｃｏ又はＦｅのような磁性材料は、酸素注入を受けると、電気的絶縁性の化合物を形成する一方、典型的には接点層として用いられる白金又はルテニウムのような貴金属種（貴金属）は、酸素イオン注入のようなイオン注入を受けても、電気的絶縁層にはならない。したがって、そのような金属は絶縁材料に変換されないため、積層体からそのような材料を取り除くことが望まれる。本発明者等は、ある種の高いイオン線量が、積層体の中から貴金属を選択的に除去するのに有効であることを予期せず発見した。１セットの実験では、酸素イオンを、複数の白金、タンタル、及びマンガンから構成された積層体に注入した。
【００３１】
図３Ａは、酸素イオン線量の関数としての例示的な積層体の組成分析結果を表している。注入前、積層体は全体の厚さが約６０ｎｍとなるように白金、タンタル及びマンガンのそれぞれが配置された複数の層で構成され、電気的に導電性であった。積層体に注入される酸素イオン線量は、５×１０１７/ｃｍ２まで増やし、その結果得られた材料を、ラザフォード後方散乱分光分析（ＲＢＳ）を用いて分析した。線量０では、多層構造の積層体のＰｔの総含有量（曲線３０４）全体は約５８％であり、Ｍｎ含有量（曲線３０６）は２２％、Ｔａ含有量（曲線３０８）は２０％であることがみられる。酸素が積層体に注入されると、酸素含有量（曲線３０２）が増加し、５×１０１７/ｃｍ２のイオン線量で約６０％に達するため、各金属種の全体の割合は減少する。とりわけ、５×１０１７/ｃｍ２の酸素イオン線量で、Ｐｔの割合は約１２％にまで減少し、その試料は４点プローブによる測定によれば電気的に絶縁性となった。さらに、ＲＢＳの結果は、積層体におけるＰｔの割合の相対的な減少のみならず、積層体におけるＰｔの量の絶対的な減少も示した。このことは、積層体の元の白金含有量の少なくとも一部が、酸素イオンの注入中にエッチングされることを示している。エッチングは、例えば物理的なスパッタリングにより行うことができる。
【００３２】
曲線３０６，３０８について、積層体におけるＭｎの割合及びＴａの割合はそれぞれ非注入状態と酸素イオン線量５×１０１７/ｃｍ２との間で減少するが、この割合の減少の大部分は目下注入されている積層体における酸素含有量の増加によるものである。さらに、元のＴａ及びＣｏの含有量の一部も積層体から除去されるが、ＲＢＳの結果は、比較的あまりエッチングされないＭｎ及びＴａに比べて、白金が積層体から優先的に取り除かれることを示している。
【００３３】
この現象は、Ｐｔ、Ｔａ及びＣｏを含んでいる積層体についてさらに詳しく調べた。図３Ｂは、酸素イオン線量の関数としての、このような積層体の組成分析の結果を表している。注入前に、積層体は、その全体の厚さが約６０ｎｍとなるように白金、タンタル及びコバルトそれぞれが配置された複数の層で構成し、Ｐｔ層に相当する層の全体の厚さは約２６〜２７ｎｍであり、電気的に導電性であった。積層体内に注入される酸素イオン線量は５×１０１７/ｃｍ２までに増加させ、その結果得られた材料を、ラザフォード後方散乱分光分析（ＲＢＳ）を用いて分析した。イオン線量０では、多層構造の積層体のＰｔの総含有量（曲線３１４）全体は約４５％であり、Ｃｏ含有量（曲線３１６）３８％、Ｔａ含有量（曲線３１８）１８％であることがみられる。酸素が積層体に注入されると、酸素含有量（曲線３１２）が増加し、５×１０１７/ｃｍ２の線量で約７０％に達するため、各金属種の全体の割合は減少する。とりわけ、５×１０１７/ｃｍ２の酸素イオン線量で、Ｐｔの割合は約５％にまで減少し、その試料は４点プローブによる測定によれば電気的に絶縁性となった。さらに、ＲＢＳの結果は、積層体におけるＰｔの割合の相対的な減少のみならず、積層体におけるＰｔの量の絶対的な減少も示した。このことは、積層体の元の白金含有量の少なくとも一部が、酸素イオンの注入中にエッチングされることを示している。エッチングは、例えば物理的なスパッタリングにより行うことができる。
【００３４】
曲線３１６，３１８について、積層体におけるＣｏの割合及びＴａの割合はそれぞれ非注入状態と酸素イオン線量５×１０１７/ｃｍ２との間に、約２分の１に減少するが、この割合の減少の大部分は目下注入された積層における酸素含有量の増加によるものである。さらに、元のＴａ及びＣｏの含有量の一部も積層体から除去されるが、ＲＢＳの結果は、Ｐｔが積層体から優先的に除去されたことを示した。これらの結果を確認するために、様々な量の酸素イオン注入にさらされた所定の試料に断面走査電子顕微鏡法を行った。酸素イオン注入をせずに、積層体は数ある層の中でも特に２つの埋め込みＰｔ層を含むものとした。積層体を２．５×１０１７/ｃｍ２の酸素イオン線量でさらしたら、単一のＰｔ層が基板から離れた外面上に見られ、これは酸素注入によって、積層体の露出表面の方へＰｔの予期せぬ外方拡散が誘発されていることを示している。積層体が５×１０１７/ｃｍ２の酸素イオン線量にさらされると、Ｐｔはほとんど残らず、注入された積層体の表面のアイランドに散乱し、Ｐｔが注入された積層体全体のわずか約５％を構成することを示すＲＢＳの結果と一致している。さらに、積層体の全体に残っている厚さは約４０ｎｍであり、元の積層体からＴａとＣｏの部分は実質的に残っていることを示している。
【００３５】
そのため、図３Ａ及び３Ｂの結果は、積層体が注入イオンにさらされると、Ｐｔのような金属は積層体から選択的に除去され、（露出した）積層体の外表面の方に予期せず白金を移行させ、外表面上の領域でＰｔを偏析させることになることを示している。Ｐｔが、積層体の外表面領域でいったん偏析されると、積層体内の露出に加えて、積層体へのイオン注入によってＰｔはスパッタリングされ、その結果、積層体からＰｔが除去される。
【００３６】
様々な実施形態において、図２−３Ｂに反映されている上記の結果は、ＭＲＡＭデバイスを形成するために、各照射の作用が所定の結果に合うように複数のイオン照射を行うことができる。例えば、第１の照射の作用は、基板の露出領域の磁化を減少又は消去することによって、ＭＲＡＭセルの磁気的な孤立を有効に生成することができる。一例では、リンイオンは、露出領域を磁気的に不活性にするために第１の線量で積層体の露出領域に注入する。この後に、露出した積層体を電気的に絶縁するイオン照射が行われる。いくつかの例において、このことは、絶縁合金、絶縁化合物、及び／又は元の積層体と酸素とを構成する非導電アモルファス混合物を含む電気的な絶縁混合物を生成することのできる酸素のような単一の種を注入することによって実現することができる。露出した積層体がＰｔのような貴金属を含む場合、上記のような貴金属を選択的に除去するために、高線量の酸素が使用される。しかし、他の場合では、貴金属のような金属種を選択的に除去するために、複数の異なるイオンを用いることができる。例えば、酸素イオンを含む第１のイオン線量は、積層体の露出領域の外表面上に貴金属を移動させるために、露出した積層体に向けることができる。続いて、第２のイオン線量は、露出領域の外表面に配置された貴金属をスパッタリングするために、露出された積層体に向けることができる。例えば、Ｘｅのような重い不活性ガスイオンは、所望のイオンエネルギーの酸素に比べて、Ｐｔのスパッタリングの歩留りがはるかに高いことを表す。したがって、Ｐｔは、２つのステップのイオン照射で積層体から選択的に除去することができ、第１のイオン照射は、Ｃｏ、Ｍｎ及びＴａのような、積層体内の金属成分を酸化させるとともに、Ｐｔのような貴金属成分を積層体の外表面上で偏析させるのに十分な量の酸素イオンを含む。そして、例えば、キセノン又は他の高質量イオンを用いる表面分離金属を効率的にスパッタリングするために第２のイオン照射を向けることができる。
【００３７】
図４Ａ〜４Ｃは、様々な実施形態で一貫するＭＲＡＭ構造を形成するのに第１のイオン照射、第２のイオン照射及び第３のイオン照射が用いられる複数のイオン照射の一例を示している。特に図４Ａ〜４Ｃは、処理中の様々な時点における基板４００の側断面図を示している。図４Ａでは、イオン４０４は、マスクフィーチャ１０６を用いてパターニングされた積層体１０４に向けられる。イオン４０４は積層体１０４の露出領域に注入し、注入領域４０２を形成する。イオン４０４は、注入領域４０２を非磁性にするのに十分なイオン線量で注入されるリンイオンとすることができる。図４Ｂでは、イオン４０６が、基板４００に向けられ、積層体１０４の露出領域に注入領域４０２Ｂを形成する。注入領域４０２Ｂは、イオン４０４及びイオン４０６を含むことができる。いくつかの実施形態において、特に図４Ｂに提案されるように、元の積層体１０４は、容易に絶縁材料にならないＰｔ又はＲｕのような金属種を含むことができる。一例では、積層体１０４の１つ以上の層１０８−１１６は、Ｐｔを含むことができる。このような場合、イオン４０６は積層体１０４の外表面４１０にＰｔ金属層４０８を形成させるために提供される。とりわけ、イオン４０６の照射後、注入領域４０２Ｂは、異なる層１０８〜１１６からの元素の混合物のほかにイオン４０４及びイオン４０６を含むことができる。注入領域４０２Ｂは電気的な絶縁領域を構成することができる。しかし、層１０８〜１１６からのＰｔは、外に向かって移行し、層４０８を形成するように外表面４１０に偏析する。図４Ｂに示されるように、マスクフィーチャ１０６の下に隣接して配置される層１０８の一部は、異なるＭＲＡMセルの一部を形成することになる。しかし、これらの部分は層４０８を介して、互いに電気的に接続される。したがって、図４Ｃに示す次の作業では、イオン４１２が、層４０８から材料をスパッタリングするために基板４００に向けられる。図４Ｃに示されるように、イオン４１２は、層４０８を除去し、これにより、異なるＭＲＡMセル間の導電経路を除去し、注入領域４０２Ｂが電気的に十分に絶縁性になれば、隣接するＭＲＡMセル４１４は電気的に孤立される。したがって、図４Ｃにおいて、注入領域４０２Ｂの特徴は、単位面積当たりの貴金属の濃度がメモリセル（ＭＲＡＭセル４１４）の濃度より小さい注入マトリクスを構成することにある。
【００３８】
前述の実施形態において、露出領域、例えば露出領域１２０などの外表面は、イオン１２２，４０４，４０６及び４１２の照射によって、意図せず又は意図的にスパッタリングされることに留意すべきである。積層体から材料が除去される度合いを制御又は制限し、そのために、単一のイオン照射か複数のイオン照射のいずれで積層体へのイオンの注入を伴うスパッタリングの度合いを制御するのが望ましい。様々な追加の実施形態においては、イオン注入と積層体内で行われる材料のスパッタリングとの平衡を制御するためにキャッピング層が用いられる。
【００３９】
図５Ａ〜５Ｄは、様々な実施形態に一貫してＭＲＡM構造を形成するのに、イオン注入と併せてキャッピング層を用いる一例を示している。特に、図５Ａから５Ｄは、処理中の様々な時点における基板５００の側断面図を表している。図５Ａでは、マスクフィーチャ１０６は図１Ａのように積層体１０４上に配置される。キャッピング層５０２は、積層体１０４の、マスクフィーチャ間にある領域の上を含む基板５００上に配置される。キャッピング層５０２は、炭素、シリコン、窒化物、又は他の材料とすることができる。図５Ｂでは、イオン５０６が基板５００に向けられ、キャッピング層５０２を貫通する。イオン５０６は、積層体１０４全体の厚さに及ぶ注入領域５０４を形成する。様々な実施形態において、イオン５０６は、積層体１０４内の磁性材料を非磁性材料に変換する、及び／又は積層体１０４内の電気的導電材料を電気的絶縁材料に変換するのに有効である。いくつかの実施形態において、イオン５０６は、リン及び酸素のように複数の異なる種とすることができ、また、イオン５０６は、単一のイオン照射で提供することも、各種の線量を調整できるように別々のイオン照射で提供することもできる。
【００４０】
イオン５０６の照射の結果として、キャッピング層５０２は、図５Ｂに示すように、キャッピング層５０２の厚さが薄くなるようにスパッタリングすることができる。キャッピング層５０２を完全にエッチングしなくても、スパッタリングレートによって注入領域５０４は電気的に絶縁性で非磁性の材料に変換される。したがって、下位の注入領域５０４はスパッタエッチングから保護される。しかし、場合によっては、注入領域５０４を電気的に絶縁で非磁性の材料に変換するのに必要とされるイオン線量が、所定のキャッピング層厚のキャッピング層５０２を完全にスパッタエッチングすることがある。また、キャッピング層５０２を厚くすることは、厚めのキャッピング層に浸透させるのに必要なイオンエネルギーを増やす必要があり、保護領域１１８（図１Ａ参照）への注入損傷の横散乱を増加させることを含む悪影響があるため、再スパッタリングの効果を考えると非実用的である。代わりに、図５Ｃ及び５Ｄに例示された実施形態に合致して、イオン５０６のイオン照射後に追加のキャッピング層５０８を形成することができる。一例では、イオン５０６は、注入領域５０４を非磁性にするのには有効であるも、注入領域５０４を電気的に絶縁性にするには十分でないイオン線量となる。このような場合、追加のキャッピング層５０８を基板５００上に形成した後に、イオン５１０の追加のイオン照射が行われる。イオン５１０は、キャッピング層５００を再びスパッタし、そのため図５Ｄに示されるように厚さを薄くすることができる。しかし、イオン５１０は、注入領域５１２を電気的に絶縁性にすることのみに必要とされるため、キャッピング層５０８は、完全にエッチングすることなくイオン５１０の総イオン線量を維持することができる。
【００４１】
様々な実施形態において、キャッピング層の堆積及びイオン注入のサイクルは、ＭＲＡＭセルを画定するために複数回、行うことができる。例えば、積層体は、露出領域を磁気的に不活性にするためにイオンの照射が続くキャッピング層を１つだけ必要とし、一方、同じ積層体は、この積層体を電気的に絶縁性にするのにキャッピング層の堆積及びイオン注入のサイクルを複数必要とする。他の実施形態では、２つ以上の異なるイオン種であって、そのイオン種のうち１つは積層体を磁気的に不活性とするのに有効であり、他のイオン種は積層体を電気的に絶縁性の材料に変換するのに有効であるイオン種をキャッピング層で覆われた基板に同時に向けることができる。異なるイオン種の同時露出は、必要に応じ、イオン照射とキャッピング層の堆積との複数サイクルで提供することができる。
【００４２】
図６Ａ〜６Ｄは、様々な実施形態に一貫してＭＲＡMセル構造を形成するのにイオン注入と併せてキャッピング層を使用する他の実施形態を示している。この実施形態は、基板の注入領域における積層体の厚さを過剰に変えることなく、積層体から不所望な金属成分を選択的に取り除くことができる。この例では、Ｐｔのような金属材料を含む、最初の積層体１０４の上にマスクフィーチャ１０６が形成される。このような金属材料があると、上記のように、隣接するＭＲＡＭセル間にイオン注入によって形成する電気的な絶縁領域の形成能力を制限する。したがって、図６Ａ−６Ｄに概略されている作用は、このような金属素材を除去すると同時に、積層体の平らな外表面を所望のレベルに維持するのに有効である。図６Ａでは、所望の厚さを有するキャッピング層が基板６００上に堆積される。
【００４３】
図６Ｂでは、イオン６０４が基板６００に向けられる。１回以上のイオン照射で提供することができ、かつ、単一のイオン種又は異なるイオン種を含むことのできるイオン６０４は、注入領域６０６を形成することとなる。イオン６０４は、注入領域６０６の少なくとも一部を磁気的に不活性にするのに有効であるイオン種を含むことができる。また、イオン６０４は、注入領域６０６の下位部分６０８を電気的に絶縁性にすることができる。例示されているように、注入領域６０６の下位部分６０８は、以前には別個であった層１０８〜１１６が混ざった領域を構成する。注入領域６０６は、注入イオン６０４とともに、層１０８〜１１６の化合物、合金、及び／又は層１０８−１１６の成分のアモルファス混合物を含む。さらに、図６Ｂに例示されるように、イオン６０４は、積層体１０４の外表面６１２の方に金属素材６１０を偏析させる。一例では、イオン６０４の一部は、積層体１０４内の所定の金属材料と電気的絶縁材料を形成することができ、さらにＰｔのような非反応性の金属を金属素材６１０として外表面６１２に偏析させる、酸素イオンを含むことができる
【００４４】
いくつかの例では、金属材料６１０は、孤立アイランドとして、連続層として、部分的に重複するアイランド、又はそのような構造の組み合わせとして配置される。金属材料６１０それ自体は、マスクフィーチャ１０６の下に配置された積層体１０４における異なる非注入部分の間の導電経路を構成する。したがって、図６Ｃに例示されるさらなる処理では、イオン６１４が、残留のキャッピング層６０２を除去し、金属材料６１０をスパッタするために基板６００に向けられて、マスクフィーチャ１０６の間の領域から金属材料６１０を除去する。イオン６１４は、特に数ｋｅＶ以下の範囲の比較的低いイオンエネルギーで、イオン注入を最小にしながら表面にスパッタリングを発生させるのに有効なＸｅのような高質量イオンとすることができる。図６Ｄは、イオン６１４での処理後における基板６００の例示的な構造を示す。例示されているように、基板６００は、磁気的かつ電気的に互いに孤立している多数のＭＲＡＭセル６１６を含む。残っている注入領域６０６は電気的に絶縁性であり、金属素材６１０は、注入領域６０６から除去され、ＭＲＡＭセルを電気的に互いに孤立させる。図６Ｄに示されるように、注入領域６０６から除去された金属素材６１０の一部は、マスクフィーチャ１０６の側壁部に再び堆積する。しかし、マスクフィーチャ１０６の一部又は全部は、その後の処理で除去されることにより、基板６００から金属素材６１０を除去する。
【００４５】
さらに、イオン注入が完了した後の注入領域６０６のレベル６１８は、キャッピング層６０２の相対的な厚さのほかに、イオン６０４及びイオン６１４によって提供されるイオン照射を調整することによって調整することができることに留意すべきである。図６Ｂに示唆されるように、注入領域６０６は、イオン６０４の露出で大きさが膨らむ。積層体１０４は、最初、主に金属材料で構成されるため、注入領域を電気的に絶縁性にするためには、比較的高い線量のイオン６０４を注入する必要がある。例えば、イオン６０４の一部は、積層体１０４内にある金属成分を絶縁化合物にするのに用いられる酸素とするのがよい。所定の金属種から形成される多くの酸化化合物の、金属に対する酸素の化学量論比は、典型的には１に等しいか、それ以上であり、注入領域６０６が５０％又はそれ以上の酸素含有量をなすことを示している。したがって、イオン６０４が基板に向けられると、注入領域６０６はキャッピング層６０２によって封じられ、金属素材の喪失を防いでいるため、注入領域６０６全体の寸法は、積層体１０４の初期の露出領域１２０の寸法以上に増大することができる。そのため、レベル６１８の最終的な位置は、ＭＲＡＭデバイスの保護領域のレベル６２０より高いか、同じか、または低くすることができる。
【００４６】
追加の実施形態において、隣接するＭＲＡＭ間の注入領域の形状はＭＲＡＭセルの処理を最適化するために合わせることができる。図７Ａ及び７Ｂは、イオン７０２のイオン照射が、ＭＲＡＭセルを孤立させる凹状の注入領域を形成するために基板７００の方へ向けられる一実施形態を示している。図７Ａ及び７Ｂは、イオン照射の異なる例での基板７００を示している。図７Ａに示されるように、イオン７０２の第１のイオン線量での照射後、凹状の注入領域７０４が積層体１０４の露出部分内で形成される。注入領域７０４の上（外）面７０６は、隣接するマスクフィーチャ１０６から最も離れた、注入領域の中央が元の位置から凹まされるように、凹状になる。しかし、注入領域７０４は、積層体１０４を経て基板ベース１０２まで完全に延在していない。さらに、イオン７０２の第１のイオン線量での照射後、注入領域７０４は、完全には電気的に絶縁性に、及び／又は磁気的に不活性にはならない。したがって、マスクフィーチャ１０６の下にある積層体の一部は電気的にも磁気的にも互いに隔離されていないため、ＭＲＡＭセルはまだ完全には画定されていない。
【００４７】
図７Ｂに示される更なる例では、イオン７０２の追加のイオン線量が、注入領域７１０の上面７０８が、さらに凹まされ、ここで積層体１０４を通り抜けて延在するように、提供される。また、イオン７０２の累積線量は、電気的にも磁気的にもＭＲＡＭセル７１２を互いに孤立させるのに十分である。本例では、ＭＲＡＭセル７１２は、Ｘ−Ｚ平面で見ると、よりテーパのついた断面形状を有する。特に、リン及び／又はヒ素が、注入種、すなわちイオン７０２として用いられると、イオン注入後、上面７０８の予想外の凹状が本発明者によって観察されてきた。このようにして、形成される注入領域７１０の“三日月”状の１つの利点は、層１０８〜１１６に隣接するＭＲＡＭセルの側壁領域でイオン注入処理中にイオン照射にさらされず、したがって浸食から保護されるということである。これによって、堆積物は、注入不活性領域、すなわち注入領域７１０の上に載るため、例えば、積層体１０４をスパッタリングは、ＭＲＡＭ層の露出側面沿うに再堆積を気にせずに行うことができる。次に、スパッタリングによって積層体１０４の材料の一部を除去することができるため、低いイオン線量で磁気的及び／又は電気的に孤立させることができる。例えば、ＭＲＡＭセル７１２を電気的に孤立させるための第２の照射では、積層体１０４に残存するより少量の磁性素材を酸化させるために、低い酸素イオン線量を用いることができる。いくつかの実施形態において、上記に記載のように頂部表面７０８のレベル位置を制御するために第２のイオン照射の前にキャッピング層を堆積するのが最適である。
【００４８】
さらなる実施形態において、所望のＭＲＡＭセルサイズを画定するために、ＭＲＡＭセルを画定するマスクフィーチャは、イオンが積層体の露出領域に注入されると、得られる注入種の横方向の範囲に対応するように設計される。図８は、イオン注入を受けるマスクされた基板の斜視図と、マスクに対する位置の関数としてのイオン注入種の濃度を示す、シミュレートされた濃度プロファイルとを合成して示した図である。イオン８０２は、基板８００に向けられ、マスクフィーチャ８０４によって阻止される。露出領域８０６では、イオン８０２は積層体８１０内に浸透し、注入種分布８０８をもたらす。本実施例では、マスク効果のために、マスクフィーチャ８０４の縁部のイオン線量は、露出領域８０６の中央でのピーク値の約半分である。さらに、注入種の横方向の範囲は約６ｎｍで、イオン８０２の一部が、マスクの縁部から約６ｎｍ以上、マスクフィーチャ８０４の下で停止することを示している。注入種の濃度は、Ｘ軸に沿う位置の関数にしたがって徐々に０に下がっていく。これにより、マスク８０４のもとで画定されるメモリビットと注入照射領域８０６との間が「ファジーな界面」となる。「ファジーな界面」は、ゼロと照射領域８０６の濃度との間の注入種の濃度を有する。本実施形態では一貫して、この問題は、マスクフィーチャ８０４の横方向寸法をＭＲＡＭセルの設計サイズより大きくすることによって対処される。例えば、マスクフィーチャ８０４の幅（及びマスクフィーチャ８０４と同様の他の幅）はＭＲＡＭセルの設計幅より大きくするのがよい。これは、既知のリソグラフィ技術又はマスクフィーチャ８０４上に共形の膜を配置することによって、実現することができ、注入種は共形膜の厚さにほぼ等しい量だけマスクフィーチャ８０４の下の所望のＭＲＡＭセルから横方向に間隔を開けることになる。
【００４９】
複数の異なるイオン照射が基板に提供される前述の実施形態では、イオン照射の順番は、特に指定しない限り変えることができる。しかし、追加の実施形態に一貫して、２回以上のイオン照射は、最終ＭＲＡＭデバイスを最適化するために、あらかじめ定められた順番で実行することができる。特定の実施形態では、リンイオンを含む第１のイオン照射は、酸素イオンを含む第２のイオン照射の前に実行される。リンイオン照射は、上記のようにパターン化された基板の露出領域を磁気的に不活性にするのに用いることができる。しかし、酸素の前にリンを露出領域に注入すると、注入されたリン種は、その後のイオン照射で酸素が注入されたとき、酸素のゲッタリングサイトを生成するゲッタリング種として作用する。これは、注入酸素種の拡散を抑える効果があり、これにより、酸素が、ＭＲＡＭセルを構成すべき保護領域内に不所望に拡散されるのを低減させる。さらなる実施形態では、他のイオンを、ゲッタリングサイトとして作用させるために露出領域内に注入することができる。
【００５０】
さらなる実施形態では、イオン照射は、約室温以下に基板の温度を維持するために基板に能動冷却が提供される、冷却基板上で行われる。これは、拡散率が一般に、温度の上昇とともに指数関数的に増加するため、ＭＲＡＭセルへの横方向拡散を含む注入種の拡散を低減させる効果がある。
【００５１】
本開示は、本明細書に記載された特定の実施形態によって範囲を制限されるべきではない。実際に、本明細書に記載された実施形態に加えて、本開示の他の様々な実施形態及び変形例は、先の実施形態および添付の図面から当業者にとって明らかであろう。そのため、そのような他の実施形態及び変形例は、本開示の範囲内に属することが意図されている。さらに、本開示は、本明細書で、特定の目的のための特定の環境における特定の実装の内容で記載されているが、当業者はその有用性がこれに限定されず、本開示は、任意数の目的のために任意数の環境で有益に実装されることを認識するだろう。したがって、本開示の主題及び本開示の精神は十分に広く解釈されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図２】
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