(57)【要約】【課題】本発明は、固定磁化層表面に物理的衝突を加えて表面構造を非晶質化させるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法に関する。【解決手段】ロングレインジオーダーの結晶構造を有する固定磁化層の表面に分子量の大きいイオンや中性イオンを物理的に衝撃を加えてショートレインジオーダーの結晶構造を有する非晶質層を形成する段階を含むことで、後続工程で形成されるトンネル障壁層、さらにその上部に形成される自由磁化層の均一度を増加させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部絶縁層を通じて半導体基板に接続する連結層用金属層を形成する段階と、
前記連結層用金属層上に固定磁化層を形成する段階と、
前記固定磁化層に物理的衝撃を加えて前記固定磁化層の表面に非晶質層を形成する段階と、
前記非晶質層の上部にトンネル障壁層、自由磁化層及びＭＴＪキャッピング層を順次積層する段階と、
ＭＴＪセルマスクを利用した写真エッチング工程で前記ＭＴＪキャッピング層、自由磁化層、トンネル障壁層、非晶質層及び固定磁化層をパターニングしてＭＴＪセルを形成する段階と、
を含むことを特徴とするマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法。
【請求項２】
前記固定磁化層に物理的衝撃を加える工程は分子量Bより大きいイオン、P 及びAs中から選択されるいずれか１つを利用して行われることを特徴とする請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マグネチックラムのＭＴＪセル形成方法に関するもので、特にロングレインジオーダーの結晶構造を有する固定磁化層の表面に分子量の大きいイオンや中性イオンを物理的に衝突させて、ショートレインジオーダーの結晶構造を有する非晶質層を形成することで、後続工程で形成される層の均一度を増加させ、素子の特性を向上させるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体メモリメーカー等は、ほとんど次世代記憶素子の１つとして強磁性体物質を利用するＭＲＡＭの開発に取り組んでいる。
前記ＭＲＡＭは、強磁性薄膜を多層に形成して各薄膜の磁化方向による電流変化を感知することにより情報の読出し及び書込みができる記憶素子であり、磁性薄膜固有の特性によって高速、低電力及び高集積化を可能とするだけでなく、フラッシュメモリと共に不揮発性メモリ動作が可能な素子である。
前記ＭＲＡＭには、スピンが電子の伝達現象に多大な影響を及ぼすことで生ずる巨大磁気抵抗(giant magnetoresistive、GMR)現象やスピン偏極磁気透過現象を利用してメモリ素子を実現する方法がある。
【０００３】
前記巨大磁気抵抗(GMR)現象を利用した ＭＲＡＭは、非磁性層を挟んだ２つの磁性層においてスピン方向が同じ場合に比べて異なる場合の抵抗が、極めて異なる現象を利用してＧＭＲ磁気メモリ素子を実現するものである。
前記スピン偏極磁気透過現象を利用したＭＲＡＭは、 絶縁層を挟んだ２つの磁性層においてスピン方向が同じ場合が、異なる場合に比べて電流透過が遥かによく発生するという現象を利用して磁気透過接合メモリ素子を実現するものである。
【０００４】
前記ＭＲＡＭは、１つのトランジスタと１つのＭＴＪセル(magnetic tunnel junction cell)で形成される。
図２は、従来技術によるマグネチックラムのＭＴＪセルを示した断面図である。
図２を参照すれば、半導体基板（図示省略）上に素子分離膜（図示省略）、リードラインの第1ワードライン及びソース/ドレーンを備えたトランジスタ（図示省略）、グラウンドライン（図示省略）及び導電層（図示省略）、ライトラインの第2ワードライン（図示省略）を形成して全体表面の上部を平坦化する下部絶縁層１１を形成する。ここで、前記導電層は下部絶縁層１１を通じて前記半導体基板に接続され、その上部面が下部絶縁層１１によって露出するように形成される。
【０００５】
次は、前記導電層に接続する連結層用金属層１３を形成する。ここで、 連結層用金属層１３はW層、Al層、Pt層、Cu層、Ｉｒ層、Ｒｕ層及びこれらの組合せからなる群から選択されたいずれか１つで形成する。
次には、連結層用金属層１３の上部に固定磁化層(pinned magnetic layers)１５を形成する。固定磁化層１５は、Ｃｏ層、Fe層、ＮｉＦｅ層、ＣｏＦｅ層、ＰｔＭｎ層、ＩｒＭｎ層及びこれらの組合せからなる群から選択されたいずれか１つの磁性物質で形成する。このとき、固定磁化層１５は一定なグレーンバウンダリ(grain boundary)を有する結晶性、即ち、ロングレインジオーダー(long range order)の結晶構造を有し、後続工程で固定磁化層１５上部に形成される物質は均一度が減少することとなる。
【０００６】
その次に、固定磁化層１５上部にトンネル障壁層(tunneling barrier layers)１７を形成する。このとき、トンネル障壁層１７は絶縁膜で形成するが、固定磁化層１５のグレーンバウンダリが交差する3重点で絶縁膜の厚さの均一度は著しく低減する。特に、コラム状で結晶成長する場合にはトンネル障壁層１７の均一度はＡのように更に減少することとなる。
次には、トンネル障壁層１７上部に自由磁化層(free magnetic layers)１９を形成する。自由磁化層１９は、Co層、Fe層、ＮｉＦｅ層、ＣｏＦｅ層、ＰｔＭｎ層、ＩｒＭｎ層及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか１つの磁性物質で形成する。
【０００７】
自由磁化層１９上部にＭＴＪキャッピング層２１を形成する。
後続工程としてＭＴＪセルマスク(図示省略)を利用した写真エッチング工程により前記ＭＴＪキャッピング層２１、自由磁化層１９、トンネル障壁層１７及び固定磁化層１５をパターニングしてＭＴＪセルを形成する。
【特許文献１】米国特許第6,385,079号明細書
【特許文献２】米国特許第6,391,658号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記したように従来技術によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法は、 固定磁化層が不均一でその上部に形成されるトンネル障壁層１７の均一度が更に悪化し、次にその上部に形成される自由磁化層の均一度をも悪化させるため、ＭＴＪ セルの特性が劣化し、素子の特性及び信頼性が低下するという問題点がある。
【０００９】
そこで本発明は、前記した従来技術の問題点を解決するため、固定磁化層の表面に分子量の大きいイオンや中性粒子を物理的に衝突させて非晶質化させることで固定磁化層をショートレインジオーダー(short range order)化し、固定磁化層上に蒸着する絶縁膜であるトンネル障壁層の均一性を増加させ、さらにその上部に形成される自由磁化層の均一性も増加させることによって、素子の特性及び信頼性を向上させることのできるマグネチックラムのＭＴＪセルの形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の問題点を解決するために、請求項１に記載の発明においては、下部絶縁層を通じて半導体基板に接続する連結層用金属層を形成する段階と、前記連結層用金属層上に固定磁化層を形成する段階と、前記固定磁化層に物理的衝撃を加えて前記固定磁化層の表面に非晶質層を形成する段階と、前記非晶質層上部にトンネル障壁層、自由磁化層及び ＭＴＪキャッピング層を順次積層する段階と、ＭＴＪセルマスクを利用した写真エッチング工程で前記 ＭＴＪキャッピング層、自由磁化層、トンネル障壁層、非晶質層及び固定磁化層をパターニングングしてＭＴＪセルを形成する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
このように請求項１に記載の発明によれば、ロングレインジオーダーの結晶構造を有する固定磁化層の表面に分子量の大きいイオンや中性イオンを物理的に衝撃を加えてショートレインジオーダーの結晶構造を有する非晶質層を形成する段階を含むことで、後続工程で形成されるトンネル障壁層、さらにその上部に形成される自由磁化層の均一度を増加させることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法において、前記固定磁化層に物理的衝撃を加える工程において、分子量がBより大きいイオン、P、及びAs中から選択されるいずれか１つを利用して行われることを特徴とする。
【００１３】
このように請求項２に記載の発明によれば、固定磁化層の表面に分子量がBより大きいイオン、P、及びAs中から選択されるいずれか１つを物理的に衝突させることによって、ロングレインジオーダーの結晶構造を有する不均一な固定磁化層の表面の均一度が増加してショートレンジオーダーの結晶構造を有する平坦な構造の非晶質層を形成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、ＭＴＪセル形成において、前記固定磁化層に物理的衝撃を加えて前記固定化磁化層の表面に平坦な構造の非晶質層を形成する段階を含むことによって、固定磁化層の不均一な表面によってその上部に形成されるトンネル障壁層、さらにその上部に形成される自由磁化層の均一度の悪化を防ぐことができ、平坦な構造の非晶質層の上にトンネル障壁層、さらにその上部の自由磁化層を形成することによってこれらの均一度が増加するので、高速、低電力及び高集積化などの素子の特性を向上させるマグネチックラムのＭＴＪセル形成をすることができるという効果を奏する。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、前記固定磁化層に物理的衝撃を加える工程において、分子量がBより大きいイオン、P及びAs中から選択されるいずれか１つを利用して行うことによって、前記固定化磁化層の表面に平坦な構造の非晶質を形成できるので、後続工程で形成されるトンネル障壁層及び自由磁化層の均一度が増加することによって高速、低電力及び高集積化などの素子の特性を向上させるマグネチックラムのＭＴＪセル形成をすることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明によるマグネチックラムのＭＴＪセル形成方法を示した断面図である。
図１を参照すれば、半導体基板（図示省略）上に素子分離膜（図示省略）、リードラインの第1ワードライン及びソース/ドレーンを備えたトランジスタ（図示省略）、グラウンドライン（図示省略）及び導電層（図示省略）、ライトラインの第2ワードライン（図示省略）を形成して全体表面の上部を平坦化する下部絶縁層３１を形成する。ここで、前記導電層は下部絶縁層３１を通じて前記半導体基板に接続し、その上部面が下部絶縁層３１によって露出するように形成される。
【００１７】
その次に、前記導電層に接続する連結層用金属層３３を形成する。ここで、 連結層用金属層３３は W層、Al層、Pt層、Cu層、Ｉｒ層、Ｒｕ層及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか１つで形成するのが望ましい。
次は、連結層用金属層３３の上部に固定磁化層３５を形成する。固定磁化層３５は、Co層、Fe層、ＮｉＦｅ層、ＣｏＦｅ層、ＰｔＭｎ層、ＩｒＭｎ層及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか１つの磁性物質で形成する。固定磁化層３５は一定なグレーンバウンダリを有する結晶性、 即ち、ロングレインジオーダーの結晶構造を有する。
【００１８】
その後、固定磁化層３５の表面に分子量がBより大きいイオン、 例えば、PまたはAsのような中性原子を物理的に衝突させる。前記の物理的な衝突によって固定磁化層３５の表面均一度が増加してその上部に平坦な構造の非晶質層３７を形成する。
【００１９】
次に、非晶質層３７の上部にトンネル障壁層３９を形成した後、トンネル障壁層３９の上部に自由磁化層４１を形成する。自由磁化層４１は、Co層、Fe層、ＮｉＦｅ層、ＣｏＦｅ層、ＰｔＭｎ層、ＩｒＭｎ層及びこれらの組み合わせからなる群から選択されたいずれか１つの磁性物質で形成する。
自由磁化層４１の上部にＭＴＪキャッピング層４３を形成した後、ＭＴＪセルマスク(図示省略)を利用した写真エッチング工程で前記 ＭＴＪキャッピング層４３、自由磁化層４１、トンネル障壁層３９、非晶質層３７及び固定磁化層３５をパターニングして ＭＴＪセルを形成する。
【００２０】
本発明は、ＭＴＪセルだけでなく磁性物質の電気的抵抗特性の差を利用する全ての素子、磁性体を順次蒸着してＣＰＰ(current perpendicular plain)方式を適用した全ての磁性素子、そして電気的特性の差を確保するための磁性膜構造のパターニング工程に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施例によって形成されたマグネチックラムのＭＴＪセルを示した断面図である。
【図２】従来技術によるマグネチックラムのＭＴＪセルを示した断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
３１   半導体基板
３３   連結層用金属層
３５   固定磁化層
３９   トンネル障壁層
４１   自由磁化層
４３   ＭＴＪキャッピング層
３７   非晶質層
【図１】
2004297038.tif 000003
【図２】
2004297038.tif 000004