(57)【要約】【課題】磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスで使用するためにサブリソグラフィ・データ・トラックを形成するための方法および装置を提供する。【解決手段】メモリ・デバイスの一実施形態は、第１の誘電材料で形成される第１の誘電材料スタックと、第１の誘電材料スタックを取り囲み、少なくとも第２の誘電材料で形成される、第２の誘電材料スタックと、第１の誘電材料スタックと第２の誘電材料スタックとの間に位置する、情報を格納するための少なくとも１つのデータ・トラックであって、高いアスペクト比およびほぼ矩形の断面を有するデータ・トラックと、を含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の誘電材料を含む第１の誘電材料スタックと、
前記第１の誘電材料スタックを取り囲み、少なくとも第２の誘電材料を含む、第２の誘電材料スタックと、
前記第１の誘電材料スタックと前記第２の誘電材料スタックとの間に位置し、高いアスペクト比およびほぼ矩形の断面を有する、少なくとも１つの導電要素と、
を備える、電気的相互接続構造体。
【請求項２】
前記少なくとも１つの導電要素が、１ナノメートルから１００ナノメートルの間の幅を有する、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項３】
前記少なくとも１つの導電要素が、１：２００より大きな幅：高さの比を有する、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項４】
前記少なくとも１つの導電要素が、１：５００より大きな幅：高さの比を有する、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項５】
前記少なくとも１つの導電要素が、１ミクロンから１００ミクロンの間の高さを有する、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項６】
前記第１の誘電材料スタックおよび前記第２の誘電材料スタックのうちの少なくとも１つが、導電線およびバイア相互接続構造体のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項７】
前記第２の誘電材料スタックが、
前記第２の誘電材料の第１の複数層と、
第３の誘電材料の第２の複数層と、
を備え、前記第１の複数層および前記第２の複数層が交互に配置構成された、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項８】
前記第２の複数層内の１つまたは複数の層が、データ・トラック内にくぼみが設けられるようにエッチングされた、請求項７に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項９】
前記第１の誘電材料および前記第２の誘電材料のうちの少なくとも１つが、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、低誘電率誘電材料、および多孔性低誘電率誘電材料のうちの、少なくとも１つを備える、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項１０】
前記導電要素の幅と実質的に等しい幅を有する第１の薄材料層が、前記導電要素の前記幅に沿って堆積される、請求項１に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項１１】
前記第１の薄材料層が、炭素含有材料、シリコン含有材料、プラズマ援用化学気相堆積法により堆積された材料、原子層堆積法により堆積された材料、または、前記第１の誘電材料および前記第２の誘電材料に対して選択的に除去可能な組成を有する材料のうちの、少なくとも１つを備える、請求項１０に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項１２】
前記第１の薄材料層が電気的に絶縁である、請求項１０に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項１３】
前記第１の薄材料層が電気的に導電である、請求項１０に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項１４】
前記導電要素の前記幅と実質的に等しい幅を有する１つまたは複数の電気的に絶縁のトレンチをさらに備え、前記１つまたは複数の絶縁トレンチが、隣接する導電要素間に堆積された第２の薄材料層を備える、請求項１３に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項１５】
前記１つまたは複数の電気的に絶縁のトレンチのそれぞれが、エア・ギャップ、低誘電率誘電材料、誘電材料、エア・ギャップを含む誘電材料、または多孔性を含む誘電材料のうちの、少なくとも１つを備える、請求項１４に記載の電気的相互接続構造体。
【請求項１６】
第１の誘電材料を含む第１の誘電材料スタックと、
前記第１の誘電材料スタックを取り囲み、少なくとも第２の誘電材料を含む、第２の誘電材料スタックと、
前記第１の誘電材料スタックと前記第２の誘電材料スタックとの間に位置し、高いアスペクト比およびほぼ矩形の断面を有する、情報を格納するための少なくとも１つのデータ・トラックと、
を備える、メモリ・デバイス。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのデータ・トラックが、
複数の磁区と、
前記複数の磁区を分離する複数の磁壁と、
を備える、請求項１６に記載のメモリ・デバイス。
【請求項１８】
前記少なくとも１つのデータ・トラックが、電流を前記少なくとも１つのデータ・トラックに通過させることによって、前記複数の磁区の向きがシフトされる、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスを形成する、請求項１７に記載のメモリ・デバイス。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのデータ・トラックが、強磁性材料およびフェリ磁性材料のうちの少なくとも１つを備える、請求項１６に記載のメモリ・デバイス。
【請求項２０】
前記少なくとも１つのデータ・トラックが異なる磁気材料の複数の層を備える、請求項１６に記載のメモリ・デバイス。
【請求項２１】
前記第１の誘電材料スタックおよび前記第２の誘電材料スタックのうちの少なくとも１つが、磁気トンネル接合デバイスを含む、請求項１６に記載のメモリ・デバイス。
【請求項２２】
第１の誘電材料を備える第１の誘電材料スタックを準備するステップと、
前記第１の誘電材料スタックを取り囲み、少なくとも第２の誘電材料を備える、第２の誘電材料スタックを準備するステップと、
前記第１の誘電材料スタックと前記第２の誘電材料スタックとの間に位置し、高いアスペクト比およびほぼ矩形の断面を有する、情報を格納するための少なくとも１つの導電要素を準備するステップと、
を含む、電気的相互接続構造体を形成するための方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの導電要素を準備するステップが、
基板上に前記第２の誘電材料スタックを形成するステップと、
前記第２の誘電材料スタック内に第１のトレンチをエッチングするステップと、
前記第１のトレンチを第１の薄材料膜でライニングする（内側を覆う）ステップと、
前記第１のトレンチの残余部を前記第１の誘電材料スタックで充填するステップと、
前記第１の薄材料膜内に少なくとも第２のトレンチをエッチングするステップであって、前記第２のトレンチは高いアスペクト比およびほぼ矩形の断面を有する、ステップと、
を含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
強磁性材料およびフェリ磁性材料のうちの少なくとも１つで、前記少なくとも１つの第２のトレンチのうちの少なくとも１つを充填するステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
電気化学堆積法を用いて、前記少なくとも１つの第２のトレンチのうちの少なくとも１つを充填するステップをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記第２のトレンチが、２ナノメートルから１００ナノメートルの間の幅と、１ミクロンから１００ミクロンの間の高さを有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記第２のトレンチが、１：２００より大きな幅：高さの比を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１の薄材料層が、前記導電要素の幅と実質的にほぼ等しい幅を有し、前記少なくとも１つの導電要素の前記幅に沿って堆積される、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１の薄材料層が、炭素含有材料、シリコン含有材料、プラズマ援用化学気相堆積法により堆積された材料、原子層堆積法により堆積された材料、または、前記第１の誘電材料および前記第２の誘電材料に対して選択的に除去可能な組成を有する材料のうちの、少なくとも１つを備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１の薄材料層が、前記第１の誘電材料スタックの組成および前記第２の誘電材料スタックの組成と大幅に異なる組成を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の薄材料層が、少なくとも１セットの反応性イオン・エッチング条件において、前記第１の誘電材料スタックおよび前記第２の誘電材料スタックのうちの少なくとも１つのエッチング速度よりも、少なくとも１０倍以上速いエッチング速度を有する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記導電要素の幅および前記第１の薄材料層の幅と実質的に等しい幅を有する、１つまたは複数の電気的に絶縁のトレンチを形成するステップであって、前記１つまたは複数の電気的に絶縁のトレンチが隣接する導電要素間に堆積される、ステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記１つまたは複数の電気的に絶縁のトレンチのそれぞれが、エア・ギャップ、低誘電率誘電材料、誘電材料、エア・ギャップを含む誘電材料、または多孔性を含む誘電材料のうちの、少なくとも１つを備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記１つまたは複数の電気的に絶縁のトレンチが、前記少なくとも１つの導電要素を用いる一般的な反応性イオン・エッチング・ステップで形成される、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記第１の誘電材料および前記第２の誘電材料のうちの少なくとも１つが、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、低誘電率誘電材料、および多孔性低誘電率誘電材料のうちの、少なくとも１つを備える、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にメモリ・ストレージ・システムに関し、より具体的に言えば、データを格納するために磁区（magnetic domain）の磁気モーメントを使用するメモリ・ストレージ・システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、強磁性材料の磁気モーメントの方向を使用することによって、強磁性材料内のデータ・ビットを符号化する。強磁性材料中の原子は、それらの磁気モーメントを、印加された磁場の方向に整列させることによって、（データ・トラックに電流を印加することによって生成される）外部磁場に応答する。磁壁（ｄｏｍａｉｎ  ｗａｌｌ）を備える磁性材料内では、磁壁を横切る電流が電流の方向に磁壁を移動させる。電流が磁区を通過すると、電流は「スピン偏極」される。このスピン偏極電流が介在する磁壁を横切って次の磁区に入った場合、スピン偏極電流はスピン・トルクを発現させる。このスピン・トルクが磁壁を移動させる。磁壁速度は非常に速い（すなわち、およそ毎秒１００〜数１００メートル）可能性があるため、結果として、磁区を読み取るため、または書き込み要素によって磁区の磁束（magnetic state、磁性状態）を変更するために、特定の磁区を必要な位置に移動させるプロセスは、非常に短い可能性がある。
【０００３】
印加された磁場が取り除かれた場合、原子の磁気モーメントは誘導方向に整列されたままである。第２の反対方向に印加された磁場は、原子自体を第２の方向に再度整列させる。典型的には、強磁性材料体積中の原子の磁気モーメントは、磁気交換相互作用によって互いに並行に整列される。その後、原子はまとまって（１つのマクロ磁気モーメント、または磁区として）外部磁場に応答する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３，７０２，２６３号
【特許文献２】米国特許第４，３１５，９８５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスで使用するためにサブリソグラフィ・データ・トラックを形成するための方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、本発明は、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスで使用するためにサブリソグラフィ・データ・トラックを形成するための方法および装置である。メモリ・デバイスの一実施形態は、第１の誘電材料で形成される第１の誘電材料スタックと、第１の誘電材料スタックを取り囲み、少なくとも第２の誘電材料で形成される、第２の誘電材料スタックと、第１の誘電材料スタックと第２の誘電材料スタックとの間に位置する、情報を格納するための少なくとも１つのデータ・トラックであって、高いアスペクト比およびほぼ矩形の断面を有するデータ・トラックと、を含む。
【０００７】
したがって、前述の本発明の特徴を詳細に理解できるように、諸実施形態を参照しながら本発明についてより具体的に説明するが、その一部が添付の図面に示されている。しかしながら、添付の図面は本発明の典型的な実施形態のみを示すものであるため、その範囲を限定するものとはみなされず、本発明については他の等しく効果的な諸実施形態も可能であることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラックを含む相互接続構造体を示す断面図である。
【図２】図１の磁気データ・トラックを示す上面図である。
【図３】本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラックを含む相互接続構造体の領域の、第２の実施形態を示す上面図である。
【図４】本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラックを含む相互接続構造体の領域の、第３の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラックを含む相互接続構造体の領域の、第４の実施形態を示す断面図である。
【図６】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図７】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図８】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図９】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１０】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１１】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１２】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１３】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１４】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１５】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１６】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１７】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１８】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図１９】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図２０】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図２１】図１〜図５に示される磁気データ・トラックのいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す図である。
【図２２】図４に示される磁気データ・トラックを形成するための方法の一実施形態を示す図である。
【図２３】図４に示される磁気データ・トラックを形成するための方法の一実施形態を示す図である。
【図２４】磁気データ・トラックを形成するための方法の第２の実施形態を示す図である。
【図２５】磁気データ・トラックを形成するための方法の第２の実施形態を示す図である。
【図２６】磁気データ・トラックを形成するための方法の第２の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
一実施形態では、本発明は、磁気シフト・レジスタ・メモリ・デバイスで使用するためにサブリソグラフィ・データ・トラックを形成するための方法および装置である。本発明の諸実施形態は、組成変調された磁気データ・トラックを形成するための、ボトムアップ強磁性材料堆積または電気化学めっき法を可能にする。これにより、アスペクト比が非常に高い矩形トレンチの形成が可能となり、ここで、従来のリソグラフィによってより寸法の大きな矩形が画定され、より大きなトレンチ内の犠牲材料の共形（絶縁保護）コーティング（conformal coating）の厚さによって、より寸法の小さな矩形が画定される。
【００１０】
図１は、本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラック１０６１〜１０６ｎ（以下、集合的に「磁気データ・トラック１０６」と呼ぶ）などの、少なくとも１つの導電要素を含む、相互接続構造体（または相互接続構造の領域）１００の断面図を示す。図２は、図１の相互接続構造体１００の上面図を示す。図１および図２を同時に参照すると、相互接続構造体１００は、基板１０２と、基板１０２上に形成されたサブリソグラフィ寸法を備えた少なくとも１つのデータ・トラック１０６と、基板１０２上に形成されデータ・トラック１０６を囲む、誘電材料の外部スタック１０４と、基板１０２上に形成されデータ・トラック１０６によって囲まれた、誘電材料の内部スタック１０８とを、備える（すなわち、結果としてデータ・トラック１０６は、誘電材料の内部スタック１０８と誘電材料の外部スタック１０４との間に配置される）。一実施形態では、相互接続構造体１００は、基板１０２上の２つまたはそれ以上のデータ・トラック１０６間に形成された材料の少なくとも１つの薄層１１０１〜１１０ｎ（以下、集合的に「薄層１１０」と呼ぶ）を、さらに備える。
【００１１】
図２に示されるように、基板１０２上に形成されたデータ・トラック１０６は、高いアスペクト比（高さ：幅）と、長さｌおよび幅ｗによって画定されるほぼ矩形の断面とを有する。一実施形態では、データ・トラック１０６のアスペクト比は、約１０：１よりも大きい。他の実施形態では、アスペクト比は約１００：１よりも大きいかまたはこれに等しい。他の実施形態では、アスペクト比は約２００：１よりも大きい。さらに他の実施形態では、アスペクト比は約５００：１よりも大きい。たとえば、一実施形態では、データ・トラック１０６は、幅が約５０ナノメートル、長さが約２００ナノメートル、および高さｈが約５ミクロンである。一実施形態では、各寸法の範囲は、幅が約１から１００ナノメートル、長さが約５０から８００ナノメートル、および高さが約１から１００ミクロンである。一実施形態では、長さおよび幅のうちの１つが約１０から８０ナノメートルの間である。
【００１２】
一実施形態では、データ・トラック１０６は、データ・トラック１０６の上部（すなわち基板１０２に対して遠い端部）と下部（すなわち、基板１０２に対して近い端部）での接続部を、さらに備える。この接続部により、電流はデータ・トラック１０６を通じて流れることが可能であり、データ・トラック１０６内の磁区のシフトが可能になる。
【００１３】
一実施形態では、データ・トラック１０６は、強磁性あるいはフェリ磁性またはその両方の材料からなる。データ・トラック１０６は、小規模なセクションまたは磁区内で、いずれかの方向に磁化することができる。情報は、データ・トラック１０６内の領域（たとえば磁区）に格納される。データ・トラック１０６が形成される元である磁気材料の秩序パラメータ（order parameter）（すなわち、磁化方向または磁気モーメントの方向）は、方向が変化する。この磁気モーメントの方向の変動が、データ・トラック１０６内への情報格納の原理となる。
【００１４】
誘電材料の外部スタック１０４は、複数層の誘電材料を備える。一実施形態では、この複数層は少なくとも第１の誘電材料から形成される。誘電材料の内部スタック１０８は、第２の誘電材料を備える。一実施形態では、第１および第２の誘電材料は、同じ化学組成あるいは材料特性またはその両方を有する。他の実施形態では、第１および第２の誘電材料は、異なる化学組成あるいは材料特性またはその両方を有する。一実施形態では、第１および第２の誘電材料のうちの少なくとも１つは、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、低誘電率（低ｋ）誘電材料、あるいは、多孔性あるいはエア・ギャップまたはその両方を含む低誘電率（低ｋ）誘電材料を備える。一実施形態では、外部スタック１０４および内部スタック１０８のうちの少なくとも１つは、導電線あるいはバイア相互接続構造体またはその両方を含む。他の実施形態では、外部スタック１０４および内部スタック１０８のうちの少なくとも１つは、磁気トンネル接合デバイスを含む。他の実施形態では、外部スタック１０４および内部スタック１０８のうちの少なくとも１つは、データ・トラック１０６に近接して配置された、読み取りデバイスあるいは書き込みデバイスまたはその両方を含む。書き込みデバイスは、磁区をデータ・トラック１０６に書き込むために使用可能であり、読み取りデバイスは、データ・トラック１０６内の磁区を読み取るために使用可能である。
【００１５】
一実施形態では、材料の薄層１１０は、第１および第２の誘電材料に対して選択的に除去可能な材料から形成される。一実施形態では、材料の薄層１１０は、炭素含有材料、ケイ素含有材料、プラズマ援用化学気相堆積法（ＰＥＣＶＤ）により堆積された材料、原子層堆積法（ＡＬＤ）により堆積された材料、または、第１および第２の誘電材料に対して選択的に除去可能な任意の材料のうちの、少なくとも１つから形成される。図２に示されるように、材料の薄層１１０は、データ・トラック１０６の短い方の側に沿って（すなわち、幅に沿って）堆積される。
【００１６】
特定の磁区内にデータを書き込むために、磁気データ・トラック１０６に電流が印加され、書き込みデバイスを覆って、および書き込みデバイスと整列するように、磁区が移動される。電流が磁気データ・トラック１０６に印加された場合、データ領域内のすべての磁区が移動する。磁区の移動は、印加される電流の大きさおよび方向によって、ならびに、電流が印加される時間によって、制御される。
【００１７】
特定の磁区内のデータを読み取るために、磁気データ・トラック１０６に追加の電流が印加され、読み取りデバイスを覆って、および読み取りデバイスと整列するように、磁区が移動される。データ領域のより大きくシフトされた部分が、リザーバ内に押し込まれる（たとえば、シフトまたは移動される）。
【００１８】
読み取りデバイスおよび前述の書き込みデバイスは、読み取りデバイスおよび書き込みデバイスが配列されている基準面を画定する、制御回路の一部を形成する。磁気データ・トラック１０６を動作させるために、制御回路は、読み取り要素および書き込みデバイスに加えて、読み取り要素および書き込みデバイスの動作、磁気シフト・レジスタ内での磁区の移動のための電流パルスの提供、ならびに、磁気データ・トラック１０６内での符号化および復号化の手段を含む、様々な目的のための論理および他の回路を備える。一実施形態では、制御回路は、シリコン・ウェハ上で相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）プロセスを使用して形成される。一実施形態では、磁気データ・トラック１０６を含む相互接続構造体１００の領域は、メモリ・デバイスのストレージ容量を最大にしながら、シリコン領域の使用率によるコストを最小にするように、シリコン・ウェハ上で少ない占有面積を有するように設計される。
【００１９】
図３は、本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラック２０６１〜２０６ｎ（以下、集合的に「データ・トラック２０６」と呼ぶ）を含む、相互接続構造体２００の領域の第２の実施形態の上面図を示す。相互接続構造体２００は、図２に示される相互接続構造体１００と同様に構成され、基板（図示せず）と、基板２０２上に形成された少なくとも１つのデータ・トラック２０６と、基板２０２上に形成されデータ・トラック２０６を囲む、誘電材料の外部スタック２０４と、基板２０２上に形成されデータ・トラック２０６によって囲まれた、誘電材料の内部スタック２０８と、基板２０２上の２つまたはそれ以上のデータ・トラック２０６間に形成された材料の少なくとも１つの薄層２１０１〜２１０ｎ（以下、集合的に「薄層２１０」と呼ぶ）とを、備える。相互接続構造体１００とは異なり、相互接続構造体２００は、隣接するデータ・トラック２０６の間に堆積された絶縁体領域２１２１〜２１２ｎ（以下、集合的に「絶縁体領域２１２」と呼ぶ）をさらに備える。具体的に言えば、材料の隣接する薄層２１０または隣接するデータ・トラック２０６の間に、エア・ギャップ領域２１２が堆積される。材料の薄層２１０を備える材料が電気的に導電性である場合、絶縁体領域２１２によって提供される分離が必要である。一実施形態では、絶縁領域２１２はエア・ギャップを備える。他の実施形態では、絶縁領域２１２は少なくとも部分的に、エア・ギャップを含む可能性のある誘電材料で満たされる。
【００２０】
図４は、本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラック３０６を含む相互接続構造体３００の領域の第３の実施形態の断面図を示す。図４では、図が見やすいように、参照番号はほぼ左右対称の図の半分でのみ使用されていることに留意されたい。相互接続構造体３００は、図１に示される相互接続構造体１００と同様に構成され、基板３０２と、基板３０２上に形成された少なくとも１つのデータ・トラック３０６と、基板３０２上に形成されデータ・トラック３０６を囲む、誘電材料の外部スタック３０４と、基板３０２上に形成されデータ・トラック３０６によって囲まれた、誘電材料の内部スタック３０８と、複数のデータ・トラック３０６を接続するために基板３０２上に形成されたコネクタ３１０とを、備える。
【００２１】
図４に示される実施形態では、誘電材料の外部スタック３０４は、第１の誘電材料３１２と第３の誘電材料３１４との規則正しい交互の層を備え、データ・トラック３０６内でわずかに第３の誘電材料３１４にくぼみを設けるために、第３の誘電材料３１４が等方的にエッチングされており、データ・トラック３０６内に物理的な「ノッチ」３１６を形成している。これらのノッチを使用して、磁壁を固定する（pin）ことができる。一実施形態では、磁気データ・トラック３０６はほぼ均質な材料を備える。本発明との関連において、「均質な」磁気材料とは、複雑な形状を有する可能性があり、名目上は容積（ボリューム）全体を通じて同じ磁気特性（たとえば、磁化、磁気異方性、磁気交換（exchange）、磁気制動（damping））を有する、連続する磁気材料容積である。一実施形態では、均質な材料は、パーマロイと、鉄ニッケル系合金と、鉄コバルト系合金と、ニッケル、コバルト、および鉄のうちの１つまたは複数から形成される合金と、ニッケル、コバルト、および鉄に、ホウ素、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、パラジウム、またはプラチナを含む（がこれらに限定されない、）他の要素を加えた、１つまたは複数から形成される合金と、を含む群から選択された、強磁性またはフェリ磁性材料である。
【００２２】
一実施形態では、第１、第２、および第３の誘電材料が同じ化学組成あるいは材料特性またはその両方を有する。他の実施形態では、第１、第２、および第３の誘電材料が異なる化学組成あるいは材料特性またはその両方を有する。一実施形態では、第１、第２、および第３の誘電材料のうちの少なくとも１つが、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、低誘電率誘電材料、あるいは、多孔性またはエア・ギャップを含む低誘電率誘電材料を備える。
【００２３】
図５は、本発明に従った、少なくとも１つの磁気データ・トラック４０６を含む、相互接続構造体４００の領域の第４の実施形態の断面図を示す。図５では、図が見やすいように、参照番号はほぼ左右対称の図の半分でのみ使用されていることに留意されたい。相互接続構造体４００は、図１に示される相互接続構造体１００と同様に構成され、基板４０２と、基板４０２上に形成された少なくとも１つのデータ・トラック４０６と、基板４０２上に形成されデータ・トラック４０６を囲む、誘電材料の外部スタック４０４と、基板４０２上に形成されデータ・トラック４０６によって囲まれた、誘電材料の内部スタック４０８と、基板４０２上の２つまたはそれ以上のデータ・トラック４０６間に形成された材料の薄層４１０とを、備える。
【００２４】
図５に示される実施形態では、データ・トラック４０６は、異なる磁気材料、あるいは多層磁気シフト・レジスタを形成する、異なるかまたは調節された組成を有する磁気材料を備える、複数の不均質な層４１２および４１４を備える。本発明との関連において、「不均質な」磁気材料は、複雑な形状を有する可能性があり、（たとえば、磁気材料組成における変化により、あるいは、この磁気材料の堆積中に、または磁気材料が堆積した後の磁気材料に作用する、何らかの物理的プロセスにより、またはその両方により）その磁気特性（たとえば、磁化、磁気異方性、磁気交換、磁気制動）が容積全体を通じて変化する可能性のある、連続する磁気材料容積を備える。層４１２および４１４内の材料の異なる組成が、「ポテンシャル井戸（potential well）」と同様に最小限のローカル・エネルギーを生み出すため、結果として異極性の磁区間の磁壁は、交互の磁気層４１２と４１４との間の境界とそれ自体を整列させることになる。したがって、磁区の範囲およびサイズは、磁気層４１２および４１４の厚さによって決定される。
【００２５】
一実施形態では、磁気層４１２および４１４のそれぞれが、１つまたは複数の強磁性またはフェリ磁性材料からなり、強磁性またはフェリ磁性材料は、それらの磁化の絶対値（単位容積あたりの磁気モーメント）、交換パラメータ、磁気異方性、および制動係数のうちの１つまたは複数に基づいて、適宜選択される。磁気層４１２および４１４に対する材料の選択は、材料の製造可能性、および多層磁気シフト・レジスタ（すなわちデータ・トラック４０６）を形成するために使用されるプロセスとの互換性によっても、影響を受ける。一実施形態では、磁気層４１２および４１４のそれぞれは、パーマロイと、鉄ニッケル系合金と、鉄コバルト系合金と、ニッケル、コバルト、および鉄のうちの１つまたは複数から形成される合金と、ニッケル、コバルト、および鉄に、ホウ素、ジルコニウム、ハフニウム、クロム、パラジウム、またはプラチナを含む（がこれらに限定されない、）他の要素を加えた、１つまたは複数から形成される合金と、を含む群から選択される、少なくとも１つを備える。一実施形態では、磁気層４１２および４１４がそれらの組成における傾斜を有するか、または、磁気層４１２と４１４との組成間の組成を有する移行領域が、磁気層４１２と４１４との間に堆積される。
【００２６】
磁気層４１２および４１４を備える材料は、たとえば無電解めっきまたは電気めっきを含む、様々な方法によって堆積可能である。一実施形態では、磁気層４１２および４１４を備える材料は、米国特許第３，７０２，２６３号に記載された、無電解めっきプロセスに従って堆積される。他の実施形態では、磁気層４１２および４１４を備える材料は、米国特許第４，３１５，９８５号に記載された、電気めっきプロセスに従って堆積される。
【００２７】
図５に示される実施形態では、データ・トラック４０６の高さｈ（すなわち、基板４０２から離れる方向に延在する寸法）は、約１ミクロンから約１００ミクロンの間である。一実施形態では、データ・トラックが内部に堆積されるバイアまたはトレンチの断面は、約１０ナノメートル×１００ナノメートルから、約７０ナノメートル×８００ナノメートルの間の範囲である。これらのバイアまたはトレンチは、その後、強磁性あるいはフェリ磁性またはその両方の材料で充填され、データ領域（磁区）および多層磁気シフト・レジスタのデータ・トラック４０６のリザーバを形成する。
【００２８】
前述のように、多層磁気データ・トラック４０６に印加された電流パルスによって、磁区（ドメイン）は印加された電流の方向に移動される。しかしながら、電流パルスが十分な振幅および持続時間でない限り、磁区は、データ・トラック４０６の磁気層４１２および４１４内の２つの異なるタイプの磁気材料間の境界を通過することはできない。したがって、磁区は１回に１ビット移動することが可能であり、磁区はそれらの所望の位置を通過するドリフティングによって制約される可能性がある。
【００２９】
磁区の可能な位置を固定することに加えて、データ・トラック４０６の磁気層４１２および４１４内の磁気材料の異なる層を使用することでも、電流の振幅およびパルス持続時間に関してより高い許容範囲が可能となる。この実施形態では、書き込みデバイスおよび読み取りデバイス上を通り過ぎる磁気データ・トラック４０６の部分は、均質な磁気材料から、または異なる磁気材料の層から、形成可能である。
【００３０】
一実施形態では、交互の磁気層４１２および４１４の長さは同じである。他の実施形態では、交互の磁気層４１２および４１４の長さは異なる。他の実施形態では、交互の磁気層４１２および４１４の長さは、多層磁気データ・トラック４００全体にわたって変化する。いずれの場合でも、電流パルスによって誘導される電流誘導モーションに対して、ポテンシャルがそれらの画定された位置内の磁区を固定する。
【００３１】
図６〜図２１は、図１〜図５に示される磁気データ・トラックを含む、相互接続構造体１００、２００、３００、または４００のいずれかを形成するための基本方法の一実施形態を示す。具体的に言えば、図６〜図２１は形成ステップの断面図および上面図を示し、したがって図６〜図２１は、本発明に従った方法に関する流れ図としての働きもする。
【００３２】
図６に示されるように、磁気データ・トラックを含む相互接続構造体５００の形成における第１のステップは、基板５０２を準備すること、および基板５０２上に誘電材料の多層スタック５０４を形成することを含む。前述のように、誘電材料の多層スタック５０４は少なくとも１つの第１の誘電材料を備える。
【００３３】
図７および図８では、誘電材料の多層スタック５０４に大きな第１のトレンチ５０６がパターン形成およびエッチングされる。図に示されるように、第１のトレンチ５０６は断面がほぼ矩形であり、基板５０２に接触する下部５０６ａと、下部５０６ａに対してそれぞれがほぼ垂直に堆積された、第１、第２、第３、および第４の側壁５０６ｂ、５０６ｃ、５０６ｄ、および５０６ｅとを備える。
【００３４】
図９および図１０では、第１のトレンチ５０６は、第１のトレンチ５０６の下部５０６ａと、第１、第２、第３、および第４の側壁５０６ｂ、５０６ｃ、５０６ｄ、および５０６ｅとを覆う、犠牲材料の薄層５０８で共形コーティングされる。加えて、材料の層５０８は、誘電材料の多層スタック５０４の上部５１０を覆う。一実施形態では、犠牲層５０８は、多層スタック５０４を形成する誘電材料のエッチング速度の少なくとも５倍のエッチング速度を有する材料で形成される。一実施形態では、犠牲層５０８は、ケイ素と、非晶質炭素膜と、炭素膜と、炭化シリコン膜と、有機材料と、シリコン、酸素、炭素、および水素を含む材料と、金属膜と、原子層堆積によって堆積された膜と、プラズマ援用化学気相堆積法によって堆積された膜と、溶液堆積法によって堆積された膜とのうちの、少なくとも１つで形成される。
【００３５】
図１１および図１２では、第１のトレンチ５０６は、第２の誘電材料５１２で充填され、その結果、誘電材料の多層スタック５０４の残余部が誘電材料の外部スタックになり、第１のトレンチ５０６を充填した第２の誘電材料５１２が誘電材料の内部スタックになる。誘電材料の内部スタック５１２は、大きな第１のトレンチ５０６の内部および上部に形成される。
【００３６】
図１３および図１４では、誘電材料の内部スタック５１２の上部（第１のトレンチ５０６および犠牲材料の薄層５０８の上に配置される）が、表面を平坦化するために除去され、（誘電材料の内部スタック５１２で充填された）第１のトレンチ５０６の上部領域と、犠牲材料の薄層５０８または誘電材料の外部スタック５０４の上部のいずれかを、露出させる。次に、大きな第１のトレンチ５０６内で共形コーティングされた材料の層５０８の露出領域全体にわたって、第１のトレンチ５０６の第１、第２、第３、および第４の側壁５０６ｂ、５０６ｃ、５０６ｄ、および５０６ｅの上に、抵抗層５１４が堆積およびパターン形成される。
【００３７】
図１５および図１６では、大きな第１のトレンチ５０６内の共形コーティングされた材料の層５０８が、第１または第２の誘電材料よりもはるかに高速の化学エッチングで材料の層５０８を除去するようにエッチングされ、サブリソグラフィ寸法を備える狭い矩形の第２のトレンチ５１６を形成する。一実施形態では、第２のトレンチ５１６の寸法は、結果として第２のトレンチの断面の長さおよび幅のうちの少なくとも１つが、約８０ナノメートルよりも短い。他の実施形態では、第２のトレンチの断面の長さおよび幅のうちの少なくとも１つが、約５ナノメートルから７０ナノメートルの間である。
【００３８】
図１７および図１８では、第２のトレンチ５１６が、基板５０２上までエッチングされる。基板５０２は、第２のトレンチ５１６の下部に対して電気的接続を提供するためのコンタクト（接点、図示せず）を含む。このコンタクトは、標準の導電線あるいは、相互接続構造体内で使用されるバイア、またはその両方を備える。一実施形態では、犠牲材料の薄層５０８の残余部は、相互接続構造体の一部として残る。他の実施形態では、犠牲材料の薄層５０８の残余部は、電流がデータ・トラック間を通過するのを防止する絶縁特性を有する。相互接続構造体の設計が電流にデータ・トラック間を通過させる必要がある、他の実施形態では、犠牲材料の薄層５０８の残余部は導電特性を有する。
【００３９】
図１９および図２０では、狭い第２のトレンチ５１６が強磁性またはフェリ磁性材料で充填される。一実施形態では、第２のトレンチ５１６を充填している強磁性またはフェリ磁性材料は、（たとえば、図１に示されるように）単一の強磁性またはフェリ磁性材料を備える。代替実施形態では、第２のトレンチ５１６を充填している強磁性またはフェリ磁性材料は、（たとえば、図５に示されるように）２つまたはそれ以上の強磁性またはフェリ磁性材料の組成を備える。これによってデータ・トラックを形成する。コンタクトは、導電線あるいは導電バイアまたはその両方を含む標準の相互接続配線レベルを通じて、データ・トラック上部に形成可能である。一実施形態では、第１のトレンチ５０６をコーティングした犠牲材料の層５０８の残余部は、電流が隣接するデータ・トラック間を通過できないようにする絶縁材料を備える。第２の実施形態では、図１３における抵抗の形成に先立ち、誘電材料の内部スタック５１２の平坦化中に、誘電材料の外部スタック５０４上部の残りの誘電材料が除去される。図２１に示されるこの実施形態では、アスペクト比の高い第２のトレンチ５１６のうちの少なくとも一部（すなわち第２のトレンチ５１６）が選択的に充填され、アスペクト比のより小さい他の第２のトレンチ５１６は、電気的に絶縁の分離トレンチ５１８として作用するように、充填せずに残される。
【００４０】
図２２〜図２３は、図４に示される磁気データ・トラック６００を形成するための方法の一実施形態を示す。具体的に言えば、図２２は図６の置換を示し、それによって、図６〜図２１に示される方法を、図４に示される磁気データ・トラック３００の形成用に改造する。
【００４１】
図２２に示されるように、誘電材料の多層スタック３０４が基板３０２上に形成される。図４に関して前述したように、この実施形態では、誘電材料の多層スタック３０４は、第１の誘電材料３１２および第３の誘電材料３１４の規則正しい交互の層を備える。
【００４２】
図２３に示されるように、図７〜図１８に示される諸ステップの残りが実施され、図７〜図２１に示される誘電材料の多層スタック５０４を第１および第３の誘電材料３１２および３１４の多層スタックに置き換える。結果として生じる図２３に示される構造は、第２の誘電材料を備える）誘電材料の内部スタック３０８と、第２のトレンチ３１８と、第２のトレンチ３１８内でわずかに第３の誘電材料３１４にくぼみを設けるように等方的にエッチングされたノッチ３１６とを、含む。異なる実施形態では、第３の誘電材料３１４ではなく、第１の誘電材料３１２にくぼみが設けられる。図１９〜図２０に示される方法と同様に、第２のトレンチ３１８およびノッチ３１６が強磁性またはフェリ磁性材料で充填された後、図４に示されるような磁気データ・トラックが生成される。
【００４３】
図２４〜図２６は、磁気データ・トラックを形成するための方法の第２の実施形態を示す。具体的に言えば、図２４〜図２６は形成ステップの断面図および上面図を示し、したがって、図２４〜図２６は、本発明に従った方法に関する流れ図としての働きもする。
【００４４】
図２４では、相互接続構造体７００が、第１のトレンチが誘電材料の第１のスタック７０４の途中までのみエッチングされることを除いて、図６〜図１３に関して前述された方法と同様に形成されるが、その結果、トレンチの下部７０６ａが層７２０の上部と接触していることになる。一実施形態では、層７２０は誘電材料またはシリコンなどの基板材料である。犠牲材料の共形層７０８は、第１のトレンチ７０６の表面全体に堆積され、第１のトレンチ７０６は第２の誘電材料７１２で充填される。第２の誘電材料７１２が平坦化され、抵抗７１４が形成およびパターン形成される。
【００４５】
図２５では、（たとえば、先行の図を参照しながら本明細書で考察された代替実施形態の場合のように）基板７０２の上までではなく、誘電体層７２０の上まで、第２のトレンチ７１６が形成される。
【００４６】
図２６では、第２のトレンチ７１６の高さは基板７０２まで延伸される。その後、第２のトレンチ７１６を強磁性材料で充填し、第２のトレンチ７１６の上部および下部へのコンタクトを提供することによって、前述と同じようにデータ・トラックが形成される。
【００４７】
相互接続構造体７００は、データ・トラックがシリコン・ウェハなどの基板材料内へと延伸されることになる場合、有利に実装可能である。この場合、エッチングの第２の部分（すなわちエッチング層７２０）の化学エッチングは、オリジナルの誘電材料の第１のスタック７０４の化学エッチングとは大幅に異なることになる。この例では、層７２０はケイ素または非晶質ケイ素を備えることが可能であり、誘電層の第１のスタック７０４は、酸化物、窒化物、あるいは、多孔性を伴うかまたは伴わない低誘電率（低ｋ）誘電材料のうちの、１つまたは複数を備えることが可能である。
【００４８】
相互接続構造体７００は、非常に深いデータ・トラックで使用する場合も有利な可能性がある。第２の誘電材料７１２で効果的に充填可能な第１のトレンチ７０６の高さに関して制限がある場合、データ・トラックの高さを延伸するために、図２４〜図２６に示される方法を組み込むことができる。この方法によれば、データ・トラックの寸法は、第２のトレンチ７１６の上部領域によって決定される。これらの同じ寸法を、層７２０内へと延伸させることができる。（層７２０内の）データ・トラックの下部領域の反応性イオン・エッチング中に、（誘電材料の第１のスタック７０４と第２の誘電材料７１２との間の）データ・トラックの上部領域は、データ・トラックの下部領域の寸法を画定するためのエッチング・マスクとしての働きをすることになる。
【００４９】
前述の内容は、本発明の諸実施形態を対象とするが、本発明の基本範囲を逸脱することなく、本発明の他の諸実施形態を考案することが可能である。本明細書に提示された様々な実施形態またはそれらの一部を組み合わせて、他の実施形態を作成することができる。さらに、上部、側部、下部、前部、後部などの用語は、相対的または位置的な用語であり、図面に示される例示的な諸実施形態に関して使用されるため、これらの用語は相互に交換可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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