(57)【要約】      （修正有）【課題】ビット線のクラッド構造を形成する際に磁性体層のエッチング時に下層のバリアメタル層を残すことで、ビット線の配線溝を形成する際のオーバエッチングを防止して、ビット線の不要な短絡を防止することを可能とする。【解決手段】第１配線１１と立体的に交差する第２配線（ビット線）との交差領域に磁気抵抗効果素子１３を備えた磁気記憶装置の製造方法において、ビット線は、磁気抵抗効果素子１３上を被覆する第４絶縁膜４４に配線溝４４３を形成し、その内面および第４絶縁膜４４表面に第１バリアメタル層５２と磁性体層５３を順に形成し、配線溝４４３底部の第１バリアメタル層５２を残して磁性体層５３を除去することで配線溝４４３側壁に磁性体層５３のサイドウォールを形成した後、配線溝４４３内に第２バリアメタル層を介して銅膜からなるビット線を形成する。【選択図】図１
2005327781.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１配線と、
前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、
前記第１配線と前記第２配線の交差領域に設けたもので前記第１配線と電気的に絶縁され前記第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子と
を備えた磁気記憶装置の製造方法において、
前記第２配線を形成する工程は、
前記記憶素子上を被覆するように形成された絶縁膜に前記第２配線を形成するための配線溝を形成する工程と、
前記配線溝内面および前記絶縁膜表面に第１バリアメタル層と磁性体層とを順に形成する工程と、
前記配線溝底部の前記第１バリアメタル層を残して前記磁性体層を除去するとともに前記溝側壁に前記磁性体層からなるサイドウォールを形成する工程と、
前記配線溝内に第２バリアメタル層を介して配線の主材料となる導電体を埋め込む工程と、
前記絶縁膜上の導電体および第２バリアメタル層および第１バリアメタル層を除去して前記配線溝内に導電体からなる前記第２配線を形成する工程と
を備えたことを特徴とする磁気記憶装置の製造方法。
【請求項２】
前記磁性体層のサイドウォールを形成する工程は、
一酸化炭素ガスとアンモニアガスとの混合ガスからなるエッチングガスを用いた異方性プラズマエッチングにより行う
ことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２配線を形成する工程の後、
前記第２配線上にバリアメタル層、磁性体層を順に成膜する工程と、
前記磁性体層からなるサイドウォールを含む前記第２配線上のみを被覆するように前記磁性体層とバリアメタル層とを加工する工程と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気記憶装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）デバイスの特にビット線のクラッド構造を形成する工程を備えた磁気記憶装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報通信機器、特に携帯端末などの個人用小型機器の飛躍的な普及にともない、これを構成するメモリ素子やロジック素子等の素子には、高集積化、高速化、低消費電力化など、一層の高性能化が要求されている。特に不揮発性メモリはユビキタス時代に必要不可欠の素子と考えられている。例えば、電源の消耗やトラブル、サーバーとネットワークが何らかの障害により切断された場合であっても、不揮発性メモリは個人の重要な情報を保護することができる。そして、不揮発性メモリの高密度化、大容量化は、可動部分の存在により本質的に小型化が不可能なハードディスクや光ディスクを置き換える技術としてますます重要になってきている。
【０００３】
また、最近の携帯機器は不要な回路ブロックをスタンバイ状態にしてでき得る限り消費電力を抑えようと設計されているが、高速ネットワークメモリと大容量ストレージメモリを兼ねることができる不揮発性メモリが実現できれば、消費電力とメモリとの無駄を無くすことができる。また、電源を入れると瞬時に起動できる、いわゆるインスタント・オン機能も高速の大容量不揮発性メモリが実現できれば可能になってくる。
【０００４】
不揮発性メモリとしては、半導体を用いたフラッシュメモリや、強誘電体を用いたＦＲＡＭ（Ferro electric Random Access Memory）などがあげられる。しかしながら、フラッシュメモリは、書き込み速度がμ秒の桁であるため遅いという欠点がある。また構造が複雑なために高集積化が困難であり、しかも、アクセス時間が１００ｎｓ程度と遅いという欠点がある。一方、ＦＲＡＭにおいては、書き換え可能回数が１０12回〜１０14回で完全にスタティックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）やダイナミックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）に置き換えるには耐久性が低いという問題が指摘されている。また、強誘電体キャパシタの微細加工が難しいという課題も指摘されている。
【０００５】
これらの欠点を有さない不揮発性メモリとして注目されているのが、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）もしくはＭＲ（Magneto Resistance）メモリと呼ばれる磁気メモリであり、近年のトンネル磁気抵抗効果素子（以下、ＴＭＲ：という、ＴＭＲはTunnel Magnetic Resistanceの略）材料の特性向上により注目を集めるようになってきている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００６】
ＭＲＡＭは、構造が単純であるため高集積化が容易であり、また磁気モーメントの回転により記憶を行うために、書き換え回数が大であると予測されている。またアクセス時間についても、非常に高速であることが予想され、既に１００ＭＨｚで動作可能であることが報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。また、ＧＭＲ効果により高出力が得られるようになった現在では、大きく改善されてきている。
【０００７】
上述の通り、高速化・高集積化が容易という長所を有するＭＲＡＭではあるが、書き込みは、ＴＭＲ素子に近接させて設けられたビット線と書き込み用ワード線に電流を流し、その発生磁界によって行う。ＴＭＲ素子の記憶層（記憶層）の反転磁界は材料にもよるが、１．５８ｋＡ／ｍ〜１５．８ｋＡ／ｍ（２０Ｏｅ〜２００Ｏｅ）が必要であり、このときの電流は数ｍＡから数十ｍＡになる。これは消費電流の増大につながり、素子の低寿命化、発熱、消費電力の増加という半導体素子にとってはデメリットとなることが多い。
【０００８】
この消費電流が増大する問題を解決するために、書き込みワード線およびビット線の周りを磁性体層でシールドして、電流が発生する磁束を集中させる構造（以下 クラッド構造という）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００９】
図３に磁性体層により形成されるクラッド構造を用いたＭＲＡＭの一部を簡略化して示す概略斜視図を示す。図３に示すように、ワード線３１１の周りに対して、磁気抵抗効果型の記憶素子（例えばＴＭＲ素子）３１３側の面以外を第１磁性体層３５１で覆い磁束を記憶素子３１３に集中させるクラッド構造を形成している。同様に、ビット線３１２の周りに対して、記憶素子３１３側の面以外を第２磁性体層３５３で覆い磁束を記憶素子３１３に集中させるクラッド構造を形成している。
【００１０】
また消費電流を低減して、磁場発生効率を上昇させるためには、記憶素子３１３とワード線３１１、ビット線３１２間の距離を近くすることが有効である。ただし、ビット線３１２と記憶素子３１３の距離を近づけて形成する場合には、例えばビット線３１２を形成するための配線溝を加工する際に、記憶素子３１３の上部電極や記憶素子３１３を構成する膜、そして記憶素子３１３側部の絶縁層が削れるなどして、後の工程で形成するビット線３１２とのショートが発生することが懸念される。
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−２４６５６６号公報
【非特許文献１】Wang et al.,著  “Feasibility of Ultra-Dense Spin-Tunneling Random Access Memory” IEEE Transaction on Magnetics 33 [6] (Nov. 1997) p4498-4512
【非特許文献２】R.Scheuerlein et al,著  “TA7.2 A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FET Switch in each Cell”2000 IEEE International Solid-State Circuits Conference Digest of Papers (Feb.2000) p128-129
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
解決しようとする問題点は、ビット線とＴＭＲ素子との距離を近づけて形成する際に、ＴＭＲ素子の上部電極やＴＭＲ素子を構成する膜、そしてＴＭＲ素子側部の絶縁層が削れるなどして、後の工程で形成するビット線とのショートが発生する点である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の磁気記憶装置の製造方法は、第１配線と、前記第１配線と立体的に交差する第２配線と、前記第１配線と前記第２配線の交差領域に設けたもので前記第１配線と電気的に絶縁され前記第２配線と電気的に接続された磁気抵抗効果型の記憶素子とを備えた磁気記憶装置の製造方法において、前記第２配線を形成する工程は、前記記憶素子上を被覆するように形成された絶縁膜に前記第２配線を形成するための配線溝を形成する工程と、前記配線溝内面および前記絶縁膜表面に第１バリアメタル層と磁性体層とを順に形成する工程と、前記配線溝底部の前記第１バリアメタル層を残して前記磁性体層を除去するとともに前記配線溝側壁に前記磁性体層からなるサイドウォールを形成する工程と、前記配線溝内に第２バリアメタル層を介して配線の主材料となる導電体を埋め込む工程と、前記絶縁膜上の導電体および第２バリアメタル層および第１バリアメタル層を除去して前記配線溝内に導電体からなる前記第２配線を形成する工程とを備えたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の磁気記憶装置の製造方法は、配線溝底部の第１バリアメタル層を残して磁性体層を除去するとともに配線溝側壁に磁性体層からなるサイドウォールを形成するため、第1バリアメタル層によって、磁気抵抗効果素子側へのオーバエッチング、具体的には、磁気抵抗効果素子上に形成される上部電極や磁気抵抗効果素子を構成する膜、磁気抵抗効果素子側部の絶縁膜等の膜がエッチングにより削られるのを防止することができるので、ビット線と、例えば磁気抵抗効果素子における磁化固定層との短絡を防止することができるという利点がある。これによって、従来のように絶縁膜を厚く形成することによってオーバエッチングの影響を防止する必要がないので、磁気抵抗効果素子とビット線との距離を近づけることが可能になる。したがって、磁場の発生効率を増加させることができるので、消費電流を低減することが可能となり、磁気記憶装置１の書き込み特性の向上が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
ビット線を形成する際のオーバエッチングを防止してビット線と磁気抵抗効果素子の磁化固定層との短絡を防止するという目的を、側壁に磁性体層を設けてビット線を形成する配線溝を形成する際に、配線溝に磁性体層を残して磁性体層のサイドウォールを形成するときに磁性体層の下層に形成されているバリアメタル層をエッチングせずに残すことで実現した。
【実施例１】
【００１６】
本発明の磁気記憶装置の製造方法に係る第１実施例を、図１〜図２の製造工程断面図によって説明する。
【００１７】
図１（１）に示すように、選択素子として機能する絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（以下、トランジスタという）（図示せず）、センス線（図示せず）、上記選択素子やセンス線等に接続される各種接続電極（図示せず）等が形成された半導体素子基板１０がある。この半導体素子基板１０上には第１絶縁膜４１が形成され、この第１絶縁膜４１には、第１配線（以下、書き込みワード線という）１１、磁気抵抗効果素子と選択素子に接続される接続電極３１等が形成されている。また、第１絶縁膜４１には位置合わせマーク８１等が形成されていてもよい。上記書き込みワード線１１は、後に説明する磁気抵抗効果素子１３側を除く側壁および下面に、バリアメタル層、磁性体層、バリアメタル層からなる積層膜５１が形成されている。
【００１８】
さらに上記第１絶縁膜４１上には第２絶縁膜４２が形成され、この第２絶縁膜４２には、接続電極３１の一部に接続される接続電極３２が形成されている。この接続電極３２は次に説明するバイパス線と一体に形成されてもよい。さらに、上記第２絶縁膜４２上には、選択素子のトランジスタの拡散層に接続する接続電極を介して接続されるバイパス線１５が形成されている。このバイパス線１５は、例えば、導電層、反強磁性体層を積層したものからなり、上記書き込みワード線１１と後に説明するビット線との交差（例えば直交）領域における上記反強磁性体層上には磁気抵抗効果型の記憶素子（以下、磁気抵抗効果素子１３という）が形成されている。この磁気抵抗効果素子１３は、その上部に電極（図示せず）が形成され、第３絶縁膜４３により被覆されている。そして第３絶縁膜４３表面は、上記電極が露出されるように、平坦化されている。
【００１９】
次に、上記第３絶縁膜４３上にストッパ層４４１を成膜した後に層間絶縁膜４４２を成膜して、第４絶縁膜４４を形成する。上記ストッパ層４４１は例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）膜で形成され、上記層間絶縁膜４４２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜、フッ素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＦ）膜、炭素を含む酸化シリコン（ＳｉＯＣ）膜、有機化合物膜などの絶縁材料膜を用いることができ、それらの材料膜のいくつかを積層した膜であってもよい。なお、上記第１〜第４絶縁膜４１〜４４の構造は適宜変更することが可能である。例えば、上記説明したような、バリア層を含む積層構造、無機絶縁膜と有機絶縁膜との積層構造等、適宜選択できる。
【００２０】
次に、図１（２）に示すように、上記第４絶縁膜４４にビット線を形成するための配線溝４４３を形成する。例えば、配線溝４４３の底部には磁気抵抗効果素子上に形成した電極（図示せず）が露出される。
【００２１】
次に、図１（３）に示すように、例えばスパッタリング法を用いて、上記配線溝４３３の内面にバリアメタル層５２、磁性体層５３を成膜する。上記バリアメタル層５２には、配線層および磁性体膜の反応、拡散を抑制する材料が用いられ、例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等を用いることができる。また上記磁性体層５３には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）およびこれらの材料からなる合金を用いることができる。
【００２２】
次に、図１（４）に示すように、異方性エッチングによって、第４絶縁膜４４の上および配線溝４４３底部の磁性体層５３を除去する。その結果、配線溝４４３の側壁に磁性体層５３が残される。なお、このエッチングでは、配線溝４４３底部のバリアメタル層５２は残しておく。上記エッチングは、例えば、磁性体層５２がニッケル鉄（ＮｉＦｅ）で形成されている場合には、一酸化炭素（ＣＯ）とアンモニア（ＮＨ3）との混合ガスをエッチングガスに用いて、磁性体層５３のみをエッチングする。それぞれのガス供給流量は、一例として、一酸化炭素（ＣＯ）を２５ｃｍ3／ｍｉｎ、アンモニア（ＮＨ3）を７５ｃｍ3／ｍｉｎとした。またプラズマエッチング装置のソースパワーを５００Ｗ〜１５００Ｗ、バイアスパワーを１００Ｗ〜５００Ｗの範囲で選択し、エッチング雰囲気の圧力を０．６７Ｐａ〜１．３３Ｐａの範囲内で設定し、基板温度を４０℃〜２５０℃の範囲で設定した。この範囲のエッチング条件では、バリアメタル層５２に対して磁性体層５３は５倍以上のエッチングレートを確保することができた。したがって、磁性体層５３のエッチングではバリアメタル層５２はほとんどエッチングされない。
【００２３】
その後、エッチング処理によって酸化したバリアメタル層５２表面を還元するために、希フッ酸洗浄を施し、アルゴン（Ａｒ）逆スパッタによって還元層を除去する。さらに真空中で水素プラズマにさらして還元するなどの手法を用いて、バリアメタル層５２の表面処理を施した後に、図２（５）に示すように、上記配線溝４４３の内面にバリアメタル層５４を形成する。この処理は、バリアメタル層５３とバリアメタル層５４との間で安定して低接触抵抗を得ることを目的としている。バリアメタル層５３とバリアメタル層５４との間で低接触抵抗化が実現できれば上記した条件に特に限定する必要は無い。上記バリアメタル層５４には、配線層および磁性体膜の反応、拡散を抑制する材料が用いられ、例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等を用いることができる。
【００２４】
次に、次いで、例えば銅シード層（図示せず）を成膜した後に電解めっきにより銅を堆積して、上記配線溝４４３を銅膜５５で埋め込む。ここでは、銅膜５５を例に挙げて記載したが、配線材料として銅や銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられ、限定する必要は無い。
【００２５】
次に、図２（６）に示すように、上記第４絶縁膜４４上の余剰な銅膜（銅シード層も含む）５５およびバリアメタル層５４、５２を、例えば化学的機械研磨法を用いて除去して、配線溝４４３内に銅膜（銅シード層も含む）５５からなる第２配線（以下、ビット線という）１２を形成する。
【００２６】
次に、上記ビット線１２を被覆するように、バリアメタル層５６、磁性体層５７、ハードマスク層５８を形成した後、通常のリソグラフィー技術とエッチング技術とによってハードマスク層５８をパターニングし、さらにパターニングしたハードマスク層５８をエッチングマスクに用いて、ビット線１２上を被覆するように上記磁性体層５７および上記バリアメタル層５６を加工して、キャップ構造を形成する。この結果、ビット線１２の側壁および上部を磁性体層５３、５７で覆う構造を形成することが可能になる。上記バリアメタル層５６には、配線層および磁性体膜の反応、拡散を抑制する材料が用いられ、例えば、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タングステン（Ｗ）、窒化タングステン（ＷＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等を用いることができる。また上記磁性体層５７には、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）およびこれらの材料からなる合金を用いることができる。また、配線材料としては、上記銅膜の他に、例えば
銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等が挙げられる。また、上記ハードマスク層５８は、窒化シリコン（ＳｉＮ）材料を用いるが、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜との積層膜であってもよく、またハードマスク層５８を形成しない場合であっても構わない。上記のようにして、磁気記憶装置１を構成する。
【００２７】
上記磁気記憶装置の製造方法は、配線溝４４３底部の第１バリアメタル層５２を残して磁性体層５３を除去するとともに配線溝４４３側壁に磁性体層５２からなるサイドウォールを形成するため、第1バリアメタル層５２によって、磁気抵抗効果素子１３側へのオーバエッチング、具体的には、磁気抵抗効果素子１３上に形成される上部電極（図示せず）や磁気抵抗効果素子１３を構成する膜、磁気抵抗効果素子１３側部の絶縁膜等の膜がエッチングにより削られるのを防止することができるので、ビット線１２と、例えば磁気抵抗効果素子１３における磁化固定層との短絡を防止することができるという利点がある。これによって、従来のように絶縁膜を厚く形成することによってオーバエッチングの影響を防止する必要がないので、磁気抵抗効果素子１３とビット線１２との距離を近づけることが可能になる。したがって、磁場の発生効率を増加させることができるので、消費電流を低減することが可能になり、磁気記憶装置１の書き込み特性の向上が図れる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の磁気記憶装置の製造方法は、ＭＲＡＭの製造方法に適用するのに好適であるとともに、配線の側部に磁性体層を形成する構成の配線を有する半導体装置の製造方法にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】磁気記憶装置の製造方法に係る一実施例を示した概略構成断面図である。
【図２】磁気記憶装置の製造方法に係る一実施例を示した概略構成断面図である。
【図３】従来のクラッド構造を用いた磁気記憶装置を示した概略構成斜視図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…磁気記憶装置、１１…第１配線（書き込みワード線）、１２…第２配線（ビット線）、１３…磁気抵抗効果素子、４４…第４絶縁膜、４４３…配線溝、５２…第１バリアメタル層、５３…第１磁性体層、５４…第２バリアメタル層、５５…銅膜
【図１】
2005327781.tif 000003
【図２】
2005327781.tif 000004
【図３】
2005327781.tif 000005