(57)【要約】磁気エレクトロニクスデバイスに使用するクラッド導体（４２）の形成方法が提供される。本方法では、基板（１０）を設け、そして導電バリア層（１２）を基板（１０）上に重ねて形成する。誘電体層（１６）は導電バリア層（１２）上に重ねて形成され、そして導電ライン（２０）は誘電体層（１６）の一部の内部に形成される。誘電体層（１６）は除去され、そして磁束収束部（３０）が導電ライン（２０）上に重ねて形成される。
2006508544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気エレクトロニクスデバイスに使用するためのクラッド導体の形成方法であって、
基板を設ける工程と、
導電バリア層を前記基板上に重ねて形成する工程と、
誘電体層を前記導電バリア層上に重ねて形成する工程と、
導電ラインを前記誘電体層の一部内に形成する工程と、
前記誘電体層を除去する工程と、
磁束収束部を前記導電ライン上に重ねて形成する工程とを含む方法。
【請求項２】
磁束収束部を形成する工程において、前記磁束収束部を前記導電バリア層の第１部分上に重ねて形成するとともに、前記導電バリア層の第２部分を露出させ、前記磁束収束部はニッケル鉄（ＮｉＦｅ）層を備え、前記導電ラインを形成する工程において、前記誘電体層にトレンチをパターンニングしてエッチングし、そのトレンチ内に前記導電ラインを形成し、前記導電ラインは、銅、アルミニウム、金、及び銀の内の少なくとも一つを含有し、該方法はさらに、
前記導電バリア層の前記第２部分を除去する工程と、
前記導電バリア層の上であって、かつ前記誘電体層の下になるようにエッチング停止層を形成する工程とを含み、導電ラインを形成する工程では、導電ラインを前記エッチング停止層の一部内に形成し、前記導電バリア層はタンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、及びタンタルシリコン窒化物の内の少なくとも一つを含有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
磁束収束部を形成する工程において、第１磁束収束層を前記導電ライン上に重ねて形成し、第２磁束収束層を前記第１磁束収束層上に重ねて形成し、前記第１磁束収束層及び第２磁束収束層は、異なる磁気特性及び異なる材料特性を有するように形成される、請求項１記載の方法。
【請求項４】
クラッド導体を含む磁気エレクトロニクスデバイスであって、前記クラッド導体は、
導電バリア層と、
前記導電バリア層上に重なる導電ラインと、
前記導電ライン上に重なる磁束収束部とを含む、磁気エレクトロニクスデバイス。
【請求項５】
前記導電バリア層は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、及びタンタルシリコン窒化物（ＴａＳｉＮ）の内の少なくとも一つを含有し、前記導電ラインは、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、及び銀（Ａｇ）の内の少なくとも一つを含有し、前記磁束収束部はＮｉＦｅにより形成される磁束収束層を備える、請求項４記載の磁気エレクトロニクスデバイス。
【請求項６】
前記磁束収束部は第１磁束収束層及び第２磁束収束層を備え、前記第１磁束収束層及び第２磁束収束層は異なる磁気特性及び異なる材料特性を有する、請求項４記載の磁気エレクトロニクスデバイス。
【請求項７】
前記磁束収束部は、前記導電ライン上に重なるバリア層及び前記バリア層上に重なる磁束収束層を備え、前記バリア層は、コバルト（Ｃｏ），コバルト鉄（ＣｏＦｅ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），及びパラジウム（Ｐｄ）の内の少なくとも一つを含有する、請求項４記載の磁気エレクトロニクスデバイス。
【請求項８】
前記磁束収束部は、磁束収束層及び前記磁束収束層上に重なるバリア層を備え、前記バリア層は、ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）、及びコバルト
（Ｃｏ）の内の少なくとも一つを含有する、請求項４記載の磁気エレクトロニクスデバイス。
【請求項９】
基板と、
前記基板に形成される複数の磁気エレクトロニクス素子と、
前記複数の磁気エレクトロニクス素子の各々と磁気結合するクラッド導体とを備え、前記クラッド導体は、
前記基板上に重なる導電バリア層と、
前記導電バリア層上に重なる導電ラインと、
前記導電ライン上に重なる磁束収束部とを備える、ランダムアクセスメモリデバイス。
【請求項１０】
前記複数の磁気エレクトロニクス素子の各々は、巨大磁気抵抗素子及び磁気トンネル接合素子の内の一つを含み、前記導電バリア層は、タンタル、窒化タンタル、チタン、窒化チタン、及びタンタルシリコン窒化物の内の少なくとも一つを含有し、磁束収束部はニッケル鉄（ＮｉＦｅ）を含む、請求項９記載のランダムアクセスメモリデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して磁気エレクトロニクスデバイスに関し、特に磁気エレクトロニクスデバイスに使用するクラッド（被覆）された導体（以下、「クラッド導体」と称する）及びクラッド導体の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気エレクトロニクスデバイス、スピンエレクトロニクスデバイス、及びスピントロニクスデバイスは、主として電子スピンによって生じる効果を利用するデバイスを指す同義語である。磁気エレクトロニクス効果は多くの情報デバイスに利用されり、不揮発性であり、信頼性が高く、放射線耐性を示し、さらに高密度データ保存／取り出しを可能にする。非常に多くの磁気エレクトロニクス情報デバイスとしては、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、磁気センサ、及びディスクドライブ用リード／ライトヘッドなどがあるが、これらに限定されるものではない。
【０００３】
一般的に、磁気エレクトロニクス情報デバイスは、例えばＭＯＳＦＥＴのような多種多様な半導体素子を含む基板上に形成された複数の磁気エレクトロニクス素子（例えば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、または磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子）から成るアレイにより構成される。磁気エレクトロニクス素子は、電流輸送導体が生成する磁界によりプログラムされる。通常、一方が磁気エレクトロニクス素子の下に形成され、他方が磁気エレクトロニクス素子の最上部の上に形成される２つの電流輸送導体はマトリクス交点に配置されて磁界を生成し、これにより磁気エレクトロニクス素子へのプログラミングを行なう。
【０００４】
先端半導体プロセスは多くの場合、銅配線を電流輸送導体に使用する。上部銅配線を形成する好適な方法は、ダマシンプロセスまたはインレイド（ｉｎ−ｌａｉｄ）プロセスによる方法である。これらのプロセスの間に、トレンチパターンを形成し、エッチングを行なって誘電体層にトレンチを形成し、続いて銅層をそのトレンチの内部に堆積させる。余分な銅は通常、化学的機械研磨（ＣＭＰ）により全て除去する。銅配線を形成した後、周りの誘電体層を除去して、配線を覆ってクラッド層を堆積させることができるようにする。クラッド層は、配線の磁束を磁気エレクトロニクス素子に集中させるために使用される。
【０００５】
誘電体層を除去するために使用する一の方法はプラズマドライエッチングである。しかしながら、基板の銅配線及び半導体素子にはプラズマによる電荷が蓄積され、これによって過電圧状態または過電流状態が生じ、半導体素子に損傷を与える。例えば、半導体素子がＭＯＳＦＥＴであり、かつ銅配線がＭＯＳＦＥＴのゲート、ソースまたはドレインに電気的に接続される場合、プラズマによって生じる電荷によってホットキャリアがゲート酸化膜に注入されて、素子特性に変化が生じる。
【０００６】
従って、磁気エレクトロニクスデバイスに使用するクラッド導体の形成方法を改良することが望まれる。また、クラッド導体に電気的に接続される素子に悪影響を及ぼすことのないクラッド導体を提供することが望まれる。本発明の他の望ましい性能及び特徴は、添付の図面とともに、以下の記載及び添付の特許請求の範囲より明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面は、特定の実施形態を例示するためのものであり、従って本発明の技術範囲を制限するものではないが、本発明を正しく理解し易くするために示される。これらの図面は、
寸法通りに描かれておらず（特に断らない限り）、以下の詳細な記載における説明に関連して使用することを意図している。本発明は以下において添付の図面に関連付けられて説明される。これらの図面では、同様な参照番号は同様な構成要素を指す。
【０００８】
次の詳細な記述は例示としての実施形態のみに関するものであり、本発明、または本発明の適用及び利用を制限するものではない。むしろ、以下の記述では、本発明の例示としての実施形態を実施するための簡便な例が提供される。記載の実施形態に種々の変更を行なって、このような変更を記載の素子の機能及び構成に添付の請求項に示す本発明の技術範囲から逸脱しない範囲において適用することができる。更に本発明は、本発明の全ての例示としての実施形態に関する先の背景説明において示した理論には制約されない。
【０００９】
次に図を参照すると、図１〜９は本発明の例示としての実施形態による磁気エレクトロニクスデバイスに使用するクラッド導体の形成方法を示している。磁気エレクトロニクスデバイスはランダムアクセスメモリ、磁気センサ、インダクタ、ディスクドライブ用リード／ライトヘッド、及び電流輸送導体の磁気特性を利用する他の全ての素子を含む。図１を参照すると、形成方法は、例えば半導体基板のような基板１０を設けることから始まる。基板１０は、センスアンプのような回路、トランジスタ、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子または磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子のような磁気エレクトロニクス素子、及びデジタル回路を備え得るが、デジタル回路は説明を簡単にするために図示していない。
【００１０】
導電バリア層１２が基板１０上に重ねて形成される。導電バリア層１２は、タンタル（Ｔａ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、タンタルシリコン窒化物（ＴａＳｉＮ）、または以下に記載するようにプラズマエッチング中に電荷を放出するのに適する導電特性を示す全ての他の材料からなり得る。導電バリア層１２は約１００〜２０００オングストロームの範囲の厚さを有することが好ましい。
【００１１】
本発明の一例としての実施形態では、エッチング停止層１４が導電バリア層１２上に重ねて形成される。エッチング停止層１４は、半導体産業において使用される公知のエッチング停止材料に適するものであればどのような材料によっても形成することができ、例えば、フッ素系化学物質に対して選択性の材料で形成し得る。あるいは、エッチング停止層１４はエッチングプロセスにおいてエンドポイント信号を供給する材料から形成してもよい。所望のエッチング選択性を実現する適切なエッチング停止材料の例としては、１００〜５００オングストロームの範囲の厚さを有するアルミニウム酸化物（ＡｌＯ２）及びアルミニウム窒化物（ＡｌＮ）がある。あるいは、窒化シリコン（ＳｉＮ）層または酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）層を使用してエンドポイント信号を供給することができる。
【００１２】
次に、誘電体層１６はエッチング停止層１４上に重ねて形成することができる。誘電体層１６は、通常、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、または他の低Ｋ誘電体材料のような任意の適切なタイプの絶縁材料から形成される。
【００１３】
図２によれば、誘電体層１６の一部をパターニング及びエッチングにより除去して、一つ以上のトレンチ１８を誘電体層１６内部に形成する。ここで、トレンチ１８は以下に更に詳細に記載するように、有効なクラッド導体を形成するのに適当な長さ及び高さを有するものであることが理解されよう。誘電体層１６は、例えばプラズマ雰囲気中のドライエッチングのような標準的なエッチング技術を利用してエッチングすることができる。誘電体層１６は、エッチングがエッチング停止層１４によって停止するまでエッチングされる。このエッチング停止層１４は前に記載したように、誘電体層１６のエッチングに使用するエッチングプロセスにおいては影響を受けない材料からなる層、またはエンドポイント検出信号によりエッチングを停止させる材料変化を示す材料からなる層のいずれかとして
形成されている。次に、エッチング停止層１４を、エッチング停止層１４の除去に適する任意のエッチング技術を使用して、導電性のバリア層１２にほぼ達するまでエッチングしてトレンチ１８の形成を完了する。
【００１４】
図３を参照すると、導電ライン２０がトレンチ１８内に形成される。本発明の例示的な一実施形態では、導電ライン２０は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）など、またはこれらの材料を組み合わせた合金により形成され得る。好適には、導電ライン２０は銅により形成される。本発明の更に好適な実施形態では、導電ライン２０は、例えばバリア層２２、シード層２４、及び導電コア２６の数層から形成され得る。最初に、バリア層２２をトレンチ１８内に堆積させ得る。バリア層２２は、Ｔａ，ＴａＮ，ＴａＳｉＮ，コバルト（Ｃｏ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ）、または自然酸化膜を容易には形成することがなく、かつ導電コア２６が周りの材料に拡散したり、或いは周りの材料と反応して悪影響を与えたりし得ることを阻止または防止する他の適切な貴金属により形成することができる。バリア層２２は、物理気相成長法（ＰＶＤ）、イオン化金属プラズマ法（ｉｏｎｉｚｅｄ  ｍｅｔａｌ  ｐｌａｓｍａ：ＩＭＰ）、化学気相成長法（ＣＶＤ）、または半導体産業で公知の他の適切な技術を使用して堆積させることができる。次にシード層２４をトレンチ１８に、ＰＶＤ，ＩＭＰ，ＣＶＤ、または半導体産業で公知の他の適切な技術を使用して堆積させることができる。次に、導電コア２６をトレンチ１８内に電解メッキ成膜法により形成する。シード層２４及びコアライン２６は一緒になって導電系２８を形成する。シード層２４及び導電コア２６は、銅、アルミニウム、金、銀など、またはそれらを組み合わせた合金により構成することができる。好適には、シード層２４及び導電コア２６は銅から形成される。導電コア２６を堆積した後、余分な金属は全て、トレンチ１８上の領域から化学的機械研磨（ＣＭＰ）などのような方法により除去することができる。
【００１５】
図４を参照すると、誘電体層１６がエッチング停止層１４に達するまで下方に向かって除去される。誘電体層１６は、フッ素系化学物質を使用するようなプラズマドライエッチングプロセス、または湿式化学エッチングプロセス、或いはこれらのプロセスの組み合わせにより除去することができる。誘電体層１６の除去をプラズマドライエッチングにより行なう場合、プラズマ起因の帯電を導電バリア層１２によって阻止し、さらに／またはプラズマ起因の帯電電荷を全て導電バリア層１２によって放散することができ、基板１０に形成される半導体素子に対する損傷を低減または排除する。
【００１６】
次に図５に示すように、磁束収束部（ｆｌｕｘ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）３０は、電解メッキまたは無電解メッキのような選択的堆積法を使用して導電ライン２０の両側面及び上面上に重ねて形成され得る。電解メッキ成膜法を使用する場合、導電バリア層１２はメッキプロセスの電流を供給する電極として機能する。エッチング停止層１４は、隣接する露出した導電ライン２０同士の間に電解メッキが生じることを完全に阻止するかまたは防止して、これらのライン同士が短絡しないようにするように機能する。従って、この堆積法により導電ライン２０に自己整合する磁束収束部３０を形成することができる。
【００１７】
磁束収束部３０は磁束収束層３４を含む。磁束収束層３４は導電ライン２０に流れる電流により生じる磁束を収束させる機能を有する。磁束収束層３４は、約２０％の鉄に対して約８０％のニッケルの比率を有するニッケル鉄（ＮｉＦｅ）のような高い透磁率を有する導電磁性材料、または磁束を所望領域に集中させるのに十分な大きさの透磁率を有し、かつ周りの材料構造と金属学的に融和性の材料である。
【００１８】
本発明の別の例示としての実施形態では、磁束収束部３０は、導電ライン２０を覆い、かつ磁束収束層３４の下層に形成される第１バリア層も含むことができる。第１バリア層３２は、コバルト（Ｃｏ），コバルト鉄（ＣｏＦｅ），ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（
Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ），または他の適切な材料のような高融点金属材料により形成することができる。
【００１９】
本発明の更に別の例示としての実施形態では、磁束収束部３０は磁束収束層３４上に重なって堆積される第２バリア層３６を備えてもよい。第２バリア層３６はＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，及びＣｏの内の少なくとも一つを含み、例えばコバルトリンボロン（ＣｏＰＢ），コバルトタングステン（ＣｏＴ），コバルトボロン（ＣｏＢ），コバルトリン（ＣｏＰ）などのようなＲｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，及びＣｏを含む適切な材料を含むことができる。
【００２０】
本発明の別の例示としての実施形態では、図９を参照すると、第２磁束収束層５０を磁束収束層３４の上に重ねて堆積することができる。第２磁束収束層５０は磁束収束層３４を形成することができる材料の内のいずれかにより形成することができるが、磁束収束層３４とは異なる磁気特性及び材料特性を有するように選択することができ、従って、磁束収束部３０の特性を制御するための高い自由度を実現することができる。例えば、第２磁束収束層５０は、磁束収束層３４とは異なる透磁率、異なる保磁力、異なる厚さ、または幾つかの異なる他の磁気特性または材料特性を有することができる。
【００２１】
図５に戻ると、磁束収束部３０の形成すると、エッチング停止層１４の各部分３８が露出する。次に図６を参照すると、エッチング停止層１６の露出部分３８は、例えば磁束収束部３０の材料及び導電バリア層１２に対して選択性の湿式化学エッチングのようなプロセスにより除去することができる。エッチング停止層１４の露出部分３８を除去すると、導電バリア層１２の各部分４０が露出する。
【００２２】
図７を参照すると、導電バリア層１２の露出部分４０が除去されている。露出部分４０は、短時間のプラズマドライエッチング、物理スパッタリング、湿式エッチング、または他の適切なプロセスにより除去することができる。こうして、図７に示すように、クラッド導体４２が形成される。クラッド導体４２は、導電バリア層１２、導電バリア層１２上に重なって形成される導電ライン２０、及び導電ライン２０上に重なって形成される磁束収束部３０を含む。
【００２３】
図８を参照すると、パッシベーション層４４が磁束導体３０上に堆積している。どのような従来のパッシベーション材料を使用してもパッシベーション層４４を形成することができる。
【００２４】
図１０は、本発明の別の例示としての実施形態によるランダムアクセスメモリ素子６０の部分拡大斜視図を示している。ランダムアクセスメモリ素子６０は複数の磁気メモリユニット６２を備える。各磁気メモリユニットはクラッド導体４２と磁気結合し、これにより、クラッド導体４２が生成する磁界を使用して複数の磁気メモリユニット６２をプログラムすることができる。磁気メモリユニット６２は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子または磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子であってもよい。磁気メモリユニット６２は、半導体基板のような適切な基板６６の上に形成することができ、この基板は、例えばトランジスタ、ビットライン及び／又はデータライン、入力／出力回路、データ／アドレスデコーダなどのような適切な半導体素子（図示せず）を含むことができる。
【００２５】
図１１はクラッド導体４２の拡大図を示している。図７と同じ参照番号が付された図１１の要素は、対応する図７の要素と同じである。クラッド導体４２は導電バリア層１２、導電バリア層１２上に位置する導電ライン２０、及び導電ライン２０の上に重なる磁束収束部３０を含む。
【００２６】
ここで、本発明は、ランダムアクセスメモリのような磁気エレクトロニクス情報デバイ
スへの使用に限定されず、例えばインダクタ及び電流輸送導体の磁気特性の利点を生かした他のデバイスのような他の磁気エレクトロニクスデバイスに使用することもできる。図１２及び図１３は、本発明の例示的な一実施形態に従って形成されるスパイラルインダクタ７０の上面図及び断面図を示している。スパイラルインダクタ７０は基板７２の上に形成され、この基板は、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、またはシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）などにより形成される半導体基板とすることができる。誘電体材料層７４は基板７２上に重ねて形成される。誘電体材料層７４は、二酸化シリコン、テトラエチルオルソシリケート（ＴＥＯＳ）、または他の適切な誘電体材料により形成することができる。誘電体材料層７４はスパイラルコイル７６の上に重なっている。図７と同じ参照番号が付された図１３の要素は、対応する図７の要素と同一である。スパイラルコイル７６は、導電バリア層１２、導電バリア層１２上に重なる導電ライン２０、及び導電ライン２０上に重なる磁束収束部３０を含む。導電バリア層１２、導電ライン２０、及び磁束収束部３０は図１〜９を参照しながら上に記載したプロセスを使用して形成することができる。
【００２７】
これまでの記述により、磁気エレクトロニクスデバイスに使用するクラッド集中体の形成方法を提示したが、この形成方法により、これまでの技術背景及び記述に示してきた利点が提供され、かつこの技術分野の当業者には明白と思われる利点も提供される。更に、好適な例示としての実施形態をこれまでの記述において示してきたが、非常に多くの変更を実施形態に加え得ることを理解されたい。最後に、これらの実施形態は単に好適な例示としての実施形態に過ぎず、決して本発明の技術範囲、適用性、または構成を制限するものではないことを理解されたい。というよりも、これまでの詳細な記述は、この技術分野の当業者にとって本発明の好適な例示としての実施形態を実施する際の便利な指針となる。種々の変更を例示としての好適な実施形態に関して記載した素子の機能及び構成に、添付の請求項に示す本発明の技術思想及び技術範囲から逸脱しない範囲において加え得ることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図２】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図３】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図４】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図５】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図６】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図７】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図８】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図９】本発明の例示としての実施形態によるクラッド導体の形成方法を示す略断面図。
【図１０】本発明の例示としての実施形態によるランダムアクセスメモリ素子の部分拡大斜視図。
【図１１】図１０のランダムアクセスメモリ素子の導体の部分拡大図。
【図１２】本発明の例示としての実施形態によるスパイラルインダクタの上面図。
【図１３】図１２のスパイラルインダクタのコイルの断面図。
【図１】
2006508544.tif 000003
【図２】
2006508544.tif 000004
【図３】
2006508544.tif 000005
【図４】
2006508544.tif 000006
【図５】
2006508544.tif 000007
【図６】
2006508544.tif 000008
【図７】
2006508544.tif 000009
【図８】
2006508544.tif 000010
【図９】
2006508544.tif 000011
【図１０】
2006508544.tif 000012
【図１１】
2006508544.tif 000013
【図１２】
2006508544.tif 000014
【図１３】
2006508544.tif 000015
【国際調査報告】
2006508544.tif 000016
2006508544.tif 000017
2006508544.tif 000018