(57)【要約】【課題】パターニング後の金属膜のサイズを縮小する手法を提供する。【解決手段】その方法は、（Ａ）金属積層膜を形成する工程と、（Ｂ）金属積層膜に対して第１エッチングを行うことにより、テーパー状の側面を有する第１金属構造体を形成する工程と、（Ｃ）第１金属構造体を埋めるように絶縁膜を全面に形成する工程と、（Ｄ）第１金属構造体のテーパー状の側面が絶縁膜で覆われたまま第１金属構造体の上面が露出するように、絶縁膜の一部を除去する工程と、（Ｅ）第１金属構造体に対するエッチングレートが絶縁膜に対するエッチングレートよりも高い第２エッチングを行うことにより、第１金属構造体から第２金属構造体を形成する工程と、を含む。【選択図】図２Ｈ
2013239520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属膜を形成する工程と、
前記第１金属膜上に第２金属膜を形成することにより、前記第１金属膜と前記第２金属膜の積層膜を形成する工程と、
所定のパターンを有するマスクを用いて前記積層膜に対して第１エッチングを行うことにより、テーパー状の側面を有する第１金属構造体を形成する工程と、
前記第１金属構造体を埋めるように第１絶縁膜を全面に形成する工程と、
前記第１金属構造体の前記テーパー状の側面が前記第１絶縁膜で覆われたまま前記第１金属構造体の上面が露出するように、前記第１絶縁膜の一部を除去する工程と、
前記第１金属構造体に対するエッチングレートが前記第１絶縁膜に対するエッチングレートよりも高い第２エッチングを行うことにより、前記第１金属構造体から第２金属構造体を形成する工程と
を含む
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体装置の製造方法であって、
更に、
前記第２金属構造体をパターニングすることにより、所望のパターンを有する第３金属構造体を形成する工程
を含む
半導体装置の製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の半導体装置の製造方法であって、
更に、
前記第３金属構造体を埋めるように第２絶縁膜を全面に形成する工程と、
前記第３金属構造体のうち前記第２金属膜の一部だけが露出するように、前記第２絶縁膜の一部を除去する工程と、
前記露出した一部の第２金属膜及び前記第２絶縁膜上に配線を形成する工程と
を含む
半導体装置の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１金属構造体、前記第２金属構造体及び前記第３金属構造体の長手方向は、第１面内方向であり、
前記配線の延在方向は、前記第１面内方向と直交する第２面内方向である
半導体装置の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法であって、
前記第１金属膜は、磁気抵抗効果膜である
半導体装置の製造方法。
【請求項６】
長手方向が第１面内方向である金属構造体を備え、
前記金属構造体は、
第１金属膜と、
前記第１金属膜上に形成された第２金属膜と
を備え、
前記第１面内方向に直交する面における前記金属構造体の断面形状は、上に凸な三角形である
半導体装置。
【請求項７】
請求項６に記載の半導体装置であって、
更に、
前記第２金属膜の一部だけが突出するように、前記金属構造体の周囲に形成された絶縁膜と、
前記突出した一部の第２金属膜及び前記絶縁膜上に形成された配線と
を備える
半導体装置。
【請求項８】
請求項７に記載の半導体装置であって、
前記配線の延在方向は、前記第１面内方向と直交する第２面内方向である
半導体装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか一項に記載の半導体装置であって、
前記第１金属膜は、磁気抵抗効果膜である
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属積層膜を備える半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非磁性体膜が金属磁性体膜で挟まれた「磁気抵抗効果膜」が知られている。非磁性体膜がトンネルバリア膜である場合、その磁気抵抗効果膜は、「磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）」とも呼ばれる。磁気抵抗効果膜（ＭＴＪ）は、例えば、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）中の記憶素子として利用される。
【０００３】
ここで、所望の形状の記憶素子を得るには、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）等のドライエッチングを実施して磁気抵抗効果膜のパターニングを行う必要がある。以下、図１Ａ〜図１Ｄを参照して、特許文献１に記載されている磁気抵抗効果膜のパターニングを説明する。
【０００４】
図１Ａに示されるように、下地絶縁膜１１０上に金属膜１２０が形成される。この金属膜１２０が、磁気抵抗効果膜であり、パターニングの対象である。その金属膜１２０上には金属ハードマスク１３０が形成される。つまり、金属膜１２０と金属ハードマスク１３０との積層により、金属積層膜が形成される。その金属積層膜上には更に、酸化膜ハードマスク１４０が形成される。尚、これら膜の積層方向は、Ｚ方向である。Ｚ方向に直交する面内方向は、Ｘ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交している。
【０００５】
次に、図１Ｂに示されるように、フォトリソグラフィにより、所定のパターン形状を有するレジストマスクＰＲが酸化膜ハードマスク１４０上に形成される。図１Ｂに示される例では、そのレジストマスクＰＲのＸ方向のサイズは“Ａ”である。
【０００６】
次に、レジストマスクＰＲをマスクとして用いることにより、酸化膜ハードマスク１４０に対してドライエッチングが実施される。その結果、図１Ｃに示されるように、酸化膜ハードマスク１４０のパターニングが行われ、酸化膜ハードマスク１４０からなるハードマスクＨＭが形成される。ここで、酸化膜ハードマスク１４０に対しては、強い異方性をもってドライエッチングを実施することが可能である。そのため、作成されるハードマスクＨＭのＸ方向のサイズは、レジストマスクＰＲのサイズＡとほぼ同じである。
【０００７】
続いて、ハードマスクＨＭをマスクとして用いることにより、金属膜１２０と金属ハードマスク１３０との金属積層膜に対してドライエッチングが実施される。その結果、図１Ｄに示されるように、その金属積層膜のパターニングが行われる。
【０００８】
ここで、金属ハードマスク１３０及び金属膜１２０に対しては、強い異方性をもってドライエッチングを実施することは難しい。何故なら、エッチング対象物である金属の揮発性が小さいからである。ドライエッチングにおいて強い異方性が得られないため、図１Ｄに示されるように、パターニング後の金属積層膜の側面はテーパー状となる。結果として、パターニング後の金属積層膜のＸ方向のサイズｗ１は、レジストマスクＰＲのサイズＡよりも大きくなってしまう。
【０００９】
尚、そのようなテーパー状の側面の形成は、非特許文献１でも報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−４４８４８号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】R. Beach et al., "A Statistical Study ofMagnetic Tunnel Junctions for High-Density Spin Torque Transfer-MRAM(STT-MRAM)", Electron Devices Meeting, 2008, IEDM 2008, IEEEInternational.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
パターニングの結果、金属膜の側面がテーパー状となってしまう。このことは、パターニング後の金属膜のサイズの増大を招く。
【００１３】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるだろう。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一実施の形態において、半導体装置の製造方法が提供される。その製造方法は、（Ａ）金属積層膜を形成する工程と、（Ｂ）金属積層膜に対して第１エッチングを行うことにより、テーパー状の側面を有する第１金属構造体を形成する工程と、（Ｃ）第１金属構造体を埋めるように絶縁膜を全面に形成する工程と、（Ｄ）第１金属構造体のテーパー状の側面が絶縁膜で覆われたまま第１金属構造体の上面が露出するように、絶縁膜の一部を除去する工程と、（Ｅ）第１金属構造体に対するエッチングレートが絶縁膜に対するエッチングレートよりも高い第２エッチングを行うことにより、第１金属構造体から第２金属構造体を形成する工程と、を含む。
【００１５】
他の実施の形態において、半導体装置が提供される。その半導体装置は、長手方向が第１面内方向である金属構造体を備える。金属構造体は、第１金属膜と、第１金属膜上に形成された第２金属膜と、を備える。第１面内方向に直交する面における金属構造体の断面形状は、上に凸な三角形である。
【発明の効果】
【００１６】
金属膜のパターニングについて新たな手法が提供される。その新たな手法により、パターニング後の金属膜のサイズを縮小することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】図１Ａは、磁気抵抗効果膜のパターニング方法の典型例を示す断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、磁気抵抗効果膜のパターニング方法の典型例を示す断面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、磁気抵抗効果膜のパターニング方法の典型例を示す断面図である。
【図１Ｄ】図１Ｄは、磁気抵抗効果膜のパターニング方法の典型例を示す断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図２Ｈ】図２Ｈは、実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【図３】図３は、実施の形態による効果を説明するための概念図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施の形態における第２金属構造体の形成パターンの一例を示す平面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、実施の形態における第３金属構造体の形成パターンの一例を示す平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、実施の形態における第３金属構造体を概略的に示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａで示された第３金属構造体のＸＺ断面を示している。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図５Ａで示された第３金属構造体のＹＺ断面を示している。
【図６Ａ】図６Ａは、実施の形態における第３金属構造体の一例としての磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａで示された磁気抵抗効果素子のＸＺ断面を示している。
【図７】図７は、実施の形態における第３金属構造体の一例としての磁壁移動型の磁気抵抗効果素子の作成方法を説明するための平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施の形態における第３金属構造体の一例としての磁壁移動型の磁気抵抗効果素子を示す斜視図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図８Ａで示された磁壁移動型の磁気抵抗効果素子のＹＺ断面を示している。
【図９Ａ】図９Ａは、実施の形態における上部配線の形成方法の第１の例を示す断面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、実施の形態における上部配線の形成方法の第１の例を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、実施の形態における上部配線の形成方法の第１の例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、実施の形態における上部配線の一例を示す平面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、実施の形態における上部配線の形成方法の第２の例を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、実施の形態における上部配線の形成方法の第２の例を示す断面図である。
【図１１Ｃ】図１１Ｃは、実施の形態における上部配線の形成方法の第２の例を示す断面図である。
【図１１Ｄ】図１１Ｄは、実施の形態における上部配線の形成方法の第２の例を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、実施の形態における上部配線の一例を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、実施の形態における上部配線の一例を示す平面図である。
【図１３】図１３は、実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の具体的な構成例を示す断面図である。
【図１４】図１４は、実施の形態に係る磁壁移動型の磁気抵抗効果素子の具体的な構成例を示す断面図である。
【図１５】図１５は、実施の形態に係る半導体装置の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
添付図面を参照して、実施の形態に係る半導体装置及びその製造方法を説明する。
【００１９】
１．基本プロセス
図２Ａ〜図２Ｈは、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。図２Ａ〜図２Ｈを参照して、本実施の形態に係る金属膜パターニング方法の基本プロセスを説明する。
【００２０】
図２Ａに示されるように、下地絶縁膜１０上に金属膜２０（第１金属膜）が形成される。その金属膜２０上には金属ハードマスク３０（第２金属膜）が形成される。つまり、金属膜２０（第１金属膜）と金属ハードマスク３０（第２金属膜）との積層により、金属積層膜が形成される。その金属積層膜上には更に、酸化膜ハードマスク４０が形成される。尚、これら膜の積層方向は、Ｚ方向である。Ｚ方向に直交する面内方向は、Ｘ方向とＹ方向である。Ｘ方向とＹ方向は互いに直交している。
【００２１】
次に、図２Ｂに示されるように、フォトリソグラフィにより、所定のパターン形状を有するレジストマスクＰＲが酸化膜ハードマスク４０上に形成される。図２Ｂに示される例では、そのレジストマスクＰＲのＸ方向のサイズは“Ａ”である。
【００２２】
次に、レジストマスクＰＲをマスクとして用いることにより、酸化膜ハードマスク４０に対してドライエッチングが実施される。その結果、図２Ｃに示されるように、酸化膜ハードマスク４０のパターニングが行われ、酸化膜ハードマスク４０からなるハードマスクＨＭが形成される。ここで、酸化膜ハードマスク４０に対しては、強い異方性をもってドライエッチングを実施することが可能である。そのため、作成されるハードマスクＨＭのＸ方向のサイズは、レジストマスクＰＲのサイズＡとほぼ同じである。
【００２３】
続いて、ハードマスクＨＭをマスクとして用いることにより、金属膜２０と金属ハードマスク３０との金属積層膜に対してドライエッチング（第１エッチング）が実施される。その結果、図２Ｄに示されるように、その金属積層膜のパターニングが行われ、金属積層膜から第１金属構造体ＭＳ１が形成される。ここで、金属ハードマスク３０及び金属膜２０に対しては、強い異方性をもってドライエッチングを実施することは難しい。何故なら、エッチング対象物である金属の揮発性が小さいからである。ドライエッチングにおいて強い異方性が得られないため、図２Ｄに示されるように、パターニングにより得られる第１金属構造体ＭＳ１の側面ＳＳはテーパー状となる。
【００２４】
次に、図２Ｅに示されるように、第１金属構造体ＭＳ１を埋めるように絶縁膜５０（第１絶縁膜）が全面に形成される。
【００２５】
続いて、図２Ｆに示されるように、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）が行われる。
【００２６】
次に、図２Ｇに示されるように、第１金属構造体ＭＳ１（金属ハードマスク３０）の上面ＳＵが露出するまで、絶縁膜５０のエッチバックが行われる。ここで、第１金属構造体ＭＳ１のテーパー状の側面ＳＳは、絶縁膜５０で覆われたままであることに留意されたい。つまり、第１金属構造体ＭＳ１の側面ＳＳが絶縁膜５０で覆われたまま第１金属構造体ＭＳ１の上面ＳＵが露出するように、絶縁膜５０の一部が除去される。第１金属構造体ＭＳ１の側面ＳＳがテーパー状であるため、その側面ＳＳを覆う絶縁膜５０の部分（ひさし部５１）はひさし形状を有することになる。
【００２７】
続いて、第１金属構造体ＭＳ１に対してドライエッチング（第２エッチング）が実施される。ここで、エッチング条件は、選択比が高くなるように設定される。具体的には、第１金属構造体ＭＳ１に対するエッチングレートが絶縁膜５０に対するエッチングレートよりも高くなるように、エッチング条件が設定される。そのようなエッチング条件は、例えば、Ｃｌ２などのエッチングガスを用いることで容易に実現可能である。
【００２８】
このような第２エッチングの結果、図２Ｈに示されるように、第１金属構造体ＭＳ１から、１対の第２金属構造体ＭＳ２が形成される。このとき、ひさし部５１は、上記の第１エッチングで形成されたテーパー状の部分を今回の第２エッチングから保護するマスクとして機能する。そして、今回の第２エッチングにより、逆方向に傾斜する新たなテーパー状の側面が形成される。結果として、図２Ｈに示されるように、第２金属構造体ＭＳ２のＸＺ断面形状は、上に凸な三角形となる。このように、ひさし部５１がマスクとして機能することにより、第１金属構造体ＭＳ１から第２金属構造体ＭＳ２が“自己整合的”に形成される。
【００２９】
図３は、本実施の形態による効果を説明するための概念図である。従来素子に相当する第１金属構造体ＭＳ１のＸ方向のサイズｗ１は、レジストマスクＰＲのサイズＡよりも大きくなる。しかし、その第１金属構造体ＭＳ１から一対の第２金属構造体ＭＳ２が生成されるため、一個の第２金属構造体ＭＳ２のサイズｗ２は、明らかに、第１金属構造体ＭＳ１のサイズｗ１よりも小さくなる。すなわち、本実施の形態に係るパターニング方法によれば、パターニング後の金属膜のサイズを縮小することが可能となる。本実施の形態は、金属膜の側面のテーパー化を逆に利用して、形成パターンのサイズを縮小していると言える。
【００３０】
第２金属構造体ＭＳ２のサイズｗ２は、ｗ２＝２×ｈ／ｔａｎθで与えられる。ここで、“ｈ”は第２金属構造体ＭＳ２の高さであり、“θ”はテーパー角度である。高さｈは、金属積層膜の膜厚とエッチング条件により決まる。テーパー角度θは、エッチング条件により決まる。つまり、第２金属構造体ＭＳ２のサイズｗ２は、金属積層膜の膜厚とエッチング条件により決まる。第１金属構造体ＭＳ１のサイズｗ１は、レジストマスクＰＲのサイズＡに依存するが、第２金属構造体ＭＳ２のサイズｗ２は、レジストマスクＰＲのサイズＡには依存しないことに留意されたい。典型的には、図３に示されるように、第２金属構造体ＭＳ２のサイズｗ２は、レジストマスクＰＲのサイズＡよりも十分に小さくなる。また、隣り合う第２金属構造体ＭＳ２間のピッチｐは、レジストマスクＰＲのサイズＡ程度となる。これにより、集積度が向上する。
【００３１】
２．記憶素子
次に、本実施の形態に係る金属膜パターニング方法を記憶素子の作成に応用する場合を考える。この場合、所望の形状の記憶素子を得るために、第２金属構造体ＭＳ２が更にパターニングされる。
【００３２】
図４Ａに示されるように、第２金属構造体ＭＳ２は（従って、第１金属構造体ＭＳ１も）、Ｙ方向（第１面内方向）に延在するように形成されている。つまり、第１金属構造体ＭＳ１及び第２金属構造体ＭＳ２の長手方向は、Ｙ方向である。
【００３３】
第２金属構造体ＭＳ２を覆うように層間絶縁膜が形成され、ＣＭＰが行われた後、フォトリソグラフィ技術により、第２金属構造体ＭＳ２のパターニングが行われる。そのパターニングの結果、図４Ｂに示されるように、記憶素子に相当する第３金属構造体ＭＳ３が形成される。その第３金属構造体ＭＳ３は、記憶素子に応じた所望のパターンを有している。
【００３４】
図４Ｂに示される例では、複数の第３金属構造体ＭＳ３（記憶素子）がＹ方向に沿って一直線に並んでおり、それにより一本の記憶素子列が形成されている。そして、複数本の記憶素子列が、Ｘ方向に分布するように、互いに平行に配置されている。隣り合う第３金属構造体ＭＳ３同士は、素子分離されている。
【００３５】
図５Ａは、１個の第３金属構造体ＭＳ３を概略的に示す斜視図である。図５Ｂは、図５Ａで示された第３金属構造体ＭＳ３のＸＺ断面を示している。図５Ｃは、図５Ａで示された第３金属構造体ＭＳ３のＹＺ断面を示している。第３金属構造体ＭＳ３の長手方向は、Ｙ方向である。Ｙ方向に直交するＸＺ面における断面形状は、上に凸な三角形である。一方、Ｙ方向と平行なＹＺ面における断面形状は、台形である。このような立体形状の場合、通常の直方体形状の場合と比較して、寄生容量が低減される。
【００３６】
第３金属構造体ＭＳ３は、金属膜２０（第１金属膜）と、金属膜２０上に形成された金属ハードマスク３０（第２金属膜）とを備えている。このうち、金属膜２０が、データを記憶する主要部として機能する。一方、金属ハードマスク３０は、上部電極として機能する。
【００３７】
例えば、第３金属構造体ＭＳ３は、磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）である。その場合、金属膜２０は、磁気抵抗効果膜である。
【００３８】
図６Ａは、本実施の形態における磁気抵抗効果素子の一例を示す斜視図である。図６Ｂは、図６Ａで示された磁気抵抗効果素子のＸＺ断面を示している。磁気抵抗効果膜である金属膜２０は、下部磁性膜２１、非磁性膜２２及び上部磁性膜２３を備えている。非磁性膜２２は、下部磁性膜２１と上部磁性膜２３との間に挟まれている。下部磁性膜２１と上部磁性膜２３のうち一方（例えば下部磁性膜２１）が、磁化方向が反転可能なフリー層であり、他方（例えば上部磁性膜２３）が、磁化方向が固定されたピン層である。非磁性膜２２は、ＭｇＯ膜等のトンネルバリア膜であってもよい。
【００３９】
磁壁移動型の磁気抵抗効果素子を作成することも可能である。例えば、図７に示されるように、第３金属構造体ＭＳ３の中央部分を覆うようなマスクＭＡＳＫを用いることにより、第３金属構造体ＭＳ３のエッチングが行われる。このとき、マスクＭＡＳＫで覆われていない上部磁性膜２３及び非磁性膜２２だけがエッチングにより除去され、下部磁性膜２１はエッチングされない。これにより、図８Ａ（斜視図）及び図８Ｂ（ＹＺ断面図）で示されるような磁壁移動型の磁気抵抗効果素子が得られる。
【００４０】
具体的には、下部磁性膜２１（フリー層）は、第１磁化固定領域２１Ａ、第２磁化固定領域２１Ｂ、及び磁化自由領域２１Ｃの３領域に区分される。磁化自由領域２１Ｃは、マスクＭＡＳＫで覆われていた領域に相当し、非磁性膜２２を介して上部磁性膜２３（ピン層）と対向している。第１磁化固定領域２１Ａ及び第２磁化固定領域２１Ｂは、磁化自由領域２１ＣのＹ方向の両側に位置している。つまり、第１磁化固定領域２１Ａ、磁化自由領域２１Ｃ及び第２磁化固定領域２１Ｂは、Ｙ方向に沿って並んでおり、磁化自由領域２１Ｃは、第１磁化固定領域２１Ａと第２磁化固定領域２１Ｂとの間に挟まれている。また、第１磁化固定領域２１Ａ及び第２磁化固定領域２１Ｂの磁化方向は、互いに逆向きに固定されている。一方、磁化自由領域２１Ｃの磁化は反転可能である。そのような磁化自由領域２１Ｃが非磁性膜２２を介して上部磁性膜２３（ピン層）に接続されることにより、磁気トンネル接合が形成される。
【００４１】
磁気抵抗効果素子に関しては、素子サイズが小さくなるほど駆動電流も小さくなることが知られている。本実施の形態によれば、磁気抵抗効果素子のサイズが顕著に縮小されるため、駆動電流が大きく低減される。また、記憶素子の集積度も増加する。
【００４２】
磁気抵抗効果素子以外の応用例としては、抵抗変化メモリ（ＲｅＲＡＭ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の記憶素子が挙げられる。
【００４３】
３．上部配線
本実施の形態によれば、第３金属構造体ＭＳ３が上に凸な三角形状を有しているため、第３金属構造体ＭＳ３につながるビア構造を通常通り形成することは難しい。つまり、上部配線の形成について工夫の余地がある。
【００４４】
３−１．第１の例
図９Ａ〜図９Ｃ及び図１０を参照して、上部配線の形成方法の一例を説明する。
【００４５】
上述の通り第３金属構造体ＭＳ３が形成された後、その第３金属構造体ＭＳ３を埋めるように絶縁膜６０（第２絶縁膜）が全面に形成される。そして、ＣＭＰが行われると、図９Ａに示されるような構造が得られる。
【００４６】
次に、図９Ｂに示されるように、金属ハードマスク３０の一部分（三角形状の先端部分）が露出するまで、絶縁膜６０のエッチバックが行われる。つまり、金属ハードマスク３０の一部分だけが露出するように、絶縁膜６０の一部が除去される。露出した金属ハードマスク３０の部分は、以下、「突出部３１」と参照される。突出部３１は、第３金属構造体ＭＳ３の周囲に形成されている絶縁膜６０から突出している。
【００４７】
次に、図９Ｃに示されるように、突出部３１及び絶縁膜６０を覆うように、配線材料膜（例えば、Ａｌ膜）がスパッタリングにより形成される。そして、その配線材料膜のパターニングを行うことにより、突出部３１及び絶縁膜６０上に上部配線７０（例えば、Ａｌ配線）が形成される。典型的には、図１０に示されるように、上部配線７０は、第３金属構造体ＭＳ３の長手方向と直交するＸ方向に延在するように形成される。上部配線７０は、金属ハードマスク３０（上部電極）の突出部３１（三角形状の先端部分）に直接接触していることに留意されたい。
【００４８】
３−２．第２の例
図１１Ａ〜図１１Ｄ、図１２Ａ及び図１２Ｂを参照して、上部配線の形成方法の他の例を説明する。
【００４９】
既出の図９Ｂで示された構造が得られた後、突出部３１及び絶縁膜６０を覆うように、電極材料膜（例えば、Ｔａ膜）がスパッタリングにより形成される。そして、その電極材料膜のパターニングを行うことにより、図１１Ａ及び図１２Ａに示されるように電極８０（例えば、Ｔａ電極）が形成される。その電極８０は、突出部３１を覆うように、絶縁膜６０及び突出部３１上に形成されている。また、その電極８０の上面は平面である。
【００５０】
次に、電極８０を埋めるように層間絶縁膜８１が全面に形成される。そして、ＣＭＰが行われると、図１１Ｂに示されるような構造が得られる。
【００５１】
その後、通常のフォトリソグラフィ技術によって、図１１Ｃ及び図１２Ａに示されるようにビア８２（例えば、Ｃｕビア）が形成される。そのビア８２は、層間絶縁膜８１を貫通して電極８０の上面に到達するように形成される。
【００５２】
次に、図１１Ｄに示されるように、ビア８２及び層間絶縁膜８１を覆うように、配線材料膜（例えば、Ｃｕ膜）がスパッタリングにより形成される。そして、その配線材料膜のパターニングを行うことにより、ビア８２及び層間絶縁膜８１上に上部配線８３（例えば、Ｃｕ配線）が形成される。典型的には、図１２Ｂに示されるように、上部配線８３は、第３金属構造体ＭＳ３の長手方向と直交するＸ方向に延在するように形成される。
【００５３】
４．メモリ構成
図１３は、本実施の形態に係る磁気抵抗効果素子の具体的な構成例を示している。上部配線としては、上記の第１の例で示されたものが用いられている。半導体基板９０上に選択トランジスタＴＲが形成されている。選択トランジスタＴＲのソース／ドレインの一方は、コンタクト９１を介してビット線９３に接続されており、その他方は、コンタクト９２を介して中間配線９４に接続されている。その中間配線９４上に、上述の第３金属構造体ＭＳ３（図６Ａ、図６Ｂ参照）及び上部配線７０が形成されている。
【００５４】
図１４は、本実施の形態に係る磁壁移動型の磁気抵抗効果素子の具体的な構成例を示している。上部配線としては、上記の第１の例で示されたものが用いられている。半導体基板９０上に選択トランジスタＴＲＡ、ＴＲＢが形成されている。選択トランジスタＴＲＡのソース／ドレインの一方は、コンタクト９１Ａを介してビット線９３Ａに接続されており、その他方は、コンタクト９２Ａを介して中間配線９４Ａに接続されている。選択トランジスタＴＲＢのソース／ドレインの一方は、コンタクト９１Ｂを介してビット線９３Ｂに接続されており、その他方は、コンタクト９２Ｂを介して中間配線９４Ｂに接続されている。そして、中間配線９４Ａ、９４Ｂ上に、上述の第３金属構造体ＭＳ３（図８Ａ、図８Ｂ参照）及び上部配線７０が形成されている。具体的には、中間配線９４Ａ及び中間配線９４Ｂは、それぞれ、下部磁性膜２１（フリー層）の第１磁化固定領域２１Ａ及び第２磁化固定領域２１Ｂに接続されている。
【００５５】
図１５は、本実施の形態に係る半導体装置１００の一例を示すブロック図である。半導体装置１００は、メモリセルアレイ１０１、ロウデコーダ１０２、カラムデコーダ１０３、ロジック回路１０４、１０５、１０６を備えている。メモリセルアレイ１０１は、アレイ状に配置された複数のメモリセルを備えている。各メモリセルは、図１３や図１４で示されたような構成を有している。
【００５６】
メモリセルアレイ１０１の周囲に配置されているロウデコーダ１０２、カラムデコーダ１０３、ロジック回路１０４、１０５、１０６は、まとめて「周辺ロジック回路」と参照される。周辺ロジック回路は、本実施の形態で提案された新規プロセスではなく、通常のプロセスで作成されてもよい。
【００５７】
例えば、メモリセルアレイ１０１と周辺ロジック回路の両方の領域において、図２Ａで示されたような金属積層膜が形成される。次に、図２Ｂの段階では、周辺ロジック回路の領域を全体的にカバーしておく。その後、図４Ａで示される状態になるまで、周辺ロジック回路の領域における金属積層膜は加工されない。続いて、図４Ａから図４Ｂへ遷移する際のパターニングと同時に、周辺ロジック回路の領域においても金属積層膜のパターンニングが行われる。このようにして、周辺ロジック回路の領域ではレイアウト上の制約を受けずに自由に素子を形成することが可能となる。
【００５８】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００５９】
１０    下地絶縁膜
２０    金属膜（第１金属膜）
２１    下部磁性膜
２１Ａ  第１磁化固定領域
２１Ｂ  第２磁化固定領域
２１Ｃ  磁化自由領域
２２    非磁性膜
２３    上部磁性膜
３０    金属ハードマスク（第２金属膜）
３１    突出部
４０    酸化膜ハードマスク
５０    絶縁膜
５１    ひさし部
６０    絶縁膜
７０    上部配線
８０    電極
８１    層間絶縁膜
８２    ビア
８３    上部配線
９０    半導体基板
９１、９１Ａ、９１Ｂ    コンタクト
９２、９２Ａ、９２Ｂ    コンタクト
９３、９３Ａ、９３Ｂ    ビット線
９４、９４Ａ、９４Ｂ    中間配線
１００    半導体装置
１０１    メモリセルアレイ
１０２    ロウデコーダ
１０３    カラムデコーダ
１０４、１０５，１０６  ロジック回路
１１０    下地絶縁膜
１２０    金属膜
１３０    金属ハードマスク
１４０    酸化膜ハードマスク
ＰＲ    レジストマスク
ＨＭ    ハードマスク
ＭＳ１  第１金属構造体
ＭＳ２  第２金属構造体
ＭＳ３  第３金属構造体
ＳＵ    上面
ＳＳ    側面
ＴＲ、ＴＲＡ、ＴＲＢ    選択トランジスタ
【図１Ａ】
2013239520.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
2013239520.tif 000005
【図１Ｄ】
2013239520.tif 000006
【図２Ａ】
2013239520.tif 000007
【図２Ｂ】
2013239520.tif 000008
【図２Ｃ】
2013239520.tif 000009
【図２Ｄ】
2013239520.tif 000010
【図２Ｅ】
2013239520.tif 000011
【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図２Ｈ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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