專利名稱：磁存儲器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于磁隨機存取存儲器(MRAM)。
背景技術(shù)：
由于磁隨機存取存儲器(MRAM)高速、耗電低、而且具有極優(yōu)良的非易失性、重寫耐性，所以被期望作為替代DRAM、閃存器的新一代高性能存儲器，國內(nèi)外各公司都在進行其實際應(yīng)用化的研究開發(fā)。這種MRAM通常是利用隧道磁阻(TMR)效果的存儲器，由于為了實現(xiàn)高速化、高可靠性，改善TMR比是必不可少的，所以對于賦予高TMR比的材料構(gòu)成、制膜法等的研究非常盛行。
在MRAM的存儲部采用如圖1所示的TMR元件。該元件采用以鐵磁性層夾著被稱為隧道阻擋層的絕緣層的結(jié)構(gòu)。在該元件的層間方向施加電壓時，由于隧道效果而電流流動，此時的電阻值根據(jù)2層鐵磁性層的磁化方向而不同，通常，2層鐵磁性層的磁化方向平行時的電阻值，比反平行時的電阻值小。MRAM將該電阻值的差異作為位信息利用。另外，2層鐵磁性層的磁化方向平行時和反平行時的電阻值的差的比率被稱為TMR比。假定隧道效果時電子的自旋被保存，則TMR比表示為下式(M.JullierePhysics Letters 54A，225(1975))。
R＝2P1*P2/(1-P1*P2)...(1)在此，P1、P2是各自的鐵磁性層的自旋極化率(0＜P1，P2＜1)。因此，為獲得高TMR比，使極化率P1、P2變大即可。雖然目前對于決定極化率P的因素并不十分了解，但一般認(rèn)為使用磁化(或者磁矩)大的磁性體是得到高TMR比的關(guān)鍵。(豬俁浩一郎應(yīng)用物理69，186(2000)日本應(yīng)用物理學(xué)會發(fā)行)。
另一方面，磁性膜中使用Fe、Co、Ni或者它們的合金，理論上預(yù)測磁矩會由于加到這些材料中的應(yīng)變而變化(Cerny et.al.PhysicalReview B67，035116(2003))。
M.JullierePhysics Letters 54A，225(1975)[非專利文獻2]豬俁浩一郎應(yīng)用物理69，186(2000)日本應(yīng)用物理學(xué)會發(fā)行[非專利文獻3]Cerny et.al.Physical Review B67，035116(2003)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是通過對構(gòu)成TMR元件的磁性膜的應(yīng)變控制，使TMR比增大。
本發(fā)明的發(fā)明人，調(diào)查了Fe的磁矩的應(yīng)變依存性。其結(jié)果如圖2所示。圖2的橫軸，正值表示拉伸應(yīng)變，負值表示壓縮應(yīng)變。根據(jù)圖2，可知Fe磁矩在拉伸應(yīng)變時增加，在壓縮應(yīng)變時間減少。對于Co、Ni，也可以得到相同的傾向。因此，本發(fā)明人，發(fā)現(xiàn)如果利用這些材料，通過使TMR元件的磁性膜處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)TMR比的改善。本發(fā)明的MRAM的特征在于，構(gòu)成TMR元件的鐵磁性膜處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明，MRAM的鐵磁性層處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)，與無應(yīng)變或者壓縮應(yīng)變狀態(tài)時相比，鐵磁性層的磁化變大。由此，能夠使TMR比增大，提供更高速、高可靠性的MRAM。


圖1是表示TMR元件的剖面圖且是MRAM的原理的說明圖。
圖2是表示Fe的磁矩的應(yīng)變依存性的圖。
圖3是第1實施方式的TMR元件的剖面圖。
圖4是表示第1實施方式中的MRAM陣列結(jié)構(gòu)的圖。
圖5是表示第1實施方式中的MRAM的TMR元件周圍的剖面圖。
圖6是表示第1實施方式中的MRAM存儲單元的剖面圖。
圖7是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖8是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖9是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖10是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖11是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖12是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖13是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖14是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖15是表示第1實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖16是表示第2實施方式中的MRAM陣列結(jié)構(gòu)的圖。
圖17是表示第2實施方式中的MRAM的TMR元件周圍的剖面圖。
圖18是表示第2實施方式中的MRAM存儲單元的剖面圖。
圖19是表示第3實施方式中的MRAM陣列結(jié)構(gòu)的圖。
圖20是表示第3實施方式中的MRAM的TMR元件周圍的剖面圖。
圖21是表示第3實施方式中的MRAM存儲單元的剖面圖。
圖22是表示第3實施方式中的MRAM的制造方法的說明圖。
圖23是表示第3實施方式中的MRAM陣列結(jié)構(gòu)的圖。
具體實施例方式
下面，利用圖3～圖23詳細說明本發(fā)明的實施方式。
圖3是本發(fā)明的第1實施方式的TMR元件的剖面圖。本實施方式的TMR元件由上部鐵磁性層1、下部鐵磁性層2、隧道絕緣膜3、反鐵磁性層4構(gòu)成。所述上部鐵磁性層1、下部鐵磁性層2由Fe、Co、Ni或者它們的合金等構(gòu)成。而且，所述隧道絕緣膜3由Al2O3、MgO等構(gòu)成，所述反鐵磁性層4由FeMn、IrMn、PtMn等構(gòu)成。圖3是MRAM的TMR元件中通常采用的被稱為自旋閥型的結(jié)構(gòu)，所述反鐵磁性層4用于固定下部鐵磁性層2的磁化方向，稱為束縛層。另外，上部鐵磁性層1、2分別被稱為自由層、固定層，在存儲時僅自由層的磁化方向發(fā)生變化。另外，所述鐵磁性層1或者2處于拉伸狀態(tài)?；蛘咚鲨F磁性層1、2共同處于拉伸狀態(tài)。由此，可望TMR元件的TMR比與所述鐵磁性層1、2無應(yīng)變狀態(tài)或者壓縮應(yīng)變狀態(tài)時相比增大。
圖4是本發(fā)明的第一實施方式的MRAM陣列結(jié)構(gòu)。MRAM通常如圖4所示在格子狀布線的上部布線層5和下部布線層6的交點上配置TMR元件。另外，TMR元件周圍的剖面圖如圖5所示。構(gòu)成MRAM的多層膜通過濺射、CVD等形成薄膜，在薄膜中通常最密面出現(xiàn)在表面上。因此，為了使TMR元件的上部鐵磁性層處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)，作為與上部鐵磁性層1接觸的所述上部布線層5的材料，利用與上部鐵磁性層的材料相比最密面的原子間距大、進而拉伸彈性模量也大的材料就可以。另外，為了使所述上部鐵磁性層處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)，優(yōu)選使所述上部布線層處于壓縮應(yīng)變狀態(tài)。因此，優(yōu)選所述上部布線層通過濺射而制膜，使得構(gòu)成所述上部布線層的原子變得稠密。
作為與構(gòu)成鐵磁性層的Fe、Co、Ni相比，最密面原子間距、拉伸彈性模量都大的材料、進而能夠成為布線材料的材料，可以考慮Ru、W、Ir、Os、Mo等。這其中，最密面原子間距大的是Os、W，拉伸彈性模量大的是Ir、Os。另外，低電阻的是Ir、W、Mo。
另外，為了抑制上部布線層和鐵磁性層界面處的相互擴散、強化剝離強度和移動耐性、為了高速化而降低界面電阻，優(yōu)選所述上部布線層具有TiN、TaN、RuO2等阻擋金屬7。所述阻擋金屬7通過濺射、CVD等而制膜，優(yōu)選所述阻擋金屬通過濺射將Ti、Ta、Ru等淀積后，通過進行滲氮或者氧化，使得阻擋金屬的體積膨脹而制膜，以使得所述鐵磁化層成為拉伸狀態(tài)。如能通過采用所述阻擋金屬而所述鐵磁性層處于拉伸狀態(tài)，則作為所述上部布線層材料也可以采用Al、Cu、Ag、Au等。這些布線材料雖然拉伸彈性模量小，但電阻低、且在設(shè)備的高速性方面比較出色。
另外，隧道絕緣膜3的材料Al2O3、MgO等通常是非晶形結(jié)構(gòu)，界面的原子間距比鐵磁性層的最密面原子間距還大，拉伸彈性模量也大，所以有利于使鐵磁性層處于拉伸狀態(tài)。所述隧道絕緣膜通過濺射、CVD等制膜而成，但優(yōu)選所述隧道絕緣膜，濺射Al2O3、MgO等或者通過濺射淀積Al、Mg等后進行氧化，使得所述鐵磁性層處于拉伸狀態(tài)。
另外，優(yōu)選反鐵磁性層4也同樣采用與鐵磁性層相比在界面的原子間距以及拉伸模量大的IrMn等材料，通過濺射而成膜。另外，為了抑制TMR元件的下部的薄膜層100和所述反鐵磁性層界面處的相互擴散、強化剝離強度和移動耐性、為了高速化而降低界面電阻，優(yōu)選在所述薄膜層100和反鐵磁性層之間配置TiN、TaN、RuO2等阻擋金屬8。
在本實施方式中，對自旋閥型的TMR元件進行了說明，但對于隧道結(jié)為2重的雙結(jié)型的TMR元件可以說也是一樣的。
但是，雖然已知拉伸應(yīng)變越大磁性材料的磁矩越增加，但考慮到TMR比以外的因素，并不希望應(yīng)變過大。例如，應(yīng)變過大，則有發(fā)生界面處膜剝離的可能性；考慮到剝離強度，優(yōu)選界面處的格子應(yīng)變控制在7％以下。
接著，對本實施方式的MRAM的存儲單元進行說明。隧道電流通常通過MOS晶體管、二極管等讀出，在此，對用MOS晶體管讀出方式的MRAM存儲單元進行說明。
圖6是本實施方式的MRAM存儲單元的剖面圖。P型硅基板9上形成由SiO2構(gòu)成的元件隔離層10、11，在元件形成區(qū)域上形成有N溝道MOS(NMOS)晶體管。所述NMOS具有柵電極12、柵絕緣膜13。作為柵絕緣膜材料，采用SiO2、SiON或者HfO2、ZrO2等高介電常數(shù)金屬氧化物、HfSiO、ZrSiO、HfSiON、ZrSiON等高介電常數(shù)金屬硅酸鹽等。另外，所述柵電極12是例如多晶硅膜、金屬薄膜、金屬硅酸鹽膜或者這些膜的層疊結(jié)構(gòu)。特別是，考慮到抑制與所述柵絕緣膜在界面處的相互擴散、且為了高速化實現(xiàn)柵電極的低電阻化，優(yōu)選在所述柵絕緣膜上采用粘合性良好的TiN、TaN等薄的阻擋金屬，在其上采用W、Mo、Ta、Ti等金屬薄膜的結(jié)構(gòu)。此時，在重視低電阻性時采用W、Mo。在采用該二者時，進一步，W在高熔點具有出色的熱穩(wěn)定性，Mo在膜的平坦性方面出色。另外，在重視與阻擋金屬的粘合性時采用在TiN上使用Ti的結(jié)構(gòu)、或者在TaN上使用Ta的結(jié)構(gòu)。
另外，在所述NMOS的源、漏擴散層14、15上連接有由W、Al、poly-Si(多晶硅)等構(gòu)成的接觸銷16、17。不過，為了所述接觸銷與硅基板界面的粘合性、防止界面處的相互擴散、剝離，優(yōu)選在接觸區(qū)域界面上形成接觸層18、19，以及，在與所述接觸層上部以及層間絕緣層20的界面處形成阻擋金屬21、22后，再形成所述接觸銷。所述接觸層18、19的構(gòu)成材料為硅化鈷(CoSi2)、硅化鈦(TiSi2)等，所述阻擋金屬21、22的構(gòu)成材料為TiN、TaN等。
所述接觸銷16連接到以Al、Cu等為構(gòu)成材料的源極線23上，為了防止界面處的相互擴散、剝離，優(yōu)選所述源極線23的上下具有由TiN、TaN等構(gòu)成的阻擋金屬24。另外，所述接觸銷17連接到以Al、Cu等為構(gòu)成材料的中間布線層25上，所述中間布線層25連接到TMR元件的下部。為了防止界面處的相互擴散、剝離，所述中間布線層也優(yōu)選上下具有由TiN、TaN等構(gòu)成的阻擋金屬26。另外，TMR元件上部配置有以Ru、W、Ir、Os、Mo等為構(gòu)成材料的上部布線層5、夾著層間絕緣層20的下部配置有具有阻擋金屬27的、以Al、Cu等為構(gòu)成材料的下部布線層6，所述下部布線層6與TMR元件不直接連接。上部鐵磁性層的自旋反轉(zhuǎn)，通過在所述上部以及下部布線層流動電流而進行。
接著，對于本實施方式的MRAM的存儲單元的制造方法進行說明。首先，在P型硅基板9上通過通常的硅處理，制作元件隔離區(qū)域?qū)?1、12以及NMOS(圖7)。接著，通過CVD淀積層間絕緣層20后，通過蝕刻形成接觸孔28，使其到達源極擴散層14(圖8)。其后，在接觸孔開口部，以濺射等淀積鈷(Co)、鈦(Ti)等，通過進行熱處理在與Si接觸的部分形成由CoSi2、TiSi2等構(gòu)成的接觸層18。其后，去除與層間絕緣層接觸部分的Co、Ti等，利用濺射形成由TiN、TaN等構(gòu)成的阻擋金屬21之后，利用濺射形成接觸銷16，最后通過CMP進行平坦化，變?yōu)槿鐖D9所示。接著，通過濺射淀積由TiN、TaN等構(gòu)成的阻擋金屬29、由Al、Cu等構(gòu)成的布線層30、由TiN、TaN等構(gòu)成的阻擋金屬31(圖10)，通過CMP平坦化后，利用蝕刻如圖11所示進行加工，形成源極線23。其后，進一步淀積層間絕緣層20，以與形成源極線相同的處理，如圖12所示形成下部布線層6。所述下部布線層以Al、Cu等為構(gòu)成材料。其后，進一步淀積層間絕緣層20，通過蝕刻形成到達漏極擴散層15的接觸孔，通過與所述接觸銷16相同的處理，形成接觸銷17，變?yōu)槿鐖D13所示。接著，以與源極線23的形成相同的處理，形成中間布線層25后，進行層間絕緣層的淀積、由CMP進行的平坦化，變?yōu)槿鐖D14所示。此時，所述中間布線層，為了防止界面處的擴散、剝離，優(yōu)選上下具有由TiN、TaN等構(gòu)成的阻擋金屬32。此后，為了形成TMR元件部，淀積反鐵磁性層33、下部鐵磁性層34、隧道絕緣層35、上部鐵磁性層36，進一步淀積阻擋金屬37(圖15)。此時，為了使所述上部以及下部鐵磁性層34、36處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)，優(yōu)選所述反鐵磁性層33采用與所述下部鐵磁性層相比界面處的原子間距以及拉伸膜量大的IrMn等材料，通過濺射而制膜，所述隧道絕緣膜是濺射Al2O3、MgO等或者通過濺射淀積Al、Mg等后進行氧化而形成。另外，所述阻擋金屬37，優(yōu)選通過濺射將Ti、Ta、Ru等淀積后，通過進行滲氮或者氧化，使得阻擋金屬的體積膨脹而制膜。此后，通過蝕刻加工TMR元件部，淀積層間絕緣層、平坦化后，淀積上部布線層5，進行平坦化，形成圖6所示的MRAM的存儲單元。不過，此時，優(yōu)選所述上部布線層5通過濺射Ru、W、Ir、Os、Mo等而制膜。通過上述過程，制造出具有所述上部以及下部鐵磁性層處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)的TMR元件的MRAM。
實施方式2圖16表示本發(fā)明的第2實施方式的MRAM陣列結(jié)構(gòu)。另外，TMR元件周圍的剖面圖如圖17所示。用MOS晶體管讀出隧道電流方式的MRAM存儲單元的剖面圖如圖18所示。在本實施方式中，利用濺射而制膜的、以Ru、W、Ir、Os、Mo等為構(gòu)成材料的下部布線層6的上部具有TiN、TaN、RuO2等構(gòu)成的阻擋金屬27，所述阻擋金屬上具有TMR元件，所述TMR元件上具有以Al、Cu等為構(gòu)成材料的、與接觸銷17連接的中間布線層25。不過，所述中間布線層25為了防止界面處的互相擴散、剝離，優(yōu)選上下具有由TiN、TaN、RuO2等構(gòu)成的阻擋金屬26。另外，所述中間布線層25的夾著層間絕緣層20的上部配置有以Al、Cu等為構(gòu)成材料的上部布線層5。在實施方式1中上部布線層與TMR元件部相接，但本實施方式中是下部布線層與TMR元件部相接的結(jié)構(gòu)，形成實施方式1中的MRAM結(jié)構(gòu)中TMR以及周圍部分上下顛倒的結(jié)構(gòu)。多層膜的制膜中，由于制膜時反映基底膜的晶格常數(shù)的情況較多，所以與實施方式1的結(jié)構(gòu)相比更優(yōu)選采用本實施方式的MRAM結(jié)構(gòu)。另外，TMR元件的上部鐵磁性層的自旋反轉(zhuǎn)，與實施方式1相同，通過在上述上部以及下部布線層中流動電流而進行。
實施方式3圖19表示本發(fā)明的第3實施方式的MRAM陣列結(jié)構(gòu)。另外，TMR元件周圍的剖面圖如圖20所示，用MOS晶體管讀出隧道電流方式的MRAM存儲單元的剖面圖如圖21所示。在實施方式1中，為了使鐵磁性層處于拉伸應(yīng)變狀態(tài)，上部布線層中使用了與構(gòu)成鐵磁性層的材料相比最密面原子間距、拉伸模量都大的材料，但是這些Ru、W、Ir、Os、Mo等材料，作為電阻，與過去的Al或近年作為高性能設(shè)備的布線材料而開始引入得Cu相比大。因此，也可以僅在與上部鐵磁性層1接觸的應(yīng)變施加部50處使用Ru、W、Ir、Os、Mo等，其他的不接觸的布線部51處使用電阻低的Al、Cu等。由此，由于高TMR比且低電阻，能夠期望得到更高速、低耗電量、高可靠性的MRAM。
為了制造本實施方式的MRAM，例如實施方式1的MRAM的上部布線層5用Al、Cu等制造，其后，利用蝕刻形成用于埋入所述應(yīng)變施加部50的溝52(圖22)。進一步，其后，利用濺射淀積Ru、W、Ir、Os、Mo等的膜，進行平坦化即可。
另外，為了更有效地向構(gòu)成TMR元件的鐵磁性層施加拉伸應(yīng)變，進一步優(yōu)選如圖23所示，利用與下部鐵磁性層相接的應(yīng)變施加部50和布線部51構(gòu)成實施方式2的結(jié)構(gòu)的下部布線層。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明可以適用于計算機的存儲器。
權(quán)利要求
1.一種存儲層采用TMR元件的磁存儲器，其特征在于構(gòu)成所述存儲層的元件的鐵磁性層成為拉伸應(yīng)變狀態(tài)，所述鐵磁性層含有Fe、Co、Ni的任一個，與所述鐵磁性層相鄰接的布線層含有Ru、W、Ir、Os、Mo的任一個。
2.一種存儲層采用TMR元件的磁存儲器的制造方法，其特征在于以含有Fe、Co、Ni的任一個的材料制膜構(gòu)成所述存儲層的元件的鐵磁性層，以含有Ru、W、Ir、Os、Mo的任一個的材料制膜與所述鐵磁性層相鄰接的布線層，其中，所述布線層是通過濺射來制膜的。
3.一種存儲層采用TMR元件的磁存儲器的制造方法，其特征在于制膜構(gòu)成所述存儲層的元件的鐵磁性層，與所述鐵磁性層相鄰接的布線層具有TiN、TaN、RuO2的任一個的阻擋金屬，通過濺射來制膜所述阻擋金屬。
4.一種存儲層采用TMR元件的磁存儲器的制造方法，其特征在于制膜構(gòu)成所述存儲層的元件的鐵磁性層，與所述鐵磁性層相鄰接的布線層具有TiN、TaN、RuO2的任一個的阻擋金屬，利用濺射Ti、Ta、Ru的任一個淀積形成所述阻擋金屬后，進行滲氮或者氧化來制膜與所述鐵磁性層相鄰接的布線層。
5.一種磁存儲器，其存儲層采用TMR元件、所述存儲層配置于上部以及下部布線層的交點處，該磁存儲器的特征在于構(gòu)成所述存儲層的元件的鐵磁性層成為拉伸應(yīng)變狀態(tài)，所述鐵磁性層作為材料含有Fe、Co、Ni的任一個，作為構(gòu)成所述布線層的材料，與所述鐵磁性層相鄰接的部分含有Ru、W、Ir、Os、Mo的任一個，其他的布線部分含有Al、Cu、Ag、Au的任一個。
6.一種磁存儲器的制造方法，該磁存儲器的存儲層采用TMR元件、所述存儲層配置于上部以及下部布線層的交點處，該制造方法的特征在于制膜構(gòu)成所述存儲層的元件的鐵磁性層，作為構(gòu)成所述布線層的材料，與所述鐵磁性層相鄰接的部分含有Ru、W、Ir、Os、Mo的任一個，通過濺射來制膜所述布線層。
全文摘要
通過使MRAM的TMR比改善，提供一種高速、高可靠性的MRAM。該方法的特征在于，MRAM的TMR元件的鐵磁性層變?yōu)槔鞈?yīng)變狀態(tài)，磁化增大。
文檔編號H01L27/22GK1783334SQ20051009901
公開日2006年6月7日 申請日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月29日
發(fā)明者鐘江義晴 申請人:株式會社日立制作所