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JP5895610B2 - Magnetoresistive memory and method of manufacturing magnetoresistive memory - Google Patents

Magnetoresistive memory and method of manufacturing magnetoresistive memory Download PDF

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JP5895610B2 JP2012050560A JP2012050560A JP5895610B2 JP 5895610 B2 JP5895610 B2 JP 5895610B2 JP 2012050560 A JP2012050560 A JP 2012050560A JP 2012050560 A JP2012050560 A JP 2012050560A JP 5895610 B2 JP5895610 B2 JP 5895610B2
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Description

本発明は、磁気抵抗メモリおよび磁気抵抗メモリの製造方法に関する。   The present invention relates to a magnetoresistive memory and a method of manufacturing a magnetoresistive memory.

近年の電子デバイスにおいては、シリコン(Si)のCMOSロジックに対して低コストで混載が可能な、大容量不揮発性メモリの重要性が高まっている。   In recent electronic devices, the importance of large-capacity nonvolatile memories that can be embedded at low cost with respect to silicon (Si) CMOS logic is increasing.

磁気抵抗メモリ(Magnetoresistive Random Access Memory: MRAM)は、情報の不揮発性に加えて、情報の高速な書き換えが無制限に行える。このことから、フラッシュメモリなどROM用途のメモリだけでなく、SRAMやDRAMといったRAM用途のメモリを置き換える可能性がある新規不揮発性メモリとして注目されている。   Magnetoresistive random access memory (MRAM) is capable of unlimited rewriting of information in addition to non-volatility of information. For this reason, attention is paid to a novel nonvolatile memory that can replace not only a ROM memory such as a flash memory but also a RAM memory such as an SRAM or a DRAM.

MRAMは、トンネル絶縁膜の上下に強磁性金属電極を配置し、強磁性金属電極の相対的な磁化の向きによってトンネル抵抗が変化する磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction: MTJ)を利用してメモリ機能を実現する。磁化の方向が固定された強磁性金属電極は磁化固定層、磁化の方向が反転可能な強磁性金属電極は磁化自由層と呼ばれる。これまで、磁化自由層の向きは、配線に電流を流すことで誘導される磁場を用いて反転させていた。しかし、近年になり、スピン偏極した電子によるトルク(Spin-Transfer Torque: STT)により磁化自由層の磁化反転が可能であることが分かった(スピン注入磁化反転)。これにより、書き換えに必要な電流を大幅に減少でき、MRAMの実用化の可能性が一層高まっている。   MRAM uses a magnetic tunnel junction (MTJ) in which a ferromagnetic metal electrode is arranged above and below a tunnel insulating film and the tunnel resistance changes depending on the relative magnetization direction of the ferromagnetic metal electrode. To realize. A ferromagnetic metal electrode whose magnetization direction is fixed is called a magnetization fixed layer, and a ferromagnetic metal electrode whose magnetization direction can be reversed is called a magnetization free layer. Until now, the direction of the magnetization free layer has been reversed using a magnetic field induced by passing a current through the wiring. However, in recent years, it has been found that magnetization reversal of the magnetization free layer is possible by spin-transfer torque (STT) (spin injection magnetization reversal). Thereby, the current required for rewriting can be greatly reduced, and the possibility of practical use of MRAM is further increased.

以下の説明では、磁気トンネル接合を実現する材料として使用されるMgOは酸化マグネシウムを、Coはコバルトを、Feは鉄を、Bはボロン(ホウ素)を、Taはタンタルを、Ruはルテニウムを、Siはシリコンを、Oは酸素を、Nは窒素を示す。さらに、Mnはマンガンを、Irはイリジウムを、Ptは白金を、Krはクリプトンを、Xeはキセノンを、Arはアルゴンを、Cuは銅を、Pdはパラジウムを、Mgはマグネシウムを示す。   In the following description, MgO used as a material for realizing the magnetic tunnel junction is magnesium oxide, Co is cobalt, Fe is iron, B is boron (boron), Ta is tantalum, Ru is ruthenium, Si represents silicon, O represents oxygen, and N represents nitrogen. Further, Mn represents manganese, Ir represents iridium, Pt represents platinum, Kr represents krypton, Xe represents xenon, Ar represents argon, Cu represents copper, Pd represents palladium, and Mg represents magnesium.

トンネル絶縁膜にMgO、トンネル絶縁膜の上下の強磁性金属電極にCoFeBを用いたCoFeB/MgO/CoFeBのMTJが知られている。このMTJにおいては、MgOの(001)配向の影響を受けてCoFeBも(001)配向しながら結晶化するテンプレート結晶化技術を適用することにより、Δ1バンドのスピン偏極率の高い電子が優先的にMgOをトンネル通過する。これにより、高いMR比が得られることが知られている。MR比は、低抵抗状態の抵抗Rp、高抵抗状態の抵抗Rapとした場合に、MR比(%)=100×(Rap-Rp)/Rpで定義される。   An MTJ of CoFeB / MgO / CoFeB using MgO for the tunnel insulating film and CoFeB for the ferromagnetic metal electrodes above and below the tunnel insulating film is known. In this MTJ, by applying a template crystallization technique in which CoFeB is also crystallized while being affected by the (001) orientation of MgO, electrons with a high Δ1 band spin polarization are preferential. Pass MgO through the tunnel. Thereby, it is known that a high MR ratio can be obtained. The MR ratio is defined as MR ratio (%) = 100 × (Rap−Rp) / Rp when the resistance Rp is in the low resistance state and the resistance Rap is in the high resistance state.

さらに、MgOとCoFeBの界面で誘起される界面垂直磁化を利用することで、それまでは面内磁化型であったCoFeB/MgO/CoFeBのMTJ構造を、垂直磁化型として利用できることが明らかになった。垂直磁化型のMTJは、面内磁化型のMTJに比べてスピン注入磁化反転の効率が良く、MRAMを作製した場合には同じ熱安定性において、より低い書き換え電流にて素子の情報書き換えが行えると期待される。   Furthermore, by utilizing the interface perpendicular magnetization induced at the interface between MgO and CoFeB, it became clear that the MTJ structure of CoFeB / MgO / CoFeB, which had been in-plane magnetization, can be used as the perpendicular magnetization type. It was. The perpendicular magnetization type MTJ has higher efficiency of spin injection magnetization reversal than the in-plane magnetization type MTJ, and when the MRAM is manufactured, the information can be rewritten with a lower rewriting current with the same thermal stability. It is expected.

これらの研究成果を元に、CoFeB/MgO/CoFeB構造による界面垂直MTJを利用した、界面垂直磁化型STT−MRAMの研究開発が活発に行われている。   Based on these research results, research and development of an interface perpendicular magnetization type STT-MRAM using an interface perpendicular MTJ having a CoFeB / MgO / CoFeB structure has been actively conducted.

特許第4082711号公報Japanese Patent No. 4082711 特開2006−080116号公報JP 2006-080116 A 特開2007−184063号公報JP 2007-184063 A

S. Ikeda et al., Nature materials, Vo. 9, pp.721-724, September 2010S. Ikeda et al., Nature materials, Vo. 9, pp.721-724, September 2010 W.Kim et al., IEDM11-531 Tech. Dig. 24.1.1-24.1.4 2011W. Kim et al., IEDM11-531 Tech. Dig. 24.1.1-24.1.4 2011 R. Shimabukuro et al., Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2010, 42(4), pp.1014-1017R. Shimabukuro et al., Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2010, 42 (4), pp.1014-1017 D.C. Worledge et al., Appl. Phys. Lett. 98, 022501 (2011)D.C.Worledge et al., Appl. Phys. Lett. 98, 022501 (2011) S. Ikeda et al., Appl. Phys. Lett. 93, 082508 (2008)S. Ikeda et al., Appl. Phys. Lett. 93, 082508 (2008) Y. Maeda et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 47, No. 10, 2008, pp. 7879-7885Y. Maeda et al., Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 47, No. 10, 2008, pp. 7879-7885

STT−MRAMは、選択トランジスタや周辺回路を形成するCMOSと同時に作り込むことが求められる。特に、システムLSIやプロセッサを同一チップに混載するCMOS混載用STT−MRAMにおいては、MTJがCMOSの標準的なCu配線プロセスに対する耐熱性を持つことが求められる。現在、CMOSのCu配線プロセス温度が350〜400℃程度であることと、CoFeBの結晶化熱処理温度が350℃程度で行われることを考えると、MTJは350℃以上の耐熱性を有することが望ましい。   The STT-MRAM is required to be formed at the same time as the CMOS forming the selection transistor and the peripheral circuit. In particular, in a CMOS mixed STT-MRAM in which a system LSI and a processor are mounted on the same chip, the MTJ is required to have heat resistance against a standard Cu wiring process of CMOS. At present, considering that the Cu Cu wiring process temperature is about 350 to 400 ° C. and the crystallization heat treatment temperature of CoFeB is about 350 ° C., it is desirable that the MTJ has a heat resistance of 350 ° C. or higher. .

しかし、MgOとCoFeBからなる界面垂直MTJの耐熱性について調べた結果、特にMgOの上部に成膜されたCoFeBについて、350℃において磁化を垂直に保つことが難しいことが分かった。したがって、CoFeB/MgO/CoFeBの界面垂直MTJの耐熱性を、350℃以上に改善することが望まれている。   However, as a result of investigating the heat resistance of the interface perpendicular MTJ composed of MgO and CoFeB, it was found that it is difficult to keep the magnetization perpendicular at 350 ° C., especially for CoFeB formed on the top of MgO. Therefore, it is desired to improve the heat resistance of the CoFeB / MgO / CoFeB interface perpendicular MTJ to 350 ° C. or higher.

第1の観点によれば、複数の垂直磁化型磁気抵抗メモリセルを有する磁気抵抗メモリが提供される。各メモリセルは、トンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜を挟んで対向するように形成された2層の強磁性金属電極と、を有し、トンネル絶縁膜と強磁性金属電極の界面垂直磁化を利用してデータの記憶を行う。各メモリセルは、アモルファス拡散制御層、界面キャップ層および拡散バッファ層の積層を、少なくとも一方の強磁性金属電極のトンネル絶縁膜と逆の界面に、有する。   According to a first aspect, a magnetoresistive memory having a plurality of perpendicular magnetization type magnetoresistive memory cells is provided. Each memory cell has a tunnel insulating film and two layers of ferromagnetic metal electrodes formed so as to face each other with the tunnel insulating film interposed therebetween, and utilizes the interface perpendicular magnetization between the tunnel insulating film and the ferromagnetic metal electrode To store the data. Each memory cell has a stack of an amorphous diffusion control layer, an interface cap layer, and a diffusion buffer layer at an interface opposite to the tunnel insulating film of at least one ferromagnetic metal electrode.

第2の観点によれば、複数の垂直磁化型磁気抵抗メモリセルを有する磁気抵抗メモリの製造方法が提供される。各メモリセルは、下部強磁性金属電極と、下部強磁性金属電極上のトンネル絶縁膜と、トンネル絶縁膜上の上部強磁性金属電極と、を有する。各メモリセルは、上部強磁性金属電極の上に設けられる、アモルファス拡散制御層、界面キャップ層および拡散バッファ層の積層を有し、トンネル絶縁膜と強磁性金属電極の界面垂直磁化を利用してデータの記憶を行う。上部強磁性金属電極のトンネル絶縁膜と逆の界面に、スパッタ法で界面キャップ層を打ち込み、上部強磁性金属電極と界面キャップ層の相互ミキシングにより、上部強磁性電極の結晶化熱処理前に、アモルファス界面制御層を形成する。   According to a second aspect, a method for manufacturing a magnetoresistive memory having a plurality of perpendicular magnetization type magnetoresistive memory cells is provided. Each memory cell has a lower ferromagnetic metal electrode, a tunnel insulating film on the lower ferromagnetic metal electrode, and an upper ferromagnetic metal electrode on the tunnel insulating film. Each memory cell has a stack of an amorphous diffusion control layer, an interface cap layer, and a diffusion buffer layer provided on the upper ferromagnetic metal electrode, and utilizes the interface perpendicular magnetization between the tunnel insulating film and the ferromagnetic metal electrode. Store data. The interfacial cap layer is implanted by sputtering into the interface opposite to the tunnel insulating film of the upper ferromagnetic metal electrode, and the upper ferromagnetic metal electrode and the interface cap layer are mixed with each other before the crystallization heat treatment of the upper ferromagnetic electrode. An interface control layer is formed.

上記の第1の観点によれば、界面垂直磁化型STT−MRAMの耐熱性および性能が向上する。
さらに、上記の第2の観点によれば、耐熱性および性能を向上した界面垂直磁化型STT−MRAMの製造方法が実現される。
According to the first aspect described above, the heat resistance and performance of the interface perpendicular magnetization type STT-MRAM are improved.
Furthermore, according to said 2nd viewpoint, the manufacturing method of interface perpendicular magnetization type STT-MRAM which improved heat resistance and performance is implement | achieved.

図1は、実施形態の界面垂直磁化型STT−MRAMのメモリセルを示す図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a memory cell of an interface perpendicular magnetization type STT-MRAM according to an embodiment. 図2は、図1の(B)に示したメモリセルのレイアウトで、同一のビット線およびソース線に接続される隣接する2個のメモリセルおよび周辺回路部分のトランジスタの断面構造の例を示す図である。FIG. 2 shows an example of a cross-sectional structure of two adjacent memory cells connected to the same bit line and source line and a transistor in a peripheral circuit portion in the layout of the memory cell shown in FIG. FIG. 図3は、本実施形態の界面垂直磁化型STT−MRAMのメモリセルに設けられるMTJの構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the MTJ provided in the memory cell of the interface perpendicular magnetization type STT-MRAM according to the present embodiment. 図4は、実施形態におけるMTJ部分の製造工程を説明する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a manufacturing process of the MTJ portion in the embodiment. 図5は、実施形態におけるMTJ部分の製造工程を説明する図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a manufacturing process of the MTJ portion in the embodiment. 図6は、実施形態におけるMTJ部分の製造工程を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a manufacturing process of the MTJ portion in the embodiment. 図7は、図4から図6で説明した製造工程で作製されたMTJの構造および各層の厚さの範囲の一例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the structure of the MTJ manufactured in the manufacturing process described with reference to FIGS. 4 to 6 and the thickness range of each layer. 図8は、MTJの構造の変形例を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a modification of the structure of the MTJ. 図9は、特性評価を行うために作製したMTJの試料を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a sample of MTJ manufactured for performing characteristic evaluation. 図10は、Ta層の膜厚を1nmに固定して、成膜ガスにKrとArを用いた場合の、CoFeB層の膜厚に対するCoFeBの磁化量の変化を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a change in the amount of magnetization of CoFeB with respect to the thickness of the CoFeB layer when the thickness of the Ta layer is fixed to 1 nm and Kr and Ar are used as the deposition gas. 図11は、Ta膜厚を1nmに固定し、KrとArについてガス流量を変化させた場合の拡散制御層の膜厚を表の形で示す図である。FIG. 11 is a table showing the film thickness of the diffusion control layer in the form of a table when the Ta film thickness is fixed to 1 nm and the gas flow rate is changed for Kr and Ar. 図12は、図11の表と同様の条件でTa層の成膜時のガス種とガス流量を変えた場合に、垂直方向の飽和磁化量(Ms)とゼロ磁場における垂直方向の残留磁化(Mr)の比が、飽和磁化量(Ms)に対してどのように変化するかを示す図である。FIG. 12 shows the saturation magnetization (Ms) in the vertical direction and the residual magnetization in the vertical direction in the zero magnetic field (Ms) when the gas type and gas flow rate during the Ta layer deposition are changed under the same conditions as in the table of FIG. It is a figure which shows how ratio of Mr changes with respect to the amount of saturation magnetization (Ms). 図13は、Taの成膜ガスとしてArガス、50sccmを用い、Ta層の膜厚を変化させた場合の比Mr/Msの変化を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a change in the ratio Mr / Ms when Ar gas and 50 sccm are used as the Ta film forming gas and the thickness of the Ta layer is changed. 図14は、Ta層の成膜条件による拡散制御層の膜厚変化を表の形で示す図である。FIG. 14 is a table showing changes in the thickness of the diffusion control layer depending on the Ta layer deposition conditions. 図15は、Arガス、50sccmの条件で成膜した1nmのTa層と、5nmのTa層のサンプルのSIMS分析を行った結果を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the results of SIMS analysis of a sample of a 1 nm Ta layer and a 5 nm Ta layer formed under conditions of Ar gas and 50 sccm. 図16は、これまで説明したMTJを有する実施形態の界面垂直磁化型STT−MRAMを、CMOS回路に混載した半導体装置のブロック図である。FIG. 16 is a block diagram of a semiconductor device in which the interface perpendicular magnetization type STT-MRAM of the embodiment having the MTJ described so far is embedded in a CMOS circuit. 図17は、MRAMのブロック図である。FIG. 17 is a block diagram of the MRAM.

図1は、実施形態の界面垂直磁化型STT−MRAMのメモリセルを示す図であり、(A)が1個のメモリセルの電気的等価回路を、(B)が複数のメモリセルを配置したメモリセルアレイを、示す。   FIG. 1 is a diagram showing a memory cell of an interface perpendicular magnetization type STT-MRAM according to an embodiment, in which (A) shows an electrical equivalent circuit of one memory cell, and (B) shows a plurality of memory cells. A memory cell array is shown.

図1の(A)に示すように、メモリセル10は、トランジスタ(nMOSFET)11と、抵抗値が設定される可変抵抗素子12と、を有する。可変抵抗素子12は、界面垂直MTJを含み、記憶データに応じて磁化自由層の磁化方向が設定される。可変抵抗素子12の一端はビット線14に接続され、可変抵抗素子12の他端はトランジスタ11の一方の被制御端子(ドレイン)に接続される。トランジスタ11の制御端子(ゲート)はワード線13に接続され、トランジスタ11の他方の被制御端子(ソース)はソース線15に接続される。   As shown in FIG. 1A, the memory cell 10 includes a transistor (nMOSFET) 11 and a variable resistance element 12 in which a resistance value is set. The variable resistance element 12 includes the interface perpendicular MTJ, and the magnetization direction of the magnetization free layer is set according to the stored data. One end of the variable resistance element 12 is connected to the bit line 14, and the other end of the variable resistance element 12 is connected to one controlled terminal (drain) of the transistor 11. The control terminal (gate) of the transistor 11 is connected to the word line 13, and the other controlled terminal (source) of the transistor 11 is connected to the source line 15.

メモリセル10にデータを書き込む場合は、ワード線13に選択電圧(H)を印加してトランジスタ11をオンし、書き込むデータ(HまたはL)に応じて、ビット線14とソース線15の間に極性の異なる電流を流すように電圧を印加する。これにより、書き込むデータに応じて、MTJの磁化自由層の磁化方向が設定され、可変抵抗素子12は、異なる抵抗値を呈する。メモリセル10からデータを読み出す場合は、ワード線13に選択電圧(H)を印加してトランジスタ11をオンし、ビット線14とソース線15の間に、書き込み時より小さい電圧を印加する。これにより、トランジスタ11および可変抵抗素子12を介して、ビット線14とソース線15の間に電流が流れるが、可変抵抗素子12の抵抗値に応じて流れる電流が異なるので、電流量の差に対応して記憶しているデータを検出する。   When data is written to the memory cell 10, the selection voltage (H) is applied to the word line 13 to turn on the transistor 11, and between the bit line 14 and the source line 15 according to the data (H or L) to be written. A voltage is applied so that currents having different polarities flow. Thereby, the magnetization direction of the magnetization free layer of MTJ is set according to the data to be written, and the variable resistance element 12 exhibits different resistance values. When reading data from the memory cell 10, a selection voltage (H) is applied to the word line 13 to turn on the transistor 11, and a voltage smaller than that at the time of writing is applied between the bit line 14 and the source line 15. As a result, a current flows between the bit line 14 and the source line 15 via the transistor 11 and the variable resistance element 12, but the current flowing according to the resistance value of the variable resistance element 12 varies, so that the difference in the amount of current is caused. Correspondingly stored data is detected.

図1の(A)では、ビット線14とソース線15が直交しているが、書き込みおよび読み出し動作の関係から、ビット線14とソース線15は隣接して平行に配置されることが望ましい。図1の(B)は、ビット線14とソース線15を平行に配置した場合のメモリセルのレイアウトを示す。図1の(B)に示すように、ビット線14とソース線15の組に対してワード線13が直交する方向に配置される。図1の(B)では、同一のビット線14およびソース線15に接続される隣接する2個のメモリセルのトランジスタ11のソースは接続され、その接続ノードがソース線15に接続される。   In FIG. 1A, the bit line 14 and the source line 15 are orthogonal to each other, but it is desirable that the bit line 14 and the source line 15 are adjacently arranged in parallel from the relationship between the write and read operations. FIG. 1B shows a layout of the memory cell when the bit line 14 and the source line 15 are arranged in parallel. As shown in FIG. 1B, the word line 13 is arranged in a direction orthogonal to the set of the bit line 14 and the source line 15. In FIG. 1B, the sources of the transistors 11 of two adjacent memory cells connected to the same bit line 14 and source line 15 are connected, and the connection node is connected to the source line 15.

図2は、図1の(B)に示したメモリセルのレイアウトで、同一のビット線14およびソース線15に接続される隣接する2個のメモリセルおよび周辺回路部分のトランジスタの断面構造の例を示す図である。
図2の(A)に示すように、メモリセル部分および周辺回路部分において、基板21の上の層22にトランジスタなどの機能素子が形成される。コンタクト層CTでは、ゲート電極23Aおよび23B、ドレイン電極24Aおよび24B、およびソース電極25が形成される。M1からM5は、それぞれメタル層を示し、V1からVM4はビア層を示す。図示していないが、ゲート電極23Aおよび23Bは、いずれかのメタル層に設けられた、紙面に垂直な方向に伸びるワード線に接続される。また、ソース電極25は、いずれかのメタル層に設けられた、紙面上を横方向に伸びるソース線に接続される。ドレイン電極24Aおよび24Bは、メタル層M1〜M4およびビア層V1〜V4を介して上層に導かれ、下部電極26に接続される。以上の構造は、メモリセル部分および周辺回路部分で同じである。メモリセル部分においては、MTJ30は下部電極26と上部電極28の間に形成され、上部電極28はメタル層M5に配置され、紙面上を横方向に伸びるビット線に接続される。
FIG. 2 shows an example of a cross-sectional structure of two adjacent memory cells connected to the same bit line 14 and source line 15 and transistors in the peripheral circuit portion in the memory cell layout shown in FIG. FIG.
As shown in FIG. 2A, functional elements such as transistors are formed in the layer 22 on the substrate 21 in the memory cell portion and the peripheral circuit portion. In the contact layer CT, gate electrodes 23A and 23B, drain electrodes 24A and 24B, and a source electrode 25 are formed. M1 to M5 represent metal layers, respectively, and V1 to VM4 represent via layers. Although not shown, the gate electrodes 23A and 23B are connected to a word line provided in one of the metal layers and extending in a direction perpendicular to the paper surface. The source electrode 25 is connected to a source line provided in any metal layer and extending in the horizontal direction on the paper surface. The drain electrodes 24A and 24B are guided to the upper layer through the metal layers M1 to M4 and the via layers V1 to V4, and are connected to the lower electrode 26. The above structure is the same in the memory cell portion and the peripheral circuit portion. In the memory cell portion, the MTJ 30 is formed between the lower electrode 26 and the upper electrode 28. The upper electrode 28 is disposed on the metal layer M5 and connected to a bit line extending in the horizontal direction on the paper surface.

MTJ30以外の部分は、これまで広く行われている配線レイアウトおよび製造方法を適用して実現されるため説明は省略し、MTJについてのみ説明する。   Since parts other than the MTJ 30 are realized by applying a wiring layout and manufacturing method that have been widely used so far, description thereof will be omitted, and only the MTJ will be described.

前述のように、STT−MRAMは、選択トランジスタや周辺回路を構成するCMOSと同時に作りこむことが求められる。特に、CMOS混載用STT−MRAMにおいては、MTJがCMOSの標準的なCu配線プロセスに対する耐熱性を持つことが求められる。図2においても、上部電極28に接続されるメタル層M5は、MTJ30の形成後作製するため、MTJ30は、Cu配線プロセス温度約350℃の耐熱性を有することが望ましい。また、CoFeBの結晶化熱処理温度が350℃程度で行われることを考えると、MTJ30には350℃以上の耐熱性が求められる。しかし、MgOとCoFeBからなる界面垂直MTJの耐熱性について試験した結果、耐熱性が不十分であり、特に、MgOの上部に成膜されたCoFeBについて、350℃において磁化を垂直に保つことが難しいことが分かった。言い換えれば、CMOS混載用STT−MRAMにおいては、CoFeB/MgO/CoFeBの界面垂直MTJを、350℃以上の耐熱性を有するように改善することが望ましいことが判明した。   As described above, the STT-MRAM is required to be formed at the same time as the CMOS constituting the selection transistor and the peripheral circuit. In particular, in the CMOS mixed STT-MRAM, the MTJ is required to have heat resistance against a standard Cu wiring process of CMOS. Also in FIG. 2, since the metal layer M5 connected to the upper electrode 28 is formed after the MTJ 30 is formed, the MTJ 30 preferably has a heat resistance of a Cu wiring process temperature of about 350 ° C. Further, considering that the CoFeB crystallization heat treatment temperature is about 350 ° C., the MTJ30 is required to have heat resistance of 350 ° C. or higher. However, as a result of testing the heat resistance of the interface perpendicular MTJ made of MgO and CoFeB, the heat resistance is insufficient, and in particular, it is difficult to keep the magnetization perpendicular at 350 ° C. for CoFeB formed on the MgO. I understood that. In other words, it has been found that it is desirable to improve the CoFeB / MgO / CoFeB interface vertical MTJ so as to have a heat resistance of 350 ° C. or higher in the CMOS mixed STT-MRAM.

CoFeB/MgO/CoFeBからなる面内磁化型MTJが知られており、面内磁化型MTJでは、350℃の熱処理が一般的に行われており、同じ構造の界面垂直MTJに比べて高い耐熱性を有する。耐熱性に関係すると考えられる面内磁化型MTJと界面垂直MTJの違いは、以下の3点である。   An in-plane magnetization type MTJ made of CoFeB / MgO / CoFeB is known. In the in-plane magnetization type MTJ, heat treatment at 350 ° C. is generally performed, and heat resistance is higher than that of an interface perpendicular MTJ having the same structure. Have Differences between the in-plane magnetization type MTJ and the interface perpendicular MTJ that are considered to be related to heat resistance are the following three points.

(1)面内磁化型MTJではCoFeBの膜厚に自由度が高く、一般的には2〜3nmと比較的厚い膜厚が用いられる。これに対して、界面垂直MTJでは界面の影響を支配的にするためCoFeBの膜厚を厚くできず、2nm以下の極薄膜にする必要がある。言い換えれば、CoFeBの膜厚の薄さが関係している。   (1) In-plane magnetization type MTJ has a high degree of freedom in the film thickness of CoFeB, and generally a relatively thick film thickness of 2 to 3 nm is used. On the other hand, in the interface perpendicular MTJ, the influence of the interface is dominant, so that the CoFeB film thickness cannot be increased, and it is necessary to make it an extremely thin film of 2 nm or less. In other words, the thin film thickness of CoFeB is related.

(2)界面垂直MTJで利用している垂直磁化は、MgOとCoFeBの界面におけるFeとOの軌道混成によって生じることが理論的に予想されている。したがって、FeとOの軌道混成を阻害する要因が発生していると考えられる。   (2) It is theoretically expected that the perpendicular magnetization utilized in the interface perpendicular MTJ is generated by orbital hybridization of Fe and O at the interface between MgO and CoFeB. Therefore, it is thought that the factor which inhibits the orbital hybridization of Fe and O has generate | occur | produced.

(3)面内磁化型MTJでは、CoFeBのMgOとは逆側の界面にTaやRuなど様々な金属を用いることができるが、界面垂直MTJではこの部分にTaを用いる必要がある。CoFeBのMgOとは逆側の界面におけるTaが影響している。   (3) In the in-plane magnetization type MTJ, various metals such as Ta and Ru can be used at the interface opposite to the MgO of CoFeB. However, in the interface perpendicular MTJ, Ta needs to be used. Ta at the interface opposite to the MgO of CoFeB has an influence.

さらに、面内磁化型MTJにおいて、PtMnやIrMnなどの反強磁性層を用いたスピンバルブ構造の場合の耐熱性はCoFeB/MgO界面へのMn拡散により決まることが見出されている。さらに、面内磁化型MTJにおいて、反強磁性層を用いない保持力差型構造の耐熱性はCoFeB/MgO界面へのTa拡散により決まることも見出されている。   Furthermore, in the in-plane magnetization type MTJ, it has been found that the heat resistance in the case of a spin valve structure using an antiferromagnetic layer such as PtMn or IrMn is determined by Mn diffusion to the CoFeB / MgO interface. Further, it has been found that in the in-plane magnetization type MTJ, the heat resistance of the coercive force difference type structure without using the antiferromagnetic layer is determined by Ta diffusion to the CoFeB / MgO interface.

以上のことから、界面垂直MTJにおいては、熱処理中にTaが薄いCoFeB中を拡散し、CoFeB/MgO界面に到達することで、界面垂直磁化の発現を阻害していると考えられる。したがって、この拡散を抑制することができれば、界面垂直MTJの耐熱性が向上すると考えられる。   From the above, in the interface perpendicular MTJ, it is considered that Ta diffuses in the thin CoFeB during the heat treatment and reaches the CoFeB / MgO interface, thereby inhibiting the expression of the interface perpendicular magnetization. Therefore, if this diffusion can be suppressed, it is considered that the heat resistance of the interface vertical MTJ is improved.

そこで、本実施形態では、Taの拡散を抑制するために、拡散制御層を設ける。上記の(3)の条件から、拡散制御層にはTaを含ませる必要があるため、例えば拡散制御層としてアモルファスのCoFeBTaを用いる。   Therefore, in this embodiment, a diffusion control layer is provided in order to suppress Ta diffusion. Since the diffusion control layer needs to contain Ta from the above condition (3), for example, amorphous CoFeBTa is used as the diffusion control layer.

図3は、本実施形態の界面垂直磁化型STT−MRAMのメモリセルに設けられるMTJ30の構成例を示す図であり、(A)は上部強磁性金属電極上に拡散制御層を設けた例を、(B)は下部強磁性金属電極下に拡散制御層を設けた例を、示す。   FIG. 3 is a view showing a configuration example of the MTJ 30 provided in the memory cell of the interface perpendicular magnetization type STT-MRAM according to the present embodiment. FIG. 3A shows an example in which a diffusion control layer is provided on the upper ferromagnetic metal electrode. (B) shows an example in which a diffusion control layer is provided under the lower ferromagnetic metal electrode.

MTJ30は、図3の(A)の例では、下部金属34、下部強磁性金属電極32、トンネル絶縁膜31、上部強磁性金属電極33、拡散制御層41、界面キャップ層42および拡散バッファ層43を有し、この順に積層されている。また、MTJ30は、図3の(B)の例では、拡散バッファ層53、界面キャップ層52、拡散制御層51、下部強磁性金属電極32、トンネル絶縁膜31、上部強磁性金属電極33および上部金属35有し、この順に積層されている。   In the example of FIG. 3A, the MTJ 30 includes a lower metal 34, a lower ferromagnetic metal electrode 32, a tunnel insulating film 31, an upper ferromagnetic metal electrode 33, a diffusion control layer 41, an interface cap layer 42, and a diffusion buffer layer 43. Are stacked in this order. 3B, in the example of FIG. 3B, the diffusion buffer layer 53, the interface cap layer 52, the diffusion control layer 51, the lower ferromagnetic metal electrode 32, the tunnel insulating film 31, the upper ferromagnetic metal electrode 33, and the upper part It has metal 35 and is laminated in this order.

図3の(A)および(B)の例では、トンネル絶縁膜31を挟んで対向する2層の強磁性金属電極の一方の側にのみ、拡散制御層、界面キャップ層および拡散バッファ層の積層を設けた。しかし、2層の強磁性金属電極の両方のトンネル絶縁膜と逆の界面に設けてもよい。   In the example of FIGS. 3A and 3B, the diffusion control layer, the interface cap layer, and the diffusion buffer layer are stacked only on one side of the two layers of ferromagnetic metal electrodes that are opposed to each other with the tunnel insulating film 31 interposed therebetween. Was established. However, the two layers of ferromagnetic metal electrodes may be provided at the opposite interface to the tunnel insulating film.

トンネル絶縁膜31は、例えばMgOで形成される。下部強磁性金属電極32および上部強磁性金属電極33は、例えばCoFeBで形成される。拡散制御層41は、例えばCoFeBTaで形成される。界面キャップ層は、例えばTaで形成される。拡散バッファ層は、例えばRuで形成される。   The tunnel insulating film 31 is made of, for example, MgO. The lower ferromagnetic metal electrode 32 and the upper ferromagnetic metal electrode 33 are made of, for example, CoFeB. The diffusion control layer 41 is made of, for example, CoFeBTa. The interface cap layer is made of Ta, for example. The diffusion buffer layer is made of, for example, Ru.

図3の(B)に示す下部拡散制御層51は、CoFeBTaをスパッタ法にて成膜すると、製造工程を簡単にできるので望ましい。   The lower diffusion control layer 51 shown in FIG. 3B is desirable because CoFeBTa can be formed by sputtering because the manufacturing process can be simplified.

図3の(A)に示す上部拡散制御層41は、上部強磁性金属電極(CoFeB)33と界面ギャップ層(Ta)42を連続成膜してミキシングにより形成すると、製造工程を簡単にできるので望ましい。   The upper diffusion control layer 41 shown in FIG. 3A can simplify the manufacturing process by continuously forming the upper ferromagnetic metal electrode (CoFeB) 33 and the interface gap layer (Ta) 42 and mixing them. desirable.

CoFeB上にTaをスパッタ法にて成膜した後、結晶化熱処理を加えると、以下の2つの効果により0.4〜0.5nmの磁気的不活性層(dead layer)が生じることが知られている。
(1)成膜中にガス粒子やTaがCoFeB中に打ち込まれる効果でミキシングを起こす。
(2)熱処理により、TaがCoFeB中に拡散して両者がミキシングを起こす。
It is known that when a crystallization heat treatment is applied after a Ta film is formed on CoFeB by sputtering, a magnetic dead layer of 0.4 to 0.5 nm is generated due to the following two effects. ing.
(1) Mixing occurs due to the effect of gas particles and Ta being implanted into CoFeB during film formation.
(2) Due to the heat treatment, Ta diffuses into CoFeB and causes both to mix.

一般的に磁気的不活性層は不要な層であると考えられており、薄膜成膜においては通常この層が生じない工夫がなされている。具体的には、例えば(1)の打ち込みに対して、成膜時にKrやXeなどの重いガスを用いることで、ターゲットから反跳してくる高エネルギーのガス粒子を減らして、ミキシングの生じない急峻な界面を形成している。これに対して、本実施形態では、逆にこの磁気的不活性層を上部拡散制御層41に利用する。   In general, it is considered that the magnetically inactive layer is an unnecessary layer, and ingenuity has been made so that this layer does not usually occur in thin film formation. Specifically, for example, by using a heavy gas such as Kr or Xe at the time of film formation for the implantation of (1), high energy gas particles recoiling from the target are reduced, and mixing does not occur. A steep interface is formed. In contrast, in this embodiment, the magnetically inactive layer is used as the upper diffusion control layer 41.

しかし、通常形成される0.4〜0.5nm程度の磁気的不活性層は、350℃の熱処理時のTaに対する拡散制御層として不十分であることを見出した。そのため、拡散を効果的に抑制するには、熱処理前の(1)の時点で比較的厚い拡散制御層を準備しておくことが望ましいと考えた。そこで、Ta成膜時に軽いArガスを用い、さらに成膜時のガス流量を50sccm(Standard Cubic Centimeter per Minutes)程度まで下げてCoFeB表面への成膜ガス粒子およびTaの入射エネルギーを高くした。その結果、磁気的不活性層の厚さが0.5nm以上に増加すると共に、350℃における熱安定性が大幅に向上して、垂直磁化の実現が可能であることが分かった。   However, it has been found that the normally formed magnetically inactive layer of about 0.4 to 0.5 nm is insufficient as a diffusion control layer for Ta during heat treatment at 350 ° C. For this reason, in order to effectively suppress the diffusion, it was considered desirable to prepare a relatively thick diffusion control layer at the time (1) before the heat treatment. Therefore, light Ar gas was used during Ta film formation, and the gas flow rate during film formation was further reduced to about 50 sccm (Standard Cubic Centimeter per Minutes) to increase the incident energy of the film formation gas particles and Ta on the CoFeB surface. As a result, it has been found that the thickness of the magnetically inactive layer is increased to 0.5 nm or more, the thermal stability at 350 ° C. is greatly improved, and perpendicular magnetization can be realized.

アモルファスの拡散制御層41、51を設けることで、熱処理時における界面キャップ層42、52のTaの下部および上部強磁性金属電極32、33中への拡散を防ぎ、MTJの耐熱性を向上させることができる。特に、拡散制御層41、51がアモルファスであることから結晶粒界におけるTa拡散が生じず、拡散抑止力が向上する。   Providing the amorphous diffusion control layers 41 and 51 prevents diffusion of the interface cap layers 42 and 52 into the lower portion of the Ta and the upper ferromagnetic metal electrodes 32 and 33 during heat treatment, and improves the heat resistance of the MTJ. Can do. In particular, since the diffusion control layers 41 and 51 are amorphous, Ta diffusion does not occur at the crystal grain boundary, and the diffusion suppressing power is improved.

一方で、拡散制御層41、51のCoFeBを350℃にて結晶化させるには、膜中のBがCoFeBから抜ける必要がある。ここで、Ta用の拡散制御層を設けた場合でも、以下の条件を満たすことでCoFeB中のBは結晶化熱処理時に拡散制御層41、51を抜けられることが分かった。   On the other hand, in order to crystallize CoFeB of the diffusion control layers 41 and 51 at 350 ° C., B in the film needs to escape from CoFeB. Here, even when a diffusion control layer for Ta was provided, it was found that B in CoFeB can escape from the diffusion control layers 41 and 51 during the crystallization heat treatment by satisfying the following conditions.

(1)界面キャップ層(Ta)42、52の膜厚を5nmよりも充分に薄くする。
(2)界面キャップ層42、52に加えて、Bが拡散するための拡散バッファ層(Ru)43、53を設ける。
(1) The film thickness of the interface cap layers (Ta) 42 and 52 is made sufficiently thinner than 5 nm.
(2) In addition to the interface cap layers 42 and 52, diffusion buffer layers (Ru) 43 and 53 for diffusing B are provided.

以上のことから、拡散制御層(CoFeBTa)を設けた場合には、界面キャップ層(Ta)の膜厚を薄くして、さらに拡散バッファ層(Ru)を設ける。これにより、「TaがCoFeB中に拡散する量を減らすこと」と、「CoFeB中のBがCoFeBの外部へ拡散すること」の両立が可能であることが判明した。   From the above, when the diffusion control layer (CoFeBTa) is provided, the film thickness of the interface cap layer (Ta) is reduced and a diffusion buffer layer (Ru) is further provided. As a result, it has been found that both “reducing the amount of Ta diffused into CoFeB” and “diffusing B in CoFeB to the outside of CoFeB” are possible.

以下、図4から図6を参照して実施形態におけるMTJ部分の製造工程を説明する。なお、MTJ部分の製造工程は、図2に示したように、ビア層VM4まで形成された後行われるので、トランジスタと下部電極(BEL)26を接続するビアが露出している状態から説明する。   Hereinafter, the manufacturing process of the MTJ portion in the embodiment will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the manufacturing process of the MTJ portion is performed after the via layer VM4 is formed, so that the description will be made from the state where the via connecting the transistor and the lower electrode (BEL) 26 is exposed. .

通常のCMOSプロセスではビア材料はCuであり、図4の(A)に示すように、SiO2層62中にビア(Cu)61が形成されている。図4の(A)に示すように、スパッタ法により、下部電極(BEL)26となるTa層(3nm)63、Ru層(25nm)64、Ta層(15nm)65を順番に成膜する。BELの中間Ru層64はシート抵抗を下げる効果を持ち、Ta単膜で同じシート抵抗を得る場合に比べて表面の平坦性が向上する。Ru層64上のTa層65は、MTJをドライエッチング(RIE)する際のエッチングストッパ層として機能する。   In a normal CMOS process, the via material is Cu, and a via (Cu) 61 is formed in the SiO 2 layer 62 as shown in FIG. As shown in FIG. 4A, a Ta layer (3 nm) 63, a Ru layer (25 nm) 64, and a Ta layer (15 nm) 65 to be the lower electrode (BEL) 26 are sequentially formed by sputtering. The intermediate Ru layer 64 of BEL has the effect of lowering the sheet resistance, and the surface flatness is improved as compared with the case where the same sheet resistance is obtained with a Ta single film. The Ta layer 65 on the Ru layer 64 functions as an etching stopper layer when the MTJ is dry-etched (RIE).

次に、図4の(B)に示すように、スパッタ法によりBEL上に拡散バッファ層53となるRu層66を8nm成膜し、続けて界面シード層(界面キャップ層)52となるTa層67を1nm成膜する。ここで、界面シード層は、界面キャップ層と同じ役割を果たすが、便宜上CoFeBの下部にある場合はシード層、上部にある場合はキャップ層と呼ぶことにする。   Next, as shown in FIG. 4B, a Ru layer 66 that becomes the diffusion buffer layer 53 is formed on the BEL by sputtering to have a thickness of 8 nm, and then a Ta layer that becomes the interface seed layer (interface cap layer) 52. 67 is deposited to a thickness of 1 nm. Here, the interface seed layer plays the same role as the interface cap layer. For convenience, the interface seed layer is referred to as the seed layer when it is below the CoFeB, and the cap layer when it is above it.

続けてCoFeBとTaの同時スパッタ法により拡散制御層51となるCoFeBTa層68を0.3nm成膜する。CoFeBの組成比は、ターゲット組成の調整により、Co:Fe:B=20:60:20(atomic %)になるよう調整する。また、CoFeBTaの組成比はスパッタパワーの調整により、CoFeB:Ta=80:20(atomic %)になるよう調整する。   Subsequently, a CoFeBTa layer 68 serving as the diffusion control layer 51 is formed to a thickness of 0.3 nm by the simultaneous sputtering of CoFeB and Ta. The composition ratio of CoFeB is adjusted to be Co: Fe: B = 20: 60: 20 (atomic%) by adjusting the target composition. The composition ratio of CoFeBTa is adjusted to CoFeB: Ta = 80: 20 (atomic%) by adjusting the sputtering power.

次に、図4の(C)に示すように、スパッタ法によりMTJの下部強磁性金属層32であるCoFeB層69を1.2nm成膜する。CoFeBの組成比はターゲット組成の調整により、Co:Fe:B=20:60:20(atomic %)になるよう調整する。   Next, as shown in FIG. 4C, a CoFeB layer 69, which is the lower ferromagnetic metal layer 32 of the MTJ, is formed to a thickness of 1.2 nm by sputtering. The composition ratio of CoFeB is adjusted to be Co: Fe: B = 20: 60: 20 (atomic%) by adjusting the target composition.

次に、図4の(C)に示すように、スパッタ法によりMgを0.8nm成膜し、続いて酸素雰囲気中で30秒Mgを酸化させ、次に界面の過酸化を防ぐためにMgを0.35nm成膜することで、トンネル絶縁膜31であるMgO層70を形成する。   Next, as shown in FIG. 4C, a Mg film having a thickness of 0.8 nm is formed by sputtering, followed by oxidation of Mg in an oxygen atmosphere for 30 seconds, and then Mg in order to prevent overoxidation at the interface. By forming the film to 0.35 nm, the MgO layer 70 that is the tunnel insulating film 31 is formed.

次に、図4の(C)に示すように、スパッタ法によりMTJの上部強磁性金属層33であるCoFB層71を1.4nm成膜する。CoFeBの組成比はターゲット組成の調整により、Co:Fe:B=20:60:20(atomic %)になるよう調整する。   Next, as shown in FIG. 4C, a CoFB layer 71 that is the upper ferromagnetic metal layer 33 of the MTJ is formed to a thickness of 1.4 nm by sputtering. The composition ratio of CoFeB is adjusted to be Co: Fe: B = 20: 60: 20 (atomic%) by adjusting the target composition.

次に、図5の(A)に示すように、スパッタ法により界面キャップ層42であるTa層73を、Arガス、流量50sccmの条件で供給しながら1nm成膜する。このようなTaの成膜条件を用いることで、成膜ガスであるArおよびTaの、CoFeB中への打ち込みが促進され、界面でミキシングが生じることで図5の(B)に示すような厚さが0.5nm以上の拡散制御層41であるCoFeBTa層72が形成される。   Next, as shown in FIG. 5A, a Ta layer 73 which is the interface cap layer 42 is formed by sputtering to a thickness of 1 nm while supplying Ar gas at a flow rate of 50 sccm. By using such Ta film formation conditions, the deposition gases Ar and Ta are promoted into CoFeB, and mixing occurs at the interface, resulting in a thickness as shown in FIG. A CoFeBTa layer 72 which is a diffusion control layer 41 having a thickness of 0.5 nm or more is formed.

次に、図5の(C)に示すように、スパッタ法により、拡散バッファ層43であるRu層74を7nm、上部電極(TEL)であるTa層75を80nm成膜し,続けてCVD法によりハードマスク(SiO2)層76を100nm成膜する。   Next, as shown in FIG. 5C, a Ru layer 74 as the diffusion buffer layer 43 is formed to 7 nm and a Ta layer 75 as the upper electrode (TEL) is formed to 80 nm by sputtering, followed by CVD. Thus, a hard mask (SiO2) layer 76 is formed to a thickness of 100 nm.

次に、図6の(A)に示すように、MTJの上部電極(TEL)35のレジストパターンを液浸のArFリソグラフィと3層レジストプロセスにより、直径50nmの円形に露光する。その後、ドライエッチングにより3層レジスト、ハードマスク、TEL、MTJまでエッチングして下部電極(BEL)65のTaでストップさせる。なお、3層レジスト、SiO2ハードマスク、TELのエッチングは、MRAM素子以外の製造工程の技術が適用できるので、詳細な説明は省略する。上部の拡散バッファ43(Ru層74)から下部の拡散バッファ53(Ru層66)までのエッチングに関しては、エッチングガスとしてメタノール(CH3OH)を用いたエッチングを行い、エッチングストッパであるTaにてエッチングを止める。エッチングが終了した段階で、ハードマスクであるSiO2はエッチングにより消滅しており、TELのTaが露出している。   Next, as shown in FIG. 6A, the resist pattern of the upper electrode (TEL) 35 of the MTJ is exposed to a circle having a diameter of 50 nm by immersion ArF lithography and a three-layer resist process. Thereafter, the etching is performed up to the three-layer resist, hard mask, TEL, and MTJ by dry etching, and stopped at Ta of the lower electrode (BEL) 65. The etching of the three-layer resist, the SiO2 hard mask, and the TEL can be applied to the manufacturing process technology other than the MRAM element, and thus detailed description thereof is omitted. For etching from the upper diffusion buffer 43 (Ru layer 74) to the lower diffusion buffer 53 (Ru layer 66), etching using methanol (CH3OH) as an etching gas is performed, and etching is performed with Ta as an etching stopper. stop. At the stage where the etching is completed, the hard mask SiO2 has disappeared due to the etching, and the TEL Ta is exposed.

次に、図6の(B)に示すように、層間絶縁膜であるSiN層76を30nm成膜し、続けて厚い層間絶縁膜であるSiO2層77を100nm成膜して平坦化を行う。その後、MTJ間を電気的に分離するため、BEL63−65のレジストパターンを液浸のArFリソグラフィと3層レジストプロセスによりMTJとCuプラグを覆う形で露光する。さらに、ドライエッチングにより3層レジスト、SiO2、SiN、BELまでエッチングしてBELより下のSiO2でストップさせる。   Next, as shown in FIG. 6B, an SiN layer 76 that is an interlayer insulating film is formed to a thickness of 30 nm, and then a SiO 2 layer 77 that is a thick interlayer insulating film is formed to a thickness of 100 nm and planarized. Thereafter, in order to electrically isolate the MTJ, the resist pattern of BEL63-65 is exposed so as to cover the MTJ and the Cu plug by immersion ArF lithography and a three-layer resist process. Further, the etching is performed up to the three-layer resist, SiO2, SiN, and BEL by dry etching and stopped at the SiO2 below the BEL.

その後は通常のCuデュアルダマシンプロセスとほぼ同様であり、図6の(C)に示すように層間絶縁膜であるSiO2を300nm成膜し、CMP法により平坦化を行う。さらに、トランジスタ等のコンタクトとしてビアが必要である部分にはビアを開口し、MTJの上部は配線部分のエッチングにより上部電極(TEL)を露出させ、Cuを埋め込み、CMPで平坦化することで上部配線を形成する。その後のプロセスは特に本実施形態の素子に限ったものではなく、さらに上部のCu配線およびAlパッドを形成すれば、MRAMのCMOSへの混載が完成する。   Thereafter, the process is almost the same as a normal Cu dual damascene process. As shown in FIG. 6C, an SiO 2 film as an interlayer insulating film is formed to a thickness of 300 nm and planarized by a CMP method. Furthermore, a via is opened in a portion where a via is necessary as a contact of a transistor or the like, and the upper portion of the MTJ is exposed by etching the wiring portion, exposing the upper electrode (TEL), filling with Cu, and planarizing by CMP. Form wiring. Subsequent processes are not particularly limited to the element of this embodiment, and if the upper Cu wiring and Al pad are further formed, the MRAM can be mounted on the CMOS.

図7は、図4から図6で説明した製造工程で作製されたMTJを示す図である。
上記の製造工程で用いた材料、膜厚、条件などは最適な1例であって、これに限定されるものではない。
FIG. 7 is a view showing the MTJ manufactured in the manufacturing process described with reference to FIGS.
The material, film thickness, conditions, and the like used in the above manufacturing process are optimal examples, and are not limited thereto.

MgO層70の膜厚は0.6〜1.2nmの範囲であれば良く、MgOの成膜方法は本実施例のように金属Mgをスパッタ成膜後に酸化する方法でも、MgOターゲットを用いたダイレクトスパッタ法でも良い。また、本実施形態では上部強磁性金属電極33のCoFeB層71が磁化自由層、下部強磁性金属電極32のCoFeB層69が磁化固定層であるボトムピン構造を想定している。しかし、上下のCoFeB層69、71の膜厚は0.7〜1.8nmの範囲であれば良く、磁化量の大小関係によっては下部のCoFeB層69が磁化自由層であるトップピン構造でも良い。また、CoFeBの組成比も、上記の実施形態に限定されるものではない。   The film thickness of the MgO layer 70 may be in the range of 0.6 to 1.2 nm, and the MgO film formation method uses the MgO target even in the method of oxidizing metal Mg after sputtering film formation as in this embodiment. Direct sputtering may be used. In the present embodiment, a bottom pin structure is assumed in which the CoFeB layer 71 of the upper ferromagnetic metal electrode 33 is a magnetization free layer and the CoFeB layer 69 of the lower ferromagnetic metal electrode 32 is a magnetization fixed layer. However, the film thickness of the upper and lower CoFeB layers 69 and 71 may be in the range of 0.7 to 1.8 nm, and a top pin structure in which the lower CoFeB layer 69 is a magnetization free layer may be used depending on the magnitude relationship of the magnetization amount. . Further, the composition ratio of CoFeB is not limited to the above embodiment.

また、本実施形態では、拡散制御層としてCoFeBTa層68、72を用いた。しかし、上部の拡散制御層であるCoFeBTa層72の膜厚が0.5nm以上1.0nm以下、下部の拡散制御層であるCoFeBTa層68の膜厚が0.2nm以上1.0nm以下であれば材料の組み合わせや組成比は限定されるものではない。   In this embodiment, CoFeBTa layers 68 and 72 are used as the diffusion control layer. However, if the thickness of the CoFeBTa layer 72 that is the upper diffusion control layer is 0.5 nm to 1.0 nm and the thickness of the CoFeBTa layer 68 that is the lower diffusion control layer is 0.2 nm to 1.0 nm. The combination and composition ratio of the materials are not limited.

また、本実施形態では、界面キャップ(シード)層52としてTa層67を用いたが、その膜厚は1.0nm以下の範囲であれば良い。なお、CoFeB層上に薄いTa層を成膜し、ミキシングによりTa膜厚が0nmになった状態も含むものとする。また、本実施形態では、拡散バッファ層としてRu層66、74を用いたが、その膜厚は自由に設定でき、材料もボロン(B)が粒界を含めて拡散できる材料であればその選択は自由である。   In this embodiment, the Ta layer 67 is used as the interface cap (seed) layer 52, but the film thickness may be in the range of 1.0 nm or less. In addition, a thin Ta layer is formed on the CoFeB layer, and includes a state where the Ta film thickness becomes 0 nm by mixing. In this embodiment, the Ru layers 66 and 74 are used as the diffusion buffer layer. However, the film thickness can be freely set, and the material can be selected as long as boron (B) can diffuse including the grain boundary. Is free.

上記の例では、拡散制御層(CoFeBTa層68,72)、界面キャップ層(Ta層67,73)および拡散バッファ層(Ru層66、74)は、図7のように、下部および上部強磁性金属電極(CoFeB層69,71)の両側に設けた。しかし、拡散制御層、界面キャップ層および拡散バッファ層の積層は、強磁性金属電極の少なくとも一方にあれば良い。図8の(A)は、拡散制御層(CoFeBTa層72)、界面キャップ層(Ta層73)および拡散バッファ層(Ru層74)の積層を、上部強磁性金属電極(CoFeB層71)のみの上部に設けた例を示す。   In the above example, the diffusion control layer (CoFeBTa layers 68 and 72), the interface cap layer (Ta layers 67 and 73) and the diffusion buffer layer (Ru layers 66 and 74) are formed as shown in FIG. The metal electrodes (CoFeB layers 69 and 71) were provided on both sides. However, the lamination of the diffusion control layer, the interface cap layer, and the diffusion buffer layer may be on at least one of the ferromagnetic metal electrodes. FIG. 8A shows a stack of a diffusion control layer (CoFeBTa layer 72), an interface cap layer (Ta layer 73), and a diffusion buffer layer (Ru layer 74), in which only the upper ferromagnetic metal electrode (CoFeB layer 71) is formed. An example provided at the top is shown.

さらに、片側の強磁性金属電極のみに拡散制御層、界面キャップ層および拡散バッファ層の積層を設置する場合は、図8の(B)に示すように、磁化自由層にこの積層を設置し、磁化固定層は、薄いTa層を介して垂直磁化材料にて垂直磁化の固定をしてもよい。図8の(B)は、上部強磁性金属電極(CoFeB層71)にのみ上記の積層を設置し、下部強磁性金属電極(CoFeB層69)は、薄いTa層67を介してCo/PdやCo/Ptなどの垂直磁化材料にて垂直磁化の固定をした例を示す。   Furthermore, when installing a stack of a diffusion control layer, an interface cap layer, and a diffusion buffer layer only on one side of the ferromagnetic metal electrode, as shown in FIG. The magnetization fixed layer may fix the perpendicular magnetization with a perpendicular magnetization material through a thin Ta layer. In FIG. 8B, the above-described lamination is provided only on the upper ferromagnetic metal electrode (CoFeB layer 71), and the lower ferromagnetic metal electrode (CoFeB layer 69) is formed of Co / Pd or Pd via a thin Ta layer 67. An example in which perpendicular magnetization is fixed with a perpendicular magnetization material such as Co / Pt is shown.

振動試料型磁化測定装置(VSM)を使用して、実施形態のMTJの特性評価を行った。振動試料型磁化測定装置を使用することにより、磁化の方向や飽和磁化量などの試料の物性値を簡単に測定することができ、試料の特性を定量的に評価することができる。   Using the vibrating sample magnetometer (VSM), the characteristics of the MTJ of the embodiment were evaluated. By using the vibration sample type magnetization measuring apparatus, the physical property values of the sample such as the direction of magnetization and the saturation magnetization can be easily measured, and the characteristics of the sample can be quantitatively evaluated.

図9は、特性評価を行うために作製したMTJの試料を示す図である。
この試料は、図9に示すように、SiO2層93上にTa/MgO/CoFeB/Ta/Ruという強磁性金属電極を片側のみ設置したものである。この試料は、CoFeB層94とTa層95の界面に形成される拡散制御層の膜厚とTaおよびBに対する拡散防止能力を評価するものであり、強磁性金属が一層だけになるため、VSMによって簡単に磁化の方向や飽和磁化量などの物性値を調べることができる。
FIG. 9 is a diagram showing a sample of MTJ manufactured for performing characteristic evaluation.
In this sample, as shown in FIG. 9, a ferromagnetic metal electrode of Ta / MgO / CoFeB / Ta / Ru is installed on only one side on the SiO 2 layer 93. This sample evaluates the film thickness of the diffusion control layer formed at the interface between the CoFeB layer 94 and the Ta layer 95 and the ability to prevent diffusion with respect to Ta and B. It is possible to easily examine physical properties such as the direction of magnetization and the amount of saturation magnetization.

まず、試料について説明する。下地密着層であるTa層92は5nm成膜した。トンネル絶縁膜であるMgO層91は、実施形態と同様に、0.8nmのMgを成膜した後で酸素雰囲気中にて30秒酸化し、過酸化を防ぐために0.35nmのMgを成膜することで形成した。強磁性金属電極であるCoFeB層94は、組成比をCo:Fe:B=20:60:20(atomic %)に固定し、膜厚を段階的に異ならせた試料を作成した。界面キャップ層であるTa層95は、CoFeB層94とのミキシング量を変化させるため、膜厚、成膜時のガスの種類およびガス流量を変化させて試料を作製した。拡散バッファ層については、Bの拡散が充分に行えるようにRu層を30nm成膜した。これらの積層構造をスパッタ装置中で連続成膜し、成膜後に真空アニール炉で350℃、2時間の条件で熱処理を行った。   First, the sample will be described. The Ta layer 92 as a base adhesion layer was formed to a thickness of 5 nm. As in the embodiment, the MgO layer 91 that is a tunnel insulating film is formed by depositing 0.8 nm of Mg and then oxidizing it in an oxygen atmosphere for 30 seconds, and forming 0.35 nm of Mg to prevent overoxidation. To form. The CoFeB layer 94, which is a ferromagnetic metal electrode, was prepared by fixing the composition ratio to Co: Fe: B = 20: 60: 20 (atomic%) and changing the film thickness stepwise. In order to change the amount of mixing with the CoFeB layer 94, the Ta layer 95 as the interface cap layer was prepared by changing the film thickness, the type of gas at the time of film formation, and the gas flow rate. As for the diffusion buffer layer, a Ru layer was formed to a thickness of 30 nm so that B could be sufficiently diffused. These laminated structures were continuously formed in a sputtering apparatus, and after the film formation, heat treatment was performed in a vacuum annealing furnace at 350 ° C. for 2 hours.

図10は、Ta層95の膜厚を1nmに固定して、成膜ガスにKrとArを用いた場合の、CoFeB層94の膜厚に対するCoFeBの磁化量の変化を示す図である。いずれのガス種でも流量は50sccm(50×1.69×10−4Pa・m/sec=8.45×10−3Pa・m/sec)である。図10で、縦軸の磁化量がゼロの場合の膜厚が、磁気的に不活性なCoFeBとTaのミキシングにより形成される拡散制御層の膜厚を示している。図10から、成膜ガスを重いKrから軽いArにすることで、CoFeBに打ち込まれるArガスのエネルギーが増加して、CoFeBとTaのミキシングが促進されることにより、拡散制御層の膜厚が大幅に増加していることが判明した。 FIG. 10 is a diagram showing a change in the amount of magnetization of CoFeB with respect to the thickness of the CoFeB layer 94 when the thickness of the Ta layer 95 is fixed to 1 nm and Kr and Ar are used as the deposition gas. In any gas type, the flow rate is 50 sccm (50 × 1.69 × 10 −4 Pa · m 3 /sec=8.45×10 −3 Pa · m 3 / sec). In FIG. 10, the film thickness when the magnetization amount on the vertical axis is zero indicates the film thickness of the diffusion control layer formed by mixing magnetically inactive CoFeB and Ta. From FIG. 10, by changing the deposition gas from heavy Kr to light Ar, the energy of Ar gas injected into CoFeB is increased, and the mixing of CoFeB and Ta is promoted, so that the film thickness of the diffusion control layer is increased. It turned out that it increased significantly.

図11は、Ta膜厚を1nmに固定し、KrとArについてガス流量を変化させた場合の拡散制御層の膜厚を表の形で示す図である。ガス種が軽く、成膜ガス流量が少ないほど拡散制御層の膜厚が増加することが分かる。一般的に報告されている0.45〜0.5nmの磁気的不活性層に対して、ガス種と流量を最適化することにより、0.73nmという厚い拡散制御層が得られることが分かった。なお図11の表の膜厚は熱処理後の結果であり、成膜直後における拡散制御層の膜厚は、より成膜条件依存性が強いと予想される。   FIG. 11 is a table showing the film thickness of the diffusion control layer in the form of a table when the Ta film thickness is fixed to 1 nm and the gas flow rate is changed for Kr and Ar. It can be seen that the lighter the gas type and the smaller the deposition gas flow rate, the greater the thickness of the diffusion control layer. It has been found that a diffusion control layer as thick as 0.73 nm can be obtained by optimizing the gas type and flow rate for the generally reported 0.45-0.5 nm magnetically inactive layer. . Note that the film thicknesses in the table of FIG. 11 are the results after the heat treatment, and the film thickness of the diffusion control layer immediately after film formation is expected to be more dependent on the film formation conditions.

図12は、図11の表と同様の条件でTa層73の成膜時のガス種とガス流量を変えた場合に、垂直方向の飽和磁化量(Ms)とゼロ磁場における垂直方向の残留磁化(Mr)の比が、飽和磁化量(Ms)に対してどのように変化するかを示す図である。上記のように、ガス種と流量により拡散制御層の膜厚が変化するので、図12は、比Mr/Msが拡散制御層の膜厚に対してどのように変化するかを示す図でもある。比Mr/Msが、ゼロに近い値から100%に近い値に急激に変化し、その後100%に近い値を維持することが望ましい。   FIG. 12 shows the saturation magnetization (Ms) in the vertical direction and the residual magnetization in the vertical direction in a zero magnetic field when the gas type and gas flow rate during the deposition of the Ta layer 73 are changed under the same conditions as in the table of FIG. It is a figure which shows how the ratio of (Mr) changes with respect to saturation magnetization amount (Ms). As described above, since the film thickness of the diffusion control layer changes depending on the gas type and flow rate, FIG. 12 is also a diagram showing how the ratio Mr / Ms changes with respect to the film thickness of the diffusion control layer. . It is desirable that the ratio Mr / Ms suddenly changes from a value close to zero to a value close to 100% and then maintains a value close to 100%.

図12から、拡散制御層が厚い条件ほど、広い磁化範囲で比Mr/Msが大きくなることが分かる。したがって、拡散制御層を0.5nm以上に厚くして界面キャップ層であるTaがCoFeB層中に拡散するのを防ぐことにより、350℃の熱処理後もMgO/CoFeBの界面垂直磁化の劣化が抑制されて良好な垂直磁化が得られることが分かった。   From FIG. 12, it is understood that the ratio Mr / Ms increases in a wider magnetization range as the diffusion control layer is thicker. Therefore, the thickness of the diffusion control layer is increased to 0.5 nm or more to prevent Ta as the interface cap layer from diffusing into the CoFeB layer, thereby suppressing deterioration of the interface perpendicular magnetization of MgO / CoFeB even after heat treatment at 350 ° C. It was found that good perpendicular magnetization can be obtained.

ただし良好な垂直磁化を得るためには、拡散制御層の最適化に加えて界面キャップ層の膜厚の最適化も必要である。図13は、Taの成膜ガスとしてArガス、50sccmを用い、Ta層の膜厚を変化させた場合の比Mr/Msの変化を示す図である。図13から、Taの膜厚が5nmと厚い場合に、垂直磁化特性が劣化していることが分かる。   However, in order to obtain good perpendicular magnetization, it is necessary to optimize the film thickness of the interface cap layer in addition to the optimization of the diffusion control layer. FIG. 13 is a diagram showing a change in the ratio Mr / Ms when Ar gas and 50 sccm are used as the Ta film forming gas and the thickness of the Ta layer is changed. FIG. 13 shows that the perpendicular magnetization characteristics are deteriorated when the thickness of Ta is as thick as 5 nm.

なお、図14は、Ta層の成膜条件による拡散制御層の膜厚変化を表の形で示す図である。図14から、Ta層の膜厚が5nmの場合の拡散制御層は充分に厚い、つまり、拡散制御層が厚くても界面キャップ層が厚い場合は良い特性が得られないことが分かる。   FIG. 14 is a table showing changes in the thickness of the diffusion control layer depending on the Ta layer deposition conditions. FIG. 14 shows that the diffusion control layer when the thickness of the Ta layer is 5 nm is sufficiently thick, that is, if the interface cap layer is thick even if the diffusion control layer is thick, good characteristics cannot be obtained.

この原因を調べるため、Arガス、50sccmの条件で成膜した1nmのTa層と、5nmのTa層のサンプルのSIMS分析を行った。図15は、その結果を示す。図15は、Ta層の膜厚によるB拡散プロファイルの変化を示す図であり、図の右側が下地で、SiO2/Ta/MgO/CoFeB/Ta/Ruの順で層配置され、MgOのピークを深さ(Depth)0nmの位置に設定している。   In order to investigate this cause, SIMS analysis was performed on samples of a 1 nm Ta layer and a 5 nm Ta layer formed under conditions of Ar gas and 50 sccm. FIG. 15 shows the result. FIG. 15 is a diagram showing changes in the B diffusion profile depending on the thickness of the Ta layer. The right side of the figure is the base, and the layers are arranged in the order of SiO 2 / Ta / MgO / CoFeB / Ta / Ru, and the peak of MgO is shown. The depth (Depth) is set at a position of 0 nm.

図15から明らかなように、1nmのTa層の場合は界面キャップ層として残っているTa層の膜厚が非常に薄いため、CoFeB層中のBが拡散制御層および界面キャップ層を通過して、拡散バッファ層であるRu中まで拡散していることが分かる。一方、Ta層の膜厚が5nmの場合には、界面キャップ層であるTaの残膜が厚いため、Ta自身がBに対する拡散バリアとして機能する結果、Ru中へのB拡散は生じていないことが分かる。   As is apparent from FIG. 15, in the case of a 1 nm Ta layer, the Ta layer remaining as the interface cap layer is very thin, so that B in the CoFeB layer passes through the diffusion control layer and the interface cap layer. It can be seen that the diffusion buffer layer has diffused into Ru. On the other hand, when the thickness of the Ta layer is 5 nm, the residual film of Ta, which is the interface cap layer, is thick, so that Ta itself functions as a diffusion barrier for B, and B diffusion into Ru does not occur. I understand.

これらの実験結果から、拡散制御層はBを容易に拡散させるが、界面キャップ層であるTa層中のB拡散は容易ではなく、界面キャップ層が厚い場合にはCoFeB層中のBが拡散バッファ層へ到達できないことが分かった。この場合、CoFeB中のB残留濃度が高いため、CoFeBが結晶化しにくいことに加え、MgO/CoFeB界面においてもB濃度が高くなり、FeとOの軌道混成により生じる界面垂直磁化の発現を阻害している可能性が考えられる。したがって,熱処理後のTa残膜としては0nm(すなわちCoFeBとTaが完全に反応した状態)から1nm以下が好ましいといえる。この場合、成膜時のTa層の膜厚としては0.5nmから1.8nmの範囲であることが重要である。   From these experimental results, the diffusion control layer diffuses B easily, but B diffusion in the Ta layer which is the interface cap layer is not easy. When the interface cap layer is thick, the B in the CoFeB layer becomes the diffusion buffer. It was found that the layer could not be reached. In this case, since the B residual concentration in CoFeB is high, CoFeB is difficult to crystallize, and the B concentration also increases at the MgO / CoFeB interface, which inhibits the expression of interfacial perpendicular magnetization caused by Fe and O orbital hybridization. There is a possibility that. Therefore, it can be said that the Ta remaining film after the heat treatment is preferably from 0 nm (that is, a state where CoFeB and Ta are completely reacted) to 1 nm or less. In this case, it is important that the thickness of the Ta layer during film formation is in the range of 0.5 nm to 1.8 nm.

以上の結果をまとめると、界面垂直磁化の耐熱性を向上させるためには、次の3点が重要であることが分かった。   Summarizing the above results, it was found that the following three points are important for improving the heat resistance of interface perpendicular magnetization.

(1)界面キャップ層のTaがMgO/CoFeB界面へ拡散することを防ぐため、拡散制御層の膜厚を0.5nm以上にする。拡散制御層をCoFeBとTaのミキシングにより形成する場合には、Ta成膜時のガスとして軽いガス種(Arなど)と低流量(50 sccm以下)の条件が望ましい。   (1) In order to prevent Ta in the interface cap layer from diffusing into the MgO / CoFeB interface, the film thickness of the diffusion control layer is set to 0.5 nm or more. When the diffusion control layer is formed by mixing CoFeB and Ta, it is desirable to use light gas species (such as Ar) and a low flow rate (50 sccm or less) as the gas for forming the Ta film.

(2)界面キャップ層のTa層の膜厚が厚いと、強磁性金属電極中のCoFeBのBがこのTaを拡散できずにCoFeB中に留まりやすいため、CoFeBが結晶化しにくいことに加え、MgO/CoFeBにおける界面垂直磁化の発現を阻害する可能性がある。したがって、界面キャップ層の膜厚は、少なくとも5nm以下、望ましくは1nm以下にする。   (2) When the thickness of the Ta layer of the interface cap layer is large, CoFeB B in the ferromagnetic metal electrode cannot easily diffuse this Ta but remains in CoFeB. / CoFeB may inhibit the development of interface perpendicular magnetization. Therefore, the film thickness of the interface cap layer is at least 5 nm or less, preferably 1 nm or less.

(3)拡散制御層および界面キャップ層を通過したBを蓄えておく層が必要であるため、Ruなどの拡散バッファ層を成膜しておくことが必要である。   (3) Since a layer for storing B that has passed through the diffusion control layer and the interface cap layer is required, it is necessary to form a diffusion buffer layer such as Ru.

以上説明したように、CoFeB層とTa層の界面に拡散制御層(CoFeBTa層)を設け、界面キャップ層(Ta層)の薄膜化と拡散バッファ層(Ru層)の設置により以下の効果があることが明らかになった。   As described above, the diffusion control layer (CoFeBTa layer) is provided at the interface between the CoFeB layer and the Ta layer, and the following effects are obtained by reducing the thickness of the interface cap layer (Ta layer) and installing the diffusion buffer layer (Ru layer). It became clear.

(1)拡散制御層によりTaのCoFeB層中への拡散が抑制される結果、MgO/CoFeB構造における界面垂直磁化の耐熱性が向上し、CMOS混載に必要な350℃の熱処理後も充分に広い磁化範囲で磁化の垂直化が可能となった。   (1) As a result of the diffusion control layer suppressing the diffusion of Ta into the CoFeB layer, the heat resistance of the interface perpendicular magnetization in the MgO / CoFeB structure is improved, and is sufficiently wide even after the heat treatment at 350 ° C. necessary for CMOS mounting. The magnetization can be perpendicularized in the magnetization range.

(2)界面キャップ層と拡散バッファ層の設置により、CoFeB層中のBが拡散制御層と界面キャップ層を拡散して拡散バッファ層へ抜けることで、熱処理後のCoFeB層中のB濃度が減少して、結果として界面垂直磁化の発現が容易となった。   (2) By installing the interface cap layer and the diffusion buffer layer, B in the CoFeB layer diffuses through the diffusion control layer and the interface cap layer and escapes to the diffusion buffer layer, thereby reducing the B concentration in the CoFeB layer after the heat treatment. As a result, the interface perpendicular magnetization was easily developed.

これらの効果により、耐熱性が高く、かつ結晶性の良い界面垂直MTJを作製できる。   Due to these effects, an interface vertical MTJ with high heat resistance and good crystallinity can be produced.

図16は、これまで説明したMTJを有する実施形態の界面垂直磁化型STT−MRAMを、CMOS回路に混載した半導体装置のブロック図である。
図16に示すように、半導体装置(チップ)100は、MRAM120と、MRAM120以外のCMOS回路部110と、を有する。CMOS回路部110は、例えば、プロセッサ等のロジック回路部111、アナログ回路部112、電源回路等を有する。
FIG. 16 is a block diagram of a semiconductor device in which the interface perpendicular magnetization type STT-MRAM of the embodiment having the MTJ described so far is embedded in a CMOS circuit.
As illustrated in FIG. 16, the semiconductor device (chip) 100 includes an MRAM 120 and a CMOS circuit unit 110 other than the MRAM 120. The CMOS circuit unit 110 includes, for example, a logic circuit unit 111 such as a processor, an analog circuit unit 112, a power supply circuit, and the like.

図17は、MRAM120のブロック図である。
図17に示すように、MRAM120は、メモリセルアレイ201、ロウデコーダ202、コラムデコーダ203、選択スイッチ列204、ライトアンプ205、センスアンプ206、データI/O部207および制御部208を有する。ロウデコーダ202、コラムデコーダ203、データI/O部207および制御部208は、CMOS回路部110からのアドレス信号、入出力データおよび制御信号を受け、メモリセルアレイ201にアクセスする。MRAM120の構成および動作については広く知られているので、説明は省略する。
FIG. 17 is a block diagram of the MRAM 120.
As shown in FIG. 17, the MRAM 120 includes a memory cell array 201, a row decoder 202, a column decoder 203, a selection switch array 204, a write amplifier 205, a sense amplifier 206, a data I / O unit 207, and a control unit 208. The row decoder 202, the column decoder 203, the data I / O unit 207, and the control unit 208 receive the address signal, input / output data, and control signal from the CMOS circuit unit 110, and access the memory cell array 201. Since the configuration and operation of the MRAM 120 are widely known, a description thereof will be omitted.

図16に示した半導体装置100に搭載されたMRAM120は、CMOS回路部110の製造に適用される350℃以上の高温が印加されるプロセスで製造される。MRAM120のMTJは、実施形態で説明した構造を有し、説明した製造工程で製造されるので、350℃以上の耐熱性を有し、350℃以上の高温が印加されても性能は劣化しない。   The MRAM 120 mounted on the semiconductor device 100 shown in FIG. 16 is manufactured by a process to which a high temperature of 350 ° C. or higher applied to manufacture the CMOS circuit unit 110 is applied. Since the MTJ of the MRAM 120 has the structure described in the embodiment and is manufactured by the manufacturing process described above, the MTJ has heat resistance of 350 ° C. or higher and does not deteriorate in performance even when a high temperature of 350 ° C. or higher is applied.

以上、実施形態を説明したが、ここに記載したすべての例や条件は、発明および技術に適用する発明の概念の理解を助ける目的で記載されたものである。特に記載された例や条件は発明の範囲を制限することを意図するものではなく、明細書のそのような例の構成は発明の利点および欠点を示すものではない。発明の実施形態を詳細に記載したが、各種の変更、置き換え、変形が発明の精神および範囲を逸脱することなく行えることが理解されるべきである。   The embodiment has been described above, but all examples and conditions described herein are described for the purpose of helping understanding of the concept of the invention applied to the invention and technology. In particular, the examples and conditions described are not intended to limit the scope of the invention, and the construction of such examples in the specification does not indicate the advantages and disadvantages of the invention. Although embodiments of the invention have been described in detail, it should be understood that various changes, substitutions and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention.

12 可変抵抗素子
30 MTJ(磁気トンネル接合)(Magnetic Tunnel Junction)
31 トンネル絶縁膜
32 下部強磁性金属電極
33 上部強磁性金属電極
41、51 拡散制御層
42、52 界面キャップ層
43、53 拡散バッファ層
12 Variable resistance element 30 MTJ (Magnetic Tunnel Junction)
31 Tunnel insulating film 32 Lower ferromagnetic metal electrode 33 Upper ferromagnetic metal electrode 41, 51 Diffusion control layer 42, 52 Interface cap layer 43, 53 Diffusion buffer layer

Claims (7)

第1強磁性金属電極と、
第2強磁性金属電極と、
前記第1強磁性金属電極と前記第2強磁性金属電極との間に設けられたトンネル絶縁膜と、
前記第1強磁性金属電極または前記第2強磁性金属電極を挟んで前記トンネル絶縁膜と反対側の、前記第1強磁性金属電極または前記第2強磁性金属電極の面に設けられた、CoFeBTaを含むアモルファス拡散制御層と、
前記アモルファス拡散制御層を挟んで前記第1強磁性金属電極または前記第2強磁性金属電極と反対側の、前記アモルファス拡散制御層の面に、設けられた界面キャップ層と、
備えることを特徴とする垂直磁化型磁気抵抗メモリ。
A first ferromagnetic metal electrode;
A second ferromagnetic metal electrode;
A tunnel insulating film provided between the first ferromagnetic metal electrode and the second ferromagnetic metal electrode;
CoFeBTa provided on the surface of the first ferromagnetic metal electrode or the second ferromagnetic metal electrode on the opposite side of the tunnel insulating film across the first ferromagnetic metal electrode or the second ferromagnetic metal electrode An amorphous diffusion control layer containing,
An interface cap layer provided on the surface of the amorphous diffusion control layer on the opposite side of the first ferromagnetic metal electrode or the second ferromagnetic metal electrode across the amorphous diffusion control layer;
Perpendicular magnetization type magnetoresistive memory, characterized in that it comprises a.
前記界面キャップ層を挟んで前記アモルファス拡散制御層と反対側の、前記界面キャップ層の面に設けられた拡散バッファ層を更に有することを特徴とする請求項1に記載の垂直磁化型磁気抵抗メモリ。2. The perpendicular magnetization type magnetoresistive memory according to claim 1, further comprising a diffusion buffer layer provided on a surface of the interface cap layer opposite to the amorphous diffusion control layer with the interface cap layer interposed therebetween. . 前記アモルファス拡散制御層は、基板に対して前記トンネル絶縁膜の上部に設けられる前記強磁性金属電極の界面に設けられる場合は、膜厚が0.5nm以上1.0nm以下であり、基板に対して前記トンネル絶縁膜の下部に設けられる前記強磁性金属電極の界面に設けられる場合は、膜厚が0.2nm以上1.0nm以下であることを特徴とする請求項1記載の垂直磁化型磁気抵抗メモリ。 When the amorphous diffusion control layer is provided at the interface of the ferromagnetic metal electrode provided above the tunnel insulating film with respect to the substrate, the film thickness is 0.5 nm or more and 1.0 nm or less. 2. The perpendicular magnetization according to claim 1 , wherein the film has a thickness of 0.2 nm to 1.0 nm when provided at the interface of the ferromagnetic metal electrode provided under the tunnel insulating film. Type magnetoresistive memory. 前記界面キャップ層の膜厚は、1.0nm以下であることを特徴とする請求項1記載の垂直磁化型磁気抵抗メモリ。 The perpendicular magnetization type magnetoresistive memory according to claim 1 , wherein the interface cap layer has a thickness of 1.0 nm or less. 前記トンネル絶縁膜がMgOで、前記強磁性金属電極がCoFeBで、前記界面キャップ層がTaで、前記拡散バッファ層がRuで形成されていることを特徴とする請求項2に記載の垂直磁化型磁気抵抗メモリ。 The tunnel insulating film in MgO, the ferromagnetic metal electrode CoFeB, before Symbol interfacial cap layer with Ta, perpendicular magnetization according to claim 2, wherein the diffusion buffer layer is characterized in that it is formed of Ru Type magnetoresistive memory. 複数の垂直磁化型磁気抵抗メモリセルを備え、各メモリセルが、下部強磁性金属電極と、前記下部強磁性金属電極上のトンネル絶縁膜と、前記トンネル絶縁膜上の上部強磁性金属電極と、前記上部強磁性金属電極の上に設けられるアモルファス拡散制御層、界面キャップ層および拡散バッファ層の積層と、を備え、前記トンネル絶縁膜と前記強磁性金属電極の界面垂直磁化を利用してデータの記憶を行う磁気抵抗メモリの製造方法であって、
前記上部強磁性金属電極の前記トンネル絶縁膜と逆の界面に、スパッタ法で前記界面キャップ層を打ち込み、
前記上部強磁性金属電極と前記界面キャップ層の相互ミキシングにより、前記上部強磁性金属電極の結晶化熱処理前に、前記アモルファス拡散制御層を形成する、ことを特徴とする磁気抵抗メモリの製造方法。
A plurality of perpendicular magnetization type magnetoresistive memory cells, each memory cell comprising a lower ferromagnetic metal electrode, a tunnel insulating film on the lower ferromagnetic metal electrode, and an upper ferromagnetic metal electrode on the tunnel insulating film; A stack of an amorphous diffusion control layer, an interface cap layer, and a diffusion buffer layer provided on the upper ferromagnetic metal electrode, and using data perpendicular to the interface between the tunnel insulating film and the ferromagnetic metal electrode. A method of manufacturing a magnetoresistive memory for storing,
At the interface opposite to the tunnel insulating film of the upper ferromagnetic metal electrode, the interface cap layer is driven by a sputtering method,
The method of manufacturing a magnetoresistive memory, wherein the amorphous diffusion control layer is formed before the crystallization heat treatment of the upper ferromagnetic metal electrode by mutual mixing of the upper ferromagnetic metal electrode and the interface cap layer.
前記上部強磁性金属電極がCoFeBで、前記界面キャップ層がTaで、形成され、
前記界面キャップ層を形成するTaの成膜時のスパッタガスにArを使用し、成膜時の流量を50sccm以下にし、前記界面キャップ層の膜厚を0.5nm以上1.8nm以下にすることを特徴とする請求項6記載の磁気抵抗メモリの製造方法。
The upper ferromagnetic metal electrode is made of CoFeB and the interface cap layer is made of Ta;
Ar is used as a sputtering gas when forming Ta to form the interface cap layer, the flow rate during film formation is 50 sccm or less, and the film thickness of the interface cap layer is 0.5 nm or more and 1.8 nm or less. The method of manufacturing a magnetoresistive memory according to claim 6.
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