特表 2024-531579 浮遊磁界が最小限の磁気トンネル接合デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-29

(54)【発明の名称】浮遊磁界が最小限の磁気トンネル接合デバイス

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20240822BHJP

   H10N 50/80 20230101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H10N50/80 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024514529

(86)(22)【出願日】2022-09-13

(85)【翻訳文提出日】2024-03-05

(86)【国際出願番号】 EP2022075419

(87)【国際公開番号】W WO2023041530

(87)【国際公開日】2023-03-23

(31)【優先権主張番号】17/447,937

(32)【優先日】2021-09-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】390009531

【氏名又は名称】インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーション

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＴＥＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ

【住所又は居所原語表記】Ｎｅｗ Ｏｒｃｈａｒｄ Ｒｏａｄ， Ａｒｍｏｎｋ， Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ １０５０４， Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100112690

【弁理士】

【氏名又は名称】太佐 種一

(74)【代理人】

【識別番号】100120710

【弁理士】

【氏名又は名称】片岡 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】ウー、ヘン

(72)【発明者】

【氏名】ハウッサメッディン、ディミトリ

(72)【発明者】

【氏名】ハン、ファイ

(72)【発明者】

【氏名】ゾウ、ティエンジ

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA03

4M119BB01

4M119CC05

4M119GG01

4M119JJ12

4M119JJ13

4M119JJ15

4M119JJ20

5F092AA20

5F092AB07

5F092AC12

5F092BB24

5F092BB36

5F092BB44

5F092BC04

5F092CA09

(57)【要約】

半導体デバイスは、ライナーによって分離された上部金属スタッドと下部金属スタッドとを含むビアを囲むビア誘電体層を含む第２のＢＥＯＬ層、およびビアの上方に位置合わせされている磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを含む。半導体デバイスは、ＢＥＯＬ金属層を囲むＢＥＯＬ誘電体層を含む第１のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層、ライナーによって分離された上部金属スタッドと下部金属スタッドとを含むビアを囲むビア誘電体層を含む第２のＢＥＯＬ層、ビアの上部で位置合わせされている磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを含む。方法は、第２のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層としてのビア誘電体層と、開口と、開口内の下部金属スタッドと、下部金属スタッド上および開口の露出側面上のライナーと、開口の残りの部分における上部金属スタッドとを形成すること、ならびに上部で位置合わせされた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを形成することを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ビアを囲むビア誘電体層を含む第２のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層であって、前記ビアが上部金属スタッドと下部金属スタッドとを含み、前記上部金属スタッドと前記下部金属スタッドとがライナーによって分離されている、前記第２のＢＥＯＬ層と、
前記ビアの上方に位置合わせされた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックと
を含む、半導体デバイス。

【請求項2】

ＢＥＯＬ金属層を囲むＢＥＯＬ誘電体層を含む第１のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層をさらに含み、前記第１のＢＥＯＬ層が前記第２のＢＥＯＬ層の下にあり、前記ＢＥＯＬ金属層が前記ビアと位置合わせされている、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項3】

前記上部金属スタッドと前記下部金属スタッドとがそれぞれコバルトを含む、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項4】

前記ライナーが非強磁性材料を含む、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項5】

前記ライナーの厚さが、非磁性層を介した２つの磁性層間の磁界の最小量の影響に対応する、請求項１に記載の半導体デバイス。

【請求項6】

前記ＢＥＯＬ金属層がＢＥＯＬ金属層上部金属スタッドとＢＥＯＬ金属層下部金属スタッドとを含み、前記上部金属スタッドと前記下部金属スタッドとがＢＥＯＬ金属層ライナーによって分離されている、請求項２に記載の半導体デバイス。

【請求項7】

ＢＥＯＬ金属層を囲むＢＥＯＬ誘電体層を含む第１のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層と、
前記第１のＢＥＯＬ層の直上の第２のＢＥＯＬ層であって、ビアを囲むビア誘電体層を含み、前記ビアが上部金属スタッドと下部金属スタッドとを含み、前記上部金属スタッドと前記下部金属スタッドとがライナーによって分離され、前記ＢＥＯＬ金属層が前記ビアと位置合わせされた、前記第２のＢＥＯＬ層と、
前記ビアの上方に位置合わせされた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックと
を含む、半導体デバイス。

【請求項8】

前記上部金属スタッドと前記下部金属スタッドとがそれぞれコバルトを含む、請求項７に記載の半導体デバイス。

【請求項9】

前記ライナーが非強磁性材料を含む、請求項７に記載の半導体デバイス。

【請求項10】

前記ライナーの厚さが、非磁性層を介した２つの磁性層間の磁界の最小量の影響に対応する、請求項７に記載の半導体デバイス。

【請求項11】

ＢＥＯＬ金属層がＢＥＯＬ金属層上部金属スタッドとＢＥＯＬ金属層下部金属スタッドとを含み、前記ＢＥＯＬ金属層上部金属スタッドと前記ＢＥＯＬ金属層下部金属スタッドとがＢＥＯＬ金属層ライナーによって分離されている、請求項４に記載の半導体デバイス。

【請求項12】

第２のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層としてビア誘電体層を形成することと、
前記ビア誘電体層を貫通する開口を形成することと、
前記開口の一部に下部金属スタッドを形成することと、
前記下部金属スタッド上と前記開口の残りの部分の露出側面上とにライナーを形成することと、
前記開口の残りの部分に上部金属スタッドを形成することと、
前記上部金属スタッドの上方に位置合わせされた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを形成することと
を含む、方法。

【請求項13】

ＢＥＯＬ誘電体層を含む第１のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層を形成することと、
前記ＢＥＯＬ誘電体層に第２の開口を形成することと、
前記開口内にＢＥＯＬ金属層を形成することと
をさらに含み、前記第２のＢＥＯＬ層が前記第１のＢＥＯＬ層の上方にあり、前記ＢＥＯＬ金属層が前記下部金属スタッドと位置合わせされる、請求項１２に記載の方法。

【請求項14】

前記上部金属スタッドと前記下部金属スタッドとがそれぞれコバルトを含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項15】

前記ライナーが非強磁性材料を含む、請求項１２に記載の方法。

【請求項16】

前記ライナーの厚さが、非磁性層を介した２つの磁性層間の磁界の最小量の影響に対応する、請求項１２に記載の方法。

【請求項17】

前記ＢＥＯＬ金属層が、ＢＥＯＬ金属層上部金属スタッドとＢＥＯＬ金属層下部金属スタッドとを含み、前記上部金属スタッドと前記下部金属スタッドとがＢＥＯＬ金属層ライナーによって分離されている、請求項１３に記載の方法。

【請求項18】

ＢＥＯＬ金属層がＢＥＯＬ金属層上部金属スタッドとＢＥＯＬ金属層下部金属スタッドとを含み、前記ＢＥＯＬ金属層上部金属スタッドと前記ＢＥＯＬ金属層下部金属スタッドとがＢＥＯＬ金属層ライナーによって分離されている、請求項１５に記載の方法。

【請求項19】

前記ＢＥＯＬ金属層上部金属スタッドと前記ＢＥＯＬ金属層下部金属スタッドとがそれぞれコバルトを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記ＢＥＯＬ金属層ライナーが非強磁性材料を含む、請求項１８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般には、半導体製造の分野に関し、より詳細には、下部配線強磁性構造体からの浮遊磁界が最小限の磁気トンネル接合デバイスの製作に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（「ＭＲＡＭ」）デバイスが、不揮発性コンピュータ・メモリとして使用される。ＭＲＡＭデータが磁気記憶素子によって記憶される。これらの素子は、２つの強磁性層からなり、そのそれぞれが、スピン導電体層によって分離された磁界を保持することができる。２つの層のうちの一方は、特定の極性に設定された参照磁性層または参照層であり、他方の層の磁界は記憶を蓄えるために外部磁界の極性と一致するように変更可能であり、「自由磁石」または「自由層」と称される。この構成は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と呼ばれ、メモリのＭＲＡＭビットの最も単純な構造である。

【0003】

コバルト（Ｃｏ）は、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）製造において銅（Ｃｕ）と比較して金属充填に必要な追加ライナーがなく、ミドル・オブ・ライン（ＭＯＬ）製造においてタングステン（Ｗ）よりも抵抗がはるかに低いため、先進の相互接続技術における新たな金属の選択肢である。コバルトは、強い浮遊電磁界による磁化に対する高い感受性を有する強磁性である。

【発明の概要】

【0004】

一実施形態によると、半導体デバイスが提供される。半導体デバイスは、ビアを囲むビア誘電体層を含む第２のＢＥＯＬ層であって、ビアが上部金属スタッドと下部金属スタッドを含み、上部金属スタッドと下部金属スタッドとがライナーによって分離された第２のＢＥＯＬ層と、ビアの上方に位置合わせされた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックとを含む。

【0005】

一実施形態によると、半導体デバイスが提供される。半導体デバイスは、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）金属層を囲むＢＥＯＬ誘電体層を含む第１のＢＥＯＬ層と、第１のＢＥＯＬ層の直上の第２のＢＥＯＬ層であって、ビアを囲むビア誘電体層を含み、ビアが上部金属スタッドと下部金属スタッドとを含み、上部金属スタッドと下部金属スタッドとがライナーによって分離され、ＢＥＯＬ金属層がビアと位置合わせされた、第２のＢＥＯＬ層と、ビアの上方に位置合わせされた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックとを含む。

【0006】

一実施形態によると、方法が提供される。方法は、第２のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）層としてビア誘電体層を形成することと、ビア誘電体層を貫通する開口を形成することと、開口の一部に下部金属スタッドを形成することと、下部金属スタッド上と開口の残りの部分の露出側面上とにライナーを形成することと、開口の残りの部分に上部金属スタッドを形成することと、上部金属スタッドの上方に位置合わせされた磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタックを形成することとを含む。

【0007】

本発明のこれらの、およびその他の目的、特徴および利点は、添付図面と併せて読まれるべき本発明の例示の実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。図は、当業者が詳細な説明を参照しながら本発明を理解しやすいように明確にするためのものであるため、図面の様々な機構は一律の縮尺ではない。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】例示の一実施形態による、振動性層間交換結合を２つの強磁性層の間の非磁性層の厚さの関数として示すグラフである。

【図2】例示の一実施形態による、製作の中間段階における半導体構造体の断面図である。

【図3】例示の一実施形態による、ビア充填層の形成を示す図である。

【図4】例示の一実施形態による、ビア充填層の部分の陥凹を示す図である。

【図5】例示の一実施形態による、ライナーの形成を示す図である。

【図6】例示の一実施形態による、第２のビア充填層の形成を示す図である。

【図7】例示の一実施形態による、平坦化を示す図である。

【図8】例示の一実施形態による、誘電体および下部電極の形成を示す図である。

【図9】例示の一実施形態による、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（「ＭＲＡＭ」）スタック層の形成を示す図である。

【図10】例示の一実施形態による、磁気トンネル接合（「ＭＴＪ」）スタックの形成を示す図である。

【図11】例示の一実施形態による、側壁スペーサおよび上部誘電体の形成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図を簡単で明確にするために、図に示す要素は必ずしも一律の縮尺で描かれていないことを理解されたい。たとえば、明確にするために、要素のうちの一部の要素の寸法が他の要素に対して誇張されている場合がある。また、適切と考えられる場合には、対応する特徴または類似の特徴を示すために図面間で参照番号が繰り返し使用されている場合がある。

【0010】

本明細書では、特許請求される構造体および方法の詳細な実施形態を開示するが、本開示の実施形態は、様々な形態で実施可能な特許請求される構造体および方法の例示に過ぎないものと理解することができる。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施可能であり、本明細書に記載されている例示の実施形態に限定されるものとみなされるべきではない。本明細書において、提示されている実施形態が無用にわかりにくくならないように、よく知られている機構および技術の詳細が省かれている場合がある。

【0011】

本明細書で「１つの実施形態」「一実施形態」、「例示の実施形態」などと言う場合、それは、記載されているその実施形態が、特定の特徴、構造または特性を含み得るが、すべての実施形態がその特定の特徴、構造または特性を必ずしも備えていてもいなくてよいことを示している。また、そのような語句は必ずしも同じ実施形態を指していない。さらに、一実施形態に関して特定の特徴、構造または特性が記載されている場合、明示的に記載されているか否かを問わず、そのような特徴、構造または特性を他の実施形態に関して備えることが他の当業者の知識の範囲内にあるものと認められる。

【0012】

ある要素が層、領域または基板として別の要素「上」または別の要素「の上」にあると言う場合、その要素は他方の要素の直上に存在することができ、または介在要素も存在してよい。それに対して、ある要素が別の要素「の直上」または「の直接上」にあると言う場合、介在要素は存在しない。ある要素が別の要素に「接続されて」または「結合されて」いると言う場合、その要素は他方の要素に直接、接続または結合可能であるか、または介在要素が存在してよい。それに対して、ある要素が別の要素に「直接接続されて」または「直接結合されて」いると言う場合、介在要素は存在しない。

【0013】

本発明の実施形態の提示を不明瞭にしないために、以下の詳細な説明では、当技術分野で知られている一部の処理ステップまたは操作は、提示のために、および例示のために互いに組み合わされている場合があり、場合によっては、詳細には説明していない場合がある。また、当技術分野で知られている一部の処理ステップまたは操作について、まったく説明していない場合がある。以下の説明は、むしろ本発明の様々な実施形態の独特な特徴または要素に焦点を合わせていることを理解されたい。

【0014】

上述のように、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（以下、「ＭＲＡＭ」）デバイスは、不揮発性コンピュータ・メモリ技術である。ＭＲＡＭデータは、磁気記憶素子によって記憶される。素子は２つの強磁性層から形成され、そのそれぞれがスピン導電体層によって分離された磁界を保持することができる。２つの層のうちの一方は、特定の極性に設定された参照磁性層または参照層であり、他方の層の磁界は記憶を蓄えるために外部磁界の極性と一致するように変更可能であり、「自由磁石」または「自由層」と称される。磁性参照層は参照層と呼ばれる場合があり、他の層は自由層と呼ばれる場合がある。この構成は、磁気トンネル接合（以下、「ＭＴＪ」）と呼ばれ、メモリのＭＲＡＭビットの最も単純な構造である。

【0015】

メモリ・デバイスは、このようなメモリ・セルまたはビットの格子から構築される。本明細書で詳述する種類などのＭＲＡＭの一部の構成では、磁性参照層の磁化は一方向（上向きまたは下向き）に固定され、磁性自由層の方向は、外部磁界、または電荷電流を発生するスピン・トランスファ・トルクなどの外力によって切り換えることができる。磁性自由層および磁性参照層の磁化の相対的な向きに依存する、デバイスの抵抗を読み取るために（いずれかの磁性の）より微小な電流を使用することができる。抵抗は、典型的には磁化が逆平行のときに、より高く、平行なときに、より低いが、これは、ＭＲＡＭの製作に使用される材料によっては逆にすることができる。

【0016】

本出願は、磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）に関する。より詳細には、本出願は、Ｍ１層すなわち金属層１とＭ２層すなわち金属層２との間に埋め込まれ、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）に磁気トンネル接合（ＭＴＪ）構造体として組み込むことができ、半導体技術（ＣＭＯＳ技術など）のバック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）処理に組み込むことができる、埋め込みＭＲＡＭ（ｅＭＲＡＭ）に関する。

【0017】

ＭＴＪを使用することができるＭＲＡＭの１つの種類は、スピン・トランスファ・トルクＭＲＡＭ（以下「ＳＴＴ－ＭＲＡＭ」）である。ＳＴＴ ＭＲＡＭは、能動素子を反転させるために磁界を使用する従来型ＭＲＡＭより低い電力消費と、よりすぐれたスケーラビリティという利点を有する。ＳＴＴ ＭＲＡＭでは、磁性自由層の向きを反転（切り換え）させるためにスピン・トランスファ・トルクが使用される。ＳＴＴ ＭＲＡＭデバイスの場合、ＭＴＪメモリ素子のビット状態の切り換えまたは「書き込み」のために、ＭＴＪ構造体を通過する電流が使用される。ＭＴＪ構造体を下って通過する電流が、磁性自由層を磁性参照層と平行にし、一方、ＭＴＪ構造体を上って通過する電流は、磁性自由層を磁性参照層に対して逆平行にする。

【0018】

先進のフロント・エンド・オブ・ライン（ＦＥＯＬ）技術では、金属配線、ビア、コンタクト、および電気接続を必要とするその他の領域にコバルトＣｏが使用される場合がある。コバルトは、強い浮遊電磁界による磁化に対して高い感受性を有する強磁性である。ＭＴＪメモリ素子を形成するとき、構造体のＦＥＯＬ層およびミドル・オブ・ライン（ＭＯＬ）層におけるコバルトが、ＭＴＪメモリ素子のビット状態に影響を与えることによって、記憶されているＭＴＪメモリ素子に悪影響を与える可能性がある。この構造体におけるコバルトの使用は、ｅＭＲＡＭ用途の熱安定性と信頼性に影響を与える可能性がある。

【0019】

Ｃｏの使用は、ＭＴＪ領域に浮遊磁界をもたらす可能性があり、それによってＭＴＪのＡＰ状態とＰ状態とのバランスを変化させる。浮遊磁界の方向によっては、ＡＰ状態またはＰ状態のいずれかのエネルギー障壁が低下する可能性があり、それによってＭＴＪを熱変動に対してより脆弱になり、したがって熱安定性に影響を与える。ＭＴＪにおけるメモリ素子は、ＡＰ状態（高抵抗状態）またはＰ状態（低抵抗状態）で記憶可能である。

【0020】

熱安定性と同様、浮遊磁界によって生じるエネルギー障壁変化により、記憶されているＭＴＪメモリ素子状態の起こり得る変化によって信頼性が影響を受ける。

【0021】

本発明は、一般には、半導体製造の分野に関し、より詳細には、ＦＥＯＬ層およびＭＯＬ層の上の構造体における磁気トンネル接合デバイスの製作に関し、ＦＥＯＬ層およびＭＯＬ層内のいずれのコバルト層も、コバルト層内に非磁性層を有する。この新規なＦＥＯＬおよびＭＯＬメタライゼーション組込み方式は、ｅＭＲＡＭ用途用のＭＴＪメモリ素子における浮遊電磁界を低減するのに役立ち得る。

【0022】

次に図１を参照すると、例示の一実施形態による、振動性層間交換結合を２つの磁性層の間の非磁性層の厚さの関数として示すグラフ１０００が示されている。

【0023】

横軸に、２つの強磁性層の間の非磁性層の厚さである、厚さｔ_ＮＭが示されている。縦軸は、強い正値から強い負値への振動パターンで変動し、正と負のピークが次第に小さくなるように振動する層間交換結合Ｊ_ＩＥＣである。

【0024】

正であるＪ_ＩＥＣの値は、２つの強磁性層の間の非磁性層の対応する厚さｔ_ＮＭについて、２つの強磁性層のうちの第１の層の磁界が２つの強磁性層のうちの第２の層に与える影響があることを示す。言い換えると、第１の層が磁界を有する場合、この磁界は第２の層の磁界に影響を与えることになる。また、第２の層が磁界を有する場合、この磁界は第１の層の磁界に影響を与えることになる。Ｊ_ＩＥＣのより大きい値は、第１の層または第２の層のいずれかの磁界が第２の層または第１の層の磁界により強く影響を与えることになることを示している。

【0025】

負であるＪ_ＩＥＣの値は、２つの強磁性層の間の非磁性層の対応する厚さｔ_ＮＭについて、２つの強磁性層のうちの第１の層の磁界が２つの強磁性層のうちの第２の層に与える影響がないことを示す。言い換えると、第１の層が磁界を有する場合、この磁界は第２の層の磁界に影響を与えないことになる。また、第２の層が磁界を有する場合、この磁界は第１の層の磁界に影響を与えないことになる。Ｊ_ＩＥＣのより大きい負の値は、第１の層または第２の層のいずれかの磁界が他方の層の磁界に与える影響が少ないことを示す。

【0026】

図１に示すように、２つの強磁性層の間のＮＭ層は、グラフ１０００で結合の増大として示されているように、強磁性層のそれぞれからの他方の層に対する強磁界を強化または増大させるか、またはグラフ１０００で０より下への低下または結合の打ち消しとして示されているように、強磁性層のそれぞれからの他方の層に対する強磁界の打ち消しまたは減少を生じさせ、それによって強化する作用と減少させる作用との間で変動する可能性がある。増大させたｔ_ＮＭの厚さでは、２つの強磁性層が減結合されるか、互いに対して影響を与えない可能性がある。

【0027】

一実施形態では、ＭＴＪデバイスを形成するときの電気コンタクト、電気ビアまたは金属層を形成する際に非磁性層を使用することができ、非磁性層は、非磁性層の一方の側から他方の側への磁界の最小量の影響を有する厚さｔ_ＮＭを有することができる。グラフ１０００の点Ａは、値ｂにおけるＪ_ＩＥＣの値が最も負である場合の値ａに等しい厚さｔ_ＮＭを有する、非磁性層を介した２つの磁性層の間の磁界の最小量の影響がある点を示す。

【0028】

次に図２を参照すると、例示の一実施形態による、製作の中間段階における半導体構造体１００（以下「構造体」）が示されている。図２は、構造体１００の断面図である。

【0029】

構造体１００は、いくつかのバック・エンド・オブ・ライン（「ＢＥＯＬ」）層を含むことができる。一般に、バック・エンド・オブ・ライン（ＢＥＯＬ）は、個別のデバイス（トランジスタ、キャパシタ、抵抗器など）がウエハ上の配線によって相互接続される集積回路製作の２番目の部分である。図２に示すように、第１のＢＥＯＬ層が、ＢＥＯＬ金属層１２を囲むＢＥＯＬ誘電体層１０を含む。第１のＢＥＯＬ層上に形成された第２のＢＥＯＬ層がビア誘電体層１４を含む。

【0030】

ＢＥＯＬ誘電体層１０は、誘電体をコンフォーマルに堆積または成長させ、等方性エッチング・プロセスを行うことによって形成可能である。ＢＥＯＬ誘電体層１０は１つまたは複数の層を含むことができる。ＢＥＯＬ誘電体誘電体層１０は、たとえば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、シリコン・ボロン炭窒化物（ＳｉＢＣＮ）、ＮＢＬｏＫ、または酸化シリコン、スピン・オン・ガラス、流動性酸化物、高密度プラズマ酸化物、ホウリンケイ酸ガラス（ＢＰＳＧ）を含むがこれらに限定されない、（ｋ＜４．０の）低誘電率誘電材料、あるいはこれらの任意の組合せまたは任意のその他の適切な誘電材料からなってよい。

【0031】

たとえば、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）と、後でＢＥＯＬ金属層１２を充填するために第１のＢＥＯＬ層の下の層上で停止することとによって、ＢＥＯＬ誘電体層１０に２つの開口（図示せず）を形成することができる。ＢＥＯＬ金属層１２は、知られている技術を使用してＢＥＯＬ誘電体層１０内の２つの開口（図示せず）内に形成することができる。ＢＥＯＬ金属層１２は、たとえば、銅（Ｃｕ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、またはこれらの組合せを含んでよい。ＢＥＯＬ金属層１２は、たとえば、化学気相堆積（ＣＶＤ）、物理気相堆積（ＰＶＤ）、および原子層堆積（ＡＬＤ）、またはこれらの組合せによって形成することができる。構造体１００では、ＢＥＯＬ誘電体層１０内に、それぞれにＢＥＯＬ金属層１２が充填された任意の数の開口が存在可能である。

【0032】

ＢＥＯＬ誘電体層１０の上部水平面とＢＥＯＬ金属層１２の上部水平面とが同一平面になるように、第２のＢＥＯＬ層を形成する前に、構造体１００の第１のＢＥＯＬ層の上面から余分な材料を除去するために、たとえば化学機械研磨（ＣＭＰ）などの平坦化プロセスを行うことができる。

【0033】

第２のＢＥＯＬ層は、第１のＢＥＯＬ層上に形成される。第２のＢＥＯＬ層はビア誘電体層１４を含む。

【0034】

ビア誘電体層１４は、誘電体をコンフォーマルに堆積または成長させ、等方性エッチング・プロセスを行うことによって形成可能である。ビア誘電体層１４は、１つまたは複数の層を含むことができる。ビア誘電体層１４は、ＢＥＯＬ誘電体層１０およびＢＥＯＬ金属層１２の上方に形成される。ビア誘電体層１４は、ＢＥＯＬ誘電体層１０と実質的に同じ材料からなってよい。

【0035】

第１のＢＥＯＬ層のＢＥＯＬ金属層１２上で停止することによって、第１のＢＥＯＬ層に形成される開口（図示せず）に関して上述したように、ＢＥＯＬビア誘電体層１４に開口１６を形成することができる。２つの開口１６が示されているが、構造体１００には任意の数の開口１６を形成することができる。

【0036】

次に図３を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。第１のビア充填層１８を形成することができる。

【0037】

第１のビア充填層１８は、ビア誘電体層１４の開口１６内に形成される。特定の実施形態では、第１のビア充填層１８は、コバルト（Ｃｏ）、タングステン（Ｗ）、銅（Ｃｕ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、酸化チタン窒化炭素（ＴｉＯＣＮ）、酸化タンタル炭素（ＴａＯＣＮ）、またはこれらの材料の組合せを含んでよい。第１のビア充填層１８は、たとえばＣＶＤ、ＰＶＤおよびＡＬＤまたはこれらの組合せによって形成することができる。

【0038】

具体的には、第１のビア充填層１８は、ＢＥＯＬ金属層１２と位置合わせされ、それによって第１のビア充填層１８とＢＥＯＬ金属層１２との間に電気接続部を設ける。

【0039】

第１のビア充填層１８が形成された後、ビア誘電体層１４の上部水平面とビア充填層１８の上部水平面とが同一平面になるように、さらなる処理のために表面を平坦化するために構造体１００に、たとえばＣＭＰが施される。図２に示すＢＥＯＬ層を含む構造体１００は、その上にＭＴＪスタックが形成されるべき開始構造体である。

【0040】

次に図４を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。第１のビア充填層１８を陥凹させることができる。

【0041】

ビア誘電体層１４の上部水平面と第１のビア充填層１８の上部水平面とが同一平面になるように、構造体１００の第２のＢＥＯＬ層の上面から余分な材料を除去するために、たとえば化学機械研磨（ＣＭＰ）などの平坦化プロセスを行うことができる。

【0042】

第１のビア充填層１８を陥凹させて、第２の開口２０を形成することができる。第１のビア充填層１８は、第１のビア充填層１８の上面がビア誘電体層１４の上面より下にあるように、ビア誘電体層１４に対して選択的に陥凹させることができる。第１のビア充填層１８は、ドライ・エッチングまたはウェット・エッチングなどの当技術分野で知られている方法によって陥凹させることができる。

【0043】

次に図５を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。ライナー２４を形成することができる。

【0044】

ライナー２４は、ビア誘電体層１４の上面および側面上と、第１のビア充填層１８の上面上とに、構造体１００上にコンフォーマルに堆積させることができる。ライナー２４は、たとえば、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）またはタングステン（Ｗ）からなってよい。ライナー２４は、たとえば、ＣＶＤ、プラズマ強化化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、ＰＶＤまたはＡＬＤなどの従来の堆積プロセスを使用して堆積させることができる。ライナー２４は、厚さ１０ｎｍとすることができるが、１０ｍｍ未満または１０ｍｍを超える厚さも受容可能である。ライナー２４は、第２の開口２０の下面と側面とに沿って第２の開口２０を部分的に充填してよい。

【0045】

好ましい一実施形態では、ライナー２４は、非磁性（ＮＭ）導電材料を含んでよく、非磁性層を介した２つの磁性層の間の磁界の最小量の影響がある場合に対応する、好ましい厚さｂを有することができる。これは、グラフ１０００に関して上述したように、値ｂにおけるＪ_ＩＥＣの値が最も負である場合の値ａに等しいｔ_ＮＭに対応する。

【0046】

次に図６を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。第２のビア充填層２６を形成することができる。

【0047】

第２のビア充填層２６は、ビア誘電体層１４における第２の開口２０内に形成可能である。特定の実施形態では、第２のビア充填層２６は、第１のビア充填層１８として画定され、形成された材料を含んでよい。

【0048】

次に図７を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。構造体１００の平坦化が行われる。

【0049】

構造体１００は、さらなる処理のために、第２のビア充填層２６、ビア誘電体層１４およびライナー２４の上部水平面が同一平面になるように表面を平坦化するために、たとえばＣＭＰを施すことができる。

【0050】

この好ましい実施形態では、第１のビア充填層１８とライナー２４と第２のビア充填層２６とが、ビア誘電体層１４における電気接続部を形成する。第１のビア充填層１８および第２のビア充填層２６は、強磁性材料であり、強い浮遊電磁界による磁化に敏感であり得るコバルトを含んでよい。第１のビア充填層１８と第２のビア充填層２６との間のライナー２４は、上方の層に形成されるＭＴＪメモリ素子における浮遊電磁界を低減するのに役立ち得るＮＭ導電材料からなってよい。

【0051】

具体的には、第２のビア充填層２６は、第１のビア充填層１８およびＢＥＯＬ金属層１２と位置合わせされ、それによってビア誘電体層１４を通るＢＥＯＬ金属層１２への電気接続部のためのビアを設ける。ビアは、ビア誘電体層１４を通る電気接続部を形成する金属線であり、ビア誘電体層１４内の２つのコバルト金属スタッドに分割される。第１のビア充填層１８を下部金属スタッドと呼ぶ場合があり、第２のビア充填層２６を上部金属スタッドと呼ぶ場合がある。

【0052】

次に図８を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。誘電体３０と下部電極３２とを形成することができる。

【0053】

誘電体３０は、ビア誘電体層１４をコンフォーマルに覆うことができる。誘電体３０は、１つまたは複数の層を含むことができる。誘電体３０は、ＢＥＯＬ誘電体層１０について上述したような材料で形成することができる。

【0054】

ＢＥＯＬ誘電体層１０における開口に関して上述したように、誘電体３０に開口（図示せず）を形成することができる。

【0055】

下部電極３２は、知られている技術を使用して誘電体３０の開口（図示せず）内に形成することができる。下部電極３２は、ＢＥＯＬ金属層１２に関して上述したように形成され、上述したような材料を含むことができる。構造体１００には、各開口が下部電極３２で充填された任意の数の開口が誘電体３０内にあってよい。

【0056】

具体的には、下部電極３２は、第２のビア充填層２６、第１のビア充填層１８およびＢＥＯＬ金属層１２と位置合わせされ、それによって下部電極３２と第２のビア充填層２６と第１のビア充填層１８とＢＥＯＬ金属層１２との間に電気接続部を設ける。

【0057】

次に図９を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されており、参照層４０とトンネル障壁４２と自由層４４とを含む磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ（「ＭＲＡＭ」）スタック層が形成され、さらに上部電極３８も形成される。

【0058】

ＭＲＡＭスタック層のそれぞれが、知られている技術を使用して構造体１００上にコンフォーマルに形成可能である。ＭＴＪスタック層の形成において、参照層４０は誘電体３０および下部電極３２上に形成される。トンネル障壁層４２は、参照層４０上に形成される。一実施形態では、トンネル障壁層４２は、２つの導電材料の間の薄い絶縁層または電位などの障壁である。量子トンネル現象のプロセスによって電子（または準粒子）がトンネル障壁層４２を通過する。特定の実施形態では、トンネル障壁層４２は、ＭｇＯからなる少なくとも１つの副層を含む。トンネル障壁層４２を形成するためにＭｇＯ以外の他の材料を使用することもできることを理解されたい。自由層４４は、参照層４０と反対側になるようにトンネル障壁４２に隣接する磁性自由層である。自由層４４は、反転可能な磁気モーメントまたは磁化を有する。ＭＴＪスタック層は、追加の層を含んでよく、特定の層を省いてよく、層のそれぞれが任意の数の副層を含んでよいことも理解されたい。また、層または副層あるいはその両方の組合せは、異なるＭＲＡＭスタック間で異なっていてよい。

【0059】

上部電極３８は、知られている技術を使用して自由層４４上にコンフォーマルに形成可能である。上部電極３８は、ＢＥＯＬ金属層１２に関して上述したように形成され、上述したような材料を含むことができる。

【0060】

次に図１０を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。ＭＴＪスタック５０が形成される。

【0061】

構造体１００は、ＭＴＪスタック５０を形成するための知られている技術を使用して、パターン形成およびエッチング可能である。図に示すように、２つのＭＴＪスタック５０が形成されているが、任意の数のＭＴＪスタック５０を形成することができる。ＭＴＪスタック５０は、リソグラフィおよびイオン・ビーム・エッチング（ＩＢＥ）またはＲＩＥによって、１つまたは複数のステップでパターン形成可能である。上部電極４６、自由層４４、トンネル障壁層４２、および参照層４０の位置合わせされた垂直部分を、誘電体３０に対して選択的に除去することができる。上部電極４６、自由層４４、トンネル障壁層４２、および参照層４０の残りの垂直部分が、ＭＴＪスタック５０を形成することができ、下部電極３２、第２のビア充填層２６、第１のビア充填層１８、およびＢＥＯＬ金属層１２の上で位置合わせ可能である。

【0062】

次に図１１を参照すると、例示の一実施形態による構造体１００が示されている。側壁スペーサ５２と上部誘電体５４とを形成することができる。

【0063】

側壁スペーサ５２は、誘電体３０の露出した上面上と、上部電極４６、自由層４４、トンネル障壁層４２、および参照層４０の垂直側面上とに、構造体１００上にコンフォーマルに形成することができる。側壁スペーサ５２は、他の方法の中でもとりわけ、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＰＥＣＶＤによって形成可能である。側壁スペーサ５２の材料は、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）、酸化チタン（ＴｉＯｘ）、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化ボロン（ＢＮ）、シリコン・ボロン炭窒化物（ＳｉＢＣＮ）、またはこれらの任意の組合せを含み得る。

【0064】

好ましい一実施形態では、側壁スペーサ５２は、プラズマ酸素（Ｏ）、水素（Ｈ）、窒素（Ｎ）またはアンモニア（ＮＨ_３）、あるいはこれらの任意の組合せを使用した任意による前処理を有してよい。

【0065】

上部電極４６、自由層４４、トンネル障壁層４２、および参照層４０の垂直側面上に側壁スペーサ５２の残りの部分が残るように、誘電体３０の上面と上部電極４６の上面から、これらの層のそれぞれに対して選択的に側壁スペーサ５２を除去するために、知られている技術を使用して構造体１００のパターン形成を行うことができる。

【0066】

上部誘電体５４は、誘電体３０および上部電極４６の露出した上面上と、側壁スペーサ５２の垂直側面上とに、構造体１００上にコンフォーマルに形成することができる。上部誘電体５４は、１つまたは複数の層を含むことができる。上部誘電体５４は、ＢＥＯＬ誘電体層１０について上述したような材料で形成することができる。

【0067】

上部誘電体５４、側壁スペーサ５２および上部電極４６の上部水平面が同一平面になるように、余分な材料を除去し、構造体１００の上面を研磨するために、化学機械研磨（ＣＭＰ）技術を使用することができる。

【0068】

その結果の構造体１００は、ビア誘電体層１４の上に形成されたＭＴＪスタック５０を含み、ビア誘電体層１４が、ライナー２４によって第２のビア充填層２６から分離された第１のビア充填層１８が充填された電気接続部のための開口を有する。第１のビア充填層１８および第２のビア充填層２６は、両方ともビア誘電体層１４内にあり、両方とも強磁性材料、具体的にはコバルトからなる。ライナー２４は、ＮＭ材料からなってよく、２つの磁性層である第１のビア充填層１８と第２のビア充填層２６との間の磁界の最小量の影響がある場合に対応する厚さｔを有することができる。ライナー２４は、コバルト層内のＮＭ層であり、ＭＴＪスタック５０に悪影響を及ぼす可能性がある浮遊電磁界を低減する。

【0069】

ビア誘電体層１４を通る電気接続部を形成する金属線は、ビア誘電体層１４内で２つのコバルト金属スタッドに分割されている。コバルト金属線を分割するこの方法は、コンタクト、ビア、およびコバルトからなるその他の構造体に適用可能である。構造体１００において、コバルト金属線を分割する方法は、第１のＢＥＯＬ層のＢＥＯＬ金属層１２、および構造体１００におけるその他のコバルト導電構造体に適用可能である。

【0070】

本発明の様々な実施形態の説明を例示のために示したが、網羅的であることまたは開示している実施形態に限定されることは意図していない。本発明の範囲および思想から逸脱することなく多くの修正形態および変形形態が当業者には明らかであろう。本明細書で使用されている用語は、実施形態の原理、実際の適用、または市場において見られる技術の技術的改良を最もよく説明するために、または当業者が本明細書で開示されている実施形態を理解することができるようにするために選択された。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】