專利名稱：使用了金屬鑲嵌工藝的磁存儲器件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用了強磁性體的信息再現(xiàn)技術，特別是涉及利用了磁阻效應元件的磁存儲器件及其制造方法。
背景技術：
磁隨機存取存儲器(Magnetic Random Access Memory以下簡稱為MRAM)作為信息的記錄介質，是利用了強磁性體磁化方向的能隨時改寫、保持、讀出記錄信息的固體存儲器的總稱。
MRAM的存儲單元通常具有層疊了多個強磁性體的構造。使構成存儲單元的多個強磁性體的磁化相對配置為平行或反平行，使該平行或反平行的狀態(tài)分別與2進制信息“1”、“0”對應來進行信息的記錄。使電流流入配置為橫向條紋狀的寫入線，通過由該電流產生的電流磁場，使各單元的強磁性體的磁化方向反轉而進行記錄信息的寫入。保持記錄時的耗電在原理上為0，此外即使切斷電源，也進行記錄保持的非易失性存儲器。而利用因構成單元的強磁性體的磁化方向和讀出電流的相對角或多個強磁性層間磁化的相對角而使存儲單元的電阻變化的現(xiàn)象即所謂的磁阻效應，來進行記錄信息的讀出。
MRAM的功能和以往的使用了電介質的半導體存儲器的功能相比具有以下優(yōu)點(1)是完全非易失性的，此外，能進行1015以上次數(shù)的改寫；(2)非破壞讀出是可能的，刷新動作沒有必要，所以能縮短讀出周期；(3)與電荷存儲型的存儲單元相比，抗放射線的能力強。MRAM單位面積的集成度、寫入和讀出時間預想為能與DRAM變?yōu)橄嗤潭?。因此，充分利用非易失性這一特點，期待有向便攜式儀器用的外部存儲裝置、LSI混載用途、個人電腦的主存儲器等的應用。
現(xiàn)在，在實用化的研究不斷進展的MRAM中，對于存儲單元使用表現(xiàn)強磁性隧道效應(隧道磁阻以下簡稱TMR效應)的元件(例如，參照Roy Scheuerlein，et al.，A 10ns Read and Write Non-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction and FETSwitch in each Cell，“2000 ISSCC Digest of Technical Papers”，(美國)，2000年2月，p.128-129)。該表現(xiàn)TMR效應的元件(以下簡稱作MTJ(磁隧道結元件))主要由強磁性層/絕緣層/強磁性層構成的3層膜構成，把絕緣層作為隧道，使電流流過。隧道電阻值與兩個強磁性金屬層磁化相對角的余弦成比例變化，當兩磁化變?yōu)榉雌叫袝r，取極大值。例如，在由NiFe/Co/Al2O3/Co/NiFe構成的隧道結中，在50OeV以下的低磁場中，發(fā)現(xiàn)超過25％的磁阻變化率(例如，參照M Sato，et al.，Spin-Valve-Like Properties andAnnealing Effect in Ferromagnetic Tunnel Junctions，“IEEETrans.Mag.”，(美國)，1997年，第33卷，第5號，p.3553-3555)，作為MTJ元件的構造，為了改善磁靈敏度，知道有在與一方的強磁性體相鄰配置反強磁性體，使磁化方向固定的所謂的自旋閥構造(例如，參照M Sato，et al.，Spin-Valve-Like Properties andAnnealing Effect in Ferromagnetic Tunnel Junctions，“Jpn.J.Appl.Phys.”，1997年，第36卷，Part 2，p.200-201)，此外，為了改善磁阻變化率的偏壓依存性，知道有設置了2重隧道勢壘的構造(例如，參照K Inomata，et al.，Spin-dependent tunneling betweena soft ferromagnetic layer and hard magnetic nano particles，“Jpn.J.Appl.Phys.”，1997年，第36卷，Part 2，p.1380-1383)。
這樣以往的MRAM的存儲單元部如圖15A、15B和圖16所示，在位線25和寫入字線10的交點配置有MTJ元件19。該MTJ元件19通過下部金屬層13和第一接點12等，連接在例如晶體管或二極管等開關元件(未圖示)Tr1上。
所述MRAM的存儲單元部由以下方法形成。下面參照圖17A～圖26B說明該以往的方法。
首先，如圖17A、17B所示，在絕緣膜11和第一接點12上形成下部金屬層13，在該下部金屬層13上形成MTJ材料層14。然后，在該MTJ材料層14上形成2層的第一和第二硬掩模15、16。
接著，如圖18A、18B所示，有選擇地蝕刻第二硬掩模16，把MTJ元件19的形狀復制到第二硬掩模16上。
接著，如圖19A、19B所示，使用第二硬掩模16蝕刻第一硬掩模15，把MTJ元件19的形狀復制到第一硬掩模15上。
然后，如圖20A、20B所示，剝離第二硬掩模16。
接著，如圖21A、21B所示，使用第一硬掩模15蝕刻MTJ材料層14，把MTJ材料層14構圖為MTJ元件19的形狀。
接著，如圖22A、22B所示，在下部金屬層13和第一硬掩模15上形成絕緣膜21a，把該絕緣膜21a構圖為下部金屬層13的所需形狀。
接著，如圖23A、23B所示，使用絕緣膜21a蝕刻下部金屬層13。
接著，如圖24A、24B所示，在絕緣膜11、21a上形成絕緣膜21b。
接著，如圖25A、25B所示，使用化學機械研磨法(CMP化學機械拋光)，使絕緣膜21a、21b的表面平坦化。由此，露出第一硬掩模15的表面。
接著，如圖26A、26B所示，在絕緣膜21b和第一硬掩模15上形成絕緣膜21c。然后，在絕緣膜21c內形成溝槽22，在該溝槽22內和絕緣膜21c上依次形成勢壘金屬層24、Al膜、勢壘金屬層26。然后，例如通過RIE，有選擇地蝕刻勢壘金屬層26，形成通過接點23連接在MTJ元件19上的位線25。這樣，就形成MRAM的存儲單元部。

發(fā)明內容
可是，在基于上述以往技術的MRAM中，由Al構成的位線25和MTJ元件19只隔開第一硬掩模15和接點23的合計膜厚部分X’。因此，當向MTJ元件19寫入數(shù)據(jù)時，為了向MTJ元件19提供充分大的磁場，有必要在某種程度上提高流向位線25的寫入電流?？墒?，如果使高密度電流流過，則在由容易發(fā)生電遷移的Al形成的位線25中，很難對應這種要求。
本發(fā)明的第一方面的磁存儲器件包括在第一方向上延伸的第一布線；配置在所述第一布線上方的第一金屬層；配置在所述第一金屬層上的給定區(qū)域中的第一磁阻效應元件；配置在所述第一磁阻效應元件上的第一接觸層；在與所述第一方向不同的第二方向上延伸的第二布線，所述第二布線配置在所述第一接觸層上且具有覆蓋所述第一接觸層上部的突出部；掩埋在所述第一金屬層、所述第一磁阻效應元件、所述第一接觸層和所述第二布線的周圍且表面高度與所述第二布線的表面高度相同的第一絕緣膜。
本發(fā)明的第二方面的磁存儲器件的制造方法包括在第一絕緣膜上按順序形成金屬層、磁阻效應膜和掩模層；使用所述掩模層有選擇地除去所述磁阻效應膜，形成磁阻效應元件；有選擇地除去所述金屬層，把所述金屬層分離為各單元；形成覆蓋所述金屬層和所述磁阻效應元件的第二絕緣膜；把所述第二絕緣膜平坦化到給定的厚度；有選擇地蝕刻所述第二絕緣膜，形成露出所述掩模層上部的溝槽；在所述溝槽內形成布線材料，形成具有覆蓋所述掩模層的所述上部的突出部的布線。


下面簡要說明附圖。
圖1A是表示本發(fā)明實施例1的位線延伸方向的磁存儲器件的剖視圖。
圖1B是表示本發(fā)明實施例1的寫入字線的延伸方向的磁存儲器件的剖視圖。
圖2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A、10A、11A、12A是表示本發(fā)明實施例1的位線延伸方向的磁存儲器件的各制造步驟的剖視圖。
圖2B、3B、4B、5B、6B、7B、8B、9B、10B、11B、12B是表示本發(fā)明實施例1的寫入字線延伸方向的磁存儲器件的各制造步驟的剖視圖。
圖13是表示本發(fā)明實施例2的磁存儲器件的剖視圖。
圖14是表示本發(fā)明實施例2的另一磁存儲器件的剖視圖。
圖15A是表示以往技術的磁存儲器件的平面圖。
圖15B是表示沿圖15A的XVB-XVB線的磁存儲器件的剖視圖。
圖16是表示基于以往技術的具有存儲單元部和外圍電路部的磁存儲器件的剖視圖。
圖17A、18A、19A、20A、21A、22A、23A、24A、25A、26A是表示以往技術的位線延伸方向的磁存儲器件的各制造步驟的剖視圖。
圖17B、18B、19B、20B、21B、22B、23B、24B、25B、26B是表示以往技術的寫入字線延伸方向的磁存儲器件的各制造步驟的剖視圖。
具體實施例方式
下面，參照

本發(fā)明實施例。在說明時，在所有的圖中，對于公共的部分采用了公共的參照符號。
實施例1通過用金屬鑲嵌工藝形成配置在磁阻效應元件(以下稱作MTJ(磁隧道結)元件)上方的位線，使位線靠近MTJ元件。
圖1A、1B表示本發(fā)明實施例1的磁存儲器件的剖視圖。如圖1A、1B所示，寫入字線10和位線25在彼此不同的方向(在本例子中為垂直方向)延伸，在寫入字線10和位線25的交點配置有MTJ元件19。該MTJ元件19通過下部金屬層13和第一接點12連接在例如晶體管或二極管等開關元件(未圖示)上。此外，MTJ元件19通過第二接點23連接在位線25上。這里，第二接點23由構圖MTJ元件19時使用的第一硬掩模15構成，所以為與MTJ元件19幾乎相同的平面形狀。
而且，在本發(fā)明實施例1中，位線25成為例如由Cu膜形成的金屬鑲嵌構造。即位線25的表面和絕緣膜21的表面變?yōu)閹缀跸嗟取６?，位線25具有覆蓋第二接點23的上部的突出部30。該突出部30以第二接點23的膜厚的10％以上的厚度A從第二接點23的表面向MTJ元件19突出。因此，位線25的突出部30和MTJ元件19只分開比第二接點23的膜厚D短的距離X。
圖2A、2B～圖12A、12B表示本發(fā)明實施例1的磁阻效應元件的制造步驟的剖視圖。下面，說明實施例1的磁存儲器件的制造方法。須指出的是，這里從形成了寫入字線10和第一接點12后進行說明。
首先，如圖2A、2B所示，在第一絕緣膜11上和第一接點12上形成下部金屬層13，在該下部金屬層13上形成MTJ材料層14。然后，在該MTJ材料層14上形成2層的第一和第二硬掩模15、16。這里，第一硬掩模15例如由導電膜形成，第二硬掩模16由非導電膜(絕緣膜)形成。須指出的是，第二硬掩模16也可以由導電膜形成。
接著，如圖3A、3B所示，選擇性蝕刻第二硬掩模16，把MTJ元件19的形狀復制到第二硬掩模16上。
然后，如圖4A、4B所示，使用第二硬掩模16蝕刻第一硬掩模15，把MTJ元件19的形狀復制到第一硬掩模15上。
然后，如圖5A、5B所示，剝離第二硬掩模16。
接著，如圖6A、6B所示，使用第一硬掩模15蝕刻MTJ材料層14，把MTJ材料層14構圖為MTJ元件19的形狀。
接著，如圖7A、7B所示，在下部金屬層13和第一硬掩模15上涂敷光致抗蝕劑20，把下部金屬層13構圖為所需的形狀。據(jù)此，把下部金屬層13分離為各單元。
接著，如圖8A、8B所示，使用光致抗蝕劑20蝕刻下部金屬層13。然后，除去光致抗蝕劑20。須指出的是，作為下部金屬層13構圖時的掩模，可以用絕緣膜代替光致抗蝕劑20。
接著，如圖9A、9B所示，在第一絕緣膜11、下部金屬層13和第一硬掩模15上形成第二絕緣膜21。
接著，如圖10A、10B所示，例如使用化學機械研磨法(CMP化學機械拋光)，使第二絕緣膜21的凹凸平坦化。這里，有必要考慮以后形成的位線25的給定厚度，調整平坦化后的第二絕緣膜21的膜厚Y。即讓第一硬掩模15上的第二絕緣膜21的膜厚為位線25的膜厚左右。
須指出的是，第二絕緣膜21的平坦化可以按如下進行。首先，預先在整個面上涂敷平坦化抗蝕劑或類似的藥劑，形成平坦面。然后，在形成平坦面后，用反應離子蝕刻(RIE)全面蝕刻第二絕緣膜21，能實現(xiàn)平坦化。作為平坦化抗蝕劑或類似的藥劑，例如能列舉出感光性樹脂、非感光性樹脂、有機玻璃等，能利用具有熱硬化性的材料。這時，覆蓋MTJ元件19的第二絕緣膜21和所述平坦化抗蝕劑或類似的藥劑在本蝕刻步驟中有必要具有幾乎相等的蝕刻速度。
接著，如圖11A、11B所示，例如使用抗蝕劑(未圖示)有選擇地蝕刻第二絕緣膜21，形成位線25的溝槽22。這時，通過進行蝕刻直到第一硬掩模15，與位線25的溝槽22自對準形成由第一硬掩模15構成的第二接點23。
須指出的是，例如，通過使用等離子體發(fā)光分析、二次離子質量分析等公知的監(jiān)視方法檢測第一硬掩模15的成分，進行溝槽22的形成中蝕刻終點的檢測。這時，為了提高檢測靈敏度，也可以在存儲單元的外圍電路部，在與MTJ元件19或第一硬掩模15相同的層中配置本來沒必要的虛設的MTJ元件或第一硬掩模。
接著，如圖12A、12B所示，在溝槽22內形成勢壘金屬層24，在該勢壘金屬層24上形成位線25的材料層(例如Cu膜)。
接著，如圖1A、1B所示，使用例如CMP使勢壘金屬層24和材料層平坦化，形成由Cu膜構成的位線25。這樣，就形成磁存儲器件的存儲單元部。
根據(jù)所述實施例1，使位線25的布線材料為Cu膜，用金屬鑲嵌工藝形成該位線25。據(jù)此，在位線25上能形成覆蓋接點23的上部的突出的突出部30。使用掩模層15作為接點23，所以能使掩模層15和MTJ元件19的距離X比以往還短。因此，即使沒有大電流流向位線25，也能在MTJ元件19上附加充分大小的磁場，所以能謀求寫入電流的降低。
此外，因為使用能抑制電遷移的Cu膜作為位線25的布線材料，所以與以往的Al膜相比，能提高布線電流密度。
此外，能與用于形成位線25的溝槽22自對準地形成連接MTJ元件19和位線25的接點23。因此，能比以往削減步驟數(shù)，能謀求成本的降低。
實施例2在垂直于半導體襯底的表面(縱向)形成多個MTJ元件。
圖13、圖14表示本發(fā)明實施例2的磁存儲器件的剖視圖。在本實施例2中，重點對與所述實施例1不同的構造進行說明。
如圖13、圖14所示，在實施例2中，與實施例1不同之處在于在與半導體襯底1的表面垂直的方向(縱向)，把MTJ元件重疊為多級。須指出的是，在本例子中，層疊著4個MTJ元件，但是MTJ元件的數(shù)量并不局限于此。
具體而言，在半導體襯底1的表面配置著作為讀出用開關晶體管的MOS晶體管Tr。該MOS晶體管Tr的柵電極成為讀出字線RWL，數(shù)據(jù)傳輸線DL連接在源區(qū)3上。這里，當為圖13時，讀出字線RWL在與寫入字線WWL相同的方向延伸，數(shù)據(jù)傳輸線DL在與位線BL相同的方向延伸。而當為圖14時，讀出字線RWL在與位線BL相同的方向延伸，數(shù)據(jù)傳輸線DL在與寫入字線WWL相同的方向延伸。
此外，在讀出字線RWL的上方層疊著4個MTJ元件MTJ1、MTJ2、MTJ3、MTJ4。該MTJ1、MTJ2、MTJ3、MTJ4分別配置在下部金屬層13-1、13-2、13-3、13-4和接點23-1、23-2、23-3、23-4之間。這樣的4個MTJ1、MTJ2、MTJ3、MTJ4通過接點彼此串聯(lián)。而且，最下級的MTJ1通過下部金屬層13-1或接點連接在MOS晶體管Tr的漏區(qū)2上，并與數(shù)據(jù)傳輸線DL連接。
此外，與實施例1同樣，位線BL1、BL2、BL3、BL4分別為例如由Cu膜形成的金屬鑲嵌構造。即位線BL1、BL2、BL3、BL4各自的表面與掩埋周圍的絕緣膜(未圖示)的表面幾乎相等。而且，位線BL1、BL2、BL3、BL4分別具有覆蓋接點23-1、23-2、23-3、23-4的上部的突出部30-1、30-2、30-3、30-4。該突出部30-1、30-2、30-3、30-4具有接點23-1、23-2、23-3、23-4的膜厚的10％以上的厚度。
根據(jù)所述實施例2，能取得與實施例1同樣的效果。
在半導體襯底1的上方重疊MTJ1、MTJ2、MTJ3、MTJ4，彼此串聯(lián)這些MTJ1、MTJ2、MTJ3、MTJ4，共用讀出用的開關元件。因此，能謀求存儲單元的高密度化，所以能增大存儲器容量。
對于那些熟知本技術的人能容易地取得附加的優(yōu)點和改進。因此，本發(fā)明在它的更廣闊的范圍中并不局限于這里表示和描述的特別細節(jié)和代表性實施例。因此，在不脫離由附加的權利要求書和它的等價物確定的一般發(fā)明概念的精神或范圍的前提下，能進行各種改進。
權利要求
1.一種磁存儲器件，包括在第一方向上延伸的第一布線；配置在所述第一布線上方的第一金屬層；配置在所述第一金屬層上的給定區(qū)域中的第一磁阻效應元件；配置在所述第一磁阻效應元件上的第一接觸層；在與所述第一方向不同的第二方向上延伸的第二布線，所述第二布線配置在所述第一接觸層上且具有覆蓋所述第一接觸層上部的突出部；掩埋在所述第一金屬層、所述第一磁阻效應元件、所述第一接觸層和所述第二布線的周圍且表面高度與所述第二布線的表面高度相同的第一絕緣膜。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器件，其中所述第二布線由Cu膜形成。
3.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器件，其中所述突出部從所述第一接觸層的表面向所述第一磁阻效應元件的方向突出所述第一接觸層膜厚的10％以上。
4.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器件，還具有形成在所述第二布線的底面和側面上的勢壘金屬層。
5.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器件，其中所述第一接觸層的平面形狀與所述第一磁阻效應元件的平面形狀基本相同。
6.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器件，還包括配置在所述第二布線的上方且在所述第一方向上延伸的第三布線；配置在所述第三布線上方的第二金屬層；配置在所述第二金屬層上的給定區(qū)域中且與所述第一磁阻效應元件串聯(lián)連接的第二磁阻效應元件；配置在所述第二磁阻效應元件上的第二接觸層；在所述第二方向上延伸且配置在所述第二接觸層上的第四布線；掩埋在所述第二金屬層、所述第二磁阻效應元件、所述第二接觸層和所述第四布線的周圍且表面高度與所述第四布線的表面高度相同的第二絕緣膜。
7.一種磁存儲器件的制造方法，包括在第一絕緣膜上按順序形成金屬層、磁阻效應膜和掩模層；使用所述掩模層有選擇地除去所述磁阻效應膜，形成磁阻效應元件；有選擇地除去所述金屬層，把所述金屬層分離為各單元；形成覆蓋所述金屬層和所述磁阻效應元件的第二絕緣膜；把所述第二絕緣膜平坦化到給定的厚度；有選擇地蝕刻所述第二絕緣膜，形成露出所述掩模層上部的溝槽；在所述溝槽內形成布線材料，形成具有覆蓋所述掩模層的所述上部的突出部的布線。
8.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，其中所述布線材料是Cu膜。
9.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，其中所述溝槽形成為使所述突出部突出所述掩模層膜厚的10％以上。
10.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，還具有在所述布線的底面和側面形成勢壘金屬層。
11.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，其中以光致抗蝕劑或絕緣膜為掩模進行所述金屬層的除去。
12.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，其中把所述第二絕緣膜平坦化到所述給定厚度的步驟使所述掩模層上的所述第二絕緣膜的膜厚成為所述布線的膜厚。
13.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，其中所述掩模層由導電膜形成。
14.根據(jù)權利要求13所述的磁存儲器件的制造方法，其中在形成所述溝槽時，自對準形成由所述掩模層構成的接點。
15.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，其中通過檢測所述掩模層的成分來進行所述溝槽形成中蝕刻終點的檢測。
16.根據(jù)權利要求7所述的磁存儲器件的制造方法，其中在配置有所述磁阻效應元件的存儲單元的外圍電路部中，在與所述磁阻效應元件以及所述掩模層相同的層中配置虛設的磁阻效應元件和掩模層，形成所述溝槽。
全文摘要
一種磁存儲器件，包括在第一方向上延伸的第一布線；配置在所述第一布線上方的第一金屬層；配置在所述第一金屬層上的給定區(qū)域中的第一磁阻效應元件；配置在所述第一磁阻效應元件上的第一接觸層；在與所述第一方向不同的第二方向上延伸的第二布線，所述第二布線配置在所述第一接觸層上且具有覆蓋所述第一接觸層上部的突出部；掩埋在所述第一金屬層、所述第一磁阻效應元件、所述第一接觸層和所述第二布線的周圍且表面高度與所述第二布線的表面高度相同的第一絕緣膜。
文檔編號H01L27/105GK1499521SQ20031010437
公開日2004年5月26日 申請日期2003年10月24日 優(yōu)先權日2002年10月25日
發(fā)明者中島健太郎 申請人:株式會社東芝