JP2017143247A - 組み込まれた磁気トンネル接合を有する半導体デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】組み込まれた磁気トンネル接合を有する半導体デバイス及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体デバイス100は、第1金属層110と、第1誘電体層120と、第2金属層130と、第2誘電体層140と、第3金属層150とのスタックを含む。更に、磁気トンネル接合(MTJ)デバイス160は、第1誘電体層および第2金属層の中に配置され、第1金属層および第3金属層に電気的に接続されている。【選択図】図1
Description
本発明は、一般的に磁気トンネル接合(MTJ)を有する半導体デバイスの分野に関し、特に半導体デバイスの誘電体層および金属層へのMTJの組込みに関する。
埋込型スタティックランダムアクセスメモリ(SRAM)の代替品として、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)デバイスへの関心が高まっている。MRAMデバイスは、磁気トンネル接合(MTJ)デバイスにおけるデータの不揮発性記憶のために使用することができる。MTJデバイスは、バックエンドオブライン(BEOL)処理で誘電体層内に形成され、金属層によって相互接続されて所望の電気回路を形成する。BEOL処理は、誘電体層によって分離され、誘電体材料によって隔離された相互接続ワイヤまたは配線を有する金属層を形成することを含む。更に、ビア接続部は、金属層を互いに接続するように形成される。
より高いメモリ密度のより小型で高速な半導体デバイスに対する要求が常に増しているので、より高度な電気配線を有する改良された半導体デバイスに対する要求がある。
本発明の具体例の少なくともいくつかの目的は、MTJデバイスがBEOLにおいて、特により高度なテクノロジノードに関連して、より効率的に組み込まれることができる改良された半導体デバイスを提供することである。
本発明のこの目的および他の目的の少なくとも1つは、独立請求項に規定された特徴を有する半導体デバイスおよび方法を用いて達成される。発明の好適な具体例は、従属請求項によって特徴付けられる。
本発明の第1態様によると、半導体デバイスが提供される。半導体デバイスは、第1金属層と、第1金属層の上に配置された第1誘電体層と、第1誘電体層の上に配置された第2金属層と、第2金属層の上に配置された第2誘電体層と、第2誘電体層の上に配置された第3金属層とを含む。第1金属層は、第1誘電体層に配置されたビアによって第2金属層に電気的に接続され、第2金属層は、第2誘電体層に配置されたビアによって第3金属層に電気的に接続されている。更に、磁気トンネル接合(MTJ)を含む半導体デバイスは、第1誘電体層および第2金属層に配置され、第1金属層および第3金属層に電気的に接続されている。
本発明の第2態様によると、第1態様にかかる半導体デバイスを製造する方法が提供される。この方法は、第1金属層の上に第1誘電体層を形成するステップと、第1誘電体層の上に第2金属層を形成するステップとを含む。第2金属層は、第1誘電体層の中に配置されたビアによって第1金属層に電気的に接続されている。この方法は更に、第1誘電体層および第1金属層の中に配置されたMTJデバイスを形成するステップと、第2金属層の上に第2誘電体層を形成するステップと、第2誘電体層の上に、第2誘電体層の中に配置されたビアによって第2金属層に電気的に接続された第3金属層を形成するステップとを含む。
MTJデバイスが第1誘電体層の中に形成される従来技術のデバイスでは、誘電体層の厚さは、MTJデバイスの最小の高さによって制限される。MTJデバイスの可能な最小の高さは、MTJデバイスを形成するために必要な層のスタックの構成によって決定され得るため、MTJデバイスの性能を損なうことなく、MTJデバイスの高さを特定の値未満に低減することは困難である。本発明は、第1誘電体層にだけでなく第2金属層にも延びるようなMTJデバイスを形成することによって、MTJスタックの性能を低下させるリスクなしに、誘電体層の厚さをMTJデバイスの高さよりも低く減らすことができるという理解に基づくものである。したがって、本発明は、MTJデバイスが第1誘電体層および第2金属層に組み込まれて、例えば28nm以下などのより高度な技術ノードを可能にする半導体デバイスを提供する。言い換えれば、MTJデバイスは、第1誘電体層のビア接続部の延長部に配置されてもよい。
MTJデバイスは、バックエンドオブライン(BEOL)において、第1金属層の金属配線などの上に提供され、第1誘電体層を通って第2金属層内に延びるように配置されてもよい。言い換えれば、MTJは、メモリ領域の第1金属層上に、同時に半導体デバイスのロジック領域の第2金属層内に組み込まれてもよく、ここで第2金属層は、例えば第2誘電体層の中のビアによって第3金属層に電気的に接続されてもよい。
MTJデバイスは、磁気参照層またはピン層と、バリア層によって分離された磁気自由層とのスタックから形成されてもよい。磁気参照層および磁気自由層は、例えばCoFeBを含んでもよく、バリア層は、MgOを含んでもよい。参照層は、固定した磁化方向を有するように構成され、自由層は、様々な磁化方向を有するように構成されてもよい。中間バリア層は、参照層と自由層との間の電子のトンネリングを可能にするように構成されてもよい。
参照層と自由層との相対的な磁化方向は、MTJデバイスの電気抵抗を決定する。MTJデバイスは、参照層と自由層の磁化が平行に整列されている場合は、比較的低い抵抗を、参照層と自由層の磁化がそれぞれ逆平行である場合は、比較的低い抵抗を有する。電気抵抗の差は、MTJデバイス内に情報を記憶するために使用されてもよい。
スタックは、磁気参照層が、第1金属層に形成されまたは電気的に接続されるように、および磁気自由層が、第3金属層に電気的に接続されるように、配置されてもよい。このような構成は、ボトムピン構成と呼ばれる。代わりに、スタックは、磁気自由層が、第1金属層上に形成されまたは電気的に接続され、参照層が、第3金属層に電気的に接続している反対の構成で配置されてもよい。このような構成は、トップピン構成と呼ばれる。
MTJスタックは、第1金属層の上に配置された底部電極の上に提供されてもよい。底部電極は、所望の表面粗さを提供するように、特に、第1金属層の裸の表面と比較してより平滑な表面を提供するように構成されてもよい。比較的平滑な表面は、MTJスタックが形成される場合、後続の処理ステップにおいて有利であり得る。いくつかの例では、底部電極はBEOLの一部を形成してもよいが、他の例では、MTJデバイスを形成するスタックの一部を形成してもよい。
MTJデバイスは、自由層の磁区に直接トルクをかけるためにスピン整列された電子を利用するスピン移行トルク(STT)MTJデバイスであってもよい。STT・MTJデバイスは、有利に書込電流の低減を可能にする。
磁気参照層および磁気自由層は、垂直磁気異方性を有していてもよく、これはMTJデバイスのサイズが低減されることを可能にし、したがって半導体デバイスの層の厚さが減少し、およびメモリ密度が増加した半導体デバイスを可能にする。
半導体デバイスは、例えば、データの不揮発性記憶のためにMTJデバイスを使用する磁気抵抗メモリ(MRAM)であり、またはその一部を形成するものであってもよい。
例えば「金属層」および「誘電体層」のように記載される「層(layer)」の用語は、半導体デバイスを形成する多層スタック内の特定のレベルまたは位置を指す場合がある。したがって、金属層は、金属構造および誘電体領域などの導電性の構造または領域の両方を含んでもよい。金属構造は、例えば金属が充填されたトレンチとして誘電体材料に提供されてもよい。したがって、「金属層」の用語は、金属構造を有する誘電体材料を含む層を指す場合がある。好適には、金属層は、電気的に絶縁された、または誘電体材料によって互いに分離された金属相互接続ワイヤから形成されてもよい。「誘電体層」の用語は、2つの金属層の間に構造的に配置された電気絶縁層を指す場合がある。
ある具体例によると、MTJデバイスは、第1金属層の軸上に、すなわち金属配線の上に配置されてもよい。これにより、MTJデバイスは、第1金属層の金属配線への追加の配線またはルーティングなしで、第1金属層に直接接続されてもよい。
ある具体例によると、前記第1誘電体層および前記第2金属層の厚さの合計は、50nm未満である。比較的薄い層を使用することによって、より多くの数のMTJデバイスなどが相互接続されることを可能にするように、層の数を増やすことができる。したがって、記憶密度の増加した半導体デバイスが提供されてもよい。
ある具体例では、半導体デバイスの1つまたは複数の金属層は、複数の金属配線、または相互接続ワイヤ、および誘電体材料で形成されてもよい。金属層は、例えば、金属のブランケット膜が、まず堆積され、パターニングされ、次に相互接続ワイヤを規定するようにエッチングされるサブトラクティブ法によって形成されてもよい。次に、誘電体材料は、ワイヤの上に堆積されてもよい。代わりに、または追加的に、金属層は、誘電体層が銅などの金属で充填された開口トレンチでパターニングされるダマシンプロセスとも呼ばれる追加の方法によって形成されてもよい。銅は、金属層の電気抵抗を減少させるから、例えばアルミニウムよりも有利であり得る。トレンチは、誘電体層上に銅などの金属のコーティングを堆積することによって充填され、誘電体層の上に広がる金属(オーバーバーデンとも呼ばれる)は、化学機械平坦化(CMP)によって除去されてもよい。CMPは、トレンチ内に金属を沈めたまま残し、絶縁材料に埋め込まれた相互接続ワイヤを有する金属層が提供されてもよい。層の平坦化は、後続の処理ステップの前に表面の平坦度を向上させる。向上した平坦性は、その後のリソグラフィ工程などを容易にする。
ある具体例によると、第1および第2金属層の少なくとも1つの誘電体材料は、二酸化シリコンに比べて比較的小さな誘電率を有するlow−k材料であってもよい。low−k誘電体は、半導体デバイス内の寄生容量およびクロストークを低減させ得る。low−k材料の例は、フッ素または炭素でドープされた二酸化ケイ素、多孔質二酸化ケイ素および有機高分子誘電体などを含む。代わりに、または追加的に、low−k材料は、第1誘電体層および/または第2誘電体層に提供されてもよい。
ある具体例によると、MTJデバイスは、第2誘電体層に配置されたビアによって第3金属層の金属配線に接続されてもよい。MTJデバイスは、第3金属層の軸上に、すなわち金属配線の下に配置され、第3金属層は、ビアおよびMTJデバイスによって第1金属層に接続される。
上述のもの以外の他の具体例も可能であることが理解される。また、本発明の第1態様にかかる半導体デバイスについて記載された態様のいずれかの特徴は、第2態様にかかる製造方法と組み合わせられてもよいと理解される。本発明の更なる目的、特徴および利点は、以下の詳細な開示、図面および添付の特許請求の範囲を検討するときに明らかになる。当業者であれば、本発明の異なる特徴を組み合わせて、以下に説明する具体例以外の具体例を作製できることを理解するであろう。
本発明の上記のおよび更なる目的、特徴および利点は、添付の図面を参照して、本発明の好適な具体例の以下の例示的および非限定的な詳細な説明によって、よりよく理解される。
すべての図面は、概略的であり、必ずしも縮尺通りではなく、一般的に、本発明の具体例を解明するために必要な部分のみを示すものであり、他の部分は省略されているか、または単に示唆されているに過ぎない。
以下、本発明の例示的な具体例を示す添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、本発明は、多くの異なる形態で具体化されてもよく、本明細書に記載の具体例に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの具体例は、この開示が当業者に本発明の範囲を伝えるように例として提供される。更に、同一の番号は、全体を通して同一または類似の要素または構成要素を指す。
図1を参照すると、本発明の具体例にかかる半導体デバイス100の側面断面図が示されている。半導体デバイス100は、第1金属層110、第1誘電体層120、第2金属層130、第2誘電体層140および第3金属層150の順序で配列された積層構造を含んでもよい。更に、MTJデバイス160は、第1誘電体層120および第2金属層130の中に形成されまたは組み込まれ、第1金属層110および第3金属層150に電気的に接続されてもよい。MTJデバイス160は、例えば第1金属層110との境界面に配置された底部電極164を含む。
第1金属層110は、誘電体材料116内に配置された金属配線114または導線を含んでもよい。誘電体材料116は、二酸化シリコンまたはlow−k材料の層などであってもよい。ある例では、金属配線114は、ダマシンプロセスによって形成され、そこでは誘電体材料116内のトレンチは、例えば銅などの金属で充填される。
第1誘電体層120は、第1金属層110と第2金属層130とを分離するように、例えば第1金属層110上に堆積されたSiCNの層を含んでもよい。図1に示されているように、第1誘電体層120は、第1金属層110の金属配線114の上に配置され、更に第2金属層130の中へ延びるMTJデバイス160を含んでもよい。
第1金属層110と同様に、第2金属層130は、low−k材料または超low−k材料などの誘電体材料136の層、および誘電体材料136のトレンチ内に形成された金属配線134を含んでもよい。第2金属層130の1つまたは複数の金属配線134は、第1誘電体層120に配置されたビア122によって、対応する第1金属層110の金属配線114に電気的に接続されてもよい。
第2誘電体層140は、第1誘電体層120と同様に構成されてもよく、したがって、第2金属層130上に堆積されたSiCNなどの層として形成されてもよい。続いて、第3金属層150は、low−k材料などの誘電体材料156の堆積によって、第2誘電体層140上に形成されてもよい。第3金属層150は、更に、第3金属層150の誘電体材料のトレンチ内に配置される金属配線154を含んでもよい。金属配線154のいくつかは、第2誘電体材料140内に配置されたビア接続部142によって、MTJデバイス160または第2金属層130の金属配線134に接続されてもよい。
このようにして、第1誘電体層120の最小の厚さが、MTJデバイス160(底部電極164を含む)の最大の高さに制限されない半導体デバイス100が提供される。図1に示されているように、前記第1誘電体層120および前記第2金属層130の厚さの合計hがMTJデバイスの高さを超える限り、MTJデバイス160は、第1誘電体層の厚さを超える高さを有してもよい。
図2は、本発明の具体例にかかるMTJデバイスの側面断面図を概略的に示している。MTJデバイスは、図1を参照して説明されたデバイスと同様に構成された半導体デバイスに組み込まれてもよい。MTJデバイス160は、磁気参照層またはピン層161、バリア層162および磁気自由層163などを有する複数の層のスタックを含んでもよい。磁気参照層161と自由層163の順序は、磁気参照層161がスタック内の磁気自由層163の上に配置されるように逆にされてもよいことに留意しなければならない。磁気参照層161および磁気自由層163は、例えば、磁気自由層163内の互いに反対の2つの方向の間で変更可能な方向を有する垂直磁気異方性を有してもよい。
参照層161および自由層163は、CoFeBから形成され、または少なくともCoFeBを含んでもよい。CoFeBは、例えば、参照層161および/または自由層163の1つまたは複数の層に配置されてもよい。バリア層162は、MgOから形成され、または少なくともMgOを含み、電子が参照層161と自由層163の間をトンネルすることを可能にするように構成されてもよい。
図3a〜3eは、ある具体例にかかる製造プロセスの異なる段階における半導体デバイスの断面側面図を示している。得られる半導体デバイスは、図1および図2を参照して説明されたデバイスと同様に構成されてもよい。
図3aは、例えばlow−k材料などの誘電体材料116を含む第1金属層110を示し、ここでトレンチは、エッチングされ、例えば銅114で充填されている。次に、オーバーバーデンは、CMPによって除去され、誘電体材料116に埋め込まれた露出した導電性の金属配線114を有する第1金属層110の平坦な表面が提供される。続いて、例えば25nmSiCNなどの誘電体材料の層が堆積され、第1誘電体層120を形成する。
図3bでは、MTJデバイス160は、第1金属層110の金属配線114の上に形成されている。MTJデバイス160は、例えば、(MTJデバイス160のための意図された位置にトレンチが設けられていて、下にある金属配線114を露出させる)第1誘電体層120の上にMTJデバイス160を形成する層のスタックを堆積させることによって形成されてもよい。底部電極164は、スタックの堆積の前に金属配線114の上に提供される。次に、堆積されたスタックは、ハードマスクによってエッチングされて、例えば第1誘電体層120の表面から突き出たピラーの形態のMTJデバイス160を規定する。次に、図3bに示されているように、第2金属層130の誘電体材料136が提供されて、MTJデバイス160の少なくとも一部が誘電体材料136の中に突き出る。
図3cでは、第2金属層130の誘電体材料136には、第1金属層110に関して説明したものと同様の方法でトレンチ内に配置された金属線134が提供されている。金属配線134は、例えばCMPプロセスによって規定されてもよく、MTJデバイス160が露出される前に、すなわちMTJデバイス160の上に誘電体材料136の少なくとも一部を残して、停止されてもよい。更に、電気的相互接続122またはビア接続が提供されて、第2金属層130と第1金属層110との間の接続を提供している。
次に、例えばSiCNなどの誘電体材料が堆積され、図3dに示されているように第2誘電体層140を形成してもよく、その上に例えばlow−k材料156の更なる層が堆積されて第3金属層150を形成してもよい。金属配線154は、第1金属層110および第2金属層130に関して説明されたものと同様の方法で、第3金属層150のトレンチ内に形成されてもよい。更に、ビア接続部142が形成されて、第3金属層150の金属配線154とMTJデバイス160との間の、および第3金属層150の金属配線154と第2金属層130の金属配線134との間の電気的な接続が提供されてもよい。
図4は、本発明の具体例にかかる半導体デバイスの製造方法を概略的に示している。半導体デバイスは、図1〜図3を参照して説明された半導体デバイスと同様に構成されてもよい。
この方法は、第1金属層の上に第1誘電体層を形成するステップ410と、下層の第1金属層の金属配線を露出させるように第1誘電体層にビアトレンチを形成するステップ412とを含んでもよい。この方法は、更に、誘電体材料の層を堆積させるステップ422によって、第1誘電体層の上に第2金属層を形成するステップ420を含んでもよく、ここではMTJデバイスおよびメタルワイヤが形成されてもよい(430、432)。更に、第2誘電体層が形成され(440)、その上に第3金属層が提供されてもよい(450)。
結論として、半導体デバイスおよびそのようなデバイスの製造方法が開示される。半導体デバイスは、MTJデバイスを含み、これは第1金属層および第3金属層に電気的に接続され、半導体デバイスの第1誘電体材料および第2金属層の中に組み込まれる。
本発明は、添付の図面および前述の説明において詳細に図示され、説明されてきたが、そのような図示および説明は、説明的または例示的なものであり、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は、開示された具体例に限定されない。開示された具体例に対する他の変更は、図面、開示、および添付の特許請求の範囲の検討から、請求された発明を実施する当業者によって理解され、達成されることができる。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを示すものではない。特許請求の範囲内のいかなる参照符号も、その範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
Claims (14)
- 第1金属層と、
該第1金属層の上に配置された第1誘電体層と、
該第1誘電体層の上に配置された第2金属層と、
該第2金属層の上に配置された第2誘電体層と、
該第2誘電体層の上に配置された第3金属層と、
を含む半導体デバイスであって、
前記第1金属層は、前記第1誘電体層に配置されたビアによって前記第2金属層に電気的に接続され、
前記第2金属層は、前記第2誘電体層に配置されたビアによって前記第3金属層に電気的に接続され、
更に、該半導体デバイスは、前記第1誘電体層および前記第2金属層の中に配置され、前記第1金属層および前記第3金属層に電気的に接続され、高さが前記第1誘電体層の中のビアの長さを超えている磁気トンネル接合(MTJ)デバイスを含む半導体デバイス。 - 前記MTJデバイスは、前記第1金属層の金属配線の上に配置されている請求項1に記載の半導体デバイス。
- 前記第1誘電体層および前記第2金属層の厚さの合計は、50nm未満である請求項1または請求項2のいずれかに記載の半導体デバイス。
- 前記第2金属層は、複数の金属配線および誘電体材料を含み、該誘電体材料は、そこで複数の金属配線が形成されるトレンチを含む請求項1〜3のいずれかに記載の半導体デバイス。
- 前記第2金属層の前記誘電体材料は、low−k材料である請求項4に記載の半導体デバイス。
- 前記第3金属層は、複数の金属配線および誘電体材料を含み、該誘電体材料は、そこで複数の金属配線が形成されるトレンチを含む請求項1〜5のいずれかに記載の半導体デバイス。
- 前記MTJデバイスは、前記第2誘電体層の中のビアによって前記第3金属層金属配線に接続されている請求項6に記載の半導体デバイス。
- 前記MTJデバイスは、バックエンドオブライン(BEOL)において配置される請求項1〜7のいずれかに記載の半導体デバイス。
- 前記MTJデバイスは、垂直MTJデバイスである請求項1〜8のいずれかに記載の半導体デバイス。
- 半導体デバイスを製造する方法であって、
第1金属層の上に第1誘電体層を形成するステップと、
前記第1誘電体層の上に、前記第1誘電体層の中に配置されたビアによって前記第1金属層に電気的に接続された第2金属層を形成するステップと、
前記第1誘電体層および前記第1金属層の中に配置されたMTJデバイスを形成するステップと、
前記第2金属層の上に第2誘電体層を形成するステップと、
前記第2誘電体層の上に、前記第2誘電体層の中に配置されたビアによって前記第2金属層に電気的に接続された第3金属層を形成するステップと、
を含む製造方法。 - 下層の前記第1金属層の金属配線を露出させるように前記第1誘電体層にビアトレンチを形成するステップと、
前記ビアトレンチの中に、前記MTJデバイスを形成するスタックであって、前記第1誘電体層の厚さを超える高さを有する前記スタックを提供するステップと、
MTJデバイスのスタックを少なくとも部分的に囲むように配置された誘電体材料の層を提供するステップと、
前記誘電体材料の中に、第2金属層を形成するステップと、
を含む請求項10に記載の方法。 - 前記第1誘電体層および前記第2金属層の厚さの合計は、50nm未満である請求項10または請求項11に記載の方法。
- 前記MTJデバイスは、垂直MTJデバイスである請求項10〜12のいずれかに記載の方法。
- 前記MTJデバイスは、バックエンドオブライン(BEOL)において配置される請求項10〜13のいずれかに記載の方法。
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