具有磁阻元件的半导体存储装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种半导体存储装置，包括：存储单元、侧壁绝缘膜和层间绝缘膜。存储单元具有第一强磁性膜、形成在第一强磁性膜上的隧道阻碍膜和形成在隧道阻碍膜上的第二强磁性膜。至少包围第二强磁性膜的侧面来形成侧壁绝缘膜。覆盖存储单元和侧壁绝缘膜而形成层间绝缘膜。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体存储装置及其制造方法，例如涉及磁随机存取存储器(Magneto Resistive Random Access MemoryMRAM)具有的磁阻元件和其周围结构。
技术介绍
MRAM作为信息的记录载体，是利用强磁性体的磁化方向的能随时改写、保持、读出记录信息的固体存储器的总称。MRAM的存储单元通常具有层叠多个强磁性体的构造。使构成存储单元的多个强磁性体的磁化的相对配置是平行、或反平行与2进制的信息“1”、“0”对应，进行信息的记录。通过用电流磁场使各存储单元的强磁性体的磁化方向颠倒，进行记录信息的写入。MRAM是完全的非易失性，而且能改写1015次以上。能进行非破坏性读出，不需要更新动作。因此，能缩短读出周期。另外，与电荷储存型存储单元相比，抗放射线的性能较强。另外，如果与以往的使用介质的半导体存储器进行功能比较，则具有很多优点。MRAM的单位面积的集成度、写入、读出时间预想为大致能与DRAM(DynamicRandom Access Memory)为相同程度。因此，能充分利用非易失性这一重要特征，能期待着对便携式仪器的外部记录装置、LSI混载用途、乃至个人电脑的主存储器的应用。在现在实用化的研究不断进展的MRAM中，对存储单元使用强磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction以下称作MTJ)。这样的例子在“IEEE International Solid-State Circuits Conference 2000Digest Papar”，TA7.2中有记载。MTJ主要通过由强磁性层/绝缘层/强磁性层构成的三层膜形成，电流流过绝缘层。结的电阻值与两个强磁性金属层的磁化的相对角的余弦成比例变化。而且，结的电阻值在两个强磁性层的磁化方向为反平行时取最大值。这是隧道磁阻效应。作为MTJ的构造，存在利用双方强磁性体的顽磁力的差保持数据的类型。为了改善磁场灵敏度或减小写入电流，知道有与一方的强磁性体相邻配置反强磁性体，使磁化方向固定的自旋阀构造的类型。关于具有自旋阀构造的MRAM，例如在“Japanese Journal of AppliedPhysics”，1997年，36号，p.200中有记载。以下简单说明以往的具有自旋阀构造的MTJ元件的形成方法。首先，在半导体衬底上形成开关晶体管，接着形成层间绝缘膜、局部布线、写入布线、接触插头。然后，在层间绝缘膜上形成成为布线的非磁性导电膜。在引出布线上形成成为固定层(pinning layer)的强磁性体，再在固定层上形成成为隧道阻碍膜的绝缘膜。接着，在隧道阻碍膜上形成成为记录层(free layer)的强磁性体。通过光刻技术和离子蚀刻，对记录层、隧道阻碍膜、固定层构图。据此，完成MTJ元件。在MTJ元件上形成用于保护MTJ元件的SiO2膜后，通过光刻技术和蚀刻，对SiO2膜和非磁性导电膜构图。据此，完成引出布线。然后，形成覆盖MTJ元件的层间绝缘膜，再在层间绝缘膜中形成到达记录层的接触插头。按如上所述，形成MTJ元件。但是，如果是所述以往的MRAM，则隔着隧道阻碍膜相对的上下的强磁性层有时在端部短路。因此，MRAM的制造成品率显著下降。其原因在于通过离子蚀刻进行结部的蚀刻时，包含金属的残渣以某概率残留在隧道阻碍膜附近。隧道阻碍膜的厚度非常薄，为1～1.5nm左右。即上下的强磁性层以1～1.5nm的非常小的距离相邻。因此，如果残渣的尺寸超过1～1.5nm，就发生短路。但是，在大规模的MRAM中，几乎无法避免该问题的产生，MRAM的集成度越高，取得合格品就越困难。考虑到用在离子蚀刻步骤中，例如以45°左右使离子入射就能解决所述短路的问题。此时，对MTJ的侧面给予圆锥角。其结果，认为发生不良的概率大幅度下降。但是，在千兆字节等级的MRAM中，MTJ元件的尺寸例如为0.1μm×0.2μm左右。而且，相邻的MTJ元件间距为0.1μm左右。这样，为了避免相邻的MTJ元件之间发生电短路，在离子蚀刻步骤(工序)中的离子的入射角度希望尽可能从垂直于衬底面的方向入射。即MTJ元件间的短路和强磁性层间的短路存在抵消的关系。
技术实现思路
鉴于上述问题的存在，本专利技术的目的在于提供能提高制造成品率的半导体存储装置及其制造方法。为了实现该目的，本专利技术一方面的半导体存储装置包括具有第一强磁性膜、形成在所述第一强磁性膜上的隧道阻碍膜、形成在所述隧道阻碍膜上的第二强磁性膜的存储单元；至少包围所述第二强磁性膜的侧面而形成的侧壁绝缘膜；和覆盖所述存储单元和所述侧壁绝缘膜而形成的层间绝缘膜。如果是所述结构，则第二强磁性膜的周围由侧壁绝缘膜包围。因此，例如在Ar离子蚀刻中，即使在隧道阻碍膜的侧壁上残留下残渣，在第一、第二强磁性膜间也能抑制短路发生。其结果，半导体存储装置的制造成品率提高。为了实现该目的，本专利技术一方面的半导体存储装置包括具有第一强磁性膜、形成在所述第一强磁性膜上并且包含氧元素的隧道阻碍膜、形成在所述隧道阻碍膜上的第二强磁性膜的存储单元；隧道阻碍膜的面内端缘部的单位面积的隧道电阻比面内中央部高。如果是所述结构，则在面内端部，隧道阻碍膜的隧道电阻比面内中央部高。因此，能降低自旋的方向容易乱的存储单元端部对写入电流的影响，能改善制造成品率。为了实现该目的，本专利技术一方面的半导体存储装置的制造方法包括在半导体层上形成第一强磁性层；在所述第一强磁性层上形成隧道阻碍层；在所述隧道阻碍膜上形成第二强磁性层；对所述第二强磁性层构图，使所述隧道阻碍层的一部分露出；在所述隧道阻碍层上，包围所述第二强磁性层的侧壁形成侧壁绝缘膜；和把所述隧道阻碍层和所述第一强磁性层构图。如果是所述方法，则第二强磁性层的周围由侧壁绝缘膜包围。因此，例如在Ar离子蚀刻中，即使在隧道阻碍膜的侧壁上残留下残渣，在第一、第二强磁性膜间也能抑制短路发生。其结果，半导体存储装置的制造成品率提高。另外，因为能防止第一、第二强磁性膜间的短路，所以能把第一强磁性层的侧面构图为几乎垂直。因此，第一强磁性层的形状控制变得容易，能提高半导体存储装置的动作可靠性。附图说明下面简要说明附图。图1A是本专利技术实施例1的MRAM的剖视图。图1B是本专利技术实施例1的MRAM的立体图。图1C是本专利技术实施例1的MRAM的制造步骤的程序流程图。图2A～2L是依次表示本专利技术实施例1的MRAM的制造步骤的剖视图。图3是本专利技术实施例2的MRAM的制造步骤的程序流程图。图4A和图4B是依次表示本专利技术实施例2的MRAM的制造步骤的剖视图。图5是本专利技术实施例3的MRAM的制造步骤的程序流程图。图6A～图6I是依次表示本专利技术实施例3的MRAM的制造步骤的剖视图。图7是本专利技术实施例3的变形例的MRAM的制造步骤的程序流程图。图8是本专利技术实施例4的MRAM具有的磁阻元件的剖视图。图9A是理想的磁阻元件的平面图，是表示自旋的图。图9B是现实的磁阻元件的平面图，是表示自旋的图。图9C是本专利技术实施例4的MRAM具有的磁阻元件的平面图。图10是本专利技术实施例5的MRAM具有的磁阻元件的平面图。图11是本专利技术实施例5的MRAM具有的磁阻元件的剖视图。图12是本专利技术实施例6的MRAM具有的磁阻元件的剖视图。图13是本专利技术实施例7的MRAM具有的磁阻元件的剖视本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体存储装置，包括：具有第一强磁性膜、形成在所述第一强磁性膜上的隧道阻碍膜和形成在所述隧道阻碍膜上的第二强磁性膜的存储单元；至少包围所述第二强磁性膜的侧面而形成的侧壁绝缘膜；和覆盖所述存储单元和所述侧壁绝缘膜而形成的层间绝缘膜。

【技术特征摘要】
JP 2003-3-24 080586/2003;JP 2003-8-14 207564/20031.一种半导体存储装置，包括具有第一强磁性膜、形成在所述第一强磁性膜上的隧道阻碍膜和形成在所述隧道阻碍膜上的第二强磁性膜的存储单元；至少包围所述第二强磁性膜的侧面而形成的侧壁绝缘膜；和覆盖所述存储单元和所述侧壁绝缘膜而形成的层间绝缘膜。2.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜连接着所述隧道阻碍膜。3.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的含氧率比面内中央部高。4.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的膜厚比面内中央部大。5.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜由氧化铝形成。6.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜和所述隧道阻碍膜包含共同的金属元素。7.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜和所述隧道阻碍膜都由氧化铝形成。8.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜与所述隧道阻碍膜的侧壁的至少一部分沿着圆周方向接触。9.根据权利要求1所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜由氧化铝形成。10.一种半导体存储装置，包括具有第一强磁性膜、形成在所述第一强磁性膜上的隧道阻碍膜和形成在所述隧道阻碍膜上的第二强磁性膜的存储单元；和至少包围所述第二强磁性膜的侧面而形成，且包含金属元素的侧壁绝缘膜。11.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜连接着所述隧道阻碍膜。12.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的含氧率比面内中央部高。13.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的膜厚比面内中央部大。14.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜由氧化铝形成。15.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜和所述隧道阻碍膜包含共同的金属元素。16.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜和所述隧道阻碍膜都由氧化铝形成。17.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜与所述隧道阻碍膜的侧壁的至少一部分沿着圆周方向接触。18.根据权利要求10所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜由氧化铝形成。19.一种半导体存储装置，包括具有第一强磁性膜、形成在所述第一强磁性膜上的隧道阻碍膜和形成在所述隧道阻碍膜上的第二强磁性膜的存储单元；和包围所述第二强磁性膜而形成在所述隧道阻碍膜上的侧壁绝缘膜。20.根据权利要求19所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的含氧率比面内中央部高。21.根据权利要求19所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的膜厚比面内中央部大。22.根据权利要求19所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜由氧化铝形成。23.根据权利要求19所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜和所述隧道阻碍膜包含共同的金属元素。24.根据权利要求19所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜和所述隧道阻碍膜都由氧化铝形成。25.根据权利要求19所述的半导体存储装置，其中侧壁绝缘膜与所述隧道阻碍膜的侧壁的至少一部分沿着圆周方向接触。26.根据权利要求19所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜由氧化铝形成。27.一种半导体存储装置，包括具有第一强磁性膜、形成在所述第一强磁性膜上并且包含氧元素的隧道阻碍膜和形成在所述隧道阻碍膜上的第二强磁性膜的存储单元；该隧道阻碍膜的面内端缘部的单位面积的隧道电阻比面内中央部高。28.根据权利要求27所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的含氧率比面内中央部高。29.根据权利要求28所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜在面内端缘部的膜厚比面内中央部大。30.根据权利要求29所述的半导体存储装置，其中面内端缘部的所述隧道阻碍膜至少包含所述第一、第二强磁性膜的任意一个中包含的磁性金属元素。31.根据权利要求27所述的半导体存储装置，其中隧道阻碍膜由氧化铝形成。32.一种半导体存储装置的制造方法，包括在半导体层上形成第一强磁性层；在所述第一强磁性层上形成隧道阻碍层；在所述隧道阻碍层上形成第二强磁性层；对所述第二强磁性层进行构图，使所述隧道阻碍层的一部分露出；在所述隧道阻碍层上，包围所述第二强磁性层的侧壁而形成侧壁绝缘膜；和对所述隧道阻碍层和所述第一强磁性层进行构图。33.根据权利要求32所述的半导体存储装置的制造方法，还包括在所述第二强磁性层上形成帽状层；在对第二强磁性层进行构图时，把所述帽状层与所述第二强磁性层以相同的图案构图；形成所述侧壁绝缘膜包括至少...

【专利技术属性】
技术研发人员：福住嘉晃，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：JP[日本]