磁存储装置的制作方法

磁存储装置
1.[相关申请]
[0002]
本技术享有以日本专利申请2020-155729号(申请日：2020年9月16日)为基础申请的优先权。本技术通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
[0003]
本发明的实施方式涉及一种磁存储装置。


背景技术：

[0004]
提出有在半导体衬底上将磁阻效应元件作为存储元件集成化而成的非易失性磁存储装置。


技术实现要素：

[0005]
本发明要解决的问题在于提供一种能够稳定地存储数据的磁存储装置。
[0006]
实施方式的磁存储装置具备磁阻效应元件，所述磁阻效应元件具备具有可变磁化方向的第1磁性层、具有可变磁化方向的第2磁性层、具有固定磁化方向的第3磁性层、及非磁性层，所述第1磁性层设置在所述第2磁性层与所述第3磁性层之间，所述非磁性层设置在所述第1磁性层与所述第3磁性层之间，所述第2磁性层具有第1元素形成的第1元素层与第2元素形成的第2元素层交替地积层而成的超晶格结构，所述第1元素是钴(co)，所述第2元素从铂(pt)、镍(ni)及钯(pd)中选择，且所述第2磁性层含有铬(cr)作为第3元素。
附图说明
[0007]
图1是示意性地表示实施方式的磁阻效应元件的构成的剖视图。
[0008]
图2是示意性地表示实施方式的磁阻效应元件的第2磁性层的构成的剖视图。
[0009]
图3是表示实施方式的磁阻效应元件的磁性层的磁特性的图。
[0010]
图4是表示比较例的磁阻效应元件的磁性层的磁特性的图。
[0011]
图5是表示实施方式的磁阻效应元件及比较例的磁阻效应元件的饱和磁化mst与热稳定性δe的关系的图。
[0012]
图6是示意性地表示实施方式的磁阻效应元件的变化例的构成的剖视图。
[0013]
图7是示意性地表示使用实施方式的磁阻效应元件的磁存储装置的构成的一例的立体图。
[0014]
图8是示意性地表示使用实施方式的磁阻效应元件的磁存储装置的构成的另一例的立体图。
具体实施方式
[0015]
以下，参照附图对实施方式进行说明。
[0016]
图1是示意性地表示实施方式的磁存储装置(非易失性磁存储装置)的构成的剖视
图。具体来说，是示意性地表示实施方式的磁阻效应元件的构成的剖视图。本实施方式中，以应用mtj(magnetic tunnel junction，磁隧道结)元件作为磁阻效应元件的情况进行说明。实际将多个磁阻效应元件在半导体衬底上集成化。
[0017]
图1所示的磁阻效应元件100设置在半导体衬底(没有图示)的上方，具有包含第1磁性层10、第2磁性层20、第3磁性层30、第4磁性层40、隧道势垒层(非磁性层(nonmagnetic layer))50、中间层60、中间层70、覆盖层80及下部导电层90的积层结构(stacked structure)。
[0018]
具体来说，磁阻效应元件100在第2磁性层20与第4磁性层40之间设置着第1磁性层10及第3磁性层30，在第2磁性层20与第3磁性层30之间设置着第1磁性层10，在第1磁性层10与第3磁性层30之间设置着隧道势垒层(非磁性层)50。另外，在第1磁性层10与第2磁性层20之间设置着中间层60，在第3磁性层30与第4磁性层40之间设置着中间层70。这些层10～70位于覆盖层80与下部导电层90之间。
[0019]
第1磁性层10由具有可变磁化方向(variable magnetization direction)的铁磁性体层(ferromagnetic layer)形成，作为磁阻效应元件100的存储层(storage layer)的一部分发挥功能。所谓可变磁化方向，指磁化方向相对于特定的写入电流发生改变。第1磁性层10含有钴(co)及铁(fe)中的至少一种。具体来说，第1磁性层10由含有钴(co)、铁(fe)及硼(b)的cofeb形成。
[0020]
第2磁性层20也由具有可变磁化方向的铁磁性体形成，作为磁阻效应元件100的存储层的一部分发挥功能。第2磁性层20的磁化方向朝与第1磁性层10的磁化方向相同的方向变化。
[0021]
图2是示意性地表示第2磁性层20的构成的剖视图。
[0022]
第2磁性层20具有第1元素形成的第1元素层21与第2元素形成的第2元素层22交替地积层而成的超晶格(superlattice)结构。第1元素是钴(co)，第2元素是铂(pt)、镍(ni)或钯(pd)。另外，第2磁性层20含有铬(cr)作为第3元素。第2磁性层20的最下层(与中间层60相接的层)可以是第1元素层21及第2元素层22的任一个。第2磁性层20的最上层(与覆盖层80相接的层)同样可以是第1元素层21及第2元素层22的任一个。
[0023]
此外，在之后的说明中，对如下情况进行说明，即，将第1元素设为钴(co)，将第2元素设为铂(pt)，第2磁性层20具有co层与pt层交替地积层而成的超晶格结构，且在该超晶格结构中含有cr。
[0024]
第3磁性层30由具有固定磁化方向(fixed magnetization direction)的铁磁性体形成，作为磁阻效应元件100的参考层(reference layer)的一部分发挥功能。所谓固定磁化方向，指磁化方向不相对于特定的写入电流发生改变。第3磁性层30含有钴(co)及铁(fe)中的至少一种。具体来说，第3磁性层30由含有钴(co)、铁(fe)及硼(b)的cofeb形成。
[0025]
第4磁性层40也由具有固定磁化方向的铁磁性体形成，具有反铁磁性耦合(anti-ferromagnetic coupling)。也就是说，第4磁性层40具有saf耦合(synthetic anti-ferromagnetic coupling，合成反铁磁性耦合)，作为磁阻效应元件100的参考层的一部分发挥功能。例如，第4磁性层40包含由co层或co/pt超晶格层形成的第1层部分41、由co/pt超晶格层形成的第2层部分42、及由钌(ru)层或铱(ir)层形成的第3层部分43，且第1层部分41与第2层部分42经由第3层部分43产生反铁磁性耦合。
[0026]
隧道势垒层50是设置在第1磁性层10与第3磁性层30之间的非磁性层，由绝缘材料形成。隧道势垒层50含有镁(mg)及氧(o)。具体来说，隧道势垒层50由mgo形成。
[0027]
中间层60是设置在第1磁性层10与第2磁性层20之间的非磁性层，由特定的金属材料形成。如下所述，该中间层60也可以作为含有铬(cr)作为第3元素的第3元素含有层发挥功能。
[0028]
中间层70是设置在第3磁性层30与第4磁性层40之间的非磁性层，由特定的金属材料(例如钼(mo)、钽(ta)或钨(w)等)形成。
[0029]
覆盖层80是设置在第2磁性层20上的非磁性层。该覆盖层80除了具有作为覆盖层的功能以外，也具有作为含有铬(cr)作为第3元素的第3元素含有层的功能。关于该覆盖层80，将在下文详细地进行说明。
[0030]
下部导电层90是设置在第4磁性层40下的非磁性层，由钽(ta)层等形成。
[0031]
所述磁阻效应元件100是具有垂直磁化(perpendicular magnetization)的stt(spin transfer torque，自旋转移矩)型的磁阻效应元件。也就是说，第1磁性层10、第2磁性层20、第3磁性层30及第4磁性层40均具有相对于其膜面垂直的磁化方向。
[0032]
另外，所述磁阻效应元件100在第1磁性层10的磁化方向相对于第3磁性层30的磁化方向平行(parallel)的情况下为电阻相对较低的状态，在第1磁性层10的磁化方向相对于第3磁性层30的磁化方向反平行(antiparallel)的情况下为电阻相对较高的状态。因此，磁阻效应元件100可以根据电阻状态(低电阻状态或高电阻状态)存储二进制数据。另外，对于磁阻效应元件100，可以根据流至磁阻效应元件100的电流的方向而设定电阻状态(低电阻状态或高电阻状态)。
[0033]
根据本实施方式，可以获得饱和磁化(saturation magnetization)mst较低且垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy)较高的磁阻效应元件。因此，可以获得一种磁阻效应元件，即使集成电路的微细化及高集成化有所发展，该磁阻效应元件也能够稳定地存储数据。以下，详细地进行说明。
[0034]
为了在磁阻效应元件中稳定地存储数据，重要的是获得较高的热稳定性(thermal stability)δe。然而，如果集成电路的微细化及高集成化有所发展，那么邻接的磁阻效应元件间的漏磁场(stray magnetic field)的影响变大。因此，必须降低饱和磁化mst，且同时确保较高的热稳定性δe，从而获得具有较高的热稳定性δe的磁阻效应元件逐渐变难。
[0035]
本实施方式中，在具有第1元素层(例如co层)21及第2元素层(例如pt层)22的超晶格结构的第2磁性层20中含有cr作为第3元素。像这样，通过使用含有cr的第2磁性层20，可以提高第2磁性层20的垂直磁各向异性，即使饱和磁化mst较低，也可以确保较高的热稳定性δe。
[0036]
图3是表示本实施方式的磁性层(含有cr的co/pt超晶格层)的磁特性(外部磁场hex与磁化mt的关系)的图，图4是表示比较例的磁性层(不含cr的co/pt超晶格层)的磁特性的图。根据图3及图4可知，本实施方式(图3)与比较例(图4)相比，饱和磁化变低。
[0037]
图5是表示饱和磁化mst与热稳定性δe的关系的图。将本实施方式的磁性层(含有cr的co/pt超晶格层)用作第2磁性层20的情况(a)下，与将比较例的磁性层(不含cr的co/pt超晶格层)用作第2磁性层20的情况(b)相比，热稳定性δe大幅度提高。也就是说，在本实施方式的情况下，即使饱和磁化mst较低，也可以获得较高的热稳定性δe。
[0038]
根据图3、图4及图5可知，在本实施方式中，通过使用含有cr的第2磁性层20，可以获得即使饱和磁化mst较低，也具有较高的热稳定性δe的磁阻效应元件。
[0039]
含有cr的第2磁性层20可以通过利用热处理使cr从作为含cr层的覆盖层80扩散到第2磁性层20中而形成。像这样，通过使cr从覆盖层80扩散到第2磁性层20中，可以在维持第2磁性层(co/pt超晶格层)20的超晶格结构的状态下使第2磁性层20中含有cr。
[0040]
一般来说，在第2磁性层(co/pt超晶格层)20设置在隧道势垒层50的上层侧的情况下，难以形成具有较高的垂直磁各向异性的co/pt超晶格层。像本实施方式这样，通过使cr从覆盖层80扩散到第2磁性层(co/pt超晶格层)20中，可以容易地使第2磁性层20中含有cr，从而可以形成具有较高的垂直磁各向异性的第2磁性层20。
[0041]
以下，对覆盖层(含cr层)80的例子进行说明。
[0042]
第1例中，使用实际只含有cr(第3元素)的cr层作为覆盖层(含cr层)80。
[0043]
第2例中，覆盖层(含cr层)80含有cr(第3元素)与co(第1元素)及pt(第2元素)中的至少一种元素。具体来说，第2例中，作为覆盖层(含cr层)80，使用crco合金层、crpt合金层或crcopt合金层。
[0044]
此外，在第1例及第2例中，第2磁性层20的最上层(与覆盖层80相接的层)都可以是co层及pt层的任一个。
[0045]
此外，本实施方式中，为了将覆盖层80中含有的cr导入到第2磁性层20中，而覆盖层(含cr层)80中含有的cr的浓度高于第2磁性层(co/pt超晶格层)20中含有的cr的浓度。
[0046]
另外，也可以对覆盖层80使用如上所述的含cr层，并且进而对中间层60也使用如上所述的含cr层。也就是说，作为中间层(含cr层)60，可以使用实际只含有cr(第3元素)的cr层，也可以使用含有cr(第3元素)与co(第1元素)及pt(第2元素)中的至少一种元素的合金层。
[0047]
像这样，通过对中间层60也使用含cr层，可以使cr从覆盖层80及中间层60、也就是第2磁性层20的上表面侧及下表面侧扩散，因此，可以更有效率地将cr导入到第2磁性层20中。在该情况下，覆盖层(含cr层)80中含有的cr的浓度及中间层(含cr层)60中含有的cr的浓度均比第2磁性层(co/pt超晶格层)20中含有的cr的浓度高。
[0048]
此外，在所述例子中，对使用co/pt超晶格层作为第2磁性层20的情况、也就是使用钴(co)作为构成超晶格层的第1元素且使用铂(pt)作为第2元素的情况进行了说明，但代替铂(pt)而使用镍(ni)或钯(pd)作为第2元素的情况也与所述情况同样。
[0049]
接下来，对本实施方式的变化例进行说明。此外，基本事项与所述实施方式同样，省略所述实施方式中已叙述的事项的说明。
[0050]
图6是示意性地表示本变化例的非易失性磁存储装置(磁阻效应元件)的构成的剖视图。
[0051]
在所述实施方式中，对存储层位于上层侧且参考层位于下层侧的磁阻效应元件(顶部自由型的磁阻效应元件)进行了说明，但在本变化例中，使用存储层位于下层侧且参考层位于上层侧的磁阻效应元件(底部自由型的磁阻效应元件)。
[0052]
本变化例中，也对覆盖层80使用像所述实施方式中叙述的含cr层，对中间层60也使用像所述实施方式中叙述的含cr层。
[0053]
本变化例中，通过使覆盖层80中含有的cr扩散到第4磁性层40，可以使第4磁性层
40的垂直磁各向异性提高，通过使中间层60中含有的cr扩散到第2磁性层20，可以使第2磁性层20的垂直磁各向异性提高。因此，本变化例中，也与所述实施方式同样地，可以确保较高的热稳定性δe。
[0054]
图7是示意性地表示使用所述实施方式及变化例中所说明的磁阻效应元件100的磁存储装置的构成的一例的立体图。
[0055]
图7所示的磁存储装置包含：多条第1配线410，在x方向上延伸；多条第2配线420，在y方向上延伸；及存储单元300，连接在第1配线410与第2配线420之间。第1配线410及第2配线420中的一个对应于字线，另一个对应于位线。各存储单元300包括磁阻效应元件100、及相对于磁阻效应元件100串联连接的选择器(开关元件)200。
[0056]
磁阻效应元件100可以使用所述实施方式及变化例中所说明的磁阻效应元件。
[0057]
选择器200例如可以使用两端子型的开关元件。施加到两端子间的电压小于阈值时，所述开关元件为“高电阻状态”，例如为非电导通状态。施加到两端子间的电压在阈值以上时，开关元件为“低电阻状态”，例如成为电导通状态。
[0058]
通过向连接于要求的存储单元300的第1配线410与第2配线420之间施加特定电压，而要求的存储单元300中包含的选择器200成为接通状态(导通状态)，从而对要求的存储单元300中包含的磁阻效应元件100进行写入或读出。
[0059]
图8是示意性地表示使用所述实施方式及变化例中所说明的磁阻效应元件100的磁存储装置的构成的另一例的立体图。
[0060]
在图7所示的例子中，磁阻效应元件100位于下层侧且选择器200位于上层侧，但在图8所示的例子中，磁阻效应元件100位于上层侧且选择器200位于下层侧。其它基本构成与图7所示的例子相同。
[0061]
通过将本实施方式的磁阻效应元件100用于如图7及图8所示的磁存储装置，可以获得能够稳定地存储数据的磁存储装置。
[0062]
对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能以其它多种方式实施，可以在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变化包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
[0063]
[符号的说明]
[0064]
10
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第1磁性层
[0065]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第2磁性层
[0066]
21
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第1元素层
[0067]
22
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第2元素层
[0068]
30
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第3磁性层
[0069]
40
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第4磁性层
[0070]
41
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第1层部分
[0071]
42
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第2层部分
[0072]
43
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第3层部分
[0073]
50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
隧道势垒层(非磁性层)
[0074]
60
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中间层(第3元素含有层)
[0075]
70
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中间层
[0076]
80
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
覆盖层(第3元素含有层)
[0077]
90
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
下部导电层
[0078]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀ
磁阻效应元件
[0079]
200
ꢀꢀꢀꢀꢀ
选择器(开关元件)
[0080]
300
ꢀꢀꢀꢀꢀ
存储单元
[0081]
410
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第1配线
[0082]
420
ꢀꢀꢀꢀꢀ
第2配线。