CN109545818B - 磁性存储装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式提供一种具备磁阻效应元件的磁性存储装置，其中所述磁阻效应元件具有合适的基底层。实施方式的磁性存储装置具备：导电性基底层(20)，具有非晶结构，且含有选自钼(Mo)、镁(Mg)、铼(Re)、钨(W)、钒(V)及锰(Mn)的至少1种第1特定元素；以及积层结构(30)，设置在基底层上，且包含具有可变磁化方向的第1磁性层(31)、具有固定磁化方向的第2磁性层(32)、及设置在第1磁性层与第2磁性层之间的非磁性层(33)。

Description

磁性存储装置
[相关申请]
本申请享有以日本专利申请2017-181462号(申请日期：2017年9月21日)为基础申请的优先权。本申请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
本发明的实施方式涉及一种磁性存储装置。
背景技术
已有一种由磁阻效应元件(magnetoresistive element)及MOS(Metal-Oxide-Semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管在半导体衬底上集成而成的磁性存储装置(magnetic memory device)被提出。
通常，所述磁阻效应元件具有在基底层(under layer)上设置着包含存储层(storage layer)、隧道势垒层及参考层(reference layer)的积层结构(stackedstructure)的结构。因此，为了获得优异的磁阻效应元件，选择合适的基底层较为重要。
然而，以往提出的未必称得上是一种具有合适的基底层的磁阻效应元件。
发明内容
实施方式提供一种具备磁阻效应元件的磁性存储装置，其中所述磁阻效应元件具有合适的基底层。
实施方式的磁性存储装置具备：导电性基底层，具有非晶结构，且含有选自钼(Mo)、镁(Mg)、铼(Re)、钨(W)、钒(V)及锰(Mn)的至少1种第1特定元素；以及积层结构，设置在所述基底层上，且包含具有可变磁化方向的第1磁性层、具有固定磁化方向的第2磁性层、及设置在所述第1磁性层与所述第2磁性层之间的非磁性层。
附图说明
图1是示意性地表示实施方式的磁性存储装置的构成的剖视图。
图2是示意性地表示实施方式的磁性存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
图3是示意性地表示实施方式的磁性存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
图4是示意性地表示实施方式的磁性存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
图5是用来评价各种元素的腐蚀特性的电极电位-pH图。
图6是用来评价各种元素的腐蚀特性的电极电位-pH图。
图7是用来评价各种元素的腐蚀特性的电极电位-pH图。
图8是表示具有高熔点的元素的图。
图9是针对实施方式及比较例的基底层的第1材料，表示沉积态下的XRD(X-raydiffraction，X射线衍射测定)的测定结果的图。
图10是表示实施方式的基底层的第1材料的XRD的测定结果的图。
图11是表示实施方式的基底层的第1材料的XRD的测定结果的图。
图12是针对实施方式及比较例的基底层的第1材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。
图13是表示与实施方式及比较例的基底层的第1材料相关的测定结果的图。
图14是针对实施方式及比较例的基底层的第1材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。
图15是表示与实施方式及比较例的基底层的第1材料相关的测定结果的图。
图16是表示改变钼(Mo)及锆(Zr)的组成比以及温度时的结晶状态的图。
图17是针对实施方式及比较例的基底层的第2材料，表示沉积态下的XRD的测定结果的图。
图18是表示实施方式的基底层的第2材料的XRD的测定结果的图。
图19是针对实施方式及比较例的基底层的第2材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。
图20是表示与实施方式及比较例的基底层的第2材料相关的测定结果的图。
图21是针对实施方式及比较例的基底层的第3材料，表示沉积态下的XRD的测定结果的图。
图22是表示实施方式的基底层的第3材料的XRD的测定结果的图。
图23是针对实施方式及比较例的基底层的第3材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。
图24是表示与实施方式及比较例的基底层的第3材料相关的测定结果的图。
图25是示意性地表示实施方式变更例的磁性存储装置的构成的剖视图。
图26是示意性地表示半导体集成电路装置的一般性构成的一例的剖视图，其中所述半导体集成电路装置应用实施方式的磁阻效应元件。
具体实施方式
下面，参照附图对实施方式进行说明。
图1是示意性地表示实施方式的磁性存储装置(半导体集成电路装置)的构成的剖视图。
下部结构10包含半导体衬底(未作图示)、MOS晶体管(未作图示)、层间绝缘膜11及下部电极(bottom electrode)12等。下部电极12作为应对磁阻效应元件(magnetoresistive element)的一电极发挥功能，电连接在MOS晶体管(未作图示)与下述基底层(under layer)20之间。
在下部结构10上设置着磁阻效应元件。磁阻效应元件具备导电性基底层20、及设置在基底层20上的积层结构(stacked structure)30。本实施方式的磁阻效应元件为STT(spin transfer torque，自旋转移力矩)型磁阻效应元件。此外，磁阻效应元件也被称为MTJ(magnetic tunnel junction，磁性隧道结)元件。
基底层20是具有非晶结构的导电层，设置在下部结构10与积层结构30之间。基底层20含有选自钼(Mo)、镁(Mg)、铼(Re)、钨(W)、钒(V)及锰(Mn)的至少1种第1特定元素，也可还含有选自锆(Zr)、钽(Ta)、铪(Hf)及铌(Nb)的至少1种第2特定元素。当下部结构10与积层结构30之间存在多个层时，通常为与积层结构30相接的层对应于所述基底层20。此外，关于基底层20的详细情况，将在下文进行叙述。
积层结构30包含：第1磁性层，用作存储层(storage layer)31；第2磁性层，用作参考层(reference layer)32；及非磁性层(nonmagnetic layer)33，设置在存储层31与参考层32之间，用作隧道势垒层33。在本实施方式中，积层结构30除了存储层31、参考层32及隧道势垒层33以外，还包含用作偏移消除层34的第3磁性层、及顶盖层35。在本实施方式中，存储层31设置在基底层20与隧道势垒层33之间，且与基底层20相接。
存储层(第1磁性层)31是具有垂直磁化(perpendicular magnetization)(具有相对于其主面垂直的磁化方向)的强磁性层(ferromagnetic layer)，具有可变的磁化方向(variable magnetization direction)。存储层31是导电层，含有铁(Fe)及硼(B)。也可除了铁(Fe)及硼(B)以外还含有钴(Co)。在本实施方式中，存储层31是由CoFeB形成。
参考层(第2磁性层)32是具有垂直磁化的强磁性层，具有固定的磁化方向(fixedmagnetization direction)。参考层32包含第1副磁性层32a及第2副磁性层32b。第1副磁性层32a是导电层，含有铁(Fe)及硼(B)。第1副磁性层32a也可除了铁(Fe)及硼(B)以外还含有钴(Co)。在本实施方式中，第1副磁性层32a是由CoFeB形成。第2副磁性层32b是导电层，含有钴(Co)、以及选自铂(Pt)、镍(Ni)及钯(Pd)的至少1种元素。在本实施方式中，第2副磁性层32b是由Co/Pt的人工晶格(artificial lattice)、Co/Ni的人工晶格、或Co/Pd的人工晶格形成。此外，也可在第1副磁性层32a与第2副磁性层32b之间设置由钽(Ta)等形成的中间层(intermediate layer)。
此外，所谓磁化方向可变，表示磁化方向会相对于特定的写入电流而改变，所谓磁化方向固定，表示磁化方向不会相对于特定的写入电流而改变。
隧道势垒层(非磁性层)33是介存于存储层31与参考层32之间的绝缘层，含有镁(Mg)及氧(O)。在本实施方式中，隧道势垒层33是由MgO形成。
偏移消除层(第3磁性层)34是具有垂直磁化的强磁性层，具有相对于参考层32的磁化方向反向平行(antiparallel)的固定的磁化方向。该偏移消除层34具有将从参考层32施加至存储层31的磁场消除的功能。偏移消除层34是导电层，含有钴(Co)、以及选自铂(Pt)、镍(Ni)及钯(Pd)的至少1种元素。在本实施方式中，偏移消除层34是由Co/Pt的人工晶格、Co/Ni的人工晶格、或Co/Pd的人工晶格形成。此外，也可在偏移消除层34与参考层32之间设置由钌(Ru)等形成的中间层。
顶盖层35是设置在积层结构30最上部的导电层，使用特定的金属材料而形成。
在基底层20及积层结构30的侧壁上，沿着基底层20及积层结构30的侧壁设置着侧壁绝缘层41。侧壁绝缘层41含有基底层20中所含有的至少1种第1特定元素(Mo、Mg、Re、W、V、Mn)及氧(O)。另外，侧壁绝缘层41也可还含有基底层20中所含有的至少1种第2特定元素(Zr、Ta、Hf、Nb)。侧壁绝缘层41至少设置在非磁性层33的侧面。在本实施方式中，侧壁绝缘层41是遍及积层结构30的整个侧壁而设置。关于该侧壁绝缘层41，将在下文详细地进行说明。
基底层20、积层结构30及侧壁绝缘层41由保护绝缘膜51包围。对于保护绝缘膜51例如可使用氮化硅膜。保护绝缘膜51由层间绝缘膜52包围。对于层间绝缘膜52例如可使用氧化硅膜。在保护绝缘膜51及层间绝缘膜52上形成着孔，该孔内设置着上部电极(topelectrode)53。上部电极53作为应对磁阻效应元件的一电极发挥功能，电连接在位线(未作图示)与顶盖层35之间。
在所述磁阻效应元件中，当存储层31的磁化方向与参考层32的磁化方向平行时，磁阻效应元件(积层结构30)表现出低电阻状态。当存储层31的磁化方向与参考层32的磁化方向反向平行时，磁阻效应元件(积层结构30)表现出高电阻状态。因此，磁阻效应元件能够基于其电阻状态而存储二进制(binary)数据。另外，磁阻效应元件能够根据流向积层结构30的电流的方向而设定电阻状态，也就是说能够写入二进制数据。
接下来，参照图2～图4及图1对本实施方式的磁性存储装置的制造方法进行说明。
首先，如图2所示，在包含半导体衬底(未作图示)、MOS晶体管(未作图示)、层间绝缘膜11及下部电极12等的下部结构10上，形成基底层20及磁阻效应元件用积层膜30f。具体来说，在下部结构10上，通过溅镀而形成基底层20、存储层31、隧道势垒层33、参考层(第1副磁性层32a及第2副磁性层32b)32、偏移消除层34及顶盖层35。继而，进行热处理。通过该热处理，使存储层31及参考层32等结晶。进而，在顶盖层35上形成硬质掩模60。
接着，如图3所示，使用硬质掩模60作为掩模，将积层膜30f及基底层20图案化。具体来说，通过IBE(ion beam etching，离子束蚀刻)而将积层膜30f及基底层20图案化。离子束是使用氩(Ar)离子。通过该IBE，得以获得基底层20的图案及积层膜30f的图案(积层结构30)。另外，通过该IBE，得以在基底层20及积层结构30的侧壁上沿着基底层20及积层结构30的侧壁形成侧壁层42。该侧壁层42是通过IBE对积层膜30f及基底层20进行蚀刻时所形成的再沉积层(redeposition layer)。因此，侧壁层42中含有积层膜30f及基底层20中所含有的元素。因为积层膜30f及基底层20中含有金属元素，所以侧壁层42具有导电性。
接着，如图4所示，在氧化性气体环境下对图3中所获得的结构进行氧化处理。结果，侧壁层42被氧化，而在基底层20及积层结构30的侧壁上沿着基底层20及积层结构30的侧壁形成侧壁绝缘层41。也就是说，侧壁层42中所含有的金属元素被氧化，而形成侧壁绝缘层41。一般来说，多数情况下氧化物为绝缘物。因此，通过将侧壁层42氧化而形成侧壁绝缘层41，积层结构30侧壁上的层便会从导电性变成绝缘性。如果积层结构30侧壁上的层具有导电性，那么存储层31与参考层32成为导通状态，从而将无法获得磁阻效应元件的恰当动作。通过将侧壁层42氧化使之变成侧壁绝缘层41，能够确保存储层31与参考层32之间的绝缘性，从而能够确保磁阻效应元件的恰当动作。
接着，如图1所示，形成包围基底层20、积层结构30及侧壁绝缘层41的保护绝缘膜51，并形成包围保护绝缘膜51的层间绝缘膜52。继而，在保护绝缘膜51及层间绝缘膜52上形成到达顶盖层35的孔。进而，在孔内形成上部电极53，由此便可获得图1所示的结构。
接下来，对本实施方式中的基底层20详细地进行说明。
在基底层20上形成包含存储层31等的积层结构30。因此，为了获得具有优异特性的积层结构30，基底层20的选定较为重要。一般来说，要求基底层20具有如下特性。
(a)为了在基底层20上形成结晶性优异的优质积层结构30，优选使用平坦性优异的基底层20。如果基底层20具有结晶性，那么难以获得平坦性优异的基底层20。因此，基底层20优选具有非晶结构。具体来说，优选无论是在沉积状态下还是在经过热处理等工序后的最终状态(最终结构)下基底层20均具有非晶结构。
(b)磁阻效应元件的写入动作及读出动作是通过使磁阻效应元件中流通电流而进行的。因此，基底层20优选具有低电阻(低薄片电阻)。
(c)如果在积层结构30的侧壁发生并联不良(shunt failure)(存储层31与参考层32之间的并联不良)，那么磁阻效应元件的恰当动作会受到阻碍。为了防止这种并联不良，需要将形成在积层结构30侧壁上的导电性侧壁层42氧化而形成绝缘性侧壁绝缘层41。因此，侧壁层42中所含有的元素优选容易被氧化的元素。因为最后会对基底层20进行蚀刻，所以侧壁层42中相对较多地含有基底层20中所含有的元素。因此，基底层20中所含有的元素优选能够容易地被氧化的元素。
(d)如果基底层20中所含有的元素扩散到积层结构30中而对积层结构30的特性造成不良影响，那么磁阻效应元件的特性会变差。因此，优选基底层20中不含这种会对积层结构30的特性造成不良影响的元素。例如，当使用HfB作为基底层20的材料时，也许能够满足所述特性(a)、(b)及(c)。然而，HfB中所含有的硼(B)容易扩散到积层结构30中，从而有可能会对磁阻效应元件的特性造成不良影响。
综上所述，对于基底层20的材料，优选使用满足所述特性(a)、(b)及(c)并且不含硼(B)的材料。在本实施方式中，从这种观点出发，而选定基底层20的材料。
下面，对适合基底层20的材料进行说明。基本来说，选定含有满足所述特性(c)的元素(第1特定元素)、及满足所述特性(a)的元素(第2特定元素)。
这两种元素的材料来作为适合基底层20的材料的候补。
所述第1特定元素是容易被氧化的元素。换句话说，第1特定元素优选容易被腐蚀的元素。
图5～图7是总结各种元素的腐蚀特性而得出的Pourbaix(波贝克斯)电极电位-pH图(M.Pourbaix:Werks.U.Korros.,11 761(1960))。横轴是pH，纵轴是电极电位(electrodepotential)。区域(a)是基于在溶液中的溶解而出现的腐蚀区域(分析浓度CM≥10-6mol/kgH2O)。区域(b)是基于成为气体的气化而出现的腐蚀区域(分压PM≥10-6atm)。区域(c)是基于水合氧化物皮膜(hydrous oxide film)而出现的钝态区域(passive region)。区域(d)是基于氢化物皮膜(hydride film)而出现的钝态区域。区域(e)是无感区域(insensitive region)。区域(a)及区域(b)对应于腐蚀区域，区域(c)、区域(d)及区域(e)对应于非腐蚀区域。这些图是关于水溶液中的金属腐蚀，虽状态与本实施方式不同，但大致上就是，如果区域(a)或区域(b)中包含图表中央附近的“pH＝7”且“E＝0”的点，便能够判断为相对容易腐蚀(容易被氧化)。
由图5～图7可知，锑(Sb)、砷(As)、碳(C)、铅(Pb)、铼(Re)、镍(Ni)、钴(Co)、铊(Tl)、镉(Cd)、钼(Mo)、钨(W)、锗(Ge)、锌(Zn)、钒(V)、锰(Mn)及镁(Mg)被列为容易腐蚀(容易被氧化)的第1特定元素的候补。这些元素当中，锑(Sb)、砷(As)、碳(C)、铅(Pb)、铊(Tl)、镉(Cd)及锗(Ge)是不易使用(不易处理、不易低电阻化)的元素，镍(Ni)及钴(Co)是强磁性元素，锌(Zn)是低熔点元素(熔点：420℃)，应该将它们从第1特定元素的候补中排除。因此，铼(Re)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、锰(Mn)及镁(Mg)成为第1特定元素的有力候补。
所述第2特定元素是容易采用非晶结构的元素。换句话说，第2特定元素优选具有高熔点的元素。
图8是表示具有高熔点的元素(第2特定元素的候补)的图(岩波理化学辞典第三版1971)。图8所示的元素当中，锇(Os)、铱(Ir)及钌(Ru)因耐腐蚀性较高而应该从第2特定元素的候补中排除。另外，钨(W)、铼(Re)及钼(Mo)已经作为第1特定元素被提出。因此，钽(Ta)、铌(Nb)、铪(Hf)及锆(Zr)成为第2特定元素的有力候补。
根据所述情况，基底层20优选含有选自钼(Mo)、镁(Mg)、铼(Re)、钨(W)、钒(V)及锰(Mn)的至少1种第1特定元素。另外，基底层20优选除了第1特定元素以外还含有选自锆(Zr)、钽(Ta)、铪(Hf)及铌(Nb)的至少1种第2特定元素。
下面，对能够用作基底层20的材料的例子进行说明。
首先，对使用含有钼(Mo)及锆(Zr)的材料作为用于基底层20的第1材料的情况进行说明。在此情况下，第1材料含有钼(Mo)作为第1特定元素，含有锆(Zr)作为第2特定元素。另外，第1材料也可除了钼(Mo)及锆(Zr)以外还含有钽(Ta)。在使用这些第1材料的情况下，基底层20中所含有的钼(Mo)的组成比优选低于60％。
下面，基于各种测定结果，针对第1材料进行说明。此外，测定是使用在氧化硅衬底上形成着第1材料膜的样品。
图9是针对第1材料，表示沉积态(as-deposition)下的XRD(X-Ray Diffraction)的测定结果的图。如图9所示，在仅含有钼(Mo)的材料、仅含有锆(Zr)的材料、及仅含有钽(Ta)的材料中，均观测到了波峰。另外，在Mo80Zr10Ta10(Mo 80原子％，Zr 10原子％，Ta 10原子％)的材料、及Mo80Zr20(Mo 80原子％，Zr 20原子％)的材料中，也观测到了波峰。而相对地，在Mo50Zr40Ta10(Mo 50原子％，Zr 40原子％，Ta 10原子％)的材料、及Mo50Zr50(Mo50原子％，Zr 50原子％)的材料中，未观测到波峰。因此，可知，未被观测到波峰的材料(Mo50Zr40Ta10及Mo50Zr50)不具有结晶性，而为非晶结构。
图10是表示Mo50Zr50(Mo 50原子％，Zr 50原子％)的材料的XRD的测定结果的图。(a)是沉积态下的测定结果，(b)是在300℃左右的温度下进行退火后的测定结果。在沉积状态及退火后状态下，均未观测到波峰。因此，可知，在Mo50Zr50的材料中，即便进行退火后，也维持着良好的非晶状态。
图11是表示Mo50Zr40Ta10(Mo 50原子％，Zr 40原子％，Ta 10原子％)的材料的XRD的测定结果的图。(a)是沉积态下的测定结果，(b)是在300℃左右的温度下进行退火后的测定结果。在沉积状态及退火后状态下，均未观测到波峰。因此，可知，在Mo50Zr40Ta10的材料中，即便进行退火后，也维持着良好的非晶状态。
图12是针对第1材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。横轴是进行氧化处理前的第1材料膜的厚度(沉积态下的第1材料膜的厚度)。在仅含有钼(Mo)的材料、仅含有锆(Zr)的材料、Mo50Zr50(Mo 50原子％，Zr 50原子％)的材料、Mo80Zr20(Mo 80原子％，Zr 20原子％)的材料中，均为如果膜厚薄于5nm左右那么薄片电阻大幅上升。认为其原因在于：第1材料膜被氧化了，因此电阻值大幅上升。
图13是表示所述测定结果的图。R*＝R(5nm)/R(20nm)表示基于图12的测定结果而得出的薄片电阻比。R(5nm)是进行氧化处理前的第1材料膜的厚度(沉积态下的第1材料膜的厚度)为5nm时的进行氧化处理后的薄片电阻值。R(20nm)是进行氧化处理前的第1材料膜的厚度(沉积态下的第1材料膜的厚度)为20nm时的进行氧化处理后的薄片电阻值。薄片电阻与膜厚成反比，因此如果第1材料膜未被氧化，那么R*＝R(5nm)/R(20nm)的值理论上应为4。随着膜厚变薄，氧化区域的膜厚相对于总膜厚的比率会增大，因此R*的值会变得越来越大于4。另外，在图13中标明了基于图9的测定结果而得出的XRD波峰的有无。具体来说，标明了进行氧化处理前的第1材料膜的厚度为20nm时的XRD波峰的有无。仅在使用Mo50Zr50(Mo50原子％，Zr 50原子％)的材料的情况下，无XRD波峰，而维持着良好的非晶状态。
图14是针对第1材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。与图12相同，横轴是进行氧化处理前的第1材料膜的厚度(沉积态下的第1材料膜的厚度)。在仅含有钼(Mo)的材料、仅含有钽(Ta)的材料、Mo80Zr10Ta10(Mo 80原子％，Zr 10原子％，Ta 10原子％)的材料、及Mo50Zr40Ta10(Mo 50原子％，Zr 40原子％，Ta 10原子％)的材料中，均为如果膜厚薄于5nm左右那么薄片电阻大幅上升。认为其原因在于：第1材料膜被氧化了，因此电阻值大幅上升。
图15是表示所述测定结果的图。R*＝R(5nm)/R(20nm)表示基于图14的测定结果而得出的薄片电阻比。R*＝R(5nm)/R(20nm)这个式子的规定与图13的情况相同。与图13的情况同样地，随着膜厚变薄，氧化区域的膜厚相对于总膜厚的比率会增大，因此R*的值会变得越来越大于4。另外，在图15中标明了基于图9的测定结果而得出的XRD波峰的有无。具体来说，标明了进行氧化处理前的第1材料膜的厚度为20nm时的XRD波峰的有无。仅在使用Mo50Zr40Ta10(Mo 50原子％，Zr 40原子％，Ta 10原子％)的材料的情况下，无XRD波峰，而维持着良好的非晶状态。
图16是表示改变钼(Mo)及锆(Zr)的组成比以及温度时的结晶状态的图(NIMS无机材料数据库：Yibin Xu,Masayoshi Yamazaki,and Pierre Villars:Inorganic MaterialsDatabase for Exploring the Nature of Material：Jpn.J.Appl.Phys.50(2001)11RH02)。用斜线表示的区域为分离相区域，固溶后的合金相不易生长。
由图9～图15所示的测定结果可知，在对基底层20使用含有钼(Mo)及锆(Zr)的第1材料的情况下，当Mo的组成比为50％时适合作为基底层20的材料，当Mo的组成比为80％时不适合作为基底层20的材料。另外，如图16的特性图所示，在Mo的组成比为60～67％的区域(Zr的组成比为33～40％的区域)中，容易因在低温度下进行合金化而产生结晶层。因此，在对基底层20使用含有钼(Mo)及锆(Zr)的第1材料的情况下，基底层20中所含有的钼(Mo)的组成比优选低于60％。在第1材料除了钼(Mo)及锆(Zr)以外还含有钽(Ta)的情况下，基底层20中所含有的钼(Mo)的组成比也优选低于60％。
接着，对使用含有镁(Mg)及钽(Ta)的材料作为用于基底层20的第2材料的情况进行说明。在此情况下，第2材料含有镁(Mg)作为第1特定元素，含有钽(Ta)作为第2特定元素。在使用第2材料的情况下，基底层20中所含有的镁(Mg)的组成比优选高于50％。
下面，基于各种测定结果，针对第2材料进行说明。此外，测定是使用在氧化硅衬底上形成着第2材料膜的样品。
图17是针对第2材料，表示沉积态(as-deposition)下的XRD的测定结果的图。如图17所示，在仅含有镁(Mg)的材料、及仅含有钽(Ta)的材料中，均观测到了波峰。而相对地，在Mg50Ta50(Mg 50原子％，Ta 50原子％)的材料中，未观测到波峰。因此，可知，未被观测到波峰的材料(Mg50Ta50)不具有结晶性，而为非晶结构。
图18是表示Mg50Ta50(Mg 50原子％，Ta 50原子％)的材料的XRD的测定结果的图。(a)是沉积态下的测定结果，(b)是在300℃左右的温度下进行退火后的测定结果。在沉积状态及退火后状态下，均未观测到波峰。因此，可知，在Mg50Ta50的材料中，即便进行退火后，也维持着良好的非晶状态。
图19是针对第2材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。横轴是进行氧化处理前的第2材料膜的厚度(沉积态下的第2材料膜的厚度)。在仅含有镁(Mg)的材料、及Mg50Ta50(Mg 50原子％，Ta 50原子％)的材料中，随着膜厚变薄，薄片电阻大幅上升。与第1材料的情况同样地，认为其原因在于：第2材料膜被氧化了，因此电阻值大幅上升。
图20是表示所述测定结果的图。R*＝R(5nm)/R(20nm)表示基于图19的测定结果而得出的薄片电阻比。R*＝R(5nm)/R(20nm)这个式子的规定与在图13中已经说明过的规定相同。在仅含有镁(Mg)的材料、及Mg50Ta50(Mg 50原子％，Ta 50原子％)的材料中，R*的值会变得非常大。另外，在图20中标明了基于图17的测定结果而得出的XRD波峰的有无。具体来说，标明了进行氧化处理前的第2材料膜的厚度为20nm时的XRD波峰的有无。仅在使用Mg50Ta50(Mg 50原子％，Ta 50原子％)的材料的情况下，无XRD波峰，而维持着良好的非晶状态。
由图17～图20所示的测定结果可知，在对基底层20使用含有镁(Mg)及钽(Ta)的第2材料的情况下，当Mg的组成比为50％时适合作为基底层20的材料。因此，在对基底层20使用含有镁(Mg)及钽(Ta)的第2材料的情况下，基底层20中所含有的镁(Mg)的组成比优选高于50％。
接着，对使用锰(Mn)作为用于基底层20的第3材料的情况进行说明。在此情况下，第3材料仅含有锰(Mn)作为主要元素。此外，这里所说的主要元素是指成为第3材料的主成分的元素，微量添加元素等并不包含在主要元素中。例如，第3材料含有99原子％以上的锰(Mn)。
下面，基于各种测定结果，针对第3材料进行说明。此外，测定是使用在氧化硅衬底上形成着第3材料膜的样品。
图21是针对第3材料，表示沉积态(as-deposition)下的XRD的测定结果的图。如图21所示，在Mn80Pd20(Mn 80原子％，Pd 20原子％)的材料中，观测到了波峰。而相对地，在仅含有锰(Mn)的材料中，未观测到波峰。因此，可知，仅含有锰(Mn)的材料不具有结晶性，而为非晶结构。
图22是表示仅含有锰(Mn)的材料的XRD的测定结果的图。(a)是沉积态下的测定结果，(b)是在300℃左右的温度下进行退火后的测定结果。在沉积状态及退火后状态下，均未观测到波峰。因此，可知，在仅含有Mn的材料中，即便进行退火后，也维持着良好的非晶状态。
图23是针对第3材料，表示进行氧化处理后的薄片电阻的测定结果的图。横轴是进行氧化处理前的第3材料膜的厚度(沉积态下的第3材料膜的厚度)。在Mn80Pd20(Mn80原子％，Pd 20原子％)的材料中，即便膜厚变薄，也未见薄片电阻大幅上升。而相对地，在仅含有锰(Mn)的材料中，随着膜厚变薄，薄片电阻大幅上升。与第1材料的情况同样地，认为其原因在于：第3材料膜被氧化了，因此电阻值大幅上升。
图24是表示所述测定结果的图。R*＝R(5nm)/R(20nm)表示基于图23的测定结果而得出的薄片电阻比。R*＝R(5nm)/R(20nm)这个式子的规定与在图13中已经说明过的规定相同。在仅含有锰(Mn)的材料中，R*的值会变得非常大。另外，在图24中标明了基于图21的测定结果而得出的XRD波峰的有无。具体来说，标明了进行氧化处理前的第3材料膜的厚度为20nm时的XRD波峰的有无。在使用仅含有锰(Mn)的材料的情况下，即便在退火后也无XRD波峰。因此，在使用仅含有锰(Mn)的材料的情况下，即便在退火后也维持着良好的非晶状态。
根据图21～图24所示的测定结果，认为仅含有锰(Mn)作为主要元素的材料也适合作为基底层20的材料。
如上所述，根据本实施方式，通过使用至少含有第1特定元素且具有非晶结构的导电性基底层20，能够获得平坦性优异且具有低电阻的优异的基底层20。因此，能够形成结晶性优异的优质积层结构30，且能够确保充分的写入及读出电流。另外，通过使用本实施方式的基底层20，能够将形成在积层结构30侧壁的侧壁层42氧化而容易地将其转换成侧壁绝缘层41，因此能够防止侧壁上的并联不良。
另外，也可使基底层20中不含硼(B)等会对积层结构30的特性造成不良影响的元素，因此能够防止这种元素扩散到积层结构30中而导致磁阻效应元件的特性变差。此外，在所述实施方式中，虽存储层31及参考层32中含有硼(B)，但存储层31及参考层32是在准确地控制着硼(B)浓度的状态下成膜的。因此，存储层31及参考层32中的硼(B)不会成为使磁阻效应元件的特性变差的大因素。而相对地，准确地控制基底层20中所含有的硼(B)向积层结构30中扩散的量非常困难，从而会成为使磁阻效应元件的特性变差的大因素。在本实施方式中，使基底层20中不含硼(B)等元素也能够获得像所述那样优异的磁阻效应元件。
另外，在本实施方式中，通过使用含有第1特定元素及第2特定元素的基底层20，能够通过第1特定元素来确保氧化容易性，通过第2特定元素来确保非晶结构的形成容易性，因此能够有效地获得像所述那样优异的基底层20。
综上所述，根据本实施方式，通过设置如上所述基底层20，能够获得具有优异特性的磁阻效应元件。
图25是示意性地表示本实施方式变更例的磁性存储装置的构成的剖视图。此外，因为基本事项与所述实施方式相同，所以省略在所述实施方式中已经说明过的事项的说明。
在所述实施方式中，存储层(第1磁性层)31设置在基底层20与非磁性层33之间，但在本变更例中，参考层(第2磁性层)32及偏移消除层(第3磁性层)34设置在基底层20与非磁性层33之间。基本构成材料及基本制造方法与所述实施方式相同。
在本变更例中，也能够通过使用与所述实施方式相同的基底层20来获得与所述实施方式相同的效果，从而能够获得具有优异特性的磁阻效应元件。
图26是示意性地表示半导体集成电路装置的一般性构成的一例的剖视图，其中所述半导体集成电路装置应用所述实施方式中所示的阻效应元件。
在半导体衬底SUB内形成着嵌入栅极(buried gate)型MOS晶体管TR。MOS晶体管TR的栅极电极被用作字线WL。MOS晶体管TR的源极/漏极区域S/D中的一者上连接着下部电极(bottom electrode)BEC，源极/漏极区域S/D中的另一者上连接着源极线接点SC。
在下部电极BEC上形成着磁阻效应元件MTJ，在磁阻效应元件MTJ上形成着上部电极(top electrode)TEC。上部电极TEC上连接着位线BL。源极线接点SC上连接着源极线SL。
通过将所述实施方式中所说明那样的磁阻效应元件应用于如图26所示的半导体集成电路装置，能够获得优异的半导体集成电路装置。
以下，附记所述实施方式的内容。
[附记1]
一种磁性存储装置，具备：
导电性基底层，具有非晶结构，且含有选自钼(Mo)、镁(Mg)、铼(Re)、钨(W)、钒(V)及锰(Mn)的至少1种第1特定元素；以及
积层结构，设置在所述基底层上，且包含具有可变磁化方向的第1磁性层、具有固定磁化方向的第2磁性层、及设置在所述第1磁性层与所述第2磁性层之间的非磁性层。
[附记2]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层还含有选自锆(Zr)、钽(Ta)、铪(Hf)及铌(Nb)的至少1种第2特定元素。
[附记3]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层含有钼(Mo)及锆(Zr)。
[附记4]
如附记3所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层还含有钽(Ta)。
[附记5]
如附记3所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层中所含有的钼(Mo)的组成比低于60％。
[附记6]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层含有镁(Mg)及钽(Ta)。
[附记7]
如附记6所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层中所含有的镁(Mg)的组成比高于50％。
[附记8]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层仅含有锰(Mn)作为主要元素。
[附记9]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层不含硼(B)。
[附记10]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
还具备侧壁绝缘层，其中所述侧壁绝缘层是沿着所述积层结构的侧壁而设置，且含有所述基底层中所含有的至少1种所述第1特定元素及氧(O)。
[附记11]
如附记10所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述侧壁绝缘层还含有所述基底层中含有且选自锆(Zr)、钽(Ta)、铪(Hf)及铌(Nb)的至少1种第2特定元素。
[附记12]
如附记10所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述侧壁绝缘层至少设置在所述非磁性层的侧面。
[附记13]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述第1磁性层含有铁(Fe)及硼(B)。
[附记14]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述第2磁性层包含第1副磁性层，其中所述第1副磁性层含有铁(Fe)及硼(B)。
[附记15]
如附记14所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述第2磁性层还包含第2副磁性层，其中所述第2副磁性层含有钴(Co)、以及选自铂(Pt)、镍(Ni)及钯(Pd)的至少1种元素。
[附记16]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述非磁性层含有镁(Mg)及氧(O)。
[附记17]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述第1磁性层设置在所述基底层与所述非磁性层之间。
[附记18]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述第1磁性层与所述基底层相接。
[附记19]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述第2磁性层设置在所述基底层与所述非磁性层之间。
[附记20]
如附记1所记载的磁性存储装置，其特征在于：
所述积层结构还包含第3磁性层，其中所述第3磁性层具有相对于所述第2磁性层的磁化方向反向平行的固定的磁化方向。
已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，并非意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其他各种方式加以实施，且能够在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及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同等的范围内。
[符号的说明]
10 下部结构
11 层间绝缘膜
12 下部电极
20 基底层
30 积层结构
31 存储层(第1磁性层)
32 参考层(第2磁性层)
33 隧道势垒层(非磁性层)
34 偏移消除层(第3磁性层)
35 顶盖层
41 侧壁绝缘层
42 侧壁层
51 保护绝缘膜
52 层间绝缘膜
53 上部电极
60 硬质掩模

Claims (20)

1.一种磁性存储装置，具备：
导电性基底层，具有非晶结构，且含有至少1种第1元素，并含有至少1种第2元素；以及
积层结构，设置在所述基底层上，且包含具有可变磁化方向的第1磁性层、具有固定磁化方向的第2磁性层、及设置在所述第1磁性层与所述第2磁性层之间的非磁性层；且
所述第1元素与所述第2元素的组合选自以下的组合：
钼(Mo)及锆(Zr)、钼(Mo)及钽(Ta)、钼(Mo)及铪(Hf)、钼(Mo)及铌(Nb)、镁(Mg)及锆(Zr)、镁(Mg)及钽(Ta)、镁(Mg)及铌(Nb)、铼(Re)及锆(Zr)、铼(Re)及钽(Ta)、铼(Re)及铪(Hf)、铼(Re)及铌(Nb)、钨(W)及锆(Zr)、钨(W)及钽(Ta)、钨(W)及铪(Hf)、钨(W)及铌(Nb)、钒(V)及锆(Zr)、钒(V)及钽(Ta)、钒(V)及铪(Hf)、钒(V)及铌(Nb)、锰(Mn)及锆(Zr)、锰(Mn)及钽(Ta)、锰(Mn)及铪(Hf)、锰(Mn)及铌(Nb)。
2.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层含有钼(Mo)及锆(Zr)。
3.根据权利要求2所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层还含有钽(Ta)。
4.根据权利要求2所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层中所含有的钼(Mo)的组成比低于60原子％。
5.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层含有镁(Mg)及钽(Ta)。
6.根据权利要求5所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层中所含有的镁(Mg)的组成比高于50原子％。
7.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层仅含有锰(Mn)作为主要元素。
8.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层不含硼(B)。
9.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其特征在于：
还具备侧壁绝缘层，其中所述侧壁绝缘层是沿着所述积层结构的侧壁而设置，且含有所述基底层中所含有的至少1种所述第1元素及氧(O)。
10.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层与所述积层结构直接相接。
11.一种磁性存储装置，具备：
第1电极；
第2电极；
导电性基底层，具有非晶结构，且含有至少1种第1元素，并含有至少1种第2元素；以及
积层结构，包含具有可变磁化方向的第1磁性层、具有固定磁化方向的第2磁性层、及设置在所述第1磁性层与所述第2磁性层之间的非磁性层；且
所述积层结构设置在所述第1电极与所述基底层之间，所述基底层设置在所述第2电极与所述积层结构之间；
所述第1元素与所述第2元素的组合选自以下的组合：
钼(Mo)及锆(Zr)、钼(Mo)及钽(Ta)、钼(Mo)及铪(Hf)、钼(Mo)及铌(Nb)、镁(Mg)及锆(Zr)、镁(Mg)及钽(Ta)、镁(Mg)及铌(Nb)、铼(Re)及锆(Zr)、铼(Re)及钽(Ta)、铼(Re)及铪(Hf)、铼(Re)及铌(Nb)、钨(W)及锆(Zr)、钨(W)及钽(Ta)、钨(W)及铪(Hf)、钨(W)及铌(Nb)、钒(V)及锆(Zr)、钒(V)及钽(Ta)、钒(V)及铪(Hf)、钒(V)及铌(Nb)、锰(Mn)及锆(Zr)、锰(Mn)及钽(Ta)、锰(Mn)及铪(Hf)、锰(Mn)及铌(Nb)。
12.根据权利要求11所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层含有钼(Mo)及锆(Zr)。
13.根据权利要求12所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层还含有钽(Ta)。
14.根据权利要求12所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层中所含有的钼(Mo)的组成比低于60原子％。
15.根据权利要求11所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层含有镁(Mg)及钽(Ta)。
16.根据权利要求15所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层中所含有的镁(Mg)的组成比高于50原子％。
17.根据权利要求11所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层仅含有锰(Mn)作为主要元素。
18.根据权利要求11所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层不含硼(B)。
19.根据权利要求11所述的磁性存储装置，其特征在于：
还具备侧壁绝缘层，其中所述侧壁绝缘层是沿着所述积层结构的侧壁而设置，且含有所述基底层中所含有的至少1种所述第1元素及氧(O)。
20.根据权利要求11所述的磁性存储装置，其特征在于：
所述基底层与所述积层结构直接相接。
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