CN111226324A - 隧道磁阻效应元件、磁存储器、内置型存储器及制作隧道磁阻效应元件的方法 - Google Patents

隧道磁阻效应元件、磁存储器、内置型存储器及制作隧道磁阻效应元件的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111226324A
CN111226324A CN201780095962.1A CN201780095962A CN111226324A CN 111226324 A CN111226324 A CN 111226324A CN 201780095962 A CN201780095962 A CN 201780095962A CN 111226324 A CN111226324 A CN 111226324A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
region
magnetization free
tunnel junction
magnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201780095962.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111226324B (zh
Inventor
佐佐木智生
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Corp
Original Assignee
TDK Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Corp filed Critical TDK Corp
Publication of CN111226324A publication Critical patent/CN111226324A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111226324B publication Critical patent/CN111226324B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H01F10/3259—Spin-exchange-coupled multilayers comprising at least a nanooxide layer [NOL], e.g. with a NOL spacer
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G11C11/161—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/18—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being compounds
    • H01F10/20—Ferrites
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/329—Spin-exchange coupled multilayers wherein the magnetisation of the free layer is switched by a spin-polarised current, e.g. spin torque effect
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F41/305—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices applying the spacer or adjusting its interface, e.g. in order to enable particular effect different from exchange coupling
    • H01F41/307—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices applying the spacer or adjusting its interface, e.g. in order to enable particular effect different from exchange coupling insulating or semiconductive spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/32—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film
    • H01F41/34—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying conductive, insulating or magnetic material on a magnetic film, specially adapted for a thin magnetic film in patterns, e.g. by lithography
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H10B61/20—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors
    • H10B61/22—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices comprising components having three or more electrodes, e.g. transistors of the field-effect transistor [FET] type
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N52/00—Hall-effect devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)

Abstract

本发明提供一种TMR元件，该TMR元件(1)具备磁隧道接合元件部(2)和设置于磁隧道接合元件部的侧面且含有绝缘材料的侧壁部(17)，磁隧道接合元件部具有：参照层(3)、磁化自由层(7)、在层叠方向上层叠于参照层和磁化自由层之间的隧道势垒层(5)、以及层叠于磁化自由层的与隧道势垒层侧相反侧的盖层(9)，侧壁部含有绝缘材料，具有覆盖磁隧道接合元件部的参照层、隧道势垒层、磁化自由层、及盖层中的至少一个侧面的第一区域(R1)，第一区域含有构成磁隧道接合元件部的参照层，隧道势垒层，磁化自由层，及盖层中的至少一个层的元素(除氧以外)中的至少一种作为含有元素。

Description

隧道磁阻效应元件、磁存储器、内置型存储器及制作隧道磁阻 效应元件的方法
技术领域
本发明涉及隧道磁阻效应元件、磁存储器、内置型存储器及制作隧道磁阻效应元件的方法。
背景技术
目前已知有具有依次层叠了作为磁化固定层的参照层、非磁性间隔(spacer)层、及磁化自由层的结构的巨磁阻效应(GMR)元件、及隧道磁阻效应(TMR)元件等磁阻效应元件。其中，使用绝缘层(隧道势垒层)作为非磁性间隔层的TMR元件与使用导电层作为非磁性间隔层的GMR元件相比，通常是虽然元件电阻高，但能够实现高磁阻(MR比)。因此，TMR元件作为被利用于磁传感器、磁头、及磁阻随机存取存储器(MRAM，Magnetic Random AccessMemory)等的元件备受关注(例如，下述专利文献1及2)。
作为使TMR元件的磁化自由层的磁化方向反转的方法，已知有被称为“自旋注入磁化反转”的技术，该“自旋注入磁化反转”的技术是向磁化自由层流通自旋极化电流，使自旋转移力矩(spin transfer torque,STT)从电子自旋作用于磁化自由层的技术。例如由于通过将该技术应用于MRAM，不需要用于使磁化自由层的磁化方向反转的磁场发生用配线等理由，能够减小存储单元，可实现高集成化。通常，使用基于STT的磁化反转技术的MRAM被称为“STT-MRAM”。
在STT-MRAM之类的半导体设备中，其制造工艺例如往往包含摄氏300度以上的高温气氛下的退火工序(例如，下述专利文献4～6)。高温气氛下的退火工序是为提高STT-MRAM所含的TMR元件的膜质及结晶性而进行的。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5586028号公报
专利文献2：日本专利第5988019号公报
专利文献3：美国专利第8921961号说明书
专利文献4：美国专利第8860156号说明书
专利文献5：美国专利第9006704号说明书
专利文献6：美国专利第8542524号说明书
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，通过高温气氛下的退火工序，往往会提高TMR元件的膜质及结晶性，另一方面，例如，构成TMR元件的磁隧道接合元件部的一部分元素会通过扩散等而移至设置于该磁隧道接合元件部的外侧的侧壁部。当构成磁隧道接合元件部的一部分元素移至侧壁部时，磁隧道接合部所含的元素的组成与退火工序前相比就会发生变化，其结果是，磁隧道接合元件部有时不满足规定的特性。在高温气氛下的退火工序中，优选在提高了TMR元件的膜质及结晶性的基础上，抑制构成磁隧道接合元件部的元素向侧壁部的移动。
本发明是鉴于上述技术问题而完成的，其目的在于，提供一种TMR元件，其能够降低构成磁隧道接合元件部的元素向侧壁部的移动。另外，其目的在于，提供一种具备该TMR元件的磁存储器、及具备该磁存储器的内置型存储器。进而，其目的在于，提供一种制作TMR元件的方法，其能够降低构成磁隧道接合元件部的元素向侧壁部的移动。
用于解决技术问题的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明的一个实施方式的隧道磁阻效应(TMR)元件具备磁隧道接合元件部和设置于磁隧道接合元件部的侧面且含有绝缘材料的侧壁部，磁隧道接合元件部具有：参照层、磁化自由层、在层叠方向上层叠于参照层和磁化自由层之间的隧道势垒层、和层叠于磁化自由层的与隧道势垒层侧相反侧的盖层，侧壁部含有上述绝缘材料，具有覆盖磁隧道接合元件部的参照层、隧道势垒层、磁化自由层、及盖层中的至少一个侧面的第一区域，第一区域含有构成磁隧道接合元件部的参照层、隧道势垒层、磁化自由层、及盖层中的至少一个层的元素(除氧以外)中的至少一种作为含有元素。
根据本发明的一个实施方式的TMR元件，磁隧道接合元件部的侧面被含有上述绝缘材料的第一区域覆盖。由于第一区域含有构成磁隧道接合元件部中的由第一区域覆盖的层的元素作为含有元素，因此与在第一区域内仅存在与构成该覆盖的层的元素不同的元素的情况相比，该覆盖的层和第一区域中的与上述含有元素有关的熵变大。因此，与在第一区域内仅存在与构成该覆盖的层的元素不同的元素的情况相比，构成由第一区域覆盖的上述层的上述元素难以热力学地从该覆盖的层向第一区域扩散。其结果是，在制作TMR元件时，即使磁隧道接合元件部在高温气氛下被退火，第一区域也降低上述含有元素向侧壁部的移动。由于构成磁隧道接合元件部的元素的组成的变化得到抑制，因此本发明的一个实施方式的TMR元件能够维持高MR比之类的规定的特性。
进而，在本发明的一个实施方式的TMR元件中，侧壁部可含有绝缘材料，具有覆盖第一区域的外缘的第二区域，第一区域可位于磁隧道接合元件部和第二区域之间。由此，由于含有绝缘材料的第二区域设置于侧壁部，因此侧壁部的绝缘性进一步提高。
进而，在本发明的一个实施方式的TMR元件中，第一区域可具有含有B、Al及Si中的至少一种作为上述含有元素的氮化物，第二区域可具有含有B、Al及Si中的至少一种作为含有元素的氮化物。由此，第一区域及第二区域均具有高绝缘性。另外，由于这些元素在磁隧道接合元件部的退火工序中，很少在磁隧道接合元件部和侧壁部之间相互扩散，因此退火工序前后的TMR元件的元件电阻的变化进一步降低。
进而，在本发明的一个实施方式的TMR元件中，从第一区域的外缘到参照层的侧面的距离可为3nm以上。由此，即使通过摄氏400度之类的高温气氛下的磁隧道接合元件部的退火，也会特别降低构成磁隧道接合元件部的参照层的元素向侧壁部移动。TMR元件中的磁特性的降低可得到抑制。
进而，在本发明的一个实施方式的TMR元件中，从第一区域的外缘到隧道势垒层的侧面的距离可比从第一区域的外缘到盖层的侧面的距离大。由此，会特别降低给TMR元件的特性造成较大影响的隧道势垒层的元素的移动。
进而，在本发明的一个实施方式的TMR元件中，第一区域可具有含有Co、Fe及Ta中的至少一种作为含有元素的氮化物。由此，由于第一区域含有Co、Fe及Ta之类的特别容易移动的元素，因此通过第一区域，来阻止这些元素的退火时的移动。因此，会特别有效地发挥降低构成磁隧道接合元件部的元素向侧壁部移动等的本发明的效果。
进而，在本发明的一个实施方式的TMR元件中，参照层的磁化方向实质上固定于沿着层叠方向的方向，盖层可包含垂直磁化感应层，垂直磁化感应层可对磁化自由层赋予沿着层叠方向的方向的磁各向异性。
进而，在本发明的一个实施方式的TMR元件中，隧道势垒层可由用通式：AB2O4(式中，A是选自Mg及Zn中的至少一种元素，B是选自Al、Ga及In中的至少一种元素)表示的具有尖晶石构造的氧化物材料构成。
根据本发明的一个实施方式的TMR元件，隧道势垒层由可用多种元素来置换的具有晶体结构的尖晶石构造的氧化物材料构成。因为这些材料能够特别有效地对磁化自由层赋予沿着层叠方向的方向的磁各向异性，所以能够将磁化自由层的易磁化轴的方向特别稳定地设定成垂直方向。
另外，本发明的一个实施方式的磁存储器具备上述中的任一个TMR元件作为存储元件。
另外，本发明的一个实施方式的内置型存储器具备上述的磁存储器。
进而，本发明的一个实施方式的制作隧道磁阻效应元件(TMR元件)的方法具备：形成依次层叠了参照层、隧道势垒层、磁化自由层、及盖层的磁阻层叠膜的工序；对磁阻层叠膜进行蚀刻从而形成包含参照层、隧道势垒层、磁化自由层、及盖层并沿层叠方向延伸的磁隧道接合元件部的工序；形成含有绝缘材料并且覆盖磁隧道接合元件部的侧面的第一区域的工序，其中所述第一区域覆盖所述磁隧道接合元件部的所述参照层、所述隧道势垒层、所述磁化自由层、及所述盖层中的至少一个侧面的工序，第一区域含有构成磁隧道接合元件部的所述参照层、所述隧道势垒层、所述磁化自由层、及所述盖层中的所述至少一个层的元素(除氧以外)中的至少一种作为含有元素。
根据本发明的一个实施方式的制作TMR元件的方法，形成含有构成磁隧道接合元件部的元素的第一区域。由于第一区域覆盖磁隧道接合元件部的侧面，因此在制作TMR元件时，即使磁隧道接合元件部在高温气氛下被退火，第一区域也会降低构成磁隧道接合元件部中的由第一区域接触的层的元素向侧壁部移动。由于在磁隧道接合元件部被退火之后，也会抑制构成磁隧道接合元件部的元素的组成变化，因此制作出的TMR元件能够维持高MR比等的规定的特性。
发明效果
根据本发明，可提供一种能够降低构成磁隧道接合元件部的元素向侧壁部移动的TMR元件。另外，可提供一种具备该TMR元件的磁存储器、及具备该磁存储器的内置型存储器。进而，可提供一种制作TMR元件的方法，其能够降低构成磁隧道接合元件部的元素向侧壁部的移动。
附图说明
图1是具备第一实施方式的TMR元件的MRAM的俯视截面图。
图2是第一实施方式的MRAM的纵截面的示意图。
图3是表示第一实施方式的MRAM的电连接的图。
图4是第一实施方式的MRAM的TMR元件附近的截面图。
图5是放大表示图4的区域V的图。
图6是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图7是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图8是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图9是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图10是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图11是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图12是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图13是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图14是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图15是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图16是表示用于对第一实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图17是放大表示第二实施方式的TMR元件附近的截面的图。
图18是表示用于对第二实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图19是表示用于对第二实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图。
图20是第三实施方式的MRAM的纵截面的示意图。
符号说明
1…TMR元件
2…磁隧道接合元件部
3…参照层
5…隧道势垒层
7…磁化自由层
9…盖层
17…侧壁部
B1…外缘
R1…第一区域
R2…第二区域
具体实施方式
下面，参照附图对用于实施本发明的方式进行详细说明。此外，在各附图中，在可能的情况下，同一要素使用同一符号。另外，为了便于看图，附图中的构成要素内及构成要素间的尺寸比分别为任意比例。
(第一实施方式)
图1是具备本实施方式的垂直磁化型的隧道磁阻效应元件(TMR元件)的磁存储器(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)的俯视截面图，图2是本实施方式的MRAM的纵截面的示意图。图1与图2的MRAM100的沿着I-I线的截面对应。此外，根据需要，图1及其以后的图均表示三维直角坐标系R。在使用三维直角坐标系R的情况下，将各层的厚度方向设为Z轴方向，将垂直于Z轴的两个正交轴设为X轴及Y轴。
如图1所示，本实施方式的MRAM100具有在XY平面内配置为阵列状(在图1中，5列5行)的多个TMR元件1。多个TMR元件1分别作为MRAM100的存储元件发挥功能。TMR元件1的详细如后所述，具有层叠部ST和掩埋层叠部ST的侧壁部17。另外，如图2所示，MRAM100具备：半导体基板50、晶体管阵列60、通孔配线部25、层间绝缘层27、字线WL、包含侧壁部17的TMR元件阵列70、上部配线UL、和覆盖上部配线UL的上表面的绝缘体80。此外，在图1及图2中，除了字线WL以外，省略了连接上部配线UL和晶体管阵列60的其它电气配线的图示。
晶体管阵列60设置于半导体基板50的沿XY平面延伸的主面上。MRAM100具有用于分别驱动多个TMR元件1的、设置为阵列状的多个晶体管T(参照图3)。多个通孔配线部25及多个字线WL设置于晶体管阵列60上。各通孔配线部25将晶体管阵列60的多个晶体管T中的一个和TMR元件阵列70的多个TMR元件1电连接。多个通孔配线部25及多个字线WL被掩埋于层间绝缘层27内，通过层间绝缘层27而被相互绝缘。
图3是表示本实施方式的MRAM的电连接的图。在图3中，仅表示出了与TMR元件阵列70的多个TMR元件1中的、五个TMR元件1相关联的电连接。
如图3所示，各TMR元件1的一端与各晶体管T的漏极D电连接，各TMR元件1的另一端与位线BL电连接。位线BL包含在上部配线UL(参照图2)中。各晶体管T的栅极与各字线WL电连接，各晶体管T的源极S与源极线SL电连接。各晶体管T作为MRAM100的存储元件发挥功能，一个晶体管T和与该晶体管电连接的一个晶体管T构成一个存储单元。
在向MRAM100的存储单元写入数据时，对与写入对象TMR元件1对应的字线WL施加选择电压，在其TMR元件1已接通的情况下，对位线BL和源极线SL间施加电压，以使与写入数据(“1”或“0”)对应的极性的电流流过其TMR元件1。这时的施加电压的大小设定为可使其TMR元件1的磁化自由层7(参照图4)产生如后所述的自旋注入磁化反转的大小。由此，将其TMR元件1的磁化自由层7(参照图4)的磁化方向设定为与写入数据对应的方向。
在读出MRAM100的存储单元的数据时，对与读出对象TMR元件1对应的字线WL施加选择电压，在其TMR元件1已接通的情况下，对位线BL和源极线SL间施加比写入时还小的电压。由此，经由其TMR元件1向位线BL和源极线SL间通以与存储于其TMR元件1的数据对应的大小的电流，所以通过检测其电流值，进行数据的读出。
接下来，对本实施方式的TMR元件1的更详细的结构进行说明。图4是本实施方式的MRAM的TMR元件附近的截面图。图4表示图2所示的MRAM100的纵截面中的一个TMR元件附近的截面。图5是放大表示图4的区域V的图。
如图4及图5所示，TMR元件1具备层叠部ST和设置于层叠部ST的外侧的侧壁部17。层叠部ST由沿层叠方向即Z轴方向层叠的多个层构成，例如具有设置于通孔配线部25上的基底层21上的磁隧道接合元件部2和设置于磁隧道接合元件部2上的掩模层15。磁隧道接合元件部2是依次层叠作为磁化固定层发挥功能的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、盖层9而构成的。因此，隧道势垒层5在Z轴方向上层叠于参照层3和磁化自由层7之间，盖层9层叠于磁化自由层7的隧道势垒层5侧相反侧。在TMR元件1中，通过经由隧道势垒层5流向磁化自由层7的自旋极化电流，能够使磁化自由层7的磁化方向反转。参照层3的磁化方向实质上固定于沿着层叠方向的方向。盖层9可包含垂直磁化感应层9d，垂直磁化感应层9d对磁化自由层7赋予沿着层叠方向的方向的磁各向异性。
磁隧道接合元件部2例如在隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9的外侧具有凹部10。在磁隧道接合元件部2中，隧道势垒层5的侧面5c例如可具有如隧道势垒层5的宽度W5随着从参照层3和隧道势垒层5的边界向隧道势垒层5和磁化自由层7的边界而单调减少那样的倾斜。磁化自由层7可具有比隧道势垒层5的宽度W5还小的宽度W7。
另外，在磁隧道接合元件部2中，盖层9的侧面9c例如可具有如盖层9的宽度W9随着从掩模层15和盖层9的边界向盖层9和磁化自由层7的边界而单调减少那样的倾斜。磁化自由层7具有比盖层9的宽度W9还小的宽度W7。
此外，在隧道势垒层5及盖层9中，侧面5c及侧面9c分别可具有隧道势垒层5的宽度W5及盖层9的宽度W9单调变化的直线性的倾斜，但侧面5c及侧面9c也可以具有这种直线性的倾斜以外的倾斜。例如，侧面5c及侧面9c也可以具有曲线性的倾斜，还可以在那些侧面上具有突起或凹部。
在层叠部ST中，通孔配线部25由导电性的材料构成，例如由Cu等金属构成。基底层21由导电性的材料构成，例如由导电性氧化物、导电性氮化物、导电性氧氮化物、或硅化物构成。因此，本实施方式的TMR元件1的一端即参照层3的下表面经由基底层21及通孔配线部25与晶体管T的漏极D(参照图3)电连接。
基底层21是为提高层叠部ST的各层特别是隧道势垒层5的平坦性而设置的，所以基底层21的上表面的平坦性比通孔配线部25的上表面的平坦性高。基底层21的上表面具有较高的平坦性，沿XY平面延伸，在其上表面形成有层叠部ST。通孔配线部25及基底层21被层间绝缘层27掩埋，通过层间绝缘层27，从与其它TMR元件1电连接的通孔配线部及基底层被电绝缘。
参照层3由Co、Co-Fe合金、Co-Fe-B合金等铁磁性材料构成。参照层3的磁化方向实质上固定于沿着Z轴方向的方向。参照层3的Z轴方向的厚度例如可设为3nm以上且10nm以下。另外，参照层3可具有以各磁性层的磁化方向成为垂直方向的方式重复层叠有例如Co/Pt或Co/Ni等多层膜的构造。
进而，参照层3可具有利用经由Ru或Ir等薄膜的RKKY相互作用来抵消在参照层3内产生的磁场的构造。该构造是合成反铁磁性(Synthetic Anti-Ferromagnet，SAF)构造，即是如下构造：具有由铁磁性材料构成的两个铁磁性层和层叠于该两个铁磁性层之间的非磁性层，经由该非磁性层，该两个铁磁性层的磁化方向通过基于RKKY相互作用的交换耦合而相互反平行地耦合。
隧道势垒层5由绝缘材料构成。隧道势垒层5优选构成为基于与后述的盖层9同样的原理，在磁化自由层7中感应出垂直磁各向异性。这是因为磁化自由层7的垂直磁化更稳定，能够加厚磁化自由层7的膜厚。作为构成可在磁化自由层7中感应出垂直磁各向异性的隧道势垒层5的材料，例如可举出MgO、ZnO、GaOX或由通式：AB2O4(式中，A是选自Mg及Zn中的至少一种元素，B是选自Al、Ga及In中的至少一种元素)表示的具有尖晶石构造的氧化物材料等氧化物材料。
但是，隧道势垒层5也可以构成为不在磁化自由层7中感应出垂直磁各向异性。在这种情况下，隧道势垒层5可由AlNX、Cu(In0.8Ga0.2)Se2等构成。
就隧道势垒层5而言，Z轴方向的厚度薄至在对参照层3及磁化自由层7间施加了电压时会沿Z轴方向向隧道势垒层5流通隧道电流的程度。隧道势垒层5的Z轴方向的厚度例如可设为1nm以上且3nm以下。
另外，在本实施方式中，隧道势垒层5由在磁化自由层7中的、磁化自由层7和隧道势垒层5的界面附近的区域内感应出沿着Z轴方向的磁各向异性(垂直磁各向异性)的材料构成。由此，与后述的盖层9一同对磁化自由层7赋予沿着Z轴的方向(垂直方向)的磁各向异性。但是，如果通过盖层9的作用等，能够使磁化自由层7的易磁化轴充分稳定地朝向沿着Z轴的方向，则隧道势垒层5也可以由不在磁化自由层7中感应出垂直磁各向异性的材料构成。
磁化自由层7由Fe、Co-Fe、Co-Fe-B及铁磁性的哈斯勒合金(heusler alloys)等铁磁性材料构成。磁化自由层7的磁化方向实质上不固定。
垂直磁化感应层9d例如由MgO、ZnO、Ga2O3或由通式：AB2O4(式中，A是选自Mg及Zn中的至少一种元素，B是选自Al、Ga及In中的至少一种元素)表示的具有尖晶石构造的氧化物材料构成。
垂直磁化感应层9d优选构成为XY面内的每单位面积的沿着Z轴方向的电阻值比隧道势垒层5小。特别是在盖层9由绝缘材料构成的情况下，盖层9的Z轴方向的厚度优选比隧道势垒层5的Z轴方向的厚度薄。
垂直磁化感应层9d由在磁化自由层7中的、磁化自由层7和盖层9的界面附近的区域内，基于自旋/轨道相互作用而感应出沿着Z轴的方向的磁各向异性(垂直磁各向异性)的材料构成。由此，与上述的隧道势垒层5一同对磁化自由层7赋予沿着Z轴的方向(垂直方向)的磁各向异性。
此外，盖层9也可以不包含垂直磁化感应层9d。在那种情况下，参照层3的磁化方向沿着与层叠方向交叉的方向(面内方向，即与XY平面平行的方向)而被固定，磁化自由层7的易磁化轴也可以设定为沿着面内方向。
磁化自由层7的沿着Z轴方向的厚度薄至通过如上所述的隧道势垒层5及垂直磁化感应层9d的赋予磁各向异性的功能，磁化自由层7的易磁化轴稳定地成为沿着Z轴的方向的程度。该厚度例如可设为1nm以上且3nm以下。
掩模层15层叠于垂直磁化感应层9d上。掩模层15由导电性的材料构成，例如由Ta、Ru、W、TaN、TiN、CuN等金属构成。而且，本实施方式的TMR元件1的另一端即掩模层15的上表面与位线BL(参照图3)电连接。
侧壁部17由绝缘材料构成，覆盖层叠部ST的侧面。由此，侧壁部17将TMR元件1的层叠部ST和其它TMR元件的层叠部电绝缘。侧壁部17例如由SiN等氮化物材料或SiON等氧氮化物材料构成。
另外，侧壁部17具有由绝缘材料构成的第一区域R1，该第一区域R1覆盖磁隧道接合元件部2的侧面2c的至少一部分，即，覆盖参照层3的侧面3c、隧道势垒层5的侧面5c、磁化自由层7的侧面7c、及盖层9的侧面9c中的至少一个。第一区域R1可以覆盖磁隧道接合元件部2的全部侧面2c，另外，也可以仅覆盖磁隧道接合元件部2的侧面2c的一部分。第一区域R1也可以与磁隧道接合元件部2的侧面2c的至少一部分一同覆盖掩模层15的侧面15c。第一区域R1也可以覆盖磁隧道接合元件部2的全部侧面2c和掩模层15的侧面15c。
由绝缘材料构成的第一区域R1可与磁隧道接合元件部2的侧面2c中的至少一部分接触，即，可与参照层3的侧面3c、隧道势垒层5的侧面5c、磁化自由层7的侧面7c、及盖层9的侧面9c中的至少一个侧面接触。第一区域R1可与磁隧道接合元件部2的全部侧面2c接触，另外，可仅与磁隧道接合元件部2的侧面2c的一部分接触。第一区域R1可与磁隧道接合元件部2的侧面2c的至少一部分一同与掩模层15的侧面15c接触。第一区域R1可与磁隧道接合元件部2的全部侧面2c和掩模层15的侧面15c接触。另外，第一区域R1优选沿着磁隧道接合元件部2的侧面2c的一部分或全部而延伸。
由绝缘材料构成的第一区域R1含有构成由该第一区域R1覆盖或接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9的元素(氧以外的)中的至少一种作为含有元素。例如，第一区域R1以该元素中的至少一个单体、含有该元素中的至少一种的合金、该单体的氧化物、氮化物、氧氮化物、该合金的氧化物、氮化物、氧氮化物的形态含有该元素中的至少一种。例如，在由第一区域R1覆盖或接触的层为CoFe层及MgO层的情况下，第一区域R1由Co、Fe及Mg中的至少一种元素的单体、含有该元素的合金、该单体的氧化物、氮化物、氧氮化物、该合金的氧化物、氮化物、氧氮化物构成。另外，第一区域R1优选含有构成由该第一区域R1覆盖或接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9的元素中的、金属元素或半导体元素中的至少一种作为如上所述的含有元素。
由绝缘材料构成的第一区域R1优选含有与该第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个的主成分。另外，第一区域R1进一步优选含有与该第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个所含的元素作为其主成分。另外，第一区域R1进一步优选含有与该第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个的主成分作为其主成分。在这些情况下，更有效地发挥如后所述的、第一区域R1抑制构成参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9的元素向侧壁部17移动的效果。此外，所谓主成分，是指参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9所含的成分中的、以原子数比计含量最多的成分。
在TMR元件1中，在与第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个含有Co、Fe及Ta中的至少一种元素作为含有元素的情况下，第一区域R1优选具有含有该至少一种元素作为含有元素的氮化物。
另外，在TMR元件1中，在与第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的到一个含有B、Al及Si中的至少种元素的情况下，第一区域R1优选具有含有该至少一种元素作为含有元素的氮化物。
在本实施方式中，侧壁部17由绝缘材料构成，具有覆盖第一区域R1的外缘B1的第二区域R2。第一区域R1位于磁隧道接合元件部2和第二区域R2之间。第一区域R1在还覆盖掩模层15的侧面15c时，可位于掩模层15和第二区域R2之间。在第一区域R1仅与这些侧面的一部分接触的情况下，在第一区域R1可含有由该第一区域R1接触的层的元素作为含有元素。这时，可降低这些元素从磁隧道接合元件部2的移动。由绝缘材料构成的第二区域R2例如具有含有B、Al及Si中的至少一种作为含有元素的氮化物。
在TMR元件1中，从第一区域R1的外缘B1到参照层3的侧面3c的距离D1可为3nm以上。即，从第一区域R1的外缘B1到参照层3的侧面3c的最小距离可为3nm以上。距离D1可更优选为5nm以上。第一区域R1的外缘B1例如是第一区域R1和第二区域R2的边界。
从第一区域R1的外缘B1到隧道势垒层5的侧面5c的距离D2可比从第一区域R1的外缘B1到盖层9的侧面9c的距离D3大。即，从第一区域R1的外缘B1到隧道势垒层5的侧面5c的最小距离可比从第一区域R1的外缘B1到盖层9的侧面9c的最小距离大。
在TMR元件1中，如上所述，磁化自由层7的易磁化轴设定为沿着Z轴的方向，参照层3的磁化方向实质上固定于沿着Z轴方向的方向，所以在磁化自由层7实质上不受外部磁场或STT的影响时，参照层3的磁化方向和磁化自由层7的磁化方向成为平行或反平行。两者为平行的状态的层叠部ST和反平行的状态的层叠部ST因为彼此沿着Z轴方向的电阻值不同，所以这两种状态分别与MRAM100的存储单元的数据即“1”及“0”对应。
磁化自由层7的磁化方向的反转(即，在MRAM100中，向存储单元的数据写入)通过自旋注入磁化反转来进行。具体地说，在使磁化自由层7的磁化方向从与参照层3的磁化方向反平行的状态反转为平行的状态的情况下，对层叠部ST的Z轴方向的一端和另一端间施加电压，以使其在从磁化自由层7向参照层3的方向上向隧道势垒层5内流通隧道电流(即，以使自旋极化电子从参照层3向磁化自由层7移动)。由此，磁化自由层7从自旋极化电子受到从其磁化方向与参照层3的磁化方向反平行的状态向平行的状态旋转的方向的自旋转移力矩的作用。通过将该电压的大小制成引起自旋注入磁化反转的阈值以上，从而磁化自由层7的磁化方向发生反转。
相反，在使磁化自由层7的磁化方向从与参照层3的磁化方向平行的状态反转为反平行的状态的情况下，对层叠部ST的Z轴方向的一端和另一端间施加电压，以使其在从参照层3朝向磁化自由层7的方向上向隧道势垒层5内通以隧道电流(即，自旋极化电子从磁化自由层7向参照层3移动)。由此，磁化自由层7从自旋极化电子受到从其磁化方向与参照层3的磁化方向平行的状态向反平行的状态旋转的方向的自旋转移力矩的作用。通过将该电压的大小制成引起自旋注入磁化反转的阈值以上，磁化自由层7的磁化方向发生反转。
根据本实施方式的TMR元件1，磁隧道接合元件部2的侧面2c被由绝缘材料构成的第一区域R1覆盖。由于第一区域R1含有构成磁隧道接合元件部2中的由第一区域R1接触的层的元素作为含有元素，因此与在第一区域R1内仅存在与构成该接触的层的元素不同的元素的情况相比，该接触的层和第一区域R1中的与上述含有元素有关的熵变大。因此，与在第一区域R1内仅存在与构成该接触的层的元素不同的元素的情况相比，构成由第一区域R1接触的上述层的上述元素难以热力学地从该接触的层向第一区域R1扩散。其结果是，在制作TMR元件1时，即使磁隧道接合元件部2在高温气氛下被退火，第一区域R1也会降低上述元素向侧壁部17的移动。由于构成磁隧道接合元件部2的元素的组成变化得到抑制，因此TMR元件1能够维持高MR比等的规定的特性。
进而，在本实施方式的TMR元件1中，侧壁部17由绝缘材料构成，具有覆盖第一区域R1的外缘B1的第二区域R2，第一区域R1可位于磁隧道接合元件部2和第二区域R2之间。由此，由于由绝缘材料构成的第二区域R2设置于侧壁部17，因此侧壁部17的绝缘性进一步提高。
进而，在本实施方式的TMR元件1中，第一区域具有含有B、Al及Si中的至少一种作为含有元素的氮化物，第二区域具有含有B、Al及Si中的至少一种作为含有元素的氮化物。由此，第一区域R1及第二区域R2具有高绝缘性。另外，在与第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个例如含有B、Al及Si中的至少一种时，TMR元件1能够降低元素的移动。即，由于含有B、Al及Si中的至少一种的氮化物在磁隧道接合元件部2的退火工序之后，也很少在磁隧道接合元件部2和侧壁部17之间相互扩散，因此退火工序前后的TMR元件1的元件电阻的变化降低。这两个第一区域R1及第二区域R2在磁隧道接合元件部2所含的各层含有B、Al及Si之类的元素时，能够特别有效地降低TMR元件1的元件电阻的变化。
进而，在本实施方式的TMR元件1中，从第一区域R1的外缘B1到参照层3的侧面3c的距离D1可为3nm以上。由此，即使通过摄氏400度这种高温气氛下的磁隧道接合元件部2的退火，也会特别降低构成磁隧道接合元件部2的参照层3的元素向侧壁部17移动。TMR元件1的磁特性的降低得到抑制。在距离D1为5nm以上时，可进一步降低构成磁隧道接合元件部2的元素向侧壁部17移动。
进而，在本实施方式的TMR元件中，从第一区域R1的外缘B1到隧道势垒层5的侧面5c的距离可比从第一区域R1的外缘B1到盖层9的侧面9c的距离大。由此，尤其降低给TMR元件的特性造成较大影响的隧道势垒层5的元素的移动。
进而，在本实施方式的TMR元件1中，第一区域R1可具有含有Co、Fe及Ta中的至少一种作为含有元素的氮化物。由此，在与第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个例如含有Co、Fe及Ta中的至少一种时，TMR元件1能够有效降低元素的移动。即，由于第一区域含有Co、Fe及Ta之类的特别容易移动的元素，因此能通过第一区域，来阻止这些元素的退火时的移动。因此，能特别有效地发挥降低构成磁隧道接合元件部的元素向侧壁部移动之类的本发明的效果。
进而，在本实施方式的TMR元件1中，盖层9包含垂直磁化感应层9d，垂直磁化感应层9d能够对磁化自由层7赋予沿着层叠方向的方向的磁各向异性。
根据本实施方式的TMR元件1，隧道势垒层5由可用多种元素来替换的具有晶体结构的尖晶石构造的氧化物材料构成。因为这些材料能够特别有效地对磁化自由层7赋予沿着层叠方向的方向的磁各向异性，所以能够将磁化自由层7的易磁化轴的方向特别稳定地设成垂直方向。
下面，对这种本实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明。图6～图16是表示用于对本实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图，与上述图4所示的TMR元件附近的截面相对应。
在具体例的制造方法中，首先，如图6所示，在晶体管阵列60上的前面形成了下部层间绝缘层27a之后，在下部层间绝缘层27a上形成具有开口的抗蚀剂41。下部层间绝缘层27a由与层间绝缘层27同样的材料构成。抗蚀剂41的开口与形成后述的通孔配线部25的区域相对应。
接下来，如图7所示，使用抗蚀剂41作为掩模，通过例如反应性离子蚀刻(RIE)法等干式蚀刻法，对下部层间绝缘层27a进行蚀刻，其后去除抗蚀剂41，由此在下部层间绝缘层27a上形成直到晶体管阵列60的深度的开口。
接着，如图8所示，在以掩埋下部层间绝缘层27a的开口的方式形成了由Cu等金属构成的通孔配线部25之后，在通孔配线部25和下部层间绝缘层27a上形成由导电性的材料构成的基底层21。也可以在形成通孔配线部25之前，在下部层间绝缘层27a的开口的侧面上形成由Ta等导电性材料构成的基底层。
接着，如图9所示，在基底层21上形成抗蚀剂43。抗蚀剂43形成于通孔配线部25的整体及下部层间绝缘层27a的一部分的垂直方向上方，不形成于形成后述的上部层间绝缘层27b的区域的垂直方向上方。
接下来，如图10所示，使用抗蚀剂43作为掩模，通过反应性离子蚀刻(RIE)法等干式蚀刻法，对基底层21有选择地进行蚀刻，在该蚀刻后的区域形成上部层间绝缘层27b，其后去除抗蚀剂43。其后，通过化学机械研磨(CMP)等，对基底层21和上部层间绝缘层27b的表面进行研磨而平坦化。由此，基底层21的上表面的平坦性比通孔配线部25的上表面的平坦性高。上部层间绝缘层27b由与层间绝缘层27同样的材料构成，由下部层间绝缘层27a和上部层间绝缘层27b构成层间绝缘层27。
接着，如图11所示，在基底层21及层间绝缘层27上的整个面上形成将参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9(垂直磁化感应层9d)依次层叠而成的磁阻层叠膜4，另外，在该磁阻层叠膜4之上形成了掩模层15之后，在掩模层15的表面的一部分形成抗蚀剂51。抗蚀剂51形成于通孔配线部25的垂直方向上方及基底层21的一部分的垂直方向上方。此外，根据需要，也可以在基底层21及层间绝缘层27和参照层3之间，形成覆盖基底层21及层间绝缘层27上的整个面的由Ta等导电材料构成的晶种层。
接下来，如图12所示，使用抗蚀剂51作为掩模，通过RIE法等干式蚀刻法，对掩模层15有选择地进行蚀刻，使垂直磁化感应层9d的表面露出。
接着，如图13所示，在去除了抗蚀剂51之后，使用抗蚀剂51作为掩模，通过RIE法等干式蚀刻法，对垂直磁化感应层9d、磁化自由层7、隧道势垒层5、及参照层3进行蚀刻，在基底层21及层间绝缘层27露出时，停止蚀刻。形成沿层叠方向延伸的磁隧道接合元件部2。
接下来，如图14所示，通过干式蚀刻法，具体地说，通过离子束蚀刻(IBE)法及RIE法中的任一种方法、或这两种方法，对磁化自由层7的侧面进行蚀刻。例如，在IBE法中，向磁化自由层7的侧面照射氩、氪或氙之类的稀有气体的离子束。离子束的照射方向例如与磁化自由层7的面内方向具有10～25度的角度。在本实施方式中，向磁化自由层7的侧面照射离子束，但由于离子束的宽度比磁化自由层7的厚度大，因此垂直磁化感应层9d及隧道势垒层5的侧面也被蚀刻。其结果是，垂直磁化感应层9d及隧道势垒层5的宽度都能够随着接近磁化自由层7而变小。磁化自由层7的硬度例如比垂直磁化感应层9d及隧道势垒层5的硬度低。由于掩模层15例如含有铪(Hf)及Ta等的原子序数为72以上的重金属，因此可抑制掩模层15的蚀刻。
接着，如图15所示，通过离子束沉积法(IBD)法或溅射法等的方法，形成覆盖磁隧道接合元件部2的侧面2c的第一区域R1。在与第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个例如含有B、Al及Si中的至少一种时，第一区域R1含有B、Al及Si中的至少一种作为含有元素。在与第一区域R1接触的参照层3、隧道势垒层5、磁化自由层7、及盖层9中的至少一个例如具有含有Co、Fe及Ta中的至少一种作为含有元素的氮化物时，第一区域R1形成为具有含有Co、Fe及Ta中的至少一种作为含有元素的氮化物。
此后，通过IBE法之类的干式蚀刻法，对第一区域R1进行加工。在该干式蚀刻法中，例如，第一区域R1被加工为其外缘B1和参照层3的侧面3c之间的距离D1成为3nm以上。另外，例如，第一区域R1被加工为其外缘B1和隧道势垒层5的侧面5c之间的距离D2比从第一区域R1的外缘B1到盖层9的侧面9c的距离D3大。
接下来，如图16所示，设置覆盖第一区域R1的外缘B1的第二区域R2，形成侧壁部17。第二区域R2通过原子层沉积(ALD)法或溅射法等的方法而设置。第二区域R2由绝缘材料构成，例如具有含有B、Al及Si中的至少一种的氮化物。第一区域R1位于磁隧道接合元件部2和第二区域R2之间。第一区域R1能够覆盖掩模层15的侧面15c，能够位于掩模层15和第二区域R2之间。在本具体例中，通过在掩模层15及侧壁部17上进一步形成上部电极层31，来完成TMR元件1。
根据制作本实施方式的TMR元件的方法，形成含有构成磁隧道接合元件部2的元素作为含有元素的第一区域R1。由于第一区域R1覆盖磁隧道接合元件部2的侧面2c，因此在制作TMR元件1时，即使磁隧道接合元件部2在高温气氛下被退火，第一区域R1也降低构成磁隧道接合元件部2中的由第一区域R1接触的层的元素向侧壁部17的移动。由于在磁隧道接合元件部2被退火之后，也抑制构成磁隧道接合元件部2的元素的组成变化，因此TMR元件1能够维持高MR比等的规定的特性。
(第二实施方式)
图17是放大表示第二实施方式的TMR元件附近的截面的图。图17表示与第一实施方式的图5对应的区域Va。第二实施方式的TMR元件1a除了具有区域Va的结构以外，还具有与第一实施方式的TMR元件1同样的结构。
如图17所示，TMR元件1a具备层叠部STa和设置于层叠部STa的外侧的侧壁部17a。层叠部STa例如具有设置于基底层21上的磁隧道接合元件部2a和设置于磁隧道接合元件部2a上的掩模层15a。磁隧道接合元件部2a是依次层叠作为磁化固定层发挥功能的参照层3、隧道势垒层5a、磁化自由层7a、及盖层9a而构成的。参照层3的磁化方向实质上固定于沿着层叠方向的方向，盖层9a可包含垂直磁化感应层9e。垂直磁化感应层对磁化自由层7赋予沿着层叠方向的方向的磁各向异性。
在磁隧道接合元件部2a中，隧道势垒层5a、磁化自由层7a、及盖层9a彼此可具有大致相同的宽度。磁化自由层7a的宽度W7a可比盖层9的宽度W9a大，另外，隧道势垒层5的宽度W5a可比磁化自由层7的宽度W7a大。
在TMR元件1a中，从第一区域R1a的外缘B1a到参照层3的侧面3s的距离D1a可为3nm以上。距离D1a可更优选为5nm以上。从第一区域R1a的外缘B1a到隧道势垒层5a的侧面5s的距离D2a可比从第一区域R1a和第二区域R2a的界面B2a到盖层9a的侧面9s的距离D3a大。
图18及图19是表示用于对第二实施方式的TMR元件的制造方法的具体例进行说明的截面的图，与第一实施方式的图4所示的TMR元件附近的截面相对应。
在第二实施方式的具体例的制造方法中，首先，进行与第一实施方式的制造方法的图6～图13所示的工序同样的工序。即，首先在晶体管阵列60上形成通孔配线部25、层间绝缘层27、及基底层21。接下来，在层间绝缘层27及基底层21上形成磁隧道接合元件部2及掩模层15，接着，对磁隧道接合元件部2进行蚀刻直到基底层21及层间绝缘层27露出为止。
在第二实施方式中，与第一实施方式不同，不进行如图14所示的磁隧道接合元件部2a的侧面2c的蚀刻，而是如图18所示，形成覆盖磁隧道接合元件部2a的侧面2s的第一区域R1a。在磁隧道接合元件部2a中，隧道势垒层5a、磁化自由层7a、及盖层9a彼此可具有大致相同的宽度。第一区域R1a的形成可通过IBD法或溅射法等的方法来实现。在与第一区域R1a接触的参照层3a、隧道势垒层5a、磁化自由层7a、及盖层9a中的至少一个例如含有B、Al及Si中的至少一种时，第一区域R1a含有B、Al及Si中的至少一种作为含有元素。在与第一区域R1a接触的参照层3a、隧道势垒层5a、磁化自由层7a、及盖层9a中的至少一个例如具有含有Co、Fe及Ta中的至少一种作为含有元素的氮化物时，第一区域R1a形成为具有含有Co、Fe及Ta中的至少一种作为含有元素的氮化物。
第一区域R1a可通过IBE法之类的干式蚀刻法来加工。在该干式蚀刻法中，例如，第一区域R1a被加工为从其外缘B1a到参照层3的侧面3c的距离成为3nm以上。另外，例如，第一区域R1a被加工为其外缘B1a和隧道势垒层5a的侧面5s之间的距离比从第一区域R1a的外缘B1a到盖层9的侧面9s的距离大。
接下来，如图19所示，以包围第一区域R1a的方式设置第二区域R2a，形成侧壁部17a。第二区域R2a由绝缘材料构成，例如具有含有B、Al及Si中的至少一种的氮化物。第一区域R1a位于磁隧道接合元件部2a和第二区域R2a之间。第一区域R1a可覆盖掩模层15的侧面15s，可位于掩模层15a和第二区域R2a之间。在本具体例中，通过在掩模层15a及侧壁部17a上进一步形成上部电极层31，来完成TMR元件1a。
(第三实施方式)
图20是第三实施方式的MRAM的纵截面的示意图。第三实施方式的MRAM100b在还具备处理器90这一方面与第一实施方式的基本形态的MRAM100不同。在MRAM100b中，因为以编入处理器90的电路制作的工序中的形式，也制作出MRAM部分，所以处理器90和MRAM100b的MRAM部分综合在一起。因此，MRAM100b成为内置型存储器。由此，处理器90和MRAM部分的数据交换被高速化。另外，因为MRAM部分设置于处理器90的上部，所以能够提高设备整体的集成度。

Claims (11)

1.一种隧道磁阻效应元件，其中，
具备：
磁隧道接合元件部、和
设置于所述磁隧道接合元件部的侧面且含有绝缘材料的侧壁部，
所述磁隧道接合元件部具有：
参照层、
磁化自由层、
在层叠方向上层叠于所述参照层和所述磁化自由层之间的隧道势垒层、以及
层叠于所述磁化自由层的与所述隧道势垒层侧为相反侧的盖层，
所述侧壁部含有所述绝缘材料，并具有覆盖所述磁隧道接合元件部的所述参照层、所述隧道势垒层、所述磁化自由层、及所述盖层中的至少一个侧面的第一区域，
所述第一区域含有构成所述磁隧道接合元件部的所述参照层、所述隧道势垒层、所述磁化自由层、及所述盖层中的所述至少一个层的除氧以外的元素中的至少一种作为含有元素。
2.根据权利要求1所述的隧道磁阻效应元件，其中，
所述侧壁部含有所述绝缘材料，并具有覆盖所述第一区域的外缘的第二区域，
所述第一区域位于所述磁隧道接合元件部和所述第二区域之间。
3.根据权利要求2所述的隧道磁阻效应元件，其中，
所述第一区域具有含有B、Al及Si中的至少一种作为所述含有元素的氮化物，所述第二区域具有含有B、Al及Si中的至少一种作为含有元素的氮化物。
4.根据权利要求2或3所述的隧道磁阻效应元件，其中，
从所述第一区域的外缘到所述参照层的侧面的距离为3nm以上。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的隧道磁阻效应元件，其中，
从所述第一区域的外缘到所述隧道势垒层的侧面的距离比从所述第一区域的外缘到所述盖层的侧面的距离大。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的隧道磁阻效应元件，其中，
所述第一区域具有含有Co、Fe及Ta中的至少一种作为所述含有元素的氮化物。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的隧道磁阻效应元件，其中，
所述参照层的磁化方向实质上固定于沿着所述层叠方向的方向，
所述盖层包含垂直磁化感应层，
所述垂直磁化感应层对所述磁化自由层赋予沿着所述层叠方向的方向的磁各向异性。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的隧道磁阻效应元件，其中，
所述隧道势垒层由用通式AB2O4表示的具有尖晶石构造的氧化物材料构成，式中，A是选自Mg及Zn中的至少一种元素，B是选自Al、Ga及In中的至少一种元素。
9.一种磁存储器，其中，
具备权利要求1～8中任一项所述的隧道磁阻效应元件作为存储元件。
10.一种内置型存储器，其中，
具备权利要求9所述的磁存储器。
11.一种制作隧道磁阻效应元件的方法，其中，
具备：
形成依次层叠了参照层、隧道势垒层、磁化自由层、及盖层的磁阻层叠膜的工序；
对所述磁阻层叠膜进行蚀刻，从而形成包含所述参照层、所述隧道势垒层、所述磁化自由层、及所述盖层并沿层叠方向延伸的磁隧道接合元件部的工序；以及
形成含有绝缘材料并且覆盖所述磁隧道接合元件部的侧面的第一区域的工序，其中，所述第一区域覆盖所述磁隧道接合元件部的所述参照层、所述隧道势垒层、所述磁化自由层、及所述盖层中的至少一个侧面，
所述第一区域含有构成所述磁隧道接合元件部的所述参照层、所述隧道势垒层、所述磁化自由层、及所述盖层中的所述至少一个层的除氧以外的元素中的至少一种作为含有元素。
CN201780095962.1A 2017-10-16 2017-10-16 隧道磁阻效应元件、磁存储器、内置型存储器及制作隧道磁阻效应元件的方法 Active CN111226324B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2017/037417 WO2019077661A1 (ja) 2017-10-16 2017-10-16 トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、内蔵型メモリ、及びトンネル磁気抵抗効果素子を作製する方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111226324A true CN111226324A (zh) 2020-06-02
CN111226324B CN111226324B (zh) 2023-08-29

Family

ID=66174001

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201780095962.1A Active CN111226324B (zh) 2017-10-16 2017-10-16 隧道磁阻效应元件、磁存储器、内置型存储器及制作隧道磁阻效应元件的方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US10573449B2 (zh)
JP (1) JP6628015B2 (zh)
CN (1) CN111226324B (zh)
WO (1) WO2019077661A1 (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019077663A1 (ja) * 2017-10-16 2019-04-25 Tdk株式会社 トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリ
JP6410004B1 (ja) * 2017-10-16 2018-10-24 Tdk株式会社 トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリ
US11476415B2 (en) * 2018-11-30 2022-10-18 International Business Machines Corporation Patterning magnetic tunnel junctions and the like while reducing detrimental resputtering of underlying features
US10937945B2 (en) * 2019-01-22 2021-03-02 International Business Machines Corporation Structured pedestal for MTJ containing devices
CN112310273B (zh) * 2019-07-29 2023-04-07 中电海康集团有限公司 磁性隧道结及其制备方法
US11031058B2 (en) 2019-09-03 2021-06-08 Western Digital Technologies, Inc. Spin-transfer torque magnetoresistive memory device with a free layer stack including multiple spacers and methods of making the same
US11972785B2 (en) 2021-11-15 2024-04-30 International Business Machines Corporation MRAM structure with enhanced magnetics using seed engineering

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002299726A (ja) * 2001-03-30 2002-10-11 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気再生装置及び磁気記憶装置
CN1463010A (zh) * 2002-03-27 2003-12-24 株式会社东芝 磁阻效应元件和具有该磁阻效应元件的磁存储器
US20140103469A1 (en) * 2012-10-11 2014-04-17 Headway Technologies, Inc. Seed Layer for Multilayer Magnetic Materials
WO2015045205A1 (ja) * 2013-09-25 2015-04-02 キヤノンアネルバ株式会社 磁気抵抗効果素子の製造方法および製造システム
US20160035969A1 (en) * 2014-07-30 2016-02-04 Shin-Jae Kang Magnetic memory device and method of fabricating the same
US20160072047A1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Satoshi Seto Semiconductor memory device and manufacturing method thereof
US20160197268A1 (en) * 2014-03-18 2016-07-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive effect element, manufacturing method of magnetoresistive effect element, and magnetic memory

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070054450A1 (en) * 2005-09-07 2007-03-08 Magic Technologies, Inc. Structure and fabrication of an MRAM cell
US8542524B2 (en) 2007-02-12 2013-09-24 Avalanche Technology, Inc. Magnetic random access memory (MRAM) manufacturing process for a small magnetic tunnel junction (MTJ) design with a low programming current requirement
US8575674B2 (en) 2009-04-16 2013-11-05 National Institute For Materials Science Ferromagnetic tunnel junction structure, and magneto-resistive element and spintronics device each using same
US9006704B2 (en) 2011-02-11 2015-04-14 Headway Technologies, Inc. Magnetic element with improved out-of-plane anisotropy for spintronic applications
JP5988019B2 (ja) 2012-02-27 2016-09-07 国立研究開発法人物質・材料研究機構 強磁性トンネル接合体とそれを用いた磁気抵抗効果素子及びスピントロニクスデバイス
US8860156B2 (en) 2012-09-11 2014-10-14 Headway Technologies, Inc. Minimal thickness synthetic antiferromagnetic (SAF) structure with perpendicular magnetic anisotropy for STT-MRAM
US8921961B2 (en) 2012-09-14 2014-12-30 Headway Technologies, Inc. Storage element for STT MRAM applications
US10475564B2 (en) * 2016-06-29 2019-11-12 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Perpendicularly magnetized ferromagnetic layers having an oxide interface allowing for improved control of oxidation
JP6103123B1 (ja) 2016-09-02 2017-03-29 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子、磁気センサ及び磁気メモリ

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002299726A (ja) * 2001-03-30 2002-10-11 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッド、磁気再生装置及び磁気記憶装置
CN1463010A (zh) * 2002-03-27 2003-12-24 株式会社东芝 磁阻效应元件和具有该磁阻效应元件的磁存储器
US20140103469A1 (en) * 2012-10-11 2014-04-17 Headway Technologies, Inc. Seed Layer for Multilayer Magnetic Materials
WO2015045205A1 (ja) * 2013-09-25 2015-04-02 キヤノンアネルバ株式会社 磁気抵抗効果素子の製造方法および製造システム
US20160197268A1 (en) * 2014-03-18 2016-07-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive effect element, manufacturing method of magnetoresistive effect element, and magnetic memory
US20160035969A1 (en) * 2014-07-30 2016-02-04 Shin-Jae Kang Magnetic memory device and method of fabricating the same
US20160072047A1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Satoshi Seto Semiconductor memory device and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2019077661A1 (ja) 2019-11-14
WO2019077661A1 (ja) 2019-04-25
US20190180900A1 (en) 2019-06-13
US10573449B2 (en) 2020-02-25
JP6628015B2 (ja) 2020-01-08
CN111226324B (zh) 2023-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111226324B (zh) 隧道磁阻效应元件、磁存储器、内置型存储器及制作隧道磁阻效应元件的方法
US9985201B2 (en) Magnetic memory based on spin hall effect
CN107689417B (zh) 磁存储装置及其制造方法
KR100900109B1 (ko) 자기저항 효과 소자 및 자기저항 랜덤 액세스 메모리
KR101312900B1 (ko) 기억 소자 및 메모리
US7119410B2 (en) Magneto-resistive effect element and magnetic memory
TWI530945B (zh) Memory elements and memory devices
JP5150531B2 (ja) 磁気抵抗素子、磁気ランダムアクセスメモリ、及びそれらの製造方法
TW201805944A (zh) 磁性記憶體
CN110010637B (zh) 一种自旋轨道矩磁阻式随机存储器及制备方法
JP6658982B2 (ja) トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリ
KR20100135181A (ko) 기억 소자 및 메모리
US20190279907A1 (en) Tunnel magnetoresistive effect element, magnetic memory, and built-in memory
US11264290B2 (en) Tunnel magnetoresistive effect element and magnetic memory
US11114609B2 (en) Tunnel magnetoresistive effect element, magnetic memory, and built-in memory
JP3935049B2 (ja) 磁気記憶装置及びその製造方法
JP5163638B2 (ja) 磁性体装置及び磁気記憶装置
JP6410004B1 (ja) トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリ

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant