CN111725387A - 磁存储装置 - Google Patents
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Abstract
实施方式提供一种包括具有高的垂直磁各向异性的磁阻效应元件的磁存储装置。实施方式涉及的磁存储装置具备层叠结构(20)，该层叠结构包括：第1磁性层(21)，其具有可变的磁化方向；第2磁性层(22)，其具有固定了的磁化方向；及非磁性层(23)，其设置于第1磁性层与第2磁性层之间，第1磁性层包括与非磁性层相接的第1面(S1)和与第1面相反侧的第2面(S2)，第1磁性层的第2面的直径比第1磁性层的第1面的直径小且为10nm以上，第1磁性层的高度相对于第1磁性层的第2面的直径的比率为0.9以上。
Description
本申请主张以日本专利申请2019-49889号(申请日：2019年3月18日)为在先申请的优先权。本申请通过参照该在先申请而包括在先申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及磁存储装置。
背景技术
提出了在半导体基板上集成了磁阻效应元件及晶体管的磁存储装置(半导体集成电路装置)。尤其是，对于磁存储装置的高集成化，具有垂直磁化的磁阻效应元件是有效的。
然而，随着磁阻效应元件的微小化，开始难以得到具有高的垂直磁各向异性的磁阻效应元件。
发明内容
实施方式提供一种包括具有高的垂直磁各向异性的磁阻效应元件的磁存储装置。
实施方式涉及的磁存储装置具备层叠结构，该层叠结构包括：第1磁性层，其具有可变的磁化方向；第2磁性层，其具有固定了的磁化方向；以及非磁性层，其设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间，所述第1磁性层包括与所述非磁性层相接的第1面和与所述第1面相反侧的第2面，所述第1磁性层的第2面的直径比所述第1磁性层的第1面的直径小且为10nm以上，所述第1磁性层的高度相对于所述第1磁性层的第2面的直径的比率为0.9以上。
附图说明
图1是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置的构成的剖视图。
图2是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置中的存储层的第1面与第2面的关系的图。
图3是示出使用了CoFeB层作为存储层时的存储层的直径D及厚度t(与高度H对应)与存储层的室温下的热稳定性Δ的关系的图。
图4是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
图5是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
图6是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
图7是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
图8是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置中的存储层的第1变更例的构成的剖视图。
图9是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置中的存储层的第2变更例的构成的剖视图。
图10是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置中的存储层的第3变更例的构成的剖视图。
图11是示意性地示出实施方式的变更例涉及的磁存储装置的构成的剖视图。
图12是示意性地示出实施方式的变更例涉及的磁存储装置的制造方法的一部分的剖视图。
标号说明
10…下部结构；11…下部电极；12、13…层间绝缘膜；20…层叠结构；21…存储层(第1磁性层)；21a…第1层部分；21b…第2层部分；21c…第3层部分；22…参照层(referencelayer)(第2磁性层)；23…隧道势垒层(非磁性层)；24…移位消除(shift cancelling)层；25…中间层；26…缓冲层；27…盖层(cap layer)；28…硬掩模层；29…侧壁掩模层；S1…第1面；S2…第2面；SP1…第1侧面部分；SP2…第2侧面部分；SP3…第3侧面部分。
具体实施方式
以下，参照附图来说明实施方式。
图1是示意性地示出实施方式涉及的磁存储装置的构成的剖视图。
如图1所示，在下部结构10上设置有构成磁阻效应元件的层叠结构20。此外，磁阻效应元件也被称作MTJ(magnetic tunnel junction：磁隧道结)元件。
下部结构10包括半导体基板(未图示)、晶体管(未图示)、磁阻效应元件用的下部电极11、层间绝缘膜12等。
层叠结构20包括存储层(第1磁性层)21、参照层(第2磁性层)22及被设置于存储层21与参照层22之间的隧道势垒层(非磁性层)23。在本实施方式中，层叠结构20还包括移位消除层24、中间层25、缓冲层26、盖层27及硬掩模层28。
存储层(第1磁性层)21是具有可变的磁化方向的铁磁性层(ferromagneticlayer，强磁性层)，包含铁(Fe)及钴(Co)中的至少一方。存储层21也可以还含有硼(B)。在本实施方式中，存储层21由CoFeB层形成。此外，磁化方向可变意味着磁化方向相对于预定的写入电流发生变化。关于存储层21，将在后面详细说明。
参照层(第2磁性层)22是具有被固定了的磁化方向的铁磁性层。参照层22包括隧道势垒层23侧的第1层部分和移位消除层24侧的第2层部分。第1层部分含有铁(Fe)及钴(Co)中的至少一方。第1层部分也可以还含有硼(B)。在本实施方式中，第1层部分由CoFeB层形成。第2层部分含有从钴(Co)、铂(Pt)、镍(Ni)及钯(Pd)中选择出的至少一种元素。在本实施方式中，第2层部分由Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd的人造晶格(superlattice，超晶格)形成。此外，磁化方向不变意味着相对于预定的写入电流而磁化方向不变。
隧道势垒层(非磁性层)23是夹设于存储层21与参照层22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23由MgO层形成。
移位消除层24是具有被固定了的磁化方向的铁磁性层，具有消除从参照层22向存储层21施加的磁场的功能。移位消除层24含有从钴(Co)、铂(Pt)、镍(Ni)及钯(Pd)中选择出的至少一种元素。在本实施方式中，移位消除层24由Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd的人造晶格形成。
具备上述的层叠结构20的磁阻效应元件是具有垂直磁化的STT(spin transfertorque：自旋转移矩)型的磁阻效应元件。即，存储层21的磁化方向是与其主面垂直的方向，参照层22的磁化方向是与其主面垂直的方向。
另外，在上述的磁阻效应元件中，在存储层21的磁化方向与参照层22的磁化方向平行的情况下，磁阻效应元件是低磁阻状态，在存储层21的磁化方向与参照层22的磁化方向反平行的情况下，磁阻效应元件是高磁阻状态。因此，能够基于存储层21的磁阻状态(低磁阻状态/高磁阻状态)对磁阻效应元件设定二值信息。存储层21的磁化方向能够根据相对于磁阻效应元件的写入电流的方向来设定。
接着，对存储层(第1磁性层)21进行详细说明。
存储层21包括与隧道势垒层23相接的第1面(在图1中是下表面)S1和与第1面S1相反侧的第2面(在图1中是上表面)S2。
图2是示意性地示出存储层21的第1面S1与第2面S2的关系的图。如图2所示，第2面S2的直径D2比第1面S1的直径D1小且为10nm以上。另外，第2面S2的直径D2优选为30nm以下。
此外，理想的是，如图2所示，存储层21的第1面S1及第2面S2优选是完全的圆(正圆)，存储层21的截面(与第1面S1及第2面S2平行)也优选是完全的圆(正圆)。然而，实际上，以制造工艺等为起因，难以以使第1面S1及第2面S2成为完全的圆的方式形成存储层21。于是，在此，存储层21的第1面S1的直径D1及第2面S2的直径D2基于求取圆的面积的公式来规定。即，将第1面S1的面积设为A1，将第2面S2的面积设为A2，根据以下的式子来规定第1面S1的直径D1及第2面S2的直径D2。
A1＝π(D1/2)2
A2＝π(D2/2)2
另外，如图1所示，存储层21的高度(从第1面S1到第2面S2的高度)H相对于存储层21的第2面S2的直径D2的比率(H/D2)为0.9以上。
另外，存储层21的侧面包括第1面S1侧的第1侧面部分SP1、第2面S2侧的第2侧面部分SP2及第1侧面部分SP1与第2侧面部分SP2之间的第3侧面部分SP3，第3侧面部分SP3的倾斜比第1侧面部分SP1的倾斜及第2侧面部分SP2的倾斜平缓。即，第1侧面部分SP1及第2侧面部分SP2具有90度或接近90度的倾斜角，第3侧面部分SP3的倾斜角从90度或接近90度的倾斜角向0度或接近0度的倾斜角变化。
此外，将存储层21的与第1侧面部分SP1对应的部分称作第1层部分21a，将存储层21的与第2侧面部分SP2对应的部分称作第2层部分21b，将存储层21的与第3侧面部分SP3对应的部分称作第3层部分21c。当这样规定时，存储层21的第2层部分21b的高度Hb比存储层21的第1层部分21a的高度Ha高。另外，存储层21的第1层部分21a的高度Ha优选为3nm以下，更优选为2nm以下。
举出一例，存储层21的第1面S1的直径D1是20nm左右，第2面S2的直径D2是10nm左右，存储层21的第1层部分21a的高度Ha是1.5nm左右，第2层部分21b的高度Hb是15nm左右。
本实施方式的磁存储装置由于具有如上所述的构成，所以能够得到具有高的垂直磁各向异性的磁阻效应元件。以下，追加说明。
存储层的磁各向异性包括磁晶各向异性(Magneto Crystalline Anisotropy)、形状磁各向异性及界面磁各向异性。为了增大基于形状磁各向异性的垂直磁各向异性，增大存储层的纵横尺寸比(存储层的高度H相对于直径D之比(H/D))是有效的。为了增大基于界面磁各向异性的垂直磁各向异性，增大存储层的面积是有效的。
然而，当磁阻效应元件的尺寸变小时，存储层的面积也变小。另外，从制造工艺等观点出发，难以形成具有高的纵横尺寸比的存储层。因此，当磁阻效应元件的尺寸变小时，会难以得到具有高的垂直磁各向异性的磁阻效应元件。
图3是示出使用了CoFeB层作为存储层时的存储层的直径D及厚度t(与高度H对应)与存储层的室温下的热稳定性Δ的关系的图。
为了得到具有高的垂直磁各向异性的存储层，提高存储层的热稳定性Δ是重要的。一般来说，要求存储层的室温下的热稳定性Δ是80以上。
在图3中，区域R1是形状磁各向异性为支配性的区域，区域R2是界面磁各向异性为支配性的区域，区域R3是面内(In-plane)磁化(水平方向(面方向)磁化)成为优势的区域。
如图3所示，当存储层的直径D变小时，在界面磁各向异性为支配性的区域R2中，难以得到具有80左右以上的高的热稳定性Δ的存储层。在形状磁各向异性为支配性的区域R1中，通过增大纵横尺寸比(H/D)，能够得到具有80左右以上的高的热稳定性Δ的存储层。然而，在区域R1中，即使当存储层的直径D变得比10nm左右小时，若不是具有极高的纵横尺寸比(H/D)的存储层，也难以得到具有80左右以上的高的热稳定性Δ的存储层。形成直径D比10nm左右小且具有高纵横尺寸比(H/D)的存储层非常困难。
另外，如图3所示，在存储层的直径D为10nm左右以上的区域中，Δ＝80的线的斜率(直线L的斜率)几乎是固定的。直线L的斜率与纵横尺寸比(H/D)对应，为0.9左右。因此，在存储层的直径D为10nm左右以上的区域中，通过使纵横尺寸比(H/D)为0.9以上，能够得到具有80左右以上的高的热稳定性Δ的存储层。
可以认为，不仅在使用了CoFeB作为存储层的材料的情况下，在使用了其他的铁磁性材料的情况尤其是存储层含有Fe及Co中的至少一方的情况下，上述的讨论也大体成立。
在本实施方式中，由于存储层21的第2面S2的直径D2为10nm左右以上且存储层21的高度H相对于存储层21的第2面S2的直径D2的比率(H/D2)为0.9以上，所以能够得到具有80左右以上的高的热稳定性Δ的存储层21。而且，在本实施方式中，由于存储层21的第1面S1的直径D1比第2面S2的直径D2大(存储层21的第2面S2的直径D2比第1面S1的直径D1小)，所以能够增大存储层21的第1面S1与隧道势垒层23的界面处的垂直磁各向异性(基于界面磁各向异性的垂直磁各向异性)。
因此，根据本实施方式，能够得到具有高的垂直磁各向异性的磁阻效应元件，能够得到具有高的热稳定性Δ的磁阻效应元件。
另外，在本实施方式中，由于存储层21的第2层部分21b的高度比第1层部分21a的高度高(存储层21的第1层部分21a的高度比第2层部分21b的高度低)，所以能够得到能够有效地实现如上所述的特性的磁阻效应元件。
接着，参照图4～图7及图1来说明本实施方式涉及的磁存储装置的制造方法。
首先，如图4所示，在下部结构10上形成磁阻效应元件用的层叠膜。即，在下部结构10上依次形成缓冲层26、移位消除层24、中间层25、参照层22、隧道势垒层23、存储层21、盖层27及硬掩模层28。接着，对硬掩模层28进行图案化来形成硬掩模图案。
接着，如图5所示，使用图案化后的硬掩模层28作为掩模，对盖层27及存储层21进行蚀刻。具体而言，通过IBE(ion beam etching：离子束蚀刻)或RIE(reactive ionetching：反应离子蚀刻)对盖层27及存储层21进行蚀刻。在该蚀刻工序中，使得存储层21的下层部分留下。其结果，得到与图1的第1层部分21a、第2层部分21b及第3层部分21c对应的构成。另外，在该蚀刻时，第3层部分21c的侧面平缓地倾斜。
接着，如图6所示，在存储层21的侧面形成侧壁掩模层29。具体而言，以覆盖图5所示的结构的方式在整面形成侧壁掩模层29用的绝缘层。而且，通过利用各向异性蚀刻对该绝缘层进行蚀刻来形成侧壁掩模层29。
接着，如图7所示，使用侧壁掩模层29作为掩模，对存储层21、隧道势垒层23、参照层22、中间层25、移位消除层24及缓冲层26进行蚀刻。
进一步，通过除去侧壁掩模层29，能够形成如图1所示的构成。
图8是示意性地示出本实施方式涉及的磁存储装置中的存储层21的第1变更例的构成的剖视图。本变更例示出了具有理想的形状的存储层21。即，在本变更例中，上述的实施方式中示出的第3层部分21c实质上不存在，第1层部分21a的上表面与第2侧面部分SP2垂直。即使是这样的构成，若存储层21的基本的构成具有与上述的实施方式同样的构成，则也能够得到与上述的实施方式同样的效果。
图9是示意性地示出本实施方式涉及的磁存储装置中的存储层21的第2变更例的构成的剖视图。在上述的实施方式中，第2侧面部分SP2是垂直的，在本变更例中，第2侧面部分SP2是倾斜的。即使是这样的构成，若存储层21的基本的构成具有与上述的实施方式同样的构成，则也能够得到与上述的实施方式同样的效果。
图10是示意性地示出本实施方式涉及的磁存储装置中的存储层21的第3变更例的构成的剖视图。在本变更例中，存储层21的侧面整体倾斜。即使是这样的构成，若存储层21的基本的构成具有与上述的实施方式同样的构成，则也能够得到与上述的实施方式同样的效果。
接着，对本实施方式涉及的磁存储装置的变更例进行说明。
图11是示意性地示出本实施方式的变更例涉及的磁存储装置的构成的剖视图。
在上述的实施方式中，是从下层侧起按照参照层22、隧道势垒层23及存储层21的顺序进行了层叠的顶部自由型磁阻效应元件，但在本变更例中，是从下层侧起按照存储层21、隧道势垒层23及参照层22的顺序进行了层叠的底部自由型磁阻效应元件。
即使在本变更例中，也与上述的实施方式同样，存储层21包括与隧道势垒层23相接的第1面S1和与第1面S1相反侧的第2面S2。不过，在本变更例中，与上述的实施方式相反，存储层21的上表面与第1面S1对应，存储层21的下表面与第2面S2对应。
即使在本变更例中，存储层21的第1面S1与第2面S2的关系也与上述的实施方式是同样的。即，第2面S2的直径D2比第1面S1的直径D1小且为10nm以上，存储层21的高度H相对于存储层21的第2面S2的直径D2的比率(H/D2)为0.9以上。另外，第2面S2的直径D2优选为30nm以下。
接着，参照图11及图12来说明本变更例涉及的磁存储装置的制造方法。
首先，如图12所示，在下部结构10上形成层间绝缘膜13。接着，在层间绝缘膜13形成孔，在孔内形成缓冲层26及存储层21的第2层部分21b。
接着，如图11所示，在图12中形成了的结构的整面上形成存储层21的第2层部分21a、隧道势垒层23、参照层22、中间层25、移位消除层24、盖层27及硬掩模层28的层叠膜。接着，对硬掩模层28进行图案化来形成硬掩模图案。而且，使用图案化后的硬掩模层28作为掩模，对上述的层叠膜进行蚀刻，由此得到如图11所示的结构。
这样，在存储层21位于比参照层22靠下层侧的底部自由型磁阻效应元件的情况下，也与上述的实施方式同样，能够得到具有高的垂直磁各向异性的磁阻效应元件。
说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式只是作为例子而提出，并不意在限定发明的范围。这些新颖的实施方式能以其他各种方式来实施，在不脱离发明的要旨的范围内能够进行各种省略、替换以及变更。这些实施方式和/或其变形包含在发明的范围和/或主旨中，并且也包含在技术方案所述的发明及与其等同的范围中。
Claims (10)
1.一种磁存储装置，具备层叠结构，该层叠结构包括：
第1磁性层，其具有可变的磁化方向；
第2磁性层，其具有固定了的磁化方向；以及
非磁性层，其设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间，
所述第1磁性层包括与所述非磁性层相接的第1面和与所述第1面相反侧的第2面，
所述第1磁性层的第2面的直径比所述第1磁性层的第1面的直径小且为10nm以上，
所述第1磁性层的高度相对于所述第1磁性层的第2面的直径的比率为0.9以上。
2.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层的第2面的直径为30nm以下。
3.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层的侧面包括所述第1面侧的第1侧面部分、所述第2面侧的第2侧面部分以及所述第1侧面部分与所述第2侧面部分之间的第3侧面部分，
与所述第1侧面部分的倾斜以及所述第2侧面部分的倾斜相比，所述第3侧面部分的倾斜平缓。
4.根据权利要求3所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层的与所述第2侧面部分对应的部分的高度比所述第1磁性层的与所述第1侧面部分对应的部分的高度高。
5.一种磁存储装置，具备层叠结构，该层叠结构包括：
第1磁性层，其具有可变的磁化方向；
第2磁性层，其具有固定了的磁化方向；以及
非磁性层，其设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间，
所述第1磁性层包括与所述非磁性层相接的第1面和与所述第1面相反侧的第2面，
所述第1磁性层的侧面包括所述第1面侧的第1侧面部分、所述第2面侧的第2侧面部分以及所述第1侧面部分与所述第2侧面部分之间的第3侧面部分，
与所述第1侧面部分的倾斜以及所述第2侧面部分的倾斜相比，所述第3侧面部分的倾斜平缓。
6.根据权利要求5所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层的与所述第2侧面部分对应的部分的高度比所述第1磁性层的与所述第1侧面部分对应的部分的高度高。
7.根据权利要求5所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层的与所述第1侧面部分对应的部分的高度为3nm以下。
8.根据权利要求1或5所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层含有铁即Fe以及钴即Co中的至少一方。
9.根据权利要求8所述的磁存储装置，其特征在于，
所述第1磁性层还含有硼即B。
10.根据权利要求1或5所述的磁存储装置，其特征在于，
所述层叠结构从下层侧起按照所述第2磁性层、所述非磁性层以及所述第1磁性层的顺序进行了层叠。
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