CN115117231A - 磁存储装置 - Google Patents

Abstract

根据一实施例，磁存储装置具备层叠构造，该层叠构造包括：第1磁性层，具有可变的磁化方向；第2磁性层，具有固定的磁化方向；非磁性层，设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间；及氧化物层，与所述第1磁性层相邻，所述第1磁性层设置于所述非磁性层与所述氧化物层之间，所述氧化物层含有稀土类元素、硼即B及氧即O。

Description

磁存储装置

本申请基于2021年3月17日提交的日本专利申请2021-43842号的优先权的利益，且追求该利益，该申请的全部内容通过参照而引用于此。

技术领域

这里叙述的实施例总的来说涉及磁存储装置(magnetic memory device)。

背景技术

提出了在半导体基板上集成了多个磁阻效应元件(magnetoresistance effectelement)的非易失性(nonvolatile)的磁存储装置。

发明内容

总的来说，根据一实施例，磁存储装置具备层叠构造，该层叠构造包括：第1磁性层，具有可变的磁化方向；第2磁性层，具有固定的磁化方向；非磁性层，设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间；及氧化物层，与所述第1磁性层相邻，所述第1磁性层设置于所述非磁性层与所述氧化物层之间，所述氧化物层含有稀土类元素、硼(B)及氧(O)。

附图说明

图1是示意性地示出了第1实施方式的磁存储装置中包含的磁阻效应元件的层叠构造的结构的剖视图。

图2是示出了第1实施方式的磁阻效应元件的特性改善效果的图。

图3是示出了第1实施方式的磁阻效应元件的特性改善效果的图。

图4是示出了在第1实施方式的磁阻效应元件的氧化物层中改变了硼(B)的浓度相对于稀土类元素的浓度与硼(B)的浓度的合计的比率时的特性的图。

图5是示出了在第1实施方式的磁阻效应元件的氧化物层中改变了硼(B)的浓度相对于稀土类元素的浓度与硼(B)的浓度的合计的比率时的特性的图。

图6是示意性地示出了第2实施方式的磁存储装置中包含的磁阻效应元件的层叠构造的结构的剖视图。

图7是示意性地示出了应用第1实施方式及第2实施方式所示的磁阻效应元件的磁存储装置的结构的立体图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明实施方式。

(实施方式1)

图1是示意性地示出了第1实施方式的磁存储装置中包含的磁阻效应元件的层叠构造(stacked structure)的结构的剖视图。作为磁阻效应元件，使用磁隧道结(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)元件。

层叠构造100包括存储层(storage layer)(第1磁性层)11、参照层(referencelayer)(第2磁性层)12、隧道势垒层(非磁性层(nonmagnetic layer))13、位移消除层(第3磁性层)14、间隔层15、氧化物层16、缓冲层17、顶层18及上部盖层19。

存储层(第1磁性层)11是具有可变的磁化方向(variable magnetizationdirection)的铁磁性层(ferromagnetic layer)。此外，可变的磁化方向意味着相对于预定的写入电流而磁化方向改变。存储层11由含有铁(Fe)、钴(Co)及硼(B)的FeCoB层形成。

参照层(第2磁性层)12是具有固定的磁化方向(fixed magnetizationdirection)的铁磁性层。此外，固定的磁化方向意味着相对于预定的写入电流而磁化方向不变。参照层12包括第1层部分12a及第2层部分12b。第1层部分12a由含有铁(Fe)、钴(Co)及硼(B)的FeCoB层形成。第2层部分12b含有从钴(Co)、铂(Pt)、镍(Ni)及钯(Pd)中选择出的至少1个以上的元素。

隧道势垒层(非磁性层)13是设置于存储层11与参照层12之间的绝缘层。隧道势垒层13由含有镁(Mg)及氧(O)的MgO层形成。

位移消除层(第3磁性层)14是具有相对于参照层12的磁化方向反平行(antiparallel)的固定的磁化方向的铁磁性层，具有消除从参照层12向存储层11施加的磁场的功能。位移消除层14含有从钴(Co)、铂(Pt)、镍(Ni)及钯(Pd)中选择出的至少1个以上的元素。

间隔层15设置于参照层12与位移消除层14之间，通过间隔层15，参照层12和位移消除层14反铁磁性耦合(antiferromagnetic coupling)。即，由参照层12、位移消除层14及间隔层15形成了SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic：合成反铁磁)构造。间隔层15由钌(Ru)层或铱(Ir)层形成。

氧化物层16与存储层11相邻地设置，在隧道势垒层13与氧化物层16之间设置有存储层11。更具体而言，氧化物层16设置于存储层11的上层侧，与存储层11相接。氧化物层16含有稀土类元素(钆(Gd)、钪(Sc)、钇(Y)等)、硼(B)及氧(O)。氧化物层16也具有作为盖层的功能。

缓冲层17设置于位移消除层14的下层侧，由预定的导电材料形成。

顶层18设置于氧化物层16的上层侧，由钌(Ru)或钽(Ta)等预定的导电材料形成。

上部盖层19设置于顶层18的上层侧，由预定的导电材料形成。

由上述的层叠构造100构成的磁阻效应元件是具有垂直磁化的STT(SpinTransfer Torque：自旋转移力矩)型的磁阻效应元件。即，存储层11、参照层12及位移消除层14的磁化方向相对于各自的膜面垂直。

在存储层11的磁化方向相对于参照层12的磁化方向平行的情况下，磁阻效应元件相对地是低电阻状态，在存储层11的磁化方向相对于参照层12的磁化方向反平行的情况下，磁阻效应元件相对地是高电阻状态。因此，磁阻效应元件能够根据磁阻效应元件的电阻状态而存储2值数据。另外，根据向磁阻效应元件流动的电流的方向，能够对磁阻效应元件设定低电阻状态或高电阻状态。

如以上这样，在本实施方式中，含有稀土类元素、硼(B)及氧(O)的氧化物层16与存储层11相邻地设置。因而，如以下所述，能够得到具有优异的特性的磁阻效应元件。

一般来说，为了改善磁阻效应元件的WER(Write Error Rate：写错误率)及球状化(Ballooning)，降低存储层的Mst(存储层的饱和磁化(saturation magnetization)Ms与存储层的厚度t之积)是有效的。球状化是指因在写入时在存储层产生磁区(域)，通过成为闭合磁路而稳定，其结果，磁化的反转被阻碍而产生的写入不良。然而，若存储层的厚度成为某厚度以下，则会发生存储层内的颗粒彼此的凝集(Agglomeration)。其结果，会招致存储层界面的润湿性(wettability)的恶化、表面粗糙度(surface roughness)的增加。通过这样的存储层的凝集，难以降低存储层的厚度t。

于是，为了降低存储层的Mst，一般来说，经常使用富含硼(B)的存储层、添加有钼(Mo)等非磁性元素的存储层。然而，在该情况下，存在写入电流Ic的增加及热稳定性(thermal stability)Δ的下降之类的问题。

因此，一边抑制写入电流Ic的增加及热稳定性Δ的下降，一边降低存储层的Mst是重要的。

在本实施方式中，如上所述，氧化物层16含有稀土类元素及硼。通过氧化物层16含有稀土类元素，能够提高存储层11的垂直磁各向异性(perpendicular magneticanisotropy)。另外，通过氧化物层16含有硼，能够使存储层11与作为盖层发挥功能的氧化物层16之间的润湿性提高，能够一边抑制凝集，一边减薄存储层11的厚度t。通过这样的理由，在本实施方式中，能够一边抑制写入电流Ic的增加及热稳定性Δ的下降，一边降低存储层11的Mst。

图2及图3是示出了本实施方式的磁阻效应元件的特性改善效果的图。

此外，图2的横轴是存储层11的Mst，图2的纵轴是存储层11的矫顽力(coerciveforce)Hc。图3的横轴是存储层11的Mst与各向异性磁场(anisotropic magnetic field)Hk之积(对应于热稳定性Δ)，图3的纵轴是存储层11的矫顽力Hc。该矫顽力Hc是相对于由凝集的生成引起的向存储层的缺陷(defect)生成及粗糙度的增加而增减的参数，若因存储层的薄膜化而凝集进展，则矫顽力Hc也单调增加。因此，为了降低存储层的Mst，抑制矫顽力Hc的增加(抑制凝集)是重要的。

另外，在图2及图3中，(a)是使用了本实施方式的氧化物层(含有稀土类元素及硼的氧化物层)的情况下的特性，(b)是使用了第1比较例的氧化物层(含有稀土类元素且不含有硼的氧化物层)的情况下的特性，(c)是使用了第2比较例的氧化物层(含有铪(Hf)的氧化物层)的情况下的特性。此外，本实施方式的氧化物层含有钆(Gd)作为稀土类元素。

从图2及图3可知，在本实施方式中，与第1比较例及第2比较例相比，矫顽力Hc减小。因此，通过使用本实施方式的氧化物层，能够得到如上所述的特性提高效果。

如以上这样，在本实施方式中，由于含有稀土类元素、硼(B)及氧(O)的氧化物层16与存储层11相邻地设置，所以能够一边抑制写入电流Ic的增加及热稳定性Δ的下降，一边降低存储层的Mst，能够改善磁阻效应元件的WER及球状化。

图4及图5是示出了在本实施方式的氧化物层(含有稀土类元素及硼的氧化物层)中改变了硼的浓度相对于稀土类元素的浓度与硼的浓度的合计的比率R时的特性的图。

此外，图4的横轴是存储层11的Mst，图4的纵轴是存储层11的矫顽力Hc。图5的横轴是存储层11的Mst与各向异性磁场Hk之积(对应于热稳定性Δ)，图5的纵轴是存储层11的矫顽力Hc。

另外，在图4及图5中，(a)是R＝0％，(b)是R＝10％，(c)是R＝20％，(d)是R＝50％。此外，不管在(a)、(b)、(c)及(d)的哪个情况下，氧化物层都含有钆(Gd)作为稀土类元素。

如图4及图5所示，与(a)及(b)相比，在(c)及(d)中，矫顽力Hc减小。另外，在(c)及(d)中，在矫顽力Hc中没有大的差。因此，可认为：若比率R为20％以上，则在存储层与氧化物层的界面(interface)处能够得到足以抑制凝集的生成的润湿性，可认为能够得到与前述的图2及图3同等的效果。因此，硼的浓度相对于稀土类元素的浓度与硼的浓度的合计的比率R优选为20％以上。

(实施方式2)

图6是示意性地示出了第2实施方式的磁存储装置中包含的磁阻效应元件的层叠构造的结构的剖视图。此外，基本的事项与上述的第1实施方式是同样的，在第1实施方式中说明过的事项的说明省略。

在第1实施方式中，使用了存储层11位于参照层12的上层侧的顶部自由(topfree)型的磁阻效应元件，但在本实施方式中，使用存储层11位于参照层12的下层侧的底部自由(bottom free)型的磁阻效应元件。

在本实施方式中，也与第1实施方式同样，氧化物层16与存储层11相邻地设置，在隧道势垒层13与氧化物层16之间设置有存储层11。更具体而言，氧化物层16设置于存储层11的下层侧，与存储层11相接。另外，与第1实施方式同样，氧化物层16含有稀土类元素(钆(Gd)、钪(Sc)、钇(Y)等)、硼(B)及氧(O)。

另外，在参照层12的上层侧设置有位移消除层14，在位移消除层14的上层侧设置有盖层20。盖层20可以使用与第1实施方式所示的氧化物层16相同的材料，也可以使用不同的材料。

在本实施方式中，含有稀土类元素、硼(B)及氧(O)的氧化物层16也与存储层11相邻地设置，因此与第1实施方式同样，能够一边抑制写入电流Ic的增加及热稳定性Δ的下降，一边降低存储层的Mst，能够改善磁阻效应元件的WER及球状化。

(应用例)

图7是示意性地示出了应用上述的第1实施方式及第2实施方式所示的磁阻效应元件的磁存储装置的结构的立体图。

图7所示的磁存储装置包括在X方向上延伸的多个第1布线210、在与X方向交叉的Y方向上延伸的多个第2布线220及连接于多个第1布线210与多个第2布线220之间的多个存储单元230。例如，第1布线210及第2布线220中的一方对应于字线，另一方对应于位线。

各存储单元230包括磁阻效应元件240和相对于磁阻效应元件240串联连接的选择器(开关元件)250。

通过向连接于期望的存储单元230的第1布线210与第2布线220之间施加预定的电压，期望的存储单元230中包含的选择器250成为接通(ON)状态，能够对期望的存储单元230中包含的磁阻效应元件240进行读出或写入。

此外，图7所示的磁存储装置是在磁阻效应元件240的上层侧设置有选择器250的结构，但也可以是在磁阻效应元件240的下层侧设置有选择器250的结构。

虽然已经描述了某些实施例，但这些实施例仅以示例的方式呈现，并且并不旨在限制本发明的范围。实际上，这里描述的新颖的实施例可以以多种其他形式体现；而且，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对这里描述的实施例的形式进行各种省略、替换及变更。所附权利要求及其等同物旨在覆盖落入本发明的范围和精神内的此类形式或修改。

Claims (12)

1.一种磁存储装置，具备层叠构造，该层叠构造包括：

第1磁性层，具有可变的磁化方向；

第2磁性层，具有固定的磁化方向；

非磁性层，设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间；及

氧化物层，与所述第1磁性层相邻，

所述第1磁性层设置于所述非磁性层与所述氧化物层之间，

所述氧化物层含有稀土类元素、硼即B及氧即O。

2.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述氧化物层中含有的硼即B的浓度相对于稀土类元素的浓度与硼即B的浓度的合计的比率为20％以上。

3.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第1磁性层含有铁即Fe、钴即Co及硼即B。

4.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第1磁性层及所述第2磁性层具有垂直磁化。

5.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述层叠构造还包括第3磁性层，该第3磁性层消除从所述第2磁性层向所述第1磁性层施加的磁场。

6.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第2磁性层和所述第3磁性层反铁磁性耦合。

7.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第1磁性层位于比所述第2磁性层靠上层侧处。

8.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第1磁性层位于比所述第2磁性层靠下层侧处。

9.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述非磁性层含有镁即Mg及氧即O。

10.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述氧化物层与所述第1磁性层相接。

11.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述层叠构造包含于磁阻效应元件。

12.根据权利要求11所述的磁存储装置，

还具备相对于所述磁阻效应元件串联连接的开关元件。

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