CN115117232A - 磁存储装置 - Google Patents
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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，具有固定的磁化方向；第2磁性层，具有可变的磁化方向；非磁性层，设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间；钼层即Mo层，相对于所述第2磁性层设置于所述非磁性层的相反侧；及氧化物层，设置于所述第2磁性层与所述钼层即Mo层之间，含有从稀土类元素、硅即Si及铝即Al中选择出的预定元素。
Description
本申请基于2021年3月17日提交的日本专利申请2021-43141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非易失性(nonvolatile)的磁阻效应元件(magnetoresistance effect element)的磁存储装置。
发明内容
一般来说，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，具有固定的磁化方向；第2磁性层，具有可变的磁化方向；非磁性层，设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间；钼(Mo) 层，相对于所述第2磁性层设置于所述非磁性层的相反侧；及氧化物层，设置于所述第2磁性层与所述钼(Mo)层之间，含有选自稀土类元素、硅(Si)及铝(Al)的预定元素。
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3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。
在半导体基板10的上方设置有层叠构造100。层叠构造100具有从下层侧(半导体基板10侧)朝向上层侧依次层叠有(stacked)缓冲层11、硅硼(SiB)层12、位移消除层(第3磁性层)13、间隔层14、参照层(reference layer)(第1磁性层)15、隧道势垒层(非磁性层(nonmagnetic layer)) 16、存储层(storage layer)(第2磁性层)17、氧化物层18、钼(Mo)层19及上部盖层20的构造。
具体而言，层叠构造100包括参照层15、存储层17、设置于参照层 15与存储层17之间的隧道势垒层16、相对于存储层17设置于隧道势垒层 16的相反侧的钼(Mo)层19、设置于存储层17与钼(Mo)层19之间的氧化物层18、相对于参照层15设置于隧道势垒层16的相反侧的位移消除层13、相对于位移消除层13设置于参照层15的相反侧的缓冲层11、设置于位移消除层13与缓冲层11之间的硅硼(SiB)层12、设置于参照层15 与位移消除层13之间的间隔层14及相对于钼(Mo)层19设置于氧化物层18的相反侧的上部盖层20。
参照层(第1磁性层)15是设置于位移消除层13上且具有固定的磁化方向(fixedmagnetization direction)的铁磁性层(ferromagnetic layer)。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15包括第1层部分15a及第2层部分15b，在第2层部分15b上设置有第1层部分15a。第1层部分15a由含有铁(Fe)、钴(Co)及硼(B)的FeCoB层形成。第2层部分15b含有从钴(Co)、铂(Pt)、镍(Ni) 及钯(Pd)中选择出的至少一种以上的元素。
隧道势垒层(非磁性层)16是设置于参照层15上的绝缘层。隧道势垒层16由含有镁(Mg)及氧(O)的MgO层形成。
存储层(第2磁性层)17是设置于隧道势垒层16上且具有可变的磁化方向(variable magnetization direction)的铁磁性层。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。
位移消除层(第3磁性层)13隔着硅硼(SiB)层12而设置于缓冲层 11上。位移消除层13是具有相对于参照层15的磁化方向反平行 (antiparallel)的固定的磁化方向的强磁性层，具有消除从参照层15向存储层17施加的磁场的功能。位移消除层13含有从钴(Co)、铂(Pt)、镍 (Ni)及钯(Pd)中选择出的至少一种以上的元素。
在本实施方式中，位移消除层13具有Co层和Pt层交替层叠的超晶格构造(superlattice structure)。另外，位移消除层13具有FCC(face centered cubic：面心立方)晶体构造或HCP(hexagonal close-packed：密排六方)晶体构造。在FCC晶体构造的情况下，位移消除层13在相对于层叠构造100的层叠方向垂直的方向上具有(111)面。在HCP晶体构造的情况下，位移消除层13在相对于层叠构造100的层叠方向垂直的方向上具有(0001)面。
间隔层14设置于参照层15与位移消除层13之间，通过间隔层14，参照层15和位移消除层13反铁磁性耦合(antiferromagnetic coupling)。即，由参照层15、位移消除层13及间隔层14形成了SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic：合成反铁磁)构造。间隔层14由钌(Ru)层或铱(Ir) 层形成。
硅硼(SiB)层12是含有硅(Si)及硼(B)的层，设置于位移消除层 13的下层侧。通过设置SiB层12，能够使位移消除层13的垂直磁各向异性(perpendicular magneticanisotropy)等提高。另外，通过使用SiB层12，能够抑制热扩散，能够得到耐热性优异的磁阻效应元件。此外，在图 1所示的例子中，在位移消除层13的下表面设置有SiB层12，但也可以在位移消除层13的上表面设置有SiB层12，还可以在位移消除层13的层内设置有SiB层12。
缓冲层11设置于SiB层12及位移消除层13的下层侧。即，在缓冲层 11上设置有SiB层12及位移消除层13。缓冲层11包括第1层部分11a和设置于第1层部分11a上的第2层部分11b。
第1层部分11a具有非晶构造，由铪(Hf)或铪硼(HfB)形成。
第2层部分11b由从钼(Mo)、钨(W)及钽(Ta)中选择出的至少一种元素形成。即，第2层部分11b可以是钼(Mo)层，也可以是钨(W) 层，还可以是钽(Ta)。另外，第2层部分11b也可以是从钼(Mo)、钨 (W)及钽(Ta)中选择出的两种以上的元素的合金层。第2层部分11b 具有BCC(body centered cubic：体心立方)晶体构造，在相对于层叠构造100的层叠方向垂直的方向上具有BCC晶体构造的(110)面。通过使用这样的第2层部分11b，能够使位移消除层13在FCC(111)面或HCP (0001)面良好地取向，能够使位移消除层13的垂直磁各向异性等提高。
氧化物层18设置于存储层17上，与存储层17相接，具有作为盖层的功能。氧化物层18含有从稀土类元素(钆(Gd)、钪(Sc)、钇(Y)等)、硅(Si)及铝(Al)中选择出的预定元素。即，氧化物层18由稀土类元素氧化物、硅氧化物或铝氧化物形成。
钼(Mo)层19设置于氧化物层18上，与氧化物层18相接。钼(Mo) 层19由钼(Mo)形成，具有作为顶层的功能。
上部盖层20设置于钼(Mo)层19上，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 (perpendicularmagnetization)的STT(Spin Transfer Torque：自旋转移力矩)型的磁阻效应元件。即，存储层17、参照层15及位移消除层13 的磁化方向相对于各自的膜面垂直。
在存储层17的磁化方向相对于参照层15的磁化方向平行的情况下，磁阻效应元件是低电阻状态，在存储层17的磁化方向相对于参照层15的磁化方向反平行的情况下，磁阻效应元件是高电阻状态。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，在本实施方式的磁阻效应元件中，在存储层17上设置有含有从稀土类元素、硅(Si)及铝(Al)中选择出的预定元素的氧化物层 18，在氧化物层18上设置有钼(Mo)层19。通过这样的结构，在本实施方式中，如以下所述，能够得到耐热性优异且具有良好的特性的磁阻效应元件。
如上所述，在本实施方式中，在存储层17上设置有含有从稀土类元素、硅(Si)及铝(Al)中选择出的预定元素的氧化物层18。通过使用含有这样的元素的氧化物层18作为盖层，能够使存储层17的垂直磁各向异性等提高。然而，在使用了含有这样的元素的氧化物层18作为盖层的情况下，在热处理时存储层17中含有的元素，尤其是铁(Fe)，向存储层17的外侧扩散，可能会使存储层的特性劣化。
在本实施方式中，在作为盖层使用的氧化物层18上设置有钼(Mo) 层19。通过该钼(Mo)层19，能够抑制存储层17中含有的元素的扩散，因此能够通过高温热处理而谋求存储层的MR比的提高等。
如上所述，在本实施方式中，能够使存储层17的垂直磁各向异性等提高，并且能够抑制在热处理时存储层17中含有的元素(尤其是Fe)扩散。因此，在本实施方式中，能够得到耐热性优异且具有良好的特性的磁阻效应元件。
(实施方式2)
图2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。基本的事项与第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。
在本实施方式中，层叠构造100还包括设置于钼(Mo)层19上且由钌(Ru)形成的钌(Ru)层21。即，层叠构造100还包括相对于钼(Mo) 层19设置于氧化物层18的相反侧的钌(Ru)层21。其他的结构与图1 所示的第1实施方式的结构是同样的。
在本实施方式中，层叠构造100的基本的结构也与第1实施方式是同样的，能够得到与在第1实施方式中叙述的效果同样的效果。
另外，在本实施方式中，通过在钼(Mo)层19上设置钌(Ru)层21，能够使药液耐性提高。例如，在将连接于层叠构造100的上部电极通过蚀刻而形成时，能够将钌(Ru)层21的下层侧的层通过钌(Ru)层21而相对于蚀刻液保护起来。因此，能够抑制由层叠构造100构成的磁阻效应元件的特性的恶化。
此外，在本实施方式中，氧化物层18不限定于含有从稀土类元素(钆 (Gd)、钪(Sc)、钇(Y)等)、硅(Si)及铝(Al)中选择出的预定元素的氧化物层，也能够使用其他的氧化物层。
(应用例)
图3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3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3所示的磁存储装置是在磁阻效应元件240的上层侧设置了选择器250的结构，但也可以是在磁阻效应元件240的下层侧设置了选择器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 (15)
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，具有固定的磁化方向；
第2磁性层，具有可变的磁化方向；
非磁性层，设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间；
钼层即Mo层，相对于所述第2磁性层设置于所述非磁性层的相反侧；及
氧化物层，设置于所述第2磁性层与所述钼层即Mo层之间，含有选自稀土类元素、硅即Si及铝即Al的预定元素。
2.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述层叠构造还包括相对于所述钼层即Mo层设置于所述氧化物层的相反侧的钌层即Ru层。
3.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第2磁性层含有铁即Fe。
4.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第2磁性层含有铁即Fe、钴即Co及硼即B。
5.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。
6.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磁性层相对于所述第1磁性层设置于所述非磁性层的相反侧并且消除从所述第1磁性层向所述第2磁性层施加的磁场。
7.根据权利要求6所述的磁存储装置，
所述第1磁性层和所述第3磁性层反铁磁性耦合。
8.根据权利要求6所述的磁存储装置，
所述层叠构造还包括缓冲层，该缓冲层相对于所述第3磁性层设置于所述第1磁性层的相反侧。
9.一种磁存储装置，具备层叠构造，该层叠构造包括：
第1磁性层，具有固定的磁化方向；
第2磁性层，具有可变的磁化方向；
非磁性层，设置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间；
钼层即Mo层，相对于所述第2磁性层设置于所述非磁性层的相反侧；
氧化物层，设置于所述第2磁性层与所述钼层即Mo层之间；及
钌层即Ru层，相对于所述钼层即Mo层设置于所述氧化物层的相反侧。
10.根据权利要求9所述的磁存储装置，
所述第2磁性层含有铁即Fe。
11.根据权利要求9所述的磁存储装置，
所述第2磁性层含有铁即Fe、钴即Co及硼即B。
12.根据权利要求9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。
13.根据权利要求9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磁性层相对于所述第1磁性层设置于所述非磁性层的相反侧并且消除从所述第1磁性层向所述第2磁性层施加的磁场。
14.根据权利要求13所述的磁存储装置，
所述第1磁性层和所述第3磁性层反铁磁性耦合。
15.根据权利要求13所述的磁存储装置，
所述层叠构造还包括缓冲层，该缓冲层相对于所述第3磁性层设置于所述第1磁性层的相反侧。
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