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Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein magnetisches Speicherelement und eine Halbleitervorrichtung.
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Hintergrund
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Zum Beispiel offenbart Patentliteratur 1 ein magnetisches Speicherelement, das eine Speicherschicht und eine auf der Speicherschicht vorgesehene Deckschicht beinhaltet.
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Liste der Anführungen
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Patentliteratur
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Patentliteratur 1:
JP 2020-35976 A -
Zusammenfassung der Erfindung
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Technisches Problem
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Beispielsweise wird in einem Fall, in dem ein magnetisches Speicherelement auf einem Halbleitersubstrat vorgesehen ist, eine Koerzitivkraft des magnetischen Speicherelements aufgrund einer thermischen Belastung während eines Halbleiterprozesses gesenkt. Es ist erforderlich, eine angemessene Koerzitivkraft zu haben, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung gesenkt wurde.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein magnetisches Speicherelement und eine Halbleitervorrichtung bereit, die eine geeignete Koerzitivkraft aufweisen können, nachdem eine Koerzitivkraft durch eine thermische Belastung gesenkt wurde.
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Lösung des Problems
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Ein magnetisches Speicherelement gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet Folgendes: eine Referenzschicht, von der eine Magnetisierungsrichtung festgelegt ist; eine Tunnelbarriereschicht, die auf der Referenzschicht vorgesehen ist; eine magnetische Speicherschicht, die dazu konfiguriert ist, auf der Tunnelbarriereschicht vorgesehen zu werden, und deren Magnetisierungsrichtung geändert werden kann; eine Schicht mit hoher Hk, die dazu konfiguriert ist, auf der magnetischen Speicherschicht vorgesehen zu werden und die magnetische Anisotropie der magnetischen Speicherschicht zu verbessern; und eine Deckschicht, die auf der Schicht mit hoher Hk vorgesehen ist, wobei sich ein Material der Schicht mit hoher Hk von einem Material der Deckschicht unterscheidet und das Material der Schicht mit hoher Hk ein Metall mit hohem Schmelzpunkt ist.
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Eine Halbleitervorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet mehrere magnetische Speicherelemente, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei das magnetische Speicherelement eine Referenzschicht, von der eine Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, eine Tunnelbarriereschicht, die auf der Referenzschicht vorgesehen ist, eine magnetische Speicherschicht, die auf der Tunnelbarriereschicht vorgesehen ist und deren Magnetisierungsrichtung geändert werden kann, eine Schicht mit hoher Hk, die auf der magnetischen Speicherschicht vorgesehen ist und die magnetische Anisotropie der magnetischen Speicherschicht verbessert, und eine Deckschicht, die auf der Schicht mit hoher Hk vorgesehen ist, beinhaltet, und sich ein Material der Schicht mit hoher Hk von einem Material der Deckschicht unterscheidet und das Material der Schicht mit hoher Hk ein Metall mit hohem Schmelzpunkt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines Speicherelements gemäß einer Ausführungsform darstellt.
- 2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Koerzitivkraft darstellt, die von einer Schicht mit hoher Hk erhalten wird.
- 3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine andere Form der Schicht mit hoher Hk darstellt.
- 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass in jeder nachfolgenden Ausführungsform auf eine redundante Beschreibung verzichtet wird, indem das gleiche Element mit der gleichen Bezugszahl bezeichnet wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die Größe jedes in den Zeichnungen dargestellten Elements nicht zwangsweise genau ist.
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Die vorliegende Offenbarung wird gemäß der folgenden Reihenfolge von Punkten geschrieben.
- 1. Ausführungsform
- 1.1 Magnetisches Speicherelement
- 1.2 Halbleitervorrichtung
- 2. Beispiel für Anwendungen
- 3. Beispiel für Wirkungen
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1. Ausführungsform
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1.1 Magnetisches Speicherelement
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1 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine schematische Konfiguration eines magnetischen Speicherelements gemäß einer Ausführungsform darstellt. Das magnetische Speicherelement ist ein MTJ-Element (Magnetic Tunnel Junction - magnetischer Tunnelübergang), das TMR-Effekte (TMR, tunneling magnetoresistance/magnetischer Tunnelwiderstand) verwendet und eine laminierte Struktur aufweist. In 1 ist ein XYZ-Koordinatensystem dargestellt. Eine Z-Achsenrichtung entspricht einer Laminierungsrichtung (Vertikalrichtung). Eine X-Achsenrichtung und eine Y-Achsenrichtung entsprechen einer Schichterstreckungsrichtung (Ebenenrichtung).
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Ein magnetisches Speicherelement 10 beinhaltet eine Referenzschicht 11, eine Tunnelbarriereschicht 12, eine magnetische Speicherschicht 13, eine Schicht 14 mit hoher Hk, eine Deckschicht 15 und eine obere Elektrode 16. In dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Referenzschicht 11, die Tunnelbarriereschicht 12, die magnetische Speicherschicht 13, die Schicht 14 mit hoher Hk, die Deckschicht 15 und die obere Elektrode 16 in dieser Reihenfolge in Richtung der positiven Z-Achsenrichtung laminiert.
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Eine Magnetisierungsrichtung (Richtung des magnetischen Moments) der Referenzschicht 11 ist festgelegt, und die Referenzschicht 11 gibt eine Magnetisierungsrichtung als Referenz an. Die Referenzschicht 11 beinhaltet eine ferromagnetische Substanz zum Erhalt einer hohen Koerzitivkraft. Beispiele für ein Material der Referenzschicht 11 sind Fe, Co, Ni, Mn oder dergleichen und insbesondere CoFeB, FeNiB, FeCoC, CoFe, Copt, FePt, CoMnSi, MnAl oder dergleichen. Darüber hinaus können eine Konfiguration, in der diese Materialien laminiert sind, und eine laminierte ferrimagnetische Konfiguration, in der diese Materialien über Ru und Ir magnetisch antiparallel gekoppelt sind, verwendet werden. Ein Beispiel für eine Dicke (Schichtdicke) der Referenzschicht 11 ist etwa ein nm bis etwa 30 nm. Die Referenzschicht 11 wird auch als Referenzschicht, festgelegte Schicht oder dergleichen bezeichnet.
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Die Magnetisierungsrichtung kann eine Magnetisierungsrichtung in der Z-Achsenrichtung sein. Durch die Verwendung eines Materials mit senkrechter magnetischer Anisotropie ist es möglich, die Leistung zu verringern, eine Kapazität oder dergleichen des magnetischen Speicherelements 10 zu erhöhen, als in einem Fall, in dem ein Material mit magnetischer Anisotropie in der Ebene verwendet wird.
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Die Tunnelbarriereschicht 12 ist auf der Referenzschicht 11 vorgesehen. „Auf der Schicht vorgesehen“ gibt im Wesentlichen einen Zustand an, in dem die Schichten in Z-Achsenrichtung Kontakt (z. B. Oberflächenkontakt) miteinander haben. Die Schichten können jedoch voneinander getrennt sein (z. B. kann ein anderes Element dazwischen angeordnet sein), solange die Funktion der jeweiligen Schicht nicht beeinträchtigt wird. Die Tunnelbarriereschicht 12 koppelt die Referenzschicht 11 und die magnetische Speicherschicht 13 durch einen Tunneleffekt. Die Tunnelbarriereschicht 12 beinhaltet einen nicht-magnetischen Körper. Beispiele für ein Material der Tunnelbarriereschicht 12 sind MgO, Al2O3, AlN, SiO2, Bi2O3, MgF2, CaF, SrTiO2, AlLaO3, AlNO, oder dergleichen. Bei der Ausführungsform kann das Material der Tunnelbarriereschicht 12 MgO enthalten. Ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis (MR-Verhältnis) kann höher sein als in einem Fall, in dem ein anderes Material verwendet wird. Ein Beispiel für eine Schichtdicke der Tunnelbarriereschicht 12 beträgt etwa 0,3 nm bis etwa fünf nm.
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Die magnetische Speicherschicht 13 ist auf der Tunnelbarriereschicht 12 vorgesehen. Die magnetische Speicherschicht 13 enthält eine ferromagnetische Substanz. Ähnlich wie die Referenzschicht 11 sind Beispiele für ein Material der magnetischen Speicherschicht 13 Fe, Co, Ni, Mn oder dergleichen und insbesondere CoFeB, FeNiB, FeCoC, CoFe, CoPt, FePt, CoMnSi, MnAl oder dergleichen. Ein Beispiel für eine Schichtdicke der magnetischen Speicherschicht 13 ist etwa ein nm bis etwa 10 nm. Im Gegensatz zu der Referenzschicht 11 ist die magnetische Speicherschicht 13 eine Schicht, von der die Magnetisierungsrichtung geändert (invertiert) werden kann. Um beispielsweise ein magnetisches Moment zu invertieren, wird beispielsweise die magnetische Umkehr des Spindrehmoments verwendet. Durch Invertieren des magnetischen Moments der magnetischen Speicherschicht 13 können Binärinformationen von eins oder null geschrieben werden.
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Die Schicht 14 mit hoher Hk ist auf der magnetischen Speicherschicht 13 vorgesehen. Es wird die Schicht 14 mit hoher Hk wird später beschrieben.
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Die Deckschicht 15 ist auf der Schicht 14 mit hoher Hk vorgesehen. Die Deckschicht 15 bedeckt Schichten (deckt diese ab), die unter (Seite der negativen Z-Achsenrichtung) der Deckschicht 15 positioniert sind, d. h. die Schicht 14 mit hoher Hk, die magnetische Speicherschicht 13, die Tunnelbarriereschicht 12 und die Referenzschicht 11. Die Deckschicht 15 wirkt dahingehend, die Kristallisation der magnetischen Speicherschicht 13 zusammen mit der Tunnelbarriereschicht 12 zu fördern. Ein Beispiel für ein Material der Deckschicht 15 ist ein nichtmagnetisches Oxid. Ein Beispiel für das nichtmagnetische Oxid ist ein Seltenerdoxid wie MgO, Gd, Tb, Dy oder Sc. Ein Beispiel für eine Filmdicke der Deckschicht 15 beträgt etwa 0,5 nm bis etwa 10 nm.
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Die obere Elektrode 16 ist auf der Deckschicht 15 vorgesehen. Die obere Elektrode 16 stellt eine elektrische Verbindung mit der Außenseite des magnetischen Speicherelements 10 her. Die obere Elektrode 16 fungiert als Verdrahtungsleitung oder als Hartmaske. Beispiele für ein Material der oberen Elektrode sind Metallmaterialien wie Ru, Mo, Ta, TaN, TiN oder CoFeB.
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Es sei darauf hingewiesen, dass, obgleich nicht dargestellt, das magnetische Speicherelement 10 eine Unterschicht oder eine untere Elektrode unter (Seite der negativen Z-Achsenrichtung) der Referenzschicht 11 aufweisen kann. Beispielsweise ist die Unterschicht zwischen der Referenzschicht 11 und einem Substrat (zum Beispiel das später zu beschreibende Halbleitersubstrat 20 in 4) vorgesehen und verbessert die Steuerung der Kristallorientierung der Referenzschicht 11 und eine Haftfestigkeit in Bezug auf das Substrat. Ein Material der Unterschicht kann ein Material sein, dessen Kristallorientierung im Wesentlichen mit der Referenzschicht 11 übereinstimmt. Die untere Elektrode ist unter der Unterschicht vorgesehen und klemmt die Deckschicht 15, die Schicht 14 mit hoher Hk, die magnetische Speicherschicht 13, die Tunnelbarriereschicht 12, die Referenzschicht 11 und die Unterschicht in Z-Achsenrichtung zusammen mit der oberen Elektrode 16 ein und stellt eine elektrische Verbindung mit der Außenseite des magnetischen Speicherelements 10 her.
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In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schicht 14 mit hoher Hk zwischen der magnetischen Speicherschicht 13 und der Deckschicht 15 vorgesehen. Die Schicht 14 mit hoher Hk verbessert die Koerzitivkraft des magnetischen Speicherelements 10. Im Folgenden wird die Koerzitivkraft des magnetischen Speicherelements 10 als Koerzitivkraft Hc bezeichnet. Ein Beispiel für eine Einheit der Koerzitivkraft Hc ist Oersted (Oe). Die Koerzitivkraft Hc ist proportional zur magnetischen Anisotropie der magnetischen Speicherschicht 13. Die magnetische Anisotropie wird als magnetische Anisotropie Hk bezeichnet. Die Schicht 14 mit hoher Hk verbessert die Koerzitivkraft Hc des magnetischen Speicherelements 10 durch Bereitstellung der hohen magnetischen Anisotropie Hk für das magnetische Speicherelement 10.
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Die Schicht 14 mit hoher Hk verhindert nicht die bcc(001)-Kristallisation der magnetischen Speicherschicht 13 zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung in einem Herstellungsprozess oder dergleichen und unterdrückt die Materialdiffusion von der Deckschicht 15. Ein Beispiel für die Schicht 14 mit hoher Hk ist ein Metall mit hohem Schmelzpunkt. Ein Beispiel für einen Schmelzpunkt eines Metallmaterials mit hohem Schmelzpunkt ist gleich oder höher als 2000°C. Das Material mit hohem Schmelzpunkt kann ein Material mit einem bcc-Kristall oder einer amorphen Struktur sein. Beispiele für Metalle mit hohem Schmelzpunkt sind W, Mo, Ta oder dergleichen. Eine Legierung, die Co, Fe, B (Bor) oder dergleichen in diesen Materialien enthält, kann die Schicht 14 mit hoher Hk sein. Ein Beispiel für eine solche Legierung ist CoFeMo oder dergleichen. Ein Beispiel für einen oberen Grenzwert einer Schichtdicke der Schicht 14 mit hoher Hk beträgt 1,0 nm. Die Schicht 14 mit hoher Hk hat eine Filmdicke, die gleich oder kleiner als 1,0 nm ist, so dass ein Effekt, der die Kristallisation von der Deckschicht 15 nicht verhindert, leicht erreicht wird. Ein Beispiel für einen unteren Grenzwert der Schichtdicke der Schicht 14 mit hoher Hk beträgt 0,2 nm oder dergleichen. Die Schicht 14 mit hoher Hk hat eine Schichtdicke von größer gleich 0,2 nm, so dass ein Effekt der Unterdrückung der Materialdiffusion von der Deckschicht 15 und der oberen Elektrode 16 leicht erhalten wird.
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2 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Koerzitivkraft darstellt, die durch die Schicht mit hoher Hk erhalten wird. Die horizontale Achse des Diagramms gibt die Filmdicke (Ä) der Schicht 14 mit hoher Hk an, und die vertikale Achse gibt die Koerzitivkraft Hc (Oe) des magnetischen Speicherelements 10 an. Die im Schaubild angezeigte Koerzitivkraft Hc ist eine Koerzitivkraft Hc, nachdem die Koerzitivkraft durch eine thermische Belastung gesenkt wurde. In diesem Beispiel erwärmt die thermische Belastung drei Stunden lang bei 400 Grad. Das Material der Tunnelbarriereschicht 12 ist MgO. Das Material der magnetischen Speicherschicht 13 ist CoFeB. Das Material der Schicht 14 mit hoher Hk ist Mo. Das Material der Deckschicht 15 ist MgO.
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Eine Auftragung P gibt einen Messwert der Koerzitivkraft Hc des magnetischen Speicherelements 10 an, und eine Kurvenlinie C verläuft durch diese Auftragungen P. Eine Auftragung PE zeigt einen Messwert einer Koerzitivkraft Hc eines magnetischen Speicherelements gemäß einem Vergleichsbeispiel an, in dem die Schichtdicke der Schicht 14 mit hoher Hk null ist, das heißt, die Schicht 14 mit hoher Hk nicht enthalten ist. Ein unterer Grenzwert 1200 Oe und ein oberer Grenzwert 2400 Oe aus einem Bereich der praktischen Koerzitivkraft Hc werden durch gestrichelte Linien angezeigt.
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In einem Fall, in dem die Schicht 14 mit hoher Hk nicht enthalten ist, wie durch die Auftragung PE angegeben, beträgt die Koerzitivkraft Hc nach Absenkung der Koerzitivkraft durch die thermische Belastung nur etwa 1000 Oe, was außerhalb eines praktischen Bereichs liegt. Es ist nicht möglich, eine ausreichende Koerzitivkraft Hc zu erhalten, um Magnetisierungsinformationen zu speichern.
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In einem Fall, in dem die Schicht 14 mit hoher Hk enthalten ist, wie durch die Auftragung P und die Kurvenlinie C angegeben, wird die Koerzitivkraft Hc nach dem Absenken der Koerzitivkraft durch die thermische Belastung innerhalb des praktischen Bereichs positioniert. Wenn die Dicke der Schicht 14 mit hoher Hk abnimmt, erhöht sich die Koerzitivkraft Hc. Wenn die Dicke zu klein wird, nimmt die Koerzitivkraft Hc ab und nähert sich einem durch die Auftragung PE angegebenen Wert, obgleich dies nicht dargestellt ist. Durch die Einstellung der Schichtdicke der Schicht 14 mit hoher Hk wird die Koerzitivkraft Hc gleich oder größer als 1200 Oe erhalten, und darüber hinaus besteht die Möglichkeit, dass beispielsweise die Koerzitivkraft Hc gleich oder größer als 1800 Oe erhalten wird. Obgleich nicht dargestellt, wird in einem Fall, in dem die Schicht 14 mit hoher Hk enthalten ist, ein größerer TMR als in einem Fall, in dem die Schicht 14 mit hoher Hk nicht enthalten ist, erreicht.
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Wie oben beschrieben, kann das magnetische Speicherelement 10 durch Aufnahme der Schicht 14 mit hoher Hk eine geeignete Koerzitivkraft Hc aufweisen, beispielsweise eine Koerzitivkraft Hc innerhalb eines Bereichs von 1200 Oe bis 2400 Oe, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung abgesenkt wurde. Ein geeigneter TMR kann ebenfalls erhalten werden. Sowohl eine gute Koerzivität (thermische Stabilität) als auch der TMR können erreicht werden.
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Als Anwendungsbeispiel kann das magnetische Speicherelement 10 mit der Koerzitivkraft Hc von 1200 Oe als magnetoresistiver Direktzugriffsspeicher (MRAM) mit Hochgeschwindigkeitsschreibeigenschaften anstelle des statischen Direktzugriffsspeichers (SRAM) verwendet werden. Das magnetische Speicherelement 10 mit der Koerzitivkraft Hc größer als 1800 Oe kann als nicht flüchtiger Speicher verwendet werden, der 10 oder mehr Jahre magnetisiert werden kann.
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Es sei darauf hingewiesen, dass es denkbar ist, die thermische Diffusion weiter zu unterdrücken, indem die Schichtdicke der Deckschicht 15 erhöht wird, ohne die Schicht 14 mit hoher Hk bereitzustellen, um eine Struktur zu realisieren, die der thermischen Belastung widersteht. Wenn die Schichtdicke der Deckschicht 15 jedoch zu groß wird, wird der TMR aufgrund des parasitären Widerstands abgesenkt. Es ist oftmals schwierig, die Schichtdicke der Deckschicht 15 auszuführen, die sowohl die große magnetische Anisotropie als auch den hohen TMR erreicht. Ein solches Problem wird gelöst, indem die Schicht 14 mit hoher Hk getrennt von der Deckschicht 15 vorgesehen wird.
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Informationen werden in das magnetische Speicherelement 10 geschrieben, z. B. durch die magnetische Umkehr des Spindrehmoments, wie oben beschrieben. Durch einen Stromfluss zwischen den Elektroden (zwischen der oberen Elektrode 16 und der unteren Elektrode nicht dargestellt) wird die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Speicherschicht 13 invertiert, und Informationen gemäß der Magnetisierungsrichtung werden in die magnetische Speicherschicht 13 geschrieben (gespeichert).
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Informationen werden vom magnetischen Speicherelement 10 mit dem TMR-Effekt ausgelesen. Das heißt, in dem magnetischen Speicherelement 10 ändert sich eine Größe eines elektrischen Widerstands zwischen den Elektroden entsprechend einer Beziehung zwischen der Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht 11 und der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Speicherschicht 13 (beispielsweise parallel oder antiparallel). Durch das Erfassen des elektrischen Widerstands durch das Erfassen des Stroms werden die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Speicherschicht 13, d. h. die in der magnetischen Speicherschicht 13 geschriebenen (gespeicherten) Informationen, ausgelesen. Es sei darauf hingewiesen, dass ein Strom zum Zeitpunkt des Auslesens viel kleiner ist als ein Strom zum Zeitpunkt des Schreibens und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Speicherschicht 13 nicht beeinflusst. Daher ist es möglich, Informationen nicht-destruktiv auszulesen.
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Es wird ein Verfahren zur Herstellung des magnetischen Speicherelements 10 beschrieben. Beispielsweise beinhaltet das Herstellungsverfahren einen Prozess der Vorbereitung eines Halbleitersubstrats, wie z. B. eines Siliziumsubstrats (nicht dargestellt), einen Prozess des Laminierens mehrerer Schichten, die in dem magnetischen Speicherelement 10 enthalten sind, auf dem vorbereiteten Halbleitersubstrat zum Erhalt einer laminierten Struktur, oder dergleichen. Bei dem Laminierungsprozess werden die Unterschicht, die untere Elektrode, die Referenzschicht 11, die Tunnelbarriereschicht 12, die magnetische Speicherschicht 13, die Schicht 14 mit hoher Hk, die Deckschicht 15 und die obere Elektrode 16, oben beschrieben, in dieser Reihenfolge laminiert, beispielsweise durch Filmbildung oder dergleichen. Das Herstellungsverfahren kann einen Prozess des Erwärmens der laminierten Struktur beinhalten. Die Erwärmung kann nach Beendigung des Laminierungsprozesses durchgeführt werden oder kann während des Laminierungsprozesses durchgeführt werden, beispielsweise jedes Mal nach der Filmbildung jeder Schicht. Der Erwärmungsprozess kann ein Erwärmungsprozess während des Halbleiterprozesses sein und ist ein Prozess zur Beaufschlagung der laminierten Struktur, wie zum Beispiel oben beschrieben, mit einer thermischen Belastung von 400 Grad für drei Stunden. Wie oben beschrieben, kann eine geeignete Koerzitivkraft Hc auch nach Beaufschlagung mit einer solchen thermischen Belastung erhalten werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass sich im Herstellungsprozess Randabschnitte einiger Schichten bis zu einer Position einer anderen Schicht erstrecken können. Dies wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
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3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine schematische Konfiguration des magnetischen Speicherelements darstellt. In diesem Beispiel erstreckt sich ein Randabschnitt der Schicht 14 mit hoher Hk bis zu der Position der magnetischen Speicherschicht 13, die unterhalb der Schicht 14 mit hoher Hk positioniert ist. Der Randabschnitt kann in die magnetische Speicherschicht 13 eindringen. Selbst mit der Schicht 14 mit hoher Hk, die eine solche Form aufweist, ist es natürlich möglich, die Koerzitivkraft Hc des magnetischen Speicherelements 10 zu verbessern, wie oben beschrieben. Die Schichtdicke der Schicht 14 mit hoher Hk kann in diesem Fall eine Dicke eines Abschnitts ohne den Randabschnitt sein.
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1.2 Halbleitervorrichtung
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4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine schematische Konfiguration einer Halbleitervorrichtung gemäß der Ausführungsform darstellt. Eine beispielhafte Halbleitervorrichtung 1 ist ein magnetischer Speicher (Magnetspeichervorrichtung). Die Halbleitervorrichtung 1 beinhaltet das magnetische Speicherelement 10, ein Halbleitersubstrat 20 und eine Verdrahtung 30. Das Halbleitersubstrat 20 ist beispielsweise ein Halbleitersubstrat wie ein Siliziumsubstrat. Als Verdrahtung 30 werden beispielhaft eine Bitleiung 31, eine Wortleitung 32 und eine Leseleitung 33 dargestellt. Die Bitleitung 31 und die Wortleitung 32 sind zwei Arten von Adressleitungen, die sich kreuzen. In diesem Beispiel erstreckt sich die Bitleitung 31 in Richtung der X-Achse, und die Wortleitung 32 erstreckt sich in Richtung der Y-Achse. Die Leseleitung 33 erstreckt sich in diesem Beispiel in der gleichen Richtung wie die Wortleitung 32.
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Das magnetische Speicherelement 10 beinhaltet mehrere magnetische Speicherelemente 10, die auf dem Halbleitersubstrat 20 angeordnet sind (in diesem Beispiel der Seite der positiven Z-Achsenrichtung). Jedes magnetische Speicherelement 10 ist in der Nähe eines Schnittpunkts zwischen der Bitleitung 31 und der Wortleitung 32 angeordnet (z. B. in einem Array). Ein Anschluss des Magnetspeicherelements 10 ist elektrisch mit der Bitleitung 31 verbunden. Beispielsweise ist die obere Elektrode 16 des oben beschriebenen magnetischen Speicherelements 10, elektrisch mit der Bitleitung 31 verbunden. Ein weiterer Anschluss des magnetischen Speicherelements 10 ist elektrisch mit einem später zu beschreibenden Auswahltransistor 22 verbunden. Beispielsweise ist die untere Elektrode des oben beschriebenen magnetischen Speicherelements 10 elektrisch mit dem Auswahltransistor 22 verbunden.
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Das Halbleitersubstrat 20 beinhaltet ein Elementisolationsgebiet 21 und den Auswahltransistor 22. Das Elementisolationsgebiet 21 stellt ein elektrisch isoliertes Gebiet bereit. Der Auswahltransistor 22 ist in dem durch das Elementisolationsgebiet 21 isolierten Bereich gebildet. Der Auswahltransistor 22 ist zur Auswahl des magnetischen Speicherelements 10 vorgesehen.
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Das einzelne magnetische Speicherelement 10 und der einzelne Auswahltransistor 22, der zur Auswahl des magnetischen Speicherelements 10 verwendet wird, bilden eine einzelne Speicherzelle. Die mehreren Speicherzellen sind auf dem Halbleitersubstrat 20 angeordnet. In 4 ist ein Abschnitt, der vier Speicherzellen entspricht, schematisch dargestellt.
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Der beispielhafte Auswahltransistor 22 ist ein FET und beinhaltet ein Source-Gebiet 221, ein Drain-Gebiet 222 und ein Gate-Gebiet. Das Source-Gebiet 221 und das Drain-Gebiet 222 sind auf dem Halbleitersubstrat 20 gebildet. Eine für das Gate-Gebiet vorgesehene Gate-Elektrode ist in der Wortleitung 32 enthalten.
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Das Source-Gebiet 221 ist elektrisch mit einem anderen Anschluss des magnetischen Speicherelements 10 verbunden. Das Drain-Gebiet 222 ist elektrisch mit der Leseleitung 33 verbunden. Es sei darauf hingewiesen, dass in diesem Beispiel das Drain-Gebiet 222 gemeinsam mit dem Drain-Gebiet 222 des benachbarten Auswahltransistors 22 gebildet wird.
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Das magnetische Speicherelement 10 ist in Z-Achsenrichtung elektrisch zwischen dem Source-Gebiet 221 des Auswahltransistors 22 und der Bitleitung 31 verbunden. Die elektrische Verbindung ist beispielsweise über eine Kontaktschicht oder dergleichen hergestellt.
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Die Bitleitung 31, die Wortleitung 32 und die Leseleitung 33 sind mit einer Stromversorgungsschaltung oder ähnlichem verbunden (nicht dargestellt), um einen gewünschten Strom in das magnetische Speicherelement 10 (zwischen der oberen und unteren Elektrode) zu leiten. Zum Zeitpunkt des Schreibens von Information wird über die Bitleitung 31 und die Leseleitung 33 eine einer gewünschten Speicherzelle entsprechende Spannung angelegt, um den Strom zu dem magnetischen Speicherelement 10 zu leiten. An die Wortleitung 32 wird eine Spannung angelegt, die der gewünschten Speicherzelle, d. h. der Gate-Elektrode des Auswahltransistors 22, entspricht, und der Auswahltransistor 22 wird eingeschaltet (leitender Zustand), so dass der Strom in das magnetische Speicherelement 10 fließt. Der Strom fließt in dem magnetischen Speicherelement 10, und die Informationen werden, wie oben beschrieben, durch die magnetische Umkehr des Spindrehmoments geschrieben (gespeichert). Zum Zeitpunkt des Auslesens von Information wird eine Spannung an die Wortleitung 32 angelegt, die der gewünschten Speicherzelle, d. h. der Gate-Elektrode des Auswahltransistors 22, entspricht, und ein Strom fließt zwischen der Bitleitung 31 und der Leseleitung 33, das heißt, es wird ein durch das magnetische Speicherelement 10 fließender Strom erfasst. Das Erfassen des Stroms bedeutet, dass eine Größe des elektrischen Widerstands erfasst wird, und durch diese Erfassung werden Informationen ausgelesen.
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Durch Aufnahme des magnetischen Speicherelements 10 kann die Halbleitervorrichtung 1 die geeignete Koerzitivkraft Hc aufweisen, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung gesenkt wurde, ähnlich wie das magnetische Speicherelement 10. Bei dem Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 1 dient das Halbleitersubstrat 20 als das Halbleitersubstrat bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung des magnetischen Speicherelements 10. Das Verfahren zur Herstellung der Halbleitervorrichtung 1 beinhaltet ferner einen Prozess des Bildens des Elementisolationsgebiets 21 und des Auswahltransistors 22 auf dem Halbleitersubstrat 20, ein Prozess des Bildens der Verdrahtung 30 oder dergleichen.
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2. Beispiel für Anwendungen
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Die Halbleitervorrichtung 1 mit dem oben beschriebenen magnetischen Speicherelement 10 kann für verschiedene Anwendungen verwendet werden. Beispielsweise ist die Halbleitervorrichtung 1 an einer zu verwendenden elektronischen Vorrichtung montiert. Beispiele für die elektronische Vorrichtung sind ein Spielautomat, ein mobiles Gerät wie ein Smartphone oder ein Tablet-Endgerät, ein Notebook-PC, eine tragbare Vorrichtung, eine Musikvorrichtung, ein Videogerät, eine Digitalkamera oder dergleichen. Die Halbleitervorrichtung 1 wird als Speicher, Speicher zur Zwischenspeicherung oder dergleichen verwendet. Das magnetische Speicherelement 10 kann ein MTJ-Element sein, das für einen Magnetkopf verwendet wird. Das magnetische Speicherelement 10 kann an einem Festplattenlaufwerk, auf dem der Magnetkopf montiert ist, einer magnetischen Sensorvorrichtung oder dergleichen angebracht sein.
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3. Beispiel für Wirkungen
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Die oben beschriebene Technologie wird beispielsweise wie folgt spezifiziert. Eine der offenbarten Technologien ist das magnetische Speicherelement 10. Wie in den 1 bis 3 beschrieben, beinhaltet das magnetische Speicherelement 10 die Referenzschicht 11, von der eine Magnetisierungsrichtung festgelegt ist, die Tunnelbarriereschicht 12, die auf der Referenzschicht 11 vorgesehen ist, die magnetische Speicherschicht 13, die auf der Tunnelbarriereschicht 12 vorgesehen ist und von der die Magnetisierungsrichtung geändert werden kann, die Schicht 14 mit hoher Hk, die auf der magnetischen Speicherschicht 13 vorgesehen ist und die magnetische Anisotropie der magnetischen Speicherschicht 13 verbessert, und die Deckschicht 15, die auf der Schicht 14 mit hoher Hk vorgesehen ist. Das Material der Schicht 14 mit hoher Hk unterscheidet sich von dem Material der Deckschicht 15. Das Material der Schicht 14 mit hoher Hk ist ein Metall mit hohem Schmelzpunkt.
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Gemäß dem oben beschriebenen magnetischen Speicherelement 10 ist es möglich, durch Aufnahme der Schicht 14 mit hoher Hk getrennt von der Deckschicht 15 eine geeignete Koerzitivkraft Hc (z. B. gleich oder größer als 1200 Oe) zu haben, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung gesenkt wurde (z. B. thermische Belastung während eines Halbleiterprozesses).
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Das Material der Schicht 14 mit hoher Hk kann mindestens eines von W, Mo und Ta enthalten. In diesem Fall kann das Material der Schicht mit hoher Hk ferner mindestens eines von Co, Fe und B enthalten (d. h. eine solche Legierung sein). Darüber hinaus kann die Schichtdicke der Schicht 14 mit hoher Hk gleich oder größer als 0,2 nm und gleich oder kleiner als 1,0 nm sein. Beispielsweise ist es möglich, durch Aufnahme der Schicht 14 mit hoher Hk mit einem solchen Material und einer Schichtdicke, eine geeignete Koerzitivkraft Hc zu erhalten, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung gesenkt wurde.
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Das Material der Deckschicht 15 kann ein nichtmagnetisches Oxid enthalten. In diesem Fall kann das Material der Deckschicht 15 mindestens eines von MgO, Gd, Tb, Dy und Sc enthalten. Beispielsweise ist es möglich, durch Aufnahme der Schicht 14 mit hoher Hk getrennt von solch einer Deckschicht 15, eine geeignete Koerzitivkraft Hc zu erhalten, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung gesenkt wurde.
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Das Material der Schicht 14 mit hoher Hk kann Mo enthalten, und das Material der Deckschicht 15 kann MgO enthalten. In diesem Fall kann das Material der Tunnelbarriereschicht 12 MgO enthalten, und das Material der magnetischen Speicherschicht 13 kann CoFeB enthalten. Durch die Aufnahme dieser Schichten ist es beispielsweise möglich, eine geeignete Koerzitivkraft Hc zu erhalten, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung gesenkt wurde.
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Die unter Bezugnahme auf 4 oder dergleichen beschriebene Halbleitervorrichtung 1 ist eine der offenbarten Technologien. Die Halbleitervorrichtung 1 beinhaltet die mehreren magnetischen Speicherelemente 10, die auf dem Halbleitersubstrat 20 angeordnet sind. Gemäß einer solchen Halbleitervorrichtung 1 ist es möglich, eine geeignete Koerzitivkraft Hc zu erhalten, auch nachdem die Koerzitivkraft durch die thermische Belastung gesenkt wurde, wie oben beschrieben.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Wirkungen lediglich Beispiele sind und nicht auf den offenbarten Inhalt beschränkt sind. Es können andere Wirkungen erzielt werden.
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Obgleich die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung oben beschrieben wurde, ist der technische Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und es können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden, ohne von dem Wesen der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Es sei angemerkt, dass die vorliegende Technologie die folgenden Konfigurationen aufweisen kann.
- (1) Magnetisches Speicherelement, umfassend:
- eine Referenzschicht, von der eine Magnetisierungsrichtung festgelegt ist;
- eine Tunnelbarriereschicht, die auf der Referenzschicht vorgesehen ist;
- eine magnetische Speicherschicht, die dazu konfiguriert ist, auf der Tunnelbarriereschicht vorgesehen zu werden, und deren Magnetisierungsrichtung geändert werden kann;
- eine Schicht mit hoher Hk, die dazu konfiguriert ist, auf der magnetischen Speicherschicht vorgesehen zu werden und die magnetische Anisotropie der magnetischen Speicherschicht zu verbessern; und
- eine Deckschicht, die auf der Schicht mit hoher Hk vorgesehen ist, wobei
- sich ein Material der Schicht mit hoher Hk von einem Material der Deckschicht unterscheidet und
- das Material der Schicht mit hoher Hk ein Metall mit hohem Schmelzpunkt ist.
- (2) Magnetisches Speicherelement nach (1), wobei
das Material der Schicht mit hoher Hk mindestens eines von W, Mo und Ta enthält.
- (3) Magnetisches Speicherelement nach (2), wobei
das Material der Schicht mit hoher Hk ferner mindestens eines von Co, Fe und B enthält.
- (4) Magnetisches Speicherelement nach einem von (1) bis (3), wobei
eine Schichtdicke der Schicht mit hoher Hk gleich oder größer als 0,2 nm ist und gleich oder kleiner als 1,0 nm ist.
- (5) Magnetisches Speicherelement nach einem von (1) bis (4), wobei
das Material der Deckschicht ein nichtmagnetisches Oxid ist.
- (6) Magnetisches Speicherelement nach einem von (1) bis (5), wobei
das Material der Deckschicht mindestens eines von MgO, Gd, Tb, Dy und Sc enthält.
- (7) Magnetisches Speicherelement nach einem von (1) bis (6), wobei
das Material der Schicht mit hoher Hk Mo enthält und das Material der Deckschicht MgO enthält.
- (8) Magnetisches Speicherelement nach einem von (1) bis (7), wobei
ein Material der Tunnelbarriereschicht MgO enthält,
ein Material der magnetischen Speicherschicht CoFeB enthält,
das Material der Schicht mit hoher Hk Mo enthält und
das Material der Deckschicht MgO enthält.
- (9) Magnetisches Speicherelement nach einem von (1) bis (8), wobei
eine Koerzitivkraft nach dem Absenken durch eine thermische Belastung während eines Halbleiterprozesses gleich oder größer als 1200 Oe ist.
- (10) Halbleitervorrichtung, umfassend
mehrere magnetische Speicherelemente, die auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei
das magnetische Speicherelement Folgendes beinhaltet:
- eine Referenzschicht, von der eine Magnetisierungsrichtung festgelegt ist,
- eine Tunnelbarriereschicht, die auf der Referenzschicht vorgesehen ist,
- eine magnetische Speicherschicht, die auf der Tunnelbarriereschicht vorgesehen ist und deren Magnetisierungsrichtung geändert werden kann,
- eine Schicht mit hoher Hk, die auf der magnetischen Speicherschicht vorgesehen ist und die magnetische Anisotropie der magnetischen Speicherschicht verbessert, und
- eine Deckschicht, die auf der Schicht mit hoher Hk vorgesehen ist, und
- sich ein Material der Schicht mit hoher Hk von einem Material der Deckschicht unterscheidet und
- das Material der Schicht mit hoher Hk ein Metall mit hohem Schmelzpunkt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Halbleitervorrichtung
- 10
- MAGNETISCHES SPEICHERELEMENT
- 11
- REFERENZSCHICHT
- 12
- TUNNELBARRIERESCHICHT
- 13
- MAGNETISCHE SPEICHERSCHICHT
- 14
- SCHICHT MIT HOHER HK
- 15
- DECKSCHICHT
- 16
- OBERE ELEKTRODE
- 20
- HALBLEITERSUBSTRAT
- 21
- ELEMENTISOLATIONSGEBIET
- 22
- AUSWAHLTRANSISTOR
- 221
- SOURCE-GEBIET
- 222
- DRAIN-GEBIET
- 30
- VERDRAHTUNG
- 31
- BITLEITUNG
- 32
- WORTLEITUNG
- 33
- LESELEITUNG
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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