JP2022142888A - 磁気記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む磁気記憶装置を提供する。【解決手段】 実施形態に係る磁気記憶装置は、固定された磁化方向を有する第１の磁性層１５と、可変の磁化方向を有する第２の磁性層１７と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられた非磁性層１６と、第２の磁性層に対して非磁性層の反対側に設けられたモリブデン（Ｍｏ）層１９と、第２の磁性層とモリブデン（Ｍｏ）層との間に設けられ、希土類元素、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択された所定元素を含有する酸化物層１８と、を含む積層構造１００を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。

半導体基板上に複数の不揮発性の磁気抵抗効果素子が集積化された磁気記憶装置が提案されている。

米国特許第９１８４３７４号明細書 米国特許第１０３０５０２７号明細書

優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む磁気記憶装置を提供する。

実施形態に係る磁気記憶装置は、固定された磁化方向を有する第１の磁性層と、可変の磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、前記第２の磁性層に対して前記非磁性層の反対側に設けられたモリブデン（Ｍｏ）層と、前記第２の磁性層と前記モリブデン（Ｍｏ）層との間に設けられ、希土類元素、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択された所定元素を含有する酸化物層と、を含む積層構造を備える。

第１の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造の構成を模式的に示した断面図である。 第２の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造の構成を模式的に示した断面図である。 第１及び第２の実施形態で示した磁気抵抗効果素子が適用される磁気記憶装置の構成を模式的に示した斜視図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。

（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造の構成を模式的に示した断面図である。磁気抵抗効果素子として、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子が用いられる。

半導体基板１０の上方に、積層構造１００が設けられている。積層構造１００は、下層側（半導体基板１０側）から上層側に向かって順に、バッファ層１１、シリコンボロン（ＳｉＢ）層１２、シフトキャンセリング層（第３の磁性層）１３、スペーサ層１４、参照層（第１の磁性層）１５、トンネルバリア層（非磁性層）１６、記憶層（第２の磁性層）１７、酸化物層１８、モリブデン（Ｍｏ）層１９及び上部キャップ層２０が積層された構造を有している。

具体的には、積層構造１００は、参照層１５と、記憶層１７と、参照層１５と記憶層１７との間に設けられたトンネルバリア層１６と、記憶層１７に対してトンネルバリア層１６の反対側に設けられたモリブデン（Ｍｏ）層１９と、記憶層１７とモリブデン（Ｍｏ）層１９との間に設けられた酸化物層１８と、参照層１５に対してトンネルバリア層１６の反対側に設けられたシフトキャンセリング層１３と、シフトキャンセリング層１３に対して参照層１５の反対側に設けられたバッファ層１１と、シフトキャンセリング層１３とバッファ層１１との間に設けられたシリコンボロン（ＳｉＢ）層１２と、参照層１５とシフトキャンセリング層１３との間に設けられたスペーサ層１４と、モリブデン（Ｍｏ）層１９に対して酸化物層１８の反対側に設けられた上部キャップ層２０とを含んでいる。

参照層（第１の磁性層）１５は、シフトキャンセリング層１３上に設けられ、固定された磁化方向を有する強磁性層である。なお、固定された磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。参照層１５は、第１の層部分１５ａ及び第２の層部分１５ｂを含んでおり、第２の層部分１５ｂ上に第１の層部分１５ａが設けられている。第１の層部分１５ａは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層で形成されている。第２の層部分１５ｂは、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つ以上の元素とを含有している。

トンネルバリア層（非磁性層）１６は、参照層１５上に設けられた絶縁層である。トンネルバリア層１６は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。

記憶層（第２の磁性層）１７は、トンネルバリア層１６上に設けられ、可変の磁化方向を有する強磁性層である。なお、可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。記憶層１１は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層で形成されている。

シフトキャンセリング層（第３の磁性層）１３は、シリコンボロン（ＳｉＢ）層１２を介してバッファ層１１上に設けられている。シフトキャンセリング層１３は、参照層１５の磁化方向に対して反平行の固定された磁化方向を有する強誘電層であり、参照層１５から記憶層１７に印加される磁界をキャンセルする機能を有している。シフトキャンセリング層１３は、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つ以上の元素とを含有している。

本実施形態では、シフトキャンセリング層１３は、Ｃｏ層とＰｔ層とが交互に積層された超格子構造を有している。また、シフトキャンセリング層１３は、ＦＣＣ（face centered cubic）結晶構造或いはＨＣＰ（hexagonal close-packed）結晶構造を有している。ＦＣＣ結晶構造の場合は、シフトキャンセリング層１３は、積層構造１００の積層方向に対して垂直な方向に（１１１）面を有している。ＨＣＰ結晶構造の場合は、シフトキャンセリング層１３は、積層構造１００の積層方向に対して垂直な方向に（０００１）面を有している。

スペーサ層１４は、参照層１５とシフトキャンセリング層１３との間に設けられ、スペーサ層１４によって、参照層１５とシフトキャンセリング層１３とが反強磁性結合している。すなわち、参照層１５、シフトキャンセリング層１３及びスペーサ層１４によってＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造が形成されている。スペーサ層１４は、ルテニウム（Ｒｕ）層或いはイリジウム（Ｉｒ）層によって形成されている。

シリコンボロン（ＳｉＢ）層１２は、シリコン（Ｓｉ）及びボロン（Ｂ）を含有した層であり、シフトキャンセリング層１３の下層側に設けられている。ＳｉＢ層１２を設けることで、シフトキャンセリング層１３の垂直磁気異方性等を向上させることができる。また、ＳｉＢ層１２を用いることにより、熱拡散を抑制することができ、耐熱性に優れた磁気抵抗効果素子を得ることが可能である。なお、図１に示した例では、シフトキャンセリング層１３の下面にＳｉＢ層１２が設けられていたが、シフトキャンセリング層１３の上面にＳｉＢ層１２が設けられていてもよく、シフトキャンセリング層１３の層内にＳｉＢ層１２が設けられていてもよい。

バッファ層１１は、ＳｉＢ層１２及びシフトキャンセリング層１３の下層側に設けられている。すなわち、バッファ層１１上にＳｉＢ層１２及びシフトキャンセリング層１３が設けられている。バッファ層１１は、第１の層部分１１ａと、第１の層部分１１ａ上に設けられた第２の層部分１１ｂとを含んでいる。

第１の層部分１１ａは、アモルファス構造を有しており、ハフニウム（Ｈｆ）或いはハフニウムボロン（ＨｆＢ）で形成されている。

第２の層部分１１ｂは、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）から選択された少なくとも１つの元素で形成されている。すなわち、第２の層部分１１ｂは、モリブデン（Ｍｏ）層でもよいし、タングステン（Ｗ）層でもよいし、タンタル（Ｔａ）でもよい。また、第２の層部分１１ｂは、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）及びタンタル（Ｔａ）から選択された２以上の元素の合金層でもよい。第２の層部分１１ｂは、ＢＣＣ（body centered cubic）結晶構造を有しており、積層構造１００の積層方向に対して垂直な方向にＢＣＣ結晶構造の（１１０）面を有している。このような第２の層部分１１ｂを用いることにより、シフトキャンセリング層１３をＦＣＣ（１１１）面或いはＨＣＰ（０００１）面に良好に配向させることができ、シフトキャンセリング層１３の垂直磁気異方性等を向上させることができる。

酸化物層１８は、記憶層１７上に設けられ、記憶層１７に接しており、キャップ層としての機能を有している。酸化物層１８は、希土類元素（ガドリニウム（Ｇｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）等）、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択された所定元素を含有している。すなわち、酸化物層１８は、希土類元素酸化物、シリコン酸化物或いはアルミニウム酸化物で形成されている。

モリブデン（Ｍｏ）層１９は、酸化物層１８上に設けられており、酸化物層１８に接している。モリブデン（Ｍｏ）層１９は、モリブデン（Ｍｏ）で形成され、トップ層としての機能を有している。

上部キャップ層２０は、モリブデン（Ｍｏ）層１９上に設けられ、所定の導電材料で形成されている。

上述した積層構造１００によって構成される磁気抵抗効果素子は、垂直磁化を有するＳＴＴ（Spin Transfer Torque）型の磁気抵抗効果素子である。すなわち、記憶層１７、参照層１５及びシフトキャンセリング層１３の磁化方向は、それぞれの膜面に対して垂直である。

記憶層１７の磁化方向が参照層１５の磁化方向に対して平行である場合には、磁気抵抗効果素子は低抵抗状態であり、記憶層１７の磁化方向が参照層１５の磁化方向に対して反平行である場合には、磁気抵抗効果素子は高抵抗状態である。したがって、磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果素子の抵抗状態に応じて２値データを記憶することが可能である。また、磁気抵抗効果素子に流れる電流の方向に応じて、磁気抵抗効果素子に低抵抗状態或いは高抵抗状態を設定することが可能である。

以上のように、本実施形態の磁気抵抗効果素子では、記憶層１７上に希土類元素、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択された所定元素を含有する酸化物層１８が設けられ、酸化物層１８上にモリブデン（Ｍｏ）層１９が設けられている。このような構成により、本実施形態では、以下に述べるように、耐熱性に優れ、良好な特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることができる。

上述したように、本実施形態では、記憶層１７上に、希土類元素、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択された所定元素を含有する酸化物層１８が設けられている。このような元素を含有する酸化物層１８をキャップ層として用いることにより、記憶層１７の垂直磁気異方性等を向上させることが可能である。しかしながら、このような元素を含有する酸化物層１８をキャップ層として用いた場合、熱処理の際に記憶層１７に含有されている元素、特に鉄（Ｆｅ）が記憶層１７の外側へ拡散し、記憶層の特性を劣化させるおそれがある。

本実施形態では、キャップ層として用いる酸化物層１８上にモリブデン（Ｍｏ）層１９が設けられている。このモリブデン（Ｍｏ）層１９によって記憶層１７に含有されている元素の拡散を抑制することができるため、高温熱処理によって記憶層のＭＲ比の向上等をはかることが可能である。

上述したように、本実施形態では、記憶層１７の垂直磁気異方性等を向上させることができるとともに、熱処理の際に記憶層１７に含有されている元素（特に、Ｆｅ）が拡散することを抑制することができる。したがって、本実施形態では、耐熱性に優れ、良好な特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能となる。

（実施形態２）
図２は、第２の実施形態に係る磁気記憶装置に含まれる磁気抵抗効果素子の積層構造の構成を模式的に示した断面図である。基本的な事項は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。

本実施形態では、積層構造１００が、モリブデン（Ｍｏ）層１９上に設けられ且つルテニウム（Ｒｕ）で形成されたルテニウム（Ｒｕ）層２１をさらに含んでいる。すなわち、積層構造１００は、モリブデン（Ｍｏ）層１９に対して酸化物層１８の反対側に設けられたルテニウム（Ｒｕ）層２１をさらに含んでいる。その他の構成は、図１に示した第１の実施形態の構成と同様である。

本実施形態でも、積層構造１００の基本的な構成は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で述べた効果と同様の効果を得ることができる。

また、本実施形態では、モリブデン（Ｍｏ）層１９上にルテニウム（Ｒｕ）層２１を設けることにより、薬液耐性を向上させることが可能である。例えば、積層構造１００に接続される上部電極をエッチングによって形成する際に、ルテニウム（Ｒｕ）層２１の下層側の層をルテニウム（Ｒｕ）層２１によってエッチング液から保護することができる。したがって、積層構造１００によって構成される磁気抵抗効果素子の特性の悪化を抑制することが可能である。

なお、本実施形態において、酸化物層１８は、希土類元素（ガドリニウム（Ｇｄ）、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）等）、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択された所定元素を含有した酸化物層に限定されず、他の酸化物層を用いることも可能である。

（適用例）
図３は、上述した第１及び第２の実施形態で示した磁気抵抗効果素子が適用される磁気記憶装置の構成を模式的に示した斜視図である。

図３に示した磁気記憶装置は、Ｘ方向に延伸する複数の第１の配線２１０と、Ｘ方向と交差するＹ方向に延伸する複数の第２の配線２２０と、複数の第１の配線２１０と複数の第２の配線２２０との間に接続された複数のメモリセル２３０とを含んでいる。例えば、第１の配線２１０及び第２の配線２２０の一方はワード線に対応し、他方はビット線に対応する。

各メモリセル２３０は、磁気抵抗効果素子２４０と、磁気抵抗効果素子２４０に対して直列に接続されたセレクタ（スイッチング素子）２５０とを含んでいる。

所望のメモリセル２３０に接続された第１の配線２１０と第２の配線２２０との間に所定の電圧を印加することで、所望のメモリセル２３０に含まれるセレクタ２５０がオン状態となり、所望のメモリセル２３０に含まれる磁気抵抗効果素子２４０に対して読み出し或いは書き込みを行うことが可能である。

なお、図７に示した磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子２４０の上層側にセレクタ２５０が設けられた構成であるが、磁気抵抗効果素子２４０の下層側にセレクタ２５０が設けられた構成であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…半導体基板 １１…バッファ層
１２…シリコンボロン（ＳｉＢ）層
１３…シフトキャンセリング層（第３の磁性層）
１４…スペーサ層 １５…参照層（第１の磁性層）
１６…トンネルバリア層（非磁性層） １７…記憶層（第２の磁性層）
１８…酸化物層 １９…モリブデン（Ｍｏ）層
２０…上部キャップ層 ２１…ルテニウム（Ｒｕ）層
１００…積層構造

Claims (9)

1. 固定された磁化方向を有する第１の磁性層と、
   可変の磁化方向を有する第２の磁性層と、
   前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
   前記第２の磁性層に対して前記非磁性層の反対側に設けられたモリブデン（Ｍｏ）層と、
   前記第２の磁性層と前記モリブデン（Ｍｏ）層との間に設けられ、希土類元素、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）から選択された所定元素を含有する酸化物層と、
   を含む積層構造を備える
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
2. 前記積層構造は、前記モリブデン（Ｍｏ）層に対して前記酸化物層の反対側に設けられたルテニウム（Ｒｕ）層をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
3. 固定された磁化方向を有する第１の磁性層と、
   可変の磁化方向を有する第２の磁性層と、
   前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
   前記第２の磁性層に対して前記非磁性層の反対側に設けられたモリブデン（Ｍｏ）層と、
   前記第２の磁性層と前記モリブデン（Ｍｏ）層との間に設けられた酸化物層と、
   前記モリブデン（Ｍｏ）層に対して前記酸化物層の反対側に設けられたルテニウム（Ｒｕ）層と、
   を含む積層構造を備える
   ことを特徴とする磁気記憶装置。
4. 前記第２の磁性層は鉄（Ｆｅ）を含有する
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の磁気記憶装置。
5. 前記第２の磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の磁気記憶装置。
6. 前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層は垂直磁化を有する
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の磁気記憶装置。
7. 前記積層構造は、前記第１の磁性層に対して前記非磁性層の反対側に設けられ、前記第１の磁性層から前記第２の磁性層に印加される磁界をキャンセルする第３の磁性層をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１又は３に記載の磁気記憶装置。
8. 前記第１の磁性層と前記第３の磁性層とは反強磁性結合している
   ことを特徴とする請求項７に記載の磁気記憶装置。
9. 前記積層構造は、前記第３の磁性層に対して前記第１の磁性層の反対側に設けられたバッファ層をさらに含む
   ことを特徴とする請求項７に記載の磁気記憶装置。

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