TW201941467A - 磁性裝置及磁性裝置之製造方法 - Google Patents

磁性裝置及磁性裝置之製造方法 Download PDF

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Abstract

本發明之一實施形態之磁性裝置具備磁阻效應元件。上述磁阻效應元件包含第1鐵磁體、導電體、及氧化物。上述氧化物係設置於上述第1鐵磁體與上述導電體之間。上述氧化物包含稀土類元素之第1氧化物、及與上述稀土類元素相比共價鍵半徑較小之元素之第2氧化物。

Description

磁性裝置及磁性裝置之製造方法
本發明所述之實施方式通常係關於一種磁性裝置及磁性裝置之製造方法。
已知有具有磁性元件之磁性裝置。
通常，根據一實施方式，包含一種磁性裝置，其具備磁阻效應元件。上述磁阻效應元件包含第1鐵磁體、導電體、及氧化物。上述氧化物設置於上述第1鐵磁體與上述導電體之間。上述氧化物包含稀土類元素之第1氧化物、及與上述稀土類元素相比共價鍵半徑較小之元素之第2氧化物。
以下，參照圖式對實施形態進行說明。再者，於以下之說明中，對具有相同之功能及構成之構成要素，標註共通之參照符號。又，於區別具有共通之參照符號之複數個構成要素之情形時，對該共通之參照符號標註下標進行區別。再者，於對複數個構成要素無需特別區別之情形時，對該複數個構成要素僅標註共通之參照符號，不標註下標。
1.第1實施形態 對第1實施形態之磁性裝置進行說明。第1實施形態之磁性裝置例如包含將磁阻效應(磁穿隧接面(MTJ：Magnetic Tunnel Junction))元件用作記憶元件之藉由垂直磁化方式之磁性記憶裝置(磁阻隨機存取記憶體(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory))。
於以下之說明中，作為磁性裝置之一例，對上述之磁性記憶裝置進行說明。
1.1關於構成 首先，對第1實施形態之磁性裝置之構成進行說明。
1.1.1關於磁性裝置之構成 圖1係表示第1實施形態之磁性裝置之構成之方塊圖。如圖1所示，磁性裝置1具備：記憶胞陣列11、電流吸收器12、感測放大器及寫入驅動器(SA/WD)13、列解碼器14、頁面緩衝器15、輸入輸出電路16、及控制器17。
記憶胞陣列11具備與行(row)及列(column)相對應之複數個記憶胞MC。並且，例如位於同一行之記憶胞MC連接於同一字元線WL，位於同一列之記憶胞MC之兩端連接於同一位元線BL及同一源極線/BL。
電流吸收器12係連接於位元線BL及源極線/BL。電流吸收器12係於資料之寫入及讀出等動作中，使位元線BL或源極線/BL成為接地電位。
SA/WD13係連接於位元線BL及源極線/BL。SA/WD13係經由位元線BL及源極線/BL而向動作對象之記憶胞MC供給電流，進行向記憶胞MC之資料之寫入。又，SA/WD13係經由位元線BL及源極線/BL而向動作對象之記憶胞MC供給電流，進行向記憶胞MC之資料之讀出。更具體而言，SA/WD之寫入驅動器進行向記憶胞MC之資料之寫入，SA/WD13之感測放大器進行自記憶胞MC之資料之讀出。
列解碼器14係經由字元線WL而與記憶胞陣列11連接。列解碼器14係將指定記憶胞陣列11之列方向之列位址進行解碼。並且，根據解碼結果選擇字元線WL，對所選擇之字元線WL施加資料之寫入及讀出等動作所需之電壓。
頁面緩衝器15係將寫入至記憶胞陣列11內之資料、及自記憶胞陣列11所讀出之資料暫時保持於被稱為頁面之資料單元中。
輸入輸出電路16係將自磁性裝置1之外部所接收之各種信號發送至控制器17及頁面緩衝器15，將來自控制器17及頁面緩衝器15之各種資訊發送至磁性裝置1之外部。
控制器17係與電流吸收器12、SA/WD13、列解碼器14、頁面緩衝器15、及輸入輸出電路16連接。控制器17係依據輸入輸出電路16自磁性裝置1之外部所接收之各種信號，控制電流吸收器12、SA/WD13、列解碼器14、及頁面緩衝器15。
1.1.2關於記憶胞之構成 其次，使用圖2對第1實施形態之磁性裝置之記憶胞之構成進行說明。於以下之說明中，將平行於半導體基板20之面定義為xy平面，將垂直於該xy平面之軸定義為z軸。x軸及y軸係定義為於xy平面內相互正交之軸。圖2表示將第1實施形態之磁性裝置1之記憶胞MC於xz平面上切開之情形之剖視圖之一例。
如圖2所示，記憶胞MC係設置於半導體基板20上，且包含選擇電晶體21及磁阻效應元件22。選擇電晶體21係設置為於向磁阻效應元件22之資料寫入及讀出時，控制電流之供給及停止之開關。磁阻效應元件22係包含積層之複數個膜，且可藉由使電流於垂直於膜面之方向上流動，而將電阻值切換為低電阻狀態與高電阻狀態。磁阻效應元件22可藉由其電阻狀態之變化而寫入資料，將所寫入之資料保持為不揮發，從而作為可讀出之記憶元件發揮功能。
選擇電晶體21包含：連接於作為字元線WL發揮功能之配線層23之閘極、及於沿著該閘極之x方向之兩端設置於半導體基板20之表面之1對源極區域或汲極區域24。選擇電晶體21中包含於半導體基板20內之區域亦稱為活性區域。活性區域例如係以不與其他記憶胞MC之活性區域電性連接之方式藉由未圖示之元件分離區域(淺槽隔離(STI：Shallow trench isolation))而相互絕緣。
配線層23係經由半導體基板20上之絕緣層25沿著y方向設置，例如共同連接於沿著y方向排列之其他記憶胞MC之選擇電晶體21(未圖示)之閘極。配線層23例如係於x方向上排列。
選擇電晶體21之一端係經由設置於源極區域或汲極區域24上之接觸插塞26而連接於磁阻效應元件22之下表面上。於磁阻效應元件22之上表面上設置接觸插塞27。磁阻效應元件22係經由接觸插塞27而連接於作為位元線BL發揮功能之配線層28。配線層28係於x方向上延伸，例如共同連接於在x方向上排列之其他記憶胞MC之磁阻效應元件22(未圖示)之另一端。
選擇電晶體21之另一端係經由設置於源極區域或汲極區域24上之接觸插塞29而連接於作為源極線/BL發揮功能之配線層30。配線層30係於x方向上延伸，例如共同連接於在x方向上排列之其他記憶胞MC之選擇電晶體21(未圖示)之另一端。
配線層28及30例如係於y方向上排列。配線層28係位於例如配線層30之上方。再者，於圖2中省略，但配線層28及30係避免相互物理及電性之干涉而配置。選擇電晶體21、磁阻效應元件22、配線層23、28、及30、以及接觸插塞26、27、及29係由層間絕緣膜31被覆。
再者，相對於磁阻效應元件22沿著x方向或y方向排列之其他磁阻效應元件22(未圖示)例如係設置於同一層上。即，於記憶胞陣列11內，複數個磁阻效應元件22例如沿著半導體基板20擴展之方向排列。
1.1.3關於磁阻效應元件 其次，使用圖3對第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之構成進行說明。圖3係表示將第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件於垂直於xy平面之平面上切開之剖面之剖視圖之一例。
如圖3所示，磁阻效應元件22例如包含：作為基底層(Under layer)發揮功能之非磁性層110、氧化物層120、作為記憶層(Storage layer)發揮功能之鐵磁性層130、作為隧道勢壘層(Tunnel barrier layer)及晶種層(Seed layer)發揮功能之非磁性層140、作為參照層(Reference layer)發揮功能之鐵磁性層150、作為分隔層(Spacer layer)發揮功能之非磁性層160、作為偏移消除層(Shift cancelling layer)發揮功能之鐵磁性層170、及作為上覆層(Capping layer)發揮功能之非磁性層180。於圖3以後之圖中，非磁性層110、氧化物層120、鐵磁性層130、非磁性層140、鐵磁性層150、非磁性層160、鐵磁性層170、及非磁性層180分別亦表示為「UL」、「REX-O」、「SL」、「TB/SEED」、「RL」、「SP」、「SCL」、及「CAP」。
磁阻效應元件22例如係自半導體基板20側按照非磁性層110、氧化物層120、鐵磁性層130、非磁性層140、鐵磁性層150、非磁性層160、鐵磁性層170、及非磁性層180之順序於z軸方向上積層複數個膜。磁阻效應元件22係鐵磁性層130、150、及170之磁化方向(magnetization orientation)分別朝向相對於膜面之垂直方向之垂直磁化型MTJ元件。
非磁性層110係具有導電性之非磁體之層，例如包含氧化鎂(MgO)、氧化鋁(AlO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO)、氮化鎂(MgN)、氮化鋯(ZrN)、氮化鈮(NbN)、氮化矽(SiN)、氮化鋁(AlN)、氮化鉿(HfN)、氮化鉭(TaN)、氮化鎢(WN)、氮化鉻(CrN)、氮化鉬(MoN)、氮化鈦(TiN)、及氮化釩(VN)等氮化合物或氧化合物之至少任一種。又，非磁性層110亦可包含上述之氮化合物或氧化合物之混合物。即，非磁性層110並不限於包含兩種元素之二元化合物，亦可含有包含三種元素之三元化合物、例如氮化鈦鋁(AlTiN)等。氮化合物及氧化合物抑制與該等接觸之磁性層之阻尼常數上升，可獲得寫入電流降低之效果。進而，藉由使用高熔點金屬之氮化合物或氧化合物，可抑制基底層材料向磁性層之擴散，且可防止MR比之劣化。此處，所謂高熔點金屬，係指熔點高於鐵(Fe)、鈷(Co)之材料，例如為鋯(Zr)、鉿(Hf)、鎢(W)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、及釩(V)。
氧化物層120係包含氧化物之層，包含稀土類元素(RE：Rare-earth element)之氧化物。稀土類元素之氧化物(以下，亦簡稱為「稀土類氧化物(RE-O：Rare-earth oxide)」)例如包含鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、及鎦(Lu)之至少任一種之氧化物。氧化物層120中所含之稀土類元素具有鍵結(例如，共價鍵結(covalent bonding))之晶格間隔與其他元素相比較大之結晶結構。因此，關於氧化物層120，於相鄰之鐵磁性層130為包含雜質之非晶質(非晶狀態)之情形時，具有於高溫環境(例如，退火處理)下使該雜質擴散至氧化物層120內之功能。即，氧化物層120具有藉由退火處理而自非晶狀態之鐵磁性層130中將雜質去除，從而製成高配向之結晶狀態之功能。關於退火處理之詳細內容，於下文敍述。
又，氧化物層120係於包含上述之稀土類氧化物之層內進而包含與該稀土類氧化物相比共價鍵半徑(covalent radius)較小之擴散調整用元素(X：Diffusivity adjusting element)之氧化物。擴散調整用元素之氧化物(以下，亦簡稱為「擴散調整用氧化物(X-O：Diffusivity adjusting oxide)」)包含可容易氧化之元素。具體而言，例如擴散調整用氧化物可包含作為可容易氧化之元素之鈉(Na)、鎂(Mg)、鋁(Al)、矽(Si)、鈣(Ca)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋅(Zn)、鍶(Sr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、及鉭(Ta)之至少任一種之氧化物。藉由具有此種擴散調整用元素混合存在之結構，而氧化物層120與僅由稀土類氧化物構成之結晶結構相比，晶格間隔減小。因此，氧化物層120具有於退火處理時，使鐵磁性層130內之雜質擴散至氧化物層120內，並且防止與該雜質相比某種程度較大之物質(例如，鐵磁體130內之鐵磁體)之擴散之功能。關於稀土類元素與擴散調整用元素之具體之組合之詳細內容，於下文敍述。
又，氧化物層120亦可進而包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)之至少任一種作為雜質。
再者，氧化物層120較理想為寄生電阻小於非磁性層140。更佳為氧化物層120之寄生電阻較理想為非磁性層140之1成以下，例如較理想為薄於數nm(奈米)(例如，2 nm)之層。
鐵磁性層130係包含具有導電性且於垂直於膜面之方向上具有易磁化軸方向之鐵磁體之層，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之至少任一種。又，鐵磁性層130亦可進而包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)之至少任一種作為雜質。更具體而言，例如鐵磁性層130亦可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。鐵磁性層130具有朝向半導體基板20側、鐵磁性層150側之任一方向之磁化方向。鐵磁性層130之磁化方向係以與鐵磁性層150相比容易反轉之方式設定。
非磁性層140係包含非磁體之層，例如包含氧化鎂(MgO)、氧化鋁(AlO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO)、及LSMO (Lanthanum-strontium-manganese oxide，鑭-鍶-錳氧化物)之至少任一種。非磁性層140係於相鄰之鐵磁性層130及150之結晶化處理中，作為成為用以自與鐵磁性層130及150之界面使結晶質之膜生長之核之晶種材料發揮功能。關於結晶化處理之詳細內容，於下文敍述。
鐵磁性層150係包含具有導電性且於垂直於膜面之方向上具有易磁化軸方向之鐵磁體之層，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之至少任一種。又，鐵磁性層150亦可進而包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)之至少任一種作為雜質。更具體而言，例如鐵磁性層150亦可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。或者，鐵磁性層150亦可包含鈷鉑(CoPt)、鈷鎳(CoNi)、及鈷鈀(CoPd)之至少任一種。鐵磁性層150之磁化方向為固定，朝向鐵磁性層130側或鐵磁性層170側之任一側(於圖3之例中，朝向鐵磁性層170側)。再者，所謂「磁化方向固定」，意指磁化方向不因可使鐵磁性層130之磁化方向反轉之大小之電流而變化。鐵磁性層130、非磁性層140、及鐵磁性層150係藉由非磁性層140作為隧道勢壘層發揮功能，而構成磁性隧道接合。
非磁性層160為非磁性之導電膜，例如包含釕(Ru)。
鐵磁性層170係包含具有導電性且於垂直於膜面之方向上具有易磁化軸方向之鐵磁體之層，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之至少任一種。又，鐵磁性層150亦可進而包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)之任一種作為雜質。更具體而言，例如鐵磁性層150亦可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。或者，鐵磁性層150亦可包含鈷鉑(CoPt)、鈷鎳(CoNi)、及鈷鈀(CoPd)之至少任一種。鐵磁性層170係藉由非磁性層160，而與鐵磁性層150反鐵磁性地結合。因此，鐵磁性層170之磁化方向係固定於與鐵磁性層150之磁化方向反平行之方向(於圖3之例中，鐵磁性層150側)。用以使鐵磁性層170之磁化方向反轉所需之磁場之大小例如係設定大於鐵磁性層150之值。又，來自鐵磁性層170之漏磁場可降低來自鐵磁性層150之漏磁場對鐵磁性層130之磁化方向所造成之影響。
非磁性層180係具有導電性之非磁體之層，例如包含鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)、釕(Ru)之至少任一種。
於第1實施形態中，可應用於此種磁阻效應元件22中直接流通寫入電流，並藉由該寫入電流控制鐵磁性層130之磁化方向之旋轉注入寫入方式。磁阻效應元件22可藉由使鐵磁性層130及150之磁化方向之相對關係為平行或反平行，而取得低電阻狀態及高電阻狀態之任一種。
若於磁阻效應元件22中流通圖3中之箭頭a1之方向、即自鐵磁性層130朝向鐵磁性層150之寫入電流，則鐵磁性層130及150之磁化方向之相對關係成為平行。於該平行狀態之情形時，磁阻效應元件22之電阻值成為最低，磁阻效應元件22係設定為低電阻狀態。該低電阻狀態被稱為「P(Parallel，平行)狀態」，例如規定為資料“0”之狀態。
若於磁阻效應元件22中流通圖3之箭頭a2之方向、即自鐵磁性層150朝向鐵磁性層130之寫入電流，則鐵磁性層130及150之磁化方向之相對關係成為反平行。於該反平行狀態之情形時，磁阻效應元件22之電阻值成為最高，磁阻效應元件22係設定為高電阻狀態。該高電阻狀態被稱為「AP(Anti-Parallel，反平行)狀態」，例如規定為資料“1”之狀態。
1.1.4關於稀土類元素與擴散調整用元素之組合 其次，使用圖4及圖5對第1實施形態之氧化物層中之稀土類元素與擴散調整用元素之具體之組合進行說明。
圖4係用以說明第1實施形態之磁性裝置之氧化物層內可包含之稀土類元素之共價鍵半徑之表格。圖5係用以說明第1實施形態之磁性裝置之氧化物層內可包含之擴散調整用元素之共價鍵半徑之表格。於圖4及圖5中，使原子序號、元素符號、及共價鍵半徑相對應而具體地表示。
如圖4所示，氧化物層120內可包含之稀土類元素之共價鍵半徑(單位：微微米(pm))例如係如下所述。
原子序號21之鈧(Sc)之共價鍵半徑為170 pm。原子序號39之釔(Y)之共價鍵半徑為190 pm。原子序號57之鑭(La)之共價鍵半徑為207 pm。原子序號58之鈰(Ce)之共價鍵半徑為204 pm。原子序號59之鐠(Pr)之共價鍵半徑為203 pm。原子序號60之釹(Nd)之共價鍵半徑為201 pm。原子序號61之鉕(Pm)之共價鍵半徑為199 pm。原子序號62之釤(Sm)之共價鍵半徑為198 pm。原子序號63之銪(Eu)之共價鍵半徑為198 pm。原子序號64之釓(Gd)之共價鍵半徑為196 pm。原子序號65之鋱(Tb)之共價鍵半徑為194 pm。原子序號66之鏑(Dy)之共價鍵半徑為192 pm。原子序號67之鈥(Ho)之共價鍵半徑為192 pm。原子序號68之鉺(Er)之共價鍵半徑為189 pm。原子序號69之銩(Tm)之共價鍵半徑為190 pm。原子序號70之鐿(Yb)之共價鍵半徑為187 pm。原子序號71之鎦(Lu)之共價鍵半徑為187 pm。
如圖5所示，氧化物層120內可包含之擴散調整用元素之共價鍵半徑例如係如下所述。
原子序號11之鈉(Na)之共價鍵半徑為166 pm。原子序號12之鎂(Mg)之共價鍵半徑為141 pm。原子序號13之鋁(Al)之共價鍵半徑為121 pm。原子序號14之矽(Si)之共價鍵半徑為111 pm。原子序號20之鈣(Ca)之共價鍵半徑為176 pm。原子序號22之鈦(Ti)之共價鍵半徑為160 pm。原子序號23之釩(V)之共價鍵半徑為153 pm。原子序號24之鉻(Cr)之共價鍵半徑為139 pm。原子序號25之錳(Mn)之共價鍵半徑為139 pm。原子序號30之鋅(Zn)之共價鍵半徑為122 pm。原子序號38之鍶(Sr)之共價鍵半徑為195 pm。原子序號40之鋯(Zr)之共價鍵半徑為175 pm。原子序號41之鈮(Nb)之共價鍵半徑為164 pm。原子序號72之鉿(Hf)之共價鍵半徑為175 pm。原子序號73之鉭(Ta)之共價鍵半徑為170 pm。
參照圖4及圖5，例如於自圖4所示之稀土類元素中選擇鈧(Sc)之情形時，可自圖5所示之擴散調整用元素中選擇鈉(Na)、鎂(Mg)、鋁(Al)、矽(Si)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋅(Zn)、及鈮(Nb)中之至少一種。
又，例如於自圖4所示之稀土類元素中選擇釔(Y)之情形時，可自圖5所示之擴散調整用元素中選擇除鍶(Sr)以外之所有元素中之至少一種。
又，例如於自圖4所示之稀土類元素中選擇釓(Gd)之情形時，可選擇圖5所示之擴散調整用元素之所有元素中之至少一種。
1.2. 關於磁阻效應元件之製造方法 其次，對第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之製造方法進行說明。於以下之說明中，設為對磁阻效應元件22內之各構成要素中之鐵磁性層130(記憶層SL)之製造方法進行說明者，對其他構成要素，省略其說明。
圖6、圖7、及圖8係用以說明第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之製造方法之模式圖。於圖6~圖8中，表示鐵磁性層130藉由退火處理而自非晶狀態成為結晶狀態之過程。再者，關於積層於較非磁性層140更上層之鐵磁性層150、非磁性層160、鐵磁性層170、及非磁性層180，簡便起見，省略圖示。
如圖6所示，依序積層非磁性層110、氧化物層120、鐵磁性層130、及非磁性層140。氧化物層120包含稀土類元素之氧化物、及擴散調整用元素之氧化物。氧化物層120例如係將稀土類元素、及擴散調整用元素例如藉由共濺鍍(Co-sputter)法而成膜。氧化物層120可藉由包含擴散調整用元素之氧化物，而呈現如非晶狀態。鐵磁性層130係積層為包含雜質之非晶狀態之層。非磁性層140例如具有立方晶(Cubical crystal)或正方晶(Tetragonal crystal)之結晶結構。
再者，於圖6以後之圖中，方便起見，稀土類元素係以直徑較大之“○”表示，擴散調整用元素係以直徑較小之“○”內由斜線形成影線者表示。又，非磁性層110內之導電體係以“Δ”表示，鐵磁性層130內之鐵磁體係以“□”表示，於積層時鐵磁性層130內所含之雜質係以“×”表示。
其次，如圖7所示，對於圖6中所積層之各層進行退火處理。具體而言，藉由對各層自外部施加熱，而使鐵磁性層130自非晶質轉換為結晶質。此處，非磁性層140發揮控制鐵磁性層130之結晶結構之配向之作用。即，鐵磁性層130係以非磁性層140作為晶種材料而使結晶結構生長(結晶化處理)。藉此，鐵磁性層130係於與非磁性層140之結晶面相同之結晶面配向。
伴隨鐵磁性層130成為結晶結構，而鐵磁性層130內所含之雜質“×”擴散至氧化物層120內。氧化物層120內所含之稀土類元素及擴散調整用元素之晶格間隔大到不妨礙雜質“×”之擴散之程度，故而雜質“×”迅速地自鐵磁性層130擴散至氧化物層120。藉此，可進一步促進鐵磁性層130之結晶化。
另一方面，藉由因退火處理所施加之熱，而使鐵磁性層130內所含之鐵磁體“□”亦同樣地欲向鐵磁性層130外擴散。氧化物層120內所含之稀土類元素之晶格間隔大到不妨礙鐵磁體“□”之擴散之程度。然而，氧化物層120內所含之擴散調整用元素之晶格間隔小到可妨礙鐵磁體“□”之擴散之程度。藉此，可抑制鐵磁體“□”自鐵磁性層130向氧化物層120擴散。因此，可防止鐵磁性層130之結晶化受到妨礙。
又，藉由因退火處理所施加之熱，而使非磁性層110內所含之導電體“Δ”亦同樣地欲向非磁性層110外擴散。氧化物層120內所含之稀土類元素之晶格間隔大到不妨礙導電體“Δ”之擴散之程度。然而，氧化物層120內所含之擴散調整用元素之晶格間隔小到可妨礙導電體“Δ”之擴散之程度。藉此，抑制導電體“Δ”自非磁性層110向氧化物層120擴散。因此，可抑制導電體“Δ”經由氧化物層120向鐵磁性層130擴散，進而可防止鐵磁性層130之結晶化受到妨礙。
並且，如圖8所示，退火處理結束。氧化物層120係自鐵磁性層130將大部分之雜質“×”去除，另一方面，抑制鐵磁性層130之結晶化所需之鐵磁體“□”向鐵磁體130之外部擴散。進而，氧化物層120係藉由抑制導電體“Δ”自非磁性層110之擴散，而抑制新雜質流入至鐵磁性層130。藉此，鐵磁性層130可高品質地結晶化。再者，鐵磁性層130較理想為不殘留雜質“×”，但亦可殘留少量之雜質“×”。於該情形時，於鐵磁性層130與氧化物層120中可包含同樣之雜質“×”。
又，如上所述，氧化物層120係藉由包含擴散調整用元素，而即便經過退火處理亦維持非晶狀態。藉此，可維持氧化物層120之界面之平坦性及均質性。因此，可抑制較氧化物層120更上層之界面之平坦性及均質性受損。
以上，磁阻效應元件22之製造結束。
1.3.關於本實施形態之效果 根據第1實施形態，磁阻效應元件可防止磁性材料之擴散，並且獲得較高之垂直磁性各向異性及磁阻效應。針對本效果，於以下說明。
於第1實施形態中，磁阻效應元件22包含非磁性層110、鐵磁性層130、及設置於非磁性層110與鐵磁性層130之間之氧化物層120。氧化物層120包含稀土類元素之氧化物、及擴散調整用元素之氧化物。擴散調整用元素之共價鍵半徑係以小於稀土類元素之共價鍵半徑之方式選擇。藉此，擴散調整用元素係以填埋稀土類元素之晶格間隔之間隙之方式配置。因此，與僅由稀土類元素之氧化物構成之層相比，抑制元素之擴散之效果提高。具體而言，例如氧化物層120雖然容許鐵磁性層130內之如硼(B)之共價鍵半徑相對小之雜質擴散，但可抑制共價鍵半徑大於該雜質之如鐵(Fe)或鈷(Co)之鐵磁體擴散。因此，於退火處理時，可自鐵磁體130將雜質去除，並且抑制鐵磁體之擴散，進而可使鐵磁體130成為高品質之結晶質。
又，氧化物層120可抑制非磁體110內之如鉬(Mo)或鎢(W)之導電體擴散。因此，可抑制該導電體經由氧化物層120擴散至鐵磁體130。因此，鐵磁體130可獲得較高之磁阻效應及垂直磁性各向異性。
又，磁阻效應元件22可於鐵磁性層130與鐵磁性層150之間設置非磁性層140。藉此，於退火處理中，鐵磁性層130及150可以非磁性層140作為晶種材料而使結晶生長。因此，鐵磁性層130及150可自非晶狀態轉換為高配向之結晶狀態，進而可獲得較高之界面磁性各向異性。
又，氧化物層120係以寄生電阻小於非磁性層140之方式設計。藉此，可抑制於磁阻效應元件22中流通之寫入電流過度增大。因此，可將磁阻效應元件22容易地應用於磁性記憶裝置。
2.變化例等 並不限於上述之第1實施形態中所述之形態，可進行各種變化。
2.1第1變化例 於第1實施形態中，對氧化物層120形成為包含稀土類氧化物與擴散調整用氧化物之單層之情形進行了說明，但並不限於此。例如，氧化物層120亦可形成為含有包含稀土類氧化物之層與包含擴散調整用氧化物之另一層之複層。
以下，僅對與第1實施形態不同之方面進行說明。
圖9係用以說明第1實施形態之第1變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。圖9係與於第1實施形態中所說明之圖3相對應。
如圖9所示，氧化物層120包含稀土類氧化物層121、及擴散調整用氧化物層122。稀土類氧化物層121及擴散調整用氧化物層122係依序於z軸方向上積層。於圖9以後之圖中，稀土類氧化物層121亦表示為「RE-O」，擴散調整用氧化物層122亦表示為「X-O」。
稀土類氧化物層121係包含稀土類氧化物之層。稀土類氧化物例如可包含與於第1實施形態中所示之氧化物層120內之稀土類氧化物相同之構成。構成稀土類氧化物層121之稀土類元素具有與其他元素相比共價鍵之晶格間隔較大之結晶結構。因此，稀土類氧化物層121具有於退火處理時，使鐵磁性層130內之雜質擴散至稀土類氧化物層121內之功能。
擴散調整用氧化物層122係包含擴散調整用元素之氧化物之層。擴散調整用氧化物例如可包含與於第1實施形態中所示之氧化物層120內之擴散調整用氧化物相同之構成。擴散調整用氧化物層122內所含之擴散調整用元素之共價鍵半徑小於稀土類元素之共價鍵半徑。藉此，擴散調整用氧化物層122具有與稀土類氧化物層121相比晶格間隔較小之結晶結構。因此，擴散調整用氧化物層122具有於退火處理時，使鐵磁性層130內之雜質擴散至擴散調整用氧化物層122內，並且防止與該雜質相比某種程度較大之物質(例如，鐵磁體130內之鐵磁體)之擴散之功能。
藉由以如上方式構成，鐵磁性層130藉由稀土類氧化物層121及擴散調整用氧化物層122而容許雜質之擴散，並且藉由擴散調整用氧化物層122而抑制鐵磁體之擴散。因此，鐵磁性層130可藉由退火處理而高品質地結晶化。
2.2第2變化例 又，於第1實施形態之第1變化例中，對擴散調整用氧化物層設置於稀土類氧化物層之上表面上之情形進行了說明，但並不限於此。例如，擴散調整用氧化物層亦可設置於稀土類氧化物層之下表面上。
以下，僅對與第1實施形態之第1變化例不同之方面進行說明。
圖10係用以說明第1實施形態之第2變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。圖10係與於第1實施形態中所說明之圖3相對應。
如圖10所示，擴散調整用氧化物層122及稀土類氧化物層121係依序於z軸方向上積層。
藉由以如上方式構成，鐵磁性層130藉由稀土類氧化物層121及擴散調整用氧化物層122而容許雜質之擴散，並且藉由擴散調整用氧化物層122而抑制鐵磁體之擴散。藉此，鐵磁性層130可藉由退火處理而高品質地結晶化。
2.3第3變化例 又，於第1實施形態之第1變化例及第2變化例中，對擴散調整用氧化物層及稀土類氧化物層各設置一層之情形進行了說明，但並不限定於此。例如，擴散調整用氧化物層及稀土類氧化物層亦可積層複數個層而設置。
以下，僅對與第1實施形態之第1變化例不同之方面進行說明。
圖11係用以說明第1實施形態之第3變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。圖11係與於第1實施形態之第1變化例中所說明之圖9相對應。
如圖11所示，氧化物層120係除稀土類氧化物層121、及擴散調整用氧化物層122以外，進而包含擴散調整用氧化物層123。擴散調整用氧化物層123、稀土類氧化物層121、及擴散調整用氧化物層122係依序於z軸方向上積層。擴散調整用氧化物層123並非必須包含與擴散調整用氧化物層122相同之構成，但包含第1實施形態中所示之作為擴散調整用氧化物可包含之元素中之至少一種。
藉由以如上方式構成，擴散調整用氧化物層123可直接抑制導電體自相鄰之非磁性層110之擴散，故而可抑制非磁性層110內之導電體擴散至稀土類氧化物層121內。擴散調整用氧化物層122可直接抑制鐵磁體自相鄰之鐵磁性層130之擴散，故而可抑制鐵磁性層130內之鐵磁體擴散至稀土類氧化物層121內。
2.4第4變化例 又，於第1實施形態之第3變化例中，對在兩個擴散調整用氧化物層之間設置稀土類氧化物層之情形進行了說明，但並不限定於此。例如，亦可於兩個稀土類氧化物層之間設置擴散調整用氧化物層。
以下，僅對與第1實施形態之第2變化例不同之方面進行說明。
圖12係用以說明第1實施形態之第4變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。圖12係與於第1實施形態之第2變化例中所說明之圖10相對應。
如圖12所示，氧化物層120係除稀土類氧化物層121、及擴散調整用氧化物層122以外，進而包含稀土類氧化物層124。稀土類氧化物層121、擴散調整用氧化物層122、及稀土類氧化物層124係依序於z軸方向上積層。稀土類氧化物層124並非必須包含與稀土類氧化物層124相同之構成，但包含第1實施形態中所示之作為稀土類氧化物可包含之元素中之至少一種。
藉由以如上方式構成，可促進鐵磁性層130之結晶化。
3.其他 對上述之第1實施形態及各變化例中所述之磁阻效應元件22為記憶層SL設置於半導體基板20側之無底部型之情形進行了說明，但亦可為參照層RL設置於半導體基板20側之無頂部型。
將磁阻效應元件22構成為無頂部型之情形之剖視圖之一例示於圖13~圖17。圖13~圖17分別係使圖3、及圖9~圖12所示之磁阻效應元件22構成為無頂部型之情形之剖視圖。
更具體而言，於圖13中，表示於氧化物層內包含稀土類氧化物及擴散調整用氧化物之情形。即，圖13所示之磁阻效應元件22係依序積層作為基底層發揮功能之非磁性層110、作為偏移消除層發揮功能之鐵磁性層170、作為分隔層發揮功能之非磁性層160、作為參照層發揮功能之鐵磁性層150、作為隧道勢壘層及晶種層發揮功能之非磁性層140、作為記憶層發揮功能之鐵磁性層130、氧化物層120、及作為上覆層發揮功能之非磁性層180。
又，於圖14及圖15中，表示氧化物層包含稀土類氧化物層與擴散調整用氧化物層之兩個層之情形。即，圖14所示之磁阻效應元件22係針對於圖13中所說明之無頂部型之磁阻效應元件22，於鐵磁性層130與非磁性層180之間依序積層稀土類氧化物層121及擴散調整用氧化物層122。又，圖15所示之磁阻效應元件22係針對於圖13中所說明之無頂部型之磁阻效應元件22，於鐵磁性層130與非磁性層180之間依序積層擴散調整用氧化物層122及稀土類氧化物層121。
又，於圖16中，表示於氧化物層內，稀土類氧化物層夾於擴散調整用氧化物層之情形。即，圖16所示之磁阻效應元件22係針對於圖13中所說明之無頂部型之磁阻效應元件22，於鐵磁性層130與非磁性層180之間依序積層擴散調整用氧化物層123、稀土類氧化物層121、及擴散調整用氧化物層122。
又，於圖17中，表示於氧化物層內，擴散調整用氧化物層夾於稀土類氧化物層之情形。即，圖17所示之磁阻效應元件22係針對於圖13中所說明之無頂部型磁阻效應元件22，針對於圖13中所說明之無頂部型磁阻效應元件22，於鐵磁性層130與非磁性層180之間依序積層稀土類氧化物層121、擴散調整用氧化物層122、及稀土類氧化物層124。
進而，於上述之第1實施形態及各變化例中，作為具備磁阻效應元件之磁性裝置之一例，對具備MTJ元件之磁性記憶裝置進行了說明，但並不限於此。例如，磁性裝置包含必需感測器或媒體等具有垂直磁性各向異性之磁性元件之其他裝置。該磁性元件例如係至少包含於圖3中所說明之非磁性層110、氧化物層120、鐵磁性層130、及非磁性層140之元件。再者，非磁性層110只要為導電體即可，並不限於非磁體，亦可為鐵磁體。
上文說明了本發明之幾種實施形態，但該等實施形態係作為示例而提示者，並未意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施形態可以其他各種形態實施，可於不脫離發明之主旨之範圍內進行各種省略、替換、變更。該等實施形態或其變化包含於發明之範圍及主旨中，並且包含於申請專利範圍中所記載之發明及其均等之範圍內。
1‧‧‧磁性裝置
11‧‧‧記憶胞陣列
12‧‧‧電流吸收器
13‧‧‧感測放大器及寫入驅動器
14‧‧‧列解碼器
15‧‧‧頁面緩衝器
16‧‧‧輸入輸出電路
17‧‧‧控制器
20‧‧‧半導體基板
21‧‧‧電晶體
22‧‧‧磁阻效應元件
23‧‧‧配線層
24‧‧‧源極區域或汲極區域
25‧‧‧絕緣層
26‧‧‧接觸插塞
27‧‧‧接觸插塞
28‧‧‧配線層
29‧‧‧接觸插塞
30‧‧‧配線層
31‧‧‧層間絕緣膜
110(UL)‧‧‧非磁性層(基底層)
120(REX-O)‧‧‧氧化物層
121(RE-O)‧‧‧稀土類氧化物層
122(X-O)‧‧‧擴散調整用氧化物層
123(X-O)‧‧‧擴散調整用氧化物層
124(RE-O)‧‧‧稀土類氧化物層
130(SL)‧‧‧鐵磁性層(記憶層)
140(TB/SEED)‧‧‧非磁性層(隧道勢壘層及晶種層)
150(RL)‧‧‧鐵磁性層(參照層)
160(SP)‧‧‧非磁性層(分隔層)
170(SCL)‧‧‧鐵磁性層(偏移消除層)
180(CAP)‧‧‧非磁性層(上覆層)
a1‧‧‧箭頭
a2‧‧‧箭頭
BL‧‧‧位元線
/BL‧‧‧源極線
MC‧‧‧記憶胞
SA‧‧‧感測放大器
SA/WD‧‧‧感測放大器及寫入驅動器
WD‧‧‧寫入驅動器
WL‧‧‧字元線
圖1係用以說明第1實施形態之磁性裝置之構成之方塊圖。 圖2係用以說明第1實施形態之磁性裝置之記憶胞之構成之剖視圖。 圖3係用以說明第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖4係用以說明第1實施形態之磁性裝置之氧化物層內可包含之稀土類元素之表格。 圖5係用以說明第1實施形態之磁性裝置之氧化物層內可包含之擴散調整用元素之表格。 圖6係用以說明第1實施形態之磁性裝置中之磁阻效應元件之製造方法之模式圖。 圖7係用以說明第1實施形態之磁性裝置中之磁阻效應元件之製造方法之模式圖。 圖8係用以說明第1實施形態之磁性裝置中之磁阻效應元件之製造方法之模式圖。 圖9係用以說明第1實施形態之第1變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖10係用以說明第1實施形態之第2變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖11係用以說明第1實施形態之第3變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖12係用以說明第1實施形態之第4變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖13係用以說明其他變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖14係用以說明其他變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖15係用以說明其他變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖16係用以說明其他變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。 圖17係用以說明其他變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之剖視圖。

Claims (20)

  1. 一種磁性裝置，其具備磁阻效應元件，且 上述磁阻效應元件包含： 第1鐵磁體、 導電體、及 設置於上述第1鐵磁體與上述導電體之間之氧化物， 上述氧化物包含稀土類元素之第1氧化物、及與上述稀土類元素相比共價鍵半徑較小之元素之第2氧化物。
  2. 如請求項1之磁性裝置，其中 上述第1氧化物內之上述稀土類元素包含： 鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、及鎦(Lu)之任一種。
  3. 如請求項1之磁性裝置，其中 上述第2氧化物內之上述元素包含： 鈉(Na)、鎂(Mg)、鋁(Al)、矽(Si)、鈣(Ca)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋅(Zn)、鍶(Sr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、及鉭(Ta)之任一種。
  4. 如請求項2之磁性裝置，其中 上述氧化物進而包含： 硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鈦(Ti)之任一種。
  5. 如請求項3之磁性裝置，其中 上述氧化物進而包含： 硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鈦(Ti)之任一種。
  6. 如請求項1之磁性裝置，其中 上述氧化物形成包含上述第1氧化物及上述第2氧化物之單層。
  7. 如請求項1之磁性裝置，其中 上述氧化物形成包含上述第1氧化物之第1層、及包含上述第2氧化物之第2層。
  8. 如請求項7之磁性裝置，其中 上述第1層設置於上述第2層與上述第1鐵磁體之間。
  9. 如請求項7之磁性裝置，其中 上述第2層設置於上述第1層與上述第1鐵磁體之間。
  10. 如請求項1之磁性裝置，其中 上述磁阻效應元件進而包含與上述氧化物之間隔著上述第1鐵磁體之晶種材料。
  11. 如請求項10之磁性裝置，其中 上述晶種材料包含： 氧化鎂(MgO)、氧化鋁(AlO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO)、及LSMO (Lanthanum-strontium-manganese oxide，鑭-鍶-錳氧化物)之任一種。
  12. 如請求項1之磁性裝置，其中 上述導電體包含非磁體。
  13. 如請求項1之磁性裝置，其中 上述導電體包含第2鐵磁體。
  14. 如請求項1之磁性裝置，其進而具備包含上述磁阻效應元件之記憶胞。
  15. 一種磁性裝置之製造方法，其具備： 形成包含氧化物、晶種材料、及設置於上述氧化物及上述晶種材料之間之第1鐵磁體之積層體，此處，上述第1鐵磁體具有包含雜質之非晶質，上述氧化物包含稀土類元素之第1氧化物、及與上述稀土類元素相比共價鍵半徑較小之元素之第2氧化物；及 藉由退火而使上述第1鐵磁體自非晶質轉換為結晶質。
  16. 如請求項15之製造方法，其中 上述第1氧化物內之上述稀土類元素包含： 鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、及鎦(Lu)之任一種， 上述第2氧化物內之上述元素包含： 鈉(Na)、鎂(Mg)、鋁(Al)、矽(Si)、鈣(Ca)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋅(Zn)、鍶(Sr)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉿(Hf)、及鉭(Ta)之任一種。
  17. 如請求項16之製造方法，其中 上述晶種材料包含： 氧化鎂(MgO)、氧化鋁(AlO)、氧化鋅(ZnO)、氧化鈦(TiO)、及LSMO (Lanthanum-strontium-manganese oxide，鑭-鍶-錳氧化物)之任一種。
  18. 如請求項17之製造方法，其中 上述雜質包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鈦(Ti)之任一種。
  19. 如請求項15之製造方法，其中 形成上述積層體包括將上述氧化物形成為包含上述第1氧化物及上述第2氧化物之單層。
  20. 如請求項15之製造方法，其中 形成上述積層體包括將上述氧化物形成為含有包含上述第1氧化物之第1層、及包含上述第2氧化物之第2層之複層。
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