TW202011624A - 磁性裝置 - Google Patents

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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。磁阻效應元件包含：具有鐵磁性之第1構造體、具有鐵磁性之第2構造體、及設置於前述第1構造體及前述第2構造體之間之第1非磁性體。前述第1構造體及前述第2構造體經由前述第1非磁性體反鐵磁性地耦合。前述第1構造體包含第1鐵磁性氮化物。

Description

磁性裝置
本文中闡述之實施例係關於一種磁性裝置。
具有磁性元件之磁性裝置已為業界所知。
通常而言，根據一個實施形態，磁性裝置包括磁阻效應元件。磁阻效應元件包含：具有鐵磁性之第1構造體、具有鐵磁性之第2構造體、及設置於前述第1構造體及前述第2構造體之間之第1非磁性體。前述第1構造體及前述第2構造體經由前述第1非磁性體反鐵磁性地耦合。前述第1構造體包含第1鐵磁性氮化物。
以下，參照圖式說明實施形態。再者，在以下之說明中，對於具有同一功能及構成之構成要素，賦予共通之參照符號。又，在對具有共通之參照符號之複數個構成要素進行區別時，對該共通之參照符號賦予後綴而進行區別。再者，在對複數個構成要素無需特別進行區別時，對於該複數個構成要素僅賦予共通之參照符號，而不賦予後綴。
1.第1實施形態 對於第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包含例如將磁阻效應(MTJ：Magnetic Tunnel Junction，磁穿隧接面)元件用作記憶元件的垂直磁化方式的磁性記憶裝置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory，磁性隨機存取記憶體)。
在以下之說明中，作為磁性裝置之一例，而對上述之磁性記憶裝置進行說明。
1.1構成 對於第1實施形態之磁性裝置之構成進行說明。
1.1.1.磁性裝置之構成 圖1係顯示第1實施形態之磁性裝置之構成之方塊圖。如圖1所示般，磁性裝置1具備：記憶體單元陣列11、電流槽12、感測放大器及寫入驅動器(SA/WD)13、列解碼器14、頁緩衝器15、輸入/輸出電路16、及控制部17。
記憶體單元陣列11具備與列(row)及行(column)建立對應關係之複數個記憶體單元MC。並且，例如，位於同一列之記憶體單元MC連接於同一條字元線WL，位於同一行之記憶體單元MC之兩端連接於同一條位元線BL及同一條源極線/BL。
電流槽12連接於位元線BL及源極線/BL。電流槽12在資料之寫入及讀出等之動作中，將位元線BL或源極線/BL作為接地電位。
SA/WD 13連接於位元線BL及源極線/BL。SA/WD 13經由位元線BL及源極線/BL對動作對象之記憶體單元MC供給電流，而進行朝記憶體單元MC之資料之寫入。又，SA/WD 13經由位元線BL及源極線/BL對動作對象之記憶體單元MC供給電流，而進行來自記憶體單元MC之資料之讀出。更具體而言，SA/WD 13之寫入驅動器進行朝記憶體單元MC之資料之寫入，SA/WD 13之感測放大器進行來自記憶體單元MC之資料之讀出。
列解碼器14經由字元線WL與記憶體單元陣列11連接。列解碼器14對指定記憶體單元陣列11之列方向之列位址進行解碼。然後，根據解碼結果選擇字元線WL，並對所選擇之字元線WL施加資料之寫入及讀出等之動作所需之電壓。
頁緩衝器15以被稱為頁之資料單位暫時地保持寫入至記憶體單元陣列11內之資料、及自記憶體單元陣列11讀出之資料。
輸入/輸出電路16將自磁性裝置1之外部接收之各種信號朝控制部17及頁緩衝器15發送，且將來自控制部17及頁緩衝器15之各種資訊朝磁性裝置1之外部發送。
控制部17與電流槽12、SA/WD 13、列解碼器14、頁緩衝器15、及輸入/輸出電路16連接。控制部17依據輸入/輸出電路16自磁性裝置1之外部接收到之各種信號，控制電流槽12、SA/WD 13、列解碼器14、及頁緩衝器15。
1.1.2.記憶體單元之構成 對於第1實施形態之磁性裝置之記憶體單元之構成利用圖2進行說明。在以下之說明中，將與半導體基板20平行之面定義為xy平面，將垂直於該xy平面之軸定義為z軸。將x軸及y軸定義為在xy平面內相互正交之軸。圖2顯示將第1實施形態之磁性裝置1之記憶體單元MC以xz平面剖切時之剖視圖之一例。
如圖2所示般，記憶體單元MC設置於半導體基板20上，包含選擇電晶體21及磁阻效應元件22。選擇電晶體21作為在朝磁阻效應元件22之資料寫入及讀出時，控制電流之供給及停止之開關發揮功能。磁阻效應元件22包含經積層之複數個膜。磁阻效應元件22藉由電流朝垂直於該膜面之方向流動，而可將其電阻值切換為低電阻狀態與高電阻狀態。磁阻效應元件22作為記憶元件發揮功能，該記憶元件構成為藉由其電阻狀態之變化而寫入資料，且構成為非揮發地保持被寫入之資料，而可讀出電阻狀態。
選擇電晶體21包含與作為字元線WL發揮功能之配線層23連接之閘極、與在該閘極之沿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。亦將選擇電晶體21之中包含於半導體基板20內之區域稱為活性區域。活性區域例如以不與其他記憶體單元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(STI：Shallow trench isolation，淺溝槽隔離)相互絕緣。
配線層23隔著半導體基板20上之絕緣層25沿y方向設置，例如，共通連接於沿y方向排列之其他記憶體單元MC之選擇電晶體21(未圖示)之閘極。配線層23例如在x方向排列。
選擇電晶體21之一端經由設置於源極區域或汲極區域24上之接觸插塞26連接於磁阻效應元件22之下表面。於磁阻效應元件22之上表面設置有接觸插塞27。磁阻效應元件22經由接觸插塞27連接於作為位元線BL發揮功能之配線層28。配線層28在x方向延伸，共通連接於例如在x方向排列之其他記憶體單元MC之磁阻效應元件22(未圖示)之上表面。
選擇電晶體21之另一端經由設置於源極區域或汲極區域24上之接觸插塞29與作為源極線/BL發揮功能之配線層30連接。配線層30在x方向延伸，共通連接於例如在x方向排列之其他記憶體單元MC之選擇電晶體21(未圖示)之另一端。
配線層28及30例如在y方向排列。配線層28位於例如配線層30之上方。再者，雖然在圖2中被省略，但配線層28及30以避開相互實體性及電性干擾之方式配置。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x方向或y方向排列之其他磁阻效應元件22(未圖示)設置於例如同一階層上。亦即，在記憶體單元陣列11內，複數個磁阻效應元件22沿例如半導體基板20之展開之方向排列。
1.1.3.磁阻效應元件 對於第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之構成，利用圖3進行說明。圖3係顯示對於第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件，以垂直於xy平面之平面剖切之剖面之一例之示意圖。
如圖3所示般，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、作為記憶層(Storage layer)發揮功能之鐵磁性層120、作為穿隧障壁層(Tunnel barrier layer)發揮功能之非磁性層130、作為參考層(Reference layer)發揮功能之鐵磁性層140、作為反鐵磁性間隔件(Antiferromagnetic spacer)發揮功能之非磁性層150、作為移位消除層(Shift cancelling layer)發揮功能之鐵磁性層160、及作為覆蓋層(Capping layer)發揮功能之非磁性層170。在圖3以後之圖中，亦將非磁性層110、鐵磁性層120、非磁性層130、鐵磁性層140、非磁性層150、鐵磁性層160、及非磁性層170分別表示為「UL」、「SL」、「TB」、「RL」、「AFS」、「SCL」、及「CAP」。
在磁阻效應元件22中，例如自半導體基板20側起以非磁性層(UL)110、鐵磁性層(SL)120、非磁性層(TB)130、鐵磁性層(RL)140、非磁性層(AFS)150、鐵磁性層(SCL)160、及非磁性層(CAP)170之順序，在z軸方向積層有複數個膜。磁阻效應元件22係鐵磁性層(SL)120、鐵磁性層(RL)140、及鐵磁性層(SCL)160之磁化方向(magnetization orientation)分別相對於膜面朝向垂直方向之垂直磁化型MTJ元件。
非磁性層(UL)110係具有導電性之非磁性體之層，包含例如氧化鎂(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)等之氧化合物或氮化合物之至少任一者。又，非磁性層(UL)110亦可包含上述氧化合物或氮化合物之混合物。即，非磁性層(UL)110並不限於包含2種元素之二元化合物，亦可為包含含有3種元素之三元化合物，例如氮化鈦鋁(AlTiN)等。氧化合物或氮化合物抑制與其等相接之磁性層之阻尼常數之上升，而獲得使寫入電流降低之效果。進而，藉由利用高熔點金屬之氧化合物或氮化合物，而可抑制基底層材料朝磁性層之擴散，從而可防止MR比之劣化。此處，作為高熔點金屬係熔點高於鐵(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)。
鐵磁性層(SL)120具有導電性，係包含在垂直於膜面之方向具有易磁化軸之鐵磁性體之層，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之至少任一者。更具體而言，例如，鐵磁性層(SL)120可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。又，鐵磁性層(SL)120亦可作為雜質而更包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)之至少任一者。鐵磁性層(SL)120具有朝向半導體基板20側、鐵磁性層(RL)140側之任一方向之磁化方向。鐵磁性層(SL)120之磁化方向設定為與鐵磁性層(RL)140相比容易反轉。
非磁性層(TB)130係包含非磁性體之層，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)之至少任一者。非磁性層(TB)130在相鄰之鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(RL)140之結晶化處理中，亦作為用於使結晶質膜自與鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(RL)140之界面生長之晶核之晶種材(Seed material)發揮功能。對於結晶化處理之細節將於後述。
鐵磁性層(RL)140係在垂直於膜面之方向具有易磁化軸之鐵磁性層。鐵磁性層(RL)140之磁化方向被固定，朝向鐵磁性層(SL)120側或鐵磁性層(SCL)160側之任一者(在圖3之例中係朝向鐵磁性層(SCL)160側)。再者，所謂「磁化方向被固定」，意指藉由可使鐵磁性層(SL)120之磁化方向反轉之大小之電流，而磁化方向不變化。鐵磁性層(SL)120、非磁性層(TB)130、及鐵磁性層(RL)140藉由非磁性層(TB)130作為穿隧障壁層發揮功能，而構成磁性穿隧接面。
又，鐵磁性層(RL)140包含：作為界面參考層(Interface reference layer)發揮功能之鐵磁性層141、作為作用層(Function layer)發揮功能之非磁性層142、鐵磁性氮化物層(Ferromagnetic nitride layer)143、作為作用層(Function layer)發揮功能之非磁性層144、及作為主參考層(Main reference layer)發揮功能之鐵磁性層145。在鐵磁性層(RL)140中，例如，自半導體基板20側起以鐵磁性層141、非磁性層142、鐵磁性氮化物層143、非磁性層144、及鐵磁性層145之順序，在z軸方向積層有複數個膜。在圖3以後之圖中，亦將鐵磁性層141、非磁性層142、鐵磁性氮化物層143、非磁性層144、及鐵磁性層145分別表示為「IRL」、「FL1」、「FNL1」、「FL2」、及「MRL」。
鐵磁性層(IRL)141與鐵磁性層(SL)120同樣地，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之至少任一者。更具體而言，例如，鐵磁性層(IRL)141可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。又，鐵磁性層(IRL)141與鐵磁性層(SL)120同樣地，可更包含上述雜質之至少1者。
非磁性層(FL1)142係非磁性之膜，例如，包含鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、銠(Rh)、銥(Ir)、釕(Ru)、及鉑(Pt)之至少任一者。非磁性層(FL1)142具有消除鐵磁性層(IRL)141與鐵磁性氮化物層(FNL1)143之間之結晶構造之不同，而使鐵磁性層(IRL)141及鐵磁性氮化物層(FNL1)143之配向性提高之作用。
鐵磁性氮化物層(FNL1)143係在垂直於膜面之方向具有易磁化軸之鐵磁性層，鐵磁性氮化物層(FNL1)143，例如包含選自鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之鐵磁性體之至少1種元素之氮化合物，例如包含氮化鐵、氮化鈷、及氮化鎳。
鐵磁性氮化物具有共價鍵，維持導電性及磁矩，且具有良好之耐熱性。作為擴散障壁層發揮功能。亦即，即便在鐵磁性層(IRL)141等之結晶化處理等時被施加熱，鐵磁性氮化物層(FNL1)143內之鐵磁性氮化物亦不易擴散。其結果為，例如鐵磁性層(IRL)141及鐵磁性層(MRL)145內之鐵磁性體不易藉由擴散而浸入鐵磁性氮化物層(FNL1)143內。進而，與此相關聯，抑制鐵磁性層(IRL)141及鐵磁性層(MRL)145內之鐵磁性體朝鐵磁性層(IRL)141及鐵磁性層(MRL)145之外部擴散。
又，氮化鐵等之結晶構造，例如於PHYSICAL RWVIEW B 84, 245310 (2011)中所揭示般，自鐵之體心立方晶格(BCC：Body Centered Cubic)之結晶構造隨著氮濃度變高而在垂直方向延伸，逐漸成為體心正方晶格(BCT：Body Centered Tetragonal)之結晶構造。藉此，產生高垂直磁各向異性(PMA：Perpendicular Magnetic Anisotropy)。
非磁性層(FL2)144係非磁性之膜，例如包含鉑(Pt)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、銠(Rh)、銥(Ir)、及釕(Ru)之至少任一者。非磁性層(FL2)144具有使鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性層(MRL)145之結晶構造之配向性提高之作用。
鐵磁性層(MRL)145係在垂直於膜面之方向具有易磁化軸之鐵磁性層。鐵磁性層(MRL)145例如與鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(IRL)141同樣地，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之至少任一者。更具體而言，例如、鐵磁性層(MRL)145可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。又，鐵磁性層(MRL)145與鐵磁性層(SL)120、及鐵磁性層(IRL)141同樣地，可更包含上述雜質之至少一者。
鐵磁性層(IRL)141、鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性層(MRL)145藉由相互鐵磁性地耦合，而形成相互平行之磁化方向。因此，包含鐵磁性層(IRL)141、非磁性層(FL1)142、鐵磁性氮化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144、及鐵磁性層(MRL)145之鐵磁性層(RL)140，可被視為具有大的垂直磁化之1個鐵磁性構造體。
非磁性層(AFS)150係非磁性之膜，例如包含釕(Ru)、銥(Ir)、銠(Rh)、及鋨(Os)之至少任一者。非磁性層(AFS)150具有使鐵磁性層(RL)140與鐵磁性層(SCL)160反鐵磁性耦合之作用。
鐵磁性層(SCL)160係在垂直於膜面之方向具有易磁化軸之鐵磁性層。鐵磁性層(SCL)160包含：作為主移位消除層(Main shift cancelling layer)發揮功能之鐵磁性層161、作為作用層(Function layer)發揮功能之非磁性層162、及鐵磁性氮化物層(Ferromagnetic nitride layer)163。在鐵磁性層(SCL)160中，例如自半導體基板20側起以鐵磁性層161、非磁性層162、及鐵磁性氮化物層163之順序在z軸方向積層有複數個膜。在圖3以後之圖中，亦將鐵磁性層161、非磁性層162、及鐵磁性氮化物層163分別表示為「MSCL」、「FL3」、及「FNL2」。
鐵磁性層(MSCL)161係在垂直於膜面之方向具有易磁化軸之鐵磁性層，藉由非磁性層(AFS)150而與鐵磁性層(MRL)145反鐵磁性地耦合。因此，鐵磁性層(MSCL)161之磁化方向被固定於與鐵磁性層(MRL)145之磁化方向反平行之方向(在圖3之例中為鐵磁性層(RL)140側)。將用於使鐵磁性層(MSCL)161之磁化方向反轉所需之磁場之大小，例如設定為大於鐵磁性層(RL)140之值。
鐵磁性層(MSCL)161例如與鐵磁性層(MRL)145同樣地，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之至少任一者。更具體而言，例如、鐵磁性層(MSCL)161可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。又，鐵磁性層(MSCL)161與鐵磁性層(MRL)145同樣地，可更包含上述雜質之至少1者。
非磁性層(FL3)162係非磁性之膜，例如包含鉑(Pt)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、銠(Rh)、銥(Ir)、及釕(Ru)之至少任一者。非磁性層(FL3)162具有使鐵磁性層(MSCL)161及鐵磁性氮化物層(FNL2)163之配向性提高之作用。
鐵磁性氮化物層(FNL2)163係在垂直於膜面之方向具有易磁化軸之鐵磁性層。鐵磁性氮化物層(FNL2)163與鐵磁性氮化物層(FNL1)143同樣地，例如包含選自鐵(Fe)、鈷(Co)、及鎳(Ni)之鐵磁性體之至少1種元素之氮化合物，例如包含氮化鐵、氮化鈷、及氮化鎳。
鐵磁性氮化物具有共價鍵，維持導電性及磁矩，且具有良好之耐熱性，作為擴散障壁層發揮功能。亦即，即便鐵磁性氮化物層(FNL2)163被施加熱，鐵磁性氮化物層(FNL2)163內之鐵磁性氮化物亦不易擴散。其結果為，抑制鐵磁性層(SCL)160之組合物朝非磁性層(CAP)170之擴散及非磁性層(CAP)170之組合物朝鐵磁性層(SCL)160之擴散。
鐵磁性層(MSCL)161與鐵磁性氮化物層(FNL2)163藉由相互鐵磁性地耦合，而形成相互平行之磁化方向。因此，包含鐵磁性層(MSCL)161、非磁性層(FL3)162、及鐵磁性氮化物層(FNL2)163之鐵磁性層(SCL)160，可被視為具有大的垂直磁化之1個鐵磁性構造體。來自鐵磁性層(SCL)160之洩漏磁場減少來自鐵磁性層(RL)140之洩漏磁場對鐵磁性層(SL)120之磁化方向帶來之影響。
非磁性層(CAP)170係具有導電性之非磁性體之層，例如包含鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)、釕(Ru)之至少任一者。
在第1實施形態中，可應用使寫入電流流入至如此之磁阻效應元件22，藉由該寫入電流控制鐵磁性層(SL)120之磁化方向之自旋注入寫入方式。磁阻效應元件22藉由鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(RL)140之磁化方向之相對關係平行抑或反平行，而可取得低電阻狀態及高電阻狀態之任一者。
當於磁阻效應元件22流動圖3中之箭頭a1之方向、亦即自鐵磁性層(SL)120朝向鐵磁性層(RL)140之寫入電流時，鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(RL)140之磁化方向之相對關係形成為平行。在該平行狀態之情況下，磁阻效應元件22之電阻值成為最低，而將磁阻效應元件22設定為低電阻狀態。將該低電阻狀態稱為「P(Parallel，平行)狀態」，規定為例如資料「0」之狀態。
當於磁阻效應元件22流動圖3中之箭頭a2之方向、亦即自鐵磁性層(RL)140朝向鐵磁性層(SL)120之寫入電流時，鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(RL)140之磁化方向之相對關係形成為反平行。在該反平行狀態之情況下，磁阻效應元件22之電阻值成為最高，而將磁阻效應元件22設定為高電阻狀態。將該高電阻狀態稱為「AP(Anti-Parallel，反平行)狀態」，規定為例如資料「1」之狀態。
1.2磁阻效應元件之製造方法 對於第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。在以下之說明中，對於磁阻效應元件22內之各構成要素中之鐵磁性層(RL)140(參考層RL)之製造方法進行說明，對於其他構成要素省略其說明。
圖4、圖5及圖6係用於說明第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之製造方法之示意圖。在圖4～圖6中，顯示鐵磁性層(RL)140內之鐵磁性層(IRL)141藉由退火處理而自非晶狀態成為結晶狀態之過程及鐵磁性層(MRL)145之鐵磁性體之擴散之樣態。再者，對於積層於較非磁性層(TB)130更下層之非磁性層(UL)110及鐵磁性層(SL)120、以及積層於較非磁性層(AFS)150更上層之鐵磁性層(SCL)160及非磁性層(CAP)170，為了簡單起見而省略圖示。
如圖4所示般，依序積層有非磁性層(TB)130、鐵磁性層(IRL)141、非磁性層(FL1)142、鐵磁性氮化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144、鐵磁性層(MRL)145、及非磁性層(AFS)150。非磁性層(TB)130例如具有立方晶體(Cubical crystal)或正方晶體(Tetragonal crystal)之結晶構造。又，鐵磁性層(IRL)141作為包含雜質之非晶狀態之層而被積層。鐵磁性氮化物層(FNL1)143藉由將作為鐵磁性體之例如鐵、氮進行混合並成膜而製作。
再者，在圖4～圖6中，為了便於說明，而以「白色圓」表示鐵磁性層(IRL)141內之鐵磁性體，以「黑色圓」表示鐵磁性層(MRL)145內之鐵磁性體。
如圖5所示般，對於在圖4中所積層之各層進行退火處理。具體而言，藉由自外部施加熱，而將鐵磁性層(IRL)141自非晶質朝結晶質轉換。此處，非磁性層(TB)130具有控制鐵磁性層(IRL)141之結晶構造之配向之作用。亦即，鐵磁性層(IRL)141將非磁性層(TB)130作為晶種而使結晶構造生長(結晶化處理)。藉此，鐵磁性層(IRL)141朝與非磁性層(TB)130之結晶面相同之結晶面配向。
伴隨著鐵磁性層(IRL)141之結晶構造形成，鐵磁性層(IRL)141內所含之雜質擴散而被除去。該擴散不僅在雜質中產生，在鐵磁性層(IRL)141內之鐵磁性體中亦可產生。此處，鐵磁性氮化物層(FNL1)143具有與作為鐵磁性體之例如鐵、氮之共價鍵。因此，鐵磁性氮化物層(FNL1)143具有良好之耐熱性。對於鐵磁性氮化物層(FNL1)143而言，即便在退火處理中形成高溫(300～400℃)，仍可抑制其內部之鐵磁性氮化物朝外部之擴散，且，亦可抑制自外部朝其內部之鐵磁性體之擴散。與此相伴，如圖5所示般，鐵磁性氮化物層(FNL1)143可抑制鐵磁性層(IRL)141內之鐵磁性體朝鐵磁性氮化物層(FNL1)143之內部及其後之層擴散。同樣地，可抑制鐵磁性層(MRL)145內之鐵磁性體朝鐵磁性氮化物層(FNL1)143之內部及其後之層擴散。亦即，可抑制鐵磁性層(IRL)141內之鐵磁性體與鐵磁性層(MRL)145內之鐵磁性體之相互擴散。另外，鐵磁性層(RL)140內之物質之擴散藉由存在鐵磁性氮化物層(FNL1)143，與其不存在之情形相比整體上得到抑制。
如圖6所示般，退火處理結束。鐵磁性層(IRL)141在去除了大部分雜質之狀態下進行結晶化。此時，鐵磁性氮化物層(FNL1)143抑制鐵磁性層(IRL)141之內部所含之鐵磁性體朝其外部擴散。另一方面，由於藉由鐵磁性氮化物層(FNL1)143之存在而其他物質之擴散受到抑制，因此亦可抑制例如鉑、鉭等對鐵磁性層(IRL)141而言之雜質流入鐵磁性層(IRL)141內。根據該等效果，鐵磁性層(IRL)141可良好地結晶化。再者，於鐵磁性層(IRL)141理想的是不殘留雜質，但可殘留少量雜質。
又，對於鐵磁性層(MRL)145而言，為了層間反鐵磁性(SAF：Synthetic antiferromagnetic)耦合理想的是於鐵磁性層(MRL)145不混入雜質。又，亦欲避免因非磁性層(AFS)150之例如釕因熱而擴散，作為薄膜之非磁性層(AFS)150與鐵磁性層(MRL)145同化，而SAF耦合劣化之情形。藉由鐵磁性氮化物層(FNL1)143之存在亦可抑制非磁性層(AFS)150之例如釕之擴散。因此，可抑制雜質混入鐵磁性層(MRL)145、及因非磁性層(AFS)150與鐵磁性層(MRL)145同化所致之SAF耦合之劣化。藉由如該等所述般抑制物質之擴散，而可提高界面磁各向異性等諸特性。
又，鐵磁性層(IRL)141及鐵磁性層(MRL)145隔著包含鐵磁性體之鐵磁性氮化物層(FNL1)143而積層。因此，鐵磁性層(IRL)141、鐵磁性氮化物層(FNL1)143、及鐵磁性層(MRL)145可在此後進行之磁化工序中相互磁性耦合，而可整體上作為1個鐵磁性層發揮作用。亦即，鐵磁性層(IRL)141、非磁性層(FL1)142、鐵磁性氮化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144、及鐵磁性層(MRL)145，可作為1個鐵磁性層(RL)140(參考層RL)發揮作用。藉此，與僅包含鐵磁性層(IRL)141之情形相比，可製造磁性體之體積大鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性層(MRL)145之份額之構造之參考層RL。
以上，參考層RL之製造結束。
再者，在省略圖示之鐵磁性層(SCL)160中亦然，鐵磁性氮化物層(FNL2)163在退火處理時具有防止物質自鐵磁性層(SCL)160朝非磁性層(CAP)170之擴散、及物質自非磁性層(CAP)170朝鐵磁性層(SCL)160之擴散之功能。又，鐵磁性氮化物層(FNL2)163抑制非磁性層(AFS)150及鐵磁性層(SCL)160內之物質之擴散。其結果為，可提高鐵磁性層(SCL)160等之界面磁各向異性等諸特性。
1.3.本實施形態之效果 在第1實施形態中，磁阻效應元件22具有經由非磁性層(AFS)150之2個鐵磁性層(RL)140及鐵磁性層(SCL)160所致之層間反鐵磁性(SAF： Synthetic antiferromagnetic，合成式反鐵磁)耦合。於鐵磁性層(RL)140，設置有鐵磁性氮化物層(FNL1)143，於鐵磁性層(SCL)160設置有鐵磁性氮化物層(FNL2)163。該等鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163具有共價鍵，而熱穩定性高。
因此，即便進行例如退火處理等在磁阻效應元件22之製造工序中以例如300至400℃之高溫來加熱之處理，鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163之鐵磁性氮化物亦不易擴散。又，物質不易浸入鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163。如此般，鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163作為擴散障壁層發揮功能。藉由存在鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163，而構成磁阻效應元件22之各層之物質與無鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163之情形相比，變得整體上不易擴散。
其結果為，例如，鐵磁性層(RL)140內之鐵磁性層(IRL)141可形成良好之結晶質。藉此，產生鐵磁性層(IRL)141與非磁性層(FL1)142之界面各向異性，而鐵磁性層(IRL)141可獲得高垂直磁各向異性。
同樣地，亦可抑制鐵磁性層(RL)140內之鐵磁性層(MRL)145及鐵磁性層(SCL)160內之鐵磁性層(MSCL)161因自該等之層朝其他層的物質之流出、及自其他層朝該等之層之物質之流入所致的功能之降低。例如，維持藉由鐵磁性層(MRL)145之鈷與非磁性層(FL2)144之鉑產生之垂直磁各向異性、及例如藉由鐵磁性層(MSCL)161之鈷與非磁性層(FL3)162之鉑產生之垂直磁各向異性。業界已知若於如此之鈷與鉑之層混入例如鐵，則垂直磁各向異性降低。在本實施形態中，藉由鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163之存在而抑制包含鐵之物質之擴散，因此抑制垂直磁各向異性之降低。
又，由於亦抑制與非磁性層(AFS)150相關之擴散，因此亦抑制經由非磁性層(AFS)150之鐵磁性層(RL)140內之鐵磁性層(MRL)145及鐵磁性層(SCL)160內之鐵磁性層(MSCL)161之反鐵磁性耦合之降低。
又，由於亦抑制例如非磁性層(FL1)142之鉭等流入非磁性層(TB)130，因此亦抑制因鉭等流入非磁性層(TB)130所致之MR比之降低。
又，鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163如上述般具有較高的熱穩定性而擔負作為擴散障壁層之功能，且亦具有垂直磁各向異性。因此，該等之存在不會使鐵磁性層(RL)140及鐵磁性層(SCL)160之垂直磁各向異性惡化。又，鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163之導電性良好，且電阻值小。藉此，可抑制流入磁阻效應元件22之寫入電流變得過大。因此，可易於將磁阻效應元件22應用於磁性記憶裝置。
如以上所述般，鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163之存在抑制因在製造製程中無法避免之加熱，而導致磁阻效應元件22之反鐵磁性耦合之耦合能量之降低、各層之垂直磁各向異性之降低、電阻變化率之降低等，從而為實現優異之磁阻效應元件22作出貢獻。
2.變化例等 並不限於上述之第1實施形態所述之形態，而可進行各種變形。
例如，可將圖3所示之構造中幾個層予以省略。例如，可如圖7所示般無非磁性層(FL2)144。此時亦然，於磁阻效應元件22含有經由非磁性層(AFS)150之鐵磁性層(MRL)145及鐵磁性層(MSCL)161形成之反鐵磁性耦合。進而，可如圖8所示般無鐵磁性層(MRL)145。此時亦然，於磁阻效應元件22含有經由非磁性層(AFS)150之鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性層(MSCL)161形成之反鐵磁性耦合。
進而，可如圖9所示般無非磁性層(FL1)142。此時亦然，於磁阻效應元件22中，藉由夾著非磁性層(TB)130而存在鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(IRL)141，而可獲得穿隧磁阻效應。進而，可如圖10所示般無鐵磁性層(IRL)141。此時亦然，於磁阻效應元件22，藉由夾著非磁性層(TB)130而存在鐵磁性層(SL)120及鐵磁性氮化物層(FNL1)143，而可獲得穿隧磁阻效應。
又，亦可採用存在有鐵磁性氮化物層(FNL1)143、非磁性層(FL2)144及鐵磁性層(MRL)145，但無非磁性層(FL1)142、或無鐵磁性層(IRL)141及非磁性層(FL1)142之構成。
又，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係就記憶層SL設置於半導體基板20側之底部空置型之情形進行了說明，但亦可為參考層RL設置於半導體基板20側之頂部空置型。
圖11顯示磁阻效應元件22構成為頂部空置型之情形之一例之示意圖。圖11所示之磁阻效應元件22將作為基底層發揮功能之非磁性層(UL)110、作為移位消除層發揮功能之鐵磁性層(SCL)160、作為反鐵磁性間隔件發揮功能之非磁性層(AFS)150、作為參考層發揮功能之鐵磁性層(RL)140、作為穿隧障壁層發揮功能之非磁性層(TB)130、作為記憶層發揮功能之鐵磁性層(SL)120、及作為覆蓋層發揮功能之非磁性層(CAP)170依此順序積層。並且，於鐵磁性層(RL)140及鐵磁性層(SCL)160中分別設置鐵磁性氮化物層(FNL1)143及鐵磁性氮化物層(FNL2)163。
再者，由於無需在非磁性層(AFS)150之正上方存在鐵磁性層(MRL)145，因此在圖11所示之構造中，自非磁性層(AFS)150起依次配置有鐵磁性層(MRL)145-2、非磁性層(FL2)144、鐵磁性層(MRL)145-1。
又，例如，可將圖11所示之構造中幾個層予以省略。例如，可如圖12所示般無非磁性層(FL2)144及鐵磁性層(MRL2)145-2。此時亦然，在非磁性層(AFS)150之正上方配置有鐵磁性層(MRL)145-1。進而，可圖13所示般無鐵磁性層(MRL1)145-1。此時亦然，在非磁性層(AFS)150之正上方配置有鐵磁性氮化物層(FNL1)143。進而，可無非磁性層(FL1)142。此時亦然，於磁阻效應元件22中，藉由夾著非磁性層(TB)130而存在鐵磁性層(SL)120及鐵磁性層(IRL)141，而可獲得穿隧磁阻效應。進而，可無鐵磁性層(IRL)141。此時亦然，於磁阻效應元件22，藉由夾著非磁性層(TB)130而存在鐵磁性層(SL)120及鐵磁性氮化物層(FNL1)143，而可獲得穿隧磁阻效應。
進而，在上述之第1實施形態及變化例中，作為具備磁阻效應元件之磁性裝置之一例而就具備MTJ元件之磁性記憶裝置進行了說明，但並不限於此。例如，磁性裝置包含將感測器或介質等具有垂直磁各向異性之磁性元件作為必要之其他裝置。
在上述之實施形態中說明了將3端子之選擇電晶體用作開關元件之構成，但例如亦可為2端子型開關元件。在施加於2端子間之電壓為臨限值以下時，該開關元件為”高電阻”狀態，例如電性非導通狀態。在施加於2端子間之電壓為臨限值以上時，開關元件變為”低電阻”狀態，例如電性導通狀態。開關元件可在電壓為任一極性下皆具有該功能。亦即，2端子型開關元件可在雙方向上具有上述功能。於如此之開關元件中，例如可包含選自包含Te、Se及S之群之至少1種以上之硫族元素。又，例如可包含含有上述硫族元素之化合物即硫屬化物。該開關元件除此以外，例如還可包含選自包含B、Al、Ｇa、In、C、Si、Ｇe、Sn、As、P、Sb之群之至少1種以上之元素。如此之2端子型開關元件如上述實施形態所述般，經由2個接觸插塞與磁阻效應元件連接。2個接觸插塞中之磁阻效應元件側之接觸插塞例如可包含銅。可於磁阻效應元件與包含銅之接觸插塞之間設置導電層(例如包含鉭之層)。
雖然說明了本發明之若干個實施形態，但該等實施形態係作為例子而提出者，並非意欲限定本發明之範圍。該等新穎之實施形態可利用其他各種形態實施，在不脫離發明之要旨之範圍內可進行各種省略、置換、變更。該等實施形態及其變化，包含於發明之範圍及要旨內，且包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。
1:磁性裝置1 11:記憶體單元陣列 12:電流槽 13:感測放大器及寫入驅動器(SA/WD) 14:列解碼器 15:頁緩衝器 16:輸入/輸出電路 17:控制部 20:半導體基板 21:選擇電晶體 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 120(SL):鐵磁性層 130(TB):非磁性層 140(RL):鐵磁性層、參考層 141(IRL):鐵磁性層 142(FL1):非磁性層 143(FNL1):鐵磁性氮化物層 144(FL2):非磁性層 145(MRL):鐵磁性層 145-1(MRL):鐵磁性層 145-2(MRL):鐵磁性層 150(AFS):非磁性層 160(SCL):鐵磁性層 161(MSCL):鐵磁性層 162(FL3):非磁性層 163(FNL2):鐵磁性氮化物層 170(CAP):非磁性層 a1:箭頭 a2:箭頭 BL:位元線 /BL:源極線 MC:記憶體單元 WL:字元線 x:軸、方向 y:軸、方向 z:軸
圖1係用於說明第1實施形態之磁性裝置之構成之方塊圖。 圖2係用於說明第1實施形態之磁性裝置之記憶體單元之構成之剖視圖。 圖3係用於說明第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖4係用於說明第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之製造方法之示意圖。 圖5係用於說明第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之製造方法之示意圖。 圖6係用於說明第1實施形態之磁性裝置之磁阻效應元件之製造方法之示意圖。 圖7係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖8係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖9係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖10係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖11係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖12係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖13係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。 圖14係用於說明第1實施形態之變化例之磁性裝置之磁阻效應元件之構成之示意圖。
22:磁阻效應元件
110(UL):非磁性層
120(SL):鐵磁性層
130(TB):非磁性層
140(RL):鐵磁性層、參考層
141(IRL):鐵磁性層
142(FL1):非磁性層
143(FNL1):鐵磁性氮化物層
144(FL2):非磁性層
145(MRL):鐵磁性層
150(AFS):非磁性層
160(SCL):鐵磁性層
161(MSCL):鐵磁性層
162(FL3):非磁性層
163(FNL2):鐵磁性氮化物層
170(CAP):非磁性層
a1:箭頭
a2:箭頭
x:軸、方向
y:軸、方向
z:軸

Claims (16)

  1. 一種磁性裝置，其具備磁阻效應元件， 前述磁阻效應元件包含： 具有鐵磁性之第1構造體， 具有鐵磁性之第2構造體，及 設置於前述第1構造體及前述第2構造體之間之第1非磁性體，且 前述第1構造體及前述第2構造體經由前述第1非磁性體反鐵磁性地耦合， 前述第1構造體包含第1鐵磁性氮化物。
  2. 如請求項1之磁性裝置，其中前述第1鐵磁性氮化物包含鐵、鈷及鎳中之至少任一者之氮化合物。
  3. 如請求項1之磁性裝置，其中前述第1非磁性體包含釕、銥、銠、及鋨中之至少任一者。
  4. 如請求項1之磁性裝置，其中前述第2構造體包含與前述第1非磁性體相接之第1鐵磁性體。
  5. 如請求項4之磁性裝置，其中前述第1鐵磁性體包含鐵、鈷、及鎳中之至少任一者。
  6. 如請求項1之磁性裝置，其中前述磁阻效應元件更包含： 相對於前述第1構造體設置於前述第1非磁性體之相反側之第2非磁性體，及 相對於前述第2非磁性體設置於前述第1構造體之相反側之第2鐵磁性體。
  7. 如請求項6之磁性裝置，其中前述第1構造體更包含第3鐵磁性體，其設置於前述第2非磁性體與前述第1鐵磁性氮化物之間，且與前述第2非磁性體相接。
  8. 如請求項7之磁性裝置，其中前述第3鐵磁性體包含鐵、鈷、及鎳中之至少任一者。
  9. 如請求項7之磁性裝置，其中前述第1構造體更包含配置於前述第1鐵磁性氮化物與前述第3鐵磁性體之間之第3非磁性體。
  10. 如請求項9之磁性裝置，其中前述第3非磁性體包含鉭、鉬、鎢、銠、銥、釕、及鉑中之至少任一者。
  11. 如請求項1之磁性裝置，其中前述第1構造體更包含第4鐵磁性體，其設置於前述第1非磁性體與前述第1鐵磁性氮化物之間，且與前述第1非磁性體相接。
  12. 如請求項11之磁性裝置，其中前述第4鐵磁性體包含鐵、鈷、及鎳中之至少任一者。
  13. 如請求項4之磁性裝置，其中前述第2構造體更包含相對於前述第1鐵磁性體設置於前述第1非磁性體之相反側之第2鐵磁性氮化物。
  14. 如請求項13之磁性裝置，其中前述第2鐵磁性氮化物包含鐵、鈷及鎳中之至少任一者。
  15. 如請求項13之磁性裝置，其中前述第2構造體更包含配置於前述第1鐵磁性體與前述第2鐵磁性氮化物之間之第4非磁性體。
  16. 如請求項15之磁性裝置，其中前述第4非磁性體包含鉑、鉭、鉬、鎢、銠、銥、及釕中之至少任一者。
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