TW202213341A - 磁性記憶裝置 - Google Patents

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李永珉
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北川英二
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Abstract

實施方式提供一種能抑制磁阻效應元件之性能劣化之磁性記憶裝置。 一實施方式之磁性記憶裝置具備磁阻效應元件。磁性記憶裝置具備磁阻效應元件。磁阻效應元件包含第1鐵磁性層、第2鐵磁性層、第3鐵磁性層、上述第1鐵磁性層與上述第2鐵磁性層之間之第1非磁性層、及第2鐵磁性層與上述第3鐵磁性層之間之第2非磁性層。第2鐵磁性層位於第1鐵磁性層與上述第3鐵磁性層之間。第1非磁性層包含鎂(Mg)及氧(O)，第3鐵磁性層包含矽(Si)或鍺(Ge)。

Description

磁性記憶裝置
實施方式係關於一種磁性記憶裝置。
已知有一種使用磁阻效應元件作為記憶元件之磁性記憶裝置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory)。
實施方式提供一種能抑制磁阻效應元件之性能劣化之磁性記憶裝置。
實施方式之磁性記憶裝置具備磁阻效應元件。磁阻效應元件包含第1鐵磁性層、第2鐵磁性層、第3鐵磁性層、上述第1鐵磁性層與上述第2鐵磁性層之間之第1非磁性層、及第2鐵磁性層與上述第3鐵磁性層之間之第2非磁性層。第2鐵磁性層位於第1鐵磁性層與上述第3鐵磁性層之間。第1非磁性層包含鎂(Mg)及氧(O)，第3鐵磁性層包含矽(Si)或鍺(Ge)。
以下，參照圖式對實施方式進行說明。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考符號。又，於區分具有共通之參考符號之複數個構成要素之情形時，對該共通之參考符號標註添標來加以區分。再者，於無需特別區分複數個構成要素之情形時，對該等複數個構成要素僅標註共通之參考符號，而不標註添標。此處，添標不限於下標或上標，例如包括於參考符號之末尾添加之小寫字母、及表示排列之標記等。
1.實施方式 對實施方式之磁性記憶裝置進行說明。實施方式之磁性記憶裝置例如包括將藉由磁穿隧接面(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)而具有磁阻效應(Magnetoresistance effect)之元件(MTJ元件)用作阻抗變化元件的垂直磁化方式之磁性記憶裝置。有時亦將MTJ元件稱為磁阻效應元件(Magnetoresistance effect element)。於包含本實施方式在內於下文進行敍述之實施方式中，對應用MTJ元件作為磁阻效應元件之情形進行說明。又，為便於說明，記載為磁阻效應元件MTJ來說明。
1.1構成 首先，對實施方式之磁性記憶裝置之構成進行說明。
1.1.1磁性記憶裝置 圖1係表示實施方式之磁性記憶裝置之構成之方塊圖。如圖1所示，磁性記憶裝置1具備記憶胞陣列10、列選擇電路11、行選擇電路12、解碼電路13、寫入電路14、讀出電路15、電壓產生電路16、輸入輸出電路17及控制電路18。
記憶胞陣列10具備分別與列(row)及行(column)之組建立對應關係之複數個記憶胞MC。具體而言，位於同一列之記憶胞MC連接於同一字元線WL，位於同一行之記憶胞MC連接於同一位元線BL。
列選擇電路11經由字元線WL與記憶胞陣列10連接。對列選擇電路11提供來自解碼電路13之位址ADD之解碼結果(列位址)。列選擇電路11將與基於位址ADD之解碼結果之列對應之字元線WL設定為選擇狀態。以下，被設定為選擇狀態之字元線WL稱為選擇字元線WL。又，選擇字元線WL以外之字元線WL稱為非選擇字元線WL。
行選擇電路12經由位元線BL與記憶胞陣列10連接。對行選擇電路12提供來自解碼電路13之位址ADD之解碼結果(行位址)。行選擇電路12將與基於位址ADD之解碼結果之行對應之位元線BL設定為選擇狀態。以下，被設定為選擇狀態之位元線BL稱為選擇位元線BL。又，選擇位元線BL以外之位元線BL稱為非選擇位元線BL。
解碼電路13將來自輸入輸出電路17之位址ADD解碼。解碼電路13將位址ADD之解碼結果提供給列選擇電路11及行選擇電路12。位址ADD包含所選擇之行位址及列位址。
寫入電路14進行資料向記憶胞MC之寫入。寫入電路14例如包含寫入驅動器(未圖示)。
讀出電路15進行資料自記憶胞MC之讀出。讀出電路15例如包含感測放大器(未圖示)。
電壓產生電路16使用從磁性記憶裝置1之外部(未圖示)提供之電源電壓，產生用於記憶胞陣列10之各種動作之電壓。例如，電壓產生電路16產生寫入動作時所需要之各種電壓，並輸出至寫入電路14。又，例如電壓產生電路16產生讀出動作時所需要之各種電壓，並輸出至讀出電路15。
輸入輸出電路17將來自磁性記憶裝置1之外部之位址ADD傳輸至解碼電路13。輸入輸出電路17將來自磁性記憶裝置1之外部之指令CMD傳輸至控制電路18。輸入輸出電路17於磁性記憶裝置1之外部與控制電路18之間收發各種控制信號CNT。輸入輸出電路17將來自磁性記憶裝置1之外部之資料DAT傳輸至寫入電路14，並將從讀出電路15傳輸之資料DAT輸出至磁性記憶裝置1之外部。
控制電路18基於控制信號CNT及指令CMD，控制磁性記憶裝置1內之列選擇電路11、行選擇電路12、解碼電路13、寫入電路14、讀出電路15、電壓產生電路16及輸入輸出電路17之動作。
1.1.2記憶胞陣列 繼而，使用圖2對實施方式之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成進行說明。圖2係表示實施方式之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成的電路圖。於圖2中，字元線WL藉由包含2個小寫字母(''u''及''d'')與標記(''＜＞'')之添標而分類表示。
如圖2所示，記憶胞MC(MCu及MCd)於記憶胞陣列10內配置成矩陣狀，且與複數個位元線BL(BL＜0＞、BL＜1＞、…、BL＜N＞)中之1個和複數個字元線WLd(WLd＜0＞、WLd＜1＞、…、WLd＜M＞)及WLu(WLu＜0＞、WLu＜1＞、…、WLu＜M＞)中之1個之組建立對應關係(M及N為任意之整數)。即，記憶胞MCd＜i,j＞(0≦i≦M，0≦j≦N)連接於字元線WLd＜i＞與位元線BL＜j＞之間，記憶胞MCu＜i,j＞連接於字元線WLu＜i＞與位元線BL＜j＞之間。
再者，添標之''d''及''u''分別為便於識別複數個記憶胞MC中之(例如，相對於位元線BL)設置於下方者及設置於上方者。記憶胞陣列10之立體構造之例將於下文進行敍述。
記憶胞MCd＜i,j＞包含串聯連接之開關元件SELd＜i,j＞及磁阻效應元件MTJd＜i,j＞。記憶胞MCu＜i,j＞包含串聯連接之開關元件SELu＜i,j＞及磁阻效應元件MTJu＜i,j＞。
開關元件SEL具有作為開關之功能，用於針對對應之磁阻效應元件MTJ進行資料寫入及讀出時，控制對磁阻效應元件MTJ之電流供給。更具體而言，例如，某記憶胞MC內之開關元件SEL在施加於該記憶胞MC之電壓低於閾值電壓Vth之情形時，作為電阻值較大之絕緣體將電流切斷(變為斷開狀態)，在高於閾值電壓Vth之情形時，作為電阻值較小之導電體使電流流通(變為導通狀態)。即，開關元件SEL具有根據施加於記憶胞MC之電壓之大小，而與流通之電流之方向無關地於使電流流通與將電流切斷之間切換之功能。
開關元件SEL例如亦可為二端子型開關元件。在施加於二端子間之電壓未達閾值之情形時，該開關元件為“高電阻”狀態，例如為電性非導通狀態。在施加於二端子間之電壓為閾值以上之情形時，開關元件為“低電阻”狀態，例如變為電性導通狀態。開關元件不論電壓為何種極性均具有此功能。
磁阻效應元件MTJ可藉由受開關元件SEL控制供給之電流，將電阻值切換為低電阻狀態與高電阻狀態。磁阻效應元件MTJ作為能根據該電阻狀態之變化寫入資料且能將寫入之資料非揮發地保存、讀出之記憶元件發揮功能。
繼而，使用圖3及圖4對記憶胞陣列10之剖面構造進行說明。圖3及圖4表示用於說明實施方式之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成的剖視圖之一例。圖3及圖4分別為從相互交叉之不同方向觀察記憶胞陣列10時之剖視圖。
如圖3及圖4所示，記憶胞陣列10設置於半導體基板20上。於以下之說明中，將與半導體基板20之表面平行之面設為XY平面，將與XY平面垂直之軸設為Z軸。又，於XY平面內，將沿著字元線WL之軸設為X軸，將沿著位元線BL之軸設為Y軸。即，圖3及圖4分別為沿著Y軸及X軸觀察記憶胞陣列10時之剖視圖。
於半導體基板20之上表面上，例如設置有複數個導電體21。複數個導電體21具有導電性，作為字元線WLd發揮功能。複數個導電體21例如沿Y軸排列地設置，且分別沿X軸延伸。再者，於圖3及圖4中，對複數個導電體21設置於半導體基板20上之情形進行了說明，但並不限於此。例如，複數個導電體21亦可不與半導體基板20相接而向上方離開地設置。
於1個導電體21之上表面上，設置有分別作為磁阻效應元件MTJd發揮功能之複數個元件22。設置於1個導電體21之上表面上之複數個元件22例如沿X軸排列地設置。即，於1個導電體21之上表面，共通地連接有沿X軸排列之複數個元件22。再者，元件22之構成之詳細情況將於下文中敍述。
於複數個元件22各自之上表面上，設置有作為開關元件SELd發揮功能之元件23。複數個元件23各自之上表面連接於複數個導電體24中之任一者。複數個導電體24具有導電性，作為位元線BL發揮功能。複數個導電體24例如沿X軸排列地設置，且分別沿Y軸延伸。即，於1個導電體24，共通地連接有沿Y軸排列之複數個元件23。再者，於圖3及圖4中，對複數個元件23之各者以相接之形式設置於元件22之上表面上及導電體24之下表面上之情形進行了說明，但並不限於此。例如，複數個元件23之各者亦可經由具有導電性之接觸插塞(未圖示)與元件22及導電體24連接。
於1個導電體24之上表面上設置有分別作為磁阻效應元件MTJu發揮功能之複數個元件25。設置於1個導電體24之上表面上之複數個元件25例如沿X軸排列地設置。即，於1個導電體24之上表面，共通地連接有沿Y軸排列之複數個元件25。再者，元件25例如具有與元件22相同之構成。
於複數個元件25各自之上表面上，設置有作為開關元件SELu發揮功能之元件26。複數個元件26各自之上表面連接於複數個導電體27中之任一者。複數個導電體27具有導電性，作為字元線WLu發揮功能。複數個導電體27例如沿Y軸排列地設置，且分別沿X軸延伸。即，於1個導電體27，共通地連接有沿X軸排列之複數個元件26。再者，於圖3及圖4中，對複數個元件26之各者以相接之形式設置於元件25之上表面上及導電體27之下表面上之情形進行了說明，但並不限於此。例如，複數個元件26之各者亦可經由具有導電性之接觸插塞(未圖示)與元件25及導電體27連接。
藉由以如上方式構成，記憶胞陣列10成為2個字元線WLd及WLu之組對應於1個位元線BL之構造。而且，記憶胞陣列10於字元線WLd與位元線BL之間設置有記憶胞MCd，於位元線BL與字元線WLu之間設置有記憶胞MCu。亦即，記憶胞陣列10具有複數個記憶胞MC沿Z軸設置於不同高度之構造。圖3及圖4中示出之胞構造中，記憶胞MCd與下層建立對應關係，記憶胞MCu與上層建立對應關係。即，在共通連接於1個位元線BL之2個記憶胞MC中，設置於位元線BL之上層之記憶胞MC對應於標註有添標''u''之記憶胞MCu，設置於下層之記憶胞MC對應於標註有添標''d''之記憶胞MCd。
1.1.3磁阻效應元件 繼而，使用圖5對實施方式之磁性記憶裝置之磁阻效應元件之構成進行說明。圖5係表示實施方式之磁性記憶裝置之磁阻效應元件之構成的剖視圖。於圖5中，例如示出了將圖3及圖4所示之磁阻效應元件MTJd沿著與Z軸垂直之平面(例如，XZ平面)切割所得的剖面之一例。再者，磁阻效應元件MTJu具有與磁阻效應元件MTJd相同之構成，因此省略其圖示。
如圖5所示，磁阻效應元件MTJ例如包含作為頂層TOP(Top layer)發揮功能之非磁性層31、作為罩蓋層CAP(Capping layer)發揮功能之非磁性層32、作為記憶層SL(Storage layer)發揮功能之鐵磁性層33、作為隧道阻障層TB(Tunnel barrier layer)發揮功能之非磁性層34、作為參考層RL(Reference layer)發揮功能之積層體35、作為間隔層SP(Spacer layer)發揮功能之非磁性層36、作為移位抵銷層SCL(Shift cancelling layer)發揮功能之積層體37、及作為緩衝層BUF(Buffer layer)發揮功能之積層體38。記憶層SL、參考層RL及移位抵銷層SCL之各者可一體地看作具有鐵磁性之構造體。緩衝層BUF可一體地看作具有非磁性之構造體。
磁阻效應元件MTJd例如從字元線WLd側朝向位元線BL側(沿Z軸方向)依序積層有積層體38、積層體37、非磁性層36、積層體35、非磁性層34、鐵磁性層33、非磁性層32及非磁性層31這複數個膜。磁阻效應元件MTJu例如從位元線BL側朝向字元線WLu側(沿Z軸方向)依序積層有積層體38、積層體37、非磁性層36、積層體35、非磁性層34、鐵磁性層33、非磁性層32及非磁性層31這複數個膜。磁阻效應元件MTJd及MTJu例如作為構成磁阻效應元件MTJd及MTJu之磁性體之磁化方向分別朝向與膜面垂直之方向之垂直磁化型MTJ元件發揮功能。再者，磁阻效應元件MTJ亦可於上述各層31～38之間包含未圖示之其他層。
非磁性層31為非磁性之導電體，具有作為提高磁阻效應元件MTJ之上端與位元線BL或字元線WL之電性連接性之上部電極(top electrode)之功能。非磁性層31例如包含選自鎢(W)、鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)及氮化鈦(TiN)中之至少1種元素或化合物。
非磁性層32為非磁性體之層，具有抑制鐵磁性層33之阻尼常數上升，減小寫入電流之功能。非磁性層32例如包含氧化鎂(MgO)、氧化鋁(AL 2O 3)或稀土類氧化物。又，非磁性層32亦可為該等氧化物之混合物。即，非磁性層32並不限於包含2種元素之二元化合物，可包含含有3種元素之三元化合物，例如氧化鎂鋁(MgAl 2O 4)等。
鐵磁性層33具有鐵磁性，於與膜面垂直之方向上具有易磁化軸方向。鐵磁性層33具有沿著Z軸朝向位元線BL側與字元線WL側中之任一側之方向的可變之磁化方向。鐵磁性層33包含鐵(Fe)，進而可包含鈷(Co)及鎳(Ni)中之至少任一者。又，鐵磁性層33可進而包含硼(B)。更具體而言，例如，鐵磁性層33可包含鐵鈷硼(FeCoB)或硼化鐵(FeB)，且具有體心立方系之晶體結構。
非磁性層34為非磁性之絕緣體，例如包含氧化鎂(MgO)。非磁性層34具有膜面配向成(001)面之NaCl晶體結構，於鐵磁性層33之結晶化處理中，作為晶種材發揮功能，即成為用於使結晶質之膜從與鐵磁性層33之界面生長之核。非磁性層34設置於鐵磁性層33與積層體35之間，與該等2個鐵磁性層一併形成磁穿隧接面。
積層體35可整體看作1個鐵磁性層，於與膜面垂直之方向上具有易磁化軸方向。積層體35具有沿著Z軸朝向位元線BL側及字元線WL側中之任一側之方向的磁化方向。積層體35之磁化方向固定，於圖5之例中，朝向積層體37之方向。再者，「磁化方向固定」意指於能使鐵磁性層33之磁化方向反轉之大小之電流(自旋轉矩)作用下磁化方向不會改變。另一方面，「磁化方向可變」意指藉由自旋轉矩，磁化方向可反轉。
更具體而言，積層體35包含作為界面層IL(Interface layer)發揮功能之鐵磁性層35a、作為功能層FL(Function layer)發揮功能之非磁性層35b及作為主參考層MRL(Main reference layer)35c發揮功能之鐵磁性層35c。例如，於非磁性層36之上表面與非磁性層34之下表面之間，依序積層有鐵磁性層35c、非磁性層35b及鐵磁性層35a。
鐵磁性層35a為鐵磁性之導電體，例如包含鐵(Fe)，進而可包含鈷(Co)及鎳(Ni)中之至少任一者。又，鐵磁性層35a可進而包含硼(B)。更具體而言，例如，鐵磁性層35a可包含鐵鈷硼(FeCoB)或硼化鐵(FeB)，且具有體心立方系之晶體結構。
非磁性層35b為非磁性之導電體，例如包含選自鉭(Ta)、鉿(Hf)、鎢(W)、鋯(Zr)、鉬(Mo)、鈮(Nb)及鈦(Ti)中之至少1種金屬。非磁性層35b具有維持鐵磁性層35a與鐵磁性層35c之間之交換耦合之功能。
鐵磁性層35c例如可包含選自鈷(Co)與鉑(Pt)之多層膜(Co/Pt多層膜)、鈷(Co)與鎳(Ni)之多層膜(Co/Ni多層膜)及鈷(Co)與鈀(Pd)之多層膜(Co/Pd多層膜)中之至少1種多層膜。再者，構成鐵磁性層35c之多層膜中，與非磁性層36相接之層例如包含鈷(Co)。
非磁性層36為非磁性之導電體，例如包含選自釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、釩(V)及鉻(Cr)中之至少1種元素。
積層體37可整體看作1個鐵磁性層，於與膜面垂直之方向上具有易磁化軸方向。積層體37具有沿著Z軸朝向位元線BL側與字元線WL側中之任一側之方向的磁化方向。積層體37之磁化方向與積層體35同樣地固定，於圖5之例中，朝向積層體35之方向。
更具體而言，積層體37包含作為反鐵磁性耦合層AFL(Anti-Ferromagnetic coupling Layer)發揮功能之鐵磁性層37a、以及分別作為多層膜ML(Multi-layer)之一發揮功能之非磁性層37b(ML1)、鐵磁性層37c(ML2)及非磁性層37d(ML3)。例如，於積層體38之上表面與非磁性層36之下表面之間，依序積層有非磁性層37d、鐵磁性層37c、非磁性層37b及鐵磁性層37a。
鐵磁性層37a係具有六方最密堆積結構(hcp：Hexagonal close-packed)或面心立方(fcc：Face-centered cubic)系之晶體結構之鐵磁性之導電體，例如包含鈷(Co)。鐵磁性層35c及37a藉由非磁性層36而反鐵磁性地耦合。即，鐵磁性層35c(更具體而言，構成鐵磁性層35c之多層膜中與非磁性層36相接之層)及鐵磁性層37a以具有相互反平行之磁化方向之方式耦合。因此，於圖5之例中，鐵磁性層35c及37a之磁化方向朝向彼此相對之方向。將此種鐵磁性層35c、非磁性層36及鐵磁性層37a之耦合構造稱為SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic，合成反鐵磁)構造。
非磁性層37b為非磁性之導電體，例如包含選自鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)中之至少1種元素。鐵磁性層37c為鐵磁性之導電體，例如包含鈷(Co)。非磁性層37d為非磁性之導電體，例如包含選自鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)中之至少1種元素。
再者，鐵磁性層37a及37c以及非磁性層37b及37d進而包含矽(Si)或鍺(Ge)。藉此，積層體37具有於退火處理之類的高溫環境下，抑制鐵磁性層35a等所包含之鐵(Fe)向SAF構造擴散之性質。於下文之說明中，亦將如上述鐵(Fe)般於退火處理中容易擴散之元素稱為「易擴散元素」。又，亦將如上述矽(Si)或鍺(Ge)般具有抑制易擴散元素向其他層擴散之功能之元素稱為「擴散抑制元素」。
再者，於圖5之例中，示出了積層體37中積層有2組鐵磁性層及非磁性層之組之情形，但鐵磁性層及非磁性層之組亦可積層3層以上。即，被積層複數次之鐵磁性層及非磁性層之組之各者可形成選自鈷(Co)與鉑(Pt)之多層膜(Co/Pt多層膜)、鈷(Co)與鎳(Ni)之多層膜(Co/Ni多層膜)及鈷(Co)與鈀(Pd)之多層膜(Co/Pd多層膜)中之至少1種多層膜。
藉由以上之構成，積層體37能抵消積層體35之漏磁場對鐵磁性層33之磁化方向造成之影響。因此，鐵磁性層33之磁化反轉容易度因積層體35之漏磁場等而產生非對稱性(即，鐵磁性層33之磁化方向反轉時之反轉容易度於從一側反轉至另一側之情形時與向反方向反轉之情形時不同)得以抑制。
積層體38可整體看作1個非磁性層，具有作為提高與位元線BL或字元線WL之電性連接性之電極之功能。具體而言，積層體38包含作為擴散抑制層(Diffusion Barrier Layer)發揮功能之非磁性層38a、以及分別作為緩衝層BUF之一發揮功能之非磁性層38b(BUF1)及非磁性層38c(BUF2)。例如，於半導體基板20與積層體37之下表面之間沿著Z軸依序積層有非磁性層38c、非磁性層38b及非磁性層38a。
非磁性層38a係具有非晶結構之非磁性之導電體，例如包含作為擴散抑制元素發揮功能之矽(Si)或鍺(Ge)。又，非磁性層38a包含硼(B)。非磁性層38a作為在成膜階段(即，退火處理之前階段)中用於向積層體37內供給擴散抑制元素之供給源發揮功能。藉此，能夠於退火處理之前，使積層體37表現出抑制鐵磁性層35a等所包含之鐵(Fe)向SAF構造擴散的性質。
非磁性層38b為非磁性之導電體，例如包含鉭(Ta)。非磁性層38b具有提高由鐵磁性層33、非磁性層34及鐵磁性層35a形成之磁穿隧接面之穿隧磁阻比(TMR：Tunnel Magnetoresistive Ratio)之功能。
非磁性層38c係具有非晶結構之非磁性之導電體，例如包含硼化鉿(HfB)。非磁性層38c具有將非磁性層38c之上層之晶體結構與下層之晶體結構分斷之功能。
再者，非磁性層38b及38c可根據積層體38之下層(例如導電體21或半導體基板20)所包含之材料而適當省略。
實施方式中，採用自旋注入(spin injection)寫入方式，即向此種磁阻效應元件MTJ中直接通入寫入電流，藉由該寫入電流向記憶層SL及參考層RL注入自旋轉矩，控制記憶層SL之磁化方向及參考層RL之磁化方向。磁阻效應元件MTJ可藉由使記憶層SL與參考層RL之磁化方向之相對關係為平行或反平行，而取低電阻狀態及高電阻狀態中之任一種。
若於磁阻效應元件MTJ中，沿圖5中之箭頭A1之方向，即從記憶層SL朝向參考層RL之方向，流通某大小之寫入電流Ic0，則記憶層SL及參考層RL之磁化方向之相對關係變為平行。於該平行狀態之情形時，磁阻效應元件MTJ之電阻值變為最低，磁阻效應元件MTJ被設定為低電阻狀態。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。
又，若於磁阻效應元件MTJ中，沿圖5中之箭頭A2之方向，即從參考層RL朝向記憶層SL之方向(與箭頭A1相反之方向)，流通較寫入電流Ic0大之寫入電流Ic1，則記憶層SL及參考層RL之磁化方向之相對關係變為反平行。於該反平行狀態之情形時，磁阻效應元件MTJ之電阻值變為最高，磁阻效應元件MTJ被設定為高電阻狀態。該高電阻狀態被稱為「AP(Anti-Parallel，反平行)狀態」，例如被規定為資料''1''之狀態。
再者，於以下之說明中，按照上述資料之規定方法進行說明，但資料''1''及資料''0''之規定方法並不限於上述例。例如，亦可將P狀態規定為資料''1''，將AP狀態規定為資料''0''。
1.2磁阻效應元件之製造方法 其次，對實施方式之磁性記憶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，磁阻效應元件MTJ內之各構成要素中，特別對從積層體38(緩衝層BUF)至積層體35(參考層RL)之層之製造方法進行說明，省略對非磁性層34以上之層構造之說明。
圖6及圖8係用於說明實施方式之磁性記憶裝置之磁阻效應元件之製造方法的模式圖。於圖6及圖8中，示出了執行退火處理前後之作為磁阻效應元件MTJ發揮功能之預定之層構造。又，圖7係表示實施方式之磁性記憶裝置之磁阻效應元件內之擴散抑制元素於退火處理前之分佈的簡圖。於圖7中，藉由使Z軸對應於橫軸，使擴散抑制元素之強度對應於縱軸，而以線L_dbl表示磁阻效應元件MTJ內之擴散抑制元素之分佈。圖7所示之分佈例如可藉由二次離子質譜法(SIMS：Secondary Ion Mass Spectrometry)進行測定。因此，非磁性層38a之擴散抑制元素之濃度係高於積層體37、非磁性層38c及非磁性層38b之擴散抑制元素之濃度。
如圖6所示，非磁性層38c、非磁性層38b、非磁性層38a、非磁性層37d、鐵磁性層37c、非磁性層37b、鐵磁性層37a、非磁性層36、鐵磁性層35c、非磁性層35b及鐵磁性層35a於半導體基板20之上方依序積層。
如上所述，於非磁性層38a內，包含矽(Si)或鍺(Ge)作為擴散抑制元素(圖6中以圓圈表示)。另一方面，於鐵磁性層35a內，包含鐵(Fe)作為具有於高溫環境下容易擴散至其他層之性質之元素(圖6中以菱形表示)。
如圖7所示，非磁性層38a內之擴散抑制元素於形成各層之後，且於執行退火處理之前，主要向上層之積層體37內擴散。藉此，鐵磁性層37a及37c以及非磁性層37b及37d內被供給擴散抑制元素。
繼而，如圖8所示，對圖6中形成之層構造進行退火處理，該層構造可獲得作為磁阻效應元件MTJ之性質。
再者，藉由退火處理從外部對各層施加熱，可能會使鐵磁性層35a內之易擴散元素向其他層擴散。易擴散元素例如向SAF構造，即鐵磁性層35c、非磁性層36及鐵磁性層37a內擴散，可能會使參考層RL與移位抵銷層SCL之間之反鐵磁性耦合之耦合力下降。反鐵磁性耦合之耦合力下降會導致參考層RL之磁化方向之穩定性下降，故而欠佳。
根據實施方式，積層體37於退火處理之前從非磁性層38a被供給擴散抑制元素。藉此，積層體37具有抑制鐵磁性層35a內之易擴散元素向SAF構造內擴散之功能。因此，能抑制易擴散元素作為雜質混入SAF構造內。因此，能抑制磁阻效應元件MTJ之性能劣化。
1.3.本實施方式之效果 根據實施方式，能於抑制磁阻效應元件MTJ之性能劣化之同時製造磁阻效應元件MTJ。關於本效果，使用圖9於下文中進行說明。
圖9係用於說明實施方式之效果之簡圖。於圖9中，橫軸取間隔層SP(即，非磁性層36)之膜厚，縱軸取對應於使界面層IL之磁化方向反轉所需要之外部磁場之大小的指標Hex，並繪製線L1及L2。線L1對應於實施方式之磁阻效應元件MTJ中之指標Hex，線L2對應於比較例之磁阻效應元件MTJ中之指標Hex。比較例之磁阻效應元件MTJ例如不包含非磁性層38a。
如圖9所示，指標Hex依存於間隔層SP之膜厚而變化，於最佳之膜厚成為最大值。指標Hex之最大值可能受到間隔層SP、或者與該間隔層SP一併形成SAF構造之主參考層MRL或移位抵銷層SCL內之反鐵磁性耦合層AFL內所包含之雜質影響而下降。即，為了獲得理想之值作為指標Hex之最大值，理想的是於SAF構造內妨礙SAF構造中之反鐵磁性耦合之雜質之量較少。
如上所述，比較例中之磁阻效應元件不包含非磁性層38a。由此，比較例之積層體37未被供給矽(Si)或鍺(Ge)之類的擴散抑制元素。因此，於退火處理時，鐵磁性層33及鐵磁性層35a所包含之鐵(Fe)等易擴散元素會大量擴散至SAF構造內，使SAF構造中之反鐵磁性耦合之耦合力減弱。
另一方面，實施方式中之磁阻效應元件包含非磁性層38a。藉此，實施方式之積層體37於退火處理之前被供給矽(Si)或鍺(Ge)之類的擴散抑制元素。因此，能減少鐵磁性層33及鐵磁性層35a所包含之鐵(Fe)等易擴散元素於退火處理時擴散至SAF構造內之量，能抑制反鐵磁性耦合之耦合力下降。
因此，可使實施方式中之指標Hex之最大值Max_L1成為較比較例中之指標Hex之最大值Max_L2大的值。又，藉由獲得值較高之指標Hex，能以更小之寫入電流Ic使記憶胞MC動作。因此，能抑制磁阻效應元件MTJ之性能劣化。
再者，為了提高穿隧磁阻比TMR，理想的是於退火處理時對磁阻效應元件MTJ施加更多之熱量。另一方面，若施加之熱量較多，則可能引起SAF構造中之反鐵磁性耦合之耦合力降低，而使指標Hex下降。如此，退火處理時施加之熱量有時藉由將穿隧磁阻比TMR之提高與指標Hex下降之抑制折衷來決定。根據實施方式，能獲得更高之指標Hex。因此，能夠對退火處理時施加之熱量放寬限制(即，能提高耐熱性)。
2.變化例 再者，不限於上述實施方式，可應用各種變化。
例如，對在上述實施方式之記憶胞MC中應用二端子型開關元件作為開關元件SEL之情形進行了說明，但作為開關元件SEL，亦可應用MOS(Metal Oxide Semiconductor，金屬氧化物半導體)電晶體。即，記憶胞陣列並不限於在Z方向之不同高度具有複數個記憶胞MC之構造，可應用任意之陣列構造。
圖10係用於說明變化例之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成的電路圖。圖10對應於實施方式之圖1中所說明之磁性記憶裝置1中之記憶胞陣列10。
如圖10所示，記憶胞陣列10A具備分別與列及行建立對應關係之複數個記憶胞MC。而且，位於同一列之記憶胞MC連接於同一字元線WL，位於同一行之記憶胞MC之兩端連接於同一位元線BL及同一源極線/BL。
圖11係用於說明變化例之磁性記憶裝置之記憶胞之構成的剖視圖。圖11對應於實施方式之圖3及圖4中所說明之記憶胞MC。再者，於圖11之例中，記憶胞MC不積層於半導體基板，故而不標註''u''及''d''等添標。
如圖11所示，記憶胞MC設置於半導體基板40上，包含選擇電晶體41(Tr)及磁阻效應元件42(MTJ)。選擇電晶體41係作為開關而設置，用於在對磁阻效應元件42進行資料寫入及讀出時控制電流之供給及停止。磁阻效應元件42之構成與實施方式之圖5所示之磁阻效應元件MTJ相同。
選擇電晶體41具備作為字元線WL發揮功能之閘極(導電體43)、及於該閘極之沿著x軸之兩端設置於半導體基板40上之1對源極區域或汲極區域(擴散區域44)。導電體43設置於絕緣體45上，該絕緣體45設置於半導體基板40上且作為閘極絕緣膜發揮功能。導電體43例如沿y軸延伸，且共通連接於沿y軸排列之其他記憶胞MC之選擇電晶體(未圖示)之閘極。導電體43例如沿x軸排列。在設置於選擇電晶體41之第1端的擴散區域44上，設置有接觸插塞46。接觸插塞46連接於磁阻效應元件42之下表面(第1端)上。於磁阻效應元件42之上表面(第2端)上設置有接觸插塞47，於接觸插塞47之上表面上，連接於作為位元線BL發揮功能之導電體48。導電體48例如沿x軸延伸，且共通連接於沿x軸排列之其他記憶胞之磁阻效應元件(未圖示)之第2端。在設置於選擇電晶體41之第2端之擴散區域44上，設置有接觸插塞49。接觸插塞49連接於作為源極線/BL發揮功能之導電體50之下表面上。導電體50例如沿x軸延伸，且共通連接於例如沿x軸排列之其他記憶胞之選擇電晶體(未圖示)之第2端。導電體48及50例如沿y軸排列。導電體48例如位於導電體50之上方。再者，導電體48及50係以避免彼此之物理及電性干涉之形式配置，但於圖11中省略。選擇電晶體41、磁阻效應元件42、導電體43、48及50、以及接觸插塞46、47及49係由層間絕緣膜51被覆。再者，相對於磁阻效應元件42沿x軸或y軸排列之其他磁阻效應元件(未圖示)例如設置於同一階層上。即，於記憶胞陣列10A內，複數個磁阻效應元件42例如配置於XY平面上。
藉由以如上方式構成，在應用屬於三端子型開關元件之MOS電晶體作為開關元件SEL而並非應用二端子型開關元件之情形時，亦能發揮與實施方式相同之效果。
3.其他 又，關於上述實施方式及變化例中所敍述之記憶胞MC，已對磁阻效應元件MTJ設置於開關元件SEL之下方之情形進行了說明，但亦可將磁阻效應元件MTJ設置於開關元件SEL之上方。
對本發明之若干實施方式進行了說明，但該等實施方式係作為示例而提出，並不意圖限定發明之範圍。該等新穎之實施方式能以其他各種方式實施，能於不脫離發明之主旨之範圍內，進行各種省略、替換及變更。該等實施方式及其變化包含於發明之範圍或主旨內，並且包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。
[相關申請] 本申請享有以日本專利申請2020-156153號(申請日：2020年9月17日)為基礎申請之優先權。本申請藉由參照該基礎申請而包含基礎申請之全部內容。
1:磁性記憶裝置 10, 10A:記憶胞陣列 11:列選擇電路 12:行選擇電路 13:解碼電路 14:寫入電路 15:讀出電路 16:電壓產生電路 17:輸入輸出電路 18:控制電路 20, 40:半導體基板 21, 24, 27:導電體 22, 23, 25, 26:元件 31, 32, 34, 35b, 36, 37b, 37d, 38a, 38b, 38c:非磁性層 33, 35a, 35c, 37a, 37c:鐵磁性層 35, 37, 38:積層體 41:選擇電晶體 42:磁阻效應元件 43, 48, 50:導電體 44:擴散區域 45:絕緣體 46, 47, 49:接觸插塞 51:層間絕緣膜 AFL:反鐵磁性耦合層 BL(BL＜0＞, BL＜1＞, …, BL＜N＞):位元線 BUF, BUF1, BUF2:緩衝層 CAP:罩蓋層 FL:功能層 MC, MCd(MCd＜0, 0＞, MCd＜0, 1＞…MCd＜0, N＞, MCd＜1, 0＞, MCd＜1, 1＞…MCd＜1, N＞…MCd＜M, 0＞, MCd＜M, 1＞…MCd＜M, N＞), MCu(MCu＜0, 0＞, MCu＜0, 1＞…MCu＜0, N＞, MCu＜1, 0＞, MCu＜1, 1＞…MCu＜1, N＞…MCu＜M, 0＞, MCu＜M, 1＞…MCu＜M, N＞):記憶胞 ML1, ML2, ML3:多層膜 MRL:主參考層 MTJ, MTJd＜0, 0＞, MTJu＜0, 0＞:磁阻效應元件 RL:參考層 SCL:移位抵銷層 SELd＜0, 0＞, SELu＜0, 0＞:開關元件 SL:記憶層 SP:間隔層 TB:隧道阻障層 Tr:選擇電晶體 TOP:頂層 WL, WLd(WLd＜0＞, WLd＜1＞, …, WLd＜M＞), WLu(WLu＜0＞, WLu＜1＞, …, WLu＜M＞):字元線 /BL:源極線
圖1係用於說明實施方式之磁性記憶裝置之構成之方塊圖。 圖2係用於說明實施方式之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成的電路圖。 圖3係用於說明實施方式之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成的剖視圖。 圖4係用於說明實施方式之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成的剖視圖。 圖5係用於說明實施方式之磁性記憶裝置之磁阻效應元件之構成的剖視圖。 圖6係用於說明實施方式之磁性記憶裝置中之磁阻效應元件之製造方法的模式圖。 圖7係用於說明實施方式之磁性記憶裝置中之磁阻效應元件內之擴散抑制元素於退火處理前之分佈的簡圖。 圖8係用於說明實施方式之磁性記憶裝置中之磁阻效應元件之製造方法的模式圖。 圖9係用於說明實施方式之效果之簡圖。 圖10係用於說明變化例之磁性記憶裝置之記憶胞陣列之構成的電路圖。 圖11係用於說明變化例之磁性記憶裝置之記憶胞之構成的剖視圖。
31,32,34,35b,36,37b,37d,38a,38b,38c:非磁性層
33,35a，35c,37a,37c:鐵磁性層
35,37,38:積層體
AFL:反鐵磁性耦合層
BUF,BUF1,BUF2:緩衝層
CAP:罩蓋層
FL:功能層
ML1,ML2,ML3:多層膜
MRL:主參考層
MTJ:磁阻效應元件
RL:參考層
SCL:移位抵銷層
SL:記憶層
SP:間隔層
TB:隧道阻障層
TOP:頂層

Claims (18)

  1. 一種磁性記憶裝置，其具備磁阻效應元件， 上述磁阻效應元件包含： 第1鐵磁性層、 第2鐵磁性層、 第3鐵磁性層、 上述第1鐵磁性層與上述第2鐵磁性層之間之第1非磁性層、及 上述第2鐵磁性層與上述第3鐵磁性層之間之第2非磁性層，且 上述第2鐵磁性層位於上述第1鐵磁性層與上述第3鐵磁性層之間， 上述第1非磁性層包含鎂(Mg)及氧(O)， 上述第3鐵磁性層包含矽(Si)或鍺(Ge)。
  2. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中上述第1鐵磁性層及上述第2鐵磁性層包含鐵(Fe)。
  3. 如請求項2之磁性記憶裝置，其中上述第1鐵磁性層為磁化方向可變之鐵磁性層， 上述第2鐵磁性層為磁化方向固定之鐵磁性層。
  4. 如請求項2之磁性記憶裝置，其中上述第1鐵磁性層為記憶層， 上述第2鐵磁性層為參考層。
  5. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中上述磁阻效應元件進而包含含有矽(Si)或鍺(Ge)之第3非磁性層， 上述第3鐵磁性層設置於上述第2非磁性層與上述第3非磁性層之間。
  6. 如請求項5之磁性記憶裝置，其中上述第3鐵磁性層包含： 第1層，其包含鈷(Co)，且與上述第2非磁性層相接；及 第2層，其包含鉑(Pt)，且與上述第3非磁性層相接。
  7. 如請求項5之磁性記憶裝置，其中上述第3非磁性層進而包含硼(B)。
  8. 如請求項7之磁性記憶裝置，其中上述磁阻效應元件進而包含含有鉭(Ta)之第4非磁性層， 上述第4非磁性層設置於上述第3非磁性層之與上述第1非磁性層側相反之側。
  9. 如請求項8之磁性記憶裝置，其中上述磁阻效應元件進而包含：含有硼及鉿之第5非磁性層， 上述第5非磁性層設置於上述第4非磁性層之與上述第1非磁性層側相反之側。
  10. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中上述第2非磁性層包含選自釕(Ru)、鋨(Os)、銠(Rh)、銥(Ir)、釩(V)及鉻(Cr)中之至少1種元素。
  11. 如請求項10之磁性記憶裝置，其中上述第2鐵磁性層及上述第3鐵磁性層具有彼此反平行之磁化方向。
  12. 如請求項2之磁性記憶裝置，其中上述第2鐵磁性層具有： 第1層，其包含鐵(Fe)，且與上述第1非磁性層相接；及 第2層，其包含鈷(Co)，且與上述第2非磁性層相接。
  13. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中 上述磁阻效應元件之電阻值係： 於從上述第1鐵磁性層向上述第2鐵磁性層之第1電流流通之情形時，成為第1電阻值，於從上述第2鐵磁性層向上述第1鐵磁性層之第2電流流通之情形時，成為與上述第1電阻值不同之第2電阻值。
  14. 如請求項13之磁性記憶裝置，其中上述第1電阻值小於上述第2電阻值。
  15. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中上述磁性記憶裝置具備記憶胞，上述記憶胞包含： 上述磁阻效應元件；及 開關元件，其與上述磁阻效應元件串聯連接。
  16. 如請求項15之磁性記憶裝置，其中上述開關元件為二端子型開關元件。
  17. 如請求項15之磁性記憶裝置，其中上述開關元件為MOS(Metal Oxide Semiconductor)電晶體。
  18. 如請求項8之磁性記憶裝置，其中上述第3非磁性層之矽(Si)或鍺(Ge)之濃度高於上述第3鐵磁性層及上述第4非磁性層之矽(Si)或鍺(Ge)之濃度。
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