TW202335324A - 磁性記憶裝置 - Google Patents

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及川忠昭
吉野健一
澤田和也
島野拓也
李永珉
磯田大河
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日商鎧俠股份有限公司
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Abstract

實施形態提供一種維持記憶胞之特性且抑制不良之產生之磁性記憶裝置。 實施形態之磁性記憶裝置包含第1強磁性層32、第1強磁性層32上之第1非磁性層33、第1非磁性層33上之第2強磁性層34、第2強磁性層34上之氧化物層35、及氧化物層上之第2非磁性層36。氧化物層35包含稀土類元素之氧化物。第2非磁性層36包含鈷(Co)、鐵(Fe)、硼(B)及鉬(Mo)各者。

Description

磁性記憶裝置
實施形態關於一種磁性記憶裝置。
已知一種將磁阻效應元件用作記憶元件之記憶裝置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory：磁阻隨機存取記憶體)。
本發明所欲解決之課題係提供一種維持記憶胞之特性且抑制不良之產生之磁性記憶裝置。
實施形態之磁性記憶裝置包含第1強磁性層、第1強磁性層上之第1非磁性層、第1非磁性層上之第2強磁性層、第2強磁性層上之氧化物層、及氧化物層上之第2非磁性層。氧化物層包含稀土類元素之氧化物。第2非磁性層包含鈷(Co)、鐵(Fe)、硼(B)及鉬(Mo)各者。
於以下，參照圖式對實施形態進行說明。圖式係模式性或概念性者。各圖式之尺寸及比例等並非必須與實物相同。於以下說明中，對具有大致同一之功能及構成之構成要件標註同一符號。構成參照符號之文字之後之數字等，由包含相同文字之參照符號進行參照，且用於區分具有同樣之構成之元件彼此。無相互區分由包含相同文字之參照符號顯示之要件之情形時，該等要件由僅包含文字之參照符號進行參照。
[實施形態] 於以下，對實施形態之記憶體系統MS進行說明。
[1]構成 [1-1]記憶體系統MS之構成 圖1係顯示實施形態之記憶體系統MS之構成之一例之方塊圖。如圖1所示，記憶體系統MS包含磁性記憶裝置1及記憶體控制器2。磁性記憶裝置1基於記憶體控制器2之控制而動作。記憶體控制器2可對來自外部之主機機器之要求(命令)進行應答，對磁性記憶裝置1命令讀取動作、寫入動作等之執行。
磁性記憶裝置1係將MTJ(Magnetic Tunnel Junction：磁性穿隧接合)元件用於記憶胞之記憶體器件，為變阻型記憶體之一種。MTJ元件利用磁性穿隧接合之磁阻效應(Magnetoresistance effect)。MTJ元件亦被稱為磁阻效應元件(Magnetoresistance effect element)。磁性記憶裝置1例如包含記憶胞陣列11、輸入輸出電路12、控制電路13、列選擇電路14、行選擇電路15、寫入電路16及讀取電路17。
記憶胞陣列11包含複數個記憶胞MC、複數個字元線WL、及複數個位元線BL。於圖1顯示有1組記憶胞MC、字元線WL及位元線BL。記憶胞MC可非揮發地記憶資料。記憶胞MC連接於1個字元線WL與1個位元線BL之間，並與列(row)及行(column)之組建立對應。於字元線WL分配列位址。於位元線BL分配行位址。1個或複數個記憶胞MC可藉由選擇1列、及選擇1行或複數行而特定。
輸入輸出電路12連接於記憶體控制器2，管理磁性記憶裝置1與記憶體控制器2之間之通信。輸入輸出電路12將自記憶體控制器2接收之控制信號CNT及指令CMD傳送至控制電路13。輸入輸出電路12將自記憶體控制器2接收之位址信號ADD所包含之列位址及行位址分別傳送至列選擇電路14及行選擇電路15。輸入輸出電路12將自記憶體控制器2接收之資料DAT(寫入資料)傳送至寫入電路16。輸入輸出電路12將自讀取電路17接收之資料DAT(讀取資料)傳送至記憶體控制器2。
控制電路13控制磁性記憶裝置1整體之動作。例如，控制電路13基於由控制信號CNT指示之控制與指令CMD，執行讀取動作或寫入動作等。例如，控制電路13於寫入動作中，將用於寫入資料之電壓供給至寫入電路16。又，控制電路13於讀取動作中，將用於讀取資料之電壓供給至讀取電路17。
列選擇電路14連接於複數個字元線WL。且，列選擇電路14選擇由列位址特定之1個字元線WL。選擇之字元線WL例如與省略圖示之驅動電路電性連接。
行選擇電路15連接於複數個位元線BL。且，行選擇電路15選擇由行位址特定之1個或複數個位元線BL。選擇之位元線BL例如與省略圖示之驅動電路電性連接。
寫入電路16基於控制電路13之控制、與自輸入輸出電路12接收之資料DAT(寫入資料)，將用於寫入資料之電壓供給至行選擇電路15。當基於寫入資料之電流經由記憶胞MC流動時，所需之資料寫入至記憶胞MC。
讀取電路17包含感測放大器。讀取電路17基於控制電路13之控制，將用於讀取資料之電壓供給至行選擇電路15。且，感測放大器基於選擇之位元線BL之電壓或電流，判定記憶於記憶胞MC之資料。隨後，讀取電路17將對應於判定結果之資料DAT(讀取資料)傳送至輸入輸出電路12。
[1-2]記憶胞陣列11之電路構成 圖2係顯示實施形態之磁性記憶裝置1所具備之記憶胞陣列11之電路構成之一例之電路圖。圖2擷取並顯示複數個字元線WL中之WL0及WL1、與複數個位元線BL中之BL0及BL1。如圖2所示，1個記憶胞MC連接於WL0與BL0之間、WL0與BL1之間、WL1與BL0之間、及WL1與BL1之間之各者。於記憶胞陣列11內，複數個記憶胞MC例如配置為矩陣狀。
各記憶胞MC包含可變電阻元件VR與開關元件SE。可變電阻元件VR及開關元件SE串聯連接於建立關聯之位元線BL及字元線WL之間。例如，可變電阻元件VR之一端連接於位元線BL。可變電阻元件VR之另一端連接於開關元件SE之一端。開關元件SE之另一端連接於字元線WL。另，位元線BL及字元線WL之間之可變電阻元件VR與開關元件SE之連接關係亦可相反。
可變電阻元件VR對應於MTJ元件。可變電阻元件VR基於其電阻值，可非揮發地記憶資料。例如，包含高電阻狀態之可變電阻元件VR之記憶胞MC記憶“1”資料。包含低電阻狀態之可變電阻元件VR之記憶胞MC記憶“0”資料。與可變電阻元件VR之電阻值建立關聯之資料之分配亦可為其他設定。可變電阻元件VR之電阻狀態可根據經由可變電阻元件VR流動之電流而變化。
開關元件SE例如為雙向二極體。開關元件SE作為控制向建立關聯之可變電阻元件VR之電流供給之選擇器發揮功能。具體而言，某記憶胞MC所包含之開關元件SE，於施加於該記憶胞MC之電壓低於開關元件SE之閾值電壓之情形時成為斷開狀態，於為開關元件SE之閾值電壓以上之情形時成為接通狀態。斷開狀態之開關元件SE作為電阻值較大之絕緣體發揮功能。於開關元件SE為斷開狀態之情形時，抑制電流於連接於該記憶胞MC之字元線WL及位元線BL之間流動。接通狀態之開關元件SE作為電阻值較小之導電體發揮功能。於開關元件SE為接通狀態之情形時，電流於連接於該記憶胞MC之字元線WL及位元線BL之間流動。即，開關元件SE可不依賴於電流流動之方向，而根據施加於記憶胞MC之電壓之大小，切換是否流經電流。另，作為開關元件SE，亦可使用電晶體等其他元件。
[1-3]記憶胞陣列11之構造 於以下，對實施形態中之記憶胞陣列11之構造之一例進行說明。於以下之說明中，使用xyz正交座標系。X方向對應於位元線BL之延伸方向。Y方向對應於字元線WL之延伸方向。Z方向與相對於用於形成磁性記憶裝置1之半導體基板之表面之鉛垂方向對應。“下”之記述及其派生詞以及關聯詞，顯示z軸上更小座標之位置。“上”之記述及其派生詞以及關聯詞，顯示z軸上更大座標之位置。於立體圖適當地附加陰影。附加於立體圖之陰影並非必須與附加陰影之構成要件之素材或特性相關。於立體圖及剖視圖中，省略了層間絕緣膜等之構成之圖示。
[1-3-1]記憶胞陣列11之立體構造 圖3係顯示實施形態之磁性記憶裝置1所具備之記憶胞陣列11之構造之一例之立體圖。如圖3所示，記憶胞陣列11包含複數個導電體層20與複數個導電體層21。
複數個導電體層20之各者具有於X方向延伸之部分。複數個導電體層20排列設置於Y方向，並相互隔開。各導電體層20作為位元線BL使用。
複數個導電體層21之各者具有於Y方向延伸之部分。複數個導電體層21排列設置於X方向，並相互隔開。各導電體層21作為字元線WL使用。
設置有複數個導電體層21之配線層，設置於設置有複數個導電體層20之配線層之上方。於複數個導電體層20與複數個導電體層21交叉之部分之各者設置1個記憶胞MC。換言之，各記憶胞MC於建立關聯之位元線BL與字元線WL之間設置為柱狀。於本例中，於導電體層20上設置可變電阻元件VR。於可變電阻元件VR上設置開關元件SE。於開關元件SE上設置導電體層21。
另，雖例示了可變電阻元件VR設置於開關元件SE下方之情形，但依賴於記憶胞陣列11之電路構成，可變電阻元件VR亦可設置於開關元件SE上方。
[1-3-2]可變電阻元件VR之剖面構造 圖4係顯示實施形態之磁性記憶裝置1之記憶胞MC所包含之可變電阻元件VR之剖面構造之一例之剖視圖。如圖4所示，可變電阻元件VR例如包含強磁性層30、非磁性層31、強磁性層32、非磁性層33、強磁性層34、非磁性層35～39。另，於圖4中，磁性層之磁化方向由箭頭顯示。兩方向之箭頭顯示磁化方向可變。
強磁性層30、非磁性層31、強磁性層32、非磁性層33、強磁性層34、非磁性層35～39，自導電體層20(位元線BL)側朝向導電體層21(字元線WL)側依序積層。具體而言，強磁性層30設置於導電體層20之上方。非磁性層31設置於強磁性層30上。強磁性層32設置於非磁性層31上。非磁性層33設置於強磁性層32上。強磁性層34設置於非磁性層33上。非磁性層35設置於強磁性層34上。非磁性層36設置於非磁性層35上。非磁性層37設置於非磁性層36上。非磁性層38設置於非磁性層37上。非磁性層39設置於非磁性層38上。導電體層21設置於非磁性層39之上方。
強磁性層30係強磁性之導電體。強磁性層30於垂直於膜面之方向具有易磁化軸方向。於圖4所示之一例中，強磁性層30之磁化方向朝向強磁性層32側。使強磁性層30之磁化方向反轉所需之磁場之大小，例如大於強磁性層32。來自強磁性層30之漏磁場使來自強磁性層32之漏磁場對強磁性層34之磁化方向賦予之影響降低。即，強磁性層30作為移位消除層SCL(Shift cancelling layer)發揮功能。強磁性層30例如包含選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)所組成之群之至少1種元素。又，強磁性層30作為雜質，可包含選自由硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)所組成之群之至少1種元素。具體而言，強磁性層30可包含鈷鐵硼(CoFeB)。強磁性層30可包含選自由硼化鐵(FeB)、鈷鉑(CoPt)、鈷鎳(CoNi)及鈷鈀(CoPd)所組成之群之至少1種二元化合物。
非磁性層31係非磁性之導電體。非磁性層31作為間隔層SP(Spacer layer)使用，並與強磁性層30反強磁性地結合。藉此，強磁性層30之磁化方向固定於相對於強磁性層32之磁化方向反平行之方向。此種強磁性層30、非磁性層31、及強磁性層32之結合構造被稱為SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic：合成反鐵磁)構造。非磁性層31例如包含選自由釕(Ru)、鋨(Os)、銥(Ir)、釩(V)、及鉻(Cr)所組成之群之至少1種元素。
強磁性層32係強磁性之導電體。強磁性層32於垂直於膜面之方向具有易磁化軸方向。強磁性層32之磁化方向固定於強磁性層30側或強磁性層34側。於圖4所示之一例中，強磁性層32之磁化方向固定於強磁性層30側。藉此，強磁性層32作為MTJ元件之參照層RL(Reference layer)使用。參照層RL亦可稱為“銷層”或“固定層”。強磁性層32例如包含選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)所組成之群之至少1種元素。又，強磁性層32作為雜質，可包含選自由硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)所組成之群之至少1種元素。具體而言，強磁性層32可包含鈷鐵硼(CoFeB)。強磁性層32可包含選自由硼化鐵(FeB)、鈷鉑(CoPt)、鈷鎳(CoNi)及鈷鈀(CoPd)所組成之群之至少1種二元化合物。
非磁性層33係非磁性之絕緣體。非磁性層33與強磁性層32及34一起形成磁性穿隧接合。即，非磁性層33係作為MTJ元件之穿隧障壁層(Tunnel barrier layer)發揮功能。又，非磁性層33係於磁性記憶裝置1之製造步驟所包含之強磁性層32及34之結晶化處理中，作為晶種材料發揮功能。該晶種材料係與成為用於使結晶質之膜自強磁性層32及34之界面生長之核之材料對應。非磁性層33例如包含選自由鎂(Mg)、鋁(Al)、鋅(Zn)、鈦(Ti)及LSM(Lanthanum-strontium-manganese：鑭鍶錳)所組成之群之至少1種元素或化合物之氧化物。
強磁性層34係強磁性之導電體。強磁性層34係於垂直於膜面之方向具有易磁化軸方向。強磁性層34之磁化方向係朝向強磁性層32側及非磁性層35側之任一者之方向。強磁性層34之磁化方向構成為與強磁性層32相比容易反轉。藉此，強磁性層34作為MTJ元件之記憶層SL(storage layer)使用。記憶層SL亦可稱為“自由層”。強磁性層34例如包含選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)所組成之群之至少1種元素。又，強磁性層34作為雜質，可包含選自由硼(B)、磷(P)、碳(C)、鋁(Al)、矽(Si)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鉻(Cr)、鉿(Hf)、鎢(W)、及鈦(Ti)所組成之群之至少1種元素。具體而言，強磁性層34可包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)。
非磁性層35係稀土類元素(Rare-earth element)之氧化物。稀土類元素之氧化物亦稱為“稀土類氧化物(RE-O：Rare-earth oxide)”。非磁性層35係作為對於強磁性層34(記憶層SL)之蓋體層使用。非磁性層35所包含之稀土類元素係具有結合(例如共價鍊)之晶格間距與其他元素相比較大之結晶構造。因此，非磁性層35具有於相鄰層為包含雜質之非晶質(非晶體狀態)之情形時，於高溫環境下(例如退火處理下)使該雜質向非磁性層35內擴散之功能。具體而言，非磁性層35具有藉由退火處理，自非晶體狀態之強磁性層34除去雜質，使其成為高配向之結晶狀態之功能。非磁性層35例如包含選自由鈧(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)所組成之群之至少1種元素之氧化物。
非磁性層36係非磁性之導電體。非磁性層36包含鐵(Fe)、鈷(Co)及硼(B)各者。又，非磁性層36可包含三元化合物即鈷鐵硼(CoFeB)。具體而言，非磁性層36具有向本為強磁性體之CoFeB添加非磁性元素，直至強磁性之性質消失而顯示非磁性為止之構成。例如，於非磁性層36中，用於設為非磁性之CoFeB之非磁性元素之添加量設為40at%以上。非磁性層36作為非磁性元素之雜質，包含選自由鉬(Mo)及鎢(W)所組成之群之至少1種元素。即，非磁性層36可包含含有鉬(Mo)作為雜質之鈷鐵硼(CoFeB-Mo)。或，非磁性層36可包含含有鎢(W)作為雜質之鈷鐵硼(CoFeB-W)。於非磁性層36包含CoFeB-Mo之情形時，非磁性層36中之鉬(Mo)之含有率較佳設計為50at%以上80at%以下。
非磁性層37係非磁性之導電體。非磁性層37例如包含選自由鈧(Sc)、鈦(Ti)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鉿(Hf)、鉭(Ta)及鎢(W)所組成之群之至少1種元素。又，非磁性層37可包含合金，該合金包含選自由鈧(Sc)、鈦(Ti)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鉿(Hf)、鉭(Ta)及鎢(W)所組成之群之2種以上之元素。又，非磁性層37可包含選自由鈧(Sc)、鈦(Ti)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鉿(Hf)、鉭(Ta)及鎢(W)所組成之群之1種元素之氮化物或硼化物。
非磁性層38係非磁性之導電體。非磁性層38例如包含選自由鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)、釕(Ru)所組成之群之至少1種元素。非磁性層36、非磁性層37及非磁性層38之組作為頂層TL(Top layer)使用。頂層TL例如可具有提高MTJ元件之特性之功能、或作為硬掩模之功能或作為電極之功能。
非磁性層39係非磁性之導電體。非磁性層39作為相對於頂層TL之蓋體層CAP使用。蓋體層CAP可作為使可變電阻元件VR與上方之元件(例如開關元件SE)或配線(例如位元線BL)之電性連接性提高之電極使用。非磁性層39例如包含自鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)、釕(Ru)選擇之至少1種元素。
於以上說明之可變電阻元件VR作為利用TMR(tunneling magnetoresistance：穿隧磁阻)效果之垂直磁化型之MTJ元件發揮功能。可變電阻元件VR根據強磁性層32及34各者之磁化方向之相對關係，可成為低電阻狀態與高電阻狀態之任一者。具體而言，可變電阻元件VR於參照層RL與記憶層SL之磁化方向為反平行狀態(AP(Antiparallel)狀態)之情形時成為高電阻狀態，於參照層RL與記憶層SL之磁化方向為平行狀態(P(parallel)狀態)之情形時成為低電阻狀態。
磁性記憶裝置1藉由使強磁性層34(記憶層SL)之磁化方向變化，可使記憶胞MC記憶所需之資料。具體而言，磁性記憶裝置1藉由使寫入電流流動於可變電阻元件VR，而向記憶層SL及參照層RL注入自旋轉矩，控制記憶層SL之磁化方向。此種寫入方法被稱為“自旋注入寫入方式”。
於本例中，可變電阻元件VR於自強磁性層32朝向強磁性層34之方向上流動寫入電流之情形時成為AP狀態，於自強磁性層34朝向強磁性層32之方向上流動寫入電流之情形時成為P狀態。另，可變電阻元件VR構成為，於可使強磁性層34之磁化方向反轉之大小之電流流動於可變電阻元件VR之情形時，強磁性層32之磁化方向不變化。即，“磁化方向被固定”意指藉由可使強磁性層34之磁化方向反轉之大小之電流，磁化方向不變化。
另，於可變電阻元件VR中，於強磁性層34與非磁性層36之間僅設置非磁性層35。即，於強磁性層34與非磁性層36之間形成之蓋體構造，由稀土類元素之氧化物即非磁性層35之1層構成。另，可變電阻元件VR可具備其他層，除了非磁性層35以外之各磁性層亦可由複數層構成。例如，強磁性層32亦可為包含複數層之積層體。構成強磁性層32之積層體，例如可一面具有包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)作為與非磁性層33之界面層之層，一面於該界面層與非磁性層31之間介隔非磁性之導電體進而具有強磁性層。
[2]可變電阻元件VR中之SFR與MTJ特性 於以下，對可變電阻元件VR中之SFR(Shunt Fail Rate：分流故障率)與MTJ特性進行說明。SFR顯示因MJT元件(可變電阻元件VR)中之記憶層SL與參照層RL之短路而引起之不良(分流不良)之產生率。MTJ特性係與MTJ元件之特性相關之至少1個指標。於本說明書中，作為MTJ特性，使用熱穩定性指數Δ與MR(Magnetoresistance：磁阻)比進行說明。
Δ顯示MTJ元件所記憶之位元資訊之熱穩定性，例如由數式“Δ=E b/k BT”表示。於本數式中，“E b”係磁化反轉所需之能量障壁。“k B”係玻耳茲曼常數。“T”係絕對溫度。MTJ元件(可變電阻元件VR)中之Δ之值較佳為較大。
MR比顯示磁性穿隧接合為反平行狀態(AP狀態)之情形時之電阻、與為平行狀態(P狀態)之情形時之電阻之差異。MR比例如由高電阻狀態與低電阻狀態之比率(高電阻狀態之電阻值/低電阻狀態之電阻值)顯示。MTJ元件(可變電阻元件VR)中之MR比之值較佳為較大。
另，於以下之說明使用之SFR、Δ、及MR比各者之數值僅為一例。顯示於相同圖式之SFR、Δ、及MR比各者之數值，相當於相同條件下評估顯示於該圖式之可變電阻元件VR之構成之結果。
[2-1]基於頂層TL之積層構造之差異之特性變化 圖5係顯示基於頂層TL之積層構造之差異之特性變化之一例之模式圖。圖5顯示第1構成例、第2構成例及第3構成例各者之頂層TL之TL剖面構造(頂層TL之剖面構造)與SFR(%)。於圖5所示之剖面構造中，紙面之下側對應於非磁性層35側，紙面之上側對應於非磁性層39側。於以下，參照圖5，對基於頂層TL之積層構造之差異之特性變化進行說明。
第1構成例中之頂層TL具有依序積層釕(Ru)、鉭(Ta)及釕(Ru)之構造。即，第1構成例中之頂層TL具有相對於實施形態中之頂層TL之積層構造，於非磁性層36之位置設置Ru，於非磁性層37之位置設置Ta，於非磁性層38之位置設置Ru之構造。於第1構成例中之頂層TL中，SFR=79.9。
第2構成例中之頂層TL具有依序積層釕(Ru)、鉭(Ta)、鉿硼化物(Hf50B)、及釕(Ru)之構造。即，第2構成例中之頂層TL具有相對於第1構成例中之頂層TL之積層構造，上層側之Ru中、與Ta相鄰之部分被置換為Hf50B之構成。Hf50B係添加有50at%硼(B)之鉿硼化物。於第2構成例中之頂層TL中，SFR=3.4。即，於第2構成例中之頂層TL中，於非磁性層37上設置Hf50B之結果，SFR較第1構成例改善。
第3構成例中之頂層TL具有依序積層包含鉬(Mo)作為雜質之鈷鐵硼(CoFeB-80Mo)、鉭(Ta)及釕(Ru)之構造。即，第3構成例中之頂層TL具有相對於第1構成例中之頂層TL之積層構造，Ru被置換為CoFeB-80Mo之構成。CoFeB-80Mo係添加有80at%鉬(Mo)之鈷鐵硼。於第3構成例中之頂層TL中，SFR=55.7。即，於第3構成例中之頂層TL中，於非磁性層35及37之間設置CoFeB-80Mo之結果，SFR較第1構成例改善。
[2-2]基於頂層TL之材料之差異之特性變化 圖6係顯示基於頂層TL之材料之差異之特性變化之一例之表格。圖6顯示第1比較例、第2比較例及實施形態各者之頂層TL之TL材料、SFR(%)、Δ及MR比(%)。另，圖6之TL材料顯示使用圖4說明之實施形態之頂層TL之積層構造中、與非磁性層36對應之層之材料。於本例中，非磁性層37係添加有50at%硼(B)之鉿硼化物(Hf50B)，非磁性層38係釕(Ru)。於以下，參照圖6，對基於非磁性層36之材料之差異之特性變化進行說明。
第1比較例中之頂層TL具備鉬(Mo)作為TL材料。即，第1比較例中之頂層TL具有於非磁性層35上設置鉬層，並於該鉬層上積層非磁性層37及38之構造。於第1比較例中之頂層TL中，SFR=40.1，Δ=48，MR比=110。
第2比較例中之頂層TL具備鎢(W)作為TL材料。即，第2比較例中之頂層TL具有於非磁性層35上設置鎢層，並於該鎢層上積層非磁性層37及38之構造。於第2比較例中之頂層TL中，SFR=20.2，Δ=48，MR比=112。
實施形態中之頂層TL具備CoFeB-Mo(添加有鉬作為雜質之鈷鐵硼)作為TL材料。於實施形態中之頂層TL中，SFR=19.3，Δ=52，MR比=115。即，於實施形態中之頂層TL中，較第1比較例與第2比較例各者，SFR、Δ及MR比各者良好。推測此種可變電阻元件VR之特性變化，例如依存於使用於頂層TL之材料之蝕刻速率(即頂層TL之硬度)。
(使用於頂層TL之材料之蝕刻速率) 圖7係顯示使用於頂層TL之材料之蝕刻速率之一例之表格。圖7顯示利用特定條件之IBE(Ion Beam Etching：離子束蝕刻)對以單膜形成於基板上之材料進行蝕刻之情形時之蝕刻速率。如圖7所示，Ru之蝕刻速率為4.3(Å/sec)，Mo之蝕刻速率為4.0(Å/sec)，CoFeB-Mo之蝕刻速率為3.2(Å/sec)，Hf50B之蝕刻速率為2.5(Å/sec)，W之蝕刻速率為1.6(Å/sec)。
即，於本例中，IBE之加工速度為Ru＞Mo＞CoFeB-Mo＞Hf50B＞W。於IBE之條件相同之情形時，可認為蝕刻速率低之材料係更硬之層。另，於本例中，藉由於鈷鐵硼(CoFeB)添加鉬(Mo)，蝕刻速率較僅由Mo構成之層低。同樣，蝕刻速率低於單一Mo之添加有鎢(W)之鈷鐵硼(CoFeB-W)，可低於CoFeB-Mo層之蝕刻速率。
(非磁性層36之Mo含有率與蝕刻速率之關係性) 圖8係顯示頂層TL之鈷鐵硼(CoFeB)之層(例如非磁性層36)所包含之鉬之含有率(Mo含有率)與蝕刻速率之關係性之一例之圖表。於圖8所示之圖表中，橫軸表示CoFeB-Mo之Mo含有率，縱軸表示特定IBE條件下之CoFeB-Mo之蝕刻速率(Å/sec)。如圖8所示，CoFeB-Mo之蝕刻速率具有隨著CoFeB-Mo中之Mo含有率減少而降低之傾向。換言之，於IBE之條件相同之情形時，CoFeB之硬度具有隨著Mo添加量減少而增加之傾向。
[2-3]基於非磁性層36之Mo含有率之記憶層SL之異向性磁場之變化 圖9係顯示頂層TL之鈷鐵硼之層(例如非磁性層36)所包含之鉬(Mo)之含有率與記憶層SL之異向性磁場之關係性之一例之圖表。於圖9所示之圖表中，橫軸表示CoFeB-Mo之Mo含有率，縱軸表示記憶層SL之異向性磁場(Oe)。於以下，將記憶層SL之異向性磁場稱為“SL_Hk”。另，“SL_Hk”亦可稱為記憶層SL之垂直磁性異向性磁場。
如圖9所示，SL_Hk根據CoFeB(非磁性層36)之Mo含有率變化。具體而言，SL_Hk於Mo含有率未達50at%之情形時大幅降低。另一方面，SL_Hk於Mo含有率超過80at%之情形時為大致恆定之值。換言之，於實施形態中，可變電阻元件VR之MTJ特性於CoFeB-Mo之Mo含有率未達50at%之情形時劣化越大、Mo含有率越多，則越良好，若Mo含有率超過80at%則飽和。
[3]實施形態之效果 根據以上說明之實施形態之磁性記憶裝置1，可維持記憶胞MC之特性且抑制不良之產生。於以下，對實施形態之磁性記憶裝置1之效果之細節進行說明。
作為擴大磁性記憶裝置之記憶容量之方法，考慮高密度配置記憶胞MC。然而，於高密度配置記憶胞MC之情形時，因記憶胞MC以窄間距配置，故有SFR增加之虞。由於用於降低SFR之對策與MTJ特性係處於取捨之關係，故較佳為盡可能一面維持MTJ特性一面改善SFR。
推測MTJ元件之分流不良係因記憶胞MC之加工時之影響而產生之不良。即，可認為於加工記憶胞MC時，降低對記憶胞MC之損傷，對分流不良之降低較有效。例如，可認為藉由降低頂層TL之蝕刻速率，即藉由於頂層TL使用硬材料，而可改善(降低)SFR。
又，作為MTJ元件之構造，已知有為了提高MTJ元件之磁性特性，而於記憶層SL上設置有稀土類氧化物RE-O之構造。於此種構造中，設置於稀土類氧化物RE-O上之頂層TL之積層構造可影響SFR與MTJ特性兩者。作為頂層TL之積層構造，例如已知於鉿硼化物(HfB)上設置有釕(Ru)之積層構造(Ru/HfB)。Ru/HfB之積層構造係重視記憶胞MC之加工特性之材料。然而，於稀土類氧化物RE-O之正上方設置有HfB之情形時，有MTJ特性(例如記憶層SL之磁性特性)劣化之傾向。
因此，實施形態之磁性記憶裝置1之MTJ元件(可變電阻元件VR)，具有於HfB(非磁性層37)與稀土類氧化物RE-O(非磁性層35)之間，設置有用於兼顧加工特性與MTJ特性之層(非磁性層36)之構成。且，於實施形態之可變電阻元件VR中，作為非磁性層36，使用添加有鉬之鈷鐵硼(CoFeB-Mo)、或添加有鎢之鈷鐵硼(CoFeB-W)。
CoFeB-Mo及CoFeB-W各者，較非磁性層36由鉬之單層構成之情形硬。其結果，可變電阻元件VR之積層構造可抑制分流不良之產生、並改善SFR。又，設置於稀土類氧化物RE-O上之CoFeB-Mo及CoFeB-W各者可提高MTJ特性。即，可變電阻元件VR之積層構造可抑制MTJ特性之劣化。因此，實施形態之磁性記憶裝置1可維持記憶胞MC之特性且抑制不良之產生。
另，如使用圖8及圖9說明般，根據添加之雜質之含有率，CoFeB-Mo之蝕刻速率會變化，記憶層SL之磁性特性(SL_Hk)可變化。即，於可兼顧MTJ特性與SFR之降低之鉬之添加量係有加減調整。具體而言，於頂層TL由CoFeB-Mo、HfB及Ru之積層構造構成之情形時，於非磁性層36中維持SL_Hk、且較Mo之單層硬之鉬之含有率較佳為50at%以上80at%以下。
[4]其他 於實施形態中，作為具備MTJ元件(可變電阻元件VR)之磁性裝置之一例，對磁性記憶裝置1進行了說明，但並不限定於此。磁性裝置亦可為將具有感測器或介質等之垂直磁性異向性之磁性元件設為必需之其他器件。該磁性元件只要至少使用可變電阻元件VR即可。
於本說明書中，“連接”表示電性連接，且不排除於其間介隔其他元件。非磁性層31及36～39各者亦可稱為“導電體層”。非磁性層33及35各者亦可稱為“氧化物層”。於本說明書中，“含有率”係原子百分數(at%)。含有率例如可藉由使用利用掃描透過型電子顯微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope，STEM)之電子能量損失光譜法(Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS)測定。
雖已說明了本發明之若干實施形態，但該等實施形態係作為實例而提出者，並非意欲限定發明之範圍。該等新穎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、置換、及變更。該等實施形態及其變化包含於發明之範圍及主旨，且包含於申請專利範圍所記載之發明與其等效之範圍內。 [相關申請案之參照]
本申請案享受以日本專利申請案2022-024004號(申請日：2022年2月18日)及美國專利申請案17/842417(申請日：2023年6月16日)為基礎申請案之優先權。本申請案藉由參照該等基礎申請案而包含基礎申請案之所有內容。
1:磁性記憶裝置 2:記憶體控制器 11:記憶胞陣列 12:輸入輸出電路 13:控制電路 14:列選擇電路 15:行選擇電路 16:寫入電路 17:讀取電路 20,21:導電體層 30:強磁性層 31:非磁性層 32:強磁性層 33:非磁性層 34:強磁性層 35~39:非磁性層 ADD:位址信號 BL, BL0, BL1:位元線 CAP:蓋體層 CMD:指令 CNT:控制信號 DAT:資料 MC:記憶胞 MS:記憶體系統 RE-O:稀土類氧化物 RL:參照層 SCL:移位消除層 SE:開關元件 SL:記憶層 SP:間隔層 TL:頂層 VR:可變電阻元件 WL,WL0,WL1:字元線
圖1係顯示實施形態之記憶體系統之構成之一例之方塊圖。 圖2係顯示實施形態之磁性記憶裝置所具備之記憶胞陣列之電路構成之電路圖。 圖3係顯示實施形態之磁性記憶裝置所具備之記憶胞陣列之立體構造之一例之立體圖。 圖4係顯示實施形態之磁性記憶裝置之記憶胞所包含之可變電阻元件之剖面構造之一例之剖視圖。 圖5係顯示基於頂層之積層構造之差異之特性變化之一例之模式圖。 圖6係顯示基於頂層之材料之差異之特性變化之一例之表格。 圖7係顯示使用於頂層之材料之蝕刻速率之一例之表格。 圖8係顯示頂層之鈷鐵硼層所包含之鉬之含有率與蝕刻速率之關係性之一例之圖表。 圖9係顯示頂層之鈷鐵硼層所包含之鉬之含有率與記憶層之異向性磁場之關係性之一例之圖表。
30:強磁性層
31:非磁性層
32:強磁性層
33:非磁性層
34:強磁性層
35~39:非磁性層
CAP:蓋體層
RE-O:稀土類氧化物
RL:參照層
SCL:移位消除層
SL:記憶層
SP:間隔層
TL:頂層
VR:可變電阻元件

Claims (20)

  1. 一種磁性記憶裝置，其包含： 第1強磁性層； 上述第1強磁性層上之第1非磁性層； 上述第1非磁性層上之第2強磁性層； 上述第2強磁性層上之氧化物層；及 上述氧化物層上之第2非磁性層；且 上述氧化物層包含稀土類元素之氧化物； 上述第2非磁性層包含鈷(Co)、鐵(Fe)、硼(B)及鉬(Mo)各者。
  2. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中 上述第2非磁性層係包含鉬(Mo)及鈷鐵硼(CoFeB)之層。
  3. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中 上述第2非磁性層中之鉬(Mo)之含有率，為50at%以上80at%以下。
  4. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中 上述氧化物層係包含選自由鈧(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)所組成之群之至少1種元素之氧化物。
  5. 如請求項1之磁性記憶裝置，其進而包含： 上述第2非磁性層上之第3非磁性層；及 上述第3非磁性層上之第4非磁性層；且 上述第3非磁性層包含選自由鈧(Sc)、鈦(Ti)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鉿(Hf)、鉭(Ta)及鎢(W)所組成之群之至少1種元素； 上述第4非磁性層包含選自由鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)、釕(Ru)所組成之群之至少1種元素。
  6. 一種磁性記憶裝置，其包含： 第1強磁性層； 上述第1強磁性層上之第1非磁性層； 上述第1非磁性層上之第2強磁性層； 上述第2強磁性層上之氧化物層；及 上述氧化物層上之第2非磁性層；且 上述氧化物層包含釓(Gd)之氧化物； 上述第2非磁性層包含鈷(Co)、鐵(Fe)、硼(B)及鉬(Mo)各者。
  7. 如請求項6之磁性記憶裝置，其中 上述第2非磁性層係包含鉬(Mo)及鈷鐵硼(CoFeB)之層。
  8. 如請求項6之磁性記憶裝置，其中 上述第2非磁性層中之鉬(Mo)之含有率，為50at%以上80at%以下。
  9. 如請求項6之磁性記憶裝置，其進而包含： 上述第2非磁性層上之第3非磁性層；及 上述第3非磁性層上之第4非磁性層；且 上述第3非磁性層包含鉿(Hf)之硼化物，上述第4非磁性層包含選自由鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)、釕(Ru)所組成之群之至少1種元素。
  10. 如請求項9之磁性記憶裝置，其中 上述第4非磁性層包含釕(Ru)。
  11. 一種磁性記憶裝置，其包含： 第1強磁性層； 上述第1強磁性層上之第1非磁性層； 上述第1非磁性層上之第2強磁性層； 上述第2強磁性層上之氧化物層；及 上述氧化物層上之第2非磁性層；且 上述氧化物層包含稀土類元素之氧化物； 上述第2非磁性層包含鈷(Co)、鐵(Fe)、硼(B)及鎢(W)各者。
  12. 如請求項11之磁性記憶裝置，其中 上述第2非磁性層係包含鎢(W)及鈷鐵硼(CoFeB)之層。
  13. 如請求項11之磁性記憶裝置，其中 上述氧化物層包含選自由鈧(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)所組成之群之至少1種元素之氧化物。
  14. 如請求項11之磁性記憶裝置，其進而包含： 上述第2非磁性層上之第3非磁性層；及 上述第3非磁性層上之第4非磁性層；且 上述第3非磁性層包含選自由鈧(Sc)、鈦(Ti)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、鉿(Hf)、鉭(Ta)及鎢(W)所組成之群之至少1種元素，上述第4非磁性層包含選自由鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)、釕(Ru)所組成之群之至少1種元素。
  15. 如請求項1至14中任一項之磁性記憶裝置，其進而包含： 上述第1強磁性層下方之第3強磁性層；及 上述第3強磁性層與上述第1強磁性層之間之第5非磁性層；且 上述第5非磁性層包含選自由釕(Ru)、鋨(Os)、銥(Ir)、釩(V)及鉻(Cr)所組成之群之至少1種元素。
  16. 如請求項15之磁性記憶裝置，其中 上述第5非磁性層與上述第3強磁性層反強磁性地結合；且 上述第3強磁性層之磁化方向，係固定在相對於上述第1強磁性層之磁化方向反平行之方向。
  17. 如請求項15之磁性記憶裝置，其中 來自上述第3強磁性層之漏磁場，使來自上述第1強磁性層之漏磁場對上述第2強磁性層之磁化方向賦予之影響降低。
  18. 如請求項1至14中任一項之磁性記憶裝置，其中 上述第1強磁性層包含選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)所組成之群之至少1種元素； 上述第1非磁性層包含選自由鎂(Mg)、鋁(Al)、鋅(Zn)、鈦(Ti)及LSM(Lanthanum-strontium-manganese)所組成之群之至少1種元素或化合物之氧化物；且 上述第2強磁性層包含選自由鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)所組成之群之至少1種元素。
  19. 如請求項18之磁性記憶裝置，其中 上述第1強磁性層、及上述第2強磁性層之各者，係於垂直於膜面之方向具有易磁化軸方向； 上述第1強磁性層之磁化方向係固定；且 上述第2強磁性層構成為磁化方向與上述第1強磁性層相比容易反轉。
  20. 如請求項1至14中任一項之磁性記憶裝置，其進而包含： 第1導電體層，其於第1方向延伸設置； 第2導電體層，其於與上述第1方向交叉之第2方向延伸，並與上述第1導電體層隔開設置；及 記憶胞，其於上述第1導電體層與上述第2導電體層之間設置為柱狀；且 上述記憶胞包含上述第1強磁性層、上述第1非磁性層、上述第2強磁性層、上述氧化物層及上述第2非磁性層。
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