TWI812741B - 磁穿隧接合元件及半導體裝置 - Google Patents
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Abstract
一種磁穿隧接合元件(1)，係具備：磁化固定層(120)，其磁化方向係被固定；和第1絕緣層(130)，係被設在前記磁化固定層之上，使用絕緣材料而被形成；和磁化自由層(140)，係被設在前記第1絕緣層之上；和相鄰層(150)，係相鄰於前記磁化自由層之上而被設置，使用非磁性過渡金屬而被形成；和間隙層(160)，係以含有至少1個以上之使用前記非磁性過渡金屬而被形成之障壁層(163)的多層結構而被形成，且被設在前記相鄰層之上。
Description
本揭露係有關於磁穿隧接合元件及半導體裝置。
近年來，在半導體裝置中，在使用CMOS
(Complementary MOS)的邏輯電路中混合搭載有大容量之非揮發記憶體，已經是一般常見。
例如，在邏輯電路會混合搭載有SRAM(Static Random Access Memory)等。另一方面，為了降低半導體裝置的成本及消耗電力，而正在研討將SRAM置換成磁阻記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory：MRAM)。
磁阻記憶體(MRAM)，係為利用以一對強磁性層夾住絕緣性薄膜的磁穿隧接合(Magnetic Tunnel Junction：MTJ)元件的記憶體元件。在MTJ元件中，隨著一對強磁性層的相對的磁化方向，穿隧阻抗之大小會有所變化。藉此，MTJ元件，係藉由將一對強磁性層的磁化方向控制成平行或反平行之任一者，就可記憶資訊。
例如，在下記的專利文獻1中係揭露，使用到MTJ元件的界面垂直磁化型的STT-MRAM(Spin Transfer Torque-MRAM)。專利文獻1中係揭露，藉由使MTJ元件的耐熱性提升至足以承受配線形成製程中的熱負荷的程度，而可同時製作STT-MRAM、與包含選擇電晶體等的週邊電路。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2013-187305號公報
[發明所欲解決之課題]
可是，隨著半導體裝置的結構及製造工程的複雜化，對能夠與邏輯電路等做混合搭載的MTJ元件，也逐漸要求更進一步的耐熱性。因此，在專利文獻1所揭露的技術中，要實現具有充分耐熱性的MTJ元件，是有困難的。
於是，在本揭露中係提出一種，具有較高耐熱性的磁穿隧接合元件，及搭載有該磁穿隧接合元件的半導體裝置。
[用以解決課題之手段]
若依據本揭露，則可提供一種磁穿隧接合元件，係具備：磁化固定層，其磁化方向係被固定；和第1絕緣層，係被設在前記磁化固定層之上，使用絕緣材料而被形成；和磁化自由層，係被設在前記第1絕緣層之上；和相鄰層，係相鄰於前記磁化自由層之上而被設置，使用非磁性過渡金屬而被形成；和間隙層，係以含有至少1個以上之使用前記非磁性過渡金屬而被形成之障壁層的多層結構而被形成，且被設在前記相鄰層之上。
又，若依據本揭露，則可提供一種半導體裝置，係具備磁穿隧接合元件，其中，前記磁穿隧接合元件係具備：磁化固定層，其磁化方向係被固定；和第1絕緣層，係被設在前記磁化固定層之上，使用絕緣材料而被形成；和磁化自由層，係被設在前記第1絕緣層之上；和相鄰層，係相鄰於前記磁化自由層之上而被設置，使用非磁性過渡金屬而被形成；和間隙層，係以含有至少1個以上之使用前記非磁性過渡金屬而被形成之障壁層的多層結構而被形成，且被設在前記相鄰層之上。
若依據本揭露，則可抑制因為高溫及長時間之熱處理所產生的從上部電極的金屬原子之擴散，及從磁化自由層的原子之擴散，藉此可抑制磁化自由層的垂直磁異向性之降低。
[發明效果]
如以上說明若依據本揭露，則可提供一種具有較高耐熱性的磁穿隧接合元件、及搭載有該磁穿隧接合元件的半導體裝置。
此外，上記效果並不一定是限定性的，亦可連同上記效果、或取代上記效果，而達成本說明書所揭露之任一效果、或根據本說明書所能掌握的其他效果。
以下，一邊參照添附圖式，一邊詳細說明本揭露的理想實施形態。此外，於本說明書及圖式中，關於實質上具有同一機能構成的構成要素，係標示同一符號而省略重複說明。
此外，以下的說明中所參照的各圖式中，為了說明的方便，有時候會將一部分之構成構件之大小予以誇張表現。因此，於各圖式中所被圖示的構成構件彼此的相對大小，並非一定是將實際的構成構件彼此之大小關係予以正確地表現。又，在以下的說明中，是將基板及層之層積方向表現作為上下方向，將基板所存在之方向表現作為下方向，將與該下方向對向之方向表現作為上方向。
此外，說明是按照以下順序進行。
1.主構成例
2.其他構成例
3.變形例
＜1.主構成例＞
首先，參照圖1，說明本揭露的一實施形態所述之磁穿隧接合元件的主構成例。圖1係本實施形態所述之磁穿隧接合元件1的主要之層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
如圖1所示，磁穿隧接合元件1係具備：基板100、下部電極110、磁化固定層120、第1絕緣層130、磁化自由層140、相鄰層150、以多層結構而被構成之間隙層160、上部電極170。
本實施形態所述之磁穿隧接合元件1係為，使用電子自旋所致之轉矩，來控制磁化自由層140的磁化方向的STT-MRAM。在STT-MRAM中，藉由把磁化自由層140及磁化固定層120之磁化容易軸之方向設成相對於膜面而為垂直方向，就可提升自旋注入所致之磁化反轉的效率。因此，在磁穿隧接合元件1中，藉由在磁化固定層120及磁化自由層140、與第1絕緣層130之界面所被誘發的界面垂直磁異向性，就可對磁化自由層140及磁化固定層120賦予垂直磁異向性。如磁穿隧接合元件1般的STT-MRAM，係亦被稱為界面垂直磁化型STT-MRAM。
基板100係為將磁穿隧接合元件1之各層予以支持的構件。基板100係亦可使用半導體、石英、玻璃或有機樹脂之任一者而被形成。例如，基板100係亦可使用矽(Si)或是鍺(Ge)等之半導體，或砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)或是碳化矽(SiC)等之化合物半導體，而被形成。或者，基板100係亦可為，在矽基板之中夾著SiO2
等之絕緣膜的SOI(Silicon On Insulator)基板。
下部電極110，係被設在基板100之上。下部電極110，係使用各種金屬材料或合金材料而被形成，藉此以作為磁穿隧接合元件1與各種配線之連接點而發揮機能。下部電極110，係亦可使用公知的材料及層積結構而被形成，例如，亦可以單層膜而被形成，亦可以複數個膜的層積膜而被形成。又，下部電極110，係亦可作為用來控制被設在下部電極110之上的磁化固定層120之結晶配向的基底膜而發揮機能。在如此情況下，下部電極110係亦可為，使用與磁化固定層120的結晶結構或磁異向性大略相同的金屬材料，而被形成。
磁化固定層120，係被設在下部電極110之上。磁化固定層120，係具有對膜面呈垂直方向的磁化容易軸，係為磁化方向被固定的磁性層。磁化固定層120，係可使用公知的材料及層積結構而被形成。磁化固定層120係亦可藉由例如：將強磁性層、非磁性層、強磁性層予以交互層積而成的層積福里結構而被形成。又，磁化固定層120，係為了將磁化方向予以固定，為了使其帶有垂直磁異向性，或為了控制結晶結構，而亦可作為各種金屬層之層積膜的方式而被形成。
第1絕緣層130，係被設在磁化固定層120之上。第1絕緣層130，係使用絕緣材料而被形成，藉此而作為MTJ元件之穿隧絕緣膜而發揮機能。第1絕緣層130係亦可為例如：使用氧化鎂(MgO)或氧化鋁(Al2
O3
)等之無機氧化物，以膜厚1nm左右之薄膜層的方式，而被形成。更詳言之，第1絕緣層130，係亦可使用氧化鎂(MgO)而以膜厚1nm左右而被形成。第1絕緣層130是使用氧化鎂(MgO)而被形成的情況下，由於第1絕緣層130係可成為在較低溫下結晶性良好的層，因此可使磁化固定層120及磁化自由層140之間的穿隧磁阻效應(Tunnel Magneto Resistance Effect：TMR效應)變得較高。
磁化自由層140，係被設在第1絕緣層130之上。磁化自由層140，係藉由與第1絕緣層130之界面所產生的界面垂直磁異向性而具有相對於膜面呈垂直方向的磁化容易軸，係為磁化方向是可控制的磁性層。具體而言，磁化自由層140，係亦可使用含有3d過渡金屬及硼(B)的磁性材料而被形成，亦可使用CoFeB而以膜厚1nm～2nm左右而被形成。在如此情況下，磁化自由層140，係藉由將硼(B)的含有量設成15原子%以上，而可使得垂直磁異向性變得較強。
在本實施形態中，藉由屬於強磁性體的磁化固定層120及磁化自由層140而將第1絕緣層130予以夾住，而構成了磁穿隧接合元件(MTJ元件)。在磁穿隧接合元件1中，藉由相對於磁化固定層120及磁化自由層140、與第1絕緣層130之接合面呈垂直地施加電壓，電流就會因為穿隧效應而流動。此時的穿隧效應之大小，係隨著磁化固定層120及磁化自由層140的磁化方向是平行或反平行之哪一者而變化。因此，磁穿隧接合元件1，係藉由控制磁化自由層140的磁化方向，就可控制在下部電極110及上部電極170之間流過得電流之大小。
相鄰層150，係使用非磁性過渡金屬而被形成，在磁化自由層140之上被相鄰設置。相鄰層150係可抑制，因為熱處理等所導致的磁化自由層140中所含之硼(B)從磁化自由層140往間隙層160側的擴散。
具體而言，在磁穿隧接合元件1中，藉由高溫及長時間的熱處理，磁化自由層140中所含之硼(B)可能會往周圍的層發生擴散。在如此情況下，由於磁化自由層140的硼(B)的含有量會降低，因此會導致磁化自由層140難以保持垂直磁異向性。尤其是，磁穿隧接合元件1是被元件加工成柱體形狀或錐體形狀的情況下，由於磁化自由層140的體積係被限定，因此磁化自由層140的硼(B)的含有量容易因為擴散而減少。相鄰層150，係藉由將從磁化自由層140所擴散的硼(B)予以捕捉(trap)，就可使硼(B)被滯留在磁化自由層140之周圍。藉此，相鄰層150係可抑制熱處理所致之硼(B)的擴散，而可抑制起因於硼(B)的含有量之降低所導致的磁化自由層140的垂直磁異向性之降低。
相鄰層150，係可使用密度及熱傳導率高的非磁性過渡金屬來形成。例如，相鄰層150係亦可使用鉬(Mo)、鎢(W)、鈮(Nb)、Ir(銥)或Ti(鈦)之任一者而被形成。相鄰層150，係藉由使用密度及熱傳導率較高的鉬(Mo)，鎢(W)或鈮(Nb)之任一者而被形成，就可較有效地抑制硼(B)的擴散。更詳言之，相鄰層150係亦可使用鉬(Mo)而被形成。
相鄰層150，係亦可以0.25nm以上1.0nm以下之膜厚而被形成。相鄰層150，係只要能夠抑制硼(B)的擴散達到可以讓磁化自由層140保持垂直磁異向性的程度即可，因此亦可以不會對其他特性造成影響之程度的薄膜而被形成。如後述的實施例所示，相鄰層150是以膜厚0.25nm以上1.0nm以下而被形成的情況下，磁穿隧接合元件1係可使TMR效應(亦即TMR比)變得較大。
間隙層160，係被形成在相鄰層150之上。間隙層160，係為了磁化自由層140及相鄰層150之保護，或磁化自由層140之特性提升等目的，而是以層積了複數層的多層結構而被設置。具體而言，間隙層160係亦可藉由，從相鄰層150側起，將第2絕緣層161、中間層162及障壁層163依序層積而成的多層結構，而被設置。此外，間隙層160，係亦可具備圖1中所圖示之結構以外的多層結構。關於間隙層160的多層結構之變形例，係參照圖3～圖18而於後述。
第2絕緣層161，係使用絕緣材料而被形成。第2絕緣層161係亦可為例如：使用氧化鎂(MgO)或氧化鋁(Al2
O3
)等之無機氧化物而以膜厚1nm左右之薄膜層的方式，而被形成。更詳言之，第2絕緣層161，係亦可使用氧化鎂(MgO)而以膜厚1nm左右而被形成。第2絕緣層161，係可藉由界面垂直磁異向性，而將磁化自由層140之磁化容易軸控制成垂直於膜面的方向，因此可使磁化自由層140的垂直磁異向性變得較高。
中間層162，係使用非磁性材料而被形成。中間層162，係將相鄰於中間層162的層間之結晶配向等的差異，加以緩和。例如，中間層162，係亦可使用Ru、Pt、Pd、TiN或TaN等之非磁性材料而以膜厚1nm以上10nm以下而被形成。更詳言之，中間層162，係亦可使用釕(Ru)而以膜厚1nm而被形成。
障壁層163，係使用非磁性過渡金屬而被形成。障壁層163係用來防止，藉由熱處理等，導致上部電極170中所含之金屬往間隙層160之下層的磁化自由層140或第1絕緣層130發生擴散。具體而言，在磁穿隧接合元件1中，藉由高溫及長時間的熱處理，上部電極170中所含之鉭(Ta)等之金屬原子可能會往磁化自由層140或第1絕緣層130發生擴散。在如此情況下，由於擴散的鉭(Ta)等會導致磁化自由層140及第1絕緣層130的界面變得紊亂，而會導致磁化自由層140的界面垂直磁異向性降低。障壁層163，係藉由將從上部電極170所擴散的鉭(Ta)等予以捕捉(trap)，以防止因為鉭(Ta)等所導致的磁化自由層140及第1絕緣層130的界面發生紊亂。藉此，障壁層163係可防止因為熱處理所致之原子之擴散而導致的磁化自由層140的垂直磁異向性降低。
障壁層163，係和相鄰層150同樣地，可使用密度及熱傳導率高的非磁性過渡金屬來形成。例如，障壁層163係亦可使用鉬(Mo)、鎢(W)、鈮(Nb)、Ir(銥)或Ti(鈦)之任一者而被形成。此外，障壁層163，係亦可使用與相鄰層150相同的非磁性過渡金屬而被形成，亦可使用不同的非磁性過渡金屬而被形成。更詳言之，障壁層163，係亦可使用鉬(Mo)而被形成。
例如，障壁層163係亦可使用，密度及熱傳導率的乘積是比上部電極170中所含之金屬的密度及熱傳導率的乘積還大的金屬，而被形成。此處，鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈮(Nb)、Ir(銥)及Ti(鈦)的熔點、密度及熱傳導率，係如以下的表1所示。因此，上部電極170中所含之金屬為鉭(Ta)的情況下，障壁層163係亦可使用密度及熱傳導率的乘積是比鉭(Ta)的密度及熱傳導率的乘積還大的鉬(Mo)、銥(Ir)、或鎢(W)，而被形成。在如此情況下，障壁層163，係可較有效地抑制來自上部電極170的金屬原子之擴散。
障壁層163，係亦可以膜厚1.0nm以上10nm以下而被形成。亦即，障壁層163，係可以比使用相同材料而被形成的相鄰層150還厚的膜厚，而被形成。藉此，障壁層163就可較確實地防止從上部電極170往磁化自由層140或第1絕緣層130的鉭(Ta)之擴散。如後述的實施例所示，障壁層163是以膜厚1.0nm以上而被形成的情況下，就可充分防止來自上部電極170的金屬之擴散，因此可使磁穿隧接合元件1的Hc參差變小。另一方面，障壁層163是以膜厚10nm以下而被形成的情況下，由於磁穿隧接合元件1的加工性變為良好，因此可使起因於加工精度等的二次性特性參差變小。
上部電極170，係被設在間隙層160之上。上部電極170，係使用各種金屬材料或合金材料而被形成，藉此以作為磁穿隧接合元件1與各種配線之連接點而發揮機能。上部電極170，係亦可使用公知的材料及層積結構而被形成，例如，亦可以單層膜而被形成，亦可以複數個膜的層積膜而被形成。又，上部電極170係亦可作為，將磁穿隧接合元件1藉由蝕刻等進行元件加工之際的硬遮罩，而發揮機能。在如此情況下，上部電極170，係亦可含有鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)而被形成。更詳言之，上部電極170係亦可藉由：從間隙層160側起，將膜厚1nm的Ru膜、膜厚1nm的Ta膜、膜厚5nm的Ru膜、及膜厚77nm的Ta膜依序層積而成的多層結構，而被形成。或，上部電極170係亦可藉由：從間隙層160側起，將膜厚1nm的Ru膜、膜厚1nm的Ta膜、膜厚5nm的Ru膜、及膜厚77nm的TaN膜依序層積而成的多層結構，將膜厚1nm的Ru膜、膜厚1nm的TaN膜、膜厚5nm的Ru膜、及膜厚77nm的Ta膜依序層積而成的多層結構，或將膜厚1nm的Ru膜、膜厚1nm的TaN膜、膜厚5nm的Ru膜、及膜厚77nm的TaN膜依序層積而成的多層結構，而被形成。
如上述，在本實施形態所述之磁穿隧接合元件1中，使用非磁性過渡金屬而被形成之相鄰層150是相鄰於磁化自由層140而被設置，且同樣地使用非磁性過渡金屬而被形成之障壁層163是被設在間隙層160內。藉此，本實施形態所述之磁穿隧接合元件1，係可提升耐熱性。
針對所述之效果，參照圖2A及圖2B，更具體地加以說明。圖2A係對本實施形態所述之磁穿隧接合元件1進行熱處理之際的原子之擴散之樣子的模式性圖示之縱剖面圖。圖2B係對比較例所述之磁穿隧接合元件90進行熱處理之際的原子之擴散之樣子的模式性圖示之縱剖面圖。
如圖2B所示，在比較例所述之磁穿隧接合元件90中，相較於磁穿隧接合元件1，未被設置相鄰層150及障壁層163。因此，在比較例所述之磁穿隧接合元件90中，以高溫及長時間進行熱處理的情況下，上部電極170中所含之鉭(Ta)等之金屬原子，會往間隙層160側發生擴散。因熱處理而擴散的鉭(Ta)，係導致磁化自由層140及第1絕緣層130之界面變得紊亂，導致界面垂直磁異向性降低，因此會導致磁化自由層140之垂直磁異向性降低。又，在磁化自由層140中，由於磁化自由層140中所含之硼(B)會往間隙層160側擴散，因此硼(B)的含有量會降低，導致難以維持垂直磁異向性。
因此，在比較例所述之磁穿隧接合元件90中，會因為高溫及長時間的熱處理，導致磁化自由層140的垂直磁異向性降低。在如此情況下，磁穿隧接合元件90，係難以將磁化自由層140的磁化容易軸控制成垂直於膜面的方向，因此難以實現所望之磁氣特性。因此，比較例所述之磁穿隧接合元件90，係耐熱性較低，因此難以進行高溫及長時間的熱處理。
另一方面，如圖2A所示，在本實施形態所述之磁穿隧接合元件1中，以高溫及長時間進行熱處理的情況下，上部電極170中所含之鉭(Ta)等之金屬原子，係藉由障壁層163而防止了往間隙層160側之擴散。藉此，在本實施形態所述之磁穿隧接合元件1中，磁化自由層140及第1絕緣層130之界面不會因為鉭(Ta)等而變得紊亂，所以磁化自由層140係可維持垂直磁異向性。又，磁化自由層140中所含之硼(B)，係藉由相鄰層150而被抑制往間隙層160側之擴散。因此，磁化自由層140係可保持住用來維持垂直磁異向性所需的足夠量的硼(B)。
因此，在本實施形態所述之磁穿隧接合元件1中，藉由抑制高溫及長時間的熱處理所產生的原子之擴散，而可抑制磁化自由層140的垂直磁異向性之降低。藉此，本實施形態所述之磁穿隧接合元件1，係即使在進行了高負荷的熱處理的情況下，仍可維持所望之磁氣特性。因此，本實施形態所述之磁穿隧接合元件1，係對於邏輯電路、記憶體電路或像素電路等之各式各樣的電路是被混合搭載，會進行各式各樣的熱處理製程的半導體裝置而言，可不受製程的限制而被混合搭載。
＜2.其他構成例＞
接下來，參照圖3～圖18，說明本實施形態所述之磁穿隧接合元件1的其他構成例。圖3～圖18係本實施形態所述之磁穿隧接合元件2～17的其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
圖3～圖18所示的磁穿隧接合元件2～17的其他層積結構，係相對於圖1所示的磁穿隧接合元件1的層積結構，只有間隙層160之內部的層積結構為不同。因此，以下僅針對圖1、圖3～圖18所示的磁穿隧接合元件1～17之每一者的間隙層160之差異加以說明，關於共通的基板100～相鄰層150及上部電極170之各層的說明係省略。
如圖3所示，磁穿隧接合元件2，係相對於圖1所示的磁穿隧接合元件1，中間層162及障壁層163的層積順序係被對調，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件2的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將第2絕緣層161、障壁層163、及中間層162予以層積而成的結構。亦即，障壁層163，係亦可不是相鄰於上部電極170而被設置，只要被設在間隙層160的任一位置即可。障壁層163，係為用來防止金屬從上部電極170往磁化自由層140及第1絕緣層130之間的界面之擴散的層，因此只要被設在上部電極170與相鄰層150之間的任一位置即可。
只不過，在間隙層160是含有第2絕緣層161的情況下，為了藉由界面垂直磁異向性而提高磁化自由層140的垂直磁異向性，第2絕緣層161係相鄰於相鄰層150而被設置。在如此情況下，障壁層163係變成，被設在上部電極170與第2絕緣層161之間的任一位置。
如圖4所示，磁穿隧接合元件3，係相對於圖1所示的磁穿隧接合元件1，被設有複數個障壁層163A、163B，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件3的間隙層160係具備：從相鄰層150側起，將第2絕緣層161、第1障壁層163A、中間層162、及第2障壁層163B予以層積而成的結構。
第1障壁層163A及第2障壁層163B，係使用與圖1所示的磁穿隧接合元件1的障壁層163相同的材料及膜厚而被形成，可防止來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散。在圖4所示的磁穿隧接合元件3中，由於障壁層163A、163B是被複數設置，因此可較確實地防止熱處理之際來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散，藉此可較確實地防止磁化自由層140的垂直磁異向性之降低。
如圖5所示，磁穿隧接合元件4，係相對於圖1所示的磁穿隧接合元件1，在第2絕緣層161及中間層162之間被插入有磁性層164，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件4的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將第2絕緣層161、磁性層164、中間層162、及障壁層163予以層積而成的結構。
磁性層164，係和磁化自由層140同樣地，使用含有3d過渡金屬及硼(B)的磁性材料而被形成，可提升磁穿隧接合元件4的磁氣特性。具體而言，磁性層164，係相鄰於第2絕緣層161而被層積，藉此可以提升熱處理後的第2絕緣層161的結晶性。藉此，磁性層164，係可隔著相鄰層150而提升磁化自由層140的垂直磁異向性。
例如，磁性層164，係亦可使用CoFeB而以膜厚0.9nm以下而被形成。磁性層164，係藉由將硼(B)的含有量設成15原子%以上，而可使得垂直磁異向性變得較強。如後述的實施例所示，被設在第2絕緣層161之上的磁性層164是以膜厚0.9nm以下而被形成，藉此，磁穿隧接合元件4係可具有高垂直磁異向性及保磁力。此外，磁性層164之膜厚的下限雖然沒有特別限定，但亦可設成0.1nm。在圖5所示的磁穿隧接合元件4中，係除了磁化自由層140以外，還設置有磁性層164，因此可提升磁穿隧接合元件4之全體的磁氣特性。
如圖6所示，磁穿隧接合元件5，係相對於圖5所示的磁穿隧接合元件4，中間層162及障壁層163的層積順序係被對調，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件5的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將第2絕緣層161、磁性層164、障壁層163、及中間層162予以層積而成的結構。亦即，障壁層163，係亦可不是相鄰於上部電極170而被設置，只要被設在間隙層160的任一位置即可。障壁層163，係為用來防止來自上部電極170的金屬之擴散的層，因此只要被設在上部電極170與磁性層164之間的任一位置即可。
如圖7所示，磁穿隧接合元件6，係相對於圖4所示的磁穿隧接合元件3，被設有複數個障壁層163A、163B，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件6的間隙層160係具備：從相鄰層150側起，將第2絕緣層161、磁性層164、第1障壁層163A、中間層162、及第2障壁層163B予以層積而成的結構。
第1障壁層163A及第2障壁層163B，係使用與圖1所示的磁穿隧接合元件1的障壁層163相同的材料及膜厚而被形成，可防止來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散。又，第1障壁層163A，係可抑制來自磁性層164的硼(B)之擴散。在圖7所示的磁穿隧接合元件6中，由於障壁層163A、163B是被複數設置，因此可較確實地防止熱處理之際來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散，可較確實地防止磁化自由層140及磁性層164的垂直磁異向性之降低。
如圖8所示，磁穿隧接合元件7，係相對於圖1所示的磁穿隧接合元件1，未設置第2絕緣層161，間隙層160之各層是使用導電材料而被形成，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件7的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將中間層162、及障壁層163予以層積而成的結構。第2絕緣層161，係為藉由界面垂直磁異向性，而提高磁化自由層140之垂直磁異向性的層，因此隨著磁化自由層140的垂直磁異向性之程度，亦可不被設置。在圖8所示的磁穿隧接合元件7中，藉由簡化間隙層160的層積結構，而可削減製造成本。
如圖9所示，磁穿隧接合元件8，係相對於圖1所示的磁穿隧接合元件1，在第2絕緣層161及中間層162之間被插入有：將使用含有3d過渡金屬及硼(B)的磁性材料而被形成之磁性層、與使用非磁性過渡金屬而被形成之非磁性層予以層積而成的調整層165，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件8的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、第2絕緣層161、中間層162、及障壁層163予以層積而成的結構。
調整層165的磁性層，係與磁化自由層140同樣地，是使用含有3d過渡金屬及硼(B)的磁性材料而被形成，亦可為例如使用CoFeB而以膜厚0.7nm以下而被形成。調整層165的磁性層，係藉由將硼(B)的含有量設成15原子%以上，而可使得垂直磁異向性變得較強。如後述的實施例所示，調整層165的磁性層，係以膜厚0.7nm以下而被形成，藉此可防止寫入電壓變得過高。此外，調整層165的磁性層之膜厚的下限雖然沒有特別限定，但亦可設成0.1nm。
調整層165的非磁性層，係亦可和相鄰層150同樣地，使用鉬(Mo)、鎢(W)、鈮(Nb)、Ir(銥)或Ti(鈦)等之非磁性過渡金屬而被形成，例如亦可使用鉬(Mo)而以膜厚0.25nm以上1.0nm以下而被形成。調整層165的非磁性層，係可抑制下層的磁性層中所含之硼(B)藉由熱處理而發生擴散。
在圖9所示的磁穿隧接合元件8中，藉由在間隙層160中含有與磁化自由層140及相鄰層150相同之層積結構的調整層165，就可以較高的精度來控制熱處理後的磁化自由層140之附近的硼(B)之濃度。藉此，磁穿隧接合元件8，係可較確實地防止熱處理所致之磁化自由層140的垂直異向性之降低。
圖10所示的磁穿隧接合元件9，係相對於圖9所示的磁穿隧接合元件8，中間層162及障壁層163的層積順序係被對調，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件9的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、第2絕緣層161、障壁層163、及中間層162予以層積而成的結構。亦即，障壁層163，係亦可不是相鄰於上部電極170而被設置，只要被設在間隙層160的任一位置即可。障壁層163，係為用來防止金屬從上部電極170往磁化自由層140及第1絕緣層130之間的界面之擴散的層，因此只要被設在上部電極170與第2絕緣層161之間的任一位置即可。
如圖11所示，磁穿隧接合元件10，係相對於圖9所示的磁穿隧接合元件8，被設有複數個障壁層163A、163B，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件10的間隙層160係具備：將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、第2絕緣層161、第1障壁層163A、中間層162、及第2障壁層163B予以層積而成的結構。
第1障壁層163A及第2障壁層163B，係使用與圖1所示的磁穿隧接合元件1的障壁層163相同的材料及膜厚而被形成，可防止來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散。在圖11所示的磁穿隧接合元件10中，由於障壁層163A、163B是被複數設置，因此可較確實地防止熱處理之際來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散，可較確實地防止磁化自由層140的垂直磁異向性之降低。
如圖12所示，磁穿隧接合元件11，係相對於圖9所示的磁穿隧接合元件8，在第2絕緣層161及中間層162之間被插入有磁性層164，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件11的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、第2絕緣層161、磁性層164、中間層162、及障壁層163予以層積而成的結構。
磁性層164，係和磁化自由層140同樣地，使用含有3d過渡金屬及硼(B)的磁性材料而被形成，可提升磁穿隧接合元件11的磁氣特性。具體而言，磁性層164，係相鄰於第2絕緣層161而被層積，藉此可以提升熱處理後的第2絕緣層161的結晶性。藉此，磁性層164，係可隔著相鄰層150而提升磁化自由層140的垂直磁異向性。
例如，磁性層164，係亦可使用CoFeB而以膜厚0.9nm以下而被形成。磁性層164，係藉由將硼(B)的含有量設成15原子%以上，而可使得垂直磁異向性變得較強。如後述的實施例所示，被設在第2絕緣層161之上的磁性層164是以膜厚0.9nm以下而被形成，藉此，磁穿隧接合元件11係可具有高垂直磁異向性及保磁力。此外，磁性層164之膜厚的下限雖然沒有特別限定，但亦可設成0.1nm。在圖12所示的磁穿隧接合元件11中，係除了磁化自由層140以外，還設置有磁性層164，因此可提升磁穿隧接合元件11之全體的磁氣特性。
如圖13所示，磁穿隧接合元件12，係相對於圖12所示的磁穿隧接合元件11，中間層162及障壁層163的層積順序係被對調，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件12的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、第2絕緣層161、磁性層164、障壁層163、及中間層162予以層積而成的結構。亦即，障壁層163，係亦可不是相鄰於上部電極170而被設置，只要被設在間隙層160的任一位置即可。障壁層163，係為用來防止來自上部電極170的金屬之擴散的層，因此只要被設在上部電極170與磁性層164之間的任一位置即可。
如圖14所示，磁穿隧接合元件13，係相對於圖12所示的磁穿隧接合元件11，被設有複數個障壁層163A、163B，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件13的間隙層160係具備：從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、第2絕緣層161、磁性層164、第1障壁層163A、中間層162、及第2障壁層163B予以層積而成的結構。
第1障壁層163A及第2障壁層163B，係使用與圖1所示的磁穿隧接合元件1的障壁層163相同的材料及膜厚而被形成，可防止來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散。又，第1障壁層163A，係可抑制來自磁性層164的硼(B)之擴散。在圖14所示的磁穿隧接合元件13中，由於障壁層163A、163B是被複數設置，因此可較確實地防止熱處理之際來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散，可較確實地防止磁化自由層140及磁性層164的垂直磁異向性之降低。
如圖15所示，磁穿隧接合元件14，係相對於圖9所示的磁穿隧接合元件8，未設置第2絕緣層161，間隙層160之各層是使用導電材料而被形成，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件14的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、中間層162、及障壁層163予以層積而成的結構。第2絕緣層161，係為藉由界面垂直磁異向性，而提高磁化自由層140之垂直磁異向性的層，因此隨著磁化自由層140的垂直磁異向性之程度，亦可不被設置。在圖15所示的磁穿隧接合元件14中，藉由簡化間隙層160的層積結構，而可削減製造成本。
如圖16所示，磁穿隧接合元件15，係相對於圖15所示的磁穿隧接合元件14，在調整層165及中間層162之間被插入有磁性層164，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件15的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、磁性層164、中間層162、及障壁層163予以層積而成的結構。
例如，磁性層164，係亦可使用含有3d過渡金屬及硼(B)的磁性材料而被形成，亦可使用CoFeB而以膜厚0.9nm以下而被形成。磁性層164，係藉由將硼(B)的含有量設成15原子%以上，而可使得垂直磁異向性變得較強。如後述的實施例所示，磁性層164是以膜厚0.9nm以下而被形成，藉此，磁穿隧接合元件15係可具有高垂直磁異向性及保磁力。此外，磁性層164之膜厚的下限雖然沒有特別限定，但亦可設成0.1nm。在圖16所示的磁穿隧接合元件15中，係除了磁化自由層140以外，還設置有磁性層164，因此可提升磁穿隧接合元件15之全體的磁氣特性。
如圖17所示，磁穿隧接合元件16，係相對於圖16所示的磁穿隧接合元件15，中間層162及障壁層163的層積順序係被對調，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件16的間隙層160係具備；從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、磁性層164、障壁層163、及中間層162予以層積而成的結構。亦即，障壁層163，係亦可不是相鄰於上部電極170而被設置，只要被設在間隙層160的任一位置即可。障壁層163，係為用來防止來自上部電極170的金屬之擴散的層，因此只要被設在上部電極170與磁性層164之間的任一位置即可。
如圖18所示，磁穿隧接合元件17，係相對於圖16所示的磁穿隧接合元件15，被設有複數個障壁層163A、163B，這點是有所不同。具體而言，磁穿隧接合元件17的間隙層160係具備：從相鄰層150側起，將由磁性層及非磁性層所成之調整層165、磁性層164、第1障壁層163A、中間層162、及第2障壁層163B予以層積而成的結構。
第1障壁層163A及第2障壁層163B，係使用與圖1所示的磁穿隧接合元件1的障壁層163相同的材料及膜厚而被形成，可防止來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散。又，第1障壁層163A，係可抑制來自磁性層164的硼(B)之擴散。在圖18所示的磁穿隧接合元件17中，由於障壁層163A、163B是被複數設置，因此可較確實地防止熱處理之際來自上部電極170的鉭(Ta)等之擴散，可較確實地防止磁化自由層140及磁性層164的垂直磁異向性之降低。
以上說明了，本實施形態所述之磁穿隧接合元件1～17的構成例。將本實施形態所述之磁穿隧接合元件1～17予以構成的各層，係皆可藉由濺鍍法而進行成膜。濺鍍法的成膜條件等，係無特別限定，可適宜選擇最佳的條件。
＜3.變形例＞
接著，參照圖19，說明本實施形態所述之磁穿隧接合元件1之變形例。圖19係本變形例所述之磁穿隧接合元件1的模式性圖示之縱剖面圖。
如圖19所示，本變形例所述之磁穿隧接合元件1，係藉由蝕刻等而被進行元件加工，元件加工後裸露的面係藉由保護膜180而被覆蓋。此外，保護膜180，係只要將磁穿隧接合元件1的至少側面予以覆蓋即可，磁穿隧接合元件1的上面係並不一定需要覆蓋。
保護膜180，係為SiNx
或SiOx
等之絕緣膜，可藉由PVD(Physical Vapor Deposition)等之物理性成膜方法而被成膜。例如，保護膜180係亦可為，藉由電漿PVD而被成膜的SiN膜。
蝕刻等所致之元件加工後的磁穿隧接合元件1，其磁化自由層140及磁化固定層120等之端面係為裸露。因此，這些端面被曝露在CVD(Chemical Vapor Deposition)等之化學性成膜方法中所被使用的原料氣體(例如SiH4
或NH3
等)中的情況下，有可能會因為化學反應而導致磁化自由層140及磁化固定層120的磁氣特性降低。因此，保護膜180，係藉由以物理性成膜方法而被成膜，就可防止元件加工後的磁穿隧接合元件1的磁氣特性之降低。
保護膜180之膜厚，雖然沒有特別限定，但亦可設成例如5nm以上30nm以下。保護膜180係例如，使用純度超過5N的矽(Si)靶材，在Ar及N2
氣體氛圍下進行反應性濺鍍，就可加以形成。Ar氣體及N2
氣體之流量係亦可分別設成例如20sccm。
如此以物理性成膜方法而被形成之保護膜180而將側面予以保護的磁穿隧接合元件1，係可使寫入電壓較為低電壓化。進行了高溫及長時間的熱處理的磁穿隧接合元件1，係容易因為熱負荷而導致寫入電壓上升，因此使用上述的保護膜180來謀求寫入電壓之低電壓化，較為理想。
[實施例]
以下，一面參照實施例及比較例，一面具體說明本實施形態所述之磁穿隧接合元件。此外，以下所示的實施例，係僅止於一例，本實施形態所述之磁穿隧接合元件係不限定於下記的例子。
＜本實施形態所述之磁穿隧接合元件的效果之驗證＞
首先，為了驗證本實施形態所述之磁穿隧接合元件的效果，製造了如圖20～圖23所示之層積結構的磁穿隧接合元件。圖20係實施例1所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。圖21係實施例2所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。圖22係比較例1所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。圖23係比較例2所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。此外，於圖20～圖23中，括弧內的數值，係表示奈米單位的各層之膜厚。
如圖20所示，在Si基板上，藉由將：由Ta(5nm)、Pt(5nm)及Ru(3nm)所成之下部電極、由Pt(0.3nm)、Co(0.5nm)及Pt(0.3nm)的6次層積結構、Co(0.5nm)、Ir(0.5nm)、Co(0.6nm)、Mo(0.4nm)、CoFeB(0.9nm)所成之磁化固定層、MgO(1.0nm)之第1絕緣層、CoFeB(1.5nm)之磁化自由層、Mo(0.8nm)之相鄰層、由MgO(1.0nm)、Ru(7nm)及Mo(7nm)所成之間隙層、由Ru(1nm)、Ta(1nm)、Ru(5nm)及Ta(77nm)所成之上部電極進行層積，而製造了實施例1所述之磁穿隧接合元件。
又，如圖21所示，在Si基板上，藉由將：由Ta(5nm)、Pt(5nm)及Ru(3nm)所成之下部電極、由Pt(0.3nm)、Co(0.5nm)及Pt(0.3nm)的6次層積結構、Co(0.5nm)、Ir(0.5nm)、Co(0.6nm)、Mo(0.4nm)、CoFeB(0.9nm)所成之磁化固定層、MgO(1.0nm)之第1絕緣層、CoFeB(1.5nm)之磁化自由層、Mo(0.8nm)之相鄰層、由CoFeB(0.5nm)、Mo(0.8nm)、MgO(1.0nm)及Mo(7nm)所成之間隙層、由Ru(1nm)、Ta(1nm)、Ru(5nm)及Ta(77nm)所成之上部電極進行層積，而製造了實施例2所述之磁穿隧接合元件。
又，如圖22所示，在Si基板上，藉由將：由Ta(5nm)、Pt(5nm)及Ru(3nm)所成之下部電極、由Pt(0.3nm)、Co(0.5nm)及Pt(0.3nm)的6次層積結構、Co(0.5nm)、Ir(0.5nm)、Co(0.6nm)、Mo(0.4nm)、CoFeB(0.9nm)所成之磁化固定層、MgO(1.0nm)之第1絕緣層、CoFeB(1.5nm)之磁化自由層、由MgO(1.0nm)、及CoFeB(0.5nm)所成之間隙層、由Ru(1nm)、Ta(1nm)、Ru(5nm)及Ta(77nm)所成之上部電極進行層積，而製造了比較例1所述之磁穿隧接合元件。
然後，如圖23所示，在Si基板上，藉由將：由Ta(5nm)、Pt(5nm)及Ru(3nm)所成之下部電極、Pt(0.3nm)、由Co(0.5nm)及Pt(0.3nm)的6次層積結構、Co(0.5nm)、Ir(0.5nm)、Co(0.6nm)、Mo(0.4nm)、CoFeB(0.9nm)所成之磁化固定層、MgO(1.0nm)之第1絕緣層、CoFeB(1.5nm)之磁化自由層、由MgO(1.0nm)、CoFeB(0.5nm)、Ru(7nm)及Mo(7nm)所成之間隙層、由Ru(1nm)、Ta(1nm)、Ru(5nm)及Ta(77nm)所成之上部電極進行層積，而製造了比較例2所述之磁穿隧接合元件。
接下來，在Si基板上已經成膜的狀態、從已成膜之狀態進行元件加工成直徑60nm左右之圓柱形狀的狀態、及元件加工後再進行高溫及長時間的熱處理之狀態的任一者中，將實施例1、2或比較例1、2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性，做了評價。具體而言，M-H迴路之測定係藉由振動試料型磁力計(Vibrating Sample Magnetometer：VSM)而進行，R-H迴路之測定係藉由自動探針儀而進行。其結果示於圖24A～圖27C。
圖24A～圖24C係實施例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。又，圖25A～圖25C係實施例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。再者，圖26A～圖26C係比較例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。圖27A～圖27C係比較例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
參照圖24A～圖24C可知，在實施例1所述之磁穿隧接合元件中，在Si基板上已成膜之狀態(圖24A)、元件加工後的狀態(圖24B)、及進行了熱處理的狀態(圖24C)之任一者中，都形成了角形的磁滯曲線。因此可知，在實施例1中，即使在元件加工及熱處理後，磁穿隧接合元件係仍作為MTJ元件而發揮機能，磁化自由層係保持了垂直磁異向性。
參照圖25A～圖25C可知，在實施例2所述之磁穿隧接合元件中，在Si基板上已成膜之狀態(圖25A)、元件加工後的狀態(圖25B)、及進行了熱處理的狀態(圖25C)之任一者中，都形成了角形的磁滯曲線。因此可知，在實施例2中，即使在元件加工及熱處理後，磁穿隧接合元件係仍作為MTJ元件而發揮機能，磁化自由層係保持了垂直磁異向性。
另一方面，參照圖26A～圖26C可知，在比較例1所述之磁穿隧接合元件中，在Si基板上已成膜之狀態(圖26A)下，雖然形成了角形的磁滯曲線，但在元件加工後的狀態(圖26B)及進行了熱處理的狀態(圖26C)下，並未形成磁滯曲線。因此，在比較例1中可知，磁化自由層，係在Si基板上已成膜之狀態下是具備有垂直磁異向性，但藉由元件加工就喪失了垂直磁異向性，因此元件加工後的磁穿隧接合元件，係無法作為MTJ元件而發揮機能。
又，參照圖27A～圖27C可知，在比較例2所述之磁穿隧接合元件中，在Si基板上已成膜之狀態(圖27A)及元件加工後的狀態(圖27B)下，雖然有形成了角形的磁滯曲線，但在進行了熱處理的狀態(圖27C)下，未形成磁滯曲線。因此，在比較例2中可知，磁化自由層，係在Si基板上已成膜之狀態及元件加工後的狀態下是具備有垂直磁異向性，但藉由熱處理就喪失了垂直磁異向性，因此熱處理後的磁穿隧接合元件，係無法作為MTJ元件而發揮機能。
因此可知，本實施形態所述之磁穿隧接合元件，係使用非磁性過渡金屬而被形成之相鄰層是相鄰於磁化自由層而被設置，且同樣地使用非磁性過渡金屬而被形成之障壁層是被設在間隙層之內部，藉此，無論在元件加工及熱處理後，都可作為MTJ元件而發揮機能。亦即可知，本實施形態所述之磁穿隧接合元件，對於熱處理的耐性，是有所提升。
＜磁穿隧接合元件的各層之膜厚的研討＞
接著，改變本實施形態所述之磁穿隧接合元件的各層之膜厚，來測定磁氣特性。具體而言，M-H迴路之測定係藉由振動試料型磁力計(Vibrating Sample Magnetometer：VSM)而進行，R-H迴路之測定係藉由自動探針儀而進行。MR特性之測定係藉由CIPT(Current-In-Plane Tunneling)測定器而進行。其結果示於圖30～圖34。
(相鄰層)
首先，使實施例1所述之磁穿隧接合元件的相鄰層之膜厚從0.15nm變化至1.15nm為止之際的磁穿隧接合元件的TMR比之變化，示於圖30。圖30係相對於相鄰層(Mo)之膜厚的磁穿隧接合元件的TMR比之變化以相對值加以表示的圖形圖。參照圖30可知，相鄰層(Mo)之膜厚為0.1nm以上1nm以下的情況下，磁穿隧接合元件的TMR比是較為提升。
(障壁層)
接著，使實施例1所述之磁穿隧接合元件的障壁層之膜厚從0.5nm變化至11nm為止之際的磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)參差之變化，示於圖31。圖31係相對於障壁層(Mo)之膜厚的磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)參差之變化以相對值加以表示的圖形圖。參照圖31可知，障壁層(Mo)之膜厚為1nm以上的情況下，磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)參差會變得較小。另一方面，障壁層之膜厚為10nm以下的情況下，由於磁穿隧接合元件的加工變得容易，因此可提升磁穿隧接合元件的加工精度。
(中間層)
接下來，使實施例1所述之磁穿隧接合元件的中間層之膜厚從0.5nm變化至11nm為止之際的磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)參差之變化，示於圖32。圖32係相對於中間層(Ru)之膜厚的磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)參差之變化以相對值加以表示的圖形圖。參照圖32可知，中間層之膜厚為1nm以上的情況下，磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)參差會變小。另一方面，中間層之膜厚為10nm以下的情況下，由於磁穿隧接合元件的加工變得容易，因此可提升磁穿隧接合元件的加工精度。
(磁性層)
接著，為了研討磁性層之膜厚，製造了如圖28所示之層積結構的磁穿隧接合元件。圖28係實施例3所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
如圖28所示，在Si基板上，藉由將：由Ta(5nm)、Pt(5nm)及Ru(3nm)所成之下部電極、由Pt(0.3nm)、Co(0.5nm)及Pt(0.3nm)的6次層積結構、Co(0.5nm)、Ir(0.5nm)、Co(0.6nm)、Mo(0.4nm)、CoFeB(0.9nm)所成之磁化固定層、MgO(1.0nm)之第1絕緣層、CoFeB(1.5nm)之磁化自由層、Mo(0.8nm)之相鄰層、MgO(1.0nm)之第2絕緣層、含有CoFeB(0nm～3.5nm)之磁性層、Ru(7nm)之中間層、及Mo(7nm)之障壁層的間隙層、由Ru(1nm)、Ta(1nm)、Ru(5nm)及Ta(77nm)所成之上部電極進行層積，而製造了實施例3所述之磁穿隧接合元件。
此處，使實施例3所述之磁穿隧接合元件的磁性層之膜厚從0nm變化至3.5nm為止之際的磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)之變化，示於圖33。圖33係相對於磁性層(CoFeB)之膜厚的磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)之變化以相對值加以表示的圖形圖。參照圖33可知，磁性層(CoFeB)之膜厚為0.9nm以下的情況下，磁穿隧接合元件的保磁力(Hc)會變得較大。
(調整層)
接下來，為了研討調整層的磁性層之膜厚，製造了如圖29所示之層積結構的磁穿隧接合元件。圖29係實施例4所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
如圖29所示，在Si基板上，藉由將：由Ta(5nm)、Pt(5nm)及Ru(3nm)所成之下部電極、由Pt(0.3nm)、Co(0.5nm)及Pt(0.3nm)的6次層積結構、Co(0.5nm)、Ir(0.5nm)、Co(0.6nm)、Mo(0.4nm)、CoFeB(0.9nm)所成之磁化固定層、MgO(1.0nm)之第1絕緣層、CoFeB(1.5nm)之磁化自由層、Mo(0.8nm)之相鄰層、含有CoFeB(0nm～1nm)及Mo(0.8nm)之調整層、MgO(1.0nm)之第2絕緣層、CoFeB(0.5nm)之磁性層、Ru(7nm)之中間層、及Mo(7nm)之障壁層的間隙層、由Ru(1nm)、Ta(1nm)、Ru(5nm)及Ta(77nm)所成之上部電極進行層積，而製造了實施例4所述之磁穿隧接合元件。
此處，使實施例4所述之磁穿隧接合元件之調整層中的磁性層之膜厚從0nm變化至1nm為止之際的磁穿隧接合元件的寫入電壓(Vc)之變化，示於圖34。圖34係調整層中的相對於磁性層(CoFeB)之膜厚的磁穿隧接合元件的寫入電壓(Vc)之變化以相對值加以表示的圖形圖。參照圖34可知，調整層中的磁性層(CoFeB)之膜厚為0.7nm以下的情況下，可使磁穿隧接合元件的寫入電壓變得較低。
以上雖然一面參照添附圖式一面詳細說明了本揭露的理想實施形態，但本揭露的技術範圍並非限定於所述例子。只要是本揭露的技術領域中具有通常知識者，自然可於申請專利範圍中所記載之技術思想的範疇內，想到各種變更例或修正例，而這些當然也都屬於本揭露的技術範圍。
例如，上記實施形態所述之磁穿隧接合元件1～17，係可在多樣的半導體裝置中與電晶體等一起混合搭載。例如，磁穿隧接合元件1～17係亦可被混合搭載於固體攝像裝置、演算處理裝置、通訊裝置或記憶裝置等之半導體裝置。
又，本說明書中所記載之效果僅為說明或例示，並非限定。亦即，本揭露所述之技術，係亦可連同上記效果、或取代上記效果，而達成根據本說明書之記載而由當業者所自明的其他效果。
此外，如以下的構成也是屬於本揭露的技術範圍。
(1)
一種磁穿隧接合元件，係具備：
磁化固定層，其磁化方向係被固定；和
第1絕緣層，係被設在前記磁化固定層之上，使用絕緣材料而被形成；和
磁化自由層，係被設在前記第1絕緣層之上；和
相鄰層，係相鄰於前記磁化自由層之上而被設置，使用非磁性過渡金屬而被形成；和
間隙層，係以含有至少1個以上之使用前記非磁性過渡金屬而被形成之障壁層的多層結構而被形成，且被設在前記相鄰層之上。
(2)
如前記(1)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
還具備：上部電極，係被設在前記間隙層之上；
前記非磁性過渡金屬的密度及熱傳導率的乘積，係比前記上部電極中所含之金屬材料的密度及熱傳導率的乘積還高。
(3)
如前記(2)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記上部電極係含有Ta或TaN；
前記上部電極中所含之金屬材料係為Ta。
(4)
如前記(1)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記非磁性過渡金屬係為Mo、W、Nb、Ir、Hf或Ti之任一者。
(5)
如前記(1)～(4)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記間隙層係還含有：在使用含有3d過渡金屬及B的磁性材料而被形成之磁性層之上層積了使用前記非磁性過渡金屬而被形成之層的層積結構；
前記層積結構係被設成，使得前記磁性層是相鄰於前記相鄰層。
(6)
如前記(5)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記層積結構的前記磁性層之膜厚係為0.7nm以下。
(7)
如前記(5)或(6)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記含有3d過渡金屬及B的磁性材料係含有B達15原子%以上。
(8)
如前記(1)～(7)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記間隙層係還含有：使用絕緣材料而被形成之第2絕緣層。
(9)
如前記(8)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記第2絕緣層係被設在前記相鄰層之上。
(10)
如前記(9)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
用來形成前記第1絕緣層及前記第2絕緣層的絕緣材料係為無機氧化物。
(11)
如前記(8)～(10)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記間隙層係還含有：磁性層，係使用含有3d過渡金屬及B的磁性材料而被形成，且被設在前記第2絕緣層之上。
(12)
如前記(11)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
被設在前記第2絕緣層之上的前記磁性層之膜厚係為0.9nm以下。
(13)
如前記(11)或(12)所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記含有3d過渡金屬及B的磁性材料係含有B達15原子%以上。
(14)
如前記(1)～(7)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記間隙層之各層係使用導電材料而被形成。
(15)
如前記(1)～(14)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記相鄰層之膜厚係為0.25nm以上1nm以下。
(16)
如前記(1)～(15)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記障壁層之膜厚係為1nm以上10nm以下。
(17)
如前記(1)～(16)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記間隙層係還含有：使用非磁性材料而被形成之中間層；
前記中間層之膜厚係為1nm以上10nm以下。
(18)
如前記(1)～(17)之任一項所記載之磁穿隧接合元件，其中，
前記磁穿隧接合元件係為柱體形狀或錐體形狀。
(19)
一種半導體裝置，係具備磁穿隧接合元件，其中，
前記磁穿隧接合元件係具備：
磁化固定層，其磁化方向係被固定；和
第1絕緣層，係被設在前記磁化固定層之上，使用絕緣材料而被形成；和
磁化自由層，係被設在前記第1絕緣層之上；和
相鄰層，係相鄰於前記磁化自由層之上而被設置，使用非磁性過渡金屬而被形成；和
間隙層，係以含有至少1個以上之使用前記非磁性過渡金屬而被形成之障壁層的多層結構而被形成，且被設在前記相鄰層之上。
1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17:磁穿隧接合元件
100:基板
110:下部電極
120:磁化固定層
130:第1絕緣層
140:磁化自由層
150:相鄰層
160:間隙層
161:第2絕緣層
162:中間層
163:障壁層
164:磁性層
165:調整層
170:上部電極
180:保護膜
[圖1]本揭露的一實施形態所述之磁穿隧接合元件的主要之層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖2A]對同實施形態所述之磁穿隧接合元件進行熱處理之際的原子之擴散之樣子的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖2B]對比較例所述之磁穿隧接合元件進行熱處理之際的原子之擴散之樣子的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖3]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖4]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖5]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖6]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖7]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖8]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖9]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖10]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖11]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖12]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖13]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖14]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖15]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖16]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖17]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖18]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之其他層積結構的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖19]同實施形態所述之磁穿隧接合元件之變形例的模式性圖示之縱剖面圖。
[圖20]實施例1所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
[圖21]實施例2所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
[圖22]比較例1所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
[圖23]比較例2所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
[圖24A]實施例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖24B]實施例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖24C]實施例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖25A]實施例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖25B]實施例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖25C]實施例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖26A]比較例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖26B]比較例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖26C]比較例1所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖27A]比較例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖27B]比較例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖27C]比較例2所述之磁穿隧接合元件的磁性-阻抗特性之評價結果的圖形圖。
[圖28]實施例3所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
[圖29]實施例4所述之磁穿隧接合元件之層積結構的說明圖。
[圖30]相對於相鄰層之膜厚的磁穿隧接合元件的TMR比之變化以相對值加以表示的圖形圖。
[圖31]相對於障壁層之膜厚的磁穿隧接合元件的保磁力參差之變化以相對值加以表示的圖形圖。
[圖32]相對於中間層之膜厚的磁穿隧接合元件的保磁力參差之變化以相對值加以表示的圖形圖。
[圖33]相對於磁性層之膜厚的磁穿隧接合元件的保磁力之變化以相對值加以表示的圖形圖。
[圖34]調整層中的相對於磁性層之膜厚的磁穿隧接合元件的寫入電壓之變化以相對值加以表示的圖形圖。
1:磁穿隧接合元件
100:基板
110:下部電極
120:磁化固定層
130:第1絕緣層
140:磁化自由層
150:相鄰層
160:間隙層
161:第2絕緣層
162:中間層
163:障壁層
170:上部電極
Claims (16)
- 一種磁穿隧接合元件，係具備：磁化固定層，其磁化方向係被固定；和第1絕緣層，係被設在前記磁化固定層之上，使用絕緣材料而被形成；和磁化自由層，係被設在前記第1絕緣層之上；和相鄰層，係相鄰於前記磁化自由層之上而被設置，使用非磁性過渡金屬而被形成；和間隙層，係以含有至少1個以上之使用前記非磁性過渡金屬而被形成之障壁層的多層結構而被形成，且被設在前記相鄰層之上；前記間隙層係還含有：在使用含有3d過渡金屬及B的磁性材料而被形成的磁性層之上層積了使用前記非磁性過渡金屬而被形成之層的層積結構；前記層積結構係被設成，使得前記磁性層是相鄰於前記相鄰層；前記含有3d過渡金屬及B的磁性材料係含有B達15原子%以上。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，還具備：上部電極，係被設在前記間隙層之上；前記非磁性過渡金屬的密度及熱傳導率的乘積，係比前記上部電極中所含之金屬材料的密度及熱傳導率的乘積 還高。
- 如請求項2所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記上部電極係含有Ta或TaN；前記上部電極中所含之金屬材料係為Ta。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記非磁性過渡金屬係為Mo、W、Nb、Ir、Hf或Ti之任一者。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記層積結構的前記磁性層之膜厚係為0.7nm以下。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記間隙層係還含有：使用絕緣材料而被形成之第2絕緣層。
- 如請求項6所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記第2絕緣層係被設在前記相鄰層之上。
- 如請求項7所記載之磁穿隧接合元件，其中，用來形成前記第1絕緣層及前記第2絕緣層的絕緣材料係為無機氧化物。
- 如請求項6所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記間隙層係還含有：磁性層，係使用含有3d過渡金屬及B的磁性材料而被形成，且被設在前記第2絕緣層之上。
- 如請求項9所記載之磁穿隧接合元件，其中，被設在前記第2絕緣層之上的前記磁性層之膜厚係為0.9nm以下。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記間隙層之各層係使用導電材料而被形成。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記相鄰層之膜厚係為0.25nm以上1nm以下。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記障壁層之膜厚係為1nm以上10nm以下。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中，前記間隙層係還含有：使用非磁性材料而被形成之中間層；前記中間層之膜厚係為1nm以上10nm以下。
- 如請求項1所記載之磁穿隧接合元件，其中， 前記磁穿隧接合元件係為柱體形狀或錐體形狀。
- 一種半導體裝置，係具備磁穿隧接合元件，其中，前記磁穿隧接合元件係具備：磁化固定層，其磁化方向係被固定；和第1絕緣層，係被設在前記磁化固定層之上，使用絕緣材料而被形成；和磁化自由層，係被設在前記第1絕緣層之上；和相鄰層，係相鄰於前記磁化自由層之上而被設置，使用非磁性過渡金屬而被形成；和間隙層，係以含有至少1個以上之使用前記非磁性過渡金屬而被形成之障壁層的多層結構而被形成，且被設在前記相鄰層之上；前記間隙層係還含有：在使用含有3d過渡金屬及B的磁性材料而被形成的磁性層之上層積了使用前記非磁性過渡金屬而被形成之層的層積結構；前記層積結構係被設成，使得前記磁性層是相鄰於前記相鄰層；前記含有3d過渡金屬及B的磁性材料係含有B達15原子%以上。
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| DE112022003362T5 (de) * | 2021-07-01 | 2024-05-02 | Sony Semiconductor Solutions Corporation | Magnetisches speicherelement und halbleitervorrichtung |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201246209A (en) * | 2011-05-10 | 2012-11-16 | Sony Corp | Storage element and storage device |
| US20170125481A1 (en) * | 2015-11-02 | 2017-05-04 | Qualcomm Incorporated | Magnetic tunnel junction (mtj) devices with heterogeneous free layer structure, particularly suited for spin-torque-transfer (stt) magnetic random access memory (mram) (stt mram) |
| TW201721645A (zh) * | 2015-09-24 | 2017-06-16 | 英特爾股份有限公司 | 自旋霍耳效應磁性隨機存取記憶體位元胞 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006129725A1 (ja) * | 2005-06-03 | 2006-12-07 | Nec Corporation | Ｍｒａｍ |
| US7528457B2 (en) | 2006-04-14 | 2009-05-05 | Magic Technologies, Inc. | Method to form a nonmagnetic cap for the NiFe(free) MTJ stack to enhance dR/R |
| US20120068698A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Industrial Technology Research Institute | Structure of tmr and fabrication method of integrated 3-axis magnetic field sensor and sensing circuit |
| JP2013115413A (ja) * | 2011-12-01 | 2013-06-10 | Sony Corp | 記憶素子、記憶装置 |
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-
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TW201246209A (en) * | 2011-05-10 | 2012-11-16 | Sony Corp | Storage element and storage device |
| TW201721645A (zh) * | 2015-09-24 | 2017-06-16 | 英特爾股份有限公司 | 自旋霍耳效應磁性隨機存取記憶體位元胞 |
| US20170125481A1 (en) * | 2015-11-02 | 2017-05-04 | Qualcomm Incorporated | Magnetic tunnel junction (mtj) devices with heterogeneous free layer structure, particularly suited for spin-torque-transfer (stt) magnetic random access memory (mram) (stt mram) |
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