TWI827097B - 磁性記憶裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明之實施形態提供一種可提高磁阻效應元件之移位消除層之垂直磁各向異性之磁性記憶裝置。 實施形態之磁性記憶裝置具備：第1磁性層11，其具有可變之磁化方向；第2磁性層12，其具有經固定之磁化方向；非磁性層13，其設置於第1磁性層與第2磁性層之間；第3磁性層14，其設置於第1磁性層、第2磁性層及非磁性層之下層側，具有相對於第2磁性層之磁化方向反平行之經固定之磁化方向，由鈷(Co)及鉑(Pt)之合金形成；及緩衝層16，其設置於第3磁性層之下層側，包含含有錸(Re)之第1層部分。
Description
本發明之實施形態係關於一種磁性記憶裝置。
業界曾提案於半導體基板上將磁阻效應元件積體化之磁性記憶裝置。
本發明所欲解決之問題在於提供一種可提高磁阻效應元件之移位消除層之垂直磁各向異性之磁性記憶裝置。
實施形態之磁性記憶裝置具備：第1磁性層，其具有可變之磁化方向；第2磁性層，其具有經固定之磁化方向；非磁性層，其設置於前述第1磁性層與前述第2磁性層之間；第3磁性層，其設置於前述第1磁性層、前述第2磁性層及前述非磁性層之下層側，具有相對於前述第2磁性層之磁化方向反平行之經固定之磁化方向，由鈷(Co)及鉑(Pt)之合金形成；及緩衝層，其設置於前述第3磁性層之下層側，包含含有錸(Re)之第1層部分。
以下，參照圖式說明實施形態。
圖1係示意性顯示實施形態之磁性記憶裝置中所含之磁阻效應元件之積層構造之構成之剖視圖。使用MTJ(Magnetic Tunnel Junction，磁穿隧接面)元件，作為磁阻效應元件。
積層構造10設置於半導體基板100之上方，且包含記憶層(第1磁性層)11、參考層(第2磁性層)12、穿隧障壁層(非磁性層)13、移位消除層(第3磁性層)14、間隔層15、緩衝層16、下部蓋層17、頂層18及上部蓋層19。
記憶層(第1磁性層)11係具有可變之磁化方向之鐵磁層。此外，可變之磁化方向意指磁化方向對於特定之寫入電流變化。記憶層11係由含有鐵(Fe)、鈷(Co)及硼(B)之FeCoB層形成。
參考層(第2磁性層)12係具有經固定之磁化方向之鐵磁層。此外，經固定之磁化方向意指磁化方向對於特定之寫入電流不變。參考層12包含第1層部分12a及第2層部分12b。第1層部分12a係由含有鐵(Fe)、鈷(Co)及硼(B)之FeCoB層形成。第2層部分12b含有鈷(Co)、及選自鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)之至少1種以上之元素。
穿隧障壁層(非磁性層)13係設置於記憶層11與參考層12之間之絕緣層。穿隧障壁層13係由含有鎂(Mg)及氧(O)之MgO層形成。
移位消除層(第3磁性層)14設置於記憶層11、參考層12及穿隧障壁層13之下層側。移位消除層14係具有相對於參考層12之磁化方向反平行之經固定之磁化方向之鐵磁層，具有消除自參考層12對記憶層11施加之磁場之功能。
移位消除層14含有鈷(Co)及鉑(Pt)。具體而言，移位消除層14係由鈷(Co)與鉑(Pt)之合金形成。構成移位消除層14之CoPt合金中之Pt組成比較佳為20%至35%之範圍。亦即，CoPt合金中之Pt之濃度較佳為20原子%至35原子%之範圍。又，移位消除層14具有hcp(Hexagonal Close-Packed，六方最密堆積)結晶構造，於對於其主面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面。亦即，移位消除層14於對於移位消除層14與間隔層15之界面及移位消除層14與緩衝層16之界面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面。
間隔層15設置於參考層12與移位消除層14之間，藉由間隔層15，參考層12與移位消除層14反鐵磁性耦合。亦即，藉由參考層12、移位消除層14及間隔層15，形成SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic，合成反鐵磁)構造。間隔層15係由釕(Ru)層或銥(Ir)層形成。
緩衝層16設置於移位消除層14之下層側，且與移位消除層14相接。如後述般，緩衝層16包含含有錸(Re)及鋨(Os)之至少一種之第1層部分。
下部蓋層17設置於記憶層11之上層側，係由特定之氧化物材料形成。具體而言，下部蓋層17係由GdO等稀土類氧化物或MgO等形成。頂層18設置於下部蓋層17之上層側，係由特定之導電材料形成。上部蓋層19設置於頂層18之上層側，係由特定之導電材料形成。具體而言，頂層18及上部蓋層19係由釕(Ru)、鎢(W)、鉬(Mo)及鉭(Ta)等金屬材料形成。
由上述之積層構造10構成之磁阻效應元件係具有垂直磁化之STT(Spin Transfer Torque，自旋轉移矩)型磁阻效應元件。亦即，記憶層11、參考層12及移位消除層14之磁化方向相對於各個膜面為垂直。
於記憶層11之磁化方向相對於參考層12之磁化方向為平行時，磁阻效應元件為相對低電阻狀態，於記憶層11之磁化方向相對於參考層12之磁化方向為反平行時，磁阻效應元件為相對高電阻狀態。因此，磁阻效應元件可相應於磁阻效應元件之電阻狀態而記憶二元資料。又，可相應於磁阻效應元件中流通之電流之方向，對磁阻效應元件設定低電阻狀態或高電阻狀態。
圖2係示意性顯示緩衝層16之第1構成例之剖視圖。
如圖2所示，緩衝層16包含第1層部分16a、第2層部分16b及第3層部分16c。
第1層部分16a設置於移位消除層14之下層側，且與移位消除層14相接。第1層部分16a含有錸(Re)及鋨(Os)之至少一種。亦即，第1層部分16a可由Re層形成，亦可由Os層形成，還可由ReOs層形成。第1層部分16a具有hcp結晶構造，於相對於其主面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面。亦即，第1層部分16a於相對於第1層部分16a與移位消除層14之界面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面。
第2層部分16b設置於第1層部分16a之下層側，且與第1層部分16a相接，含有鉑(Pt)。亦即，第2層部分16b係由Pt層形成。第2層部分16b具有fcc(Face-Centered Cubic，面心立方)結晶構造，於相對於其主面垂直之方向具有fcc結晶構造之(111)面。亦即，第2層部分16b於相對於第2層部分16b與第1層部分16a之界面垂直之方向及相對於第2層部分16b與第3層部分16c之界面垂直之方向具有fcc結晶構造之(111)面。
第3層部分16c設置於第2層部分16b之下層側，且與第2層部分16b相接，含有鉭(Ta)。亦即，第3層部分16b係由Ta層形成。
圖3係示意性顯示緩衝層16之第2構成例之剖視圖。
於第2構成例中，未設置第2層部分16b，第3層部分16c與第1層部分16a相接。其他基本的構成與圖2所示之第1構成例同樣。
如以上般，於本實施形態中，緩衝層16具有含有錸(Re)及鋨(Os)之至少一種之第1層部分16a，第1層部分16a於相對於其主面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面。藉此，可藉由濺射來形成在相對於其主面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面之優異之移位消除層14。
亦即，先前，難以藉由濺射，於緩衝層上形成具有高垂直磁各向異性之移位消除層，但於本實施形態中，可於緩衝層16之第1層部分16a上形成具有高垂直磁各向異性之移位消除層14。其結果，於本實施形態中，可謀求現寫入電流Ic之降低，可獲得具有優異之特性之磁阻效應元件。
尤其是，藉由將構成移位消除層14之CoPt合金層之Pt組成比設為20%至35%之範圍，而可如以下所述般，進一步提高移位消除層之垂直磁各向異性。
圖4係顯示CoPt合金之Pt組成比與垂直磁各向異性Ku之關係之圖。
如圖4所示，若Pt組成比為20%左右以上，則垂直磁各向異性Ku急劇增加。另一方面，可知悉若Pt組成比超過35%，則出現fcc結晶構造，不易獲得良好的hcp結晶構造。因此，為了獲得具有良好的hcp結晶構造，垂直磁各向異性高之CoPt合金層，而較佳為構成移位消除層14之CoPt合金層之Pt組成比為20%至35%之範圍。
圖5係顯示具有hcp結晶構造之CoPt合金層之c軸方向之晶格常數相對於a軸方向之晶格常數之比c/a與垂直磁各向異性Ku之關係之圖。
如圖5所示，隨著晶格常數比c/a減少，而垂直磁各向異性Ku增加。CoPt合金層之晶格常數比c/a受到與CoPt合金層相接之材料層之晶格常數之強烈影響。於本實施形態中，為了於緩衝層16之第1層部分16a上形成移位消除層14，而用於移位消除層14之CoPt合金層之晶格常數比c/a受到緩衝層16之第1層部分16a之強烈影響。藉由以含有錸(Re)及鋨(Os)之至少一種之材料形成緩衝層16之第1層部分16a，而可將CoPt合金之晶格常數比c/a調整為最佳之值，可提高移位消除層14之垂直磁各向異性Ku。
圖6係示意性顯示應用上述之實施形態所示之磁阻效應元件之磁性記憶裝置之構成之立體圖。
圖6所示之磁性記憶裝置包含：複數個第1配線210，其等在X方向延伸；複數個第2配線220，其等在與X方向交叉之Y方向延伸；及複數個記憶胞230，其等連接於複數個第1配線210與複數個第2配線220之間。例如，第1配線210及第2配線220之一者對應於字元線，另一者對應於位元線。
各記憶胞230包含：磁阻效應元件240、及對於磁阻效應元件240串聯連接之選擇器(開關元件)250。
藉由對連接於所期望之記憶胞230之第1配線210與第2配線220之間施加特定之電壓，而所期望之記憶胞230中所含之選擇器250成為導通狀態，可對於所期望之記憶胞230中所含之磁阻效應元件240進行讀出或寫入。
此外，圖6所示之磁性記憶裝置為於磁阻效應元件240之上層側設置有選擇器250之構成，但可為於磁阻效應元件240之下層側設置有選擇器250之構成。
雖然對本發明之若干個實施形態進行了說明，但該等實施形態係作為例子而提出者，並非意欲限定發明之範圍。該等新穎之實施形態可以其他各種形態實施，於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。 [相關申請案之參照]
本發明申請案享有以日本專利申請案2021-138090號(申請日：2021年8月26日)及美國專利申請案17/546455(申請日：2021年12月9日)為基礎申請案之優先權。本發明申請案藉由參照該基礎申請案而包含基礎申請案之全部內容。
10:積層構造
11:記憶層(第1磁性層)
12:參考層(第2磁性層)
12a:第1層部分
12b:第2層部分
13:穿隧障壁層(非磁性層)
14:移位消除層(第3磁性層)
15:間隔層
16:緩衝層
16a:第1層部分
16b:第2層部分
16c:第3層部分
17:下部蓋層
18:頂層
19:上部蓋層
100:半導體基板
210:第1配線
220:第2配線
230:記憶胞
240:磁阻效應元件
250:選擇器(開關元件)
c/a:晶格常數比
Ku:垂直磁各向異性
X, Y:方向
圖1係示意性顯示實施形態之磁性記憶裝置中所含之磁阻效應元件之積層構造之構成之剖視圖。 圖2係示意性顯示實施形態之磁性記憶裝置之緩衝層之第1構成例之剖視圖。 圖3係示意性顯示實施形態之磁性記憶裝置之緩衝層之第2構成例之剖視圖。 圖4係顯示CoPt合金之Pt組成比與垂直磁各向異性Ku之關係之圖。 圖5係顯示具有hcp結晶構造之CoPt合金之c軸方向之晶格常數相對於a軸方向之晶格常數之比c/a與垂直磁各向異性Ku之關係之圖。 圖6係示意性顯示應用實施形態之磁阻效應元件之磁性記憶裝置之構成之立體圖。
10:積層構造
11:記憶層(第1磁性層)
12:參考層(第2磁性層)
12a:第1層部分
12b:第2層部分
13:穿隧障壁層(非磁性層)
14:移位消除層(第3磁性層)
15:間隔層
16:緩衝層
17:下部蓋層
18:頂層
19:上部蓋層
100:半導體基板
Claims (7)
- 一種磁性記憶裝置，其特徵在於具備：第1磁性層，其具有可變之磁化方向；第2磁性層，其具有經固定之磁化方向；非磁性層，其設置於前述第1磁性層與前述第2磁性層之間；第3磁性層，其設置於前述第1磁性層、前述第2磁性層及前述非磁性層之下層側，具有相對於前述第2磁性層之磁化方向反平行之經固定之磁化方向，由鈷(Co)及鉑(Pt)之合金形成，鉑(Pt)之組成比為20%至35%之範圍；及緩衝層，其設置於前述第3磁性層之下層側，包含含有錸(Re)及鋨(Os)之至少一種之第1層部分。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述第1層部分於相對於其主面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述第3磁性層於相對於其主面垂直之方向具有hcp結晶構造之(001)面。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述緩衝層於前述第1層部分之下層側進一步包含含有鉑(Pt)之第2層部分。
- 如請求項4之磁性記憶裝置，其中前述第2層部分於相對於其主面垂 直之方向具有fcc結晶構造之(111)面。
- 如請求項4之磁性記憶裝置，其中前述緩衝層於前述第2層部分之下層側進一步包含含有鉭(Ta)之第3層部分。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述緩衝層於前述第1層部分之下層側進一步包含含有鉭(Ta)之第3層部分。
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