TWI837754B - 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包含具有較高性能之記憶胞之磁性記憶裝置。
實施形態之磁性記憶裝置包含：第1鐵磁層、包含鐵或鈷之第1鐵磁氧化物層、第1鐵磁層與第1鐵磁氧化物層之間之金屬層、第1鐵磁氧化物層上之第2鐵磁層、第2鐵磁層上之第2鐵磁氧化物層、第2鐵磁氧化物層上之第3鐵磁層、第3鐵磁層上之絕緣層、及絕緣層上之第4鐵磁層。金屬層使第1鐵磁層與第1鐵磁氧化物層反鐵磁耦合。第2鐵磁層包含鐵或鈷中之第1鐵磁氧化物層所含之1者、及第1元素群中之1種元素。第2鐵磁氧化物層包含鐵或鈷中之第2鐵磁層所含之1者與第1元素之合金氧化物。第1元素具有較鐵或鈷之標準電極電位及第1元素群中之第2鐵磁層所含之1種元素之標準電極電位為低之標準電極電位。
Description
實施形態總體而言係關於一種磁性記憶裝置。
作為記憶裝置之一種，已知一種磁性記憶裝置。磁性記憶裝置使用包含發揮磁阻效應之元件之記憶胞來記憶資料。為了提高磁性記憶裝置之特性，而期望記憶胞具有較高之磁性特性。
本發明所欲解決之課題在於提供一種包含具有較高之性能之記憶胞之磁性記憶裝置。
一實施形態之磁性記憶裝置包含：第1鐵磁層、包含鐵或鈷之第1鐵磁氧化物層、設置於上述第1鐵磁層與上述第1鐵磁氧化物層之間之金屬層、設置於上述第1鐵磁氧化物層之面中之與上述金屬層為相反之面上之第2鐵磁層、設置於上述第2鐵磁層之面中之與上述第1鐵磁氧化物層為相反之面上之第2鐵磁氧化物層、上述第2鐵磁氧化物層上之第3鐵磁層、上述第3鐵磁層上之絕緣層、及上述絕緣層上之第4鐵磁層。
上述金屬層使上述第1鐵磁層與上述第1鐵磁氧化物層反鐵磁耦合。上述第2鐵磁層包含鐵或鈷中之上述第1鐵磁氧化物層所含之1者、及第1元素群中之1種元素，具有朝向和與上述金屬層之界面相交之方向之易磁化軸。上述第2鐵磁氧化物層包含鐵或鈷中之上述第2鐵磁層所含之上述1者與第1元素之合金氧化物。上述第1元素具有較鐵或鈷之標準電
極電位及上述第1元素群中之上述第2鐵磁層所含之上述1種元素之標準電極電位低之標準電極電位。
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:讀出電路
21:導電體
22:導電體
31:鐵磁層
32:間隔層
33:鐵磁層
34:絕緣層
35:鐵磁層
331:鐵磁氧化物層
332:鐵磁層
333:鐵磁氧化物層
334:鐵磁層
337:金屬層
ADD:位址信號
BL:位元線
CMD:指令
CNT:控制信號
DAT:資料(寫入資料/讀出資料)
FMO:鐵磁氧化物層
MC:記憶胞
MCA:記憶胞
MCB:記憶胞
MRL:主參考層
MTJ:MTJ元件
MTJA:MTJ元件
MTJB:MTJ元件
RL:參考層
SCL:移位取消層
SE:開關元件
SEA:開關元件
SEB:開關元件
WL:字元線
WLA:字元線
WLB:字元線
x:軸
y:軸
z:軸
圖1顯示第1實施形態之磁性記憶裝置之功能區塊及關聯之要件。
圖2係第1實施形態之記憶胞陣列之電路圖。
圖3顯示第1實施形態之記憶胞陣列之一部分之剖面之構造。
圖4顯示第1實施形態之記憶胞陣列之一部分之剖面之構造。
圖5顯示第1實施形態之記憶胞之構造之例之剖面。
圖6顯示第1實施形態中所使用之層之特性。
圖7顯示第2實施形態之記憶胞之構造之例之剖面。
以下，參照圖式而記述實施形態。在以下之記述中，具有大致相同之功能及構成之構成要件有賦予同一參考符號、且省略重複之說明之情形。
圖式係示意性之圖式，厚度與平面尺寸之關係、各層之厚度之比率等可與現實不同。於圖式相互間可含有彼此之尺寸之關係或比率不同之部分。關於某實施形態之所有記述只要不明示或不言而喻地排除，則可適用於其他實施形態之記述。各實施形態係例示用於將該實施形態之技術性思想具體化之裝置或方法者，實施形態之技術性思想並不將構成零件之材質、形狀、構造、配置等特定於下述者。
在本說明書及申請專利範圍中，所謂某第1構成要件「連接」於其他第2構成要件，包含第1構成要件直接或常時或選擇性地經由作
為導電性之構成要件連接於第2構成要件。
以下，使用xyz正交座標系，記述實施形態。在以下之記述中，「下」之記述及其派生詞以及關聯詞係指z軸上之更小之座標之位置，「上」之記述及其派生詞以及關聯詞係指z軸上之更大之座標之位置。
1.<第1實施形態>
1.1.構造(構成)
1.1.1.整體構造
圖1顯示第1實施形態之磁性記憶裝置之功能區塊。如圖1所示般，磁性記憶裝置1係由記憶體控制器2控制。磁性記憶裝置1係使用鐵磁體來記憶資料之記憶裝置。磁性記憶裝置1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、及讀出電路17。
記憶胞陣列11係排列之複數個記憶胞MC之集合。記憶胞MC可非揮發地記憶資料。在記憶胞陣列11中，位在有複數條字元線WL、及複數條位元線BL。各記憶胞MC與1條字元線WL及1條位元線BL連接。字元線WL與列(row)建立關聯。位元線BL與行(column)建立關聯。藉由選擇1個列及1個行，而特定出1個記憶胞MC。
輸入輸出電路12係進行資料及信號之輸入輸出之電路。輸入輸出電路12自記憶體控制器2接收控制信號CNT、指令CMD、位址信號ADD、資料(寫入資料)DAT。輸入輸出電路12對記憶體控制器2發送資料(讀出資料)DAT。
列選擇電路14自輸入輸出電路12接收位址信號ADD，設為
選擇與藉由所接收之位址信號ADD而特定出之列建立關聯之1條字元線WL之狀態。
行選擇電路15自輸入輸出電路12接收位址信號ADD，設為選擇與藉由所接收之位址信號ADD而特定出之行建立關聯之1條或複數條位元線BL之狀態。
控制電路13自輸入輸出電路12接收控制信號CNT及指令CMD。控制電路13基於藉由控制信號CNT指示之控制及指令CMD，控制寫入電路16及讀出電路17。具體而言，控制電路13在資料向記憶胞陣列11之寫入之期間，將使用於資料寫入之電壓供給至寫入電路16。又，控制電路13在資料自記憶胞陣列11讀出之期間，將使用於資料讀出之電壓供給至讀出電路17。
寫入電路16自輸入輸出電路12接收寫入資料DAT，基於控制電路13之控制及寫入資料DAT，將使用於資料寫入之電壓供給至行選擇電路15。
讀出電路17基於控制電路13之控制，使用資料讀出所使用之電壓，算出保持於記憶胞MC之資料。算出之資料作為讀出資料DAT供給至輸入輸出電路12。讀出電路17包含感測放大器。
1.1.2.記憶胞陣列之電路構成
圖2係第1實施形態之記憶胞陣列11之電路圖。如圖2所示般，在記憶胞陣列11中，設置有M+1(M為自然數)條字元線WLA(WLA<0>、WLA<1>、…、WLA<M>)及M+1條字元線WLB(WLB<0>、WLB<1>、…、WLB<M>)。又，在記憶胞陣列11中，設置有N+1(N為自然數)
條位元線BL(BL<0>、BL<1>、…、BL<N>)。
各記憶胞MC(MCA及MCB)具有第1節點及第2節點。各記憶胞MC在第1節點處與1條字元線WL連接，在第2節點處與1條位元線BL連接。更具體而言，記憶胞MCA針對α為0以上M以下之整數之所有情況及β為0以上N以下之整數之所有情況之所有組合，包含記憶胞MCA<α,β>，記憶胞MCA<α,β>連接於字元線WLA<α>與位元線BL<β>之間。同樣地，記憶胞MCB針對α為0以上M以下之整數之所有情況及β為0以上N以下之整數之所有情況之所有組合，包含記憶胞MCB<α,β>，記憶胞MCB<α,β>連接於字元線WLB<α>與位元線BL<β>之間。
各記憶胞MC包含1個MTJ元件MTJ(MTJA或MTJB)及1個開關元件SE(SEA或SEB)。更具體而言，針對α為0以上M以下之整數之所有情況及β為0以上N以下之整數之所有情況之所有組合，記憶胞MCA<α,β>包含MTJ元件MTJA<α,β>及開關元件SEA<α,β>。進而，針對α為0以上M以下之所有情況及β為0以上N以下之整數之所有情況之所有組合，記憶胞MCB<α,β>包含MTJ元件MTJB<α,β>及開關元件SEB<α,β>。
在各記憶胞MC中，MTJ元件MTJ與開關元件SE串聯地連接。MTJ元件MTJ與1條字元線WL連接，開關元件SE與1條位元線BL連接。
MTJ元件MTJ表示穿隧磁阻效應，例如係包含磁性穿隧接面(Magnetic Tunnel Junction；MTJ)之元件。MTJ元件MTJ可在低電阻之狀態與高電阻之狀態之間切換。MTJ元件MTJ可利用2個電阻狀態之不
同，而記憶1位元之資料。
開關元件SE係用於選擇包含該開關元件SE之記憶胞MC之元件。開關元件SE可為如以下記述之開關元件。開關元件具有2個端子，於在2端子間某未達第1臨限值之電壓施加於某第1方向時，該開關元件為高電阻狀態、例如在電性上為非導通狀態(關斷狀態)。另一方面，於在2端子間第1臨限值以上之電壓施加於第1方向時，該開關元件為低電阻狀態、例如在電性上為導通狀態(ON狀態)。開關元件進而，在與第1方向為相反之第2方向上亦具有與如此之基於施加於第1方向之電壓之大小而進行高電阻狀態及低電阻狀態之間之切換之功能相同之功能。亦即，開關元件為雙方向開關元件。藉由開關元件之導通或關斷，而可控制有無電流向與該開關元件連接之MTJ元件MTJ之供給、亦即控制該MTJ元件MTJ之選擇或非選擇。
1.1.3.記憶胞陣列之構造
圖3及圖4顯示第1實施形態之記憶胞陣列11之一部分之剖面之構造。圖3顯示沿著xz面之剖面，圖4顯示沿著yz面之剖面。
如圖3及圖4所示般，在半導體基板(未圖示)之上方設置複數個導電體21。導電體21沿著y軸延伸，沿著x軸排列。各導電體21作為1條字元線WL發揮功能。
各導電體21在上表面，與複數個記憶胞MCB各者之下表面連接。記憶胞MCB在xy面上例如具有圓形形狀。記憶胞MCB在各導電體21上沿著y軸排列，藉由如此之配置而記憶胞MCB沿著xy面矩陣狀排列。各記憶胞MCB包含作為開關元件SEB發揮功能之構造、及作為MTJ元件
MTJB發揮功能之構造。作為開關元件SEB發揮功能之構造及作為MTJ元件MTJB發揮功能之構造各自如後述般包含1個或複數個層。
在記憶胞MCB之上方，設置複數個導電體22。導電體22沿著x軸延伸，沿著y軸排列。各導電體22在下表面，與沿著x軸排列之複數個記憶胞MCB各者之上表面相接。各導電體22作為1條位元線BL發揮功能。
各導電體22在上表面，與複數個記憶胞MCA各者之下表面連接。記憶胞MCA在xy面上例如具有圓形形狀。記憶胞MCA在各導電體22上沿著x軸排列，藉由如此之配置而記憶胞MCA沿著xy面矩陣狀排列。
各記憶胞MCA包含作為開關元件SEA發揮功能之構造、及作為MTJ元件MTJA發揮功能之構造。作為開關元件SEA發揮功能之構造及作為MTJ元件MTJA發揮功能之構造各自如後述般包含1個或複數個層。
在沿著y軸排列之複數個記憶胞MCA各者之上表面上，進一步設置導電體21。
1.1.4.記憶胞之構造
圖5顯示第1實施形態之記憶胞MC之構造之例之剖面。如圖5所示般，記憶胞MC包含開關元件SE及MTJ元件MTJ。
開關元件SE包含可變電阻材料。開關元件SE可進一步包含下部電極及上部電極。該情形下，可變電阻材料位於下部電極之上表面上，上部電極位於可變電阻材料之上表面上。
可變電阻材料例如係2端子間開關元件，2端子中之第1端子為可變電阻材料之上表面及下表面之一者，2端子中之第2端子為可變電
阻材料之上表面及下表面之另一者。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、例如在電性上為非導通狀態。在施加於2端子間之電壓為臨限值以上時，開關元件為“低電阻”狀態、例如在電性上為導通狀態。可變電阻材料係由包含絕緣體之材料形成，含有藉由離子注入而導入之摻雜劑。絕緣體例如包含氧化物，包含SiO2或由SiO2實質性地形成之材料。摻雜劑例如包含砷(As)、鍺(Ge)。在本說明書及申請專利範圍中，包含「實質上」之「實質性地形成(構成)」之記載及同類記載，意指容許「實質性地形成之」構成要件含有非意圖之雜質。非意圖之雜質之例包含在磁性記憶裝置1之製造步驟中使用之氣體中所含之元素、及自其他「實質性地形成之」構成要件之周圍擴散而來至「實質性地形成之」構成要件之元素。
MTJ元件MTJ包含：鐵磁層31、間隔層32、鐵磁層33、絕緣層34、鐵磁層35。鐵磁層31、間隔層32、鐵磁層33、絕緣層34、鐵磁層35依照該序積層於開關元件SE之上表面上。
鐵磁層31、鐵磁層33及鐵磁層35具有沿著貫通鐵磁層31、間隔層32、鐵磁層33、絕緣層34及鐵磁層35之界面之方向之易磁化軸。鐵磁層31、鐵磁層33、及鐵磁層35之易磁化軸例如相對於界面具有45°以上90°以下之角度，例如與界面正交。圖5所示之構成要件之內部之箭頭表示磁化之方向。
對於鐵磁層31、間隔層32、鐵磁層33、絕緣層34、鐵磁層35進一步進行記述。
鐵磁層31係鐵磁體之層。鐵磁層31包含表示鐵磁之元素，或由表示鐵磁之元素實質性地形成。鐵磁層31包含鈷鉑(CoPt)、鈷鎳
(CoNi)或鈷鈀(CoPd)，或者由CoPt、CoNi、或CoPd實質性地形成。鐵磁層31例如包含將鈷(Co)之層與鉑(Pt)之層交替地重複1層以上之構造、將鈷之層與鎳(Ni)之層交替地重複1層以上之構造、或將鈷之層與鈀(Pd)之層交替地重複1層以上之構造。
鐵磁層31具有與鐵磁層33之磁化之方向為相反方向之磁化。鐵磁層31抑制由鐵磁層33產生且施加於鐵磁層35之磁場、即漏磁場。鐵磁層31作為所謂之移位取消層(shift cancel layer；SCL)發揮功能。
間隔層32係使隔著間隔層32之2個鐵磁體反鐵磁耦合之非磁性之金屬之層。間隔層32包含鑥(Ru)或銥(Ir)，或由Ru或Ir實質性地形成。Ru及Ir使隔著Ru或Ir之層之2個鐵磁體基於Ru或Ir之厚度而鐵磁耦合或者反鐵磁耦合。間隔層32具有使鐵磁層31與鐵磁層33(特別是鐵磁層33所含之後述之鐵磁層332)反鐵磁耦合之厚度。
鐵磁層33係整體上具有朝向貫通鐵磁層33、絕緣層34及鐵磁層35之界面之方向之磁化的積層體。將鐵磁層33之磁化之方向刻意設為無論是自記憶胞MC讀出資料及向記憶胞MC寫入資料皆保持不變。鐵磁層33作為所謂之參考層(reference layer；RL)發揮功能。
鐵磁層33包含鐵磁氧化物層(FMO)331、鐵磁層332、鐵磁氧化物層333(FMO)及鐵磁層334。
鐵磁氧化物層331係顯現鐵磁性之合金氧化物之層。合金氧化物包含鐵(Fe)及(或)Co、與硼(B)、鈧(Sc)、鉻(Cr)、錳(Mn)、Ni、Ru、Pd、Ir、Pt、釔(Y)、釹(Nd)、釤(Sm)、釓(Gd)、鋱(Tb)及鏑(Dy)之1者以上的合金氧化物，或者由如此之合金氧化物實質性地形成。
鐵磁氧化物層331提高鐵磁層33之界面磁各向異性。亦
即，鐵磁層332於在非晶質之狀態下形成之後，藉由經由退火而成為結晶質。在非晶質之狀態下形成之鐵磁層332包含雜質。藉由退火，而鐵磁層332中之雜質向鐵磁氧化物層331擴散。藉由擴散，而鐵磁層332之純度升高，在高純度之狀態下進行結晶化。因此，結晶化之鐵磁層332具有較高之結晶性。鐵磁層332具有較高之結晶性，與鐵磁層33整體具有較高之界面磁各向異性有關。藉由鐵磁氧化物層331之使用而顯現之鐵磁層33之界面磁各向異性，高於在鐵磁層33之構造中設置金屬層取代鐵磁氧化物層331之鐵磁層中之界面磁各向異性。
磁性體之界面磁各向異性與該磁性體之各向異性能量相關。因此，鐵磁層33之界面磁各向異性高，與鐵磁層33之各向異性能量高有關。鐵磁層33之各向異性能量高，與MTJ元件MTJ之保持特性高有關。保持特性係指因來自MTJ元件之外部之熱擾動等所致之MTJ元件之電阻狀態之反轉之不易度。鐵磁層33之磁化意圖不反轉，但有因來自外部之影響而非意圖地反轉之可能性。若鐵磁層33之磁化反轉，則MTJ元件MTJ無法正確地記憶資料。
鐵磁層332係鐵磁體之層。鐵磁層332藉由間隔層32與鐵磁層31反鐵磁耦合，藉由反鐵磁耦合而具有磁化。鐵磁層33之整體之磁化之方向，與鐵磁層332之磁化之方向一致。鐵磁層332之磁化作為產生藉由鐵磁層33之整體顯示之磁化之各向異性能量之供給源而發揮功能。鐵磁層332係產生藉由鐵磁層33之整體而顯示之磁化之各向異性能量之主要之供給源。鐵磁層332有基於該功能而被稱為主參考層(main reference layer；MRL)之情形。
鐵磁層332與鐵磁氧化物層331具有較高之潤濕性。在該目
的下，鐵磁層332包含與鐵磁氧化物層331共通之元素。更具體而言，鐵磁層332包含Fe及(或)Co，包含Fe及Co中之與鐵磁氧化物層331所含之元素相同之1者以上之元素。進而，鐵磁層332具有用於顯示各向異性能量之材料及構造。具體而言，鐵磁層332進一步包含硼(B)、鉻(Cr)、錳(Mn)、Ni、Ru、銠(Rh)、Pd、Ir、及Pt之1者以上。鐵磁層332可具有積層Fe、Co、B、Cr、Mn、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、及Pt之2者以上之構造。
鐵磁氧化物層333係顯示鐵磁之合金氧化物之層。鐵磁氧化物層333具有與鐵磁層332較高之潤濕性。在該目的下，鐵磁氧化物層333包含與鐵磁層332共通之元素。更具體而言，鐵磁層333包含Fe及(或)Co，包含Fe及Co中之與鐵磁氧化物層332所含之元素相同之1者或兩者。
進而，鐵磁氧化物層333係具有較鐵磁層332所含之元素之1者或複數者或所有者之標準電極電位低之標準電極電位的元素之合金氧化物之層。
基於針對鐵磁氧化物層333之合金氧化物之條件，合金氧化物包含Fe及Co之1者以上、與B、Sc、Y、Nd、Sm、Gd、Tb、及Dy之1者以上的合金氧化物，或者由如此之合金氧化物實質性地形成。
鐵磁氧化物層333藉由與鐵磁氧化物層331之機制相同之機制而提高鐵磁層33之界面磁各向異性。亦即，藉由在非晶質之狀態下形成之鐵磁層332之退火，而鐵磁層332中之雜質向鐵磁氧化物層333擴散。藉由擴散，而鐵磁層332之純度升高，結晶化之鐵磁層332具有較高之結晶性。此種情形與鐵磁層33整體上具有較高之界面磁各向異性有關。藉由鐵
磁氧化物層333之使用而顯現之鐵磁層33之界面磁各向異性，高於在鐵磁層33之構造中具有設置金屬層而取代鐵磁氧化物層333之構造之鐵磁層中之界面磁各向異性。因此，藉由鐵磁氧化物層333亦提高MTJ元件MTJ之保持特性。
鐵磁氧化物層333為了抑制鐵磁層332之結晶構造對鐵磁層334之結晶構造帶來影響，而設置於鐵磁層332與鐵磁層334之間。即，鐵磁層334首先在非晶質之狀態下形成，藉由之後之退火而結晶化，形成結晶構造。結晶化以絕緣層34為晶種進行。此時，若非晶質之鐵磁層334與鐵磁層332接觸，則鐵磁層334之結晶構造對鐵磁層332之結晶構造帶來影響。藉由鐵磁氧化物層333之存在，而抑制鐵磁層332之結晶構造對於鐵磁層334之結晶構造之影響。
鐵磁層334係鐵磁體之層。鐵磁層334包含鐵(Fe)及鈷(Co)中之1者以上。鐵磁層334亦可進一步包含硼(B)。更具體而言，例如，鐵磁層334包含鈷鐵硼(CoFeB)或硼化鐵(FeB)，或者由CoFeB或FeB實質性地形成。
基於鐵磁層332之結晶構造之對於鐵磁層334之結晶構造之影響之抑制、及鐵磁層334以絕緣層34為晶種而結晶化，鐵磁層334具有與絕緣層34之結晶構造相同之結晶構造。
鐵磁層334藉由與將鐵磁層332設為較高之結晶性之機制相同之機制，而提高鐵磁層33之界面磁各向異性。亦即，鐵磁層334如上述般在非晶質之狀態下形成，經由退火而成為結晶質。藉由該退火，鐵磁層334中之雜質向鐵磁氧化物層333擴散。藉由擴散而鐵磁層334具有較高之結晶性，該情形與鐵磁層33整體上具有較高之界面磁各向異性有關。因
此，藉由鐵磁層334之較高之結晶性，亦提高MTJ元件MTJ之保持特性。
一般而言，鐵磁體使隔著該鐵磁體之2個鐵磁體磁性耦合。因鐵磁氧化物層333具有鐵磁，故使隔著鐵磁氧化物層333之鐵磁層332及鐵磁層334磁性耦合。鐵磁層334藉由與鐵磁層332之磁化之鐵磁耦合而具有之磁化之方向，與鐵磁層332之磁化之方向相同。因鐵磁層334與鐵磁層332鐵磁耦合，故鐵磁層334及鐵磁層332作為在實效上具有較高之磁各向異性能量之1個鐵磁層動作。藉由因鐵磁耦合之鐵磁層334與鐵磁層332之使用而實現之鐵磁層33之在實效上較高之磁各向異性能量，而MTJ元件MTJ具有較高之保持特性。
1.2.優點(效果)
根據第1實施形態，如以下所記述般，可提供一種具有較高之磁性特性之MTJ元件MTJ。
根據第1實施形態，鐵磁氧化物層333包含Fe及Co之1者以上、與具有較鐵磁層332所含之元素之標準電極電位低之標準電極電位之元素的合金氧化物，或者由如此之合金氧化物實質性地形成。亦即，鐵磁氧化物層333由具有較實質性地構成鐵磁氧化物層333所接觸之鐵磁層334及鐵磁層332之元素之標準電極電位低之標準電極電位之元素實質性地形成。該情形意指鐵磁氧化物層333較鐵磁層332及334更易於氧化。因此，鐵磁氧化物層333以較氧原子擴散至鐵磁層332及(或)334之力高之力將氧原子保留在自身之內部。因此，抑制氧原子擴散至鐵磁層332及334。在鐵磁層332及334中，氧原子為雜質。因此，藉由抑制氧原子向鐵磁層332及334之擴散，而抑制因鐵磁層332及334中之氧原子引起之鐵磁層332及
334之磁性特性之劣化。亦即，抑制鐵磁層33之界面磁各向異性之劣化、及MTJ元件MTJ之MR比之劣化。此係緣於MTJ元件MTJ之MR比依存於與絕緣層34接觸之鐵磁層35及334之性質，氧原子此一雜質之存在導致鐵磁層334之磁性特性之劣化、甚至MR比之劣化。MR比係磁阻效應元件(MTJ元件)之低電阻狀態下之電阻與高電阻狀態下之電阻之比。
根據第1實施形態，鐵磁氧化物層331與鐵磁層332包含共通之原子，鐵磁層332與鐵磁氧化物層333包含共通之原子。相異之材料之界面之密接性(潤濕性)對該等材料之特性帶來影響。此係緣於若密接性低，則在界面處會產生孔及(或)原子之凝集。相異之材料之界面之密接性可藉由形成界面之2種材料包含共通之元素而提高。因此，鐵磁氧化物層331與鐵磁層332藉由包含共通之元素，而在其界面具有較高之潤濕性，鐵磁層332與鐵磁氧化物層333藉由包含共通之元素，而在其界面具有較高之潤濕性。因此，提供具有較高之特性之鐵磁氧化物層331、鐵磁層332、及鐵磁氧化物層333，該情形有助於具有較高之磁性特性之MTJ元件MTJ之實現。
根據第1實施形態，在間隔層32與鐵磁層332之間設置有鐵磁氧化物層331。當相異之2種材料接觸時，其中一種材料中之元素可能會在第1材料與第2材料之界面擴散至另一種材料中。擴散之元素在第1材料及第2材料中為雜質，故有可能使得第1材料與第2材料之特性劣化。為了抑制雜質向第1材料與第2材料擴散，而有在第1材料與第2材料之間設置第3材料之情形。藉此，抑制第1材料與第2材料之間之元素相互擴散，即便在第1材料與第2材料接觸之情形下，仍可抑制第1材料中之雜質之量及第2材料中之雜質之量。作為MTJ元件之參考用之構造，可在間隔層32
與鐵磁層332之間設置金屬層。然而，如此之MTJ元件之保持特性依然不如期望般那麼高。
在第1實施形態中，因鐵磁氧化物層331為氧化物，故與較多之單一金屬元素相比，化學性較為穩定，不易與周圍之元素反應。具體而言，鐵磁氧化物層331不易與鐵磁氧化物層331所接觸之間隔層32中之元素反應，且不易與鐵磁氧化物層331所接觸之鐵磁層332中之元素反應。又，基於相同之理由，鐵磁氧化物層331中之元素不易擴散至間隔層32及鐵磁層332中。因此，抑制雜質向間隔層32及鐵磁層332擴散，從而抑制因雜質擴散所致之間隔層32及鐵磁層332之特性劣化。抑制鐵磁層332之特性(特別是磁性特性)劣化，有利於使鐵磁層332具有較高之磁各向異性能量。抑制間隔層32之特性劣化，有利於抑制鐵磁層332與鐵磁層31之反鐵磁耦合之強度下降、乃至於抑制MTJ元件MTJ之保持特性劣化。因此，可實現具有較高之磁性特性之MTJ元件MTJ。
圖6顯示第1實施形態之鐵磁氧化物層331之特性。更具體而言，圖6對於包含間隔層32、及可與鐵磁層332同樣地作為參考層之主要之部分發揮功能之鐵磁層332之MTJ元件，顯示在間隔層32與鐵磁層332之間設置有相異之材料之層的情形時之特性。圖6之縱軸表示隔著間隔層32之2個鐵磁層31與鐵磁層332之間之交換相互作用之大小。交換相互作用之大小與鐵磁層31及332之耦合之強度相關，耦合之強度會影響維持參考層之磁化之力、乃至MTJ元件之保持特性。
圖6作為第1實施形態之例而顯示在間隔層32與鐵磁層332之間設置由氧化釓實質性地形成之鐵磁氧化物層331之情況。又，圖6作為比較而顯示在間隔層32與鐵磁層332之間設置由釓實質性地形成之層
之情況。
如圖6所示般，遍及圖6所示之整體厚度範圍，氧化釓之情況下之交換相互作用之大小，高於釓之情況下之交換相互作用之大小。因此，相較於使用釓，使用氧化釓會對MTJ元件賦予更高之保持特性。
2.<第2實施形態>
第2實施形態在MTJ元件所含之層之點上與第1實施形態不同。以下，主要記述與第1實施形態不同之點。對於第2實施形態之構成要件中之與第1實施形態之構成要件之不同之構成要件，藉由在第1實施形態中之構成要件之參考符號之末尾進一步附加文字或數字，而與第1實施形態中之構成要件予以區別。例如，第2實施形態中之MTJ元件MTJ可稱為MTJ元件MTJb，關於第2實施形態中記述之點以外之點，適用第1實施形態中記述之點。
圖7顯示第2實施形態之記憶胞MC之構造之例之剖面。如圖7所示般，記憶胞MC包含MTJ元件MTJb。MTJ元件MTJb包含金屬層337取代第1實施形態中之鐵磁氧化物層333。金屬層337係非磁性之金屬之層，由鉬(Mo)、鎢(W)、及鉭(Ta)中之1者以上實質性地形成。
根據第2實施形態，可獲得第1實施形態之優點中之起因於鐵磁氧化物層333之優點以外之優點。又，根據第2實施形態，鐵磁層332與金屬層337接觸。在金屬與金屬接觸時，該等金屬之界面之潤濕性高。因此，鐵磁層332與金屬層337無需如第1實施形態中般與鐵磁層332接觸之鐵磁氧化物層333具有用於具有與鐵磁層332較高之潤濕性之構成。因此，可在鐵磁層332與鐵磁層334之間，設置可無需考量密接性而選擇之
材料之層。
對於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，並非意圖限定發明之範圍。該等實施形態可以其他各種形態進行實施，在不脫離本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與包含於發明之範圍及要旨內同樣地，包含於申請專利範圍所記載之發明及其均等之範圍內。
[關聯申請案之參考]
本申請案享有以日本專利申請案2021-147086號(申請日：2021年9月9日)及美國專利申請案17/549248(申請日：2021年12月13日)為基礎申請案之優先權。本申請案藉由參照該基礎申請案而包含基礎申請案之所有內容。
31:鐵磁層
32:間隔層
33:鐵磁層
34:絕緣層
35:鐵磁層
331:鐵磁氧化物層
332:鐵磁層
333:鐵磁氧化物層
334:鐵磁層
FMO:鐵磁氧化物層
MC:記憶胞
MRL:主參考層
MTJ:MTJ元件
RL:參考層
SCL:移位取消層
SE:開關元件
x:軸
y:軸
z:軸
Claims (20)
- 一種磁性記憶裝置，其包含： 第1鐵磁層； 第1鐵磁氧化物層，其包含鐵或鈷； 金屬層，其設置於前述第1鐵磁層與前述第1鐵磁氧化物層之間，使前述第1鐵磁層與前述第1鐵磁氧化物層反鐵磁耦合； 第2鐵磁層，其設置於前述第1鐵磁氧化物層之面中之與前述金屬層相反之面上，包含鐵或鈷中之前述第1鐵磁氧化物層所含之1者、及第1元素群中之1種元素，具有朝向和與前述金屬層之界面相交之方向之易磁化軸； 第2鐵磁氧化物層，其設置於前述第2鐵磁層之面中之與前述第1鐵磁氧化物層相反之面上，包含鐵或鈷中之前述第2鐵磁層所含之前述1者與第1元素的合金氧化物，且前述第1元素具有較鐵或鈷之標準電極電位及前述第1元素群中之前述第2鐵磁層所含之前述1種元素之標準電極電位為低之標準電極電位； 前述第2鐵磁氧化物層上之第3鐵磁層； 前述第3鐵磁層上之絕緣層；及 前述絕緣層上之第4鐵磁層。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述第2鐵磁層包含鐵或鈷、及前述第1元素群中之1者或複數者， 前述第2鐵磁氧化物層包含鐵或鈷中之前述第2鐵磁層所含之前述1者、與具有較前述第1元素群中之前述第2鐵磁層所含之所有元素之標準電極電位為低之標準電極電位之元素的合金氧化物。
- 如請求項2之磁性記憶裝置，其中前述第1元素群包含：硼、鉻、錳、鎳、鑥、銠、鈀、銥及鉑。
- 如請求項3之磁性記憶裝置，其中前述第1元素為硼、鈧、釔、釹、釤、釓、鋱或鏑。
- 如請求項3之磁性記憶裝置，其中前述第2鐵磁氧化物層包含鐵或鈷中之前述第2鐵磁層所含之前述1者、與硼、鈧、釔、釹、釤、釓、鋱或鏑中之1者或複數者的合金氧化物。
- 如請求項5之磁性記憶裝置，其中前述金屬層包含鑥或銥。
- 如請求項6之磁性記憶裝置，其中前述第1鐵磁氧化物層包含鐵或鈷、與硼、鈧、鉻、錳、鎳、鑥、鈀、銥、鉑、釔、釹、釤、釓、鋱及鏑之1者以上的合金氧化物。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述第1元素群包含：硼、鉻、錳、鎳、鑥、銠、鈀、銥及鉑。
- 如請求項8之磁性記憶裝置，其中前述第1元素為硼、鈧、釔、釹、釤、釓、鋱或鏑。
- 如請求項8之磁性記憶裝置，其中前述第2鐵磁氧化物層包含鐵或鈷中之前述第2鐵磁層所含之前述1者、與硼、鈧、釔、釹、釤、釓、鋱或鏑中之1者或複數者的合金氧化物。
- 如請求項10之磁性記憶裝置，其中前述金屬層包含鑥或銥。
- 如請求項11之磁性記憶裝置，其中前述第1鐵磁氧化物層包含鐵或鈷、與硼、鈧、鉻、錳、鎳、鑥、鈀、銥、鉑、釔、釹、釤、釓、鋱及鏑之1者以上的合金氧化物。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述第1元素為硼、鈧、釔、釹、釤、釓、鋱或鏑。
- 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述第2鐵磁氧化物層包含鐵或鈷中之前述第2鐵磁層所含之前述1者、與硼、鈧、釔、釹、釤、釓、鋱或鏑中之1者或複數者的合金氧化物。
- 如請求項14之磁性記憶裝置，其中前述金屬層包含鑥或銥。
- 如請求項15之磁性記憶裝置，其中前述第1鐵磁氧化物層包含鐵或鈷、與硼、鈧、鉻、錳、鎳、鑥、鈀、銥、鉑、釔、釹、釤、釓、鋱及鏑之1者以上的合金氧化物。
- 一種磁性記憶裝置，其包含： 第1鐵磁層； 第1鐵磁氧化物層，其包含鐵或鈷； 第1金屬層，其設置於前述第1鐵磁層與前述第1鐵磁氧化物層之間，使前述第1鐵磁層與前述第1鐵磁氧化物層反鐵磁耦合； 第2鐵磁層，其設置於前述第1鐵磁氧化物層之面中之與前述第1金屬層相反之面上，包含鐵或鈷中之前述第1鐵磁氧化物層所含之1者、及第1元素群中之1種元素，具有朝向和與前述第1金屬層之界面相交之方向之易磁化軸； 第2金屬層，其設置於前述第2鐵磁層之面中之與前述第1鐵磁氧化物層相反之面上； 前述第2金屬層上之第3鐵磁層； 前述第3鐵磁層上之絕緣層；及 前述絕緣層上之第4鐵磁層。
- 如請求項17之磁性記憶裝置，其中前述第2金屬層包含鉬、鎢及鉭中之1者以上。
- 如請求項18之磁性記憶裝置，其中前述第1金屬層包含鑥或銥。
- 如請求項19之磁性記憶裝置，其中前述第1鐵磁氧化物層包含鐵或鈷、與硼、鈧、鉻、錳、鎳、鑥、鈀、銥、鉑、釔、釹、釤、釓、鋱及鏑之1者以上的合金氧化物。
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