磁存储器件的制作方法

磁存储器件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术基于并主张2021年3月19日提交的申请号为2021-045389的日本专利申请和2021年8月31日提交的申请号为17/463522的美国专利申请的优先权益，这两个申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术领域
3.本文描述的实施例一般地涉及磁存储器件。


背景技术：

4.已经提出了一种其中多个磁阻效应元件集成在半导体衬底上的磁存储器件。


技术实现要素：

5.实施例提供了一种包括具有优异特性的磁阻效应元件的磁存储器件。
6.一般而言，根据一个实施例，一种磁存储器件包括磁阻效应元件，其包括：具有可变磁化方向的第一磁性层，具有固定磁化方向的第二磁性层，以及位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的非磁性层。所述第一磁性层包括具有磁性的第一层部分，具有磁性并且比所述第一层部分距离所述非磁性层更远的第二层部分，以及位于所述第一层部分和所述第二层部分之间的第三层部分。所述第三层部分包括由绝缘材料或半导体材料形成的第一部分以及被所述第一部分包围并由导电材料形成的多个第二部分。
附图说明
7.图1是根据实施例的磁存储器件中的磁阻效应元件的截面图。
8.图2是根据实施例的磁存储器件中的磁阻效应元件的功能层的截面图。
9.图3是根据实施例的磁存储器件中的磁阻效应元件的功能层的截面图。
10.图4是示出根据实施例的磁存储器件中的磁阻效应元件的功能层中的适当开口面积比的计算结果的曲线图。
11.图5是根据实施例的磁存储器件的存储器基元(memory cell)阵列单元的透视图。
具体实施方式
12.在下文中，将参考附图描述某些示例实施例。
13.图1是根据实施例的磁存储器件中的磁阻效应元件100在x-z平面中的截面图。
14.磁阻效应元件100是磁隧道结(mtj)元件。磁阻效应元件100是具有垂直磁化的自旋转移力矩(stt)元件。磁阻效应元件100包括垫层(under layer)10、参考层20、隧道势垒层30、存储层40和帽层50。
15.提供垫层10是为了在形成于其上的磁性层(例如，图1的示例中的参考层20)中的良好晶体生长。具体而言，垫层10包括含有钽(ta)、钼(mo)、钨(w)、钒(v)、铌(nb)等的非晶
下层部分11和含有钌(ru)、铑(rh)、铂(pt)、钯(pd)、锇(os)、铱(ir)、铝(al)、银(ag)等的上层部分12。上层部分12具有密堆积晶面，例如面心立方(fcc)面或六方密堆积(hcp)面。当提供这种垫层10时，参考层20可以具有垂直磁各向异性优异的六方密堆积结构。
16.参考层20是具有固定磁化方向的铁磁层。在本文中，固定磁化方向意味着当施加预定的写入电流时，层的磁化方向不改变。参考层20包括：具有交替堆叠的钴(co)层21a和铂(pt)层21b的co/pt人工晶格层21、钴(co)层22、合成反铁磁(saf)接合层23、钴(co)层24、钽(ta)层25以及含有钴(co)、铁(fe)和硼(b)的cofeb层26。
17.co/pt人工晶格层21具有高垂直磁各向异性。可以使用co/pd人工晶格层、copt合金层、fept合金层或fe-co-tb层替代co/pt人工晶格层21。
18.saf接合层23由铱(ir)层、钌(ru)层或铑(rh)层形成。通过包含saf接合层23，可以提高参考层20的磁稳定性，并且可以降低漏磁场。
19.在saf接合层23的界面上，设置形成fcc或hcp平面的co层22和co层24，从而获得良好的saf接合力。
20.cofeb层26是界面层。cofeb层26与隧道势垒层30接触。由于cofeb层26，可以获得良好的磁阻效应。
21.ta层25与cofeb层26接触。当设置具有约0.5nm或更小的厚度的ta层25时，可以在cofeb层26和隧道势垒层30之间实现良好的界面态。可以使用mo层、nb层或w层替代ta层25。
22.隧道势垒层30是设置在存储层40和参考层20之间的绝缘层。隧道势垒层30由氧化镁(mgo)层形成。
23.存储层40用作整体具有可变磁化方向的铁磁层，并且包括界面层41、高ku层42和功能层43。在本文中，可变磁化方向意味着通过施加预定的写入电流，可以改变层的磁化方向。
24.界面层41是铁磁层。界面层41设置在隧道势垒层30和高ku层42之间，并与隧道势垒层30接触。界面层41至少含有铁(fe)。在一个实施例中，界面层41由包含钴(co)、铁(fe)和硼(b)的cofeb层形成。
25.高ku层42具有铁磁性，并且具有高垂直磁各向异性。高ku层42的垂直磁各向异性高于界面层41的垂直磁各向异性。高ku层42包含铁(fe)和钴(co)中的至少一种，以及选自铂(pt)、钯(pd)、铱(ir)、钌(ru)、铑(rh)、铽(tb)或稀土元素的至少一种元素。在一个实施例中，高ku层42由具有交替堆叠的钴(co)层42a和铂(pt)层42b的co/pt人工晶格层形成。高ku层42可以由co/pd人工晶格层、copt合金层、fept合金层或coptcr合金层形成。
26.功能层43设置在界面层41和高ku层42之间。如图2和图3(磁阻效应元件100在x-z平面中的截面图和其在x-y平面中的截面图)所示，功能层43包括由绝缘材料或半导体材料形成的自旋扩散防止层43a，以及分别被自旋扩散防止层43a包围并由导电材料形成的多个导电部分43b。多个导电部分43b贯穿界面层41a和高ku层42之间的自旋扩散防止层43a。具体地，每个导电部分43b的下表面与界面层41接触，并且每个导电部分43b的上表面与高ku层42接触。
27.功能层43具有防止界面层41的阻尼常数由于从界面层41到高ku层42的自旋扩散而增加的功能。功能层43防止写入电流的增加。界面层41需要经由功能层43而被磁性接合到高ku层42。为了如上所述防止阻尼常数的增加，并且为了将界面层41磁性接合到高ku层
42，功能层43包括自旋扩散防止层43a和导电部分43b。
28.从减少自旋扩散以防止阻尼常数增加的视角来看，优选地可以增大自旋扩散防止层43a的比率，并减小用作金属路径的导电部分43b的比率。另一方面，当功能层43仅由自旋扩散防止层43a形成而没有导电部分43b时，无法实现磁性接合。因此，自旋力矩磁化反转仅影响界面层41，而不会影响高ku层42。
29.帽层50是用于改善与帽层50接触的高ku层42的特性(例如，结晶度和/或磁特性)的层。帽层50是非磁性导电层，并且包含例如铂(pt)、钨(w)、钽(ta)或钌(ru)。
30.因此，需要精确地调整导电部分43b相对于整个功能层43的比率(下文中有时称为开口面积比)。也就是，有必要精确地调整在界面层41、高ku层42和功能层43堆叠的方向(z方向)上观察时的多个导电部分43b的总面积相对于功能层43的面积的比率。
31.图4示出了适当开口面积比的计算结果。左纵轴a-eff是与阻尼常数对应的值，右纵轴jex是与磁性接合的大小对应的值。功能层43的厚度为1nm。
32.为了界面层41和高ku层42之间的良好磁性反转，jex(erg/cm2)的值需要落入0.5至5的范围内。在这种情况下，开口面积比优选地落入约0.05至约0.3的范围内。为了将阻尼常数的增加降低到约10％，开口面积比优选地为约0.2或更小。因此，开口面积比(即，多个导电部分43b的总面积与功能层43的面积的比率)优选地落入5％至20％的范围内。
33.自旋扩散防止层43a具有绝缘特性，并且由氧化物、氮化物、硼化物、ii-vi族半导体或iii-v族半导体形成。自旋扩散防止层43a需要具有绝缘特性以用作自旋扩散防止层。自旋扩散防止层43a可以由绝缘材料或半导体材料形成。
34.导电部分43b由金属磁性物质形成，并用作金属路径。导电部分43b包含选自铁(fe)、钴(co)和镍(ni)的至少一种元素。
35.导电部分43b还可以包含选自镧系元素、铝(al)、硅(si)、镓(ga)、镁(mg)、钽(ta)、钼(mo)、钨(w)、钙(ca)、钪(sc)、钛(ti)、钒(v)、铬(cr)、锰(mn)、锌(zn)、钇(y)、锆(zr)、铌(nb)和铪(hf)的至少一种元素。在下文中，选自上面列出的元素的特定元素可以被称为“选定元素”。
36.如上所述，导电部分43b包含选自fe、co和ni的磁性金属。当自旋扩散防止层43a由氧化物形成时，优选地，构成自旋扩散防止层43a的氧化物的形成能量低于包含在导电部分43b中的磁性金属的氧化物的形成能量。当自旋扩散防止层43a由氮化物形成时，优选地，构成自旋扩散防止层43a的氮化物的形成能量低于包含在导电部分43b中的磁性金属的氮化物的形成能量。当自旋扩散防止层43a由硼化物形成时，优选地，构成自旋扩散防止层43a的硼化物的形成能量低于包含在导电部分43b中的磁性金属的硼化物的形成能量。
37.当满足上述条件时，可以稳定地形成功能层43。例如，当自旋扩散防止层43a为选定元素的氧化物时，选定元素的氧化物的形成能量应低于磁性金属(例如，fe、co或ni)的氧化物的形成能量。因此，当自旋扩散防止层43a由选定元素的氧化物形成时，可以形成稳定的自旋扩散防止层43a。
38.优选地，自旋扩散防止层43a由促进高ku层42在自旋扩散防止层43a上的外延生长的材料形成。具体而言，优选地，自旋扩散防止层43a由具有尖晶石结构的氧化物或具有刚玉结构的氧化物形成。更具体地，优选地，自旋扩散防止层43a由fe氧化物、co氧化物或al氧化物形成。特别地，当导电部分43b由co合金形成时，fe氧化物适合于自旋扩散防止层43a。
39.功能层43的厚度根据导电部分43b的开口面积比而被确定。当功能层43的厚度大时，用作金属路径的导电部分43b的长度长，并且导电部分43b的磁化可能被扭曲。结果，有效地减小了界面层41和高ku层42的接合能。在这种情况下，有必要增加开口面积比以增大阻尼常数。另一方面，当功能层43薄时，难以获得结晶性良好的功能层43，并且阻尼常数增大。此外，磁性接合难以被调整。因此，优选地，功能层43的厚度落在0.5nm至5nm的范围内。
40.当在磁阻效应元件100中，存储层40的磁化方向平行于参考层20的磁化方向时，磁阻效应元件100处于其中电阻相对较低的低电阻状态。当存储层40的磁化方向与参考层20的磁化方向反平行时，磁阻效应元件100处于其中电阻相对较高的高电阻状态。因此，在磁阻效应元件100中，可以根据电阻状态存储二进制数据(即，一个二进制值被分配给低电阻状态，另一个被分配给高电阻状态)。
41.图1所示的磁阻效应元件100具有“顶部自由型”结构，其中存储层40位于上层侧，参考层20位于下层侧。然而，磁阻效应元件100可以具有“底部自由型”结构，其中存储层40位于下层侧，参考层20位于上层侧。
42.接下来，将描述用于形成功能层43的方法的示例。
43.在界面层41上，形成在自旋扩散防止层43a中使用的氧化物的选定元素与构成导电部分43b的磁性金属元素的合金层。随后，将氧气引入到已在其中形成合金层的腔室中，导致氧化，并进一步进行热处理。通过这样的方法，可以形成功能层43，该功能层43具有其中多个导电部分43b被自旋扩散防止层43a包围的结构。
44.也就是，选定元素的氧化物的形成能量小于磁性金属元素的氧化物的形成能量。因此，可以通过自组装，形成自旋扩散防止层43a和导电部分43b。
45.在将氧气引入到腔室中时，氧等离子体或电离氧的使用是有效的。在这种情况下，当使用衬底偏置或加速网格向氧原子提供能量时，可以实现更强的氧化。通过在氧化中用稀有气体离子照射，可以促进导电部分43b在氧化下的还原。
46.接下来，将描述形成功能层43的方法的另一示例。
47.在界面层41上，多个导电部分43b形成为岛。例如，在形成用于导电部分43b的材料之前引入微量的氧，表面张力暂时增加。因此，可以形成岛状的导电部分43b。随后，在整个表面上形成自旋扩散防止层43a。然后执行离子铣削以选择性地仅去除形成在导电部分43b上的自旋扩散防止层43a的部分。通过这样的方法，可以形成功能层43，该功能层43具有其中多个导电部分43b(岛)被自旋扩散防止层43a包围的结构。
48.如上所述，功能层43包括自旋扩散防止层43a和分别被自旋扩散防止层43a包围的多个导电部分43b。根据该配置，可以在维持界面层41和高ku层42之间的磁性接合的状态下防止阻尼的增加。因此，可以获得具有良好磁特性并且防止写入电流增加的磁阻效应元件。
49.当开口面积比(即，多个导电部分43b的总面积与功能层43的面积之比)落入5％至20％的范围内时，可以增强上述效果。
50.当功能层43的厚度落入0.5nm至5nm的范围内时，可以增强上述效果。
51.图5是其中采用上述磁阻效应元件100的磁存储器件的存储器基元阵列单元的透视图。
52.存储器基元阵列单元设置在包含半导体衬底(图中未示出)的下部区域(图中未示出)上方，并且包括多条字线wl、与字线wl交叉的多条位线bl，以及将字线wl连接到位线bl
的多个存储器基元mc。
53.字线wl和位线bl被配置为在对存储器基元mc进行写入或读取期间向存储器基元mc提供预定信号。在图5中，字线wl位于下层侧，位线bl位于上层侧。然而，字线wl可以位于上层侧，位线bl可以位于下层侧。
54.每个存储器基元mc包括前述的磁阻效应元件100和串联连接到磁阻效应元件100的选择器200。
55.在图5中，磁阻效应元件100位于下层侧，而选择器200位于上层侧。然而，磁阻效应元件100可以位于上层侧，而选择器200可以位于下层侧。
56.选择器200是具有非线性电流-电压特性的双端子切换元件。当施加到两个端子的电压小于阈值时，选择器处于高电阻状态，例如处于不导电状态。当施加到两个端子的电压等于或大于阈值时，选择器处于低电阻状态，例如处于导电状态。
57.当等于或大于预定电压的电压被施加到字线wl和位线bl时，选择器200处于导通状态(导电状态)。因此，可以对串联连接到选择器200的磁阻效应元件100执行写入或读取。
58.当上述磁阻效应元件100适用于图5所示的磁存储器件时，可以获得具有优异性能的磁存储器件。
59.尽管已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过示例的方式呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，这里描述的新颖实施例可以以多种其他形式体现；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对这里描述的实施例的形式进行各种省略、替换和改变。所附权利要求及其等同物旨在涵盖落入本公开的范围和精神内的此类形式或修改。
60.标号说明
61.10：垫层，
62.11：下层部分，
63.12：上层部分，
64.20：参考层(第二磁性层)，
65.21：co/pt人工晶格层，
66.21a：钴(co)层，
67.21b：铂(pt)层，
68.22：钴(co)层，
69.23：saf接合层，
70.24：钴(co)层，
71.25：钽(ta)层，
72.26：cofeb层，
73.30：隧道势垒层(非磁性层)，
74.40：存储层(第一磁性层)，
75.41：界面层(第一层)，
76.42：高ku层(第二层)，
77.42a：钴(co)层，
78.42b：铂(pt)层，
79.43：功能层(第三层)，
80.43a：自旋扩散防止层(第一部分)，
81.43b：导电部分(第二部分)，
82.50：帽层
83.100：磁阻效应元件，
84.200：选择器(切换元件)。