TWI673710B - 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性層之結晶性之磁性記憶裝置。 實施形態之磁性記憶裝置具備：下部區域10；及積層構造20，其設置於下部區域上；且積層構造包含：導電性氧化物層31，其含有硼(B)；第1磁性層21，其設置於下部區域與導電性氧化物層之間，具有可變之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；第2磁性層22，其設置於下部區域與第1磁性層之間，具有固定之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；及非磁性層25，其設置於第1磁性層與第2磁性層之間。

Description

磁性記憶裝置
本發明之實施形態係關於一種磁性記憶裝置(magnetic memory device)。
業界曾提案使磁阻效應元件(magnetoresistive element，磁阻元件)及MOS電晶體在半導體基板上積體化之磁性記憶裝置(半導體積體電路裝置)。 一般而言，上述之磁阻效應元件具有在記憶層(storage layer)與參考層(reference layer)之間設置有穿隧障壁層之構造。 為了獲得優異之磁阻效應元件，重要的是提高記憶層及參考層等之磁性層之結晶性，並抑制元件形成製程上之劣化。
實施形態提供一種具有優異之磁阻效應元件之磁性記憶裝置。 實施形態之磁性記憶裝置係具備下部區域、及設置於前述下部區域上之積層構造者，前述積層構造包含：導電性氧化物層，其含有硼(B)；第1磁性層，其設置於前述下部區域與前述導電性氧化物層之間，具有可變之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；第2磁性層，其設置於前述下部區域與前述第1磁性層之間，具有固定之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；及非磁性層，其設置於前述第1磁性層與前述第2磁性層之間。
以下，參照圖式說明實施形態。 (實施形態1) 圖1係示意性地顯示第1實施形態之磁性記憶裝置(半導體積體電路裝置)之構成之剖視圖。 在圖1中，在下部區域10包含：半導體基板(未圖示)、MOS電晶體(未圖示)、層間絕緣膜11及下部電極(bottom electrode)12等。下部電極12設置於層間絕緣膜11內，連接於MOS電晶體之源極及汲極之一者。 在下部區域10上設置有磁阻效應元件(magnetoresistive element)用之積層構造(stacked structure)20。此外，磁阻效應元件亦稱為MTJ(magnetic tunnel junction，磁穿隧接面)元件。 積層構造20包含：第1磁性層21、第2磁性層22、第3磁性層23、第4磁性層24、非磁性層(nonmagnetic layer)25、基底層(under layer)26、導電性氧化物層31、中間層(intermediate layer)32、中間層33、及導電性接觸層34。 具體而言，在下部區域10與導電性氧化物層31之間設置有第1磁性層21，在下部區域10與第1磁性層21之間設置有第2磁性層22，在第1磁性層21與第2磁性層22之間設置有非磁性層25，在下部區域10與第2磁性層22之間設置有第3磁性層23，在下部區域10與第3磁性層23之間設置有第4磁性層24，在下部區域10與第4磁性層24之間設置有基底層26，在第1磁性層21與導電性接觸層34之間設置有導電性氧化物層31，在第2磁性層22與第3磁性層23之間設置有中間層32，在第3磁性層23與第4磁性層24之間設置有中間層33。 第1磁性層21被用作磁阻效應元件之記憶層(storage layer)，具有可變之磁化方向(variable magnetization direction)。第1磁性層21至少含有鐵(Fe)及硼(B)。可行的是，第1磁性層21除含有鐵(Fe)及硼(B)外，更含有鈷(Co)。在本實施形態中，第1磁性層21由CoFeB形成。 第2磁性層22被用作磁阻效應元件之參考層(reference layer)之一部分，具有固定之磁化方向(fixed magnetization direction)。第2磁性層22至少含有鐵(Fe)及硼(B)。可行的是，第2磁性層22除含有鐵(Fe)及硼(B)外，更含有鈷(Co)。在本實施形態中，第2磁性層22由CoFeB形成。 此外，所謂磁化方向可變係表示磁化方向相對於特定之寫入電流變化，所謂磁化方向固定係表示磁化方向相對於特定之寫入電流不變。 第3磁性層23被用作磁阻效應元件之參考層之一部分，具有相對於第2磁性層22之磁化方向平行之固定之磁化方向。第3磁性層23含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少1個元素。具體而言，第3磁性層23由Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格(artificial lattice)形成。 第4磁性層24被用作磁阻效應元件之移位消除層，具有相對於第2磁性層22之磁化方向反平行(antiparallel)之固定之磁化方向。第4磁性層24含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少1個元素。具體而言，第4磁性層24由Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格形成。藉由將第4磁性層24設置為移位消除層，而可消除自參考層(第2磁性層22及第3磁性層23)施加至記憶層(第1磁性層21)之磁場。 非磁性層25具有絕緣性，用作磁阻效應元件之穿隧障壁層。非磁性層25含有鎂(Mg)及氧(O)。具體而言，非磁性層25由MgO形成。 基底層26係積層構造20之最下層，連接於下部電極12。基底層26例如由釕(Ru)、鉭(Ta)或鎢(W)形成。 導電性氧化物層31被用作磁阻效應元件之覆蓋層，由含有硼(B)之導電性氧化物形成。具體而言，導電性氧化物層31由含有硼(B)之導電性金屬氧化物形成。例如，可將以下之材料用於導電性氧化物層31。 第1，可將除含有氧(O)及硼(B)外，還含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種金屬元素之材料用於導電性氧化物層31。具體而言，可將含有硼(B)之ITO(indium tin oxide，銦錫氧化物)、或含有硼(B)之IGZO(indium gallium zinc oxide，銦鎵鋅氧化物)用作如上述之導電性氧化物層31。 第2，可將除含有氧(O)及硼(B)外，還含有自過渡金屬元素(transition metal element)及稀土類金屬元素(rare earth metal element)選擇之至少一種金屬元素之材料用於導電性氧化物層31。在此情形下，較佳的是，在如上述之材料中摻雜有金屬元素。在導電性氧化物層31之主成分為過渡金屬元素之情形下，可將鈮(Nb)、鉭(Ta)、鎢(W)、及鋰(Li)等用作所摻雜之金屬元素。例如，可將摻雜有Nb、Ta、W或Li之氧化鈦用作導電性氧化物層31。在導電性氧化物層31之主成分為稀土類金屬元素之情形下，可將銦(In)、鋰(Li)等用作所摻雜之金屬元素。例如，可將摻雜有In或Li之釓(Gd)氧化物、或摻雜有In或Li之鋱(Tb)氧化物用作導電性氧化物層31。又，可將具有氧缺陷(oxygen deficiency)之氧化物層用作導電性氧化物層31(含有自過渡金屬元素及稀土類金屬元素選擇之至少一種金屬元素之導電性氧化物層)。在此情形下，導電性氧化物層31所含有之氧之組成比低於化學計量比。例如，藉由在高還原性氣體環境中使氧化物之一部分還原，或在低氧之環境中成膜，而可形成如上述之具有氧缺陷之導電性氧化物層。 中間層32被用作第2磁性層22與第3磁性層23之間之擴散障壁層(diffusion barrier layer)。將鉭(Ta)層等用於該中間層32。 中間層33被用作第3磁性層23與第4磁性層24之間之SAF耦合層(synthetic antiferromagnetic coupling layer，合成反鐵磁耦合層)。將釕(Ru)層等用於中間層33。 導電性接觸層34係積層構造20之最上層，連接於後述之上部電極(top electrode)53。導電性接觸層34含有自釕(Ru)及銥(Ir)選擇之至少一種元素。釕及銥由於該氧化物具有導電性而適用於積層構造20之最上層。 上述之積層構造20被保護絕緣膜51覆蓋，保護絕緣膜51被層間絕緣膜52覆蓋。在形成於保護絕緣膜51及層間絕緣膜52之孔內設置有上部電極(top electrode)53。 上述之磁阻效應元件係具有垂直磁化(perpendicular magnetization)之STT(spin transfer torque，自旋轉移力矩)型磁阻效應元件。亦即，第1～第4磁性層21～24任一者均具有相對於各自之主面垂直之磁化方向。 又，上述之磁阻效應元件用之積層構造20之電阻在記憶層(第1磁性層21)之磁化方向相對於參考層(第2磁性層22及第3磁性層23)之磁化方向為平行時低於記憶層之磁化方向相對於參考層之磁化方向為反平行時。具體而言，當記憶層之磁化方向相對於參考層之磁化方向為平行時，積層構造20表示低電阻狀態，當記憶層之磁化方向相對於參考層之磁化方向為反平行時，積層構造20表示高電阻狀態。因而，磁阻效應元件能夠相應於電阻狀態(低電阻狀態及高電阻狀態)記憶二進制(binary)資料(0或1)。又，磁阻效應元件之電阻狀態能夠相應於在磁阻效應元件(積層構造20)中流動之寫入電流之方向而設定。 其次，參照圖1至圖3，針對本實施形態之磁性記憶裝置之製造方法進行說明。 首先，如圖2所示，在半導體基板(未圖示)上形成MOS電晶體(未圖示)、層間絕緣膜11及下部電極12等。藉此，形成下部區域10。 其次，在下部區域10上形成磁阻效應元件用之積層膜(stacked film)20a。以下，針對積層膜20a之形成方法進行說明。 首先，在下部區域10上利用濺射形成基底層26。可將釕(Ru)、鉭(Ta)或鎢(W)等用於基底層26之材料。 繼而，在基底層26上利用濺射形成成為移位消除層之第4磁性層24。具體而言，形成Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格層來作為第4磁性層24。人工晶格之週期數設為10～15週期左右。將氬(Ar)或氪(Kr)等之惰性氣體用於濺射。 繼而，在第4磁性層24上利用濺射形成中間層33。具體而言，形成具有0.4～0.8 nm左右之厚度之釕(Ru)層來作為中間層33。 繼而，在中間層33上利用濺射形成成為參考層之一部分之第3磁性層23。具體而言，形成Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格層來作為第3磁性層23。人工晶格之週期數設為3～5週期左右。 繼而，在第3磁性層23上利用濺射形成中間層32。具體而言，形成鉭(Ta)層來作為中間層32。 繼而，在中間層32上利用濺射形成成為參考層之一部分之第2磁性層22。具體而言，形成具有1.0～1.5 nm左右之厚度之CoFeB層來作為第2磁性層22。 繼而，在第2磁性層22上利用濺射形成成為穿隧障壁層之非磁性層25。具體而言，形成具有1.0 nm左右之厚度之MgO層來作為非磁性層25。 繼而，在非磁性層25上利用濺射形成成為記憶層之第1磁性層21。具體而言，形成1.0～1.5 nm左右之厚度之CoFeB層來作為第1磁性層21。 繼而，在第1磁性層21上利用濺射形成成為覆蓋層之導電性氧化物層(導電性金屬氧化物層)31。具體而言，形成含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種金屬元素之導電性氧化物層31。例如，形成ITO層或IGZO層來作為導電性氧化物層31。或，可形成摻雜有金屬元素(Nb、Ta、W、Li等)之過渡金屬氧化物層、或摻雜有金屬元素(In、Li等)之稀土類金屬氧化物層來作為導電性氧化物層31。作為導電性氧化物層31之形成方法可例舉使用氧化物靶之方法、或使用金屬靶之反應性濺射之方法。 繼而，進行熱處理。具體而言，利用RTA(rapid thermal annealing，快速熱退火)在真空中以350～450℃左右之溫度進行30～180秒左右之熱處理。利用該熱處理將第1及第2磁性層等結晶化。又，第1磁性層21所含有之硼(B)朝導電性氧化物層31中擴散。其結果為，獲得含有硼(B)之導電性氧化物層31。由於與第1磁性層21相鄰地形成有導電性氧化物層31，故能夠有效率地使第1磁性層21所含有之硼(B)朝導電性氧化物層31中擴散。 繼而，在含有硼(B)之導電性氧化物層31上形成導電性接觸層34。具體而言，利用濺射形成釕(Ru)層或銥(Ir)層來作為導電性接觸層34。 如以上般，在下部區域10上形成磁阻效應元件用之積層膜20a。 其次，在積層膜20a之導電性接觸層34上形成硬遮罩61。具體而言，首先，在導電性接觸層34上形成使用矽氧化膜或矽氮化膜之硬遮罩膜。繼而，在硬遮罩膜上形成抗蝕劑圖案。進而，藉由將抗蝕劑圖案用作遮罩來使硬遮罩膜圖案化，而形成硬遮罩61。 其次，如圖3所示，將圖2所示之硬遮罩61用作遮罩來蝕刻積層膜20a。具體而言，利用IBE(ion beam etching，離子束蝕刻)蝕刻積層膜20a。此時，亦蝕刻硬遮罩61。利用本步驟形成積層構造20。 其次，如圖1所示，形成覆蓋積層構造20之保護絕緣膜51。將矽氮化膜用於保護絕緣膜51。繼而，形成覆蓋保護絕緣膜51之層間絕緣膜52。將矽氧化膜用於層間絕緣膜52。繼而，在保護絕緣膜51及層間絕緣膜52形成到達導電性接觸層34之孔。進而，藉由在孔內形成上部電極53，而獲得如圖1所示之磁性記憶裝置。 如以上般，在本實施形態中，將導電性氧化物層31用作積層構造20之覆蓋層。亦即，在本實施形態中，在作為記憶層而發揮功能之第1磁性層21上形成導電性氧化物層31。因而，在熱處理時能夠利用導電性氧化物層31有效率地吸收第1磁性層21所含有之硼(B)，能夠提高第1磁性層21之結晶性。又，在導電性氧化物層31中，由於導電性氧化物層31所含有之金屬元素等之特定元素與氧強烈結合，故能夠防止特定元素自導電性氧化物層31擴散至第1磁性層21。因而，能夠抑制起因於特定元素之第1磁性層21之劣化。因而，在本實施形態中，能夠提高第1磁性層21之特性，而能夠獲得具有優異之特性之磁阻效應元件。 又，在本實施形態中，由於利用導電性氧化物層31吸收第1磁性層21所含有之硼(B)，故能夠減少硼(B)朝第1磁性層21之側面之擴散量。因而，能夠抑制硼(B)蓄積於第1磁性層21之側面附近。 又，在本實施形態中，由於將導電性氧化物層31用作積層構造20之覆蓋層，故為了獲得上部電極53與第1磁性層21之間之電性連接而可不在覆蓋層形成孔。亦即，在將絕緣性材料層用作覆蓋層之情形下，為了獲得上部電極53與第1磁性層21之間之電性連接而必須在絕緣性材料層形成孔。在本實施形態中，能夠在無須設置如上述之孔之下經由導電性氧化物層31確實且容易地獲得上部電極53與第1磁性層21之間之電性連接。 又，在本實施形態中，由於將導電性氧化物層31用於積層構造20之覆蓋層，故當蝕刻積層膜20a而形成積層構造20時，可利用導電性氧化物層31獲得高耐蝕刻性。因而，即便在蝕刻時導電性氧化物層31之一部分(例如上部角隅部分)露出，仍能夠利用具有高耐蝕刻性之導電性氧化物層31保護第1磁性層21等，而能夠正確地形成積層構造20。尤其是，在IBE中，由於導電性氧化物之蝕刻速度小於金屬之蝕刻速度，故如上述之效果顯著。 又，在本實施形態中，在導電性氧化物層31上設置有含有自釕(Ru)及銥(Ir)選擇之至少一種元素之導電性接觸層34。釕及銥之氧化物具有導電性。因而，即便導電性接觸層34之表面露出而被氧化，仍能夠維持導電性接觸層34之導電性。因而，能夠確實地獲得上部電極53與第1磁性層21之間之電性連接。 (實施形態2) 圖4係示意性地顯示第2實施形態之磁性記憶裝置(半導體積體電路裝置)之構成之剖視圖。此外，由於基本的構成與第1實施形態類似，故省略第1實施形態所說明之事情之說明。 下部區域10之構造與第1實施形態相同。在下部區域10上設置有磁阻效應元件用之積層構造20。 積層構造20包含：第1磁性層21、第2磁性層22、第3磁性層23、第4磁性層24、非磁性層25、基底層26、導電性氧化物層41、第2導電性氧化物層42、及中間層43。 具體而言，在下部區域10與導電性氧化物層41之間設置有第1磁性層21，在導電性氧化物層41與第1磁性層21之間設置有第2磁性層22，在第1磁性層21與第2磁性層22之間設置有非磁性層25，在第2磁性層22與第3磁性層23之間設置有導電性氧化物層41，在導電性氧化物層41與第2導電性氧化物層42之間且在導電性氧化物層41與第4磁性層24之間設置有第3磁性層23，在第3磁性層23與第2導電性氧化物層42之間設置有第4磁性層24，在下部區域10與第1磁性層21之間設置有基底層26，在第3磁性層23與第4磁性層24之間設置有中間層43。 第1磁性層21、第2磁性層22、第3磁性層23、第4磁性層24、非磁性層25及基底層26之功能及構成材料與第1實施形態相同。具體而言，將第1磁性層21用作記憶層，將第2磁性層22用作參考層之一部分，將第3磁性層23用作參考層之一部分，將第4磁性層24用作移位消除層，將非磁性層25用作穿隧障壁層。 導電性氧化物層41設置於第2磁性層22與第3磁性層23之間，由含有硼(B)之導電性氧化物形成。具體而言，導電性氧化物層41由含有硼(B)之導電性金屬氧化物形成。可將與用於第1實施形態之導電性氧化物層31之材料相同之材料用於該導電性氧化物層41。 將第2導電性氧化物層42用作磁阻效應元件之覆蓋層，由含有硼(B)之導電性氧化物形成。具體而言，第2導電性氧化物層42由含有硼(B)之導電性金屬氧化物形成。亦可將與用於第1實施形態之導電性氧化物層31之材料相同之材料用於該第2導電性氧化物層42。 中間層43被用作第3磁性層23與第4磁性層24之間之SAF耦合層。可將與用於第1實施形態之中間層33之材料相同之材料用於中間層43。 上述之積層構造20被保護絕緣膜51覆蓋，保護絕緣膜51被層間絕緣膜52覆蓋。在形成於保護絕緣膜51及層間絕緣膜52之孔內設置有上部電極53。 上述之磁性記憶裝置之磁阻效應元件之基本的功能及基本的動作與第1實施形態之磁阻效應元件相同。 其次，參照圖4至圖7，針對本實施形態之磁性記憶裝置之製造方法進行說明。 首先，如圖5所示，在半導體基板(未圖示)上形成MOS電晶體(未圖示)、層間絕緣膜11及下部電極12等。藉此，形成下部區域10。 其次，在下部區域10上形成磁阻效應元件用之積層膜20b1。以下，針對積層膜20b1之形成方法進行說明。 首先，在下部區域10上利用濺射形成基底層26。可將釕(Ru)、鉭(Ta)或鎢(W)等用於基底層26之材料。 繼而，在基底層26上利用濺射形成成為記憶層之第1磁性層21。具體而言，形成1.0～1.5 nm左右之厚度之CoFeB層來作為第1磁性層21。 繼而，在第1磁性層21上利用濺射形成成為穿隧障壁層之非磁性層25。具體而言，形成具有1.0 nm左右之厚度之MgO層來作為非磁性層25。 繼而，在非磁性層25上利用濺射形成成為參考層之一部分之第2磁性層22。具體而言，形成具有1.0～3.0 nm左右之厚度之CoFeB層來作為第1磁性層22。 繼而，在第2磁性層22上利用濺射形成導電性氧化物層(導電性金屬氧化物層)41。具體而言，形成含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種金屬元素之導電性氧化物層41。例如，形成ITO層或IGZO層來作為導電性氧化物層31。或，可形成摻雜有金屬元素(Nb、Ta、W、Li等)之過渡金屬氧化物層、或摻雜有金屬元素(In、Li等)之稀土類金屬氧化物層來作為導電性氧化物層31。 繼而，進行熱處理。具體而言，利用RTA在真空中以350～450℃左右之溫度進行30～180秒左右之熱處理。利用該熱處理將第1及第2磁性層等結晶化。又，第2磁性層22所含有之硼(B)朝導電性氧化物層41中擴散。其結果為，獲得含有硼(B)之導電性氧化物層41。由於與第2磁性層22相鄰地形成有導電性氧化物層41，故能夠有效率地使第2磁性層22所含有之硼(B)朝導電性氧化物層41中擴散。 其次，如圖6所示，利用乾式蝕刻使含有硼(B)之導電性氧化物層41變薄。 繼而，利用濺射在變薄之導電性氧化物層41上形成成為參考層之一部分之第3磁性層23。具體而言，形成Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格層來作為第3磁性層23。人工晶格之週期數設為3～5週期左右。此時，充分地獲得第2磁性層22與第3磁性層23之磁性耦合(magnetic coupling)。亦即，以充分地獲得第2磁性層22與第3磁性層23之磁性耦合之方式，預先使導電性氧化物層41之厚度充分地變薄。 繼而，在第3磁性層23上利用濺射形成中間層43。具體而言，形成0.4～0.8 nm左右之厚度之釕(Ru)層來作為中間層43。 繼而，在中間層43上利用濺射形成成為移位消除層之第4磁性層24。具體而言，形成Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格層來作為第4磁性層24。人工晶格之週期數設為10～15週期左右。 繼而，在第4磁性層24上利用濺射形成成為覆蓋層之第2導電性氧化物層(導電性金屬氧化物層)42。具體而言，形成含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種金屬元素之導電性氧化物層42。例如，形成ITO層或IGZO層來作為導電性氧化物層42。或，可形成摻雜有金屬元素(Nb、Ta、W、Li等)之過渡金屬氧化物層、或摻雜有金屬元素(In、Li等)之稀土類金屬氧化物層來作為導電性氧化物層42。此外，若在以後之製程中能夠容許起因於先前所述之元件之側面上部之蝕刻的對元件之損傷，則可使用鉭(Ta)層或釕(Ru)層之金屬層來替代導電性氧化物層42。 如以上般，在下部區域10上形成磁阻效應元件用之積層膜20b2。 其次，在積層膜20b2之第2導電性氧化物層42上形成硬遮罩61。硬遮罩61之具體的材料及形成方法與第1實施形態相同。 其次，如圖7所示，將圖6所示之硬遮罩61用作遮罩來蝕刻積層膜20b2。具體而言，利用IBE蝕刻積層膜20b2。此時，亦蝕刻硬遮罩61。利用本步驟形成有積層構造20。 其次，如圖4所示，與第1實施形態相同地形成覆蓋積層構造20之保護絕緣膜51，並形成覆蓋保護絕緣膜51之層間絕緣膜52。繼而，在保護絕緣膜51及層間絕緣膜52形成到達第2導電性氧化物層42之孔。進而，藉由在孔內形成上部電極53，而獲得如圖4所示之磁性記憶裝置。此外，可行的是，替代在孔內形成上部電極53，而利用CMP或乾式回蝕使元件之上表面露出，使上部電極53與露出之上表面接觸。 如以上般，在本實施形態中，在作為參考層之一部分而發揮功能之第2磁性層22上形成導電性氧化物層41。因而，在熱處理時能夠利用導電性氧化物層41有效率地吸收第2磁性層22所含有之硼(B)，能夠提高第2磁性層22之結晶性。又，在導電性氧化物層41中，由於導電性氧化物層41所含有之金屬元素等之特定元素與氧強烈結合，故能夠防止特定元素自導電性氧化物層41擴散至第2磁性層22。因而，能夠抑制起因於特定元素之第2磁性層22之劣化。因而，在本實施形態中，能夠提高第2磁性層22之特性，而能夠獲得具有優異之特性之磁阻效應元件。 又，在本實施形態中，由於利用導電性氧化物層41吸收第2磁性層22所含有之硼(B)，故能夠減少硼(B)朝第2磁性層22之側面之擴散量。因而，能夠抑制硼(B)蓄積於第2磁性層22之側面附近。 又，在本實施形態中，由於將第2導電性氧化物層42用作積層構造20之覆蓋層，故能夠與第1實施形態相同地，在無須在覆蓋層(第2導電性氧化物層42)設置孔之下，經由第2導電性氧化物層42確實且容易地獲得上部電極53與第4磁性層24之間之電性連接。 又，在本實施形態中，由於將第2導電性氧化物層42用作積層構造20之覆蓋層，故當蝕刻積層膜20b2而形成積層構造20時，可利用第2導電性氧化物層42獲得高耐蝕刻性。因而，與第1實施形態相同地能夠確實地形成積層構造20。 此外，在本實施形態中，可將導電性氧化物層用於基底層26，自第1磁性層21吸收硼(B)。藉此，可提高第1磁性層21之結晶性。 (實施形態3) 圖8係示意性地顯示第3實施形態之磁性記憶裝置(半導體積體電路裝置)之構成之剖視圖。此外，由於基本的構成與第1及第2實施形態類似，故省略第1及第2實施形態所說明之事項之說明。 下部區域10之構造與第1實施形態相同。在下部區域10上設置有磁阻效應元件用之積層構造20。 積層構造20包含：第1磁性層21、第2磁性層22、第3磁性層23、第4磁性層24、非磁性層25、基底層26、導電性氧化物層41、第2導電性氧化物層42、及中間層44。 具體而言，在下部區域10與導電性氧化物層41之間設置有第1磁性層21，在導電性氧化物層41與第1磁性層21之間設置有第2磁性層22，在第1磁性層21與第2磁性層22之間設置有非磁性層25，在第2磁性層22與第3磁性層23之間設置有導電性氧化物層41，在導電性氧化物層41與第2導電性氧化物層42之間設置有第3磁性層23，在下部區域10與第1磁性層21之間設置有第4磁性層24，在下部區域10與第4磁性層24之間設置有基底層26，在第1磁性層21與第4磁性層24之間設置有中間層44。 第1磁性層21、第2磁性層22、第3磁性層23、第4磁性層24、非磁性層25及基底層26之功能及構成材料與第1實施形態相同。具體而言，將第1磁性層21用作記憶層，將第2磁性層22用作參考層之一部分，將第3磁性層23用作參考層之一部分，將第4磁性層24用作移位消除層，將非磁性層25用作穿隧障壁層。 導電性氧化物層41設置於第2磁性層22與第3磁性層23之間，由含有硼(B)之導電性氧化物形成。具體而言，導電性氧化物層41由含有硼(B)之導電性金屬氧化物形成。可將與用於第1實施形態之導電性氧化物層31之材料相同之材料用於該導電性氧化物層41。 第2導電性氧化物層42被用作磁阻效應元件之覆蓋層，由含有硼(B)之導電性氧化物形成。具體而言，第2導電性氧化物層42由含有硼(B)之導電性金屬氧化物形成。亦可將與用於第1實施形態之導電性氧化物層31之材料相同之材料用於該第2導電性氧化物層42。 中間層44被用作第1磁性層21與第4磁性層24之間之擴散障壁層。將鉭(Ta)層等用於該中間層44。 上述之積層構造20被保護絕緣膜51覆蓋，保護絕緣膜51被層間絕緣膜52覆蓋。在形成於保護絕緣膜51及層間絕緣膜52之孔內設置有上部電極53。 上述之磁性記憶裝置之磁阻效應元件之基本的功能及基本的動作與第1實施形態之磁阻效應元件相同。 其次，參照圖8至圖11，針對本實施形態之磁性記憶裝置之製造方法進行說明。 首先，如圖9所示，在半導體基板(未圖示)上形成MOS電晶體(未圖示)、層間絕緣膜11及下部電極12等。藉此，形成下部區域10。 其次，在下部區域10上形成磁阻效應元件用之積層膜20c1。以下，針對積層膜20c1之形成方法進行說明。 首先，在下部區域10上利用濺射形成基底層26。可將釕(Ru)、鉭(Ta)或鎢(W)等用於基底層26之材料。 繼而，在基底層26上利用濺射形成成為移位消除層之第4磁性層24。具體而言，形成Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格層來作為第4磁性層24。人工晶格之週期數設為10週期左右。 繼而，在第4磁性層24上利用濺射形成中間層44。具體而言，形成鉭(Ta)層來作為中間層44。 繼而，在中間層44上利用濺射形成成為記憶層之第1磁性層21。具體而言，形成1.0～1.5 nm左右之厚度之CoFeB層來作為第1磁性層21。 繼而，在第1磁性層21上利用濺射形成成為穿隧障壁層之非磁性層25。具體而言，形成具有1.0 nm左右之厚度之MgO層來作為非磁性層25。 繼而，在非磁性層25上利用濺射形成成為參考層之一部分之第2磁性層22。具體而言，形成具有1.0～1.5 nm左右之厚度之CoFeB層來作為第2磁性層22。 繼而，在第2磁性層22上利用濺射形成導電性氧化物層(導電性金屬氧化物層)41。具體而言，形成含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種金屬元素之導電性氧化物層41。例如，形成ITO層或IGZO層來作為導電性氧化物層41。或，可形成摻雜有金屬元素(Nb、Ta、W、Li等)之過渡金屬氧化物層、或摻雜有金屬元素(In、Li等)之稀土類金屬氧化物層來作為導電性氧化物層41。 繼而，進行熱處理。具體而言，利用RTA在真空中以350～450℃左右之溫度進行30～180秒左右之熱處理。利用該熱處理將第1及第2磁性層等結晶化。又，第2磁性層22所含有之硼(B)朝導電性氧化物層41中擴散。其結果為，獲得含有硼(B)之導電性氧化物層41。由於與第2磁性層22相鄰地形成有導電性氧化物層41，故能夠有效率地使第2磁性層22所含有之硼(B)朝導電性氧化物層41中擴散。 其次，如圖10所示，利用乾式蝕刻使含有硼(B)之導電性氧化物層41變薄。 繼而，利用濺射在變薄之導電性氧化物層41上形成成為參考層之一部分之第3磁性層23。具體而言，形成Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格層來作為第3磁性層23。人工晶格之週期數設為3～5週期左右。此時，充分地獲得第2磁性層22與第3磁性層23之磁性耦合。亦即，以充分地獲得第2磁性層22與第3磁性層23之磁性耦合之方式，預先使導電性氧化物層41之厚度充分地變薄。 繼而，在第3磁性層23上利用濺射形成成為覆蓋層之第2導電性氧化物層(導電性金屬氧化物層)42。具體而言，形成含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種金屬元素之第2導電性氧化物層42。例如，形成ITO層或IGZO層來作為第2導電性氧化物層42。或，可形成摻雜有金屬元素(Nb、Ta、W、Li等)之過渡金屬氧化物層、或摻雜有金屬元素(In、Li等)之稀土類金屬氧化物層來作為第2導電性氧化物層42。 如以上般，在下部區域10上形成磁阻效應元件用積層膜20c2。 其次，在積層膜20c2之第2導電性氧化物層42上形成硬遮罩61。硬遮罩61之具體的材料及形成方法與第1實施形態相同。 此外，可行的是，在第3磁性層23上形成中間層(Ru層等)來作為SAF耦合層，在該中間層上形成第5磁性層(Co/Pt、Co/Ni或Co/Pd等之人工晶格層)來作為移位消除層。在此情形下，在第5磁性層上形成有第2導電性氧化物層42。 其次，如圖11所示，將圖10所示之硬遮罩61用作遮罩來蝕刻積層膜20c2。具體而言，利用IBE蝕刻積層膜20c2。此時，亦蝕刻硬遮罩61。利用本步驟形成積層構造20。 其次，如圖8所示，與第1實施形態相同地形成覆蓋積層構造20之保護絕緣膜51，並形成覆蓋保護絕緣膜51之層間絕緣膜52。繼而，在保護絕緣膜51及層間絕緣膜52形成到達第2導電性氧化物層42之孔。再者，藉由在孔內形成上部電極53，而獲得如圖8所示之磁性記憶裝置。 如以上般，在本實施形態中，在作為參考層之一部分而發揮功能之第2磁性層22上形成導電性氧化物層41。因而，在熱處理時能夠利用導電性氧化物層41有效率地吸收第2磁性層22所含有之硼(B)，能夠提高第2磁性層22之結晶性。又，在導電性氧化物層41中，由於導電性氧化物層41所含有之金屬元素等之特定元素與氧強烈結合，故能夠防止特定元素自導電性氧化物層41擴散至第2磁性層22。因而，能夠抑制起因於特定元素之第2磁性層22之劣化。因而，在本實施形態中，能夠提高第2磁性層22之特性，而能夠獲得具有優異之特性之磁阻效應元件。 又，在本實施形態中，由於利用導電性氧化物層41吸收第2磁性層22所含有之硼(B)，故能夠減少硼(B)朝第2磁性層22之側面之擴散量。因而，能夠抑制硼(B)蓄積於第2磁性層22之側面附近。 又，在本實施形態中，由於將第2導電性氧化物層42用作積層構造20之覆蓋層，故能夠與第1實施形態相同地，在無須在覆蓋層(第2導電性氧化物層42)設置孔之下，經由第2導電性氧化物層42確實且容易地獲得上部電極53與第3磁性層23之間之電性連接。 又，在本實施形態中，由於將第2導電性氧化物層42用作積層構造20之覆蓋層，故當蝕刻積層膜20c2而形成積層構造20時，可利用第2導電性氧化物層42獲得高耐蝕刻性。因而，與第1實施形態相同地能夠正確地形成積層構造20。 圖12係示意性地顯示應用上述之第1、第2及第3實施形態所示之磁阻效應元件之半導體積體電路裝置之一般的構成之一例的剖視圖。 在半導體基板SUB內形成有埋入閘極(buried gate)型MOS電晶體TR。將MOS電晶體TR之閘極電極用作字元線WL。在MOS電晶體TR之源極/汲極區域S/D之一者連接有下部電極(bottom electrode)BEC，在源極/汲極區域S/D之另一者連接有源極線接點SC。 在下部電極BEC上形成有磁阻效應元件MTJ，在磁阻效應元件MTJ上形成有上部電極(top electrode)TEC。在上部電極TEC連接有位元線BL。在源極線接點SC連接有源極線SL。 藉由將如上述之第1、第2及第3實施形態所說明之磁阻效應元件應用於如圖12所示之半導體積體電路裝置，而能夠獲得優異之半導體積體電路裝置。 以下，附記上述之實施形態之內容。 [附記1] 一種磁性記憶裝置，其特徵在於具備： 下部區域；及 積層構造，其設置於前述下部區域上；且 前述積層構造包含： 導電性氧化物層，其含有硼(B)； 第1磁性層，其設置於前述下部區域與前述導電性氧化物層之間，具有可變之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)； 第2磁性層，其設置於前述下部區域與前述第1磁性層之間，具有固定之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；及 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。 [附記2] 如附記1之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第3磁性層，該第3磁性層設置於前述下部區域與前述第2磁性層之間，具有相對於前述第2磁性層之磁化方向平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素。 [附記3] 如附記2之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第4磁性層，該第4磁性層設置於前述下部區域與前述第3磁性層之間，具有相對於前述第2磁性層之磁化方向反平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素。 [附記4] 如附記1之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種元素。 [附記5] 如附記1之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層含有自過渡金屬元素及稀土類金屬元素選擇之至少一種元素。 [附記6] 如附記5之磁性記憶裝置，其中在前述導電性氧化物層摻雜有特定之金屬元素。 [附記7] 如附記5之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層所含有之氧之組成比小於化學計量比。 [附記8] 如附記1之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含導電性接觸層，該導電性接觸層含有自釕(Ru)及銥(Ir)選擇之至少一種元素；且 前述導電性氧化物層設置於前述第1磁性層與前述導電性接觸層之間。 [附記9] 如附記1之磁性記憶裝置，其中前述非磁性層含有鎂(Mg)及氧(O)。 [附記10] 一種磁性記憶裝置，其特徵在於具備： 下部區域；及 積層構造，其設置於前述下部區域上；且 前述積層構造包含： 導電性氧化物層，其含有硼(B)； 第1磁性層，其設置於前述下部區域與前述導電性氧化物層之間，具有可變之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)； 第2磁性層，其設置於前述導電性氧化物層與前述第1磁性層之間，具有固定之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；及 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。 [附記11] 如附記10之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第3磁性層，該第3磁性層具有相對於前述第2磁性層之磁化方向平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素；且 前述導電性氧化物層設置於前述第2磁性層與前述第3磁性層之間。 [附記12] 如附記11之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第2導電性氧化物層；且 前述第3磁性層設置於前述導電性氧化物層與前述第2導電性氧化物層之間。 [附記13] 如附記11之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第4磁性層，該第4磁性層具有相對於前述第2磁性層磁化方向反平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素；且 前述第3磁性層設置於前述導電性氧化物層與前述第4磁性層之間。 [附記14] 如附記13之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第2導電性氧化物層；且 前述第4磁性層設置於前述第3磁性層與前述第2導電性氧化物層之間。 [附記15] 如附記11之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第4磁性層，該第4磁性層設置於前述下部區域與前述記憶層之間，具有相對於前述第2磁性層之磁化方向反平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素。 [附記16] 如附記10之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種元素。 [附記17] 如附記10之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層含有自過渡金屬元素及稀土類金屬元素選擇之至少一種元素。 [附記18] 如附記17之磁性記憶裝置，其中在前述導電性氧化物層摻雜有特定之金屬元素。 [附記19] 如附記17之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層所含有之氧之組成比小於化學計量比。 [附記20] 如附記10之磁性記憶裝置，其中前述非磁性層含有鎂(Mg)及氧(O)。 雖然說明了本發明之若干個實施形態，但該等實施形態係作為例子而提出者，並非意圖限定本發明之範圍。該等新穎之實施形態可利用其他各種形態實施，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包含於本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。
10‧‧‧下部區域
11‧‧‧層間絕緣膜
12‧‧‧下部電極
20‧‧‧積層構造
20a‧‧‧積層膜
20b1‧‧‧積層膜
20b2‧‧‧積層膜
20c1‧‧‧積層膜
20c2‧‧‧積層膜
21‧‧‧第1磁性層
22‧‧‧第2磁性層
23‧‧‧第3磁性層
24‧‧‧第4磁性層
25‧‧‧非磁性層
26‧‧‧基底層
31‧‧‧導電性氧化物層/導電性金屬氧化物層
32‧‧‧中間層
33‧‧‧中間層
34‧‧‧導電性接觸層
41‧‧‧導電性氧化物層/導電性金屬氧化物層
42‧‧‧第2導電性氧化物層/導電性金屬氧化物層/導電性氧化物層
43‧‧‧中間層
44‧‧‧中間層
51‧‧‧保護絕緣膜
52‧‧‧層間絕緣膜
53‧‧‧上部電極
61‧‧‧硬遮罩
BEC‧‧‧下部電極
BL‧‧‧位元線
MTJ‧‧‧磁穿隧接面/磁阻效應元件
SC‧‧‧源極線接點
SL‧‧‧源極線
SUB‧‧‧半導體基板
S/D‧‧‧源極/汲極區域
TEC‧‧‧上部電極
TR‧‧‧MOS電晶體
WL‧‧‧字元線
圖1係示意性地顯示第1實施形態之磁性記憶裝置之構成之剖視圖。 圖2係示意性地顯示第1實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖3係示意性地顯示第1實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖4係示意性地顯示第2實施形態之磁性記憶裝置之構成之剖視圖。 圖5係示意性地顯示第2實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖6係示意性地顯示第2實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖7係示意性地顯示第2實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖8係示意性地顯示第3實施形態之磁性記憶裝置之構成之剖視圖。 圖9係示意性地顯示第3實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖10係示意性地顯示第3實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖11係示意性地顯示第3實施形態之磁性記憶裝置之製造方法之一部分之剖視圖。 圖12係示意性地顯示應用第1、第2及第3實施形態所示之磁阻效應元件之半導體積體電路裝置之一般的構成之一例的剖視圖。

Claims (16)

  1. 一種磁性記憶裝置，其係具備以下部分者，即：下部區域；及積層構造，其設置於前述下部區域上；且前述積層構造包含：導電性氧化物層，其可吸收硼(B)；第1磁性層，其設置於前述下部區域與前述導電性氧化物層之間，具有可變之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；第2磁性層，其設置於前述下部區域與前述第1磁性層之間，具有固定之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；及非磁性層，其設置於前述第1磁性層與前述第2磁性層之間。
  2. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第3磁性層，該第3磁性層設置於前述下部區域與前述第2磁性層之間，具有相對於前述第2磁性層之磁化方向平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素。
  3. 如請求項1之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含導電性接觸層，該導電性接觸層含有自釕(Ru)及銥(Ir)選擇之至少一種元素；且前述導電性氧化物層設置於前述第1磁性層與前述導電性接觸層之間。
  4. 如請求項2之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第4磁性層，該第4磁性層設置於前述下部區域與前述第3磁性層之間，具有相對於前述第2磁性層之磁化方向反平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素。
  5. 如請求項2之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第2導電性氧化物層；且前述第3磁性層設置於前述導電性氧化物層與前述第2導電性氧化物層之間。
  6. 一種磁性記憶裝置，其係具備以下部分者，即：下部區域；及積層構造，其設置於前述下部區域上；且前述積層構造包含：導電性氧化物層，其可吸收硼(B)；第1磁性層，其設置於前述下部區域與前述導電性氧化物層之間，具有可變之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；第2磁性層，其設置於前述導電性氧化物層與前述第1磁性層之間，具有固定之磁化方向，且含有鐵(Fe)及硼(B)；及非磁性層，其設置於前述第1磁性層與前述第2磁性層之間。
  7. 如請求項6之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第3磁性層，該第3磁性層具有相對於前述第2磁性層之磁化方向平行之固定之磁化方 向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素；且前述導電性氧化物層設置於前述第2磁性層與前述第3磁性層之間。
  8. 如請求項7之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第4磁性層，該第4磁性層具有相對於前述第2磁性層之磁化方向反平行之固定之磁化方向，且含有自鈷(Co)、鉑(Pt)、鎳(Ni)及鈀(Pd)選擇之至少一種元素；且前述第3磁性層設置於前述導電性氧化物層與前述第4磁性層之間。
  9. 如請求項8之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含第2導電性氧化物層；且前述第4磁性層設置於前述第3磁性層與前述第2導電性氧化物層之間。
  10. 如請求項1或6之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層含有自銦(In)、鋅(Zn)及錫(Sn)選擇之至少一種元素。
  11. 如請求項1或6之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層含有自過渡金屬元素及稀土類金屬元素選擇之至少一種元素。
  12. 如請求項11之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層中摻雜有特定金屬元素。
  13. 如請求項11之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層所含有之氧 之組成比低於化學計量比。
  14. 如請求項1或6之磁性記憶裝置，其中前述導電性氧化物層吸收前述第1磁性層所包含之硼(B)。
  15. 如請求項6之磁性記憶裝置，其中前述積層構造更包含導電性接觸層，該導電性接觸層含有自釕(Ru)及銥(Ir)選擇之至少一種元素；且前述導電性氧化物層設置於前述第1磁性層與前述導電性接觸層之間。
  16. 如請求項1或6之磁性記憶裝置，其中前述非磁性層含有鎂(Mg)及氧(O)。
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