TWI804102B - 磁儲存裝置 - Google Patents

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TWI804102B TW110146697A TW110146697A TWI804102B TW I804102 B TWI804102 B TW I804102B TW 110146697 A TW110146697 A TW 110146697A TW 110146697 A TW110146697 A TW 110146697A TW I804102 B TWI804102 B TW I804102B
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鴻井克彦
都甲大
及川壮一
杉山英行
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日商鎧俠股份有限公司
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Abstract

本發明之實施例提供一種磁儲存裝置，其包含具有極佳特性之一磁阻效應元件。 根據一項實施例，一種磁儲存裝置包含一磁阻效應元件，該磁阻效應元件包含：一第一磁性層，其具有一可變磁化方向；一第二磁性層，其具有一固定磁化方向；及一非磁性層，其在該第一磁性層與該第二磁性層之間。該第一磁性層包含：一第一層，其係磁性的；一第二層，其係磁性的且比該第一層距該非磁性層更遠；及一第三層，其在該第一層與該第二層之間。該第三層包含由一絕緣材料或一半導體材料形成之一第一部分，及由該第一部分包圍且由一導電材料形成之複數個第二部分。

Description

磁儲存裝置
本文中描述之實施例大體上係關於一種磁儲存裝置。
已提出其中複數個磁阻效應元件整合於一半導體基板上之一磁儲存裝置。
實施例提供一種磁儲存裝置，其包含具有極佳特性之一磁阻效應元件。
一般而言，根據一項實施例，一種磁儲存裝置包含一磁阻效應元件，該磁阻效應元件包含：一第一磁性層，其具有一可變磁化方向；一第二磁性層，其具有一固定磁化方向；及一非磁性層，其在該第一磁性層與該第二磁性層之間。該第一磁性層包含：一第一層部分，其係磁性的；一第二層部分，其係磁性的且比該第一層部分距該非磁性層更遠；及一第三層部分，其在該第一層部分與該第二層部分之間。該第三層部分包含由一絕緣材料或一半導體材料形成之一第一部分，及由該第一部分包圍且由一導電材料形成之複數個第二部分。
10:下層
11:下層部分
12:上層部分
20:參考層(第二磁性層)
21:Co/Pt人工晶格層
21a:鈷(Co)層
21b:鉑(Pt)層
22:鈷(Co)層
23:合成反鐵磁性(SAF)接合層
24:鈷(Co)層
25:鉭(Ta)層
26:CoFeB層
30:穿隧障壁層(非磁性層)
40:儲存層(第一磁性層)
41:介面層(第一層)
42:高Ku層(第二層)
42a:鈷(Co)層
42b:鉑(Pt)層
43:功能層(第三層)
43a:自旋擴散防止層(第一部分)
43b:導電部分(第二部分)
50:頂蓋層
100:磁阻效應元件
200:選擇器(切換元件)
圖1係根據一實施例之一磁儲存裝置中之一磁阻效應元件之一橫截面視圖。
圖2係根據一實施例之一磁儲存裝置中之一磁阻效應元件的一功能層之一橫截面視圖。
圖3係根據一實施例之一磁儲存裝置中之一磁阻效應元件的一功能層之一橫截面視圖。
圖4係繪示根據一實施例之一磁儲存裝置中之一磁阻效應元件之一功能層中的一適當開口面積比率之一計算之結果的一圖表。
圖5係根據一實施例之一磁儲存裝置之一記憶體胞元陣列單元之一透視圖。
在下文中，將參考圖式描述特定實例實施例。
圖1係根據一實施例之在一磁儲存裝置中之一磁阻效應元件100之一X-Z平面中的一橫截面視圖。
磁阻效應元件100係一磁性穿隧接面(MTJ)元件。磁阻效應元件100係具有垂直磁化之一自旋轉移力矩(STT)元件。磁阻效應元件100包含一下層10、一參考層20、一穿隧障壁層30、一儲存層40及一頂蓋層50。
提供下層10以用於形成於其上之一磁性層(例如，在圖1之實例中，參考層20)中之良好晶體生長。明確言之，下層10包含含有鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、鈮(Nb)或類似者之一非晶形下層部分11，及含有釕(Ru)、銠(Rh)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、鋨(Os)、銥(Ir)、鋁(Al)、銀(Ag)或類似者之一上層部分12。上層部分12具有一緊密堆積晶面，諸 如一面心立方(FCC)平面或一六方緊密堆積(HCP)平面。當提供此一下層10時，參考層20可具有具極佳垂直磁性各向異性之一六方緊密堆積結構。
參考層20係具有一固定磁化方向之一鐵磁性層。在此內容背景中，一固定磁化方向意謂在施加一預定寫入電流時，一層之磁化方向不變。參考層20包含：具有交替堆疊之鈷(Co)層21a及鉑(Pt)層21b之Co/Pt人工晶格層21、鈷(Co)層22、一合成反鐵磁性(SAF)接合層23、鈷(Co)層24、鉭(Ta)層25及含有鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)之CoFeB層26。
Co/Pt人工晶格層21具有高垂直磁性各向異性。代替Co/Pt人工晶格層21，可使用Co/Pd人工晶格層、CoPt合金層、FePt合金層或Fe-Co-Tb層。
SAF接合層23係由銥(Ir)層、釕(Ru)層或銠(Rh)層形成。藉由包含SAF接合層23，可改良參考層20之磁性穩定性，且可減小一漏磁場。
在SAF接合層23之介面上，提供形成FCC或HCP平面之Co層22及Co層24使得獲得一良好SAF接合力。
CoFeB層26係一介面層。CoFeB層26與穿隧障壁層30接觸。歸因於CoFeB層26，可獲得一良好磁阻效應。
Ta層25與CoFeB層26接觸。當提供具有約0.5nm或更小之一厚度之Ta層25時，可達成CoFeB層26與穿隧障壁層30之間之一良好介面狀態。代替Ta層25，可使用Mo層、Nb層或W層。
穿隧障壁層30係提供於儲存層40與參考層20之間之一絕緣層。穿隧障壁層30係由氧化鎂(MgO)層形成。
儲存層40用作整體具有一可變磁化方向之一鐵磁層，且包含一介面層41、一高Ku層42及一功能層43。在此內容背景中，一可變磁化方向意謂可藉由施加一預定寫入電流來改變層之磁化方向。
介面層41係一鐵磁層。介面層41提供於穿隧障壁層30與高Ku層42之間，且與穿隧障壁層30接觸。介面層41至少含有鐵(Fe)。在一實施例中，介面層41係由含有鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)之CoFeB層形成。
高Ku層42係鐵磁性的，且具有高垂直磁性各向異性。高Ku層42之垂直磁性各向異性高於介面層41之垂直磁性各向異性。高Ku層42含有鐵(Fe)及鈷(Co)之至少一者以及選自鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、釕(Ru)、銠(Rh)、鋱(Tb)或稀土元素之至少一種元素。在一實施例中，高Ku層42係由具有交替堆疊之鈷(Co)層42a及鉑(Pt)層42b之Co/Pt人工晶格層形成。高Ku層42可由Co/Pd人工晶格層、CoPt合金層、FePt合金層或CoPtCr合金層形成。
功能層43提供於介面層41與高Ku層42之間。如圖2及圖3(在磁阻效應元件100之一X-Z平面中之一橫截面視圖及在其之一X-Y平面中之一橫截面視圖)中繪示，功能層43包含由一絕緣材料或一半導體材料形成之一自旋擴散防止層43a，及各自由自旋擴散防止層43a包圍且由一導電材料形成之複數個導電部分43b。複數個導電部分43b穿透在介面層41與高Ku層42之間之自旋擴散防止層43a。明確言之，導電部分43b之各者之一下表面與介面層41接觸，且導電部分43b之各者之一上表面與高Ku層42接觸。
功能層43具有防止歸因於自介面層41至高Ku層42之自旋擴散之介面層41之阻尼常數的一增大之一功能。功能層43防止寫入電流 之一增大。介面層41需要經由功能層43磁性接合至高Ku層42。為了防止阻尼常數之一增大且將介面層41磁性接合至高Ku層42(如上文描述)，功能層43包含自旋擴散防止層43a及導電部分43b。
從降低自旋擴散以防止阻尼常數之一增大的觀點來看，增大自旋擴散防止層43a之比率，且減小用作一金屬路徑之導電部分43b之比率係較佳的。另一方面，當功能層43僅由自旋擴散防止層43a形成而無導電部分43b時，未獲得磁性接合。因此，自旋力矩磁化反轉僅影響介面層41而不影響高Ku層42。
頂蓋層50係用於改良與頂蓋層50接觸之高Ku層42之特性(例如，結晶度及/或磁性性質)之一層。頂蓋層50係一非磁性導電層且含有例如鉑(Pt)、鎢(W)、鉭(Ta)或釕(Ru)。
因此，需要精確地調整導電部分43b對整個功能層43之比率(在下文中，有時稱為開口面積比率)。亦即，需要精確地調整如在介面層41、高Ku層42及功能層43於其中堆疊之方向(Z方向)上觀看到的複數個導電部分43b之總面積對功能層43之面積之比率。
圖4描繪一適當開口面積比率之一計算結果。一左側縱軸a-eff係對應於一阻尼常數之一值，且一右側縱軸Jex係對應於磁性接合之大小之一值。功能層43之厚度係1nm。
為了介面層41與高Ku層42之間之良好磁性反轉，Jex(erg/cm2)之值需要落在0.5至5之一範圍內。在此一情況中，開口面積比率較佳地落在約0.05至約0.3之一範圍內。為了將阻尼常數之一增大減少至約10%，開口面積比率較佳地為約0.2或更小。因此，開口面積比率(亦即，複數個導電部分43b之總面積對功能層43之面積之比率)較佳地落在 5%至20%之一範圍內。
自旋擴散防止層43a具有絕緣性質，且係由氧化物、氮化物、硼化物、II-VI族半導體或III-V族半導體形成。自旋擴散防止層43a需要具有絕緣性質以用作一自旋擴散防止層。自旋擴散防止層43a可由一絕緣材料或一半導體材料形成。
導電部分43b係由一金屬磁性物質形成，且用作一金屬路徑。導電部分43b含有選自鐵(Fe)、鈷(Co)及鎳(Ni)之至少一種元素。
導電部分43b可進一步含有選自鑭系元素、鋁(Al)、矽(Si)、鎵(Ga)、鎂(Mg)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈣(Ca)、鈧(Sc)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋅(Zn)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)及鉿(Hf)之至少一種元素。在下文中，選自上文列出之元素之一特定元素可被稱為一「選定元素」。
如上文描述，導電部分43b含有選自Fe、Co及Ni之一磁性金屬。當自旋擴散防止層43a係由氧化物形成時，構成自旋擴散防止層43a之氧化物之一形成能量(energy of formation)較佳地低於導電部分43b中所含之磁性金屬之氧化物之一形成能量。當自旋擴散防止層43a係由氮化物形成時，構成自旋擴散防止層43a之氮化物之一形成能量較佳地低於導電部分43b中所含之磁性金屬之氮化物一形成能量。當自旋擴散防止層43a係由硼化物形成時，構成自旋擴散防止層43a之硼化物之一形成能量較佳地低於導電部分43b中所含之磁性金屬之硼化物之一形成能量。
當滿足上文描述之條件時，可穩定地形成功能層43。例如，當自旋擴散防止層43a係一選定元素之氧化物時，選定元素之氧化物之形成能量應低於磁性金屬(例如，Fe、Co或Ni)之氧化物之形成能量。因 此，當自旋擴散防止層43a係由選定元素之氧化物形成時，可形成穩定之自旋擴散防止層43a。
自旋擴散防止層43a較佳地由促進高Ku層42在自旋擴散防止層43a上之磊晶生長之一材料形成。明確言之，自旋擴散防止層43a較佳地由具有一尖晶石結構之氧化物或具有一剛玉結構之氧化物形成。更明確言之，自旋擴散防止層43a較佳地由Fe氧化物、Co氧化物或Al氧化物形成。特定言之，當導電部分43b係由Co合金形成時，Fe氧化物適用於自旋擴散防止層43a。
取決於導電部分43b之開口面積比率來判定功能層43之厚度。當功能層43之厚度較大時，用作一金屬路徑之導電部分43b之長度較長，且導電部分43b之磁化有可能扭轉。因此，介面層41及高Ku層42之接合能量有效地降低。在此一情況中，需要增大開口面積比率以增大阻尼常數。另一方面，當功能層43較薄時，不太可能獲得具有良好可結晶性之一功能層43，且阻尼常數增大。另外，不太可能調整磁性接合。因此，功能層43之厚度較佳地落在0.5nm至5nm之一範圍內。
當在磁阻效應元件100中，儲存層40之磁化方向平行於參考層20之磁化方向時，磁阻效應元件100處於其中電阻相對較低之一低電阻狀態中。當儲存層40之磁化方向反向平行於參考層20之磁化方向時，磁阻效應元件100處於其中電阻相對較高之一高電阻狀態中。因此，在磁阻效應元件100中，可根據電阻狀態儲存二進位資料(亦即，一個二進位值被指派給低電阻狀態且另一個二進位值被指派給高電阻狀態)。
圖1中繪示之磁阻效應元件100具有其中儲存層40定位於一上層側上且參考層20定位於一下層側上之一「頂部自由型」結構。然而， 磁阻效應元件100可具有其中儲存層40定位於下層側上且參考層20定位於上層側上之一「底部自由型」結構。
接著，將描述用於形成功能層43之一方法之一實例。
在介面層41上，形成在自旋擴散防止層43a中使用之氧化物之一選定元素及構成導電部分43b之一磁性金屬元素的一合金層。隨後，將氧引入至其中已形成合金層之一腔室中，從而導致氧化，且進一步執行一熱處理。藉由此一方法，可形成具有其中複數個導電部分43b由自旋擴散防止層43a包圍之一結構的功能層43。
亦即，選定元素之氧化物之形成能量小於磁性金屬元素之氧化物之形成能量。因此，自旋擴散防止層43a及導電部分43b可藉由自組裝來形成。
在將氧引入至腔室中時，使用氧電漿或離子化氧係有效的。在此一情況中，當使用一基板偏壓或一加速柵極(acceleration grid)將能量供應至氧原子時，可達成更強氧化。藉由在氧化時用稀有氣體離子進行輻照，可在氧化下促成導電部分43b之縮減。
接著，將描述用於形成功能層43之方法之另一實例。
在介面層41上，將複數個導電部分43b形成為島狀物。例如，在形成導電部分43b之材料之前引入微量氧，且表面張力暫時增大。因此，可形成呈一島狀形式之導電部分43b。隨後，在整個表面上形成自旋擴散防止層43a。接著，執行離子銑削以選擇性地僅移除形成於導電部分43b上之自旋擴散防止層43a之部分。藉由此一方法，可形成具有其中複數個導電部分43b(島狀物)由自旋擴散防止層43a包圍之一結構的功能層43。
如上文描述，功能層43包括自旋擴散防止層43a及各自由自旋擴散防止層43a包圍之複數個導電部分43b。根據此組態，可在維持介面層41與高Ku層42之間之磁性接合之情況下防止阻尼之一增大。因此，可獲得具有良好磁性特性且其中防止寫入電流之一增大的一磁阻效應元件。
當開口面積比率(亦即，複數個導電部分43b之總面積對功能層43之面積之比率)落在5%至20%之一範圍內時，可增強前述效應。
當功能層43之厚度落在0.5nm至5nm之一範圍內時，可增強前述效應。
圖5係其中上文描述之磁阻效應元件100適用之一磁儲存裝置之一記憶體胞元陣列單元之一透視圖。
記憶體胞元陣列單元提供於含有一半導體基板(圖式中未展示)之一下部區域(圖式中未展示)上方，且包含複數個字線WL、與字線WL相交之複數個位元線BL，及將字線WL連接至位元線BL之複數個記憶體胞元MC。
字線WL及位元線BL經組態以在對記憶體胞元MC寫入或讀取期間將一預定信號供應至記憶體胞元MC。在圖5中，字線WL定位於下層側上，且位元線BL定位於上層側上。然而，字線WL可定位於上層側上，且位元線BL可定位於下層側上。
記憶體胞元MC之各者包含前述磁阻效應元件100及串聯連接至磁阻效應元件100之一選擇器200。
在圖5中，磁阻效應元件100定位於下層側上，且選擇器200定位於上層側上。然而，磁阻效應元件100可定位於上層側上，且選 擇器200可定位於下層側上。
選擇器200係具有非線性電流-電壓特性之一個二端切換元件。當施加至兩個端子之一電壓小於一臨限值時，選擇器處於一高電阻狀態中，例如，在一非導電狀態中。當施加至兩個端子之電壓等於或大於臨限值時，選擇器處於一低電阻狀態中，例如，在一導電狀態中。
當將等於或大於預定電壓之一電壓施加至字線WL及位元線BL時，選擇器200處於一接通狀態(一導電狀態)中。因此，可執行對串聯連接至選擇器200之磁阻效應元件100之寫入或讀取。
當上文描述之磁阻效應元件100適合於圖5中繪示之磁儲存裝置時，可獲得具有極佳效能之一磁儲存裝置。
雖然已描述特定實施例，但此等實施例僅藉由實例之方式呈現，且不旨在限制本發明之範疇。實際上，本文中描述之新穎實施例可以多種其他形式體現；此外，可進行本文中描述之實施例之形式之各種省略、取代及改變而不脫離本發明之精神。隨附發明申請專利範圍及其等效物旨在涵蓋如將落在本發明之範疇及精神內之此等形式或修改。
相關申請案之交叉參考
本申請案係基於以下案且主張來自以下案之優先權利：2021年3月19日申請之日本專利申請案第2021-045389號；及2021年8月31日申請之美國專利申請案第17/463522號，該等案之整個內容以引用的方式併入本文中。
10:下層
11:下層部分
12:上層部分
20:參考層(第二磁性層)
21:Co/Pt人工晶格層
21a:鈷(Co)層
21b:鉑(Pt)層
22:鈷(Co)層
23:合成反鐵磁性(SAF)接合層
24:鈷(Co)層
25:鉭(Ta)層
26:CoFeB層
30:穿隧障壁層(非磁性層)
40:儲存層(第一磁性層)
41:介面層(第一層)
42:高Ku層(第二層)
42a:鈷(Co)層
42b:鉑(Pt)層
43:功能層(第三層)
50:頂蓋層
100:磁阻效應元件

Claims (20)

  1. 一種磁儲存裝置，其包括： 一磁阻效應元件，其包含： 一第一磁性層，其具有一可變磁化方向， 一第二磁性層，其具有一固定磁化方向，及 一非磁性層，其在該第一磁性層與該第二磁性層之間，其中 該第一磁性層包含： 一第一層，其係磁性的， 一第二層，其係磁性的且比該第一層距該非磁性層更遠，及 一第三層，其在該第一層與該第二層之間，且包含係一絕緣材料或一半導體材料之一第一部分及為導電材料且由該第一部分包圍之複數個第二部分。
  2. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該複數個第二部分穿透在該第一層與該第二層之間之該第一部分。
  3. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第三層具有在0.5 nm至5 nm之一範圍內之一厚度。
  4. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該等第二部分包括選自鐵、鈷及鎳之至少一種元素。
  5. 如請求項4之磁儲存裝置，其中該等第二部分進一步包括選自鑭系元素、鋁(Al)、矽(Si)、鎵(Ga)、鎂(Mg)、鉭(Ta)、鉬(Mo)、鎢(W)、鈣(Ca)、鈧(Sc)、鈦(Ti)、釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鋅(Zn)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)及鉿(Hf)之至少一種元素。
  6. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第一部分係由一個氧化物、一個氮化物、一個硼化物、一II-VI族半導體或一III-V族半導體形成。
  7. 如請求項6之磁儲存裝置，其中 該複數個第二部分包括一磁性金屬， 該第一部分係一個氧化物、一個氮化物或一個硼化物，及 該氧化物、氮化物或硼化物之一形成能量小於該磁性金屬之一對應氧化物、氮化物或硼化物之一形成能量。
  8. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第一部分係由具有一尖晶石結構之一個氧化物或具有一剛玉結構之一個氧化物形成。
  9. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第一層包括鐵。
  10. 如請求項9之磁儲存裝置，其中該第一層進一步包括鈷及硼。
  11. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第二層進一步包括鐵及鈷之至少一者及鉑、鈀、銥、釕、銠、鋱或一稀土元素之至少一者。
  12. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第二層之垂直磁性各向異性高於該第一層之垂直磁性各向異性。
  13. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第一層經由該第三層磁性耦合至該第二層。
  14. 如請求項1之磁儲存裝置，其進一步包括： 串聯連接至該磁阻效應元件之一切換元件。
  15. 如請求項1之磁儲存裝置，其中該第二層係一鈷/鈀人工晶格層、鈷及鉑之一合金層、鐵及鉑之一合金層或鈷、鉑及鉻之一合金層。
  16. 如請求項1之磁儲存裝置，其中 該第二磁性層包含交替地互相堆疊之複數個含鈷層及複數個含鉑層。
  17. 如請求項1之磁儲存裝置，其進一步包括： 一頂蓋層，其在該等第一及第二磁性層之一者上，及 一下層，其在該等第一及第二磁性層之另一者上。
  18. 一種磁儲存裝置，其包括： 複數個第一佈線，其等沿著一第一方向延伸； 複數個第二佈線，其等沿著與該第一方向交叉之一第二方向延伸；及 複數個記憶體胞元，其等沿著與該等第一及第二方向交叉之一第三方向在該等第一佈線與該等第二佈線之間延伸，該記憶體胞元之各者包含一磁阻效應元件，該磁阻效應元件包含： 一第一磁性層，其具有一可變磁化方向， 一第二磁性層，其具有一固定磁化方向，及 一非磁性層，其在該第一磁性層與該第二磁性層之間，其中 該第一磁性層包含： 一第一層，其係磁性的， 一第二層，其係磁性的且比該第一層距該非磁性層更遠，及 一第三層，其在該第一層與該第二層之間，且包含係一絕緣材料或一半導體材料之一第一部分及為導電材料且由該第一部分包圍之複數個第二部分。
  19. 如請求項18之磁儲存裝置，其中該等記憶體胞元之各者進一步包含串聯連接至該對應磁阻效應元件之一切換元件。
  20. 如請求項19之磁儲存裝置，其中該切換元件在一預定電壓透過該等對應第一及第二佈線施加至其時變得導電。
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