磁存储装置及其制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术的实施方式提供可信性能够提高的磁存储装置及其制造方法。实施方式的磁存储装置包括：具有可变的磁化方向的第1磁性层(11)；设置于第1磁性层(11)上的第1非磁性层(12)；和设置于第1非磁性层(12)上、具有固定磁化方向的第2磁性层(13至16)。第2磁性层(13至16)包含：包含Mo(钼)、Ta(钽)、W(钨)、Hf(铪)、Nb(铌)以及Ti(钛)中的至少1种的非磁性金属。

【技术实现步骤摘要】
磁存储装置及其制造方法本申请享受以日本专利申请2017－54910号(申请日：2017年3月21日)为在先申请的优先权。本申请通过参照该在先申请而包含在先申请的全部内容。
本专利技术的实施方式涉及磁存储装置及其制造方法。
技术介绍
作为磁存储装置的一种，具有变阻(电阻变化)型存储器的半导体存储装置众所周知。另外，作为变阻型存储器的一种，MRAM(magnetoresistiverandomaccessmemory)众所周知。MRAM是在存储信息的存储器单元中使用了磁隧道结元件(MTJ元件；magnetictunneljunctionelement)的存储设备，作为具有高速工作、大容量、非易失性的特征的下一代存储设备受到瞩目。另外，MRAM作为DRAM和/或SRAM等易失性存储器的置换，研究以及开发不断进展。
技术实现思路
本专利技术的实施方式提供一种可信性能够提高的磁存储装置及其制造方法。实施方式所涉及的磁存储装置包含：具有可变的磁化方向的第1磁性层，设置于第1磁性层上的第1非磁性层，和设置于第1非磁性层上、具有固定的磁化方向的第2磁性层。第2磁性层包含：包含Mo(钼)、Ta(钽)、W(钨)、Hf(铪)、Nb(铌)以及Ti(钛)中的至少1种的非磁性金属。附图说明图1是表示磁隧道结元件中的热稳定化能量与磁化反转电流的关系的图表。图2是第1实施方式所涉及的磁存储装置所具备的磁隧道结元件的剖视图。图3～图7是表示第1实施方式所涉及的磁存储装置所具备的磁隧道结元件的制造工序的剖视图。图8是表示第1实施方式所涉及的磁存储装置所具备的磁隧道结元件中的Mo的浓度分布的图表。图9是第2实施方式的第1例所涉及的磁存储装置所具备的磁隧道结元件的剖视图。图10是第2实施方式的第2例所涉及的磁存储装置所具备的磁隧道结元件的剖视图。图11是第2实施方式的第3例所涉及的磁存储装置所具备的磁隧道结元件的剖视图。图12是第3实施方式所涉及的磁存储装置的框图。图13是第3实施方式所涉及的磁存储装置所具备的存储器单元的剖视图。附图标记说明1…MTJ元件2…选择晶体管3A…列控制电路4…行控制电路5A…写入电路6A…读取电路11…存储层12…隧道势垒层13、13a～13c、14、30、30a、30b、31…界面层15…功能层16…参照层17…变化消除(shiftcancel)层20…绝缘层21…BEC插塞(plug)22…基底层23…盖(cap)层24…硬掩模层25…非磁性层40…栅绝缘膜41…栅电极42…上部电极插塞43…布线层44…接触插塞45…布线层100…半导体基板101、102…扩散层103…元件分离区域具体实施方式以下，参照附图对实施方式进行说明。在该说明，在所有图中对于相同的部分赋予相同的附图标记。1.第1实施方式对第1实施方式所涉及的磁存储装置进行说明。以下，列举磁存储装置为使用磁隧道结元件(MTJ元件；magnetictunneljunctionelement)存储数据的MRAM的情况为例进行说明。MTJ元件以2个磁性层(存储层以及参照层)和被夹入其间的隧道势垒层为基本构成。存储层的磁化的方向可变，参照层的磁化的方向不变(为固定状态)。在存储层的磁化的方向与参照层的磁化的方向相同的情况下(MTJ元件为磁化平行排列状态的情况下)，MTJ元件具有第1电阻状态(第1电阻值)。另一方面，在存储层的磁化的方向与参照层的磁化的方向不同的情况下(MTJ元件为磁化反平行排列状态的情况下)，MTJ元件具有第2电阻状态(第2电阻值)。第1电阻状态的MTJ元件1的电阻值比第2电阻状态的MTJ元件的电阻值低。由此，MTJ元件能够将例如第1以及第2电阻状态分别设为“0”以及“1”而存储数据。MTJ元件的电阻状态与数据的分配能够任意设定。在MRAM中，在将饱和磁化Ms较大的磁性材料(例如钴铁硼(CoFeB)或使其结晶化的材料)使用于MTJ元件的磁性层的情况下，伴随着MRAM的微小化，抑制相邻存储器单元间的干涉和/或从参照层向存储层的泄漏磁场变难。在为了抑制泄漏磁场而进行磁性材料的低Ms化的情况下，要求维持较高的磁阻比(MR比)，并且要求不产生热和/或外部磁场、在读取和/或写入时流动的电流等干扰引起的不良(例如磁化反转)的较高的磁稳定性。在向磁性材料(例如CoFeB)作为非磁性材料导入例如钼(Mo)而减小饱和磁化Ms的情况下，与热稳定性能量ΔE相对的磁化反转电流Ic变大。图1表示向MTJ元件的存储层导入Mo的例子。如图1所示，相对于不向存储层导入Mo的情况(图1的“无Mo”)，向使用于存储层的磁性材料中添加Mo的情况(图1的“添加Mo”)与向存储层内插入Mo层的情况(图1的“插入Mo层”)下，与热稳定性能量ΔE相对的磁化反转电流Ic都变大。在向存储层导入Mo的情况下，具有磁化反转电流Ic变大即数据的写入电流增加的倾向。另外，在向参照层导入Mo的情况下，参照层的磁化反转电流Ic变大，变得难以磁化反转，所以参照层的热稳定性提高。但是，在向参照层导入非磁性材料(例如Mo)时，参照层的人造晶格塌陷，参照层的磁各向异性下降，所以热稳定性反而变得不稳定。另外，如果在与隧道势垒层(例如氧化镁(MgO))的界面层的界面附近混有非磁性材料(例如Mo)，则磁性体的极化率下降，MR比降低。因此，在本实施方式所涉及的磁存储装置所具备的MTJ元件中，在参照层与隧道势垒层之间，设置与参照层具有磁耦合的界面层(例如CoFeB)，向该界面层，以浓度从隧道势垒层侧向参照层侧升高的方式添加非磁性材料(例如Mo)。即使向界面层添加非磁性材料而降低参照层的Ms，MTJ元件的MR比也几乎不下降，参照层具有较高的热稳定性。1.1关于MTJ元件的构成首先，对MTJ元件1的构成进行说明。图2是MTJ元件1的剖视图。如图2所示，MTJ元件1是从下层开始按顺序层叠有存储层11(图2的附图标记“SL”)、隧道势垒层12(图2的附图标记“BL”)、界面层13以及14(图2的附图标记“IL”)、功能层15(图2的附图标记“FL”)、参照层16(图2的附图标记“RL”)以及变化消除层17(图2的附图标记“SCL”)而构成的。存储层11是例如具有垂直磁各向异性的磁性层。存储层11的磁化的方向(磁化方向)可变，相对于层面(膜面)大致垂直。在存储层11中，也可以使用例如钴铁硼(CoFeB)或者硼化铁(FeB)等。以下，对在存储层11中使用CoFeB的情况进行说明。参照层16以及变化消除层17是例如具有垂直磁各向异性的磁性层。参照层16以及变化消除层17的磁化的方向不变(固定状态)，相对于层面(膜面)大致垂直。变化消除层17的磁化的方向被设定为与参照层16的磁化的方向反平行，对从参照层16向存储层11泄漏的磁场进行调整。即，参照层16与变化消除层17反铁磁性地耦合。在参照层16以及变化消除层17中，可使用例如将Co与铂(Pt)、Ni或者钯(Pd)层叠而成的人造晶格膜、或者Co与Pt、Ni、或者Pd等形成的合金膜。更具体地说，例如，作为人造晶格膜也可以使用以Co/Ni、Co/Pt、或者Co/Pd这样的磁性层与非磁性层的组合层叠而成的膜，作为合金膜也可以使用钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)或者钴钯(CoPd)。另外，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁存储装置，其具备：具有可变的磁化方向的第1磁性层；设置于所述第1磁性层上的第1非磁性层；和设置于所述第1非磁性层上且具有固定的磁化方向的第2磁性层，其特征在于：所述第2磁性层包含非磁性金属，所述非磁性金属包含Mo(钼)、Ta(钽)、W(钨)、Hf(铪)、Nb(铌)以及Ti(钛)中的至少1种。

【技术特征摘要】
2017.03.21 JP 2017-0549101.一种磁存储装置，其具备：具有可变的磁化方向的第1磁性层；设置于所述第1磁性层上的第1非磁性层；和设置于所述第1非磁性层上且具有固定的磁化方向的第2磁性层，其特征在于：所述第2磁性层包含非磁性金属，所述非磁性金属包含Mo(钼)、Ta(钽)、W(钨)、Hf(铪)、Nb(铌)以及Ti(钛)中的至少1种。2.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于：所述第2磁性层包含：设置于所述第1非磁性层上且包含所述非磁性金属的第1磁性区域；设置于所述第1磁性区域上的第1非磁性区域；和设置于所述第1非磁性区域上且不包含所述非磁性金属的第2磁性区域。3.根据权利要求2所述的磁存储装置，其特征在于：所述第1磁性区域包含：设置于所述第1非磁性层上且不包含所述非磁性金属的第3磁性区域；和设置于所述第3磁性区域上且包含所述非磁性金属的第4磁性区域。4.根据权利要求2所述的磁存储装置，其特征在于：所述第1磁性区域包含：设置于所述第1非磁性层上且不包含所述非磁性金属的第3磁性层；设置于所述第3磁性层上且包含所述非磁性金属的第2非磁性层；和设置于所述第2非磁性层上的第4磁性层。5.根据权利要求3所述的磁存储装置，其特征在于：所述第4磁性层包含所述非磁性金属。6.根据权利要求2所述的磁存储装置，其特征在于：所述第1磁性区域包含：设置于所述第1非磁性层上且不包含所述非磁性金属的第3磁性层；设置于所述第3磁性层上且包含所述非磁性金属的第2非磁性层；设置于所述第2非磁性层上的第4磁性层；设置于所述第4磁性层上且包含所述非磁性金属的第3非磁性层；和设置于所述第3非磁性层上的第5磁性层。7.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于：所述第1磁性层包含Co(钴)、Fe(铁)以及Ni(镍)中的至少1种。8.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于：所述第1非磁性层包含MgO(氧化镁)以及Al2O3(氧化铝)中的至少1种。9.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于：所述第2磁性层包含Co、Fe以及Ni中的至少1种。10.根据权利要求2所述的磁存储装置，其特征在于：所述第2磁性区域包含Co与Pt(铂)的多层膜、Co与Ni的多层膜、Co与Pd(钯)的多层膜、CoPt合金膜、CoNi合金膜以及CoPd合金膜中的至少1种。11.根据权利要求1所述的磁存储装置，其特征在于：还具备设置于所述第2磁性层上的第3磁性层。12.一种磁存储装置，其具备：具有可变的磁化方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：都甲大，细谷启司，相川尚德，岸达也，
申请(专利权)人：东芝存储器株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP