磁存储装置以及磁存储装置的制造方法与流程

本申请享受以日本专利申请2019－048676号(申请日：2019年3月15日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请来包含基础申请的全部内容。

实施方式大致涉及磁存储装置以及磁存储装置的制造方法。

背景技术：

已知使用了磁阻效应元件的磁存储装置。

技术实现要素：

本发明要解决的技术课题在于提供更高性能的磁存储装置。

实施方式涉及的磁存储装置具备：层叠体，其包括第1铁磁性体、上述第1铁磁性体上的绝缘体以及上述绝缘体上的第2铁磁性体；上述层叠体的上方的非磁性体；上述非磁性体的上方的第1导电体；以及上述第1导电体的上方的硬掩模。上述非磁性体具备相对于第1离子的束被以第1蚀刻速率除去的材料。上述第1导电体具备相对于上述第1离子的束被以第2蚀刻速率除去的材料。上述第1蚀刻速率比上述第2蚀刻速率低。

附图说明

图1表示第1实施方式的磁存储装置的功能框图。

图2是第1实施方式的一个存储单元的电路图。

图3表示第1实施方式的存储单元阵列的一部分的构造。

图4表示第1实施方式的mtj元件的磁化状态的例子。

图5表示第1实施方式的磁存储装置的一部分的制造工序间的状态。

图6表示接着图5的状态。

图7表示接着图6的状态。

图8表示接着图7的状态。

图9表示参考用的磁存储装置的一部分的构造。

标号说明

1存储装置；11存储单元阵列；12输入输出电路；13控制电路；14行选择电路；15列选择电路；16写入电路；17读出电路；mc存储单元；wl字线；bl、/bl位线；vr电阻变化元件；st选择晶体管；20基板；21下部电极；22层间绝缘体；24层叠体；31铁磁性体；32绝缘体；33铁磁性体；35非磁性体；37盖层；38硬掩模；39再堆积物。

具体实施方式

以下参照附图对实施方式进行记述。在以下的记述中，对具有大致相同的功能以及构成的构成要素标记同一标号，有时省略反复的说明。附图是示意性的，厚度和平面尺寸的关系、各层的厚度的比率等可能与现实的不同。

关于某实施方式的全部记述，只要未被明示性地或者不言自明地排除掉，则作为其他实施方式的记述也是适用的。各实施方式对用于将该实施方式的技术思想具体化的装置、方法进行例示，实施方式的技术思想不将构成部件的材质、形状、构造、配置等特定为下述内容。

另外，实施方式的方法的流程中的任何步骤都不限定为例示的顺序，只要没有表示为不是那样，就能够以与例示的顺序不同的顺序以及(或者)与其他步骤并行地进行。

在本说明书以及权利要求书中，某第1要素与其他的第2要素“连接”包含第1要素直接地、或者总是、或者选择性地经由成为导电性的要素与第2要素连接。

＜第1实施方式＞

＜1.1.构成(构造)＞

图1表示第1实施方式涉及的磁存储装置的功能框图。如图1所示，磁存储装置1包括存储单元阵列11、输入输出电路12、控制电路13、行选择电路14、列选择电路15、写入电路16以及读出电路17。

存储单元阵列11包括多个存储单元mc、多条字线wl以及多条位线bl和/bl。一条位线bl和一条位线/bl构成一个位线对。

存储单元mc能够以非易失方式存储数据。各存储单元mc与一条字线wl以及一个位线对bl和/bl连接。字线wl与行(row)关联。位线对bl以及/bl与列(column)关联。通过一个行的选择以及一个或者多个列的选择，确定一个或者多个存储单元mc。

输入输出电路12例如从存储控制器2接受各种控制信号cnt、各种命令cmd、地址信号add、数据(写入数据)dat，例如向存储控制器2发送数据(读出数据)dat。

行选择电路14从输入输出电路12接受地址信号add，使与基于接受到的地址信号add的行对应的一条字线wl为被选择了的状态。

列选择电路15从输入输出电路12接受地址信号add，使与基于接受到的地址信号add的列对应的多条位线bl为被选择了的状态。

控制电路13从输入输出电路12接受控制信号cnt以及命令cmd。控制电路13基于由控制信号cnt指示的控制以及命令cmd，控制写入电路16以及读出电路17。具体而言，控制电路13在向存储单元阵列11写入数据的期间，向写入电路16供给被使用于数据写入的电压。另外，控制电路13在从存储单元阵列11读出数据的期间，向读出电路17供给被使用于数据读出的电压。

写入电路16从输入输出电路12接受写入数据dat，基于控制电路13的控制以及写入数据dat，向列选择电路15供给被使用于数据写入的电压。

读出电路17包括读出放大器，基于控制电路13的控制，使用被使用于数据读出的电压，推断在存储单元mc中保持的数据。所推断的数据被作为读出数据dat而供给至输入输出电路12。

图2是第1实施方式的一个存储单元mc的电路图。存储单元mc包括电阻变化元件vr以及选择晶体管st。电阻变化元件vr能够在稳定状态下处于两个电阻状态中的被选择了的一方，两个电阻状态中的一方的电阻比另一方的电阻高。电阻变化元件vr能够在低电阻状态和高电阻状态之间进行切换，能够利用两个电阻状态的不同来保持1位的数据。电阻变化元件vr例如呈现磁阻效应，例如包括mtj(magnetictunneljunction，磁隧道结)元件。mtj元件是指包含mtj的构造。

选择晶体管st例如可以是n型的mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)。

电阻变化元件vr在第1端与一条位线bl连接，在第2端与选择晶体管st的第1端连接。选择晶体管st的第2端与位线/bl连接。选择晶体管st的栅极与一条字线wl连接，源极与位线/bl连接。记述了存储单元mc包含三端子型的选择晶体管st来作为开关元件的例子，但存储单元mc不限于该形态。只要是选择存储单元mc、且使对所选择的存储单元mc的数据的写入以及读出成为可能的开关元件，则可以使用任意的元件。那样的开关元件例如包括两端子型的具有开关功能的开关元件。

以下的记述基于电阻变化元件vr包括mtj元件的例子来进行。

图3表示第1实施方式的存储单元阵列11的一部分的构造。更具体而言，图1表示两个相邻的存储单元mc各自的电阻变化元件vr及其周围。

在基板20的上方设有两个独立的下部电极21。在下部电极21之间的区域设有层间绝缘体22。层间绝缘体22例如将下部电极21之间的区域填埋。

在各下部电极21的上表面上设有一个电阻变化元件vr。各电阻变化元件vr包括层叠体24、非磁性体35以及导电体37。

层叠体24呈现隧道磁阻效应，能够作为mtj元件发挥功能。作为那样的例子，层叠体24包括铁磁性体31、绝缘体32以及铁磁性体33。层叠体24也可以包括其他层。

铁磁性体31位于下部电极21的上表面上，例如包含钴铂(copt)、钴镍(coni)以及钴钯(copd)中的一种或者多种，或者由copt、coni以及copd中的任一种形成。

绝缘体32位于铁磁性体31的上表面上。绝缘体32包含非磁性的绝缘体，或者由非磁性的绝缘体形成，例如包含氧化镁(mgo)，或者由mgo形成。

铁磁性体33位于绝缘体32的上表面上，例如包含钴铁硼(cofeb)以及硼化铁(feb)中的一种或者多种，或者由cofeb以及feb中的任一种形成。

电阻变化元件vr也可以包含其他层。那样的层例如包含铁磁性体31和下部电极21之间的一个或者多个导电体。这些导电体例如具有提高铁磁性体31、绝缘体32以及铁磁性体33中的一个或者多个结晶性的作用，能够作为所谓的基底层、缓冲层发挥功能。

如图4所示，铁磁性体31以及33具有磁化，例如具有沿着贯穿铁磁性体31、绝缘体32以及铁磁性体33的界面的方向的易磁化轴(由箭头表示)。铁磁性体31以及32也可以具有沿着铁磁性体31、绝缘体32以及铁磁性体33的界面的易磁化轴。

对于铁磁性体31的磁化方向，即使是进行磁存储装置1中的通常动作、即数据的读出以及写入，该磁化方向也不变，能够作为所谓的参照层发挥功能。另一方面，铁磁性体33的磁化方向可变，能够作为所谓的记录层发挥功能。绝缘体32能够作为隧道势垒发挥功能。

具体而言，当铁磁性体31和32的磁化方向平行时，层叠体24呈现电阻值rp。另一方面，当铁磁性体31和32的磁化方向为反向平行时，层叠体24呈现电阻值rap。电阻值rap比电阻值rp高。呈现两个不同的电阻值的状态能够分别分配给2值的数据。

当从铁磁性体33向铁磁性体31流动写入电流iwp时，铁磁性体33的磁化方向成为与铁磁性体31的磁化方向平行。另一方面，当从铁磁性体31向铁磁性体33流动写入电流iwap时，铁磁性体33的磁化方向成为与铁磁性体31的磁化方向反向平行。

返回图3。层叠体24的侧面为锥状。即，层叠体24的上表面24t的直径比层叠体24的底面24b的直径小。或者，层叠体24的上表面24t的面积比层叠体24的底面24b的面积小。在本说明书中，“直径”这一用语并不一定是对圆所使用的，不要求使用直径的对象的要素是圆。表示接近圆的形状的、例如从某端到其他端为止的直线的距离，在图3的例子中是指沿着要素的x轴的长度，作为例子，是指通过中心的假想直线上的长度，可以可替换地使用为宽度。层叠体24的侧面相对于z轴例如具有角度θ1的倾斜。

在层叠体24的上表面上、即例如铁磁性体33的上表面上设有导电性的非磁性体35。后面对非磁性体35的材料进行描述。非磁性体35的侧面为锥状。非磁性体35的侧面相对于z轴例如具有角度θ2的倾斜。角度θ2比角度θ1大。

在非磁性体35的上表面上设有导电体37。导电体37作为盖层发挥功能。以下，导电体37有时被称为盖层37。盖层37例如包含铂(pt)、钨(w)、钽(ta)以及钌(ru)中的一种或者多种，或者由铂(pt)、钨(w)、钽(ta)以及钌(ru)中的某一种形成。盖层37的侧面例如沿着z轴。

在导电体37的上表面上设有硬掩模38。硬掩模38例如由导电体形成。

接着，对非磁性体35的材料进行记述。非磁性体35相对于后述的使用了某第1离子的束的离子束蚀刻(ibe)具有第1蚀刻速率。盖层37相对于该ibe具有第2蚀刻速率。第1蚀刻速率比第2蚀刻速率低。非磁性体35包含基于这样的第1离子的种类、盖层37的材料、ibe的条件中的至少一部分选择的材料，或者由那样的材料形成。例如，非磁性体35包含ta、w、铪(hf)、铁(fe)、钴(co)、铝(al)以及钼(mo)，或者由ta、w、hf、fe、co、al以及mo中的某一种形成。在非磁性体35包含在单体下呈现磁性的元素、或者以那样的元素为主成分的情况下，通过大大地减弱磁性或者使磁性消失的元素被添加到非磁性体35，能够实现非磁性体35。

或者，非磁性体35也可以是ta、w、hf、fe、co、al以及mo中的两种以上的合金。进一步，非磁性体35也可以包含ta、w、hf、fe、co、al以及mo中的一种以上的硼化物。

在非磁性体35的侧面、盖层37的侧面以及硬掩模38的侧面的一部分上，有时设有再堆积物39。再堆积物39包含铁磁性体31、绝缘体32、铁磁性体33、非磁性体35以及盖层37中的至少一种材料。再堆积物39的表面例如位于层叠体24的侧面的延长线上，例如，再堆积物39的表面和层叠体24的表面成为连续的平面。

由硬掩模38、盖层37、非磁性体35、层叠体24、再堆积物39的组形成的构造的侧面也可以被侧壁绝缘体覆盖。

硬掩模38能够与未图示的导电体连接。设有图3所示的要素的区域以外的区域能够通过层间绝缘体(未图示)来填埋。

＜1.2.制造方法＞

参照图5～图8，记述图3的构造的制造方法。图5～图8依次表示第1实施方式的磁存储装置1的图3所示的部分的制造工序间的状态。

如图5所示，在基板20的沿着xy面扩展的表面的上方形成有层间绝缘体22以及下部电极21。在层间绝缘体22的上表面上以及下部电极21各自的上表面上形成有层叠体24a。层叠体24a以后被加工为层叠体24，包含与层叠体24所包含的多个材料的层相同的多个材料的层。基于当前的例子，层叠体24a包含铁磁性体31a、绝缘体32a以及铁磁性体33a。铁磁性体31a、绝缘体32a以及铁磁性体33a分别包含与铁磁性体31、绝缘体32以及铁磁性体33相同的材料。

铁磁性体31a位于层间绝缘体22的上表面上以及下部电极的上表面上。绝缘体32a位于铁磁性体31a的上表面上。铁磁性体33a位于绝缘体32a的上表面上。

在层叠体24a的上表面上形成有非磁性体35a。非磁性体35a以后被加工为非磁性体35，包含与非磁性体35相同的材料。在非磁性体35a的上表面上形成有导电体37a。导电体37a以后被加工为导电体37，包含与导电体37相同的材料。

进一步，在导电体37a的上表面上形成有硬掩模38a。硬掩模38a残留在形成有盖层37的预定区域的上方，并且，在其他部分具有开口41。开口41从硬掩模38a的上表面到达底面。

如图6所示，由到此为止的工序得到的构造通过第1ibe来蚀刻。第1ibe的离子例如可以为氩。第1ibe下的离子束ib1的与相对于基板20的表面的垂线之间的角度、即相对于z轴的角度θi1处于第1范围内。在以下的记述中，相对于离子束z轴的角度有时为简称为离子束的角度。

一般而言，在通过ibe将沿着xy面扩展的要素部分地除去而形成图案的情况下，基于离子束的角度，蚀刻速率不同。另外，通过ibe从蚀刻对象的材料除去的材料42能够堆积在周围的要素。若ibe的蚀刻速率高，则这样再堆积的材料会被再次除去。第1ibe下的离子束ib1的角度优选能够充分地抑制再堆积，第1范围例如具有包含最高的蚀刻速率的范围。具体而言，第1范围例如横跨30°～60°。

另一方面，当离子束的角度高时，例如有时如离子束ib1a那样的轨道的离子束会被硬掩模38a遮挡，不会到达开口41的深的区域(距基板20更近的区域)。特别是为了高密度地配置电阻变化元件vr，硬掩模38a的开口41越窄，离子束越是只到达开口41的浅的区域(距基板20更远的区域)。

通过第1ibe，导电体37a分离为多个部分而形成多个盖层37，非磁性体35a分离为多个部分而形成多个非磁性体35b。如上所述，相对于第1ibe，非磁性体35a具有第1蚀刻速率，导电体37a具有比第1蚀刻速率高的第2蚀刻速率。因此，通过第1ibe，非磁性体35a的侧面不像导电体37a的侧面那样被蚀刻，非磁性体35b的直径(或者宽度)d1比盖层37的直径(或者宽度)d2大。直径d1例如是非磁性体35b的上表面的直径，直径d2例如是盖层37的底面的直径。

第1ibe的离子束ib1的某些会被硬掩模38a遮挡，不将层叠体24a分离为多个部分。在图6的例子中，层叠体24a的上侧的部分被分割为多个部分，下侧的部分不被分割。在当前的层叠体24a具有铁磁性体31a、绝缘体32a以及铁磁性体33a的例子中，铁磁性体33a被分割为各自位于硬掩模38a的下方的多个铁磁性体33b，绝缘体32a被分割为各自位于硬掩模38a的下方的多个绝缘体32b。另一方面，铁磁性体31a不会被分割为各自位于硬掩模38a的下方的多个部分，而被加工为在开口41的下方具有凹陷31bd的铁磁性体31b。

由于非磁性体35b具有比盖层37大的宽度等，层叠体24a中的硬掩模38a的下方的部分(以下有时被称为层叠体24a的残存预定部分24ap1)的宽度比盖层37的宽度d2大。作为例子，对于层叠构造24a的残存预定部分24ap1的宽度，无论在哪个高度下，都比盖层37的宽度d2大。

通过第1ibe，硬掩模38a的上表面降低。

通过第1ibe来从蚀刻的对象物削下来的材料可能再堆积于周围的要素。然而，第1ibe具有高的角度，对被蚀刻的对象物带来高的蚀刻速率，因此，再堆积的材料也再次通过蚀刻被除去，第1ibe下的再堆积的量得到抑制。

如图7所示，由到此为止的工序得到的构造通过第2ibe被进行蚀刻。第2ibe的离子例如可以是氩。

第2ibe下的离子束的角度θi2处于第2范围内。第2ibe意在离子束经由开口41到达层叠体24a的下部。因此，第2范围例如横跨0°～30°，第2ibe下的离子束的角度θi2例如为10°。由于使用这样的低角度的离子束，因此，第2ibe下的蚀刻速率低，至少比第1ibe下的蚀刻速率低。

通过使用这样的角度的离子束的第2ibe，第2ibe下的某些离子束ib2到达层叠体24a的下部、特别是铁磁性体31b的凹陷31bd。其结果是，伴随着第2ibe的进行，凹陷31bd的底的位置降低，并且，层叠体24a的残存预定部分24ap1的宽度变窄。

另一方面，如离子束ib2a那样的轨道的离子束被非磁性体35b遮挡，难以到达非磁性体35b下方的附近区域。

通过第2ibe，硬掩模38a的上表面降低，成为硬掩模38b。

通过第2ibe，从蚀刻对象的材料除去了的材料42也可能堆积于周围的要素。特别是，由于第2ibe的蚀刻速率低，因此，第2ibe无法充分抑制再堆积的发展，材料42的再堆积比第1ibe下的再堆积更容易发展。

如图8所示，继续图7的第2ibe。通过第2ibe，铁磁性体31b成为为多个铁磁性体31。通过第2ibe，非磁性体35b也被慢慢蚀刻，成为非磁性体35。在非磁性体35b的上表面被消除的期间，离子束ib2几乎或者完全不会到达铁磁性体33b以及绝缘体32。由此，在该期间，被从铁磁性体33b以及绝缘体32b除去的材料42的飞散得到抑制，来自铁磁性体33b以及绝缘体32b的材料42的再堆积得到抑制。

非磁性体35a的上表面不断被削除，并且，离子束ib2成为到达铁磁性体33b以及绝缘体32b，通过第2ibe，铁磁性体33b以及绝缘体32b分别成形为铁磁性体33以及绝缘体32。

另外，通过第2ibe，硬掩模38b的上表面降低，成为硬掩模38。

通过第2ibe，被从蚀刻对象除去的材料42堆积于周围的要素，如图3所示，通过材料42能够形成再堆积物39。

＜1.3.优点(效果)＞

根据第1实施方式，能够实现包括高性能的电阻变化元件vr的磁存储装置1。详细如以下所述。

图9表示参考用的磁存储装置100的制造工序中的一个状态。磁存储装置100与图3的磁存储装置1不同，不包含非磁性体35。图9的工序对应于第1实施方式的图7以及图8的工序。

图9所示的构造被通过使用了与图7同样的低角度的离子束的第2ibe来蚀刻。如参照图7记述的那样，第2ibe对于蚀刻对象物具有低的蚀刻速率。因此，被蚀刻后的材料容易再堆积于周围的要素。在图9所示的构造中，在图7的构造下被非磁性体35的上表面遮挡而不到达层叠体24a的轨道的离子束ib2a能够从第2ibe的开始阶段开始蚀刻铁磁性体33a。另一方面，由于第2ibe的蚀刻速率低，因此，被从铁磁性体33a除去而再堆积的材料42的除去较慢，材料42的再堆积会发展。因此，会在铁磁性体31、绝缘体32、铁磁性体33、盖层37以及硬掩模38的侧面上不断形成再堆积物51。在第2ibe结束了的时间点、再堆积物51还是残留于绝缘体32的侧壁的情况下，有时铁磁性体31和33会因再堆积物51而部分地或者完全地导通。这会妨碍层叠体24呈现所设计以及意图的磁阻效应，可能无法使层叠体24作为mtj元件发挥功能。

根据第1实施方式，电阻变化元件vr包含非磁性体35。非磁性体35包含相对于某ibe而具有比盖层37低的蚀刻速率的材料，因此，先进行的使用高角度的离子束的ibe(例如第1ibe)的结果，成为非磁性体35的非磁性体35a具有比导电体37a大的直径。因此，在使用高角度的离子束的ibe之后进行的使用低角度的离子束的ibe(例如第2ibe)中，一部分离子束(例如ib2a)被非磁性体35b的上表面遮蔽，不到达铁磁性体33b，直到非磁性体35a的上表面的角部被削掉。由此，能抑制材料42再堆积在第2ibe下的绝缘体32的侧面上，能抑制铁磁性体31和33的导通。由此，能够实现能呈现所意图的磁阻效应的层叠体24。

＜1.4.变形例等＞

第1实施方式涉及绝缘体32的下侧的铁磁性体31作为参照层发挥功能、并且绝缘体32的上侧的铁磁性体33作为存储层发挥功能的例子。第1实施方式不限于该例子，可以应用于铁磁性体31位于绝缘体32的上侧并且铁磁性体33位于绝缘体32的下侧的例子。

以上对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提示的，并不是意在限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种各样的方式来实施，能够在不脱离发明的宗旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、宗旨内，并且，包含在权利要求书记载的发明及其等同的范围内。