磁存储装置及磁存储装置的制造方法与流程

磁存储装置及磁存储装置的制造方法
1.本技术享受以日本专利申请2020
‑
048781号(申请日：2020年3月19日)为基础申请的优先权。本技术通过参照该基础申请而包括基础申请的全部内容。
技术领域
2.实施方式总的来说涉及磁存储装置。


背景技术：

3.已知有使用了磁阻效应元件的磁存储装置。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的课题在于，提供可靠性高的磁存储装置。
5.实施方式的磁存储装置包括：层叠体、上述层叠体的侧面上的第一氮化物、上述第一氮化物的侧面上的第一层、上述第一层的侧面上的第二层、上述层叠体上的第一电极及上述第二层的侧面上的第二氮化物。层叠体包括：第一铁磁性层、第二铁磁性层及上述第一铁磁性层与上述第二铁磁性层之间的绝缘层。上述第二层在上述第一层的上表面的上方与上述第一层相接。
附图说明
6.图1是示出第一实施方式的磁存储装置的功能框图。
7.图2是第一实施方式的1个存储单元的电路图。
8.图3示出第一实施方式的存储单元的一部分的截面构造。
9.图4～图12依次示出第一实施方式的存储单元的一部分的构造的制造工序的一状态。
10.标号说明
[0011]1…
磁存储装置，2
…
存储器控制器，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
…
位线，/bl
…
位线，vr
…
磁阻效应元件，st
…
选择晶体管，21
…
层间绝缘体，22
…
下部电极，23
…
缓冲层，24
…
基底层，25
…
铁磁性体，26
…
绝缘体，27
…
铁磁性体，28
…
帽层(cap layer)，29
…
硬掩模，30
…
上部电极，31
…
绝缘层，32
…
氮阻挡层，33
…
保护层，35
…
帽氮化物层，37
…
层间绝缘体。
具体实施方式
[0012]
以下，参照附图来描述实施方式。在以下的描述中，具有大致相同功能及结构的构成要素被标注同一附图标记，有时省略重复的说明。附图是示意性的，厚度与平面尺寸的关系、各层的厚度的比率等可能与现实不同。
[0013]
除非明确或明显地被排除，否则对于某些实施方式的所有描述也适用于对其它的
实施方式的描述。各实施方式例示用于将该实施方式的技术思想具体化的装置、方法，实施方式的技术思想不将构成部件的材质、形状、构造、配置等确定为下述的内容。
[0014]
在本说明书及权利要求书中，某第一要素“连接于”其它的第二要素包括第一要素直接、或者经由始终或选择性地成为导电性的要素而连接于第二要素。
[0015]
以下，使用xyz正交坐标系来描述实施方式。在以下的描述中，“下”这一描述及其派生词以及关联词是指z轴上的更小的坐标的位置，“上”这一描述及其派生词以及关联词是指z轴上的更大的坐标的位置。
[0016]
<第一实施方式>
[0017]
<1.1.构造(结构)>
[0018]
图1示出第一实施方式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及读出电路17。
[0019]
存储单元阵列11包括：多个存储单元mc、多个字线wl及多个位线bl以及/bl。1个位线bl和1个位线/bl构成1个位线对。
[0020]
存储单元mc能够非易失性地存储数据。各存储单元mc与1个字线wl及1个位线对bl以及/bl连接。字线wl与行(row)相关联。位线对bl及/bl与列(column)相关联。通过1个行的选择及1个或多个列的选择而确定1个或多个存储单元mc。
[0021]
输入输出电路12例如从存储器控制器2接受各种控制信号cnt、各种指令cmd、地址信号add及数据(写入数据)dat，例如对存储器控制器2发送数据(读出数据)dat。
[0022]
行选择电路14从输入输出电路12接受地址信号add，使与由所接受的地址信号add确定的行相关联的1个字线wl成为被选择的状态。
[0023]
列选择电路15从输入输出电路12接受地址信号add，使与由所接受的地址信号add确定的1个或多个列相关联的多个位线bl成为被选择的状态。
[0024]
控制电路13从输入输出电路12接受控制信号cnt及指令cmd。控制电路13基于由控制信号cnt指示的控制及指令cmd来控制写入电路16及读出电路17。具体而言，控制电路13在数据向存储单元阵列11写入的期间，将在数据写入中使用的电压向写入电路16供给。另外，控制电路13在数据从存储单元阵列11读出的期间，将在数据读出中使用的电压向读出电路17供给。
[0025]
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的控制及写入数据dat，将在数据写入中使用的电压向列选择电路15供给。
[0026]
读出电路17包括感测放大器(sense amplifier)，基于控制电路13的控制，使用在数据读出中使用的电压来推断存储单元mc所保持的数据。推断出的数据作为读出数据dat而向输入输出电路12供给。
[0027]
图2是第一实施方式的1个存储单元mc的电路图。存储单元mc包括磁阻效应元件vr及选择晶体管st。磁阻效应元件vr呈现磁阻效应，例如包括mtj(magnetic tunnel junction：磁隧道结)元件。mtj元件是指包括mtj的构造。磁阻效应元件vr在稳定状态下处于2个电阻状态的被选择的一方，2个电阻状态的一方的电阻比另一方的电阻高。磁阻效应元件vr能够在低电阻的状态与高电阻的状态之间切换，能够利用2个电阻状态的差异来保持1位的数据。
[0028]
选择晶体管st例如是n型的mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)。
[0029]
磁阻效应元件vr在第一端处连接于1个位线bl，在第二端处连接于选择晶体管st的第一端(源极或漏极)。选择晶体管st的第二端(漏极或源极)连接于位线/bl。选择晶体管st的栅极连接于1个字线wl，源极连接于位线/bl。
[0030]
<1.2.构造(结构)>
[0031]
图3示出第一实施方式的存储单元mc的一部分的截面的构造，尤其示出磁阻效应元件vr及其周围的要素的截面构造。
[0032]
如图3所示，存储单元mc包括磁阻效应元件vr，磁阻效应元件vr至少包括铁磁性体(铁磁性层)25、绝缘体(绝缘层)26及铁磁性体(铁磁性层)27。存储单元mc能够包括另外的层，图3及以下的描述涉及存储单元包括下部电极22、缓冲层23、基底层24、帽层28、硬掩模29及上部电极30的例子。存储单元mc也可以包括另外的层，在此基础上(或者)，各层也可以由多个子层构成。
[0033]
下部电极22位于半导体基板(未图示)的上方的层间绝缘体21中，在底面处与选择晶体管st(未图示)连接。下部电极22包括铜(cu)、钪(sc)、钛(ti)、锆(zr)、铪(hf)、钽(ta)及钨(w)中的1种以上。
[0034]
下部电极22的上表面与铁磁性体25电连接。基于现在的例子，下部电极22经由缓冲层23及基底层24与铁磁性体25电连接。缓冲层23设置在下部电极22的上表面上，基底层24设置在缓冲层23的上表面上，铁磁性体25设置在基底层24的上表面上。
[0035]
缓冲层23是导电体的层，例如是金属的层，例如包含铝(al)、铍(be)、镁(mg)、钙(ca)、铪(hf)、锶(sr)、钡(ba)、钪(sc)、钇(y)、镧(la)及锆(zr)等中的至少1种。另外，缓冲层23也可以包含hfb、mgalb、hfalb、scalb、schfb及hfmgb等化合物中的至少1种。
[0036]
基底层24是导电体的层，例如能够包含hfb、mgalb、hfalb、scalb、schfb及hfmgb等化合物中的至少1种。
[0037]
铁磁性体25可以具有仅包括1层铁磁性体的构造，也可以具有多个铁磁性体及1个以上的导电体层叠而成的构造。铁磁性体25例如包括cofeb、mgfeo、它们的层叠等。铁磁性体25具有沿着贯穿铁磁性体25、绝缘体26及铁磁性体27的界面的方向的易磁化轴，例如具有沿着与界面正交的方向的易磁化轴。铁磁性体25的磁化方向根据数据向存储单元mc的写入是可变的，铁磁性体25能够作为所谓的存储层发挥功能。
[0038]
绝缘体26例如包含mgo或alo，或者由mgo或alo组成。绝缘体26能够作为隧道势垒发挥功能。
[0039]
铁磁性体27可以具有仅包括1层铁磁性体的构造，也可以具有多个铁磁性体及1个以上的导电体层叠而成的构造。铁磁性体27例如能够包含具有垂直磁各向异性的tbcofe、co和pt层叠而成的人工晶格、有序化为l10型的fept合金等。铁磁性体27具有沿着贯穿铁磁性体25、绝缘体26及铁磁性体27的界面的方向的易磁化轴，例如具有沿着与界面正交的方向的易磁化轴。铁磁性体27的磁化方向旨在即使通过数据从存储单元mc的读出及数据向存储单元mc的写入也不变。铁磁性体27能够作为所谓的参照层发挥功能。
[0040]
若铁磁性体25的磁化方向与铁磁性体27的磁化方向平行，则磁阻效应元件vr处于具有更低的电阻的状态。若铁磁性体25的磁化方向与铁磁性体27的磁化方向反平行，则磁
阻效应元件vr处于具有更高的电阻的状态。
[0041]
为了数据读出，例如，使用在数据读出对象的存储单元mc中流动的读出电流，判断数据读出对象的存储单元mc的磁阻效应元件vr处于2个电阻的状态中的哪一个。
[0042]
若从铁磁性体25朝向铁磁性体27流动某大小的写入电流iw
p
，则铁磁性体25的磁化方向与铁磁性体27的磁化方向平行。另一方面，若从铁磁性体27朝向铁磁性体25流动写入电流iw
ap
，则铁磁性体25的磁化方向与铁磁性体27的磁化方向反平行。
[0043]
铁磁性体27与上部电极30的底面电连接。基于现在的例子，铁磁性体27经由帽层28及硬掩模29与上部电极30电连接。帽层28设置在铁磁性体27的上表面上，硬掩模29设置在帽层28的上表面上。
[0044]
帽层28是导电体的层，例如是金属的层，例如包括ta、ru、pt及w中的至少1种。硬掩模29例如是金属的层。
[0045]
上部电极30设置在硬掩模29的上表面上。
[0046]
以下，从下部电极22的上表面上的要素到与上部电极30的底面相接的要素为止的组、即在现在的例子中是缓冲层23、基底层24、铁磁性体25、绝缘体26、铁磁性体27、帽层28及硬掩模29的组，有时被称作层叠构造ls。
[0047]
磁阻效应元件vr的侧面由绝缘层31覆盖。绝缘层31可以覆盖层叠构造ls的侧面整体，而且，也可以在其下部与下部电极22的上表面的一部分相接，覆盖层间绝缘体21的上表面。附图及以下的描述基于该例子。绝缘层31例如包括氮化物或氧化物。
[0048]
绝缘层31的侧面中的至少磁阻效应元件vr的侧面上的部分由氮阻挡层32覆盖。氮阻挡层32也可以覆盖绝缘层31的侧面中的另外的层的侧面上的部分。氮阻挡层32例如覆盖绝缘层31的侧面中的缓冲层23、基底层24、铁磁性体25、绝缘体26、铁磁性体27及帽层28的侧面上的部分。附图及以下的描述基于该例子。氮阻挡层32旨在抑制例如来自在下述的存储单元mc的制造工序中产生的氮的影响。作为用于这样的目的的材料，可举出容易被氮化的材料。具体而言，氮阻挡层32例如包含mg、ti、zr、铌(nb)、ta、al及钆(gd)以及mg、ti、zr、nb、ta、al、或gd的氧化物中的1种以上。氮阻挡层32也可以具有容易连续地形成的性质、即不容易中断的性质。
[0049]
在氮阻挡层32的侧面上设置有保护层33。保护层33例如也可以覆盖氮阻挡层32的侧面整体。另外，保护层33的上端的开口的面积比氮阻挡层32的上端的开口的面积窄。因而，保护层33在包括上端的部分突出至氮阻挡层32的上端的开口的内侧，覆盖氮阻挡层32的上表面。因而，氮阻挡层32没有与上部电极30相接。
[0050]
图3示出了上部电极30的xy面上的中心与层叠构造ls的xy面上的中心一致的例子，但有时上部电极30的xy面上的中心从层叠构造ls的xy面上的中心大幅偏离。在这样的情况下，硬掩模29的上表面的一部分位于比保护层33的上表面高的位置，保护层33的内表面与硬掩模29的侧面相接。保护层33包含对于某蚀刻具有与后述的帽氮化物层35及层间绝缘体37的蚀刻速率不同的蚀刻速率的材料，或者由这样的材料组成。保护层33例如是金属的层，例如包含ta、ru、pt及w中的至少1种。
[0051]
保护层33的侧面、上部电极30的侧面中的下侧的部分以及绝缘层31中的未由氮阻挡层32覆盖的部分，由帽氮化物层35覆盖。
[0052]
保护层33的表面及上部电极30的侧面中的未由帽氮化物层35覆盖的部分由层间
绝缘体37覆盖。
[0053]
<1.3.制造方法>
[0054]
图4～图8依次示出第一实施方式的存储单元mc的一部分的构造的制造工序的一状态，示出与图3相同的部分。
[0055]
如图4所示，在层间绝缘体21中形成下部电极22。接着，在层间绝缘体21的上表面及下部电极22的上表面上依次层叠缓冲层23a、基底层24a、铁磁性体25a、绝缘体26a、铁磁性体27a及帽层28a。缓冲层23a、基底层24a、铁磁性体25a、绝缘体26a、铁磁性体27a及帽层28a分别是之后成形为缓冲层23、基底层24、铁磁性体25、绝缘体26、铁磁性体27及帽层28的要素。
[0056]
接着，在帽层28a的上表面上形成硬掩模29a。硬掩模29a是之后形状变化为硬掩模29的要素。硬掩模29a在形成层叠构造ls的预定区域的上方残留，在其他的区域中具有开口。
[0057]
如图5所示，通过使用硬掩模29a作为掩模的蚀刻，缓冲层23a、基底层24a、铁磁性体25a、绝缘体26a、铁磁性体27a及帽层28a被局部地除去。其结果，形成缓冲层23、基底层24、铁磁性体25、绝缘体26、铁磁性体27及帽层28。蚀刻例如能够通过ibe(ion beam etching：离子束蚀刻)来进行。通过蚀刻，硬掩模29a的上表面被削除，而成为硬掩模29b。另外，通过蚀刻，下部电极22的上表面及层间绝缘体21的上表面中的硬掩模29a的开口的正下方的部分降低一些。
[0058]
如图6所示，在通过到此为止的工序得到的构造的上表面的整体形成绝缘层31a。绝缘层31a是之后成形为绝缘层31的要素。绝缘层31a覆盖缓冲层23、基底层24、铁磁性体25、绝缘体26、铁磁性体27及帽层28的侧面、硬掩模29b的表面、下部电极22的上表面中的露出的部分以及层间绝缘体21的上表面。
[0059]
如图7所示，在通过到此为止的工序得到的构造的上表面整体形成氮阻挡层32a。氮阻挡层32a是之后成形为氮阻挡层32的要素。绝缘层31a的表面由氮阻挡层32a覆盖。
[0060]
如图8所示，对通过到此为止的工序得到的构造进行第一ibe。在第一ibe中使用的离子束的相对于z轴的角度小，例如具有10
°
以上且20
°
以下的大小。通过这样的角度的离子束的蚀刻，位于最外侧的氮阻挡层32a被局部地除去。例如，通过第一ibe，氮阻挡层32a中的上部(例如，比硬掩模29b的底面靠上方的部分)被除去。另外，氮阻挡层32a中的层间绝缘体21的上方的部分被除去。通过这样的氮阻挡层32a的局部地除去，形成氮阻挡层32。
[0061]
而且，通过氮阻挡层32a的局部地除去，绝缘层31a的一部分、例如硬掩模29b的表面上的部分露出。通过该露出的部分也暴露于ibe，绝缘层31a中的硬掩模29b的上表面上的部分被除去，绝缘层31a成为绝缘层31。
[0062]
如图9所示，在通过到此为止的工序得到的构造的上表面整体形成保护层33a。保护层33a是之后成形为保护层33的要素。保护层33a覆盖硬掩模29b中的露出的部分(即，上表面)、氮阻挡层32的表面整体及绝缘层31中的露出的部分(即，层间绝缘体21的上方的部分)。
[0063]
如图10所示，对通过到此为止的工序得到的构造进行第二ibe。在第二ibe中使用的离子束相对于z轴的角度比第一ibe中的角度小，例如具有0
°
以上且10
°
以下的大小。通过这样的角度的离子束的蚀刻，位于最外侧的保护层33a被局部地除去。例如，通过第二ibe，
保护层33a中的硬掩模29b的上表面上的部分被除去，硬掩模29b的上表面露出。通过这样的保护层33a的部分的除去，形成保护层33。而且，通过第二ibe，保护层33a中的绝缘层31的上表面上的部分、即层间绝缘体21的上方的部分也可能被除去。
[0064]
如图11所示，在通过到此为止的工序得到的构造的上表面整体形成帽氮化物层35a。帽氮化物层35a是之后成形为帽氮化物层35的要素。帽氮化物层35a覆盖保护层33、硬掩模29b的露出的部分(即，上表面)及绝缘层31中的露出的部分(即，层间绝缘体21的上方的部分)。
[0065]
如图12所示，在通过到此为止的工序得到的构造的上表面整体形成层间绝缘体37。层间绝缘体37覆盖帽氮化物层35a。接着，通过光刻工序及rie(reactive ion etching：反应性离子蚀刻)等各向异性蚀刻，在层间绝缘体37中的形成上部电极30的预定区域形成孔39。通过该蚀刻，硬掩模29b的上表面也被部分地除去，硬掩模29b成为硬掩模29。相对于图12的蚀刻，保护层33具有比帽氮化物层35、层间绝缘体37及硬掩模29的蚀刻速率低的蚀刻速率。因而，保护层33几乎不被图12的蚀刻除去，保护层33的上端残留于孔39中。并且，如上所述，保护层33的上端的开口的面积比氮阻挡层32的上端的开口的面积窄。除此之外，保护层33例如在孔39中与绝缘层31和(或)硬掩模29相接。因而，氮阻挡层32没有在孔39中露出。
[0066]
接着，孔39的表面通过药液而被湿式清洗。药液具有能够溶解氮阻挡层32的性质。然而，由于氮阻挡层32通过保护层33而没有与孔39相接，因此能抑制其暴露于在开设孔39的rie工艺后实施的湿式清洗用的药液。
[0067]
如图3所示，通过在孔39中设置导电体，形成上部电极30。其结果，图3所示的构造完成。
[0068]
<1.4.优点(效果)>
[0069]
根据第一实施方式，如以下描述那样，能够提供包括可靠性高的磁阻效应元件vr的磁存储装置1。
[0070]
首先，对用于参考的磁存储装置进行描述。与磁存储装置1同样，通过在与绝缘层31相当的氮化物层131的表面中的至少与磁阻效应元件vr面对的部分设置与氮阻挡层32相当的氮阻挡层132，磁阻效应元件vr的磁特性的劣化被抑制。可认为这起因于来自与帽氮化物层35相当的帽氮化物层135的氮影响周围及这样的氮的影响被氮阻挡层132抑制。为了设置这样的氮阻挡层132，可考虑在氮化物层131的表面上设置氮阻挡层132并且在氮阻挡层132的表面上设置帽氮化物层135的构造。然而，若是这样的构造，则在与第一实施方式的图12的工序相当的形成有上部电极用的孔的状态下，氮阻挡层132会在孔中露出。因而，氮阻挡层132可能被孔的湿式清洗用的药液溶解。若溶解波及到磁阻效应元件vr的侧面的侧方的部分，则得不到氮阻挡层132对磁阻效应元件vr的磁特性劣化的抑制的优点。
[0071]
根据第一实施方式的磁存储装置1，在氮阻挡层32的表面上设置有保护层33。保护层33的上端的开口的面积比氮阻挡层32的上端的开口的面积窄，另外，保护层33对于上部电极30用的孔39的湿式清洗用的药液，至少比氮阻挡层32难以溶解。因而，在孔39的湿式清洗时，氮阻挡层32不在孔39中露出，能保护其不暴露于清洗用的药液。因而，能够在磁阻效应元件vr的侧面的侧方维持氮阻挡层32，由此，能够实现具有比参考用的磁存储装置那样的没有氮阻挡层32的构造高的磁特性的磁阻效应元件vr。
[0072]
<1.5.变形例>
[0073]
到此为止，在磁阻效应元件vr中，使用作为所谓的存储层发挥功能的铁磁性体25位于绝缘体26的下侧并且作为所谓的参照层发挥功能的铁磁性体27位于绝缘体26的上侧的构造作为例子，描述了实施方式。然而，第一实施方式不限定于该例子。即，也可以是，铁磁性体27位于绝缘体26的下侧，铁磁性体25位于绝缘体26的上侧。
[0074]
虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式是作为例子而提示的，并非旨在限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种各样的方式实施，能够在不脱离发明的主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于发明的范围、主旨，同样包含于权利要求书所记载的发明及其均等的范围。