磁阻元件的制作方法

本申请基于并要求于2014年3月13日提交的美国临时专利申请No.61/952,815的优先权，其全部内容在此通过引用而被包含。

技术领域

在此描述的实施例一般涉及磁阻元件。

背景技术：

近来，使用磁性隧道结(MTJ)元件的大容量磁阻随机存取存储器(MRAM)已经受到期待和关注。在MRAM中使用的MTJ元件中，夹着隧道势垒层的两个铁磁层中的一个被处理为具有固定且不易改变的磁化方向的磁化固定层(参考层)，另一个被处理为具有可逆磁化方向的磁化自由层(存储层)。

附图说明

图1是示出第一实施例的磁阻元件的基本构成的截面图；

图2是用于说明磁阻元件的存储层中的激活体积的示意图；

图3是示出磁阻元件的存储层中的饱和磁化强度Ms与Mo成分之间的关系的特性图；

图4是示出磁阻元件的存储层中的MR比率与Mo成分之间的关系的特性图；

图5是示出磁阻元件的存储层中的磁各向异性常数Ku与Mo成分之间的关系的特性图；

图6是示出磁阻元件的存储层中的激活部分的直径Ds与Mo成分之间的关系的特性图；

图7是示出使用第一实施例的磁阻元件的MRAM的电路结构图；

图8是示出图7所示的MRAM中的存储单元模块的元件结构的截面图；

图9A到图9C是示出图8所示的存储单元模块的制造步骤的截面图；

图10是示出第二实施例的磁阻元件的基本构成的截面图；

图11是用于描述由偏移消除层带来的杂散磁场的消除效果的示意图；

图12是示出存储层中的Mo成分与偏移消除层中的偏移量之间的关系的特性图；

图13是示出图10所示的磁阻元件的更具体构成的截面图。

具体实施方式

一般地，根据一个实施例，提供了一种磁阻元件，其包括：第一磁层；在第一磁层上的非磁层；以及在非磁层上的第二磁层，其中第一磁层和第二磁层之一包括：Co和Fe之一、以及具有比Co和Fe更高的标准电极电势的材料。

以下将参考附图来描述实施例。

(第一实施例)

磁阻元件的构成

图1是示出第一实施例的磁阻元件的基本构成的截面图。

由MgO形成的隧道势垒层(非磁层)32被夹在由CoFeB形成的存储层(第一磁层)31(SL)与由CoFeB形成的参考层(第二磁层)33(RL)之间。

在这种MTJ元件中，信息可通过将存储层31和参考层33的磁化方向的平行状态和反平行状态与二进制数“0”和“1”相关联来存储。当存储层31和参考层33的磁化方向彼此平行时，与磁化强度方向是反平行时相比，隧道势垒层32的电阻(势垒电阻)更小，隧道电流更大。MR比率是[(反平行状态下的电阻-平行状态下的电阻)/平行状态下的电阻]。存储信息通过基于TMR效果而检测电阻变化来读取。因此，在读取时，优选基于TMR效果的更大电阻变化率(MR比率)。此外，需要更大的存储层31的热稳定性指标Δ，以实现MTJ元件中的稳定的存储器维护。

热稳定性指标Δ取决于存储层31的激活面积(πDs²/4)和厚度t，如图2所示。因此，激活体积可被增加以增加热稳定性指标Δ。在图2中，D表示存储层31的直径，Ds表示存储层31的激活部分的直径。

根据计算，当存储层31的饱和磁化强度Ms减小时，激活体积增加。因此，饱和磁化强度Ms的减小被认为导致热稳定性指标Δ的增加。将非磁性材料与存储层31的构成材料中的CoFeB进行混合对于降低饱和磁化强度Ms是有效的。

然而，如在现有技术中所见，如果将Cr或V与CoFeB进行混合，饱和磁化强度Ms肯定降低，但是热稳定性指标Δ所需的垂直磁各向异性(PMA)和读取所需的MR比率恶化了。

本实施例通过选择与CoFeB进行混合的非磁性材料来解决上述问题。换言之，本实施例成功地只降低饱和磁化强度Ms，而不减小垂直磁各向异性(PMA)或MR比率。

图3是示出存储层31中的饱和磁化强度Ms与Mo成分之间的关系的特性图。当Mo成分变得更高时，饱和磁化强度Ms降低。这一点被应用于如现有技术中的Cr或V与CoFeB进行混合的情况中。在图3中，垂直轴表示当Mo成分是0at％时被标准化为1的值。在图4至图6中，垂直轴也表示以相同方式标准化的值。

图4是示出存储层31中的MR比率与Mo成分之间的关系的特性图。即使Mo成分变得更高，MR比率也不降低，而是基本上维持不变。如在现有技术中所见，当Cr或V与CoFeB进行混合时，当Mo成分变得更高时，MR比率减小。换言之，现有技术中没有的降低饱和磁化强度Ms而不降低MR比率的特性可通过将Mo与CoFeB进行混合而得到，与本实施例相似。

图5是示出垂直磁各向异性的参数Ku的特性图。即使存储层31的Mo成分变得更高，Ku也不降低，而是基本上维持不变。如在现有技术中所见，当Cr或V与CoFeB进行混合时，当Mo成分变得更高时，Ku比率减小。如果存储层31的垂直磁各向异性降低，则发生面内磁化，MTJ元件不能被使用。换言之，现有技术中没有的降低饱和磁化强度Ms而不降低垂直磁各向异性的特性可通过将Mo与CoFeB进行混合而得到，与本实施例相似。

图6是示出存储层31中的激活部分的直径Ds与Mo成分之间的关系的特性图。这个特性已经通过计算得出。当Mo成分变得更高时，Ds变得更大。根据这个特性可以理解，热稳定性指标Δ通过使Mo成分更高来增加。

图3至图6的每一个示出了当CoFeB中的B成分是20at％时获得的数据。如果B成分不同，则这些特性也改变，但是基本趋势是相同的。换言之，如果B成分改变，则每个附图中的特性曲线在垂直方向上稍微偏移，倾斜程度仅仅轻微变化。因此，上述的现象发生与B成分无关。

因此，根据本实施例，通过将非磁性Mo与存储层31的构成材料CoFeB进行混合，可降低饱和磁化强度Ms而不降低MR比率或Ku。热稳定性指标Δ可增加而不降低MR比率。当磁阻元件用作MRAM的存储单元时，这个效果极为有利。

存储层31的构成材料并不限于CoFeB，而可包括铁磁体Co和Fe。如上述的效果一样的效果也可通过将Mo与CoFe进行混合来获得。非磁性B被包含在铁磁体CoFe中的原因是存储层31可容易通过在形成该存储层31后执行的退火而被晶化。因此，期望存储层31由包含适量的B的CoFeB形成，而不是CoFe。

存储层31中的Mo成分可根据所要求的特性任意确定。如果Mo成分太低，则增加热稳定性指标Δ的效果很难识别。如果Mo成分太高，则饱和磁化强度Ms变得更低。因此，期望Mo成分在1到30at％的范围内。此外，期望的Mo成分的范围也根据B成分而变化。另外，B是非磁性的。如果B成分太高，则饱和磁化强度Ms变得非常低，与Mo的情况类似。因此，期望Mo和B的总成分是在1到30at％的范围内。

此外，通过使用W替代Mo作为与存储层31混合的非磁性材料，也可获得相同的效果。原因可被推定是由于具有高标准电极电势的材料不向作为隧道势垒的MgO一侧扩散，MgO与CoFeB之间的界面变得更好，晶格失配很难发生。因此，期望通过使用具有比Co或Fe更高的标准电极电势的材料作为与CoFeB的存储层31混合的非磁性材料来获得相同的效果。

Mo不仅可与存储层31混合，而且还可与参考层33的构成材料CoFeB进行混合。在这种情况下，可获得可使用存储层和参考层共同的溅射靶的效果。

应用于MRAM

图7是示出使用本实施例的磁阻元件的MRAM的存储单元阵列的电路图。

存储单元阵列MA中的存储单元包括用作磁阻元件的MTJ元件和开关元件(例如，场效应晶体管(FET))T的串联体。串联体的一端(即，MTJ元件的一端)电连接到位线BL，串联体的另一端(即，开关元件T的一端)电连接到源线SL。

开关元件T的控制端，例如FET的栅电极电连接到字线WL。字线WL的电势由第一控制电路1控制。位线BL和源线SL的电势连接到第二控制电路2。

图8是示出使用本实施例的磁阻元件的存储单元模块的结构的截面图。

在Si基板10的表面上形成开关MOS晶体管，并在晶体管上形成层间绝缘膜20。晶体管具有嵌入式栅极结构，其中，栅电极13隔着栅极绝缘膜12被嵌入在基板10中形成的沟槽中。在沟槽的中间嵌入栅电极13，并在栅电极13上形成保护绝缘膜14。此外，通过在基板10中扩散P型或N型杂质，在嵌入式栅极结构的两侧形成源极区域和漏极区域(未示出)。

晶体管模块的构成不限于包括嵌入式栅极结构的晶体管模块。例如，栅电极可通过栅极绝缘膜在Si基板10的表面上形成。晶体管模块可被构成为用作开关元件。

在层间绝缘膜20中形成接触孔，通过该接触孔，可与晶体管的漏极连接，下部电极(BEC)21被嵌入接触孔中。下部电极21由具有结晶性的金属形成，例如Ta。

在下部电极21上形成由Hf形成的缓冲层22。缓冲层的材料不限于Hf，也可包含Ta、Zn、Cr、Nb、V、Mn、Zr、Pa、Hf、Ti、Al、Be、Th、Sc、Nd、Gd、Tb、Lu、Dy、W、Mo、TiN、A1N和HfN中的任意一个。

用作铁磁存储层31的CoFeB膜、用作隧道势垒层32的MgO膜和用作铁磁参考层33的CoFeB膜被堆叠在缓冲层22上。换言之，构成了通过在两个铁磁层31和33之间夹着隧道势垒层31而形成的MTJ元件30。如上所述，MTJ元件30的存储层31包含大约10at％的Mo。

层间绝缘膜40在形成有MTJ元件30的基板上形成。在层间绝缘膜40中嵌入与MTJ元件30的参考层33连接的接触插头(TEC)37。此外，连接到晶体管模块的源极的接触插头38通过层间绝缘膜40和层间绝缘膜20嵌入。在层间绝缘膜40上形成有连接到接触插头37的布线(BL)51和连接到接触插头38的布线(SL)52。

接着将参考图9A至图9C描述制造本实施例的存储单元模块的方法。

首先，在Si基板10的表面部分上形成具有嵌入式栅极结构的开关MOS晶体管(未示出)，并通过CVD在Si基板10上沉积SiO₂的层间绝缘膜20等，如图9A所示。然后，用于与晶体管的漏极连接的接触孔形成在层间绝缘膜20中，并在接触孔中嵌入由晶体Ta形成的下部电极。更具体地，通过溅射等在层间绝缘膜20上沉积Ta膜以嵌入接触孔，通过化学机械刻蚀(CMP)来除去层间绝缘膜上的Ta膜，只在接触孔中留下Ta膜。

接着，通过溅射等在层间绝缘膜20和下部电极21上形成缓冲层22，如图9B所示。将要用作铁磁存储层31的CoFeB膜、将要用作隧道势垒层32的MgO膜和将要用作铁磁参考层33的CoFeB膜在缓冲层22上顺序地沉积。换言之，形成了用于形成其中非磁性隧道势垒层被夹在铁磁层之间的MTJ元件的层状结构。

在形成存储层31时，使用通过将大约10at％的Mo与CoFeB进行混合而形成的靶，并通过对该靶进行溅射来沉积CoFeB+Mo膜。类似地，在形成隧道势垒层32时，通过对MgO靶进行溅射来沉积MgO膜。类似地，在形成参考层33时，通过对CoFeB靶进行溅射来沉积CoFeB膜。在用于晶化CoFeB的加热步骤中，当基本上剩下Mo时减少B。最终，B可能不被包含。

接着，通过在单元图案中处理层状部分22、31、32和33来形成MTJ元件30，如图9C所示。更具体地，在参考层33上形成单元图案掩膜，通过RIE等对层状部分进行选择性的刻蚀，以便在下部电极21上剩下岛状。

随后，形成层间绝缘膜40，然后形成接触插头37和38，并进一步形成布线51和52。可由此获得如图8所示的构成。

因此，根据本实施例，用作存储单元的MTJ元件30可在形成了开关晶体管的基板上形成，存储单元可在小面积中形成。在这种情况下，由于Mo与MTJ元件30的CoFeB存储层31进行混合，因此，可降低饱和磁化强度Ms而不降低存储层31的MR比率或Ku。为此，可使热稳定性指标Δ增大而不降低MR比率。因此，可实现存储层31中的稳定的存储器维护，并可提高MRAM的可靠性。

(第二实施例)

图10是示出第二实施例的磁阻元件的基本构成的截面图。与图1和图8所示的元件相同或相似的元件用相似的标号来表示，并在此不详细描述。

在缓冲层(基层)22上形成CoFeB存储层(第一磁层)31(SL)、MgO隧道势垒层(第一非磁层)32、CoFeB参考层(第二磁层)33(RL)、Ru间隔层34和Co/Pt偏移消除层(第三磁层)35(SCL)。本实施例的特征在于将Mo与参考层33混合。

偏移消除层35的作用是在来自消除层35的杂散磁场中消除来自参考层33的杂散磁场H，如图11所示。杂散磁场H与饱和磁化强度Ms成比例。因此，参考层33的饱和磁化强度Ms可能需要降低，以使杂散磁场H来自参考层33。

在本实施例中，参考层33的饱和磁化强度Ms可通过将Mo与参考层33混合来变小。由于偏移消除层35中的偏移量与参考层33的饱和磁化强度Ms成比例，因此，当饱和磁化强度Ms变小时，偏移量减小，如图12所示。因此，通过将Mo与参考层33混合，偏移量可减小，并且偏移消除层35的厚度可因此而变薄。这带来方便偏移消除层35和包括偏移消除层35的层状部分的处理的优点。

在本实施例中，同样，通过将Mo与存储层31的CoFeB混合，可如图3至图6所示地减小饱和磁化强度Ms而不降低MR比率或Ku。因此，可获得如第一实施例的效果一样的效果。

图13是示出磁阻元件的更具体构成的截面图。基层22是层22a(Ta、Zn、Cr、Nb、V、Mn、Zr、Pa、Hf、Ti、Al、Be、Th、Sc、Nd、Gd、Tb、Lu、Dy、W、Mo、TiN、A1N和HfN中的任意一个)和层22b(AlN、ZrN、NbN和SiN中的任意一个)的堆叠。存储层31是磁层(包含Co或Fe)。参考层33具有磁层(包含Co或Fe)33a、非磁层(例如，Ta、Zr、Nb、Mo、Ru、Ti、V、Cr、W、Hf、Pt、Pd、Rh和Ir)33b和磁层(Co/Pt或Co/Pd)33c的人工晶格的层状结构。间隔层34是非磁层(例如，Ta、Zr、Nb、Mo、Ru、Ti、V、Cr、W、Hf、Pt、Pd、Rh和Ir)。此外，偏移消除层35为通过堆叠Co/Pt或Co/Pd而形成的人工晶格。

在参考层33中，在与MgO隧道势垒层32接触的部分的行为尤其重要。在图13中，参考层33与隧道势垒层32接触的端口例如是包含Co或Fe的CoFeB。因此，本实施例可被应用于该构成。

(修改的实施例)

本发明并不限于上述的实施例。

在实施例中已经主要描述了Mo与存储层或参考层中的任意一个相混合，但Mo也可与存储层和参考层两者进行混合。对于存储层，混合量可从使热稳定性指标Δ变大而不降低MR比率的角度来确定。对于参考层，混合量可从降低杂散磁场的角度来确定。因此，存储层和参考层中的Mo的混合量可彼此不同。例如，在存储层和参考层中，在垂直磁各向异性需要更高的层中的Mo成分可低于其它层中的Mo成分。这是因为MgO中的氧由于标准电极电势和具有更低的Mo成分的层的垂直磁各向异性变大而移动到具有更低的Mo成分的层与MgO隧道势垒层之间的界面处。

此外，磁层中的Mo成分不需要是不变的，成分可在厚度方向上分布。例如，通过降低在MgO界面一侧的Mo成分，MgO和CoFeB的晶格失配很难发生。Mo成分可在远离MgO的部分更高。

与存储层或参考层混合的非磁性材料并不限于Mo，也可使用W。此外，非磁性材料并不限于Mo或W，任何具有比存储层的构成材料Co和Fe更高的标准电极电势的材料也可用作非磁性材料。例如，也可使用Re、Ru、Rh、Os、Ir等。

此外，缓冲层和间隔层的材料并不限于实施例中的这些材料，可根据规范任意地改变。此外，下部电极的材料并不限于Ta，也可使用任何具有足够的导电性并允许下部电极嵌入接触孔的材料。除了Ta之外，也可使用W、TiN或Cu作为下部电极的材料。

尽管已经描述了一些实施例，但这些实施例仅通过示例的方式呈现，并不意在限制本发明的范围。实际上，在此描述的新颖的实施例可体现为各种其它形式；另外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以对在此描述的实施例的形式进行各种省略、替换和改变。所附的权利要求及其等同意在覆盖这样的形式或修改，以便落入本发明的范围和精神内。