本申請基于并要求于2014年3月13日提交的美國臨時專利申請No.61/952,815的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容在此通過引用而被包含。

技術(shù)領(lǐng)域

在此描述的實施例一般涉及磁阻元件。

背景技術(shù)：

近來，使用磁性隧道結(jié)(MTJ)元件的大容量磁阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)已經(jīng)受到期待和關(guān)注。在MRAM中使用的MTJ元件中，夾著隧道勢壘層的兩個鐵磁層中的一個被處理為具有固定且不易改變的磁化方向的磁化固定層(參考層)，另一個被處理為具有可逆磁化方向的磁化自由層(存儲層)。

附圖說明

圖1是示出第一實施例的磁阻元件的基本構(gòu)成的截面圖；

圖2是用于說明磁阻元件的存儲層中的激活體積的示意圖；

圖3是示出磁阻元件的存儲層中的飽和磁化強(qiáng)度Ms與Mo成分之間的關(guān)系的特性圖；

圖4是示出磁阻元件的存儲層中的MR比率與Mo成分之間的關(guān)系的特性圖；

圖5是示出磁阻元件的存儲層中的磁各向異性常數(shù)Ku與Mo成分之間的關(guān)系的特性圖；

圖6是示出磁阻元件的存儲層中的激活部分的直徑Ds與Mo成分之間的關(guān)系的特性圖；

圖7是示出使用第一實施例的磁阻元件的MRAM的電路結(jié)構(gòu)圖；

圖8是示出圖7所示的MRAM中的存儲單元模塊的元件結(jié)構(gòu)的截面圖；

圖9A到圖9C是示出圖8所示的存儲單元模塊的制造步驟的截面圖；

圖10是示出第二實施例的磁阻元件的基本構(gòu)成的截面圖；

圖11是用于描述由偏移消除層帶來的雜散磁場的消除效果的示意圖；

圖12是示出存儲層中的Mo成分與偏移消除層中的偏移量之間的關(guān)系的特性圖；

圖13是示出圖10所示的磁阻元件的更具體構(gòu)成的截面圖。

具體實施方式

一般地，根據(jù)一個實施例，提供了一種磁阻元件，其包括：第一磁層；在第一磁層上的非磁層；以及在非磁層上的第二磁層，其中第一磁層和第二磁層之一包括：Co和Fe之一、以及具有比Co和Fe更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的材料。

以下將參考附圖來描述實施例。

(第一實施例)

磁阻元件的構(gòu)成

圖1是示出第一實施例的磁阻元件的基本構(gòu)成的截面圖。

由MgO形成的隧道勢壘層(非磁層)32被夾在由CoFeB形成的存儲層(第一磁層)31(SL)與由CoFeB形成的參考層(第二磁層)33(RL)之間。

在這種MTJ元件中，信息可通過將存儲層31和參考層33的磁化方向的平行狀態(tài)和反平行狀態(tài)與二進(jìn)制數(shù)“0”和“1”相關(guān)聯(lián)來存儲。當(dāng)存儲層31和參考層33的磁化方向彼此平行時，與磁化強(qiáng)度方向是反平行時相比，隧道勢壘層32的電阻(勢壘電阻)更小，隧道電流更大。MR比率是[(反平行狀態(tài)下的電阻-平行狀態(tài)下的電阻)/平行狀態(tài)下的電阻]。存儲信息通過基于TMR效果而檢測電阻變化來讀取。因此，在讀取時，優(yōu)選基于TMR效果的更大電阻變化率(MR比率)。此外，需要更大的存儲層31的熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ，以實現(xiàn)MTJ元件中的穩(wěn)定的存儲器維護(hù)。

熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ取決于存儲層31的激活面積(πDs²/4)和厚度t，如圖2所示。因此，激活體積可被增加以增加熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ。在圖2中，D表示存儲層31的直徑，Ds表示存儲層31的激活部分的直徑。

根據(jù)計算，當(dāng)存儲層31的飽和磁化強(qiáng)度Ms減小時，激活體積增加。因此，飽和磁化強(qiáng)度Ms的減小被認(rèn)為導(dǎo)致熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ的增加。將非磁性材料與存儲層31的構(gòu)成材料中的CoFeB進(jìn)行混合對于降低飽和磁化強(qiáng)度Ms是有效的。

然而，如在現(xiàn)有技術(shù)中所見，如果將Cr或V與CoFeB進(jìn)行混合，飽和磁化強(qiáng)度Ms肯定降低，但是熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ所需的垂直磁各向異性(PMA)和讀取所需的MR比率惡化了。

本實施例通過選擇與CoFeB進(jìn)行混合的非磁性材料來解決上述問題。換言之，本實施例成功地只降低飽和磁化強(qiáng)度Ms，而不減小垂直磁各向異性(PMA)或MR比率。

圖3是示出存儲層31中的飽和磁化強(qiáng)度Ms與Mo成分之間的關(guān)系的特性圖。當(dāng)Mo成分變得更高時，飽和磁化強(qiáng)度Ms降低。這一點被應(yīng)用于如現(xiàn)有技術(shù)中的Cr或V與CoFeB進(jìn)行混合的情況中。在圖3中，垂直軸表示當(dāng)Mo成分是0at％時被標(biāo)準(zhǔn)化為1的值。在圖4至圖6中，垂直軸也表示以相同方式標(biāo)準(zhǔn)化的值。

圖4是示出存儲層31中的MR比率與Mo成分之間的關(guān)系的特性圖。即使Mo成分變得更高，MR比率也不降低，而是基本上維持不變。如在現(xiàn)有技術(shù)中所見，當(dāng)Cr或V與CoFeB進(jìn)行混合時，當(dāng)Mo成分變得更高時，MR比率減小。換言之，現(xiàn)有技術(shù)中沒有的降低飽和磁化強(qiáng)度Ms而不降低MR比率的特性可通過將Mo與CoFeB進(jìn)行混合而得到，與本實施例相似。

圖5是示出垂直磁各向異性的參數(shù)Ku的特性圖。即使存儲層31的Mo成分變得更高，Ku也不降低，而是基本上維持不變。如在現(xiàn)有技術(shù)中所見，當(dāng)Cr或V與CoFeB進(jìn)行混合時，當(dāng)Mo成分變得更高時，Ku比率減小。如果存儲層31的垂直磁各向異性降低，則發(fā)生面內(nèi)磁化，MTJ元件不能被使用。換言之，現(xiàn)有技術(shù)中沒有的降低飽和磁化強(qiáng)度Ms而不降低垂直磁各向異性的特性可通過將Mo與CoFeB進(jìn)行混合而得到，與本實施例相似。

圖6是示出存儲層31中的激活部分的直徑Ds與Mo成分之間的關(guān)系的特性圖。這個特性已經(jīng)通過計算得出。當(dāng)Mo成分變得更高時，Ds變得更大。根據(jù)這個特性可以理解，熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ通過使Mo成分更高來增加。

圖3至圖6的每一個示出了當(dāng)CoFeB中的B成分是20at％時獲得的數(shù)據(jù)。如果B成分不同，則這些特性也改變，但是基本趨勢是相同的。換言之，如果B成分改變，則每個附圖中的特性曲線在垂直方向上稍微偏移，傾斜程度僅僅輕微變化。因此，上述的現(xiàn)象發(fā)生與B成分無關(guān)。

因此，根據(jù)本實施例，通過將非磁性Mo與存儲層31的構(gòu)成材料CoFeB進(jìn)行混合，可降低飽和磁化強(qiáng)度Ms而不降低MR比率或Ku。熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ可增加而不降低MR比率。當(dāng)磁阻元件用作MRAM的存儲單元時，這個效果極為有利。

存儲層31的構(gòu)成材料并不限于CoFeB，而可包括鐵磁體Co和Fe。如上述的效果一樣的效果也可通過將Mo與CoFe進(jìn)行混合來獲得。非磁性B被包含在鐵磁體CoFe中的原因是存儲層31可容易通過在形成該存儲層31后執(zhí)行的退火而被晶化。因此，期望存儲層31由包含適量的B的CoFeB形成，而不是CoFe。

存儲層31中的Mo成分可根據(jù)所要求的特性任意確定。如果Mo成分太低，則增加熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ的效果很難識別。如果Mo成分太高，則飽和磁化強(qiáng)度Ms變得更低。因此，期望Mo成分在1到30at％的范圍內(nèi)。此外，期望的Mo成分的范圍也根據(jù)B成分而變化。另外，B是非磁性的。如果B成分太高，則飽和磁化強(qiáng)度Ms變得非常低，與Mo的情況類似。因此，期望Mo和B的總成分是在1到30at％的范圍內(nèi)。

此外，通過使用W替代Mo作為與存儲層31混合的非磁性材料，也可獲得相同的效果。原因可被推定是由于具有高標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的材料不向作為隧道勢壘的MgO一側(cè)擴(kuò)散，MgO與CoFeB之間的界面變得更好，晶格失配很難發(fā)生。因此，期望通過使用具有比Co或Fe更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢的材料作為與CoFeB的存儲層31混合的非磁性材料來獲得相同的效果。

Mo不僅可與存儲層31混合，而且還可與參考層33的構(gòu)成材料CoFeB進(jìn)行混合。在這種情況下，可獲得可使用存儲層和參考層共同的濺射靶的效果。

應(yīng)用于MRAM

圖7是示出使用本實施例的磁阻元件的MRAM的存儲單元陣列的電路圖。

存儲單元陣列MA中的存儲單元包括用作磁阻元件的MTJ元件和開關(guān)元件(例如，場效應(yīng)晶體管(FET))T的串聯(lián)體。串聯(lián)體的一端(即，MTJ元件的一端)電連接到位線BL，串聯(lián)體的另一端(即，開關(guān)元件T的一端)電連接到源線SL。

開關(guān)元件T的控制端，例如FET的柵電極電連接到字線WL。字線WL的電勢由第一控制電路1控制。位線BL和源線SL的電勢連接到第二控制電路2。

圖8是示出使用本實施例的磁阻元件的存儲單元模塊的結(jié)構(gòu)的截面圖。

在Si基板10的表面上形成開關(guān)MOS晶體管，并在晶體管上形成層間絕緣膜20。晶體管具有嵌入式柵極結(jié)構(gòu)，其中，柵電極13隔著柵極絕緣膜12被嵌入在基板10中形成的溝槽中。在溝槽的中間嵌入柵電極13，并在柵電極13上形成保護(hù)絕緣膜14。此外，通過在基板10中擴(kuò)散P型或N型雜質(zhì)，在嵌入式柵極結(jié)構(gòu)的兩側(cè)形成源極區(qū)域和漏極區(qū)域(未示出)。

晶體管模塊的構(gòu)成不限于包括嵌入式柵極結(jié)構(gòu)的晶體管模塊。例如，柵電極可通過柵極絕緣膜在Si基板10的表面上形成。晶體管模塊可被構(gòu)成為用作開關(guān)元件。

在層間絕緣膜20中形成接觸孔，通過該接觸孔，可與晶體管的漏極連接，下部電極(BEC)21被嵌入接觸孔中。下部電極21由具有結(jié)晶性的金屬形成，例如Ta。

在下部電極21上形成由Hf形成的緩沖層22。緩沖層的材料不限于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中的任意一個。

用作鐵磁存儲層31的CoFeB膜、用作隧道勢壘層32的MgO膜和用作鐵磁參考層33的CoFeB膜被堆疊在緩沖層22上。換言之，構(gòu)成了通過在兩個鐵磁層31和33之間夾著隧道勢壘層31而形成的MTJ元件30。如上所述，MTJ元件30的存儲層31包含大約10at％的Mo。

層間絕緣膜40在形成有MTJ元件30的基板上形成。在層間絕緣膜40中嵌入與MTJ元件30的參考層33連接的接觸插頭(TEC)37。此外，連接到晶體管模塊的源極的接觸插頭38通過層間絕緣膜40和層間絕緣膜20嵌入。在層間絕緣膜40上形成有連接到接觸插頭37的布線(BL)51和連接到接觸插頭38的布線(SL)52。

接著將參考圖9A至圖9C描述制造本實施例的存儲單元模塊的方法。

首先，在Si基板10的表面部分上形成具有嵌入式柵極結(jié)構(gòu)的開關(guān)MOS晶體管(未示出)，并通過CVD在Si基板10上沉積SiO₂的層間絕緣膜20等，如圖9A所示。然后，用于與晶體管的漏極連接的接觸孔形成在層間絕緣膜20中，并在接觸孔中嵌入由晶體Ta形成的下部電極。更具體地，通過濺射等在層間絕緣膜20上沉積Ta膜以嵌入接觸孔，通過化學(xué)機(jī)械刻蝕(CMP)來除去層間絕緣膜上的Ta膜，只在接觸孔中留下Ta膜。

接著，通過濺射等在層間絕緣膜20和下部電極21上形成緩沖層22，如圖9B所示。將要用作鐵磁存儲層31的CoFeB膜、將要用作隧道勢壘層32的MgO膜和將要用作鐵磁參考層33的CoFeB膜在緩沖層22上順序地沉積。換言之，形成了用于形成其中非磁性隧道勢壘層被夾在鐵磁層之間的MTJ元件的層狀結(jié)構(gòu)。

在形成存儲層31時，使用通過將大約10at％的Mo與CoFeB進(jìn)行混合而形成的靶，并通過對該靶進(jìn)行濺射來沉積CoFeB+Mo膜。類似地，在形成隧道勢壘層32時，通過對MgO靶進(jìn)行濺射來沉積MgO膜。類似地，在形成參考層33時，通過對CoFeB靶進(jìn)行濺射來沉積CoFeB膜。在用于晶化CoFeB的加熱步驟中，當(dāng)基本上剩下Mo時減少B。最終，B可能不被包含。

接著，通過在單元圖案中處理層狀部分22、31、32和33來形成MTJ元件30，如圖9C所示。更具體地，在參考層33上形成單元圖案掩膜，通過RIE等對層狀部分進(jìn)行選擇性的刻蝕，以便在下部電極21上剩下島狀。

隨后，形成層間絕緣膜40，然后形成接觸插頭37和38，并進(jìn)一步形成布線51和52?？捎纱双@得如圖8所示的構(gòu)成。

因此，根據(jù)本實施例，用作存儲單元的MTJ元件30可在形成了開關(guān)晶體管的基板上形成，存儲單元可在小面積中形成。在這種情況下，由于Mo與MTJ元件30的CoFeB存儲層31進(jìn)行混合，因此，可降低飽和磁化強(qiáng)度Ms而不降低存儲層31的MR比率或Ku。為此，可使熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ增大而不降低MR比率。因此，可實現(xiàn)存儲層31中的穩(wěn)定的存儲器維護(hù)，并可提高M(jìn)RAM的可靠性。

(第二實施例)

圖10是示出第二實施例的磁阻元件的基本構(gòu)成的截面圖。與圖1和圖8所示的元件相同或相似的元件用相似的標(biāo)號來表示，并在此不詳細(xì)描述。

在緩沖層(基層)22上形成CoFeB存儲層(第一磁層)31(SL)、MgO隧道勢壘層(第一非磁層)32、CoFeB參考層(第二磁層)33(RL)、Ru間隔層34和Co/Pt偏移消除層(第三磁層)35(SCL)。本實施例的特征在于將Mo與參考層33混合。

偏移消除層35的作用是在來自消除層35的雜散磁場中消除來自參考層33的雜散磁場H，如圖11所示。雜散磁場H與飽和磁化強(qiáng)度Ms成比例。因此，參考層33的飽和磁化強(qiáng)度Ms可能需要降低，以使雜散磁場H來自參考層33。

在本實施例中，參考層33的飽和磁化強(qiáng)度Ms可通過將Mo與參考層33混合來變小。由于偏移消除層35中的偏移量與參考層33的飽和磁化強(qiáng)度Ms成比例，因此，當(dāng)飽和磁化強(qiáng)度Ms變小時，偏移量減小，如圖12所示。因此，通過將Mo與參考層33混合，偏移量可減小，并且偏移消除層35的厚度可因此而變薄。這帶來方便偏移消除層35和包括偏移消除層35的層狀部分的處理的優(yōu)點。

在本實施例中，同樣，通過將Mo與存儲層31的CoFeB混合，可如圖3至圖6所示地減小飽和磁化強(qiáng)度Ms而不降低MR比率或Ku。因此，可獲得如第一實施例的效果一樣的效果。

圖13是示出磁阻元件的更具體構(gòu)成的截面圖。基層22是層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中的任意一個)和層22b(AlN、ZrN、NbN和SiN中的任意一個)的堆疊。存儲層31是磁層(包含Co或Fe)。參考層33具有磁層(包含Co或Fe)33a、非磁層(例如，Ta、Zr、Nb、Mo、Ru、Ti、V、Cr、W、Hf、Pt、Pd、Rh和Ir)33b和磁層(Co/Pt或Co/Pd)33c的人工晶格的層狀結(jié)構(gòu)。間隔層34是非磁層(例如，Ta、Zr、Nb、Mo、Ru、Ti、V、Cr、W、Hf、Pt、Pd、Rh和Ir)。此外，偏移消除層35為通過堆疊Co/Pt或Co/Pd而形成的人工晶格。

在參考層33中，在與MgO隧道勢壘層32接觸的部分的行為尤其重要。在圖13中，參考層33與隧道勢壘層32接觸的端口例如是包含Co或Fe的CoFeB。因此，本實施例可被應(yīng)用于該構(gòu)成。

(修改的實施例)

本發(fā)明并不限于上述的實施例。

在實施例中已經(jīng)主要描述了Mo與存儲層或參考層中的任意一個相混合，但Mo也可與存儲層和參考層兩者進(jìn)行混合。對于存儲層，混合量可從使熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ變大而不降低MR比率的角度來確定。對于參考層，混合量可從降低雜散磁場的角度來確定。因此，存儲層和參考層中的Mo的混合量可彼此不同。例如，在存儲層和參考層中，在垂直磁各向異性需要更高的層中的Mo成分可低于其它層中的Mo成分。這是因為MgO中的氧由于標(biāo)準(zhǔn)電極電勢和具有更低的Mo成分的層的垂直磁各向異性變大而移動到具有更低的Mo成分的層與MgO隧道勢壘層之間的界面處。

此外，磁層中的Mo成分不需要是不變的，成分可在厚度方向上分布。例如，通過降低在MgO界面一側(cè)的Mo成分，MgO和CoFeB的晶格失配很難發(fā)生。Mo成分可在遠(yuǎn)離MgO的部分更高。

與存儲層或參考層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，任何具有比存儲層的構(gòu)成材料Co和Fe更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢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，緩沖層和間隔層的材料并不限于實施例中的這些材料，可根據(jù)規(guī)范任意地改變。此外，下部電極的材料并不限于Ta，也可使用任何具有足夠的導(dǎo)電性并允許下部電極嵌入接觸孔的材料。除了Ta之外，也可使用W、TiN或Cu作為下部電極的材料。

盡管已經(jīng)描述了一些實施例，但這些實施例僅通過示例的方式呈現(xiàn)，并不意在限制本發(fā)明的范圍。實際上，在此描述的新穎的實施例可體現(xiàn)為各種其它形式；另外，在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，可以對在此描述的實施例的形式進(jìn)行各種省略、替換和改變。所附的權(quán)利要求及其等同意在覆蓋這樣的形式或修改，以便落入本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。