本申請(qǐng)基于并要求于2014年3月13日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No.61/952,815的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)引用而被包含。

技術(shù)領(lǐng)域

在此描述的實(shí)施例一般涉及磁阻元件。

背景技術(shù)：

近來(lái)，使用磁性隧道結(jié)(MTJ)元件的大容量磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)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(shì)壘層的兩個(gè)鐵磁層中的一個(gè)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(gè)被處理為具有可逆磁化方向的磁化自由層(存儲(chǔ)層)。

附圖說(shuō)明

圖1是示出第一實(shí)施例的磁阻元件的基本構(gòu)成的截面圖；

圖2是用于說(shuō)明磁阻元件的存儲(chǔ)層中的激活體積的示意圖；

圖3是示出磁阻元件的存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)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(chǔ)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(chǔ)單元模塊的制造步驟的截面圖；

圖10是示出第二實(shí)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(lái)的雜散磁場(chǎng)的消除效果的示意圖；

圖12是示出存儲(chǔ)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(shí)施方式

一般地，根據(jù)一個(gè)實(shí)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(shì)的材料。

以下將參考附圖來(lái)描述實(shí)施例。

(第一實(shí)施例)

磁阻元件的構(gòu)成

圖1是示出第一實(shí)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(shì)壘層(非磁層)32被夾在由CoFeB形成的存儲(chǔ)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(guò)將存儲(chǔ)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(lái)存儲(chǔ)。當(dāng)存儲(chǔ)層31和參考層33的磁化方向彼此平行時(shí)，與磁化強(qiáng)度方向是反平行時(shí)相比，隧道勢(shì)壘層32的電阻(勢(shì)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(chǔ)信息通過(guò)基于TMR效果而檢測(cè)電阻變化來(lái)讀取。因此，在讀取時(shí)，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(chǔ)層31的熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ，以實(shí)現(xiàn)MTJ元件中的穩(wěn)定的存儲(chǔ)器維護(hù)。

熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ取決于存儲(chǔ)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(chǔ)層31的直徑，Ds表示存儲(chǔ)層31的激活部分的直徑。

根據(jù)計(jì)算，當(dāng)存儲(chǔ)層31的飽和磁化強(qiáng)度Ms減小時(shí)，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(chǔ)層31的構(gòu)成材料中的CoFeB進(jìn)行混合對(duì)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(jiàn)，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(shí)施例通過(guò)選擇與CoFeB進(jìn)行混合的非磁性材料來(lái)解決上述問(wèn)題。換言之，本實(shí)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(chǔ)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(shí)，飽和磁化強(qiáng)度Ms降低。這一點(diǎn)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(shí)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(chǔ)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(jiàn)，當(dāng)Cr或V與CoFeB進(jìn)行混合時(shí)，當(dāng)Mo成分變得更高時(shí)，MR比率減小。換言之，現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)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(guò)將Mo與CoFeB進(jìn)行混合而得到，與本實(shí)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(chǔ)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(jiàn)，當(dāng)Cr或V與CoFeB進(jìn)行混合時(shí)，當(dāng)Mo成分變得更高時(shí)，Ku比率減小。如果存儲(chǔ)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(méi)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(guò)將Mo與CoFeB進(jìn)行混合而得到，與本實(shí)施例相似。

圖6是示出存儲(chǔ)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(gè)特性已經(jīng)通過(guò)計(jì)算得出。當(dāng)Mo成分變得更高時(shí)，Ds變得更大。根據(jù)這個(gè)特性可以理解，熱穩(wěn)定性指標(biāo)Δ通過(guò)使Mo成分更高來(lái)增加。

圖3至圖6的每一個(gè)示出了當(dāng)CoFeB中的B成分是20at％時(shí)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(shì)是相同的。換言之，如果B成分改變，則每個(gè)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(wú)關(guān)。

因此，根據(jù)本實(shí)施例，通過(guò)將非磁性Mo與存儲(chǔ)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(chǔ)單元時(shí)，這個(gè)效果極為有利。

存儲(chǔ)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(guò)將Mo與CoFe進(jìn)行混合來(lái)獲得。非磁性B被包含在鐵磁體CoFe中的原因是存儲(chǔ)層31可容易通過(guò)在形成該存儲(chǔ)層31后執(zhí)行的退火而被晶化。因此，期望存儲(chǔ)層31由包含適量的B的CoFeB形成，而不是CoFe。

存儲(chǔ)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(shí)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(lèi)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(guò)使用W替代Mo作為與存儲(chǔ)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(shì)的材料不向作為隧道勢(shì)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(guò)使用具有比Co或Fe更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)的材料作為與CoFeB的存儲(chǔ)層31混合的非磁性材料來(lái)獲得相同的效果。

Mo不僅可與存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)施例的磁阻元件的MRAM的存儲(chǔ)單元陣列的電路圖。

存儲(chǔ)單元陣列MA中的存儲(chǔ)單元包括用作磁阻元件的MTJ元件和開(kāi)關(guān)元件(例如，場(chǎng)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(kāi)關(guān)元件T的一端)電連接到源線SL。

開(kāi)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(shì)由第一控制電路1控制。位線BL和源線SL的電勢(shì)連接到第二控制電路2。

圖8是示出使用本實(shí)施例的磁阻元件的存儲(chǔ)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(kāi)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)元件。

在層間絕緣膜20中形成接觸孔，通過(guò)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(gè)。

用作鐵磁存儲(chǔ)層31的CoFeB膜、用作隧道勢(shì)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(guò)在兩個(gè)鐵磁層31和33之間夾著隧道勢(shì)壘層31而形成的MTJ元件30。如上所述，MTJ元件30的存儲(chǔ)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(guò)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(shí)施例的存儲(chǔ)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(kāi)關(guān)MOS晶體管(未示出)，并通過(guò)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(guò)濺射等在層間絕緣膜20上沉積Ta膜以嵌入接觸孔，通過(guò)化學(xué)機(jī)械刻蝕(CMP)來(lái)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(guò)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(chǔ)層31的CoFeB膜、將要用作隧道勢(shì)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(shì)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(chǔ)層31時(shí)，使用通過(guò)將大約10at％的Mo與CoFeB進(jìn)行混合而形成的靶，并通過(guò)對(duì)該靶進(jìn)行濺射來(lái)沉積CoFeB+Mo膜。類(lèi)似地，在形成隧道勢(shì)壘層32時(shí)，通過(guò)對(duì)MgO靶進(jìn)行濺射來(lái)沉積MgO膜。類(lèi)似地，在形成參考層33時(shí)，通過(guò)對(duì)CoFeB靶進(jìn)行濺射來(lái)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(shí)減少B。最終，B可能不被包含。

接著，通過(guò)在單元圖案中處理層狀部分22、31、32和33來(lái)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(guò)RIE等對(duì)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(shí)施例，用作存儲(chǔ)單元的MTJ元件30可在形成了開(kāi)關(guān)晶體管的基板上形成，存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)層31中的穩(wěn)定的存儲(chǔ)器維護(hù)，并可提高M(jìn)RAM的可靠性。

(第二實(shí)施例)

圖10是示出第二實(shí)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(hào)來(lái)表示，并在此不詳細(xì)描述。

在緩沖層(基層)22上形成CoFeB存儲(chǔ)層(第一磁層)31(SL)、MgO隧道勢(shì)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(shí)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(lái)自消除層35的雜散磁場(chǎng)中消除來(lái)自參考層33的雜散磁場(chǎng)H，如圖11所示。雜散磁場(chǎng)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(chǎng)H來(lái)自參考層33。

在本實(shí)施例中，參考層33的飽和磁化強(qiáng)度Ms可通過(guò)將Mo與參考層33混合來(lái)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(shí)，偏移量減小，如圖12所示。因此，通過(guò)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(lái)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(diǎn)。

在本實(shí)施例中，同樣，通過(guò)將Mo與存儲(chǔ)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(shí)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?；鶎?2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(gè))和層22b(AlN、ZrN、NbN和SiN中的任意一個(gè))的堆疊。存儲(chǔ)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(guò)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(shì)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(shì)壘層32接觸的端口例如是包含Co或Fe的CoFeB。因此，本實(shí)施例可被應(yīng)用于該構(gòu)成。

(修改的實(shí)施例)

本發(fā)明并不限于上述的實(shí)施例。

在實(shí)施例中已經(jīng)主要描述了Mo與存儲(chǔ)層或參考層中的任意一個(gè)相混合，但Mo也可與存儲(chǔ)層和參考層兩者進(jìn)行混合。對(duì)于存儲(chǔ)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(lái)確定。對(duì)于參考層，混合量可從降低雜散磁場(chǎng)的角度來(lái)確定。因此，存儲(chǔ)層和參考層中的Mo的混合量可彼此不同。例如，在存儲(chǔ)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?yàn)镸gO中的氧由于標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)和具有更低的Mo成分的層的垂直磁各向異性變大而移動(dòng)到具有更低的Mo成分的層與MgO隧道勢(shì)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(guò)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(chǔ)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(chǔ)層的構(gòu)成材料Co和Fe更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)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(shí)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(shí)施例，但這些實(shí)施例僅通過(guò)示例的方式呈現(xiàn)，并不意在限制本發(fā)明的范圍。實(shí)際上，在此描述的新穎的實(shí)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(duì)在此描述的實(shí)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)。