磁存储装置的制作方法

磁存储装置
1.本技术享受以日本专利申请2022-038150号(申请日：2022年3月11日)和美国专利申请17/943160(申请日：2022年9月12日)为基础申请的优先权。本技术通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
2.本发明的实施方式涉及磁存储装置(magnetic memory device)。


背景技术：

3.提出了在半导体基板上集成了包括磁阻效应元件(magnetoresistance effect element)和选择器(开关元件)的存储单元而得到的磁存储装置。


技术实现要素：

4.发明要解决的课题在于，提供特性、可靠性优异的磁存储装置。
5.实施方式的磁存储装置具备多个存储单元，所述多个存储单元各自包括磁阻效应元件和开关元件，所述开关元件设置在所述磁阻效应元件的下层侧且相对于所述磁阻效应元件串联连接，所述开关元件包括下部电极、上部电极以及设置在所述下部电极与所述上部电极之间的开关材料层，所述上部电极包括由第1材料形成的第1部分、和设置在所述第1部分的下层侧且由与所述第1材料不同的第2材料形成的第2部分。
附图说明
6.图1是示意地表示实施方式涉及的磁存储装置的结构的立体图。
7.图2是示意地表示实施方式涉及的磁存储装置的存储单元的结构的剖视图。
8.图3是示意地表示实施方式涉及的磁存储装置的磁阻效应元件的基本结构的剖视图。
9.图4、图5、图6以及图7是示意地表示实施方式涉及的磁存储装置的制造方法的剖视图。
10.图8是示意地表示实施方式涉及的磁存储装置的存储单元的变形例的结构的剖视图。
11.标号说明
12.10第1布线；20第2布线；30存储单元；40磁阻效应元件；41存储层(第1磁性层)；42参考层(第2磁性层)；43隧道势垒层(非磁性层)；44下部电极；45上部电极；50选择器(开关元件)；51下部电极；52上部电极；52a第1部分；52b第2部分；52c第3部分；53选择器材料层(开关材料层)；60硬掩模层；70保护绝缘层。
具体实施方式
13.以下，参照附图，对实施方式进行说明。
14.图1是示意地表示实施方式涉及的磁存储装置的结构的立体图。
15.图1所示的磁存储装置包括各自在x方向上延伸的多条第1布线(wiring line)10、各自在y方向上延伸的多条第2布线20以及连接在多条第1布线10与多条第2布线20之间的多个存储单元30。此外，x方向、y方向以及z方向是相互交叉的方向。更具体而言，x方向、y方向以及z方向是相互正交的方向。
16.各存储单元30包括磁阻效应元件40和选择器(开关元件)50，选择器50设置在磁阻效应元件40的下层侧且相对于磁阻效应元件40串联连接。
17.第1布线10设置在选择器50的下层侧，与选择器50电连接。第2布线20设置在磁阻效应元件40的上层侧，与磁阻效应元件40电连接。第1布线10和第2布线20中的一方与字线对应，第1布线10和第2布线20中的另一方与位线对应。
18.图2是示意地表示存储单元30的详细结构的剖视图。
19.如图2所示，存储单元30包括磁阻效应元件40、选择器(开关元件)50、硬掩模层60以及保护绝缘层70。
20.图3是示意地表示磁阻效应元件40的基本结构的剖视图。
21.磁阻效应元件40为mtj(magnetic tunnel junction，磁隧道结)元件，包括存储层(storage layer)(第1磁性层)41、参考层(reference layer)(第2磁性层)42、隧道势垒层(非磁性层(nonmagnetic layer))43、下部电极(bottom electrode)44以及上部电极(top electrode)45。
22.存储层41是具有可变的磁化方向(variable magnetization direction)的铁磁性层(ferromagnetic layer)。可变的磁化方向意味着磁化方向会相对于预定的写入电流而变化。参考层42是具有被固定了的磁化方向(fixed magnetization direction)的铁磁性层。被固定了的磁化方向意味着磁化方向不会相对于预定的写入电流而变化。隧道势垒层43是设置在存储层41与参考层42之间的绝缘层。
23.在存储层41的磁化方向与参考层42的磁化方向为平行的情况下，磁阻效应元件40为电阻相对地低的低电阻状态。在存储层41的磁化方向与参考层42的磁化方向为反向平行(antiparallel)的情况下，磁阻效应元件40为电阻相对地高的高电阻状态。因此，磁阻效应元件40能够根据电阻状态来存储二值数据。
24.另外，磁阻效应元件40是stt(spin transfer torque，自旋转移力矩)型的磁阻效应元件，具有垂直磁化(perpendicular magnetization)。即，存储层41的磁化方向与其膜面垂直，参考层42的磁化方向与其膜面垂直。
25.此外，在图3的例子中使用了存储层41位于参考层42的下层侧的底部自由(bottom free)型的磁阻效应元件，但也可以使用存储层41位于参考层42的上层侧的顶部自由(top free)型的磁阻效应元件。
26.如图2所示，选择器50包括下部电极51、上部电极52以及设置在下部电极51与上部电极52之间的选择器材料层(开关材料层)53。下部电极51与图1所示的第1布线10电连接，上部电极52与磁阻效应元件40电连接。
27.选择器50为两端子开关元件，当施加在两端子之间(下部电极51与上部电极52之间)的电压成为阈值电压以上时，从截止(off)状态转变为导通(on)状态。即，当施加在两端子之间的电压成为阈值电压以上时，从电非导通状态转变为电导通状态。
28.因此，当从第1布线10和第2布线20对存储单元30施加电压、且施加于选择器50的电压成为阈值电压以上时，在存储单元30中流动电流，能够对磁阻效应元件40进行写入或者读出。
29.选择器50的上部电极52包括由第1材料形成的第1部分52a、设置在第1部分52a的下层侧且由与第1材料不同的第2材料形成的第2部分52b以及设置在第2部分52b的下层侧且由与第2材料不同的第3材料形成的第3部分52c。即，在第1部分52a与第3部分52c之间设置有第2部分52b。此外，也可以将选择器50的上部电极52共用为磁阻效应元件的下部电极44。
30.第2部分52b的对于ibe(ion beam etching，离子束蚀刻)的蚀刻速率比第1部分52a的对于ibe的蚀刻速率低。具体而言，在形成磁阻效应元件40的图案时使用的ibe中，对于第2部分52b的蚀刻速率比对于第1部分52a的蚀刻速率低。ibe是物理蚀刻，因此，通常用于第2部分52b的第2材料的硬度(hardness)比用于第1部分52a的第1材料的硬度高。
31.对于第1材料使用含有硅(si)的材料或者含有铪(hf)的材料等。即，第1部分52a由si层(多晶硅层)或者hf层等形成。
32.对于第2材料使用含有铪(hf)和硼(b)的材料、含有钨(w)的材料、含有碳(c)的材料、或者含有钛(ti)和氮(n)的材料等。即，第2部分52b由hfb层、w层、c层或者tin层等形成。
33.对于第3材料使用含有钛(ti)和氮(n)的材料、含有碳(c)的材料、或者含有铝(al)的材料。即，第3部分52c由tin层、c层或者al层等形成。
34.对于选择器材料层53使用含有硅(si)、氧(o)以及砷(as)的材料。具体而言，对于选择器材料层53使用含有了as的硅氧化物(sio2)等。
35.对于选择器50的下部电极51使用含有钛(ti)和氮(n)的tin层等。
36.硬掩模层60设置在磁阻效应元件40上，作为通过ibe形成磁阻效应元件40时的蚀刻用掩模发挥功能。硬掩模层60与图1所示的第2布线20电连接。
37.保护绝缘层70例如由含有硅(si)和氮(n)的硅氮化物形成。保护绝缘层70沿着磁阻效应元件40的侧面、选择器50的上部电极52的第1部分52a的侧面以及硬掩模层60的侧面来设置，将磁阻效应元件40的侧面、选择器50的上部电极52的第1部分52a的侧面以及硬掩模层60的侧面覆盖。
38.保护绝缘层70设置在选择器50的上部电极52的第2部分52b的上层侧，因此，没有覆盖上部电极52的第2部分52b和第3部分52c等的侧面。
39.另外，保护绝缘层70的下端的位置与上部电极52的第2部分52b的上表面的位置一致。因此，多个存储单元30所包括的多个保护绝缘层70的下端的高度方向上的位置对齐。
40.接着，参照图4～图7以及图2所示的剖视图，对本实施方式涉及的磁存储装置的制造方法进行说明。
41.首先，如图4所示，在包括半导体基板(未图示)等的下部区域(未图示)上形成层叠膜。具体而言，形成下部电极层51p、选择器材料层53p、上部电极层52p以及磁阻效应元件层40p。上部电极层52p包括第1部分层52ap、第2部分层52bp以及第3部分层52cp。接着，在磁阻效应元件层40p上形成硬掩模层60的图案。
42.接着，如图5所示，使用硬掩模层60作为掩模，通过ibe对磁阻效应元件层40p和第1部分层52ap进行蚀刻。在磁阻效应元件中含有铁(fe)、钴(co)等的磁性元素，在通常的蚀刻
方法中难以进行准确的蚀刻。因此，使用作为物理蚀刻的ibe。在进行ibe时，一边使基板旋转，一边从倾斜方向照射氩(ar)离子束。其结果，磁阻效应元件40的侧面和第1部分52a的侧面呈锥状倾斜。
43.如已经描述的那样，第2部分52b的对于ibe的蚀刻速率比第1部分52a的对于ibe的蚀刻速率低。因此，第2部分层52bp作为ibe的蚀刻阻挡层发挥功能，能够选择性地对磁阻效应元件层40p和第1部分层52ap进行蚀刻。
44.接着，如图6所示，在通过图5的工序获得的构造的表面堆积硅氮化物层来作为保护绝缘层70。
45.接着，如图7所示，通过rie(reactive ion etching，反应离子蚀刻)对保护绝缘层70、第2部分层52bp以及第3部分层52cp进行蚀刻。由此，获得第2部分52b的图案和第3部分52c的图案。
46.进一步，如图2所示，通过rie对选择器材料层53p和下部电极层51p进行蚀刻。由此，获得选择器材料层53的图案和下部电极51的图案。
47.在图7和图2的工序中，从垂直方向进行rie。因此，第2部分52b的侧面、第3部分52c的侧面、选择器材料层53的侧面以及下部电极51的侧面成为垂直。
48.通过上述的制造方法，形成如图2所示的存储单元30。
49.如上所述，在本实施方式中，选择器50的上部电极52包含相对于ibe的蚀刻速率低的第2部分52b，因此，如以下描述的那样，能够获得优异的磁存储装置。
50.当假如上部电极52不包含第2部分52b时，在通过ibe形成磁阻效应元件40的图案时，在上部电极52之外，选择器材料层53也有可能会被蚀刻。因此，选择器材料层53有可能会受到ibe损伤，有可能使选择器50的特性、可靠性降低。
51.在本实施方式中，第2部分52b的对于ibe的蚀刻速率比第1部分52a的对于ibe的蚀刻速率低。因此，在通过ibe形成磁阻效应元件40的图案时，第2部分52b作为ibe的蚀刻阻挡层发挥功能。其结果，能够防止选择器材料层53被ibe所蚀刻。因此，能够抑制对于选择器材料层53的ibe损伤，能够获得特性以及可靠性优异的磁存储装置。
52.另外，一般而言，有时由于光刻工艺的偏差，相邻的存储单元30之间的间隔宽度会产生偏差。当在间隔宽度具有偏差时，在形成存储单元30的图案时也会产生偏差。例如，在间隔宽度小的部位，与间隔宽度大的部位相比，蚀刻深度会变小。因此，在间隔宽度小的部位中，会产生在相邻的存储单元30之间无法将选择器50的下部电极51分离这样的问题。
53.为了切实地将选择器50的下部电极51分离，增大ibe的蚀刻量来增大间隔宽度即可，但当增加蚀刻量时，会产生对于选择器材料层53的ibe损伤。
54.在本实施方式中，使用选择器50的上部电极52的第2部分52b来作为蚀刻阻挡层，通过ibe形成磁阻效应元件40的图案和选择器50的上部电极52的第1部分52a的图案。通过使用第2部分52b来作为蚀刻阻挡层，能够不对选择器材料层53产生ibe损伤地增长进行ibe的时间。因此，能够增大相邻的存储单元30之间的间隔宽度。因此，能够切实地将选择器50的下部电极51分离，能够获得特性以及可靠性优异的磁存储装置。
55.接着，参照图8所示的剖视图，对实施方式的变形例进行说明。
56.如图8所示，在本变形例中，选择器50的上部电极52由第1部分52a和设置在第1部分52a的下层侧的第2部分52b形成，在第2部分52b的下层侧没有设置第3部分52c。其它的基
本结构与上述的实施方式是同样的。
57.在本变形例中，也与上述的实施方式同样地，在通过ibe形成磁阻效应元件40的图案时，第2部分52b作为蚀刻阻挡层发挥功能。因此，能够获得与上述的实施方式同样的效果，能够获得优异的磁存储装置。
58.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它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。这些实施方式和/或其变形包含在发明的范围和/或宗旨内，并且，包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

技术特征：
1.一种磁存储装置，具备多个存储单元，所述多个存储单元各自包括磁阻效应元件和开关元件，所述开关元件设置在所述磁阻效应元件的下层侧且相对于所述磁阻效应元件串联连接，所述开关元件包括下部电极、上部电极以及设置在所述下部电极与所述上部电极之间的开关材料层，所述上部电极包括由第1材料形成的第1部分、和设置在所述第1部分的下层侧且由与所述第1材料不同的第2材料形成的第2部分。2.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第2部分的对于ibe即离子束蚀刻的蚀刻速率比所述第1部分的对于ibe的蚀刻速率低。3.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第2材料的硬度比所述第1材料的硬度高。4.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第2材料是含有铪即hf和硼即b的材料、含有钨即w的材料、含有碳即c的材料、或者含有钛即ti和氮即n的材料。5.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1材料是含有硅即si的材料、或者含有铪即hf的材料。6.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述上部电极还包括第3部分，所述第3部分设置在所述第2部分的下层侧且由与所述第2材料不同的第3材料形成。7.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述多个存储单元各自还包括保护绝缘层，所述保护绝缘层将所述磁阻效应元件的侧面以及所述第1部分的侧面覆盖。8.根据权利要求7所述的磁存储装置，所述保护绝缘层没有覆盖所述第2部分的侧面。9.根据权利要求7所述的磁存储装置，所述多个存储单元所包括的所述保护绝缘层的下端的高度方向上的位置对齐。10.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1部分的侧面是倾斜的，所述第2部分的侧面是垂直的。11.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述磁阻效应元件包括第1磁性层、第2磁性层以及设置在所述第1磁性层与所述第2磁性层之间的非磁性层。12.根据权利要求1所述的磁存储装置，还具备：第1布线，其设置在所述开关元件的下层侧，在第1方向上延伸，与所述开关元件电连接；和第2布线，其设置在所述磁阻效应元件的上层侧，在与所述第1方向交叉的第2方向上延伸，与所述磁阻效应元件电连接。

技术总结
实施方式提供特性、可靠性优异的磁存储装置。实施方式的磁存储装置具备多个存储单元，所述多个存储单元各自包括磁阻效应元件和开关元件，所述开关元件设置在所述磁阻效应元件的下层侧且相对于所述磁阻效应元件串联连接，所述开关元件包括下部电极、上部电极以及设置在所述下部电极与所述上部电极之间的开关材料层，所述上部电极包括由第1材料形成的第1部分、和设置在所述第1部分的下层侧且由与所述第1材料不同的第2材料形成的第2部分。第1材料不同的第2材料形成的第2部分。第1材料不同的第2材料形成的第2部分。


技术研发人员：秋山直纪 吉野健一 泽田和也 赵亨峻 岛野拓也
受保护的技术使用者：铠侠股份有限公司
技术研发日：2023.02.16
技术公布日：2023/9/13