磁存儲元件、其製造方法和驅動方法、及存儲器陣列的製作方法
2023-07-02 16:42:06
專利名稱：磁存儲元件、其製造方法和驅動方法、及存儲器陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁存儲元件、其製造方法和驅動方法。另外，本發明涉及一種排列多個磁存儲元件的存儲器陣列。
背景技術：
近年來，關注強磁性隧道接合元件的潛在高的MR變化率，對磁頭、MRAM(Magnetic Random Access Memory磁隨機存儲器)等器件的應用開發盛行。在用作存儲器的情況下，通過使構成強磁性隧道接合的多個強磁性體的至少一個的磁化方向變化來進行寫入，通過檢測伴隨磁化方向變化的電阻變化來進行讀出。
為了對應存儲器的大容量化，必需將元件或寫入/讀出用的導線尺寸抑制到亞微細粒。隨著微細化的進一步前進，估計強磁性體的磁化方向變化所需的磁場增大。但是，同樣微細化的導線中流過的電流有限。因此，要求對磁電阻元件有效地施加磁場。
在美國專利第5659499號中提議利用配置在導線周圍的磁性體來對磁電阻元件施加磁場。但是，這裡，未考慮隨著元件的微細化，強磁性體的大小也受到限制。尤其是，在沿寬度受限制的導線配置的強磁性體中，相對導線延伸方向等的形狀各向異性妨礙有效施加磁場。
為了有效施加磁場，寫入用導線的位置接近磁電阻元件是有利的。這是因為磁場以距離的平方衰減。但是，在將MOS電晶體等三端子元件用作存儲器的開關元件的情況下，需要連接磁電阻元件與開關元件用的引出導線。因此，寫入用導線一方必須從該引出導線外側向元件施加磁場。在將二極體作為開關元件配置在磁電阻元件與寫入兼讀出用導線之間時，該導線從開關元件的外側施加磁場。
為了實現存儲器的大容量化而應解決的其它問題是伴隨元件高集成化的磁串擾。磁串擾引起鄰接應施加磁場元件的元件誤動作等。
發明內容
本發明的目的在於提供一種有利於存儲器大容量化的磁存儲元件、其製造方法、驅動方法和使用磁存儲元件的存儲器陣列。
本發明的第1磁存儲元件包含磁電阻元件；用於發生使該元件的電阻值變化的磁束的導線；和該磁束通過的至少一個的強磁性體。該至少一個的強磁性體形成磁隙，在該磁隙，上述磁束通過上述元件。並且，以滿足以下關係式a)～c)的方式來配置強磁性體。
a)M1≤2Lgb)Lw/Ly≤5和Ly/Lt≥5至少之一c)Ly≤1.0μm這裡，M1為沿平行於磁隙方向測定的元件長度，Lg為磁隙的長度，Lt為強磁性體的厚度，Lw為強磁性體在導線延伸方向上的長度，Ly為磁束通過強磁性體內的距離。另外，Ly隨著通過強磁性體的位置等進行變化，此時，也可採用平均距離。若在強磁性體的厚度存在因部件或部位導致的不同，則Lt採樣構成磁隙的部件或部位的厚度。在Lt變化的部位，因為產生磁束洩漏，所以強磁性體的厚度範圍優選0.5Lt以上2Lt以下。M1也可改稱為投影在Lg上的元件長度。
根據關係式a)，強磁性體與磁電阻元件高效地磁耦合。從該觀點看，更優選M1≤Lg。關係式b)中包含的Lw/Ly≤5和Ly/Lt≥5都是即便進行微細化也可使強磁性體的磁化方向容易變為指向磁電阻元件的條件。這兩個關係式中，只要至少一方成立即可，但優選雙方都成立。優選Lw/Ly為3以下(Lw/Ly≤3)。作為關係式c)，在Ly≤0.6μm成立的情況下，優選以使M1≤Lg和Lw/Ly≤3成立的方式配置強磁性體。在Ly≤0.5μm成立的情況下，優選以使M1≤Lg和Ly/Lt≤5成立的方式配置強磁性體。
在強磁性體形狀的最佳例中，包含大致U字形和大致反U字形(下面簡稱為「大致U字形」)。該強磁性體單獨構成將大致U字形的開口設為磁隙的磁軛。這樣，在強磁性體構成磁軛的情況下，優選將導線配置在磁軛內部(U字的內部)。但不必由強磁性體來構成所有磁軛。強磁性體也可配置在通過元件的磁束的路徑(磁路)的至少一部分上。強磁性體也可分割為2段以上之後使用。強磁性體可與導線間隔地配置，但優選以與導線相連接的方式配置。
本發明的第2磁存儲元件包含磁電阻元件；及用於發生使該元件的電阻值變化的磁束的第1導線和第2導線；以夾持上述元件的方式來配置第1導線和第2導線，配置在這些導線間的絕緣體包含強磁性絕緣體。
根據第2磁存儲元件，與第1磁存儲元件一樣，即使進行微細化，也可有效地對磁電阻元件施加磁場。為了高效施加磁場，該強磁性絕緣體優選以與元件連接的方式來配置，更優選為以覆蓋元件的方式來配置。
在第1和第2磁存儲元件中，作為發生使元件的電阻值變化的磁束、換言之存儲器改寫用磁場的導線，可使用以夾持磁電阻元件的方式配置的第1導線和第2導線。此時，也可電連接第1導線和磁電阻元件，在第2導線與磁電阻元件之間插入開關元件或從開關元件引出的引出導線(第3導線)。
本發明的第3磁存儲元件包含磁電阻元件；開關元件；用於發生使磁電阻元件的電阻值變化的磁束的第1導線和第2導線；及電連接磁電阻元件與開關元件的第3導線。為了供給通過磁電阻元件的電流，以夾持磁電阻元件的方式與該元件電連接地配置第1導線和第3導線，第3導線與磁電阻元件的連接部插入磁電阻元件與第2導線之間，將第2導線與磁電阻元件電絕緣。另外，將由第3導線從上述連接部引出的方向與第2導線的延伸方向形成的角度限制為45度以下。
根據現有配置，第3導線在與磁電阻元件的連接部附近屏蔽第2導線向元件施加的磁場。根據本發明的第3磁存儲元件，因為可抑制第3導線產生的屏蔽效應，所以可有效向磁電阻元件施加磁場。
本發明的第3磁存儲元件也可兼備第1和第2磁存儲元件的特徵。具體而言，也可還包含上述磁束通過的至少一個的強磁性體，該強磁性體形成磁隙，在該磁隙，上述磁束通過磁電阻元件。此時，還優選為上述關係式a)～c)成立。強磁性體例如也可構成大致U字形的磁軛。若在該磁軛內部配置第1導線、第2導線或第3導線，則可提高強磁性體的效果。基於同樣理由，強磁性體優選以連接於選自第1導線、第2導線或第3導線中的至少一個的方式來配置。在連接於第3導線的情況下，優選連接於第3導線的側面、尤其以連接於兩側面的方式來配置。第3導線的側面也可改稱為「除去與元件接觸的接觸面及相反一側的面」。尤其是，若以至少夾持第3導線的兩側面的方式配置強磁性體時，則可更有效地向元件施加磁場。
在第3磁存儲元件中，配置在第1導線與第2導線之間的絕緣體也可包含強磁性絕緣體。基於與上述一樣的理由，該強磁性絕緣體優選以連接於磁電阻元件的方式來配置，更優選為以覆蓋磁電阻元件的方式來配置。
本發明還提供一種適於在第1導線與第2導線之間插入開關元件或向該元件引出的引出電極(第3導線)的磁存儲元件驅動的方法。在本發明的驅動方法中，通過從第1導線發生的磁束和從第2導線發生的磁束使磁電阻元件的電阻值變化，針對第2導線的電流脈衝施加時間比針對第1導線的電流脈衝施加時間長。
若在第2導線與磁電阻元件之間插入開關元件或第3導線、尤其是第3導線，則對從第2導線施加的磁場的響應時間變慢。根據本發明的驅動方法，通過調整脈衝時間，可有效地向元件施加脈衝磁場。
通常，由於在半導體電路中電壓控制容易，所以若在磁存儲元件的驅動中使用電壓控制的脈衝，則可利用已有電路。此時，優選調整脈衝的施加時間，使電壓脈衝產生的電流波形滿足上述條件。
本發明還提供適於製造第1磁存儲元件的最佳形態、即在強磁性體磁軛內部配置導線的形態的方法。本發明的第1製造方法包含如下步驟在絕緣體中形成設上述導線的延伸方向為長向的深度為D1的凹部的步驟；沿上述凹部的表面、以使上述凹部的側面上的厚度為Tf的方式形成強磁性體的步驟；及，在上述凹部內的上述強磁性體的表面以使厚度為Tn的方式形成上述導線的步驟；D1、Tf和Tn設定成滿足以下關係式。
Tf≤0.33D1、Tn≥D1-1.5Tf該製造方法適於製造滿足作為關係式b)的Ly/Lt≥5的磁存儲元件。優選為Tf≤0.2D1。該製造方法優選還包含將強磁性體在導線延伸方向上的長度限制為L1的步驟。將凹部短向上的寬度設為W1，以滿足以下關係式的方式設定L1。
L1≤5(W1+2D1)該優選的製造方法適於製造還滿足作為關係式b)的Lw/Ly≥5的磁存儲元件。
本發明的第2製造方法包含如下步驟在絕緣體上形成厚度為Tn的導線的步驟；沿該導線表面、以使導線側面上的厚度為Tf的方式形成強磁性體的步驟。其中，以滿足以下關係式的方式設定Tf和Tn。
Tf≤Tn該製造方法適於製造滿足作為關係式b)的Ly/Lt≥5的磁存儲元件。該製造方法優選還包含在形成強磁性體後、將導線和強磁性體的合計寬度限制成W22的步驟。其中，將導線寬度設為W2，以滿足以下關係式的方式設定W22。W22是連接於強磁性體的表面、且在與導線延伸方向垂直的方向上的導線及強磁性體的長度。
(W2+2Tf)≤W22≤1.2(W2+2Tf)本發明的第2製造方法優選還包含將導線延伸方向上的強磁性體長度限制為L1的步驟。其中，設導線寬度為W2，以滿足以下關係式的方式設定L1。
L1≤5(W2+2(Tn+Tf))該優選的製造方法適於製造還滿足作為關係式b)的Lw/Ly≤5的磁存儲元件。
本發明還提供一種排列多個磁電阻元件的存儲器陣列，上述多個磁電阻元件包含第1～第3中的任意的磁電阻元件。
本發明還提供一種存儲器陣列，該存儲器陣列包含配置成矩形狀的多個磁電阻元件、和用於使多個磁電阻元件的電阻值變化的多個導線，多個導線沿規定方向延伸，在該多個導線之間，還包含以沿上述規定方向延伸的方式配置的接地導線(grounding conductive wires)組。
根據該存儲器陣列，通過接地導線組來抑制磁串擾。
該存儲器陣列優選為，將多個導線作為沿第1方向伸長的第1導線組，還包含使多個磁電阻元件的電阻值變化的第2導線組，配置第1導線組的面和配置第2導線組的面夾持配置多個磁電阻元件的面，第2導線組沿第2方向(例如與第1方向垂直的方向)伸長，在構成第2導線組的導線之間還包含以沿第2方向伸長的方式配置的接地導線組。
本發明還提供一種存儲器陣列，包含配置成矩形狀的多個磁電阻元件、和用於使多個磁電阻元件的電阻值變化的多個導線，構成多個導線的至少一部分導線具有朝向多個磁電阻元件構成的面凸起的凸部。
根據該存儲器陣列，通過凸部抑制磁串擾。另外，由該凸部對導線進行掛襯，可抑制伴隨微細化的導線的高電阻化。並且，因為可向元件施加渦流狀磁場，所以該凸部也可起到向元件有效施加磁場的作用。
該存儲器陣列優選為，將多個導線作為第1導線組，還包含用於使多個磁電阻元件的電阻值變化的第2導線組，配置第1導線組的面和配置第2導線組的面夾持配置多個元件的面，構成第2導線組的導線的至少一部分具有朝向多個元件構成的面凸起的凸部。
圖1是排列磁存儲元件的存儲器陣列一例的平面圖。
圖2是圖1的存儲器陣列的剖面圖。
圖3是表示本發明第1磁存儲元件一例的立體圖。
圖4是圖3元件的導線剖面圖。
圖5是表示排列磁存儲元件的存儲器陣列一例的平面圖。
圖6是圖5的存儲器陣列的剖面圖。
圖7是表示本發明第1磁存儲元件另一例的立體圖。
圖8A～G分別是表示強磁性體配置實例的剖面圖。
圖9A～H分別是表示磁電阻元件構成例的剖面圖。
圖10是排列本發明第2磁存儲元件的存儲器陣列一例的平面圖。
圖11是圖10的存儲器陣列的剖面圖。
圖12是排列本發明第3磁存儲元件的存儲器陣列一例的平面圖。
圖13是圖12的存儲器陣列的剖面圖。
圖14是表示在本發明第3磁存儲元件中還配置強磁性體的實例的立體圖。
圖15A～B分別是向本發明第3磁存儲元件的第3導線(引出導線)配置磁性體的實例的導線剖面圖。
圖16是說明本發明第3磁存儲元件中的第3導線的引出方向與第2導線所成角度θ(0°≤θ≤90°)的平面圖。
圖17是說明本發明驅動方法的存儲器陣列的平面圖。
圖18是說明在本發明驅動方法一例中施加的脈衝的圖。
圖19是表示配置接地導線組的本發明存儲器陣列一例的平面圖。
圖20是圖19的存儲器陣列的剖面圖。
圖21是表示配置接地導線組的本發明存儲器陣列另一例的平面圖。
圖22是圖21的存儲器陣列的剖面圖。
圖23是表示配置具有凸部的導線組的本發明存儲器陣列一例的平面圖。
圖24A～B是圖23的存儲器陣列的剖面圖，圖24A表示I-I剖面，圖24B表示II-II剖面。
圖25是表示配置具有凸部的導線組的本發明存儲器陣列另一例的平面圖。
圖26A～B是圖25的存儲器陣列的剖面圖，圖26A表示I-I剖面，圖26B表示II-II剖面。
圖27A～C是說明本發明製造方法一例的剖面圖。
圖28A～C是說明本發明製造方法另一例的剖面圖。
具體實施例方式
下面，說明本發明的實施方式。
本發明的磁存儲元件可通過在基板上形成多層膜來得到。作為基板，可使用表面由絕緣體覆蓋了的物體、例如熱氧化處理後的矽基板、石英基板、藍寶石基板等。為了使基板表面平滑，必要時也可進行化學機械拋光(CMP)等平滑化處理。也可使用事先形成MOS電晶體等開關元件的基板。
多層膜可使用濺射法、MBE(Molecular Beam Epitaxy分子束外延)法、CVD(Chemical Vapor Deposition化學氣相澱積)法、脈衝雷射澱積法、離子束濺射法等一般的薄膜製作法。作為微細加工法，使用公知的微細加工法，例如使用接觸掩膜、逐次移動式曝光裝置的光刻法、EB(Electron Beam電子束)平版印刷法、FIB(Focused Ion Beam聚焦離子束)加工法。
作為蝕刻法，可使用離子研磨或RIE(Reactive Ion Etching反應離子蝕刻)。也可在離子研磨或RIE中使用公知的蝕刻法。在表面的平滑化、膜的部分去除中可使用CMP或精密研磨法。
必要時，也可在惰性氣體中或氫氣中，對於多層膜，邊在無磁場中或邊施加磁場、邊進行熱處理。
各部件中可不特別限制地使用公知材料。用於導線的材料的電阻率優選為3μΩcm以下。具體而言，在導線中，優選為從選自Al、Ag、Au、Cu和Si中的至少一種導體、以這些導體的至少一種為主要成分的合金、及B4C中選擇的任意物質。這裡，所謂主要成分是指50重量％以上的成分。電阻率小的材料可有效施加磁場。
在說明本發明的各實施方式之前，參照圖27A～C來說明本發明第1製造方法的一例，作為可適用於各實施方式的製造方法。
在構成層間絕緣膜的絕緣體81中形成寬度(短向長度)為W1、深度為D1的槽(圖27A)，在包含該槽內部的區域中，形成槽的側面(短向的側面)上的厚度為Tf的強磁性體82、和非磁性導體83(圖27B)。然後，通過研磨等削除不要部分的膜(圖27C)。從而，可實現在大致U字形的強磁性體軛9的內部配置厚度為Tn的導線2的結構。在成膜於槽內部的情況下，槽底面中的膜厚達到側面膜厚Tf的1～2倍。根據上述製造方法，通過膜厚部分的不同，可實現上述優選的實施方式。
下面，圖28A～C中示出本發明第2製造方法的一例。在形成為層間絕緣膜的絕緣體91上形成寬度(短向長度)為W2的非磁性導體93(圖28A)，以覆蓋該導體的方式形成導體側面(短向的側面)上的厚度為Tf的強磁性體92(圖28B)。再通過研磨、光刻法等削除不要部分的膜(圖28C)。
這裡，優選強磁性體的寬度(包含導線的整體寬度)W22為(W2+2Tf)以上。這是因為可抑制由光刻法步驟產生的Tf差異。另一方面，W22優選為1.2(W2+2Tf)以下。這是因為若在磁隙附近存在多餘的強磁性體，則會擾亂該磁隙附近的磁束。
這樣，可實現在大致U字形的強磁性體軛9的內部配置導線1的結構。這裡也考慮膜厚部分的不同。
在圖27A～C和圖28A～C所示方法中，在各種部件的長度、寬度等限制中也可適用抗蝕刻掩膜的形成、蝕刻、研磨等加工。
下面，只要沒有特別說明，對於各膜，用nm表示的數值就是該膜的膜厚。
(實施方式1)在本實施方式中，說明包含第1磁存儲元件的存儲器陣列的一例。
首先，示出施加磁場中不使用強磁性體的磁存儲元件製作例，作為現有例1。在形成500nm熱氧化膜的Si單晶晶片上，通過RF磁控管濺射成膜Cu，作為基底電極，並在其上成膜2nm的Pt。通過脈衝雷射拋光，成膜10nm的Si，並通過離子滲透，在該Si中摻雜Al，再成膜5nm的Si，並再次通過離子滲透，摻雜P。這樣，形成二極體，作為開關元件。
接著，通過RF磁控管濺射，依次成膜5nm的Ta、3nm的NiFe、30nm的PtMn、3nm的CoFe、0.7nm的Ru、3nm的CoFe、1.2nm的AlOx、4nm的NiFe。AlOx通過在成膜金屬Al後進行氧化來變為AlOx(x≤1.5)。這些膜是將AlOx設為隧道層、將CoFe設為固定磁性層、將NiFe設為自由磁性層的螺管(スピンバルブ)型磁電阻元件。
通過光刻在如此形成的多層膜上進行圖案化、形成線和空隙後，通過RIE和Ar離子研磨，將線間的空隙蝕刻到熱氧化膜。接著，在線上，使用光刻法、並使用EB平版印刷以微小尺寸等間隔地形成大致長方體形的臺狀圖案的抗蝕劑。再通過Ar離子研磨和RIE，將多層膜蝕刻到基底電極Pt。並且，在通過離子束澱積不去除抗蝕劑地成膜Al2O3後，通過剝離液去除(所謂卸去)抗蝕劑和其上的Al2O3。由此，在元件上形成接觸孔。
在接觸孔上通過RF磁控管濺射成膜Cu，作為上部電極，再次通過光刻法，在接觸孔上沿與基底電極大致垂直方向進行圖案化、形成線和空隙。而且，通過Ar離子研磨蝕刻存在於線間空隙中的上部電極。為了保護元件，除接觸用墊部以外，成膜10nm的Al2O3。
再者，為了向反強磁性層(PtMn)附加單方向各向異性，邊與基底電極的延伸方向平行地施加5kOe(398kA/m)的磁場，邊在真空中在240℃下熱處理3小時。
下面，示出在導線全長上配置磁性體的磁存儲元件實例，作為現有例2。
在形成800nm熱氧化膜的Si單晶晶片上，通過光刻法進行圖案化、形成線和空隙後，通過RIE在該熱氧化膜(Si氧化膜)上形成沿線伸長的凹部。在凹部內通過磁控管濺射，成膜NiFe和Cu，通過CMP去除多餘的Cu和NiFe(所謂波形花紋(ダマシン))。
在其上，以與現有例1一樣的形成法形成到上部電極後，在成膜元件保護的Al2O3之前，成膜NiFe。通過光刻法，在上部電極中通過自對準來進行圖案化、形成線和空隙，並通過Ar離子研磨，去除覆蓋上部電極以外的多餘NiFe。之後，成膜元件保護用的Al2O3。
下面，示出配置長度在布線方向上受限制的磁性體的磁存儲元件實例。
在現有例2的基底電極的形成工序中，在成膜NiFe後，在與凹部伸長方向垂直的方向上形成抗蝕劑圖案，並在通過Ar離子研磨去除NiFe後，成膜Cu，通過進行CMP，由此限制由NiFe構成的強磁性體軛的長度。在上部電極的製作工序中，還通過在凸起的長向上限制NiFe成膜後的用光刻法形成的圖案尺寸，限制上部電極的強磁性體軛的長度。其它與現有例2一樣，製作磁存儲元件。
如此製作的各存儲器陣列具有圖1和圖2示出的結構。磁電阻元件5在第1導線(上部電極)1與第2導線(下部電極)2的交點上配置成矩陣狀。各元件5通過開關元件(二級管)7連接於下部電極2上。磁存儲元件10包含在彼此垂直方向上延伸的第1導線1及第2導線2、和順序插入這些導線之間的磁電阻元件5及開關元件7。
圖3和圖4中示出配置長度受到限制的磁性體的磁存儲元件。該元件中，在第1導線1和第2導線2的周圍，配置強磁性體軛9。將該軛沿布線長度方向上的長度限制為Lw。強磁性體軛9具有磁隙Lg、厚度Lt、磁路長度Ly。如圖所示，磁路長度Ly具體而言是磁束沿強磁性體的膜厚中央通過的距離，換言之，是平均磁路長度。
在該磁存儲元件中，通過使電極(Cu)、強磁性體(NiFe)及凹部的寬度和厚度進行變化，可使Ly/Lt和Lw/Ly相對於各種Ly、M1、Lg進行變化。對於如此形成的各元件，測定磁電阻元件的自由磁化層磁化反轉所需的電流值。若M1、Lg、Lt、Lw、Ly的關係相同，則該電流值與布線或軛的截面形狀等無關，都一樣。另外，若與現有例1相比，則所有元件中反轉所需的電流減小。結果匯總示於表1中。
(表1)單位μm
(表1)中的結果評價為，與Ly相同的基準樣品(表1中附加※的樣品)相比，增大(Z)、同程度(F)、以10％以下的比例減少(E)、20％以下減小(D)、30％以下減小(C)、40％以下減小(B)、50％以下減小(A)。
另外，在使用Cu以外的材料、例如Al、Ag、Au、Si、B4C、Cu98Si2、Cu98Al2、Ag90Au10等作為導線時，也可確認由強磁性體軛產生的一樣的改善。若使用這些材料，則因為與使用Pt或Ta相比，布線電阻減少，所以消耗功率減少。消耗功率的降低，起到可有效施加磁場的作用。
在製成強磁性體軛時，也可在下部電極中從凹部開始沿與凹部伸長方向垂直方向形成抗蝕劑圖案中，去除成膜後不要的強磁性體。上部電極中也可在形成凸部的非磁性導體上進行同樣的去除。
即使使用隧道二極體、肖脫基二極體、可變電阻等非線性元件作為開關元件，也可得到一樣的效果。
作為磁電阻元件，在本實施方式中，如圖9E所示，使用反強磁性體35/固定磁性層33(強磁性體41/非磁性體42/強磁性體43)/高電阻層32(隧道層)/自由磁性層31(強磁性體)的層疊結構，但不限於此，也可使用圖9A～圖9D和圖9F所示的各種結構。由強磁性體41/非磁性體42/強磁性體43構成的層疊鐵氧體也可用作自由磁性層31(圖9B、圖9G)。
強磁性體軛不限於圖4的形狀，也可是圖8A～圖8G所示形狀。軛9與導線1不必接觸(圖8A)。在磁隙相對形成元件的面傾斜的情況下(圖8E)，沿磁隙的長度Lg來測定元件的長度M1。強磁性體不必配置為大致U字形(圖8A～圖8E)，也可以構成其一部分的方式來配置(圖8F～圖8G)。強磁性體也可以在導線發生有磁束位置上形成磁隙的方式來配置，從該磁隙流出的磁束通過磁電阻元件，使自由磁化層的磁化反轉。
(實施方式2)在本實施方式中，說明第2磁存儲元件。
這裡，作為現有例，原封不動地採用實施方式1的現有例1。
下面，示出使用強磁性絕緣體的磁存儲元件的製作例。
在形成500nm熱氧化膜的Si單晶晶片上，通過RF磁控管濺射成膜Cu，作為基底電極，並在其上成膜2nm的Pt。通過脈衝雷射拋光，成膜10nm的Si，並通過離子滲透，在該Si中摻雜Al，再成膜5nm的Si，並再次通過離子滲透，摻雜P。這樣，形成二極體，作為開關元件。
接著，通過RF磁控管濺射，依次成膜5nm的Ta、3nm的NiFe、30nm的PtMn、3nm的CoFe、0.7nm的Ru、3nm的CoFe、1.2nm的AlOx、4nm的NiFe。AlOx通過在成膜後氧化金屬Al來變為AlOx。
這些膜是將AlOx設為隧道層、將CoFe設為固定磁性層、將NiFe設為自由磁性層的螺管型磁電阻元件。
通過光刻法在如此形成的多層膜上進行圖案化、形成線和空隙後，通過RIE和Ar離子研磨，將線間的空隙蝕刻到熱氧化膜。接著，在線上，使用光刻法、並使用EB平版印刷以微小尺寸等間隔地形成大致長方體形的臺狀圖案的抗蝕劑。再通過Ar離子研磨和RIE，將多層膜蝕刻到基底電極Pt。而且，在通過離子束澱積不去除抗蝕劑地成膜Al2O3至到達磁電阻元件下端的程度後，通過雷射束澱積成膜YIG(yttriumiron garnet)至稍越過磁電阻元件上端的程度。通過剝離液去除(所謂卸去)抗蝕劑和其上的Al2O3及YIG。由此，在元件上形成接觸孔。
在接觸孔上通過RF磁控管濺射成膜Cu，作為上部電極，再次通過光刻法，在接觸孔上沿與基底電極大致垂直方向進行圖案化、形成線和空隙。而且，通過Ar離子研磨蝕刻存在於線間空隙中的上部電極。為了保護元件，除接觸用墊部以外，成膜10nm的Al2O3。
而且，為了向反強磁性層(PtMn)附加單方向各向異性，邊與基底電極的延伸方向平行地施加5kOe的磁場，邊在真空中在240℃下熱處理3小時。
如圖10和圖11所示，該存儲元件在第1導線(上部電極)1和第2導線(下部電極)2之間的層間絕緣膜中包含強磁性絕緣體(YIG)11。如上所述，也可在層間絕緣膜中包含非磁性絕緣膜(Al2O3)，但優選以覆蓋磁電阻元件5的側面的方式來配置強磁性絕緣體11。
以與實施方式1一樣的基準，對於各種尺寸的元件，比較層間絕緣膜中僅包含Al2O3的元件和在磁電阻元件周圍的層間絕緣膜中使用YIG的元件，其結果是，除尺寸外，在使用YIG的元件中，自由磁性層的磁化反轉所需的電流減少。
代替YIG，即使是置換部分YIG的材料、Ni鐵氧體及其置換體，也可定性得到同樣的效果。為了減少電流，優選使用電阻率高的強磁性體，尤其是YIG或Ni鐵氧體等軟強磁性體。雖也取決於元件設計，但電阻率越高，則越難發生漏電流。強磁性絕緣體的電阻率優選為1kΩcm以上，特別優選為10kΩcm以上。
(實施方式3)在本實施方式中，說明包含第1磁存儲元件的存儲器陣列的另一例。
首先，示出在施加磁場中不使用強磁性體的磁存儲元件製作例，作為現有例3。在事先形成MOS電晶體的Si晶片上，成膜Al作為基底電極後，通過光刻法和RIE去除源極和柵極的引出電極與漏極的接觸電極。通過CVD在其上成膜SiO2作為絕緣膜，通過濺射在SiO2上成膜Cu。通過光刻法進行圖案化、形成線和空隙後，通過離子研磨進行蝕刻。去除抗蝕劑後，再次通過CVD成膜SiO2，並通過CMP進行平坦化處理。在MOS的漏極上，通過光刻法和RIE形成接觸孔，並在成膜Ta作為基底後，通過直流(down flow)濺射，在接觸孔內成膜Al。在蝕刻去除多餘的Al後，成膜CuAl作為基底，並接著成膜Cu。
接著，通過RF磁控管濺射，依次成膜5nm的Ta、3nm的NiFe、30nm的PtMn、3nm的CoFe、0.7nm的Ru、3nm的CoFe、1.2nm的AlOx、4nm的NiFe。AlOx通過在成膜金屬Al後進行氧化來變為AlOx。這些膜是將AlOx設為隧道層、將CoFe設為固定磁性層、將NiFe設為自由磁性層的螺管型磁電阻元件。
通過光刻法和離子研磨，從接觸孔向形成於SiO2之下導線上方形成大致長方體形的圖案。在該圖案上、大致SiO2之下的導線上，使用光刻法、並使用EB平版印刷以微小尺寸形成大致長方體形的臺狀圖案。再通過Ar離子研磨蝕刻到基底電極Cu附近後，通過CVD成膜SiO2，並通過光刻法或EB平版印刷法，在SiO2上形成抗蝕劑圖案。而且，使用RIE，形成到大致長方體的臺狀圖案的接觸孔。通過與上述一樣的方法，使用Ta基底和Al，在接觸孔內埋入接觸電極。通過CMP來進行平坦化和接觸孔的高度限制。
在接觸孔上通過RF磁控管濺射成膜Cu，作為上部電極，通過光刻法和離子研磨，在接觸孔上沿與磁電阻元件下的導線垂直的方向進行圖案化、形成線和空隙。而且，利用Ar離子研磨蝕刻存在於線間空隙中的上部電極。為了保護元件，除接觸用墊部以外，成膜10nm的Al2O3。
而且，為了向反強磁性層(PtMn)附加單方向各向異性，邊與基底電極的延伸方向平行地施加5kOe的磁場，邊在真空中在240℃下熱處理3小時。
下面，示出在導線全長上配置磁性體的磁存儲元件實例，作為現有例4。
通過與現有例3一樣的過程，在半導體晶片上形成電極後，利用CVD，比現有例3厚地成膜SiO2。通過與現有例2的強磁性體軛和基底電極的形成法一樣的過程，在SiO2中形成凹部，並形成由Co90Fe10構成的強磁性體軛和強磁性體軛內的Cu導線。
同樣，通過與現有例2一樣的方法來形成由Co90Fe10構成的強磁性體軛和強磁性體軛內的Cu導線，作為上部電極。其它通過與現有例3一樣的過程來製作元件。
下面，示出配置長度在布線方向上受到限制的磁性體的磁存儲元件實例。
在現有例4的基底電極的形成工序中，在成膜Co90Fe10後，在與凹部伸長方向垂直的方向上形成抗蝕劑圖案，並在通過Ar離子研磨去除Co90Fe10後，成膜Cu，通過進行CMP，限制由Co90Fe10構成的強磁性體軛的長度。在上部電極的製作工序中，還通過在凸起的長向上限制Co90Fe10成膜後的光刻法形成的圖案尺寸，限制上部電極的強磁性體軛的長度。其它與現有例3一樣，製作磁存儲元件。
如此製作的存儲器陣列具有圖5和圖6示出的結構。磁電阻元件5在第1導線1與第2導線2的交點上被配置成矩陣狀。各元件5通過第3導線3連接於開關元件(MOS電晶體)8。在開關元件上連接著讀出用第4導線4。這樣，磁存儲元件10包含第1導線1和第4導線4、串聯配置在這些導線間的磁電阻元件5及開關元件7、連接兩元件的第3導線3、和與磁電阻元件5絕緣、沿與第1導線1垂直的方向延伸的第2導線2。用第1導線1和第2導線2向磁電阻元件5施加磁場。第1導線1和第2導線2及第4導線4沿相互垂直的方向延伸。
如圖7所示，在第1導線1及第2導線2的周圍，配置強磁性體軛9。將該軛沿布線長度方向的長度限制為Lw。如圖4所示，強磁性體軛9具有磁隙Lg、厚度Ly、磁路長度Ly。
對於該磁存儲元件，通過使電極(Cu)、強磁性體(Co90Fe10)及凹部的寬度和厚度進行變化，可使Ly/Lt和Lw/Ly相對於各種Ly、M1、Lg進行變化。對於如此製作的各元件，測定磁電阻元件的自由磁化層磁化反轉所需的電流值。若M1、Lg、Lt、Lw、Ly的關係相同，則該電流值與布線或軛的截面形狀無關，都一樣。另外，若與現有例3相比，則所有元件中反轉所需的電流減少。結果匯總示於表2中。
(表2) 單位μm
(表2)中的結果評價A～F及Z與(表1)中的評價一樣。
(實施方式4)在本實施方式中說明包含第3磁存儲元件的存儲器陣列的一例。
這裡，作為現有例，原封不動地採用實施方式3的現有例3。
與實施方式3中的元件一樣地製作使第3導線的引出方向變化的磁存儲元件，但在層間絕緣膜下形成導體，並在MOS電晶體的漏極上形成接觸孔，不是距接觸孔最短距離、而是大致L字形迂迴形成從該接觸孔到層間絕緣膜下形成的導線上形成的導線(在其上形成磁電阻元件)的形狀。
如此製成的存儲器陣列具有圖12和圖13示出的結構。磁電阻元件5在第1導線1和第2導線2的交點上被配置成矩陣狀。各元件5通過第3導線3連接於開關元件(MOS電晶體)8。在開關元件上連接著讀出用第4導線4。這樣，磁存儲元件10包含第1導線1及第4導線4、串聯配置在這些導線間的磁電阻元件5及開關元件7、連接兩元件的第3導線3、和與磁電阻元件5絕緣、沿與第1導線1垂直的方向延伸的第2導線。用第1導線1及第2導線2向磁電阻元件2施加磁場。第1導線1和第2導線2及第4導線4沿相互垂直的方向延伸。
另外，如圖14所示，還製作在第1導線1和第2導線2的周圍配置強磁性體軛9的存儲器陣列。此時，以使上述關係式a)、b)雙方及c)成立的方式設定M1、Lg、Lt、Lw、Ly。
另外，如圖15A所示，還製作了在第3導線3的周圍排列已配置有強磁性體軛13的元件的存儲器陣列。另外，如圖15B所示，還製作了在第3導線的側面排列連接一對強磁性體13所形成的元件的存儲器陣列。在該元件的製作中，適用與形成強磁性體軛一樣的方法，但在成膜強磁性體時，在通過離子束澱積使側面比凹狀底部的膜厚厚地傾斜成膜後，通過ICP蝕刻，蝕刻底面的強磁性體。側面的強磁性體具有8nm以下的膜厚。
另外，與實施方式2一樣，還製作了在第1導線與第2導線間的層間絕緣膜中排列已使用了強磁性絕緣體(Ni鐵氧體10nm)的元件的存儲器陣列。此時，將第3導線3埋入強磁性絕緣體中。
在上述各存儲器陣列中，還製作了使第3導線3從與元件5的連接部引出的方向與第2導線2的延伸方向所成角度(圖16中的θ)變化的存儲器陣列。
對於這些存儲器陣列，測定使磁電阻元件的強磁性體反轉所需的脈衝功率。設脈衝為脈衝長度為5ns的半周期的孤立正弦波脈衝。結果示於表3。
(表3)
在(表3)中，與比較基準的樣品相比，設需要同等功率的情況為C，所需的功率減少的情況為B，所需的功率減少30％以上的情況為A。若與樣品a1相比，則樣品b1、c1、d1、e1、f1、g1和h1的功率都減少。
如(表3)所示，通過都將θ設為45°以下，可確認能降低寫入脈衝功率。
(實施方式5)在本實施方式中，示出磁存儲元件的驅動方法。
使用在實施方式3中作為現有例3製作的磁存儲元件，向第1導線施加長度為τ1的電流脈衝，向第2導線施加長度為τ2的電流脈衝，調查磁電阻元件的自由磁性層的磁化反轉動作。脈衝的強度在將τ1、τ2都設為10ns時變為磁化反轉的最低脈衝強度。如圖17所示施加電流脈衝，確認磁存儲元件10的自由磁性層有無磁化反轉。如圖18所示，以使脈衝的終端近乎一致的方式施加脈衝。結果示於表4中。
(表4)
在(表4)中，A表示確認磁化反轉，B表示未確認磁化反轉。
在將脈衝施加時間(在τ1與τ2不同的情況下為相對長的時間)限制於30ns以下、尤其是10ns以下的條件下動作時，若向經開關元件施加磁場的導線(第2導線)施加相對長的脈衝，則可以較低的功率改寫元件的存儲器。
上述脈衝施加時間調整導致的磁場的有效施加，對實施方式1～4中製作的任一磁存儲元件都有效。若適用於這些實施方式中製作的元件，則可極有效地施加磁場。
如表4所示，施加時間為τ1＜τ2的電流脈衝的施加，即使對於包含磁電阻元件、和用於發生使該元件的電阻值變化的磁束的一對導線、且在一對導線之一與所述元件之間包含開關元件或向該元件引出的導線的現有公知的磁存儲元件也是有效的。
(實施方式6)除追加虛設布線以外，與實施方式1～4同樣地製作存儲器陣列。如圖19～圖22所示，虛設布線配置在第1導線1間及第2導線2間。在形成第1或第2導線的步驟中同時形成虛設布線61、62。因此，第1導線1和虛設布線61、第2導線2和虛設布線62形成於同一面內，在面內沿同一方向伸長。在夾持在這兩個面中的面內配置多個磁電阻元件5。
各虛設布線61、62在元件驅動時與施加脈衝的驅動器(省略圖示)的接地極連接。
與沒有虛設布線61、62的元件相比，由虛設布線產生的屏蔽效應減少了誤動作的概率。即，降低了磁串擾。
磁串擾的減少意味著寧可使引起磁化反轉的功率變大。但是，若適用實施方式1～4的元件結構、實施方式5的驅動方法，則可邊降低磁串擾，邊有效地施加磁場。
如圖23～圖26所示，也可通過在第1導線1和/或第2導線2中設置向元件5排列的面凸起的襯部71、72來獲得磁串擾減少的效果。襯部71、72與虛設布線一樣，對將開關元件7連接於第2導線2的形態(圖23)和將開關元件8與第2導線2絕緣的形態(圖25)都有效。如圖所示，該突起71、72優選形成在多個元件5之間。
權利要求
1.一種磁存儲元件，包含磁電阻元件、用於發生使所述磁電阻元件的電阻值變化的磁束的導線、和所述磁束通過的至少一個強磁性體，所述強磁性體形成磁隙，在所述磁隙，所述磁束通過所述磁電阻元件，並且，以下關係式a)～c)成立，a)M1≤2Lgb)Lw/Ly≤5和Ly/Lt≥5的至少之一c)Ly≤1.0μm其中，M1為沿平行於所述磁隙方向測定的所述磁電阻元件的長度，Lg為所述磁隙的長度，Lt為所述強磁性體的厚度，Lw為所述強磁性體在所述導線延伸方向上的長度，Ly為所述磁束通過所述強磁性體內的距離。
2.根據權利要求1所述的磁存儲元件，其特徵在於關係式a)為M1≤Lg。
3.根據權利要求1所述的磁存儲元件，其特徵在於關係式b)中的Lw/Ly≤5為Lw/Ly≤3。
4.根據權利要求1所述的磁存儲元件，其特徵在於關係式c)為Ly≤0.6μm。
5.根據權利要求1所述的磁存儲元件，其特徵在於所述強磁性體構成磁軛，將所述導線配置在所述磁軛內。
6.根據權利要求1所述的磁存儲元件，其特徵在於以連接於所述導線的方式配置所述強磁性體。
7.根據權利要求1所述的磁存儲元件，其特徵在於還包含將所述導線作為第1導線、用於發生所述磁束的第2導線、和開關元件，以夾持所述磁電阻元件的方式配置所述第1導線和所述第2導線，電連接所述第1導線和所述磁電阻元件，在所述第2導線與所述磁電阻元件之間插入所述開關元件或從所述開關元件引出的引出導線。
8.一種磁存儲元件，包含磁電阻元件、和用於發生使所述磁電阻元件的電阻值變化的磁束的第1導線和第2導線，以夾持所述磁電阻元件的方式配置所述第1導線和所述第2導線，配置在所述第1導線和所述第2導線之間的絕緣體包含強磁性絕緣體。
9.根據權利要求8所述的磁存儲元件，其特徵在於所述強磁性絕緣體連接於所述元件。
10.根據權利要求8所述的磁存儲元件，其特徵在於還包含開關元件，所述第1導線和所述元件電連接，在所述第2導線與所述元件之間插入所述開關元件或從所述開關元件引出的引出導線。
11.一種磁存儲元件，包含磁電阻元件、開關元件、用於發生使所述磁電阻元件的電阻值變化的磁束的第1導線和第2導線、和電連接所述磁電阻元件和所述開關元件的第3導線，為了供給通過所述磁電阻元件的電流，以夾持所述磁電阻元件的方式與所述磁電阻元件電連接地配置所述第1導線和所述第3導線，所述第3導線和所述磁電阻元件相連接的連接部插入至所述磁電阻元件與所述第2導線之間，將所述第2導線與所述磁電阻元件電絕緣，並且將所述第3導線從所述連接部引出的方向與所述第2導線的延伸方向形成的角度限制為45°以下。
12.根據權利要求11所述的磁存儲元件，其特徵在於還包含所述磁束通過的至少一個強磁性體，所述強磁性體形成磁隙，在所述磁隙，所述磁束通過所述磁電阻元件。
13.根據權利要求12所述的磁存儲元件，其特徵在於以下關係式a)～c)成立，a)M1≤2Lgb)Lw/Ly≤5和Ly/Lt≥5的至少之一c)Ly≤1.0μm其中，M1為沿平行於所述磁隙方向測定的所述磁電阻元件的長度，Lg為所述磁隙的長度，Lt為所述強磁性體的厚度，Lw為所述強磁性體在所述導線延伸方向上的長度，Ly為所述磁束通過所述強磁性體內的距離。
14.根據權利要求12所述的磁存儲元件，其特徵在於所述強磁性體構成磁軛，將所述第1導線、所述第2導線或所述第3導線配置在所述磁軛內。
15.根據權利要求12所述的磁存儲元件，其特徵在於以與選自所述第1導線、所述第2導線和所述第3導線中的至少一個相連接的方式配置所述強磁性體。
16.根據權利要求15所述的磁存儲元件，其特徵在於以與所述第3導線的側面相連接的方式配置所述強磁性體。
17.根據權利要求11所述的磁存儲元件，其特徵在於配置在所述第1導線與所述第2導線之間的絕緣體包含強磁性絕緣體。
18.一種權利要求7、10或11所述的磁存儲元件的驅動方法，其特徵在於利用從所述第1導線發生的磁束和從所述第2導線發生的磁束，使所述磁電阻元件的電阻值產生變化，針對所述第2導線的電流脈衝施加時間，比針對所述第1導線的電流脈衝施加時間長。
19.一種權利要求5所述的磁存儲元件的製造方法，其特徵在於包含如下步驟在絕緣體中形成將所述導線的延伸方向設為長向的深度為D1的凹部的步驟；沿所述凹部的表面、形成使其在所述凹部側面上的厚度為Tf的強磁性體的步驟；和在所述凹部內的所述強磁性體的表面形成厚度為Tn的所述導線的步驟，其中，D1、Tf和Tn設定成滿足以下關係式，Tf≤0.33D1、Tn≥D1-1.5Tf。
20.根據權利要求19所述的磁存儲元件的製造方法，其特徵在於還包含將所述強磁性體在所述導線延伸方向上的長度限制為L1的步驟，其中，將所述凹部在短向上的寬度設為W1，將L1設定為滿足以下關係式，L1≤5(W1+2D1)。
21.一種權利要求5所述的磁存儲元件的製造方法，其特徵在於包含如下步驟在絕緣體上形成厚度為Tn的所述導線的步驟；和沿所述導線的表面、形成使其在所述導線側面上的厚度為Tf的強磁性體的步驟，其中，設定Tf和Tn為滿足以下關係式，Tf≤Tn。
22.根據權利要求21所述的磁存儲元件的製造方法，其特徵在於還包含在形成所述強磁性體後、將所述導線和所述強磁性體的合計寬度限制為W22的步驟，其中，將所述導線寬度設為W2，則設定W22為滿足以下關係式，(W2+2Tf)≤W22≤1.2(W2+2Tf)。
23.根據權利要求21所述的磁存儲元件的製造方法，其特徵在於還包含將所述導線延伸方向上的所述強磁性體長度限制為L1的步驟，其中，設所述導線寬度為W2，則設定L1為滿足以下關係式，L1≤5(W2+2(Tn+Tf))。
24.一種排列多個磁電阻元件的存儲器陣列，其特徵在於所述多個磁電阻元件包含權利要求1、8或11所述的磁電阻元件。
25.一種存儲器陣列，其特徵在於包含配置成矩陣狀的多個磁電阻元件、和用於使所述多個磁電阻元件的電阻值變化的多個導線，所述多個導線沿規定方向延伸，在所述多個導線之間，還包含以沿所述規定方向延伸的方式配置的接地導線組。
26.根據權利要求25所述的存儲器陣列，其特徵在於還包含將所述多個導線作為沿第1方向伸長的第1導線組、用於使所述多個磁電阻元件的電阻值變化的第2導線組，配置所述第1導線組的面與配置所述第2導線組的面夾持配置所述多個磁電阻元件的面，所述第2導線組沿第2方向伸長，在構成所述第2導線組的導線之間，還包含以沿所述第2方向伸長的方式配置的接地導線組。
27.一種存儲器陣列，其特徵在於包含配置成矩陣狀的多個磁電阻元件、和用於使所述多個磁電阻元件的電阻值變化的多個導線，構成所述多個導線的至少一部分導線具有向所述多個磁電阻元件構成的面凸起的凸部。
28.根據權利要求27所述的存儲器陣列，其特徵在於還包含將所述多個導線作為第1導線組、用於使所述多個磁電阻元件的電阻值變化的第2導線組，配置所述第1導線組的面與配置所述第2導線組的面夾持配置所述多個磁電阻元件的面，構成所述第2導線組的至少一部分導線具有向所述多個磁電阻元件構成的面凸起的凸部。
全文摘要
本發明提供一種磁存儲元件，包含磁電阻元件、用於發生使所述該元件的電阻值變化的磁束的導線、和該磁束通過的至少一個強磁性體，強磁性體形成磁隙，在該磁隙，磁束通過上述元件，並且以下關係式a)～c)成立。a)M1≤2Lg，b)Lw/Ly≤5和Ly/Lt≥5的至少之一，c)Ly≤1.0μm。其中，M1為沿平行於磁隙方向測定的元件的長度，Lg為磁隙的長度，Lt為強磁性體的厚度，Lw為強磁性體在導線延伸方向上的長度，Ly為磁束通過強磁性體內的距離。本發明還提供一種與該元件一樣、有助於存儲器高容量化的另外的元件等。
文檔編號H01L21/8246GK1488176SQ02803917
公開日2004年4月7日 申請日期2002年1月18日 優先權日2001年1月19日
發明者松川望, 平本雅祥, 小田川明弘, 裡見三男, 杉田康成, 成, 明弘, 男, 祥 申請人:松下電器產業株式會社