磁存储装置的制作方法

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磁存储装置
1.本技术享受以日本特许申请2021-151512号(申请日：2021年9月16日)和美国特许申请17/692785(申请日：2022年3月11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。

背景技术：

3.提出了在半导体基板上将磁阻效应元件(magnetoresistance effect element)和选择器(开关元件)集成化而得到的磁存储装置。

技术实现要素：

4.本发明要解决的课题在于，提供能够进行准确的读出动作的磁存储装置。
5.实施方式的磁存储装置具备：第1布线，其在第1方向上延伸；第2布线，其在与所述第1方向交叉的第2方向上延伸；以及第1存储单元，其连接在所述第1布线与所述第2布线之间，串联连接有具有低电阻状态和高电阻状态的第1磁阻效应元件、第1开关元件以及第1电阻元件，存储与所述第1磁阻效应元件的电阻状态相应的数据，所述第1电阻元件具有在被施加了正向的电压的情况下和被施加了反向的电压的情况下为非对称的电流-电压特性，从所述第1存储单元读出与所述第1磁阻效应元件的电阻状态相应的数据时，在所述第1电阻元件施加所述反向的第1电压，被施加了所述反向的第1电压时的所述第1电阻元件的电阻值比被施加了具有与所述第1电压的绝对值相同的绝对值的所述正向的第2电压时的所述第1电阻元件的电阻值大。
附图说明
6.图1是示意地表示第1实施方式涉及的磁存储装置的结构的立体图。
7.图2是示意地表示第1实施方式涉及的第1布线、第2布线以及存储单元的结构的剖视图。
8.图3是示意地表示第1实施方式涉及的磁阻效应元件的结构的剖视图。
9.图4a是示意地表示第1实施方式涉及的选择器的结构的剖视图。
10.图4b是示意地表示第1实施方式涉及的选择器的特性的图。
11.图5是示意地表示第1实施方式涉及的选择器的电流-电压特性的图。
12.图6是示意地表示第1实施方式涉及的电阻元件的结构的剖视图。
13.图7是示意地表示第1实施方式涉及的电阻元件的电流-电压特性的图。
14.图8是示意地表示第1实施方式涉及的存储单元的电流-电压特性的图。
15.图9是示意地表示第1实施方式涉及的对存储单元进行读出和写入时被施加于电阻元件的电压和在电阻元件中流动的电流的图。
16.图10a、图10b以及图10c是示意地表示第1实施方式涉及的磁存储装置的制造方法的剖视图。
17.图11是示意地表示第1实施方式的第1变形例涉及的第1布线、第2布线以及存储单元的结构的剖视图。
18.图12是示意地表示第1实施方式的第2变形例涉及的第1布线、第2布线以及存储单元的结构的剖视图。
19.图13是示意地表示第2实施方式涉及的第1布线、第2布线以及存储单元的结构的剖视图。
20.图14是示意地表示第2实施方式涉及的隧道势垒元件的电流-电压特性的图。
21.图15是示意地表示第2实施方式的变形例涉及的第1布线、第2布线以及存储单元的结构的剖视图。
22.图16a、图16b、图16c以及图16d是示意地表示第2实施方式涉及的磁存储装置的制造方法的剖视图。
23.图17是示意地表示第3实施方式涉及的磁存储装置的结构的剖视图。
24.图18是示意地表示第3实施方式的变形例涉及的磁存储装置的结构的剖视图。
25.标号说明
26.10第1布线、20第2布线、30存储单元、31磁阻效应元件、32选择器(开关元件)、33电阻元件、34上部电极、35隧道势垒元件、40层间绝缘层、50第3布线、60存储单元、61磁阻效应元件、62选择器(开关元件)、63电阻元件、64上部电极、65隧道势垒元件、100半导体基板。
具体实施方式
27.以下，参照附图对实施方式进行说明。
28.(第1实施方式)
29.图1是示意地表示第1实施方式涉及的磁存储装置的结构的立体图。
30.如图1所示，磁存储装置包括在x方向(第1方向)上延伸的第1布线10、在y方向(第2方向)上延伸的第2布线20以及连接在第1布线10与第2布线20之间的存储单元30。第1布线10和第2布线20中的一方与字线对应，另一方与位线对应。此外，x方向、y方向以及z方向为相互交叉的方向。具体而言，x方向、y方向以及z方向为相互正交的方向。
31.图2是示意地表示第1布线10、第2布线20以及存储单元30的结构的剖视图。
32.如图2所示，第1布线10、第2布线20以及存储单元30设置在半导体基板100的上方。
33.存储单元30连接在第1布线10与第2布线20之间，包括磁阻效应元件31、选择器(开关元件)32、电阻元件33以及上部电极(top electrode)34，存储与磁阻效应元件31的电阻状态相应的数据。如根据图2可知那样，磁阻效应元件31、选择器32以及电阻元件33串联连接。在图2所示的例子中，选择器32和电阻元件33相互相邻，选择器32设置在磁阻效应元件31与电阻元件33之间。
34.图3是示意地表示磁阻效应元件31的结构的剖视图。
35.磁阻效应元件31为mtj(magnetic tunnel junction，磁隧道结)元件，包括存储层(storage layer)(第1磁性层)31a、参考层(reference layer)(第2磁性层)31b以及隧道势垒层(非磁性层(nonmagnetic layer))31c。
characteristic)的图。
49.电阻元件33为pn结二极管，具有在被施加了正向(forward direction)的电压的情况和被施加了反向(reverse direction)的电压的情况下为非对称的电流-电压特性。但是，本实施方式的电阻元件(pn结二极管)33使用多晶硅来形成，与理想的pn结二极管相比没有良好的反向特性。即，本实施方式的pn结二极管的反向上的电阻值比理想的pn结二极管低。
50.另外，从存储单元30读出数据时，对电阻元件(pn结二极管)33施加反向电压，在电阻元件33中流动反向电流。
51.如上所述，本实施方式的存储单元30具有磁阻效应元件31、选择器32以及电阻元件33串联连接了的结构。通过这样的结构，在本实施方式中，能够得到能抑制读干扰以及降低功耗且能进行准确的读出动作的磁存储装置。以下加以说明。
52.图8是示意地表示存储单元30由磁阻效应元件31、选择器32以及电阻元件33的串联连接构成的情况下的存储单元30的电流-电压特性(a)、以及存储单元30由磁阻效应元件31和选择器32的串联连接构成的情况下(不包括电阻元件33的情况下)的存储单元30的电流-电压特性(b)的图。
53.图9是示意地表示对存储单元30进行读出和写入时被施加于电阻元件33的电压和在电阻元件33中流动的电流的图，与图7所示的电流-电压特性基本上相同。
54.在图8和图9中，iw(pap)表示将磁阻效应元件31从平行状态(存储层31a的磁化方向相对于参考层31b的磁化方向为平行的低电阻状态)设定为反平行状态(存储层31a的磁化方向相对于参考层31b的磁化方向为反平行的高电阻状态)时的向存储单元30的写入电流。iw(app)表示将磁阻效应元件31从反平行状态设定为平行状态时的向存储单元30的写入电流。iread表示从存储单元30读出基于设定于磁阻效应元件31的电阻状态的数据时所需要的读出电流的最小值。
55.电阻元件33具有二极管特性。因此，在对存储单元30进行读出和写入时的动作范围中，电阻元件33的反向电阻比正向电阻大。即，如图9所示，当将从存储单元30读出与磁阻效应元件31的电阻状态相应的数据时施加于电阻元件33的反向的电压设为第1电压v1时，对电阻元件33施加了第1电压v1时的电阻元件33的电阻值比具有与第1电压v1的绝对值相同的绝对值的正向的第2电压v2被施加于了电阻元件33时的电阻元件33的电阻值大。
56.另外，被施加了第1电压v1时的电阻元件33的电阻值比磁阻效应元件33的低电阻状态的电阻值低。另外，被施加了第1电压v1时的电阻元件33的电阻值比选择器32的导通状态的电阻值高，比选择器32的截止状态的电阻值低。
57.如图8所示，存储单元30的电流-电压特性具有显著地反映了图5所示的选择器32的电流-电压特性的特性。如根据图9可知的那样，电阻元件33的正向电阻比反向电阻充分地小，比磁阻效应元件31的电阻(低电阻状态的电阻、高电阻状态的电阻)和选择器32的导通电阻的合计电阻值也充分地小。因此，在图8的正区域、即电阻元件33在正向上动作的区域中，存储单元30中包括电阻元件33的情况下的特性(a)与存储单元30中不包括电阻元件33的情况下的特性(b)实质上相同。
58.另一方面，在图8的负区域、即电阻元件33在反向上动作的区域中，与磁阻效应元件31的电阻(低电阻状态的电阻、高电阻状态的电阻)和选择器32的导通电阻的合计电阻值
相比，电阻元件33的反向电阻成为无法忽视的大小。因此，在图8的负区域中，存储单元30中包括电阻元件33的情况下的特性(a)与存储单元30中不包括电阻元件33的情况下的特性(b)较大地不同。
59.首先，考虑存储单元30中不包括电阻元件33的情况(图8的(b)的情况)。在图8中，当被施加于存储单元30的电压减少而变为比电流ihold’小时，电流-电压特性不沿着路径p1、而是沿着路径p2。因此，无法将读出电流设定为最小值iread，需要对路径p3的区域设定读出电流。其结果，会导致读出电流增加、产生读干扰。
60.另一方面，在存储单元30中包括电阻元件33的情况下(图8的(a)的情况下)，能够将读出电流设定为最小值iread。因此，在本实施方式中，能够降低读出电流，能够抑制读干扰的产生。
61.另外，在本实施方式中，电阻元件33具有二极管特性。当假如设为电阻元件33不具有二极管特性、在正方向和负方向上具有相同的电流-电压特性时，在正方向的写入动作(用于将磁阻效应元件31设定为高电阻状态的写入动作)和负方向的写入动作(用于将磁阻效应元件31设定为低电阻状态的写入动作)中，存储单元30的串联电路的电阻值都会变高，都会导致功耗的增加。在本实施方式中，在正方向的写入动作中能够降低存储单元30的串联电路的电阻值，因此，能够抑制功耗的增加。
62.如上所述，在本实施方式中，能够谋求抑制读干扰以及降低功耗，能够进行准确的读出动作。
63.接着，参照图10a～图10c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。
64.首先，如图10a所示，形成第1布线层10l、电阻元件层33l、选择器层32l、磁阻效应元件层31l以及上部电极层34l。
65.接着，如图10b所示，对第1布线层10l、电阻元件层33l、选择器层32l、磁阻效应元件层31l以及上部电极层34l进行图案化，形成第1布线10、电阻元件33、选择器32、磁阻效应元件31以及上部电极34的图案。进一步，形成层间绝缘层40。
66.接着，如图10c所示，在通过图10b的工序得到的构造上形成第2布线20的图案。
67.如上述这样，得到包括第1布线10、电阻元件33、选择器32、磁阻效应元件31、上部电极34以及第2布线20的磁存储装置。
68.图11是示意地表示本实施方式的第1变形例涉及的第1布线10、第2布线20以及存储单元30的结构的剖视图。
69.在本变形例中，磁阻效应元件31、选择器32以及电阻元件33也串联连接，选择器32和电阻元件33也相互相邻。另外，在本变形例中，电阻元件33设置在磁阻效应元件31与选择器32之间。
70.图12是示意地表示本实施方式的第2变形例涉及的第1布线10、第2布线20以及存储单元30的结构的剖视图。
71.在本变形例中，磁阻效应元件31、选择器32以及电阻元件33也串联连接。但是，在本变形例中，选择器32和电阻元件33不相邻，磁阻效应元件31设置在选择器32与电阻元件33之间。另外，在本变形例中，电阻元件33设置在第2布线20与上部电极34之间。
72.在第1变形例和第2变形例中，也能够得到与在上述实施方式中描述过的效果同样
的效果。
73.(第2实施方式)
74.接着，对第2实施方式进行说明。此外，基本事项与上述第1实施方式是同样的，省略在第1实施方式中说明过的事项的说明。
75.图13是示意地表示第1布线10、第2布线20以及存储单元30的结构的剖视图。
76.在本实施方式中，存储单元30还包括隧道势垒元件35，磁阻效应元件31、选择器32、电阻元件33以及隧道势垒元件35串联连接。在图13所示的例子中，在磁阻效应元件31与上部电极34之间设置有隧道势垒元件35，但隧道势垒元件35在存储单元的串联连接中的位置不被特别地限定。
77.隧道势垒元件35由隧道势垒层形成，具有非线性的电流-电压特性。隧道势垒层包含硅氮化物、硅氧化物等的绝缘材料。
78.图14是示意地表示隧道势垒元件(隧道势垒层)35的电流-电压特性的图。如图14所示，隧道势垒元件35具有在正方向和负方向上对称的电流-电压特性。另外，隧道势垒元件35具有当施加电压增加时、电流急剧地增加的电流-电压特性，具有随着施加电压增加而电阻值急剧地减少的特性。
79.在本实施方式中，对磁阻效应元件31、选择器32以及电阻元件33还串联连接有如上述那样的隧道势垒元件35，因此，能够使读出时的串联连接的电阻值进一步增加。因此，能够使读出电流进一步降低，能够抑制读干扰的产生以及功耗的增加。
80.图15是示意地表示本实施方式的变形例涉及的第1布线10、第2布线20以及存储单元30的结构的剖视图。
81.在本变形例中，磁阻效应元件31、选择器32、电阻元件33以及隧道势垒元件35也串联连接。另外，在本变形例中，电阻元件33设置在第2布线20与上部电极34之间，隧道势垒元件35设置在电阻元件33与上部电极34之间。
82.在本变形例中，也能够通过设置隧道势垒元件35来获得与上述实施方式同样的效果。
83.接着，参照图16a～图16d所示的剖视图，对本变形例涉及的磁存储装置的制造方法进行说明。
84.首先，如图16a所示，形成第1布线10、选择器32、磁阻效应元件31以及上部电极34的图案。进一步形成层间绝缘层40。
85.接着，如图16b所示，对上部电极34进行凹进(recess)加工，沿着被进行了凹进加工的上部电极34的表面以及层间绝缘层40的表面而形成硅氮化物层来作为隧道势垒层35l。
86.接着，如图16c所示，将形成在了层间绝缘层40的上表面上的隧道势垒层35l的部分除去，在残留下来的隧道势垒层35l上形成多晶硅层。进一步，对多晶硅层进行杂质元素的离子注入来形成pn结二极管。由此，得到电阻元件33和隧道势垒元件35。
87.接着，如图16d所示，在通过图16c的工序得到的构造上形成第2布线20的图案。
88.如上述这样，得到包括第1布线10、磁阻效应元件31、选择器32、电阻元件33、上部电极34、隧道势垒元件35以及第2布线20的磁存储装置。
89.(第3实施方式)
90.接着，对第3实施方式进行说明。此外，基本事项与上述第1实施方式以及第2实施方式是同样的，省略在第1实施方式以及第2实施方式中说明过的事项的说明。
91.图17是示意地表示本实施方式涉及的磁存储装置的结构的剖视图。
92.在本实施方式中，在第1实施方式中的说明过的第1布线10、第2布线20以及存储单元30的基础上还设置有第3布线50和存储单元60。
93.第3布线50在与第1布线10相同的方向、即x方向上延伸。第1布线10和第3布线50作为字线发挥功能，第2布线20作为位线发挥功能。
94.存储单元60连接在第2布线20与第3布线50之间，包括磁阻效应元件61、选择器(开关元件)62、电阻元件63以及上部电极64，存储与磁阻效应元件61的电阻状态相应的数据。磁阻效应元件61、选择器62以及电阻元件63串联连接。磁阻效应元件61、选择器62以及电阻元件63的基本结构与磁阻效应元件31、选择器32以及电阻元件33的结构相同。
95.但是，在本实施方式中，在共同的位线(第2布线20)的两侧设置有字线(第1布线10、第3布线50)。因此，电阻元件(pn结二极管)33和电阻元件(pn结二极管)63的方向相互相反。即，在从第1布线10朝向第2布线20的方向与电阻元件33的正向对应的情况下，从第3布线50朝向第2布线20的方向与电阻元件63的正向对应，在从第1布线10朝向第2布线20的方向与电阻元件33的反向对应的情况下，从第3布线50朝向第2布线20的方向与电阻元件63的反向对应。
96.存储单元60的基本的写入动作以及读出动作与存储单元30的写入动作以及读出动作相同。
97.在本实施方式中，也与第1实施方式同样地，能够使读出电流降低，能够抑制读干扰的产生以及功耗的增加。
98.图18是示意地表示本实施方式的变形例涉及的磁存储装置的结构的剖视图。
99.在本变形例中，与第2实施方式同样地，存储单元30包括隧道势垒元件35，磁阻效应元件31、选择器32、电阻元件33以及隧道势垒元件35串联连接。另外，存储单元60包括隧道势垒元件65，磁阻效应元件61、选择器62、电阻元件63以及隧道势垒元件65串联连接。隧道势垒元件65的基本结构以及基本特性与在第2实施方式中描述过的隧道势垒元件35是同样的。
100.在本变形例中，在存储单元30和存储单元60分别设置有隧道势垒元件35和隧道势垒元件65。因此，能够获得与在第2实施方式中描述过的效果同样的效果。
101.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、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：第1布线，其在第1方向上延伸；第2布线，其在与所述第1方向交叉的第2方向上延伸；以及第1存储单元，其连接在所述第1布线与所述第2布线之间，串联连接有能够具有低电阻状态或者高电阻状态的第1磁阻效应元件、第1开关元件以及第1电阻元件，存储与所述第1磁阻效应元件的电阻状态相应的数据，所述第1电阻元件具有在被施加了正向的电压的情况下和被施加了反向的电压的情况下为非对称的电流-电压特性，从所述第1存储单元读出与所述第1磁阻效应元件的电阻状态相应的数据时，在所述第1电阻元件施加所述反向的第1电压，被施加了所述反向的第1电压时的所述第1电阻元件的电阻值比被施加了具有与所述第1电压的绝对值相同的绝对值的所述正向的第2电压时的所述第1电阻元件的电阻值大。2.根据权利要求1所述的磁存储装置，被施加了所述第1电压时的所述第1电阻元件的电阻值比所述第1磁阻效应元件的低电阻状态的电阻值低。3.根据权利要求1所述的磁存储装置，被施加了所述第1电压时的所述第1电阻元件的电阻值比所述第1开关元件的导通状态的电阻值高、且比截止状态的电阻值低。4.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1电阻元件为二极管。5.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1开关元件具有如下特性：当在电流扫描时被施加于其端子间的电压增加而达到阈值电压时，从截止状态转变为导通状态，当被施加于其端子间的电压减少而达到比所述阈值电压低的保持电压时，从导通状态转变为截止状态。6.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1存储单元还包括第1隧道势垒元件，所述第1隧道势垒元件与所述第1磁阻效应元件、所述第1开关元件以及所述第1电阻元件串联连接，具有非线性的电流-电压特性。7.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1磁阻效应元件包括具有可变的磁化方向的第1磁性层、具有被固定了的磁化方向的第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。8.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1磁阻效应元件的电阻状态根据在所述第1磁阻效应元件中流动的电流的方向来设定，从所述第1存储单元读出与所述第1磁阻效应元件的电阻状态相应的数据时在所述第1磁阻效应元件中流动的电流的方向，与对所述第1磁阻效应元件设定所述低电阻状态时在所述第1磁阻效应元件中流动的电流的方向相同。9.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1开关元件和所述第1电阻元件相互相邻。10.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第1开关元件设置在所述第1磁阻效应元件与所述第1电阻元件之间。11.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1电阻元件设置在所述第1磁阻效应元件与所述第1开关元件之间。12.根据权利要求1所述的磁存储装置，所述第1磁阻效应元件设置在所述第1开关元件与所述第1电阻元件之间。13.根据权利要求1所述的磁存储装置，还具备：第3布线，其在所述第1方向上延伸；和第2存储单元，其连接在所述第2布线与所述第3布线之间，串联连接有具有低电阻状态和高电阻状态的第2磁阻效应元件、第2开关元件以及第2电阻元件，存储与所述第2磁阻效应元件的电阻状态相应的数据，所述第2电阻元件具有在被施加了正向的电压的情况下和被施加了反向的电压的情况下为非对称的电流-电压特性，在从所述第2存储单元读出与所述第2磁阻效应元件的电阻状态相应的数据时，在所述第2电阻元件施加所述反向的第3电压，被施加了所述反向的第3电压时的所述第2电阻元件的电阻值比被施加了具有与所述第3电压的绝对值相同的绝对值的所述正向的第4电压时的所述第2电阻元件的电阻值大。

技术总结

实施方式提供能够进行准确的读出动作的磁存储装置。实施方式磁存储装置具备：第1布线，其在第1方向上延伸；第2布线，其在与所述第1方向交叉的第2方向上延伸；以及第1存储单元，其连接在所述第1布线与所述第2布线之间，串联连接有具有低电阻状态和高电阻状态的第1磁阻效应元件、第1开关元件以及第1电阻元件，存储与所述第1磁阻效应元件的电阻状态相应的数据，所述第1电阻元件具有在被施加了正向的电压的情况下和被施加了反向的电压的情况下为非对称的电流-电压特性，从所述第1存储单元读出与所述第1磁阻效应元件的电阻状态相应的数据时，在所述第1电阻元件施加所述反向的第1电压，被施加了所述反向的第1电压时的所述第1电阻元件的电阻值比被施加了具有与所述第1电压的绝对值相同的绝对值的所述正向的第2电压时的所述第1电阻元件的电阻值大。的所述第1电阻元件的电阻值大。的所述第1电阻元件的电阻值大。