磁性存储装置
阅读：65发布：2020-05-13
专利汇可以提供磁性存储装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且根据一个 实施例 ， 磁性 存储装置包含第一 存储器 单元，所述第一存储器单元包含 磁阻效应 元件和选择器，所述选择器包含 钛 Ti、锗Ge和碲Te。，下面是磁性存储装置专利的具体信息内容。
1.一种磁性存储装置，其包括：
第一存储器单元，其包含磁阻效应元件和选择器，所述选择器包含钛Ti、锗Ge和碲Te。
2.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其中所述选择器包含原子比率为5at％到
30at％的锗Ge。
3.根据权利要求2所述的磁性存储装置，其中所述选择器包含原子比率为10at％到
20at％的锗Ge。
4.根据权利要求3所述的磁性存储装置，其中所述选择器包含原子比率为2at％到
10at％的钛Ti。
5.根据权利要求4所述的磁性存储装置，其中所述选择器包含原子比率为4at％到
8at％的钛Ti。
6.根据权利要求5所述的磁性存储装置，其中所述选择器具有非晶形结构。
7.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其中所述选择器包含二端子开关元件且具有
1.0V到2.0V的阈值电压。
8.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其中所述选择器包含二端子开关元件，且当所述选择器中发生回跳时，所述选择器的电压降的变化量是0V到1.3V。
9.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其中所述第一存储器单元进一步包含安置在所述选择器的下表面上的第一阻挡材料，以及安置在所述选择器的上表面上的第二阻挡材料。
10.根据权利要求9所述的磁性存储装置，其中所述第一阻挡材料和所述第二阻挡材料包含碳C。
11.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其中所述第一存储器单元进一步包含安置在所述选择器的侧表面上的绝缘体。
12.根据权利要求11所述的磁性存储装置，其中所述绝缘体包含氮化硅SiN。
13.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其中所述选择器安置在所述磁阻效应元件下方。
14.根据权利要求13所述的磁性存储装置，其进一步包括第二存储器单元，所述第二存储器单元包含所述磁阻效应元件和所述选择器，
其中所述第一存储器单元配置成能够电连接第一导体和第二导体，
所述第二存储器单元配置成能够电连接所述第二导体和第三导体，且
所述第二存储器单元安置在所述第一存储器单元上方。
15.根据权利要求1所述的磁性存储装置，其进一步包括第二存储器单元，所述第二存储器单元包含所述磁阻效应元件和所述选择器且安置在与所述第一存储器单元相同的层中，
其中所述第一存储器单元配置成能够电连接第一导体和第二导体，
所述第二存储器单元配置成能够电连接所述第一导体和第三导体，且
所述第一存储器单元的所述选择器和所述第二存储器单元的所述选择器包含在一个实体连续材料中。
16.根据权利要求15所述的磁性存储装置，其进一步包括第三存储器单元，所述第三存储器单元包含所述磁阻效应元件和所述选择器且安置在与所述第一存储器单元和所述第二存储器单元相同的层中，
其中所述第三存储器单元配置成能够电连接第四导体和所述第二导体，且所述第一存储器单元的所述选择器、所述第二存储器单元的所述选择器以及所述第三存储器单元的所述选择器包含在一个实体连续材料中。
17.根据权利要求14所述的磁性存储装置，其进一步包括配置成控制到所述第一存储器单元的数据的写入的控制器，
其中所述控制器配置成在将所述数据写入到所述第一存储器单元时将第一电压施加到所述第一导体、将不同于所述第一电压的第二电压施加到所述第二导体以及将在所述第一电压与所述第二电压之间的第三电压施加到所述第三导体。
18.根据权利要求17所述的磁性存储装置，其中所述第一电压与所述第二电压之间的差值大于所述选择器的阈值电压，且
所述第二电压与所述第三电压之间的差值小于所述选择器的所述阈值电压。
磁性存储装置
[0001] 相关申请的交叉引用
技术领域
[0003] 本文中所描述的实施例大体上涉及一种磁性存储装置。
背景技术
[0005] 一般来说，根据一个实施例，磁性存储装置包含第一存储器单元，所述第一存储器单元包含磁阻效应元件和选择器，所述选择器包含钛(Ti)、锗(Ge)和碲(Te)。
[0007] 图1是描述根据第一实施例的磁性存储装置的配置的框图。
[0008] 图2是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置的电路图。
[0009] 图3是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置的截面图。
[0010] 图4是描述根据第一实施例的磁性存储装置的磁阻效应元件的配置的截面图。
[0011] 图5是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的特性的图。
[0012] 图6是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的选择操作的示意图。
[0013] 图7是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的制造方法的示意图。
[0014] 图8是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的制造方法的示意图。
[0015] 图9是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的制造方法的示意图。
[0016] 图10是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的制造方法的示意图。
[0017] 图11是描述在根据第一实施例的磁性存储装置的选择器的退火工艺之后的特性的图。
[0018] 图12是描述根据第二实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置的截面图。
[0019] 图13是描述根据第三实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置的截面图。
具体实施方式
[0020] 在下文将参考附图描述实施例。应注意，在以下描述中，共同附图标记指示具有相同功能和布置的组件。为区分具有共同附图标记的多个组件，向共同附图标记中添加下标。应注意，如果没有必要专门区分多个组件，那么没有任何下标的共同附图标记表示多个组件。
[0021] 1.第一实施例
[0022] 将描述根据第一实施例的磁性存储装置。根据第一实施例的磁性存储装置是例如通过垂直磁化方法的磁性存储装置，其使用磁阻效应(磁性隧道结；Magnetic Tunnel Junction，MTJ)元件作为存储元件。
[0023] 1.1配置
[0024] 首先，将描述根据第一实施例的磁性存储装置的配置。
[0025] 1.1.1磁性存储装置的配置
[0026] 图1是示出根据第一实施例的磁性存储装置的配置的框图。如图1中所示，磁性存储装置1包含存储器单元阵列10、行选择电路11、列选择电路12、解码电路13、写入电路14、读取电路15、电压产生电路16、输入/输出电路17以及控制电路18。
[0027] 存储器单元阵列10包含与行和列相关联的多个存储器单元MC。具体地说，同一行上的存储器单元MC耦接到同一字线WL，且同一列上的存储器单元MC耦接到同一位线BL。
[0028] 行选择电路11经由字线WL耦接到存储器单元阵列10。将来自解码电路13的地址ADD的解码结果(行地址)供应到行选择电路11。行选择电路11将字线WL设定为选择状态，所述字线WL与基于地址ADD的解码结果的行相对应。在下文中，将设定为选择状态的字线WL称为“选择的字线WL”。另外，将除了选择的字线WL以外的字线WL称为“未选择的字线WL”。
[0029] 列选择电路12经由位线BL耦接到存储器单元阵列10。将来自解码电路13的地址ADD的解码结果(列地址)供应到列选择电路12。列选择电路12将列设定为选择状态，所述列基于地址ADD的解码结果。在下文中，将设定为选择状态的位线BL称为“选择的位线BL”。另外，将除了选择的位线BL以外的位线BL称为“未选择的位线BL”。
[0030] 解码电路13解码来自输入/输出电路17的地址。解码电路13将地址ADD的解码结果供应到行选择电路11和列选择电路12。地址ADD包含待经选择的列地址和行地址。
[0032] 读取电路15执行从存储器单元MC读取数据。读取电路15包含例如读出放大器(未示出)。
[0033] 电压产生电路16通过使用安置在磁性存储装置1外部(未示出)的电源电压来产生用于存储器单元阵列10的各种操作的电压。举例来说，电压产生电路16产生在写入操作时所需的各种电压且将电压输出到写入电路14。另外，例如，电压产生电路16产生在读取操作时所需的各种电压且将电压输出到读取电路15。
[0034] 输入/输出电路17将地址ADD从磁性存储装置1的外部转移到解码电路13。输入/输出电路17将指令CMD从磁性存储装置1的外部转移到控制电路18。输入/输出电路17在磁性存储装置1的外部与控制电路18之间发射和接收各种控制信号CNT。输入/输出电路17将数据DAT从磁性存储装置1的外部转移到写入电路14，且将从读取电路15转移的数据DAT输出到磁性存储装置1的外部。
[0035] 在磁性存储装置1中，控制电路18基于控制信号CNT和命令CMD来控制行选择电路11、列选择电路12、解码电路13、写入电路14、读取电路15、电压产生电路16以及输入/输出电路17的操作。
[0036] 1.1.2存储器单元阵列的配置
[0037] 接下来，将参考图2描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置。图2是示出根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置的电路图。在图2中，将字线WL分类为两类(WLa和WLb)并加以说明。
[0038] 如图2中所示，存储器单元MC(MCa和MCb)布置在存储器单元阵列10中的矩阵中，且每一存储器单元MC与一对多个位线BL(BL<0>、BL<1>、...、BL)中的一个以及多个字线WLa(WLa<0>、WLa、...、WLa)和WLb(WLb<0>、WLb、...、WLb)中的一个相关联(M和N是任意整数)。具体地说，存储器单元MCa(0≦i≦M，0≦j≦N)耦接在字线WLa与位线BL之间，且存储器单元MCb耦接在字线WLb与位线BL之间。
[0039] 应注意，出于便利的目的，下标“a”和“b”区分例如安置在位线BL下方的组件与安置在位线BL上方的组件。随后将描述存储器单元阵列10的三维配置的实例。
[0040] 存储器单元MCa包含串联耦接的选择器SELa和磁阻效应元件MTJa。存储器单元MCb包含串联耦接的选择器SELb和磁阻效应元件MTJb。
[0041] 在将数据写入到磁阻效应元件MTJ和从磁阻效应元件MTJ读取数据期间，选择器SEL充当控制电流到对应磁阻效应元件MTJ的供应的开关。更具体地说，例如，特定存储器单元MC中的选择器SEL在施加到存储器单元MC的电压低于阈值电压Vth时作为具有高电阻值的绝缘体切断电流(设定为OFF状态)，且在施加到存储器单元MC的电压高于阈值电压Vth时作为具有低电阻值的导体传送电流(设定为ON状态)。换句话说，在不考虑流动电流的方向的情况下，选择器SEL具有根据施加到存储器单元MC的电压的大小来实现电流传导和电流切断之间的切换的功能。
[0042] 磁阻效应元件MTJ可由电流在低电阻状态与高电阻状态之间切换电阻值，所述电流的供应由选择器SEL控制。磁阻效应元件MTJ可通过改变其电阻状态来写入数据，且充当可非易失性地存储写入的数据以及可读取数据的存储元件。
[0043] 接下来，将参考图3描述存储器单元阵列10的截面配置。图3示出根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的截面组态(沿字线截取)的实例。
[0044] 如图3中所示，磁性存储装置1安置在半导体衬底20上。在以下描述中，平行于半导体衬底20的表面的平面定义为XY平面，且垂直于XY平面的方向定义为Z方向。另外，沿字线WL的方向定义为X方向，且沿位线BL方向的定义为Y方向。举例来说，X方向和Y方向在XY平面中彼此垂直。
[0045] 举例来说，充当字线WLa的多个导体21安置在半导体衬底20的上部分上。举例来说，导体21在Y方向上布置且在X方向上延伸。在未安置导体21的半导体衬底20的区域上，例如，绝缘体(未示出)安置为达到导体21的高度。
[0046] 防止选择器SELa中所包含的材料扩散的多个阻挡材料22安置在导体21的上部分上。阻挡材料22包含例如碳(C)。在X方向上布置的阻挡材料22通常耦接到一个导体21。充当选择器SELa的元件23安置在阻挡材料22中的每一个的上部分上。
[0047] 元件23可以是例如二端子(二元)开关元件。在施加在一对端子之间的电压小于阈值电压时，开关元件可保持在“高电阻”状态下，例如非导电状态。在施加在所述一对端子之间的电压等于或大于阈值电压时，开关元件可转变为“低电阻”状态，例如导电状态。开关元件可在电压的两个极性中具有这一功能。元件23可包含硫族化物材料。更具体地说，元件23包含钛(Ti)掺杂的碲化锗(GeTe)。在以下描述中，出于便利的目的，术语“钛(Ti)掺杂的碲化锗(GeTe)”也表示为“钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)”。另外，元件23在正常状态(例如未施加电压的状态)下具有非晶形结构。元件23还可包含选自由以下组成的群组的至少一或多种元素：硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、砷(As)、磷(P)和锑(Sb)。
[0048] 元件23中所包含的锗(Ge)的原子比率是例如优选地5at％到30at％，且更优选地10at％到20at％。由此，元件23可具有电流-电压特性，作为可恰当地选择磁阻效应元件MTJ的选择器SEL。另外，元件23中所包含的钛(Ti)的原子比率是例如优选地2at％到10at％，且更优选地4at％到8at％。由此，元件23可具有这类热特性：即使在制造磁阻效应元件MTJ时通过退火工艺来加热元件23，元件23也不会失去二端子开关元件的功能(选择器SEL不会毁坏)。应注意，可通过使用例如扫描透射电子显微镜-能量色散X射线光谱测定(STEM-EDX)来测量元件23的原子比率。随后将描述元件23的具体特性的细节。
[0049] 防止选择器SELa中所包含的材料扩散的阻挡材料24安置在元件23中的每一个的上部分上。类似于阻挡材料22，阻挡材料24包含例如碳(C)。充当磁阻效应元件MTJa的元件25安置在阻挡材料24中的每一个的上部分上。随后将描述元件25的细节。
[0050] 举例来说，绝缘体26安置在导体21的上部分的表面(所述表面上未安置阻挡材料22)上以及阻挡材料22、元件23、阻挡材料24以及元件25的侧表面上，所述阻挡材料22、元件
23、阻挡材料24以及元件25在Z方向上按所提及的顺序堆叠。绝缘体26具有防止选择器SELa中所包含的材料扩散的功能，且包含例如氮化硅(SiN)。应注意，提供绝缘体26的方法不限于提供氮化硅(SiN)层的方法。可通过使相应层的侧表面氮化的方法来安置绝缘体26。举例来说，绝缘体27安置在绝缘体26上达到元件25的高度。绝缘体27包含例如二氧化硅(SiO2)。
23、阻挡材料24以及元件25在Z方向上按所提及的顺序堆叠。绝缘体26具有防止选择器SELa中所包含的材料扩散的功能，且包含例如氮化硅(SiN)。应注意，提供绝缘体26的方法不限于提供氮化硅(SiN)层的方法。可通过使相应层的侧表面氮化的方法来安置绝缘体26。举例来说，绝缘体27安置在绝缘体26上达到元件25的高度。绝缘体27包含例如二氧化硅(SiO2)。
[0051] 充当位线BL的导体28安置在元件25中的每一个的上部分上。举例来说，导体28在X方向上布置且在Y方向上延伸。在X方向上布置的导体28中的每一个通常耦接到在Y方向上布置的元件25(所述元件中的一些未示出)。举例来说，在未安置导体28的绝缘体26和27的那些区域上，例如，绝缘体29安置为达到导体28的高度。
[0052] 防止选择器SELb中所包含的材料扩散的多个阻挡材料30安置在导体28中的每一个上。在Y方向上布置的阻挡材料30通常耦接到一个导体28。阻挡材料30包含例如碳(C)。充当选择器SELb的元件31安置在阻挡材料30中的每一个的上部分上。类似于上文所描述的元件23，元件31包含例如钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)。防止选择器SELb中所包含的材料扩散的阻挡材料32安置在元件31中的每一个的上部分上。类似于阻挡材料30，阻挡材料32包含例如碳(C)。充当磁阻效应元件MTJb的元件33安置在阻挡材料32中的每一个的上部分上。随后将描述元件33以及元件25的细节。
[0053] 举例来说，绝缘体34安置在导体28的上部分的表面(所述表面上未安置阻挡材料30)上，以及绝缘体29的上部分上，在Z方向上按所提及的顺序堆叠的阻挡材料30、元件31、阻挡材料32以及元件33的侧表面上。类似于绝缘体26，绝缘体34具有防止选择器SELb中所包含的材料扩散的功能，且包含例如氮化硅(SiN)。绝缘体35安置在绝缘体34上达到元件33的高度。类似于绝缘体27，绝缘体35包含例如二氧化硅(SiO2)。
[0054] 充当字线WLb的导体36安置在元件33中的每一个的上部分上。举例来说，导体36在Y方向上布置且在X方向上延伸。在Y方向上布置的导体36中的每一个通常耦接到在X方向上布置的元件33。举例来说，在未安置导体36的绝缘体34和35的上表面的区域上，例如，绝缘体(未示出)安置为达到导体36的高度。
[0055] 通过上述配置，存储器单元阵列10具有一种结构(堆叠交叉点结构)，其中交叉点结构在Z方向上堆叠，各交叉点结构能够通过一个位线BL和一个字线WL对来选择一个存储器单元MC。
[0056] 1.1.3磁阻效应元件的配置
[0057] 接下来，将参考图4描述根据第一实施例的磁性存储装置的磁阻效应元件的配置。图4是根据第一实施例的磁性存储装置的磁阻效应元件的截面图(沿XZ平面截取)的实例。
[0058] 如图4中所示出，元件25和33中的每一个包含充当参考层RL的铁磁材料41、充当隧道阻挡层TB的非磁性材料42以及充当存储层SL的铁磁材料43。铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43构成磁性隧道结。
[0059] 举例来说，在元件25中，从字线WLa侧到位线BL侧(在Z轴方向上)，多个材料按铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43的顺序堆叠。举例来说，在元件33中，从位线BL侧到字线WLb侧(在Z轴方向上)，多个材料按铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43的顺序堆叠。元件25和33充当垂直磁化型MTJ元件，其中例如铁磁材料41和43中的每一个的磁化方向垂直于膜平面。
[0060] 铁磁材料41具有铁磁性且在垂直于膜平面的方向上具有易于磁化的轴。铁磁材料41具有朝向位线BL侧或字线WL侧的磁化方向。铁磁材料41包含例如钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)或钴钯(CoPd)。铁磁材料41的磁化方向是固定的，且在图4的实例中，这一方向指向铁磁材料43。应注意，表述“铁磁材料41的磁化方向是固定的”意味着这一磁化方向不由可使铁磁材料43的磁化方向反向的大小的电流(自旋力矩)改变。
[0061] 非磁性材料42是非磁性绝缘膜且包含例如氧化镁(MgO)。
[0062] 铁磁材料43具有铁磁性且在垂直于膜平面的方向上具有易于磁化的轴。铁磁材料43具有朝向位线BL侧或字线WL侧的磁化方向。铁磁材料43包含例如钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。
[0063] 在本发明的实施例中，采用自旋转移写入方法。在这一方法中，写入电流直接流经这一磁阻效应元件MTJ，自旋力矩由写入电流注入存储层SL中，且存储层SL的磁化方向受控制。取决于存储层SL与参考层RL的磁化方向之间的相对关系是平行的还是反平行的，磁阻效应元件MTJ可呈现低电阻状态或高电阻状态。
[0064] 如果使特定大小的写入电流在图4中的箭头A1的方向(即在从存储层SL到参考层RL的方向上)上流经磁阻效应元件MTJ，那么存储层SL与参考层RL的磁化方向之间的相对关系为平行的。在这一平行状态的情况下，磁阻效应元件MTJ的电阻值降低，且磁阻效应元件MTJ设定为低电阻状态。这一低电阻状态称作“P(平行)状态”，且定义(例如)为数据“0”的状态。
[0065] 另一方面，如果使写入电流(其大于在写入数据“0”时的写入电流)在图4中的箭头A2的方向(即在从参考层RL到存储层SL的方向上)上流经磁阻效应元件MTJ，那么存储层SL与参考层RL的磁化方向之间的相对关系为反平行的。在这一反平行状态的情况下，磁阻效应元件MTJ的电阻值升高，且磁阻效应元件MTJ设定为高电阻状态。这一高电阻状态称作“AP(反平行)状态”，且定义(例如)为数据“1”的状态。
[0066] 应注意，以下描述是基于上文所描述的定义数据的方法，然而定义数据“1”和“0”的方法不限于上述实例。举例来说，可将P状态定义为数据“1”，且可将AP状态定义为数据“0”。
[0067] 1.1.4存储器单元的电流-电压特性
[0068] 接下来，参考图5，将描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的电流-电压特性(也称为“IV特性”)。
[0069] 图5是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的IV特性的图。图5示出在横坐标轴指示电压V且纵坐标轴指示电流I时存储器单元MC的IV特性，或选择器SEL和磁阻效应元件MTJ作为构成存储器单元MC的单一单元的IV特性。应注意，纵坐标轴的电流I表示为对数指示(对数刻度)。
[0070] 如图5中所示，磁阻效应元件MTJ的IV特性在P状态与AP状态之间是不同的。具体地说，在图5中，磁阻效应元件MTJ在P状态下的IV特性由线L1指示，且磁阻效应元件MTJ在AP状态下的IV特性由线L2指示。
[0071] 更具体地说，在P状态和AP状态的情况中的每一个中，磁阻效应元件MTJ的流动电流I根据施加电压V的增加而大体上线性地增加。如上文所描述，磁阻效应元件MTJ的电阻值在P状态下比在AP状态下低。因此，在施加相同电压V时，在P状态下流经磁阻效应元件MTJ的电流大于在AP状态下流经磁阻效应元件MTJ的电流。具体地说，在图5中，线L1始终绘制在线L2的上侧。
[0072] 应注意，在向磁阻效应元件MTJ施加过量电压V时，磁阻效应元件MTJ可能由于隧道阻挡层TB的介质击穿而失去作为磁阻效应元件MTJ的功能(磁阻效应元件MTJ毁坏)。因此，优选的是不向磁阻效应元件MTJ施加过量电压V。具体地，举例来说，优选的是例如不向磁阻效应元件MTJ施加大于1.3V的电压(即向磁阻效应元件MTJ施加介于0V到1.3V的范围内的电压)。更优选的是不向磁阻效应元件MTJ施加大于0.6V的电压(即向磁阻效应元件MTJ施加介于0V到0.8V的范围内的电压)。
[0073] 如图5中由线L3指示，选择器SEL具有非线性IV特性。更具体地说，如果电压V从0V逐渐增加且电压V达到阈值电压Vth，那么阈值电流Ith流经选择器SEL(图5中的点P1)。然而，与在将阈值电压Vth施加到作为单一单元的磁阻效应元件MTJ时的电流相比，阈值电流Ith小到可忽略。阈值电压Vth为例如1.5V，且阈值电流Ith为例如1μA。因此，在磁阻效应元件MTJ和选择器SEL如在图2中所示的存储器单元MC中串联耦接时，选择器SEL充当一绝缘体，其在从0V增加到阈值电压Vth的电压V的范围内切断到磁阻效应元件MTJ的电流。
[0074] 如果流经选择器SEL的电流超出阈值电流Ith，那么选择器SEL中发生回跳。回跳是这样一种现象：其中在电压降量从阈值电压Vth降低时，大于阈值电流Ith的电流流动。如果流经选择器SEL的电流达到保持电流Ihold(>Ith)，那么电压降量成为保持电压Vhold(
[0075] 如果电压降量在回跳发生之后达到保持电压Vhold，那么即使大于保持电流Ihold的电流流动，选择器SEL中的电压降量在保持电压Vhold下仍大体上不变。在选择器SEL中的电压降量被视为在保持电压Vhold下恒定而与电流量无关的这种状态下，存储器单元MC的IV特性可被视为具有一形状，其中选择器SEL的IV特性(电压降量在Vhold下恒定)和磁阻效应元件MTJ的IV特性在横坐标轴的方向上添加。
[0076] 在图5中，存储器单元MC的IV特性(其中具有上述IV特性的磁阻效应元件MTJ和选择器SEL串联耦接)由虚线L4和L5表示。应注意，虚线L4与选择器SEL在P状态下串联耦接到磁阻效应元件MTJ的情况下的IV特性相对应，且虚线L5与选择器SEL在AP状态下串联耦接到磁阻效应元件MTJ的情况下的IV特性相对应。
[0077] 在以下描述中，假定向存储器单元MC施加恒定电压的情况。在这种情况下，如由虚线L4和L5指示，选择器SEL的电压降是主导的，直到施加到存储器单元MC的电压达到阈值电压Vth为止，且大体上没有电流流经磁阻效应元件MTJ。如果施加到存储器单元MC的电压超出阈值电压Vth(即如果选择器SEL中发生回跳)，那么存储器单元MC的IV特性从点P1的状态转移到图5中的区域P3的状态。因此，如果发生回跳，那么向磁阻效应元件MTJ施加与阈值电压Vth与保持电压Vhold之间的至少差值相对应的电压(Vth-Vhold)。
[0078] 如上文所描述，优选的是不向磁阻效应元件MTJ施加可在隧道阻挡层TB中引起介质击穿的大小的电压。因此，优选的是上文所描述的电压(Vth-Vhold)小于可在隧道阻挡层TB中引起介质击穿的大小的电压。钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)具有为约0.5V到0.6V且满足上文所描述的条件的电压(Vth-Vhold)值。
[0079] 除了上述保护磁阻效应元件MTJ的观点以外，为了防止到在随后将描述的存储器单元MC的选择操作中不是写入或读取目标的存储器单元MC的渗漏电流，优选的是阈值电压Vth为1.0V到2.0V。钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)具有为约1.5V且满足上文所描述的条件的阈值电压Vth的值。
[0080] 1.2存储器单元的选择操作
[0081] 接下来，将描述根据第一实施例的磁性存储装置中的存储器单元的选择操作在以下描述中，作为写入或读取目标的存储器单元MC，即与一对选择的字线WL和选择的位线BL相关联的存储器单元MC，称为“选择的存储器单元MC”(或“在选择状态下的存储器单元MC”)。
[0082] 图6是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的选择操作的概述的示意图。在图6的实例中，示出耦接在位线BL<0>和BL<1>中的一个与字线WLa<0>、WLb<0>、WLa和WLb中的一个之间的八个存储器单元MC。
[0083] 如图6中所示，行选择电路11和列选择电路12执行控制，使得将电压Vsel施加在选择的字线WL与选择的位线BL之间。Vsel是高于选择器SEL的阈值电压Vth的电压。在图6的实例中，例如，示出将电压Vsel施加到选择的字线WLa<0>以及将电压VSS施加到选择的位线BL<1>的情况。电压VSS是接地电压且为例如0V。
[0084] 将电压Vsel施加到选择的存储器单元MC。因此，将等于或高于阈值电压Vth的电压施加到选择的存储器单元MC中的选择器SEL。由此，选择的存储器单元MC中的选择器SEL转为ON状态，且写入电流或读取电流可流经选择的存储器单元MC中的磁阻效应元件MTJ。应注意，在电流所传送的方向待反向时，行选择电路11和列选择电路12执行这类控制以便将电压Vsel施加到选择的位线BL<1>以及将电压VSS施加到选择的字线WLa<0>。
[0085] 另外，行选择电路11和列选择电路12执行这类控制以便将电压Vsel/2供应到未选择的字线WL和未选择的位线BL。电压Vsel/2是低于将选择器SEL设定为ON状态的阈值电压Vth的电压。在图6的实例中，例如，示出将电压Vsel/2施加到字线WLb<0>、WLa和WLb以及施加到位线BL<0>的情况。将安置于选择的位线BL与未选择的字线WL之间的存储器单元MC以及安置于选择的字线WL与未选择的位线BL之间的存储器单元MC称为“半选择的存储器单元MC”(或在半选择状态下的存储器单元MC)。将电压Vsel/2施加到半选择的存储器单元MC。由此，将低于阈值电压Vth的电压施加到半选择的存储器单元MC中的选择器SEL。因此，半选择的存储器单元MC中的每一个中的选择器SEL设定为OFF状态，且可防止写入电流或读取电流流经半选择的存储器单元MC中的每一个中的磁阻效应元件MTJ。
[0086] 此外，将安置于未选择的位线BL与未选择的字线WL之间的存储器单元MC称为“未选择的存储器单元MC”(或“在未选择状态下的存储器单元MC”)。因为将电压Vsel/2施加到未选择的位线BL和未选择的字线WL中的每一个，所以在未选择的存储器单元MC中无电压降发生。因此，未选择的存储器单元MC中的每一个中的选择器SEL设定为OFF状态，且可防止写入电流或读取电流流经未选择的存储器单元MC中的每一个中的磁阻效应元件MTJ。
[0087] 1.3存储器单元的制造方法
[0088] 接下来，将描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的制造方法。
[0089] 图7到图10是描述根据第一实施例的磁性存储装置的存储器单元的制造方法的示意图。在图7到图10中，出于简单描述的目的，存储器单元MCa示出为存储器单元MC的实例。图7示出在堆叠用于充当选择器SEL和磁阻效应元件MTJ的材料之后且在进行退火工艺之前的状态。图8示出在图7的状态之后正进行退火工艺的状态。图9示出在图8的状态之后已完成退火工艺的状态。图10示出由磁性初始化过程设置磁阻效应元件MTJ的功能的状态。在下文中，将相继描述图7到图10的相应状态。
[0090] 如图7中所示，阻挡材料22、元件23、阻挡材料24、铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43按所提及的顺序堆叠，且绝缘体26安置在每一层的侧表面上。除用于充当存储器单元MC的部分外，通过使用例如离子束的蚀刻来去除堆叠层。如上文所描述，铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43堆叠在元件23上方。由此，与铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43堆叠在元件23下方的情况相比，可改良蚀刻的简易性。元件23包含钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)且具有非晶形结构。铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43是一组用于充当磁阻效应元件MTJa的材料，且铁磁材料41和43具有非晶形结构。
[0091] 应注意，在前述图7中，出于便利的目的，用“○”表示元件23中所包含的锗原子(Ge)，用“△”表示碲原子(Te)且用“□”表示钛原子(Ti)。
[0092] 接下来，如图8中所示，对图7中堆叠的层进行退火工艺。具体地，从外部将热(例如300℃或更高，优选地350℃或更高)施加到每一层持续预定时段。由此，铁磁材料41和43从非晶态转换为结晶材料。本文中，非磁性材料42可用以控制铁磁材料41和43的晶体结构的对准。具体地说，铁磁材料41和43可通过使用非磁性材料42作为晶种而生成晶体结构。由此，铁磁材料41和43在与非磁性材料42的晶面相同的晶面中对准。
[0093] 在上述退火工艺期间，与铁磁材料41和43类似地加热元件23，且碲化锗(GeTe)有可能结晶。然而，因为元件23中掺杂了钛(Ti)，所以可遏制碲化锗(GeTe)的结晶。
[0094] 另外，在元件23中所包含的原子中，碲原子(Te)往往容易在高温环境中扩散到其它层中且最终可蒸发。然而，如上文所描述，在元件23周围，阻挡材料24安置在元件23的上表面上，阻挡材料22安置在元件23的下表面上，且绝缘体26安置在元件23的侧表面上。阻挡材料22和24以及绝缘体26具有防止碲原子(Te)扩散的功能。由此，在退火工艺期间有可能防止碲原子(Te)从元件23扩散。
[0095] 接下来，如图9中所示，图8中的退火工艺完成。通过结晶的进展，改良了铁磁材料41和43的特性，例如界面磁各向异性。另一方面，在元件23中，碲原子(Te)未丢失，且保持了非晶态。此外，因为元件23中掺杂了钛原子(Ti)，所以元件23对于退火工艺中施加的热具有稳固性。由此，界面处可保持层的平面性。因此，元件23可保持选择器SELa的功能。
[0096] 接下来，如图10中所示，对每一层进行磁性初始化过程，其中退火工艺已在图9中完成。具体地说，在预定方向(图10的实例中的Z方向)上从外部将磁场(例如这类大小的磁场以便能够磁化铁磁材料41)施加到每一层。由此，磁化铁磁材料41和43。因此，铁磁材料41、非磁性材料42以及铁磁材料43进入这类状态以便能够充当磁阻效应元件MTJa。
[0097] 通过上述，完成存储器单元MC的制造。
[0098] 应注意，当存储器单元MC在Z方向上堆叠时，在上层存储器单元MCb与下层存储器单元MCa之间将选择器SEL和磁阻效应元件MTJ的堆叠顺序设定成相同的，如图3中所示。由此，可改良制造的简易性。
[0099] 1.4本发明的实施例的有利效应
[0100] 根据第一实施例，可改良单元的集成密度。将在下文描述有利效应。
[0101] 存储器单元MC配置成使得磁阻效应元件MTJ和选择器SEL串联耦接。由此，在使用选择晶体管时所需要的选择栅极线是不必要的，且磁阻效应元件MTJ和选择器SEL可在Z方向上堆叠。因此，存储器单元MC可安置在位线BL和字线WL交叉的区域处，且可构成可实现4F2的高度集成密度的交叉点结构。另外，当存储器单元MC在Z方向上堆叠时，在上层存储器单元MCb与下层存储器单元MCa之间将选择器SEL和磁阻效应元件MTJ的堆叠顺序设定成相同的，如图3中所示。由此，可改良制造的简易性。
[0102] 此外，选择器SEL包含锗(Ge)、碲(Te)和钛(Ti)。由此，选择器SEL可具有适用于磁阻效应元件MTJ的特性。参考图11，对这些特性给予补充描述。
[0103] 图11是描述在根据第一实施例的磁性存储装置中使用的选择器的特性的图。在图11中，类似于图5，横坐标轴指示电压V且纵坐标轴指示电流I。图11示出选择器SEL在已施加与退火工艺对应的热(例如300℃的热)之后的IV特性。在图11中，用线L6来指示包含钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)的选择器SEL的IV特性，且用线L7来指示包含碲化锗(GeTe)而不含钛(Ti)的选择器SEL的IV特性。
[0104] 如图11中所示，在钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)的情况下，即使在退火工艺之后，仅小于阈值电流Ith(例如5μA)的电流在施加小于阈值电压Vth(例如1.0V到2.0V)的电压的状态下流动。因此，钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)充当绝缘体。如果施加电压V超出阈值电压Vth，那么电流急剧地增加且钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)充当导体。以这种方式，即使在退火工艺之后，钛掺杂的碲化锗(TiGeTe)可保持与参考图5所描述的IV特性相同的特性。
[0105] 另一方面，在碲化锗(GeTe)不掺杂有钛(Ti)的情况下，在退火工艺之后，超出阈值电流Ith的较大电流在施加电压达到阈值电压Vth之前流动。具体地说，不掺杂有钛(Ti)的碲化锗(GeTe)可因退火工艺而失去选择器的功能。
[0106] 根据第一实施例，选择器SEL包含原子比率为5at％到30at％的锗(Ge)。由此，可制造二端子开关元件，且具有1.0V到2.0V的阈值电压Vth，且在回跳时具有0V到1.3V的电压降变化量。因此，即使在选择器SEL串联耦接到磁阻效应元件MTJ时，有可能遏制具有在选择器SEL的ON/OFF切换期间可能毁坏磁阻效应元件MTJ的大小的电压的施加。
[0107] 另外，如上文所描述，在选择器SEL中，锗碲(germanium tellurium)(GeTe)中掺杂了钛(Ti)。具体来说，选择器SEL包含原子比率为2at％到10at％的钛(Ti)。由此，即使施加约300℃的热，仍可遏制碲(Te)和锗(Ge)的结晶。因此，即使在进行对于使磁阻效应元件MTJ结晶为所需的退火工艺之后，选择器SEL仍可保持非晶态。此外，因为膜的平面性即使在退火工艺之后仍然保持，所以即使反复地使用选择器SEL，选择器SEL的功能仍然可保持。因此，能够制造可在选择器SEL和磁阻效应元件MTJ并不失去其功能的状态下操作的存储器单元MC。
[0108] 另外，阻挡材料安置在选择器SEL的上表面和下表面上。阻挡材料包含例如碳(C)。此外，绝缘体安置在选择器SEL的侧表面上。绝缘体包含例如氮化硅(SiN)。由此，在退火工艺期间，有可能防止碲原子(Te)从选择器SEL扩散和蒸发。因此，有可能进一步遏制在退火工艺之后选择器SEL功能的损失。
[0109] 另外，在同一存储器单元MC中，选择器SEL安置在磁阻效应元件MTJ下方。由此，在堆叠用于充当存储器单元MC的层且随后蚀刻其它部分时，可改良制造的简易性。
[0110] 2.第二实施例
[0111] 接下来，将描述根据第二实施例的磁性存储装置。在第一实施例中，描述其中阻挡材料和选择器沿着字线划分成多个阻挡材料和选择器的情况。第二实施例与第一实施例不同，其中阻挡材料和选择器具有与紧接在下方存在的字线或位线相同的形状，且通常耦接到同一字线或位线的多个存储器单元的选择器包含在一个实体地连续材料(TiGeTe)中。在下文中，将主要描述与第一实施例不同之处。
[0112] 2.1存储器单元阵列的配置
[0113] 图12是描述根据第二实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置的截面图。图12与在第一实施例中描述的图3相对应。
[0114] 如图12中所示，例如，充当字线WLa的多个导体21安置在半导体衬底20的上部分上。举例来说，导体21在Y方向上布置且在X方向上延伸。在未安置导体21的半导体衬底20的区域上，例如，绝缘体(未示出)安置为达到导体21的高度。
[0115] 防止选择器SELa中所包含的材料扩散的阻挡材料22、充当选择器SELa的元件23以及防止选择器SELa中所包含的材料扩散的阻挡材料24沿着每一导体21的上部分按所提及的顺序堆叠。具体地说，类似于导体21，阻挡材料22、元件23以及阻挡材料24在X方向上在导体21上延伸。
[0116] 充当磁阻效应元件MTJa的多个元件25安置于在X方向上延伸的阻挡材料24的上部分上。
[0117] 举例来说，绝缘体26安置在阻挡材料24的上部分的表面(所述表面上未安置元件25)上以及阻挡材料22、元件23、阻挡材料24以及元件25的侧表面上，所述阻挡材料22、元件
23、阻挡材料24以及元件25在Z方向上按所提及的顺序堆叠。举例来说，绝缘体27安置在绝缘体26上达到元件25的高度。
23、阻挡材料24以及元件25在Z方向上按所提及的顺序堆叠。举例来说，绝缘体27安置在绝缘体26上达到元件25的高度。
[0118] 充当位线BL的导体28安置在元件25中的每一个的上部分上。举例来说，导体28在X方向上布置且在Y方向上延伸。在X方向上布置的导体28中的每一个通常耦接到在Y方向上布置的元件25(未示出)。举例来说，在未安置导体28的绝缘体26和27的上表面的那些区域上，例如，绝缘体29安置为达到导体28的高度。
[0119] 防止选择器SELb中所包含的材料扩散的阻挡材料30、充当选择器SELb的元件31以及防止选择器SELb中所包含的材料扩散的阻挡材料32沿着每一导体28的上部分按所提及的顺序堆叠。具体地说，类似于导体28，阻挡材料30、元件31以及阻挡材料32在Y方向上在导体28上延伸。
[0120] 充当磁阻效应元件MTJb的多个元件33安置于在Y方向上延伸的阻挡材料32中的每一个的上部分上。
[0121] 举例来说，绝缘体34安置在导体29的上部分的表面上以及阻挡材料30、元件31、阻挡材料32以及元件33的侧表面上，所述阻挡材料30、元件31、阻挡材料32以及元件33在Z方向上按所提及的顺序堆叠。举例来说，绝缘体35安置在绝缘体34上达到元件33的高度。
[0122] 充当字线WLb的导体36安置在元件33中的每一个的上部分上。举例来说，导体36在Y方向上布置且在X方向上延伸。在Y方向上布置的导体36中的每一个通常耦接到在X方向上布置的元件33。举例来说，在未安置导体36的绝缘体34和35的上表面的那些区域上，例如，绝缘体(未示出)安置为达到导体36的高度。
[0123] 通过上述配置，存储器单元阵列10具有一种结构(堆叠交叉点结构)，其中每一个能够通过一对一个位线BL和一个字线WL来选择一个存储器单元MC的交叉点结构在Z方向上堆叠。
[0124] 2.2本发明的实施例的有利效应
[0125] 根据第二实施例，在下层中，元件23在XY平面中具有与导体21相同的形状。具体地说，通常耦接在字线WLa上的存储器单元MCa中的选择器SELa由实体地连续材料(TiGeTe)的一部分构成。由此，有可能避免将阻挡材料22、元件23以及阻挡材料24处理成与元件25相同的柱状。因此，改良制造的简易性，且可增加磁性存储装置1的良率。
[0126] 类似地，在上层中，元件31在XY平面中具有与导体28相同的形状。具体地说，通常耦接在位线BL上的存储器单元MCb中的选择器SELb由实体地连续材料(TiGeTe)的一部分构成。由此，有可能避免将阻挡材料30、元件31以及阻挡材料32处理成与元件33相同的柱状。因此，改良制造的简易性，且可增加磁性存储装置1的良率。
[0127] 3.第三实施例
[0128] 接下来，将描述根据第三实施例的磁性存储装置。第三实施例与第一实施例不同，其中阻挡材料和选择器形成为单一板状，且形成于下层中的多个存储器单元的选择器或形成于上层中的多个存储器单元的选择器包含在一个实体地连续材料(TiGeTe)中。在下文中，将主要描述与第一实施例不同之处。
[0129] 3.1磁阻效应元件的配置
[0130] 图13是描述根据第三实施例的磁性存储装置的存储器单元阵列的配置的截面图。图13与在第一实施例中描述的图3相对应。
[0131] 如图13中所示，例如，充当字线WLa的多个导体21安置在半导体衬底20的上部分上。举例来说，导体21在Y方向上布置且在X方向上延伸。在未安置导体21的半导体衬底20的区域上，例如，绝缘体(未示出)安置为达到导体21的高度。
[0132] 防止选择器SELa中所包含的材料扩散的阻挡材料22、充当选择器SELa的元件23以及防止选择器SELa中所包含的材料扩散的阻挡材料24按所提及的顺序堆叠在导体21和绝缘体(未示出)上。具体地说，阻挡材料22、元件23以及阻挡材料24在导体21和绝缘体(未示出)的整个表面上延伸。
[0133] 充当磁阻效应元件MTJa的多个元件25安置于在X方向上延伸的导体21上方。
[0134] 举例来说，绝缘体26安置在阻挡材料24的上部分上以及元件25的侧表面上。举例来说，绝缘体27安置在绝缘体26上达到元件25的高度。
[0135] 充当位线BL的导体28安置在元件25中的每一个的上部分上。举例来说，导体28在X方向上布置且在Y方向上延伸。在X方向上布置的导体28中的每一个通常耦接到在Y方向上布置的元件25(未示出)。举例来说，在未安置导体28的绝缘体26和27的上表面的那些区域上，例如，绝缘体29安置为达到导体28的高度。
[0136] 防止选择器SELb中所包含的材料扩散的阻挡材料30、充当选择器SELb的元件31以及防止选择器SELb中所包含的材料扩散的阻挡材料32按所提及的顺序堆叠在导体28和绝缘体29的上部分上。具体地说，阻挡材料30、元件31以及阻挡材料32安置在导体28和绝缘体29的整个表面上。
[0137] 充当磁阻效应元件MTJb的多个元件33安置于在Y方向上延伸的导体28上方。
[0138] 举例来说，绝缘体34安置在阻挡材料32的上部分上以及元件33的侧表面上。举例来说，绝缘体35安置在绝缘体34上达到元件33的高度。
[0139] 充当字线WLb的导体36安置在元件33中的每一个的上部分上。举例来说，导体36在Y方向上布置且在X方向上延伸。在Y方向上布置的导体36中的每一个通常耦接到在X方向上布置的元件33。举例来说，在未安置导体36的绝缘体34和35的上表面的那些区域上，例如，绝缘体(未示出)安置为达到导体36的高度。
[0140] 通过上述配置，存储器单元阵列10具有一种结构(堆叠交叉点结构)，其中每一个能够通过一对一个位线BL和一个字线WL来选择一个存储器单元MC的交叉点结构在Z方向上堆叠。
[0141] 3.2本发明的实施例的有利效应
[0142] 根据第三实施例，在下层中，元件23在XY平面中安置在整个表面上方。具体地说，对应于安置在下层中的字线WLa的所有存储器单元MCa中的选择器SELa由实体地连续材料(TiGeTe)的一部分构成。由此，有可能避免将阻挡材料22、元件23以及阻挡材料24处理成与元件25相同的柱状。因此，改良制造的简易性，且可增加磁性存储装置1的良率。
[0143] 类似地，在上层中，元件31在XY平面中安置在整个表面上方。具体地说，对应于安置在上层中的字线WLb的所有存储器单元MCb中的选择器SELb由实体地连续材料(TiGeTe)的一部分构成。由此，有可能避免将阻挡材料30、元件31以及阻挡材料32处理成与元件33相同的柱状。因此，改良制造的简易性，且可增加磁性存储装置1的良率。
[0144] 4.其它
[0146] 在上述实施例和修改中描述的存储器单元MC中，选择器SEL安置在磁阻效应元件MTJ下方(从半导体衬底20侧)，但配置不限于此。举例来说，选择器SEL可安置在磁阻效应元件MTJ上方(从导体36侧)。
[0147] 另外，在上述实施例和修改中的每一个中描述的磁阻效应元件MTJ是无顶型的，其中存储层SL安置在参考层RL上方，但配置不限于此。举例来说，可类似地将磁阻效应元件MTJ施加为无底型的，其中存储层SL安置在参考层RL的半导体衬底20侧上(即存储层SL安置在参考层RL下方)。
[0148] 此外，虽然在上述实施例和修改中的每一个中描述的磁阻效应元件MTJ是垂直磁化MTJ，但是磁阻效应元件MTJ可以是具有水平磁各向异性的水平磁化MTJ元件。
[0149] 虽然已描述某些实施例，但这些实施例仅作为实例而呈现，且其并不意欲限制本发明的范围。实际上，本文中所描述的新颖实施例可以多种其它形式体现；此外，可在不脱离本发明的精神的情况下对本文中所描述的实施例的形式进行各种省略、替代和改变。随附权利要求书和其等效物意欲涵盖可能属于本发明的范围和精神内的形式或修改。
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