CN107819068B - 半导体装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种半导体装置及其制造方法。实施例的半导体装置具备第1稀土氧化物层、与所述第1稀土氧化物层相邻的第1磁性层、和非磁性层，所述第1磁性层配置于所述第1稀土氧化物层与所述非磁性层之间，且以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向。

Description

半导体装置及其制造方法
关联申请
本申请要求以美国临时专利申请62/394708号(申请日：2016年9月14日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请从而包括该基础申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施例涉及具备稀土氧化物层的半导体装置及其制造方法。
背景技术
在需要结晶层(crystalline layer)的半导体装置中，例如结晶层可以通过采用热处理(heat treatment)将非晶层结晶化而得到。该情况下，得到具有所期望的取向性的良好的结晶层变得重要。
发明内容
本发明的实施例提供具有下述结构的半导体装置及其制造方法，所述结构具有良好的结晶层。
实施例的半导体装置，具备第1稀土氧化物层、与所述第1稀土氧化物层相邻的第1磁性层、和非磁性层，所述第1磁性层配置于所述第1稀土氧化物层与所述非磁性层之间，且以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向。
附图说明
图1A和图1B是表示第1实施例的图。
图2是表示得到结晶磁性层的原理的图。
图3和图4是表示比较例的图。
图5～图9是表示第1实施例的变形例的图。
图10A和图10B是表示第2实施例的图。
图11～图15是表示第2实施例的变形例的图。
图16是表示第3实施例的图。
图17是表示第4实施例的图。
图18是表示第5实施例的图。
图19是表示MRAM的存储单元的图。
图20是沿着图19的XX-XX线的截面图。
图21是沿着图19的XXI-XXI线的截面图。
图22和图23是表示图19～图21的MRAM的制造方法的图。
图24是表示存储系统的例子的图。
具体实施方式
(第1实施例)
图1A和图1B表示第1实施例涉及的半导体装置。
在图1A的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层(rare earth oxide layer:REO层)11、和稀土氧化物层11上的结晶磁性层(crystalline magnetic layer)12。在图1B的例子中，半导体装置具备结晶磁性层12、和结晶磁性层12上的稀土氧化物层11。
不论哪个例子，结晶磁性层12都与稀土氧化物层11相邻。优选结晶磁性层12与稀土氧化物层11接触。另外，也可以在稀土氧化物层11与结晶磁性层12之间存在界面层。但是，如后所述，条件是界面层不会对结晶磁性层12的结晶化造成影响。
稀土氧化物层11含有Tb、Gd、Nd、Y、Sm、Pm、Tm、Sc、Ce、Eu、Er、Ho、La、Yb、Lu、Pr、Dy之中的至少一种。
结晶磁性层12含有Co、Fe、Ni之中的至少一种。例如，在结晶磁性层12为CoFeB的情况下，结晶磁性层12具有膜面以(001)面取向的体心立方(a body-centered cubic；BCC)结构。在此，所谓膜面是大致平行于稀土氧化物层11与结晶磁性层12的界面的面。
稀土氧化物层11和结晶磁性层12含有相同的杂质。所谓相同的杂质例如是B、P、C、Al、Mn、Si、Ta、W、Mo、Cr、Hf、Ti之中的至少一种。
根据以上的半导体装置，能够促进(promote)结晶磁性层12的结晶化(crystallization)。
图2表示得到结晶磁性层的原理。
在需要结晶磁性层12的半导体装置中，例如结晶磁性层11可以通过采用退火等热处理将非晶层结晶化而得到。该情况下，为了促进结晶磁性层11的结晶化，在热处理中，需要除去非晶层内所含的杂质。
稀土氧化物层11，为了除去该非晶层内所含的杂质而起到重要的作用。即，稀土氧化物层11具有元素彼此的间隔比较大的晶体结构。因此，如该图所示，对于具有稀土氧化物层(晶体结构)11与含有杂质的非晶磁性层12’的层叠结构的半导体装置，如果进行热处理(用于结晶化的退火步骤(Annealing step for crystallization))，则非晶磁性层12’内的杂质容易向稀土氧化物层11内扩散、或经由稀土氧化物层11向其它层内扩散。
其结果，在热处理中，能够减少非晶磁性层12’内的杂质，能够得到良好的结晶磁性层12。根据热处理的条件、稀土氧化物层和非晶磁性层12’的材料，能够大致完全地除去(脱除)杂质。
另一方面，稀土氧化物层11是氧化物的标准生成自由能(standard free energyof formation)的绝对值大、非常稳定的氧化物。即，在退火等热处理中，即使稀土氧化物层11的温度上升，稀土元素和氧元素也难以解离(离解：dissociation)。因此，在热处理中，稀土氧化物层11内的稀土元素或氧元素不会向结晶磁性层12内扩散，并且也不会妨碍结晶磁性层12的结晶化。
另外，稀土氧化物层11的膜面(稀土氧化物层11与结晶磁性层12的界面)具有非常高的平坦性。其原因是，由于稀土元素较大，因此在将稀土元素和氧元素结合而形成稀土氧化物11时，稀土元素的运动性小。即，在稀土元素与氧元素的结合中，稀土元素难以凝聚，因此能够使稀土氧化物层11的膜面平坦。
为了使垂直磁各向异性等的结晶磁性层12的各种特性良好，稀土氧化物层11的膜面平坦也是有效的要素之一。
在此，对图1A和图1B的半导体装置的制造方法进行简单说明。
首先，形成稀土氧化物层11与含有杂质的非晶磁性层12’的层叠结构。此时，稀土氧化物层11具有晶体结构，并且，非晶磁性层12’由于杂质而具有非晶结构。
此后，通过热处理，脱除非晶磁性层12’的杂质，将非晶磁性层12’转换为结晶磁性层12。非晶磁性层12’的杂质如上所述那样向稀土氧化物层11内扩散、或经由稀土氧化物层11向其它层内扩散。此时，稀土氧化物层11内的元素不会向结晶磁性层12内扩散。
采用以上的制造方法，能够促进结晶磁性层12的结晶化。
再者，在热处理前，稀土氧化物层11不含有非晶磁性层12’内的杂质。但是，在热处理后，稀土氧化物层11含有从非晶磁性层12’扩散来的杂质。另外，非晶磁性层12’内的杂质通过热处理而减少，但也有时一部分杂质残留在热处理后的结晶磁性层12内。该情况下，稀土氧化物层11和结晶磁性层12会含有相同的杂质。
另外，在热处理不充分的情况下，也有时在结晶磁性层12内残留较多的杂质，且结晶磁性层12在厚度方向(层叠方向)上具有杂质的浓度梯度。该现象依赖于热处理前的非晶磁性层12’内的杂质浓度。该情况下，也有时结晶磁性层12的一部分(在热处理后杂质浓度高的区域)没有结晶化而维持着非晶状态。
图3和图4表示比较例。
图3的例子与图2的例子相比，不同点在于使用了金属层11’来代替图2的稀土氧化物层11。金属层11’例如含有Nb、Mo、Ta、Cr、V、Zn、Ru、Hf、Zr等。该情况下，如该图所示，在热处理中，金属层11’内的金属元素向结晶磁性层12内扩散，因此其阻碍结晶磁性层12的结晶化。
图4的例子与图2的例子相比，不同点在于使用了金属氮化物层11”来代替图2的稀土氧化物层11。金属氮化物层11”例如含有MgN、ZrN、NbN、SiN、AlN、HfN、TaN、WN、CrN、MoN、TiN、VN等。金属氮化物层11”也可以含有例如MgO等的氧化合物。金属氮化物层11”也可以是AlTiN等三元化合物。该情况下，如该图所示，在热处理中，金属氮化物层11”阻挡(block)来自非晶磁性层12’的杂质的扩散，因此很难从非晶磁性层12’除去杂质。其结果，在结晶磁性层12内残留大量的杂质，不能够促进结晶磁性层12的结晶化。
如以上说明的那样，根据第1实施例，通过稀土氧化物层11与结晶磁性层12的层叠结构，能够促进结晶磁性层12的结晶化。本实施例能够应用于需要具有良好的晶体结构的结晶磁性层的所有的半导体装置。
(第1实施例的变形例)
图5～图9表示第1实施例的变形例。
在图5的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层11a、稀土氧化物层11a上的结晶磁性层12、和结晶磁性层12上的稀土氧化物层11b。即，结晶磁性层12被夹在两个稀土氧化物层11a、11b之间。稀土氧化物层11a、11b与图1A和图1B的稀土氧化物层11对应。
优选结晶磁性层12与稀土氧化物层11a、11b接触。另外，也可以在稀土氧化物层11a与结晶磁性层12之间和/或稀土氧化物层11b与结晶磁性层12之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶磁性层12的结晶化造成影响。
该情况下，在磁性层的结晶化过程中，非晶磁性层内的杂质能够向上下方向、即向稀土氧化物层11a、11b这两者中扩散，因此能够更加促进结晶磁性层12的结晶化。
在图6的例子中，半导体装置具备结晶磁性层12a、结晶磁性层12a上的稀土氧化物层11、和稀土氧化物层11上的结晶磁性层12b。即，稀土氧化物层11被夹在两个结晶磁性层12a、12b之间。结晶磁性层12a、12b与图1A和图1B的结晶磁性层12对应。
优选结晶磁性层12a、12b与稀土氧化物层11接触。另外，也可以在稀土氧化物层11与结晶磁性层12a之间和/或稀土氧化物层11与结晶磁性层12b之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶磁性层12a、12b的结晶化造成影响。
该情况下，在磁性层的结晶化过程中，能够同时形成具有良好的晶体结构的结晶磁性层12a、12b。
在图7的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层11、稀土氧化物层11上的结晶磁性层12、和结晶磁性层12上的非磁性层(种子层)13。另外，在图8的例子中，半导体装置具备非磁性层(种子层)13、非磁性层13上的结晶磁性层12、和结晶磁性层12上的稀土氧化物层11。
在这些图7和图8的例子中，结晶磁性层12被夹在稀土氧化物层11与非磁性层13之间。
优选结晶磁性层12与稀土氧化物层11和非磁性层13接触。另外，也可以在稀土氧化物层11与结晶磁性层12之间和/或结晶磁性层12与非磁性层13之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶磁性层12的结晶化造成影响。
非磁性层13，在磁性层的结晶化过程中，在热处理前具有规定的晶体结构，并且，在热处理中起到对结晶磁性层12的晶体结构的取向(orientation)进行控制的作用。即，在磁性层的结晶化过程中，结晶磁性层12以非磁性层13为种子(seed)进行生长。例如，结晶磁性层12以与非磁性层13的晶面相同的晶面取向。在该意义上，非磁性层13被称为种子层。
非磁性层13可以是绝缘体，或者，也可以是导电体。
在非磁性层13为绝缘体的情况下，非磁性层13例如含有氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氮化铝、氮化硼和LSMO(镧锶锰氧化物：lanthanum-strontium-manganese oxide)之中的至少一方。
在非磁性层13为氧化镁(MgO)的情况下，非磁性层13具有膜面以(001)面取向的NaCl型结构。因此，在结晶磁性层12为CoFeB的情况下，结晶磁性层12具有膜面以(001)面取向的体心立方(a body-centered cubic：BCC)结构。
另外，在非磁性层13为氧化镁(MgO)、且结晶磁性层12为FePtB的情况下，结晶磁性层12具有膜面以(001)面取向的面心立方(a face centered cubic：FCC)结构。进而，结晶磁性层12经过充分的热处理，硼大致完全从结晶磁性层12中脱除，成为L10结构(L10-FePt)。
另外，在非磁性层13为氧化锌(ZnO)的情况下，非磁性层13具有膜面以(0001)面取向的六方纤锌矿(Wurtzite)结构。因此，在结晶磁性层12为CoPdB的情况下，结晶磁性层12具有膜面以(111)面取向的面心立方结构。进而，结晶磁性层12经过充分的热处理，硼大致完全从结晶磁性层12中脱除，成为L11结构(L11-CoPd)。
另外，在非磁性层13为导电体的情况下，非磁性层13例如含有Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Cr之中的至少一种。
在非磁性层13为Pt、Pd、Ir之中的一种的情况下，非磁性层13具有膜面以(111)面取向的晶体结构。该情况下，结晶磁性层12也具有膜面以(111)面取向的晶体结构。另外，在非磁性层13为Rh、Cr之中的一种的情况下，非磁性层13具有膜面以(001)面取向的晶体结构。该情况下，结晶磁性层12也具有膜面以(001)面取向的晶体结构。进而，在非磁性层13为Ru的情况下，非磁性层13具有膜面以(0001)面取向的晶体结构。该情况下，结晶磁性层12也具有膜面以(0001)面取向的晶体结构。
优选非磁性层(种子层)13内所含的材料与稀土氧化物层11内所含的材料不同。原因是因为，稀土氧化物其原子直径大，一般地晶体结构复杂。因此，例如在几nm以下的非磁性层13含有稀土氧化物的情况下，非磁性层13的结晶性差，不作为结晶磁性层12的种子层(结晶取向层)发挥作用。另外，含有稀土氧化物的非磁性层13，例如不希望作为用于得到大的MR比的隧道势垒层。但是，非磁性层13和稀土氧化物层11可以含有相同的元素。
如以上所述，根据图7和图8的变形例，在磁性层的结晶化过程中，结晶磁性层12以非磁性层13为种子而进行生长。因此，能够更加促进结晶磁性层12的结晶化。
图7和图8的变形例，在将结晶磁性层12的取向控制为表面能最低的取向以外的取向的情况下是有效的。原因是，在要将结晶磁性层12的取向控制为表面能最低的取向的情况下，即使不存在非磁性层13，结晶磁性层12通过热处理也自然地成为表面能最低的取向。
表面能最低的取向，由结晶磁性层12的材料，即结晶磁性层12内所含的元素、在结晶磁性层12含有多种元素的情况下的它们的组成比等来决定。
因此，在将结晶磁性层12的取向控制为表面能最低的取向的情况下，优选图1A、图1B、图5或图6的结构，在将结晶磁性层12的取向控制为表面能最低的取向以外的取向的情况下，优选图7或图8的结构。
但是，在将结晶磁性层12的取向控制为表面能最低的取向的情况下，也可以采用图7或图8的结构。
在图9的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层11a、稀土氧化物层11a上的结晶磁性层12a、结晶磁性层12a上的非磁性层(种子层)13、非磁性层13上的结晶磁性层12b、和结晶磁性层12b上的稀土氧化物层11b。
在该例中，结晶磁性层12a被夹在稀土氧化物层11a与非磁性层13之间，结晶磁性层12b被夹在非磁性层13与稀土氧化物层11b之间。
优选结晶磁性层12a与稀土氧化物层11a和非磁性层13接触，优选结晶磁性层12b与非磁性层13和稀土氧化物层11b接触。
另外，也可以在稀土氧化物层11a与结晶磁性层12a之间和/或结晶磁性层12a与非磁性层13之间存在界面层。另外，也可以在稀土氧化物层11b与结晶磁性层12b之间和/或结晶磁性层12b与非磁性层13之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶磁性层12a、12b的结晶化造成影响。
图9的例子能够应用于磁阻效应元件。
例如，如果将两个结晶磁性层12a、12b中的一方作为具有可变的磁化方向的存储层(自由层)，将另一方作为具有不变的磁化方向的参考层(钉扎层)，将非磁性层13作为绝缘层(隧道势垒层)，则磁阻效应元件的基本结构完成。
在此，所谓不变的磁化意指磁化方向在写入前后不变化，所谓可变的磁化意指磁化方向在写入前后会反向地变化。
另外，所谓写入意指通过在磁阻效应元件中流通自旋注入电流(自旋极化了的电子)，来对存储层的磁化赋予自旋力矩(spin torque)的自旋转移(spin transfer)写入。
优选结晶磁性层12a、12b在与膜面垂直的方向上具有易磁化轴、即具有所谓的垂直磁各向异性。另外，结晶磁性层12a、12b也可以在与膜面平行的方向上具有易磁化轴、即具有所谓的面内磁各向异性。
磁阻效应元件的电阻，通过磁阻效应，依赖于存储层和参考层的相对的磁化方向而变化。例如，磁阻效应元件的电阻在存储层和参考层的磁化方向相同的平行状态时变低，在存储层和参考层的磁化方向相反的反平行状态时变高。
该情况下，两个结晶磁性层12a、12b各自含有Co、Fe、Ni之中的至少一种，非磁性层13含有氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氮化铝、氮化硼和LSMO之中的至少一方。另外，两个结晶磁性层12a、12b通过热处理从而以与非磁性层13的晶面相同的晶面取向。
作为评价磁阻效应元件的特性的指标，有磁阻(MR：magnetoresistive)比的提高、磁化反转电流(switching current)的降低、和热稳定性(thermal stability)的提高。要同时实现这些的话，重要的是提高结晶磁性层(存储层或参考层)12a、12b的结晶性(crystalline texture)或磁各向异性(magnetic anisotropy)。
为此，必须在结晶磁性层12a与非磁性层13的界面确保两者的晶体结构的连续性，并且，在非磁性层13与结晶磁性层12b的界面确保两者的晶体结构的连续性。所谓具有晶体结构的连续性意指结晶磁性层12a与非磁性层13的界面、以及非磁性层13与结晶磁性层12b的界面分别平坦，并且没有晶格缺陷。
在磁阻效应元件中，为了确保晶体结构的连续性，首先，形成夹持非磁性层(晶体结构)13的非晶磁性层。非晶磁性层通过向磁性层内混入杂质而形成。然后，通过热处理，脱除非晶磁性层内的杂质，从而形成结晶磁性层12a、12b。
此时，非晶磁性层内的杂质从非磁性层13侧朝向稀土氧化物层11a、11b侧移动，向稀土氧化物层11a、11b内扩散。该杂质的脱除通过利用稀土氧化物层11a、11b而可容易地进行。另外，也没有元素从稀土氧化物层11a、11b向非晶磁性层内的扩散。
因此，在非晶磁性层内，将非磁性层13作为种子，从非磁性层13侧开始依次进行结晶化。通过这样的原理能确保晶体结构的连续性。
在图9的例子中，与图7和图8的例子同样地，优选非磁性层(种子层)13内所含的材料与稀土氧化物层11a、11b内所含的材料不同。但是，非磁性层13和稀土氧化物层11a、11b可以含有相同的元素。
如上所述，通过将图9的结构应用于磁阻效应元件，能够提高磁阻效应元件的结晶性或磁各向异性。因此，能够谋求磁阻效应元件的MR比的提高、磁化反转电流的降低和热稳定性的提高。
(第2实施例)
图10A和图10B表示第2实施例涉及的半导体装置。
在图10A的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层11、和稀土氧化物层11上的结晶层(crystalline layer)12’。在图10B的例子中，半导体装置具备结晶层12’、和结晶层12’上的稀土氧化物层11。
不论哪个例子，结晶层12’都与稀土氧化物层11相邻。优选结晶层12’与稀土氧化物层11接触。另外，也可以在稀土氧化物层11与结晶层12’之间存在界面层。但是，如后所述，条件是界面层不会对结晶层12’的结晶化造成影响。
稀土氧化物层11含有Tb、Gd、Nd、Y、Sm、Pm、Tm、Sc、Ce、Eu、Er、Ho、La、Yb、Lu、Pr、Dy之中的至少一种。
结晶层12’可以是导电体，也可以是绝缘体，或者，也可以是半导体。
在结晶层12’为导电体的情况下，结晶层12’含有W、Al、Cu等金属元素。另外，结晶层12’可以是磁性体。该情况下，结晶层12’含有Co、Fe、Ni之中的至少一种。
稀土氧化物层11和结晶层12’含有相同的杂质。所谓相同的杂质例如是B、P、C、Al、Mn、Si、Ta、W、Mo、Cr、Hf、Ti之中的至少一种。
根据以上的半导体装置，能够促进结晶层12’的结晶化。
再者，促进结晶层12’的结晶化的原理与第1实施例(参照图2～图4)相同，因此在此省略说明。
如上所述，在第2实施例中，也与第1实施例同样地，通过稀土氧化物层11与结晶层12’的层叠结构，能够促进结晶层12’的结晶化。本实施例能够应用于需要具有良好的晶体结构的结晶磁性层的所有的半导体装置。
(第2实施例的变形例)
图11～图15表示第2实施例的变形例。
在图11的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层11a、稀土氧化物层11a上的结晶层12’、和结晶层12’上的稀土氧化物层11b。即，结晶层12’被夹在两个稀土氧化物层11a、11b之间。稀土氧化物层11a、11b与图10A和图10B的稀土氧化物层11对应。
优选结晶层12’与稀土氧化物层11a、11b接触。另外，也可以在稀土氧化物层11a与结晶层12’之间和/或稀土氧化物层11b与结晶层12’之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶层12’的结晶化造成影响。
该情况下，在结晶层12’的结晶化过程中，结晶层内的杂质能够向上下方向、即向稀土氧化物层11a、11b这两者扩散，因此能够更加促进结晶层12’的结晶化。
在图12的例子中，半导体装置具备结晶层12a’、结晶层12a’上的稀土氧化物层11、和稀土氧化物层11上的结晶层12b’。即，稀土氧化物层11被夹在两个结晶层12a’、12b’之间。结晶层12a’、12b’与图10A和图10B的结晶层12对应。
优选结晶层12a’、12b’与稀土氧化物层11接触。另外，也可以在稀土氧化物层11与结晶层12a’之间和/或稀土氧化物层11与结晶层12b’之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶层12a’、12b’的结晶化造成影响。
该情况下，在结晶层12a’、12b’的结晶化过程中，能够同时形成具有良好的晶体结构的结晶层12a’、12b’。
在图13的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层11、稀土氧化物层11上的结晶层12’、和结晶层12’上的种子层(结晶层)13’。另外，在图14的例子中，半导体装置具备种子层13’、种子层13’上的结晶层12’、和结晶层12’上的稀土氧化物层11。
在这些图13和图14的例子中，结晶层12’被夹在稀土氧化物层11与种子层13’之间。
优选结晶层12’与稀土氧化物层11和种子层13’接触。另外，也可以在稀土氧化物层11与结晶层12’之间和/或结晶层12’与种子层13’之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶层12’的结晶化造成影响。
种子层13’，在结晶层12’的结晶化过程中，在热处理前具有规定的晶体结构，并且，在热处理中起到控制结晶层12’的晶体结构的取向的作用。即，在结晶层12’的结晶化过程中，结晶层12’以种子层13’为种子而进行生长。例如，结晶层12’以与种子层13’的晶面相同的晶面取向。
种子层13’可以是绝缘体，或者，也可以是导电体。
在种子层13’为绝缘体的情况下，种子层13’例如含有氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氮化铝、氮化硼和LSMO(镧锶锰氧化物：lanthanum-strontium-manganese oxide)之中的至少一方。
另外，在种子层13’为导电体的情况下，种子层13’例如含有Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Cr之中的至少一种。
在种子层13’为Pt、Pd、Ir之中的一种的情况下，种子层13’具有膜面以(111)面取向的晶体结构。该情况下，磁性层12’也具有膜面以(111)面取向的晶体结构。另外，在种子层13’为Rh、Cr之中的一种的情况下，种子层13’具有膜面以(001)面取向的晶体结构。该情况下，结晶层12’也具有膜面以(001)面取向的晶体结构。进而，在种子层13’为Ru的情况下，种子层13’具有膜面以(0001)面取向的晶体结构。该情况下，结晶层12’也具有膜面以(0001)面取向的晶体结构。
在图13和图14的例子中，与图7和图8的例子同样地，优选种子层13’内所含的材料与稀土氧化物层11内所含的材料不同。但是，种子层13’和稀土氧化物层11可以含有相同的元素。
如以上所述，根据图13和图14的变形例，在结晶层12’的结晶化过程中，结晶层12’以种子层13’为种子而进行生长。因此，能够更加促进结晶层12’的结晶化。
图13和图14的变形例，在将结晶层12’的取向控制为表面能最低的取向以外的取向的情况下是有效的。原因是，在要将结晶层12’的取向控制为表面能最低的取向的情况下，即使不存在种子层13’，结晶层12’通过热处理也自然地成为表面能最低的取向。
表面能最低的取向，由结晶层12’的材料，即结晶层12’内所含的元素、在结晶层12’含有多种元素的情况下的它们的组成比等决定。
因此，在将结晶层12’的取向控制为表面能最低的取向的情况下，优选图10A、图10B、图11或图12的结构，在将结晶层12’的取向控制为表面能最低的取向以外的取向的情况下，优选图13或图14的结构。
但是，在将结晶层12’的取向控制为表面能最低的取向的情况下，也可以采用图13或图14的结构。
在图15的例子中，半导体装置具备稀土氧化物层11a、稀土氧化物层11a上的结晶层12a’、结晶层12a’上的种子层13’、种子层13’上的结晶层12b’、和结晶层12b’上的稀土氧化物层11b。
在该例中，结晶层12a’被夹在稀土氧化物层11a与种子层13’之间，结晶层12b’被夹在种子层13’与稀土氧化物层11b之间。
优选结晶层12a’与稀土氧化物层11a和种子层13’接触，优选结晶层12b’与种子层13’和稀土氧化物层11b接触。
另外，也可以在稀土氧化物层11a与结晶层12a’之间和/或结晶层12a’与种子层13’之间存在界面层。另外，也可以在稀土氧化物层11b与结晶层12b’之间和/或结晶层12b’与种子层13’之间存在界面层。但是，条件是界面层不会对结晶层12a’、12b’的结晶化造成影响。
在图15的例子中，与图7和图8的例子同样地，优选种子层13’内所含的材料与稀土氧化物层11a、11b内所含的材料不同。但是，种子层13’和稀土氧化物层11a、11b可以含有相同的元素。
如以上所述，根据图15的变形例，结晶层12a’、12b’以种子层13’为种子，从种子层13’侧开始依次进行结晶化。通过这样的原理，能确保晶体结构的连续性。
(第3实施例)
图16表示第3实施例。
本实施例是将作为第1实施例的变形例的图9的结构应用于磁阻效应元件的例子。
半导体装置具备稀土氧化物层11a、稀土氧化物层11a上的结晶磁性层12a、结晶磁性层12a上的非磁性层(种子层)13、非磁性层13上的结晶磁性层12b、和结晶磁性层12b上的稀土氧化物层11b。
实例A是结晶磁性层12a为存储层、结晶磁性层12b为参考层的磁阻效应元件、即顶部钉扎(top pin)型的磁阻效应元件的例子。实例B是结晶磁性层12a为参考层、结晶磁性层12b为存储层的磁阻效应元件、即底部钉扎(bottom pin)型的磁阻效应元件的例子。
结晶磁性层12a、12b含有Co、Fe、Ni之中的至少一种。结晶磁性层12a、12b例如为CoFeB、FePtB、CoPdB、CoPtB、NiPtB等。非磁性层13含有氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氮化铝、氮化硼和LSMO之中的至少一方。另外，结晶磁性层12a、12b通过热处理从而以与非磁性层13的晶面相同的晶面取向。
在第3实施例中，优选非磁性层(种子层)13内所含的材料与稀土氧化物层11a、11b内所含的材料不同。但是，非磁性层13和稀土氧化物层11a、11b可以含有相同的元素。
根据第3实施例，能够提高磁阻效应元件的结晶性或磁各向异性。因此，能够谋求磁阻效应元件的MR比的提高、磁化反转电流的降低和热稳定性的提高。
(第4实施例)
图17表示第4实施例。
本实施例是将作为第2实施例的变形例的图13或图14的结构应用于导电线(conductive line)、接触插塞(contact plug)等的半导体装置的要素之一的例子。
半导体装置具备基底层20、配置于基底层20的凹部内或基底层20上的稀土氧化物层11、结晶层12’和种子层13’。基底层20例如为半导体基板、层间绝缘层等。
实例A的半导体装置，在基底层20的凹部内具备稀土氧化物层11、和稀土氧化物层11上的结晶层12’。另外，该半导体装置在结晶层12’上以及基底层20上具备种子层13’。
实例B的半导体装置，在基底层20的凹部内具备种子层13’、和种子层13’上的结晶层12’。另外，该半导体装置在结晶层12’上以及基底层20上具备稀土氧化物层11。
结晶层12’例如含有W、Al、Cu等金属元素。种子层13’含有Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Cr之中的至少一种。另外，结晶层12’通过热处理而以与种子层13’的晶面相同的晶面取向。
在第4实施例中，优选种子层13’内所含的材料与稀土氧化物层11内所含的材料不同。但是，种子层13’和稀土氧化物层11可以含有相同的元素。
根据第4实施例，能够提高导电线、接触插塞等的需要良好的结晶层的半导体装置的要素的结晶性。因此，能够提高半导体装置的特性。
(第5实施例)
第5实施例涉及具备磁阻效应元件的存储装置。
图18表示作为存储装置的MRAM。
存储单元阵列30具备多个存储单元(磁阻效应元件)。行译码器31a和列译码器31b基于地址信号Addr，对存储单元阵列30内的多个存储单元之中的一个进行随机存取。
列选择电路32具有下述作用：基于来自列译码器31b的信号，将存储单元阵列30和读出放大器33相互电连接。
读/写控制电路34在读取时向存储单元阵列30内的所选择的一个存储单元供给读取电流。读出放大器33通过检测读取电流，来判别所选择的一个存储单元内所存储的数据。
另外，读/写控制回路34在写入时通过向存储单元阵列30内的所选择的一个存储单元供给写入电流来向所选择的一个存储单元写入数据。
控制电路35控制行译码器31a、列译码器31b、读出放大器33和读/写控制电路34的工作。
图19～图21表示MRAM的存储单元。图19是MRAM的存储单元的平面图，图20是沿着图19的XX-XX线的截面图，图21是沿着图19的XXI-XXI线的截面图。
在本例中，磁存储器的存储单元具备选择晶体管(例如FET)ST和磁阻效应元件MTJ。
选择晶体管ST配置于半导体基板21内的有源区AA内。有源区AA被半导体基板21内的元件分离绝缘层22包围。在本例中，元件分离绝缘层22具有STI(浅沟槽隔离：ShallowTrench Isolation)结构。
选择晶体管ST具备：半导体基板21内的源(source)/漏(drain)扩散层23a、23b、和在它们之间形成于半导体基板21内的栅绝缘层24和栅电极(字线)25。本例的选择晶体管ST具有栅电极25埋入到半导体基板21内的、所谓的埋入式栅结构。
第4实施例(图17)的结构能够应用于栅电极25。
层间绝缘层(例如氧化硅层)26a覆盖选择晶体管ST。接触插塞BEC、SC配置于层间绝缘层26a内。接触插塞BEC与源/漏扩散层23a连接，接触插塞SC与源/漏扩散层23b连接。接触插塞BEC、SC例如含有W、Ta、Ru、Ti、TiN、TaN之中的一方。
第4实施例(图17)的结构能够应用于接触插塞BEC、SC。
磁阻效应元件MTJ配置于接触插塞BEC上。磁阻效应元件MTJ例如优选具有第3实施例(图16)的结构。
接触插塞TEC配置于磁阻效应元件MTJ上。接触插塞TEC例如含有W、Ta、Ru、Ti、TiN、TaN之中的一方。层间绝缘层(例如氧化硅层)26b覆盖磁阻效应元件MTJ。
位线BL1经由接触插塞TEC而与磁阻效应元件MTJ连接。位线BL2经由接触插塞SC与源/漏扩散层23b连接。位线BL2例如在读取时也作为被施加接地电位的源(source)线发挥作用。
图22和图23表示图19～图21的MRAM的制造方法。
首先，如图22所示，在半导体基板21内形成埋入式栅结构的选择晶体管ST。另外，形成层间绝缘层26a，并且，在层间绝缘层26a内形成接触插塞BEC。
然后，在层间绝缘层26a上和接触床插塞BEC上形成层叠结构，所述层叠结构具备稀土氧化物层11a、非晶磁性层12a-α、非磁性层(种子层)13、非晶磁性层12b-α和稀土氧化物层11b。
然后，例如，通过灯加热退火(lamp anneal)，来谋求非晶磁性层12a-α、12b-α的结晶化。此时，通过存在稀土氧化物层11a、11b，非晶磁性层12a-α、12b-α内的杂质大致被完全脱除。另外，也没有元素从稀土氧化物层11a、11b向非晶磁性层12a-α、12b-α的扩散。因此，能够良好地进行从非晶磁性层12a-α、12b-α向结晶磁性层12a、12b的转换。
接着，如图23所示，通过PEP(照相雕刻工艺：Photo Engraving Process)和RIE工艺，来进行磁阻效应元件MTJ的图案化。例如，通过IBE(离子束蚀刻：Ion beam etching)等物理蚀刻，来对稀土氧化物层11b、结晶磁性层12b、非磁性层13、结晶磁性层12a和稀土氧化物层11a依次进行蚀刻。
然后，如图20所示，通过形成层间绝缘层26b、接触插塞TEC、位线BL1等要素，完成图19～图21的MRAM。
(应用例)
便携式信息终端所使用的处理器被要求低耗电。作为处理器的低耗电化的方法之一，有下述方法：将待机功率大的基于SRAM(静态随机存取存储；Static Random AccessMemory)的高速缓冲存储器用使用了不挥发性元件的不挥发性半导体存储器置换。
即，SRAM存在随着晶体管的微细化，在工作时和备用(非工作)时漏电增大的倾向。因此，通过将高速缓冲存储器用不挥发性半导体存储器置换，在备用时能够切断电源，能够减少备用时的耗电。
因此，例如，通过使用上述的磁随机存取存储器(MRAM)作为高速缓冲存储器，能够实现低耗电处理器。
图24表示低耗电处理器系统的例子。
CPU41对SRAM42、DRAM43、闪存44、ROM45和MRAM(磁随机存取存储器)46进行控制。
MRAM46能够作为SRAM42、DRAM43、闪存44和ROM45中的任一方的替代品使用。与此相伴，也可以省略SRAM42、DRAM43、闪存44和ROM45中的至少一方。
MRAM46能够作为不挥发性高速缓冲存储器(例如L2高速缓存)使用。
再者，MRAM46也能够作为存储级存储器(SCM)使用。
如以上所述，根据实施例，对于需要结晶层的半导体装置，能够促进结晶层的结晶化。由此，例如，对于磁阻效应元件，能够提高结晶磁性层的结晶性或磁各向异性。因此，能够谋求磁阻效应元件的MR比的提高、磁化反转电流的减少和热稳定性的提高。
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示而示出的，并不意图限定本发明的范围。这些新的实施方式能够以其它的各种方式实施，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形，包含在本发明的范围和主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明和与其均等的范围内。

Claims (20)

1.一种半导体装置，具备第1稀土氧化物层、与所述第1稀土氧化物层相邻的第1磁性层、非磁性层和第2稀土氧化物层，所述第1磁性层配置于所述第1稀土氧化物层与所述非磁性层之间，且以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向，所述第1磁性层配置于所述第1稀土氧化物层与所述第2稀土氧化物层之间。
2.一种半导体装置，具备第1稀土氧化物层、与所述第1稀土氧化物层相邻的第1磁性层、非磁性层、第2稀土氧化物层和位于所述非磁性层与所述第2稀土氧化物层之间的第2磁性层，所述第1磁性层配置于所述第1稀土氧化物层与所述非磁性层之间，且以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向，所述第2磁性层以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向，所述非磁性层配置于所述第1磁性层与所述第2磁性层之间。
3.根据权利要求1或2所述的半导体装置，所述第1稀土氧化物层含有Tb、Gd、Nd、Y、Sm、Pm、Tm、Sc、Ce、Eu、Er、Ho、La、Yb、Lu、Pr、Dy之中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的半导体装置，所述第1磁性层与所述第1稀土氧化物层接触。
5.根据权利要求1或2所述的半导体装置，所述第1磁性层和所述第1稀土氧化物层含有相同的元素。
6.根据权利要求5所述的半导体装置，所述相同的元素是B、P、C、Al、Mn、Si、Ta、W、Mo、Cr、Hf、Ti之中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的半导体装置，还具备第2磁性层，所述第2磁性层配置于所述非磁性层与所述第2稀土氧化物层之间。
8.根据权利要求1或2所述的半导体装置，所述非磁性层内所含的材料与所述第1稀土氧化物层内所含的材料不同。
9.根据权利要求8所述的半导体装置，所述非磁性层含有氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氮化铝、氮化硼和镧锶锰氧化物之中的至少一方。
10.根据权利要求8所述的半导体装置，所述非磁性层含有Pt、Pd、Rh、Ru、Ir、Cr之中的至少一种。
11.根据权利要求2所述的半导体装置，所述第1磁性层和所述第2磁性层各自含有Co、Fe、Ni之中的至少一种，所述非磁性层含有氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化钛、氮化铝、氮化硼和LSMO之中的至少一方。
12.一种权利要求1或2所述的半导体装置的制造方法，具备以下工序：
形成层叠结构的工序，所述层叠结构是所述第1稀土氧化物层、所述第1磁性层和所述非磁性层的层叠结构，所述第1磁性层含有杂质且具有非晶结构；
通过热处理将所述第1磁性层从所述非晶结构向晶体结构转变的工序，所述晶体结构以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向。
13.根据权利要求12所述的半导体装置的制造方法，
在所述热处理前，所述稀土氧化物层不含所述杂质，
在所述热处理后，所述稀土氧化物层含有从所述第1磁性层扩散来的所述杂质。
14.一种半导体装置，具备第1稀土氧化物层、与所述第1稀土氧化物层相邻的第1结晶层、非磁性层和第2稀土氧化物层，所述第1结晶层配置于所述第1稀土氧化物层与所述非磁性层之间，且以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向，所述第1结晶层配置于所述第1稀土氧化物层与所述第2稀土氧化物层之间。
15.一种半导体装置，具备第1稀土氧化物层、与所述第1稀土氧化物层相邻的第1结晶层、非磁性层、第2稀土氧化物层和位于所述非磁性层与所述第2稀土氧化物层之间的第2结晶层，所述第1结晶层配置于所述第1稀土氧化物层与所述非磁性层之间，且以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向，所述第2结晶层以与所述非磁性层的晶面相同的晶面取向，所述非磁性层配置于所述第1结晶层与所述第2结晶层之间。
16.根据权利要求14或15所述的半导体装置，所述第1稀土氧化物层含有Tb、Gd、Nd、Y、Sm、Pm、Tm、Sc、Ce、Eu、Er、Ho、La、Yb、Lu、Pr、Dy之中的至少一种。
17.根据权利要求14或15所述的半导体装置，所述第1结晶层与所述第1稀土氧化物层接触。
18.根据权利要求14或15所述的半导体装置，所述第1结晶层和所述第1稀土氧化物层含有相同的元素。
19.根据权利要求18所述的半导体装置，所述相同的元素是B、P、C、Al、Mn、Si、Ta、W、Mo、Cr、Hf、Ti之中的至少一种。
20.根据权利要求14或15所述的半导体装置，所述第1结晶层作为存储元件、导电线和接触插塞之中的一方使用。
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