CN107845725A - 磁阻元件和磁存储器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁阻元件和磁存储器。提供可抑制绝缘不良的磁阻元件和磁存储器。根据本实施方案的磁阻元件具备第1层、第1磁性层、配置于所述第1层和所述第1磁性层之间的第2磁性层、配置于所述第1磁性层和所述第2磁性层之间的非磁性层、以及配置于至少所述第1非磁性层的侧面的绝缘层，所述第1层包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的第1组中的至少一种元素、以及选自由Ta、W、Mo、Nb、Si、Ge、Be、Li、Sn、Sb和P组成的第2组中的至少一种元素，所述绝缘层包含所述第1组中的至少一种元素。

Description

磁阻元件和磁存储器

相关申请的交叉引用

本申请基于2016年9月20日于日本提交的在先日本专利申请第2016-183305号并要求其优先权的权益，其整体内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明的实施方案涉及磁阻元件和磁存储器。

背景技术

作为磁性随机存取存储器(MRAM:Magnetic Random Access Memory)的磁阻元件，使用磁性隧道结(MTJ:magneto tunnel junction)元件。该MTJ元件包含磁性材料、MgO等的绝缘材料等。因此，使用半导体领域中通常使用的卤素气体并使用反应离子刻蚀(RIE:Reactive Ion Etching)进行加工是困难的。另外，在MTJ元件的加工中使用RIE时，产生起因于弱耐蚀性的腐蚀问题，或者由于MTJ元件包含许多不易蚀刻的材料，因此产生自身就不能蚀刻这样的问题。

作为应对该问题的措施，在MTJ元件的加工时，研究了使用非活性气体Ar的离子的研磨加工。但是，利用Ar离子的研磨加工物理地弹飞原子。因此，被弹飞的原子附着于MTJ元件的侧面，由此在MTJ元件的隧道势垒层形成分流路径(シャントパス)。因此，引起MR的下降，在最差的情况下，引起元件的短路不良。因此，在对MTJ元件进行研磨加工的情况下，以不引起由附着层导致的分流路径的形成的方式进行MTJ元件加工变得重要。

发明内容

本实施方案提供一种可抑制绝缘不良的磁阻元件和磁存储器。

根据本实施方案的磁阻元件具备第1层、第1磁性层、配置于所述第1层和所述第1磁性层之间的第2磁性层、配置于所述第1磁性层和所述第2磁性层之间的非磁性层、以及配置于至少所述非磁性层的侧面的绝缘层，所述第1层包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的第1组中的至少一种元素、以及选自由Ta、W、Mo、Nb、Si、Ge、Be、Li、Sn、Sb和P组成的第2组中的至少一种元素，所述绝缘层包含所述第1组中的至少一种元素。

附图说明

图1是示出根据第1实施方案的磁阻元件的截面图。

图2是示出根据第1实施方案的变形例的磁阻元件的截面图。

图3A至3C是说明第1实施方案的磁阻元件的制造方法的截面图。

图4是示出第1实施方案的磁阻元件的面积电阻RA(Ωμm²)与MR(任意单位)的关系的曲线图。

图5是示出根据第2实施方案的磁阻元件的截面图。

图6是示出根据第3实施方案的磁阻元件的截面图。

图7是示出根据第4实施方案的磁阻元件的截面图。

图8是示出根据第5实施方案的磁阻元件的截面图。

图9是示出根据第6实施方案的磁阻元件的截面图。

图10是示出根据第7实施方案的磁存储器的截面图。

图11是第7实施方案的磁存储器的电路图。

附图标记说明

10……磁阻元件，11……下部电极，12、12a、12b……底基层，13、13a……层，14、14A、14B、14C、14a、14a1、14c、14c1……磁性层，14b……结晶分断层(非磁性层)，16……非磁性层，18……磁性层，19……保护层，20……上部电极，22……沉积层，32……位线，34……引出电极，35……插塞，36……半导体基板，37a……漏极，37b……源极，38……栅极绝缘膜，39……栅极电极，41……插塞，42……位线，51……行解码器，52……读出电路，53……存储器基元，54、56……开关电路，55、57……电流源/宿电路

具体实施方式

以下，参照附图对实施方案进行说明。但应注意，附图为示意性的或概念性的，各附图的尺寸和比率等不一定与实际的相同。另外，即使在表示附图相互间相同部分的情况下，有时彼此的尺寸关系、比率也不同地表示。特别地，以下示出的一些实施方案例示了用于使本发明的技术构思具体化的磁阻元件，本发明的技术构思不因构成部件的形状、构造、配置等而被特定。予以说明，在以下的说明中，关于具有同一功能和构成的要素，赋予同一附图标记，在必要时进行重复说明。

(第1实施方案)

图1中示出根据第1实施方案的磁阻元件的截面。根据该第1实施方案的磁阻元件10具有将下部电极11、底基层(第1层)12、磁性层14、非磁性层16、磁性层18和上部电极20按该顺序层叠了的结构。另外，在底基层12、磁性层14、非磁性层16和磁性层18构成的层叠结构的侧面设有绝缘体构成的保护层19。予以说明，该保护层19以覆盖至少非磁性层16的侧面的方式设置即可。在此，侧面是指沿着层叠结构的层叠方向的面，是与层叠结构的层叠方向交叉的下表面及上表面不同的面。

磁性层14和磁性层18中的一者成为存储层，另一者成为参考层。存储层的磁化方向可变，参考层的磁化方向固定。在此，“磁化方向可变”是指在磁阻元件10的下部电极11和上部电极20之间，写入电流流过前(写入前)与流过后(写入后)，磁化方向可变化。另外，“磁化方向固定”是指在磁阻元件10的下部电极11和上部电极20之间，写入电流流过前(写入前)与流过后(写入后)，磁化方向不变化。存储层和参考层各自的磁化方向相对于上述层叠结构的层叠方向可以是平行的，也可以是垂直的。在与层叠方向平行的情况下，存储层和参考层各自具有垂直磁各向异性。另外，在与层叠方向垂直的情况下，存储层和参考层各自具有面内磁各向异性。

(写入操作)

对向如此构成的第1实施方案的磁阻元件10的写入操作进行说明。为了简便说明，在该写入操作中，例如将磁性层14设为存储层、将磁性层18设为参考层。

写入电流在下部电极11与上部电极20之间在与膜表面垂直的方向流动。在磁性层14为存储层、磁性层18为参考层且磁性层14的磁化方向与磁性层18的磁化方向为反平行(相反方向)的情况下，写入电流从磁性层14流向磁性层18。在该情况下，电子从磁性层18通过非磁性层16流向磁性层14。然后，通过磁性层18而被自旋极化了的电子流向磁性层14。具有与磁性层14的磁化相同方向的自旋的被自旋极化了的电子通过磁性层14，但具有与磁性层14的磁化相反方向的自旋的被自旋极化了的电子对磁性层14的磁化作用自旋力矩，以磁性层14的磁化方向朝向与磁性层18的磁化相同方向的方式工作。由此，磁性层14的磁化方向反转，变得与磁性层18的磁化方向平行(相同方向)。

与此相对，在磁性层14的磁化方向与磁性层18的磁化方向为平行的情况下，写入电流从磁性层18流向磁性层14。在该情况下，电子从磁性层14通过非磁性层16流向磁性层18。然后，通过磁性层14而被自旋极化了的电子流向磁性层18。具有与磁性层18的磁化相同方向的自旋的被自旋极化了的电子通过磁性层18，但具有与磁性层18的磁化相反方向的自旋的被自旋极化了的电子在非磁性层16与磁性层18的界面处被反射，通过非磁性层16流入磁性层14。由此，对磁性层14的磁化作用自旋力矩，以磁性层14的磁化方向朝向与磁性层18的磁化相反方向的方式工作。由此，磁性层14的磁化方向反转，变得与磁性层18的磁化方向反平行。

从第1实施方案的磁阻元件10的读出例如通过如下进行：读出电流在下部电极11和上部电极20之间流过，测定下部电极11和上部电极20之间的电压。

予以说明，在上述说明中，将磁性层14设为存储层、将磁性层18设为参考层，但磁性层14可以为参考层，磁性层18可以为存储层。就该情形下的写入而言，写入电流的方向与上述说明相反。

接着，对构成磁阻元件10的各部件的材料进行说明。

(下部电极11)

下部电极11优选使用低电阻及耐扩散性优异的材料。例如，作为下部电极11，为了低电阻化，例如优选使用Cu，为了改善耐扩散性，例如优选使用Ta。因此，更优选使用用Ta夹持了Cu的Ta/Cu/Ta的层叠结构。

(底基层12)

在后述的制造方法中，在底基层12通过划定由底基层12、磁性层14、非磁性层16和磁性层18构成的层叠结构的外形形状的蚀刻而附着于至少非磁性层16的侧面的情况下，优选使用易于氧化或氮化、且通过氧化或氮化而具有绝缘性且绝缘击穿电压高的材料。例如，作为底基层12，可使用包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的第1组的至少一种元素、以及选自由Ta、W、Mo、Nb、Si、Ge、Be、Li、Sn、Sb和P组成的第2组的至少一种元素的无定形层。予以说明，在此，无定形层可以一部分包含结晶。在无定形层的平坦性好、于该无定形层上形成磁性层的情况下，可得到结晶性高的磁性层。在该情况下，底基层12可以是包含选自上述第1组的至少一种元素和选自上述第2组的至少一种元素的合金层。

(磁性层14和磁性层18)

磁性层14和磁性层18优选具有单方向各向异性。其实际膜厚优选为0.1nm至20nm。在此，实际膜厚是指减去了磁死层(dead layer)膜厚的、仅将具有磁有序的区域换算得到的膜厚。进而，这些磁性层的实际膜厚需要为不形成超顺磁性的程度的厚度，更优选为0.4nm以上。作为磁性层14或磁性层18，可使用霍斯勒合金，例如Co₂FeAl_1-xSi_x或Co₂Mn_{1- x}Fe_xSi等。

另外，作为上述磁性层14、18，可使用包含Co、Fe、Ni中的至少一种元素的金属、它们的合金，例如Co-Pt、Co-Fe-Pt、Fe-Pt、Co-Fe-Cr-Pt、Co-Cr-Pt、Co-Pd、NiMnSb、Co₂MnGe、Co₂MnAl、Co₂MnSi、CoCrFeAl、MnGa、Mn₃Ga、Mn₃Ge等。

予以说明，作为存储层，例如可使用厚度为0.4nm～2.0nm的CoFeB。另外，作为参考层，例如可以使用TbCoFe、将Co及Pt层叠而成的人工晶格、或者使FePt成为了L1₀型有序结构的结晶层等。予以说明，通过在参考层和非磁性层(中间层)16之间夹持CoFeB作为界面磁性层，可使参考层和非磁性层的界面的自旋极化率改善，可得到高的MR比(磁阻比)。此时，成为界面磁性层的CoFeB的厚度例如优选为0.1nm～5.0nm，更优选为0.4nm～3.0nm。

另外，作为上述磁性层14、18，可以使用GeMn、SiCNi、SiCMn、SiCFe、ZnMnTe、ZnCrTe、BeMnTe、ZnVO、ZnMnO、ZnCoO、GaMnAs、InMnAs、InMnAb、GaMnP、GaMnN、GaCrN、AlCrN、BiFeTe、SbVTe、PbSnMnTe、GeMnTe、CdMnGeP、ZnSiNMn、ZnGeSiNMn、BeTiFeO、CdMnTe、ZnMnS、TiCoO、SiMn、SiGeMn等的磁性半导体。

予以说明，可在上述磁性层14、18中添加Ti(钛)、V(钒)、Cr(铬)、Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Ga(镓)、P(磷)、In(铟)、Ru(钌)、Os(锇)、Re(铼)、Ta(钽)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(钯)、Pt(铂)、Hf(铪)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)、稀土元素等，以调节磁特性，或调节结晶性、机械特性、化学特性等各种物性。

(非磁性层16)

非磁性层16包含非磁性材料，可使用非磁性金属、非磁性半导体、绝缘体等。在作为非磁性层16使用了绝缘体的情况下，成为隧道势垒层，磁阻元件10成为MTJ元件。另外，作为非磁性层16，可使用例如厚度为1nm左右的MgO。在该情况下，可得到高的MR比。

(保护层19)

保护层19由包含至少一种与底基层12中所含的元素同种的元素的绝缘材料来形成。换言之，保护层19由包含选自底基层12中所含的元素(例如Hf、Zr、Al、Cr和Mg)的至少一种元素的绝缘材料、或由包含选自底基层12所含的Hf、Zr、Al、Cr和Mg的至少一种元素及B的绝缘材料来形成。保护层19通过对构成底基层12的材料进行氧化或氮化来绝缘化，由在构成底基层12的材料中含有了氧(O)或氮(N)的材料来构成。予以说明，保护层19的氧化物、氮化物与价数状态无关，只要可确保绝缘性即可。

(上部电极20)

上部电极20除了作为电极的功能以外，也可用作对磁阻元件10进行图案化时的掩膜。因此，作为上部电极20，期望低电阻及耐扩散性优异的材料，且耐蚀刻性或耐磨性优异的材料。例如，作为上部电极20，可使用Ta/Ru的层叠膜。

(变形例)

图2中示出根据第1实施方案的变形例的磁阻元件的截面。就根据该变形例的磁阻元件10A而言，在图1所示的第1实施方案的磁阻元件10中，底基层(第1层)12具备具有底基层(第2层)12a和配置于该底基层12a上的底基层(第3层)12b的层叠结构。

底基层12a为包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的第1组的至少一种元素的层，底基层12b为包含选自由Ta、W、Mo、Nb、Si、Ge、Be、Li、Sn、Sb、P组成的第2组的至少一种元素的层。予以说明，底基层12也可以是将2组以上的底基层12a和底基层12b交替层叠了的层叠结构。在该情况下，底基层12a也可以包含第2组的元素，底基层12b也可以包含第1组的元素。底基层12可以为15nm以上或20nm以上。底基层12a优选比底基层12b厚。底基层12a可以不足10nm，可以为5nm以下。底基层12b例如可设为1原子层以上数nm以下。

另外，底基层12优选为包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的第1组的至少一种元素及选自由Ta、W、Mo、Nb、Si、Ge、Be、Li、Sn、Sb、P组成的第2组的至少一种元素的层、且具有第1区域和位于该第1区域与磁性层14之间的第2区域，与第1区域相比，第2区域的选自第2组的元素的浓度更高。在该情况下，就选自第1组的元素的浓度而言，可以是第1区域高于第2区域，也可以是第2区域高于第1区域。予以说明，第2区域优选位于距与磁性层14的界面例如数十埃以下的范围。

另外，底基层12也可以为包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的第1组的至少一种元素及选自由Ta、W、Mo、Nb、Si、Ge、Be、Li、Sn、Sb、P组成的第2组的至少一种元素的合金。

(制造方法)

接着，参照图3A至图3C对第1实施方案的变形例的磁阻元件10A的制造方法进行说明。即，如图2所示，底基层12具备具有底基层12a和底基层12b的层叠结构。

如图3A所示，形成将底基层12、磁性层14、非磁性层16、磁性层18和上部电极20按该顺序层叠了的层叠结构。接着，使用第1离子研磨进行用于划定磁阻元件的外形形状(平面形状)的图案化(パターニング)。该第1离子研磨使用Ar、Kr、Xe等的非活性气体。予以说明，在本例中，使用Ar离子。另外，在第1离子研磨中，入射的离子的角度调整为相对于与上部电极20的上表面垂直的方向倾斜了50°左右的方向。通过这样操作，能够不在非磁性层16的侧面形成由离子研磨导致的沉积层。可实施该第1离子研磨直至底基层12的上部(例如底基层12b)被加工。

接着，如图3B所示，改变Ar离子的入射角度，使得成为与膜表面垂直的方向，进行第2离子研磨。在第2离子研磨中，底基层12被进一步离子研磨。其结果，利用Ar离子被离子研磨了的底基层12的一部分(例如底基层12a)沉积于磁阻元件10的侧壁，形成沉积层22。予以说明，第2离子研磨中的离子的入射方向优选相对于磁阻元件10的膜表面，与第1离子研磨中的离子的入射方向相比，更接近于与上部电极的上表面垂直的方向。

接着，如图3C所示，将沉积于磁阻元件10的侧面的沉积层22氧化或氮化，形成绝缘化了的保护层19。

在此，沉积层22的氧化通过例如大气暴露实施。但是，沉积层22的氧化也可以通过大气暴露以外的方式实施，通过在真空中暴露于氧气、自由基氧、等离子体氧或氧簇离子，沉积层22可充分氧化。另外，沉积层22的氮化例如可利用自由基氮、等离子体氮或氮簇离子实施。予以说明，保护层19的氧化物、氮化物与价数状态无关，可确保绝缘性即可。

如果沉积于非磁性层16的侧面的沉积层22具有导电性，则经由沉积于非磁性层16的侧面的沉积层22，磁性层14和磁性层18会发生短路。为了防止该短路，沉积层22被氧化了的保护层19的电阻率优选为0.0005Ωcm²以上。另外，即使沉积于非磁性层16的侧面的沉积层通过氧化等而成为绝缘化了的保护层19，如果该保护层19的击穿电压低于非磁性层16，则表观上的元件的绝缘击穿电压也下降，从而对磁阻元件10反复进行读写时的耐性劣化。换言之，沉积于非磁性层16的侧面的沉积层22的材料优选为与非磁性层16同种的材料，或在氧化时具有高的绝缘击穿电场。在将MgO、或含B的MgO用于非磁性层16时，绝缘击穿电场成为5MV/cm～12MV/cm左右。因此，沉积层22优选在氧化的状态下使用MgO、MgBO、或使用绝缘击穿电场通过氧化而成为5MV/cm以上的材料。例如，优选通过包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的组的至少一种元素的绝缘材料来形成。

另外，在图3C所示的工序中，对于为了将沉积层22绝缘化的氧化而言，需要向氧气、自由基氧、等离子体氧暴露的工序。在沉积层22的氧化过程中，如果氧浓度过强，则磁性层14和磁性层18被氧化，导致磁特性劣化。磁特性的劣化引起耐热扰性的劣化，因此不优选。因此，用于使沉积层22氧化的氧化过程期望即使为不使磁性体氧化的程度的弱氧化，沉积层22也能完全氧化。换言之，优选与磁性层14和磁性层18相比，沉积层22为易氧化的材料。

在形成了Hf、Zr、Al、Cr、Mg、Fe或Co的氧化物的情况下，该氧化物的标准自由能ΔG(kJ/mol)不同。氧化镁(Mg-O)、氧化铪(Hf-O)、氧化锆(Zr-O)、氧化铝(Al-O)和氧化铬(Cr-O)具有负值大的氧化物形成的标准自由能。换言之，可知Hf、Zr、Al、Cr和Mg与在磁性层14和磁性层18中使用的Fe、Co相比，易于与氧键合。因此，作为沉积层22，使包含Hf、Zr、Al、Cr或Mg的材料沉积于磁阻元件10的侧面，通过磁性层14和磁性层18不氧化的程度的弱氧化、例如仅暴露于氧气，可使沉积层22充分氧化，可使沉积层22成为良好的绝缘体。即，作为沉积层22，优选使用包含Hf、Zr、Al、Cr或Mg的材料。

另外，对于沉积层22的绝缘化，也可以进行氮化。氮化处理可利用例如自由基氮、等离子体氮或氮簇离子实施。在该情况下，可使沉积层22高电阻化，同时抑制对磁性体的氧化损坏。予以说明，保护层19的氧化物、氮化物与价数状态无关，可确保绝缘性即可。

如上述所说明的那样，根据第1实施方案，磁阻元件10的底基层12例如使用包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的组的至少一种元素的材料。而且，在磁阻元件10的研磨加工中，在磁阻元件10的侧面沉积从底基层12溅射的原子的一部分，形成沉积层22。进而，通过使沉积层22绝缘化，在磁阻元件10的侧面，形成由包含构成底基层12的元素的绝缘体形成的保护层19。

作为构成这样的沉积层22的材料，如果特别地使用包含Hf、Zr、Al、Cr或Mg的材料，则这些材料与构成磁性层14和磁性层18的材料相比易于被氧化，且Hf、Zr、Al、Cr或Mg的氧化物的绝缘击穿电场高。

如上述所说明的那样，根据本实施方案，能得到可抑制绝缘不良的磁阻元件。

通常，如果形成于非磁性层16的侧面的保护层19残留导电性，则随着磁阻元件的电阻R变小，电阻变化率MR变小。但是，在本实施方案中，如图4所示可知，没有成为低电阻R且低电阻变化率MR的磁阻元件，抑制了由保护层19的绝缘不良引起的不良位(不良ビット)的元件数，能使成品率提高。予以说明，图4为示出通过图3A至3C所示的制造方法制作的多个磁阻元件的面积电阻RA(Ωμm²)与MR(任意单位)的测定结果的曲线图。

(第2实施方案)

图5中示出根据第2实施方案的磁阻元件的截面。该第2实施方案的磁阻元件10B具有在图1所示的第1实施方案的磁阻元件10中将磁性层14置换成磁性层14A的结构。

磁性层14A具备配置于底基层12上的磁性层14a、配置于该磁性层14a上的结晶分断层(第4层)14b、和配置于该结晶分断层14b上的磁性层14c。磁性层14a和磁性层14c经由结晶分断层14b进行铁磁耦合或反铁磁耦合。

磁性层14a为具有高磁各向异性的层，使用FePt，FeNi，或FePd、MnGa等的人工晶格或L1₀结构合金，CoPd、CoPt或CoNi等的人工晶格或合金，CoCrPt合金或DO₂₂结构的MnGa合金。另外，作为磁性层14a，也可以使用SmCo或TbCo等稀土磁性化合物。即，磁性层14a包含含Fe或MnGa的L1₀结构的合金、含Co的人工晶格、CoCrPt、DO₂₂结构的MnGa合金、以及稀土磁性化合物中的至少一者。

磁性层14c使用与图1所示的磁性层14相同的材料。结晶分断层14b是设于磁性层14a和磁性层14c之间、用于将磁性层14a和磁性层14c的晶体结构分断的层。作为结晶分断层14b，包含选自由B、Zr、Hf、Ta、Nb、Mo、W、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ru、Ag、Mg和稀土元素组成的组的至少一种元素。

该第2实施方案也与第1实施方案同样，能得到可抑制绝缘不良的磁阻元件。

予以说明，第2实施方案的磁阻元件10B具有将图1所示的第1实施方案的磁阻元件10的磁性层14置换为磁性层14A的结构，但也可以具有将图2所示的第1实施方案的变形例的磁阻元件10A的磁性层14置换为磁性层14A的结构。

(第3实施方案)

图6中示出根据第3实施方案的磁阻元件的截面。该第3实施方案的磁阻元件10C具有在图5所示的第2实施方案的磁阻元件10B中将层(第5层)13配置于底基层12和磁性层14a之间的结构。

层13可以是改善磁性层14a的结晶性并改善磁各向异性的层，且可以是以单质形式包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的组的一种元素的结晶层。

另外，层13也可以是包含选自由Ru、Pt、Pd、Mo、W和Ti组成的组的至少一种元素的结晶层。在该情况下，也能改善磁性层14a的结晶性并改善磁各向异性。

该第3实施方案也与第2实施方案同样，能得到可抑制绝缘不良的磁阻元件。

予以说明，第3实施方案的磁阻元件10C具有在图5所示的第2实施方案的磁阻元件10B中将层13配置于底基层12和磁性层14a之间的结构，但也可以具有将图2所示的第1实施方案的变形例的磁阻元件10A中将层13配置于底基层12b和磁性层14之间的结构。

(第4实施方案)

图7中示出根据第4实施方案的磁阻元件的截面。该第4实施方案的磁阻元件10D具有在图6所示的第3实施方案的磁阻元件10C中配置层(第5层)13a替代层13的结构。

该层13a为改善磁性层14a的结晶性并改善磁各向异性的层，包含选自由Hf、Zr、Al、Cr、Ti、Sc和Mg组成的组的至少一种元素的氮化物。

该第4实施方案也与第3实施方案同样，能得到可抑制绝缘不良的磁阻元件。另外，由于层13a为氮化物，磁性层14a和层12之间的元素扩散被抑制，因此耐热性提高。因此，具有对现有半导体工艺的整合性高、另外得到陡峭界面的优点。

予以说明，第4实施方案的磁阻元件10D具有在图6所示的第3实施方案的磁阻元件10C中配置层13a替代层13的结构，但也可以具有在图2所示的第1实施方案的变形例的磁阻元件10A中将层13a配置于底基层12b和磁性层14之间的结构。

(第5实施方案)

图8中示出根据第5实施方案的磁阻元件的截面。该第5实施方案的磁阻元件10E具有在图1所示的第1实施方案的磁阻元件10中置换为磁性层14B来替代磁性层14，同时置换为第3实施方案中说明的层13替代底基层12的结构。

磁性层14B具有在磁性层14中包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的组的至少一种元素的结构。

该第5实施方案也与第1实施方案同样，能得到可抑制绝缘不良的磁阻元件。

(第6实施方案)

图9中示出根据第6实施方案的磁阻元件的截面。该第6实施方案的磁阻元件10F具有在图8所示的第5实施方案的磁阻元件10E中将磁性层14B置换为磁性层14C的结构。

磁性层14C具有将磁性层14a1、非磁性层14b和磁性层14c1按该顺序层叠了的层叠结构。磁性层14a1、14c1各自具有在图5所示的第2实施方案中说明的磁性层14a、14c中包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的组的至少一种元素的结构。另外，非磁性层14b具有与图5所示的第2实施方案中说明的非磁性层14b相同的构成。即，非磁性层14b包含选自由B、Zr、Hf、Ta、Nb、Mo、W、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ru、Ag、Mg和稀土元素组成的组的至少一种元素。

该第6实施方案也与第5实施方案同样，能得到可抑制绝缘不良的磁阻元件。

予以说明，本说明书中的“氮化物”、“氧化物”可以混入B、N、O或C，为“含氮物”、“含氧物”即可。

(第7实施方案)

接着，对根据第7实施方案的磁存储器(MRAM)进行说明。

本实施方案的MRAM具有多个存储器基元。图10中示出本实施方案的MRAM的一个存储器基元的主要部分的截面。各存储器基元具有第1至第6实施方案及它们的变形例的任一磁阻元件作为存储元件。在该第7实施方案中，以存储元件为第1实施方案的磁阻元件10为例进行说明。

如图10所示，磁阻元件10的上表面经由上部电极20与位线32连接。另外，磁阻元件10的下表面经由下部电极11、引出电极34、插塞35与半导体基板36的表面的源极/漏极区域中的漏极区域37a连接。漏极区域37a与源极区域37b、形成于基板36上的栅极绝缘膜38、形成于栅极绝缘膜38上的栅极电极39一起构成选择晶体管Tr。选择晶体管Tr和磁阻元件10构成MRAM的一个存储器基元。源极区域37b经由插塞41与另一位线42连接。予以说明，也可以不使用引出电极34，将插塞35设于下部电极11的下方，将下部电极11与插塞35直接连接。位线32、42、下部电极11、上部电极20、引出电极34、插塞35、41由W、Al、AlCu、Cu等形成。

在本实施方案的MRAM中，通过以阵列状设置多个图10所示的1个存储器基元，形成了MRAM的存储器基元阵列。图11是示出本实施方案的MRAM的主要部分的电路图。

如图11所示，由磁阻元件10和选择晶体管Tr构成的多个存储器基元53以阵列状配置。属于相同列的存储器基元53的一端子与同一位线32连接，另一端子与同一位线42连接。属于相同行的存储器基元53的选择晶体管Tr的栅极电极(位线)39相互连接，进而与行解码器51连接。

位线32经由晶体管等的开关电路54与电流源/宿电路55连接。另外，位线42经由晶体管等的开关电路56与电流源/宿电路57连接。电流源/宿电路55、57向所连接的位线32、42供给写入电流，或从所连接的位线32、42引出(引き抜く)写入电流。

另外，位线42与读出电路52连接。读出电路52也可以与位线32连接。读出电路52包含读出电流电路、读出放大器等。

写入时，通过使与写入对象的存储器基元连接的开关电路54、56及选择晶体管Tr导通(ON)，形成经由对象的存储器基元的电流路径。然后，电流源/宿电路55、57中，根据待写入的信息，一者作为电流源起作用，另一者作为电流宿起作用。其结果，写入电流在对应于待写入信息的方向流动。

作为写入速度，可以以具有从数纳秒至数微秒的脉冲宽度的电流进行自旋注入写入。

读出时，与写入同样地操作，向被指定了的磁阻元件10供给不会因读出电流电路52而引起磁化反转的程度的小的读出电流。然后，读出电路52通过将由基于磁阻元件10的磁化的状态的电阻值引起的电流值或电压值与参照值相比较来判定其电阻状态。

予以说明，读出时，优选与写入时相比电流脉冲宽度短。由此，减小因读出时的电流的误写入。这基于：写入电流的脉冲宽度短时，写入电流值的绝对值变大。

如以上所说明的那样，根据本实施方案，能得到具备了可抑制绝缘不良的磁阻元件的磁存储器。

虽然说明了本发明的几个实施方案，但这些实施方案作为例子提出，不意在限定发明的范围。这些实施方案可以以其它各种形式实施，可在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方案及其变形与包含于发明的范围、主旨的同样，包含于权利要求书所记载的发明及其等价的范围。

Claims (10)

1.磁阻元件，其具备第1层、第1磁性层、配置于所述第1层和所述第1磁性层之间的第2磁性层、配置于所述第1磁性层和所述第2磁性层之间的非磁性层、以及配置于至少所述非磁性层的侧面的绝缘层，

所述第1层包含选自由Hf、Zr、Al、Cr和Mg组成的第1组中的至少一种元素、以及选自由Ta、W、Mo、Nb、Si、Ge、Be、Li、Sn、Sb和P组成的第2组中的至少一种元素，

所述绝缘层包含所述第1组中的至少一种元素。

2.权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第1层包含所述第1组中的至少一种元素和所述第2组中的至少一种元素的合金。

3.权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第1层具有第1区域以及位于所述第1区域和所述第2磁性层之间的第2区域，所述第2组中的至少一种元素在第2区域中具有高于所述第1区域的浓度。

4.权利要求1所述的磁阻元件，其中，所述第1层具有将包含所述第1组中的至少一种元素的第2层和包含所述第2组中的至少一种元素的第3层层叠了的层叠结构。

5.权利要求1至4的任一项所述的磁阻元件，其中，

所述第2磁性层具备第3磁性层、配置于所述第3磁性层和所述非磁性层之间的第4磁性层、以及配置于所述第3磁性层和所述第4磁性层之间的第4层，所述第3磁性层包含含Fe或MnGa的L1₀结构的合金、含Co的人工晶格、CoCrPt、DO₂₂结构的MnGa合金、以及稀土磁性化合物中的至少一者，

所述第4层包含B、Zr、Hf、Ta、Nb、Mo、W、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ru、Ag、Mg和稀土元素中的至少一种元素。

6.权利要求5所述的磁阻元件，其还具备配置于所述第1层和所述第3磁性层之间的、包含Hf、Zr、Al、Cr和Mg中的至少一种元素或包含Ru、Pt、Pd、Mo、W和Ti中的至少一种元素的第5层。

7.权利要求5所述的磁阻元件，其还具备配置于所述第1层和所述第3磁性层之间的、包含Hf、Zr、Al、Cr、Ti、Sc和Mg中的至少一种元素的氮化物的第5层。

8.磁阻元件，其具备第1层、第1磁性层、配置于所述第1层和所述第1磁性层之间的第2磁性层、配置于所述第1磁性层和所述第2磁性层之间的非磁性层、以及配置于至少所述非磁性层的侧面的绝缘层，

所述第1层为包含Hf、Zr、Al、Cr和Mg中的一种元素的层，或者为包含Ru、Pt、Pd、Mo、W和Ti中的至少一种元素的层，

所述第2磁性层包含Hf、Zr、Al、Cr和Mg中的至少一种元素，

所述绝缘层包含Hf、Zr、Al、Cr和Mg中的至少一种元素。

9.权利要求8所述的磁阻元件，其中，

所述第2磁性层具备第3磁性层、配置于所述第3磁性层和所述非磁性层之间的第4磁性层、以及配置于所述第3磁性层和所述第4磁性层之间的第2层，所述第3磁性层包含含Fe或MnGa的L1₀结构的合金、含Co的人工晶格、CoCrPt、DO₂₂结构的MnGa合金、以及稀土磁性化合物中的至少一者，

所述第2层包含B、Zr、Hf、Ta、Nb、Mo、W、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ru、Ag、Mg和稀土元素中的至少一种元素，

所述第3和第4磁性层中的至少一者包含Hf、Zr、Al、Cr和Mg中的至少一种元素。

10.磁存储器，其具备：

权利要求1至9任一项所述的磁阻元件，

与所述磁阻元件的所述第1磁性层电连接的第1配线，和

与所述磁阻元件的所述第2磁性层电连接的第2配线。