CN108701758B - 磁阻元件和电子设备 - Google Patents

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Abstract

磁阻元件10设置有：第一层叠结构20，具有第一表面20A和在第一表面20A的反面侧的第二表面20B；以及第二层叠结构30，第二层叠结构30是通过对存储层33、中间层32和磁化固定层31进行层叠而形成的，并且第二层叠结构30具有第一表面30A和在第一表面30A的反面侧的第二表面30B，所述第一表面30A被定位为面向第一层叠结构20的第二表面20B。第一层叠结构20具有层叠结构，该层叠结构被配置为从第一层叠结构20的第一表面20A起具有由金属氮化物形成的第一层21和由钌或钌化合物形成的第二层22。

Description

磁阻元件和电子设备
技术领域
本公开涉及磁阻元件，更具体地，涉及形成例如存储器元件的磁阻元件、以及包括磁阻元件的电子设备。
背景技术
磁随机存取存储器(MRAM)使用磁体的磁化方向执行数据存储，因此可以进行高速并且几乎无限制(1015次或更多次)的重写，所以MRAM已经用在诸如工业自动化和飞机的领域中。由于高速操作和高可靠性，MRAM有望在不久的将来用于代码存储或工作存储器。然而，实际上，MRAM具有与降低功耗和增加容量有关的挑战。这是由MRAM的记录原理引起的基本问题，即，使用从布线产生的电流磁场来反转磁化的方法。作为解决该问题的方法，正在研究不使用电流磁场的记录方法、即磁化反转方法。其中，使用通过自旋注入进行的磁化反转的自旋注入型磁阻效应元件(基于自旋转移力矩的磁随机存取存储器：STT-MRAM)引起关注(例如，参见日本专利申请特开第2014-072393号)。
通过自旋注入进行的磁化反转是这样的现象，其中已经通过磁体的自旋极化电子被注入到不同的磁体中，因此在不同的磁体中引起磁化反转。自旋注入型磁阻效应元件使用通过自旋注入进行的磁化反转，因此与基于外部磁场执行磁化反转的MRAM相比，具有这样的优点：即使元件的尺寸减小，也不增加写入电流；因为写入电流值与元件体积成比例地减小，所以可以进行缩放；以及可以减小单元面积。另外，自旋注入型磁阻效应元件不需要MRAM中所需的用于产生记录电流磁场的字线，因此具有装置结构和单元结构简单的优点。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请特开第2014-072393号
发明内容
技术问题
顺便提及，在这样的磁阻元件的制造过程(特别是后端工序，BEOL)中，可以对磁阻元件施加大约400℃的温度。因此，强烈要求这样的磁阻元件：即使在暴露于这样的温度期间，磁阻元件的特性也不会劣化。
因此，本公开的目的是提供具有高耐热性的磁阻元件以及包括这样的磁阻元件的电子设备。
问题的解决方案
用于实现上述目的的根据本公开的磁阻元件包括：第一层叠结构体，第一层叠结构体具有第一表面和面向第一表面的第二表面；以及第二层叠结构体，第二层叠结构体是通过将存储层(也被称为磁化反转层或自由层)、中间层和磁化固定层进行层叠而形成的，第二层叠结构体具有第一表面和面向第一表面的第二表面，第一表面被定位成面向第一层叠结构体的第二表面，第一层叠结构体具有层叠结构，该层叠结构从第一层叠结构体的第一表面侧起包括由金属氮化物制成的第一层和由钌或钌化合物制成的第二层。
用于实现上述目的的根据本公开的电子设备包括本公开的磁阻元件。应当注意，本公开的电子设备还可以具有包括非易失性存储器元件阵列的形式，该非易失性存储器元件阵列包括以二维矩阵排列的本公开的磁阻元件。在这种情况下，磁阻元件形成非易失性存储器单元。
发明的有益效果
本公开的磁阻元件和形成本公开的电子设备的本公开的磁阻元件(在下文中，在一些情况下被统称为“本公开的磁阻元件等”)各自包括第二层叠结构体，该第二层叠结构体具有由金属氮化物制成的第一层和由钌或钌化合物制成的第二层的层叠结构。因此，可以赋予磁阻元件高的耐热性。换句话说，即使在暴露于高热负荷时，磁化固定层也可以保持良好的磁特性。另外，这消除了操作错误，因此可以提供具有高操作裕度的磁阻元件。应该注意，本文中描述的效果仅仅是说明性的而不是限制性的。此外，可以提供额外的效果。
附图说明
图1A和图1B分别是根据实施例1和比较例1的磁阻元件的概念图。
图2A和图2B分别是包括选择晶体管的实施例1的磁阻元件(自旋注入型磁阻效应元件)和等效电路图的示意性局部剖视图。
图3是包括选择晶体管的实施例1的磁阻元件(自旋注入型磁阻效应元件)的示意性透视图。
图4A和图4B是分别示出在实施例1和比较例1的评估样品中通过测量磁光克尔效应的磁特性的评估结果的图。
图5A和图5B分别是实施例1的层叠结构和比较例1的层叠结构的概念图，以及图5C是示出实施例1的层叠结构和比较例1的层叠结构的X射线衍射测量结果的图。
图6A和图6B分别是实施例2和比较例2的磁阻元件的概念图。
图7是实施例1的磁阻元件的变型例的概念图。
图8是实施例1的磁阻元件的另一变型例的概念图。
图9是实施例1的磁阻元件的又一变型例的概念图。
图10A和图10B是实施例3的复合磁头的局部剖开的示意性透视图和实施例3的复合磁头的示意性剖视图。
图11A和图11B分别是应用自旋注入磁化反转的自旋注入型磁阻效应元件的概念图以及示出具有双自旋滤波器结构的自旋注入型磁阻效应元件的概念图。
具体实施方式
在下文中，将参考附图基于实施例描述本公开。本公开不限于实施例，并且实施例中的各种数值和材料是示例。应注意，将按以下顺序给出描述。
1、关于本公开的磁阻元件和本公开的电子设备的总体描述
2、实施例1(本公开的磁阻元件和本公开的电子设备)
3、实施例2(实施例1的变型例)
4、其他
<关于本公开的磁阻元件和本公开的电子设备的总体描述>
在本公开的磁阻元件等中，磁化固定层可以被定位在第二层叠结构体的第一表面侧，但是磁化固定层不限于这样的形式，并且存储层可以被定位在第二层叠结构体的第一表面侧。换句话说，作为整体，磁化固定层可以具有将由金属氮化物制成的第一层/由钌或钌化合物制成的第二层/磁化固定层/中间层/存储层进行层叠的结构，或者可以具有将由金属氮化物制成的第一层/由钌或钌化合物制成的第二层/存储层/中间层/磁化固定层进行层叠的结构。此外，在本公开的磁阻元件等中，第一层叠结构体的第二表面和第二层叠结构体的第一表面彼此面对，但具体地，第一层叠结构体的第二表面和第二层叠结构体的第一表面可以彼此接触。
在包括上述有利模式的本公开的磁阻元件等中，可以形成与第一层叠结构体的第一表面接触的金属层。在这种情况下，第一层叠结构体的第一层和金属层可包括相同的金属元素。具体地，(形成第一层的材料和形成金属层的材料)的组合的实例包括(VN，V)、(CrN，Cr)、(NbN，Nb)、(MoN，Mo)、(TaN，Ta)、(WN，W)、(CuN，Cu)和(TiN，Ti)。
此外，在包括上述各种有利模式的本公开的磁阻元件等中，钌化合物(包含钌合金)可包括选自由钛、锆、铪、镍、铜、铬、镍-铁、镍-铁-铬和镍-铬组成的组中的至少一种类型的元素或元素组。
此外，在包括上述各种有利模式的本公开的磁阻元件等中，磁化固定层可以具有包括至少两个层叠磁性材料层的层叠铁磁结构(也被称为层叠铁销(ferri-pinned)结构)。在一些情况下，形成层叠铁磁结构的磁性材料层之一被称为“参考层”，并且在一些情况下，形成层叠铁磁结构的磁性材料层中的另一个被称为“固定层”。参考层的磁化方向是要作为要存储在存储层中的信息的参考的磁化方向。形成层叠铁磁结构的磁性材料层之一(参考层)被放置在存储层侧。在这种情况下，形成层叠铁磁结构的磁性材料层之一(例如，参考层)可以包括选自由铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)组成的组中的至少一种类型的元素，或者可以包括选自由铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)以及硼(B)组成的组中的至少一种类型的元素，以及形成层叠铁磁结构的磁性材料层中的另一个(例如，固定层)可以由如下材料形成，该材料包括作为主要成分的选自由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和锰(Mn)组成的组中的至少一种类型的元素<为了方便起见，被称为“元素-A”>，并且包括选自由铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、锰(Mn)、铱(Ir)和铑(Rh)组成的组中的至少一种类型的元素(与上述元素-A不同的元素)。在磁化固定层中采用层叠铁磁结构，因此可以可靠地消除对信息写入方向的热稳定性的不对称性，并且可以提高对自旋转矩的稳定性。
层叠铁磁结构是具有反铁磁耦合的层叠结构，即两个磁性材料层(参考层和固定层)之间的层间交换耦合变为反铁磁性的结构，其也被称为合成反铁磁耦合(SAF：合成反铁磁)。层叠铁磁结构表示这样的结构，其中，取决于设置在两个磁性材料层(参考层和固定层)之间的非磁性层的厚度，两个磁性材料层之间的层间交换耦合变为反铁磁性或铁磁性。该结构例如由S.S.Parkin等人在物理评论快报(Physical Review Letters)，5月7日，第2304-2307页(1990)中报道。作为铁磁材料，具体而言，可以例示Co、Ni、Fe、Co-Fe合金、Co-Fe-Ni合金、Ni-Fe合金和Co-Fe-B合金，以及还可以例示Fe层/Pt层、Fe层/Pd层、Co层/Pt层、Co层/Pd层、Co层/Ni层和Co层/Rh层的层叠结构。替选地，诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ta、Hf、Ir、W、Mo、Nb、V、Ru或Rh的非磁性元素可以被添加到上述那些材料中，以调节磁性特性或调节各种物理特性，例如晶体结构、结晶度和物质的稳定性。作为形成非磁性层的材料，可以例示钌(Ru)及其合金和钌化合物。替选地，可以例示Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb、V、Rh及其合金。
此外，可以形成磁化固定层，使得通过仅使用铁磁层或通过使用反铁磁层与铁磁层之间的反铁磁耦合来固定其磁化的取向。作为反铁磁性材料，具体地，可以例示Fe-Mn合金、Fe-Pt合金、Ni-Mn合金、Pt-Mn合金、Pt-Cr-Mn合金、Ir-Mn合金、Rh-Mn合金、Co-Pt合金、氧化钴、氧化镍(NiO)和氧化铁(Fe2O3)。替选地，诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Ta、Hf、Ir、W、Mo、Nb、V、Ru或Rh的非磁性元素可以被添加到上述那些材料中，以调节磁性特性或调节各种物理特性，例如晶体结构、结晶度和物质的稳定性。作为形成非磁性层的材料，可以例示钌(Ru)及其合金和钌化合物。替选地，可以例示Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb、V、Rh及其合金。
应当注意，层叠铁磁结构还可以包括在形成层叠铁磁结构的一个磁性材料层与第二层叠结构体之间的非磁性材料层，该非磁性材料层包括选自由钒、铬、铌、钼、钽、钨、铪、锆、钛和钌组成的组中的至少一种类型的元素。
注意，磁化固定层不限于具有层叠铁磁结构的形式。磁化固定层也可以是由一层形成的并且用作参考层的磁化固定层。形成这样的磁化固定层的材料的示例包括形成稍后将描述的存储层的材料(铁磁材料)。替选地，磁化固定层(参考层)可以由Co层和Pt层的层叠体、Co层和Pd层的层叠体、Co层和Ni层的层叠体、Co层和Tb层的层叠体、Co-Pt合金层、Co-Pd合金层、Co-Ni合金层、Co-Fe合金层、Co-Tb合金层、Co层、Fe层或Co-Fe-B合金层形成。替选地，诸如Ag、Cu、Au、Al、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Pd、Pt、Zr、Hf、Ir、W、Mo、Nb、V、Ru或Rh的非磁性元素可以被添加到上述那些材料中，以调节磁性特性或调节各种物理特性，例如晶体结构、结晶度和物质的稳定性。此外，有利的是，磁化固定层(参考层)可以由Co-Fe-B合金层形成。
因为磁化固定层的磁化方向是信息的参考，所以磁化方向不应该通过记录或读取信息而改变。然而，磁化方向不一定需要固定在特定方向上，并且磁化固定层仅需要具有这样的配置和结构，其中，通过具有比记录层更大的矫顽力、更大的膜厚度或更大的磁阻尼常数，磁化固定层的磁化方向比记录层的磁化方向更难以改变。
此外，在包括上述各种有利模式的本公开的磁阻元件等中，存储层可以由包括钴、铁和镍的金属材料(合金、化合物)或包括钴、铁、镍和硼的金属材料(合金、化合物)形成。
替选地，作为形成存储层的材料，可以例示诸如镍(Ni)、铁(Fe)或钴(Co)的铁磁材料的合金(例如，Co-Fe、Co-Fe-B、Co-Fe-Ni、Fe-Pt、Ni-Fe、Fe-B或Co-B)、或其中向上述那些材料的合金添加钆(Gd)的合金。此外，为了在垂直磁化方法中进一步增加垂直磁性各向异性，可以将诸如铽(Tb)、镝(Dy)和钬(Ho)的重稀土元素添加到这样的合金，或者包括它们的合金可以被层叠。存储层的结晶度基本上是任意的，并且可以是多晶的、单晶的或非晶的。此外，存储层可以具有单层配置、上述多个不同的铁磁材料层被层叠的层叠配置、或者铁磁材料层和非磁性体层被层叠的层叠配置。
此外，还可以将非磁性元素添加到形成存储层的材料。通过添加非磁性元件，获得了如下效果，诸如由于防止扩散而提高了耐热性，增加了磁阻效应，以及增加了与平坦化相关联的介电击穿电压。作为要添加的非磁性元素，可以例示B、C、N、O、F、Li、Mg、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Ni、Cu、Ge、Nb、Ru、Rh、Pd、Ag、Ta、Ir、Pt、Au、Zr、Hf、W、Mo、Re和Os。
此外，还可以层叠具有不同成分的铁磁材料层作为存储层。替选地，还可以经由软磁性材料层或非磁性体层来层叠铁磁材料层和软磁性材料层、或者层叠多个铁磁材料层。特别地，在经由非磁性体层来层叠诸如Fe层、Co层、Fe-Ni合金层、Co-Fe合金层、Co-Fe-B合金层、Fe-B合金层和Co-B合金层的多个铁磁材料层的情况下，可调节铁磁材料层之间的磁性强度的关系，因此可以抑制自旋注入型磁阻效应元件中的磁化反转电流(也被称为自旋极化电流)的增加。形成非磁性体层的材料的示例包括Ru、Os、Re、Ir、Au、Ag、Cu、Al、Bi、Si、B、C、Cr、Ta、Pd、Pt、Zr、Hf、W、Mo、Nb、V及其合金。
作为存储层的厚度，可以例示0.5nm至30nm的厚度，并且作为磁化固定层的厚度，可以例示0.5nm至30nm的厚度。
此外，在包括上述各种有利模式的本公开的磁阻元件等中，有利的是，中间层由非磁性体材料形成。换句话说，在自旋注入型磁阻效应元件中，有利的是，在形成具有TMR(隧道磁阻)效应的第二层叠结构体的情况下，中间层由绝缘材料形成，并且也由非磁性体材料形成。换句话说，通过磁化固定层、中间层和存储层形成具有TMR效应的第二层叠结构体指的是如下结构，其中由用作隧道绝缘膜的非磁性体材料膜形成的中间层被夹在由磁性材料形成的磁化固定层与由磁性材料形成的存储层之间。这里，作为绝缘材料和非磁性体材料的材料的示例包括各种绝缘材料、介电材料和半导体材料，例如氧化镁(MgO)、氮化镁、氟化镁、氧化铝(AlOX)、氮化铝(AlN)、氧化硅(SiOX)、氮化硅(SiN)、TiO2、Cr2O3、Ge、NiO、CdOX、HfO2、Ta2O5、Bi2O3、CaF、SrTiO2、AlLaO3、Mg-Al2-O、Al-N-O、BN和ZnS。有利的是，由绝缘材料形成的中间层的面积电阻值约等于或小于几十Ω·μm2。在中间层由氧化镁(MgO)形成的情况下，期望使MgO层结晶，并且更期望MgO层在(001)方向上具有晶体取向。此外，在中间层由氧化镁(MgO)形成的情况下，期望MgO层具有1.5nm或更小的厚度。同时，形成具有巨磁阻(GMR)效应的第二层叠结构体的非磁性体材料膜的材料的示例包括导电材料，例如Cu、Ru、Cr、Au、Ag、Pt或Ta及其合金。如果材料具有高导电性(其电阻不大于几百μΩ·cm)，则可以使用任何非金属材料。期望适当地选择难以引起与存储层或磁化固定层的界面反应的材料。
作为绝缘材料并且也由非磁性体材料形成的中间层可以通过例如对通过溅射方法形成的金属层进行氧化或氮化来获得。更具体地，在使用氧化铝(AlOX)或氧化镁(MgO)作为形成中间层的绝缘材料的情况下，例如，可以例示：在大气中对通过溅射法形成的铝或镁进行氧化的方法，对通过溅射法形成的铝或镁进行等离子体氧化的方法，利用IPC等离子体对通过溅射法形成的铝或镁进行氧化的方法，在氧气中对通过溅射法形成的铝或镁进行自然氧化的方法，利用氧自由基对通过溅射法形成的铝或镁进行氧化的方法，当在氧气中对通过溅射法形成的铝或镁进行自然氧化时施加紫外线的方法，通过反应溅射法沉积铝或镁的方法，以及通过溅射法沉积氧化铝(AlOX)或氧化镁(MgO)的方法。
此外，在包括上述各种有利模式的本公开的磁阻元件等中，为了防止形成稍后将描述的连接部分或导线(电极)的原子和形成存储层的原子的相互扩散、减少接触电阻、并且防止存储层的氧化，可以形成与第二层叠结构体的第二表面接触的盖层。在这种情况下，盖层可以具有：包括选自由铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、镁、钌、铑、钯和铂组成的组中的至少一种类型的材料的单层结构，包括诸如氧化镁层、氧化铝层、氧化钛层、氧化硅层、Bi2O3层、SrTiO2层、AlLaO3层、Al-N-O层、Mg-Ti-O层和MgAl2O4层之类的氧化物的单层结构，或者包括选自由铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、镁、钌、铑、钯和铂组成的组中的至少一种类型的材料层和选自由MgTiO、MgO、AlO和SiO组成的组中的至少一种类型的氧化物层的层叠结构(例如，Ru层/Ta层)。
此外，在包括上述各种有利模式的本公开的磁阻元件等中，存储层的磁化方向可以根据要存储的信息而改变，并且存储层的易磁化轴可以平行于第二层叠结构体的层叠方向(即垂直磁化型)。在这种情况下，磁阻元件可以是垂直磁化法的自旋注入型磁阻效应元件。此外，在这些情况下，第一层叠结构体的第一表面可以连接到第一导线(包括第一电极的概念)，第二层叠结构体的第二表面可以连接到第二导线(包括第二电极的概念)，并且可以在第一导线与第二导线之间供应电流(上述磁化反转电流)，并且可以将信息存储在存储层中。换句话说，在第二层叠结构体的层叠方向上供应磁化反转电流，因此可以改变存储层的磁化方向，并且可以在存储层中执行信息的记录。
此外，在包括上述各种有利模式的本公开的磁阻元件等中，满足以下表达式，但不限于此：B/A≤0.05，其中(002)平面的衍射峰强度的值为A，并且(012)平面的衍射峰强度的值为B，这些值是基于第一层叠结构体的第二层的X射线衍射法获得的。
上述各个层可以通过例如溅射法、离子束沉积法、以真空蒸发法为例的物理气相沉积(PVD)法、或以原子层沉积(ALD)法为代表的化学气相沉积(CVD)法来形成。此外，这些层的图案化可以通过反应离子蚀刻法(RIE法)或离子研磨法(离子束蚀刻法)来执行。有利的是，在真空设备中连续地形成各个层，然后在这些层上执行图案化。
如上所述，本公开的磁阻元件可以具有这样的结构，其中具有TMR效应或GMR效应的层叠结构体由包括存储层、中间层和磁化固定层的第二层叠结构体形成。如图11A的概念图中所示，当在反平行排列的磁化状态下从存储层向磁化固定层供应磁化反转电流(自旋极化电流、写入电流)时，存储层的磁化被自旋转矩反转，该自旋转矩在电子被从磁化固定层注入到存储层时起作用，以及存储层的磁化方向、磁化固定层(具体地说，参考层)的磁化方向和存储层的磁化方向处于平行阵列。同时，当在平行排列的磁化状态下从磁化固定层向存储层供应磁化反转电流时，存储层的磁化被自旋转矩反转，该自旋转矩在电子从存储层流到磁化固定层时起作用，以及存储层的磁化方向和磁化固定层(具体地，参考层)的磁化方向处于反平行阵列。替选地，如图11B的概念图中所示，具有TMR效应或GMR效应的第二层叠结构体也可具有包括磁化固定层、中间层、存储层、中间层、磁化固定层的结构。在这样的结构中，需要区分被定位在存储层的顶部和底部的两个中间层的磁阻的变化。
从确保工艺的容易性和存储层中的易磁化轴的一致方向的视点来看，第一层叠结构体和第二层叠结构体中的每一个的三维形状期望地是圆柱形或柱形，但是三维形状不限于此，并且可以是三角棱柱形、四角棱柱形、六角棱柱形、八角棱柱形(包括具有圆形侧边或侧脊的那些)或椭圆柱形。从容易通过低磁化反转电流来反转磁化取向的视点来看，第一层叠结构体和第二层叠结构体中的每一个的面积有利地为例如0.01μm2或更小。通过从第一导线到第二导线或从第二导线到第一导线向第二层叠结构体供应磁化反转电流，将存储层中的磁化方向设定为第一方向(与易磁化轴平行的方向)或第二方向(与同第一方向相反的方向平行的方向)，以将信息写入存储层。为了提高形成第二层叠结构体的与第二电极接触的部分的磁性材料层的结晶度，可以在第二层叠结构体与第二导线之间形成由Ta、Cr、Ru、Ti等制成的基膜。
第一导线或第二导线可以具有Cu、Al、Au、Pt、Ti等的单层结构。替选地，第一导线或第二导线可以具有层叠结构，该层叠结构包括由Cr、Ti等制成的基底层和在其上形成的Cu层、Au层、Pt层等。此外，第一导线或第二导线可以具有Ta等的单层结构、或者具有Cu，Ti等这样的层的层叠结构。这些导线(电极)可以通过例如以溅射法为例的PVD法来形成。
本公开的磁阻元件等包括在第一层叠结构体和第二层叠结构体的下侧由电场效应晶体管形成的选择晶体管。在第二导线(例如，位线)延伸的方向上的投影图像可以与在形成场效应晶体管的栅电极(也用作例如字线或地址线)延伸的方向上的投影图像正交，并且第二导线延伸的方向可以与形成场效应晶体管的栅电极延伸的方向平行。此外，根据情况，该选择晶体管是不必要的。
在磁阻元件的有利配置中，如上所述，由场效应晶体管形成的选择晶体管还设置在层叠结构体的下侧。作为更具体的配置，但不限于此，例如，磁阻元件包括：形成在半导体衬底上的选择晶体管；以及覆盖选择晶体管的第一层间绝缘层(下层/层间绝缘层)。
在第一层间绝缘层上形成第一导线。
第一导线经由设置到第一层间绝缘层的连接孔(或经由连接孔和接合焊盘部分或下层布线)电连接到选择晶体管的源极/漏极区域中的一个。
第二层间绝缘层(上层/层间绝缘层)覆盖第一层间绝缘层和第一导线。
围绕第一层叠结构体和第二层叠结构体的绝缘材料层形成在第二层间绝缘层上。
第一层叠结构体经由设置到第一层间绝缘层和第二层间绝缘层上的连接孔(或经由连接孔和接合焊盘部分或下层布线)电连接到选择晶体管的源极/漏极区域中的另一个。
在绝缘材料层上形成与第二层叠结构体接触的第二导线。
选择晶体管可以由例如众所周知的MIS FET或MOS FET形成。将第一导线和选择晶体管彼此电连接并且将第一层叠结构体和选择晶体管彼此电连接的连接孔可以由掺杂有杂质的多晶硅、高熔点金属(诸如钨、Ti、Pt、Pd、Cu、TiW、TiNW、WSi2和MoSi2)、或金属硅化物形成，并且可以通过以溅射法为例的PVD法或CVD法来形成。此外，形成第一层间绝缘层、第二层间绝缘层和绝缘材料层的材料的示例包括二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、SiON、SOG、NSG、BPSG、PSG、BSG、LTO和Al2O3。
作为本公开的电子设备，可以例示诸如移动设备、游戏机、音乐设备和视频设备之类的便携式电子设备、以及固定电子设备，或者也可以例示磁头。此外，还可以例示由包括以二维矩阵排列的本公开的磁阻元件(具体地，存储器元件，以及更具体地，非易失性存储器单元)的非易失性存储器元件阵列形成的存储设备。
实施例1
实施例1涉及本公开的磁阻元件，更具体地，涉及形成例如存储器元件(非易失性存储器单元)的磁阻元件，并且涉及本公开的电子设备。
顺便提及，例如，在由MgO制成的中间层(隧道绝缘层)上层叠由基于Co的材料或基于Fe的材料制成的存储层的结构中，当施加350℃或更高的热负荷时，磁性特性大大劣化。在通常的半导体存储器制造工艺中，在CVD步骤等中将约400℃的热负荷施加到存储器元件。因此，实现能够相对于大约400℃的热负荷保持足够有利的磁性特性的磁性材料层和磁性隧道结(MTJ)配置是非常重要的任务。
图1A示出了实施例1的磁阻元件10的概念图。在该图中，磁化方向由白色箭头示出。实施例1的磁阻元件10包括具有第一表面20A和面向第一表面20A的第二表面20B的第一层叠结构体20、以及通过对存储层(也被称为磁化反转层或自由层)33、中间层32和磁化固定层31进行层叠而形成的第二层叠结构体30，第二层叠结构体30具有第一表面30A和面向第一表面30A的第二表面30B，第一表面30A被定位为面向第一层叠结构体20的第二表面20B(具体而言，与第一层叠结构体20的第二表面20B接触)。另外，第一层叠结构体20具有层叠结构，该层叠结构从第一层叠结构体20的第一表面20A侧起包括由金属氮化物制成的第一层21和由钌(Ru)或钌化合物(具体地，例如，钌(Ru)-钴(Co)合金)制成的第二层22。此外，在实施例1的磁阻元件10中，磁化固定层31被定位在第二层叠结构体30的第一表面30A侧。换句话说，整体上，磁化固定层31具有对由金属氮化物制成的第一层21/由钌或钌化合物制成的第二层22/磁化固定层31/中间层32/存储层33进行层叠的结构。应当注意，第一层叠结构体20的第二表面20B和第二层叠结构体30的第一表面30A彼此面对，但具体地，第一层叠结构体20的第二表面20B与第二层叠结构体30的第一表面30A彼此接触。
此外，实施例1的电子设备包括实施例1的磁阻元件。具体地，实施例1的电子设备包括非易失性存储器元件阵列，该非易失性存储器元件阵列包括以二维矩阵排列的实施例1的磁阻元件。磁阻元件形成非易失性存储器单元。
另外，在实施例1的磁阻元件10中，还形成与第一层叠结构体20的第一表面20A接触的金属层23。第一层叠结构体20的第一层21和金属层23包括相同的金属元素。具体地，形成第一层21的材料是TaN，形成金属层23的材料是Ta。金属层23形成在由SiO2制成的第二层间绝缘层68上。
磁化固定层31具有层叠的铁磁结构(也被称为层叠的铁销结构)，该层叠的铁磁结构包括至少两个层叠的磁性材料层。由钌(Ru)制成的非磁性层31B形成在形成层叠的铁磁结构的磁性材料层中的一个(参考层)31C与形成层叠的铁磁结构的磁性材料层中的另一个(固定层)31A之间。
存储层33由具有磁矩的铁磁材料形成，其中磁化方向在第二层叠结构体30的层叠方向上自由地改变，更具体地，存储层33由Co-Fe-B合金[(Co20Fe80)80B20]形成。由非磁性体材料形成的中间层32由用作隧道阻挡层(隧道绝缘层)的绝缘层形成，具体地，中间层32由氧化镁(MgO)层形成。当中间层32由MgO层形成时，可以增加磁阻变化率(MR比)。这可以提高自旋注入的效率并且降低为反转存储层33的磁化方向所需的磁化反转电流密度。此外，形成与第二层叠结构体30的第二表面接触的盖层34。
此外，在实施例1的磁阻元件中，存储层33的磁化方向根据要存储的信息而改变。另外，在存储层33中，易磁化轴平行于第二层叠结构体30的层叠方向(即，垂直磁化类型)。换句话说，实施例1的磁阻元件由垂直磁化法的自旋注入型磁阻效应元件形成。换句话说，实施例1的磁阻元件由MTJ元件形成。参考层31C的磁化方向是要存储在存储层33中的信息的参考磁化方向，并且信息“0”和信息“1”由存储层33的磁化方向和参考层31C的磁化方向的相对角度来限定。
第一层叠结构体20的第一表面20A连接到第一导线41，并且第二层叠结构体30的第二表面30B连接到第二导线42(更具体地，第二层叠结构体30的第二表面30B经由盖层34连接到第二导线42)。当在第一导线41与第二导线42之间供应电流(磁化反转电流)时，信息被存储在存储层33中。换句话说，当在第二层叠结构体30的层叠方向上供应磁化反转电流时，存储层33的磁化方向改变，从而在存储层33中执行信息记录。以这样的方式，参考层31C的易磁化轴平行于第二层叠结构体30的层叠方向。换句话说，参考层31C由具有磁矩的铁磁材料形成，其中磁化方向在与第二层叠结构体30的层叠方向平行的方向上变化，更具体地，参考层31C由Co-Fe-B合金[(Co20Fe80)80B20]形成。此外，固定层31A由Co-Pt合金层形成，并且形成层叠的铁磁结构，该层叠的铁磁结构经由由钌(Ru)制成的非磁性层31B与参考层31C磁耦合。
第一层叠结构体20和第二层叠结构体30中的每一个的三维形状是圆柱形(柱形)或四边形，但是三维形状不限于此。
上述各个层配置如下表1中所示。
<表1>
Figure GDA0003608990650000151
Figure GDA0003608990650000161
图2A示出包括选择晶体管的实施例1的磁阻元件(自旋注入型磁阻效应元件)的示意性局部剖视图，并且图2B示出等效电路图。如图3的示意性透视图中所示，由场效应晶体管形成的选择晶体管TR设置在第一层叠结构体20的下侧。具体地，磁阻元件包括：形成在半导体衬底60上的选择晶体管TR；和覆盖选择晶体管TR的第一层间绝缘层67。
第一导线41形成在第一层间绝缘层67上。
第一导线41经由设置到第一层间绝缘层67的连接孔(或经由连接孔和接合焊盘部分或下层布线)65电连接到选择晶体管TR的一个源极/漏极区域64A。
第二层间绝缘层68覆盖第一层间绝缘层67和第一导线41。
围绕第一层叠结构体20和第二层叠结构体30的绝缘材料层51形成在第二层间绝缘层68上。
第一层叠结构体20经由设置到第一层间绝缘层67和第二层间绝缘层68的连接孔66电连接到选择晶体管的另一个源极/漏极区域64B。
在绝缘材料层51上形成与第二层叠结构体30接触的第二导线42。
选择晶体管TR包括栅极电极61、栅极绝缘层62、沟道形成区域63和源极/漏极区域64A、64B。如上所述，一个源极/漏极区域64A和第一导线41经由钨插头65连接到形成在第一层间绝缘层67上的第一导线(感测线)41。此外，另一个源极/漏极区域64B经由连接孔66连接到第一层叠结构体20。栅极电极61也用作所谓的字线或地址线。另外，在第二导线(位线)42延伸的方向上的投影图像与在栅极电极61延伸的方向上的投影图像正交，并且与在第一导线41延伸的方向上的投影图像平行。注意，在图2A中，为了简化图示，这些方向与栅极电极61、第一导线41和第二导线42延伸的方向不同。
在下文中，将描述制造实施例1的磁阻元件的方法的概要。
[处理-100]
首先，在众所周知的方法的基础上，在硅半导体衬底60中形成元件隔离区域60A，并且包括栅极氧化膜62、栅极电极61和源极/漏极区域64A、64B的选择晶体管TR形成在硅半导体衬底60的被元件隔离区域60A围绕的部分处。硅半导体衬底60的被定位在源极/漏极区域64A与源极/漏极区域64B之间的部分对应于沟道形成区域63。接着，形成第一层间绝缘层67，并且钨插头形成在第一层间绝缘层67的位于一个源极/漏极区域64A的上侧的部分处。此外，第一导线41形成在第一层间绝缘层67上。随后，在整个表面上形成第二层间绝缘层68，并且包括钨插头的连接孔66形成在第一层间绝缘层67和第二层间绝缘层68的位于另一个源极/漏极区域64B的上侧的部分处。以这种方式，可以获得被第一层间绝缘层67和第二层间绝缘层68覆盖的选择晶体管TR。
[处理-110]
随后，金属层23、第一层叠结构体20、第二层叠结构体30和盖层34被连续地沉积在整个表面上。接下来，通过反应离子蚀刻法(RIE法)来蚀刻盖层34、第二层叠结构体30、第一层叠结构体20和金属层23。使金属层23与连接孔66接触。应注意，通过RF磁控溅射法沉积MgO层，形成由氧化镁(MgO)形成的中间层32。此外，通过DC磁控溅射法沉积其他层。
[处理-120]
接着，在整个表面上形成绝缘材料层51，并且对绝缘材料层51进行平坦化处理。因此，使绝缘材料层51的顶表面与盖层34的顶表面齐平。随后，在绝缘材料层51上形成要与盖层34接触的第二导线42。因此，可以获得图2A中所示的结构的磁阻元件(具体地说，自旋注入型磁阻效应元件)。应当注意，代替通过RIE法对每个层进行图案化，可以通过离子铣削法(离子束蚀刻法)对每个层进行图案化。
如上所述，对于实施例1的磁阻元件的制造，可以应用一般的MOS制造工艺，并且磁阻元件可被应用为通用存储器。
顺便提及，信息由具有单轴各向异性的存储层33的磁化方向的取向来限定。通过在第二层叠结构体30的层叠方向上供应磁化反转电流(自旋极化电流)以引起自旋转矩磁化反转来写入信息。在下文中，将参考图11A简单地描述自旋转矩磁化反转，图11A是应用自旋注入磁化反转的自旋注入型磁阻效应元件的概念图。电子具有两种类型的自旋角动量。两种类型的自旋角动量被暂时定义为向上方向和向下方向。非磁性体包括相同数量的向上方向和向下方向，并且铁磁材料具有不同数量的向上方向和向下方向。
假设由铁磁材料形成的存储层33和参考层31C的磁矩的方向彼此反平行。在这种状态下，信息“1”被存储在存储层33中。假设存储在存储层33中的信息“1”被重写为“0”。在这种情况下，将磁化反转电流(自旋极化电流)从存储层33供应给磁化固定层31。换句话说，从磁化固定层31朝向存储层33提供电子。已经通过参考层31C的电子被自旋极化，即，向上方向的数量与向下方向的数量不同。如果中间层32的厚度足够薄并且电子在自旋极化被减弱之前到达存储层33以及状态在正常的非磁性体中变为非极化状态(向上方向的数量是与向下方向的数量相同)，则由于自旋极化程度的符号被反转，所以整个系统中的能量减小。因此，一部分电子被反转，即自旋角动量的方向改变。此时，由于系统的总角动量需要被存储，因此将等于方向改变的电子的角动量变化之和的反应给予存储层33中的磁矩。在单位时间内的电流、即通过第二层叠结构体30的电子的数量较少的情况下，方向改变的电子的总数也较小。因此，在存储层33中的磁矩中产生的角动量变化也较小。然而，如果电流增加，则可以在单位时间内向存储层33给予许多角动量变化。角动量的时间变化是转矩，并且如果转矩超过特定阈值则存储层33的磁矩开始反转，并且当它由于单轴各向异性而旋转大约180度时变得稳定。换句话说，引起从反平行状态到平行状态的反转，并且在存储层33中存储信息“0”(参见图11A的左概念图)。
接下来，假设存储在存储层33中的信息“0”被重写为“1”。在这种情况下，相反地将磁化反转电流从磁化固定层31供应给存储层33。换句话说，从存储层33朝向磁化固定层31提供电子。到达参考层31C并且在向下方向上具有自旋的电子穿过磁化固定层31。另一方面，在向上方向上具有自旋的电子被参考层31C反射。另外，当这样的电子进入存储层33时，转矩被给予给存储层33，并且存储层33被反转为反平行状态(参见图11A的右概念图)。注意，此时，引起反转所需的电流量大于从反平行状态到平行状态的反转的情况下的电流量。难以直观地理解从平行状态到反平行状态的反转。然而，可以认为，因为参考层31C的磁化方向是固定的并且不能被反转，所以存储层33被反转以存储整个系统的角动量。以这种方式，通过供应具有不小于与从磁化固定层31到存储层33的方向或其相反方向上的极性相对应的特定阈值的磁化反转电流(自旋极化电流)来执行0/1的信息的存储。
为了评估实施例1的磁阻元件，实验性地制造了以下评估样品。换句话说，在具有0.725mm的厚度的硅半导体衬底的表面上形成具有0.1μm的厚度的热氧化膜，并且在其上形成具有表1中所示的规格的金属层23、第一层叠结构体20、第二层叠结构体30和盖层34。
作为比较例1，如图1B的概念图中所示，实验性地制造了评估样品，在每个评估样品中，具有5nm的膜厚度的Ru层(对应于第一层叠结构体中的第二层)和具有10nm的膜厚度的Ta层(对应于金属层)形成在表1中所示的第二层叠结构体30下面。换句话说，在比较例1中，在具有5nm的膜厚度的Ru层和具有10nm的膜厚度的Ta层之间没有形成TaN层。
另外，对实施例1和比较例1的评估样品在400℃下进行3小时的热处理。
图4A和图4B分别示出基于磁光克尔效应的测量的实施例1和比较例1的评估样品中的磁性特性的评估结果。在比较例1中，当在400℃下进行3小时的热处理并且使用MOKE(磁光克尔效应)测量装置测量MOKE波形时，MOKE波形指示轻微的磁化变化。同时，在实施例1中，在400℃下进行3小时的热处理之后，保持MOKE波形的矩形度。
接下来，如图5A和图5B中所示，实验性地制造由表1指示的金属层23和第一层叠结构体20的层叠结构(被称为“实施例1的层叠结构”)、和具有5nm的膜厚度的Ta层和具有10nm的膜厚度的Ru层的层叠结构(被称为“比较例1的层叠结构”)，并且在其上进行X射线衍射(XRD)测量。图5C示出XRD测量结果，其中仅在实施例1的层叠结构中的Ru(002)平面中观察到衍射峰。同时，在比较例1的层叠结构中，衍射峰不仅存在于Ru(002)平面中而且存在于Ru(012)平面中。换句话说，满足以下表达式：B/A≤0.05，其中(002)平面的衍射峰强度的值是A，并且(012)平面的衍射峰强度的值是B，这些值是基于第一层叠结构体20的第二层21的X射线衍射法获得的。具体地，在实施例1中，B/A的值具有迹线(trace)水平，并且在比较例1中，B/A＝0.1。根据这些结果，能够确定实施例1的层叠结构具有高度取向的Ru层，即，实施例1的层叠结构具有更优的平坦度，结果是当在实施例1的层叠结构上形成第二层叠结构体30时，第二层叠结构体30具有最佳特性，从而在较高温度下获得稳定的磁性特性。
如上所述，实施例1的磁阻元件包括第二层叠结构体，该第二层叠结构体具有由金属氮化物制成的第一层和由钌或钌化合物制成的第二层的层叠结构。这里，由于存在由金属氮化物制成的第一层，在其上形成的第二层变得热稳定，因此可以保持高取向并且可以赋予第二层最佳的平坦度。因此，增强了要在第二层上形成的磁化固定层的磁性各向异性，并且还可以赋予磁阻元件高的耐热性。换句话说，即使当暴露于高热负荷时，磁化固定层也表现出良好的磁性特性并且还可以保持良好的磁性特性。另外，这消除了操作错误，因此可以提供具有高操作裕度的磁阻元件。此外，可以保持较大的自旋注入效率，结果可以减小磁化反转电流(自旋极化电流)。此外，电阻值的分开也可以保持较大，因此也可以加快操作速度。
作为(形成第一层的材料和形成金属层的材料)的组合，除了(TaN，Ta)之外，确定还在(VN，V)、(CrN，Cr)、(NbN，Nb)、(MoN，Mo)、(WN，W)、(CuN，Cu)或(TiN，Ti)中也可以赋予磁阻元件高耐热性。
实施例2
实施例2是实施例1的变型例。图6A和图6B分别示出实施例2和比较例2的磁阻元件的概念图。应当注意，在实施例2中，为了评估磁阻元件，实验性地制造了以下评估样品。换句话说，在具有0.725mm的厚度的硅半导体衬底的表面上形成具有0.3μm的厚度的热氧化膜(未示出)，并且在其上形成具有下表2中所示的规格的金属层23、第一层叠结构体20、第二层层叠结构体30、盖层34等。此外，在热氧化膜上形成测量电极，该测量电极从底部起由3nm的Ta层/10nm的TaN层/3nm的Ta层/10nm的CuN层/Ta层形成。
<表2>
Figure GDA0003608990650000211
作为比较例2，实验性地制造了评估样品，在每个评估样品中，具有5nm的膜厚度的Ru层(对应于第一层叠结构体中的第二层)和具有10nm的膜厚度的Ta层(对应于金属层)如在比较例1中那样形成在表2中所示的第二层叠结构体30下面。换句话说，同样在比较例2中，在具有5nm的膜厚度的Ru层与具有10nm的膜厚度的Ta层之间没有形成TaN层。
另外，使用CIPT(平面内电流隧穿：Current In Plant Tunneling)装置，测量RA特征(与第二层叠结构体30的层叠方向平行的方向上的电阻成分，即电阻值和面积的乘积，单位为Ω·μm2)和TMR特征(电阻变化率，单位为％)。
下面的表3示出了实施例2和比较例2的评估样品的RA特征和TMR特征的测量结果。应当注意，执行两种类型的热处理，即在350℃下进行1小时的热处理和在400℃下进行3小时的热处理。
<表3>
Figure GDA0003608990650000221
作为测量的结果，在350℃下进行1小时的热处理中，在实施例2和比较例2中，RA特征的值为7Ω·cm2，并且TMR特征的值为125％。然而，在400℃下进行3小时的热处理中，RA特征和TMR特征响应于磁性特性的劣化的存在/不存在而不同。换句话说，其中磁性特性劣化的比较例2的评估样本导致RA特征的值增加并且TMR特征的值减小。与此相反，在实施例2中，RA特征的值没有变化，并且TMR特征的值增加到155％。TMR特征的值的这种增加可能起因于由于热处理温度的升高导致Co-Fe-B合金层或MgO层的结晶的进展。
实施例3
实施例3涉及一种电子设备，该电子设备包括实施例1至实施例2中所述的磁阻元件，具体地，实施例3涉及磁头。磁头可以应用于例如各种电子设备、电气设备等，包括硬盘驱动器、集成电路芯片、个人计算机、便携式终端、移动电话和磁性传感器设备。
作为例子，图10A和10B示出了将磁阻元件101应用于复合磁头100的示例。应当注意，图10A是示出复合磁头100的内部结构的局部剖开的示意性透视图，并且图10B是复合磁头100的示意性剖视图。
复合磁头100是要用在硬盘装置等中的磁头，并且在衬底122上包括磁阻效应型磁头，该磁阻效应型磁头包括在实施例1至实施例2中的每个中描述的磁阻元件。另外，在磁阻效应型磁头上层叠感应型磁头。这里，磁阻效应型磁头用作回放头，而感应型磁头用作记录头。换句话说，复合磁头100是通过组合回放头和记录头而形成的。
安装在复合磁头100上的磁阻效应型磁头是所谓的屏蔽型MR头，并且包括经由绝缘层123在衬底122上形成的第一磁性屏蔽层125、经由绝缘层123磁阻元件101在第一磁性屏蔽层125上形成的磁阻元件101、和经由绝缘层123在磁阻元件101上形成的第二磁性屏蔽层127。绝缘层123由诸如Al2O3或SiO2的绝缘材料形成。第一磁性屏蔽层125在磁性上屏蔽磁阻元件101的下层侧，并且由诸如Ni-Fe的软磁性材料形成。在第一磁性屏蔽层125上，磁阻元件101经由绝缘层123形成。磁阻元件101在磁阻效应型磁头中用作检测来自磁性记录介质的磁性信号的磁敏元件。磁阻元件101形成为大致方形，其一个侧表面暴露为面向磁性记录介质的表面。另外，偏置层128和129被设置在磁阻元件101的两端。此外，形成连接到偏置层128和129的连接端子130、131。感测电流经由连接端子130、131被供应给磁阻元件101。在偏置层128和129上方，经由绝缘层123设置第二磁性屏蔽层127。
层叠在磁阻效应型磁头上的感应型磁头包括磁芯和薄膜线圈133。磁芯由第二磁性屏蔽层127和上部芯132形成。薄膜线圈133形成为缠绕磁芯。上部芯132与第二磁性屏蔽层127一起形成闭合磁性路径，以形成感应型磁头的磁芯，并且由诸如Ni-Fe的软磁性材料形成。这里，第二磁性屏蔽层127和上部芯132形成为使得其前端部分暴露为面向磁性记录介质的表面，并且第二磁性屏蔽层127和上部芯132在其后端部分彼此接触。这里，第二磁性屏蔽层127和上部芯132的前端部分形成为使得在面向磁性记录介质的表面中，第二磁性屏蔽层127和上部芯132以预定间隙g彼此分开。换句话说，在复合磁头100中，第二磁性屏蔽层127被配置为不仅在磁性上屏蔽磁阻元件101的上层侧，而且还用作感应型磁头的磁芯，并且第二磁性屏蔽层127和上部芯132形成感应型磁头的磁芯。此外，间隙g用作用于感应型磁头的记录的磁性间隙。
此外，嵌入在绝缘层123中的薄膜线圈133形成在第二磁性屏蔽层127上。薄膜线圈133形成为缠绕在由第二磁性屏蔽层127和上部芯132形成的磁芯周围。尽管未示出，薄膜线圈133的两个端部部分暴露于外部，并且形成在薄膜线圈133的两端的端子成为用于感应型磁头的外部连接的端子。换句话说，在磁性记录介质上记录磁性信号时，将记录电流从那些用于外部连接的端子供应给薄膜线圈133。
如上所述的复合磁头100合并有磁阻效应型磁头作为回放头。磁阻效应型磁头包括实施例1至实施例2中的每一个中描述的磁阻元件101作为检测来自磁性记录介质的磁性信号的磁敏元件。另外，由于磁阻元件101如上所述表现出非常优异的特征，所以磁阻效应型磁头可以支持磁性记录的记录密度的进一步增加。
在上文中，已经基于有利实施例描述了本公开，但是本公开不限于这些实施例。已经在实施例中描述的各种层叠结构、所使用的材料等是示例，并且可以适当地改变。
如示出实施例1的磁阻元件的变型例的图7的概念图中所示，层叠的铁磁结构还可以包括在形成层叠铁磁结构的一个磁性材料层(参考层)31C与第二层叠结构体之间的非磁性材料层31D，该非磁性材料层31D包括选自由钒、铬、铌、钼、钽、钨、铪、锆、钛和钌组成的组中的至少一种类型的元素。
此外，在每个实施例中，已经描述了具有存储层33被定位在第二层叠结构体30的最上层上的结构的自旋注入型磁阻效应元件。然而，如图8的概念图中所示，第二层叠结构体30的各层的层叠顺序可以反转，以提供具有存储层33被定位在第二层叠结构体30中的最下层上的结构的自旋注入型磁阻效应元件。换句话说，可以提供存储层33被定位在第二层叠结构体30的第一表面侧的形式，具体地，可以提供由金属氮化物制成的第一层21/由钌或钌化合物制成的第二层22/存储层33/中间层32/磁化固定层31被层叠的结构。
替选地，如图9的概念图中所示，也可以提供由金属氮化物制成的第一层21/由钌或钌化合物制成的第二层22/第一磁化固定层31a/第一中间层32a/存储层33/第二中间层32b/第二磁化固定层31b被层叠的结构。在这样的结构中，被定位在存储层33的顶部和底部的两个中间层32a、32b仅需要在磁阻的变化方面彼此不同。
此外，绝缘材料层51可以具有磁性特性。在这种情况下，绝缘材料层51仅需要由例如氧化铁(FeOX)形成。
此外，还可以提供包括多个磁阻元件(存储器元件、非易失性存储器单元)的所谓的交叉点型存储器单元。该交叉点型存储器单元包括：沿第一方向延伸的多个第一导线(字线)；多个第二导线(位线)，在垂直方向上与第一导线分开地设置，并且在与第一导线不同的第二方向上延伸；磁阻元件(存储器元件、非易失性存储器单元)，设置在第一导线和第二导线彼此重叠的区域中，并且连接到第一导线和第二导线。另外，根据要施加在第一导线与第二导线之间的电压的取向或者要在第一导线与第二导线之间供应的电流的取向，在磁阻元件中写入或删除信息。应注意，在这样的结构中不需要所述选择晶体管TR。
应注意，本公开可采用以下配置。
[A01]<磁阻元件>
一种磁阻元件，包括：
第一层叠结构体，第一层叠结构体具有第一表面和面向第一表面的第二表面；以及
第二层叠结构体，第二层叠结构体是通过将存储层、中间层和磁化固定层进行层叠而形成的，第二层叠结构体具有第一表面和面向第一表面的第二表面，第一表面被定位为面向第一层叠结构体的第二表面，
第一层叠结构体具有层叠结构，该层叠结构从第一层叠结构体的第一表面侧起包括由金属氮化物制成的第一层和由钌或钌化合物制成的第二层。
[A02]根据[A01]所述的磁阻元件，其中，
所述磁化固定层被定位在第二层叠结构体的第一表面侧。
[A03]根据[A01]或[A02]所述的磁阻元件，还包括：
金属层，所述金属层被形成为与第一层叠结构体的第一表面接触。
[A04]根据[A03]所述的磁阻元件，其中，
第一层叠结构体的第一层和所述金属层包括相同的金属元素。
[A05]根据[A04]所述的磁阻元件，其中，
(形成第一层的材料和形成金属层的材料)的组合是(VN，V)、(CrN，Cr)、(NbN，Nb)、(MoN，Mo)、(TaN，Ta)、(WN，W)、(CuN，Cu)或(TiN，Ti)。
[A06]根据[A01]至[A05]中任一项所述的磁阻元件，其中，
钌化合物包括选自由钛、锆、铪、镍、铜、铬、镍-铁、镍-铁-铬和镍-铬组成的组中的至少一种类型的元素或元素组。
[A07]根据[A01]至[A06]中任一项所述的磁阻元件，其中，
所述磁化固定层具有层叠的铁磁结构，所述层叠的铁磁结构包括至少两个层叠的磁性材料层。
[A08]根据[A07]所述的磁阻元件，其中，
形成所述层叠的铁磁结构的所述磁性材料层中的一个包括选自由铁、钴和镍组成的组中的至少一种类型的元素，或者包括选自由铁、钴、镍和硼组成的组中的至少一种类型的元素；以及
形成所述层叠的铁磁结构的所述磁性材料层中的另一个由包括选自由铁、钴和镍组成的组中的至少一种类型的元素和选自由铂、钯、镍和铑组成的组中的至少一种类型的元素作为主要成分的材料形成。
[A09]根据[A07]或[A08]所述的磁阻元件，其中，
所述层叠的铁磁结构还包括在形成所述层叠的铁磁结构的一个磁性材料层与第二层叠结构体之间的非磁性材料层，所述非磁性材料层包括选自由钒、铬、铌、钼、钽、钨、铪、锆、钛和钌组成的组中的至少一种类型的元素。
[A10]根据[A01]至[A09]中任一项所述的磁阻元件，其中，
所述存储层由钴、铁和镍制成的金属材料形成，或者由钴、铁、镍和硼制成的金属材料形成。
[A11]根据[A01]至[A10]中任一项所述的磁阻元件，其中，
所述中间层由MgO制成。
[A12]根据[A01]至[A11]中任一项所述的磁阻元件，还包括：
盖层，所述盖层被形成为与第二层叠结构体的第二表面接触。
[A13]根据[A12]所述的磁阻元件，其中，
所述盖层具有单层结构或层叠结构，所述单层结构包括选自由铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、镁、钌、铑、钯和铂组成的组中的至少一种类型的材料，该层叠结构包括选自由铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、钌、铑、钯和铂组成的组中的至少一种类型的材料层和选自由MgTiO、MgO、AlO和SiO组成的组中的至少一种类型的氧化物层。
[A14]根据[A01]至[A13]中任一项所述的磁阻元件，其中，
所述存储层的磁化方向根据要存储的信息而改变；以及
所述存储层的易磁化轴平行于第二层叠结构体的层叠方向。
[A15]根据[A14]所述的磁阻元件，其中，
所述磁阻元件是垂直磁化法的自旋注入型磁阻效应元件。
[A16]根据[A14]或[A15]所述的磁阻元件，其中，
第一层叠结构体的第一表面连接到第一导线，并且第二层叠结构体的第二表面连接到第二导线；以及
当在第一导线与第二导线之间供应电流时，信息将被存储在所述存储层中。
[A17]根据[A01]至[A16]中任一项所述的磁阻元件，其中，
满足以下表达式：
B/A≤0.05，
其中，(002)平面的衍射峰强度的值为A，并且(012)平面的衍射峰强度的值为B，所述值是基于第一层叠结构体的第二层的X射线衍射法获得的。
[B01]<电子设备>
一种电子设备，包括：
[A01]至[A17]中任一项所述的磁阻元件。
附图标记列表
10 磁阻元件
20 第一层叠结构体
20A 第一层叠结构体的第一表面
20B 第一层叠结构体的第二表面
21 第一层叠结构体的第一层
22 第一层叠结构体的第二层
23 金属层
30 第二层叠结构体
30A 第二层叠结构体的第一表面
30B 第二层叠结构体的第二表面
31、31a、31b 磁化固定层
31A 形成层叠的铁磁结构的另一磁性材料层(固定层)
31B 非磁性层
31C 形成层叠的铁磁结构的一个磁性材料层(参考层)
31D 形成层叠的铁磁结构的非磁性材料层
32、32a、32b 中间层
33 存储层
34 盖层
35 基底层
41 第一导线
42 第二导线
51 绝缘材料层
60 半导体衬底
60A 元件隔离区域
61 栅极电极
62 栅极绝缘层
63 通道形成区域
64A、64B 源极/漏极区域
65 钨插头
66 连接孔
67、68 层间绝缘层
100 复合磁头
101 磁阻元件
122 衬底
123 绝缘层
125 第一磁性屏蔽层
127 第二磁性屏蔽层
128、129 偏置层
130、131 连接端子
132 上部核
133 薄膜线圈
TR 选择晶体管

Claims (17)

1.一种磁阻元件，包括：
第一层叠结构体，第一层叠结构体具有第一表面和面向第一表面的第二表面；以及
第二层叠结构体，第二层叠结构体是通过将存储层、中间层和磁化固定层进行层叠而形成的，第二层叠结构体具有第一表面和面向第一表面的第二表面，第一表面被定位为面向第一层叠结构体的第二表面，
第一层叠结构体具有层叠结构，该层叠结构从第一层叠结构体的第一表面侧起包括由金属氮化物制成的第一层和由钌或钌化合物制成的第二层，
其中，满足以下表达式：
B/A≤0.05，
其中，(002)平面的衍射峰强度的值为A，并且(012)平面的衍射峰强度的值为B，所述值是基于第一层叠结构体的第二层的X射线衍射法获得的。
2.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，
所述磁化固定层被定位在第二层叠结构体的第一表面侧。
3.根据权利要求1所述的磁阻元件，还包括：
金属层，所述金属层被形成为与第一层叠结构体的第一表面接触。
4.根据权利要求3所述的磁阻元件，其中，
第一层叠结构体的第一层和所述金属层包括相同的金属元素。
5.根据权利要求4所述的磁阻元件，其中，
形成第一层的材料和形成金属层的材料的组合是(VN，V)、(CrN，Cr)、(NbN，Nb)、(MoN，Mo)、(TaN，Ta)、(WN，W)、(CuN，Cu)或(TiN，Ti)。
6.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，
钌化合物包括选自由钛、锆、铪、镍、铜、铬、镍-铁、镍-铁-铬和镍-铬组成的组中的至少一种类型的元素或元素组。
7.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，
所述磁化固定层具有层叠的铁磁结构，所述层叠的铁磁结构包括至少两个层叠的磁性材料层。
8.根据权利要求7的磁阻元件，其中，
形成所述层叠的铁磁结构的所述磁性材料层中的一个包括选自由铁、钴和镍组成的组中的至少一种类型的元素，或者包括选自由铁、钴、镍和硼组成的组中的至少一种类型的元素；以及
形成所述层叠的铁磁结构的所述磁性材料层中的另一个由包括选自由铁、钴和镍组成的组中的至少一种类型的元素和选自由铂、钯、镍和铑组成的组中的至少一种类型的元素作为主要成分的材料形成。
9.根据权利要求7的磁阻元件，其中，
所述层叠的铁磁结构还包括在形成所述层叠的铁磁结构的一个磁性材料层与第二层叠结构体之间的非磁性材料层，所述非磁性材料层包括选自由钒、铬、铌、钼、钽、钨、铪、锆、钛和钌组成的组中的至少一种类型的元素。
10.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，
所述存储层由钴、铁和镍制成的金属材料形成，或者由钴、铁、镍和硼制成的金属材料形成。
11.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，
所述中间层由MgO制成。
12.根据权利要求1所述的磁阻元件，还包括：
盖层，所述盖层被形成为与第二层叠结构体的第二表面接触。
13.根据权利要求12所述的磁阻元件，其中，
所述盖层具有单层结构或层叠结构，所述单层结构包括选自由铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、镁、钌、铑、钯和铂组成的组中的至少一种类型的材料，该层叠结构包括选自由铪、钽、钨、锆、铌、钼、钛、钒、铬、钌、铑、钯和铂组成的组中的至少一种类型的材料层和选自由MgTiO、MgO、AlO和SiO组成的组中的至少一种类型的氧化物层。
14.根据权利要求1所述的磁阻元件，其中，
所述存储层的磁化方向根据要存储的信息而改变；以及
所述存储层的易磁化轴平行于第二层叠结构体的层叠方向。
15.根据权利要求14所述的磁阻元件，其中，
所述磁阻元件是垂直磁化法的自旋注入型磁阻效应元件。
16.根据权利要求14所述的磁阻元件，其中，
第一层叠结构体的第一表面连接到第一导线，并且第二层叠结构体的第二表面连接到第二导线；以及
当在第一导线与第二导线之间供应电流时，信息将被存储在所述存储层中。
17.一种电子设备，包括：
根据权利要求1至16中任一项所述的磁阻元件。
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