CN109494300A - 磁装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种磁装置及其制造方法。实施方式提供一种既能够得到高的垂直磁各向异性和磁阻效应又能够得到高的保持特性的磁装置及其制造方法。实施方式的磁装置具备磁阻效应元件。上述磁阻效应元件包括第1铁磁性体、第2铁磁性体以及第1稀土类磁性氧化物。上述第1稀土类磁性氧化物设置于上述第1铁磁性体与上述第2铁磁性体之间，将上述第1铁磁性体与上述第2铁磁性体进行磁耦合。

Description

磁装置及其制造方法
本申请享有以日本专利申请2017-175925号(申请日：2017年9月13日)为在先申请的优先权。本申请通过参照该在先申请而包括在先申请的全部的内容。
技术领域
实施方式涉及磁装置及其制造方法。
背景技术
已知有具有磁元件的磁装置。
发明内容
实施方式提供一种既能够得到高的垂直磁各向异性和磁阻效应、又能够得到高的保持特性的磁装置及其制造方法。
实施方式的磁装置具备磁阻效应元件。上述磁阻效应元件包括第1铁磁性体、第2铁磁性体以及第1稀土类磁性氧化物。上述第1稀土类磁性氧化物设置于上述第1铁磁性体与上述第2铁磁性体之间，将上述第1铁磁性体与上述第2铁磁性体进行磁耦合。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式涉及的磁装置的构成的框图。
图2是用于说明第1实施方式涉及的磁装置的存储器单元的构成的截面图。
图3是用于说明第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成的截面图。
图4是用于说明第1实施方式涉及的磁装置中的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
图5是用于说明第1实施方式涉及的磁装置中的磁阻效应元件的制造方法示意图。
图6是用于说明第1实施方式涉及的磁装置中的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
图7是用于说明第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件的特性的图表。
图8是用于说明第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件的特性的表格。
图9是用于说明第1实施方式的第1变形例涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成的截面图。
图10是用于说明第1实施方式的第2变形例涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成的截面图。
图11是用于说明第1实施方式的第3变形例涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成的截面图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，对于具有相同功能和构成的构成要素，标注共同的参照标号。另外，在对具有共同的参照标号的多个构成要素进行区别的情况下，对该共同的参照标号附加下标进行区别。此外，在对于多个构成要素不需要特别进行区别的情况下，对于该多个构成要素仅标注共同的参照标号，而不附加下标。
1.第1实施方式
对于第1实施方式涉及的磁装置进行说明。第1实施方式涉及的磁装置包括例如将磁阻效应(MTJ：Magnetic Tunnel Junction，磁隧道结)元件用作存储元件的、垂直磁化方式的磁存储装置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory，磁性随机存取存储器)。
在以下的说明中，作为磁装置的一例，对于上述的磁存储装置进行说明。
1.1关于构成
首先，对于第1实施方式涉及的磁装置的构成进行说明。
1.1.1关于磁装置的构成
图1是示出第1实施方式涉及的磁装置的构成的框图。如图1所示，磁装置1具备存储器单元阵列11、电流沉(current sink)12、感测放大器及写入驱动器(SA/WD)13、行译码器14、页缓冲器15、输入输出电路16、以及控制部17。
存储器单元阵列11具备与行(row)和列(column)相关联的多个存储器单元MC。并且，例如，处于同一行的存储器单元MC连接于同一字线WL，处于同一列的存储器单元MC的两端连接于同一位线BL和同一源线/BL。
电流沉12连接于位线BL和源线/BL。电流沉12在数据的写入和读出等工作中使位线BL或源线/BL为接地电位。
SA/WD13连接于位线BL和源线/BL。SA/WD13经由位线BL和源线/BL向工作对象的存储器单元MC供给电流，并进行向存储器单元MC的数据写入。另外，SA/WD13经由位线BL和源线/BL向工作对象的存储器单元MC供给电流，并进行从存储器单元MC读出数据。更具体而言，SA/WD13的写入驱动器进行向存储器单元MC的数据写入，SA/WD13的感测放大器进行从存储器单元MC的数据读出。
行译码器14经由字线WL与存储器单元阵列11连接。行译码器14对指定存储器单元阵列11的行方向的行地址进行译码。并且，根据译码结果来选择字线WL，对所选择的字线WL施加数据的写入和读出等工作所需要的电压。
页缓冲器15将要被写入存储器单元阵列11内的数据以及从存储器单元阵列11读出了的数据以被称为页的数据单位进行暂时地保持。
输入输出电路16将从磁装置1的外部接收到的各种信号向控制部17和页缓冲器15发送，将来自控制部17和页缓冲器15的各种信息向磁装置1的外部发送。
控制部17与电流沉12、SA/WD13、行译码器14、页缓冲器15以及输入输出电路16连接。控制部17按照输入输出电路16从磁装置1的外部接收到的各种信号，来控制电流沉12、SA/WD13、行译码器14以及页缓冲器15。
1.1.2关于存储器单元的构成
接着，利用图2对第1实施方式涉及的磁装置的存储器单元的构成进行说明。在以下的说明中，将平行于半导体基板20的面定义为xy平面，将垂直于该xy平面的轴定义为z轴。x轴和y轴定义为在xy平面内互相正交的轴。图2示出了用xz平面切断了第1实施方式涉及的磁装置1的存储器单元MC的情况下的截面图的一例。
如图2所示，存储器单元MC设置在半导体基板20上，包括选择晶体管21和磁阻效应元件22。选择晶体管21被设置为在向磁阻效应元件22的数据写入和读出时对电流的供给和停止进行控制的开关。磁阻效应元件22包含层叠了的多个膜，能够通过使电流在垂直于膜面的方向上流动从而将电阻值切换成低电阻状态和高电阻状态。磁阻效应元件22作为能够通过该电阻状态的变化来写入数据、不易失地保持被写入了的数据且能够读出的存储元件而发挥功能。
选择晶体管21包括：连接于作为字线WL发挥功能的布线层23的栅和在沿着该栅的x方向的两端设置于半导体基板20的表面的1对源区域或漏区域24。选择晶体管21中包含于半导体基板20内的区域也称为活性区域。活性区域，例如以不与其他存储器单元MC的活性区域电连接的方式，通过未图示的元件分离区域(STI：Shallow trench isolation，浅沟道隔离)而互相绝缘。
布线层23隔着半导体基板20上的绝缘层25沿着y方向设置，共同连接于例如沿着y方向排列的其他存储器单元MC的选择晶体管21(未图示)的栅。布线层23例如在x方向上排列。
选择晶体管21的一端经由设置在源区域或漏区域24上的接触插塞(contactplug)26而连接在磁阻效应元件22的下表面上。在磁阻效应元件22的上表面上设置有接触插塞27。磁阻效应元件22经由接触插塞27而连接于作为位线BL发挥功能的布线层28。布线层28在x方向上延伸，共同连接于例如在x方向上排列的其他存储器单元MC的磁阻效应元件22(未图示)的另一端。
选择晶体管21的另一端经由设置在源区域或漏区域24上的接触插塞29而连接于作为源线/BL发挥功能的布线层30。布线层30在x方向上延伸，共同连接于例如在x方向上排列的其他存储器单元MC的选择晶体管21(未图示)的另一端。
布线层28和30例如在y方向上排列。布线层28例如位于布线层30的上方。此外，在图2中虽然进行了省略，但是布线层28和30以互相避免物理和电干涉的方式配置。选择晶体管21、磁阻效应元件22、布线层23、28及30还有接触插塞26、27及29，被层间绝缘膜31覆盖。
此外，相对于磁阻效应元件22沿着x方向或y方向排列的其他磁阻效应元件22(未图示)，例如设置在同一阶层上。即，在存储器单元阵列11内，多个磁阻效应元件22例如沿着半导体基板20扩展开的方向排列。
1.1.3关于磁阻效应元件
接着，利用图3对第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成进行说明。图3是示出用垂直于xy平面的平面切断第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件所得到的截面的截面图的一例。
如图3所示，磁阻效应元件22包括作为衬底层(Under layer)发挥功能的非磁性层110、作为存储层(Storage layer)发挥功能的铁磁性层120、作为隧道势垒层(Tunnelbarrier layer)和晶种层(Seed layer)发挥功能的非磁性层130、作为参考层(Referencelayer)发挥功能的铁磁性层140、以及作为覆盖层(Capping layer)发挥功能的非磁性层150。在图3之后的图中，非磁性层110、铁磁性层120、非磁性层130、铁磁性层140以及非磁性层150也分别被示为“UL”、“SL”、“TB/SEED”、“RL”以及“CAP”。
磁阻效应元件22例如从半导体基板20侧起按照非磁性层110、铁磁性层120、非磁性层130、铁磁性层140以及非磁性层150的顺序依次在z轴方向上层叠有多个膜。磁阻效应元件22是例如铁磁性层120和140的磁化方向(magnetization orientation)分别朝向与膜面垂直的方向的、垂直磁化型MTJ元件。
非磁性层110为非磁性的膜，例如包含选自氧化镁(MgO)、氧化铝(AlO)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO)、氮化镁(MgN)、氮化锆(ZrN)、氮化铌(NbN)、氮化硅(SiN)、氮化铝(AlN)、氮化铪(HfN)、氮化钽(TaN)、氮化钨(WN)、氮化铬(CrN)、氮化钼(MoN)、氮化钛(TiN)以及氮化钒(VN)等氮化合物和氧化合物中的至少任一种。另外，非磁性层110也可以包含上述的氮化合物与氧化合物的混合物。也就是说，非磁性层110不限于由二种元素构成的二元化合物，也可以包含由三种元素构成的三元化合物例如氮化铝钛(AlTiN)等。氮化合物和氧化合物抑制与它们相接的磁性层的阻尼常数(damping constant)上升，能得到写入电流下降的效果。并且，进一步通过使用高熔点金属的氮化合物或氧化合物，能够抑制衬底层材料向磁性层的扩散并能够防止MR比的劣化。在此所谓高熔点金属为熔点比铁(Fe)、钴(Co)高的材料，例如锆(Zr)、铪(Hf)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钽(Ta)以及钒(V)。
铁磁性层120是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性层，包含选自铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的至少任一种。另外，铁磁性层120也可以还包含选自硼(B)、磷(P)、碳(C)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钼(Mo)、铬(Cr)、铪(Hf)、钨(W)以及钛(Ti)中的至少任一种作为杂质。更具体而言。例如，铁磁性层120也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。铁磁性层120具有朝向半导体基板20侧和铁磁性层140侧中的任一个方向的磁化方向。铁磁性层120的磁化方向被设定成与铁磁性层140相比较容易反转。
非磁性层130为非磁性，例如包含选自氧化镁(MgO)、氧化铝(AlO)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO)以及镧锶锰氧(Lanthanum-strontium-manganese oxide)中的至少任一种。非磁性层130在相邻的铁磁性层120和140的结晶化处理中作为成为使结晶膜从与铁磁性层120和140的界面开始生长的核的晶种层而发挥功能。关于结晶化处理的详细情况，在后叙述。
铁磁性层140为在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性层。铁磁性层140的磁化方向被固定，朝向铁磁性层120侧和非磁性层150侧中任一侧(在图3的例子中朝向非磁性层150侧)。此外，所谓“磁化方向固定”意味着磁化方向不会因能够使铁磁性层120的磁化方向反转的大小的电流而变化。铁磁性层120、非磁性层130以及铁磁性层140通过非磁性层130作为隧道势垒层而发挥功能从而构成了磁隧道结。
另外，铁磁性层140包括作为界面参考层(Interface reference layer)发挥功能的铁磁性层141、作为作用层(Function layer)发挥功能的稀土类磁性氧化物(REFMO)层(Rare-earth ferromagnetic oxide layer)142、作为主参考层(Main reference layer)发挥功能的铁磁性层143、以及作为晶种层发挥功能的非磁性层144。铁磁性层140例如从半导体基板20侧按铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142、铁磁性层143以及非磁性层144的顺序依次在z轴方向上层叠有多个膜。在图3之后的图中，铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142、铁磁性层143以及非磁性层144分别也被示为“IRL”、“FL/REFMO”、“MRL”以及“SEED”。
铁磁性层141与铁磁性层120同样地，也包含选自铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的至少任一种。另外，铁磁性层140与铁磁性层120同样地，也可以还包含上述的杂质中的至少一种。更具体而言，例如，铁磁性层141也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。
稀土类磁性氧化物层142是包含稀土类氧化物(REO：Rare-earth oxide layer)的层，例如包含选自铽(Tb)、钆(Gd)、钕(Nd)、钇(Y)、钐(Sm)、钷(Pm)、铥(Tm)、钪(Sc)、铈(Ce)、铓(Eu)、铒(Er)、钬(Ho)、镧(La)、镱(Yb)、镥(Lu)、镨(Pr)以及镝(Dy)中的至少任一种的氧化物。稀土类氧化物具有元素彼此的间隔比较大的结晶构造。因此，稀土类磁性氧化物层142，具有在相邻的铁磁性层141和143为含杂质的非晶质(处于无定形状态)时在高温环境(例如退火处理)下使该杂质向稀土类磁性氧化物层142内扩散的功能。即，稀土类磁性氧化物层142具有通过退火处理从无定形状态的铁磁性层141和143中去除杂质并成为高取向的结晶状态的功能。关于退火处理的详细情况，在后叙述。
另外，稀土类磁性氧化物层142还包含具有磁性的元素。具体而言，稀土类磁性氧化物层142还包含选自铁(Fe)、钴(Co)、Ni(镍)以及Mn(锰)中的至少任一种。因此，稀土类磁性氧化物层142在由2个铁磁性层夹持为三明治状的情况下，也作为将该2个铁磁性层进行磁耦合的作用层发挥作用。即，稀土类磁性氧化物层142将铁磁性层141和铁磁性层143进行磁耦合。
另外，稀土类磁性氧化物层142与铁磁性层120和141同样地，也可以包含上述的杂质中的至少一种。
此外，优选地，稀土类磁性氧化物层142的寄生电阻比非磁性层130的寄生电阻小。更优选地，稀土类磁性氧化物层142的寄生电阻为非磁性层130的百分之十以下，例如优选地为比几nm(纳米)(例如2nm)薄的层。
铁磁性层143为在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性层，例如通过与铁磁性层141进行磁耦合而变为平行于铁磁性层141的磁化方向。因此，铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142、铁磁性层143以及非磁性层144，能够视为具有大的垂直磁化的1个铁磁性层。铁磁性层143例如与铁磁性层120和141同样地包含铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的任一种。另外，铁磁性层143与铁磁性层120和铁磁性层141同样地也可以还包含上述的杂质中的至少1种。更具体而言，例如铁磁性层143也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。
非磁性层144为非磁性的膜，例如包含选自氧化镁(MgO)、氧化铝(AlO)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO)以及镧锶锰氧(Lanthanum-strontium-manganese oxide)中的至少任一种。另外，非磁性层144也可以包含选自铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)以及铬(Cr)中的至少一种。非磁性层144在铁磁性层143的结晶化处理中作为成为用于使结晶膜从与铁磁性层143的界面生长的核的晶种层发挥功能。
非磁性层150为非磁性，例如包含选自铂(Pt)、钨(W)、钽(Ta)以及钌(Ru)中的至少任一种。
在第1实施方式中，可以应用使写入电流直接在这样的磁阻效应元件22中流动，通过该写入电流来控制铁磁性层120的磁化方向的自旋注入写入方式。磁阻效应元件22能够通过铁磁性层120与铁磁性层140的磁化方向的相对关系是平行还是反平行而采取低电阻状态和高电阻状态中的某一个状态。
若在磁阻效应元件22中流动图3中的箭头a1的方向、即从铁磁性层120朝向铁磁性层140的写入电流，则铁磁性层120与铁磁性层140的磁化方向的相对关系变为平行。在该平行状态的情况下，磁阻效应元件22的电阻值变为最低，磁阻效应元件22被设定成低电阻状态。该低电阻状态被称为“P(Parallel，平行)状态”，例如规定为数据“0”的状态。
若在磁阻效应元件22中流动图3中的箭头a2的方向、即从铁磁性层140朝向铁磁性层120的写入电流，则铁磁性层120与铁磁性层140的磁化方向的相对关系变为反平行。在该反平行状态的情况下，磁阻效应元件22的电阻值变为最高，磁阻效应元件22被设定成高电阻状态。该高电阻状态被称为“AP(Anti-Parallel，反平行)状态”，例如规定为数据“1”的状态。
1.2.关于磁阻效应元件的制造方法
接着，对于第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件的制造方法进行说明。在以下的说明中，对于磁阻效应元件22内的各构成要素中的、铁磁性层140(参考层RL)的制造方法进行说明，对于其他构成要素省略对其的说明。
图4、图5以及图6是用于对第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件的制造方法进行说明的示意图。在图4～图6中，示出了铁磁性层140内的铁磁性层141和143因退火处理而从无定形状态变为结晶状态的过程。
如图4所示，非磁性层130、铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142、铁磁性层143以及非磁性层144按该顺序层叠。铁磁性层141和143作为包含杂质的无定形状态的层而层叠。稀土类磁性氧化物层142具有包含稀土类元素和具有磁性的元素的结晶构造。
此外，在图4之后的图中，为了方便，稀土类元素用“○”表示，稀土类磁性氧化物层142内的具有磁性的元素用“△”表示，在层叠时铁磁性层141和143内所含的杂质用“×”表示。
接着，如图5所示，对在图4中层叠了的各层进行退火处理。具体而言，通过从外部对各层施加热，由此铁磁性层141和143从非晶质向准晶质变换。在此，非磁性层130起到控制铁磁性层141的结晶构造的取向的作用。即，铁磁性层141以非磁性层130为晶种而生长结晶构造(结晶化处理)。由此，铁磁性层141在与非磁性层130的结晶面相同的结晶面内取向。
上述的从非磁性层130开始的铁磁性层141的结晶构造的生长，在铁磁性层143与非磁性层144之间也同样地进行。即，铁磁性层143以非磁性层144为晶种而使结晶构造生长。由此，铁磁性层143在与非磁性层144的结晶面相同的结晶面内取向，从非晶质向准晶质变换。
另外，伴随铁磁性层141和143成为结晶构造，铁磁性层141和143内所含的杂质向稀土类磁性氧化物层142内扩散。由此，能够进一步促进铁磁性层141和143的结晶化。
并且，如图6所示，退火处理结束。铁磁性层141和143在杂质基本上都被去除了的状态下进行结晶化，因此优质地进行结晶化。由此，能够提高界面磁各向异性等诸多特性。此外，希望在铁磁性层141和143中不要残留杂质，但是，残留有少量的杂质也可以。该情况下，会在铁磁性层141和143以及稀土类磁性氧化物层142中包含同样的杂质。
另外，铁磁性层141和143以夹持包含具有磁性的元素的稀土类磁性氧化物层142的方式层叠。因此，铁磁性层141和143能够在之后进行的磁化工序中互相磁耦合，能够整体上作为1个铁磁性层来动作。即，铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142、铁磁性层143以及非磁性层144能够作为1个铁磁性层140(参考层RL)来动作。由此，能够制造与仅由铁磁性层141构成的情况相比、磁性体的体积大了铁磁性层143的量的构造的参考层RL。
以上，参考层RL的制造结束。
1.3.关于本实施方式涉及的效果
根据第1实施方式，磁阻效应元件既能够得到高的垂直磁各向异性及磁阻效应、又能够得到高的保持特性。关于本效果，以下利用图7及图8进行说明。
图7及图8分别是用于对第1实施方式涉及的磁装置的磁阻效应元件的特性进行说明的图表及表格。在图7及图8中，对在第1实施方式中说明了的磁阻效应元件22的特性与具有不同构成的其他磁阻效应元件的特性进行比较。
在图7中，界面参考层IRL的界面磁各向异性的大小被比较。更具体而言，在图7中，示出了将横轴设为磁化Ms×t、将纵轴设为各向异性磁场Hk的情况下的3个层叠构造S1、S2以及S3的特性。在此，磁化Ms×t为饱和磁化Ms与界面参考层IRL的厚度t之积。图7中所示的特性表示越是位于右上(即磁化Ms×t大且各向异性磁场Hk大)，则界面参考层IRL的界面磁各向异性越大。
在以下的说明中，将晶种层SEED、界面参考层IRL以及金属层METAl按该顺序层叠而成的构成称为层叠构造S1。另外，将晶种层SEED、界面参考层IRL以及稀土类氧化物层REO按该顺序层叠而成的构成、和晶种层SEED、界面参考层IRL以及稀土类磁性氧化物层REFMO按该顺序层叠而成的构成，分别称为层叠构造S2和S3。在此，为了与稀土类磁性氧化物层REFMO区别开，稀土类氧化物层REO作为非磁性的层来进行说明。即，层叠构造S3与第1实施方式涉及的磁阻效应元件22所包含的构成对应。
如图7所示，层叠构造S1表现出用线L1表示的特性。层叠构造S2和S3表现出用位于比线L1靠右上的位置的线L2表示的特性。
如上所述，稀土类氧化物层REO具有稀土类元素彼此的间隔宽的结晶构造。因此，稀土类氧化物层REO具有在对无定形状态的界面参考层IRL进行退火处理使其结晶化时将界面参考层IRL内的杂质取入其内部的功能。除此之外，稀土类氧化物层REO是氧化物的标准生成自由能的绝对值大且非常稳定的氧化物。因此，在退火处理中，稀土类元素与氧元素的离解难以发生。因此，可抑制从稀土类氧化物层REO向界面参考层IRL的元素的扩散。因此，与稀土类氧化物层REO相接的界面参考层IRL能够成为更高取向的准晶质，进而能够发挥高的界面磁各向异性。
上述的特性，即使在稀土类氧化物层REO是包含具有磁性的金属元素的稀土类磁性氧化物层REFMO的情况下也相同。因此，稀土类氧化物层REO及稀土类磁性氧化物层REFMO用表示同等的界面磁各向异性的线L2来表示。
另一方面，金属层METAl与稀土类氧化物层REO及稀土类磁性氧化物层REFMO相比较，内部的金属元素容易向界面参考层IRL内扩散。因此，与金属层METAl相接的界面参考层IRL，和与稀土类氧化物层REO相接的界面参考层IRL相比，杂质更多地残留。因此，层叠构造S1的特性用比表示层叠构造S2和S3的特性的线L2小的表示界面磁各向异性的线L1来表示。
此外，在图7中，对于在晶种层的上层层叠有界面参考层IRL的情况进行了说明，但是上述的特性即使在使层叠顺序相反的情况下也相同。也就是说，即使在晶种层SEED的下表面上层叠界面参考层IRL、在界面参考层IRL的下表面上层叠有金属层METAl、稀土类氧化物层REO以及稀土类磁性氧化物层REFMO的情况下，在界面磁各向异性的观点下，也具有与上述相同的特性。
另外，在图8中，作为磁阻效应元件22的特性，将2个特性进行比较。2个特性之一是隧道磁阻(TMR：Tunnel Magnetoresistance)特性和垂直磁各向异性(PMA：PerpendicularMagnetic Anisotropy)，另一个是保持(retention)特性。
首先，对于隧道磁阻特性及垂直磁各向异性进行说明。隧道磁阻特性和垂直磁各向异性例如与界面磁各向异性的大小相关。如在图7中详述的那样，在层叠构造S1中金属层METAl会阻碍界面参考层IRL的结晶化，与此相对，在层叠构造S2和S3中，稀土类氧化物层REO和稀土类磁性氧化物层REFMO能够将界面参考层IRL内的杂质去除。因此，层叠构造S2和S3能够通过使界面磁各向异性比层叠构造S1加强来提高隧道磁阻特性和垂直磁各向异性。
接着，对于保持特性进行说明。所谓保持特性意味着通过来自外部的热实现的磁阻效应元件22的电阻状态反转的难易度。保持特性例如可以通过以下的式子所示的磁化能ΔE的大小来定量地评价。
ΔE＝Ku×Vol/(kB×T)≒Ms×Hk×A×t/(kB×T)
其中，Ku为各向异性能、Ku＝Ms×Hk。Ms和Hk分别是饱和磁化和各向异性磁场。各向异性磁场Hk，在铁磁性层可视为单磁区构造的情况下，能够近似为Hk≒Hc。Hc为矫顽磁力。Vol为体积，Vol＝A×t。A和t分别是沿着xy平面的截面面积和沿着z轴方向的膜厚。kB和T分别是玻耳兹曼常数和温度。
根据上式，铁磁性层的体积Vol越大(即膜厚t越厚)，则对于热的保持特性越大。
如上所述，层叠构造S1与层叠构造S2和S3相比，界面磁各向异性(即、与各向异性磁场Hk和磁化Ms×t之积对应的值)小，因此在界面参考层IRL单层中，与层叠构造S2和S3相比，保持特性也会变小。然而，在将具有磁性的元素应用于金属层METAl时，通过在金属层METAl的上层进一步层叠主参考层MRL，由此能够使界面参考层IRL与主参考层MRL进行磁耦合。由此，可以将界面参考层IRL和主参考层MRL视为1个铁磁性层，因此能够得到实质上使膜厚t增大的效果，进而能够使磁化能ΔE增大。因此，层叠构造S1能够通过铁磁性层的层叠来增加保持特性。
层叠构造S2和S3，在界面参考层IRL单层中彼此在体积Vol上没有表现出差异，因此成为同等的保持特性。然而，稀土类氧化物层REO在不包含具有磁性的元素的情况下，不具有磁性，因此不能如上述的层叠构造S1那样使界面参考层IRL和主参考层MRL进行磁耦合。因此，层叠构造S2无法得到实质上使膜厚t增加的效果，进而无法使磁化能ΔE增加。因此，层叠构造S2无法通过铁磁性层的层叠来使保持特性增加。
另一方面，稀土类磁性氧化物层REFMO具有磁性，因此能够如上述的层叠构造S1那样使界面参考层IRL和主参考层MRL进行磁耦合。因此，层叠构造S3能够得到实质上使膜厚t增加的效果，进而能够使磁化能ΔE增加。因此，层叠构造S3能够通过铁磁性层的层叠来使保持特性增加。
如以上那样，层叠构造S3能够得到比层叠构造S1高的隧道磁阻特性和垂直磁各向异性。另外，层叠构造S3能够通过在稀土类磁性氧化物层REFMO的上层进一步层叠主参考层MRL而得到比层叠构造S2高的保持特性。
在第1实施方式中，磁阻效应元件22包括铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142以及铁磁性层143。铁磁性层141和143分别设置在稀土类磁性氧化物层142的下表面上和上表面上。由此，铁磁性层141和143能够互相磁耦合，可以视为实质上膜厚t比铁磁性层141单层厚的1个铁磁性层。因此，能够使参考层RL的保持特性提高，例如即使在后续的回流焊(reflow)工序等高温环境下也能够抑制铁磁性层140的磁化方向反转。
另外，关于磁阻效应元件22，在铁磁性层141的下表面上设置有非磁性层130，在铁磁性层143的上表面上设置有非磁性层144。由此，在退火处理中，铁磁性层141和143分别能够以非磁性层130和144为晶种而使结晶生长。因此，铁磁性层141和143可以从无定形状态向高取向的结晶状态变换，进而可以得到高的界面磁各向异性。
另外，在退火处理中，能够使铁磁性层141和143内的杂质向稀土类磁性氧化物层142内扩散。因此，能够促进铁磁性层141和143的结晶化。因此，最终，铁磁性层141和143能够得到高的磁阻效应和垂直磁各向异性。
另外，稀土类磁性氧化物层142被设计为寄生电阻比非磁性层130的寄生电阻小。由此，能够抑制流向磁阻效应元件22的写入电流过度变大。因此，能够容易地将磁阻效应元件22应用于磁存储装置。
2.变形例等
不限于在上述的第1实施方式中叙述了的方式，可以进行各种变形。
2.1第1变形例
在第1实施方式中，对于铁磁性层140包括铁磁性层143和非磁性层144的例子进行了说明，但是不限于此。例如，铁磁性层140也可以取代铁磁性层143和非磁性层144而包括铁磁性层143a。
以下，仅对与第1实施方式不同的点进行说明。
图9是用于对第1实施方式的第1变形例涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成进行说明的截面图。图9与在第1实施方式中说明了的图3对应。
如图9所示，铁磁性层140包括铁磁性层141a、稀土类磁性氧化物层142a以及铁磁性层143a。
铁磁性层141a和稀土类磁性氧化物层142a，与图3的铁磁性层141和稀土类磁性氧化物层142相同，因此省略说明。
铁磁性层143a是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性层，通过与铁磁性层141a磁耦合而变为平行于铁磁性层141a的磁化方向。因此，铁磁性层141a、142a以及143a可以视大的具有垂直磁化的1个铁磁性层。铁磁性层143a包含例如铁铂(FePt)、铁钯(FePd)、铁铑(FeRh)、钴铑(CoRh)、钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)或钴钯(CoPd)。铁磁性层143a例如包含上述的化合物的多层膜。具体而言，例如，铁磁性层143a包含铁(Fe)与铂(Pt)的多层膜(Fe/Pt多层膜)、铁(Fe)与钯(Pd)的多层膜(Fe/Pd多层膜)、铁(Fe)与铑(Rh)的多层膜(Fe/Rh多层膜)、钴(Co)与铑(Rh)的多层膜(Co/Rh多层膜)、钴(Co)与铂(Pt)的多层膜(Co/Pt多层膜)、钴(Co)与镍(Ni)的多层膜(Co/Ni多层膜)、或者钴(Co)与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)。
通过如以上那样进行构成，由此铁磁性层143a可以设为不具有界面磁各向异性而是具有体(bulk)磁各向异性或多层膜的磁各向异性的铁磁性层。因此，无需为了得到界面磁各向异性，而如图3中的铁磁性层143那样在退火处理中使其从无定形状态结晶化的工序。另外，由于无需结晶化，因此无需图3中的非磁性层144那样设置用于得到高取向的结晶的晶种层。
稀土类磁性氧化物层142a，即使在铁磁性层143a因界面磁各向异性以外的磁各向异性而成为铁磁性层的情况下，也能够将铁磁性层141a和143a磁耦合。因此，即使在第1变形例的构成中也能够起到与第1实施方式相同的效果。
2.2第2变形例
另外，在第1实施方式中，对于铁磁性层140包含1个稀土类磁性氧化物层142的例子进行了说明，但是不限于此。例如，铁磁性层140也可以包含多个稀土类磁性氧化物层。
以下，仅对与第1实施方式不同的点进行说明。
图10是用于对第1实施方式的第2变形例涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成进行说明的截面图。图10与在第1实施方式中说明了的图3对应，作为一例，示出了在铁磁性层140内包含2个稀土类磁性氧化物层的情况。
如图10所示，铁磁性层140包含铁磁性层141b、稀土类磁性氧化物层142b、铁磁性层143b、稀土类磁性氧化物层144b、铁磁性层145b以及非磁性层146b。
铁磁性层141b、稀土类磁性氧化物层142b以及铁磁性层143b，与图3的铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142以及铁磁性层143相同，因此省略说明。
稀土类磁性氧化物层144b为包含稀土类氧化物的层，与稀土类磁性氧化物层142b同样地，包含上述的稀土类氧化物中的至少1种氧化物。因此，稀土类磁性氧化物层144b具有在相邻的铁磁性层143b和145b是包含杂质的非晶质的时、在高温环境下使该杂质向稀土类磁性氧化物层144b内扩散的功能。即，稀土类磁性氧化物层144b具有通过退火处理而从无定形状态的铁磁性层143b和145b中去除杂质成为高取向的结晶状态的功能。
另外，稀土类磁性氧化物层144b，与稀土类磁性氧化物层142b同样地，作为具有磁性的元素，还包含选自铁(Fe)、钴(Co)、Ni(镍)以及Mn(锰)中的至少任一种。因此，稀土类磁性氧化物层144b在由2个铁磁性层夹持为三明治状的情况下，也作为将该2个铁磁性层进行磁耦合的作用层而发挥功能。即，稀土类磁性氧化物层144b将铁磁性层143b与铁磁性层145b磁耦合。
另外，稀土类磁性氧化物层144b与铁磁性层120、141b以及143b同样地，也可以还包含上述的杂质中的至少一种。
此外，稀土类磁性氧化物层144b与稀土类磁性氧化物层142b同样地，为了使寄生电阻变小，希望比非磁性层130薄。
铁磁性层145b为在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性层，通过与铁磁性层143b磁耦合而变为平行于铁磁性层141b和143b的磁化方向。因此，铁磁性层141b～145b可以视为具有大的垂直磁化的1个铁磁性层。铁磁性层145b例如与铁磁性层120、141b以及143b同样地，包含选自铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的任意一种。另外，铁磁性层145b与铁磁性层120、141b以及143b同样地，也可以还包含上述的杂质中的至少一种。
非磁性层146b与图3的非磁性层144相同，因此省略说明。
通过如以上那样进行构成，铁磁性层140不仅能够使2个铁磁性层141b和143b进行磁耦合，还能够使追加的铁磁性层145b也一起进行磁耦合。由此，能够使铁磁性层140的实质上的膜厚t进一步变厚，进而能够使铁磁性层140的保持特性进一步提高。
2.3第3变形例
在第1实施方式中，对于磁阻效应元件22中的铁磁性层140包含稀土类磁性氧化物层142的例子进行了说明，但是不限于此。例如，磁阻效应元件22也可以是，不仅是在铁磁性层140内、在铁磁性层120内也包含稀土类磁性氧化物层。
以下，仅对与第1实施方式不同的点进行说明。
图11是用于对第1实施方式的第3变形例涉及的磁装置的磁阻效应元件的构成进行说明的截面图。图11与在第1实施方式中说明了的图3对应，示出在铁磁性层120内也包含稀土类磁性氧化物层的情况。
如图11所示，铁磁性层120包括作为晶种层发挥功能的非磁性层121、作为存储层的一部分发挥功能的铁磁性层122、作为作用层发挥功能的稀土类磁性氧化物层123、以及作为存储层的一部分发挥功能的铁磁性层124。关于铁磁性层120例如从半导体基板20侧起按非磁性层121、铁磁性层122、稀土类磁性氧化物层123以及铁磁性层124的顺序在z轴方向上层叠有多个膜。在图11中，非磁性层121、铁磁性层122、稀土类磁性氧化物层123以及铁磁性层124分别也示为“SEED”、“SL1”、“FL/REFMO”、“SL2”。
非磁性层121例如具有与非磁性层144同样的构成。非磁性层121作为在铁磁性层122的结晶化处理中、成为用于使结晶膜从与铁磁性层122的界面开始生长的核的晶种层而发挥功能。
铁磁性层122例如具有与铁磁性层141相同的构成。
稀土类磁性氧化物层123例如具有与稀土类磁性氧化物层142相同的构成。稀土类磁性氧化物层123，具有在相邻的铁磁性层122和124是包含杂质的非晶质的情况下、在高温环境下使该杂质向稀土类磁性氧化物层123内扩散的功能。即，稀土类磁性氧化物层123具有通过退火处理从无定形状态的铁磁性层122和124中去除杂质并成为高取向的结晶状态的功能。另外，稀土类磁性氧化物层123将铁磁性层122与铁磁性层124磁耦合。
此外，稀土类磁性氧化物层123与稀土类磁性氧化物层142同样地，为了使寄生电阻变小，希望比非磁性层130薄。
铁磁性层124为在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性层，通过与铁磁性层122磁耦合而变为平行于铁磁性层122的磁化方向。因此，非磁性层121、铁磁性层122、稀土类磁性氧化物层123以及铁磁性层124可以视为具有大的垂直磁化的1个铁磁性层。铁磁性层124例如具有与铁磁性层122相同的构成。
通过如以上那样进行构成，关于铁磁性层120，也与铁磁性层140同样地，既能够得到高的磁阻效应和垂直磁各向异性，又能够得到高的保持特性。
3.其他
对于在上述的第1实施方式和各变形例中叙述了的磁阻效应元件22为存储层SL设置于半导体基板20侧的底部自由(bottom free)型的情况进行了说明，但是也可以是参考层RL设置于半导体基板20侧的顶部自由(top free)型。
另外，在上述的第2变形例中，对于2个稀土类磁性氧化物层和3个铁磁性层交替地层叠的情况进行了说明，但是层叠数也可以进一步增加。例如，也可以设为n个稀土类磁性氧化物层和(n+1)个铁磁性层交替层叠的构成(n为任意自然数)。
并且，在上述的第1实施方式和各变形例中，作为具备磁阻效应元件的磁装置的一例对于具备MTJ元件的磁存储装置进行了说明，但是不限于此。例如，磁装置包括传感器、介质等需要具有垂直磁各向异性的磁元件的其他设备。该磁元件是例如至少包括图3中说明了的铁磁性层141、稀土类磁性氧化物层142以及铁磁性层143的元件。此外，在非磁性层130进一步与该磁元件相接地设置的情况下，非磁性层130不限于在上述的第1实施方式和各变形例中说明了的绝缘体，也可以是导电体。具体而言，例如，非磁性层130也可以包含选自铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、钌(Ru)、铱(Ir)以及铬(Cr)中的至少一种。
说明了本发明的几个实施方式，但是这些实施方式是作为例子而提出的，并不旨在限定发明的范围。这些新的实施方式也可以以其他各种各样的方式来实施，能够在不脱离发明要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，包含于发明的范围和/或主旨，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围。

Claims (19)

1.一种磁装置，具备磁阻效应元件，
所述磁阻效应元件包括：
第1铁磁性体；
第2铁磁性体；以及
第1稀土类磁性氧化物，其设置于所述第1铁磁性体与所述第2铁磁性体之间，将所述第1铁磁性体与所述第2铁磁性体进行磁耦合。
2.根据权利要求1所述的磁装置，
所述磁阻效应元件还包括：
第3铁磁性体；和
第2稀土类磁性氧化物，其设置于所述第2铁磁性体与所述第3铁磁性体之间，将所述第2铁磁性体与所述第3铁磁性体进行磁耦合。
3.根据权利要求1所述的磁装置，
所述第1稀土类磁性氧化物包含选自铽即Tb、钆即Gd、钕即Nd、钇即Y、钐即Sm、钷即Pm、铥即Tm、钪即Sc、铈即Ce、铓即Eu、铒即Er、钬即Ho、镧即La、镱即Yb、镥即Lu、镨即Pr以及镝即Dy中的任一种和选自铁即Fe、钴即Co、镍即Ni以及锰即Mn中的任一种。
4.根据权利要求3所述的磁装置，
所述第1稀土类磁性氧化物还包含选自硼即B、磷即P、碳即C、铝即Al、硅即Si、钽即Ta、钨即W、钼即Mo、铬即Cr、铪即Hf以及钛即Ti中的任一种。
5.根据权利要求1所述的磁装置，
所述第1铁磁性体和所述第2铁磁性体包含选自铁即Fe、钴即Co以及镍即Ni中的任一种。
6.根据权利要求1所述的磁装置，
所述磁阻效应元件还包含第1晶种和第2晶种，
所述第1铁磁性体设置于所述第1晶种与所述第1稀土类磁性氧化物之间，
所述第2铁磁性体设置于所述第2晶种与所述第1稀土类磁性氧化物之间。
7.根据权利要求1所述的磁装置，
所述磁阻效应元件还包含第1晶种，
所述第1铁磁性体设置于所述第1晶种与所述第1稀土类磁性氧化物之间，
所述第2铁磁性体包括多个层，所述多个层分别包含选自钴即Co、铁即Fe、钯即Pd、铑即Rh以及铂即Pt中的任一种。
8.根据权利要求6所述的磁装置，
所述第1稀土类磁性氧化物的寄生电阻比所述第1晶种的寄生电阻小。
9.根据权利要求6所述的磁装置，
所述第1晶种包含选自氧化镁即MgO、氧化铝即AlO、氧化锌即ZnO、氧化钛即TiO、以及镧锶锰氧即LSMO中的任一种。
10.根据权利要求6所述的磁装置，
所述第1晶种包含选自铂即Pt、钯即Pd、铑即Rh、钌即Ru、铱即Ir以及铬即Cr中的任一种。
11.根据权利要求1所述的磁装置，
还具备包括所述磁阻效应元件的存储器单元。
12.一种磁装置的制造方法，包括：
形成包括第1铁磁性体、第2铁磁性体以及设置于所述第1铁磁性体与所述第2铁磁性体之间的第1稀土类磁性氧化物的层叠体，所述第1铁磁性体和所述第2铁磁性体具有包含杂质的非晶质；
通过作为热处理的退火使所述第1铁磁性体和所述第2铁磁性体从非晶质变换为准晶质；以及
利用所述第1稀土类磁性氧化物所具有的磁性，使变换为所述准晶质后的所述第1铁磁性体与所述第2铁磁性体进行磁耦合。
13.根据权利要求12所述的磁装置的制造方法，
所述第1稀土类磁性氧化物包含选自铽即Tb、钆即Gd、钕即Nd、钇即Y、钐即Sm、钷即Pm、铥即Tm、钪即Sc、铈即Ce、铓即Eu、铒即Er、钬即Ho、镧即La、镱即Yb、镥即Lu、镨即Pr以及镝即Dy中的任一种和选自铁即Fe、钴即Co、镍即Ni以及锰即Mn中任一种。
14.根据权利要求12所述的磁装置的制造方法，
所述第1铁磁性体和所述第2铁磁性体包含选自铁即Fe、钴即Co以及镍即Ni中的任一种。
15.根据权利要求12所述的磁装置的制造方法，
所述第1稀土类磁性氧化物，
在所述退火前不包含所述杂质，在所述退火后包含从所述第1铁磁性体和所述第2铁磁性体扩散来的所述杂质。
16.根据权利要求15所述的磁装置的制造方法，
所述杂质还包含选自硼即B、磷即P、碳即C、铝即Al、硅即Si、钽即Ta、钨即W、钼即Mo、铬即Cr、铪即Hf以及钛即Ti中的任一种。
17.根据权利要求12所述的磁装置的制造方法，
所述形成的步骤包括形成还包括设置在所述第1铁磁性体上的第1晶种的所述层叠体。
18.根据权利要求17所述的磁装置的制造方法，
所述第1晶种包含选自氧化镁即MgO、氧化铝即AlO、氧化锌即ZnO、氧化钛即TiO以及镧锶锰氧即LSMO中的任一种。
19.根据权利要求17所述的磁装置的制造方法，
所述第1晶种包含选自铂即Pt、钯即Pd、铑即Rh、钌即Ru、铱即Ir以及铬即Cr中的任一种。
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