CN110311035B - 磁性装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供磁性装置及其制造方法。一实施方式的磁性装置具备磁阻效应元件。上述磁阻效应元件包含第1铁磁性体、导电体以及氧化物。上述氧化物设置于上述第1铁磁性体与上述导电体之间。上述氧化物包含稀土类元素的第1氧化物、和共价半径比上述稀土类元素小的元素的第2氧化物。

Description

磁性装置及其制造方法
技术领域
本发明的实施例总体上涉及磁性装置(device)及其制造方法。
背景技术
已知有具有磁性元件的磁性装置。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的构成的框图。
图2是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的存储单元的构成的剖面图。
图3是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图4是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的氧化物层内可包含的稀土类元素的图表。
图5是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的氧化物层内可包含的扩散调整用元素的图表。
图6是用于说明第1实施方式涉及的磁性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实施方式涉及的磁性装置中的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
图8是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置中的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
图9是用于说明第1实施方式的第1变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图10是用于说明第1实施方式的第2变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图11是用于说明第1实施方式的第3变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图12是用于说明第1实施方式的第4变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图13是用于说明其他的变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图14是用于说明其他的变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图15是用于说明其他的变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图16是用于说明其他的变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
图17是用于说明其他的变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。
具体实施方式
通常，根据一实施例，一种磁性装置中具备磁阻效应元件。上述磁阻效应元件包含第1铁磁性体、导电体以及氧化物。上述氧化物设置于上述第1铁磁性体与上述导电体之间。上述氧化物包含稀土类元素的第1氧化物、和共价半径比上述稀土类元素小的元素的第2氧化物。
以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，对具有相同的功能和构成的构成要素标注共通的参照标号。另外，在对具有共通的参照标号的多个构成要素进行区分的情况下，对该共通的参照标号标注尾标来进行区分。此外，在不需要特别对多个构成要素进行区分的情况下，对该多个构成要素仅标注共通的参照标号，不标注尾标。
1.第1实施方式
对第1实施方式涉及的磁性装置进行说明。第1实施方式涉及的磁性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、基于垂直磁化方式的磁性存储装置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory：磁阻式随机存取存储器)。
在以下的说明中，对作为磁性装置的一个例子的上述的磁性存储装置进行说明。
1.1关于构成
首先，对第1实施方式涉及的磁性装置的构成进行说明。
1.1.1关于磁性装置的构成
图1是示出第1实施方式涉及的磁性装置的构成的框图。如图1所示，磁性装置1具备存储单元阵列11、电流吸收器(current sink)12、感测放大器(读出放大器)以及写入驱动器(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。
存储单元阵列11具备与行(row)和列(column)关联的多个存储单元MC。并且，例如，处于同一行的存储单元MC连接于相同的字线WL，处于同一列的存储单元MC的两端连接于相同的位线BL和相同的源线/BL。
电流吸收器12连接于位线BL和源线/BL。电流吸收器12在数据的写入和读出等动作中，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向动作对象的存储单元MC供给电流，进行向存储单元MC的数据的写入。另外，SA/WD13经由位线BL和源线/BL向动作对象的存储单元MC供给电流，进行向存储单元MC的数据的读出。更具体而言，SA/WD的写入驱动器进行向存储单元MC的数据的写入，SA/WD13的感测放大器进行从存储单元MC的数据的读出。
行译码器14经由字线WL与存储单元阵列11连接。行译码器14对指定存储单元阵列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动作所需要的电压。
页缓冲器15以被称为页的数据单位暂时保持要写入存储单元阵列11内的数据、和从存储单元阵列11读出了的数据。
输入输出电路16将从磁性装置1的外部接收到的各种信号发送到控制部17和页缓冲器15，将来自控制部17和页缓冲器15的各种信息发送到磁性装置1的外部。
控制部17与电流吸收器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根据输入输出电路16从磁性装置1的外部接收到的各种信号来控制电流吸收器12、SA/WD13、行译码器14以及页缓冲器15。
1.1.2关于存储单元的构成
接着，使用图2对第1实施方式涉及的磁性装置的存储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轴被定义为在xy平面内彼此正交的轴。图2示出沿xz平面对第1实施方式涉及的磁性装置1的存储单元MC进行剖切的情况下的剖面图的一个例子。
如图2所示，存储单元MC设置于半导体基板20上，包括选择晶体管21和磁阻效应元件22。选择晶体管21被设置成在对磁阻效应元件22的数据写入和读出时控制电流的供给和停止的开关。磁阻效应元件22包括层叠的多个膜，能够通过使电流在垂直于膜面的方向上流动来将电阻值切换为低电阻状态和高电阻状态。磁阻效应元件22能够通过该电阻状态的变化写入数据，以非易失性的方式保持写入了的数据，并作为可读出的存储元件发挥作用。
选择晶体管21包括连接于作为字线WL发挥作用的配线层23的栅、和在该栅的沿x方向的两端设置于半导体基板20的表面的一对源区域或漏区域24。选择晶体管21中的包括于半导体基板20内的区域也称为有源区。有源区例如通过未图示的元件分隔(隔离)区域(STI：Shallow trench isolation：浅沟槽隔离)彼此绝缘以使得不与其他的存储单元MC的有源区电连接。
配线层23夹着半导体基板20上的绝缘层25沿y方向设置，共通连接于例如沿y方向排列的其他的存储单元MC的选择晶体管21(未图示)的栅。配线层23例如在x方向上排列。
选择晶体管21的一端经由设置于源区域或漏区域24上的接触插塞26连接于磁阻效应元件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连接于作为位线BL发挥作用的配线层28。配线层28在x方向上延伸，共通连接于例如在x方向上排列的其他的存储单元MC的磁阻效应元件22(未图示)的另一端。
选择晶体管21的另一端经由设置于源区域或漏区域24上的接触插塞29连接于作为源线/BL发挥作用的配线层30。配线层30在x方向上延伸，共通连接于例如在x方向上排列的其他的存储单元MC的选择晶体管21(未图示)的另一端。
配线层28和30例如在y方向上排列。配线层28例如位于配线层30的上方。此外，在图2中虽省略，但配线层28和30彼此避免物理干涉和电干涉地配置。选择晶体管21、磁阻效应元件22、配线层23、28、30、以及接触插塞26、27、29由层间绝缘膜31覆盖。
此外，相对于磁阻效应元件22，沿x方向或y方向排列的其他的磁阻效应元件22(未图示)例如设置于相同的层级上。即，在存储单元阵列11内，多个磁阻效应元件22例如沿半导体基板20扩展的方向排列。
1.1.3关于磁阻效应元件
接着，使用图3对第1实施方式涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成进行说明。图3是示出沿垂直于xy平面的平面对第1实施方式涉及的磁性装置的磁阻效应元件进行剖切得到的剖面的剖面图的一个例子。
如图3所示，磁阻效应元件22例如包括作为基底层(Under layer)发挥作用的非磁性层110、氧化物层120、作为存储层(Storage layer)发挥作用的铁磁性层130、作为隧道势垒层(Tunnel barrier layer)以及晶种层(Seed layer，种子层)发挥作用的非磁性层140、作为参照层(Reference layer)发挥作用的铁磁性层150、作为分隔层(Spacer layer)发挥作用的非磁性层160、作为移位消除层(Shift cancelling layer)发挥作用的铁磁性层170、以及作为覆盖层(Capping layer)发挥作用的非磁性层180。在图3以后的图中，非磁性层110、氧化物层120、铁磁性层130、非磁性层140、铁磁性层150、非磁性层160、铁磁性层170以及非磁性层180分别也表示为“UL”、“REX-O”、“SL”、“TB/SEED”、“RL”、“SP”、“SCL”以及“CAP”。
磁阻效应元件22例如从半导体基板20侧起按非磁性层110、氧化物层120、铁磁性层130、非磁性层140、铁磁性层150、非磁性层160、铁磁性层170以及非磁性层180的顺序在z轴方向上层叠多个膜。磁阻效应元件22是铁磁性层130、150以及170的磁化方向(magnetization orientation)分别朝向相对于膜面垂直的方向的垂直磁化型MTJ元件。
非磁性层110是具有导电性的非磁性体的层，包含例如氧化镁(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)等氮化合物或氧化合物中的至少任一者。另外，非磁性层110也可以包含上述的氮化合物或氧化合物的混合物。也就是说，非磁性层110不限于由2种元素形成的二元化合物，也可以包含由3种元素形成的三元化合物例如氮化钛铝(AlTiN)等。氮化合物和氧化合物抑制与它们接触的磁性层的阻尼常数的上升，从而可获得写入电流减小的效果。进而通过使用高熔点金属的氮化合物或氧化合物，能够抑制基底层材料向磁性层的扩散，能够防止MR比的劣化。在此高熔点金属是指熔点比铁(Fe)、钴(Co)高的材料，例如为锆(Zr)、铪(Hf)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钽(Ta)以及钒(V)。
氧化物层120是包含氧化物的层，包含稀土类元素(RE：Rare-earth element)的氧化物。稀土类元素的氧化物(以下，也简称为“稀土类氧化物(RE-O：Rare-earth oxide)”)例如包含钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)以及镥(Lu)中的至少任一者的氧化物。氧化物层120内所包含的稀土类元素具有键(例如，共价键(covalent bonding))的晶格间距比其他的元素大的晶体结构。因此，氧化物层120具有下述功能：在相邻的铁磁性层130为包含杂质的非晶质(为非晶形状态)的情况下，在高温环境(例如退火处理)下，使该杂质向氧化物层120内扩散。即，氧化物层120具有通过退火处理从非晶形状态的铁磁性层130去除杂质而使其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面进行描述。
另外，氧化物层120在包含上述的稀土类氧化物的层内还包含共价半径(covalentradius)比该稀土类氧化物小的扩散调整用元素(X：Diffusivity adjusting element)的氧化物。扩散调整用元素的氧化物(以下，也简称为“扩散调整用氧化物(X-O：Diffusivityadjusting oxide)”)包含能够容易地氧化的元素。具体而言，例如，扩散调整用氧化物可包含作为能够容易地氧化的元素的钠(Na)、镁(Mg)、铝(Al)、硅(Si)、钙(Ca)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、锌(Zn)、锶(Sr)、锆(Zr)、铌(Nb)、铪(Hf)以及钽(Ta)中的至少任一者的氧化物。通过具有混合有这样的扩散调整用元素的结构，在氧化物层120中晶格间距变得比仅由稀土类氧化物形成的晶体结构的晶格间距小。因此，氧化物层120具有下述功能：在退火处理时，使铁磁性层130内的杂质向氧化物层120内扩散，并且防止比该杂质大出某种程度的物质(例如，铁磁性体130内的铁磁性体)的扩散。关于稀土类元素与扩散调整用元素的具体的组合的详细情况，在后面进行描述。
另外，氧化物层120也可以还包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钼(Mo)、铬(Cr)、铪(Hf)、钨(W)以及钛(Ti)中的至少任一者作为杂质。
此外，优选，氧化物层120的寄生电阻比非磁性层140的寄生电阻小。更优选的是，优选氧化物层120的寄生电阻为非磁性层140的1成以下，例如，优选为比几nm(纳米)(例如2nm)薄的层。
铁磁性层130具有导电性，并且是包含在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性体的层，包含铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的至少任一者。另外，铁磁性层130也可以还包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钼(Mo)、铬(Cr)、铪(Hf)、钨(W)以及钛(Ti)中的至少任一者作为杂质。更具体而言，例如，铁磁性层130也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。铁磁性层130具有朝向半导体基板20侧、铁磁性层150侧中的任一方向的磁化方向。铁磁性层130的磁化方向被设定为与铁磁性层150相比容易反转。
非磁性层140是包含非磁性体的层，例如包含氧化镁(MgO)、氧化铝(AlO)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO)以及镧锶锰氧化物(LSMO：Lanthanum-strontium-manganese oxide)中的至少任一者。非磁性层140在相邻的铁磁性层130和150的结晶化处理中，作为成为用于从铁磁性层130与150的界面开始使准晶质的膜生长的核的晶种材料发挥作用。关于结晶化处理的详细情况，在后面进行描述。
铁磁性层150具有导电性，并且是包含在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性体的层，包含铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的至少任一者。另外，铁磁性层150也可以还包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钼(Mo)、铬(Cr)、铪(Hf)、钨(W)以及钛(Ti)中的至少任一者作为杂质。更具体而言，例如，铁磁性层150也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。或者铁磁性层150也可以包含钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)以及钴钯(CoPd)中的至少任一者。铁磁性层150的磁化方向被固定而朝向铁磁性层130侧或铁磁性层170侧中的任一侧(在图3的例子中，朝向铁磁性层170侧)。此外，“磁化方向被固定”指的是磁化方向不会由于能够使铁磁性层130的磁化方向反转的大小的电流而发生变化。铁磁性层130、非磁性层140以及铁磁性层150通过非磁性层140作为隧道势垒层发挥作用而构成磁隧道结。
非磁性层160是非磁性的导电膜，例如包含钌(Ru)。
铁磁性层170具有导电性，并且是包含在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向的铁磁性体的层，包含铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的至少任一者。另外，铁磁性层150也可以还包含硼(B)、磷(P)、碳(C)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钼(Mo)、铬(Cr)、铪(Hf)、钨(W)以及钛(Ti)中的至少任一者作为杂质。更具体而言，例如，铁磁性层150也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。或者铁磁性层150也可以包含钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)以及钴钯(CoPd)中的至少任一者。铁磁性层170通过非磁性层160与铁磁性层150反铁磁性地耦合。因此，铁磁性层170的磁化方向固定为与铁磁性层150的磁化方向反平行的方向(在图3的例子中，为铁磁性层150侧)。用于使铁磁性层170的磁化方向反转所需要的磁场的大小例如被设定为比铁磁性层150大的值。另外，来自铁磁性层170的漏磁场使来自铁磁性层150的漏磁场对铁磁性层130的磁化方向造成的影响减小。
非磁性层180是具有导电性的非磁性体的层，例如包含铂(Pt)、钨(W)、钽(Ta)、钌(Ru)中的至少任一者。
在第1实施方式中，能够应用：使写入电流直接在这样的磁阻效应元件22中流动，利用该写入电流来控制铁磁性层130的磁化方向的自旋注入写入方式。磁阻效应元件22根据铁磁性层130与150的磁化方向的相对关系是平行还是反平行，能够取得低电阻状态与高电阻状态中的任一种。
当图3中的箭头a1的方向的、即从铁磁性层130朝向铁磁性层150的写入电流在磁阻效应元件22中流动时，铁磁性层130与150的磁化方向的相对关系成为平行。在该平行状态的情况下，磁阻效应元件22的电阻值变得最低，磁阻效应元件22被设定为低电阻状态。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。
当图3中的箭头a2的方向的、即从铁磁性层150朝向铁磁性层130的写入电流在磁阻效应元件22中流动时，铁磁性层130与150的磁化方向的相对关系成为反平行。在该反平行状态的情况下，磁阻效应元件22的电阻值变得最高，磁阻效应元件22被设定为高电阻状态。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。
1.1.4关于稀土类元素与扩散调整用元素的组合
接着，使用图4和图5对第1实施方式涉及的氧化物层中的稀土类元素与扩散调整用元素的具体的组合进行说明。
图4是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的氧化物层内可包含的稀土类元素的共价半径的图表。图5是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的氧化物层内可包含的扩散调整用元素的共价半径的图表。在图4和图5中，相关联地具体地示出原子序数、元素符号以及共价半径。
如图4所示，氧化物层120内可包含的稀土类元素的共价半径(单位：皮米(pm))例如如下。
原子序数21的钪(Sc)的共价半径为170pm。原子序数39的钇(Y)的共价半径为190pm。原子序数57的镧(La)的共价半径为207pm。原子序数58的铈(Ce)的共价半径为204pm。原子序数59的镨(Pr)的共价半径为203pm。原子序数60的钕(Nd)的共价半径为201pm。原子序数61的钷(Pm)的共价半径为199pm。原子序数62的钐(Sm)的共价半径为198pm。原子序数63的铕(Eu)的共价半径为198pm。原子序数64的钆(Gd)的共价半径为196pm。原子序数65的铽(Tb)的共价半径为194pm。原子序数66的镝(Dy)的共价半径为192pm。原子序数67的钬(Ho)的共价半径为192pm。原子序数68的铒(Er)的共价半径为189pm。原子序数69的铥(Tm)的共价半径为190pm。原子序数70的镱(Yb)的共价半径为187pm。原子序数71的镥(Lu)的共价半径为187pm。
如图5所示，氧化物层120内可包含的扩散调整用元素的共价半径例如如下。
原子序数11的钠(Na)的共价半径为166pm。原子序数12的镁(Mg)的共价半径为141pm。原子序数13的铝(Al)的共价半径为121pm。原子序数14的硅(Si)的共价半径为111pm。原子序数20的钙(Ca)的共价半径为176pm。原子序数22的钛(Ti)的共价半径为160pm。原子序数23的钒(V)的共价半径为153pm。原子序数24的铬(Cr)的共价半径为139pm。原子序数25的锰(Mn)的共价半径为139pm。原子序数30的锌(Zn)的共价半径为122pm。原子序数38的锶(Sr)的共价半径为195pm。原子序数40的锆(Zr)的共价半径为175pm。原子序数41的铌(Nb)的共价半径为164pm。原子序数72的铪(Hf)的共价半径为175pm。原子序数73的钽(Ta)的共价半径为170pm。
当参照图4和图5时，例如在从图4所示的稀土类元素中选择了钪(Sc)的情况下，能够从图5所示的扩散调整用元素中选择钠(Na)、镁(Mg)、铝(A1)、硅(Si)、钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、锌(Zn)以及铌(Nb)中的至少一者。
另外，例如在从图4所示的稀土类元素中选择了钇(Y)的情况下，能够从图5所示的扩散调整用元素中选择除锶(Sr)以外的所有的元素中的至少一者。
另外，例如在从图4所示的稀土类元素中选择了钆(Gd)的情况下，能够选择图5所示的扩散调整用元素的所有元素中的至少一者。
1.2.关于磁阻效应元件的制造方法
接着，对第1实施方式涉及的磁性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，对磁阻效应元件22内的各构成要素中的铁磁性层130(存储层SL)的制造方法进行说明，关于其他的构成要素，省略其说明。
图6、图7以及图8是用于说明第1实施方式涉及的磁性装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。在图6～图8中示出了铁磁性层130通过退火处理从非晶形状态成为结晶状态的过程。此外，关于层叠于非磁性层140的上层的铁磁性层150、非磁性层160、铁磁性层170以及非磁性层180，为了简单起见，省略图示。
如图6所示，按非磁性层110、氧化物层120、铁磁性层130以及非磁性层140的顺序将它们进行层叠。氧化物层120包含稀土类元素的氧化物和扩散调整用元素的氧化物。氧化物层120，例如通过稀土类元素与扩散调整用元素利用例如Co-sputter法成膜而成。氧化物层120包含扩散调整用元素的氧化物，由此能够表现为非晶形状态。铁磁性层130作为包含杂质的非晶形状态的层而层叠。非磁性层140具有例如立方晶(Cubical crystal)或正方晶(Tetragonal crystal)的晶体结构。
此外，在图6以后的图中，为了方便，稀土类元素用直径大的“○”来表示，扩散调整用元素用在直径小的“○”内用斜线划影线的标记来表示。另外，非磁性层110内的导电体用“Δ”来表示，铁磁性层130内的铁磁性体用“□”来表示，在层叠时铁磁性层130内所包含的杂质用“×”来表示。
接着，如图7所示，对在图6中层叠了的各层进行退火处理。具体而言，通过从外部对各层进行加热，铁磁性层130从非晶质向准晶质变换(转变)。在此，非磁性层140起到控制铁磁性层130的晶体结构的取向的作用。即，铁磁性层130将非磁性层140作为晶种材料使晶体结构生长(结晶化处理)。由此，铁磁性层130按与非磁性层140的结晶面相同的结晶面取向。
伴随铁磁性层130成为晶体结构，铁磁性层130内所包含的杂质“×”扩散到氧化物层120内。氧化物层120内所包含的稀土类元素和扩散调整用元素的晶格间距大到不阻碍杂质“×”的扩散的程度，所以杂质“×”迅速地从铁磁性层130向氧化物层120扩散。由此，能够进一步促进铁磁性层130的结晶化。
另一方面，因通过退火处理施加的热，铁磁性层130内所包含的铁磁性体“□”也同样地要向铁磁性层130外扩散。氧化物层120内所包含的稀土类元素的晶格间距大到不阻碍铁磁性体“□”的扩散的程度。然而，氧化物层120内所包含的扩散调整用元素的晶格间距小到会阻碍铁磁性体“□”的扩散的程度。由此，抑制铁磁性体“□”从铁磁性层130向氧化物层120的扩散。因此，能够防止铁磁性层130的结晶化被阻碍的情况。
另外，因通过退火处理施加的热，非磁性层110内所包含的导电体“Δ”也同样地要向非磁性层110外扩散。氧化物层120内所包含的稀土类元素的晶格间距大到不阻碍导电体“Δ”的扩散的程度。然而，氧化物层120内所包含的扩散调整用元素的晶格间距小到会阻碍导电体“Δ”的扩散的程度。由此，抑制导电体“Δ”从非磁性层110向氧化物层120的扩散。因此，能够抑制导电体“Δ”经由氧化物层120向铁磁性层130扩散，进而能够防止铁磁性层130的结晶化被阻碍的情况。
并且，如图8所示，退火处理结束。氧化物层120从铁磁性层130取出绝大部分的杂质“×”，另一方面，抑制铁磁性层130的结晶化所需要的铁磁性体“□”扩散到铁磁性体130的外部。进而，氧化物层120通过抑制来自非磁性层110的导电体“Δ”的扩散，抑制新的杂质流入铁磁性层130。由此，铁磁性层130能够优质地进行结晶化。此外，优选在铁磁性层130中不残留杂质“×”，但也可以残留少量的杂质“×”。在该情况下，在铁磁性层130和氧化物层120中会包含同样的杂质“×”。
另外，如上所述，氧化物层120包含扩散调整用元素，由此即使经过退火处理也维持非晶形状态。由此，能够维持氧化物层120的界面的平坦性和均匀性。因此，能够抑制氧化物层120的上层的界面的平坦性和均匀性受损。
通过以上，磁阻效应元件22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，磁阻效应元件能够防止磁性材料的扩散，并且能够获得高垂直磁各向异性和高磁阻效应。关于本效果，在以下进行说明。
在第1实施方式中，磁阻效应元件22包括非磁性层110、铁磁性层130、以及设置于非磁性层110与铁磁性层130之间的氧化物层120。氧化物层120包含稀土类元素的氧化物和扩散调整用元素的氧化物。以使得比稀土类元素的共价半径小的方式选择扩散调整用元素的共价半径。由此，扩散调整用元素配置成填充稀土类元素的晶格间距的间隙。因此，与仅由稀土类元素的氧化物形成的层相比，抑制元素的扩散的效果提高。具体而言，例如，氧化物层120允许铁磁性层130内的硼(B)这样的共价半径较小的杂质的扩散，但能够抑制共价半径比该杂质大的铁(Fe)、钴(Co)这样的铁磁性体的扩散。因此，在退火处理时，能够从铁磁性体130去除杂质，并且能够抑制铁磁性体的扩散，进而能够使铁磁性体130成为优质的准晶质。
另外，氧化物层120能够抑制非磁性体110内的钼(Mo)、钨(W)这样的导电体的扩散。因此，能够抑制该导电体经由氧化物层120扩散到铁磁性体130。因此，铁磁性体130能够获得高磁阻效应和高垂直磁各向异性。
另外，在磁阻效应元件22中，在铁磁性层130与铁磁性层150之间设置有非磁性层140。由此，在退火处理中，铁磁性层130和150能够将非磁性层140作为晶种材料来使晶体生长。因此，铁磁性层130和150能够从非晶形状态变换为高取向的结晶状态，进而，能够获得高的界面磁性各向异性。
另外，氧化物层120被设计成寄生电阻比非磁性层140的寄生电阻小。由此，能够抑制在磁阻效应元件22中流动的写入电流变得过大。因此，能够将磁阻效应元件22容易地应用于磁性存储装置。
2.变形例等
不限于在上述的第1实施方式中描述的方式，能够进行各种变形。
2.1第1变形例
在第1实施方式中，对氧化物层120形成为包含稀土类氧化物和扩散调整用氧化物的单一的层的情况进行了说明，但不限于此。例如，氧化物层120也可以形成为多个层，所述多个层包括包含稀土类氧化物的层、和包含扩散调整用氧化物的另一层。
以下，仅对与第1实施方式不同的点进行说明。
图9是用于说明第1实施方式的第1变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。图9对应于在第1实施方式中所说明的图3。
如图9所示，氧化物层120包括稀土类氧化物层121和扩散调整用氧化物层122。按稀土类氧化物层121和扩散调整用氧化物层122的顺序将它们在z轴方向上进行层叠。在图9以后的图中，稀土类氧化物层121也表示为“RE-O”，扩散调整用氧化物层122也表示为“X-O”。
稀土类氧化物层121是包含稀土类氧化物的层。稀土类氧化物例如可包含与在第1实施方式中示出的氧化物层120内的稀土类氧化物同样的构成。构成稀土类氧化物层121的稀土类元素具有共价键的晶格间距比其他的元素大的晶体结构。因此，稀土类氧化物层121具有在退火处理时使铁磁性层130内的杂质扩散到稀土类氧化物层121内的功能。
扩散调整用氧化物层122是包含扩散调整用元素的氧化物的层。扩散调整用氧化物例如可包含与在第1实施方式中示出的氧化物层120内的扩散调整用氧化物同样的构成。扩散调整用氧化物层122内所包含的扩散调整用元素的共价半径比稀土类元素的共价半径小。由此，扩散调整用氧化物层122具有晶格间距比稀土类氧化物层121小的晶体结构。因此，扩散调整用氧化物层122具有下述功能：在退火处理时，使铁磁性层130内的杂质扩散到扩散调整用氧化物层122内，并且防止比该杂质大出某种程度的物质(例如，铁磁性体130内的铁磁性体)的扩散。
通过像以上那样构成，铁磁性层130通过稀土类氧化物层121和扩散调整用氧化物层122允许杂质的扩散，并且通过扩散调整用氧化物层122抑制铁磁性体的扩散。由此，铁磁性层130能够通过退火处理优质地进行结晶化。
2.2第2变形例
另外，在第1实施方式的第1变形例中，对扩散调整用氧化物层设置于稀土类氧化物层的上表面上的情况进行了说明，但不限于此。例如，扩散调整用氧化物层也可以设置于稀土类氧化物层的下表面上。
以下，仅对与第1实施方式的第1变形例不同的点进行说明。
图10是用于说明第1实施方式的第2变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。图10对应于在第1实施方式中所说明的图3。
如图10所示，按扩散调整用氧化物层122和稀土类氧化物层121的顺序将它们在z轴方向上进行层叠。
通过像以上那样构成，铁磁性层130通过稀土类氧化物层121和扩散调整用氧化物层122允许杂质的扩散，并且通过扩散调整用氧化物层122抑制铁磁性体的扩散。由此，铁磁性层130能够通过退火处理优质地进行结晶化。
2.3第3变形例
另外，在第1实施方式的第1变形例和第2变形例中，对扩散调整用氧化物层和稀土类氧化物层各设置1层的情况进行了说明，但不限于此。例如，扩散调整用氧化物层和稀土类氧化物层也可以多层层叠地设置。
以下，仅对与第1实施方式的第1变形例不同的点进行说明。
图11是用于说明第1实施方式的第3变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。图11对应于在第1实施方式的第1变形例中所说明的图9。
如图11所示，氧化物层120除了包括稀土类氧化物层121和扩散调整用氧化物层122以外，还包括扩散调整用氧化物层123。按扩散调整用氧化物层123、稀土类氧化物层121、扩散调整用氧化物层122的顺序将它们在z轴方向上进行层叠。扩散调整用氧化物层123不一定需要包含与扩散调整用氧化物层122同样的构成，但包含作为在第1实施方式中示出的扩散调整用氧化物而可包含的元素中的至少一者。
通过像以上那样构成，扩散调整用氧化物层123能够直接抑制来自相邻的非磁性层110的导电体的扩散，所以能够抑制非磁性层110内的导电体扩散到稀土类氧化物层121内。扩散调整用氧化物层122能够直接抑制来自相邻的铁磁性层130的铁磁性体的扩散，所以能够抑制铁磁性层130内的铁磁性体扩散到稀土类氧化物层121内。
2.4第4变形例
另外，在第1实施方式的第3变形例中，对在2个扩散调整用氧化物层之间设置稀土类氧化物层的情况进行了说明，但不限于此。例如，也可以在2个稀土类氧化物层之间设置扩散调整用氧化物层。
以下，仅对与第1实施方式的第2变形例不同的点进行说明。
图12是用于说明第1实施方式的第4变形例涉及的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖面图。图12对应于在第1实施方式的第2变形例中所说明的图10。
如图12所示，氧化物层120除了包括稀土类氧化物层121和扩散调整用氧化物层122以外，还包括稀土类氧化物层124。按稀土类氧化物层121、扩散调整用氧化物层122、稀土类氧化物层124的顺序将它们在z轴方向上进行层叠。稀土类氧化物层124不一定需要包含与稀土类氧化物层124同样的构成，但包含作为在第1实施方式中示出的稀土类氧化物而可包含的元素中的至少一者。
通过像以上那样构成，能够促进铁磁性层130的结晶化。
3.其他
对在上述的第1实施方式和各变形例中描述的磁阻效应元件22是在半导体基板20侧设置存储层SL的底部自由型的情况进行了说明，但也可以是在半导体基板20侧设置参照层RL的顶部自由型。
在图13～图17中示出磁阻效应元件22构成为顶部自由型的情况下的剖面图的一个例子。图13～图17分别是使图3以及图9～图12所示的磁阻效应元件22构成为顶部自由型的情况下的剖面图。
更具体而言，在图13中示出在氧化物层内包含稀土类氧化物和扩散调整用氧化物的情况。即，图13所示的磁阻效应元件22按作为基底层发挥作用的非磁性层110、作为移位消除层发挥作用的铁磁性层170、作为分隔层发挥作用的非磁性层160、作为参照层发挥作用的铁磁性层150、作为隧道势垒层和晶种层发挥作用的非磁性层140、作为存储层发挥作用的铁磁性层130、氧化物层120、作为覆盖层发挥作用的非磁性层180的顺序，将它们进行层叠。
另外，在图14和图15中示出氧化物层包括稀土类氧化物层和扩散调整用氧化物层这2层的情况。即，图14所示的磁阻效应元件22，对在图13中所说明的顶部自由型的磁阻效应元件22，在铁磁性层130与非磁性层180之间按稀土类氧化物层121、扩散调整用氧化物层122的顺序对它们进行层叠。另外，图15所示的磁阻效应元件22，对在图13中所说明的顶部自由型的磁阻效应元件22，在铁磁性层130与非磁性层180之间按扩散调整用氧化物层122、稀土类氧化物层121的顺序对它们进行层叠。
另外，在图16中示出在氧化物层内稀土类氧化物层被扩散调整用氧化物层夹着的情况。即，图16所示的磁阻效应元件22，对在图13中所说明的顶部自由型的磁阻效应元件22，在铁磁性层130与非磁性层180之间按扩散调整用氧化物层123、稀土类氧化物层121、扩散调整用氧化物层122的顺序对它们进行层叠。
另外，在图17中示出在氧化物层内扩散调整用氧化物层被稀土类氧化物层夹着的情况。即，图17所示的磁阻效应元件22，对在图13中所说明的顶部自由型的磁阻效应元件22，在铁磁性层130与非磁性层180之间按稀土类氧化物层121、扩散调整用氧化物层122、稀土类氧化物层124的顺序对它们进行层叠。
进而，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性装置的一个例子，对具备MTJ元件的磁性存储装置进行了说明，但不限于此。例如，磁性装置包括传感器、介质等需要具有垂直磁各向异性的磁性元件的其他的装置。该磁性元件例如是至少包括在图3中所说明的非磁性层110、氧化物层120、铁磁性层130以及非磁性层140的元件。此外，非磁性层110是导电体即可，不限于非磁性体也可以是铁磁性体。
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子而示出的，并非意在限定发明的范围。这些新颖的实施方式可以以其他各种各样的方式实施，在不脱离发明的要旨的范围内可以进行各种省略、替换、变更。这些实施方式和/或其变形包括于发明的范围和/或要旨中，并且包括于技术方案所记载的发明及与其等同的范围中。

Claims (17)

1.一种磁性装置，
所述磁性装置具备磁阻效应元件，
所述磁阻效应元件包含：
第1铁磁性体；
导电体；以及
氧化物，其设置于所述第1铁磁性体与所述导电体之间，
所述氧化物包含稀土类元素的第1氧化物、和共价半径比所述稀土类元素小的元素的第2氧化物，
所述氧化物还包含磷即P、碳即C、铝即Al、硅即Si、钽即Ta、钨即W、钼即Mo、铬即Cr、以及铪即Hf中的任一者，来作为杂质。
2.根据权利要求1所述的磁性装置，
所述第1氧化物内的所述稀土类元素包含：
钪即Sc、钇即Y、镧即La、铈即Ce、镨即Pr、钕即Nd、钷即Pm、钐即Sm、铕即Eu、钆即Gd、铽即Tb、镝即Dy、钬即Ho、铒即Er、铥即Tm、镱即Yb、以及镥即Lu中的任一者。
3.根据权利要求1所述的磁性装置，
所述第2氧化物内的所述元素包含：
钠即Na、镁即Mg、铝即Al、硅即Si、钙即Ca、钛即Ti、钒即V、铬即Cr、锰即Mn、锌即Zn、锶即Sr、锆即Zr、铌即Nb、铪即Hf、以及钽即Ta中的任一者。
4.根据权利要求1所述的磁性装置，
所述氧化物形成包含所述第1氧化物和所述第2氧化物的单一的层。
5.根据权利要求1所述的磁性装置，
所述氧化物形成包含所述第1氧化物的第1层、和包含所述第2氧化物的第2层。
6.根据权利要求5所述的磁性装置，
所述第1层设置于所述第2层与所述第1铁磁性体之间。
7.根据权利要求5所述的磁性装置，
所述第2层设置于所述第1层与所述第1铁磁性体之间。
8.根据权利要求1所述的磁性装置，
所述磁阻效应元件还包含在与所述氧化物之间夹着所述第1铁磁性体的晶种材料。
9.根据权利要求8所述的磁性装置，
所述晶种材料包含：
氧化镁即MgO、氧化铝即AlO、氧化锌即ZnO、氧化钛即TiO、以及镧锶锰氧化物即LSMO中的任一者。
10.根据权利要求1所述的磁性装置，
所述导电体包含非磁性体。
11.根据权利要求1所述的磁性装置，
所述导电体包含第2铁磁性体。
12.根据权利要求1所述的磁性装置，
还具备包括所述磁阻效应元件的存储单元。
13.一种磁性装置的制造方法，包括：
形成包含氧化物、晶种材料、以及设置于所述氧化物与所述晶种材料之间的第1铁磁性体的层叠体，所述第1铁磁性体具有包含杂质的非晶质，所述氧化物包含稀土类元素的第1氧化物、和共价半径比所述稀土类元素小的元素的第2氧化物，所述杂质包含磷即P、碳即C、铝即Al、硅即Si、钽即Ta、钨即W、钼即Mo、铬即Cr、以及铪即Hf中的任一者；和
通过退火使所述第1铁磁性体从非晶质向准晶质变换，并且使所述杂质从所述第1铁磁性体扩散至所述氧化物内。
14.根据权利要求13所述的制造方法，
所述第1氧化物内的所述稀土类元素包含：
钪即Sc、钇即Y、镧即La、铈即Ce、镨即Pr、钕即Nd、钷即Pm、钐即Sm、铕即Eu、钆即Gd、铽即Tb、镝即Dy、钬即Ho、铒即Er、铥即Tm、镱即Yb、以及镥即Lu中的任一者，
所述第2氧化物内的所述元素包含：
钠即Na、镁即Mg、铝即Al、硅即Si、钙即Ca、钛即Ti、钒即V、铬即Cr、锰即Mn、锌即Zn、锶即Sr、锆即Zr、铌即Nb、铪即Hf、以及钽即Ta中的任一者。
15.根据权利要求14所述的制造方法，
所述晶种材料包含：
氧化镁即MgO、氧化铝即AlO、氧化锌即ZnO、氧化钛即TiO、以及镧锶锰氧化物即LSMO中的任一者。
16.根据权利要求13所述的制造方法，
所述层叠体的形成包括：将所述氧化物形成为包含所述第1氧化物和所述第2氧化物的单一的层。
17.根据权利要求13所述的制造方法，
所述层叠体的形成包括：将所述氧化物形成为多个层，所述多个层包括包含所述第1氧化物的第1层、和包含所述第2氧化物的第2层。
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