CN110875422B - 磁存储装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式的磁存储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、上述第1铁磁性体与上述第2铁磁性体之间的第1非磁性体、相对于上述第1铁磁性体而位于与上述第1非磁性体相反侧的第2非磁性体、相对于上述第2非磁性体而位于与上述第1铁磁性体相反侧的第3非磁性体。上述第2非磁性体包含稀土类氧化物，上述第3非磁性体包含钌(Ru)或者钼(Mo)。

Description

磁存储装置
本申请享受以日本专利申请2018－163553号(申请日：2018年8月 31日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
实施方式主要涉及磁存储装置。
背景技术
已知具有磁阻效应元件的磁存储装置。
发明内容
实施方式提供一种能够提高隧道磁阻比及磁各向异性的磁存储装置。
实施方式的磁存储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、上述第1铁磁性体与上述第2铁磁性体之间的第1非磁性体、相对于上述第1铁磁性体而位于与上述第1非磁性体相反侧的第2非磁性体、相对于上述第2非磁性体而位于与上述第1铁磁性体相反侧的第3非磁性体。上述第2非磁性体包含稀土类氧化物，上述第 3非磁性体包含钌(Ru)或者钼(Mo)。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式的磁存储装置的构成的框图。
图2是用于说明第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。
图3是用于说明第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成的断面图。
图4是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的断面图。
图5是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
图6是用于说明第1实施方式的磁存储装置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实施方式的磁存储装置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实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的组成的图。
图9是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
图10是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的磁各向异性的图。
图11是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的隧道磁阻比的图。
图12是用于说明第1变形例的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的断面图。
图13是用于说明第2变形例的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。
图14是用于说明第2变形例的磁存储装置的存储单元的构成的断面图。
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，对具有相同功能及构成的构成要素标记共同的附图标记。另外，在对具有共同的附图标记的多个构成要素进行区别的情况下，对该共同的附图标记添加标号来进行区别。此外，在对多个构成要素不需要特别区别的情况下，在该多个构成要素仅标记共同的附图标记，不添加标号。在此，标号不限于下标文字、上标文字，例如包括在附图标记的末尾添加的小文字的字母 (alphabet)及意味着排列的索引等。
1.第1实施方式
对第1实施方式的磁存储装置进行说明。第1实施方式的磁存储装置例如包括将通过磁隧道结(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)而具有磁阻效应(Magnetoresistiveeffect)的元件(也称为MTJ元件或者 magnetoresistive effect element)用作存储元件的、垂直磁化方式的磁存储装置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory)。
1.1构成
首先，对第1实施方式的磁存储装置的构成进行说明。
1.1.1磁存储装置的构成
图1是表示第1实施方式的磁存储装置的构成的框图。如图1所示，磁存储装置1具备存储单元阵列10、行选择电路11、列选择电路12、解码电路13、写入电路14、读出电路15、电压生成电路16、输入输出电路 17以及控制电路18。
存储单元阵列10具备各自与行(row)及列(column)的组对应的多个存储单元MC。具体而言，位于同一行的存储单元MC与同一字线WL 连接，位于同一列的存储单元MC与同一位线BL连接。
行选择电路11经由字线WL与存储单元阵列10连接。行选择电路11 被提供来自解码电路13的地址ADD的解码结果(行地址)。行选择电路 11将与基于地址ADD的解码结果的行对应的字线WL设定为选择状态。以下，设定为选择状态的字线WL称为选择字线WL。另外，选择字线 WL以外的字线WL称为非选择字线WL。
列选择电路12经由位线BL与存储单元阵列10连接。列选择电路12 被提供来自解码电路13的地址ADD的解码结果(列地址)。列选择电路12将基于地址ADD的解码结果的列设定为选择状态。以下，设定为了选择状态的位线BL称为选择位线BL。另外，选择位线BL以外的位线BL 称为非选择位线BL。
解码电路13对来自输入输出电路17的地址ADD进行解码。解码电路13将地址ADD的解码结果提供至行选择电路11及列选择电路12。地址ADD包括所选择的列地址及行地址。
写入电路14进行向存储单元MC的数据写入。写入电路14例如包括写入驱动器(未图示)。
读出电路15进行来自存储单元MC的数据读出。读出电路15例如包括读出放大器(Sense Amplifier，未图示)。
电压生成电路16使用从磁存储装置1的外部(未图示)提供的电源电压，生成用于存储单元阵列10的各种工作的电压。例如，电压生成电路 16生成写入工作时所需的各种电压，并输出至写入电路14。另外，例如电压生成电路16生成读出工作时所需的各种电压，并输出至读出电路15。
输入输出电路17将来自磁存储装置1外部的地址ADD传送至解码电路13。输入输出电路17将来自磁存储装置1外部的命令CMD传送至控制电路18。输入输出电路17在磁存储装置1的外部与控制电路18之间收发各种控制信号CNT。输入输出电路17将来自磁存储装置1外部的数据 DAT传送至写入电路14，将从读出电路15传送的数据DAT输出至磁存储装置1的外部。
控制电路18基于控制信号CNT及命令CMD，控制磁存储装置1内的行选择电路11、列选择电路12、解码电路13、写入电路14、读出电路 15、电压生成电路16及输入输出电路17的工作。
1.1.2存储单元阵列的构成
接着，使用图2对第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明。图2是表示第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。在图2中，字线WL通过包括两个小文字的字母(“u”及“d”) 和索引(“＜＞”)的标号来分类表示。
如图2所示，存储单元MC(MCu及MCd)在存储单元阵列10内呈矩阵状配置，与多条位线BL(BL＜0＞、BL＜1＞、…、BL＜N＞))中的一条和多条字线WLd(WLd＜0＞、WLd＜1＞、…、WLd＜M＞)及 WLu(WLu＜0＞、WLu＜1＞、…、WLu＜M＞)中一条的组相对应(M 及N是任意的整数)。即，存储单元MCd＜i、j＞(0≦i≦M、0≦j≦N) 连接在字线WLd＜i＞和位线BL＜j＞之间，存储单元MCu＜i、j＞连接在字线WLu＜i＞和位线BL＜j＞之间。
此外，标号“d”及“u”分别例如是用于方便地识别相对于位线BL而设置在下方、以及识别相对于位线BL而设置在上方的标号。后面对存储单元阵列10的立体结构的例子进行描述。
存储单元MCd＜i、j＞包括串联连接的选择器SELd＜i、j＞及磁阻效应元件MTJd＜i、j＞。存储单元MCu＜i、j＞包括串联连接的选择器SELu ＜i、j＞及磁阻效应元件MTJu＜i、j＞。
选择器SEL具有在对所对应的磁阻效应元件MTJ的数据写入及读出时作为控制对磁阻效应元件MTJ的电流供给的开关的功能。更具体而言，例如，某存储单元MC内的选择器SEL在施加于该存储单元MC的电压低于阈值电压Vth的情况下，作为电阻值大的绝缘体而切断电流(成为断开状态)，在高于阈值电压Vth的情况下，作为电阻值小的导电体而使电流流动(成为导通状态)。即，选择器SEL具有能够不依赖于流动的电流的方向而根据施加于存储单元MC的电压的大小来切换使电流流动、还是切断电流。
选择器SEL例如也可以是2端子间开关元件。在施加于2端子间的电压为阈值以下的情况下，该开关元件为“高电阻”状态、例如为电非导通状态。在施加于2端子间的电压为阈值以上的情况下，开关元件为“低电阻”状态、例如变为电导通状态。开关元件也可以为其电压无论为哪种极性都具有该功能。该开关元件包含从碲(Te)、硒(Se)及硫(S)选择的至少一种以上的硫族(chalcogen)元素。或者，也可以包含作为包含上述硫族元素的化合物的硫族化合物(chalcogenide)。该开关元件除此以外也可以包含从硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)、碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)、锡(Sn)、砷(As)、磷(P)及锑(Sb)选择的至少一种以上的元素。
磁阻效应元件MTJ能够通过由选择器SEL控制供给的电流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MTJ作为能够通过该电阻状态的变化来写入数据、能够非易失地保持以及读出所写入的数据的存储元件发挥功能。
接着，使用图3对存储单元阵列10的断面构造进行说明。图3示出关于第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的、沿字线的断面构造的一例。
如图3所示，磁存储装置1设置在半导体基板20上。在以下的说明中，将与半导体基板20的表面平行的面设为XY平面，将与XY平面垂直的方向设为Z方向。另外，将沿字线WL的方向设为X方向，将沿位线BL的方向设为Y方向。
在半导体基板20的上面上例如设有作为字线WLd发挥功能的多个导电体21。多个导电体21例如沿Y方向排列设置，各自沿X方向延伸。在图3中，示出多个导电体21中的一个。在一个导电体21的上面上，作为磁阻效应元件MTJd发挥功能的多个元件22例如沿X方向排列设置。即，在一个导电体21共同连接有沿X方向排列的多个元件22。在多个元件22 各自的上面上设有作为选择器SELd发挥功能的元件23。在多个元件23 各自的上面上设有作为位线BL发挥功能的导电体24。多个导电体24例如沿X方向排列设置，各自沿Y方向延伸。即，在一个导电体24共同连接有沿Y方向排列的多个元件23。
在多个导电体24各自的上面上连接有作为磁阻效应元件MTJu发挥功能的多个元件25。即，在一个导电体24共同连接有沿Y方向排列的多个元件25。元件25例如具有与元件22同等的功能构成。在多个元件25 各自的上面上设有作为选择器SELu发挥功能的元件26。元件26例如具有与元件23同等的功能构成。在沿X方向排列的多个元件26各自的上面上共同连接有作为字线WLu发挥功能的一条导电体27。并且，这样的导电体27沿Y方向排列设有多条。多个导电体27各自例如沿X方向延伸。
通过以上所述地构成，存储单元阵列10成为两条字线WLd及WLu 的组对应于一条位线BL的构造。并且，存储单元阵列10具有在字线WLd 与位线BL之间设有存储单元MCd、在位线BL与字线WLu之间设有存储单元MCu的层叠型的交叉点构造。在图3中所示的层叠型的交叉点构造中，存储单元MCd与下层相对应，存储单元MCu与上层相对应。即，在共同连接于一条位线BL的两个存储单元MC中，设在位线BL上层的存储单元MC与标记标号“u”的存储单元MCu对应，设于下层的存储单元 MC与标记标号“d”的存储单元MCd对应。
此外，在图3的例子中，导电体21、元件22及23、导电体24、元件 25及26、以及导电体27示出为相互接触，但不限于此，也可以在各要素间夹着其他要素而设置。
1.1.3磁阻效应元件的构成
接着，使用图4对第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明。图4是表示第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的断面图。在图4中，例如示出将图3所示的磁阻效应元件MTJ(即、元件22或者25)沿着与Z方向垂直的平面(例如XZ平面)切开的断面的一例。
如图4所示，元件22及25各自包括作为顶层TOP(Top layer)发挥功能的非磁性体31、作为上覆层CAP(Cap layer)发挥功能的非磁性体 32、作为存储层SL(Storage layer)发挥功能的铁磁性体33、作为隧道势垒层TB(Tunnel barrier layer)发挥功能的非磁性体34、作为参照层RL (Reference layer)发挥功能的铁磁性体35、作为间隔层SP(Spacerlayer)发挥功能的非磁性体36、作为移位消除层SCL(Shift cancelling layer)发挥功能的铁磁性体37、以及作为缓冲层BUF(Buffer layer)发挥功能的非磁性体38。
元件22例如从字线WLd侧向位线BL侧(Z轴方向)按非磁性体38、铁磁性体37、非磁性体36、铁磁性体35、非磁性体34、铁磁性体33、非磁性体32以及非磁性体31的顺序层叠有多个材料。元件25例如从位线 BL侧向字线WLu侧(Z轴方向)按非磁性体38、铁磁性体37、非磁性体36、铁磁性体35、非磁性体34、铁磁性体33、非磁性体32以及非磁性体31的顺序层叠有多个材料。元件22及25例如作为构成元件22及25 的磁性体的磁化方向分别相对于膜面而朝向垂直方向的、垂直磁化型的 MTJ元件发挥功能。
非磁性体31是非磁性的导电膜，在磁阻效应元件MTJ的第1端，具有作为使与位线BL、字线WL的电连接性提高的上部电极(top electrode) 的功能。另外，非磁性体31没有特定的结晶结构(具有无定形结构)，例如包含从钌(Ru)及钼(Mo)选择的至少一种元素。在磁性体31包含钼 (Mo)的情况下，也可以在非磁性体31还包含硼(B)、硅(Si)、或者碳 (C)等类金属(metalloid)以使得保持无定形状态。非磁性体31例如可以具有0.5纳米以上且3纳米以下的膜厚。
非磁性体32是非磁性的稀土类氧化物(Rare-earth oxide)，具有如下功能：在磁阻效应元件MTJ的制造过程中，抑制非磁性体31内所含的材料向铁磁性体33的扩散，并且，吸收从铁磁性体33扩散的硼(B)等元素。非磁性体32例如包含从钇(Y)、镧(La)、钕(Nd)、钐(Sm)、钪(Sc)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)以及镝(Dy)选择的至少一种稀土类元素的氧化物。另外，如上所述，非磁性体32也可以还包含硼(B) 来作为从磁性体33内吸收的元素。另外，非磁性体32也可以铁(Fe)或者钴(Co)来作为从铁磁性体33内吸收的进一步的元素。此外，非磁性体32也可以不依赖于来自铁磁性体33的扩散的有无而在成膜时预先添加铁(Fe)。非磁性体32例如可以具有0.5纳米以上且2纳米以下(更有选为0.7纳米以上且1.3纳米以下)的膜厚。
通过构成为如以上所述那样，非磁性体31除了作为上述的上部电极的功能之外还能够使非磁性体32的元素吸收功能提高。即，非磁性体31能够与非磁性体32一同有助于在铁磁性体33的结晶化所不需要的元素的除去。
铁磁性体33具有铁磁性，在与膜面垂直的方向上具有易磁化轴方向。铁磁性体33具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一方向的磁化方向。铁磁性体33例如包含钴铁硼(CoFeB)或者硼化铁(FeB)，可以具有体心立方(bcc：Body-centered cubic，体心立方)系的结晶结构。铁磁性体 33例如可以具有1纳米以上且3纳米以下(更优选为1纳米以上且2纳米以下)的膜厚。此外，铁磁性体33不限于上述层的单层结构，也可以是多层结构。
非磁性体34是非磁性的绝缘膜，例如包含氧化镁(MgO)。非磁性体 34设置在铁磁性体33与铁磁性体35之间，与这些两个铁磁性体一同形成磁隧道结。
铁磁性体35具有铁磁性，在与膜面垂直的方向上具有易磁化轴方向。铁磁性体35具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一方向的磁化方向。铁磁性体35例如包含钴铁硼(CoFeB)或者硼化铁(FeB)。铁磁性体35的磁化方向是固定的，在图4的例子中，朝向铁磁性体37的方向。此外，“磁化方向是固定的”意味着磁化方向不会因能够使铁磁性体33的磁化方向反转的大小的电流(自旋转矩)而变化。
此外，在图4省略了图示，铁磁性体35也可以是包括多个层的层叠体。具体而言，例如构成铁磁性体35的层叠体也可以是在包含上述钴铁硼 (CoFeB)或者硼化铁(FeB)的界面层的铁磁性体37侧的面上隔着非磁性的导电体还层叠有铁磁性体的结构。构成铁磁性体35的层叠体内的非磁性的导电体例如可以包含从钽(Ta)、铪(Hf)、钨(W)、锆(Zr)、钼(Mo)、铌(Nb)以及钛(Ti)选择的至少一种金属。构成铁磁性体35的层叠体内的进一步的铁磁性体例如可以包含从钴(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)、以及钴(Co) 与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)选择的至少一种人工晶格。
非磁性体36是非磁性的导电膜，例如包含从钌(Ru)、锇(Os)、铱 (Ir)、钒(V)及铬(Cr)选择的至少一种元素。
铁磁性体37具有铁磁性，在与膜面垂直的方向上具有易磁化轴方向。铁磁性体37例如包含从钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)及钴钯(CoPd)选择的至少一种合金。铁磁性体37与铁磁性体35同样地也可以是包括多个层的层叠体。在该情况下，铁磁性体37例如可以包含从钴(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)、及钴(Co)与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)选择的至少一种人工晶格。
铁磁性体37具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一方向的磁化方向。铁磁性体37的磁化方向是固定的，在图4的例子中，朝向铁磁性体35的方向。此外，“磁化方向是固定的”意味着磁化方向不会因能够使铁磁性体 33的磁化方向反转的大小的电流(自旋转矩)而变化。
铁磁性体35及37通过非磁性体36而反铁磁性地耦合。即，铁磁性体 35及37耦合为具有彼此反平行的磁化方向。因此，在图4的例子中，铁磁性体35的磁化方向朝向铁磁性体37的方向。将这样的铁磁性体35、非磁性体36及铁磁性体37的耦合构造称为SAF(SyntheticAnti- Ferromagnetic)构造。由此，铁磁性体37能够抵消铁磁性体35的漏磁场给与铁磁性体33的磁化方向的影响。因此，铁磁性体33能抑制因铁磁性体35的漏磁场等引起的外部要因而在磁化的反转容易度产生非对称性 (即，磁化方向反转时的反转容易度在从一方反转为另一方的情况下和以其相反方向反转的情况下不同)。
非磁性体38是非磁性的导电膜，具有在磁阻效应元件MTJ的第2端作为使与位线BL、字线WL的电连接性提高的下部电极(bottom electrode)的功能。另外，非磁性体38例如包含高熔点金属。高熔点金属例如表示熔点比铁(Fe)及钴(Co)高的材料，例如包含从锆(Zr)、铪 (Hf)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钽(Ta)、钒 (V)、钌(Ru)及铂(Pt)选择的至少一种元素。
在第1实施方式中，采样如下的自旋注入写入方式：在这样的磁阻效应元件MTJ中直接流动写入电流，通过该写入电流向存储层SL及参照层 RL注入自旋转矩，控制存储层SL的磁化方向及参照层RL的磁化方向。磁阻效应元件MTJ根据存储层SL与参照层RL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及高电阻状态中的某一方。
当在磁阻效应元件MTJ中向图4中的箭头A1的方向、即从存储层 SL向参照层RL的方向流动某大小的写入电流Iw0时，存储层SL与参照层RL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MTJ的电阻值变为最低，磁阻效应元件MTJ被设定为低电阻状态。该低电阻状态被称为“P(Parallel)状态”，例如被规定为数据“0”的状态。
另外，当在磁阻效应元件MTJ中向图4中的箭头A2的方向、即从存储层SL向参照层RL的方向(与相同A1相同的方向)流动比写入电流Iw0 大的写入电流Iw1时，存储层SL与参照层RL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MTJ的电阻值变为最高，磁阻效应元件MTJ被设定为高电阻状态。该高电阻状态被称为“AP (Anti-Parallel)状态”，例如被规定为数据“1”的状态。
此外，在以下的说明中，按照上述的数据的规定方法进行说明，但数据“1”及数据“0”的规定方式不限于上述的例子。例如，也可以将P状态规定为数据“1”，将AP状态规定为数据“0”。
1.2制造方法
接着，对第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法进行说明。
图5～图7及图9是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。在图5～图7及图9中，为了便于说明，示出了磁阻效应元件MTJ中的构成顶层TOP、上覆层CAP、存储层SL及隧道势垒层TB的各层，省略了其他的层。
在图5中，示出层叠了作为磁阻效应元件MTJ发挥功能的预定的各种材料之后、进行退火处理之前的状态。在图6中，示出图5的状态之后、退火处理中的状态。在图7中，示出图6之后、退火处理结束后的状态。在图9中，示出图7之后、通过进行充磁处理而具备作为存储层SL的功能的状态。
另外，图8是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的组成的图。在图8中，通过电子能量损失分光法(EELS：Electron energy loss spectroscopy)计测的结果的一例示出将横轴表示为Z方向的距离、将作为纵轴表示为强度的、退火处理结束后的磁阻效应元件的组成的一部分。更具体而言，在图8中，作为组成的一部分，硼(B)表示为粗的实线，镁(Mg)表示为细的单点划线，氧(O)表示为细的实线。另外，在图8 中，非磁性体32内包含的稀土类元素(在图8中标记为Rare Earth)表示为细的虚线，作为非磁性体31内包含的金属的一例，钌(Ru)表示为粗的虚线。
以下，沿图5～图7及图9的各状态依次进行说明。
如图5所示，非磁性体34、铁磁性体33、非磁性体32及非磁性体31 按该顺序层叠。在氧化镁(MgO)的情况下，非磁性体34以具有膜面取向为(001)面的氯化钠(NaCl)结晶结构的状态层叠，铁磁性体33以无定形状态层叠。
接着，如图6所示，对图5中层叠的各层进行退火处理。具体而言，通过对各层从外部以预定期间施加热(例如400℃以下的范围)，铁磁性体 33从无定形状态向结晶质变换。在此，非磁性体34能够实现控制铁磁性体33的结晶结构的取向的作用。即，铁磁性体33能够将非磁性体34作为晶种使结晶结构生长。由此，铁磁性体33取向为与非磁性体34的结晶面相同的结晶面，称为bcc系的结晶结构。
此外，在以下的说明中，施加400℃以下的热的退火处理相对于施加比400℃大的热的“比较高温的退火处理”而也称为“比较低温的退火处理”。
在如上所述的退火处理期间，各层内所包含的元素可能向周围的其他层扩散。具体而言，例如在退火处理中，非磁性体31内所包含的钌(Ru) 等金属可能向周围的层扩散。非磁性体32对这样的非磁性体31内的元素扩散、进入铁磁性体33内进行抑制。由此，能够抑制铁磁性体33内的杂质增加，能够促进铁磁性体33的优质的结晶化。
另外，在退火处理中，铁磁性体33内包含的硼(B)可能向周围的层扩散。在此，成膜时铁磁性体33所包含的硼(B)可能在铁磁性体33的结晶化成为过剩。因此，为了铁磁性体33成为优质的结晶结构，铁磁性体 33优选通过退火处理而(B)充分扩散。如上所述，非磁性体32具有容易吸收铁磁性体33内的硼(B)的性质，因此，能够有助于铁磁性体33的优质的结晶化。此外，该退火处理时，铁磁性体33内包含的铁(Fe)也可能向非磁性体32内扩散。
另外，非磁性体31通过设置在非磁性体32上中的与铁磁性体33相反侧，能够使比较低温的退火处理的非磁性体32的硼(B)的吸收能力提高。由此，不使退火处理时的温度上升到比400℃大的温度，就能够促进铁磁性体33的结晶化。
接着，如图7所示，图6中的退火处理结束。如上所述，铁磁性体33 通过非磁性体31及32，即使通过比较低温的退火也能够优质地结晶化为 bcc系的结晶结构。
更具体而言，如图8所示，比较低温的退火处理结束之后，与磁阻效应元件MTJ所包含的硼(B)对应的强度的轮廓在设有铁磁性体33的区域中没有峰。另外，对于与硼(B)对应的强度，与设有铁磁性体33的区域相比，设有非磁性体32的区域更大。这样可知：成膜时铁磁性体33内大量含有的硼(B)通过上述的比较低温的退火处理而被吸收到非磁性体 32内。
接着，如图9所示，对图7中退火处理结束了的各层进行充磁处理。具体而言，对各层从外部能够使铁磁性体33充磁的程度的大小的磁场被向预定方向(未图示)施加，由此，铁磁性体33被充磁。由此，铁磁性体 33成为能够发挥作为存储层SL的功能的状态。
以上，磁阻效应元件MTJ的制造结束。
1.3本实施方式的效果
根据第1实施方式，在作为存储层SL发挥功能的铁磁性体33上，在与作为隧道势垒层TB发挥功能的非磁性体34相反侧设有作为上覆层CAP 发挥功能的非磁性体32。非磁性体32包含稀土类氧化物。由此，退火处理时，能够抽出铁磁性体33包含的硼(B)，能够通过来自与非磁性体34 的界面的外延取向使铁磁性体33优质地结晶化。因此，能够使铁磁性体 33的垂直磁各向异性及隧道磁阻比(TMR比：Tunnel magnetoresistive ratio)提高。
另外，在非磁性体32上，在与铁磁性体33相反侧设有作为顶层TOP 发挥功能的非磁性体31。非磁性体31包含从钌(Ru)及钼(Mo)选择的至少一种元素。由此，能够即使通过比较低温的退火处理也能够充分地获得由上述非磁性体32实现的从铁磁性体33抽出硼(B)的效果。因此，能够通过比较低温的退火处理使铁磁性体33的垂直磁各向异性及隧道磁阻比提高。
以下，具体对在非磁性体31应用上述元素所实现的效果进行说明。
图10是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的磁各向异性的图。在图10中，关于进行了比较低温(即400℃以下)的退火处理的磁阻效应元件MTJ，示出存储层SL的垂直磁各向异性根据顶层TOP 包含的元素如何变化。
在图10的例子中，垂直磁各向异性通过在横轴取存储层SL的磁化 Mst(存储层SL的饱和磁化Ms与膜厚t之积)、在纵轴取各向异性磁场 Hk而进行评价。垂直磁各向异性的大小能够与例如磁化Mst和各向异性磁场Hk之积相关。即，在图10中，从左上向右下延伸的线可以意味着各向异性磁场的等高线(contour)。更具体而言，例如钼(Mo)应用于顶层 TOP的情形下的存储层SL的垂直磁各向异性的膜厚依存性被表示为线L。并且，与相对于线L而位于右上的点对应的情形意味着是具有比选择了钼 (Mo)的情形大的垂直磁各向异性的情形，与相对于该线L而位于左下的点对应的情形意味着是具有比选择了钼(Mo)的情形小的垂直磁各向异性的情形。
如图10所示，作为在顶层TOP应用的材料而选择了铪(Hf)、铽(Tb)、钪(Sc)、钨(W)及钽(Ta)的情形与选择了钼(Mo)的情形相比，垂直磁各向异性有意地小。另外，作为在顶层TOP应用的材料，选择了铱 (Ir)、钌(Ru)及铂(Pt)的情形具有与选择了钼(Mo)的情形同等或者比选择了钼(Mo)的情形大的垂直磁各向异性。即，在顶层TOP包含铱(Ir)、钌(Ru)、铂(Pt)或者钼(Mo)的情况下，即使执行了比较低温的退火处理的情况下，存储层SL也能够得到高的垂直磁各向异性。
图11是用于说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的隧道磁阻比的图。在图11中，关于在图10中示出了得到高的垂直磁各向异性的四个元素被包含在顶层TOP的各个情况，示出进行了比较低温(即400℃以下)的退火处理的磁阻效应元件MTJ的TMR比。
如图11所示，在顶层TOP包含钼(Mo)或者钌(Ru)的情况下，与在顶层TOP包含铂(Pt)或者铱(Ir)的情况相比，磁阻效应元件MTJ 的TMR比有意地大。即，在顶层TOP包含钌(Ru)或者钼(Mo)的情况下，即使在执行了比较低温的退火处理时，存储层SL也能够得到更高的TMR比。
因此，非磁性体31通过包含从钌(Ru)及钼(Mo)选择的至少一种元素，即使通过400℃以下的退火处理，也能够得到高的垂直磁各向异性和TMR比。
此外，进行了比较高温的退火处理的结果，在参照层RL及移位消除层SCL暴露于高温环境下的情况下，参照层RL及移位消除层SCL间的反铁磁性的耦合可能劣化。另外，进行了比较高温的退火处理的结果，在选择器SEL暴露于高温环境下的情况下，选择器SEL的性能可能劣化。在第1实施方式中，通过以400℃以下的比较低温的范围进行退火处理，能够使存储层SL的诸特性提高，因此，能够抑制如上所述的参照层RL 与移位消除层SCL间的耦合和/或选择器SEL的性能劣化。
2.变形例等
此外，不限于上述第1实施方式，也能应用各种变形。以下，对能够应用于上述第1实施方式的几个变形例进行说明。此外，为了便于说明，主要对与第1实施方式的不同点进行说明。
关于在上述第1实施方式中描述的磁阻效应元件MTJ，对存储层SL 设在参照层RL的上方的无顶(top free)型的情况进行了说明，但也可以是存储层SL设在参照层RL下方的无底型。
图12是用于说明第1变形例的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的断面图。图12对于在第1实施方式的图4中说明过的无顶型的磁阻效应元件 MTJ示出无底型的磁阻效应元件MTJ的构成。
如图12所示，在构成为无底型的情况下，元件22例如从字线WLd 侧向位线BL侧(Z轴方向)按作为缓冲层BUF发挥功能的非磁性体31A、作为基底层(Under layer)UL发挥功能的非磁性体32A、作为存储层SL 发挥功能的铁磁性体33、作为隧道势垒层TB发挥功能的非磁性体34、作为参照层RL发挥功能的铁磁性体35、作为间隔层SP发挥功能的非磁性体36、作为移位消除层SCL发挥功能的铁磁性体37、以及作为上覆层CAP 发挥功能的非磁性体38A的顺序，层叠多个材料。元件25例如从位线BL 侧向字线WLu侧(Z轴方向)，按非磁性体31A、非磁性体32A、铁磁性体33、非磁性体34、铁磁性体35、非磁性体36、铁磁性体37以及非磁性体38A的顺序层叠多个材料。
非磁性体31A与在第1实施方式的图4中说明过的非磁性体31对应，包含非磁性的导电体。具体而言，非磁性体31A包含从钌(Ru)及钼(Mo) 选择的至少一种元素。
非磁性体32A与第1实施方式中的在图4中说明过的非磁性体32对应，包含非磁性的导电体。具体而言，非磁性体32A包含从钪(Sc)、钇 (Y)、镧(La)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)以及镝(Dy)选择的至少一种稀土类元素的氧化物。另外，非磁性体32A也可以还包含硼(B)以及/或者铁(Fe)。
非磁性体38A是非磁性的导电体，例如包含从铂(Pt)、钨(W)、钽 (Ta)以及钌(Ru)选择的至少一种元素。
其他的各层例如可应用与第1实施方式同等的材料。通过构成为如以上所述那样，即使在无底(bottom free)型的情况下，也能够实现与第1 实施方式的情况同等的效果。
另外，对于在上述第1实施方式描述过的存储单元MC，对应用2端子间开关元件作为选择器SEL的情况进行了说明，但作为选择器SEL，也可以应用MOS(Metal oxidesemiconductor)晶体管。即，存储单元阵列不限于交叉点(cross point)构造，也可以应用任意的阵列构造。
图13是用于说明第2变形例的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。图13与在第1实施方式的图1中说明过的磁存储装置1中的存储单元阵列10对应。
如图13所示，存储单元阵列10A具备各自与行及列相对应的多个存储单元MC。并且，位于同一行的存储单元MC与同一字线WL连接，位于同一列的存储单元MC的两端与同一位线BL及同一源极线/BL连接。
图14是用于说明其他的第2变形例的磁存储装置的存储单元的构成的断面图。图14与在第1实施方式的图3中说明过的存储单元MC对应。此外，在图14的例子中，存储单元MC不相对于半导体基板而层叠，因此，没有标记“u”及“d”等标号。
如图14所示，存储单元MC设于半导体基板40上，包含选择晶体管 41(Tr)及磁阻效应元件42(MTJ)。在对磁阻效应元件42的数据写入及读出时，选择晶体管41作为控制电流的供给及停止的开关而设置。磁阻效应元件42的构成是与第1实施方式的图4或者第1变形例的图12同等的。
选择晶体管41具备作为字线WL发挥功能的栅极(导电体43)、和在该栅极的沿着x方向的两端设置在半导体基板40上的一对源极区域或者漏极区域(扩散区域44)。导电体43设置在设于半导体基板40上的作为栅极绝缘膜发挥功能的绝缘体45上。导电体43例如沿着y方向延伸，共同连接于沿着y方向排列的其他存储单元MC的选择晶体管(未图示)的栅极。导电体43例如沿着x方向排列。在设于选择晶体管41的第1端的扩散区域44上设有接触46。接触46连接在磁阻效应元件42的下面(第1 端)上。在磁阻效应元件42的上面(第2端)上设有接触47，在接触47 的上面上连接于作为位线BL发挥功能的导电体48。导电体48例如沿着x 方向延伸，共同连接于沿着x方向排列的其他存储单元的磁阻效应元件(未图示)的第2端。在设于选择晶体管41的第2端的扩散区域44上设有接触49。接触49连接在作为源极线/BL发挥功能的导电体50的下面上。导电体50例如沿着x方向延伸，例如共同连接于沿着x方向排列的其他存储单元的选择晶体管(未图示)的第2端。导电体48及50例如沿着y方向排列。导电体48例如位于导电体50的上方。此外，在图14中虽进行了省略，但导电体48及50以避免彼此物理上的及电上的干涉的方式配置。选择晶体管41、磁阻效应元件42、导电体43、48及50、以及接触46、47 及49由层间绝缘膜51覆盖。此外，相对于磁阻效应元件42沿着x方向或者y方向排列的其他磁阻效应元件(未图示)例如设置在同一分层上。即，在存储单元阵列10A内，多个磁阻效应元件42例如配置在XY平面上。
通过构成为如以所述那样，即使关于在选择器SEL不是应用2端子间开关、而是应用作为3端子间开关的MOS晶体管的情况下，也能够实现与第1实施方式同等的效果。
另外，关于上述实施方式及变形例中所述的存储单元MC，对磁阻效应元件MTJ设在选择器SEL下方的情况进行了说明，但磁阻效应元件 MTJ也可以设在选择器SEL上方。
进一步，在上述第1实施方式及各变形例中，作为具备磁阻效应元件的磁存储装置的一例，对具备MTJ元件的磁存储装置进行了说明，但不限于此。例如，磁存储装置包括传感器、介质等将具有垂直磁各向异性的磁元件作为必要的其他器件。
以上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提示的，并未意在限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式来实施，能够在不脱离发明的宗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于发明的范围及宗旨内，同样包含于权利要求书记载的发明及其等同的范围内。

Claims (18)

1.一种磁存储装置，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；
所述第1铁磁性体与所述第2铁磁性体之间的第1非磁性体；
相对于所述第1铁磁性体而位于与所述第1非磁性体相反侧的第2非磁性体；以及
相对于所述第2非磁性体而位于与所述第1铁磁性体相反侧的第3非磁性体，
所述第2非磁性体包含稀土类氧化物，
所述第3非磁性体包含钌(Ru)或者钼(Mo)。
2.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第3非磁性体还包含从硼(B)、硅(Si)以及碳(C)选择的至少一种元素。
3.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第3非磁性体具有无定形结构。
4.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第3非磁性体与所述第2非磁性体接触。
5.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第3非磁性体具有0.5纳米以上且3纳米以下的膜厚。
6.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第2非磁性体包含从钪(Sc)、钇(Y)、镧(La)、钕(Nd)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)以及镝(Dy)选择的至少一种稀土类元素的氧化物。
7.根据权利要求6所述的磁存储装置，
所述第2非磁性体还包含硼(B)。
8.根据权利要求7所述的磁存储装置，
所述第2非磁性体还包含铁(Fe)。
9.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第2非磁性体与所述第1铁磁性体接触。
10.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第2非磁性体具有0.5纳米以上且2纳米以下的膜厚。
11.根据权利要求10所述的磁存储装置，
所述第2非磁性体具有0.7纳米以上且1.3纳米以下的膜厚。
12.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第1铁磁性体包含从铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)选择的至少一种元素。
13.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第2铁磁性体包含从铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)选择的至少一种元素。
14.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第1铁磁性体具有比所述第2铁磁性体小的磁化。
15.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第1铁磁性体具有1纳米以上且3纳米以下的膜厚。
16.根据权利要求15所述的磁存储装置，
所述第1铁磁性体具有1纳米以上且2纳米以下的膜厚。
17.根据权利要求1所述的磁存储装置，
具备存储单元，所述存储单元包括所述磁阻效应元件和与所述磁阻效应元件连接的选择器。
18.根据权利要求1所述的磁存储装置，
所述第1铁磁性体、所述第1非磁性体以及所述第2铁磁性体形成磁隧道结。
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