CN110880344B - 磁存储装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式提供一种能够提高电阻变化率及保持性的磁存储装置。一实施方式的磁存储装置具备包含非磁性体、及设置在所述非磁性体上的积层体的磁阻效应元件。所述积层体包含设置在所述非磁性体上的第1强磁性体、与所述第1强磁性体交换耦合的第2强磁性体、及设置在所述第1强磁性体与所述第2强磁性体之间的磁性体。所述磁性体包含磁性元素、及选自碳化物、氮化物、及硼化物中的至少一种化合物。

Description

磁存储装置
[相关申请]
本申请享有以日本专利申请2018-167220号(申请日：2018年9月6日)作为基础申请的优先权。本申请通过参考该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
实施方式涉及一种磁存储装置。
背景技术
已知有一种使用磁阻效应元件作为存储元件的磁存储装置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory(磁阻式随机存取存储器))。
发明内容
实施方式提供一种能够提高电阻变化率及保持性(retention)的磁存储装置。
实施方式的磁存储装置具备包含非磁性体、及设置在所述非磁性体上的积层体的磁阻效应元件。所述积层体包含设置在所述非磁性体上的第1强磁性体、与所述第1强磁性体交换耦合的第2强磁性体、及设置在所述第1强磁性体与所述第2强磁性体之间的磁性体。所述磁性体包含磁性元素、及选自碳化物、氮化物、及硼化物中的至少一种化合物。
附图说明
图1是用来说明第1实施方式的磁存储装置的构成的框图。
图2是用来说明第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是用来说明第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成的剖视图。
图4是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。
图5是用来说明第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是用来说明第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是用来说明第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是用来说明第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9是用来说明第1变化例的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。
图10是用来说明第2变化例的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。
图11是用来说明第2变化例的磁存储装置的存储单元的构成的剖视图。
具体实施方式
以下，参考附图对实施方式进行说明。此外，在以下说明中，对于具有相同功能及构成的构成要素，标注共用的参考符号。另外，在区分具有共用的参考符号的多个构成要素的情况下，对该共用的参考符号标注后缀来加以区分。此外，在无需将多个构成要素特别加以区分的情况下，对该多个构成要素仅标注共用的参考符号，而不标注后缀。此处，后缀不限于下标或上标，例如，包含添加在参考符号的末尾的小写字母、及意指序列的索引等。
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为使用通过磁隧道结(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)而具有磁阻效应(Magnetoresistiveeffect)的元件(MTJ元件、或magnetoresistive effect element)作为存储元件的垂直磁化方式的磁存储装置。
1.1关于构成
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关于磁存储装置的构成
图1是表示第1实施方式的磁存储装置的构成的框图。像图1所示那样，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、电压产生电路16、输入输出电路17、及控制电路18。
存储单元阵列10具备分别与行(row)、及列(column)的组建立了对应关系的多个存储单元MC。具体来说，位于同一行的存储单元MC连接于同一字线WL，位于同一列的存储单元MC连接于同一位线BL。
行选择电路11经由字线WL与存储单元阵列10连接。对行选择电路11供给来自解码电路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，除选择字线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。对列选择电路12供给来自解码电路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，设定为选择状态的位线BL称为选择位线BL。另外，除选择位线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的解码结果供给至行选择电路11、及列选择电路12。地址ADD包含所选择的列地址、及行地址。
写入电路14进行数据向存储单元MC的写入。写入电路14例如包含写入驱动器(未图示)。
读出电路15进行数据自存储单元MC的读出。读出电路15例如包含感测放大器(未图示)。
电压产生电路16使用从磁存储装置1的外部(未图示)提供的电源电压来产生用于存储单元阵列10的各种动作的电压。例如，电压产生电路16产生写入动作时所需的各种电压，并输出至写入电路14。另外，例如，电压产生电路16产生读出动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的外部的地址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的外部的命令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的外部的数据DAT传送至写入电路14，并将从读出电路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、电压产生电路16、及输入输出电路17的动作。
1.1.2关于存储单元阵列的构成
接下来，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。图2中，将字线WL利用包含2个小写字母(“u”及“d”)、及索引(“＜＞”)的后缀分类表示。
像图2所示那样，存储单元MC(MCu及MCd)在存储单元阵列10内呈矩阵状配置，且和多条位线BL(BL＜0＞、BL＜1＞、…、BL＜N＞))中的1条、与多条字线WLd(WLd＜0＞、WLd＜1＞、…、WLd＜M＞)及WLu(WLu＜0＞、WLu＜1＞、…、WLu＜M＞)中的1条的组建立对应关系(M及N为任意整数)。也就是说，存储单元MCd＜i,j＞(0≦i≦M,0≦j≦N)连接在字线WLd＜i＞与位线BL＜j＞之间，存储单元MCu＜i,j＞连接在字线WLu＜i＞与位线BL＜j＞之间。
此外，后缀“d”及“u”分别是例如将相对于位线BL设置在下方的元件、及设置在上方的元件方便地识别出的字母。关于存储单元阵列10的立体结构的示例，将于下文叙述。
存储单元MCd＜i,j＞包含串联连接的选择器SELd＜i,j＞及磁阻效应元件MTJd＜i,j＞。存储单元MCu＜i,j＞包含串联连接的选择器SELu＜i,j＞及磁阻效应元件MTJu＜i,j＞。
选择器SEL在向对应的磁阻效应元件MTJ进行数据写入及读出时，具有作为对电流向磁阻效应元件MTJ的供给进行控制的开关的功能。更具体来说，例如，某个存储单元MC内的选择器SEL在施加到该存储单元MC的电压低于阈值电压Vth的情况下，作为电阻值较大的绝缘体阻断电流(成为断开状态)，在超过阈值电压Vth的情况下，作为电阻值较小的导电体使电流流通(成为接通状态)。也就是说，选择器SEL具有如下功能：不论流通的电流的方向如何，都能够根据施加到存储单元MC的电压的大小来切换是使电流流通还是阻断电流。
关于选择器SEL，例如，作为一例，也可为两端子型开关元件。在施加到两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、例如电气非导通状态。在施加到两端子间的电压为阈值以上的情况下，开关元件变为“低电阻”状态、例如电气导通状态。开关元件在电压为哪一种极性时都可具有该功能。例如，在该开关元件中，作为一例，可包含选自由Te(碲)、Se(硒)及S(硫)所组成的群中的至少一种以上的硫族元素。或者，例如作为一例，也可包含含有所述硫族元素的化合物即硫属化物。除此以外，开关元件例如也可包含选自由B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)、C(碳)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)、As(砷)、P(磷)、及Sb(锑)所组成的群中的至少一种以上的元素。
磁阻效应元件MTJ可利用由选择器SEL控制供给的电流，将电阻值在低电阻状态与高电阻状态之间切换。磁阻效应元件MTJ作为如下存储元件发挥功能：能够根据磁阻效应元件MTJ的电阻状态的变化写入数据，且能够非易失地保存、读出所写入的数据。
接下来，使用图3对存储单元阵列10的截面结构进行说明。图3表示关于第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的沿着字线的截面结构的一例。
像图3所示那样，磁存储装置1设置在半导体衬底20上。在以下说明中，将与半导体衬底20的表面平行的面设为XY平面，将垂直于XY平面的方向设为Z方向。另外，将沿着字线WL的方向设为X方向，将沿着位线BL的方向设为Y方向。
在半导体衬底20的上表面上，例如设置作为字线WLd发挥功能的多个导电体21。多个导电体21例如沿着Y方向并排设置，且分别沿着X方向延伸。在图3中，示出了多个导电体21中的1个。在1个导电体21的上表面上，例如沿着X方向并排设置作为磁阻效应元件MTJd发挥功能的多个元件22。也就是说，在1个导电体21共用地连接沿着X方向并排的多个元件22。在多个元件22各自的上表面上，设置作为选择器SELd发挥功能的元件23。在多个元件23各自的上表面上，设置作为位线BL发挥功能的导电体24。多个导电体24例如沿着X方向并排设置，且分别沿着Y方向延伸。也就是说，在1个导电体24共用地连接沿着Y方向并排的多个元件23。
在多个导电体24各自的上表面上，设置作为磁阻效应元件MTJu发挥功能的多个元件25。也就是说，在1个导电体24共用地连接沿着Y方向并排的多个元件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各自的上表面上，设置作为选择器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。在沿着X方向并排的多个元件26各自的上表面上，共用地连接作为字线WLu发挥功能的1根导电体27。并且，这种导电体27沿着Y方向并排设置着多根。多个导电体27分别例如沿着X方向延伸。
通过像以上那样构成，存储单元阵列10成为2条字线WLd及WLu的组与1条位线BL对应的结构。并且，存储单元阵列10具有如下结构，所述结构具有如下存储单元阵列：在字线WLd与位线BL之间设置存储单元MCd，在位线BL与字线WLu之间设置存储单元MCu，且在Z方向上存储阵列具有多层。在图3中所示的在Z方向上存储单元阵列包含多层的结构中，存储单元MCd与下层建立对应关系，存储单元MCu与上层建立对应关系。也就是说，共用地连接于1条位线BL的2个存储单元MC中设置在位线BL的上层的存储单元MC与标注着后缀“u”的存储单元MCu对应，设置在下层的存储单元MC与标注着后缀“d”的存储单元MCd对应。
此外，在图3的示例中，导电体21、元件22及23、导电体24、元件25及26、以及导电体27是以相互相接的方式表示，但并不限于此，也可在各要素间介隔其它要素而设置。
1.1.3关于磁阻效应元件的构成
接下来，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剖视图。在图4中，例如表示将图3中所示的磁阻效应元件MTJ(也就是元件22或25)沿着与Y方向垂直的平面(例如XZ平面)进行切割所得的截面的一例。
像图4所示那样，元件22及25分别包含：作为存储层SL(Storage layer)发挥功能的积层体31、作为隧道势垒层TB(Tunnel barrier layer)发挥功能的非磁性体32、作为参考层RL(Reference layer)发挥功能的强磁性体33、作为间隔层SP(Spacer layer)发挥功能的非磁性体34、及作为位移消除层SCL(Shift cancelling layer)发挥功能的强磁性体35。
元件22例如是从字线WLd侧起朝向位线BL侧(沿Z轴方向)按照强磁性体35、非磁性体34、强磁性体33、非磁性体32、及积层体31的顺序积层多种材料。元件25例如是从位线BL侧起朝向字线WLu侧(沿Z轴方向)按照强磁性体35、非磁性体34、强磁性体33、非磁性体32、及积层体31的顺序积层多种材料。元件22及25例如作为垂直磁化型MTJ元件发挥功能，所述垂直磁化型MTJ元件是构成元件22及25的磁性体的磁化方向分别朝向相对于膜面垂直的方向。
积层体31包含：作为界面存储层SL1发挥功能的强磁性体31a、作为功能层(FL：Function layer)发挥功能的软磁性体31b、及作为与界面存储层SL1交换耦合的层SL2发挥功能的强磁性体31c。积层体31例如是按照强磁性体31a、软磁性体31b、及强磁性体31c的顺序积层在非磁性体32上。
强磁性体31a具有强磁性，在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向。强磁性体31a具有朝向位线BL侧、字线WL侧之任一方向的磁化方向。强磁性体31a例如包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)，可具有体心立方(bcc：Body-centered cubic)系结晶结构。
软磁性体31b具有软磁性，通过与强磁性体31a磁性耦合而具有朝向与强磁性体31a相同方向的磁化方向。软磁性体31b具有非晶结构，具有将相互具有不同结晶结构的强磁性体31a、及强磁性体31c结晶性地分断并且接合的功能。另外，软磁性体31b例如具有利用自身所具有的磁性来维持强磁性体31a、与强磁性体31c之间的交换耦合的功能。此外，软磁性体31b可具有较高的导电性。
作为满足所述要求的材料，例如，软磁性体31b包含具有磁性的元素(磁性元素)、及添加至该磁性元素中的添加物。更具体来说，软磁性体31b例如就具有磁性的观点来看，包含选自钴(Co)、及镍(Ni)中的至少一种元素作为磁性元素。另外，软磁性体31b包含选自钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、及钽(Ta)中的至少一种添加元素作为添加物。
此外，如果向磁性材料中添加所述添加元素，那么居里温度可能会降低。另一方面，所述软磁性体31b中所含的化合物较理想的是即使暴露在高温环境下(例如300℃以上且400℃以下)的情况下，也不丧失软磁性。也就是说，软磁性体31b较理想的是例如从至少具有600K以上的居里温度的材料进行选择。就所述观点来看，软磁性体31b中所含的所述添加元素较理想的是选自氮(N)、碳(C)、及硼(B)中的至少一种元素。更具体来说，软磁性体31b例如包含选自氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、硼化钛(TiB2)、及硼化锆(ZrB2)中的至少一种化合物作为添加物。由此，在软磁性体31b内添加物与磁性元素变得不易混合。具体来说，所述添加物的标准生成能量的极性为负且绝对值较大(例如为-250/kJ·mol-1以下)。因此，可实现非晶性并且抑制居里温度的降低。因此，软磁性体31b可将强磁性体31a及31c结晶性地分断，从而可促进下述强磁性体31a的结晶化。
另外，所述添加物的电阻率较小(例如为50μΩcm以下)。由此，可抑制因设置软磁性体31b导致的写入电流的降低。换句话说，可抑制功耗的增加。
此外，如果为了促进非晶化而增加所述化合物的添加量，那么有可能软磁性体31b内所含的磁性元素的比例会降低，而软磁性体31b的磁性消失。因此，软磁性体31b内的化合物较理想的是抑制为软磁性体31b的磁性不会消失的程度的比例。具体来说，例如，软磁性体31b内所含的化合物较理想的是例如以5mol％以上且50mol％以下的范围的浓度含有。
强磁性体31c具有强磁性，在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向。强磁性体31c通过经由软磁性体31b与强磁性体31a交换耦合，可具有与强磁性体31a相同的磁化方向。因此，积层体31是通过强磁性体31a与强磁性体31c的交换耦合而使作为积层体31单独体的磁化增加，从而相对于热或外部磁场等外在干扰不易变化。强磁性体31c例如由包含非磁性的贵金属元素及磁性元素的人工晶格所构成，例如可具有面心立方(fcc：Face-centered cubic)系结晶结构。作为贵金属元素，例如包含选自银(Ag)、金(Au)、钯(Pd)、铂(Pt)、镍(Ni)、钌(Ru)、及铑(Rh)中的至少一种元素。另外，作为磁性元素，例如包含选自钴(Co)、铁(Fe)、锰(Mn)、及镍(Ni)中的至少一种元素。更具体来说，强磁性体31c可列举由钴(Co)与铂(Pt)的多层膜(Co/Pt多层膜)、钴(Co)与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)、钴铬(CoCr)与铂(Pt)的多层膜(CoCr/Pt多层膜)、钴(Co)与钌(Ru)的多层膜(Co/Ru多层膜)、钴(Co)与锇(Os)的多层膜(Co/Os多层膜)、钴(Co)与金(Au)的多层膜(Co/Au多层膜)、镍(Ni)与铜(Cu)的多层膜(Ni/Cu多层膜)等所构成的人工晶格。强磁性体31c可通过对人工晶格内的磁性元素的添加、及磁性元素与非磁性元素的层的厚度比进行调整，来调整磁各向异性能量的密度、及饱和磁化等，从而可获得较高的垂直磁各向异性。
非磁性体32是非磁性的绝缘膜，例如包含氧化镁(MgO)。非磁性体32设置在强磁性体31a与强磁性体33之间，从而在这2个强磁性体间构成磁隧道结。
强磁性体33具有强磁性，在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向。强磁性体33具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一方向的磁化方向。强磁性体33例如包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。强磁性体33的磁化方向固定，在图4的示例中，朝向强磁性体35的方向。此外，所谓“磁化方向固定”，意指磁化方向不会因可使已交换耦合的强磁性体31a及31c的磁化方向反转的大小的电流(自旋矩)而变化。
此外，虽然在图4中省略了图示，但是强磁性体33也可为包含多层的积层体。具体来说，例如，构成强磁性体33的积层体也可为在所述包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)的层的强磁性体35侧的面上，介隔非磁性的导电体积层更强磁性体的结构。构成强磁性体33的积层体内的非磁性导电体例如可包含选自钽(Ta)、铪(Hf)、钨(W)、锆(Zr)、钼(Mo)、铌(Nb)、及钛(Ti)中的至少一种金属。构成强磁性体33的积层体内的更强磁性体例如可包含选自钴(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)、或钴(Co)与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)中的至少一种人工晶格。
非磁性体34是非磁性的导电膜，例如包含选自钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、钒(V)、或铬(Cr)中的至少一种元素。
强磁性体35具有强磁性，在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴方向。强磁性体35例如包含选自钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)、或钴钯(CoPd)中的至少一种合金。强磁性体35与强磁性体33同样地，也可为包含多层的积层体。在此情况下，强磁性体35例如可包含选自钴(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)、或钴(Co)与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)中的至少一种人工晶格。
强磁性体35具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一方向的磁化方向。强磁性体35的磁化方向固定，在图4的示例中是朝向强磁性体33的方向。此外，所谓“磁化方向固定”，意指磁化方向不会因能够使已交换耦合的强磁性体31a及31c的磁化方向反转的大小的电流(自旋矩)而变化。
强磁性体33及35通过非磁性体34而反强磁性地耦合。也就是说，强磁性体33及35是以相互具有反平行的磁化方向的方式耦合。因此，在图4的示例中，强磁性体33的磁化方向朝向强磁性体35的方向。将这种强磁性体33、非磁性体34、及强磁性体35的耦合结构称为SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic，合成反铁磁)结构。由此，强磁性体35可抵消强磁性体33的漏磁场对强磁性体31a的磁化方向造成的影响。因此，强磁性体31a及31c可抑制因强磁性体33的漏磁场等引起的外部因素而导致磁化的反转容易性产生非对称性(也就是说，磁化的方向反转时的反转容易性在从一侧向另一侧反转的情况、与沿其反方向反转的情况下不同)。
在第1实施方式中，采用如下自旋注入写入方式：对这种磁阻效应元件MTJ直接流通写入电流，通过该写入电流对存储层SL及参考层RL注入自旋矩，控制存储层SL的磁化方向及参考层RL的磁化方向。磁阻效应元件MTJ可根据存储层SL及参考层RL的磁化方向的相对关系是平行还是反平行，来采取低电阻状态及高电阻状态的任一状态。
如果向磁阻效应元件MTJ沿图4中的箭头A1的方向、也就是从存储层SL朝向参考层RL的方向流通某种大小的写入电流Iw0，那么存储层SL及参考层RL的磁化方向的相对关系变得平行。在该平行状态的情况下，磁阻效应元件MTJ的电阻值变得最低，而磁阻效应元件MTJ被设定为低电阻状态。该低电阻状态被称为“P(Parallel)状态”，例如规定为数据“0”的状态。
另外，如果向磁阻效应元件MTJ沿图4中的箭头A2的方向、也就是从参考层RL朝向存储层SL的方向(与箭头A1相反的方向)流通比写入电流Iw0大的写入电流Iw1，那么存储层SL及参考层RL的磁化方向的相对关系变成反平行。在该反平行状态的情况下，磁阻效应元件MTJ的电阻值最高，而磁阻效应元件MTJ被设定为高电阻状态。该高电阻状态被称为“AP(Anti-Parallel)状态”，例如规定为数据“1”的状态。
此外，在以下说明中，按据所述数据的规定方法进行说明，但数据“1”及数据“0”的规定方式并不限于所述示例。例如，也可将P状态规定为数据“1”，将AP状态规定为数据“0”。
1.2关于制造方法
接下来，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8是用来说明第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8中，为了使说明简单，方便起见示出了构成磁阻效应元件MTJ的各层中的强磁性体31a、软磁性体31b、强磁性体31c、及非磁性体32，省略了其它层。
在图5中，表示在将作为隧道势垒层TB、及存储层SL发挥功能的预定的各种材料积层后，进行退火处理之前的状态。在图6中，表示在图5的状态之后，正在实施退火处理的状态。在图7中，表示在图6之后，退火处理完成后的状态。在图8中，表示在图7之后，通过进行起磁处理而具备作为存储层SL的功能的状态。以下，依序对图5～图8的各状态进行说明。
像图5所示那样，依序积层非磁性体32、强磁性体31a、软磁性体31b、及强磁性体31c。非磁性体32是以具有bcc系结晶结构的状态积层。强磁性体31a及软磁性体31b是以非晶状态积层，强磁性体31c是以具有fcc系结晶结构的状态积层。所积层的各层除了作为磁阻效应元件MTJ发挥功能的预定部分以外，通过例如使用离子束的蚀刻被去除。
接着，像图6所示那样，对图5中所积层的各层进行退火处理。具体来说，通过从外部在指定期间内对各层施加热(例如300℃以上且400℃以下的范围)，使强磁性体31a从非晶状态转换成结晶质。此处，非磁性体32能够起到对强磁性体31a的结晶结构的取向进行控制的作用。也就是说，强磁性体31a可将非磁性体32作为晶种使结晶结构生长(固相外延生长)。由此，强磁性体31a的结晶面的晶格间距与非磁性体32的结晶面的晶格间距相同(此处，将这种关系定义为“同一结构”)，强磁性体31a成为bcc系结晶结构。
此外，如上所述，软磁性体31b包含标准生成能量为负值且绝对值较大的化合物。因此，抑制该化合物与软磁性体31b内的磁性元混合，维持软磁性体31b的非晶性。由此，非晶状态的软磁性体31b抑制在如上所述的退火处理期间强磁性体31a从强磁性体31c侧进行结晶化。因此，软磁性体31b可将结晶化成bcc系的强磁性体31a、与结晶化成fcc系的强磁性体31c结晶性地分断。
另外，如上所述，软磁性体31b包含选自氮化物、碳化物、及硼化物中的至少一种化合物。由此，软磁性体31b可以成为比在退火时所施加的温度高的居里温度的方式来设计。因此，强磁性体31c不会因退火而丧失软磁性，可增强强磁性体31a与强磁性体31c之间的交换耦合。
接着，像图7所示那样，图6中的退火处理结束。如上所述，软磁性体31b抑制因具有fcc系结晶结构的强磁性体31c导致强磁性体31a向bcc系的结晶化受到阻碍。由此，强磁性体31a可获得用来作为存储层SL发挥功能的界面磁各向异性等诸特性。
接着，像图8所示那样，对图7中退火处理结束后的各层进行起磁处理。具体来说，通过从外部沿指定的方向(未图示)对各层施加能够使已与强磁性体31c交换耦合的强磁性体31a起磁的程度的大小的磁场，而使强磁性体31a及31c起磁。随之，软磁性体31b在与强磁性体31a及31c同等的磁化方向上被起磁。由此，强磁性体31a、软磁性体31b、及强磁性体31c成为能够作为存储层SL发挥功能的状态。
以上，磁阻效应元件MTJ的制造结束。
1.3关于本实施方式的效果
根据第1实施方式，存储层SL由包含强磁性体31a及强磁性体31c的积层体31所构成。由此，强磁性体31a通过与强磁性体31c交换耦合，可使作为积层体31整体的磁化体积增加。因此，关于积层体31，强磁性体31a的磁化方向不易因热或外部磁场等外在干扰而反转，从而保持性提高。
此外，强磁性体31c因为具有fcc系结晶结构，所以可能会阻碍强磁性体31a结晶化成bcc系。在第1实施方式中，积层体31在强磁性体31a与强磁性体31c之间设置具有非晶结构的软磁性体31b。具体来说，软磁性体31b包含选自钴(Co)、及镍(Ni)中的至少一种磁性元素。由此，即使在使软磁性体31b的膜厚变厚的情况下，软磁性体31b也可通过自身的磁性来维持强磁性体31a及31c的交换耦合。因此，可降低结晶结构与强磁性体31a不同的强磁性体31c对强磁性体31a的结晶化造成的影响，从而可使强磁性体31a优质地结晶化。因此，可提高强磁性体31a的垂直磁各向异性，进而可提高磁阻效应元件MTJ的电阻变化率。
另外，软磁性体31b除了包含所述磁性元素以外，还包含选自氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、硼化钛(TiB2)、硼化锆(ZrB2)中的至少一种化合物。化合物是选择标准生成能量为负且绝对值较大的化合物。由此，软磁性体31b不易与磁性元素混合，容易维持非晶状态，并且抑制居里温度的降低。因此，可抑制在退火时软磁性体31b进行结晶化的同时软磁性消失。因此，可进而抑制强磁性体31a的结晶化的阻碍、以及强磁性体31a及31c间的交换耦合的降低。
另外，软磁性体31b因为具有磁性，所以即使膜厚变厚，也会维持强磁性体31a及31c间的交换耦合。由此，相比应用非磁性功能层的情况来说，可将膜厚设计得更厚。因此，可更加降低强磁性体31a的结晶化中的强磁性体31c的影响，进而可提高强磁性体31a的垂直磁各向异性。
另外，软磁性体31b以摩尔浓度为5mol％以上且50mol％以下的范围包含化合物。由此，软磁性体31b可维持非晶性，并且抑制磁性消失。
另外，软磁性体31b内所含的添加物是包含选自氮(N)、碳(C)、及硼(B)中的至少一种化合物作为添加物。由此，相比包含氧(O)的化合物作为添加物的情况来说，可获得更高的导电性。因此，可抑制磁阻效应元件MTJ的电阻值增加，进而可抑制写入电流的增加。
2.变化例等
关于所述第1实施方式中所述的磁阻效应元件MTJ，对将存储层SL设置在参考层RL的上方的无顶部型的情况进行了说明，但也可为将存储层SL设置在参考层RL的下方的无底部型。
图9是用来说明第1变化例的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。图9与第1实施方式的图4中所说明的无顶部型磁阻效应元件MTJ对应，表示无底部型磁阻效应元件MTJ的构成。
像图9所示那样，在构成为无底部型的情况下，元件22例如从字线WLd侧起朝向位线BL侧(沿Z轴方向)，按照积层体31、非磁性体32、强磁性体33、非磁性体34、及强磁性体35的顺序积层多种材料。元件25例如从位线BL侧起朝向字线WLu侧(沿Z轴方向)，按照积层体31、非磁性体32、强磁性体33、非磁性体34、及强磁性体35的顺序积层多种材料。另外，积层体31例如是沿Z轴方向依序积层强磁性体31c、软磁性体31b、及强磁性体31a，且在强磁性体31a的上表面上设置非磁性体32。关于强磁性体31a、软磁性体31b、强磁性体31c、非磁性体32、强磁性体33、非磁性体34、及强磁性体35，例如应用与第1实施方式同等的材料。通过像以上那样构成，即使在无底部型的情况下，也可发挥与第1实施方式的情况同等的效果。
另外，关于所述第1实施方式及第1变化例中所述的存储单元MC，对应用两端子型开关元件作为选择器SEL的情况进行了说明，但也可应用MOS(Metal oxidesemiconductor，金属氧化物半导体)晶体管作为选择器SEL。也就是说，存储单元阵列10并不限于像上文所述那样在Z方向上具有多层的结构，而能够应用任意阵列结构。
图10是用来说明第2变化例的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。图10与第1实施方式的图1中所说明的磁存储装置1中的存储单元阵列10对应。
像图10所示那样，存储单元阵列10A具备分别与行及列建立了对应关系的多个存储单元MC。并且，位于同一行的存储单元MC连接于同一字线WL，位于同一列的存储单元MC的两端连接于同一位线BL及同一源极线/BL。
图11是用来说明第2变化例的磁存储装置的存储单元的构成的剖视图。图11与第1实施方式的图3中所说明的存储单元MC对应。此外，在图11的示例中，存储单元MC因为不相对于半导体衬底进行积层，所以不标注“u”及“d”等后缀。
像图11所示那样，存储单元MC设置在半导体衬底40上，且包含选择晶体管41(Tr)及磁阻效应元件42(MTJ)。选择晶体管41设置为在开关，所述开关在对磁阻效应元件42进行数据写入及读出时控制电流的供给及停止。磁阻效应元件42的构成与第1实施方式的图3或另一第1变化例的图9同等。
选择晶体管41具备：作为字线WL发挥功能的栅极(导电体43)、及在该栅极的沿着x方向的两端设置在半导体衬底40上的1对源极区域或漏极区域(扩散区域44)。导电体43设置在绝缘体45上，所述绝缘体45作为设置在半导体衬底40上的栅极绝缘膜发挥功能。导电体43例如沿着y方向延伸，且共用连接于沿着y方向并排的其它存储单元MC的选择晶体管(未图示)的栅极。导电体43例如在x方向上并排。在设置在选择晶体管41的第1端的扩散区域44上设置触点46。触点46连接在磁阻效应元件42的下表面(第1端)上。在磁阻效应元件42的上表面(第2端)上设置触点47，且在触点47的上表面上连接作为位线BL发挥功能的导电体48。导电体48例如在x方向上延伸，且共用连接于在x方向上并排的其它存储单元的磁阻效应元件(未图示)的第2端。在设置在选择晶体管41的第2端的扩散区域44上设置触点49。触点49连接在作为源极线/BL发挥功能的导电体50的下表面上。导电体50例如在x方向上延伸，且共用连接于例如在x方向上并排的其它存储单元的选择晶体管(未图示)的第2端。导电体48及50例如在y方向上并排。导电体48例如位于导电体50的上方。此外，虽然在图11中予以省略，但是导电体48及50是相互避开物理性及电气干扰而配置。选择晶体管41、磁阻效应元件42、导电体43、48、及50、以及触点46、47、及49由层间绝缘膜51包覆。此外，相对于磁阻效应元件42沿着x方向或y方向并排的其它磁阻效应元件(未图示)例如设置在同一层级上。也就是说，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。
通过像以上那样构成，即使在使用作为三端子型开关元件的MOS晶体管而非两端子型开关元件作为选择器SEL的情况下，也可发挥与第1实施方式同等的效果。
另外，关于所述实施方式及变化例中所述的存储单元MC，对将磁阻效应元件MTJ设置在选择器SEL的下方的情况进行了说明，但是也可将磁阻效应元件MTJ设置在选择器SEL的上方。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但是这些实施方式是作为示例而提出的，并非意图限定发明的范围。这些实施方式能以其它各种方式实施，且可在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变化包含在发明的范围或主旨中，同样地，包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
[符号的说明]
1 磁存储装置
10 存储单元阵列
11 行选择电路
12 列选择电路
13 解码电路
14 写入电路
15 读出电路
16 电压产生电路
17 输入输出电路
18 控制电路
20、40 半导体衬底
21、24、27、43、48、50 导电体
22、23、25、26、42 元件
31 积层体
32、34 非磁性体
31a、31c、33、35 强磁性体
31b 软磁性体
41 选择晶体管
44 扩散区域
45 绝缘体
46、47、49 触点
51 层间绝缘膜

Claims (11)

1.一种磁存储装置，具备包含非磁性体、及设置在所述非磁性体上的积层体的磁阻效应元件，且
所述积层体包含：
第1强磁性体，设置在所述非磁性体上且根据所施加的电流而保存不同的电阻；
第2强磁性体，与所述第1强磁性体交换耦合；及
磁性体，设置在所述第1强磁性体与所述第2强磁性体之间；且
所述磁性体包含磁性元素、及选自碳化物、氮化物、及硼化物中的至少一种化合物，且具有非晶结构。
2.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中所述化合物还包含选自钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、及钽(Ta)中的至少一种元素。
3.根据权利要求2所述的磁存储装置，其中所述化合物包含选自氮化钛(TiN)、氮化锆(ZrN)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、碳化铌(NbC)、碳化钽(TaC)、硼化钛(TiB)、及硼化锆(ZrB)中的至少一种化合物。
4.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中所述磁性元素包含选自钴(Co)、及镍(Ni)中的至少一种元素。
5.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中所述磁性体具有软磁性。
6.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中所述磁性体以5摩尔百分数(mol％)以上且50摩尔百分数(mol％)以下的浓度包含所述化合物。
7.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中所述第2强磁性体具有与所述第1强磁性体不同的结晶结构。
8.根据权利要求7所述的磁存储装置，其中所述第1强磁性体具有与所述非磁性体相同的结晶结构。
9.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中所述磁阻效应元件还包含在所述非磁性体上设置在所述第1强磁性体的相反侧的第3强磁性体，且
所述第1强磁性体、所述非磁性体、及所述第3强磁性体构成磁隧道结。
10.根据权利要求9所述的磁存储装置，其中所述第3强磁性体具有大于所述积层体的磁化。
11.根据权利要求1所述的磁存储装置，其具备存储单元，所述存储单元包含所述磁阻效应元件、及连接于所述磁阻效应元件的选择器。
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