CN110890459B - 磁装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供磁装置，一实施方式的磁装置具备磁阻效应元件。磁阻效应元件包括：具有铁磁性的第1结构体；具有铁磁性的第2结构体；及设置于所述第1结构体与所述第2结构体之间的第1非磁性体。所述第1结构体及所述第2结构体经由所述第1非磁性体而反铁磁性地耦合。所述第1结构体包括第1铁磁性氮化物。
Description
本申请基于并要求享受在2018年9月11日提交的日本专利申请第2018-169562号的优先权，其全部内容通过参照而包括于本申请中。
技术领域
在此所描述的实施方式一般涉及磁装置。
背景技术
已知有具有磁元件的磁装置。
发明内容
根据一实施方式，磁装置具备磁阻效应元件。磁阻效应元件包括：具有铁磁性的第1结构体；具有铁磁性的第2结构体；及设置于所述第1结构体与所述第2结构体之间的第1非磁性体。所述第1结构体及所述第2结构体，经由所述第1非磁性体而反铁磁性地耦合。所述第1结构体包括第1铁磁性氮化物。
附图说明
图1是用于说明第1实施方式的磁装置的构成的框图。
图2是用于说明第1实施方式的磁装置的存储单元的构成的剖视图。
图3是用于说明第1实施方式的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图4是用于说明第1实施方式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实施方式的磁装置中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实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图8是用于说明第1实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图9是用于说明第1实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图10是用于说明第1实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图11是用于说明第1实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图12是用于说明第1实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图13是用于说明第1实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
图14是用于说明第1实施方式的变形例的磁装置的磁阻效应元件的构成的示意图。
具体实施方式
总的来说，根据一实施方式，磁装置具备磁阻效应元件。磁阻效应元件包括：具有铁磁性的第1结构体；具有铁磁性的第2结构体；及设置于所述第1结构体与所述第2结构体之间的第1非磁性体。所述第1结构体及所述第2结构体，经由所述第1非磁性体而反铁磁性地耦合。所述第1结构体包括第1铁磁性氮化物。
以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，在以下的说明中，关于具有同一功能及构成的构成要素，标注共通的附图标记。另外，在对具有共通的附图标记的多个构成要素进行区分的情况下，对该共通的附图标记标注后缀来进行区分。此外，在关于多个构成要素无需特别区分的情况下，对该多个构成要素仅标注共通的附图标记，不标注后缀。
1.第1实施方式
对第1实施方式的磁装置进行说明。第1实施方式的磁装置包括：例如使用磁阻效应(MTJ：Magnetic Tunnel Junction，磁隧道结)元件作为存储元件的、基于垂直磁化方式的磁存储装置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory，磁阻式随机存取存储器)。
在以下的说明中，作为磁装置的一例，对上述的磁存储装置进行说明。
1.1.关于构成
对第1实施方式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实施方式的磁装置的构成的框图。如图1所示，磁装置1具备存储单元阵列11、电流吸收器12、感测放大器(读出放大器)及写入驱动器(SA/WD)13、行解码器14、页缓冲器15、输入输出电路16及控制部17。
存储单元阵列11具备与行(row)及列(column)相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连接于同一字线WL，处于同一列的存储单元MC的两端连接于同一位线BL及同一源线/BL。
电流吸收器12连接于位线BL及源线/BL。电流吸收器12在数据的写入及读出等动作中，使位线BL或源线/BL成为接地电位。
SA/WD13连接于位线BL及源线/BL。SA/WD13经由位线BL及源线/BL而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及源线/BL而向动作对象的存储单元MC供给电流，进行从存储单元MC的数据的读出。更具体地说，SA/WD13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。
行解码器14经由字线WL而与存储单元阵列11连接。行解码器14对指定存储单元阵列11的行方向的行地址进行解码。并且，根据解码结果来选择字线WL，向所选择的字线WL施加数据的写入及读出等动作所需的电压。
页缓冲器15以被称作为页的数据为单位，暂时保持要向存储单元阵列11内写入的数据及从存储单元阵列11读出了的数据。
输入输出电路16将从磁装置1的外部收到的各种信号向控制部17及页缓冲器15发送，将来自控制部17及页缓冲器15的各种信息向磁装置1的外部发送。
控制部17与电流吸收器12、SA/WD13、行解码器14、页缓冲器15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，控制电流吸收器12、SA/WD13、行解码器14及页缓冲器15。
1.1.2.关于存储单元的构成
使用图2对第1实施方式的磁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轴及y轴被定义为在xy平面内互相正交的轴。图2示出了以xz平面对第1实施方式的磁装置1的存储单元MC进行了剖切的情况下的剖视图的一例。
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及磁阻效应元件22。选择晶体管21在相对于磁阻效应元件22的数据写入及读出时，作为对电流的供给及停止进行控制的开关而发挥功能。磁阻效应元件22包括层叠了的多个膜。磁阻效应元件22通过在垂直于其膜面的方向上流动电流，其电阻值能够切换为低电阻状态和高电阻状态。磁阻效应元件22构成为，通过其电阻状态的变化来写入数据，非易失性地保持写入了的数据，作为构成为能够被读出电阻状态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、和在该栅的沿着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中的、包括于半导体基板20内的区域也称作有源区域。有源区域例如以不与其他存储单元MC的有源区域进行电连接的方式，通过未图示的元件分离区域(STI：Shallow trench isolation，浅沟槽隔离)而互相绝缘。
布线层23经由半导体基板20上的绝缘层25而沿着y方向设置，例如共同连接于沿着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的一端经由设置于源区域或漏区域24上的接触插塞26而连接于磁阻效应元件22的下表面。在磁阻效应元件22的上表面设置接触插塞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，例如共同连接于在x方向上排列的其他存储单元MC的磁阻效应元件22(未图示)的上表面。
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，例如共同连接于在x方向上排列的其他存储单元MC的选择晶体管21(未图示)的另一端。
布线层28及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，虽然在图2中省略，但是，布线层28及30彼此避免物理性干涉及电干涉地配置。选择晶体管21、磁阻效应元件22、布线层23、28及30、以及接触插塞26、27及29由层间绝缘膜31被覆。
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)例如设置于同一级层上。即，在存储单元阵列11内，多个磁阻效应元件22例如沿着半导体基板20扩展的方向排列。
1.1.3.关于磁阻效应元件
使用图3对第1实施方式的磁装置的磁阻效应元件的构成进行说明。图3是关于第1实施方式的磁装置的磁阻效应元件示出以垂直于xy平面的平面进行了剖切而得到的剖面的一例的示意图。
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、作为隧道阻挡层(Tunnel barrier layer)发挥功能的非磁性层130、作为参照层(Reference layer,参考层)发挥功能的铁磁性层140、作为反铁磁性间隔件(Antiferromagnetic spacer)发挥功能的非磁性层150、作为移位消除层(Shift cancelling layer,变化消除层)发挥功能的铁磁性层160、及作为帽盖层(Capping layer)发挥功能的非磁性层170。在图3以后的图中，非磁性层110、铁磁性层120、非磁性层130、铁磁性层140、非磁性层150、铁磁性层160及非磁性层170分别也表示为“UL”、“SL”、“TB”、“RL”、“AFS”、“SCL”及“CAP”。
在磁阻效应元件22中，例如从半导体基板20侧起，以非磁性层(UL)110、铁磁性层(SL)120、非磁性层(TB)130、铁磁性层(RL)140、非磁性层(AFS)150、铁磁性层(SCL)160及非磁性层(CAP)170的顺序，在z轴方向上层叠有多个膜。磁阻效应元件22是铁磁性层(SL)120、铁磁性层(RL)140及铁磁性层(SCL)160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(UL)110是具有导电性的非磁性体的层，例如包含氧化镁(MgO)、氧化铝(AlO)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO)、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)及氮化钒(VN)等氧化合物或氮化合物中的至少任一个。另外，非磁性层(UL)110也可以包含上述的氧化合物或氮化合物的混合物。也就是说，非磁性层(UL)110不限于由两种元素形成的二元化合物，也可以包含由三种元素形成的三元化合物，例如氮化钛铝(AlTiN)等。氧化合物或氮化合物能够获得抑制与它们相接触的磁性层的阻尼常数的上升从而使写入电流降低的效果。而且，通过使用高熔点金属的氧化合物或氮化合物，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，所谓高熔点金属，是熔点比铁(Fe)、钴(Co)高的材料，例如是锆(Zr)、铪(Hf)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钽(Ta)及钒(V)。
铁磁性层(SL)120是包含具有导电性且在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴的铁磁性体的层，包含铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)中的至少任一个。更具体地说，例如，铁磁性层(SL)120也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。另外，铁磁性层(SL)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)及钛(Ti)中的至少任一个作为杂质。铁磁性层(SL)120具有朝向半导体基板20侧和铁磁性层(RL)140侧的任一方向的磁化方向。铁磁性层(SL)120的磁化方向被设定成，与铁磁性层(RL)140相比容易反转。
非磁性层(TB)130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)及LSMO(Lanthanum-strontium-manganese oxide，镧锶锰氧化物)中的至少任一个。非磁性层(TB)130在相邻的铁磁性层(SL)120及铁磁性层(RL)140的结晶化处理中，也作为成为用于使结晶质的膜从铁磁性层(SL)120及铁磁性层(RL)140的界面生长的核的晶种材料而发挥功能。关于结晶化处理的详情后述。
铁磁性层(RL)140是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴的铁磁性层。铁磁性层(RL)140的磁化方向固定，朝向铁磁性层(SL)120侧和铁磁性层(SCL)160侧中的任一方(在图3的例子中，朝向铁磁性层(SCL)160侧)。此外，所谓“磁化方向固定”，意味着磁化方向不因能够使铁磁性层(SL)120的磁化方向反转的大小的电流而变化。铁磁性层(SL)120、非磁性层(TB)130及铁磁性层(RL)140通过非磁性层(TB)130作为隧道阻挡层发挥功能而构成了磁隧道结。
另外，铁磁性层(RL)140包括作为界面参照层(Interface reference layer，界面参考层)发挥功能的铁磁性层141、作为功能层(Function layer)发挥功能的非磁性层142、铁磁性氮化物层(Ferromagnetic nitride layer)143、作为功能层(Function layer)发挥功能的非磁性层144、及作为主参照层(Main reference layer)发挥功能的铁磁性层145。在铁磁性层(RL)140中，例如，从半导体基板20侧起，以铁磁性层141、非磁性层142、铁磁性氮化物层143、非磁性层144及铁磁性层145的顺序，在z轴方向上层叠有多个膜。在图3以后的图中，铁磁性层141、非磁性层142、铁磁性氮化物层143、非磁性层144及铁磁性层145分别也表示为“IRL”、“FL1”、“FNL1”、“FL2”及“MRL”。
铁磁性层(IRL)141与铁磁性层(SL)120同样，包含铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)中的至少任一个。更具体地说，例如，铁磁性层(IRL)141也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。另外，铁磁性层(IRL)141与铁磁性层(SL)120同样，也可以还包含上述的杂质中的至少一个。
非磁性层(FL1)142是非磁性的膜，例如包含钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)、铑(Rh)、铱(Ir)、钌(Ru)及铂(Pt)中的至少任一个。非磁性层(FL1)142消除铁磁性层(IRL)141与铁磁性氮化物层(FNL1)143之间的结晶结构的不同，起到使铁磁性层(IRL)141及铁磁性氮化物层(FNL1)143的取向性提高的作用。
铁磁性氮化物层(FNL1)143是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴的铁磁性层。铁磁性氮化物层(FNL1)143例如包含从铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)这些铁磁性体中选择出的至少一个元素的氮化合物，例如氮化铁、氮化钴及氮化镍。
铁磁性氮化物具有共价键，在维持导电性及磁矩的同时，具有良好的耐热性，作为扩散阻挡物发挥功能。即，即便在铁磁性层(IRL)141等的结晶化处理等时施加热，铁磁性氮化物层(FNL1)143内的铁磁性氮化物也难以扩散。其结果，例如铁磁性层(IRL)141及铁磁性层(MRL)145内的铁磁性体难以因扩散而进入铁磁性氮化物层(FNL1)143内。而且，与此相关联地，铁磁性层(IRL)141及铁磁性层(MRL)145内的铁磁性体向铁磁性层(IRL)141及铁磁性层(MRL)145的外部的扩散也受到抑制。
另外，氮化铁等结晶结构例如如PHYSICAL RWVIEW B 84,245310(2011)所公开那样，随着氮浓度变高而从铁的体心立方晶格(BCC：Body Centered Cubic)的结晶结构在垂直方向上延伸从而变为体心正方晶格(BCT：Body Centered Tetragonal)的结晶结构。由此，产生高的垂直磁各向异性(PMA：Perpendicular Magnetic Anisotropy)。
非磁性层(FL2)144是非磁性的膜，例如包含铂(Pt)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)、铑(Rh)、铱(Ir)及钌(Ru)中的至少任一个。非磁性层(FL2)144起到使铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性层(MRL)145的结晶结构的取向性提高的作用。
铁磁性层(MRL)145是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴的铁磁性层。铁磁性层(MRL)145例如与铁磁性层(SL)120及铁磁性层(IRL)141同样，包含铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)中的至少任一个。更具体地说，例如，铁磁性层(MRL)145也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。另外，铁磁性层(MRL)145与铁磁性层(SL)120及铁磁性层(IRL)141同样，也可以还包含上述的杂质中的至少一个。
通过铁磁性层(IRL)141、铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性层(MRL)145互相铁磁性地耦合，成为互相平行的磁化方向。因而，包括铁磁性层(IRL)141、非磁性层(FL1)142、铁磁性氮化物层(FNL1)143、非磁性层(FL2)144及铁磁性层(MRL)145的铁磁性层(RL)140能够视为具有大的垂直磁化的一个铁磁性的结构体。
非磁性层(AFS)150是非磁性的膜，例如包含钌(Ru)、铱(Ir)、铑(Rh)及锇(Os)中的至少任一个。非磁性层(AFS)150起到使铁磁性层(RL)140与铁磁性层(SCL)160反铁磁性地耦合的作用。
铁磁性层(SCL)160是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴的铁磁性层。铁磁性层(SCL)160包括作为主移位消除层(Main shift cancelling layer)发挥功能的铁磁性层161、作为功能层(Function layer)发挥功能的非磁性层162、及铁磁性氮化物层(Ferromagnetic nitride layer)163。在铁磁性层(SCL)160中，例如，从半导体基板20侧起，以铁磁性层161、非磁性层162及铁磁性氮化物层163的顺序，在z轴方向上层叠有多个膜。在图3以后的图中，铁磁性层161、非磁性层162及铁磁性氮化物层163分别也表示为“MSCL”、“FL3”及“FNL2”。
铁磁性层(MSCL)161是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴的铁磁性层，通过非磁性层(AFS)150而与铁磁性层(MRL)145反铁磁性地耦合。因而，铁磁性层(MSCL)161的磁化方向被固定为与铁磁性层(MRL)145的磁化方向反平行的方向(在图3的例子中，是铁磁性层(RL)140侧)。使铁磁性层(MSCL)161的磁化方向反转所需的磁场的大小例如设定比铁磁性层(RL)140大的值。
铁磁性层(MSCL)161例如与铁磁性层(MRL)145同样，包含铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)中的至少任一个。更具体地说，例如，铁磁性层(MSCL)161也可以包含钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。另外，铁磁性层(MSCL)161与铁磁性层(MRL)145同样，也可以还包含上述的杂质中的至少一个。
非磁性层(FL3)162是非磁性的膜，例如包含铂(Pt)、钽(Ta)、钼(Mo)、钨(W)、铑(Rh)、铱(Ir)及钌(Ru)中的至少任一个。非磁性层(FL3)162起到使铁磁性层(MSCL)161及铁磁性氮化物层(FNL2)163的取向性提高的作用。
铁磁性氮化物层(FNL2)163是在垂直于膜面的方向上具有易磁化轴的铁磁性层。铁磁性氮化物层(FNL2)163与铁磁性氮化物层(FNL1)143同样，例如包含从铁(Fe)、钴(Co)及镍(Ni)这些铁磁性体中选择的至少一个元素的氮化合物，例如氮化铁、氮化钴及氮化镍。
铁磁性氮化物具有共价键，在维持导电性及磁矩的同时，具有良好的耐热性，作为扩散阻挡物发挥功能。即，铁磁性氮化物层(FNL2)163即便被施加热，铁磁性氮化物层(FNL2)163内的铁磁性氮化物也难以扩散。其结果，铁磁性层(SCL)160的组成物向非磁性层(CAP)170的扩散及非磁性层(CAP)170的组成物向铁磁性层(SCL)160的扩散受到抑制。
铁磁性层(MSCL)161与铁磁性氮化物层(FNL2)163通过互相铁磁性地耦合，成为互相平行的磁化方向。因而，包括铁磁性层(MSCL)161、非磁性层(FL3)162及铁磁性氮化物层(FNL2)163的铁磁性层(SCL)160能够视为具有大的垂直磁化的一个铁磁性的结构体。来自铁磁性层(SCL)160的泄漏磁场使来自铁磁性层(RL)140的泄漏磁场对铁磁性层(SL)120的磁化方向造成的影响降低。
非磁性层(CAP)170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)中的至少任一个。
在第1实施方式中，可以应用在这样的磁阻效应元件22流动写入电流而通过该写入电流来控制铁磁性层(SL)120的磁化方向的自旋注入写入方式。磁阻效应元件22能够根据铁磁性层(SL)120及铁磁性层(RL)140的磁化方向的相对关系是平行还是反平行，取低电阻状态和高电阻状态中的某一方。
当在磁阻效应元件22流动图3中的箭头a1的方向、即从铁磁性层(SL)120朝向铁磁性层(RL)140的写入电流时，铁磁性层(SL)120及铁磁性层(RL)140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。该低电阻状态被称作“P(Parallel，平行)状态”，例如被规定为数据“0”的状态。
当在磁阻效应元件22流动图3中的箭头a2的方向、即从铁磁性层(RL)140朝向铁磁性层(SL)120的写入电流时，铁磁性层(SL)120及铁磁性层(RL)140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。该高电阻状态被称作“AP(Anti-Parallel，反平行)状态”，例如被规定为数据“1”的状态。
1.2.关于磁阻效应元件的制造方法
对第1实施方式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，设为对磁阻效应元件22内的各构成要素中的、铁磁性层(RL)140(参照层RL)的制造方法进行说明，关于其他构成要素，省略对其的说明。
图4、图5及图6是用于说明第1实施方式的磁装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。在图4～图6中，示出铁磁性层(RL)140内的铁磁性层(IRL)141通过退火处理而从非晶状态变为结晶状态的过程及铁磁性层(MRL)145的铁磁性体的扩散的情况。此外，关于层叠于比非磁性层(TB)130靠下层的非磁性层(UL)110及铁磁性层(SL)120、和层叠于比非磁性层(AFS)150靠上层的铁磁性层(SCL)160及非磁性层(CAP)170，为了简略而省略了图示。
如图4所示，非磁性层(TB)130、铁磁性层(IRL)141、非磁性层(FL1)142、铁磁性氮化物层(FNL1)143、非磁性层(FL2)144、铁磁性层(MRL)145及非磁性层(AFS)150按该顺序层叠。非磁性层(TB)130例如具有立方晶(Cubical crystal)或正方晶(Tetragonal crystal)的结晶结构。另外，铁磁性层(IRL)141作为包含杂质的非晶状态的层而层叠。铁磁性氮化物层(FNL1)143通过将作为铁磁性体的例如铁与氮混合并使其成膜而制成。
此外，在图4～图6中，为了方便，铁磁性层(IRL)141内的铁磁性体由“空心圆”表示，铁磁性层(MRL)145内的铁磁性体由“实心圆”表示。
如图5所示，对于在图4中层叠的各层，进行退火处理。具体地说，通过从外部施加热，铁磁性层(IRL)141从非晶质向结晶质转换。在此，非磁性层(TB)130起到控制铁磁性层(IRL)141的结晶结构的取向的作用。即，铁磁性层(IRL)141使非磁性层(TB)130作为晶种而使结晶结构生长(结晶化处理)。由此，铁磁性层(IRL)141按与非磁性层(TB)130的结晶面相同的结晶面取向。
伴随于铁磁性层(IRL)141的结晶结构的形成，铁磁性层(IRL)141内包含的杂质扩散而被除去。该扩散不仅仅对于杂质，对于铁磁性层(IRL)141内的铁磁性体而言也会发生。在此，铁磁性氮化物层(FNL1)143具有作为铁磁性体的例如铁与氮的共价键。因而，铁磁性氮化物层(FNL1)143具有良好的耐热性。关于铁磁性氮化物层(FNL1)143，即便在退火处理中成为高温(300～400℃)，其内部的铁磁性氮化物向外部的扩散也受到抑制，另外，从外部向其内部的铁磁性体的扩散也受到抑制。伴随于此，如图5所示，铁磁性氮化物层(FNL1)143能够抑制铁磁性层(IRL)141内的铁磁性体向铁磁性氮化物层(FNL1)143的内部及比其更远的层扩散。同样，能够抑制铁磁性层(MRL)145内的铁磁性体向铁磁性氮化物层(FNL1)143的内部及比其更远的层扩散。即，能够抑制铁磁性层(IRL)141内的铁磁性体与铁磁性层(MRL)145内的铁磁性体的相互扩散。除此之外，铁磁性层(RL)140内的物质的扩散由于铁磁性氮化物层(FNL1)143的存在，而与没有铁磁性氮化物层(FNL1)143的情况相比，整体上受到抑制。
如图6所示，退火处理结束。铁磁性层(IRL)141在几乎所有杂质被取出了的状态下进行结晶化。此时，铁磁性氮化物层(FNL1)143抑制铁磁性层(IRL)141的内部包含的铁磁性体向其外部扩散。另一方面，由于铁磁性氮化物层(FNL1)143的存在而抑制了其他物质的扩散，所以，例如对于铂、钽等这些铁磁性层(IRL)141而言的杂质向铁磁性层(IRL)141内的流入也受到抑制。由于这些效果，铁磁性层(IRL)141能够优质地结晶化。此外，在铁磁性层(IRL)141优选没有杂质残留，但是，也可以残留有少量的杂质。
另外，关于铁磁性层(MRL)145，为了层间反铁磁性(SAF：Syntheticantiferromagnetic)耦合而优选在铁磁性层(MRL)145没有杂质混入。另外，由于非磁性层(AFS)150的例如钌因热而扩散从而导致作为薄膜的非磁性层(AFS)150与铁磁性层(MRL)145同化，也想要避免SAF耦合劣化。由于铁磁性氮化物层(FNL1)143的存在，非磁性层(AFS)150的例如钌的扩散也受到抑制。因此，杂质向铁磁性层(MRL)145的混入、非磁性层(AFS)150与铁磁性层(MRL)145同化所导致的SAF耦合的劣化能够受到抑制。通过像这样物质的扩散受到抑制，界面磁各向异性等诸特性能够提高。
另外，铁磁性层(IRL)141及铁磁性层(MRL)145夹着包含铁磁性体的铁磁性氮化物层(FNL1)143而层叠。因而，铁磁性层(IRL)141、铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性层(MRL)145能够在之后进行的磁化工序中互相磁耦合，能够整体作为一个铁磁性层而发挥作用。即，铁磁性层(IRL)141、非磁性层(FL1)142、铁磁性氮化物层(FNL1)143、非磁性层(FL2)144及铁磁性层(MRL)145能够作为一个铁磁性层(RL)140(参照层RL)而发挥作用。由此，与仅由铁磁性层(IRL)141构成的情况相比，能够制造磁性体的体积与铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性层(MRL)145相应地变大的结构的参照层RL。
通过以上，参照层RL的制造结束。
此外，在省略了图示的铁磁性层(SCL)160中，铁磁性氮化物层(FNL2)163也具有在退火处理时防止物质从铁磁性层(SCL)160向非磁性层(CAP)170的扩散及物质从非磁性层(CAP)170向铁磁性层(SCL)160的扩散的功能。另外，铁磁性氮化物层(FNL2)163抑制非磁性层(AFS)150及铁磁性层(SCL)160内的物质的扩散。其结果，铁磁性层(SCL)160等中的界面磁各向异性等诸特性也能够提高。
1.3.关于本实施方式的效果
在第1实施方式中，磁阻效应元件22具有基于经由非磁性层(AFS)150的两个铁磁性层(RL)140及铁磁性层(SCL)160的层间反铁磁性(SAF：Synthetic antiferromagnetic)耦合。在铁磁性层(RL)140设置有铁磁性氮化物层(FNL1)143，在铁磁性层(SCL)160设置有铁磁性氮化物层(FNL2)163。这些铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163具有共价键，热的稳定性高。
因而，例如即便进行退火处理等在磁阻效应元件22的制造工序中例如以300至400℃这样的高温被加热的处理，铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163的铁磁性氮化物也难以扩散。另外，物质难以进入铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163。像这样，铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163作为扩散阻挡物发挥功能。通过铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163的存在，构成磁阻效应元件22的各层的物质，与没有铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163的情况相比，整体上难以扩散。
其结果，例如，铁磁性层(RL)140内的铁磁性层(IRL)141能够成为优质的结晶质。由此，产生铁磁性层(IRL)141与非磁性层(FL1)142的界面各向异性，铁磁性层(IRL)141能够获得高的垂直磁各向异性。
同样，关于铁磁性层(RL)140内的铁磁性层(MRL)145及铁磁性层(SCL)160内的铁磁性层(MSCL)161，物质从这些层向其他层的流出及物质从其他层向这些层的流入所导致的功能的降低也受到抑制。例如通过铁磁性层(MRL)145的钴和非磁性层(FL2)144的铂而产生的垂直磁各向异性及例如通过铁磁性层(MSCL)161的钴和非磁性层(FL3)162的铂产生的垂直磁各向异性被维持。已知当例如铁混入这样的钴与铂的层时，垂直磁各向异性会降低。在本实施方式中，由于铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163的存在，包含铁的物质的扩散受到抑制，所以，垂直磁各向异性的降低受到抑制。
另外，与非磁性层(AFS)150相关的扩散也受到抑制，所以，经由非磁性层(AFS)150的铁磁性层(RL)140内的铁磁性层(MRL)145及铁磁性层(SCL)160内的铁磁性层(MSCL)161的反铁磁性耦合的降低也受到抑制。
另外，例如非磁性层(FL1)142的钽等向非磁性层(TB)130的流入也受到抑制，所以，钽等向非磁性层(TB)130的流入所导致的MR比的降低也受到抑制。
另外，铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163在如上述那样具有高的热的稳定性而承担作为扩散阻挡物的功能的同时，也具有垂直磁各向异性。因此，它们的存在不会使铁磁性层(RL)140及铁磁性层(SCL)160的垂直磁各向异性恶化。另外，铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163的导电性良好而电阻值小。由此，能够抑制在磁阻效应元件22流动的写入电流变得过大。因而，能够容易将磁阻效应元件22应用于磁存储装置。
如以上那样，铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163的存在，抑制了在制造工艺中无法避免的加热所导致的磁阻效应元件22中的反铁磁性耦合的耦合能的降低、各层的垂直磁各向异性的降低、电阻变化率的降低等，对于优异的磁阻效应元件22的实现奏效。
2.变形例等
不限于上述的第1实施方式中描述的形态，能够进行各种变形。
例如，图3所示的结构中的几个层可以省略。例如，也可以如图7所示，没有非磁性层(FL2)144。此时，磁阻效应元件22也包含基于经由非磁性层(AFS)150的铁磁性层(MRL)145及铁磁性层(MSCL)161的反铁磁性耦合。而且，也可以如图8所示，没有铁磁性层(MRL)145。在该情况下，磁阻效应元件22也包含基于经由非磁性层(AFS)150的铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性层(MSCL)161的反铁磁性耦合。
而且，也可以如图9所示，没有非磁性层(FL1)142。此时，在磁阻效应元件22中，通过铁磁性层(SL)120及铁磁性层(IRL)141夹着非磁性层(TB)130而存在，也能够获得隧道磁阻效应。进而，也可以如图10所示，没有铁磁性层(IRL)141。此时，在磁阻效应元件22中，通过铁磁性层(SL)120及铁磁性氮化物层(FNL1)143夹着非磁性层(TB)130而存在，也能够获得隧道磁阻效应。
另外，虽然存在铁磁性氮化物层(FNL1)143、非磁性层(FL2)144及铁磁性层(MRL)145，但是也可以采用不具有非磁性层(FL1)142、或铁磁性层(IRL)141及非磁性层(FL1)142的构成。
另外，对在上述的第1实施方式及各变形例中描述的磁阻效应元件22是存储层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，也可以是参照层RL设置于半导体基板20侧的顶部自由(top free)型。
将磁阻效应元件22构成为顶部自由型的情况下的一例的示意图示于图11。图11所示的磁阻效应元件22中，作为基底层发挥功能的非磁性层(UL)110、作为移位消除层发挥功能的铁磁性层(SCL)160、作为反铁磁性间隔件发挥功能的非磁性层(AFS)150、作为参照层发挥功能的铁磁性层(RL)140、作为隧道阻挡层发挥功能的非磁性层(TB)130、作为存储层发挥功能的铁磁性层(SL)120及作为帽盖层发挥功能的非磁性层(CAP)170按该顺序层叠。并且，在铁磁性层(RL)140及铁磁性层(SCL)160分别设置有铁磁性氮化物层(FNL1)143及铁磁性氮化物层(FNL2)163。
此外，需要在非磁性层(AFS)150的紧上方存在铁磁性层(MRL)145，所以，在图11所示的结构中，从非磁性层(AFS)150起，依次配置有铁磁性层(MRL)145-2、非磁性层(FL2)144、铁磁性层(MRL)145-1。
另外，例如，图11所示的结构中的几个层可以省略。例如，也可以如图12所示，没有非磁性层(FL2)144及铁磁性层(MRL2)145-2。在该情况下，在非磁性层(AFS)150的紧上方也配置有铁磁性层(MRL)145-1。而且，也可以如图13所示，没有铁磁性层(MRL1)145-1。在该情况下，在非磁性层(AFS)150的紧上方也配置有铁磁性氮化物层(FNL1)143。而且，也可以没有非磁性层(FL1)142。此时，在磁阻效应元件22中，通过铁磁性层(SL)120及铁磁性层(IRL)141夹着非磁性层(TB)130而存在，也能够获得隧道磁阻效应。而且，也可以没有铁磁性层(IRL)141。此时，在磁阻效应元件22中，通过铁磁性层(SL)120及铁磁性氮化物层(FNL1)143夹着非磁性层(TB)130而存在，也能够获得隧道磁阻效应。
而且，在上述的第1实施方式及变形例中，作为具备磁阻效应元件的磁装置的一例，对具备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器件。
在上述的实施方式中以使用三端子的选择晶体管作为开关元件的构成进行了说明，但是，例如，也可以是两端子型的开关元件。在对两端子间施加的电压为阈值以下的情况下，该开关元件为“高电阻”状态，例如电非导通状态。在对两端子间施加的电压为阈值以上的情况下，开关元件变为“低电阻”状态，例如电导通状态。开关元件，也可以是无论电压为哪个极性都具有该功能。即，2端子型的开关元件也可以双向具有上述功能。这样的开关元件，例如也可以包含从由Te、Se及S构成的组中选择出的至少一种以上的硫属元素。或者，例如也可以包含作为包含上述硫属元素的化合物的硫属化物。该开关元件，除此之外，例如也可以包含从由B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、As、P、Sb构成的组中选择出的至少一种以上的元素。这样的两端子型的开关元件如上述的实施方式那样，经由两个接触插塞而连接于磁阻效应元件。两个接触插塞中的、磁阻效应元件侧的接触插塞例如也可以包含铜。在磁阻效应元件与包含铜的接触插塞之间也可以设置导电层(例如，包含钽的层)。
说明了本发明的几个实施方式，但是，这些实施方式只是作为例子而提出的，并非意在限定发明的范围。这些新颖的实施方式，能够以其他各种方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围内，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，并且包含于技术方案所记载的发明及与其均等的范围中。
Claims (16)
1.一种磁装置，
具备磁阻效应元件，
所述磁阻效应元件包括：
具有铁磁性的第1结构体；
具有铁磁性的第2结构体；及
设置于所述第1结构体与所述第2结构体之间的第1非磁性体，
所述第1结构体及所述第2结构体经由所述第1非磁性体而反铁磁性地耦合，
所述第1结构体包括第1铁磁性氮化物，
所述第1铁磁性氮化物具有导电性。
2.根据权利要求1所述的磁装置，
所述第1铁磁性氮化物包含铁、钴及镍中的至少任一个的氮化合物。
3.根据权利要求1所述的磁装置，
所述第1非磁性体包含钌、铱、铑及锇中的至少任一个。
4.根据权利要求1所述的磁装置，
所述第2结构体包括与所述第1非磁性体相接触的第1铁磁性体。
5.根据权利要求4所述的磁装置，
所述第1铁磁性体包含铁、钴及镍中的至少任一个。
6.根据权利要求1所述的磁装置，
所述磁阻效应元件还包括：
相对于所述第1结构体设置于所述第1非磁性体的相反侧的第2非磁性体；和
相对于所述第2非磁性体设置于所述第1结构体的相反侧的第2铁磁性体。
7.根据权利要求6所述的磁装置，
所述第1结构体还包括：与所述第2非磁性体相接触地设置于所述第2非磁性体与所述第1铁磁性氮化物之间的第3铁磁性体。
8.根据权利要求7所述的磁装置，
所述第3铁磁性体包含铁、钴及镍中的至少任一个。
9.根据权利要求7所述的磁装置，
所述第1结构体还包括：配置于所述第1铁磁性氮化物与所述第3铁磁性体之间的第3非磁性体。
10.根据权利要求9所述的磁装置，
所述第3非磁性体包含钽、钼、钨、铑、铱、钌及铂中的至少任一个。
11.根据权利要求1所述的磁装置，
所述第1结构体还包括：与所述第1非磁性体相接触地设置于所述第1非磁性体与所述第1铁磁性氮化物之间的第4铁磁性体。
12.根据权利要求11所述的磁装置，
所述第4铁磁性体包含铁、钴及镍中的至少任一个。
13.根据权利要求4所述的磁装置，
所述第2结构体还包括：相对于所述第1铁磁性体设置于所述第1非磁性体的相反侧的第2铁磁性氮化物。
14.根据权利要求13所述的磁装置，
所述第2铁磁性氮化物包含铁、钴及镍中的至少任一个的氮化合物。
15.根据权利要求13所述的磁装置，
所述第2结构体还包括：配置于所述第1铁磁性体与所述第2铁磁性氮化物之间的第4非磁性体。
16.根据权利要求15所述的磁装置，
所述第4非磁性体包含铂、钽、钼、钨、铑、铱及钌中的至少任一个。
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