CN111725388A - 磁性装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式提供一种抑制寄生电阻的增加并且提高垂直磁各向异性的磁性装置。实施方式的磁性装置具备磁阻效应元件。所述磁阻效应元件包含：第1非磁性体；第2非磁性体；第1强磁性体，位于所述第1非磁性体及所述第2非磁性体之间；第3非磁性体，位于相对于所述第2非磁性体来说与所述第1强磁性体相反的一侧，且含有稀土类氧化物；以及第4非磁性体，位于所述第2非磁性体与所述第3非磁性体之间且含有金属。

Description

磁性装置
[相关申请案]
本申请案享有以日本专利申请案2019-049603号(申请日：2019年3月18日)作为基础申请案的优先权。本申请案通过参照该基础申请案而包含基础申请案的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及一种磁性装置。
背景技术
已知一种具有磁性元件的磁性装置。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种抑制寄生电阻的增加并且提高垂直磁各向异性的磁性装置。
实施方式的磁性装置具备磁阻效应元件。所述磁阻效应元件包含：第1非磁性体；第2非磁性体；第1强磁性体，位于所述第1非磁性体及所述第2非磁性体之间；第3非磁性体，位于相对于所述第2非磁性体来说与所述第1强磁性体相反的一侧，且含有稀土类氧化物；以及第4非磁性体，位于所述第2非磁性体与所述第3非磁性体之间且含有金属。
附图说明
图1是用来说明第1实施方式的磁性存储装置的构成的框图。
图2是用来说明第1实施方式的磁性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实施方式的磁性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实施方式的磁性存储装置的存储单元阵列的构成的剖视图。
图5是用来说明第1实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。
图6是用来说明第1实施方式的磁性存储装置中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实施方式的磁性存储装置中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实施方式的效果的示意图。
图9是用来说明第1实施方式的变化例的磁性存储装置的存储单元阵列的构成的示意图。
图10是用来说明第1实施方式的变化例的磁性存储装置的存储单元的构成的剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对实施方式进行说明。此外，在以下说明中，对具有相同功能及构成的构成要素标注共通的参照符号。另外，在区分具有共通的参照符号的多个构成要素的情况下，对该共通的参照符号标注附标来加以区分。此外，在无需对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通的参照符号，而不标注附标。此处，附标并不限于下标或上标，例如包括添加在参照符号末尾的小写字母、及意指排序的索引等。
1.第1实施方式
对第1实施方式的磁性装置进行说明。第1实施方式的磁性装置例如包含垂直磁化方式的磁性存储装置，该磁性存储装置使用通过磁隧道结(MTJ：MagneticTunnelJunction)而具有磁阻效应(Magnetoresistive effect)的元件(MTJ元件，或亦称为magnetoresistive effect element)作为可变电阻元件。
在以下说明中，作为磁性装置的一例，对所述磁性存储装置进行说明。
1.1构成
首先，对第1实施方式的磁性存储装置的构成进行说明。
1.1.1磁性存储装置的构成
图1是表示第1实施方式的磁性存储装置的构成的框图。如图1所示，磁性存储装置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具备多个分别与行(row)、及列(column)的组建立对应关系的存储单元MC。具体而言，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，被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，被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包含被选择的列地址及行地址。
写入电路14进行对存储单元MC的数据写入。写入电路14例如包含写入驱动器(未图示)。
读出电路15进行来自存储单元MC的数据读出。读出电路15例如包含感测放大器(未图示)。
电压产生电路16使用从磁性存储装置1的外部(未图示)提供的电源电压，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将来自磁性存储装置1外部的地址ADD传送给解码电路13。输入输出电路17将来自磁性存储装置1外部的指令CMD传送给控制电路18。输入输出电路17在磁性存储装置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将来自磁性存储装置1外部的数据DAT传送给写入电路14，将从读出电路15传送的数据DAT输出到磁性存储装置1的外部。
控制电路18基于控制信号CNT及指令CMD，控制磁性存储装置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实施方式的磁性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实施方式的磁性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通过包含2个小写字母(“u”及“d”)及索引(“<>”)的附标分类表示。
如图2所示，存储单元MC(MCu及MCd)在存储单元阵列10内配置成矩阵状，且与多条位线BL(BL<0>、BL<1>、...、BL<N>))中的1条和多条字线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，附标“d”及“u”分别为方便识别多个存储单元MC中(例如相对于位线BL)设置在下方的存储单元及设置在上方的存储单元的字母。关于存储单元阵列10的立体结构的示例，将在下文叙述。
存储单元MCd<i、j>包含串联连接的开关元件SELd<i、j>及磁阻效应元件MTJd<i、j>。存储单元MCu<i、j>包含串联连接的开关元件SELu<i、j>及磁阻效应元件MTJu<i、j>。
开关元件SEL具有作为开关的功能，所述开关在向对应的磁阻效应元件MTJ进行数据写入及读出时，控制向磁阻效应元件MTJ的电流供给。更具体而言，例如，某个存储单元MC内的开关元件SEL在施加到该存储单元MC的电压低于阀值电压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)，在高于阀值电压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，开关元件SEL具有如下功能：不论电流的流动方向如何，均能够根据施加到存储单元MC的电压的大小，来切换使电流流通或阻断电流。
开关元件SEL也可为例如双端子型开关元件。当施加到两端子间的电压为阀值以下时，该开关元件为“高电阻”状态，例如为电非导通状态。当施加到两端子间的电压为阀值以上时，开关元件变为“低电阻”状态，例如变为电导通状态。不论电压为哪个极性，开关元件均可具有该功能。例如，该开关元件中可含有选自由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，也可包含作为含有所述硫族元素的化合物的硫属化物。除此以外，该开关元件也可含有选自由B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)、C(碳)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)、As(砷)、P(磷)、Sb(锑)、钛(Ti)、及铋(Bi)所组成的群中的至少一种以上的元素。更具体而言，该开关元件也可含有选自锗(Ge)、锑(Sb)、碲(Te)、钛(Ti)、砷(As)、铟(In)、及铋(Bi)中的至少两种元素。进而，除此以外，该开关元件也可含有选自钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、铌(Nb)、钼(Mo)、铪(Hf)、及钨(W)中的至少一种元素的氧化物。
磁阻效应元件MTJ能够利用由开关元件SEL控制供给的电流，将电阻值切换为低电阻状态与高电阻状态。磁阻效应元件MTJ作为存储元件发挥功能，所述存储元件能够通过该电阻状态的变化写入数据，将所写入的数据非易失地保存并能够读出。
接下来，使用图3及图4对存储单元阵列10的截面结构进行说明。图3及图4示出了用来说明第1实施方式的磁性存储装置的存储单元阵列的构成的剖视图的一例。图3及图4是分别从相互交叉的不同方向观察存储单元阵列10的剖视图。
如图3及图4所示，存储单元阵列10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。也就是说，图3及图4是分别从Y方向及X方向观察存储单元阵列10的剖视图。
在半导体衬底20的上表面上例如设置着多个导电体21。多个导电体21具有导电性，作为字线WLd发挥功能。多个导电体21例如沿着Y方向排列设置，且分别沿着X方向延伸。此外，在图3及图4中，对多个导电体21设置在半导体衬底20上的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，多个导电体21也可不与半导体衬底20相接而是分离设置在上方。
在1个导电体21的上表面上设置着多个分别作为磁阻效应元件MTJd发挥功能的元件22。设置在1个导电体21的上表面上的多个元件22例如沿着X方向排列设置。也就是说，在1个导电体21的上表面上，共通地连接着沿X方向排列的多个元件22。此外，关于元件22的构成的详情，将在下文叙述。
在多个元件22各自的上表面上设置着作为开关元件SELd发挥功能的元件23。多个元件23各自的上表面连接于多个导电体24中的任一个。多个导电体24具有导电性，作为位线BL发挥功能。多个导电体24例如沿着X方向排列设置，且分别沿着Y方向延伸。也就是说，在1个导电体24，共通地连接着沿Y方向排列的多个元件23。此外，在图3及图4中，对多个元件23分别设置在元件22上及导电体24上的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，多个元件23也可分别经由导电性的接触插塞(未图示)与元件22及导电体24连接。
在1个导电体24的上表面上设置着多个分别作为磁阻效应元件MTJu发挥功能的元件25。设置在1个导电体24的上表面上的多个元件25例如沿着X方向排列设置。也就是说，在1个导电体24的上表面，共通地连接着沿Y方向排列的多个元件25。此外，元件25例如具有与元件22同等的构成。
在多个元件25各自的上表面上设置着作为开关元件SELu发挥功能的元件26。多个元件26各自的上表面连接于多个导电体27中的任一个。多个导电体27具有导电性，作为字线WLu发挥功能。多个导电体27例如沿着Y方向排列设置，且分别沿着X方向延伸。也就是说，在1个导电体27，共通地连接着沿X方向排列的多个元件26。此外，在图3及图4中，对多个元件26分别设置在元件25上及导电体27上的情况进行了说明，但并不限定于此。例如，多个元件26也可分别经由导电性的接触插塞(未图示)与元件25及导电体27连接。
通过如以上般构成，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：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，从而在Z方向的不同高度具有多个存储单元MC。在图3及图4所示的单元结构中，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，在共通地连接于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对应于标注着附标“u”的存储单元MCu，设置在下层的存储单元MC对应于标注着附标“d”的存储单元MCd。
1.1.3磁阻效应元件
接下来，使用图5对第1实施方式的磁性装置的磁阻效应元件的构成进行说明。图5是表示第1实施方式的磁性装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。在图5中，例如表示将图3及图4所示的磁阻效应元件MTJd沿着垂直于Y方向的平面(例如XZ平面)切开所得的截面的一例。此外，磁阻效应元件MTJu因为具有与磁阻效应元件MTJd同等的构成，所以省略它的图示。
如图5所示，磁阻效应元件MTJ例如包含：非磁性体31，作为顶层TOP(Top layer)发挥功能；非磁性体32，作为上覆层CAPa(Capping layer)发挥功能；非磁性体33，作为上覆层CAPb发挥功能；强磁性体34，作为存储层SL(Storage layer)发挥功能；非磁性体35，作为隧道势垒层TB(Tunnel barrier layer)发挥功能；强磁性体36，作为参考层RL(Referencelayer)发挥功能；非磁性体37，作为间隔层SP(Spacer layer)发挥功能；强磁性体38，作为位移消除层SCL(Shift cancelling layer)发挥功能；以及非磁性体39，作为底层UL(Underlayer)发挥功能。
磁阻效应元件MTJd例如从字线WLd侧朝向位线BL侧(沿着Z轴方向)按照非磁性体39、强磁性体38、非磁性体37、强磁性体36、非磁性体35、强磁性体34、非磁性体33、非磁性体32、及非磁性体31的顺序积层多个膜。磁阻效应元件MTJu例如从位线BL侧朝向字线WLu侧(沿着Z轴方向)按照非磁性体39、强磁性体38、非磁性体37、强磁性体36、非磁性体35、强磁性体34、非磁性体33、非磁性体32、及非磁性体31的顺序积层多个膜。磁阻效应元件MTJd及MTJu例如作为构成磁阻效应元件MTJd及MTJu的磁性体的磁化方向分别朝向相对于膜面垂直的方向的垂直磁化型MTJ元件发挥功能。此外，磁阻效应元件MTJ也可在所述各层31～39之间包含未图示的其它层。
非磁性体31为非磁性的稀土类氧化物(Rare-earth oxide)，具有在磁阻效应元件MTJ的制造过程中，吸收从强磁性体34扩散的硼(B)等元素的功能。非磁性体31例如含有选自钇(Y)、镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、钪(Sc)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、及镥(Lu)中的至少一种稀土类元素的氧化物。另外，如上所述，非磁性体31也可还含有硼(B)作为从强磁性体34内吸收的元素。
非磁性体32为非磁性金属的导电膜，具有抑制磁阻效应元件MTJ的寄生电阻增加的功能。就抑制寄生电阻增加的观点而言，非磁性体32的电阻值例如较理想为非磁性体35的电阻值的一成以下。另外，为了不减弱从强磁性体34吸收硼(B)的效果，非磁性体31较理想为接近强磁性体34设置。随之，就缩短强磁性体34与非磁性体31之间的距离的观点而言，非磁性体32较理想为例如2nm(纳米)以下。
另外，非磁性体32较理想为不妨碍非磁性体31吸收强磁性体34内的硼(B)的功能。也就是说，非磁性体32较理想为易成为硼化物(boride)的材料。
作为满足以上必要条件的材料，非磁性体32例如可含有选自钽(Ta)、铪(Hf)、锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、及铌(Nb)中的至少一种金属。
非磁性体33为非磁性的绝缘膜，例如含有氧化镁(MgO)。非磁性体33可具有体心立方(bcc：Body-centered cubic)系结晶结构(膜面取向为(001)面的NaCl结晶结构)。非磁性体33在相邻的强磁性体34的结晶化处理中作为晶种材料发挥功能，该晶种材料成为用来使结晶质的膜从与强磁性体34的界面生长的核。
非磁性体33例如晶格间隔小于稀土类元素的氧化物。因此，对于共价键半径相对较小的元素(例如强磁性体34内的硼(B)等)，非磁性体33不会妨碍该元素从强磁性体34向非磁性体31的扩散。另一方面，对于共价键半径相对较大的元素(例如强磁性体34内的铁(Fe)等)，非磁性体33具有防止该元素扩散的功能。
就抑制寄生电阻增加的观点、及缩短非磁性体31与强磁性体34之间的距离的观点而言，非磁性体33的膜厚例如较理想为薄于非磁性体35，更具体而言，较理想为1nm(纳米)以下。
强磁性体34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34具有朝向位线BL侧、字线WL侧中的任一方向的磁化方向。强磁性体34含有铁(Fe)、钴(Co)、及镍(Ni)中的至少任一种。另外，强磁性层34也可还含有硼(B)、磷(P)、碳(C)、铝(A1)、硅(Si)、钽(Ta)、钼(Mo)、铬(Cr)、铪(Hf)、钨(W)、及钛(Ti)中的至少任一种。更具体而言，例如强磁性体34含有钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)，可具有体心立方系结晶结构。
非磁性体35为非磁性的绝缘膜，例如含有氧化镁(MgO)。非磁性体35可具有体心立方系结晶结构(膜面取向为(001)面的NaCl结晶结构)。另外，非磁性体35与非磁性体33相同，在相邻的强磁性体34的结晶化处理中作为晶种材料发挥功能，该晶种材料成为用来使结晶质的膜从与强磁性体34的界面生长的核。非磁性体35设置在强磁性体34与强磁性体36之间，与这2个强磁性体一同形成磁隧道结。
强磁性体36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36具有朝向位线BL侧、字线WL侧中的任一方向的磁化方向。强磁性体36例如含有铁(Fe)、钴(Co)、及镍(Ni)中的至少任一种。另外，强磁性层36也可还含有硼(B)、磷(P)、碳(C)、铝(Al)、硅(Si)、钽(Ta)、钼(Mo)、铬(Cr)、铪(Hf)、钨(W)、及钛(Ti)中的至少任一种。更具体而言，例如强磁性体36含有钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)，可具有体心立方系结晶结构。强磁性体36的磁化方向被固定，在图5的示例中朝向强磁性体38的方向。此外，所谓“磁化方向被固定”，是指磁化方向不会因能够使强磁性体34的磁化方向反转的大小的电流(自旋转矩)而发生变化。
此外，虽然在图5中省略了图示，但强磁性体36也可为包含多个层的积层体。具体而言，例如构成强磁性体36的积层体也可为如下结构：在含有所述钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)的界面层的强磁性体38侧的面上，隔着非磁性的导电体积层其它强磁性体。构成强磁性体36的积层体内的非磁性的导电体例如可含有选自钽(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36的积层体内的其它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)、及钴(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37为非磁性的导电膜，例如含有选自钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、钒(V)、及铬(Cr)中的至少一种元素。
强磁性体38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38例如含有选自钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)、及钴钯(CoPd)中的至少一种合金。强磁性体38与强磁性体36相同，也可为包含多个层的积层体。在此情况下，强磁性体38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)、及钴(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38具有朝向位线BL侧、字线WL侧中的任一方向的磁化方向。强磁性体38的磁化方向与强磁性体36同样被固定，在图5的示例中，朝向强磁性体36的方向。
强磁性体36及38通过非磁性体37而反强磁性地结合。也就是说，强磁性体36及38以具有相互反平行的磁化方向的方式结合。因此，在图5的示例中，强磁性体36及38的磁化方向朝向相互对向的方向。将这种强磁性体36、非磁性体37、及强磁性体38的结合结构称为SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic，合成反铁磁体)结构。由此，强磁性体38能够抵消强磁性体36的漏磁场对强磁性体34的磁化方向产生的影响。因此，抑制由起因于强磁性体36的漏磁场等外部因素而导致强磁性体34的磁化的反转容易度产生非对称性(也就是说，强磁性体34的磁化方向反转时的反转容易度在从一侧向另一侧反转的情况与向其反方向反转的情况下不同)。
非磁性体39为非磁性的导电膜，具有作为使与位线BL或字线WL的电连接性提高的电极的功能。另外，非磁性体39例如含有高熔点金属。所谓高熔点金属，例如表示熔点高于铁(Fe)及钴(Co)的材料，例如含有选自锆(Zr)、铪(Hf)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、铌(Nb)、钛(Ti)、钽(Ta)、钒(V)、钌(Ru)、及铂(Pt)中的至少一种元素。
在第1实施方式中，采用自旋注入写入方式，该方式是直接使写入电流在这种磁阻效应元件MTJ中流通，通过该写入电流对存储层SL及参考层RL注入自旋转矩，从而控制存储层SL的磁化方向及参考层RL的磁化方向。磁阻效应元件MTJ能够根据存储层SL及参考层RL的磁化方向的相对关系为平行或反平行，而采取低电阻状态及高电阻状态中的任一种。
当在磁阻效应元件MTJ中沿图5中的箭头A1的方向、也就是从存储层SL朝向参考层RL的方向流动某种大小的写入电流Iw0时，存储层SL及参考层RL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，平行)状态”，例如规定为数据“0”的状态。
另外，当在磁阻效应元件MTJ中沿图5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)流动比写入电流Iw0大的写入电流Iw1时，存储层SL及参考层RL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，反平行)状态”，例如规定为数据“1”的状态。
此外，在以下说明中，按照所述数据的规定方法进行说明，但数据“1”及数据“0”的规定方法并不限定于所述示例。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.磁阻效应元件的制造方法
接下来，对第1实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件的制造方法进行说明。在以下说明中，对磁阻效应元件MTJ内的各构成要素中强磁性体34(存储层SL)的制造方法进行特别说明，对于其它构成要素(参考层RL、位移消除层SCL等)，则省略它们的说明。
图6及图7是用来说明第1实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。在图6及图7中，表示强磁性体34通过退火处理而从非晶状态变为结晶状态的过程。此外，关于积层在比非磁性体35靠下层的强磁性体36、非磁性体37、强磁性体38、及非磁性体39，为了方便说明，而省略了图示。
如图6所示，非磁性体35、强磁性体34、非磁性体33、非磁性体32、及非磁性体31从半导体衬底20起依次被积层。
非磁性体35及33具有膜面取向为(001)面的NaCl结晶结构。由此，在与强磁性体34的界面上，非磁性体35及33中的镁(Mg)与氧(O)交替排列。
强磁性体34例如以含有铁(Fe)与硼(B)的非晶状态积层。
接着，如图7所示，对在图6中积层的各层进行退火处理。具体而言，通过从外部对各层加热，强磁性体34从非晶质转换为结晶质。此处，非磁性体35及33发挥控制强磁性体34的结晶结构的取向的作用。也就是说，强磁性体34将非磁性体35及33作为晶种材料使结晶结构生长(结晶化处理)。强磁性体34内的铁(Fe)与氧化镁(MgO)的晶格间隔的误搭配较小，因此强磁性体34被取向为与非磁性体35及33的结晶面相同的结晶面。由此，强磁性体34的结晶取向性提高，能够获得更大的隧穿磁阻比(TMR：Tunnel mangetoresistive ratio)。
另外，在强磁性体34与非磁性体35及33的界面上，强磁性体34内的铁(Fe)与非磁性体35及33内的氧(O)键结，而形成sp杂化轨道。由此，强磁性体34能够从两侧界面中的任一界面显现垂直方向的磁各向异性。
此外，在退火处理中，非磁性体31吸收强磁性体34内的硼(B)。由此，促进强磁性体34的结晶化。如上所述，非磁性体32的膜厚设定为2nm(纳米)以下，非磁性体33的膜厚设定为1nm(纳米)以下。因此，能够缩短非磁性体31与强磁性体34之间的距离，非磁性体31能够从强磁性体34吸收硼(B)，并可有助于促进强磁性体34的结晶化。
另外，非磁性体32选择易成为硼化物的材料。因此，非磁性体32可与非磁性体31一同促进来自强磁性体34的硼(B)的吸收。
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，磁阻效应元件能够抑制寄生电阻的增加，并且提高垂直磁各向异性。关于本效果，以下进行说明。
在第1实施方式中，磁阻效应元件MTJ是在半导体衬底20的上方依次积层非磁性体35、强磁性体34、非磁性体33、非磁性体32、及非磁性体31。非磁性体31含有稀土类氧化物。由此，强磁性体34内所含的硼(B)在退火处理时被非磁性体31吸收。因此，能够使强磁性体34优质地结晶化。
另外，非磁性体33及35含有氧化镁(MgO)。因此，强磁性体34的结晶结构从与非磁性体33的界面及与非磁性体35的界面中的任一界面均生长。因此，能够在两界面产生提高磁各向异性的铁(Fe)-氧(O)间的键。
图8是用来说明第1实施方式的效果的示意图。在图8中，通过在横轴取磁化(Ms×t)的大小，在纵轴取各向异性磁场(Hk)的大小，而表示强磁性体的垂直磁各向异性的大小。此外，Ms及t分别表示作为对象的强磁性体的饱和磁化及膜厚，磁化(Ms×t)由该饱和磁化及膜厚的积表示。另外，垂直磁各向异性与磁化及各向异性磁场的积相关。因此，在图8的示例中，表示线越往右上方移动，则垂直磁各向异性越大。
在图8中示出了线L1及线L2，线L1表示说明比较例的强磁性体的垂直磁各向异性的大小，线L2表示强磁性体34的垂直磁各向异性的大小。比较例的强磁性体例如为仅在强磁性体34的上表面上或下表面上中的一面设置了含有氧化镁(MgO)的非磁性体的情况。如图8所示，第1实施方式的强磁性体34的垂直磁各向异性大于比较例的强磁性体。这是因为：在比较例的强磁性体中，铁(Fe)-氧(O)间的键仅在上下表面中的一面产生，相对于此，在第1实施方式的强磁性体34中则在上下表面中的任一面均产生。这样一来，理论上第1实施方式的强磁性体34与比较例的强磁性体相比可获得约2倍的垂直磁各向异性。
另外，非磁性体32及33的膜厚分别被抑制为2nm(纳米)以下及1nm(纳米)以下。由此，能够抑制非磁性体31与强磁性体34之间的距离变大。因此，能够在退火处理时维持从强磁性体34吸收硼(B)的效果，并且获得较高的垂直磁各向异性。
另外，非磁性体32选择易硼(B)化的材料。由此，能够抑制因在非磁性体31与强磁性体34之间设置非磁性体32而导致的硼(B)的吸收效果的降低。
另外，对于非磁性体32选择具有非磁性体35的一成以下的电阻值的材料。由此，能够抑制因积层含有电阻值较大的氧化镁(MgO)的非磁性体33而导致的寄生电阻的增加。因此，能够抑制磁阻效应元件MTJ的电阻值的增加，进而能够抑制写入电流Iw0及Iw1的增加。因此，能够将磁阻效应元件MTJ容易地应用于磁性存储装置。
另外，强磁性体34设置在比强磁性体36更靠上方。随之，非磁性体33设置在比非磁性体32更靠下方。因此，磁阻效应元件MTJ能够以成为在强磁性体34的上表面上积层非磁性体33的结构，进而非磁性体33成为bcc结晶结构的方式制膜。
补充说明，在将强磁性体34设置在比强磁性体36更靠下方的情况下，非磁性体33设置在比非磁性体32更靠上方。更具体而言，非磁性体33设置在非磁性体32的上表面上。在该情况下，非磁性体32在制膜时由于不含硼(B)，所以可能会妨碍非磁性体33成为bcc结晶结构。这样一来，非磁性体33较理想为设置在非磁性体32的下方。根据第1实施方式，磁阻效应元件MTJ由于采用无顶部(top free)的结构，所以能以成为非磁性体33设置在非磁性体32的下方的结构且非磁性体33具有作为晶种材料的功能的方式制膜。
2.变化例等
此外，并不限定于所述第1实施方式，能够应用各种变化。以下，对能够应用于所述第1实施方式的几个变化例进行说明。此外，为了方便说明，主要对与第1实施方式的不同点进行说明。
关于在所述第1实施方式中所叙述的存储单元MC，对应用双端子型开关元件作为开关元件SEL的情况进行了说明，但作为开关元件SEL，也可应用MOS(Metal oxidesemiconductor，金属氧化物半导体)晶体管。也就是说，存储单元阵列并不限定于在Z方向的不同高度具有多个存储单元MC的结构，而能够应用任意阵列结构。
图9是用来说明变化例的磁性存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。图9对应于第1实施方式的图1中所说明的磁性存储装置1中的存储单元阵列10。
如图9所示，存储单元阵列10A具备多个分别与行及列建立对应关系的存储单元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10为用来说明变化例的磁性存储装置的存储单元的构成的剖视图。图10对应于第1实施方式的图3及图4中所说明的存储单元MC。此外，在图10的示例中，存储单元MC由于未相对于半导体衬底积层，所以未标注“u”及“d”等附标。
如图10所示，存储单元MC设置在半导体衬底40上，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的开关。磁阻效应元件42的构成与第1实施方式的图5所示的磁阻效应元件MTJ同等。
选择晶体管41具备：栅极(导电体43)，作为字线WL发挥功能；及一对源极区域或漏极区域(扩散区域44)，在该栅极的沿着x方向的两端设置在半导体衬底40上。导电体43设置在绝缘体45上，该绝缘体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，共通连接于沿着y方向排列的其它存储单元MC的选择晶体管(未图示)的栅极。导电体43例如在x方向上排列。在设置在选择晶体管41的第1端的扩散区域44上，设置着接触插塞46。接触插塞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)上设置着接触插塞47，在接触插塞47的上表面上连接着作为位线BL发挥功能的导电体48。导电体48例如沿x方向延伸，共通连接于在x方向上排列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上设置着接触插塞49。接触插塞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例如沿x方向延伸，共通连接于例如在x方向上排列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方向上排列。导电体48位于例如导电体50的上方。此外，在图10中虽有所省略，但导电体48及50是避免相互物理性及电性干扰地配置的。选择晶体管41、磁阻效应元件42、导电体43、48、及50、以及接触插塞46、47、及49由层间绝缘膜51被覆。此外，相对于磁阻效应元件42沿着x方向或y方向排列的其它磁阻效应元件(未图示)例如设置在同一阶层上。也就是说，在存储单元阵列10A内，多个磁阻效应元件42配置在例如XY平面上。
通过如以上般构成，关于对开关元件SEL并非应用双端子型开关元件，而是应用作为三端子型开关元件的MOS晶体管的情况，也能发挥与第1实施方式同等的效果。
另外，关于在所述实施方式及变化例中所叙述的存储单元MC，对磁阻效应元件MTJ设置在开关元件SEL的下方的情况进行了说明，但磁阻效应元件MTJ也可设置在开关元件SEL的上方。
进而，在所述第1实施方式及各变化例中，作为具备磁阻效应元件的磁性装置的一例，对具备MTJ元件的磁性存储装置进行了说明，但并不限定于此。例如，磁性装置包含传感器或媒体等需要具有垂直磁各向异性的磁性元件的其它器件。该磁性元件例如为至少包含图5中所说明的非磁性体31、非磁性体32、非磁性体33、强磁性体34、及非磁性体35的元件。
已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示例而提出的，并非意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能以其它各种方式实施，且能够在不脱离发明主旨的范围内进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变化包含在发明的范围及主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
[符号说明]
1 磁性存储装置
10、10A 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
21、24、27、43、48、50 导电体
22、23、25、26 元件
31、32、33、35、37 非磁性体
34、36、38 强磁性体
20、40 半导体衬底
41 选择晶体管
42 磁阻效应元件
44 源极区域或漏极区域
45 绝缘层
46、47、49 接触插塞
51 层间绝缘膜

Claims (17)

1.一种磁性装置，具备磁阻效应元件，
所述磁阻效应元件包含：
第1非磁性体；
第2非磁性体；
所述第1非磁性体及所述第2非磁性体之间的第1强磁性体；
第3非磁性体，位于相对于所述第2非磁性体来说与所述第1强磁性体相反的一侧，且含有稀土类氧化物；以及
第4非磁性体，位于所述第2非磁性体与所述第3非磁性体之间且含有金属。
2.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第4非磁性体含有选自钽(Ta)、铪(Hf)、锆(Zr)、钛(Ti)、钒(V)、及铌(Nb)中的至少一种元素。
3.根据权利要求2所述的磁性装置，其中
所述第4非磁性体还含有硼(B)。
4.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第4非磁性体的膜厚为2纳米以下。
5.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第4非磁性体的电阻值为所述第1非磁性体的电阻值的10％以下。
6.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1非磁性体及所述第2非磁性体含有氧化镁(MgO)。
7.根据权利要求6所述的磁性装置，其中
所述第2非磁性体还含有硼(B)。
8.根据权利要求6所述的磁性装置，其中
所述第2非磁性体的膜厚薄于所述第1非磁性体的膜厚。
9.根据权利要求8所述的磁性装置，其中
所述第2非磁性体的膜厚为1纳米以下。
10.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第3非磁性体含有选自钪(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)、及镥(Lu)中的至少一种元素。
11.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体含有选自铁(Fe)、钴(Co)、及镍(Ni)中的至少一种元素。
12.根据权利要求11所述的磁性装置，其中
所述磁阻效应元件还包含位于相对于所述第1非磁性体来说与所述第1强磁性体相反的一侧的第2强磁性体，
所述第1强磁性体
根据从所述第1强磁性体流向所述第2强磁性体的第1电流变为第1电阻值，根据从所述第2强磁性体流向所述第1强磁性体的第2电流变为第2电阻值。
13.根据权利要求12所述的磁性装置，其中
所述第2强磁性体含有选自铁(Fe)、钴(Co)、及镍(Ni)中的至少一种元素。
14.根据权利要求12所述的磁性装置，其中
所述第1电阻值小于所述第2电阻值。
15.根据权利要求12所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体设置在所述第2强磁性体的上方。
16.根据权利要求15所述的磁性装置，其中
所述第2非磁性体设置在所述第4非磁性体的下方。
17.根据权利要求12所述的磁性装置，其中
所述磁性装置具备存储单元，所述存储单元包含：
所述磁阻效应元件；以及
开关元件，与所述磁阻效应元件串联连接。
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