CN112490263A - 磁性装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式提供一种维持保留特性且减小饱和磁化及膜厚的积的磁性装置。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强磁性体、第2强磁性体、所述第1强磁性体与所述第2强磁性体之间的第1非磁性体、以及与所述第1非磁性体之间夹着所述第1强磁性体的第2非磁性体。所述第1非磁性体及所述第2非磁性体含有氧化镁(MgO)。所述第1强磁性体与所述第2非磁性体的界面比所述第1强磁性体与所述第1非磁性体的界面含有更多的硼(B)。

Description

磁性装置
[相关申请]
本申请享有以日本专利申请2019-165228号(申请日：2019年9月11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所有内容。
技术领域
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维持保留(retention)特性且减小饱和磁化及膜厚的积的磁性装置。
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强磁性体、第2强磁性体、所述第1强磁性体与所述第2强磁性体之间的第1非磁性体、以及与所述第1非磁性体之间夹着所述第1强磁性体的第2非磁性体。所述第1非磁性体及所述第2非磁性体含有氧化镁(MgO)。所述第1强磁性体与所述第2非磁性体的界面比所述第1强磁性体与所述第1非磁性体的界面含有更多的硼(B)。
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的存储层中的硼的分布的简图。
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实施方式的磁性存储装置中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实施方式的效果的示意图。
图10是用来说明第1变化例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11是用来说明第2变化例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12是用来说明第3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13是用来说明第3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，在以下的说明中，对于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，在将具有共通的参照符号的多个构成要素加以区分的情况下，对该共通的参照符号标注附标来加以区分。此外，在无需特别区分多个构成要素的情况下，仅对该多个构成要素标注共通的参照符号，而不标注附标。此处，附标并不限定于下标或上标，例如，包含添加在参照符号末尾的小写字母、及意指排列的索引等。
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，所述磁性存储装置将利用磁隧道结(MTJ：Magnetic TunnelJunction)而具有磁阻效应(Magnetoresistive effect)的元件(也称为MTJ元件、或magnetoresistive effect element)用作阻变元件。
在以下的说明中，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具备分别与行(row)、及列(column)的组建立对应的多个存储单元MC。具体来说，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将来自输入输出电路17的地址ADD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使用从磁性存储装置1的外部(未图示)提供的电源电压，产生存储单元阵列10的各种动作用电压。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的外部的地址ADD传输至解码电路13。输入输出电路17将来自磁性存储装置1的外部的指令CMD传输至控制电路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的外部的数据DAT传输至写入电路14，并将从读出电路15传输的数据DAT输出至磁性存储装置1的外部。
控制电路18基于控制信号CNT及指令CMD，对磁性存储装置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的动作进行控制。
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由包含2个小写字母(“u”及“d”)与索引(“＜＞”)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内配置为矩阵状，且与多条位线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(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”分别是为了方便识别多个存储单元MC中的(例如，相对于位线BL)设置在下方的存储单元MC及设置在上方的存储单元MC的附标。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＞包含串联地连接的切换元件SELd＜i、j＞及磁阻效应元件MTJd＜i、j＞。存储单元MCu＜i、j＞包含串联地连接的切换元件SELu＜i、j＞及磁阻效应元件MTJu＜i、j＞。
切换元件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。更具体来说，例如，某存储单元MC内的切换元件SEL在施加至该存储单元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将电流遮断(成为断开状态)，在高于阈值电压Vth的情况下，作为电阻值较小的导电体流通电流(成为接通状态)。也就是说，切换元件SEL具有如下功能：不论流通的电流的方向如何，均能够根据施加至存储单元MC的电压的大小来切换流通电流还是遮断电流。
切换元件SEL例如也可以是2端子型切换元件。在施加至2端子间的电压为阈值以下的情况下，该切换元件为“高电阻”状态、例如电性非导通状态。在施加至2端子间的电压为阈值以上的情况下，切换元件变为“低电阻”状态、例如电性导通状态。不论电压为哪个极性，切换元件均可具有该功能。例如，该切换元件中可以含有选自由Te(碲)、Se(硒)及S(硫)所组成的群中的至少1种以上的硫族元素。或者，也可以包含含有所述硫族元素的化合物即硫属化物。
磁阻效应元件MTJ可利用由切换元件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，所述存储元件能够根据该电阻状态的变化写入数据，且能够将写入的数据非易失地保存、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表示了用来说明第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分别是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。在以下的说明中，将与半导体衬底20的表面平行的面设为XY平面，将与XY平面垂直的轴设为Z轴。另外，在XY平面内，将沿着字线WL的轴设为X轴，将沿着位线BL的轴设为Y轴。也就是说，图3及图4分别是沿着Y轴及X轴观察存储单元阵列10时的剖视图。
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，且作为字线WLd发挥功能。多个导电体21例如沿着Y轴排列设置，且分别沿着X轴延伸。此外，在图3及图4中，对将多个导电体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也可以不与半导体衬底20相接，而向上方隔开设置。
在1个导电体21的上表面上，设置着分别作为磁阻效应元件MTJd发挥功能的多个元件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轴排列设置。也就是说，在1个导电体21的上表面，共通地连接着沿X轴排列的多个元件22。此外，关于元件22的构成的详细情况，将在下文叙述。
在多个元件22各自的上表面上，设置着作为切换元件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，且作为位线BL发挥功能。多个导电体24例如沿着X轴排列设置，且分别沿着Y轴延伸。也就是说，在1个导电体24，共通地连接着沿Y轴排列的多个元件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也可以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，设置着分别作为磁阻效应元件MTJu发挥功能的多个元件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轴排列设置。也就是说，在1个导电体24的上表面，共通地连接着沿Y轴排列的多个元件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，设置着作为切换元件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，且作为字线WLu发挥功能。多个导电体27例如沿着Y轴排列设置，且分别沿着X轴延伸。也就是说，在1个导电体27，共通地连接着沿X轴排列的多个元件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也可以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。
通过以如上方式构成，存储单元阵列10成为2条字线WLd及WLu的组对应于1条位线BL的结构。而且，存储单元阵列10在字线WLd与位线BL之间设置着存储单元MCd，在位线BL与字线WLu之间设置着存储单元MCu。也就是说，存储单元阵列10具有将多个存储单元MC沿着Z轴设置在不同高度的结构。在图3及图4中所示的单元结构中，存储单元MCd与下层建立对应，存储单元MCu与上层建立对应。也就是说，共通连接于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与标注了附标“u”的存储单元MCu对应，设置在下层的存储单元MC与标注了附标“d”的存储单元MCd对应。
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沿着与Z轴垂直的平面(例如，XZ平面)切开所得的截面的一例。此外，磁阻效应元件MTJu由于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例如包含作为顶层TOP(Top layer)发挥功能的非磁性体31、作为上覆层CAP(Capping layer)发挥功能的非磁性体32、作为存储层SL(Storagelayer)发挥功能的强磁性体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)发挥功能的强磁性体35、作为间隔层SP(Spacer layer)发挥功能的非磁性体36、作为位移消除层SCL(Shift cancelling layer)发挥功能的强磁性体37、及作为基底层UL(Under layer)发挥功能的非磁性体38。
磁阻效应元件MTJd例如从字线WLd侧朝向位线BL侧(沿Z轴方向)按照非磁性体38、强磁性体37、非磁性体36、强磁性体35、非磁性体34、强磁性体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Z轴方向)按照非磁性体38、强磁性体37、非磁性体36、强磁性体35、非磁性体34、强磁性体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也可以在所述各层31～38之间包含未图示的其它层。
非磁性体31是非磁性的金属，例如，含有选自铱(Ir)、钌(Ru)、及铑(Rh)中的至少1种元素。非磁性体31在含有所述元素的情况下，与含有钽(Ta)或钼(Mo)的情况相比，可具有提高强磁性体33的垂直磁各向异性的功能。
非磁性体32是含有氧化镁(MgO)的非磁性体，可具有体心立方(bcc：Body-centered cubic)系结晶结构(膜面配向为(001)面的NaCl结晶结构)。非磁性体32在强磁性体33的结晶化处理中作为晶种材发挥功能，所述晶种材成为用来使结晶质的膜从与强磁性体33的界面生长的核。另外，非磁性体32在含有氧化镁(MgO)的情况下，与含有稀土类氧化物的情况相比，具有在强磁性体33的结晶化处理中保持与强磁性体33的界面的平坦性的功能。此外，由于氧化镁(MgO)具有绝缘性，所以从降低电阻的观点来看，较理想的是非磁性体32的膜厚最大为几纳米(nm)。
非磁性体32也可以还含有硼(B)。非磁性体32中所含的硼(B)例如通过在强磁性体33的结晶化处理中从强磁性体33扩散，而分布到非磁性体32内。
强磁性体33具有强磁性，且在与膜面垂直的方向具有磁化容易轴方向。强磁性体33沿着Z轴具有朝向位线BL侧、字线WL侧中的任一个方向的磁化方向。强磁性体33含有铁(Fe)、钴(Co)、及镍(Ni)中的至少任一种，强磁性体33还含有硼(B)。更具体来说，例如，强磁性体33含有铁钴硼(FeCoB)或硼化铁(FeB)，且可具有体心立方系结晶结构。
另外，强磁性体33被设计成饱和磁化(Ms)与膜厚(t)的积即磁化(Mst)的值小于规定值。更具体来说，例如，强磁性体33以磁化(Mst)的值小于2.5e-4emu/cm2的方式适当调整组成或膜厚等。
此外，强磁性体33内的硼(B)的含量沿着Z轴不均匀，而是连续地变化。
图6是用来说明第1实施方式的磁性装置的包含存储层的区域中的硼(B)的含量的简图。在图6中，横轴表示磁阻效应元件MTJ的沿着Z轴的位置，纵轴表示与该位置的硼(B)的含量对应的指标(强度：Intensity)。这种沿着Z轴表示的硼(B)的强度分布L1例如可利用电子能量损耗能谱法(EELS：Electron Energy Loss Spectroscopy)等而获取。
如图6所示，磁阻效应元件MTJ内的硼(B)的强度可从非磁性体34(在图6中表述为34(TB))经由强磁性体33(在图6中表述为33(SL))朝向非磁性体32(在图6中表述为32(CAP))下降。更具体来说，例如，如果将非磁性体32与强磁性体33的界面中的硼(B)的强度设为I1，将强磁性体33与非磁性体34的界面中的硼(B)的强度设为I2，那么强度I1低于强度I2。另外，在强磁性体33内，例如，在与非磁性体34的界面附近具有硼(B)的强度相对较高的区域，在与非磁性体32的界面附近具有硼(B)的强度相对较低的区域。例如，强度分布L1可从非磁性体34朝向非磁性体32单调递减，在该两界面附近的区域间，可具有拐点P。非磁性体34可含有比非磁性体32更多的硼(B)。
再次参照图5，对磁阻效应元件MTJ的构成进行说明。
非磁性体34是非磁性的绝缘体，例如含有氧化镁(MgO)，如上所述，可还含有硼(B)。非磁性体34与非磁性体32同样地，具有膜面配向为(001)面的NaCl结晶结构，且作为晶种材发挥功能，所述晶种材在强磁性体33的结晶化处理中成为用来使结晶质的膜从与强磁性体33的界面生长的核。非磁性体34设置在强磁性体33与强磁性体35之间，与这2个强磁性体一起形成磁隧道结。
强磁性体35具有强磁性，且在与膜面垂直的方向具有磁化容易轴方向。强磁性体35沿着Z轴具有朝向位线BL侧、字线WL侧中的任一个方向的磁化方向。强磁性体35例如含有铁(Fe)、钴(Co)、及镍(Ni)中的至少任一种。另外，强磁性体35也可以还含有硼(B)。更具体来说，例如，强磁性体35含有铁钴硼(FeCoB)或硼化铁(FeB)，可具有体心立方系结晶结构。强磁性体35的磁化方向固定，在图5的示例中，朝向强磁性体37的方向。此外，所谓“磁化方向固定”，是指磁化方向不会因可使强磁性体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5中虽然省略了图示，但强磁性体35也可以是包括多个层的积层体。具体来说，例如，构成强磁性体35的积层体也可以是如下结构：具有含有所述铁钴硼(FeCoB)或硼化铁(FeB)的层作为与非磁性体34的界面层，且在该界面层与非磁性体36之间介隔非磁性的导电体积层其它强磁性体。构成强磁性体35的积层体内的非磁性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1种金属。构成强磁性体35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1种多层膜。
非磁性体36是非磁性的导电体，例如含有选自钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、钒(V)、及铬(Cr)中的至少1种元素。
强磁性体37具有强磁性，且在与膜面垂直的方向具有磁化容易轴方向。强磁性体37沿着Z轴具有朝向位线BL侧、字线WL侧中的任一个方向的磁化方向。强磁性体37的磁化方向与强磁性体35同样地被固定，在图5的示例中，朝向强磁性体35的方向。强磁性体37例如含有选自钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)、及钴钯(CoPd)中的至少1种合金。强磁性体37与强磁性体35同样地，也可以是包括多个层的积层体。在该情况下，强磁性体37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1种多层膜。
强磁性体35及37利用非磁性体36而反强磁性地结合。也就是说，强磁性体35及37以相互具有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35及37的磁化方向朝向相互面对的方向。将这种强磁性体35、非磁性体36、及强磁性体37的结合结构称为SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic，合成反强磁性)结构。由此，强磁性体37可抵消强磁性体35的漏磁场对强磁性体33的磁化方向带来的影响。因此，抑制因强磁性体35的漏磁场等而导致强磁性体33的磁化的反转容易度产生非对称性(也就是说，强磁性体33的磁化方向反转时的反转容易度在从一者向另一者反转的情况下与沿它的相反方向反转的情况下不同)。
非磁性体38是非磁性的导电体，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38例如含有高熔点金属。所谓高熔点金属，例如，表示熔点比铁(Fe)及钴(Co)高的材料，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1种元素。
在第1实施方式中，采用自旋注入写入方式，该自旋注入写入方式是直接向这种磁阻效应元件MTJ流通写入电流，利用该写入电流对存储层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的磁化方向的方式。磁阻效应元件MTJ可根据存储层SL及参照层RL的磁化方向的相对关系是平行还是反平行，而取低电阻状态及高电阻状态中的任一状态。
如果向磁阻效应元件MTJ沿图5中的箭头A1方向、也就是从存储层SL朝向参照层RL的方向，流通某大小的写入电流Ic0，那么存储层SL及参照层RL的磁化方向的相对关系为平行。在该平行状态的情况下，磁阻效应元件MTJ的电阻值最低，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，如果对磁阻效应元件MTJ沿图5中的箭头A2方向、也就是从参照层RL朝向存储层SL的方向(与箭头A1相反的方向)，流通大于写入电流Ic0的写入电流Ic1，那么存储层SL及参照层RL的磁化方向的相对关系为反平行。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，在以下的说明中，按照所述数据的规定方法进行说明，但数据“1”及数据“0”的规定方式并不限定于所述示例。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。在以下的说明中，关于磁阻效应元件MTJ内的各构成要素中非磁性体34(隧道势垒层TB)以上的层的制造方法特别进行说明，关于积层在比非磁性体34靠下层的构成则省略说明。
图7及图8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7及图8中，表示强磁性体33通过退火处理而从非晶状态成为结晶状态的过程。
如图7所示，非磁性体34、强磁性体33、非磁性体32、及非磁性体31在半导体衬底20的上方依次积层。
如上所述，非磁性体34及32具有膜面配向为(001)面的NaCl结晶结构。由此，在与强磁性体33的界面中，非磁性体34及32中，镁(Mg)与氧(O)交替地排列。
强磁性体33例如是组成不同的3层强磁性体(33-3、33-2、及33-1)以非晶状态积层。
更具体来说，首先，在非磁性体34的上表面上形成强磁性体33-3。强磁性体33-3例如含有铁钴硼(FeCoB)。
接着，在强磁性体33-3的上表面上形成强磁性体33-2。强磁性体33-2例如含有铁(Fe)。
接着，在强磁性体33-2的上表面上形成强磁性体33-1。强磁性体33-1例如含有钴(Co)。
强磁性体33-1、33-2、及33-3各自的组成、以及膜厚以作为积层体的强磁性体33的磁化Mst的值小于2.5e-4emu/cm2的方式适当调整。
然后，在强磁性体33-1的上表面上形成非磁性体32。非磁性体32例如通过利用溅镀使氧化镁(MgO)堆积在强磁性体33-1上而形成。在该情况下，非磁性体32内的氧化镁(MgO)可按化学计量(Stoichiometric)(也就是说，镁(Mg)不过度氧化地)形成。此外，非磁性体32并不限定于通过溅镀形成，也可以通过CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)等形成。
接着，如图8所示，对图7中积层的各层进行退火处理。具体来说，通过从外部对各层施加热，使强磁性体33从非晶质向结晶质转换。此处，非磁性体34及32发挥控制强磁性体33的结晶结构的配向的作用。也就是说，强磁性体33将非磁性体34及32作为晶种材而使结晶结构生长(结晶化处理)。另外，非磁性体32发挥抑制强磁性体33在界面中凝聚，维持界面的平坦性的作用。由此，强磁性体33可获得较大的隧道磁阻比(TMR：Tunnelmangetoresistive ratio)，并且可在强磁性体33与非磁性体34及32的两界面中表现较大的垂直磁各向异性。
此外，伴随着通过退火处理产生的强磁性体33的结晶化，以硼(B)为首的强磁性体33内的各元素向周围的层(强磁性体33-2及33-1、以及非磁性体34及32等)扩散。由此，强磁性体33-1与强磁性体33-2之间的界面、及强磁性体33-2与强磁性体33-3之间的界面可变得实质上无法判别。通过扩散，以硼(B)为首的强磁性体33内的各元素的含量沿着Z轴成为连续的分布。更具体来说，形成如下分布：在设置着强磁性体33-3的区域较多地含有硼(B)，且从设置着强磁性体33-2的区域朝向设置着强磁性体33-1的区域，硼(B)变少。
1.3.本实施方式的效果
根据第1实施方式，磁阻效应元件可维持保留特性且减小饱和磁化及膜厚的积。以下使用图9对本效果进行说明。
图9是用来说明第1实施方式的效果的图。在图9中，横轴取存储层SL中的磁化(Mst)的大小，纵轴取存储层SL中的各向异性磁场(Hk)的大小，绘制线L2、L3、及L4。线L2与第1实施方式中的存储层SL的特性对应，线L3及L4与比较例中的存储层SL的特性对应。作为与线L3符合的示例，可列举上覆层CAP含有稀土类氧化物而并非氧化镁(MgO)的情况。作为与线L4符合的示例，可列举如下情况：形成不故意含有硼(B)的强磁性体(例如，故意含有铁(Fe)或钴(Co)的层)，在不故意含有硼(B)的强磁性体的上表面上形成故意含有硼(B)的强磁性体(例如，故意含有铁钴硼(FeCoB)的层)，在故意含有硼(B)的强磁性体的上表面上形成含有氧化镁(MgO)的上覆层CAP。
作为评估存储层SL的特性的指标之一，例如，可使用Ic/Δ。Ic是写入电流的大小，Δ是保留特性。为了高效率地存储数据，优选为写入电流Ic更小，保留特性Δ更大。也就是说，为了高效率地存储数据，要求减小指标Ic/Δ。另外，作为评估存储层SL的特性的其它指标之一，例如，可使用写入错误率WER。一般来说，写入错误率WER是磁化Mst越小则越能改善。
保留特性Δ与磁化Mst与各向异性磁场Hk的积相关。因此，图9中，在磁化Mst较小的区域(例如，磁化Mst小于2.5e-4emu/cm2的区域β)中，越是具有各向异性磁场Hk较大的特性的存储层SL，越能减小指标Ic/Δ。
如图9所示，线L3相对于线L2，在磁化Mst大于2.5e-4emu/cm2的区域α中，磁化Mst与各向异性磁场Hk的积(也就是保留特性Δ)较大。然而，在磁化Mst小于2.5e-4emu/cm2的区域β中，由于存储层SL的凝聚而Hk减小，所以保留Δ(Mst×Hk)变小。这是因为：在与线L3对应的构成(上覆层CAP中含有稀土类氧化物的构成)中，如果存储层SL的膜厚t变薄，那么在存储层SL的结晶化处理中，在存储层SL与上覆层CAP的界面中存储层SL内的物质凝聚，从而该界面的平坦性劣化。像这样，在区域β中，上覆层CAP中含有氧化镁(MgO)的情况与含有稀土类氧化物的情况相比可减小指标Ic/Δ，且可改善写入错误率WER。
另外，关于线L4，由于上覆层CAP中含有氧化镁(MgO)，所以与区域α相比，区域β的保留特性Δ未劣化。然而，线L4相对于线L2，整体上位于左下侧，保留特性Δ的绝对值较小。这是因为：与线L4对应的存储层SL的构成为在不故意含有硼(B)的强磁性体的上层形成故意含有硼(B)的强磁性体的多层结构。像这样，存储层SL在成膜时，在故意含有硼(B)的强磁性体的上层形成不故意含有硼(B)的强磁性体的情况与在不故意含有硼(B)的强磁性体的上层形成故意含有硼(B)的强磁性体的情况相比，可减小指标Ic/Δ，且改善写入错误率WER。
在第1实施方式中，磁阻效应元件MTJ是将非磁性体34、强磁性体33、及非磁性体32依次积层在半导体衬底20的上方。非磁性体32含有氧化镁(MgO)。由此，非磁性体32可在使强磁性体33结晶化时，促进强磁性体33的结晶结构的生长，并且维持与强磁性体33的界面的平坦性。因此，即使在被设计成强磁性体33的磁化(Mst)小于2.5e-4emu/cm2的情况下，也能抑制凝聚。因此，与上覆层CAP中含有稀土类氧化物的情况(与图9中的线L3对应)相比，可在区域β中获得较大的各向异性磁场(Hk)，进而可维持较大的保留特性Δ。而且，可一边维持该较大的保留特性Δ，一边也改善写入错误率WER。
另外，强磁性体33在成膜时是沿着Z轴将故意含有硼(B)的强磁性体33-3与不故意含有硼(B)的强磁性体33-1及33-2积层而形成。由此，结晶化后的强磁性体33成为与非磁性体34的界面比与非磁性体32的界面含有更多的硼(B)的分布。因此，和存储层SL(与图9中的线L4对应)相比，可获得更高的垂直磁各向异性，所述存储层SL成为与上覆层CAP的界面比与隧道势垒层TB的界面含有更多的硼(B)的分布。
因此，可维持保留特性Δ，且减小磁化Mst。
另外，根据第1实施方式，在非磁性体32的上表面上，进而形成非磁性体31。非磁性体31含有选自铱(Ir)、钌(Ru)、及铑(Rh)中的至少1种元素。由此，与非磁性体31含有钽(Ta)或钼(Mo)来代替所述元素的情况相比，在区域β中，可进一步提高存储层SL的各向异性磁场Hk。
2.变化例等
此外，并不限定于所述第1实施方式，而能够应用各种变化。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实施方式的差异点进行说明。
2.1第1变化例
对所述第1实施方式中的强磁性体33是在含有铁(Fe)的强磁性体33-2的上表面上形成含有钴(Co)的强磁性体33-1的情况进行了说明，但并不限定于此。
图10是用来说明第1变化例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10与第1实施方式中的图7对应。
如图10所示，强磁性体33例如是将组成不同的3层强磁性体(33-3A、33-2A、及33-1A)在非晶状态下积层。
更具体来说，首先，在非磁性体34的上表面上形成强磁性体33-3A。强磁性体33-3A例如含有铁钴硼(FeCoB)。
接着，在强磁性体33-3A的上表面上形成强磁性体33-2A。强磁性体33-2A例如含有钴(Co)。
接着，在强磁性体33-2A的上表面上形成强磁性体33-1A。强磁性体33-1A例如含有铁(Fe)。
强磁性体33-1A、33-2A、及33-3A各自的组成、以及膜厚以作为积层体的强磁性体33的磁化Mst的值小于2.5e-4emu/cm2的方式适当调整。
然后，在强磁性体33-1A的上表面上形成含有氧化镁(MgO)的非磁性体32。
如以上所述，在形成强磁性体33-3A～33-1A之后使强磁性体33结晶化的情况下，强磁性体33内的硼(B)的分布也与第1实施方式中所示的图6的强度分布L1同等。也就是说，在以含有铁(Fe)的层与含有钴(Co)的2个强磁性体的上下关系与第1实施方式相反的方式成膜的情况下，也可发挥与第1实施方式同等的效果。
2.2第2变化例
另外，对所述第1实施方式中的强磁性体33形成有3层强磁性体33-1～33-3的情况进行了说明，但并不限定于此。
图11是用来说明第2变化例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11与第1实施方式中的图7对应。
如图11所示，强磁性体33例如是将组成不同的2层强磁性体(33-2B、及33-1B)在非晶状态下积层。
更具体来说，首先，在非磁性体34的上表面上形成强磁性体33-2B。强磁性体33-2B例如含有铁钴硼(FeCoB)。
接着，在强磁性体33-2B的上表面上形成强磁性体33-1B。强磁性体33-1B例如含有钴铁(CoFe)。
强磁性体33-1B及33-2B各自的组成、以及膜厚以作为积层体的强磁性体33的磁化Mst的值小于2.5e-4emu/cm2的方式适当调整。
然后，在强磁性体33-1B的上表面上，形成含有氧化镁(MgO)的非磁性体32。
如以上所述，在形成强磁性体33-2B及33-1B之后使强磁性体33结晶化的情况下，强磁性体33内的硼(B)的分布也与第1实施方式中所示的图6的强度分布L1同等。也就是说，在将作为不故意含有硼(B)的强磁性体而含有铁(Fe)及钴(Co)的化合物的强磁性体在故意含有硼(B)的强磁性体的上表面上成膜的情况下，也可发挥与第1实施方式同等的效果。
2.3第3变化例
另外，对在所述第1实施方式中的存储单元MC应用2端子型切换元件作为切换元件SEL的情况进行了说明，但也可以应用MOS(Metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管作为切换元件SEL。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，而能够应用任意的阵列结构。
图12是用来说明第3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12与第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对应。
如图12所示，存储单元阵列10A具备分别与行及列建立对应的多个存储单元MC。而且，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及同一源极线/BL。
图13是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13与第1实施方式的图3及图4中所说明的存储单元MC对应。此外，在图13的示例中，存储单元MC由于不积层在半导体衬底上，所以未标注“u”及“d”等附标。
如图13所示，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设置为在向磁阻效应元件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具备作为字线WL发挥功能的栅极(导电体43)、以及在该栅极的沿着x轴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，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轴延伸，且共通连接于沿着y轴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例如沿着x轴排列。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连接于磁阻效应元件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，连接于作为位线BL发挥功能的导电体48。导电体48例如沿着x轴延伸，且共通连接于沿着x轴排列的其它存储单元的磁阻效应元件(未图示)的第2端。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连接于作为源极线/BL发挥功能的导电体50的下表面上。导电体50例如沿着x轴延伸，且例如共通连接于沿着x轴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例如沿着y轴排列。导电体48例如位于导电体50的上方。此外，在图13中虽然省略，但导电体48及50是相互避开物理性及电性的干扰而配置。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轴或y轴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例如配置在XY平面上。
通过以如上方式构成，对于切换元件SEL应用作为3端子型切换元件的MOS晶体管而并非2端子型切换元件的情况，也能发挥与第1实施方式同等的效果。
2.4其它
另外，对所述实施方式及变化例中叙述的存储单元MC是将磁阻效应元件MTJ设置在切换元件SEL的下方的情况进行了说明，但也可以将磁阻效应元件MTJ设置在切换元件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介质等需要具有垂直磁各向异性的磁性元件的其它器件。该磁性元件例如是至少包含图5中所说明的非磁性体32、强磁性体33、非磁性体34、及强磁性体35的元件。
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，并非旨在限定发明的范围。这些新颖的实施方式能以其它各种方式实施，在不脱离发明主旨的范围内，可进行各种省略、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，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
[符号的说明]
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、34、36 非磁性体
33、35、37 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 扩散区域
45 绝缘体
46、47、49 接触插塞
51 层间绝缘膜

Claims (17)

1.一种磁性装置，具备积层体，
所述积层体包含：
第1强磁性体；
第2强磁性体；
所述第1强磁性体与所述第2强磁性体之间的第1非磁性体；以及
与所述第1非磁性体之间夹着所述第1强磁性体的第2非磁性体；且
所述第1非磁性体及所述第2非磁性体含有氧化镁(MgO)，
所述第1强磁性体与所述第1非磁性体的界面比所述第1强磁性体与所述第2非磁性体的界面含有更多的硼(B)。
2.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体的膜厚与饱和磁化的积小于2.5e-4emu/cm2。
3.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述积层体还包含与所述第1强磁性体之间夹着所述第2非磁性体的第3非磁性体，
所述第3非磁性体含有选自铱(Ir)、钌(Ru)、及铑(Rh)中的至少1种元素。
4.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体包含第1部分、及所述第1部分与所述第2非磁性体之间的第2部分，
所述第1强磁性体的所述第1部分比所述第1强磁性体的所述第2部分含有更多的硼(B)。
5.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体内所含的硼(B)的量从所述第1非磁性体朝向所述第2非磁性体单调递减。
6.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1非磁性体比所述第2非磁性体含有更多的硼(B)。
7.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体与所述第1非磁性体及所述第2非磁性体相接。
8.根据权利要求7所述的磁性装置，其中
所述第2强磁性体与所述第1非磁性体相接。
9.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体及所述第2强磁性体含有选自铁(Fe)、钴(Co)、及镍(Ni)中的至少1种元素。
10.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述第1强磁性体
根据从所述第1强磁性体向所述第2强磁性体的第1电流而成为第1电阻值，
根据从所述第2强磁性体向所述第1强磁性体的第2电流而成为第2电阻值。
11.根据权利要求10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。
12.根据权利要求1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。
13.根据权利要求1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：
磁阻效应元件，包含所述积层体；以及
切换元件，与所述积层体串联地连接。
14.根据权利要求13所述的磁性装置，其中
所述切换元件是二端子型切换元件。
15.根据权利要求1所述的磁性装置，其中
所述积层体还包含第3强磁性体、以及
所述第2强磁性体与所述第3强磁性体之间的第4非磁性体，
所述第2强磁性体与所述第3强磁性体具有朝向互不相同的方向的磁化。
16.根据权利要求15所述的磁性装置，其中
所述第4非磁性体含有选自钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、钒(V)、及铬(Cr)中的至少1种元素。
17.根据权利要求15所述的磁性装置，其中
所述第3强磁性体设置在所述第2强磁性体的下方。
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