CN116806114A - 磁存储装置 - Google Patents

Abstract

实施方式提供一种使外部磁场耐受性提高的磁存储装置。实施方式涉及的磁存储装置包括磁阻效应元件。磁阻效应元件包括第1铁磁性层、第2铁磁性层、层叠体、第1非磁性层、第2非磁性层以及第3非磁性层。层叠体相对于第2铁磁性层设置在与第1铁磁性层相反一侧。第1非磁性层设置在第1铁磁性层与第2铁磁性层之间。第2非磁性层设置在第2铁磁性层与层叠体之间。第3非磁性层相对于层叠体设置在与第2非磁性层相反一侧，包含金属氧化物。层叠体与第3非磁性层相接，包括包含铂即Pt的第4非磁性层。

Description

磁存储装置

本申请享受以日本专利申请2022-046633号(申请日：2022年3月23日)和美国专利申请17/942365(申请日：2022年9月12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

本发明的实施方式涉及磁存储装置。

背景技术

已知使用了磁阻效应元件来作为存储元件的磁存储装置(MRAM：Magnetoresistive Random Access Memory，磁阻随机访问存储器)。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种使外部磁场耐受性提高的磁存储装置。

实施方式涉及的磁存储装置包括磁阻效应元件。磁阻效应元件包括第1铁磁性层、第2铁磁性层、层叠体、第1非磁性层、第2非磁性层以及第3非磁性层。层叠体相对于第2铁磁性层设置在与第1铁磁性层相反一侧。第1非磁性层设置在第1铁磁性层与第2铁磁性层之间。第2非磁性层设置在第2铁磁性层与层叠体之间。第3非磁性层相对于层叠体设置在与第2非磁性层相反一侧，包含金属氧化物。层叠体与第3非磁性层相接，包括包含铂(Pt)的第4非磁性层。

附图说明

图1是表示第1实施方式涉及的磁存储装置的构成的框图。

图2是表示第1实施方式涉及的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。

图3是用于对第1实施方式涉及的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明的剖视图。

图4是用于对第1实施方式涉及的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明的剖视图。

图5是用于对第1实施方式涉及的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明的剖视图。

图6是用于对第1实施方式涉及的位移消除层的元件加工前的膜特性和加工后的元件特性的关系进行说明的图表。

图7是用于对第2实施方式涉及的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明的剖视图。

图8是用于对变形例涉及的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明的剖视图。

图9是用于对变形例涉及的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明的剖视图。

标号说明

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译码电路；14写入电路；15读出电路；16电压生成电路；17输入输出电路；18控制电路；20半导体基板；21导电体；22、23、25、26元件；24、27、28、29导电体；31、32、34、35b、36、37b、37d、37f、37h、38a、38b、38c非磁性层；33、35a、35c、37a、37c、37e、37g铁磁性层；35、37、38层叠体。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式进行说明。在说明时，对具有大致相同的功能和构成的构成要素标记同一标号。另外，以下所示的实施方式是例示技术思想的。实施方式并不确定构成部件的材质、形状、构造、配置等。实施方式能够施加各种变更。

[1]第1实施方式

对第1实施方式涉及的磁存储装置进行说明。第1实施方式涉及的磁存储装置例如包括垂直磁化方式的磁存储装置，该磁存储装置使用了通过磁隧道结(MTJ：MagneticTunnel Junction)具有磁阻效应(Magnetoresistance effect)的元件(MTJ元件)来作为电阻变化元件。有时也将MTJ元件称为磁阻效应元件(Magnetoresistance effect element)。在包括本实施方式来在后面描述的实施方式中，以适用了MTJ元件来作为磁阻效应元件的情况进行说明。另外，为了便于说明，记载为磁阻效应元件MTJ来进行说明。

[1-1]构成

首先，对第1实施方式涉及的磁存储装置的构成进行说明。

[1-1-1]磁存储装置

图1是表示第1实施方式涉及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、译码电路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)和列(column)的组相关联的多个存储单元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而与存储单元阵列10连接。对行选择电路11提供来自译码电路13的地址ADD的译码结果(行地址)。行选择电路11将与基于了地址ADD的译码结果的行对应的字线WL设定为选择状态。在以下中，被设定为了选择状态的字线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而与存储单元阵列10连接。对列选择电路12提供来自译码电路13的地址ADD的译码结果(列地址)。列选择电路12将与基于了地址ADD的译码结果的列对应的位线BL设定为选择状态。在以下中，被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。

译码电路13对来自输入输出电路17的地址ADD进行译码。译码电路13将地址ADD的译码结果提供给行选择电路11和列选择电路12。地址ADD包括所被选择的列地址和行地址。

写入电路14进行对存储单元MC写入数据。写入电路14例如包括写入驱动器(未图示)。

读出电路15进行从存储单元MC读出数据。读出电路15例如包括感测放大器(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)提供了的电源电压，生成用于存储单元阵列10的各种动作的电压。例如，电压生成电路16生成写入动作时所需要的各种电压，并输出至写入电路14。另外，例如电压生成电路16生成读出动作时所需要的各种电压，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传送至译码电路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，将从读出电路15传送了的数据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和命令CMD，对磁存储装置1内的行选择电路11、列选择电路12、译码电路13、写入电路14、读出电路15、电压生成电路16以及输入输出电路17的动作进行控制。

[1-1-2]存储单元阵列

接着，使用图2对第1实施方式涉及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实施方式涉及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由包括两个小写字母(“u”和“d”)和索引(“＜＞”)的添标进行分类来表示。

如图2所示，存储单元MC(MCu和MCd)在存储单元阵列10内配置为矩阵状，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＞)中的一条的组相关联(M和N为任意的整数)。即，存储单元MCd＜i、j＞(0≤i≤M、0≤j≤N)连接在字线WLd＜i＞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，添标的“d”和“u”分别是为了方便而对多个存储单元MC中的、(例如相对于位线BL)设置在下方的存储单元MC和设置在上方的存储单元MC进行识别的。关于存储单元阵列10的立体构造的例子，将在后面进行描述。

存储单元MCd＜i、j＞包括串联连接的开关元件SELd＜i、j＞和磁阻效应元件MTJd＜i、j＞。存储单元MCu＜i、j＞包括串联连接的开关元件SELu＜i、j＞和磁阻效应元件MTJu＜i、j＞。

开关元件SEL具有作为在对所对应的磁阻效应元件MTJ的数据写入以及读出时控制向磁阻效应元件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内的开关元件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来将电流切断(成为断开(OFF)状态)，在高于阈值电压Vth的情况下，作为电阻值小的导电体来流动电流(成为导通(ON)状态)。即，开关元件SEL具有能够与所流动的电流的方向无关地根据施加于存储单元MC的电压的大小来对是流动电流、还是切断电流进行切换的功能。

开关元件SEL例如也可以是两端子型的开关元件。在施加在两端子间的电压小于阈值的情况下，该开关元件为“高电阻”状态、例如电非导通状态。在施加在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、例如电导通状态。开关元件也可以是无论电压是哪种极性，都具有该功能。

磁阻效应元件MTJ能够通过由开关元件SEL控制了供给的电流，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作为如下的存储元件发挥功能，该存储元件能够通过该电阻状态的变化来写入数据，能够以非易失的方式保持、读出所被写入了的数据。

接着，使用图3和图4对存储单元阵列10的截面构造进行说明。图3和图4示出用于对第1实施方式涉及的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明的剖视图的一个例子。图3和图4分别是从相互交叉的不同的方向观察存储单元阵列10而得到的剖视图。

如图3和图4所示，存储单元阵列10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的表面平行的面作为XY平面，将与XY平面垂直的轴作为Z轴。另外，在XY平面内，将沿着字线WL的轴作为X轴，将沿着位线BL的轴作为Y轴。即，图3和图4分别是沿着Y轴和X轴观察了存储单元阵列10的情况下的剖视图。

在半导体基板20的上表面上例如设置有多个导电体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轴排列设置，各自沿着X轴延伸。此外，在图3和图4中对多个导电体21设置在半导体基板20上的情况进行了说明，但不限于此。例如，多个导电体21也可以不与半导体基板20相接而在上方分离地设置。

在一个导电体21的上表面上设置有各自作为开关元件SELd发挥功能的多个元件22。设置在一个导电体21的上表面上的多个元件22例如沿着X轴排列设置。即，在一个导电体21的上表面共同地连接有沿着X轴排列的多个元件22。

在多个元件22各自的上表面上设置有作为磁阻效应元件MTJd发挥功能的元件23。此外，关于元件23的详细构成，将在后面进行描述。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轴排列设置，各自沿着Y轴延伸。即，在一个导电体24共同地连接有沿着Y轴排列的多个元件23。此外，在图3和图4中对多个元件23各自以相接的方式设置在元件22的上表面上以及导电体24的下表面上的情况进行了说明，但不限于此。例如，多个元件23各自也可以经由导电性的接触插塞(未图示)而与元件22和导电体24连接。

在一个导电体24的上表面上设置有各自作为开关元件SELu发挥功能的多个元件25。设置在一个导电体24的上表面上的多个元件25例如沿着X轴排列设置。即，在一个导电体24的上表面共同地连接有沿着Y轴排列的多个元件25。

在多个元件25各自的上表面上设置有作为磁阻效应元件MTJu发挥功能的元件26。此外，元件26例如具有与元件23同样的构成。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轴排列设置，各自沿着X轴延伸。即，在一个导电体27共同地连接有沿着X轴排列的多个元件26。此外，在图3和图4中对多个元件26各自以相接的方式设置在元件25的上表面上以及导电体27的下表面上的情况进行了说明，但不限于此。例如，多个元件26各自也可以经由导电性的接触插塞(未图示)而与元件25和导电体27连接。

通过如上所述那样构成，存储单元阵列10成为两条字线WLd和WLu的组与一条位线BL对应的构造。并且，存储单元阵列10在字线WLd与位线BL之间设置有存储单元MCd，在位线BL与字线WLu之间设置有存储单元MCu。也即是，存储单元阵列10具有多个存储单元MC沿着Z轴设置在不同的高度的构造。在图3和图4中示出的单元构造中，存储单元MCd与下层相关联，存储单元MCu与上层相关联。即，共同地连接于一条位线BL的两个存储单元MC中的、设置在位线BL的上层的存储单元MC与添加了添标“u”的存储单元MCu对应，设置在下层的存储单元MC与添加了添标“d”的存储单元MCd对应。

[1-1-3]磁阻效应元件

接着，使用图5对第1实施方式涉及的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明。图5是用于对第1实施方式涉及的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明的剖视图。在图5中例如示出沿着与Z轴垂直的平面(例如XZ平面)将图3和图4所示的磁阻效应元件MTJd剖开而得到的截面的一个例子。此外，磁阻效应元件MTJu具有与磁阻效应元件MTJd同样的构成，因此，省略其图示。

如图5所示，磁阻效应元件MTJ例如包括作为顶层TOP(Top layer)发挥功能的非磁性层31、作为盖层CAP(Capping layer)发挥功能的非磁性层32、作为存储层SL(Storagelayer)发挥功能的铁磁性层33、作为隧道势垒层TB(Tunnel barrier layer)发挥功能的非磁性层34、作为参考层RL(Reference layer)发挥功能的层叠体35、作为间隔层SP(Spacerlayer)发挥功能的非磁性层36、作为位移消除层SCL(Shift cancelling layer)发挥功能的层叠体37以及作为缓冲层BUF(Buffer layer)发挥功能的层叠体38。存储层SL、参考层RL以及位移消除层SCL各自能够视为作为一体具有铁磁性的构造体。缓冲层BUF能够视为作为一体具有非磁性的构造体。

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)按层叠体38、层叠体37、非磁性层36、层叠体35、非磁性层34、铁磁性层33、非磁性层32以及非磁性层31的顺序层叠有多个膜。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)按层叠体38、层叠体37、非磁性层36、层叠体35、非磁性层34、铁磁性层33、非磁性层32以及非磁性层31的顺序层叠有多个膜。磁阻效应元件MTJd和MTJu例如作为构成磁阻效应元件MTJd和MTJu的磁性体的磁化方向分别朝向与膜面垂直的方向的、垂直磁化型的MTJ元件发挥功能。此外，磁阻效应元件MTJ也可以在上述的各层31～38之间包括未图示的另外的层。

在第1实施方式中，例如采用如下的自旋注入写入方式：向这样的磁阻效应元件MTJ直接流入写入电流，通过该写入电流向存储层SL和参考层RL注入自旋转矩(spintorque)，对存储层SL的磁化方向和参考层RL的磁化方向进行控制。磁阻效应元件MTJ能够根据存储层SL和参考层RL的磁化方向的相对关系是平行、还是反平行，而具有低电阻状态和高电阻状态中的某一状态。

当在磁阻效应元件MTJ中沿着图5中的箭头A1的方向、即从存储层SL朝向参考层RL的方向流动某大小的写入电流IwAPP时，存储层SL和参考层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的电阻值成为最低，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”，例如被规定为数据“0”的状态。

另外，当在磁阻效应元件MTJ中沿着图5中的箭头A2的方向、即从参考层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IwAPP大的写入电流IwPAP时，存储层SL和参考层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的电阻值成为最高，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”，例如被规定为数据“1”的状态。

接着，对磁阻效应元件MTJ的各层的详细构成进行说明。

非磁性层31是非磁性的导电体，具有作为使磁阻效应元件MTJ的上端与位线BL或者字线WL的电连接性提高的上部电极(top electrode)的功能。非磁性层31例如包含从钨(W)、钽(Ta)、钼(Mo)、铪(Hf)、钌(Ru)、氮化钽(TaN)、钛(Ti)以及氮化钛(TiN)中选择的至少一种元素或者化合物。或者，包括包含从所述材料中选择的至少一种元素或者化合物的层叠体。

非磁性层32是非磁性体的层，具有对铁磁性层33的阻尼常数的上升进行抑制、使写入电流降低的功能。非磁性层32例如包含碱土元素或者稀土元素以及氧，或者实质上包含碱土金属氧化物或者稀土元素氧化物。作为一个例子，包含氧和镁，或者实质上包含氧化镁(MgO)。同样地，包含氧和铝，或者实质上包含氧化铝(Al₂O₃)。另外，非磁性层32也可以是这些氧化物的混合物。即，非磁性层32不限于由两种元素形成的二元化合物，可以包含由三种元素形成的三元化合物、例如氧化镁铝(MgAlO)等。

铁磁性层33具有铁磁性，在与膜面垂直的方向上具有易磁化轴方向。铁磁性层33具有沿着Z轴朝向位线BL侧和字线WL侧中的任一方向的磁化方向。铁磁性层33可以包含铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的至少任一种。另外，铁磁性层33可以还包含硼(B)。更具体而言，例如铁磁性层33可以包含铁钴硼(FeCoB)或者硼化铁(FeB)，具有体心立方系的晶体结构。

非磁性层34是非磁性的绝缘体，例如包含氧和镁，或者实质上包含氧化镁(MgO)。非磁性层34具有膜面取向为(001)面的NaCl晶体结构，在铁磁性层33的结晶化处理中，作为种子(seed)材料发挥功能，该种子材料成为用于使结晶质的膜从与铁磁性层33的界面进行生长的核。非磁性层34设置在铁磁性层33与层叠体35之间，与这两个铁磁性层一起形成磁隧道结。

层叠体35能够在整体上视为一个铁磁性层，在与膜面垂直的方向上具有易磁化轴方向。层叠体35具有沿着Z轴朝向位线BL侧和字线WL侧中的任一方向的磁化方向。层叠体35的磁化方向被固定，在图5的例子中，朝向层叠体37的方向。此外，“磁化方向被固定”意味着磁化方向不会因能够使铁磁性层33的磁化方向反转的大小的电流(自旋转矩)而变化。

更具体而言，层叠体35包括作为界面层IL(Interface layer)发挥功能的铁磁性层35a、作为功能层FL(Function layer)发挥功能的非磁性层35b以及作为主参考层MRL(Main reference layer)35c发挥功能的铁磁性层35c。例如，在非磁性层36的上表面与非磁性层34的下表面之间按铁磁性层35c、非磁性层35b以及铁磁性层35a的顺序层叠有这些层。

铁磁性层35a为铁磁性的导电体，例如可以包含铁(Fe)、钴(Co)以及镍(Ni)中的至少任一种。另外，铁磁性层35a可以还包含硼(B)。更具体而言，例如铁磁性层35a可以包含铁钴硼(FeCoB)或者硼化铁(FeB)，具有体心立方系的晶体结构。

非磁性层35b为非磁性的导电体，例如包含从钽(Ta)、铪(Hf)、钨(W)、锆(Zr)、钼(Mo)、铌(Nb)以及钛(Ti)中选择的至少一种金属。非磁性层35b具有维持铁磁性层35a与铁磁性层35c之间的交换耦合的功能。

铁磁性层35c例如可以包括从钴(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)中选择的至少一种多层膜。或者，也可以是至少包含Co的CoPt、CoPd、CoNi膜或者Co单层膜。此外，构成铁磁性层35c的多层膜、单层膜中的与非磁性层36相接的层例如包含钴(Co)。

非磁性层36为非磁性的导电体，例如包含从钌(Ru)、锇(Os)、铑(Rh)、铱(Ir)、钒(V)以及铬(Cr)中选择的至少一种元素。非磁性层36具有使层叠体35的磁化与层叠体37的磁化以反平行的方式耦合的功能。

层叠体37能够在整体上视为一个铁磁性层，在与膜面垂直的方向上具有易磁化轴方向。层叠体37具有沿着Z轴朝向位线BL侧和字线WL侧中的任一方向的磁化方向。层叠体37的磁化方向与层叠体35同样地被固定，在图5的例子中，朝向层叠体35的方向。

更具体而言，层叠体37包括各自作为多层膜ML(Multi-layer)之一发挥功能的铁磁性层37a(ML1)、非磁性层37b(ML2)、铁磁性层37c(ML3)、非磁性层37d(ML4)、铁磁性层37e(ML5)、非磁性层37f(ML6)、铁磁性层37g(ML7)以及非磁性层37h(ML8)。例如，在层叠体38的上表面与非磁性层36的下表面之间按非磁性层37h、铁磁性层37g、非磁性层37f、铁磁性层37e、非磁性层37d、铁磁性层37c、非磁性层37b以及铁磁性层37a的顺序层叠有这些层。

铁磁性层37a为具有密排六方构造(hcp：Hexagonal close-packed)或者面心立方(fcc：face-centered cubic)系的晶体结构的铁磁性的导电体，例如包含钴(Co)。铁磁性层35c和37a通过非磁性层36以反铁磁性的方式耦合。即，铁磁性层35c(更具体而言为构成铁磁性层35c的多层膜中的与非磁性层36相接的层)和铁磁性层37a以具有相互反平行的磁化方向的方式耦合。因此，在图5的例子中，铁磁性层35c和37a的磁化方向朝向相互对向的方向。将这样的铁磁性层35c、非磁性层36以及铁磁性层37a的耦合构造称为SAF(SyntheticAnti-Ferromagnetic，合成反铁磁性)构造。

非磁性层37b是非磁性的导电体，包含铂(Pt)。铁磁性层37c为铁磁性的导电体，包含钴(Co)。非磁性层37d为非磁性的导电体，包含铂(Pt)。铁磁性层37e为铁磁性的导电体，包含钴(Co)。非磁性层37f为非磁性的导电体，包含铂(Pt)。铁磁性层37g为铁磁性的导电体，包含钴(Co)。非磁性层37h为非磁性的导电体，包含铂(Pt)。非磁性层37h具有膜面取向为(111)面的面心立方系的晶体结构。

此外，在图5的例子中示出在层叠体37中层叠有4组的铁磁性层和非磁性层的组的情况，但铁磁性层和非磁性层的组既可以层叠有5组以上，也可以层叠有2～3组。即，多次层叠了的铁磁性层和非磁性层的组各自能够形成钴(Co)与铂(Pt)的多层膜。

通过以上构成，层叠体37能够抵消层叠体35的漏磁场对铁磁性层33的磁化方向产生的影响。因此，因层叠体35的漏磁场等而铁磁性层33的磁化反转容易度产生非对称性的情况(即，铁磁性层33的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和在其相反方向上反转的情况下不同)得到抑制。

层叠体38能够在整体上视为一个非磁性层，具有作为使与位线BL、字线WL的电连接性提高的电极的功能。具体而言，层叠体38包括各自作为缓冲层BUF之一发挥功能的非磁性层38a(BUF1)和非磁性层38b(BUF2)。例如，在图3和图4的情况下，在半导体基板20与构成元件23的层叠体37的下表面之间沿着Z轴按非磁性层38b和非磁性层38a的顺序层叠有这些层。另外，在位线BL与构成元件26的层叠体37的下表面之间沿着Z轴按非磁性层38b和非磁性层38a的顺序层叠有这些层。

非磁性层38a为金属氧化膜。非磁性层38a为非磁性的导电体，包含电负性为1.8以下的金属的氧化物、例如氧化钆(GdOx)或者氧化铝(AlOx)。非磁性层38a的厚度例如为1.0nm。非磁性层38a具有非晶态构造，并且，与如铂(Pt)那样的贵金属的结合能比较小。由此，非磁性层38a具有在非磁性层37h成膜时促进非磁性层37h的结晶化的功能。

非磁性层38b为非磁性的导电体，包含从氮化钛(TiN)、氮化铪(HfN)、氮化锆(ZrN)、氮化钽(TaN)以及氮化钨(WN)中选择的至少一种化合物。

[1-2]效果

根据第1实施方式，能够使磁阻效应元件的外部磁场耐受性提高。

磁阻效应元件MTJ的参考层需要在写入、读出时以及存储保持时磁化不反转。为了抑制参考层的写入、读出时以及存储保持时的误反转，需要提高相对于参考层以反平行的方式磁耦合了的位移消除层的各向异性磁场。

图6是用于对第1实施方式涉及的位移消除层的元件加工前的膜特性与加工后的元件特性的关系进行说明的图表。横轴表示位移消除层的膜的各向异性磁场(Hk)。纵轴表示位移消除层的膜的矫顽力(Hc)。点划线表示参考层和位移消除层维持了反平行的状态不变地进行反转的元件的Spin-flip(自旋反转)磁场(Hsw)成为与某值Hsw0相等的线。值Hsw0例如是在多个元件的Spin-flip磁场(Hsw)正态分布的情况下以-3σ的概率存在的元件的Hsw。在比点划线靠右的一侧，-3σ的元件的Spin-flip磁场(Hsw)变为比值Hsw0高，在比点划线靠左一侧，-3σ的元件的Spin-flip磁场(Hsw)变为比值Hsw0低。在图6中示出两个标绘(plot)P1和P2。标绘P1表示在缓冲层不使用金属氧化物的比较例。标绘P1的元件的Spin-flip磁场(Hsw)比值Hsw0低。标绘P2与第1实施方式对应。标绘P2与标绘P1相比，位移消除层的各向异性磁场(Hk)高，元件的Spin-flip磁场(Hsw)比值Hsw0高。这样，根据第1实施方式，通过在维持作为元件加工前的膜特性的位移消除层的矫顽力(Hc)的同时，提高各向异性磁场(Hk)，能够提高以-3σ的概率存在的元件的Spin-flip磁场(Hsw)。

当位移消除层的结晶性提高时，位移消除层的各向异性磁场变高。在第1实施方式中，在与位移消除层相邻的缓冲层的非磁性层38a使用了具有非晶态构造的、电负性为1.8以下的金属的氧化物。另外，相邻的位移消除层的非磁性层37h包含铂(Pt)。非晶态构造的金属氧化物与铂(Pt)的结合能小。进一步，铂(Pt)优先取向为(111)面。因此，在与非晶态构造的非磁性层38a相邻的非磁性层37h中，铂(Pt)的结晶化被促进。由此，根据第1实施方式，能够设置结晶性高的位移消除层、即各向异性磁场高的位移消除层。

这样，根据第1实施方式，能够设置各向异性磁场高的位移消除层，参考层的反转磁场变高，因此，能够使磁阻效应元件MTJ的外部磁场耐受性提高。

此外，作为设置结晶性高的位移消除层的方法，也考虑在缓冲层设置厚度2.0nm左右的铂(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)等的层的方法。在第1实施方式中，非磁性层38a的厚度例如为1.0nm，与设置厚度2.0nm左右的铂(Pt)、钌(Ru)、铱(Ir)等的层的情况相比，能够减薄缓冲层。由此，第1实施方式涉及的磁存储装置能够使磁阻效应元件MTJ更加高集成化。

[2]第2实施方式

第2实施方式涉及的磁存储装置相对于第1实施方式涉及的磁存储装置，磁阻效应元件MTJ的层叠体38的构成不同。以下，关于第2实施方式涉及的磁阻效应元件，对与第1实施方式的不同点进行说明。

[2-1]构成

[2-1-1]磁阻效应元件

图7是用于对第2实施方式涉及的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明的剖视图。第2实施方式涉及的磁阻效应元件与第1实施方式涉及的磁阻效应元件的不同点为层叠体38还包括非磁性层38c。

层叠体38能够在整体上视为一个非磁性层，具有作为使与位线BL、字线WL的电连接性提高的电极的功能。具体而言，层叠体38包括各自作为缓冲层BUF之一发挥功能的非磁性层38a(BUF1)、非磁性层38c(BUF3)以及非磁性层38b(BUF2)。例如，在图3和图4的情况下，在半导体基板20与构成元件23的层叠体37的下表面之间沿着Z轴按非磁性层38b和非磁性层38a的顺序层叠有这些层。另外，在位线BL与构成元件26的层叠体37的下表面之间沿着Z轴按非磁性层38b和非磁性层38a的顺序层叠有这些层。

非磁性层38c为非磁性的导电体，包含从钛(Ti)、锆(Zr)、铪(Hf)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、碳(C)、硅(Si)以及锗(Ge)中选择的至少一种元素。非磁性层38b具有使层叠体38的电阻降低的功能。

第2实施方式涉及的磁阻效应元件的其它构成与第1实施方式是同样的。

[2-2]效果

根据第2实施方式，与第1实施方式同样地能够使磁阻效应元件的外部磁场耐受性提高。进一步，根据第2实施方式，能够抑制MR比的降低。

在第2实施方式中，在非晶态构造的非磁性层38a之下设置有非磁性层38c。通过设置有非磁性层38c，层叠体38的电阻被降低。由此，能够抑制磁阻效应元件MTJ的高电阻状态的电阻值与低电阻状态的电阻值的比率、即MR比降低。

[3]其它

对于在上述实施方式中描述过的存储单元MC，对磁阻效应元件MTJ设置在开关元件SEL的上方的情况进行了说明，但也可以是磁阻效应元件MTJ设置在开关元件SEL的下方。

在上述实施方式中，对在开关元件SEL的上表面上设置有磁阻效应元件MTJ的情况进行了说明，但也可以在开关元件SEL与磁阻效应元件MTJ之间设置有导电体。图8和图9表示用于对变形例涉及的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明的剖视图的一个例子。图8所示的截面与图3所示的截面对应。图9所示的截面与图4所示的截面对应。在多个元件22各自的上表面上分别设置有导电体28。导电体28具有导电性。在多个导电体28各自的上表面上设置有元件23。在多个元件25各自的上表面上分别设置有导电体29。导电体29具有导电性。在多个导电体29各自的上表面上设置有元件26。变形例涉及的磁存储装置的其它构成与第1实施方式涉及的磁存储装置是同样的。通过变形例，也能够与第1实施方式或者第2实施方式同样地使磁阻效应元件的外部磁场耐受性提高。

在上述实施方式中，对层叠体38包括非磁性层38b的情况进行了说明，但也可以省略非磁性层38b。例如，在第1实施方式中省略了非磁性层38b的情况下，磁阻效应元件MTJ的下端成为非磁性层38a。例如，在第2实施方式中省略了非磁性层38b的情况下，磁阻效应元件MTJ的下端成为非磁性层38c。在上述实施方式示出的例子中，磁阻效应元件MTJ的下端连接于开关元件SEL。在磁阻效应元件MTJ设置在开关元件SEL的下方的情况下，磁阻效应元件MTJ的下端连接于字线WL或者位线BL。在磁阻效应元件MTJ设置在开关元件SEL的上方、且在开关元件SEL与磁阻效应元件MTJ之间设置有导电体的情况下，磁阻效应元件MTJ的下端连接于导电体。

在本说明书中，“连接”表示电连接，不排除例如在其间夹设有其它元件。另外，对于“电连接”，只要能够与电连接了的状态同样地进行动作，则也可以隔着绝缘体。

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，并不是意在限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其它各种各样的方式来实施，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。这些实施方式和/或其变形包含在发明的范围、宗旨内，并且，包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。

Claims (15)

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铁磁性层；

第2铁磁性层；

层叠体，其相对于所述第2铁磁性层设置在与所述第1铁磁性层相反一侧；

第1非磁性层，其设置在所述第1铁磁性层与所述第2铁磁性层之间；

第2非磁性层，其设置在所述第2铁磁性层与所述层叠体之间；以及

第3非磁性层，其相对于所述层叠体设置在与所述第2非磁性层相反一侧，包含金属氧化物，

所述层叠体与所述第3非磁性层相接，包括包含铂即Pt的第4非磁性层。

2.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第3非磁性层包含钆即Gd或者铝即Al。

3.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第3非磁性层包含电负性比1.8小的金属元素的氧化物。

4.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述层叠体还包括：

第3铁磁性层，其相对于所述第4非磁性层在与所述第3非磁性层相反一侧与所述第4非磁性层相接；

第5非磁性层，其相对于所述第3铁磁性层在与所述第4非磁性层相反一侧与所述第3铁磁性层相接；以及

第4铁磁性层，其相对于所述第5非磁性层在与所述第3铁磁性层相反一侧与所述第5非磁性层相接。

5.根据权利要求4所述的磁存储装置，

所述第5非磁性层包含铂即Pt，

所述第3铁磁性层和所述第4铁磁性层包含钴即Co。

6.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述层叠体还包括：

第3铁磁性层，其相对于所述第4非磁性层在与所述第3非磁性层相反一侧与所述第4非磁性层相接；和

子层叠体，其相对于所述第3铁磁性层在与所述第4非磁性层相反一侧与所述第3铁磁性层相接，

所述子层叠体包括多个第6非磁性层和多个第5铁磁性层，

所述子层叠体具有层叠了多个组的构造，所述组是所述第6非磁性层和所述第5铁磁性层从所述第3铁磁性层侧按所述第6非磁性层、所述第5铁磁性层的顺序层叠而得到的。

7.根据权利要求6所述的磁存储装置，

所述第6非磁性层包含铂即Pt，

所述第3铁磁性层和所述第5铁磁性层包含钴即Co。

8.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述磁阻效应元件还包括第7非磁性层，所述第7非磁性层相对于所述第3非磁性层在与所述层叠体相反一侧与所述第3非磁性层相接，

所述第7非磁性层包含选自氮化钛即TiN、氮化铪即HfN、氮化锆即ZrN、氮化钽即TaN以及氮化钨即WN中的至少一种化合物。

9.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述磁阻效应元件还包括第8非磁性层，所述第8非磁性层相对于所述第3非磁性层在与所述层叠体相反一侧与所述第3非磁性层相接，

所述第8非磁性层包含选自钛即Ti、锆即Zr、铪即Hf、钒即V、铌即Nb、钽即Ta、铬即Cr、钼即Mo、钨即W、碳即C、硅即Si以及锗即Ge中的至少一种元素。

10.根据权利要求9所述的磁存储装置，

所述磁阻效应元件还包括第9非磁性层，所述第9非磁性层相对于所述第8非磁性层在与所述第3非磁性层相反一侧与所述第8非磁性层相接，

所述第9非磁性层包括选自氮化钛即TiN、氮化铪即HfN、氮化锆即ZrN、氮化钽即TaN以及氮化钨即WN中的至少一种化合物。

11.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第3非磁性层为非晶态。

12.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第2非磁性层包含选自钌即Ru、锇即Os、铑即Rh、铱即Ir、钒即V以及铬即Cr中的至少一种元素。

13.根据权利要求1所述的磁存储装置，

所述第1非磁性层包含氧化镁即MgO。

14.根据权利要求1所述的磁存储装置，

还包括基板，

在与所述基板的表面垂直的方向上按所述基板、所述第3非磁性层、所述层叠体、所述第2非磁性层、所述第2铁磁性层、所述第1非磁性层、所述第1铁磁性层的顺序进行了设置。

15.根据权利要求14所述的磁存储装置，

所述基板没有与所述第3非磁性层相接。