JP2019054054A - 磁気装置 - Google Patents

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俊彦 永瀬
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大輔 渡邉
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和也 澤田
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Tadaaki Oikawa
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Abstract

【課題】高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得つつ、高いリテンション特性を得る。【解決手段】一実施形態の磁気装置は、磁気抵抗効果素子を備える。上記磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１希土類磁性酸化物層と、を含む。上記第１希土類磁性酸化物層は、上記第１強磁性層及び上記第２強磁性層の間に設けられて上記第１強磁性層及び上記第２強磁性層を磁気的に結合する。【選択図】図３

Description

実施形態は、磁気装置に関する。
磁気素子を有する磁気装置が知られている。
米国特許第９１６６０６５号明細書 米国特許第９５０８９２６号明細書
高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得つつ、高いリテンション特性を得る。
実施形態の磁気装置は、磁気抵抗効果素子を備える。上記磁気抵抗効果素子は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１希土類磁性酸化物層と、を含む。上記第１希土類磁性酸化物層は、上記第１強磁性層及び上記第２強磁性層の間に設けられて上記第１強磁性層及び上記第２強磁性層を磁気的に結合する。
第１実施形態に係る磁気装置の構成を説明するためのブロック図。 第１実施形態に係る磁気装置のメモリセルの構成を説明するための断面図。 第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図。 第１実施形態に係る磁気装置における磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図。 第１実施形態に係る磁気装置における磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図。 第１実施形態に係る磁気装置における磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図。 第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の特性を説明するためのダイアグラム。 第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の特性を説明するためのテーブル。 第１実施形態の第１変形例に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図。 第１実施形態の第２変形例に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図。 第１実施形態の第３変形例に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図。
以下、図面を参照して実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する構成要素については、共通する参照符号を付す。また、共通する参照符号を有する複数の構成要素を区別する場合、当該共通する参照符号に添え字を付して区別する。なお、複数の構成要素について特に区別を要さない場合、当該複数の構成要素には、共通する参照符号のみが付され、添え字は付さない。
１．第１実施形態
第１実施形態に係る磁気装置について説明する。第１実施形態に係る磁気装置は、例えば磁気抵抗効果（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子を記憶素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）を含む。
以下の説明では、磁気装置の一例として、上述の磁気記憶装置について説明する。
１．１ 構成について
まず、第１実施形態に係る磁気装置の構成について説明する。
１．１．１ 磁気装置の構成について
図１は、第１実施形態に係る磁気装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、磁気装置１は、メモリセルアレイ１１、カレントシンク１２、センスアンプ及び書込みドライバ（ＳＡ／ＷＤ）１３、ロウデコーダ１４、ページバッファ１５、入出力回路１６、及び制御部１７を備えている。
メモリセルアレイ１１は、行（row）及び列（column）に対応付けられた複数のメモリセルＭＣを備えている。そして、例えば、同一行にあるメモリセルＭＣは、同一のワード線ＷＬに接続され、同一列にあるメモリセルＭＣの両端は、同一のビット線ＢＬ及び同一のソース線／ＢＬに接続される。
カレントシンク１２は、ビット線ＢＬ及びソース線／ＢＬに接続される。カレントシンク１２は、データの書込み及び読出し等の動作において、ビット線ＢＬ又はソース線／ＢＬを接地電位とする。
ＳＡ／ＷＤ１３は、ビット線ＢＬ及びソース線／ＢＬに接続される。ＳＡ／ＷＤ１３は、ビット線ＢＬ及びソース線／ＢＬを介して動作対象のメモリセルＭＣに電流を供給し、メモリセルＭＣへのデータの書込みを行う。また、ＳＡ／ＷＤ１３は、ビット線ＢＬ及びソース線／ＢＬを介して動作対象のメモリセルＭＣに電流を供給し、メモリセルＭＣへのデータの読出しを行う。より具体的には、ＳＡ／ＷＤ１３の書込みドライバが、メモリセルＭＣへのデータの書込みを行い、ＳＡ／ＷＤ１３のセンスアンプが、メモリセルＭＣからのデータの読出しを行う。
ロウデコーダ１４は、ワード線ＷＬを介してメモリセルアレイ１１と接続される。ロウデコーダ１４は、メモリセルアレイ１１のロウ方向を指定するロウアドレスをデコードする。そして、デコード結果に応じてワード線ＷＬを選択し、選択されたワード線ＷＬにデータの書込み及び読出し等の動作に必要な電圧を印加する。
ページバッファ１５は、メモリセルアレイ１１内に書込まれるデータ、及びメモリセルアレイ１１から読出されたデータを、ページと呼ばれるデータ単位で一時的に保持する。
入出力回路１６は、磁気装置１の外部から受信した各種信号を制御部１７及びページバッファ１５へと送信し、制御部１７及びページバッファ１５からの各種情報を磁気装置１の外部へと送信する。
制御部１７は、カレントシンク１２、ＳＡ／ＷＤ１３、ロウデコーダ１４、ページバッファ１５、及び入出力回路１６と接続される。制御部１７は、入出力回路１６が磁気装置１の外部から受信した各種信号に従い、カレントシンク１２、ＳＡ／ＷＤ１３、ロウデコーダ１４、及びページバッファ１５を制御する。
１．１．２ メモリセルの構成について
次に、第１実施形態に係る磁気装置のメモリセルの構成について図２を用いて説明する。以下の説明では、半導体基板２０に平行な面をｘｙ平面として定義し、当該ｘｙ平面に垂直な軸をｚ軸として定義する。ｘ軸及びｙ軸は、ｘｙ平面内で互いに直交する軸として定義される。図２は、第１実施形態に係る磁気装置１のメモリセルＭＣをｘｚ平面で切った場合の断面図の一例を示している。
図２に示すように、メモリセルＭＣは、半導体基板２０上に設けられ、選択トランジスタ２１及び磁気抵抗効果素子２２を含む。選択トランジスタ２１は、磁気抵抗効果素子２２へのデータ書込み及び読出し時において、電流の供給及び停止を制御するスイッチとして設けられる。磁気抵抗効果素子２２は、積層された複数の膜を含み、電流を膜面に垂直な方向に流すことによって抵抗値を低抵抗状態と高抵抗状態とに切替わることが出来る。磁気抵抗効果素子２２は、その抵抗状態の変化によってデータを書込み可能であり、書込まれたデータを不揮発に保持し、読出し可能である記憶素子として機能する。
選択トランジスタ２１は、ワード線ＷＬとして機能する配線層２３に接続されたゲートと、当該ゲートのｘ方向に沿う両端において半導体基板２０の表面に設けられた１対のソース領域又はドレイン領域２４と、を含む。選択トランジスタ２１のうち、半導体基板２０内に含まれる領域は、活性領域ともいう。活性領域は、例えば、他のメモリセルＭＣの活性領域と電気的に接続されないように、図示しない素子分離領域（ＳＴＩ：Shallow trench isolation）によって互いに絶縁される。
配線層２３は、半導体基板２０上の絶縁層２５を介してｙ方向に沿って設けられ、例えば、ｙ方向に沿って並ぶ他のメモリセルＭＣの選択トランジスタ２１（図示せず）のゲートに共通接続される。配線層２３は、例えばｘ方向に並ぶ。
選択トランジスタ２１の一端は、ソース領域又はドレイン領域２４上に設けられるコンタクトプラグ２６を介して磁気抵抗効果素子２２の下面上に接続される。磁気抵抗効果素子２２の上面上にはコンタクトプラグ２７が設けられる。磁気抵抗効果素子２２は、コンタクトプラグ２７を介してビット線ＢＬとして機能する配線層２８に接続される。配線層２８は、ｘ方向に延び、例えばｘ方向に並ぶ他のメモリセルＭＣの磁気抵抗効果素子２２（図示せず）の他端に共通接続される。
選択トランジスタ２１の他端は、ソース領域又はドレイン領域２４上に設けられるコンタクトプラグ２９を介してソース線／ＢＬとして機能する配線層３０に接続される。配線層３０は、ｘ方向に延び、例えばｘ方向に並ぶ他のメモリセルＭＣの選択トランジスタ２１（図示せず）の他端に共通接続される。
配線層２８及び３０は、例えばｙ方向に並ぶ。配線層２８は、例えば配線層３０の上方に位置する。なお、図２では省略されているが、配線層２８及び３０は、互いに物理的及び電気的な干渉を避けて配置される。選択トランジスタ２１、磁気抵抗効果素子２２、配線層２３、２８、及び３０、並びにコンタクトプラグ２６、２７、及び２９は、層間絶縁膜３１によって被覆される。
なお、磁気抵抗効果素子２２に対してｘ方向又はｙ方向に沿って並ぶ他の磁気抵抗効果素子２２（図示せず）は、例えば同一の階層上に設けられる。すなわち、メモリセルアレイ１１内において、複数の磁気抵抗効果素子２２は、例えば半導体基板２０の広がる方向に沿って並ぶ。
１．１．３ 磁気抵抗効果素子について
次に、第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成について図３を用いて説明する。図３は、第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子について、ｘｙ平面に垂直な平面で切った断面を示す断面図の一例である。
図３に示すように、磁気抵抗効果素子２２は、下地層（Under layer）として機能する非磁性層１１０と、記憶層（Storage layer）として機能する強磁性層１２０と、トンネルバリア層（Tunnel barrier layer）及びシード層（Seed layer）として機能する非磁性層１３０と、参照層（Reference layer）として機能する強磁性層１４０と、キャップ層（Capping layer）として機能する非磁性層１５０と、を含む。図３以降の図では、非磁性層１１０、強磁性層１２０、非磁性層１３０、強磁性層１４０、及び非磁性層１５０はそれぞれ、「ＵＬ」、「ＳＬ」、「ＴＢ／ＳＥＥＤ」、「ＲＬ」、及び「ＣＡＰ」とも示される。
磁気抵抗効果素子２２は、例えば、半導体基板２０側から非磁性層１１０、強磁性層１２０、非磁性層１３０、強磁性層１４０、及び非磁性層１５０の順に、ｚ軸方向に複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層１２０及び１４０の磁化方向（magnetization orientation）がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型ＭＴＪ素子である。
非磁性層１１０は、非磁性の膜であり、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、窒化マグネシウム（ＭｇＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、及び窒化バナジウム（ＶＮ）等の窒素化合物又は酸素化合物の少なくともいずれか１つを含む。また、非磁性層１１０は、上述の窒素化合物又は酸素化合物の混合物を含んでも良い。つまり、非磁性層１１０は、２種類の元素からなる二元化合物に限らず、３種類の元素からなる三元化合物、例えば、窒化チタンアルミニウム（ＡｌＴｉＮ）等を含んでも良い。窒素化合物及び酸素化合物は、それらに接する磁性層のダンピング定数上昇を抑制し、書き込み電流低減の効果が得られる。さらに高融点金属の窒素化合物または酸素化合物を用いることで、下地層材料の磁性層への拡散を抑制できＭＲ比の劣化を防ぐことができる。ここで高融点金属とは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）より融点が高い材料であり、例えば、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、クロム（Ｃｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、及びバナジウム（Ｖ）である。
強磁性層１２０は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性層であり、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれか１つを含む。また、強磁性層１２０は、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、及びチタン（Ｔｉ）の少なくともいずれか１つを不純物として更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性層１２０は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでもよい。強磁性層１２０は、半導体基板２０側、強磁性層１４０側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性層１２０の磁化方向は、強磁性層１４０と比較して容易に反転するように設定される。
非磁性層１３０は、非磁性であり、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、及びＬＳＭＯ（Lanthanum-strontium-manganese oxide）の少なくともいずれか１つを含む。非磁性層１３０は、隣接する強磁性層１２０及び１４０の結晶化処理において、強磁性層１２０及び１４０との界面から結晶膜を成長させるための核となるシード層として機能する。結晶化処理の詳細については、後述する。
強磁性層１４０は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性層である。強磁性層１４０の磁化方向は、固定されており、強磁性層１２０側又は非磁性層１５０側のいずれかを向く（図３の例では、非磁性層１５０側を向いている）。なお、「磁化方向が固定されている」とは、強磁性層１２０の磁化方向を反転させ得る大きさの電流によって、磁化方向が変化しないことを意味する。強磁性層１２０、非磁性層１３０、及び強磁性層１４０は、非磁性層１３０がトンネルバリア層として機能することにより、磁気トンネル接合を構成している。
また、強磁性層１４０は、界面参照層（Interface reference layer）として機能する強磁性層１４１、作用層（Function layer）として機能する希土類磁性酸化物（ＲＥＦＭＯ）層（Rare-earth ferromagnetic oxide layer）１４２と、主参照層（Main reference layer）として機能する強磁性層１４３と、シード層として機能する非磁性層１４４と、を含む。強磁性層１４０は、例えば、半導体基板２０側から強磁性層１４１、希土類磁性酸化物層１４２、強磁性層１４３、及び非磁性層１４４の順に、ｚ軸方向に複数の膜が積層される。図３以降の図では、強磁性層１４１、希土類磁性酸化物層１４２、強磁性層１４３、及び非磁性層１４４はそれぞれ、「ＩＲＬ」、「ＦＬ／ＲＥＦＭＯ」、「ＭＲＬ」、及び「ＳＥＥＤ」とも示される。
強磁性層１４１は、強磁性層１２０と同様、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）の少なくともいずれか１つを含む。また、強磁性層１４０は、強磁性層１２０と同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性層１４１は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでもよい。
希土類磁性酸化物層１４２は、希土類酸化物（ＲＥＯ：Rare-earth oxide layer）を含む層であり、例えばテルビウム（Ｔｂ）、ガドリウム（Ｇｄ）、ネオジム（Ｎｄ）、イットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、プロメチウム（Ｐｍ）、ツリウム（Ｔｍ）、スカンジウム（Ｓｃ）、セリウム（Ｃｅ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ランタン（Ｌａ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルチウム（Ｌｕ）、プラセオジム（Ｐｒ）、及びジスプロシウム（Ｄｙ）の少なくともいずれか１つの酸化物を含む。希土類酸化物は、元素同士の間隔が比較的に広い結晶構造を有する。このため、希土類磁性酸化物層１４２は、隣接する強磁性層１４１及び１４３が不純物を含む非晶質（アモルファス状態である）である場合、高温環境（例えば、アニーリング処理）下において、当該不純物を希土類磁性酸化物層１４２内に拡散させる機能を有する。すなわち、希土類磁性酸化物層１４２は、アニーリング処理によって、アモルファス状態の強磁性層１４１及び１４３から不純物を取り除き、高配向な結晶状態にする機能を有する。アニーリング処理の詳細については、後述する。
また、希土類磁性酸化物層１４２は、磁性を有する元素を更に含む。具体的には、希土類磁性酸化物層１４２は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、Ｎｉ（ニッケル）、及びＭｎ（マンガン）の少なくともいずれか１つを更に含む。このため、希土類磁性酸化物層１４２は、２つの強磁性層によってサンドイッチ状に挟み込まれる場合、当該２つの強磁性層を磁気的に結合する作用層としても機能する。すなわち、希土類磁性酸化物層１４２は、強磁性層１４１と強磁性層１４３とを磁気的に結合する。
また、希土類磁性酸化物層１４２は、強磁性層１２０及び１４１と同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。
なお、希土類磁性酸化物層１４２は、非磁性層１３０よりも寄生抵抗が小さいことが望ましい。より好ましくは、希土類磁性酸化物層１４２の寄生抵抗は、非磁性層１３０の１割程度であることが望ましく、例えば、数ｎｍ（ナノメートル）（例えば、２ｎｍ）よりも薄い層であることが望ましい。
強磁性層１４３は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性層であり、例えば、強磁性層１４１と磁気的に結合することによって強磁性層１４１と平行な磁化方向となる。このため、強磁性層１４１、希土類磁性酸化物層１４２、及び強磁性層１４３、及び非磁性層１４４は、大きな垂直磁化を有する１つの強磁性層とみなすことが出来る。強磁性層１４３は、例えば、強磁性層１２０及び１４１と同様、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のいずれか１つを含む。また、強磁性層１４３は、強磁性層１２０、及び強磁性層１４１と同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性層１４３は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでいてもよい。
非磁性層１４４は、非磁性の膜であり、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、及びＬＳＭＯ（Lanthanum-strontium-manganese oxide）の少なくともいずれか１つを含む。また、非磁性層１４４は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、及びクロム（Ｃｒ）の少なくとも１つを含んでもよい。非磁性層１４４は、強磁性層１４３の結晶化処理において、強磁性層１４３との界面から結晶膜を成長させるための核となるシード層として機能する。
非磁性層１５０は、非磁性であり、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）の少なくともいずれか１つを含む。
第１実施形態では、このような磁気抵抗効果素子２２に直接書込み電流を流し、この書込み電流によって強磁性層１２０の磁化方向を制御するスピン注入書込み方式が適用され得る。磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層１２０及び１４０の磁化方向の相対関係が平行か反平行かによって、低抵抗状態及び高抵抗状態のいずれかを取ることが出来る。
磁気抵抗効果素子２２に、図３における矢印ａ１の方向、即ち強磁性層１２０から強磁性層１４０に向かう書込み電流を流すと、強磁性層１２０及び１４０の磁化方向の相対関係は、平行になる。この平行状態の場合、磁気抵抗効果素子２２の抵抗値は最も低くなり、磁気抵抗効果素子２２は低抵抗状態に設定される。この低抵抗状態は、「Ｐ（Parallel）状態」と呼ばれ、例えばデータ“０”の状態と規定される。
磁気抵抗効果素子２２に図３における矢印ａ２の方向、即ち強磁性層１４０から強磁性層１２０に向かう書込み電流を流すと、強磁性層１２０及び１４０の磁化方向の相対関係は、反平行になる。この反平行状態の場合、磁気抵抗効果素子２２の抵抗値は最も高くなり、磁気抵抗効果素子２２は高抵抗状態に設定される。この高抵抗状態は、「ＡＰ（Anti-Parallel）状態」と呼ばれ、例えばデータ“１”の状態と規定される。
１．２． 磁気抵抗効果素子の製造方法について
次に、第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の製造方法について説明する。以下の説明では、磁気抵抗効果素子２２内の各構成要素のうち、強磁性層１４０（参照層ＲＬ）の製造方法について説明するものとし、その他の構成要素については、その説明を省略する。
図４、図５、及び図６は、第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための模式図である。図４〜図６では、強磁性層１４０内の強磁性層１４１及び１４３がアニーリング処理によってアモルファス状態から結晶状態となる過程が示される。
図４に示すように、非磁性層１３０、強磁性層１４１、希土類磁性酸化物層１４２、強磁性層１４３、及び非磁性層１４４がこの順に積層される。強磁性層１４１及び１４３は、不純物を含むアモルファス状態の層として積層される。希土類磁性酸化物層１４２は、希土類元素と、磁性を有する元素と、を含む結晶構造を有する。
なお、図４以降の図では、便宜的に、希土類元素が“○”で表され、希土類磁性酸化物層１４２内の磁性を有する元素が“△”で表され、積層時に強磁性層１４１及び１４３内に含まれる不純物が“×”で表される。
次に、図５に示すように、図４において積層された各層に対して、アニーリング処理が行われる。具体的には、各層に対して外部から熱が加えられることにより、強磁性層１４１及び１４３が非晶質から結晶質へ変換される。ここで、非磁性層１３０は、強磁性層１４１の結晶構造の配向を制御する役割を果たす。すなわち、強磁性層１４１は、非磁性層１３０をシードとして結晶構造を成長させる（結晶化処理）。これにより、強磁性層１４１は、非磁性層１３０の結晶面と同じ結晶面に配向される。
上述した非磁性層１３０からの強磁性層１４１の結晶構造の成長は、強磁性層１４３と非磁性層１４４との間でも同様に行われる。すなわち、強磁性層１４３は、非磁性層１４４をシードとして結晶構造を成長させる。これにより、強磁性層１４３は、非磁性層１４４の結晶面と同じ結晶面に配向され、非晶質から結晶質へ変換される。
また、強磁性層１４１及び１４３が結晶構造となることに伴い、強磁性層１４１及び１４３内に含まれる不純物が希土類磁性酸化物層１４２内に拡散される。これにより、強磁性層１４１及び１４３の結晶化をより促進させることが出来る。
そして、図６に示すように、アニーリング処理が終了する。強磁性層１４１及び１４３は、ほとんどの不純物が抜き取られた状態で結晶化が進行するため、良質に結晶化する。これにより、界面磁気異方性等の諸特性を向上させることが出来る。なお、強磁性層１４１及び１４３には、不純物が残らないことが望ましいが、少量の不純物が残っていてもよい。この場合、強磁性層１４１及び１４３と、希土類磁性酸化物層１４２とには、同様の不純物が含まれることとなる。
また、強磁性層１４１及び１４３は、磁性を有する元素を含む希土類磁性酸化物層１４２を挟んで積層されている。このため、強磁性層１４１及び１４３は、この後に行われる着磁工程において互いに磁気結合することができ、全体として１つの強磁性層として振る舞うことが出来る。すなわち、強磁性層１４１、希土類磁性酸化物層１４２、強磁性層１４３、及び非磁性層１４４は、１つの強磁性層１４０（参照層ＲＬ）として振る舞うことが出来る。これにより、強磁性層１４１のみから構成される場合よりも、強磁性層１４３の分だけ磁性体の体積が大きい構造の参照層ＲＬを製造することが出来る。
以上で、参照層ＲＬの製造が終了する。
１．３． 本実施形態に係る効果について
第１実施形態によれば、磁気抵抗効果素子は、高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得つつ、高いリテンション特性を得ることができる。本効果につき、図７及び図８を用いて以下に説明する。
図７及び図８はそれぞれ、第１実施形態に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の特性を説明するためのダイアグラム及びテーブルである。図７及び図８では、第１実施形態において説明された磁気抵抗効果素子２２の特性と、異なる構成を有する他の磁気抵抗効果素子の特性とが比較される。
図７では、界面参照層ＩＲＬの界面磁気異方性の大きさが比較される。より具体的には、図７では、横軸を磁化Ｍｓ×ｔとし、縦軸を異方性磁界Ｈｋとした場合における３つの積層構造Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３の特性が示される。ここで、磁化Ｍｓ×ｔは、飽和磁化Ｍｓと、界面参照層ＩＲＬの厚さｔとの積である。図７で示される特性は、右上に位置する（すなわち、磁化Ｍｓ×ｔが大きく、かつ異方性磁界Ｈｋが大きい）ほど、界面参照層ＩＲＬの界面磁気異方性が大きいことを示す。
以下の説明では、シード層ＳＥＥＤ、界面参照層ＩＲＬ、及び金属層ＭＥＴＡＬがこの順に積層された構成を積層構造Ｓ１と言う。また、シード層ＳＥＥＤ、界面参照層ＩＲＬ、及び希土類酸化物層ＲＥＯがこの順に積層された構成、及びシード層ＳＥＥＤ、界面参照層ＩＲＬ、及び希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯがこの順に積層された構成を、それぞれ積層構造Ｓ２及びＳ３と言う。ここで、希土類酸化物層ＲＥＯは、希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯと区別するため、非磁性であるものとして説明する。すなわち、積層構造Ｓ３が第１実施形態に係る磁気抵抗効果素子２２に含まれる構成に対応する。
図７に示すように、積層構造Ｓ１は、線Ｌ１で表される特性を示す。積層構造Ｓ２及びＳ３は、線Ｌ１よりも右上に位置する線Ｌ２で表される特性を示す。
上述の通り、希土類酸化物層ＲＥＯは、希土類元素同士の間隔が広い結晶構造を有する。このため、アモルファス状態の界面参照層ＩＲＬをアニーリング処理して結晶化させる際、希土類酸化物層ＲＥＯは、界面参照層ＩＲＬ内の不純物を内部に取り込む機能を有する。加えて、希土類酸化物層ＲＥＯは、酸化物の標準生成自由エネルギの絶対値が大きく、非常に安定な酸化物である。このため、アニーリング処理において、希土類元素と酸素元素とのかい離が起こりにくい。したがって、希土類酸化物層ＲＥＯから界面参照層ＩＲＬへの元素の拡散は抑制される。このため、希土類酸化物層ＲＥＯと接する界面参照層ＩＲＬは、より高配向な結晶質になることができ、ひいては、高い界面磁気異方性を発揮することが出来る。
上述の特性は、希土類酸化物層ＲＥＯが磁性を有する金属元素を含む希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯである場合においても、同様である。このため、希土類酸化物層ＲＥＯ及び希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯは、同等の界面磁気異方性を示す線Ｌ２で表される。
一方、金属層ＭＥＴＡＬは、希土類酸化物層ＲＥＯ及び希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯと比較して、内部の金属元素が界面参照層ＩＲＬ内に拡散しやすい。したがって、金属層ＭＥＴＡＬと接する界面参照層ＩＲＬは、希土類酸化物層ＲＥＯと接する界面参照層ＩＲＬよりも不純物が多く残る。このため、積層構造Ｓ１の特性は、積層構造Ｓ２及びＳ３の特性を示す線Ｌ２よりも小さい界面磁気異方性を示す線Ｌ１で表される。
なお、図７では、シード層の上層に界面参照層ＩＲＬが積層される場合について説明したが、上述の特性は、積層順を反対にした場合においても同様である。つまり、シード層ＳＥＥＤの下面上に界面参照層ＩＲＬが積層され、界面参照層ＩＲＬの下面上に金属層ＭＥＴＡＬ、希土類酸化物層ＲＥＯ、及び希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯが積層された場合でも、界面磁気異方性の観点において、上述と同様の特性を有する。
また、図８では、磁気抵抗効果素子２２の特性として、２つの特性が比較される。２つの特性の一方は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunnel Magnetoresistance）特性及び垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）であり、他方は、リテンション（retention）特性である。
まず、トンネル磁気抵抗特性及び垂直磁気異方性について説明する。トンネル磁気抵抗特性及び垂直磁気異方性は、例えば、界面磁気異方性の大きさに相関する。図７において詳述した通り、積層構造Ｓ１では、金属層ＭＥＴＡＬが界面参照層ＩＲＬの結晶化を阻害してしまうのに対し、積層構造Ｓ２及びＳ３では、希土類酸化物層ＲＥＯ及び希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯが界面参照層ＩＲＬ内の不純物を除去することが出来る。このため、積層構造Ｓ２及びＳ３は、積層構造Ｓ１よりも界面磁気異方性を強めることによってトンネル磁気抵抗特性及び垂直磁気異方性を向上させることが出来る。
次に、リテンション特性について説明する。リテンション特性とは、外部からの熱による磁気抵抗効果素子２２の抵抗状態の反転のしにくさを意味する。リテンション特性は、例えば、以下の式に示す磁化エネルギΔＥの大きさで定量的に評価することが出来る。
ΔＥ＝Ｋｕ×Ｖｏｌ／（ｋＢ×Ｔ）≒Ｍｓ×Ｈｃ×Ａ×ｔ／（ｋＢ×Ｔ）
ここで、Ｋｕは、異方性エネルギであり、Ｋｕ＝Ｍｓ×Ｈｋである。Ｍｓ及びＨｋはそれぞれ、飽和磁化及び異方性磁界である。異方性磁界Ｈｋは、強磁性層が単磁区構造とみなせる場合、Ｈｋ≒Ｈｃと近似できる。Ｈｃは、保磁力である。Ｖｏｌは、体積であり、Ｖｏｌ＝Ａ×ｔである。Ａ及びｔはそれぞれ、ｘｙ平面に沿った断面積、及びｚ軸方向に沿った膜厚である。ｋＢ及びＴはそれぞれ、ボルツマン定数、及び温度である。
上式によれば、強磁性層は、体積Ｖｏｌが大きい（つまり、膜厚ｔが厚い）ほど、熱に対するリテンション特性が大きくなる。
積層構造Ｓ１は、上述の通り、積層構造Ｓ２及びＳ３と比較して界面磁気異方性（すなわち、異方性磁界Ｈｋと、磁化Ｍｓ×ｔとの積に対応する値）が小さいため、界面参照層ＩＲＬ単層では、積層構造Ｓ２及びＳ３と比較してリテンション特性も小さくなる。しかしながら、金属層ＭＥＴＡＬに磁性を有する元素を適用すると、金属層ＭＥＴＡＬの上層に更なる主参照層ＭＲＬを積層することにより、界面参照層ＩＲＬ及び主参照層ＭＲＬを磁気結合させることが出来る。これにより、界面参照層ＩＲＬ及び主参照層ＭＲＬを１つの強磁性層とみなすことができるため、実質的に膜厚ｔを増加させる効果が得られ、ひいては、磁化エネルギΔＥを増加させることが出来る。したがって、積層構造Ｓ１は、強磁性層の積層によってリテンション特性を増加させることが出来る。
積層構造Ｓ２及びＳ３は、界面参照層ＩＲＬ単層では、互いに体積Ｖｏｌに差異が表れないため、同等のリテンション特性となる。しかしながら、希土類酸化物層ＲＥＯは、磁性を有する元素を含まない場合、磁性を有さないため、上述の積層構造Ｓ１のように界面参照層ＩＲＬ及び主参照層ＭＲＬを磁気結合させることが出来ない。このため、積層構造Ｓ２は、実質的に膜厚ｔを増加させる効果を得ることが出来ず、ひいては、磁化エネルギΔＥを増加させることが出来ない。したがって、積層構造Ｓ２は、強磁性層の積層によってリテンション特性を増加させることが出来ない。
一方、希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯは、磁性を有するため、上述の積層構造Ｓ１のように界面参照層ＩＲＬ及び主参照層ＭＲＬを磁気結合させることが出来る。このため、積層構造Ｓ３は、実質的に膜厚ｔを増加させる効果を得ることが出来、ひいては、磁化エネルギΔＥを増加させることが出来る。したがって、積層構造Ｓ３は、強磁性層の積層によってリテンション特性を増加させることが出来る。
以上のように、積層構造Ｓ３は、積層構造Ｓ１よりも高いトンネル磁気抵抗特性及び垂直磁気異方性を得ることが出来る。また、積層構造Ｓ３は、希土類磁性酸化物層ＲＥＦＭＯの上層に更に主参照層ＭＲＬを積層することで、積層構造Ｓ２よりも高いリテンション特性を得ることが出来る。
第１実施形態では、磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層１４１と、希土類磁性酸化物層１４２と、強磁性層１４３とを含む。強磁性層１４１及び１４３はそれぞれ、希土類磁性酸化物層１４２の下面上及び上面上に設けられる。これにより、強磁性層１４１及び１４３が互いに磁気結合することが出来、強磁性層１４１単層よりも実質的に膜厚ｔが厚い１つの強磁性層とみなすことが出来る。したがって、参照層ＲＬのリテンション特性を向上させることができ、例えば、後続のリフロー工程等の高温環境下においても強磁性層１４０の磁化方向が反転することを抑制することが出来る。
また、磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層１４１の下面上に非磁性層１３０が設けられ、強磁性層１４３の上面上に非磁性層１４４が設けられる。これにより、アニーリング処理において、強磁性層１４１及び１４３はそれぞれ、非磁性層１３０及び１４４をシードとして結晶を成長させることが出来る。このため、強磁性層１４１及び１４３は、アモルファス状態から高配向な結晶状態へと変換されることが出来、ひいては、高い界面磁気異方性を得ることが出来る。
また、アニーリング処理において、希土類磁性酸化物層１４２内に強磁性層１４１及び１４３内の不純物を拡散させることが出来る。このため、強磁性層１４１及び１４３の結晶化を促進させることが出来る。したがって、最終的に、強磁性層１４１及び１４３は、高い磁気抵抗効果および垂直磁気異方性を得ることが出来る。
また、希土類磁性酸化物層１４２は、非磁性層１３０よりも寄生抵抗が小さくなるように設計される。これにより、磁気抵抗効果素子２２に流す書込み電流が過度に大きくなることを抑制することが出来る。このため、磁気抵抗効果素子２２を磁気記憶装置に適用し易くすることが出来る。
２． 変形例等
上述の第１実施形態で述べた形態に限らず、種々の変形が可能である。
２．１ 第１変形例
第１実施形態では、強磁性層１４０が、強磁性層１４３及び非磁性層１４４を含む例について説明したが、これに限られない。例えば、強磁性層１４０は、強磁性層１４３及び非磁性層１４４に代えて、強磁性層１４３ａを含んでもよい。
以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図９は、第１実施形態の第１変形例に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図である。図９は、第１実施形態において説明した図３に対応する。
図９に示すように、強磁性層１４０は、強磁性層１４１ａ、希土類磁性酸化物層１４２ａ、及び強磁性層１４３ａを含む。
強磁性層１４１ａ及び希土類磁性酸化物層１４２ａは、図３の強磁性層１４１及び希土類磁性酸化物層１４２と同様であるため、説明を省略する。
強磁性層１４３ａは、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性層であり、強磁性層１４１ａと磁気的に結合することによって強磁性層１４１ａと平行な磁化方向となる。このため、強磁性層１４１ａ、１４２ａ、及び１４３ａは、大きな垂直磁化を有する１つの強磁性層とみなすことが出来る。強磁性層１４３ａは、例えば、鉄白金（ＦｅＰｔ）、鉄パラジウム（ＦｅＰｄ）、鉄ロジウム（ＦｅＲｈ）、コバルトロジウム（ＣｏＲｈ）、コバルト白金（ＣｏＰｔ）、コバルトニッケル（ＣｏＮｉ）、又はコバルトパラジウム（ＣｏＰｄ）を含む。強磁性層１４３ａは、例えば、上述の化合物の多層膜を含む。具体的には、例えば、強磁性層１４３ａは、鉄（Ｆｅ）と白金（Ｐｔ）との多層膜（Ｆｅ／Ｐｔ多層膜）、鉄（Ｆｅ）とパラジウム（Ｐｄ）との多層膜（Ｆｅ／Ｐｄ多層膜）、鉄（Ｆｅ）とロジウム（Ｒｈ）との多層膜（Ｆｅ／Ｒｈ多層膜）、コバルト（Ｃｏ）とロジウム（Ｒｈ）との多層膜（Ｃｏ／Ｒｈ多層膜）、コバルト（Ｃｏ）と白金（Ｐｔ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ多層膜）、コバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）との多層膜（Ｃｏ／Ｎｉ多層膜）、又はコバルト（Ｃｏ）とパラジウム（Ｐｄ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｄ多層膜）を含む。
以上のように構成することにより、強磁性層１４３ａは、界面磁気異方性ではなくバルク磁気異方性又は多層膜による磁気異方性を有する強磁性層とすることが出来る。このため、界面磁気異方性を得るために、図３における強磁性層１４３のようにアニーリング処理においてアモルファス状態から結晶化させる工程が不要である。また、結晶化が不要であるため、図３における非磁性層１４４のように高配向な結晶を得るためのシード層を設けることが不要となる。
希土類磁性酸化物層１４２ａは、強磁性層１４３ａが界面磁気異方性以外の磁気異方性によって強磁性層となる場合においても、強磁性層１４１ａ及び１４３ａを磁気的に結合することが出来る。このため、第１変形例の構成においても、第１実施形態と同様の効果を奏することが出来る。
２．２ 第２変形例
また、第１実施形態では、強磁性層１４０が、１つの希土類磁性酸化物層１４２を含む例について説明したが、これに限られない。例えば、強磁性層１４０は、複数の希土類磁性酸化物層を含んでもよい。
以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図１０は、第１実施形態の第２変形例に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図である。図１０は、第１実施形態において説明した図３に対応し、一例として、強磁性層１４０内に２つの希土類磁性酸化物層が含まれる場合が示される。
図１０に示すように、強磁性層１４０は、強磁性層１４１ｂ、希土類磁性酸化物層１４２ｂ、強磁性層１４３ｂ、希土類磁性酸化物層１４４ｂ、強磁性層１４５ｂ、及び非磁性層１４６ｂを含む。
強磁性層１４１ｂ、希土類磁性酸化物層１４２ｂ、及び強磁性層１４３ｂは、図３の強磁性層１４１、希土類磁性酸化物層１４２、及び強磁性層１４３と同様であるため、説明を省略する。
希土類磁性酸化物層１４４ｂは、希土類酸化物を含む層であり、希土類磁性酸化物層１４２ｂと同様、上述した希土類酸化物の少なくとも１つの酸化物を含む。このため、希土類磁性酸化物層１４４ｂは、隣接する強磁性層１４３ｂ及び１４５ｂが不純物を含む非晶質である場合、高温環境下において、当該不純物を希土類磁性酸化物層１４４ｂ内に拡散させる機能を有する。すなわち、希土類磁性酸化物層１４４ｂは、アニーリング処理によって、アモルファス状態の強磁性層１４３ｂ及び１４５ｂから不純物を取り除き、高配向な結晶状態にする機能を有する。
また、希土類磁性酸化物層１４４ｂは、希土類磁性酸化物層１４２ｂと同様、磁性を有する元素として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、Ｎｉ（ニッケル）、及びＭｎ（マンガン）の少なくともいずれか１つを更に含む。このため、希土類磁性酸化物層１４４ｂは、２つの強磁性層によってサンドイッチ状に挟み込まれる場合、当該２つの強磁性層を磁気的に結合する作用層としても機能する。すなわち、希土類磁性酸化物層１４４ｂは、強磁性層１４３ｂと強磁性層１４５ｂとを磁気的に結合する。
また、希土類磁性酸化物層１４４ｂは、強磁性層１２０、１４１ｂ、及び１４３ｂと同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。
なお、希土類磁性酸化物層１４４ｂは、希土類磁性酸化物層１４２ｂと同様、寄生抵抗を小さくするために、非磁性層１３０より薄いことが望ましい。
強磁性層１４５ｂは、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性層であり、強磁性層１４３ｂと磁気的に結合することによって強磁性層１４１ｂ及び１４３ｂと平行な磁化方向となる。このため、強磁性層１４１ｂ〜１４５ｂは、大きな垂直磁化を有する１つの強磁性層とみなすことが出来る。強磁性層１４５ｂは、例えば、強磁性層１２０、１４１ｂ、及び１４３ｂと同様、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のいずれか１つを含む。また、強磁性層１４５ｂは、強磁性層１２０、１４１ｂ、及び１４３ｂと同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。
非磁性層１４６ｂは、図３の非磁性層１４４と同様であるため、説明を省略する。
以上のように構成することにより、強磁性層１４０は、２つの強磁性層１４１ｂ及び１４３ｂだけでなく、更に追加の強磁性層１４５ｂとも磁気的に結合させることが出来る。これにより、強磁性層１４０の実質的な膜厚ｔを更に厚くすることが出来、ひいては、強磁性層１４０のリテンション特性を更に向上させることが出来る。
２．３ 第３変形例
第１実施形態では、磁気抵抗効果素子２２のうち、強磁性層１４０が希土類磁性酸化物層１４２を含む例について説明したが、これに限られない。例えば、磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層１４０だけでなく、強磁性層１２０内に希土類磁性酸化物層を含んでもよい。
以下では、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
図１１は、第１実施形態の第３変形例に係る磁気装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図である。図１１は、第１実施形態において説明した図３に対応し、強磁性層１２０内にも希土類磁性酸化物層が含まれる場合が示される。
図１１に示すように、強磁性層１２０は、シード層として機能する非磁性層１２１、記憶層の一部として機能する強磁性層１２２、作用層として機能する希土類磁性酸化物層１２３、及び記憶層の一部として機能する強磁性層１２４を含む。強磁性層１２０は、例えば、半導体基板２０側から非磁性層１２１、強磁性層１２２、希土類磁性酸化物層１２３、及び強磁性層１２４の順に、ｚ軸方向に複数の膜が積層される。図１１では、非磁性層１２１、強磁性層１２２、希土類磁性酸化物層１２３、及び強磁性層１２４はそれぞれ、「ＳＥＥＤ」、「ＳＬ１」、「ＦＬ／ＲＥＦＭＯ」、「ＳＬ２」とも示される。
非磁性層１２１は、例えば、非磁性層１４４と同様の構成を有する。非磁性層１２１は、強磁性層１２２の結晶化処理において、強磁性層１２２との界面から結晶膜を成長させるための核となるシード層として機能する。
強磁性層１２２は、例えば、強磁性層１４１と同様の構成を有する。
希土類磁性酸化物層１２３は、例えば、希土類磁性酸化物層１４２と同様の構成を有する。希土類磁性酸化物層１２３は、隣接する強磁性層１２２及び１２４が不純物を含む非晶質である場合、高温環境下において、当該不純物を希土類磁性酸化物層１２３内に拡散させる機能を有する。すなわち、希土類磁性酸化物層１２３は、アニーリング処理によって、アモルファス状態の強磁性層１２２及び１２４から不純物を取り除き、高配向な結晶状態にする機能を有する。また、希土類磁性酸化物層１２３は、強磁性層１２２と強磁性層１２４とを磁気的に結合する。
なお、希土類磁性酸化物層１２３は、希土類磁性酸化物層１４２と同様、寄生抵抗を小さくするために、非磁性層１３０より薄いことが望ましい。
強磁性層１２４は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性層であり、強磁性層１２２と磁気的に結合することによって強磁性層１２２と平行な磁化方向となる。このため、非磁性層１２１、強磁性層１２２、希土類磁性酸化物層１２３、及び強磁性層１２４は、大きな垂直磁化を有する１つの強磁性層とみなすことが出来る。強磁性層１２４は、例えば、強磁性層１２２と同様の構成を有する。
以上のように構成することにより、強磁性層１２０についても、強磁性層１４０と同様に、高い磁気抵抗効果および垂直磁気異方性を得つつ、高いリテンション特性を得ることが出来る。
３． その他
上述の第１実施形態及び各変形例で述べた磁気抵抗効果素子２２は、記憶層ＳＬが半導体基板２０側に設けられるボトムフリー型である場合について説明したが、参照層ＲＬが半導体基板２０側に設けられるトップフリー型であってもよい。
また、上述の第２変形例では、２つの希土類磁性酸化物層と３つの強磁性層が交互に積層される場合について説明したが、積層数が更に増やされてもよい。例えば、ｎ個の希土類磁性酸化物層と、（ｎ＋１）個の強磁性層が交互に積層される構成としても良い（ｎは、任意の自然数）。
更に、上述の第１実施形態及び各変形例では、磁気抵抗効果素子を備える磁気装置の一例として、ＭＴＪ素子を備える磁気記憶装置について説明したが、これに限られない。例えば、磁気装置は、センサやメディア等の垂直磁気異方性を有する磁気素子を必要とする他のデバイスを含む。当該磁気素子は、例えば、図３において説明した強磁性層１４１、希土類磁性酸化物層１４２、及び強磁性層１４３を少なくとも含む素子である。なお、当該磁気素子に更に非磁性層１３０が接して設けられる場合、非磁性層１３０は、上述の第１実施形態及び各変形例で説明した絶縁体に限らず、導電体であってもよい。具体的には、例えば、非磁性層１３０は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、及びクロム（Ｃｒ）の少なくとも１つを含んでもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１…磁気装置、１１…メモリセルアレイ、１２…カレントシンク、１３…センスアンプ及び書込みドライバ、１４…ロウデコーダ、１５…ページバッファ、１６…入出力回路、１７…制御部、２０…半導体基板、２１…選択トランジスタ、２２…磁気抵抗効果素子、２３，２８，３０…配線層、２４…ソース領域又はドレイン領域、２５…絶縁層、２６，２７，２９…コンタクトプラグ、３１…層間絶縁膜、１１０，１２１，１３０，１４４，１４６ｂ，１５０…非磁性層、１２０，１２２，１２４，１４１，１４１ａ，１４１ｂ，１４３，１４３ａ，１４３ｂ，１４５ｂ…強磁性層、１２３，１４２，１４２ａ，１４２ｂ，１４４ｂ…希土類磁性酸化物層。
希土類磁性酸化物層１４２は、希土類酸化物（ＲＥＯ：Rare-earth oxide layer）を含む層であり、例えばテルビウム（Ｔｂ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、ネオジム（Ｎｄ）、イットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、プロメチウム（Ｐｍ）、ツリウム（Ｔｍ）、スカンジウム（Ｓｃ）、セリウム（Ｃｅ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ランタン（Ｌａ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルテチウム（Ｌｕ）、プラセオジム（Ｐｒ）、及びジスプロシウム（Ｄｙ）の少なくともいずれか１つの酸化物を含む。希土類酸化物は、元素同士の間隔が比較的に広い結晶構造を有する。このため、希土類磁性酸化物層１４２は、隣接する強磁性層１４１及び１４３が不純物を含む非晶質（アモルファス状態である）である場合、高温環境（例えば、アニーリング処理）下において、当該不純物を希土類磁性酸化物層１４２内に拡散させる機能を有する。すなわち、希土類磁性酸化物層１４２は、アニーリング処理によって、アモルファス状態の強磁性層１４１及び１４３から不純物を取り除き、高配向な結晶状態にする機能を有する。アニーリング処理の詳細については、後述する。

Claims (11)

  1. 磁気抵抗効果素子を備え、
    前記磁気抵抗効果素子は、
    第１強磁性層と、
    第２強磁性層と、
    前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の間に設けられて前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層を磁気的に結合する第１希土類磁性酸化物層と、
    を含む、磁気装置。
  2. 前記磁気抵抗効果素子は、
    第３強磁性層と、
    前記第２強磁性層及び前記第３強磁性層の間に設けられた前記第２強磁性層及び前記第３強磁性層を磁気的に結合する第２希土類磁性酸化物層と、
    を更に含む、請求項１記載の磁気装置。
  3. 前記第１希土類磁性酸化物層は、
    テルビウム（Ｔｂ）、ガドリウム（Ｇｄ）、ネオジム（Ｎｄ）、イットリウム（Ｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、プロメチウム（Ｐｍ）、ツリウム（Ｔｍ）、スカンジウム（Ｓｃ）、セリウム（Ｃｅ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、エルビウム（Ｅｒ）、ホルミウム（Ｈｏ）、ランタン（Ｌａ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、ルチウム（Ｌｕ）、プラセオジム（Ｐｒ）、及びジスプロシウム（Ｄｙ）のいずれか１つと、
    鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、Ｎｉ（ニッケル）、及びＭｎ（マンガン）のいずれか１つと、
    を含む、請求項１記載の磁気装置。
  4. 前記第１希土類磁性酸化物層は、
    ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、炭素（Ｃ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）、チタン（Ｔｉ）のいずれか１つを更に含む、
    請求項３記載の磁気装置。
  5. 前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層は、
    鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のいずれか１つを含む、
    請求項１記載の磁気装置。
  6. 前記磁気抵抗効果素子は、第１シード層及び第２シード層を更に含み、
    前記第１強磁性層は、前記第１シード層及び前記第１希土類磁性酸化物層の間に設けられ、
    前記第２強磁性層は、前記第２シード層及び前記第１希土類磁性酸化物層の間に設けられた、
    請求項１記載の磁気装置。
  7. 前記磁気抵抗効果素子は、第１シード層を更に含み、
    前記第１強磁性層は、前記第１シード層及び前記第１希土類磁性酸化物層の間に設けられ、
    前記第２強磁性層は、各々がコバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、パラジウム（Ｐｄ）ロジウム（Ｒｈ）、又は白金（Ｐｔ）のいずれか１つを含む複数の層を含む、
    請求項１記載の磁気装置。
  8. 前記第１希土類磁性酸化物層の寄生抵抗は、前記第１シード層の寄生抵抗よりも小さい、請求項６又は請求項７記載の磁気装置。
  9. 前記第１シード層は、
    酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、及びＬＳＭＯ（Lanthanum strontium manganese oxide）のいずれか１つを含む、
    請求項６又は請求項７記載の磁気装置。
  10. 前記第１シード層は、
    白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）及びクロム（Ｃｒ）のいずれか１つを含む、
    請求項６又は７記載の磁気装置。
  11. 前記磁気抵抗効果素子を含むメモリセルを更に備える、請求項１記載の磁気装置。
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