JP2021044429A - 磁気記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】異なる層に形成される磁気抵抗効果素子間の特性ばらつきを抑制する。【解決手段】一実施形態の磁気記憶装置は、第１磁気抵抗効果素子を含む第１メモリセルと、上記第１メモリセルの上方において、第２磁気抵抗効果素子を含む第２メモリセルと、を備える。上記第１磁気抵抗効果素子の熱吸収率は、上記第２磁気抵抗効果素子の熱吸収率より小さい。【選択図】図１１
Description
実施形態は、磁気記憶装置に関する。
磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いた磁気記憶装置（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が知られている。
異なる層に形成される磁気抵抗効果素子間の特性ばらつきを抑制する。
実施形態の磁気記憶装置は、第１磁気抵抗効果素子を含む第１メモリセルと、上記第１メモリセルの上方において、第２磁気抵抗効果素子を含む第２メモリセルと、を備える。上記第１磁気抵抗効果素子の熱吸収率は、上記第２磁気抵抗効果素子の熱吸収率より小さい。
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。ここで、添え字は、下付き文字や上付き文字に限らず、例えば、参照符号の末尾に添加される小文字のアルファベット、及び配列を意味するインデックス等を含む。
１．第１実施形態
第１実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。第１実施形態に係る磁気記憶装置は、例えば、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）によって磁気抵抗効果（Magnetoresistive effect）を有する素子（ＭＴＪ素子、又はmagnetoresistive effect elementとも言う。）を抵抗変化素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置である。
第１実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。第１実施形態に係る磁気記憶装置は、例えば、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）によって磁気抵抗効果（Magnetoresistive effect）を有する素子（ＭＴＪ素子、又はmagnetoresistive effect elementとも言う。）を抵抗変化素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置である。
１．１ 構成
まず、第１実施形態に係る磁気記憶装置の構成について説明する。
まず、第１実施形態に係る磁気記憶装置の構成について説明する。
１．１．１ 磁気記憶装置の構成
図１は、第１実施形態に係る磁気記憶装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、磁気記憶装置１は、メモリセルアレイ１０、ロウ選択回路１１、カラム選択回路１２、デコード回路１３、書込み回路１４、読出し回路１５、電圧生成回路１６、入出力回路１７、及び制御回路１８を備えている。
図１は、第１実施形態に係る磁気記憶装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、磁気記憶装置１は、メモリセルアレイ１０、ロウ選択回路１１、カラム選択回路１２、デコード回路１３、書込み回路１４、読出し回路１５、電圧生成回路１６、入出力回路１７、及び制御回路１８を備えている。
メモリセルアレイ１０は、各々が行（row）、及び列（column）の組に対応付けられた複数のメモリセルＭＣを備えている。具体的には、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は、同一のビット線ＢＬに接続される。
ロウ選択回路１１は、ワード線ＷＬを介してメモリセルアレイ１０と接続される。ロウ選択回路１１には、デコード回路１３からのアドレスＡＤＤのデコード結果（ロウアドレス）が供給される。ロウ選択回路１１は、アドレスＡＤＤのデコード結果に基づいた行に対応するワード線ＷＬを選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたワード線ＷＬは、選択ワード線ＷＬと言う。また、選択ワード線ＷＬ以外のワード線ＷＬは、非選択ワード線ＷＬと言う。
カラム選択回路１２は、ビット線ＢＬを介してメモリセルアレイ１０と接続される。カラム選択回路１２には、デコード回路１３からのアドレスＡＤＤのデコード結果（カラムアドレス）が供給される。カラム選択回路１２は、アドレスＡＤＤのデコード結果に基づいた列を選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたビット線ＢＬは、選択ビット線ＢＬと言う。また、選択ビット線ＢＬ以外のビット線ＢＬは、非選択ビット線ＢＬと言う。
デコード回路１３は、入出力回路１７からのアドレスＡＤＤをデコードする。デコード回路１３は、アドレスＡＤＤのデコード結果を、ロウ選択回路１１、及びカラム選択回路１２に供給する。アドレスＡＤＤは、選択されるカラムアドレス、及びロウアドレスを含む。
書込み回路１４は、メモリセルＭＣへのデータの書込みを行う。書込み回路１４は、例えば、書込みドライバ（図示せず）を含む。
読出し回路１５は、メモリセルＭＣからのデータの読出しを行う。読出し回路１５は、例えば、センスアンプ（図示せず）を含む。
電圧生成回路１６は、磁気記憶装置１の外部（図示せず）から提供された電源電圧を用いて、メモリセルアレイ１０の各種の動作のための電圧を生成する。例えば、電圧生成回路１６は、書込み動作の際に必要な種々の電圧を生成し、書込み回路１４に出力する。また、例えば、電圧生成回路１６は、読出し動作の際に必要な種々の電圧を生成し、読出し回路１５に出力する。
入出力回路１７は、磁気記憶装置１の外部からのアドレスＡＤＤを、デコード回路１３に転送する。入出力回路１７は、磁気記憶装置１の外部からのコマンドＣＭＤを、制御回路１８に転送する。入出力回路１７は、種々の制御信号ＣＮＴを、磁気記憶装置１の外部と、制御回路１８と、の間で送受信する。入出力回路１７は、磁気記憶装置１の外部からのデータＤＡＴを書込み回路１４に転送し、読出し回路１５から転送されたデータＤＡＴを磁気記憶装置１の外部に出力する。
制御回路１８は、制御信号ＣＮＴ及びコマンドＣＭＤに基づいて、磁気記憶装置１内のロウ選択回路１１、カラム選択回路１２、デコード回路１３、書込み回路１４、読出し回路１５、電圧生成回路１６、及び入出力回路１７の動作を制御する。
１．１．２ メモリセルアレイの構成
次に、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成について図２を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す回路図である。図２では、ワード線ＷＬが２つの小文字のアルファベット（“ｕ”及び“ｄ”）と、インデックス（“＜＞”）と、を含む添え字によって分類されて示されている。
次に、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成について図２を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す回路図である。図２では、ワード線ＷＬが２つの小文字のアルファベット（“ｕ”及び“ｄ”）と、インデックス（“＜＞”）と、を含む添え字によって分類されて示されている。
図２に示すように、メモリセルＭＣ（ＭＣｕ及びＭＣｄ）は、メモリセルアレイ１０内でマトリクス状に配置され、複数のビット線ＢＬ（ＢＬ＜０＞、ＢＬ＜１＞、…、ＢＬ＜Ｎ＞））のうちの１本と、複数のワード線ＷＬｄ（ＷＬｄ＜０＞、ＷＬｄ＜１＞、…、ＷＬｄ＜Ｍ＞）及びＷＬｕ（ＷＬｕ＜０＞、ＷＬｕ＜１＞、…、ＷＬｕ＜Ｍ＞）のうちの１本と、の組に対応付けられる（Ｍ及びＮは、任意の整数）。すなわち、メモリセルＭＣｄ＜ｉ、ｊ＞（０≦ｉ≦Ｍ、０≦ｊ≦Ｎ）は、ワード線ＷＬｄ＜ｉ＞とビット線ＢＬ＜ｊ＞との間に接続され、メモリセルＭＣｕ＜ｉ、ｊ＞は、ワード線ＷＬｕ＜ｉ＞とビット線ＢＬ＜ｊ＞との間に接続される。
なお、添え字の“ｄ”及び“ｕ”はそれぞれ、複数のメモリセルＭＣのうちの、（例えば、ビット線ＢＬに対して）下方に設けられたもの、及び上方に設けられたもの、を便宜的に識別するものである。メモリセルアレイ１０の立体的な構造の例については、後述する。
メモリセルＭＣｄ＜ｉ、ｊ＞は、直列に接続されたスイッチング素子ＳＥＬｄ＜ｉ、ｊ＞及び磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ＜ｉ、ｊ＞を含む。メモリセルＭＣｕ＜ｉ、ｊ＞は、直列に接続されたスイッチング素子ＳＥＬｕ＜ｉ、ｊ＞及び磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ＜ｉ、ｊ＞を含む。
スイッチング素子ＳＥＬは、対応する磁気抵抗効果素子ＭＴＪへのデータ書込み及び読出し時において、磁気抵抗効果素子ＭＴＪへの電流の供給を制御するスイッチとしての機能を有する。より具体的には、例えば、或るメモリセルＭＣ内のスイッチング素子ＳＥＬは、当該メモリセルＭＣに印加される電圧が閾値電圧Ｖｔｈを下回る場合、抵抗値の大きい絶縁体として電流を遮断し（オフ状態となり）、閾値電圧Ｖｔｈを上回る場合、抵抗値の小さい導電体として電流を流す（オン状態となる）。すなわち、スイッチング素子ＳＥＬは、流れる電流の方向に依らず、メモリセルＭＣに印加される電圧の大きさに応じて、電流を流すか遮断するかを切替え可能な機能を有する。
スイッチング素子ＳＥＬは、例えば２端子型のスイッチング素子であってもよい。２端子間に印加する電圧が閾値以下の場合、そのスイッチング素子は”高抵抗”状態、例えば電気的に非導通状態である。２端子間に印加する電圧が閾値以上の場合、スイッチング素子は”低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。スイッチング素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。例えば、このスイッチング素子には、Ｔｅ（テルル）、Ｓｅ（セレン）及びＳ（硫黄）からなる群より選択された少なくとも１種以上のカルコゲン元素を含んでもよい。または、上記カルコゲン元素を含む化合物であるカルコゲナイドを含んでいてもよい。このスイッチング素子は他にも、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（スズ）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）、チタン（Ｔｉ）、及びビスマス（Ｂｉ）からなる群より選択された少なくとも１種以上の元素を含んでもよい。より具体的には、このスイッチング素子は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、チタン（Ｔｉ）、ヒ素（Ａｓ）、インジウム（Ｉｎ）、及びビスマス（Ｂｉ）から選択される少なくとも２つの元素を含んでいてもよい。更に、このスイッチング素子は他にも、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及びタングステン（Ｗ）から選択された少なくとも１種の元素の酸化物を含んでいてもよい。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、スイッチング素子ＳＥＬによって供給を制御された電流により、抵抗値を低抵抗状態と高抵抗状態とに切替わることができる。磁気抵抗効果素子ＭＴＪ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。
次に、メモリセルアレイ１０の断面構造について図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための断面図の一例を示している。図３及び図４はそれぞれ、メモリセルアレイ１０を互いに交差する異なる方向から見た断面図である。
図３及び図４に示すように、メモリセルアレイ１０は、半導体基板２０上に設けられている。以下の説明では、半導体基板２０の表面と平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面に垂直な軸をＺ軸とする。また、ＸＹ平面内において、ワード線ＷＬに沿う軸をＸ軸とし、ビット線ＢＬに沿う軸をＹ軸とする。すなわち、図３及び図４はそれぞれ、メモリセルアレイ１０をＹ軸及びＸ軸に沿って見た場合の断面図である。
半導体基板２０の上面上には、例えば、複数の導電体２１が設けられる。複数の導電体２１は、導電性を有し、ワード線ＷＬｄとして機能する。複数の導電体２１は、例えば、Ｙ軸に沿って並んで設けられ、各々がＸ軸に沿って延びる。なお、図３及び図４では、複数の導電体２１が半導体基板２０上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の導電体２１は、半導体基板２０に接することなく、上方に離れて設けられてもよい。
１つの導電体２１の上面上には、各々が磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとして機能する複数の素子２２が設けられる。１つの導電体２１の上面上に設けられる複数の素子２２は、例えば、Ｘ軸に沿って並んで設けられる。すなわち、１つの導電体２１の上面には、Ｘ軸に沿って並ぶ複数の素子２２が共通して接続される。なお、素子２２の構成の詳細については、後述する。
複数の素子２２の各々の上面上には、スイッチング素子ＳＥＬｄとして機能する素子２３が設けられる。複数の素子２３の各々の上面は、複数の導電体２４のいずれか１つに接続される。複数の導電体２４は、導電性を有し、ビット線ＢＬとして機能する。複数の導電体２４は、例えば、Ｘ軸に沿って並んで設けられ、各々がＹ軸に沿って延びる。すなわち、１つの導電体２４には、Ｙ軸に沿って並ぶ複数の素子２３が共通して接続される。なお、図３及び図４では、複数の素子２３の各々が素子２２上、及び導電体２４上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子２３の各々は、導電性のコンタクトプラグ（図示せず）を介して、素子２２、及び導電体２４と接続されていてもよい。
１つの導電体２４の上面上には各々が磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕとして機能する複数の素子２５が設けられる。１つの導電体２４の上面上に設けられる複数の素子２５は、例えば、Ｙ軸に沿って並んで設けられる。すなわち、１つの導電体２４の上面には、Ｙ軸に沿って並ぶ複数の素子２５が共通して接続される。なお、素子２５は、例えば、素子２２と同等の構成を有する。
複数の素子２５の各々の上面上には、スイッチング素子ＳＥＬｕとして機能する素子２６が設けられる。複数の素子２６の各々の上面は、複数の導電体２７のいずれか１つに接続される。複数の導電体２７は、導電性を有し、ワード線ＷＬｕとして機能する。複数の導電体２７は、例えば、Ｙ軸に沿って並んで設けられ、各々がＸ軸に沿って延びる。すなわち、１つの導電体２７には、Ｘ軸に沿って並ぶ複数の素子２６が共通して接続される。なお、図３及び図４では、複数の素子２６の各々が素子２５上、及び導電体２７上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子２６の各々は、導電性のコンタクトプラグ（図示せず）を介して、素子２５、及び導電体２７と接続されていてもよい。
以上のように構成されることにより、メモリセルアレイ１０は、１本のビット線ＢＬに対して、２本のワード線ＷＬｄ及びＷＬｕの組が対応する構造となる。そして、メモリセルアレイ１０は、ワード線ＷＬｄとビット線ＢＬとの間にメモリセルＭＣｄが設けられ、ビット線ＢＬとワード線ＷＬｕとの間にメモリセルＭＣｕが設けられる。つまり、メモリセルアレイ１０は、複数のメモリセルＭＣがＺ軸に沿って異なる高さに設けられる構造を有する。図３及び図４において示されたセル構造においては、メモリセルＭＣｄが下層に対応付けられ、メモリセルＭＣｕが上層に対応付けられる。すなわち、１つのビット線ＢＬに共通に接続される２つのメモリセルＭＣのうち、ビット線ＢＬの上層に設けられるメモリセルＭＣは添え字“ｕ”が付されたメモリセルＭＣｕに対応し、下層に設けられるメモリセルＭＣは添え字“ｄ”が付されたメモリセルＭＣｄに対応する。
１．１．３ 磁気抵抗効果素子
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５を用いて説明する。図５は、第１実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。図５では、例えば、図３及び図４に示された磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの各々をＺ軸に垂直な平面（例えば、ＸＺ平面）に沿って切った断面の一例が示される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄはそれぞれ、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に対応する。
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５を用いて説明する。図５は、第１実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図である。図５では、例えば、図３及び図４に示された磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの各々をＺ軸に垂直な平面（例えば、ＸＺ平面）に沿って切った断面の一例が示される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄはそれぞれ、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に対応する。
図５に示すように、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、例えば、キャップ層ＣＡＰ１（Capping layer）として機能する非磁性体３１ｕ、熱吸収層ＨＡＬ（Heat absorption layer）として機能する非磁性体３２ｕ、磁気異方性強化層ＨｋＥＬ（Hk enhancement layer）として機能する非磁性体３３ｕ、キャップ層ＣＡＰ２として機能する非磁性体３４ｕ、記憶層ＳＬ（Storage layer）として機能する強磁性体３５ｕ、トンネルバリア層ＴＢ（Tunnel barrier layer）として機能する非磁性体３６ｕ、参照層ＲＬ（Reference layer）として機能する強磁性体３７ｕ、スペーサ層ＳＰ（Spacer layer）として機能する非磁性体３８ｕ、シフトキャンセル層ＳＣＬ（Shift cancelling layer）として機能する強磁性体３９ｕ、及びバッファ層ＢＵＦ（Buffer layer）として機能する非磁性体４０ｕを含む。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄは、例えば、キャップ層ＣＡＰ１として機能する非磁性体３１ｄ、熱吸収層ＨＡＬとして機能する非磁性体３２ｄ、磁気異方性強化層ＨｋＥＬとして機能する非磁性体３３ｄ、キャップ層ＣＡＰ２として機能する非磁性体３４ｄ、記憶層ＳＬとして機能する強磁性体３５ｄ、トンネルバリア層ＴＢとして機能する非磁性体３６ｄ、参照層ＲＬとして機能する強磁性体３７ｄ、スペーサ層ＳＰとして機能する非磁性体３８ｄ、シフトキャンセル層ＳＣＬとして機能する強磁性体３９ｄ、及びバッファ層ＢＵＦとして機能する非磁性体４０ｄを含む。
キャップ層ＣＡＰ１及びＣＡＰ２、磁気異方性強化層ＨｋＥＬ、記憶層ＳＬ、トンネルバリア層ＴＢ、参照層ＲＬ、スペーサ層ＳＰ、シフトキャンセル層ＳＣＬ、及びバッファ層ＢＵＦは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕと磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとの間で同一の構成を有する。一方、熱吸収層ＨＡＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕと磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとの間で互いに異なる構成を有する。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、例えば、ビット線ＢＬ側からワード線ＷＬｕ側に向けて（Ｚ軸方向に）、非磁性体４０ｕ、強磁性体３９ｕ、非磁性体３８ｕ、強磁性体３７ｕ、非磁性体３６ｕ、強磁性体３５ｕ、非磁性体３４ｕ、非磁性体３３ｕ、非磁性体３２ｕ、及び非磁性体３１ｕの順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄは、例えば、ワード線ＷＬｄ側からビット線ＢＬ側に向けて（Ｚ軸方向に）、非磁性体４０ｄ、強磁性体３９ｄ、非磁性体３８ｄ、強磁性体３７ｄ、非磁性体３６ｄ、強磁性体３５ｄ、非磁性体３４ｄ、非磁性体３３ｄ、非磁性体３２ｄ、及び非磁性体３１ｄの順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄは、例えば、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄを構成する磁性体の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型のＭＴＪ素子として機能する。
なお、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄは、上述したように、一部の層において互いに異なる構成（例えば、材料や膜厚等）を有するが、例えば、同じ層数で構成される。また、上述した構成の例に限らず、同じ層数で構成される範囲内において、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄはそれぞれ、上述の各層３１ｕ〜４０ｕの間及び３１ｄ〜４０ｕの間に、図示しない更なる層を含んでいてもよい。
非磁性体３１ｕ及び３１ｄは、非磁性の導電膜であり、それぞれワード線ＷＬｕ及びビット線ＢＬとの電気的な接続性を向上させる上部電極としての機能を有する。また、非磁性体３１ｕ及び３１ｄは、例えば、高融点金属を含む。高融点金属とは、例えば、鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）より融点が高い材料を示し、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）、バナジウム（Ｖ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び白金（Ｐｔ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。
非磁性体３２ｕ及び３２ｄは、メモリセルアレイ１０を製造する際に、それぞれ磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄに流入する熱量を調整する非磁性体であり、それぞれ異なる熱吸収率を有する。より具体的には、非磁性体３２ｕの熱吸収率は、非磁性体３２ｄの熱吸収率よりも大きくなるように設定される。すなわち、メモリセルアレイ１０に或る大きさの熱量が加えられた場合、非磁性体３２ｕが非磁性体３２ｄよりも多くの熱量を吸収することにより、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕの温度が磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄの温度よりも高くなる。非磁性体３２ｕ及び３２ｄは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの抵抗値の増加を抑制する観点から、非磁性体３１ｕ及び３１ｄと同程度の抵抗率を有する材料を含むことが好ましい。このため、非磁性体３２ｕ及び３２ｄの各々は、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）、バナジウム（Ｖ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び白金（Ｐｔ）から選択される少なくとも１つの元素を含み得る。
なお、非磁性体３６ｄが形成される層から非磁性体３２ｄがｎ層異なる層内に形成される場合、非磁性体３２ｕも同様に、非磁性体３６ｕが形成される層からｎ層異なる層内に形成される（ｎは、２以上の整数）。図５の例では、非磁性体３２ｕ及び３２ｄはそれぞれ、非磁性体３６ｕ及び３６ｄが形成される層から、Ｚ軸に沿って上方に４層異なる層内に形成される場合が示される。
非磁性体３３ｕ及び３３ｄは、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）から選択される少なくとも１つの元素を含み、それぞれ強磁性体３５ｕ及び３５ｄの垂直磁気異方性を強化する機能を有する非磁性体である。
上述のように、非磁性体３２ｕ及び３２ｄは、互いに異なる熱吸収率を有するように設計されるため、選択される元素及び膜厚のいずれもが互いに同一とはならず、元素及び／又は膜厚が互いに異なるように設計され得る。例えば、非磁性体３１ｄ、非磁性体３２ｄ、及び非磁性体３３ｄがいずれも主にルテニウム（Ｒｕ）を含む場合、非磁性体３１ｕ、非磁性体３２ｕ、及び非磁性体３３ｕはそれぞれ、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、及びルテニウム（Ｒｕ）を主に含み得る。ここで、タンタル（Ｔａ）は、ルテニウム（Ｒｕ）より熱吸収率が大きいため、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕの熱吸収率を磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄの熱吸収率よりも大きくすることができる。
非磁性体３４ｕ及び３４ｄはそれぞれ、非磁性の酸化物を含み、強磁性体３５ｕ及び３５ｄの垂直磁気異方性を強化する機能、強磁性体３５ｕ及び３５ｄにおけるダンピング定数の上昇を抑制する機能、並びに強磁性体３５ｕ及び３５ｄの結晶化処理において強磁性体３５ｕ及び３５ｄ内への不純物の拡散を抑制する機能を有する。具体的には、例えば、非磁性体３４ｕ及び３４ｄは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、又は希土類酸化物を含む。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む場合、非磁性体３４ｕ及び３４ｄはそれぞれ、体心立方（ｂｃｃ：Body − centered cubic）系の結晶構造（膜面が（００１）面に配向したＮａＣｌ結晶構造）を有することで、強磁性体３５ｕ及び３５ｄとの界面から結晶質の膜を成長させるための核となるシード材として良質に機能し得る。また、希土類酸化物を含む場合、非磁性体３４ｕ及び３４ｄはそれぞれ、強磁性体３５ｕ及び３５ｄ内に含まれるボロン（Ｂ）を吸収し、強磁性体３５ｕ及び３５ｄの良質な結晶化に寄与し得る。なお、一般的に、酸化物は絶縁性を有するため、抵抗を低減する観点から、非磁性体３４ｕ及び３４ｄの膜厚は、高々数ナノメートル（ｎｍ）であることが望ましい。
強磁性体３５ｕ及び３５ｄは、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有し、Ｚ軸に沿って、ビット線ＢＬ側、ワード線ＷＬ側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する強磁性体である。強磁性体３５ｕ及び３５ｄは、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくともいずれか１つを含み、ボロン（Ｂ）を更に含み得る。より具体的には、例えば、強磁性体３５ｕ及び３５ｄは、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。
非磁性体３６ｕ及び３６ｄは、非磁性の絶縁体であり、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。非磁性体３６ｕ及び３６ｄはそれぞれ、強磁性体３５ｕ及び３５ｄの結晶化処理において、強磁性体３５ｕとの界面及び強磁性体３５ｄとの界面から、結晶質の膜を成長させるための核となるシード材として機能する。非磁性体３６ｕ及び３６ｄはそれぞれ、強磁性体３５ｕと強磁性体３７ｕとの間、及び強磁性体３５ｄと強磁性体３７ｄとの間に設けられて、これら２つの強磁性体と共に磁気トンネル接合を形成する。
強磁性体３７ｕ及び３７ｄは、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有し、Ｚ軸に沿って、ビット線ＢＬ側、ワード線ＷＬ側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する強磁性体である。強磁性体３７ｕ及び３７ｄは、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）のうちの少なくともいずれか１つを含み、ボロン（Ｂ）を更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性体３７ｕ及び３７ｄは、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。強磁性体３７ｕ及び３７ｄの磁化方向は、固定されており、図５の例では、それぞれ強磁性体３９ｕ及び３９ｄの方向を向いている。なお、「磁化方向が固定されている」とは、強磁性体３５ｕ及び３５ｄの磁化方向を反転させ得る大きさの電流（スピントルク）によって、磁化方向が変化しないことを意味する。
なお、図５では図示を省略しているが、強磁性体３７ｕ及び３７ｄは、複数の層からなる積層体であってもよい。具体的には例えば、強磁性体３７ｕ及び３７ｄを構成する積層体はそれぞれ、上述の材料を含む層を非磁性体３６ｕ及び３６ｄとの界面層として有しつつ、非磁性の導電体を介して、更なる強磁性体が積層される構造であってもよい。当該非磁性の導電体は、例えば、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びチタン（Ｔｉ）から選択される少なくとも１つの金属、又は当該金属の窒化物若しくは酸化物を含み得る。当該更なる強磁性体は、例えば、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）、及びコバルト（Ｃｏ）とパラジウム（Ｐｄ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｄ多層膜）から選択される少なくとも１つの多層膜を含み得る。
非磁性体３８ｕ及び３８ｄは、非磁性の導電体であり、例えばルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。
強磁性体３９ｕ及び３９ｄは、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有し、Ｚ軸に沿って、ビット線ＢＬ側、ワード線ＷＬ側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する強磁性体である。強磁性体３９ｕ及び３９ｄの磁化方向は、強磁性体３７ｕ及び３７ｄと同様に固定されており、図５の例では、それぞれ強磁性体３７ｕ及び３７ｄの方向を向いている。強磁性体３９ｕ及び３９ｄは、例えばコバルト白金（ＣｏＰｔ）、コバルトニッケル（ＣｏＮｉ）、及びコバルトパラジウム（ＣｏＰｄ）から選択される少なくとも１つの合金を含む。強磁性体３９ｕ及び３９ｄは、強磁性体３７ｕ及び３７ｄと同様、複数の層からなる積層体であってもよい。その場合、強磁性体３９ｕ及び３９ｄは、例えば、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）、及びコバルト（Ｃｏ）とパラジウム（Ｐｄ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｄ多層膜）から選択される少なくとも１つの多層膜を含み得る。
強磁性体３７ｕ及び３９ｕ、並びに強磁性体３７ｄ及び３９ｄはそれぞれ、非磁性体３８ｕ及び３８ｄによって反強磁性的に結合される。すなわち、強磁性体３７ｕ及び３９ｕ、並びに強磁性体３７ｄ及び３９ｄは、互いに反平行な磁化方向を有するように結合される。このため、図５の例では、強磁性体３７ｕ及び３９ｕの磁化方向、並びに強磁性体３７ｄ及び３９ｄの磁化方向は、互いに向かい合う方向を向いている。このような強磁性体３７ｕ、非磁性体３８ｕ、及び強磁性体３９ｕの結合構造、並びに強磁性体３７ｕ、非磁性体３８ｕ、及び強磁性体３９ｕの結合構造を、ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造という。これにより、強磁性体３９ｕは、強磁性体３７ｕの漏れ磁場が強磁性体３５ｕの磁化方向に与える影響を相殺することができ、強磁性体３９ｄは、強磁性体３７ｄの漏れ磁場が強磁性体３５ｄの磁化方向に与える影響を相殺することができる。
非磁性体４０ｕ及び４０ｄは、非磁性の導電体であり、それぞれビット線ＢＬ及びワード線ＷＬｄとの電気的な接続性を向上させる電極としての機能を有する。また、非磁性体３８は、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）、バナジウム（Ｖ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、及び白金（Ｐｔ）から選択される少なくとも１つの元素を含み、ボロン（Ｂ）を更に含んでいてもよい。
第１実施形態では、このような磁気抵抗効果素子ＭＴＪに直接書込み電流を流し、この書込み電流によって記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬにスピントルクを注入し、記憶層ＳＬの磁化方向及び参照層ＲＬの磁化方向を制御するスピン注入書込み方式を採用する。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬ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ＭＴＪに、図５における矢印Ａ１の方向、即ち記憶層ＳＬから参照層ＲＬに向かう方向に、或る大きさの書込み電流Ｉｃ０を流すと、記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬ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ＭＴＪの抵抗値は最も低くなり、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ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。
また、磁気抵抗効果素子ＭＴＪに、図５における矢印Ａ２の方向、即ち参照層ＲＬから記憶層ＳＬに向かう方向（矢印Ａ１と反対方向）に、書込み電流Ｉｃ０より大きい書込み電流Ｉｃ１を流すと、記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬ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ＭＴＪの抵抗値は最も高くなり、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ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。
なお、以下の説明では、上述したデータの規定方法に従って説明するが、データ“１”及びデータ“０”の規定の仕方は、上述した例に限られない。例えば、Ｐ状態をデータ“１”と規定し、ＡＰ状態をデータ“０”と規定してもよい。
１．２ 磁気抵抗効果素子の製造方法
次に、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの製造方法について説明する。
次に、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの製造方法について説明する。
図６乃至図１０は、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの製造方法を説明するための模式図である。
まず、図６に示すように、半導体基板２０の上方にＸ軸に沿って延びる複数の導電体２１がＹ軸に沿って並ぶように形成される。複数の導電体２１の間が図示しない絶縁体によって埋め込まれた後、複数の導電体２１の各々の上面上に複数の素子２２が形成される。複数の素子２２の各々は、例えば、図５（Ｂ）を参照して説明した磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄに対応する積層膜を含む。なお、図６に対応する工程において形成される当該積層膜内において、強磁性体３５ｄは、アモルファス状態で成膜される。
次に、図７に示すように、複数の素子２２の各々の上面上に、素子２３が形成される。そして、Ｙ軸に沿って並ぶ複数の素子２３の各々の上面上が電気的に接続されるように、各々がＹ軸に沿って延び、かつＸ軸に沿って並ぶ複数の導電体２４が形成される。なお、複数の素子２２の間、複数の素子２３の間、及び複数の導電体２４の間には、層間絶縁膜ＩＮＳｄとして機能する絶縁体２８が適宜形成される。
図７に沿って説明した工程により、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄの形成工程直後から磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕの形成工程直前までにおける、その他の構造ＢＥＯＬｄを形成する工程が終了する。当該工程によって、複数の素子２２には、熱履歴Ｔ＿ＢＥＯＬｄが入力される。
次に、図８に示すように、複数の導電体２４の各々の上面上に複数の素子２５が形成される。複数の素子２５の各々は、例えば、図５（Ａ）を参照して説明した磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕに対応する積層膜を含む。なお、図８に対応する工程において形成される当該積層膜内において、強磁性体３５ｕは、アモルファス状態で成膜される。
次に、図９に示すように、複数の素子２５の各々の上面上に、素子２６が形成される。そして、Ｘ軸に沿って並ぶ複数の素子２６の各々の上面上が電気的に接続されるように、各々がＸ軸に沿って延び、かつＹ軸に沿って並ぶ複数の導電体２７が形成される。なお、複数の素子２５の間、複数の素子２６の間、複数の導電体２７の間、及び複数の導電体２７の上方には、層間絶縁膜ＩＮＳｕとして機能する絶縁体２９が適宜形成される。
図９に沿って説明した工程により、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕの形成工程直後からアニーリング工程直前までにおける、その他の構造ＢＥＯＬｕを形成する工程が終了する。当該工程によって、複数の素子２２及び複数の素子２５には、熱履歴Ｔ＿ＢＥＯＬｕが入力される。
なお、上述の通り、複数の素子２２及び複数の素子２５は、互いに熱吸収率が異なるように形成される。しかしながら、熱履歴Ｔ＿ＢＥＯＬｕ（及びＴ＿ＢＥＯＬｄ）は、短期間に急激に大きな熱量を与えるランプアニールのような加熱手法とは異なり、比較的長時間にわたって半導体基板２０上の積層体が加熱される。このため、構造ＢＥＯＬｕの形成工程において、複数の素子２２と複数の素子２５との間で、熱吸収率の差異に伴って生じる熱履歴の差異は、無視できる程度に小さい。このため、複数の素子２２及び複数の素子２５に入力される熱履歴Ｔ＿ＢＥＯＬｕは、熱吸収率の差異に依らず、同等であると見なすことができる。
次に、図１０に示すように、上述して工程によって形成された構造がアニーリング工程によって加熱される。これにより、複数の素子２２内の強磁性体３５ｄ（及び３７ｄ）、並びに複数の素子２５内の強磁性体３５ｕ（及び３７ｕ）は、アモルファス状態から結晶質に変換される。これにより、複数の素子２２及び複数の素子２５はそれぞれ、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ及びＭＴＪｕとしての特性を得ることができる。
なお、当該アニーリング工程は、短期間に急激に大きな熱量を与えるランプアニールである。このため、複数の素子２２及び複数の素子２５にはそれぞれ、熱吸収率の大きさに相関する熱履歴Ｔ＿ｐｏｓｔｄ及びＴ＿ｐｏｓｔｕが入力される。すなわち、複数の素子２２に入力される熱履歴Ｔ＿ｐｏｓｔｄは、複数の素子２５に入力される熱履歴Ｔ＿ｐｏｓｔｕよりも小さくなる。
以上により、複数の素子２２には総熱履歴Ｔｄ（＝Ｔ＿ＢＥＯＬｄ＋Ｔ＿ＢＥＯＬｕ＋Ｔ＿ｐｏｓｔｄ）が入力され、複数の素子２５には総熱履歴Ｔｕ（＝Ｔ＿ＢＥＯＬｕ＋Ｔ＿ｐｏｓｔｕ）が入力され、メモリセルアレイ１０の製造が終了する。
１．３ 本実施形態に係る効果
第１実施形態によれば、異なる層に形成される磁気抵抗効果素子間の特性ばらつきを抑制することができる。本効果について以下に説明する。
第１実施形態によれば、異なる層に形成される磁気抵抗効果素子間の特性ばらつきを抑制することができる。本効果について以下に説明する。
磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕよりも下層に形成される。これにより、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄには、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄの形成後かつ磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕの形成までに形成される他の構造の成膜処理の際に入力される熱履歴Ｔ＿ＢＥＯＬｄが、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕよりも余分に入力される。このため、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄが同等の熱吸収率となるように設計すると、アニーリング処理までに入力される総熱履歴Ｔｕ及びＴｄに、熱履歴Ｔ＿ＢＥＯＬｄ分の差が発生してしまい、当該差によって、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの特性に差が生じてしまう可能性がある。
第１実施形態によれば、非磁性体３２ｄの熱吸収率は、非磁性体３２ｕの熱吸収率よりも小さくなるように設計される。具体的には、非磁性体３２ｄが主にルテニウム（Ｒｕ）を含むように形成される場合、非磁性体３２ｕは、ルテニウム（Ｒｕ）より熱吸収率が大きい材料であるタンタル（Ｔａ）が主に含まれるように形成される。これにより、アニーリング処理によって短時間に同じ熱量が印加された場合に、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄに入力される熱履歴Ｔ＿ｐｏｓｔｄは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕに入力される熱履歴Ｔ＿ｐｏｓｔｕよりも小さくなる（Ｔ＿ｐｏｓｔｄ＜Ｔ＿ｐｏｓｔｕ）。このため、熱履歴Ｔ＿ｐｏｓｔｄと熱履歴Ｔ＿ｐｏｓｔｕとの差を適切な大きさ（例えば、Ｔ＿ＢＥＯＬｄ程度）に設定することにより、メモリセルアレイ１０を製造する際に磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄに入力される総熱履歴Ｔｄ（＝Ｔ＿ＢＥＯＬｄ＋Ｔ＿ＢＥＯＬｕ＋Ｔ＿ｐｏｓｔｄ）と、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕに入力される総熱履歴Ｔｕ（＝Ｔ＿ＢＥＯＬｕ＋Ｔ＿ｐｏｓｔｕ）とを、同等にすることができる。
以下、図１１を用いて、説明を補足する。
図１１は、第１実施形態に係る効果を説明するためのダイアグラムである。図１１では、アニーリング処理の際に磁気抵抗効果素子ＭＴＪに印加される温度が横軸に示され、当該アニーリング温度をＴ１からＴ３まで変化させた場合における、熱吸収率が互いに異なる２つの磁気抵抗効果素子ＭＴＪの特性が縦軸に示される。具体的には、図１１（Ａ）には、熱吸収率が大きい方の磁気抵抗比ＴＭＲｕの変化が線Ｌｕ１として示され、熱吸収率が小さい方の磁気抵抗比ＴＭＲｄの変化が線Ｌｄ１として示される。図１１（Ｂ）には、熱吸収率が大きい方の反強磁性結合力Ｈｅｘｕの変化が線Ｌｕ２として示され、熱吸収率が小さい方の反強磁性結合力Ｈｅｘｄの変化が線Ｌｄ２として示される。なお、図１１では、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄには、成膜時に同一の熱履歴Ｔ＿ＢＥＯＬが入力された場合が示される（つまり、アニーリング処理以外の熱履歴は考慮していない）。
図１１（Ａ）に示すように、磁気抵抗比ＴＭＲｄの変化を示す線Ｌｄ１は、磁気抵抗比ＴＭＲｕの変化を示す線Ｌｕ１に対して、アニーリング温度に対する応答が遅れるように、紙面右側（横軸の正方向）にシフトしている。具体的には、アニーリング温度Ｔ２が印加された場合における磁気抵抗比ＴＭＲｄは、アニーリング温度（Ｔ２−Δ）が印加された場合における磁気抵抗比ＴＭＲｕと同等となり、アニーリング温度（Ｔ２＋Δ）が印加された場合における磁気抵抗比ＴＭＲｄは、アニーリング温度Ｔ２が印加された場合における磁気抵抗比ＴＭＲｕと同等となる（Δ＞０）。
また、図１１（Ｂ）に示すように、反強磁性結合力Ｈｅｘｄの変化を示す線Ｌｄ２は、反強磁性結合力Ｈｅｘｕの変化を示す線Ｌｕ２に対して、アニーリング温度に対する応答が遅れるように、紙面右側（横軸の正方向）にシフトしている。具体的には、アニーリング温度Ｔ２が印加された場合における反強磁性結合力Ｈｅｘｄは、アニーリング温度（Ｔ２−Δ）が印加された場合における反強磁性結合力Ｈｅｘｕと同等となり、アニーリング温度（Ｔ２＋Δ）が印加された場合における反強磁性結合力Ｈｅｘｄは、アニーリング温度Ｔ２が印加された場合における反強磁性結合力Ｈｅｘｕと同等となる。
このように、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの熱吸収率を互いに異ならせることによって、アニーリング処理に際して入力される熱履歴を互いに異ならせることができる。これにより、異なる層に形成される磁気抵抗効果素子ＭＴＪの間に生じる熱履歴の差Ｔ＿ＢＥＯＬｄを相殺することができ、総熱履歴Ｔｕ及びＴｄを同等にすることができる。したがって、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの間の特性ばらつきを抑制することができる。
１．４ 第１変形例
上述の第１実施形態では、記憶層ＳＬが参照層ＲＬよりも上層に形成されるトップフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬが記憶層ＳＬよりも上方に形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、熱吸収層ＨＡＬは、トップフリー構造において、記憶層ＳＬよりも下方に形成されてもよい。以下では、説明の便宜上、第１実施形態との差異点について主に説明する。
上述の第１実施形態では、記憶層ＳＬが参照層ＲＬよりも上層に形成されるトップフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬが記憶層ＳＬよりも上方に形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、熱吸収層ＨＡＬは、トップフリー構造において、記憶層ＳＬよりも下方に形成されてもよい。以下では、説明の便宜上、第１実施形態との差異点について主に説明する。
図１２は、第１実施形態の第１変形例に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、第１実施形態における図５に対応する。
図１２に示すように、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、例えば、ビット線ＢＬ側からワード線ＷＬｕ側に向けて（Ｚ軸方向に）、熱吸収層ＨＡＬとして機能する非磁性体３２ｕＡ、結晶分断層（Crystal separation layer）ＣＳＬとして機能する非磁性体４１ｕ、非磁性体４０ｕ、強磁性体３９ｕ、非磁性体３８ｕ、強磁性体３７ｕ、非磁性体３６ｕ、強磁性体３５ｕ、非磁性体３４ｕ、非磁性体３３ｕ、及び非磁性体３１ｕの順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄは、例えば、ワード線ＷＬｄ側からビット線ＢＬ側に向けて（Ｚ軸方向に）、熱吸収層ＨＡＬとして機能する非磁性体３２ｄＡ、結晶分断層ＣＳＬとして機能する非磁性体４１ｄ、非磁性体４０ｄ、強磁性体３９ｄ、非磁性体３８ｄ、強磁性体３７ｄ、非磁性体３６ｄ、強磁性体３５ｄ、非磁性体３４ｄ、非磁性体３３ｄ、及び非磁性体３１ｄの順に、複数の膜が積層される。
非磁性体３６ｄが形成される層から非磁性体３２ｄＡがｎ層異なる層内に形成される場合、非磁性体３２ｕＡも同様に、非磁性体３６ｕが形成される層からｎ層異なる層内に形成される（ｎは、２以上の整数）。図１２の例では、非磁性体３２ｕＡ及び３２ｄＡはそれぞれ、非磁性体３６ｕ及び３６ｄが形成される層から、Ｚ軸に沿って下方に６層異なる層内に形成される場合が示される。なお、非磁性体３２ｕＡ及び３２ｄＡは、形成される層が異なる点を除いて第１実施形態における非磁性体３２ｕ及び３２ｄと同等であるため、説明を省略する。
非磁性体４１ｕ及び４１ｄは、アモルファス状態の層であり、各々の上層と下層との間の結晶構造を分断する機能を有する。なお、非磁性体４１ｕ及び４１ｄは、アニーリング処理（例えば、４００℃程度の高温下）によって結晶化せずにアモルファス状態を保つことが望ましい。このため、非磁性体４１ｕ及び４１ｄは、例えば、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ）を含み得る。
以上のように構成することにより、熱吸収層ＨＡＬを記憶層ＳＬの下方に形成した場合においても、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ内の各層の結晶性を保つことができる。このため、磁気異方性や磁気抵抗比等の特性を維持しつつ、上層の磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕと下層の磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとの間の熱吸収率を異ならせることができる。
１．５ 第２変形例
上述の第１実施形態では、トップフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬの上層にキャップ層ＣＡＰ１が形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、キャップ層ＣＡＰ１は形成されなくてもよい。以下では、説明の便宜上、第１実施形態との差異点について主に説明する。
上述の第１実施形態では、トップフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬの上層にキャップ層ＣＡＰ１が形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、キャップ層ＣＡＰ１は形成されなくてもよい。以下では、説明の便宜上、第１実施形態との差異点について主に説明する。
図１３は、第１実施形態の第２変形例に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、第１実施形態における図５に対応する。
図１３に示すように、第１実施形態の第２変形例における磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄはそれぞれ、最上層に非磁性体３２ｕ及び３２ｄが形成される。この場合においても、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの間の熱吸収率を異ならせることができ、第１実施形態と同等の効果を奏することができる。
２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。第１実施形態では、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがトップフリー構造である場合について説明したが、第２実施形態では、ボトムフリー構造の磁気抵抗効果素子ＭＴＪがボトムフリー構造である場合について説明する。ボトムフリー構造の磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、記憶層ＳＬが参照層よりも下方に形成される。
次に、第２実施形態に係る磁気記憶装置について説明する。第１実施形態では、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがトップフリー構造である場合について説明したが、第２実施形態では、ボトムフリー構造の磁気抵抗効果素子ＭＴＪがボトムフリー構造である場合について説明する。ボトムフリー構造の磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、記憶層ＳＬが参照層よりも下方に形成される。
２．１ 磁気抵抗効果素子
第２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１４を用いて説明する。図１４は、第２実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、第１実施形態における図５に対応する。
第２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１４を用いて説明する。図１４は、第２実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、第１実施形態における図５に対応する。
図１４に示すように、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、例えば、キャップ層ＣＡＰ１として機能する非磁性体５１ｕ、熱吸収層ＨＡＬとして機能する非磁性体５２ｕ、シフトキャンセル層ＳＣＬとして機能する強磁性体５３ｕ、スペーサ層として機能する非磁性体５４ｕ、参照層ＲＬとして機能する強磁性体５５ｕ、トンネルバリア層ＴＢとして機能する非磁性体５６ｕ、記憶層ＳＬとして機能する強磁性体５７ｕ、下地層（Under layer）として機能する非磁性体５８ｕ、磁気異方性強化層ＨｋＥＬとして機能する非磁性体５９ｕ、及びバッファ層ＢＵＦとして機能する非磁性体６０ｕを含む。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄは、例えば、キャップ層ＣＡＰ１として機能する非磁性体５１ｄ、熱吸収層ＨＡＬとして機能する非磁性体５２ｄ、シフトキャンセル層ＳＣＬとして機能する強磁性体５３ｄ、スペーサ層として機能する非磁性体５４ｄ、参照層ＲＬとして機能する強磁性体５５ｄ、トンネルバリア層ＴＢとして機能する非磁性体５６ｄ、記憶層ＳＬとして機能する強磁性体５７ｄ、下地層として機能する非磁性体５８ｄ、磁気異方性強化層ＨｋＥＬとして機能する非磁性体５９ｄ、及びバッファ層ＢＵＦとして機能する非磁性体６０ｄを含む。
非磁性体５６ｄが形成される層から非磁性体５２ｄがｎ層異なる層内に形成される場合、非磁性体５２ｕも同様に、非磁性体５６ｕが形成される層からｎ層異なる層内に形成される（ｎは、２以上の整数）。図１４の例では、非磁性体５２ｕ及び５２ｄはそれぞれ、非磁性体５６ｕ及び５６ｄが形成される層から、Ｚ軸に沿って上方に４層異なる層内に形成される場合が示される。
キャップ層ＣＡＰ１、シフトキャンセル層ＳＣＬ、スペーサ層ＳＰ、参照層ＲＬ、トンネルバリア層ＴＢ、記憶層ＳＬ、磁気異方性強化層ＨｋＥＬ、及びバッファ層ＢＵＦは、第１実施形態と同等であり、かつ磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕと磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとの間で同一の構成を有する。また、下地層ＵＬは、第１実施形態におけるキャップ層ＣＡＰ２と同等であり、かつ磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕと磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとの間で同一の構成を有する。一方、熱吸収層ＨＡＬは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕの熱吸収率が磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄの熱吸収率よりも大きい。
以上のように構成することにより、磁気抵抗効果素子ＭＴＪをボトムフリー構造にした場合においても、熱吸収層ＨＡＬを記憶層ＳＬの上方に形成することができる。このため、上層の磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕと下層の磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとの間の熱吸収率を異ならせることができ、層間における特性のばらつきを抑制することができる。
２．２ 第１変形例
上述の第２実施形態では、ボトムフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬが記憶層ＳＬよりも上方に形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、熱吸収層ＨＡＬは、ボトムフリー構造において、記憶層ＳＬよりも下方に形成されてもよい。以下では、説明の便宜上、第２実施形態との差異点について主に説明する。
上述の第２実施形態では、ボトムフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬが記憶層ＳＬよりも上方に形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、熱吸収層ＨＡＬは、ボトムフリー構造において、記憶層ＳＬよりも下方に形成されてもよい。以下では、説明の便宜上、第２実施形態との差異点について主に説明する。
図１５は、第２実施形態の第１変形例に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、第２実施形態における図１４に対応する。
図１５に示すように、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、例えば、ビット線ＢＬ側からワード線ＷＬｕ側に向けて（Ｚ軸方向に）、熱吸収層ＨＡＬとして機能する非磁性体５２ｕＡ、結晶分断層ＣＳＬとして機能する非磁性体６１ｕ、非磁性体６０ｕ、非磁性体５９ｕ、非磁性体５８ｕ、強磁性体５７ｕ、非磁性体５６ｕ、強磁性体５５ｕ、非磁性体５４ｕ、強磁性体５３ｕ、及び非磁性体５１ｕの順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄは、例えば、ワード線ＷＬｄ側からビット線ＢＬ側に向けて（Ｚ軸方向に）、熱吸収層ＨＡＬとして機能する非磁性体５２ｄＡ、結晶分断層ＣＳＬとして機能する非磁性体６１ｄ、非磁性体６０ｄ、非磁性体５９ｄ、非磁性体５８ｄ、強磁性体５７ｄ、非磁性体５６ｄ、強磁性体５５ｄ、非磁性体５４ｄ、強磁性体５３ｄ、及び非磁性体５１ｄの順に、複数の膜が積層される。
非磁性体５６ｄが形成される層から非磁性体５２ｄＡがｎ層異なる層内に形成される場合、非磁性体５２ｕＡも同様に、非磁性体５６ｕが形成される層からｎ層異なる層内に形成される（ｎは、２以上の整数）。図１５の例では、非磁性体５２ｕＡ及び５２ｄＡはそれぞれ、非磁性体５６ｕ及び５６ｄが形成される層から、Ｚ軸に沿って下方に４層異なる層内に形成される場合が示される。
非磁性体５２ｕＡ及び５２ｄＡは、形成される層が異なる点を除いて第２実施形態における非磁性体５２ｕ及び５２ｄと同等であるため、説明を省略する。
非磁性体５２ｕＡ及び５２ｄＡは、形成される層が異なる点を除いて第２実施形態における非磁性体５２ｕ及び５２ｄと同等であるため、説明を省略する。
非磁性体６１ｕ及び６１ｄは、アモルファス状態の層であり、各々の上層と下層との間の結晶構造を分断する機能を有する。なお、非磁性体６１ｕ及び６１ｄは、アニーリング処理（例えば、４００℃程度の高温下）によって結晶化せずにアモルファス状態を保つことが望ましい。このため、非磁性体６１ｕ及び６１ｄは、例えば、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ）を含み得る。
以上のように構成することにより、熱吸収層ＨＡＬを記憶層ＳＬの下方に形成した場合においても、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ内の各層の結晶性を保つことができる。このため、磁気異方性や磁気抵抗比等の特性を維持しつつ、上層の磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕと下層の磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとの間の熱吸収率を異ならせることができる。
２．３ 第２変形例
上述の第２実施形態では、ボトムフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬの上層にキャップ層ＣＡＰ１が形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、キャップ層ＣＡＰ１は形成されなくてもよい。以下では、説明の便宜上、第２実施形態との差異点について主に説明する。
上述の第２実施形態では、ボトムフリー構造において、熱吸収層ＨＡＬの上層にキャップ層ＣＡＰ１が形成される場合について説明したが、これに限られない。例えば、キャップ層ＣＡＰ１は形成されなくてもよい。以下では、説明の便宜上、第２実施形態との差異点について主に説明する。
図１６は、第２実施形態の第２変形例に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を示す断面図であり、第２実施形態における図１４に対応する。
図１６に示すように、第２実施形態の第２変形例における磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄはそれぞれ、最上層に非磁性体５２ｕ及び５２ｄが形成される。この場合においても、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの間の熱吸収率を異ならせることができ、第２実施形態と同等の効果を奏することができる。
３． その他
なお、上述の第１実施形態及び第２実施形態に限らず、種々の変形が適用可能である。
なお、上述の第１実施形態及び第２実施形態に限らず、種々の変形が適用可能である。
上述の第１実施形態及び第２実施形態では、上層の熱吸収層ＨＡＬと下層の熱吸収層ＨＡＬとの間で熱吸収率を異ならせるために、互いに材料を含む場合について説明したが、これに限られない。例えば、上層の熱吸収層ＨＡＬは、下層の熱吸収層ＨＡＬと同等の元素を主に含むか否かによらず、下層の熱吸収層ＨＡＬよりも膜厚が厚く形成され得る。これにより、上層の熱吸収層ＨＡＬの熱吸収率を下層の熱吸収層ＨＡＬの熱吸収率よりも大きくすることができる。このため、アニーリング処理に際して、入力される熱履歴を互いに異ならせることができ、当該差によって、異なる層に形成される磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの間に生じる熱履歴の差Ｔ＿ＢＥＯＬｄを相殺することができる。したがって、総熱履歴Ｔｕ及びＴｄを同等にすることができ、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ及びＭＴＪｄの間の特性ばらつきを抑制することができる。
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…磁気記憶装置、１０…メモリセルアレイ、１１…ロウ選択回路、１２…カラム選択回路、１３…デコード回路、１４…書込み回路、１５…読出し回路、１６…電圧生成回路、１７…入出力回路、１８…制御回路、２０…半導体基板、２１，２４，２７…導電体、２２，２３，２５，２６…素子、２８，２９…絶縁体、３１，３２，３２Ａ，３３，３４，３６，３８，４０，４１，５１，５２，５２Ａ，５４，５６，５８，５９，６０，６１…非磁性体、３５，３７，３９，５３，５５，５７…強磁性体。
Claims (20)
- 第１磁気抵抗効果素子を含む第１メモリセルと、
前記第１メモリセルの上方において、第２磁気抵抗効果素子を含む第２メモリセルと、
を備え、
前記第１磁気抵抗効果素子の熱吸収率は、前記第２磁気抵抗効果素子の熱吸収率より小さい、
磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、
第１強磁性体と、
第２強磁性体と、
前記第１強磁性体と前記第２強磁性体との間において酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む第１非磁性体と、
前記第１非磁性体から、第１方向にｎ層異なる層内の第２非磁性体と（ｎは２以上の整数）、
を含み、
前記第１磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体の熱吸収率は、前記第２磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体の熱吸収率より小さい、
請求項１記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体は、前記第２磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体と異なる元素を含む、
請求項２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体は、ルテニウム（Ｒｕ）を含み、
前記第２磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体は、タンタル（Ｔａ）を含む、
請求項３記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体は、前記第２磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体と異なる膜厚を有する、
請求項２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体の膜厚は、前記第２磁気抵抗効果素子の前記第２非磁性体の膜厚より薄い、
請求項５記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々において、前記第２非磁性体は、前記第１非磁性体の上方にある、
請求項２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々において、前記第１強磁性体は、前記第１非磁性体と前記第２非磁性体との間にあり、
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、
前記第１強磁性体と前記第２非磁性体との間において、酸化物を含む第３非磁性体と、
前記第２非磁性体と前記第３非磁性体との間において、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）から選択される少なくとも１つの元素を含む第４非磁性体と、
を更に含む、
請求項７記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、前記第４非磁性体との間に前記第２非磁性体を挟み、金属を含む第５非磁性体を更に含む、
請求項８記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々において、前記第２強磁性体は、前記第１非磁性体と前記第２非磁性体との間にあり、
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、
前記第２強磁性体と前記第２非磁性体との間の第３強磁性体と、
前記第２強磁性体と前記第３強磁性体との間において、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つの元素を含む第６非磁性体と、
を更に含む、
請求項７記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、前記第３強磁性体との間に前記第２非磁性体を挟み、金属を含む第５非磁性体を更に含む、
請求項１０記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々において、前記第２非磁性体は、前記第１非磁性体の下方にある、
請求項２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々において、前記第１強磁性体は、前記第１非磁性体と前記第２非磁性体との間にあり、
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、
前記第１強磁性体と前記第２非磁性体との間において、酸化物を含む第３非磁性体と、
前記第２非磁性体と前記第３非磁性体との間において、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、モリブデン（Ｍｏ）、鉄（Ｆｅ）、及びコバルト（Ｃｏ）から選択される少なくとも１つの元素を含む第４非磁性体と、
を更に含む、
請求項１２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、前記第２非磁性体と前記第４非磁性体との間において、アモルファス状態の第７非磁性体を更に含む、
請求項１３記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々において、前記第２強磁性体は、前記第１非磁性体と前記第２非磁性体との間にあり、
前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、
前記第２強磁性体と前記第２非磁性体との間において、第３強磁性体と、
前記第２強磁性体と前記第３強磁性体との間において、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つの元素を含む第６非磁性体と、
を更に含む、
請求項１２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１磁気抵抗効果素子及び前記第２磁気抵抗効果素子の各々は、前記第２非磁性体と前記第３強磁性体との間において、アモルファス状態の第７非磁性体を更に含む、
請求項１５記載の磁気記憶装置。 - 前記第１強磁性体及び前記第２強磁性体は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１強磁性体は、
前記第１強磁性体から前記第２強磁性体への第１電流に応じて第１抵抗値となり、
前記第２強磁性体から前記第１強磁性体への第２電流に応じて第２抵抗値となる、
請求項２記載の磁気記憶装置。 - 前記第１抵抗値は、前記第２抵抗値より小さい、
請求項１８記載の磁気記憶装置。 - 前記第１メモリセルは、前記第１磁気抵抗効果素子と直列に接続された２端子型のスイッチング素子を含み、
前記第２メモリセルは、前記第２磁気抵抗効果素子と直列に接続された２端子型のスイッチング素子を含む、
請求項１記載の磁気記憶装置。
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