JP2021144967A - 記憶装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より高性能な記憶装置を提供する。【解決手段】 一実施形態による記憶装置は、第１強磁性層と、第１強磁性層の上方の絶縁層と、絶縁層の上方の、鉄原子を含む第２強磁性層と、第２強磁性層の上面上のキャップ層であって、キャップ層は第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含む、キャップ層と、キャップ層の上面上の電極であって、電極は、キャップ層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含み、鉄原子のビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有する材料を含む、電極と、を備える。【選択図】 図５

Description

実施形態は、概して記憶装置に関する。

磁気抵抗効果素子を用いた記憶装置が知られている。

特開2016-18964号公報

より高性能な記憶装置を提供しようとするものである。

一実施形態による記憶装置は、第１強磁性体と、上記第１強磁性層の上方の絶縁層と、上記絶縁層の上方の、鉄原子を含む第２強磁性層と、上記第２強磁性層の上面上のキャップ層であって、上記キャップ層は上記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含む、キャップ層と、上記キャップ層の上面上の電極であって、上記電極は、上記キャップ層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含み、鉄原子のビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有する材料を含む、電極と、を備える。

図１は、第１実施形態の記憶装置の機能ブロックを示す。 図２は、第１実施形態のメモリセルアレイの回路図である。 図３は、第１実施形態のメモリセルアレイの一部の断面の構造を示す。 図４は、第１実施形態のメモリセルの構造の例の断面を示す。 図５は、第１実施形態のメモリセルの一部の要素の性質を示す。 図６は、第２実施形態のメモリセルの構造の例の断面を示す。 図７は、第２実施形態のメモリセルを製造する例示的な工程の間の一状態を示す。 図８は、第２実施形態のメモリセルを製造する例示的な工程の間の一状態を示す。 図９は、第３実施形態のメモリセルの構造の例の断面を示す。 図１０は、第４実施形態のメモリセルの構造の例の断面を示す。

以下に実施形態が図面を参照して記述される。以下の記述において、略同一の機能及び構成を有する構成要素は同一の参照符号を付され、繰り返しの説明は省略される場合がある。略一の機能及び構成を有する複数の構成要素が相互に区別されるために、参照符号の末尾にさらなる数字又は文字が付される場合がある。

図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なり得る。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれ得る。或る実施形態についての記述は全て、明示的に又は自明的に排除されない限り、別の実施形態の記述としても当てはまる。各実施形態は、この実施形態の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、実施形態の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定しない。

本明細書及び特許請求の範囲において、或る第１要素が別の第２要素に「接続されている」とは、第１要素が直接的又は常時或いは選択的に導電性となる要素を介して第２要素に接続されていることを含む。

以下、ｘｙｚ直行座標系が用いられて、実施形態が記述される。以下の記述において、「下」との記述及びその派生語並びに関連語は、ｚ軸上のより小さい座標の位置を指し、「上」との記述及びその派生語並びに関連語は、ｚ軸上のより大きい座標の位置を指す。

＜第１実施形態＞
＜１．構造（構成）＞
＜１．１．全体の構造＞
図１は、第１実施形態の記憶装置の機能ブロックを示す。図１に示されるように、記憶装置１は、メモリセルアレイ１１、入出力回路１２、制御回路１３、ロウ選択回路１４、カラム選択回路１５、書込み回路１６、及び読出し回路１７を含む。

メモリセルアレイ１１は、複数のメモリセルＭＣ、複数のワード線ＷＬ、及び複数のビット線ＢＬを含む。メモリセルＭＣは、データを不揮発に記憶することができる。各メモリセルＭＣは、１つのワード線ＷＬ及び１つのビット線ＢＬと接続されている。ワード線ＷＬは行（ロウ）と関連付けられている。ビット線ＢＬは列（カラム）と関連付けられている。１つの行の選択及び１つ又は複数の列の選択により、１つ又は複数のメモリセルＭＣが特定される。

入出力回路１２は、例えばメモリコントローラ２から、種々の制御信号ＣＮＴ、種々のコマンドＣＭＤ、アドレス信号ＡＤＤ、データ（書込みデータ）ＤＡＴを受け取り、例えばメモリコントローラにデータ（読出しデータ）ＤＡＴを送信する。

ロウ選択回路１４は、入出力回路１２からアドレス信号ＡＤＤを受け取り、受け取られたアドレス信号ＡＤＤにより特定される行と関連付けられた１つのワード線ＷＬを選択された状態にする。

カラム選択回路１５は、入出力回路１２からアドレス信号ＡＤＤを受け取り、受け取られたアドレス信号ＡＤＤにより特定される列と関連付けられた複数のビット線ＢＬを選択された状態にする。

制御回路１３は、入出力回路１２から制御信号ＣＮＴ及びコマンドＣＭＤを受け取る。制御回路１３は、制御信号ＣＮＴによって指示される制御及びコマンドＣＭＤに基づいて、書込み回路１６及び読出し回路１７を制御する。具体的には、制御回路１３は、メモリセルアレイ１１へのデータの書込みの間に、データ書込みに使用される電圧を書込み回路１６に供給する。また、制御回路１３は、メモリセルアレイ１１からのデータの読出しの間に、データ読出しに使用される電圧を読出し回路１７に供給する。

書込み回路１６は、入出力回路１２から書込みデータＤＡＴを受け取り、制御回路１３の制御及び書込みデータＤＡＴに基づいて、データ書込みに使用される電圧をカラム選択回路１５に供給する。

読出し回路１７は、センスアンプを含み、制御回路１３の制御に基づいて、データ読出しに使用される電圧を使用して、メモリセルＭＣに保持されているデータを割り出す。割り出されたデータは、読出しデータＤＡＴとして、入出力回路１２に供給される。

＜１．２．メモリセルアレイの回路構成＞
図２は、第１実施形態のメモリセルアレイ１１の回路図である。図２に示されるように、メモリセルアレイ１１は、Ｍ＋１（Ｍは自然数）本のワード線ＷＬａ（ＷＬａ＜０＞、ＷＬａ＜１＞、…、ＷＬａ＜Ｍ＞）及びＭ＋１本のワード線ＷＬｂ（ＷＬｂ＜０＞、ＷＬｂ＜１＞、…、ＷＬｂ＜Ｍ＞）を含む。メモリセルアレイ１１はまた、Ｎ＋１（Ｎは自然数）本のビット線ＢＬ（ＢＬ＜０＞、ＢＬ＜１＞、…、ＢＬ＜Ｎ＞）を含む。

各メモリセルＭＣ（ＭＣａ及びＭＣｂ）は、２つのノードを有し、第１ノードにおいて１本のワード線ＷＬと接続され、第２ノードにおいて１本のビット線ＢＬと接続されている。より具体的には、メモリセルＭＣａは、αが０以上Ｍ以下の整数の全てのケース及びβが０以上Ｎ以下の整数の全てのケースの全ての組合せについて、メモリセルＭＣａ＜α、β＞を含み、メモリセルＭＣａ＜α、β＞は、ワード線ＷＬａ＜α＞とビット線ＢＬ＜β＞との間に接続される。同様に、メモリセルＭＣｂは、αが０以上Ｍ以下の整数の全てのケース及びβが０以上Ｎ以下の整数の全てのケースの全ての組合せについて、メモリセルＭＣｂ＜α、β＞を含み、メモリセルＭＣｂ＜α、β＞は、ワード線ＷＬｂ＜α＞とビット線ＢＬ＜β＞との間に接続される。

各メモリセルＭＣは、１つの磁気抵抗効果素子ＶＲ（ＶＲａ又はＶＲｂ）及び１つのセレクタＳＥ（ＳＥａ又はＳＥｂ）を含む。より具体的には、αが０以上Ｍ以下の整数の全てのケース及びβが０以上Ｎ以下の整数の全てのケースの全ての組合せについて、メモリセルＭＣａ＜α、β＞は、磁気抵抗効果素子ＶＲａ＜α、β＞及びセレクタＳＥａ＜α、β＞を含む。さらに、αが０以上Ｍ以下の全てのケース及びβが０以上Ｎ以下の整数の全てのケースの全ての組合せについて、メモリセルＭＣｂ＜α、β＞は、磁気抵抗効果素子ＶＲｂ＜α、β＞及びセレクタＳＥｂ＜α、β＞を含む。

各メモリセルＭＣにおいて、磁気抵抗効果素子ＶＲとセレクタＳＥは直列に接続されている。磁気抵抗効果素子ＶＲは１本のワード線ＷＬと接続されており、セレクタＳＥは１本のビット線ＢＬと接続されている。

磁気抵抗効果素子ＶＲは、低抵抗の状態と高抵抗の状態との間を切り替わることができる。磁気抵抗効果素子ＶＲは、この２つの抵抗状態の違いを利用して、１ビットのデータを保持することができる。

セレクタＳＥは、例えばスイッチング素子であってもよい。スイッチ素子ングは、２つの端子を有し、２端子間に第１閾値未満の電圧が第１方向に印加されている場合、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（オフ状態である）。一方、２端子間に第１閾値以上の電圧が第１方向に印加されている場合、その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である（オン状態である）。スイッチング素子は、さらに、このような第１方向に印加される電圧の大きさに基づく高抵抗状態及び低抵抗状態の間の切り替わりの機能と同じ機能を、第１方向と反対の第２方向についても有する。スイッチング素子のオン又はオフにより、当該スイッチング素子と接続された磁気抵抗効果素子ＶＲへの電流の供給の有無、すなわち当該磁気抵抗効果素子ＶＲの選択又は非選択が制御されることが可能である。

＜１．３．メモリセルアレイの構造＞
図３は、第１実施形態のメモリセルアレイ１１の一部の断面の構造を示す。

図３に示されるように、半導体基板（図示せず）の上方に複数の導電体２１が設けられている。導電体２１は、ｙ軸に沿って延び、ｘ軸に沿って並ぶ。各導電体２１は、１つのワード線ＷＬとして機能する。

各導電体２１は、上面において、複数のメモリセルＭＣｂのそれぞれの底面と接続されている。メモリセルＭＣｂは各導電体２１上でｙ軸に沿って並んでおり、このような配置によってメモリセルＭＣｂは行列状に配置されている。各メモリセルＭＣは、セレクタＳＥとして機能する構造と、磁気抵抗効果素子ＶＲとして機能する構造を含む。セレクタＳＥとして機能する構造及び磁気抵抗効果素子ＶＲとして機能する構造は、各々、後述のように１又は複数の層を含む。

メモリセルＭＣｂの上方に、複数の導電体２２が設けられている。導電体２２は、ｘ軸に沿って延び、ｙ軸に沿って並ぶ。各導電体２２は、底面において、ｘ軸に沿って並ぶ複数のメモリセルＭＣｂのそれぞれの上面と接している。各導電体２２は、１つのビット線ＢＬとして機能する。

各導電体２２は、上面において、複数のメモリセルＭＣａのそれぞれの底面と接続されている。メモリセルＭＣａは各導電体２２上でｘ軸に沿って並んでおり、このような配置によってメモリセルＭＣａは行列状に配置されている。ｙ軸に沿って並ぶ複数のメモリセルＭＣａのそれぞれの上面上に、さらなる導電体２１が設けられている。図２に示される最下の導電体２１の層からメモリセルＭＣａの層までの構造がｚ軸に沿って繰り返し設けられることによって、図２に示されるようなメモリセルアレイ１１が実現されることが可能である。

メモリセルアレイ１１は、さらに、導電体２１及び導電体２２、並びにメモリセルＭＣを設けられていない領域において層間絶縁体を含む。

＜１．４．メモリセルの構造＞
図４は、第１実施形態のメモリセルＭＣの構造の例の断面を示す。図４に示されるように、メモリセルＭＣは、セレクタＳＥ、セレクタＳＥ上の磁気抵抗効果素子ＶＲ、キャップ層４４、及び電極４５を含む。セレクタＳＥは、可変抵抗材料３２を含む。セレクタＳＥは、図４に示されるように、下部電極３１及び上部電極３３をさらに含み得る。

可変抵抗材料３２は、例えば２端子間スイッチング素子であり、２端子のうちの第１端子は可変抵抗材料３２の上面及び底面の一方に相当し、２端子のうちの第２端子は可変抵抗材料３２の上面及び底面の他方である。可変抵抗材料３２は、テルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、及び硫黄（Ｓ）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む。又は、可変抵抗材料３２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。

磁気抵抗効果素子ＶＲは、トンネル磁気抵抗効果を示し、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）を含む。具体的には、磁気抵抗効果素子ＶＲは、強磁性体（強磁性層）４１、絶縁体（絶縁層）４２、及び強磁性体（強磁性層）４３を含む。例として、図４に示されるように、絶縁体４２は強磁性体４１の上面上に位置し、強磁性体４３は絶縁体４２の上面上に位置する。

強磁性体４１は、強磁性体４１、絶縁体４２、及び強磁性体４３の界面を貫く方向に沿った磁化容易軸（強磁性体４１中の矢印により示されている）を有し、例えば界面に対して４５°以上９０°以下の角度の磁化容易軸を有し、例えば界面と直交する方向に沿った磁化容易軸を有する。強磁性体４１の磁化の向きは記憶装置１でのデータの読出し及び書込みによっても不変であることを意図されている。強磁性体４１は、いわゆる参照層として機能することができる。強磁性体４１は、複数の層を含んでいてもよい。強磁性体４１は、ＳＡＦ（synthetic antiferromagnetic）構造を有していてもよい。この場合、強磁性体４１は、２つの強磁性体（強磁性層）、及び２つの強磁性体の間の導電体（導電層）を含む。当該導電体は、２つの強磁性体を反強磁性的に交換結合させる。

絶縁体４２は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含むか、ＭｇＯからなり、いわゆるトンネルバリアとして機能する。

強磁性体４３は、例えば、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含むか、ＣｏＦｅＢ又はＦｅＢからなる。強磁性体４３は、強磁性体４１、絶縁体４２、及び強磁性体４３の界面を貫く方向に沿う磁化容易軸（強磁性体４３中の矢印により示されている）を有し、例えば界面に対して４５°以上９０°以下の角度の磁化容易軸を有し、例えば界面と直交する方向に沿う磁化容易軸を有する。強磁性体４３の磁化の向きはデータ書込みによって可変であり、強磁性体４３は、いわゆる記憶層として機能することができる。

以下、強磁性体４１又は強磁性体４３の磁化容易軸が強磁性体４１、絶縁体４２、及び強磁性体４３の界面を貫く方向に沿っている性質、特に界面に対して４５°以上９０°以下の角度を有する性質は、垂直磁気異方性と称される。

強磁性体４３の磁化の向きが強磁性体４１の磁化の向きと平行であると、磁気抵抗効果素子ＶＲは、より低い抵抗を有する状態にある。強磁性体４３の磁化の向きが強磁性体４１の磁化の向きと反平行であると、磁気抵抗効果素子ＶＲは、より高い抵抗を有する状態にある。

強磁性体４３から強磁性体４１に向かって或る大きさの書込み電流ＩＷ_ｐが流れると、強磁性体４３の磁化の向きは強磁性体４１の磁化の向きと平行になる。一方、強磁性体４１から強磁性体４３に向かって別の大きさの書込み電流ＩＷ_ＡＰが流れると、強磁性体４３の磁化の向きは強磁性体４１の磁化の向きと反平行になる。

キャップ層４４は強磁性体４３の上面上に位置する。キャップ層４４は、強磁性体４３に含まれているボロンを吸収することを意図されており、ボロンを吸収できる材料を含む。キャップ層４４の材料は、ボロンを吸収できるために、化学量論的にノンストイキオメトリックである。電極４５は、キャップ層４４の上面上に位置する。図５を参照して、キャップ層４４及び電極４５の特徴が、さらに記述される。

図５は、第１実施形態のメモリセルＭＣの一部の要素の性質を示す。図５に示されるように、キャップ層４４は、強磁性体４３との間で高い濡れ性（低い界面エネルギー）を有する材料を含むか、そのような材料からなる。

例えば、キャップ層４４は、強磁性体４３に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。又は、キャップ層４４は、強磁性体４３に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。

又は、キャップ層４４は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の化合物の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。又は、キャップ層４４は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の化合物の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。

又は、キャップ層４４は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の混晶の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。又は、キャップ層４４は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の混晶の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。

電極４５は、Ｆｅのビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有するとともに、キャップ層４４との間で高い濡れ性を有する導電体を含む。又は、電極４５は、Ｆｅのビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有するとともに、キャップ層４４との間で高い濡れ性を有する導電体からなる。電極４５及び後述の実施形態の電極又はキャップ層の材料に使用される材料が導電体であるとは、材料が２５０×１０^４／Ω・ｍ以上の電気伝導度を有することを指す。

キャップ層４４との間で高い濡れ性を有する導電体は、以下のものを含む。電極４５に使用される導電体は、キャップ層４４に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。電極４５は、キャップ層４４が、酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む場合、それぞれ、酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。具体的には、キャップ層４４が酸化物を含むか酸化物からなる場合の電極４５に使用される材料の例は、ＲｕＯｘ、ＩｒＯｘ、ＲｈＯｘを含む。ｘは自然数である。キャップ層４４が窒化物を含むか窒化物からなる場合の電極４５に使用される材料の例は、ＴｉＮｘ、及びＺｒＮｘを含む。

＜１．４．利点（効果）＞
第１実施形態によれば、以下に記述されるように、高い磁気特性を有する磁気抵抗効果素子ＶＲを有する記憶装置１が提供されることが可能である。

磁気抵抗効果素子ＶＲの性能の向上のために、（いわゆる記憶層として機能する）強磁性体４３を薄くすることが有効である。しかしながら、強磁性体４３がより薄いと、強磁性体４３の表面に穴が生じたり、強磁性体４３の材料が凝集したりしやすく、強磁性体４３の表面のラフネスが増大する。強磁性体４３のラフネスがより大きいと、メモリセルアレイ１１中の複数のメモリセルＭＣのそれぞれの強磁性体４３が、性能の点でより大きくばらつく。強磁性体４３において穴及び（又は）凝集が生じる原因の１つは、磁気抵抗効果素子ＶＲが熱処理される際に強磁性体４３にかかるストレスが考えられる。

第１実施形態によれば、強磁性体４３とキャップ層４４は高い濡れ性を有し、キャップ層４４と電極４５は高い濡れ性を有し、電極４５は高いビッカーズ硬度を有する。接触している２つの層の濡れ性が高いと、例えば、２つの層が共通の元素を含んでいると、当該２つの層は密着性が高い。このため、強磁性体４３とキャップ層４４は高い密着性で接触しており、キャップ層４４と電極４５は、高い密着性で接触している。高い密着性ゆえに、キャップ層４４と電極４５は、その界面において互いに強く影響しあう。そして、電極４５は、高いビッカーズ硬度を有し、このため、電極４５中の原子は変位しにくい。よって、キャップ層４４中の原子は、電極４５からの強い影響によって変位しにくい。さらに、強磁性体４３とキャップ層４４は、高い密着性で接触しているため、その界面において互いに強く影響しあう。よって、強磁性体４３中の原子は、高硬度の電極４５からの強い影響によって原子の変位を抑制されているキャップ層４４からの強い影響によって、変位しにくい。このことは、強磁性体４３において穴及び（又は）原子の凝集が生じることを抑制する。よって、穴及び（又は）原子の凝集による強磁性体４３の磁気特性の低下が抑制され、高い磁気特性を有するメモリセルＭＣが実現されることが可能である。

＜第２実施形態＞
第２実施形態は、メモリセルＭＣの構造の点で第１実施形態と異なる。第２実施形態は、その他の点については、第１実施形態と同じである。以下、第２実施形態の構成のうち、第１実施形態の構成と異なる点が主に記述される。

＜２．１．構造（構成）＞
図６は、第２実施形態のメモリセルＭＣの構造の例の断面を示す。第２実施形態のメモリセルＭＣは、第１実施形態でのメモリセルＭＣとの区別のために、メモリセルＭＣ２と称される場合がある。図６に示されるように、メモリセルＭＣ２は、メモリセルＭＣに含まれる要素に加えて中間層５１を含み、メモリセルＭＣのキャップ層４４及び電極４５にそれぞれ代えて、キャップ層５２及び電極５３を含む。

中間層５１は、強磁性体４３の上面上に位置する。中間層５１は、強磁性体４３との間で高い濡れ性を有する材料を含むか、そのような材料からなる。例えば、中間層５１は、第１実施形態のキャップ層４４と同様の特徴を有し、中間層５１が有する特徴は、第１実施形態のキャップ層４４が有する特徴のうちの１つ又は複数を含む。

より具体的には、中間層５１は、例えば、強磁性体４３に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。又は、中間層５１は、例えば、強磁性体４３に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。

キャップ層５２は、中間層５１の上面上に位置する。キャップ層５２は、第１実施形態のキャップ層４４に類似し、一方で、いくつかの点で相違する。キャップ層５２も、キャップ層４４と同様に、強磁性体４３に含まれているボロンを吸収することを意図されており、ボロンを吸収できる材料を含む。

キャップ層５２は、中間層５１との間及び電極４５との間の両方で高い濡れ性を有する材料を含むか、そのような材料からなる。キャップ層５２は、中間層５１との間で高い濡れ性を有するために、酸化物、窒化物、或いは酸窒化物を含むか、酸化物、窒化物、或いは酸窒化物からなる。具体的には、以下の通りである。キャップ層５２は、中間層５１が酸化物を含むか、酸化物からなる場合、酸化物を含むか、酸化物からなる。キャップ層５２は、中間層５１が窒化物を含むか、窒化物からなる場合、窒化物を含むか、窒化物からなる。キャップ層５２は、中間層５１が酸窒化物を含むか、酸窒化物からなる場合、酸窒化物を含むか、酸窒化物からなる。

具体的には、キャップ層５２は、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、Ｓｉ、ボロン（Ｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、ハフニウム（Ｈｆ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、クロム（Ｃｒ）、Ａｌ、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ガドリウム（Ｇｄ）の１つ以上、又は２つ以上の化合物、又は２つ以上の混晶の酸化物、或いは窒化物、或いは酸窒化物を含む。または、キャップ層５２は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｓｉ、Ｂ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｇｄの１つ以上、又は２つ以上の化合物、又は２つ以上の混晶の酸化物、或いは窒化物、或いは酸窒化物からなる。

キャップ層５２は、中間層５１との間及び電極４５との間の両方で高い濡れ性を有し、このため、中間層５１及び電極４５の両方と高い密着性を有する。

電極５３は、第１実施形態の電極４５と同じ又は同様の特徴を有する。具体的には、電極５３は、その底面で接するキャップ層５２との間で高い濡れ性を有する導電体を含むか、そのような導電体からなるとともに、高いビッカーズ硬度を有する。電極５３が電極４５と異なる点は、以下の１点を含む。すなわち、電極５３及び電極４５は、各々、底面で接する要素と高い濡れ性を有するために底面で接する要素と共通の元素を含むことができ、底面で接する層（キャップ層４４又は５２）の材料に基づいて、相違する元素を含み得る。電極５３は、キャップ層５２と高い濡れ性を有し、このため、キャップ層５２と高い密着性を有する。

＜２．２．製造方法＞
図６に示される構造は、強磁性体４３、中間層５１、キャップ層５２、及び電極５３を、強磁性体４３、中間層５１、キャップ層５２、及び電極５３の順に任意の方法で形成することにより、形成されることが可能である。

或いは、図６に示される構造は、以下に記述される方法によって形成されることが可能である。図７及び図８は、各々、第２実施形態のメモリセルＭＣ２を製造する例示的な工程の間の一状態を示す。図７及び図８は、第２実施形態のメモリセルＭＣ２のうちの図６の構造と同じ部分を示す。図８は、図７に後続する状態を示す。

図７に示されるように、強磁性体４１、絶縁体４２、及び強磁性体４３が、強磁性体４１、絶縁体４２、及び強磁性体４３の順に形成される。次に、強磁性体４３の上面上に、キャップ層５２Ａが形成される。キャップ層５２Ａは、キャップ層５２の一部であり、すなわち、図７は、キャップ層５２の形成の初期の段階を示している。キャップ層５２（５２Ａ）の形成は、中間層５１に含まれる元素を含んだ雰囲気のチャンバー内で行われる。すなわち、中間層５１が窒化物を含む場合、キャップ層５２は、窒素雰囲気のチャンバー内で形成される。

図８に示されるように、図７を参照して記述される工程が継続されて、キャップ層５２が形成される。キャップ層５２の形成の間のキャップ層５２の形成のためのガス及び（又は）形成の適切な条件（チャンバー内の温度、ガスの濃度、及び（又は）処理の時間等）の調整により、窒素原子がキャップ層５２Ａと強磁性体４３との界面において反応を起こす。すなわち、高い磁気特性を有するために強磁性体４３がＦＣＢ構造を有するような場合も含め、窒素原子が強磁性体４３と反応し得る。窒素の反応により、キャップ層５２Ａと強磁性体４３の間に、中間層５１が形成される。また、図８を参照して記述される工程の継続により、キャップ層５２が形成される。

この後、図６に示されるように、電極５３が形成される。

＜２．３．利点＞
第２実施形態によれば、強磁性体４３と中間層５１は高い濡れ性を有し、中間層５１とキャップ層５２は高い濡れ性を有し、キャップ層５２と電極５３は高い濡れ性を有する。このため、電極５３の影響が、キャップ層５２及び中間層５１を介して強磁性体４３に及びやすい。そして、電極５３は、ボロンを吸収できる能力に加えて、高いビッカーズ硬度を有する。このため、電極５３の原子の変位しにくさが、キャップ層５２及び中間層５１を介して、強磁性体４３に伝達されることが可能である。このことは、強磁性体４３において穴及び（又は）原子の凝集が生じることを抑制する。よって、第１実施形態と同じく、高い磁気特性を有するメモリセルＭＣ２が実現されることが可能である。

＜第３実施形態＞
第３実施形態は、メモリセルＭＣの構造の点で第１実施形態と異なる。第３実施形態は、その他の点については、第１実施形態と同じである。以下、第３実施形態の構成のうち、第１実施形態の構成と異なる点が主に記述される。第３実施形態のメモリセルＭＣは、第１実施形態でのメモリセルＭＣとの区別のために、メモリセルＭＣ３と称される場合がある。

図９は、第３実施形態のメモリセルＭＣ３の構造の例の断面を示す。図９に示されるように、メモリセルＭＣ３は、第１実施形態のメモリセルＭＣ中のキャップ層４４及び電極４５に代えて、キャップ層６１を含む。

キャップ層６１は、強磁性体４３の上面上に位置する。キャップ層６１は、第１実施形態のキャップ層４４の特徴及び電極４５の特徴の両方を有する。すなわち、キャップ層６１は、キャップ層４４と同じ機能、及び電極４５と同じ機能を有し、ボロンを吸収できるともに高いビッカーズ硬度を有する導電体を含むか、そのような導電体からなる。

さらに、キャップ層６１は、強磁性体４３との間で高い濡れ性を有する材料を含むか、そのような材料からなる。すなわち、キャップ層６１は、第１実施形態のキャップ層４４が強磁性体４３と高い濡れ性を有するための特徴と同じ特徴を含む。

具体的には、例えば、キャップ層６１は、強磁性体４３に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。又は、キャップ層６１は、強磁性体４３に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。

又は、キャップ層６１は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の化合物の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。又は、キャップ層６１は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の化合物の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。

又は、キャップ層６１は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の混晶の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む。又は、キャップ層６１は、強磁性体４３に含まれる元素の２つ以上の混晶の酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。

キャップ層６１は、以上記述される特徴を有するために、例えば、ＦｅＯｘ（より具体的な例は、マグネタイト、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３））、ＴｉＢｘ，ＺｒＯｘ、ＨｆＢｘ、ＶＢｘ、ＮｂＢｘ、ＴａＢｘ、ＣｒＢｘ、ＭｏＢｘ、ＷＢｘを含む。

第３実施形態によれば、キャップ層６１は、強磁性体４３との間で高い濡れ性を有する。このため、キャップ層６１の影響が、強磁性体４３に及びやすい。そして、キャップ層６１は、電極としての機能とボロンを吸収できる能力に加えて、高いビッカーズ硬度を有する。このため、キャップ層６１の原子の変位しにくさが、強磁性体４３に伝達されることが可能である。このことは、強磁性体４３において穴及び（又は）原子の凝集が生じることを抑制する。よって、第１実施形態と同じく、高い磁気特性を有するメモリセルＭＣ３が実現されることが可能である。

＜第４実施形態＞
第４実施形態は、メモリセルＭＣの構造の点で第１実施形態と異なる。第４実施形態は、第３及び第２実施形態に類似し、第３及び第２実施形態の組合せに相当する。第４実施形態は、その他の点については、第１実施形態と同じである。以下、第４実施形態の構成のうち、第１実施形態の構成と異なる点が主に記述される。第４実施形態のメモリセルＭＣは、第１実施形態でのメモリセルＭＣとの区別のために、メモリセルＭＣ４と称される場合がある。

図１０は、第４実施形態のメモリセルＭＣ４の構造の例の断面を示す。図１０に示されるように、メモリセルＭＣ４は、第１実施形態のメモリセルＭＣ中のキャップ層４４及び電極４５に代えて、第２実施形態の中間層５１、及びキャップ層７１を含む。

中間層５１は強磁性体４３の上面上に位置する。中間層５１は、第２実施形態において図６を参照して記述されるように、強磁性体４３との間で高い濡れ性を有する。

キャップ層７１は、中間層５１の上面上に位置する。キャップ層７１は、第２実施形態のキャップ層５２の特徴と同様に、第１実施形態のキャップ層４４の特徴及び電極４５の特徴の両方を有する。すなわち、キャップ層７１は、キャップ層４４と同じ機能、及び電極４５と同じ機能を有し、ボロンを吸収できるとともに高いビッカーズ硬度を有する導電体を含むか、そのような導電体からなる。

さらに、キャップ層７１は、中間層５１との間で高い濡れ性を有する材料を含むか、そのような材料からなる。すなわち、キャップ層７１は、第２実施形態のキャップ層５２が強磁性体４３と高い濡れ性を有するための特徴と同じ特徴を含む。具体的には、以下の通りである。キャップ層７１は、中間層５１が酸化物を含むか、酸化物からなる場合、酸化物を含むか、酸化物からなる。キャップ層７１は、中間層５１が窒化物を含むか、窒化物からなる場合、窒化物を含むか、窒化物からなる。キャップ層７１は、中間層５１が酸窒化物を含むか、酸窒化物からなる場合、酸窒化物を含むか、酸窒化物からなる。より具体的には、キャップ層７１は、キャップ層５２に使用される材料を含むか、キャップ層５２に使用される材料からなる。

キャップ層７１は、以上記述される特徴を有するために、例えば、ＲｕＯｘ、ＩｒＯｘ、ＲｈＯｘ、ＴｉＮｘ、ＺｒＮｘを含む。

第４実施形態によれば、強磁性体４３と中間層５１は高い濡れ性を有し、中間層５１とキャップ層７１は高い濡れ性を有する。このため、キャップ層７１の影響が、中間層５１を介して強磁性体４３に及びやすい。そして、キャップ層７１は、高いビッカーズ硬度を有する。このため、キャップ層７１の原子の変位しにくさが、中間層５１を介して、強磁性体４３に伝達されることが可能である。このことは、強磁性体４３において穴及び（又は）原子の凝集が生じることを抑制する。よって、第１実施形態と同じく、高い磁気特性を有するメモリセルＭＣ４が実現されることが可能である。

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同様に、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ものである。

１…記憶装置、１１…メモリセルアレイ、１２…入出力回路、１３…制御回路、１４…ロウ選択回路、１５…カラム選択回路、１６…書込み回路、１７…読出し回路、ＭＣ…メモリセル、ＷＬ…ワード線、ＢＬ…ビット線、ＶＲ…磁気抵抗効果素子、ＳＥ…セレクタ、２１…導電体、２２…導電体、３１…下部電極、３２…可変抵抗材料、３３…上部電極、４１…強磁性体、４２…絶縁体、４３…強磁性体、４４…キャップ層、４５…電極、５１…中間層、５２…キャップ層、５３…電極、６１…キャップ層、７１…キャップ層。

Claims (12)

1. 第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層の上方の絶縁層と、
   前記絶縁層の上方の、鉄原子を含む第２強磁性層と、
   前記第２強磁性層の上面上のキャップ層であって、前記キャップ層は前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含む、キャップ層と、
   前記キャップ層の上面上の電極であって、前記電極は、前記キャップ層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含み、鉄原子のビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有する材料を含む、電極と、
   を備える記憶装置。
2. 前記第２強磁性層は、ボロン原子をさらに含み、
   前記キャップ層は、ボロンを吸収する能力を有する、
   請求項１に記載の記憶装置。
3. 前記キャップ層は、前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物、或いは前記第２強磁性層に含まれる元素の２つ以上の化合物の酸化物、窒化物、又は酸窒化物、或いは前記第２強磁性層に含まれる元素の２つ以上の混晶の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む、
   請求項１又は請求項２に記載の記憶装置。
4. 前記電極は、酸化物又は窒化物を含む、
   請求項３に記載の記憶装置。
5. 前記キャップ層は、前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上の酸化物、又は前記第２強磁性層に含まれる元素の２つ以上の化合物の酸化物、又は前記第２強磁性層に含まれる元素の２つ以上の混晶の酸化物を含み、
   前記電極は、酸化物を含む、
   請求項１又は請求項２に記載の記憶装置。
6. 前記キャップ層は、前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上の窒化物、又は前記第２強磁性層に含まれる元素の２つ以上の化合物の窒化物、又は前記第２強磁性層に含まれる元素の２つ以上の混晶の窒化物を含み、
   前記電極は、窒化物を含む、
   請求項１又は請求項２に記載の記憶装置。
7. 第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層の上方の絶縁層と、
   前記絶縁層の上方の、鉄原子を含む第２強磁性層と、
   前記第２強磁性層の上面上の中間層であって、前記中間層は前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含む、中間層と、
   前記中間層の上面上のキャップ層であって、前記キャップ層は前記中間層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含む、キャップ層と、
   前記キャップ層の上面上の電極であって、前記電極は、前記キャップ層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含み、鉄原子のビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有する材料を含む、電極と、
   を備える記憶装置。
8. 前記第２強磁性層は、ボロン原子をさらに含み、
   前記キャップ層は、ボロンを吸収する能力を有する、
   請求項７に記載の記憶装置。
9. 前記中間層は、前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上の酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含み、
   前記キャップ層は、酸化物、窒化物、又は酸窒化物を含む、
   請求項７又は請求項８に記載の記憶装置。
10. 前記中間層は前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上の酸化物を含むとともに前記キャップ層は酸化物を含むか、
    前記中間層は前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上の窒化物を含むとともに前記キャップ層は窒化物を含むか、
    前記中間層は前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上の酸窒化物を含むとともに前記キャップ層は酸窒化物を含む、
    請求項７又は請求項８に記載の記憶装置。
11. 第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層の上方の絶縁層と、
    前記絶縁層の上方の、鉄原子を含む第２強磁性層と、
    前記第２強磁性層の上面上の導電性のキャップ層であって、前記キャップ層は前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含み、鉄原子のビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有する材料を含む、キャップ層と、
    を備える記憶装置。
12. 第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層の上方の絶縁層と、
    前記絶縁層の上方の、鉄原子を含む第２強磁性層と、
    前記第２強磁性層の上面上の中間層であって、前記中間層は前記第２強磁性層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含む、中間層と、
    前記中間層の上面上の導電性のキャップ層であって、前記キャップ層は前記中間層に含まれる元素の１つ以上と同じ元素を含み、鉄原子のビッカーズ硬度よりも高いビッカーズ硬度を有する材料を含む、キャップ層と、
    を備える記憶装置。

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