JP2023120885A - 磁気記憶装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】メモリセルの特性を維持し且つ不良の発生を抑制すること。【解決手段】実施形態の磁気記憶装置は、第１強磁性層３２と、第１強磁性層３２の上の第１非磁性層３３と、第１非磁性層３３の上の第２強磁性層３４と、第２強磁性層３４の上の酸化物層３５と、酸化物層の上の第２非磁性層３６と、を含む。酸化物層３５は、希土類元素の酸化物を含む。第２非磁性層３６は、コバルト（Ｃｏ）と、鉄（Ｆｅ）と、ボロン（Ｂ）と、モリブデン（Ｍｏ）とのそれぞれを含む。【選択図】図４
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記憶装置（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）が知られている。
メモリセルの特性を維持し且つ不良の発生を抑制させること。
実施形態の磁気記憶装置は、第１強磁性層と、第１強磁性層の上の第１非磁性層と、第１非磁性層の上の第２強磁性層と、第２強磁性層の上の酸化物層と、酸化物層の上の第２非磁性層と、を含む。酸化物層は、希土類元素の酸化物を含む。第２非磁性層は、コバルト（Ｃｏ）と、鉄（Ｆｅ）と、ボロン（Ｂ）と、モリブデン（Ｍｏ）とのそれぞれを含む。
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。図面は、模式的又は概念的なものである。各図面の寸法及び比率等は、必ずしも現実のものと同一とは限らない。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一の符号が付されている。参照符号を構成する文字の後の数字等は、同じ文字を含んだ参照符号によって参照され、且つ同様の構成を有する要素同士を区別するために使用される。同じ文字を含んだ参照符号で示される要素を相互に区別する必要がない場合、これらの要素は文字のみを含んだ参照符号により参照される。
［実施形態］
以下に、実施形態に係るメモリシステムＭＳについて説明する。
以下に、実施形態に係るメモリシステムＭＳについて説明する。
［１］構成
［１－１］メモリシステムＭＳの構成
図１は、実施形態に係るメモリシステムＭＳの構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、メモリシステムＭＳは、磁気記憶装置１及びメモリコントローラ２を含む。磁気記憶装置１は、メモリコントローラ２の制御に基づいて動作する。メモリコントローラ２は、外部のホスト機器からの要求（命令）に応答して、磁気記憶装置１に対して、読み出し動作、書き込み動作などの実行を命令し得る。
［１－１］メモリシステムＭＳの構成
図１は、実施形態に係るメモリシステムＭＳの構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、メモリシステムＭＳは、磁気記憶装置１及びメモリコントローラ２を含む。磁気記憶装置１は、メモリコントローラ２の制御に基づいて動作する。メモリコントローラ２は、外部のホスト機器からの要求（命令）に応答して、磁気記憶装置１に対して、読み出し動作、書き込み動作などの実行を命令し得る。
磁気記憶装置１は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子をメモリセルに使用したメモリデバイスであり、抵抗変化型メモリの一種である。ＭＴＪ素子は、磁気トンネル接合による磁気抵抗効果（Magnetoresistance effect）を利用する。ＭＴＪ素子は、磁気抵抗効果素子（Magnetoresistance effect element）とも呼ばれる。磁気記憶装置１は、例えば、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、書き込み回路１６、及び読み出し回路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。図１には、１組のメモリセルＭＣ、ワード線ＷＬ、及びビット線ＢＬが示されている。メモリセルＭＣは、データを不揮発に記憶し得る。メモリセルＭＣは、１本のワード線ＷＬと、１本のビット線ＢＬとの間に接続され、行（row）、及び列（column）の組に対応付けられる。ワード線ＷＬには、ロウアドレスが割り当てられる。ビット線ＢＬには、カラムアドレスが割り当てられる。１つ又は複数のメモリセルＭＣが、１つの行の選択、及び１つ又は複数の列の選択により特定され得る。
入出力回路１２は、メモリコントローラ２に接続され、磁気記憶装置１とメモリコントローラ２との間の通信を司る。入出力回路１２は、メモリコントローラ２から受け取った制御信号ＣＮＴ及びコマンドＣＭＤを、制御回路１３に転送する。入出力回路１２は、メモリコントローラ２から受け取ったアドレス信号ＡＤＤに含まれたロウアドレス及びカラムアドレスを、ロウ選択回路１４及びカラム選択回路１５にそれぞれ転送する。入出力回路１２は、メモリコントローラ２から受け取ったデータＤＡＴ（書き込みデータ）を、書き込み回路１６に転送する。入出力回路１２は、読み出し回路１７から受け取ったデータＤＡＴ（読み出しデータ）を、メモリコントローラ２に転送する。
制御回路１３は、磁気記憶装置１の全体の動作を制御する。例えば、制御回路１３は、制御信号ＣＮＴにより指示される制御とコマンドＣＭＤとに基づいて、読み出し動作や書き込み動作などを実行する。例えば、制御回路１３は、書き込み動作において、データの書き込みに使用される電圧を書き込み回路１６に供給する。また、制御回路１３は、読み出し動作において、データの読み出しに使用される電圧を読み出し回路１７に供給する。
ロウ選択回路１４は、複数のワード線ＷＬに接続される。そして、ロウ選択回路１４は、ロウアドレスにより特定された１つのワード線ＷＬを選択する。選択されたワード線ＷＬは、例えば、図示が省略されたドライバ回路と電気的に接続される。
カラム選択回路１５は、複数のビット線ＢＬに接続される。そして、カラム選択回路１５は、カラムアドレスにより特定された１つ又は複数のビット線ＢＬを選択する。選択されたビット線ＢＬは、例えば、図示が省略されたドライバ回路と電気的に接続される。
書き込み回路１６は、制御回路１３の制御と、入出力回路１２から受け取ったデータＤＡＴ（書き込みデータ）とに基づいて、データの書き込みに使用される電圧をカラム選択回路１５に供給する。書き込みデータに基づいた電流がメモリセルＭＣを介して流れると、メモリセルＭＣに所望のデータが書き込まれる。
読み出し回路１７は、センスアンプを含む。読み出し回路１７は、制御回路１３の制御に基づいて、データの読み出しに使用される電圧をカラム選択回路１５に供給する。そして、センスアンプが、選択されたビット線ＢＬの電圧又は電流に基づいて、メモリセルＭＣに記憶されているデータを判定する。それから、読み出し回路１７は、判定結果に対応するデータＤＡＴ（読み出しデータ）を、入出力回路１２に転送する。
［１－２］メモリセルアレイ１１の回路構成
図２は、実施形態に係る磁気記憶装置１が備えるメモリセルアレイ１１の回路構成の一例を示す回路図である。図２は、複数のワード線ＷＬのうちＷＬ０及びＷＬ１と、複数のビット線ＢＬのうちＢＬ０及びＢＬ１とを抽出して示している。図２に示すように、１つのメモリセルＭＣが、ＷＬ０とＢＬ０との間と、ＷＬ０とＢＬ１との間と、ＷＬ１とＢＬ０との間と、ＷＬ１とＢＬ１との間とのそれぞれに接続されている。メモリセルアレイ１１内で、複数のメモリセルＭＣは、例えば、マトリクス状に配置される。
図２は、実施形態に係る磁気記憶装置１が備えるメモリセルアレイ１１の回路構成の一例を示す回路図である。図２は、複数のワード線ＷＬのうちＷＬ０及びＷＬ１と、複数のビット線ＢＬのうちＢＬ０及びＢＬ１とを抽出して示している。図２に示すように、１つのメモリセルＭＣが、ＷＬ０とＢＬ０との間と、ＷＬ０とＢＬ１との間と、ＷＬ１とＢＬ０との間と、ＷＬ１とＢＬ１との間とのそれぞれに接続されている。メモリセルアレイ１１内で、複数のメモリセルＭＣは、例えば、マトリクス状に配置される。
各メモリセルＭＣは、可変抵抗素子ＶＲとスイッチング素子ＳＥとを含む。可変抵抗素子ＶＲ及びスイッチング素子ＳＥは、関連付けられたビット線ＢＬ及びワード線ＷＬの間に直列に接続される。例えば、可変抵抗素子ＶＲの一端が、ビット線ＢＬに接続される。可変抵抗素子ＶＲの他端が、スイッチング素子ＳＥの一端に接続される。スイッチング素子ＳＥの他端が、ワード線ＷＬに接続される。なお、ビット線ＢＬ及びワード線ＷＬの間における可変抵抗素子ＶＲとスイッチング素子ＳＥとの接続関係は、逆であってもよい。
可変抵抗素子ＶＲは、ＭＴＪ素子に対応する。可変抵抗素子ＶＲは、その抵抗値に基づいて、データを不揮発に記憶し得る。例えば、高抵抗状態の可変抵抗素子ＶＲを含むメモリセルＭＣは、“１”データを記憶する。低抵抗状態の可変抵抗素子ＶＲを含むメモリセルＭＣは、“０”データを記憶する。可変抵抗素子ＶＲの抵抗値に関連付けられたデータの割り当ては、その他の設定であってもよい。可変抵抗素子ＶＲの抵抗状態は、可変抵抗素子ＶＲを介して流れる電流に応じて変化し得る。
スイッチング素子ＳＥは、例えば、双方向ダイオードである。スイッチング素子ＳＥは、関連付けられた可変抵抗素子ＶＲへの電流の供給を制御するセレクタとして機能する。具体的には、あるメモリセルＭＣに含まれたスイッチング素子ＳＥは、当該メモリセルＭＣに印加された電圧が、スイッチング素子ＳＥの閾値電圧を下回っている場合にオフ状態となり、スイッチング素子ＳＥの閾値電圧以上である場合にオン状態となる。オフ状態のスイッチング素子ＳＥは、抵抗値の大きい絶縁体として機能する。スイッチング素子ＳＥがオフ状態である場合、当該メモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの間で電流が流れることが抑制される。オン状態のスイッチング素子ＳＥは、抵抗値の小さい導電体として機能する。スイッチング素子ＳＥがオン状態である場合、当該メモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬ及びビット線ＢＬの間で電流が流れる。すなわち、スイッチング素子ＳＥは、電流が流れる方向に依らずに、メモリセルＭＣに印加される電圧の大きさに応じて、電流を流すか否かを切り替えることが可能である。なお、スイッチング素子ＳＥとしては、トランジスタなど、その他の素子が使用されてもよい。
［１－３］メモリセルアレイ１１の構造
以下に、実施形態におけるメモリセルアレイ１１の構造の一例について説明する。以下の説明では、ｘｙｚ直交座標系が使用される。Ｘ方向は、ビット線ＢＬの延伸方向に対応する。Ｙ方向は、ワード線ＷＬの延伸方向に対応する。Ｚ方向は、磁気記憶装置１の形成に使用される半導体基板の表面に対する鉛直方向に対応する。“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示している。“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示している。斜視図には、ハッチングが適宜付加されている。斜視図に付加されたハッチングは、ハッチングが付加された構成要素の素材や特性とは必ずしも関連していない。斜視図及び断面図では、層間絶縁膜などの構成の図示が省略されている。
以下に、実施形態におけるメモリセルアレイ１１の構造の一例について説明する。以下の説明では、ｘｙｚ直交座標系が使用される。Ｘ方向は、ビット線ＢＬの延伸方向に対応する。Ｙ方向は、ワード線ＷＬの延伸方向に対応する。Ｚ方向は、磁気記憶装置１の形成に使用される半導体基板の表面に対する鉛直方向に対応する。“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示している。“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示している。斜視図には、ハッチングが適宜付加されている。斜視図に付加されたハッチングは、ハッチングが付加された構成要素の素材や特性とは必ずしも関連していない。斜視図及び断面図では、層間絶縁膜などの構成の図示が省略されている。
［１－３－１］メモリセルアレイ１１の立体構造
図３は、実施形態に係る磁気記憶装置１が備えるメモリセルアレイ１１の構造の一例を示す斜視図である。図３に示すように、メモリセルアレイ１１は、複数の導電体層２０と複数の導電体層２１とを含む。
図３は、実施形態に係る磁気記憶装置１が備えるメモリセルアレイ１１の構造の一例を示す斜視図である。図３に示すように、メモリセルアレイ１１は、複数の導電体層２０と複数の導電体層２１とを含む。
複数の導電体層２０のそれぞれは、Ｘ方向に延伸した部分を有する。複数の導電体層２０は、Ｙ方向に並んで設けられ、互いに離れている。各導電体層２０は、ビット線ＢＬとして使用される。
複数の導電体層２１のそれぞれは、Ｙ方向に延伸した部分を有する。複数の導電体層２１は、Ｘ方向に並んで設けられ、互いに離れている。各導電体層２１は、ワード線ＷＬとして使用される。
複数の導電体層２１が設けられた配線層は、複数の導電体層２０が設けられた配線層の上方に設けられる。複数の導電体層２０と複数の導電体層２１とが交差した部分のそれぞれに、１つのメモリセルＭＣが設けられる。言い換えると、各メモリセルＭＣは、関連付けられたビット線ＢＬとワード線ＷＬとの間に柱状に設けられる。本例では、導電体層２０の上に、可変抵抗素子ＶＲが設けられる。可変抵抗素子ＶＲの上に、スイッチング素子ＳＥが設けられる。スイッチング素子ＳＥの上に、導電体層２１が設けられる。
なお、可変抵抗素子ＶＲがスイッチング素子ＳＥの下方に設けられる場合について例示したが、メモリセルアレイ１１の回路構成に依っては、可変抵抗素子ＶＲがスイッチング素子ＳＥの上方に設けられてもよい。
［１－３－２］可変抵抗素子ＶＲの断面構造
図４は、実施形態に係る磁気記憶装置１のメモリセルＭＣに含まれた可変抵抗素子ＶＲの断面構造の一例を示す断面図である。図４に示すように、可変抵抗素子ＶＲは、例えば、強磁性層３０、非磁性層３１、強磁性層３２、非磁性層３３、強磁性層３４、非磁性層３５～３９を含む。なお、図４では、磁性層の磁化方向が矢印で示されている。両方向の矢印は、磁化方向が可変であることを示している。
図４は、実施形態に係る磁気記憶装置１のメモリセルＭＣに含まれた可変抵抗素子ＶＲの断面構造の一例を示す断面図である。図４に示すように、可変抵抗素子ＶＲは、例えば、強磁性層３０、非磁性層３１、強磁性層３２、非磁性層３３、強磁性層３４、非磁性層３５～３９を含む。なお、図４では、磁性層の磁化方向が矢印で示されている。両方向の矢印は、磁化方向が可変であることを示している。
強磁性層３０、非磁性層３１、強磁性層３２、非磁性層３３、強磁性層３４、非磁性層３５～３９は、導電体層２０（ビット線ＢＬ）側から導電体層２１（ワード線ＷＬ）側に向かって、この順番に積層されている。具体的には、強磁性層３０は、導電体層２０の上方に設けられる。非磁性層３１は、強磁性層３０の上に設けられる。強磁性層３２は、非磁性層３１の上に設けられる。非磁性層３３は、強磁性層３２の上に設けられる。強磁性層３４は、非磁性層３３の上に設けられる。非磁性層３５は、強磁性層３４の上に設けられる。非磁性層３６は、非磁性層３５の上に設けられる。非磁性層３７は、非磁性層３６の上に設けられる。非磁性層３８は、非磁性層３７の上に設けられる。非磁性層３９は、非磁性層３８の上に設けられる。導電体層２１は、非磁性層３９の上方に設けられる。
強磁性層３０は、強磁性の導電体である。強磁性層３０は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。図４に示された一例では、強磁性層３０の磁化方向は、強磁性層３２側を向いている。強磁性層３０の磁化方向を反転させるために必要な磁界の大きさは、例えば、強磁性層３２よりも大きい。強磁性層３０からの漏れ磁場は、強磁性層３２からの漏れ磁場が強磁性層３４の磁化方向に与える影響を低減させる。すなわち、強磁性層３０は、シフトキャンセル層ＳＣＬ（Shift cancelling layer）として機能する。強磁性層３０は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。また、強磁性層３０は、不純物として、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）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含み得る。具体的には、強磁性層３０は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含み得る。強磁性層３０は、ホウ化鉄（ＦｅＢ）、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）からなる群から選択される少なくとも１つの二元化合物を含み得る。
非磁性層３１は、非磁性の導電体である。非磁性層３１は、スペーサ層ＳＰ（Spacer layer）として使用され、強磁性層３０と反強磁性的に結合される。これにより、強磁性層３０の磁化方向が、強磁性層３２の磁化方向に対して反平行な方向に固定される。このような強磁性層３０、非磁性層３１、及び強磁性層３２の結合構造は、ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造と呼ばれる。非磁性層３１は、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）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。
強磁性層３２は、強磁性の導電体である。強磁性層３２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３２の磁化方向は、強磁性層３０側、又は強磁性層３４側に固定される。図４に示された一例では、強磁性層３２の磁化方向は、強磁性層３０側に固定されている。これにより、強磁性層３２は、ＭＴＪ素子の参照層ＲＬ（Reference layer）として使用される。参照層ＲＬは、“ピン層”、又は“固定層”と呼ばれてもよい。強磁性層３２は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。また、強磁性層３２は、不純物として、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）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含み得る。具体的には、強磁性層３２は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含み得る。強磁性層３２は、ホウ化鉄（ＦｅＢ）、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）からなる群から選択される少なくとも１つの二元化合物を含み得る。
非磁性層３３は、非磁性の絶縁体である。非磁性層３３は、強磁性層３２及び３４と共に磁気トンネル接合を形成する。すなわち、非磁性層３３は、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層（Tunnel barrier layer）として機能する。また、非磁性層３３は、磁気記憶装置１の製造工程に含まれた強磁性層３２及び３４の結晶化処理において、シード材として機能する。このシード材は、強磁性層３２及び３４の界面から結晶質の膜を成長させるための核となる材料に対応する。非磁性層３３は、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、及びＬＳＭ（Lanthanum-strontium-manganese）からなる群から選択される少なくとも１つの元素又は化合物の酸化物を含む。
強磁性層３４は、強磁性の導電体である。強磁性層３４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３４の磁化方向は、強磁性層３２側及び非磁性層３５側のいずれかに向かう方向である。強磁性層３４の磁化方向は、強磁性層３２と比較して容易に反転するように構成される。これにより、強磁性層３４は、ＭＴＪ素子の記憶層ＳＬ（storage layer）として使用される。記憶層ＳＬは、“フリー層”と呼ばれてもよい。強磁性層３４は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。また、強磁性層３４は、不純物として、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）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含み得る。具体的には、強磁性層３４は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）、又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含み得る。
非磁性層３５は、希土類元素（Rare-earth element）の酸化物である。希土類元素の酸化物は、“希土類酸化物（ＲＥ－Ｏ：Rare-earth oxide）”とも呼ばれる。非磁性層３５は、強磁性層３４（記憶層ＳＬ）に対するキャップ層として使用される。非磁性層３５に含まれた希土類元素は、結合（例えば、共有結合）の格子間隔が他の元素と比較して大きい結晶構造を有する。このため、非磁性層３５は、隣り合う層が不純物を含む非晶質（アモルファス状態）である場合に、高温環境下（例えば、アニーリング処理下）において当該不純物を非磁性層３５内に拡散させる機能を有する。具体的には、非磁性層３５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３４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。非磁性層３５は、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む。
非磁性層３６は、非磁性の導電体である。非磁性層３６は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びボロン（Ｂ）のそれぞれを含む。また、非磁性層３６は、三元化合物であるコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含み得る。具体的には、非磁性層３６は、もともと強磁性体であるＣｏＦｅＢに、強磁性の性質がなくなり非磁性を示すまで、非磁性元素が添加された構成を有する。例えば、非磁性層３６において、非磁性のＣｏＦｅＢとするための非磁性元素の添加量は、４０ａｔ％以上とされる。非磁性層３６は、非磁性元素の不純物として、モリブデン（Ｍｏ）及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。つまり、非磁性層３６は、不純物としてモリブデン（Ｍｏ）を含むコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ－Ｍｏ）を含み得る。又は、非磁性層３６は、不純物としてタングステン（Ｗ）を含むコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ－Ｗ）を含み得る。非磁性層３６がＣｏＦｅＢ－Ｍｏを含む場合、非磁性層３６におけるモリブデン（Ｍｏ）の含有率は、５０ａｔ％以上８０ａｔ％以下に設計されることが好ましい。
非磁性層３７は、非磁性の導電体である。非磁性層３７は、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。また、非磁性層３７は、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される２以上の元素を含む合金を含み得る。また、非磁性層３７は、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される１つの元素の窒化物又はホウ化物を含み得る。
非磁性層３８は、非磁性の導電体である。非磁性層３８は、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む。非磁性層３６、非磁性層３７、及び非磁性層３８の組は、トップ層ＴＬ（Top layer）として使用される。トップ層ＴＬは、例えば、ＭＴＪ素子の特性を向上させる機能や、ハードマスクとしての機能や電極としての機能を有し得る。
非磁性層３９は、非磁性の導電体である。非磁性層３９は、トップ層ＴＬに対するキャップ層ＣＡＰとして使用される。キャップ層ＣＡＰは、可変抵抗素子ＶＲと上方の素子（例えば、スイッチング素子ＳＥ）又は配線（例えば、ビット線ＢＬ）との電気的な接続性を向上させる電極として使用され得る。非磁性層３９は、例えば、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。
以上で説明された可変抵抗素子ＶＲは、ＴＭＲ（tunneling magnetoresistance）効果を利用した垂直磁化型のＭＴＪ素子として機能する。可変抵抗素子ＶＲは、強磁性層３２及び３４のそれぞれの磁化方向の相対関係に応じて、低抵抗状態と高抵抗状態とのいずれかになり得る。具体的には、可変抵抗素子ＶＲは、参照層ＲＬと記憶層ＳＬの磁化方向が反平行状態（ＡＰ（Antiparallel）状態）である場合に高抵抗状態になり、参照層ＲＬと記憶層ＳＬの磁化方向が平行状態（Ｐ（parallel）状態）である場合に低抵抗状態になる。
磁気記憶装置１は、強磁性層３４（記憶層ＳＬ）の磁化方向を変化させることによって、メモリセルＭＣに所望のデータを記憶させることができる。具体的には、磁気記憶装置１は、可変抵抗素子ＶＲに書き込み電流を流すことによって、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の磁化方向を制御する。このような書き込み方法は、“スピン注入書き込み方式”と呼ばれる。
本例において、可変抵抗素子ＶＲは、強磁性層３２から強磁性層３４に向かう方向に書き込み電流が流された場合にＡＰ状態になり、強磁性層３４から強磁性層３２に向かう方向に書き込み電流が流された場合にＰ状態になる。なお、可変抵抗素子ＶＲは、強磁性層３４の磁化方向を反転させ得る大きさの電流が可変抵抗素子ＶＲに流された場合に、強磁性層３２の磁化方向が変化しないように構成される。すなわち、“磁化方向が固定されている”とは、強磁性層３４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。
なお、可変抵抗素子ＶＲにおいて、強磁性層３４と非磁性層３６との間には、非磁性層３５のみが設けられる。すなわち、強磁性層３４と非磁性層３６との間に形成されるキャップ構造は、希土類元素の酸化物である非磁性層３５の１層で構成される。なお、可変抵抗素子ＶＲは、その他の層を備えていてもよいし、非磁性層３５を除く各磁性層が複数の層により構成されてもよい。例えば、強磁性層３２は、複数の層からなる積層体であってもよい。強磁性層３２を構成する積層体は、例えば、非磁性層３３との界面層としてコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含む層を有しつつ、当該界面層と非磁性層３１との間に非磁性の導電体を介して更なる強磁性層を有し得る。
［２］可変抵抗素子ＶＲにおけるＳＦＲとＭＴＪ特性
以下に、可変抵抗素子ＶＲにおけるＳＦＲ（Shunt Fail Rate）とＭＴＪ特性について説明する。ＳＦＲは、ＭＪＴ素子（可変抵抗素子ＶＲ）における記憶層ＳＬと参照層ＲＬとの短絡に起因する不良（シャント不良）の発生率を示している。ＭＴＪ特性は、ＭＴＪ素子の特性に関連する少なくとも１つの指標である。本明細書では、ＭＴＪ特性として、熱安定性指数Δと、ＭＲ（Magnetoresistance）比とを用いて説明する。
以下に、可変抵抗素子ＶＲにおけるＳＦＲ（Shunt Fail Rate）とＭＴＪ特性について説明する。ＳＦＲは、ＭＪＴ素子（可変抵抗素子ＶＲ）における記憶層ＳＬと参照層ＲＬとの短絡に起因する不良（シャント不良）の発生率を示している。ＭＴＪ特性は、ＭＴＪ素子の特性に関連する少なくとも１つの指標である。本明細書では、ＭＴＪ特性として、熱安定性指数Δと、ＭＲ（Magnetoresistance）比とを用いて説明する。
Δは、ＭＴＪ素子が記憶するビット情報の熱的安定性を示し、例えば、数式“Δ＝Ｅｂ／ｋＢＴ”により表される。本数式において、“Ｅｂ”は、磁化反転に要するエネルギー障壁である。“ｋＢ”は、ボルツマン定数である。“Ｔ”は、絶対温度である。ＭＴＪ素子（可変抵抗素子ＶＲ）におけるΔの値は、大きい方が好ましい。
ＭＲ比は、磁気トンネル接合が反平行状態（ＡＰ状態）である場合の電気抵抗と、平行状態（Ｐ状態）で有る場合の電気抵抗との違いを示している。ＭＲ比は、例えば、高抵抗状態と低抵抗状態との比率（高抵抗状態の抵抗値／低抵抗状態の抵抗値）により示される。ＭＴＪ素子（可変抵抗素子ＶＲ）におけるＭＲ比の値は、大きい方が好ましい。
なお、以下の説明で使用されるＳＦＲ、Δ、及びＭＲ比のそれぞれの数値は、あくまで一例である。同じ図面に示されたＳＦＲ、Δ、及びＭＲ比のそれぞれの数値は、当該図面に示された可変抵抗素子ＶＲの構成を同じ条件で評価した結果に相当する。
［２－１］トップ層ＴＬの積層構造の違いに基づく特性の変化
図５は、トップ層ＴＬの積層構造の違いに基づく特性の変化の一例を示す模式図である。図５は、第１構成例、第２構成例、及び第３構成例のそれぞれにおけるトップ層ＴＬのＴＬ断面構造（トップ層ＴＬの断面構造）とＳＦＲ（％）とを示している。図５に示された断面構造では、紙面の下側が非磁性層３５側に対応し、紙面の上側が非磁性層３９側に対応している。以下に、図５を参照して、トップ層ＴＬの積層構造の違いに基づく特性の変化について説明する。
図５は、トップ層ＴＬの積層構造の違いに基づく特性の変化の一例を示す模式図である。図５は、第１構成例、第２構成例、及び第３構成例のそれぞれにおけるトップ層ＴＬのＴＬ断面構造（トップ層ＴＬの断面構造）とＳＦＲ（％）とを示している。図５に示された断面構造では、紙面の下側が非磁性層３５側に対応し、紙面の上側が非磁性層３９側に対応している。以下に、図５を参照して、トップ層ＴＬの積層構造の違いに基づく特性の変化について説明する。
第１構成例におけるトップ層ＴＬは、ルテニウム（Ｒｕ）と、タンタル（Ｔａ）と、ルテニウム（Ｒｕ）とが、この順番に積層された構造を有する。すなわち、第１構成例におけるトップ層ＴＬは、実施形態におけるトップ層ＴＬの積層構造に対して、非磁性層３６の位置にＲｕが設けられ、非磁性層３７の位置にＴａが設けられ、非磁性層３８の位置にＲｕが設けられた構造を有する。第１構成例におけるトップ層ＴＬでは、ＳＦＲ＝７９．９であった。
第２構成例におけるトップ層ＴＬは、ルテニウム（Ｒｕ）と、タンタル（Ｔａ）と、ハフニウムホウ化物（Ｈｆ５０Ｂ）と、ルテニウム（Ｒｕ）とが、この順番に積層された構造を有する。すなわち、第２構成例におけるトップ層ＴＬは、第１構成例におけるトップ層ＴＬの積層構造に対して、上層側のＲｕのうち、Ｔａと隣り合った部分が、Ｈｆ５０Ｂに置き換えられた構成を有する。Ｈｆ５０Ｂは、ボロン（Ｂ）が５０ａｔ％添加されたハフニウムホウ化物である。第２構成例におけるトップ層ＴＬでは、ＳＦＲ＝３．４であった。つまり、第２構成例におけるトップ層ＴＬでは、非磁性層３７の上にＨｆ５０Ｂが設けられた結果、第１構成例よりもＳＦＲが改善している。
第３構成例におけるトップ層ＴＬは、不純物としてモリブデン（Ｍｏ）を含むコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ－８０Ｍｏ）と、タンタル（Ｔａ）と、ルテニウム（Ｒｕ）とが、この順番に積層された構造を有する。すなわち、第３構成例におけるトップ層ＴＬは、第１構成例におけるトップ層ＴＬの積層構造に対して、ＲｕがＣｏＦｅＢ－８０Ｍｏに置き換えられた構成を有する。ＣｏＦｅＢ－８０Ｍｏは、モリブデン（Ｍｏ）が８０ａｔ％添加されたコバルト鉄ボロンである。第３構成例におけるトップ層ＴＬでは、ＳＦＲ＝５５．７であった。つまり、第３構成例におけるトップ層ＴＬでは、非磁性層３５及び３７の間にＣｏＦｅＢ－８０Ｍｏが設けられた結果、第１構成例よりもＳＦＲが改善している。
［２－２］トップ層ＴＬの材料の違いに基づく特性の変化
図６は、トップ層ＴＬの材料の違いに基づく特性の変化の一例を示すテーブルである。図６は、第１比較例、第２比較例、及び実施形態のそれぞれにおけるトップ層ＴＬのＴＬ材料と、ＳＦＲ（％）と、Δと、ＭＲ比（％）とを示している。なお、図６のＴＬ材料は、図４を用いて説明された実施形態のトップ層ＴＬの積層構造のうち、非磁性層３６に対応する層の材料のことを示している。本例において、非磁性層３７は、ボロン（Ｂ）が５０ａｔ％添加されたハフニウムホウ化物（Ｈｆ５０Ｂ）であり、非磁性層３８は、ルテニウム（Ｒｕ）である。以下に、図６を参照して、非磁性層３６の材料の違いに基づく特性の変化について説明する。
図６は、トップ層ＴＬの材料の違いに基づく特性の変化の一例を示すテーブルである。図６は、第１比較例、第２比較例、及び実施形態のそれぞれにおけるトップ層ＴＬのＴＬ材料と、ＳＦＲ（％）と、Δと、ＭＲ比（％）とを示している。なお、図６のＴＬ材料は、図４を用いて説明された実施形態のトップ層ＴＬの積層構造のうち、非磁性層３６に対応する層の材料のことを示している。本例において、非磁性層３７は、ボロン（Ｂ）が５０ａｔ％添加されたハフニウムホウ化物（Ｈｆ５０Ｂ）であり、非磁性層３８は、ルテニウム（Ｒｕ）である。以下に、図６を参照して、非磁性層３６の材料の違いに基づく特性の変化について説明する。
第１比較例におけるトップ層ＴＬは、ＴＬ材料として、モリブデン（Ｍｏ）を備えている。すなわち、第１比較例におけるトップ層ＴＬは、非磁性層３５の上にモリブデンの層が設けられ、当該モリブデンの層の上に非磁性層３７及び３８が積層された構造を有する。第１比較例におけるトップ層ＴＬでは、ＳＦＲ＝４０．１であり、Δ＝４８であり、ＭＲ比＝１１０であった。
第２比較例におけるトップ層ＴＬは、ＴＬ材料として、タングステン（Ｗ）を備えている。すなわち、第２比較例におけるトップ層ＴＬは、非磁性層３５の上にタングステンの層が設けられ、当該タングステンの層の上に非磁性層３７及び３８が積層された構造を有する。第２比較例におけるトップ層ＴＬでは、ＳＦＲ＝２０．２であり、Δ＝４８であり、ＭＲ比＝１１２であった。
実施形態におけるトップ層ＴＬは、ＴＬ材料として、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏ（不純物としてモリブデンが添加されたコバルト鉄ボロン）を備えている。実施形態におけるトップ層ＴＬでは、ＳＦＲ＝１９．３であり、Δ＝５２であり、ＭＲ比＝１１５であった。すなわち、実施形態におけるトップ層ＴＬでは、第１比較例と第２比較例とのそれぞれよりもＳＦＲ、Δ、及びＭＲ比のそれぞれが良好であった。このような可変抵抗素子ＶＲの特性の変化は、例えば、トップ層ＴＬで使用される材料のエッチングレート（すなわち、トップ層ＴＬの硬さ）に依存していることが推測される。
（トップ層ＴＬで使用される材料のエッチングレート）
図７は、トップ層ＴＬで使用される材料のエッチングレートの一例を示すテーブルである。図７は、基板上に単膜で形成された材料を所定の条件のＩＢＥ（Ion Beam Etching）によりエッチングした場合のエッチングレートを示している。図７に示すように、Ｒｕのエッチングレートは４．３（Å／ｓｅｃ）であり、Ｍｏのエッチングレートは４．０（Å／ｓｅｃ）であり、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏのエッチングレートは、３．２（Å／ｓｅｃ）であり、Ｈｆ５０Ｂのエッチングレートは２．５（Å／ｓｅｃ）であり、Ｗのエッチングレートは、１．６（Å／ｓｅｃ）であった。
図７は、トップ層ＴＬで使用される材料のエッチングレートの一例を示すテーブルである。図７は、基板上に単膜で形成された材料を所定の条件のＩＢＥ（Ion Beam Etching）によりエッチングした場合のエッチングレートを示している。図７に示すように、Ｒｕのエッチングレートは４．３（Å／ｓｅｃ）であり、Ｍｏのエッチングレートは４．０（Å／ｓｅｃ）であり、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏのエッチングレートは、３．２（Å／ｓｅｃ）であり、Ｈｆ５０Ｂのエッチングレートは２．５（Å／ｓｅｃ）であり、Ｗのエッチングレートは、１．６（Å／ｓｅｃ）であった。
すなわち、本例において、ＩＢＥにおける加工速度は、Ｒｕ＞Ｍｏ＞ＣｏＦｅＢ－Ｍｏ＞Ｈｆ５０Ｂ＞Ｗである。ＩＢＥの条件が同一である場合、エッチングレートが低い方の材料が、より硬い層とみなされ得る。なお、本例では、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）にモリブデン（Ｍｏ）が添加されることによって、Ｍｏのみで構成される層よりもエッチングレートが低くなっている。同様に、単一のＭｏよりもエッチングレートが低いタングステン(Ｗ)が添加されたコバルト鉄ボロン(ＣｏＦｅＢ－Ｗ)は、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏ層に対するエッチングレートよりも低くなり得る。
（非磁性層３６のＭｏ含有率とエッチングレートとの関係性）
図８は、トップ層ＴＬのコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）の層（例えば、非磁性層３６）に含まれたモリブデンの含有率（Ｍｏ含有率）とエッチングレートとの関係性の一例を示すグラフである。図８に示されたグラフにおいて、横軸は、ＣｏＦｅＢ－ＭｏのＭｏ含有率を示し、縦軸は、所定のＩＢＥの条件におけるＣｏＦｅＢ－Ｍｏのエッチングレート（Å／ｓｅｃ）を示している。図８に示すように、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏのエッチングレートは、ＣｏＦｅＢ－ＭｏにおけるＭｏ含有率が減るほど低下する傾向を有する。言い換えると、ＩＢＥの条件が同一である場合、ＣｏＦｅＢの硬さは、Ｍｏ添加量が減少するほど増加する傾向を有する。
図８は、トップ層ＴＬのコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）の層（例えば、非磁性層３６）に含まれたモリブデンの含有率（Ｍｏ含有率）とエッチングレートとの関係性の一例を示すグラフである。図８に示されたグラフにおいて、横軸は、ＣｏＦｅＢ－ＭｏのＭｏ含有率を示し、縦軸は、所定のＩＢＥの条件におけるＣｏＦｅＢ－Ｍｏのエッチングレート（Å／ｓｅｃ）を示している。図８に示すように、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏのエッチングレートは、ＣｏＦｅＢ－ＭｏにおけるＭｏ含有率が減るほど低下する傾向を有する。言い換えると、ＩＢＥの条件が同一である場合、ＣｏＦｅＢの硬さは、Ｍｏ添加量が減少するほど増加する傾向を有する。
［２－３］非磁性層３６のＭｏ含有率に基づく記憶層ＳＬの異方性磁界の変化
図９は、トップ層ＴＬのコバルト鉄ボロンの層（例えば、非磁性層３６）に含まれたモリブデン（Ｍｏ）の含有率と記憶層ＳＬの異方性磁界との関係性の一例を示すグラフである。図９に示されたグラフにおいて、横軸は、ＣｏＦｅＢ－ＭｏのＭｏ含有率を示し、縦軸は、記憶層ＳＬの異方性磁界（Ｏｅ）を示している。以下では、記憶層ＳＬの異方性磁界のことを“ＳＬ＿Ｈｋ”と呼ぶ。なお、“ＳＬ＿Ｈｋ”は、記憶層ＳＬの垂直磁気異方性磁界と呼ばれてもよい。
図９は、トップ層ＴＬのコバルト鉄ボロンの層（例えば、非磁性層３６）に含まれたモリブデン（Ｍｏ）の含有率と記憶層ＳＬの異方性磁界との関係性の一例を示すグラフである。図９に示されたグラフにおいて、横軸は、ＣｏＦｅＢ－ＭｏのＭｏ含有率を示し、縦軸は、記憶層ＳＬの異方性磁界（Ｏｅ）を示している。以下では、記憶層ＳＬの異方性磁界のことを“ＳＬ＿Ｈｋ”と呼ぶ。なお、“ＳＬ＿Ｈｋ”は、記憶層ＳＬの垂直磁気異方性磁界と呼ばれてもよい。
図９に示すように、ＳＬ＿Ｈｋは、ＣｏＦｅＢ（非磁性層３６）のＭｏ含有率に応じて変化している。具体的には、ＳＬ＿Ｈｋは、Ｍｏ含有率が５０ａｔ％未満である場合に、大きく低下している。一方で、ＳＬ＿Ｈｋは、Ｍｏ含有率が８０ａｔ％を超える場合に、略一定の値になっている。言い換えると、実施形態において、可変抵抗素子ＶＲのＭＴＪ特性は、ＣｏＦｅＢ－ＭｏのＭｏ含有率が５０ａｔ％未満である場合に劣化が大きく、Ｍｏ含有率が多くなるほど良好になり、Ｍｏ含有率が８０ａｔ％を超えると飽和している。
［３］実施形態の効果
以上で説明された実施形態に係る磁気記憶装置１によれば、メモリセルＭＣの特性を維持し且つ不良の発生を抑制させることができる。以下に、実施形態に係る磁気記憶装置１の効果の詳細について説明する。
以上で説明された実施形態に係る磁気記憶装置１によれば、メモリセルＭＣの特性を維持し且つ不良の発生を抑制させることができる。以下に、実施形態に係る磁気記憶装置１の効果の詳細について説明する。
磁気記憶装置の記憶容量を大きくする方法としては、メモリセルＭＣを高密度に配置することが考えられる。しかしながら、メモリセルＭＣが高密度に配置される場合、メモリセルＭＣが狭ピッチで配置されるため、ＳＦＲが増加するおそれがある。ＳＦＲを低減するための施策とＭＴＪ特性とは、トレードオフの関係にあるため、可能な限りＭＴＪ特性を維持しつつＳＦＲを改善することが好ましい。
ＭＴＪ素子のシャント不良は、メモリセルＭＣの加工時の影響により発生する不良と推測される。すなわち、メモリセルＭＣが加工される際に、メモリセルＭＣに対するダメージを低減することが、シャント不良の低減に有効であると考えられる。例えば、トップ層ＴＬのエッチングレートを下げること、すなわち、トップ層ＴＬに硬い材料が使用されることによって、ＳＦＲを改善（低減）可能であると考えられる。
また、ＭＴＪ素子の構造として、ＭＴＪ素子の磁気特性を向上させるために、記憶層ＳＬの上に希土類酸化物ＲＥ－Ｏが設けられた構造が知られている。このような構造では、希土類酸化物ＲＥ－Ｏの上に設けられたトップ層ＴＬの積層構造が、ＳＦＲとＭＴＪ特性との両方に影響し得る。トップ層ＴＬの積層構造としては、例えば、ハフニウムホウ化物（ＨｆＢ）の上にルテニウム（Ｒｕ）が設けられた積層構造（Ｒｕ／ＨｆＢ）が知られている。Ｒｕ／ＨｆＢの積層構造は、メモリセルＭＣの加工特性を重視した材料である。しかしながら、希土類酸化物ＲＥ－Ｏの直上にＨｆＢが設けられた場合、ＭＴＪ特性（例えば、記憶層ＳＬの磁気特性）が劣化する傾向がある。
そこで、実施形態に係る磁気記憶装置１のＭＴＪ素子（可変抵抗素子ＶＲ）は、ＨｆＢ（非磁性層３７）と希土類酸化物ＲＥ－Ｏ（非磁性層３５）との間に、加工特性とＭＴＪ特性とを両立するための層（非磁性層３６）が設けられた構成を有する。そして、実施形態の可変抵抗素子ＶＲでは、非磁性層３６として、モリブデンが添加されたコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ－Ｍｏ）、又は、タングステンが添加されたコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ－Ｗ）が使用される。
ＣｏＦｅＢ－Ｍｏ及びＣｏＦｅＢ－Ｗのそれぞれは、非磁性層３６がモリブデンの単層で構成される場合よりも硬い。その結果、可変抵抗素子ＶＲの積層構造は、シャント不良の発生を抑制し、ＳＦＲを改善させることができる。また、希土類酸化物ＲＥ－Ｏの上に設けられたＣｏＦｅＢ－Ｍｏ及びＣｏＦｅＢ－Ｗのそれぞれは、ＭＴＪ特性を向上させることができる。すなわち、可変抵抗素子ＶＲの積層構造は、ＭＴＪ特性の劣化を抑制することができる。従って、実施形態に係る磁気記憶装置１は、メモリセルＭＣの特性を維持し且つ不良の発生を抑制させることができる。
なお、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏは、図８及び図９を用いて説明されたように、添加された不純物の含有率に応じて、エッチングレートが変化し、記憶層ＳＬの磁気特性（ＳＬ＿Ｈｋ）が変化し得る。つまり、ＭＴＪ特性とＳＦＲの低減とを両立可能なモリブデンの添加量には、加減がある。具体的には、トップ層ＴＬがＣｏＦｅＢ－Ｍｏ、ＨｆＢ、及びＲｕの積層構造で構成される場合に、非磁性層３６においてＳＬ＿Ｈｋが維持され且つＭｏの単層よりも硬くなるモリブデンの含有率は、５０ａｔ％以上８０ａｔ％以下であることが好ましい。
［４］その他
実施形態では、ＭＴＪ素子（可変抵抗素子ＶＲ）を備える磁気装置の一例として、磁気記憶装置１について説明したが、これに限られない。磁気装置は、センサやメディアなど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であってもよい。当該磁気素子は、少なくとも可変抵抗素子ＶＲを使用していればよい。
実施形態では、ＭＴＪ素子（可変抵抗素子ＶＲ）を備える磁気装置の一例として、磁気記憶装置１について説明したが、これに限られない。磁気装置は、センサやメディアなど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であってもよい。当該磁気素子は、少なくとも可変抵抗素子ＶＲを使用していればよい。
本明細書において“接続”は、電気的に接続されている事を示し、間に別の素子を介することを除外しない。非磁性層３１及び３６～３９のそれぞれは、“導電体層”と呼ばれてもよい。非磁性層３３及び３５のそれぞれは、“酸化物層”と呼ばれてもよい。本明細書において、“含有率”とは、原子パーセント（ａｔ％）のことである。含有率は、例えば、走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope, STEM）による電子エネルギー損失分光法（Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS）を用いることによって測定可能である。
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共に、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、２…メモリコントローラ、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…書き込み回路、１７…読み出し回路、２０，２１…導電体層、３０…強磁性層、３１…非磁性層、３２…強磁性層、３３…非磁性層、３４…強磁性層、３５～３９…非磁性層
Claims (20)
- 第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の上の第１非磁性層と、
前記第１非磁性層の上の第２強磁性層と、
前記第２強磁性層の上の酸化物層と、
前記酸化物層の上の第２非磁性層と、
を備え、
前記酸化物層は、希土類元素の酸化物を含み、
前記第２非磁性層は、コバルト（Ｃｏ）と、鉄（Ｆｅ）と、ボロン（Ｂ）と、モリブデン（Ｍｏ）とのそれぞれを含む、
磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層は、モリブデン（Ｍｏ）及びコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む層である、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層におけるモリブデン（Ｍｏ）の含有率は、５０ａｔ％以上８０ａｔ％以下である、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記酸化物層は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層の上の第３非磁性層と、
前記第３非磁性層の上の第４非磁性層と、
をさらに備え、
前記第３非磁性層は、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含み、
前記第４非磁性層は、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１に記載の磁気記憶装置。 - 第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の上の第１非磁性層と、
前記第１非磁性層の上の第２強磁性層と、
前記第２強磁性層の上の酸化物層と、
前記酸化物層の上の第２非磁性層と、
を備え、
前記酸化物層は、ガドリニウム（Ｇｄ）の酸化物を含み、
前記第２非磁性層は、コバルト（Ｃｏ）と、鉄（Ｆｅ）と、ボロン（Ｂ）と、モリブデン（Ｍｏ）とのそれぞれを含む、
磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層は、モリブデン（Ｍｏ）及びコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む層である、
請求項６に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層におけるモリブデン（Ｍｏ）の含有率は、５０ａｔ％以上８０ａｔ％以下である、
請求項６に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層の上の第３非磁性層と、
前記第３非磁性層の上の第４非磁性層と、
をさらに備え、
前記第３非磁性層は、ハフニウム（Ｈｆ）のホウ化物を含み、
前記第４非磁性層は、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項６に記載の磁気記憶装置。 - 前記第４非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）を含む、
請求項９に記載の磁気記憶装置。 - 第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の上の第１非磁性層と、
前記第１非磁性層の上の第２強磁性層と、
前記第２強磁性層の上の酸化物層と、
前記酸化物層の上の第２非磁性層と、
を備え、
前記酸化物層は、希土類元素の酸化物を含み、
前記第２非磁性層は、コバルト（Ｃｏ）と、鉄（Ｆｅ）と、ボロン（Ｂ）と、タングステン（Ｗ）とのそれぞれを含む、
磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層は、タングステン（Ｗ）及びコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を含む層である、
請求項１１に記載の磁気記憶装置。 - 前記酸化物層は、スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素の酸化物を含む、
請求項１１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第２非磁性層の上の第３非磁性層と、
前記第３非磁性層の上の第４非磁性層と、
をさらに備え、
前記第３非磁性層は、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、及びタングステン（Ｗ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含み、
前記第４非磁性層は、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１１に記載の磁気記憶装置。 - 前記第１強磁性層の下方の第３強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記第１強磁性層との間の第５非磁性層と、
をさらに備え、
前記第５非磁性層は、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）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１乃至請求項１４の何れか一項に記載の磁気記憶装置。 - 前記第５非磁性層は、前記第３強磁性層と反強磁性的に結合され、
前記第３強磁性層の磁化方向が、前記第１強磁性層の磁化方向に対して反平行な方向に固定される、
請求項１５に記載の磁気記憶装置。 - 前記第３強磁性層からの漏れ磁場は、前記第１強磁性層からの漏れ磁場が前記第２強磁性層の磁化方向に与える影響を低減させる、
請求項１５に記載の磁気記憶装置。 - 前記第１強磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含み、
前記第１非磁性層は、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、及びＬＳＭ（Lanthanum-strontium-manganese）からなる群から選択される少なくとも１つの元素又は化合物の酸化物を含み、
前記第２強磁性層は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）からなる群から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１乃至請求項１４の何れか一項に記載の磁気記憶装置。 - 前記第１強磁性層、及び前記第２強磁性層とのそれぞれは、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有し、
前記第１強磁性層の磁化方向は、固定され、
前記第２強磁性層は、磁化方向が前記第１強磁性層と比較して容易に反転するように構成される、
請求項１８に記載の磁気記憶装置。 - 第１方向に延伸して設けられた第１導電体層と、
前記第１方向と交差する第２方向に延伸し、前記第１導電体層と離間して設けられた第２導電体層と、
前記第１導電体層と前記第２導電体層との間に柱状に設けられたメモリセルと、
をさらに備え、
前記メモリセルは、前記第１強磁性層と、前記第１非磁性層と、前記第２強磁性層と、前記酸化物層と、前記第２非磁性層とを含む、
請求項１乃至請求項１４の何れか一項に記載の磁気記憶装置。
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