特許 7086664 磁気装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-10

(45)【発行日】2022-06-20

(54)【発明の名称】磁気装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 43/10 20060101AFI20220613BHJP

   G11B 5/39 20060101ALI20220613BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20220613BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20220613BHJP

   H01F 10/30 20060101ALI20220613BHJP

【ＦＩ】

H01L43/10

G11B5/39

H01L27/105 447

H01F10/30

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2018053095

(22)【出願日】2018-03-20

(65)【公開番号】P2019165158

(43)【公開日】2019-09-26

【審査請求日】2020-12-16

(73)【特許権者】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】310024033

【氏名又は名称】エスケーハイニックス株式会社

【氏名又は名称原語表記】ＳＫ ｈｙｎｉｘ Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】２０９１， Ｇｙｅｏｎｇｃｈｕｎｇ－ｄａｅｒｏ，Ｂｕｂａｌ－ｅｕｂ，Ｉｃｈｅｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｋｏｒｅａ

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100189913

【氏名又は名称】鵜飼 健

(72)【発明者】

【氏名】李 永ミン

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 大輔

(72)【発明者】

【氏名】ジェヒョン・リ

(72)【発明者】

【氏名】永瀬 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】澤田 和也

(72)【発明者】

【氏名】及川 忠昭

(72)【発明者】

【氏名】吉野 健一

(72)【発明者】

【氏名】磯田 大河

【審査官】加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２３９１２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－０７２４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／０６９０９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００７／００５３１１３（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｆ １０／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項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強磁性体と、
導電体と、
前記第１強磁性体と、前記導電体との間に設けられた酸化物と、
を含み、
前記酸化物は、希土類元素の第１酸化物と、前記希土類元素よりも共有結合半径が小さい元素の第２酸化物と、を含み、
前記酸化物は、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）のいずれか１つを更に含む、
磁気装置。

【請求項2】

前記第１酸化物内の前記希土類元素は、
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）のいずれか１つを含む、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項3】

前記第２酸化物内の前記元素は、
ナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及びタンタル（Ｔａ）のいずれか１つを含む、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項4】

前記第１強磁性体は、
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１記載の磁気装置。

【請求項5】

前記酸化物は、前記第１酸化物及び前記第２酸化物を含む単一の層を形成する、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項6】

前記酸化物は、前記第１酸化物を含む第１層と、前記第２酸化物を含む第２層と、を形成する、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項7】

前記第１層は、前記第２層と、前記第１強磁性体と、の間に設けられた、
請求項６記載の磁気装置。

【請求項8】

前記第２層は、前記第１層と、前記第１強磁性体と、の間に設けられた、
請求項６記載の磁気装置。

【請求項9】

前記磁気抵抗効果素子は、前記酸化物との間に前記第１強磁性体を挟むシード材を更に含む、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項10】

前記シード材は、
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９記載の磁気装置。

【請求項11】

前記導電体は、非磁性体を含む、請求項１記載の磁気装置。

【請求項12】

前記導電体は、第２強磁性体を含む、請求項１記載の磁気装置。

【請求項13】

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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、磁気装置に関する。

【背景技術】

【0002】

磁気素子を有する磁気装置が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第９５０８９２６号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得る。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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強磁性体と、導電体と、酸化物と、を含む。上記酸化物は、上記第１強磁性体と、上記導電体との間に設けられる。上記酸化物は、希土類元素の第１酸化物と、上記希土類元素よりも共有結合半径が小さい元素の第２酸化物と、を含み、上記酸化物は、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）のいずれか１つを更に含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】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。

【図2】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。

【図3】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。

【図4】第１実施形態に係る磁気装置の酸化物層内に含まれ得る希土類元素を説明するためのテーブル。

【図5】第１実施形態に係る磁気装置の酸化物層内に含まれ得る拡散調整用元素を説明するためのテーブル。

【図6】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。

【図7】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。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】第１実施形態の第４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。

【図13】その他の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。

【図14】その他の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。

【図15】その他の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。

【図16】その他の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。

【図17】その他の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。

【発明を実施するための形態】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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／ＷＤ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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

図３に示すように、磁気抵抗効果素子２２は、例えば、下地層（Under layer）として機能する非磁性層１１０と、酸化物層１２０と、記憶層（Storage layer）として機能する強磁性層１３０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１４０と、参照層（Reference layer）として機能する強磁性層１５０と、酸化物層１６０と、シフトキャンセル層（Shift cancelling layer）として機能する強磁性層１７０と、キャップ層（Capping layer）として機能する非磁性層１８０と、を含む。図３以降の図では、非磁性層１１０、酸化物層１２０、強磁性層１３０、非磁性層１４０、強磁性層１５０、酸化物層１６０、強磁性層１７０、及び非磁性層１８０はそれぞれ、「ＵＬ」、「ＲＥＸ－Ｏ」、「ＳＬ」、「ＴＢ／ＳＥＥＤ」、「ＲＬ」、「ＲＥＸ－Ｏ」、「ＳＣＬ」、及び「ＣＡＰ」とも示される。

【0029】

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、酸化物層１２０、強磁性層１３０、非磁性層１４０、強磁性層１５０、酸化物層１６０、強磁性層１７０、及び非磁性層１８０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１３０、１５０、及び１７０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。

【0030】

非磁性層１１０は、導電性を有する非磁性体の層であり、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。

【0031】

酸化物層１２０は、酸化物を含む層であり、希土類元素（ＲＥ：Rare-earth element）の酸化物を含む。希土類元素の酸化物（以下、単に「希土類酸化物（ＲＥ－Ｏ：Rare-earth oxide）」とも言う。）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）の少なくともいずれか１つの酸化物を含む。酸化物層１２０内に含まれる希土類元素は、結合（例えば、共有結合（covalent bonding））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、酸化物層１２０は、隣り合う強磁性層１３０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、当該不純物を酸化物層１２０内に拡散させる機能を有する。すなわち、酸化物層１２０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１３０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。

【0032】

また、酸化物層１２０は、上述の希土類酸化物が含まれる層内に、当該希土類酸化物よりも共有結合半径（covalent radius）の小さい拡散調整用元素（Ｘ：Diffusivity adjusting element）の酸化物を更に含む。拡散調整用元素の酸化物（以下、単に「拡散調整用酸化物（Ｘ－Ｏ：Diffusivity adjusting oxide）」とも言う。）は、容易に酸化し得る元素を含む。具体的には、例えば、拡散調整用酸化物は、容易に酸化し得る元素であるナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、カルシウム（Ｃａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及びタンタル（Ｔａ）の少なくともいずれか１つの酸化物を含み得る。このような拡散調整用元素が混在する構造を有することにより、酸化物層１２０は、希土類酸化物のみからなる結晶構造よりも格子間隔が小さくなる。このため、酸化物層１２０は、アニーリング処理の際に、強磁性層１３０内の不純物を酸化物層１２０内に拡散させつつ、当該不純物よりもある程度大きい物質（例えば、強磁性体１３０内の強磁性体）の拡散を防止する機能を有する。希土類元素と拡散調整用元素との具体的な組み合わせの詳細については、後述する。

【0033】

また、酸化物層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。

【0034】

なお、酸化物層１２０は、非磁性層１４０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、酸化物層１２０の寄生抵抗は、非磁性層１４０の１割以下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。

【0035】

強磁性層１３０は、導電性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性体を含む層であり、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１３０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１３０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１３０は、半導体基板２０側、強磁性層１５０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１３０の磁化方向は、強磁性層１５０と比較して容易に反転するように設定される。

【0036】

非磁性層１４０は、非磁性体を含む層であり、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１４０は、隣り合う強磁性層１３０及び１５０の結晶化処理において、強磁性層１３０及び１５０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。結晶化処理の詳細については、後述する。

【0037】

強磁性層１５０は、導電性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性体を含む層であり、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１５０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１５０は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでもよい。又は、強磁性層１５０は、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）の少なくともいずれか１つを含んでもよい。強磁性層１５０の磁化方向は、固定されており、強磁性層１３０側又は強磁性層１７０側のいずれかを向く（図３の例では、強磁性層１７０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１３０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１３０、非磁性層１４０、及び強磁性層１５０は、非磁性層１４０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。

【0038】

酸化物層１６０は、例えば、酸化物層１２０と同様の構成を有する。このため、酸化物層１６０は、アニーリング処理の際に、強磁性層１５０及び１７０内の不純物を酸化物層１２０内に拡散させつつ、当該不純物よりもある程度大きい物質の拡散を防止する機能を有する。また、酸化物層１６０は、上述した強磁性層１５０内の不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。なお、酸化物層１６０は、酸化物層１２０と同様、非磁性層１４０よりも寄生抵抗が小さいことが望ましい。

【0039】

強磁性層１７０は、導電性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する強磁性体を含む層であり、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１５０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１５０は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでもよい。又は、強磁性層１５０は、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）の少なくともいずれか１つを含んでもよい。強磁性層１７０は、強磁性層１５０及び１７０の間に設けられた図示しない非磁性層（例えば、ルテニウム（Ｒｕ）の層）によって、強磁性層１５０と反強磁性的に結合される。このため、強磁性層１７０の磁化方向は、強磁性層１５０の磁化方向と反平行な方向（図３の例では、強磁性層１５０側）に固定される。強磁性層１７０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１５０よりも大きな値が設定される。また、強磁性層１７０からの漏れ磁場は、強磁性層１５０からの漏れ磁場が強磁性層１３０の磁化方向に与える影響を低減させる。

【0040】

非磁性層１８０は、導電性を有する非磁性体の層であり、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。

【0041】

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１３０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１３０及び１５０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。

【0042】

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１３０から強磁性層１５０に向かう書込み電流を流すと、強磁性層１３０及び１５０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。

【0043】

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１５０から強磁性層１３０に向かう書込み電流を流すと、強磁性層１３０及び１５０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。

【0044】

１．１．４ 希土類元素と拡散調整用元素の組合せについて
次に、第１実施形態に係る酸化物層における希土類元素と拡散調整用元素の具体的な組合せについて、図４及び図５を用いて説明する。

【0045】

図４は、第１実施形態に係る磁気装置の酸化物層内に含まれ得る希土類元素の共有結合半径を説明するためのテーブルである。図５は、第１実施形態に係る磁気装置の酸化物層内に含まれ得る拡散調整用元素の共有結合半径を説明するためのテーブルである。図４及び図５では、原子番号、元素記号、及び共有結合半径が対応付けられて具体的に示される。

【0046】

図４に示すように、酸化物層１２０及び１６０内に含まれ得る希土類元素の共有結合半径（単位：ピコメートル（ｐｍ））は、例えば、以下のとおりである。

【0047】

原子番号２１のスカンジウム（Ｓｃ）の共有結合半径は、１７０ｐｍである。原子番号３９のイットリウム（Ｙ）の共有結合半径は、１９０ｐｍである。原子番号５７のランタン（Ｌａ）の共有結合半径は、２０７ｐｍである。原子番号５８のセリウム（Ｃｅ）の共有結合半径は、２０４ｐｍである。原子番号５９のプラセオジム（Ｐｒ）の共有結合半径は、２０３ｐｍである。原子番号６０のネオジム（Ｎｄ）の共有結合半径は、２０１ｐｍである。原子番号６１のプロメチウム（Ｐｍ）の共有結合半径は、１９９ｐｍである。原子番号６２のサマリウム（Ｓｍ）の共有結合半径は、１９８ｐｍである。原子番号６３のユウロピウム（Ｅｕ）の共有結合半径は、１９８ｐｍである。原子番号６４のガドリニウム（Ｇｄ）の共有結合半径は、１９６ｐｍである。原子番号６５のテルビウム（Ｔｂ）の共有結合半径は、１９４ｐｍである。原子番号６６のジスプロシウム（Ｄｙ）の共有結合半径は、１９２ｐｍである。原子番号６７のホルミウム（Ｈｏ）の共有結合半径は、１９２ｐｍである。原子番号６８のエルビウム（Ｅｒ）の共有結合半径は、１８９ｐｍである。原子番号６９のツリウム（Ｔｍ）の共有結合半径は、１９０ｐｍである。原子番号７０のイッテルビウム（Ｙｂ）の共有結合半径は、１８７ｐｍである。原子番号７１のルテチウム（Ｌｕ）の共有結合半径は、１８７ｐｍである。

【0048】

図５に示すように、酸化物層１２０及び１６０内に含まれ得る拡散調整用元素の共有結合半径は、例えば、以下のとおりである。

【0049】

原子番号１１のナトリウム（Ｎａ）の共有結合半径は、１６６ｐｍである。原子番号１２のマグネシウム（Ｍｇ）の共有結合半径は、１４１ｐｍである。原子番号１３のアルミニウム（Ａｌ）の共有結合半径は、１２１ｐｍである。原子番号１４のケイ素（Ｓｉ）の共有結合半径は、１１１ｐｍである。原子番号２０のカルシウム（Ｃａ）の共有結合半径は、１７６ｐｍである。原子番号２２のチタン（Ｔｉ）の共有結合半径は、１６０ｐｍである。原子番号２３のバナジウム（Ｖ）の共有結合半径は、１５３ｐｍである。原子番号２４のクロム（Ｃｒ）の共有結合半径は、１３９ｐｍである。原子番号２５のマンガン（Ｍｎ）の共有結合半径は、１３９ｐｍである。原子番号３０の亜鉛（Ｚｎ）の共有結合半径は、１２２ｐｍである。原子番号３８のストロンチウム（Ｓｒ）の共有結合半径は、１９５ｐｍである。原子番号４０のジルコニウム（Ｚｒ）の共有結合半径は、１７５ｐｍである。原子番号４１のニオブ（Ｎｂ）の共有結合半径は、１６４ｐｍである。原子番号７２のハフニウム（Ｈｆ）の共有結合半径は、１７５ｐｍである。原子番号７３のタンタル（Ｔａ）の共有結合半径は、１７０ｐｍである。

【0050】

図４及び図５を参照すると、例えば、図４に示された希土類元素からスカンジウム（Ｓｃ）が選択された場合、図５に示された拡散調整用元素からナトリウム（Ｎａ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びニオブ（Ｎｂ）のうちの少なくとも１つを選択し得る。

【0051】

また、例えば、図４に示された希土類元素からイットリウム（Ｙ）が選択された場合、図５に示された拡散調整用元素からストロンチウム（Ｓｒ）を除く全ての元素のうちの少なくとも１つを選択し得る。

【0052】

また、例えば、図４に示された希土類元素からガドリニウム（Ｇｄ）が選択された場合、図５に示された拡散調整用元素の全ての元素のうちの少なくとも１つを選択し得る。

【0053】

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１３０（記憶層ＳＬ）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。

【0054】

図６、図７、及び図８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６～図８では、強磁性層１３０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。なお、非磁性層１４０より上層に積層される強磁性層１５０、酸化物層１６０、強磁性層１７０、及び非磁性層１８０については、簡単のため、図示を省略している。

【0055】

図６に示すように、非磁性層１１０、酸化物層１２０、強磁性層１３０、及び非磁性層１４０がこの順に積層される。酸化物層１２０は、希土類元素の酸化物と、拡散調整用元素の酸化物と、を含む。酸化物層１２０は、例えば、希土類元素と、拡散調整用元素と、が、例えば、Ｃｏ－ｓｐｕｔｔｅｒ法によって成膜される。酸化物層１２０は、拡散調整用元素の酸化物が含まれることにより、アモルファス状態のように振る舞うことができる。強磁性層１３０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。非磁性層１４０は、例えば、立方晶（Cubical crystal）又は正方晶（Tetragonal crystal）の結晶構造を有する。

【0056】

なお、図６以降の図では、便宜的に、希土類元素が直径の大きな“○”で表され、拡散調整用元素が直径の小さな“○”内を斜線でハッチングしたもので表される。また、非磁性層１１０内の導電体が“△”で表され、強磁性層１３０内の強磁性体が“□”で表され、積層時に強磁性層１３０内に含まれる不純物が“×”で表される。

【0057】

次に、図７に示すように、図６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１３０が非晶質から結晶質へ変換される。ここで、非磁性層１４０は、強磁性層１３０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１３０は、非磁性層１４０をシード材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１３０は、非磁性層１４０の結晶面と同じ結晶面に配向される。

【0058】

強磁性層１３０が結晶構造となることに伴い、強磁性層１３０内に含まれる不純物“×”が酸化物層１２０内に拡散される。酸化物層１２０内に含まれる希土類元素及び拡散調整用元素の格子間隔は、不純物“×”の拡散を妨げない程度に大きいため、不純物“×”は、速やかに強磁性層１３０から酸化物層１２０へ拡散する。これにより、強磁性層１３０の結晶化をより促進させることが出来る。

【0059】

一方、アニーリング処理によって加えられる熱により、強磁性層１３０内に含まれる強磁性体“□”も同様に、強磁性層１３０外へ拡散しようとする。酸化物層１２０内に含まれる希土類元素の格子間隔は、強磁性体“□”の拡散を妨げない程度に大きい。しかしながら、酸化物層１２０内に含まれる拡散調整用元素の格子間隔は、強磁性体“□”の拡散を妨げ得る程度に小さい。これにより、強磁性層１３０から酸化物層１２０への強磁性体“□”の拡散が抑制される。このため、強磁性層１３０の結晶化が妨げられることを防止することができる。

【0060】

また、アニーリング処理によって加えられる熱により、非磁性層１１０内に含まれる導電体“△”も同様に、非磁性層１１０外へ拡散しようとする。酸化物層１２０内に含まれる希土類元素の格子間隔は、導電体“△”の拡散を妨げない程度に大きい。しかしながら、酸化物層１２０内に含まれる拡散調整用元素の格子間隔は、導電体“△”の拡散を妨げ得る程度に小さい。これにより、非磁性層１１０から酸化物層１２０への導電体“△”の拡散が抑制される。このため、酸化物層１２０を介して強磁性層１３０へ導電体“△”が拡散することを抑制することができ、ひいては、強磁性層１３０の結晶化が妨げられることを防止することができる。

【0061】

そして、図８に示すように、アニーリング処理が終了する。酸化物層１２０は、強磁性層１３０からほとんどの不純物“×”を抜き取る一方、強磁性層１３０の結晶化に必要な強磁性体“□”については強磁性体１３０の外部に拡散することを抑制する。更に、酸化物層１２０は、非磁性層１１０からの導電体“△”の拡散を抑制することにより、強磁性層１３０に新たな不純物が流入することを抑制する。これにより、強磁性層１３０は、良質に結晶化することができる。なお、強磁性層１３０には、不純物“×”が残らないことが望ましいが、少量の不純物“×”が残留してもよい。この場合、強磁性層１３０と、酸化物層１２０とには、同様の不純物“×”が含まれ得る。

【0062】

また、上述の通り、酸化物層１２０は、拡散調整用元素が含まれることにより、アニーリング処理を経てもアモルファス状態を維持する。これにより、酸化物層１２０の界面の平坦性及び均質性を維持することができる。このため、酸化物層１２０より上層の界面の平坦性及び均質性が損なわれることを抑制することができる。

【0063】

なお、図示を省略した酸化物層１６０においても、当該酸化物層１６０上に設けられる強磁性層１５０及び１７０に対して、酸化物層１２０上に設けられる強磁性層１３０と同様の効果を奏することができる。すなわち、アニーリング処理の際に、酸化物層１６０は、強磁性層１５０及び１７０内に含まれる不純物の拡散は許容しつつ、強磁性層１５０及び１７０内に含まれる強磁性体の拡散は抑制する。このため、強磁性層１５０及び１７０は、良質に結晶化することができる。

【0064】

以上で、磁気抵抗効果素子２２の製造が終了する。

【0065】

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、磁性材料の拡散を防止しつつ、高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得ることができる。本効果につき、以下に説明する。

【0066】

第１実施形態では、磁気抵抗効果素子２２は、非磁性層１１０と、強磁性層１３０と、非磁性層１１０と強磁性層１３０との間に設けられた酸化物層１２０と、を含む。酸化物層１２０は、希土類元素の酸化物と、拡散調整用元素の酸化物と、を含む。拡散調整用元素の共有結合半径は、希土類元素の共有結合半径よりも小さくなるように選択される。これにより、拡散調整用元素は、希土類元素の格子間隔の隙間を埋めるように配置される。このため、希土類元素の酸化物のみからなる層よりも、元素の拡散を抑制する効果が高まる。具体的には、例えば、酸化物層１２０は、強磁性層１３０内のボロン（Ｂ）のような共有結合半径が比較的小さい不純物が拡散することは許容するが、共有結合半径が当該不純物より大きい、鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）のような強磁性体が拡散することを抑制することができる。したがって、アニーリング処理の際に、強磁性体１３０から不純物を取り除くと共に、強磁性体の拡散を抑制することができ、ひいては、強磁性体１３０を良質な結晶質にすることができる。

【0067】

また、酸化物層１２０は、非磁性体１１０内のモリブデン（Ｍｏ）やタングステン（Ｗ）のような導電体が拡散することを抑制することができる。このため、当該導電体が酸化物層１２０を介して強磁性体１３０に拡散することを抑制することができる。したがって、強磁性体１３０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。

【0068】

また、磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層１５０と、強磁性層１７０と、強磁性層１５０と強磁性層１７０との間に設けられた酸化物層１６０と、を含む。酸化物層１６０は、酸化物層１２０と同様、希土類元素の酸化物と、当該希土類元素の共有結合半径よりも小さい共有結合半径となる拡散調整用元素の酸化物と、を含む。これにより、酸化物層１６０は、強磁性層１５０及び１７０内のボロン（Ｂ）のような不純物が拡散することは許容するが、共有結合半径が当該不純物より大きい、鉄（Ｆｅ）やコバルト（Ｃｏ）のような強磁性体が拡散することを抑制することができる。したがって、アニーリング処理の際に、強磁性体１５０及び１７０から不純物を取り除くと共に、強磁性体の拡散を抑制することができ、ひいては、強磁性体１５０及び１７０を良質な結晶質にすることができる。

【0069】

また、磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層１３０と強磁性層１５０との間に非磁性層１４０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１３０及び１５０は、非磁性層１４０をシード材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１３０及び１５０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。

【0070】

また、酸化物層１２０及び１６０は、非磁性層１４０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。

【0071】

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。

【0072】

２．１ 第１変形例
第１実施形態では、酸化物層１２０が希土類酸化物と拡散調整用酸化物とを含む単一の層として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、酸化物層１２０は、希土類酸化物を含む層と、拡散調整用酸化物を含む更なる層と、を含む複数の層として形成されてもよい。

【0073】

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。

【0074】

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。

【0075】

図９に示すように、酸化物層１２０は、希土類酸化物層１２１と、拡散調整用酸化物層１２２と、を含む。酸化物層１６０は、希土類酸化物層１６１と、拡散調整用酸化物層１６２と、を含む。希土類酸化物層１２１及び拡散調整用酸化物層１２２、並びに希土類酸化物層１６１及び拡散調整用酸化物層１６２は、この順にｚ軸方向に積層される。図９以降の図では、希土類酸化物層１２１及び１６１は、「ＲＥ－Ｏ」とも示され、拡散調整用酸化物層１２２及び１６２は、「Ｘ－Ｏ」とも示される。

【0076】

希土類酸化物層１２１及び１６１は、希土類酸化物を含む層である。希土類酸化物は、例えば、第１実施形態において示された酸化物層１２０及び１６０内の希土類酸化物と同様の構成を含み得る。希土類酸化物層１２１及び１６１を構成する希土類元素は、他の元素と比較して共有結合の格子間隔が大きい結晶構造を有する。このため、希土類酸化物層１２１は、アニーリング処理の際に、強磁性層１３０内の不純物を希土類酸化物層１２１内に拡散させる機能を有する。同様に、希土類酸化物層１６１は、強磁性層１５０及び１７０内の不純物を希土類酸化物層１６１内に拡散させる機能を有する。

【0077】

拡散調整用酸化物層１２２及び１６２は、拡散調整用元素の酸化物を含む層である。拡散調整用酸化物は、例えば、第１実施形態において示された酸化物層１２０及び１６０内の拡散調整用酸化物と同様の構成を含み得る。拡散調整用酸化物層１２２及び１６２内に含まれる拡散調整用元素の共有結合半径は、希土類元素の共有結合半径よりも小さい。これにより、拡散調整用酸化物層１２２及び１６２は、希土類酸化物層１２１及び１６１よりも格子間隔が小さい結晶構造を有する。このため、拡散調整用酸化物層１２２は、アニーリング処理の際に、強磁性層１３０内の不純物を拡散調整用酸化物層１２２内に拡散させつつ、当該不純物よりもある程度大きい物質（例えば、強磁性体１３０内の強磁性体）の拡散を防止する機能を有する。同様に、拡散調整用酸化物層１６２は、アニーリング処理の際に、強磁性層１５０及び１７０内の不純物を拡散調整用酸化物層１６２内に拡散させつつ、当該不純物よりも共有結合半径が大きい物質（例えば、強磁性体１５０及び１７０内の強磁性体）の拡散を防止する機能を有する。

【0078】

以上のように構成することにより、強磁性層１３０は、希土類酸化物層１２１及び拡散調整用酸化物層１２２によって不純物の拡散が許容されると共に、拡散調整用酸化物層１２２によって強磁性体の拡散が抑制される。これにより、強磁性層１３０は、アニーリング処理によって良質に結晶化することができる。

【0079】

同様に、強磁性層１５０及び１７０は、希土類酸化物層１６１及び拡散調整用酸化物層１６２によって不純物の拡散が許容されると共に、拡散調整用酸化物層１６２によって強磁性体の拡散が抑制される。これにより、強磁性層１５０及び１７０は、アニーリング処理によって良質に結晶化することができる。

【0080】

２．２ 第２変形例
また、第１実施形態の第１変形例では、拡散調整用酸化物層が希土類酸化物層の上面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、拡散調整用酸化物層は、希土類酸化物層の下面上に設けられてもよい。

【0081】

以下では、第１実施形態の第１変形例と異なる点についてのみ説明する。

【0082】

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に対応する。

【0083】

図１０に示すように、拡散調整用酸化物層１２２及び希土類酸化物層１２１、並びに拡散調整用酸化物層１６２及び希土類酸化物層１６１は、この順にｚ軸方向に積層される。

【0084】

以上のように構成することにより、強磁性層１３０は、希土類酸化物層１２１及び拡散調整用酸化物層１２２によって不純物の拡散が許容されると共に、拡散調整用酸化物層１２２によって強磁性体の拡散が抑制される。これにより、強磁性層１３０は、アニーリング処理によって良質に結晶化することができる。

【0085】

同様に、強磁性層１５０及び１７０は、希土類酸化物層１６１及び拡散調整用酸化物層１６２によって不純物の拡散が許容されると共に、拡散調整用酸化物層１６２によって強磁性体の拡散が抑制される。これにより、強磁性層１５０及び１７０は、アニーリング処理によって良質に結晶化することができる。

【0086】

２．３ 第３変形例
また、第１実施形態の第１変形例及び第２変形例では、拡散調整用酸化物層及び希土類酸化物層が１層ずつ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、拡散調整用酸化物層及び希土類酸化物層は、複数の層が積層されて設けられてもよい。

【0087】

以下では、第１実施形態の第１変形例と異なる点についてのみ説明する。

【0088】

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実施形態の第１変形例において説明した図９に対応する。

【0089】

図１１に示すように、酸化物層１２０は、希土類酸化物層１２１、及び拡散調整用酸化物層１２２に加え、拡散調整用酸化物層１２３を更に含む。拡散調整用酸化物層１２３、希土類酸化物層１２１、及び拡散調整用酸化物層１２２は、この順にｚ軸方向に積層される。拡散調整用酸化物層１２３は、必ずしも拡散調整用酸化物層１２２と同様の構成を含むことを要しないが、第１実施形態において示された拡散調整用酸化物として含まれ得る元素のうちの少なくとも１つを含む。

【0090】

同様に、酸化物層１６０は、希土類酸化物層１６１、及び拡散調整用酸化物層１６２に加え、拡散調整用酸化物層１６３を更に含む。拡散調整用酸化物層１６３、希土類酸化物層１６１、及び拡散調整用酸化物層１６２は、この順にｚ軸方向に積層される。拡散調整用酸化物層１６３は、必ずしも拡散調整用酸化物層１６２と同様の構成を含むことを要しないが、第１実施形態において示された拡散調整用酸化物として含まれ得る元素のうちの少なくとも１つを含む。

【0091】

以上のように構成することにより、拡散調整用酸化物層１２３は、隣り合う非磁性層１１０からの導電体の拡散を直接抑制することができるため、非磁性層１１０内の導電体が希土類酸化物層１２１内に拡散することを抑制できる。拡散調整用酸化物層１２２は、隣り合う強磁性層１３０からの強磁性体の拡散を直接抑制することができるため、強磁性層１３０内の強磁性体が希土類酸化物層１２１内に拡散することを抑制できる。

【0092】

２．４ 第４変形例
また、第１実施形態の第３変形例では、２つの拡散調整用酸化物層の間に希土類酸化物層が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、２つの希土類酸化物層の間に拡散調整用酸化物層が設けられてもよい。

【0093】

以下では、第１実施形態の第２変形例と異なる点についてのみ説明する。

【0094】

図１２は、第１実施形態の第４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１２は、第１実施形態の第２変形例において説明した図１０に対応する。

【0095】

図１２に示すように、酸化物層１２０は、希土類酸化物層１２１、及び拡散調整用酸化物層１２２に加え、希土類酸化物層１２４を更に含む。希土類酸化物層１２１、拡散調整用酸化物層１２２、及び希土類酸化物層１２４は、この順にｚ軸方向に積層される。希土類酸化物層１２４は、必ずしも希土類酸化物層１２４と同様の構成を含むことを要しないが、第１実施形態において示された希土類酸化物として含まれ得る元素のうちの少なくとも１つを含む。

【0096】

同様に、酸化物層１６０は、希土類酸化物層１６１、及び拡散調整用酸化物層１６２に加え、希土類酸化物層１６４を更に含む。希土類酸化物層１６１、拡散調整用酸化物層１６２、及び希土類酸化物層１６４は、この順にｚ軸方向に積層される。希土類酸化物層１６４は、必ずしも希土類酸化物層１６４と同様の構成を含むことを要しないが、第１実施形態において示された希土類酸化物として含まれ得る元素のうちの少なくとも１つを含む。

【0097】

以上のように構成することにより、希土類酸化物層１６１及び１６４はそれぞれ、強磁性層１５０及び１７０と隣り合うため、拡散調整用酸化物層１６２が強磁性層１５０又は１７０と隣り合う場合よりも不純物の拡散をより促すことができる。このため、強磁性層１５０及び１７０の結晶化をより促進させることができる。

【0098】

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。

【0099】

磁気抵抗効果素子２２がトップフリー型に構成される場合の断面図の一例を図１３～図１７に示す。図１３～図１７はそれぞれ、図３、及び図９～図１２に示された磁気抵抗効果素子２２をトップフリー型に構成した場合の断面図である。

【0100】

より具体的には、図１３では、酸化物層内に希土類酸化物及び拡散調整用酸化物が含まれる場合が示される。すなわち、図１３に示される磁気抵抗効果素子２２は、下地層として機能する非磁性層１１０、シフトキャンセル層として機能する強磁性層１７０、酸化物層１６０、参照層として機能する強磁性層１５０、トンネルバリア層及びシード層として機能する非磁性層１４０、記憶層として機能する強磁性層１３０、酸化物層１２０、及びキャップ層として機能する非磁性層１８０がこの順に積層される。

【0101】

また、図１４及び図１５では、酸化物層が希土類酸化物層と拡散調整用酸化物層との２つの層を含む場合が示される。すなわち、図１４に示される磁気抵抗効果素子２２は、図１３において説明されたトップフリー型の磁気抵抗効果素子２２について、強磁性層１７０と強磁性層１５０との間において希土類酸化物層１６１及び拡散調整用酸化物層１６２がこの順に積層され、強磁性層１３０と非磁性層１８０との間において希土類酸化物層１２１及び拡散調整用酸化物層１２２がこの順に積層される。また、図１５に示される磁気抵抗効果素子２２は、図１３において説明されたトップフリー型の磁気抵抗効果素子２２について、強磁性層１７０と強磁性層１５０との間において拡散調整用酸化物層１６２及び希土類酸化物層１６１がこの順に積層され、強磁性層１３０と非磁性層１８０との間において拡散調整用酸化物層１２２及び希土類酸化物層１２１がこの順に積層される。

【0102】

また、図１６では、酸化物層内において、希土類酸化物層が拡散調整用酸化物層に挟まれる場合が示される。すなわち、図１６に示される磁気抵抗効果素子２２は、図１３において説明されたトップフリー型の磁気抵抗効果素子２２について、強磁性層１７０と強磁性層１５０との間において拡散調整用酸化物層１６３、希土類酸化物層１６１、及び拡散調整用酸化物層１６２がこの順に積層され、強磁性層１３０と非磁性層１８０との間において拡散調整用酸化物層１２３、希土類酸化物層１２１、及び拡散調整用酸化物層１２２がこの順に積層される。

【0103】

また、図１７では、酸化物層内において、拡散調整用酸化物層が希土類酸化物層に挟まれる場合が示される。すなわち、図１７に示される磁気抵抗効果素子２２は、図１３において説明されたトップフリー型の磁気抵抗効果素子２２について、強磁性層１７０と強磁性層１５０との間において希土類酸化物層１６１、拡散調整用酸化物層１６２、及び希土類酸化物層１６４がこの順に積層され、図１３において説明されたトップフリー型の磁気抵抗効果素子２２について、強磁性層１３０と非磁性層１８０との間において希土類酸化物層１２１、拡散調整用酸化物層１２２、及び希土類酸化物層１２４がこの順に積層される。

【0104】

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において説明した非磁性層１１０、酸化物層１２０、強磁性層１３０、及び非磁性層１４０を少なくとも含む素子である。なお、非磁性層１１０は、導電体であればよく、非磁性体に限らず強磁性体であってもよい。

【0105】

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。

【符号の説明】

【0106】

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、１１０，１４０，１８０…非磁性層、１２０，１６０…酸化物層、１２１，１２４…希土類酸化物層、１２２，１２３…拡散調整用酸化物層、１３０，１５０，１７０…強磁性層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】