磁存储装置
阅读：686发布：2020-05-08
专利汇可以提供磁存储装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一实施方式的磁存储装置具备 磁阻效应 元件，所述磁阻效应元件包含非 磁性 体、及所述非磁性体上的积层体。所述积层体包含所述非磁性体上的第1 铁 磁体、与所述第1铁磁体交换耦合的反铁磁体、及所述第1铁磁体与所述反铁磁体之间的第2铁磁体，且构成为根据在积层方向内在第1方向上流动的第1 电流 成为第1 电阻 ，根据在与所述第1方向相反的第2方向上流动的第2电流成为与所述第1电阻不同的第2电阻。，下面是磁存储装置专利的具体信息内容。
1.一种磁存储装置，具备磁阻效应元件，所述磁阻效应元件包含非磁性体、及所述非磁性体上的积层体，且
所述积层体包含：
第1铁磁体，设置在所述非磁性体上，根据所施加的电流保持不同的电阻；
反铁磁体，与所述第1铁磁体交换耦合；及
所述第1铁磁体与所述反铁磁体之间的第2铁磁体。
2.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体具有0.1纳米以上0.3纳米以下的膜厚。
3.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体具有非晶质结构。
4.根据权利要求3所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体具有软磁性。
5.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体具有与所述第1铁磁体相同的晶体结构。
6.根据权利要求5所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体具有硬磁性。
7.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体含有选自钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、及锰(Mn)中的至少一种元素。
8.根据权利要求7所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体还含有选自铌(Nb)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)、铪(Hf)、硅(Si)、及钆(Gd)中的至少一种元素。
9.根据权利要求8所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体含有选自钴钛(CoTi)、钴铪(CoHf)、钴锆(CoZr)、镍铌(NiNb)、镍锆(NiZr)、镍钽(NiTa)、镍钛(NiTi)、镍铪(NiHf)、锰硅(MnSi)、及锰钆(MnGd)中的至少一种合金。
10.根据权利要求7所述的磁存储装置，其中
所述第2铁磁体还含有硼(B)。
11.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中
所述反铁磁体含有镍锰(NiMn)、或钯锰(PdMn)。
12.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中
所述反铁磁体具有与所述第1铁磁体不同的晶体结构。
13.根据权利要求12所述的磁存储装置，其中
所述第1铁磁体具有与所述非磁性体相同的晶体结构。
14.根据权利要求1所述的磁存储装置，其中
所述磁阻效应元件还包含所述非磁性体上的所述第1铁磁体的相反侧的第3铁磁体，且所述第1铁磁体、所述非磁性体、及所述第3铁磁体构成磁隧道结。
15.根据权利要求14所述的磁存储装置，其中
所述第3铁磁体的磁化大于所述积层体的磁化。
16.根据权利要求1所述的磁存储装置，其具备存储单元，所述存储单元包含所述磁阻效应元件、及连接于所述磁阻效应元件的选择器。
磁存储装置
[0001] [相关申请]
技术领域
[0003] 实施方式主要涉及一种磁存储装置。
背景技术
[0005] 实施方式提供一种能够抑制写入电流的增加并且提高保存性的磁存储装置。
[0006] 实施方式的磁存储装置具备磁阻效应元件，该磁阻效应元件包含非磁性体、及所述非磁性体上的积层体。所述积层体包含所述非磁性体上的第1铁磁体、与所述第1铁磁体交换耦合的反铁磁体、及所述第1铁磁体与所述反铁磁体之间的第2铁磁体，且构成为根据在积层方向内在第1方向上流动的第1电流成为第1电阻，根据在与所述第1方向相反的第2方向上流动的第2电流成为与所述第1电阻不同的第2电阻。附图说明
[0007] 图1是用来说明第1实施方式的磁存储装置的构成的框图。
[0008] 图2是用来说明第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。
[0009] 图3是用来说明第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成的剖视图。
[0010] 图4是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。
[0011] 图5是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件中的存储层的磁特性的图。
[0012] 图6是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
[0013] 图7是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
[0014] 图8是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
[0015] 图9是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
[0016] 图10是用来说明第2实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。
[0017] 图11是用来说明第2实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
[0018] 图12是用来说明第2实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。
[0019] 图13是用来说明第1变化例的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。
[0020] 图14是用来说明第2变化例的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。
[0021] 图15是用来说明第2变化例的磁存储装置的存储单元的构成的剖视图。
具体实施方式
[0022] 以下，参考附图对实施方式进行说明。此外，在以下说明中，对于具有同一功能及构成的构成要素，标注共通的参考符号。另外，在对具有共通的参考符号的多个构成要素进行区别的情况下，对该共通的参考符号标注后缀进行区别。此外，在对于多个构成要素无须特别进行区别的情况下，对该多个构成要素仅标注共通的参考符号，不标注后缀。此处，后缀并不限于下标或上标，例如包括在参考符号的末尾添加的小写字母、及表示排列的索引等。
[0023] 1.第1实施方式
[0024] 对第1实施方式的磁存储装置进行说明。第1实施方式的磁存储装置是例如利用垂直磁化方式的磁存储装置，该磁存储装置使用利用磁隧道结(MTJ：Magnetic Tunnel Junction)而具有磁阻效应(Magnetoresistive effect)的元件(也称为MTJ元件、或磁阻效应元件(magnetoresistive effect element))作为存储元件。
[0025] 1.1关于构成
[0026] 首先，对第1实施方式的磁存储装置的构成进行说明。
[0027] 1.1.1关于磁存储装置的构成
[0028] 图1是表示第1实施方式的磁存储装置的构成的框图。如图1所示，磁存储装置1具备存储单元阵列10、行选择电路11、列选择电路12、解码电路13、写入电路14、读出电路15、电压产生电路16、输入输出电路17、及控制电路18。
[0029] 存储单元阵列10具备分别与行(row)、及列(column)的组建立对应关系的多个存储单元MC。具体来说，位于同一行的存储单元MC连接于同一字线WL，位于同一列的存储单元MC连接于同一位线BL。
[0030] 行选择电路11经由字线WL而与存储单元阵列10连接。对行选择电路11供给来自解码电路13的地址ADD的解码结果(行地址)。行选择电路11将与基于地址ADD的解码结果的行对应的字线WL设定为选择状态。以下，设定为选择状态的字线WL称为选择字线WL。另外，除选择字线WL以外的字线WL称为非选择字线WL。
[0031] 列选择电路12经由位线BL而与存储单元阵列10连接。对列选择电路12供给来自解码电路13的地址ADD的解码结果(列地址)。列选择电路12将基于地址ADD的解码结果的列设定为选择状态。以下，设定为选择状态的位线BL称为选择位线BL。另外，除选择位线BL以外的位线BL称为非选择位线BL。
[0032] 解码电路13对来自输入输出电路17的地址ADD进行解码。解码电路13将地址ADD的解码结果供给到行选择电路11、及列选择电路12。地址ADD包含所选择的列地址、及行地址。
[0034] 读出电路15从存储单元MC进行数据的读出。读出电路15例如包含感测放大器(未图示)。
[0035] 电压产生电路16使用从磁存储装置1的外部(未图示)提供的电源电压，产生用于存储单元阵列10的各种动作的电压。例如，电压产生电路16产生进行写入动作时所需的各种电压，并将其输出到写入电路14。另外，例如电压产生电路16产生进行读出动作时所需的各种电压，并将其输出到读出电路15。
[0036] 输入输出电路17将来自磁存储装置1的外部的地址ADD传送到解码电路13。输入输出电路17将来自磁存储装置1的外部的命令CMD传送到控制电路18。输入输出电路17在磁存储装置1的外部与控制电路18之间收发各种控制信号CNT。输入输出电路17将来自磁存储装置1的外部的数据DAT传送到写入电路14，并将从读出电路15传送的数据DAT输出到磁存储装置1的外部。
[0037] 控制电路18基于控制信号CNT及命令CMD，控制磁存储装置1内的行选择电路11、列选择电路12、解码电路13、写入电路14、读出电路15、电压产生电路16、及输入输出电路17的动作。
[0038] 1.1.2关于存储单元阵列的构成
[0039] 其次，使用图2对第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成进行说明。图2是表示第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。在图2中，字线WL通过包含2个小写的字母(“u”及“d”)、及索引(“＜＞”)的后缀分类表示。
[0040] 如图2所示，存储单元MC(MCu及MCd)在存储单元阵列10内配置为矩阵状，与多个位线BL(BL＜0＞、BL＜1＞、……、BL＜N＞)中的1根位线和多个字线WLd(WLd＜0＞、WLd＜1＞、……、WLd＜M＞)及WLu(WLu＜0＞、WLu＜1＞、……、WLu＜M＞)中的1根字线的组建立对应关系(M及N为任意整数)。也就是说，存储单元MCd＜i、j＞(0≦i≦M、0≦j≦N)连接于字线WLd＜i＞与位线BL＜j＞之间，存储单元MCu＜i、j＞连接于字线WLu＜i＞与位线BL＜j＞之间。
[0041] 此外，后缀的“d”及“u”例如是分别方便地识别相对于位线BL设置在下方的存储单元、及设置在上方的存储单元的后缀。关于存储单元阵列10的立体构造的示例，将在下文进行说明。
[0042] 存储单元MCd＜i、j＞包含串联连接的选择器SELd＜i、j＞及磁阻效应元件MTJd＜i、j＞。存储单元MCu＜i、j＞包含串联连接的选择器SELu＜i、j＞及磁阻效应元件MTJu＜i、j＞。
[0043] 选择器SEL发挥开关的功能，该开关在对所对应的磁阻效应元件MTJ的数据写入及读出时，控制对磁阻效应元件MTJ的电流的供给。更具体来说，例如某个存储单元MC内的选择器SEL在施加于该存储单元MC的电压低于阈值电压Vth的情况下作为电阻值较大的绝缘体切断电流(成为断开状态)，在超过阈值电压Vth的情况下作为电阻值较小的导电体使电流流动(成为接通状态)。也就是说，选择器SEL具有如下功能：无论流动的电流的方向如何，均能够根据施加于存储单元MC的电压的大小，在使电流流动或切断电流之间进行切换。
[0044] 选择器SEL例如也可以是2端子型的切换元件。在施加于2个端子间的电压为阈值以下的情况下，该切换元件为“高电阻”状态、例如电性非导通状态。在施加于2个端子间的电压为阈值以上的情况下，切换元件变为“低电阻”状态、例如电性导通状态。无论电压为哪个极性，切换元件均可具有该功能。例如，在该切换元件中，也可以含有选自由Te(碲)、Se(硒)及S(硫)所组成的群中的至少一种以上的硫属元素作为一例。或者，也可以包含作为含有所述硫属元素的化合物的硫属化物作为一例。此外，该切换元件例如也可以含有选自由B(硼)、Al(铝)、Ga(镓)、In(铟)、C(碳)、Si(硅)、Ge(锗)、Sn(锡)、As(砷)、P(磷)、及Sb(锑)所组成的群中的至少一种以上的元素作为一例。
[0045] 磁阻效应元件MTJ能够利用由选择器SEL控制供给的电流，将电阻值切换为低电阻状态及高电阻状态。磁阻效应元件MTJ作为存储元件发挥功能，该存储元件能够根据其电阻状态的变化写入数据，且能够非易失地保存所写入的数据并将其读出。
[0046] 接着，使用图3对存储单元阵列10的剖面构造进行说明。图3示出关于第1实施方式的磁存储装置的存储单元阵列的沿着字线的剖面构造的一例。
[0047] 如图3所示，磁存储装置1设置在半导体基板20上。在以下说明中，将与半导体基板20的表面平行的面设为XY平面，将垂直于XY平面的方向设为Z方向。另外，将沿着字线WL的方向设为X方向，将沿着位线BL的方向设为Y方向。
[0048] 在半导体基板20的上表面上，例如设置作为字线WLd发挥功能的多个导电体21。多个导电体21例如沿着Y方向排列设置，且分别沿着X方向延伸。在图3中，示出多个导电体21中的1个导电体。在1个导电体21的上表面上，例如沿着X方向排列设置作为磁阻效应元件MTJd发挥功能的多个元件22。也就是说，沿着X方向排列的多个元件22共通连接于1个导电体21。在多个元件22的各自的上表面上，设置作为选择器SELd发挥功能的元件23。在多个元件23的各自的上表面上，设置作为位线BL发挥功能的导电体24。多个导电体24例如沿着X方向排列设置，且分别沿着Y方向延伸。也就是说，沿着Y方向排列的多个元件23共通地连接于1个导电体24。
[0049] 在多个导电体24的各自的上表面上，设置作为磁阻效应元件MTJu发挥功能的多个元件25。也就是说，沿着Y方向排列的多个元件25共通地连接于1个导电体24。元件25例如具有与元件22同等的功能构成。在多个元件25的各自的上表面上，设置作为选择器SELu发挥功能的元件26。元件26例如具有与元件23同等的功能构成。作为字线WLu发挥功能的1个导电体27共通地连接于沿着X方向排列的多个元件26的各自的上表面上。而且，沿着Y方向排列设置多个这种导电体27。多个导电体27分别例如沿着X方向延伸。
[0050] 通过以如上方式构成，存储单元阵列10成为2根字线WLd及WLu的组对应于1根位线BL的构造。而且，存储单元阵列10具有如下构造：在字线WLd与位线BL之间设置存储单元MCd，在位线BL与字线WLu之间设置存储单元MCu，在Z方向上具有多层存储单元阵列。在图3中表示的在Z方向上具有多层存储单元阵列的构造中，存储单元MCd与下层建立对应关系，存储单元MCu与上层建立对应关系。也就是说，共通地连接于1个位线BL的2个存储单元MC中的设置在位线BL的上层的存储单元MC对应于标注有后缀“u”的存储单元MCu，设置在下层的存储单元MC对应于标注有后缀“d”的存储单元MCd。
[0051] 此外，在图3的示例中，将导电体21、元件22及23、导电体24、元件25及26、以及导电体27表示为相互接触，但并不限于此，也可以在各要素间介存其他要素而设置。
[0052] 1.1.3关于磁阻效应元件的构成
[0053] 接着，使用图4对第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明。图4是表示第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。在图4中，例如表示沿着垂直于Z方向的平面(例如XZ平面)将图3所示的磁阻效应元件MTJ(即元件22或25)剖开的剖面的一例。
[0054] 如图4所示，元件22及25分别包含作为存储层SL(Storage layer)发挥功能的积层体31、作为隧道势垒层TB(Tunnel barrier layer)发挥功能的非磁性体32、作为参考层RL(Reference layer)发挥功能的铁磁体33、作为间隔层SP(Spacer layer)发挥功能的非磁性体34、及作为偏移消除层SCL(Shift cancelling layer)发挥功能的铁磁体35。
[0055] 元件22例如从字线WLd侧朝向位线BL侧(在Z轴方向上)，以铁磁体35、非磁性体34、铁磁体33、非磁性体32、及积层体31的顺序，积层多个材料。元件25例如从位线BL侧朝向字线WLu侧(在Z轴方向上)，以铁磁体35、非磁性体34、铁磁体33、非磁性体32、及积层体31的顺序，积层多个材料。元件22及25例如作为构成元件22及25的磁性体的磁化方向分别相对于膜面朝向垂直方向的垂直磁化型的MTJ元件发挥功能。
[0056] 积层体31包含作为界面存储层SL1发挥功能的铁磁体31a、作为功能层(FL：Function layer)发挥功能的软磁体31b、及作为与界面存储层SL1交换耦合的层SL2发挥功能的反铁磁体31c。积层体31例如在非磁性体32上依次积层铁磁体31a、软磁体31b、及反铁磁体31c。
[0057] 铁磁体31a具有铁磁性，且在垂直于膜面的方向上具有易磁化軸方向。铁磁体31a具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一侧的方向的磁化方向。铁磁体31a例如可以含有钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)，具有体心立方(bcc：Body-centered cubic)系的晶体结构。
[0058] 软磁体31b具有软磁性，通过与铁磁体31a磁耦合而具有朝向与铁磁体31a相同的方向的磁化方向。软磁体31b为了具有铁磁性，而含有选自钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、及锰(Mn)中的至少一种元素。另外，软磁体31b为了容易成为非晶质状态，可以含有选自钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、及锰(Mn)中的至少一种元素、以及选自铌(Nb)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)、铪(Hf)、硅(Si)、及钆(Gd)中的至少一种元素。更具体来说，软磁体31b例如可以含有选自钴钛(CoTi)、钴铪(CoHf)、钴锆(CoZr)、镍铌(NiNb)、镍锆(NiZr)、镍钽(NiTa)、镍钛(NiTi)、镍铪(NiHf)、锰硅(MnSi)、及锰钆(MnGd)中的至少一种合金。另外，软磁体31b可以含有硼(B)作为杂质。软磁体31b例如具有非晶质结构，而具有如下功能：将具有互不相同的晶体结构的铁磁体31a、及反铁磁体31c结晶性地分隔并且接合。另外，软磁体31b例如具有利用自身所具有的磁性维持铁磁体31a与反铁磁体31c之间的交换耦合的功能。软磁体31b为了维持上述交换耦合，较为理想的是薄膜，例如具有0.1纳米以上0.3纳米以下的膜厚。
[0059] 反铁磁体31c具有反铁磁性，经由软磁体31b而与铁磁体31a交换耦合。如上所述，反铁磁体31c作为反铁磁体31c单体不具有磁化，但具有通过与铁磁体31a之间的交换耦合来增加积层体31整体的磁化体积的功能。因此，与不存在与反铁磁体31c的交换耦合的状态相比，在存在与反铁磁体31c的交换耦合的状态下，铁磁体31a的磁化方向更不易随着热或外部磁场等外部干扰而产生变化。
[0060] 此外，反铁磁体31c较为理想的是即便在暴露在高温环境下(例如300℃以上且400℃以下)的情况下也不丧失反铁磁性。也就是说，反铁磁体31c例如较为理想的是选自具有至少600K以上的奈耳温度的材料。另外，反铁磁体31c较为理想的选择不容易使写入时注入到铁磁体31a的自旋转矩的朝向散乱的材料。因此，反铁磁体31c例如较为理想的是选择吉尔伯特阻尼常数(Gilbert damping constant)较小的材料、即周期表中的原子序数相对较小的材料、更具体来说是原子序数小于如铂(Pt)或铱(Ir)的5d过渡金属的材料。作为满足上述要求的材料，例如反铁磁体31c可以含有镍锰(NiMn)、或钯锰(PdMn)。在此情况下，反铁磁体31c可以具有作为与铁磁体31a不同的晶体结构的面心正方(fct：Face-centered tetragonal)系的晶体结构。
[0062] 铁磁体33具有铁磁性，且在垂直于膜面的方向上具有易磁化軸方向。铁磁体33具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一侧的方向的磁化方向。铁磁体33例如含有钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)。铁磁体33的磁化方向固定，在图4的示例中，朝向铁磁体35的方向。此外，所谓“磁化方向固定”是指磁化方向不会因能够反转铁磁体31a的磁化方向的大小的电流(自旋转矩)而变化，该铁磁体31a与反铁磁体31c交换耦合。
[0063] 此外，虽在图4中省略了图示，但铁磁体33也可以是由多层构成的积层体。具体来说，例如构成铁磁体33的积层体也可以是在含有上述钴铁硼(CoFeB)或硼化铁(FeB)的层的铁磁体35侧的面上介隔非磁性的导电体而积层其他铁磁体的构造。构成铁磁体33的积层体内的非磁性的导电体例如可以含有选自钽(Ta)、铪(Hf)、钨(W)、锆(Zr)、钼(Mo)、铌(Nb)、及钛(Ti)中的至少一种金属。构成铁磁体33的积层体内的其他铁磁体例如可以含有选自钴(Co)与铂(Pt)的多层膜(Co/Pt多层膜)、钴(Co)与镍(Ni)的多层膜(Co/Ni多层膜)、及钴(Co)与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)中的至少一种人工晶格。
[0064] 非磁性体34是非磁性的导电膜，例如含有选自钌(Ru)、锇(Os)、铱(Ir)、钒(V)、及铬(Cr)中的至少一种元素。
[0065] 铁磁体35具有铁磁性，在垂直于膜面的方向上具有易磁化軸方向。铁磁体35例如含有选自钴铂(CoPt)、钴镍(CoNi)、及钴钯(CoPd)中的至少一种合金。铁磁体35也可以与铁磁体33同样是由多层构成的积层体。在此情况下，铁磁体35例如可以含有钴(Co)与铂(Pt)的多层膜(Co/Pt多层膜)、钴(Co)与镍(Ni)的多层膜(Co/Ni多层膜)、及钴(Co)与钯(Pd)的多层膜(Co/Pd多层膜)中的至少一种人工晶格。
[0066] 铁磁体35具有朝向位线BL侧、字线WL侧的任一侧的方向的磁化方向。铁磁体35的磁化方向固定，在图4的示例中，朝向铁磁体33的方向。此外，所谓“磁化方向固定”是指磁化方向不会因能够反转铁磁体31a的磁化方向的大小的电流(自旋转矩)而变化，该铁磁体31a与反铁磁体31c交换耦合。
[0067] 铁磁体33及35通过非磁性体34反铁磁性地耦合。也就是说，铁磁体33及35以具有相互反平行的磁化方向的方式耦合。因此，在图4的示例中，铁磁体33的磁化方向朝向铁磁体35的方向。将这种铁磁体33、非磁性体34、及铁磁体35的耦合构造称为合成反铁磁SAF(Synthetic Anti-Ferromagnetic，合成反铁磁)构造。由此，铁磁体35能够抵消铁磁体33的漏磁场对铁磁体31a的磁化方向产生的影响。因此，抑制如下情况：铁磁体31a由于因铁磁体33的漏磁场等引起的外部因素，而在磁化的反转容易度产生非对称性(也就是说，在从一侧向另一侧反转的情况下、及在其反方向上反转的情况下，磁化的方向反转时的反转容易度不同)。
[0068] 在第1实施方式中，采用自旋注入写入方式，该自旋注入写入方式直接使写入电流流过这种磁阻效应元件MTJ，利用该写入电流，对存储层SL及参考层RL注入自旋转矩，从而控制存储层SL的磁化方向及参考层RL的磁化方向。磁阻效应元件MTJ能够根据存储层SL及参考层RL的磁化方向的相对关系是平行或是反平行，而取得低电阻状态及高电阻状态中的任一状态。
[0069] 如果在图4中的箭头A1的方向、即从存储层SL朝向参考层RL的方向上，使某种大小的写入电流Iw0流过磁阻效应元件MTJ，那么存储层SL及参考层RL的磁化方向的相对关系成为平行。在该平行状态的情况下，磁阻效应元件MTJ的电阻值变得最低，磁阻效应元件MTJ设定为低电阻状态。该低电阻状称为「P(Parallel，平行)状态」，例如规定为数据“0”的状态。
[0070] 另外，如果在图4中的箭头A2的方向、即从参考层RL朝向存储层SL的方向(与箭头A1相反的方向)上，使大于写入电流Iw0的写入电流Iw1流过磁阻效应元件MTJ，那么存储层SL及参考层RL的磁化方向的相对关系成为反平行。在该反平行状态的情况下，磁阻效应元件MTJ的电阻值变得最高，磁阻效应元件MTJ设定为高电阻状态。该高电阻状态称为「AP(Anti-Parallel，反平行)状态」，例如规定为数据“1”的状态。
[0071] 此外，在以下说明中，根据上述数据的规定方法进行说明，但数据“1”及数据“0”的规定方法并不限于上述示例。例如，也可以将P状态规定为数据“1”，将AP状态规定为数据“0”。
[0072] 图5是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件中的存储层的磁特性的图。在图5中，对于本实施方式、及比较例，分别表示相对于外部磁场的存储层SL的磁化的磁滞。具体来说，以实线表示关于本实施方式的存储层SL的磁滞，以虚线表示关于比较例的存储层SL的磁滞。此外，图5所示的比较例的存储层SL为不包含反铁磁体31c的构成，例如为从图4所示的积层体31中去除软磁体31b及反铁磁体31c的构成。
[0073] 如图5所示，如果施加正的外部磁场，那么比较例的存储层SL的磁化的方向在磁场Hc1e反转，相对于此，本实施方式的存储层SL的磁化的方向在大于磁场Hc1e的磁场Hc1(＞Hc1e)反转。同样地，如果施加负的外部磁场，那么比较例的存储层SL的磁化的方向在磁场-Hc2e反转，相对于此，本实施方式的存储层SL的磁化的方向在大于磁场-Hc2e的绝对值的磁场-Hc2(＜-Hc2e)反转。这样一来，能够确认如下情况：通过反铁磁体31c与铁磁体31a交换耦合，本实施方式的存储层SL的磁化的方向不容易相对于外部磁场反转(也就是说，保磁力增加，保存性提高)。
[0074] 另外，磁化的方向反转后的磁化的最大值(或最小值)在本实施方式的存储层SL、及比较例的存储层SL，成为同等的大小。因此，能够确认如下情况：积层体31整体的磁化并未因软磁体31b及反铁磁体31c而显著增加。
[0075] 1.2关于制造方法
[0076] 接着，对第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法进行说明。
[0077] 图6～图9是用来说明第1实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。在图6～图9中，为了方便说明，示出构成磁阻效应元件MTJ的各层中的铁磁体31a、软磁体31b、反铁磁体31c、及非磁性体32，省略其他层。
[0078] 在图6中表示积层作为隧道势垒层TB、及存储层SL发挥功能的预定的各种材料之后且进行退火处理之前的状态。在图7中表示图6的状态之后且退火处理过程中的状态。在图8中，表示图7之后且完成退火处理之后的状态。在图9中表示图8之后通过进行磁化处理而具备作为存储层SL的功能的状态。以下，依次对图6～图9的各状态进行说明。
[0079] 如图6所示，依次积层非磁性体32、铁磁体31a、软磁体31b、及反铁磁体31c。非磁性体32以具有bcc系的晶体结构的状态积层。铁磁体31a及软磁体31b以非晶质状态积层，反铁磁体31c以具有fct系的晶体结构的状态积层。所积层的各层除了作为磁阻效应元件MTJ发挥功能的预定的部分以外，其他部分例如通过使用离子束的蚀刻而去除。
[0080] 接着，如图7所示，对于在图6中积层的各层进行退火处理。具体来说，通过对于各层在指定的期间从外部施加热(例如300℃以上且400℃以下的范围)，将铁磁体31a从非晶质状态转换为结晶质。此处，非磁性体32能够发挥控制铁磁体31a的晶体结构的取向的作用。也就是说，铁磁体31a能够将非磁性体32作为种子使晶体结构生长(固相外延生长)。由此，铁磁体31a的结晶面的晶格间隔与非磁性体32的结晶面的晶格间隔变得相同(此处，将这种关系定义为“同一结构”)，从而铁磁体31a成为bcc系的晶体结构。
[0081] 在如上所述的退火处理期间，非晶质状态的软磁体31b抑制铁磁体31a从反铁磁体31c侧结晶化。由此，软磁体31b能够将结晶化为bcc系的铁磁体31a与结晶化为fct系的反铁磁体31c结晶性地分隔。此外，伴随着铁磁体31a的结晶化，铁磁体31a内所含有的硼(B)扩散到周围的层(例如软磁体31b)。软磁体31b通过被注入硼(B)，能够更容易地维持非晶质状态。
[0082] 另外，软磁体31b利用自身具有的磁性，维持铁磁体31a与反铁磁体31c之间的交换耦合。该交换耦合通过高温环境变得更稳固。此外，如上所述，反铁磁体31c以奈耳温度高于退火时的温度的方式设计，因此不会因退火而丧失反铁磁性，而能够增强与铁磁体31a的交换耦合。
[0083] 接着，如图8所示，图7中的退火处理结束。如上所述，软磁体31b抑制由具有fct系的晶体结构的反铁磁体31c阻碍铁磁体31a向bcc系的结晶化。由此，铁磁体31a能够获得用来作为存储层SL发挥功能的界面磁各向异性等各种特性。
[0084] 接着，如图9所示，对于在图8中退火处理结束的各层，进行磁化处理。具体来说，通过对于各层从外部在指定的方向(未图示)上，施加能够将与反铁磁体31c交换耦合的铁磁体31a磁化的程度的大小的磁场，将铁磁体31a磁化。伴随于此，软磁体31b在与铁磁体31a同等的磁化方向上被磁化。由此，铁磁体31a、软磁体31b、及反铁磁体31c成为能够发挥作为存储层SL的功能的状态。
[0085] 由上，磁阻效应元件MTJ的制造结束。
[0086] 1.3关于本实施方式的效果
[0087] 根据第1实施方式，存储层SL包括包含铁磁体31a及反铁磁体31c的积层体31。由此，通过铁磁体31a与反铁磁体31c交换耦合，能够不使积层体31整体的磁化增加，而增加积层体整体的磁化体积。因此，积层体31不易因热或外部磁场等外部干扰而铁磁体31a的磁化方向反转，从而保存性提高。另外，由于积层体31整体的磁化不增加，因此通过附加反铁磁体31c，能够抑制重新设计参考层RL或偏移消除层SCL等设计时的负载的增加。
[0088] 另外，反铁磁体31c含有选自镍锰(NiMn)及钯锰(PdMn)中的至少一种合金。由此，反铁磁体31c能够由阻尼低于含有铂锰(PtMn)或铱锰(IrMn)等的反铁磁体的材料构成，从而能够抑制注入到铁磁体31a的自旋转矩的散乱。因此，能够以更少量的写入电流有效率地注入自旋转矩，而能够使铁磁体31a的磁化方向反转。因此，能够抑制因添加反铁磁体31c导致写入电流增加。另外，通过选择上述材料，反铁磁体31c能够由高奈耳温度的材料构成。因此，即便暴露在退火时的高温环境下也不丧失反铁磁性，而能够维持与铁磁体31a的交换耦合。
[0089] 此外，反铁磁体31c由于具有fct系的晶体结构，因此有阻碍铁磁体31a结晶化为bcc系的可能性。在第1实施方式中，积层体31在铁磁体31a与反铁磁体31c之间设置具有非晶质结构的软磁体31b。具体来说，软磁体31b含有选自钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、及锰(Mn)中的至少一种元素、以及选自铌(Nb)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)、铪(Hf)、硅(Si)、及钆(Gd)中的至少一种元素。由此，软磁体31b容易维持非晶质状态，从而铁磁体31a与反铁磁体31c由软磁体31b结晶性地分隔。因此，铁磁体31a能够降低由反铁磁体31c阻碍向bcc系的结晶化的影响。
[0090] 另外，软磁体31b具有磁性，并且膜厚设定为0.1纳米以上0.3纳米以下。由此，即便软磁体31b设置在铁磁体31a与反铁磁体31c之间，也能够维持交换耦合。
[0091] 2.第2实施方式
[0092] 在第1实施方式中，对于在铁磁体31a与反铁磁体31c之间设置软磁体31b的情况进行了说明，但并不限于此。例如，软磁体31b也可以通过退火从非晶质状态结晶化，从而失去软磁性。在以下说明中，对于与第1实施方式同等的构成及制造方法省略其说明，主要对与第1实施方式不同的构成及制造方法进行说明。
[0093] 2.1关于磁阻效应元件的构成
[0094] 首先，对第2实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成进行说明。
[0095] 图10是用来说明第2实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。图10对应于在第1实施方式中说明的图4，设置硬磁性体31b'代替图4中的软磁体31b。
[0096] 硬磁性体31b'是具有高于软磁体31b的保磁力的铁磁体，在垂直于膜面的方向上具有易磁化軸方向。硬磁性体31b'例如通过与铁磁体31a铁磁性地耦合，能够具有与铁磁体31a相同的磁化方向。硬磁性体31b'与第1实施方式中的软磁体31b同样地含有钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、及锰(Mn)中的至少一种。另外，硬磁性体31b'可以含有选自钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、及锰(Mn)中的至少一种元素、以及选自铌(Nb)、锆(Zr)、钽(Ta)、钛(Ti)、铪(Hf)、硅(Si)、及钆(Gd)中的至少一种元素。更具体来说，硬磁性体31b'例如可以含有选自钴钛(CoTi)、钴铪(CoHf)、钴锆(CoZr)、镍铌(NiNb)、镍锆(NiZr)、镍钽(NiTa)、镍钛(NiTi)、镍铪(NiHf)、锰硅(MnSi)、及锰钆(MnGd)中的至少一种合金。另外，硬磁性体31b'可含有硼(B)作为杂质。
[0097] 2.2关于制造方法
[0098] 接着，对第2实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法进行说明。
[0099] 图11及图12是用来说明第2实施方式的磁存储装置的磁阻效应元件的制造方法的示意图。图11及图12分别对应于第1实施方式中的图7及图8。
[0100] 首先，与第1实施方式中的图6同样地，依次积层非磁性体32、铁磁体31a、软磁体31b、及反铁磁体31c。所积层的各层除了作为磁阻效应元件MTJ发挥功能的预定的部分以外，其他部分例如通过使用离子束的蚀刻去除。
[0101] 接着，如图11所示，对在图10中积层的各层进行退火处理。此处，非磁性体32能够发挥控制铁磁体31a的晶体结构的取向的作用。也就是说，铁磁体31a能够将非磁性体32作为种子使晶体结构生长(固相外延生长)。由此，铁磁体31a的结晶面的晶格间隔与非磁性体32的结晶面的晶格间隔变得相同(此处，将这种关系定义为“同一结构”)，从而铁磁体31a成为bcc系的晶体结构。在退火处理期间，非晶质状态的软磁体31b抑制铁磁体31a从反铁磁体
31c侧结晶化。由此，软磁体31b能够将结晶化为bcc系的铁磁体31a与结晶化为fct系的反铁磁体31c结晶性地分隔。
31c侧结晶化。由此，软磁体31b能够将结晶化为bcc系的铁磁体31a与结晶化为fct系的反铁磁体31c结晶性地分隔。
[0102] 另一方面，软磁体31b能够与铁磁体31a的结晶化一起，从非晶质状态结晶化为bcc系。伴随于此，软磁体31b失去软磁性，从而成为硬磁性体31b'。另外，硬磁性体31b'利用自身具有的磁性，维持铁磁体31a与反铁磁体31c之间的交换耦合。该交换耦合通过高温环境变得更稳固。
[0103] 接着，如图12所示，图11中的退火处理结束。此外，在软磁体31b成为硬磁性体31b'的阶段，铁磁体31a的结晶化大致完成，因此铁磁体31a的结晶化由反铁磁体31c阻碍的影响较小。因此，硬磁性体31b'能够抑制由fct系的反铁磁体31c阻碍铁磁体31a向bcc系的结晶化。因此，铁磁体31a能够获得为了作为存储层SL发挥功能所需的界面磁各向异性等各种特性。
[0104] 接着，与第1实施方式中的图9同样地，对于在图12中退火处理结束的各层，进行磁化处理。
[0105] 由上，磁阻效应元件MTJ的制造结束。
[0106] 2.3关于本变化例的效果
[0107] 根据第2实施方式，积层体31包含设置在铁磁体31a与反铁磁体31c之间的硬磁性体31b'。硬磁性体31b'在成膜时作为非晶质状态的软磁体31b积层。因此，在退火时铁磁体31a从非晶质状态结晶化时，维持非晶质状态。因此，与第1实施方式同样地，能够抑制铁磁体31a的优质的结晶化被反铁磁体31c阻碍。
[0108] 另外，在成膜时积层的软磁体31b通过在铁磁体31a的结晶化后成为硬磁性体31b'而失去软磁性，但依然具有磁性，因此能够具有维持铁磁体31a与反铁磁体31c间的交换耦合的功能。因此，与第1实施方式同样地，能够抑制存储层SL的写入电流的增加并且使保存特性提高。
[0109] 3.变化例等
[0110] 此外，并不限于上述第1实施方式及第2实施方式，可以进行各种变化。以下，对于能够应用于上述第1实施方式及第2实施方式的任一实施方式的若干变化例进行说明。此外，为了方便说明，主要对与第1实施方式的不同点进行说明。
[0111] 上述第1实施方式及第2实施方式所述的磁阻效应元件MTJ对于存储层SL设置在参考层RL的上方的顶部自由型的情况进行了说明，但也可以是存储层SL设置在参考层RL的下方的底部自由型。
[0112] 图13是用来说明第1变化例的磁存储装置的磁阻效应元件的构成的剖视图。图13对应于第1实施方式的图4中说明的顶部自由型的磁阻效应元件MTJ，表示底部自由型的磁阻效应元件MTJ的构成。
[0113] 如图13所示，在构成为底部自由型的情况下，元件22例如从字线WLd侧朝向位线BL侧(在Z轴方向上)，以积层体31、非磁性体32、铁磁体33、非磁性体34、及铁磁体35的顺序，积层多个材料。元件25例如从位线BL侧朝向字线WLu侧(在Z轴方向上)，以积层体31、非磁性体32、铁磁体33、非磁性体34、及铁磁体35的顺序，积层多个材料。另外，积层体31例如在Z轴方向上，依次积层反铁磁体31c、软磁体31b、及铁磁体31a，且在铁磁体31a的上表面上设置非磁性体32。对于铁磁体31a、软磁体31b、反铁磁体31c、非磁性体32、铁磁体33、非磁性体34、及铁磁体35，例如应用与第1实施方式同等的材料。通过以如上方式构成，在底部自由型的情况下，也能够发挥与第1实施方式的情况同等的效果。
[0114] 另外，上述第1实施方式及第2实施方式所述的存储单元MC对于应用2端子型的切换元件作为选择器SEL的情况进行了说明，但也可以应用MOS(Metal oxide semiconductor，金属氧化物半导体)晶体管作为选择器SEL。也就是说，存储单元阵列10并不限于如上所述在Z方向上具有多层的构造，可以应用任意阵列构造。
[0115] 图14是用来说明第2变化例的磁存储装置的存储单元阵列的构成的电路图。图14对应于第1实施方式的图1中说明的磁存储装置1中的存储单元阵列10。
[0116] 如图14所示，存储单元阵列10A具备分别与行及列建立对应关系的多个存储单元MC。而且，位于同一行的存储单元MC连接于同一字线WL，位于同一列的存储单元MC的两端连接于同一位线BL及同一源极线/BL。
[0117] 图15是用来说明另一个第2变化例的磁存储装置的存储单元的构成的剖视图。图15对应于第1实施方式的图3中说明的存储单元MC。此外，在图15的示例中，存储单元MC未相对于半导体基板积层，因此不标注“u”及“d”等后缀。
[0118] 如图15所示，存储单元MC设置在半导体基板40上，包含选择晶体管41(Tr)及磁阻效应元件42(MTJ)。选择晶体管41设置为开关，该开关在对磁阻效应元件42的数据写入及读出时，控制电流的供给及停止。磁阻效应元件42的构成与第1实施方式的图3或第1变化例的图13同等。
[0119] 选择晶体管41具备作为字线WL发挥功能的栅极(导电体43)、在该栅极的沿着x方向的两端设置在半导体基板40上的一对源极区域或漏极区域(扩散区域44)。导电体43设置在绝缘体45上，该绝缘体45设置在半导体基板40上作为栅极绝缘膜发挥功能。导电体43例如沿着y方向延伸，且共通连接于沿着y方向排列的其他存储单元MC的选择晶体管(未图示)的栅极。导电体43例如在x方向上排列。在设置在选择晶体管41的第1端的扩散区域44上设置连接器46。连接器46连接于磁阻效应元件42的下表面(第1端)上。在磁阻效应元件42的上表面(第2端)上设置连接器47，在连接器47的上表面上，连接作为位线BL发挥功能的导电体48。导电体48例如在x方向上延伸，且共通连接于在x方向上排列的其他存储单元的磁阻效应元件(未图示)的第2端。在设置在选择晶体管41的第2端的扩散区域44上设置连接器49。
连接器49连接于作为源极线/BL发挥功能的导电体50的下表面上。导电体50例如在x方向上延伸，且例如共通连接于在x方向上排列的其他存储单元的选择晶体管(未图示)的第2端。
导电体48及50例如在y方向上排列。导电体48例如位于导电体50的上方。此外，虽在图15中进行了省略，但导电体48及50相互避开物理及电干扰而配置。选择晶体管41、磁阻效应元件
42、导电体43、48、及50、以及连接器46、47、及49由层间绝缘膜51被覆。此外，相对于磁阻效应元件42沿着x方向或y方向排列的其他磁阻效应元件(未图示)例如设置在同一阶层上。也就是说，在存储单元阵列10A内，多个磁阻效应元件42例如配置在XY平面上。
连接器49连接于作为源极线/BL发挥功能的导电体50的下表面上。导电体50例如在x方向上延伸，且例如共通连接于在x方向上排列的其他存储单元的选择晶体管(未图示)的第2端。
导电体48及50例如在y方向上排列。导电体48例如位于导电体50的上方。此外，虽在图15中进行了省略，但导电体48及50相互避开物理及电干扰而配置。选择晶体管41、磁阻效应元件
42、导电体43、48、及50、以及连接器46、47、及49由层间绝缘膜51被覆。此外，相对于磁阻效应元件42沿着x方向或y方向排列的其他磁阻效应元件(未图示)例如设置在同一阶层上。也就是说，在存储单元阵列10A内，多个磁阻效应元件42例如配置在XY平面上。
[0120] 通过以如上方式构成，在对选择器SEL应用作为3端子型的切换元件的MOS晶体管而非2端子型的具有切换功能的切换元件的情况下，也能够发挥与第1实施方式同等的效果。
[0121] 另外，上述实施方式及变化例所述的存储单元MC对于磁阻效应元件MTJ设置在选择器SEL的下方的情况进行了说明，但也可以将磁阻效应元件MTJ设置在选择器SEL的上方。
[0122] 对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为示例而提出的，并非意图限定发明的范围。这些实施方式可以通过其他各种方式实施，可以在不脱离发明主旨的范围内，进行各种省略、置换、变更。这些实施方式或其变化包含在发明的范围或主旨中，且同样地包含在权利要求书所记载的发明及其等同的范围内。
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