(57)【要約】【課題】高い垂直磁気異方性及び磁気抵抗効果を得る。【解決手段】一実施形態の磁気装置は、磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子は、強磁性を有する第１構造体と、強磁性を有する第２構造体と、前記第１構造体及び前記第２構造体の間に設けられた第１非磁性体とを含む。前記第１構造体及び前記第２構造体は、前記第１非磁性体を介して反強磁性的に結合されている。前記第１構造体は、第１強磁性窒化物を含む。【選択図】図３
2020043224.tif 000002
【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、
強磁性を有する第１構造体と、
強磁性を有する第２構造体と、
前記第１構造体及び前記第２構造体の間に設けられた第１非磁性体と
を含み、
前記第１構造体及び前記第２構造体は、前記第１非磁性体を介して反強磁性的に結合され、
前記第１構造体は、第１強磁性窒化物を含む、
磁気装置。
【請求項２】
前記第１強磁性窒化物は、鉄、コバルト及びニッケルのうち少なくともいずれか１つの窒素化合物を含む、請求項１記載の磁気装置。
【請求項３】
前記第１非磁性体は、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、及びオスミウムのうち少なくともいずれか１つを含む、請求項１又は２に記載の磁気装置。
【請求項４】
前記第２構造体は、前記第１非磁性体に接している第１強磁性体を含む、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の磁気装置。
【請求項５】
前記第１強磁性体は、鉄、コバルト、及びニッケルのうち少なくともいずれか１つを含む、請求項４に記載の磁気装置。
【請求項６】
前記磁気抵抗効果素子は、
前記第１構造体に対して前記第１非磁性体の反対側に設けられた第２非磁性体と、
前記第２非磁性体に対して前記第１構造体の反対側に設けられた第２強磁性体と
を更に含む請求項１乃至５のうち何れか１項に記載の磁気装置。
【請求項７】
前記第１構造体は、前記第２非磁性体と前記第１強磁性窒化物との間に、前記第２非磁性体に接して設けられた、第３強磁性体を更に含む、請求項６に記載の磁気装置。
【請求項８】
前記第３強磁性体は、鉄、コバルト、及びニッケルのうち少なくともいずれか１つを含む、請求項７に記載の磁気装置。
【請求項９】
前記第１構造体は、前記第１強磁性窒化物と前記第３強磁性体との間に配置された第３非磁性体を更に含む、請求項７又は８に記載の磁気装置。
【請求項１０】
前記第３非磁性体は、タンタル、モリブデン、タングステン、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、及びプラチナのうち少なくともいずれか１つを含む請求項９に記載の磁気装置。
【請求項１１】
前記第１構造体は、前記第１非磁性体と前記第１強磁性窒化物との間に、前記第１非磁性体に接して設けられた、第４強磁性体を更に含む、請求項１乃至１０のうち何れか１項に記載の磁気装置。
【請求項１２】
前記第４強磁性体は、鉄、コバルト、及びニッケルのうち少なくともいずれか１つを含む、請求項１１に記載の磁気装置。
【請求項１３】
前記第２構造体は、前記第１強磁性体に対して前記第１非磁性体の反対側に設けられた第２強磁性窒化物を更に含む請求項４又は５に記載の磁気装置。
【請求項１４】
前記第２強磁性窒化物は、鉄、コバルト及びニッケルのうち少なくともいずれか１つの窒素化合物を含む、請求項１３記載の磁気装置。
【請求項１５】
前記第２構造体は、前記第１強磁性体と前記第２強磁性窒化物との間に配置された第４非磁性体を更に含む、請求項１３又は１４に記載の磁気装置。
【請求項１６】
前記第４非磁性体は、プラチナ、タンタル、モリブデン、タングステン、ロジウム、イリジウム、及びルテニウムのうち少なくともいずれか１つを含む請求項１５に記載の磁気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、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】
【特許文献１】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】
一実施形態の磁気装置は、磁気抵抗効果素子を備える。磁気抵抗効果素子は、強磁性を有する第１構造体と、強磁性を有する第２構造体と、前記第１構造体及び前記第２構造体の間に設けられた第１非磁性体とを含む。前記第１構造体及び前記第２構造体は、前記第１非磁性体を介して反強磁性的に結合されている。前記第１構造体は、第１強磁性窒化物を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１は、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である。
【図２】図２は、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である。
【図３】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の構成を説明するための模式図である。
【図４】図４は、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である。
【図５】図５は、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である。
【図６】図６は、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である。
【図７】図７は、第１実施形態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模式図である。
【図８】図８は、第１実施形態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模式図である。
【図９】図９は、第１実施形態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模式図である。
【図１０】図１０は、第１実施形態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模式図である。
【図１１】図１１は、第１実施形態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模式図である。
【図１２】図１２は、第１実施形態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模式図である。
【図１３】図１３は、第１実施形態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模式図である。
【図１４】図１４は、第１実施形態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模式図である。
【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。
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。
【０００９】
１．１．構成について
第１実施形態に係る磁気装置の構成について説明する。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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からのデータの読出しを行う。より具体的には、ＳＡ／ＷＤ１３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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
１．１．２．メモリセルの構成について
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。
【００１９】
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機能する。磁気抵抗効果素子２２は、積層された複数の膜を含む。磁気抵抗効果素子２２は、当該膜面に垂直な方向に電流が流れることで、その抵抗値が低抵抗状態と高抵抗状態とに切替わり得る。磁気抵抗効果素子２２は、この抵抗状態の変化によってデータが書込まれるように構成されており、書込まれたデータを不揮発に保持し、抵抗状態が読出され得るように構成されている記憶素子として機能する。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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の下面に接続される。磁気抵抗効果素子２２の上面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）の上面に共通接続される。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
１．１．３．磁気抵抗効果素子について
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の一例を示す模式図である。
【００２７】
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、記憶層（Storage layer）として機能する強磁性層１２０と、トンネルバリア層（Tunnel barrier layer）として機能する非磁性層１３０と、参照層（Reference layer）として機能する強磁性層１４０と、反強磁性スペーサー（Antiferromagnetic spacer）として機能する非磁性層１５０と、シフトキャンセル層（Shift cancelling layer）として機能する強磁性層１６０と、キャップ層（Capping layer）として機能する非磁性層１７０とを含む。図３以降の図では、非磁性層１１０、強磁性層１２０、非磁性層１３０、強磁性層１４０、非磁性層１５０、強磁性層１６０、及び非磁性層１７０はそれぞれ、「ＵＬ」、「ＳＬ」、「ＴＢ」、「ＲＬ」、「ＡＦＳ」、「ＳＣＬ」、及び「ＣＡＰ」とも示される。
【００２８】
磁気抵抗効果素子２２では、例えば、半導体基板２０側から非磁性層（ＵＬ）１１０、強磁性層（ＳＬ）１２０、非磁性層（ＴＢ）１３０、強磁性層（ＲＬ）１４０、非磁性層（ＡＦＳ）１５０、強磁性層（ＳＣＬ）１６０、及び非磁性層（ＣＡＰ）１７０の順に、ｚ軸方向に複数の膜が積層されている。磁気抵抗効果素子２２は、強磁性層（ＳＬ）１２０、強磁性層（ＲＬ）１４０、及び強磁性層（ＳＣＬ）１６０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。
【００２９】
非磁性層（ＵＬ）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）等の酸素化合物又は窒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（ＵＬ）１１０は、上述の酸素化合物又は窒素化合物の混合物を含んでもよい。つまり、非磁性層（ＵＬ）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）等を含んでもよい。酸素化合物又は窒素化合物は、それらに接する磁性層のダンピング定数の上昇を抑制し、書き込み電流を低減させる効果が得られる。さらに高融点金属の酸素化合物又は窒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。
【００３０】
強磁性層（ＳＬ）１２０は、導電性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸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。より具体的には、例えば、強磁性層（ＳＬ）１２０は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでもよい。また、強磁性層（ＳＬ）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。強磁性層（ＳＬ）１２０は、半導体基板２０側、強磁性層（ＲＬ）１４０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（ＳＬ）１２０の磁化方向は、強磁性層（ＲＬ）１４０と比較して容易に反転するように設定される。
【００３１】
非磁性層（ＴＢ）１３０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（ＴＢ）１３０は、隣り合う強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＲＬ）１４０の結晶化処理において、強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＲＬ）１４０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も機能する。結晶化処理の詳細については、後述する。
【００３２】
強磁性層（ＲＬ）１４０は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性層（ＲＬ）１４０の磁化方向は、固定されており、強磁性層（ＳＬ）１２０側又は強磁性層（ＳＣＬ）１６０側のいずれかを向く（図３の例では、強磁性層（ＳＣＬ）１６０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（ＳＬ）１２０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（ＳＬ）１２０、非磁性層（ＴＢ）１３０、及び強磁性層（ＲＬ）１４０は、非磁性層（ＴＢ）１３０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。
【００３３】
また、強磁性層（ＲＬ）１４０は、界面参照層（Interface reference layer）として機能する強磁性層１４１、作用層（Function layer）として機能する非磁性層１４２と、強磁性窒化物層（Ferromagnetic nitride layer）１４３と、作用層（Function layer）として機能する非磁性層１４４と、主参照層（Main reference layer）として機能する強磁性層１４５とを含む。強磁性層（ＲＬ）１４０では、例えば、半導体基板２０側から強磁性層１４１、非磁性層１４２、強磁性窒化物層１４３、非磁性層１４４、及び強磁性層１４５の順に、ｚ軸方向に複数の膜が積層されている。図３以降の図では、強磁性層１４１、非磁性層１４２、強磁性窒化物層１４３、非磁性層１４４、及び強磁性層１４５はそれぞれ、「ＩＲＬ」、「ＦＬ１」、「ＦＮＬ１」、「ＦＬ２」、及び「ＭＲＬ」とも示される。
【００３４】
強磁性層（ＩＲＬ）１４１は、強磁性層（ＳＬ）１２０と同様、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。より具体的には、例えば、強磁性層（ＩＲＬ）１４１は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでもよい。また、強磁性層（ＩＲＬ）１４１は、強磁性層（ＳＬ）１２０と同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。
【００３５】
非磁性層（ＦＬ１）１４２は、非磁性の膜であり、例えば、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びプラチナ（Ｐｔ）の少なくともいずれか１つを含む。非磁性層（ＦＬ１）１４２は、強磁性層（ＩＲＬ）１４１と強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３との間の結晶構造の違いをキャンセルし、強磁性層（ＩＲＬ）１４１及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３の配向性を向上させる役割を果たす。
【００３６】
強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）といった強磁性体から選択される少なくとも１つの元素の窒素化合物、例えば、窒化鉄、窒化コバルト、及び窒化ニッケルを含む。
【００３７】
強磁性窒化物は、共有結合を有しており、導電性及び磁気モーメントを維持しながら、良好な耐熱性を有し、拡散バリアとして機能する。すなわち、強磁性層（ＩＲＬ）１４１等の結晶化処理等の際に熱を加えられても、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３内の強磁性窒化物は拡散しにくい。その結果、例えば強磁性層（ＩＲＬ）１４１及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５内の強磁性体は、拡散によって強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３内に浸入しにくい。さらにこれと関連して、強磁性層（ＩＲＬ）１４１及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５内の強磁性体が強磁性層（ＩＲＬ）１４１及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５の外部へ拡散することが抑制される。
【００３８】
また、窒化鉄などの結晶構造は、例えば、PHYSICAL RWVIEW B 84, 245310 (2011)に開示されているように、鉄の体心立方格子（ＢＣＣ：Body Centered Cubic）の結晶構造から窒素濃度が高くなるにつれて垂直方向に延びて体心正方格子（ＢＣＴ：Body Centered Tetragonal）の結晶構造となっていく。これによって、高い垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）が発生する。
【００３９】
非磁性層（ＦＬ２）１４４は、非磁性の膜であり、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、及びルテニウム（Ｒｕ）の少なくともいずれか１つを含む。非磁性層（ＦＬ２）１４４は、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５の結晶構造の配向性を向上させる役割を果たす。
【００４０】
強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、例えば、強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＩＲＬ）１４１と同様に、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。より具体的には、例えば、強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでいてもよい。また、強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、強磁性層（ＳＬ）１２０、及び強磁性層（ＩＲＬ）１４１と同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。
【００４１】
強磁性層（ＩＲＬ）１４１、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、互いに強磁性的に結合することによって、互いに平行な磁化方向となる。このため、強磁性層（ＩＲＬ）１４１、非磁性層（ＦＬ１）１４２、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３、非磁性層（ＦＬ２）１４４、及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５を含む強磁性層（ＲＬ）１４０は、大きな垂直磁化を有する１つの強磁性の構造体とみなすことができる。
【００４２】
非磁性層（ＡＦＳ）１５０は、非磁性の膜であり、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、及びオスミウム（Ｏｓ）の少なくともいずれか１つを含む。非磁性層（ＡＦＳ）１５０は、強磁性層（ＲＬ）１４０と強磁性層（ＳＣＬ）１６０とを反強磁性的に結合させる役割を果たす。
【００４３】
強磁性層（ＳＣＬ）１６０は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性層（ＳＣＬ）１６０は、主シフトキャンセル層（Main shift cancelling layer）として機能する強磁性層１６１と、作用層（Function layer）として機能する非磁性層１６２と、強磁性窒化物層（Ferromagnetic nitride layer）１６３とを含む。強磁性層（ＳＣＬ）１６０では、例えば、半導体基板２０側から強磁性層１６１、非磁性層１６２、及び強磁性窒化物層１６３の順に、ｚ軸方向に複数の膜が積層されている。図３以降の図では、強磁性層１６１、非磁性層１６２、及び強磁性窒化物層１６３はそれぞれ、「ＭＳＣＬ」、「ＦＬ３」、及び「ＦＮＬ２」とも示される。
【００４４】
強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層であり、非磁性層（ＡＦＳ）１５０によって、強磁性層（ＭＲＬ）１４５と反強磁性的に結合される。このため、強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１の磁化方向は、強磁性層（ＭＲＬ）１４５の磁化方向と反平行な方向（図３の例では、強磁性層（ＲＬ）１４０側）に固定される。強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１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（ＲＬ）１４０よりも大きな値が設定される。
【００４５】
強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１は、例えば、強磁性層（ＭＲＬ）１４５と同様、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。より具体的には、例えば、強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含んでいてもよい。また、強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１は、強磁性層（ＭＲＬ）１４５と同様、上述した不純物の少なくとも１つを更に含んでいてもよい。
【００４６】
非磁性層（ＦＬ３）１６２は、非磁性の膜であり、例えば、プラチナ（Ｐｔ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、及びルテニウム（Ｒｕ）の少なくともいずれか１つを含む。非磁性層（ＦＬ３）１６２は、強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３の配向性を向上させる役割を果たす。
【００４７】
強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、膜面に垂直な方向に磁化容易軸を有する強磁性層である。強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３と同様、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）といった強磁性体から選択される少なくとも１つの元素の窒素化合物、例えば、窒化鉄、窒化コバルト、及び窒化ニッケルを含む。
【００４８】
強磁性窒化物は、共有結合を有しており、導電性及び磁気モーメントを維持しながら、良好な耐熱性を有し、拡散バリアとして機能する。すなわち、強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、熱が加えられても、強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３内の強磁性窒化物は拡散しにくい。その結果、強磁性層（ＳＣＬ）１６０の組成物の非磁性層（ＣＡＰ）１７０への拡散及び非磁性層（ＣＡＰ）１７０の組成物の強磁性層（ＳＣＬ）１６０への拡散が抑制される。
【００４９】
強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１と強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３とは、互いに強磁性的に結合することによって、互いに平行な磁化方向となる。このため、強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１、非磁性層（ＦＬ３）１６２、及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３を含む強磁性層（ＳＣＬ）１６０は、大きな垂直磁化を有する１つの強磁性の構造体とみなすことができる。強磁性層（ＳＣＬ）１６０からの漏れ磁場は、強磁性層（ＲＬ）１４０からの漏れ磁場が強磁性層（ＳＬ）１２０の磁化方向に与える影響を低減させる。
【００５０】
非磁性層（ＣＡＰ）１７０は、導電性を有する非磁性体の層であり、例えば、プラチナ（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。
【００５１】
第１実施形態では、このような磁気抵抗効果素子２２に書込み電流を流し、この書込み電流によって強磁性層（ＳＬ）１２０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（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＲＬ）１４０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できる。
【００５２】
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（ＳＬ）１２０から強磁性層（ＲＬ）１４０に向かう書込み電流を流すと、強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＲＬ）１４０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。
【００５３】
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（ＲＬ）１４０から強磁性層（ＳＬ）１２０に向かう書込み電流を流すと、強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＲＬ）１４０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。
【００５４】
１．２．磁気抵抗効果素子の製造方法について
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（ＲＬ）１４０（参照層ＲＬ）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。
【００５５】
図４、図５及び図６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４〜図６では、強磁性層（ＲＬ）１４０内の強磁性層（ＩＲＬ）１４１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及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５の強磁性体の拡散の様子が示される。なお、非磁性層（ＴＢ）１３０より下層に積層されている非磁性層（ＵＬ）１１０及び強磁性層（ＳＬ）１２０と、非磁性層（ＡＦＳ）１５０より上層に積層される強磁性層（ＳＣＬ）１６０及び非磁性層（ＣＡＰ）１７０とについては、簡単のため、図示を省略している。
【００５６】
図４に示すように、非磁性層（ＴＢ）１３０、強磁性層（ＩＲＬ）１４１、非磁性層（ＦＬ１）１４２、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３、非磁性層（ＦＬ２）１４４、強磁性層（ＭＲＬ）１４５、及び非磁性層（ＡＦＳ）１５０がこの順に積層される。非磁性層（ＴＢ）１３０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。また、強磁性層（ＩＲＬ）１４１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。強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３は、強磁性体である例えば鉄と、窒素とを混合して成膜することで作成される。
【００５７】
なお、図４〜図６では、便宜的に、強磁性層（ＩＲＬ）１４１内の強磁性体が「白丸」で表され、強磁性層（ＭＲＬ）１４５内の強磁性体が「黒丸」で表される。
【００５８】
図５に示すように、図４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、外部から熱が加えられることにより、強磁性層（ＩＲＬ）１４１が非晶質から結晶質へ変換される。ここで、非磁性層（ＴＢ）１３０は、強磁性層（ＩＲＬ）１４１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（ＩＲＬ）１４１は、非磁性層（ＴＢ）１３０をシード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（ＩＲＬ）１４１は、非磁性層（ＴＢ）１３０の結晶面と同じ結晶面に配向される。
【００５９】
強磁性層（ＩＲＬ）１４１の結晶構造が形成されることに伴い、強磁性層（ＩＲＬ）１４１内に含まれる不純物が、拡散され除去される。この拡散は、不純物だけでなく、強磁性層（ＩＲＬ）１４１内の強磁性体についても発生し得る。ここで、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３は、強磁性体である例えば鉄と、窒素との共有結合を有している。このため、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３は、良好な耐熱性を有する。強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３については、アニーリング処理において高温（３００〜４００℃）となっても、その内部の強磁性窒化物の外部への拡散は抑制され、また、外部からその内部への強磁性体の拡散も抑制される。これに伴って、図５に示すように、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３は、強磁性層（ＩＲＬ）１４１内の強磁性体が強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３の内部及びその先の層へ拡散することを抑制することができる。同様に、強磁性層（ＭＲＬ）１４５内の強磁性体が強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３の内部及びその先の層へ拡散することを抑制することができる。すなわち、強磁性層（ＩＲＬ）１４１内の強磁性体と強磁性層（ＭＲＬ）１４５内の強磁性体との相互拡散を抑制することができる。この他、強磁性層（ＲＬ）１４０内の物質の拡散は、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３が存在することによって、それがない場合と比較して全体として抑制される。
【００６０】
図６に示すように、アニーリング処理が終了する。強磁性層（ＩＲＬ）１４１は、ほとんどの不純物が抜き取られた状態で結晶化が進行する。このとき、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３は、強磁性層（ＩＲＬ）１４１の内部に含まれる強磁性体がその外部に拡散することを抑制する。一方で、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３の存在によって他の物質の拡散が抑制されているため、例えばプラチナ、タンタルなどといった強磁性層（ＩＲＬ）１４１にとっての不純物が、強磁性層（ＩＲＬ）１４１内に流入することも抑制される。これらの効果によって、強磁性層（ＩＲＬ）１４１は、良質に結晶化することができる。なお、強磁性層（ＩＲＬ）１４１には、不純物が残らないことが望ましいが、少量の不純物が残っていてもよい。
【００６１】
また強磁性層（ＭＲＬ）１４５については、層間反強磁性（ＳＡＦ：Synthetic antiferromagnetic）結合のためには強磁性層（ＭＲＬ）１４５に不純物が混入しないことが望ましい。また、非磁性層（ＡＦＳ）１５０の例えばルテニウムが熱によって拡散し、薄膜である非磁性層（ＡＦＳ）１５０が強磁性層（ＭＲＬ）１４５と同化してしまうことにより、ＳＡＦ結合が劣化することも避けたい。強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３の存在によって非磁性層（ＡＦＳ）１５０の例えばルテニウムの拡散も抑制される。したがって、強磁性層（ＭＲＬ）１４５に不純物が混入することや、非磁性層（ＡＦＳ）１５０と強磁性層（ＭＲＬ）１４５とが同化してしまうことによるＳＡＦ結合の劣化は抑制され得る。これらのように物質の拡散が抑制されることにより、界面磁気異方性等の諸特性が向上し得る。
【００６２】
また、強磁性層（ＩＲＬ）１４１及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、強磁性体を含む強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３を挟んで積層されている。このため、強磁性層（ＩＲＬ）１４１、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３、及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、この後に行われる着磁工程において互いに磁気結合することができ、全体として１つの強磁性層として振る舞うことができる。すなわち、強磁性層（ＩＲＬ）１４１、非磁性層（ＦＬ１）１４２、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３、非磁性層（ＦＬ２）１４４、及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５は、１つの強磁性層（ＲＬ）１４０（参照層ＲＬ）として振る舞うことができる。これにより、強磁性層（ＩＲＬ）１４１のみから構成される場合よりも、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５の分だけ磁性体の体積が大きい構造の参照層ＲＬを製造することができる。
以上で、参照層ＲＬの製造が終了する。
【００６３】
なお、図示を省略した強磁性層（ＳＣＬ）１６０においても、強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、アニーリング処理の際に、強磁性層（ＳＣＬ）１６０から非磁性層（ＣＡＰ）１７０への物質の拡散、及び非磁性層（ＣＡＰ）１７０から強磁性層（ＳＣＬ）１６０への物質の拡散を防ぐ機能を有する。また、強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、非磁性層（ＡＦＳ）１５０及び強磁性層（ＳＣＬ）１６０内の物質の拡散を抑制する。その結果、強磁性層（ＳＣＬ）１６０等における界面磁気異方性等の諸特性も向上し得る。
【００６４】
１．３．本実施形態に係る効果について
第１実施形態では、磁気抵抗効果素子２２は、非磁性層（ＡＦＳ）１５０を介した２つの強磁性層（ＲＬ）１４０及び強磁性層（ＳＣＬ）１６０による層間反強磁性（ＳＡＦ：Synthetic antiferromagnetic）結合を有する。強磁性層（ＲＬ）１４０に、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３が設けられ、強磁性層（ＳＣＬ）１６０に強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３が設けられている。これら強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、共有結合を有しており、熱的安定性が高い。
【００６５】
このため、例えばアニーリング処理など、磁気抵抗効果素子２２の製造工程において例えば３００乃至４００℃といった高温で加熱される処理が行われても、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３の強磁性窒化物は拡散し難い。また、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３に物質は浸入しにくい。このように、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、拡散バリアとして機能する。強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３が存在することで、磁気抵抗効果素子２２の各層を構成する物質は、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３がない場合と比較して、全体的に拡散し難くなる。
【００６６】
その結果、例えば、強磁性層（ＲＬ）１４０内の強磁性層（ＩＲＬ）１４１は、良質な結晶質となり得る。これにより、強磁性層（ＩＲＬ）１４１と非磁性層（ＦＬ１）１４２との界面異方性が発生し、強磁性層（ＩＲＬ）１４１は高い垂直磁気異方性を得ることができる。
【００６７】
同様に、強磁性層（ＲＬ）１４０内の強磁性層（ＭＲＬ）１４５及び強磁性層（ＳＣＬ）１６０内の強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１も、これらの層から他の層への物質の流出、及びこれらの層への他の層からの物質の流入による、機能の低下が抑制される。例えば、強磁性層（ＭＲＬ）１４５のコバルトと非磁性層（ＦＬ２）１４４のプラチナとによって発生する垂直磁気異方性、及び、例えば、強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１のコバルトと非磁性層（ＦＬ３）１６２のプラチナとによって発生する垂直磁気異方性が維持される。このようなコバルトとプラチナとの層に例えば鉄が混入すると垂直磁気異方性が低下することが知られている。本実施形態では、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３の存在によって、鉄を含む物質の拡散が抑制されるため、垂直磁気異方性の低下が抑制される。
【００６８】
また、非磁性層（ＡＦＳ）１５０に関する拡散も抑制されるので、非磁性層（ＡＦＳ）１５０を介した強磁性層（ＲＬ）１４０内の強磁性層（ＭＲＬ）１４５及び強磁性層（ＳＣＬ）１６０内の強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１の反強磁性結合の低下も抑制される。
【００６９】
また、例えば非磁性層（ＦＬ１）１４２のタンタル等が非磁性層（ＴＢ）１３０に流入することも抑制されるので、タンタル等の非磁性層（ＴＢ）１３０への流入による、ＭＲ比の低下も抑制される。
【００７０】
また、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、上述のように高い熱的安定性を有し拡散バリアとしての機能を担いつつ、垂直磁気異方性も有している。したがって、それらの存在は、強磁性層（ＲＬ）１４０及び強磁性層（ＳＣＬ）１６０の垂直磁気異方性を悪化させない。また、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３は、導電性が良好で、抵抗値が小さい。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できる。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できる。
【００７１】
以上のように、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３の存在は、製造プロセスにおいて避けられない加熱によって、磁気抵抗効果素子２２における反強磁性結合の結合エネルギーの低下、各層の垂直磁気異方性の低下、抵抗変化率の低下などを抑制し、優れた磁気抵抗効果素子２２を実現することに効を奏する。
【００７２】
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。
【００７３】
例えば、図３に示した構造のうち、いくつかの層は省略され得る。例えば、図７に示すように、非磁性層（ＦＬ２）１４４はなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子２２には、非磁性層（ＡＦＳ）１５０を介した強磁性層（ＭＲＬ）１４５及び強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１による反強磁性結合が含まれている。さらに、図８に示すように、強磁性層（ＭＲＬ）１４５がなくてもよい。この場合も、磁気抵抗効果素子２２には、非磁性層（ＡＦＳ）１５０を介した強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性層（ＭＳＣＬ）１６１による反強磁性結合が含まれている。
【００７４】
さらに、図９に示すように、非磁性層（ＦＬ１）１４２がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子２２には、非磁性層（ＴＢ）１３０を挟んで強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＩＲＬ）１４１が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。さらに、図１０に示すように、強磁性層（ＩＲＬ）１４１がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子２２には、非磁性層（ＴＢ）１３０を挟んで強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。
【００７５】
また、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３、非磁性層（ＦＬ２）１４４及び強磁性層（ＭＲＬ）１４５は存在するが、非磁性層（ＦＬ１）１４２、又は強磁性層（ＩＲＬ）１４１及び非磁性層（ＦＬ１）１４２がない構成も採用され得る。
【００７６】
また、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。
【００７７】
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一例の模式図を図１１に示す。図１１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（ＵＬ）１１０、シフトキャンセル層として機能する強磁性層（ＳＣＬ）１６０、反強磁性スペーサーとして機能する非磁性層（ＡＦＳ）１５０、参照層として機能する強磁性層（ＲＬ）１４０、トンネルバリア層として機能する非磁性層（ＴＢ）１３０、記憶層として機能する強磁性層（ＳＬ）１２０、及びキャップ層として機能する非磁性層（ＣＡＰ）１７０がこの順に積層される。そして、強磁性層（ＲＬ）１４０及び強磁性層（ＳＣＬ）１６０に、強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ２）１６３がそれぞれ設けられている。
【００７８】
なお、非磁性層（ＡＦＳ）１５０の直上には強磁性層（ＭＲＬ）１４５が存在する必要があるため、図１１に示した構造では、非磁性層（ＡＦＳ）１５０から順に、強磁性層（ＭＲＬ）１４５−２、非磁性層（ＦＬ２）１４４、強磁性層（ＭＲＬ）１４５−１が配置されている。
【００７９】
また、例えば、図１１に示した構造のうち、いくつかの層は省略され得る。例えば、図１２に示すように、非磁性層（ＦＬ２）１４４及び強磁性層（ＭＲＬ２）１４５−２はなくてもよい。この場合も、非磁性層（ＡＦＳ）１５０の直上には強磁性層（ＭＲＬ）１４５−１が配置されている。さらに、図１３に示すように、強磁性層（ＭＲＬ１）１４５−１がなくてもよい。この場合も、非磁性層（ＡＦＳ）１５０の直上には強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３が配置されている。さらに、非磁性層（ＦＬ１）１４２がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子２２には、非磁性層（ＴＢ）１３０を挟んで強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性層（ＩＲＬ）１４１が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。さらに、強磁性層（ＩＲＬ）１４１がなくてもよい。このときも、磁気抵抗効果素子２２には、非磁性層（ＴＢ）１３０を挟んで強磁性層（ＳＬ）１２０及び強磁性窒化物層（ＦＮＬ１）１４３が存在することにより、トンネル磁気抵抗効果が得られる。
【００８０】
更に、上述の第１実施形態及び変形例では、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。
【００８１】
上述の実施形態ではスイッチング素子として３端子の選択トランジスタを用いた構成で説明しているが、例えば、２端子間スイッチ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。すなわち、２端子間スイッチ素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。このスイッチ素子には、例えば、Ｔｅ、Ｓｅ及び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。このスイッチ素子は、他にも、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ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。このような２端子間スイッチ素子は、上述の実施形態のように、２つのコンタクトプラグを介して、磁気抵抗効果素子に接続される。２つのコンタクトプラグのうち、磁気抵抗効果素子側のコンタクトプラグは、例えば、銅を含む。磁気抵抗効果素子と銅を含むコンタクトプラグとの間に、導電層（例えば、タンタルを含む層）が設けられてもよい。
【００８２】
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】
【００８３】
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、１１０，１３０，１４２，１４４，１５０，１６２，１７０…非磁性層、１２０，１４０，１４１，１４５，１４５−１，１４５−２，１６０，１６１…強磁性層、１４３，１６３…強磁性窒化物層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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