磁性器件的制作方法

本申请享有以日本专利申请2019-049562号(申请日：2019年3月18日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。

本发明的实施方式涉及磁性器件。

背景技术：

为了提高磁阻效应元件的特性，推进了关于元件的结构及元件的构成构件的研究及开发。

技术实现要素：

本发明所要解决的课题是提供一种能够提高器件的特性的磁性器件。

本实施方式的磁性器件包括：设置于基板的上方的第1磁性体；所述基板与所述第1磁性体之间的第2磁性体；所述第1磁性体与所述第2磁性体之间的非磁性体；设置于所述基板与所述第2磁性体之间并包括非晶层的第1层；以及，设置于所述非晶层与所述第2磁性体之间并包括结晶层的第2层。

附图说明

图1是示出实施方式的磁性器件的基本例的图。

图2是示出实施方式的磁性器件的结构例的图。

图3是示出实施方式的磁性器件的特性的图。

图4是示出实施方式的磁性器件的特性的图。

图5是示出实施方式的磁性器件的特性的图。

图6是示出实施方式的磁性器件的特性的图。

图7是示出实施方式的磁性器件的特性的图。

图8是示出实施方式的磁性器件的特性的图。

图9是示出实施方式的磁性器件的特性的图。

图10是用于说明实施方式的磁性器件的变形例的图。

图11是用于说明实施方式的磁性器件的应用例的图。

图12是用于说明实施方式的磁性器件的应用例的图。

图13是用于说明实施方式的磁性器件的应用例的图。

附图标记说明

400、400a：磁性器件；30、31：电极；10：层叠体(磁隧道结)；11、12：磁性体；111：参照层；115：偏移消除(shiftcancel)层；13：非磁性层。

具体实施方式

[实施方式]

以下，参照附图(图1至图13)，对本实施方式详细地进行说明。在以下的说明中，对于具有同一功能以及构成的要素，标注同一标号。另外，在以下的各实施方式中，标注有在末尾带有用于进行区别化的数字/英文的参照标号(例如，字线wl、位线bl、各种电压以及信号等)的构成要素，在相互不区别也可以的情况下，使用省略了末尾的数字/英文的记载(参照标号)。

(1)实施方式

参照图1至图9，对第1实施方式的磁性器件及其制造方法进行说明。

(a)基本例

使用图1对本实施方式的磁性器件的基本例进行说明。

图1是示出本实施方式的磁阻效应元件的基本例的结构的示意性剖视图。

如图1所示，本实施方式的磁阻效应元件400a包括2个磁性体11a、12a、非磁性体13a、以及基底层(非磁性体)19a。

磁性体11a、12a各自在相对于基板80的表面垂直的方向(在此为z方向)上设置于基板的上方。

磁性体11a设置于磁性体12a与基板80之间。磁性体11a至少包括1个磁性层111a。

磁性体11a例如包括2个磁性层111a、115a、以及非磁性层116a。磁性层111a设置于磁性层115a的z方向上的上方。非磁性层116a设置于2个磁性层111a、115a之间。非磁性层116a是金属层。

这样，磁性体11a是包括在z方向上层叠着的多个层111a、115a、116a的层叠体。

例如，磁性体11a具有saf(syntheticantiferromagnetic：合成反铁磁性)结构。磁性体11a的2个磁性层111a、115a隔着非磁性的金属层116a而被反铁磁性地耦合。在saf结构中，磁性层111a的磁化的朝向被设定为与磁性层115a的磁化的朝向相反的朝向。

以下，磁性体11a也称为saf结构(或saf层)11a。

非磁性体13a设置于磁性体11a与磁性体12a之间。

基底层19a设置于saf结构11a与基板80之间。基底层19a是层叠体。基底层19a包括多个层190a、199a。层199a设置于磁性体11a与基板80之间。层190a设置于磁性体11a与层199a之间。这样，基底层19a是包括在z方向上层叠着的多个层的层叠体。

基底层19a作为用于改善磁性体11a的特性的层发挥功能。

也可以将1个以上的层(构件)设置于基板80与磁性体11a之间。

本实施方式的磁性器件是磁阻效应元件。本实施方式的磁阻效应元件400a能够相应于2个磁性体11a、12a的相对的磁化排列而取得多个抵抗状态(磁阻值、电阻值)。

在本实施方式中，基底层19a的层199a是包括非晶层的层(以下，称为非晶层)。

在本实施方式中，基底层19a的层190a是包括结晶层的层(以下，称为结晶层)。结晶层190a具有单层结构或层叠结构。

非晶层199a在z方向上设置于结晶层190a的下方。非晶层199a防止比非晶层199a靠下方的层(例如，基板80或导电层)的结晶特性(结晶信息以及缺陷信息等)被向比非晶层199a靠上方的层(例如，层190a以及磁性体11a)传播(转移)。结晶层190a能够促进磁性体11a的晶体生长。

由于比非晶层199a靠下方的层的结晶特性的传播由非晶层199a防止，因此，磁性体11a大致依存于结晶层190a的结晶特性来进行晶体生长。因此，在本实施方式中，磁性体11a的结晶的均匀性提高。

另外，非晶层199a具有比较高的平坦性。由此，设置在非晶层199a上的结晶层190a、磁性体11a、12a以及非磁性体13a的平坦性也提高。

作为其结果，在本实施方式的磁阻效应元件中，磁性体11a、12a的磁特性得到改善。

由此，本实施方式的磁阻效应元件(磁性器件)的特性提高。

(b)结构例

使用图2对本实施方式的磁阻效应元件(mtj元件)的结构进行说明。

图2是示出本实施方式的磁阻效应元件的结构例的示意性剖视图。在图2中，为了图示的明确化，省略覆盖元件的保护膜以及层间绝缘膜的图示。

如图2所示，本实施方式的磁阻效应元件400具有长方形形状的截面形状。但是，本实施方式的磁阻效应元件400也可以具有梯形形状的截面形状。例如，本实施方式的mtj元件400具有圆形状、椭圆形状、或四边形形状(例如，正方形形状或长方形形状)的平面形状(从z方向观察到的形状)。另外，在四边形形状的平面形状的mtj元件中，四边形形状的平面形状的磁性层的角也有时变圆(倒圆角，round)。

本实施方式的磁阻效应元件400包括层叠体10、19以及2个电极30、31。层叠体10设置于2个电极30、31之间。层叠体19设置于层叠体10与电极30之间。

电极30设置于磁阻效应元件400的z方向上的一端侧。电极31设置于磁阻效应元件400的z方向上的另一端侧。电极31在z方向上设置于电极30的上方。以下，电极30称为下部电极30，电极31称为上部电极31。

电极30、31的材料例如包含钨(w)、钽(ta)、氮化钽(tan)、钛(ti)、以及氮化钛(tin)等中的至少1个。

此外，各电极30、31可以是单层结构，也可以是多层结构。

层叠体10至少包括2个磁性体11、12以及非磁性体13。

磁性体11设置于下部电极30与非磁性体13之间。磁性体12设置于上部电极31与非磁性体13之间。非磁性体13设置于2个磁性体11、12之间。在隔着非磁性体13的2个磁性体11、12之间，形成有磁隧道结(mtj)。

以下，包括磁隧道结的磁阻效应元件称为mtj元件。非磁性体13称为隧道势垒层13。隧道势垒层13例如是包含氧化镁(mgo)的绝缘膜。

磁性体12具有磁化。磁性体12的磁化的朝向为可变。以下，磁化的朝向可变的磁性体12称为存储层12。存储层12也有时称为自由层、磁化可变层或磁化自由层。

存储层12设置于电极31与隧道势垒层13之间。存储层12与电极31接触。但是，在电极31与存储层12之间，也可以设置1个以上的层(以下，称为帽盖层(caplayer))。帽盖层例如也可以包括氧化镁层。

例如，存储层12包含钴铁硼(cofeb)或硼化铁(feb)。

磁性体11是具有saf结构的层叠体。saf结构的磁性体11包括2个磁性层111、115以及非磁性层116。非磁性层116是金属层。非磁性层116例如是钌膜(ru膜)。

磁性层111、115各自具有磁化。磁性层115的磁化的朝向与磁性层111的磁化的朝向相反。2个磁性层111、115隔着金属层116而反铁磁性地耦合。由此，2个磁性层111、115的磁化互相被固定。

以下，saf结构(磁性体)11的2个磁性层111、115中的上部电极31侧的磁性层111称为参照层111。参照层111也有时称为钉扎层、被钉扎层、磁化固定层、或磁化不变层。saf结构(磁性体)11的2个磁性层中的、下部电极30侧的磁性层115称为偏移消除层115。此外，saf结构11也有时称为参照层。

偏移消除层115减少参照层111的漏磁场。由此，以参照层111的漏磁场为起因的对存储层12的磁化的不良影响(例如，磁场偏移)受到抑制。

例如，参照层111包含钴铁硼(cofeb)或硼化铁(feb)。另外，参照层111也可以包含钴铂(copt)、钴镍(coni)、或钴钯(copd)。例如，参照层111是使用了这些材料的合金膜或层叠膜(例如，人工晶格膜)。

例如，偏移消除层115的材料与参照层111的材料相同。

参照层111的磁化的朝向以及偏移消除层115的磁化的朝向为不变(固定状态)。参照层111以及偏移消除层115的磁化的朝向为“不变”或“固定状态”意味着：在用于使存储层12的磁化的朝向反转的电流或电压被供给到mtj元件400的情况下，在该电流或电压的供给的前后，参照层111以及偏移消除层115的磁化的朝向不变化。对存储层12的磁化反转阈值、参照层111的磁化反转阈值、以及偏移消除层115的磁化反转阈值分别进行控制，以使得参照层111以及偏移消除层115的磁化的朝向不变。例如，为了控制磁化反转阈值，若存储层和参照层(以及偏移消除层)为相同材料系，则使参照层111的膜厚比存储层12的膜厚厚。

例如，存储层12、参照层111以及偏移消除层115各自具有垂直磁各向异性。存储层12的磁化、参照层111的磁化以及偏移消除层115的磁化的方向沿着相对于层112(以及层111、115)的层面(膜面)大致垂直的方向。磁性层12、111、115的磁化的方向(易磁化轴方向)是与磁性层12、111、113的层叠方向大致平行的方向。

存储层12的磁化朝向下部电极30侧和上部电极31侧中的任一个。参照层111的固定状态的磁化通过saf而被设定(固定)为下部电极30侧和上部电极31侧中的任一方的朝向。

mtj元件400的电阻状态(电阻值)相应于存储层12的磁化的朝向与参照层111的磁化的朝向的相对关系(磁化排列)而变化。

在存储层12的磁化的朝向与参照层111的磁化的朝向相同的情况下(在mtj元件400的磁化排列为平行排列状态的情况下)，mtj元件400具有第1电阻值r1。在存储层12的磁化的朝向与参照层111的磁化的朝向不同的情况下(在mtj元件400的磁化排列为反平行排列状态的情况下)，mtj元件400具有比第1电阻值r1高的第2电阻值r2。

在本实施方式中，mtj元件400中的平行排列状态也表示为p状态，mtj元件400中的反平行排列状态也表示为ap状态。

例如，在通过stt(spintorquetransfer：自旋转矩转移)而转换存储层的磁化的朝向的情况下，写入电流被向mtj元件400供给。

根据写入电流是从存储层12流向参照层111、还是从参照层111流向存储层12，来控制mtj元件400的磁化排列状态中的从ap状态向p状态的变化、或mtj元件400的磁化排列状态中的从p状态向ap状态的变化。写入电流的电流值被设定为比参照层111的磁化反转阈值小且为存储层12的磁化反转阈值以上。由此，有助于存储层12的磁化转换的自旋转矩被施加于存储层12。

在使mtj元件400的磁化排列状态从ap状态向p状态变化的情况下，与参照层111的磁化的朝向相同的朝向的自旋(电子)的自旋转矩被施加于存储层12的磁化。在存储层12的磁化的朝向相对于参照层111的磁化的朝向相反的情况下，存储层12的磁化的朝向因所施加了的自旋转矩而变为与参照层111的磁化的朝向相同的朝向。

作为其结果，mtj元件400的磁化排列被设定为p状态。此外，在对p状态的mtj元件400的存储层12施加了与参照层111的磁化的朝向相同的朝向的自旋的自旋转矩的情况下，存储层12的磁化的朝向不变化。因此，mtj元件400维持p状态。

在使mtj元件400的磁化排列状态从p状态向ap状态变化的情况下，相对于参照层111的磁化的朝向相反的朝向的自旋的自旋转矩被施加于存储层12的磁化。在存储层12的磁化的朝向与参照层111的磁化的朝向相同的情况下，存储层12的磁化的朝向因所施加了的自旋转矩而变为相对于参照层111的磁化的朝向相反的朝向。

作为其结果，mtj元件400的磁化排列被设定为ap状态。此外，在对ap状态的mtj元件400的存储层12施加了与参照层111的磁化的朝向相反的朝向的自旋的自旋转矩的情况下，存储层12的磁化的朝向不变化。因此，mtj元件400维持ap状态。

在判别mtj元件400的电阻值的情况下，读出电流被向mtj元件400供给。读出电流的电流值被设定为比存储层12的磁化反转阈值小的值。基于来自被供给了读出电流的mtj元件400的输出值(例如，电流值或电压值)的大小，等效地判别mtj元件400的电阻值(磁化排列状态)。

在本实施方式的mtj元件400中，层叠体19设置于saf结构11与下部电极30之间。层叠体19是非磁性体。以下将层叠体19称为基底层19。

基底层19是包括第1层191和第2层192的层叠体。第1层191与第2层192在z方向上层叠。

第1层191设置于下部电极30与第2层192之间。第2层192设置于磁性体11与第1层191之间。第2层192例如与偏移消除层115直接接触。

第1层191以及第2层192例如是结晶层。第1层191以及第2层192在形成磁性体11时作为用于磁性体11(磁性层115)的晶体生长的缓冲层发挥功能。以下，第1层191以及第2层192分别称为第1缓冲层以及第2缓冲层。第2缓冲层192在z方向上设置于第1缓冲层191的上方。层191以及层192形成层叠结构的缓冲层(图1的层190)。

例如，第1缓冲层191提高第2缓冲层192的结晶性(取向性)。第2缓冲层192提高第2缓冲层192上的磁性层的结晶性(取向性)。

第2缓冲层(结晶层)192优选具有类似于与第2缓冲层192相接的层(在此为偏移消除层115)的晶体结构的晶体结构。例如，在对偏移消除层115使用具有fcc(111)和/或hcp(0002)的晶体取向(晶体结构)的材料的情况下，第2缓冲层192例如优选具有fcc(111)和/或hcp(0002)的晶体取向。

例如，第1缓冲层191的材料是钽(ta)。例如，第2缓冲层192的材料从铂(pt)、钌(ru)等中选择。在该情况下，偏移消除层115(以及参照层111)的材料例如使用copt系的材料。

第1缓冲层191的材料以及第2缓冲层192的材料不限定于上述的例子。第1缓冲层191的材料、第2缓冲层192的材料以及偏移消除层的材料的组合优选考虑材料(层)的热膨胀率、晶格常数、以及晶体结构等而适当选择。

例如，基底层19包括除第1缓冲层191以及第2缓冲层192以外的层199。

层(以下，也称为间隔层)199设置于下部电极30与第1缓冲层191之间。例如，层199是非晶状的层。层199优选是具有导电性的金属层或化合物层(例如，硼化物层或氮化物层)。例如，层199的材料是硼化铪(hfb)。

非晶层199的膜厚为缓冲层191的膜厚与缓冲层192的膜厚的合计的厚度以上。非晶层199的膜厚以及缓冲层191、192的膜厚是相对于基板9的表面垂直的方向(z方向)的尺寸。

此外，间隔层也可以作为下部电极30的一部分来处理。

在本实施方式中，通过包括非晶层以及缓冲层(结晶层)的基底层19，从而saf结构所含的磁性层的磁特性得到改善。

作为其结果，本实施方式的mtj元件400的特性提高。

(c)特性

参照图3至图9，对本实施方式的mtj元件的特性进行说明。

图3是示出本实施方式的mtj元件中的、基底层的特性的一例的图表。

在图3中，图表的横轴与磁场(h[koe])对应，图表的纵轴与ms×t(饱和磁化与膜厚之积)([emu/cm²])对应。

在图3中，作为与本实施方式有关的例子，示出ru/ta/hfb层的磁特性。作为相对于ru/ta/hfb层的比较例，示出了ru/ta层的磁特性。此外，以下，在将包括层“a”以及层“b”的层叠体(层叠膜)用“a/b”表示的情况下，表示层a层叠在层b的上表面上。

在ru/ta/hfb层中，ru层的膜厚为2.0nm，ta的膜厚为1.0nm，hfb的膜厚为2.0nm。在比较例的ru/ta层中，ru层的膜厚为2.0nm，ta的膜厚为2.0nm。

如图3所示，与hfb的有无无关，ru/ta/hfb层上的磁性层的磁特性示出与ru/ta层上的磁性层的磁特性大致相同的倾向。

在使用ru/ta/hfb层的基底层形成了包括偏移消除层的mtj元件的情况下，不具有结晶特性(结晶信息)的非晶的hfb层防止将基板的结晶特性反映(转移)到基底层上的磁性层的结晶特性。另外，由非晶层形成比较平坦的基底层。

由此，与基底层相接的磁性层的结晶特性、包括该磁性层的层叠体(例如，磁隧道结)的特性得到改善。

例如，在具有图2的例子的结构的mtj元件中，由基板的结晶特性引起的偏移消除层的特性的劣化受到抑制。因此，偏移消除层的特性、以及偏移消除层与参照层的saf结构的特性提高。

作为其结果，本实施方式的mtj元件的特性(例如，可靠性和/或tmr特性)提高。

图4至图6示出基底层的缓冲层的膜厚的变化与磁性体以及磁阻效应元件的特性之间的关系。

在图4至图6中，作为与本实施方式有关的基底层的一例，将pt/ta层用于缓冲层，将hfb层用于非晶层。作为基底层的别的一例，将ru/ta层用于缓冲层，将hfb层用于非晶层。非晶层设置于基板与缓冲层之间。

在图4至图6中，作为比较值，示出了ru层与ta层的层叠结构的基底层(ru/ta层)。在比较值的ru/ta层中，ru层具有2nm的膜厚，ta层具有2nm的膜厚。

在图4至图6中，缓冲层的膜厚(x)在从0nm到2nm的范围内变化。

图4是示出本实施方式中的、基底层上的磁性体的特性的一例的图表。

在图4中，图表的横轴与缓冲层的膜厚(x)对应，图表的纵轴与缓冲层上的磁性层的表面粗糙度(rq)对应。此外，表面粗糙度(表面形态)rq是表示层的表面的凹凸的指标。

在图4中，缓冲层的膜厚(x)在从0nm到2nm的范围内变化。以下，pt层的缓冲层称为pt缓冲层，ru层的缓冲层称为ru缓冲层。

如图4所示，在非晶层与pt缓冲层的层叠结构(pt/ta/hfb层)中，pt缓冲层上的磁性体(例如，saf结构)的表面粗糙度(rq)在pt缓冲层为2nm以下的情况下小于比较值v1。

与此同样地，在非晶层与ru缓冲层的层叠结构(ru/ta/hfb层)中，ru缓冲层上的磁性体的表面粗糙度(rq)也在ru缓冲层为2nm以下的情况下小于比较值v1。

图5是示出本实施方式中的、基底层上的磁性体的磁特性的一例的图表。

在图5中，图表的横轴与缓冲层(ru层或pt层)的膜厚(x[nm])对应，图表的纵轴与基底层上的磁性体(例如，saf结构)的交换耦合磁场的强度(hex[oe])对应。

在图5中，缓冲层的膜厚(x)在从0nm到2nm的范围内变化。

如图5所示，在将pt层用于缓冲层的情况下，pt缓冲层上的磁性体的交换耦合磁场的强度hex在pt缓冲层为1nm以上的情况下会变为比较值v2以上。

在将ru层用于缓冲层的情况下，ru缓冲层上的磁性体的交换耦合磁场的强度hex在ru缓冲层为2nm以上的情况下会变为与比较值v2相同程度。

图6是示出本实施方式中的、基底层上的磁阻效应元件的特性的一例的图表。

在图6中，图表的横轴与缓冲层(ru层或pt层)的膜厚(x[nm])对应，图表的纵轴与磁阻效应元件(mtj元件)的隧道磁阻比(tmr比)对应。

在图6中，缓冲层的膜厚(x)在从0nm到2nm的范围内变化。

如图6所示，在将pt层用作缓冲层的情况下，磁阻效应元件的tmr比的值高于比较值v3。

在将ru层用作缓冲层的情况下，磁阻效应元件的tmr比维持为比较值v3左右。

因此，在对基底层的缓冲层使用了pt层的情况下，在pt缓冲层为1nm以上且2nm以下时，能够提高缓冲层上的磁阻效应元件的平坦性、磁特性、以及tmr比。

图7至图9示出基底层的缓冲层的膜厚的变化与磁性体以及磁阻效应元件的特性之间的关系。

在图7至图9中，与图4至图6的例子同样地，作为基底层的例子，将pt/ta层用于缓冲层，将hfb层用于非晶层。ta层设置于hfb层与pt层之间。

在图7至图9中，与图4至图6同样地，作为比较值，示出了ru/ta层的基底层的特性值。在比较值的基底层中，ru层的膜厚为2nm，ta层的膜厚为2nm。

在图7至图9中，缓冲层的膜厚(x)在从0nm到2nm的范围内变化。

图7是示出本实施方式中的、基底层上的磁性体的特性的一例的图表。

在图7中，图表的横轴与缓冲层的膜厚(x)对应，图表的纵轴与磁性体的表面粗糙度(rq)对应。以下，缓冲层的ta层也称为ta缓冲层。

在如本实施方式那样将ta缓冲层设置于pt缓冲层与hfb层之间的情况下，即使ta缓冲层的膜厚厚至2nm而磁性体(例如，saf结构)的表面粗糙度rq的值也小于比较值v4。

图8是示出本实施方式中的、基底层上的磁性体的特性的一例的图表。

在图8中，图表的横轴与ta缓冲层的膜厚(x[nm])对应，图表的纵轴与基底层上的磁性体的交换耦合磁场的强度(hex[oe])对应。

如图8所示，通过将具有0.5nm以上的膜厚的ta缓冲层设置于pt层与hfb层之间，从而pt/ta/hfb层上的磁性体的交换耦合磁场的强度hex为比较值v5以上。

图9是示出本实施方式中的、mtj元件的特性的一例的图表。

在图9中，图表的横轴与ta缓冲层的膜厚(x[nm])对应，图表的纵轴与磁阻效应元件(mtj元件)的隧道磁阻比(tmr比)对应。

如图9所示，通过将0.5nm以上的ta缓冲层设置于pt层与hfb层之间，从而本实施方式的mtj元件的tmr比高于比较值v6。

因此，在如本实施方式那样将0.5nm以上的ta层设置于基底层内的情况下，能够提高缓冲层上的磁阻效应元件(磁性层)的平坦性、磁特性、以及tmr比。

基于图7至图9的实验结果，作为第1缓冲层191的ta层的膜厚能够设定为0.5nm以上。作为第1缓冲层191的ta层的膜厚优选为2.0nm以下。例如，作为第1缓冲层191的ta层的膜厚被设定在从0.5nm到1.0nm的范围。例如，第1缓冲层(ta层)191的膜厚为第2缓冲层192的膜厚以上。

此外，第1缓冲层191的膜厚不限定于图7至图9的例子，也可以相应于所使用的材料而比2.0nm大。例如，第1缓冲层191的膜厚既可以与缓冲层(结晶层)192的膜厚相同，也可以比缓冲层(结晶层)192的膜厚小。

如上述的图3至图9所示，在本实施方式中，通过在包括非晶层和缓冲层的层叠结构的基底层上设置磁性体(例如，saf结构)，从而提高磁性体以及mtj元件的特性。

(d)总结

在作为本实施方式的磁性器件的磁阻效应元件(例如，mtj元件)中，构成元件的磁性体设置于基底层上。在本实施方式中，基底层具有非晶层与缓冲层的层叠结构。缓冲层例如是结晶层。

非晶层设置于缓冲层与基板之间。缓冲层设置于磁性体与非晶层之间。

在本实施方式中，实质上不具有结晶性的非晶层能够抑制比非晶层靠下方的层(例如，电极、接触插塞、以及基板)的结晶特性(例如，结晶缺陷、结晶的取向性、晶格失配等)向比非晶层靠上方的层(例如，缓冲层以及磁性体)传播。

例如，非晶层具有比较平坦的表面。

在本实施方式中，缓冲层与非晶层的平坦性相应地具有比较平坦的表面(上表面)。另外，缓冲层通过平坦的非晶层而具有比较良好的结晶性。由此，在本实施方式中，缓冲层依存于缓冲层的结晶性，而能够促进设置于缓冲层上的磁性体的晶体生长。因此，形成于缓冲层的表面上的磁性体具有比较良好的结晶性。作为其结果，在本实施方式中，磁性体的磁特性被提高。

例如，在如图2的例子那样、偏移消除层设置于比存储层以及参照层靠基板侧的情况下，偏移消除层的特性会给磁阻效应元件的特性带来重大的影响。本实施方式能够提高用于偏移消除层的磁性层的特性。

这样，本实施方式的磁阻效应元件利用非晶层与缓冲层(结晶层)的层叠结构的基底层而能够提高鲁棒性(robustness，稳健性)。

因此，本实施方式的磁阻效应元件的特性(例如，tmr比)被提高。

如以上那样，根据第1实施方式的磁性器件，能够提高磁性器件(磁阻效应元件)的特性。

(2)变形例

参照图10对实施方式的磁阻效应元件的变形例进行说明。

图10是示出本实施方式的磁性器件(例如，mtj元件)的变形例的截面图。

如图10所示，本变形例的mtj元件400不包括偏移消除层。

在本变形例中，基底层19包括第1缓冲层(结晶层)191、第2缓冲层(结晶层)192以及间隔层(非晶层)199。

由此，mtj元件400(参照层111)的平坦性以及磁特性得到改善。

作为其结果，本变形例的mtj元件的特性提高。

此外，层叠体10中的参照层111与存储层12的层叠顺序也可以与图2以及图10所示的例子相反。在该情况下，存储层12以与基底层19接触的方式设置于基底层19上。参照层111隔着隧道势垒层13而设置于z方向上的存储层12的上方。在mtj元件400内设置saf结构的情况下，在参照层与上部电极之间设置偏移消除层以及金属层。

(3)应用例

参照图11至图13对实施方式的磁性器件的应用例进行说明。

图11是用于说明本实施方式的磁性器件的应用例的图。

本实施方式的磁性器件(例如，mtj元件)适用于存储器件。

在图11中，包括本实施方式的磁性器件的存储器件1例如电连接于控制器、处理器或主机器件等外部器件。

存储器件1接受来自外部器件的命令cmd、地址adr、输入数据din以及各种控制信号cnt。存储器件1将输出数据dout向外部器件发送。

如图11所示，存储器件1至少包括存储单元阵列100、行解码器120、字线驱动器(行线控制电路)121、列解码器122、位线驱动器(列线控制电路)123、开关电路124、写入电路(写入控制电路)125、读出电路(读出控制电路)126、以及定序器127。

存储单元阵列100包括多个存储单元mc。

行解码器120对地址adr所含的行地址进行解码。字线驱动器121基于行地址的解码结果来选择存储单元阵列100的行(例如，字线)。字线驱动器121能够向字线供给预定的电压。

列解码器122对地址adr所含的列地址进行解码。

位线驱动器123基于列地址的解码结果来选择存储单元阵列100的列(例如，位线)。位线驱动器123经由开关电路124而连接于存储单元阵列100。位线驱动器123能够向位线供给预定的电压。

开关电路124将写入电路125和读出电路126中的任一方连接于存储单元阵列100以及位线驱动器123。由此，mram1执行与命令对应的动作。

写入电路125在写入动作时向基于地址adr的选择单元供给用于写入数据的各种电压和/或电流。例如，数据din作为应向存储单元阵列100写入的数据而被向写入电路124供给。由此，写入电路125将数据din写入存储单元mc内。写入电路125例如包括写入驱动器/接收器(sinker)等。

读出电路126在读出动作时向基于地址adr而被选择了的存储单元(选择单元)供给用于读出数据的各种电压和/或电流。由此，保存于存储单元mc内的数据被读出。

读出电路126将从存储单元阵列100读出了的数据作为输出数据dout向存储器件1的外部输出。

读出电路126例如包括读出驱动器以及感测放大电路等。

定序器127接受命令cmd以及各种控制信号cnt。定序器127基于命令cmd以及控制信号cnt来控制存储器件1内的各电路120～126的动作。定序器127能够根据存储器件1内的动作状况将控制信号cnt向外部器件发送。

例如，定序器127将与写入动作以及读出动作有关的各种信息作为设定信息而保持。

此外，各种信号cmd、cnt、adr、din、dout既可以经由有别于存储器件1的芯片(包)而设置的接口电路向存储器件1内的预定的电路供给，也可以从存储器件1内的输入输出电路(未图示)向各电路120～127供给。

例如，在本实施方式中，存储器件1是磁存储器。在磁存储器(例如，mram)中，作为本实施方式的磁性器件的磁阻效应元件用于存储单元mc内的存储元件。

<存储单元阵列的内部构成>

图12是示出本实施方式的mram的存储单元阵列的内部构成的一例的等效电路图。

如图12所示，多根(n根)字线wl(wl<0>、wl<1>、…、wl<n-1>)设置于存储单元阵列100内。多根(m根)位线bl(bl<0>、bl<1>、…、bl<m-1>)以及多根(m根)位线bbl(bbl<0>、bbl<1>、…、bbl<m-1>)设置于存储单元阵列100内。1根位线bl和1根位线bbl形成1组的位线对。以下，为了说明的明确化，位线bbl也有时称为源线。

多个存储单元mc呈矩阵状地配置于存储单元阵列100内。

沿d1方向(行方向)排列的多个存储单元mc连接于共用的字线wl。字线wl连接于字线驱动器121。字线驱动器121基于行地址来控制字线wl的电位。由此，行地址所示的字线wl(行)被选择、激活。

沿d2方向(列方向)排列的多个存储单元mc共同地连接于属于1个位线对的2根位线bl、bbl。位线bl、bbl经由开关电路124而连接于位线驱动器123。

开关电路124将与列地址对应的位线bl、bbl连接于位线驱动器123。位线驱动器123控制位线bl、bbl的电位。由此，列地址所示的位线bl、bbl(列)被选择、激活。

另外，开关电路124根据存储单元mc所要求的动作而将选择了的位线bl、bbl连接于写入电路125或读出电路126。

例如，存储单元mc包括1个磁阻效应元件400和1个单元晶体管600。

磁阻效应元件400的一端连接于位线bl。磁阻效应元件400的另一端连接于单元晶体管600的一端(源极/漏极的一方)。单元晶体管600的另一端(源极/漏极的另一方)连接于位线bbl。在单元晶体管600的栅极连接有字线wl。

存储单元mc既可以包括2个以上的磁阻效应元件400，也可以包括2个以上的单元晶体管600。

存储单元阵列100也可以具有分级位线方式的结构。在该情况下，多个全局位线设置于存储单元阵列100内。各位线bl经由对应的开关元件而连接于一方的全局位线。各源线bbl经由对应的开关元件而连接于另一方的全局位线。全局位线经由开关电路124而连接于写入电路125以及读出电路126。

磁阻效应元件400作为存储元件发挥功能。单元晶体管600作为存储单元mc的开关元件发挥功能。

例如，在存储单元mc存储1位的数据(“0”数据或“1”数据)的情况下，对具有第1电阻值r1的状态(第1电阻状态)的mtj元件400关联第1数据(例如，“0”数据)。对具有具备第2电阻值r2的状态(第2电阻状态)的mtj元件400关联第2数据(例如，“1”数据)。

磁阻效应元件400的电阻状态(磁化排列)因某大小的电压或电流被向磁阻效应元件400供给而变化。由此，磁阻效应元件400能够取得多个电阻状态(电阻值)。对磁阻效应元件400所能够取得的多个电阻状态关联1位以上的数据。这样，磁阻效应元件400作为存储元件而利用。

此外，在本实施方式中，包括磁阻效应元件400的mram的动作能够适当应用众所周知的数据的写入动作(例如，使用了磁场写入方式、spintransfertorque(自旋转移转矩)(stt方式)和/或spinorbittorque(自旋轨道转矩)(sot方式)等的数据的写入)以及众所周知的数据的读出动作(例如，使用了dc方式、参照单元方式、和/或自参照方式等的数据的读出)。因此，在本实施方式中，包括本实施方式的mtj元件400的mram的动作的说明被省略。

<存储单元的结构例>

图13是示出本实施方式的mram的存储单元的结构例的截面图。

如图13所示，存储单元mc设置于半导体基板80上。

单元晶体管600是任意的类型的晶体管。例如，单元晶体管600是平面结构的场效应晶体管、finfet那样的3维结构的场效应晶体管、或具有埋入栅结构的场效应晶体管。以下，例示出具有平面结构的单元晶体管。

单元晶体管600设置于半导体基板80的有源区域(半导体区域)aa内。

在单元晶体管600中，栅电极61隔着栅绝缘膜62而设置于有源区域aa上方。栅电极61在图3中的进深方向(或近前方向)上延伸。栅电极61作为字线wl发挥功能。单元晶体管600的源极/漏极区域63a、63b设置于有源区域aa内。

接触插塞55设置于源极/漏极区域63b上。作为位线bbl的布线(金属层)56设置于接触插塞55上。

接触插塞50设置于源极/漏极区域63a上。

磁阻效应元件400设置于接触插塞50上以及层间绝缘膜81上。磁阻效应元件400设置于层间绝缘膜82内。

本实施方式的磁阻效应元件400在2个电极31、31之间包括层叠体10以及基底层19。层叠体10是具有磁隧道结的多层膜。

电极30设置于接触插塞50上。电极31隔着层叠体10以及基底层19而设置于电极30上方。在电极31上设置有过孔插塞(viaplug)51。作为位线bl的布线(金属层)52设置于过孔插塞51上以及层间绝缘膜82上。导电层(例如，金属层)也可以设置于电极30与接触插塞50之间。

例如，绝缘膜(以下，也称为保护膜、侧壁绝缘膜)20覆盖mtj元件400的侧面。保护膜20设置于层间绝缘膜82与隧道结10之间。保护膜20也可以设置于电极30、31与层间绝缘膜82之间。

保护膜20的材料例如从氮化硅、氮化铝以及氧化铝等中选择。保护膜20可以是单层膜，也可以是多层膜。

保护膜20也可以不设置。另外，图13内的保护膜20的形状能够适当调整。

此外，图13简单地示出了本实施方式的磁性器件的结构。在图13中，也简单地示出了层叠体10以及基底层(缓冲层以及非晶层)19。在本实施方式中，存储单元阵列以及存储单元的构成不限定于图12以及图13所示的例子。

如上所述，在本实施方式中，包括非晶层和缓冲层的层19能够改善包括参照层和偏移消除层的saf结构的特性(例如，磁特性)。

因此，本实施方式的磁阻效应元件能够提高元件特性。

伴随于此，包括本实施方式的磁阻效应元件的存储器件能够提高存储器件的特性。

(4)其他

在上述的实施方式中，磁性器件也可以是面内磁化型的mtj元件。在面内磁化型的mtj元件中，存储层12、参照层111以及偏移消除层115的磁化朝向相对于层12、111、115的层叠方向垂直的方向。在面内磁化型mtj元件中，存储层12、参照层111以及偏移消除层115的易磁化轴方向是相对于磁性层12的层面(x-y平面)平行的方向。

在上述的实施方式中，示出了作为存储单元的开关元件(选择器)而设置有3端子型的场效应晶体管的例子。作为开关元件，例如，也可以是2端子型的开关元件。例如，在施加于2端子之间的电压为阈值以下的情况下，该开关元件的状态为高电阻状态、例如电非导通状态。在施加于2端子之间的电压为阈值以上的情况下，开关元件的状态变为低电阻状态、例如电导通状态。开关元件也可以是在电压为任意极性时均具有该功能。该开关元件例如也可以包含从包括碲(te)、硒(se)以及硫(s)的群中选择的至少1种以上的硫属元素。或者，例如，也可以包括作为包含上述的硫属元素的化合物的硫属化合物。该开关元件也可以另外包含：从包括硼(b)、铝(al)、镓(ga)、铟(in)、碳(c)、硅(si)、锗(ge)、锡(sn)、砷(as)、磷(p)、锑(sb)的群中选择的至少1种以上的元素。

这样的2端子型的开关元件经由1个以上的导电层而连接于磁阻效应元件。

在上述的实施方式中，示出了将本实施方式的磁性器件(磁阻效应元件)应用于mram的例。但是，本实施方式的磁性器件也可以应用于mram以外的磁存储器。另外，本实施方式的磁性器件也可以应用于存储器件以外的装置(磁头和/或磁传感器)。

在本实施方式的磁性器件(磁阻效应元件)中，也有时将单层结构的缓冲层(结晶层)设置于磁性层与间隔层(非晶层)之间。在该情况下，例如，在第1缓冲层与间隔层之间不设置第2缓冲层。另外，3层结构的缓冲层也可以设置于磁性层与间隔层之间。

虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式作为例子而示出，并非意在限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其他的各种各样的方式实施，在不脱离发明的要旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围和要旨，并且包含于技术方案所记载的发明及与其均等的范围。