特開 2024-123438 磁気デバイス及び磁気記憶デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024123438

(43)【公開日】2024-09-12

(54)【発明の名称】磁気デバイス及び磁気記憶デバイス

(51)【国際特許分類】

   H10N 50/10 20230101AFI20240905BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20240905BHJP

   H10N 50/85 20230101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

H10N50/10 Z

H10B61/00

H10N50/85

【審査請求】未請求

【請求項の数】19

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023030853

(22)【出願日】2023-03-01

(71)【出願人】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】キオクシア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】弁理士法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野本 梨菜

(72)【発明者】

【氏名】杉山 英行

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 大輔

(72)【発明者】

【氏名】グエンビェット バオ

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119AA06

4M119AA11

4M119AA19

4M119BB01

4M119DD03

4M119DD05

4M119DD06

4M119DD09

4M119DD37

4M119DD42

4M119DD54

4M119EE22

4M119EE27

5F092AA10

5F092AA11

5F092AA12

5F092AB07

5F092AC12

5F092BB10

5F092BB23

5F092BB33

5F092BB36

5F092BB43

5F092BB53

5F092BC12

5F092BC14

5F092BE23

5F092BE25

5F092BE27

(57)【要約】

【課題】トンネルバリア層の絶縁耐圧を高めることによって、特性を向上させることを可能にした磁気デバイスを提供する。
【解決手段】実施形態の磁気デバイスは、第１の磁性体と、第２の磁性体と、第１の磁性体と第２の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する。実施形態の磁気デバイスにおいて、非磁性体４は、第１の磁性体２と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第１非磁性体層４１と、第２の磁性体３と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第２非磁性体層４２と、第１非磁性体層４１と第２非磁性体層層４２との間に配置され、窒化スカンジウムを含む第３非磁性体層４３とを備える。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の磁性体と、第２の磁性体と、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する磁気デバイスであって、
前記非磁性体は、前記第１の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第１非磁性体層と、前記第２の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第２非磁性体層と、前記第１非磁性体層と前記第２非磁性体層層との間に配置され、窒化スカンジウムを含む第３非磁性体層とを備える、磁気デバイス。

【請求項2】

前記第３非磁性体層は、さらに酸化スカンジウムを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。

【請求項3】

前記第３非磁性体層の前記第１非磁性体層との界面及び前記第３非磁性体層の前記第２非磁性体層との界面のうち少なくともいずれかの界面における酸化スカンジウムの濃度が、前記第３非磁性体層内部における酸化スカンジウムの濃度よりも高い、請求項２に記載の磁気デバイス。

【請求項4】

前記第３非磁性体層は、さらにアルゴン、クリプトン、コバルト、鉄、白金、及びホウ素なる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。

【請求項5】

前記第１非磁性体層及び前記第２非磁性体層の少なくとも一方は、アルミニウム、亜鉛、及びガリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項１に記載の磁気デバイス。

【請求項6】

前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び前記第３非磁性体層の総膜厚は、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であり、かつ前記第３非磁性体層の膜厚（ｎｍ）は、前記第１、第２、及び第３非磁性体層の総膜厚ｘ（ｎｍ）を横軸とし、前記第１、第２、及び第３非磁性体層の構成材料における前記窒化スカンジウムの組成比率ｙ（％）を縦軸としたグラフにおいて、前記膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．２５（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αが２０％であり、前記膜厚ｘが１．２５≦ｘ＜１．８４（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αがα＝７４．２ｘ－７２．５３（％）であり、前記膜厚ｘが１．８４≦ｘ（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αが６４％であり、かつ、前記膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．３７（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βが６０％であり、前記膜厚ｘが１．３７≦ｘ＜１．６１（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βがβ＝８７．５ｘ－５９．８８（％）であり、前記膜厚ｘが１．６１≦ｘ（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βが８１％である、前記組成比率ｙの範囲を満足する、請求項１に記載の磁気デバイス。

【請求項7】

前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び前記第３非磁性体層の総膜厚は、０．８ｎｍ以上２．１ｎｍ以下である、請求項６に記載の磁気デバイス。

【請求項8】

前記第１の磁性体の少なくとも一部及び前記第２の磁性体の少なくとも一部は、コバルトと鉄とホウ素を含む、請求項１に記載の磁気デバイス。

【請求項9】

第１の磁性体と、第２の磁性体と、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する磁気デバイスであって、
前記非磁性体は、前記第１の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第１非磁性体層と、前記第２の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第２非磁性体層と、前記第１非磁性体層と前記第２非磁性体層層との間に配置され、酸化グネシウムよりバンドギャップが小さく、窒化ホウ素より生成エンタルピーが小さい窒化物を含む第３非磁性体層とを備える、磁気デバイス。

【請求項10】

前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び第３非磁性体層は、それぞれ岩塩型構造の結晶を含む、請求項９に記載の磁気デバイス。

【請求項11】

前記第３非磁性体層は、窒化スカンジウム、窒化ハフニウム、窒化チタン、窒化イットリウム、窒化ジルコニウム、及び窒化ランタンからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項９に記載の磁気デバイス。

【請求項12】

前記第３非磁性体層は、さらに酸化スカンジウム、酸化ハフニウム、酸化チタン、酸化イットリウム、酸化ジルコニウム、及び酸化ランタンからなる群より選ばれる少なくとも１つの酸化物を含む、請求項１１に記載の磁気デバイス。

【請求項13】

前記第３非磁性体層の前記第１非磁性体層との界面及び前記第３非磁性体層の前記第２非磁性体層との界面のうち少なくともいずれかの界面における前記酸化物の濃度が、前記第３非磁性体層内部における前記酸化物の濃度よりも高い、請求項１２に記載の磁気デバイス。

【請求項14】

前記第３非磁性体層は、さらにアルゴン、クリプトン、コバルト、鉄、白金、及びホウ素なる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項９に記載の磁気デバイス。

【請求項15】

前記第１非磁性体層及び前記第２非磁性体層の少なくとも一方は、アルミニウム、亜鉛、及びガリウムからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む、請求項９に記載の磁気デバイス。

【請求項16】

前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び前記第３非磁性体層の総膜厚は、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であり、かつ前記第３非磁性体層の膜厚（ｎｍ）は、前記第１、第２、及び第３非磁性体層の総膜厚ｘ（ｎｍ）を横軸とし、前記第１、第２、及び第３非磁性体層の構成材料における前記窒化物の組成比率ｙ（％）を縦軸としたグラフにおいて、前記膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．２５（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αが２０％であり、前記膜厚ｘが１．２５≦ｘ＜１．８４（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αがα＝７４．２ｘ－７２．５３（％）であり、前記膜厚ｘが１．８４≦ｘ（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの下限値αが６４％であり、かつ、前記膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．３７（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βが６０％であり、前記膜厚ｘが１．３７≦ｘ＜１．６１（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βがβ＝８７．５ｘ－５９．８８（％）であり、前記膜厚ｘが１．６１≦ｘ（ｎｍ）であるときに前記組成比率ｙの上限値βが８１％である、前記組成比率ｙの範囲を満足する、請求項９に記載の磁気デバイス。

【請求項17】

前記第１非磁性体層、前記第２非磁性体層、及び前記第３非磁性体層の総膜厚は、０．８ｎｍ以上２．１ｎｍ以下である、請求項１６に記載の磁気デバイス。

【請求項18】

前記第１の磁性体の少なくとも一部及び前記第２の磁性体の少なくとも一部は、コバルトと鉄とホウ素を含む、請求項９に記載の磁気デバイス。

【請求項19】

第１方向に延伸する複数の第１の電極配線と、
前記第１方向と交差する第２方向に延伸する複数の第２の電極配線と、
前記第１の電極配線と前記第２の電極配線との間にそれぞれ配置され、前記第１の電極配線と前記第２の電極配線と電気的に接続された、請求項１ないし請求項１８のいずれか１項に記載の複数の磁気デバイスと
を具備する磁気記憶デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、磁気デバイス及び磁気記憶デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

不揮発性メモリとして注目を集める磁気抵抗メモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）においては、磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子を用いることによって、情報の書き込み動作及び読み出し動作が行われる。ＭＴＪ素子は、一般的に記憶層としての磁性層とトンネルバリア層と参照層としての磁性層の３層を積層した構造を有する。ＭＴＪ素子においては、トンネルバリア層として一般的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層が用いられているが、ＭｇＯ層の絶縁耐圧の大きさが不十分で、書き込み時に絶縁破壊が生じるおそれがある。そこで、トンネルバリア層の絶縁耐圧を高めることによって、ＭＴＪ素子の特性を向上させることが求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７－３０５６１０号公報

【特許文献2】国際公開第２０２０／１５０４１９号

【特許文献3】米国特許公開第２０１８／０２６８８８７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明が解決しようとする課題は、トンネルバリア層の絶縁耐圧を高めることによって、特性を向上させることを可能にした磁気デバイス及び磁気記憶デバイスを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の磁気デバイスは、第１の磁性体と、第２の磁性体と、前記第１の磁性体と前記第２の磁性体との間に配置された非磁性体とを具備する。実施形態の磁気デバイスにおいて、前記非磁性体は、前記第１の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第１非磁性体層と、前記第２の磁性体と接するように設けられ、酸化マグネシウムを含む第２非磁性体層と、前記第１非磁性体層と前記第２非磁性体層層との間に配置され、窒化スカンジウムを含む第３非磁性体層とを備える。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態の磁気デバイスを示す断面図である。

【図2】実施形態の磁気デバイスを用いたクロスポイント構造の磁気記憶デバイス（ＭＲＡＭ）を示す図である。

【図3】実施形態の磁気デバイスの一部を拡大して示す断面図である。

【図4】各種金属窒化物の生成エンタルピー（ΔＨ）の絶対値を示す図である。

【図5】ＭｇＯ／ＳｃＮ／ＭｇＯの３層積層構造をトンネルバリア層に適用したＭＴＪ素子の抵抗面積積（ＲＡ）とトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）との関係を示す図である。

【図6】実施形態の磁気デバイスのトンネルバリア層における第３非磁性体層の組成範囲と膜厚との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施形態の磁気デバイス及び磁気記憶デバイスについて、図面を参照して説明する。各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、その説明を一部省略する場合がある。図面は模式的なものであり、厚さと平面寸法との関係、各部の厚さの比率等は現実のものとは異なる場合がある。

【0008】

図１は実施形態の磁気デバイスの構成を示している。図１に示す磁気デバイス１は、記憶層としての第１の磁性体２と、参照層としての第２の磁性体３と、第１の磁性体２及び第２の磁性体３に挟持された、トンネルバリア層としての非磁性体４とを含む積層体５を備えている。積層体５は、さらに第２の磁性体３の下方に設けられた、シフトキャンセル層としての第３の磁性体６と、第３の磁性体６のさらに下方に設けられたシード層等として機能するバッファ層７とを備えている。積層体５の周囲には、側壁を覆うように側壁層８が設けられている。図１に示す積層体５は、例えば磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子を構成するものであるが、これに限られるものではない。

【0009】

実施形態の磁気デバイス１をＭＴＪ素子に適用する場合、第２の磁性体３はスピン方向（磁化方向）が固定される参照層（磁化固定層／ピン層）である。第２の磁性体３の磁化方向は、シフトキャンセル層としての第３の磁性体６により固定される。第２の磁性体３には、例えばＣｏＦｅＢ／Ｍｏ／Ｃｏ／Ｉｒ積層膜やＣｏＦｅＢ／Ｍｏ／Ｃｏ／Ｒｕ積層膜等が用いられる。第３の磁性体６には、［Ｃｏ／Ｐｔ］超格子、［Ｃｏ／Ｉｒ］超格子等の磁性体が用いられる。参照層３を構成する積層膜において、Ｉｒ層やＲｕ層がシフトキャンセル層６との間で反平行結合を実現する。これによって、参照層３を構成する積層膜におけるＣｏＦｅＢ層等の磁性層の磁化が固定される。

【0010】

参照層としての第２の磁性体３上には、トンネル障壁層として機能する非磁性体４を介して、記憶層（フリー層）として機能する第１の磁性体２が設けられている。第１の磁性体２は、スピン方向（磁化方向）が記憶内容に応じて変化することにより記憶層として機能する。第１の磁性体２には、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ等のＣｏ基合金、［Ｃｏ／Ｐｔ］超格子等の磁性体が用いられる。

【0011】

第１の磁性体２及び第２の磁性体３（積層膜におけるＣｏＦｅＢ層）の厚さは特に限定されるものではないが、例えば０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましい。非磁性体４の厚さは、例えば０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが好ましい。トンネル障壁層としての非磁性体４の詳細構成及び構成材料については、後に詳述する。第３の磁性体６の下方に設けられたバッファ層７としては、Ｒｕ、Ｔａ、ＣｏＦｅＢ－Ｍｏ等のシード層が適用される。側壁層８の構成材料には、ケイ素酸化物（ＳｉＯ_ｘ）、ジルコニウム酸化物（ＺｒＯ_ｘ）、アルミニウム酸化物（ＡｌＯ_ｘ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ_ｘ）、ケイ素窒化物（ＳｉＮ_ｘ）等の絶縁物が適用される。積層体５上には、Ｔａ、Ｐｔ、Ｒｕ等を含むキャップ層９が設けられている。キャップ層９上には、配線層１０が設けられている。配線層１０には、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、これらを含む合金等が用いられるが、特に限定されるものではない。

【0012】

ＭＴＪ素子としての積層体５の下方には、ＭＴＪ素子５に電気的に接続されたスイッチング層１１が設けられている。スイッチング層１１は、ＭＴＪ素子５への電流のオン／オフを切り替える機能（スイッチング機能）を有する。スイッチング層１１は、閾値（Ｖｔｈ）以上の電圧が印加されることによって、抵抗値が高いオフ状態から抵抗値が低いオン状態に急激に遷移する電気特性を有する。すなわち、スイッチング層１１を構成する材料（スイッチング材料）は、印加される電圧が閾値（Ｖｔｈ）未満で抵抗値が高いオフ状態となり、電圧が閾値（Ｖｔｈ）以上になったときに抵抗値が高いオフ状態から抵抗値が低いオン状態に急激に遷移する電気特性を有する。このようなスイッチング層１１の印加電圧に基づく抵抗値の変化は、可逆的にかつ急激に生じるものである。

【0013】

スイッチング材料としては、例えばテルル（Ｔｅ）、セレン（Ｓｅ）、及び硫黄（Ｓ）からなる群より選ばれる少なくとも１つのカルコゲン元素を含む材料が挙げられる。そのようなスイッチング材料は、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。カルコゲン元素を含む材料は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ、及びＢｉからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含んでいてもよい。さらに、カルコゲン元素を含む材料は、Ｎ、Ｏ、Ｃ、及びＢからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含んでいてもよい。スイッチング材料の例としては、ＧｅＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ、ＳｂＴｅ、ＳｉＴｅ、ＡｌＴｅＮ、ＧｅＡｓＳｅ等が挙げられる。スイッチング材料は、カルコゲン元素を含まない材料であってもよい。アンチモン（Ｓｂ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ素（Ａｓ）、ビスマス（Ｂｉ）等の添加元素を含む材料、例えば酸化物や窒化物に添加元素を加えた材料であってもよい。そのようなスイッチング材料としては、ＺｒＯｘ、ＡｌＯｘ、ＳｉＯｘ、ＴａＯｘ、ＨｆＯｘ等が挙げられる。また、これらの酸化物に上記した添加元素又はＴｅ、Ｓｅ等を加えた材料であってもよい。スイッチング層１１は、アモルファス構造を有していてもよい。

【0014】

ＭＲＡＭ等を構成する磁気デバイス１は、図２に示すように、複数のビット線ＢＬと複数のワード線ＷＬとの交点に配置されてメモリセルとして機能するものである。図２に示すように、複数のビット線ＢＬとワード線ＷＬの各交点に、それぞれビット線ＢＬ及びワード線ＷＬと電気的に接続された磁気デバイス１をメモリセルとして配置することにより磁気記憶デバイス２０が構成される。図２に示す磁気記憶デバイス２０は、複数のビット線（第１電極配線）ＢＬと、複数のワード線（第２電極配線）ＷＬと、これらの各交点に設けられ、それぞれビット線ＢＬ及びワード線ＷＬと電気的に接続された複数の磁気デバイス１とを具備する。なお、図２における符号Ｍは図１のＭＴＪ素子として機能する積層体５を示し、符号Ｓは積層体５の下方に設けられたスイッチング層１１を示している。

【0015】

図１に示す磁気デバイス１において、トンネルバリア層（トンネル障壁層）としての非磁性体４は、図３に示すように、記憶層としての第１の磁性体２と接するように設けられた第１非磁性体層４１と、第２の磁性体３と接するように設けられた第２非磁性体層４２と、第１非磁性体層４１と第２非磁性体層４２との間に配置された第３非磁性体層４３とを備える、３層積層構造を有する。このような３層積層構造を有する非磁性体４の具体的な構成及び構成材料については、後に詳述する。

【0016】

ここで、トンネル障壁層として一般的に用いられている酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層のみを非磁性体４に適用した場合、例えばハーフピッチが１４ｎｍを超えるような素子サイズでは絶縁耐圧を確保することができるものの、ハーフピッチが１４ｎｍ以下の素子サイズでは絶縁耐圧条件の達成が困難になる。すなわち、ハーフピッチが１４ｎｍ以下の素子サイズでは、ＭｇＯ層の薄膜化により抵抗面積積（抵抗値と面積との積：ＲＡ）を低減する必要が生じ、そのような薄膜化したＭｇＯ層では絶縁破壊電圧を満足させることができない。

【0017】

また、例えばトンネル障壁層として一般的に用いられているＭｇＯを第１非磁性体層４１及び第２非磁性体層４２に適用し、第３非磁性体層４３にＭｇ以外の金属元素の酸化物等を適用した場合、抵抗を上げることなく厚膜化することができる可能性がある。この場合、ＭＴＪ素子の基本特性を満足させつつ、絶縁耐圧を高めることが可能と考えられる。しかしながら、成膜時のアニール等による拡散のために、トンネル障壁層の界面に金属元素が偏るおそれがある。これでは目的とする３層積層構造を作製することが困難になる。

【0018】

このようなことから、非磁性体４に第１非磁性体層４１、第２非磁性体層４２、及び第３非磁性体層４３の３層積層構造を適用する場合、第１の磁性体２及び第２の磁性体３と接する第１非磁性体層４１及び第２非磁性体層４２には、トンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ比）を高める上で、ＭｇＯ含む材料（ここでは、構成材料Ｂと記す。）が用いられる。中間の第３非磁性体層４３の構成材料（ここでは、構成材料Ａと記す。）には、第１非磁性体層４１及び第２非磁性体層４２との間で元素拡散が生じにくく、抵抗を上げることがないと共に、ＭｇＯよりもバリア障壁が低い材料、すなわちＭｇＯよりバンドギャップが小さい材料を用いることが好ましい。

【0019】

中間の第３非磁性体層４３の構成材料Ａとして、酸化物や窒化物の生成エンタルピーが小さい材料を用いると拡散障壁が大きくなり、拡散が生じにくくなる傾向がある。さらに、構成材料Ａに窒化物を適用すると共に、第１の磁性体２及び第２の磁性体３の少なくとも一部としてＣｏＦｅＢを用いることを考えると、高抵抗の窒化ホウ素（ＢＮ）の形成を抑えるために、ＢＮより生成エンタルピー（ΔＨ）が小さい窒化物が有効である。ＢＮの生成エンタルピー（ΔＨ）は－２．７４（ｅＶ／Ｂ ａｔｏｍ）である。図４に絶対零度における各種金属窒化物の生成エンタルピー（ΔＨ）を示す。縦軸は－ΔＨを示す。図４に示すように、窒化スカンジウム（ＳｃＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化イットリウム（ＹＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、及び窒化ランタン（ＬａＮ）は、いずれもＢＮよりも小さい生成エンタルピー（ΔＨ）を有しているため、第３非磁性体層４３の構成材料Ａとして用いた場合に成膜時のアニール等による拡散を抑制することができる。従って、上記した材料Ａを第３非磁性体層４３に適用することによって、３層積層構造の非磁性体４を精度よく形成することができる。

【0020】

上記したＳｃＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＹＮ、ＺｒＮ、ＬａＮ等の材料Ａは、いずれも岩塩型の結晶構造をとる。ＭｇＯも岩塩型の結晶構造をとるため、岩塩型ＭｇＯ／岩塩型ＳｃＮ等の材料Ａ／岩塩型ＭｇＯの３層積層構造によれば、各層を格子整合性よく積層することができる。従って、岩塩型ＭｇＯ／岩塩型ＳｃＮ等の材料Ａ／岩塩型ＭｇＯ各層を結晶性よく形成することができる。さらに、ＳｃＮはＭｇＯよりバリア障壁が小さいため、ＭｇＯ／ＳｃＮ／ＭｇＯの３層積層構造によれば、高いＴＭＲ比を維持した上で、トンネル障壁層としての非磁性体４を厚膜化することができる。これによって、トンネル障壁層としての非磁性体４の絶縁破壊電圧を高めることが可能になる。

【0021】

図５に、トンネル障壁層としての非磁性体４に、ＳｃＮ（６原子層）とＭｇＯ（３原子層）を適用したＭＴＪ素子（それぞれ比較例１、２）と、ＭｇＯ（１原子層）／ＳｃＮ（４原子層）／ＭｇＯ（１原子層）の積層膜を適用したＭＴＪ素子（実施例１）について、抵抗面積積（ＲＡ）とＴＭＲ比との関係を示す。図５に示すように、ＭｇＯ（１原子層）／ＳｃＮ（４原子層）／ＭｇＯ（１原子層）の積層膜を適用したＭＴＪ素子（実施例１）は、ＭｇＯ（３原子層）を適用したＭＴＪ素子（比較例２）に比べ、ＲＡが０．１１Ωμｍ^２以下において２．２倍の厚膜化及びそれに基づく絶縁耐圧を達成している。その上で、実施例１のＭＴＪ素子は、ＭｇＯ層（第１及び第２非磁性体層４１、４２）の間にＳｃＮ層（第３非磁性体層４３）を配置することによって、高ＴＭＲ比を実現している。

【0022】

上述した絶縁破壊電圧の向上効果は、ＭｇＯ／ＳｃＮ／ＭｇＯの３層積層構造に限らず、ＳｃＮと同様に岩塩型結晶構造を有し、かつＭｇＯよりバリア障壁が小さい、すなわちＭｇＯよりバンドギャップが小さい、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＹＮ、ＺｒＮ、及びＬａＮからなる群より選ばれる少なくとも１つを含む第３非磁性体層４３を、ＭｇＯを含む第１非磁性体層４１／第３非磁性体層４３／ＭｇＯを含む第２非磁性体層４２の３層積層構造に適用することによって、同様な効果を得ることができる。すなわち、ＴＭＲ比を高めつつ、電気抵抗を上げずに厚膜化することによって、絶縁破壊電圧を向上させることができる。

【0023】

このように、実施形態のトンネル障壁層としての非磁性体４は、ＭｇＯを含む第１非磁性体層４１及びＭｇＯを含む第２非磁性体層４２の間に、ＳｃＮ、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＹＮ、ＺｒＮ、及びＬａＮからなる群より選ばれる少なくとも１つ（材料Ａ）を含む第３非磁性体層４３を配置した３層積層構造を有している。第１非磁性体層４１及び第２非磁性体層４２は、ＭｇＯの単層に限られるものではなく、アルミニウム（Ａｌ）、亜鉛（Ｚｎ）、及びガリウム（Ｇａ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含むＭｇＯ、例えばＭｇＡｌＯのような複合化合物であってもよい。第３非磁性体層４３は、ＳｃＮやＨｆＮ等の単層に限らず、酸化スカンジウム（ＳｃＯ）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ）、酸化チタン（ＴｉＯ）、酸化イットリウム（ＹＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）、及び酸化ランタン（ＬａＯ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。さらに、第３非磁性体層４３の第１非磁性体層４１との界面におけるこれらの酸化物の濃度、第３非磁性体層４３の第２非磁性体層４２との界面における当該酸化物の濃度のうち少なくともいずれかの濃度が、第３非磁性体層４３内部における当該酸化物の濃度よりも高いことが好ましい。これらによって、各層間の密着性を向上させることができる。また、第３非磁性体層４３は、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）、白金（Ｐｔ）、及びホウ素（Ｂ）からなる群より選ばれる少なくとも１つを含んでいてもよい。

【0024】

第１非磁性体層４１／第３非磁性体層４３／第２非磁性体層４２の３層積層構造を有する非磁性体４の総膜厚は、０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。図６に３層積層構造のトンネル障壁層（バリア層）としての非磁性体４の総膜厚に対する第３非磁性体層４３の好ましい膜厚範囲を示す。図６において、横軸はバリア層の総膜厚、縦軸はバリア層全体における材料Ａの組成比率（モル比）である。さらに、第１非磁性体層４１、第２非磁性体層４２、及び第３非磁性体層４３の構成材料における材料Ａの組成比率（％）をｙ、バリア層の総膜厚（ｎｍ）をｘとしたとき、下側の線ａは材料Ａの組成比率ｙの下限値αであり、上側の線ｂは材料Ａの組成比率ｙの上限値βである。

【0025】

図６において、線ａは、膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．２５（ｎｍ）であるときに組成比率ｙの下限値αが２０％であり、膜厚ｘが１．２５≦ｘ＜１．８４（ｎｍ）であるときに組成比率ｙの下限値αがα＝７４．２ｘ－７２．５３（％）であり、膜厚ｘが１．８４≦ｘ（ｎｍ）であるときに組成比率ｙの下限値αが６４％であることを示している。線ｂは、膜厚ｘが０．５≦ｘ＜１．３７（ｎｍ）であるときに組成比率ｙの上限値βが６０％であり、膜厚ｘが１．３７≦ｘ＜１．６１（ｎｍ）であるときに組成比率ｙの上限値βがβ＝８７．５ｘ－５９．８８（％）であり、膜厚ｘが１．６１≦ｘ（ｎｍ）であるときに組成比率ｙの上限値βが８１％であることを示している。

【0026】

第３非磁性体層４３は、非磁性体４の総膜厚が０．５ｎｍ以上２．５ｎｍ以下の範囲において、上記した材料Ａの組成比率が図６における線α（下限値ａ）と線β（上限値ｂ）で挟まれた組成比率ｙの範囲となる厚さを有することが好ましい。第３非磁性体層４３は、非磁性体４の総膜厚が０．８ｎｍ以上２．１ｎｍ以下の範囲において、上記した材料Ａの組成比率が図６における線αと線βで挟まれた組成比率ｙの範囲となる厚さを有することがより好ましい。このような総膜厚の組成範囲及び組成比率ｙの範囲を満足させることによって、より再現性よく磁気デバイス１のＭＴＪ素子としてのＴＭＲ比を高めた上で、絶縁破壊電圧を向上させることができる。

【0027】

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し得るものであり、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。

【符号の説明】

【0028】

１…磁気デバイス、２…第１の磁性体、３…第２の磁性体、４…非磁性体、５…積層体、６…第３の磁性体、７…バッファ層、８…側壁層、９…キャップ層、１１…スイッチング層、２０…磁気記憶デバイス（ＭＲＡＭ）、４１…第１非磁性体層、４２…第２非磁性体層、４３…第３非磁性体層、Ｍ…ＭＴＪ素子、Ｓ…スイッチング層。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】