(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】P2024162252
(43)【公開日】2024-11-21
(54)【発明の名称】磁気抵抗素子及び半導体装置
(51)【国際特許分類】
H10B 61/00 20230101AFI20241114BHJP
H10N 50/20 20230101ALI20241114BHJP
【ＦＩ】
H10B61/00
H10N50/20
【審査請求】未請求
【請求項の数】21
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023077596
(22)【出願日】2023-05-10
(71)【出願人】
【識別番号】390019839
【氏名又は名称】三星電子株式会社
【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．
【住所又は居所原語表記】１２９，Ｓａｍｓｕｎｇ－ｒｏ，Ｙｅｏｎｇｔｏｎｇ－ｇｕ，Ｓｕｗｏｎ－ｓｉ，Ｇｙｅｏｎｇｇｉ－ｄｏ，Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】高橋 茂樹
(72)【発明者】
【氏名】平山 義幸
(72)【発明者】
【氏名】ファム ナム ハイ
(72)【発明者】
【氏名】ホ ホアン フィ
【テーマコード（参考）】
4M119
5F092
【Ｆターム（参考）】
4M119AA02
4M119BB01
4M119CC05
4M119CC10
4M119DD07
4M119DD32
4M119EE03
4M119EE04
4M119EE23
4M119EE28
4M119JJ03
4M119JJ09
5F092AA04
5F092AB08
5F092AC12
5F092AC26
5F092AD03
5F092AD25
5F092BB12
5F092BB23
5F092BB36
5F092BB43
5F092BC03
5F092BC04
5F092CA02
5F092CA25
(57)【要約】
【課題】磁気特性を向上させることができる磁気抵抗素子及び半導体装置を提供する。
【解決手段】磁気抵抗素子１は、ＳＯＴ電極層２０と、金属酸化物層３０と、第１非磁性層Ａ１０と、第１磁性層Ｂ１０と、第２非磁性層Ａ２０と、第２磁性層Ｂ２０と、を備え、第１磁性層Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０は、磁気トンネル接合素子を構成し、ＳＯＴ電極層２０は、材料として、ＢｉＳｂを含み、金属酸化物層３０は、材料として、金属酸化物を含み、第１非磁性層Ａ１０は、少なくとも一部にアモルファスを含み、前記ＳＯＴ電極層に含まれた結晶と、前記第１磁性層に含まれた結晶とは、これらの層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なる。
【選択図】図１
【解決手段】磁気抵抗素子１は、ＳＯＴ電極層２０と、金属酸化物層３０と、第１非磁性層Ａ１０と、第１磁性層Ｂ１０と、第２非磁性層Ａ２０と、第２磁性層Ｂ２０と、を備え、第１磁性層Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０は、磁気トンネル接合素子を構成し、ＳＯＴ電極層２０は、材料として、ＢｉＳｂを含み、金属酸化物層３０は、材料として、金属酸化物を含み、第１非磁性層Ａ１０は、少なくとも一部にアモルファスを含み、前記ＳＯＴ電極層に含まれた結晶と、前記第１磁性層に含まれた結晶とは、これらの層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＳＯＴ電極層と、
前記ＳＯＴ電極層上に設けられた金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上に設けられた第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上に設けられた第１磁性層と、
前記第１磁性層上に設けられた第２非磁性層と、
前記第２非磁性層上に設けられた第２磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層、前記第２非磁性層及び前記第２磁性層は、
磁気トンネル接合素子を構成し、
前記ＳＯＴ電極層は、
材料として、ＢｉＳｂを含み、
前記金属酸化物層は、
材料として、金属酸化物を含み、
前記第１非磁性層は、
少なくとも一部にアモルファスを含み、
前記ＳＯＴ電極層に含まれた結晶と、前記第１磁性層に含まれた結晶とは、
これらの層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なる、
磁気抵抗素子。
前記ＳＯＴ電極層上に設けられた金属酸化物層と、
前記金属酸化物層上に設けられた第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上に設けられた第１磁性層と、
前記第１磁性層上に設けられた第２非磁性層と、
前記第２非磁性層上に設けられた第２磁性層と、
を備え、
前記第１磁性層、前記第２非磁性層及び前記第２磁性層は、
磁気トンネル接合素子を構成し、
前記ＳＯＴ電極層は、
材料として、ＢｉＳｂを含み、
前記金属酸化物層は、
材料として、金属酸化物を含み、
前記第１非磁性層は、
少なくとも一部にアモルファスを含み、
前記ＳＯＴ電極層に含まれた結晶と、前記第１磁性層に含まれた結晶とは、
これらの層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なる、
磁気抵抗素子。
【請求項2】
前記金属酸化物層と、前記第１非磁性層との間に設けられた
第３磁性層
をさらに備え、
前記第３磁性層は、
前記第１磁性層と磁気的に結合する、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
第３磁性層
をさらに備え、
前記第３磁性層は、
前記第１磁性層と磁気的に結合する、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項3】
前記金属酸化物層と、前記第３磁性層との間に設けられた
第３非磁性層をさらに備え、
前記第３非磁性層は、
前記金属酸化物層と前記第３磁性層との結晶格子の不整合を緩和する結晶構造を有する、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
第３非磁性層をさらに備え、
前記第３非磁性層は、
前記金属酸化物層と前記第３磁性層との結晶格子の不整合を緩和する結晶構造を有する、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項4】
前記金属酸化物層と、前記第３磁性層との間に設けられた
第３非磁性層をさらに備え、
前記第３非磁性層上に形成された前記第３磁性層は、
島状成長が抑制され、
平坦性が改善されている、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
第３非磁性層をさらに備え、
前記第３非磁性層上に形成された前記第３磁性層は、
島状成長が抑制され、
平坦性が改善されている、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項5】
前記金属酸化物層は、
第１金属酸化物層及び第２金属酸化物層を含み、
前記第１金属酸化物層は、
材料として、前記第２金属酸化物層と異なる前記金属酸化物を含む、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
第１金属酸化物層及び第２金属酸化物層を含み、
前記第１金属酸化物層は、
材料として、前記第２金属酸化物層と異なる前記金属酸化物を含む、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項6】
前記金属酸化物層は、
スピン拡散長が前記ＳＯＴ電極層と前記第１磁性層との間の距離よりも長い
前記金属酸化物を含む、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
スピン拡散長が前記ＳＯＴ電極層と前記第１磁性層との間の距離よりも長い
前記金属酸化物を含む、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項7】
前記第１磁性層は、４回の回転対称性の前記結晶を含み、
前記ＳＯＴ電極層は、３回の回転対称性の前記結晶を含む、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
前記ＳＯＴ電極層は、３回の回転対称性の前記結晶を含む、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項8】
前記金属酸化物層は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含む、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項9】
前記金属酸化物層の厚さは、０．５～２．５ｎｍである、
請求項８に記載の
磁気抵抗素子。
請求項８に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項10】
前記第１非磁性層は、少なくとも一部にアモルファス金属を含む、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項11】
前記第１非磁性層は、材料として、単体の遷移金属、遷移金属同士の合金、遷移金属と半金属との化合物、遷移金属窒化物、遷移金属酸化物、並びに、Ｂ－Ｃ－Ｎ系材料のうち、少なくともいずれかを含む、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項12】
前記第１非磁性層の厚さは、０．８～１．０ｎｍである、
請求項１０に記載の
磁気抵抗素子。
請求項１０に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項13】
前記第３磁性層は、材料として、Ｃｏ及びＣｏ－Ｐｔ合金の少なくともいずれかを含む、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項14】
前記第３磁性層は、前記積層方向を前記回転軸とする３回の回転対称性の前記結晶を含む、
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
請求項２に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項15】
前記第３非磁性層は、材料として、金属を含む、
請求項３に記載の
磁気抵抗素子。
請求項３に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項16】
前記第３非磁性層は、材料として、ＴｉＣｒ２を含む、
請求項３に記載の
磁気抵抗素子。
請求項３に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項17】
前記第３非磁性層の厚さは、０ｎｍよりも大きく、１．０ｎｍ以下である、
請求項１５に記載の
磁気抵抗素子。
請求項１５に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項18】
前記第３非磁性層は、前記積層方向を前記回転軸とする３回の回転対称性の前記結晶を含む、
請求項３に記載の
磁気抵抗素子。
請求項３に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項19】
前記第１金属酸化物層は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含み、
前記第２金属酸化物層は、材料として、アルミニウム酸化物、タンタル酸化物、マグネシウム酸化物、ルテニウム酸化物、ハフニウム酸化物、及び、クロム酸化物のうち、少なくともいずれかを含む、
請求項５に記載の
磁気抵抗素子。
前記第２金属酸化物層は、材料として、アルミニウム酸化物、タンタル酸化物、マグネシウム酸化物、ルテニウム酸化物、ハフニウム酸化物、及び、クロム酸化物のうち、少なくともいずれかを含む、
請求項５に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項20】
下地層をさらに備え、
前記ＳＯＴ電極層は、前記下地層上に設けられた、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
前記ＳＯＴ電極層は、前記下地層上に設けられた、
請求項１に記載の
磁気抵抗素子。
【請求項21】
請求項１～２０のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子を備えた
半導体装置。
半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、磁気抵抗素子及び半導体装置に関する。
【背景技術】
【0002】
スピン軌道トルク（Ｓｐｉｎ Ｏｒｂｉｔ Ｔｏｒｑｕｅ、以下、ＳＯＴと呼ぶ。）－磁気抵抗メモリ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ、以下、ＭＲＡＭと呼ぶ。）のスイッチング電流の低減のため、ＳＯＴ電極における電流からスピン流への変換効率であるスピンホール角を増大することが求められている。
【0003】
特許文献１には、トポロジカル絶縁体（Ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）のビスマスアンチモン（Ｂｉｓｍｕｔｈ Ａｎｔｉｍｏｎｙ、以下、ＢｉＳｂと呼ぶ。）を（０１２）結晶配向させたＳＯＴ電極を用いることにより、スピンホール角を大幅に増大させ、スイッチング電流を低減させる技術が提案されている。
【0004】
特許文献２には、ＢｉＳｂのＳＯＴ電極において、大きなスピンホール角が得られる（０１２）結晶配向を促進するためのバッファ層の構成が提案されている。
【0005】
分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ、以下、ＭＢＥ法と呼ぶ。）によって、（０１２）面方位に結晶配向したＢｉＳｂのＳＯＴ電極を用いることにより、スピンホール角として、５２という、これまでのタングステン（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ、以下、Ｗと呼ぶ。）及びタンタル（Ｔａｎｔａｌｕｍ、以下、Ｔａと呼ぶ。）等の重金属のＳＯＴ電極を用いた場合と比べて、非常に大きい値を得ることができる。
【0006】
さらに、省電力化の指標であるスピンホール伝導度は、これまでのＷ及びＴａの場合と比べて、約２桁増大したという結果が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１９－０５４４８４号公報
【特許文献2】特開２０２１－１２８８１４号公報
【特許文献3】特開２０２１－０５７３５７号公報
【非特許文献】
【0008】
【非特許文献1】L. Zhu et al., Phys. Rev. Lett. 126 (2021) 107204
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
しかしながら、ＳＯＴ－ＭＲＡＭの製造に、より適したスパッタ成膜による方法では、ＢｉＳｂの平坦な薄膜を得られることが困難であることが知られている。このような平坦性が低下したＢｉＳｂ薄膜上に磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ、以下、ＭＴＪと呼ぶ。）素子を構成する強磁性層を積層した場合には、ＢｉＳｂ／強磁性層の界面は、荒れたものとなる。その結果、ＢｉＳｂ／強磁性層の界面においてスピン拡散損失が起きるため、スピンホール角が大きく低下するという問題がある。
【0010】
さらに、ＢｉＳｂ材料は、拡散し易い特性を持つため、スパッタ成膜直後でもＢｉＳｂのＳｂがＣｏＰｔ等を含む強磁性層に拡散し、逆に、ＢｉＳｂ層にＰｔが拡散するという相互拡散という問題がある。
【0011】
一方、ＳＯＴ－ＭＲＡＭは、一般的に、ＳＯＴ電極／強磁性層の積層構造を取るため、ＳＯＴ電極に流したスイッチング電流が強磁性層に分流し、ＳＯＴ電極内を流れる実効的なスイッチング電流が減ってしまう。このことにより、スイッチングに必要な閾値電流が増大するというシャント電流の問題がある。このような問題は、いずれも磁気抵抗素子の磁気特性を劣化させている。
【0012】
本開示は、このような問題の少なくともいずれかを解決するためのものであり、磁気特性を向上させることができる磁気抵抗素子及び半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
一実施形態の磁気抵抗素子は、ＳＯＴ電極層と、前記ＳＯＴ電極層上に設けられた金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に設けられた第１非磁性層と、前記第１非磁性層上に設けられた第１磁性層と、前記第１磁性層上に設けられた第２非磁性層と、前記第２非磁性層上に設けられた第２磁性層と、を備え、前記第１磁性層、前記第２非磁性層及び前記第２磁性層は、磁気トンネル接合素子を構成し、前記ＳＯＴ電極層は、材料として、ＢｉＳｂを含み、前記金属酸化物層は、材料として、金属酸化物を含み、前記第１非磁性層は、少なくとも一部にアモルファスを含み、前記ＳＯＴ電極層に含まれた結晶と、前記第１磁性層に含まれた結晶とは、これらの層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なる。
【0014】
上記磁気抵抗素子において、前記金属酸化物層と、前記第１非磁性層との間に設けられた第３磁性層をさらに備え、前記第３磁性層は、前記第１磁性層と磁気的に結合してもよい。
【0015】
上記磁気抵抗素子において、前記金属酸化物層と、前記第３磁性層との間に設けられた第３非磁性層をさらに備え、前記第３非磁性層は、前記金属酸化物層と前記第３磁性層との結晶格子の不整合を緩和する結晶構造を有してもよい。
【0016】
上記磁気抵抗素子において、前記金属酸化物層と、前記第３磁性層との間に設けられた第３非磁性層をさらに備え、前記第３非磁性層上に形成された前記第３磁性層は、島状成長が抑制され、平坦性が改善されてもよい。
【0017】
上記磁気抵抗素子において、記金属酸化物層は、第１金属酸化物層及び第２金属酸化物層を含み、前記第１金属酸化物層は、材料として、前記第２金属酸化物層と異なる前記金属酸化物を含んでもよい。
【0018】
上記磁気抵抗素子において、前記金属酸化物層は、スピン拡散長が前記ＳＯＴ電極層と前記第１磁性層との間の距離よりも長い前記金属酸化物を含んでもよい。
【0019】
上記磁気抵抗素子において、前記第１磁性層は、４回の回転対称性の前記結晶を含み 、前記第ＳＯＴ層は、３回の回転対称性の前記結晶を含んでもよい。
【0020】
上記磁気抵抗素子において、前記金属酸化物層は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含んでもよい。
【0021】
上記磁気抵抗素子において、前記金属酸化物層の厚さは、０．５～２．５ｎｍでもよい。
【0022】
上記磁気抵抗素子において、前記第１非磁性層は、少なくとも一部にアモルファス金属を含んでもよい。
【0023】
上記磁気抵抗素子において、前記第１非磁性層は、材料として、単体の遷移金属、遷移金属同士の合金、遷移金属と半金属との化合物、遷移金属窒化物、遷移金属酸化物、並びに、Ｂ－Ｃ－Ｎ系材料のうち、少なくともいずれかを含んでもよい。
【0024】
上記磁気抵抗素子において、前記第１非磁性層の厚さは、０．８～１．０ｎｍでもよい。
【0025】
上記磁気抵抗素子において、前記第３磁性層は、材料として、Ｃｏ及びＣｏ－Ｐｔ合金の少なくともいずれかを含んでもよい。
【0026】
上記磁気抵抗素子において、前記第３磁性層は、前記積層方向を前記回転軸とする３回の回転対称性の前記結晶を含んでもよい。
【0027】
上記磁気抵抗素子において、前記第３非磁性層は、材料として、金属を含んでもよい。
【0028】
上記磁気抵抗素子において、前記第３非磁性層は、材料として、ＴｉＣｒ２を含んでもよい。
【0029】
上記磁気抵抗素子において、前記第３非磁性層の厚さは、０ｎｍよりも大きく、１．０ｎｍ以下でもよい。
【0030】
上記磁気抵抗素子において、前記第３非磁性層は、前記積層方向を前記回転軸とする３回の回転対称性の前記結晶を含んでもよい。
【0031】
上記磁気抵抗素子において、前記第１金属酸化物層は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含み、前記第２金属酸化物層は、材料として、アルミニウム酸化物、タンタル酸化物、マグネシウム酸化物、ルテニウム酸化物、ハフニウム酸化物、及び、クロム酸化物のうち、少なくともいずれかを含んでもよい。
【0032】
上記磁気抵抗素子において、下地層をさらに備え、前記ＳＯＴ電極層は、前記下地層上に設けられてもよい。
【0033】
一実施形態の半導体装置は、上記記載の磁気抵抗素子を備える。
【発明の効果】
【0034】
本開示の検査装置によれば、スイッチング特性を向上させることができる磁気抵抗素子及び半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0035】
【図1】実施形態１に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図2】実施形態１に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図3】実施形態１の変形例に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図4】実施形態２に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図5】実施形態２の変形例に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図6】実施形態３に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図7】実施形態３の変形例に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図8】実施形態４に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図9】実施形態４の変形例に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。
【図10】実施形態５に係る半導体装置を例示した回路図である。
【図11】実施形態５に係る半導体装置を例示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0036】
説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び、簡略化がなされている。また、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【0037】
（実施形態の概要）
まず、実施形態の概要を説明する。現在広く研究開発が行われているスピン移行トルク型ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ、以下、ＳＴＴ－ＭＲＡＭと呼ぶ。）は、２端子構造によりＭＴＪ素子に対して、書き込み及び読み出しの動作を行う。このため、ＳＴＴ－ＭＲＡＭを高集積化した場合に、十分な読み出しマージンを取ることができないという問題点、熱擾乱耐性を充分に長く得ることができないという問題点を抱えている。
まず、実施形態の概要を説明する。現在広く研究開発が行われているスピン移行トルク型ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｔｏｒｑｕｅ、以下、ＳＴＴ－ＭＲＡＭと呼ぶ。）は、２端子構造によりＭＴＪ素子に対して、書き込み及び読み出しの動作を行う。このため、ＳＴＴ－ＭＲＡＭを高集積化した場合に、十分な読み出しマージンを取ることができないという問題点、熱擾乱耐性を充分に長く得ることができないという問題点を抱えている。
【0038】
それらの問題点を解決することができるだけでなく、高速で低消費電力の書き込みが可能な方法として、スピンホール効果（Ｓｐｉｎ Ｈａｌｌ Ｅｆｆｅｃｃｔ、以下、ＳＨＥと呼ぶ。）を利用したＳＯＴ－ＭＲＡＭが注目を集めている。ＳＯＴ－ＭＲＡＭは、電流からスピン流を生成して書き込みを行う３端子構造を有している。このようなＳＯＴ－ＭＲＡＭのＳＯＴ電極の材料として、ＢｉＳｂトポロジカル絶縁体を用いることにより、高効率なＳＯＴスイッチングを可能とすることができる。
【0039】
しかしながら、ＢｉＳｂをＳＯＴ電極に用いた場合には、表面平坦性、構成元素の相互拡散、強磁性体へのシャント電流等の問題があり、ＳＯＴ－ＭＲＡＭの性能を低下させるとともに、実用化を困難とする要因となっていた。
【0040】
本開示では、ＳＯＴ－ＭＲＡＭの素子構造において、ＢｉＳｂのＳＯＴ電極層とその上のＭＴＪ素子の記録層との間に、スピン流を伝搬できる金属酸化物を挿入する。さらに、それぞれ結晶系が異なるＢｉＳｂのＳＯＴ電極層／金属酸化膜と、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯを含むＭＴＪ素子と、の結晶構造を分断するための低抵抗のアモルファス層を挿入する。これにより、ＳＯＴ－ＭＲＡＭの書き込み効率を増大させるとともに、ＭＴＪ素子の読み出しの効率を向上させ、良好な特性を持つＳＯＴ－ＭＲＡＭを提供することができる。
【0041】
（実施形態１）
実施形態１に係る磁気抵抗素子を説明する。図１及び図２は、実施形態１に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。図１に示しように、磁気抵抗素子１は、下地層１０、ＳＯＴ電極層２０、金属酸化物層３０、第１非磁性層Ａ１０、第１磁性層Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０を備えている。なお、図２に示すように、磁気抵抗素子１は、下地層１０を省いてもよい。以下の図では、下地層１０を省いて示す。図には、説明の便宜のために、各層に含まれる材料または名称を示しているが、これらの材料及び名称は、一例であり、各層の材料をこれらの材料に限定するものではない。
実施形態１に係る磁気抵抗素子を説明する。図１及び図２は、実施形態１に係る磁気抵抗素子を例示した断面図である。図１に示しように、磁気抵抗素子１は、下地層１０、ＳＯＴ電極層２０、金属酸化物層３０、第１非磁性層Ａ１０、第１磁性層Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０を備えている。なお、図２に示すように、磁気抵抗素子１は、下地層１０を省いてもよい。以下の図では、下地層１０を省いて示す。図には、説明の便宜のために、各層に含まれる材料または名称を示しているが、これらの材料及び名称は、一例であり、各層の材料をこれらの材料に限定するものではない。
【0042】
また、説明の便宜のために、金属酸化物層３０を、金属酸化物層（金属酸化物）３０と呼び、第１非磁性層Ａ１０を、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０と呼ぶ。また、第１磁性層Ｂ１０を、第１磁性層（記録層）Ｂ１０と呼ぶ。
【0043】
ＳＯＴ電極層２０、金属酸化物層（金属酸化物）３０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０は、スパッタ、反応性スパッタ、ＭＢＥ及び電子ビーム蒸着等の薄膜形成方法により形成されてもよいし、これら以外の薄膜形成方法で形成されてもよい。すべての層が所定の薄膜形成方法で形成されてもよいし、いくつかの層は、他の層と異なる薄膜形成方法で形成されてもよい。
【0044】
第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０は、ＭＴＪ素子を構成する。第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０を含むＭＴＪ素子は、パターニングされてもよい。なお、パターニングは、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第２非磁性層Ａ２０及び第２磁性層Ｂ２０に対して行われてもよい。
【0045】
＜下地層＞
下地層１０は、ＳＯＴ電極層２０を形成する上で、下地となる層を含む。また、下地層１０は、絶縁性のバッファ層となってもよい。下地層１０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁体を含む。、なお、下地層１０は、ＳＯＴ電極層２０を形成する上で、下地となる材料であれば、酸化シリコン等の絶縁体を含むものに限らず、サファイア（Ｓａｐｐｉｒｅ）等、他の材料を含んでもよい。
下地層１０は、ＳＯＴ電極層２０を形成する上で、下地となる層を含む。また、下地層１０は、絶縁性のバッファ層となってもよい。下地層１０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）等の絶縁体を含む。、なお、下地層１０は、ＳＯＴ電極層２０を形成する上で、下地となる材料であれば、酸化シリコン等の絶縁体を含むものに限らず、サファイア（Ｓａｐｐｉｒｅ）等、他の材料を含んでもよい。
【0046】
＜ＳＯＴ電極層＞
ＳＯＴ電極層２０は、下地層１０上に設けられている。ＳＯＴ電極層２０は、スピン軌道トルクをＭＴＪ素子の記録層である第１磁性層（記録層）Ｂ１０に印加するための層である。具体的には、ＳＯＴ電極層２０に電流を流すことによって、スピン軌道トルクをＭＴＪ素子の第１磁性層（記録層）Ｂ１０に印加することができる。ＳＯＴ電極層２０は、材料としてＢｉＳｂを含む。ＳＯＴ電極層２０は、三方晶系の結晶構造を有してもよい。ＢｉＳｂの安定構造は、三方晶系であり、その（００１）面が下地層１０上に配向した構造では、比較的大きなスピンホール角が得られる。この場合には、ＳＯＴ電極層２０は、膜面垂直方向を回転軸とした３回の回転対称性の結晶構造を有する。しかし、ＢｉＳｂの（０１２）面を下地層１０上に配向させた構造も非常に大きなスピンホール角を発現する。この場合には、ＳＯＴ電極層２０は、平面的には長方形にずれた面心格子のため、膜面垂直方向を回転軸とした３回の回転対称性でも４回の回転対称性でもない構造をとる。以下では、回転対称性の回転軸を、各層の積層方向として説明する。
ＳＯＴ電極層２０は、下地層１０上に設けられている。ＳＯＴ電極層２０は、スピン軌道トルクをＭＴＪ素子の記録層である第１磁性層（記録層）Ｂ１０に印加するための層である。具体的には、ＳＯＴ電極層２０に電流を流すことによって、スピン軌道トルクをＭＴＪ素子の第１磁性層（記録層）Ｂ１０に印加することができる。ＳＯＴ電極層２０は、材料としてＢｉＳｂを含む。ＳＯＴ電極層２０は、三方晶系の結晶構造を有してもよい。ＢｉＳｂの安定構造は、三方晶系であり、その（００１）面が下地層１０上に配向した構造では、比較的大きなスピンホール角が得られる。この場合には、ＳＯＴ電極層２０は、膜面垂直方向を回転軸とした３回の回転対称性の結晶構造を有する。しかし、ＢｉＳｂの（０１２）面を下地層１０上に配向させた構造も非常に大きなスピンホール角を発現する。この場合には、ＳＯＴ電極層２０は、平面的には長方形にずれた面心格子のため、膜面垂直方向を回転軸とした３回の回転対称性でも４回の回転対称性でもない構造をとる。以下では、回転対称性の回転軸を、各層の積層方向として説明する。
【0047】
＜金属酸化物層（金属酸化物）＞
金属酸化物層（金属酸化物）３０は、ＳＯＴ電極層２０上に設けられている。金属酸化物層（金属酸化物）３０は、材料として、金属酸化物を含む。金属酸化物層（金属酸化物）３０は、例えば、スピン拡散長が素子サイズよりも長い金属酸化物を含む。具体的には、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、スピン拡散長がＳＯＴ電極層２０と第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間の距離よりも長い金属酸化物を含む。例えば、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含んでもよい。なお、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含むものに限らない。しなしながら、金属酸化物層（金属酸化物）３０がＣｒ２Ｏ３を含む場合に、磁気抵抗素子１の磁気特性を顕著に向上させることができる。金属酸化物層（金属酸化物）３０の厚さは、好ましくは、０．５～２．５ｎｍであり、さらに好ましくは、１．０～１．１ｎｍである。Ｃｒ２Ｏ３を含む金属酸化物層（金属酸化物）３０の厚さが０．５ ～２．５ｎｍの場合に、磁気抵抗素子１の磁気特性を顕著に向上させることができる。また、１．０～１．１ｎｍの厚さの場合に、磁気特性をさらに顕著に向上させることができる。
金属酸化物層（金属酸化物）３０は、ＳＯＴ電極層２０上に設けられている。金属酸化物層（金属酸化物）３０は、材料として、金属酸化物を含む。金属酸化物層（金属酸化物）３０は、例えば、スピン拡散長が素子サイズよりも長い金属酸化物を含む。具体的には、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、スピン拡散長がＳＯＴ電極層２０と第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間の距離よりも長い金属酸化物を含む。例えば、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含んでもよい。なお、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含むものに限らない。しなしながら、金属酸化物層（金属酸化物）３０がＣｒ２Ｏ３を含む場合に、磁気抵抗素子１の磁気特性を顕著に向上させることができる。金属酸化物層（金属酸化物）３０の厚さは、好ましくは、０．５～２．５ｎｍであり、さらに好ましくは、１．０～１．１ｎｍである。Ｃｒ２Ｏ３を含む金属酸化物層（金属酸化物）３０の厚さが０．５ ～２．５ｎｍの場合に、磁気抵抗素子１の磁気特性を顕著に向上させることができる。また、１．０～１．１ｎｍの厚さの場合に、磁気特性をさらに顕著に向上させることができる。
【0048】
＜第１非磁性層（アモルファス）＞
第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に設けられている。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、非磁性体の材料を含む。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、第１磁性層Ｂ１０とＳＯＴ電極層２０との膜内垂直方向（積層方向）を回転軸とする結晶の回転対称性を分断するための材料を含む。具体的には、第１磁性層Ｂ１０とＳＯＴ電極層２０とは、各層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なっていたり、膜内平行方向の格子定数が大きく異なっていたりする。例えば、第１磁性層Ｂ１０は、膜面垂直方向（積層方向）を回転軸とした４回の回転対称性の結晶構造を含み、ＳＯＴ電極層２０は、各層の積層方向を回転軸とした３回の回転対称性の結晶構造を含む。この時、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０がアモルファスであることにより、ＳＯＴ電極層２０と第１磁性層Ｂ１０とは、各層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が分断されるため、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の下面に接した金属酸化物層（金属酸化物）３０は、結晶でもアモルファスでもよい。ＳＯＴ電極層２０に含まれた結晶と、第１磁性層（記録層）Ｂ１０に含まれた結晶とは、これらの層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なる。
第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に設けられている。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、非磁性体の材料を含む。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、第１磁性層Ｂ１０とＳＯＴ電極層２０との膜内垂直方向（積層方向）を回転軸とする結晶の回転対称性を分断するための材料を含む。具体的には、第１磁性層Ｂ１０とＳＯＴ電極層２０とは、各層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なっていたり、膜内平行方向の格子定数が大きく異なっていたりする。例えば、第１磁性層Ｂ１０は、膜面垂直方向（積層方向）を回転軸とした４回の回転対称性の結晶構造を含み、ＳＯＴ電極層２０は、各層の積層方向を回転軸とした３回の回転対称性の結晶構造を含む。この時、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０がアモルファスであることにより、ＳＯＴ電極層２０と第１磁性層Ｂ１０とは、各層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が分断されるため、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の下面に接した金属酸化物層（金属酸化物）３０は、結晶でもアモルファスでもよい。ＳＯＴ電極層２０に含まれた結晶と、第１磁性層（記録層）Ｂ１０に含まれた結晶とは、これらの層の積層方向を回転軸とする結晶の回転対称性が異なる。
【0049】
第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、少なくとも一部にアモルファスを含む。例えば、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、材料として、低抵抗のアモルファス材料を含む。具体的には、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、少なくとも一部にアモルファスで構成される金属層を含んでもよい。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、半分以上がアモルファスで構成される低抵抗の材料を含んでもよい。好ましくは、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、半分以上がアモルファス金属を含んでもよい。
【0050】
第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、材料として、例えば、Ｔａを含んでもよい。なお、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、少なくとも一部にアモルファスで構成される低抵抗の材料を含んでいれば、Ｔａを含むものに限らない。例えば、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、材料として、単体の遷移金属、遷移金属同士の合金、遷移金属と半金属との化合物、遷移金属窒化物、遷移金属酸化物、並びに、Ｂ－Ｃ－Ｎ系材料のうち、少なくともいずれかを含んでもよい。具体的には、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、Ｔａ、Ｗ及びハフニウム（Ｈｆ）等の単体遷移金属、もしくは、Ｔａ－Ｃｕ等の遷移金属同士の合金、もしくは、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）等の遷移金属と、ボロン（Ｂ）、炭素（Ｃ）、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）等の半金属との化合物を含んでもよい。また、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、抵抗率が比較的小さい窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）及び窒化チタン（ＴｉＮ）等の遷移金属窒化物や酸化物、さらに、ダイヤモンドライク炭素（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ、ＤＬＣ）、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化炭素（ＣＮ）等のＢ－Ｃ－Ｎ系の材料で構成されるアモルファス薄膜を含んでもよい。
【0051】
第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の厚さは、０．８～１．０ｎｍが好ましい。詳細は、後述する。
【0052】
＜第１磁性層（記録層）＞
第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０上に設けられている。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、磁性体の材料を含む。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、強磁性体の材料を含んでもよい。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、ＭＴＪ素子の記録層として機能する。よって、ＭＴＪ素子の第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、ＳＯＴ電極層２０に流れた電流によって、スピン軌道トルクを印加される。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、材料として、例えば、ＣｏＦｅＢを含んでもよい。したがって、第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、４回の回転対称性の結晶構造を含んでもよい。なお、第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、ＭＴＪ素子の記録層として機能し、４回の回転対称性の結晶構造を含んでいれば、材料として、ＣｏＦｅＢを含むものに限らない。
第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０上に設けられている。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、磁性体の材料を含む。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、強磁性体の材料を含んでもよい。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、ＭＴＪ素子の記録層として機能する。よって、ＭＴＪ素子の第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、ＳＯＴ電極層２０に流れた電流によって、スピン軌道トルクを印加される。第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、材料として、例えば、ＣｏＦｅＢを含んでもよい。したがって、第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、４回の回転対称性の結晶構造を含んでもよい。なお、第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、ＭＴＪ素子の記録層として機能し、４回の回転対称性の結晶構造を含んでいれば、材料として、ＣｏＦｅＢを含むものに限らない。
【0053】
＜第２非磁性層＞
第２非磁性層Ａ２０は、第１磁性層（記録層）Ｂ１０上に設けられている。第２非磁性層Ａ２０は、非磁性体の材料を含む。第２非磁性層Ａ２０は、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層として機能する。第２非磁性層Ａ２０は、例えば、材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含んでもよい。したがって、第２非磁性層Ａ２０は、４回の回転対称性の結晶構造を含んでもよい。
第２非磁性層Ａ２０は、第１磁性層（記録層）Ｂ１０上に設けられている。第２非磁性層Ａ２０は、非磁性体の材料を含む。第２非磁性層Ａ２０は、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層として機能する。第２非磁性層Ａ２０は、例えば、材料として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含んでもよい。したがって、第２非磁性層Ａ２０は、４回の回転対称性の結晶構造を含んでもよい。
【0054】
＜第２磁性層＞
第２磁性層Ｂ２０は、第２非磁性層Ａ２０上に設けられている。第２磁性層Ｂ２０は、磁性体の材料を含む。第２磁性層Ｍ２０は、強磁性体の材料を含んでもよい。第２磁性層Ｂ２０は、ＭＴＪ素子の参照層として機能する。第２磁性層Ｂ２０は、材料として、例えば、ＣｏＦｅＢを含んでもよい。したがって、第２磁性層Ｂ２０は、立方晶系を含んでもよい。なお、第２磁性層Ｂ２０は、ＭＴＪ素子の参照層として機能し、４回の回転対称性の結晶構造を含んでいれば、材料として、ＣｏＦｅＢを含むものに限らない。
第２磁性層Ｂ２０は、第２非磁性層Ａ２０上に設けられている。第２磁性層Ｂ２０は、磁性体の材料を含む。第２磁性層Ｍ２０は、強磁性体の材料を含んでもよい。第２磁性層Ｂ２０は、ＭＴＪ素子の参照層として機能する。第２磁性層Ｂ２０は、材料として、例えば、ＣｏＦｅＢを含んでもよい。したがって、第２磁性層Ｂ２０は、立方晶系を含んでもよい。なお、第２磁性層Ｂ２０は、ＭＴＪ素子の参照層として機能し、４回の回転対称性の結晶構造を含んでいれば、材料として、ＣｏＦｅＢを含むものに限らない。
【0055】
＜積層構造体＞
本実施形態の磁気抵抗素子１は、例えば、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子を含んでもよい。磁気抵抗素子１は、ＳＯＴ電極層２０と、第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、金属酸化物層（金属酸化物）３０及び第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０を配置させている。金属酸化物層（金属酸化物）３０は、例えば、スピン拡散長が長い金属酸化物層を含む。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、アモルファスで構成された低抵抗の材料を含む。これにより、以下に示すように、前述したＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０を有するＳＯＴ－ＭＲＡＭの問題点を解決することができる。
本実施形態の磁気抵抗素子１は、例えば、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子を含んでもよい。磁気抵抗素子１は、ＳＯＴ電極層２０と、第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、金属酸化物層（金属酸化物）３０及び第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０を配置させている。金属酸化物層（金属酸化物）３０は、例えば、スピン拡散長が長い金属酸化物層を含む。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、アモルファスで構成された低抵抗の材料を含む。これにより、以下に示すように、前述したＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０を有するＳＯＴ－ＭＲＡＭの問題点を解決することができる。
【0056】
具体的には、本実施形態の磁気抵抗素子１の構造は、例えば、酸化シリコン等の層間絶縁膜を含む下地層１０上に、下側から、絶縁性バッファ層／ＳＯＴ電極層２０／金属酸化物層（金属酸化物）３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０／第２非磁性層Ａ２０／第２磁性層Ｂ２０を含む積層構造を有している。このような構造の磁気抵抗素子１は、例えば、スパッタ成膜装置で積層され、ＭＴＪ素子をパターニングすることによって形成される。パターニングは、ＭＴＪ素子及び第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０に対して行われてもよい。
【0057】
ＳＯＴ電極層２０に含まれるＢｉＳｂ、及び、金属酸化物層（金属酸化物）３０に含まれるＣｒ２Ｏ３は、３回の回転対称性を優先的に取ることが知られている。一方、ＭＴＪ素子を構成する積層体は、４回の回転対称性を取った場合に、良好なＭＴＪ素子の特性を得ることができる。つまり、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の上面に接した層と、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の下面に接した層とは、異なる結晶構造を有している。３回の回転対称性の層上に直接に４回の回転対称性のＭＴＪ素子を形成すると、下部の第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、３回の回転対称性の層の影響を受けて劣化する。
【0058】
これに対して、本実施形態の磁気抵抗素子１は、Ｃｒ２Ｏ３等の３回の回転対称性を含む金属酸化物層（金属酸化物）３０と、ＣｏＦｅＢ等の４回の回転対称性を含む第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０を挿入している。よって、３回の回転対称性の金属酸化物層（金属酸化物）３０と、４回の回転対称性の第１磁性層（記録層）Ｂ１０と、が上下において分断される。これにより、金属酸化物層（金属酸化物）３０及び第１磁性層（記録層）Ｂ１０は、それぞれの特性を十分に発揮することができる。
【0059】
ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０を有する磁気抵抗素子１の素子構造に、Ｃｒ２Ｏ３を含む金属酸化物層（金属酸化物）３０／Ｔａを含む第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の積層を用いた場合の効果を実験的に以下で明らかにする。例えば、以下の積層構造を有する磁気抵抗素子１を作成する。ここで、（）の数字は、各層の厚さを示す。
【0060】
［試料Ｉ］
サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板／ＢｉＳｂ（１０ｎｍ）／ＣｒＯｘ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）／ＭｇＯ（２．０ｎｍ）／Ｔａ（２．０ｎｍ）の積層構造
サファイア（Ｓａｐｐｈｉｒｅ）基板／ＢｉＳｂ（１０ｎｍ）／ＣｒＯｘ（１．０ｎｍ）／Ｔａ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）／ＭｇＯ（２．０ｎｍ）／Ｔａ（２．０ｎｍ）の積層構造
【0061】
このような試料を、２５０℃で６０ｍｉｎのアニールを行ったところ、異方性磁界Ｈｋとして、約１．７ｋＯｅの垂直磁気異方性を得ることができる。
【0062】
さらに、第２高調波ホール測定法により磁気抵抗素子１のスピンホール角を測定した結果、本実施形態の磁気抵抗素子１は、ＷやＴａ等の重金属をＳＯＴ電極層に用いた場合と比べて、約1桁大きい２．８という値を得ることができる。
【0063】
ＣｒＯｘの膜厚依存性を調べたその後の実験（ＢｉＳｂの形成方法が異なっている）では、ＣｒＯｘの膜厚を１．０ｎｍから２．５ｎｍまで増大すると、スピンホール角が２．５から１．２まで減少する。つまり、金属酸化膜であるＣｒＯｘの最適な膜厚は、１ｎｍ程度である。例えば、ＣｒＯｘの膜厚は、１ｎｍが好ましい。このように、金属酸化物層（金属酸化物）３０がＣｒ２Ｏ３を含む場合に、磁気抵抗素子１の磁気特性を顕著に向上させることができる。また、Ｃｒ２Ｏ３を含む金属酸化物層（金属酸化物）３０の厚さが１．０～１．１ｎｍの場合に、磁気特性をさらに顕著に向上させることができる。
【0064】
非磁性体であるＣｒＯｘのスピン拡散長は、数ｎｍ以上に長いと考えられる。しかしながら、現状では、１ｎｍ以上の膜厚の増大に対して、スピンの減衰が生じていると考えられる。
【0065】
アモルファス金属であるＴａの膜厚を０．８ｎｍ以上に増大した場合には、スピンホール角の大幅な低下が見られる。原子量が大きく、スピン軌道相互作用が大きいＴａの場合には、非磁性金属とはいえ、スピン拡散長がさらに短くなっていると考えられる。そのため、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の膜厚は、１ｎｍ以下が好ましい。好ましくは、第１非磁性層Ａ１０の厚さは、０．８～１．０ｎｍである。
【0066】
金属酸化物層（金属酸化物）３０は、反強磁性酸化膜として、数１０～数１００ｎｍ程度の非常に長いスピン拡散長を持つ。このため、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０で生成したスピン流を殆ど減衰させずに、第１磁性層（記録層）Ｂ１０に伝えることができる。その結果として、磁気抵抗素子１は、大きなＳＯＴを第１磁性層（記録層）Ｂ１０に与えることができるので、磁気特性を向上させることができる。
【0067】
また、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、スパッタ成膜では平坦化することが困難なＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０の表面荒れを緩和するとともに、ＳＯＴ電極層２０上の第１磁性層（記録層）Ｂ１０を平坦化する効果を有する。つまり、金属酸化物層（金属酸化物）３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の積層体を、ＳＯＴ電極層２０と第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に挿入することにより、ＳＯＴ電極層２０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０の界面に起因するスピン拡散損失を低減し、大きなスピンホール角を得ることができる。
【0068】
さらに、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、ＳＯＴ電極層２０と、第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間の元素拡散バリアとして働き、前述したような相互拡散を抑制することができる。この拡散バリアは、高温アニール時も安定なため、成膜時の相互拡散だけでなく、磁気特性向上のための高温アニール時の相互拡散も抑制することができる。これらの第１磁性層（記録層）Ｂ１０の平坦化の効果、及び、相互拡散の抑制効果により、本実施形態の磁気抵抗素子１は、前述した良好な垂直磁気異方性等の磁気特性を得ることができる。
【0069】
また、Ｃｒ２Ｏ３は、バンドギャップが３．２ｅＶ程度の絶縁体のため、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０から第１磁性層（記録層）Ｂ１０へのスイッチング電流の分流を抑制することができる。その結果として、本実施形態の磁気抵抗素子１は、スイッチング電流を、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０内に閉じ込めることが可能となり、より高効率なＳＯＴスイッチングを行うことができる。
【0070】
その他にも、金属酸化物層（金属酸化物）３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の積層の挿入効果として、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０が金属酸化物層（金属酸化物）３０上の金属成膜の濡れ性を改善し、平坦な成膜を可能とすることが挙げられる。さらに、Ｔａのアモルファス金属は、隣接するＣｏＦｅＢのＢを吸収してＣｏＦｅＢの結晶化を促進し、結果としてＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／ＣｏＦｅＢを含むＭＴＪ素子の磁気特性を向上させることができる。
【0071】
ＳＯＴ－ＭＲＡＭにおいて、低消費電流のスイッチングを行うためには、大きなスピンホール角を得ることができるＳＯＴ電極層２０の材料を選ぶ必要がある。ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０は、重金属を含むＳＯＴ電極層よりも非常に大きなスピンホール角を得ることができるが、スパッタ成膜による表面荒れ、相互拡散等の、実用化に障害となる問題を抱えていた。
【0072】
これに対して、本実施形態の磁気抵抗素子１は、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０と第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、スピン拡散長が十分に長く、拡散バリアとしても働く金属酸化物層（金属酸化物）３０を挿入している。さらに、本実施形態の磁気抵抗素子１は、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０によって、上下の層の結晶構造を分断する。これにより、ＳＯＴスイッチング特性劣化の要因を排除することができるため、スイッチング特性を含む磁気特性を向上させることができる。
【0073】
（変形例１）
前述の図１及び図２では、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０を下側としたＢｉＳｂボトム（ｂｏｔｔｏｍ）構造の磁気抵抗素子１を示した。しかしながら、磁気抵抗素子１は、この構造全体を上下反転させて、ＳＯＴ電極層２０を上側に配置させたＢｉＳｂトップ（ｔｏｐ）構造にしてもよい。
前述の図１及び図２では、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０を下側としたＢｉＳｂボトム（ｂｏｔｔｏｍ）構造の磁気抵抗素子１を示した。しかしながら、磁気抵抗素子１は、この構造全体を上下反転させて、ＳＯＴ電極層２０を上側に配置させたＢｉＳｂトップ（ｔｏｐ）構造にしてもよい。
【0074】
図３は、実施形態１の変形例に係る磁気抵抗素子１ａを例示した断面図である。図３に示すように、磁気抵抗素子１ａは、下側から、第２磁性層Ｂ２０、第２非磁性層Ａ２０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、金属酸化物層（金属酸化物）３０、及び、ＳＯＴ電極層２０を備えてもよい。また、磁気抵抗素子１ａをこのような順で下側から成膜してもよい。このような構造でも、前述の磁気抵抗素子１と同様の効果を得ることができる。
【0075】
（実施形態２）
次に、実施形態２に係る磁気抵抗素子を説明する。図４は、実施形態２に係る磁気抵抗素子２を例示した断面図である。図４に示すように、本実施形態の磁気抵抗素子２は、実施形態１の磁気抵抗素子１の構成に加えて、第３磁性層Ｂ３０をさらに備えている。第３磁性層Ｂ３０を、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と呼ぶ。第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０と、の間に設けられている。言い換えれば、例えば、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０と、ＣｏＦｅＢを含む第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３磁性層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０を挿入されている。
次に、実施形態２に係る磁気抵抗素子を説明する。図４は、実施形態２に係る磁気抵抗素子２を例示した断面図である。図４に示すように、本実施形態の磁気抵抗素子２は、実施形態１の磁気抵抗素子１の構成に加えて、第３磁性層Ｂ３０をさらに備えている。第３磁性層Ｂ３０を、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と呼ぶ。第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０と、の間に設けられている。言い換えれば、例えば、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０と、ＣｏＦｅＢを含む第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３磁性層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０を挿入されている。
【0076】
＜第３磁性層＞
第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に設けられている。よって、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０上に設けられている。したがって、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０との間に配置されている。
第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に設けられている。よって、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０は、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０上に設けられている。したがって、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０との間に配置されている。
【0077】
第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、磁性体の材料を含む。第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、強磁性体の材料を含んでもよい。第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、第１磁性層（記録層）Ｂ１０と磁気的に結合する。これにより、第１磁性層（記録層）Ｂ１０及び第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、全体でＭＴＪ素子の記録層として機能する。第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、材料として、例えば、Ｃｏを含んでもよい。したがって、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、六方晶系の３回の回転対称性を含んでもよい。なお、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、３回の回転対称性を含む磁性層であれば、材料として、Ｃｏを含むものに限らなず、Ｃｏ－Ｐｔ合金等を含んでもよい。
【0078】
＜積層構造体＞
本実施形態の磁気抵抗素子２の構造は、例えば、酸化シリコン等の層間絶縁膜を含む下地層１０上に、下側から、絶縁性バッファ層／ＳＯＴ電極層２０／金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３磁性層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０／第２非磁性層Ａ２０／第２磁性層Ｂ２０を含む積層構造である。このような構造の磁気抵抗素子２は、スパッタ成膜装置で積層され、ＭＴＪ素子部をパターニングすることによって形成される。パターニングは、ＭＴＪ素子部、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０及び第３磁性層（磁性層）Ｂ３０に対して行われてもよい。
本実施形態の磁気抵抗素子２の構造は、例えば、酸化シリコン等の層間絶縁膜を含む下地層１０上に、下側から、絶縁性バッファ層／ＳＯＴ電極層２０／金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３磁性層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０／第２非磁性層Ａ２０／第２磁性層Ｂ２０を含む積層構造である。このような構造の磁気抵抗素子２は、スパッタ成膜装置で積層され、ＭＴＪ素子部をパターニングすることによって形成される。パターニングは、ＭＴＪ素子部、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０及び第３磁性層（磁性層）Ｂ３０に対して行われてもよい。
【0079】
磁気抵抗素子２の構造においても、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の上下の層で結晶系が異なっている。例えば、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の下面には、３回の回転対称性を有する第３磁性層（磁性層）Ｂ３０が配置されている。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の上下の層は、それぞれ、その機能に合った最適な結晶構造を取ることができる。このため、磁気抵抗素子２は、磁気特性を向上させることができる。
【0080】
本実施形態の磁気抵抗素子２は、前述の磁気抵抗素子１とは異なる特徴として、以下の点を有している。すなわち、金属酸化物層（金属酸化物）３０上の第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、第１磁性層（記録層）Ｂ１０と磁気的に結合する。これにより、第１磁性層（記録層）Ｂ１０及び第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、全体で、ＭＴＪ素子の記録層として機能する。この磁気結合した２層の記録層は、全体の体積を増大させることにより、熱擾乱耐性を向上させることができる。
【0081】
また、金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３磁性層（磁性層）Ｂ３０の界面の界面磁気異方性を利用できるため、ＭＴＪ素子の垂直磁気異方性を向上させることができ、ひいては熱擾乱耐性をさらに向上させることができる。さらに、ＳＯＴ電極層２０及び金属酸化物層（金属酸化物）３０といった３回の回転対称性を有する層に同じく３回の回転対称性を有する第３磁性層（磁性層）Ｂ３０を直接接合する。これにより、界面でのスピン損失を抑制することができる。このように、本実施形態の磁気抵抗素子２は、さらに、磁気特性を向上させることができる。
【0082】
（変形例）
図５は、実施形態２の変形例に係る磁気抵抗素子２ａを例示した断面図である。図５に示すように、変形例に係る磁気抵抗素子２ａは、ＢｉＳｂトップ構造にしてもよい。具体的には、磁気抵抗素子２ａは、下側から、第２磁性層Ｂ２０、第２非磁性層Ａ２０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０、金属酸化物層（金属酸化物）３０、及び、ＳＯＴ電極層２０を備えてもよい。また、磁気抵抗素子２ａをこのような順で下側から成膜してもよい。このような構造でも、前述の実施形態２の磁気抵抗素子２と同様の効果を得ることができる。
図５は、実施形態２の変形例に係る磁気抵抗素子２ａを例示した断面図である。図５に示すように、変形例に係る磁気抵抗素子２ａは、ＢｉＳｂトップ構造にしてもよい。具体的には、磁気抵抗素子２ａは、下側から、第２磁性層Ｂ２０、第２非磁性層Ａ２０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０、金属酸化物層（金属酸化物）３０、及び、ＳＯＴ電極層２０を備えてもよい。また、磁気抵抗素子２ａをこのような順で下側から成膜してもよい。このような構造でも、前述の実施形態２の磁気抵抗素子２と同様の効果を得ることができる。
【0083】
（実施形態３）
次に、実施形態３に係る磁気抵抗素子を説明する。図６は、実施形態３に係る磁気抵抗素子３を例示した断面図である。図６に示すように、本実施形態の磁気抵抗素子３は、実施形態２の磁気抵抗素子２の構成に加えて、第３非磁性層Ａ３０をさらに備えている。第３非磁性層Ａ３０を、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０と呼ぶ。第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と、の間に設けられている。言い換えれば、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０と、ＣｏＦｅＢを含む第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０／第３磁性層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０を挿入されている。
次に、実施形態３に係る磁気抵抗素子を説明する。図６は、実施形態３に係る磁気抵抗素子３を例示した断面図である。図６に示すように、本実施形態の磁気抵抗素子３は、実施形態２の磁気抵抗素子２の構成に加えて、第３非磁性層Ａ３０をさらに備えている。第３非磁性層Ａ３０を、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０と呼ぶ。第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と、の間に設けられている。言い換えれば、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０と、ＣｏＦｅＢを含む第１磁性層（記録層）Ｂ１０との間に、金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０／第３磁性層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０を挿入されている。
【0084】
＜第３非磁性層＞
第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に設けられている。よって、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０上に設けられている。したがって、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と第３磁性層（磁性層）Ｂ３０との間に配置されている。
第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に設けられている。よって、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０上に設けられている。したがって、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と第３磁性層（磁性層）Ｂ３０との間に配置されている。
【0085】
第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、非磁性体の材料を含んでもよい。第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、材料として、金属を含んでもよい。具体的には、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、結晶金属層を含んでもよい。第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０との結晶格子の不整合を緩和する結晶構造を有し、結晶格子の不整合を緩和するバッファ層として機能する。このため、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、ＳＯＴ電極層２０から第３磁性層（磁性層）Ｂ３０へのスピン注入におけるスピン損失を低減することができる。
【0086】
３回の回転対称性を有する三方晶系のＢｉＳｂは、４．３１～４．５５Åの格子定数を示す。ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０上に形成される金属酸化物層（金属酸化物）３０として、例えば、Ｃｒ２Ｏ３は、３回の回転対称性の六方晶系であり、４．９６Åの格子定数を示す。このことから、Ｃｒ２Ｏ３は、約１０％程度の格子不整合で、ＢｉＳｂ上に結晶成長する。
【0087】
ここで、３回の回転対称性の六方晶系のＣｏの格子定数は、２．５１Å程度であるから、Ｃｒ２Ｏ３が格子緩和していない場合には、やはり１０％程度の格子不整合を有して２倍周期で結晶成長すると考えられる。この格子不整合を緩和するために、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、３回の回転対称性を有し、かつ、ＢｉＳｂの格子定数と、Ｃｏの格子定数の２倍と、の中間の格子定数を持つ材料が好ましい。したがって、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、そのような材料として、ＴｉＣｒ２を含んでもよい。ＴｉＣｒ２は、六方晶系の３回の回転対称性であり、４．８４Å程度の格子定数を有する金属間化合物である。なお、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、３回の回転対称性の結晶構造を有し、かつ、ＢｉＳｂの格子定数と、Ｃｏの格子定数の２倍との中間の格子定数を持つ材料であれば、ＴｉＣｒ２を含むものに限らない。
【0088】
ここで、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０を挿入したことにより、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と、金属酸化物層（金属酸化物）３０との接合が失われることが考えられる。このため、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と、金属酸化物層（金属酸化物）３０との界面磁気異方性を利用した磁気異方性の低下が懸念される。その場合には、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０の下面にＰｔ層を挿入する。または、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０として、Ｃｏ３Ｐｔ層を形成する。このようにして、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０を、３回の回転対称性でかつバルクの垂直磁気異方性を有するＣｏ－Ｐｔ合金にすれば、垂直磁気異方性を増大させることができる。
【0089】
ところで、本実施形態における第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０の主要な効果は、格子不整合を緩和するバッファ層として機能することである。しかしながら、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、それ以外に、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に形成される第３磁性層（磁性層）Ｂ３０の濡れ性を改善させる効果を有している。
【0090】
例えば、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０に含まれるＣｏは、一般に、酸化膜上での成膜において、表面エネルギーが大きく、濡れ性が低下することが知られている。その際に、Ｃｒ及びＴｉ等の少なくともいずれかの濡れ性の良好な金属を１ｎｍ以下の薄膜で形成した後、Ｃｏを成膜すれば、Ｃｏを平坦に成膜することができる。したがって、このような成膜を実現させるために、第３非磁性層（結晶金属）の厚さは、０ｎｍよりも大きく、１．０ｎｍ以下であることが好ましい。このように、磁気抵抗素子３は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０との間に設けられた第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０をさらに備える。第３非磁性層（結晶金属）上に形成された第３磁性層（磁性層）Ｂ３０の表面エネルギーは、金属酸化物層（金属酸化物）３０上に形成された場合の第３磁性層（磁性層）Ｂ３０の表面エネルギーよりも小さい。よって、第３非磁性層（結晶金属）上に形成された第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、島状成長が抑制され、平坦性が改善されている。
【0091】
この場合のＣｒ及びＴｉ等の薄膜は、Ｃｒ２Ｏ３等の金属酸化物層（金属酸化物）３０とは結晶系や格子定数が異なることにより、明確な配向を示さない可能性がある。しかし、そのことにより、Ｃｏを含む第３磁性層（磁性層）Ｂ３０の結晶性が低下したとしても、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０から注入されるスピン流により、磁化反転させることはできる。
【0092】
＜積層構造体＞
本実施形態の磁気抵抗素子３の構造は、例えば、酸化シリコン等の層間絶縁膜を含む下地層１０上に、下側から、絶縁性バッファ層／ＳＯＴ電極層２０／金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０／第３磁性体層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０／第２非磁性層Ａ２０／第２磁性層Ｂ２０を含む積層構造である。このような構造の磁気抵抗素子３は、スパッタ成膜装置で積層され、ＭＴＪ素子部をパターニングすることによって形成される。パターニングは、ＭＴＪ素子部、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０及び第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０に対して行われてもよい。
本実施形態の磁気抵抗素子３の構造は、例えば、酸化シリコン等の層間絶縁膜を含む下地層１０上に、下側から、絶縁性バッファ層／ＳＯＴ電極層２０／金属酸化物層（金属酸化物）３０／第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０／第３磁性体層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０／第２非磁性層Ａ２０／第２磁性層Ｂ２０を含む積層構造である。このような構造の磁気抵抗素子３は、スパッタ成膜装置で積層され、ＭＴＪ素子部をパターニングすることによって形成される。パターニングは、ＭＴＪ素子部、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０及び第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０に対して行われてもよい。
【0093】
磁気抵抗素子３の構造においても、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の上下の層で結晶系が異なっている。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の上下の層は、それぞれ、その機能に合った最適な結晶構造を取ることができる。このため、磁気抵抗素子３は、磁気特性を向上させることができる。
【0094】
本実施形態の磁気抵抗素子３は、前述の磁気抵抗素子２とは異なる特徴として、以下の点を有している。すなわち、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と第３磁性層（磁性層）Ｂ３０との結晶構造の違いや格子不整合を緩和するためのバッファ層であるため、ＳＯＴ電極層２０から第３磁性層（磁性層）Ｂ３０へのスピン注入におけるスピン損失を低減することができる。これより、本実施形態の構成によっても、磁気抵抗素子３の磁気特性を向上させることができる。
【0095】
（変形例）
図７は、実施形態３の変形例に係る磁気抵抗素子３ａを例示した断面図である。図７に示すように、変形例に係る磁気抵抗素子３ａは、ＢｉＳｂトップ構造となっている。具体的には、磁気抵抗素子３ａは、下側から、第２磁性層Ｂ２０、第２非磁性層Ａ２０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０、金属酸化物層（金属酸化物）３０、及び、ＳＯＴ電極層２０を備えてもよい。また、磁気抵抗素子３ａをこのような順で下側から成膜してもよい。このような構造でも、前述の実施形態３の磁気抵抗素子３と同様の効果を得ることができる。
図７は、実施形態３の変形例に係る磁気抵抗素子３ａを例示した断面図である。図７に示すように、変形例に係る磁気抵抗素子３ａは、ＢｉＳｂトップ構造となっている。具体的には、磁気抵抗素子３ａは、下側から、第２磁性層Ｂ２０、第２非磁性層Ａ２０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０、第３非磁性層（結晶金属）Ａ３０、金属酸化物層（金属酸化物）３０、及び、ＳＯＴ電極層２０を備えてもよい。また、磁気抵抗素子３ａをこのような順で下側から成膜してもよい。このような構造でも、前述の実施形態３の磁気抵抗素子３と同様の効果を得ることができる。
【0096】
（実施形態４）
次に、実施形態４に係る磁気抵抗素子を説明する。図８は、実施形態４に係る磁気抵抗素子４を例示した断面図である。図８に示すように、本実施形態の磁気抵抗素子４は、実施形態２の磁気抵抗素子２における金属酸化物層（金属酸化物）３０の代わりに、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０及び第２金属酸化物層（金属酸化物）５０を備えている。つまり、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０及び第２金属酸化物層（金属酸化物）５０を含む。第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、ＳＯＴ電極層２０と、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０と、の間に設けられている。第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０と、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と、の間に設けられている。
次に、実施形態４に係る磁気抵抗素子を説明する。図８は、実施形態４に係る磁気抵抗素子４を例示した断面図である。図８に示すように、本実施形態の磁気抵抗素子４は、実施形態２の磁気抵抗素子２における金属酸化物層（金属酸化物）３０の代わりに、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０及び第２金属酸化物層（金属酸化物）５０を備えている。つまり、金属酸化物層（金属酸化物）３０は、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０及び第２金属酸化物層（金属酸化物）５０を含む。第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、ＳＯＴ電極層２０と、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０と、の間に設けられている。第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０と、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０と、の間に設けられている。
【0097】
＜第１金属酸化物層（金属酸化物）＞
第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、ＳＯＴ電極層２０上に設けられている。第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と同様の機能を有してもよい。また、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、金属酸化物層３０（金属酸化物）と同様の材料及び結晶構造を有してもよい。すなわち、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、材料として、金属酸化物を含んでもよい。また、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、３回の回転対称性の金属酸化物を含んでもよい。例えば、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含んでもよい。なお、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、材料として、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０と異なる金属酸化物を含めば、金属酸化物層３０（金属酸化物）と同様の材料及び結晶構造を含むものに限らない。
第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、ＳＯＴ電極層２０上に設けられている。第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、金属酸化物層（金属酸化物）３０と同様の機能を有してもよい。また、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、金属酸化物層３０（金属酸化物）と同様の材料及び結晶構造を有してもよい。すなわち、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、材料として、金属酸化物を含んでもよい。また、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、３回の回転対称性の金属酸化物を含んでもよい。例えば、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、材料として、Ｃｒ２Ｏ３を含んでもよい。なお、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、材料として、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０と異なる金属酸化物を含めば、金属酸化物層３０（金属酸化物）と同様の材料及び結晶構造を含むものに限らない。
【0098】
＜第２金属酸化物層（金属酸化物）＞
第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０上に設けられている。したがって、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０上に設けられている。
第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０上に設けられている。したがって、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０は、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０上に設けられている。
【0099】
第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０との界面において高い界面磁気異方性を誘起する材料を含むことが好ましい。そのような材料は、例えば、アモルファス酸化物でもよいし、多結晶酸化物の多くの酸化物の中から選択されてもよい。第２金属酸化物層（金属酸化物）５０の形成方法は、自然酸化、プラズマ酸化、酸化物の直接スパッタ等の広い手法の中から選択してもよい。
【0100】
第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、材料として、アルミニウム酸化物、タンタル酸化物、マグネシウム酸化物、ルテニウム酸化物、ハフニウム酸化物、及び、クロム酸化物のうち、少なくともいずれかを含んでもよい。このような材料を含むことにより、高い界面磁気異方性を誘起する効果を有することができる。
【0101】
また、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、３回の回転対称性の第３磁性層（磁性層）Ｂ３０及び３回の回転対称性の第１金属酸化物層（金属酸化物）４０との間で、結晶系や格子定数を整合させることにより、より効果的なスピン注入を行うことができる。しかしながら、上記の場合と同様に、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、アモルファスを含む場合や、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０及び第１金属酸化物層（金属酸化物）４０と結晶系が異なる場合でも、磁性体層として、ＳＯＴ電極層２０から注入されるスピン流により、磁化反転させることができる。
【0102】
＜積層構造体＞
本実施形態の磁気抵抗素子４の構造は、酸化シリコン等の層間絶縁膜を含む下地層１０上に、下側から、絶縁性バッファ層／ＳＯＴ電極層２０／第１金属酸化物層（金属酸化物）４０／第２金属酸化物層（金属酸化物）５０／第３磁性体層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０／第２非磁性層Ａ２０／第２磁性層Ｂ２０を含む積層構造である。このような構造の磁気抵抗素子４は、スパッタ成膜装置で積層され、ＭＴＪ素子をパターニングすることによって形成される。パターニングは、ＭＴＪ素子、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０及び第３磁性層（磁性層）Ｂ３０に対して行われてもよい。
本実施形態の磁気抵抗素子４の構造は、酸化シリコン等の層間絶縁膜を含む下地層１０上に、下側から、絶縁性バッファ層／ＳＯＴ電極層２０／第１金属酸化物層（金属酸化物）４０／第２金属酸化物層（金属酸化物）５０／第３磁性体層（磁性層）Ｂ３０／第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０／第１磁性層（記録層）Ｂ１０／第２非磁性層Ａ２０／第２磁性層Ｂ２０を含む積層構造である。このような構造の磁気抵抗素子４は、スパッタ成膜装置で積層され、ＭＴＪ素子をパターニングすることによって形成される。パターニングは、ＭＴＪ素子、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０及び第３磁性層（磁性層）Ｂ３０に対して行われてもよい。
【0103】
磁気抵抗素子４の構造においても、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の上下の層で結晶系が異なっている。第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０の上下の層は、それぞれ、その機能に合った最適な結晶構造を取ることができる。このため、磁気抵抗素子４は、磁気特性を向上させることができる。
【0104】
本実施形態の磁気抵抗素子４は、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０と第２金属酸化物層（金属酸化物）５０とで異なった機能を有する。例えば、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、ＢｉＳｂを含むＳＯＴ電極層２０からのスピン注入効率が高くなる材料を含む。さらに、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０は、成膜時にＢｉＳｂを酸化させ難い材料である。一方、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０は、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０との界面において、高い界面磁気異方性を誘起する材料である。これより、本実施形態の磁気抵抗素子４は、磁気特性を向上させることができる。
【0105】
（変形例）
図９は、実施形態４の変形例に係る磁気抵抗素子４ａを例示した断面図である。図８に示すように、変形例に係る磁気抵抗素子４ａは、ＢｉＳｂトップ構造にしてもよい。具体的には、磁気抵抗素子４ａは、下側から、第２磁性層Ｂ２０、第２非磁性層Ａ２０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０、及び、ＳＯＴ電極層２０を備えてもよい。また、磁気抵抗素子４ａをこのような順で下側から成膜してもよい。このような構造でも、前述の実施形態４の磁気抵抗素子４と同様の効果を得ることができる。
図９は、実施形態４の変形例に係る磁気抵抗素子４ａを例示した断面図である。図８に示すように、変形例に係る磁気抵抗素子４ａは、ＢｉＳｂトップ構造にしてもよい。具体的には、磁気抵抗素子４ａは、下側から、第２磁性層Ｂ２０、第２非磁性層Ａ２０、第１磁性層（記録層）Ｂ１０、第１非磁性層（アモルファス）Ａ１０、第３磁性層（磁性層）Ｂ３０、第２金属酸化物層（金属酸化物）５０、第１金属酸化物層（金属酸化物）４０、及び、ＳＯＴ電極層２０を備えてもよい。また、磁気抵抗素子４ａをこのような順で下側から成膜してもよい。このような構造でも、前述の実施形態４の磁気抵抗素子４と同様の効果を得ることができる。
【0106】
（実施形態５）
次に、実施形態５を説明する。本実施形態は、磁気抵抗素子１～４のいずれかを含んだ半導体装置である。図１０及び図１１は、実施形態５に係る半導体装置５を例示した回路図である。図１０及び図１１に示すように、本実施形態の半導体装置５は、磁気メモリＭＭを含んでもよいし、メモリセルＭＣを含んでもよい。
次に、実施形態５を説明する。本実施形態は、磁気抵抗素子１～４のいずれかを含んだ半導体装置である。図１０及び図１１は、実施形態５に係る半導体装置５を例示した回路図である。図１０及び図１１に示すように、本実施形態の半導体装置５は、磁気メモリＭＭを含んでもよいし、メモリセルＭＣを含んでもよい。
【0107】
図１０に示すように、磁気メモリＭＭは、メモリセルＭＣがアレイ状に配置されたメモリセルアレイ１００と、同一列方向に配置されたメモリセルＭＣに対応して設けられた２本のワード線ＷＬ１、ＷＬ２と、同一行方向に配置されたメモリセルＭＣに対応して設けられた３本のビット線ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３と、ワード線選択回路１１０と、ビット線選択回路１２ａ及び１２ｂと、書き込み回路１３ａ及び１３ｂと、読み出し回路１４ａ及び１４ｂと、を備えている。
【0108】
図１１に示すように、各メモリセルＭＣは、前述の磁気抵抗素子１～４及び１ａ～４ａのいずれかと、トランジスタＴＲ１及びＴＲ２と、を備えている。ここでは、磁気抵抗素子１を用いた場合を例にとって説明する。
【0109】
メモリセルＭＣにおいて、磁気抵抗素子１の第２磁性層Ｂ２０は、トランジスタＴＲ１のソース及びドレインのうちの一方に接続される。トランジスタＴＲ１は、ソース及びドレインのうちの他方がビット線ＢＬ１に接続され、ゲートがワード線ＷＬ１に接続される。ＳＯＴ電極層２０は、一端がトランジスタＴＲ２のソース及びドレインのうちの一方に接続され、他端がビット線ＢＬ３に接続される。トランジスタＴＲ２は、ソース及びドレインの他方がビット線ＢＬ２に接続され、ゲートがワード線ＷＬ２に接続される。
【0110】
（書き込み動作）
次に、メモリセルＭＣへの書き込みについて説明する。まず、書き込みを行うメモリセルＭＣのトランジスタＴＲ２がオン状態となるように、このトランジスタＴＲ２のゲートが接続されているワード線ＷＬ２にワード線選択回路１１０がハイレベルの電位を印加する。このとき、上記メモリセルＭＣが属する列の他のメモリセルＭＣにおけるトランジスタＴＲ２もオン状態となる。しかし、上記メモリセルＭＣ内のトランジスタＴＲ１のゲートに接続されるワード線ＷＬ１並びに他の列に対応するワード線ＷＬ１及びＷＬ２は、それぞれ、ロウレベルの電位が印加される。
次に、メモリセルＭＣへの書き込みについて説明する。まず、書き込みを行うメモリセルＭＣのトランジスタＴＲ２がオン状態となるように、このトランジスタＴＲ２のゲートが接続されているワード線ＷＬ２にワード線選択回路１１０がハイレベルの電位を印加する。このとき、上記メモリセルＭＣが属する列の他のメモリセルＭＣにおけるトランジスタＴＲ２もオン状態となる。しかし、上記メモリセルＭＣ内のトランジスタＴＲ１のゲートに接続されるワード線ＷＬ１並びに他の列に対応するワード線ＷＬ１及びＷＬ２は、それぞれ、ロウレベルの電位が印加される。
【0111】
続いて、書き込みを行うメモリセルＭＣに接続されるビット線ＢＬ２及びＢＬ３がビット線選択回路１２ａ及び１２ｂによって選択される。そして、この選択されたビット線ＢＬ２及びＢＬ３に、書き込み回路１３ａ及び１３ｂによって、ビット線選択回路１２ａ及びビット線選択回路１２ｂのうちの一方から他方に書き込み電流が流される。この書き込み電流によって、磁気抵抗素子１の第１磁性層（記録層）Ｂ１０の磁化方向が磁化反転可能となり、書き込みが行われる。なお、ビット線選択回路１２ａ及びビット線選択回路１２ｂのうちの他方から一方に書き込み電流を流せば、磁気抵抗素子１の第１磁性層（記録層）Ｂ１０の磁化方向が、前述した場合と反対方向に磁化反転可能となり、書き込みが行われる。
【0112】
（読み出し動作）
次に、メモリセルＭＣからの読み出し動作について説明する。まず、読み出しを行うメモリセルＭＣに接続されるワード線ＷＬ１にハイレベルの電位を印加し、上記メモリセルＭＣ内のトランジスタＴＲ１をオン状態にする。このとき、上記メモリセルＭＣが属する列の他のメモリセルＭＣにおけるトランジスタＴＲ１もオン状態となる。しかし、上記メモリセルＭＣ内のトランジスタＴＲ２のゲートに接続されるワード線ＷＬ２並びに他の列に対応するワード線ＷＬ１及びＷＬ２は、それぞれ、ロウレベルの電位が印加される。
次に、メモリセルＭＣからの読み出し動作について説明する。まず、読み出しを行うメモリセルＭＣに接続されるワード線ＷＬ１にハイレベルの電位を印加し、上記メモリセルＭＣ内のトランジスタＴＲ１をオン状態にする。このとき、上記メモリセルＭＣが属する列の他のメモリセルＭＣにおけるトランジスタＴＲ１もオン状態となる。しかし、上記メモリセルＭＣ内のトランジスタＴＲ２のゲートに接続されるワード線ＷＬ２並びに他の列に対応するワード線ＷＬ１及びＷＬ２は、それぞれ、ロウレベルの電位が印加される。
【0113】
続いて、読み出しを行うメモリセルＭＣに接続されるビット線ＢＬ１及びＢＬ３がビット線選択回路１２ａ及び１２ｂによって選択される。そして、この選択されたビット線ＢＬ１及びビット線ＢＬ３に、読み出し回路１４ａ及び１４ｂによって、ビット線選択回路１２ａ及びビット線選択回路１２ｂのうちの一方から他方に読み出し電流が流される。このとき、例えば、上記選択されたビット線ＢＬ１及びＢＬ３間の電圧を読み出し回路１４ａ及び１４ｂによって検出することにより、磁気抵抗素子１の第１磁性層（記録層）Ｂ１０と第２磁性層（参照層）Ｂ２０との間に磁化方向が互いに平行状態（同じ向き）にあるか、または互いに反平行状態（逆向き）にあるかを検出することができる。すなわち、読み出しを行うことができる。
【0114】
本実施形態の半導体装置５は、前述の磁気抵抗素子１を含んでいるので、磁気特性を向上させ、書き込み動作及び読み出し動作を向上させることができる。
【0115】
なお、本開示は、上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施形態１～５の各構成を組み合わせたものも本発明の技術思想の範囲内である。
【符号の説明】
【0116】
１、１ａ、２、２ａ、３、３ａ、４、４ａ 磁気抵抗素子
５ 半導体装置
１０ 下地層
１２ａ、１２ｂ ビット線選択回路
１３ａ、１３ｂ 書き込み回路
１４ａ、１４ｂ 読み出し回路
２０ ＳＯＴ電極層
３０ 金属酸化物層
４０ 第１金属酸化物層
５０ 第２金属酸化物層
１００ メモリセルアレイ
１１０ ワード線選択回路
Ａ１０ 第１非磁性層
Ａ２０ 第２非磁性層
Ａ３０ 第３非磁性層
Ｂ１０ 第１磁性層
Ｂ２０ 第２磁性層
Ｂ３０ 第３磁性層
ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３ ビット線
ＭＣ メモリセル
ＭＭ 磁気メモリ
ＷＬ１、ＷＬ２ ワード線
５ 半導体装置
１０ 下地層
１２ａ、１２ｂ ビット線選択回路
１３ａ、１３ｂ 書き込み回路
１４ａ、１４ｂ 読み出し回路
２０ ＳＯＴ電極層
３０ 金属酸化物層
４０ 第１金属酸化物層
５０ 第２金属酸化物層
１００ メモリセルアレイ
１１０ ワード線選択回路
Ａ１０ 第１非磁性層
Ａ２０ 第２非磁性層
Ａ３０ 第３非磁性層
Ｂ１０ 第１磁性層
Ｂ２０ 第２磁性層
Ｂ３０ 第３磁性層
ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３ ビット線
ＭＣ メモリセル
ＭＭ 磁気メモリ
ＷＬ１、ＷＬ２ ワード線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】