知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】P2024041275
(43)【公開日】2024-03-27
(54)【発明の名称】磁気記憶装置
(51)【国際特許分類】
H10B 61/00 20230101AFI20240319BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20240319BHJP
H10N 50/10 20230101ALI20240319BHJP
H01F 10/14 20060101ALI20240319BHJP
H01F 10/30 20060101ALI20240319BHJP
【ＦＩ】
H01L27/105 447
H01L29/82 Z
H01L43/08 Z
H01F10/14
H01F10/30
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022145992
(22)【出願日】2022-09-14
(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】110001737
【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小池 剛央
(72)【発明者】
【氏名】野本 梨菜
(72)【発明者】
【氏名】金谷 宏行
(72)【発明者】
【氏名】中山 昌彦
(72)【発明者】
【氏名】渡邉 大輔
【テーマコード（参考）】
4M119
5E049
5F092
【Ｆターム（参考）】
4M119BB01
4M119DD17
4M119DD26
4M119DD31
4M119DD42
4M119EE22
4M119EE27
5E049AA01
5E049BA08
5E049CB02
5E049DB14
5F092AB07
5F092AC12
5F092AD23
5F092BB23
5F092BB34
5F092BB36
5F092BB43
5F092BC03
5F092BC14
(57)【要約】
【課題】 優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む磁気記憶装置を提供する。
【解決手段】 実施形態に係る磁気記憶装置は、第１の磁性層１０と、第２の磁性層２０と、非磁性層３０とを備え、非磁性層は、マグネシウム及び酸素を含有する第１の酸化物層３１と、マグネシウム及び酸素を含有する第２の酸化物層３２と、亜鉛及び酸素を含有する第３の酸化物層３３と、第１の所定元素及び酸素を含有する第４の酸化物層３４ａと、第２の所定元素及び酸素を含有する第５の酸化物層３５ａとを含み、第１の所定元素の酸化物の結晶構造及び第２の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、Ｂ１構造であり、第１の所定元素及び第２の所定元素はいずれも、亜鉛の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、第１の所定元素の酸化物及び第２の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウムの酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する。
【選択図】図１
【解決手段】 実施形態に係る磁気記憶装置は、第１の磁性層１０と、第２の磁性層２０と、非磁性層３０とを備え、非磁性層は、マグネシウム及び酸素を含有する第１の酸化物層３１と、マグネシウム及び酸素を含有する第２の酸化物層３２と、亜鉛及び酸素を含有する第３の酸化物層３３と、第１の所定元素及び酸素を含有する第４の酸化物層３４ａと、第２の所定元素及び酸素を含有する第５の酸化物層３５ａとを含み、第１の所定元素の酸化物の結晶構造及び第２の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、Ｂ１構造であり、第１の所定元素及び第２の所定元素はいずれも、亜鉛の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、第１の所定元素の酸化物及び第２の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウムの酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、
を含み、
前記第１の所定元素の酸化物の結晶構造及び前記第２の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、Ｂ１構造であり、
前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、
前記第１の所定元素の酸化物及び前記第２の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、
を含み、
前記第１の所定元素の酸化物の結晶構造及び前記第２の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、Ｂ１構造であり、
前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、
前記第１の所定元素の酸化物及び前記第２の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項2】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、
を含み、
前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、鉄（Ｆｅ）である
ことを特徴とする磁気記憶装置。
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、
を含み、
前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、鉄（Ｆｅ）である
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項3】
前記第４の酸化物層は、前記第１の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層を含み、
前記第５の酸化物層は、前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
前記第５の酸化物層は、前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層を含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
【請求項4】
前記第４の酸化物層に含まれる前記第１の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する層に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、前記第１の酸化物層から遠ざかるにしたがって減少し、
前記第５の酸化物層に含まれる前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する層に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、前記第２の酸化物層から遠ざかるにしたがって減少する
ことを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶装置。
前記第５の酸化物層に含まれる前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する層に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、前記第２の酸化物層から遠ざかるにしたがって減少する
ことを特徴とする請求項３に記載の磁気記憶装置。
【請求項5】
前記第４の酸化物層は、前記第１の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層と、前記第１の所定元素及び酸素（Ｏ）含有し且つマグネシウム（Ｍｇ）を実質的に含有しない層とを含み、
前記第５の酸化物層は、前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層と、前記第２の所定元素及び酸素（Ｏ）含有し且つマグネシウム（Ｍｇ）を実質的に含有しない層とを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
前記第５の酸化物層は、前記第２の所定元素、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）含有する層と、前記第２の所定元素及び酸素（Ｏ）含有し且つマグネシウム（Ｍｇ）を実質的に含有しない層とを含む
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気記憶装置。
【請求項6】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
を含み、
前記所定元素は、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも小さい酸化物生成自由エネルギーを有し、
前記所定元素の酸化物は、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
を含み、
前記所定元素は、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも小さい酸化物生成自由エネルギーを有し、
前記所定元素の酸化物は、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項7】
前記所定元素の酸化物の結晶構造は、Ｂ１構造である
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶装置。
ことを特徴とする請求項６に記載の磁気記憶装置。
【請求項8】
可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
を含み、
前記所定元素は、カドミウム（Ｃｄ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）から選択される
ことを特徴とする磁気記憶装置。
固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、
を備える磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、
前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、
前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、
前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、
を含み、
前記所定元素は、カドミウム（Ｃｄ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）から選択される
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項9】
前記非磁性層は、
前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有し且つ亜鉛（Ｚｎ）を実質的に含有しない第４の酸化物層と、
前記第２の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有し且つ亜鉛（Ｚｎ）を実質的に含有しない第５の酸化物層と、
をさらに含む
ことを特徴とする請求項６又は８に記載の磁気記憶装置。
前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有し且つ亜鉛（Ｚｎ）を実質的に含有しない第４の酸化物層と、
前記第２の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有し且つ亜鉛（Ｚｎ）を実質的に含有しない第５の酸化物層と、
をさらに含む
ことを特徴とする請求項６又は８に記載の磁気記憶装置。
【請求項10】
前記非磁性層は、
前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第６の酸化物層と、
前記第２の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第７の酸化物層と、
をさらに含む
ことを特徴とする請求項６又は８に記載の磁気記憶装置。
前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第６の酸化物層と、
前記第２の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）、前記所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第７の酸化物層と、
をさらに含む
ことを特徴とする請求項６又は８に記載の磁気記憶装置。
【請求項11】
前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層はいずれも、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有する
ことを特徴とする請求項１、２、６又は８のいずれか１項に記載の磁気記憶装置。
ことを特徴とする請求項１、２、６又は８のいずれか１項に記載の磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、磁気記憶装置に関する。
【背景技術】
【0002】
半導体基板上に磁気抵抗効果素子が集積化された磁気記憶装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】米国特許出願公開第２０１８／０２６８８８７号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第２０１５／００７６６３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を含む磁気記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態に係る磁気記憶装置は、可変の磁化方向を有する第１の磁性層と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた非磁性層と、を備える磁気記憶装置であって、前記非磁性層は、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第１の酸化物層と、前記第２の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する第２の酸化物層と、前記第１の酸化物層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有する第３の酸化物層と、前記第１の磁性層と前記第１の酸化物層との間に設けられ、第１の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第４の酸化物層と、前記第２の磁性層と前記第２の酸化物層との間に設けられ、第２の所定元素及び酸素（Ｏ）を含有する第５の酸化物層と、を含み、前記第１の所定元素の酸化物の結晶構造及び前記第２の所定元素の酸化物の結晶構造はいずれも、Ｂ１構造であり、前記第１の所定元素及び前記第２の所定元素はいずれも、亜鉛（Ｚｎ）の酸化物生成自由エネルギーよりも大きい酸化物生成自由エネルギーを有し、前記第１の所定元素の酸化物及び前記第２の所定元素の酸化物はいずれも、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物のバンドギャップより狭いバンドギャップを有する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図2】第１の実施形態に係り、トンネルバリア層におけるＺｎに対するポテンシャルエネルギーを模式的に示した図である。
【図3】周期表に示された各種元素のモノオキサイドがＢ１構造を有しているか否かを示した図である。
【図4】各種元素のモノオキサイドの生成自由エネルギーを示した図である。
【図5】各種元素のモノオキサイドのバンドギャップを示した図である。
【図6】第１の実施形態の第１の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図7】第１の実施形態の第２の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図8】第１の実施形態の第３の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図9】第１の実施形態の第４の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図10】第２の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図11】第２の実施形態に係り、トンネルバリア層におけるＺｎ1-xＹx に対するポテンシャルエネルギーを模式的に示した図である。
【図12】酸化物層Ａ（ＺｎＯ層、ＣａＯ層又はＺｎ0.5Ｃａ0.5Ｏ層）がＭｇＯ層間に位置する系のエネルギーＥ１と酸化物層ＡがＭｇＯ層と磁性層（Ｆｅ層）との界面近傍に位置する系のエネルギーＥ２とのエネルギー差ΔＥ（ΔＥ＝Ｅ１－Ｅ２）の計算結果を示した図である。
【図13】第２の実施形態の第１の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図14】第２の実施形態の第２の変形例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。
【図15】第１及び第２の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子の適用例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した斜視図である。
【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を説明する。
【0008】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。具体的には、図１は、磁気抵抗効果素子１００の構成を模式的に示した断面図である。磁気抵抗効果素子１００は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。
図１は、本実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。具体的には、図１は、磁気抵抗効果素子１００の構成を模式的に示した断面図である。磁気抵抗効果素子１００は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。
【0009】
磁気抵抗効果素子１００は、半導体基板（図示せず）を含む下部構造（図示せず）上に設けられており、記憶層（第１の磁性層）１０、参照層（第２の磁性層）２０及びトンネルバリア層（非磁性層）３０を含んでいる。
【0010】
記憶層１０は、可変の磁化方向を有する強磁性層であり、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層を含んでいる。なお、可変の磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わることを意味する。
【0011】
参照層２０は、固定された磁化方向を有する強磁性層であり、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びボロン（Ｂ）を含有するＦｅＣｏＢ層を含んでいる。なお、固定された磁化方向とは、所定の書き込み電流に対して磁化方向が変わらないことを意味する。
【0012】
トンネルバリア層３０は、記憶層１０と参照層２０との間に設けられた絶縁層である。トンネルバリア層３０は、記憶層１０と参照層２０との間に設けられた酸化物層３１と、参照層２０と酸化物層３１との間に設けられた酸化物層３２と、酸化物層３１と酸化物層３２との間に設けられた酸化物層３３と、記憶層１０と酸化物層３１との間に設けられた酸化物層３４ａと、参照層２０と酸化物層３２との間に設けられた酸化物層３５ａとを含んでいる。トンネルバリア層３０については、後で詳細に説明する。
【0013】
磁気抵抗効果素子１００は、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して平行である場合には低抵抗状態を呈し、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して反平行である場合には高抵抗状態を呈する。このような特性により、磁気抵抗効果素子１００は、その抵抗状態（低抵抗状態、高抵抗状態）に応じて２値データを記憶することが可能である。
【0014】
磁気抵抗効果素子１００は、垂直磁化を有するＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子であり、記憶層１０の磁化方向はその主面に対して垂直であり、参照層２０の磁化方向はその主面に対して垂直である。
【0015】
以下、トンネルバリア層３０について詳細に説明する。
【0016】
酸化物層３１は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。すなわち、酸化物層３１は、マグネシウム（Ｍｇ）のモノオキサイドで形成されている。酸化物層３１は、酸化物層３３及び酸化物層３４ａに接している。
【0017】
酸化物層３２は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。すなわち、酸化物層３２は、マグネシウム（Ｍｇ）のモノオキサイドで形成されている。酸化物層３２は、酸化物層３３及び酸化物層３５ａに接している。
【0018】
酸化物層３３は、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）を含有するＺｎＯ層で形成されている。すなわち、酸化物層３３は、亜鉛（Ｚｎ）のモノオキサイドで形成されている。酸化物層３３は、酸化物層３１及び酸化物層３２に接している。
【0019】
酸化物層３４ａは、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有するＸＯ層で形成されている。すなわち、酸化物層３４ａは、所定元素Ｘのモノオキサイドで形成されている。所定元素Ｘは、鉄（Ｆｅ）であることが好ましい。酸化物層３４ａは、酸化物層３１及び記憶層１０に接している。
【0020】
酸化物層３５ａは、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有するＸＯ層で形成されている。すなわち、酸化物層３５ａは、所定元素Ｘのモノオキサイドで形成されている。所定元素Ｘは、鉄（Ｆｅ）であることが好ましい。酸化物層３５ａは、酸化物層３２及び参照層２０に接している。
【0021】
酸化物層３４ａに含有された所定元素Ｘと、酸化物層３５ａに含有された所定元素Ｘとは、同じでもあってもよいし異なっていてもよい。本実施形態では、酸化物層３４ａに含有された所定元素Ｘと酸化物層３５ａに含有された所定元素Ｘとは同じである。
【0022】
上述したような構成により、本実施形態では、以下に述べるように、優れたトンネルバリア層３０を得ることができ、優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能となる。
【0023】
ＭｇＯ層間にＺｎＯ層が挟まれた構造を有するトンネルバリア層は、ＭｇＯ層単独で形成されたトンネルバリア層よりも高い耐圧を有することが、第一原理計算によって予測されている。
【0024】
しかしながら、ＭｇＯ層間にＺｎＯ層が挟まれた構造を形成した後に熱処理を行うと、Ｚｎが記憶層とトンネルバリア層との界面近傍及び参照層とトンネルバリア層との界面近傍に偏析することが確認された。これは、以下に述べるように、ＭｇＯ層間にＺｎＯ層が挟まれた構造よりも、磁性層（記憶層、参照層）とＭｇＯ層との間にＺｎＯ層が挟まれた構造の方が、エネルギー的に安定であるためと考えられる。
【0025】
Ｚｎは酸素と結合していない状態が安定であり、Ｍｇは酸素と結合している状態が安定である。また、磁性層（記憶層、参照層）は、ＦｅＣｏＢ層等で形成されており、酸素を含有していない。したがって、Ｚｎが磁性層とトンネルバリア層との界面近傍に位置し、Ｍｇがトンネルバリア層の中央に位置する状態が安定である。そのため、熱処理等を行うことにより、磁性層とトンネルバリア層との界面近傍にＺｎＯ層が位置し、トンネルバリア層の中央にＭｇＯ層が位置するようになると考えられる。
【0026】
本実施形態では、ＸＯ層で形成された酸化物層３４ａを記憶層１０とＭｇＯ層で形成された酸化物層３１との間に配置し、ＸＯ層で形成された酸化物層３５ａを参照層２０とＭｇＯ層で形成された酸化物層３２との間に配置している。これにより、ＺｎＯ層で形成され酸化物層３３を、酸化物層３１と酸化物層３２との間に安定して配置させることが可能である。以下、所定元素Ｘに要求される好ましい条件について説明する。
【0027】
まず、第１の条件について説明する。酸化物層３１及び３２として用いるＭｇＯの結晶構造は、Ｂ１構造（岩塩（rock salt）構造）である。そのため、酸化物層３４ａ及び３５ａとして用いるＸＯの結晶構造も、Ｂ１構造であることが好ましい。すなわち、所定元素Ｘのモノオキサイド（mono-oxide）ＸＯの結晶構造がＢ１構造であることが好ましい。なお、ここでは、歪んだＢ１（distorted B1）構造もＢ１構造に含まれるものとする。
【0028】
次に、第２の条件について説明する。上述したように、Ｚｎは酸素と結合していない状態が安定である。言い換えると、Ｚｎは酸化物生成自由エネルギーが大きい。本実施形態では、磁性層とトンネルバリア層との界面近傍にＸＯ層を設けることで、ＺｎＯ層が磁性層とトンネルバリア層との界面近傍に位置することを抑制するようにしている。したがって、所定元素Ｘの酸化物生成自由エネルギーは、Ｚｎの酸化物生成自由エネルギーよりもさらに大きいことが好ましい。具体的には、所定元素Ｘのモノオキサイド（ＸＯ）の生成自由エネルギーが、Ｚｎのモノオキサイド（ＺｎＯ）の生成自由エネルギーよりも大きいことが好ましい。
【0029】
図２は、トンネルバリア層３０におけるＺｎに対するポテンシャルエネルギーを模式的に示した図である。図２において、特性（ａ）は第２の条件を満たす所定元素Ｘのモノオキサイド（ＸＯ）で形成された酸化物層３４ａ及び３５ａを設けた場合であり、特性（ｂ）は酸化物層３４ａ及び３５ａを設けていない場合である。特性（ｂ）では、記憶層（ＦｅＣｏＢ層）１０の近傍及び参照層（ＦｅＣｏＢ層）２０の近傍でポテンシャルエネルギーが低くなっているが、特性（ａ）では、酸化物層（ＺｎＯ層）３３に対応する位置でポテンシャルエネルギーが低くなっている。したがって、ＸＯで形成された酸化物層３４ａ及び３５ａを設けることで、ＺｎＯで形成された酸化物層３３をＭｇＯで形成された酸化物層３１と３２との間に安定して位置させることが可能である。
【0030】
次に、第３の条件について説明する。ＸＯのバンドギャップがＭｇＯのバンドギャップよりも広いと、トンネルバリア層３０の抵抗が増加してしまう。したがって、所定元素Ｘの酸化物のバンドギャップがＭｇの酸化物のバンドギャップよりも狭いことが好ましい。具体的には、所定元素Ｘのモノオキサイド（ＸＯ）のバンドギャップが、Ｍｇのモノオキサイド（ＭｇＯ）のバンドギャップよりも狭いことが好ましい。
【0031】
図３は、周期表に示された各種元素のモノオキサイドがＢ１構造（岩塩構造）を有しているか否かを示した図である。図３において、マーキングした元素のモノオキサイドがＢ１構造（歪んだＢ１構造も含まれる）を有している。
【0032】
図４は、各種元素のモノオキサイドの生成自由エネルギー（標準生成ギブズエネルギー）を示した図である。横軸は温度であり、縦軸は生成自由エネルギーである。図４からわかるように、少なくとも図４に示された温度範囲では、鉄（Ｆｅ）のモノオキサイド（ＦｅＯ）の生成自由エネルギーは、Ｚｎのモノオキサイド（ＺｎＯ）の生成自由エネルギーよりも大きい。
【0033】
図５は、各種元素のモノオキサイドのバンドギャップを示した図である。図５に示されるように、鉄（Ｆｅ）のモノオキサイド（ＦｅＯ）のバンドギャップは、Ｍｇのモノオキサイド（ＭｇＯ）のバンドギャップよりも狭い。
【0034】
上述したことから、第１、第２及び第３の条件を満たす所定元素Ｘとして、鉄（Ｆｅ）があげられる。
【0035】
以上のように、本実施形態では、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有する酸化物層３４ａ及び３５ａを用いることで、高い耐圧を有し且つエネルギー的に安定な構造を有する優れたトンネルバリア層３０を得ることができ、優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能となる。
【0036】
図６は、本実施形態の第１の変形例に係る磁気記憶装置の構成（磁気抵抗効果素子１００の構成）を模式的に示した断面図である。
【0037】
本変形例では、酸化物層３４ｂ及び３５ｂが、所定元素Ｘ（鉄（Ｆｅ）が好ましい）及び酸素（Ｏ）に加えてさらにマグネシウム（Ｍｇ）を含有するＭｇ1-xＸxＯ層（ただし、０＜ｘ＜１）で形成されている。すなわち、酸化物層３４ｂ及び３５ｂが、マグネシウム（Ｍｇ）、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有するモノオキサイドで形成されている。酸化物層３４ｂに含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、酸化物層３１から遠ざかるにしたがって減少し、酸化物層３５ｂに含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、酸化物層３２から遠ざかるにしたがって減少していることが好ましい。
【0038】
本変形例でも、所定元素Ｘを含有する酸化物層３４ｂ及び３５ｂを設けることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【0039】
図７は、本実施形態の第２の変形例に係る磁気記憶装置の構成（磁気抵抗効果素子１００の構成）を模式的に示した断面図である。
【0040】
本変形例でも、酸化物層３４ｃ及び３５ｃが、所定元素Ｘ（鉄（Ｆｅ）が好ましい）及び酸素（Ｏ）を含有している。ただし、本変形例では、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）の組成比が１：１ではなく、酸化物層３４ｃ及び３５ｃがＸ1-yＯy 層（ただし、０＜ｙ＜０．５又は０．５＜ｙ＜１）で形成されている。このように、酸化物層３４ｃ及び３５ｃは、モノオキサイドでなくてもよい。
【0041】
本変形例でも、所定元素Ｘを含有する酸化物層３４ｃ及び３５ｃを設けることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【0042】
図８は、本実施形態の第３の変形例に係る磁気記憶装置の構成（磁気抵抗効果素子１００の構成）を模式的に示した断面図である。
【0043】
本変形例でも、酸化物層３４ｄ及び３５ｄが、所定元素Ｘ（鉄（Ｆｅ）が好ましい）及び酸素（Ｏ）を含有している。ただし、本変形例では、酸化物層３４ｄが酸化物層３４ｄ１及び酸化物層３４ｄ２を含んでおり、酸化物層３５ｄが酸化物層３５ｄ１及び酸化物層３５ｄ２を含んでいる。
【0044】
酸化物層３４ｄ１及び３５ｄ１の基本的な構成は、図１に示した酸化物層３４ａ及び３５ａの構成と同様である。すなわち、酸化物層３４ｄ１及び３５ｄ１は、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有するＸＯ層（所定元素Ｘのモノオキサイド層）で形成されている。
【0045】
酸化物層３４ｄ２及び３５ｄ２の基本的な構成は、図７に示した酸化物層３４ｃ及び３５ｃの構成と同様である。すなわち、酸化物層３４ｄ２及び３５ｄ２は、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有するＸ1-yＯy 層（ただし、０＜ｙ＜０．５又は０．５＜ｙ＜１）で形成されている。
【0046】
本変形例でも、所定元素Ｘを含有する酸化物層３４ｄ及び３５ｄを設けることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【0047】
図９は、本実施形態の第４の変形例に係る磁気記憶装置の構成（磁気抵抗効果素子１００の構成）を模式的に示した断面図である。
【0048】
本変形例でも、酸化物層３４ｅ及び３５ｅが、所定元素Ｘ（鉄（Ｆｅ）が好ましい）及び酸素（Ｏ）を含有している。ただし、本変形例では、酸化物層３４ｅが酸化物層３４ｅ１及び酸化物層３４ｅ２を含んでおり、酸化物層３５ｅが酸化物層３５ｅ１及び酸化物層３５ｅ２を含んでいる。
【0049】
酸化物層３４ｅ１及び３５ｅ１の基本的な構成は、図６に示した酸化物層３４ｂ及び３５ｂの構成と同様である。すなわち、酸化物層３４ｅ１及び３５ｅ１は、マグネシウム（Ｍｇ）、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇ1-xＸxＯ層（ただし、０＜ｘ＜１）で形成されている。第１の変形例で述べたように、酸化物層３４ｅ１に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、酸化物層３１から遠ざかるにしたがって減少し、酸化物層３５ｅ１に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、酸化物層３２から遠ざかるにしたがって減少していることが好ましい。
【0050】
酸化物層３４ｅ２及び３５ｅ２の基本的な構成は、図１に示した酸化物層３４ａ及び３５ａの構成、或いは、図７に示した酸化物層３４ｃ及び３５ｃの構成と同様である。すなわち、酸化物層３４ｅ２及び３５ｅ２は、所定元素Ｘ及び酸素（Ｏ）を含有し且つマグネシウム（Ｍｇ）を実質的に含有しないＸ1-yＯy 層（ただし、０＜ｙ＜１）で形成されている。
【0051】
本変形例でも、所定元素Ｘを含有する酸化物層３４ｅ及び３５ｅを設けることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【0052】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
次に、第２の実施形態について説明する。なお、基本的な事項は第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【0053】
図１０は、本実施形態に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した断面図である。具体的には、図１０は、磁気抵抗効果素子１００の構成を模式的に示した断面図である。磁気抵抗効果素子１００は、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子である。
【0054】
第１の実施形態と同様に、磁気抵抗効果素子１００は、半導体基板（図示せず）を含む下部構造（図示せず）上に設けられており、記憶層（第１の磁性層）１０、参照層（第２の磁性層）２０及びトンネルバリア層（非磁性層）４０を含んでいる。
【0055】
本実施形態では、トンネルバリア層４０が、記憶層１０と参照層２０との間に設けられた酸化物層４１と、参照層２０と酸化物層４１との間に設けられた酸化物層４２と、酸化物層４１と酸化物層４２との間に設けられた酸化物層４３とを含んでいる。
【0056】
酸化物層４１は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。すなわち、酸化物層４１は、マグネシウム（Ｍｇ）のモノオキサイドで形成されている。酸化物層４１は、記憶層１０及び酸化物層４３に接している。
【0057】
酸化物層４２は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇＯ層で形成されている。すなわち、酸化物層４２は、マグネシウム（Ｍｇ）のモノオキサイドで形成されている。酸化物層４２は、参照層２０及び酸化物層４３に接している。
【0058】
酸化物層４３は、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有するＺｎ1-xＹxＯ層（ただし、０＜ｘ＜１）で形成されている。すなわち、酸化物層４３は、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有するモノオキサイドで形成されている。所定元素Ｙは、カドミウム（Ｃｄ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）から選択されることが好ましい。酸化物層４３は、酸化物層４１及び酸化物層４２に接している。
【0059】
上述したような構成により、本実施形態では、以下に述べるように、優れたトンネルバリア層４０を得ることができ、優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能となる。
【0060】
第１の実施形態で述べたように、ＭｇＯ層間にＺｎＯ層が挟まれた構造を有するトンネルバリア層は、高い耐圧を有するが、エネルギー的に不安定である。
【0061】
本実施形態では、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有するＺｎ1-xＹxＯ層で形成された酸化物層４３を、ＭｇＯ層で形成された酸化物層４１とＭｇＯ層で形成された酸化物層４２との間に配置している。これにより、Ｚｎ1-xＹxＯ層で形成された酸化物層４３を酸化物層４１と酸化物層４２との間に安定して配置させることが可能である。以下、所定元素Ｙに要求される好ましい条件について説明する。
【0062】
まず、第１の条件について説明する。第１の実施形態で述べたように、Ｚｎは酸化物生成自由エネルギーが大きい。本実施形態では、亜鉛（Ｚｎ）及び酸素（Ｏ）に加えてさらに所定元素Ｙを含有するＺｎ1-xＹxＯ層で酸化物層４３を形成することで、酸化物層４３が酸化物層４１と酸化物層４２との間に安定して位置するようにしている。したがって、所定元素Ｙの酸化物生成自由エネルギーは、Ｚｎの酸化物生成自由エネルギーよりも小さいことが好ましい。具体的には、所定元素Ｙのモノオキサイド（ＹＯ）の生成自由エネルギーが、Ｚｎのモノオキサイド（ＺｎＯ）の生成自由エネルギーよりも小さいことが好ましい。
【0063】
図１１は、トンネルバリア層４０におけるＺｎ1-xＹx に対するポテンシャルエネルギーを模式的に示した図である。図１１において、特性（ａ）は第１の条件を満たす所定元素Ｙを含有するＺｎ1-xＹxＯ層で酸化物層４３を形成した場合であり、特性（ｂ）は所定元素Ｙを含有しないＺｎＯ層で酸化物層４３を形成した場合である。図１１に示すように、酸化物層４３に対応する位置において、特性（ａ）は特性（ｂ）よりもポテンシャルエネルギーが低くなっている。したがって、酸化物層４３をＺｎ1-xＹxＯ層で形成することで、酸化物層４３をＭｇＯで形成された酸化物層４１と４２との間に安定して存在させることが可能である。
【0064】
次に、第２の条件について説明する。Ｚｎ1-xＹxＯのバンドギャップがＭｇＯのバンドギャップよりも広いと、トンネルバリア層４０の抵抗が増加してしまう。したがって、Ｚｎ1-xＹxＯのバンドギャップがＭｇＯのバンドギャップよりも狭いことが好ましい。図５に示したように、ＺｎＯのバンドギャップはＭｇＯのバンドギャップよりも狭い。そのため、ＹＯのバンドギャップがＭｇＯのバンドギャップよりも狭ければ、Ｚｎ1-xＹxＯのバンドギャップもＭｇＯのバンドギャップよりも狭くなる。したがって、所定元素Ｙの酸化物のバンドギャップがＭｇの酸化物のバンドギャップよりも狭いことが好ましい。具体的には、所定元素Ｙのモノオキサイド（ＹＯ）のバンドギャップが、Ｍｇのモノオキサイド（ＭｇＯ）のバンドギャップよりも狭いことが好ましい。
【0065】
図４からわかるように、少なくとも図４に示された温度範囲では、カドミウム（Ｃｄ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）のモノオキサイド（ＣｄＯ、ＭｎＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ及びＣａＯ）の生成自由エネルギーは、Ｚｎのモノオキサイド（ＺｎＯ）の生成自由エネルギーよりも小さい。
【0066】
図５に示されるように、カドミウム（Ｃｄ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）のモノオキサイド（ＣｄＯ、ＭｎＯ、ＢａＯ、ＳｒＯ及びＣａＯ）のバンドギャップは、Ｍｇのモノオキサイド（ＭｇＯ）のバンドギャップよりも狭い。
【0067】
以上のことから、第１及び第２の条件を満たす所定元素Ｙとして、カドミウム（Ｃｄ）、マンガン（Ｍｎ）、バリウム（Ｂａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）及びカルシウム（Ｃａ）があげられる。
【0068】
なお、本実施形態では、第１の実施形態で述べた第１の条件に対応する条件（所定元素ＹのモノオキサイドＹＯの結晶構造がＢ１構造であること）を満たすことは、必ずしも必要ではない。図３に示されるように、Ｃｄ及びＭｎはそのような条件を満たすが、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａはそのような条件を満たしていない。本実施形態では、ＺｎＯに所定元素Ｙが添加されたときに、ＺｎＯの本来の結晶構造が崩れないことが重要である。上述したＣｄ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｓｒ及びＣａは、ＺｎＯに添加されても、ＺｎＯの本来の結晶構造を崩さないようにすることが可能である。
【0069】
図１２は、酸化物層Ａ（酸化物層Ａは、ＺｎＯ層、ＣａＯ層又はＺｎ0.5Ｃａ0.5Ｏ層）がＭｇＯ層間に位置する系のエネルギーＥ１と酸化物層ＡがＭｇＯ層と磁性層（Ｆｅ層）との界面近傍に位置する系のエネルギーＥ２とのエネルギー差ΔＥ（ΔＥ＝Ｅ１－Ｅ２）の計算結果を示した図である。図１２では、ＺｎＯ層の場合のエネルギー差ΔＥの値を１に規格化している。エネルギー差ΔＥの値が大きいほど、酸化物層Ａが界面近傍で安定化しやすいことを表している。
【0070】
図１２に示すように、Ｚｎ0.5Ｃａ0.5Ｏ層の場合がエネルギー差ΔＥの値が最も小さくなっている。したがって、Ｚｎ0.5Ｃａ0.5Ｏ層の場合には、ＺｎＯ層及びＣａＯ層の場合に比べて、ＭｇＯ層と磁性層との界面近傍で安定化しにくいことがわかる。言い換えると、Ｚｎ0.5Ｃａ0.5Ｏ層の場合には、ＺｎＯ層及びＣａＯ層の場合に比べて、ＭｇＯ層間で安定化しやすいことがわかる。
【0071】
したがって、酸化物層４３をＺｎ1-xＣａxＯ層で形成することで、酸化物層４３をＭｇＯで形成された酸化物層４１と４２との間に安定して位置させることが可能である。他の所定元素Ｙ（Ｃｄ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｓｒ）についても、Ｃａの場合と同様に、酸化物層４３をＺｎ1-xＹxＯ層で形成することで、酸化物層４３をＭｇＯで形成された酸化物層４１と４２との間に安定して位置させることが可能であると考えられる。
【0072】
以上のように、本実施形態では、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有するＺｎ1-xＹxＯ層を酸化物層４３に用いることにより、第１の実施形態と同様に、高い耐圧を有し且つエネルギー的に安定な構造を有する優れたトンネルバリア層４０を得ることができ、優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能となる。
【0073】
図１３は、本実施形態の第１の変形例に係る磁気記憶装置の構成（磁気抵抗効果素子１００の構成）を模式的に示した断面図である。
【0074】
本変形例では、酸化物層４１と酸化物層４３との間に酸化物層４４が設けられ、酸化物層４２と酸化物層４３との間に酸化物層４５が設けられている。酸化物層４１、４２及び４３の基本的な構成は、上述した実施形態と同様である。酸化物層４４及び４５は、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有し且つ亜鉛（Ｚｎ）を実質的に含有していない。具体的には、酸化物層４４及び４５は、所定元素Ｙ（Ｃｄ、Ｍｎ、Ｂａ、Ｓｒ又はＣａが好ましい）のモノオキサイド（ＹＯ）で形成されている。
【0075】
本変形例でも、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有するＺｎ1-xＹxＯ層を酸化物層４３に用いることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【0076】
図１４は、本実施形態の第２の変形例に係る磁気記憶装置の構成（磁気抵抗効果素子１００の構成）を模式的に示した断面図である。
【0077】
本変形例では、酸化物層４１と酸化物層４３との間に酸化物層４６が設けられ、酸化物層４２と酸化物層４３との間に酸化物層４７が設けられている。酸化物層４１、４２及び４３の基本的な構成は、上述した実施形態と同様である。酸化物層４６及び４７は、マグネシウム（Ｍｇ）、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有するＭｇ1-yＹyＯ（ただし、０＜ｙ＜１）で形成されている。すなわち、酸化物層４６及び４７は、マグネシウム（Ｍｇ）及び所定元素Ｙを含有するモノオキサイドで形成されている。酸化物層４６に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、酸化物層４１から遠ざかるにしたがって減少し、酸化物層４７に含有されたマグネシウム（Ｍｇ）の濃度は、酸化物層４２から遠ざかるにしたがって減少していることが好ましい。
【0078】
本変形例でも、亜鉛（Ｚｎ）、所定元素Ｙ及び酸素（Ｏ）を含有するＺｎ1-xＹxＯ層を酸化物層４３に用いることで、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【0079】
なお、上述した第１及び第２の実施形態では、記憶層１０が参照層２０の下層側に位置するボトムフリー型の磁気抵抗効果素子を示したが、記憶層１０が参照層２０の上層側に位置するトップフリー型の磁気抵抗効果素子を用いることも可能である。
【0080】
図１５は、第１及び第２の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子１００の適用例に係る磁気記憶装置の構成を模式的に示した斜視図である。
【0081】
Ｘ方向に延伸する第１の配線４１０とＹ方向に延伸する第２の配線４２０との間に、メモリセル３００が設けられている。メモリセル３００は、上述した第１及び第２の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子１００と、磁気抵抗効果素子１００に対して直列に接続されたセレクタ（スイッチング素子）２００とを含んでいる。第１の配線４１０及び第２の配線４２０の一方はワード線に対応し、第１の配線４１０及び第２の配線４２０の他方はビット線に対応する。
【0082】
なお、図１５に示したＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに交差する方向である。具体的には、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに直交している。
【0083】
セレクタ２００は、非線形な電流－電圧特性を有する２端子型スイッチング素子であり、２端子間に印加される電圧が閾値電圧以上になるとオフ状態からオン状態に移行する特性を有している。したがって、第１の配線４１０と第２の配線４２０との間に電圧を印加してセレクタ２００に印加される電圧が閾値電圧以上になると、セレクタ２００がオフ状態からオン状態に移行する。その結果、磁気抵抗効果素子１００及びセレクタ２００に電流が流れ、磁気抵抗効果素子１００に対して書き込み或いは読み出しを行うことが可能となる。
【0084】
第１及び第２の実施形態で説明した磁気抵抗効果素子１００を、図１５に示したような磁気記憶装置に適用することで、優れた特性を有する磁気記憶装置を得ることが可能となる。
【0085】
なお、図１５では、磁気抵抗効果素子１００がセレクタ２００の上層側に設けられた構成が示されているが、磁気抵抗効果素子１００がセレクタ２００の下層側に設けられた構成を用いることも可能である。
【0086】
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】
【0087】
１０…記憶層（第１の磁性層） ２０…参照層（第２の磁性層）
３０…トンネルバリア層（非磁性層） ３１…酸化物層（第１の酸化物層）
３２…酸化物層（第２の酸化物層） ３３…酸化物層（第３の酸化物層）
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ…酸化物層（第４の酸化物層）
３４ｄ１、３４ｄ２、３４ｅ１、３４ｅ２…酸化物層
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅ…酸化物層（第５の酸化物層）
３５ｄ１、３５ｄ２、３５ｅ１、３５ｅ２…酸化物層
４０…トンネルバリア層（非磁性層） ４１…酸化物層（第１の酸化物層）
４２…酸化物層（第２の酸化物層） ４３…酸化物層（第３の酸化物層）
４４…酸化物層（第４の酸化物層） ４５…酸化物層（第５の酸化物層）
４６…酸化物層（第６の酸化物層） ４７…酸化物層（第７の酸化物層）
１００…磁気抵抗効果素子 ２００…セレクタ（スイッチング素子）
３００…メモリセル ４１０…第１の配線 ４２０…第２の配線
３０…トンネルバリア層（非磁性層） ３１…酸化物層（第１の酸化物層）
３２…酸化物層（第２の酸化物層） ３３…酸化物層（第３の酸化物層）
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ…酸化物層（第４の酸化物層）
３４ｄ１、３４ｄ２、３４ｅ１、３４ｅ２…酸化物層
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ、３５ｄ、３５ｅ…酸化物層（第５の酸化物層）
３５ｄ１、３５ｄ２、３５ｅ１、３５ｅ２…酸化物層
４０…トンネルバリア層（非磁性層） ４１…酸化物層（第１の酸化物層）
４２…酸化物層（第２の酸化物層） ４３…酸化物層（第３の酸化物層）
４４…酸化物層（第４の酸化物層） ４５…酸化物層（第５の酸化物層）
４６…酸化物層（第６の酸化物層） ４７…酸化物層（第７の酸化物層）
１００…磁気抵抗効果素子 ２００…セレクタ（スイッチング素子）
３００…メモリセル ４１０…第１の配線 ４２０…第２の配線
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】