特許 7204549 磁気装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-01-05

(45)【発行日】2023-01-16

(54)【発明の名称】磁気装置

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20230106BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20230106BHJP

   H10N 52/85 20230101ALI20230106BHJP

【ＦＩ】

H01L27/105 447

H01L43/08 P

H01L43/08 Z

H01L43/10

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2019049603

(22)【出願日】2019-03-18

(65)【公開番号】P2020155445

(43)【公開日】2020-09-24

【審査請求日】2021-09-13

(73)【特許権者】

【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】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100162570

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 早苗

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 大輔

(72)【発明者】

【氏名】永瀬 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】上田 公二

(72)【発明者】

【氏名】李 永ミン

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／２１２８９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１４－５３０５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００７６２６２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／０６９０９１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ４３／１０

(57)【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、
第１非磁性体と、
第２非磁性体と、
前記第１非磁性体及び前記第２非磁性体の間の第１強磁性体と、
前記第２非磁性体に対して前記第１強磁性体と反対側において、希土類酸化物を含む第３非磁性体と、
前記第２非磁性体と前記第３非磁性体の間において金属を含む第４非磁性体と、
を含み、
前記第４非磁性体は、
前記第２非磁性体及び前記第３非磁性体と接し、
ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びニオブ（Ｎｂ）から選択される少なくとも１つの元素を含む、
磁気装置。

【請求項2】

前記第４非磁性体は、ボロン（Ｂ）を更に含む、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項3】

前記第４非磁性体の膜厚は、２ナノメートル以下である、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項4】

前記第４非磁性体の抵抗値は、前記第１非磁性体の抵抗値の１０％以下である、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項5】

前記第１非磁性体及び前記第２非磁性体は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項6】

前記第２非磁性体は、ボロン（Ｂ）を更に含む、
請求項５記載の磁気装置。

【請求項7】

前記第２非磁性体の膜厚は、前記第１非磁性体の膜厚より薄い、
請求項５記載の磁気装置。

【請求項8】

前記第２非磁性体の膜厚は、１ナノメートル以下である、
請求項７記載の磁気装置。

【請求項9】

前記第３非磁性体は、
スカンジウム（Ｓｃ）、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項10】

前記第１強磁性体は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１記載の磁気装置。

【請求項11】

前記磁気抵抗効果素子は、前記第１非磁性体に対して、前記第１強磁性体と反対側の第２強磁性体を更に含み、
前記第１強磁性体は、
前記第１強磁性体から前記第２強磁性体への第１電流に応じて第１抵抗値となり、
前記第２強磁性体から前記第１強磁性体への第２電流に応じて第２抵抗値となる、
請求項１０記載の磁気装置。

【請求項12】

前記第２強磁性体は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、及びニッケル（Ｎｉ）から選択される少なくとも１つの元素を含む、
請求項１１記載の磁気装置。

【請求項13】

前記第１抵抗値は、前記第２抵抗値より小さい、
請求項１１記載の磁気装置。

【請求項14】

前記第１強磁性体は、前記第２強磁性体の上方に設けられた、
請求項１１記載の磁気装置。

【請求項15】

前記第２非磁性体は、前記第４非磁性体の下方に設けられた、
請求項１４記載の磁気装置。

【請求項16】

前記磁気装置は、
前記磁気抵抗効果素子と、
前記磁気抵抗効果素子と直列に接続されたスイッチング素子と、
を含むメモリセルを備えた、
請求項１１記載の磁気装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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】

【文献】米国特許第９１６６０６５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

寄生抵抗の増加を抑制しつつ、垂直磁気異方性を向上させる。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の磁気装置は、磁気抵抗効果素子を備える。上記磁気抵抗効果素子は、第１非磁性体と、第２非磁性体と、上記第１非磁性体及び上記第２非磁性体の間の第１強磁性体と、上記第２非磁性体に対して上記第１強磁性体と反対側において、希土類酸化物を含む第３非磁性体と、上記第２非磁性体と上記第３非磁性体の間において金属を含む第４非磁性体と、を含む。上記第４非磁性体は、上記第２非磁性体及び上記第３非磁性体を接し、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びニオブ（Ｎｂ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る磁気記憶装置の構成を説明するためのブロック図。

【図2】第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための回路図。

【図3】第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための断面図。

【図4】第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための断面図。

【図5】第１実施形態に係る磁気記憶装置の磁気抵抗効果素子の構成を説明するための断面図。

【図6】第１実施形態に係る磁気記憶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。

【図7】第１実施形態に係る磁気記憶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。

【図8】第１実施形態に係る効果を説明するための模式図。

【図9】第１実施形態の変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための模式図。

【図10】第１実施形態の変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルの構成を説明するための断面図。

【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。ここで、添え字は、下付き文字や上付き文字に限らず、例えば、参照符号の末尾に添加される小文字のアルファベット、及び配列を意味するインデックス等を含む。

【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、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）によって磁気抵抗効果（Magnetoresistive effect）を有する素子（ＭＴＪ素子、又はmagnetoresistive effect elementとも言う。）を抵抗変化素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置を含む。

【0009】

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。

【0010】

１．１ 構成
まず、第１実施形態に係る磁気記憶装置の構成について説明する。

【0011】

１．１．１ 磁気記憶装置の構成
図１は、第１実施形態に係る磁気記憶装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、磁気記憶装置１は、メモリセルアレイ１０、ロウ選択回路１１、カラム選択回路１２、デコード回路１３、書込み回路１４、読出し回路１５、電圧生成回路１６、入出力回路１７、及び制御回路１８を備えている。

【0012】

メモリセルアレイ１０は、各々が行（row）、及び列（column）の組に対応付けられた複数のメモリセルＭＣを備えている。具体的には、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は、同一のビット線ＢＬに接続される。

【0013】

ロウ選択回路１１は、ワード線ＷＬを介してメモリセルアレイ１０と接続される。ロウ選択回路１１には、デコード回路１３からのアドレスＡＤＤのデコード結果（ロウアドレス）が供給される。ロウ選択回路１１は、アドレスＡＤＤのデコード結果に基づいた行に対応するワード線ＷＬを選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたワード線ＷＬは、選択ワード線ＷＬと言う。また、選択ワード線ＷＬ以外のワード線ＷＬは、非選択ワード線ＷＬと言う。

【0014】

カラム選択回路１２は、ビット線ＢＬを介してメモリセルアレイ１０と接続される。カラム選択回路１２には、デコード回路１３からのアドレスＡＤＤのデコード結果（カラムアドレス）が供給される。カラム選択回路１２は、アドレスＡＤＤのデコード結果に基づいた列を選択状態に設定する。以下において、選択状態に設定されたビット線ＢＬは、選択ビット線ＢＬと言う。また、選択ビット線ＢＬ以外のビット線ＢＬは、非選択ビット線ＢＬと言う。

【0015】

デコード回路１３は、入出力回路１７からのアドレスＡＤＤをデコードする。デコード回路１３は、アドレスＡＤＤのデコード結果を、ロウ選択回路１１、及びカラム選択回路１２に供給する。アドレスＡＤＤは、選択されるカラムアドレス、及びロウアドレスを含む。

【0016】

書込み回路１４は、メモリセルＭＣへのデータの書込みを行う。書込み回路１４は、例えば、書込みドライバ（図示せず）を含む。

【0017】

読出し回路１５は、メモリセルＭＣからのデータの読出しを行う。読出し回路１５は、例えば、センスアンプ（図示せず）を含む。

【0018】

電圧生成回路１６は、磁気記憶装置１の外部（図示せず）から提供された電源電圧を用いて、メモリセルアレイ１０の各種の動作のための電圧を生成する。例えば、電圧生成回路１６は、書込み動作の際に必要な種々の電圧を生成し、書込み回路１４に出力する。また、例えば、電圧生成回路１６は、読出し動作の際に必要な種々の電圧を生成し、読出し回路１５に出力する。

【0019】

入出力回路１７は、磁気記憶装置１の外部からのアドレスＡＤＤを、デコード回路１３に転送する。入出力回路１７は、磁気記憶装置１の外部からのコマンドＣＭＤを、制御回路１８に転送する。入出力回路１７は、種々の制御信号ＣＮＴを、磁気記憶装置１の外部と、制御回路１８と、の間で送受信する。入出力回路１７は、磁気記憶装置１の外部からのデータＤＡＴを書込み回路１４に転送し、読出し回路１５から転送されたデータＤＡＴを磁気記憶装置１の外部に出力する。

【0020】

制御回路１８は、制御信号ＣＮＴ及びコマンドＣＭＤに基づいて、磁気記憶装置１内のロウ選択回路１１、カラム選択回路１２、デコード回路１３、書込み回路１４、読出し回路１５、電圧生成回路１６、及び入出力回路１７の動作を制御する。

【0021】

１．１．２ メモリセルアレイの構成
次に、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成について図２を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を示す回路図である。図２では、ワード線ＷＬが２つの小文字のアルファベット（“ｕ”及び“ｄ”）と、インデックス（“＜＞”）と、を含む添え字によって分類されて示されている。

【0022】

図２に示すように、メモリセルＭＣ（ＭＣｕ及びＭＣｄ）は、メモリセルアレイ１０内でマトリクス状に配置され、複数のビット線ＢＬ（ＢＬ＜０＞、ＢＬ＜１＞、…、ＢＬ＜Ｎ＞））のうちの１本と、複数のワード線ＷＬｄ（ＷＬｄ＜０＞、ＷＬｄ＜１＞、…、ＷＬｄ＜Ｍ＞）及びＷＬｕ（ＷＬｕ＜０＞、ＷＬｕ＜１＞、…、ＷＬｕ＜Ｍ＞）のうちの１本と、の組に対応付けられる（Ｍ及びＮは、任意の整数）。すなわち、メモリセルＭＣｄ＜ｉ、ｊ＞（０≦ｉ≦Ｍ、０≦ｊ≦Ｎ）は、ワード線ＷＬｄ＜ｉ＞とビット線ＢＬ＜ｊ＞との間に接続され、メモリセルＭＣｕ＜ｉ、ｊ＞は、ワード線ＷＬｕ＜ｉ＞とビット線ＢＬ＜ｊ＞との間に接続される。

【0023】

なお、添え字の“ｄ”及び“ｕ”はそれぞれ、複数のメモリセルＭＣのうちの、（例えば、ビット線ＢＬに対して）下方に設けられたもの、及び上方に設けられたもの、を便宜的に識別するものである。メモリセルアレイ１０の立体的な構造の例については、後述する。

【0024】

メモリセルＭＣｄ＜ｉ、ｊ＞は、直列に接続されたスイッチング素子ＳＥＬｄ＜ｉ、ｊ＞及び磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ＜ｉ、ｊ＞を含む。メモリセルＭＣｕ＜ｉ、ｊ＞は、直列に接続されたスイッチング素子ＳＥＬｕ＜ｉ、ｊ＞及び磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕ＜ｉ、ｊ＞を含む。

【0025】

スイッチング素子ＳＥＬは、対応する磁気抵抗効果素子ＭＴＪへのデータ書込み及び読出し時において、磁気抵抗効果素子ＭＴＪへの電流の供給を制御するスイッチとしての機能を有する。より具体的には、例えば、或るメモリセルＭＣ内のスイッチング素子ＳＥＬは、当該メモリセルＭＣに印加される電圧が閾値電圧Ｖｔｈを下回る場合、抵抗値の大きい絶縁体として電流を遮断し（オフ状態となり）、閾値電圧Ｖｔｈを上回る場合、抵抗値の小さい導電体として電流を流す（オン状態となる）。すなわち、スイッチング素子ＳＥＬは、流れる電流の方向に依らず、メモリセルＭＣに印加される電圧の大きさに応じて、電流を流すか遮断するかを切替え可能な機能を有する。

【0026】

スイッチング素子ＳＥＬは、例えば２端子型のスイッチング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、そのスイッチング素子は”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、スイッチング素子は”低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。スイッチング素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。例えば、このスイッチング素子には、Ｔｅ（テルル）、Ｓｅ（セレン）及びＳ（硫黄）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。このスイッチング素子は他にも、Ｂ（ボロン）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｃ（炭素）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｎ（スズ）、Ａｓ（ヒ素）、Ｐ（リン）、Ｓｂ（アンチモン）、チタン（Ｔｉ）、及びビスマス（Ｂｉ）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。より具体的には、このスイッチング素子は、ゲルマニウム（Ｇｅ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）、チタン（Ｔｉ）、ヒ素（Ａｓ）、インジウム（Ｉｎ）、及びビスマス（Ｂｉ）から選択される少なくとも２つの元素を含んでいてもよい。更に、このスイッチング素子は他にも、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ハフニウム（Ｈｆ）、及びタングステン（Ｗ）から選択された少なくとも１種の元素の酸化物を含んでいてもよい。

【0027】

磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、スイッチング素子ＳＥＬによって供給を制御された電流により、抵抗値を低抵抗状態と高抵抗状態とに切替わることができる。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、その抵抗状態の変化によってデータを書込み可能であり、書込まれたデータを不揮発に保持し、読出し可能である記憶素子として機能する。

【0028】

次に、メモリセルアレイ１０の断面構造について図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は、第１実施形態に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための断面図の一例を示している。図３及び図４はそれぞれ、メモリセルアレイ１０を互いに交差する異なる方向から見た断面図である。

【0029】

図３及び図４に示すように、メモリセルアレイ１０は、半導体基板２０上に設けられている。以下の説明では、半導体基板２０の表面と平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向とする。また、ワード線ＷＬに沿う方向をＸ方向とし、ビット線ＢＬに沿う方向をＹ方向とする。すなわち、図３及び図４はそれぞれ、メモリセルアレイ１０を、Ｙ方向及びＸ方向から見た断面図である。

【0030】

半導体基板２０の上面上には、例えば、複数の導電体２１が設けられる。複数の導電体２１は、導電性を有し、ワード線ＷＬｄとして機能する。複数の導電体２１は、例えば、Ｙ方向に沿って並んで設けられ、各々がＸ方向に沿って延びる。なお、図３及び図４では、複数の導電体２１が半導体基板２０上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の導電体２１は、半導体基板２０に接することなく、上方に離れて設けられてもよい。

【0031】

１つの導電体２１の上面上には、各々が磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄとして機能する複数の素子２２が設けられる。１つの導電体２１の上面上に設けられる複数の素子２２は、例えば、Ｘ方向に沿って並んで設けられる。すなわち、１つの導電体２１の上面には、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の素子２２が共通して接続される。なお、素子２２の構成の詳細については、後述する。

【0032】

複数の素子２２の各々の上面上には、スイッチング素子ＳＥＬｄとして機能する素子２３が設けられる。複数の素子２３の各々の上面は、複数の導電体２４のいずれか１つに接続される。複数の導電体２４は、導電性を有し、ビット線ＢＬとして機能する。複数の導電体２４は、例えば、Ｘ方向に沿って並んで設けられ、各々がＹ方向に沿って延びる。すなわち、１つの導電体２４には、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の素子２３が共通して接続される。なお、図３及び図４では、複数の素子２３の各々が素子２２上、及び導電体２４上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子２３の各々は、導電性のコンタクトプラグ（図示せず）を介して、素子２２、及び導電体２４と接続されていてもよい。

【0033】

１つの導電体２４の上面上には各々が磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕとして機能する複数の素子２５が設けられる。１つの導電体２４の上面上に設けられる複数の素子２５は、例えば、Ｘ方向に沿って並んで設けられる。すなわち、１つの導電体２４の上面には、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の素子２５が共通して接続される。なお、素子２５は、例えば、素子２２と同等の構成を有する。

【0034】

複数の素子２５の各々の上面上には、スイッチング素子ＳＥＬｕとして機能する素子２６が設けられる。複数の素子２６の各々の上面は、複数の導電体２７のいずれか１つに接続される。複数の導電体２７は、導電性を有し、ワード線ＷＬｕとして機能する。複数の導電体２７は、例えば、Ｙ方向に沿って並んで設けられ、各々がＸ方向に沿って延びる。すなわち、１つの導電体２７には、Ｘ方向に沿って並ぶ複数の素子２６が共通して接続される。なお、図３及び図４では、複数の素子２６の各々が素子２５上、及び導電体２７上に設けられる場合について説明したが、これに限られない。例えば、複数の素子２６の各々は、導電性のコンタクトプラグ（図示せず）を介して、素子２５、及び導電体２７と接続されていてもよい。

【0035】

以上のように構成されることにより、メモリセルアレイ１０は、１本のビット線ＢＬに対して、２本のワード線ＷＬｄ及びＷＬｕの組が対応する構造となる。そして、メモリセルアレイ１０は、ワード線ＷＬｄとビット線ＢＬとの間にメモリセルＭＣｄが設けられ、ビット線ＢＬとワード線ＷＬｕとの間にメモリセルＭＣｕが設けられるＺ方向の異なる高さに複数のメモリセルＭＣを有する構造を有する。図３及び図４において示されたセル構造においては、メモリセルＭＣｄが下層に対応付けられ、メモリセルＭＣｕが上層に対応付けられる。すなわち、１つのビット線ＢＬに共通に接続される２つのメモリセルＭＣのうち、ビット線ＢＬの上層に設けられるメモリセルＭＣは添え字“ｕ”が付されたメモリセルＭＣｕに対応し、下層に設けられるメモリセルＭＣは添え字“ｄ”が付されたメモリセルＭＣｄに対応する。

【0036】

１．１．３ 磁気抵抗効果素子
次に、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５を用いて説明する。図５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示す断面図である。図５では、例えば、図３及び図４に示された磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄをＺ方向に垂直な平面（例えば、ＸＺ平面）に沿って切った断面の一例が示される。なお、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄと同等の構成を有するため、その図示が省略される。

【0037】

図５に示すように、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、例えば、トップ層ＴＯＰ（Top layer）として機能する非磁性体３１、キャップ層ＣＡＰａ（Capping layer）として機能する非磁性体３２、キャップ層ＣＡＰｂとして機能する非磁性体３３、記憶層ＳＬ（Storage layer）として機能する強磁性体３４、トンネルバリア層ＴＢ（Tunnel barrier layer）として機能する非磁性体３５、参照層ＲＬ（Reference layer）として機能する強磁性体３６、スペーサ層ＳＰ（Spacer layer）として機能する非磁性体３７、シフトキャンセル層ＳＣＬ（Shift cancelling layer）として機能する強磁性体３８、及び下地層ＵＬ（Under layer）として機能する非磁性体３９を含む。

【0038】

磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄは、例えば、ワード線ＷＬｄ側からビット線ＢＬ側に向けて（Ｚ軸方向に）、非磁性体３９、強磁性体３８、非磁性体３７、強磁性体３６、非磁性体３５、強磁性体３４、非磁性体３３、非磁性体３２、及び非磁性体３１の順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｕは、例えば、ビット線ＢＬ側からワード線ＷＬｕ側に向けて（Ｚ軸方向に）、非磁性体３９、強磁性体３８、非磁性体３７、強磁性体３６、非磁性体３５、強磁性体３４、非磁性体３３、非磁性体３２、及び非磁性体３１の順に、複数の膜が積層される。磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ及びＭＴＪｕは、例えば、磁気抵抗効果素子ＭＴＪｄ及びＭＴＪｕを構成する磁性体の磁化方向がそれぞれ膜面に対して垂直方向を向く、垂直磁化型のＭＴＪ素子として機能する。なお、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、上述の各層３１～３９の間に、図示しない更なる層を含んでいてもよい。

【0039】

非磁性体３１は、非磁性の希土類酸化物（Rare-earth oxide）であり、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの製造の過程において、強磁性体３４から拡散するボロン（Ｂ）等の元素を吸収する機能を有する。非磁性体３１は、例えば、イットリウム（Ｙ）、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、スカンジウム（Ｓｃ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）、及びルテチウム（Ｌｕ）から選択される少なくとも１つの希土類元素の酸化物を含む。また、非磁性体３１は、上述したように、強磁性体３４内から吸収した元素として、ボロン（Ｂ）を更に含んでいてもよい。

【0040】

非磁性体３２は、非磁性金属の導電膜であり、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの寄生抵抗の増加を抑制する機能を有する。非磁性体３２の抵抗値は、寄生抵抗の増加を抑制する観点から、例えば、非磁性体３５の抵抗値の１割以下であることが望ましい。また、非磁性体３１は、強磁性体３４からボロン（Ｂ）を引き抜く効果を弱めないために、強磁性体３４に近接して設けられることが望ましい。これに伴い、非磁性体３２は、強磁性体３４と非磁性体３１との間の距離を短くする観点から、例えば、２ｎｍ（ナノメートル）以下であることが望ましい。

【0041】

また、非磁性体３２は、非磁性体３１が強磁性体３４内のボロン（Ｂ）を吸収する機能を阻害しないことが望ましい。すなわち、非磁性体３２は、ホウ化物（boride）となりやすい材料であることが望ましい。

【0042】

以上の要件を満たす材料として、非磁性体３２は、例えば、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、及びニオブ（Ｎｂ）から選択される少なくとも１つの金属を含み得る。

【0043】

非磁性体３３は、非磁性の絶縁膜であり、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。非磁性体３３は、体心立方（ｂｃｃ：Body-centered cubic）系の結晶構造（膜面が（００１）面に配向したＮａＣｌ結晶構造）を有し得る。非磁性体３３は、隣り合う強磁性体３４の結晶化処理において、強磁性体３４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機能する。

【0044】

非磁性体３３は、例えば、希土類元素の酸化物よりも格子間隔が小さい。このため、非磁性体３３は、共有結合半径が比較的小さい元素（例えば、強磁性体３４内のボロン（Ｂ）等）については強磁性体３４から非磁性体３１への拡散を妨げない。一方、非磁性体３３は、共有結合半径が比較的大きい元素（例えば、強磁性体３４内の鉄（Ｆｅ）等）については、その拡散を防止する機能を有する。

【0045】

非磁性体３３の膜厚は、寄生抵抗の増加を抑制する観点、及び非磁性体３１と強磁性体３４との間の距離を短くする観点から、例えば、非磁性体３５より薄いことが望ましく、より具体的には、１ｎｍ（ナノメートル）以下であることが望ましい。

【0046】

強磁性体３４は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体３４は、ビット線ＢＬ側、ワード線ＷＬ側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体３４は、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。また、強磁性層３４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つを更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性体３４は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。

【0047】

非磁性体３５は、非磁性の絶縁膜であり、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。非磁性体３５は、体心立方系の結晶構造（膜面が（００１）面に配向したＮａＣｌ結晶構造）を有し得る。また、非磁性体３５は、非磁性体３３と同様、隣り合う強磁性体３４の結晶化処理において、強磁性体３４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機能する。非磁性体３５は、強磁性体３４と強磁性体３６との間に設けられて、これら２つの強磁性体と共に磁気トンネル接合を形成する。

【0048】

強磁性体３６は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体３６は、ビット線ＢＬ側、ワード線ＷＬ側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体３６は、例えば、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。また、強磁性層３６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つを更に含んでいてもよい。より具体的には、例えば、強磁性体３６は、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含み、体心立方系の結晶構造を有し得る。強磁性体３６の磁化方向は、固定されており、図５の例では、強磁性体３８の方向を向いている。なお、「磁化方向が固定されている」とは、強磁性体３４の磁化方向を反転させ得る大きさの電流（スピントルク）によって、磁化方向が変化しないことを意味する。

【0049】

なお、図５では図示を省略しているが、強磁性体３６は、複数の層からなる積層体であってもよい。具体的には例えば、強磁性体３６を構成する積層体は、上述のコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）又はホウ化鉄（ＦｅＢ）を含む界面層の強磁性体３８側の面上に、非磁性の導電体を介して、更なる強磁性体が積層される構造であってもよい。強磁性体３６を構成する積層体内の非磁性の導電体は、例えば、タンタル（Ｔａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、及びチタン（Ｔｉ）から選択される少なくとも１つの金属を含み得る。強磁性体３６を構成する積層体内の更なる強磁性体は、例えば、コバルト（Ｃｏ）と白金（Ｐｔ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ多層膜）、コバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）との多層膜（Ｃｏ／Ｎｉ多層膜）、及びコバルト（Ｃｏ）とパラジウム（Ｐｄ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｄ多層膜）から選択される少なくとも１つの人工格子を含み得る。

【0050】

非磁性体３７は、非磁性の導電膜であり、例えばルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、バナジウム（Ｖ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。

【0051】

強磁性体３８は、強磁性を有し、膜面に垂直な方向に磁化容易軸方向を有する。強磁性体３８は、例えばコバルト白金（ＣｏＰｔ）、コバルトニッケル（ＣｏＮｉ）、及びコバルトパラジウム（ＣｏＰｄ）から選択される少なくとも１つの合金を含む。強磁性体３８は、強磁性体３６と同様、複数の層からなる積層体であってもよい。その場合、強磁性体３８は、例えば、コバルト（Ｃｏ）と白金（Ｐｔ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｔ多層膜）、コバルト（Ｃｏ）とニッケル（Ｎｉ）との多層膜（Ｃｏ／Ｎｉ多層膜）、及びコバルト（Ｃｏ）とパラジウム（Ｐｄ）との多層膜（Ｃｏ／Ｐｄ多層膜）から選択される少なくとも１つの人工格子を含み得る。

【0052】

強磁性体３８は、ビット線ＢＬ側、ワード線ＷＬ側のいずれかの方向に向かう磁化方向を有する。強磁性体３８の磁化方向は、強磁性体３６と同様に固定されており、図５の例では、強磁性体３６の方向を向いている。

【0053】

強磁性体３６及び３８は、非磁性体３７によって反強磁性的に結合される。すなわち、強磁性体３６及び３８は、互いに反平行な磁化方向を有するように結合される。このため、図５の例では、強磁性体３６及び３８の磁化方向は、互いに向かい合う方向を向いている。このような強磁性体３６、非磁性体３７、及び強磁性体３８の結合構造を、ＳＡＦ（Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造という。これにより、強磁性体３８は、強磁性体３６の漏れ磁場が強磁性体３４の磁化方向に与える影響を相殺することができる。このため、強磁性体３６の漏れ磁場等に起因する外的要因によって強磁性体３４の磁化の反転し易さに非対称性が発生すること（すなわち、強磁性体３４の磁化の方向の反転する際の反転し易さが、一方から他方に反転する場合と、その逆方向に反転する場合とで異なること）が抑制される。

【0054】

非磁性体３９は、非磁性の導電膜であり、ビット線ＢＬやワード線ＷＬとの電気的な接続性を向上させる電極としての機能を有する。また、非磁性体３９は、例えば、高融点金属を含む。高融点金属とは、例えば、鉄（Ｆｅ）及びコバルト（Ｃｏ）より融点が高い材料を示し、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）、バナジウム（Ｖ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及び白金（Ｐｔ）から選択される少なくとも１つの元素を含む。

【0055】

第１実施形態では、このような磁気抵抗効果素子ＭＴＪに直接書込み電流を流し、この書込み電流によって記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬにスピントルクを注入し、記憶層ＳＬの磁化方向及び参照層ＲＬの磁化方向を制御するスピン注入書込み方式を採用する。磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬ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出来る。

【0056】

磁気抵抗効果素子ＭＴＪに、図５における矢印Ａ１の方向、即ち記憶層ＳＬから参照層ＲＬに向かう方向に、或る大きさの書込み電流Ｉｗ０を流すと、記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬ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ＭＴＪの抵抗値は最も低くなり、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ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。

【0057】

また、磁気抵抗効果素子ＭＴＪに、図５における矢印Ａ２の方向、即ち参照層ＲＬから記憶層ＳＬに向かう方向（矢印Ａ１と反対方向）に、書込み電流Ｉｗ０より大きい書込み電流Ｉｗ１を流すと、記憶層ＳＬ及び参照層ＲＬ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ＭＴＪの抵抗値は最も高くなり、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ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。

【0058】

なお、以下の説明では、上述したデータの規定方法に従って説明するが、データ“１”及びデータ“０”の規定の仕方は、上述した例に限られない。例えば、Ｐ状態をデータ“１”と規定し、ＡＰ状態をデータ“０”と規定してもよい。

【0059】

１．２． 磁気抵抗効果素子の製造方法
次に、第１実施形態に係る磁気記憶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ＭＴＪ内の各構成要素のうち、強磁性体３４（記憶層ＳＬ）の製造方法について特に説明するものとし、その他の構成要素（参照層ＲＬ、シフトキャンセル層ＳＣＬ等）については、その説明を省略する。

【0060】

図６及び図７は、第１実施形態に係る磁気記憶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６及び図７では、強磁性体３４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が示される。なお、非磁性体３５より下層に積層される強磁性体３６、非磁性体３７、強磁性体３８、及び非磁性体３９については、説明の便宜上、図示を省略している。

【0061】

図６に示すように、非磁性体３５、強磁性体３４、非磁性体３３、非磁性体３２、及び非磁性体３１が半導体基板２０からこの順に積層される。

【0062】

非磁性体３５及び３３は、膜面が（００１）面に配向したＮａＣｌ結晶構造を有する。これにより、強磁性体３４との界面において、非磁性体３５及び３３は、マグネシウム（Ｍｇ）と酸素（Ｏ）とが交互に配列する。

【0063】

強磁性体３４は、例えば、鉄（Ｆｅ）とボロン（Ｂ）とを含むアモルファス状態で積層される。

【0064】

次に、図７に示すように、図６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、各層に対して外部から熱が加えられることにより、強磁性体３４が非晶質から結晶質へ変換される。ここで、非磁性体３５及び３３は、強磁性体３４の結晶構造の配向を制御する役割を果たす。すなわち、強磁性体３４は、非磁性体３５及び３３をシード材として結晶構造を成長させる（結晶化処理）。強磁性体３４内の鉄（Ｆｅ）は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の格子間隔とのミスマッチが小さいため、強磁性体３４は、非磁性体３５及び３３の結晶面と同じ結晶面に配向される。これにより、強磁性体３４の結晶配向性が向上し、より大きなトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ：Tunnel mangetoresistive ratio）を得ることができる。

【0065】

また、強磁性体３４と非磁性体３５及び３３との界面において、強磁性体３４内の鉄（Ｆｅ）と、非磁性体３５及び３３内の酸素（Ｏ）とが結合し、ｓｐ混成軌道が形成される。これにより、強磁性体３４は、両側の界面のいずれからも、垂直方向の磁気異方性を発現させることができる。

【0066】

なお、アニーリング処理において、非磁性体３１は、強磁性体３４内のボロン（Ｂ）を吸収する。これにより、強磁性体３４の結晶化が促進される。上述の通り、非磁性体３２の膜厚は２ｎｍ（ナノメートル）以下に設定され、非磁性体３３の膜厚は１ｎｍ（ナノメートル）以下に設定される。このため、非磁性体３１と強磁性体３４との間の距離を短くすることができ、非磁性体３１は、強磁性体３４からボロン（Ｂ）を吸収することができ、強磁性体３４の結晶化の促進に寄与することができる。

【0067】

また、非磁性体３２は、ホウ化物となりやすい材料が選択される。このため、非磁性体３２は、非磁性体３１と共に、強磁性体３４からのボロン（Ｂ）の吸収を促進することができる。

【0068】

以上で、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの製造が終了する。

【0069】

１．３． 本実施形態に係る効果について
第１実施形態によれば、磁気抵抗効果素子は、寄生抵抗の増加を抑制しつつ、垂直磁気異方性を向上させることができる。本効果につき、以下に説明する。

【0070】

第１実施形態では、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、非磁性体３５、強磁性体３４、非磁性体３３、非磁性体３２、及び非磁性体３１がこの順に半導体基板２０の上方に積層される。非磁性体３１は、希土類酸化物を含む。これにより、強磁性体３４内に含まれるボロン（Ｂ）は、アニーリング処理の際に、非磁性体３１によって吸収される。このため、強磁性体３４を良質に結晶化させることができる。

【0071】

また、非磁性体３３及び３５は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。このため、強磁性体３４は、非磁性体３３との界面と、非磁性体３５との界面と、のいずれからも結晶構造が成長する。このため、両界面において、磁気異方性を高める鉄（Ｆｅ）－酸素（Ｏ）間の結合を発生させることができる。

【0072】

図８は、第１実施形態に係る効果を説明するための模式図である。図８では、横軸に磁化（Ｍｓ×ｔ）の大きさを取り、縦軸に異方性磁界（Ｈｋ）の大きさを取ることにより、強磁性体の垂直磁気異方性の大きさが示される。なお、Ｍｓ及びｔはそれぞれ、対象である強磁性体の飽和磁化、及び膜厚を示し、磁化（Ｍｓ×ｔ）は、当該飽和磁化及び膜厚の積で表される。また、垂直磁気異方性は、磁化及び異方性磁界の積に相関する。このため、図８の例では、線が右上に移動すればするほど、垂直磁気異方性が大きいことを示す。

【0073】

図８では、比較例の強磁性体の垂直磁気異方性を示す大きさを示す線Ｌ１と、強磁性体３４の垂直磁気異方性の大きさを示す線Ｌ２と、が示される。比較例の強磁性体は、例えば、強磁性体３４の上面上又は下面上のうちの一方にのみ酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む非磁性体が設けられた場合である。図８に示すように、第１実施形態に係る強磁性体３４は、比較例に係る強磁性体よりも、垂直磁気異方性が大きくなる。これは、比較例に係る強磁性体では、鉄（Ｆｅ）－酸素（Ｏ）間の結合が、上下面のうちの一方にのみ発生しているのに対し、第１実施形態に係る強磁性体３４では、上下面のいずれでも発生していることに起因する。このように、第１実施形態に係る強磁性体３４は、比較例に係る強磁性体よりも、理論上、約２倍の垂直磁気異方性を得ることができ得る。

【0074】

また、非磁性体３２及び３３の膜厚はそれぞれ、２ｎｍ（ナノメートル）以下、及び１ｎｍ（ナノメートル）以下に抑えられる。これにより、非磁性体３１と強磁性体３４との間の距離が大きくなることを抑制することができる。したがって、アニーリング処理の際に強磁性体３４からボロン（Ｂ）を引き抜く効果を維持しつつ、高い垂直磁気異方性を得ることができる。

【0075】

また、非磁性体３２は、ボロン（Ｂ）化しやすい材料が選択される。これにより、非磁性体３１と強磁性体３４との間に非磁性体３２が設けられることによるボロン（Ｂ）の引き抜き効果の低下を抑制することができる。

【0076】

また、非磁性体３２には、非磁性体３５の１割以下の抵抗値を有する材料が選択される。これにより、抵抗値が比較的大きい酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む非磁性体３３を積層させたことによる寄生抵抗の増加を抑制することができる。このため、磁気抵抗効果素子ＭＴＪの抵抗値の増加を抑制でき、ひいては、書込み電流Ｉｗ０及びＩｗ１の増加を抑制することができる。このため、磁気抵抗効果素子ＭＴＪを磁気記憶装置に適用し易くすることが出来る。

【0077】

また、強磁性体３４は、強磁性体３６よりも上方に設けられる。これに伴い、非磁性体３３は、非磁性体３２よりも下方に設けられる。このため、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、強磁性体３４の上面上に非磁性体３３が積層される構造となり、ひいては、非磁性体３３がｂｃｃの結晶構造となるように製膜することができる。

【0078】

補足すると、強磁性体３４が強磁性体３６よりも下方に設けられる場合、非磁性体３３は、非磁性体３２よりも上方に設けられる。より具体的には、非磁性体３３は、非磁性体３２の上面上に設けられる。この場合、非磁性体３２は、製膜時においてボロン（Ｂ）を含まないため、非磁性体３３がｂｃｃの結晶構造となることを阻害し得る。このように、非磁性体３３は、非磁性体３２の下方に設けられることが望ましい。第１実施形態によれば、磁気抵抗効果素子ＭＴＪは、トップフリーの構造をとるため、非磁性体３３が非磁性体３２の下方に設けられる構造となり、非磁性体３３がシード材としての機能を有するように製膜することができる。

【0079】

２． 変形例等
なお、上述の第１実施形態に限らず、種々の変形が適用可能である。以下では、上述の第１実施形態に適用可能ないくつかの変形例について説明する。なお、説明の便宜上、第１実施形態との差異点について主に説明する。

【0080】

上述の第１実施形態で述べたメモリセルＭＣは、スイッチング素子ＳＥＬとして、２端子型のスイッチング素子が適用される場合について説明したが、スイッチング素子ＳＥＬとして、ＭＯＳ（Metal oxide semiconductor）トランジスタが適用されてもよい。すなわち、メモリセルアレイは、Ｚ方向の異なる高さに複数のメモリセルＭＣを有する構造に限らず、任意のアレイ構造が適用可能である。

【0081】

図９は、変形例に係る磁気記憶装置のメモリセルアレイの構成を説明するための回路図である。図９は、第１実施形態の図１において説明した磁気記憶装置１のうちのメモリセルアレイ１０に対応する。

【0082】

図９に示すように、メモリセルアレイ１０Ａは、各々が行及び列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、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。

【0083】

図１０は、変形例に係る磁気記憶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１０は、第１実施形態の図３及び図４において説明したメモリセルＭＣに対応する。なお、図１０の例では、メモリセルＭＣは、半導体基板に対して積層されないため、“ｕ”及び“ｄ”等の添え字は付されない。

【0084】

図１０に示すように、メモリセルＭＣは、半導体基板４０上に設けられ、選択トランジスタ４１（Ｔｒ）及び磁気抵抗効果素子４２（ＭＴＪ）を含む。選択トランジスタ４１は、磁気抵抗効果素子４２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設けられる。磁気抵抗効果素子４２の構成は、第１実施形態の図５に示された磁気抵抗効果素子ＭＴＪと同等である。

【0085】

選択トランジスタ４１は、ワード線ＷＬとして機能するゲート（導電体４３）と、当該ゲートのｘ方向に沿う両端において半導体基板４０上に設けられた１対のソース領域又はドレイン領域（拡散領域４４）と、を備えている。導電体４３は、半導体基板４０上に設けられたゲート絶縁膜として機能する絶縁体４５上に設けられる。導電体４３は、例えば、ｙ方向に沿って延び、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（図示せず）のゲートに共通接続される。導電体４３は、例えばｘ方向に並ぶ。選択トランジスタ４１の第１端に設けられた拡散領域４４上には、コンタクトプラグ４６が設けられる。コンタクトプラグ４６は、磁気抵抗効果素子４２の下面（第１端）上に接続される。磁気抵抗効果素子４２の上面（第２端）上にはコンタクトプラグ４７が設けられ、コンタクトプラグ４７の上面上には、ビット線ＢＬとして機能する導電体４８に接続される。導電体４８は、例えば、ｘ方向に延び、ｘ方向に並ぶ他のメモリセルの磁気抵抗効果素子（図示せず）の第２端に共通接続される。選択トランジスタ４１の第２端に設けられた拡散領域４４上には、コンタクトプラグ４９が設けられる。コンタクトプラグ４９は、ソース線／ＢＬとして機能する導電体５０の下面上に接続される。導電体５０は、例えば、ｘ方向に延び、例えばｘ方向に並ぶ他のメモリセルの選択トランジスタ（図示せず）の第２端に共通接続される。導電体４８及び５０は、例えばｙ方向に並ぶ。導電体４８は、例えば導電体５０の上方に位置する。なお、図１０では省略されているが、導電体４８及び５０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４１、磁気抵抗効果素子４２、導電体４３、４８、及び５０、並びに及びコンタクトプラグ４６、４７、及び４９は、層間絶縁膜５１によって被覆される。なお、磁気抵抗効果素子４２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（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１０Ａ内において、複数の磁気抵抗効果素子４２は、例えばＸＹ平面上に配置される。

【0086】

以上のように構成することにより、スイッチング素子ＳＥＬに２端子型のスイッチング素子ではなく、３端子型のスイッチング素子であるＭＯＳトランジスタが適用される場合についても、第１実施形態と同等の効果を奏することができる。

【0087】

また、上述の実施形態及び変形例で述べたメモリセルＭＣは、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがスイッチング素子ＳＥＬの下方に設けられる場合について説明したが、磁気抵抗効果素子ＭＴＪがスイッチング素子ＳＥＬの上方に設けられてもよい。

【0088】

更に、上述の第１実施形態及び各変形例では、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。当該磁気素子は、例えば、図５において説明した非磁性体３１、非磁性体３２、非磁性体３３、強磁性体３４、及び非磁性体３５を少なくとも含む素子である。

【0089】

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】

【0090】

１…磁気記憶装置、１０，１０Ａ…メモリセルアレイ、１１…ロウ選択回路、１２…カラム選択回路、１３…デコード回路、１４…書込み回路、１５…読出し回路、１６…電圧生成回路、１７…入出力回路、１８…制御回路、２１，２４，２７，４３，４８，５０…導電体、２２，２３，２５，２６…素子、３１，３２，３３，３５，３７…非磁性体、３４，３６，３８…強磁性体、２０，４０…半導体基板、４１…選択トランジスタ、４２…磁気抵抗効果素子、４４…ソース領域又はドレイン領域、４５…絶縁層、４６，４７，４９…コンタクトプラグ、５１…層間絶縁膜。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】