(57)【要約】      （修正有）【課題】高品質な記憶装置を提供する。【解決手段】記憶装置は、抵抗変化素子２２を具備する。抵抗変化素子２２は、強磁性体２１０と、強磁性体２３０と、強磁性体２１０および強磁性体２３０の間に設けられた、ボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体２２０とを含む積層体１２０を備える。２つの強磁性体を含む構造が記憶層として使用される場合、２つの強磁性体の磁化方向の反転を２つの強磁性体の間のＳＴＴを使用することによって、効率的に行うことができ、記憶層の書き込み電流を低減できる。【選択図】図３
2020043282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗変化素子を具備し、
前記抵抗変化素子は、第１強磁性体と、第２強磁性体と、前記第１強磁性体および前記第２強磁性体の間に設けられた、ボロン添加希土類酸化物を含む第１非磁性体とを含む積層体を備える、
記憶装置。
【請求項２】
前記第１強磁性体、前記第１非磁性体、および前記第２強磁性体は、磁気トンネル接合を形成している、請求項１に記載の記憶装置。
【請求項３】
前記抵抗変化素子は、第３強磁性体と、前記積層体および前記第３強磁性体の間に設けられた第２非磁性体とを備え、
前記第２非磁性体は、前記第２強磁性体に対して前記第１非磁性体とは反対側にあり、
前記第１強磁性体の垂直磁気異方性磁界（Ｈｋ）は、前記第２強磁性体の垂直磁気異方性磁界より大きい、請求項２に記載の記憶装置。
【請求項４】
前記抵抗変化素子は、第３強磁性体と、前記積層体および前記第３強磁性体の間に設けられた第２非磁性体とを備え、
前記第２非磁性体は、前記第２強磁性体に対して前記第１非磁性体とは反対側にあり、
前記第１強磁性体の磁化の共鳴磁場（Ｈｒ）は、前記第２強磁性体の磁化の共鳴磁場より大きい、請求項２に記載の記憶装置。
【請求項５】
前記抵抗変化素子は、第３強磁性体と、前記積層体および前記第３強磁性体の間に設けられた第２非磁性体とを備え、
前記第２非磁性体は、前記第２強磁性体に対して前記第１非磁性体とは反対側にあり、
前記第１強磁性体のダンピング定数（α）は、前記第２強磁性体のダンピング定数より大きい、請求項２に記載の記憶装置。
【請求項６】
前記抵抗変化素子は、第３強磁性体と、前記積層体および前記第３強磁性体の間に設けられた第２非磁性体とを備え、
前記第２非磁性体は、前記第２強磁性体に対して前記第１非磁性体とは反対側にあり、
前記第１強磁性体の磁化量（Ｍｓｔ）は、前記第２強磁性体の磁化量より小さい、請求項２に記載の記憶装置。
【請求項７】
前記第１強磁性体の飽和磁化（Ｍｓ）は、前記第２強磁性体の飽和磁化より小さい、請求項６に記載の記憶装置。
【請求項８】
前記抵抗変化素子は、第３強磁性体と、前記積層体および前記第３強磁性体の間に設けられた第２非磁性体とを備え、
前記第２非磁性体は、前記第２強磁性体に対して前記第１非磁性体とは反対側にあり、
少なくとも、前記第１強磁性体はイリジウム（Ｉｒ）を含む、または、前記第２強磁性体は白金（Ｐｔ）を含む、請求項２に記載の記憶装置。
【請求項９】
前記第１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）、およびルテチウム（Ｌｕ）のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載の記憶装置。
【請求項１０】
前記抵抗変化素子を含むメモリセルをさらに備える、請求項１に記載の記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
実施形態は、記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気素子を有する記憶装置が知られている。
【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２０１７／０２６３８５８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
高品質な記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の記憶装置は、抵抗変化素子を具備し、前記抵抗変化素子は、第１強磁性体と、第２強磁性体と、前記第１強磁性体および前記第２強磁性体の間に設けられた、ボロン添加希土類酸化物を含む第１非磁性体とを含む積層体を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態に係る記憶装置の構成の一例を示すブロック図。
【図２】第１実施形態に係る記憶装置のメモリセルの構成の一例を示す断面図。
【図３】第１実施形態に係る記憶装置の抵抗変化素子の構成の一例を示す断面図。
【図４Ａ】図３に示した積層体の一例を含む例示的な積層体の断面図、および、図３に示した積層体に類似する構成を含む例示的な積層体の断面図。
【図４Ｂ】図４Ａに示した各積層体に外部磁場を印加した際に測定された磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示す図。
【図５】第１実施形態に係る記憶装置において抵抗変化素子を高抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図。
【図６】第１実施形態に係る記憶装置において抵抗変化素子を低抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図。
【図７Ａ】第１実施形態の比較例としての例示的な積層体の断面図。
【図７Ｂ】図７Ａに示した積層体に外部磁場を印加した際に測定された磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示す図。
【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、同一の機能およ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。
【０００８】
＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る記憶装置について説明する。第１実施形態に係る記憶装置は、例えば、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）によるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）効果を利用する抵抗変化素子を記憶素子として用いた、垂直磁化方式による磁気記憶装置（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）を含む。なお、ＴＭＲ効果とは、磁場の印加により強磁性体の磁化方向を変化させ、それによりトンネル電流が流れる際の電気抵抗が変化する現象である。以下の説明では、記憶装置の一例として、上述した磁気記憶装置について説明する。
【０００９】
［構成例］
（１）記憶装置の構成
先ず、第１実施形態に係る記憶装置の構成について説明する。  
図１は、第１実施形態に係る記憶装置１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、記憶装置１は、メモリセルアレイ１１、カレントシンク１２、センスアンプおよび書き込みドライバ（ＳＡ／ＷＤ）１３、ロウデコーダ１４、ページバッファ１５、入出力回路１６、ならびに制御部１７を含む。
【００１０】
メモリセルアレイ１１は、行（ロウ）および列（カラム）に対応付けられた複数のメモリセルＭＣを含む。例えば、同一行に対応付けられたメモリセルＭＣは、同一のワード線ＷＬに接続される。例えば、同一列に対応付けられたメモリセルＭＣの第１端は、同一のビット線ＢＬに接続され、同一列に対応付けられたメモリセルＭＣの第２端は、同一のソース線／ＢＬに接続される。
【００１１】
カレントシンク１２は、ビット線ＢＬおよびソース線／ＢＬに接続される。カレントシンク１２は、データの書き込みおよび読み出し等の動作において、ビット線ＢＬまたはソース線／ＢＬを接地電位とする。
【００１２】
ＳＡ／ＷＤ１３は、書き込みドライバＷＤおよびセンスアンプＳＡを含む。例えば、書き込みドライバＷＤの各々は、対応付けられたビット線ＢＬおよびソース線／ＢＬに接続される。例えば、センスアンプＳＡの各々は、対応付けられたビット線ＢＬに接続される。書き込みドライバＷＤの各々は、上記対応付けられたビット線ＢＬおよびソース線／ＢＬを介して対象のメモリセルＭＣに電流を供給し、そのメモリセルＭＣへのデータの書き込みを行う。また、センスアンプＳＡの各々は、上記対応付けられたビット線ＢＬを介して対象のメモリセルＭＣに電流を供給し、そのメモリセルＭＣからのデータの読み出しを行う。
【００１３】
ロウデコーダ１４は、ワード線ＷＬを介してメモリセルアレイ１１と接続される。ロウデコーダ１４は、メモリセルアレイ１１が接続されるワード線ＷＬを指定するロウアドレスをデコードする。その後、ロウデコーダ１４は、デコードされたロウアドレスにより指定されるワード線ＷＬを選択し、選択されたワード線ＷＬにデータの書き込みおよび読み出し等の動作を可能とする電圧を印加する。
【００１４】
ページバッファ１５は、メモリセルアレイ１１内に書き込まれるデータ、および、メモリセルアレイ１１から読み出されたデータを、ページと呼ばれるデータ単位で一時的に保持する。
【００１５】
入出力回路１６は、記憶装置１の外部から受信した各種信号を制御部１７およびページバッファ１５に送信し、制御部１７およびページバッファ１５からの各種情報を記憶装置１の外部に送信する。
【００１６】
制御部１７は、カレントシンク１２、ＳＡ／ＷＤ１３、ロウデコーダ１４、ページバッファ１５、および入出力回路１６と接続される。制御部１７は、入出力回路１６が記憶装置１の外部から受信した各種信号にしたがい、カレントシンク１２、ＳＡ／ＷＤ１３、ロウデコーダ１４、およびページバッファ１５を制御する。
【００１７】
（２）メモリセルの構成
次に、第１実施形態に係る記憶装置のメモリセルの構成について説明する。  
図２は、第１実施形態に係る記憶装置１のメモリセルＭＣの構成の一例を示す断面図である。以下の説明では、半導体基板２０に平行な面をｘｙ平面として定義し、ｚ軸として、例えば、当該ｘｙ平面に垂直な軸を定義する。ｘ軸およびｙ軸は、例えば、ｘｙ平面内で互いに直交する軸として定義される。図２に示す断面図は、上記メモリセルＭＣをｘｚ平面で切断したものに対応する。以下の説明では、ｚ軸の正の向きに向かう方向を上方として、ｚ軸の負の向きに向かう方向を下方として説明を行う。
【００１８】
図２に示すように、メモリセルＭＣは、半導体基板２０上に設けられ、選択トランジスタ２１と、抵抗変化素子２２とを含む。選択トランジスタ２１は、抵抗変化素子２２へのデータの書き込みおよび読み出しの際に電流の供給および停止を制御するスイッチとして設けられる。抵抗変化素子２２は、例えば、積層された複数の物質を含む。層の界面を貫く方向、例えば層の界面に垂直な方向に流れる電流によって、抵抗変化素子２２の抵抗値を低抵抗状態と高抵抗状態との間で切り替えることが可能である。その抵抗状態の変化を利用することによって抵抗変化素子２２へのデータの書き込みが可能であり、抵抗変化素子２２は、書き込まれたデータを不揮発に保持し当該データの読み出しが可能な記憶素子として機能する。
【００１９】
選択トランジスタ２１は、ワード線ＷＬとして機能する配線層２３に接続されたゲートと、当該ゲートのｘ方向に沿う両端において半導体基板２０の表面に設けられた１対のソース領域またはドレイン領域２４とを含む。選択トランジスタ２１は、半導体基板２０の活性領域に形成される。活性領域は、例えば、他のメモリセルＭＣの活性領域に電気的に接続されないように、素子分離領域（ＳＴＩ：Shallow Trench Isolation）（図示せず）によって互いに絶縁される。
【００２０】
配線層２３は、半導体基板２０上の絶縁層２５を介してｙ方向に沿って設けられており、例えば、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２１（図示せず）のゲートに共通して接続される。配線層２３は、例えばｘ方向に並ぶ。
【００２１】
選択トランジスタ２１の一方のソース領域またはドレイン領域２４上には、コンタクトプラグ２６が設けられる。コンタクトプラグ２６の上面上には、抵抗変化素子２２が設けられる。抵抗変化素子２２の上面上にはコンタクトプラグ２７が設けられる。コンタクトプラグ２７の上面は、配線層２８に接続される。配線層２８は、ビット線ＢＬとして機能し、ｘ方向に沿って設けられており、例えばｘ方向に並ぶ他のメモリセルＭＣの抵抗変化素子２２（図示せず）に共通して接続される。
【００２２】
選択トランジスタ２１の他方のソース領域またはドレイン領域２４上には、コンタクトプラグ２９が設けられる。コンタクトプラグ２９の上面は配線層３０に接続される。配線層３０は、ソース線／ＢＬとして機能し、ｘ方向に沿って設けられており、例えばｘ方向に並ぶ他のメモリセルＭＣの選択トランジスタ２１（図示せず）に共通して接続される。
【００２３】
配線層２８および３０は、例えばｙ方向に並ぶ。配線層２８は、例えば配線層３０の上方に位置する。選択トランジスタ２１、抵抗変化素子２２、配線層２３，２８，および３０、ならびに、コンタクトプラグ２６，２７，および２９は、層間絶縁膜３１によって被覆される。
【００２４】
なお、抵抗変化素子２２に対してｘ方向またはｙ方向に沿って並ぶ他の抵抗変化素子２２（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１１内において、複数の抵抗変化素子２２が、例えば半導体基板２０の広がる方向に沿って並ぶ。
【００２５】
（３）抵抗変化素子の構成
次に、第１実施形態に係る記憶装置の抵抗変化素子の構成について説明する。  
図３は、第１実施形態に係る記憶装置１の抵抗変化素子２２の構成の一例を示す断面図である。図３に示す断面図は、抵抗変化素子２２を上述したｘｚ平面で切断したものに対応する。
【００２６】
図３に示すように、抵抗変化素子２２は、非磁性体１１０と、積層体１２０と、非磁性体１３０と、強磁性体１４０とを含む。非磁性体１１０、積層体１２０、非磁性体１３０、および強磁性体１４０は、非磁性体１１０、積層体１２０、非磁性体１３０、および強磁性体１４０の順で、半導体基板２０側からｚ軸方向に積層される。
【００２７】
非磁性体１１０は、例えば下地層（under layer）として機能する。非磁性体１３０は、例えばトンネルバリア層（tunnel barrier layer）として機能する。すなわち、積層体１２０、非磁性体１３０、および強磁性体１４０は磁気トンネル接合を形成する。強磁性体１４０は、或る方向に固定された磁化を有し、例えば参照層（reference layer）として機能する。
【００２８】
積層体１２０は、定常状態において、或る方向に沿う可変の磁化を有し、例えば記憶層（storage layer）として機能する。定常状態は、電圧も印加されておらず、かつ磁場の中に位置しておらず、磁化の状態の遷移が終了して安定している状態を指す。
【００２９】
積層体１２０、非磁性体１３０、および強磁性体１４０の組は、ＴＭＲ効果を示す。ＴＭＲ効果は、絶縁体を挟んだ２つの強磁性体を含む構造において、２つの強磁性体の磁化の向きが平行であると、構造は最小の抵抗値を示し、２つの強磁性体の磁化の向きが反平行であると、構造が最大の抵抗値を示す現象を指す。抵抗変化素子２２は、強磁性体１４０の磁化方向に対して積層体１２０の磁化方向が平行か反平行かによって、低抵抗状態および高抵抗状態のいずれかを取ることができる。
【００３０】
強磁性体１４０の磁化方向と積層体１２０の磁化方向が平行の場合、抵抗変化素子２２の抵抗値は最も低い。すなわち、抵抗変化素子２２は低抵抗状態に設定されている。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。
【００３１】
強磁性体１４０の磁化方向と積層体１２０の磁化方向が反平行の場合、抵抗変化素子２２の抵抗値は最も高い。すなわち、抵抗変化素子２２は高抵抗状態に設定されている。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。
【００３２】
積層体１２０は、強磁性体２１０と、非磁性体２２０と、強磁性体２３０とを含む。強磁性体２１０、非磁性体２２０、および強磁性体２３０は、強磁性体２１０、非磁性体２２０、および強磁性体２３０の順で、半導体基板２０側からｚ軸方向に積層される。強磁性体２１０は、例えば第１記憶層として機能する。強磁性体２３０は、例えば第２記憶層として機能する。非磁性体２２０は、例えば機能層（function layer）として機能し、トンネルバリア層として機能する。すなわち、強磁性体２１０、非磁性体２２０、および強磁性体２３０は磁気トンネル接合を形成し、ＴＭＲ効果を示すことができる。
【００３３】
強磁性体２１０の磁化および強磁性体２３０の磁化は、定常状態において、同一の方向を向いている。よって、積層体１２０の磁化方向とは、定常状態における強磁性体２１０および２３０の磁化方向である。
【００３４】
このように、記憶層として機能する構造が、２つの強磁性体２１０および２３０によって実現されている。非磁性体２２０は、強磁性体２１０および２３０の間に設けられ、酸化物を含む。このように強磁性体２１０および２３０の間に酸化物を設けることにより、強磁性体２１０および２３０の磁化を層の界面に対して垂直方向に向ける界面異方性が発生する。このため、積層体１２０の垂直磁化は、記憶層が１つの強磁性体で構成されている場合よりも高い熱擾乱耐性を有する。また、垂直磁化を有する２つの強磁性体は静磁エネルギーを最小化するためにお互いに平行な状態で安定化する。
【００３５】
図３に示した抵抗変化素子２２は例示に過ぎず、抵抗変化素子２２は、上述したもの以外のさらなる層を含んでいてもよい。
【００３６】
次に、非磁性体１１０、積層体１２０、非磁性体１３０、および強磁性体１４０についてさらに説明する。  
非磁性体１１０は、導電性を有し、非磁性体の材料を含む。例えば、非磁性体１１０は、以下のアルカリ金属、アルカリ土類金属、および希土類金属のような金属元素を含む酸化物、例えば酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、希土類酸化物（ＹＯ、ＬａＯ、ＥｕＯ、ＧｄＯ）、あるいは、以下のアルカリ金属、卑金属および遷移金属のような金属元素を含む窒化物、例えば窒化マグネシウム（ＭｇＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）、窒化ニオブ（ＮｂＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ハフニウム（ＨｆＮ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化タングステン（ＷＮ）、窒化クロム（ＣｒＮ）、窒化モリブデン（ＭｏＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、および窒化バナジウム（ＶＮ）、あるいは、５ｄ遷移金属を含むホウ化物、例えばＨｆＢ、ＴａＢ等の化合物のうち少なくとも１つを含む。また、非磁性体１１０は、上述した酸化物、窒化物、またはホウ化物の混合物を含んでいてもよい。すなわち、非磁性体１１０は、２種類の元素からなる二元化合物に限らず３種類の元素からなる三元化合物を、例えばホウ化酸化物（ＧｄＢＯ）等を含んでいてもよい。
【００３７】
非磁性体１３０は、例えば絶縁性を示し、非磁性体の材料を含む。例えば、非磁性体１３０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を含む。
【００３８】
強磁性体１４０は、導電性を有し、強磁性体１４０と他の層との界面に垂直な方向、例えばｚ軸に沿う磁化容易軸を有する強磁性体の材料を含む。例えば、強磁性体１４０は、垂直磁化を有する強磁性体として鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）を含む。なお、抵抗変化素子２２は、強磁性体１４０に対して非磁性体１３０とは反対側に、さらなる強磁性体として、強磁性体１４０に対して反平行に磁化を結合させた垂直磁化を有するコバルト白金（ＣｏＰｔ）、コバルトニッケル（ＣｏＮｉ）、およびコバルトパラジウム（ＣｏＰｄ）のうち少なくとも１つを含んでいてもよい。当該さらなる強磁性体の磁化の大きさは、強磁性体１４０の磁化の大きさより大きい。この２つの強磁性体を反平行に結合させるために、例えばルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）が用いられる。強磁性体１４０の磁化方向は固定されており、積層体１２０側かその反対側かのいずれかを向く（図３の例では、積層体１２０側の反対側を向いている）。「磁化方向が固定されている」とは、本実施形態において使用される、積層体１２０の磁化方向を反転させる大きさの磁場や電流等によっては、磁化方向が変化しないことを意味する。これに対して、「磁化方向が可変である」とは、上記磁場や電流等によって、磁化方向が変化可能であることを意味する。なお、積層体１２０の磁化方向の反転とは、積層体１２０に含まれる強磁性体２１０および２３０の各々の磁化方向を、半導体基板２０側、強磁性体１４０側のいずれかの方向に向かっていたものをもう一方の方向に向かうように反転させることをいうものとする。
【００３９】
強磁性体２１０および２３０は各々、導電性を有し、強磁性体の材料を含む。例えば、強磁性体２１０および２３０は各々、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）またはホウ化鉄（ＦｅＢ）を含む。
【００４０】
例えば、強磁性体２１０の垂直磁気異方性磁界（Ｈｋ）は、強磁性体２３０の垂直磁気異方性磁界より大きい。および（または）、強磁性体２１０の磁化の共鳴磁場（Ｈｒ）は、強磁性体２３０の磁化の共鳴磁場より大きい。および（または）、強磁性体２１０の磁化のダンピング定数（α）は、強磁性体２３０の磁化のダンピング定数より大きい。その目的で、例えば、強磁性体２１０は、強磁性体２３０よりも高いボロン含有率を有することができる。および（または）強磁性体２１０は、強磁性体２３０よりも小さい膜厚を有することができる。このように強磁性体２１０および２３０の垂直磁気異方性磁界共鳴周波数、および（または）ダンピング定数に大小関係を設けることに加えて、強磁性体２１０および２３０は次のような構成であってもよい。例えば、強磁性体２１０の磁化量（Ｍｓｔ）は、強磁性体２３０の磁化量よりも小さい。磁化量は、強磁性体の飽和磁化（Ｍｓ）と膜厚との積で与えられる。その目的で、例えば、強磁性体２１０は、強磁性体２３０よりも小さい飽和磁化を有することができる。および（または）強磁性体２１０は、強磁性体２３０よりも小さい膜厚を有することができる。強磁性体２１０の共鳴周波数、ダンピング定数、Ｍｓを調整するために鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）またはホウ化鉄（ＦｅＢ）に対して、遷移金属、例えばＨｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕを含有させてもよい。
【００４１】
非磁性体２２０は、例えば誘電体であり絶縁性を示し、ボロン添加（含有）された希土類元素（ＲＥ：Rare-earth element）の酸化物を含む。非磁性体２２０は、トンネルバリア層として機能する。ボロン添加された希土類元素の酸化物（以下、単に「ボロン添加希土類酸化物（ＲＥ−Ｂ−Ｏ：Boron-doped rare-earth oxide）」とも言う。）は、例えば、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）、およびルテチウム（Ｌｕ）のうち少なくとも１つの酸化物を含む。このような材料の特徴を有する非磁性体２２０は、非磁性体２２０が２つの強磁性体によってサンドイッチ状に挟み込まれる場合、当該２つの強磁性体の垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）を維持することができる。すなわち、強磁性体２１０および２３０は、強磁性体２１０および２３０と別の層との界面を貫く方向に向かう磁化容易軸を有し、例えばｚ軸に沿う磁化容易軸を有する。よって、強磁性体２１０および２３０、ならびに強磁性体１４０の各々の磁化方向が層の界面に対して垂直となっている。
【００４２】
強磁性体２１０および２３０の各々の磁化方向は、磁化容易軸に沿って切り替わり可能であり、強磁性体２１０および２３０の各々の磁化方向の切り替えによって抵抗変化素子２２にデータが書き込まれることができる。その目的で、記憶装置１にスピン注入書き込み方式が適用され得る。スピン注入書き込み方式では、抵抗変化素子２２に直接書き込み電流を流し、この書き込み電流によって積層体１２０の磁化方向が制御される。すなわち、書き込み電流によって生じるスピントランスファートルク（ＳＴＴ：Spin Transfer Torque）効果が利用される。
【００４３】
抵抗変化素子２２に、図３に示す矢印ａ１の方向、すなわち強磁性体１４０から積層体１２０に向かう方向に書き込み電流を流すと、強磁性体１４０の磁化方向に対して積層体１２０の磁化方向が反平行になる。
【００４４】
抵抗変化素子２２に、図３に示す矢印ａ２の方向、すなわち積層体１２０から強磁性体１４０に向かう方向に書き込み電流を流すと、強磁性体１４０の磁化方向に対して積層体１２０の磁化方向が平行になる。
【００４５】
（４）記憶層としての強磁性体の垂直磁気異方性
上述したように積層体１２０が垂直磁気異方性を有することについて説明する。
【００４６】
図４Ａは、図３に示した積層体１２０の一例を含む例示的な積層体の断面図、および、図３に示した積層体１２０に類似する構成を含む例示的な積層体の断面図である。各積層体の構成について具体的に説明するが、各積層体に含まれるとして説明する各層は、以下に明示的に示す物質以外の任意の物質を含んでいてもよい。
【００４７】
図４Ａの（ａ）に示す積層体２２ａでは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層３１０ａ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３２０ａ、ボロン添加ガドリニウム酸化物（ＧｄＢＯ）層３３０ａ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３４０ａ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層３５０ａの順で、各層が積層される。なお、層３２０ａおよび層３４０ａは、同一のボロン含有率および膜厚を有しているものとする。
【００４８】
図４Ａの（ｂ）に示す積層体２２ｂでは、ボロン添加ガドリニウム酸化物（ＧｄＢＯ）層３１０ｂ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３２０ｂ、ボロン添加ガドリニウム酸化物（ＧｄＢＯ）層３３０ｂ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３４０ｂ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層３５０ｂの順で、各層が積層される。なお、層３２０ｂおよび層３４０ｂは、同一のボロン含有率および膜厚を有しているものとする。
【００４９】
図４Ａの（ｃ）に示す積層体２２ｃでは、ハフニウムボロン（ＨｆＢ）層３１０ｃ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３２０ｃ、ボロン添加ガドリニウム酸化物（ＧｄＢＯ）層３３０ｃ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３４０ｃ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層３５０ｃの順で、各層が積層される。なお、層３４０ｃと比較して、層３２０ｃは、ボロン含有率が高く、膜厚が小さいものとする。このため、層３４０ｃと比較して、層３２０ｃの垂直磁気異方性磁界は大きい。
【００５０】
図４Ａの（ｄ）に示す積層体２２ｄでは、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層３１０ｄ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３２０ｄ、ボロン添加ガドリニウムコバルト酸化物（ＧｄＣｏＢＯ）層３３０ｄ、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層３４０ｄ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層３５０ｄの順で、各層が積層される。なお、層３２０ｄおよび層３４０ｄは、同一のボロン含有率および膜厚を有しているものとする。
【００５１】
図４Ａの（ｃ）に示す積層体２２ｃは、上述した抵抗変化素子２２に含まれる積層体１２０の一例を含む積層体である。具体的には、積層体２２ｃに含まれる層３２０ｃ、層３３０ｃ、および層３４０ｃからなる部分が、強磁性体２１０と非磁性体２２０と強磁性体２３０とを含む積層体１２０に対応している。一方、図４Ａの（ａ），（ｂ），および（ｄ）に示す各積層体は、上述した抵抗変化素子２２に含まれる積層体１２０に類似する構成を含んでいる。例えば、図４Ａの（ａ）に示す積層体２２ａに含まれる層３２０ａ、層３３０ａ、および層３４０ａからなる部分、図４Ａの（ｂ）に示す積層体２２ｂに含まれる層３２０ｂ、層３３０ｂ、および層３４０ｂからなる部分、ならびに、図４Ａの（ｄ）に示す積層体２２ｄに含まれる層３２０ｄ、層３３０ｄ、および層３４０ｄからなる部分は、各層に含まれる物質という点では積層体１２０に対応している。
【００５２】
図４Ｂは、図４Ａに示した各積層体に外部磁場を印加した際に測定された、当該各積層体のうち積層体１２０に対応する部分が示す磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示している。図４Ｂに示すグラフでは、各積層体の層の界面に対して垂直な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が実線でプロットされており、また、各積層体の層の界面に対して平行な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が破線でプロットされている。
【００５３】
具体的には、図４Ｂの（ａ１）のグラフでは、積層体２２ａのうち層３２０ａ、層３３０ａ、および層３４０ａからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。同様に、図４Ｂの（ｂ１）のグラフでは、積層体２２ｂのうち層３２０ｂ、層３３０ｂ、および層３４０ｂからなる部分が示す磁化量の値がプロットされており、図４Ｂの（ｃ１）のグラフでは、積層体２２ｃのうち層３２０ｃ、層３３０ｃ、および層３４０ｃからなる部分が示す磁化量の値がプロットされており、図４Ｂの（ｄ１）のグラフでは、積層体２２ｄのうち層３２０ｄ、層３３０ｄ、および層３４０ｄからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。
【００５４】
さらに、図４Ｂの（ａ２）のグラフでは、積層体２２ａにおいて層３３０ａの膜厚を小さくした場合に、層３２０ａ、層３３０ａ、および層３４０ａからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。図４Ｂの（ｂ２）のグラフでは、積層体２２ｂにおいて層３３０ｂの膜厚を小さくした場合に、層３２０ｂ、層３３０ｂ、および層３４０ｂからなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。
【００５５】
図４Ｂに示すすべてのグラフにおいて、ゼロおよびその付近の大きさの外部磁場を印加した際の磁化量は、層の界面に対して垂直な方向の方が平行な方向より大きく、図４Ａに示した各積層体のうち積層体１２０に対応する部分が垂直磁気異方性を有していることが分かる。このことから、積層体１２０も同様に垂直磁気異方性を有していることが分かる。
【００５６】
[動作例]
次に、第１実施形態に係る記憶装置の書き込み動作について説明する。
【００５７】
以下の説明では、書き込み対象のメモリセルＭＣを「選択メモリセルＭＣ」と称する。選択メモリセルＭＣに対応するビット線ＢＬ、ソース線／ＢＬ、およびワード線ＷＬを各々、「選択ビット線ＢＬ」、「選択ソース線／ＢＬ」、および「選択ワード線ＷＬ」と称する。一方、選択メモリセルＭＣに対応しないビット線ＢＬ、ソース線／ＢＬ、およびワード線ＷＬを各々、「非選択ビット線ＢＬ」、「非選択ソース線／ＢＬ」、および非選択ワード線ＷＬ」と称する。
【００５８】
選択ワード線ＷＬには、選択メモリセルＭＣに含まれる選択トランジスタ２１をオン状態にする“Ｈ”レベルの電圧が印加される。一方、非選択ワード線ＷＬには、対応するメモリセルＭＣに含まれる選択トランジスタ２１をオフ状態にする“Ｌ”レベルの電圧が供給される。このような制御と、選択ビット線ＢＬと選択ソース線／ＢＬとの間に電位差を設けることとにより、選択メモリセルＭＣに含まれる抵抗変化素子２２に書き込み電流を流して、図３を用いて説明したスピン注入書き込み方式により、抵抗変化素子２２を低抵抗状態または高抵抗状態に設定することが可能となる。
【００５９】
図５は、第１実施形態に係る記憶装置１において、抵抗変化素子２２に書き込み電流を流して、当該抵抗変化素子２２を低抵抗状態から高抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図である。
【００６０】
先ず、状態Ｓｔ１において、強磁性体２１０および２３０の磁化方向は、強磁性体１４０の磁化方向と平行になっている。このとき、抵抗変化素子２２は、図３を用いて説明した低抵抗状態である。
【００６１】
次に、状態Ｓｔ２において、書き込み電流に由来する電子ｅが、抵抗変化素子２２の強磁性体２１０から強磁性体１４０に向かう方向に流れる。強磁性体２１０から強磁性体１４０に向かう方向に流れる電子ｅの多数は強磁性体２１０および２３０の磁化方向と同一の向きのスピンを有し、このような電子ｅは強磁性体２１０および２３０を単に通過する。一方、強磁性体２１０から強磁性体１４０に向かう方向に流れる電子ｅの少数は強磁性体２１０および２３０の磁化方向と反対の向きのスピンを有する。このような電子ｅにより、強磁性体２１０および２３０に、強磁性体１４０の磁化方向と反平行な磁化方向を有するスピントルクが注入される。スピントルクの注入により、強磁性体２１０および２３０の磁化方向が影響を受ける。このとき、強磁性体２１０および２３０のうち、強磁性体２１０の磁化方向が強磁性体１４０の磁化方向と反平行な方向へと先に反転を始める。強磁性体２１０の垂直磁気異方性磁界が強磁性体２３０の垂直磁気異方性磁界よりも大きいため、あるいは、強磁性体２１０の磁化の共鳴磁場が強磁性体２３０の磁化の共鳴磁場よりも大きいため、あるいは、強磁性体２１０の磁化のダンピング定数が強磁性体２３０の磁化のダンピング定数よりも大きいため、スピンの歳差の周波数が大きくなり回転速度が速くなるためである。さらに、強磁性体１４０からの漏れ磁場によっても、強磁性体２１０および２３０のうち、強磁性体１４０のより近くに位置する強磁性体２３０の磁化方向は反転しにくくなっている。
【００６２】
状態Ｓｔ３において、強磁性体２１０の磁化方向の反転が完了するが、その後も抵抗変化素子２２に上記書き込み電流を流し続ける。
【００６３】
次に、状態Ｓｔ４では、強磁性体２１０等によりスピン偏極された電子ｅが強磁性体２３０に流れ込む。当該スピン偏極された電子ｅが強磁性体２３０の電子と交換相互作用する。その結果、当該スピン偏極された電子ｅと強磁性体２３０の電子とのスピントルクが発生する。強磁性体２３０に流れる込む電子ｅの多数は、強磁性体２１０の磁化方向と同一の向きのスピンを有する。さらに、強磁性体２３０から強磁性体１４０に向かう方向に流れる電子ｅの少数は強磁性体２３０の磁化方向と反対の向きのスピンを有する。このような電子ｅにより、強磁性体２３０に、強磁性体１４０の磁化方向と反平行な磁化方向を有するスピントルクが注入される。よって、スピントルクにより、強磁性体２３０の磁化方向も、強磁性体１４０の磁化方向と反平行な方向へと反転を始める。このように、強磁性体２１０と強磁性体２３０との間でＳＴＴが生じる。
【００６４】
書き込み電流が供給され続けることにより、状態Ｓｔ５において、強磁性体２３０の磁化方向の反転も完了する。このとき、強磁性体２１０および２３０の磁化方向は、強磁性体１４０の磁化方向と反平行になっている。すなわち、抵抗変化素子２２は、図３を用いて説明した高抵抗状態に設定される。
【００６５】
図６は、第１実施形態に係る記憶装置１において、抵抗変化素子２２に書き込み電流を流して、当該抵抗変化素子２２を高抵抗状態から低抵抗状態に設定する書き込み動作の一例を示す模式図である。
【００６６】
先ず、状態Ｓｔ６において、強磁性体２１０および２３０の磁化方向は、強磁性体１４０の磁化方向と反平行になっている。このとき、抵抗変化素子２２は、図３を用いて説明した高抵抗状態である。
【００６７】
次に、状態Ｓｔ７において、書き込み電流に由来する電子ｅが、抵抗変化素子２２の強磁性体１４０から強磁性体２１０に向かう方向に流れる。強磁性体２３０に流れ込む電子ｅの多数は強磁性体１４０によりスピン偏極されて、強磁性体１４０の磁化方向と同一の向きのスピンを有する。このスピン偏極された電子ｅが強磁性体２３０の電子と交換相互作用する。その結果、スピン偏極された電子ｅと強磁性体２３０の電子とのスピントルクが発生する。このスピントルクにより、強磁性体２３０の磁化方向が、強磁性体１４０の磁化方向と平行な方向へと反転を始める。
【００６８】
状態Ｓｔ８において、強磁性体２３０の磁化方向の反転が完了するが、その後も抵抗変化素子２２に上記書き込み電流を流し続ける。
【００６９】
次に、状態Ｓｔ９では、強磁性体２３０等によりスピン偏極された電子ｅが強磁性体２１０に流れ込む。当該スピン偏極された電子ｅが強磁性体２１０の電子と交換相互作用する。その結果、当該スピン偏極された電子ｅと強磁性体２１０の電子とのスピントルクが発生する。強磁性体２１０に流れる込む電子ｅの多数は、強磁性体２３０の磁化方向と同一の向きのスピンを有する。よって、スピントルクにより、強磁性体２１０の磁化方向も、強磁性体１４０の磁化方向と平行な方向へと反転を始める。このように、抵抗変化素子２２の高抵抗状態への設定のときも、強磁性体２１０と強磁性体２３０との間でＳＴＴが生じる。
【００７０】
書き込み電流が供給される続けることにより、状態Ｓｔ１０において、強磁性体２１０の磁化方向の反転も完了する。このとき、強磁性体２１０および２３０の磁化方向は、強磁性体１４０の磁化方向と平行になっている。すなわち、抵抗変化素子２２は、図３を用いて説明した低抵抗状態に設定される。
【００７１】
なお、例えばボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体２２０は誘電体であるため、非磁性体２２０は、一般的に絶縁体と磁性体との界面に生じる電界により磁気特性を変化させる電圧制御磁気異方性（ＶＣＭＡ：Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy）効果を示し得る。図５および図６を用いて説明した書き込み動作の例においては、非磁性体２２０によるＶＣＭＡ効果を利用するようにしてもよい。例えば、状態Ｓｔ２における強磁性体２１０の磁化方向の反転、および、状態Ｓｔ７における強磁性体２３０の磁化方向の反転において、ＶＣＭＡ効果を利用することにより、磁化方向の反転のエネルギー障壁を下げることが可能である。
【００７２】
［効果］
２つの強磁性体を含む構造が記憶層として使用される場合、２つの強磁性体の磁化方向の反転を２つの強磁性体の間のＳＴＴを使用することによって、効率的に行うことができ、ひいてはこのよう記憶層の書き込みの電流を低減できる。ＳＴＴを使用する目的で、強磁性体の間にＭｇＯを使用することが考えられる。図７Ａは、そのような例を示し、上記第１実施形態の比較例としての例示的な積層体３２の断面図である。
【００７３】
積層体３２では、ボロン添加ガドリニウム酸化物（ＧｄＢＯ）層４１０、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層４２０、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層４３０、鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層４４０、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層４５０の順で、各層が積層される。なお、積層体３２では、図４Ａの（ｂ）に示した積層体２２ｂと比較すると、ボロン添加ガドリニウム酸化物（ＧｄＢＯ）層３３０ｂの代わりに酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層４３０が含まれている点を除いて、他の各層は同一の構成物質および膜厚を有しているものとする。
【００７４】
図７Ｂは、図７Ａに示した積層体３２に外部磁場を印加した際に測定された、積層体３２のうち層４２０、層４３０、および層４４０からなる部分が示す磁化量の値をプロットしたグラフの一例を示している。図７Ｂに示すグラフでは、積層体３２の層の界面に対して垂直な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が実線でプロットされており、また、積層体３２の層の界面に対して平行な方向に磁場を印加した場合の磁化量の値が破線でプロットされている。
【００７５】
具体的には、図７Ｂの（ａ）のグラフでは、積層体３２のうち層４２０、層４３０、および層４４０からなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。図７Ｂの（ｂ）のグラフでは、層４３０の膜厚を小さくした場合に、層４２０、層４３０、および層４４０からなる部分が示す磁化量の値がプロットされている。
【００７６】
図７Ｂに示すいずれのグラフにおいても、ゼロおよびその付近の大きさの外部磁場を印加した際の磁化量は、層の界面に対して平行な方向の方が垂直な方向より大きく、図７Ａに示した積層体３２のうち、強磁性体である鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層４２０および４４０が、垂直磁気異方性を有していないことが分かる。このため、複数の強磁性体を含む記憶層の強磁性体の間にＭｇＯを使用すると、このような構造を垂直磁化を有する記憶層として使用することができない。
【００７７】
これに対して、上記第１実施形態に係る記憶装置１では、記憶層として機能する積層体１２０は、強磁性体２１０、ボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体２２０、および強磁性体２３０を含む。このような積層体１２０では、強磁性体２１０および２３０は垂直磁気異方性を有する。このため、垂直磁化を有する記憶層が実現できる。
【００７８】
非磁性体２２０としてＭｇＯを用いた場合に比べボロン添加希土類酸化物を用いた場合において高い垂直磁気異方性が得られるのは希土類酸化物が高いボロン吸収能力を有するためである。図３の積層膜を堆積後、例えば熱処理を施すと強磁性体２１０、強磁性体２３０中のボロンは非磁性体２２０中に吸収され、非磁性体２２０は、強磁性体２１０、強磁性体２３０より高いボロン濃度を有するボロン添加希土類酸化物となる。非磁性体２２０中に蓄積されたボロンにより非磁性体２２０はアモルファス状態となり、強磁性体２１０、強磁性体２３０は結晶化した状態となる。その結果、非磁性体２２０にボロン添加希土類酸化物を用いた場合、強磁性体２１０、強磁性体２３０の残留ホウ素は非磁性体２２０としてＭｇＯを用いた場合に比べ少なくなり、かつ歪みが緩和され、さらに結晶化が促進されるため高い垂直磁気異方性磁界が得られる。
【００７９】
さらに、上記第１実施形態に係る記憶装置１によれば、積層体１２０の磁化の反転は、以下に説明するように、比較的低い書き込み電流を用いて実現することが可能となる。
【００８０】
一般的に、強磁性体の磁化方向の反転では、強磁性体の熱擾乱耐性に対応するエネルギーを超える大きさの書き込み電流を与える必要がある。一方、強磁性体２１０および２３０の、垂直磁気異方性磁界（Ｈｋ）、磁化の共鳴磁場（Ｈｒ）、および（または）磁化のダンピング定数（α）、ならびに（あるいは）磁化量（Ｍｓｔ）は、上述したような大小関係を有する。これにより、図５および図６を用いて説明したように、強磁性体２１０および２３０の各々の磁化方向の反転を順に独立して始めさせることができる。このため、図５および図６を用いて説明したように、強磁性体２１０および２３０の間のＳＴＴを利用して強磁性体２１０および２３０の磁化を反転させることによって、積層体１２０の磁化方向を反転させることができる。よって、第１実施形態での書き込み電流は、強磁性体２１０および２３０の、垂直磁気異方性磁界、磁化の共鳴磁場、および（または）磁化のダンピング定数、ならびに（あるいは）磁化量が同一である場合の書き込み電流よりも低い。
【００８１】
さらに、例えばボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体２２０によるＶＣＭＡ効果を利用することにより、積層体１２０の磁化方向の反転のエネルギー障壁をさらに下げることも可能である。
【００８２】
［変形例］
上記第１実施形態において、例えばボロン添加希土類酸化物を含む非磁性体２２０によるＶＣＭＡ効果を利用して積層体１２０の磁化方向の反転のエネルギー障壁を下げることについて説明した。例えば、ＶＣＭＡ効果と同様に電圧降下を用いてエネルギー障壁を下げることを実現する方法として次のような方法を用いてもよい。
【００８３】
例えば、強磁性体２１０を、イリジウム（Ｉｒ）を含むように構成してもよい。また、強磁性体２３０を、白金（Ｐｔ）を含むように構成してもよい。これにより、ＶＣＭＡ効果と同様に電圧降下が実現され、したがって、積層体１２０の磁化方向の反転のエネルギー障壁をさらに下げることが可能となる。
【００８４】
＜他の実施形態＞
本明細書において“接続”とは、電気的に接続されている事を示し、例えば間に別の素子を介することを除外しない。
【００８５】
上述した第１実施形態および変形例で説明した抵抗変化素子は、例えば記憶層として機能する積層体が、例えば参照層として機能する強磁性体よりも下方に設けられるボトムフリー型である場合について説明をしたが、これに限定されない。例えば、抵抗変化素子は、例えば記憶層として機能する積層体が、例えば参照層として機能する強磁性体よりも上方に設けられるトップフリー型であってもよい。
【００８６】
また、上述した第１実施形態および変形例では、抵抗変化素子を備える記憶装置の一例として、ＭＴＪ素子を備える磁気記憶装置について説明したが、これらの実施形態等に係る装置はこれに限定されない。例えば、これらの実施形態等に係る装置は、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３を用いて説明したような、例えば記憶層として機能する、２つの強磁性体およびその間に設けられた非磁性体を含む積層体を、少なくとも含む素子である。また、例えば下地層として機能するとして説明した非磁性体は、導電性を有していればよく、非磁性体に限らず強磁性体であってもよい。
【００８７】
さらに、上述の第１実施形態において説明した書き込み動作では、書き込み電流を制御して抵抗変化素子への書き込みを行う動作について説明したが、これに限定されない。例えば、書き込み動作では、書き込み電流の制御と書き込み電圧の制御とを組み合わせて用いるようにしてもよい。
【００８８】
上述の実施形態ではスイッチング素子として３端子の選択トランジスタを用いた構成で説明しているが、スイッチング素子は、例えば、２端子間スイッチ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、スイッチ素子は“低抵抗”状態、例えば電気的に導通状態に変わる。
【００８９】
スイッチ素子は、電圧がどちらの極性でもこの機能を有していてもよい。すなわち、２端子間スイッチ素子は、双方向において、上述した機能を有していてもよい。
【００９０】
このスイッチ素子は、例えば、Ｔｅ、ＳｅおよびＳ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。このスイッチ素子は、他にも、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｂ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。
【００９１】
このような２端子間スイッチ素子は、上述の実施形態のように、２つのコンタクトプラグを介して、磁気抵抗効果素子に接続される。２つのコンタクトプラグのうち、磁気抵抗効果素子側のコンタクトプラグは、例えば、銅を含む。磁気抵抗効果素子と銅を含むコンタクトプラグとの間に、導電層（例えば、タンタルを含む層）が設けられてもよい。
【００９２】
上記では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。これら実施形態およびその変形は、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】
【００９３】
１…記憶装置、１１…メモリセルアレイ、１２…カレントシンク、１３…センスアンプおよび書き込みドライバ、１４…ロウデコーダ、１５…ページバッファ、１６…入出力回路、１７…制御部、２０…半導体基板、２１…選択トランジスタ、２２…抵抗変化素子、２３，２８，３０…配線層、２４…ソース領域またはドレイン領域、２５…絶縁層、２６，２７，２９…コンタクトプラグ、３１…層間絶縁膜、１１０，１３０，２２０…非磁性体、１２０…積層体、１４０，２１０，２３０…強磁性体、３１０ａ，３５０ａ，３５０ｂ，３５０ｃ，３１０ｄ，３５０ｄ，４３０，４５０…酸化マグネシウム（ＭｇＯ）層、３２０ａ，３４０ａ，３２０ｂ，３４０ｂ，３２０ｃ，３４０ｃ，３２０ｄ，３４０ｄ，４２０，４４０…鉄コバルトボロン（ＦｅＣｏＢ）層、３３０ａ，３１０ｂ，３３０ｂ，３３０ｃ，４１０…ボロン添加ガドリニウム酸化物（ＧｄＢＯ）層、３１０ｃ…ハフニウムボロン（ＨｆＢ）層、３３０ｄ…ボロン添加ガドリニウムコバルト酸化物（ＧｄＣｏＢＯ）層、ＳＡ…センスアンプ、ＷＤ…書き込みドライバ、ＭＣ…メモリセル、ＢＬ…ビット線、／ＢＬ…ソース線、ＷＬ…ワード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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