(57)【要約】【課題】  優れた特性を有するトンネルバリア層が設けられた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、可変の磁化方向を有する第１の磁性層１１と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層１２と、第１の磁性層と第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）を含有する非磁性層１３とを備えた積層構造１０を含み、非磁性層は、フッ素（Ｆ）、硫黄（Ｓ）、水素（Ｈ）及びリチウム（Ｌｉ）から選択された添加元素をさらに含有する。【選択図】  図１
2020155565.tif 000002
【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、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する非磁性層と、
を備えた積層構造を含み、
前記非磁性層は、フッ素（Ｆ）、硫黄（Ｓ）、水素（Ｈ）及びリチウム（Ｌｉ）から選択された添加元素をさらに含有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項２】
前記添加元素は、前記非磁性層の欠陥及び粒界の少なくとも一方を補償する
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
【請求項３】
前記非磁性層中の前記添加元素の割合は、５原子％以下である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
【請求項４】
前記非磁性層中の前記添加元素の割合は、０．００２原子％以上である
ことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶装置。
【請求項５】
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、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する非磁性層と、
を備えた積層構造を含み、
前記非磁性層は、第１の添加元素及び第２の添加元素をさらに含有し、
第１の添加元素及び第２の添加元素の組み合わせは、リチウム（Ｌｉ）及びフッ素（Ｆ）の組み合わせ、アルミニウム（Ａｌ）及び窒素（Ｎ）の組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）の組み合わせ、窒素（Ｎ）及びフッ素（Ｆ）の組み合わせ、窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）の組み合わせ、水素（Ｈ）及びフッ素（Ｆ）の組み合わせ、及びアルミニウム（Ａｌ）及びリチウム（Ｌｉ）の組み合わせから選択される
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項６】
前記第１の添加元素及び前記第２の添加元素の組み合わせは、前記非磁性層の欠陥及び粒界の少なくとも一方を補償する
ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置。
【請求項７】
前記非磁性層中の前記第１の添加元素の割合は５原子％以下であり、前記非磁性層中の前記第２の添加元素の割合は５原子％以下である
ことを特徴とする請求項５に記載の磁気記憶装置。
【請求項８】
前記非磁性層中の前記第１の添加元素の割合は０．００２原子％以上であり、前記非磁性層中の前記第２の添加元素の割合は０．００２原子％以上である
ことを特徴とする請求項５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】
磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いた磁気記憶装置が提案されている。一般に、磁気抵抗効果素子は、記憶層と、参照層と、記憶層と参照層との間に設けられたトンネルバリア層とを含む積層構造によって構成されている。
優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得るためには、トンネルバリア層の特性を向上させることが重要である。
【０００３】
しかしながら、トンネルバリア層に含まれる欠陥或いは結晶粒界によって、必ずしも優れた特性を有するトンネルバリア層が得られているとは言えない。
したがって、欠陥或いは結晶粒界が補償された優れた特性を有するトンネルバリア層が設けられた磁気抵抗効果素子を含む磁気記憶装置が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−６９７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
優れた特性を有するトンネルバリア層が設けられた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】
【０００６】
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、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有する非磁性層と、を備えた積層構造を含み、前記非磁性層は、フッ素（Ｆ）、硫黄（Ｓ）、水素（Ｈ）及びリチウム（Ｌｉ）から選択された添加元素をさらに含有する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係る磁気記憶装置の一例を模式的に示した断面図である。
【図２】実施形態に係る磁気記憶装置の他の例を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、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１に示すように、半導体基板、トランジスタ及び配線等を含む下部構造（図示せず）上に、磁気抵抗効果素子として機能する積層構造１０が設けられている。積層構造１０の両端には、下部電極２１及び上部電極２２が接続されている。なお、磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子とも呼ばれる。積層構造１０は、記憶層（第１の磁性層）１１と、参照層（第２の磁性層）１２と、トンネルバリア層（非磁性層）１３とを含んでいる。
【０００９】
記憶層（第１の磁性層）１１は、可変の磁化方向を有する。磁化方向が可変とは、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。記憶層１１は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する。記憶層１１は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）に加えてさらにコバルト（Ｃｏ）を含有していてもよい。
【００１０】
参照層（第２の磁性層）１２は、固定された磁化方向を有している。磁化方向が固定されているとは、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。参照層１２は、トンネルバリア層１３に接する第１のサブ層と、第１のサブ層上に設けられた第２のサブ層とで形成されている。第１のサブ層は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する。第１のサブ層は、鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）に加えてさらにコバルト（Ｃｏ）を含有していてもよい。第２のサブ層は、コバルト（Ｃｏ）と、プラチナ（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）及びパラジウム（Ｐｄ）から選択された少なくとも１つの元素とを含有している。具体的には、第２のサブ層は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ或いはＣｏ／Ｐｄ等の人工格子で形成されている。
【００１１】
トンネルバリア層（非磁性層）１３は、記憶層１１と参照層１２との間に設けられた絶縁層である。トンネルバリア層１３は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）を含有している。すなわち、トンネルバリア層１３は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を主成分としている。このトンネルバリア層１３については、後で詳細に説明する。
【００１２】
上述した磁気抵抗効果素子の抵抗は、記憶層１１の磁化方向が参照層１２の磁化方向に対して平行である平行状態のときの方が、記憶層１１の磁化方向が参照層１２の磁化方向に対して反平行である反平行状態のときよりも低い。すなわち、平行状態では磁気抵抗効果素子は低抵抗状態を示し、反平行状態では磁気抵抗効果素子は高抵抗状態を示す。したがって、磁気抵抗効果素子は、抵抗状態（低抵抗状態及び高抵抗状態）に応じて２値データ（０又は１）を記憶することができる。
【００１３】
上述した磁気抵抗効果素子は、ＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子であり、垂直磁化を有している。すなわち、記憶層１１の磁化方向はその主面に対して垂直な方向であり、参照層１２の磁化方向はその主面に対して垂直な方向である。
【００１４】
なお、図１に示した磁気抵抗効果素子は、記憶層１１が参照層１２に対して下層側に設けられたボトムフリー型の構造であるが、図２に示すように、参照層１２が記憶層１１に対して下層側に設けられたトップフリー型の構造でもよい。
また、上述した磁気抵抗効果素子を構成する積層構造１０には、参照層１２から記憶層１１に印加される磁界をキャンセルする機能を有するシフトキャンセリング層がさらに積層されていてもよい。また、積層構造１０には、下地層やキャップ層がさらに設けられていてもよい。
【００１５】
次に、上述したトンネルバリア層（非磁性層）１３について詳細に説明する。
すでに説明したように、トンネルバリア層に欠陥や結晶粒界が含まれていると、優れた特性を有するトンネルバリア層を得ることが難しい。トンネルバリア層１３として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いた場合にも、欠陥（マグネシウム（Ｍｇ）欠損、酸素（Ｏ）欠損、等）及び結晶粒界が存在していると考えられる。したがって、優れたトンネルバリア層を得るためには、欠陥或いは結晶粒界を効果的に補償することが重要である。
【００１６】
そこで、上述したような欠陥或いは結晶粒界を補償するために、本実施形態のトンネルバリア層（非磁性層）１３は、マグネシウム（Ｍｇ）及び酸素（Ｏ）に加えてさらに、以下に述べるような少なくとも１以上の添加元素を含有している。
第１の例としては、トンネルバリア層１３が、フッ素（Ｆ）、硫黄（Ｓ）、水素（Ｈ）及びリチウム（Ｌｉ）から選択された添加元素を含有している場合があげられる。
【００１７】
上述した添加元素は、トンネルバリア層１３の主成分である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の欠陥補償に対して有効である。具体的には、上述した添加元素は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のマグネシウム（Ｍｇ）欠損や酸素（Ｏ）欠損を補償することができ、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）のバンドギャップ（エネルギーギャップ）中に深い準位を形成しない。そのため、トンネルバリア層１３の結晶性を向上させることができ、且つトンネルバリア層１３のリーク電流を抑制することができる。
【００１８】
なお、上述した添加元素として水素（Ｈ）を用いた場合には、後述するように、粒界補償に対しても有効である。
第２の例としては、トンネルバリア層１３が、第１の添加元素及び第２の添加元素を含有している場合があげられる。第１の添加元素及び第２の添加元素の組み合わせは、リチウム（Ｌｉ）及びフッ素（Ｆ）の組み合わせ、アルミニウム（Ａｌ）及び窒素（Ｎ）の組み合わせ、ガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）の組み合わせ、窒素（Ｎ）及びフッ素（Ｆ）の組み合わせ、窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）の組み合わせ、水素（Ｈ）及びフッ素（Ｆ）の組み合わせ、及びアルミニウム（Ａｌ）及びリチウム（Ｌｉ）の組み合わせから選択される。
【００１９】
上述した第１の添加元素及び第２の添加元素の組み合わせは、トンネルバリア層１３の主成分である酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の欠陥補償及び粒界補償の少なくとも一方に有効である。以下、説明を加える。
リチウム（Ｌｉ）及びフッ素（Ｆ）が１：１の比となる組み合わせ（以下、Ｌｉ−Ｆと略記する場合もある）では、Ｌｉがマグネシウム（Ｍｇ）欠損を補償し、Ｆが酸素（Ｏ）欠損を補償する。また、Ｌｉ−Ｆは、粒界補償に対しても有効である。粒界補償については、コンダクションバンド端の位置及びバレンスバンド端の位置が重要である。ＭｇＯに添加元素を添加することによって、コンダクションバンド端の位置が上がり且つバレンスバンド端の位置が下がることが最も好ましいが、コンダクションバンド端の位置が上がるだけでも効果はある。ＭｇＯにＬｉ及びＦを添加することで、コンダクションバンド端の位置が上がるため、Ｌｉ−Ｆは粒界補償に対しても有効である。
【００２０】
アルミニウム（Ａｌ）及び窒素（Ｎ）が１：１の比となる組み合わせ（以下、Ａｌ−Ｎと略記する場合もある）では、ＡｌがＭｇ欠損を補償し、ＮがＯ欠損を補償する。また、ＭｇＯにＡｌ及びＮを添加することで、コンダクションバンド端の位置が上がるため、Ａｌ−Ｎは粒界補償に対しても有効である。
【００２１】
ガリウム（Ｇａ）及び窒素（Ｎ）が１：１の比となる組み合わせ（以下、Ｇａ−Ｎと略記する場合もある）では、ＧａがＭｇ欠損を補償し、ＮがＯ欠損を補償することにより、電荷補償対を形成する。
窒素（Ｎ）及びフッ素（Ｆ）が１：１の比となる組み合わせ（以下、Ｎ−Ｆと略記する場合もある）では、ＮがＯ欠損を補償し、ＦもＯ欠損を補償することにより、電荷補償対を形成する。
【００２２】
窒素（Ｎ）及び水素（Ｈ）が１：１の比となる組み合わせ（以下、Ｎ−Ｈと略記する場合もある）では、ＮがＯ欠損を補償し、ＨもＯ欠損を補償することにより、電荷補償対を形成する。
水素（Ｈ）及びフッ素（Ｆ）が１：１の比となる組み合わせ（以下、Ｈ−Ｆと略記する場合もある）では、Ｈが格子間に侵入し、ＦがＯ欠損を補償することにより、電荷補償対を形成する。
【００２３】
アルミニウム（Ａｌ）及びリチウム（Ｌｉ）の組み合わせでは、Ａｌ及びＬｉに加えてさらに酸素（Ｏ）を添加する（通常のＭｇＯよりも余分に酸素（Ｏ）を含有させる）。実質的には、ＭｇＯに対してＡｌＬｉＯ2 として添加を行う。この組み合わせは、電荷補償された共添加すなわち化学量論比となる共添加（Ａｌ2Ｏ3・Ｌｉ2Ｏ）×（１／２）に等価で、電荷補償効果を得ることが可能であり、粒界補償に対して有効である。すなわち、ＭｇＯに対してＡｌＬｉＯ2 を添加することで、コンダクションバンド端の位置が上がるため、粒界補償に対して有効である。
【００２４】
また、すでに第１の例として説明したフッ素（Ｆ）については、Ｆ−Ｆとしても機能し、一方のＦはＯ欠損を補償し、もう一方のＦは格子間に侵入することにより、電荷補償対を形成する。
同様に、すでに第１の例として説明した水素（Ｈ）については、Ｈ−Ｈとしても機能し、一方のＨはＯ欠損を補償し、もう一方のＨは格子間に侵入することにより、電荷補償対を形成する。また、ＭｇＯにＨ−Ｈを添加することで、コンダクションバンド端の位置が上がるため、Ｈ−Ｈは粒界補償に対しても有効である。
【００２５】
なお、上述した第２の例のように、トンネルバリア層１３に第１及び第２の添加元素が含有されている場合には、電荷補償効果を得ることが可能である。例えば、第１及び第２の添加元素としてＡｌ−Ｎを用いた場合について説明する。Ｍｇ及びＯは２価の元素であり、Ａｌ及びＮは３価の元素である。そのため、ＡｌがＭｇサイトに入るだけだと、電子１個が過剰な状態となる。また、ＮがＯサイトに入るだけだと、電子１個が不足した状態となる。Ａｌ−Ｎを用いることで、電子の過不足が無くなり、電荷補償効果を得ることが可能となる。
【００２６】
次に、トンネルバリア層１３中の添加元素の割合について述べる。
上述した第１の例において、トンネルバリア層１３中の添加元素の割合は、５原子％以下で且つ０．００２原子％以上であることが好ましい。すなわち、トンネルバリア層１３に含有されるマグネシウム（Ｍｇ）、酸素（Ｏ）及び添加元素の総原子数に対する添加元素の原子数の割合は、５原子％以下で且つ０．００２原子％以上であることが好ましい。
【００２７】
上述した第２の例において、トンネルバリア層１３中の第１の添加元素の割合は、５原子％以下で且つ０．００２原子％以上であることが好ましく、トンネルバリア層１３中の第２の添加元素の割合は、５原子％以下で且つ０．００２原子％以上であることが好ましい。すなわち、トンネルバリア層１３に含有されるマグネシウム（Ｍｇ）、酸素（Ｏ）、第１の添加元素及び第２の添加元素の総原子数に対する第１の添加元素の原子数の割合及び第２の添加元素の原子数の割合はそれぞれ、５原子％以下で且つ０．００２原子％以上であることが好ましい。
【００２８】
以下、上述した添加元素の割合について説明を加える。
ＭｇＯ中のＭｇとＯとの格子間距離は、約０．２１ｎｍである。磁気抵抗効果素子の直径ないし一辺（トンネルバリア層の直径ないし一辺）が２０ｎｍ程度であるとすると、磁気抵抗効果素子の面積（トンネルバリア層の面積）は、１０×１０×３．１４＝３１４ｎｍ2 ないし２０×２０＝４００ｎｍ2 程度である。Ｍｇ及びＯはそれぞれ単位格子当たり０．５個存在し、ＭｇＯの単位格子の面積は、０．２１×０．２１＝０．０４４１ｎｍ2 程度である。したがって、２０ｎｍの直径ないし一辺を有するＭｇＯトンネルバリア層の１ＭＬ（mono layer）に存在するＭｇ及びＯの個数はそれぞれ０．５×３１４／０．０４４１＝３５６０．１個ないし０．５×４００／０．０４４１＝４５３５．１個となる。高耐圧且つ低抵抗のトンネルバリア層を想定すると、ＭｇＯトンネルバリア層は７ＭＬ程度の厚さを上限とすることが好ましい。ＭｇＯトンネルバリア層の７ＭＬ中にＭｇ欠損或いはＯ欠損が１つ存在する場合、Ｍｇ原子数に対するＭｇ欠損の割合（Ｍｇ欠損密度）及びＯ原子数に対するＯ欠損の割合（Ｏ欠損密度）はそれぞれ、（（１／３５６０．１）／７）×１００＝０．００４０原子％ないし（（１／４５３５．１）／７）×１００＝０．００３２原子％となる。このような欠損が添加元素によって補償されるとすると、Ｍｇ原子数に対する添加元素の割合は０．００４原子％ないし０．００３原子％以上となり、Ｏ原子数に対する添加元素の割合も０．００４原子％ないし０．００３原子％以上となる。したがって、ＭｇＯトンネルバリア層中の総原子数に対する添加元素の割合は０．００２原子％以上となる。
【００２９】
また、ＭｇＯにＬｉ−Ｆを添加した場合について、第一原理計算を行うと、ＭｇＯ中のＬｉの割合が５原子％以下で且つＭｇＯ中のＦの割合が５原子％以下であれば、すなわち、トンネルバリア層に含有されているＭｇ、Ｏ、Ｌｉ及びＦの総原子数に対するＬｉの原子数の割合及びＦの原子数の割合がそれぞれ５原子％以下であれば、バンドギャップ（エネルギーギャップ）中に準位が発生しないことが確認されている。また、他の添加元素についても、同様の特性を有していると考えると、上述した第１の例では、トンネルバリア層中の添加元素の割合は５原子％以下であることが好ましく、上述した第２の例では、トンネルバリア層中の第１の添加元素の割合及び第２の添加元素の割合はそれぞれ５原子％以下であることが好ましい。
【００３０】
また、ＭｇＯに含まれる典型的な粒界である、｛２１０｝対称傾角粒界、｛３１０｝対称傾角粒界、｛４１０｝対称傾角粒界、｛５１０｝対称傾角粒界、｛７１０｝対称傾角粒界、｛９１０｝対称傾角粒界及び｛５２０｝対称傾角粒界について、粒界の空隙を埋めるために必要な元素添加量を見積もると、以下のようになる。
【００３１】
まず、一辺２０ｎｍの正方形の磁気抵抗効果素子（ＭＴＪ素子）を仮定すると、ＭＴＪ素子の素子面積Ｓは、「Ｓ＝２０ｎｍ×２０ｎｍ＝４００ｎｍ2 」となる。Ｍｇ或いはＯはそれぞれ単位格子当たり０．５個存在し、単位格子の面積ΔＳは、「ΔＳ＝０．２１ｎｍ×０．２１ｎｍ＝０．０４４１ｎｍ2 」となる。ＭｇＯトンネルバリア層は（００１）方向に結晶配向し、ＭｇＯトンネルバリア層の厚さが仮に１ＭＬであるとすると、一辺２０ｎｍの正方形のＭＴＪ素子のＭｇＯトンネルバリア層中に存在するＭｇ或いはＯの数Ｎは、「Ｎ＝０．５×４００ｎｍ2 /０．０４４１ｎｍ2 ＝４５３５．１」となる。一方、ＭｇＯの結晶粒径が一辺５ｎｍの正方形であると仮定すると、ＭＴＪ素子中に存在する粒界の総延長Ｌは、「Ｌ＝２０×４＋２０×４＝１６０ｎｍ」となる。
【００３２】
ここで、粒界が｛３１０｝対称傾角粒界であるとすると、粒界１つの長さΔＬは、「ΔＬ＝１０1/2 ×０．２１ｎｍ」となる。したがって、ＭＴＪ素子中には、「１６０ｎｍ/（１０1/2 ×０．２１ｎｍ）＝２４０．９」個の“単位”粒界が存在する。全ての粒界の空隙に粒界補償効果が期待できる元素を添加しようとすると、｛３１０｝対称傾角粒界には２組の元素対（ＭｇＯ２組、４原子相当）が侵入できることが、第一原理計算からわかっている。粒界は、ＭｇＯの膜面を垂直方向に貫通しているため、ＭｇＯトンネルバリア層に添加すべき元素対密度はＭｇＯトンネルバリア層の厚さに依存しない。添加すべき元素対のおおよその密度は、「（２４０．９×２/４５３５．１）×１００＝１０．６（ｍｏｌ％）」となる。
【００３３】
また、粒界が｛５１０｝対称傾角粒界であるとすると、粒界１つの長さΔＬは、「ΔＬ＝２６1/2 ×０．２１ｎｍ」となる。したがって、ＭＴＪ素子中には、「１６０ｎｍ/(２６1/2 ×０．２１ｎｍ)＝１４９．４」個の“単位”粒界が存在する。全ての粒界の空隙に粒界補償効果が期待できる元素を添加しようとすると、｛５１０｝対称傾角粒界には３組の元素対（ＭｇＯ３組、６原子相当）が侵入できることが、第一原理計算からわかっている。粒界は、ＭｇＯの膜面を垂直方向に貫通しているため、ＭｇＯトンネルバリア層に添加すべき元素対密度はＭｇＯトンネルバリア層の厚さに依存しない。添加すべき元素対のおおよその密度は、「（１４９．４×３/４５３５．１）×１００＝９．９（ｍｏｌ％）」となる。
【００３４】
また、粒界が｛２１０｝対称傾角粒界であるとすると、粒界１つの長さΔＬは、「ΔＬ＝５1/2 ×０．２１ｎｍ」となる。したがって、ＭＴＪ素子中には、「１６０ｎｍ/（５1/2 ×０．２１ｎｍ）＝３４０．７」個の“単位”粒界が存在する。全ての粒界の空隙に粒界補償効果が期待できる元素を添加しようとすると、｛２１０｝対称傾角粒界には１組の元素対（ＭｇＯ１組、２原子相当）が侵入できることが、第一原理計算からわかっている。粒界は、ＭｇＯの膜面を垂直方向に貫通しているため、ＭｇＯトンネルバリア層に添加すべき元素対密度はＭｇＯトンネルバリア層の厚さに依存しない。添加すべき元素対のおおよその密度は、「（３４０．７×１/４５３５．１）×１００＝７．５（ｍｏｌ％）」となる。
【００３５】
また、粒界が｛４１０｝対称傾角粒界であるとすると、粒界１つの長さΔＬは、「ΔＬ＝１７1/2 ×０．２１ｎｍ」となる。したがって、ＭＴＪ素子中には、「１６０ｎｍ/(１７1/2 ×０．２１ｎｍ)＝１８４．８」個の“単位”粒界が存在する。全ての粒界の空隙に粒界補償効果が期待できる元素を添加しようとすると、｛４１０｝対称傾角粒界には２組の元素対（ＭｇＯ２組、４原子相当）が侵入できることが、第一原理計算からわかっている。粒界は、ＭｇＯの膜面を垂直方向に貫通しているため、ＭｇＯトンネルバリア層に添加すべき元素対密度はＭｇＯトンネルバリア層の厚さに依存しない。添加すべき元素対のおおよその密度は、「（１８４．８×２/４５３５．１）×１００＝８．１（ｍｏｌ％）」となる。
【００３６】
また、粒界が｛７１０｝対称傾角粒界であるとすると、粒界１つの長さΔＬは、「ΔＬ＝５０1/2 ×０．２１ｎｍ」となる。したがって、ＭＴＪ素子中には、「１６０ｎｍ/(５０1/2 ×０．２１ｎｍ)＝１０７．７」個の“単位”粒界が存在する。全ての粒界の空隙に粒界補償効果が期待できる元素を添加しようとすると、｛７１０｝対称傾角粒界には４組の元素対（ＭｇＯ４組、８原子相当）が侵入できることが、第一原理計算からわかっている。粒界は、ＭｇＯの膜面を垂直方向に貫通しているため、ＭｇＯトンネルバリア層に添加すべき元素対密度はＭｇＯトンネルバリア層の厚さに依存しない。添加すべき元素対のおおよその密度は、「（１０７．７×４/４５３５．１）×１００＝９．５（ｍｏｌ％）」となる。
【００３７】
また、粒界が｛９１０｝対称傾角粒界であるとすると、粒界１つの長さΔＬは、「ΔＬ＝８２1/2 ×０．２１ｎｍ」となる。したがって、ＭＴＪ素子中には、「１６０ｎｍ/(８２1/2 ×０．２１ｎｍ)＝８４．１」個の“単位”粒界が存在する。全ての粒界の空隙に粒界補償効果が期待できる元素を添加しようとすると、｛９１０｝対称傾角粒界には６組の元素対（ＭｇＯ６組、１２原子相当）が侵入できることが、第一原理計算からわかっている。粒界は、ＭｇＯの膜面を垂直方向に貫通しているため、ＭｇＯトンネルバリア層に添加すべき元素対密度はＭｇＯトンネルバリア層の厚さに依存しない。添加すべき元素対のおおよその密度は、「（８４．１×６/４５３５．１）×１００＝１１．１（ｍｏｌ％）」となる。
【００３８】
一般的に高いＴＭＲ比が発現するＭｇＯの結晶粒径の下限が５ｎｍ程度であるとすると、例えば、｛３１０｝対称傾角粒界では、添加すべき元素対のおおよその密度は１０．６（ｍｏｌ％）となる。すなわち、１０（ｍｏｌ％）程度となる。したがって、添加元素対の上限値は、ＭｇＯに対して、１０（ｍｏｌ％）程度と考えられる。このように、粒界補償の観点からも、ＭｇＯへの添加元素対の上限は１０（ｍｏｌ％）程度であることが望ましい。
【００３９】
また、粒界が｛５２０｝対称傾角粒界であるとすると、粒界１つの長さΔＬは、「ΔＬ＝２９1/2 ×０．２１ｎｍ」となる。したがって、ＭＴＪ素子中には、「１６０ｎｍ/(２９1/2 ×０．２１ｎｍ)＝１４１．６」個の“単位”粒界が存在する。全ての粒界の空隙に粒界補償効果が期待できる元素を添加しようとすると、｛５２０｝対称傾角粒界には８組の元素対（ＭｇＯ８組、１６原子相当）が侵入できることが、第一原理計算からわかっている。粒界は、ＭｇＯの膜面を垂直方向に貫通しているため、ＭｇＯトンネルバリア層に添加すべき元素対密度はＭｇＯトンネルバリア層の厚さに依存しない。添加すべき元素対のおおよその密度は、「（１４１．６×８/４５３５．１）×１００＝２５．０（ｍｏｌ％）」となる。しかし、実際には、｛５２０｝対称傾角粒界のみが均一に存在するわけではなく、｛２１０｝対称傾角粒界などの空隙の狭い粒界も混在していると予想しており、ＭＴＪ素子中の粒界を埋めるために必要な元素対の添加量は２５．０（ｍｏｌ％）未満であると考えられる。さらに、添加量が１０（ｍｏｌ％）を超えるとＴＭＲ比が下がってくるので、｛５２０｝対称傾角粒界の存在を想定したとしても、やはりＭｇＯへの添加元素対の上限は、１０（ｍｏｌ％）程度であることが望ましい。
【００４０】
次に、本実施形態において、トンネルバリア層（ＭｇＯトンネルバリア層）１３中に、単一又は複数の添加元素を含有させる方法について説明する。
第１の方法では、添加元素が添加されたＭｇＯターゲットを用いて、スパッタリング法或いは蒸着法によって、添加元素が添加されたＭｇＯ層を堆積する。添加元素の添加量を調整する方法としては、添加元素の組成が調整された複数のＭｇＯターゲットを用いる方法、添加元素の組成が固定されたＭｇＯターゲット及び添加元素が添加されていないＭｇＯターゲットを用いてコスパッタリング（co-sputtering）する方法、添加元素の組成が固定されたＭｇＯターゲットと添加元素が添加されていないＭｇＯターゲットとを交互に用いて堆積する方法、等があげられる。
【００４１】
第２の方法では、添加元素が添加されたＭｇターゲットを用いて、添加元素が添加されたＭｇ層を堆積した後、或いは添加元素が添加されたＭｇ層を堆積している最中に、基板を酸素雰囲気中に晒す。添加元素の添加量を調整する方法としては、添加元素の組成が調整された複数のＭｇターゲットを用いる方法、添加元素の組成が固定されたＭｇターゲット及び添加元素が添加されていないＭｇターゲットを用いてコスパッタリング（co-sputtering）する方法、添加元素の組成が固定されたＭｇターゲットと添加元素が添加されていないＭｇターゲットとを交互に用いて堆積する方法、等があげられる。
【００４２】
第３の方法では、ＭｇＯターゲット上に添加元素のチップを貼り付け、スパッタリング法或いは蒸着法によって、添加元素が添加されたＭｇＯ層を堆積する。添加元素の添加量は、添加元素のチップの大きさを調整することで制御することが可能である。
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】
【００４３】
１０…積層構造      １１…記憶層（第１の磁性層）
１２…参照層（第２の磁性層）      １３…トンネルバリア層（非磁性層）
２１…下部電極      ２２…上部電極
【図１】
2020155565.tif 000003
【図２】
2020155565.tif 000004