(57)【要約】【課題】磁気抵抗素子の特性向上を図る。【解決手段】本実施形態の磁気抵抗素子は、磁化の向きが可変な第１の磁性層１０と、磁化の向きが不変な第２の磁性層１１と、第１及び第２の磁性層１０，１１との間に設けられ、ＭｇＦｅＯ膜を含む非磁性層１２とを含み、ＭｇＦｅＯ膜は、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ及びＣｕから選択される少なくとも１つを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化の向きが可変な第１の磁性層と、
磁化の向きが不変な第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、ＭｇＦｅＯ膜を含む非磁性層と、
を具備し、
前記ＭｇＦｅＯ膜は、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ及びＣｕからなるグループから選択される少なくとも１つを含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
磁化の向きが可変な第１の磁性層と、
磁化の向きが不変な第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、ＭｇＯ膜を含む非磁性層と、
を具備し、
前記ＭｇＯ膜は、Ｔｉ、Ｖ及びＭｎからなるグループから選択される少なくとも１つを含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項３】
磁化の向きが可変な第１の磁性層と、
磁化の向きが不変な第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、ＭｇＦｅＯ膜を含むトンネルバリア層と、
を具備し、
前記ＭｇＦｅＯ膜は、Ｂを含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項４】
前記第１及び前記第２の磁性層のうち少なくとも一方は、Ｆｅを含むことを特徴とする請求項１又は３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
前記第１及び第２の磁性層のうち少なくとも一方は、前記非磁性層が含む金属元素と同じ金属元素を含む、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
前記第１の磁性層と前記非磁性層との間のＦｅの濃度及び前記第２の磁性層と前記非磁性層との間のＦｅの濃度のうち少なくとも一方が、前記非磁性層の中心におけるＦｅの濃度より高い、ことを特徴とする請求項１又は３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子を含むメモリセルを具備する磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、磁気抵抗素子及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子を利用した磁気メモリを実現するために、様々な技術が提案されている。
【０００３】
その１つとして、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）素子の磁化配列状態に対応するように“１”又は“０”データを、ＭＴＪ素子に記録し、ＴＭＲ効果による素子の抵抗値の違いに基づいて、データを読み出す方式がある。
【０００４】
磁気メモリのデータの書き込み、すなわち、ＭＴＪ素子の磁性層の磁化を反転させる方式として、素子の微細化と低電流化の観点から、スピン偏極電流をＭＴＪ素子に流すことによって引き起こされる磁化反転方式（以下、スピン注入磁化反転方式とよぶ）が、注目されている。
【０００５】
スピン注入磁化反転方式の磁気メモリ（例えば、ＭＲＡＭ）は、低消費電力、高速動作、及び、大容量化が可能なメモリとして、開発が推進されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１２４３７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁気抵抗素子の特性を向上する技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の磁気抵抗素子は、磁化の向きが可変な第１の磁性層と、磁化の向きが不変な第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、ＭｇＦｅＯ膜を含む非磁性層と、を具備し、前記ＭｇＦｅＯ膜は、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ及びＣｕからなるグループから選択される少なくとも１つを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態の磁気抵抗素子の構造を示す図。
【図２】実施形態の磁気抵抗素子の素子特性を示す図。
【図３】実施形態の磁気抵抗素子の分析結果を示す図。
【図４】実施形態の磁気抵抗素子の素子特性を示す図。
【図５】実施形態の磁気抵抗素子の素子特性を示す図。
【図６】実施形態の磁気抵抗素子の分析結果を示す図。
【図７】実施形態の磁気抵抗素子の適用例を示す図。
【図８】実施形態の磁気抵抗素子の適用例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施形態］  
以下、図面を参照しながら、本実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については、同一符号を付し、重複する説明は必要に応じて行う。
【００１１】
（１）  構造  
図１を用いて、実施形態の磁気抵抗素子の構造について、説明する。
【００１２】
図１は、実施形態の磁気抵抗素子の断面構造を示す模式図である。
【００１３】
図１に示されるように、本実施形態の磁気抵抗素子（磁気抵抗効果素子ともよばれる）１は、素子１の２つの電極１９Ａ，１９Ｂ間に、２つの磁性層１０，１１を含んでいる。２つの磁性層１０，１１間に、非磁性層１２が設けられている。
【００１４】
本実施形態において、２つの磁性層１０，１１及び非磁性層１２は、磁気トンネル接合（MTJ : Magnetic tunnel Junction）を形成している。以下では、本実施形態の磁気抵抗素子1のことを、ＭＴＪ素子１とよぶ。
【００１５】
ＭＴＪ素子１の構成部材は、基板側から下部電極１９Ａ、下地層１５、磁性層１０、非磁性層１２、磁性層１１、上部電極１９Ｂの順序で、基板表面に対して垂直方向に積層されている。なお、図１のＭＴＪ１は、垂直磁気異方性を用いたＭＴＪ素子の構造を示しているが、ＭＴＪ素子１として面内磁気異方性を用いたＭＴＪ素子でもよい。その場合ＭＴＪ素子１の構造は、基板側から下部電極、固着層、反平行結合磁性層、非磁性層、磁性層、上部電極の順序で積層される。なお、この逆の順序で、ＭＴＪ素子の構成部材が、積層されてもよい。
【００１６】
下部電極１９Ａ及び上部電極１９Ｂには、電気抵抗が低く、原子（元素）の拡散耐性が優れた材料が用いられることが好ましい。下部電極１９Ａ及び上部電極１９Ｂには、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化タンタル（ＴａＮ）、窒化チタン（ＴｉＮ）、或いは、これらの積層膜などの１つが用いられる。下部電極１９Ａには、イリジウム（Ｉｒ）やルテニウム（Ｒｕ）が用いられてもよい。例えば、Ｔａ／Ｃｕ（銅）／Ｔａの積層膜が、下部電極１９Ａ及び上部電極１９Ｂに用いられる。
【００１７】
ＭＴＪ素子１の上部電極１９Ｂは、ＭＴＪ素子１を所定の形状に加工するためのハードマスクとして用いられてもよい。下部電極１９Ａは、下地層としての機能を有していてもよい。ＭＴＪ素子１の下部電極１９Ａは、基板（図示せず）上に設けられている。
【００１８】
磁性層１０は、磁化の向きが可変に設定されている。磁化の向きが可変な磁性層１０は、下地層１５を挟んで、下部電極１９Ａ上に設けられている。磁化の向きが可変な磁性層１０のことを、以下では、記録層（又は、記憶層、自由層、磁化自由層）とよぶ。
【００１９】
例えば、記録層１０には、Ｃｏ、Ｆｅ及びＢのうち少なくとも１つを含む磁化膜が用いられている。例えば、記録層１０に、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／Ｃｏが、用いられる。なお、以下では、部材Ａと部材Ｂとの積層膜が、Ａ／Ｂと示される場合、“／”の左側の部材Ａが、“／”の右側の部材Ｂ上に積層されていることを示す。
【００２０】
下地層１５は、下地層１５が記憶層１０に接するように、ＭＴＪ素子１内に設けられている。例えば、下地層１５は、記憶層１０と下部電極１９Ａとの間に設けられ、記憶層１０における非磁性層１２が設けられた側に対して反対側に設けられている。
【００２１】
記憶層１０の磁化特性の向上のため、記憶層１０の材料に応じて、原子稠密面を有する材料が、下地層１５に用いられてもよい。例えば、白金（Ｐｔ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ、Ｔａなどが原子稠密面を有する材料として、下地層１５に用いられる。或いは、記憶層１０のダンピング定数を低減させるために、記憶層１０と下地層１６の間で生じるスピンポンピング効果の小さい材料が、用いられてもよい。窒化物、ホウ化物などが、スピンポンピング効果が小さい材料として、下地層１５に用いられる。
【００２２】
例えば、記憶層に、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／Ｃｏ積層膜が記録層１０に用いられ、下地層１５にＴａ膜が用いられた場合、垂直磁気異方性を有する磁性層（記録層）を形成できる。
【００２３】
ＳＴＴを用いたメモリ素子としてのＭＴＪ素子に対するデータ書き込みを考慮した場合、書き込み電流の低減のために、記憶層１０にダンピング定数が小さい材料が用いられることが好ましい。すなわち、記録層１０と下地層１６との間で生じるスピンポンピングを低減し、記録層１０のダンピング定数を低下させることが、望まれる。例えば、記録層１０と下地層１６との組み合わせを考慮することによって、記憶層１０のダンピング定数を低減でき、書込み電流を低減できる。
【００２４】
磁性層１１は、磁化の向きが固定状態（不変な状態）に設定されている。磁化の向きが固定状態の磁性層１１は、非磁性層１２を介して、記録層１０上に積層されている。以下では、磁化の向きが不変な磁性層１１のことを、参照層（又は、磁化不変層、固定層、固着層）とよぶ。
【００２５】
参照層１１には、垂直磁気異方性を有する磁化膜を形成するために、フェリ磁性体を主成分とする膜、例えば、ＴｂＣｏＦｅ膜が用いられている。
【００２６】
さらに、参照層１１と非磁性層１２との間に界面層１１２が設けられてもよい。界面層１１２は、非磁性層１２に接触する磁性層である。例えば、界面層としてのＣｏＦｅＢ膜が、参照層としてのＴｂＣｏＦｅ膜１１と非磁性層１２との間に挿入されることで、磁気抵抗素子の高いＭＲ比を得ることが可能になる。
【００２７】
記憶層１０と非磁性層１２との界面近傍に、界面層１１１が設けられてもよい。記録層１０に、ＣｏＦｅＢ／Ｔａ／Ｃｏ積層膜が用いられた場合、非磁性層１２側のＣｏＦｅＢ膜が、界面層としての機能を有する。なお、記憶層１０及び参照層１１とは別途に設けられた磁性層だけでなく、非磁性層１２に接触する記憶層１０又は参照層１１の部分（領域）を界面層とよぶ場合もある。界面層１１１,１１２は、非磁性層１２と磁性層１０，１１との格子不整合を緩和し、非磁性層１２及び磁性層１０，１１の結晶性を改善させる。この結果として、ＭＴＪ素子の特性（例えば、ＭＲ比）が向上する。例えば、界面層は、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）及びＢ（ボロン）を含むグループのうち少なくとも２つの元素を含む磁性層を用いて、形成される。ただし、界面層の材料は、Ｃｏ、Ｆｅ又はＢを含む磁性層に限定されない。
【００２８】
また、ＭＴＪ素子１は、参照層１１の磁化の向きと反対の向きの磁化を有するシフト調整層（図示せず）を含んでもよい。シフト調整層（バイアス層又はシフト磁界調整層ともよばれる）は、参照層１１に起因する漏れ磁場を実質的にゼロにし、参照層１１からの漏れ磁場に起因して記憶層１０内にシフト磁界が生じるのを抑制する。例えば、シフト調整層は、参照層１１における非磁性層１２が設けられた側（面）に対して反対側（対向する面）に設けられている。
【００２９】
ＭＴＪ素子１が含む磁性層（記憶層及び参照層）１０，１１が垂直磁化膜である場合、磁性層の垂直磁気異方性は、例えば、磁性体（磁性層）の結晶磁気異方性や界面磁気異方性を利用して形成される。
【００３０】
結晶磁気異方性を利用した垂直磁化型のＭＴＪ素子１は、結晶のｃ軸が膜面に対して垂直方向に対応するため、各結晶粒が膜の面内方向において回転したとしても、結晶のｃ軸は膜面に対して垂直方向を保ったままで分散しない。それゆえ、結集磁気方性を利用した垂直磁化膜は、結晶軸の分散を抑制できる。また、界面磁気異方性によって垂直磁気異方性を有する磁性層は、結晶軸の分散を抑制できる。
【００３１】
例えば、Ｃｏ−Ｃｒ合金、Ｆｅ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｐｄ規則合金、Ｃｏ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐｔ規則合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐｄ規則合金、或いは、磁性体のＣｏと非磁性体のＰｔ（又はＰｄ）とが交互に積層された人工格子構造が、記録層及び参照層に用いられてもよい。
【００３２】
尚、「参照層の磁化の向きが固定状態である」又は「参照層の磁化の向きが不変である」とは、記憶層１０の磁化の向きを反転させるための磁化反転しきい値以上の電流が、参照層１１に流れた場合に、参照層１１の磁化の向きが変化しないことを意味する。
【００３３】
したがって、ＭＴＪ素子１において、磁化反転しきい値の大きな磁性層が参照層１１として用いられ、参照層１１よりも磁化反転しきい値の小さい磁性層が記憶層１０として用いられる。これによって、磁化の向きが可変な記憶層１０と磁化の向きが固定された参照層１１とを含むＭＴＪ素子１が、形成される。
【００３４】
ＭＴＪ素子１が、磁気メモリのメモリ素子に用いられた場合、ＳＴＴによって、メモリ素子としてのＭＴＪ素子１にデータが書き込まれる。記憶層１０の磁化の向きを反転させるための書き込み電流ＩＷＲは、記憶層１０の磁化反転しきい値より大きい電流値を有し、且つ、参照層１１の磁化反転しきい値より小さい電流値を有している。
【００３５】
ＳＴＴを用いてＭＴＪ素子１に対するデータの書き込みを実行する場合、ＭＴＪ素子１内に双方向に電流が流される。
【００３６】
記憶層１０の磁化の向きが参照層１１の磁化の向きと平行（Ｐ：Parallel）状態にされる場合、つまり、記憶層１０の磁化の向きが参照層１１の磁化の向きと同じにされる場合、記憶層１０から参照層１１に向かって流れる電流ＩＷＲが、ＭＴＪ素子１に供給される。
【００３７】
参照層１１の磁化（スピン）の向きと同じ向きを有したこのスピン偏極電子のスピン角運動量（スピントルク）が、記憶層１０の磁化（スピン）に印加され、記憶層１０の磁化は、参照層１１の磁化の向きと同じ向きに反転する。ＭＴＪ素子１の磁化配列が平行配列（平行状態）であるとき、ＭＴＪ素子１の抵抗値は最も小さくなる。
【００３８】
記憶層１０の磁化の向きが参照層１１の磁化の向きと反平行（ＡＰ：Antiparallel）状態にされる場合、つまり、記憶層１０の磁化の向きが参照層１１の磁化の向きに対して反対にされる場合、参照層１１から記憶層１０に向かって流れる電流ＩＷＲが、ＭＴＪ素子１に供給される。
【００３９】
参照層１１に反射され且つ参照層１１の磁化の向きと反平行のスピンを有するスピン偏極した電子のスピントルクが、記憶層１０の磁化に印加され、記憶層１０の磁化は、参照層１１の磁化の向きと反対の向きに反転する。ＭＴＪ素子１の磁化配列が、反平行配列（反平行状態）であるとき、ＭＴＪ素子１の抵抗値は最も大きくなる。
【００４０】
ＭＴＪ素子１が、磁気メモリのメモリ素子に用いられた場合、例えば、抵抗値が小さい状態（磁化配列が平行状態）のＭＴＪ素子１は、“０”データ保持状態に対応づけられ、抵抗値が高い状態（磁化配列が反平行状態）のＭＴＪ素子１は、“１”データ保持状態に対応付けられる。
【００４１】
本実施形態のＭＴＪ素子１の抵抗状態を判別する場合において、ＭＴＪ素子１内に電流を流すことによって、ＭＴＪ素子１が“０”データ保持状態であるか、“１”データ保持状態であるかが判定される。ＭＴＪ素子１を流れる抵抗状態を判別するため読み出し電流（又は抵抗判定電流）に基づく信号（読み出し出力、読み出し信号）の大きさは、ＭＴＪ素子１の抵抗値に応じて、変動する。読み出し信号の変動が検知及び増幅され、メモリ素子としてのＭＴＪ素子のデータ保持状態が、判別される。
【００４２】
このように、ＭＴＪ素子１が、磁気メモリのメモリ素子に用いられた場合、ＭＴＪ素子１に電流を流すことによって、メモリ素子としてのＭＴＪ素子に記憶されたデータが、読み出される。
【００４３】
尚、読み出し電流の電流値は、読み出し電流によって記憶層１０の磁化が反転しないように、書き込み電流ＩＷＲの電流値（磁化反転しきい値）より小さい値に設定される。
【００４４】
非磁性層１２は、記録層１０と参照層１２との間に設けられている。以下では、非磁性層のことを、トンネルバリア層ともよぶ。
【００４５】
本実施形態において、トンネルバリア層１２は、マグネシウム（Ｍｇ）の酸化物（例えば、ＭｇＯ）を主成分とする酸化物膜である。
【００４６】
ＭｇＯは、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）構造の結晶構造を有する。ＭｇＯのようにＮａＣｌ構造を有する材料が、トンネルバリア層１１として用いられる場合、トンネルバリア層１１としてのＭｇＯを主成分とする膜は、結晶配向している、例えば、ｆｃｃ（００１）面（又は方位）及びそれに等価な面（又は方位）に優先配向している、ことが好ましい。
【００４７】
トンネルバリア層としてのＭｇＯを主成分とする膜１２は、少なくとも１種類の不純物Ｘを含む。トンネルバリア層１２のＭｇＯ膜は、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）及びボロン（Ｂ）うち少なくとも１つを含む。
【００４８】
より具体的な一例としては、本実施形態のＭＴＪ素子１において、トンネルバリア層１２のＭｇＯ膜は、Ｔｉ、Ｖ、及び、Ｍｎからなるグループから選択される少なくとも１つの元素を、不純物Ｘとして含む。
【００４９】
または、本実施形態のＭＴＪ素子１は、トンネルバリア層１２のＭｇＦｅＯ膜は、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｕ及びＢからなるグループから選択される少なくとも１つの元素を含む。
【００５０】
これらの不純物が添加されたトンネルバリア層（例えば、ＭｇＭｎＯ，ＭｇＦｅＯ、又は、ＭｇＦｅＭｎＯ）を含むＭＴＪ素子は、例えば、スパッタ法によって、磁性層１０，１１及びトンネルバリア層１２が堆積されることによって、形成される。  
例えば、トンネルバリア層１２は、スパッタ法によって、磁性層上に堆積される。例えば、所定の組成比のＭｇと不純物Ｘとの金属（合金）ターゲット、又は、所定の組成比のＭｇと不純物Ｘとの酸化物（金属酸化物）ターゲットを、酸素及びアルゴンによって、スパッタリングすることによって、Ｍｇと不純物Ｘとを含む金属酸化物を主成分とするトンネルバリア層が形成される。そのトンネルバリア層を含む積層構造が、上部電極をハードマスクとしたイオンミリングによって、所定の形状に加工され、本実施形態のＭＴＪ素子が、形成される。
【００５１】
以上のように、本実施形態のＭＴＪ素子は、Ｔｉ、Ｖ及びＭｎ中から選択される少なくとも１つの元素を含むＭｇＯを主成分とする膜が、トンネルバリア層に用いられる。又は、本実施形態のＭＴＪ素子は、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｃｕ及びＢの中から選択される少なくとも１つの元素を含むＭｇＦｅＯを主成分とする膜が、トンネルバリア層に用いられる。この結果として、本実施形態のＭＴＪ素子の素子特性が、向上される。
【００５２】
（ｂ）  素子特性  
図２乃至図６を参照して、実施形態の磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）の素子特性について、説明する。
【００５３】
図２乃至図４を用いて、トンネルバリア層としてのＭｇＯ膜に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ及びＣｕのうち１以上が添加された場合における、ＭＴＪ素子の素子特性の向上について、説明する。
【００５４】
図２は、本実施形態のＭＴＪ素子の特性を示すグラフである。
【００５５】
図２の横軸は、ＭＴＪ素子の面積抵抗積ＲＡ（Resistance-Area Product）（単位：Ωμｍ２）をＬｏｇスケールで示している。図２の縦軸は、ＭＴＪ素子のＭＲ比（単位：％）を示している。
【００５６】
図２に、ＭｇＯに対してＭｎＯを添加した膜（ＭｇＭｎＯ）、及び、ＭｇＯに対してＣｒＯを添加した膜（ＭｇＭｎＯ）を、トンネルバリア層にそれぞれ用いたＭＴＪ素子の特性が示されている。ＭｇＭｎＯ膜又はＭｇＣｒＯ膜を含むトンネルバリア層は、ＭｇＭｎＯターゲット及びＭｇＣｒＯターゲットをそれぞれ用いたスパッタ法によって、形成される。
【００５７】
ＭｇＭｎＯ膜のトンネルバリア層を形成するためのＭｇＭｎＯターゲットには、Ｍｇに対するＭｎの組成がＭｇ：Ｍｎ=４：１の組成比（ここでは、原子の比率）になるように、Ｍｇ及びＭｎの組成が調整されたターゲットが、用いられている。
【００５８】
ＭｇＣｒＯ膜のトンネルバリア層を形成するためのＭｇＣｒＯターゲットには、Ｍｇに対するＣｒの組成がＭｇ：Ｃｒ=４：１の組成比（ここでは、原子の比率）になるようにＭｇ及びＣｒの組成が調整されたターゲットが、用いられている。
【００５９】
これらのターゲットを用いて、ＲＦカソードを用いたスパッタ法によって、ＭＴＪ素子１のトンネルバリア層としてのＭｇＭｎＯ膜及びＭｇＣｒＯ膜が、それぞれ形成される。
【００６０】
測定されたＭＴＪ素子には、面内磁気異方性の磁性層を有するＭＴＪ素子として、Ｔａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＸＯ（Ｘ＝Ｍｎ又はＣｒ）／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＰｔＭｎ／Ｔａ構造が用いられている。図２において、不純物が添加されないＭｇＯ膜を用いたＭＴＪ素子の素子特性が、示されている。
【００６１】
図２に示されるように、ＭｇＯ膜がトンネルバリア層に用いられた場合、そのＭＴＪ素子の面積抵抗積ＲＡが、１０Ωμｍ2以下になると、ＭｇＯ膜をトンネルバリア層として含むＭＴＪ素子のＭＲ比が、急激に低下している。
【００６２】
一方、ＭｇＭｎＯ膜がトンネルバリア層に用いられた場合、そのＭＴＪ素子の面積抵抗積ＲＡが１０Ωμｍ２未満においても、ＭｇＭｎＯ膜をトンネルバリア層として含むＭＴＪ素子のＭＲ比の低下は、ＭｇＯ膜をトンネルバリア層として含むＭＴＪ素子の低下に比較して、小さい。
【００６３】
したがって、ＭｇＭｎＯ膜をトンネルバリア層として含むＭＴＪ素子は、面積抵抗値ＲＡが小さい領域においてＭＴＪ素子のＭＲ比を大きくできる。
【００６４】
一方、図２に示されるように、ＭｇＣｒＯ膜が、トンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子は、全体的にＭＲ比が低く、面積抵抗積ＲＡが小さいＭＴＪ素子が、高いＭＲ比を得ることもない。
【００６５】
図３を用いて、ＭＴＪ素子が低い抵抗値で高いＭＲ比を得られる理由について、説明する。
【００６６】
図３は、本実施形態のＭＴＪ素子のＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）の結果を示している。ここで、ＳＴＥＭの分析に用いられた磁気トンネル接合は、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＭｎＯ／ＣｏＦｅＢ構造（積層膜）である。
【００６７】
図３の分析結果ＩＭＧ１は、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＭｎＯ／ＣｏＦｅＢ構造のＨＡＡＤＦ（High-Angle Annular Dark-Field）像を示している。
【００６８】
図３の分析結果ＩＭＧ２は、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray spectroscopy）で分析されたＣｏＦｅＢ／ＭｇＭｎＯ／ＣｏＦｅＢ構造のＭｎのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。分析結果（ＥＤＸ像）ＩＭＧ２中の白点が、ＭｎのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。
【００６９】
図３の分析結果ＩＭＧ３は、ＥＤＸで分析されたＣｏＦｅＢ／ＭｇＭｎＯ／ＣｏＦｅＢ構造のＭｇのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。分析結果（ＥＤＸ像）ＩＭＧ３中の白点が、ＭｇのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。
【００７０】
図３の分析結果ＩＭＧ１において、ＨＡＡＤＦ像の中央の最も黒い部分が、ＭｇＭｎＯを示している。
【００７１】
分析結果ＩＭＧ２，ＩＭＧ３において、ＨＡＡＤＦ像におけるＭｇＭｎＯと同一直線上に、ＥＤＸで分析されたＭｎ及びＭｇのＫ殻の特性Ｘ線のシグナル（分析結果ＩＭＧ２，ＩＭＧ３中の白点）が検出される。
【００７２】
これらの分析結果ＩＭＧ１，ＩＭＧ２，ＩＭＧ３によって、ＣｏＦｅＢ／ＭｇＭｎＯ／ＣｏＦｅＢ構造においてＭｇＭｎＯが形成されていることが、確認される。
【００７３】
周知のＭｇＯ−ＭｎＯ系の状態図に基づくと、超真空状態を実現できるスパッタ装置によってＭｇＭｎＯが形成された場合、酸素濃度が低い状態でＭｇＭｎＯが生成されることになり、ＭｇＯとＭｎＯとが全率固溶体で形成される。つまり、膜中のＭｇサイトにＭｎが置換されて、ＭｇＭｎＯが形成されると考えられる。
【００７４】
さらに、ＭｇＯがＭｇＭｎＯになると、膜の融点が低下する。
【００７５】
Ｍｎのように、ＭｇＯと添加された元素（原子）が全率固溶体を形成し、且つ、Ｍｇが添加された原子に置換されることによって膜の融点が下がる材料（元素）が、ＭｇＯ膜に添加されることで、ＭｇＯを主成分とするトンネルバリア層の核生成エネルギー、及び、トンネルバリア層（ＭｇＯを主成分とする膜）の形成初期段階における結晶粒の形成のために必要な臨界半径が小さくなる。
【００７６】
図４は、ＭｇＯを主成分とするトンネルバリア層を含むＭＴＪ素子が含む膜の成長を模式的に示している。図４の（ａ）は、ＭｇＯ膜がトンネルバリア層に用いられた場合におけるＭＴＪ素子が含む膜の成長状態を模式的に示している。図４の（ｂ）は、ＭｇＭｎＯ膜がトンネルバリア層に用いられた場合におけるＭＴＪ素子が含む膜の成長状態を模式的に示している。
【００７７】
図４の（ａ）に示されるように、ＭｇＯ膜がトンネルバリア層１２Ｘに用いられた場合、ＭｇＯ膜１２Ｘの核生成エネルギーが大きいことに起因して、結晶粒の臨界半径が大きくなり、膜の結晶粒が大きくなる。その結果として、凹凸の大きい（平坦性の悪い）ＭｇＯ膜１２Ｘが形成される。この膜の不均一性は、ＭｇＯ膜の膜厚が薄くなるにつれて、顕著になる。それゆえ、ＭＴＪ素子の低抵抗化のため、ＭｇＯ膜の膜厚を薄くすると、ＭｇＯ膜の平坦性が損なわれる。このＭｇＯ膜の不均一性により、ＭｇＯ膜１２Ｘ上に堆積される磁性層の膜質／膜厚が、不均一になる。
【００７８】
図４の（ｂ）に示されるように、ＭｇＭｎＯ膜がトンネルバリア層１２に用いられた場合、前述したように、トンネルバリア層としてのＭｇＭｎＯ膜の結晶粒の成長が抑制される。その結晶粒の成長の抑制の結果として、複数の微結晶（又は、アモルファス状）を含むＭｇＭｎＯ膜が形成される。この結果として、平坦性が高いＭｇＭｎＯ膜１２が、磁性層１０上に形成される。平坦性（均一性）の高いＭｇＭｎＯ膜１２上に、平坦な磁性層１１を形成できる。
【００７９】
このように、ＭｇＯにＭｎ（又は、Ｔｉ、Ｖ、Ｆｅ、Ｃｕ）が添加されることによって、トンネルバリア層の微結晶化が促進され、トンネルンバリア層の不均一性が改善される。その結果として、ＭｇＭｎＯ膜がトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子１は、低抵抗側で生じるＭＴＪ素子のＭＲ比の劣化を抑制できる。
【００８０】
一方、ＭｇＯにＣｒＯｘ（酸化クロム）が添加された場合、周知のＭｇＯ−ＣｒＯ系の状態図に基づくと、ＭｇＯとＣｒＯｘとの混晶状態が形成される。
【００８１】
膜内における抵抗の低いＣｒＯｘ、及び、膜内のＭｇＯとＣｒＯｘとの粒界において、スピンがトンネルすることによって、ＭｇＯ特有のΔ１バンド効果が得られなくなり、その結果として、ＭＴＪ素子のＭＲ比が劣化する。
【００８２】
ＭｇＣｕＯ、ＭｇＴｉＯ、及び、ＭｇＶＯのいずれか１つが、トンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子は、ＭｇＭｎＯ膜が用いられたトンネルバリア層を含むＭＴＪ素子と同様に、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層１２の面積抵抗積ＲＡが、１０Ωμｍ２以下の領域で、ＭＴＪ素子のＭＲ比の劣化を抑制できる。また、ＭｇＣｕＯ、ＭｇＴｉＯ、ＭｇＶＯに関わらず、ＭｇＯに対して、全率固溶する材料で、ＭｇＯの融点を下げる材料を、ＭｇＯに含有させることによって、ＭｇＭｎＯを用いたトンネルバリアと、同様の効果を得ることが可能である。ただし、ＭｇＯ特有のΔ１バンド効果によるＭＴＪ素子の高ＭＲ化の効果を得るために、ＭｇＯ中のＭｇに置換させる材料は、Ｍｇに対して５０ａｔｏｍｉｃ％以下に設定されることが望ましい。
【００８３】
尚、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ及びＣｕのうち、２以上の元素が添加されたＭｇＯ膜が、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層に用いられた場合においても、実質的に同様の効果が得られる。
【００８４】
以上のように、トンネルバリア層としてのＭｇＯ膜に、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ及びＣｕのうち少なくとも１つが添加されることによって、ＭＴＪ素子の素子特性を向上できる。
【００８５】
図５及び図６を用いて、トンネルバリア層としてのＭｇＯ膜に、Ｆｅが添加された場合における、ＭＴＪ素子の素子特性の向上について、説明する。
【００８６】
図５を用いて、Ｆｅが添加されたＭｇＯをトンネルバリア層が用いられたＭＴＪ素子の素子特性について、説明する。
【００８７】
図５は、ＭｇＦｅＯ膜がトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子の面積抵抗積ＲＡとＭＴＪ素子のＭＲ比の測定結果を示す。
【００８８】
図５の横軸は、ＭＴＪ素子の面積抵抗積ＲＡ（Resistance-Area Product）（単位：Ωμｍ２）をＬｏｇスケールで示している。図５の縦軸は、ＭＴＪ素子のＭＲ比（単位：％）を示している。
【００８９】
上述のように、ＭｇＯにＭｎＯが添加されたトンネルバリア層を含むＭＴＪ素子は、ＭＴＪ素子の面積抵抗積ＲＡが小さい領域（例えば、１０Ωμｍ２以下の領域）において、ＭＴＪ素子のＭＲ比の低下を抑制できる。
【００９０】
図５に示されるように、ＭｇＯにＦｅＯ（Ｆｅ）が添加されたトンネルバリア層がＭＴＪ素子に用いられた場合、面積抵抗積ＲＡが１０Ωμｍ２以上の高い領域において、ＭｇＦｅＯがトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子は、不純物が添加されないＭｇＯがトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子より高いＭＲ比を、得ることができる。
【００９１】
尚、本実施形態のＭＴＪ素子において、トンネルバリア層のＭｇＦｅＯ膜にボロン（Ｂ）が添加されてもよい。これによって、酸化物からなるトンネルバリア層に接触する磁性材料の界面酸化を抑制できる。したがって、ＭｇＦｅＢＯ膜が、トンネルバリア層に用いられることによって、磁性層の酸化に起因するＭＴＪ素子の特性の劣化を抑制できる。Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｕ及びＶを含むグループから選択される少なくとも１つの元素が添加されたトンネルバリア層に、Ｂが添加された場合においても、同様の効果が得られる。
【００９２】
図６を用いて、Ｆｅが添加されたＭｇＯがトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子が抵抗値の高い領域で高いＭＲ比を得られる理由について、説明する。
【００９３】
図６は、本実施形態のＭＴＪ素子のＳＴＥＭの結果を示している。
【００９４】
ここで、図６において分析されたＭＴＪ素子のトンネルバリア層としてのＭｇＦｅＯ膜は、ＭｇとＦｅとの組成比が４：１のＭｇＦｅＯターゲットを用いて、スパッタ法によって、形成される。
【００９５】
ここで、ＳＴＥＭの分析に用いられた磁気トンネル接合は、ＥＤＸによるＦｅの分析を簡易にするために、ＣｒＢ／ＭｇＦｅＯ／ＣｒＢ構造が用いられている。
【００９６】
図６の分析結果ＩＭＧ４は、ＣｒＢ／ＭｇＦｅＯ／ＣｒＢ構造のＨＡＡＤＦ像を示している。
【００９７】
図６の分析結果ＩＭＧ５は、ＥＤＸで分析されたＣｒＢ／ＭｇＦｅＯ／ＣｒＢ構造のＦｅのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。分析結果（ＥＤＸ像）ＩＭＧ５中の白点が、ＦｅのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。
【００９８】
図６の分析結果ＩＭＧ６は、ＥＤＸで分析されたＣｒＢ／ＭｇＦｅＯ／ＣｒＢ構造のＭｇのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。分析結果（ＥＤＸ像）ＩＭＧ６中の白点が、ＭｇのＫ殻の特性Ｘ線シグナルを示している。
【００９９】
図６の分析結果ＩＭＧ４において、ＨＡＡＤＦ像の中央の最も黒く表示されている部分が、ＭｇＦｅＯを示している。
【０１００】
また、図６において、ＦｅのＥＤＸ像を示す分析結果ＩＭＧ６に示されるように、ＦｅのＫ殻の特性Ｘ線シグナルに対応する白点は、分析結果ＩＭＧ４，ＩＭＧ６のＭｇＦｅＯ膜の位置に比較して、ＭｇＦｅＯ膜の位置の同一直線上からずれた位置で、多く検出されている。
【０１０１】
図６の分析結果ＩＭＧ５，ＩＭＧ６に示されるように、ＭｇＦｅＯがＭＴＪ素子のトンネルバリア層に用いられた場合、ＭｇＭｎＯがトンネルバリア層に用いられた場合のＳＴＥＭの分析結果と異なり、ＦｅがＭｇＯとＣｒＢとの界面に偏析している。
【０１０２】
図６のＳＴＥＭ分析結果において、ＭｇＭｎＯがトンネルバリア層に用いられた場合とは異なり、ＭｇＦｅＯがトンネルバリア層としてのＭｇＦｅＯは、ＭｇＯ内部に含有される原子（ここでは、Ｆｅ）より、ＭｇＯ外部に偏析される原子（Ｆｅ）が多いという結果が示される。ＭｇＦｅＯ膜の中心におけるＦｅの濃度は、ＭｇＦｅＯ膜の端部（終端、界面）のＦｅの濃度より低い。
【０１０３】
つまり、ＭｇＦｅＯがＭＴＪ素子のトンネルバリア層に用いられた場合、添加されたＦｅが、ＭｇＯ（ＭｇＦｅＯ）膜と記録層／参照層としての磁性層との界面、例えば、ＭｇＦｅＯ膜とＣｏＦｅＢ（ＣｒＢ）膜との界面に偏析する結果として、ＭｇＦｅＯ膜の濡れ性が向上する。そのため、平坦な磁性層が、トンネルバリア層（ＭｇＦｅＯ膜）上に形成される。
【０１０４】
したがって、ＭｇＦｅＯからなるトンネルバリア層上に形成された磁性層の平坦性が改善され、膜厚の均一性の良い磁性層が得られる。
【０１０５】
これに伴って、均一（均質）な磁性層の形成によって、上部電極と磁性層との間で生じる元素の拡散による磁性層の分極率の劣化が、トンネルバリア層と磁性層との間にまで及ばなくなる。その結果として、本実施形態のＭＴＪ素子において、磁性層（磁性体）の分極率が向上し、ＭＴＪ素子の高いＭＲ比が、ＭＴＪ素子の面積抵抗積ＲＡの高い領域で、得られる。
【０１０６】
上述のように、トンネルバリア層としてのＭｇＦｅＯ膜は、ＭｇＦｅＯターゲットを用いたスパッタ法によって形成される。ＭｇＦｅＯターゲットを用いることによって、スパッタリング装置のバイアス電圧Ｖｄｃを、低減できる。このようなバイアス電圧Ｖｄｃの低減によって、スパッタリングによって生じるトンネルバリア層へのダメージが低減され、トンネルバリア層の膜質が向上する。この結果として、ＭＴＪ素子のＭＲ比が向上する。
【０１０７】
例えば、ＭＴＪ素子に用いられる記録層及び参照層のうち少なくとも一方が、本実施形態におけるトンネルバリア層のＭｇＯ膜に添加される元素（Ｆｅ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ、Ｂ）と同じ元素を含むことによって、トンネルバリア層と磁性層との間の濡れ性が向上し、磁性層の均一性（平坦性）をさらに向上できる。
【０１０８】
尚、ＭｇＦｅＯターゲットを用いたスパッタ法による所定の膜厚のトンネルバリア層（ＭｇＯ膜）の成膜時間は、ＭｇＯターゲットを用いたスパッタ法による所定の膜厚のトンネルバリア層（ＭｇＯ膜）の成膜時間より、短い。それゆえ、本実施形態のＭＴＪ素子を含む磁気デバイスの製造時間は短縮される。
【０１０９】
ＭｇＦｅＯターゲットを用いてＭＴＪ素子が形成されることによって、ＭＴＪ素子の素子特性の向上に加えて、磁気デバイスのスループットを高くできる。この結果として、本実施形態のＭＴＪ素子を含む磁気デバイスの製造コストを、削減できる。
【０１１０】
ＭＲＡＭの動作の高速化及び記憶容量の増大を進めると、インピーダンスマッチング及び書き込み電流の確保の制約により、ＭＴＪ素子の面積抵抗積の低減が求められる。
【０１１１】
ＭＴＪ素子の抵抗値（例えば、面積抵抗積）を低減するための１つの方法として、トンネル絶縁膜の膜厚が薄くされる。
【０１１２】
トンネルバリア層として用いられるＭｇＯ膜を薄膜化すると、ＭｇＯの結晶核が不安定となるため、ＭｇＯ（００１）面の結晶成長が阻害される。その結果として、高品質なＭｇＯ膜の形成が物理的に困難になり、ＭＴＪ素子のＭＲ比の低下が、顕在化しはじめる。
【０１１３】
そのため、これまでのＭｇＯを主成分とするトンネルバリア層を用いたＭＴＪ素子において、ＭＴＪ素子の抵抗値の低下とＭＲ比の向上を両立させることは、困難であった。
【０１１４】
本実施形態のＭＴＪ素子１は、Ｍｎ、Ｔｉ、及び、Ｖの中から選択される少なくとも１つが添加されたＭｇＯ膜を、トンネルバリア層として含む。又は、本実施形態のＭＴＪ素子１は、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ及びＢの中から選択される少なくとも１つが添加されたＭｇＦｅＯ膜をトンネルバリア層として含む。
【０１１５】
本実施形態のＭＴＪ素子において、トンネルバリア層の主成分としてのＭｇＯに、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｃｕ及びＶのうち少なくとも１つが添加されることによって、ＭＴＪ素子の抵抗値（面積抵抗積ＲＡ）を低くでき、ＭＴＪ素子のＭＲ比の低下を抑制できる。
【０１１６】
また、本実施形態において、トンネルバリア層としての主成分としてのＭｇＯに、Ｆｅが添加されることによって、ＭｇＯ膜がトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子より高いＭＲ比を得ることができる。
【０１１７】
上述の結果に基づいて、Ｆｅ及びＭｎが添加されたＭｇＯ膜（ＭｇＦｅＭｎＯ膜）が、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層に用いられることによって、１０μｍ２以下の低い面積抵抗積ＲＡで高いＭＲ比を有するＭＴＪ素子を形成できる。
【０１１８】
尚、Ｍｎの代わりに、Ｔｉ、Ｖ及びＣｕのうち少なくとも１つが、Ｆｅとともに添加されたＭｇＯ膜（例えば、ＭｇＦｅＴｉＯ）がトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子も、ＭｇＦｅＭｎＯ膜がトンネルバリア層に用いられたＭＴＪ素子と同様の効果が得られる。
【０１１９】
以上のように、実施形態の磁気抵抗素子によれば、磁気抵抗素子の素子特性を向上できる。
【０１２０】
（３）  適用例  
図７及び図８を参照して、実施形態の磁気抵抗素子の適用例について、説明する。尚、上述の実施形態で述べた構成と実質的に同じ構成に関しては、同じ符号を付し、その構成の説明は、必要に応じて行う。
【０１２１】
上述の実施形態の磁気抵抗素子は、磁気メモリ、例えば、ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）のメモリ素子として、用いられる。本適用例において、ＳＴＴ型ＭＲＡＭ（Spin-torque transfer MRAM）が例示される。
【０１２２】
図７は、本適用例のＭＲＡＭのメモリセルアレイ及びその近傍の回路構成を示す図である。
【０１２３】
図７に示されるように、メモリセルアレイ９は、複数のメモリセルＭＣを含む。
【０１２４】
複数のメモリセルＭＣは、メモリセルアレイ９内にアレイ状に配置される。メモリセルアレイ９内には、複数のビット線ＢＬ，ｂＢＬ及び複数のワード線ＷＬが設けられている。ビット線ＢＬ，ｂＢＬはカラム方向に延在し、ワード線ＷＬはロウ方向に延在する。２本のビット線ＢＬ，ｂＢＬは、１組のビット線対を形成している。
【０１２５】
メモリセルＭＣは、ビット線ＢＬ，ｂＢＬ及びワード線ＷＬに接続されている。
【０１２６】
カラム方向に配列されている複数のメモリセルＭＣは、共通のビット線対ＢＬ，ｂＢＬに接続されている。ロウ方向に配列されている複数のメモリセルＭＣは、共通のワード線ＷＬに接続されている。
【０１２７】
メモリセルＭＣは、例えば、メモリ素子としての１つの磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１と、１つの選択スイッチ２とを含む。メモリセルＭＣ内のＭＴＪ素子１には、第１又は第２の実施形態で述べられた磁気抵抗素子（ＭＴＪ素子）１が用いられている。
【０１２８】
選択スイッチ２は、例えば、電界効果トランジスタ（Field Effect Transistor）である。以下では、選択スイッチ２としての電界効果トランジスタのことを、選択トランジスタ２とよぶ。
【０１２９】
ＭＴＪ素子１の一端は、ビット線ＢＬに接続され、ＭＴＪ素子１の他端は、選択トランジスタ２の電流経路の一端（ソース／ドレイン）に接続されている。選択トランジスタ２の電流経路の他端（ドレイン／ソース）は、ビット線ｂＢＬに接続されている。選択トランジスタ２の制御端子（ゲート）は、ワード線ＷＬに接続されている。
【０１３０】
ワード線ＷＬの一端は、ロウ制御回路４に接続される。ロウ制御回路４は、外部からのアドレス信号に基づいて、ワード線の活性化／非活性化を制御する。
【０１３１】
ビット線ＢＬ，ｂＢＬの一端及び他端には、カラム制御回路３Ａ，３Ｂが接続される。カラム制御回路３Ａ，３Ｂは、外部からのアドレス信号に基づいて、ビット線ＢＬ，ｂＢＬの活性化／非活性化を制御する。
【０１３２】
書き込み回路５Ａ，５Ｂは、カラム制御回路３Ａ，３Ｂをそれぞれ介して、ビット線ＢＬ，ｂＢＬの一端及び他端に接続される。書き込み回路５Ａ，５Ｂは、書き込み電流ＩＷＲを生成するための電流源や電圧源などのソース回路、書き込み電流を吸収するためのシンク回路を、それぞれ有する。
【０１３３】
ＳＴＴ型ＭＲＡＭにおいて、書き込み回路５Ａ，５Ｂは、データの書き込み時、外部から選択されたメモリセル（以下、選択セル）に対して、書き込み電流ＩＷＲを供給する。
【０１３４】
書き込み回路５Ａ，５Ｂは、ＭＴＪ素子１に対するデータの書き込み時、選択セルに書き込まれるデータに応じて、書き込み電流ＩＷＲをメモリセルＭＣ内のＭＴＪ素子１に双方向に流す。即ち、ＭＴＪ素子１に書き込むデータに応じて、ビット線ＢＬからビット線ｂＢＬに向かう書き込み電流ＩＷＲ、或いは、ビット線ｂＢＬからビット線ＢＬに向かう書き込み電流ＩＷＲが、書き込み回路５Ａ，５Ｂから出力される。
【０１３５】
読み出し回路６Ａは、カラム制御回路３Ａを介して、ビット線ＢＬ，ｂＢＬに接続される。読み出し回路６Ａは、読み出し電流を発生する電圧源又は電流源や、読み出し信号の検知及び増幅を行うセンスアンプ、データを一時的に保持するラッチ回路などを含んでいる。読み出し回路６Ａは、ＭＴＪ素子１に対するデータの読み出し時、選択セルに対して、読み出し電流を供給する。読み出し電流の電流値は、読み出し電流によって記録層の磁化が反転しないように、書き込み電流の電流値（磁化反転しきい値）より小さい。
【０１３６】
読み出し電流が供給されたＭＴＪ素子１の抵抗値の大きさに応じて、読み出しノードにおける電流値又は電位が異なる。この抵抗値の大きさに応じた変動量（読み出し信号、読み出し出力）に基づいて、ＭＴＪ素子１が記憶するデータが判別される。
【０１３７】
尚、図７に示される例において、読み出し回路６Ａは、メモリセルアレイ９のカラム方向の一端側に設けられているが、２つの読み出し回路が、メモリセルアレイ９のカラム方向の一端及び他端にそれぞれ設けられてもよい。
【０１３８】
例えば、メモリセルアレイ９と同じチップ内に、バッファ回路、ステートマシン（制御回路）、又は、ＥＣＣ（Error Checking and Correcting）回路などが、チップ内に設けられてもよい。
【０１３９】
図８は、本適用例のＭＲＡＭのメモリセルアレイ９内に設けられるメモリセルＭＣの構造の一例を示す断面図である。
【０１４０】
メモリセルＭＣは、半導体基板７０のアクティブ領域ＡＡ内に形成される。アクティブ領域ＡＡは、半導体基板７０の素子分離領域に埋め込まれた絶縁膜７１によって、区画されている。
【０１４１】
半導体基板７０の表面は、層間絶縁膜７９Ａ，７９Ｂ，７９Ｃによって覆われている。
【０１４２】
ＭＴＪ素子１は、層間絶縁膜７９Ｃ内に設けられている。ＭＴＪ素子１の上端は、上部電極１９Ｂを介してビット線７６（ＢＬ）に接続される。また、ＭＴＪ素子１の下端は、下部電極１９Ａ、層間絶縁膜７９Ａ，７９Ｂ内に埋め込まれたコンタクトプラグ７２Ｂを介して、選択トランジスタ２のソース／ドレイン拡散層６４に接続される。選択トランジスタ２のソース／ドレイン拡散層６３は、層間絶縁膜７９Ａ内のコンタクトプラグ７２Ａを介してビット線７５（ｂＢＬ）に接続される。
【０１４３】
ソース／ドレイン拡散層６４及びソース／ドレイン拡散層６３間のアクティブ領域ＡＡ表面上には、ゲート絶縁膜６１を介して、ゲート電極６２が形成される。ゲート電極６２は、ロウ方向に延在し、ワード線ＷＬとして用いられる。
【０１４４】
尚、ＭＴＪ素子１は、プラグ７２Ｂ直上に設けられているが、中間配線層を用いて、コンタクトプラグ直上からずれた位置（例えば、選択トランジスタのゲート電極上方）に配置されてもよい。
【０１４５】
図８において、１つのアクティブ領域ＡＡ内に１つのメモリセルが設けられた例が示されている。しかし、２つのメモリセルが１つのビット線ｂＢＬ及びソース／ドレイン拡散層６３を共有するように、２つのメモリセルがカラム方向に隣接して１つのアクティブ領域ＡＡ内に設けられてもよい。これによって、メモリセルＭＣのセルサイズが縮小される。
【０１４６】
図８において、選択トランジスタ２は、プレーナ構造の電界効果トランジスタが示されているが、電界効果トランジスタの構造は、これに限定されない。例えば、ＲＣＡＴ（Recess Channel Array Transistor）やＦｉｎＦＥＴなどのように、３次元構造の電界効果トランジスタが、選択トランジスタとして用いられてもよい。ＲＣＡＴは、ゲート電極が、半導体領域内の溝（リセス）内にゲート絶縁膜を介して埋め込まれた構造を有する。ＦｉｎＦＥＴは、ゲート電極が、短冊状の半導体領域（フィン）にゲート絶縁膜を介して立体交差した構造を有する。
【０１４７】
実施形態のＭＴＪ素子１が、ＭＲＡＭのメモリ素子として用いられる。メモリセルＭＣ内のＭＴＪ素子１は、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ及びＢのうち少なくとも１つを含むＭｇＦｅＯ膜（例えば、ＭｇＦｅＭｎＯ膜）がトンネルバリア層１２に用いられている。これによって、本実施形態のＭＴＪ素子によれば、ＭＴＪ素子１の抵抗値を低くでき、且つ、ＭＴＪ素子１のＭＲ比を大きくできる。尚、Ｍｎ、Ｔｉ及びＶのうち少なくとも１つを含むＭｇＯ膜（例えば、ＭｇＭｎＯ膜）が、ＭＴＪ素子１のトンネルバリア層１２に用いられてもよい。
【０１４８】
本実施形態のＭＴＪ素子１は、素子の抵抗値を低減できるため、素子に起因した寄生抵抗を低減でき、ＭＲＡＭの動作を高速化できる。
【０１４９】
それゆえ、実施形態のＭＴＪ素子を用いてＭＲＡＭが形成されることによって、ＭＲＡＭのデータ読み出し特性が向上される。
【０１５０】
したがって、実施形態の磁気抵抗素子を含む磁気メモリは、動作特性を向上できる。
【０１５１】
［その他］  
上述の実施形態の磁気抵抗素子において、垂直磁化膜を例示した。但し、ＭＴＪ素子のトンネルバリア層に、Ｍｎ、Ｔｉ及びＶのうち少なくとも１つが添加されたＭｇＯ膜、又は、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｕ及びＢのうち少なくとも１つが添加されたＭｇＦｅＯ膜が用いられていれば、そのトンネルバリア層を挟む記憶層及び参照層としての磁性層に関して、磁性層の磁化の向きが膜面に対して平行方向を向いている平行磁化膜（面内磁化膜）がＭＴＪ素子に用いられた場合においても、上述の効果が得られる。
【０１５２】
実施形態の磁気抵抗素子において、図１に示される例では、参照層１１が記録層１０の上方に積層されたトップピン型のＭＴＪ素子が示されている。但し、実施形態の磁気抵抗素子は、記録層１０が、参照層１１の上方に積層されたボトムピン型のＭＴＪ素子でもよい。
【０１５３】
実施形態の磁気抵抗素子は、ＭＲＡＭ以外の磁気メモリに適用されてもよい。
【０１５４】
実施形態の磁気抵抗素子を用いた磁気メモリは、例えば、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭなどの代替メモリとして、用いられる。実施形態の磁気抵抗素子を用いた磁気メモリは、例えば、ＳＳＤ（Solid State Drive）などのストレージデバイスのキャッシュメモリとして用いられる。
【０１５５】
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】
【０１５６】
１：磁気抵抗素子、１０：記憶層、１１：非磁性層、１２：参照層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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