(57)【要約】【課題】磁気トンネル接合部への過大電流の入力を抑制できるＴＭＲ素子を提供する。【解決手段】ＴＭＲ素子は、磁気トンネル接合部と、磁気トンネル接合部の側面を覆う側壁部と、側壁部内に設けられた微粒子領域と、を備え、側壁部は、絶縁材料を含み、微粒子領域は、上記絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された複数の金属微粒子とを含み、微粒子領域は、磁気トンネル接合部と電気的に並列接続される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気トンネル接合部と、前記磁気トンネル接合部の側面を覆う側壁部と、前記側壁部内に設けられた微粒子領域と、
を備え、
前記側壁部は、絶縁材料を含み、
前記微粒子領域は、前記絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された複数の金属微粒子とを含み、
前記微粒子領域は、前記磁気トンネル接合部と電気的に並列接続される、トンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項２】
前記微粒子領域の厚さは、０．２ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下である、請求項１に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項３】
一の前記金属微粒子と他の前記金属微粒子との距離は、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下である、請求項１又は２に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項４】
前記金属微粒子の粒径は、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項５】
前記金属微粒子は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも一つの元素を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項６】
前記磁気トンネル接合部は、参照層と、前記参照層の上に積層されたトンネルバリア層と、前記トンネルバリア層の上に積層された磁化自由層とを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項７】
前記磁化自由層の面積は、前記トンネルバリア層の面積より小さい、請求項６に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項８】
前記磁気トンネル接合部の前記参照層の下に設けられた非磁性層と、
前記非磁性層の下に設けられたピニング層と、
前記ピニング層の下に設けられたコンタクト層と、
を更に備え、
前記参照層は、前記非磁性層を介して前記ピニング層と反強磁性結合を形成し、
前記磁化自由層の面積は、前記コンタクト層の面積より小さい、請求項６又は７に記載のトンネル磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載のトンネル磁気抵抗効果素子を記憶素子として備える磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気メモリを備える内蔵型メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗効果素子、磁気メモリ、及び内蔵型メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁化固定層としての参照層、非磁性スペーサ層、及び磁化自由層をこの順に積層させた構成を含む磁気トンネル接合部を有する巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）素子、及びトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子等の磁気抵抗効果素子が知られている。これらのうち、非磁性スペーサ層として絶縁層（トンネルバリア層）を用いたＴＭＲ素子は、非磁性スペーサ層として導電層を用いたＧＭＲ素子と比較して、一般的に素子抵抗が高いものの、高い磁気抵抗（ＭＲ比）を実現できる。そのため、ＴＭＲ素子は、磁気センサ、磁気ヘッド、及び磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等に利用される素子として注目されている（例えば、下記特許文献１及び２）。
【０００３】
ＴＭＲ素子の磁化自由層の磁化方向を反転させる方法として、磁化自由層にスピン偏極電流を流し、電子スピンから磁化自由層にスピントランスファートルク（spin transfer torque, ＳＴＴ）を作用させる「スピン注入磁化反転」と呼ばれる技術が知られている（例えば、下記特許文献３及び４）。ＴＭＲ素子にＳＴＴ技術を利用すると、磁化自由層の磁化方向を反転させるための磁界発生用の配線が不要になり、また、電気エネルギーの観点から見て効率的に磁化自由層の磁化反転を起こすことが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５５８６０２８号公報
【特許文献２】特許第５９８８０１９号公報
【特許文献３】特開第２０１５−１５６５０１号公報
【特許文献４】米国特許第８９９４１３１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、ＴＭＲ素子にＳＴＴ技術を利用した磁化反転は、ＴＭＲ素子において磁化反転をさせるための反転電流密度が高くなるので、過大な電流が磁気トンネル接合部に入力されることがある。過大電流の入力は、特に磁気トンネル接合部内のトンネルバリア層を劣化させて、その結果、ＴＭＲ素子の信頼性が低下することがある。ＴＭＲ素子の信頼性を向上させるためには、ＴＭＲ素子内において、磁気トンネル接合部への過大電流の入力を抑制できる構成を設けることが望まれる。
【０００６】
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、磁気トンネル接合部への過大電流の入力を抑制できるＴＭＲ素子を提供することを目的とする。また、このＴＭＲ素子を備える磁気メモリ、及び当該磁気メモリを備える内蔵型メモリを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明の一態様に係るトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は、磁気トンネル接合部と、磁気トンネル接合部の側面を覆う側壁部と、側壁部内に設けられた微粒子領域と、を備え、側壁部は、絶縁材料を含み、微粒子領域は、上記絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された金属微粒子とを含み、微粒子領域は、磁気トンネル接合部と電気的に並列接続される。
【０００８】
本発明の一態様に係るＴＭＲ素子によれば、微粒子領域では、金属微粒子が絶縁材料内に分散され、また、当該金属微粒子の多くが互いに接しないので、磁化反転のためのＴＭＲ素子への電流印加をするにもかかわらず、電流は微粒子領域内を殆ど流れない。印加電流が０（アンペア）からある電流値までの電流の範囲では、微粒子領域の電気抵抗値は、磁気トンネル接合部の電気抵抗値より高い。その結果、ＴＭＲ素子への印加電流が、０（アンペア）から上記電流値までの範囲では、磁気トンネル接合部内に電流が流れる一方で、微粒子領域内を流れる電流は、ほぼ０（アンペア）を維持する。
【０００９】
印加電流の大きさが上記電流値に達したときには、微粒子領域でのトンネル効果によって金属微粒子間に電流が流れるようになる。印加電流が上記電流値以上のときには、微粒子領域の電気抵抗値は、磁気トンネル接合部の電気抵抗値より低くなる。その結果、ＴＭＲ素子への印加電流が上記電流値以上の電流範囲では、磁気トンネル接合部内を流れる電流は、増大することなく、ほぼ一定値を維持する。その一方で、微粒子領域内を流れる電流は、印加電流が増大するに従って増大する。
【００１０】
ＴＭＲ素子への印加電流が上記電流値に達して、磁化反転のための電流が磁気トンネル接合部内である電流値を示すと、当該電流値を超えた過大電流は、磁気トンネル接合部を迂回して、当該磁気トンネル接合部と並列接続された微粒子領域内を流れるようになる。磁気トンネル接合部内を流れる電流は、上記電流値を上限とすることができるので、ＴＭＲ素子は、磁気トンネル接合部への過大電流の入力を抑制できる。
【００１１】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、微粒子領域の厚さは、０．２ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下であることができる。これにより、金属微粒子は、効率よく絶縁材料内に分散されて、良好な微粒子領域を形成することができる。
【００１２】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、一の金属微粒子と他の金属微粒子との距離は、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下であることができる。これにより、微粒子領域２０内においてトンネル効果が起こり易くなる。
【００１３】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、金属微粒子の粒径は、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下であることができる。これにより、複数の金属微粒子は、微粒子領域内において、トンネル効果を効率的に起こすことができる。
【００１４】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、金属微粒子は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも一つの元素を含むことができる。これにより、金属微粒子が良好に磁性を有するので、ＴＭＲ素子に占める磁気体積が大きくなって、ＴＭＲ素子の動作が安定化する。
【００１５】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁気トンネル接合部は、参照層と、参照層の上に積層されたトンネルバリア層と、トンネルバリア層の上に積層された磁化自由層とを有することができる。
【００１６】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁化自由層の面積は、トンネルバリア層の面積より小さくなることができる。これにより、ＴＭＲ素子１は、磁気トンネル接合部２の側面４の傾斜に合わせて、磁化反転のための電流が磁気トンネル接合部２を迂回して微粒子領域２０内を流れる面積を調整できる。
【００１７】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁気トンネル接合部の参照層の下に設けられた非磁性層と、非磁性層の下に設けられたピニング層と、ピニング層の下に設けられたコンタクト層と、を更に備え、参照層は、非磁性層を介してピニング層と反強磁性結合を形成し、磁化自由層の面積は、コンタクト層の面積より小さい。これにより、磁化方向が固定されたピニング層１６の磁性強度が大きくなり、また、微粒子領域２０の大きさを調整できる範囲が拡大される。
【００１８】
また、本発明の一態様に係る磁気メモリは、上述のいずれかのＴＭＲ素子を記憶素子として備える。
【００１９】
また、本発明の一態様に係る内蔵型メモリは、上述の磁気メモリを備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、磁気トンネル接合部への過大電流の入力を抑制できるＴＭＲ素子が提供される。また、このＴＭＲ素子を備える磁気メモリ、及び当該磁気メモリを備える内蔵型メモリが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】第１実施形態のＴＭＲ素子を備えるＭＲＡＭの平面断面図である。
【図２】第１実施形態に係るＭＲＡＭの縦断面の模式図である。
【図３】第１実施形態のＭＲＡＭの電気接続を示す図である。
【図４】第１実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図である。
【図５】図５の（ａ）は、第１実施形態に係るＴＭＲ素子への印加電流と磁気トンネル接合部内を流れる電流との関係を示した図である。図５の（ｂ）は、第１実施形態に係るＴＭＲ素子への印加電流と微粒子領域内を流れる電流との関係を示した図である。
【図６】第１実施形態のＴＭＲ素子内の並列接続を示した図である。
【図７】第２実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図である。
【図８】第３実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図である。
【図９】第４実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図である。
【図１０】第５実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図である。
【図１１】第６実施形態に係るＭＲＡＭの縦断面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、各図面において、可能な場合には同一要素には同一符号を用いる。また、図面中の構成要素内及び構成要素間の寸法比は、図面の見易さのため、それぞれ任意となっている。
【００２３】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る垂直磁化型のトンネル磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子）を備える磁気メモリ（Magnetoresistive Random Access Memory, ＭＲＡＭ）の平面断面図であり、図２は、第１実施形態に係るＭＲＡＭの縦断面の模式図である。図１は、図２のＭＲＡＭ１００のＩ−Ｉ線に沿った断面に対応している。なお、図１及びそれ以降の図には、必要に応じて三次元直交座標系Ｒを示している。三次元直交座標系Ｒを用いる場合には、各層の厚さ方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直な２つの直交軸をＸ軸及びＹ軸とする。
【００２４】
図１に示すように、第１実施形態のＭＲＡＭ１００は、ＸＹ平面内にアレイ状（図１では５列５行）に配置された複数のＴＭＲ素子１を有する。複数のＴＭＲ素子１は、それぞれＭＲＡＭ１００の記憶素子として機能する。ＴＭＲ素子１は、詳細は後述するように、積層部ＳＴと、積層部ＳＴを埋め込む側壁部１７とを有する。また、図２に示すように、ＭＲＡＭ１００は、半導体基板５０と、トランジスタアレイ６０と、ビア配線部２５と、層間絶縁層２７と、ワード線ＷＬと、側壁部１７を含むＴＭＲ素子アレイ７０と、上部配線ＵＬと、上部配線ＵＬの上面を覆う絶縁体８０と、を備える。なお、図１及び図２において、ワード線ＷＬを除き、上部配線ＵＬとトランジスタアレイ６０とを接続する他の電気配線の図示は省略されている。
【００２５】
トランジスタアレイ６０は、半導体基板５０のＸＹ平面に沿って延びる主面上に設けられている。ＭＲＡＭ１００は、複数のＴＭＲ素子１をそれぞれ駆動するための、アレイ状に設けられた複数のトランジスタＴ（図３参照）を有する。複数のビア配線部２５及び複数のワード線ＷＬが、トランジスタアレイ６０上に設けられている。各ビア配線部２５は、トランジスタアレイ６０の複数のトランジスタＴの一つと、ＴＭＲ素子アレイ７０の複数のＴＭＲ素子１とを電気的に接続している。複数のビア配線部２５及び複数のワード線ＷＬは、層間絶縁層２７内に埋め込まれており、層間絶縁層２７によって互いに絶縁されている。
【００２６】
図３は、第１実施形態のＭＲＡＭの電気接続を示す図である。図３では、ＴＭＲ素子アレイ７０の複数のＴＭＲ素子１のうち、５個のＴＭＲ素子１に関連する電気接続のみを示している。
【００２７】
図３に示すように、各ＴＭＲ素子１の一端は、各トランジスタＴのドレインＤに電気的に接続され、各ＴＭＲ素子１の他端は、ビット線ＢＬに電気的に接続されている。ビット線ＢＬは、上部配線ＵＬ（図２参照）に含まれている。各トランジスタＴのゲートは、各ワード線ＷＬに電気的に接続され、各トランジスタＴのソースＳは、ソース線ＳＬに電気的に接続されている。各トランジスタＴは、ＭＲＡＭ１００の記憶素子として機能し、１つのトランジスタＴと、それに電気的に接続された１つのトランジスタＴが、１つのメモリセルを構成する。
【００２８】
ＭＲＡＭ１００のメモリセルへのデータの書き込み時には、書き込み対象のＴＭＲ素子１に対応するワード線ＷＬに選択電圧を印加し、そのＴＭＲ素子１をオンにした状態で、書き込むデータ（「１」又は「０」）に対応した極性の電流がそのＴＭＲ素子１を流れるように、ビット線ＢＬとソース線ＳＬ間に電圧を印加する。この際の印加電圧の大きさは、そのＴＭＲ素子１の磁化自由層７（図４参照）に後述のようなスピン注入磁化反転を生じさせ得る大きさに設定する。これにより、そのＴＭＲ素子１の磁化自由層７（図４参照）の磁化方向を書き込むデータに対応した方向に設定する。
【００２９】
ＭＲＡＭ１００のメモリセルのデータの読み出し時には、読み出し対象のＴＭＲ素子１に対応するワード線ＷＬに選択電圧を印加し、そのＴＭＲ素子１をオンにした状態で、ビット線ＢＬとソース線ＳＬ間に書き込み時よりも小さい電圧を印加する。これにより、そのＴＭＲ素子１を経由してビット線ＢＬとソース線ＳＬ間に、そのＴＭＲ素子１に記憶されているデータに応じた大きさの電流が流れるため、その電流値を検出することによってデータの読み出しを行う。
【００３０】
続いて、第１実施形態のＴＭＲ素子１のより詳細な構成について説明する。図４は、第１実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図である。図４は、図２に示すＭＲＡＭ１００の縦断面のうち、一つのＴＭＲ素子近傍の断面を示している。
【００３１】
図４に示すように、ＴＭＲ素子１は、積層部ＳＴと側壁部１７とを備える。積層部ＳＴは、積層方向であるＺ軸方向に積層された複数の層で構成されており、磁気トンネル接合部２を有する。また、例えば、積層部ＳＴは、磁気トンネル接合部２上に設けられたキャップ層１２を有する。磁気トンネル接合部２は、参照層３と、磁化自由層７と、参照層３と磁化自由層７との間に積層方向に積層されたトンネルバリア層５とを有する。一例では、磁気トンネル接合部２において、参照層３の上にトンネルバリア層５が積層され、トンネルバリア層５の上に磁化自由層７が積層される。参照層３は、磁化固定層として機能することができる。ＴＭＲ素子１では、トンネルバリア層５を介して磁化自由層７に流れたスピン偏極電流によって、磁化自由層７の磁化方向を反転させることができる。
【００３２】
磁気トンネル接合部２は、垂直磁化誘起層９を更に含むことができて、垂直磁化誘起層９は、例えば、磁化自由層７に積層方向に沿った方向の磁気異方性を付与する。キャップ層１２は、ＴＭＲ素子１の一端を構成し、キャップ層１２と側壁部１７との上には、例えば、上部電極層３１が設けられる。磁気トンネル接合部２は、キャップ層１２を介して上部電極層３１に電気的に接続され、上部電極層３１は、ビット線ＢＬ（図３参照）に電気的に接続されている。キャップ層１２の厚さは、例えば、４〜１００ｎｍである。
【００３３】
積層部ＳＴは、例えば、参照層３の下に設けられた非磁性層１４と、非磁性層１４の下に設けられたピニング層１６と、ピニング層１６の下に設けられたコンタクト層１８とを更に備える。非磁性層１４は、参照層３とピ二ング層１６とを交換結合する層であり、ピニング層１６は、参照層３の磁化を強く固定する層である。また、コンタクト層１８は、下地層２１とコンタクトし、ピ二ング層１６の結晶化を促進する層である。第１実施形態では、ピニング層１６と、非磁性層１４と、磁気トンネル接合部２と、キャップ層１２とが、メサＭＳ１を構成する。メサＭＳ１は、例えばエッチングといった方法により形成され、当該エッチングをピニング層１６まで行うことによって得られる。ＴＭＲ素子１は、コンタクト層１８の下に、例えば下地層２１を含み、下地層２１の下に、例えば、下部電極層３２が設けられる。下部電極層３２は、下地層２１、コンタクト層１８、ピニング層１６、非磁性層１４、磁気トンネル接合部２、及びキャップ層１２を介して、上部電極層３１に電気的に接続される。
【００３４】
側壁部１７は、磁気トンネル接合部２の側面４を覆っており、絶縁材料を含む。また、側壁部１７は、積層部ＳＴの側面を覆い、ＴＭＲ素子１の積層部ＳＴと、他のＴＭＲ素子の積層部とを電気的に絶縁している。絶縁材料は、例えば、ＳｉＮ（窒化シリコン）等の窒化物材料、ＳｉＯＮ等の酸窒化物材料、ＴａＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ、ＡｌＳｉＯである。ビア配線部２５及び下地層２１の側面には、例えば、層間絶縁層２７が設けられる。
【００３５】
磁気トンネル接合部２において、トンネルバリア層５は、磁化自由層７のうち、磁化自由層７とトンネルバリア層５との界面近傍の領域に、Ｚ軸方向に沿った磁気異方性（垂直磁気異方性）を誘起する材料で構成されることができる。これにより、垂直磁化誘起層９と共に、磁化自由層７にＺ軸に沿った方向（垂直方向）の磁気異方性を付与する。ただし、垂直磁化誘起層９の働き等によって磁化自由層７の磁化容易軸を十分に安定してＺ軸に沿った方向に向けることができれば、トンネルバリア層５は、磁化自由層７に垂直磁気異方性を誘起しない材料で構成されていてもよい。
【００３６】
磁化自由層７の磁化容易軸はＺ軸に沿った方向に設定されており、参照層３の磁化方向はＺ軸方向に沿った方向に実質的に固定されているので、磁化自由層７が外部磁場やＳＴＴの影響を実質的に受けていないときには、参照層３の磁化方向と磁化自由層７の磁化方向は、平行又は反平行となる。これらが平行な状態の積層部ＳＴと反平行な状態の積層部ＳＴは、互いにＺ軸方向に沿った電気抵抗値が異なるため、これらの２つの状態が、ＭＲＡＭ１００のメモリセルのデータである「１」及び「０」にそれぞれ対応している。
【００３７】
磁化自由層７の磁化方向の反転（即ち、ＭＲＡＭ１００においては、メモリセルへのデータの書き込み）は、スピン注入磁化反転によって行われる。具体的には、磁化自由層７の磁化方向を、参照層３の磁化方向と反平行の状態から平行な状態に反転させる場合、磁化自由層７から参照層３に向かう方向にトンネルバリア層５内にトンネル電流が流れるように（即ち、スピン偏極電子が参照層３から磁化自由層７に向かって移動するように）、積層部ＳＴのＺ軸方向の一端と他端間に電圧を印加する。これにより、磁化自由層７は、その磁化方向が参照層３の磁化方向と反平行の状態から平行な状態に向かって回転する方向のスピントランスファートルクをスピン偏極電子から受ける。当該電圧の大きさを、スピン注入磁化反転が起きる閾値以上にすることにより、磁化自由層７の磁化方向が反転する。
【００３８】
反対に、磁化自由層７の磁化方向を、参照層３の磁化方向と平行の状態から反平行な状態に反転させる場合、参照層３から磁化自由層７に向かう方向にトンネルバリア層５内にトンネル電流が流れるように（即ち、スピン偏極電子が磁化自由層７から参照層３に向かって移動するように）、積層部ＳＴのＺ軸方向の一端と他端間に電圧を印加する。これにより、磁化自由層７は、その磁化方向が参照層３の磁化方向と平行の状態から反平行な状態に向かって回転する方向のスピントランスファートルクをスピン偏極電子から受ける。当該電圧の大きさを、スピン注入磁化反転が起きる閾値以上にすることにより、磁化自由層７の磁化方向が反転する。
【００３９】
第１実施形態において、ＴＭＲ素子１は、微粒子領域２０を備える。微粒子領域２０は、側壁部１７内に設けられ、絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された磁性金属微粒子２３とを含み、グラニュラー構造を有する。微粒子領域２０に含まれる絶縁材料は、側壁部１７に含まれる絶縁材料と同一であることができる。微粒子領域２０は、例えば、スパッタ法といった方法によって、側壁部１７を構成する絶縁材料内に磁性金属元素を分散させて形成される。
【００４０】
微粒子領域２０は、メサＭＳ１の外側において側壁部１７内を延在し、また、例えば、微粒子領域２０の上端２２は、上部電極層３１に接し、微粒子領域２０の上端２２の下端２４は、下部電極層３２に電気的に接続されるコンタクト層１８に接する。上部電極層３１は、微粒子領域２０を介して、下部電極層３２に電気的に接続されることができて、微粒子領域２０は、磁気トンネル接合部２と電気的に並列接続される。
【００４１】
図５の（ａ）は、第１実施形態に係るＴＭＲ素子への印加電流と磁気トンネル接合部内を流れる電流との関係を示した図であり、図５の（ｂ）は、第１実施形態に係るＴＭＲ素子への印加電流と微粒子領域内を流れる電流との関係を示した図である。
【００４２】
図５の（ａ）に示されるように、ＴＭＲ素子１への印加電流Ｉ０が０（アンペア）からＩｓ（アンペア）の範囲では、磁気トンネル接合部２内を流れる電流Ｉは、印加電流Ｉ０が増大するに従って次第に増大する。印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓ（アンペア）のときには、磁気トンネル接合部２内を流れる電流は、電流値Ｉｔ（アンペア）を示す。印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓ（アンペア）以上の範囲では、磁気トンネル接合部２内を流れる電流Ｉは、電流値Ｉｔ（アンペア）をほぼ上限として、電流値Ｉｔ（アンペア）及びその近傍値を維持する。電流値Ｉｔ（アンペア）は、磁気トンネル接合部２を破壊しない電流の最大値又はその最大値を下回る電流値であることができる。印加電流Ｉ０が０（アンペア）から−Ｉｓ（アンペア）の範囲でも、当該印加電流Ｉ０と電流Ｉとの関係は、印加電流Ｉ０が０（アンペア）からＩｓ（アンペア）の範囲における印加電流Ｉ０と電流Ｉとの関係と同様である。
【００４３】
図５の（ｂ）に示されるように、ＴＭＲ素子１への印加電流Ｉ０が、０（アンペア）からＩｓ（アンペア）の範囲では、微粒子領域２０内を流れる電流Ｊは、印加電流Ｉ０が増大しても、ほぼ０（アンペア）を維持する。一方、印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓ（アンペア）に達したとき、微粒子領域２０内を流れる電流Ｊは、０（アンペア）より大きな値を有するようになる。印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓ（アンペア）より大きな電流範囲では、微粒子領域２０内を流れる電流Ｊは、印加電流Ｉ０が増大するに従って増大する。印加電流Ｉ０が−Ｉｓ（アンペア）より大きな電流範囲でも、当該印加電流Ｉ０と電流Ｊとの関係は、印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓ（アンペア）より大きな電流範囲における印加電流Ｉ０と電流Ｊとの関係と同様である。
【００４４】
微粒子領域２０では、磁性金属微粒子が絶縁材料内に分散され、また、当該磁性金属微粒子の多くが互いに接しないので、印加電流Ｉ０が０（アンペア）からある電流値までの電流の範囲では、磁化反転のためのＴＭＲ素子１への電流印加を行うにもかかわらず、電流は微粒子領域２０内を殆ど流れない。印加電流Ｉ０が０（アンペア）から上記電流値までの電流の範囲では、微粒子領域２０の電気抵抗値は、磁気トンネル接合部２の電気抵抗値より高い。その結果、図５の（ａ）及び図５の（ｂ）に示されるように、ＴＭＲ素子１への印加電流Ｉ０が、０（アンペア）から上記電流値、すなわちＩｓ（アンペア）までの範囲では、磁気トンネル接合部２内に電流Ｉが流れる一方で、微粒子領域２０内を流れる電流Ｊは、ほぼ０（アンペア）を維持する。
【００４５】
印加電流Ｉ０の大きさが電流値Ｉｓに達したときには、微粒子領域２０でのトンネル効果によって磁性金属微粒子２３の粒子間に電流が流れるようになる。印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓ以上のときには、微粒子領域２０の電気抵抗値は、磁気トンネル接合部２の電気抵抗値より低くなる。その結果、図５の（ａ）及び図５の（ｂ）に示されるように、ＴＭＲ素子１への印加電流Ｉ０が、Ｉｓ（アンペア）以上の電流範囲では、磁気トンネル接合部２内を流れる電流Ｉは、増大することなく、ほぼ一定値を維持する。その一方で、微粒子領域２０内を流れる電流Ｊは、印加電流Ｉ０が増大するに従って増大する。
【００４６】
図５の（ａ）及び図５の（ｂ）は、ＴＭＲ素子１への印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓに達して、磁化反転のための電流の大きさが磁気トンネル接合部２内で電流値Ｉｔになると、この電流値Ｉｔを超えた過大電流は、磁気トンネル接合部２を迂回して、当該磁気トンネル接合部２と並列接続された微粒子領域２０内を流れることを示している。磁気トンネル接合部２内を流れる電流Ｉは、電流値Ｉｔを上限とすることができるので、ＴＭＲ素子１は、磁気トンネル接合部２への過大電流の入力を抑制できる。印加電流のＩｓは、スピン注入磁化反転によって磁化自由層７の磁化方向が反転する閾値以上であって、磁気トンネル接合部２を破壊する電流を下回る値であることができる。一例では、印加電流値のＩｓは、例えば、５〜５０ミリアンペアである。
【００４７】
図６は、第１実施形態のＴＭＲ素子内の並列接続を示した図であり、微粒子領域２０と磁気トンネル接合部２とが、互いに上部電極層３１と下部電極層３２とに電気的に並列接続されている。図６に示されるように、微粒子領域２０内では、複数の磁性金属微粒子２３が分散して存在している。この分散によって、ＴＭＲ素子１への印加電流Ｉ０が増大しても、電流値Ｉｓまでの電流範囲では、微粒子領域２０内を流れる電流Ｊは、ほぼ０（アンペア）である。一方、印加電流Ｉ０が電流値Ｉｓを超えたときには、互いに近接する磁性金属微粒子２３の粒子間、例えば、磁性金属微粒子２３ａ及び磁性金属微粒子２３ｂといった粒子間において、トンネル効果による電流Ｊが流れるようになる。微粒子領域２０内を電流Ｊが流れるようになるので、磁気トンネル接合部２内を流れる電流Ｉは、増大しないで電流値Ｉｔを維持する。ＴＭＲ素子１では、電流値Ｉｔを超えた過大電流は、磁気トンネル接合部２を流れないで、磁気トンネル接合部２を迂回した電流Ｊが、微粒子領域２０内を流れるようになる。
【００４８】
再び図４を参照する。図４に示されるように、微粒子領域２０は、外側部２６と内側部２８とを有する。微粒子領域２０の内側部２８から磁気トンネル接合部２の側面４までの距離Ｄ１、積層方向に交差する方向（Ｘ軸方向）に、例えば、１ｎｍ以上、かつ、２０ｎｍ以下である。磁気トンネル接合部２の側面４は、当該側面４と微粒子領域２０の内側部２８との間に、側壁部１７の絶縁材料を有し、磁気トンネル接合部２は、微粒子領域２０と並列して、上部電極層３１と下部電極層３２とに電気的に接続されることができる。
【００４９】
微粒子領域２０の厚さＷ１は、０．２ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下であることができる。これにより、磁性金属微粒子は、効率よく絶縁材料内に分散されて、良好な微粒子領域を形成することができる。微粒子領域２０の厚さＷ１は、例えば、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下であってもよい。これにより、磁性金属微粒子は、より効率よく絶縁材料内に分散されて、より良好な微粒子領域を形成することができる。
【００５０】
微粒子領域２０においては、一の磁性金属微粒子２３と他の磁性金属微粒子２３との距離Ｐ１は（図６参照）、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下であることができる。この距離Ｐ１は、例えば、一の磁性金属微粒子２３ａと、当該一の磁性金属微粒子２３ａに最も近い位置に分散された他の磁性金属微粒子２３ｂとの距離である。ＴＭＲ素子１では、この粒子間の距離によって、微粒子領域２０内においてトンネル効果が起こり易くなる。一の磁性金属微粒子と他の磁性金属微粒子との距離は、０．２ｎｍ以上、かつ、５ｎｍ以下であってもよい。これにより、微粒子領域２０内においてトンネル効果がより起こり易くなる。
【００５１】
微粒子領域２０がスパッタ法によって形成されるときには、例えば、磁性金属微粒子の形成速度を調整することにより、形成される磁性金属微粒子間の距離Ｐ１を変更することができる。磁性金属微粒子の形成速度は、例えば、電圧、ガス圧力によって調整される。磁性金属微粒子間の距離Ｐ１が、例えば０．２ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下であるためには、スパッタ電圧は、例えば０．５〜２キロボルトであり、スパッタ時間は、例えば１〜１０秒である。また、スパッタのガス圧力は、例えば０．１Ｐａ〜２０Ｐａである。
【００５２】
磁性金属微粒子の粒径は、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下であることができる。これにより、複数の磁性金属微粒子は、微粒子領域内において、トンネル効果を効率的に起こすことができる。磁性金属微粒子の粒径は、３ｎｍ以上、かつ、５ｎｍ以下であってもよい。これにより、複数の磁性金属微粒子は、微粒子領域内において、トンネル効果をより効率的に起こすことができる。
【００５３】
第１実施形態において、磁性金属微粒子２３の粒径が、例えば、粒径が０．２ｎｍ以上かつ１０ｎｍ以下であるためには、スパッタ電圧は、例えば１〜２キロボルトであり、スパッタ時間は、例えば１〜１０秒である。また、スパッタガス圧力は、例えば０．１Ｐａ〜１Ｐａである。
【００５４】
磁性金属微粒子は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも一つの元素を含むことができる。これにより、磁性金属微粒子が良好に磁性を有するので、ＴＭＲ素子１に占める磁気体積が大きくなって、ＴＭＲ素子１の動作が安定化する。
【００５５】
第１実施形態では、磁気トンネル接合部２において、参照層３は、Ｃｏ、Ｃｏ-Ｆｅ合金、Ｃｏ-Ｆｅ-Ｂ合金等の強磁性材料で構成されている。参照層３の磁化方向は、Ｚ軸方向に沿った方向に実質的に固定されている。参照層３のＺ軸方向の厚さは、例えば３ｎｍ以上、１０ｎｍ以下とすることができる。また、参照層３は、各磁性層の磁化方向が垂直方向となるように、例えばＣｏ／ＰｔやＣｏ／Ｎｉなどの多層膜が繰り返し積層された構造を有することができる。
【００５６】
さらに、参照層３は、ＲｕやＩｒなどの薄膜を介したＲＫＫＹ相互作用を用いて、参照層３内で生じる磁界を相殺する構造を有することができる。この構造は、合成反強磁性（Synthetic Anti-Ferromagnet、ＳＡＦ）構造、即ち、強磁性材料で構成される２つの強磁性層と、当該２つの強磁性層の間に積層された非磁性層を有し、当該非磁性層を介して当該２つの強磁性層の磁化方向がＲＫＫＹ相互作用に基づく交換結合によって互いに反平行に結合している構造である。
【００５７】
トンネルバリア層５は、絶縁材料で構成されている。トンネルバリア層５は、垂直磁化誘起層９と同様の原理に基づき、磁化自由層７に垂直磁気異方性を誘起するように構成されていることが好ましい。磁化自由層７の垂直磁化がより安定し、磁化自由層７の膜厚を厚くすることが可能となるためである。磁化自由層７に垂直磁気異方性を誘起し得るトンネルバリア層５を構成する材料としては、例えば、ＭｇＯ、ＺｎＯ、ＧａＯＸ又は一般式：ＡＢ２Ｏ４（式中、ＡはＭｇ及びＺｎからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Ｂは、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種の元素である）で表されるスピネル構造を有する酸化物材料等の酸化物材料を挙げることができる。
【００５８】
ただし、トンネルバリア層５は、磁化自由層７に垂直磁気異方性を誘起しないように構成されていてもよい。この場合、トンネルバリア層５は、ＡｌＮＸ、Ｃｕ（Ｉｎ０．８Ｇａ０．２）Ｓｅ２等で構成されることができる。
【００５９】
トンネルバリア層５では、参照層３及び磁化自由層７間に電圧が印加された際、Ｚ軸方向に沿ってトンネルバリア層５にトンネル電流が流れる程度にＺ軸方向の厚さが薄い。トンネルバリア層５のＺ軸方向の厚さは、例えば、１ｎｍ以上、３ｎｍ以下とすることができる。
【００６０】
磁化自由層７は、Ｆｅ、Ｃｏ-Ｆｅ、Ｃｏ-Ｆｅ-Ｂ及び強磁性のホイスラー合金等の強磁性材料で構成される。磁化自由層７の磁化方向は、実質的に固定されていない。
【００６１】
磁化自由層７のＺ軸方向に沿った厚さは、上述のようなトンネルバリア層５及び垂直磁化誘起層９の磁気異方性を付与する機能によって、磁化自由層７の磁化容易軸が安定してＺ軸に沿った方向となる程度に薄い。当該厚さは、例えば１ｎｍ以上、３ｎｍ以下とすることができる。
【００６２】
垂直磁化誘起層９は、例えば、ＭｇＯ、ＺｎＯ、Ｇａ２Ｏ３又は一般式：ＡＢ２Ｏ４（式中、ＡはＭｇ及びＺｎからなる群より選択される少なくとも一種の元素であり、Ｂは、Ａｌ、Ｇａ及びＩｎからなる群より選択される少なくとも一種の元素である）で表されるスピネル構造を有する酸化物材料で構成されている。
【００６３】
垂直磁化誘起層９は、トンネルバリア層５よりも、ＸＹ面内の単位面積当たりのＺ軸方向に沿った抵抗値が小さくなるように構成されていることが好ましい。特に、垂直磁化誘起層９が絶縁材料で構成されている場合、垂直磁化誘起層９のＺ軸方向の厚さは、トンネルバリア層５のＺ軸方向の厚さよりも薄いことが好ましい。
【００６４】
垂直磁化誘起層９は、磁化自由層７のうち、磁化自由層７と垂直磁化誘起層９との界面近傍の領域に、スピン・軌道相互作用に基づいて、Ｚ軸に沿った方向の磁気異方性（垂直磁気異方性）を誘起する材料で構成されている。これにより、トンネルバリア層５と共に、磁化自由層７にＺ軸に沿った方向（垂直方向）の磁気異方性を付与する。
【００６５】
なお、磁気トンネル接合部２は、垂直磁化誘起層９を含んでいなくてもよい。その場合、参照層３の磁化方向は、積層方向に交差する方向（面内方向、即ちＸＹ平面に平行な方向）に沿って固定され、磁化自由層７の磁化容易軸は、面内方向に沿って設定されていてもよい。
【００６６】
ＴＭＲ素子１では、非磁性層１４は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒといった材料で構成され、非磁性層１４の厚さは、例えば、０．２〜３ｎｍである。ピニング層１６は、例えば、ＣｏＦｅＢ、Ｃｏといった材料で構成され、ピニング層１６の厚さは、例えば、２〜２０ｎｍである。コンタクト層１８は、例えば、Ｒｕ、Ｔａといった材料で構成され、コンタクト層１８の厚さは、例えば、２〜２０ｎｍである。上部電極層３１は、例えば、Ａｌ及び／又はＣｕといった元素を含み、下部電極層３２は、例えば、Ａｌ及び／又はＣｕといった元素を含む。
【００６７】
第１実施形態では、磁気トンネル接合部２において、例えば、参照層３、トンネルバリア層５及び磁化自由層７がこの順に上側（Ｚ軸方向）に積層され、磁化自由層７は、参照層３及びトンネルバリア層５より上側に位置する。また、例えば、参照層３から磁化自由層７に向かうに従って、磁気トンネル接合部２の幅が単調に減少するような傾斜を有する。磁化自由層７の面積は、トンネルバリア層５の面積より小さくなることができる。これにより、ＴＭＲ素子１は、磁気トンネル接合部２の側面４の傾斜に合わせて、磁化反転のための電流が磁気トンネル接合部２を迂回して微粒子領域２０内を流れる面積を調整できる。
【００６８】
また、磁気トンネル接合部２では、例えば、参照層３は、磁化自由層７及びトンネルバリア層５より下側に位置することができる。非磁性層１４の下にピニング層１６が設けられ、ピニング層１６の下にコンタクト層１８が設けられるので、参照層３は、非磁性層１４を介してピニング層１６と反強磁性結合を形成することができる。これにより、磁化方向が固定されたピニング層１６の磁性強度が大きくなる。また、磁化自由層７の面積は、コンタクト層１８の面積より小さくなることができる。これにより、微粒子領域２０の大きさを調整できる範囲が拡大される。
【００６９】
ＴＭＲ素子１において、ビア配線部２５は、導電性の材料で構成されており、例えば、Ｃｕ等の金属で構成されている。下地層２１は、導電性の材料からなり、例えば導電性酸化物、導電性窒化物、導電性酸窒化物、又はシリサイドで構成されている。そのため、第１実施形態のＴＭＲ素子１の一端である参照層３の下面は、下地層２１及びビア配線部２５を介してトランジスタＴのドレインＤ（図３参照）に電気的に接続されている。
【００７０】
下地層２１は、積層部ＳＴの各層、特にトンネルバリア層５の平坦性を向上させるために設けられているので、下地層２１の上面の平坦性は、ビア配線部２５の上面の平坦性よりも高くなっている。下地層２１の上面は、高い平坦性を有してＸＹ平面に沿って延びており、その上面に積層部ＳＴが形成されている。ビア配線部２５及び下地層２１は、層間絶縁層２７に埋め込まれており、層間絶縁層２７によって、他のＴＭＲ素子１に電気的に接続されたビア配線部及び下地層から電気的に絶縁されている。
【００７１】
（第２実施形態）
図７は、第２実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図であり、第１実施形態の図４に対応する。第２実施形態のＴＭＲ素子１ｐは、磁気トンネル接合部２ｐと、磁気トンネル接合部２ｐの側面４ｐを覆う側壁部１７ｐとを有する。磁気トンネル接合部２ｐは、例えば、参照層３ｐと、参照層３ｐ上のトンネルバリア層５ｐと、トンネルバリア層５ｐ上の磁化自由層７ｐとを有する。磁気トンネル接合部２ｐの上には、例えば、キャップ層１２ｐが設けられる。第２実施形態では、トンネルバリア層５ｐと、磁化自由層７ｐと、キャップ層１２ｐとがメサＭＳ２を構成する。メサＭＳ２は、例えばエッチングといった方法により形成され、当該エッチングをトンネルバリア層５ｐまで行うことによって得られる。メサＭＳ２は、例えば、当該メサＭＳ２の幅が下層から上層に向かうに従って単調に減少するような傾斜を有する。
【００７２】
ＴＭＲ素子１ｐでは、キャップ層１２ｐと側壁部１７ｐとの上に、例えば、上部電極層３１ｐが設けられる。また、参照層３ｐの下に、例えば下地層２１ｐが設けられ、下地層２１ｐの下に、例えば、下部電極層３２ｐが設けられる。下部電極層３２ｐは、例えば、下地層２１ｐ、参照層３ｐ、トンネルバリア層５ｐ、磁化自由層７ｐ、及びキャップ層１２ｐを介して、上部電極層３１ｐに電気的に接続される。側壁部１７ｐは、絶縁材料を含む。
【００７３】
側壁部１７ｐ内には微粒子領域２０ｐが設けられ、微粒子領域２０ｐは、絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された磁性金属微粒子２３ｐとを含み、グラニュラー構造を有する。微粒子領域２０ｐの絶縁材料は、例えば、側壁部１７ｐの絶縁材料と同一である。微粒子領域２０ｐは、メサＭＳ２の外側において側壁部１７ｐ内を延在する。また、例えば、微粒子領域２０ｐの上端２２ｐは、上部電極層３１ｐに接し、微粒子領域２０ｐの下端２４ｐは、下部電極層３２ｐに電気的に接続される参照層３ｐに接する。上部電極層３１ｐは、微粒子領域２０ｐを介して、下部電極層３２ｐに電気的に接続されることができて、微粒子領域２０ｐは、磁気トンネル接合部２ｐと電気的に並列接続される。微粒子領域２０ｐの内側部２８ｐと磁気トンネル接合部２ｐの側面４ｐとに間には、側壁部１７ｐが含まれている。
【００７４】
（第３実施形態）
図８は、第３実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図であり、第１実施形態の図４に対応する。第３実施形態のＴＭＲ素子１ｑは、磁気トンネル接合部２ｑと、磁気トンネル接合部２ｑの側面４ｑを覆う側壁部１７ｑとを有する。磁気トンネル接合部２ｑは、例えば、参照層３ｑと、参照層３ｑ上のトンネルバリア層５ｑと、トンネルバリア層５ｑ上の磁化自由層７ｑとを有する。磁気トンネル接合部２ｑの上には、例えば、キャップ層１２ｑが設けられる。第３実施形態では、トンネルバリア層５ｑの一部と、磁化自由層７ｑと、キャップ層１２ｑとがメサＭＳ３を構成する。メサＭＳ３は、例えばエッチングといった方法により形成され、当該エッチングをトンネルバリア層５ｑの途中まで行うことによって得られる。メサＭＳ３は、例えば、当該メサＭＳ３の幅が下層から上層に向かうに従って単調に減少するような傾斜を有する。
【００７５】
ＴＭＲ素子１ｑでは、キャップ層１２ｑと側壁部１７ｑとの上に、例えば、上部電極層３１ｑが設けられる。また、参照層３ｑの下に、例えば下地層２１ｑが設けられ、下地層２１ｑの下に、例えば、下部電極層３２ｑが設けられる。下部電極層３２ｑは、例えば、下地層２１ｑ、参照層３ｑ、トンネルバリア層５ｑ、磁化自由層７ｑ、及びキャップ層１２ｑを介して、上部電極層３１ｑに電気的に接続される。側壁部１７ｑは、絶縁材料を含む。
【００７６】
側壁部１７ｑ内には微粒子領域２０ｑが設けられ、微粒子領域２０ｑは、絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された磁性金属微粒子２３ｑとを含み、グラニュラー構造を有する。微粒子領域２０ｑの絶縁材料は、例えば、側壁部１７ｑの絶縁材料と同一である。微粒子領域２０ｑは、メサＭＳ３の外側において側壁部１７ｑ内を延在する。また、例えば、微粒子領域２０ｑの上端２２ｑは、上部電極層３１ｑに接し、微粒子領域２０ｑの下端２４ｑは、下部電極層３２ｑに電気的に接続されるトンネルバリア層５ｑに接する。上部電極層３１ｑは、微粒子領域２０ｑを介して、下部電極層３２ｑに電気的に接続されることができて、微粒子領域２０ｑは、磁気トンネル接合部２ｑと電気的に並列接続される。微粒子領域２０ｑの内側部２８ｑと磁気トンネル接合部２ｑの側面４ｑとに間には、側壁部１７ｑが含まれている。
【００７７】
（第４実施形態）
図９は、第４実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図であり、第１実施形態の図４に対応する。第４実施形態のＴＭＲ素子１ｒは、磁気トンネル接合部２と、磁気トンネル接合部２ｒの側面４ｒを覆う側壁部１７ｒとを有する。磁気トンネル接合部２ｒは、例えば、参照層３ｒと、参照層３ｒ上のトンネルバリア層５ｒと、トンネルバリア層５ｒ上の磁化自由層７ｒとを有する。磁気トンネル接合部２ｒの上には、例えば、キャップ層１２ｒが設けられる。第４実施形態では、磁化自由層７ｒとキャップ層１２ｒとがメサＭＳ４を構成する。メサＭＳ４は、例えばエッチングといった方法により形成され、当該エッチングを磁化自由層７ｒまで行うことによって得られる。メサＭＳ４は、例えば、当該メサＭＳ４の幅が下層から上層に向かうに従って単調に減少するような傾斜を有する。
【００７８】
ＴＭＲ素子１ｒでは、キャップ層１２ｒと側壁部１７ｒとの上に、例えば、上部電極層３１ｒが設けられる。また、参照層３ｒの下に、例えば下地層２１ｒが設けられ、下地層２１ｒの下に、例えば、下部電極層３２ｒが設けられる。下部電極層３２ｒは、例えば、下地層２１ｒ、参照層３ｒ、トンネルバリア層５ｒ、磁化自由層７ｒ、及びキャップ層１２ｒを介して、上部電極層３１ｒに電気的に接続される。側壁部１７ｒは、絶縁材料を含む。
【００７９】
側壁部１７ｒ内には微粒子領域２０ｒが設けられ、微粒子領域２０ｒは、絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された磁性金属微粒子２３ｒとを含み、グラニュラー構造を有する。微粒子領域２０ｒの絶縁材料は、例えば、側壁部１７ｒの絶縁材料と同一である。微粒子領域２０ｒは、メサＭＳ４の外側において側壁部１７ｒ内を延在する。また、例えば、微粒子領域２０ｒの上端２２ｒは、上部電極層３１ｒに接し、微粒子領域２０ｒの下端２４ｒは、下部電極層３２ｒに電気的に接続されるトンネルバリア層５ｒに接する。上部電極層３１ｒは、微粒子領域２０ｒを介して、下部電極層３２ｒに電気的に接続されることができて、微粒子領域２０ｒは、磁気トンネル接合部２ｒと電気的に並列接続される。微粒子領域２０ｒの内側部２８ｒと磁気トンネル接合部２ｒの側面４ｒとに間には、側壁部１７ｒが含まれている。
【００８０】
（第５実施形態）
図１０は、第５実施形態のＭＲＡＭのＴＭＲ素子近傍の断面図であり、第１実施形態の図４に対応する。第４実施形態のＴＭＲ素子１ｓは、磁気トンネル接合部２と、磁気トンネル接合部２ｓの側面を覆う側壁部１７ｓとを有する。磁気トンネル接合部２ｓは、例えば、参照層３ｓと、参照層３ｓ上のトンネルバリア層５ｓと、トンネルバリア層５ｓ上の磁化自由層７ｓとを有する。磁気トンネル接合部２ｓの上には、例えば、キャップ層１２ｓが設けられ、キャップ層１２ｓの上には、例えば、伝導層３３ｓが更に設けられる。第５実施形態では、トンネルバリア層５ｓの一部と、磁化自由層７ｓと、キャップ層１２ｓと、伝導層３３ｓとがメサＭＳ５を構成する。メサＭＳ５は、例えばエッチングといった方法により形成され、当該エッチングをトンネルバリア層５ｓの途中まで行うことによって得られる。メサＭＳ５は、例えば、当該メサＭＳ５の幅が下層から上層に向かうに従って単調に減少するような傾斜を有する。伝導層３３ｓは、例えば、Ｒｕ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮといった材料を含み、また、伝導層３３ｓの厚さは、例えば、２〜５０ｎｍである。
【００８１】
ＴＭＲ素子１ｓでは、キャップ層１２ｓと側壁部１７ｓとの上に、例えば、上部電極層３１ｓが設けられる。また、参照層３ｓの下に、例えば下地層２１ｓが設けられ、下地層２１ｓの下に、例えば、下部電極層３２ｓが設けられる。下部電極層３２ｓは、下地層２１ｓ、参照層３ｓ、トンネルバリア層５ｓ、磁化自由層７ｓ、キャップ層１２ｓ、及び伝導層３３ｓを介して、上部電極層３１ｓに電気的に接続される。側壁部１７ｓは、絶縁材料を含む。
【００８２】
側壁部１７ｓ内には微粒子領域２０ｓが設けられ、微粒子領域２０ｓは、絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された磁性金属微粒子２３ｓとを含み、グラニュラー構造を有する。微粒子領域２０ｓの絶縁材料は、例えば、側壁部１７ｓの絶縁材料と同一である。微粒子領域２０ｓは、メサＭＳ５の外側において側壁部１７ｓ内を延在し、また、例えば、微粒子領域２０ｓの上端２２ｓは、上部電極層３１ｓに接し、微粒子領域２０ｓの下端２４ｓは、下部電極層３２ｓに電気的に接続されるトンネルバリア層５ｓに接する。上部電極層３１ｓは、微粒子領域２０ｓを介して、下部電極層３２ｓに電気的に接続されることができるので、微粒子領域２０ｓは、磁気トンネル接合部２ｓと電気的に並列接続される。微粒子領域２０ｓの内側部２８ｓと磁気トンネル接合部２ｓの側面４ｓとに間には、側壁部１７ｓが含まれている。
【００８３】
（第６実施形態）
図１１は、第６実施形態に係るＭＲＡＭの縦断面の模式図である。第６実施形態に係るＭＲＡＭ１００ｔは、プロセッサー９０をさらに備える点において、第１実施形態の基本態様のＭＲＡＭ１００と異なる。ＭＲＡＭ１００ｔにおいて、プロセッサー９０の回路作成の工程に組み込まれる形で、ＭＲＡＭ部分も作成されているため、プロセッサー９０とＭＲＡＭ１００ｂのＭＲＡＭ部分とは統合されている。そのため、ＭＲＡＭ１００ｔは、内蔵型メモリとなる。これにより、プロセッサー９０とＭＲＡＭ部分とのデータのやり取りが高速化される。ＭＲＡＭ１００ｔは、第１実施形態から第５実施形態までに示したＴＭＲ素子を含むことができる。
【００８４】
以上説明したように、上述の課題を解決するため、本発明の一態様に係るトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）素子は、磁気トンネル接合部と、磁気トンネル接合部の側面を覆う側壁部と、側壁部内に設けられた微粒子領域と、を備え、側壁部は、絶縁材料を含み、微粒子領域は、上記絶縁材料と、当該絶縁材料内に分散された磁性金属微粒子とを含み、微粒子領域は、磁気トンネル接合部と電気的に並列接続される。
【００８５】
本発明の一態様に係るＴＭＲ素子によれば、微粒子領域では、磁性金属微粒子が絶縁材料内に分散され、また、当該磁性金属微粒子の多くが互いに接しないので、磁化反転のためのＴＭＲ素子への電流印加をするにもかかわらず、電流は微粒子領域内を殆ど流れない。印加電流が０（アンペア）からある電流値までの電流の範囲では、微粒子領域の電気抵抗値は、磁気トンネル接合部の電気抵抗値より高い。その結果、ＴＭＲ素子への印加電流が、０（アンペア）から上記電流値までの範囲では、磁気トンネル接合部内に電流が流れる一方で、微粒子領域内を流れる電流は、ほぼ０（アンペア）を維持する。
【００８６】
印加電流の大きさが上記電流値に達したときには、微粒子領域でのトンネル効果によって磁性金属微粒子間に電流が流れるようになる。印加電流が上記電流値以上のときには、微粒子領域の電気抵抗値は、磁気トンネル接合部の電気抵抗値より低くなる。その結果、ＴＭＲ素子への印加電流が上記電流値以上の電流範囲では、磁気トンネル接合部内を流れる電流は、増大することなく、ほぼ一定値を維持する。その一方で、微粒子領域内を流れる電流は、印加電流が増大するに従って増大する。
【００８７】
ＴＭＲ素子への印加電流が上記電流値に達して、磁化反転のための電流が磁気トンネル接合部内である電流値を示すと、当該電流値を超えた過大電流は、磁気トンネル接合部を迂回して、当該磁気トンネル接合部と並列接続された微粒子領域内を流れるようになる。磁気トンネル接合部内を流れる電流は、上記電流値を上限とすることができるので、ＴＭＲ素子は、磁気トンネル接合部への過大電流の入力を抑制できる。
【００８８】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、微粒子領域の厚さは、０．２ｎｍ以上、かつ、５０ｎｍ以下であることができる。これにより、磁性金属微粒子は、効率よく絶縁材料内に分散されて、良好な微粒子領域を形成することができる。
【００８９】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、一の磁性金属微粒子と他の磁性金属微粒子との距離は、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下であることができる。これにより、微粒子領域２０内においてトンネル効果が起こり易くなる。
【００９０】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁性金属微粒子の粒径は、０．２ｎｍ以上、かつ、１０ｎｍ以下であることができる。これにより、複数の磁性金属微粒子は、微粒子領域内において、トンネル効果を効率的に起こすことができる。
【００９１】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁性金属微粒子は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉからなる群から選択される少なくとも一つの元素を含むことができる。これにより、磁性金属微粒子が良好に磁性を有するので、ＴＭＲ素子に占める磁気体積が大きくなって、ＴＭＲ素子の動作が安定化する。
【００９２】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁気トンネル接合部は、参照層と、参照層の上に積層されたトンネルバリア層と、トンネルバリア層の上に積層された磁化自由層とを有することができる。
【００９３】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁化自由層の面積は、トンネルバリア層の面積より小さくなることができる。これにより、ＴＭＲ素子１は、磁気トンネル接合部２の側面４の傾斜に合わせて、磁化反転のための電流が磁気トンネル接合部２を迂回して微粒子領域２０内を流れる面積を調整できる。
【００９４】
さらに、本発明の一態様に係るＴＭＲ素子において、磁気トンネル接合部の参照層の下に設けられた非磁性層と、非磁性層の下に設けられたピニング層と、ピニング層の下に設けられたコンタクト層と、を更に備え、参照層は、非磁性層を介してピニング層と反強磁性結合を形成し、磁化自由層の面積は、コンタクト層の面積より小さい。これにより、磁化方向が固定されたピニング層１６の磁性強度が大きくなり、また、微粒子領域２０の大きさを調整できる範囲が拡大される。
【００９５】
また、本発明の一態様に係る磁気メモリは、上述のいずれかのＴＭＲ素子を記憶素子として備える。
【００９６】
また、本発明の一態様に係る内蔵型メモリは、上述の磁気メモリを備える。
【符号の説明】
【００９７】
１…ＴＭＲ素子、２…磁気トンネル接合部、３…参照層、４…側面、５…トンネルバリア層、７…磁化自由層、１２…キャップ層、１４…非磁性層、１６…ピニング層、１７…側壁部、１８…コンタクト層、２０…微粒子領域、２３…磁性金属微粒子。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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