(57)【要約】【課題】  書き込み電流を低減することが可能な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１０と、固定された磁化方向を有する第２の磁性層２０と、第１の磁性層と第２の磁性層との間に設けられた非磁性層３０とを含む積層構造１００を備え、非磁性層は、第１の金属酸化物で形成された第１の酸化物層３１と、第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の酸化物層３２とが積層された構造を有する。【選択図】図１
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【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た非磁性層と、を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、第１の金属酸化物で形成された第１の酸化物層と、前記第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の酸化物層とが積層された構造を有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項２】
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た非磁性層と、を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、第１の金属酸化物で形成された第１の領域と、前記第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の領域とが混在した構造を有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項３】
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且つ第１の金属酸化物で形成された部分を含む非磁性層と、を含む積層構造と、
前記積層構造の側壁に設けられ、前記第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された側壁層と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項４】
前記第１の金属酸化物は、マグネシウム酸化物である
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の磁気記憶装置。
【請求項５】
前記第２の金属酸化物は、カルシウム（Ｃａ）酸化物及びストロンチウム（Ｓｒ）酸化物から選択される
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の磁気記憶装置。
【請求項６】
前記第２の金属酸化物は、ハフニウム（Ｈｆ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ2）、ランタン（Ｌａ）酸化物及びタンタル（Ｔａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の磁気記憶装置。
【請求項７】
前記第２の金属酸化物は、ユウロピウム（Ｅｕ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ）、銅（Ｃｕ）酸化物及びバリウム（Ｂａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の磁気記憶装置。
【請求項８】
前記第２の金属酸化物は、バナジウム（Ｖ）酸化物、ニッケル（Ｎｉ）酸化物、コバルト（Ｃｏ）酸化物、マンガン（Ｍｎ）酸化物、クロム（Ｃｒ）酸化物及び鉄（Ｆｅ）酸化物から選択される
ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載の磁気記憶装置。
【請求項９】
前記第１の酸化物層は前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の一方に接し、前記第２の酸化物層は前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の他方に接している
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１０】
前記非磁性層は、前記第１の金属酸化物で形成された第３の酸化物層がさらに積層された構造を有し、
前記第２の酸化物層は、前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられている
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１１】
前記第１の磁性層は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する
ことを特徴とする請求項１、２又は３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（magnetic memory device）に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上に磁気抵抗効果素子（magnetoresistive element）及びＭＯＳトランジスタが集積化された磁気記憶装置（半導体集積回路装置）が提案されている。
【０００３】
上述した磁気抵抗効果素子では、書き込み電流を低減することが重要な課題の１つとなっている。
【０００４】
しかしながら、従来の磁気抵抗効果素子では、書き込み電流の低減が必ずしも十分であるとは言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開２０１６／００７９５１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
書き込み電流を低減することが可能な磁気記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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た非磁性層と、を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、前記非磁性層は、第１の金属酸化物で形成された第１の酸化物層と、前記第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の酸化物層とが積層された構造を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の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２】ＶＣＭＡ効果について示した図である。
【図３】ＶＣＭＡ効果に基づく磁化反転について示した図である。
【図４】記憶層に対して参照層側にプラス電圧を印加したときの状態を模式的に示した図である。
【図５】記憶層に対して参照層側にマイナス電圧を印加したときの状態を模式的に示した図である。
【図６】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の第１の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図７】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の第２の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の第２の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。
【図９】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の第１の変更例の構成を模式的に示した断面図である。
【図１０】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の第２の変更例の構成を模式的に示した断面図である。
【図１１】第１の実施形態に係る磁気記憶装置の第３の変更例の構成を模式的に示した断面図である。
【図１２】第２の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１３】図１２に示した構造の一部を拡大して模式的に示した断面図である。
【図１４】第３の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１５】第１、第２及び第３の実施形態で示した磁気抵抗効果素子が適用される半導体集積回路装置の一般的な構成の一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】
【０００９】
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１は、第１の実施形態に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。本実施形態の磁気記憶装置は、磁気抵抗効果素子（magnetoresistive element）を含んでいる。なお、磁気抵抗効果素子は、ＭＴＪ（magnetic tunnel junction）素子とも呼ばれる。
【００１１】
図１に示すように、積層構造（stacked structure）１００が図示しない下部領域上に設けられている。下部領域は、半導体基板と、半導体基板上に設けられたＭＯＳトランジスタ、配線及び層間絶縁膜等とを含んでいる。積層構造１００は、磁気抵抗効果素子として機能し、第１の磁性層としての記憶層（storage layer）１０と、第２の磁性層としての参照層（reference layer）２０と、非磁性層（nonmagnetic layer）としてのトンネルバリア層３０と、第３の磁性層としてのシフトキャンセリング層４０と、中間層（intermediate layer）５０と、下地層（under layer）６０と、キャップ層７０とを含んでいる。
【００１２】
記憶層（第１の磁性層）１０は、可変の磁化方向（variable magnetization direction）を有する強磁性体層（ferromagnetic layer）であり、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有している。記憶層１０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。本実施形態では、記憶層１０は、ＣｏＦｅＢで形成されている。
【００１３】
参照層（第２の磁性層）２０は、固定された磁化方向（fixed magnetization direction）を有する強磁性体層である。参照層２０は、第１のサブ磁性層２１と、第２のサブ磁性層２２と、第１のサブ磁性層２１と第２のサブ磁性層２２との間の中間層２３とを含んでいる。第１のサブ磁性層２１は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有している。第１のサブ磁性層２１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。本実施形態では、第１のサブ磁性層２１は、ＣｏＦｅＢで形成されている。第２のサブ磁性層２２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。本実施形態では、第２のサブ磁性層２２は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ或いはＣｏ／Ｐｄの人工格子（artificial lattice）で形成されている。中間層２３は、第１のサブ磁性層２１と第２のサブ磁性層２２との間に介在し、例えばタンタル（Ｔａ）層で形成されている。
【００１４】
なお、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表し、磁化方向が固定とは、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表す。
【００１５】
トンネルバリア層（非磁性層）３０は、記憶層１０と参照層２０との間に設けられた絶縁層である。トンネルバリア層３０は、第１の酸化物層３１と、第２の酸化物層３２とが積層された構造を有している。第１の酸化物層３１は、第１の金属酸化物で形成されている。第１の金属酸化物には、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）が用いられる。第２の酸化物層３２は、第１の金属酸化物の比誘電率（relative dielectric constant）よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成されている。第２の金属酸化物は、カルシウム酸化物（ＣａＯ）、ストロンチウム酸化物（ＳｒＯ）、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ2 ）、チタン酸化物（ＴｉＯ、ＴｉＯ2 ）、ランタン酸化物（Ｌａ2Ｏ3）、タンタル酸化物（ＴａＯ2 ）、ユウロピウム酸化物（ＥｕＯ）、銅酸化物（ＣｕＯ）、バリウム酸化物（ＢａＯ）、バナジウム酸化物（ＶＯ）、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）、コバルト酸化物（ＣｏＯ）、マンガン酸化物（ＭｎＯ）、クロム酸化物（ＣｒＯ）及び鉄酸化物（ＦｅＯ）から選択される。トンネルバリア層３０については、後で詳細に説明する。
【００１６】
シフトキャンセリング層（第３の磁性層）４０は、固定された磁化方向を有する強磁性体層である。シフトキャンセリング層４０の磁化方向は、参照層２０の磁化方向に対して反平行（antiparallel）である。そのため、シフトキャンセリング層４０は、参照層２０から記憶層１０に印加される磁界をキャンセルする機能を有している。シフトキャンセリング層４０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。本実施形態では、シフトキャンセリング層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ或いはＣｏ／Ｐｄの人工格子で形成されている。
【００１７】
中間層５０は、参照層２０とシフトキャンセリング層４０との間に介在しており、例えばルテニウム（Ｒｕ）層で形成されている。
【００１８】
下地層６０は、記憶層１０下に設けられており、下地層６０には図示しない下部電極（bottom electrode）が接続されている。
【００１９】
キャップ層７０は、シフトキャンセリング層４０上に設けられており、キャップ層７０には図示しない上部電極（top electrode）が接続されている。
【００２０】
上述した積層構造１００によって得られる磁気抵抗効果素子は、垂直磁化（perpendicular magnetization）を有するＳＴＴ（spin transfer torque）型の磁気抵抗効果素子である。すなわち、記憶層２１、参照層２２及びシフトキャンセリング層２４はいずれも、それぞれの主面に対して垂直な磁化方向を有している。
【００２１】
また、上述した磁気抵抗効果素子用の積層構造１００の抵抗は、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して平行であるときの方が、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して反平行であるときよりも低い。すなわち、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して平行である場合には、積層構造１００は低抵抗状態を示し、記憶層１０の磁化方向が参照層２０の磁化方向に対して反平行である場合には、積層構造１００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（binary）データ（０又は１）を記憶することができる。また、磁気抵抗効果素子の抵抗状態は、磁気抵抗効果素子（積層構造１００）を流れる書き込み電流の方向に応じて設定することができる。具体的には、記憶層１０から参照層２０に向かって書き込み電流を流すことで、記憶層１０の磁化方向は参照層２０の磁化方向に対して平行に設定される。また、参照層２０から記憶層１０に向かって書き込み電流を流すことで、記憶層１０の磁化方向は参照層２０の磁化方向に対して反平行に設定される。
【００２２】
上述したように、本実施形態のトンネルバリア層３０は、第１の金属酸化物で形成された第１の酸化物層３１と、第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の酸化物層３２とが積層された構造を有している。本実施形態では、トンネルバリア層３０がこのような構成を有しているため、ＶＣＭＡ効果（voltage-controlled magnetic anisotropy effect）によって書き込み電流を低減させることが可能である。以下、説明を加える。
【００２３】
図２は、ＶＣＭＡ効果について示した図である。図３は、ＶＣＭＡ効果に基づく磁化反転（magnetization reversal）について示した図である。
【００２４】
図２に示すように、磁性材料層ＭＡＧ及び絶縁材料層ＩＮ Ｓを積層し、磁性材料層ＭＡＧに対して絶縁材料層ＩＮ Ｓ側にプラス電圧を印加すると、絶縁材料層ＩＮ Ｓ側にプラス電荷が誘起され、磁性材料層ＭＡＧ側にマイナス電荷が誘起される。これにより、絶縁材料層ＩＮ Ｓから磁性材料層ＭＡＧに向かって電界Ｅが印加される。その結果、電圧印加前は垂直磁気異方性（perpendicular magnetic anisotropy）のみを有していた磁性材料層ＭＡＧが、電圧印加後には面内磁気異方性（in-plane magnetic anisotropy）も有するようになる。このように、磁性材料層ＭＡＧが垂直磁気異方性に加えて面内磁気異方性も有するようになると、図３に示すように、磁化反転のためのエネルギーバリアが下がり、磁性材料層ＭＡＧが容易に磁化反転できるようになる。
【００２５】
上述したように、磁性材料層ＭＡＧ及び絶縁材料層ＩＮ Ｓを積層し、絶縁材料層ＩＮ Ｓ側にプラス電圧を印加すると、ＶＣＭＡ効果によって磁化反転のためのエネルギーバリアを下げることができる。本実施形態では、このようなＶＣＭＡ効果を利用して、書き込み電流を低減させるようにしている。
【００２６】
図４は、記憶層ＳＬに対して参照層ＲＬ側にプラス電圧を印加したときの状態を模式的に示した図である。この場合には、記憶層ＳＬとトンネルバリア層ＢＬとの界面（interface）にマイナス電荷が誘起され、参照層ＲＬとトンネルバリア層ＢＬとの界面にプラス電荷が誘起される。その結果、記憶層ＳＬに対して上述したＶＣＭＡ効果が働き、記憶層ＳＬの磁化反転が容易になる。すなわち、参照層ＲＬから記憶層ＳＬに電流を流すときの書き込み電流を低減することが可能である。
【００２７】
図５は、記憶層ＳＬに対して参照層ＲＬ側にマイナス電圧を印加したときの状態を模式的に示した図である。この場合には、記憶層ＳＬとトンネルバリア層ＢＬとの界面にプラス電荷が誘起され、参照層ＲＬとトンネルバリア層ＢＬとの界面にマイナス電荷が誘起される。そのため、記憶層ＳＬに対してＶＣＭＡ効果が働かない。したがって、記憶層ＳＬから参照層ＲＬに電流を流すときは、書き込み電流は低減されない。
【００２８】
図４の場合、すなわち参照層ＲＬから記憶層ＳＬに電流を流す場合は、参照層ＲＬに対する記憶層ＳＬの磁化方向を反平行に設定する場合である。したがって、参照層ＲＬに対する記憶層ＳＬの磁化方向を平行から反平行（parallel-to-antiparallel）に変化させるときに、ＶＣＭＡ効果に基づく書き込み電流の低減効果を得ることが可能である。
【００２９】
上述したＶＣＭＡ効果に基づく書き込み電流の低減効果を得るためには、適切なトンネルバリア層を選択することで重要である。以下、適切なトンネルバリア層を得るための構成について説明する。
【００３０】
図１において、大きなＶＣＭＡ効果を得るためには、記憶層１０とトンネルバリア層３０との界面及び参照層２０とトンネルバリア層３０との界面に、多くの電荷を誘起できることが好ましい。そのためには、大きな比誘電率を有するトンネルバリア層３０を用いることが好ましい。一般的に、第１の酸化物層３１の第１の金属酸化物には、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）が用いられることが多い。したがって、第２の酸化物層３２の第２の金属酸化物には第１の金属酸化物（マグネシウム酸化物（ＭｇＯ））よりも大きな比誘電率を有する金属酸化物を用いることが好ましい。また、優れた結晶性を有するトンネルバリア層３０を得るためには、第２の金属酸化物の結晶構造が第１の金属酸化物の結晶構造にできるだけ近いことが好ましい。第１の金属酸化物としてマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、ＭｇＯはＮａＣｌ型の結晶構造を有しているため、第２の金属酸化物もＮａＣｌ型の結晶構造を有していることが好ましい。また、ＭｇＯは（００１）面が優先配向している。
【００３１】
上述した観点から、第１の金属酸化物にマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、第２の金属酸化物には以下の金属酸化物を用いることが好ましい。
【００３２】
第２の金属酸化物の最も好ましい候補（１番目の候補）としては、カルシウム酸化物（ＣａＯ）及びストロンチウム酸化物（ＳｒＯ）があげられる。ＣａＯ及びＳｒＯはいずれも、大きな比誘電率を有し且つＮａＣｌ型の結晶構造を有している。しかも、Ｃａ及びＳｒはＭｇと同族の元素である。したがって、第２の金属酸化物の１番目の候補として、ＣａＯ及びＳｒＯがあげられる。（００１）に優先配向しているＭｇＯと積層する場合には、同じＮａＣｌ型の結晶構造を有するＣａＯ及びＳｒＯも（００１）配向しやすく好ましい。これにより、（００１）配向したＭｇＯ特有のΔ１バンド起因の大きなＴＭＲ（＞１００％）を損ねることなく、ＶＣＭＡ効果を発揮することができる。
【００３３】
第２の金属酸化物の次に好ましい候補（２番目の候補）としては、ハフニウム酸化物（ＨｆＯ2 ）、チタン酸化物（ＴｉＯ2 ）、ランタン酸化物（Ｌａ2Ｏ3）及びタンタル酸化物（ＴａＯ2 ）があげられる。これらの金属酸化物も、大きな比誘電率を有しているが、ＮａＣｌ型の結晶構造ではない（六方晶系（hexagonal system）の結晶構造）。ただし、散漫散乱ＴＭＲ（diffuse scattering TMR）は発現する。また、低抵抗を実現することも可能である。したがって、第２の金属酸化物の２番目の候補として、上述した金属酸化物があげられる。
【００３４】
第２の金属酸化物の次に好ましい候補（３番目の候補）としては、ユウロピウム酸化物（ＥｕＯ）、チタン酸化物（ＴｉＯ）、銅酸化物（ＣｕＯ）及びバリウム酸化物（ＢａＯ）があげられる。これらの金属酸化物は、大きな比誘電率を有し且つＮａＣｌ型の結晶構造を有している。上述した第１及び第２候補よりも優先順位は低いが、ＭｇＯのΔ１バンドを阻害せず、ＭＲの劣化も小さいと予想される。したがって、第２の金属酸化物の３番目の候補として、上述した金属酸化物があげられる。
【００３５】
２の金属酸化物の次に好ましい候補（４番目の候補）としては、バナジウム酸化物（ＶＯ）、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）、コバルト酸化物（ＣｏＯ）、マンガン酸化物（ＭｎＯ）、クロム酸化物（ＣｒＯ）及び鉄酸化物（ＦｅＯ）があげられる。これらの金属酸化物は、大きな比誘電率を有し且つＮａＣｌ型の結晶構造を有している。ただし、これらの金属酸化物は、反強磁性を有する場合がある。そのため、ＭＲの低下やＩｎｖｅｒｓｅＭＲが生じる可能性がある。したがって、これらの金属酸化物を第２の金属酸化物の４番目の候補としている。
【００３６】
以上のように、本実施形態では、トンネルバリア層３０を、第１の金属酸化物で形成された第１の酸化物層３１と、第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の酸化物層３２との積層構造で形成することにより、ＶＣＭＡ効果によって書き込み電流を低減することが可能であり、優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることができる。特に、第１の金属酸化物にマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合には、上述した第１〜第４番目の候補に含まれる第２の金属酸化物を用いることで、優れた特性を有する磁気抵抗効果素子を得ることが可能である。
【００３７】
次に、上述した磁気抵抗効果素子（積層構造１００）の第１の製造方法について、図６及び図１を参照して説明する。
【００３８】
まず、図６に示すように、下地層６０、記憶層１０、トンネルバリア層３０（第２の酸化物層３２、第１の酸化物層３１）、参照層２０（第１のサブ磁性層２１、中間層２３、第２のサブ磁性層２２）、中間層５０、シフトキャンセリング層４０及びキャップ層７０を、スパッタリング等によって堆積する。続いて、これらの積層膜上にハードマスク８０を形成する。次に、ハードマスク８０をマスクとして用いて積層膜をＩＢＥ（ion beam etching）等によってエッチングし、さらにハードマスク８０を除去することで、図１に示すような構造が得られる。
【００３９】
次に、上述した磁気抵抗効果素子（積層構造１００）の第２の製造方法について、図７、図８及び図１を参照して説明する。
【００４０】
まず、図７に示すように、下地層６０、記憶層１０、トンネルバリア層（金属酸化物層）を形成するための予備的な金属層３０ａ（第２の金属層３２ａ、第１の金属層３１ａ）、参照層２０（第１のサブ磁性層２１、中間層２３、第２のサブ磁性層２２）、中間層５０、シフトキャンセリング層４０及びキャップ層７０を、スパッタリング等によって堆積する。続いて、これらの積層膜上にハードマスク８０を形成する。次に、図８に示すように、図７に示したハードマスク８０をマスクとして用いて積層膜をＩＢＥ等によってエッチングする。さらに、酸化雰囲気中でアニールを行うことで、金属層３０ａ（第１の金属層３１ａ、第２の金属層３２ａ）が酸化され、図１に示すようなトンネルバリア層３０（第１の酸化物層３１、第２の酸化物層３２）を有する構造が得られる。
【００４１】
図９は、本実施形態の第１の変更例の構成を模式的に示した断面図である。上述した実施形態（図１参照）では、トンネルバリア層３０の第１の酸化物層３１が参照層２０に接し、トンネルバリア層３０の第２の酸化物層３２が記憶層１０に接していた。本変更例では、トンネルバリア層３０の第１の酸化物層３１が記憶層１０に接し、トンネルバリア層３０の第２の酸化物層３２が参照層２０に接している。このような構成であっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【００４２】
図１０は、本実施形態の第２の変更例の構成を模式的に示した断面図である。本変更例では、トンネルバリア層３０が、第１の酸化物層３１及び第２の酸化物層３２に加えて、第３の酸化物層３３がさらに積層された構造を有している。第３の酸化物層３３は、第１の金属酸化物で形成されている。すなわち、第３の酸化物層３３は、第１の酸化物層３１の金属酸化物と同一の金属酸化物で形成されている。第２の酸化物層３２は、第１の酸化物層３１と第３の酸化物層３３との間に設けられている。このような構成であっても、上述した実施形態と同様の効果が得られる。ただし、この場合、ＶＣＭＡ効果を有効に作用させるためには、第３の酸化物層３３の膜厚は第１の酸化物層３１よりも薄いことが好ましい。
【００４３】
図１１は、本実施形態の第３の変更例の構成を模式的に示した断面図である。上述した実施形態（図１参照）、第１の変更例（図９参照）及び第２の変更例（図１０参照）では、トンネルバリア層３０に含まれる第１の酸化物層３１及び第２の酸化物層３２がいずれも連続膜であったが、図１１に示すように、第２の酸化物層３２は不連続膜であってもよい。このように第２の酸化物層３２が不連続膜であっても、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００４４】
（実施形態２）
次に、第２の実施形態に係る磁気記憶装置ついて説明する。なお、本実施形態の基本的な事項は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００４５】
図１２は、第２の実施形態に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。図１３は、図１２に示した構造の一部を拡大して模式的に示した図である。
【００４６】
本実施形態では、トンネルバリア層（非磁性層）３０が、第１の金属酸化物で形成された第１の領域３５−１と第２の金属酸化物で形成された第２の領域３５−２とが混在した構造を有する混在酸化物層３５で形成されている。第１の金属酸化物には、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）が用いられる。第２の金属酸化物は、第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有している。第２の金属酸化物は、第１の実施形態で説明した第２の金属酸化物と同様である。第１の領域３５−１には第１の金属酸化物の複数の分子が含まれ、第２の領域３５−２には第２の金属酸化物の複数の分子が含まれている。例えば、第１の金属酸化物にマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用い、第２の金属酸化物にカルシウム酸化物（ＣａＯ）を用いた場合、第１の領域３５−１は複数のＭｇＯ分子で形成され、第２の領域３５−２は複数のＣａＯ分子で形成されている。
【００４７】
以上のように、トンネルバリア層（非磁性層）３０が、第１の金属酸化物で形成された第１の領域３５−１と、第２の金属酸化物で形成された第２の領域３５−２とが混在した構造を有する混在酸化物層３５で形成されていても、ＶＣＭＡ効果に基づき第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００４８】
（実施形態３）
次に、第３の実施形態に係る磁気記憶装置ついて説明する。なお、本実施形態の基本的な事項は、第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態で説明した事項の説明は省略する。
【００４９】
図１４は、第３の実施形態に係る磁気記憶装置（半導体集積回路装置）の構成を模式的に示した断面図である。
【００５０】
本実施形態では、トンネルバリア層（非磁性層）３０が、第１の金属酸化物で形成された酸化物層３７を含んでおり、積層構造１００の側壁に第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された酸化物層（側壁層９０）が設けられている。このような構造であっても、ＶＣＭＡ効果によって第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。以下、説明を加える。
【００５１】
トンネルバリア層（非磁性層）３０のエッジ（側壁）部分には電界が集中しやすい。そのため、積層構造１００の側壁に高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された側壁層９０を設けると、トンネルバリア層３０と側壁層９０との境界近傍でＶＣＭＡ効果を生じさせることができる。磁気抵抗効果素子のサイズが小さくなると、ＶＣＭＡ効果が働く領域の割合が相対的に大きくなる。そのため、図１４に示すように、トンネルバリア層３０を第１の金属酸化物で形成し、積層構造１００の側壁に第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された側壁層９０を形成した場合にも、ＶＣＭＡ効果によって書き込み電流を低減することが可能となる。
【００５２】
このように、本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能である。
【００５３】
なお、上述した第１、第２及び第３の実施形態において、ＶＣＭＡ効果は完全な金属酸化物結晶でなくても酸化傾向があれば生じ得る。一般的に、金属元素と酸素との結合（酸化結合）は、ＸＰＳやＥＥＬＳでのピークシフトによって観測することができる。したがって、金属元素と酸素との酸化結合が存在すれば、ＶＣＭＡ効果を生じさせることが可能であると考えられる。
【００５４】
また、上述した第１、第２及び第３の実施形態では、下地層６０上に記憶層１０、トンネルバリア層３０、参照層２０が当該順序で積層されていたが、これとは逆に、下地層６０上に、参照層２０、トンネルバリア層３０及び記憶層１０が当該順序で積層されていてもよい。
【００５５】
また、上述した第３の実施形態の構造を、第１の実施形態の構造或いは第２の実施形態の構造と組み合わせようにしてもよい。
【００５６】
図１５は、上述した第１、第２及び第３の実施形態で示した磁気抵抗効果素子が適用される半導体集積回路装置の一般的な構成の一例を模式的に示した断面図である。
【００５７】
半導体基板ＳＵＢ内に、埋め込みゲート（buried gate）型のＭＯＳトランジスタＴＲが形成されている。ＭＯＳトランジスタＴＲのゲート電極は、ワード線ＷＬとして用いられる。ＭＯＳトランジスタＴＲのソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄの一方には下部電極（bottom electrode）ＢＥＣが接続され、ソース／ドレイン領域Ｓ／Ｄの他方にはソース線コンタクトＳＣが接続されている。
【００５８】
下部電極ＢＥＣ上には磁気抵抗効果素子ＭＴＪが形成され、磁気抵抗効果素子ＭＴＪ上には上部電極（top electrode）ＴＥＣが形成されている。上部電極ＴＥＣにはビット線ＢＬが接続されている。ソース線コンタクトＳＣにはソース線ＳＬが接続されている。
【００５９】
上述した第１、第２及び第３の実施形態で説明したような磁気抵抗効果素子を図１５に示したような半導体集積回路装置に適用することで、優れた半導体集積回路装置を得ることができる。
【００６０】
以下、上述した実施形態の内容を付記する。
[付記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た非磁性層と、を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、第１の金属酸化物で形成された第１の酸化物層と、前記第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の酸化物層とが積層された構造を有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
[付記２]
前記第１の金属酸化物は、マグネシウム酸化物である
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記３]
前記第２の金属酸化物は、カルシウム（Ｃａ）酸化物及びストロンチウム（Ｓｒ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記４]
前記第２の金属酸化物は、ハフニウム（Ｈｆ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ2）、ランタン（Ｌａ）酸化物及びタンタル（Ｔａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記５]
前記第２の金属酸化物は、ユウロピウム（Ｅｕ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ）、銅（Ｃｕ）酸化物及びバリウム（Ｂａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記６]
前記第２の金属酸化物は、バナジウム（Ｖ）酸化物、ニッケル（Ｎｉ）酸化物、コバルト（Ｃｏ）酸化物、マンガン（Ｍｎ）酸化物、クロム（Ｃｒ）酸化物及び鉄（Ｆｅ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記７]
前記第１の酸化物層は前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の一方に接し、前記第２の酸化物層は前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の他方に接している
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記８]
前記非磁性層は、前記第１の金属酸化物で形成された第３の酸化物層がさらに積層された構造を有し、
前記第２の酸化物層は、前記第１の酸化物層と前記第３の酸化物層との間に設けられている
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記９]
前記第１の磁性層は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記１０]
前記第１の磁性層はその主面に対して垂直な磁化方向を有し、前記第２の磁性層はその主面に対して垂直な磁化方向を有する
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記１１]
前記積層構造は、前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行な磁化方向を有する第３の磁性層をさらに含む
ことを特徴とする付記１に記載の磁気記憶装置。
[付記１２]
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た非磁性層と、を含む積層構造を備えた磁気記憶装置であって、
前記非磁性層は、第１の金属酸化物で形成された第１の領域と、前記第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された第２の領域とが混在した構造を有する
ことを特徴とする磁気記憶装置。
[付記１３]
前記第１の金属酸化物は、マグネシウム酸化物である
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記１４]
前記第２の金属酸化物は、カルシウム（Ｃａ）酸化物及びストロンチウム（Ｓｒ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記１５]
前記第２の金属酸化物は、ハフニウム（Ｈｆ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ2）、ランタン（Ｌａ）酸化物、タンタル（Ｔａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記１６]
前記第２の金属酸化物は、ユウロピウム（Ｅｕ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ）、銅（Ｃｕ）酸化物及びバリウム（Ｂａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記１７]
前記第２の金属酸化物は、バナジウム（Ｖ）酸化物、ニッケル（Ｎｉ）酸化物、コバルト（Ｃｏ）酸化物、マンガン（Ｍｎ）酸化物、クロム（Ｃｒ）酸化物及び鉄（Ｆｅ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記１８]
前記第１の磁性層は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記１９]
前記第１の磁性層はその主面に対して垂直な磁化方向を有し、前記第２の磁性層はその主面に対して垂直な磁化方向を有する
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記２０]
前記積層構造は、前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行な磁化方向を有する第３の磁性層をさらに含む
ことを特徴とする付記１２に記載の磁気記憶装置。
[付記２１]
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且つ第１の金属酸化物で形成された部分を含む非磁性層と、を含む積層構造と、
前記積層構造の側壁に設けられ、前記第１の金属酸化物よりも高い比誘電率を有する第２の金属酸化物で形成された側壁層と、
を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
[付記２２]
前記第１の金属酸化物は、マグネシウム酸化物である
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
[付記２３]
前記第２の金属酸化物は、カルシウム（Ｃａ）酸化物及びストロンチウム（Ｓｒ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
[付記２４]
前記第２の金属酸化物は、ハフニウム（Ｈｆ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ2）、ランタン（Ｌａ）酸化物及びタンタル（Ｔａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
[付記２５]
前記第２の金属酸化物は、ユウロピウム（Ｅｕ）酸化物、チタン（Ｔｉ）酸化物（ＴｉＯ）、銅（Ｃｕ）酸化物、バリウム（Ｂａ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
[付記２６]
前記第２の金属酸化物は、バナジウム（Ｖ）酸化物、ニッケル（Ｎｉ）酸化物、コバルト（Ｃｏ）酸化物、マンガン（Ｍｎ）酸化物、クロム（Ｃｒ）酸化物及び鉄（Ｆｅ）酸化物から選択される
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
[付記２７]
前記第１の磁性層は、少なくとも鉄（Ｆｅ）及びボロン（Ｂ）を含有する
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
[付記２８]
前記第１の磁性層はその主面に対して垂直な磁化方向を有し、前記第２の磁性層はその主面に対して垂直な磁化方向を有する
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
[付記２９]
前記積層構造は、前記第２の磁性層の磁化方向に対して反平行な磁化方向を有する第３の磁性層をさらに含む
ことを特徴とする付記２１に記載の磁気記憶装置。
【００６１】
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】
【００６２】
１０…記憶層（第１の磁性層）      ２０…参照層（第２の磁性層）
２１…第１のサブ磁性層      ２２…第２のサブ磁性層      ２３…中間層
３０…トンネルバリア層（非磁性層）
３１…第１の酸化物層      ３２…第２の酸化物層      ３３…第３の酸化物層
３５…混在酸化物層      ３７…酸化物層
４０…シフトキャンセリング層（第３の磁性層）      ５０…中間層
６０…下地層      ７０…キャップ層
８０…ハードマスク      ９０…側壁層
１００…積層構造
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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