(57)【要約】本開示の磁気抵抗素子は、少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体５０を有しており、積層構造体５０の上又は上方には金属層６１が形成されており、金属層６１に対する積層構造体５０の正射影像は金属層６１に含まれており、０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層６１を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）、中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、ＥGib-0（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）、及び／又は、ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）を満足する。
2020095753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体を有しており、
積層構造体の上又は上方には、金属層が形成されており、
金属層に対する積層構造体の正射影像は、金属層に含まれており、
０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）としたとき、
ＥGib-0（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）      （１）
を満足する磁気抵抗素子。
【請求項２】
温度Ｔにおける中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）
を満足する請求項１に記載の磁気抵抗素子。
【請求項３】
少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体を有しており、
積層構造体の上又は上方には、金属層が形成されており、
金属層に対する積層構造体の正射影像は、金属層に含まれており、
０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）      （２）
を満足する磁気抵抗素子。
【請求項４】
金属層は、チタン原子、アルミニウム原子及びマグネシウム原子から成る群から選択された少なくとも１種類の金属原子を含む請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項５】
磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子には、コバルト原子、又は、鉄原子、又は、コバルト原子及び鉄原子が含まれる請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項６】
中間層を構成する金属原子には、マグネシウム原子、又は、アルミニウム原子が含まれる請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項７】
金属層を構成する金属原子は、金属層に６０原子％以上含まれている請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項８】
金属層の厚さは１×１０-8ｍ以上である請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項９】
積層構造体の側面はサイドウォールで覆われている請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１０】
温度Ｔにおけるサイドウォールを構成する原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-SW（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-SW（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）
を満足する請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１１】
サイドウォールを構成する原子は、チタン、アルミニウム、マグネシウム及びシリコンから成る群から選択された少なくとも１種類の原子を含む請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１２】
サイドウォールの少なくとも一部は金属層で覆われている請求項９に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１３】
積層構造体は絶縁層によって囲まれており、
積層構造体の上又は上方には、積層構造体と接続された接続部が形成されており、
金属層は、接続部の内壁に形成されている請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１４】
接続部は、金属層、及び、コンタクトホール部から構成されている請求項１３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１５】
接続部は、金属層、及び、ダマシン構造を有する配線の一部から構成されている請求項１３に記載の磁気抵抗素子。
【請求項１６】
積層構造体は絶縁層によって囲まれており、
金属層は、積層構造体の上又は上方に形成され、積層構造体と接続されており、
金属層上には配線層が形成されている請求項１又は請求項３に記載の磁気抵抗素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁気抵抗素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）は、磁性体の磁化方向に基づきデータ記憶を行うので、高速、且つ、ほぼ無限（１０15回以上）の書換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。そして、ＭＲＡＭは、その高速動作と高い信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されているが、現実には、低消費電力化、大容量化に課題を有している。これは、ＭＲＡＭの記録原理、即ち、配線から発生する電流磁界により磁化を反転させるという方式に起因する本質的な課題である。この問題を解決するための１つの方法として、電流磁界によらない記録方式、即ち、磁化反転方式が検討されており、中でも、スピン注入による磁化反転を応用したスピン注入型磁気抵抗効果素子（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ，Spin Transfer Torque based Magnetic Random Access Memory）から成る磁気抵抗素子が注目されている（例えば、特開２０１３−００８８６８号公報参照）。【０００３】
スピン注入による磁化反転とは、磁性体を通過してスピン偏極した電子が、他の磁性体に注入されることにより、他の磁性体において磁化反転が生じる現象である。スピン注入型磁気抵抗効果素子から成る磁気抵抗素子にあっては、スピン注入による磁化反転を利用することにより、外部磁界に基づき磁化反転を行うＭＲＡＭと比較して、素子の微細化が進んでも書込み電流が増大しないという利点、書込み電流値が素子体積に比例して減少するためスケーリングが可能であるという利点、セル面積を縮小できるといった利点を有するし、ＭＲＡＭで必要とされる記録用電流磁界発生用のワード線が不要であるため、デバイス構造、セル構造が単純になるという利点もある。スピン注入型磁気抵抗効果素子から成る磁気抵抗素子は、例えば、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１３−００８８６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなスピン注入型磁気抵抗効果素子から成る磁気抵抗素子の製造工程においては、製造途中の磁気抵抗素子の積層構造体が、酸化雰囲気あるいは還元雰囲気に屡々晒される。その結果、磁気抵抗素子の積層構造体を構成する各種の層が酸化され、あるいは又、還元される。そして、このような現象が積層構造体に生じると、磁気抵抗素子の情報保持特性の劣化、情報書込み電圧や情報書換え電圧の上昇、抵抗値のバラツキ発生といった種々の問題が発生する。【０００６】
従って、本開示の目的は、安定した特性を有する磁気抵抗素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子は、
少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体を有しており、
積層構造体の上又は上方には、金属層が形成されており、
金属層に対する積層構造体の正射影像は、金属層に含まれており、
０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）としたとき、
ＥGib-0（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）      （１）
を満足する。【０００８】
上記の目的を達成するための本開示の第２の態様に係る磁気抵抗素子は、
少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体を有しており、
積層構造体の上又は上方には、金属層が形成されており、
金属層に対する積層構造体の正射影像は、金属層に含まれており、
０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）      （２）
を満足する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施例１の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図である。
【図２】図２は、実施例１の磁気抵抗素子の等価回路図である。
【図３】図３Ａ及び図３Ｂは、スピン注入磁化反転を適用したスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、スピン注入磁化反転を適用したスピン注入型磁気抵抗効果素子の概念図である。
【図５】図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃは、実施例１の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図６】図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃは、図５Ｃに引き続き、実施例１の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図７】図７Ａ及び図７Ｂは、実施例１の磁気抵抗素子の製造方法の変形例を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図８】図８Ａ及び図８Ｂは、図７Ｂに引き続き、実施例１の磁気抵抗素子の製造方法の変形例を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図９】図９は、実施例２の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図である。
【図１０】図１０は、実施例２の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図１１】図１１は、図１０に引き続き、実施例２の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図１２】図１２は、実施例３の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図である。
【図１３】図１３は、実施例３の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図１４】図１４は、図１３に引き続き、実施例３の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図１５】図１５は、実施例４の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図である。
【図１６】図１６は、図１５に示した実施例４の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図１７】図１７は、図１６に引き続き、図１５に示した実施例４の磁気抵抗素子の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図１８】図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃは、実施例４の磁気抵抗素子の変形例の積層構造体等の模式的な一部断面図である。
【図１９】図１９Ａ、図１９Ｂ及び図１９Ｃは、図１８Ｃに示した実施例４の磁気抵抗素子の変形例の製造方法を説明するための積層構造体等の模式的な一部端面図である。
【図２０】図２０は、実施例４の磁気抵抗素子の別の変形例の模式的な一部断面図である。
【図２１】図２１Ａ及び図２１Ｂは、それぞれ、実施例５の複合型磁気ヘッドの一部を切り欠いて示した模式的な斜視図、及び、実施例５の複合型磁気ヘッドの模式的断面図である。
【図２２】図２２は、実施例１の磁気抵抗素子の変形例の模式的な一部断面図である。
【図２３】図２３は、本開示の磁気抵抗素子の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本開示を説明するが、本開示は実施例に限定されるものではなく、実施例における種々の数値や材料は例示である。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子、全般に関する説明
２．実施例１（本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子）
３．実施例２（実施例１の変形）
４．実施例３（実施例１の別の変形）
５．実施例４（実施例１〜実施例３の変形）
６．実施例５（実施例１〜実施例４の磁気抵抗素子の応用例）
７．その他
【００１１】
〈本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子、全般に関する説明〉
本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子において、温度Ｔにおける中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）      （２）
を満足する形態とすることができる。
【００１２】
上記の好ましい形態を含む本開示の第１の態様に係る磁気抵抗素子、あるいは又、本開示の第２の態様に係る磁気抵抗素子において、金属層は、チタン（Ｔｉ）原子、アルミニウム（Ａｌ）原子及びマグネシウム（Ｍｇ）原子から成る群から選択された少なくとも１種類の金属原子を含む形態とすることができる。
【００１３】
更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子には、コバルト（Ｃｏ）原子、又は、鉄（Ｆｅ）原子、又は、コバルト原子及び鉄原子（Ｃｏ−Ｆｅ）が含まれる形態とすることができる。云い換えれば、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子には、少なくともコバルト（Ｃｏ）原子又は鉄（Ｆｅ）原子が含まれる形態とすることができる。即ち、磁化固定層及び記憶層は、少なくともコバルト（Ｃｏ）又は鉄（Ｆｅ）から成る金属材料（合金、化合物）から構成されている形態とすることができる。ここで、磁化固定層を構成するコバルト（Ｃｏ）原子、又は、鉄（Ｆｅ）原子、又は、コバルト原子及び鉄原子（Ｃｏ−Ｆｅ）は、磁化固定層に５０原子％以上、好ましくは７０原子％以上、含まれている形態とすることができる。また、記憶層を構成するコバルト（Ｃｏ）原子、又は、鉄（Ｆｅ）原子、又は、コバルト原子及び鉄原子（Ｃｏ−Ｆｅ）は、記憶層に５０原子％以上、好ましくは７０原子％以上、含まれている形態とすることができる。あるいは又、磁化固定層及び／又は記憶層を構成する金属原子として、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルビウム（Ｔｂ）、マンガン（Ｍｎ）、イリジウム（Ｉｒ）を挙げることができる。
【００１４】
あるいは又、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、記憶層は、コバルト、鉄及びニッケルから成る金属材料（合金、化合物）、又は、コバルト、鉄、ニッケル及びホウ素から成る金属材料（合金、化合物）から構成されている形態とすることができる。あるいは又、記憶層を構成する材料として、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）といった強磁性材料の合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｎｉ−Ｆｅ、Ｆｅ−Ｂ、Ｃｏ−Ｂ等）、あるいは、これらの合金にガドリニウム（Ｇｄ）が添加された合金を例示することができる。更には、垂直磁化型において、垂直磁気異方性を一層増加させるために、係る合金にテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）等の重希土類を添加してもよいし、これらを含む合金を積層してもよい。記憶層の結晶性は、本質的に任意であり、多結晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、非晶質であってもよい。また、記憶層は、単層構成とすることもできるし、上述した複数の異なる強磁性材料層を積層した積層構成とすることもできるし、強磁性材料層と非磁性体層を積層した積層構成とすることもできる。尚、上記のガドリニウム（Ｇｄ）や重希土類は、記憶層を占める原子としての割合が少ないので、上記の式（１）を満足する必要はない。あるいは又、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子であって、５原子％以上を占める金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）とする。
【００１５】
また、記憶層を構成する材料に非磁性元素を添加することも可能である。非磁性元素の添加により、拡散の防止による耐熱性の向上や磁気抵抗効果の増大、平坦化に伴う絶縁耐圧の増大等の効果が得られる。添加する非磁性元素として、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｌｉ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｐ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｒｅ、Ｏｓを挙げることができる。尚、上記の非磁性元素に相当する原子は、記憶層を占める原子としての割合が少ないので、上記の式（１）を満足する必要はない。あるいは又、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子であって、５原子％以上を占める金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）とする。
【００１６】
更には、記憶層として、組成の異なる強磁性材料層を積層させることも可能である。あるいは又、強磁性材料層と軟磁性材料層とを積層させたり、複数層の強磁性材料層を軟磁性材料層や非磁性体層を介して積層することも可能である。特に、Ｆｅ層、Ｃｏ層、Ｆｅ−Ｎｉ合金層、Ｃｏ−Ｆｅ合金層、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層、Ｆｅ−Ｂ合金層、Ｃｏ−Ｂ合金層といった強磁性材料層の複数を非磁性体層を介して積層させた構成とする場合、強磁性材料層相互の磁気的強さの関係を調整することが可能になるため、スピン注入型磁気抵抗効果素子における磁化反転電流が大きくならないように抑制することが可能となる。非磁性体層の材料として、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、又は、これらの合金を挙げることができる。尚、上記の非磁性体層を構成する原子は、記憶層を占める原子としての割合が少ないので、上記の式（１）を満足する必要はない。あるいは又、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子であって、５原子％以上を占める金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）とする。
【００１７】
記憶層の厚さとして、０．５ｎｍ乃至３０ｎｍを例示することができるし、磁化固定層の厚さとして、０．５ｎｍ乃至３０ｎｍを例示することができる。
【００１８】
磁化固定層は、少なくとも２層の磁性材料層が積層された積層フェリ構造（積層フェリピン構造とも呼ばれる）を有する形態とすることができる。具体的には、積層フェリ構造は、反強磁性的結合を有する積層構造、即ち、２つの磁性材料層（参照層及び固定層）の層間交換結合が反強磁性的になる構造であり、合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）とも呼ばれ、２つの磁性材料層（一方の磁性材料層を、『参照層』と呼ぶ場合があるし、積層フェリ構造を構成する他方の磁性材料層を、『固定層』と呼ぶ場合がある）の間に設けられた非磁性層の厚さによって、２つの磁性材料層の層間交換結合が、反強磁性的あるいは強磁性的になる構造を指し、例えば、 S. S. Parkin et. al, Physical Review Letters, 7 May, pp 2304-2307 (1990) に報告されている。ここで、参照層の磁化方向は、記憶層に記憶すべき情報の基準となる磁化方向である。積層フェリ構造を構成する一方の磁性材料層（参照層）が記憶層側に位置する。そして、この場合、
積層フェリ構造を構成する一方の磁性材料層（例えば、参照層）は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から成る群から選択された少なくとも１種類の元素を含み、又は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）から成る群から選択された少なくとも１種類の元素及びホウ素（Ｂ）を含み、具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を挙げることができるし、Ｆｅ層／Ｐｔ層、Ｆｅ層／Ｐｄ層、Ｃｏ層／Ｐｔ層、Ｃｏ層／Ｐｄ層、Ｃｏ層／Ｎｉ層、Ｃｏ層／Ｒｈ層といった積層構造を挙げることもできるし、これらの材料に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｒｕ、Ｒｈ等の非磁性元素を添加して磁気特性を調整したり、結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整してもよく、
積層フェリ構造を構成する他方の磁性材料層（例えば、固定層）は、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）及びマンガン（Ｍｎ）から成る群から選択された少なくとも１種類の元素（便宜上、『元素−Ａ』と呼ぶ）、並びに、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、イリジウム（Ｉｒ）及びロジウム（Ｒｈ）から成る群から選択された少なくとも１種類の元素（但し、前記の元素−Ａとは異なる元素であり、便宜上、『元素−Ｂ』と呼ぶ）を主成分とする材料から成る形態とすることができる。また、非磁性層を構成する材料として、ルテニウム（Ｒｕ）やその合金、ルテニウム化合物を挙げることができるし、あるいは又、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｉｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｉ、Ｂ、Ｃ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｒｈや、これらの合金を挙げることができる。磁化固定層を積層フェリ構造を採用することで、情報書き込み方向に対する熱安定性の非対称性を確実にキャンセルすることができ、スピントルクに対する安定性の向上を図ることができる。尚、上記の非磁性元素に相当する原子は、あるいは又、上記の非磁性層を構成する原子は、磁化固定層を占める原子としての割合が少ないので、上記の式（１）を満足する必要はない。あるいは又、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子であって、５原子％以上を占める金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）とする。
【００１９】
また、磁化固定層は、強磁性層のみにより、あるいは又、反強磁性層と強磁性層の反強磁性結合を利用することにより、その磁化の向きが固定された構成とすることができる。反強磁性材料として、具体的には、Ｆｅ−Ｍｎ合金、Ｆｅ−Ｐｔ合金、Ｎｉ−Ｍｎ合金、Ｐｔ−Ｍｎ合金、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ合金、Ｉｒ−Ｍｎ合金、Ｒｈ−Ｍｎ合金、Ｃｏ−Ｐｔ合金、コバルト酸化物、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）、鉄酸化物（Ｆｅ2Ｏ3）を挙げることができる。あるいは又、これらの材料に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｒｕ、Ｒｈ等の非磁性元素を添加して磁気特性を調整したり、結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整してもよい。尚、上記の非磁性元素に相当する原子は、磁化固定層を占める原子としての割合が少ないので、上記の式（１）を満足する必要はない。あるいは又、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子であって、５原子％以上を占める金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）とする。
【００２０】
但し、磁化固定層は積層フェリ構造を有する形態に限定するものではない。１層から成り、参照層として機能する磁化固定層とすることもできる。このような磁化固定層を構成する材料として、後述する記憶層を構成する材料（強磁性材料）を挙げることができるし、あるいは又、磁化固定層（参照層）は、Ｃｏ層とＰｔ層との積層体、Ｃｏ層とＰｄ層との積層体、Ｃｏ層とＮｉ層との積層体、Ｃｏ層とＴｂ層との積層体、Ｃｏ−Ｐｔ合金層、Ｃｏ−Ｐｄ合金層、Ｃｏ−Ｎｉ合金層、Ｃｏ−Ｆｅ合金層、Ｃｏ−Ｔｂ合金層、Ｃｏ層、Ｆｅ層、又は、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る構成とすることができ、あるいは又、これらの材料に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｖ、Ｒｕ、Ｒｈ等の非磁性元素を添加して磁気特性を調整したり、結晶構造や結晶性や物質の安定性等の各種物性を調整してもよく、更には、好ましくは、磁化固定層（参照層）はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層から成る構成とすることができる。尚、上記の非磁性元素に相当する原子は、磁化固定層を占める原子としての割合が少ないので、上記の式（１）を満足する必要はない。あるいは又、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子であって、５原子％以上を占める金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）とする。
【００２１】
磁化固定層の磁化方向は情報の基準であるので、情報の記録や読出しによって磁化方向が変化してはならないが、必ずしも特定の方向に固定されている必要はなく、記憶層よりも保磁力を大きくするか、膜厚を厚くするか、あるいは、磁気ダンピング定数を大きくして、記憶層よりも磁化方向が変化し難い構成、構造とすればよい。
【００２２】
更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、中間層を構成する金属原子には、マグネシウム（Ｍｇ）原子、又は、アルミニウム（Ａｌ）原子が含まれる形態とすることができる。
【００２３】
あるいは又、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、中間層は非磁性体材料から成ることが好ましい。即ち、スピン注入型磁気抵抗効果素子において、ＴＭＲ（Tunnel Magnetoresistance）効果を有する積層構造体を構成する場合の中間層は、絶縁材料であって、しかも、非磁性体材料から成ることが好ましい。磁化固定層、中間層及び記憶層によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造体が構成されるとは、磁性材料から成る磁化固定層と、磁性材料から成る記憶層との間に、トンネル絶縁膜として機能する非磁性体材料膜から成る中間層が挟まれた構造を指す。ここで、絶縁材料であって非磁性体材料である材料として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、マグネシウムフッ化物、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、シリコン酸化物（ＳｉＯX）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、ＴｉＯ2、Ｃｒ2Ｏ3、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯX、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｂｉ2Ｏ3、ＣａＦ、ＳｒＴｉＯ2、ＡｌＬａＯ3、Ｍｇ−Ａｌ2−Ｏ、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、ＢＮ、ＺｎＳ等の各種絶縁材料、誘電体材料、半導体材料を挙げることができる。絶縁材料から成る中間層の面積抵抗値は、数十Ω・μｍ2程度以下であることが好ましい。中間層をマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）から構成する場合、ＭｇＯ層は結晶化していることが望ましく、（００１）方向に結晶配向性を有することがより望ましい。また、中間層をマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）から構成する場合、その厚さは１．５ｎｍ以下とすることが望ましい。
【００２４】
絶縁材料であって、しかも、非磁性体材料から構成された中間層は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属膜を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、中間層を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムやマグネシウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）やマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。
【００２５】
更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、金属層を構成する金属原子は、金属層に６０原子％以上、好ましくは８０原子％以上含まれている形態とすることができる。尚、金属層を占める残りの原子として、窒素（Ｎ）、炭素（Ｃ）、酸素（Ｏ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）を例示することができる。
【００２６】
更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、金属層の厚さは、１×１０-8ｍ以上、好ましくは、２×１０-8ｍ以上である形態とすることができ、これによって、所望の体積を有する金属層を得ることができる。
【００２７】
更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、積層構造体の側面はサイドウォールで覆われている形態とすることができる。そして、この場合、温度Ｔにおけるサイドウォールを構成する原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-SW（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-SW（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）    （３）
を満足する形態とすることができる。更には、これらの場合、サイドウォールを構成する原子は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）から成る群から選択された少なくとも１種類の原子を含む形態とすることができる。更には、これらの場合、サイドウォールの少なくとも一部は金属層で覆われている形態とすることができる。サイドウォールは酸化物から成る。
【００２８】
更には、以上に説明した好ましい形態を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子において、
積層構造体は絶縁層によって囲まれており、
積層構造体の上又は上方には、積層構造体と接続された接続部が形成されており、
金属層は、接続部の内壁に形成されている構成とすることができる。
【００２９】
そして、この場合、接続部は、金属層、及び、コンタクトホール部から構成されている構成とすることができ、更には、金属層と対向する積層構造体の対向面の面積をＳ1、積層構造体と対向する金属層の対向面の面積をＳ2としたとき、
Ｓ2／Ｓ1≧１
望ましくは、
Ｓ2／Ｓ1≧２
を満足することが好ましい。Ｓ2／Ｓ1の上限として、限定するものではないが、３０を例示することができる。
【００３０】
あるいは又、この場合、接続部は、金属層、及び、ダマシン構造を有する配線の一部から構成されている構成とすることができ、更には、配線の延びる方向に直交する仮想平面における金属層と対向する積層構造体の部分の長さをＬ1、仮想平面における積層構造体と対向する金属層の部分の長さをＬ2としたとき、
Ｌ2／Ｌ1≧１
望ましくは、
Ｌ2／Ｌ1≧２
を満足することが好ましい。Ｌ2／Ｌ1の上限として、限定するものではないが、１０を例示することができる。
【００３１】
あるいは又、この場合、
積層構造体は絶縁層によって囲まれており、
金属層は、積層構造体の上又は上方に形成され、積層構造体と接続されており、
金属層上には配線層が形成されている構成とすることができ、更には、配線層の延びる方向に直交する仮想平面における金属層と対向する積層構造体の部分の長さをＬ1、仮想平面における積層構造体と対向する金属層の部分の長さをＬ2としたとき、
Ｌ2／Ｌ1≧１
望ましくは、
Ｌ2／Ｌ1≧２
を満足することが好ましい。Ｌ2／Ｌ1の上限として、限定するものではないが、１００を例示することができる。
【００３２】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の第１の態様〜第２の態様に係る磁気抵抗素子（以下、これらを総称して、『本開示の磁気抵抗素子等』と呼ぶ場合がある）において、前述したとおり、記憶層の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化し、記憶層において、磁化容易軸は積層構造体の積層方向に対して平行である（即ち、垂直磁化型である）形態とすることができる。そして、この場合、垂直磁化方式のスピン注入型磁気抵抗効果素子から成る形態とすることができ、更には、これらの場合、積層構造体の第１面は第１電極と接しており、積層構造体の第２面は第２電極と接しており、第１電極と第２電極との間に電流（磁化反転電流、スピン偏極電流とも呼ばれ、書込み電流である）が流されることで、記憶層に情報が記憶される形態とすることができる。即ち、積層構造体の積層方向に磁化反転電流を流すことにより、記憶層の磁化方向を変化させ、記憶層において情報の記録が行われる形態とすることができる。
【００３３】
磁化固定層が積層構造体の第１面を構成してもよいし、記憶層が積層構造体の第１面を構成してもよい。
【００３４】
本開示の磁気抵抗素子等にあっては、上述したとおり、記憶層、中間層及び磁化固定層から成る積層構造体によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造体が構成されている構造とすることができる。そして、例えば、図３Ｂに概念図を示すように、反平行配置の磁化状態で、磁化反転電流を記憶層から磁化固定層へ流すと、電子が磁化固定層から記憶層へ注入されることで作用するスピントルクにより記憶層の磁化が反転し、記憶層の磁化方向と磁化固定層（具体的には、参照層）の磁化方向と記憶層の磁化方向が平行配列となる。一方、例えば、図３Ａに概念図を示すように、平行配置の磁化状態で、磁化反転電流を磁化固定層から記憶層へ流すと、電子が記憶層から磁化固定層へ流れることで作用するスピントルクによって記憶層の磁化が反転し、記憶層の磁化方向と磁化固定層（具体的には、参照層）の磁化方向が反平行配列となる。あるいは又、図２３に概念図を示すように、磁化固定層、中間層、記憶層、中間層、磁化固定層によって、ＴＭＲ効果を有する積層構造体が構成されている構造とすることもできる。このような構造にあっては、記憶層の上下に位置する２つの中間層の磁気抵抗の変化に差を付けておく必要がある。
【００３５】
積層構造体の立体形状は、円筒形、円柱形であることが、加工の容易性、記憶層における磁化容易軸の方向の均一性を確保するといった観点から望ましいが、これに限定するものではなく、三角柱、四角柱、六角柱、八角柱等（これらにあっては側辺あるいは側稜が丸みを帯びているものを含む）、楕円柱とすることもできる。積層構造体の面積は、低磁化反転電流で磁化の向きを容易に反転させるといった観点から、例えば、０．０１μｍ2以下であることが好ましい。第１電極から第２電極へと、あるいは又、第２電極から第１電極へと、磁化反転電流を積層構造体に流すことによって、記憶層における磁化の方向を第１の方向（磁化容易軸と平行な方向）あるいは第２の方向（第１の方向とは反対の方向）とすることで、記憶層に情報が書き込まれる。
【００３６】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本開示の磁気抵抗素子等にあっては、電極や接続部を構成する原子と記憶層を構成する原子の相互拡散の防止、接触抵抗の低減、記憶層の酸化防止のために、積層構造体は、第２面側にキャップ層を有する形態とすることができる。そして、この場合、キャップ層は、ハフニウム、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、クロム、マグネシウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム及び白金から成る群から選択された少なくとも１種類の材料から成る単層構造；酸化マグネシウム層、酸化アルミニウム層、酸化チタン層、酸化シリコン層、Ｂｉ2Ｏ3層、ＳｒＴｉＯ2層、ＡｌＬａＯ3層、Ａｌ−Ｎ−Ｏ層、Ｍｇ−Ｔｉ−Ｏ層、ＭｇＡｌ2Ｏ4層といった酸化物から成る単層構造；又は、ハフニウム、タンタル、タングステン、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、チタン、バナジウム、クロム、マグネシウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム及び白金から成る群から選択された少なくとも１種類の材料層、並びに、ＭｇＴｉＯ、ＭｇＯ、ＡｌＯ、ＳｉＯから成る群から選択された少なくとも１種類の酸化物層の積層構造（例えば、Ｒｕ層／Ｔａ層）から構成されている形態とすることができる。
【００３７】
以上に説明した種々の層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に代表される化学的気相成長法（ＣＶＤ法）にて形成することができる。また、これらの層のパターニングは、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）やイオンミリング法（イオンビームエッチング法）にて行うことができる。種々の層を真空装置内で連続的に形成することが好ましく、その後、パターニングを行うことが好ましい。
【００３８】
第１電極や第２電極、第１配線、第２配線、配線層等は、Ｔａ若しくはＴａＮ、又は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ等若しくはこれらの化合物の単層構造から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等から成る下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等の積層構造を有していてもよい。あるいは又、Ｔａあるいはその化合物の単層構造、あるいは、Ｃｕ、Ｔｉ等あるいはこれらの化合物との積層構造から構成することもできる。これらの電極等は、例えば、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法にて形成することができる。
【００３９】
本開示の磁気抵抗素子等において、積層構造体の下方に、電界効果トランジスタから成る選択用トランジスタが設けられており、例えば、第２電極に接続された第２配線（ビット線）の延びる方向の射影像は、電界効果トランジスタを構成するゲート電極（例えば、ワード線あるいはアドレス線としても機能する）の延びる方向の射影像と直交する形態とすることができるし、第２配線（ビット線）の延びる方向の射影像は、電界効果トランジスタを構成するゲート電極の延びる方向の射影像と平行である形態とすることもできる。また、第１電極に接続された第１配線（センス線）の延びる方向の射影像は、第２配線の延びる方向の射影像と平行である形態とすることができる。場合によっては、選択用トランジスタは不要である。
【００４０】
磁気抵抗素子における好ましい構成にあっては、上述したとおり、積層構造体の下方に電界効果トランジスタから成る選択用トランジスタを更に有しているが、より具体的な構成として、例えば、限定するものではないが、
半導体基板に形成された選択用トランジスタ、及び、
選択用トランジスタを覆う層間絶縁層、
を備えており、
層間絶縁層上には、第１電極が形成されており、
第１電極は、層間絶縁層に設けられた接続孔（あるいは接続孔とランディングパッド部や下層配線）を介して選択用トランジスタの一方のソース／ドレイン領域に電気的に接続されており、
積層構造体は、第１電極及び第２電極と接しており、
絶縁層は、層間絶縁層を覆い、且つ、第１電極、積層構造体及び第２電極を取り囲んでいる構成を例示することができる。
【００４１】
場合によっては、積層構造体の側面と絶縁層との間に、サイドウォールが形成されている。
【００４２】
選択用トランジスタは、例えば、周知のＭＩＳ型ＦＥＴやＭＯＳ型ＦＥＴから構成することができる。第１電極と選択用トランジスタとを電気的に接続する接続孔は、不純物がドーピングされたポリシリコンや、タングステン、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｃｕ、ＴｉＷ、ＴｉＮＷ、ＷＳｉ2、ＭｏＳｉ2等の高融点金属や金属シリサイドから構成することができ、ＣＶＤ法や、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法に基づき形成することができる。また、絶縁層、層間絶縁層を構成する材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＦ、ＳｉＣＮ、ＳＯＧ（スピンオングラス）、ＮＳＧ（ノンドープ・シリケート・ガラス）、ＢＰＳＧ（ホウ素・リン・シリケート・ガラス）、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＰｂＳＧ、ＡｓＳＧ、ＳｂＳＧ、ＬＴＯ、Ａｌ2Ｏ3を例示することができる。あるいは又、低誘電率絶縁材料（例えば、フルオロカーボン、シクロパーフルオロカーボンポリマー、ベンゾシクロブテン、環状フッ素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、アモルファステトラフルオロエチレン、ポリアリールエーテル、フッ化アリールエーテル、フッ化ポリイミド、有機ＳＯＧ、パリレン、フッ化フラーレン、アモルファスカーボン）、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、Ｓｉｌｋ（The Dow Chemical Co. の商標であり、塗布型低誘電率層間絶縁膜材料）、Ｆｌａｒｅ（Honeywell Electronic Materials Co. の商標であり、ポリアリルエーテル（ＰＡＥ)系材料）を挙げることができ、単独、あるいは、適宜、組み合わせて使用することができる。あるいは又、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）；ポリビニルフェノール（ＰＶＰ）；ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）；ポリイミド；ポリカーボネート（ＰＣ）；ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）；ポリスチレン；Ｎ−２（アミノエチル）３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＥＡＰＴＭＳ）、３−メルカプトプロピルトリメトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）等のシラノール誘導体（シランカップリング剤）；ノボラック型フェノール樹脂；フッ素系樹脂；オクタデカンチオール、ドデシルイソシアネイト等の一端に制御電極と結合可能な官能基を有する直鎖炭化水素類にて例示される有機系絶縁材料（有機ポリマー）を挙げることができるし、これらの組み合わせを用いることもできる。絶縁層、層間絶縁層は、各種ＣＶＤ法、塗布法、スパッタリング法や真空蒸着法を含む各種ＰＶＤ法、スクリーン印刷法といった各種印刷法、ゾル−ゲル法等の公知の方法に基づき形成することができる。
【００４３】
本開示の磁気抵抗素子を組み込んだ電子デバイスとして、モバイル機器、ゲーム機器、音楽機器、ビデオ機器といった携帯可能な電子デバイスや、固定型の電子デバイスを挙げることができるし、磁気ヘッドを挙げることもできる。また、本開示の磁気抵抗素子（具体的には記憶素子、より具体的には不揮発性メモリセル）が２次元マトリクス状に配列されて成る不揮発性記憶素子アレイから構成された記憶装置を挙げることもできる。
【実施例１】
【００４４】
実施例１は、本開示の磁気抵抗素子、より具体的には、例えば記憶素子（不揮発性メモリセル）を構成する磁気抵抗素子に関する。選択用トランジスタを含む実施例１の磁気抵抗素子（スピン注入型磁気抵抗効果素子）の模式的な一部断面図を図１に示し、等価回路図を図２に示す。不揮発性メモリセルは、実施例１の磁気抵抗素子が２次元マトリクス状に配列されて成る。磁気抵抗素子は不揮発性メモリセルを構成する。【００４５】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の磁気抵抗素子は、
少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体５０を有しており、
積層構造体５０の上又は上方には（具体的には、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４にあっては、積層構造体５０の上方には）、金属層６１が形成されており、
金属層６１に対する積層構造体５０の正射影像は、金属層６１に含まれている。【００４６】
そして、０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層６１を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）としたとき、以下の式（１）を満足する。あるいは又、０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層６１を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、以下の式（２）を満足する。尚、磁気抵抗素子の構成に依っては式（１）、式（２）のいずれか一方を満足すればよいが、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の磁気抵抗素子にあっては、温度Ｔにおいて、式（１）及び式（２）を同時に満足している。
ＥGib-0（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）      （１）
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）      （２）【００４７】
ここで、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の磁気抵抗素子において、金属層６１は、チタン（Ｔｉ）原子、アルミニウム（Ａｌ）原子及びマグネシウム（Ｍｇ）原子から成る群から選択された少なくとも１種類の金属原子を含む。具体的には、金属層６１は、チタン（Ｔｉ）から成る。尚、チタン（Ｔｉ）は水素吸蔵効果も有する。より具体的には、金属層６１を１層で図示しているが、実際には、金属層６１はＴｉ／ＴｉＮの積層構造を有する。Ｔｉが上層であってもよいし、下層であってもよい。但し、金属層６１を、Ｔｉ層、１層から構成することができることは云うまでもない。また、金属層６１を構成する金属原子は、金属層６１に６０原子％以上、好ましくは８０原子％以上含まれているが、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の磁気抵抗素子において、具体的には、金属層６１を構成する金属原子は、金属層６１の全てを構成している。金属層６１の厚さは、１×１０-8ｍ以上、好ましくは、２×１０-8ｍ以上であることが望ましく、具体的には、積層構造体５０と対向する金属層６１の対向面の厚さを２０ｎｍとした。【００４８】
更には、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の磁気抵抗素子において、磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子には、コバルト（Ｃｏ）原子、又は、鉄（Ｆｅ）原子、又は、コバルト原子及び鉄原子（Ｃｏ−Ｆｅ）が含まれる。具体的には、磁化固定層及び記憶層はＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金層［例えば、（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20合金層］から成る。また、トンネル絶縁膜として機能する非磁性体材料から成る中間層を構成する金属原子には、マグネシウム（Ｍｇ）原子、又は、アルミニウム（Ａｌ）原子が含まれる。具体的には、ＭｇＯから成る。中間層をＭｇＯ層から構成することで、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくすることができ、これによって、スピン注入の効率を向上させることができ、記憶層の磁化方向を反転させるために必要とされる磁化反転電流密度を低減させることができる。Ｔｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉの酸化物・生成ギブスエネルギー（Ｔ＝４００゜Ｃ）を、以下の表１に示す。【００４９】
〈表１〉
酸化物・生成ギブスエネルギー（６７３゜Ｋにおける値）
Ｔｉ      −８００ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ2
Ａｌ      −９９０ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ2
Ｍｇ    −１１２０ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ2
Ｃｏ      −３８０ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ2
Ｆｅ      −４３３ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ2
Ｓｉ      −７６３ｋＪ／ｍｏｌ−Ｏ2【００５０】
そして、実施例１の磁気抵抗素子において、
積層構造体５０は絶縁層３１，３２によって囲まれており、
積層構造体５０の上又は上方には（具体的には、積層構造体５０の上方には）、積層構造体５０と接続された接続部６０が形成されており、
金属層６１は、接続部６０の内壁に形成されている。【００５１】
具体的には、接続部６０は、金属層６１、及び、タングステン（Ｗ）から成るコンタクトホール部６２から構成されている。金属層６１と対向する積層構造体５０の対向面の面積をＳ1、積層構造体５０と対向する金属層６１の対向面の面積をＳ2としたとき、
Ｓ2／Ｓ1≧１
望ましくは、
Ｓ2／Ｓ1≧２
を満足することが好ましい。具体的には、例えば、
Ｓ2／Ｓ1＝２
とした。尚、積層構造体５０の立体形状は、円筒形（円柱形）であるが、これに限定するものではなく、例えば、四角柱とすることもできる。金属層６１と対向する積層構造体５０の対向面、及び、積層構造体５０と対向する金属層６１の対向面の平面形状を、設計上、同心の円形とした。【００５２】
実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の磁気抵抗素子において、記憶層の磁化方向は、記憶すべき情報に対応して変化する。そして、記憶層において、磁化容易軸は積層構造体５０の積層方向に対して平行である（即ち、垂直磁化型である）。即ち、磁気抵抗素子は、垂直磁化方式のスピン注入型磁気抵抗効果素子から成る。云い換えれば、磁気抵抗素子はＭＴＪ素子から構成されている。磁化固定層の磁化方向は、記憶層に記憶すべき情報の基準となる磁化方向であり、記憶層の磁化方向と磁化固定層の磁化方向の相対的な角度によって、情報「０」及び情報「１」が規定される。積層構造体５０の第１面は第１電極４１と接しており、積層構造体５０の第２面は第２電極４２と接しており、第１電極４１と第２電極４２との間に電流（磁化反転電流）が流されることで、記憶層に情報が記憶される。尚、磁化固定層が積層構造体５０の第１面を構成してもよいし、記憶層が積層構造体５０の第１面を構成してもよい。【００５３】
以上に説明した各種の層構成を、以下の表２に掲げた。【００５４】
〈表２〉
積層構造体
記憶層        ：膜厚１．６ｎｍの（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20層
中間層        ：膜厚１．０ｎｍのＭｇＯ層
磁気固定層    ：膜厚１．０ｎｍの（Ｃｏ20Ｆｅ80）80Ｂ20層
第１電極          ：厚さ１０ｎｍのＴａＮ
第２電極          ：厚さ３０ｎｍのＴａ
金属層            ：膜厚２０ｎｍのＴｉ層【００５５】
また、実施例１あるいは後述する実施例２〜実施例４の磁気抵抗素子において、積層構造体５０の下方には、電界効果トランジスタから成る選択用トランジスタＴＲが設けられており、例えば、第２電極４２に接続された第２配線（ビット線）６３の延びる方向の射影像は、選択用トランジスタＴＲを構成するゲート電極１２（例えば、ワード線あるいはアドレス線としても機能する）の延びる方向の射影像と直交する形態とすることができるし、第２配線６３の延びる方向の射影像は、選択用トランジスタＴＲを構成するゲート電極１２の延びる方向の射影像と平行である形態とすることもできる。より具体的な構成として、第２配線６３の延びる方向の射影像は、ゲート電極１２の延びる方向の射影像と直交しており、また、第１配線（センス線）６６の延びる方向の射影像と平行である。但し、図１あるいは後述する図９、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７及び図２０では、図面の簡素化のために、ゲート電極１２、第２配線６３，７３，８３及び第１配線６６，７６，８６の延びる方向は、以上の説明とは異なっている。第２配線６３，７３，８３及び第１配線６６，７６，８６は図面の紙面と垂直な方向に延びている。【００５６】
例えば、シリコン半導体基板から成る半導体基板１０に形成された選択用トランジスタＴＲは、半導体基板１０に形成されたチャネル形成領域１４及びソース／ドレイン領域１５Ａ，１５Ｂ、チャネル形成領域１４に対向してゲート絶縁層１３を介して設けられたゲート電極１２から構成されている。ゲート電極１２の側壁にはＳｉＯ2から成るゲートサイドウォール１６が形成されている。選択用トランジスタＴＲは、層間絶縁層２１，２２によって覆われている。層間絶縁層２１はＳｉＮから成り、層間絶縁層２２はＳｉＯ2から成る。参照番号１１は素子分離領域である。【００５７】
層間絶縁層２２上には、第１電極４１が形成されており、
第１電極４１は、層間絶縁層２２、２１に設けられた接続孔２３を介して選択用トランジスタＴＲの一方のソース／ドレイン領域１５Ａに電気的に接続されており、
積層構造体５０は、第１電極４１及び第２電極４２と接しており、
絶縁層３１，３２は、層間絶縁層２２を覆い、且つ、第１電極４１、積層構造体５０及び第２電極４２を取り囲んでいる。絶縁層３１はＳｉＮから成り、絶縁層３２はＳｉＯ2から成る。【００５８】
選択用トランジスタＴＲの他方のソース／ドレイン領域１５Ｂは、層間絶縁層２２、２１に設けられた接続孔２４、絶縁層３１，３２に形成された接続孔６５を介して第１配線（センス線）６６に接続されている。【００５９】
以下、図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｂ及び図６Ｃを参照して、実施例１の磁気抵抗素子の製造方法の概要を説明する。尚、図５Ｂ、図５Ｃ、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂにおいては、選択用トランジスタＴＲの図示を省略している。【００６０】
［工程−１００］
先ず、周知の方法に基づき、シリコン半導体基板から成る半導体基板１０に素子分離領域１１を形成し、素子分離領域１１によって囲まれた半導体基板１０の部分に、ゲート絶縁層１３、ゲート電極１２、ゲートサイドウォール１６、ソース／ドレイン領域１５Ａ，１５Ｂから成る選択用トランジスタＴＲを形成する。ソース／ドレイン領域１５Ａとソース／ドレイン領域１５Ｂの間に位置する半導体基板１０の部分がチャネル形成領域１４に相当する。次いで、層間絶縁層２１，２２を形成する。そして、一方のソース／ドレイン領域１５Ａの上方の層間絶縁層２１，２２の部分にタングステンプラグから成る接続孔２３を形成し、他方のソース／ドレイン領域１５Ｂの上方の層間絶縁層２１，２２の部分にタングステンプラグから成る接続孔２４を形成する。こうして、層間絶縁層２２，２１で覆われた選択用トランジスタＴＲを得ることができる（図５Ａ参照）。【００６１】
［工程−１１０］
その後、層間絶縁層２２の上に、第１電極４１、積層構造体５０及び第２電極４２を成膜し、次いで、第２電極４２、積層構造体５０、第１電極４１を、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）に基づきエッチングする（図５Ｂ参照）。第１電極４１は接続孔２３と接している。尚、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成る中間層は、ＲＦマグネトロンスパッタ法に基づきＭｇＯ層の成膜を行うことで形成した。また、その他の層はＤＣマグネトロンスパッタ法に基づき成膜を行った。ＲＩＥ法によって各層をパターニングする代わりに、イオンミリング法（イオンビームエッチング法）に基づき各層をパターニングすることもできる。【００６２】
［工程−１２０］
次に、全面に絶縁層３１，３２を形成する（図５Ｃ、図６Ａ参照）。そして、積層構造体５０の上方の絶縁層３１，３２に開口部６７Ａを形成する。開口部６７Ａの底部には、積層構造体５０が露出する。また、接続孔２４の上方の絶縁層３１，３２に開口部６７Ｂを形成する。開口部６７Ｂの底部には、接続孔２４が露出する。こうして、図６Ｂに示す構造を得ることができる。【００６３】
［工程−１３０］
その後、スパッタリング法に基づき全面に金属層６１，６４を形成し、更に、ＣＶＤ法に基づき、全面にタングステン層を成膜し、ＣＭＰ法にて、絶縁層３２上のタングステン層及び金属層６１，６４を除去する。こうして、図６Ｃに示す構造を得ることができる。【００６４】
［工程−１４０］
次いで、周知の方法に基づき、絶縁層３２上に、第２配線（ビット線）６３及び第１配線（センス線）６６を形成する。第２配線６３は、金属層６１及びコンタクトホール部６２から成る接続部６０と接している。また、第１配線６６は、金属層６４及び接続孔６５と接している。こうして、図１に示す実施例１の磁気抵抗素子を得ることができる。【００６５】
以上のとおり、実施例１の磁気抵抗素子の製造には一般のＭＯＳ製造プロセスを適用することができ、汎用メモリとして適用することが可能である。【００６６】
図３Ａ及び図４Ａに概念図を示すように、記憶層に記憶されている情報「０」を「１」に書き換えるとする。即ち、平行磁化状態で、書込み電流（磁化反転電流）Ｉ1を、磁化固定層から記憶層を経由して選択用トランジスタＴＲへと流す。云い換えれば、記憶層から磁化固定層に向かって電子を流す。具体的には、例えば、第２配線（ビット線）６３にＶddを印加し、選択用トランジスタＴＲの他方のソース／ドレイン領域１５Ｂを接地する。磁化固定層に達した一方の向きのスピンを有する電子は、磁化固定層を通過する。一方、他方の向きのスピンを有する電子は、磁化固定層で反射される。そして、係る電子が記憶層に進入すると、記憶層にトルクを与え、記憶層は反平行磁化状態へと反転する。ここで、磁化固定層の磁化方向は固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層が反転すると考えてもよい。【００６７】
図３Ｂ及び図４Ｂに概念図を示すように、記憶層に記憶されている情報「１」を「０」に書き換えるとする。即ち、反平行磁化状態で、書込み電流Ｉ2を、選択用トランジスタＴＲから記憶層を経由して磁化固定層へ流す。云い換えれば、磁化固定層から記憶層に向かって電子を流す。具体的には、例えば、選択用トランジスタＴＲの他方のソース／ドレイン領域１５ＢにＶddを印加し、第２配線（ビット線）６３を接地する。磁化固定層を通過した電子には、スピン偏極、即ち、上向きと下向きの数に差が生じる。中間層の厚さが十分に薄く、このスピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極状態（上向きと下向きが同数の状態）になる前に記憶層に達すると、スピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系全体のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転、即ち、スピン角運動量の向きを変えさせられる。このとき、系の全角運動量は保存されなければならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層における磁気モーメントに与えられる。電流、即ち、単位時間に磁化固定層を通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないために、記憶層における磁気モーメントに発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に記憶層に与えることができる。角運動量の時間変化はトルクであり、トルクが或る閾値を超えると記憶層の磁気モーメントは反転を開始し、その一軸異方性により１８０度回転したところで安定となる。即ち、反平行磁化状態から平行磁化状態への反転が起こり、情報「０」が記憶層に記憶される。【００６８】
記憶層に書き込まれた情報を読み出すときには、情報を読み出すべき磁気抵抗素子における選択用トランジスタＴＲを導通状態とする。そして、第２配線（ビット線）６３と第１配線（センス線）６６との間に電流を流し、第２配線６３に現れる電位を、比較回路（図示せず）を構成するコンパレータ回路（図示せず）の他方の入力部に入力する。一方、リファレンス抵抗値を求める回路（図示せず）からの電位を、比較回路を構成するコンパレータ回路の一方の入力部に入力する。そして、比較回路にあっては、リファレンス抵抗値を求める回路からの電位を基準として、第２配線６３に現れる電位が高いか低いかが比較され、比較結果（情報０／１）が、比較回路を構成するコンパレータ回路の出力部から出力される。【００６９】
実施例１の磁気抵抗素子にあっては、式（１）［ＥGib-0＜ＥGib-1］を満足するので、磁気抵抗素子の製造工程における酸化雰囲気において、磁化固定層及び記憶層よりも金属層が酸化され易い。また、式（２）［ＥGib-2≦ＥGib-0］を満足するので、磁気抵抗素子の製造工程における還元雰囲気において、中間層よりも金属層が還元され易い。そして、以上の結果として、酸化雰囲気において磁化固定層及び記憶層が酸化され難くなり、還元雰囲気において中間層が還元され難くなり、熱に対して、また、雰囲気に対して、高い安定性を有する磁気抵抗素子を得ることができる。【００７０】
例えば、積層構造体５０の高さが高い場合、開口部６７Ａの深さと開口部６７Ｂの深さが大きく相違し、コンタクトホール部６２と接続孔６５を同時に形成することが困難になる場合がある。このような場合、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、開口部６７Ａを形成した後、金属層６１及びコンタクトホール部６２を形成し、次いで、開口部６７Ｂを形成した後、金属層６４及び接続孔６５を形成すればよい。尚、コンタクトホール部６２等及び接続孔６５等の形成順序を逆にしてもよい。即ち、開口部６７Ｂを形成した後、金属層６４及び接続孔６５を形成し、次いで、開口部６７Ａを形成した後、金属層６１及びコンタクトホール部６２を形成してもよい。
【実施例２】
【００７１】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図を図９に示す。【００７２】
実施例２の磁気抵抗素子において、接続部７０は、金属層６１、及び、ダマシン構造を有する配線（第２配線であり、ビット線でもある）７３の一部から構成されている。そして、更には、配線７３の延びる方向（図面の紙面に垂直な方向）に直交する仮想平面（図面の紙面に平行な仮想平面）における金属層６１と対向する積層構造体５０の部分の長さをＬ1、仮想平面における積層構造体５０と対向する金属層６１の部分の長さをＬ2としたとき、
Ｌ2／Ｌ1≧１
望ましくは、
Ｌ2／Ｌ1≧２
を満足する。具体的には、
Ｌ2／Ｌ1＝３
とした。ダマシン構造自体は周知の構造である。【００７３】
実施例２の磁気抵抗素子は、実施例１の［工程−１２０］と同様の工程において、全面に絶縁層３１，３２を形成した後、積層構造体５０の上方の絶縁層３１，３２に溝部６８Ａを形成する。溝部６８Ａの底部には、積層構造体５０が露出する。また、接続孔２４の上方の絶縁層３１，３２に溝部６８Ｂを形成する。溝部６８Ｂの底部には、接続孔２４が露出する。こうして、図１０に示す構造を得ることができる。次いで、実施例１の［工程−１３０］と同様の工程において、スパッタリング法に基づき全面にチタンから成る金属層６１，６４を形成し（図１１参照）、更に、ＣＶＤ法に基づき全面に銅層を成膜し、ＣＭＰ法にて絶縁層３２上の銅層及び金属層６１，６４を除去する。こうして、ダマシン構造の第２配線（ビット線）７３及び第１配線（センス線）７６を有する、図９に示した実施例２の磁気抵抗素子を得ることができる。尚、第２配線（ビット線）７３及び第１配線（センス線）７６は、図面の紙面垂直方向に延びている。【００７４】
以上の点を除き、実施例２の磁気抵抗素子の構成、構造は、実施例１の磁気抵抗素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例３】
【００７５】
実施例３も、実施例１の変形である。実施例３の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図を図１２に示す。【００７６】
実施例３の磁気抵抗素子において、
積層構造体５０は絶縁層３１，３２によって囲まれており、
金属層６１は、積層構造体５０の上又は上方に形成され（具体的には、積層構造体５０の上方に形成され）、積層構造体５０と接続されており、
金属層６１上には配線層８３が形成されている。そして、更には、配線層８３の延びる方向（図面の紙面に垂直な方向）に直交する仮想平面（図面の紙面に平行な仮想平面）における金属層６１と対向する積層構造体５０の部分の長さをＬ1、仮想平面における積層構造体５０と対向する金属層６１の部分の長さをＬ2としたとき、
Ｌ2／Ｌ1≧１
望ましくは、
Ｌ2／Ｌ1≧２
を満足する。具体的には、
Ｌ2／Ｌ1＝５
とした。【００７７】
実施例３の磁気抵抗素子は、実施例１の［工程−１２０］と同様の工程において、全面に絶縁層３１，３２を形成した後、絶縁層３１，３２に平坦化処理を施し、第２電極４２の頂面を露出させた後、接続孔２４の上方の絶縁層３１，３２に開口部６７Ｂを形成する。開口部６７Ｂの底部には接続孔２４が露出する。こうして、図１３に示す構造を得ることができる。次いで、実施例１の［工程−１３０］と同様の工程において、スパッタリング法に基づき全面にチタンから成る金属層６１’を形成し（図１４参照）、更に、スパッタリング法に基づき全面にアルミニウム層を成膜し、エッチング法に基づき絶縁層３２上のアルミニウム層及び金属層６１’をパターニング、除去する。こうして、第２配線（ビット線）８３及び第１配線（センス線）８６を有する、図１２に示した実施例３の磁気抵抗素子を得ることができる。尚、第２配線（ビット線）８３及び第１配線（センス線）８６は、図面の紙面垂直方向に延びている。【００７８】
以上の点を除き、実施例３の磁気抵抗素子の構成、構造は、実施例１の磁気抵抗素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。【００７９】
場合によっては、金属層６１と第２電極４２との間に、例えば、タングステンプラグから成る接続孔を形成してもよい。金属層６１を積層構造体５０に隣接して位置させなくとも、金属層６１は、磁化固定層及び記憶層の酸化抑制、中間層の還元抑制の効果を発揮し得る。また、積層構造体５０の上方に位置する金属層６１及び配線層８３の幅を、他の部分の幅よりも広げてもよい。あるいは又、金属層６１の幅を配線層８３の幅よりも広げてもよい。即ち、隣接する第２配線（ビット線）８３及び第１配線（センス線）８６と短絡しない限り、金属層６１を広い面積において形成してもよい。
【実施例４】
【００８０】
実施例４は、実施例１〜実施例３の変形である。実施例４の磁気抵抗素子の模式的な一部断面図を図１５に示す。【００８１】
実施例４の磁気抵抗素子において、積層構造体５０の側面はサイドウォール３３で覆われている。そして、この場合、温度Ｔにおけるサイドウォール３３を構成する原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-SW（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-SW（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）    （３）
を満足する。更には、サイドウォール３３を構成する原子は、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）及びシリコン（Ｓｉ）から成る群から選択された少なくとも１種類の原子を含む。具体的には、サイドウォール３３を構成する原子をシリコン（Ｓｉ）とした。サイドウォール３３はＳｉＯ2から成る。【００８２】
実施例４の磁気抵抗素子の製造にあっては、例えば、実施例１の［工程−１１０］と［工程−１２０］の間において、全面にＳｉＯ2層を形成した後、ＳｉＯ2層をエッチバックすることで、積層構造体５０の側面にＳｉＯ2から成るサイドウォール３３を形成することができる（積層構造体等の模式的な一部端面図である図１６を参照）。そして、引き続き、実施例１の［工程−１２０］と同様の工程を実行すればよい（図１７を参照）。【００８３】
実施例４の磁気抵抗素子の変形例の積層構造体等の模式的な一部断面図を図１８Ａ、図１８Ｂ及び図１８Ｃに示す。【００８４】
図１８Ａに示す構造において、サイドウォールは、ＳｉＮから成る第１サイドウォール３３Ａ及びＳｉＯ2から成る第２サイドウォール３３Ｂから構成されている。第１サイドウォール３３Ａが積層構造体５０の側面と接しており、第２サイドウォール３３ＢがＳｉＮから成る絶縁層３１と接している。【００８５】
図１８Ｂに示す構造にあっては、図１８Ａに示したと同様に、サイドウォールは、ＳｉＮから成る第１サイドウォール３３Ａ及びＳｉＯ2から成る第２サイドウォール３３Ｂから構成されている。但し、第１サイドウォール３３Ａの底部が層間絶縁層２２の上を延びている。【００８６】
図１８Ｃに示す構造にあっては、図１８Ａに示したと同様に、サイドウォールは、ＳｉＮから成る第１サイドウォール３３Ａ及びＳｉＯ2から成る第２サイドウォール３３Ｂから構成されている。但し、第１サイドウォール３３Ａの上部は、第２サイドウォール３３Ｂによって覆われている。尚、図１８Ｂに示したと同様に、第１サイドウォール３３Ａの底部は層間絶縁層２２の上を延びていてもよい。このようなサイドウォール構造を形成した場合、図１９Ａに示すように、全面にＳｉＮから成る絶縁層３１を形成し、次いで、図１９Ｂに示すように、全面にＳｉＯ2から成る絶縁層３２を形成する。そして、例えば、接続部を形成するために、図１９Ｃに示すように、絶縁層３２及び絶縁層３１に開口部６７Ａを形成する。ここで、ＳｉＮから成る絶縁層３１をエッチングするとき、ＳｉＮから成る第１サイドウォール３３Ａの上部は、ＳｉＯ2から成る第２サイドウォール３３Ｂによって覆われているので、第１サイドウォール３３Ａがエッチングされることがない。【００８７】
実施例４の磁気抵抗素子の別の変形例の模式的な一部断面図を図２０に示す。この実施例４の変形例にあっては、例えば、ＳｉＯ2あるいはＳｉＮから成るサイドウォール３３の少なくとも一部は（図示した例では、サイドウォール３３の全体は）、金属層６１で覆われている。このような構造とすることで、ロジック領域の構造変化（例えば、配線構造）を最小とすることができるため、抵抗値や容量値の増加といったロジック回路の特性への影響を小さくすることができ、磁気抵抗素子の混載が容易となる。【００８８】
以上の点を除き、実施例４の磁気抵抗素子の構成、構造は、実施例１〜実施例３の磁気抵抗素子の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【実施例５】
【００８９】
実施例５は、実施例１〜実施例４において説明した磁気抵抗素子を備えた電子デバイス、具体的には、磁気ヘッドに関する。磁気ヘッドは、例えば、ハードディスクドライブ、集積回路チップ、パーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。【００９０】
一例として図２１Ａ、図２１Ｂに、磁気抵抗素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。尚、図２１Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した模式的な斜視図であり、図２１Ｂは複合型磁気ヘッド１００の模式的断面図である。【００９１】
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、実施例１〜実施例４において説明した磁気抵抗素子を備えた磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されており、この磁気抵抗効果型磁気ヘッド上に、更に、インダクティブ型磁気ヘッドが積層・形成されている。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作し、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。即ち、この複合型磁気ヘッド１００にあっては、再生用ヘッドと記録用ヘッドとが複合されている。【００９２】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、所謂シールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド層１２５と、第１の磁気シールド層１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗素子１０１と、磁気抵抗素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド層１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等の絶縁材料から成る。第１の磁気シールド層１２５は、磁気抵抗素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等の軟磁性材料から成る。第１の磁気シールド層１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗素子１０１が形成されている。磁気抵抗素子１０１は、磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。磁気抵抗素子１０１の形状は略矩形状であり、一側面が磁気記録媒体への対向面として露呈している。そして、磁気抵抗素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。また、バイアス層１２８，１２９に接続された接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗素子１０１にセンス電流が供給される。バイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。【００９３】
磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層・形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。上層コア１３２は、第２の磁気シールド層１２７と共に閉磁路を形成しており、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等の軟磁性材料から成る。ここで、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２は、これらの前端部が磁気記録媒体への対向面として露呈しており、且つ、これらの後端部において第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体の対向面において、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。即ち、複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド層１２７は、磁気抵抗素子１０１の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド層１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。【００９４】
また、第２の磁気シールド層１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド層１２７及び上層コア１３２から成る磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈しており、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、インダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。即ち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３３に記録電流が供給される。【００９５】
以上のような複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドとして磁気抵抗効果型磁気ヘッドを搭載しているが、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として、実施例１〜実施例４において説明した磁気抵抗素子１０１を備えている。そして、磁気抵抗素子１０１は、上述したように非常に優れた特性を示すので、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、磁気記録の更なる高記録密度化に対応することができる。【００９６】
以上、本開示を好ましい実施例に基づき説明したが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した各種の積層構造、使用した材料等は例示であり、適宜、変更することができる。磁化固定層を、参照層及び固定層から成る積層フェリ構造（積層フェリピン構造）とすることもできる。場合によっては、金属層の代わりにＳｉ層を形成してもよい。本開示の磁気抵抗素子の複数から構成された不揮発性記憶素子アレイを含むロジック領域が形成された基板と、例えば、撮像素子の複数が形成された撮像素子アレイを含む基板とを貼り合わせることもできる。【００９７】
図２２に示すように、実施例１において説明した磁気抵抗素子において、第２配線６３の下に、金属層として機能するＴｉ層６１’を形成してもよい。そして、積層構造体５０の上方に位置する第２配線６３の部分の幅、他の部分の幅よりも広げてもよい。即ち、隣接する第２配線（ビット線）６３及び第１配線（センス線）６６と短絡しない限り、金属層６１を広い面積において形成することが望ましい。【００９８】
また、複数の磁気抵抗素子（記憶素子、不揮発性メモリセル）から構成された、所謂クロスポイント型のメモリセルユニットを構成することもできる。このクロスポイント型のメモリセルユニットは、
第１の方向に延びる複数の第３配線（ワード線）、
第３配線と上下方向に離間して配置され、第３配線と異なる第２の方向に延びる複数の第２配線（ビット線）、及び、
第３配線と第２配線とが重複する領域に配置され、第３配線及び第２配線に接続された磁気抵抗素子（記憶素子、不揮発性メモリセル）、
から構成されている。そして、第３配線と第２配線との間に印加する電圧の向き、あるいは、第３配線と第２配線との間に流す電流の向きによって、磁気抵抗素子における情報の書込み、消去が行われる。尚、このような構造にあっては、選択用トランジスタＴＲは不要である。【００９９】
尚、本開示は、以下のような構成を取ることもできる。
［Ａ０１］《磁気抵抗素子：第１の態様》
少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体を有しており、
積層構造体の上又は上方には、金属層が形成されており、
金属層に対する積層構造体の正射影像は、金属層に含まれており、
０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最小のギブスエネルギーをＥGib-1（Ｔ）としたとき、
ＥGib-0（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）      （１）
を満足する磁気抵抗素子。
［Ａ０２］温度Ｔにおける中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）
を満足する［Ａ０１］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０３］《磁気抵抗素子：第２の態様》
少なくとも、磁化固定層、中間層及び記憶層から成る積層構造体を有しており、
積層構造体の上又は上方には、金属層が形成されており、
金属層に対する積層構造体の正射影像は、金属層に含まれており、
０゜Ｃ以上、４００゜Ｃ以下の温度Ｔ（゜Ｃ）における金属層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-0（Ｔ）、温度Ｔにおける中間層を構成する金属原子の酸化物・生成ギブスエネルギーの内、最大のギブスエネルギーをＥGib-2（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-0（Ｔ）      （２）
を満足する磁気抵抗素子。
［Ａ０４］金属層は、チタン原子、アルミニウム原子及びマグネシウム原子から成る群から選択された少なくとも１種類の金属原子を含む［Ａ０１］乃至［Ａ０３］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０５］磁化固定層及び記憶層を構成する金属原子には、コバルト原子、又は、鉄原子、又は、コバルト原子及び鉄原子が含まれる［Ａ０１］乃至［Ａ０４］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０６］中間層を構成する金属原子には、マグネシウム原子、又は、アルミニウム原子が含まれる［Ａ０１］乃至［Ａ０５］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０７］金属層を構成する金属原子は、金属層に６０原子％以上含まれている［Ａ０１］乃至［Ａ０６］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０８］金属層の厚さは１×１０-8ｍ以上である［Ａ０１］乃至［Ａ０７］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ０９］積層構造体の側面はサイドウォールで覆われている［Ａ０１］乃至［Ａ０８］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１０］温度Ｔにおけるサイドウォールを構成する原子の酸化物・生成ギブスエネルギーをＥGib-SW（Ｔ）としたとき、
ＥGib-2（Ｔ）≦ＥGib-SW（Ｔ）＜ＥGib-1（Ｔ）
を満足する［Ａ０９］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１１］サイドウォールを構成する原子は、チタン、アルミニウム、マグネシウム及びシリコンから成る群から選択された少なくとも１種類の原子を含む［Ａ０９］又は［Ａ１０］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１２］サイドウォールの少なくとも一部は金属層で覆われている［Ａ０９］乃至［Ａ１１］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１３］積層構造体は絶縁層によって囲まれており、
積層構造体の上又は上方には、積層構造体と接続された接続部が形成されており、
金属層は、接続部の内壁に形成されている［Ａ０１］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１４］接続部は、金属層、及び、コンタクトホール部から構成されている［Ａ１３］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１５］接続部は、金属層、及び、ダマシン構造を有する配線の一部から構成されている［Ａ１３］に記載の磁気抵抗素子。
［Ａ１６］積層構造体は絶縁層によって囲まれており、
金属層は、積層構造体の上又は上方に形成され、積層構造体と接続されており、
金属層上には配線層が形成されている［Ａ０１］乃至［Ａ１２］のいずれか１項に記載の磁気抵抗素子。
【符号の説明】
【０１００】
１０・・・半導体基板、１１・・・素子分離領域、１２・・・ゲート電極（ワード線あるいはアドレス線）、１３・・・ゲート絶縁層、１４・・・チャネル形成領域、１５Ａ，１５Ｂ・・・ソース／ドレイン領域、１６・・・ゲートサイドウォール、２１，２２・・・層間絶縁層、２３，２４・・・接続孔、３１，３２・・・絶縁層、３３，３３Ａ，３３Ｂ・・・サイドウォール、４１・・・第１電極、４２・・・第２電極、５０・・・積層構造体、６０，７０・・・接続部、６１・・・金属層、６１’・・・Ｔｉ層、６２・・・コンタクトホール部、６３，７３，８３・・・第２配線（ビット線）、６４・・・金属層、６５・・・接続孔、６６，７６，８６・・・第１配線（センス線）、６７Ａ，６７Ｂ・・・開口部、６８Ａ，６８Ｂ・・・溝部、１００・・・複合型磁気ヘッド、１０１・・・磁気抵抗素子、１２２・・・基板、１２３・・・絶縁層、１２５・・・第１の磁気シールド層、１２７・・・第２の磁気シールド層、１２８，１２９・・・バイアス層、１３０，１３１・・・接続端子、１３２・・・上層コア、１３３・・・薄膜コイル、ＴＲ・・・選択用トランジスタ
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【国際調査報告】
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