WO2020008853A1 - 磁気トンネル接合素子及び半導体装置 - Google Patents

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magnetic
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苅屋田　英嗣
博信 谷川
鈴木　哲広
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    • H10N50/85—Materials of the active region

Definitions

  • the present disclosure relates to a magnetic tunnel junction element and a semiconductor device.
  • CMOS Complementary MOS
  • an SRAM Static Random Access Memory
  • MRAM Magnetoresistive Random Access Memory
  • a magnetoresistive memory is a memory element using a magnetic tunnel junction (MTJ) element in which an insulating thin film is sandwiched between a pair of ferromagnetic layers.
  • MTJ magnetic tunnel junction
  • the magnitude of the tunnel resistance changes depending on the relative magnetization directions of the pair of ferromagnetic layers. This allows the MTJ element to store information by controlling the magnetization directions of the pair of ferromagnetic layers to be parallel or antiparallel.
  • Patent Literature 1 discloses an interface perpendicular magnetization type STT-MRAM (Spin Transfer Torque-MRAM) using an MTJ element.
  • Patent Literature 1 discloses that the STT-MRAM and a peripheral circuit including a selection transistor and the like are simultaneously formed by improving the thermal resistance of the MTJ element to a level that can withstand the thermal load in the wiring forming process. I have.
  • the present disclosure proposes a magnetic tunnel junction element having higher thermal resistance and a semiconductor device equipped with the magnetic tunnel junction element.
  • a magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction
  • a first insulating layer provided on the magnetization fixed layer and formed of an insulating material, and provided on the first insulating layer
  • Multi-layer structure including at least one magnetization free layer, an adjacent layer provided adjacent to the magnetization free layer and formed of a nonmagnetic transition metal, and at least one barrier layer formed of the nonmagnetic transition metal And a cap layer provided on the adjacent layer.
  • the magnetic tunnel junction device includes a magnetic tunnel junction device, and the magnetic tunnel junction device is provided on the magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, and is formed of an insulating material.
  • a semiconductor device is provided, which has a multilayer structure including at least one barrier layer formed of a transition metal and includes a cap layer provided on the adjacent layer.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer is reduced. Can be suppressed.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically illustrating a main laminated structure of a magnetic tunnel junction element according to an embodiment of the present disclosure. It is a longitudinal cross-sectional view which shows typically the mode of the diffusion of the atom when performing heat processing to the magnetic tunnel junction element which concerns on the same embodiment.
  • FIG. 9 is a longitudinal sectional view schematically showing the state of diffusion of atoms when heat treatment is performed on a magnetic tunnel junction element according to a comparative example.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view schematically showing another laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the same embodiment. It is a longitudinal cross-sectional view which shows the modification of the magnetic tunnel junction element concerning the embodiment typically.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a laminated structure of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a laminated structure of a magnetic tunnel junction device according to a second embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing a laminated structure of a magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a laminated structure of a magnetic tunnel junction element according to Comparative Example 2.
  • FIG. 7 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment.
  • FIG. 14 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to the second embodiment.
  • FIG. 14 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 1.
  • FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 2.
  • FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 2.
  • FIG. 9 is a graph showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 2.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating a laminated structure of a magnetic tunnel junction device according to a third embodiment.
  • FIG. 14 is an explanatory diagram illustrating a laminated structure of a magnetic tunnel junction device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a graph showing, as a relative value, a change in the TMR ratio of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of an adjacent layer.
  • FIG. 9 is a graph showing, as a relative value, a change in coercive force variation of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of the barrier layer.
  • FIG. 9 is a graph showing, as a relative value, a change in coercive force variation of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of the intermediate layer.
  • FIG. 4 is a graph showing, as a relative value, a change in coercive force of a magnetic tunnel junction element with respect to a film thickness of a magnetic layer.
  • FIG. 9 is a graph showing, as a relative value, a change in a write voltage of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of the magnetic layer in the adjustment layer.
  • the size of some components may be exaggerated for convenience of description. Therefore, the relative sizes of the components illustrated in the drawings do not always accurately represent the magnitude relationship between the actual components.
  • the direction in which the substrate and the layers are stacked is referred to as an up-down direction
  • the direction in which the substrate exists is referred to as a down direction
  • the direction facing the down direction is referred to as an up direction.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing a main laminated structure of a magnetic tunnel junction device 1 according to the present embodiment.
  • the magnetic tunnel junction device 1 has a multilayer structure including a substrate 100, a lower electrode 110, a magnetization fixed layer 120, a first insulating layer 130, a magnetization free layer 140, an adjacent layer 150, And a top layer 170 constituted by the above.
  • the magnetic tunnel junction device 1 is an STT-MRAM that controls the direction of magnetization of the magnetization free layer 140 using the torque due to the spin of electrons.
  • the direction of the easy axis of the magnetization free layer 140 and the magnetization fixed layer 120 is perpendicular to the film surface, so that the efficiency of magnetization reversal by spin injection can be improved. Therefore, in the magnetic tunnel junction element 1, the magnetization free layer 140 and the magnetization fixed layer 120 are caused by the interface perpendicular magnetic anisotropy induced at the interface between the magnetization fixed layer 120 and the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130. Perpendicular magnetic anisotropy is provided.
  • An STT-MRAM such as the magnetic tunnel junction device 1 is also called an interface perpendicular magnetization type STT-MRAM.
  • the substrate 100 is a member that supports each layer of the magnetic tunnel junction device 1.
  • the substrate 100 may be formed of any of semiconductor, quartz, glass, and organic resin.
  • the substrate 100 may be formed of a semiconductor such as silicon (Si) or germanium (Ge), or a compound semiconductor such as gallium arsenide (GaAs), gallium nitride (GaN), or silicon carbide (SiC).
  • the substrate 100 may be an SOI (Silicon On Insulator) substrate in which an insulating film such as SiO 2 is sandwiched between silicon substrates.
  • the lower electrode 110 is provided on the substrate 100.
  • the lower electrode 110 is formed of various metal materials or alloy materials, and functions as a connection point between the magnetic tunnel junction device 1 and various wirings.
  • the lower electrode 110 may be formed of a known material and a laminated structure, for example, may be formed of a single-layer film, or may be formed of a laminated film of a plurality of films. Further, the lower electrode 110 may function as a base film for controlling the crystal orientation of the magnetization fixed layer 120 provided on the lower electrode 110. In such a case, the lower electrode 110 may be formed of a metal material having substantially the same crystal structure or magnetic anisotropy as the magnetization fixed layer 120.
  • the magnetization fixed layer 120 is provided on the lower electrode 110.
  • the magnetization fixed layer 120 is a magnetic layer having an easy axis of magnetization perpendicular to the film surface and having a fixed magnetization direction.
  • the magnetization fixed layer 120 can be formed of a known material and a laminated structure.
  • the magnetization fixed layer 120 may be formed, for example, in a stacked ferrimagnetic structure in which ferromagnetic layers, nonmagnetic layers, and ferromagnetic layers are alternately stacked.
  • the magnetization fixed layer 120 may be formed as a stacked film of various metal layers in order to fix the direction of magnetization, impart perpendicular magnetic anisotropy, or control the crystal structure.
  • the first insulating layer 130 is provided on the magnetization fixed layer 120.
  • the first insulating layer 130 functions as a tunnel insulating film of the MTJ element by being formed of an insulating material.
  • the first insulating layer 130 may be formed as a thin film layer having a thickness of about 1 nm using an inorganic oxide such as magnesium oxide (MgO) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ). More specifically, the first insulating layer 130 may be formed with magnesium oxide (MgO) to a thickness of about 1 nm.
  • the first insulating layer 130 When the first insulating layer 130 is formed of magnesium oxide (MgO), the first insulating layer 130 becomes a layer having good crystallinity at a lower temperature, and thus a tunnel between the magnetization fixed layer 120 and the magnetization free layer 140 is formed.
  • the magnetoresistance effect (Tunnel Magneto Resistance Effect: TMR effect) can be further enhanced.
  • the magnetization free layer 140 is provided on the first insulating layer 130.
  • the magnetization free layer 140 is a magnetic layer having an easy axis of magnetization in a direction perpendicular to the film surface due to interface perpendicular magnetic anisotropy generated at the interface with the first insulating layer 130 and capable of controlling the direction of magnetization.
  • the magnetization free layer 140 may be formed of a magnetic material containing a 3d transition metal and boron (B), or may be formed of CoFeB with a thickness of about 1 nm to 2 nm. In such a case, by setting the content of boron (B) in the magnetization free layer 140 to 15 atomic% or more, the perpendicular magnetic anisotropy can be further enhanced.
  • a magnetic tunnel junction device (MTJ device) is configured by sandwiching the first insulating layer 130 between the magnetization fixed layer 120 and the magnetization free layer 140, which are ferromagnetic materials.
  • a current is caused to flow by a tunnel effect by applying a voltage perpendicularly to a junction surface between the magnetization fixed layer 120 and the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130.
  • the magnitude of the tunnel effect changes depending on whether the magnetization directions of the magnetization fixed layer 120 and the magnetization free layer 140 are parallel or antiparallel. Therefore, the magnetic tunnel junction device 1 can control the magnitude of the current flowing between the lower electrode 110 and the upper electrode 170 by controlling the direction of magnetization of the magnetization free layer 140.
  • the adjacent layer 150 is formed of a nonmagnetic transition metal and is provided adjacent to the magnetization free layer 140.
  • the adjacent layer 150 suppresses the diffusion of boron (B) contained in the magnetization free layer 140 from the magnetization free layer 140 to the cap layer 160 side by heat treatment or the like.
  • boron (B) contained in the magnetization free layer 140 may diffuse into a surrounding layer due to a high-temperature and long-time heat treatment. In such a case, the content of boron (B) in the magnetization free layer 140 decreases, so that it becomes difficult for the magnetization free layer 140 to maintain perpendicular magnetic anisotropy.
  • the volume of the magnetization free layer 140 is limited, so that the content of boron (B) in the magnetization free layer 140 is It tends to decrease by diffusion.
  • the adjacent layer 150 traps boron (B) diffused from the magnetization free layer 140, so that the boron (B) can stay around the magnetization free layer 140. According to this, the adjacent layer 150 suppresses the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 due to the decrease in the boron (B) content by suppressing the diffusion of boron (B) due to the heat treatment. can do.
  • the adjacent layer 150 can be formed of a nonmagnetic transition metal having high density and high thermal conductivity.
  • the adjacent layer 150 may be formed of any of molybdenum (Mo), tungsten (W), niobium (Nb), Ir (iridium), or Ti (titanium).
  • the adjacent layer 150 is formed of any of molybdenum (Mo), tungsten (W), and niobium (Nb) having higher density and thermal conductivity, so that the diffusion of boron (B) is more effectively suppressed. be able to. More specifically, the adjacent layer 150 may be formed of molybdenum (Mo).
  • the adjacent layer 150 may be formed with a thickness of 0.25 nm or more and 1.0 nm or less.
  • the adjacent layer 150 may be a thin film that does not affect other characteristics because the diffusion of boron (B) may be suppressed to such an extent that the magnetization free layer 140 can maintain perpendicular magnetic anisotropy. It may be formed.
  • the magnetic tunnel junction device 1 may have a larger TMR effect (that is, a TMR ratio) as shown in an example described later. it can.
  • the cap layer 160 is formed on the adjacent layer 150.
  • the cap layer 160 is provided in a multilayer structure in which a plurality of layers are stacked for the purpose of protecting the magnetization free layer 140 and the adjacent layer 150, improving the characteristics of the magnetization free layer 140, and the like.
  • the cap layer 160 may be provided in a multilayer structure in which the second insulating layer 161, the intermediate layer 162, and the barrier layer 163 are sequentially stacked from the adjacent layer 150 side.
  • the cap layer 160 may have a multilayer structure other than the structure illustrated in FIG. Variations of the multilayer structure of the cap layer 160 will be described later with reference to FIGS.
  • the second insulating layer 161 is formed of an insulating material.
  • the second insulating layer 161 may be formed as a thin film layer having a thickness of about 1 nm using an inorganic oxide such as magnesium oxide (MgO) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ). More specifically, the second insulating layer 161 may be formed with magnesium oxide (MgO) to a thickness of about 1 nm.
  • the second insulating layer 161 can control the easy axis of magnetization of the magnetization free layer 140 in a direction perpendicular to the film surface by the interface perpendicular magnetic anisotropy. Can be enhanced.
  • the intermediate layer 162 is formed of a non-magnetic material.
  • the intermediate layer 162 reduces a difference in crystal orientation between layers adjacent to the intermediate layer 162.
  • the intermediate layer 162 may be formed of a nonmagnetic material such as Ru, Pt, Pd, TiN, or TaN with a thickness of 1 nm or more and 10 nm or less. More specifically, the intermediate layer 162 may be formed with ruthenium (Ru) to a thickness of 1 nm.
  • the barrier layer 163 is formed of a non-magnetic transition metal.
  • the barrier layer 163 prevents metal contained in the upper electrode 170 from diffusing into the magnetization free layer 140 or the first insulating layer 130 below the cap layer 160 due to heat treatment or the like.
  • metal atoms such as tantalum (Ta) included in the upper electrode 170 diffuse into the magnetization free layer 140 or the first insulating layer 130 by the heat treatment at a high temperature and for a long time. Can occur.
  • the interface between the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130 is disturbed by the diffused tantalum (Ta) or the like, so that the interface perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 is reduced.
  • the barrier layer 163 traps tantalum (Ta) or the like diffused from the upper electrode 170 to prevent the interface between the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130 from being disturbed by tantalum (Ta) or the like. According to this, the barrier layer 163 can prevent the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 from being reduced by the diffusion of atoms due to the heat treatment.
  • the barrier layer 163 can be formed of a nonmagnetic transition metal having high density and high thermal conductivity, similarly to the adjacent layer 150.
  • the barrier layer 163 may be formed of any of molybdenum (Mo), tungsten (W), niobium (Nb), Ir (iridium), or Ti (titanium).
  • Mo molybdenum
  • W tungsten
  • Nb niobium
  • Ir iridium
  • Ti titanium
  • the barrier layer 163 may be formed of the same nonmagnetic transition metal as the adjacent layer 150, or may be formed of a different nonmagnetic transition metal. More specifically, the barrier layer 163 may be formed of molybdenum (Mo).
  • the barrier layer 163 may be formed of a metal having a larger product of the density and the thermal conductivity than the product of the density and the thermal conductivity of the metal included in the upper electrode 170.
  • melting points, densities and thermal conductivities of tantalum (Ta), molybdenum (Mo), tungsten (W), niobium (Nb), Ir (iridium) and Ti (titanium) are as shown in Table 1 below. is there. Therefore, when the metal included in the upper electrode 170 is tantalum (Ta), the barrier layer 163 is made of molybdenum (Mo) having a larger product of the density and the thermal conductivity than that of the tantalum (Ta). , Iridium (Ir), or tungsten (W). In such a case, the barrier layer 163 can more effectively suppress diffusion of metal atoms from the upper electrode 170.
  • the barrier layer 163 may be formed with a thickness of 1.0 nm or more and 10 nm or less. That is, the barrier layer 163 can be formed to have a larger thickness than the adjacent layer 150 formed using a similar material. According to this, the barrier layer 163 can more reliably prevent the diffusion of tantalum (Ta) from the upper electrode 170 to the magnetization free layer 140 or the first insulating layer 130.
  • Ta tantalum
  • the barrier layer 163 is formed with a film thickness of 1.0 nm or more as shown in an example described later, diffusion of metal from the upper electrode 170 can be sufficiently prevented. Variation can be reduced.
  • the barrier layer 163 is formed with a film thickness of 10 nm or less, the workability of the magnetic tunnel junction device 1 is improved, so that a secondary characteristic variation due to the processing accuracy or the like can be reduced.
  • the upper electrode 170 is provided on the cap layer 160.
  • the upper electrode 170 is formed of various metal materials or alloy materials, and functions as a connection point between the magnetic tunnel junction device 1 and various wirings.
  • the upper electrode 170 may be formed of a known material and a laminated structure, for example, may be formed of a single-layer film, or may be formed of a laminated film of a plurality of films. Further, the upper electrode 170 may function as a hard mask when the magnetic tunnel junction element 1 is processed by etching or the like. In such a case, the upper electrode 170 may be formed to include tantalum (Ta) or tantalum nitride (TaN).
  • the upper electrode 170 has a multilayer structure in which a Ru film having a thickness of 1 nm, a Ta film having a thickness of 1 nm, a Ru film having a thickness of 5 nm, and a Ta film having a thickness of 77 nm are sequentially stacked from the cap layer 160 side. May be formed.
  • the upper electrode 170 has a multilayer structure in which a Ru film having a thickness of 1 nm, a Ta film having a thickness of 1 nm, a Ru film having a thickness of 5 nm, and a TaN film having a thickness of 77 nm are sequentially stacked from the cap layer 160 side.
  • the adjacent layer 150 formed of the nonmagnetic transition metal is provided adjacent to the magnetization free layer 140, and similarly formed of the nonmagnetic transition metal.
  • the barrier layer 163 is provided in the cap layer 160.
  • FIG. 2A is a vertical cross-sectional view schematically showing the state of diffusion of atoms when heat treatment is performed on the magnetic tunnel junction device 1 according to the present embodiment.
  • FIG. 2B is a vertical cross-sectional view schematically illustrating the state of diffusion of atoms when heat treatment is performed on the magnetic tunnel junction element 90 according to the comparative example.
  • the adjacent layer 150 and the barrier layer 163 are not provided as compared with the magnetic tunnel junction device 1. Therefore, in the magnetic tunnel junction element 90 according to the comparative example, when heat treatment is performed at high temperature and for a long time, metal atoms such as tantalum (Ta) included in the upper electrode 170 diffuse to the cap layer 160 side. I will.
  • the tantalum (Ta) diffused by the heat treatment disturbs the interface between the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130, and lowers the perpendicular magnetic anisotropy of the interface. Let me do it.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 is reduced by the high-temperature and long-time heat treatment.
  • the magnetic tunnel junction device 1 when heat treatment is performed at high temperature and for a long time, metal atoms such as tantalum (Ta) included in the upper electrode 170 are: The diffusion to the cap layer 160 side is prevented by the barrier layer 163. As a result, in the magnetic tunnel junction device 1 according to the present embodiment, the interface between the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130 is not disturbed by tantalum (Ta) or the like. Can be maintained. Further, diffusion of boron (B) contained in the magnetization free layer 140 to the cap layer 160 side by the adjacent layer 150 is suppressed. Therefore, the magnetization free layer 140 can hold a sufficient amount of boron (B) to maintain perpendicular magnetic anisotropy.
  • Ta tantalum
  • the reduction of the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 can be suppressed by suppressing the diffusion of atoms generated by the high-temperature and long-time heat treatment. .
  • the magnetic tunnel junction device 1 according to the present embodiment can maintain desired magnetic characteristics even when a high-load heat treatment is performed. Therefore, the magnetic tunnel junction element 1 according to the present embodiment restricts a manufacturing process for a semiconductor device in which various circuits such as a logic circuit, a memory circuit, and a pixel circuit are mounted and various heat treatment processes are performed. Can be loaded together.
  • FIGS. 3 to 18 are longitudinal sectional views schematically showing other laminated structures of the magnetic tunnel junction devices 2 to 17 according to the present embodiment.
  • the magnetic tunnel junction device 2 is different from the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. 1 in that the stacking order of the intermediate layer 162 and the barrier layer 163 is changed.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 2 has a structure in which the second insulating layer 161, the barrier layer 163, and the intermediate layer 162 are stacked from the adjacent layer 150 side. That is, the barrier layer 163 does not need to be provided adjacent to the upper electrode 170 and may be provided at any position of the cap layer 160.
  • barrier layer 163 is a layer that prevents diffusion of metal from the upper electrode 170 to the interface between the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130, any one of the barrier layers 163 between the upper electrode 170 and the adjacent layer 150 What is necessary is just to be provided in the position.
  • the cap layer 160 includes the second insulating layer 161
  • the second insulating layer 161 is adjacent to the adjacent layer 150 in order to increase the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 by the interface perpendicular magnetic anisotropy.
  • the barrier layer 163 is provided at any position between the upper electrode 170 and the second insulating layer 161.
  • the magnetic tunnel junction device 3 is different from the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. 1 in that a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 3 has a structure in which the second insulating layer 161, the first barrier layer 163A, the intermediate layer 162, and the second barrier layer 163B are stacked from the adjacent layer 150 side. Prepare.
  • the first barrier layer 163A and the second barrier layer 163B are formed of the same material and thickness as the barrier layer 163 of the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. Prevent spread.
  • the magnetic tunnel junction device 3 shown in FIG. 4 since a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided, the diffusion of tantalum (Ta) or the like from the upper electrode 170 during the heat treatment is more reliably prevented, so that the magnetization is improved. The lowering of the perpendicular magnetic anisotropy of the free layer 140 can be more reliably prevented.
  • the magnetic tunnel junction device 4 is different from the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. 1 in that a magnetic layer 164 is inserted between the second insulating layer 161 and the intermediate layer 162. .
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 4 has a structure in which the second insulating layer 161, the magnetic layer 164, the intermediate layer 162, and the barrier layer 163 are stacked from the adjacent layer 150 side.
  • the magnetic layer 164 is made of a magnetic material containing a 3d transition metal and boron (B), similarly to the magnetization free layer 140, and improves the magnetic characteristics of the magnetic tunnel junction device 4. Specifically, the magnetic layer 164 is stacked adjacent to the second insulating layer 161 to improve the crystallinity of the second insulating layer 161 after the heat treatment. Thereby, the magnetic layer 164 can improve the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 via the adjacent layer 150.
  • B 3d transition metal and boron
  • the magnetic layer 164 may be formed of CoFeB with a thickness of 0.9 nm or less.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer 164 can be further enhanced by setting the content of boron (B) to 15 atomic% or more.
  • the magnetic tunnel junction element 4 has a high perpendicular magnetic anisotropy by forming the magnetic layer 164 provided on the second insulating layer 161 with a thickness of 0.9 nm or less. Properties and coercive forces.
  • the lower limit of the thickness of the magnetic layer 164 is not particularly limited, but may be 0.1 nm. In the magnetic tunnel junction device 4 shown in FIG. 5, since the magnetic layer 164 is provided in addition to the magnetization free layer 140, the magnetic characteristics of the entire magnetic tunnel junction device 4 can be improved.
  • the magnetic tunnel junction device 5 is different from the magnetic tunnel junction device 4 shown in FIG. 5 in that the stacking order of the intermediate layer 162 and the barrier layer 163 is changed.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 5 has a structure in which the second insulating layer 161, the magnetic layer 164, the barrier layer 163, and the intermediate layer 162 are stacked from the adjacent layer 150 side. That is, the barrier layer 163 does not need to be provided adjacent to the upper electrode 170 and may be provided at any position of the cap layer 160. Since the barrier layer 163 is a layer that prevents diffusion of metal from the upper electrode 170, it may be provided at any position between the upper electrode 170 and the magnetic layer 164.
  • the magnetic tunnel junction device 6 is different from the magnetic tunnel junction device 3 shown in FIG. 4 in that a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 6 includes the second insulating layer 161, the magnetic layer 164, the first barrier layer 163A, the intermediate layer 162, and the second barrier layer 163B from the adjacent layer 150 side. It has a laminated structure.
  • the first barrier layer 163A and the second barrier layer 163B are formed of the same material and thickness as the barrier layer 163 of the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. Prevent spread. Further, the first barrier layer 163A can suppress the diffusion of boron (B) from the magnetic layer 164. In the magnetic tunnel junction device 6 shown in FIG. 7, since a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided, diffusion of tantalum (Ta) or the like from the upper electrode 170 during heat treatment is more reliably prevented, and the magnetization free layer is formed. The lowering of the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer 140 and the magnetic layer 164 can be prevented more reliably.
  • the magnetic tunnel junction element 7 is different from the magnetic tunnel junction element 1 shown in FIG. 1 in that the second insulating layer 161 is not provided and each layer of the cap layer 160 is formed of a conductive material.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 7 has a structure in which the intermediate layer 162 and the barrier layer 163 are stacked from the adjacent layer 150 side.
  • the second insulating layer 161 is a layer that increases the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 by the interface perpendicular magnetic anisotropy. Good.
  • the manufacturing cost can be reduced by simplifying the laminated structure of the cap layer 160.
  • the magnetic tunnel junction device 8 includes a 3d transition metal and boron (B) between the second insulating layer 161 and the intermediate layer 162 with respect to the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. The difference is that an adjustment layer 165 in which a magnetic layer formed of a magnetic material and a nonmagnetic layer formed of a nonmagnetic transition metal are stacked is inserted. More specifically, the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 8 is formed by laminating an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, a second insulating layer 161, an intermediate layer 162, and a barrier layer 163 from the adjacent layer 150 side. With structure.
  • the magnetic layer of the adjustment layer 165 is formed of a magnetic material containing a 3d transition metal and boron (B), similarly to the magnetization free layer 140, and may be formed of, for example, CoFeB to a thickness of 0.7 nm or less. .
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer of the adjustment layer 165 can be further enhanced by setting the content of boron (B) to 15 atomic% or more.
  • the magnetic layer of the adjustment layer 165 is formed to have a thickness of 0.7 nm or less, so that an excessively high write voltage can be prevented.
  • the lower limit of the thickness of the magnetic layer of the adjustment layer 165 is not particularly limited, but may be 0.1 nm.
  • the nonmagnetic layer of the adjustment layer 165 is formed of a nonmagnetic transition metal such as molybdenum (Mo), tungsten (W), niobium (Nb), Ir (iridium), or Ti (titanium), like the adjacent layer 150.
  • a nonmagnetic transition metal such as molybdenum (Mo), tungsten (W), niobium (Nb), Ir (iridium), or Ti (titanium), like the adjacent layer 150.
  • Mo molybdenum
  • tungsten W
  • Nb niobium
  • Ir iridium
  • Ti titanium
  • the cap layer 160 includes the adjustment layer 165 having the same laminated structure as the magnetization free layer 140 and the adjacent layer 150, so that the boron (B) near the magnetization free layer 140 after the heat treatment is formed. ) Can be controlled with higher accuracy. According to this, the magnetic tunnel junction element 8 can more reliably prevent the perpendicular anisotropy of the magnetization free layer 140 from decreasing due to the heat treatment.
  • the magnetic tunnel junction element 9 shown in FIG. 10 is different from the magnetic tunnel junction element 8 shown in FIG. 9 in that the stacking order of the intermediate layer 162 and the barrier layer 163 is changed.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 9 has the adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a non-magnetic layer, the second insulating layer 161, the barrier layer 163, and the intermediate layer 162 stacked from the adjacent layer 150 side.
  • the barrier layer 163 does not need to be provided adjacent to the upper electrode 170 and may be provided at any position of the cap layer 160.
  • the barrier layer 163 is a layer that prevents diffusion of metal from the upper electrode 170 to the interface between the magnetization free layer 140 and the first insulating layer 130, any one of the barrier layers 163 between the upper electrode 170 and the second insulating layer 161. It may be provided at such a position.
  • the magnetic tunnel junction device 10 is different from the magnetic tunnel junction device 8 shown in FIG. 9 in that a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided. More specifically, the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 10 includes an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, a second insulating layer 161, a first barrier layer 163A, an intermediate layer 162, and a second barrier layer. It has a structure in which the layer 163B is stacked.
  • the first barrier layer 163A and the second barrier layer 163B are formed of the same material and thickness as the barrier layer 163 of the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. Prevent spread.
  • the magnetic tunnel junction device 10 shown in FIG. 11 since a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided, diffusion of tantalum (Ta) or the like from the upper electrode 170 during heat treatment is more reliably prevented, and the magnetization free layer is formed. 140 can be more reliably prevented from decreasing.
  • the magnetic tunnel junction device 11 is different from the magnetic tunnel junction device 8 shown in FIG. 9 in that a magnetic layer 164 is inserted between the second insulating layer 161 and the intermediate layer 162.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 11 includes an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, a second insulating layer 161, a magnetic layer 164, an intermediate layer 162, and a barrier layer from the adjacent layer 150 side. 163 is provided.
  • the magnetic layer 164 is formed of a magnetic material containing a 3d transition metal and boron (B), similarly to the magnetization free layer 140, and improves the magnetic characteristics of the magnetic tunnel junction device 11. Specifically, the magnetic layer 164 is stacked adjacent to the second insulating layer 161 to improve the crystallinity of the second insulating layer 161 after the heat treatment. Thereby, the magnetic layer 164 can improve the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 via the adjacent layer 150.
  • B 3d transition metal and boron
  • the magnetic layer 164 may be formed of CoFeB with a thickness of 0.9 nm or less.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer 164 can be further enhanced by setting the content of boron (B) to 15 atomic% or more.
  • the magnetic tunnel junction element 11 has a high perpendicular magnetic anisotropy by forming the magnetic layer 164 provided on the second insulating layer 161 to a thickness of 0.9 nm or less. Properties and coercive forces.
  • the lower limit of the thickness of the magnetic layer 164 is not particularly limited, but may be 0.1 nm. In the magnetic tunnel junction device 11 shown in FIG. 12, since the magnetic layer 164 is provided in addition to the magnetization free layer 140, the magnetic characteristics of the entire magnetic tunnel junction device 11 can be improved.
  • the magnetic tunnel junction element 12 is different from the magnetic tunnel junction element 11 shown in FIG. 12 in that the stacking order of the intermediate layer 162 and the barrier layer 163 is changed.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 12 includes an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a non-magnetic layer, a second insulating layer 161, a magnetic layer 164, a barrier layer 163, and an intermediate layer from the adjacent layer 150 side. 162 are laminated. That is, the barrier layer 163 does not need to be provided adjacent to the upper electrode 170 and may be provided at any position of the cap layer 160. Since the barrier layer 163 is a layer that prevents diffusion of metal from the upper electrode 170, it may be provided at any position between the upper electrode 170 and the magnetic layer 164.
  • the magnetic tunnel junction device 13 is different from the magnetic tunnel junction device 11 shown in FIG. 12 in that a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 13 includes an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, a second insulating layer 161, a magnetic layer 164, a first barrier layer 163A, It has a structure in which an intermediate layer 162 and a second barrier layer 163B are stacked.
  • the first barrier layer 163A and the second barrier layer 163B are formed of the same material and thickness as the barrier layer 163 of the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. Prevent spread. Further, the first barrier layer 163A can suppress the diffusion of boron (B) from the magnetic layer 164. In the magnetic tunnel junction element 13 shown in FIG. 14, since a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided, diffusion of tantalum (Ta) or the like from the upper electrode 170 during heat treatment is more reliably prevented, and the magnetization free layer is formed. The lowering of the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer 140 and the magnetic layer 164 can be prevented more reliably.
  • the magnetic tunnel junction device 14 is different from the magnetic tunnel junction device 8 shown in FIG. 9 in that the second insulating layer 161 is not provided and each layer of the cap layer 160 is formed of a conductive material.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 14 has a structure in which an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, an intermediate layer 162, and a barrier layer 163 are stacked from the adjacent layer 150 side.
  • the second insulating layer 161 is a layer that enhances the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140 due to the interface perpendicular magnetic anisotropy, and therefore cannot be provided depending on the degree of the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetization free layer 140. May be.
  • the manufacturing cost can be reduced by simplifying the laminated structure of the cap layer 160.
  • the magnetic tunnel junction device 15 is different from the magnetic tunnel junction device 14 shown in FIG. 15 in that a magnetic layer 164 is inserted between the adjustment layer 165 and the intermediate layer 162.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 15 has a structure in which an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, a magnetic layer 164, an intermediate layer 162, and a barrier layer 163 are stacked from the adjacent layer 150 side. Prepare.
  • the magnetic layer 164 may be formed of a magnetic material containing a 3d transition metal and boron (B), or may be formed of CoFeB with a thickness of 0.9 nm or less.
  • the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer 164 can be further enhanced by setting the content of boron (B) to 15 atomic% or more.
  • the magnetic tunnel junction device 15 can have high perpendicular magnetic anisotropy and coercive force.
  • the lower limit of the thickness of the magnetic layer 164 is not particularly limited, but may be 0.1 nm. In the magnetic tunnel junction device 15 shown in FIG. 16, since the magnetic layer 164 is provided in addition to the magnetization free layer 140, the magnetic characteristics of the entire magnetic tunnel junction device 15 can be improved.
  • the magnetic tunnel junction element 16 is different from the magnetic tunnel junction element 15 shown in FIG. 16 in that the stacking order of the intermediate layer 162 and the barrier layer 163 is changed.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 16 has a structure in which an adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, a magnetic layer 164, a barrier layer 163, and an intermediate layer 162 are stacked from the adjacent layer 150 side.
  • the barrier layer 163 does not need to be provided adjacent to the upper electrode 170 and may be provided at any position of the cap layer 160. Since the barrier layer 163 is a layer that prevents diffusion of metal from the upper electrode 170, it may be provided at any position between the upper electrode 170 and the magnetic layer 164.
  • the magnetic tunnel junction device 17 is different from the magnetic tunnel junction device 15 shown in FIG. 16 in that a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided.
  • the cap layer 160 of the magnetic tunnel junction device 17 includes the adjustment layer 165 composed of a magnetic layer and a nonmagnetic layer, the magnetic layer 164, the first barrier layer 163A, the intermediate layer 162, and the It has a structure in which two barrier layers 163B are stacked.
  • the first barrier layer 163A and the second barrier layer 163B are formed of the same material and thickness as the barrier layer 163 of the magnetic tunnel junction device 1 shown in FIG. Prevent spread. Further, the first barrier layer 163A can suppress the diffusion of boron (B) from the magnetic layer 164. In the magnetic tunnel junction element 17 shown in FIG. 18, since a plurality of barrier layers 163A and 163B are provided, diffusion of tantalum (Ta) or the like from the upper electrode 170 during heat treatment is more reliably prevented, and the magnetization free layer is formed. The lowering of the perpendicular magnetic anisotropy of the magnetic layer 140 and the magnetic layer 164 can be prevented more reliably.
  • Each of the layers constituting the magnetic tunnel junction elements 1 to 17 according to the present embodiment can be formed by a sputtering method.
  • the film forming conditions and the like of the sputtering method are not particularly limited, and optimal conditions can be appropriately selected.
  • FIG. 19 is a longitudinal sectional view schematically showing a magnetic tunnel junction device 1 according to this modification.
  • the magnetic tunnel junction device 1 according to the present modification is processed by etching or the like, and the exposed surface after the device processing is covered with the protective film 180.
  • the protective film 180 only needs to cover at least the side surfaces of the magnetic tunnel junction device 1, and does not necessarily have to cover the upper surface of the magnetic tunnel junction device 1.
  • the protective film 180 is an insulating film such as SiN x or SiO x and can be formed by a physical film forming method such as PVD (Physical Vapor Deposition).
  • the protective film 180 may be a SiN film formed by plasma PVD.
  • the end surfaces of the magnetization free layer 140 and the magnetization fixed layer 120 are exposed. Therefore, when these end faces are exposed to a source gas (for example, SiH 4 or NH 3 ) used in a chemical deposition method such as CVD (Chemical Vapor Deposition), the magnetization free layer 140 and the magnetization There is a possibility that the magnetic properties of the fixed layer 120 may be degraded. Therefore, by forming the protective film 180 by a physical film forming method, it is possible to prevent the magnetic characteristics of the magnetic tunnel junction device 1 after the device processing from being deteriorated.
  • a source gas for example, SiH 4 or NH 3
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • the thickness of the protective film 180 is not particularly limited, but may be, for example, 5 nm or more and 30 nm or less.
  • the protective film 180 can be formed by performing reactive sputtering in an Ar and N 2 gas atmosphere using a silicon (Si) target having a purity of more than 5N, for example.
  • the flow rates of the Ar gas and the N 2 gas may be, for example, 20 sccm, respectively.
  • the write voltage can be further reduced in the magnetic tunnel junction device 1 whose side surface is protected by the protective film 180 formed by such a physical film forming method.
  • the writing voltage tends to increase due to the thermal load. Therefore, it is more preferable to reduce the writing voltage by using the protective film 180 described above. .
  • the magnetic tunnel junction device according to the present embodiment will be specifically described with reference to examples and comparative examples.
  • the following example is merely an example, and the magnetic tunnel junction device according to the present embodiment is not limited to the following example.
  • FIG. 20 is an explanatory diagram illustrating a stacked structure of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment.
  • FIG. 21 is an explanatory diagram illustrating a stacked structure of the magnetic tunnel junction device according to the second embodiment.
  • FIG. 22 is an explanatory diagram illustrating a stacked structure of the magnetic tunnel junction element according to Comparative Example 1.
  • FIG. 23 is an explanatory diagram illustrating a stacked structure of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 2. 20 to 23, the numerical values in parentheses indicate the thickness of each layer in units of nanometers.
  • a lower electrode made of Ta (5 nm), Pt (5 nm) and Ru (3 nm), Pt (0.3 nm), Co (0.5 nm) and Pt (0. 3 nm), a magnetization fixed layer made of Co (0.5 nm), Ir (0.5 nm), Co (0.6 nm), Mo (0.4 nm), CoFeB (0.9 nm), and MgO. (1.0 nm) first insulating layer, CoFeB (1.5 nm) free magnetization layer, Mo (0.8 nm) adjacent layer, MgO (1.0 nm), Ru (7 nm) and Mo (7 nm). ) And an upper electrode made of Ru (1 nm), Ta (1 nm), Ru (5 nm), and Ta (77 nm), thereby manufacturing a magnetic tunnel junction device according to Example 1. .
  • a lower electrode made of Ta (5 nm), Pt (5 nm) and Ru (3 nm), a Pt (0.3 nm), Co (0.5 nm) and Pt ( 0.3 nm), a magnetization fixed layer made of Co (0.5 nm), Ir (0.5 nm), Co (0.6 nm), Mo (0.4 nm), and CoFeB (0.9 nm).
  • MgO 1.0 nm
  • a magnetization free layer of CoFeB 1.5 nm
  • an adjacent layer of Mo 0.8 nm
  • CoFeB 0.5 nm
  • Mo 0.8 nm
  • MgO 1.0 nm
  • the magnetic tunnel junction device according to Example 2 was manufactured. It was.
  • Ta (1 nm), Ru (5 nm), and an upper electrode made of Ta (77 nm) were laminated to produce a magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 1.
  • a lower electrode made of Ta (5 nm), Pt (5 nm) and Ru (3 nm), a Pt (0.3 nm), Co (0.5 nm) and Pt ( 0.3 nm), a magnetization fixed layer made of Co (0.5 nm), Ir (0.5 nm), Co (0.6 nm), Mo (0.4 nm), and CoFeB (0.9 nm).
  • MgO 1.0 nm
  • CoFeB 1.5 nm
  • a magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 2 was manufactured by laminating a cap layer made of and an upper electrode made of Ru (1 nm), Ta (1 nm), Ru (5 nm), and Ta (77 nm).
  • FIGS. 24A to 24C are graphs showing evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Example 1.
  • FIG. 25A to 25C are graphs showing the evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Example 2.
  • 26A to 26C are graphs showing evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 1.
  • 27A to 27C are graphs showing evaluation results of the magneto-resistance characteristics of the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 2.
  • Example 1 in the magnetic tunnel junction device according to Example 1, a film is formed on a Si substrate (FIG. 24A), a device is processed (FIG. 24B), and a heat treatment is performed (FIG. 24C), a square hysteresis curve is formed. Therefore, in Example 1, it can be seen that the magnetic tunnel junction element functions as an MTJ element even after element processing and heat treatment, and the magnetization free layer retains perpendicular magnetic anisotropy.
  • Example 2 in the magnetic tunnel junction device according to Example 2, a film is formed on a Si substrate (FIG. 25A), a device is processed (FIG. 25B), and a heat treatment is performed (FIG. 25C), a square hysteresis curve is formed. Therefore, in Example 2, it can be seen that the magnetic tunnel junction element functions as an MTJ element even after element processing and heat treatment, and the magnetization free layer retains perpendicular magnetic anisotropy.
  • FIGS. 27A to 27C in the magnetic tunnel junction device according to Comparative Example 2, a square hysteresis curve is shown in a state where a film is formed on a Si substrate (FIG. 27A) and a state where the element is processed (FIG. 27B). Although it is formed, it can be seen that no hysteresis curve is formed in the heat-treated state (FIG. 27C). Therefore, in Comparative Example 2, although the magnetization free layer has perpendicular magnetic anisotropy when formed on a Si substrate and when a device is processed, the magnetization free layer loses perpendicular magnetic anisotropy by heat treatment. It can be seen that the magnetic tunnel junction element of No. does not function as an MTJ element.
  • the adjacent layer formed of the nonmagnetic transition metal is provided adjacent to the magnetization free layer, and the barrier layer similarly formed of the nonmagnetic transition metal is formed of the cap layer. It can be seen that the element functions as an MTJ element even after element processing and heat treatment. That is, it can be seen that the magnetic tunnel junction element according to the present embodiment has improved resistance to heat treatment.
  • FIG. 30 shows a change in the TMR ratio of the magnetic tunnel junction device when the thickness of the adjacent layer of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment is changed from 0.15 nm to 1.15 nm.
  • FIG. 30 is a graph showing, as a relative value, a change in the TMR ratio of the magnetic tunnel junction element with respect to the film thickness of the adjacent layer (Mo). Referring to FIG. 30, it is found that when the thickness of the adjacent layer (Mo) is 0.1 nm or more and 1 nm or less, the TMR ratio of the magnetic tunnel junction device is further improved.
  • FIG. 31 shows a change in coercive force (Hc) variation of the magnetic tunnel junction device when the thickness of the barrier layer of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment is changed from 0.5 nm to 11 nm.
  • FIG. 31 is a graph showing, as a relative value, a change in variation in coercive force (Hc) of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of the barrier layer (Mo). Referring to FIG. 31, it can be seen that when the thickness of the barrier layer (Mo) is 1 nm or more, the coercive force (Hc) variation of the magnetic tunnel junction element becomes smaller. On the other hand, when the thickness of the barrier layer is 10 nm or less, the processing of the magnetic tunnel junction element is facilitated, so that the processing accuracy of the magnetic tunnel junction element can be improved.
  • FIG. 32 shows a change in coercive force (Hc) variation of the magnetic tunnel junction device when the thickness of the intermediate layer of the magnetic tunnel junction device according to the first embodiment is changed from 0.5 nm to 11 nm.
  • FIG. 32 is a graph showing, as a relative value, a change in variation in coercive force (Hc) of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of the intermediate layer (Ru). Referring to FIG. 32, it is found that when the thickness of the intermediate layer is 1 nm or more, the coercive force (Hc) variation of the magnetic tunnel junction element is reduced. On the other hand, when the thickness of the intermediate layer is 10 nm or less, the processing of the magnetic tunnel junction element is facilitated, so that the processing accuracy of the magnetic tunnel junction element can be improved.
  • FIG. 28 is an explanatory diagram illustrating the stacked structure of the magnetic tunnel junction device according to the third embodiment.
  • a lower electrode made of Ta (5 nm), Pt (5 nm) and Ru (3 nm), Pt (0.3 nm), Co (0.5 nm) and Pt (0. 3 nm), a magnetization fixed layer made of Co (0.5 nm), Ir (0.5 nm), Co (0.6 nm), Mo (0.4 nm), CoFeB (0.9 nm), and MgO.
  • FIG. 33 shows a change in the coercive force (Hc) of the magnetic tunnel junction device when the thickness of the magnetic layer of the magnetic tunnel junction device according to the third embodiment was changed from 0 nm to 3.5 nm.
  • FIG. 33 is a graph showing, as a relative value, a change in the coercive force (Hc) of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of the magnetic layer (CoFeB). Referring to FIG. 33, it can be seen that when the thickness of the magnetic layer (CoFeB) is 0.9 nm or less, the coercive force (Hc) of the magnetic tunnel junction element becomes larger.
  • FIG. 29 is an explanatory diagram illustrating the stacked structure of the magnetic tunnel junction device according to the fourth embodiment.
  • a lower electrode made of Ta (5 nm), Pt (5 nm) and Ru (3 nm), and Pt (0.3 nm), Co (0.5 nm) and Pt (0. 3 nm), a magnetization fixed layer made of Co (0.5 nm), Ir (0.5 nm), Co (0.6 nm), Mo (0.4 nm), CoFeB (0.9 nm), and MgO. (1.0 nm) first insulating layer, CoFeB (1.5 nm) magnetization free layer, Mo (0.8 nm) adjacent layer, and adjustment of CoFeB (0 nm to 1 nm) and Mo (0.8 nm).
  • FIG. 34 shows a change in the write voltage (Vc) of the magnetic tunnel junction element when the thickness of the magnetic layer in the adjustment layer of the magnetic tunnel junction element according to Example 4 was changed from 0 nm to 1 nm.
  • FIG. 34 is a graph showing, as a relative value, a change in the write voltage (Vc) of the magnetic tunnel junction element with respect to the thickness of the magnetic layer (CoFeB) in the adjustment layer. Referring to FIG. 34, it can be seen that when the thickness of the magnetic layer (CoFeB) in the adjustment layer is 0.7 nm or less, the write voltage of the magnetic tunnel junction device can be further reduced.
  • the magnetic tunnel junction elements 1 to 17 can be mounted together with transistors and the like on various semiconductor devices.
  • the magnetic tunnel junction elements 1 to 17 may be mounted on a semiconductor device such as a solid-state imaging device, an arithmetic processing device, a communication device, or a storage device.
  • a magnetic tunnel junction device comprising: (2) Further comprising an upper electrode provided on the cap layer, The magnetic tunnel junction device according to (1), wherein the product of the density and the thermal conductivity of the nonmagnetic transition metal is higher than the product of the density and the thermal conductivity of the metal material included in the upper electrode.
  • the upper electrode includes Ta or TaN, The magnetic tunnel junction device according to (2), wherein the metal material included in the upper electrode is Ta.
  • the cap layer further includes a stacked structure in which a layer formed of the nonmagnetic transition metal is stacked on a magnetic layer formed of a magnetic material including a 3d transition metal and B, The magnetic tunnel junction device according to any one of (1) to (4), wherein the laminated structure is provided such that the magnetic layer is adjacent to the adjacent layer.
  • the cap layer further includes a second insulating layer formed of an insulating material.
  • the magnetic tunnel junction device according to any one of (1) to (14), wherein the thickness of the adjacent layer is 0.25 nm or more and 1 nm or less.
  • the cap layer further includes an intermediate layer formed of a non-magnetic material, The magnetic tunnel junction device according to any one of (1) to (16), wherein a thickness of the intermediate layer is 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the magnetic tunnel junction device according to any one of (1) to (17), wherein the magnetic tunnel junction device has a columnar shape or a cone shape.
  • a magnetic tunnel junction element The magnetic tunnel junction element, A magnetization fixed layer having a fixed magnetization direction, A first insulating layer provided on the magnetization fixed layer and formed of an insulating material; A magnetization free layer provided on the first insulating layer; An adjacent layer provided adjacent to the magnetization free layer and formed of a nonmagnetic transition metal; A cap layer formed in a multilayer structure including at least one or more barrier layers formed of the nonmagnetic transition metal, and provided on the adjacent layer;
  • a semiconductor device comprising:

Landscapes

  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)

Abstract

磁化の向きが固定された磁化固定層（１２０）と、前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第１絶縁層（１３０）と、前記第１絶縁層の上に設けられた磁化自由層（１４０）と、前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層（１５０）と、前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層（１６３）を少なくとも１つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層（１６０）と、を備える、磁気トンネル接合素子（１）。

Description

磁気トンネル接合素子及び半導体装置
　本開示は、磁気トンネル接合素子及び半導体装置に関する。
　近年、半導体装置では、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ＭＯＳ）を用いたロジック回路に大容量の不揮発メモリを混載させることが一般的になっている。
　例えば、ロジック回路にＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）等を混載させることが行われている。一方で、半導体装置のコスト及び消費電力を低減するために、ＳＲＡＭを磁気抵抗メモリ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）で置換することが検討されている。
　磁気抵抗メモリ（ＭＲＡＭ）は、絶縁性薄膜を一対の強磁性層で挟持した磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｊｕｎｃｔｉｏｎ：ＭＴＪ）素子を利用したメモリ素子である。ＭＴＪ素子では、一対の強磁性層の相対的な磁化の向きによってトンネル抵抗の大きさが変化する。これにより、ＭＴＪ素子は、一対の強磁性層の磁化の向きを平行又は反平行のいずれかに制御することで、情報を記憶することができる。
　例えば、下記の特許文献１には、ＭＴＪ素子を用いた界面垂直磁化型のＳＴＴ－ＭＲＡＭ（Ｓｐｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｔｏｒｑｕｅ－ＭＲＡＭ）が開示されている。特許文献１には、配線形成プロセスにおける熱負荷に耐え得る程度にＭＴＪ素子の熱耐性を向上させることで、ＳＴＴ－ＭＲＡＭと、選択トランジスタ等を含む周辺回路とを同時に作り込むことが開示されている。
特開２０１３－１８７３０５号公報
　しかし、半導体装置の構造及び製造工程の複雑化に伴い、ロジック回路等と混載され得るＭＴＪ素子には、さらなる熱耐性が求められるようになっている。そのため、特許文献１に開示された技術では、十分な熱耐性を有するＭＴＪ素子を実現することが困難となっていた。
　そこで、本開示では、より高い熱耐性を有する磁気トンネル接合素子、及び該磁気トンネル接合素子を搭載した半導体装置を提案する。
　本開示によれば、磁化の向きが固定された磁化固定層と、前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも１つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、を備える、磁気トンネル接合素子が提供される。
　また、本開示によれば、磁気トンネル接合素子を備え、前記磁気トンネル接合素子は、磁化の向きが固定された磁化固定層と、前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも１つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、を備える、半導体装置が提供される。
　本開示によれば、高温及び長時間の熱処理にて生じる上部電極からの金属原子の拡散、及び磁化自由層からの原子の拡散を抑制することで、磁化自由層の垂直磁気異方性の低下を抑制することができる。
　以上説明したように本開示によれば、より高い熱耐性を有する磁気トンネル接合素子、及び該磁気トンネル接合素子を搭載した半導体装置を提供することができる。
　なお、上記の効果は必ずしも限定的なものではなく、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書に示されたいずれかの効果、または本明細書から把握され得る他の効果が奏されてもよい。
本開示の一実施形態に係る磁気トンネル接合素子の主たる積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子に熱処理を行った際の原子の拡散の様子を模式的に示す縦断面図である。 比較例に係る磁気トンネル接合素子に熱処理を行った際の原子の拡散の様子を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態に係る磁気トンネル接合素子の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。 同実施形態係る磁気トンネル接合素子の変形例を模式的に示す縦断面図である。 実施例１に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。 実施例２に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。 比較例１に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。 比較例２に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。 実施例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 実施例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 実施例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 実施例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 実施例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 実施例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 比較例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 比較例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 比較例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 比較例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 比較例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 比較例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。 実施例３に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。 実施例４に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。 隣接層の膜厚に対する磁気トンネル接合素子のＴＭＲ比の変化を相対値で示すグラフ図である。 バリア層の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力ばらつきの変化を相対値で示すグラフ図である。 中間層の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力ばらつきの変化を相対値で示すグラフ図である。 磁性層の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力の変化を相対値で示すグラフ図である。 調整層における磁性層の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の書き込み電圧の変化を相対値で示すグラフ図である。
　以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
　なお、以下の説明にて参照する各図面では、説明の便宜上、一部の構成部材の大きさを誇張して表現している場合がある。したがって、各図面において図示される構成部材同士の相対的な大きさは、必ずしも実際の構成部材同士の大小関係を正確に表現するものではない。また、以下の説明では、基板及び層の積層方向を上下方向と表現し、基板が存在する方向を下方向と表現し、該下方向と対向する方向を上方向と表現する。
　なお、説明は以下の順序で行うものとする。
　１．主構成例
　２．他の構成例
　３．変形例
　＜１．主構成例＞
　まず、図１を参照して、本開示の一実施形態に係る磁気トンネル接合素子の主構成例について説明する。図１は、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１の主たる積層構造を模式的に示す縦断面図である。
　図１に示すように、磁気トンネル接合素子１は、基板１００と、下部電極１１０と、磁化固定層１２０と、第１絶縁層１３０と、磁化自由層１４０と、隣接層１５０と、多層構造にて構成されるキャップ層１６０と、上部電極１７０と、を備える。
　本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１は、電子のスピンによるトルクを用いて、磁化自由層１４０の磁化の向きを制御するＳＴＴ－ＭＲＡＭである。ＳＴＴ－ＭＲＡＭでは、磁化自由層１４０及び磁化固定層１２０の磁化容易軸の方向を膜面に対して垂直方向とすることで、スピン注入による磁化反転の効率を向上させることができる。そのため、磁気トンネル接合素子１では、磁化固定層１２０及び磁化自由層１４０と、第１絶縁層１３０との界面に誘起される界面垂直磁気異方性によって、磁化自由層１４０及び磁化固定層１２０に垂直磁気異方性を付与している。磁気トンネル接合素子１のようなＳＴＴ－ＭＲＡＭは、界面垂直磁化型ＳＴＴ－ＭＲＡＭとも称される。
　基板１００は、磁気トンネル接合素子１の各層を支持する部材である。基板１００は、半導体、石英、ガラス又は有機樹脂のいずれで形成されてもよい。例えば、基板１００は、シリコン（Ｓｉ）若しくはゲルマニウム（Ｇｅ）等の半導体、又はガリウムヒ素（ＧａＡｓ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）若しくはシリコンカーバイド（ＳｉＣ）等の化合物半導体で形成されてもよい。または、基板１００は、シリコン基板の中にＳｉＯ２等の絶縁膜を挟み込んだＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板であってもよい。
　下部電極１１０は、基板１００の上に設けられる。下部電極１１０は、各種金属材料又は合金材料にて形成されることで、磁気トンネル接合素子１と各種配線との接続点として機能する。下部電極１１０は、公知の材料及び積層構造で形成されてもよく、例えば、単層膜で形成されてもよく、複数の膜の積層膜で形成されてもよい。また、下部電極１１０は、下部電極１１０の上に設けられる磁化固定層１２０の結晶配向を制御する下地膜として機能してもよい。このような場合、下部電極１１０は、磁化固定層１２０と結晶構造又は磁気異方性が略同じ金属材料で形成されてもよい。
　磁化固定層１２０は、下部電極１１０の上に設けられる。磁化固定層１２０は、膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが固定された磁性層である。磁化固定層１２０は、公知の材料及び積層構造で形成され得る。磁化固定層１２０は、例えば、強磁性層と、非磁性層と、強磁性層とを交互に積層した積層フェリ構造にて形成されてもよい。また、磁化固定層１２０は、磁化の向きを固定するため、垂直磁気異方性を持たせるため、又は結晶構造を制御するために、種々の金属層の積層膜として形成されてもよい。
　第１絶縁層１３０は、磁化固定層１２０の上に設けられる。第１絶縁層１３０は、絶縁材料で形成されることで、ＭＴＪ素子のトンネル絶縁膜として機能する。第１絶縁層１３０は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機酸化物にて、膜厚１ｎｍ程度の薄膜層として形成されてもよい。より詳細には、第１絶縁層１３０は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）にて膜厚１ｎｍ程度で形成されてもよい。第１絶縁層１３０が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で形成される場合、第１絶縁層１３０は、より低温で結晶性が良好な層となるため、磁化固定層１２０及び磁化自由層１４０の間のトンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌ　Ｍａｇｎｅｔｏ　Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　Ｅｆｆｅｃｔ：ＴＭＲ効果）をより高めることができる。
　磁化自由層１４０は、第１絶縁層１３０の上に設けられる。磁化自由層１４０は、第１絶縁層１３０との界面に生じる界面垂直磁気異方性によって膜面に対して垂直方向に磁化容易軸を有し、磁化の向きが制御可能な磁性層である。具体的には、磁化自由層１４０は、３ｄ遷移金属及びホウ素（Ｂ）を含む磁性材料にて形成されてもよく、ＣｏＦｅＢにて膜厚１ｎｍ～２ｎｍ程度で形成されてもよい。このような場合、磁化自由層１４０は、ホウ素（Ｂ）の含有量を１５原子％以上とすることで、垂直磁気異方性をより強めることができる。
　本実施形態では、強磁性体である磁化固定層１２０及び磁化自由層１４０によって第１絶縁層１３０が挟持されることで、磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）が構成される。磁気トンネル接合素子１では、磁化固定層１２０及び磁化自由層１４０と、第１絶縁層１３０との接合面に対して垂直に電圧が印加されることで、トンネル効果によって電流が流れる。このときのトンネル効果の大きさは、磁化固定層１２０及び磁化自由層１４０の磁化の向きが平行又は反平行のいずれであるのかによって変化する。したがって、磁気トンネル接合素子１は、磁化自由層１４０の磁化の向きを制御することで、下部電極１１０及び上部電極１７０の間に流れる電流の大きさを制御することができる。
　隣接層１５０は、非磁性遷移金属にて形成され、磁化自由層１４０の上に隣接して設けられる。隣接層１５０は、熱処理等によって、磁化自由層１４０に含まれるホウ素（Ｂ）が磁化自由層１４０からキャップ層１６０側に拡散することを抑制する。
　具体的には、磁気トンネル接合素子１では、高温及び長時間の熱処理によって、磁化自由層１４０に含まれるホウ素（Ｂ）が周囲の層に拡散することが生じ得る。このような場合、磁化自由層１４０のホウ素（Ｂ）の含有量が低下するため、磁化自由層１４０は、垂直磁気異方性を保持することが困難となってしまう。特に、磁気トンネル接合素子１が柱体形状又は錐体形状に素子加工されている場合、磁化自由層１４０の体積が限定されているため、磁化自由層１４０のホウ素（Ｂ）の含有量は、拡散によって減少しやすくなる。隣接層１５０は、磁化自由層１４０から拡散するホウ素（Ｂ）をトラップすることで、ホウ素（Ｂ）を磁化自由層１４０の周囲に滞留させることができる。これによれば、隣接層１５０は、熱処理によるホウ素（Ｂ）の拡散を抑制することで、ホウ素（Ｂ）の含有量の低下に起因する磁化自由層１４０の垂直磁気異方性の低下を抑制することができる。
　隣接層１５０は、密度及び熱伝導率が高い非磁性遷移金属にて形成することができる。例えば、隣接層１５０は、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｉｒ（イリジウム）又はＴｉ（チタン）のいずれかで形成されてもよい。隣接層１５０は、密度及び熱伝導率がより高いモリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）又はニオブ（Ｎｂ）のいずれかで形成されることで、ホウ素（Ｂ）の拡散をより効果的に抑制することができる。より詳細には、隣接層１５０は、モリブデン（Ｍｏ）にて形成されてもよい。
　隣接層１５０は、０．２５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下の膜厚で形成されてもよい。隣接層１５０は、磁化自由層１４０が垂直磁気異方性を保持することができる程度にホウ素（Ｂ）の拡散を抑制すればよいため、他の特性に対して影響を与えない程度の薄膜で形成されてもよい。後述する実施例で示すように、隣接層１５０が膜厚０．２５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下で形成される場合、磁気トンネル接合素子１は、ＴＭＲ効果（すなわち、ＴＭＲ比）をより大きくすることができる。
　キャップ層１６０は、隣接層１５０の上に形成される。キャップ層１６０は、磁化自由層１４０及び隣接層１５０の保護、又は磁化自由層１４０の特性向上等を目的として、複数の層を積層させた多層構造にて設けられる。具体的には、キャップ層１６０は、隣接層１５０側から第２絶縁層１６１、中間層１６２及びバリア層１６３を順に積層させた多層構造にて設けられてもよい。なお、キャップ層１６０は、図１で図示する構造以外の多層構造を備えていてもよい。キャップ層１６０の多層構造のバリエーションについては、図３～図１８を参照して後述する。
　第２絶縁層１６１は、絶縁材料で形成される。第２絶縁層１６１は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）又は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）などの無機酸化物にて膜厚１ｎｍ程度の薄膜層として形成されてもよい。より詳細には、第２絶縁層１６１は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）にて膜厚１ｎｍ程度で形成されてもよい。第２絶縁層１６１は、界面垂直磁気異方性によって、磁化自由層１４０の磁化容易軸を膜面に垂直な方向に制御することができるため、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性をより高めることができる。
　中間層１６２は、非磁性材料で形成される。中間層１６２は、中間層１６２に隣接する層間の結晶配向等の差を緩和する。例えば、中間層１６２は、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、ＴｉＮ又はＴａＮなどの非磁性材料にて膜厚１ｎｍ以上１０ｎｍ以下で形成されてもよい。より詳細には、中間層１６２は、ルテニウム（Ｒｕ）にて膜厚１ｎｍで形成されてもよい。
　バリア層１６３は、非磁性遷移金属にて形成される。バリア層１６３は、熱処理等によって、上部電極１７０に含まれる金属がキャップ層１６０の下層の磁化自由層１４０又は第１絶縁層１３０に拡散することを防止する。具体的には、磁気トンネル接合素子１では、高温及び長時間の熱処理によって、上部電極１７０に含まれるタンタル（Ｔａ）等の金属原子が磁化自由層１４０又は第１絶縁層１３０に拡散することが生じ得る。このような場合、拡散したタンタル（Ｔａ）等によって磁化自由層１４０及び第１絶縁層１３０の界面が乱されるため、磁化自由層１４０の界面垂直磁気異方性が低下してしまう。バリア層１６３は、上部電極１７０から拡散するタンタル（Ｔａ）等をトラップすることで、タンタル（Ｔａ）等によって磁化自由層１４０及び第１絶縁層１３０の界面が乱されることを防止する。これによれば、バリア層１６３は、熱処理による原子の拡散によって磁化自由層１４０の垂直磁気異方性が低下することを防止することができる。
　バリア層１６３は、隣接層１５０と同様に、密度及び熱伝導率が高い非磁性遷移金属にて形成することができる。例えば、バリア層１６３は、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｉｒ（イリジウム）又はＴｉ（チタン）のいずれかで形成されてもよい。なお、バリア層１６３は、隣接層１５０と同じ非磁性遷移金属で形成されてもよく、異なる非磁性遷移金属で形成されてもよい。より詳細には、バリア層１６３は、モリブデン（Ｍｏ）にて形成されてもよい。
　例えば、バリア層１６３は、上部電極１７０に含まれる金属の密度及び熱伝導率の積よりも、密度及び熱伝導率の積が大きい金属で形成されてもよい。ここで、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｉｒ（イリジウム）及びＴｉ（チタン）の融点、密度及び熱伝導率は、以下の表１に示すとおりである。したがって、上部電極１７０に含まれる金属がタンタル（Ｔａ）である場合、バリア層１６３は、タンタル（Ｔａ）の密度及び熱伝導率の積よりも密度及び熱伝導率の積が大きいモリブデン（Ｍｏ）、イリジウム（Ｉｒ）、又はタングステン（Ｗ）で形成されてもよい。このような場合、バリア層１６３は、上部電極１７０からの金属原子の拡散をより効果的に抑制することができる。
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　バリア層１６３は、膜厚１．０ｎｍ以上１０ｎｍ以下で形成されてもよい。すなわち、バリア層１６３は、同様の材料で形成される隣接層１５０よりも厚い膜厚で形成され得る。これによれば、バリア層１６３は、上部電極１７０から磁化自由層１４０又は第１絶縁層１３０へのタンタル（Ｔａ）の拡散をより確実に防止することができる。後述する実施例で示すように、バリア層１６３が膜厚１．０ｎｍ以上で形成される場合、上部電極１７０からの金属の拡散を十分に防止することができるため、磁気トンネル接合素子１のＨｃばらつきを小さくすることができる。一方、バリア層１６３が膜厚１０ｎｍ以下で形成される場合、磁気トンネル接合素子１の加工性が良好となるため、加工精度等に起因する二次的な特性ばらつきを小さくすることができる。
　上部電極１７０は、キャップ層１６０の上に設けられる。上部電極１７０は、各種金属材料又は合金材料にて形成されることで、磁気トンネル接合素子１と各種配線との接続点として機能する。上部電極１７０は、公知の材料及び積層構造で形成されてもよく、例えば、単層膜で形成されてもよく、複数の膜の積層膜で形成されてもよい。また、上部電極１７０は、磁気トンネル接合素子１をエッチング等によって素子加工する際のハードマスクとして機能してもよい。このような場合、上部電極１７０は、タンタル（Ｔａ）又は窒化タンタル（ＴａＮ）を含んで形成されてもよい。より詳細には、上部電極１７０は、キャップ層１６０側から膜厚１ｎｍのＲｕ膜、膜厚１ｎｍのＴａ膜、膜厚５ｎｍのＲｕ膜、及び膜厚７７ｎｍのＴａ膜を順に積層した多層構造にて形成されてもよい。または、上部電極１７０は、キャップ層１６０側から膜厚１ｎｍのＲｕ膜、膜厚１ｎｍのＴａ膜、膜厚５ｎｍのＲｕ膜、及び膜厚７７ｎｍのＴａＮ膜を順に積層した多層構造、膜厚１ｎｍのＲｕ膜、膜厚１ｎｍのＴａＮ膜、膜厚５ｎｍのＲｕ膜、及び膜厚７７ｎｍのＴａ膜を順に積層した多層構造、又は膜厚１ｎｍのＲｕ膜、膜厚１ｎｍのＴａＮ膜、膜厚５ｎｍのＲｕ膜、及び膜厚７７ｎｍのＴａＮ膜を順に積層した多層構造にて形成されてもよい。
　上述したように、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１では、非磁性遷移金属で形成された隣接層１５０が磁化自由層１４０に隣接して設けられ、かつ同様に非磁性遷移金属で形成されたバリア層１６３がキャップ層１６０内に設けられる。これにより、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１は、熱耐性を向上させることができる。
　かかる効果について、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、より具体的に説明する。図２Ａは、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１に熱処理を行った際の原子の拡散の様子を模式的に示す縦断面図である。図２Ｂは、比較例に係る磁気トンネル接合素子９０に熱処理を行った際の原子の拡散の様子を模式的に示す縦断面図である。
　図２Ｂに示すように、比較例に係る磁気トンネル接合素子９０では、磁気トンネル接合素子１と比較して、隣接層１５０及びバリア層１６３が設けられていない。したがって、比較例に係る磁気トンネル接合素子９０では、高温及び長時間での熱処理が行われた場合、上部電極１７０に含まれるタンタル（Ｔａ）等の金属原子は、キャップ層１６０側に拡散してしまう。熱処理によって拡散したタンタル（Ｔａ）は、磁化自由層１４０及び第１絶縁層１３０の界面を乱し、界面垂直磁気異方性を低下させることで、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性が低下させてしまう。また、磁化自由層１４０では、磁化自由層１４０に含まれるホウ素（Ｂ）がキャップ層１６０側へ拡散するため、ホウ素（Ｂ）の含有量が低下し、垂直磁気異方性を維持することが困難になってしまう。
　したがって、比較例に係る磁気トンネル接合素子９０では、高温及び長時間の熱処理によって、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性が低下してしまう。このような場合、磁気トンネル接合素子９０は、磁化自由層１４０の磁化容易軸を膜面に垂直方向に制御することが困難になるため、所望の磁気特性を実現することが困難になってしまう。よって、比較例に係る磁気トンネル接合素子９０は、熱耐性が低いため、高温及び長時間の熱処理を行うことが困難であった。
　一方、図２Ａに示すように、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１では、高温及び長時間での熱処理が行われた場合、上部電極１７０に含まれるタンタル（Ｔａ）等の金属原子は、バリア層１６３によってキャップ層１６０側への拡散が防止される。これにより、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１では、磁化自由層１４０及び第１絶縁層１３０との界面がタンタル（Ｔａ）等によって乱されないため、磁化自由層１４０は、垂直磁気異方性を維持することができる。また、磁化自由層１４０に含まれるホウ素（Ｂ）は、隣接層１５０によってキャップ層１６０側への拡散が抑制される。よって、磁化自由層１４０は、垂直磁気異方性を維持するために十分な量のホウ素（Ｂ）を保持することができる。
　したがって、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１では、高温及び長時間の熱処理にて生じる原子の拡散を抑制することで、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性の低下を抑制することができる。これによれば、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１は、高負荷の熱処理が行われた場合でも、所望の磁気特性を維持することが可能である。よって、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１は、ロジック回路、メモリ回路又は画素回路等の様々な回路が混載され、様々な熱処理プロセスが行われる半導体装置に対して、製造プロセスを制約することなく混載されることができる。
　＜２．他の構成例＞
　続いて、図３～図１８を参照して、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１の他の構成例について説明する。図３～図１８は、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子２～１７の他の積層構造を模式的に示す縦断面図である。
　図３～図１８に示す磁気トンネル接合素子２～１７の他の積層構造は、図１で示した磁気トンネル接合素子１の積層構造に対して、キャップ層１６０の内部の積層構造のみが異なる。したがって、以下では、図１、図３～図１８に示す磁気トンネル接合素子１～１７の各々のキャップ層１６０の差異についてのみ説明し、共通する基板１００～隣接層１５０及び上部電極１７０の各層についての説明は省略する。
　図３に示すように、磁気トンネル接合素子２は、図１に示す磁気トンネル接合素子１に対して、中間層１６２及びバリア層１６３の積層順が入れ替わっている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子２のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から第２絶縁層１６１、バリア層１６３、及び中間層１６２を積層した構造を備える。すなわち、バリア層１６３は、上部電極１７０に隣接して設けられていなくともよく、キャップ層１６０のいずれかの位置に設けられていればよい。バリア層１６３は、上部電極１７０から磁化自由層１４０及び第１絶縁層１３０の間の界面への金属の拡散を防止する層であるため、上部電極１７０と隣接層１５０との間のいずれかの位置に設けられていればよい。
　ただし、キャップ層１６０が第２絶縁層１６１を含む場合、界面垂直磁気異方性によって磁化自由層１４０の垂直磁気異方性を高めるために、第２絶縁層１６１は、隣接層１５０に隣接して設けられる。このような場合、バリア層１６３は、上部電極１７０と第２絶縁層１６１との間のいずれかの位置に設けられることになる。
　図４に示すように、磁気トンネル接合素子３は、図１に示す磁気トンネル接合素子１に対して、複数のバリア層１６３Ａ、１６３Ｂが設けられている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子３のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から第２絶縁層１６１、第１のバリア層１６３Ａ、中間層１６２、及び第２のバリア層１６３Ｂを積層した構造を備える。
　第１のバリア層１６３Ａ及び第２のバリア層１６３Ｂは、図１に示す磁気トンネル接合素子１のバリア層１６３と同様の材料及び膜厚で形成され、上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散を防止する。図４に示す磁気トンネル接合素子３では、バリア層１６３Ａ、１６３Ｂが複数設けられているため、熱処理の際の上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散をより確実に防止することで、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性の低下をより確実に防止することができる。
　図５に示すように、磁気トンネル接合素子４は、図１に示す磁気トンネル接合素子１に対して、第２絶縁層１６１及び中間層１６２の間に磁性層１６４が挿入されている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子４のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から第２絶縁層１６１、磁性層１６４、中間層１６２、及びバリア層１６３を積層した構造を備える。
　磁性層１６４は、磁化自由層１４０と同様に、３ｄ遷移金属及びホウ素（Ｂ）を含む磁性材料にて形成され、磁気トンネル接合素子４の磁気特性を向上させる。具体的には、磁性層１６４は、第２絶縁層１６１に隣接して積層されることで、熱処理後の第２絶縁層１６１の結晶性を向上させる。これにより、磁性層１６４は、隣接層１５０を介して磁化自由層１４０の垂直磁気異方性を向上させることができる。
　例えば、磁性層１６４は、ＣｏＦｅＢにて膜厚０．９ｎｍ以下で形成されてもよい。磁性層１６４は、ホウ素（Ｂ）の含有量を１５原子％以上とすることで、垂直磁気異方性をより強めることができる。後述する実施例にて示すように、第２絶縁層１６１の上に設けられた磁性層１６４が膜厚０．９ｎｍ以下で形成されることにより、磁気トンネル接合素子４は、高い垂直磁気異方性及び保磁力を有することができる。なお、磁性層１６４の膜厚の下限は、特に限定されないが、０．１ｎｍとしてもよい。図５に示す磁気トンネル接合素子４では、磁化自由層１４０に加えて、磁性層１６４が設けられるため、磁気トンネル接合素子４の全体での磁気特性を向上させることができる。
　図６に示すように、磁気トンネル接合素子５は、図５に示す磁気トンネル接合素子４に対して、中間層１６２及びバリア層１６３の積層順が入れ替わっている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子５のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から第２絶縁層１６１、磁性層１６４、バリア層１６３、及び中間層１６２を積層した構造を備える。すなわち、バリア層１６３は、上部電極１７０に隣接して設けられていなくともよく、キャップ層１６０のいずれかの位置に設けられていればよい。バリア層１６３は、上部電極１７０からの金属の拡散を防止する層であるため、上部電極１７０と磁性層１６４との間のいずれかの位置に設けられていればよい。
　図７に示すように、磁気トンネル接合素子６は、図４に示す磁気トンネル接合素子３に対して、複数のバリア層１６３Ａ、１６３Ｂが設けられている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子６のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から第２絶縁層１６１、磁性層１６４、第１のバリア層１６３Ａ、中間層１６２、及び第２のバリア層１６３Ｂを積層した構造を備える。
　第１のバリア層１６３Ａ及び第２のバリア層１６３Ｂは、図１に示す磁気トンネル接合素子１のバリア層１６３と同様の材料及び膜厚で形成され、上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散を防止する。また、第１のバリア層１６３Ａは、磁性層１６４からのホウ素（Ｂ）の拡散を抑制することができる。図７に示す磁気トンネル接合素子６では、バリア層１６３Ａ、１６３Ｂが複数設けられているため、熱処理の際の上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散をより確実に防止し、磁化自由層１４０及び磁性層１６４の垂直磁気異方性の低下をより確実に防止することができる。
　図８に示すように、磁気トンネル接合素子７は、図１に示す磁気トンネル接合素子１に対して、第２絶縁層１６１が設けられず、キャップ層１６０の各層が導電材料で形成される点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子７のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から中間層１６２、及びバリア層１６３を積層した構造を備える。第２絶縁層１６１は、界面垂直磁気異方性によって、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性を高める層であるため、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性の程度によっては設けられなくともよい。図８に示す磁気トンネル接合素子７では、キャップ層１６０の積層構造を簡略化することによって、製造コストを削減することができる。
　図９に示すように、磁気トンネル接合素子８は、図１に示す磁気トンネル接合素子１に対して、第２絶縁層１６１及び中間層１６２の間に、３ｄ遷移金属及びホウ素（Ｂ）を含む磁性材料にて形成される磁性層と、非磁性遷移金属で形成される非磁性層とを積層した調整層１６５が挿入されている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子８のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、第２絶縁層１６１、中間層１６２、及びバリア層１６３を積層した構造を備える。
　調整層１６５の磁性層は、磁化自由層１４０と同様に、３ｄ遷移金属及びホウ素（Ｂ）を含む磁性材料にて形成され、例えば、ＣｏＦｅＢにて膜厚０．７ｎｍ以下で形成されてもよい。調整層１６５の磁性層は、ホウ素（Ｂ）の含有量を１５原子％以上とすることで、垂直磁気異方性をより強めることができる。後述する実施例にて示すように、調整層１６５の磁性層は、膜厚０．７ｎｍ以下で形成されることにより、書き込み電圧が過度に高くなることを防止することができる。なお、調整層１６５の磁性層の膜厚の下限は、特に限定されないが、０．１ｎｍとしてもよい。
　調整層１６５の非磁性層は、隣接層１５０と同様に、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、Ｉｒ（イリジウム）又はＴｉ（チタン）などの非磁性遷移金属で形成され、例えば、モリブデン（Ｍｏ）にて膜厚０．２５ｎｍ以上１．０ｎｍ以下で形成されてもよい。調整層１６５の非磁性層は、下層の磁性層に含まれるホウ素（Ｂ）が熱処理によって拡散することを抑制することができる。
　図９に示す磁気トンネル接合素子８では、キャップ層１６０に磁化自由層１４０及び隣接層１５０と同様の積層構造の調整層１６５を含むことによって、熱処理後の磁化自由層１４０の近傍のホウ素（Ｂ）の濃度をより高い精度で制御することが可能となる。これによれば、磁気トンネル接合素子８は、熱処理による磁化自由層１４０の垂直異方性の低下をより確実に防止することができる。
　図１０に示す磁気トンネル接合素子９は、図９に示す磁気トンネル接合素子８に対して、中間層１６２及びバリア層１６３の積層順が入れ替わっている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子９のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、第２絶縁層１６１、バリア層１６３、及び中間層１６２を積層した構造を備える。すなわち、バリア層１６３は、上部電極１７０に隣接して設けられていなくともよく、キャップ層１６０のいずれかの位置に設けられていればよい。バリア層１６３は、上部電極１７０から磁化自由層１４０及び第１絶縁層１３０の間の界面への金属の拡散を防止する層であるため、上部電極１７０と第２絶縁層１６１との間のいずれかの位置に設けられていればよい。
　図１１に示すように、磁気トンネル接合素子１０は、図９に示す磁気トンネル接合素子８に対して、複数のバリア層１６３Ａ、１６３Ｂが設けられている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１０のキャップ層１６０は、磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、第２絶縁層１６１、第１のバリア層１６３Ａ、中間層１６２、及び第２のバリア層１６３Ｂを積層した構造を備える。
　第１のバリア層１６３Ａ及び第２のバリア層１６３Ｂは、図１に示す磁気トンネル接合素子１のバリア層１６３と同様の材料及び膜厚で形成され、上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散を防止する。図１１に示す磁気トンネル接合素子１０では、バリア層１６３Ａ、１６３Ｂが複数設けられているため、熱処理の際の上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散をより確実に防止し、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性の低下をより確実に防止することができる。
　図１２に示すように、磁気トンネル接合素子１１は、図９に示す磁気トンネル接合素子８に対して、第２絶縁層１６１及び中間層１６２の間に磁性層１６４が挿入されている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１１のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、第２絶縁層１６１、磁性層１６４、中間層１６２、及びバリア層１６３を積層した構造を備える。
　磁性層１６４は、磁化自由層１４０と同様に、３ｄ遷移金属及びホウ素（Ｂ）を含む磁性材料にて形成され、磁気トンネル接合素子１１の磁気特性を向上させる。具体的には、磁性層１６４は、第２絶縁層１６１に隣接して積層されることで、熱処理後の第２絶縁層１６１の結晶性を向上させる。これにより、磁性層１６４は、隣接層１５０を介して磁化自由層１４０の垂直磁気異方性を向上させることができる。
　例えば、磁性層１６４は、ＣｏＦｅＢにて膜厚０．９ｎｍ以下で形成されてもよい。磁性層１６４は、ホウ素（Ｂ）の含有量を１５原子％以上とすることで、垂直磁気異方性をより強めることができる。後述する実施例にて示すように、第２絶縁層１６１の上に設けられた磁性層１６４が膜厚０．９ｎｍ以下で形成されることにより、磁気トンネル接合素子１１は、高い垂直磁気異方性及び保磁力を有することができる。なお、磁性層１６４の膜厚の下限は、特に限定されないが、０．１ｎｍとしてもよい。図１２に示す磁気トンネル接合素子１１では、磁化自由層１４０に加えて、磁性層１６４が設けられるため、磁気トンネル接合素子１１の全体での磁気特性を向上させることができる。
　図１３に示すように、磁気トンネル接合素子１２は、図１２に示す磁気トンネル接合素子１１に対して、中間層１６２及びバリア層１６３の積層順が入れ替わっている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１２のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、第２絶縁層１６１、磁性層１６４、バリア層１６３、及び中間層１６２を積層した構造を備える。すなわち、バリア層１６３は、上部電極１７０に隣接して設けられていなくともよく、キャップ層１６０のいずれかの位置に設けられていればよい。バリア層１６３は、上部電極１７０からの金属の拡散を防止する層であるため、上部電極１７０と磁性層１６４との間のいずれかの位置に設けられていればよい。
　図１４に示すように、磁気トンネル接合素子１３は、図１２に示す磁気トンネル接合素子１１に対して、複数のバリア層１６３Ａ、１６３Ｂが設けられている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１３のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、第２絶縁層１６１、磁性層１６４、第１のバリア層１６３Ａ、中間層１６２、及び第２のバリア層１６３Ｂを積層した構造を備える。
　第１のバリア層１６３Ａ及び第２のバリア層１６３Ｂは、図１に示す磁気トンネル接合素子１のバリア層１６３と同様の材料及び膜厚で形成され、上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散を防止する。また、第１のバリア層１６３Ａは、磁性層１６４からのホウ素（Ｂ）の拡散を抑制することができる。図１４に示す磁気トンネル接合素子１３では、バリア層１６３Ａ、１６３Ｂが複数設けられているため、熱処理の際の上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散をより確実に防止し、磁化自由層１４０及び磁性層１６４の垂直磁気異方性の低下をより確実に防止することができる。
　図１５に示すように、磁気トンネル接合素子１４は、図９に示す磁気トンネル接合素子８に対して、第２絶縁層１６１が設けられず、キャップ層１６０の各層が導電材料で形成される点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１４のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、中間層１６２、及びバリア層１６３を積層した構造を備える。第２絶縁層１６１は、界面垂直磁気異方性によって、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性を高める層であるため、磁化自由層１４０の垂直磁気異方性の程度によっては、設けられなくともよい。図１５に示す磁気トンネル接合素子１４では、キャップ層１６０の積層構造を簡略化することによって、製造コストを削減することができる。
　図１６に示すように、磁気トンネル接合素子１５は、図１５に示す磁気トンネル接合素子１４に対して、調整層１６５及び中間層１６２の間に磁性層１６４が挿入されている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１５のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、磁性層１６４、中間層１６２、及びバリア層１６３を積層した構造を備える。
　例えば、磁性層１６４は、３ｄ遷移金属及びホウ素（Ｂ）を含む磁性材料にて形成されてもよく、ＣｏＦｅＢにて膜厚０．９ｎｍ以下で形成されてもよい。磁性層１６４は、ホウ素（Ｂ）の含有量を１５原子％以上とすることで、垂直磁気異方性をより強めることができる。後述する実施例にて示すように、磁性層１６４が膜厚０．９ｎｍ以下で形成されることにより、磁気トンネル接合素子１５は、高い垂直磁気異方性及び保磁力を有することができる。なお、磁性層１６４の膜厚の下限は、特に限定されないが、０．１ｎｍとしてもよい。図１６に示す磁気トンネル接合素子１５では、磁化自由層１４０に加えて、磁性層１６４が設けられるため、磁気トンネル接合素子１５の全体での磁気特性を向上させることができる。
　図１７に示すように、磁気トンネル接合素子１６は、図１６に示す磁気トンネル接合素子１５に対して、中間層１６２及びバリア層１６３の積層順が入れ替わっている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１６のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、磁性層１６４、バリア層１６３、及び中間層１６２を積層した構造を備える。すなわち、バリア層１６３は、上部電極１７０に隣接して設けられていなくともよく、キャップ層１６０のいずれかの位置に設けられていればよい。バリア層１６３は、上部電極１７０からの金属の拡散を防止する層であるため、上部電極１７０と磁性層１６４との間のいずれかの位置に設けられていればよい。
　図１８に示すように、磁気トンネル接合素子１７は、図１６に示す磁気トンネル接合素子１５に対して、複数のバリア層１６３Ａ、１６３Ｂが設けられている点が異なる。具体的には、磁気トンネル接合素子１７のキャップ層１６０は、隣接層１５０側から磁性層及び非磁性層からなる調整層１６５、磁性層１６４、第１のバリア層１６３Ａ、中間層１６２、及び第２のバリア層１６３Ｂを積層した構造を備える。
　第１のバリア層１６３Ａ及び第２のバリア層１６３Ｂは、図１に示す磁気トンネル接合素子１のバリア層１６３と同様の材料及び膜厚で形成され、上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散を防止する。また、第１のバリア層１６３Ａは、磁性層１６４からのホウ素（Ｂ）の拡散を抑制することができる。図１８に示す磁気トンネル接合素子１７では、バリア層１６３Ａ、１６３Ｂが複数設けられているため、熱処理の際の上部電極１７０からのタンタル（Ｔａ）等の拡散をより確実に防止し、磁化自由層１４０及び磁性層１６４の垂直磁気異方性の低下をより確実に防止することができる。
　以上にて、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１～１７の構成例について説明した。本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１～１７を構成する各層は、いずれもスパッタリング法によって成膜することができる。スパッタリング法の成膜条件等は、特に限定されず、適宜最適な条件を選択することができる。
　＜３．変形例＞
　次に、図１９を参照して、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子１の変形例について説明する。図１９は、本変形例に係る磁気トンネル接合素子１を模式的に示す縦断面図である。
　図１９に示すように、本変形例に係る磁気トンネル接合素子１は、エッチング等によって素子加工されており、素子加工後に露出した面が保護膜１８０によって覆われている。なお、保護膜１８０は、磁気トンネル接合素子１の少なくとも側面を覆っていればよく、磁気トンネル接合素子１の上面は必ずしも覆っていなくともよい。
　保護膜１８０は、ＳｉＮｘ又はＳｉＯｘ等の絶縁膜であり、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の物理的な成膜方法によって成膜されることができる。例えば、保護膜１８０は、プラズマＰＶＤによって成膜されたＳｉＮ膜であってもよい。
　エッチング等による素子加工後の磁気トンネル接合素子１は、磁化自由層１４０及び磁化固定層１２０等の端面が露出している。そのため、これらの端面がＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の化学的な成膜方法で用いられる原料ガス（例えば、ＳｉＨ４又はＮＨ３等）に曝露された場合、化学反応によって磁化自由層１４０及び磁化固定層１２０の磁気特性が低下する可能性がある。したがって、保護膜１８０は、物理的な成膜方法によって成膜されることによって、素子加工後の磁気トンネル接合素子１の磁気特性の低下を防止することができる。
　保護膜１８０の膜厚は、特に限定されないが、例えば、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下としてもよい。保護膜１８０は、例えば、純度５Ｎ超のシリコン（Ｓｉ）ターゲットを用いて、Ａｒ及びＮ２ガス雰囲気下で反応性スパッタを行うことで形成することができる。Ａｒガス及びＮ２ガスの流量は、例えば、それぞれ２０ｓｃｃｍとしてもよい。
　このような物理的な成膜方法で形成された保護膜１８０で側面を保護された磁気トンネル接合素子１は、書き込み電圧をより低電圧化することができる。高温及び長時間の熱処理が行われた磁気トンネル接合素子１は、熱負荷によって書き込み電圧が上昇しやすいため、上述した保護膜１８０を用いて書き込み電圧の低電圧化を図っておくことがより好ましい。
　以下では、実施例及び比較例を参照しながら、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも一例であって、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子が下記の例に限定されるものではない。
　＜本実施形態に係る磁気トンネル接合素子の効果の検証＞
　まず、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子の効果を検証するために、図２０～図２３にて積層構造を示す磁気トンネル接合素子を製造した。図２０は、実施例１に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。図２１は、実施例２に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。図２２は、比較例１に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。図２３は、比較例２に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。なお、図２０～図２３において、括弧書き内の数値は、ナノメートル単位の各層の膜厚を表す。
　図２０に示すように、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｐｔ（５ｎｍ）及びＲｕ（３ｎｍ）からなる下部電極と、Ｐｔ（０．３ｎｍ）、Ｃｏ（０．５ｎｍ）及びＰｔ（０．３ｎｍ）の６回積層構造、Ｃｏ（０．５ｎｍ）、Ｉｒ（０．５ｎｍ）、Ｃｏ（０．６ｎｍ）、Ｍｏ（０．４ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）からなる磁化固定層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第１絶縁層と、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）の磁化自由層と、Ｍｏ（０．８ｎｍ）の隣接層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）、Ｒｕ（７ｎｍ）及びＭｏ（７ｎｍ）からなるキャップ層と、Ｒｕ（１ｎｍ）、Ｔａ（１ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）及びＴａ（７７ｎｍ）からなる上部電極と、を積層することで、実施例１に係る磁気トンネル接合素子を製造した。
　また、図２１に示すように、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｐｔ（５ｎｍ）及びＲｕ（３ｎｍ）からなる下部電極と、Ｐｔ（０．３ｎｍ）、Ｃｏ（０．５ｎｍ）及びＰｔ（０．３ｎｍ）の６回積層構造、Ｃｏ（０．５ｎｍ）、Ｉｒ（０．５ｎｍ）、Ｃｏ（０．６ｎｍ）、Ｍｏ（０．４ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）からなる磁化固定層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第１絶縁層と、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）の磁化自由層と、Ｍｏ（０．８ｎｍ）の隣接層と、ＣｏＦｅＢ（０．５ｎｍ）、Ｍｏ（０．８ｎｍ）、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）及びＭｏ（７ｎｍ）からなるキャップ層と、Ｒｕ（１ｎｍ）、Ｔａ（１ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）及びＴａ（７７ｎｍ）からなる上部電極と、を積層することで、実施例２に係る磁気トンネル接合素子を製造した。
　また、図２２に示すように、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｐｔ（５ｎｍ）及びＲｕ（３ｎｍ）からなる下部電極と、Ｐｔ（０．３ｎｍ）、Ｃｏ（０．５ｎｍ）及びＰｔ（０．３ｎｍ）の６回積層構造、Ｃｏ（０．５ｎｍ）、Ｉｒ（０．５ｎｍ）、Ｃｏ（０．６ｎｍ）、Ｍｏ（０．４ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）からなる磁化固定層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第１絶縁層と、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）の磁化自由層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）、及びＣｏＦｅＢ（０．５ｎｍ）からなるキャップ層と、Ｒｕ（１ｎｍ）、Ｔａ（１ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）及びＴａ（７７ｎｍ）からなる上部電極と、を積層することで、比較例１に係る磁気トンネル接合素子を製造した。
　さらに、図２３に示すように、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｐｔ（５ｎｍ）及びＲｕ（３ｎｍ）からなる下部電極と、Ｐｔ（０．３ｎｍ）、Ｃｏ（０．５ｎｍ）及びＰｔ（０．３ｎｍ）の６回積層構造、Ｃｏ（０．５ｎｍ）、Ｉｒ（０．５ｎｍ）、Ｃｏ（０．６ｎｍ）、Ｍｏ（０．４ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）からなる磁化固定層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第１絶縁層と、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）の磁化自由層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．５ｎｍ）、Ｒｕ（７ｎｍ）及びＭｏ（７ｎｍ）からなるキャップ層と、Ｒｕ（１ｎｍ）、Ｔａ（１ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）及びＴａ（７７ｎｍ）からなる上部電極と、を積層することで、比較例２に係る磁気トンネル接合素子を製造した。
　続いて、Ｓｉ基板上に成膜した状態、成膜した状態から直径６０ｎｍ程度の円柱形状に素子加工した状態、及び素子加工後にさらに高温及び長時間の熱処理を行った状態の各々において、実施例１、２又は比較例１、２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性を評価した。具体的には、Ｍ－Ｈループの測定は、振動試料型磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　Ｓａｍｐｌｅ　Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）にて行い、Ｒ－Ｈループの測定は、オートプローバにて行った。その結果を図２４Ａ～図２７Ｃに示す。
　図２４Ａ～図２４Ｃは、実施例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。また、図２５Ａ～図２５Ｃは、実施例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。さらに、図２６Ａ～図２６Ｃは、比較例１に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。図２７Ａ～図２７Ｃは、比較例２に係る磁気トンネル接合素子の磁気－抵抗特性の評価結果を示すグラフ図である。
　図２４Ａ～図２４Ｃを参照すると、実施例１に係る磁気トンネル接合素子では、Ｓｉ基板上に成膜した状態（図２４Ａ）、素子加工した状態（図２４Ｂ）、及び熱処理を行った状態（図２４Ｃ）のいずれでも角形のヒステリシス曲線が形成されていることがわかる。したがって、実施例１では、素子加工及び熱処理後も磁気トンネル接合素子は、ＭＴＪ素子として機能しており、磁化自由層は、垂直磁気異方性を保持していることがわかる。
　図２５Ａ～図２５Ｃを参照すると、実施例２に係る磁気トンネル接合素子では、Ｓｉ基板上に成膜した状態（図２５Ａ）、素子加工した状態（図２５Ｂ）、及び熱処理を行った状態（図２５Ｃ）のいずれでも角形のヒステリシス曲線が形成されていることがわかる。したがって、実施例２では、素子加工及び熱処理後も磁気トンネル接合素子は、ＭＴＪ素子として機能しており、磁化自由層は、垂直磁気異方性を保持していることがわかる。
　一方、図２６Ａ～図２６Ｃを参照すると、比較例１に係る磁気トンネル接合素子では、Ｓｉ基板上に成膜した状態（図２６Ａ）では、角形のヒステリシス曲線が形成されているものの、素子加工した状態（図２６Ｂ）及び熱処理を行った状態（図２６Ｃ）では、ヒステリシス曲線が形成されていないことがわかる。したがって、比較例１では、磁化自由層は、Ｓｉ基板上に成膜した状態では垂直磁気異方性を備えているものの、素子加工によって垂直磁気異方性を失うため、素子加工後の磁気トンネル接合素子は、ＭＴＪ素子として機能しなくなることがわかる。
　また、図２７Ａ～図２７Ｃを参照すると、比較例２に係る磁気トンネル接合素子では、Ｓｉ基板上に成膜した状態（図２７Ａ）及び素子加工した状態（図２７Ｂ）では、角形のヒステリシス曲線が形成されているものの、熱処理を行った状態（図２７Ｃ）では、ヒステリシス曲線が形成されていないことがわかる。したがって、比較例２では、磁化自由層は、Ｓｉ基板上に成膜した状態及び素子加工した状態では垂直磁気異方性を備えているものの、熱処理によって垂直磁気異方性を失うため、熱処理後の磁気トンネル接合素子は、ＭＴＪ素子として機能しなくなることがわかる。
　したがって、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子は、非磁性遷移金属で形成された隣接層が磁化自由層に隣接して設けられ、かつ同様に非磁性遷移金属で形成されたバリア層がキャップ層の内部に設けられることで、素子加工及び熱処理後もＭＴＪ素子として機能することがわかる。すなわち、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子は、熱処理に対する耐性が向上していることがわかる。
　＜磁気トンネル接合素子の各層の膜厚の検討＞
　次に、本実施形態に係る磁気トンネル接合素子の各層の膜厚を変化させて、磁気特性を測定した。具体的には、Ｍ－Ｈループの測定は、振動試料型磁力計（Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ　Ｓａｍｐｌｅ　Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒ：ＶＳＭ）にて行い、Ｒ－Ｈループの測定は、オートプローバにて行った。ＭＲ特性の測定は、ＣＩＰＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ－Ｉｎ－Ｐｌａｎｅ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ）測定器にて行った。その結果を図３０～図３４に示す。
　（隣接層）
　まず、実施例１に係る磁気トンネル接合素子の隣接層の膜厚を０．１５ｎｍから１．１５ｎｍまで変化させた際の磁気トンネル接合素子のＴＭＲ比の変化を図３０に示す。図３０は、隣接層（Ｍｏ）の膜厚に対する磁気トンネル接合素子のＴＭＲ比の変化を相対値で示すグラフ図である。図３０を参照すると、隣接層（Ｍｏ）の膜厚が０．１ｎｍ以上１ｎｍ以下の場合、磁気トンネル接合素子のＴＭＲ比がより向上することがわかる。
　（バリア層）
　次に、実施例１に係る磁気トンネル接合素子のバリア層の膜厚を０．５ｎｍから１１ｎｍまで変化させた際の磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）ばらつきの変化を図３１に示す。図３１は、バリア層（Ｍｏ）の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）ばらつきの変化を相対値で示すグラフ図である。図３１を参照すると、バリア層（Ｍｏ）の膜厚が１ｎｍ以上の場合、磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）ばらつきがより小さくなることがわかる。一方、バリア層の膜厚が１０ｎｍ以下の場合、磁気トンネル接合素子の加工が容易になるため、磁気トンネル接合素子の加工精度を向上させることができる。
　（中間層）
　続いて、実施例１に係る磁気トンネル接合素子の中間層の膜厚を０．５ｎｍから１１ｎｍまで変化させた際の磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）ばらつきの変化を図３２に示す。図３２は、中間層（Ｒｕ）の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）ばらつきの変化を相対値で示すグラフ図である。図３２を参照すると、中間層の膜厚が１ｎｍ以上の場合、磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）ばらつきが小さくなることがわかる。一方、中間層の膜厚が１０ｎｍ以下の場合、磁気トンネル接合素子の加工が容易になるため、磁気トンネル接合素子の加工精度を向上させることができる。
　（磁性層）
　次に、磁性層の膜厚を検討するために、図２８にて積層構造を示す磁気トンネル接合素子を製造した。図２８は、実施例３に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。
　図２８に示すように、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｐｔ（５ｎｍ）及びＲｕ（３ｎｍ）からなる下部電極と、Ｐｔ（０．３ｎｍ）、Ｃｏ（０．５ｎｍ）及びＰｔ（０．３ｎｍ）の６回積層構造、Ｃｏ（０．５ｎｍ）、Ｉｒ（０．５ｎｍ）、Ｃｏ（０．６ｎｍ）、Ｍｏ（０．４ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）からなる磁化固定層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第１絶縁層と、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）の磁化自由層と、Ｍｏ（０．８ｎｍ）の隣接層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第２絶縁層、ＣｏＦｅＢ（０ｎｍ～３．５ｎｍ）の磁性層、Ｒｕ（７ｎｍ）の中間層、及びＭｏ（７ｎｍ）のバリア層を含むキャップ層と、Ｒｕ（１ｎｍ）、Ｔａ（１ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）及びＴａ（７７ｎｍ）からなる上部電極と、を積層することで、実施例３に係る磁気トンネル接合素子を製造した。
　ここで、実施例３に係る磁気トンネル接合素子の磁性層の膜厚を０ｎｍから３．５ｎｍまで変化させた際の磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）の変化を図３３に示す。図３３は、磁性層（ＣｏＦｅＢ）の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）の変化を相対値で示すグラフ図である。図３３を参照すると、磁性層（ＣｏＦｅＢ）の膜厚が０．９ｎｍ以下の場合、磁気トンネル接合素子の保磁力（Ｈｃ）がより大きくなることがわかる。
　（調整層）
　続いて、調整層の磁性層の膜厚を検討するために、図２９にて積層構造を示す磁気トンネル接合素子を製造した。図２９は、実施例４に係る磁気トンネル接合素子の積層構造を示す説明図である。
　図２９に示すように、Ｓｉ基板上に、Ｔａ（５ｎｍ）、Ｐｔ（５ｎｍ）及びＲｕ（３ｎｍ）からなる下部電極と、Ｐｔ（０．３ｎｍ）、Ｃｏ（０．５ｎｍ）及びＰｔ（０．３ｎｍ）の６回積層構造、Ｃｏ（０．５ｎｍ）、Ｉｒ（０．５ｎｍ）、Ｃｏ（０．６ｎｍ）、Ｍｏ（０．４ｎｍ）、ＣｏＦｅＢ（０．９ｎｍ）からなる磁化固定層と、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第１絶縁層と、ＣｏＦｅＢ（１．５ｎｍ）の磁化自由層と、Ｍｏ（０．８ｎｍ）の隣接層と、ＣｏＦｅＢ（０ｎｍ～１ｎｍ）及びＭｏ（０．８ｎｍ）の調整層、ＭｇＯ（１．０ｎｍ）の第２絶縁層、ＣｏＦｅＢ（０．５ｎｍ）の磁性層、Ｒｕ（７ｎｍ）の中間層、及びＭｏ（７ｎｍ）のバリア層を含むキャップ層と、Ｒｕ（１ｎｍ）、Ｔａ（１ｎｍ）、Ｒｕ（５ｎｍ）及びＴａ（７７ｎｍ）からなる上部電極と、を積層することで、実施例４に係る磁気トンネル接合素子を製造した。
　ここで、実施例４に係る磁気トンネル接合素子の調整層における磁性層の膜厚を０ｎｍから１ｎｍまで変化させた際の磁気トンネル接合素子の書き込み電圧（Ｖｃ）の変化を図３４に示す。図３４は、調整層における磁性層（ＣｏＦｅＢ）の膜厚に対する磁気トンネル接合素子の書き込み電圧（Ｖｃ）の変化を相対値で示すグラフ図である。図３４を参照すると、調整層における磁性層（ＣｏＦｅＢ）の膜厚が０．７ｎｍ以下の場合、磁気トンネル接合素子の書き込み電圧をより低くすることができることがわかる。
　以上、添付図面を参照しながら本開示の好適な実施形態について詳細に説明したが、本開示の技術的範囲はかかる例に限定されない。本開示の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば、上記実施形態に係る磁気トンネル接合素子１～１７は、多様な半導体装置にトランジスタ等と共に混載され得る。例えば、磁気トンネル接合素子１～１７は、固体撮像装置、演算処理装置、通信装置又は記憶装置等の半導体装置に混載されてもよい。
　また、本明細書に記載された効果は、あくまで説明的または例示的なものであって限定的ではない。つまり、本開示に係る技術は、上記の効果とともに、または上記の効果に代えて、本明細書の記載から当業者には明らかな他の効果を奏しうる。
　なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）
　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
　前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第１絶縁層と、
　前記第１絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
　前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
　前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも１つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
を備える、磁気トンネル接合素子。
（２）
　前記キャップ層の上に設けられた上部電極をさらに備え、
　前記非磁性遷移金属の密度及び熱伝導率の積は、前記上部電極に含まれる金属材料の密度及び熱伝導率の積よりも高い、前記（１）に記載の磁気トンネル接合素子。
（３）
　前記上部電極は、Ｔａ又はＴａＮを含み、
　前記上部電極に含まれる金属材料は、Ｔａである、前記（２）に記載の磁気トンネル接合素子。
（４）
　前記非磁性遷移金属は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｒ、Ｈｆ又はＴｉのいずれかである、前記（１）に記載の磁気トンネル接合素子。
（５）
　前記キャップ層は、３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料で形成された磁性層の上に前記非磁性遷移金属で形成された層を積層させた積層構造をさらに含み、
　前記積層構造は、前記磁性層が前記隣接層に隣接するように設けられる、前記（１）～（４）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（６）
　前記積層構造の前記磁性層の膜厚は、０．７ｎｍ以下である、前記（５）に記載の磁気トンネル接合素子。
（７）
　前記３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料は、Ｂを１５原子％以上含む、前記（５）又は（６）に記載の磁気トンネル接合素子。
（８）
　前記キャップ層は、絶縁材料で形成された第２絶縁層をさらに含む、前記（１）～（７）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（９）
　前記第２絶縁層は、前記隣接層の上に設けられる、前記（８）に記載の磁気トンネル接合素子。
（１０）
　前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層を形成する絶縁材料は、無機酸化物である、前記（９）に記載の磁気トンネル接合素子。
（１１）
　前記キャップ層は、３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料で形成され、前記第２絶縁層の上に設けられる磁性層をさらに含む、前記（８）～（１０）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（１２）
　前記第２絶縁層の上に設けられる前記磁性層の膜厚は、０．９ｎｍ以下である、前記（１１）に記載の磁気トンネル接合素子。
（１３）
　前記３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料は、Ｂを１５原子％以上含む、前記（１１）又は（１２）に記載の磁気トンネル接合素子。
（１４）
　前記キャップ層の各層は、導電材料で形成される、前記（１）～（７）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（１５）
　前記隣接層の膜厚は、０．２５ｎｍ以上１ｎｍ以下である、前記（１）～（１４）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（１６）
　前記バリア層の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、前記（１）～（１５）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（１７）
　前記キャップ層は、非磁性材料で形成される中間層をさらに含み、
　前記中間層の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、前記（１）～（１６）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（１８）
　前記磁気トンネル接合素子は、柱体形状又は錐体形状である、前記（１）～（１７）のいずれか一項に記載の磁気トンネル接合素子。
（１９）
　磁気トンネル接合素子を備え、
　前記磁気トンネル接合素子は、
　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
　前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第１絶縁層と、
　前記第１絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
　前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
　前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも１つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
を備える、半導体装置。
　１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７　　　　磁気トンネル接合素子
　１００　　基板
　１１０　　下部電極
　１２０　　磁化固定層
　１３０　　第１絶縁層
　１４０　　磁化自由層
　１５０　　隣接層
　１６０　　キャップ層
　１６１　　第２絶縁層
　１６２　　中間層
　１６３　　バリア層
　１６４　　磁性層
　１６５　　調整層
　１７０　　上部電極
　１８０　　保護膜

Claims (19)

  1. 　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
    　前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第１絶縁層と、
    　前記第１絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
    　前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
    　前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも１つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
    を備える、磁気トンネル接合素子。
  2. 　前記キャップ層の上に設けられた上部電極をさらに備え、
    　前記非磁性遷移金属の密度及び熱伝導率の積は、前記上部電極に含まれる金属材料の密度及び熱伝導率の積よりも高い、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  3. 　前記上部電極は、Ｔａ又はＴａＮを含み、
    　前記上部電極に含まれる金属材料は、Ｔａである、請求項２に記載の磁気トンネル接合素子。
  4. 　前記非磁性遷移金属は、Ｍｏ、Ｗ、Ｎｂ、Ｉｒ、Ｈｆ又はＴｉのいずれかである、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  5. 　前記キャップ層は、３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料で形成された磁性層の上に前記非磁性遷移金属で形成された層を積層させた積層構造をさらに含み、
    　前記積層構造は、前記磁性層が前記隣接層に隣接するように設けられる、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  6. 　前記積層構造の前記磁性層の膜厚は、０．７ｎｍ以下である、請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。
  7. 　前記３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料は、Ｂを１５原子％以上含む、請求項５に記載の磁気トンネル接合素子。
  8. 　前記キャップ層は、絶縁材料で形成された第２絶縁層をさらに含む、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  9. 　前記第２絶縁層は、前記隣接層の上に設けられる、請求項８に記載の磁気トンネル接合素子。
  10. 　前記第１絶縁層及び前記第２絶縁層を形成する絶縁材料は、無機酸化物である、請求項９に記載の磁気トンネル接合素子。
  11. 　前記キャップ層は、３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料で形成され、前記第２絶縁層の上に設けられる磁性層をさらに含む、請求項８に記載の磁気トンネル接合素子。
  12. 　前記第２絶縁層の上に設けられる前記磁性層の膜厚は、０．９ｎｍ以下である、請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
  13. 　前記３ｄ遷移金属及びＢを含む磁性材料は、Ｂを１５原子％以上含む、請求項１１に記載の磁気トンネル接合素子。
  14. 　前記キャップ層の各層は、導電材料で形成される、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  15. 　前記隣接層の膜厚は、０．２５ｎｍ以上１ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  16. 　前記バリア層の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  17. 　前記キャップ層は、非磁性材料で形成される中間層をさらに含み、
    　前記中間層の膜厚は、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下である、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  18. 　前記磁気トンネル接合素子は、柱体形状又は錐体形状である、請求項１に記載の磁気トンネル接合素子。
  19. 　磁気トンネル接合素子を備え、
    　前記磁気トンネル接合素子は、
    　磁化の向きが固定された磁化固定層と、
    　前記磁化固定層の上に設けられ、絶縁材料で形成された第１絶縁層と、
    　前記第１絶縁層の上に設けられた磁化自由層と、
    　前記磁化自由層の上に隣接して設けられ、非磁性遷移金属で形成された隣接層と、
    　前記非磁性遷移金属で形成されたバリア層を少なくとも１つ以上含む多層構造で形成され、前記隣接層の上に設けられたキャップ層と、
    を備える、半導体装置。
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