隧道磁阻效应元件、磁存储器及内置型存储器

摘要

本发明提供一种TMR元件，其具备：磁隧道接合部、覆盖磁隧道接合部的侧面的侧壁部、以及设置于侧壁部内的微粒子区域，侧壁部包含绝缘材料，微粒子区域包含上述绝缘材料和分散于该绝缘材料内的多个磁性金属微粒子，微粒子区域与磁隧道接合部并联地电连接。

权利要求

1.一种隧道磁阻效应元件，其具备：磁隧道接合部、覆盖所述磁隧道接合部的侧面的侧壁部、以及设置于所述侧壁部内的微粒子区域，所述侧壁部包含绝缘材料，

所述微粒子区域包含所述绝缘材料和分散于该绝缘材料内的多个磁性金属微粒子，所述微粒子区域与所述磁隧道接合部并联地电连接。

2.根据权利要求1所述的隧道磁阻效应元件，其中，所述微粒子区域的厚度为0.2nm以上且50nm以下。

3.根据权利要求1所述的隧道磁阻效应元件，其中，一个所述磁性金属微粒子与另一个所述磁性金属微粒子的距离为0.2nm以上且10nm以下。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的隧道磁阻效应元件，其中，所述磁性金属微粒子的粒径为0.2nm以上且10nm以下。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的隧道磁阻效应元件，其中，所述磁性金属微粒子含有选自Fe、Co及Ni中的至少一种元素。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的隧道磁阻效应元件，其中，所述磁隧道接合部具有：参照层、叠层于所述参照层上的隧道势垒层、以及叠层于所述隧道势垒层上的磁化自由层。

7.根据权利要求6所述的隧道磁阻效应元件，其中，所述磁化自由层的面积比所述隧道势垒层的面积更小。

8.根据权利要求6所述的隧道磁阻效应元件，其中，还具备：

设置于所述磁隧道接合部的所述参照层下的非磁性层、设置于所述非磁性层下的钉扎层、以及设置于所述钉扎层下的接触层，所述参照层经由所述非磁性层与所述钉扎层形成反铁磁性耦合，所述磁化自由层的面积比所述接触层的面积更小。

9.一种磁存储器，其具备权利要求1～8中任一项所述的隧道磁阻效应元件作为存储元件。

10.一种内置型存储器，其具备权利要求9所述的磁存储器。

说明书

隧道磁阻效应元件、磁存储器及内置型存储器

技术领域

[0001] 本发明涉及隧道磁阻效应元件、磁存储器、及内置型存储器。

背景技术

[0002] 已知有具有磁隧道接合部的巨大磁阻效应(GMR)元件及隧道磁阻效应(TMR)元件等的磁阻效应元件，上述磁隧道接合部包含使作为磁化固定层的参照层、非磁性隔离物层及磁化自由层依次叠层的结构。这些元件中，使用了绝缘层(隧道势垒层)作为非磁性隔离物层的TMR元件的元件电阻一般比使用了导电层作为非磁性隔离物层的GMR元件高，但是能够实现较高的磁阻(MR比)。因此，作为用于磁传感器、磁头及磁阻随机存取存储器(MRAM)等的元件，TMR元件备受关注(例如，下述专利文献1及2)。

[0003] 作为使TMR元件的磁化自由层的磁化方向反转的方法，已知有一种向磁化自由层流通自旋极化电流，通过电子自旋向磁化自由层作用自旋转移力矩(spin transfer torque，STT)的称为“自旋注入磁化反转”的技术(例如，下述专利文献3及4)。当将STT技术用于TMR元件时，不需要用于使磁化自由层的磁化方向反转的磁场产生用的配线，另外，从电能的观点来看，可有效地引起磁化自由层的磁化反转。

[0004] 现有技术文献

[0005] 专利文献

[0006] 专利文献1：日本专利第5586028号公报

[0007] 专利文献2：日本专利第5988019号公报

[0008] 专利文献3：日本特开第2015‑156501号公报

[0009] 专利文献4：美国专利第8994131号说明书

发明内容

[0010] 发明所要解决的问题

[0011] 但是，关于将STT技术用于TMR元件的磁化反转，用于在TMR元件中进行磁化反转的反转电流密度变高，因此，有时向磁隧道接合部输入过大的电流。过大电流的输入特别是使磁隧道接合部内的隧道势垒层劣化，其结果，有时TMR元件的可靠性降低。为了提高TMR元件的可靠性，期望在TMR元件内设置能够抑制过大电流向磁隧道接合部的输入的结构。

[0012] 本发明是鉴于上述问题而研发的，其目的在于，提供一种TMR元件，能够抑制过大电流向磁隧道接合部的输入。另一目的在于，提供具备该TMR元件的磁存储器、及具备该磁存储器的内置型存储器。

[0013] 用于解决问题的技术方案

[0014] 为了解决所述问题，本发明的一个方式的隧道磁阻效应(TMR)元件，其具备：磁隧道接合部、覆盖磁隧道接合部的侧面的侧壁部、及设置于侧壁部内的微粒子区域，侧壁部包含绝缘材料，微粒子区域包含所述绝缘材料和分散于该绝缘材料内的磁性金属微粒子，微粒子区域与磁隧道接合部并联地电连接。

[0015] 根据本发明的一个方式的TMR元件，微粒子区域中，磁性金属微粒子分散于绝缘材料内，另外，该磁性金属微粒子的大部分未相互连接，因此，尽管向用于磁化反转的TMR元件进行电流施加，电流也几乎不会在微粒子区域内流通。施加电流从0(安培)到某电流值的电流的范围内，微粒子区域的电阻值比磁隧道接合部的电阻值高。其结果，向TMR元件的施加电流在从0(安培)到上述电流值的范围内，向磁隧道接合部内流通电流，另一方面，在微粒子区域内流通的电流维持大致0(安培)。

[0016] 施加电流的大小到达上述电流值时，通过微粒子区域中的隧道效应，向磁性金属微粒子间流通电流。施加电流为上述电流值以上时，微粒子区域的电阻值比磁隧道接合部的电阻值低。其结果，向TMR元件的施加电流为上述电流值以上的电流范围内时，在磁隧道接合部内流通的电流不会增大，维持大致一定值。其另一方面，在微粒子区域内流通的电流随着施加电流增大而增大。

[0017] 向TMR元件的施加电流到达上述电流值，用于磁化反转的电流呈现磁隧道接合部内的电流值时，超过该电流值的过大电流绕过磁隧道接合部，在与该磁隧道接合部并联连接的微粒子区域内流通。在磁隧道接合部内流通的电流能够将上述电流值设为上限，因此，TMR元件能够抑制过大电流向磁隧道接合部的输入。

[0018] 进一步，本发明的一个方式的TMR元件中，微粒子区域的厚度能够为0.2nm以上且50nm以下。由此，磁性金属微粒子能够高效地分散于绝缘材料内，形成良好的微粒子区域。

[0019] 进一步，本发明的一个方式的TMR元件中，一磁性金属微粒子与另一磁性金属微粒子的距离能够为0.2nm以上且10nm以下。由此，容易在微粒子区域内引起隧道效应。

[0020] 进一步，本发明的一个方式的TMR元件中，磁性金属微粒子的粒径能够为0.2nm以上且10nm以下。由此，多个磁性金属微粒子能够在微粒子区域内有效地引起隧道效应。

[0021] 进一步，本发明的一个方式的TMR元件中，磁性金属微粒子能够含有选自Fe、Co及Ni中的至少一种元素。由此，磁性金属微粒子具有良好的磁性，因此，占据TMR元件的磁体积变大，TMR元件的动作稳定化。

[0022] 进一步，本发明的一个方式的TMR元件中，磁隧道接合部能够具有：参照层、叠层于参照层上的隧道势垒层、及叠层于隧道势垒层上的磁化自由层。

[0023] 进一步，本发明的一个方式的TMR元件中，磁化自由层的面积能够比隧道势垒层的面积变小。由此，TMR元件能够根据磁隧道接合部的侧面的倾斜，而使用于磁化反转的电流绕过磁隧道接合部，来调整在微粒子区域内流通的面积。

[0024] 进一步，本发明的一个方式的TMR元件中，还具备：设置于磁隧道接合部的参照层下的非磁性层、设置于非磁性层下的钉扎层、以及设置于钉扎层下的接触层，参照层经由非磁性层而与钉扎层形成反铁磁性耦合，磁化自由层的面积比接触层的面积小。由此，磁化方向被固定的钉扎层的磁性强度变大，另外，能够调整微粒子区域的大小的范围被扩大。

[0025] 另外，本发明的一个方式的磁存储器，其具备上述任一的TMR元件作为存储元件。

[0026] 另外，本发明的一个方式的内置型存储器，其具备上述磁存储器。

[0027] 发明效果

[0028] 根据本发明，提供能够抑制过大电流向磁隧道接合部的输入的TMR元件。另外，提供具备该TMR元件的磁存储器、及具备该磁存储器的内置型存储器。

附图说明

[0029] 图1是具备第一实施方式的TMR元件的MRAM的平面剖面图。

[0030] 图2是第一实施方式的MRAM的纵截面的示意图。

[0031] 图3是表示第一实施方式的MRAM的电连接的图。

[0032] 图4是第一实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图。

[0033] 图5(a)是表示向第一实施方式的TMR元件的施加电流与在磁隧道接合部内流通的电流的关系的图。图5(b)是表示向第一实施方式的TMR元件的施加电流与在微粒子区域内流通的电流的关系的图。

[0034] 图6是表示第一实施方式的TMR元件内的并联连接的图。

[0035] 图7是第二实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图。

[0036] 图8是第三实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图。

[0037] 图9是第四实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图。

[0038] 图10是第五实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图。

[0039] 图11是第六实施方式的MRAM的纵截面的示意图。

具体实施方式

[0040] 以下，参照附图详细地说明用于实施本发明的方式。此外，各附图中，在可以的情况下，对相同要素使用相同的符号。另外，附图中的构成要素内及构成要素间的尺寸比为了附图的观察容易性，而分别为任意。

[0041] (第一实施方式)

[0042] 图1是具备第一实施方式的垂直磁化型的隧道磁阻效应元件(TMR元件)的磁存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)的平面剖面图，图2是第一实施方式的MRAM的纵截面的示意图。图1对应于沿着图2的MRAM100的I‑I线的截面。此外，图1及其以后的图中，根据需要表示有三维正交坐标系R。在使用三维正交坐标系R的情况下，将各层的厚度方向设为Z轴方向，将与Z轴垂直的两个正交轴设为X轴及Y轴。

[0043] 如图1所示，第一实施方式的MRAM100具有在XY平面内配置成阵列状(图1中5列5行)的多个TMR元件1。多个TMR元件1分别作为MRAM100的存储元件发挥作用。TMR元件1的详细如后述，具有叠层部ST和覆盖叠层部ST的侧面的侧壁部17。另外，如图2所示，MRAM100具备：半导体基板50、晶体管阵列60、通路配线部25、层间绝缘层27、字线WL、包含侧壁部17的TMR元件阵列70、上部配线UL、及覆盖上部配线UL的上表面的绝缘体80。此外，图1及图2中，除了字线WL以外，还省略连接上部配线UL和晶体管阵列60的其它电气配线的图示。

[0044] 晶体管阵列60设置于沿着半导体基板50的XY平面延伸的主面上。MRAM100具有用于分别驱动多个TMR元件1的设置成阵列状的多个晶体管T(参照图3)。多个通路配线部25及多个字线WL设置于晶体管阵列60上。各通路配线部25将晶体管阵列60的多个晶体管T之一和TMR元件阵列70的多个TMR元件1进行电连接。多个通路配线部25及多个字线WL埋入层间绝缘层27内，利用层间绝缘层27相互绝缘。

[0045] 图3是表示第一实施方式的MRAM的电连接的图。图3中，仅表示与TMR元件阵列70的多个TMR元件1中的5个TMR元件1相关的电连接。

[0046] 如图3所示，各TMR元件1的一端与各晶体管T的漏极D电连接，各TMR元件1的另一端与位线BL电连接。位线BL包含于上部配线UL(参照图2)。各晶体管T的栅极与各字线WL电连接，各晶体管T的源极S与源极线SL电连接。各晶体管T作为MRAM100的存储元件发挥作用，一个晶体管T和与其电连接的一个晶体管T构成一个存储单元。

[0047] 在向MRAM100的存储单元写入数据时，在对与写入对象的TMR元件1对应的字线WL施加选择电压且将该TMR元件1设为接通的状态下，以使与写入的数据(“1”或“0”)对应的极性的电流流通该TMR元件1的方式，在位线BL与源极线SL间施加电压。此时的施加电压的大小设定成使该TMR元件1的磁化自由层7(参照图4)中可产生后述那样的自旋注入磁化反转的大小。由此，将该TMR元件1的磁化自由层7(参照图4)的磁化方向设定成与写入的数据对应的方向。

[0048] 在读出MRAM100的存储单元的数据时，在对与读出对象的TMR元件1对应的字线WL施加选择电压且将该TMR元件1设为接通的状态下，在位线BL与源极线SL间施加比写入时小的电压。由此，经由该TMR元件1在位线BL与源极线SL间流通与存储于该TMR元件1的数据相应的大小的电流，因此，通过检测该电流值，进行数据的读出。

[0049] 接着，说明第一实施方式的TMR元件1的更详细的结构。图4是第一实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图。图4表示图2所示的MRAM100的纵截面中的一个TMR元件1附近的截面。

[0050] 如图4所示，TMR元件1具备叠层部ST和侧壁部17。叠层部ST由按照叠层方向的Z轴方向叠层的多个层构成，具有磁隧道接合部2。另外，例如，叠层部ST具有设置于磁隧道接合部2上的覆盖层12。磁隧道接合部2具有：参照层3、磁化自由层7、以及在参照层3与磁化自由层7之间按照叠层方向叠层的隧道势垒层5。一例中，在磁隧道接合部2内，在参照层3上叠层隧道势垒层5，在隧道势垒层5上叠层磁化自由层7。参照层3能够作为磁化固定层发挥作用。TMR元件1中，通过经由隧道势垒层5流通于磁化自由层7的自旋极化电流，能够使磁化自由层7的磁化方向反转。

[0051] 磁隧道接合部2还能够包含垂直磁化感应层9，垂直磁化感应层9对例如磁化自由层7赋予沿着叠层方向的方向的磁各向异性。覆盖层12构成TMR元件1的一端，在覆盖层12和侧壁部17上设置例如上部电极层31。磁隧道接合部2经由覆盖层12与上部电极层31电连接，上部电极层31与位线BL(参照图3)电连接。覆盖层12的厚度为例如4～100nm。

[0052] 叠层部ST例如还具备：设置于参照层3下的非磁性层14、设置于非磁性层14下的钉扎层16、以及设置于钉扎层16下的接触层18。非磁性层14是将参照层3和钉扎层16进行交换耦合的层，钉扎层16是强力地固定参照层3的磁化的层。另外，接触层18是与基底层21接触并促进钉扎层16的结晶化的层。第一实施方式中，钉扎层16、非磁性层14、磁隧道接合部2和覆盖层12构成台面MS1。台面MS1通过例如蚀刻的方法形成，通过将该蚀刻进行至钉扎层16而得到。TMR元件1在接触层18下包含例如基底层21，在基底层21下设置例如下部电极层32。下部电极层32经由基底层21、接触层18、钉扎层16、非磁性层14、磁隧道接合部2、及覆盖层
12，与上部电极层31电连接。

[0053] 侧壁部17覆盖磁隧道接合部2的侧面4，且包含绝缘材料。另外，侧壁部17覆盖叠层部ST的侧面，将TMR元件1的叠层部ST和其它TMR元件的叠层部进行电绝缘。绝缘材料是例如SiN(氮化硅)等的氮化物材料、SiON等的氧氮化物材料、TaO、Al2O3、TiO、AlSiO。在通路配线部25及基底层21的侧面设置例如层间绝缘层27。

[0054] 磁隧道接合部2中，隧道势垒层5能够由在磁化自由层7中的磁化自由层7与隧道势垒层5的界面附近的区域感应沿着Z轴方向的磁各向异性(垂直磁各向异性)的材料构成。由此，与垂直磁化感应层9一起，向磁化自由层7赋予沿着Z轴的方向(垂直方向)的磁各向异性。但是，如果能够通过垂直磁化感应层9的作用等将磁化自由层7的易磁化轴充分稳定并朝向沿着Z轴的方向，则隧道势垒层5也可以由不在磁化自由层7中感应垂直磁各向异性的材料构成。

[0055] 磁化自由层7的易磁化轴设定成沿着Z轴的方向，参照层3的磁化方向实质上固定成沿着Z轴方向的方向，因此，磁化自由层7实质上未受到外部磁场或STT的影响时，参照层3的磁化方向和磁化自由层7的磁化方向成为平行或反平行。这些为平行的状态的叠层部ST和反平行的状态的叠层部ST中，相互沿着Z轴方向的电阻值不同，因此，它们的两个状态分别对应MRAM100的存储单元的数据即“1”及“0”。

[0056] 磁化自由层7的磁化方向的反转(即，MRAM100中，数据向存储单元的写入)通过自旋注入磁化反转进行。具体而言，在使磁化自由层7的磁化方向从与参照层3的磁化方向的反平行的状态反转为平行的状态的情况下，以按照从磁化自由层7朝向参照层3的方向在隧道势垒层5内流通隧道电流的方式(即，以自旋极化电子从参照层3向磁化自由层7移动的方式)，对叠层部ST的Z轴方向的一端与另一端间施加电压。由此，磁化自由层7从自旋极化电子中接受其磁化方向从与参照层3的磁化方向反平行的状态向平行的状态旋转的方向的自旋转移力矩。通过将该电压的大小设为引起自旋注入磁化反转的阈值以上，磁化自由层7的磁化方向反转。

[0057] 相反，在使磁化自由层7的磁化方向从与参照层3的磁化方向平行的状态反转为反平行的状态的情况下，以按照从参照层3向磁化自由层7的方向在隧道势垒层5内流通隧道电流的方式(即，以自旋极化电子从磁化自由层7向参照层3移动的方式)，对叠层部ST的Z轴方向的一端与另一端间施加电压。由此，磁化自由层7从自旋极化电子中接受其磁化方向从与参照层3的磁化方向平行的状态向反平行的状态旋转的方向的自旋转移力矩。通过将该电压的大小设为引起自旋注入磁化反转的阈值以上，磁化自由层7的磁化方向反转。

[0058] 第一实施方式中，TMR元件1具备微粒子区域20。微粒子区域20设置于侧壁部17内，包含绝缘材料和分散于该绝缘材料内的磁性金属微粒子23，且具有粒状结构。微粒子区域20所包含的绝缘材料能够与侧壁部17所包含的绝缘材料相同。微粒子区域20通过例如溅射法这样的方法，在构成侧壁部17的绝缘材料内分散磁性金属元素而形成。

[0059] 微粒子区域20在台面MS1的外侧的侧壁部17内进行延伸，另外，例如，微粒子区域20的上端22与上部电极层31连接，微粒子区域20的下端24与电连接于下部电极层32的接触层18连接。上部电极层31能够经由微粒子区域20与下部电极层32电连接，微粒子区域20与磁隧道接合部2并联地电连接。

[0060] 图5(a)是表示向第一实施方式的TMR元件的施加电流与在磁隧道接合部内流通的电流的关系的图，图5(b)是表示向第一实施方式的TMR元件的施加电流与在微粒子区域内流通的电流的关系的图。

[0061] 如图5(a)所示，向TMR元件1的施加电流I0从0(安培)到Is(安培)的范围内，在磁隧道接合部2内流通的电流I随着施加电流I0增大而逐渐增大。施加电流I0为电流值Is(安培)时，在磁隧道接合部2内流通的电流显示电流值It(安培)。施加电流I0为电流值Is(安培)以上的范围内，在磁隧道接合部2内流通的电流I将电流值It(安培)设为大致上限，维持电流值It(安培)及其附近值。电流值It(安培)能够为不破坏磁隧道接合部2的电流的最大值或低于该最大值的电流值。施加电流I0从0(安培)到‑Is(安培)的范围内，该施加电流I0与电流I的关系也与施加电流I0从0(安培)到Is(安培)的范围的施加电流I0与电流I的关系一样。

[0062] 如图5(b)所示，向TMR元件1的施加电流I0从0(安培)到Is(安培)的范围内，即使施加电流I0增大，在微粒子区域20内流通的电流J也维持大致0(安培)。另一方面，施加电流I0达到电流值Is(安培)时，在微粒子区域20内流通的电流J具有比0(安培)大的值。施加电流I0比电流值Is(安培)大的电流范围内，在微粒子区域20内流通的电流J随着施加电流I0增大而增大。即使在施加电流I0比‑Is(安培)大的电流范围内，该施加电流I0与电流J的关系也与施加电流I0比电流值Is(安培)大的电流范围的施加电流I0与电流J的关系一样。

[0063] 微粒子区域20中，磁性金属微粒子分散于绝缘材料内，另外，该磁性金属微粒子的大部分未相互接触，因此，施加电流I0从0(安培)到某电流值的电流的范围内，尽管向用于磁化反转的TMR元件1进行电流施加，电流也几乎不会在微粒子区域20内流通。施加电流I0从0(安培)到上述电流值的电流的范围内，微粒子区域20的电阻值比磁隧道接合部2的电阻值高。其结果，如图5(a)及图5(b)所示，向TMR元件1的施加电流I0从0(安培)到上述电流值即Is(安培)的范围内，在磁隧道接合部2内流通电流I，另一方面，在微粒子区域20内流通的电流J维持大致0(安培)。

[0064] 施加电流I0的大小到达电流值Is时，通过微粒子区域20中的隧道效应，在磁性金属微粒子23的粒子间流通电流。施加电流I0为电流值Is以上时，微粒子区域20的电阻值比磁隧道接合部2的电阻值低。其结果，如图5(a)及图5(b)所示，向TMR元件1的施加电流I0为Is(安培)以上的电流范围内，在磁隧道接合部2内流通的电流I不会增大，而维持大致一定值。其另一方面，在微粒子区域20内流通的电流J随着施加电流I0增大而增大。

[0065] 图5(a)及图5(b)表示如下情况：向TMR元件1的施加电流I0到达电流值Is，用于磁化反转的电流的大小在磁隧道接合部2内成为电流值It时，超过该电流值It的过大电流绕过磁隧道接合部2，并在与该磁隧道接合部2并联连接的微粒子区域20内流通。在磁隧道接合部2内流通的电流I能够将电流值It作为上限，因此，TMR元件1能够抑制过大电流向磁隧道接合部2的输入。施加电流的Is能够为磁化自由层7的磁化方向通过自旋注入磁化反转而进行反转的阈值以上，且低于破坏磁隧道接合部2的电流的值。一例中，施加电流值的Is为例如5～50毫安培。

[0066] 图6是表示第一实施方式的TMR元件内的并联连接的图，微粒子区域20和磁隧道接合部2相互与上部电极层31和下部电极层32并联地电连接。如图6所示，在微粒子区域20内，分散存在有多个磁性金属微粒子23。通过该分散，即使向TMR元件1的施加电流I0增大，在直到电流值Is的电流范围内，在微粒子区域20内流通的电流J也为大致0(安培)。另一方面，施加电流I0超过电流值Is时，在相互接近的磁性金属微粒子23的粒子间，例如磁性金属微粒子23a及磁性金属微粒子23b的粒子间，流通由隧道效应引起的电流J。在微粒子区域20内流通电流J，因此，在磁隧道接合部2内流通的电流I不会增大而维持电流值It。TMR元件1中，超过了电流值It的过大电流不会在磁隧道接合部2流通，绕过了磁隧道接合部2的电流J在微粒子区域20内流通。

[0067] 再次参照图4。如图4所示，微粒子区域20具有外侧部26和内侧部28。从微粒子区域20的内侧部28到磁隧道接合部2的侧面4的距离D1在与叠层方向交叉的方向(X轴方向)上为例如1nm以上且20nm以下。磁隧道接合部2的侧面4在该侧面4与微粒子区域20的内侧部28之间具有侧壁部17的绝缘材料，磁隧道接合部2与微粒子区域20并联，且能够与上部电极层31和下部电极层32进行电连接。

[0068] 微粒子区域20的厚度W1能够为0.2nm以上且50nm以下。由此，磁性金属微粒子能够高效地分散于绝缘材料内，而形成良好的微粒子区域。微粒子区域20的厚度W1也可以是例如0.2nm以上且10nm以下。由此，磁性金属微粒子能够更高效地分散于绝缘材料内，而形成更良好的微粒子区域。

[0069] 微粒子区域20中，一磁性金属微粒子23与另一磁性金属微粒子23的距离P1能够为(参照图6)0.2nm以上且10nm以下。该距离P1是例如一磁性金属微粒子23a与分散于最接近该一磁性金属微粒子23a的位置的另一磁性金属微粒子23b的距离。TMR元件1中，根据该粒子间的距离，容易在微粒子区域20内引起隧道效应。一磁性金属微粒子与另一磁性金属微粒子的距离也可以为0.2nm以上且5nm以下。由此，更容易在微粒子区域20内引起隧道效应。

[0070] 通过溅射法形成微粒子区域20时，通过调整例如磁性金属微粒子的形成速度，能够变更形成的磁性金属微粒子间的距离P1。磁性金属微粒子的形成速度根据例如电压、气体压力进行调整。磁性金属微粒子间的距离P1为例如0.2nm以上且10nm以下，因此，溅射电压为例如0.5～2千伏，溅射时间为例如1～10秒。另外，溅射的气体压力为例如0.1Pa～20Pa。

[0071] 磁性金属微粒子的粒径能够为0.2nm以上且10nm以下。由此，多个磁性金属微粒子能够在微粒子区域内有效地引起隧道效应。磁性金属微粒子的粒径也可以为3nm以上且5nm以下。由此，多个磁性金属微粒子能够在微粒子区域内更有效地引起隧道效应。

[0072] 第一实施方式中，就磁性金属微粒子23的粒径而言，例如，粒径为0.2nm以上且10nm以下，因此，溅射电压为例如1～2千伏，溅射时间为例如1～10秒。另外，溅射气体压力为例如0.1Pa～1Pa。

[0073] 磁性金属微粒子能够含有选自Fe、Co及Ni中的至少一种元素。由此，磁性金属微粒子具有良好的磁性，因此，占据TMR元件1的磁体积变大，TMR元件1的动作稳定化。

[0074] 第一实施方式中，磁隧道接合部2中，参照层3由Co、Co‑Fe合金、Co‑Fe‑B合金等的铁磁性材料构成。参照层3的磁化方向实质上固定成沿着Z轴方向的方向。参照层3的Z轴方向的厚度能够设为例如3nm以上、10nm以下。另外，参照层3能够以使各磁性层的磁化方向成为垂直方向的方式，具有使例如Co/Pt或Co/Ni等的多层膜进行了反复叠层的结构。

[0075] 另外，参照层3能够具有使用经由Ru或Ir等的薄膜的RKKY相互作用来抵消参照层3中产生的磁场的结构。该结构是合成反铁磁性(Synthetic Anti‑Ferromagnet，SAF)结构，即，具有由铁磁性材料构成的两个铁磁性层和叠层于该两个铁磁性层之间的非磁性层，经过该非磁性层，该两个铁磁性层的磁化方向通过基于RKKY相互作用的交换耦合相互反平行地耦合的结构。

[0076] 隧道势垒层5由绝缘材料构成。隧道势垒层5优选以基于与垂直磁化感应层9同样的原理，向磁化自由层7感应垂直磁各向异性的方式构成。这是由于，磁化自由层7的垂直磁化更稳定，且可增厚磁化自由层7的膜厚。作为构成可向磁化自由层7感应垂直磁各向异性的隧道势垒层5的材料，例如能够举出MgO、ZnO、GaOX或具有以通式AB2O4(式中，A为选自Mg及Zn中的至少一种元素，B为选自Al、Ga及In中的至少一种元素)表示的尖晶石结构的氧化物材料等的氧化物材料。

[0077] 但是，隧道势垒层5也可以以不向磁化自由层7感应垂直磁各向异性的方式构成。在该情况下，隧道势垒层5能够由AlNX、Cu(In0.8Ga0.2)Se2等构成。

[0078] 隧道势垒层5中，向参照层3及磁化自由层7间施加电压时，Z轴方向的厚度薄至沿着Z轴方向向隧道势垒层5流通隧道电流的程度。隧道势垒层5的Z轴方向的厚度能够设为例如1nm以上、3nm以下。

[0079] 磁化自由层7由Fe、Co‑Fe、Co‑Fe‑B及铁磁性的霍伊斯勒合金等的铁磁性材料构成。磁化自由层7的磁化方向实质上未固定。

[0080] 磁化自由层7的沿着Z轴方向的厚度通过赋予上述那样的隧道势垒层5及垂直磁化感应层9的磁各向异性的功能，薄至磁化自由层7的易磁化轴稳定且成为沿着Z轴的方向的程度。该厚度能够设为例如1nm以上、3nm以下。

[0081] 垂直磁化感应层9由例如MgO、ZnO、Ga2O3或具有以通式AB2O4(式中，A为选自Mg及Zn中的至少一种元素，B为选自Al、Ga及In中的至少一种元素)表示的尖晶石结构的氧化物材料构成。

[0082] 垂直磁化感应层9优选以XY面内的每单位面积的沿着Z轴方向的电阻值比隧道势垒层5小的方式构成。特别是在垂直磁化感应层9由绝缘材料构成的情况下，垂直磁化感应层9的Z轴方向的厚度优选比隧道势垒层5的Z轴方向的厚度薄。

[0083] 垂直磁化感应层9由在磁化自由层7中的磁化自由层7与垂直磁化感应层9的界面附近的区域基于自旋·轨道相互作用感应沿着Z轴的方向的磁各向异性(垂直磁各向异性)的材料构成。由此，与隧道势垒层5一起，向磁化自由层7赋予沿着Z轴的方向(垂直方向)的磁各向异性。

[0084] 此外，磁隧道接合部2也可以不包含垂直磁化感应层9。在该情况下，参照层3的磁化方向也可以沿着与叠层方向交叉的方向(面内方向，即与XY平面平行的方向)固定，且磁化自由层7的易磁化轴沿着面内方向设定。

[0085] TMR元件1中，非磁性层14由例如Ru、Ir的材料构成，非磁性层14的厚度为例如0.2～3nm。钉扎层16由例如CoFeB、Co这样的材料构成，钉扎层16的厚度为例如2～20nm。接触层18由例如Ru、Ta这样的材料构成，接触层18的厚度为例如2～20nm。上部电极层31包含例如Al及/或Cu这样的元素，下部电极层32包含例如Al及/或Cu这样的元素。

[0086] 第一实施方式中，磁隧道接合部2中，例如，参照层3、隧道势垒层5及磁化自由层7依次叠层于上侧(Z轴方向)，磁化自由层7位于参照层3及隧道势垒层5的更上侧。另外，例如，磁隧道接合部2的宽度具有随着从参照层3朝向磁化自由层7而单调地减少那样的倾斜。磁化自由层7的面积能够比隧道势垒层5的面积更小。由此，TMR元件1能够根据磁隧道接合部2的侧面4的倾斜而调整用于磁化反转的电流绕过磁隧道接合部2且在微粒子区域20内流通的面积。

[0087] 另外，磁隧道接合部2中，例如，参照层3能够位于磁化自由层7及隧道势垒层5的更下侧。在非磁性层14下设置钉扎层16，且在钉扎层16下设置接触层18，因此，参照层3能够经由非磁性层14与钉扎层16形成反铁磁性耦合。由此，固定了磁化方向的钉扎层16的磁性强度变大。另外，磁化自由层7的面积能够比接触层18的面积更小。由此，能够调整微粒子区域20的大小的范围被扩大。

[0088] TMR元件1中，通路配线部25由导电性的材料构成，例如由Cu等的金属构成。基底层21由导电性的材料构成，例如由导电性氧化物、导电性氮化物、导电性氧氮化物、或硅化物构成。因此，本实施方式的TMR元件1的一端即参照层3的下表面经由基底层21及通路配线部
25与晶体管T的漏极D(参照图3)电连接。

[0089] 基底层21是为了提高叠层部ST的各层、特别是隧道势垒层5的平坦性而设置，因此，基底层21的上表面的平坦性比通路配线部25的上表面的平坦性更高。基底层21的上表面具有较高的平坦性且沿着XY平面延伸，在该上表面上形成有叠层部ST。通路配线部25及基底层21埋入层间绝缘层27，利用层间绝缘层27，与电连接于其它TMR元件1的通路配线部及基底层进行电绝缘。

[0090] (第二实施方式)

[0091] 图7是第二实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图，与第一实施方式的图4对应。第二实施方式的TMR元件1p具有磁隧道接合部2p和覆盖磁隧道接合部2p的侧面4p的侧壁部
17p。磁隧道接合部2p例如具有参照层3p、参照层3p上的隧道势垒层5p、及隧道势垒层5p上的磁化自由层7p。在磁隧道接合部2p上设置例如覆盖层12p。第二实施方式中，隧道势垒层
5p、磁化自由层7p和覆盖层12p构成台面MS2。台面MS2通过例如蚀刻这样的方法形成，通过将该蚀刻进行至隧道势垒层5p而得到。台面MS2具有例如随着该台面MS2的宽度从下层朝向上层而单调地减少那样的倾斜。

[0092] TMR元件1p中，在覆盖层12p和侧壁部17p上设置例如上部电极层31p。另外，在参照层3p下设置例如基底层21p，在基底层21p下设置例如下部电极层32p。下部电极层32p经由例如基底层21p、参照层3p、隧道势垒层5p、磁化自由层7p、及覆盖层12p而与上部电极层31p电连接。侧壁部17p包含绝缘材料。

[0093] 在侧壁部17p内设置微粒子区域20p，微粒子区域20p包含绝缘材料和分散于该绝缘材料内的磁性金属微粒子23p，且具有粒状结构。微粒子区域20p的绝缘材料与例如侧壁部17p的绝缘材料相同。微粒子区域20p在台面MS2的外侧的侧壁部17p内进行延伸。另外，例如，微粒子区域20p的上端22p与上部电极层31p相接，微粒子区域20p的下端24p与电连接于下部电极层32p的参照层3p相接。上部电极层31p能够经由微粒子区域20p与下部电极层32p电连接，微粒子区域20p与磁隧道接合部2p并联地电连接。在微粒子区域20p的内侧部28p与磁隧道接合部2p的侧面4p之间包含侧壁部17p。

[0094] (第三实施方式)

[0095] 图8是第三实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图，与第一实施方式的图4对应。第三实施方式的TMR元件1q具有磁隧道接合部(记为2q)和覆盖磁隧道接合部2q的侧面4q的侧壁部17q。磁隧道接合部2q例如具有参照层3q、参照层3q上的隧道势垒层5q、及隧道势垒层5q上的磁化自由层7q。在磁隧道接合部2q上设置例如覆盖层12q。第三实施方式中，隧道势垒层5q的一部分、磁化自由层7q、及覆盖层12q构成台面MS3。台面MS3通过例如蚀刻的方法形成，通过将该蚀刻进行至隧道势垒层5q的中途而得到。台面MS3具有例如随着该台面MS3的宽度从下层朝向上层而单调地减少那样的倾斜。

[0096] TMR元件1q中，在覆盖层12q和侧壁部17q上设置例如上部电极层31q。另外，在参照层3q下设置例如基底层21q，在基底层21q下设置例如下部电极层32q。下部电极层32q经由例如基底层21q、参照层3q、隧道势垒层5q、磁化自由层7q、及覆盖层12q而与上部电极层31q电连接。侧壁部17q包含绝缘材料。

[0097] 在侧壁部17q内设置微粒子区域20q，微粒子区域20q包含绝缘材料和分散于该绝缘材料内的磁性金属微粒子23q，且具有粒状结构。微粒子区域20q的绝缘材料与例如侧壁部17q的绝缘材料相同。微粒子区域20q在台面MS3的外侧的侧壁部17q内进行延伸。另外，例如，微粒子区域20q的上端22q与上部电极层31q相接，微粒子区域20q的下端24q与电连接于下部电极层32q的隧道势垒层5q相接。上部电极层31q能够经由微粒子区域20q与下部电极层32q电连接，微粒子区域20q与磁隧道接合部2q并联地电连接。在微粒子区域20q的内侧部28q与磁隧道接合部2q的侧面4q之间包含侧壁部17q。

[0098] (第四实施方式)

[0099] 图9是第四实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图，与第一实施方式的图4对应。第四实施方式的TMR元件1r具有磁隧道接合部(记为2r)和覆盖磁隧道接合部2r的侧面4r的侧壁部17r。磁隧道接合部2r具有例如参照层3r、参照层3r上的隧道势垒层5r、及隧道势垒层5r上的磁化自由层7r。在磁隧道接合部2r上设置例如覆盖层12r。第四实施方式中，磁化自由层7r和覆盖层12r构成台面MS4。台面MS4通过例如蚀刻的方法形成，通过将该蚀刻进行至磁化自由层7r而得到。台面MS4具有例如该台面MS4的宽度随着从下层朝向上层而单调地减少那样的倾斜。

[0100] TMR元件1r中，在覆盖层12r和侧壁部17r上设置例如上部电极层31r。另外，在参照层3r下设置例如基底层21r，在基底层21r下设置例如下部电极层32r。下部电极层32r经由例如基底层21r、参照层3r、隧道势垒层5r、磁化自由层7r及覆盖层12r而与上部电极层31r电连接。侧壁部17r包含绝缘材料。

[0101] 在侧壁部17r内设置微粒子区域20r，微粒子区域20r包含绝缘材料和分散于该绝缘材料内的磁性金属微粒子23r，且具有粒状结构。微粒子区域20r的绝缘材料与例如侧壁部17r的绝缘材料相同。微粒子区域20r在台面MS4的外侧中的侧壁部17r内进行延伸。另外，例如，微粒子区域20r的上端22r与上部电极层31r相接，微粒子区域20r的下端24r与电连接于下部电极层32r的隧道势垒层5r相接。上部电极层31r能够经由微粒子区域20r而与下部电极层32r电连接，微粒子区域20r与磁隧道接合部2r并联地电连接。在微粒子区域20r的内侧部28r与磁隧道接合部2r的侧面4r之间包含侧壁部17r。

[0102] (第五实施方式)

[0103] 图10是第五实施方式的MRAM的TMR元件附近的剖面图，与第一实施方式的图4对应。第四实施方式的TMR元件1s具有磁隧道接合部(记为2s)和覆盖磁隧道接合部2s的侧面4s的侧壁部17s。磁隧道接合部2s例如具有参照层3s、参照层3s上的隧道势垒层5s、及隧道势垒层5s上的磁化自由层7s。在磁隧道接合部2s上设置例如覆盖层12s，在覆盖层12s上还设置例如传导层33s。第五实施方式中，隧道势垒层5s的一部分、磁化自由层7s、覆盖层12s及传导层33s构成台面MS5。台面MS5通过例如蚀刻的方法形成，通过将该蚀刻进行至隧道势垒层5s的中途而得到。台面MS5具有例如该台面MS5的宽度随着从下层朝向上层而单调地减少那样的倾斜。传导层33s包含例如Ru、Ta、TaN、TiN这样的材料，另外，传导层33s的厚度为例如2～50nm。

[0104] TMR元件1s中，在覆盖层12s和侧壁部17s上设置例如上部电极层31s。另外，在参照层3s下设置例如基底层21s，在基底层21s下设置例如下部电极层32s。下部电极层32s经由基底层21s、参照层3s、隧道势垒层5s、磁化自由层7s、覆盖层12s、及传导层33s而与上部电极层31s电连接。侧壁部17s包含绝缘材料。

[0105] 在侧壁部17s内设置微粒子区域20s，微粒子区域20s包含绝缘材料和分散于该绝缘材料内的磁性金属微粒子23s，且具有粒状结构。微粒子区域20s的绝缘材料与例如侧壁部17s的绝缘材料相同。微粒子区域20s在台面MS5的外侧的侧壁部17s内进行延伸，另外，例如，微粒子区域20s的上端22s与上部电极层31s相接，微粒子区域20s的下端24s与电连接于下部电极层32s的隧道势垒层5s相接。上部电极层31s能够经由微粒子区域20s与下部电极层32s电连接，因此，微粒子区域20s与磁隧道接合部2s并联地电连接。在微粒子区域20s的内侧部28s与磁隧道接合部2s的侧面4s之间包含侧壁部17s。

[0106] (第六实施方式)

[0107] 图11是第六实施方式的MRAM的纵截面的示意图。第六实施方式的MRAM100t在还具备处理器90这点上，与第一实施方式的基本方式的MRAM100不同。MRAM100t中，MRAM部分也以被装入于处理器90的电路制作的工序的形式被制作，因此，处理器90和MRAM100t的MRAM部分进行合并。因此，MRAM100t成为内置型存储器。由此，处理器90与MRAM部分的数据的交换被高速化。MRAM100t能够包含从第一实施方式到第五实施方式所示的TMR元件。

[0108] 符号说明

[0109] 1...TMR元件、2...磁隧道接合部、3...参照层、4...侧面、5...隧道势垒层、7...磁化自由层、12...覆盖层、14...非磁性层、16...钉扎层、17...侧壁部、18...接触层、20...微粒子区域、23...磁性金属微粒子。