磁阻效应元件、半导体装置和电子设备

技术领域

本技术(根据本公开的技术)涉及磁阻效应元件、半导体装置和电子设备。

背景技术

作为半导体装置，已知称为磁随机存取存储器(MRAM)的非易失性半导体装置。在该MRAM中，具有磁隧道结(MTJ)的磁阻效应元件被用作存储器单元的存储元件，在磁隧道结中，两个磁性层隔着设置在其间的薄绝缘膜而层叠。

对于磁阻效应元件，已经提出了各种结构。例如，专利文献1公开了一种具有层叠结构的磁阻效应元件，其中第一非磁性层设置在具有固定磁化方向的第一铁磁层与具有可变磁化方向的第二铁磁层之间，并且第二非磁性层进一步设置在第二铁磁层的与第一非磁性层相反的一侧。然后，还公开了第一铁磁层充当固定层，第二铁磁层充当记录层，并且第一非磁性层是含氧的绝缘体。此外，还公开了第一铁磁层或第二铁磁层中的至少一个包括含有至少一种3d过渡金属的铁磁材料，并且其膜厚被调整为3nm或更小，由此磁化方向通过与第一非磁性层的界面处的磁各向异性被控制为垂直于膜表面。此外，还公开了第二非磁性层充当控制第二铁磁层的磁化方向的控制层。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开No.2014-207469

发明内容

本发明要解决的问题

同时，通常使用与专利文献1中公开的磁阻效应元件的结构类似的结构，并且通常使用氧化镁(MgO)膜作为第一和第二非磁性层中的各非磁性层。在该结构中，作为第一非磁性层和第二磁性层中的各层的MgO膜通常被设定为约0.9nm至1.1nm的厚度。在元件电阻(RA)被设计为约8至10(Ω·um

已经发现，当包括第一和第二非磁性层的磁阻效应元件在相对长的时间以相对高的温度经受处理时，第二铁磁层的磁特性会劣化，其中第一和第二非磁性层各自包括具有上述厚度的MgO膜。于是，发现有必要使用更厚的MgO膜作为第二非磁性层从而减轻磁特性的这种劣化并增强铁磁层的垂直磁各向异性。

然而，变得清楚的是，增加第二非磁性层(MgO膜)的厚度导致如下问题：电阻-面积乘积(元件(RA)的电阻R和面积A的乘积)增加且磁阻比(MA比)降低。

本技术的目的在于提供一种降低元件电阻(RA)并具有相对高的磁阻比(MR比)的磁阻效应元件以及包括该磁阻效应元件的半导体装置和电子设备。

问题的解决方案

根据本技术方面的磁阻效应元件包括：

磁化固定层；

第一氧化物绝缘层，设置在所述磁化固定层的一面侧；

磁化自由层，设置在所述第一氧化物绝缘层的与所述磁化固定层侧相反的一侧，并具有垂直磁各向异性；

第二氧化物绝缘层，设置在所述磁化自由层的与所述第一氧化物绝缘层侧相反的一侧；以及

金属帽层，设置在所述第二氧化物绝缘层的与所述磁化自由层侧相反的一侧。

所述第二氧化物绝缘层的厚度大于所述第一氧化物绝缘层的厚度。

根据本技术的另一方面的半导体装置包括：

存储器单元，在所述存储器单元中磁阻效应元件和选择晶体管串联连接。

所述磁阻效应元件包括：

磁化固定层，

第一氧化物绝缘层，设置在所述磁化固定层的一面侧，

磁化自由层，设置在所述第一氧化物绝缘层的与所述磁化固定层侧相反的一侧，并具有垂直磁各向异性，

第二氧化物绝缘层，设置在所述磁化自由层的与所述第一氧化物绝缘层侧相反的一侧，以及

金属帽层，设置在所述第二氧化物绝缘层的与所述磁化自由层侧相反的一侧。

所述第二氧化物绝缘层的厚度大于所述第一氧化物绝缘层的厚度。

根据本技术的另一方面的电子设备包括：

包括磁阻效应元件的半导体装置。

所述磁阻效应元件包括：

磁化固定层，

第一氧化物绝缘层，设置在所述磁化固定层的一面侧，

磁化自由层，设置在所述第一氧化物绝缘层的与所述磁化固定层侧相反的一侧，并具有垂直磁各向异性，

第二氧化物绝缘层，设置在所述磁化自由层的与所述第一氧化物绝缘层侧相反的一侧，以及

金属帽层，设置在所述第二氧化物绝缘层的与所述磁化自由层侧相反的一侧。

所述第二氧化物绝缘层的厚度大于所述第一氧化物绝缘层的厚度。

附图说明

图1A是示出根据本技术的第一实施例的磁阻效应元件的构成示例的示意性截面图。

图1B是示出元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对根据本技术的第一实施例的磁阻效应元件的多层中的第二非磁性层的厚度的依赖性的特征图。

图2A是示出传统磁阻效应元件的构成示例的示意性截面图。

图2B是示出元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对图2A的传统磁阻效应元件中的第二氧化物绝缘层的厚度的依赖性的特征图。

图3是示出结晶化抑制层的材料与磁阻比(MR比)之间的关系的特征图。

图4A是示出在Mo膜厚为0.1nm的情况下，磁化自由层的磁化曲线(M-H回路)、元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性、以及磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图4B是示出在Mo膜厚为0.2nm的情况下，磁化自由层的磁化曲线(M-H回路)、元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性、以及磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图4C是示出在Mo膜厚为0.3nm的情况下，磁化自由层的磁化曲线(M-H回路)、元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性、以及磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图4D是示出在Mo膜厚为0.5nm的情况下，磁化自由层的磁化曲线(M-H回路)、元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性、以及磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图4E是示出在Mo膜厚为0.7nm的情况下，磁化自由层的磁化曲线(M-H回路)、元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性、以及磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图4F是示出在Mo膜厚为1.0nm的情况下，磁化自由层的磁化曲线(M-H回路)、元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性、以及磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图5A是示出元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图5B是示出磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

图6是示出在使用膜厚为0.5nm的Mo被插入第二MgO膜中的结构的情况下，在膜厚大于1.4nm的区域中，研究元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)的性能的结果的特征图。

图7是示出插入的Mo膜的各厚度中磁阻比(MR比)与MgO(x+z)/Mo(y)之间的关系的特征图。

图8是将图7中的关系示为MgO(x+z)/Mo(y)的上限值与插入的Mo膜的厚度之间的关系(@MR＞100％)的特征图。

图9是示出插入的Mo膜之上和之下的第二MgO膜的膜厚比率(z/x)与磁化自由层55的垂直磁各向异性(Hk)之间的关系的特征图。

图10是根据本技术的第二实施例的MRAM的存储器单元阵列部的等效电路图。

图11是示出根据本技术的第二实施例的MRAM的存储器单元的截面结构的示意性截面图。

图12是放大了图11的一部分的示意性截面图。

图13是示出应用了本技术的半导体装置的相机(电子设备)的整体构成示例的示意图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图描述本技术的实施例。在以下描述中提及的附图的描述中，对相同或相似的部分标注相同或相似的附图标记。然而，应注意，附图是示意性的，且厚度与平面尺寸之间的关系、各层的厚度比等与实际不同。因此，具体的厚度和尺寸应考虑以下描述来确定。此外，毋庸赘言，在附图之间包括具有不同尺寸关系和比例的部分。此外，本说明书中描述的效果仅为示例，并不受限制，且可以具有其它效果。

此外，以下描述中对方向比如上和下的定义仅是为了便于描述进行的定义，且并不限制本技术的技术构思。例如，在物体旋转90°且被观察时，当然，上侧和下侧被转换为左侧和右侧并被读取，且当物体旋转180°且被观察时，上侧和下侧被倒置并被读取。

(第一实施例)

在第一实施例中，将描述本技术已应用于磁阻效应元件的示例。

<<磁阻效应元件的构成>>

首先，将参照图1描述磁阻效应元件的构成。

如图1中所示，根据本技术的第一实施例的磁阻效应元件50包括：磁化固定层(参照层)53；设置在磁化固定层53的一面侧的第一氧化物绝缘层(第一非磁性层)54；磁化自由层(记录层)55，设置在第一氧化物绝缘层54的与磁化固定层53相反的一侧，且具有垂直磁各向异性；第二氧化物绝缘层(第二非磁性层)56，设置在磁化自由层55的与第一氧化物绝缘层54相反的一侧；和金属帽层57，设置在第二氧化物绝缘层56的与磁化自由层55相反的一侧。磁化固定层53、第一氧化物绝缘层54、磁化自由层55和第二氧化物绝缘层56构成磁隧道结。第二氧化物绝缘层56的厚度大于第一氧化物绝缘层54的厚度。

此外，如图1中所示，根据本技术的第一实施例的磁阻效应元件50包括设置在磁化固定层53的与第一氧化物绝缘层54相反的一侧的下电极51以及设置在下电极51与磁化固定层53之间的多层金属层52。

下电极51包括例如Ta(钽)膜。多层金属层52包括例如从下电极51侧依次层叠铂(Pt)膜和钴(Co)膜的层叠膜52a、以及在层叠膜52a的与下电极51相反的一侧依次层叠的钴(Co)膜52b、铱(Ir)膜52c、钴(Co)膜52d和钼(Mo)膜52e。

磁化固定层53和磁化自由层55各自包括例如CoFeB膜。第一氧化物绝缘层54包括例如MgO膜。

第二氧化物绝缘层56包括在磁化自由层55的与第一氧化物绝缘层54相反的一侧按顺序依次层叠的下氧化物绝缘层56a、结晶化抑制层56b和上氧化物绝缘层56c。也就是说，第二氧化物绝缘层56具有多层结构，其中结晶化抑制层56b插入在下氧化物绝缘层56a与上氧化物绝缘层56c之间。第二氧化物绝缘层56即下氧化物绝缘层56a和上氧化物绝缘层56c包括例如MgO膜。在第一实施例中，结晶化抑制层56b包括Ta(钽)膜、Ir膜、Cr膜、Mo膜、CoFeB30膜和Mg(镁)膜中的任何膜，并且包括例如Mo膜。而且，上氧化物绝缘层56c的厚度大于下氧化物绝缘层56a的厚度。金属帽层57包括多层膜，其中从第二氧化物绝缘层56侧按顺序依次层叠Ta膜、Ru膜和MgO膜。

<<第一实施例的效果>>

接下来，与传统磁阻效应元件进行比较来描述第一实施例的主要效果。

图1B是示出元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对根据第一实施例的磁阻效应元件50中的第二氧化物绝缘层56的下和上氧化物绝缘层56a、56c中的MgO膜的厚度的依赖性的特征图。

另一方面，图2A是示出传统磁阻效应元件的构成示例的示意性截面图。然后，图2B是示出元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对图2A中的传统磁阻效应元件150中的第二氧化物绝缘层156的厚度的依赖性的特征图。

如图2A中所示，传统磁阻效应元件150包括下电极151以及按顺序依次层叠在下电极151上的多层金属层152、磁化固定层(参照层)153、第一氧化物绝缘层154、磁化自由层(记录层)155、第二氧化物绝缘层156和金属帽层157。而且，传统磁阻效应元件150包括与本技术的磁阻效应元件50相似的材料，除了第二氧化物绝缘层156以外。即，下电极151包括Ta膜。多层金属层152包括从下电极51侧依次层叠有Pt膜和Co膜的层叠膜152a以及在层叠膜152a的与下电极151相反的一侧依次层叠的Co膜152b、Ir膜152c、Co膜152d和Mo膜152e。磁化固定层153和磁化自由层155均包括CoFeB膜。第一氧化物绝缘层154和第二氧化物绝缘层156均包括例如MgO膜。金属帽层157包括多层膜，其中从多层非磁性层56侧按顺序依次层叠Ta膜、Ru膜和MgO膜。

通过在同样条件下在晶片处理中执行热处理来测量：图1B中所示的元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对本技术的磁阻效应元件50中的第二氧化物绝缘层56中的MgO膜的厚度的依赖性，以及图2B中所示的元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对传统磁阻效应元件150中的第二氧化物绝缘层156中的MgO膜的厚度的依赖性。

发现在传统磁阻效应元件150中，如从图2B清楚的是，当第二氧化物绝缘层(第二MgO膜)156的厚度被设定为大于1.2nm以在相对高温度承受晶片处理相对长时间时，磁阻效应元件150的元件电阻(RA)迅速增加。作为对该性能的机制的一种估计，认为在第二氧化物绝缘层(第二MgO膜)156的厚度大于1.2nm的区域中，MgO膜的结晶化急剧进行，因此元件电阻(RA)也迅速增加。因此，认为当可以防止第二氧化物绝缘层156中的第二MgO膜的快速结晶化过程时，也可以防止元件电阻(RA)相对于第二Mg膜的厚度的增加而增加。

作为用于减少和抑制结晶化的手段，提出了将具有不同晶体结构的金属材料插入到第二MgO膜中的构思。在此，图3示出了对将诸如体心立方结构(Mo、Cr、W)和面心立方结构(Ir)之类的金属材料插入到MgO(立方NaCl结构)中的深入研究和评估的部分结果。图3是示出结晶化抑制层56b的材料与磁阻比(MR比)之间的关系的特征图。

在此，选择Ta、Ir、Cr、Mo、CoFeB30和Mg作为要插入到第二MgO膜中的材料(添加材料)，且以0.5nm的厚度插入，并检查磁化自由层55的垂直磁各向异性。结果，确认所有插入材料满足磁阻比(MR比)＞100％。

在下面的描述中，将描述选择Mo作为要插入到第二MgO膜中的材料的情况。

<插入的Mo膜的厚度的规定>

图4A至图4F是示出在第一实施例的图1中所示的磁阻效应元件50中，在作为第二氧化物绝缘层56(第二MgO膜)的下氧化物绝缘层56a与上氧化物绝缘层56c之间的结晶化抑制层56b插入的Mo膜的厚度在0.1nm至1nm的范围内改变的情况下，磁化自由层55的磁化曲线(M-H回路)、元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性、以及磁化自由层55的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图。

如图4至图4F中所示，当插入的Mo膜的厚度在0.1nm至1nm的范围内改变时，保持能力(Hc)随着插入的Mo膜的厚度的增加而增加，并在0.5nm的峰值处转为下降。

图5A是示出元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的特征图，且图5B是示出磁化自由层的保持能力(Hc)对插入的Mo膜的厚度的依赖性的图。

如图5A中所示，随着插入的Mo膜的厚度的增加，元件电阻(RA)逐渐增加，并且磁阻比(MR比)在0.2nm至0.3nm的范围内迅速增加，然后随着Mo膜厚度的增加逐渐增加。当在磁阻比(MR比)>100％且磁化自由层55的保持能力(Hc)>50(Oe)的范围内限定插入的Mo膜的厚度时，期望的是插入的Mo膜的厚度范围在0.3nm至0.9nm的范围内。

如上所述，在本技术的磁阻效应元件50中，晶片被暴露在相对高温处理中，因此期望将第二MgO膜的厚度设定在大于1.4nm的范围内。

接下来，在本技术的磁阻效应元件50中，图6示出了在使用膜厚为0.5nm的Mo已被插入第二MgO膜中的结构的情况下，检查膜厚大于1.4nm的区域中的元件电阻(RA)和磁阻比(MR比)的性能的结果。

如图6中所示，在下氧化物绝缘层56a和上氧化物绝缘层56c中的每一个的第二MgO膜的厚度在1.5nm至2nm的范围内改变的情况下，元件电阻(RA)倾向于随着第二MgO膜的厚度增加而逐渐减小，而当厚度超过1.9nm时，元件电阻(RA)倾向于相反地增加。此外，磁阻比(MR比)随着第二MgO膜的厚度的增加而逐渐减小。如从图6可以看出的，在使用膜厚为0.5nm的Mo已被插入到第二MgO膜中的结构的情况下，即使在第二MgO膜的厚度相当于达到2nm厚的区域中，也显示出磁阻比(MR比)>130％，且应理解可以提供如下磁阻效应元件50，即使在晶片暴露于相对高温度处理时，该磁阻效应元件50也能在保持磁化自由层55的垂直磁各向异性的同时具有相对高的MR比。

<插入到第二MgO膜中的Mo膜的膜厚比率与MR之间的关系>

图7是示出在通过将下氧化物绝缘层(第二MgO)56a的厚度视为Xnm，将结晶化抑制层56b的厚度视为Ynm，并将上第二氧化物绝缘层(第二MgO)56c的厚度视为Znm来表示第二MgO膜与插入其中的Mo膜的厚度之间的关系的情况下，插入的Mo膜的各厚度中磁阻比(MR比)与MgO(x+z)/Mo(y)之间的关系的特征图。

从图7可见，可以保证磁阻比(MR比)＞100％的膜厚比率取决于插入的Mo膜的厚度而变化。

Mo膜厚为0.3nm时的膜厚比率为[MgO(x+z)/Mo(y)]≤9.3，

Mo膜厚为0.5nm时的膜厚比率为[MgO(x+z)/Mo(y)]≤8.0，以及

Mo膜厚为0.9nm时的膜厚比率为[MgO(x+z)/Mo(y)]≤7.8。

设定要插入的Mo膜相对于第二MgO膜的厚度的期望厚度，从而满足该关系。

图8是将图7中的关系示为MgO(x+z)/Mo(y)的上限值与插入的Mo膜的厚度之间的关系(@MR＞100％)的特征图。

从图8可以确认相对于插入的Mo膜的期望厚度的、[MgO(x+z)/Mo(y)]膜厚比率的上限值。

注意，如上所述，Mo、CoFeB30、Ir、Cr和Mg膜中的每一个作为要插入到单层中的第二MgO膜中的结晶化抑制层56b的材料是有效的。然而，作为用于插入结晶化抑制材料的结构Z——这是具有多个层叠层的结构，当第二MgO由MgO/Z/MgO表示时，结构Z是以Mo、CoFeB、Cr、W和Ir的组合形成的层叠结构，诸如：

Mo/Cr/Mo，

Mo/W/Mo，

Mo/Ir/Mo，

CoFeB/Cr/CoFeB，

CoFeB/W/CoFeB，或者

CoFeB/Ir/CoFeB，

该结构作为结晶化抑制层被插入到第二MgO膜中，并且已经证实该结构具有与上述类似的效果。

此外，已经证实，即使在除了上述金属插入层之外还插入了TaO、TiO、SiO、AlO等氧化物层作为除MgO以外的氧化物层的结构中，插入到第二MgO膜中的结晶化抑制材料具有类似的效果。

此外，磁化自由层(第二铁磁层)55不限于CoFeB层，并且具有CoFeB和选自Mo、W、Ir、CoFe、Co和Fe的多种材料的层叠结构的铁磁层也可以获得类似的效果。

此外，虽然MgO膜用作第一和第二氧化物绝缘层54、56，但已经证实，除了单独使用Ar或者Ar与除了Ar以外的反应气体由氧化物MgO靶形成的MgO膜或者是使用金属Mg靶通过反应溅射方法生成的MgO膜之外，即使在使用在形成Mg膜之后用氧、Ar和氧或Ar、氧和诸如氮之类的反应气体后氧化的MgO膜的情况下，也可以获得类似的效果。

<插入的Mo膜之上和之下的第二MgO膜的膜厚比率(z/x)与垂直磁各向异性(Hk)之间的关系>

图9是示出插入的Mo膜之上和之下的第二MgO膜(上氧化物绝缘层5c和下氧化物绝缘层56a)的膜厚比率(z/x)与磁化自由层55的垂直磁各向异性(Hk)之间的关系的特征图。

从垂直磁各向异性(Hk)＞3(kOe)的观点来看，第二MgO膜的膜厚比率(z/x)期望在1或更大的范围内。因此，期望一种第二MgO膜的层叠结构，该结构满足以下关系：“在插入的Mo膜的上侧层叠的第二MgO膜的厚度(z)”>“第二MgO膜的厚度(x)”。

如上所述，根据本技术的第一实施例，可以提供减小元件电阻(RA)并且具有相对高的磁阻比(MR比)的磁阻效应元件50。

(第二实施例)

在第二实施例中，将描述将本技术应用于作为半导体装置的MRAM的示例。

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如图10中所示，根据本技术的第二实施例的MRAM 1包括存储器单元阵列部2，其中多个存储器单元Mc以矩阵布置。在存储器单元阵列部2中，在X方向上延伸的多对源极线24和数据线45以预定的布置间距在Y方向上布置。此外，在存储器单元阵列部2中，在Y方向上延伸的多个字线WL以预定的布置间距在X方向上布置。存储器单元Mc部署在字线WL与一对源极线24和数据线45的交点处。存储器单元Mc包括作为存储元件的磁阻效应元件50和与磁阻效应元件50串联连接的单元选择晶体管3。单元选择晶体管3包括例如金属-绝缘体-半导体场效应晶体管(MISFET)。虽未详细图示，但存储器单元阵列部2被布置有诸如字驱动器电路、X解码器电路和Y解码器电路之类的外围电路的外围电路部围绕。

如图11中所示，MRAM 1主要包括半导体衬底10。半导体衬底10包括例如包含单晶硅的p型半导体衬底。

在半导体衬底10的主表面上设置有包括p型半导体区域的阱区域11。此外，在半导体衬底10的主表面上设置有限定元件形成区域的元件隔离区域12。例如，元件隔离区域12通过但不限于已知的浅沟槽隔离(STI)技术形成。通过STI技术形成的元件隔离区域12例如通过以下手段来形成：在半导体衬底10的主表面上形成浅槽(例如，深度约为300[nm]的槽)，然后通过化学气相沉积(CVD)在半导体衬底10的主表面的整个表面上、包括浅槽的内部形成包括例如氧化硅膜的绝缘膜，且然后通过化学机械磨光(CMP)使绝缘膜平坦化，使得绝缘膜选择性地保持于浅槽内。另外，作为形成元件隔离区域12的另一方法，该形成可以使用热氧化方法通过硅的局部氧化(LOCOS)来执行。

如图11中所示，存储器单元Mc的单元选择晶体管3设置在半导体衬底10的主表面上的元件形成区域中。单元选择晶体管3包括设置在半导体衬底10的主表面上的栅极绝缘膜13、设置在栅极绝缘膜13上的栅极电极14以及设置在阱区域11的表层部(上部)并用作源极区域和漏极区域的一对第一主电极区域15和第二主电极区域16。栅极绝缘膜13包括例如通过氧化半导体衬底10的主表面而形成的氧化硅膜。栅极电极14包括例如已经引入用于降低电阻值的杂质的多晶硅膜。栅极电极14与字线WL成对形成，由字线WL的一部分构成。一对第一主电极区域15和第二主电极区域16设置在阱区域11的表层部分上，同时在栅极电极14的栅极长度方向上彼此分离，并且通过相对于栅极电极14自对准来形成。沟道形成区域设置在一对第一主电极区域15和第二主电极区域16之间。在沟道形成区域中，形成沟道以通过施加到栅极电极的电压电连接一对第一主电极区域15和第二主电极区域16。一对第一主电极区域15和第二主电极区域16包括n型半导体区域。

如图11中所示，在半导体衬底10的主表面上设置有包括例如氧化硅膜的层间绝缘膜21。层间绝缘膜21设置有连接孔22，连接孔22从层间绝缘膜21的表面到达单元选择晶体管3中作为上述对中一个的第一主电极区域15的表面。此外，导电插塞23嵌入连接孔22中。

源极线24设置在层间绝缘膜21上。虽然未详细示出，但源极线24包括在Y方向上延伸的主干和从主干突出到导电插塞23并电连接到导电插塞23的分支24b。在图11中，示出了源极线24的分支24b。

如图11中所示，包括例如氧化硅膜的层间绝缘膜25设置在层间绝缘膜21上以覆盖源极线24。层间绝缘膜25和层间绝缘膜21设置有连接孔26，连接孔26从层间绝缘膜25的表面通过层间绝缘膜21到达单元选择晶体管3中作为上述对中另一个的第二主电极区域16的表面。此外，导电插塞27嵌入在连接孔26内。

如图11中所示，在层间绝缘膜25上设置有包括例如氧化硅膜的层间绝缘膜44。存储器单元Mc的磁阻效应元件50在面向导电插塞27的位置处嵌入在层间绝缘膜44中。

在层间绝缘膜44上，以与磁阻效应元件50交叉的方式设置有数据线45。此外，在层间绝缘膜44上，设置包括例如氧化硅膜的层间绝缘膜46以覆盖数据线45。

注意，尽管在层间绝缘膜46上设置了其它布线和其它层间绝缘膜，但是在图11中省略了层间绝缘膜46上层上的布线和其它层间绝缘膜的图示。

如图12中所示，磁阻效应元件50包括设置在层间绝缘膜25上以面向导电插塞27的下电极51以及按顺序依次设置在下电极51上的多层金属层52、磁化固定层(参照层)53、第一氧化物绝缘层(第一非磁性层)54、磁化自由层(存储层)55、第二氧化物绝缘层(第二非磁性层)56和金属帽层57。第二氧化物绝缘层56包括按顺序依次层叠在磁性自由层55上的下氧化物绝缘层56a、结晶化抑制层56b和上氧化物绝缘层56c。下电极51电且机械连接到导电插塞27。金属帽层57电且机械连接到数据线45。

<<存储器单元的写入和读取>>

磁化固定层53具有恒定的磁化方向并充当磁化自由层55的记录信息(磁化方向)的参照。在磁化固定层53是信息的参照的情况下，磁化方向不应被写入或读取改变，然而磁化固定层53不一定需要固定在特定方向上，但至少磁化应比磁化自由膜中移动性更小。

磁化自由层55的磁化方向相对于施加在下电极51与金属帽层57之间的电压而改变，并且在磁阻效应元件50中根据磁化方向记录信息。

在磁阻效应元件50中，将构成磁隧道结的两个磁性层(磁化固定层53和磁化自由层55)的磁化排列平行或反平行的状态分别设定为“1”或“0”。

首先，在写入时，磁化自由层55的磁化通过流过数据线和字线的电流生成的组合磁场被反转。此时，可以通过改变字线WL的电流的方向，来将磁化固定层53和磁化自由层55的磁化控制为彼此平行或反平行，从而使得能够重写和擦除信息。

在读取时，使用TMR效应。也就是说，单元选择晶体管3接通，并测量流过磁阻效应元件50的电流生成的电压降。从电压降的幅度确定出磁化固定层53和磁化自由层55的磁化排列是平行的(例如，“1”)还是反平行的(例如，“0”)。

根据第二实施例的MRAM 1，可以预期通过使用上述磁阻效应元件50稳定且高速执行对数据的写入和读取。

注意，在磁阻效应元件50中，下电极51侧可以连接到单元选择晶体管3，且金属帽层57侧可以电连接到数据线45。

(电子设备的构成示例)

图13是示出作为应用本技术的电子设备的相机2000的构成示例的框图。

相机2000包括由透镜组等构成的光学部2001、成像装置2002和作为相机信号处理电路的数字信号处理器(DSP)电路2003。此外，相机2000还包括帧存储器2004、显示部2005、记录部2006、操作部2007和电源部2008。DSP电路2003、帧存储器2004、显示部2005、记录部2006、操作部2007和电源部2008经由总线2009彼此连接。

光学部2001捕获来自被摄体的入射光(图像光)并将光作为图像形成在成像装置2002的成像表面上。成像装置2002以像素为单位将通过光学部2001作为图像形成在成像表面上的入射光的光量转换为电信号，并输出电信号作为像素信号。

显示部2005包括例如诸如液晶面板或有机电致发光(EL)面板之类的面板型显示装置，并且显示由成像装置2002捕获的运动图像或静止图像。记录部2006将由成像装置2002捕获的运动图像或静止图像记录在诸如硬盘或作为半导体存储器的MRAM 1之类的记录介质上。

操作部2007在用户操作下发出针对相机2000的各种功能的操作命令。电源部2008将充当DSP电路2003、帧存储器2004、显示部2005、记录部2006和操作部2007的操作电源的各种电力适当地供应给这些供应目标。

如上所述，通过使用上述MRAM 1等作为记录部2006的记录介质，可以预期获得良好的图像。

注意，本技术可以具有以下构成。

(1)一种磁阻效应元件，包括：

磁化固定层；

第一氧化物绝缘层，设置在所述磁化固定层的一面侧；

磁化自由层，设置在所述第一氧化物绝缘层的与所述磁化固定层侧相反的一侧，并具有垂直磁各向异性；

第二氧化物绝缘层，设置在所述磁化自由层的与所述第一氧化物绝缘层侧相反的一侧；以及

金属帽层，设置在所述第二氧化物绝缘层的与所述磁化自由层侧相反的一侧，

其中，所述第二氧化物绝缘层的厚度大于所述第一氧化物绝缘层的厚度。

(2)根据以上(1)所述的磁阻效应元件，

其中，所述第二氧化物绝缘层包括MgO膜作为主要成分，以及

金属层或除了MgO以外的氧化物层被插入所述MgO膜中。

(3)根据以上(2)所述的磁阻效应元件，其中，所述金属层包括Ta膜、Ir膜、Cr膜、Mo膜、CoFeB膜和Mg膜中的至少任何膜。

(4)根据以上(2)所述的磁阻效应元件，其中，所述金属层的厚度在0.3nm至0.9nm的范围内。

(5)根据以上(2)所述的磁阻效应元件，其中，根据所述金属层的厚度适当地选择所述MgO膜与所述金属层之间的膜厚比。

(6)根据以上(2)所述的磁阻效应元件，其中，在所述第二氧化物绝缘层中，所述金属层的上侧的厚度大于所述金属层的下侧的厚度。

(7)一种半导体装置，包括存储器单元，在所述存储器单元中磁阻效应元件和选择晶体管串联连接，

其中，所述磁阻效应元件包括：

磁化固定层，

第一氧化物绝缘层，设置在所述磁化固定层的一面侧，

磁化自由层，设置在所述第一氧化物绝缘层的与所述磁化固定层侧相反的一侧，并具有垂直磁各向异性，

第二氧化物绝缘层，设置在所述磁化自由层的与所述第一氧化物绝缘层侧相反的一侧，以及

金属帽层，设置在所述第二氧化物绝缘层的与所述磁化自由层侧相反的一侧，并且

所述第二氧化物绝缘层的厚度大于所述第一氧化物绝缘层的厚度。

(8)根据以上(7)所述的半导体装置，其中，所述第二氧化物绝缘层包括MgO膜作为主要成分，以及金属层和除了MgO以外的氧化物层被插入所述MgO膜中。

(9)根据以上(8)所述的半导体装置，其中，所述金属层包括Ta膜、Ir膜、Cr膜、Mo膜、CoFeB膜和Mg膜中的至少任何膜。

(10)根据以上(8)所述的半导体装置，其中，所述金属层的插入厚度在0.3nm至0.9nm的范围内。

(11)根据以上(8)所述的半导体装置，其中，根据所述金属层的厚度适当地选择所述MgO膜与所述金属层之间的膜厚比。

(12)根据以上(8)所述的半导体装置，其中，在所述第二氧化物绝缘层中，所述金属层的上侧的厚度比所述金属层的下侧的厚度大。

(13)一种电子设备，包括半导体装置，所述半导体装置包括磁阻效应元件，

其中，所述磁阻效应元件包括：

磁化固定层，

第一氧化物绝缘层，设置在所述磁化固定层的一面侧，

磁化自由层，设置在所述第一氧化物绝缘层的与所述磁化固定层侧相反的一侧，并具有垂直磁各向异性，

第二氧化物绝缘层，设置在所述磁化自由层的与所述第一氧化物绝缘层侧相反的一侧，以及

金属帽层，设置在所述第二氧化物绝缘层的与所述磁化自由层侧相反的一侧，并且

所述第二氧化物绝缘层的厚度大于所述第一氧化物绝缘层的厚度。

本技术的范围不限于所示和所描述的示例性实施例，而是还包括提供与本技术预期效果等同的效果的所有实施例。此外，本技术的范围不限于权利要求限定的本发明的特征的组合，而是可以通过所有公开的特征中的特定特征的任何期望组合来限定。

附图标记列表

1MRAM(半导体装置)

2 存储器单元阵列部

3 单元选择晶体管

10 半导体衬底

11 阱区域

12 元件隔离区域

13 栅极绝缘膜

14 栅极电极

15 第一主电极区域

16 第二主电极区域

21 层间绝缘膜

22 连接孔

23 导电插塞

24 源极线

25 层间绝缘膜

26 连接孔

27 导电插塞

44 层间绝缘膜

45 数据线

46 层间绝缘膜

50 磁阻效应元件

51 下电极

52 多层金属层

53 磁化固定层

54 第一氧化物绝缘层

55 磁化自由层

56 第二氧化物绝缘层

56a 下氧化物绝缘层

56b 结晶化抑制层

56c 上氧化物绝缘层

57 金属帽层

Mc 存储器单元

WL 字线