專利名稱：磁阻元件以及磁存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻元件(magnetoresistive element)以及磁存儲(chǔ)器 (magnetic memry )，例如涉及可以通過在雙方向上供給電流來記錄 信息的磁阻元件以及對(duì)其進(jìn)行利用的磁存儲(chǔ)器。
背景技術(shù)：
磁阻(Magnetoresistive)效應(yīng)被應(yīng)用于作為磁存儲(chǔ)裝置的硬盤驅(qū) 動(dòng)器(HDD:Hard Disk Drive),現(xiàn)在正在實(shí)用化。HDD所搭載的磁頭 應(yīng)用 GMR(Giant Magnetoresistive)效應(yīng)、或者TMR(Tunneling Magnetoresistive)效應(yīng)，它們都是利用通過4吏2個(gè)磁性層的磁化方向 相互成角度而引起的電阻變化來檢測(cè)來自磁介質(zhì)的磁場(chǎng)。近年來，為了利用GMR元件或者TMR元件實(shí)現(xiàn)磁隨機(jī)存取存 儲(chǔ)器(MRAM:Magnetic Random Access Memory),而提出了各種各樣 的技術(shù)。作為其中一例，可列舉根據(jù)MTJ(Magnetic Tunnel Junction) 元件的磁化狀態(tài)來記錄"l"、 "0"信息，并通過利用TMR效應(yīng)的電阻 變化來讀出此信息的形。在這一形式的MRAM中也針對(duì)實(shí)用化而提 出了許多技術(shù)。進(jìn)而，利用自旋偏極電流的磁化反轉(zhuǎn)在理論上被預(yù)想， 在實(shí)驗(yàn)上也得以確認(rèn)，利用了自旋偏極電流的MRAM得以提案。根 據(jù)這一方式，僅僅在磁性層流過自旋偏極電流就能夠?qū)崿F(xiàn)磁性層的磁 化反轉(zhuǎn)，如果磁性層的體積較小則注入的自旋偏極電子即便少也可 以，所以被人們期待能夠兼顧細(xì)微化、低電流化。但是，熱干擾的問
題伴隨著細(xì)微化而顯現(xiàn)化。為了確保熱干擾耐性，就需要使磁各向異性能量密度增加。在迄 今主要所研究的面內(nèi)磁化型的結(jié)構(gòu)中， 一般是利用形狀磁各向異性。 在此情況下，由于利用形狀來確保磁各向異性，所以反轉(zhuǎn)電流就變得 形狀敏感，伴隨細(xì)微化反轉(zhuǎn)電流波動(dòng)增加就成為問題。為利用形狀磁各向異性以使磁各向異性能量密度增加，考慮加大MTJ元件的縱橫 尺寸比、增加磁性層的膜厚、增加磁性層的飽和磁化。MTJ元件的縱橫尺寸比的增大將使單元面積增大，不適合于大 容量化。磁性體的膜厚、飽和磁化的增加會(huì)使利用自旋偏極電流的磁 化反轉(zhuǎn)所需要的電流值增加，其結(jié)果不理想。在面內(nèi)磁化型的構(gòu)成中 利用結(jié)晶磁各向異性而不是形狀磁各向異性的情況下，在采用了具有 較大的結(jié)晶磁各向異性能量密度的材料(例如，硬盤介質(zhì)中所用的 Co-Cr合金材料)時(shí)，由于結(jié)晶軸在面內(nèi)較大地分散，所以 MR(Magnetoresistance)低下，或者引起非相干的歲差運(yùn)動(dòng)，結(jié)果反轉(zhuǎn) 電流將會(huì)增加。相對(duì)于此，在垂直磁化型的結(jié)構(gòu)中利用結(jié)晶磁各向異性的情況 下，能夠抑制在面內(nèi)磁化型中作為課題的結(jié)晶軸的分散。例如，前述 的Co-Cr合金材料的結(jié)晶構(gòu)造是六方晶構(gòu)造，具有c軸作為容易軸的 一軸的結(jié)晶磁各向異性，所以對(duì)結(jié)晶方位進(jìn)行控制以使c軸與膜面的 垂直方向平行即可。在面內(nèi)磁化型的情況下，需要使c軸在膜面內(nèi)與 一軸一致，各結(jié)晶粒的膜面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)為結(jié)晶軸的旋轉(zhuǎn)而使一軸方向分 散。在垂直磁化型的情況下，c軸處于與膜面垂直方向，所以即便各 結(jié)晶粒在膜面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，c軸也保持垂直方向而不會(huì)分散。同樣，即便是正方晶構(gòu)造通過將c軸控制成垂直方向，也可以實(shí) 現(xiàn)垂直磁化型的MTJ構(gòu)成。正方晶構(gòu)造的磁性材料例如可列舉具有 Ll0型的結(jié)晶構(gòu)造的Fe-Pt有序晶格結(jié)構(gòu)合金、Fe-Pd有序晶格結(jié)構(gòu)合 金、Co-Pt有序晶格結(jié)構(gòu)合金、Fe-Co-Pt有序晶格結(jié)構(gòu)合金、Fe-Ni-Pt 有序晶格結(jié)構(gòu)合金、或者Fe-Ni-Pd有序晶格結(jié)構(gòu)合金等。然而，為將 Llo構(gòu)造設(shè)為垂直磁化膜，就需要使其結(jié)晶取向性在(001)面上進(jìn)行取
工序結(jié)合利用自旋偏極電流的磁化反轉(zhuǎn)方式來進(jìn)行開發(fā)。另一方面，還考慮利用界面的磁各向異性來實(shí)現(xiàn)垂直磁各向異 性。在利用了界面的磁各向異性的垂直磁化膜上存在例如磁性層與非 磁性層經(jīng)過反復(fù)層疊的、所謂的人工晶格。在這一情況下也能夠抑制 在面內(nèi)磁化型中作為課題的結(jié)晶軸的分散。在由人工晶格所構(gòu)成的磁性材料的情況下，垂直磁各向異性不是如Fe-Pt有序晶格結(jié)構(gòu)合金等 以結(jié)晶磁各向異性為主，所以在結(jié)晶取向性上比較難以受到制約。人 工晶格的垂直磁各向異性材料眾所周知設(shè)磁性層為Co、設(shè)非磁性層 為Pt，它們交互進(jìn)行了層疊的系列。在考慮到利用自旋偏極電流的磁化反轉(zhuǎn)方式的情況下，作為記錄 層材料，阻尼常數(shù)較小方較為理想。然而，若在磁性層的界面作為非 磁性層存在Pt，則由于自旋泵效應(yīng)，就有阻尼常數(shù)增大之類的問題。 另外，人工晶格使磁性層薄膜化到0.3至1.0nm左右，雖然從磁各向 異性能量密度的觀點(diǎn)來看較為理想，但若使磁性層薄膜化，則自旋泵 效應(yīng)更為顯著地生效，而有阻尼常數(shù)變大之類的問題。為了 MRAM的大容量化從讀出的觀點(diǎn)來看需要高的磁阻比。近 年來，作為顯示出高的磁阻比的壁壘材料，采用了 MgO的MTJ的報(bào) 告有許多，為了實(shí)現(xiàn)高的磁阻比，MgO的(100)面進(jìn)行取向被^人為4艮 重要。已知在作為磁性層將具有微結(jié)晶構(gòu)造或者非結(jié)晶構(gòu)造的CoFeB 形成在MgO的兩界面?zhèn)鹊那闆r下，在(100)面上進(jìn)行取向。沒有在人 工晶格中將CoFeB作為磁性層的報(bào)告例，可以預(yù)想不持有明確的結(jié) 晶構(gòu)造的CoFeB與具有結(jié)晶構(gòu)造的Co相比，垂直磁各向異性將顯著 減少。在通過自旋注入方式而使具有垂直磁各向異性的記錄層的磁化 進(jìn)行反轉(zhuǎn)的情況下，自旋注入元件的縱橫尺寸比可以為1，所以還適 合于細(xì)微化。從而，只有能夠用垂直磁化型的自旋注入元件來實(shí)現(xiàn)利 用自旋偏極電流的磁化反轉(zhuǎn)，就可以同時(shí)滿足寫入電流的降低和位信 息的熱干擾耐性的確保、單元面積的縮小。然而，為了將人工晶格用于記錄層材料來形成自旋注入元件，如上述那樣源于自旋泵效應(yīng)的阻尼常數(shù)的增大和高TMR化就成為問題。將人工晶格用于記錄層材料， 實(shí)現(xiàn)了低阻尼常數(shù)且高磁阻比的自旋注入元件的報(bào)告例及具體的方 法迄今沒有得到提案。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)方案之一提供一種磁阻元件，其特征在于包括具 有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向被固定的第l參照層； 由磁性層與非磁性層交互地經(jīng)過層疊的層狀結(jié)構(gòu)組成，且具有與膜面 垂直方向的磁各向異性，且磁化方向可以變化的記錄層；以及被設(shè)置 在上述第1參照層與上述記錄層之間，且由非磁性材料組成的第1中 間層，構(gòu)成上述記錄層的磁性層包含與上述第1中間層相接的第1 磁性層；以及與上述第1中間層不相接的第2磁性層，上述第l磁性 層由包含鈷(Co)以及鐵(Fe)的合金組成，且其膜厚大于上述第2磁性 層的膜厚。本發(fā)明的技術(shù)方案之二提供一種磁阻元件，其特征在于包括具 有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向被固定的參照層；由磁性層與非磁性層交互地經(jīng)過層疊的層狀結(jié)構(gòu)組成，且具有與膜面垂直 方向的磁各向異性，且磁化方向可以變化的記錄層；以及被設(shè)置在上 述參照層與上述記錄層之間，且由非磁性材料組成的中間層，構(gòu)成上 述記錄層的磁性層包含與上述中間層相接的第l磁性層；以及與上 述中間層不相接的第2磁性層，上述第l磁性層含有其組成為Co2XY 的合金，且其膜厚大于上述第2磁性層的膜厚，其中，X是釩(V)、鉻 (Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鎳(Ni)及銅(Cu)之中的一個(gè)以上的元素，Y是 鋁(A1)、鎵(Ga)、銦(In)、硅(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)及銻(Sb)之中的一 個(gè)以上的元素。本發(fā)明的技術(shù)方案之三提供一種磁存儲(chǔ)器，具備與上述技術(shù)方 案有關(guān)的磁阻元件；包含被設(shè)置成夾著上述磁阻元件，且對(duì)于上述磁 阻元件進(jìn)行通電的第1及第2電極的存儲(chǔ)器單元。


圖l是表示阻尼常數(shù)與Co-Fe合金的組成之關(guān)系的圖。 圖2是表示阻尼常數(shù)與Pd-Au合金的組成之關(guān)系的圖。 圖3是表示磁各向異性能量密度與Pd-Au合金的組成之關(guān)系的圖。圖4是表示與第1實(shí)施方式有關(guān)的GMR元件之結(jié)構(gòu)的截面圖。圖5是表示圖4所示的GMR元件的MR-H曲線的圖。圖6是與第1實(shí)施方式有關(guān)的MTJ構(gòu)造的截面圖。圖7是與第1實(shí)施方式有關(guān)的單管腳構(gòu)造的MTJ元件10的概略圖。圖8是表示與具體例l-l有關(guān)的MTJ元件IO之結(jié)構(gòu)的截面圖。 圖9是與第1實(shí)施方式有關(guān)的雙管腳構(gòu)造的MTJ元件IO的概略圖。圖10是表示與具體例2-1有關(guān)的MTJ元件10之結(jié)構(gòu)的截面圖。 圖11是表示與具體例2-2有關(guān)的MTJ元件10之結(jié)構(gòu)的截面圖。 圖12是表示與具體例2-3有關(guān)的MTJ元件10之結(jié)構(gòu)的截面圖。 圖13是表示具體例2-4的MTJ元件IO之結(jié)構(gòu)的截面圖。 圖14是表示具體例2-5的MTJ元件IO之結(jié)構(gòu)的截面圖。 圖15是說明參照層22的其他結(jié)構(gòu)例的圖。 圖16是說明參照層22的其他結(jié)構(gòu)例的圖。 圖17是說明參照層22的其他結(jié)構(gòu)例的圖。 圖18是說明參照層22的其他結(jié)構(gòu)例的圖。圖19是表示與本發(fā)明第2實(shí)施方式有關(guān)的MRAM之結(jié)構(gòu)的電路圖。圖20是表示以存儲(chǔ)器單元MC為中心所示的MRAM之結(jié)構(gòu)的 截面圖。圖21是表示與MRAM的應(yīng)用例1有關(guān)的數(shù)字加入者線(DSL) 用調(diào)制解調(diào)器的DSL數(shù)據(jù)通過部的框圖。圖22是表示與MRAM的應(yīng)用例2有關(guān)的便攜式電話終端300 的框圖。圖23是表示與MRAM的應(yīng)用例3有關(guān)的MRAM卡400的俯視圖。圖24是表示用于對(duì)MRAM卡轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)寫裝置500的平面圖。圖25是表示用于對(duì)MRAM卡轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)寫裝置500的截面圖。圖26是表示用于對(duì)MRAM卡轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)的，嵌入型的轉(zhuǎn)寫裝置 500的截面圖。圖27是表示用于對(duì)MRAM卡轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)的，滑板型的轉(zhuǎn)寫裝置 500的截面圖。
具體實(shí)施方式
以下，參照附圖就本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。此外，在以下的 說明中，對(duì)于具有同一功能以及結(jié)構(gòu)的要素附加同一標(biāo)記，重復(fù)說明 僅僅在必要的情況下進(jìn)行。[第1實(shí)施方式][ll作為記錄層材料的人工晶格在作為構(gòu)成自旋注入型的磁阻元件的記錄層采用人工晶格的情 況下，必須同時(shí)兼顧確保垂直磁各向異性、降低阻尼常數(shù)、高磁阻比(MR比)。作為將人工晶格用作記錄層的公知例，可列舉專利文獻(xiàn) 1:US2005/0185455A1、專利文獻(xiàn)2:US2005/0104101A1。在專利文獻(xiàn)l 中作為構(gòu)成人工晶格的非磁性層公開了 Pt,這將預(yù)想到阻尼常數(shù)會(huì)變 大。在專利文獻(xiàn)2中作為人工晶格，對(duì)于Co/Pt、 Co/Au、 Ni/Cu進(jìn)行 了公開，但能夠全部滿足確保垂直磁各向異性、降低阻尼常數(shù)、高 MR比的具體手段卻沒有公開。后面將進(jìn)行敘述，僅僅層疊Co/Au無 法滿足上述條件。發(fā)明者等人，在將磁性層與非磁性層交互地進(jìn)行了層疊的人工晶
格的形態(tài)下，為了實(shí)現(xiàn)低阻尼常數(shù)，首先，對(duì)非磁性層的材料進(jìn)行了 考察。實(shí)現(xiàn)具有垂直磁各向異性的人工晶格的非磁性材料，通常知道鉑(Pt)以及鈀(Pd)。然而，因自旋泵效應(yīng)產(chǎn)生的阻尼常數(shù)的增加的程 度，Pt顯著地大，并通過使構(gòu)成人工晶格的磁性層薄膜化而進(jìn)一步變 大。從而，在考慮到因自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉(zhuǎn)的情況下，從阻尼常 數(shù)的觀點(diǎn)來看采用Pt不理想。Pd較之Pt未使阻尼常數(shù)增加，但如后 面敘述那樣必須適當(dāng)?shù)剡x擇構(gòu)成人工晶格的磁性材料。作為Pd以外的非磁性材料的候補(bǔ)，發(fā)明者等人著眼于自旋散射 效應(yīng)較少的銅(Cu)、銀(Ag)、以及金(Au)。當(dāng)釆用這些非磁性材料并 將磁性層設(shè)為Co而形成了人工晶格，Cu、 Ag為面內(nèi)磁化膜，Au為 垂直磁化膜，能夠確認(rèn)顯示垂直磁各向異性。從而，從阻尼常數(shù)降低 和垂直磁各向異性確保的觀點(diǎn)來看，在非磁性材料上選擇以鈀(Pd)或 者金(Au)為主體的材料較為理想。其次，對(duì)于構(gòu)成人工晶格的磁性材料進(jìn)行了研究。當(dāng)將非磁性材 料設(shè)為Pd而形成人工晶格，并對(duì)垂直磁各向異性能量密度和Co-Fe 合金的組成依賴性進(jìn)行了測(cè)定，可知隨著鐵(Fe)變多，垂直磁各向異 性降低。另一方面，若從阻尼常數(shù)的觀點(diǎn)來考察Co-Fe合金，可知 Fe的濃度越多則阻尼常數(shù)越小。發(fā)明者等人重新對(duì)設(shè)想形成人工晶格的非磁性材料即鈀(Pd)以 及金(Au)，并分別形成Au/Co-Fe/Au以及Pd/Co-Fe/Pd的疊層膜，阻 尼常數(shù)對(duì)于Co-Fe合金組成的依賴性以及阻尼常數(shù)的膜厚依賴性進(jìn)行 了研究。此外，在疊層膜的記載中，"/，，的左側(cè)表示上層、右側(cè)表示下 層(襯底側(cè))。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)了 Co-Fe合金的組成依賴性，根據(jù)Co-Fe合金的膜 厚其依賴性很大地不同(參照?qǐng)D1)。在Co-Fe合金的膜厚為3nm左右 的情況下，可知在非磁性材料為Pd及Au雙方中，F(xiàn)e的濃度為20at% 附近阻尼常數(shù)最小。此外，"atV。"表示原子(數(shù))百分比。若Co-Fe合 金的膜厚減薄到lnm左右，在非磁性材料為Pd的情況下，Co的濃 度為80at。/o(即，F(xiàn)e的濃度為20at。/。)附近阻尼常數(shù)為最小，但與Fe 的濃度為50at。/。時(shí)相比沒有太大的差異。在非磁性材料為Au的情況下，F(xiàn)e的濃度為50at。/。一方較之 20at。/。阻尼常數(shù)變小。也就是說，Co的濃度為80at。/o(即，F(xiàn)e的濃度 為20at。/。)附近阻尼常數(shù)較小，但若使Co-Fe合金薄膜化，則Fe的濃 度為50at。/。一方阻尼常數(shù)的膜厚依賴性較為緩和，所以看到在某一膜 厚下Fe的濃度為20at。/。和50at。/o的阻尼常數(shù)為同 一程度，若進(jìn)一步 薄膜化則Fe50at。/。一方阻尼常數(shù)變小的傾向。在Fe為Oat%、即Co為100at。/。下阻尼常數(shù)的膜厚依賴性顯著， 所以從阻尼常數(shù)降低的觀點(diǎn)來看，將磁性材料設(shè)成鈷(Co)的人工晶格用作基于自旋注入方式的記錄層材料不太理想。從而，為了一邊維持 垂直磁各向異性一邊降低阻尼常數(shù)，將包含20at。/。以上Fe(即包含 80%以下Co)的Co-Fe合金用在磁性材料上而形成人工晶格較為理 想。另外，如根據(jù)圖l可知那樣，如果是同一膜厚，則作為非磁性材 料從阻尼常數(shù)的觀點(diǎn)來看Au較Pd理想。于是，作為形成人工晶格的非磁性材料對(duì)Pd-An合金進(jìn)行了研 究。在圖2中表示Pd-Au/Co8。Fe2o/Pd-Au的層狀構(gòu)成中的阻尼常數(shù)相 對(duì)于Pd-Au合金的組成的依賴性。其中，Co80Fe2()的膜厚為3nm左右。 如圖2所述那樣，可知若相對(duì)于Pd增加Au濃度，則阻尼常數(shù)能夠 降低。從而，在作為形成人工晶格的非磁性材料釆用Pd-Au合金的情 況下，僅僅從阻尼常數(shù)的觀點(diǎn)來看希望包含50at。/。以上Au。其次，在作為非磁性材料采用了 Pd-Au合金的人工晶格中，對(duì) 垂直磁各向異性的大小進(jìn)行了研究。采用在熱氧化襯底上將膜厚5nm 左右的Ta、膜厚10nm左右的Ru、膜厚lnm左右的Pd、膜厚4nm 左右的Au、 "Co8。Fe2。0.5nm左右/Pd-Aulnm左右"2周期，膜厚0.5nm 左右的Co8。Fe2。、膜厚3nm左右的Au順次進(jìn)行了形成的層狀結(jié)構(gòu)， 并在圖3中表示對(duì)磁各向異性能量密度相對(duì)于Pd-Au合金的組成的依 賴性進(jìn)行了測(cè)定的結(jié)果。如圖3所述那樣，可知Pd為50at。/。左右各向異性能量密度有飽 和傾向。根據(jù)這一結(jié)果，從阻尼常數(shù)及垂直磁各向異性的觀點(diǎn)來看，
在將Pd-Au合金用作非磁性材料的情況下，Au的組成為50at。/。左右 最為理想。此外，在Au的組成為45at。/。以上55aty。以下的范圍中能 夠獲得特別出色的效果。若將此非磁性材料應(yīng)用于記錄層的非磁性 層，就可以一邊保持垂直磁各向異性一邊使阻尼常數(shù)顯著降低。另外，在作為記錄層形成人工晶格的磁性層之中、希望與第1 中間層相接的第l磁性層的阻尼常數(shù)尤其地小。由于第l磁性層與第 1中間層相接，所以經(jīng)過自旋偏極的電子最先流入，易于受到自旋轉(zhuǎn) 矩。在第l磁性層由Co-Fe或者Co-Fe-B組成的情況下，Co-Fe組成 如上述那樣，但若鑒于自旋泵效應(yīng)，則第l磁性層的膜厚在能夠維持 垂直磁化的范圍內(nèi)較厚一方能夠減小阻尼常數(shù)所以較為理想。進(jìn)而，作為阻尼常數(shù)較小的磁性材料，還能夠?qū)⒔M成為Co2XY 構(gòu)成的磁性材料用作第1磁性層。在這里，X是釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、 鐵(Fe)、鎳(Ni)、及銅(Cu)之中l(wèi)個(gè)以上的元素，Y是鋁(A1)、鎵(Ga)、 銦(In)、硅(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)、及銻(Sb)之中1個(gè)以上的元素。這 些組成的合金若形成有序晶格結(jié)構(gòu)合金則表示！^構(gòu)造。另外，X和 Y不規(guī)則地進(jìn)行了置換的構(gòu)造為B2構(gòu)造，分極率比L2i構(gòu)造要小。 若Co、 X、 Y不規(guī)則地進(jìn)行置換則成為A2構(gòu)造(體心立方晶構(gòu)造)。 從阻尼常數(shù)及分極率的觀點(diǎn)來看，作為第1磁性層L2i構(gòu)造或B2構(gòu) 造較為理想。通常，在GMR(Giant Magnetoresistive)膜中，經(jīng)常使用銅(Cu) 作為間隔材料(中間層)。但是，根據(jù)圖3的結(jié)果，可知在形成垂直磁 化型的GMR元件的情況下，作為間隔材料，較之銅(Cu)采用了金(Au) 要易于確保垂直磁各向異性。這如前述那樣，在將鈷(Co)用作磁性材 料，作為非磁性材料采用銅(Cu)、銀(Ag)、及金(Au)并分別形成了人 工晶格的情況進(jìn)行比較時(shí)，根據(jù)Au表示出垂直磁各向異性也可知道。于是，以圖4那樣的層構(gòu)成形成了自旋注入型的GMR元件。圖 4的層構(gòu)成是在帶熱氧化膜Si襯底11上將Ta/Cu/Ta作為低電阻層 12、將膜厚5nm左右的Ta作為與低電阻層12的粘合層13、在粘合 層13上將膜厚10nm左右的Ru作為基底層14、作為參照層15對(duì)膜
厚lnm左右的Pd和膜厚0.3nm左右的Co經(jīng)過8周期層疊，將第9 周期的磁性層Co設(shè)為膜厚2nm左右的人工晶格 Co2nm/Pdlnm/[Co0.3nm/Pdlnm8、將膜厚4nm左右的Au作為間隔 層16、作為記錄層17將從對(duì)膜厚0.5nm左右的Co和膜厚lnm左右 的Pd經(jīng)過2周期層疊的人工晶格，相接于與間隔層16最遠(yuǎn)離的磁性 層的(最上層的)非磁性層設(shè)成 Aulnm 的 Aulnm/Co0.5nm/Pdlnm/Co0:5nm、作為保護(hù)層18將膜厚5nm左右 的Ru順次進(jìn)行了形成的結(jié)構(gòu)。在元件加工之際所需要的硬膜19上順 次形成了膜厚35nm左右的Ru和膜厚60nm左右的Ta。在圖5中表示加工成元件直徑80nm的GMR元件的MR-H曲線。 在圖5中，縱軸是MR比(％)，橫軸是磁場(chǎng)H(Oe)。如圖5所述那樣， GMR元件顯示出明確的頑磁力差型的環(huán)。相對(duì)于此，當(dāng)創(chuàng)建I-H相 圖并對(duì)反轉(zhuǎn)電流進(jìn)行了評(píng)價(jià)，參照層15與記錄層17的磁化排列從反 平行(Anti-Parallel)到平行(Par allel)的反轉(zhuǎn)電流密度為120M A/cm2 、 從平行到反平行的反轉(zhuǎn)電流密度為120MA/cm2。其中，根據(jù)I-H相圖 不施加電流時(shí)的頑磁力是2.4kOe。相對(duì)于此，當(dāng)采用將記錄層17的非磁性層從Pdlnm改變成 Aulnm的Aulnm/Co0.5nm/Aulnm/Co0.5nm的構(gòu)成，磁化排列從反 平行到平行的反轉(zhuǎn)電流密度為4.8MA/cm2,從平行到反平行的反轉(zhuǎn)電 流密度是4.4MA/cm2。其中，根據(jù)I-H相圖不施加電流時(shí)的頑磁力是 130Oe。如源于阻尼常數(shù)的預(yù)想那樣，因?yàn)閷⒎谴判詫尤坎捎肁u 一方用頑磁力經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的電流密度下降，所以可以說低電流化實(shí) 現(xiàn)。另外，當(dāng)采用將記錄層17的非磁性層從Co改變成Co訓(xùn)Fe2o的 Aulnm/Co80Fe200.5nm/Pdlnm/Co80Fe200.5nm的構(gòu)成，磁化朝卜列從反 平行到平行的反轉(zhuǎn)電流密度為2.7MA/cm2,從平行到反平行的反轉(zhuǎn)電 流密度是6.1MA/cm2。其中，根據(jù)I-H相圖不施加電流時(shí)的頑磁力是 1.8kOe。如源于阻尼常數(shù)的預(yù)想那樣，因?yàn)閷⒋判詫訌腃o設(shè)成 Co8。Fe2Q —方用頑磁力經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的電流密度下降，所以可以"說低電
流化實(shí)現(xiàn)。根據(jù)以上說明，通過作為非磁性材料利用Au、作為磁性材料利 用CoFe而形成人工晶格，并將此人工晶格用于記錄層，就能夠?qū)崿F(xiàn) 可以低電流密度的自旋注入反轉(zhuǎn)的GMR元件。其次，發(fā)明者等人為了實(shí)現(xiàn)高的磁阻比，而用圖6那樣的MTJ 構(gòu)造進(jìn)行了銳意研究。圖6的層狀結(jié)構(gòu)是在帶熱氧化膜Si襯底ll上 順次形成了膜厚5nm左右的Ta作為與基底層14的粘合層13，膜厚 3nm左右的Co4。Fe4()B2()作為基底層14、膜厚0.5nm左右的MgO、膜 厚20nm左右的TiN、以及膜厚3nm左右的Pd。在基底層14上順次 形成了膜厚10nm左右的FePtB作為參照層15、膜厚2nm左右的 Co4。Fe4()B2()。 FePtB以400。C進(jìn)行了加熱成膜。在參照層15上順次形 成了膜厚lnm左右的MgO作為隧道壁壘層16，后述的人工晶格組成 的記錄層17、膜厚5nm左右的Ru作為保護(hù)層18。元件加工之際所 需要的硬膜19上形成了膜厚100nm左右的Ta。記錄層17由膜厚lnm左右的CoFeB與膜厚lnm左右的Pd、進(jìn) 而將膜厚0.3nm左右的Co與膜厚lnm左右的Pd經(jīng)過2周期層疊的 人工晶格[Pdlnm/Co0.3nml2/Pdlnm/CoFeBlnm所構(gòu)成。具體而言， 記錄層17是將膜厚lnm左右的CoFeB作為第1磁性層17A-l，將膜 厚lnm左右的Pd作為第1非磁性層17B-l，將膜厚0.3nm左右妁Co 作為第2磁性層17A-2、將膜厚lnm左右的Pd作為第2非磁性層 17B-2、將膜厚0.3nm左右的Co作為第3磁性層17A-3、將膜厚lnm 左右的Pd作為第3非磁性層17B-3按順序經(jīng)過層疊的人工晶格。作為隧道壁壘層16采用具有NaCl構(gòu)造，且在(100)面上取向的 絕緣體。為了實(shí)現(xiàn)高的磁阻比，作為隧道壁壘層16的MgO在(IOO) 面上取向被認(rèn)為是重要的。MgO具有NaCl構(gòu)造。作為記錄層17的 形成工序，在參照層15、隧道壁壘層16形成后，形成作為記錄層17 最初的磁性層17A-1的CoFeBlnm，并進(jìn)行300。C、 2小時(shí)的真空中 退火、以使CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)的結(jié)晶方位的關(guān)系形成 而實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R比。然后，在此退火處理后由構(gòu)成人工晶格的非磁性材料再次進(jìn)行形成。在這樣所構(gòu)成的MT J構(gòu)造中能夠?qū)崿F(xiàn)MR比100% 。 雖然希望CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)的結(jié)晶取向性遍及膜全 體而實(shí)現(xiàn)，但也可以在加大MR比不使之劣化的范圍包含有例如取向 面不同的結(jié)晶粒或?qū)盈B欠缺等取向性相異的部位。另外，同樣地記錄層17由膜厚lnm左右的CoFeB與膜厚lnm 左右的Pd、進(jìn)而將膜厚0.3nm左右的Co8oFe2()與膜厚lnm左右的 Pd-Au 合金經(jīng)過 2 周期層疊的人工晶格 [Pd-Aulnm/CoFe0.3nm2/Pdlnm/CoFeBlnm所構(gòu)成。具體而言，記 錄層17是由將膜厚lnm左右的CoFeB作為第1磁性層17A-l、將膜 厚lnm左右的Pd作為第1非磁性層17B-l、將膜厚0.3nm左右的 Cos()Fe2。作為第2磁性層17A-2、將膜厚lnm左右的Pd-Au合金作為 第2非磁性層17B-2、將膜厚0.3nm左右的Cos。Fe2。作為第3磁性層 17A-3、將膜厚lnm左右的Pd-Au合金作為第3非磁性層17B-3按順 序經(jīng)過層疊的人工晶格所構(gòu)成。在這樣所構(gòu)成的MTJ構(gòu)造中能夠?qū)?現(xiàn)MR比90%。上述的記錄層17作為相接于隧道壁壘層16的磁性層而形成 CoFeBlnm以實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R比，所以在釆用Au作為非磁性層的情況下， 很難實(shí)現(xiàn)垂直磁各向異性。為此，在CoFeB上的非磁性層中采用Pd。 另外，其上的非磁性層為了阻尼常數(shù)的進(jìn)一步降低，而采用添加了 50at%Pd的Au-Pd合金。即，單單用Co/Au來實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R比很難， 必須適當(dāng)?shù)卦O(shè)定構(gòu)成人工晶格的各磁性材料與膜厚、以及非磁性材料 與膜厚。此外，作為在與中間層(隧道壁壘層)相接的磁性層(在上述例中為 CoFeB)上相接的非磁性層，并不限于Pd還可以使用Pd-Au合金。在 此情況下，使相接于該磁性層的非磁性層中的Pd-Au合金的Pd組成 大于不相接的非磁性層中的Pd-Au合金的Pd組成即可。例如，能夠 將相接于上述磁性層的非磁性層的Pd組成設(shè)為20at。/。以上90at。/o以 下的范圍，將不相接的非磁性層的Pd組成設(shè)為10at。/。以上55at。/o以 下的范圍。在這種范圍中也可以一邊保持垂直磁各向異性一邊實(shí)現(xiàn)所希望的MR比。為了實(shí)現(xiàn)較高的磁阻比，希望相接于隧道壁壘層16的第l磁性 層17A-1具有立方晶構(gòu)造或正方晶構(gòu)造，且在(100)面上取向。為此， 第1磁性層17A-1在CoFe合金中添加硼(B)而構(gòu)成。若硼(B)的濃度 過多則垂直磁各向異性就會(huì)劣化，所以最好是30at。/。以下。具體而言， 若考慮上述的鐵(Fe)的濃度，則第l磁性層17A-1由包含鈷(Co)、鐵 (Fe)、及硼(B)的合金(Co則-x-Fex)K)o-yBy組成，并設(shè)定成x^20at。/。、 0<y^30at%。為了兼顧垂直磁各向異性的確保和高M(jìn)R比，相接于隧道壁壘 層16的第1磁性層17A-1被設(shè)定得大于不相接于隧道壁壘層16的磁 性層(17A-2、 17A-3)的膜厚。具體而言，最好是一邊滿足上述關(guān)系， 一邊根據(jù)垂直磁各向異性和高M(jìn)R比的觀點(diǎn)使相接于隧道壁壘層16 的第1磁性層17A-1的膜厚為0.5至1.5nm左右。不相接于隧道壁壘 層16的磁性層(17A-2、 17A-3)的膜厚根據(jù)垂直磁各向異性及阻尼常數(shù) 的平衡而進(jìn)行適宜調(diào)整即可，但最好是處于0.2至lnm的范圍。若非 磁性層(17B-1、 17B-2、及17B-3)的膜厚過厚為2nm以上則磁性材料 彼此的交換結(jié)合就會(huì)變?nèi)醵焕硐耄詈檬?.5至1.5nm左右。[2磁阻元件(MTJ元件)能夠采用由前述的人工晶格所構(gòu)成的記錄層17，而構(gòu)成在存儲(chǔ) 器等中所使用的MTJ(Magnetic Tunnel Junction)元件10。以下就將 由人工晶格所構(gòu)成的記錄層17應(yīng)用于MTJ元件的實(shí)施方式進(jìn)行說 明。2-1單管腳構(gòu)造圖7是與第1實(shí)施方式有關(guān)的單管腳構(gòu)造的MTJ元件10的概略 圖。圖7中的箭頭表示磁化方向。此外，單管腳構(gòu)造是指記錄層與參 照層隔著中間層而層疊的構(gòu)造。如圖7所述那樣，MTJ元件IO是具有磁性體所組成的參照層(也 稱之為卡定層)15、磁性體所組成的記錄層(也稱之為自由層)17、和夾 在參照層15與記錄層17之間的中間層(非磁性層)16的層狀結(jié)構(gòu)。而
且，參照層15及記錄層17具有垂直磁各向異性，是參照層15及記 錄層17的磁化方向相對(duì)于膜面朝向垂直方向的、所謂的垂直磁化型 的MTJ元件IO。另外，參照層15其磁化(或者自旋)的方向被固定。 記錄層17其磁化方向可以變化(反轉(zhuǎn))。MTJ元件10其非磁性層16是絕緣體，具有TMR(Tunneling Magnetoresistive)效應(yīng)。在這里，在非磁性層16為絕緣體的情況下采 用氧化鎂(MgO)、氧化鋁(AIOJ等。在非磁性層16為金屬的情況下是 GMR元件，具有GMR(Giant Magnetoresistive)效應(yīng)。在非磁性層16 為金屬的情況下采用金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等。在本實(shí)施方式中， 在非磁性層16為金屬的情況下，如前述那樣Au最為理想。通過在非 磁性層16中釆用An，就能夠降低阻尼常數(shù)，而且可以降低反轉(zhuǎn)電流 密度。(動(dòng)作)MTJ元件IO是自旋注入型的磁阻元件。從而，在對(duì)MTJ元件 IO寫入數(shù)據(jù)，或者從MTJ元件IO讀出數(shù)據(jù)的情況下，MTJ元件IO 在垂直于膜面(或者層疊面)的方向上，雙方向進(jìn)行電流通電。另外， MTJ5元件10其2個(gè)磁性層(記錄層17以及參照層15)的磁化排列采 用平行(Parallel)排列、或者反平行(Anti-Parallel)排列。通過使根據(jù)這 些磁化排列而變化的MTJ元件10的阻值對(duì)應(yīng)于"0"、 "1"的信息，就 能夠?qū)TJ元件IO用作存儲(chǔ)元件。具體而言，在從參照層15側(cè)供給了電子(即從參照層15朝向記 錄層17的電子)的情況下，在與參照層15的磁化方向相同的方向上經(jīng) 過自旋偏極的電子被注入記錄層17。在此情況下，記錄層17的磁化 方向一致于與參照層15的磁化方向相同的方向。由此，參照層15與 記錄層17的磁化方向成為平行排列。在此平行排列時(shí)MTJ元件10 的阻值變得最小，將這一情況例如規(guī)定為數(shù)據(jù)"O"。另一方面，在從記錄層17側(cè)供給了電子(即從記錄層17朝向參 照層15的電子)的情況下，通過由參照層15進(jìn)行反射而在與參照層 15的磁化方向相反的方向上經(jīng)過自旋偏極的電子,皮注入記錄層17。
在此情況下，記錄層17的磁化方向一致于與參照層15的磁化方向相 反的方向。由此，參照層15與記錄層17的磁化方向成為反平行排列。 在此反平行排列時(shí)MTJ元件10的阻值變得最大，將這一情況例如規(guī) 定為數(shù)據(jù)"l"。 (磁性材料)在MTJ元件10中，通過使用磁化反轉(zhuǎn)電流較大的磁性層作為參 照層15，使用磁化反轉(zhuǎn)電流比參照層15小的磁性層作為記錄層17， 就能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的MTJ元件10。在通過自旋偏極電流而引充磁化 反轉(zhuǎn)的情況下，由于該反轉(zhuǎn)電流與飽和磁化、各向異性磁場(chǎng)、以及體 積成比例，所以能夠?qū)λ鼈冞m當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào)整，在記錄層17與參照層 15的反轉(zhuǎn)電流上賦予差。在本實(shí)施方式中，雖然記錄層17用人工晶格而構(gòu)成，但參照層 15能夠從下述所示的材料適宜選擇。作為構(gòu)成用來實(shí)現(xiàn)垂直磁化的參 照層15的磁性材料，例如希望是具有5xl05erg/cc以上的結(jié)晶磁各向 異性能量密度的材料，下面列舉具體例子。(1) 無序晶格結(jié)構(gòu)合金無序晶格結(jié)構(gòu)合金由以鈷(Co)為主成分，包含鉻(Cr)、鉭(Ta)、 鈮(Nb)、釩(v)、鵠(W)、鉿(Hf)、鈥(Ti)、鋯(Zr)、柏(Pt)、 4巴(Pd)、 鐵(Fe)、以及鎳(Ni)之中一個(gè)以上的元素的合金所構(gòu)成。例如，可列 舉CoCr、 CoPt、 CoCrTa、 CoCrPt、 CoCrPtTa、 CoCrNb等。這些 合金能夠使非磁性元素的比例增加以對(duì)磁各向異性能量密度、飽和磁 化進(jìn)行調(diào)整。(2) 有序晶格結(jié)構(gòu)合金有序晶格結(jié)構(gòu)合金由鐵(Fe)、鈷(Co)、以及鎳(Ni)之中一個(gè)以上 的元素和鈀(Pd)、以及鉑(Pt)之中一個(gè)以上的元素所構(gòu)成，且結(jié)晶構(gòu) 造為L(zhǎng)l。構(gòu)造的強(qiáng)磁性合金(有序晶格結(jié)構(gòu)合金)。例如可列舉Fe5 Pt50、 Fe50Pd5。、 Co50Pt5。、 Fe30Ni2。Pt5。、 Co3。Fe2。Pt50、 Co3。Ni2。Pt50。此外， 這些有序晶格結(jié)構(gòu)合金并不限定于上述組成比。在這些有序晶格結(jié)構(gòu) 合金中能夠添加Cu(銅)、鉻(Cr)、銀(Ag)等雜質(zhì)元素或者其合金、絕
緣物以對(duì)磁各向異性能量密度、飽和磁化較低地進(jìn)行調(diào)整。(3) 人工晶格人工晶格還能夠?qū)Υ鸥飨虍愋阅芰棵芏?、飽和磁化適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行調(diào) 整而用作參照層。能夠采用鐵(Fe)、鈷(Co)、以及鎳(Ni)之中一個(gè)以上 的元素或者包含一個(gè)元素的合金，和鉻(Cr)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、 鐒(Rh)、釕(Ru)、鋨(Os)、錸(Re)、金(Au)、以及銅(Cu)之中一個(gè)元 素或者包含一個(gè)元素的合金交互地經(jīng)過層疊的構(gòu)造。例如可列舉 Co/Pt、 Co/Pd、 CoCr/pt、 Co/Ru、 Co/Os、 Co/Au、 Ni/Cu等人工晶 格。這些人工晶格能夠通過調(diào)整元素向磁性層的添加、或者磁性層與 非磁性層的膜厚比，對(duì)磁各向異性能量密度、飽和磁化進(jìn)行調(diào)整。(4) 亞鐵磁性體作為亞鐵磁性體采用稀土族金屬與過渡性金屬的合金。具體而言 采用鋱(Tb)、鏑(Dy)、或者禮(Gd)、和過渡性金屬之中一個(gè)以上的元 素組成的非晶態(tài)合金。作為這種亞鐵磁性體，例如可列舉TbFe 、 TbCo 、 TbFeCo、 DyTbFeCo、 GdTbCo等。這些合金能夠通過調(diào)整組成以對(duì) 磁各向異性能量密度、飽和磁化進(jìn)行調(diào)整。此外，磁性層還可以采取通過非磁性體部進(jìn)行偏析而使磁性體部 與非磁性體部分離的構(gòu)造。例如還可以將氧化硅(Si02)、氧化鎂 (MgO)、氮化硅(SiN)、碳化硅(Sic)等氧化物、氮化物、碳化物作為非 磁性體部，也可以是例如Cr濃度較大為25at。/。以上的非磁性CoCr 合金那樣的合金。另外，還可以采取在MTJ元件10的非磁性層16上相接的磁性 層(記錄層17、參照層15)的界面，作為高分極率材料配置鐵(Fe)、鈷 (Co)、及鎳(Ni)之中一個(gè)以上的元素或者包含一個(gè)元素的合金組成的 磁性金屬層，以使磁阻比上升的構(gòu)成。其中，由于通常此磁性金屬層 在單層為面內(nèi)磁化，所以為了無損垂直磁化的穩(wěn)定性，就有必要調(diào)整 與磁性金屬層上層疊的垂直磁各向異性材料的磁性膜厚比，除此以外，還可以是記錄層17及參照層15分別由層疊了磁性層 的構(gòu)造所組成，其一方的磁性層是磁性體分散的、所謂的顆粒構(gòu)造。 以下，就單管腳構(gòu)造的MTJ元件10的具體例進(jìn)行說明。 (a)具體例1-1具體例1-1的MTJF元件10其參照層15及記錄層17分別由人 工晶格所構(gòu)成。圖8是表示與具體例1-1有關(guān)的MTJ元件10構(gòu)成的 截面圖。如圖8所述那樣，MTJ元件10在帶熱氧化膜Si襯底ll上順次 形成了膜厚5nm左右的Ta作為與基底層14的粘合層13，膜厚10nm 左右的Ru作為基底層14，在基底層14上作為參照層15將膜厚lnm 左右的Pt與膜厚0.3nm左右的Co經(jīng)過8周期層疊，將第9周期的磁 性層設(shè)為膜厚 1.5nm 左右的 CoFeB 的人工晶格 CoFeB1.5nm/Ptlnm/Co0.3nm/Ptlnin18、膜厚lnm左右的MgO作為 隧道壁壘層16、作為記錄層17將膜厚0.5nm左右的CosoFe5。與膜厚 lnm左右的Pd、進(jìn)一步將膜厚0.3nm左右的Co8()Fe2o與膜厚lnm左 右的 Pd 經(jīng)過 2 周期層疊的人工晶格 IPdlnm/CoFe0.3nm2/pdlnm/CoFe0.5nm、膜厚5nm左右的Ru作為 保護(hù)層18。在元件加工之際所需要的硬膜19上形成了膜厚100nm左 右的Ta。此外，粘合層13還作為下部電極發(fā)揮功能，硬膜19還作 為上部電極發(fā)揮功能。作為記錄層17的形成工序，在參照層15、隧道壁壘層16形成 后，形成記錄層17最初的磁性層CoFe0.5nm,并進(jìn)行300。C、 2小時(shí) 的真空中退火，使CoFe(100)/MgO(100)/CoFeB(100)的結(jié)晶方位的關(guān) 系形成以實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R比。然后，在此退火處理后，由構(gòu)成人工晶格的 非磁性材料再次開始形成。在這樣所構(gòu)成的具體例1-1的MTJ元件 10中能夠?qū)崿F(xiàn)MR比50%。上述的具體例1-1的構(gòu)成是相對(duì)于隧道壁壘層16，參照層15被 配置在下側(cè)(襯底側(cè))、記錄層17被配置在上側(cè)的、所謂的底管腳 (bottom pin)構(gòu)造。還可以把與具體例1-1同樣的構(gòu)成作為相對(duì)于隧道 壁壘層16，參照層15被配置在上側(cè)、記錄層17被配置在下側(cè)(村底 側(cè))的、所謂的頂管腳(t叩pin)構(gòu)造。
底管腳構(gòu)造、頂管腳構(gòu)造都可以為了在一方向上固定參照層15， 而鄰接設(shè)置反強(qiáng)磁性層。作為此反強(qiáng)磁性層，能夠采用錳(Mn)、與鐵 (Fe)、鎳(Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、釕(Ru)、鋨(Os)或者銥(Ir)的合金即 FeMn、 NiMn、 PtMn、 PtPdMn、 RuMn、 OsMn、 IrMn等。(b)具體例1-2具體例1-2的MTJ元件10，除具體例1-1的參照層15為L(zhǎng)l0 構(gòu)造的FePt有序晶格結(jié)構(gòu)合金以外，是與具體例l-l大致同樣的構(gòu)成。MTJ元件10是在帶熱氧化膜Si襯底11上作為與基底層14的 粘合層13將膜厚10nm左右的Ta、在基底層14上作為參照層15將 膜厚10nm左右的FePtB和為了使磁阻比增加而將膜厚2nm左右的 Co4oFe4oB2。層疊起來的構(gòu)成。參照層15的FePtB —邊進(jìn)行400'C的襯 底加熱一邊形成。在參照層15上作為隧道壁壘層16將膜厚lnm左右 的MgO、作為記錄層17將膜厚lnm左右的Co4()Fe4()B2。與膜厚lnm 左右的Pd、進(jìn)而將膜厚0.3nm左右的Cos。Fe2。與膜厚lnm左右的Pd 經(jīng)過2周期層疊的人工晶格[Pdlnm/CoFe0.3nm2/pdlnm/ CoFeBlnm、作為保護(hù)層18將膜厚5nm左右的Ru順次進(jìn)行了形成。 在元件加工之際所需要的硬膜19上形成了膜厚100nm的Ta。作為記錄層17的形成工序，在參照層15、隧道壁壘層16形成 后，形成記錄層17最初的磁性層CoFelnm，并進(jìn)行300'C、 2小時(shí)的 真空中退火，使CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)的結(jié)晶方位的關(guān)系 形成以實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R比。然后，在此退火處理后，由構(gòu)成人工晶格的非 磁性材料再次開始形成。在這樣所構(gòu)成的具體例1-2的MTJ元件10中能夠?qū)崿F(xiàn)MR比 90%。另外，通過在參照層15上采用具有Ll。構(gòu)造的有序晶格結(jié)構(gòu)合 金，就可以構(gòu)成具有良好的垂直磁各向異性的參照層15。[2-2雙管腳構(gòu)造圖9是與第1實(shí)施方式有關(guān)的雙管腳構(gòu)造的MTJ元件10的概略 圖。此外，雙管腳構(gòu)造是指在記錄層的兩側(cè)分別隔著中間層配置了 2 個(gè)參照層的構(gòu)造。
如圖9所述那樣，MTJ元件10是具有磁性體所組成的記錄層17; 磁性體所組成的第1及第2參照層15、 22;被夾在記錄層17及第1 參照層15間的中間層(非磁性層)16、被夾在記錄層17及第2參照層 22間的中間層(非磁性層)21的層狀結(jié)構(gòu)。而且，是參照層15、 22及 記錄層17的磁化方向相對(duì)于膜面朝向垂直方向的、所謂的垂直磁化 型的MTJ元件10。在這里，第1以及第2參照層15、 22是磁化朝向 相反方向的反平行排列。作為非磁性層16、 21采用氧化鎂(MgO)、氧化鋁(AlOx)等絕緣 體、及金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等金屬或者它們的合金。在本實(shí)施方 式中，在非磁性層為金屬的情況下，Au最為理想。通過在非磁性層 上采用Au就可以降低反轉(zhuǎn)電流密度。在這里，在雙管腳構(gòu)造的MTJ元件10中，夾著非/磁性層16的 2個(gè)磁性層(記錄層17及參照層15)、以及夾著非磁性層21的2個(gè)磁 性層(記錄層17及參照層22)采取平行或者反平行排列。但是，在作 為MTJ元件IO全體來看的情況下，由于平行排列與反平行排列同時(shí) 存在，所以需要在經(jīng)由非磁性層16、 21的MR比上設(shè)置差。從而，在將非磁性層16作為隧道壁壘層，將非磁性層21作為金 屬(間隔層)的情況下，隧道壁壘層16上產(chǎn)生的MR比一方就會(huì)比非磁 性層21上產(chǎn)生的MR比變大。從而，使夾著隧道壁壘層16的2個(gè)磁 性層(記錄層17及參照層15)的磁化排列對(duì)應(yīng)于"0"、 "1"的信息。此外，作為記錄層17及參照層15、 22的材料能夠采用與上述單 管腳構(gòu)造同樣的材料。(動(dòng)作)就雙管腳構(gòu)造的MTJ元件10的動(dòng)作進(jìn)行說明。在對(duì)MTJ元件 IO寫入數(shù)據(jù)、或者從MTJ元件IO讀出數(shù)據(jù)的情況下，MTJ元件IO 在垂直于膜面(或者層疊面)的方向上，雙方向進(jìn)行電流通電。在從參照層15側(cè)供給了電子(即從參照層15朝向記錄層17的電 子)的情況下，在與參照層15的磁化方向相同的方向上經(jīng)過自旋偏極 的電子、和通過由參照層22進(jìn)行反射而在與參照層22的磁化方向相 反的方向上經(jīng)過自旋偏極的電子被注入記錄層17。在此情況下，記錄 層17的磁化方向一致于與參照層15的磁化方向相同的方向。由此， 參照層15與記錄層17的磁化方向成為平行排列。在此平行排列時(shí) MTJ元件10的阻值變得最小，將這一情況例如規(guī)定為數(shù)據(jù)"O"。另一方面，在從參照層22側(cè)供給了電子(即從參照層22朝向記 錄層17的電子)的情況下，在與參照層22的磁化方向相同的方向上經(jīng) 過自旋偏極的電子、和通過由參照層15進(jìn)行反射而在與參照層15的 磁化方向相反的方向上經(jīng)過自旋偏極的電子被注入記錄層17。在此情 況下，記錄層17的磁化方向一致于與參照層15的磁化方向相反的。 在此反平行排列時(shí)MTJ元件10的阻值變得最大，將這一情況例如規(guī) 定為數(shù)據(jù)"l"。這樣，通過將MTJ元件10i殳成在記錄層17的兩側(cè)配置了參照 層15、 22的雙管腳構(gòu)造，就能夠更加利用自旋偏極電子的反射效應(yīng)， 能夠比單管腳構(gòu)造還進(jìn)一 步降低磁化反轉(zhuǎn)電流。以下，就雙管腳構(gòu)造的MTJ元件10的具體例進(jìn)行說明。(a)具體例2-1具體例2-1的MTJ元件10是參照層15、 22、以及記錄層17分 別由人工晶格所構(gòu)成。圖IO是表示與具體例2-l有關(guān)的MTJ元件10 的構(gòu)成的截面圖。MTJ元件IO在帶熱氧化膜Si襯底11上依次形成了作為與基底 層14的粘合層13將膜厚5nm左右的Ta、作為基底層14將膜厚10nm 左右的Ru、在基底層14上作為參照層15將膜厚lnm左右的Pd與 膜厚0.3nm左右的Co經(jīng)過8周期層疊，將第9周期的磁性層設(shè)為膜 厚 1.5nm左右的 CoFeB 的人工晶格CoFeB1.5nm/Pdlnm/ [Co0.3nm/Pdlnm8、作為隧道壁壘層16將膜厚lnm左右的MgO、 作為記錄層17將膜厚lnm左右的Co4。Fe4。B2。與膜厚lnm左右的Pd、 進(jìn)而將膜厚0.3nm左右的Co8QFe2。與膜厚lnm左右的Pd經(jīng)過2周期 層疊的人工晶格[Pdlnm/CoFe0.3nml2/Pdlnm/CoFeBlnm。作為記錄層17的形成工序，在參照層15、隧道壁壘層16形成
后，形成記錄層17最初的磁性層CoFeBlnm，并進(jìn)行300'C、 2小時(shí) 的真空中退火，使CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)的結(jié)晶方位的關(guān) 系形成以實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R比。在此退火處理后，將構(gòu)成人工晶格的膜厚lnm 左右的Pd、 [Pdlnm/CoFe0.3nml2順次形成。在記錄層17上依次形成了膜厚4nm左右的Au作為間隔層21， 作為參照層22將膜厚0.5nm左右的CoFe與膜厚lnm左右的Pt經(jīng)過 7周期層疊的人工晶格[CoFe0.5nm/Ptlnm7、作為保護(hù)層18將膜厚 5nm左右的Ru。在元件加工之際所需要的硬膜19上形成了膜厚 100nm左右的Ta。參照層22的頑磁力大于參照層15的頑磁力，可以利用此頑磁力 之差反平行地設(shè)定參照層15與參照層22的磁化排列。即，進(jìn)行2次 充磁即可。首先，通過第1次的磁場(chǎng)施加，參照層15的磁化和記錄 層17及參照層22的磁化在同一方向上排列。之后，第2次的磁場(chǎng)施 加與第1次反向進(jìn)行。第2次的施加磁場(chǎng)設(shè)定得大于參照層15的頑 磁力，小于參照層22的頑磁力。由此，相對(duì)于參照層22的磁化方向， 記錄層17及參照層15的磁化為逆方向。這樣，就能夠?qū)崿F(xiàn)圖10所 示那樣的磁化排列。在具體例2-1的構(gòu)成中，經(jīng)由隧道壁壘層16的MgO的磁阻的變 化一方大于經(jīng)由間隔層21的Au的磁阻的變化，MTJ元件IO通過記 錄層17與參照層15的磁化排列、以及記錄層17與參照層22的磁化 排列來存儲(chǔ)信息。此外，還可以在記錄層17與隧道壁壘層16的界面、 以及記錄層17與間隔層21的界面，將分極率較大的磁性材料作為界 面層來設(shè)置。另夕卜，還可以將間隔層21用例如氧化鎂(MgO)或氧化鋁 (AlOx)那樣的絕緣體來構(gòu)成。在此情況下，只要使間隔層21的電阻及 MR比小于隧道壁壘層16，在動(dòng)作上就沒有問題。同樣，在上述的MTJ元件IO之中，還可以將參照層22用膜厚 30nm左右的Tb3o(CosoFe2。)7。與膜厚2nm左右的Fe兩層來構(gòu)成。在這里，Tb24(C08。Fe2。)76為補(bǔ)償組成。在此情況下，參照層22是稀土族金屬(RE)的磁矩較大、即便與所層疊的Fe合起來作為全體RE的磁
矩也較大。在此情況下，通過在一方向上僅充磁一次，就能夠?qū)崿F(xiàn)與圖10的參照層15、 22的磁化排列同等的磁場(chǎng)排列。即，參照層22 的過渡性金屬(TM)的磁矩小于RE的磁矩，過渡性金屬(TM)的磁矩與 RE的磁矩朝向相反，所以參照層22的磁化朝向所充磁的方向的反向。除此以外，參照層15、 22能夠如具體例1-1及1-2所述那樣， 從有序晶格結(jié)構(gòu)合金、無序晶格結(jié)構(gòu)合金、人工晶格、亞鐵磁性體等 進(jìn)行適宜選擇。此外，為了將參照層15、 22的磁化固定于一方向，還可以鄰接 設(shè)置反強(qiáng)磁性層。作為該反強(qiáng)磁性層能夠使用錳(Mn)和鐵(Fe)、鎳 (Ni)、鉑(Pt)、鈀(Pd)、釕(Ru)、鋨(Os)、或者銥(Ir)的合金即FeMn、 NiMn、 PtMn、 PtPdMn、 RuMn、 OsMn、 IrMn等。(b)具體例2-2具體例2-2的MTJ元件10由具有參照層15為L(zhǎng)l。構(gòu)造的FePt 有序晶格結(jié)構(gòu)合金所構(gòu)成，另外，在下側(cè)(襯底側(cè))具有TMR構(gòu)造， 在上側(cè)具有GMR構(gòu)造。圖11是表示與具體例2-2有關(guān)的MTJ元件 10的構(gòu)成的截面圖。MTJ元件10在帶熱氧化膜Si襯底11上依次形成了膜厚10nm 左右的Ta作為與基底層14的粘合層13;膜厚10nm左右的Ru作為 基底層14;在基底層14上將膜厚10nm左右的FePtB作為參照層15; 膜厚2nm左右的Co4oFe4。B2Q作為使磁阻比增加的界面層15A;膜厚 2nm左右的MgO作為隧道壁壘層16;作為記錄層17膜厚lnm左右 的CoFeB與膜厚lnm左右的Pd、進(jìn)而將膜厚0.3nm左右的Co8。Fe20 與膜厚lnm左右的Pd經(jīng)過2周期層疊的人工晶格 [Pdl誰(shuí)/CoFe0.3謹(jǐn)I2/Pdl證/CoFeBl畫。此外，由于參照層15與界面層15A交換結(jié)合，所以它們作為1 個(gè)磁性層(參照層)來動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)高的磁阻比，希望與隧道壁壘層 16相接的界面層15A具有立方晶構(gòu)造或者正方晶構(gòu)造，且在(100)面 上取向。為此，界面層15A在CoFe合金中添加硼(B)而構(gòu)成。若硼(B) 的濃度過多則垂直磁各向異性就會(huì)劣化，所以最好是30at。/。以下。具
體而言，界面層15A由包含鈷(Co)、鐵(Fe)、及硼(B)的合金(Co則.x 一 Fex)K^yBy組成，并設(shè)定成x^20at。/。、 0<y^30at%。作為記錄層17的形成工序，在參照層15、界面層15A、隧道壁 壘層16形成后，形成記錄層17最初的磁性層CoFeBlnm，進(jìn)行300°C 、 2小時(shí)的真空中退火，使CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)的結(jié)晶方 位的關(guān)系形成以實(shí)現(xiàn)高M(jìn)R比。在此退火處理后，順次形成膜厚lnm 左右的Pd、 [Pdlnm/CoFe0.3nm12。在記錄層17上順次形成了膜厚4nm左右的Au作為間隔層21， 將膜厚lnm左右的Pt與膜厚(Unm左右的Co經(jīng)過7周期層疊的人 工晶格Co0.3nm/Ptlnm7作為參照層22、膜厚5nm左右的Ru作為 保護(hù)層18。在元件加工之際所需要的硬膜19上順次形成了膜厚35nm 左右的Ru與膜厚60nm左右的Ta。這樣，通過使用具有Ll。構(gòu)造的強(qiáng)磁性合金(有序晶格結(jié)構(gòu)合金) 作為參照層15，就可以構(gòu)成具有良好的垂直磁各向異性的參照層15。 另外，還可以將參照層22用具有Llo構(gòu)造的有序晶格結(jié)構(gòu)合金來構(gòu) 成。進(jìn)而，為了將參照層15、 22的磁化固定于一方向上，還可以鄰 接設(shè)置反強(qiáng)磁性層。(c)具體例2-3具體例2-3的MTJ元件IO是具有隧道壁壘層的TMR構(gòu)造被配 置在上側(cè)、具有間隔層的GMR構(gòu)造被配置在下側(cè)(襯底側(cè))的構(gòu)成。 圖12是表示與具體例2-3有關(guān)的MTJ元件10的構(gòu)成的截面圖。與具體例2-1同樣地直到參照層15形成后，依次形成了膜厚4nm 左右的Au作為間隔層16;膜厚0.5nm左右的CoFe與膜厚lnm左右 的Au-Pd和膜厚lnm左右的Co4。Fe4oB2o作為記錄層17。在記錄層17 上形成膜厚lnm左右的MgO作為隧道壁壘層21，隧道壁壘層21以 后的構(gòu)成是順次形成了與具體例2-1同樣的構(gòu)成。參照層15、 22如具體例1-1及1-2所述那樣，能夠從有序晶格 結(jié)構(gòu)合金、無序晶格結(jié)構(gòu)合金、人工晶格、亞鐵磁性體等適宜選擇。 此外，為了將參照層15、 22的磁化固定于一方向，還可以與它們鄰
接而設(shè)置反強(qiáng)磁性層。(d) 具體例2-4具體例2-4的MTJ元件10是中間層(非磁性層)16及21由絕緣 體組成，下側(cè)(襯底側(cè))與上側(cè)均為TMR構(gòu)造。圖13是表示具體例2-4 的MTJ元件10的構(gòu)成的截面圖。具體例2-4的MTJ元件10除非磁 性層21為絕緣體、以及將參照層22采取CoFeB與TbCoFe的層狀構(gòu) 成以外，與具體例2-2相同。與具體例2-2相同地直到記錄層17形成后，在記錄層17上依次 形成了膜厚lnm左右的MgO作為隧道壁壘層21;膜厚2nm左右的 Co40Fe40B20與膜厚30nm左右的Tb30(Co80Fe20)7Q的層狀構(gòu)成作為參照層22。在這里，Tb24(COs。Fe2。)76是補(bǔ)償組成。在參照層22上順次形成了膜厚5nm左右的Ru作為保護(hù)層18; 膜厚35nm左右的Ru與膜厚60nm左右的Ta作為在元件加工之際所 需要的硬膜19。另外，為了將參照層15、 22的磁化固定于一方向， 還可以與它們鄰接而設(shè)置反強(qiáng)磁性層。在具體例2-4的MTJ元件10中，隧道壁壘層16為膜厚2nm左 右的MgO，另一方面，隧道壁壘層21的MgO，膜厚為lnm，電阻 差較大、磁阻比是隧道壁壘層16為支配性的。(e) 具體例2-5圖14是表示具體例2-5的MTJ元件10的構(gòu)成的截面圖。具體 例2-5的MTJ元件10 ， 除參照層22為 SAF(Synthetic Anti-Ferromagnet)構(gòu)造以外是與具體例2-1同樣的構(gòu)成，TMR構(gòu)造 -故配置在下側(cè)(襯底側(cè))、GMR構(gòu)造被配置在上側(cè)。SAF構(gòu)造是2個(gè) 磁性層以反強(qiáng)磁性的方式進(jìn)行了交換結(jié)合的構(gòu)造。參照層22是由第1 磁性層22-1、第2磁性層22-3、被夾在第1及第2磁性層22-1、 22-3 間的非磁性層22-2組成，第1及第2磁性層22-1、 22-3以反強(qiáng)磁性 的方式進(jìn)行了交換結(jié)合的SAF構(gòu)造。在此情況下，由于第1及第2磁性層22-1、 22-3的磁化排列為 反平行，所以來自第l及第2磁性層22-l、 22-3的泄漏磁場(chǎng)抵消，結(jié)
果就具有降低參照層22的泄漏磁場(chǎng)的效應(yīng)。另外，經(jīng)過交換結(jié)合的 磁性層，作為體積增加的效應(yīng)，而使熱干擾耐性提高。作為非磁性層 22-2的材料，可列舉釕(Ru)、鋨(Os)、錸(Re)、及鐒(Rh)之中一個(gè)元 素或者包含一個(gè)以上的元素的合金。以下，就具體例2-5的MTJ元件10的層構(gòu)成進(jìn)行說明。從襯底 11至記錄層17是與具體例1-1同樣的構(gòu)成。在記錄層17上作為間隔層21形成膜厚4nm左右的Au后，參 照層22形成了將膜厚lnm左右的Pt與膜厚0.3nm左右的Co經(jīng)過4 周期層疊的人工晶格[Pt/Co4作為第l磁性層22-1后，為了實(shí)現(xiàn)反強(qiáng) 磁性的交換結(jié)合，形成膜厚0.9nm左右的Ru作為非磁性層22-2，并 形成了將膜厚0.3nm左右的Co與膜厚lnm左右的Pt經(jīng)過5周期層 疊的人工晶格[Co/Pt5作為第2磁性層22-3。此外，即便在第1及第2磁性層22-1、 22-3由RE-TM合金的亞 鐵磁性體組成的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)反強(qiáng)磁性結(jié)合。在此情況下，還 可以未必使用非磁性層22-2。利用圖15及圖16來說明其一例。RE-TM合金處于稀土族金屬(RE)的磁矩與過渡性金屬(TM)的 磁矩以反強(qiáng)磁性的方式進(jìn)行了結(jié)合的狀態(tài)。可知在層疊了 RE-TM合 金的情況下，RE彼此、TM彼此強(qiáng)磁性地進(jìn)行結(jié)合。在此情況下， 由于RE及TM的磁矩相互抵消，所以作為RE-TM合金的磁矩能夠 通過組成來進(jìn)行調(diào)整。例如，如圖15所述那樣，在RE的磁矩41大于TM的磁矩42 的RE-TM合金層22-1的情況下，殘余的磁矩43成為與RE的磁矩 41相同的方向。若在此RE-TM合金層22-1上層疊RE的磁矩44大 于TM的磁矩45的RE-TM合金層22-3，貝'J RE的磁矩41、 44彼此、 TM的磁矩42、 45彼此分別為同一朝向，2個(gè)RE-TM合金層22-1、 22~3的磁矩43、 46朝向同一方向，成為平行的狀態(tài)。相對(duì)于此，如圖16所述那樣，在將RE的磁矩44小于TM的磁 矩45的RE-TM合金層22-3層疊于RE-TM合金層22-1上的情況下， 2個(gè)RE-TM合金層22-1、 22-3的磁矩43、 46成為反平行的狀態(tài)。 例如，Tb-Co合金其Tb為22at%， Tb的磁矩與Co的磁矩的大 小相同，是磁矩大致為零的所謂的補(bǔ)償組成。在層疊了膜厚10nm左 右的Tb2sC075與膜厚10nm左右的Tb2()Co8()的情況下，它們的磁矩為 反平行。利用這種形態(tài)，就能夠制作2個(gè)磁性層22-1、 22-3反平行地進(jìn) 行了結(jié)合的參照層22。例如，構(gòu)成參照層22的第1磁性層22-1由膜 厚15nm左右的Tl)26(Fe"C029)74組成，第2磁性層22-3由膜厚20nm左右的Tb22(Fe7!C029)78組成。在這里，Tb24(FenC029)76為補(bǔ)償組成。在這種構(gòu)成的MTJ元件10中，通過在一方向上僅充磁一次，就 能夠?qū)崿F(xiàn)與圖9所示的參照層15、 22的磁化排列相同的磁場(chǎng)排列。 即，參照層22的TM的磁矩小于RE的磁矩，TM的磁矩朝向與RE 的磁矩相反的方向，所以參照層22的磁化成為與所充磁的方向相反 的朝向。另夕卜，在第l及第2磁性層22-l、 22-3由RE-TM合金組成的情 況下，還可以在第1及第2磁性層22-1、 22-3間設(shè)置非磁性層22-2 以實(shí)現(xiàn)反強(qiáng)磁性結(jié)合。利用圖17及圖18來說明其一例。圖17所示的第1及第2磁性層22-1、 22-3的TM的磁矩42、 45 被認(rèn)為經(jīng)由非磁性層22-2進(jìn)行交換結(jié)合。同樣，圖18所示的第1及 第2磁性層22-1、22-3的TM的磁矩42、45被認(rèn)為經(jīng)由非磁性層22-2 進(jìn)行交換結(jié)合。例如，如圖17所述那樣，在采用使Co反強(qiáng)磁性地進(jìn)行結(jié)合的 金屬作為非磁性層22-2的情況下，使RE-TM合金層22-1的RE的磁 矩41大于TM的磁矩42，另 一方面，使RE-TM合金層22-3的RE 的磁矩44大于TM的磁矩45。即，在非磁性層22-2有助于反強(qiáng)磁性 結(jié)合的情況下，只要相同地設(shè)定TM的磁矩42及RE的磁矩41的大 小關(guān)系、和TM的磁矩45及RE的磁矩44的大小關(guān)系，TM與RE 的磁矩就相互抵消，磁矩43、 46成為反平行。此外，作為使Co反強(qiáng) 磁性地進(jìn)行結(jié)合的非磁性層22-2的材料，可列舉釕(Ru)、鋨(Os)、錸 (Re)、以及鐒(Rh)之中一個(gè)元素或者包含一個(gè)以上的元素的合金， 另外，如圖18所述那樣，在采用使Co強(qiáng)磁性地結(jié)合的金屬作 為非磁性層22-2的情況下，使RE-TM合金層22-1的RE的磁矩41 大于TM的磁矩42 ，使RE-TM合金層22-3的RE的磁矩44小于TM 的磁矩45。即，在非磁性層22-2有助于強(qiáng)磁性結(jié)合的情況下，只要 相反地設(shè)定TM的磁矩42及RE的磁矩41的大小關(guān)系、和TM的磁 矩45及RE的磁矩44的大小關(guān)系，TM與RE的磁矩就相互抵消， 磁矩43、 46成為反平行。此外，作為使Co強(qiáng)磁性地結(jié)合的非磁性層 22-2的材料，可列舉鉑(Pt)、及鈀(Pd)之中一個(gè)以上的元素或者包含 一個(gè)以上的元素的合金。除此以外，還可以將RE的磁矩大于TM的磁矩的RE-TM合金、 和以過渡性金屬為主成分的金屬或者合金進(jìn)行層疊而構(gòu)成參照層22。如以上詳述那樣在第1實(shí)施方式中，將記錄層17用磁性層與非 磁性層交互經(jīng)過層疊的人工晶格而形成。而且，將構(gòu)成記錄層17的 磁性層用包含鈷(Co)及鐵(Fe)的合金而形成，將構(gòu)成記錄層17的非磁 性層的至少一層用包含鈀(Pd)及金(Au)的合金而構(gòu)成。另外，將構(gòu)成 記錄層17的磁性層之中與隧道壁壘層16相接的磁性層17A-1用包含 鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)的合金而構(gòu)成，將與隧道壁壘層16相接的磁 性層的膜厚設(shè)定得大于與隧道壁壘層16不相接的磁性層的膜厚。由 此，就可以構(gòu)成能夠?qū)崿F(xiàn)垂直磁各向異性的確保、阻尼常數(shù)的降低(即 寫入電流的降低)、高磁阻比的記錄層17。另外，將MgO所代表的具有NaCl構(gòu)造的絕緣體作為隧道壁壘 層16來使用，在隧道壁壘層16與參照層15之間配置有用包含鈷(Co)、 鐵(Fe)及硼(B)的合金所構(gòu)成的界面層15A。由此，就能夠形成 CoFeB(100)/MgO(100)/CoFeB(100)的結(jié)晶方位的關(guān)系，所以可以實(shí)現(xiàn) 高的磁阻比。另夕卜，作為構(gòu)成記錄層17的磁性層，使用包含20at。/。以上鐵(Fe) 的濃度的Co-Fe合金。由此，就可以一邊維持記錄層17的垂直磁各 向異性一邊降低阻尼常數(shù)。另外，通過在參照層15上使用具有Ll。構(gòu)造的有序晶格結(jié)構(gòu)合
金，就可以構(gòu)成具有良好的垂直磁各向異性的參照層15。另外，在作為記錄層使用了上述人工晶格的情況下，在記錄層與參照層之間所設(shè)置的間隔層上使用金(Au)。由此，就能夠?qū)崿F(xiàn)可以低電流密度的自旋注入反轉(zhuǎn)的GMR構(gòu)造。第2實(shí)施方式第2實(shí)施方式就使用第1實(shí)施方式所示的MTJ元件10來構(gòu)成 MRAM時(shí)的例子進(jìn)4亍表示。圖19是表示與本發(fā)明的第2實(shí)施方式有關(guān)的MRAM的構(gòu)成的 電路圖。MRAM具備具有呈矩陣狀排列的多個(gè)存儲(chǔ)器單元MC的存 儲(chǔ)器單元陣列50。在存儲(chǔ)器單元陣列50中配設(shè)多個(gè)位線對(duì)BL，/BL， 使其分別在列(縱列column)方向上延伸。另外，在存儲(chǔ)器單元陣列 50中配設(shè)多個(gè)字線WL使其分別在行(橫行row)方向上延伸。在位線BL與字線WL的交叉部分配置著存儲(chǔ)器單元MC。各存 儲(chǔ)器單元MC具備由MTJ元件10、及N溝道MOS晶體管組成的選 擇晶體管51。 MTJ元件10的一端被連接到位線BL。MTJ元件10的另一端被連接到選擇晶體管51的漏極端子。選 擇晶體管51的柵極端子被連接到字線WL。選擇晶體管51的源極端 子被連接到位線/BL。在字線WL上連接著橫行解碼器52。在位線對(duì)BL，/BL上連接著 寫入電路54及讀出電路55。在寫入電路54及讀出電路55上連接著 縱列解碼器53。各存儲(chǔ)器單元MC通過橫行解碼器52及縱列解碼器 53來進(jìn)行選擇。數(shù)據(jù)向存儲(chǔ)器單元MC的寫入如以下那樣進(jìn)行。首先，為了選 擇進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入的存儲(chǔ)器單元MC，使此存儲(chǔ)器單元MC上所連接的 字線WL活化。由此，選擇晶體管51導(dǎo)通。在這里，依照寫入數(shù)據(jù)對(duì)MTJ元件10供給雙方向的寫入電流 Iw。具體而言，在從左向右對(duì)MTJ元件10供給寫入電流Iw的情況 下，寫入電路54對(duì)位線BL施加正的電壓，對(duì)位線/BL施加接地電壓。 另外，在從右向左對(duì)MTJ元件10供給寫入電流Iw的情況下，寫入
電路54對(duì)位線/BL施加正的電壓，對(duì)位線BL施加接地電壓。這樣， 就能夠在存儲(chǔ)器單元MC上寫入數(shù)據(jù)"O"、或者數(shù)據(jù)"l"。其次，來自存儲(chǔ)器單元MC的數(shù)據(jù)讀出如以下那樣進(jìn)行。首先， 被選擇的存儲(chǔ)器單元MC的選擇晶體管51導(dǎo)通。讀出電路55對(duì)MTJ 元件10供給例如從右向左流動(dòng)的讀出電流Ir。然后，讀出電路55基 于此讀出電流Ir來檢測(cè)MTJ元件10的阻值。這樣，就能夠讀出MTJ 元件IO上所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。其次，就MRAM的構(gòu)造進(jìn)行說明。圖20是表示以存儲(chǔ)器單元 MC為中心所示的MRAM的構(gòu)成的截面圖。在P型半導(dǎo)體襯底61的表面區(qū)域設(shè)置元件分離絕緣層，沒有設(shè) 置此元件分離絕緣層的半導(dǎo)體襯底61的表面區(qū)域?yàn)樾纬稍脑?區(qū)域(active area)。元件分離絕緣層例如由STI(Shallow Trench Isolation)所構(gòu)成。作為STI例如4吏用氧化珪。在半導(dǎo)體襯底61的元件區(qū)域上設(shè)置著分離開的源極區(qū)域S及漏 極區(qū)域D。此源極區(qū)域S及漏極區(qū)域D分別由在半導(dǎo)體襯底61內(nèi)導(dǎo) 入高濃度的N+型雜質(zhì)而形成的N+型擴(kuò)散區(qū)域所構(gòu)成。在源極區(qū)域S 及漏極區(qū)域D間在半導(dǎo)體襯底61上經(jīng)由柵極絕緣膜51A設(shè)置著柵極 電極51B。柵極電極51B作為字線WL而發(fā)揮功能。這樣，在半導(dǎo)體 襯底61上設(shè)置著選擇晶體管51。在源極區(qū)域S上經(jīng)由觸點(diǎn)62而設(shè)置著配線層63。配線層63作 為位線/BL而發(fā)揮功能。在漏極區(qū)域D上經(jīng)由觸點(diǎn)64而設(shè)置著引出線65。在引出線65 上設(shè)置著被下部電極13及上部電極19所夾的MTJ元件10。在上部 電極19上設(shè)置著配線層66。配線層66作為位線BL而發(fā)揮功能。另 外，半導(dǎo)體襯底61與配線層66之間用例如由氧化硅組成的層間絕緣 層67填滿。如以上詳述那樣，能夠^f吏用第1實(shí)施方式所示的MTJ元件10 來構(gòu)成MRAM。此外，MTJ元件10除自旋注入型的磁存儲(chǔ)器以夕卜， 還可以使用于磁壁移動(dòng)型的磁存儲(chǔ)器。
另夕卜，第2實(shí)施方式所示的MRAM可以應(yīng)用于各種各樣的裝置。 以下就MRAM的若干應(yīng)用例進(jìn)行說明。 (應(yīng)用例1)圖21將數(shù)字加入者線(DSL)用調(diào)制解調(diào)器的DSL數(shù)據(jù)通過部抽 取出來進(jìn)行表示。此調(diào)制解調(diào)器包含可編程數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP:Digital Signal Processor)lOO、模擬-數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器110、數(shù)字 一模擬(D/A)轉(zhuǎn)換器120、發(fā)送驅(qū)動(dòng)器130、以及接收機(jī)放大器140等 而構(gòu)成。在圖21中省略了帶通濾波器，取而代之表示本實(shí)施方式的 MRAM170和EEPROM180作為用于保持線路代碼程序(DSP所執(zhí)行 的、依照經(jīng)過編碼的加入者線路信息、傳送條件等(線路代碼:QAM、 CAP、 RSK、 FM、 AM、 PAM、 DWMT等)來選擇調(diào)制解調(diào)器，并使 之動(dòng)作用的程序)的各種類型的可選存儲(chǔ)器。此外，雖然在本應(yīng)用例中，作為用于保持線路代碼程序的存儲(chǔ)器 <吏用MRAM170與EEPROM180兩種存儲(chǔ)器，但也可以將 EEPROM180置換成MRAM。即，構(gòu)成為不使用兩種存儲(chǔ)器而僅使 用MRAM。(應(yīng)用例2)圖22作為別的應(yīng)用例，表示便攜式電話終端300。實(shí)現(xiàn)通信功 能的通信部200具備收發(fā)天線201、天線共用器202、接收部203、基 帶處理部204、被用作聲音編碼譯碼器的DSP205、擴(kuò)音器(聽筒)206、 麥克風(fēng)(話筒)207、發(fā)送部208、以及頻率合成器209等。另外，在此便攜式電話終端300中設(shè)置有控制該便攜式電話終端 的各部的控制部220?？刂撇?20是CPU221、 ROM222、本實(shí)施方 式的MRAM223、以及閃速存儲(chǔ)器224經(jīng)由總線225連接起來而形成 的微型計(jì)算機(jī)。在上述ROM222中預(yù)先存儲(chǔ)著CPU221中所執(zhí)行的 程序及顯示用的字體等必要的數(shù)據(jù)。MRAM223主要被用作工作區(qū)域，被用于CPU221在程序的執(zhí)行 中根據(jù)需要存儲(chǔ)計(jì)算途中的數(shù)據(jù)等、暫時(shí)存儲(chǔ)控制部220與各部之間 進(jìn)行交換的數(shù)據(jù)等場(chǎng)合。另外，閃速存儲(chǔ)器224是即使便攜式電話終 端300的電源被斷開也存儲(chǔ)好例如以前的設(shè)定條件等，在下一次電源 接通時(shí)進(jìn)行釆用相同設(shè)定的使用方法的情況下，將這些設(shè)定參數(shù)存儲(chǔ) 好。由此，即使便攜式電話終端300的電源被斷開，所存儲(chǔ)的設(shè)定參 數(shù)也不會(huì)消失。進(jìn)而，在此便攜式電話終端300中設(shè)置著音頻再生處理部211、 外部輸出端子212、LCD控制器213、顯示用的LCD(液晶顯示器)214、 以及發(fā)生呼叫音的振鈴215等。上述音頻再生處理部211再生被輸入 到便攜式電話終端300的音頻信息(或者、被存儲(chǔ)在后述的外部存儲(chǔ)器 240中的音頻信息)。經(jīng)過再生的音頻信息通過經(jīng)由外部輸出端子212 被傳給頭戴式聽筒或便攜式擴(kuò)音器等，就可以取出到外部。這樣，通 過設(shè)置音頻再生處理部211就可以進(jìn)行音頻信息的再生。上述LCD 控制器213經(jīng)由總線225接受例如來自上述CPU221的顯示信息，并 變換成用于控制LCD214的LCD控制信息，驅(qū)動(dòng)LCD214進(jìn)行顯示。在便攜式電話終端300中設(shè)置著接口電路(I/F)231，233，235、外部 存儲(chǔ)器240、外部存儲(chǔ)器插槽232、鍵操作部234、以及外部輸入輸出 端子236等。在上述外部存儲(chǔ)器插槽232中插入存儲(chǔ)器卡等外部存儲(chǔ) 器240。此外部存儲(chǔ)器插槽232經(jīng)由接口電路(I/F)231被連接到總線 225。這樣，通過在便攜式電話終端300中設(shè)置插槽232，就可以將便 攜式電話終端300內(nèi)部的信息寫入到外部存儲(chǔ)器240中，或者將外部 存儲(chǔ)器240中所存儲(chǔ)的信息(例如音頻信息)輸入到便攜式電話終端 300。上述鍵操作部234經(jīng)由接口電路(I/F)233連接到總線225。從鍵 操作部234所輸入的鍵輸入信息被傳給例如CPU221。上述外部輸入 輸出端子236經(jīng)由接口電路(I/F)233連接到總線225，作為從外部將 各種信息輸入到便攜式電話終端300，或者從便攜式電話終端300向 外部輸出信息時(shí)的端子而發(fā)揮功能。此外，雖然在本應(yīng)用例中，使用ROM222、 MRAM223、以及閃 速存儲(chǔ)器224，但也可以將閃速存儲(chǔ)器224置換成MRAM，進(jìn)而還可
以將ROM222也置換成MRAM。 (應(yīng)用例3)圖23至圖27分別表示將MRAM應(yīng)用于袖珍媒介等收納媒介內(nèi) 容的卡(MRAM卡)的例子。如圖23所述那樣，在MRAM卡本體400中內(nèi)置有MRAM芯片 401。在此卡本體400中與MRAM芯片401對(duì)應(yīng)的位置形成開口部 402， MRAM芯片401被露出來。在此開口部402中設(shè)有閘門403， 在該MRAM卡攜帶時(shí)MRAM芯片401用閘門403保護(hù)起來。此閘 門403由具有遮擋外部磁場(chǎng)的效果的材料、例如陶資組成。在轉(zhuǎn)寫數(shù) 據(jù)的情況下，將閘門403開放使MRAM芯片401露出來進(jìn)行。外部 端子404用于將MRAM卡上所存儲(chǔ)的內(nèi)容數(shù)據(jù)取出到外部。圖24及圖25表示用于對(duì)上述MRAM卡轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)的、卡插入型 的轉(zhuǎn)寫裝置500的俯視圖及截面圖。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫裝置500具有收納部500a。在此收納部500a中收納著 第1MRAM卡550。在收納部500a中設(shè)置著被電連接到第1MRAM 卡550的外部端子530，使用此外部端子530來改寫第1MRAM卡550 的數(shù)據(jù)。將最終用戶使用的第2MRAM卡450如箭頭所示那樣由轉(zhuǎn)寫裝 置500的插入部510進(jìn)行插入，并押入直到用鎖擋520止動(dòng)。此鎖擋 520還作為用于將第1MRAM550與第2MRAM卡450進(jìn)行對(duì)位的部 件起作用。若第2MRAM卡450被配置在規(guī)定位置，就從第1MRAM 數(shù)據(jù)改寫控制部對(duì)外部端子530供給控制信號(hào)，第1MRAM550中所 存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)就被轉(zhuǎn)寫到第2MRAM卡450中。在圖26中，表示嵌入型的轉(zhuǎn)寫裝置。該轉(zhuǎn)寫裝置是如箭頭所示 那樣，以鎖擋520為目標(biāo)，在第1MRAM550上嵌入第2MRAM卡450 這樣進(jìn)行載置的類型。關(guān)于轉(zhuǎn)寫方法由于與卡插入型相同，所以省略 說明。在圖27中，表示滑板型的轉(zhuǎn)寫裝置。該轉(zhuǎn)寫裝置與CD-ROM驅(qū) 動(dòng)器和DVD驅(qū)動(dòng)器同樣地，在轉(zhuǎn)寫裝置500上設(shè)置托盤滑板560，此
托盤滑板560如箭頭所示那樣移動(dòng)。在托盤滑板560移動(dòng)到虛線的位 置時(shí)將第2MRAM卡450栽置在托盤滑板560上，將第2MRAM卡 450向轉(zhuǎn)寫裝置500的內(nèi)部進(jìn)行搬送。關(guān)于以第2MRAM卡450的前 端部抵接鎖擋520的方式進(jìn)行搬送這一點(diǎn)、以及轉(zhuǎn)寫方法，由于與卡 插入型相同所以省略說明。本發(fā)明并不限定于上述的實(shí)施方式，在不脫離其要旨的范圍內(nèi)， 能夠?qū)?gòu)成要素進(jìn)行變形而具體化。另外，能夠通過實(shí)施方式所公開 的多個(gè)構(gòu)成要素的適宜組合來構(gòu)成各種發(fā)明。例如，既可以從實(shí)施方 式所公開的全構(gòu)成要素刪除若干構(gòu)成要素，也可以將不同實(shí)施方式的 構(gòu)成要素進(jìn)行適宜組合。
權(quán)利要求
1. 一種磁阻元件，其特征在于包括具有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向被固定的第1參照層；由磁性層與非磁性層交互地經(jīng)過層疊的層狀結(jié)構(gòu)組成，且具有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向可以變化的記錄層；以及被設(shè)置在上述第1參照層與上述記錄層之間，且由非磁性材料組成的第1中間層，構(gòu)成上述記錄層的磁性層包含與上述第1中間層相接的第1磁性層；以及與上述第1中間層不相接的第2磁性層，上述第1磁性層由包含鈷(Co)以及鐵(Fe)的合金組成，且其膜厚大于上述第2磁性層的膜厚。
2. 按照權(quán)利要求1所迷的磁阻元件，其特征在于 構(gòu)成上述第l磁性層以及上述第2磁性層之中至少一層含有包含鈷(Co)及鐵(Fe)的合金Co柳-x-Fex，其中x^20at%。
3. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于上述第1磁性層含有包含鈷(Co)、鐵(Fe)及硼(B)的合金 (Co100.x-Fex)100.yBy，其中x^20at%、 0<y〇30at%。
4. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于 構(gòu)成上迷記錄層的非磁性層之中至少 一層含有包含鈀(Pd)及金(Au)的合金。
5. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于 構(gòu)成上迷記錄層的非磁性層之中離上迷第1中間層最遠(yuǎn)的非磁 性層包含金(Au)。
6. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于 上述第1中間層具有NaCl構(gòu)造，且在(100)面上取向。
7. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于 上述第1中間層包含氧化鎂。
8. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于上述第1磁性層具有立方晶構(gòu)造或者正方晶構(gòu)造，且在(100)面 上進(jìn)行取向。
9. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于 上述第1參照層包含具有Ll。構(gòu)造的強(qiáng)磁性合金。
10. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于上述第1參照層包含鐵(Fe)、鈷(Co)以及鎳(Ni)之中的一個(gè)以上 的元素、和鈀(Pd)以及鉑(Pt)之中的一個(gè)以上的元素。
11. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于還包括 :f皮^沒置在上述第1參照層與上述第1中間層之間的界面層， 上迷界面層含有包含鈷(Co)、 <鐵(Fe)及硼(B)的合金(Co100_x-Fex)100.yBy，其中x^20at。/n、 0<y^30at%。
12. 按照權(quán)利要求11所述的磁阻元件，其特征在于 上述界面層具有立方晶構(gòu)造或者正方晶構(gòu)造，且在(100)面上進(jìn)行取向。
13. 按照權(quán)利要求1所述的磁阻元件，其特征在于還包括 具有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向被固定的笫2 參照層；以及被設(shè)置在上述第2參照層與上述記錄層之間，且由非磁性材料組 成的第2中間層。
14. 按照權(quán)利要求13所述的磁阻元件，其特征在于 上述第2中間層包含金(Au)。
15. 按照權(quán)利要求13所述的磁阻元件，其特征在于上述第l參照層以及上述第2參照層之中至少一層包含第3磁性 層、第4的磁性層、和在上述第3磁性層與上述第4的磁性層之間所 設(shè)置的第1非磁性層，上述第3磁性層與上述笫4磁性層相互反強(qiáng)磁性地進(jìn)行結(jié)合。
16. 按照權(quán)利要求15所述的磁阻元件，其特征在于上述第1非磁性層含有釕(Ru)、鋨(Os)、錸(Re)及鐒(Rh)之中的 一個(gè)元素組成的金屬、或者包含它們之中至少一個(gè)以上的元素的合 金。
17. —種磁阻元件，其特征在于包括具有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向被固定的參照層；由磁性層與非磁性層交互地經(jīng)過層疊的層狀結(jié)構(gòu)組成，且具有與 膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向可以變化的記錄層；以及被設(shè)置在上述參照層與上述記錄層之間，且由非磁性材料組成的 中間層，構(gòu)成上述記錄層的磁性層包含 與上迷中間層相接的第l磁性層；以及 與上述中間層不相接的第2磁性層， 上述第1磁性層含有其組成為Co2XY的合金，且其膜厚大于上 述第2磁性層的膜厚，其中，X是釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鎳(Ni)及銅(Cu)之 中的一個(gè)以上的元素，Y是鋁(A1)、鎵(Ga)、銦(In)、珪(Si)、鍺(Ge)、錫(Sn)及銻(Sb) 之中的一個(gè)以上的元素。
18. 按照權(quán)利要求17所述的磁阻元件，其特征在于 構(gòu)成上述第l磁性層以及上述第2磁性層之中至少一層含有包含鈷(Co)及鐵(Fe)的合金Co,o。-x-Fex，其中x^20at%。
19. 按照權(quán)利要求17所述的磁阻元件，其特征在于 構(gòu)成上述記錄層的非磁性層之中至少一層含有包含鈀(Pd)及金(Au)的合金。
20. 按照權(quán)利要求17所述的磁阻元件，其特征在于 構(gòu)成上述記錄層的非磁性層之中離上述中間層最遠(yuǎn)的非磁性層包含金(Au)。
21. 按照權(quán)利要求17所述的磁阻元件，其特征在于上述第1磁性層具有立方晶構(gòu)造或者正方晶構(gòu)造，且在(100)面 上進(jìn)行取向。
22. —種磁存儲(chǔ)器，其特征在于包括 磁阻元件；包含被設(shè)置成夾著上述磁阻元件，且對(duì)于上述磁阻元件進(jìn)行通電 的第1及第2電極的存儲(chǔ)器單元， 其中，上述磁阻元件具備具有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向被固定的第1 參照層；由磁性層與非磁性層交互地經(jīng)過層疊的層狀結(jié)構(gòu)組成，且具有與 膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向可以變化的記錄層；以及被設(shè)置在上述第1參照層與上述記錄層之間，且由非磁性材料組 成的第1中間層，構(gòu)成上述記錄層的磁性層之中的與上述第1中間層相接的第1 磁性層，由包含鈷(Co)以及鐵(Fe)的合金組成，且其膜厚大于與上述 第1中間層不相接的磁性層的膜厚。
23. 按照權(quán)利要求22所述的磁存儲(chǔ)器，其特征在于還包括 被電連接到上述第1電極上的第1配線； 被電連接到上述第2電極上的第2配線；被電連接到上述第1配線及上述第2配線上，且對(duì)上述磁阻元件 雙方向地供給電流的寫入電路。
24. 按照權(quán)利要求23所述的磁存儲(chǔ)器，其特征在于 上述存儲(chǔ)器單元包含被電連接到上述第2電極與上迷第2配線之間的選擇晶體管。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁阻元件(10)包括具有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向被固定的參照層(15)；由磁性層與非磁性層交互地經(jīng)過層疊的層狀結(jié)構(gòu)組成，且具有與膜面垂直方向的磁各向異性，且磁化方向可以變化的記錄層(17)；以及被設(shè)置在上述參照層(15)與上述記錄層(17)之間，且由非磁性材料組成的中間層(16)。其中，構(gòu)成上述記錄層(17)的磁性層之中與上述中間層(16)相接的磁性層(17A-1)，由包含鈷(Co)及鐵(Fe)的合金組成，且其膜厚大于與上述中間層(16)不相接的磁性層的膜厚。
文檔編號(hào)H01L27/22GK101399313SQ20081021523
公開日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月26日
發(fā)明者與田博明, 中山昌彥, 吉川將壽, 天野實(shí), 岸達(dá)也, 永瀬俊彥, 甲斐正, 西山勝哉, 長(zhǎng)嶺真 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝