CN101064114A - 磁阻效应元件以及磁存储器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁阻效应元件以及磁存储器，即使进行微观化也具有热稳定性，并且可以用低电流密度实现磁记录层的磁化反转。该磁阻效应元件具备：磁化方向固定的磁化固定层；磁化方向可变的磁化自由层；设置在磁化固定层与磁化自由层之间的隧道绝缘层；设置在磁化固定层的、与隧道绝缘层相反的一侧的第1反铁磁性层；以及设置在磁化自由层的、与隧道绝缘层相反的一侧，并且膜厚比第1反铁磁性层薄的第2反铁磁性层，其中，通过向磁化自由层注入自旋极化后的电子，可以使磁化自由层的磁化方向反转。

Description

磁阻效应元件以及磁存储器

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2006年4月28日和2006年9月8日在日本提交的在先日本专利申请No.2006-126682和2006-244881的优先权，这些申请的全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及磁阻效应元件以及磁存储器。

背景技术

已经有人提议将使用了磁性体膜的磁阻效应元件用于磁头、磁传感器等中，并且用于固体磁存储器(磁阻效应存储器：MRAM(Magnetic Random Access Memory))中。

MRAM使用在一个为磁记录层、另一个为磁化固定层的2个铁磁性层间插入了隧道绝缘层的隧道磁阻效应元件(TunnelingMagneto-Resistance effect：TMR元件)作为存储元件。该MRAM作为高速的非易失性随机存取存储器受到注目，但存在的问题是，在使用电流磁场的写入方法中，写入电流值大，从而难以实现大容量化。

为了解决上述问题，有人提出利用自旋注入法的写入方法(例如参照美国专利第6,256,223号说明书)。该自旋注入法利用的是，通过向存储元件的磁记录层注入自旋极化后的电流，来使磁记录层的磁化方向反转。

但是，在将自旋注入法应用于TMR元件的情况下，存在隧道绝缘层的绝缘破坏等元件破坏的问题，从而元件的可靠性存在问题。另外，作为最终的目标，为了确保可扩展性(scalability)，必须能够实现在进行微观化时不受热波动的影响、可以用低电流密度使磁化方向反转的构造。

发明内容

本发明考虑到上述情况而作出，其目的在于提供一种即使进行微观化也具有热稳定性、可以用低电流密度使磁记录层的磁化反转的磁阻效应元件以及使用该元件的磁存储器。

本发明第1方面的磁阻效应元件的特征在于，具备：磁化方向固定的磁化固定层；磁化方向可变的磁化自由层；设置在上述磁化固定层与上述磁化自由层之间的隧道绝缘层；设置在上述磁化固定层的与上述隧道绝缘层相反的一侧的第1反铁磁性层；以及设置在上述磁化自由层的与上述隧道绝缘层相反的一侧，并且膜厚比上述第1反铁磁性层薄的第2反铁磁性层，其中，通过向上述磁化自由层注入自旋极化后的电子，可以使上述磁化自由层的磁化方向反转。

本发明第2方面的磁存储器的特征在于，具备：具有上述磁阻效应元件的存储单元；与上述磁阻效应元件的一端电连接的第1布线；以及与上述磁阻效应元件的另一端电连接的第2布线。

本发明第3方面的磁存储器的特征在于，具备：具有上述第1和第2磁阻效应元件的存储单元；分别与上述第1和第2磁阻效应元件各自的一端连接的第1布线；与上述第1磁阻效应元件的另一端电连接的第2布线；以及与上述第2磁阻效应元件的另一端电连接的第3布线，其中，上述第1磁阻效应元件的、从上述第1布线朝向上述第2布线的方向上的层配置与上述第2磁阻效应元件的、从上述第1布线朝向上述第3布线的方向上的层配置相反。

附图说明

图1是表示本发明第1实施方式的磁阻效应元件的截面图。

图2是表示由磁化自由层和反铁磁性层构成的层叠膜的磁化曲线对反铁磁性膜的膜厚的依赖性的图。

图3是表示自旋转矩的强度对磁化自由层与磁化固定层的相对角度的依赖性的图。

图4是表示第1实施方式的第1变形例的磁阻效应元件的截面图。

图5是表示第1实施方式的第2变形例的磁阻效应元件的截面图。

图6是表示第1实施方式的第3变形例的磁阻效应元件的截面图。

图7是表示本发明第2实施方式的磁存储器的截面图。

图8(a)、8(b)是表示在第2实施方式的磁存储器中使用的磁阻效应元件的图。

图9是表示本发明第2实施方式的变形例的磁存储器的截面图。

图10(a)、10(b)是表示在第2实施方式的变形例的磁存储器中使用的磁阻效应元件的图。

图11是表示本发明第3实施方式的磁存储器的截面图。

图12是表示本发明第1实施例的磁阻效应元件的样本1的电流密度与电阻的关系的图。

图13是表示本发明第1实施例的磁阻效应元件的样本2的电流密度与电阻的关系的图。

图14是表示本发明第2实施例的磁阻效应元件的样本3、4的倾角θ与电流密度的关系的图。

图15是表示本发明第4实施方式的磁阻效应元件的截面图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施方式。

(第1实施方式)

图1中示出本发明第1实施方式的磁阻效应元件的截面。该实施方式的磁阻效应元件1是下固定(bottom pin)型磁阻效应元件，包括：设置在下部电极2上的底层4；设置在底层4上的反铁磁性层6；设置在反铁磁性层6上且由磁化固定的铁磁性层构成的磁化固定层8；设置在磁化固定层8上的隧道绝缘层10；设置在隧道绝缘层10上且由磁化方向可变的铁磁性层构成的磁化自由层(磁记录层)12；设置在磁化自由层12上的反铁磁性层14；设置在反铁磁性层14上的顶盖(cap)层16；以及设置在该顶盖层16上的上部电极(未图示)。并且，在本实施方式中，采用与磁化自由层12相接的反铁磁性层14的膜厚比与磁化固定层8相接的反铁磁性层6的膜厚要薄的结构。

图2的曲线g₁、g₂、g₃分别表示在由铁磁性层和反铁磁性层构成的层叠膜中，设铁磁性层的膜厚一定、反铁磁性层的膜厚T为0nm、5nm、15nm的情况下的磁化曲线。从图2可知，在反铁磁性层的膜厚T厚的情况下(T＝15nm)，产生单向各向异性，在反铁磁性层的膜厚T薄时(T＝5nm)，不产生单向各向异性，但与没有反铁磁性层的情况(T＝0nm)相比，顽磁力增大。顽磁力的增大意味着即使进行微观化，热稳定性也提高。

因此，在本实施方式的磁阻效应元件1中，采用与磁化自由层12相接的反铁磁性层14的膜厚比与磁化固定层8相接的反铁磁性层6的膜厚要薄的结构，因此，磁化固定层8的磁化方向由反铁磁性层6赋予单向各向异性，而磁化自由层12的磁化方向由反铁磁性层14赋予单轴各向异性，从而使热稳定性提高。

另外，象本实施方式这样，通过与磁化固定层(pinned layer)8相邻地设置反铁磁性层6，并且与磁化自由层(free layer)12相邻地设置反铁磁性层14，可以使磁化固定层8与磁化自由层12的磁化(自旋)方向所成的角度(相对角度)相差0度或180度。若使磁化(自旋)的相对角度相差0度或180度，则如图3所示，写入时的自旋注入反转效率、即MR比上升。图3的横轴表示将固定层和自由层的自旋的相对角度规一化后形成的相对角度。即，横轴的值“0”对应于0度，值“1.0”对应于180度。从图3可看出，在膜厚较厚的反铁磁性层6上固定的铁磁性层(磁化固定层)8的磁矩(磁化)与在膜厚较薄的反铁磁性层14上固定的铁磁性层(磁化自由层)12的磁矩(磁化)所成的角度θ(度)在图3的横轴上的值最好处于比0.75大、比1小的范围内，即135≤θ＜180度的范围内。如果自旋注入引起磁化反转，则磁化固定层的磁化方向与磁化自由层的磁化方向所形成的角度θ从θ变化到接近于(180°-θ)的角度。如果进一步引起磁化反转，则该角度从接近于(180°-θ)的角度变化到接近于θ的角度。因此，磁化固定层的磁化方向与磁化自由层的磁化方向所形成的角度最好在135≤θ＜180的范围内或者在0＜θ≤45的范围内。因此，磁化固定层的易磁化轴与磁化自由层的易磁化轴形成大于0度小于等于45度的角度。易磁化轴是指没有外部磁场时的磁化方向。由于该角度θ是相对角度，因此，以磁化固定层8的磁化方向为基准，磁化自由层的磁化方向无论是在顺时针方向还是在逆时针方向上，只要处于上述范围内即可。

作为使磁矩(自旋力矩)倾斜的方法，最好将反铁磁性层6、14的材料选择为使其不同。作为较厚的反铁磁性层6，可以使用NiMn、PtMn或者IrMn中的任何一种，作为较薄的反铁磁性层14，可以使用FeMn或者IrMn、PtMn。

如果使反铁磁性层的材料不同，则可以改变阻隔(blocking)温度。例如，在较厚的反铁磁性层6中使用PtMn，在较薄的反铁磁性层14中使用FeMn。这样，PtMn的阻隔温度约为320℃，FeMn的阻隔温度约为200℃，两者不同，因此，在磁场中退火时，在温度下降途中在320℃以下，首先使磁化固定层8的磁化固定。在磁化固定层8被充分固定的250℃以下的温度下，使施加磁场向着希望使磁化自由层12的磁化倾斜的期望角度的方向倾斜。作为该角度，相对于磁化固定层8，由膜厚较薄的反铁磁性层14固定的铁磁性层的磁矩的角度最好倾斜0＜θ≤45度。与磁化自由层12相邻的、由FeMn构成的反铁磁性层14如果使膜厚变薄，则不是赋予单向各向异性，而是被赋予具有耐热性的单轴各向异性。作为反铁磁性层的组合，包括NiMn与IrMn或FeMn的组、PtMn与IrMn或FeMn的组、IrMn与FeMn的组等，除此以外还有几个例子，只要是阻隔温度不同的反铁磁性体的组合即可。另外，即使使用相同的反铁磁性材料，也可以通过改变反铁磁性膜的膜厚来改变阻隔温度。

另外，如在后述的第2实施例中将说明的那样，本发明的发明人发现，如果在较薄的反铁磁性层14中使用FeMn，则自旋反射项增大、阻尼常数项变小，因此可以用更小的电流密度来实现自旋注入磁化反转。另外，使用Ir-Mn也使自旋反射项增大，从而有利于实现低电流密度化。

在本实施方式的磁阻效应元件中，在从磁化自由层12的磁化方向相对磁化固定层8的磁化方向形成大于0度小于等于45度的角度的状态(以下也称为磁化方向平行(同向)的状态)、向磁化自由层12的磁化方向相对磁化固定层8的磁化方向形成大于等于135度小于180度的角度的状态(以下也称为磁化方向反平行(反向)的状态)进行自旋反转的情况下，从磁化自由层12侧注入自旋极化后的电子。即，使电流从磁化固定层8侧流向磁化自由层12。

而在磁化自由层12的磁化方向相对磁化固定层8的磁化方向从反平行状态向平行状态进行自旋反转的情况下，从磁化固定层8侧注入自旋极化后的电子。即，使电流从磁化自由层12侧流向磁化固定层8。

另外，本实施方式的磁阻效应元件1为下固定型，但也可以如图4所示的本实施方式的第1变形例那样，为上固定(top pin)型的磁阻效应元件1A。该上固定型的磁阻效应元件1A在下部电极2上设置底层4，在底层4上设置反铁磁性层14，在反铁磁性层14上设置磁化自由层(磁记录层)12，在磁化自由层12上设置隧道绝缘层10，在隧道绝缘层10上设置磁化固定层8，在磁化固定层8上设置反铁磁性层6，在反铁磁性层6上设置顶盖层16，在该顶盖层16上设置上部电极(未图示)。

接着，图5中示出本实施方式的第2变形例的磁阻效应元件1B。该第2变形例的磁阻效应元件1B在图1所示的本实施方式的下固定型的磁阻效应元件1中，磁化固定层8采用磁性层8a/非磁性层8b/磁性层8c的层叠膜，即合成结构。这样，通过使磁化固定层8形成合成结构，来进一步增加磁化稳定性，从而更为理想。

另外，图6中示出本实施方式的第3变形例的磁阻效应元件1C。该第3变形例的磁阻效应元件1C在图4所示的上固定型的第2变形例的磁阻效应元件1A中，采用将磁化固定层8置换成合成结构的层叠膜、即磁性层8a/非磁性层8b/磁性层8c的层叠膜8的结构。该第3变形例的磁阻效应元件1C与第2变形例同样，进一步增加了磁化稳定性。

本实施方式的第1至第3变形例与本实施方式同样，即使进行微观化，也可以使热稳定性提高，并且可以增大自旋的反转效率。

在本实施方式及其变形例中，作为磁阻效应元件的磁性层(铁磁性层)，由从由Ni-Fe、Co-Fe、Co-Fe-Ni合金或者(Co，Fe，Ni)-(B)、(Co，Fe，Ni)-(B)-(P，Al，Mo，Nb，Mn)类或Co-(Zr，Hf，Nb，Ta，Ti)膜等无定形材料、Co-Cr-Fe-Al类、Co-Cr-Fe-Si类、Co-Mn-Si、Co-Mn-Al等霍伊斯勒(Heusler)材料构成的组中选择的至少一种薄膜或者它们的多层膜构成。记号(，)是指包含至少一个括号内的元素。

在本实施方式及其变形例中，最好是，磁化固定层是具有单向各向异性的铁磁性层，磁化自由层(磁记录层)是具有单轴各向异性的铁磁性层。另外，其厚度最好是大于等于0.1nm、小于等于100nm。而且，该铁磁性层的膜厚需要是没有达到超常磁性程度的厚度，最好大于等于0.4nm。

另外，在构成这些铁磁性层的磁性体中，可以添加Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Mg(镁)、Si(硅)、Bi(铋)、Ta(钽)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)、B(硼)等非磁性元素，来调节磁特性，或者另外调节结晶性、机械特性、化学特性等各种物性。

更具体地说，作为使磁性层固定为一个方向的方法，使用3层构造的层叠膜。作为3层构造的层叠膜，例如包括Co(Co-Fe)/Ru(钌)/Co(Co-Fe)、Co(Co-Fe)/Ir(铱)/Co(Co-Fe)、Co(Co-Fe)/Os(锇)/Co(Co-Fe)、Co(Co-Fe)/Re(铼)/Co(Co-Fe)、Co-Fe-B等无定形材料层/Ru(钌)/Co-Fe-B等无定形材料层、Co-Fe-B等无定形材料层/Ir(铱)/Co-Fe-B等无定形材料层、Co-Fe-B等无定形材料层/Os(锇)/Co-Fe-B等无定形材料层、Co-Fe-B等无定形材料层/Re(铼)/Co-Fe-B等无定形材料层、Co-Fe-B等无定形材料层/Ru(钌)/Co-Fe等、Co-Fe-B等无定形材料层/Ir(铱)/Co-Fe、Co-Fe-B等无定形材料层/Os(锇)/Co-Fe、Co-Fe-B等无定形材料层/Re(铼)/Co-Fe等。在将这些层叠膜用作磁化固定层的情况下，最好进一步与其相邻地设置反铁磁性层。作为这种情况下的反铁磁性层，与上述同样，可以使用Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、NiO、Fe₂O₃等。如果使用该构造，则可以减少(或者调节)来自磁化固定层的漏磁场(杂散场，stray field)，并且通过改变构成磁化固定层的两层铁磁性层的膜厚，可以调整磁化自由层(磁记录层)的磁化偏移。

另外，作为磁记录层，可以使用软磁性层/铁磁性层这种2层构造，或者铁磁性层/软磁性层/铁磁性层这种3层构造。作为磁记录层，可以使用铁磁性层/非磁性层/铁磁性层这种3层构造和铁磁性层/非磁性层/铁磁性层/非磁性层/铁磁性层这种5层构造。此时，也可以改变铁磁性层的种类和膜厚。

特别是，如果在离绝缘阻挡层近的铁磁性层中使用MR大的Co-Fe、Co-Fe-Ni、富Fe的Ni-Fe，并且在不与隧道绝缘层相接的铁磁性层中使用富Ni的Ni-Fe、富Ni的Ni-Fe-Co等，则可以在保持MR较大的情况下减弱转换磁场，从而更为理想。作为非磁性材料，可以使用添加Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Ru(钌)、Os(锇)、Re(铼)、Si(硅)、Bi(铋)、Ta(钽)、B(硼)、C(碳)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)或者它们的合金。

在磁记录层中，也可以在构成磁记录层的磁性体中添加Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Ru(钌)、Os(锇)、Re(铼)、Mg(镁)、Si(硅)、Bi(铋)、Ta(钽)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)等非磁性元素，来调节磁特性，或者另外调节结晶性、机械特性、化学特性等各种物性。

另外，在使用TMR元件作为磁阻效应元件的情况下，作为设置在磁化固定层与磁记录层之间的隧道绝缘层(或者电介质层)，可以使用Al₂O₃(氧化铝)、SiO₂(氧化硅)、MgO(氧化镁)、AlN(氮化铝)、Bi₂O₃(氧化铋)、MgF₂(氟化镁)、CaF₂(氟化钙)、SrTiO₂(氧化钛锶)、AlLaO₃(氧化镧铝)、Al-N-O(氧化氮化铝)等各种绝缘体(电介质)。

这些化合物从化学计量的角度看，不必是完全准确的组成，也可以存在氧、氮、氟等的缺少、过量或不足。另外，该绝缘层(电介质层)的厚度最好薄至隧道电流流动的程度，实际上最好小于等于10nm。

这样的磁阻效应元件可以使用各种溅射法、蒸镀法、分子束外延法等通常的薄膜形成手段，形成在规定的基板上。作为这种情况下的基板，例如可以使用Si(硅)、SiO₂(氧化硅)、Al₂O₃(氧化铝)、尖晶石、AlN(氮化铝)等各种基板。

另外，在基板上，作为底层或保护层、硬掩模(hard mask)等，可以设置由Ta(钽)、Ti(钛)、Pt(铂)、Pd(钯)、Au(金)、Ti(钛)/Pt(铂)、Ta(钽)/Pt(铂)、Ti(钛)/Pd(钯)、Ta(钽)/Pd(钯)、Cu(铜)、Al(铝)、Cu(铜)、Ru(钌)、Ir(铱)、Os(锇)等构成的层。

(第2实施方式)

以下，图7中示出本发明第2实施方式的磁存储器。该实施方式的磁存储器至少具有一个存储单元，该存储单元被设置在位线30和字线40的交叉区域中。上述存储单元具有图1所示的第1实施方式的下固定型磁阻效应元件1和写入/读出兼用的选择晶体管60，并形成1位。选择晶体管60具有源极区域61、栅极区域62和漏极区域63。磁阻效应元件1的一个端子与引出电极20连接，另一个端子经由金属硬掩模或通路25与位线30连接。引出电极20经由连接部50与选择晶体管60的源极区域61连接。选择晶体管60的漏极区域63上连接有字线40。另外，选择晶体管60形成在被由绝缘膜构成的元件分离区域70分离的半导体基板的元件区域中。

图8(a)中示出本实施方式的磁存储器的磁阻效应元件1的结构，图8(b)中示出磁化固定层8的磁化(自旋力矩)的方向与磁记录层(磁化自由层)12的磁化方向的关系。该磁阻效应元件1如图8(b)所示，其磁化固定层8的磁化(自旋力矩)方向与磁记录层(磁化自由层)12的磁化方向形成大于0度小于等于45度的规定角度θ。因此，如在第1实施方式中所说明的那样，可以增大自旋的反转效率。另外，该磁阻效应元件1的膜面形状如图8(b)所示，形成椭圆形状。这种情况下，磁化固定层8的磁化(自旋力矩)的方向与椭圆的长轴平行，磁记录层(磁化自由层)12的磁化方向相对椭圆的长轴倾斜。

另外，本实施方式的磁存储器使用第1实施方式的磁阻效应元件1，因此与第1实施方式同样，即使进行微观化，也可以提高热稳定性。

以下，图9中示出本实施方式的变形例的磁存储器。该变形例的磁存储器形成的结构是，在图7所示的磁存储器中，将下固定型的磁阻效应元件1置换成图4所示的第1实施方式的第1变形例的上固定型的磁阻效应元件1A。图10(a)中示出本变形例的磁存储器的磁阻效应元件1A的结构，图10(b)中示出磁化固定层8的磁化(自旋力矩)的方向与磁记录层(磁化自由层)12的磁化方向的关系。该磁阻效应元件1如图10(b)所示，其磁化固定层8的磁化(自旋力矩)的方向与磁记录层(磁化自由层)12的磁化方向形成大于0度小于45度的规定角度θ。因此，与第2实施方式同样，可以增大自旋的反转效率。另外，由于使用第1实施方式的第1变形例的磁阻效应元件1A，因此与第1实施方式的第1变形例同样，可以提高热稳定性。

另外，在本实施方式或其变形例中，使用图1所示的第1实施方式的磁阻效应元件1或图4所示的第1变形例的磁阻效应元件1A作为存储元件，但使用图5所示的第2变形例的磁阻效应元件1B或图6所示的第3变形例的磁阻效应元件1C，也可以得到同样的效果。

(第3实施方式)

以下，图11中示出本发明第3实施方式的磁存储器。该实施方式的磁存储器至少具有一个存储单元，该存储单元被设置在位线30₁、30₂与字线40的交叉区域中。上述存储单元具有图1所示的第1实施方式的下固定型的磁阻效应元件1₁、1₂和写入/读出兼用的选择晶体管60，并形成1位。选择晶体管60具有源极区域61、栅极区域62和漏极区域63。磁阻效应元件1₁的一个端子与引出电极20连接，另一个端子经由金属硬掩模或通路25₁与位线30₁连接。引出电极20经由连接部50与选择晶体管60的源极区域61连接。选择晶体管60的漏极区域63上连接有字线40。另外，选择晶体管60形成在被由绝缘膜构成的元件分离区域70分离的半导体基板的元件区域中。另外，磁阻效应元件1₂被设置在引出电极20的、与设置有磁阻效应元件1₁的面相反一侧的面上，其一个端子经由金属硬掩模或通路25₂与引出电极20连接，另一个端子与位线30₂连接。并且，磁阻效应元件1₂构成为所构成的层的、从引出电极20向位线30₂的层配置(层叠顺序)与磁阻效应元件1₁的、从引出电极20向位线30₁的层的层配置(层叠顺序)相反。例如，磁阻效应元件1₁如果形成在引出电极20侧形成磁化固定层8、在位线30₁侧形成磁化自由层(磁记录层)12的结构，则磁阻效应元件1₂形成在引出电极20侧形成磁化自由层12、在位线30₂侧形成磁化固定层8的结构。位线30₂虽然没有图示，但改变方向配置为与位线30₁平行。并且，位线30₁、30₂与未图示的差动放大器连接。

通过形成这样的结构，可以进行夹着引出电极20的上下磁阻效应元件1₁、1₂的差动读出，从而可以使读出速度高速化。

本实施方式的磁存储器与第2实施方式的磁存储器同样，可以增大自旋的反转效率，并且可以提高热稳定性。

在本实施方式中使用图1所示的第1实施方式的磁阻效应元件1作为存储元件，但使用图4所示的第1变形例的磁阻效应元件1A、图5所示的第2变形例的磁阻效应元件1B或图6所示的第3变形例的磁阻效应元件1C，也可以得到同样的效果。

另外，在第2或第3实施方式的磁存储器中，为了读出磁阻效应元件所存储的信息，还具备用于控制在上述磁阻效应元件中流动的传感电流的传感电流控制电路、驱动器和沉降片(sinker)。

(第4实施方式)

以下，图15中示出本发明第4实施方式的磁阻效应元件。本实施方式的磁阻效应元件1D的结构是，将图1所示的第1实施方式的磁阻效应元件1的、由单层的铁磁性层构成的磁化自由层12置换成由铁磁性层12a、非磁性层12b和铁磁性层12c构成的SAF(SyntheticAnti Ferromagnetic，合成反铁磁)构造的磁化自由层12。即，铁磁性层12a和铁磁性层12c经由非磁性层12b进行反铁磁性耦合。

使用CoFeB作为铁磁性层12a的材料，使用Ru、Ir或Rh作为非磁性层12b的材料，并且使用NiFe或CoFeB作为铁磁性层12c的材料。在铁磁性层12c的材料中使用CoFeB的情况下，最好在铁磁性层12c与反铁磁性层14之间插入由坡莫合金构成的层。

在本实施方式中，磁化自由层12具有从隧道绝缘层一侧按照第1铁磁性层/非磁性层/第2铁磁性层的顺序层叠的SAF构造，但也可以具有按照第1铁磁性层/第1非磁性层/第2铁磁性层/第2非磁性层/第3铁磁性层的顺序层叠的SAF构造。这种情况下，第1和第2铁磁性层由CoFeB形成，与反铁磁性层14相接的第3铁磁性层使用NiFe或CoFeB。在第3铁磁性层的材料中使用CoFeB的情况下，最好在第3铁磁性层与反铁磁性层14之间插入由坡莫合金构成的层。

本实施方式的磁阻效应元件与第1实施方式同样，即使进行微观化也具有热稳定性，可以用低电流密度使磁化自由层的磁化反转。

如本实施方式那样，SAF构造的磁化自由层12也可以应用于图4至图6所示的第1实施方式的第1至第3变形例的磁阻效应元件。

(实施例)

以下参照实施例更详细地说明本发明的实施方式。

(第1实施例)

首先，作为本发明的第1实施例，制成图5或图6所示的磁阻效应元件1B或1C。该磁阻效应元件的制造过程如下。

首先，作为样本1，如图5所示，在基板(未图示)上形成下部电极2/底层4，作为TMR膜，形成由反铁磁性层6/磁性层8a/非磁性层8b/磁性层8c/隧道绝缘层10/磁性层12/反铁磁性层14/由Ru构成的顶盖层16/硬掩模构成的层叠膜，并且通过形成图案来制造出磁阻效应元件1B。

另外，作为样本2，如图6所示，在基板(未图示)上形成下部电极2/底层4，作为TMR膜，形成由反铁磁性层14/磁性层12/隧道绝缘层10/磁性层8c/非磁性层8b/磁性层8a/反铁磁性层6/由Ru构成的顶盖层16/硬掩模构成的层叠膜，并且通过形成图案来制造出磁阻效应元件1C。

在本实施例中，作为样本1和样本2，下部布线使用Ta/Cu/Ta，底层使用Ru。作为样本1的TMR膜，从下侧开始，依次使用PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(3nm)/FeMn(5nm)，作为样本2的TMR膜，使用FeMn(6nm)/CoFeB(3nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(4nm)/Ru(0.9nm)/CoFe(3nm)/IrMn(10nm)。括号内的数字表示膜厚。然后，分别对样本1和样本2在360℃下在磁场中退火后，冷却时在210℃下制造出使形成磁化固定层的磁性层的磁化方向与磁化自由层的磁化方向所成的角度倾斜20度左右的试料和不倾斜的试料。元件尺寸通过显微加工具有0.1×0.2μm²的结尺寸。

图12中示出在样本1中在倾斜了θ＝0度和20度的情况下测定利用自旋注入实现的磁化反转的结果，图13中示出在样本2中在倾斜了θ＝0度和20度的情况下测定利用自旋注入实现的磁化反转的结果。从图12、图13所示可知，倾斜了θ＝20度的试料的用于自旋反转的电流密度显著降低。这是可以从图3所示的曲线预想到的，只要倾角θ大于0度小于等于45度，用于自旋反转的电流密度就减小，从而写入时的电流密度降低。因此可以防止隧道绝缘膜10产生破坏。

(第2实施例)

作为本发明的第2实施例，在图5所示的磁阻效应元件1B中，通过改变反铁磁性层6和反铁磁性层14的材料来制造。磁阻效应元件1B的制造方法基本上与第1实施例相同。

首先，作为样本3、4，如图5所示，在基板(未图示)上形成下部电极2/底层4，作为TMR膜，形成由反铁磁性层6/磁性层8a/非磁性层8b/磁性层8c/隧道绝缘层10/磁性层12/反铁磁性层14/由Ru构成的顶盖层/硬掩模构成的层叠膜，并且通过形成图案来制造出磁阻效应元件1B。在本实施例中，作为样本3和样本4，下部布线使用Ta/Cu/Ta，底层使用Ru。作为样本3的TMR膜，从下侧开始，依次使用PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(2.5nm)/FeMn(5nm)。作为样本4的TMR膜，使用PtMn(15nm)/CoFe(3nm)/Ru(0.9nm)/CoFeB(4nm)/MgO(1.0nm)/CoFeB(2.5nm)/IrMn(5nm)。然后，在360℃下在磁场中退火后，样本3冷却时在210℃下、样本4在275℃下分别制造出使角度倾斜了0度～45度左右的试料和不倾斜的试料。元件尺寸通过显微加工形成具有0.1×0.2μm²的结尺寸的结构。

图14中示出在样本3和样本4中使θ改变的情况下测定利用自旋注入实现的磁化反转的结果，图14的横轴表示磁化固定层8的磁化方向与磁化自由层12的磁化方向所成的角度θ，纵轴表示用于自旋反转的电流密度。从图14可知，使θ倾斜的试料无论在样本3还是在样本4中，用于自旋反转的电流密度都显著降低。另外可知，将FeMn用作与磁化自由层12相邻的反铁磁性层14的样本3与使用IrMn作为反铁磁性层14的样本4相比，用于自旋反转的电流密度降低。另外可知，当倾角θ(度)大于0时，用于自旋反转的电流密度急剧减小，当0＜θ≤45时，写入时的电流密度降低。因此可以防止隧道绝缘膜10产生破坏。

另外，在第2实施例中，作为反铁磁性层6，在样本3和样本4中使用膜厚15nm的PtMn，作为反铁磁性层14，在样本3中使用膜厚5nm的FeMn，在样本4中使用膜厚5nm的IrMn，但也可以在样本3或样本4中，使用膜厚10nm的IrMn作为反铁磁性层6，使用膜厚5nm的IrMn作为反铁磁性层14。

以上一边参照具体示例一边说明了本发明的实施方式。但是，本发明不限定于这些具体示例。例如，对于构成磁阻效应元件的铁磁性体层、绝缘层、反铁磁性体层、非磁性金属层、电极等的具体材料、膜厚、形状、尺寸等，通过由本领域技术人员进行适当选择，同样可以实施本发明，可以得到同样的效果，这也包含在本发明的范围内。

同样，对于构成本发明的磁存储器的各要素的构造、材质、形状、尺寸，通过由本领域技术人员进行适当选择，同样可以实施本发明，可以得到同样的效果，这也包含在本发明的范围内。

另外，作为本发明的实施方式，以上述磁存储器为基础，本领域技术人员可以通过适当设计变更来实施的所有磁存储器也同样属于本发明的范围。

如以上所详细描述的那样，根据本发明的各实施方式，可以提供一种具有热稳定性、自旋注入效率高的磁阻效应元件和磁存储器，产业上的优点很多。另外，可以用低电流密度进行自旋反转，从而可以防止隧道绝缘膜产生破坏。

Claims (11)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，具备：

磁化方向固定的磁化固定层；

磁化自由层，其磁化方向可以通过将自旋极化后的电子注入该磁化自由层而改变；

隧道绝缘层，设置在上述磁化固定层与上述磁化自由层之间；

第1反铁磁性层，设置在上述磁化固定层的与上述隧道绝缘层相反的一侧；以及

第2反铁磁性层，设置在上述磁化自由层的与上述隧道绝缘层相反的一侧，并且厚度比上述第1反铁磁性层薄。

2.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：

上述磁化固定层是具有第一磁性层/非磁性层/第二磁性层的层叠膜。

3.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：

上述磁化固定层的易磁化轴与上述磁化自由层的易磁化轴形成大于0度小于等于45度的角度。

4.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：

上述第1反铁磁性层是NiMn、PtMn或IrMn，上述第2反铁磁性层是FeMn、IrMn或PtMn。

5.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：

上述磁化自由层是具有第1磁性层/非磁性层/第2磁性层的层叠膜，或者是具有第1磁性层/第1非磁性层/第2磁性层/第2非磁性层/第3磁性层的层叠膜。

6.如权利要求5所述的磁阻效应元件，其特征在于：

上述磁化自由层是从上述隧道绝缘层一侧开始按照CoFeB层/非磁性层/NiFe层的顺序层叠的层叠膜，或者是按照CoFeB层/非磁性层/CoFeB层/非磁性层/NiFe层的顺序层叠的层叠膜。

7.如权利要求5所述的磁阻效应元件，其特征在于：

上述磁化自由层是从上述隧道绝缘层一侧开始按照CoFeB层/非磁性层/CoFeB层的顺序层叠的层叠膜，或者是按照CoFeB层/非磁性层/CoFeB层/非磁性层/CoFeB层的顺序层叠的层叠膜，并且在上述磁化自由层与上述第2反铁磁性层之间设置坡莫合金层。

8.一种磁存储器，其特征在于，具备：

具有如权利要求1所述的磁阻效应元件的存储单元；

与上述磁阻效应元件的一端电连接的第1布线；以及

与上述磁阻效应元件的另一端电连接的第2布线。

9.根据权利要求8所述的磁存储器，其特征在于：

上述存储单元具有在源极或漏极与上述第1布线连接的MOS晶体管。

10.一种磁存储器，其特征在于，具备：

具有如权利要求1所述的第1和第2磁阻效应元件的存储单元；

与上述第1和第2磁阻效应元件的第1端电连接的第1布线；

与上述第1磁阻效应元件的第2端电连接的第2布线；以及

与上述第2磁阻效应元件的第2端电连接的第3布线，

其中，上述第1磁阻效应元件的从上述第1布线到上述第2布线的方向上的层配置与上述第2磁阻效应元件的从上述第1布线到上述第3布线的方向上的层配置相反。

11.根据权利要求10所述的磁存储器，其特征在于：

上述存储单元具有在源极或漏极与上述第1布线连接的MOS晶体管。

Images