CN101093721A - 磁阻元件和磁性存储器 - Google Patents

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Abstract

一种磁阻元件，包括：第一磁性参考层(11)，具有固定的磁化方向；磁性自由层(13)，可以通过提供自旋极化电子改变其磁化方向；第二磁性参考层(15)，具有固定的磁化方向；第一中间层(12)，提供在第一磁性参考层与磁性自由层之间；以及，第二中间层(14)，提供在磁性自由层与第二磁性参考层之间。磁性自由层(13)与第一磁性参考层(11)具有与平面内方向垂直或平行的易磁化方向。第一磁性参考层(11)与第二磁性参考层(15)具有相互垂直的易磁化方向。

Description

磁阻元件和磁性存储器
技术领域
本发明涉及一种磁阻元件(magnetoresistive element)和磁性存储器，例如，涉及能够通过双向提供电流来记录数据的磁阻元件以及使用这种磁阻元件的磁性存储器。
背景技术
近来提出了许多用于根据新原理记录数据的固态存储器。在所有这些固态存储器中，作为固态磁性存储器，利用隧道式磁阻(tunnelingmagnetoresistive，TMR)效应的磁阻式随机存取存储器(magnetoresistive random access memory，MRAM)受到极大关注。作为特有性能，MRAM按照磁性隧道结(magnetic tunnel junction，MTJ)元件的磁化状态存储数据。
在传统的、按照由互连电流产生的磁场写入数据的MRAM中，当MTJ元件的尺寸减小时，矫顽力Hc增大，因此，进行写入所需要的电流趋于增大。事实上，为了制造具有256兆位或更大的大容量MRAM，芯片尺寸必须很小。为此，需要在通过增加芯片中的单元阵列占用率(cell array occupation ratio)的同时，将写电流减小到μA级。但是，减小MTJ元件的尺寸与减小写电流是相互矛盾的。为此，传统的MRAM难以同时减小单元尺寸和电流来获得大于256兆位的容量。
提出了一种MRAM，它利用自旋动量转移(spin momentumtransfer，SMT)来解决上述问题(例如，美国专利No.6256223；参考文献1[C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of MagneticMultilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Vol.159，1996，pp.L1-L7])；以及参考文献2[L.Berger，“Emission of SpinWaves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current”，PhysicalReview B，Vol.54，No.13，1996，pp.9353-8])。在自旋动量转移(以下称为“自旋注入”)翻转(switching)中，电流密度Jc限定了翻转所需要的磁化翻转电流Ic。因此，当元件面积减小时，利用自旋注入引起翻转的翻转电流也减小。
在写入模式中，如果电流密度为常数，则写电流也随着MTJ元件尺寸的减小而减小。因此，与传统的场写入型(field-write-type)MRAM相比，预期这种类型的MRAM具有卓越的可扩展性。但是，在电流自旋注入式MRAM中，翻转需要的电流密度Jc很高，即，10mA/cm2或更大。甚至使用尺寸为100nm2的MTJ元件也需要约1mA的写电流。
这是由于自旋注入翻转方案需要双向激发，并且，自旋注入的效率随激发方向改变。即，自旋注入翻转曲线是不对称的。翻转磁性自由层(自由层)的磁化方向，从而将自由层和磁性参考层(固定层(pinnedlayer))的磁化排列从平行变到反向平行所需要的电流约为从反向平行变到平行所需要的电流的两倍。
以下将对这个不对称曲线的问题进行描述。如果使用隧道式磁阻(TMR)效应薄膜，并且通过激发使自由层和固定层的磁化排列从反向平行翻转到平行来实现写入，则由于阈值电流很小，因此没有问题。但是，如果按照预定的电流密度Ia-ap，通过激发使自由层和固定层的磁化排列从平行翻转到反向平行来实现写入，则按照TMR效应，由于写电流很大，因此反向平行磁化排列中的元件电阻Rap增加。因此，写入电压Vp-ap提高。
因此，如果隧道阻挡层的击穿电压不够高，则在达到反向平行磁化排列之前，所述层已经到达击穿电压Vbd并且引起电介质击穿。此外，即使不出现电介质击穿，也不能保证在高电压下运行的可靠性。
发明内容
按照本发明的第一方面，提供了一种磁阻元件，包括：第一磁性参考层，具有磁化方向；磁性自由层，可以通过提供自旋极化电子改变其磁化方向；第二磁性参考层，具有磁化方向；第一中间层，提供在第一磁性参考层与磁性自由层之间；以及，第二中间层，提供在磁性自由层与第二磁性参考层之间。磁性自由层与第一磁性参考层具有与平面内方向垂直或平行的易磁化方向。第一磁性参考层与第二磁性参考层具有相互垂直的易磁化方向。
按照本发明的第二方面，提供了一种磁性存储器，包括存储单元，存储单元包括：磁阻元件；以及，第一电极和第二电极，用于给磁阻元件提供电流。
附图说明
图1为示出了按照第一实施例的MTJ元件10的截面图；
图2为示出了按照第一实施例的MTJ元件10的详细例子的截面图；
图3为示出了按照第一实施例的固定层15的另一种结构的截面图；
图4为示出了按照第一实施例的固定层11的另一种结构的截面图；
图5为示出了按照第一实施例的固定层11的另一种结构的截面图；
图6为示出了按照第一实施例的自由层13和固定层11的另一种结构的截面图；
图7为示出了按照第二实施例的MTJ元件10的截面图；
图8为示出了按照第二实施例的MTJ元件10的详细例子的截面图；
图9为示出了按照第二实施例的自由层13的另一种结构的截面图；
图10为示出了按照第三实施例的MTJ元件10的透视图；
图11为示出了按照第三实施例的MTJ元件10的详细例子的透视图；
图12为示出了按照第三实施例的固定层15的另一种结构的透视图；
图13为示出了按照第三实施例的固定层15的另一种结构的透视图；
图14为示出了按照第四实施例的MRAM的电路图；
图15为示出了MRAM的截面图，其中主要示出了MTJ元件10；并且
图16为示出了MRAM的另一种结构的截面图，其中主要示出了MTJ元件10。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的实施例进行描述。在描述中，相同的标号表示具有相同功能和布置的要素，并且，只有当需要时，才对描述进行重复。
(第一实施例)
图1示出了按照第一实施例的MJT元件10的基本结构。图1中的箭头表示磁化方向。
MTJ元件10具有由第一磁性参考层(固定层(pinned layer))11、第一中间层12、磁性自由层(自由层)13、第二中间层14和第二磁性参考层(固定层)15组成的分层结构，这些层按照上述顺序堆叠。在这个基本结构中，层的堆叠顺序可以颠倒。
固定层11和15具有固定的磁化(或自旋(spin))方向。自由层13的磁化方向改变(翻转)。固定层11和自由层13的易磁化方向与薄膜表面(或平面内方向)垂直(以下将这种情况称为“垂直磁化”)。固定层15的易磁化方向与薄膜表面平行(以下将这种情况称为“平面内磁化”)。即，固定层11和15的易磁化方向相互垂直。
易磁化方向指的是在没有任何外加磁场的情况下，当某种具有较大尺寸(macro size)的铁磁材料的自发磁化转向该方向时，使其内部能量最小的方向。难磁化方向指的是在没有任何外加磁场的情况下，当某种具有较大尺寸的铁磁材料的自发磁化转向该方向时，使其内部能量最大的方向。
在本实施例中，垂直磁化薄膜被用作自由层13。自由层13使用垂直磁化薄膜使得可以将MTJ元件尺寸的长宽比Ar(元件的短边长度与长边长度的比值，即，Ar＝长边长度/短边长度)设计为1。在平面内磁化薄膜中，形状磁异向能(shape magnetic anisotropy energy)决定了热稳定性所需要的异向磁场(anisotropic magnetic field)(Hk)，使得MTJ元件的长宽比小于1。相反，在垂直磁化薄膜中，磁晶异向能(magnetocrystallineanisotropy energy)保证了热稳定性所需要的异向磁场(Hk)。即，异向磁场(Hk)不依赖于MTJ元件的长宽比。
这使得能够减小MTJ元件的尺寸。在具有相同的MTJ元件宽度，并且使用要求利用自旋注入进行翻转所需要的电流密度Jc相同的TMR薄膜的平面内磁化薄膜和垂直磁化薄膜中，由于长宽比Ar较小，因此垂直磁化薄膜中的自旋注入翻转电流Ic较小。
在具有上述布置的MTJ元件10中，以下述方式写入数据。在本实施例中，电流表示电子流。首先，在MTJ元件10中，电流沿着垂直于薄膜表面(或堆叠平面)的方向双向流动。
这向自由层13提供了自旋极化为多数和少数的电子。多数电子自旋的自旋角动量向自由层13移动。自旋矩(spin torque)作用在自由层13上，引起自由层13的磁化旋转。自旋矩由固定层和自由层的磁化方向的单位矢量的外积表示。因此，自旋矩可以从两个固定层相互垂直地作用在自由层13上。因此，可以减小通过自旋注入的翻转电流。
更确切地说，当从固定层11一侧提供电子时(即，电子从固定层11向自由层13移动)，沿着与固定层11的易磁化方向相同的方向被自旋极化的电子和被固定层15反射并且因此沿着与固定层15的易磁化方向相反的方向被自旋极化的电子注入自由层13。在这种情况下，自由层13的磁化方向与固定层11的易磁化方向相同。即，固定层11与自由层13的磁化方向平行。在这种平行布置中，MTJ元件10的电阻最小。这种状态被定义为二进制0。
另一方面，当从固定层15一侧提供电子时(即，电子从固定层15移动到自由层13)，沿着与固定层15的易磁化方向相同的方向被自旋极化的电子和被固定层11反射并且因此沿着与固定层11的易磁化方向相反的方向被自旋极化的电子注入自由层13。在这种情况下，自由层13的磁化方向与固定层11的易磁化方向相反。即，固定层11与自由层13的磁化方向反向平行。在这种反向平行布置中，MTJ元件10的电阻最大。这种状态被定义为二进制1。
按照以下方式读取数据。给MTJ元件10提供读电流，以检测MTJ元件10的电阻变化。读电流被设定为小于写电流。
自由层13的易磁化方向与薄膜表面垂直。因此，在平行磁化布置的情况下，通过中间层12，在自由层13与固定层11之间，出现磁阻效应。但是，在垂直磁化布置的情况下，在自由层13与固定层15之间，不出现通过中间层14的磁阻效应。这是一个很大的优点，能够避免由第二固定层导致的在读输出方面的劣化，而所述劣化造成了在具有双排(dual-pin)分层结构(即，两个固定层通过中间层布置在自由层的两侧)的磁阻元件中的问题。
即，在本实施例的MTJ元件10中，两个固定层(固定层11和15)的磁化方向相互垂直。由于这个原因，如果中间层12和14使用相同的材料，即，相同的绝缘材料如氧化镁(MgO)或氧化铝(AlOx)，则两个固定层可以获得高自旋注入效率。此外，磁阻效应只出现在一个固定层中。
在传统的双排分层结构中，在两个中间层12和14中，出现互逆磁阻效应。因此，读所需要的TMR比减小。但是，本实施例能够避免这个问题。
以下将对按照本实施例的MTJ元件10的更详细的例子进行描述。图2为示出了MTJ元件10的详细例子的截面图。例如，在平面形状中，自由层13的长宽比被设定为接近1。
在衬底(没有示出)侧的最下面部分，存在对基本结构的晶体取向或可结晶性进行控制的底层16。底层16使用例如非磁性金属层。在最上面部分存在封盖层17，以防止基本结构损坏，如氧化或腐蚀。封盖层17使用例如非磁性金属层。
图3为示出了固定层15的另一种结构的截面图。固定层15的易磁化方向与薄膜表面平行。固定层15具有由固定层15C、中间层15B和固定层15A组成的分层结构。反铁磁层18存在于固定层15之上(固定层15与封盖层17之间)，并且与固定层15C接触。固定层15C与反铁磁层18交换耦合(exchange-couple)，使得磁化方向固定为与薄膜表面平行。
固定层15A和15C的易磁化方向与薄膜表面平行。固定层15A和15C的易磁化方向彼此反向平行(相反)。通过中间层15B，固定层15A和15C彼此反铁磁性耦合。由第一磁性层、中间层(非磁性层)和第二磁性层组成的，其中磁性层的磁化方向通过中间层反向平行的分层结构称为合成反铁磁性(synthetic anti-ferromagnetic，SAF)结构。使用SAF结构增强了固定层15的磁化固定力(magnetization fixing force)，使得抵抗外界磁场的抵抗力和热稳定性提高。更具体地说，固定层15的磁化固定力的温度依赖性得到改善。
在SAF结构中，假设Ms1为第一磁性层(与固定层15C等效)的饱和磁化强度，t1为第一磁性层的厚度，Ms2为第二磁性层(与固定层15A等效)的饱和磁化强度，t2为第二磁性层的厚度。当 Ms 1 · t 1 ≅ Ms 2 · t 2 时，显然，固定层15的饱和磁化强度与磁性层厚度的乘积Ms·t可以近似为零。由于固定层15几乎不对外部磁场做出反应，因此可以进一步改善抵抗外部磁场的能力。
SAF结构中的中间层15B使用了金属材料如钌(Ru)或锇(Os)。中间层15B的厚度被设定为3nm或更小。这种结构使得能够通过中间层15B获得足够强的反铁磁性耦合。使用具有这样结构的中间层15B增强了固定层15的磁化固定力，使得抵抗外部磁场的抵抗力和热稳定性提高。
图4为示出了固定层11的另一种结构的截面图。反铁磁层19位于固定层11之下(在固定层11与底层16之间)，并且与固定层11接触。固定层11与反铁磁层19交换耦合，使得磁化方向固定为与薄膜表面垂直。对这种结构的使用增强了固定层11的磁化固定力，使得抵抗外部磁场的抵抗力和热稳定性提高。
图5为示出了固定层11的另一种结构的截面图。固定层11具有由固定层11C、中间层11B和固定层11A组成的分层结构。即固定层11具有SAF结构。
固定层11A和11C的易磁化方向与薄膜表面垂直。固定层11A和11C的磁化方向彼此反向平行。固定层11A和11C通过中间层11B彼此反铁磁性耦合。使用SAF结构增强了固定层11的磁化固定力，使得抵抗外界磁场的抵抗力和热稳定性提高。在这样的布置中，反铁磁层可以位于固定层11A之下，并且与固定层11A接触，使得固定层11A与反铁磁层能够彼此交换耦合。
图6为示出了自由层13和固定层11的另一种结构的截面图。自由层13具有由界面自由层(interface free layer)13C、自由层13B和界面自由层13A组成的分层结构。即，在自由层13B与中间层12之间或者自由层13B与中间层14之间，最好存在由铁磁材料构成的界面自由层。
如图6所示，固定层11具有由界面固定层11E和固定层11D组成的分层结构。即，在固定层11D与中间层12之间最好存在由铁磁材料构成的界面固定层11E。
界面固定层和界面自由层具有增强磁阻效应的作用以及减少自旋注入写入中的写电流的作用。增强磁阻效应的界面层最好由相对于中间层具有较高的体极化性(bulk polarizability)和较高的表面极化性的材料制成。
以下将对MTJ元件10中包括的层的材料进行描述。
[1]用于中间层12和14的材料
本实施例的MTJ元件10中的中间层12使用绝缘材料和半导体。在这种情况下，自由层13/中间层12/固定层11的结构具有随道磁阻效应。在读过程中，固定层11和自由层13的磁化方向平行或反向平行。MTJ元件10的电阻变高或变低。这样的状态被确定为二进制0和二进制1。
另一方面，固定层15/中间层14/自由层13的结构没有隧道磁阻效应，这是因为自由层13与固定层15的磁化方向相互垂直。因此，中间层14可以使用金属导体、绝缘材料或半导体中的任何一种。当使用绝缘材料或半导体时，MTJ元件10的电阻提高。因此，最好使用金属导体。
用于中间层14的金属导体最好是铜(Cu)、铝(Al)、银(Ag)或金(Au)。当包括导电金属相和绝缘相如MgO-Cu或AlOx-Cu的混合晶体)结构被用于利用局部增加电流密度的电流浓度效应来增加自旋注入效率时，自由层的翻转电流可以减小。
为了利用隧道磁阻效应，中间层12和14中的每一个的厚度被设定为3nm或更小。这是由于MTJ元件的电阻与面积的乘积(RA)必须约为100Ωμm2或更小，用于流过约为1×105到1×107A/cm2的隧道电流，以便写入数据。
用于中间层12和14的绝缘材料的例子是氧化物，如氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)、氧化锶(SrO)、氧化钛(TiO)、氧化铕(EuO)、氧化锆(ZrO)和氧化铪(HfO)。半导体的例子为锗(Ge)、硅(Si)、化合物半导体如砷化镓(GaAs)和砷化铟(InAs)以及氧化物半导体如氧化钛(TiO2)。Mgo、CaO、SrO、TiO和EuO具有NaCl结构。
具有NaCl结构的MgO特别适合于中间层12。这是由于在使用MgO时，TMR比最大。如果MTJ元件的RA在5到1000(包含)Ωμm2的范围内，则使用MgO能够使TMR比达到100％或更多。从TMR比的观点看，具有NaCl结构的MgO最好具有(100)平面取向作为晶体取向。当在薄膜形成的过程中将1nm或更小的Mg层插入MgO层之上或之下时，能够进一步提高TMR比。
通过在稀有气体(氩[Ar]、氖[Ne]、氪[Kr]或氙[Xe])中利用MgO靶进行溅射，或者，通过在O2环境中利用Mg靶进行氧化反应溅射，形成MgO层。通过形成Mg层并且利用氧基、氧离子或臭氧对其进行氧化，可以形成MgO层。利用MgO的分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)或者电子束蒸发也可以用于对MgO层进行外延生长。
为了获得高TMR比，MgO的取向程度必须高。MgO的平面取向决定了要被选作底层的磁性层的取向。MgO最好具有(100)平面取向。为了使MgO具有(100)优选平面取向，其底层(自由层、固定层、界面自由层或界面固定层)最好具有体心立方(body-centered cubic，BCC)结构(100)取向平面、面心立方(face-centered cubic，FCC)结构(100)取向平面或无定形(amorphous)结构。
BCC结构的材料的例子为在BCC结构上外延生长到1nm或更小的BCC-Fe100-xCox(0≤x≤70 at(原子)％)以及BCC-Co。也可以使用BCC-Fe100-x(CoNi)x(0≤x≤70 at％)。在这种情况下，通过添加10 at％或更少的经过稀释的Ni，使TMR比增加10％到20％。无定形材料的例子为钴(Co)-铁(Fe)-硼(B)合金或Fe-Co-Zr合金。
[2]用于垂直磁化自由层和垂直磁化固定层的磁性材料
在本实施例中，垂直磁化薄膜用于自由层13和固定层11。如果使用平面内磁化自由层，则翻转磁场对MTJ元件尺寸的依赖很强。但是，使用垂直磁化自由层减小了对MTJ元件尺寸的依赖性。
在平面内磁化中，利用了饱和磁化强度的形状磁异向能保持磁化强度稳定。因此，翻转磁场随元件形状和尺寸改变。在垂直磁化过程中，饱和磁化强度很小，并且独立于元件形状和尺寸的磁晶异向能保持磁化强度稳定。因此，翻转磁场几乎不随元件形状和尺寸变化。因此，对于减小MTJ元件尺寸来说，最好使用垂直磁化自由层，这是由于它解决了使用平面内磁化薄膜的MTJ元件的问题，即，防止了MTJ元件的翻转磁场随MTJ元件尺寸减小而增加。
在本实施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜主要包含铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和锰(Mn)中的至少一种以及铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、铑(Rh)、锇(Os)、金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)和铬(Cr)中的至少一种。为了对饱和磁化强度进行调节，对磁晶异向能进行控制并且对晶粒尺寸和晶粒键(crystal grain bond)进行调节，可以添加从硼(B)、碳(C)、硅(Si)、铝(Al)、镁(Mg)、钽(Ta)、锆(Zr)、钛(Ti)、铪(Hf)、钇(Y)以及稀土元素中选择的至少一种元素。添加元素使得能够在不影响垂直磁化的情况下，使饱和磁化强度Ms和磁晶异向能Ku减小，因此，可以将使晶粒分裂并使之变小。
主要包含Co的材料的详细例子是具有密排六方(hexagonal closestpacking，HCP)结构的Co-Cr-Pt合金、Co-Cr-Ta合金以及Co-Cr-Pt-Ta合金。通过调节元素的成分，这些材料能够在1×105(包含)到1×107(不包含)erg/cc的范围内调节磁晶异向能。当这些材料用于靠近衬底的固定层时，底层最好使用具有HCP结构的Ru。
Co-Pt合金形成成分范围接近Co50Pt50(at％)的L10-CoPt有序合金(ordered alloy)。这种有序合金具有面心四方(face-centered tetragonal，FCT)结构。如果中间层12使用MgO(100)，则具有(001)平面取向的FCT-CoPt有序合金是优选的，这是由于它可以减小相对于中间层12的界面不相称(misfit)。甚至插在中间层与自由层(或固定层)之间的界面层也能够很容易具有(100)平面取向。
主要包含Fe的材料的详细例子是Fe-Pt合金和Fe-Pd合金。Fe-Pt合金是有序的，成分为Fe50Pt50(at％)，并且具有基于FCT结构的L10结构。Fe-Pd合金是也有序的，成分为Fe75Pt25(at％)，并且具有基于FCT结构的L12结构(Fe3Pt结构)。这产生了1×107 erg/cc或更高的磁晶异向能。
在排序为L10结构之前，Fe50Pt50合金具有FCC结构。在这种情况下，磁晶异向能约为1×106 erg/cc。因此，通过调节退火温度和成分，根据分层结构控制有序度并且加入添加剂，可以在5×105到5×108 erg/cc(包含二者)的范围内调节磁晶异向能。加入添加剂之前，饱和磁化强度约为800到1100 emu/cc。饱和磁化强度可以减小到800 emu/cc或更小。从减小电流密度Jc的观点看，自由层优选地使用这种材料。
更具体地说，通过按照30at％或更少给Fe-Pt合金添加铜(Cu)、钛(Ti)、锰(Mn)、钒(V)和铬(Cr)，可以对具有L10有序结构的Fe-Pt合金的饱和磁化强度(Ms)和磁晶异向能(Ku)进行控制。此外，V能够使阻尼常数(磁化阻尼常数)减小，这在自旋注入翻转中是很重要的，并且因此减小了翻转电流。
排序为L10结构或L12结构的Fe-Pt合金具有FCT结构。在进行排序之前，这种合金具有FCC结构。因此，Fe-Pt合金与MgO(100)非常匹配。更具体地说，在MgO(100)平面上生长具有(100)平面取向的BCC-Fe，并且，在其上堆叠Pt(100)。可以形成在MgO(100)上生长的、具有(100)优选取向的具有L10结构或L12结构的Fe-Pt有序合金。由于Fe-Pt有序合金可以有更优选的(100)平面取向，因此，在Fe-Pt有序合金与MgO(100)之间形成BCC-Cr是更优选的。
在形成具有L10结构或L12结构的Fe-Pt有序合金的过程中，通过形成多层结构的[Fe/Pt]n(n为整数；n≥1)，可以形成具有几乎理想的L10结构或L12结构的Fe-Pt有序合金。在这种情况下，最好将Fe和Pt的厚度设定为0.1到3(包含二者)nm。为了获得均匀的成分状态，这是必须的。由于在使Fe-Pt合金排序成L10结构或L12结构的过程中，它促进了从FCC结构到FCT结构的马氏体式变换(martensitic transformation)，因此这是很重要的。
具有L10结构或L12结构的Fe-Pt有序合金具有出色的热阻(thermalresistance)，这是由于其排序温度(ordering temperature)高达500℃或更高。由于它保证了在退火后处理的过程中的热阻，因此这是非常好的特性。通过按照30at％或更少来添加如上述的Cu或Pd等元素，可以降低排序温度。
本实施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜的另一个例子是包含Fe、Co、Ni、Mn、Cr和稀土元素中的至少一种元素的铁磁材料。稀土元素的例子是镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、Eu(铕)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)和镥(Lu)。
包含稀土元素的铁磁材料具有无定形结构。通过调整成分，这种铁磁材料可以将饱和磁化强度减小到400 emu/cc或更小，并且，可以将磁晶异向能增加到1×106 erg/cc或更高。
本实施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜可以使用由包含金属磁性相和绝缘相的混合晶体制成的铁磁材料。金属磁性相由包含Fe、Co、Ni、和Mn中的至少一种元素以及Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Au、Ag、Cu、Cr、Ta和稀土元素中的至少一种元素的铁磁材料制成。绝缘相由包含从B、C、Si、Al、Mg、Ta、Cr、Zr、Ti、Hf、Y和稀土元素中选择的至少一种元素的氧化物、氮化物或氮氧化合物制成。
由包含金属磁性相和绝缘相的混合晶体制成的铁磁材料被划分为导电的金属磁性部分和不导电的绝缘部分。由于电流集中于金属磁性部分，因此激发面积(energization area)减小，局部电流密度增加。这使实际需要的翻转电流减小。
为了获得这种效果，需要对可结晶性进行控制。分为两相的结构包括粒状(晶粒分散(crystal grain dispersion))结构、岛式(岛形)结构和圆柱(柱形)结构。在圆柱结构中，金属磁性部分通过磁性层垂直延伸。因此，容易获得电流收缩(current constriction)效应。在粒状或岛式结构中，电流通过具有最小隧道势垒的路径。因此，像圆柱结构一样，可以得到电流收缩效应。
本实施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜的其他例子是Mn铁磁合金和Cr铁磁合金。Mn铁磁合金的例子是具有有序晶格的Mn-Al合金、Mn-Au合金、Mn-Zn合金、Mn-Ga合金、Mn-Ir合金以及Mn-Pt3合金。Cr铁磁合金的例子是Cr-Pt3合金。这种合金具有L10有序晶格以及铁磁材料的特性。
[3]用于平面内磁化固定层的磁性材料
在本实施例中，平面内磁化薄膜用于具有垂直于固定层11的磁化方向的固定层15。
本实施例的MTJ元件10中使用的平面内磁化薄膜使用了包含Fe、Co、Ni、Mn和Cr中的至少一种元素的铁磁材料。主要包含Fe、Co和Ni的材料的详细例子是具有FCC结构或BCC结构的FexCoyNiz合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1)。
固定层优选地使用具有高极化率并且理论上能够实现100％极化率的半金属材料。
包含Mn的半金属材料的例子是Mn铁磁霍伊斯勒(Heusler)合金。Mn铁磁霍伊斯勒合金具有体心立方系统，而体心立方系统具有以A2MnX为代表的有序晶格。从Cu、Au、Pd、Ni和Co中选择元素A。从铝(Al)、铟(In)、锡(Sn)、镓(Ga)、锗(Ge)、锑(Sb)和硅(Si)中选择元素X。在霍伊斯勒合金当中，具有BCC结构的Co2MnAl合金通过具有BCC(100)平面取向，保证了与MgO(100)高度匹配。
固定层中的铁磁层的厚度必须为1nm或更大。在厚度较小的情况下，铁磁层不能成为连续薄膜。因此，它既不能充分表现出磁性层的特性，也不能获得足够的磁阻率(TMR比或巨磁阻(giant magnetoresistive，GMR)率)。最大厚度优选地是3nm或更小。厚度大于3nm会极大地超过相干自旋(coherent spin)的进动长度(precession length)。由于这个原因，自旋注入翻转所需要的阈值电流大大增加。
如果上述的平面内磁化固定层起MgO阻挡层的底层的作用，则成分公式FexCoyNiz(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1)表示的合金最好具有(100)平面取向和BCC结构。通过包含按照30at％或更少的浓度添加的B、C或N，成分公式FexCoyNiz(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1)表示的合金优选地具有无定形结构。这是由于在具有无定形结构的薄膜上，MgO薄膜容易获得(100)优选平面取向。
[4]用于界面自由层和界面固定层的材料
图6中示出的界面自由层和界面固定层(这二者以下均称为界面层)增强了磁阻效应，并且还减少了自旋注入写入过程中的写电流。相对于中间层，增强磁阻效应的界面层最好用具有较高的体极化性(bulkpolarizability)和较高的表面极化性的材料制成。
本实施例的MTJ元件10中使用的界面层使用了包含Fe、Co、Ni、Mn和Cr中的至少一种元素的铁磁材料。主要包含Fe、Co和Ni的材料的详细例子为具有FCC结构或BCC结构的FexCoyNiz合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1)。为了减小Fe-Co-Ni合金的饱和磁化强度(Ms)，还最好使用(FexCoyNiz)100-aXa合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1，a(at％)＞0，X为附加元素)。减小饱和磁化强度(Ms)使得能够大大减小翻转电流。优选地，Fe-Co-Ni合金的成分为50at％(x+y+z≥50at％)或者更多，这是由于界面对阻挡层的覆盖率为50 at％或更大。因此，TMR比方面的劣化被抑制。
能够在保持BCC结构的同时添加并且还能够减小饱和磁化强度(Ms)的添加剂的例子(即，可以被溶解为取代固溶体的完全可溶固溶体或者具有一定固溶体源的例子)是钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、钨(W)、铬(Cr)、钼(Mo)、硅(Si)、镓(Ga)和锗(Ge)。其中，V是有效的，这是由于它还可以减小阻尼常数。
通过添加间隙元素如B、C或N，或者添加几乎没有固溶体源(solidsolution source)的Zr、Ta、Ti、Hf、Y或稀土元素，从而将晶体结构变为无定形结构，可以减小饱和磁化强度(Ms)。这种材料的例子为具有无定形结构的(FexCoyNiz)100-bXb合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1，b(at％)＞0，X为附加元素，如B、C、N、Zr、Ta、Ti、Hf、Y或稀土元素)。为了获得某种程度的TMR比，局部地、即在界面上促进重新结晶为MgO是很重要的。
包含Mn的例子是Mn铁磁霍伊斯勒合金。Mn铁磁霍伊斯勒合金是以A2MnX为代表的具有有序晶格的体心立方系统合金。从Cu、Au、Pd、Ni和Co中选择元素A。从Al、In、Sn、Ga、Ge、Sb和Si中选择元素X。在霍伊斯勒合金当中，具有BCC结构的Co2MnAl合金通过具有BCC(100)平面取向，保证了与MgO(100)高度匹配。有时，Mn霍伊斯勒合金表现出半金属的导电特性。
也可以使用氧化物材料。包括半金属的氧化物材料如Fe2O3可用作界面层。
在金属层如自由层或固定层上形成的界面层的最小厚度必须是0.5nm或更厚。在绝缘层或半导体层上形成的界面层的最小厚度也必须是0.5nm或更厚。在较小厚度的情况下，界面层不能形成连续薄膜。因此，它既不能充分表现出界面自由层或界面固定层的特性，也不能获得足够的磁阻率(TMR比或巨磁阻率)。最大厚度最好是5nm或更小。厚度大于5nm会大大超过相干自旋的进动长度。由于这个原因，自旋注入翻转所需要的阈值电流大大增加。
如以上详细描述的，通过形成包括磁化方向相互垂直的两个固定层的双排分层结构，本实施例能够提高对自由层13的自旋注入效率。这提高了MTJ元件10的翻转速度。高自旋注入效率能够减小翻转所需的写电流。
自由层13和固定层11的磁化方向相互平行。自由层13与固定层15的磁化方向相互垂直。尽管中间层12表现出磁阻效应，但是，中间层14不表现出磁阻效应。这增加了读数据的过程中，MTJ元件10的TMR比。
导体如金属可以用于没有磁阻效应的中间层14。这减小了MTJ元件10的电阻。
自由层13使用垂直磁化薄膜。即，磁晶异向能保证了自由层的热稳定性所需要的异向磁场(Hk)。由于自由层13的长宽比可以很低，因此，可以减小MTJ元件的尺寸。
由铁磁材料制成的界面自由层被插入自由层13与中间层12之间或自由层13与中间层14之间。由铁磁材料制成的界面固定层被插入固定层11与中间层12之间。界面自由层和界面固定层使用具有较高的体极化度的材料，因此能够增强磁阻效应。这也减小了写电流。
以下为用在MTJ元件中的TMR薄膜的分层结构的更详细的例子。在例1到例3中，每层后面的数值代表厚度。
(例1)
Ta5/PtMn15/CoFe2.5/Ru0.85/CoFe2.5/Cu3(中间层14)/CoFeB0.5/FePt(L10)2/Fe0.5/MgO0.75(中间层12)/CoFeB1/FePt(L10)10/Pt5/Cr20/MgO2/CoFeB2/Ta5//衬底
(例2)
Ta5/IrMn10/CoFe2.5/Ru0.85/CoFe2.5/Cu3(中间层14)/CoFeB0.5/CoFeTb3/CoFeB0.75/MgO0.75(中间层12)/CoFeB2/CoFeTb30/Ru5/Ta5//衬底
(例3)
Ta5/IrMn10/CoFe2.5/Ru0.85/CoFe2.5/Cu3(中间层14)/CoFeB0.5/CoPt3/CoFeB0.5/MgO0.75(中间层12)/CoFeB2/CoPt20/Ru5/Ta5//衬底
在例1和例3中，在真空中，在平面内磁场中，按照270℃进行退火。通过使用这些MTJ薄膜，形成能够4端测量的MTJ元件，并且，对自旋注入翻转所需要的电流密度Jc进行估算。测量在1毫秒的脉冲宽度下进行。MTJ元件的尺寸约为100nm×100nm，并且，长宽比为1。对MgO的厚度进行调整，使得每个MTJ元件的电阻与面积的乘积(RA)为15Ωμm2。
将每个例子与中间层14上没有平面内磁化固定层的对比例子进行比较。电流密度Jc约减小10％到30％。在每个例子中，中间层14使用Cu。因此，电阻与面积的乘积(RA)极少增加。没有发现在TMR比方面的明显劣化。
(第二实施例)
在第二实施例中，通过将平面内磁化薄膜用于自由层13，形成MTJ元件10。图7为示出了按照第二实施例的MTJ元件10的截面图。图7示出了按照本实施例的MTJ元件10的基本结构。
MTJ元件10具有由第一固定层11、第一中间层12、自由层13、第二中间层14和第二固定层15组成的分层结构，这些层按照上述顺序堆叠。在这个基本结构中，层的堆叠顺序可以颠倒。
固定层11和自由层13的易磁化方向与薄膜表面平行。固定层15的易磁化方向与薄膜表面垂直。即，固定层11和15的易磁化方向相互垂直。因此，通过中间层12，在平行磁化布置的自由层13与固定层11之间出现磁阻效应。但是，在垂直磁化布置的自由层13与固定层15之间不出现通过中间层14的磁阻效应。
图8为示出了MTJ元件10的详细例子的截面图。封盖层17和底层16分别存在于图7中示出的基本结构的最上和最下部分。固定层11具有由固定层11C、中间层11B和固定层11A组成的分层结构。即，固定层11具有SAF结构。
固定层11A和11C的易磁化方向与薄膜表面平行。固定层11A和11C的易磁化方向彼此反向平行。固定层11A和11C通过中间层11B彼此反铁磁性耦合。SAF结构中的中间层使用了金属材料如Ru或Os，并且，具有3nm或更薄的厚度，以便获得足够强的、通过中间层的反铁磁性耦合。
反铁磁层19存在于固定层11A之下(固定层11A与底层16之间)并且与固定层11A接触。固定层11A与反铁磁层19交换耦合，从而将磁化方向固定为与薄膜表面平行。
使用这种结构增强了固定层11的磁化固定力，使得抵抗外界磁场的抵抗力和热稳定性提高。为了提高抵抗外界磁场的能力，很明显，最好使饱和磁化强度与固定层11的磁性层厚度的乘积Ms·t近似为零。
图9为示出了自由层13的另一种结构的截面图。自由层13具有由自由层13F、中间层13E和自由层13D组成的分层结构。即自由层13具有SAF结构。自由层13D和13F的易磁化方向与薄膜表面平行。自由层13D和13F的磁化方向彼此反向平行。自由层13D和13F通过中间层13E彼此反铁磁性耦合。
具有上述结构的MTJ元件10能够获得与第一实施例相同的效果。如第一实施例中所述，可以在自由层13和固定层11内插入界面层。
本实施例的自由层13主要使用Fe-Co-Ni合金。为了减小Fe-Co-Ni合金的饱和磁化强度(MS)，最好，也使用(FexCoyNiz)100-aXa合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1，a(at％)＞0，X为附加元素)。减小饱和磁化强度(Ms)使得能够大大减小翻转电流。
能够在保持BCC结构的同时被添加并且还能够减小饱和磁化强度(Ms)的添加剂的例子(即，可以被溶解为取代固溶体的完全可溶固溶体或者具有一定固溶体源的例子)是V、Nb、Ta、W、Cr、Mo、Si、Ga和Ge。其中，V是有效的，这是由于它还可以减小阻尼常数。
通过添加间隙元素如B、C或N，或者添加几乎没有固溶体源的Zr、Ta、Ti、Hf、Y或稀土元素，从而将晶体结构变为无定形结构，可以减小饱和磁化强度(Ms)。这种材料的例子为具有无定形结构的(FexCoyNiz)100-bXb合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1，b(at％)＞0，X为附加元素，如B、C、N、Zr、Ta、Ti、Hf、Y或稀土元素)。
包含Mn的材料的例子是Mn铁磁霍伊斯勒合金。霍伊斯勒合金表现出半金属的导电特性。Mn霍伊斯勒合金为以A2MnX为代表的具有有序晶格的体心立方系统合金。从Cu、Au、Pd、Ni和Co中选择元素A。从Al、In、Sn、Ga、Ge、Sb和Si中选择元素X。在霍伊斯勒合金当中，具有BCC结构的Co2MnAl合金通过具有BCC(100)平面取向，保证了与MgO(100)高度匹配。
在第一实施例中描述的材料也可以用于包括在MTJ元件10中的其余层。
(第三实施例)
在第三实施例中，通过将平面内磁化薄膜用于自由层13以及两个固定层中的每一层，形成MTJ元件10。图10为示出了按照第三实施例的MTJ元件10的透视图。图10示出了按照本实施例的MTJ元件10的基本结构。
MTJ元件10具有由第一固定层11、第一中间层12、自由层13、第二中间层14和第二固定层15组成的分层结构，这些层按照上述顺序堆叠。在这个基本结构中，层的堆叠顺序可以颠倒。
固定层11、自由层13和固定层15的易磁化方向与薄膜表面平行。即，可以将平面内磁化薄膜用于所有磁化层。这有利于形成MTJ元件10。
固定层11与自由层13的易磁化方向平行。固定层11和15的易磁化方向相互垂直。因此，通过中间层12，在平行磁化布置的自由层13与固定层11之间出现磁阻效应。但是，在垂直磁化布置的自由层13与固定层15之间不出现通过中间层14的磁阻效应。
图11为示出了MTJ元件10的详细例子的透视图。图11中示出的基本结构的最上和最下部分分别有封盖层17和底层16。固定层11具有由固定层11C、中间层11B和固定层11A组成的分层结构。即，固定层11具有SAF结构。固定层11A和11C的易磁化方向与薄膜表面平行。固定层11A和11C的磁化方向彼此反向平行。固定层11A和11C通过中间层11B彼此反铁磁性耦合。
反铁磁层19存在于固定层11A之下(固定层11A与底层16之间)并且与固定层11A接触。固定层11A与反铁磁层19交换耦合，从而将磁化方向固定为与薄膜表面平行。使用这种结构增强了固定层11的磁化固定力，使得抵抗外界磁场的抵抗力和热稳定性提高。
固定层15与自由层13必须有明显的矫顽力差。因此，固定层15最好使用平面内磁化型硬磁性层。
平面内磁化型硬磁性层材料的例子为Co-Pt合金和C0-Pt-X合金(X为从Cr、Ta、Pd、B、Si和Ru中选择的至少一种元素)。也可以利用平面内磁化型硬磁性层形成包括硬磁性层、中间层和硬磁性层的SAF结构。在这种情况下，中间层使用Ru或Os。
图12为示出了固定层15的另一种结构的透视图。反铁磁层18存在于固定层15之上(固定层15与封盖层17之间)并且与固定层15接触。固定层15与反铁磁层18交换耦合，从而将磁化方向固定为与薄膜表面平行。
图13为示出了固定层15的另一种结构的透视图。固定层15具有由固定层15C、中间层15B和固定层15A组成的分层结构。即，固定层15具有SAF结构。固定层15A和15C的易磁化方向与薄膜表面平行。固定层15A和15C的磁化方向彼此反向平行。固定层15A和15C通过中间层15B彼此反铁磁性耦合。
通过按照不同的临界温度，即用于与铁磁性层耦合的阻隔温度(blocking temperature)执行退火序列，图12和图13中示出的反铁磁层19和18可以使固定层11和15的易磁化方向相互垂直。更确切地说，对反铁磁层19，最好使用具有高阻隔温度的材料如PtMn或NiMn，对反铁磁层18，最好使用阻隔温度相对低的材料如FeMn或IrMn。
自由层13可以具有由铁磁层、中间层和铁磁层组成的分层结构，即，SAF结构。在SAF结构中，铁磁层的磁化方向彼此反向平行。铁磁层通过中间层彼此反铁磁性耦合。
具有上述结构的MTJ元件10能够获得与第一实施例相同的效果。如第一实施例中所述，可以在自由层13和固定层11内插入界面层。在第一和第二实施例中描述的材料也可以用于包括在MTJ元件10中的其余层。
(第四实施例)
在第四实施例中，利用上述的MTJ元件10形成MRAM。
图14为示出了按照第四实施例的MRAM的电路图。MRAM包括存储单元阵列20，存储单元阵列20具有多个按照矩阵排列的存储单元MC(memory cell)。存储单元阵列20具有多条沿列方向行进的位线BL。存储单元阵列20具有多条沿行方向行进的字线WL。
上述的存储单元MC位于位线BL与字线WL之间的交叉点。每个存储单元MC包括MTJ元件10和选择晶体管21。MTJ元件10的一端连接到位线BL。MTJ元件10的另一端连接到选择晶体管21的漏极。字线WL连接到选择晶体管21的栅极。选择晶体管21的源极连接到源线SL。
电源电路22连接到位线BL的一端。感测放大器电路24连接到位线BL的另一端。电源电路23连接到源线SL的一端。源线SL的另一端通过开关元件(没有示出)连接到电源25。
电源电路22给位线BL的一端加正电位。感测放大器电路24对MTJ元件10的电阻进行检测，并且，给位线BL的另一端施加例如地电位。电源电路23给源线SL的一端施加正电位。电源25使连接到它的开关元件导通，以便给源线SL的另一端施加例如地电位。每个电源电路包括一个开关元件，用于对到对应的互连的电气连接进行控制。
按照以下方式将数据写入存储单元MC。首先，为了选择为写入数据而要访问的存储单元MC，将连接到存储单元MC的字线WL激活，因此选择晶体管21导通。
给MTJ元件10提供双向写电流Iw。更确切地说，当从上向下给MTJ元件10提供写电流Iw时，电源电路22给位线BL的一端施加正电位。电源25使与电源25对应的开关元件导通，从而给源线SL的另一端提供地电位。
当从下向上给MTJ元件10提供写电流Iw时，电源电路23给源线SL的一端施加正电位。感测放大器电路24给位线BL的另一端施加地电位。与电源25对应的开关元件关断。这使得能够将二进制0或二进制1写入存储单元MC。
按照以下方式从存储单元MC读出数据。首先，选择存储单元MC。电源电路23和感测放大器电路24给MTJ元件10提供从电源电路23流向感测放大器电路24的读电流Ir。根据读电流Ir，感测放大器电路24对MTJ元件10的电阻进行检测。这使得能够从MTJ元件10读出数据。
以下将对MRAM的结构进行描述。图15为示出了MRAM的截面图，其中主要示出了MTJ元件10。在选择晶体管21之上，通过层间介电薄膜，形成MTJ元件10，其中，在例如由硅制成的半导体衬底(没有示出)中形成选择晶体管21。
在引出电极32上提供MTJ元件10。引出电极32经过过孔插头(via plug)31电气连接到选择晶体管21的漏极。在MTJ元件10上提供硬质掩膜(hard mask)33。在硬质掩膜33上提供位线BL。
位线BL、硬质掩膜33以及过孔插头31使用例如W、Al、Cu或AlCu。通过Cu镶嵌工艺或者Cu双重镶嵌工艺，形成使用Cu的金属互连层和过孔插头。
图16为示出了MRAM的另一种结构的截面图，其中主要示出了MTJ元件10。在过孔插头31上直接提供MTJ元件10。即，与图15中示出的MRAM不同，图16中示出的MRAM没有引出电极32。在MTJ元件10上提供硬质掩膜33。在硬质掩膜33上提供位线BL。
或者，MTJ元件10经过引出电极32电气连接到过孔插头31，如图15所示，或者，在过孔插头31上直接形成MTJ元件10，如图16所示。图16所示的结构中，最好，MTJ元件比过孔插头小。
设F为由光刻或蚀刻决定的最小特征尺寸。在图15所示的布局中，最小单元尺寸为8F2。在图16所示的布局中，最小单元尺寸可以减小到4F2。
在具有上述结构的MRAM中，对MTJ元件10进行写的速度能够提高。更确切地说，可以利用脉冲宽度为几纳秒到几毫秒的电流进行自旋注入写入。
最好，提供给MTJ元件10的读电流Ir的脉冲宽度小于提供给MTJ元件10的写电流Iw的脉冲宽度。这减少了由读电流Ir引起的写入错误。这是由于，写电流Iw的脉冲宽度越小，写电流的绝对值越大。
对于本领域的技术人员来说，另外的优点和修改很容易出现。因此，在更广的方面，本发明不限于这里所示出和描述的具体细节和典型实施例。因此，在不脱离由所附权利要求以及它们的等同物所限定的一般发明概念的精神或范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (20)

1.一种磁阻元件，其特征在于包括：
第一磁性参考层，具有固定的磁化方向；
磁性自由层，可以通过提供自旋极化电子改变其磁化方向；
第二磁性参考层，具有固定的磁化方向；
第一中间层，设置在所述第一磁性参考层与所述磁性自由层之间；以及
第二中间层，设置在所述磁性自由层与所述第二磁性参考层之间，
其中，所述磁性自由层与所述第一磁性参考层具有与平面内方向垂直或平行的易磁化方向，并且
所述第一磁性参考层与所述第二磁性参考层具有相互垂直的易磁化方向。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于：
所述磁性自由层与所述第一磁性参考层具有与平面内方向垂直的易磁化方向；并且
所述第二磁性参考层具有与平面内方向平行的易磁化方向。
3.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一磁性参考层、所述磁性自由层和所述第二磁性参考层具有与平面内方向平行的易磁化方向。
4.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一中间层由绝缘材料和半导体中的一种材料制成。
5.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第二中间层由导体制成。
6.如权利要求1所述的元件，其特征在于：
所述磁性自由层包括按照顺序堆叠的第一磁性层、第二磁性层和第三磁性层；
所述第一磁性层被布置为与所述第一中间层接触；并且
所述第三磁性层被布置为与所述第二中间层接触。
7.如权利要求6所述的元件，其特征在于，所述第一磁性层与所述第三磁性层由铁磁材料制成。
8.如权利要求1所述的元件，其特征在于：
所述第一磁性参考层包括堆叠的第一磁性层和第二磁性层；
所述第一磁性层被布置为与所述第一中间层接触。
9.如权利要求8所述的元件，其特征在于，所述第一磁性层由铁磁材料制成。
10.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一磁性参考层包括按照顺序堆叠的第一磁性层、非磁性层和第二磁性层。
11.如权利要求10所述的元件，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层的磁化方向被设定为相反的方向。
12.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述第二磁性参考层包括按照顺序堆叠的第一磁性层、非磁性层和第二磁性层。
13.如权利要求12所述的元件，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层的磁化方向被设定为相反的方向。
14.如权利要求1所述的元件，其特征在于，所述磁性自由层包括按照顺序堆叠的第一磁性层、非磁性层和第二磁性层。
15.如权利要求14所述的元件，其特征在于，所述第一磁性层和所述第二磁性层的磁化方向被设定为相反的方向。
16.如权利要求1所述的元件，其特征在于，还包括反铁磁层，用于利用交换耦合力，固定所述第一磁性参考层的磁化方向。
17.如权利要求1所述的元件，其特征在于，还包括反铁磁层，用于利用交换耦合力，固定所述第二磁性参考层的磁化方向。
18.一种磁性存储器，包括存储单元，所述存储单元包括：
磁阻元件；以及
第一电极和第二电极，用于给所述磁阻元件提供电流，
所述磁阻元件的特征在于包括：
第一磁性参考层，具有固定的磁化方向；
磁性自由层，可以通过提供自旋极化电子改变其磁化方向；
第二磁性参考层，具有固定的磁化方向；
第一中间层，设置在所述第一磁性参考层与所述磁性自由层之间；以及
第二中间层，设置在所述磁性自由层与所述第二磁性参考层之间，
其中，所述磁性自由层与所述第一磁性参考层具有与平面内方向垂直或平行的易磁化方向，并且
所述第一磁性参考层与所述第二磁性参考层具有相互垂直的易磁化方向。
19.如权利要求18所述的存储器，其特征在于，还包括电源电路，该电源电路电气连接到所述第一电极和所述第二电极，并且给所述磁阻元件提供双向电流。
20.如权利要求19所述的存储器，其特征在于，所述存储单元包括选择晶体管，该选择晶体管电气连接到所述第二电极和所述电源电路。
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