CN101546807A - 磁阻元件和磁存储器 - Google Patents

磁阻元件和磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁阻元件和磁存储器。一种磁阻元件(10)包括：底层(12)，具有取向在(001)面的立方或四方晶体结构；第一磁性层(13)，设于底层(12)上，具有垂直的磁各向异性，并且具有取向在(001)面的fct结构；非磁性层(14)，设于第一磁性层(13)上；以及第二磁性层(15)，设于该非磁性层(14)上，并且具有垂直的磁各向异性。底层(12)的面内晶格常数a1和第一磁性层(13)的面内晶格常数a2满足下式，其中b是第一磁性层(13)的Burgers矢量的幅度，v是第一磁性层(13)的弹性模量，hc是第一磁性层(13)的厚度：|√2×a1/2－a2|/a2＜b×{ln(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+v)}。

Description

磁阻元件和磁存储器
技术领域
本发明涉及磁阻元件和磁存储器。例如，本发明涉及一种可以通过向其双向提供电流来存储信息的磁阻元件。
背景技术
使用铁磁材料的磁随机存取存储器(MRAM)被预期为具有非易失性、高速运行、大容量和低功耗的非易失性存储器。MRAM包括利用隧穿磁阻(TMR)效应的磁性隧道结(MTJ)，作为存储元件。MRAM根据MTJ元件的磁化配置来存储信息。
利用互连电流的磁场来执行写入操作的传统的MRAM有下列问题。随着进一步的比例缩小(scale reduction)，流过互连的电流减小，而由于这个原因，很难将足够的电流磁场提供到MTJ元件。另外，由MTJ元件的比例缩小导致将信息记录到MTJ元件所需要的电流磁场的大小增加。因此，对于126M比特到256M比特这一代，在MRAM中利用互连电流的磁场来执行写入操作存在理论极限。
为了解决前述的问题，已经提出利用自旋动量转移(SMT)来执行写入操作的MRAM(文献1：US专利No.6,256,223)。利用自旋动量转移(也称为自旋注入)的磁化切换(magnetization switching)具有下列优点。具体地，即使元件的比例缩小，磁化切换所需电流密度的幅度(magnitude)也不增加，因此，可以进行高效写入操作。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种磁阻元件，包括：第一底层，具有取向在(001)面的立方或四方晶体结构；第一磁性层，设于第一底层上，具有垂直于膜表面的磁各向异性，并且具有取向在(001)面的面心四方(fct)结构；第一非磁性层，设于第一磁性层上；以及第二磁性层，设于第一非磁性层上，并且具有垂直于膜表面的磁各向异性。第一底层的面内(in-plane)晶格常数a1和第一磁性层的面内晶格常数a2满足下式，其中b是第一磁性层的Burgers矢量的幅度，ν是第一磁性层的弹性模量，hc是第一磁性层的厚度。
| 2 &times; a 1 / 2 - a 2 | / a 2 < b &times; { ln ( hc / b ) + 1 } / { 2 &pi; &times; hc &times; ( 1 + v ) }
根据本发明的一个方面，提供一种磁阻元件，包括：第一底层，具有取向在(001)面的钙钛矿结构；第一磁性层，设于第一底层上，具有垂直于膜表面的磁各向异性，并且具有取向在(001)面的fct结构；第一非磁性层，设于第一磁性层上；以及第二磁性层，设于第一非磁性层上，并且具有垂直于膜表面的磁各向异性。第一底层的面内晶格常数a1和第一磁性层的面内晶格常数a2满足下式，其中b是第一磁性层的Burgers矢量的幅度，ν是第一磁性层的弹性模量，hc是第一磁性层的厚度。
|a1-a2|/a2<b×{ln(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+v)}
根据本发明的一个方面，提供一种包括存储器单元的磁存储器，该存储器单元包括磁阻元件，以及将该磁阻元件夹在中间以提供电流到该磁阻元件的第一电极和第二电极。
附图说明
图1是表示晶格失配与记录层的临界厚度之间的关系的曲线；
图2是示出根据第一实施例的MTJ元件10的结构的截面图；
图3是示出根据第一实施例的MTJ元件10的另一种结构的截面图；
图4是解释在使用LaN作为底层12并且使用FePd作为记录层13时的晶体结构的模型视图；
图5是示出根据第一实施例的底层12的结构的截面图；
图6是示出根据第二实施例的MTJ元件10的结构的截面图；
图7是示出根据第二实施例的MTJ元件10的另一种结构的截面图；
图8是示出根据第三实施例的MRAM的配置的电路图；
图9是示出MRAM的结构的截面图，主要为了解释一个存储器单元；
图10是示出根据MRAM的应用实例1的用于数字用户线路调制解调器的DSL数据路径模块的配置的框图；
图11是示出根据MRAM的应用实例2的移动电话终端300的配置的框图；
图12是示出根据MRAM的应用实例3的MRAM卡400的俯视图；
图13是用于传送数据到MRAM卡的传送装置500的平面图；
图14是示出用于传送数据到MRAM卡的传送装置500的截面图；
图15是示出用于传送数据到MRAM卡的装配型(fitting type)传送装置500的截面图；和
图16是示出用于传送数据到MRAM卡的滑片型(slide type)传送装置500的截面图。
具体实施方式
为了获得大容量的MRAM，形成MTJ元件的铁磁层必须被按比例缩小以便在单元尺寸(cell-size)水平上被集成。例如，根据具有1G比特存储容量的MRAM的设计，预期单元尺寸小于100nm。为了获得比上述存储容量更大的容量，需要进一步比例缩小。如果缩小铁磁层的尺寸，则铁磁层将受到由于热涨落磁后效(thermalfluctuation magnetic aftereffect)引起的热振动的影响。结果，铁磁层的磁化方向自由变化。将在下文中以具有单轴磁各向异性的单域微粒(single domain particle)为例来描述上述热涨落磁后效的影响。
当磁各向异性能(magnetic anisotropy energy)密度是Ku并且铁磁层的体积是V时，磁各向异性能U表示为U＝KuV。原子具有热振动能KBT，由于这个原因，如果热振动能变得大于磁各向异性能，则容易发生磁化切换。即，如果发生KuV<KBT(或KuV/KBT<1)，则铁磁层的磁化具有顺磁性行为。该层变成顺磁材料，铁磁层不将磁化保持在一个方向上，结果，铁磁层不表现作为存储元件的功能。因此，铁磁层至少需要满足KuV/KBT>1的条件。
用于存储元件的铁磁层须将磁化的信息保持数年。前述的条件KuV/KBT>1没有包含时间信息。因此，例如在1G比特存储器单元中，必须考虑1比特的磁化方向切换的概率。在这种情形下，要求铁磁层满足KuV/KBT>60的条件。
磁各向异性能U正比于磁各向异性能密度Ku与铁磁层的值的乘积。随着单元尺寸的减小，铁磁层的体积V减小。为了在MTJ元件中存储非易失性信息，必须满足前述的条件KuV/KBT>60。由于这个原因，需要提高磁各向异性能密度Ku以补偿体积V的减小。如果铁磁层的膜厚为3nm，则当单元尺寸是100nm时Ku的值需高于1×105erg/cc。而且，当单元尺寸是40nm时，Ku的值需高于6×105erg/cc。
研究了下面两种方法来作为保证铁磁层的磁各向异性能的方法。一种方法利用磁形状各向异性能，另一种方法利用磁晶各向异性能。已知磁形状各向异性能与平面形状、膜厚和元件宽度成比例。在单元尺寸为40nm或更小时，如果利用磁形状各向异性保证铁磁层的磁各向异性能，则设计以使得平面形状变为细长平面，设计使得元件变厚。
如果将铁磁层的厚度固定在3nm并且仅利用平面形状来保证磁各向异性能，则纵横比(aspect ratio)为3或更大。由于这个原因，实现比例缩小和高容量MRAM是困难的。铁磁层的平面形状被固定为纵横比是2的椭圆形，将膜厚加厚以保证磁各向异性能。在这种情形下，膜厚需是4nm或更大。然而，铁磁层的厚度增加，而这是不得不增加自旋注入电流的一个因素。由于这个原因，利用磁形状各向异性补偿几十nm或更小的微铁磁层的磁各向异性能是困难的。
另一方面，利用磁晶各向异性能来保证铁磁层的磁各向异性能。在这种情形下，由于晶体对称性而出现磁晶各向异性。由于这个原因，不同于单轴磁各向异性的多轴关于晶体结构的差别具有各向异性。如果将二进制值(1比特)信息给到铁磁层，则优选地，磁化方向具有两个方向，即在稳定状态下的0°(假定为值“1”)和180°(假定为值“0”)。然而，当存在磁晶各向异性的易磁化的两个或更多个方向时，磁化具有三个或更多个稳定状态。如果存在能够通过自旋注入切换的三个或更多个磁化方向，则无法准确地存储值“1”和值“0”信息，因此，这不是优选的。
即，如果利用磁晶各向异性来保证磁各向异性能，则必须使用具有单轴磁各向异性的材料作为铁磁层。如果面内磁化铁磁层具有单轴磁各向异性，则例如用于硬盘介质等的CoCr合金也可以用作具有高磁晶各向异性能密度的材料。在这样的CoCr合金中，晶轴主要分散(disperse)在面内方向，由于这个原因，磁阻(MR)降低。另外，还诱导了非相干进动(incoherent precession)，结果，MTJ元件的磁化切换电流增加。
如果使晶轴垂直于膜表面，则晶轴可以仅为z轴，由此可以防止晶轴的分散。下列方法可用于使这样的晶轴能够垂直于z方向。一种方法是堆叠不同的材料膜，并且利用在所堆叠的膜之间的界面上诱导的各向异性。另一种方法是对膜表面在[001]方向上生长六方晶体结构，并且利用由晶体对称性诱导的磁晶各向异性。再一种方法包括改变在面内方向和垂直方向上的晶格大小。另一种方法使用磁致伸缩(magnetostriction)。
在具有垂直磁各向异性的材料中，给出下列材料作为具有高磁晶各向异性的合金。例子如下：具有对面内方向在[001]方向上生长的L10型晶体结构的FePT有序合金，FePd有序合金，CoPt有序合金、或NiPt有序合金。例如，FePd有序合金具有2.6×107erg/cc的磁晶各向异性。假定MTJ元件具有2.6×107erg/cc的磁晶各向异性，则MTJ元件的饱和磁化强度可以为1000emu/cc，厚度可以为2nm，比例缩小可以至约10nm。
但是，如果利用诸如溅射的汽相快速淬火(vapor rapidquenching)沉积薄FePd膜，则该FePd膜不经过固相中存在的热力学无序-有序转变点。由于这个原因，在沉积后形成亚稳面心立方(fcc)不规则相(irregular phase)(A1相)。从亚稳的A1相转变到L10有序相要求原子的晶格扩散(lattice diffusion)。因此，要求在相当于FePd合金熔点一半温度的500℃的热处理。
然而，MTJ元件形成在MOS晶体管和前端工艺(FEOL)互连上。由于这个原因，考虑到对前述MOS晶体管和FEOL互连的损伤，难以进行高温热处理。由于前述的原因，需要通过低温热处理将A1相调整为L10结构。
给出热沉积作为在低温形成L10结构的一种方法。按照这样的热沉积，在加热衬底的同时利用溅射形成FePd膜。溅射粒子的能量加上来自衬底的热能作为形成L10结构必须的能量。因此，可以在从300℃到450℃的低温形成具有高质量L10结构的有序层。
利用上面给出的热沉积方法生长对面内方向取向在[001]方向的L10结构膜。为了生长L10结构膜，必须从底层起控制晶体取向。关于该底层在磁介质领域已有一些报道，例如，文献2(T.Maeda，IEEEtrans.Mag.，vol.41，2005，PP.3331-3333)。根据文献2，公开了Pt20nm/Cr 5nm/NiTa 25nm作为具有L10结构的FePT底层。在前述堆叠膜中，标记“/”的左侧是上层，其右侧是下层。文献3(如，见JP-A2001-189010(KOKAI))公开了具有NaCl结构的氧化物、氮化物或碳化物。文献4(T.Suzu ki et al.，J.Magn.Mater.，193(1999)85-88)公开了Cr 7nm/MgO 10nm作为底层。
下述底层不是优选用于利用自旋极化电流实现磁化切换的。例如，具有高阻的底层。下述底层不是优选作为与记录层相邻的底层的。尤其是，底层包括具有如下特征的要素。由于该特征，通过在有序、FEOL或后端工艺(BEOL)所需的热工艺中产生的扩散，磁各向异性能、阻挡层电阻、或诸如MR比的电学特性被显著降低。考虑到这些情形，不优选使用前述公众已知的文献中公开的底层。这是因为，根据前述的文献2，使用显著降低MR比的Cr。根据前述的文献4，形成厚的具有高阻的MgO，由于这个原因，MTJ元件的电阻变为非常高，从而无法承载电流。即，当具有L10结构的有序合金用作采用自旋注入磁化切换的记录层时，底层需要满足下列特性：
·低电阻
·高耐热性
·低晶格失配
·晶体取向(对面内方向取向在[001]方向)
如果金属被用作底层，则由于热工艺导致发生扩散，因为这个原因，金属由于其耐热性不是优选的。优选地，离子键和共价键化合物用作底层，这是由于不发生热工艺导致的扩散。MgO是化合物，但是由于它具有高阻，所以它不是优选的。在前述的文献3中，使用具有低耐热性和低电阻的CrN。然而，CrN不是优选的，因为相对于FePd记录层的晶格失配约为8％。这是由下列原因导致的。如果在用作记录层的材料与用作底层的材料之间的晶格失配高，则在晶体生长阶段在记录层中引入位错。结果，降低了记录层的取向性。这是因为具有L10结构的记录层的磁特性不是均匀的。
为了利用热沉积来获得具有高质量L10结构的记录层，需要选择具有高晶格匹配的底层。另外，需要选择具有极好的耐热性的底层用于防止来自底层的原子扩散。
这里，底层的晶格常数是a1，记录层的面内方向的晶格常数是a2，记录层的Burgers矢量幅度为b。另外，记录层的弹性常数为ν，其膜厚为hc。根据Matthews-Blakeslee模型，在底层和记录层的晶格失配与临界厚度之间，给出下式(1)，用以防止位错影响记录层。
|a1-a2|/a2<b×{ln(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+ν)}    (1)
图1是解释在FePd用作记录层时，底层和记录层之间的晶格失配与产生位错缺陷的临界膜厚之间的关系的曲线图。为了导出前述的公式，使用b＝0.268nm，且ν＝0.343。前述的式(1)表示图1曲线的下部区域。从图1可见，如果给定记录层的厚度，则给出了用以防止位错影响记录层的底层与记录层的晶格失配的幅度。
记录层的膜厚根据自旋注入效率和热扰阻(heat disturbanceresistance)之间的关系来确定。例如，如果记录层变厚，则由于自旋注入引起的磁切换电流增加。由于这个原因，膜厚不应当大幅增加。此外，如果记录层变得太薄，则热扰阻降低，由于这个原因，对膜厚存在限制。经验性地，记录层的厚度应当设计为在1.5到4nm之间的范围内。例如，如果记录层的厚度为3am，如图1所示，作为位错不出现在记录层中的条件，底层和记录层的晶格失配被设计为4％或更小。如果具有L10结构的FePd用作记录层，则所需的底层的晶格常数被确定。即，当具有L10结构的FePd用作记录层时，需要选择作为相对于记录层具有4％或更小的晶格失配的底层的材料。
基于前述的认识，将在后面参考附图描述本发明的各种实施例。在下面的描述中，同样的附图标记用于标明具有同样功能和配置的元件，并且仅在必要时作重叠的解释。
[第一实施例]
[1]MTJ元件的结构
图2是示出根据本发明第一实施例的MTJ元件结构的截面图。在图2中，箭头表示磁化方向。根据这个实施例，下面将描述具有单钉扎层(single pinned layer)结构(即，其中一层记录层与一层参考层被经由非磁性层堆叠的结构)的MTJ元件10作为例子。
MTJ元件10具有堆叠结构，该堆叠结构具有下列连续堆叠的层。这些层为晶体取向底层12、记录层(也称自由层)13、隧穿阻挡层(tunnel barrier layer)(非磁性层)14以及参考层(也称钉扎层)。另外，晶体取向底层12的下表面设有下电极11，参考层15的上表面设有上电极16。例如，钽(Ta)用作前述的下电极和上电极。附带说明，晶体取向底层12可以用作起下电极11作用的一层。
记录层13的磁化(或自旋)方向是可变的(被切换)。参考层15的磁化方向是不可变的(钉扎的)。前述的描述“参考层15的磁化方向是不可变的”意味着：当用于切换记录层13的磁化方向的磁化切换电流传导到参考层15时，参考层15的磁化方向不变。因此，在MTJ元件10中，具有大切换电流的磁性层用作参考层15，切换电流比参考层的切换电流小的磁性层用作记录层13。以这种方式，可以实现包括具有可变磁化的记录层13以及具有不可变磁化的参考层的MTJ元件10。如果利用自旋极化电子获得磁化切换，则切换电流与衰减常数(attenuation constant)、各向异性磁场和体积成比例。因此，适当地控制前述的参数以获得记录层13与参考层15之间的切换电流上的差异。
参考层15和记录层13每个具有在垂直于膜表面的方向上的磁各向异性。参考层15和记录层13的易磁化方向垂直于膜表面(或堆叠表面)(此后，称为垂直磁化)。换句话说，MTJ元件是所谓的垂直磁化型MTJ元件，使得参考层15和记录层13每个的磁化方向指向垂直于膜表面的方向。附带说明，易磁化方向指如下的方向。具体地，如果假定宏尺寸(macro-size)铁磁材料，则当在不存在外场的状态下自发磁化指向前述的方向时，则内能最小。难(hard)磁化方向指如下的方向。具体地，如果假定宏尺寸铁磁材料，则当在不存在外场的状态下自发磁化指向前述的方向时，内能最大。
在具有前述结构的MTJ元件10中，以如下的方式执行信息写入操作。首先，在垂直于膜表面(堆叠表面)的方向上对于MTJ元件10进行双向电流传导。
当向记录层13提供电子(即从参考层15向记录层13的电子)时，在与参考层15的磁化方向相同方向上的自旋极化电子被注入到记录层13。在这种情形下，记录层13的磁化方向被配置为与参考层15的磁化方向相同。以这种方式，参考层15和记录层13的磁化方向被平行配置。在前述平行配置中，MTJ元件10的阻值(resistancevalue)变为最小，这种情形涉及数据“0”。
相反地，当从记录层13提供电子(即从记录层13向参考层15)时，参考层15反射电子。因此，与参考层15的磁化方向相反方向的自旋极化电子被注入到记录层13。在这种情形下，使记录层13的磁化方向与参考层15的磁化方向相反。以这种方式，参考层15和记录层13的磁化方向被反平行(anti-parallel)配置。在前述反平行配置中，MTJ元件10的阻值变为最大，这种情形涉及数据“1”。
操作通过将读取电流提供到MTJ元件10来进行数据读取。读取电流被设置为小于写入电流。MTJ元件10的阻值根据参考层15和记录层13之间磁化方向是平行还是反平行而变化。基于读取电流来检测阻值的变化。
[2]记录层13、参考层15和隧穿阻挡层14的结构
如下的磁性材料用作实现垂直磁化的记录层13和参考层。该磁性材料具有一种基本结构，即L10结构或L12结构，其中L10结构是相对于面内方向取向在(001)面的面心四方(fct)结构。为了通过记录层13和参考层15实现垂直磁化，优选地，使用磁晶各向异性能为5×105erg/cc或更大的材料。
下面的有序合金可以用作记录层13和参考层15的磁性材料。所述有序合金包含铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)和锰(Mn)中的一种或多种元素以及铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、金(Au)和铝(Al)中的一种或多种元素，并且其晶体结构为L10结构。
有序合金的例子为Fe50Pt50、Fe50Pd50、Co50Pt50、Co50Pd50、Fe30Ni20Pt50、Co30Fe20Pt50、Co30Ni20Pt50和Mn50Al50。另外，Fe50Ni50可以用作晶体结构为L10结构的有序合金。这些有序合金的组分比只是例子，并且本发明不限于前述的组分比。附带说明，可以通过将下列单杂质元素或它们的合金或隔离体(isolator)加入前述的有序合金中，使磁各向异性能密度和饱和磁化强度变低。所述单杂质元素包括铜(Cu)、锌(Zn)、银(Ag)、镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)、锰(Mn)、铬(Cr)、钒(V)、钛(Ti)和锇(Os)。另外，组分比是受控制的，由此，可以使用L10结构有序合金和L12结构有序合金的混合层。
参考层15需要满足下列条件中的一个或多个。一个条件是使参考层15具有大于记录层13的各向异性磁场。另一个条件是使参考层15具有比记录层13厚的膜厚。再一条件是使参考层15具有比记录层13高的衰减常数。如果FePd用作记录层，则优选地，衰减常数大于FePd的FePt或CoPt，或FePd，被形成为比记录层13厚。
图3是示出MTJ元件10的另一结构的截面图。记录层13可以由记录层13A以及插入在记录层13A与隧穿阻挡层14之间的界面处的界面层13B组成。厚度为2nm的FePd层13A以及厚度为0.5nm的CoFeB层13B组成的堆叠膜可以用作形成记录层13的磁性材料。接触隧穿阻挡层14的CoFeB层13B用于改善隧穿阻挡层14的结晶度。界面层13B由高极化率材料形成，由此改善MR。
类似地，参考层15可以由记录层15A以及插入在参考层15A与隧穿阻挡层14之间的界面处的界面层15B组成。厚度为7nm的FePt层15A以及厚度为1nm的CoFe层15B组成的堆叠膜可以用作形成参考层15的磁性材料。另外，Pt层可以被插入在FePt层15A与CoFe层15B之间。插入Pt层，由此提高沉积时的晶格匹配。因此，这用于改善参考层15的磁各向异性能。
如果CoFeB用作参考层15的界面层15B，则下列材料(1)到(3)可用作参考层15A的磁性材料。
(1)无序合金
使用钴(Co)作为主要组分并且包含铬(Cr)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)、铪(Hf)、钛(Ti)、锆(Zr)、铂(Pt)、钯(Pd)、铁(Fe)和镍(Ni)中的一种或多种元素的金属。例子可以是CoCr合金、CoPt合金、CoCrTa合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金以及CoCrNb合金。这些合金提高了非磁性元素的比例以便控制磁各向异性能密度和饱和磁化强度。
(2)人工晶格(artificial lattice)
由下列金属交替堆叠形成的堆叠膜。一种是包含铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的任何一种或两种或更多种的金属。另一种是包含铬(Cr)、铂(Pt)、钯(Pd)、铱(Ir)、铑(Rh)、锇(Os)、铼(Re)、金(Au)和铜(Cu)中的任何一种或两种或更多种的金属。例子是：Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格、CoCr/Pt人工晶格、Co/Ru人工晶格、Co/Os人工晶格、以及Co/Au、Ni/Cu人工晶格。这些人工晶格通过加入元素到磁性层和通过控制磁性层与非磁性层的膜厚比来控制磁各向异性能密度和饱和磁化强度。
(3)亚铁磁(Ferrimagnetic)材料
包括稀土金属和过渡金属的合金的亚铁磁材料。例子是包含铽(Tb)、镝(Dy)或钆(Gd)以及一种或多种过渡金属的非晶(amorphous)合金，例如TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo和GdTbCo。这些合金通过控制组分比来控制磁各向异性能密度和饱和磁化强度。
氧化镁(MgO)、氧化钡(BaO)、氧化钙(CaO)或氧化铝都具有NaCl晶体结构，用作隧穿阻挡层14。因此，本实施例的MTJ元件10具有隧穿磁阻效应(tunneling magnetoresistive effect)。
[3]底层12的结构
为了控制记录层13的晶体取向或结晶度提供底层12。记录层13需要具有取向在(001)面的fct结构来表现记录层13的垂直磁化各向异性。为了形成具有前述晶体取向的记录层13，使用具有相对于膜表面取向在(001)面的立方晶体结构和四方结构的氮化物、氧化物、硫化物或硒化物作为底层12。
如上所述，优选地，使与用于记录层13的具有L10结构的有序合金的晶格失配小于4％。在这种情形下，如果记录层13和底层12之间的取向关系匹配记录层(100)[110]//底层(100)[100]，则用于公式(1)的Matthews-Blakeslee模型倾斜到45°。进行前述的倾斜，由此在底层12和记录层13之间的晶格失配与临界厚度之间，下式(2)成立，以用于防止位错影响记录层13。
| 2 &times; a 1 / 2 - a 2 | / a 2 < b &times; { ln ( hc / b ) + 1 } / { 2 &pi; &times; hc &times; ( 1 + v ) } - - - ( 2 )
其中，a1是底层12的晶格常数，a2是记录层13面内方向的晶格常数，b是记录层的Burgers矢量的幅度，ν是记录层的弹性常数，hc是记录层13的厚度。
例如，如果FePd用作记录层，则给出包含镧(La)作为主要组分的氮化物作为满足前述公式(2)的底层12。该氮化物厚度为5nm，并且具有相对于面内方向取向在(001)面的NaCl结构。前述具有NaCl结构的材料LaN相对于具有L10结构的FePd获得在FePd(100)[110]//LaN(100)[100]的取向的外延关系。因此，晶格失配是2.7％。FePd与相对于LaN在面内方向旋转到45°角的晶格匹配。
如上所述，用作底层12的LaN满足前述公式(2)，并且形成具有均匀磁特性(晶体取向)的FePd层，而且在膜中没有位错缺陷。图4是解释当使用LaN作为底层12和使用FePd作为记录层13时的晶体结构的模型图。FePd在面内方向的晶格常数约为3.85
Figure A200910127673D0019092406QIETU
。LaN在面内方向的晶格常数约为5.3
Figure A200910127673D0019092406QIETU
。
从图4可见，FePd堆叠在LaN上。FePd被相对于LaN在面内方向旋转到45°角以匹配LaN。由此，降低了LaN和FePd的晶格失配，因此，在LaN上形成具有均匀磁特性(晶体取向)的FePd层。
下列化合物(1)到(3)可以用作满足旋转到45°角的Matthews-Blakeslee模型的底层12。在这种情形下，这些化合物具有面内方向晶格常数为约5.25到5.65
Figure A200910127673D0019092406QIETU
的NaCl结构。
(1)包含钡(Ba)的氧化物
(2)包含钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)和铥(Tm)中的一种或多种元素的硫化物
(3)包含镉(Cd)、镁(Mg)、锰(Mn)和铒(Er)中的一种或多种元素的硒化物
另外，可以使用具有面内方向晶格常数为约5.25到5.65
Figure A200910127673D0019092406QIETU
的萤石结构(fluorite structure)的下列化合物(4)。
(4)包含铈(Ce)或钠(Na)的氧化物
另一方面，下列化合物用作满足基于Matthews-Blakeslee模型的前述公式(1)的底层12的材料。所述化合物具有相对于面内方向取向在(001)面的钙钛矿结构(perovskite structure)，并且还具有约为3.7到4.0
Figure A200910127673D0019092406QIETU
的面内晶格常数。例如，可以使用包含锶(Sr)、镝(Dy)、镧(La)、钾(K)、铈(Ce)、铅(Pd)、钙(Ca)和钡(Ba)中的一种或多种元素的氧化物。
当钙钛矿型氧化物用ABO3表示时，前述ABO3的“A”包括锶(Sr)、铈(Ce)、镝(Dy)、镧(La)、钾(K)、钙(Ca)、钠(Na)、铅(Pd)或钡(Ba)。ABO3的“B”包括钛(Ti)、钒(V)、铬(Cr)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、镓(Ga)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铱(Ir)、钽(Ta)、铈(Ce)或铅(Pb)。换句话说，可以使用SrRuO3、Sr(Ti，Ru)O3、SrNbO3、Sr(Ti，V)O3、SrCrO3、SrFeO3、SrCoO3、SrNbO3、SrMoO3、SrIrO3、CeGaO3、DyMnO3、LaTiO3、LaVO3、La1-xSrxMnO3、La1-xSrxCoO3、LaNiO3、KTaO3、PbTiO3、BaMoO3、CaCeO3、CaCrO3和CaRuO3。考虑高耐热性、低晶格失配和低阻，从这些化合物中选择合适的化合物。钙钛矿型氧化物可以通过移除氧控制电导率。
[3-1]底层12的结构1
图5是示出底层12的结构的截面图。底层12具有相继堆叠第二底层12C、第三底层12B和第一底层12A的堆叠结构。第一底层12A由与前述项[3]中描述的底层12同样的材料形成。
为了改善其上的第三底层12B(或第一底层12A)的平滑度、结晶度和取向地提供第二底层12C。具有非晶结构或微晶结构的金属用作第二底层12C。例如，包含下列元素中的一种或多种的金属，或包括该金属和形成在该金属表面上的该金属的氧化物的堆叠膜，可以用作第二底层12C的材料。这些元素包括铁(Fe)、钴(Co)和镍中的一种或多种元素，以及硼(B)、铌(Nb)、硅(Si)、钽(Ta)和锆(Zr)中的一种或多种元素。
为了改善其上的第一底层12A的平滑度、结晶度和取向地提供第三底层12B。具有NaCl结构的氧化物用作第三底层12B。例如，包含镁(Mg)、铯(Ca)、钡(Ba)、钛(Ti)、钒(V)、铌(Nb)、锰(Mn)、铁(Fe)、钴(Co)和镍(Ni)中的一种或多种元素作为主要组分的氧化物可以用作第三底层12B的材料。
<底层12的例子>
以相继堆叠下列材料的方式形成底层12。具体地，厚度为3nm的CoFeB用作第二底层12C。厚度为0.5nm的MgO用作第三底层12B。厚度为5nm的LaN可以用作第一底层12A。
[3-2]底层12的结构2
如图5所示，底层12具有相继堆叠第二底层12C、第三底层12B和第一底层12A的堆叠结构。第一底层12A由与前述项[3]中描述的底层12同样的材料形成。
为了改善其上的第三底层12B(或第一底层12A)的平滑度、结晶度和取向地提供第二底层12C。具有非晶结构或微晶结构的金属用作第二底层12C。在项[3-1]中给出的材料可用作第二底层12C。
为了改善其上的第一底层12A的平滑度、结晶度和取向以及获得(001)面取向地提供第三底层12B。例如，诸如铝(Al)、金(Au)、钯(Pd)、铂(Pt)、银(Ag)、铁(Fe)、铬(Cr)或钒(V)的金属可以用作第三底层12B。
<底层12的例子>
可以用如下的方式形成底层12。厚度约10nm的NiTa用作第二底层12C，于是沉积NiTa。此后，NiTa膜的上表面被氧化，接着，在NiTa膜被氧化的上表面上沉积厚度约10nm的Cr作为第三底层12B。接着沉积厚度约5nm的LaN作为第一底层12A。
在具有这样的结构的底层12中，可以相对于面内方向以高度取向在[001]方向的方式在第三底层12B上生长作为第一底层12A的LaN。
根据上面详细描述的实施例，为了形成具有垂直磁各向异性的记录层13，使用具有取向在(001)面的NaCl结构的底层12。设置底层12使得相对于记录层13的晶格失配变小。用这种方式，可以改善记录层13的(001)面的取向和平滑度。换句话说，对膜表面的垂直方向是易磁化轴的垂直磁化膜被形成作为记录层。
另外，可以降低记录层的垂直磁各向异性的任何分散，由此，可以降低记录层13的磁特性的不均匀性。这起改善记录层的耐热扰动性(或热稳定性)的作用。另外，可以降低元件之间磁化切换中的切换电流密度的不均匀性。
如果使用这个实施例的底层12，则底层12的电阻变低。这用于防止由于累积串联电阻(cumulative series resistance)引起的磁阻比(magnetic resistance ratio)降低。另外，如果使用具有高耐热性的底层12，则可以改善MTJ元件10的热扰阻(或热稳定性)。
此外，垂直磁化膜用作记录层13和参考层15。即，从晶体磁各向异性获得使记录层13和参考层15热稳定所需的各向异性磁场。用这种方式，使MTJ元件10的纵横比变小，因此，可以实现MTJ元件的比例减小。
即使实现了MTJ元件的比例减小，切换电流密度也不增加。因此，可以实现具有90nm或更小的微MTJ元件10的大容量(如256M比特或更大)磁随机存取存储器。
[第二实施例1
根据第二实施例，新加了磁场调整层18，由此，这用于降低从参考层15泄漏的磁场。以这种方式，降低或控制由泄漏的磁场导致的记录层13的切换磁场的偏移(shift)。
图6是示出根据本发明第二实施例的MTJ元件的结构的截面图。从下电极11到参考层15的结构与第一实施例相同。
非磁性层17、磁场调整层18和上电极16相继堆叠在参考层15上。磁场调整层18具有降低从参考层15泄漏的磁场的作用。该层18还用于调整由泄漏的磁场导致的记录层13的切换磁场的偏移。
非磁性层17需要耐热性，以防止参考层15在热工艺和磁场调整层18混合。该层17还需要用于在形成磁场调整层18时控制晶体取向的功能。例如，优选地，用作底层12的材料也用作非磁性层17。如果非磁性层17变厚，则磁场调整层18与记录层15之间的距离变长。结果，所施加的从磁场调整层18到记录层13的磁场变小。因此，优选地，将非磁性层17的厚度设为5nm或更小。
磁场调整层18由磁性材料形成，具体地，可以使用用作参考层15的材料。然而，与参考层相比，磁场调整层18是与记录层13分离的。由于这个原因，为了通过层18修正施加到记录层13的泄漏的磁场，必须使磁场调整层18的厚度或饱和磁化强度大于参考层15。例如，如果饱和磁化强度约为700emu/cc并且厚度约为7nm的FePtNi用作参考层15，则饱和磁化强度约为1000emu/cc并且厚度约为15nm的FePt可用作磁场调整层18。
磁场调整层18的磁场方向被设为与参考层15的磁场方向反平行。因此，参考层15的矫顽力(coercive force)Hc1和磁场调整层的矫顽力Hc2需要满足Hc1>Hc2或Hc1<Hc2的关系。
前述的参考层15、非磁性层、和磁场调整层18可以被形成为具有合成反铁磁(SAF)结构。具体地，使用钌(Ru)作为非磁性层17的材料。因此，利用反铁磁耦合将参考层15和磁场调整层18的磁化方向以反平行耦合。
如图7所示，反铁磁层19可以插入在非磁性层17和参考层15之间。具体地，在参考层15上提供反铁磁层19，并且在反铁磁层19上提供非磁性层17。
反铁磁层19具有将参考层15的磁化固定在一个方向上的功能。例如，锰(Mn)和铁(Fe)、镍(Ni)、铂(Pt)、钯(Pd)、钌(Ru)、锇(Os)或铱(Ir)的合金，即，FeMn、NiMn、PtMn、PtPbMn、RuMn、OsMn和IrMn可用作反铁磁层19。
如上所述，根据这个实施例，磁场调整层18降低从参考层15泄漏的磁场。这用于减小由泄漏的磁场导致的记录层13的切换磁场的偏移。结果，可以降低元件之间记录层13的切换磁场的不均匀性。另外，使用磁场调整层18和反铁磁层19，由此将参考层15的磁化固定在一个方向上。
[第三实施例]
第三实施例涉及利用第一或第二实施例中是所示的MTJ元件配置的MRAM的配置。
图8是示出根据本发明第三实施例的MRAM的配置的电路图。MRAM包括具有矩阵状排列的多个存储器单元MC的存储器单元阵列50。存储器单元阵列50设有多个位线BL、/BL，每个位线在列方向上延伸。存储器单元阵列50还设有多条字线WL，每条字线在行方向上延伸。
位线BL和字线WL的交叉部分设有存储器单元MC。每个存储器单元MC包括MTJ元件10和选择晶体管51，选择晶体管51包括N沟道MOS晶体管。MTJ元件10的一端连接到位线BL。MTJ元件10的另一端被连接到选择晶体管51的漏端。选择晶体管51的栅端连接到字线WL。选择晶体管51的源端连接到位线/BL。
字线WL与行解码器52相连。位线BL与/BL对与写电路54和读电路55相连。写电路54和读电路55与列解码器53相连。由行解码器52和列解码器53选择每个存储器单元MC。
以下述方式实现在存储器单元MC上执行的数据写入操作。首先，为了选择执行数据写入的存储器单元MC，激活连接到存储器单元MC的字线WL。用这种方式，选择晶体管导通。
根据写入数据将双向写入电流Iw提供到MTJ元件10。具体地，当从左到右的写入电流Iw被提供到MTJ元件10时，写电路54将正电压施加到位线BL，同时将地电压施加到位线/BL。相反地，当从右到左的写入电流Iw被提供到MTJ元件10时，写电路54将正电压施加到位线/BL，同时将地电压施加到位线BL。以这样的方式，将数据“0”或数据“1”写入到存储器单元MC中。
以下述方式执行在存储器单元MC上进行的数据读取操作。首先，所选择的存储器单元MC的选择晶体管51导通。读电路55将从右到左流的读取电流Ir提供到MTJ元件10。接着，基于读取电流Ir，读电路55检测MTJ元件10的阻值。用这种方式，可以读取存储在MTJ元件10中的数据。
下面将描述MRAM的结构。图9是为了主要解释一个存储器单元MC而示出的MRAM结构的截面图。
P型半导体衬底61的表面区域形成有隔离绝缘层(isolationinsulating layer)。未形成有隔离绝缘层的半导体衬底61的表面区域是形成元件的有源区。隔离绝缘层由浅沟槽隔离(STI)层形成。例如，使用氧化硅作为该STI。
半导体衬底61的有源区形成有互相分开的源区S和漏区D。源区S和漏区D的每个由N+型扩散区形成，N+型扩散区通过注入高浓度N+型杂质形成。栅电极51B经由栅绝缘膜51A形成在源区S和漏区D之间的半导体衬底61上。栅电极51B用作字线WL。以这种方式，半导体衬底61设有选择晶体管51。
互连层63经由接触62形成在源区S上。互连层63用作位线/BL。引线(lead line)65经由接触64形成在漏区D上。保持在下电极11和上电极16之间的MTJ元件10被设在引线65上。在上电极16上提供互连层66。该互连层66用作位线BL。由氧化硅构成的层间绝缘层67被填充在半导体衬底61和互连层66之间。
如上所述，根据这个实施例，可以利用第一和第二实施例示出的MTJ元件10来提供MRAM。MTJ元件10除了适用于自旋注入型磁存储器之外还适用于畴壁移位(domain wall displacement)型磁存储器。
第三实施例中示出的MRAM适用于各种装置。下面是MRAM的一些应用例子。
(应用例1)
图10示出数字用户线路(DSL)调制解调器的DSL数据路径模块。该调制解调器包括可编程数字信号处理器(DSP)100、模数(A/D)转换器110、数模(D/A)转换器120、发送驱动器130和接收放大器140。
在图10中，省略了带通滤波器，这个实施例的MRAM 170和EEPROM 180取代带通滤波器示出。MRAM 170和EEPROM 180被内置作为各种用于保持线路编码(line code)程序(用于根据编码的用户线路信息、发送条件来选择和操作调制解调器)的可选存储器(线路编码：由DSP执行的QAM、CAP、RSK、FM、AM、PAM、DWMT等)。
根据应用例1，两个存储器，即MRAM 170和EEPROM 180，用作保持线路编码程序的存储器，然而，可以用MRAM取代EEPROM 180，即仅使用MRAM而不是使用两个存储器。
(应用例2)
图11示出另一应用例，即移动电话终端300。用来实现通信功能的通信单元200包括发送/接收天线201、双工器202、接收器203和基带处理器204。通信单元200还包括用作音频编解码器的DSP205、扬声器(听筒(receiver))206、麦克风(话筒(mouthpiece))207、发送器208和频率合成器209。
移动电话终端300还设有用于控制移动电话终端的各种组件的控制器220。控制器220是微计算机，被配置为使得这个实施例的CPU221、ROM 222、MRAM 223和闪存224经由总线225连接。前述ROM预先存储有由CPU 221执行的程序和必要的数据例如显示字体。
MRAM 223主要用作工作区域。具体地，在视需要在CPU 221执行程序时的计算期间存储数据，以及临时存储控制器220和不同组件之间的交换数据的情形下，使用MRAM 223。即使移动电话终端的电源被关闭，闪存224仍存储先前的设置条件。在下一次通电时，在使用上述设置时闪存224存储设置参数。以这种方式，即使移动电话终端300的电源被关闭，存储的设置参数也不会丢失。
移动电话终端300还设有音频再现处理器211、外部输出端子121、LCD控制器213、显示LCD(液晶显示器)214和用于发出呼叫声的振铃器215。音频再现处理器211再现输入到移动电话终端300的音频信息(或存储在后面描述的外部存储器中的音频信息)。再现的音频信息经由外部输出端子被发送到头戴式受话器和移动扬声器。如上所述，如果设有音频再现处理器211，则音频信息是可再现的。LCD控制器213经由总线225从CPU 221接收显示信息，并将其转换为LCD控制信息，用于控制LCD 214以驱动LCD 214显示。
移动电话终端300还设有接口电路(I/F)231、233、235、外部存储器240、外部存储器插槽232、按键操作面板234和外部输入/输出端子236。前述的外部存储器插槽232被插入有外部存储器，例如存储卡。外部存储器插槽232经由接口电路(I/F)231连接到总线225。如上所述，移动电话终端300设有插槽232，因此，终端300的内部信息被写入外部存储器240，或存储在外部存储器240中的信息(如音频信息)被输入到终端300。
按键操作面板234经由接口电路(I/F)233连接到总线225。从按键操作面板输入的按键输入信息被发送到例如CPU 221。外部输入/输出端子236经由接口电路(I/F)233连接到总线225。因此，外部输入/输出端子236用作这样的端子，其从外部输入各种信息到移动电话终端300，或从终端300向外输出信息。
根据这个应用例2，使用前述的ROM 222、MRAM 223和闪存224。在这种情形下，闪存224可以用MRAM取代，进一步地，ROM可以用MRAM取代。
(应用例3)
图12到16每幅图示出这样的例子，其中MRAM被应用到接收媒体内容的卡(MRAM卡)，例如Smart Media。
如图12所示，MRAM卡主体400具有内置的MRAM芯片401。卡主体400在与MRAM芯片401对应的位置形成有开口部分402，以便暴露MRAM芯片401。开口部分402设有关闭物(shutter)403，以便在用户持MRAM卡时由关闭物403保护MRAM芯片401。关闭物403由屏蔽外磁场的材料形成，例如陶瓷。在打开关闭物403暴露MRAM芯片401时执行数据传送。外部端子404用于获取存储在MRAM卡中的内容数据。
图13和图14是示出用于将数据传送到前述MRAM卡中的卡插入型传送装置500的俯视图和截面图。
数据传送装置500具有接收器500a。第一MRAM卡550被插入到接收器500a。接收器500a设有与第一MRAM卡550电连接的外部端子530。利用外部端子530重写存储在第一MRAM卡550中的数据。
由最终用户(end user)使用的第二MRAM卡450被插入到传送装置500的插槽510中，如箭头所示，并且被推入，直到止动器520使第二MRAM卡450停止。止动器520用作将第一MRAM卡550和第二MRAM卡450对准的构件。当第二MRAM卡450被安排在预定的位置时，第一MRAM数据重写控制器将控制信号提供到外部端子530，以使存储在第一MRAM卡550中的数据传送到第二MRAM卡450。
图15是示出装配(fitting)型传送装置500的截面图。配置传送装置500使得第二MRAM卡450被相对于止动器520安装并置于第一MRAM卡550上。由于传送方法与卡插入型中使用的方法相同，因此，省略其解释。
图16是示出滑片型传送装置的截面图。传送装置500设有接收器划片560，例如CD-ROM驱动器和DVD驱动器中所使用的。如箭头所示移动接收器划片560。当接收器划片560被移到虚线所示的位置时，将第二MRAM卡450置于接收器划片560上，然后将其载入到传送装置500中。传送第二MRAM卡450的远端部分，以使其邻接止动器520。这一点以及传送方法与卡插入型相同，因此省略了解释。
本领域技术人员容易想到其它的优点和变型。因此，本发明在更广泛的方面不限于在此示出和描述的具体细节和代表性的实施例。因此，可以进行各种变型，而不偏离所附的权利要求或其等同物限定的总的发明构思的精神和范围。

Claims (25)

1.一种磁阻元件，其特征在于，包括：
第一底层，具有取向在(001)面的立方或四方晶体结构；
第一磁性层，设于所述第一底层上，具有垂直于膜表面的磁各向异性，并且具有取向在(001)面的面心四方(fct)结构；
第一非磁性层，设于所述第一磁性层上；以及
第二磁性层，设于所述第一非磁性层上，并且具有垂直于膜表面的磁各向异性，
所述第一底层的面内晶格常数a1和所述第一磁性层的面内晶格常数a2满足下式，其中b是所述第一磁性层的Burgers矢量的幅度，v是所述第一磁性层的弹性模量，hc是所述第一磁性层的厚度，
| 2 &times; a 1 / 2 - a 2 | / a 2 < b &times; { ln ( hc / b ) + 1 } / { 2 &pi; &times; hc &times; ( 1 + v ) } .
2.根据权利要求1的元件，其特征在于，所述第一底层具有NaCl结构，并且包括下列之一：
包含La的氮化物；
包含Ba的氧化物；
包含Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Tm中的一种或多种元素的硫化物；以及
包含Cd、Mg、Mn和Er中的一种或多种元素的硒化物。
3.根据权利要求1的元件，其特征在于，所述第一底层具有萤石结构，并且包括包含Ce或Na的氧化物。
4.根据权利要求1的元件，其特征在于，还包括第二底层，该第二底层设于所述第一底层之下，并且具有非晶结构或微晶结构。
5.根据权利要求4的元件，其特征在于，所述第二底层包括：
包含Fe、Co和Ni中的一种或多种元素以及B、Nb、Si、Ta和Zr中的一种或多种元素的金属；或
包含所述金属和形成在所述金属上的所述金属的氧化物膜的材料。
6.根据权利要求4的元件，其特征在于，还包括第三底层，该第三底层被插入在所述第一底层和所述第二底层之间，并且具有NaCI结构。
7.根据权利要求6的元件，其特征在于，所述第三底层包括包含Mg、Ca、Ba、Ti、V、Nb、Mn、Fe、Co和Ni中的一种或多种元素的氧化物。
8.根据权利要求4的元件，其特征在于，还包括第三底层，该第三底层被插入在所述第一底层和所述第二底层之间，并且包括包含Ir、Al、Au、Pd、Pt、Ag、Fe、Cr和V中的一种或多种元素的金属。
9.根据权利要求1的元件，其特征在于，所述第一磁性层具有L10结构、L12结构以及两者的混合结构之一。
10.根据权利要求1的元件，其特征在于，所述第一磁性层包括包含Fe、Co、Ni和Mn中的一种或多种元素以及Pt、Pd、Rh、Al和Au中的一种或多种元素的合金。
11.根据权利要求1的元件，其特征在于，还包括：
第二非磁性层，设于所述第二磁性层上；以及
磁场调整层，设于所述第二非磁性层上，并且降低从所述第二磁性层泄漏的磁场。
12.根据权利要求11的元件，其特征在于，所述第二磁性层和所述磁场调整层是反铁磁地耦合的。
13.一种磁阻元件，其特征在于，包括：
第一底层，具有取向在(001)面的钙钛矿结构；
第一磁性层，设于所述第一底层上，具有垂直于膜表面的磁各向异性，并且具有取向在(001)面的fct结构；
第一非磁性层，设于所述第一磁性层上；以及
第二磁性层，设于所述第一非磁性层上，并且具有垂直于膜表面的磁各向异性，
所述第一底层的面内晶格常数a1和所述第一磁性层的面内晶格常数a2满足下式，其中b是所述第一磁性层的Burgers矢量的幅度，v是所述第一磁性层的弹性模量，hc是所述第一磁性层的厚度，
|a1-a2|/a2<b×{1n(hc/b)+1}/{2π×hc×(1+v)}。
14.根据权利要求13的元件，其特征在于，所述第一底层包括包含Sr、Ce、Dy、La、K、Pb、Ca和Ba中的一种或多种元素的氧化物。
15.根据权利要求13的元件，其特征在于，还包括第二底层，设于所述第一底层之下，并且具有非晶结构或微晶结构。
16.根据权利要求15的元件，其特征在于，所述第二底层包括：
包含Fe、C0和Ni中的一种或多种元素以及B、Nb、Si、Ta和Zr中的一种或多种元素的金属；
包含所述金属和形成在所述金属上的所述金属的氧化物膜的材料。
17.根据权利要求15的元件，其特征在于，还包括第三底层，插入在所述第一底层和所述第二底层之间，并且具有NaCl结构。
18.根据权利要求17的元件，其特征在于，所述第三底层包括包含Mg、Ca、Ba、Ti、V、Nb、Mn、Fe、Co和Ni中的一种或多种元素的氧化物。
19.根据权利要求15的元件，其特征在于，还包括第三底层，插入在所述第一底层和所述第二底层之间，并且包括包含Ir、Al、Au、Pd、Pt、Ag、Fe、Cr和V中的一种或多种元素的金属。
20.根据权利要求13的元件，其特征在于，所述第一磁性层具有L10结构、L12结构以及两者的混合结构之一。
21.根据权利要求13的元件，其特征在于，所述第一磁性层包括包含Fe、Co、Ni和Mn中的一种或多种元素以及Pt、Pd、Rh、Al和Au中的一种或多种元素的合金。
22.根据权利要求13的元件，其特征在于，还包括：
第二非磁性层，设于所述第二磁性层上；以及
磁场调整层，设于所述第二非磁性层上，并且降低从所述第二磁性层泄漏的磁场。
23.一种磁存储器，其特征在于，包括存储器单元，所述存储器单元包括磁阻元件以及将所述磁阻元件夹在中间以提供电流到所述磁阻元件的第一电极和第二电极，
所述磁阻元件包括：
第一底层，具有取向在(001)面的立方或四方晶体结构；
第一磁性层，设于所述第一底层上，具有垂直于膜表面的磁各向异性，并且具有取向在(001)面的fct结构；
第一非磁性层，设于所述第一磁性层上；以及
第二磁性层，设于所述第一非磁性层上，并且具有垂直于膜表面的磁各向异性，
所述第一底层的面内晶格常数a1和所述第一磁性层的面内晶格常数a2满足下式，其中b是所述第一磁性层的Burgers矢量的幅度，v是所述第一磁性层的弹性模量，hc是所述第一磁性层的厚度，
| 2 &times; a 1 / 2 - a 2 | / a 2 < b &times; { ln ( hc / b ) + 1 } / { 2 &pi; &times; hc &times; ( 1 + v ) } .
24.根据权利要求23的存储器，其特征在于，还包括：
第一互连，电连接到所述第一电极；
第二互连，电连接到所述第二电极；以及
写电路，电连接到所述第一互连和所述第二互连，并双向地提供电流到所述磁阻元件。
25.根据权利要求24的存储器，其特征在于，所述存储器单元包括电连接在所述第二电极和所述第二互连之间的选择晶体管。
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