CN103296198A - 磁阻效应元件和磁存储器 - Google Patents

磁阻效应元件和磁存储器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁阻效应元件和磁存储器。本发明使得能够在使用垂直磁化膜的磁阻效应元件中抑制通过高温热处理引起的MR率降低。该磁阻效应元件包括数据存储层、数据参考层、以及介于数据存储层与数据参考层之间的MgO膜。数据存储层包括与MgO膜接触的CoFeB膜、垂直磁化膜、以及介于CoFeB膜与垂直磁化膜之间的Ta膜。CoFeB膜通过Ta膜磁耦合到垂直磁化膜。

Description

磁阻效应元件和磁存储器
相关申请的交叉引用
通过参考将于2012年1月20日提交的日本专利申请No.2012-010359的公开，包括说明书、附图、以及摘要整体并入到这里。
技术领域
本发明涉及一种磁阻效应元件和磁存储器。具体地，本发明涉及一种使用垂直磁化膜的磁阻效应元件和磁存储器。
背景技术
在诸如磁随机存取存储器（MRAM）的磁存储器中，磁阻效应元件被用作存储单元。典型的磁阻效应元件具有磁隧道结（MTJ），其中隧道势垒层介于两个铁磁层之间。
MTJ的电阻值根据两个铁磁层的磁化状态而变化。具体地，MTJ在两个铁磁层的磁化方向“不平行”的情况下的电阻值（R+ΔR）大于它们在“平行”情况下的电阻值（R）。因此，能够通过固定一个铁磁层的磁化方向并且使另一个铁磁层的磁化方向反转来改变MTJ的电阻值。
这种电阻值的大小与数据“1”或“0”有关。也就是说，磁阻效应元件通过利用MTJ的电阻值的变化而以非易失性的方式存储数据。在两个铁磁层中，以下将具有固定的磁化方向的层称为“数据参考层”。以下将磁化状态根据存储数据而变化的另一铁磁层称为“数据存储层”。
通过改变数据存储层的磁化状态来写数据。可以列举外部磁场应用方法、自旋注入方法、以及畴壁位移方法作为用于写数据的方法。专利文献1公开了使用自旋注入方法或畴壁位移方法的MRAM。此外，专利文献2公开了使用垂直磁化膜的畴壁位移型的MRAM。根据专利文献2，通过形成具有垂直磁化膜的数据存储层可以充分地降低写电流。
通过使读出电流通过隧道势垒层在数据存储层与数据参考层之间流动并且检测MTJ的电阻值的大小来读数据。在这个时候，对于准确且快速地判断数据期望的是MR率（ΔR/R)尽可能地高。也就是说，高MR率对于实现良好读出性质是必不可少的。
专利文献3和非专利文献1公开了可实现高MR率的膜配置。根据专利文献3，隧道势垒层是单晶结构的MgO膜并且与隧道势垒层接触的铁磁层的一部分处于非晶态。根据非专利文献1，隧道势垒层是MgO膜并且在MgO膜之上和之下形成了CoFeB膜作为界面。也就是说，形成了MgO膜介于两个CoFeB膜之间的“CoFeB/MgO/CoFeB”结构。据报道“CoFeB/MgO/CoFeB”结构有助于提高MR率。
[上述技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]
日本未审查专利公开No.2009-200123
[专利文献2]
WO2009/001706
[专利文献3]
日本未审查专利公开No.2006-80116
[非专利文献]
[非专利文献1]
Djayaprawira等人,"230%room-temperature magnetoresistance inCoFeB/MgO/CoFeB magnetic tunnel junctions",Applied Physics Letters,86,092502，2005。
发明内容
本发明人已经发现使用垂直磁化膜的磁阻效应元件有以下问题。问题在于数据存储层和数据参考层的垂直磁各向异性由于随后处理中的高温热处理而偶尔劣化。数据存储层和数据参考层的垂直磁各向异性的劣化导致MR率劣化。希望抑制由于高温热处理引起的MR率劣化，换句话说，提高“耐热性”。
其它问题和新颖特征将通过说明书中的描述以及附图而显而易见。
在实施例中，磁阻效应元件包括数据存储层、数据参考层、以及介于数据存储层与数据参考层之间的MgO膜。数据存储层包括与MgO膜接触的CoFeB膜、垂直磁化膜、以及介于CoFeB膜与垂直磁化膜之间的Ta膜。CoFeB膜通过Ta膜磁耦合到垂直磁化膜。
在另一实施例中，磁阻效应元件包括数据存储层、数据参考层、以及介于数据存储层与数据参考层之间的MgO膜。数据参考层包括与MgO膜接触的CoFeB膜、垂直磁化膜、以及介于CoFeB膜与垂直磁化膜之间的Ta膜。CoFeB膜通过Ta膜磁耦合到垂直磁化膜。
在又一个实施例中，磁阻效应元件包括数据存储层、数据参考层、以及介于数据存储层与数据参考层之间的MgO膜。数据存储层包括与MgO膜接触的CoFeB膜以及磁耦合到CoFeB膜的垂直磁化膜。垂直磁化膜包括Co/Pt/Co层叠结构。
根据实施例，在使用垂直磁化膜的磁阻效应元件中可以抑制由于高温热处理所引起的MR率劣化。
附图说明
图1示意性地示出了根据实施例的磁阻效应元件的配置。
图2示出了图1所示的磁阻效应元件可以采取的两个磁状态。
图3是用于说明在图1所示的磁阻效应元件中写数据的概念视图。
图4是用于说明从图1所示的磁阻效应元件读数据的概念视图。
图5示出了根据实施例的磁阻效应元件的膜配置。
图6示出了根据比较示例的磁阻效应元件的膜配置。
图7是示出了在本实施例与比较示例之间的MR率的比较结果的图表。
图8示出了在本实施例与比较示例之间比较“粘附性”的试验的结果。
图9示出了用于评估Co/Pt/Co结构的样品的配置。
图10是示出了Co/Pt/Co结构的效果的图表。
图11是示出了MR率对于Ta膜厚度（X1）的依赖性的图表。
图12是示出了MR率对于CoFeB膜厚度（X2）的依赖性的图表。
图13是示出了MR率对于CoFeB膜厚度（X3）的依赖性的图表。
图14是示出了MR率对于Ta膜厚度（X4）的依赖性的图表。
图15示出了根据修改示例的磁阻效应元件的膜配置。
图16示出了根据另一修改示例的磁阻效应元件的膜配置。
图17示出了根据又一修改示例的磁阻效应元件的膜配置。
图18示出了根据再一修改示例的磁阻效应元件的膜配置。
图19示出了使用根据本实施例的磁阻效应元件的存储单元的结构的示例。
图20是示出了使用图19所示的存储单元的磁存储器的配置的示例的方框图。
具体实施方式
参考附图对根据实施例的磁阻效应元件和磁存储器进行说明。
1.磁阻效应元件的基本配置
图1示意性地示出了根据实施例的磁阻效应元件1的配置。磁阻效应元件1包括底层10、数据存储层20、隧道势垒层30、数据参考层40、第一钉扎层50-1、第二钉扎层50-2、第一端子T1、第二端子T2、以及第三端子T3。在这里，在下面的说明中，层堆叠方向是Z方向并且与Z方向垂直的平面是XY平面。垂直磁化膜的磁化方向通常与膜所形成到的平面相垂直。也就是说，磁化方向是+Z或-Z方向。
数据存储层20形成于底层10上。此外，数据存储层20包括具有垂直磁各向异性的垂直磁化膜。在这里，然而数据存储层20可以包括如将随后描述的非磁性膜。
在本实施例中，将畴壁位移型的磁阻效应元件1作为示例进行说明。在畴壁位移型的情况下，如图1所示，数据存储层20具有第一磁化固定区域20-1、第二磁化固定区域20-2、和磁化自由区域20-3。
第一磁化固定区域20-1是磁耦合到第一钉扎层50-1的区域。第一钉扎层50-1是具有固定磁化方向的垂直磁化膜，并且通过到第一钉扎层50-1的磁耦合还将第一磁化固定区域20-1的磁化方向固定在一个方向上。在图1的示例中，第一钉扎层50-1和第一磁化固定区域20-1被形成为使底层10介于二者之间。
第二磁化固定区域20-2是磁耦合到第二钉扎层50-2的区域。第二钉扎层50-2是具有固定磁化方向的垂直磁化膜，并且通过到第二钉扎层50-2的磁耦合还将第二磁化固定区域20-2的磁化方向固定在一个方向上。在图1的示例中，第二钉扎层50-2和第二磁化固定区域20-2被形成为使底层10介于二者之间。
此外，将第一磁化固定区域20-1和第二磁化固定区域20-2的磁化方向固定在彼此相反方向上。在图1的示例中，将第一磁化固定区域20-1的磁化方向固定在+Z方向上并且将第二磁化固定区域20-2的磁化方向固定在-Z方向上。
另一方面，磁化自由区域20-3的磁化方向是可反转的并且可以指向+Z方向或-Z方向。使磁化自由区域20-3在与该平面相平行的方向上介于第一磁化固定区域20-1与第二磁化固定区域20-2之间。第一磁化固定区域20-1与磁化自由区域20-3之间的边界是第一边界B1，并且第二磁化固定区域20-2与磁化自由区域20-3之间的边界是第二边界B2。
数据参考层40通过隧道势垒层30而形成于数据存储层20中的磁化自由区域20-3之上。数据参考层40包括具有垂直磁各向异性的垂直磁化膜并且具有固定在一个方向上的磁化方向。例如在图1中，将数据参考层40的磁化方向固定在+Z方向上。在这里，然而数据参考层40可以包括如随后所述的非磁性膜。
隧道势垒层30是非磁性层并且典型地是薄绝缘膜。隧道势垒层30介于数据存储层20中的磁化自由区域20-3与数据参考层40之间，并且利用数据存储层20（磁化自由区域20-3）、隧道势垒层30、以及数据参考层40形成磁隧道结（MTJ）。
将第一端子T1和第二端子T2设置成能够使电流流入到数据存储层20中。在图1的示例中，第一端子T1电耦合到第一钉扎层50-1并且第二端子T2电耦合到第二钉扎层50-2。此外，第三端子T3电耦合到数据参考层40。
图2示出了图1所示的磁阻效应元件1可以采取的两个磁状态。在第一状态中，数据存储层20中的磁化自由区域20-3的磁化指向+Z方向。在这种情况下，第一磁化固定区域20-1和磁化自由区域20-3形成了磁畴并且第二磁化固定区域20-2形成了另一磁畴。因此，在第二磁化固定区域20-2与磁化自由区域20-3之间的第二边界B2处形成了畴壁DW。此外，因为磁化自由区域20-3的磁化方向与数据参考层40的磁化方向平行，因此MTJ的电阻值（R）变得比较低。该低电阻状态例如与数据“0”相对应。
在第二状态中，数据存储层20中的磁化自由区域20-3的磁化指向-Z方向。在这种情况下，第二磁化固定区域20-2和磁化自由区域20-3形成了磁畴并且第一磁化固定区域20-1形成了另一磁畴。因此，在第一磁化固定区域20-1与磁化自由区域20-3之间的第一边界B1上形成了畴壁DW。此外，因为磁化自由区域20-3的磁化方向与数据参考层40的磁化方向不平行，因此MTJ的电阻值（R）变得比较高。该高电阻状态例如与数据“1”相对应。
如上所说明的，MTJ的电阻值根据数据存储层20中的磁化自由区域20-3的磁化方向而变化。通过利用电阻值的变化，能够以非易失性方式存储数据“0”和“1”。同时，根据磁化自由区域20-3的磁化方向而在第一边界B1处或在第二边界B2处形成了畴壁DW。也就是说，还可以说畴壁DW在数据存储层20中的位置反映了存储的数据。
通过使畴壁DW在第一边界B1与第二边界B2之间位移来写数据。这种磁畴位移可以是通过使写电流IW在数据存储层20中流动，使得电流可以穿过畴壁DW来实现的。具体地，如图3中所示，在第一端子T1与第二端子T2之间施加规定的电势差，使得写电流IW可以通过数据存储层20而在第一端子T1与第二端子T2之间流动。
当从“0”至“1”重写数据时，写电流IW通过数据存储层20从第一端子T1流入第二端子T2。在这个时候，在数据存储层20中，电子通过第二边界B2从第二磁化固定区域20-2流入磁化自由区域20-3。也就是说，使-Z方向的自旋电子从第二磁化固定区域20-2注入到磁化自由区域20-3中。由于通过自旋电子的自旋转移，磁化自由区域20-3的磁化逐渐地从第二边界B2附近开始使方向反转到-Z方向。这意味着畴壁DW从第二边界B2朝着第一边界B1移动。当写电流IW继续流动时，畴壁DW穿过磁化自由区域20-3并且到达第一边界B1。畴壁DW通过钉扎势而在第一边界B1处停止。
另一方面，当从“1”至“0”重写数据时，写电流IW通过数据存储层20从第二端子T2流入第一端子T1。在这个时候，在数据存储层20中，电子通过第一边界B1从第一磁化固定区域20-1流入磁化自由区域20-3。也就是说，使+Z方向的自旋电子从第一磁化固定区域20-1注入到磁化自由区域20-3中。由于通过自旋电子的自旋转移，磁化自由区域20-3的磁化逐渐地从第一边界B1附近开始使方向反转到+Z方向。这意味着畴壁DW从第一边界B1朝着第二边界B2的方向移动。当写电流IW继续流动时，畴壁DW穿过磁化自由区域20-3并且到达第二边界B2。畴壁DW通过钉扎势而在第二边界B2处停止。
以这种方式，具有反转固定磁化的第一磁化固定区域20-1和第二磁化固定区域20-2起具有不同自旋的电子的供应源的作用。此后，数据存储层20中的畴壁DW通过在第一磁化固定区域20-1与第二磁化固定区域20-2之间流动的写电流IW而在第一边界B1与第二边界B2之间移动。其结果是，磁化自由区域20-3的磁化方向转换。也就是说，实现了利用电流驱动的畴壁位移来重写数据。因为写电流IW不穿过隧道势垒层30，因此抑制了隧道势垒层30劣化。
数据读操作如下。当读数据时，读出电流IR被供应为使得通过隧道势垒层30而在数据参考层40与磁化自由区域20-3之间流动。为了该目的，例如如图4所示，在第一端子T1与第三端子T3之间施加规定电势差，使得读出电流IR可以在第一端子T1与第三端子T3之间流动。通过将读出电流IR或对应于读出电流IR的读出电势与规定的参考电平比较来检测MTJ的电阻值的大小（R或R+ΔR）。也就是说，感测磁化自由区域20-3的磁化方向（+Z方向或-Z方向）并且感测存储数据（“0”或“1”）。
当读出数据时，期望的是MR率（ΔR/R）尽可能地高以便准确且快速地判断存储数据。也就是说，为了实现良好读出性质，高MR率是必不可少的。在本实施例中，提出了能够提高MR率的膜配置。下面对根据本实施例的膜配置进行详细说明。
2.膜配置
图5示出了根据本实施例的磁阻效应元件1的膜配置。在这里，图5的括号中的数字表示膜的厚度的示例。
首先在本实施例中，MgO膜用作隧道势垒层30。
数据存储层20包括垂直磁化膜21、Ta膜22、以及CoFeB膜23。在图5的示例中，垂直磁化膜21、Ta膜22、以及CoFeB膜23依次堆叠在底层10上。也就是说，垂直磁化膜21形成于底层10上，Ta膜22形成于垂直磁化膜21上，并且CoFeB膜23形成于Ta膜22上。此外，CoFeB膜23与MgO膜30接触。
Ta膜22介于垂直磁化膜21与CoFeB膜23之间。垂直磁化膜21和CoFeB膜23通过非磁性Ta膜22而彼此磁耦合。通过磁耦合，CoFeB膜23还具有垂直磁化性质。因为使具有这种性质的CoFeB膜23形成为与MgO膜30接触，因此预期高MR率（参考非专利文献1）。
数据存储层20中的垂直磁化膜21包括Co/Ni层叠膜。在图5所示的示例中，垂直磁化膜21包括[Co/Ni]4.5=Co/Ni/Co/Ni/Co/Ni/Co/Ni/Co。这种Co/Ni层叠膜呈现出垂直磁各向异性。此外，在本实施例中，Pt膜和Co膜依次堆叠在Co膜上以作为垂直磁化膜21的最上层。也就是说，垂直磁化膜21具有Pt膜介于两个Co膜之间的“Co/Pt/Co”层叠结构。“Co/Pt/Co”结构中的上部Co膜与上述Ta膜22接触。
数据参考层40包括CoFeB膜41、Ta膜42、垂直磁化膜43、以及盖膜44。在图5的示例中，CoFeB膜41、Ta膜42、垂直磁化膜43、以及盖膜44依次堆叠在MgO膜30上。也就是说，CoFeB膜41形成于MgO膜30上以便与MgO膜30接触。此外，Ta膜42形成于CoFeB膜41上，垂直磁化膜43形成于Ta膜42上，并且盖膜44形成于垂直磁化膜43上。
Ta膜42介于垂直磁化膜43与CoFeB膜41之间。垂直磁化膜43和CoFeB膜41通过非磁性Ta膜42彼此磁耦合。通过磁耦合，CoFeB膜41还具有垂直磁化性质。因为使具有这种性质的CoFeB膜41形成为与MgO膜30接触，因此预期高MR率（参考非专利文献1）。
数据存储层40中的垂直磁化膜43包括两个Co/Pt层叠膜以及介于它们之间的Ru膜。这两个Co/Pt层叠膜通过非磁性Ru膜而彼此磁耦合。通过这种结构（称为合成亚铁磁结构），牢固地固定数据参考层40的垂直磁化方向。盖膜44包括Pt膜和Ru膜。
3.效果
如上所述，因为使CoFeB膜（23和41）形成为与作为隧道势垒层的MgO膜30接触，因此预期高MR率（参考非专利文献1）。然而在本实施例中，获得了仅仅通过CoFeB膜与MgO膜30接触而无法获得的效果。为了对本实施例特有的效果进行说明，考虑图6中所示的比较示例。
在图6中所示的比较示例中，按照与本实施例相同的方式在作为隧道势垒层的MgO膜之上和之下形成了CoFeB膜。然而在数据存储层中，不是Ta膜而是Ru膜介于CoFeB膜与垂直磁化膜（Co/Ni层叠膜）之间。此外，在数据参考层中，不是Ta膜而是Ru膜介于CoFeB膜与垂直磁化膜（Co/Pt合成亚铁磁膜）之间。此外，与本实施例不同，数据存储层中的垂直磁化膜不包括“Co/Pt/Co”结构。
在比较实验中，生成了本实施例（图5）和比较示例（图6）的层叠膜结构。在应用高温热处理之后，测量了MR率。图7示出了在本实施例与比较示例之间比较MR率的结果。纵轴表示所测量的MR率并且横轴表示热处理温度。
如从图7显而易见地，与使用Ru的比较示例的情况相比，在使用Ta的本实施例的情况下获得了更高的MR率。尤其是在比较示例中，明显的是MR率随着热处理温度上升显著地劣化。相反在本实施例的情况中，即使热处理温度上升，也保持高MR率。也就是说，在本实施例中，甚至在应用高温热处理之后也抑制了MR率劣化并且获得了极好的耐热性。如从比较实验显而易见地，仅仅通过CoFeB膜与MgO膜30接触无法获得本实施例的效果。下面对本实施例中的膜配置进行变化地讨论。
4.讨论
4-1.关于Ta的意义
首先，本实施例的特征之一是在数据存储层20和数据参考层40中CoFeB膜（23和41）通过Ta膜（22和42）磁耦合到垂直磁化膜（21和43）。作为Ta膜的技术意义，可以考虑至少以下两个主题。
（1）粘附性
图8示出了用于在本实施例与比较示例之间比较“粘附性”的试验的结果。具体地，向在插入的膜类型是Ta（本实施例）的情况和插入的膜类型是Ru（比较示例）的情况下的各一百个样品的每一个应用剥离测试。图8示出了每一百个样品中呈现剥落的样品数目。呈现剥落意味着粘附性很弱。
如从图8显而易见地，在比较示例（Ru）的情况下，通过高温热处理出现剥落。尤其是，随着热处理温度上升，剥落频率增大。也就是说，显然的是Ru的粘附性很弱，并且随着热处理温度上升该趋势变得更显著。如果由于高温热处理，在Ru膜与CoFeB膜之间的界面出现了局部剥离，那么这引起MR率劣化。此外，如果Ru膜与CoFeB膜完全分离，则丧失了作为器件的原始功能。此外，弱的粘附性还意味着通过Ru膜在CoFeB膜与垂直磁化膜之间的磁耦合很弱。据估计由于这种因素而出现了如图7所示的由于高温热处理所引起的MR率劣化。
相反在本实施例（Ta）的情况下，未出现剥落而与热处理温度无关。也就是说，显然的是Ta的粘合性很好。因为甚至在高温热处理之后也未出现Ta膜与CoFeB膜之间的剥落，因此保持了高MR率。此外，良好的粘合性意味着牢固地保持了通过Ta膜在CoFeB膜与垂直磁化膜之间的磁耦合。这也有助于高MR率。
（2）晶体控制
由于热处理，期望CoFeB膜的晶体结构通过相邻MgO膜的影响而采取bcc结构（体心立方晶格结构）。众所周知，CoFeB膜和MgO膜的晶体结构采取bcc结构，对于实现高MR率是重要的（参考非专利文献1等）。
在这里，为了使层叠结构简单化，还考虑使垂直磁化膜（21或43）和CoFeB膜（23或41）直接堆叠而不使Ta膜（22或42）介于二者之间。然而本实施例中的垂直磁化膜（21或43）的晶体结构是fcc结构（面心立方晶格）。当CoFeB膜与这种fcc结构的垂直磁化膜直接接触时，阻碍CoFeB膜的晶体结构转变成bcc结构。因此，MgO膜30也几乎不能采取bcc结构。其结果是，无法实现原先预期的高MR率。
相反在本实施例中，Ta膜（22或42）存在于垂直磁化膜（21或43）与CoFeB膜（23或41）之间。因为非常薄的Ta膜非晶地生长，因此它不会影响CoFeB膜的晶体取向。换句话说，Ta膜起抑制垂直磁化膜的fcc晶体取向传播到CoFeB膜中的作用。其结果是，已经受到高温热处理的CoFeB膜和MgO膜可以采取良好的bcc结构。因此，可以实现原先预期的高MR率。
4-2.关于Co/Pt/Co结构
本实施例的另一特征是在数据存储层20中的垂直磁化膜21具有通过使Pt膜介于两个Co膜之间而形成的、被称为“Co/Pt/Co”的层叠结构。本发明人已经发现，这种Co/Pt/Co结构提高了垂直磁化膜21的垂直磁各向异性。因为提高了垂直磁化膜21本身的垂直磁各向异性，因此也提高了磁耦合到垂直磁化膜21的CoFeB膜23的垂直磁各向异性。这导致提高了耐热性和MR率。在下面证实Co/Pt/Co结构提高了垂直磁化膜21的垂直磁各向异性的事实。
图9示出了用于评估Co/Pt/Co结构的样品的构造。在该样品中，在底层10（Ta/Pt）上形成了包括Co/Pt/Co结构的垂直磁化膜21并且进一步在上面形成了Ta膜以作为盖层。在这里，制备了具有各种变化厚度的Pt膜的多个样品并且测量样品中的每一个的垂直磁各向异性。在这里，可以通过由VSM调查饱和磁化Hs来测量垂直磁各向异性。
图10示出了垂直磁各向异性的测量结果。横轴表示Pt膜厚度与Co膜厚度（=0.3nm）的比率γ（=Pt膜厚度/Co膜厚度）。γ=0是指未插入Pt膜的情况，即其中未形成Co/Pt/Co结构的简单Co膜的情况。纵轴表示利用在γ=0的情况下的值标准化的垂直磁各向异性。如从图10显而易见地，与γ=0的情况相比在形成了Co/Pt/Co结构的情况下垂直磁各向异性更大地提高。据估计在Co/Pt界面处产生的界面磁各向异性有助于垂直磁各向异性的提高。
当γ在2附近时垂直磁各向异性达到最强。如果γ过大，垂直磁各向异性未必提高。这大概是因为非磁性Pt部分相对增大并且整个层叠结构的垂直磁各向异性变弱。
CoFeB膜23本来是面内磁化膜，但是通过磁耦合到垂直磁化膜21而具有垂直磁化。然而包括在垂直磁化膜21中的Co/Ni层叠膜的垂直磁各向异性趋于通过高温热处理而下降。如果垂直磁化膜21的垂直磁各向异性变弱，那么磁耦合到垂直磁化膜21的CoFeB膜23的磁化的垂直分量变弱并且面内分量加强。这使MR率劣化。在图6所示的比较示例的情况下，据估计这种MR率的劣化明显地出现，因为垂直磁化膜仅包括Co/Ni层叠膜。相反在本实施例中，垂直磁化膜21包括Co/Pt/Co结构并且因此垂直磁化膜21的垂直磁各向异性提高了。因此，磁耦合到垂直磁化膜21的CoFeB膜23的垂直磁化也被保持在提高状态并且最终实现了高MR率以及高度耐热性。
4-3.关于膜厚度
图11是示出了MR率对于Ta膜22的膜厚度X1的依赖性的图表。在这里，将CoFeB膜23的膜厚度X2、CoFeB膜41的膜厚度X3、以及Ta膜42的膜厚度X4分别设置为X2=0.85nm、X3=1.4nm、X4=0.45nm。热处理的条件是350°C并且2小时。
当Ta膜22的膜厚度X1在0.5nm附近时MR率取得最大值。MR率随着膜厚度X1减小而下降的原因大概在于Ta膜22不能充分抑制垂直磁化膜21的fcc晶体取向传播到CoFeB膜23。相反，MR率随着膜厚度X1增大而下降的原因大概在于通过Ta膜22在垂直磁化膜21与CoFeB膜23之间的磁耦合变弱。允许MR率为25%或更大的膜厚度X1的优选范围是0.3至0.7nm。
图12是示出了MR率对于CoFeB膜23的膜厚度X2的依赖性的图表。在这里，将Ta膜21的膜厚度X1、CoFeB膜41的膜厚度X3、以及Ta膜42的膜厚度X4分别设置为X1=0.6nm、X3=1.4nm、X4=0.45nm。热处理的条件是350°C并且2小时。
当CoFeB膜23的膜厚度X2在0.9nm附近时MR率取得最大值。MR率随着膜厚度X2减小而下降的原因大概在于CoFeB膜23在高温热处理之后几乎不能采取优选的bcc晶体取向。相反，MR率随着膜厚度X2增大而下降的原因大概在于垂直磁化膜21几乎不能影响本来是面内磁化膜的整个CoFeB膜23并且在CoFeB膜23中出现了固有面内磁化分量。允许MR率为25%或更大的膜厚度X2的优选范围是0.75至1.0nm。
图13是示出了MR率对于CoFeB膜41的膜厚度X3的依赖性的图表。在这里，将Ta膜21的膜厚度X1、CoFeB膜23的膜厚度X2、以及Ta膜42的膜厚度X4分别设置为X1=0.6nm、X2=0.85nm、X4=0.45nm。热处理的条件是350°C并且2小时。
当CoFeB膜41的膜厚度X3在1.2nm附近时MR率取得最大值。MR率随着膜厚度X3减小而下降的原因大概在于CoFeB膜41在高温热处理之后几乎不能采取优选的bcc晶体取向。相反，MR率随着膜厚度X3增大而下降的原因大概在于垂直磁化膜43几乎不能影响本来是面内磁化膜的整个CoFeB膜41并且在CoFeB膜41中出现了固有面内磁化分量。允许MR率为25%或更大的膜厚度X3的优选范围是1.0至1.4nm。
图14是示出了MR率对于Ta膜42的膜厚度X4的依赖性的图表。在这里，将Ta膜22的膜厚度X1、CoFeB膜23的膜厚度X2、以及CoFeB膜41的膜厚度X3分别设置为X1=0.6nm、X2=0.85nm、X3=1.4nm。热处理的条件是350°C并且2小时。
当Ta膜42的膜厚度X4在0.4nm附近时MR率取得最大值。MR率随着膜厚度X4减小而下降的原因大概在于Ta膜42不能充分抑制垂直磁化膜43的fcc晶体取向传播到CoFeB膜41。相反，MR率随着膜厚度X1增大而下降的原因大概在于通过Ta膜42在垂直磁化膜43与CoFeB膜41之间的磁耦合变弱。允许MR率为25%或更大的膜厚度X4的优选范围是0.3至0.6nm。
5.修改示例
图15示出了修改示例。根据图15所示的修改示例，在数据存储层20中，使用不包括Co/Pt/Co结构的垂直磁化膜21'以代替上述垂直磁化膜21。Ta膜22介于垂直磁化膜21'与CoFeB膜23之间并且垂直磁化膜21'通过Ta膜22磁耦合到CoFeB膜23。此外，在数据参考层40中，代替上述Ta膜42，使Ru膜45介于CoFeB膜41与垂直磁化膜43之间。只要至少在数据存储层20中使用Ta膜22，在本修改示例中也获得一定程度的效果。
图16示出了另一修改示例。根据图16所示的修改示例，在数据存储层20中使用不包括Co/Pt/Co结构的垂直磁化膜21'以代替上述垂直磁化膜21。此外，代替上述Ta膜22，使Ru膜24介于垂直磁化膜21'与CoFeB膜23之间。数据参考层40与上述实施例相同。只要至少在数据参考层40中使用Ta膜42，在本修改示例中也获得一定程度的效果。
图17示出了又一个修改示例。根据图17所示的修改示例，在数据存储层20中，代替上述Ta膜22，使Ru膜24介于垂直磁化膜21与CoFeB膜23之间。此外，在数据参考层40中，代替上述Ta膜42，使Ru膜45介于CoFeB膜41与垂直磁化膜43之间。在数据存储层20中的垂直磁化膜21与上述实施例相同。只要至少在数据存储层20中使用Co/Pt/Co结构，在本修改示例中也获得一定程度的效果。
图18示出了再一修改示例。与图5所示的配置相比较，将数据存储层20与数据参考层40之间的垂直结构关系反转。在本修改示例中获得了与上述实施例相同的效果。
此外，根据本实施例的膜配置不但可以应用于畴壁移位型而且还可以应用于自旋注入型或外部磁场施加型。在任何类型中，可以实现呈现出高MR率的磁阻效应元件1。
此外，在不彼此矛盾的范围内，上述修改示例的组合也是可接受的。
6.应用于磁存储器
图19示出了使用根据本实施例的磁阻效应元件1的存储单元MC的配置示例。第一端子T1通过第一选择性晶体管TRa耦合到第一位线BLa。第二端子T2通过第二选择性晶体管TRb耦合到第二位线BLb。选择性晶体管TRa和TRb两者的栅极耦合到字线WL。第三端子T3耦合到地线GL。
在将数据写入到存储单元MC中时，将字线WL设置在高电平并且选择性晶体管TRa和TRb导通。同时，将地线GL设置在浮动状态。通过在第一位线BLa与第二位线BLb之间施加与写数据相对应的电势差，能够在与写数据相对应的方向上将写电流IW供应到数据存储层20。
此外，当从存储单元MC读出数据时，将字线WL设置在高电平并且选择性晶体管TRa和TRb导通。将地电势施加到地线GL上，将规定的读出电势施加到第一位线BLa上，并且将第二位线BLb设置在浮动状态。以这种方式，读出电流IR以穿过MTJ的方式从第一位线BLa流动到地线GL。
图20是示出了使用图19所示的存储单元MC的磁存储器100的配置示例的方框图。磁存储器100包括存储单元阵列101、字线驱动器102、位线驱动器103、以及控制电路104。
存储单元阵列101包括以阵列方式分配的多个MC、多个字线WL、多个位线对BLa和BLb、以及多个地线GL。如图19中所示，存储单元MC中的一个耦合到字线WL中的一个、位线对BLa和BLb中的一对、以及地线GL中的一个。
字线驱动器102耦合到多个字线WL。位线驱动器103耦合到多个位线对BLa和BLb。控制电路104控制字线驱动器102和位线驱动器103的操作。字线驱动器102根据来自控制电路104的控制信号来驱动多个字线WL中的选择性字线WL。位线驱动器103根据来自控制电路104的控制信号来控制多个位线对BLa和BLb中的选择性位线对BLa和BLb的电势。按照这种方式，能够将数据写入到选择性存储单元MC中以及从选择性存储单元MC读取数据。
至此已参考附图对根据本发明的实施例进行了说明。然而本发明并不局限于上述实施例并且本技术领域的专业人员可以在不脱离本发明的要旨的范围内适当地改变本发明。

Claims (7)

1.一种磁阻效应元件，包括：
数据存储层，所述数据存储层具有磁化方向可反转的区域；
数据参考层，所述数据参考层的磁化方向固定；以及
MgO膜，所述MgO膜介于所述数据存储层与所述数据参考层之间，
其中所述数据存储层包括：
第一CoFeB膜，所述第一CoFeB膜与所述MgO膜接触；
第一垂直磁化膜；以及
第一Ta膜，所述第一Ta膜介于所述第一CoFeB膜与所述第一垂直磁化膜之间，并且
其中所述第一CoFeB膜通过所述第一Ta膜磁耦合到所述第一垂直磁化膜。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中所述数据参考层包括与所述MgO膜接触的第二CoFeB膜。
3.根据权利要求2所述的磁阻效应元件，
其中所述数据参考层进一步包括：
第二垂直磁化膜；以及
第二Ta膜，所述第二Ta膜介于所述第二CoFeB膜与所述第二垂直磁化膜之间，并且
其中所述第二CoFeB膜通过所述第二Ta膜磁耦合到所述第二垂直磁化膜。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，
其中所述第一垂直磁化膜包括：
第一Co膜，所述第一Co膜与所述第一Ta膜接触；
第二Co膜；以及
Pt膜，所述Pt膜介于所述第一Co膜与所述第二Co膜之间。
5.一种磁阻效应元件，包括：
数据存储层，所述数据存储层具有磁化方向可反转的区域；
数据参考层，所述数据参考层的磁化方向固定；以及
MgO膜，所述MgO膜介于所述数据存储层与所述数据参考层之间，
其中所述数据参考层包括：
CoFeB膜，所述CoFeB膜与所述MgO膜接触；
垂直磁化膜；以及
Ta膜，所述Ta膜介于所述CoFeB膜与所述垂直磁化膜之间，并且
其中所述CoFeB膜通过所述Ta膜磁耦合到所述垂直磁化膜。
6.一种磁阻效应元件，包括：
数据存储层，所述数据存储层具有磁化方向可反转的区域；
数据参考层，所述数据参考层的磁化方向固定；以及
MgO膜，所述MgO膜介于所述数据存储层与所述数据参考层之间，
其中所述数据存储层包括：
CoFeB膜，所述CoFeB膜与所述MgO膜接触；以及
垂直磁化膜，所述垂直磁化膜磁耦合到所述CoFeB膜，并且
其中所述垂直磁化膜包括：
第一Co膜，所述第一Co膜最靠近所述CoFeB膜；
第二Co膜；以及
Pt膜，所述Pt膜介于所述第一Co膜与所述第二Co膜之间。
7.一种磁存储器，所述磁存储器具有根据权利要求1所述的磁阻效应元件作为存储单元。
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