專利名稱：磁阻元件和磁性存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種磁阻元件(magnetoresistive element)和磁性存儲器，例如，涉及能夠通過雙向提供電流來記錄數(shù)據(jù)的磁阻元件以及使用這種磁阻元件的磁性存儲器。
背景技術：
近來提出了許多用于根據(jù)新原理記錄數(shù)據(jù)的固態(tài)存儲器。在所有這些固態(tài)存儲器中，作為固態(tài)磁性存儲器，利用隧道式磁阻(tunnelingmagnetoresistive，TMR)效應的磁阻式隨機存取存儲器(magnetoresistive random access memory，MRAM)受到極大關注。作為特有性能，MRAM按照磁性隧道結(magnetic tunnel junction，MTJ)元件的磁化狀態(tài)存儲數(shù)據(jù)。
在傳統(tǒng)的、按照由互連電流產生的磁場寫入數(shù)據(jù)的MRAM中，當MTJ元件的尺寸減小時，矯頑力Hc增大，因此，進行寫入所需要的電流趨于增大。事實上，為了制造具有256兆位或更大的大容量MRAM，芯片尺寸必須很小。為此，需要在通過增加芯片中的單元陣列占用率(cell array occupation ratio)的同時，將寫電流減小到μA級。但是，減小MTJ元件的尺寸與減小寫電流是相互矛盾的。為此，傳統(tǒng)的MRAM難以同時減小單元尺寸和電流來獲得大于256兆位的容量。
提出了一種MRAM，它利用自旋動量轉移(spin momentumtransfer，SMT)來解決上述問題(例如，美國專利No.6256223；參考文獻1[C.Slonczewski，“Current-driven Excitation of MagneticMultilayers”，Journal of Magnetism and Magnetic Materials，Vol.159，1996，pp.L1-L7])；以及參考文獻2[L.Berger，“Emission of SpinWaves by a Magnetic Multilayer Traversed by a Current”，PhysicalReview B，Vol.54，No.13，1996，pp.9353-8])。在自旋動量轉移(以下稱為“自旋注入”)翻轉(switching)中，電流密度Jc限定了翻轉所需要的磁化翻轉電流Ic。因此，當元件面積減小時，利用自旋注入引起翻轉的翻轉電流也減小。
在寫入模式中，如果電流密度為常數(shù)，則寫電流也隨著MTJ元件尺寸的減小而減小。因此，與傳統(tǒng)的場寫入型(field-write-type)MRAM相比，預期這種類型的MRAM具有卓越的可擴展性。但是，在電流自旋注入式MRAM中，翻轉需要的電流密度Jc很高，即，10mA/cm2或更大。甚至使用尺寸為100nm2的MTJ元件也需要約1mA的寫電流。
這是由于自旋注入翻轉方案需要雙向激發(fā)，并且，自旋注入的效率隨激發(fā)方向改變。即，自旋注入翻轉曲線是不對稱的。翻轉磁性自由層(自由層)的磁化方向，從而將自由層和磁性參考層(固定層(pinnedlayer))的磁化排列從平行變到反向平行所需要的電流約為從反向平行變到平行所需要的電流的兩倍。
以下將對這個不對稱曲線的問題進行描述。如果使用隧道式磁阻(TMR)效應薄膜，并且通過激發(fā)使自由層和固定層的磁化排列從反向平行翻轉到平行來實現(xiàn)寫入，則由于閾值電流很小，因此沒有問題。但是，如果按照預定的電流密度Ia-ap，通過激發(fā)使自由層和固定層的磁化排列從平行翻轉到反向平行來實現(xiàn)寫入，則按照TMR效應，由于寫電流很大，因此反向平行磁化排列中的元件電阻Rap增加。因此，寫入電壓Vp-ap提高。
因此，如果隧道阻擋層的擊穿電壓不夠高，則在達到反向平行磁化排列之前，所述層已經到達擊穿電壓Vbd并且引起電介質擊穿。此外，即使不出現(xiàn)電介質擊穿，也不能保證在高電壓下運行的可靠性。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明的第一方面，提供了一種磁阻元件，包括第一磁性參考層，具有磁化方向；磁性自由層，可以通過提供自旋極化電子改變其磁化方向；第二磁性參考層，具有磁化方向；第一中間層，提供在第一磁性參考層與磁性自由層之間；以及，第二中間層，提供在磁性自由層與第二磁性參考層之間。磁性自由層與第一磁性參考層具有與平面內方向垂直或平行的易磁化方向。第一磁性參考層與第二磁性參考層具有相互垂直的易磁化方向。
按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種磁性存儲器，包括存儲單元，存儲單元包括磁阻元件；以及，第一電極和第二電極，用于給磁阻元件提供電流。


圖1為示出了按照第一實施例的MTJ元件10的截面圖；圖2為示出了按照第一實施例的MTJ元件10的詳細例子的截面圖；圖3為示出了按照第一實施例的固定層15的另一種結構的截面圖；圖4為示出了按照第一實施例的固定層11的另一種結構的截面圖；圖5為示出了按照第一實施例的固定層11的另一種結構的截面圖；圖6為示出了按照第一實施例的自由層13和固定層11的另一種結構的截面圖；圖7為示出了按照第二實施例的MTJ元件10的截面圖；圖8為示出了按照第二實施例的MTJ元件10的詳細例子的截面圖；圖9為示出了按照第二實施例的自由層13的另一種結構的截面圖；圖10為示出了按照第三實施例的MTJ元件10的透視圖；圖11為示出了按照第三實施例的MTJ元件10的詳細例子的透視圖；圖12為示出了按照第三實施例的固定層15的另一種結構的透視圖；圖13為示出了按照第三實施例的固定層15的另一種結構的透視圖；圖14為示出了按照第四實施例的MRAM的電路圖；圖15為示出了MRAM的截面圖，其中主要示出了MTJ元件10；并且圖16為示出了MRAM的另一種結構的截面圖，其中主要示出了MTJ元件10。
具體實施例方式
以下將參照附圖，對本發(fā)明的實施例進行描述。在描述中，相同的標號表示具有相同功能和布置的要素，并且，只有當需要時，才對描述進行重復。
(第一實施例)圖1示出了按照第一實施例的MJT元件10的基本結構。圖1中的箭頭表示磁化方向。
MTJ元件10具有由第一磁性參考層(固定層(pinned layer))11、第一中間層12、磁性自由層(自由層)13、第二中間層14和第二磁性參考層(固定層)15組成的分層結構，這些層按照上述順序堆疊。在這個基本結構中，層的堆疊順序可以顛倒。
固定層11和15具有固定的磁化(或自旋(spin))方向。自由層13的磁化方向改變(翻轉)。固定層11和自由層13的易磁化方向與薄膜表面(或平面內方向)垂直(以下將這種情況稱為“垂直磁化”)。固定層15的易磁化方向與薄膜表面平行(以下將這種情況稱為“平面內磁化”)。即，固定層11和15的易磁化方向相互垂直。
易磁化方向指的是在沒有任何外加磁場的情況下，當某種具有較大尺寸(macro size)的鐵磁材料的自發(fā)磁化轉向該方向時，使其內部能量最小的方向。難磁化方向指的是在沒有任何外加磁場的情況下，當某種具有較大尺寸的鐵磁材料的自發(fā)磁化轉向該方向時，使其內部能量最大的方向。
在本實施例中，垂直磁化薄膜被用作自由層13。自由層13使用垂直磁化薄膜使得可以將MTJ元件尺寸的長寬比Ar(元件的短邊長度與長邊長度的比值，即，Ar＝長邊長度/短邊長度)設計為1。在平面內磁化薄膜中，形狀磁異向能(shape magnetic anisotropy energy)決定了熱穩(wěn)定性所需要的異向磁場(anisotropic magnetic field)(Hk)，使得MTJ元件的長寬比小于1。相反，在垂直磁化薄膜中，磁晶異向能(magnetocrystallineanisotropy energy)保證了熱穩(wěn)定性所需要的異向磁場(Hk)。即，異向磁場(Hk)不依賴于MTJ元件的長寬比。
這使得能夠減小MTJ元件的尺寸。在具有相同的MTJ元件寬度，并且使用要求利用自旋注入進行翻轉所需要的電流密度Jc相同的TMR薄膜的平面內磁化薄膜和垂直磁化薄膜中，由于長寬比Ar較小，因此垂直磁化薄膜中的自旋注入翻轉電流Ic較小。
在具有上述布置的MTJ元件10中，以下述方式寫入數(shù)據(jù)。在本實施例中，電流表示電子流。首先，在MTJ元件10中，電流沿著垂直于薄膜表面(或堆疊平面)的方向雙向流動。
這向自由層13提供了自旋極化為多數(shù)和少數(shù)的電子。多數(shù)電子自旋的自旋角動量向自由層13移動。自旋矩(spin torque)作用在自由層13上，引起自由層13的磁化旋轉。自旋矩由固定層和自由層的磁化方向的單位矢量的外積表示。因此，自旋矩可以從兩個固定層相互垂直地作用在自由層13上。因此，可以減小通過自旋注入的翻轉電流。
更確切地說，當從固定層11一側提供電子時(即，電子從固定層11向自由層13移動)，沿著與固定層11的易磁化方向相同的方向被自旋極化的電子和被固定層15反射并且因此沿著與固定層15的易磁化方向相反的方向被自旋極化的電子注入自由層13。在這種情況下，自由層13的磁化方向與固定層11的易磁化方向相同。即，固定層11與自由層13的磁化方向平行。在這種平行布置中，MTJ元件10的電阻最小。這種狀態(tài)被定義為二進制0。
另一方面，當從固定層15一側提供電子時(即，電子從固定層15移動到自由層13)，沿著與固定層15的易磁化方向相同的方向被自旋極化的電子和被固定層11反射并且因此沿著與固定層11的易磁化方向相反的方向被自旋極化的電子注入自由層13。在這種情況下，自由層13的磁化方向與固定層11的易磁化方向相反。即，固定層11與自由層13的磁化方向反向平行。在這種反向平行布置中，MTJ元件10的電阻最大。這種狀態(tài)被定義為二進制1。
按照以下方式讀取數(shù)據(jù)。給MTJ元件10提供讀電流，以檢測MTJ元件10的電阻變化。讀電流被設定為小于寫電流。
自由層13的易磁化方向與薄膜表面垂直。因此，在平行磁化布置的情況下，通過中間層12，在自由層13與固定層11之間，出現(xiàn)磁阻效應。但是，在垂直磁化布置的情況下，在自由層13與固定層15之間，不出現(xiàn)通過中間層14的磁阻效應。這是一個很大的優(yōu)點，能夠避免由第二固定層導致的在讀輸出方面的劣化，而所述劣化造成了在具有雙排(dual-pin)分層結構(即，兩個固定層通過中間層布置在自由層的兩側)的磁阻元件中的問題。
即，在本實施例的MTJ元件10中，兩個固定層(固定層11和15)的磁化方向相互垂直。由于這個原因，如果中間層12和14使用相同的材料，即，相同的絕緣材料如氧化鎂(MgO)或氧化鋁(AlOx)，則兩個固定層可以獲得高自旋注入效率。此外，磁阻效應只出現(xiàn)在一個固定層中。
在傳統(tǒng)的雙排分層結構中，在兩個中間層12和14中，出現(xiàn)互逆磁阻效應。因此，讀所需要的TMR比減小。但是，本實施例能夠避免這個問題。
以下將對按照本實施例的MTJ元件10的更詳細的例子進行描述。圖2為示出了MTJ元件10的詳細例子的截面圖。例如，在平面形狀中，自由層13的長寬比被設定為接近1。
在襯底(沒有示出)側的最下面部分，存在對基本結構的晶體取向或可結晶性進行控制的底層16。底層16使用例如非磁性金屬層。在最上面部分存在封蓋層17，以防止基本結構損壞，如氧化或腐蝕。封蓋層17使用例如非磁性金屬層。
圖3為示出了固定層15的另一種結構的截面圖。固定層15的易磁化方向與薄膜表面平行。固定層15具有由固定層15C、中間層15B和固定層15A組成的分層結構。反鐵磁層18存在于固定層15之上(固定層15與封蓋層17之間)，并且與固定層15C接觸。固定層15C與反鐵磁層18交換耦合(exchange-couple)，使得磁化方向固定為與薄膜表面平行。
固定層15A和15C的易磁化方向與薄膜表面平行。固定層15A和15C的易磁化方向彼此反向平行(相反)。通過中間層15B，固定層15A和15C彼此反鐵磁性耦合。由第一磁性層、中間層(非磁性層)和第二磁性層組成的，其中磁性層的磁化方向通過中間層反向平行的分層結構稱為合成反鐵磁性(synthetic anti-ferromagnetic，SAF)結構。使用SAF結構增強了固定層15的磁化固定力(magnetization fixing force)，使得抵抗外界磁場的抵抗力和熱穩(wěn)定性提高。更具體地說，固定層15的磁化固定力的溫度依賴性得到改善。
在SAF結構中，假設Ms1為第一磁性層(與固定層15C等效)的飽和磁化強度，t1為第一磁性層的厚度，Ms2為第二磁性層(與固定層15A等效)的飽和磁化強度，t2為第二磁性層的厚度。當Ms1·t1≅Ms2·t2]]>時，顯然，固定層15的飽和磁化強度與磁性層厚度的乘積Ms·t可以近似為零。由于固定層15幾乎不對外部磁場做出反應，因此可以進一步改善抵抗外部磁場的能力。
SAF結構中的中間層15B使用了金屬材料如釕(Ru)或鋨(Os)。中間層15B的厚度被設定為3nm或更小。這種結構使得能夠通過中間層15B獲得足夠強的反鐵磁性耦合。使用具有這樣結構的中間層15B增強了固定層15的磁化固定力，使得抵抗外部磁場的抵抗力和熱穩(wěn)定性提高。
圖4為示出了固定層11的另一種結構的截面圖。反鐵磁層19位于固定層11之下(在固定層11與底層16之間)，并且與固定層11接觸。固定層11與反鐵磁層19交換耦合，使得磁化方向固定為與薄膜表面垂直。對這種結構的使用增強了固定層11的磁化固定力，使得抵抗外部磁場的抵抗力和熱穩(wěn)定性提高。
圖5為示出了固定層11的另一種結構的截面圖。固定層11具有由固定層11C、中間層11B和固定層11A組成的分層結構。即固定層11具有SAF結構。
固定層11A和11C的易磁化方向與薄膜表面垂直。固定層11A和11C的磁化方向彼此反向平行。固定層11A和11C通過中間層11B彼此反鐵磁性耦合。使用SAF結構增強了固定層11的磁化固定力，使得抵抗外界磁場的抵抗力和熱穩(wěn)定性提高。在這樣的布置中，反鐵磁層可以位于固定層11A之下，并且與固定層11A接觸，使得固定層11A與反鐵磁層能夠彼此交換耦合。
圖6為示出了自由層13和固定層11的另一種結構的截面圖。自由層13具有由界面自由層(interface free layer)13C、自由層13B和界面自由層13A組成的分層結構。即，在自由層13B與中間層12之間或者自由層13B與中間層14之間，最好存在由鐵磁材料構成的界面自由層。
如圖6所示，固定層11具有由界面固定層11E和固定層11D組成的分層結構。即，在固定層11D與中間層12之間最好存在由鐵磁材料構成的界面固定層11E。
界面固定層和界面自由層具有增強磁阻效應的作用以及減少自旋注入寫入中的寫電流的作用。增強磁阻效應的界面層最好由相對于中間層具有較高的體極化性(bulk polarizability)和較高的表面極化性的材料制成。
以下將對MTJ元件10中包括的層的材料進行描述。
用于中間層12和14的材料本實施例的MTJ元件10中的中間層12使用絕緣材料和半導體。在這種情況下，自由層13/中間層12/固定層11的結構具有隨道磁阻效應。在讀過程中，固定層11和自由層13的磁化方向平行或反向平行。MTJ元件10的電阻變高或變低。這樣的狀態(tài)被確定為二進制0和二進制1。
另一方面，固定層15/中間層14/自由層13的結構沒有隧道磁阻效應，這是因為自由層13與固定層15的磁化方向相互垂直。因此，中間層14可以使用金屬導體、絕緣材料或半導體中的任何一種。當使用絕緣材料或半導體時，MTJ元件10的電阻提高。因此，最好使用金屬導體。
用于中間層14的金屬導體最好是銅(Cu)、鋁(Al)、銀(Ag)或金(Au)。當包括導電金屬相和絕緣相如MgO-Cu或AlOx-Cu的混合晶體)結構被用于利用局部增加電流密度的電流濃度效應來增加自旋注入效率時，自由層的翻轉電流可以減小。
為了利用隧道磁阻效應，中間層12和14中的每一個的厚度被設定為3nm或更小。這是由于MTJ元件的電阻與面積的乘積(RA)必須約為100Ωμm2或更小，用于流過約為1×105到1×107A/cm2的隧道電流，以便寫入數(shù)據(jù)。
用于中間層12和14的絕緣材料的例子是氧化物，如氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)、氧化鈣(CaO)、氧化鍶(SrO)、氧化鈦(TiO)、氧化銪(EuO)、氧化鋯(ZrO)和氧化鉿(HfO)。半導體的例子為鍺(Ge)、硅(Si)、化合物半導體如砷化鎵(GaAs)和砷化銦(InAs)以及氧化物半導體如氧化鈦(TiO2)。Mgo、CaO、SrO、TiO和EuO具有NaCl結構。
具有NaCl結構的MgO特別適合于中間層12。這是由于在使用MgO時，TMR比最大。如果MTJ元件的RA在5到1000(包含)Ωμm2的范圍內，則使用MgO能夠使TMR比達到100％或更多。從TMR比的觀點看，具有NaCl結構的MgO最好具有(100)平面取向作為晶體取向。當在薄膜形成的過程中將1nm或更小的Mg層插入MgO層之上或之下時，能夠進一步提高TMR比。
通過在稀有氣體(氬[Ar]、氖[Ne]、氪[Kr]或氙[Xe])中利用MgO靶進行濺射，或者，通過在O2環(huán)境中利用Mg靶進行氧化反應濺射，形成MgO層。通過形成Mg層并且利用氧基、氧離子或臭氧對其進行氧化，可以形成MgO層。利用MgO的分子束外延(molecular beam epitaxy，MBE)或者電子束蒸發(fā)也可以用于對MgO層進行外延生長。
為了獲得高TMR比，MgO的取向程度必須高。MgO的平面取向決定了要被選作底層的磁性層的取向。MgO最好具有(100)平面取向。為了使MgO具有(100)優(yōu)選平面取向，其底層(自由層、固定層、界面自由層或界面固定層)最好具有體心立方(body-centered cubic，BCC)結構(100)取向平面、面心立方(face-centered cubic，F(xiàn)CC)結構(100)取向平面或無定形(amorphous)結構。
BCC結構的材料的例子為在BCC結構上外延生長到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％)。在這種情況下，通過添加10 at％或更少的經過稀釋的Ni，使TMR比增加10％到20％。無定形材料的例子為鈷(Co)-鐵(Fe)-硼(B)合金或Fe-Co-Zr合金。
用于垂直磁化自由層和垂直磁化固定層的磁性材料在本實施例中，垂直磁化薄膜用于自由層13和固定層11。如果使用平面內磁化自由層，則翻轉磁場對MTJ元件尺寸的依賴很強。但是，使用垂直磁化自由層減小了對MTJ元件尺寸的依賴性。
在平面內磁化中，利用了飽和磁化強度的形狀磁異向能保持磁化強度穩(wěn)定。因此，翻轉磁場隨元件形狀和尺寸改變。在垂直磁化過程中，飽和磁化強度很小，并且獨立于元件形狀和尺寸的磁晶異向能保持磁化強度穩(wěn)定。因此，翻轉磁場幾乎不隨元件形狀和尺寸變化。因此，對于減小MTJ元件尺寸來說，最好使用垂直磁化自由層，這是由于它解決了使用平面內磁化薄膜的MTJ元件的問題，即，防止了MTJ元件的翻轉磁場隨MTJ元件尺寸減小而增加。
在本實施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜主要包含鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)和錳(Mn)中的至少一種以及鉑(Pt)、鈀(Pd)、銥(Ir)、銠(Rh)、鋨(Os)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)和鉻(Cr)中的至少一種。為了對飽和磁化強度進行調節(jié)，對磁晶異向能進行控制并且對晶粒尺寸和晶粒鍵(crystal grain bond)進行調節(jié)，可以添加從硼(B)、碳(C)、硅(Si)、鋁(Al)、鎂(Mg)、鉭(Ta)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鉿(Hf)、釔(Y)以及稀土元素中選擇的至少一種元素。添加元素使得能夠在不影響垂直磁化的情況下，使飽和磁化強度Ms和磁晶異向能Ku減小，因此，可以將使晶粒分裂并使之變小。
主要包含Co的材料的詳細例子是具有密排六方(hexagonal closestpacking，HCP)結構的Co-Cr-Pt合金、Co-Cr-Ta合金以及Co-Cr-Pt-Ta合金。通過調節(jié)元素的成分，這些材料能夠在1×105(包含)到1×107(不包含)erg/cc的范圍內調節(jié)磁晶異向能。當這些材料用于靠近襯底的固定層時，底層最好使用具有HCP結構的Ru。
Co-Pt合金形成成分范圍接近Co50Pt50(at％)的L10-CoPt有序合金(ordered alloy)。這種有序合金具有面心四方(face-centered tetragonal，F(xiàn)CT)結構。如果中間層12使用MgO(100)，則具有(001)平面取向的FCT-CoPt有序合金是優(yōu)選的，這是由于它可以減小相對于中間層12的界面不相稱(misfit)。甚至插在中間層與自由層(或固定層)之間的界面層也能夠很容易具有(100)平面取向。
主要包含F(xiàn)e的材料的詳細例子是Fe-Pt合金和Fe-Pd合金。Fe-Pt合金是有序的，成分為Fe50Pt50(at％)，并且具有基于FCT結構的L10結構。Fe-Pd合金是也有序的，成分為Fe75Pt25(at％)，并且具有基于FCT結構的L12結構(Fe3Pt結構)。這產生了1×107erg/cc或更高的磁晶異向能。
在排序為L10結構之前，F(xiàn)e50Pt50合金具有FCC結構。在這種情況下，磁晶異向能約為1×106erg/cc。因此，通過調節(jié)退火溫度和成分，根據(jù)分層結構控制有序度并且加入添加劑，可以在5×105到5×108erg/cc(包含二者)的范圍內調節(jié)磁晶異向能。加入添加劑之前，飽和磁化強度約為800到1100 emu/cc。飽和磁化強度可以減小到800 emu/cc或更小。從減小電流密度Jc的觀點看，自由層優(yōu)選地使用這種材料。
更具體地說，通過按照30at％或更少給Fe-Pt合金添加銅(Cu)、鈦(Ti)、錳(Mn)、釩(V)和鉻(Cr)，可以對具有L10有序結構的Fe-Pt合金的飽和磁化強度(Ms)和磁晶異向能(Ku)進行控制。此外，V能夠使阻尼常數(shù)(磁化阻尼常數(shù))減小，這在自旋注入翻轉中是很重要的，并且因此減小了翻轉電流。
排序為L10結構或L12結構的Fe-Pt合金具有FCT結構。在進行排序之前，這種合金具有FCC結構。因此，F(xiàn)e-Pt合金與MgO(100)非常匹配。更具體地說，在MgO(100)平面上生長具有(100)平面取向的BCC-Fe，并且，在其上堆疊Pt(100)?？梢孕纬稍贛gO(100)上生長的、具有(100)優(yōu)選取向的具有L10結構或L12結構的Fe-Pt有序合金。由于Fe-Pt有序合金可以有更優(yōu)選的(100)平面取向，因此，在Fe-Pt有序合金與MgO(100)之間形成BCC-Cr是更優(yōu)選的。
在形成具有L10結構或L12結構的Fe-Pt有序合金的過程中，通過形成多層結構的[Fe/Pt]n(n為整數(shù)；n≥1)，可以形成具有幾乎理想的L10結構或L12結構的Fe-Pt有序合金。在這種情況下，最好將Fe和Pt的厚度設定為0.1到3(包含二者)nm。為了獲得均勻的成分狀態(tài)，這是必須的。由于在使Fe-Pt合金排序成L10結構或L12結構的過程中，它促進了從FCC結構到FCT結構的馬氏體式變換(martensitic transformation)，因此這是很重要的。
具有L10結構或L12結構的Fe-Pt有序合金具有出色的熱阻(thermalresistance)，這是由于其排序溫度(ordering temperature)高達500℃或更高。由于它保證了在退火后處理的過程中的熱阻，因此這是非常好的特性。通過按照30at％或更少來添加如上述的Cu或Pd等元素，可以降低排序溫度。
本實施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜的另一個例子是包含F(xiàn)e、Co、Ni、Mn、Cr和稀土元素中的至少一種元素的鐵磁材料。稀土元素的例子是鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、Eu(銪)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)和镥(Lu)。
包含稀土元素的鐵磁材料具有無定形結構。通過調整成分，這種鐵磁材料可以將飽和磁化強度減小到400 emu/cc或更小，并且，可以將磁晶異向能增加到1×106erg/cc或更高。
本實施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜可以使用由包含金屬磁性相和絕緣相的混合晶體制成的鐵磁材料。金屬磁性相由包含F(xiàn)e、Co、Ni、和Mn中的至少一種元素以及Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Au、Ag、Cu、Cr、Ta和稀土元素中的至少一種元素的鐵磁材料制成。絕緣相由包含從B、C、Si、Al、Mg、Ta、Cr、Zr、Ti、Hf、Y和稀土元素中選擇的至少一種元素的氧化物、氮化物或氮氧化合物制成。
由包含金屬磁性相和絕緣相的混合晶體制成的鐵磁材料被劃分為導電的金屬磁性部分和不導電的絕緣部分。由于電流集中于金屬磁性部分，因此激發(fā)面積(energization area)減小，局部電流密度增加。這使實際需要的翻轉電流減小。
為了獲得這種效果，需要對可結晶性進行控制。分為兩相的結構包括粒狀(晶粒分散(crystal grain dispersion))結構、島式(島形)結構和圓柱(柱形)結構。在圓柱結構中，金屬磁性部分通過磁性層垂直延伸。因此，容易獲得電流收縮(current constriction)效應。在粒狀或島式結構中，電流通過具有最小隧道勢壘的路徑。因此，像圓柱結構一樣，可以得到電流收縮效應。
本實施例的MTJ元件10中使用的垂直磁化薄膜的其他例子是Mn鐵磁合金和Cr鐵磁合金。Mn鐵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鐵磁合金的例子是Cr-Pt3合金。這種合金具有L10有序晶格以及鐵磁材料的特性。
用于平面內磁化固定層的磁性材料在本實施例中，平面內磁化薄膜用于具有垂直于固定層11的磁化方向的固定層15。
本實施例的MTJ元件10中使用的平面內磁化薄膜使用了包含F(xiàn)e、Co、Ni、Mn和Cr中的至少一種元素的鐵磁材料。主要包含F(xiàn)e、Co和Ni的材料的詳細例子是具有FCC結構或BCC結構的FexCoyNiz合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1)。
固定層優(yōu)選地使用具有高極化率并且理論上能夠實現(xiàn)100％極化率的半金屬材料。
包含Mn的半金屬材料的例子是Mn鐵磁霍伊斯勒(Heusler)合金。Mn鐵磁霍伊斯勒合金具有體心立方系統(tǒng)，而體心立方系統(tǒng)具有以A2MnX為代表的有序晶格。從Cu、Au、Pd、Ni和Co中選擇元素A。從鋁(Al)、銦(In)、錫(Sn)、鎵(Ga)、鍺(Ge)、銻(Sb)和硅(Si)中選擇元素X。在霍伊斯勒合金當中，具有BCC結構的Co2MnAl合金通過具有BCC(100)平面取向，保證了與MgO(100)高度匹配。
固定層中的鐵磁層的厚度必須為1nm或更大。在厚度較小的情況下，鐵磁層不能成為連續(xù)薄膜。因此，它既不能充分表現(xiàn)出磁性層的特性，也不能獲得足夠的磁阻率(TMR比或巨磁阻(giant magnetoresistive，GMR)率)。最大厚度優(yōu)選地是3nm或更小。厚度大于3nm會極大地超過相干自旋(coherent spin)的進動長度(precession length)。由于這個原因，自旋注入翻轉所需要的閾值電流大大增加。
如果上述的平面內磁化固定層起MgO阻擋層的底層的作用，則成分公式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結構。通過包含按照30at％或更少的濃度添加的B、C或N，成分公式FexCoyNiz(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1)表示的合金優(yōu)選地具有無定形結構。這是由于在具有無定形結構的薄膜上，MgO薄膜容易獲得(100)優(yōu)選平面取向。
用于界面自由層和界面固定層的材料圖6中示出的界面自由層和界面固定層(這二者以下均稱為界面層)增強了磁阻效應，并且還減少了自旋注入寫入過程中的寫電流。相對于中間層，增強磁阻效應的界面層最好用具有較高的體極化性(bulkpolarizability)和較高的表面極化性的材料制成。
本實施例的MTJ元件10中使用的界面層使用了包含F(xiàn)e、Co、Ni、Mn和Cr中的至少一種元素的鐵磁材料。主要包含F(xiàn)e、Co和Ni的材料的詳細例子為具有FCC結構或BCC結構的FexCoyNiz合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1)。為了減小Fe-Co-Ni合金的飽和磁化強度(Ms)，還最好使用(FexCoyNiz)100-aXa合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1，a(at％)＞0，X為附加元素)。減小飽和磁化強度(Ms)使得能夠大大減小翻轉電流。優(yōu)選地，F(xiàn)e-Co-Ni合金的成分為50at％(x+y+z≥50at％)或者更多，這是由于界面對阻擋層的覆蓋率為50 at％或更大。因此，TMR比方面的劣化被抑制。
能夠在保持BCC結構的同時添加并且還能夠減小飽和磁化強度(Ms)的添加劑的例子(即，可以被溶解為取代固溶體的完全可溶固溶體或者具有一定固溶體源的例子)是釩(V)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鎢(W)、鉻(Cr)、鉬(Mo)、硅(Si)、鎵(Ga)和鍺(Ge)。其中，V是有效的，這是由于它還可以減小阻尼常數(shù)。
通過添加間隙元素如B、C或N，或者添加幾乎沒有固溶體源(solidsolution source)的Zr、Ta、Ti、Hf、Y或稀土元素，從而將晶體結構變?yōu)闊o定形結構，可以減小飽和磁化強度(Ms)。這種材料的例子為具有無定形結構的(FexCoyNiz)100-bXb合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1，b(at％)＞0，X為附加元素，如B、C、N、Zr、Ta、Ti、Hf、Y或稀土元素)。為了獲得某種程度的TMR比，局部地、即在界面上促進重新結晶為MgO是很重要的。
包含Mn的例子是Mn鐵磁霍伊斯勒合金。Mn鐵磁霍伊斯勒合金是以A2MnX為代表的具有有序晶格的體心立方系統(tǒng)合金。從Cu、Au、Pd、Ni和Co中選擇元素A。從Al、In、Sn、Ga、Ge、Sb和Si中選擇元素X。在霍伊斯勒合金當中，具有BCC結構的Co2MnAl合金通過具有BCC(100)平面取向，保證了與MgO(100)高度匹配。有時，Mn霍伊斯勒合金表現(xiàn)出半金屬的導電特性。
也可以使用氧化物材料。包括半金屬的氧化物材料如Fe2O3可用作界面層。
在金屬層如自由層或固定層上形成的界面層的最小厚度必須是0.5nm或更厚。在絕緣層或半導體層上形成的界面層的最小厚度也必須是0.5nm或更厚。在較小厚度的情況下，界面層不能形成連續(xù)薄膜。因此，它既不能充分表現(xiàn)出界面自由層或界面固定層的特性，也不能獲得足夠的磁阻率(TMR比或巨磁阻率)。最大厚度最好是5nm或更小。厚度大于5nm會大大超過相干自旋的進動長度。由于這個原因，自旋注入翻轉所需要的閾值電流大大增加。
如以上詳細描述的，通過形成包括磁化方向相互垂直的兩個固定層的雙排分層結構，本實施例能夠提高對自由層13的自旋注入效率。這提高了MTJ元件10的翻轉速度。高自旋注入效率能夠減小翻轉所需的寫電流。
自由層13和固定層11的磁化方向相互平行。自由層13與固定層15的磁化方向相互垂直。盡管中間層12表現(xiàn)出磁阻效應，但是，中間層14不表現(xiàn)出磁阻效應。這增加了讀數(shù)據(jù)的過程中，MTJ元件10的TMR比。
導體如金屬可以用于沒有磁阻效應的中間層14。這減小了MTJ元件10的電阻。
自由層13使用垂直磁化薄膜。即，磁晶異向能保證了自由層的熱穩(wěn)定性所需要的異向磁場(Hk)。由于自由層13的長寬比可以很低，因此，可以減小MTJ元件的尺寸。
由鐵磁材料制成的界面自由層被插入自由層13與中間層12之間或自由層13與中間層14之間。由鐵磁材料制成的界面固定層被插入固定層11與中間層12之間。界面自由層和界面固定層使用具有較高的體極化度的材料，因此能夠增強磁阻效應。這也減小了寫電流。
以下為用在MTJ元件中的TMR薄膜的分層結構的更詳細的例子。在例1到例3中，每層后面的數(shù)值代表厚度。
(例1)Ta5/PtMn15/CoFe2.5/Ru0.85/CoFe2.5/Cu3(中間層14)/CoFeB0.5/FePt(L10)2/Fe0.5/MgO0.75(中間層12)/CoFeB1/FePt(L10)10/Pt5/Cr20/MgO2/CoFeB2/Ta5//襯底
(例2)Ta5/IrMn10/CoFe2.5/Ru0.85/CoFe2.5/Cu3(中間層14)/CoFeB0.5/CoFeTb3/CoFeB0.75/MgO0.75(中間層12)/CoFeB2/CoFeTb30/Ru5/Ta5//襯底(例3)Ta5/IrMn10/CoFe2.5/Ru0.85/CoFe2.5/Cu3(中間層14)/CoFeB0.5/CoPt3/CoFeB0.5/MgO0.75(中間層12)/CoFeB2/CoPt20/Ru5/Ta5//襯底在例1和例3中，在真空中，在平面內磁場中，按照270℃進行退火。通過使用這些MTJ薄膜，形成能夠4端測量的MTJ元件，并且，對自旋注入翻轉所需要的電流密度Jc進行估算。測量在1毫秒的脈沖寬度下進行。MTJ元件的尺寸約為100nm×100nm，并且，長寬比為1。對MgO的厚度進行調整，使得每個MTJ元件的電阻與面積的乘積(RA)為15Ωμm2。
將每個例子與中間層14上沒有平面內磁化固定層的對比例子進行比較。電流密度Jc約減小10％到30％。在每個例子中，中間層14使用Cu。因此，電阻與面積的乘積(RA)極少增加。沒有發(fā)現(xiàn)在TMR比方面的明顯劣化。
(第二實施例)在第二實施例中，通過將平面內磁化薄膜用于自由層13，形成MTJ元件10。圖7為示出了按照第二實施例的MTJ元件10的截面圖。圖7示出了按照本實施例的MTJ元件10的基本結構。
MTJ元件10具有由第一固定層11、第一中間層12、自由層13、第二中間層14和第二固定層15組成的分層結構，這些層按照上述順序堆疊。在這個基本結構中，層的堆疊順序可以顛倒。
固定層11和自由層13的易磁化方向與薄膜表面平行。固定層15的易磁化方向與薄膜表面垂直。即，固定層11和15的易磁化方向相互垂直。因此，通過中間層12，在平行磁化布置的自由層13與固定層11之間出現(xiàn)磁阻效應。但是，在垂直磁化布置的自由層13與固定層15之間不出現(xiàn)通過中間層14的磁阻效應。
圖8為示出了MTJ元件10的詳細例子的截面圖。封蓋層17和底層16分別存在于圖7中示出的基本結構的最上和最下部分。固定層11具有由固定層11C、中間層11B和固定層11A組成的分層結構。即，固定層11具有SAF結構。
固定層11A和11C的易磁化方向與薄膜表面平行。固定層11A和11C的易磁化方向彼此反向平行。固定層11A和11C通過中間層11B彼此反鐵磁性耦合。SAF結構中的中間層使用了金屬材料如Ru或Os，并且，具有3nm或更薄的厚度，以便獲得足夠強的、通過中間層的反鐵磁性耦合。
反鐵磁層19存在于固定層11A之下(固定層11A與底層16之間)并且與固定層11A接觸。固定層11A與反鐵磁層19交換耦合，從而將磁化方向固定為與薄膜表面平行。
使用這種結構增強了固定層11的磁化固定力，使得抵抗外界磁場的抵抗力和熱穩(wěn)定性提高。為了提高抵抗外界磁場的能力，很明顯，最好使飽和磁化強度與固定層11的磁性層厚度的乘積Ms·t近似為零。
圖9為示出了自由層13的另一種結構的截面圖。自由層13具有由自由層13F、中間層13E和自由層13D組成的分層結構。即自由層13具有SAF結構。自由層13D和13F的易磁化方向與薄膜表面平行。自由層13D和13F的磁化方向彼此反向平行。自由層13D和13F通過中間層13E彼此反鐵磁性耦合。
具有上述結構的MTJ元件10能夠獲得與第一實施例相同的效果。如第一實施例中所述，可以在自由層13和固定層11內插入界面層。
本實施例的自由層13主要使用Fe-Co-Ni合金。為了減小Fe-Co-Ni合金的飽和磁化強度(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為附加元素)。減小飽和磁化強度(Ms)使得能夠大大減小翻轉電流。
能夠在保持BCC結構的同時被添加并且還能夠減小飽和磁化強度(Ms)的添加劑的例子(即，可以被溶解為取代固溶體的完全可溶固溶體或者具有一定固溶體源的例子)是V、Nb、Ta、W、Cr、Mo、Si、Ga和Ge。其中，V是有效的，這是由于它還可以減小阻尼常數(shù)。
通過添加間隙元素如B、C或N，或者添加幾乎沒有固溶體源的Zr、Ta、Ti、Hf、Y或稀土元素，從而將晶體結構變?yōu)闊o定形結構，可以減小飽和磁化強度(Ms)。這種材料的例子為具有無定形結構的(FexCoyNiz)100-bXb合金(x≥0，y≥0，z≥0，x+y+z＝1，b(at％)＞0，X為附加元素，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鐵磁霍伊斯勒合金?；粢了估蘸辖鸨憩F(xiàn)出半金屬的導電特性。Mn霍伊斯勒合金為以A2MnX為代表的具有有序晶格的體心立方系統(tǒng)合金。從Cu、Au、Pd、Ni和Co中選擇元素A。從Al、In、Sn、Ga、Ge、Sb和Si中選擇元素X。在霍伊斯勒合金當中，具有BCC結構的Co2MnAl合金通過具有BCC(100)平面取向，保證了與MgO(100)高度匹配。
在第一實施例中描述的材料也可以用于包括在MTJ元件10中的其余層。
(第三實施例)在第三實施例中，通過將平面內磁化薄膜用于自由層13以及兩個固定層中的每一層，形成MTJ元件10。圖10為示出了按照第三實施例的MTJ元件10的透視圖。圖10示出了按照本實施例的MTJ元件10的基本結構。
MTJ元件10具有由第一固定層11、第一中間層12、自由層13、第二中間層14和第二固定層15組成的分層結構，這些層按照上述順序堆疊。在這個基本結構中，層的堆疊順序可以顛倒。
固定層11、自由層13和固定層15的易磁化方向與薄膜表面平行。即，可以將平面內磁化薄膜用于所有磁化層。這有利于形成MTJ元件10。
固定層11與自由層13的易磁化方向平行。固定層11和15的易磁化方向相互垂直。因此，通過中間層12，在平行磁化布置的自由層13與固定層11之間出現(xiàn)磁阻效應。但是，在垂直磁化布置的自由層13與固定層15之間不出現(xiàn)通過中間層14的磁阻效應。
圖11為示出了MTJ元件10的詳細例子的透視圖。圖11中示出的基本結構的最上和最下部分分別有封蓋層17和底層16。固定層11具有由固定層11C、中間層11B和固定層11A組成的分層結構。即，固定層11具有SAF結構。固定層11A和11C的易磁化方向與薄膜表面平行。固定層11A和11C的磁化方向彼此反向平行。固定層11A和11C通過中間層11B彼此反鐵磁性耦合。
反鐵磁層19存在于固定層11A之下(固定層11A與底層16之間)并且與固定層11A接觸。固定層11A與反鐵磁層19交換耦合，從而將磁化方向固定為與薄膜表面平行。使用這種結構增強了固定層11的磁化固定力，使得抵抗外界磁場的抵抗力和熱穩(wěn)定性提高。
固定層15與自由層13必須有明顯的矯頑力差。因此，固定層15最好使用平面內磁化型硬磁性層。
平面內磁化型硬磁性層材料的例子為Co-Pt合金和C0-Pt-X合金(X為從Cr、Ta、Pd、B、Si和Ru中選擇的至少一種元素)。也可以利用平面內磁化型硬磁性層形成包括硬磁性層、中間層和硬磁性層的SAF結構。在這種情況下，中間層使用Ru或Os。
圖12為示出了固定層15的另一種結構的透視圖。反鐵磁層18存在于固定層15之上(固定層15與封蓋層17之間)并且與固定層15接觸。固定層15與反鐵磁層18交換耦合，從而將磁化方向固定為與薄膜表面平行。
圖13為示出了固定層15的另一種結構的透視圖。固定層15具有由固定層15C、中間層15B和固定層15A組成的分層結構。即，固定層15具有SAF結構。固定層15A和15C的易磁化方向與薄膜表面平行。固定層15A和15C的磁化方向彼此反向平行。固定層15A和15C通過中間層15B彼此反鐵磁性耦合。
通過按照不同的臨界溫度，即用于與鐵磁性層耦合的阻隔溫度(blocking temperature)執(zhí)行退火序列，圖12和圖13中示出的反鐵磁層19和18可以使固定層11和15的易磁化方向相互垂直。更確切地說，對反鐵磁層19，最好使用具有高阻隔溫度的材料如PtMn或NiMn，對反鐵磁層18，最好使用阻隔溫度相對低的材料如FeMn或IrMn。
自由層13可以具有由鐵磁層、中間層和鐵磁層組成的分層結構，即，SAF結構。在SAF結構中，鐵磁層的磁化方向彼此反向平行。鐵磁層通過中間層彼此反鐵磁性耦合。
具有上述結構的MTJ元件10能夠獲得與第一實施例相同的效果。如第一實施例中所述，可以在自由層13和固定層11內插入界面層。在第一和第二實施例中描述的材料也可以用于包括在MTJ元件10中的其余層。
(第四實施例)在第四實施例中，利用上述的MTJ元件10形成MRAM。
圖14為示出了按照第四實施例的MRAM的電路圖。MRAM包括存儲單元陣列20，存儲單元陣列20具有多個按照矩陣排列的存儲單元MC(memory cell)。存儲單元陣列20具有多條沿列方向行進的位線BL。存儲單元陣列20具有多條沿行方向行進的字線WL。
上述的存儲單元MC位于位線BL與字線WL之間的交叉點。每個存儲單元MC包括MTJ元件10和選擇晶體管21。MTJ元件10的一端連接到位線BL。MTJ元件10的另一端連接到選擇晶體管21的漏極。字線WL連接到選擇晶體管21的柵極。選擇晶體管21的源極連接到源線SL。
電源電路22連接到位線BL的一端。感測放大器電路24連接到位線BL的另一端。電源電路23連接到源線SL的一端。源線SL的另一端通過開關元件(沒有示出)連接到電源25。
電源電路22給位線BL的一端加正電位。感測放大器電路24對MTJ元件10的電阻進行檢測，并且，給位線BL的另一端施加例如地電位。電源電路23給源線SL的一端施加正電位。電源25使連接到它的開關元件導通，以便給源線SL的另一端施加例如地電位。每個電源電路包括一個開關元件，用于對到對應的互連的電氣連接進行控制。
按照以下方式將數(shù)據(jù)寫入存儲單元MC。首先，為了選擇為寫入數(shù)據(jù)而要訪問的存儲單元MC，將連接到存儲單元MC的字線WL激活，因此選擇晶體管21導通。
給MTJ元件10提供雙向寫電流Iw。更確切地說，當從上向下給MTJ元件10提供寫電流Iw時，電源電路22給位線BL的一端施加正電位。電源25使與電源25對應的開關元件導通，從而給源線SL的另一端提供地電位。
當從下向上給MTJ元件10提供寫電流Iw時，電源電路23給源線SL的一端施加正電位。感測放大器電路24給位線BL的另一端施加地電位。與電源25對應的開關元件關斷。這使得能夠將二進制0或二進制1寫入存儲單元MC。
按照以下方式從存儲單元MC讀出數(shù)據(jù)。首先，選擇存儲單元MC。電源電路23和感測放大器電路24給MTJ元件10提供從電源電路23流向感測放大器電路24的讀電流Ir。根據(jù)讀電流Ir，感測放大器電路24對MTJ元件10的電阻進行檢測。這使得能夠從MTJ元件10讀出數(shù)據(jù)。
以下將對MRAM的結構進行描述。圖15為示出了MRAM的截面圖，其中主要示出了MTJ元件10。在選擇晶體管21之上，通過層間介電薄膜，形成MTJ元件10，其中，在例如由硅制成的半導體襯底(沒有示出)中形成選擇晶體管21。
在引出電極32上提供MTJ元件10。引出電極32經過過孔插頭(via plug)31電氣連接到選擇晶體管21的漏極。在MTJ元件10上提供硬質掩膜(hard mask)33。在硬質掩膜33上提供位線BL。
位線BL、硬質掩膜33以及過孔插頭31使用例如W、Al、Cu或AlCu。通過Cu鑲嵌工藝或者Cu雙重鑲嵌工藝，形成使用Cu的金屬互連層和過孔插頭。
圖16為示出了MRAM的另一種結構的截面圖，其中主要示出了MTJ元件10。在過孔插頭31上直接提供MTJ元件10。即，與圖15中示出的MRAM不同，圖16中示出的MRAM沒有引出電極32。在MTJ元件10上提供硬質掩膜33。在硬質掩膜33上提供位線BL。
或者，MTJ元件10經過引出電極32電氣連接到過孔插頭31，如圖15所示，或者，在過孔插頭31上直接形成MTJ元件10，如圖16所示。圖16所示的結構中，最好，MTJ元件比過孔插頭小。
設F為由光刻或蝕刻決定的最小特征尺寸。在圖15所示的布局中，最小單元尺寸為8F2。在圖16所示的布局中，最小單元尺寸可以減小到4F2。
在具有上述結構的MRAM中，對MTJ元件10進行寫的速度能夠提高。更確切地說，可以利用脈沖寬度為幾納秒到幾毫秒的電流進行自旋注入寫入。
最好，提供給MTJ元件10的讀電流Ir的脈沖寬度小于提供給MTJ元件10的寫電流Iw的脈沖寬度。這減少了由讀電流Ir引起的寫入錯誤。這是由于，寫電流Iw的脈沖寬度越小，寫電流的絕對值越大。
對于本領域的技術人員來說，另外的優(yōu)點和修改很容易出現(xiàn)。因此，在更廣的方面，本發(fā)明不限于這里所示出和描述的具體細節(jié)和典型實施例。因此，在不脫離由所附權利要求以及它們的等同物所限定的一般發(fā)明概念的精神或范圍的情況下，可以進行各種修改。
權利要求
1.一種磁阻元件，其特征在于包括第一磁性參考層，具有固定的磁化方向；磁性自由層，可以通過提供自旋極化電子改變其磁化方向；第二磁性參考層，具有固定的磁化方向；第一中間層，設置在所述第一磁性參考層與所述磁性自由層之間；以及第二中間層，設置在所述磁性自由層與所述第二磁性參考層之間，其中，所述磁性自由層與所述第一磁性參考層具有與平面內方向垂直或平行的易磁化方向，并且所述第一磁性參考層與所述第二磁性參考層具有相互垂直的易磁化方向。
2.如權利要求1所述的元件，其特征在于所述磁性自由層與所述第一磁性參考層具有與平面內方向垂直的易磁化方向；并且所述第二磁性參考層具有與平面內方向平行的易磁化方向。
3.如權利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一磁性參考層、所述磁性自由層和所述第二磁性參考層具有與平面內方向平行的易磁化方向。
4.如權利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一中間層由絕緣材料和半導體中的一種材料制成。
5.如權利要求1所述的元件，其特征在于，所述第二中間層由導體制成。
6.如權利要求1所述的元件，其特征在于所述磁性自由層包括按照順序堆疊的第一磁性層、第二磁性層和第三磁性層；所述第一磁性層被布置為與所述第一中間層接觸；并且所述第三磁性層被布置為與所述第二中間層接觸。
7.如權利要求6所述的元件，其特征在于，所述第一磁性層與所述第三磁性層由鐵磁材料制成。
8.如權利要求1所述的元件，其特征在于所述第一磁性參考層包括堆疊的第一磁性層和第二磁性層；所述第一磁性層被布置為與所述第一中間層接觸。
9.如權利要求8所述的元件，其特征在于，所述第一磁性層由鐵磁材料制成。
10.如權利要求1所述的元件，其特征在于，所述第一磁性參考層包括按照順序堆疊的第一磁性層、非磁性層和第二磁性層。
11.如權利要求10所述的元件，其特征在于，所述第一磁性層和所述第二磁性層的磁化方向被設定為相反的方向。
12.如權利要求1所述的元件，其特征在于，所述第二磁性參考層包括按照順序堆疊的第一磁性層、非磁性層和第二磁性層。
13.如權利要求12所述的元件，其特征在于，所述第一磁性層和所述第二磁性層的磁化方向被設定為相反的方向。
14.如權利要求1所述的元件，其特征在于，所述磁性自由層包括按照順序堆疊的第一磁性層、非磁性層和第二磁性層。
15.如權利要求14所述的元件，其特征在于，所述第一磁性層和所述第二磁性層的磁化方向被設定為相反的方向。
16.如權利要求1所述的元件，其特征在于，還包括反鐵磁層，用于利用交換耦合力，固定所述第一磁性參考層的磁化方向。
17.如權利要求1所述的元件，其特征在于，還包括反鐵磁層，用于利用交換耦合力，固定所述第二磁性參考層的磁化方向。
18.一種磁性存儲器，包括存儲單元，所述存儲單元包括磁阻元件；以及第一電極和第二電極，用于給所述磁阻元件提供電流，所述磁阻元件的特征在于包括第一磁性參考層，具有固定的磁化方向；磁性自由層，可以通過提供自旋極化電子改變其磁化方向；第二磁性參考層，具有固定的磁化方向；第一中間層，設置在所述第一磁性參考層與所述磁性自由層之間；以及第二中間層，設置在所述磁性自由層與所述第二磁性參考層之間，其中，所述磁性自由層與所述第一磁性參考層具有與平面內方向垂直或平行的易磁化方向，并且所述第一磁性參考層與所述第二磁性參考層具有相互垂直的易磁化方向。
19.如權利要求18所述的存儲器，其特征在于，還包括電源電路，該電源電路電氣連接到所述第一電極和所述第二電極，并且給所述磁阻元件提供雙向電流。
20.如權利要求19所述的存儲器，其特征在于，所述存儲單元包括選擇晶體管，該選擇晶體管電氣連接到所述第二電極和所述電源電路。
全文摘要
一種磁阻元件，包括第一磁性參考層(11)，具有固定的磁化方向；磁性自由層(13)，可以通過提供自旋極化電子改變其磁化方向；第二磁性參考層(15)，具有固定的磁化方向；第一中間層(12)，提供在第一磁性參考層與磁性自由層之間；以及，第二中間層(14)，提供在磁性自由層與第二磁性參考層之間。磁性自由層(13)與第一磁性參考層(11)具有與平面內方向垂直或平行的易磁化方向。第一磁性參考層(11)與第二磁性參考層(15)具有相互垂直的易磁化方向。
文檔編號G11C11/16GK101093721SQ200710085788
公開日2007年12月26日 申請日期2007年3月16日 優(yōu)先權日2006年6月22日
發(fā)明者吉川將壽, 甲斐正, 永瀨俊彥, 岸達也, 與田博明 申請人:株式會社東芝