專利名稱：磁電阻元件和磁性存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁電阻元件和一種磁性存儲器。
技術(shù)背景近年來，已經(jīng)提出基于新的原理記錄信息的許多固態(tài)存儲器。 在那些固態(tài)存儲器中，作為利用隧道式磁電阻效應(yīng)的固態(tài)磁性存儲器的磁電阻隨機(jī)存取存儲器(MRAM)引起注意。MRAM其特征在 于根據(jù)每個MTJ (磁性隧道結(jié))元件的磁化狀態(tài)存儲數(shù)據(jù)。在通過在由流過提供在每個MTJ元件附近的布線線路的電流引 起的磁場中翻轉(zhuǎn)每個MTJ元件的存儲層的磁化方向執(zhí)行寫入的 MRAM中，每個MTJ元件的矯頑力Hc原則上隨著MTJ元件尺寸 變小而變大。因此，隨著每個MTJ元件的尺寸減小，增強(qiáng)由流過布 線線路的電流引起的磁場是必需的。結(jié)果，生產(chǎn)高密度存儲器是困 難的。為了解決該問題，已經(jīng)提出利用通過自旋動量轉(zhuǎn)移(SMT)翻 轉(zhuǎn)每個MTJ元件的存儲層的磁化方向執(zhí)行寫入的方法的MRAM (參看美國專利號6，256，223, C. Slonczewskl, "Current-driven excitation of magnetic multilayers (磁性多層的電流驅(qū)動激勵)，，， 磁學(xué)和磁性材料雜志，159巻，1996， pp. L1-L7,以及L. Berger，"Emission of spin wave by a magnetic multilayer traversed by a current (電流穿越的磁性多層的自旋波發(fā)射)"，物理評論B, 54 巻，13號，1996， pp .9353-9358)。在通過自旋動量轉(zhuǎn)移(在下文稱作自旋注入)的磁化翻轉(zhuǎn)中， 磁化翻轉(zhuǎn)所需的電流Ic由MTJ元件的磁性各向異性能量(KuV) 確定。因此，如果MTJ元件的面積減小，通過自旋注入的磁化翻轉(zhuǎn)所需的注入電流Ic可以減小。與通過利用由電流引起的磁場執(zhí)行寫入的上述方法相比較，寫入電流隨著MTJ元件的尺寸變小而變小。 因此，可以期望極好的可伸縮性。但是，今天的MTJ元件的自旋注入效率不是特別高，并且期望 磁化翻轉(zhuǎn)所需的電流Ic變得更低。當(dāng)MTJ元件在高密度存儲器中使用時，強(qiáng)烈期望存儲器結(jié)構(gòu)具 有簡單結(jié)構(gòu)并且需要簡單的制造過程，并且期望電流變得更低。發(fā)明內(nèi)容已經(jīng)考慮到這些情況而創(chuàng)造本發(fā)明，并且其目的在于提供一種 可以進(jìn)一步減小磁化翻轉(zhuǎn)時的逆流的磁電阻元件，以及一種包括該磁電阻元件的磁性存儲器。根據(jù)本發(fā)明第一方面的磁電阻元件包括具有第一平面和位于 與第一平面相反一側(cè)上的第二平面，并且具有可變磁化方向的磁化自由層；提供在磁化自由層的第一平面?zhèn)壬喜⑶揖哂惺茚斣呕?向的磁化受釘扎層；提供在磁化自由層與磁化受釘扎層之間的第一 隧道勢壘層；提供在磁化自由層的第二平面上的第二隧道勢壘層； 以及提供在第二隧道勢壘層的與磁化自由層相反一側(cè)上的平面上的 非磁性層，磁化自由層的磁化方向通過在磁化受釘扎層與非磁性層 之間施加電流而可變，第一隧道勢壘層與笫二隧道勢壘層之間的電 阻比在1:0.25至1:4的范圍內(nèi)。根據(jù)本發(fā)明第二方面的磁電阻元件包括具有第一平面和位于 與第一平面相反一側(cè)上的第二平面，并且具有可變磁化方向的磁化 自由層；提供在磁化自由層的第一平面?zhèn)壬喜⑶揖哂惺茚斣呕?向的磁化受釘扎層；提供在磁化自由層與磁化受釘扎層之間的第一 隧道勢壘層；提供在磁化自由層的第二平面上的第二隧道勢壘層； 以及提供在第二隧道勢壘層的與磁化自由層相反一側(cè)上的平面上的 非磁性層，磁化自由層的磁化方向通過在磁化受釘扎層與非磁性層 之間施加電流而可變，當(dāng)?shù)谝凰淼绖輭緦雍偷诙淼绖輭緦佑上嗤牧现瞥刹⑶揖哂斜舜司哂邢嗤娣e的隧道結(jié)時，第二隧道勢壘層與第一隧道勢壘層之間薄膜厚度的差為0.14nm或更小。根據(jù)本發(fā)明第三方面的磁性存儲器包括根據(jù)第一和第二方面 的任何一個的磁電阻元件；連接到磁電阻元件的一端的第一布線線 路；以及連接到磁電阻元件的另一端的第二布線線路。


圖l是根據(jù)第一實施方案的磁電阻元件的橫截面視圖； 圖2是作為第一參考實例的第一磁電阻元件的橫截面視圖； 圖3顯示第一磁電阻元件的MR對于偏壓的相關(guān)性； 圖4顯示第一磁電阻元件的電阻對于外加電壓的相關(guān)性； 圖5是用于說明第一磁電阻元件的操作的能帶圖； 圖6顯示第一磁電阻元件的電流值的第二微分系數(shù)對于外加電 壓的相關(guān)性；圖7顯示作為第二參考實例的第二磁電阻元件的電流與開關(guān)磁 場之間的關(guān)系；圖8是根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的磁性存儲器的電路圖；圖9是根據(jù)第二實施方案的磁性存儲器的存儲單元的橫截面視圖；圖IO是根據(jù)第二實施方案的磁性存儲器的存儲單元的平面圖； 圖11A-11C是說明制造根據(jù)第二實施方案的磁性存儲器的過程 的橫截面視圖；圖12顯示因隧道勢壘層的材料的不同而引起的面積歸一化電阻 的不同；圖13顯示根據(jù)第二實施方案的修改的磁性存儲器的平面圖； 圖14A-14C是說明制造根據(jù)第三實施方案的磁性存儲器的過程 的橫截面視圖；圖15A和15B是說明制造根據(jù)第三實施方案的磁性存儲器的過 程的橫截面視圖；施方案的磁性存儲器的寫入特性； 圖17A和17B是說明根據(jù)第三實施方案的磁性存儲器的效應(yīng)的 能帶圖；圖18是根據(jù)第四實施方案的磁電阻元件的橫截面視圖； 圖19A-19C是說明制造根據(jù)第六實施方案的磁電阻元件的過程 的橫截面視圖；圖20A-20C是說明制造根據(jù)第六實施方案的磁電阻元件的過程 的橫截面視圖；圖21是根據(jù)第六實施方案的磁電阻元件的第一和第二磁化自由 層的平面圖；圖22A-22D是說明制造根據(jù)第七實施方案的磁電阻元件的過程 的橫截面視圖；以及圖23A-23C是說明制造根據(jù)第七實施方案的磁電阻元件的過程 的橫截面視圖。
具體實施方式
(第一實施方案)在描述根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的磁電阻元件之前，將在下面 描述用于實現(xiàn)根據(jù)第一實施方案的磁電阻元件的事件過程，首先，作為第一參考實例，本發(fā)明的發(fā)明者生產(chǎn)圖2中所示的 第一磁電阻元件50。該磁電阻元件50包括下電極2;形成在下電 極2上、具有20nm的薄膜厚度并且由PtMn制成的反鐵磁層4;形 成在反鐵磁層4上并且具有包括具有2nm薄膜厚度的CoFe層、具 有0.6nm薄膜厚度的Ru層以及具有2nm薄膜厚度的CoFe層的層 疊結(jié)構(gòu)的磁化受釘扎層6;形成在磁化受釘扎層6上、具有l(wèi)nm的 薄膜厚度并且由MgO制成的隧道勢壘層8;形成在隧道勢壘層8 上、具有2nm的薄膜厚度并且由CoFe制成的磁化自由層(存儲 層)10;形成在磁化自由層10上、具有5nm的薄膜厚度并且由Ta 制成的蓋層(沒有顯示)；以及形成在蓋層上的上電極14。反鐵磁層4釘扎磁化受釘扎層6的磁化方向。在圖2中顯示的第一磁電阻 元件50中，當(dāng)電流從底部朝向頂部施加時或者當(dāng)使得電流從磁化自 由層朝向磁化受釘扎層流動時獲得的逆流通常高。圖3顯示磁電阻比MR對于外加電壓的相關(guān)性以及圖4顯示電 阻R對于外加電壓的相關(guān)性，在磁電阻元件50的磁化受釘扎層6的 磁化方向與磁化自由層10的磁化方向相反或者磁電阻元件50處于 反平行(AP)狀態(tài)的情況下。當(dāng)使得電流從上電極14朝向下電極2 流動時外加電壓是正電壓，并且當(dāng)使得電流從下電極2流到上電極 14時是負(fù)電壓。如可以從圖3看到的，隨著外加電壓的絕對值從0V 增加，電阻比MR戲劇性地減小。這是因為AP狀態(tài)中的電阻因外 加電壓從OV減小，如圖4中所示。由本發(fā)明的發(fā)明者進(jìn)行的熱切研究顯示以下面的方式引起因AP 狀態(tài)中電壓施加引起的電阻值的減小。在如圖5中所示來自磁化受 釘扎層的電子通過隧道勢壘層之后，電子在作為傳輸目的地的磁化 自由層中產(chǎn)生能量，并且能量引起磁化自由層中的干擾。結(jié)果，磁 化方向被干擾，并且電阻值變得更小。圖6是縱坐標(biāo)軸顯示通過兩 次微分電流I而獲得的值(d2I/dV2)，并且橫坐標(biāo)軸顯示電壓V的 曲線圖。圖6中的實線顯示根據(jù)西蒙方程獲得的值。西蒙方程從具 有由兩個金屬電極夾在中間的隧道勢壘層的器件的I-V特性獲得。 與由西蒙方程確定的特性相比較，發(fā)現(xiàn)圖2中顯示的磁電阻元件50 在0.08V附近具有極大點(diǎn)。這指示干擾變大直到電壓從0V增加達(dá)到 0.08V。因此，通過施加0.1V或更高的電壓產(chǎn)生的隧道電子引起磁 性材料的磁化的干擾。因為器件中的磁性層由金屬制成，電壓主要 施加到隧道勢壘層。接下來，作為第二參考實例，發(fā)明者生產(chǎn)與圖2中顯示的第一 磁電阻元件相同的第二磁電阻元件，除了隧道勢壘層的薄膜厚度是 0.6nm，而不是l.Onm。然后處理第二磁電阻元件以具有大約 100nmxl50nm的尺寸。當(dāng)電流施加到第二磁電阻元件時，與磁化自 由層的磁化方向平行的外部磁場改變，并且測量和估計磁化自由層的矯頑力Hc。圖7顯示測量和估計的結(jié)果。在圖7中，電流從磁化受釘扎層流到磁化自由層的方向是正方 向。曲線圖g！顯示當(dāng)電子從磁化受釘扎層注入到磁化自由層之后， 磁化自由層的磁化方向從相對于磁化受釘扎層的平行方向變成反平 行方向時獲得的開關(guān)磁場。曲線圖g2顯示當(dāng)電子從磁化受釘扎層注 入到磁化自由層之后，磁化自由層的磁化方向從反平行方向變成平行方向時獲得的開關(guān)磁場。曲線圖g3顯示當(dāng)電子從磁化自由層注入到磁化受釘扎層之后，磁化自由層的磁化方向從平行方向變成反平 行方向時獲得的開關(guān)磁場。曲線圖g4顯示當(dāng)電子從磁化自由層注入 到磁化受釘扎層之后，磁化自由層的磁化方向從反平行方向變成平 行方向時獲得的開關(guān)磁場。如可以從圖7看到的，在電子通過隧道勢壘層注入到磁化自由 層的情況下，隨著電流的大小(電流的絕對值)變大，磁化自由層的矯頑力Hc(曲線圖^表示的開關(guān)磁場與曲線圖g2表示的開關(guān)磁場相對于相同電流值的差)以大約670e/mA的速率減小。同時，在 電子以漂移方式從上電極注入到磁化自由層的情況下，隨著電流的 大小(電流的絕對值)變大，磁化自由層的矯頑力Hc (曲線圖g3表 示的開關(guān)磁場與曲線圖g4表示的開關(guān)磁場相對于相同電流值的差) 以大約280e/mA的速率減小。當(dāng)精密地檢查那些現(xiàn)象時，發(fā)現(xiàn)在電 子通過隧道勢壘層注入的情況下，磁化自由層(磁振子)的磁化受 由通過隧道勢壘層注入到磁化自由層的電子產(chǎn)生的能量所干擾，如 果施加到隧道勢壘的電壓是合理地大于室溫能量(大約0.025eV)的 能量。如上所述，實現(xiàn)干擾磁化自由層的電子的效應(yīng)的能量應(yīng)當(dāng)為 O.leV或更多，并且可以通過增加干擾磁化自由層的電子的效應(yīng)到由 上述自旋動量轉(zhuǎn)移翻轉(zhuǎn)的能量而減小逆流。因此，根據(jù)本發(fā)明第一實施方案的磁電阻元件設(shè)計成具有位于 磁化自由層上面和下面的隧道勢壘層。更具體地，如圖1中所示， 第一實施方案的磁電阻元件1包括下電極2;形成在下電極2上、具有20nm的薄膜厚度并且由PtMn制成的反鐵磁層4;形成在反鐵 磁層4上并且具有例如包括具有2nm薄膜厚度的CoFe層、具有 0.6nm薄膜厚度的Ru層以及具有2nm薄膜厚度的CoFe層的層疊結(jié) 構(gòu)；形成在磁化受釘扎層6上、具有0.7nm的薄膜厚度并且由MgO 制成的第一隧道勢壘層8;形成在第一隧道勢壘層8上、具有2nm 的薄膜厚度并且由CoFe制成的磁化自由層(存儲層)10;形成在磁 化自由層10上、具有0.55nm的薄膜厚度并且由氧化鋁制成的第二 隧道勢壘層12;形成在第二隧道勢壘層12上、具有5nm的薄膜厚 度并且由Ta制成的蓋層(沒有顯示)；以及形成在蓋層上的上電極 14。如上所述，該實施方案的磁電阻元件具有位于磁化自由層的任 何一側(cè)上的隧道勢壘層。因此，高能電子可以在正和負(fù)電流方向上 通過隧道勢壘層注入到磁化自由層。因此，可以進(jìn)一步減小磁化翻 轉(zhuǎn)時的逆流。該實施方案的磁電阻元件的結(jié)構(gòu)與雙引腳磁電阻元件的結(jié)構(gòu)類 似。雙引腳磁電阻元件具有包括依此層疊的第一磁電阻受釘扎層、 第一隧道勢壘層、磁化自由層、第二隧道勢壘層以及第二磁化受釘 扎層的層疊結(jié)構(gòu)。換句話說，雙引腳磁電阻元件具有與該實施方案 相同的結(jié)構(gòu)，除了第二磁化受釘扎層提供在第二隧道勢壘層12與上 電極14之間之外。與圖2中顯示的常規(guī)單引腳磁電阻元件相比較，當(dāng)使得電流從 第一磁化受釘扎層流到第二磁化受釘扎層時，雙引腳磁電阻元件具 有較小的寫入電流。但是，在雙引腳磁電阻元件中，上和下隧道勢 壘層的磁電阻效應(yīng)抵消彼此的電阻變化。因此，雙引腳磁電阻元件 具有比該實施方案的磁電阻元件更小的串聯(lián)磁電阻效應(yīng)，并且具有 較低輸出的問題。磁電阻效應(yīng)的大小因制造過程而變化，結(jié)果，磁 電阻元件電阻的變化變得較大。而且，雙引腳磁電阻元件具有比該 實施方案的磁電阻元件更多的層疊薄膜，并且需要更長時間制造雙 引腳磁電阻元件。如果電連接圖9中所示的下電極2和隨后描述的栓塞(plug) 45的擴(kuò)展電極提供在下電極2與栓塞45之間，該實施方案的磁電阻 元件可以用作磁性存儲器中的存儲元件。 (第二實施方案)現(xiàn)在參考圖8-13，描述根據(jù)本發(fā)明第二實施方案的磁性存儲 器。如圖8中所示，該實施方案的磁性存儲器具有以矩陣形式排列 的多個存儲單元。存儲單元的每個具有磁電阻元件1A、選擇晶體管 20、為每列提供的位線BL和源線SL，以及為每行提供的字線 WL。磁電阻元件1A的一端連接到相應(yīng)列的位線BL，并且另一端 連接到同一存儲單元的選擇晶體管20的漏極。選擇晶體管20的柵 極連接到相應(yīng)行的字線WL。同一列的兩個相鄰存儲單元的選擇晶體 管20的源極連接到彼此并且連接到相應(yīng)列的源線SL。圖9是根據(jù)該實施方案的磁性存儲器的磁電阻元件1A的橫截 面視圖。圖IO是從上面看到的磁電阻元件1A的平面圖。選擇晶體管20等形成在襯底40上，并且提供一端連接到選擇 晶體管20的栓塞45。磁電阻元件1A包括下電極2,形成在連接到 栓塞45另一端的下電極2上的反鐵磁層4，形成在反鐵磁層4上的 磁化受釘扎層6，形成在磁化受釘扎層6上的第一隧道勢壘層8，形 成在第一隧道勢壘層8上的磁化自由層(存儲層)10，形成在磁化 自由層10上的第二隧道勢壘層12，形成在第二隧道勢壘層12上的 蓋層(沒有顯示)，以及形成在蓋層上的上電極14。從磁化自由層 10到上電極14的層疊薄膜設(shè)計成具有比從下電極2到第一隧道勢壘 層8的層疊薄膜小的薄膜平面面積。上電極14連接到相應(yīng)位線 BL。在該實施方案中，連接磁化自由層10和栓塞45的中心的線平 行于位線BL或磁化受釘扎層6的縱軸方向，如圖10中所示。根據(jù)該實施方案的磁電阻元件1A以下面的方式形成。首先，選擇晶體管20等形成在襯底40上，并且提供一端連接 到選擇晶體管20的栓塞45。然后逐一層疊下面的薄膜10nm厚的 Ta層作為連接到栓塞45另一端的下電極2; 20nm厚的PtMn層作為反鐵磁層4;包括2nm厚的CoFe層、0.6nm厚的Ru層以及2nm 厚的CoFe層的層疊薄膜作為磁化受釘扎層6; 0.7nm厚的MgO層 作為第一隧道勢壘層8; 2nm厚的CoFe層作為磁化自由層10; 0.55nm厚的氧化鋁層作為第二隧道勢壘層12; 5nm厚的Ta層作為 蓋層(沒有顯示)；以及60nm厚的Ta層作為上電極14。氧化鋁層 12通過沉積0.42nm厚的Al薄膜然后在真空中使用氧自由基氧化Al 而形成。為了釘扎磁化受釘扎層6的磁化，在磁場中330°C下執(zhí)行 退火。接下來，如圖11A中所示，從上電極14到自由磁性層10的薄 膜通過光刻4支術(shù)形成100nmxl50nm的預(yù)先確定形狀。這里，〗吏得磁 化自由層的縱向平行于磁化受釘扎層的磁化受釘扎方向，如圖10中 所示。此后，沉積30nm厚的SiN薄膜作為保護(hù)薄膜16，并且從保 護(hù)薄膜16到下電極2的薄膜通過光刻技術(shù)形成預(yù)先確定形狀。為了 盡可能地增加磁化受釘扎層6的磁性各向異性，也使得下電極2的 縱向平行于磁化受釘扎層6的磁化方向，并且應(yīng)當(dāng)利用形狀各向異 性。通過增強(qiáng)磁化受釘扎層6的各向異性，可以抑制磁化受釘扎層6 中的磁化干擾，并且可以減小逆流。接下來，如圖11B中所示，沉積由Si02制成的絕緣薄膜(沒有 顯示)作為整個表面上的層間絕緣薄膜。此后，通過CMP (化學(xué)機(jī) 械拋光)執(zhí)行整平處理，以便暴露上電極14的頂面。10nm厚的Ti 層、400nm厚的Al層、10nm厚的Ti層以及10nm厚的TiN層以該 次序?qū)盈B作為位線，并且層疊薄膜形成預(yù)先確定形狀以便形成位線 BL(參看圖11C)。此后，形成保護(hù)磁電阻元件的保護(hù)薄膜、用于 焊接的電極等。在該實施方案中，由第一隧道勢壘層8的面積歸一化的電阻是 10Q/jun2，并且由第二隧道勢壘層21的面積歸一化的電阻是 腦—2。僅供參考，圖12顯示在隧道勢壘層的材料為MgO和氧化鋁 (A1203 )的情況下，隧道勢壘層的厚度(nm)與由面積歸一化法歸一化的電阻Ra (n/nm2)之間的關(guān)系。存在因界面處的磁性材料的 氧化等的影響引起的小偏差。特別地，在Al沉積之后，Al;j03形成通過氧化由Al203制成的勢壘隧道層。因此，合成層的特性如上所述極大地依賴于氧化條件而變化。另一方面，如通過直接沉積MgO形 成的由MgO制成的隧道勢壘層相對穩(wěn)定。在根據(jù)該實施方案的磁電阻元件的情況下，寫入所需的電壓大 約為0.4V，不管它是正還是負(fù)電壓。如果以適當(dāng)實際速度執(zhí)行讀出 時，施加到磁電阻元件的電壓需要設(shè)置為0.1V或更高，因為作為電 路的電容時間常數(shù)和靈敏度。同時，因為寫入和讀出通過相同電流 通路執(zhí)行，設(shè)計結(jié)構(gòu)以便在比用于讀出的電壓高至少三倍的電壓下 執(zhí)行寫入是必需的，雖然電壓值在不同磁電阻元件之間有所不同。 這樣，可以防止在讀出時執(zhí)行磁電阻元件的無意寫入?？紤]到上述 限制，寫入電壓需要為0.4V或更高。當(dāng)在0.4V的寫入電壓下執(zhí)行寫入時，第一隧道勢壘層8與第二 隧道勢壘層12之間的電阻比需要在1:0.25至1:4的范圍內(nèi)，使得施 加以增加干擾的0.08或更高的電壓(參看圖6)分布到兩個隧道勢 壘層。當(dāng)根據(jù)圖12中顯示的曲線圖計算時，在隧道勢壘層8和12 由相同材料制成并且具有擁有相同面積的隧道結(jié)的情況下(例如在 第一實施方案的磁電阻元件的情況下)，兩個隧道勢壘層之間的薄 膜厚度的差設(shè)置為0.14nm或更小。0.14nm的值以下面的方式獲 得.MgO的Ra (Q/nm2)與薄膜厚度d之間的關(guān)系由下面根據(jù)圖 12的近似表達(dá)式表示Log(Ra) = 4.18xd - 2.09或者^ = 10418><(1-2()9其中如果兩個隧道結(jié)具有相同的面積，電阻比是Ra比。在第 一隧道勢壘層8的薄膜厚度為dl并且第二隧道勢壘層12的薄膜厚 度為d2的情況下，獲得下面的表達(dá)式104.18xdl-2.09zio4.18xd2-2'09 = 1/4 或者10"8 = 1/4或者dl-d2-0.14與第一實施方案的磁電阻元件一樣，該實施方案的磁電阻元件 1A具有位于磁化自由層的任何一側(cè)上的隧道勢壘層。因此，高能電 子可以在正和負(fù)電流方向上通過隧道勢壘層注入到磁化自由層。因 此，可以進(jìn)一步減小磁化翻轉(zhuǎn)時的逆流。在該實施方案中，連接磁化自由層10和栓塞45的中心點(diǎn)的線 平行于位線BL或下電極2的縱軸方向(參看圖10),如上所述。 但是，如圖13的平面圖中所示，連接磁化自由層10和栓塞45的中 心點(diǎn)的線相對于位線BL或磁化受釘扎層6的縱軸方向(磁化受釘扎 層6的磁化方向)而傾斜，使得由流過磁化受釘扎層6和下電極2 的電流引起的磁場可以促進(jìn)磁化自由層10的磁化翻轉(zhuǎn)。例如，在圖 13中顯示的結(jié)構(gòu)中，正電壓施加到位線BL，并且使得電流從位線 BL通過磁電阻元件1A流到栓塞45。這樣，電流在由圖13中較粗 箭頭指示的方向上流動。由該電流在下電極2上引起的磁場的方向 由圖13中的較細(xì)箭頭指示。因為通過自旋動量轉(zhuǎn)移引起翻轉(zhuǎn)的功率 基本上是在磁電阻元件內(nèi)引起的不規(guī)則力，不能有效地利用這種功 率是已知的。因此，與磁化自由層10的磁化方向呈直角的磁場分量 由較細(xì)箭頭指示的方向上的上述磁場引起。該磁場分量輔助與磁化 自由層10的磁化方向呈直角的磁場，使得翻轉(zhuǎn)時的方向?qū)R，并且 可以減小逆流。這里，輔助與磁化自由層10的磁化方向呈直角的磁 場是重要的。由發(fā)明者執(zhí)行的試驗顯示連接磁電阻元件的中心點(diǎn) (圖13中磁化自由層10的中心點(diǎn))與連接到下晶體管的栓塞45的 中心點(diǎn)的線優(yōu)選地相對于磁化受釘扎層的磁化方向傾斜0-45度角， 如圖13中所示。以上述方式生產(chǎn)的磁電阻元件具有較小的逆流、具 有較小的偏差，并且可以在極好的條件下用作存儲器。 (第三實施方案)現(xiàn)在參考圖14A-17B，描述根據(jù)本發(fā)明第三實施方案的磁性存 儲器。該實施方案的磁性存儲器具有與第二實施方案的磁性存儲器 相同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，因此，將僅描述不同點(diǎn)。存在兩個顯著的不同于第二實施方案的點(diǎn)。第一點(diǎn)是MgO用作每個磁電阻元件的第二隧道 勢壘層12的材料。第二點(diǎn)是使得磁電阻元件小型化。直到磁化自由層10的沉積的過程與第二實施方案的那些相同。 在沉積2nm厚的CoFe層作為磁化自由層之后，沉積0.6nm厚的 MgO層作為第二隧道勢壘層13。然后以與第二實施方案中相同的方 式沉積蓋層，并且層疊15nm厚的Ta層作為第一上電極14。通常， 金屬微細(xì)加工是困難的，因為反應(yīng)產(chǎn)物粘附回到磁電阻元件的側(cè)壁 等，并且形成錐形部分以增加RIE (反應(yīng)離子刻蝕)處理期間每個 元件的大小。因此，最小化Ta薄膜的薄膜厚度從而經(jīng)歷微細(xì)加工是 重要的。用于釘扎磁化受釘扎層6的磁化的磁場退火在360°C下執(zhí) 行。然后從上電極14到磁化自由層10的薄膜通過光刻技術(shù)形成 40nmx60nm的尺寸。此后，沉積20nm厚的SiN層作為保護(hù)薄膜 16，如圖14A中所示，并且沉積20nm厚的SK)2層作為層間絕緣薄 膜(沒有顯示)。在該實施方案中，在第一上電極14與笫一隧道勢 壘層8之間形成的臺階h僅為15nm高，并且沉積厚度為臺階h兩 倍或更多倍大的絕緣薄膜以便在整平過程之后暴露第一上電極14的 頂面是優(yōu)選的。如果沉積薄膜的薄膜厚度變大，暴露第一上電極14 的頂面所需的拋光量變大，并且成品率因生產(chǎn)中不足或過度的拋光 或偏差而降低。為了解決該問題，SiN和Si02的總體薄膜厚度是臺 階h的兩倍或稍微更多倍大。然后通過CMP執(zhí)行整平處理。但是，使用對于SK)2的常規(guī)泥 漿拋光速度高，這不適用于該實施方案中需要高精度的拋光。因 此，對于Ta的泥漿用于在該實施方案中的拋光，因為使用對于Ta 的泥漿，Si02、 Ta和SiN拋光速率基本上相同。在該實施方案中， Si02拋光速率大約為20nm/分鐘。因此，執(zhí)行拋光大約1.5分鐘，以 便暴露上電極14的頂面(參看圖14B)。此后，沉積80nm厚的Ta層作為第二上電極15，如圖14C中 所示，并且第二上電極15通過光刻技術(shù)形成預(yù)先確定形狀。第二上電極15用作掩模，向下執(zhí)行去除刻蝕直到下電極2，并且下電極2 形成自對準(zhǔn)的預(yù)先確定形狀。這樣，形成根據(jù)該實施方案的磁電阻 元件1B (參看圖15A)。然后沉積層間絕緣薄膜18，如圖15B中所示，并且通過CMP 暴露第二上電極15的頂面。此后，層疊10nm厚的Ti層、400nm 厚的A1層、10nm厚的Ti層以及10nm厚的TiN層。然后那些層形 成預(yù)先確定形狀，以便生產(chǎn)位線BL。第二實施方案的第二點(diǎn)在于上電極14制作得薄以便減小磁化自 由層10的尺寸，并且應(yīng)當(dāng)執(zhí)行通過CMP暴露第一上電極14的過 程，而不存在其他步驟或者在下電極2的處理之前。如果必要的 話，可以修改其他過程。例如，可以通過在層間絕緣薄膜中形成通 孔，代替通過CMP執(zhí)行整平處理來暴露第二上電極15的頂面。通 孔通向設(shè)計成具有比磁化自由層10大的尺寸的第二上電極15。檢查以上述方式生產(chǎn)的磁電阻元件的特性。如圖16中所示，在 使得電流從位線流到栓塞(使得正電流流動)的情況下，根據(jù)第三 實施方案的磁電阻元件1B的特性(由實線指示)顯示小于根據(jù)第二 實施方案的磁電阻元件1A的特性的逆流量。發(fā)明者進(jìn)一步檢查該現(xiàn) 象，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象由位于磁化自由層上的第二隧道勢壘層13中使用的 MgO引起。如在研究論文(W. H. Butler等人，物理評論B， 63巻， 054416)中公開的，在基于CoFe的磁性層和MgO層層疊的情況 下，如果電子提供到的磁性材料中大多數(shù)自旋的方向與隧道目的地 的磁性材料中大多數(shù)自旋的方向相同，電子隧道傳輸速率高(參看 圖17A)。但是，在研究論文中沒有討論在隧道目的地是非磁性材 料的情況下可以實現(xiàn)的效應(yīng)。另一方面，為該實施方案進(jìn)行的試驗 最近證明，電子提供到的磁性層中大多數(shù)電子自旋的傳輸速率高， 即使隧道目的地是非磁性材料，如圖17B中所示。在上述現(xiàn)象中，當(dāng)磁性材料與非磁性金屬材料接觸時，磁性材 料與非磁性材料彼此交換自旋電子。結(jié)果，界面附近的磁性材料的自旋極化速率可能變低，并且從磁性材料移動出去的自旋的極化速率可能也變低。與金屬相比較，MgO具有高電阻(交換較少電子) 并且具有對準(zhǔn)結(jié)晶體系。因此，MgO不會退化界面附近的磁性材 料，并且適合于從磁性材料發(fā)射具有高極化速率的電子。在該實施方案的結(jié)構(gòu)中，具有相反方向的自旋、具有引起磁化 自由層10中的較大干擾的能量的電子從磁化受釘扎層6注入到磁化 自由層10，其中隧道勢壘層13由MgO制成，磁化受釘扎層6與磁 化自由層10的磁化方向彼此反平行(相反)，并且電流在從上電極 14延伸到下電極2的方向上施加，或者電子從磁化受釘扎層6注入 到磁化自由層10。直到進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，與注入電子具有相反自旋的電子 是大多數(shù)電子。因此，選擇性地使得與主要從磁化受釘扎層6注入 的電子具有相反自旋的電子從磁化自由層10通過由MgO制成的隧 道勢壘層13傳送到上電極14。結(jié)果，磁化自由層10的磁化通過相 反方向的能量保持自旋從磁化受釘扎層6的注入以及磁化自由層10 的大多數(shù)自旋到上電極14的傳輸而翻轉(zhuǎn)。為了使上述效應(yīng)最大化， 隧道勢壘層13的MgO應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地定向在<100>方向上。如上所述，根據(jù)該實施方案，可以進(jìn)一步減小磁化翻轉(zhuǎn)時的逆 流。此外，與第二實施方案的結(jié)構(gòu)一樣，圖13中顯示的結(jié)構(gòu)僅引起 小的偏差，并且可以在極好的條件下用作存儲器。 (第四實施方案)現(xiàn)在參考圖18，描述根據(jù)本發(fā)明第四實施方案的磁電阻元件。 在根據(jù)第一至第三實施方案的磁電阻元件的每個中，磁化受釘扎層6 和磁化自由層10的磁化方向平行于薄膜平面。在該實施方案的磁電 阻元件中，另一方面，在與薄膜平面垂直的方向上磁化的所謂垂直 磁化材料用于磁化受釘扎層6A和磁化自由層IOA。因此，該實施方 案的磁電阻元件包括下電極2、磁化受釘扎層6A、第一隧道勢壘層 8、磁化自由層IOA、第二隧道勢壘層13以及上電極14。該實施方 案的磁電阻元件不同于根據(jù)第一至第三實施方案的磁電阻元件在于 不包括反鐵磁層。該實施方案的磁電阻元件以下面的方式制造。首先，選擇晶體管等形成在襯底上。然后層疊下面的薄膜lOnm厚的Ta薄膜作為 下電極2;由基于CrTi的合金制成的20nm厚的緩沖層(沒有顯 示)；5nm厚的FePt層作為磁化受釘扎層6A; 0.7nm厚的MgO層 作為第一隧道勢壘層8; lnm厚的Fe層和3nm厚的FePt層的層疊 薄膜作為磁化自由層10A;以及0.6nm厚的MgO層作為第二隧道勢 壘層13。在層疊80nm厚的Ti層作為蓋層和上電極14之后，在 400°C下執(zhí)行排序退火，以便在垂直方向上磁化該磁化受釘扎層和磁 化自由層。因此，磁電阻元件以與第一至第三實施方案中相同的方 式完成。因為在該實施方案中磁化方向垂直于薄膜平面，不存在釘 扎磁化受釘扎層6A的磁化方向的磁性材料。因此，磁化受釘扎層 6A的磁化不被釘扎。但是，為了引起矯頑力的差異，磁化受釘扎層 6A相對于磁化自由層10A的"容易"磁化方向上的矯頑力Hc與"困 難"磁化方向上的矯頑力Hk。與第一實施方案的磁電阻元件一樣，該實施方案的磁電阻元件 具有位于磁化自由層的任何一側(cè)上的隧道勢壘層。因此，高能電子 可以在正和負(fù)方向上通過隧道勢壘層注入到磁化自由層，并且可以 進(jìn)一步減小磁化翻轉(zhuǎn)時的逆流。 (第五實施方案)接下來，描述根據(jù)本發(fā)明第五實施方案的磁電阻元件。該實施 方案的磁電阻元件在用于磁化受釘扎層6A和磁化自由層10A的垂 直磁化材料方面不同于第四實施方案的磁電阻元件。該實施方案的 磁電阻元件具有下面的結(jié)構(gòu)。選擇晶體管等首先形成在襯底上，并 且層疊下面的薄膜10nm厚的Ta層作為下電極；由基于TbCoFe 的合金制成的10nm厚的磁化受釘扎層；lnm厚的Co層作為界面 層；0.7nm厚的MgO層作為第一隧道勢壘層；lnm厚的Co層和 3nm厚的TbCoFe層的層疊薄膜作為磁化自由層；以及0.6nm厚的 MgO層作為第二隧道勢壘層。在層疊80nm厚的Ti層作為蓋層和上 電極之后，磁電阻元件以與第四實施方案中相同的方式完成。與笫一實施方案的磁電阻元件一樣，該實施方案的磁電阻元件 也具有位于磁化自由層的任何一側(cè)上的隧道勢壘層。因此，高能電 子可以在正和負(fù)方向上通過隧道勢壘層注入到磁化自由層，并且可 以進(jìn)一步減小磁化翻轉(zhuǎn)時的逆流。 (第六實施方案)接下來，描述根據(jù)本發(fā)明第六實施方案的磁電阻元件。在該實 施方案的磁電阻元件中，產(chǎn)生自旋矩的第一隧道勢壘層具有較大的面積。在具有由軟磁性材料例如CoFe (B)或NiFe制成的磁化自由 層(存儲層)的自旋注入磁電阻元件的情況下，開關(guān)電流與表示對 于磁電阻元件熱波動的耐受力的熱波動指數(shù)成比例。因此， 一旦確 定磁電阻元件所需的熱波動指數(shù)，電流自動地確定。為了維持隧道勢壘層的耐受力，隧道勢壘層中的電流密度應(yīng)當(dāng) 盡可能地低。如果固定電流量，隧道勢壘層應(yīng)當(dāng)具有更大的面積， 以便實現(xiàn)更高的可靠性。但是，通過常規(guī)方法，每個隧道勢壘層的 面積與磁性材料的面積相同。為了增加面積同時維持相同的熱波動 指數(shù)(或者同時維持開關(guān)電流)，減小磁性材料的薄膜厚度是必需 的。因為磁化受釘扎層和磁化自由層的磁化方向受由磁性材料的形 狀引起的形狀各向異性影響，磁性材料的形狀也受限制。在如本發(fā) 明的發(fā)明者使用的由CoFe制成的磁性材料的情況下，當(dāng)薄膜厚度小 于1.5nm時不會引起優(yōu)選的形狀各向異性，并且不會獲得良好的磁 滯特性。設(shè)計該實施方案以解決上述問題?，F(xiàn)在參考圖19A-21,描述用 于制造該實施方案的磁電阻元件的方法。首先，如圖19A中所示，選擇晶體管等首先形成在襯底(沒有 顯示)上，并且以這樣的次序形成下面的薄膜由Ta制成的10nm 厚的下電極2;由PtMn制成的20nm厚的反鐵磁層4;具有包括 2nm厚的CoFe層、0.6nm厚的Ru層以及2nm厚的CoFe層的層疊 結(jié)構(gòu)的磁化受釘扎層6;由MgO制成的0.8nm厚的第一隧道勢壘層 8;由CoFe制成的1.5nm厚的第一磁化自由層由NiFe制成的6nm厚的第二磁化自由層102;由CoFe制成的lnm厚的界面層(沒 有顯示)；以及由MgO制成的0.6nm厚的第二隧道勢壘層13。然 后形成由Ta制成的60nm厚的上電極14。此后，釘扎磁化受釘扎層 6的磁化方向，并且在360°C下在磁場中執(zhí)行退火以便增加磁化受釘 扎層6與第一隧道勢壘層8之間的界面處的CoFe層的結(jié)晶度。從上電極14到第二磁化自由層102的薄膜通過光刻技術(shù)形成 30nmxl00nm的預(yù)先確定形狀(參看圖19B )。然后沉積30nm厚的 SiN薄膜作為保護(hù)薄膜20，如圖19C中所示。從保護(hù)薄膜20到第一 磁化自由層10,的薄膜然后通過光刻技術(shù)形成預(yù)先確定形狀。然后沉積30nm厚的SiN薄膜作為保護(hù)薄膜22，如圖20A中所 示，并且從保護(hù)薄膜22到下電極2的薄膜通過光刻技術(shù)形成預(yù)先確 定形狀。然后形成由Si02制成的層間絕緣薄膜24，如圖20B中所示， 并且通過CMP執(zhí)行整平處理以便暴露上電極14的頂面。此后，層 疊10nm厚的Ti層、400nm厚的Al層、10nm厚的Ti層以及10nm 厚的TiN層作為位線BL，如圖20C中所示。層疊的層然后形成預(yù) 先確定形狀以便完成磁電阻元件。圖21是該實施方案的第一磁化自由層l(h和第二磁化自由層 102的平面圖。允許第一磁化自由層l(h具有這種長寬比以便引起形 狀各向異性。而且，第二磁化自由層102應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地具有3或更多的 長寬比，以便提供足夠的形狀各向異性。此外，第一磁化自由層l(h 和第二磁化自由層102應(yīng)當(dāng)設(shè)計成具有基本上相同的磁化矩。在該實 施方案中，第一磁化自由層10，的磁化矩是1000emu/cc，并且第二 磁化自由層102的磁化矩(包括界面層的磁化矩)是800emu/cc。因 此，比值大約為17:15。在該情況下，第一磁化自由層10!不采取中 間值等，并且可以執(zhí)行穩(wěn)定的自旋翻轉(zhuǎn)。而且，因為第一磁化自由 層l(h與第二磁化自由層102之間的面積比是4:8，由第一隧道勢壘 層8所需的電流密度是第一磁化自由層l(h和第二磁化自由層102具 有相同薄膜平面面積的情況下的電流密度的1/4.8。因此，實現(xiàn)較高的可靠性。在該實施方案中，由MgO制成的第一隧道勢壘層8具有0.8nm 的薄膜厚度、大約17.9Q/fur^的Ra以及大約0.0127nn^的面積。由 MgO制成的第二隧道勢壘層13具有0.6nm的薄膜厚度、大約 2.6J2/nm2的Ra以及大約0.00236nm2的面積。因此，第一和第二隧 道勢壘層8和13的電阻值分別是140912和110in。因此，第一和第 二隧道勢壘層8和13之間的電阻值比是1:0.79，這在1:0.25至1:4 的范圍內(nèi)。與第一實施方案的磁電阻元件一樣，該實施方案的磁電阻元件 具有位于磁化自由層的任何一側(cè)上的隧道勢壘層。因此，高能電子 可以在正和負(fù)方向上通過隧道勢壘層注入到磁化自由層，并且可以 進(jìn)一步減小磁化翻轉(zhuǎn)時的逆流。 (第七實施方案)現(xiàn)在參考圖22A-23C，描述根據(jù)本發(fā)明第七實施方案的磁電阻元件。在該實施方案的磁電阻元件中，對于磁化自由層的熱波動的耐 受力從具有軟磁性的薄膜獲得。在第四和第五實施方案中，利用材 料的大的垂直磁性各向異性特性維持對于磁化器件中的熱波動的耐 受力。在使用軟磁性材料的情況下，可以通過調(diào)節(jié)形狀控制磁性， 并且可以生產(chǎn)不受薄膜質(zhì)量的偏差所影響的高度一致的器件。為了 從具有軟磁性的大薄膜中獲得大的磁性各向異性，應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地維持 具有最大體積和高長寬比(垂直長度(垂直于紙張空間的方向上的 長度)與橫向長度(紙張空間的水平方向上的長度)之間的比值) 的大尺寸從而利用形狀各向異性，并且應(yīng)當(dāng)優(yōu)選地形成桿狀形狀。 在該實施方案中，磁化自由層通過下面的制造方法形成桿狀形狀從 而生產(chǎn)磁電阻元件。首先，如圖22A中所示，選擇晶體管等形成在襯底上。然后以 下面的次序?qū)盈B下面的薄膜由Ta制成的10nm厚的下電極2;由 PtMn制成的20nm厚的反鐵磁層4;具有包括2nm厚的CoFe層、0.6nm厚的Ru層以及2nm厚的CoFe層的層疊結(jié)構(gòu)的磁化受釘扎層 6;由MgO制成的0.7nm厚的第一隧道勢壘層8;以及由CoFe制成 的1.5nm厚的第一磁化自由層10。然后沉積由SiN制成的30nm厚 的保護(hù)薄膜26，如圖22B中所示，并且保護(hù)薄膜26的表面通過光 刻技術(shù)形成具有30nmxl00nm的凹槽狀部分。這里，在光刻膠去除 過程中應(yīng)當(dāng)避免由CoFe制成并且暴露作為基底的第一自由磁化10 的氧化。如圖22C中所示，通過濺射等使用NiFe填充凹槽，并且如圖 22D中所示，NiFe通過CMP形成桿狀形狀。這里，通過CMP將形 成桿狀形狀的NiFe薄膜28的薄膜厚度調(diào)節(jié)成20nm。形成桿狀形狀 的該NiFe薄膜28用作第二磁化自由層，并且具有比第一磁化自由 層10小的寬度("困難"磁化方向(紙張空間的水平方向)上的長 度)。然后依此沉積由CoFe制成的1.5nm厚的界面層30、由MgO 制成的0.6nm厚的第二隧道勢壘層13，以及由Ta制成的80nm厚 的上電極14,如圖23A中所示。此后，如圖23B中所示，從上電極 14到下電極2的薄膜形成預(yù)先確定形狀。在形成由Si02制成的層間絕緣薄膜32之后，如圖23C中所 示，通過CMP對層間絕緣薄膜32執(zhí)行整平處理以便暴露上電極14 的頂面。然后依此沉積10nm厚的Ti層、400nm厚的Al層、10nm 厚的Ti層以及10nm厚的TiN層。然后那些層形成預(yù)先確定形狀， 以便生產(chǎn)位線BL并且完成磁電阻元件。與第一實施方案的磁電阻元件一樣，該實施方案的磁電阻元件 具有位于磁化自由層的任何一側(cè)上的隧道勢壘層。因此，高能電子 可以在正和負(fù)方向上通過隧道勢壘層注入到磁化自由層，并且可以 進(jìn)一步減小磁化翻轉(zhuǎn)時的逆流。使用第四至第七實施方案的磁電阻元件的任何一種作為第二和 第三實施方案的磁性存儲器的任何一種中的磁電阻元件當(dāng)然是可能 的。另外的優(yōu)點(diǎn)和修改將容易由本領(lǐng)域技術(shù)人員想到。因此，本發(fā) 明在其更廣泛的方面并不局限于這里顯示并描述的具體細(xì)節(jié)和代表 實施方案。因此，可以不背離由附加權(quán)利要求及其等價物所限定的 一般發(fā)明概念的本質(zhì)或范圍而做各種修改。
權(quán)利要求
1.一種磁電阻元件，包括磁化自由層，其具有第一平面和位于與第一平面相反一側(cè)上的第二平面，并且具有可變磁化方向；磁化受釘扎層，提供在磁化自由層的第一平面?zhèn)壬喜⑶揖哂斜会斣拇呕较颍惶峁┰诖呕杂蓪优c磁化受釘扎層之間的第一隧道勢壘層；提供在磁化自由層的第二平面上的第二隧道勢壘層；以及提供在第二隧道勢壘層的與磁化自由層相反一側(cè)上的平面上的非磁性層，磁化自由層的磁化方向通過在磁化受釘扎層與非磁性層之間施加電流而可變，第一隧道勢壘層與第二隧道勢壘層之間的電阻比在1∶0.25至1∶4的范圍內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的元件，其中第二隧道勢壘層由定向在 <100>方向上的MgO制成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的元件，其中第一隧道勢壘層由定向在 <100>方向上的MgO制成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l的元件，其中磁化受釘扎層和磁化自由層的 磁化方向平行于第一平面。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的元件，還包括反鐵磁層，其位于磁化受釘 扎層的與第一隧道勢壘層相反一側(cè)上，并且釘扎磁化受釘扎層的磁 化方向。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l的元件，其中磁化受釘扎層和磁化自由層的 磁化方向垂直于第一平面。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l的元件，其中磁化自由層包括提供在第一隧 道勢壘層的一側(cè)上的第一軟磁性層，以及提供在第二隧道勢壘層的 一側(cè)上的第二軟磁性層，第二軟磁性層具有比第 一軟磁性層小的薄膜平面面積。
8. 根據(jù)權(quán)利要求l的元件，其中磁化自由層包括提供在第一隧 道勢壘層的一側(cè)上的第一軟磁性層，以及提供在第二隧道勢壘層的 一側(cè)上的第二軟磁性層，第二軟磁性層在困難磁化方向上比第 一軟 磁性層短。
9. 一種磁電阻元件，包括磁化自由層，其具有第一平面和位于與第一平面相反一側(cè)上的第二平面，并且具有可變磁化方向；磁化受釘扎層，提供在磁化自由層的第一平面?zhèn)壬喜⑶揖哂斜会斣拇呕较?；提供在磁化自由層與磁化受釘扎層之間的第一隧道勢壘層； 提供在磁化自由層的第二平面上的第二隧道勢壘層；以及 提供在第二隧道勢壘層的與磁化自由層相反一側(cè)上的平面上的非磁性層，磁化自由層的磁化方向通過在磁化受釘扎層與非磁性層之間施 加電〖充而可變，當(dāng)?shù)谝凰淼绖輭緦雍偷诙淼绖輭緦佑上嗤牧现瞥刹⑶揖哂?彼此具有相同面積的隧道結(jié)時，第二隧道勢壘層與第一隧道勢壘層 之間薄膜厚度的差為0.14nm或更小.
10. 根據(jù)權(quán)利要求9的元件，其中第二隧道勢壘層由定向在 <100>方向上的MgO制成。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9的元件，其中第一隧道勢壘層由定向在 <100>方向上的MgO制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9的元件，其中磁化受釘扎層和磁化自由層 的磁化方向平行于第一平面。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9的元件，還包括反鐵磁層，其位于磁化受 釘扎層的與第一隧道勢壘層相反一側(cè)上，并且釘扎磁化受釘扎層的 磁化方向。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9的元件，其中磁化受釘扎層和磁化自由層的磁化方向垂直于第一平面。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9的元件，其中磁化自由層包括提供在第一 隧道勢壘層的一側(cè)上的第一軟磁性層，以及提供在第二隧道勢壘層 的一側(cè)上的第二軟磁性層，第二軟磁性層具有比第 一軟磁性層小的 薄膜平面面積。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9的元件，其中磁化自由層包括提供在第一 隧道勢壘層的一側(cè)上的第一軟磁性層，以及提供在第二隧道勢壘層 的一側(cè)上的第二軟磁性層，第二軟磁性層在困難磁化方向上比第一 軟磁性層短。
17. —種磁性存儲器，包括 根據(jù)權(quán)利要求1的磁電阻元件； 連接到磁電阻元件的一端的第一布線線路；以及 連接到磁電阻元件的另一端的第二布線線<路。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17的存儲器，還包括提供在磁電阻元件的另 一端與第二布線線路之間的選擇晶體管。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18的存儲器，還包括提供在磁電阻元件的另 一端與選擇晶體管之間，并且垂直于第一平面延伸的連接單元，其中當(dāng)磁電阻元件投影在平行于磁化自由層的第一平面的平面 上時，連接磁化自由層的中心與連接單元的中心的直線相對于磁化 受釘扎層的磁化方向傾斜。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19的存儲器，其中所述直線相對于磁化受釘 扎層的磁化方向傾斜45度或更小的角度。
21. —種磁性存儲器，包括 根據(jù)權(quán)利要求9的磁電阻元件； 連接到磁電阻元件的一端的第一布線線路；以及 連接到磁電阻元件的另一端的第二布線線路。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21的存儲器，還包括提供在磁電阻元件的另 一端與第二布線線路之間的選擇晶體管。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22的存儲器，還包括提供在磁電阻元件的另一端與選擇晶體管之間，并且垂直于第一平面延伸的連接單元，其中當(dāng)磁電阻元件被投影到與磁化自由層的第一平面平行的平 面上時，連接磁化自由層的中心與連接單元的中心的直線相對于磁 化受釘扎層的磁化方向傾斜。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的存儲器，其中所述直線相對于磁化受釘 扎層的磁化方向傾斜45度或更小的角度。
全文摘要
一種磁電阻元件，包括具有第一平面和位于與第一平面相反一側(cè)上的第二平面，并且具有可變磁化方向的磁化自由層；提供在磁化自由層的第一平面?zhèn)壬喜⑶揖哂斜会斣呕较虻拇呕茚斣鷮?；提供在磁化自由層與磁化受釘扎層之間的第一隧道勢壘層；提供在磁化自由層的第二平面上的第二隧道勢壘層；以及提供在第二隧道勢壘層的與磁化自由層相反一側(cè)上的平面上的非磁性層。磁化自由層的磁化方向通過在磁化受釘扎層與非磁性層之間施加電流而可變，并且第一隧道勢壘層與第二隧道勢壘層之間的電阻比在1∶0.25至1∶4的范圍內(nèi)。
文檔編號G11C11/15GK101232073SQ20081000890
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月26日
發(fā)明者上田知正, 下村尚治, 中山昌彥, 吉川將壽, 池川純夫, 相川尚德, 細(xì)谷啟司, 長嶺真 申請人:株式會社東芝