專利名稱：磁阻元件和磁存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文中描述的實(shí)施例一般而言涉及磁阻元件和磁存儲器。
背景技術(shù)：
磁阻元件具有包括具有恒定磁化的磁性層(參考層)、具有可變磁化的磁性能(存儲層)以及在這兩個磁性層之間的非磁性層的疊層結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)，并被用于磁隨機(jī)存取存儲器的存儲器基元(memory cell)或可重構(gòu)的邏輯電路的自旋場效應(yīng)晶體管(FET)的LSI等等。在該情況下，以柱狀來構(gòu)圖磁阻元件。此外，作為磁阻元件中固有的問題，存在這樣的問題存儲層的磁滯曲線因受由參考層的磁化導(dǎo)致的磁場(雜散磁場)的影響而從不存在雜散磁場時的曲線沿預(yù)定方向偏移(shift)。為了使該曲線返回到原始狀態(tài)，需要將用于抵消雜散磁場的偏移調(diào)整層添加到磁阻元件。然而，近年來，已經(jīng)開發(fā)了通過自旋注入的寫入系統(tǒng)、垂直磁化型磁阻元件等等。相應(yīng)地，磁阻元件的小型化迅速進(jìn)展。因此，即使最終形成了厚的偏移調(diào)整層，也難以使存儲層的磁滯曲線返回到不存在雜散磁場時的原始狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
概括而言，根據(jù)ー個實(shí)施例，一種磁阻元件，包括存儲層，其具有垂直且可變的磁化；參考層，其具有垂直且恒定的磁化；偏移調(diào)整層，其具有沿與所述參考層的磁化相反的方向的垂直且恒定的磁化；第一非磁性層，其在所述存儲層與所述參考層之間；以及第ニ非磁性層，其在所述參考層與所述偏移調(diào)整層之間；其中，所述參考層的切換磁場等于或小于所述存儲層的切換磁場，且所述參考層的磁弛豫常數(shù)大于所述存儲層的磁弛豫常數(shù)。


圖I到3為示出了磁阻元件的圖；圖4為用于解釋當(dāng)參考層被制造為很薄時的問題的圖；圖5為示出了當(dāng)參考層的矯頑カ等于存儲層的矯頑カ時的MH回線的圖；圖6和7為示出了存儲層和參考層的磁化反轉(zhuǎn)(magnetization reversal)概率分布的圖；圖8為示出了 MRAM的主要部分的圖；圖9為示出了 MRAM的存儲器基元的圖；圖10為示出了作為應(yīng)用實(shí)例的DSL數(shù)據(jù)路徑部分的圖11為示出了作為另ー應(yīng)用實(shí)例的蜂窩電話終端的圖；圖12為示出了作為又ー應(yīng)用實(shí)例的MRAM卡的圖；以及圖13到16為示出了將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫(transfer)到MRAM卡的轉(zhuǎn)寫裝置的圖。
具體實(shí)施方式

將描述磁阻元件和磁存儲器的實(shí)施例。在以下描述中，具有基本上相同的功能和構(gòu)成的構(gòu)成要素用相同的符號表示，且將僅在必要時重復(fù)描述。此外，附圖是示意性的，且厚度與平面尺寸之間的關(guān)系、層的厚度的比例等等有時與實(shí)際情況不同。因此，應(yīng)考慮下面的描述來判斷具體的厚度或尺寸。同樣，在附圖中，相互的尺寸關(guān)系、比率等等有時會改變。此外，以下實(shí)施例是用于具體化技術(shù)構(gòu)思的裝置和方法的示例。在該技術(shù)構(gòu)思中，構(gòu)成部件的材料、形狀、結(jié)構(gòu)、設(shè)置等等并未被限制為下述情況。各種變更可在專利權(quán)利要求中被添加到該技術(shù)構(gòu)思中。在下面的描述中，有時會使用根據(jù)該技術(shù)構(gòu)思的磁阻元件和磁存儲器所特有的表示法，因此其表示法將被定義如下。此外，在實(shí)施例的描述中將適當(dāng)?shù)囟x未被如下定義的表示法。下文中描述的磁阻元件包括作為基本構(gòu)成要素的具有垂直且可變的磁化的存儲層、具有垂直且恒定的磁化的參考層、具有沿與參考層的磁化相反的方向的垂直且可變的磁化的偏移調(diào)整層、在存儲層與參考層之間的非磁性層以及在參考層與偏移調(diào)整層之間的非磁性層。這里，存儲層為具有可變的磁化的磁性層，參考層為具有恒定的磁化的磁性層?？勺円馕吨判詫拥氖Ｓ啻呕裳乇舜讼喾吹牡谝缓偷诙较蚍崔D(zhuǎn)，而恒定意味著磁性層的剩余磁化恒定地指向第一和第二方向中的ー個。彼此相反的方向包括以下情況由第一和第二方向形成的角Θ在90 °< Θ <180°的范圍內(nèi)。然而，存儲層的剩余磁化的磁化方向可以優(yōu)選地基本上反轉(zhuǎn)180。。偏移調(diào)整層為具有沿與參考層的磁化相反的方向的磁化的磁性層。該偏移調(diào)整層具有調(diào)整存儲層的磁滯曲線的偏移的目的。垂直磁化意味著磁性層的剩余磁化的磁化方向變?yōu)榇怪被蚧旧洗怪庇诖判詫拥哪け砻?上表面/下表面)。在本說明書中，基本上垂直意味著磁性層的剩余磁化的磁化方向在相對于磁性層的膜表面的45° く Θ <90°的范圍內(nèi)。(磁阻元件)(I)磁阻元件的結(jié)構(gòu)圖I到圖3示出了磁阻元件。在圖中，箭頭表示磁化方向。磁阻元件MTJ為產(chǎn)生例如隧穿磁阻效應(yīng)(TMR效應(yīng))的元件。下文中，將描述磁阻元件的主要部分。當(dāng)該主要部分包括示出的元件時，除了所示出的元件之外還可以包括其他元件。磁阻元件MTJ具有其中參考層4被設(shè)置在存儲層2上方的頂釘扎結(jié)構(gòu)(top pinstructure)。在本實(shí)例中，描述了頂釘扎結(jié)構(gòu)，但磁阻元件MTJ可具有其中參考層4被設(shè)置在存儲層2下方的底釘扎結(jié)構(gòu)。設(shè)置底基層(underlayer) I以用于控制在存儲層2上方存在的各層的諸如晶體取向和晶粒尺寸的結(jié)晶特性。存儲層2被設(shè)置在底基層I上。磁性層3被設(shè)置在存儲層2上。磁性層3通常為絕緣層(例如，氧化物層)。在該情況下，非磁性層3稱為隧道勢壘層。參考層4被設(shè)置在非磁性層3上。存儲層2和參考層4具有垂直的磁化。也就是，存儲層2和參考層4具有沿與膜表面垂直的方向的磁化的易軸。通常，參考層4的矯頑カ大于存儲層2的矯頑力。在附圖中，參考層4的磁化方向從模表面向上,但也可以相對于膜表面向下。 非磁性層5被設(shè)置在參考層4上。偏移調(diào)整層6被設(shè)置在非磁性層5上。偏移調(diào)整層6具有沿與參考層4的磁化相反的方向的恒定的磁化。帽層7被設(shè)置在偏移調(diào)整層6上。帽層7用作對磁阻元件MTJ構(gòu)圖時的硬掩模，且該帽層還用作保護(hù)層以防止存儲層2、參考層4以及偏移調(diào)整層6的氧化。應(yīng)注意，在圖2的結(jié)構(gòu)中，在非磁性層3與參考層4之間還插入界面層8。界面層8為用于弛豫非磁性層3與參考層4之間的界面中的晶格失配的磁性層。此外，當(dāng)界面層8為具有高極化比率的材料時，可以實(shí)現(xiàn)高TMR比率和高自旋注入效率。此外，在圖3的結(jié)構(gòu)中，在非磁性層3與參考層4之間還插入界面層8，且在存儲層2與非磁性層3之間還插入界面層9。界面層8和9都是用于弛豫非磁性層3與參考層4之間的界面以及存儲層2與非磁性層3之間的界面中的晶格失配的磁性層。此外，當(dāng)界面層8和9為具有高極化比率的材料時，可以實(shí)現(xiàn)高TMR比率和高自旋注入效率。在圖3中，可以略去界面層8。在該情況下，界面層9僅被設(shè)置在存儲層2與非磁性層3之間的界面上。通過例如自旋注入磁化反轉(zhuǎn)系統(tǒng)在磁阻元件MTJ中進(jìn)行寫入。也就是，通過允許自旋極化電流(雙向電流)沿與磁阻元件MTJ中的各層的膜表面垂直的方向流過各層，來進(jìn)行與入。例如，當(dāng)自旋極化電流從存儲層2流動到參考層4時，其中積累自旋信息的參考層4的電子從參考層4注入到存儲層2。根據(jù)自旋角動量的守恒定律，該電子的自旋角動量對存儲層2的電子具有影響，由此，存儲層2的磁化改變?yōu)槠叫械?。此外，?dāng)自旋極化電流從參考層4流動到存儲層2時，其中積累了通過使存儲層2的自旋信息反轉(zhuǎn)而獲得的自旋信息的電子從參考層4注入到存儲層2。根據(jù)自旋角動量的守恒定律，該電子的自旋角動量對存儲層2的電子具有影響，由此，存儲層2的磁化改變?yōu)榉雌叫械?。根?jù)該原理，存儲層2和參考層4的剩余磁化的磁化方向的相對角可以被改變?yōu)槠叫械?其中相對角為0°或基本上0°的狀態(tài))或反平行的(其中相對角為180°或基本上180°的狀態(tài))。應(yīng)注意，平行為其中存儲層2和參考層4的剰余磁化具有相同方向的狀態(tài)。例如，在該情況下，磁阻元件MTJ的電阻值變?yōu)樽钚≈?。另ー方面，反平行為其中存儲層2和參考層4的剰余磁化具有相反的方向的狀態(tài)。例如，在該情況下，磁阻元件MTJ的電阻值變?yōu)樽畲笾怠?br> 因此，當(dāng)磁阻元件MTJ的電阻值的改變(最小值/最大值)與ニ進(jìn)制數(shù)據(jù)的“0”/ “I”相關(guān)聯(lián)時，則ニ進(jìn)制數(shù)據(jù)可被存儲在磁阻元件MTJ中。(2)參考層下文中將描述參考層的特性和材料。(2-1)參考層的特性圖I到圖3的磁阻元件MTJ的參考層4的條件在于，磁化方向與存儲層2相比不易改變，且到存儲層2的雜散磁場小。因此，參考層4優(yōu)選由這樣的材料構(gòu)成，在該材料中，有效磁各向異性K/f、矯頑力He和磁弛豫常數(shù)α是大的，且飽和磁化Ms是小的。然而，隨著磁阻元件MTJ的尺寸變小，從參考層4到存儲層2的雜散磁場變大。當(dāng)通過偏移調(diào)整層6抵消由該雜散磁場導(dǎo)致的存儲層2的磁滯曲線的偏移吋，需要使參考層4盡可能地薄。這是因?yàn)?.參考層4的厚度越大，存儲層2與偏移調(diào)整層6之間的距離就變 得越大。因此，變得難以通過偏移調(diào)整層6來調(diào)整存儲層2的磁滯曲線。然而，當(dāng)參考層4被制造為很薄時，有效磁各向異性Kurff通常由于以下原因而變小。例如，具有垂直的磁化的磁性層的有效磁各向異性Kurff被表示為如下Kueff ( ο- Ms · Hc/2) = Kuint_Kd，其中，Kuint為材料的本征磁各向異性，Kd為由材料形狀導(dǎo)致的磁各向異性。也就是，當(dāng)參考層被制造為薄吋，Kuint因膜質(zhì)的劣化而降低，且ん増加。因此，有效磁各向異性K/f以及矯頑カ(切換磁場)He降低。結(jié)果，如圖4所示，參考層4接收來自存儲層2和偏移調(diào)整層6的雜散磁場。因此，出現(xiàn)以下問題當(dāng)參考層4薄時，變得難以使參考層4的磁化恒定。具體而言，在將存儲層2從平行磁化改變到反平行磁化的寫入中，正確的寫入為僅僅使存儲層2的磁化方向反轉(zhuǎn)的操作，但卻易于出現(xiàn)其中存儲層2和參考層4的磁化方向都反轉(zhuǎn)的誤寫入。這是因?yàn)楫?dāng)參考層4變薄時，參考層4的能量勢壘變低，并且不能在存儲層2的能量勢壘與參考層4的能量勢壘之間充分獲得寫入裕量。特別地，由于參考層4是薄的，參考層4的切換磁場有時會變?yōu)榈扔诨蛐∮诖鎯?的切換磁場。在該情況下，同樣在自旋注入寫入系統(tǒng)中，當(dāng)存儲層2的磁化被指向?yàn)榕c參考層4的磁化相反時(平行一反平行)，參考層4的磁化也同時反轉(zhuǎn)。結(jié)果，存儲層2的磁化不能被指向?yàn)榕c參考層4的磁化相反。已經(jīng)提出了一種用于形成作為薄膜的參考層4而不會導(dǎo)致這樣的誤寫入問題的技木，g卩，一種通過偏移調(diào)整層更可靠地抵消根據(jù)磁阻元件的小型化而增加的雜散磁場的技術(shù)，如下所述?？傊?，從存儲層2和參考層4的磁弛豫常數(shù)的觀點(diǎn)已提出了即使當(dāng)參考層4薄時也不會導(dǎo)致上述誤寫入的條件。也就是，在實(shí)施例的磁阻元件中，參考層4的磁弛豫常數(shù)大于存儲層2的磁弛豫參數(shù)。在該情況下，例如，即使參考層4被形成為薄膜并且參考層4的切換磁場變?yōu)榈扔诨蛐∮诖鎯?的切換磁場時，也可以在存儲層2的能量勢壘與參考層4的能量勢壘之間充分獲得寫入裕量。因此，不會發(fā)生上述誤寫入。結(jié)果，通過偏移調(diào)整層可以可靠地抵消來自參考層4的雜散磁場。
下文中，將通過Landaw-Lifshitz-Gilbert (LLG)公式驗(yàn)證存儲層2和參考層4的
磁弛豫常數(shù)。一般而言，在對具有垂直磁化的磁阻元件進(jìn)行通過自旋注入寫入的磁化反轉(zhuǎn)時的臨界電流Ic被表示為如下。Ic α / η · Λ · · ·(式 I)其中，α :磁弛豫常數(shù)，以及Π:自旋注入效率系數(shù)。
Δ為熱擾動指數(shù)，并通過獲得有效各向異性能量Kueff ·ν與熱能kBT之間的比率而被表示為如下Δ = Kueff · V/kBToc Ms · Hc/2 · Va/kBT …(式 2)，其中，Kueff :垂直磁各向異性常數(shù)；He :矯頑カ；Ms:飽和磁化；N:去磁系數(shù)；以及Va :磁化反轉(zhuǎn)的單位體積。當(dāng)參考層4被形成為上述薄膜時，矯頑力He因磁各向異性的劣化而降低。此外，當(dāng)來自存儲層2和偏移調(diào)整層6的雜散磁場將存儲層2的磁化從平行方向改變?yōu)榉雌叫蟹较騾?，參考?的磁化方向也會反轉(zhuǎn)。也就是，當(dāng)參考層4的切換磁場降低并且存儲層2的磁弛豫常數(shù)等于或大于參考層4的磁弛豫常數(shù)吋，存儲層2與參考層4之間的切換電流差變小。結(jié)果，寫入裕量減小，且發(fā)生誤寫入。為了避免這樣的問題，參考層4的磁弛豫常數(shù)可以大于存儲層2的磁弛豫常數(shù)。此夕卜，即使當(dāng)雜散磁場隨磁阻元件的小型化而逐漸變大吋，參考層4與存儲層2之間的磁弛豫常數(shù)的差也逐漸增加，從而可以充分應(yīng)對磁阻元件的小型化。圖5示出了 MH曲線。在圖中，假設(shè)參考層的矯頑ヵ(切換磁場)等于或小于存儲層的切換磁場。此時，通過偏移調(diào)整層而抵消從參考層施加到存儲層的雜散磁場，但在參考層中，切換磁場因來自存儲層和偏移調(diào)整層的雜散磁場而偏移。當(dāng)參考層的切換磁場偏移且存儲層的磁化從平行方向改變到反平行方向時，參考層的磁化方向可能會反轉(zhuǎn)。因此，將參考圖6和7來驗(yàn)證如何將存儲層和參考層的磁弛豫常數(shù)設(shè)定為使得不發(fā)生參考層的磁化反轉(zhuǎn)。圖6示出了磁性層的反轉(zhuǎn)概率分布的第一實(shí)例。該實(shí)例為當(dāng)存儲層的磁弛豫常數(shù)為O. 05且參考層的磁弛豫常數(shù)為O. 02吋，S卩，當(dāng)存儲層的磁弛豫常數(shù)大于參考層的磁弛豫常數(shù)時的磁化反轉(zhuǎn)概率分布。根據(jù)該圖,在最差位(worst bit)Wl處看出當(dāng)存儲層從平行方向改變到反平行方向(P —AP)時的反轉(zhuǎn)概率。在該情況下，當(dāng)流過存儲層的電流I為約90 (μ A)時，概率為100%。因此，考慮到裕量，當(dāng)存儲層從平行方向改變到反平行方向時的寫入電流1胃入(P — AP)被設(shè)定為例如約100 ( μ Α)。
然而，在最差位W2處看出當(dāng)參考層反轉(zhuǎn)(AP — P)時的反轉(zhuǎn)概率。在該情況下，當(dāng)流過參考層的電流I為約100(μΑ)時，概率為約50%。因此，為了將存儲層從平行方向改變到反平行方向，例如，作為寫入電流1 入(P —AP)的約100(μΑ)電流通過磁阻元件。在該情況下，參考層的磁化有時也反轉(zhuǎn)?？梢钥闯?，當(dāng)存儲層的磁弛豫常數(shù)以該方式大于參考層的磁弛豫常數(shù)時，不能獲得寫入裕量。圖7示出了磁性層的反轉(zhuǎn)概率分布的第二實(shí)例。該實(shí)例為當(dāng)存儲層的磁弛豫常數(shù)為O. 05且參考層的磁弛豫常數(shù)為O. 05吋，S卩，當(dāng)參考層的磁弛豫常數(shù)等于存儲層的磁弛豫常數(shù)時的磁化反轉(zhuǎn)概率分布。根據(jù)該圖，在最差位Wl處看出當(dāng)存儲層從平行方向改變到反平行方向(P —AP)時的反轉(zhuǎn)概率。在該情況下，當(dāng)流過存儲層的電流I為約30(μΑ)吋，概率為0%。當(dāng)電流 為約45(μΑ)吋，概率為100%。因此，考慮到裕量，當(dāng)存儲層從平行方向改變到反平行方向時的寫入電流I胃入(P — AP)被設(shè)定為例如約50 ( μ Α)。另ー方面，在最差位W2處看出當(dāng)參考層反轉(zhuǎn)(AP — P)時的反轉(zhuǎn)概率。在該情況下，當(dāng)流過參考層的電流I為約90(μΑ)吋，概率為0%。因此，為了將存儲層從平行方向改變到反平行方向，例如，作為寫入電流1 入(P —AP)的約50(μΑ)電流通過磁阻元件。然而，參考層的磁化不反轉(zhuǎn)。應(yīng)注意，當(dāng)參考層的磁弛豫常數(shù)大于存儲層的磁弛豫常數(shù)時，寫入電流1胃入(P —AP)與參考層(最差位)的反轉(zhuǎn)概率為0%時的最大電流之間的寫入裕量變大。磁弛豫常數(shù)之間的差越大，裕量變?yōu)樵酱?。然而，磁阻元件的結(jié)構(gòu)(每層的厚度等等)是預(yù)定的。可以看出，當(dāng)參考層的磁弛豫常數(shù)以該方式等于或大于存儲層的磁弛豫常數(shù)吋，可以充分地獲得寫入裕量。(2-2)參考層的材料參考層優(yōu)選由這樣的材料構(gòu)成，在該材料中，有效磁各向異性Kurff、矯頑力He以及磁弛豫常數(shù)α大并且飽和磁化Ms小，如上所述。這樣的材料可以適當(dāng)?shù)貜囊韵虏牧现羞x擇。(2-2-1)人工晶格系列(Artificial Lattice Series)人工晶格系列為在其中交替層疊包含F(xiàn)e、Co和Ni中的至少ー種元素的合金(磁性層)與包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au和Cu中的至少ー種元素的合金(非磁性層)的結(jié)構(gòu)。人工晶格系列的實(shí)例包括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、Co/Au以及Ni/Cu人工晶格。此外，使用兩種磁性層的人工晶格系列的實(shí)例可包括Co/Ni人工晶格和Fe/Ni人工晶格。在這些人工晶格系列中，當(dāng)磁性層對非磁性層(例如，隧道勢壘層)的膜厚度比率小時，有效磁各向異性Kurff可以變大，且飽和磁化Ms變小。此外，當(dāng)増大磁性層的層疊周期吋，因形狀導(dǎo)致的磁各向異性減小，因此，有效磁各向異性Kurff可以變大。例如，為了増大磁弛豫常數(shù)α，可以使用其中組合有磁性層/非磁性層以使d-軌道的電子數(shù)目大且自旋軌道相互作用變大的參考層，或者可以使用其中d-軌道的電子數(shù)目大且自旋軌道相互作用變大的帽層?？梢詷?gòu)成這樣的帽層的材料的實(shí)例包括Pt和Pd。
(2-2-2)稀土金屬(RE)-過渡金屬(TM)合金系列RE-TM合金系列為稀土金屬和過渡金屬的合金。根據(jù)稀土金屬的材料,RE-TM合金系列成為亞鐵磁材料和鐵磁材料中的ー種。亞鐵磁材料的實(shí)例包括包含鋱(Tb)、鏑(Dy)、釓(Gd)中的至少ー種以及Fe、Co、Ni中的至少ー種的合金。亞鐵磁材料的實(shí)例可包括TbFe、TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo以及GdTbCo。在這些合金中，稀土金屬和過渡金屬的磁化方向以反鐵磁方式組合，并且存在其中飽和磁化變?yōu)镺的組成(補(bǔ)償點(diǎn)組成)(例如，在TbCoFe中，在Tb = 80 (vol % )附近)。在補(bǔ)償點(diǎn)組成附近，矯頑カHe隨飽和磁化的減小而増加。因此，當(dāng)在補(bǔ)償點(diǎn)附近調(diào)整該組成時，可以調(diào)整有效磁各向異性Kurff、飽和磁化Ms以及磁弛豫常數(shù)α。
鐵磁材料的實(shí)例包括包含釤(Sm)、釹(Nd)、欽(Ho)中的至少ー種且包含F(xiàn)e、Co、Ni中的至少ー種的合金。鐵磁材料的實(shí)例可包括SmCo5和NdFeB。當(dāng)調(diào)整這些合金的組成比時，可以調(diào)整有效磁各向異性Kueff、飽和磁化Ms以及磁弛豫常數(shù)α。當(dāng)使用上述材料系列作為參考層時，參考層具有與非磁性層(例如，隧道勢壘層)的大晶格失配，從實(shí)現(xiàn)高TMR比率的觀點(diǎn)，這不是優(yōu)選的。因此，在這樣的情況下，界面層被插入在參考層與非磁性層之間，如上所述。(3)存儲層下文中，將描述存儲層的特性和材料。圖I到圖3的磁阻元件MTJ的存儲層2的條件在于，元件尺寸小，而通過大的垂直磁各向異性可以保持對熱擾動的抵抗力。結(jié)果，磁阻元件MTJ的小型化不易干與用低電流的寫入相兼容。(3-1)存儲層的特性當(dāng)存儲層具有垂直磁化吋，存儲層的熱擾動指數(shù)Λ通常具有Λ > 60的必要條件，以避免因熱能導(dǎo)致的磁化波動(熱擾動)的問題。然而，當(dāng)磁阻元件MTJ的尺寸變小且存儲層變薄時，磁化反轉(zhuǎn)的單位體積Va變小。因此，當(dāng)熱被施加到存儲層時，不能保持存儲層的剰余磁化的狀態(tài)。通過存儲層的存儲操作變得不穩(wěn)定(熱擾動)。因此，存儲層優(yōu)選由有效磁各向異性Kurff大的材料構(gòu)成。此外，在存儲層中，飽和磁化Ms優(yōu)選是小的。(3-2)存儲層的材料存儲層可適當(dāng)?shù)剡x自以下材料。(3-2-1) CoFe-X 系列CoFe-X系列為添加有B、C、N等等的CoFe (非晶合金)。也就是，X為B、C、N中的至少ー種。CoFe-X系列在熱處理后具有優(yōu)良的與具有NaCl結(jié)構(gòu)的非磁性層(例如，隧道勢壘層)的晶格匹配特性，且可以實(shí)現(xiàn)高TMR比率。特別地，從具有(100)面的擇優(yōu)取向的觀點(diǎn)，存儲層優(yōu)選地為包含Co、Fe、B的合金，即，(Co1(l(l_xFex)lcl(l_yBy(x 彡 25at%且 O く y く 30at% )。此夕卜，CoFe-Χ 系列可以進(jìn)ー步包含具有高熔點(diǎn)的Ta、W、Hf、Zr、Nb、Mo、Ti、V和Cr中的至少ー種。例如，當(dāng)在非磁性層中使用Ta時，在磁性層中使用CoFeB，并且使這兩個層彼此接觸，在熱處理之后CoFeB中的B被Ta吸引，因此促進(jìn)了在非磁性層附近的磁性層的結(jié)晶化。(3-2-2)有序合金(ordered alloy)系列有序合金系列為包含F(xiàn)e、Co、Ni中的至少ー種以及Pt和Pd中的至少ー種的合金。有序合金系列的晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)選為Lltl型。有序合金系列的實(shí)例可包括Fe5ciPt5tl,Fe5tlPd5tl,Co50Pt50> Fe30Ni20Pt50^ Co30Fe20Pt50以及Co3ciNi2ciPt5ci。有序合金系列不限于上述組成比率。此外，當(dāng)諸如銅(Cu)、鉻(Cr)和銀(Ag)或其合金或其絕緣體的雜質(zhì)被添加到有序合金系列時，可以調(diào)整存儲層的有效磁各向異性Kurff和飽和磁化Ms。
當(dāng)使用有序合金作為存儲層且存儲層與非磁性層(例如，隧道勢壘層)之間的晶格失配大時，優(yōu)選將界面層插入在存儲層與非磁性層之間。(3-2-3)人工晶格系列人工晶格系列為在其中使包含F(xiàn)e、Co、Ni中的至少ー種的合金與包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu中的至少ー種的合金(非磁性層)交替層疊的結(jié)構(gòu)。人工晶格系列的實(shí)例可包括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、Co/Au以及Ni/Cu人工晶格。在這些人工晶格系列中，當(dāng)向磁性層添加元素以使磁性層對非磁性層(例如，隧道勢壘層)的膜厚度比率減小時，有效磁各向異性Kurff可變大，飽和磁化Ms可變小。此外，當(dāng)使用人エ晶格系列作為存儲層時，與非磁性層(例如，隧道勢壘層)的晶格失配大，從保持高TMR比率的觀點(diǎn)，這不是優(yōu)選的。因此，在這樣的情況下，優(yōu)選將界面層插入在非磁性層與存儲層之間。(3-2-4)無序合金(disordered alloy)系列無序合金系列為包含鈷(Co)作為主要成分并包含鉻(Cr)、鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鎢(W)、鉿(Hf)、鈦(Ti)、鋯(Zr)、鉬(Pt)、鈀(Pd)、鐵(Fe)和鎳(Ni)中的至少ー種的金屬。無序合金系列的實(shí)例可包括CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金以及CoCrNb合金。在無序合金系列中，當(dāng)非磁性元素的百分比增加時，有效磁各向異性K/f可變大，并且飽和磁化Ms可變小。此外，當(dāng)無序合金系列被用作存儲層時，與非磁性層(例如，隧道勢壘層)的晶格失配大，從保持高TMR比率的觀點(diǎn)，這不是優(yōu)選的。因此，在這樣的情況下，優(yōu)選將界面層插入在非磁性層與存儲層之間。(4)底基層對于其中存儲層和參考層具有垂直磁化的結(jié)構(gòu)(具有沿垂直于膜面的方向的磁化易軸的磁性膜)，通常需要底基層。例如，當(dāng)存儲層由有序合金系列、人工晶格系列或無序合金系列構(gòu)成時，需要采用其中存儲層的原子致密面易于被定向的結(jié)構(gòu)。也就是，需要控制存儲層的晶體取向以便定向fee (111)面或hep (001)面。因此，選擇底基層是重要的。
應(yīng)注意，當(dāng)存儲層由CoFe-X(非晶合金)系列構(gòu)成吋，CoFe-X具有與非磁性層(例如，隧道勢壘層)的界面磁各向異性作為垂直磁各向異性的起源。因此，不需要必須在底基層中定向致密面。(4-1)底基層的材料作為底基層，在存儲層被形成在底基層上時以及參考層被形成在底基層上時，都可以選擇以下材料。 當(dāng)采用諸如Co/Pt、Co/Pd 或 Co/Ni、fee 或 hep CoPd 合金或 CoPt 合金、或 RE-TM有序合金(例如，Sm-Co等等)的人工晶格系列作為在底基層上的磁性層(存儲層或參考層)時，底基層優(yōu)選由具有致密結(jié)構(gòu)的金屬構(gòu)成。具有致密結(jié)構(gòu)的金屬的實(shí)例可包括Pt、Pd、Ir和Ru。此外，底基層不僅為僅ー種元素金屬，而且可以是包含兩種或更多元素的合金，例如，Pt-Pd或Pt-Ir。然而，這些金屬傾向于通過自旋泵浦效應(yīng)而使存儲層的磁弛豫常數(shù)α増大，因此，作為底基層，優(yōu)選使用(a)作為上述金屬和諸如Cu、Au或Al的fee金屬的合金的Pt-Cu、Pd-Cu> Ir-Cu> Pt-Au> Ru-Au> Pt-Al 或 Ir-Al, (b)作為上述金屬和諸如 Re、Ti、Zr 或 Hf 的合金的 Pt-Re、Pt-Ti、Ru-Re、Ru-Ti、Ru-Zr、Ru-Hf、Al-Ti 或 Cu-Ti，或(c)上述(a)和(b)的氧化物或氮化物。也就是，底基層優(yōu)選由其中d-軌道的電子的數(shù)目小并且自旋軌道相互作用小的材料構(gòu)成。當(dāng)使用這樣的材料作為底基層時，其中d-軌道的電子的數(shù)目大的諸如Pt或Ir的金屬的比率可被盡可能地降低，同時保持致密結(jié)構(gòu)。結(jié)果，可以降低存儲層的磁弛豫常數(shù)α ο此外，當(dāng)?shù)谆鶎舆^度厚時，磁阻元件MTJ的平滑度(smoothness)劣化。因此，底基層的厚度的上限優(yōu)選為30nm。應(yīng)注意，底基層可以具有層的層疊結(jié)構(gòu)。該層疊結(jié)構(gòu)的目的是層疊具有不同晶格常數(shù)的材料以調(diào)整晶格常數(shù)。例如，當(dāng)?shù)谆鶎泳哂蠷u層和Pt層的層疊結(jié)構(gòu)吋，Pt層受Ru層影響并具有不同于體晶格常數(shù)的晶格常數(shù)。當(dāng)?shù)谆鶎泳哂袑盈B結(jié)構(gòu)時，底基層的最下層可包括例如Ta層，用于提高底基層的其他層(致密結(jié)構(gòu))的平滑度和晶體取向性的目的。此外，當(dāng)考慮到形成底基層所需的時間(即，生產(chǎn)率的提高)時，底基層的厚度的上限為10nm。此外，當(dāng)考慮到晶體取向性的提高時，底基層的厚度的下限為lnm。因此，底基層的厚度優(yōu)選在I到IOnm的范圍內(nèi)。應(yīng)注意，當(dāng)在底基層上的磁性層(存儲層或參考層)為諸如FePt或FePd的LI。規(guī)則合金吋，優(yōu)選采用諸如Cr的bcc金屬、具有NaCl結(jié)構(gòu)的諸如TiN或MgO的化合物、或者
(100)面取向的諸如Pt或Pd的fee金屬作為底基層。此外，當(dāng)在底基層上的磁性層(存儲層或參考層)為CoFe-X(非晶合金)系列吋，底基層優(yōu)選含有還作為緊密接觸層的諸如Ta、W等等的材料。(5)非磁性層當(dāng)非磁性層被插入在存儲層和參考層之間時，具有NaCl結(jié)構(gòu)的氧化物是優(yōu)選的。具體而言，非磁性層包括180、0&0、51<)、110、￥0以及NbO中的ー種。
當(dāng)存儲層的磁化方向反平行于參考層的磁化方向時，自旋極化的△ I帶變?yōu)樗泶?dǎo)電的載體(bearer),因此,僅僅多數(shù)自旋(majority spin)電子對電傳導(dǎo)有貢獻(xiàn)。結(jié)果，磁阻元件MTJ的電導(dǎo)率降低，并且磁阻元件MTJ的電阻值變大。另ー方面，當(dāng)存儲層的磁化方向平行于參考層的磁化方向時，未自旋極化的Δ5帶在電傳導(dǎo)中占優(yōu)勢。因此，磁阻元件MTJ的電導(dǎo)率升高，并且磁阻元件MTJ的電阻值變小。因而，Δ I帶的形成變?yōu)榘l(fā)展高TMR比率的點(diǎn)。當(dāng)Λ I帶形成吋，包含NaCl結(jié)構(gòu)的氧化物的非磁性層的(100)面與其中存儲層接觸非磁性層的面和其中參考層接觸非磁性層的面的匹配特性必須是優(yōu)良的。因此，當(dāng)進(jìn)ー步改善非磁性層(例如，具有NaCl結(jié)構(gòu)的氧化物)在(100)面中的晶格匹配特性時，可將界面層分別插入在非磁性層與存儲層之間以及非磁性層與參考層之間。

從形成△ I帶的觀點(diǎn)，優(yōu)選選擇這樣的材料作為界面層，在該材料中，非磁性層的在(100)面中的晶格失配變?yōu)?%或更小。(6)界面層當(dāng)界面層被插入在磁阻元件MTJ中的存儲層與非磁性層之間以及參考層與非磁性層之間以增強(qiáng)磁阻比率(TMR比率)時，界面層優(yōu)選由具有高極化比率的諸如包含Co、Fe和B的合金的材料構(gòu)成。作為這樣的材料，存在(C0lcl(l_xFex)lcl(l_yBy(其中χ彡50at%且O ^ y ^ 30at% )。(C0l(l(l_xFex) 為高極化比率材料，其使存儲層與非磁性層之間以及參考層與非磁性層之間的晶格失配弛豫，因此該材料具有可以實(shí)現(xiàn)高TMR比率和高自旋注入效率的特性。(7)偏移調(diào)整層偏移調(diào)整層具有沿與參考層的磁化相反方向的磁化，以便調(diào)整存儲層的磁滯曲線的偏移。因此，偏移調(diào)整層可含有與參考層相同的材料。(7-1)人工晶格系列人工晶格系列為這樣的結(jié)構(gòu)，其中，包含F(xiàn)e、Co、Ni中的至少ー種的合金(磁性層)與包含Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au、Cu中的至少ー種的合金(非磁性層)交替層疊。人工晶格系列的實(shí)例可包括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、Co/Au和Ni/Cu人工晶格。此外，使用兩個磁性層的人工晶格系列的實(shí)例可包括Co/Ni人工晶格和Fe/Ni人工晶格。(7-2)稀土金屬(RE)-過渡金屬(TM)合金系列RE-TM合金系列為稀土金屬和過渡金屬的合金。根據(jù)稀土金屬的材料,RE-TM合金系列成為亞鐵磁材料和鐵磁材料中的ー種。亞鐵磁材料的實(shí)例包括包含鋱(Tb)、鏑(Dy)、釓(Gd)中的至少ー種以及Fe、Co、Ni中的至少ー種的合金。亞鐵磁材料的實(shí)例可包括TbFe、TbCo, TbFeCo, DyTbFeCo以及GdTbCo。鐵磁材料的實(shí)例包括包含釤(Sm)、釹(Nd)、欽(Ho)中的至少ー種以及包含F(xiàn)e、Co、Ni中的至少ー種的合金。鐵磁材料的實(shí)例可包括SmCo5和NdFeB。(磁存儲器)
近年來，對利用鐵磁材料的磁阻效應(yīng)的磁隨機(jī)存取存儲器(MRAM)作為能夠?qū)崿F(xiàn)高速讀/寫、大容量且以小功率消耗操作的下一代非易失性半導(dǎo)體存儲器的興趣增加。特別地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，包括鐵磁隧道結(jié)的磁阻元件顯示了大的磁阻改變比率，因而該元件自那時起受到關(guān)注。鐵磁隧道結(jié)包括作為基本結(jié)構(gòu)的具有可變的磁化的存儲層、具有恒定磁化的參考層以及在這些層之間的隧道勢壘層(絕緣層)。當(dāng)電流流過該鐵磁隧道結(jié)時，隧道電流流過該隧道勢壘層。此時，鐵磁隧道結(jié)的電阻根據(jù)存儲層和參考層的磁化方向的相對角度而改變。例如，當(dāng)存儲層和參考層的磁化方向平行時，鐵磁隧道結(jié)的電阻具有最小值。當(dāng)存儲層和參考層的磁化方向反平行時，鐵磁隧道結(jié)的電阻具有最大值。該電阻改變稱為隧穿磁阻效應(yīng)(TMR效應(yīng))。當(dāng)包括該鐵磁隧道結(jié)的磁阻元件被用作存儲器基元時，存儲層和參考層的平行/反平行磁化方向與ニ進(jìn)制數(shù)據(jù)的“0”/ “I”相關(guān)聯(lián)。 作為磁阻元件中的寫入操作，公知所謂的磁寫入系統(tǒng)，其中，寫入線被設(shè)置在元件的附近，并且通過流過寫入線的電流產(chǎn)生的磁場來僅僅反轉(zhuǎn)存儲層的磁化方向。然而，在該系統(tǒng)中，當(dāng)使元件尺寸小以實(shí)現(xiàn)高容量存儲器時，構(gòu)成存儲層的磁性材料的矯頑カHe原則上變大。因此，當(dāng)元件被小型化吋，寫入所需的電流傾向于變得較大。另ー方面，原則上，來自寫入線的磁場根據(jù)元件尺寸的減小而變小。因此，在磁寫入系統(tǒng)中，元件尺寸的減小不易于與大容器設(shè)計所需的寫入電流的降低相兼容。近年來，使用自旋動量轉(zhuǎn)移(SMT)的寫入(自旋注入寫入)系統(tǒng)已經(jīng)被提議作為解決該問題的寫入系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，自旋極化電流流過磁阻元件以使存儲層的磁化方向反轉(zhuǎn)。此外，在該系統(tǒng)中，存儲層的體積越小，將注入到該層中的自旋極化電子變得越少。因此，該系統(tǒng)已被預(yù)期作為其中元件的小型化與電流的降低相兼容的寫入系統(tǒng)。然而，當(dāng)元件被小型化以實(shí)現(xiàn)大容量時，用于沿ー個方向保持存儲層的磁化方向的能量勢壘，即，磁各向異性能量，變?yōu)樾∮跓崮?。結(jié)果，出現(xiàn)存儲層的磁化方向波動(熱擾動的產(chǎn)生)和不能保持?jǐn)?shù)據(jù)的問題。通常，通過磁各向異性(每單位體積的磁各向異性能量)和磁化反轉(zhuǎn)的單位體積的乘積來表示用于使磁化方向反轉(zhuǎn)所需的能量勢壘。因此，當(dāng)以微元件尺寸獲得對熱擾動的抵抗時，存儲層優(yōu)選由具有大的磁各向異性的材料構(gòu)成。在主要被調(diào)查的面內(nèi)磁化類型中，通常利用形狀磁各向異性。在該情況下，為了提高磁各向異性能量，需要諸如增大磁阻元件的縱橫比、増大存儲層的厚度以及增加存儲層的飽和磁化的對策。然而，當(dāng)考慮到自旋注入系統(tǒng)的特性吋，這些對策會導(dǎo)致反轉(zhuǎn)電流的增大，并且不適合于小型化。另ー方面，可以考慮利用不具有形狀磁各向異性但卻具有大的晶體磁各向異性的材料。在該情況下，沿面內(nèi)方向的磁化的易軸顯著地分散在膜面中。因此，磁阻比率(MR比率)降低，且導(dǎo)致非相關(guān)進(jìn)動(incoherent precession)。因此,該對策是不希望的。此外，面內(nèi)磁化類型利用根據(jù)元件形狀產(chǎn)生的磁各向異性，因此反轉(zhuǎn)電流的值受該形狀影響。結(jié)果，擔(dān)憂反轉(zhuǎn)電流的散射會隨著元件的小型化而增加。另ー方面，已經(jīng)提出了這樣的技術(shù)，其中，在構(gòu)成磁阻元件的鐵磁材料中使用包括在沿與膜面垂直的方向的磁化的易軸的所謂的垂直磁化膜。當(dāng)由垂直磁化類型產(chǎn)生晶體磁各向異性時，不利用形狀磁各向異性。因此，與面內(nèi)磁化類型相比，元件的形狀可以極小。此夕卜，易磁化方向的分散小。因此，當(dāng)采用具有大的晶體磁各向異性的材料時，可以使小型化與低電流兼容，同時保持對熱擾動的抵抗。圖8 示出了 MRAM。MRM包括存儲器基元陣列40，該存儲器基元陣列40包括以矩陣方式設(shè)置的存儲器基元MC。存儲器基元陣列40包括沿列方向延伸的位線對BI^PbBL以及沿行方向延伸的字線WL。在位線對BL和bBL與字線WL的交叉部分中，設(shè)置存儲器基元MC。每個存儲器基元MC包括串聯(lián)連接的磁阻元件MTJ和開關(guān)元件(例如，N溝道MOS晶體管)41。存儲器基元MC的第一端子被連接到位線BL，第二端子被連接到位線bBL。確定開關(guān)元件41的開/關(guān)狀態(tài)的控制端子(例如，N溝道MOS晶體管的柵極)被連接到字線WL。
字線WL的一端被連接到行解碼器42。位線對BL和bBL的一端被連接到寫入電路44和讀出電路45。寫入電路44和讀出電路45被連接到列解碼器43。通過行解碼器42和列解碼器43選擇每個存儲器基元MC。如下執(zhí)行在存儲器基元MC中的數(shù)據(jù)寫入。首先，連接到成為數(shù)據(jù)寫入目標(biāo)的所選擇的存儲器基元MC的字線WL被激活以開啟所選擇的存儲器基元MC中的開關(guān)元件41。這里，根據(jù)寫入數(shù)據(jù)來確定流過磁阻元件MTJ的寫入電流(雙向電流)Iw的方向。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)“O”被寫入?yún)?，從位線BL導(dǎo)引到位線bBL的寫入電流Iw被供給到磁阻元件MTJ。在該情況下，寫入電路44可以將正電壓施加到位線BL并將接地電壓施加到位線 bBL。此外，當(dāng)數(shù)據(jù)“I”被寫入?yún)?，從位線bBL導(dǎo)引到位線BL的寫入電流Iw被供給到磁阻元件MTJ。在該情況下，寫入電路44可以將正電壓施加到位線bBL并將接地電壓施加到位線BL。以該方式，數(shù)據(jù)“O”或數(shù)據(jù)“ I ”可被寫入所選擇的存儲器基元MC。接下來，如下從存儲器基元MC讀取數(shù)據(jù)。首先，在所選擇的存儲器基元MC中的開關(guān)元件41被開啟。讀出電路45允許讀出電流Ir流過磁阻元件MTJ。然后，讀出電路45基于讀出電流Ir而檢測在所選擇的存儲器基元MC中的磁阻元件MTJ的電阻值。以該方式，可以讀出在磁阻元件MTJ中存儲的數(shù)據(jù)。應(yīng)注意，對讀出電流Ir的方向沒有任何特定限制，但是為了防止在讀取期間的誤寫入，讀出電流Ir的值需要充分小于寫入電流Iw的值。接下來，將描述MRAM的存儲器基元的器件結(jié)構(gòu)。圖9示出了存儲器基元的器件結(jié)構(gòu)。在半導(dǎo)體襯底51的表面區(qū)域中，設(shè)置元件隔離區(qū)域(元件隔離絕緣層STI)。在該元件隔離區(qū)域所圍繞的有源區(qū)域中，設(shè)置開關(guān)元件41。元件隔離區(qū)域包括例如具有淺溝槽隔離(STI)結(jié)構(gòu)的氧化硅。 在該有源區(qū)域中，設(shè)置源極區(qū)域S和漏極區(qū)域D。源極區(qū)域S和漏極區(qū)域D為例如在P型半導(dǎo)體襯底51中的N+型雜質(zhì)擴(kuò)散區(qū)域。在源極區(qū)域S和漏極區(qū)域D之間的半導(dǎo)體襯底51上，經(jīng)由柵極絕緣膜41A設(shè)置柵極電極41B。柵極電極41B用作字線WL。
在源極區(qū)域S上，經(jīng)由接觸插塞52而設(shè)置導(dǎo)線53。導(dǎo)線53作為位線bBL。在漏極區(qū)域D上，經(jīng)由接觸插塞54而設(shè)置下電極55。在下電極55上，例如，設(shè)置圖I到圖3的磁阻元件MTJ。在本實(shí)例中，在磁阻元件MTJ上設(shè)置帽層56。帽層56在磁阻元件MTJ的構(gòu)圖期間用作硬掩模層，且還用作保護(hù)層以保護(hù)磁阻元件MTJ。在帽層56上，設(shè)置導(dǎo)線58。導(dǎo)線58用作位線BL。此外，半導(dǎo)體襯底51與導(dǎo)線58之間的空間填充有例如氧化硅等等的層間絕緣層57。如上面所詳細(xì)描述的，通過使用實(shí)施例的磁阻元件MTJ可以構(gòu)成諸如MRAM的磁存
儲器。注意，除了自旋注入型磁存儲器之外，磁阻元件MTJ還可被用作磁壁轉(zhuǎn)移型磁存儲器。(應(yīng)用實(shí)例)上述磁存儲器可被應(yīng)用于各種電子裝置。下文中，將描述磁存儲器的應(yīng)用實(shí)例。(I)DSL的調(diào)制解調(diào)器的DSL數(shù)據(jù)路徑部圖10示出了用于數(shù)字用戶線路(DSL)的調(diào)制解器的抽出的(extracted)DSL數(shù)據(jù)路徑部。該調(diào)制解調(diào)器包括可編程數(shù)字信號處理器(可編程DSP) 100、模擬-數(shù)字(Α/D)轉(zhuǎn)換器110、數(shù)字-模擬(D/Α)轉(zhuǎn)換器120、發(fā)送驅(qū)動器130以及接收放大器140。在該圖中，帶路徑濾波器被略去，并且替代該濾波器，設(shè)置MRAM 170和EEPROM180。這些存儲器作為用于保持電路代碼程序的可選存儲器。這里，電路代碼程序?yàn)橛蒁SP執(zhí)行的程序，以根據(jù)編碼的用戶電路信息、發(fā)送條件等等(電路代碼QAM、CAP、RSK、FM、AM、PAM、DWMT等等)選擇或操作調(diào)制解調(diào)器。在該應(yīng)用實(shí)例中，使用MRAM 170和EEPROM 180作為用于保持電路代碼程序的存儲器，但可用MRAM取代EEPROM 180。也就是，可以僅由MRAM構(gòu)成用于保持電路代碼程序的
存儲器。(2)蜂窩電話終端圖11示出了蜂窩電話終端。該蜂窩電話終端被實(shí)現(xiàn)為其中通過總線225連接通信部和控制器的微計算機(jī)。通信部包括發(fā)送/接收天線201、天線共用器202、接收器203、基帶處理器204、用作話音編解碼器的DSP 205、揚(yáng)聲器206、麥克風(fēng)207、發(fā)送器208以及頻率合成器209。此夕卜，控制器包括CPU 221、ROM 222以及本實(shí)施例的MRAM 223和閃速存儲器224。在ROM 222中，預(yù)先存儲諸如在CPU 221中執(zhí)行的程序和用于顯示的字體的數(shù)據(jù)。MRAM 223主要用作工作區(qū)。在CPU 22正在執(zhí)行程序吋，MRAM 223存儲正被計算的數(shù)據(jù)，并暫時存儲在控制器與通信部之間發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)。閃速存儲器224用于立即存儲例如早先的設(shè)定條件，即使蜂窩電話終端的電源被關(guān)閉也是如此，且使用該存儲器存儲用于當(dāng)電源下次被開啟時實(shí)現(xiàn)獲得相同的設(shè)定的使用方法的設(shè)定參數(shù)。結(jié)果，即使當(dāng)蜂窩電話終端的電源被關(guān)斷時，存儲的設(shè)定數(shù)據(jù)也不會消失。此外，音頻數(shù)據(jù)再現(xiàn)處理器211、外部輸出端子212、IXD控制器213、顯示液晶顯示器(LCD)214以及用于產(chǎn)生呼叫音響的振鈴器215被添加到該蜂窩電話終端。音頻數(shù)據(jù)再現(xiàn)處理器211再現(xiàn)輸入到蜂窩電話終端中的音頻信息(或在外部存儲器240中存儲的音頻信息)。所再現(xiàn)的音頻信息通過外部輸出端子212而被發(fā)送到耳機(jī)、便攜揚(yáng)聲器等等。結(jié)果，話音被輸出到外部。當(dāng)以該方式設(shè)置音頻數(shù)據(jù)再現(xiàn)處理器211時，可以再現(xiàn)音頻信息。IXD控制器213通過總線225從CPU 225接收例如顯示信息，將該信息轉(zhuǎn)換為用于控制IXD 214的IXD控制信息，并進(jìn)ー步驅(qū)動IXD 214以進(jìn)行IXD顯示。接ロ電路(I/F) 231、233和235、外部存儲器240、外部存儲器插槽232、按鍵操作單元234以及外部輸入/輸出端子236被進(jìn)ー步添加到蜂窩電話終端。諸如存儲卡的外部存儲器240被插入到外部存儲器插槽232中。外部存儲器插槽 232經(jīng)由接ロ電路(I/F)231而被連接到總線225。當(dāng)蜂窩電話終端以該方式設(shè)置有插槽232時，蜂窩電話終端的內(nèi)部信息可被寫入在外部存儲器240中，或者在外部存儲器240中存儲的信息(例如，音頻信息)可被輸入到蜂窩電話終ゑ而300中。按鍵操作單元234經(jīng)由接ロ電路(I/F) 233而被連接到總線225。通過按鍵操作單元234輸入的按鍵輸入信息被發(fā)送到例如CPU 221。外部輸入/輸出端子236經(jīng)由接ロ電路(I/F)233而被連接到總線225，并被用于將信息從外部輸入到蜂窩電話終端或用于將信息從蜂窩電話終端輸出到外部。注意，在本應(yīng)用實(shí)例中，使用三個存儲器ROM 222, MRAM 223以及閃速存儲器224，但ROM 22和閃速存儲器224中的至少ー個可以被MRAM取代。例如，可以略去ROM 222和閃速存儲器224。(3) MRAM 卡這里,將描述實(shí)施例的MRAM在用于存儲智能媒體(smart media)的媒體內(nèi)容等等的卡中的應(yīng)用。圖12示出了 MRAM卡。圖13到圖16示出了 MRAM卡系統(tǒng)。在MRAM卡主體400中，包含MRAM芯片401。在MRAM卡主體400中，在對應(yīng)于MRAM芯片401的位置處設(shè)置開ロ 402，從而露出MRAM芯片401。開ロ 402被設(shè)置有閘門(shutter)403。當(dāng)MRAM卡被攜帶時，通過閘門403保護(hù)MRAM芯片401。閘門403優(yōu)選由具有將芯片從外部磁場屏蔽的效果的材料(例如，陶瓷)制成。當(dāng)執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫時，打開閘門以露出MRAM芯片401。通過外部端子404，取出在MRAM卡中存儲的內(nèi)容數(shù)據(jù)。圖13和圖14示出了將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫(transfer)到MRAM卡的轉(zhuǎn)寫裝置。轉(zhuǎn)寫裝置500為卡插入類型。轉(zhuǎn)寫裝置500包括存儲部500a。在存儲部500a中，第一 MRAM卡550被存儲。存儲部500a具有被電連接到第一 MRAM卡550的外部端子530，并通過使用外部端子530而重寫第一 MRAM卡550的數(shù)據(jù)。由最終用戶(end user)使用的第二 MRAM卡450被插入通過轉(zhuǎn)寫裝置500的插入部510，如箭頭所示，并被推入該裝置種，直到該卡停止在止動器(stopper) 520處。止動器520還作為用于定位第一 MRAM卡550和第二 MRAM卡450的構(gòu)件。當(dāng)?shù)诙?MRAM卡450被設(shè)置在預(yù)定位置處時，在第一 MRAM卡550中的控制器向外部端子530提供控制信號，在第一MRAM卡550中存儲的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)寫到第二 MRAM卡450。圖15示出了裝配型(fitting type)轉(zhuǎn)寫裝置。轉(zhuǎn)寫裝置500為這樣的類型通過使用止動器520將第二 MRAM卡450裝配到作為目標(biāo)的第一 MRAM卡550上，如箭頭所示。轉(zhuǎn)寫方法與卡插入型相同，因此略去對其的描述。圖16示出了滑動型轉(zhuǎn)寫裝置。轉(zhuǎn)寫裝置500以與⑶-ROM驅(qū)動器或DVD驅(qū)動器相同的方式設(shè)置有用于轉(zhuǎn)寫裝置500的托盤滑座(tray slide) 560，且托盤滑座560如箭頭所示移動。當(dāng)托盤滑座560移動到虛線的位置時，第二 MRAM卡450被設(shè)置在托盤滑座560上，將第二 MRAM卡450傳送到轉(zhuǎn)寫裝置500中。第二 MRAM卡450被傳送以使卡的先端部(tip portion)接觸止動器520，并以與卡插入型相同的方式轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)，因此略去對其的描述。 (結(jié)論)根據(jù)實(shí)施例，可以通過偏移調(diào)整層而可靠地抵消隨磁阻元件的小型化而增加的雜散磁場。實(shí)施例在高速隨機(jī)可寫文件存儲器、高速可下載便攜終端、高速可下載便攜播放器、用于廣播裝置的半導(dǎo)體存儲器、行車記錄器(drive recorder)、家庭錄像系統(tǒng)、用于通信的大容量緩沖存儲器、用于安全攝像機(jī)(security camera)的半導(dǎo)體存儲器等等中產(chǎn)生了大的エ業(yè)價值。雖然已經(jīng)描述了特定實(shí)施例，但這些實(shí)施例僅僅以實(shí)例的方式給出，并且不旨在限制本發(fā)明的范圍。實(shí)際上，本文中描述的新穎實(shí)施例可以以各種其他形式被實(shí)施；此外，可以對本文中描述的實(shí)施例在形式上做出各種省略、替換和改變而不背離本發(fā)明的精神。所附權(quán)利要求及其等價物g在涵蓋落入本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的這樣的形式或修改。
權(quán)利要求
1.一種磁阻元件，包括 存儲層，其具有垂直且可變的磁化； 參考層，其具有垂直且恒定的磁化； 偏移調(diào)整層，其具有沿與所述參考層的磁化相反的方向的垂直且恒定的磁化； 第一非磁性層，其在所述存儲層與所述參考層之間；以及 第二非磁性層，其在所述參考層與所述偏移調(diào)整層之間， 該磁阻元件的特征在于，所述參考層的切換磁場等于或小于所述存儲層的切換磁場，且所述參考層的磁弛豫常數(shù)大于所述存儲層的磁弛豫常數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的元件， 其特征在于，所述參考層的有效磁各向異性等于或小于所述存儲層的有效磁各向異性。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的元件， 其特征在干，所述參考層被設(shè)置在所述存儲層上方，且所述偏移調(diào)整層被設(shè)置在所述參考層上方。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的元件， 其特征在于，所述參考層包括人工晶格系列和RE-TM合金系列中的ー種。
5.根據(jù)權(quán)利要求I的元件， 其特征在于，所述存儲層包括CoFe-X系列(X為B、C、N中的至少ー種)、有序合金系列、人工晶格系列和無序合金系列中的ー種。
6.根據(jù)權(quán)利要求I的元件， 其特征在于，在所述存儲層與所述第一非磁層之間的空間和所述參考層與所述第一非磁性層之間的空間中的至少ー個中插入界面層。
7.根據(jù)權(quán)利要求I的元件， 其特征在于，所述界面層包括(C0lQ(l_xFex)1(l(l_yBy(其中X彡50at%i0彡y ( 30at% )。
8.—種磁存儲器,其特征在于包括 權(quán)利要求I的元件；以及 寫入電路，其允許雙向電流流過所述磁阻元件，以使所述存儲層與所述參考層之間的磁化方向的關(guān)系變?yōu)槠叫谢蚍雌叫小?br> 9.根據(jù)權(quán)利要求8的存儲器，其特征在于還包括 開關(guān)元件，其被設(shè)置在所述磁阻元件正下方，并被配置為選擇性地允許所述雙向電流流過所述磁阻元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的存儲器， 其特征在于，所述磁阻元件和所述開關(guān)元件被串聯(lián)連接，以構(gòu)成包括第一和第二端子以及控制端子的串聯(lián)連接器，所述控制端子決定所述開關(guān)元件的開/關(guān)狀態(tài)， 所述第一端子被連接到第一位線，所述第二端子被連接到第二位線，且所述控制端子被連接到字線。
全文摘要
本發(fā)明涉及磁阻元件和磁存儲器。根據(jù)一個實(shí)施例，一種磁阻元件包括存儲層(2)，其具有垂直且可變的磁化；參考層(4)，其具有垂直且恒定的磁化；偏移調(diào)整層(6)，其具有沿與所述參考層(4)的磁化相反的方向的垂直且恒定的磁化；第一非磁性層(3)，其在所述存儲層(2)與所述參考層(4)之間；以及第二非磁性層(5)，其在所述參考層(4)與所述偏移調(diào)整層(6)之間。所述參考層(4)的切換磁場等于或小于所述存儲層(2)的切換磁場，且所述參考層(4)的磁弛豫常數(shù)大于所述存儲層(2)的磁弛豫常數(shù)。
文檔編號H01L43/08GK102856489SQ201210097760
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者西山勝哉, 相川尚德, 甲斐正, 永瀨俊彥, 上田公二, 與田博明 申請人:株式會社 東芝