專利名稱：磁阻效應(yīng)元件和具有該磁阻效應(yīng)元件的磁存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁阻效應(yīng)元件和具有該磁阻效應(yīng)元件的磁存儲器。
背景技術(shù)：
使用了磁性體膜的磁阻效應(yīng)元件被應(yīng)用于磁頭、磁傳感器等中，但是也提出了用于固體磁存儲器中。特別是作為能實現(xiàn)高速讀寫、大容量、低耗電的下一代固體磁存儲器，對于利用了鐵磁性體的磁阻效應(yīng)的磁隨機存取存儲器(以下也稱作MRAM)的關(guān)心正不斷高漲。
近年，提出了具有在兩個磁性金屬層之間插入了一層電介質(zhì)的多層結(jié)構(gòu)，使電流垂直于膜面流動，作為利用了隧道電流的磁阻效應(yīng)元件的所謂“鐵磁性隧道結(jié)元件(以下，也稱作TMR(隧道磁阻效應(yīng))元件”。在鐵磁性隧道結(jié)元件中，因為取得了20％以上的磁阻變化率(MR比)(參照J.Appl.Phys.79，4724(1996))，所以對MRAM加以應(yīng)用的可能性正在提高。
通過在鐵磁性電極上形成0.6nm～2.0nm厚度的薄Al(鋁)層后，把該表面暴露在氧輝光放電或氧氣中，形成由Al2O3構(gòu)成的隧道勢壘層，能實現(xiàn)該鐵磁性隧道結(jié)元件。
另外，提出了具有以下構(gòu)造的鐵磁性一重隧道結(jié)鄰接構(gòu)成該鐵磁性一重隧道結(jié)的一方的鐵磁性層設(shè)置反鐵磁性層，通過交換耦合力，使所述一方的鐵磁性層很難發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，成為固定了磁化方向的磁化固定層(參照日本專利公開公報特開平10-4227號)。
另外，還提出了通過分散在電介質(zhì)中的磁性粒子形成的鐵磁性隧道結(jié)和鐵磁性二重隧道結(jié)(連續(xù)膜)(Phys.Rev.B56(10)，R5747(1997)，應(yīng)用磁學(xué)會雜志23，4-2，(1999)，Appl.Phys.Lett.73(19)，2829(1998)，Jpn.J.Appl.Phys.39，L1035(2001))。
在這些結(jié)構(gòu)中，因為取得了20～50％的磁阻變化率，以及為了取得所需的輸出電壓值，即使增加外加在鐵磁性隧道結(jié)元件上的電壓值，也能抑制磁阻變化率的減小，所以具有向MRAM應(yīng)用的可能性。
當(dāng)在MRAM中使用TMR元件時，夾著隧道勢壘層的兩個鐵磁性層中，把一方固定為磁化方向不變的磁化固定層作為磁化基準層，把另一方的磁化方向容易反轉(zhuǎn)的磁化自由層作為存儲層。通過把基準層和存儲層的磁化方向的平行狀態(tài)和反平行狀態(tài)與二進制信息的“0”和“1”產(chǎn)生對應(yīng)關(guān)系，就能存儲信息。
通過使電流流入設(shè)置在TMR元件附近的寫入布線而產(chǎn)生的感應(yīng)磁場，使存儲層的磁化方向反轉(zhuǎn)，進行記錄信息的寫入。而且，通過TMR效應(yīng)檢測電阻變化量來進行記錄信息的讀出。
為了固定基準層的磁化方向，使用了鄰接鐵磁性層設(shè)置反鐵磁性層，通過交換耦合力，使磁化反轉(zhuǎn)難以發(fā)生的方法，這樣的構(gòu)造被稱作自旋閥型構(gòu)造。在該構(gòu)造中，通過一邊外加磁場，一邊進行熱處理(磁化固定退火)，確定了基準層的磁化方向。而通過提供磁各向異性，使容易磁化方向和基準層的磁化方向變得幾乎相同，形成了存儲層。
使用這些鐵磁性一重隧道結(jié)或者鐵磁性二重隧道結(jié)的磁存儲元件具有非易失性，寫入讀出時間也快到10納秒以下，改寫次數(shù)也具有1015以上的潛力。特別是，如上所述，使用了鐵磁性二重隧道結(jié)的磁存儲元件為了取得所需的輸出電壓值，即使增加外加在鐵磁性隧道結(jié)元件上的電壓值，也能抑制磁阻變化率的減小，所以取得了大的輸出電壓，表現(xiàn)了作為磁存儲元件所希望的特性。
可是，關(guān)于存儲器的單元尺寸，當(dāng)使用了存儲單元由一個晶體管和一個TMR元件構(gòu)成的1晶體管-1TMR結(jié)構(gòu)(例如，參照USP5,734,605號公報)時，存在無法使尺寸減小到半導(dǎo)體的DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)以下的問題。
為了解決該問題，提出了在位線和字線之間串聯(lián)TMR元件和二極管的二極管型結(jié)構(gòu)(參照美國專利登記USP5,640,343號公報)，或在位線和字線之間配置了TMR元件的單純矩陣型結(jié)構(gòu)(參照德國專利公報DE 19744095，歐洲專利公報WO 9914760)。
可是，如果進行大容量化，縮小TMR元件的尺寸，就會發(fā)生熱起伏的問題，除了自旋信息有可能消失，伴隨著TMR元件的尺寸的減小而產(chǎn)生的開關(guān)磁場的增大等也成為問題。
頑磁力即開關(guān)磁場依存于元件尺寸、形狀、鐵磁性材料的磁化、膜厚等，一般如果存儲元件的尺寸減小，則開關(guān)磁場增大。這意味著當(dāng)把具有隧道結(jié)的TMR元件作為存儲元件用于MRAM時，在寫入時需要大的電流磁場，耗電增大。當(dāng)進一步考慮高集成化時，耗電增大變得更顯著，是個大問題。
另外，由于基于熱的Mn原子等的擴散的影響，還存在長期的熱穩(wěn)定性問題。
如上所述，為了實現(xiàn)磁存儲器的超大容量化，需要即使減小TMR元件的尺寸，MR比也增大，開關(guān)磁場減小，熱穩(wěn)定性優(yōu)越的磁阻效應(yīng)元件和使用它的磁存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是根據(jù)對相關(guān)課題的認識而提出的，它提供即使減小鐵磁性隧道結(jié)元件的尺寸，MR比也增大，開關(guān)磁場減小，熱穩(wěn)定性優(yōu)越的具有可靠性的磁阻效應(yīng)元件和使用它的磁存儲器。
本發(fā)明的第一形態(tài)的磁阻效應(yīng)元件的特征在于包含隔著非磁性層層疊多個鐵磁性層的存儲層、具有至少一層鐵磁性層的磁性膜、設(shè)置在所述存儲層和所述磁性膜之間的隧道勢壘層；所述存儲層的鐵磁性層由Ni-Fe-Co三元合金構(gòu)成；在Ni-Fe-Co三元狀態(tài)圖中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域中的任意一方的組成區(qū)域中選擇的組成；所述存儲層和所述隧道勢壘層的界面以及所述磁性膜和所述隧道勢壘層的界面的最大粗糙度為0.4nm以下。
本發(fā)明的第二形態(tài)的磁存儲器具有第一布線、與所述第一布線交叉的第二布線、設(shè)置在所述第一布線和所述第二布線的各交叉區(qū)域中的存儲單元；所述存儲單元具有所述磁阻效應(yīng)元件作為存儲元件。
本發(fā)明的第三形態(tài)的磁存儲器具有第一布線、形成在所述第一布線之上的第一磁阻效應(yīng)元件、形成在所述第一布線之下的第二磁阻效應(yīng)元件、形成在所述第一布線之上并且與所述第一布線交叉的第二布線、形成在所述第一布線之下并且與所述第一布線交叉的第三布線；所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件分別是所述的磁阻效應(yīng)元件，通過一邊使電流分別流向所述第二和第三布線，一邊使電流流向所述第一布線，能分別使所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件的存儲層的磁化向給定方向反轉(zhuǎn)，通過檢測由所述第一布線使讀出電流流向所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件而取得的來自所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件的輸出信號的差分，讀出雙值信息的任意一個。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，能取得即使減小尺寸，也能實現(xiàn)MR比大、熱穩(wěn)定性優(yōu)異、開關(guān)磁場小的磁阻效應(yīng)元件和使用該磁阻效應(yīng)元件的磁存儲器。


下面簡要說明附圖。
圖1是表示對本發(fā)明的實施例1的磁阻效應(yīng)元件的存儲層的組成使用了Co-Fe-Ni時的MR特性、開關(guān)磁場特性的Co-Fe-Ni三元狀態(tài)圖。
圖2(a)和圖2(b)是表示實施例1的磁阻效應(yīng)元件結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剖視圖。
圖3是表示實施例1和比較例1的開關(guān)磁場對于存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的特性的圖。
圖4是表示實施例1和比較例2的開關(guān)磁場對于存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的特性的圖。
圖5(a)和圖5(b)是表示實施例1和比較例1、2的磁阻效應(yīng)元件的數(shù)據(jù)保持力的可靠性實驗的結(jié)果的圖。
圖6(a)和圖6(b)是表示實施例1的磁阻效應(yīng)元件的存儲層的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖7(a)～圖7(c)是表示實施例1的磁阻效應(yīng)元件的磁化固定層的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖8(a)～圖8(e)是表示實施例1的磁阻效應(yīng)元件的形狀的圖。
圖9是表示實施例2的磁阻效應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖10(a)是表示實施例3的磁存儲器中使用的單位存儲單元的一個具體例的圖，圖10(b)是表示在圖10(a)所示的切斷線A-A切斷時的剖視圖。
圖11(a)是表示實施例3的磁存儲器中使用的單位存儲單元的一個具體例的圖，圖11(b)是表示在圖11(a)所示的切斷線A-A切斷時的剖視圖。
圖12(a)是表示實施例3的磁存儲器中使用的單位存儲單元的一個具體例的圖，圖12(b)是表示在圖12(a)所示的切斷線A-A切斷時的剖視圖。
圖13(a)是表示實施例3的磁存儲器中使用的單位存儲單元的一個具體例的圖，圖13(b)是表示在圖13(a)所示的切斷線A-A切斷時的剖視圖。
圖14是表示實施例3的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第一具體例的圖。
圖15是表示實施例3的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第二具體例的圖。
圖16是表示實施例3的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第三具體例的圖。
圖17是表示實施例3的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第四具體例的圖。
圖18(a)和圖18(b)分別是實施例3的磁存儲器的第五具體例的主視圖和側(cè)視圖。
圖19(a)和圖19(b)分別是實施例3的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第六具體例的主視圖和側(cè)視圖。
圖20(a)和圖20(b)分別是實施例3的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第七具體例的主視圖和側(cè)視圖。
具體實施例方式
在說明本發(fā)明的實施例之前，先說明產(chǎn)生本發(fā)明的原委。
現(xiàn)在，當(dāng)在MRAM中把TMR元件作為存儲元件使用時，我們知道由于TMR元件的兩端產(chǎn)生的磁極導(dǎo)致的反磁場的影響，開關(guān)磁場與短邊長度的倒數(shù)成比例增大。鐵磁性體的內(nèi)部磁化在中央部附近，因為磁各向異性和交換相互作用的效果，沿著容易磁化方向，變?yōu)槠叫械臓顟B(tài)是最穩(wěn)定的。可是，在兩端部產(chǎn)生磁極，靜磁能量增大，所以犧牲伴隨著磁極產(chǎn)生的能量的增大，但是如果要減少靜磁能量，就形成了具有與中央部不同的磁化方向的磁區(qū)(邊緣區(qū)域)。該邊緣區(qū)域使反轉(zhuǎn)過程變復(fù)雜，使無磁場狀態(tài)的殘留磁化即成為輸出的磁阻變化率下降。
因此，作為用于作為MRAM的TMR元件的存儲層而使用的鐵磁性體，選擇本質(zhì)上頑磁力小，同時即使在無磁場狀態(tài)下也具有只能取得充分輸出的大的MR比的材料對于實現(xiàn)高集成化的MRAM是重要的。
另外，在現(xiàn)行的MRAM中，作為存儲層的磁性材料，報告有使用Ni-Fe類的例子(參照IEEE International Solid-State CircuitsConference，Digest of Technical Papers，2000，p.128.，IEEEInternational Solid-State Circuits Conference，Digest of TechnicalPapers，2000，p.130)。
如果著眼于上述的“頑磁力小”、“大的MR比(MR變化率)”的條件，比較Ni-Fe類、Co-Fe類，則Co-Fe類如果為40％以上，就表現(xiàn)了非常大的MR變化率，但是頑磁力大。而Ni-Fe類在Ni組成大的組成范圍(幾乎80％at以上)中，表現(xiàn)了非常小的頑磁力，但是MR變化率比Co-Fe類小。
頑磁力的大小即開關(guān)磁場的大小依存于磁性材料的種類、合金組成，但是一般在MR變化率大的組成的Co-Fe類合金中，頑磁力變大。而MR變化率使用自旋極化率大的合金組成材料時更大。我們知道頑磁力的大小不僅是磁性材料的種類和合金組成，而且對于比磁性層更下層的層疊構(gòu)造的材料和基于層疊的粗糙度的大小非常敏感。當(dāng)粗糙度大時，在磁性層間產(chǎn)生磁結(jié)，結(jié)果頑磁力增大。因此，對存儲層使用本質(zhì)上頑磁力小的材料，并且選擇粗糙度小的層疊構(gòu)造以及基底材料也是重要的。
特別是對存儲層使用了由鐵磁性層和非磁性層構(gòu)成的多層層疊構(gòu)造時，當(dāng)存儲層和隧道勢壘層的界面或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度大時，存在開關(guān)磁場的大小極端增大的問題?？墒?，當(dāng)使用了多層層疊構(gòu)造的存儲層時，如果減小粗糙度，則與使用單層膜時相比，存在把MR比保持在很大，并且能減小開關(guān)磁場的優(yōu)點。
另外，通過使多層層疊構(gòu)造的存儲層的鐵磁性層間產(chǎn)生層間耦合，即使減小單元尺寸，減小存儲層的體積，也能取得熱穩(wěn)定性優(yōu)異的特性。這時，減小粗糙度的膜構(gòu)造的總體設(shè)計成為必要。
如上所述，在作為現(xiàn)行的存儲層而使用的磁性材料中，不能同時滿足“頑磁力小”、“具有大的MR變化率”、“熱穩(wěn)定性好”等的三個條件。
因此，本發(fā)明者考慮了把同時滿足這三個條件的磁性材料、構(gòu)造作為存儲層，并且通過選擇粗糙度小的層疊構(gòu)造和基底材料，取得了低耗電并且高輸出的TMR元件以及使用該TMR元件的磁存儲器。
下面，參照

本發(fā)明的基本概念和實施例。
一般，在TMR元件的存儲層中使用的是快速追隨外部磁場而容易改變磁化方向的所謂的軟磁性材料，但是作為軟磁性材料應(yīng)該具備的主要點有(a)起始導(dǎo)磁率和最大導(dǎo)磁率等的導(dǎo)磁率大；(b)殘留磁化和飽和磁化大；(c)頑磁力小等。這里，磁性材料的磁各向異性引起磁致伸縮時起始導(dǎo)磁率與磁致伸縮常數(shù)的倒數(shù)成比例，頑磁力與磁致伸縮常數(shù)成比例，所以可以說磁致伸縮常數(shù)越小，越是適合于TMR元件的材料。作為TMR元件的存儲層而使用的磁性材料除了這些條件，為了取得高輸出，還有必要表現(xiàn)大的磁阻變化率，但是這些能通過隔著隧道勢壘層配置自旋極化率大的材料、磁遷移溫度(居里溫度)高的材料或使用Fe的組成大的材料實現(xiàn)。
TMR元件包含具有多層隧道勢壘層的圖2(a)所示的鐵磁性多重隧道結(jié)(在附圖中是二重結(jié))和只具有一層隧道勢壘層的圖2(b)所示的鐵磁性一重隧道結(jié)。即鐵磁性一重隧道結(jié)是在基底金屬層2上依次設(shè)置了反鐵磁性層4、磁化固定層6(也稱作釘扎層)、隧道勢壘層8、磁化自由層10(也稱作存儲層)、覆蓋層/硬掩模層18的結(jié)構(gòu)。另外，鐵磁性二重隧道結(jié)是在基底金屬層2上依次設(shè)置了反鐵磁性層4、磁化固定層6、隧道勢壘層8、磁化自由層10、隧道勢壘層12、磁化固定層14、反鐵磁性層16、覆蓋層/硬掩模層18的結(jié)構(gòu)。
(實施例1)為了發(fā)現(xiàn)這樣的TMR元件的MR比盡可能增大并且開關(guān)磁場盡可能減小的存儲層的結(jié)構(gòu)，進行了以下的實驗。首先，本實施例的TMR元件是尺寸為0.15×0.2μm2的鐵磁性二重隧道結(jié)型。而且，存儲層是用鐵磁性層夾著由Ru構(gòu)成的非磁性層的三層構(gòu)造，為Co-Fe-Ni的三元合金。構(gòu)成該存儲層的鐵磁性層的膜厚為2nm。作為磁化固定層，為了取得大MR比，使用了Co-Fe合金，特別是使用了Co50Fe50。反鐵磁性層使用IrMn合金。隧道勢壘層使用AlOx。另外，基底金屬層是Ta/Ru的二層構(gòu)造。因此，本實施例的TMR元件的構(gòu)造成為Ta/Ru/IrMn/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/Ru/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn/Ru/上部布線。
首先，制作改變了構(gòu)成存儲層的鐵磁性層的Co-Fe-Ni的三元合金的組成時的TMR元件，圖1表示了調(diào)查MR比和開關(guān)磁場的結(jié)果。構(gòu)成存儲層的鐵磁性層的組成在圖1中用×表示。圖1的細豎線所示的區(qū)域是在制作所述TMR元件時，開關(guān)磁場變?yōu)?5Oe以下的區(qū)域。另外，圖1所示的Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線以下的區(qū)域是在室溫下MR比取得40％以上的區(qū)域。
根據(jù)該實驗結(jié)果，可知在TMR元件中，存儲層的鐵磁性層由Ni-Fe-Co三元合金構(gòu)成，在Ni-Fe-Co三元狀態(tài)圖中，最好具有從Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線k1、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線k2、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線k3包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域r1或Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線k3、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直線k4、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線k5包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域中的任意一方的組成區(qū)域中選擇的組成。
須指出的是，如果在磁化固定層中使用Co-Fe，就取得了40％以上的MR比，所以很好。在本實施例中，雖然使用了Co50Fe50作為磁化固定層，但是使用Co10Fe90-Co90Fe10的材料也不會影響MR特性的傾向。
接著，為了調(diào)查存儲層和隧道勢壘層的界面或磁化固定層和隧道勢壘層粗糙度對開關(guān)磁場的影響，制作了使靠近本實施例的TMR元件的基底金屬層2的反鐵磁性層4的膜厚從8nm～14nm，以2nm的間隔變化的TMR元件。須指出的是，離基底金屬層2遠的反鐵磁性層16的膜厚為8nm。因此，調(diào)查粗糙度的影響時使用的TMR元件的結(jié)構(gòu)如下所示。
Ta/Ru/IrMn(xnm)/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/Ru/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn(8nm)/Ru/上部布線。
另外，為了比較，制作以下結(jié)構(gòu)的比較例1和比較例2的TMR元件，制作離基底金屬層2遠的反鐵磁性層16的膜厚為8nm，并且靠近基底金屬層2的反鐵磁性層4的膜厚從8nm～14nm，以2nm的間隔變化的樣品，調(diào)查粗糙度的影響。
比較例1Ta/Al/Ru/IrMn(xnm)/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/Ru/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn(8nm)/Ru/上部布線；比較例2Ta/Ru/IrMn(xnm)/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn(8nm)/Ru/上部布線；即比較例1是把本實施例的TMR元件的基底金屬層2的結(jié)構(gòu)從Ta/Ru置換為Ta/Al/Ru的結(jié)構(gòu)，本實施例的TMR元件具有三層構(gòu)造的存儲層，而比較例2具有單層構(gòu)造的存儲層，并且-TMR元件的基底金屬層2的結(jié)構(gòu)由與本實施例相同的Ta/Ru構(gòu)成。
當(dāng)使InMn構(gòu)成的反鐵磁性層的膜厚變化時，用透射型電子顯微鏡(以下也稱作TEM)觀測了截面，知道了存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)很大地依存于基底金屬層。在本實施例和比較例2中，因為基底金屬層2為相同的結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)反鐵磁性層的膜厚相同時，粗糙度幾乎相同。可是，比較例1與本實施例不同，因為對基底金屬層使用了Ta/Al/Ru，所以與具有由Ta/Ru構(gòu)成的基底金屬層的本實施例的TMR元件相比，觀測到粗糙度大。
圖3表示了開關(guān)磁場Hsw對于本實施例和比較例1的TMR元件的存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的各自的依存性，圖4表示了開關(guān)磁場Hsw對于本實施例和比較例2的TMR元件的存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的各自的依存性。須指出的是，在圖3和圖4中，d表示靠近基底金屬層的反鐵磁性層的膜厚。從圖3可知，本實施例和比較例1中，存儲層是相同的多層構(gòu)造，并且靠近基底金屬層的反鐵磁性層為相同的膜厚，存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度還是對基底金屬層使用Ta/Al/Ru的比較例1的TMR元件大，開關(guān)磁場Hsw也大。另外，從圖4可知，如果減小存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度，則存儲層為三層構(gòu)造的本實施例與存儲層為單層構(gòu)造的比較例2相比，取得了更小的開關(guān)磁場。因此，當(dāng)存儲層為多層構(gòu)造時，如果存儲層或磁化固定層和隧道勢壘層的界面的粗糙度為0.4nm以下，則與存儲層為單層構(gòu)造時相比，能減小開關(guān)磁場。
接著，進行了把本實施例、比較例1、比較例2的TMR元件分別放置在85℃的烤爐中的數(shù)據(jù)保持力(數(shù)據(jù)輸出保持時間)的可靠性試驗。圖5(a)、(b)表示它的結(jié)果。存儲層為單層構(gòu)造的比較例2的TMR元件時，當(dāng)存儲層和靠近隧道勢壘層的磁化固定層的鐵磁性層的自旋方向為反平行狀態(tài)時，保持了數(shù)據(jù)(參照圖5(b))，但是平行時，觀測到未保持數(shù)據(jù)的位(參照圖5(a))?？墒?，本實施例和比較例1的TMR元件都取得了希望的可靠性(參照圖5(a)、(b))，如果對存儲層使用三層構(gòu)造，就得到具有可靠性的元件。
如上所述，根據(jù)本實施例的TMR元件，不但保持開關(guān)磁場小，而且能取得MR變化率大、熱穩(wěn)定性優(yōu)異的特性。
在本實施例中，如圖6(a)所示，存儲層是用鐵磁性層夾著非磁性層的三層構(gòu)造，但是如圖6(b)所示，可以具有由鐵磁性層a/非磁性層/鐵磁性層b/非磁性層/鐵磁性層a構(gòu)成的構(gòu)造。即可以是鐵磁性層隔著非磁性層而進行層間耦合的構(gòu)造。而且，如果該耦合強度為Hex＝3kOe以下，則既可以是鐵磁性的，也可以是反鐵磁性的。另外，在圖6(b)所示的結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了鐵磁性層b具有比鐵磁性層a的膜薄并且用非磁性層分隔的構(gòu)造，即所謂的伴隨著鐵磁性層a的反磁場減小電位勢壘的功能。作為TMR元件的存儲層，如果使用圖6(b)所示的構(gòu)造，則比圖6(a)所示的構(gòu)造更能取得小開關(guān)磁場。例如由Co-Fe-Ni構(gòu)成鐵磁性層a，由Ni-Fe構(gòu)成鐵磁性層b，由Ru構(gòu)成非磁性層，如果代替本實施例的三層層疊構(gòu)造的存儲層，使用由Co-Fe-Ni/Ru/Ni-Fe/Ru/Co-Fe-Ni構(gòu)成的5層層疊構(gòu)造的存儲層，能把開關(guān)磁場進一步降低10％～20％。
另外，在本實施例中，存儲層的鐵磁性層的膜厚為2nm，但是希望是1nm～3nm。如果在1nm以下，則鐵磁性層變?yōu)槌４判?，無法保證鐵磁性自旋的熱穩(wěn)定性。另外，如果變?yōu)?nm以上，則開關(guān)磁場增大，用于開關(guān)的電流脈沖的絕對值增大，產(chǎn)生了EM(電子遷移)的問題。
另外，在本實施例中，使用了Co-Fe二元合金鐵磁性層作為磁化固定層，但是當(dāng)對磁化固定層使用Co-Fe二元合金鐵磁性層時，比使用Co-Fe-Ni、Ni-Fe、Co-Ni時能取得更大的MR比。
另外，在本實施例的TMR元件中，如圖7(a)所示，磁化固定層是鐵磁性層/非磁性層/鐵磁性層的三層構(gòu)造，希望使用靠近隧道勢壘層的鐵磁性層的膜厚更厚的結(jié)構(gòu)。如果采用該構(gòu)造，則能取消來自磁化固定層的雜散磁場(stray field)，所以不但保持了熱穩(wěn)定性，而且MR曲線的磁滯曲線對于0磁場能調(diào)整為對稱。
雜散磁場Hstray與TMR元件的長邊的長度L成反比(Hstray＝C/L)。這里，C是常數(shù)。因此，按照TMR元件的長邊的長度，能唯一地確定靠近隧道勢壘層的鐵磁性層的厚度應(yīng)該為多厚。
另外，在本實施例的TMR元件中，磁化固定層的至少與隧道勢壘層相鄰的鐵磁性層具有鐵磁性層/非晶形磁性層/鐵磁性層的三層構(gòu)造，例如如圖7(b)所示，希望使用磁化固定層為鐵磁性層/非晶形磁性層/鐵磁性層/非磁性層/鐵磁性層的層疊構(gòu)造，或者如圖7(c)所示，使用鐵磁性層/非晶形磁性層/鐵磁性層/非磁性層/非晶形磁性層/鐵磁性層的層疊構(gòu)造。須指出的是，非晶形磁性層希望是非晶形鐵磁性層。如果使用所述的構(gòu)造，則即使使用Pt-Mn、Ir-Mn、Ni-Mn等時，也能抑制Mn的擴散，能維持長期的穩(wěn)定性，能提高具有可靠性的TMR元件。
須指出的是，非晶形磁性層能通過在Co、Fe、Ni或它們的合金中混合數(shù)％到數(shù)十％的Zr、Nb、Bi、Ta、W等而制作。
作為在三層或多層構(gòu)造的存儲層或磁化固定層中使用的非磁性層希望使用Ru(釕)、Ir(銥)、Os(鋨)或它們的合金。
另外，在本實施例的TMR元件中，鄰接磁化固定層而設(shè)置的反鐵磁性層由PtxMn1-x、NiyMn1-y、IrzMn1-z中的任意一種構(gòu)成，這里，49.5at％≤x、y≤50.5at％，22at％≤z≤27at％，反鐵磁性層的膜厚為10nm以下，更希望為9nm以下。據(jù)此，當(dāng)用TEM觀測了磁化固定層和隧道勢壘層的界面或隧道勢壘層和存儲層的界面的粗糙度時，能使峰到峰值即最大表面粗糙度為0.4nm以下，甚至能達到0.3nm以下。
另外，作為抑制粗糙度的方法，如果使用Ta或W作為設(shè)置在反鐵磁性層之下的基底金屬層的電極材料，使用Ru、Ir、Pt作為勢壘層，則鄰接磁化固定層的表面粗糙度(最大表面粗糙度)能在0.2nm～0.4nm以下。
另外，作為TMR元件的隧道勢壘層，能使用Al2O3(氧化鋁)、SiO2(氧化硅)、MgO(氧化鎂)、AlN(氮化鋁)、Bi2O3(氧化鉍)、MgF2(氟化鎂)、CaF2(氟化鈣)、SrTiO2(氧化鈦鍶)、AlLaO3(氧化鑭鋁)、Al-N-O(氧化氮化鋁)、GaO(氧化鎵)等的各種絕緣體(電介質(zhì))。
這些化合物從化學(xué)計算上來看，沒必要是完全正確的組成，可以存在氧、氮、氟等的缺損或過分與不足。另外，該絕緣層(電介質(zhì)層)的厚度希望薄到隧道電流能流過的程度，實際上希望在10nm以下。
使用各種濺射法、蒸鍍法、分子束外延生長法等通常的薄膜形成方法，在給定的襯底上形成這樣的TMR元件。作為這時的襯底，例如能使用Si(硅)、SiO2(氧化硅)、Al2O3(氧化鋁)、尖晶石、AlN(氮化鋁)等各種的襯底。
另外，作為TMR元件的形狀，磁化方向M1、M2沒必要一定是直線狀。如圖8(a)～圖8(e)所示，可以形成各種邊緣區(qū)域。圖8(a)～圖8(e)是表示本實施例的TMR元件的存儲層的平面形態(tài)的其他具體例的模式圖。即TMR元件的存儲層如圖8(a)所示，例如可以是在長方形的一方的對角附加了突出部的形狀，也可以是如圖8(b)所示的平行四邊形，也可以是如圖8(c)所示的菱形、也可以是如圖8(d)所示的橢圓形、也可以是如圖8(e)所示的邊緣傾斜型的各種形狀。
這里，當(dāng)把存儲層構(gòu)圖為圖8(a)～(c)和圖8(e)所示的形狀時，實際上角部常常變圓，但是角部也可以這樣變圓。通過在光刻中使用的原版的圖案形狀為非對稱形狀，就能容易地制作這些非對稱形狀。
(實施例2)接著，圖9表示了本發(fā)明的實施例2的TMR元件的結(jié)構(gòu)。本實施例的TMR元件是在基底金屬層上依次形成了磁化自由層、隧道勢壘層、存儲層、保護層/硬掩模的結(jié)構(gòu)。也可以是基底金屬層/存儲層/隧道勢壘層/磁化自由層/保護層/硬掩模。即是在圖2(b)所示的實施例1的TMR元件中，代替反鐵磁性層和磁化固定層(釘扎層)，設(shè)置了磁化自由層的結(jié)構(gòu)。
而且，在本實施例的TMR元件中，存儲層與圖6所示的實施例1時同樣，成為隔著非磁性層層疊了多層鐵磁性層的結(jié)構(gòu)。另外，結(jié)構(gòu)為使存儲層和隧道勢壘層的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)為0.4nm以下。磁化自由層至少包含一個鐵磁性層。
另外，基底金屬層成為與實施例1同樣的結(jié)構(gòu)。
該實施例2的TMR元件也與實施例1同樣，不但保持了開關(guān)磁場小，而且能取得MR變化率大，熱穩(wěn)定性優(yōu)異的特性。
(實施例3)下面，參照附圖，說明本發(fā)明的實施例3的磁存儲器。須指出的是，在實施例3中，作為磁存儲器的存儲元件，使用了所述實施例1和實施例2中說明了的TMR元件。
圖10(a)～圖13(b)是單純表示當(dāng)使用TMR元件作為存儲元件，使用MOS晶體管作為單元選擇元件時的本實施例的磁存儲器的單位單元的剖視圖。圖10(a)表示TMR元件的一端連接著位線BL，另一端通過引出電極、連接栓塞連接著選擇晶體管的源極和漏極的一方，寫入字線WL設(shè)置在TMR元件的下方的結(jié)構(gòu)的單位單元。圖10(b)表示在圖10(a)所示的切斷線A-A切斷的剖視圖。圖11(a)表示TMR元件的一端連接著字線WL，另一端通過引出電極、連接栓塞連接著選擇晶體管的源極和漏極的一方，寫入位線BL設(shè)置在TMR元件的上方的結(jié)構(gòu)的單位單元。圖11(b)表示在圖11(a)所示的切斷線A-A切斷的剖視圖。圖12(a)表示在圖10(a)所示的單位單元中，通過磁性體覆蓋位線BL和字線WL的結(jié)構(gòu)的單位單元，圖13(a)表示在圖11(a)所示的單位單元中，通過磁性體覆蓋位線BL和字線WL的結(jié)構(gòu)的單位單元。須指出的是，圖12(b)和圖13(b)分別表示在圖12(a)和圖13(a)所示的切斷線A-A切斷的剖視圖。
在具有圖10(a)～圖13(b)的任意一個單位單元的磁存儲器中，讀出是使電流流入由晶體管選擇的TMR元件，通過TMR元件的電阻是大還是小，判斷“1”、“ 0”。對于TMR元件的信息的寫入是通過使電流脈沖流過設(shè)置在其上下的字線WL和位線BL而產(chǎn)生的磁場進行的。例如，如果分別使電流流過位線BL和字線WL，則在它們周圍產(chǎn)生磁場。通過合成這些電流磁場，能使TMR元件的存儲層的磁化反轉(zhuǎn)。
在寫入時，為了使磁化反轉(zhuǎn)到給定的方向，可以使給定方向的電流適當(dāng)流過位線BL和字線WL雙方。如果這樣，則與只使電流流過位線BL和字線WL的任意一個而產(chǎn)生磁化的反轉(zhuǎn)時相比，不但能降低各布線的電流量，而且能進行單元選擇。作為結(jié)果，能提供布線的疲勞小、可靠性高的磁存儲器。如圖12和圖13所示，如果用磁性體覆蓋位線BL和字線WL，則能把伴隨著電流的磁場效率提高2倍(圖11)以上～5倍(圖12)以上，能實現(xiàn)更低的耗電。
圖14是表示本實施例的磁存儲器的第一具體例的結(jié)構(gòu)的模式圖。即圖14表示了存儲器陣列的截面構(gòu)造，在該結(jié)構(gòu)中，多個TMR元件C并聯(lián)在讀出/寫入用位線BL上。在各TMR元件C的另一端，通過二極管D，連接著讀出/寫入用字線WL。另外，成為各字線WL通過選擇各字線WL的選擇晶體管STw連接在讀出放大器SA的結(jié)構(gòu)。另外，成為讀出/寫入用位線BL通過用于選擇該位線BL的選擇晶體管STB接地的結(jié)構(gòu)。
在圖14所示的第一具體例的磁存儲器中，在讀出時，通過選擇晶體管STB、STw分別選擇連接著目標TMR元件C的位線BL和字線WL，通過讀出放大器SA檢測電流。另外，在寫入時，通過選擇晶體管STB、STw分別選擇連接著目標TMR元件C的位線BL和字線WL，使寫入電流流過。這時，通過合成了在位線BL和字線WL中分別發(fā)生的磁場的寫入磁場使TMR元件C的存儲層的磁化向著給定的方向，能進行寫入。
二極管D在這些讀出或?qū)懭霑r，具有遮斷通過布線為矩陣狀的其他TMR元件C流動的迂回電流的功能。
下面，參照圖15，說明本實施例的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第二具體例。
圖15是表示能層疊存儲器陣列的結(jié)構(gòu)的第二具體例的模式圖。即圖15表示存儲器陣列的截面構(gòu)造。
在該結(jié)構(gòu)中，采用了在讀出/寫入用位線BLw和讀出用位線BLr之間并聯(lián)了多個TMR元件C的“梯子型”的結(jié)構(gòu)。接近各TMR元件C，寫入字線WL在與位線BLw交叉的方向布線。
能通過把寫入電流流入讀出/寫入用位線BLw而產(chǎn)生的磁場和寫入電流流入寫入字線WL而產(chǎn)生的磁場的合成磁場作用于TMR元件的存儲層來進行向TMR元件的寫入。
而在讀出時，在位線BLw和位線BLr之間外加電壓。這樣，電流流入并聯(lián)在它們之間的所有TMR元件中。一邊通過讀出放大器SA檢測該電流的合計，一邊向接近目標TMR元件的字線WL外加寫入電流，把目標TMR元件的存儲層的磁化改寫到給定方向。通過檢測這時的電流變化，就能進行目標TMR的讀出。
即如果改寫前的存儲層的磁化方向與改寫后的磁化方向同一，則通過讀出放大器SA檢測的電流不變化。可是，在改寫前后，當(dāng)存儲層的磁化方向反轉(zhuǎn)時，則通過讀出放大器SA檢測的電流根據(jù)磁阻效應(yīng)而變化。這樣，就能讀出改寫前的存儲層的磁化方向即存儲的數(shù)據(jù)?？墒?，該方法與讀出時改變存儲數(shù)據(jù)的所謂“破壞讀出”對應(yīng)。
而當(dāng)TMR元件的結(jié)構(gòu)采用了實施例2中說明的磁化自由層/隧道勢壘層/磁存儲層的構(gòu)造時，能進行“非破壞讀出”。即當(dāng)使用該構(gòu)造的TMR元件時，在存儲層中記錄磁化方向，當(dāng)讀出時，通過適當(dāng)使磁化自由層的磁化方向變化，比較讀出電流，能讀出存儲層的磁化方向?？墒?，這時，有必要設(shè)計為磁化自由層的磁化反轉(zhuǎn)磁場比存儲層的磁化反轉(zhuǎn)磁場還小。
圖16是表示本實施例的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第三具體例的模式圖。即圖16表示存儲器陣列的截面構(gòu)造。
在該結(jié)構(gòu)中，多個TMR元件C并聯(lián)在讀出/寫入用位線BLw上，在這些TMR元件C的另一端，分別把讀出用位線BLr連接為矩陣狀。接近這些讀出用位線BLr，進行了寫入用字線WL的布線。
能通過把寫入電流流入讀出/寫入用位線BLw而產(chǎn)生的磁場和寫入電流流入寫入字線WL而產(chǎn)生的磁場的合成磁場作用于TMR元件的存儲層來進行向TMR元件C的寫入。
而當(dāng)讀出時，通過由選擇晶體管ST選擇寫入用位線BLw和讀出用位線BLr，使讀出電流流入目標TMR元件，可以通過讀出放大器SA檢測。
下面，參照圖17說明本實施例的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第四具體例。
圖17是表示本實施例的磁存儲器的結(jié)構(gòu)的第四具體例的模式圖。即圖17表示存儲器陣列的截面構(gòu)造。不同之處在于讀出用位線BLr通過導(dǎo)線連接著TMR元件C，在TMR元件C的正下方對寫入字線WL進行了布線。如果這樣，就能使TMR元件C和寫入字線WL比圖16的構(gòu)造更接近。作為結(jié)果，能更有效地使來自字線WL的磁場作用于TMR元件。
下面，說明差動放大型、多值型結(jié)構(gòu)。
圖18(a)、(b)和圖19(a)、(b)分別表示本實施例的磁存儲器的差動放大型、多值型結(jié)構(gòu)圖。18(a)和圖18(b)分別表示本實施例的磁存儲器的差動放大型結(jié)構(gòu)的主視圖和側(cè)視圖，19(a)和圖19(b)分別表示本實施例的磁存儲器的多值型結(jié)構(gòu)的主視圖和側(cè)視圖。
在各類型的磁存儲器中，位線BL、字線WL1、WL2以及讀出用布線RL1、RL2配置為交叉，在位線BL和字線WL1、WL2的交叉部設(shè)置有TMR元件TMR1、TMR2。這樣，通過在縱向?qū)盈BTMR單元，即使為差動放大、多值存儲器，也能避免增大單元面積。
在圖18(a)、(b)中，再讀出時，從位線BL流出電流，通過設(shè)置在讀出用布線RL1、RL2的結(jié)束端的讀出放大器進行差動放大。另外，當(dāng)改變了TMR元件TMR1、TMR2的信號輸出時，該結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)多值化。須指出的是，在圖18(a)、(b)中，如后面將詳細描述的那樣，關(guān)于位線BL、字線WL1、WL2和TMR元件C1、C2的連接關(guān)系，能采用各種具體例。例如，可以設(shè)置寫入用和讀出用的兩條位線，連接TMR元件。另外，有時字線WL連接TMR元件C1、C2，有時不連接。
TMR元件C1、C2具有存儲層。在該存儲層中，具有對于磁化固定層彼此為近反平行的磁化方向M1、M2，對于磁阻效應(yīng)元件的磁化固定層的磁化方向，反平行、平行地寫入自旋信息，使從位線BL流出的讀出電流流入所述TMR元件，通過進行差動放大，判斷“1”、“0”。須指出的是，TMR元件C1是鐵磁性一重隧道結(jié)，TMR元件C2是鐵磁性二重隧道結(jié)。
另外，當(dāng)進行多值記錄時，對于磁阻效應(yīng)元件的磁化固定層的磁化方向，反平行、平行地寫入自旋信息，使從位線BL流出的讀出電流流入所述TMR元件，通過進行差動放大，檢測多值信息。
圖18(b)表示了使用本實施例的差動放大型結(jié)構(gòu)時的寫入方法和TMR元件的旋轉(zhuǎn)的方向。當(dāng)為差動放大型時，希望TMR元件的容易軸形成在字線WL的長軸方向。如果TMR元件的容易軸形成在字線WL的長軸方向，則位線BL的電流脈沖外加在上下的TMR元件上的磁場方向產(chǎn)生近180度的差異，所以能對上下的TMR元件一次進行寫入，從而能進行高速寫入。
圖19(b)表示了本實施例的多值記錄型結(jié)構(gòu)時的寫入方法和實際的TMR單元的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)為多值記錄型結(jié)構(gòu)時，因為需要在上下的TMR元件中任意記錄信息，所以希望TMR元件的容易軸形成在位線BL的長軸方向。如果TMR元件的容易軸形成在位線BL的長軸方向，則通過字線WL1、WL2，能在上下的TMR元件中進行任意信息的記錄，多值記錄成為可能。
須指出的是，圖14～圖17所示的結(jié)構(gòu)除了能層疊為多層，實現(xiàn)大容量化，還能使用所述的差動型、多值型結(jié)構(gòu)或?qū)盈B它們的結(jié)構(gòu)。這時，如圖20(a)、(b)所示，希望公用位線BL。希望在公用的位線BL中，在位線BL的側(cè)壁使用磁性覆蓋布線。
如上所述，根據(jù)實施例3的磁存儲器，因為使用了MR比大、熱穩(wěn)定性優(yōu)異、開關(guān)磁場小的實施例1或2的TMR元件作為存儲元件，所以能實現(xiàn)高集成化和低耗電化。
權(quán)利要求
1.一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于具備隔著非磁性層層疊多個鐵磁性層的存儲層、具有至少一層鐵磁性層的磁性膜和設(shè)置在所述存儲層和所述磁性膜之間的隧道勢壘層；所述存儲層的鐵磁性層由Ni-Fe-Co三元合金構(gòu)成；在Ni-Fe-Co三元狀態(tài)圖中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域中的任意一方的組成區(qū)域中選擇的組成；所述存儲層和所述隧道勢壘層的界面以及所述磁性膜和所述隧道勢壘層的界面的最大表面粗糙度為0.4nm以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于上述存儲層具有以下的構(gòu)造中的任意一方依次層疊了第一鐵磁性層、第一非磁性層、第二鐵磁性層，所述第一和第二鐵磁性層磁耦合的構(gòu)造；依次層疊了第一鐵磁性層、第一非磁性層、第二鐵磁性層、第二非磁性層、第三鐵磁性層，第一和第二鐵磁性層磁耦合，第二和第三鐵磁性層磁耦合的構(gòu)造。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于所述磁性膜設(shè)置在基底金屬層上，所述基底金屬層由Ta、Pt、Ru中的至少一種元素構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于所述磁性膜具有用鐵磁性層夾著非磁性層的構(gòu)造，夾著所述非磁性層的鐵磁性層反鐵磁性地耦合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于所述存儲層的所述鐵磁性層的膜厚是1nm～3nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于所述磁性膜包含鄰接反鐵磁性層而設(shè)置的，通過與該反鐵磁性層的交換耦合力而固定了磁化的具有鐵磁性層的磁化固定層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于所述磁化固定層的鐵磁性層由Co-Fe的二元合金構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁阻效應(yīng)元件，其特征在于所述反鐵磁性層由PtxMn1-x(49.5at％≤x≤50.5at％)、NiyMn1-y(49.5at％≤y≤50.5at％)、IrzMn1-z(22at％≤z≤27at％)中的任意一種構(gòu)成。
9.一種磁存儲器，其特征在于具備第一布線；與所述第一布線交叉的第二布線；設(shè)置在所述第一布線和所述第二布線的各交叉區(qū)域中的存儲單元；所述存儲單元具有磁阻效應(yīng)元件作為存儲元件，該磁阻效應(yīng)元件包含隔著非磁性層層疊多個鐵磁性層的存儲層、具有至少一層鐵磁性層的磁性膜、設(shè)置在所述存儲層和所述磁性膜之間的隧道勢壘層；所述存儲層的鐵磁性層由Ni-Fe-Co三元合金構(gòu)成；在Ni-Fe-Co三元狀態(tài)圖中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域中的任意一方的組成區(qū)域中選擇的組成；所述存儲層和所述隧道勢壘層的界面以及所述磁性膜和所述隧道勢壘層的界面的最大表面粗糙度為0.4nm以下。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁存儲器，其特征在于所述第一和第二布線的至少一方至少在側(cè)部具有由軟磁性材料構(gòu)成的覆蓋層。
11.一種磁存儲器，具有第一布線；形成在所述第一布線之上的第一磁阻效應(yīng)元件；形成在所述第一布線之下的第二磁阻效應(yīng)元件；形成在所述第一布線之上并且與所述第一布線交叉的第二布線；形成在所述第一布線之下并且與所述第一布線交叉的第三布線；所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件分別包含隔著非磁性層層疊多個鐵磁性層的存儲層、具有至少一層鐵磁性層的磁性膜、設(shè)置在所述存儲層和所述磁性膜之間的隧道勢壘層；所述存儲層的鐵磁性層由Ni-Fe-Co三元合金構(gòu)成；在Ni-Fe-Co三元狀態(tài)圖中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直線、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直線包圍的內(nèi)側(cè)的組成區(qū)域中的任意一方的組成區(qū)域中選擇的組成；所述存儲層和所述隧道勢壘層的界面以及所述磁性膜和所述隧道勢壘層的界面的最大表面粗糙度為0.4nm以下；通過一邊使電流分別流向所述第二和第三布線，一邊使電流流向所述第一布線，能分別使所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件的存儲層的磁化向給定方向反轉(zhuǎn)；通過檢測由所述第一布線使讀出電流流向所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件而取得的來自所述第一和第二磁阻效應(yīng)元件的輸出信號的差分，讀出雙值信息的任意一個。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的磁存儲器，其特征在于所述第二和第三布線的至少一方至少在側(cè)部具有由軟磁性材料構(gòu)成的覆蓋層。
全文摘要
能取得即使減小尺寸，也能實現(xiàn)MR比大、熱穩(wěn)定性優(yōu)異、開關(guān)磁場小的磁阻效應(yīng)元件和使用該磁阻效應(yīng)元件的磁存儲器。包含隔著非磁性層層疊多個鐵磁性層的存儲層、具有至少一層鐵磁性層的磁性膜、設(shè)置在所述存儲層和所述磁性膜之間的隧道勢壘層；所述存儲層的鐵磁性層由Ni－Fe－Co三元合金構(gòu)成；所述存儲層和所述隧道勢壘層的界面以及所述磁性膜和所述隧道勢壘層的界面的最大粗糙度為0.4nm以下。
文檔編號H01F10/16GK1463010SQ0310827
公開日2003年12月24日 申請日期2003年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月27日
發(fā)明者西山勝哉, 斉藤好昭, 天野実 申請人:株式會社東芝