本發(fā)明的實施方案涉及磁阻元件和磁存儲器。

背景技術(shù)：

作為磁阻元件(magnetoresistiveelement)的mtj(magnetictunneljunction)元件具備具有磁化方向可變的存儲層、磁化方向不變的參考層以及設(shè)于存儲層和參考層之間的絕緣層的層疊結(jié)構(gòu)。已知該mtj元件顯示隧穿磁阻(tmr：tunnelingmagnetoresistive)效應(yīng)，被用作磁隨機存取存儲器(mram：magneticrandomaccessmemory)中的存儲器基元(cell)的存儲元件。

mram根據(jù)mtj元件中所包含的磁性層的磁化的相對角度的變化來存儲信息(“1”、“0”)，是非易失性的。另外，磁化反轉(zhuǎn)速度為數(shù)納秒，因此可進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速寫入、高速讀出。因此，mram期待作為下一代的高速非易失性存儲器。另外，如果利用通過自旋極化電流來控制磁化的被稱作自旋注入磁化反轉(zhuǎn)的方式，則能通過減小mram的基元尺寸(cell-size)來使電流密度增加。因此，可容易實現(xiàn)存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，能實現(xiàn)高密度、低功耗的mram。

在考慮了非易失性存儲器的高密度化的情況下，磁阻元件的高集成化是不可或缺的。但是，構(gòu)成磁阻元件的磁性體隨著元件尺寸的減小化而耐熱擾動性劣化。因此，使磁性體的磁各向異性和耐熱擾動性改善成為課題。

為了解決該問題，近年來，嘗試構(gòu)建利用了垂直mtj元件(其磁性體的磁化向著與膜表面垂直的方向)的mram。構(gòu)成垂直mtj元件的磁性材料具有垂直磁各向異性。為了呈現(xiàn)垂直磁各向異性，選擇具有磁晶各向異性、界面磁各向異性的材料。例如，fept、copt、fepd等為具有強的磁晶各向異性的材料。其它作為將mgo用作隧道勢壘層(tunnelbarrierlayer)的mtj元件，還報道了使用以cofeb為代表的具有界面垂直磁各向異性的材料。

mtj元件的存儲層和參考層包含磁性體，對外部產(chǎn)生磁場。通常，在存儲層和參考層具有垂直磁各向異性的垂直磁化型mtj元件中，從參考層產(chǎn)生的漏磁場大于面內(nèi)磁化型mtj元件(其磁性體的磁化向著與膜表面平行的方向)的漏磁場。另外，與參考層相比矯頑力更小的存儲層受到來自參考層的漏磁場的強烈影響。具體而言，由于來自參考層的漏磁場的影響，產(chǎn)生如下問題：發(fā)生存儲層的磁化反轉(zhuǎn)磁場的偏移，同時使熱穩(wěn)定性降低。

在垂直磁化型mtj元件中，作為降低施加于存儲層的來自參考層的漏磁場的措施之一，提出了降低參考層的飽和磁化量、設(shè)置具有抵消參考層的磁化那樣的磁化方向的磁性層(偏移調(diào)整層)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2012-064903號公報

專利文獻(xiàn)2：日本特開2013-251336號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

本實施方案提供能降低漏磁場(雜散磁場(strayfield))的磁阻效應(yīng)元件，以及使用了該元件的磁存儲器。

用于解決課題的手段

根據(jù)本實施方案的磁阻元件具備第1磁性層、第2磁性層以及設(shè)于所述第1磁性層和所述第2磁性層之間的第1非磁性層，所述第2磁性層具備包含選自由mn、fe、co和ni組成的第1組的至少一種元素、選自由ru、rh、pd、ag、os、ir、pt和au組成的第2組的至少一種元素、以及選自由eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的第3組的至少一種元素的磁性體。

附圖說明

圖1是示出根據(jù)第1實施方案的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。

圖2是示出根據(jù)第1實施方案的變形例的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。

圖3是示出根據(jù)第2實施方案的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。

圖4是示出根據(jù)第3實施方案的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。

圖5是示出根據(jù)第4實施方案的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。

圖6是示出根據(jù)第5實施方案的磁阻效應(yīng)元件的截面圖。

圖7a是示出在2個copt磁性層間插入了厚度為的gd層的層疊結(jié)構(gòu)的磁化曲線的圖。

圖7b是示出在2個copt磁性層間插入了厚度為的gd層的層疊結(jié)構(gòu)的磁化曲線的圖。

圖7c是示出在2個copt磁性層間插入了厚度為的gd層的層疊結(jié)構(gòu)的磁化曲線的圖。

圖8是示出層疊了3次“copt/gd”的層疊結(jié)構(gòu)中的ms×t與gd層的厚度的關(guān)系的圖。

圖9是示出層疊了3次“copt/tb”的層疊結(jié)構(gòu)中的ms×t與tb層的厚度依賴性的圖。

圖10是示出gd/copt層疊膜中的copt層的ms與gd層的厚度的關(guān)系的圖。

圖11是示出smcocu/gd/ta層疊膜中的smcocu層的ms與gd層的厚度的關(guān)系的圖。

圖12是對根據(jù)實施例1的磁阻元件和根據(jù)參照例的磁阻元件的隧穿磁阻效應(yīng)比進(jìn)行了比較的圖。

圖13是示出使用了由smcocu構(gòu)成的參考層的磁阻元件的由ti構(gòu)成的功能層的厚度與隧穿磁阻效應(yīng)比的關(guān)系的圖。

圖14是示出根據(jù)第6實施方案的磁存儲器的存儲器基元的截面圖。

圖15是根據(jù)第6實施方案的磁存儲器的電路圖。

具體實施方式

以下，參照附圖對實施方案進(jìn)行說明。予以說明，在以下的說明中，關(guān)于具有同一功能和構(gòu)成的要素賦予同樣的附圖標(biāo)記，僅在必要時進(jìn)行重復(fù)說明。

(第1實施方案)

圖1中示出根據(jù)第1實施方案的磁阻元件的截面。第1實施方案的磁阻元件1為單一釘扎(singlepinned)結(jié)構(gòu)的mtj元件。該磁阻元件1具備層疊結(jié)構(gòu)，該層疊結(jié)構(gòu)具有：包含磁性體的存儲層2、包含磁性體的界面磁性層5、包含磁性體的參考層6、設(shè)于存儲層2和界面磁性層5之間的非磁性層4、設(shè)于界面磁性層5和參考層6之間的功能層7、設(shè)于相對于參考層6的與功能層7相反一側(cè)的包含磁性體的偏移調(diào)整層10、以及設(shè)于參考層6和偏移調(diào)整層10之間的反鐵磁耦合層8。即，第1實施方案的磁阻元件1具有將存儲層2、非磁性層4、界面磁性層5、功能層7、參考層6、反鐵磁耦合層8和偏移調(diào)整層10按該順序?qū)盈B了的層疊結(jié)構(gòu)(在圖1中，從存儲層2向偏移調(diào)整層10依次層疊了的層疊結(jié)構(gòu))。

(變形例)

另外，如圖2中示出的根據(jù)第1實施方案的變形例的磁阻元件1a那樣，可以是將偏移調(diào)整層10、反鐵磁耦合層8、參考層6、功能層7、界面磁性層5、非磁性層4和存儲層2按該順序?qū)盈B了的層疊結(jié)構(gòu)。即，在圖2中示出的變形例中，具有以與圖1所示的層疊順序相反的順序?qū)盈B了的層疊結(jié)構(gòu)。

而且，在第1實施方案的磁阻元件1及其變形例的磁阻元件1a中，存儲層2、界面磁性層5、參考層6和偏移調(diào)整層10各自具有垂直磁各向異性。即，為包含磁性體的各層的磁化方向向著與膜表面垂直的方向(或具有垂直方向的成分)的垂直磁化型的mtj元件。在此，“膜表面”是指各層的上表面。例如，“與膜表面垂直的方向”為包含存儲層和參考層的層疊體的層疊方向。

存儲層2為包含磁化的方向可通過自旋極化了的電子的作用而反轉(zhuǎn)的磁性體的層。作為存儲層2，可使用：由選自磁性過渡元素的組(由mn、fe、co和ni組成的組)的一種元素構(gòu)成的單質(zhì)、包含選自上述磁性過渡元素的組的至少一種元素的合金、或包含選自上述磁性過渡元素的組的至少一種元素及選自非磁性元素的組(例如由b、al、si、ti、v、cr、ga、ge和bi組成的組)的至少一種元素的合金。

界面磁性體5可使用：由選自磁性過渡元素的組(由mn、fe、co和ni組成的組)的一種元素構(gòu)成的單質(zhì)、包含選自上述磁性過渡元素的組的至少一種元素的合金、選自上述磁性過渡元素的組的至少一種元素與硼b的化合物(例如feb或cofeb等)、或包含選自上述磁性過渡元素的組的至少一種元素及選自非磁性元素的組(由al、si、ti、v、cr、ga和ge組成的組)的至少一種非磁性元素的合金(例如mnga、mn3ge等)、或霍斯勒合金(例如co2femnsi等)等。

參考層6和功能層7為作為本實施方案的關(guān)鍵的層。作為用于降低施加于存儲層2的漏磁場的對策，降低來自參考層6的漏磁場、或者一邊通過處理功能層7來降低來自參考層6或界面磁性層5的漏磁場一邊實現(xiàn)良好的隧穿磁阻效應(yīng)比(tmr比)變得重要。后面說明關(guān)于這些的詳細(xì)情況。

偏移調(diào)整層10可使用：包含選自磁性過渡元素的組(由mn、fe、co和ni組成的組)的至少一種元素及選自稀土元素的組(由y、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組)的至少一種元素的合金(例如sm2co17等)、或者包含選自上述磁性過渡元素的組的至少一種元素及選自貴金屬元素的組(由ru、rh、pd、os、ir、pt、au和ag組成的組)的至少一種元素的合金(例如fept、copt、copd等)。另外，為了減小漏磁場對存儲層2的影響，偏移調(diào)整層10具有在與上述參考層6的磁化彼此相反的方向上朝向的磁化取向、即反平行的磁化取向。

非磁性層4可使用包含選自金屬元素的組(由mg、al、ca、ti、cr、fe、cu、zn、nb和sr組成的組)的至少一種金屬元素的氧化物。

反鐵磁耦合層8通過插入磁性層間，在這些磁性層間產(chǎn)生反鐵磁性的層間交換耦合。作為反鐵磁耦合層8，例如可使用：包含選自ru、rh和ir等的組的一種金屬元素的單質(zhì)、包含選自由mn、cr和fe組成的組的至少一種3d過渡元素的合金、或包含上述金屬元素和上述3d過渡元素的合金。例如，作為包含3d過渡金屬的合金，可使用irmn、ptmn、femn、ferh等的合金。另外，反鐵磁耦合層8可包含選自稀土元素的組(由y、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組)的一種元素。

(寫入方法)

對于向第1實施方案和以下的實施方案中說明的磁阻元件寫入信息(數(shù)據(jù))的方法進(jìn)行說明。

首先，在使存儲層2的磁化方向相對于參考層6的磁化方向從反平行變?yōu)槠叫械那闆r下，與電流反方向地流動的電子流從偏移調(diào)整層10向存儲層2流動。在該情況下，通過了參考層6和界面磁性層5的電子被自旋極化。該被自旋極化了的電子通過非磁性層4流入存儲層2。流入了存儲層2的電子向存儲層2的磁化施予自旋扭矩，以使存儲層2的磁化方向成為與界面磁性層5的磁化方向平行的方式起作用。由此，存儲層2的磁化方向與界面磁性層5的磁化方向變得平行。

另外，在使存儲層2的磁化方向相對于界面磁性層5的磁化方向從平行變?yōu)榉雌叫械那闆r下，電子流從存儲層2向偏移調(diào)整層10流動。在該情況下，通過了存儲層2的電子被自旋極化。該被自旋極化了的電子通過非磁性層4而朝向界面磁性層5。被自旋極化了的電子中，具有與界面磁性層5的磁化方向相同方向的自旋的電子通過界面磁性層5。但是，具有與界面磁性層5的磁化方向相反方向的自旋的電子在非磁性層4與界面磁性層5的界面被反射，通過非磁性層4而流入存儲層2。流入了存儲層2的電子向存儲層2的磁化施予自旋扭矩，以使存儲層2的磁化方向成為與界面磁性層5的磁化方向反平行的方式起作用。由此，存儲層2的磁化方向與界面磁性層5的磁化方向變得反平行。

(讀出方法)

接著，對于從第1實施方案和以下的實施方案中說明的磁阻元件讀出信息(數(shù)據(jù))的方法進(jìn)行說明。

就來自磁阻元件的信息的讀出而言，通過讀出電流從存儲層2和偏移調(diào)整層10中的一者向另一者流動，測定磁阻元件1的兩端的電壓或電流，由此判定存儲層2的磁化方向與界面磁性層5的磁化方向是平行還是反平行。在平行的情況下，磁阻元件1的兩端的電阻低，在反平行的情況下，磁阻元件1的兩端的電阻變高。

(第2實施方案)

圖3中示出根據(jù)第2實施方案的磁阻元件的截面。該第2實施方案的磁阻元件1b具有在圖1所示的第1實施方案的磁阻元件1中除去了設(shè)于界面磁性層5和參考層6之間的功能層7的結(jié)構(gòu)。也就是說，具有界面磁性層5和參考層6直接相接的結(jié)構(gòu)。

予以說明，在圖3所示的第2實施方案的磁阻元件1b中，具有將存儲層2、非磁性層4、界面磁性層5、參考層6、反鐵磁耦合層8和偏移調(diào)整層10按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)，但與第1實施方案的變形例同樣，也可以為按相反順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。即，也可以為將偏移調(diào)整層10、反鐵磁耦合層8、參考層6、界面磁性層5、非磁性層4和存儲層2按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。

(第3實施方案)

圖4中示出根據(jù)第3實施方案的磁阻元件的截面。該第3實施方案的磁阻元件1c具有如下結(jié)構(gòu)：在圖1所示的第1實施方案的磁阻元件1中，在界面磁性層5和參照層6之間設(shè)置反鐵磁耦合層8a代替功能層7，界面磁性層5和參照層6的磁化方向通過該反鐵磁耦合層8a被反平行地耦合。

通過利用反鐵磁耦合層8a使界面磁性層5和參照層6的磁化方向反平行地耦合，用偏移調(diào)整層10消除來自界面磁性層5的漏磁場與來自參考層6的漏磁場之差即可。由此，可降低施加于存儲層2的漏磁場。這樣施加于存儲層2的漏磁場降低時，具有如下優(yōu)點：即使減薄偏移調(diào)整層10的膜厚也可消除施加于存儲層2的漏磁場，導(dǎo)致制造磁阻元件時的加工膜厚的減小。另外，反鐵磁耦合層8a可使用第1實施方案中說明的反鐵磁耦合層8的材料。

予以說明，在圖4所示的第3實施方案的磁阻元件1c中，具有將存儲層2、非磁性層4、界面磁性層5、反鐵磁耦合層8a、參考層6、反鐵磁耦合層8和偏移調(diào)整層10按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)，但與第1實施方案的變形例同樣，也可以為按相反順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。即，也可以為將偏移調(diào)整層10、反鐵磁耦合層8、參考層6、反鐵磁耦合層8a、界面磁性層5、非磁性層4和存儲層2按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。

(第4實施方案)

圖5中示出根據(jù)第4實施方案的磁阻元件的截面。該第4實施方案的磁阻元件1d具有如下結(jié)構(gòu)：在圖4所示的第3實施方案的磁阻元件1c中，設(shè)置具有與參考層6相同的磁化方向的偏移調(diào)整層10a來代替偏移調(diào)整層10，同時在參考層6和偏移調(diào)整層10a之間設(shè)置界面層9來代替反鐵磁耦合層8。通過這樣的結(jié)構(gòu)，偏移調(diào)整層10a和參考層6的磁化方向經(jīng)由界面層9變得平行，并且偏移調(diào)整層10a和參考層6的磁化方向相對于界面磁性層5的磁化方向變得反平行。在該情況下，也與第3實施方案同樣，用偏移調(diào)整層10a消除來自界面磁性層5的漏磁場與來自參考層6的漏磁場之差即可。在來自界面磁性層5的漏磁量大于來自參考層6的漏磁量的情況下，為了降低施加于存儲層2的漏磁場，使偏移調(diào)整層10a和參考層6的磁化方向平行。在該情況下，在界面層9中使用不引起反鐵磁耦合的非磁性材料(例如al、sc、v、cr、zn、ag、zr、nb、mo、hf、ta、w等)，或使用以不引起反鐵磁耦合的方式調(diào)整了膜厚的金屬材料(例如ru、ir、pt等)，或使用氮化物材料(例如aln、tin、vn等)等。

予以說明，在圖5所示的第4實施方案的磁阻元件1d中，具有將存儲層2、非磁性層4、界面磁性層5、反鐵磁耦合層8a、參考層6、界面層9和偏移調(diào)整層10a按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)，但與第1實施方案的變形例同樣，也可以為按相反順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。即，也可以為將偏移調(diào)整層10a、界面層9、參考層6、反鐵磁耦合層8a、界面磁性層5、非磁性層4和存儲層2按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。

(第5實施方案)

圖6中示出根據(jù)第5實施方案的磁阻元件的截面。該第5實施方案的磁阻元件1e具有在圖5所示的第4實施方案的磁阻元件1d中削除了界面層9和偏移調(diào)整層10a的結(jié)構(gòu)。在該情況下，以磁化方向能反平行地耦合從而消除漏磁場的方式分別調(diào)整界面磁性層5和參考層6的飽和磁化。由此，不需要偏移調(diào)整層10a。與之相隨也不需要界面層9。這樣，不需要界面層9和偏移調(diào)整層10a時，能大幅減小制造磁阻元件時的加工膜厚，元件尺寸的小型化變得容易，可有助于大容量化。

予以說明，在圖6所示的第5實施方案的磁阻元件1e中，具有將存儲層2、非磁性層4、界面磁性層5、反鐵磁耦合層8a和參考層6按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)，但與第1實施方案的變形例同樣，也可以為按相反順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。即，也可以為將參考層6、反鐵磁耦合層8a、界面磁性層5、非磁性層4和存儲層2按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。

(參考層6)

接著，以下對可用于上述第1至第5實施方案及它們的變形例的參考層6進(jìn)行詳細(xì)說明。

對于上述實施方案及其變形例中的磁阻元件的參考層，通?？墒褂眠x自磁性過渡元素的組(由mn、fe、co和ni組成的組)的至少一種元素與選自貴金屬元素的組(由ru、rh、pd、ag、os、ir、pt和au組成的組)的至少一種元素的合金(例如copt等)等。

但是，為了降低施加于存儲層的漏磁場，期望采用更低飽和磁化ms。作為用于使參考層為低飽和磁化的通常已知的方法，使用為了使2個磁性層的磁化方向反平行耦合而在2個磁性層之間插入ru等的反鐵磁耦合層的方法。但是，由該方法得到的作用于2個磁性層的層間交換耦合力變得不那么大，2個磁性層的磁化會因數(shù)koe左右的外部磁場而從反平行變?yōu)槠叫蟹较?。因此，不適于以參考層的飽和磁化ms的降低為目的的用途。因此，根據(jù)上述理由，需要使參考層低飽和磁化，同時充分確保參考層內(nèi)的磁耦合的方法。因此，本發(fā)明人進(jìn)行以下示出的各種實驗。

首先，準(zhǔn)備三種在厚度為的copt磁性層與厚度為的copt磁性層之間插入了厚度不同的重稀土元素gd層的copt/gd/copt的層疊結(jié)構(gòu)。準(zhǔn)備的三種層疊結(jié)構(gòu)的gd層的厚度為將這三種層疊結(jié)構(gòu)的磁化曲線分別示于圖7a、7b、7c。橫軸表示gd層的厚度，縱軸表示層疊結(jié)構(gòu)的磁化m(emu/cc)。

如從圖7a、7b、7c可知的那樣，即使施加10koe的外部磁場，與gd層的膜厚無關(guān)，也沒有產(chǎn)生表示在上下的copt層的磁化方向的關(guān)系變化時所出現(xiàn)的磁化m的增減的階差。換言之，表示由copt/gd/copt構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)變現(xiàn)為一磁性膜，意味著2個copt層經(jīng)由gd層牢固地磁耦合。

接著，將厚度為的copt層和厚度為的gd層的層疊膜作為一個單元，準(zhǔn)備將其重復(fù)層疊了三次的層疊結(jié)構(gòu)。予以說明，在各層疊結(jié)構(gòu)中，gd層的厚度t相同，準(zhǔn)備了gd層的厚度t＝0、2、3、的4種層疊結(jié)構(gòu)。圖8中示出對這4種層疊結(jié)構(gòu)的飽和磁化ms(emu/cc)和層疊結(jié)構(gòu)的厚度的乘積(以下稱作ms×t)與gd層的厚度t的關(guān)系進(jìn)行了測定的結(jié)果。在此，ms×t是表示磁性膜整體的磁化量的值。如從圖8可知的那樣，示出了隨著gd層的厚度t的增大，ms×t下降。

如從這些圖7a至圖8的實驗結(jié)果可知的那樣，與在2個copt磁性層之間插入了ru層的情形相比，在插入了gd層的情況下，示出了磁耦合牢固、磁化也下降。

接著，將厚度為的copt層和厚度為的tb層的層疊膜作為一個單元，準(zhǔn)備將其重復(fù)層疊了三次的層疊結(jié)構(gòu)。予以說明，在各層疊結(jié)構(gòu)中，tb層的厚度t相同，準(zhǔn)備了tb層的厚度t＝0、2、3、的4種層疊結(jié)構(gòu)。圖9中示出對這4種層疊結(jié)構(gòu)的飽和磁化ms(emu/cc)和層疊結(jié)構(gòu)的厚度t的乘積(以下稱作ms×t)與tb層的厚度的關(guān)系進(jìn)行了測定的結(jié)果。如從圖9可知的那樣，在插入tb層的情形下，也與插入gd層的情形同樣，隨著tb層的厚度t的增大，ms×t下降。因此，表示在插入tb層的情形下也得到與插入gd層同樣的效果。

認(rèn)為圖7a至圖9中示出的實驗結(jié)果表示的、ms×t隨著插入的gd層或tb層的厚度的增大而下降的原因如下。

認(rèn)為gd、tb等重稀土元素(eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu)具有易于與磁性過渡元素(mn、fe、co、ni)形成費里耦合(フェリ結(jié)合)的性質(zhì)。因此，認(rèn)為不限于上述gd、tb，使用了重稀土元素的情形能得到同樣的結(jié)果。另外，認(rèn)為ms×t因gd、tb層的厚度t的增大而進(jìn)一步降低是由于與copt進(jìn)行費里耦合的部分變大。

如上所述，為了具有強的磁耦合、并且使上述第1至第5實施方案中使用的參考層6的飽和磁化ms降低，參考層6使用包含選自磁性過渡元素的組(由mn、fe、co和ni組成的組)的至少一種元素、選自貴金屬元素的組(由ru、rh、pd、ag、os、ir、pt和au組成的組)的至少一種元素、及選自重稀土元素的組(由eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組)的至少一種元素的磁性體即可。

另外，如從后述的圖10可知的那樣，為了使參考層6的飽和磁化ms降低，參考層6可以為第1層和第2層的層疊結(jié)構(gòu)，該第1層包含選自磁性過渡元素的組(由mn、fe、co和ni組成的組)的至少一種元素及選自貴金屬元素的組(由ru、rh、pd、ag、os、ir、pt和au組成的組)的至少一種元素，該第2層包含選自重稀土元素的組(由eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組)的至少一種元素。予以說明，作為第2層，可使用由選自上述重稀土元素的組的至少一種元素構(gòu)成的單一層。

(功能層7)

接著，以下對可用于上述第1實施方案的功能層7進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖10中示出對在copt層上分別成膜了具有不同厚度的gd層(厚度為0、15、30、)時的copt層的飽和磁化ms(emu/cc)與gd層的厚度的關(guān)系進(jìn)行了測定的結(jié)果。如從圖10可知的那樣，示出在增加gd層的厚度時copt層的飽和磁化ms下降。也就是說，在圖7a至圖8中，示出了通過在2個copt層之間插入gd層來降低ms×t的效果。但是，如圖10所示，示出了即使僅使copt層和gd層鄰接，也得到了降低copt層的飽和磁化ms的效果。

接著，圖11中示出對在由厚度為的ta構(gòu)成的底基層上成膜了厚度不同的gd層(厚度為0、5、)、在這些gd層上分別成膜了厚度為的smcocu層時的smcocu層的飽和磁化ms與gd層的厚度的關(guān)系進(jìn)行了測定的結(jié)果。在此，smcocu層與上述功能層7一起用作參考層用的磁性體。由smcocu構(gòu)成的參考層為包含選自磁性過渡元素的組(由mn、fe、co和ni組成的組)的至少一種元素、選自稀土元素的組(由y、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組)的至少一種元素元素、以及選自非磁性元素的組(由b、c、mg、al、sc、ti、cu和zn組成的組)的至少一種元素的磁性體的組的一例。作為參考層，可以是包含分別選自上述的磁性過渡元素的組、稀土元素的組及非磁性元素的組的元素的任一磁性材料(例如，參照本申請人申請的特愿2014-191669號)。

另外，關(guān)于上述由smcocu構(gòu)成的參考層，關(guān)于在后述的圖12和圖13中示出的實施例中使用的smcocu參考層，同樣的內(nèi)容也合適。如圖11可知的那樣，隨著gd層的厚度的增大，smcocu層的飽和磁化ms降低。也就是說，與圖10所示的實驗結(jié)果同樣，顯示了僅通過使其與gd層鄰接，也可降低smcocu層的飽和磁化ms。作為其原因，認(rèn)為上述的重稀土元素和磁性過渡元素容易引起費里耦合。因此，在圖10和圖11的實驗中使用gd層進(jìn)行了驗證，但認(rèn)為在使包含選自重稀土元素的組(由eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組)的至少一種元素的層鄰接的情況下，也能得到與上述實驗同樣的效果。

實施例

(實施例1)

接著，在圖12中示出對在存儲層及界面磁性層中使用cofeb、在非磁性層中使用mgo、使用smcocu作為參考層的圖1所示的第1實施方案的實施例1的磁阻元件、以及在實施例1的磁阻元件中使用copt代替smcocu作為參考層的參照例的磁阻元件的隧穿磁阻效應(yīng)比(以下稱作tmr比)進(jìn)行了測定的結(jié)果。

在使用了smcocu參考層的磁阻元件中，使用ti、ta、ru、pt作為插入smcocu參考層和界面磁性層之間的功能層的材料(厚度均為)來測定tmr比。如從圖12可知的那樣，在插入了ti層作為功能層的情況(曲線g2)下，得到了與參照例(曲線g1)大致同等的tmr比。另外，使用了ta和ru分別作為功能層的情形(曲線g3和g4)與參照例、由ti構(gòu)成的功能層的情形(曲線g1和曲線g2)相比，可得到tmr比稍微降低的較良好的tmr比。與此相對，在使用了由pt構(gòu)成的功能層的情況(曲線g5)下，與上述情形相比，tmr比下降。

這樣在使用了smcocu參考層的磁阻元件中，作為tmr比因功能層的材料而較大變化的原因，認(rèn)為由稀土元素(在圖12的實施例中為sm)的擴散等引起的界面磁性層的自旋極化率等的劣化、氧化物隧道勢壘層的氧脫去效應(yīng)產(chǎn)生影響。也就是說，在使用了ti作為功能層的情況下，ti的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶結(jié)構(gòu)，具有與由smcocu構(gòu)成的參考層同樣的晶體結(jié)構(gòu)，因此促進(jìn)并穩(wěn)定由smcocu構(gòu)成的參考層的結(jié)晶有序化，故進(jìn)一步抑制了構(gòu)成參考層的稀土元素等的擴散。由此，認(rèn)為可得到與不使用由smcocu構(gòu)成的參考層時的tmr比同等的tmr比。這樣的效果不限于ti，在使用了具有六方晶結(jié)構(gòu)的材料、例如包含選自由mg、sc、co、zr、hf和zn組成的組的至少一種元素的材料的情況下，也能期待這樣的效果。

如圖12的實施例1所示，認(rèn)為在使用了ru作為功能層的情形(曲線g4)也得到了較良好的tmr比的原因也與上述的情形同樣，是由于ru的晶體結(jié)構(gòu)為六方晶結(jié)構(gòu)。

另外，作為在使用了ta作為功能層的情形(曲線g3)下得到了較良好的tmr比的原因，認(rèn)為是由于ta為高熔點材料而難以結(jié)晶化、具有非晶或微晶結(jié)構(gòu)，由此不阻礙由smcocu構(gòu)成的參考層的結(jié)晶有序化，晶體結(jié)構(gòu)易于穩(wěn)定化，參考層的構(gòu)成元素的擴散被抑制。認(rèn)為這是基于能用ta功能層重置(reset)由cofeb構(gòu)成的界面磁性層的立方晶結(jié)構(gòu)帶來的效果。這樣的效果不限于ta，在使用了高熔點材料、例如包含選自由nb、mo和w組成的組的至少一種元素的材料的情形下也能期待這樣的效果。

(實施例2)

圖13中示出對根據(jù)使用了由smcocu構(gòu)成的參考層的第1實施方案的實施例2的磁阻元件的由ti構(gòu)成的功能層的膜厚與tmr比的關(guān)系進(jìn)行了測定的結(jié)果。與圖12的實施例1中使用的具有由smcocu構(gòu)成的參考層的磁阻元件的不同點在于，將由cofeb構(gòu)成的界面磁性層的膜厚薄膜化。因此，圖13的實施例2中得到的tmr比與圖12所示的實施例1的情形相比，整體降低。如從圖13可知的那樣，由ti構(gòu)成的功能層的厚度變得越厚，tmr比越增大，在由ti構(gòu)成的功能層的厚度為時可得到與參照例的磁阻元件的tmr比大致同等的tmr比。因此，在使用ti功能層作為單層的功能層的情況下，認(rèn)為期望厚度為以上、且為參考層與界面磁性層的磁耦合不被切斷的膜厚(例如大于以下)的范圍。認(rèn)為這不限于使用了ti作為功能層的情形，與圖12的實施例1相關(guān)而舉出的具有六方晶結(jié)構(gòu)的材料(例如包含選自由mg、sc、co、zr、hf和zn組成的組的至少一種元素的材料)或高熔點材料(例如包含選自由nb、mo、ta和w組成的組的至少一種元素的材料)也是同樣的。

對關(guān)于上述第1實施方案中使用的功能層7的上述內(nèi)容進(jìn)行綜合時，得到以下內(nèi)容。為了降低來自參考層的漏磁場、同時實現(xiàn)良好的tmr比，作為功能層7，優(yōu)選使用：由選自有助于漏磁場降低的重稀土元素的組(由eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組)的至少一種元素構(gòu)成的單一層、包含選自有助于高tmr比的金屬元素(具有六方晶結(jié)構(gòu)的材料；選自由mg、ti、sc、co、zr、hf、zn組成的組的至少一種元素)的單一層、或包含高熔點材料(例如選自由nb、mo、ta和w組成的組的至少一種元素)的單一層。

另外，作為功能層7，優(yōu)選使用具備第1層和第2層的層疊結(jié)構(gòu)，該第1層包含選自由eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組的至少一種元素，該第2層包含選自由mg、ti、sc、co、zr、hf、zn組成的組的至少一種元素或選自由nb、mo、ta和w組成的組的至少一種元素。予以說明，作為第1層，可使用由選自eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組的至少一種元素構(gòu)成的單一層。

予以說明，在使用了上述功能層7的磁阻元件中，作為參考層，優(yōu)選使用包含選自由mn、fe、co和ni組成的組的至少一種元素、選自由稀土元素組成的組的sm、以及選自由b、c、mg、al、sc、ti、cu和zn組成的組的至少一種元素的磁性體。另外，作為上述參考層，可進(jìn)一步包含選自由y、la、ce、pr、nd、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu組成的組的至少一種元素。

(第6實施方案)

參照圖14和圖15對根據(jù)第6實施方案的磁存儲器進(jìn)行說明。第6實施方案的磁存儲器具有至少1個存儲器基元，在圖14中示出該存儲器基元的截面圖。存儲器基元53具有第1至第5實施方案的磁阻元件(mtj元件)作為存儲元件。在以下的說明中，存儲器基元53采用具有第1實施方案的磁阻元件1作為存儲元件的存儲器基元。

如圖14所示，磁阻元件(mtj元件)1的上表面經(jīng)由上部電極31連接至位線32。另外，mtj元件1的下表面經(jīng)由下部電極33、引出電極34和插塞35連接至半導(dǎo)體基板36的表面的源極/漏極區(qū)域(第1和第2端子)中的漏極區(qū)域37a。漏極區(qū)域37a與源極區(qū)域37b、形成于基板36上的柵極絕緣膜38、形成于柵極絕緣膜38上的柵極電極39(控制端子)一起構(gòu)成選擇晶體管tr。選擇晶體管tr和mtj元件1構(gòu)成mram的1個存儲器基元。源極區(qū)域37b經(jīng)由插塞41與另一位線42連接。予以說明，也可以不使用引出電極34，將插塞35設(shè)于下部電極33的下方，將下部電極33和插塞35直接連接。位線32、42、電極31、33、引出電極34和插塞35、41由w、al、alcu、cu的任一者元素形成。

就作為本實施方案的磁存儲器的mram而言，圖14所示的1個存儲器基元53例如以矩陣狀設(shè)置多個，由此形成了mram的存儲器基元陣列。

圖15是根據(jù)第6實施方案的磁存儲器100的電路圖。如圖15所示，具備了mtj元件1和選擇晶體管tr的存儲器基元53以矩陣狀配置。屬于相同列的存儲器基元53的一方的端子連接至同一位線32，另一方端子連接至同一位線42。屬于相同行的存儲器基元53的選擇晶體管tr的柵極電極(字線)39相互連接，進(jìn)而連接至行解碼器51。

位線32經(jīng)由晶體管等的開關(guān)電路54連接至電流源/宿電路55。另外，位線42經(jīng)由晶體管等的開關(guān)電路56連接至電流源/宿電路57。電流源/宿電路55、57向所連接的位線32、42供給寫入電流，或者從所連接的位線32、42抽取(引き抜く)寫入電流。

另外，位線42與讀出電路52連接。讀出電路52也可以與位線32連接。讀出電路52包含讀出電流電路、讀出放大器等。

寫入時，通過使與寫入對象的存儲器基元連接的開關(guān)電路54、56和選擇晶體管tr導(dǎo)通(on)，形成經(jīng)由寫入對象的存儲器基元的電流通路。然后，在電流源/宿電路55、57中，根據(jù)待寫入的信息，一者作為電流源起作用，另一者作為電流宿起作用。其結(jié)果，寫入電流在根據(jù)待寫入信息的方向上流動。

作為寫入速度，可以以具有從數(shù)納秒至數(shù)微妙的脈沖寬度的電流進(jìn)行自旋注入寫入。

讀出時，與寫入同樣地操作，向被指定了的mtj元件1供給不會因讀出電流電路52而引起磁化反轉(zhuǎn)的程度的小的讀出電流。然后，讀出電路52的讀出放大器通過將由基于mtj元件1的磁化狀態(tài)的電阻值引起的電流值或電壓值與參照值相比較來判定其電阻狀態(tài)。

予以說明，讀出時，優(yōu)選與寫入時相比電流脈沖寬度短。由此，減少因讀出時的電流的誤寫入。這基于：寫入電流的脈沖寬度短的一方，寫入電流值的絕對值變大。

如以上所說明的那樣，根據(jù)各實施方案，可提供能降低漏磁場的磁阻效應(yīng)元件以及使用了該元件的磁存儲器。

雖然說明了本發(fā)明的幾個實施方案，但這些實施方案作為例子提出，不意在限定發(fā)明的范圍。這些實施方案可以以其它各種形式實施，可在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種省略、置換、變更。這些實施方案、其變形與包含于發(fā)明的范圍、主旨的同樣，包含在權(quán)利要求書所記載的發(fā)明及其等同的范圍。