CN1463010A - 磁阻效应元件和具有该磁阻效应元件的磁存储器 - Google Patents

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Abstract

能取得即使减小尺寸，也能实现MR比大、热稳定性优异、开关磁场小的磁阻效应元件和使用该磁阻效应元件的磁存储器。包含隔着非磁性层层叠多个铁磁性层的存储层、具有至少一层铁磁性层的磁性膜、设置在所述存储层和所述磁性膜之间的隧道势垒层；所述存储层的铁磁性层由Ni－Fe－Co三元合金构成；所述存储层和所述隧道势垒层的界面以及所述磁性膜和所述隧道势垒层的界面的最大粗糙度为0.4nm以下。

Description

磁阻效应元件和具有该磁阻效应元件的磁存储器
技术领域
本发明涉及磁阻效应元件和具有该磁阻效应元件的磁存储器。
背景技术
使用了磁性体膜的磁阻效应元件被应用于磁头、磁传感器等中，但是也提出了用于固体磁存储器中。特别是作为能实现高速读写、大容量、低耗电的下一代固体磁存储器，对于利用了铁磁性体的磁阻效应的磁随机存取存储器(以下也称作MRAM)的关心正不断高涨。
近年，提出了具有在两个磁性金属层之间插入了一层电介质的多层结构，使电流垂直于膜面流动，作为利用了隧道电流的磁阻效应元件的所谓“铁磁性隧道结元件(以下，也称作TMR(隧道磁阻效应)元件”。在铁磁性隧道结元件中，因为取得了20％以上的磁阻变化率(MR比)(参照J.Appl.Phys.79，4724(1996))，所以对MRAM加以应用的可能性正在提高。
通过在铁磁性电极上形成0.6nm～2.0nm厚度的薄Al(铝)层后，把该表面暴露在氧辉光放电或氧气中，形成由Al2O3构成的隧道势垒层，能实现该铁磁性隧道结元件。
另外，提出了具有以下构造的铁磁性一重隧道结：邻接构成该铁磁性一重隧道结的一方的铁磁性层设置反铁磁性层，通过交换耦合力，使所述一方的铁磁性层很难发生磁化反转，成为固定了磁化方向的磁化固定层(参照日本专利公开公报：特开平10-4227号)。
另外，还提出了通过分散在电介质中的磁性粒子形成的铁磁性隧道结和铁磁性二重隧道结(连续膜)(Phys.Rev.B56(10)，R5747(1997)，应用磁学会杂志23，4-2，(1999)，Appl.Phys.Lett.73(19)，2829(1998)，Jpn.J.Appl.Phys.39，L1035(2001))。
在这些结构中，因为取得了20～50％的磁阻变化率，以及为了取得所需的输出电压值，即使增加外加在铁磁性隧道结元件上的电压值，也能抑制磁阻变化率的减小，所以具有向MRAM应用的可能性。
当在MRAM中使用TMR元件时，夹着隧道势垒层的两个铁磁性层中，把一方固定为磁化方向不变的磁化固定层作为磁化基准层，把另一方的磁化方向容易反转的磁化自由层作为存储层。通过把基准层和存储层的磁化方向的平行状态和反平行状态与二进制信息的“0”和“1”产生对应关系，就能存储信息。
通过使电流流入设置在TMR元件附近的写入布线而产生的感应磁场，使存储层的磁化方向反转，进行记录信息的写入。而且，通过TMR效应检测电阻变化量来进行记录信息的读出。
为了固定基准层的磁化方向，使用了邻接铁磁性层设置反铁磁性层，通过交换耦合力，使磁化反转难以发生的方法，这样的构造被称作自旋阀型构造。在该构造中，通过一边外加磁场，一边进行热处理(磁化固定退火)，确定了基准层的磁化方向。而通过提供磁各向异性，使容易磁化方向和基准层的磁化方向变得几乎相同，形成了存储层。
使用这些铁磁性一重隧道结或者铁磁性二重隧道结的磁存储元件具有非易失性，写入读出时间也快到10纳秒以下，改写次数也具有1015以上的潜力。特别是，如上所述，使用了铁磁性二重隧道结的磁存储元件为了取得所需的输出电压值，即使增加外加在铁磁性隧道结元件上的电压值，也能抑制磁阻变化率的减小，所以取得了大的输出电压，表现了作为磁存储元件所希望的特性。
可是，关于存储器的单元尺寸，当使用了存储单元由一个晶体管和一个TMR元件构成的1晶体管-1TMR结构(例如，参照USP5,734,605号公报)时，存在无法使尺寸减小到半导体的DRAM(动态随机存取存储器)以下的问题。
为了解决该问题，提出了在位线和字线之间串联TMR元件和二极管的二极管型结构(参照美国专利登记USP5,640,343号公报)，或在位线和字线之间配置了TMR元件的单纯矩阵型结构(参照德国专利公报DE 19744095，欧洲专利公报：WO 9914760)。
可是，如果进行大容量化，缩小TMR元件的尺寸，就会发生热起伏的问题，除了自旋信息有可能消失，伴随着TMR元件的尺寸的减小而产生的开关磁场的增大等也成为问题。
顽磁力即开关磁场依存于元件尺寸、形状、铁磁性材料的磁化、膜厚等，一般如果存储元件的尺寸减小，则开关磁场增大。这意味着当把具有隧道结的TMR元件作为存储元件用于MRAM时，在写入时需要大的电流磁场，耗电增大。当进一步考虑高集成化时，耗电增大变得更显著，是个大问题。
另外，由于基于热的Mn原子等的扩散的影响，还存在长期的热稳定性问题。
如上所述，为了实现磁存储器的超大容量化，需要即使减小TMR元件的尺寸，MR比也增大，开关磁场减小，热稳定性优越的磁阻效应元件和使用它的磁存储器。
发明内容
本发明是根据对相关课题的认识而提出的，它提供即使减小铁磁性隧道结元件的尺寸，MR比也增大，开关磁场减小，热稳定性优越的具有可靠性的磁阻效应元件和使用它的磁存储器。
本发明的第一形态的磁阻效应元件的特征在于：包含隔着非磁性层层叠多个铁磁性层的存储层、具有至少一层铁磁性层的磁性膜、设置在所述存储层和所述磁性膜之间的隧道势垒层；所述存储层的铁磁性层由Ni-Fe-Co三元合金构成；在Ni-Fe-Co三元状态图中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线包围的内侧的组成区域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线包围的内侧的组成区域中的任意一方的组成区域中选择的组成；所述存储层和所述隧道势垒层的界面以及所述磁性膜和所述隧道势垒层的界面的最大粗糙度为0.4nm以下。
本发明的第二形态的磁存储器具有第一布线、与所述第一布线交叉的第二布线、设置在所述第一布线和所述第二布线的各交叉区域中的存储单元；所述存储单元具有所述磁阻效应元件作为存储元件。
本发明的第三形态的磁存储器具有第一布线、形成在所述第一布线之上的第一磁阻效应元件、形成在所述第一布线之下的第二磁阻效应元件、形成在所述第一布线之上并且与所述第一布线交叉的第二布线、形成在所述第一布线之下并且与所述第一布线交叉的第三布线；所述第一和第二磁阻效应元件分别是所述的磁阻效应元件，通过一边使电流分别流向所述第二和第三布线，一边使电流流向所述第一布线，能分别使所述第一和第二磁阻效应元件的存储层的磁化向给定方向反转，通过检测由所述第一布线使读出电流流向所述第一和第二磁阻效应元件而取得的来自所述第一和第二磁阻效应元件的输出信号的差分，读出双值信息的任意一个。
如上所述，根据本发明，能取得即使减小尺寸，也能实现MR比大、热稳定性优异、开关磁场小的磁阻效应元件和使用该磁阻效应元件的磁存储器。
附图说明
下面简要说明附图。
图1是表示对本发明的实施例1的磁阻效应元件的存储层的组成使用了Co-Fe-Ni时的MR特性、开关磁场特性的Co-Fe-Ni三元状态图。
图2(a)和图2(b)是表示实施例1的磁阻效应元件结构的结构剖视图。
图3是表示实施例1和比较例1的开关磁场对于存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的特性的图。
图4是表示实施例1和比较例2的开关磁场对于存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的特性的图。
图5(a)和图5(b)是表示实施例1和比较例1、2的磁阻效应元件的数据保持力的可靠性实验的结果的图。
图6(a)和图6(b)是表示实施例1的磁阻效应元件的存储层的结构的剖视图。
图7(a)～图7(c)是表示实施例1的磁阻效应元件的磁化固定层的结构的剖视图。
图8(a)～图8(e)是表示实施例1的磁阻效应元件的形状的图。
图9是表示实施例2的磁阻效应元件的结构的剖视图。
图10(a)是表示实施例3的磁存储器中使用的单位存储单元的一个具体例的图，图10(b)是表示在图10(a)所示的切断线A-A切断时的剖视图。
图11(a)是表示实施例3的磁存储器中使用的单位存储单元的一个具体例的图，图11(b)是表示在图11(a)所示的切断线A-A切断时的剖视图。
图12(a)是表示实施例3的磁存储器中使用的单位存储单元的一个具体例的图，图12(b)是表示在图12(a)所示的切断线A-A切断时的剖视图。
图13(a)是表示实施例3的磁存储器中使用的单位存储单元的一个具体例的图，图13(b)是表示在图13(a)所示的切断线A-A切断时的剖视图。
图14是表示实施例3的磁存储器的结构的第一具体例的图。
图15是表示实施例3的磁存储器的结构的第二具体例的图。
图16是表示实施例3的磁存储器的结构的第三具体例的图。
图17是表示实施例3的磁存储器的结构的第四具体例的图。
图18(a)和图18(b)分别是实施例3的磁存储器的第五具体例的主视图和侧视图。
图19(a)和图19(b)分别是实施例3的磁存储器的结构的第六具体例的主视图和侧视图。
图20(a)和图20(b)分别是实施例3的磁存储器的结构的第七具体例的主视图和侧视图。
具体实施方式
在说明本发明的实施例之前，先说明产生本发明的原委。
现在，当在MRAM中把TMR元件作为存储元件使用时，我们知道由于TMR元件的两端产生的磁极导致的反磁场的影响，开关磁场与短边长度的倒数成比例增大。铁磁性体的内部磁化在中央部附近，因为磁各向异性和交换相互作用的效果，沿着容易磁化方向，变为平行的状态是最稳定的。可是，在两端部产生磁极，静磁能量增大，所以牺牲伴随着磁极产生的能量的增大，但是如果要减少静磁能量，就形成了具有与中央部不同的磁化方向的磁区(边缘区域)。该边缘区域使反转过程变复杂，使无磁场状态的残留磁化即成为输出的磁阻变化率下降。
因此，作为用于作为MRAM的TMR元件的存储层而使用的铁磁性体，选择本质上顽磁力小，同时即使在无磁场状态下也具有只能取得充分输出的大的MR比的材料对于实现高集成化的MRAM是重要的。
另外，在现行的MRAM中，作为存储层的磁性材料，报告有使用Ni-Fe类的例子(参照IEEE International Solid-State CircuitsConference，Digest of Technical Papers，2000，p.128.，IEEEInternational Solid-State Circuits Conference，Digest of TechnicalPapers，2000，p.130)。
如果着眼于上述的“顽磁力小”、“大的MR比(MR变化率)”的条件，比较Ni-Fe类、Co-Fe类，则Co-Fe类如果为40％以上，就表现了非常大的MR变化率，但是顽磁力大。而Ni-Fe类在Ni组成大的组成范围(几乎80％at以上)中，表现了非常小的顽磁力，但是MR变化率比Co-Fe类小。
顽磁力的大小即开关磁场的大小依存于磁性材料的种类、合金组成，但是一般在MR变化率大的组成的Co-Fe类合金中，顽磁力变大。而MR变化率使用自旋极化率大的合金组成材料时更大。我们知道顽磁力的大小不仅是磁性材料的种类和合金组成，而且对于比磁性层更下层的层叠构造的材料和基于层叠的粗糙度的大小非常敏感。当粗糙度大时，在磁性层间产生磁结，结果顽磁力增大。因此，对存储层使用本质上顽磁力小的材料，并且选择粗糙度小的层叠构造以及基底材料也是重要的。
特别是对存储层使用了由铁磁性层和非磁性层构成的多层层叠构造时，当存储层和隧道势垒层的界面或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度大时，存在开关磁场的大小极端增大的问题。可是，当使用了多层层叠构造的存储层时，如果减小粗糙度，则与使用单层膜时相比，存在把MR比保持在很大，并且能减小开关磁场的优点。
另外，通过使多层层叠构造的存储层的铁磁性层间产生层间耦合，即使减小单元尺寸，减小存储层的体积，也能取得热稳定性优异的特性。这时，减小粗糙度的膜构造的总体设计成为必要。
如上所述，在作为现行的存储层而使用的磁性材料中，不能同时满足“顽磁力小”、“具有大的MR变化率”、“热稳定性好”等的三个条件。
因此，本发明者考虑了把同时满足这三个条件的磁性材料、构造作为存储层，并且通过选择粗糙度小的层叠构造和基底材料，取得了低耗电并且高输出的TMR元件以及使用该TMR元件的磁存储器。
下面，参照附图说明本发明的基本概念和实施例。
一般，在TMR元件的存储层中使用的是快速追随外部磁场而容易改变磁化方向的所谓的软磁性材料，但是作为软磁性材料应该具备的主要点有：(a)起始导磁率和最大导磁率等的导磁率大；(b)残留磁化和饱和磁化大；(c)顽磁力小等。这里，磁性材料的磁各向异性引起磁致伸缩时起始导磁率与磁致伸缩常数的倒数成比例，顽磁力与磁致伸缩常数成比例，所以可以说磁致伸缩常数越小，越是适合于TMR元件的材料。作为TMR元件的存储层而使用的磁性材料除了这些条件，为了取得高输出，还有必要表现大的磁阻变化率，但是这些能通过隔着隧道势垒层配置自旋极化率大的材料、磁迁移温度(居里温度)高的材料或使用Fe的组成大的材料实现。
TMR元件包含：具有多层隧道势垒层的图2(a)所示的铁磁性多重隧道结(在附图中是二重结)和只具有一层隧道势垒层的图2(b)所示的铁磁性一重隧道结。即铁磁性一重隧道结是在基底金属层2上依次设置了反铁磁性层4、磁化固定层6(也称作钉扎层)、隧道势垒层8、磁化自由层10(也称作存储层)、覆盖层/硬掩模层18的结构。另外，铁磁性二重隧道结是在基底金属层2上依次设置了反铁磁性层4、磁化固定层6、隧道势垒层8、磁化自由层10、隧道势垒层12、磁化固定层14、反铁磁性层16、覆盖层/硬掩模层18的结构。
(实施例1)
为了发现这样的TMR元件的MR比尽可能增大并且开关磁场尽可能减小的存储层的结构，进行了以下的实验。首先，本实施例的TMR元件是尺寸为0.15×0.2μm2的铁磁性二重隧道结型。而且，存储层是用铁磁性层夹着由Ru构成的非磁性层的三层构造，为Co-Fe-Ni的三元合金。构成该存储层的铁磁性层的膜厚为2nm。作为磁化固定层，为了取得大MR比，使用了Co-Fe合金，特别是使用了Co50Fe50。反铁磁性层使用IrMn合金。隧道势垒层使用AlOx。另外，基底金属层是Ta/Ru的二层构造。因此，本实施例的TMR元件的构造成为Ta/Ru/IrMn/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/Ru/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn/Ru/上部布线。
首先，制作改变了构成存储层的铁磁性层的Co-Fe-Ni的三元合金的组成时的TMR元件，图1表示了调查MR比和开关磁场的结果。构成存储层的铁磁性层的组成在图1中用×表示。图1的细竖线所示的区域是在制作所述TMR元件时，开关磁场变为35Oe以下的区域。另外，图1所示的Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线以下的区域是在室温下MR比取得40％以上的区域。
根据该实验结果，可知在TMR元件中，存储层的铁磁性层由Ni-Fe-Co三元合金构成，在Ni-Fe-Co三元状态图中，最好具有从Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线k1、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线k2、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线k3包围的内侧的组成区域r1或Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线k3、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直线k4、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线k5包围的内侧的组成区域中的任意一方的组成区域中选择的组成。
须指出的是，如果在磁化固定层中使用Co-Fe，就取得了40％以上的MR比，所以很好。在本实施例中，虽然使用了Co50Fe50作为磁化固定层，但是使用Co10Fe90-Co90Fe10的材料也不会影响MR特性的倾向。
接着，为了调查存储层和隧道势垒层的界面或磁化固定层和隧道势垒层粗糙度对开关磁场的影响，制作了使靠近本实施例的TMR元件的基底金属层2的反铁磁性层4的膜厚从8nm～14nm，以2nm的间隔变化的TMR元件。须指出的是，离基底金属层2远的反铁磁性层16的膜厚为8nm。因此，调查粗糙度的影响时使用的TMR元件的结构如下所示。
Ta/Ru/IrMn(xnm)/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/Ru/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn(8nm)/Ru/上部布线。
另外，为了比较，制作以下结构的比较例1和比较例2的TMR元件，制作离基底金属层2远的反铁磁性层16的膜厚为8nm，并且靠近基底金属层2的反铁磁性层4的膜厚从8nm～14nm，以2nm的间隔变化的样品，调查粗糙度的影响。
比较例1：Ta/Al/Ru/IrMn(xnm)/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/Ru/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn(8nm)/Ru/上部布线；
比较例2：Ta/Ru/IrMn(xnm)/CoFe/Ru/CoFe/AlOx/CoFeNi/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/IrMn(8nm)/Ru/上部布线；
即比较例1是把本实施例的TMR元件的基底金属层2的结构从Ta/Ru置换为Ta/Al/Ru的结构，本实施例的TMR元件具有三层构造的存储层，而比较例2具有单层构造的存储层，并且-TMR元件的基底金属层2的结构由与本实施例相同的Ta/Ru构成。
当使InMn构成的反铁磁性层的膜厚变化时，用透射型电子显微镜(以下也称作TEM)观测了截面，知道了存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)很大地依存于基底金属层。在本实施例和比较例2中，因为基底金属层2为相同的结构，所以当反铁磁性层的膜厚相同时，粗糙度几乎相同。可是，比较例1与本实施例不同，因为对基底金属层使用了Ta/Al/Ru，所以与具有由Ta/Ru构成的基底金属层的本实施例的TMR元件相比，观测到粗糙度大。
图3表示了开关磁场Hsw对于本实施例和比较例1的TMR元件的存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的各自的依存性，图4表示了开关磁场Hsw对于本实施例和比较例2的TMR元件的存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)的各自的依存性。须指出的是，在图3和图4中，d表示靠近基底金属层的反铁磁性层的膜厚。从图3可知，本实施例和比较例1中，存储层是相同的多层构造，并且靠近基底金属层的反铁磁性层为相同的膜厚，存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度还是对基底金属层使用Ta/Al/Ru的比较例1的TMR元件大，开关磁场Hsw也大。另外，从图4可知，如果减小存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度，则存储层为三层构造的本实施例与存储层为单层构造的比较例2相比，取得了更小的开关磁场。因此，当存储层为多层构造时，如果存储层或磁化固定层和隧道势垒层的界面的粗糙度为0.4nm以下，则与存储层为单层构造时相比，能减小开关磁场。
接着，进行了把本实施例、比较例1、比较例2的TMR元件分别放置在85℃的烤炉中的数据保持力(数据输出保持时间)的可靠性试验。图5(a)、(b)表示它的结果。存储层为单层构造的比较例2的TMR元件时，当存储层和靠近隧道势垒层的磁化固定层的铁磁性层的自旋方向为反平行状态时，保持了数据(参照图5(b))，但是平行时，观测到未保持数据的位(参照图5(a))。可是，本实施例和比较例1的TMR元件都取得了希望的可靠性(参照图5(a)、(b))，如果对存储层使用三层构造，就得到具有可靠性的元件。
如上所述，根据本实施例的TMR元件，不但保持开关磁场小，而且能取得MR变化率大、热稳定性优异的特性。
在本实施例中，如图6(a)所示，存储层是用铁磁性层夹着非磁性层的三层构造，但是如图6(b)所示，可以具有由铁磁性层a/非磁性层/铁磁性层b/非磁性层/铁磁性层a构成的构造。即可以是铁磁性层隔着非磁性层而进行层间耦合的构造。而且，如果该耦合强度为Hex＝3kOe以下，则既可以是铁磁性的，也可以是反铁磁性的。另外，在图6(b)所示的结构中，实现了铁磁性层b具有比铁磁性层a的膜薄并且用非磁性层分隔的构造，即所谓的伴随着铁磁性层a的反磁场减小电位势垒的功能。作为TMR元件的存储层，如果使用图6(b)所示的构造，则比图6(a)所示的构造更能取得小开关磁场。例如由Co-Fe-Ni构成铁磁性层a，由Ni-Fe构成铁磁性层b，由Ru构成非磁性层，如果代替本实施例的三层层叠构造的存储层，使用由Co-Fe-Ni/Ru/Ni-Fe/Ru/Co-Fe-Ni构成的5层层叠构造的存储层，能把开关磁场进一步降低10％～20％。
另外，在本实施例中，存储层的铁磁性层的膜厚为2nm，但是希望是1nm～3nm。如果在1nm以下，则铁磁性层变为超常磁性，无法保证铁磁性自旋的热稳定性。另外，如果变为3nm以上，则开关磁场增大，用于开关的电流脉冲的绝对值增大，产生了EM(电子迁移)的问题。
另外，在本实施例中，使用了Co-Fe二元合金铁磁性层作为磁化固定层，但是当对磁化固定层使用Co-Fe二元合金铁磁性层时，比使用Co-Fe-Ni、Ni-Fe、Co-Ni时能取得更大的MR比。
另外，在本实施例的TMR元件中，如图7(a)所示，磁化固定层是铁磁性层/非磁性层/铁磁性层的三层构造，希望使用靠近隧道势垒层的铁磁性层的膜厚更厚的结构。如果采用该构造，则能取消来自磁化固定层的杂散磁场(stray field)，所以不但保持了热稳定性，而且MR曲线的磁滞曲线对于0磁场能调整为对称。
杂散磁场Hstray与TMR元件的长边的长度L成反比(Hstray＝C/L)。这里，C是常数。因此，按照TMR元件的长边的长度，能唯一地确定靠近隧道势垒层的铁磁性层的厚度应该为多厚。
另外，在本实施例的TMR元件中，磁化固定层的至少与隧道势垒层相邻的铁磁性层具有铁磁性层/非晶形磁性层/铁磁性层的三层构造，例如如图7(b)所示，希望使用磁化固定层为铁磁性层/非晶形磁性层/铁磁性层/非磁性层/铁磁性层的层叠构造，或者如图7(c)所示，使用铁磁性层/非晶形磁性层/铁磁性层/非磁性层/非晶形磁性层/铁磁性层的层叠构造。须指出的是，非晶形磁性层希望是非晶形铁磁性层。如果使用所述的构造，则即使使用Pt-Mn、Ir-Mn、Ni-Mn等时，也能抑制Mn的扩散，能维持长期的稳定性，能提高具有可靠性的TMR元件。
须指出的是，非晶形磁性层能通过在Co、Fe、Ni或它们的合金中混合数％到数十％的Zr、Nb、Bi、Ta、W等而制作。
作为在三层或多层构造的存储层或磁化固定层中使用的非磁性层希望使用Ru(钌)、Ir(铱)、Os(锇)或它们的合金。
另外，在本实施例的TMR元件中，邻接磁化固定层而设置的反铁磁性层由PtxMn1-x、NiyMn1-y、IrzMn1-z中的任意一种构成，这里，49.5at％≤x、y≤50.5at％，22at％≤z≤27at％，反铁磁性层的膜厚为10nm以下，更希望为9nm以下。据此，当用TEM观测了磁化固定层和隧道势垒层的界面或隧道势垒层和存储层的界面的粗糙度时，能使峰到峰值即最大表面粗糙度为0.4nm以下，甚至能达到0.3nm以下。
另外，作为抑制粗糙度的方法，如果使用Ta或W作为设置在反铁磁性层之下的基底金属层的电极材料，使用Ru、Ir、Pt作为势垒层，则邻接磁化固定层的表面粗糙度(最大表面粗糙度)能在0.2nm～0.4nm以下。
另外，作为TMR元件的隧道势垒层，能使用Al2O3(氧化铝)、SiO2(氧化硅)、MgO(氧化镁)、AlN(氮化铝)、Bi2O3(氧化铋)、MgF2(氟化镁)、CaF2(氟化钙)、SrTiO2(氧化钛锶)、AlLaO3(氧化镧铝)、Al-N-O(氧化氮化铝)、GaO(氧化镓)等的各种绝缘体(电介质)。
这些化合物从化学计算上来看，没必要是完全正确的组成，可以存在氧、氮、氟等的缺损或过分与不足。另外，该绝缘层(电介质层)的厚度希望薄到隧道电流能流过的程度，实际上希望在10nm以下。
使用各种溅射法、蒸镀法、分子束外延生长法等通常的薄膜形成方法，在给定的衬底上形成这样的TMR元件。作为这时的衬底，例如能使用Si(硅)、SiO2(氧化硅)、Al2O3(氧化铝)、尖晶石、AlN(氮化铝)等各种的衬底。
另外，作为TMR元件的形状，磁化方向M1、M2没必要一定是直线状。如图8(a)～图8(e)所示，可以形成各种边缘区域。图8(a)～图8(e)是表示本实施例的TMR元件的存储层的平面形态的其他具体例的模式图。即TMR元件的存储层如图8(a)所示，例如可以是在长方形的一方的对角附加了突出部的形状，也可以是如图8(b)所示的平行四边形，也可以是如图8(c)所示的菱形、也可以是如图8(d)所示的椭圆形、也可以是如图8(e)所示的边缘倾斜型的各种形状。
这里，当把存储层构图为图8(a)～(c)和图8(e)所示的形状时，实际上角部常常变圆，但是角部也可以这样变圆。通过在光刻中使用的原版的图案形状为非对称形状，就能容易地制作这些非对称形状。
(实施例2)
接着，图9表示了本发明的实施例2的TMR元件的结构。本实施例的TMR元件是在基底金属层上依次形成了磁化自由层、隧道势垒层、存储层、保护层/硬掩模的结构。也可以是基底金属层/存储层/隧道势垒层/磁化自由层/保护层/硬掩模。即是在图2(b)所示的实施例1的TMR元件中，代替反铁磁性层和磁化固定层(钉扎层)，设置了磁化自由层的结构。
而且，在本实施例的TMR元件中，存储层与图6所示的实施例1时同样，成为隔着非磁性层层叠了多层铁磁性层的结构。另外，结构为：使存储层和隧道势垒层的界面的粗糙度(最大表面粗糙度)为0.4nm以下。磁化自由层至少包含一个铁磁性层。
另外，基底金属层成为与实施例1同样的结构。
该实施例2的TMR元件也与实施例1同样，不但保持了开关磁场小，而且能取得MR变化率大，热稳定性优异的特性。
(实施例3)
下面，参照附图，说明本发明的实施例3的磁存储器。须指出的是，在实施例3中，作为磁存储器的存储元件，使用了所述实施例1和实施例2中说明了的TMR元件。
图10(a)～图13(b)是单纯表示当使用TMR元件作为存储元件，使用MOS晶体管作为单元选择元件时的本实施例的磁存储器的单位单元的剖视图。图10(a)表示TMR元件的一端连接着位线BL，另一端通过引出电极、连接栓塞连接着选择晶体管的源极和漏极的一方，写入字线WL设置在TMR元件的下方的结构的单位单元。图10(b)表示在图10(a)所示的切断线A-A切断的剖视图。图11(a)表示TMR元件的一端连接着字线WL，另一端通过引出电极、连接栓塞连接着选择晶体管的源极和漏极的一方，写入位线BL设置在TMR元件的上方的结构的单位单元。图11(b)表示在图11(a)所示的切断线A-A切断的剖视图。图12(a)表示在图10(a)所示的单位单元中，通过磁性体覆盖位线BL和字线WL的结构的单位单元，图13(a)表示在图11(a)所示的单位单元中，通过磁性体覆盖位线BL和字线WL的结构的单位单元。须指出的是，图12(b)和图13(b)分别表示在图12(a)和图13(a)所示的切断线A-A切断的剖视图。
在具有图10(a)～图13(b)的任意一个单位单元的磁存储器中，读出是使电流流入由晶体管选择的TMR元件，通过TMR元件的电阻是大还是小，判断“1”、“ 0”。对于TMR元件的信息的写入是通过使电流脉冲流过设置在其上下的字线WL和位线BL而产生的磁场进行的。例如，如果分别使电流流过位线BL和字线WL，则在它们周围产生磁场。通过合成这些电流磁场，能使TMR元件的存储层的磁化反转。
在写入时，为了使磁化反转到给定的方向，可以使给定方向的电流适当流过位线BL和字线WL双方。如果这样，则与只使电流流过位线BL和字线WL的任意一个而产生磁化的反转时相比，不但能降低各布线的电流量，而且能进行单元选择。作为结果，能提供布线的疲劳小、可靠性高的磁存储器。如图12和图13所示，如果用磁性体覆盖位线BL和字线WL，则能把伴随着电流的磁场效率提高2倍(图11)以上～5倍(图12)以上，能实现更低的耗电。
图14是表示本实施例的磁存储器的第一具体例的结构的模式图。即图14表示了存储器阵列的截面构造，在该结构中，多个TMR元件C并联在读出/写入用位线BL上。在各TMR元件C的另一端，通过二极管D，连接着读出/写入用字线WL。另外，成为各字线WL通过选择各字线WL的选择晶体管STw连接在读出放大器SA的结构。另外，成为读出/写入用位线BL通过用于选择该位线BL的选择晶体管STB接地的结构。
在图14所示的第一具体例的磁存储器中，在读出时，通过选择晶体管STB、STw分别选择连接着目标TMR元件C的位线BL和字线WL，通过读出放大器SA检测电流。另外，在写入时，通过选择晶体管STB、STw分别选择连接着目标TMR元件C的位线BL和字线WL，使写入电流流过。这时，通过合成了在位线BL和字线WL中分别发生的磁场的写入磁场使TMR元件C的存储层的磁化向着给定的方向，能进行写入。
二极管D在这些读出或写入时，具有遮断通过布线为矩阵状的其他TMR元件C流动的迂回电流的功能。
下面，参照图15，说明本实施例的磁存储器的结构的第二具体例。
图15是表示能层叠存储器阵列的结构的第二具体例的模式图。即图15表示存储器阵列的截面构造。
在该结构中，采用了在读出/写入用位线BLw和读出用位线BLr之间并联了多个TMR元件C的“梯子型”的结构。接近各TMR元件C，写入字线WL在与位线BLw交叉的方向布线。
能通过把写入电流流入读出/写入用位线BLw而产生的磁场和写入电流流入写入字线WL而产生的磁场的合成磁场作用于TMR元件的存储层来进行向TMR元件的写入。
而在读出时，在位线BLw和位线BLr之间外加电压。这样，电流流入并联在它们之间的所有TMR元件中。一边通过读出放大器SA检测该电流的合计，一边向接近目标TMR元件的字线WL外加写入电流，把目标TMR元件的存储层的磁化改写到给定方向。通过检测这时的电流变化，就能进行目标TMR的读出。
即如果改写前的存储层的磁化方向与改写后的磁化方向同一，则通过读出放大器SA检测的电流不变化。可是，在改写前后，当存储层的磁化方向反转时，则通过读出放大器SA检测的电流根据磁阻效应而变化。这样，就能读出改写前的存储层的磁化方向即存储的数据。可是，该方法与读出时改变存储数据的所谓“破坏读出”对应。
而当TMR元件的结构采用了实施例2中说明的磁化自由层/隧道势垒层/磁存储层的构造时，能进行“非破坏读出”。即当使用该构造的TMR元件时，在存储层中记录磁化方向，当读出时，通过适当使磁化自由层的磁化方向变化，比较读出电流，能读出存储层的磁化方向。可是，这时，有必要设计为磁化自由层的磁化反转磁场比存储层的磁化反转磁场还小。
图16是表示本实施例的磁存储器的结构的第三具体例的模式图。即图16表示存储器阵列的截面构造。
在该结构中，多个TMR元件C并联在读出/写入用位线BLw上，在这些TMR元件C的另一端，分别把读出用位线BLr连接为矩阵状。接近这些读出用位线BLr，进行了写入用字线WL的布线。
能通过把写入电流流入读出/写入用位线BLw而产生的磁场和写入电流流入写入字线WL而产生的磁场的合成磁场作用于TMR元件的存储层来进行向TMR元件C的写入。
而当读出时，通过由选择晶体管ST选择写入用位线BLw和读出用位线BLr，使读出电流流入目标TMR元件，可以通过读出放大器SA检测。
下面，参照图17说明本实施例的磁存储器的结构的第四具体例。
图17是表示本实施例的磁存储器的结构的第四具体例的模式图。即图17表示存储器阵列的截面构造。不同之处在于：读出用位线BLr通过导线连接着TMR元件C，在TMR元件C的正下方对写入字线WL进行了布线。如果这样，就能使TMR元件C和写入字线WL比图16的构造更接近。作为结果，能更有效地使来自字线WL的磁场作用于TMR元件。
下面，说明差动放大型、多值型结构。
图18(a)、(b)和图19(a)、(b)分别表示本实施例的磁存储器的差动放大型、多值型结构图。18(a)和图18(b)分别表示本实施例的磁存储器的差动放大型结构的主视图和侧视图，19(a)和图19(b)分别表示本实施例的磁存储器的多值型结构的主视图和侧视图。
在各类型的磁存储器中，位线BL、字线WL1、WL2以及读出用布线RL1、RL2配置为交叉，在位线BL和字线WL1、WL2的交叉部设置有TMR元件TMR1、TMR2。这样，通过在纵向层叠TMR单元，即使为差动放大、多值存储器，也能避免增大单元面积。
在图18(a)、(b)中，再读出时，从位线BL流出电流，通过设置在读出用布线RL1、RL2的结束端的读出放大器进行差动放大。另外，当改变了TMR元件TMR1、TMR2的信号输出时，该结构能实现多值化。须指出的是，在图18(a)、(b)中，如后面将详细描述的那样，关于位线BL、字线WL1、WL2和TMR元件C1、C2的连接关系，能采用各种具体例。例如，可以设置写入用和读出用的两条位线，连接TMR元件。另外，有时字线WL连接TMR元件C1、C2，有时不连接。
TMR元件C1、C2具有存储层。在该存储层中，具有对于磁化固定层彼此为近反平行的磁化方向M1、M2，对于磁阻效应元件的磁化固定层的磁化方向，反平行、平行地写入自旋信息，使从位线BL流出的读出电流流入所述TMR元件，通过进行差动放大，判断“1”、“0”。须指出的是，TMR元件C1是铁磁性一重隧道结，TMR元件C2是铁磁性二重隧道结。
另外，当进行多值记录时，对于磁阻效应元件的磁化固定层的磁化方向，反平行、平行地写入自旋信息，使从位线BL流出的读出电流流入所述TMR元件，通过进行差动放大，检测多值信息。
图18(b)表示了使用本实施例的差动放大型结构时的写入方法和TMR元件的旋转的方向。当为差动放大型时，希望TMR元件的容易轴形成在字线WL的长轴方向。如果TMR元件的容易轴形成在字线WL的长轴方向，则位线BL的电流脉冲外加在上下的TMR元件上的磁场方向产生近180度的差异，所以能对上下的TMR元件一次进行写入，从而能进行高速写入。
图19(b)表示了本实施例的多值记录型结构时的写入方法和实际的TMR单元的旋转方向。当为多值记录型结构时，因为需要在上下的TMR元件中任意记录信息，所以希望TMR元件的容易轴形成在位线BL的长轴方向。如果TMR元件的容易轴形成在位线BL的长轴方向，则通过字线WL1、WL2，能在上下的TMR元件中进行任意信息的记录，多值记录成为可能。
须指出的是，图14～图17所示的结构除了能层叠为多层，实现大容量化，还能使用所述的差动型、多值型结构或层叠它们的结构。这时，如图20(a)、(b)所示，希望公用位线BL。希望在公用的位线BL中，在位线BL的侧壁使用磁性覆盖布线。
如上所述，根据实施例3的磁存储器，因为使用了MR比大、热稳定性优异、开关磁场小的实施例1或2的TMR元件作为存储元件，所以能实现高集成化和低耗电化。

Claims (12)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于具备：隔着非磁性层层叠多个铁磁性层的存储层、具有至少一层铁磁性层的磁性膜和设置在所述存储层和所述磁性膜之间的隧道势垒层；所述存储层的铁磁性层由Ni-Fe-Co三元合金构成；在Ni-Fe-Co三元状态图中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线包围的内侧的组成区域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线包围的内侧的组成区域中的任意一方的组成区域中选择的组成；所述存储层和所述隧道势垒层的界面以及所述磁性膜和所述隧道势垒层的界面的最大表面粗糙度为0.4nm以下。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：上述存储层具有以下的构造中的任意一方：依次层叠了第一铁磁性层、第一非磁性层、第二铁磁性层，所述第一和第二铁磁性层磁耦合的构造；依次层叠了第一铁磁性层、第一非磁性层、第二铁磁性层、第二非磁性层、第三铁磁性层，第一和第二铁磁性层磁耦合，第二和第三铁磁性层磁耦合的构造。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：所述磁性膜设置在基底金属层上，所述基底金属层由Ta、Pt、Ru中的至少一种元素构成。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：所述磁性膜具有用铁磁性层夹着非磁性层的构造，夹着所述非磁性层的铁磁性层反铁磁性地耦合。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：所述存储层的所述铁磁性层的膜厚是1nm～3nm。
6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于：所述磁性膜包含：邻接反铁磁性层而设置的，通过与该反铁磁性层的交换耦合力而固定了磁化的具有铁磁性层的磁化固定层。
7.根据权利要求6所述的磁阻效应元件，其特征在于：所述磁化固定层的铁磁性层由Co-Fe的二元合金构成。
8.根据权利要求6所述的磁阻效应元件，其特征在于：所述反铁磁性层由PtxMn1-x(49.5at％≤x≤50.5at％)、NiyMn1-y(49.5at％≤y≤50.5at％)、IrzMn1-z(22at％≤z≤27at％)中的任意一种构成。
9.一种磁存储器，其特征在于具备：
第一布线；
与所述第一布线交叉的第二布线；
设置在所述第一布线和所述第二布线的各交叉区域中的存储单元；
所述存储单元具有磁阻效应元件作为存储元件，该磁阻效应元件包含隔着非磁性层层叠多个铁磁性层的存储层、具有至少一层铁磁性层的磁性膜、设置在所述存储层和所述磁性膜之间的隧道势垒层；所述存储层的铁磁性层由Ni-Fe-Co三元合金构成；在Ni-Fe-Co三元状态图中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线包围的内侧的组成区域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线包围的内侧的组成区域中的任意一方的组成区域中选择的组成；所述存储层和所述隧道势垒层的界面以及所述磁性膜和所述隧道势垒层的界面的最大表面粗糙度为0.4nm以下。
10.根据权利要求9所述的磁存储器，其特征在于：所述第一和第二布线的至少一方至少在侧部具有由软磁性材料构成的覆盖层。
11.一种磁存储器，具有：
第一布线；
形成在所述第一布线之上的第一磁阻效应元件；
形成在所述第一布线之下的第二磁阻效应元件；
形成在所述第一布线之上并且与所述第一布线交叉的第二布线；
形成在所述第一布线之下并且与所述第一布线交叉的第三布线；
所述第一和第二磁阻效应元件分别包含隔着非磁性层层叠多个铁磁性层的存储层、具有至少一层铁磁性层的磁性膜、设置在所述存储层和所述磁性膜之间的隧道势垒层；所述存储层的铁磁性层由Ni-Fe-Co三元合金构成；在Ni-Fe-Co三元状态图中，具有由Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线、Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线包围的内侧的组成区域和由Fe80(at％)Ni20(at％)-Co65(at％)Ni35(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe70(at％)Ni30(at％)的直线、Co90(at％)Fe10(at％)-Fe30(at％)Ni70(at％)的直线包围的内侧的组成区域中的任意一方的组成区域中选择的组成；所述存储层和所述隧道势垒层的界面以及所述磁性膜和所述隧道势垒层的界面的最大表面粗糙度为0.4nm以下；
通过一边使电流分别流向所述第二和第三布线，一边使电流流向所述第一布线，能分别使所述第一和第二磁阻效应元件的存储层的磁化向给定方向反转；
通过检测由所述第一布线使读出电流流向所述第一和第二磁阻效应元件而取得的来自所述第一和第二磁阻效应元件的输出信号的差分，读出双值信息的任意一个。
12.根据权利要求11所述的磁存储器，其特征在于：所述第二和第三布线的至少一方至少在侧部具有由软磁性材料构成的覆盖层。
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