专利名称：磁阻效应元件和磁存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到磁阻效应元件和磁存储器。
背景技术：
使用磁性材料膜的磁阻效应元件被使用在例如磁头和磁传感器中。此外，也建议在固态MRAMs(磁随机存取存储器)中使用磁阻效应元件。
作为一种磁阻效应晶体管元件，所谓的“铁磁TMR(隧道磁阻效应)元件”被提了出来，这种元件具有通过在两层铁磁层之间插入一个电介质单层而形成的三明治结构膜，这种结构使得电流垂直于膜表面流动，并利用了一种隧道电流。因为在铁磁隧道磁阻效应元件中已经可以获得至少20％的磁阻变化率，所以，将这种元件在商业上用于MRAM的技术发展正在迅猛进行。
所述TMR元件可以这样制造，即在一个铁磁电极上形成厚度范围在0.6nm到2.0nm的薄Al(铝)层，然后将该Al层的表面暴露在氧气或氧气的辉光放电中，这样形成一个由Al2O3构成的隧道势垒层，或形成一个由MgO(氧化镁)构成的厚度范围在0.5nm到3.0nm的隧道势垒层薄膜。
提出了一种铁磁单隧道结，其结构中，夹着隧道势垒层的铁磁层中的一层铁磁层采用反铁磁层，并使用铁磁层作为磁化钉扎层(pinned layer)。
此外也提出了一种磁隧道结，其中在电介质中散布着磁性颗粒，还提出了一种铁磁双隧道结(连续薄膜)。
这些磁阻效应元件也有用于MRAM中的可能性，因为已经可以获得高的磁阻变化率，并且即使增加磁隧道结上的电压以获得所需要的输出电压值，磁阻变化率的减小也受到抑制。
使用铁磁单隧道结或铁磁双隧道结的磁记录元件是非易失性的，并且具有使读写时间达到小于等于10纳秒那么快、重写次数达到至少1015的潜力。
然而，就存储器的单元大小来说，问题是，当所用的体系结构中存储器单元是由一个晶体管和一个TMR元件构成时，尺寸不能做得比一个半导体DRAM(动态随机存取存储器)的单元更小。
为了解决这个问题，提出了一种二极管类型的体系结构，它包括在字线和位线之间的一个由TMR元件构成的单元和一个二极管所构成的串联连接，也提出了一种简单的矩阵类型的体系结构，这种结构通过在字线和位线之间每个都包含一个TMR元件的单元的排列所构成。
然而，在两者中的任何一种情形中，有下面的问题。当向磁记录层进行写操作时，使用电流脉冲引起的电流磁场进行反转，这导致高的功耗。当容量增加时，连线上可允许的电流密度有一个限制，结果就不能获得大的容量。输出电流的驱动器的面积也增加了。
为了解决上述问题，提出了一种固态磁存储器，其在写连线周围提供一种高磁导率磁性材料构成的薄膜。根据这种磁存储器，在布线周围提供一种高磁导率磁性膜，于是，向磁记录层写信息所要求的电流值就可以有效地减少。然而，即使使用这种器件，使写电流值变为1mA或更小也非常困难。
为了解决这些问题，提出了一种使用自旋注入(spin injection)方法的写方法(参见，例如美国专利No.6,256,223)。这种写方法利用了磁阻效应元件中磁记录层的磁化的反转，这种反转是通过注入自旋极化电流到磁阻效应元件中来获得的。
当使用利用了自旋注入的写方法来进行自旋注入时，除非让具有高电流密度的电流流入所述元件，否则自旋的反转不能发生。如果让具有高电流密度的电流流入具有隧道势垒层的磁阻效应元件，就会在该势垒层上施加一个高的电场，于是就会损坏元件。所以，需要一种结构，其中可以以低电流密度来进行自旋注入。
此外，也需要低的自旋反转电流密度来减小写电流。
如此前所述，包括以低的写电流进行操作的自旋注入方法需要一种元件，其中自旋反转是在低电流密度下进行的。
发明内容
本发明是根据这些情形而产生的，本发明的一个目标是，提供一种磁阻效应元件，其中自旋反转发生在低电流密度之下，这样不会导致元件的损坏，并且可以以小电流进行写操作，还提供一种使用这种磁阻效应元件的磁存储器。
本发明的第一个方面所述的磁阻效应元件包括，一个磁钉扎层，其中磁化方向是钉扎的；一个磁记录层，其中磁化方向是可变的，所述磁化钉扎层中的磁化方向与所述磁记录层中的磁化方向形成一个大于0度小于180度的角度，并且所述磁记录层中的磁化方向通过将自旋极化(spin-polarized)电子注入到所述磁记录层中而被反转；一个非磁性金属层，它介于所述磁化钉扎层与磁记录层之间。
本发明的第二方面所述的磁存储器包括，一个第一连线；一个与所述第一连线交叉的第二连线；以及一个包含权利要求1所述的磁阻效应元件的存储单元，所述磁阻效应元件中的磁记录层与所述第一连线进行电连接，所述磁阻效应元件中的磁化钉扎层与所述第二连线进行电连接。
图1是本发明的第一个实施例所述的磁阻效应元件的截面图；图2是第一个实施例的修正例所述的磁阻效应元件的截面图；图3A到3C解释了第一个实施例所述的磁阻效应元件中的磁记录层和磁化钉扎层的磁化方向；图4A到4C解释了第一个实施例所述的磁阻效应元件的薄膜表面形状；
图5A到5C解释了第一个实施例所述的磁阻效应元件的薄膜表面形状；图6解释了第一个实施例中由磁记录层中的磁化方向与磁化钉扎层中的磁化方向所形成的一个角度；图7解释了第二个实施例中由磁记录层中的磁化方向与磁化钉扎层中的磁化方向所形成的一个角度；图8解释了第三个实施例中由磁记录层中的磁化方向与磁化钉扎层中的磁化方向所形成的一个角度；图9显示了第四实施例所述的磁记录层的薄膜表面形状与磁钉扎层中的磁化方向之间的关系；图10显示了第一个实施例所述的磁阻效应元件的透视图；图11显示了根据第一个例子的磁阻效应元件的电阻对脉冲电流密度的依赖关系；图12显示了根据第一个例子的磁阻效应元件的薄膜表面形状、薄膜表面面积和平均反转电流密度；图13显示了根据第二个例子中的磁阻效应元件的透视图；图14显示了根据第二个例子的磁阻效应元件的电阻对脉冲电流密度的依赖关系；图15显示了根据第二个例子的磁阻效应元件的薄膜表面形状、薄膜表面面积和平均反转电流密度；图16A到16C显示了第三个例子所述的磁阻效应元件中的磁记录层的薄膜表面形状；图17显示了根据第三个例子的磁阻效应元件的薄膜表面形状、薄膜表面面积和平均反转电流密度；以及图18显示了根据第四个例子的磁阻效应元件的薄膜表面形状、倾斜角、是否有退火、薄膜表面面积和平均反转电流密度。
具体实施例方式
下文中，将参考附图描述本发明的实施例。
第一实施例本发明的第一个实施例所述的磁阻效应元件的结构示于图1中。图1是一个截面图，显示了本发明中的磁阻效应元件的结构。本实施例所述的磁阻效应元件是一种底钉扎(bottom-pin)TMR元件。如图1所示，通过在基底1上相继形成下电极2、反铁磁层3、磁化方向被钉扎的磁化钉扎层4、隧道势垒层5、具有可变磁化方向的磁记录层6、反射自旋极化电子的自旋反射层7、相反电极8来获得所述磁阻效应元件的结构。另外，也可以使用一种顶钉扎(top-pin)TMR元件，如图2所示，这种元件在所述下电极2和相反电极8之间的各层的排列是通过将图1中各层的排列颠倒过来而得到的。换言之，也可以使用一种结构，该结构通过在一个基底1上相继形成下电极2、自旋反射层7、磁记录层6、隧道势垒层5、磁化钉扎层4、反铁磁层3、以及相反电极8来得到。如果由自旋注入引起的磁化反转的电流密度足够低的话，可以去掉所述自旋反射层7。
图3A和3B为平面图，显示了从图1所示的相反电极8的一侧来看磁化钉扎层4和磁记录层6中的磁化方向而得到的状态。在本实施例中，磁记录层6的薄膜表面基本上呈矩形形状，如图4A所示。由于形状各向异性，磁记录层6被磁化的方向平行于所述矩形的主轴32。磁记录层6能有形状各向异性，只要所述形状长而窄。磁记录层6的薄膜表面不仅可以呈如图4A所示的近似矩形的形状，还可以呈如图4B所示的椭圆形状或者如图4C所示的平行四边形形状。由于形状各向异性，磁记录层6被磁化的方向平行于所述椭圆形状的主轴34。由于形状各向异性，磁记录层6被磁化的方向平行于所述平行四边形的长边36。此外，磁记录层6的薄膜表面可以呈一种由一部分近椭圆形状和一部分近矩形形状的组合而得到的形状，如图5A所示，也可以呈一种由一部分近椭圆形状和一部分近平行四边形形状的组合而得到的形状，如图5B所示，还可以呈一种由一部分近平行四边形形状和一部分近矩形形状的组合而得到的形状，如图5C所示。此外，在本实施例中，磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向之间有一定的角度θ。换言之，所述角度θ不是0度，也不是180度。
一般地，假设磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向之间形成的角度为θ，自旋极化电子的注入效率依赖于该角度θ和磁记录层6的自旋极化因子P。在例如“Journal of Magnetism and MagneticMaterials，159(1996)L1”中所描述的，自旋电子的注入效率由下面的方程来表示。
g(θ)＝[-4+(1+P)3(3+cosθ)/4P3/2]-1设α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4以及β＝-4+3α那么g(θ)可以表示为g(θ)＝(β-αcosθ)-1另一方面，希望所述角度θ是一个能使自旋注入效率高的角度，以便实现在低电流密度下由自旋注入产生的磁化反转。所以，与自旋注入效率的最大值相比，希望自旋注入效率至少是其一半。使自旋注入效率最大化的角度θ表示为θ1max，使自旋注入效率等于自旋注入效率最大值之半的角度表示为θ1和θ1’(＜θ1)，它们之间的关系依赖于磁记录层6的自旋极化因子P，如图6所示。角度θ1和θ1’可以用下面关于磁记录层6的自旋极化因子P的方程来表示。
θ1＝arccos[{-αβ-2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]θ1’＝arccos[{-αβ+2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]这里，满足关系0°＜θ1’＜θ1＜180°。从这些方程中应该注意到，当磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向所形成的角度θ在θ1’和θ1之间时，自旋注入效率高。顺便提及，因为0＜P＜1，故有120°＜θ1＜180°。
如果磁化反转由自旋注入引起的话，磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向所形成的角度θ从θ变化为接近(180°-θ)的一个角。如果进一步引起磁化反转的话，那么该角度从接近(180°-θ)的一个角变为接近θ的一个角。所以，希望磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向所形成的角度在(180°-θ1)到(180°-θ1’)的范围内，该范围包括这两个角度，或者在θ1’到θ1的范围内，该范围包括这两个角度。
另一方面，磁阻变化率MR对磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向所形成的角度的依赖关系由下面的方程表示。
MR(θ)＝MR(0°)|cosθ|从这个关系中可以得到到，使角度θ接近90°会降低MR。希望磁阻变化率MR至少等于最大值之半，以便读出磁阻变化。当θ＝60°或θ＝120°时，磁阻变化率MR减小到一半。换言之，希望θ满足关系0°＜θ≤60°或者120°≤θ＜180°。
从前面的描述中，当θ1’至少为120°时，希望磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向所形成的角度θ在(180°-θ1)到(180°-θ1’)的范围内，该范围包括这两个角度，或者在θ1’到θ1的范围内，该范围包括这两个角度。当θ1’小于120°时，希望所述角度θ在(180°-θ1)到60°的范围内，该范围包括这两个角度，或者在120°到θ1的范围内，该范围包括这两个角度。所以，在本实施例中，所述角度θ值的选取要满足阴影区域中关于磁记录层6中的自旋极化因子P的关系。
如果不像本实施例中的那样，而是使磁化钉扎层4中的磁化方向平行或反平行于磁记录层6中的磁化方向，那么引起磁化反转的电流密度将变高，因为自旋注入效率低。在本实施例中，所述角度θ在图6所示的阴影区域中选取。所以，当将磁记录层6中的磁化方向“从近乎反平行的方向到近乎平行的方向”反转时，从而，自旋注入效率变高，于是，磁化反转能够在低电流密度下完成。
根据本实施例，磁化反转在低电流密度下进行，这样不会引起元件的损坏，写操作可以在低电流下进行，如前面所描述的。
第二实施例现在描述本发明第二个实施例所述的磁阻效应元件。本实施例所述的磁阻效应元件的层结构与图1中所示的第一实施例中的层结构相同。其薄膜表面取近乎矩形形状，和第一实施例一样。顺便提及，所述层结构的顺序可以颠倒，如图2所示。此外，薄膜表面可以采取近乎椭圆形状或采取近乎平行四边形形状，如图4B或4C所示，或采取图5A、5B或5C所示的形状。
在本实施例所述的磁阻效应元件中，实现磁化反转以便降低当磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向所形成的角度θ“从近乎平行状态的一个角度被反转到近乎反平行状态的一个角度”时所获得电流密度，和当所述角度θ“从近乎反平行状态的一个角度被反转到近乎平行状态的一个角度”时所获得电流密度的平均值。
如参考第一实施例所描述的，自旋极化电子的注入效率依赖于磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向所形成的角度θ以及磁记录层6中的自旋极化因子P。当“从近乎平行状态的一个角度到近乎反平行状态的一个角度”的自旋注入效率和“从近乎反平行状态的一个角度到近乎平行状态的一个角度”的自旋注入效率的平均值被最大化时，所获得的角度θ用θ2max表示。当所述平均值变为最大值之半时所获得的角度θ用θ2和θ2’表示。角度θ2max、θ2和θ2’有图7所示的依赖关系。此处假设θ2和θ2’是接近平行态的角度，而(180°-θ2)和(180°-θ2’)是接近于反平行态的角度。通过下面的方程，角度θ2和θ2’可以用磁记录层6中的自旋极化因子P来表示。
α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4β＝-4+3αθ2＝arcsin[{(2-31/2)(β2-α2)1/2}/α]θ2’＝arcsin[{(2+31/2)(β2-α2)1/2}/α]这里0°＜θ2＜θ2’＜90°。
希望磁阻变化率MR至少等于最大值之半，以便读出磁阻变化。换言之，希望θ满足关系0°＜θ≤60°或者120°≤θ＜180°。因为0＜P＜1，故有0°＜θ2＜60°。
当θ2’小于60°时，从这些关系式中可以得到，希望角度θ在θ2到θ2’的范围内，这两个角度包括在内，或者在(180°-θ2’)到(180°-θ2)的范围内，这两个角度包括在内，以便提高自旋注入效率。当θ2’至少为60°时，希望角度θ在θ2到60°的范围内，这两个角度包括在内，或者在120°到(180°-θ2)的范围内，这两个角度包括在内。
如果不像本实施例中的那样，而是使磁化钉扎层4中的磁化方向平行或反平行于磁记录层6中的磁化方向，那么引起磁化反转的电流密度将变高，因为自旋注入效率低。
另一方面，在本实施例中，选取的角度θ落在图7所示的关于磁记录层6中的自旋极化因子P的阴影区域中。所以，将磁记录层6中的磁化方向“从近乎平行的状态的一个角度到近乎反平行的状态的一个角度”反转时的电流密度和将磁记录层6中的磁化方向“从近乎反平行的状态的一个角度到近乎平行的状态的一个角度”反转时的电流密度的平均值变低，并且磁化反转能够在低电流密度下完成。
根据本实施例，磁化反转在低电流密度下进行，这样不会引起元件的损坏，写操作可以在低电流下进行，如前面所描述的。
第三实施例现在描述本发明第三个实施例所述的磁阻效应元件。本实施例所述的磁阻效应元件的层结构和薄膜表面形状与第一实施例所述的磁阻效应元件的层结构和薄膜表面形状类似。
磁阻变化率MR依赖于磁记录层中的自旋极化因子P。为了获得高的自旋极化因子P，希望使用具有高自旋极化因子P的材料。作为高自旋极化因子P，已经在室温下获得了P＝0.8。所以，在本实施例中，通过使用一种具有高自旋极化因子的材料作为磁记录层6并使磁化钉扎层磁化4的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向之间有一个交角，自旋注入磁化反转得以在低电流密度下实现。
当自旋极化因子P＝0.8时，由第一实施例所述的磁阻效应元件中的磁记录层6的磁化方向与磁化钉扎层4的磁化方向所形成的角度θ1变为176°，如图8所示。换言之，希望设置角度θ为至少4°或最多176°，以便使得将磁化“从近乎反平行的状态的一个角度反转到近乎平行的状态的一个角度”的自旋注入效率等于至少最大值之半。
希望磁阻变化率MR等于至少最大值之半，以便读出磁阻变化。换言之，希望θ满足关系0°＜θ≤60°或者120°≤θ＜180°。
所以，在本实施例中，角度θ被设置在4°到60°的范围内，这两个角度包括在内，或者设置在120°到176°的范围内，这两个角度包括在内。在本实施例所述的磁阻效应元件中，与角度θ为0°(平行状态)的情形或与角度θ为180°(反平行状态)的情形相比，磁化反转可以在低电流密度下完成而不降低MR很多。
根据本实施例，磁化反转在低电流密度下完成，这样不会引起元件的损坏，写操作可以在低电流下进行，如前面所描述的。
第四实施例现在描述本发明第四个实施例所述的磁阻效应元件。
本实施例所述的磁阻效应元件的层结构与图1所示的第一实施例所述的磁阻效应元件的层结构相同，但是薄膜表面形状却不同。本实施例所述的磁阻效应元件中的磁记录层6的薄膜表面形状示于图9。如图9所示，本实施例所述的磁记录层6的结构中，呈四边形形状的第一部分6a的主轴和呈四边形形状的第二部分6b的主轴相互连接，使得它们相互交叉的角度大于0°，而小于180°。此外，除了磁记录层6之外的其它层，诸如下电极2、反铁磁层3、磁化钉扎层4、隧道势垒层5、自旋反射层7以及相反电极8也具有和图9所示磁记录层6同样的薄膜表面形状。
一般地，由于形状各向异性的原因，磁记录层6中的磁化方向变得近乎平行于主轴。所以，与磁化钉扎层4中的磁化方向41相比，第一部分6a中的磁化方向61和第二部分6b中的磁化方向62都有一个倾角。换言之，第一部分6a中的磁化方向61相对于磁化钉扎层4中的磁化方向41倾斜了一个正的角度，第二部分6b中的磁化方向62相对于磁化钉扎层4中的磁化方向41倾斜了一个负的角度。在本说明书中，图9中所示的逆时针角被认为是正角，而顺时针角被认为是负角。如图9所示，磁记录层6的第一部分6a中的磁化方向61与磁化钉扎层4中的磁化方向41所形成的角度用Ψ1表示，磁记录层6的第二部分6b中的磁化方向62与磁化钉扎层4中的磁化方向41所形成的角度用Ψ2表示。
在本实施例中，通过将|Ψ1|和|Ψ2|都设置为近似等于第二实施例中的θ2max或(180°-θ2max)，从而提高自旋注入效率，就可以实现低电流密度下的磁化反转。
顺便提及，|Ψ1|和|Ψ2|都可以设置为第一实施例中的(180°-θ1)到60°范围内的值，包括这两个角，或者都设置为120°到θ1范围内的值，包括这两个角(当θ1’＜120°时)。或者，|Ψ1|和|Ψ2|都可以设置为第一实施例中的(180°-θ1)到(180°-θ1’)范围内的值，包括这两个角，或者都设置为θ1’到θ1范围内的值，包括这两个角(当θ1’≥120°时)。|Ψ1|和|Ψ2|都可以设置为第二实施例中的θ2到60°范围内的值，包括这两个角，或者都设置为120°到(180°-θ2)范围内的值，包括这两个角(当θ2’≥60°时)。或者，|Ψ1|和|Ψ2|都可以设置为第二实施例中的θ2到θ2’范围内的值，或者都设置为(180°-θ2’)到(180°-θ2)范围内的值，包括这两个角(当θ2’≥60°时)。|Ψ1|和|Ψ2|都可以设置为第三实施例中的4°到60°范围内的值，包括这两个角，或者都设置为120°到176°范围内的值，包括这两个角。
根据本实施例，自旋反转在低电流密度下完成，这样不会引起元件的损坏，写操作可以在低电流下进行，如前面所描述的。
第五实施例现在描述本发明第五个实施例所述的磁阻效应元件。
本实施例所述的磁阻效应元件的层结构与图1中所示的第一实施例中的层结构相同，但是薄膜表面形状不同。顺便提及，所述层结构的顺序可以以图2所示的第一实施例的修正例中同样的方式颠倒过来。本实施例所述的磁阻效应元件的薄膜表面取近乎圆形形状。顺便提及，薄膜表面可以取近乎方形形状或者取至少有五个角的近乎规则的多边形形状以代替近乎圆形的形状。在本实施例中，通过使用感生磁各向异性使磁化钉扎层4和磁记录层6具有磁各向异性。所述“感生磁各向异性”是指一种现象，即当在高温下形成磁性物质或者原子可以移动时，在要产生磁各向异性的方向上施加一个磁场，使磁性物质具有磁各向异性。由这种现象产生的磁各向异性被称作感生磁各向异性。
在本实施例中，磁化钉扎层4和磁记录层6被提供了感生磁各向异性，磁化钉扎层4中感生磁各向异性的方向与磁记录层6中感生磁各向异性的方向夹一个角度φ。因为磁化钉扎层4中的磁化方向和磁记录层6中的磁化方向分别与各自的感生磁各向异性的方向几乎一致，所以磁化钉扎层4中的磁化方向与磁记录层6中的磁化方向相比有一个接近φ的倾角。因为在本实施例中，角度φ设置为近似等于第二实施例中的θ2max，所以自旋注入效率高，并且磁化反转可以在低反转电流密度下进行。
在本实施例中，角度φ设置为近似等于θ2max。或者，角度φ可以设置为第一实施例中的(180°-θ1)到60°范围内的值，包括这两个角，或者设置为120°到θ1范围内的一个值，包括这两个角(当θ1＞120°时)。或者，角度φ可以设置为第二实施例中的θ2到60°范围内的值，包括这两个角，或者设置为120°到(180°-θ2)范围内的值，包括这两个角(当θ2＜60°时)。角度φ可以设置为第三实施例中的4°到60°范围内的值，包括这两个角，或者设置为120°到176°范围内的值，包括这两个角。
在前面所描述的实施例中，磁阻效应元件中的磁性膜(该磁性膜构成磁化钉扎层4和磁记录层6)可以由至少一种薄膜构成，或者由一种层压膜构成，该层压膜使用从一组材料中选取的一种或多种材料构成，这组材料包括，Ni-Fe合金、Co-Fe合金、Co-Fe-Ni合金、非晶材料诸如(Co，Fe，Ni)-(Si，B)、(Co，Fe，Ni)-(Si，B)-(P，Al，Mo，Nb，Mn)和Co-(Zr，Hf，Nb，Ta，Ti)、以及霍伊斯勒(Heusler)合金诸如Co2(CrxFe1-x)Al、Co2MnSi和Co2MnAl。顺便提及，例如，字符串(Co，Fe，Ni)是指从Co、Fe、和Ni中选择至少一种元素。
具体说，当包含在磁记录层6或者磁化钉扎层4中的铁磁层具有以非磁性层为中间媒介将多个层层叠在一起而得到的层叠结构时，更希望使用由于位于隧道势垒层5附近的铁磁层中的磁阻效应而具有大的磁阻变化(resistance change)率的Co-Fe、Co-Fe-Ni或者富含Fe的Fe-Ni，以及在不与隧道势垒层接触的铁磁层中使用富含Ni的Ni-Fe、富含Ni的Ni-Fe-Co等等，这是因为写电流可以被减少而保持磁阻变化率为一个大的值。
作为磁记录层，也可以使用表示为软磁层/铁磁层的两层结构，或者使用表示为铁磁层/软磁层/铁磁层的三层结构。使用表示为铁磁层/非磁性层/铁磁层的三层结构，或者表示为铁磁层/非磁性层/铁磁层/非磁性层/铁磁层的五层结构，通过控制铁磁层之间的交换相互作用的强度能够获得有利的效应。就是说，即使作为存储单元的磁记录层的单元宽度为亚微米量级或更小，也不需要为自旋注入而增加写电流。
不仅可以调节磁性特性，通过在磁化钉扎层4和磁记录层6的磁性材料中加入非磁性元素，也可以调节诸如晶体特性、机械特性等各种物理特性以及化学特性，所述加入的非磁性元素为诸如Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Ru(铷)、Os(锇)、Re(铼)、Ta(鉭)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)。
磁化钉扎层4和磁记录层6也可以采用一种表示为磁性物质/非磁性物质/磁性物质的结构，在磁性层之间有交换耦合。磁化钉扎层4和磁记录层6也可以是使用具有交换耦合的三层或多层磁性物质的结构。
另一方面，当隧道结被用作磁阻效应元件时，可以使用各种绝缘体，诸如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(钛锶氧化物)、LaAlO3(镧铝氧化物)、Al-N-O(铝氧化物氮化物)或者HfO(氧化铪)作为磁化钉扎层和磁记录层之间的隧道势垒层5。
从化学配比的角度看，这些化合物没有必要具有完全精确的组成。可以存在氧、氮、氟等等的缺失、过量或不足。希望绝缘层的厚度能够薄到隧道电流可以流动的程度。实际上，希望厚度为10nm或更小。更希望厚度为2nm或更小。
通过使用普通的薄膜形成装置，诸如各种溅射方法、蒸发方法或分子束外延方法，可以在预定的基底上形成这样的磁阻效应元件。作为这种情形中的基底，可以使用各种基底，诸如Si(硅)、SiO2(氧化硅)、Al2O3(氧化铝)、尖晶石(spinel)以及AlN(氮化铝)基底。
此外，可以在基底上形成一层Ta(鉭)、Ti(钛)、Pt(铂)、Pd(钯)、Au(金)、Ti(钛)/Pt(铂)、Ta(鉭)/Pt(铂)、Ti(钛)/Pd(钯)、Ta(鉭)/Pd(钯)、Cu(铜)、Al(铝)-Cu(铜)、Ru(铷)、Ir(铱)、Os(锇)、或Rh(铑)，作为衬层、保护层、硬掩模等等。
希望能够将反铁磁膜3加到用作磁化钉扎层4来使磁化钉扎的铁磁层上。
作为反铁磁层3，可以使用Fe(铁)-Mn(锰)、Pt(铂)-Mn(锰)、Pt(铂)-Cr(铬)-Mn(锰)、Ni(镍)-Mn(锰)、Ir(铱)-Mn(锰)、NiO(氧化镍)、Fe2O3(氧化铁)等等。
自旋反射层7的结构从磁记录层一端起依次包括盖层/磁性层/反铁磁层，或者盖层磁性层/非磁性层/磁性层/反铁磁层。自旋反射层7反射自旋极化电子并促使磁记录层中的磁化反转。结果，用于自旋注入磁化反转的电流密度就可以被降低。至于盖层，可以使用由金属、合金或者金属间化合物构成的保护膜。
下面将参考例子更详细地描述本发明的实施例。
第一个例子首先，参考图10描述本发明的第一个例子中的存储器。本例中的磁存储器包括下连线20、上连线25和一个存储单元。所述存储单元包括一个磁阻效应元件。该磁阻效应元件具有图1所示的层结构。如图3C中所示，磁记录层6中的磁化方向相对于磁化钉扎层4中的磁化方向有一个倾角。制造具有图4A所示的近乎矩形形状的薄膜表面的磁阻效应元件、具有图4B所示的近乎椭圆形状的薄膜表面的磁阻效应元件、具有图4C所示的近乎平行四边形形状薄膜表面的磁阻效应元件。顺便提及，所述薄膜表面形状可以是一种通过组合一部分的近似矩形形状、一部分的近似椭圆形状和一部分的近似平行四边形形状而获得的形状，如图5A、图5B和图5C所示。本例中的磁存储器的形成如下所述。
首先，由Ta(30nm)/Al(100nm)/Ta(50nm)构成的下连线层20通过溅射形成在由SiO2构成的基底(未示出)上。下连线层20的表面用化学机械抛光(CMP)进行抛光。然后，在下连线层20上顺序形成一个由Ta(5nm)/Ru(3nm)构成的衬层(未示出)、一个由PtMn构成的厚度为15nm的反铁磁层3、一个由CoFe(5nm)/Ru(1nm)/CoFeB(3nm)构成的磁化钉扎层4、一个由MgO构成的层厚为1.0nm的隧道势垒层5、一个由CoFeB构成的层厚为3nm的磁记录层6、一个由Ru构成的厚度为5nm的第一盖层(未示出)、一个由CoFe(3nm)/PtMn(15nm)构成的自旋反射层7、以及一个由Ru构成的层厚为5nm的第二盖层(未示出)。之后，由Ta(50nm)/Al(2nm)/Ta(150nm)构成的相反电极8形成在所述第二盖层上。之后，在300℃下进行退火，同时在磁化钉扎层4中的磁化方向上施加磁场，以便对磁化钉扎层4中的磁化进行固定。
然后，在相反电极8上施加一层光刻胶，使用光刻的方法形成具有磁阻效应元件之薄膜表面形状的光刻胶图形。顺便提及，磁阻效应元件的薄膜表面采取近似矩形形状、近似椭圆形状、或者近似平行四边形形状，以便使磁记录层6的磁化具有形状各向异性。上述形状中主轴的方向与磁化钉扎层4中钉扎的磁化方向相比倾斜32°。
用所述光刻胶图形作掩模并使用反应离子刻蚀来刻蚀相反电极层8以形成相反电极8。随后，光刻胶图形被剥离。之后，用相反电极8作掩模并使用离子铣削来铣削第二盖层、自旋反射层7、第一盖层、磁记录层6、隧道势垒层5、磁化钉扎层4和反铁磁层3。在这些层的上面，用溅射形成一层SiO2膜(未示出)作为保护膜。
随后，形成下连线层的光刻胶图形。下连线20通过用离子铣削的刻蚀来形成。在光刻胶图形被剥离后，用溅射形成由SiO2构成的厚度为200nm的一层绝缘隔层(未示出)。形成包括通孔图形的光刻胶图形，所述通孔图形用来获得与相反电极8接触。用该光刻胶图形作掩模、用反应离子刻蚀来刻蚀所述绝缘隔层，直到相反电极8出现为止。之后，光刻胶图形被剥离。随后，形成一层Ti/Al/Ti层，作为上连线层。在所述Ti/Al/Ti层上形成光刻胶图形。随后，用光刻胶作掩模、用反应离子刻蚀来刻蚀所述Ti/Al/Ti层来形成上连线25。然后将光刻胶图形剥离。
在本例中，使用脉冲测量方法来测量由自旋注入磁化反转引起的电阻变化，该方法让脉冲电流流过磁阻效应元件，并测量在足够低的电流下的电阻。本例所述的具有近似矩形形状的磁阻效应元件的电阻对脉冲电流密度的依赖关系示于图11。磁化反转由自旋注入引起，可以观察到电阻的变化。当与磁化钉扎层4中的磁化方向相比，磁记录层6中的磁化方向从近乎反平行状态的一个方向反转为近乎平行状态的一个方向时，引起磁化反转的电流密度估计为0.48×106A/cm2。当磁记录层6中的磁化方向从近乎平行状态的一个方向反转为近乎反平行状态的一个方向时，用于磁化反转的电流密度估计为2.0×106A/cm2。引起磁化反转的电流密度平均为1.2×106A/cm2。
作为比较例，制造一个样品，除了磁记录层中的磁化方向与磁化钉扎层中的磁化方向相比不发生倾斜，即倾角为0°或180°，该样品与本例中样品相同，并用自旋注入进行磁化反转。对于从近乎反平行状态反转为近乎平行状态的情形和从近乎平行状态反转为近乎反平行状态的情形，比较样品中引起磁化反转的电流密度平均为1.0×107A/cm2。
所以，在本例中，可以在低电流密度下进行自旋注入写操作。
薄膜表面形状近乎椭圆或近乎平行四边形的磁阻效应元件的面积和平均反转电流密度示于图12。在薄膜表面形状近乎椭圆或近乎平行四边形的磁阻效应元件中，也可以在低电流密度下进行自旋注入写操作。
本例中的磁存储器被证明可以在低电流下进行自旋注入写操作，并适合于作为大容量存储器。
第二个例子参考图13描述根据第二个例子的存储器。本例中的磁存储器包括下连线20、上连线25和一个存储单元。所述存储单元包括一个磁阻效应元件。在本磁阻效应元件中，磁记录层6中的磁化方向相对于磁化钉扎层4中的磁化方向有一个倾角，如图3C所示。制造具有图4A所示的近乎矩形形状薄膜表面的磁阻效应元件、具有图4B所示的近乎椭圆形状薄膜表面的磁阻效应元件、具有图4C所示的近乎平行四边形形状薄膜表面的磁阻效应元件。顺便提及，所述薄膜表面形状可以是一种通过组合一部分的近似矩形形状、一部分的近似椭圆形状和一部分的近似四边形形状而获得的形状，如图5A、图5B和图5C所示。在本例中，在下连线和相反电极之间的层结构的顺序通过将第一个例子中的层结构顺序颠倒而得到。本例中的磁存储器的形成如下所述。
直到下连线20，制造过程与第一个例子中的过程相同。下连线层20的表面用化学机械抛光(CMP)进行抛光。然后，在下连线层20上以下面所述顺序形成一个由Ta(5nm)/Ru(3nm)构成的衬层(未示出)、一个由PtMn(15nm)/CoFe(3nm)构成的自旋反射层7、一个由Ru构成的层厚为5nm的第一盖层(未示出)、一个由CoFeB构成的层厚为3nm的磁记录层6、一个由MgO构成的层厚为1.0nm的隧道势垒层5、一个由CoFe(5nm)/Ru(1nm)/CoFeB(3nm)构成的磁化钉扎层4、一个由PtMn构成的层厚为15nm的反铁磁层3、以及一个由Ru构成的层厚为5nm的第二盖层(未示出)。之后，由Ta(50nm)/Al(2nm)/Ta(150nm)构成的相反电极8形成在所述第二盖层上。
之后，在300℃下进行退火，同时在磁化钉扎层4中的磁化方向上施加磁场，以便对磁化钉扎层4中的磁化进行固定。
在本例中，在相反电极8上施加一层光刻胶，使用光刻的方法形成具有磁阻效应元件之薄膜表面形状的光刻胶图形。顺便提及，磁阻效应元件的薄膜表面采取近似矩形形状、近似椭圆形状、或者近似平行四边形形状，以便使磁记录层6的磁化具有形状各向异性。上述薄膜表面形状中长边的方向或者主轴的方向与磁化钉扎层4中钉扎的磁化方向相比倾斜38°。
该磁阻效应元件随后的工艺处理与第一个例子中的工艺相同。这样就形成了一个磁存储器。在本例中，用脉冲测量方法测量自旋注入磁化反转引起的电阻变化。
在本例中，引起自旋注入磁化反转，并能够测量电阻变化。具有近似椭圆形状的薄膜表面的磁阻效应元件的电阻对脉冲电流密度的依赖关系示于图14。当与磁化钉扎层4中的磁化方向相比，磁记录层6中的磁化方向从近乎反平行状态的一个方向反转为近乎平行状态的一个方向时，具有近似椭圆形状的薄膜表面的磁阻效应元件的发生磁化反转时的电流密度估计为0.56×106A/cm2。当磁记录层6中的磁化方向从近乎平行状态的一个方向反转为近乎反平行状态的一个方向时，发生磁化反转的电流密度估计为1.7×106A/cm2。引起磁化反转的电流密度平均为1.1×106A/cm2。
作为比较例，制造一个样品，除了磁记录层中的磁化方向与磁化钉扎层中的磁化方向相比不发生倾斜，即倾角为0°或180°，该样品与本例中样品相同，并用自旋注入进行磁化反转。对于从近乎反平行状态反转为近乎平行状态的情形和从近乎平行状态反转为近乎反平行状态的情形，比较例样品中引起磁化反转的电流密度平均为1.0×107A/cm2。
所以，在本例中，可以在低电流密度下进行自旋注入写操作。
薄膜表面形状近乎椭圆或近乎平行四边形的磁阻效应元件的面积和平均反转电流密度示于图15。从图15中注意到，在薄膜表面形状近乎椭圆或近乎平行四边形的磁阻效应元件中，也可以在低电流密度下进行自旋注入写操作。
本例中的磁存储器被证明可以在低电流下进行自旋注入写操作，并适合于作为大容量存储器。
第三个例子作为本发明的第三个例子，制造一种磁阻效应元件，该元件的形状在形状各向异性中有两个轴。在本例中，形成与第一个例子中的磁阻效应元件相同的层结构。在300℃下进行退火，同时在磁化钉扎层中的磁化方向上施加磁场。
在本例中，使用和第一个例子中相同的光刻方法来制造如图16A所示通过两个近似矩形形状的组合而得到其薄膜表面形状的磁阻效应元件、如图16B所示通过两个近似椭圆形状的组合而得到其薄膜表面形状的磁阻效应元件、以及如图16C所示通过两个近似平行四边形形状的组合而得到其薄膜表面形状的磁阻效应元件。该元件的薄膜表面的形状可以是一种从近似矩形形状、近似椭圆形状和近似平行四边形形状中组合其中的两个而获得的形状。该元件的薄膜表面形状可以是一种通过组合一部分的近似矩形形状、一部分的近似椭圆形状和一部分的近似平行四边形形状而获得的形状。
磁记录层6的第一部分中的各向异性的形状的轴61与磁化钉扎层4中的磁化方向41所形成的角度Ψ1设为32°，而磁记录层6的第二部分的各向异性形状的轴62与磁化钉扎层4中的磁化方向41所形成的角度Ψ2设为-32°(见图9)。之后，磁阻效应元件的制造过程和第一个例子中过程相同。
至于根据本例这样制造的磁阻效应元件，用脉冲测量方法测量由自旋注入磁化反转所引起的电阻变化。所制造的磁阻效应元件的形状、面积以及被测量的自旋注入磁化反转电流密度示于图17。
作为比较例，制造一个样品，除了磁记录层中的磁化方向与磁化钉扎层中的磁化方向相比不发生倾斜，即倾角为0°或180°，该样品与本例中样品相同，并用自旋注入进行磁化反转。对于从近乎反平行状态反转为近乎平行状态的情形和从近乎平行状态反转为近乎反平行状态的情形，比较例样品中引起磁化反转的电流密度的平均值为1.0×107A/cm2。
所以，在本例中，可以在低电流密度下进行自旋注入写操作。如果用本例中的磁阻效应元件来代替第一或第二例所述的磁存储器中的磁阻效应元件的话，可以得到具有大容量的磁存储器。
第四个例子关于本例中的磁阻效应元件，在成膜装置中安装一个磁体，进行成膜时给样品施加一个磁场。在成膜时，通过使磁化钉扎层中的磁化方向相对于磁记录层中的磁化方向倾斜一个角φ，使磁记录层在第一时间获得感生磁各向异性。至于层结构，使用和第一个例子所述的磁阻效应元件同样的层结构。
制造一个通过成膜后的退火在第二时间获得感生磁各向异性的样品，以及一个不退火因而在第二时间没有获得感生磁各向异性的样品。至于本例中的退火，退火在300℃下进行，同时在与磁化钉扎层成膜时所用磁场的方向几乎相同的方向上施加磁场，然后温度降低到120℃，同时在与磁记录层成膜时所用磁场的方向几乎相同的方向上施加一个磁场以进行退火。
在本例中，制造一个具有方形形状的磁阻效应元件和一个具有圆形形状的磁阻效应元件。在本例的制造元件的工艺中，采用和第一个例子相同的方法。使用和第一个例子相同的脉冲测量方法测量自旋注入磁化反转电流密度。
在一些元件形状和一些角度φ情况下的平均反转电流密度示于图18。从图18中注意到，只要元件在成膜时获得感生磁各向异性，不管该元件是否在第二时间获得感生磁各向异性，自旋注入磁化反转电流密度的变化很小。
作为比较例，制造一个样品，除了磁记录层中的磁化方向与磁化钉扎层中的磁化方向相比不发生倾斜，即倾角为0°或180°，该样品与本例中样品相同，并用自旋注入进行磁化反转。对于从近乎反平行状态反转为近乎平行状态的情形和从近乎平行状态反转为近乎反平行状态的情形，该比较样品中引起磁化反转的电流密度平均为1.0×107A/cm2。
所以，应该注意到，本例中的结构使得可以在低电流下进行自旋注入写操作。
如果用本例中的磁阻效应元件来代替第一或第二例所述的磁存储器中的磁阻效应元件的话，可以得到具有大容量的磁存储器。
根据本发明的例子，自旋反转可以在低电流密度下产生，这样不会引起元件的损坏，写操作可以在小电流下进行，如前面所描述的。
对于那些本领域技术人员，很容易看到附加的优点和修正。所以，本发明在其较宽的方面不限于这里所显示和描述的具体细节和有代表性的实施例。因此，可以做各种修正而不偏离由附属权利要求书及其等价描述所界定的一般性发明概念的精神或范围。
权利要求
1.一种磁阻效应元件，包括磁化钉扎层，其中磁化方向被钉扎；磁记录层，其中磁化方向是可变的，所述磁化钉扎层中的磁化方向与所述磁记录层中的磁化方向之间形成一个大于0度小于180度的角，并且通过注入自旋极化电子到所述磁记录层中，所述磁记录层中的磁化方向被反转；以及非磁性层，其设置为介于所述磁化钉扎层和所述磁记录层之间。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁记录层的薄膜表面采取基本上是矩形的形状，所述磁化钉扎层中的磁化方向相对于所述矩形的主轴倾斜一个大于0度小于180度的角，以及所述磁记录层中的磁化方向基本上平行于所述矩形的所述轴。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁记录层的薄膜表面采取基本上是椭圆的形状，所述磁化钉扎层中的磁化方向相对于所述椭圆的主轴倾斜一个大于0度小于180度的角，以及所述磁记录层中的磁化方向基本上平行于所述椭圆的所述轴。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁记录层的薄膜表面采取基本上是平行四边形的形状，所述磁化钉扎层中的磁化方向相对于所述平行四边形的长边倾斜一个大于0度小于180度的角，以及所述磁记录层中的磁化方向基本上平行于所述平行四边形的所述长边。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁记录层的薄膜表面形状包括具有第一主轴的第一部分，和具有第二主轴的第二部分，所述第二主轴与第一主轴相交成一个大于0度小于180度的角，并且与所述第一部分相连，以及所述第一和第二主轴中的一个与所述磁化钉扎层中的磁化方向形成一个正角，而所述第一和第二主轴中的另一个与所述磁化钉扎层中的磁化方向形成一个负角。
6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁记录层具有感生磁各向异性，所述磁记录层中的磁化方向基本上平行于所述感生磁各向异性的方向，以及所述磁化钉扎层的磁化方向与所述磁记录层中的所述感生磁各向异性的所述方向相比有一个大于0度小于180度的倾角。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁记录层中的自旋极化因子P用P来表示，以及设α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4，β＝-4+3α，θ1＝arccos[{-αβ-2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]，θ1’＝arccos[{-αβ+2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]其中0°＜θ1’＜θ1＜180°，当θ1’大于等于120°时，所述磁化钉扎层中的磁化方向和所述磁记录层中的磁化方向所形成的角度θ在(180°-θ1)到(180°-θ1’)的范围内，该范围包括这两个角度，或者在θ1’到θ1的范围内，该范围包括这两个角度，并且当θ1’小于120°时，所述角度θ在(180°-θ1)到60°的范围内，该范围包括这两个角度，或者在120°到θ1的范围内，该范围包括这两个角度。
8.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁记录层中的自旋极化因子P用P来表示，以及设α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4，β＝-4+3α，θ2＝arcsin[{(2-31/2)(β2-α2)1/2}/α]θ2’＝arcsin[{(2+31/2)(β2-α2)1/2}/α]其中0°＜θ2＜θ2’＜90°，当θ2’小于60°时，所述磁化钉扎层中的磁化方向和所述磁记录层中的磁化方向所形成的角度θ在θ2到θ2’的范围内，该范围包括这两个角度，或者在(180°-θ2’)到(180°-θ2)的范围内，该范围包括这两个角度，并且当θ2’大于等于60°时，所述角度θ在θ2到60°的范围内，该范围包括这两个角度，或者在120°到(180°-θ2)的范围内，该范围包括这两个角度。
9.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，所述磁化钉扎层中的磁化方向和所述磁记录层中的磁化方向所形成的角度在4°到60°的范围内，该范围包括这两个角度，或者在120°到176°的范围内，该范围包括这两个角度。
10.一种磁存储器，包括第一连线；第二连线；以及存储单元，包括如权利要求1所述的磁阻效应元件，所述磁阻效应元件中的磁记录层与所述第一连线电连接，所述磁阻效应元件中的磁化钉扎层与所述第二连线电连接。
全文摘要
可以在低电流密度下引起自旋反转，这样不会造成元件损坏，还可以用小电流进行写操作。一种磁阻效应元件包括磁化钉扎层，其中磁化方向被钉扎；磁记录层，其中磁化方向可变，所述磁化钉扎层中的磁化方向与所述磁记录层中的磁化方向之间形成一个大于0度小于180度的角，并且通过注入自旋极化电子到所述磁记录层中，所述磁记录层中的磁化方向实现反转；以及一个非磁性金属层，介于所述磁化钉扎层和磁记录层之间。
文档编号H01F10/32GK101030443SQ20071000698
公开日2007年9月5日 申请日期2007年1月31日 优先权日2006年1月31日
发明者杉山英行, 齐藤好昭, 井口智明 申请人:株式会社东芝