专利名称：磁阻效应元件、磁存储器以及磁头的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁阻效应元件、磁存储器以及磁头。
背景技术：
使用磁性体膜的磁阻效应元件已被用于磁头、磁传感器等中，同时提出了将其用于固体磁存储器中。特别是作为能高速读写、容量大、低功耗工作的下一代的固体非易失性存储器，提高了对利用强磁性体的磁阻效应的磁随机存取存储器(以下称MRAM)的关心程度。
近年来，作为具有在两个强磁性金属层之间插入一层电介质的夹层结构、使电流垂直于膜面流过、利用隧道电流的磁阻效应元件，提出了所谓的“强磁性隧道结元件(TMR元件)”。在强磁性隧道结元件中，能获得20％以上的磁阻变化率，所以提高了对MRAM的民用的可能性。
在强磁性层上形成厚度为0.6nm～2.0nm的薄的Al(铝)层后，通过使其表面暴露在氧辉光放电或氧气中，形成由Al2O3构成的隧道阻挡层，能实现该强磁性隧道结元件。
另外，提出了一种强磁性单隧道结，该强磁性单隧道结具有这样的结构使构成该强磁性单隧道结元件的一个强磁性层呈反强磁性层，将另一个强磁性层作为磁化固定层。
另外，还提出了使分散在电介质中的磁性颗粒介于其中的强磁性隧道结元件、或强磁性双隧道结元件。
在这些强磁性隧道结元件中，也能获得20％～50％的磁阻变化率，且即使为了获得所希望的输出电压值而增加加在强磁性隧道结元件上的电压值，也能抑制磁阻变化率的减少，所以有可能应用于MRAM中。
在将TMR元件用于MRAM的情况下，将隧道阻挡层夹在中间的两个强磁性层中，将其中的一个磁化方向不变化的磁化固定层作为基准磁化层，将另一个磁化方向容易反转的磁化自由层作为存储层。通过使基准层和存储层的磁化方向呈平行状态和反平行状态时对应于二进信息的“0”和“1” ，能存储信息。
通过利用使电流流过设置在TMR元件附近的写入布线而发生的感应磁场，使存储层的磁化方向反转，进行记录信息的写入。另外，通过检测由TMR效应引起的电阻变化部分，进行记录信息的读出。
为了使基准层的磁化方向固定，采用接近强磁性层设置反强磁性层，使由交换耦合力不容易引起磁化反转的方法的结构称为自旋阀型结构。在该结构中，一边施加磁场一边进行热处理(磁化固定退火)，决定基准层的磁化方向。另一方面，通过赋予磁各向异性，使易磁化方向和基准层的磁化方向大致相同，形成存储层。
这些使用强磁性单隧道结或强磁性双隧道结的磁记录元件呈非易失性，写入读出时间也快，在10毫微秒以下，而且改写次数有达1015以上的可能性。特别是使用强磁性双隧道结元件的磁记录元件，如上所述，即使为了获得所希望的输出电压值而增加加在强磁性隧道结元件上的电压值，也能抑制磁阻变化率的减少，所以能获得大的输出电压，作为磁记录元件，呈现出良好的特性。
可是，关于存储器的单元尺寸，在单元采用由一个晶体管和一个TMR元件构成的结构的情况下，存在不能使尺寸小到半导体的DRAM(动态随机存取存储器)以下的问题。
为了解决该问题，设计出了将TMR元件和二极管串联连接在位线和字线之间的二极管型结构、或者将TMR单元配置在位线和字线之间的简单矩阵型结构。
可是，不管在哪一种情况下，向存储层写入时都用电流脉冲产生的电流磁场进行反转，所以功耗大，大容量化时布线的允许电流密度有极限，不能大容量化。另外，电流的绝对值为1mA以下，为了代替DRAM，如果达不到0.2mA以下，则使电流流通用的驱动器的面积增大，在与其他非易失性固体磁存储器、例如使用强电介质电容器的强电介质存储器(铁电随机存取存储器)或快速存储器等进行比较的情况下，存在结构增大、缺乏竞争力的问题。
针对上述问题，提出了将由磁导率高的磁性材料构成的薄膜设置在写入布线周围的磁存储装置(例如，参照美国专利第5,659,499号说明书、美国专利第5,956,267号说明书、美国专利第5,940,319号说明书)。如果采用这些磁存储装置，则由于在布线周围设有磁导率高的磁性膜，所以能有效地降低对磁记录层进行信息写入所必要的电流值。
可是，即使采用它们，使写入电流值在1mA以下也是非常困难的。
另外，至此所设计的强磁性隧道结的存储层(磁化自由层)，通常在结合分离时由规定的体积决定，如果设计规则在0.25微米以下，则在热稳定性方面有问题。为了解决这些问题，提出了将存储层作成反强磁性结的三层膜或多层膜(例如，参照美国专利第5,953,248号说明书)。
可是，如果采用上述专利文献4中的多层膜结构，则会发生多级磁滞，引起MR变化率下降的问题。
发明内容
本发明正是考虑了上述情况而完成的，目的在于提供一种功耗少、热稳定性好的磁阻效应元件、以及使用该磁阻效应元件的磁存储器及磁头。
本发明的第一种形态的磁阻效应元件的特征在于包括隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的成为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层有夹着上述隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在上述第二强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧形成、膜面面积比上述第二强磁性层大、能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在上述第二强磁性层和上述第三强磁性层之间、将上述第三强磁性层的磁化的反转传递给上述第二强磁性层的中间层。
本发明的第二种形态的磁存储器的特征在于包括第一布线；与该第一布线交叉的第二布线；以及设置在上述第一布线及第二布线的交叉区域上的上述磁阻效应元件，上述磁阻效应元件的第二及第三强磁性层成为存储层，该存储层能随着通过使电流流过上述第一及第二布线中的至少一条布线产生的电流磁场来改变磁化方向，上述第三强磁性层与发生上述电流磁场的上述一条布线相邻地设置。
图1是表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的结构的剖面图。
图2A是表示将第一实施方式的磁阻效应元件用于磁存储器时的斜视图，图2B是表示第一实施方式的磁阻效应元件的中间层的结构的斜视图。
图3是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第一变形例的结构的剖面图。
图4是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第二变形例的结构的剖面图。
图5是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第三变形例的结构的剖面图。
图6是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第四变形例的结构的剖面图。
图7是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第五变形例的结构的剖面图。
图8是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第六变形例的结构的剖面图。
图9是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第七变形例的结构的剖面图。
图10是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第八变形例的结构的剖面图。
图11A至图11F是第一实施方式的磁阻效应元件的与写入布线相邻的磁性层的平面图。
图12(a)至图12(h)是第一实施方式的磁阻效应元件的中间层的平面图。
图13是表示星形曲线的图。
图14A、14B是表示本发明的第二实施方式的磁存储器的结构图。
图15A、15B是表示本发明的第三实施方式的磁存储器的结构图。
图16A、16B是表示本发明的第四实施方式的磁存储器的结构图。
图17A至图17C是表示本发明的第五实施方式的磁存储器的结构图。
图18A至图18C是表示本发明的第六实施方式的磁存储器的结构图。
图19A、19B是表示本发明的第七实施方式的磁存储器的结构图。
图20A、20B是表示本发明的第八实施方式的磁存储器的结构图。
图21A、21B是表示本发明的第九实施方式的磁存储器的结构图。
图22A、22B是表示本发明的第十实施方式的磁存储器的结构图。
图23A、23B是表示本发明的第十一实施方式的磁存储器的结构图。
图24A、24B是表示本发明的第十二实施方式的磁存储器的结构图。
图25是表示本发明的第十三实施方式的磁存储器的结构图。
图26是表示本发明的第十四实施方式的磁存储器的结构图。
图27是表示本发明的第十五实施方式的磁存储器的结构图。
图28是表示本发明的第十六实施方式的磁存储器的结构图。
图29A、29B是表示本发明的第十七实施方式的磁存储器的结构图。
图30A、30B是表示本发明的第十八实施方式的磁存储器的结构图。
图31A至图31F是表示本发明的第十九实施方式的磁阻效应元件的制造工序的工序剖面图。
图32A至图32E是表示本发明的第十九实施方式的磁阻效应元件的制造工序的工序剖面图。
图33A至图33F是表示本发明的第二十实施方式的磁阻效应元件的制造工序的工序剖面图。
图34A至图34C是表示本发明的第二十实施方式的磁阻效应元件的制造工序的工序剖面图。
图35A及图35B是分别表示第七及第八实施方式的磁存储器中用的有T型磁化自由层的TMR元件的结构的剖面图。
图36是表示第一实施方式的磁阻效应元件的变形例的结构的剖面图。
图37是表示磁记录再生装置的简略结构的主要部分斜视图。
图38是从盘侧看到的从致动臂到前端的磁头组件的放大斜视图。
具体实施例方式
以下，参照
本发明的实施方式。
(第一实施方式)图1中示出了本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的结构。该实施方式的磁阻效应元件2是磁存储器的存储单元中用的强磁性隧道结元件(以下也称TMR元件)，具有磁化自由层3；隧道阻挡层4；以及作为基准层的磁化固定层5。磁化自由层3具有夹着隧道阻挡层4、设置在与磁化固定层5相反一侧的作为存储层的强磁性层3a；中间层3b；以及通过该中间层3b进行磁交换耦合的磁性层3c。磁性层3c与将写入数据写入TMR元件2时写入电流流过的写入布线10相邻地设置。
在本实施方式中，强磁性层3a、中间层3b、隧道阻挡层4、以及磁化固定层5的平面形状大致相同，纵横比(＝长轴方向的长度/短轴方向的长度)为2以下。另外，与写入布线10相邻的磁性层3c的面积比强磁性层3a的面积大。
就是说，从剖面图中看，强磁性层3a、中间层3b、磁性层3c形成T型的磁化自由层3。在该T型磁化自由层3中，磁矩方向主要由与写入布线10相邻设置的磁性层3c决定。即，磁各向异性主要由磁性层3c赋予。与其相比，强磁性层3a、中间层3b的磁各向异性控制为较小。例如，如后面所述，通过控制各自的平面形状，能容易地进行该控制。强磁性层3a、中间层3b、磁性层3c之间通过磁交换耦合进行耦合。
在这样的结构的T型磁化自由层中，在使电流脉冲流过写入布线10，施加了电流磁场的情况下，由于写入布线10和与写入布线10相邻设置的磁性层3c之间的距离非常近，所以电流磁场有效地作用在磁性层3c上，用低电流就能容易地使磁性层3c切换。如果使与写入布线10相邻设置的磁性层3c旋转反转，则磁各向异性设定得比它小的强磁性层3a、中间层3b由于磁交换耦合而同时反转。即，中间层3b将磁性层3c的磁化反转传递给磁性层3a。
另外，T型磁化自由层3的体积比只由强磁性层3a构成的现有的磁化自由层大很多，所以热稳定性也好，即使在0.1微米以下的设计规则中，也能维持旋转磁矩，1G位以上的MRAM的实用化成为可能。
另外，在本实施方式中，强磁性层3a及中间层3b由于纵横比小，所以能大容量化。
另外，中间层3b也可以是单层的磁性层，如图2A、2B所示，也可以是磁性层3b1和非磁性层3b2交替层叠的多层膜。在磁性层和非磁性层交替层叠的多层膜的情况下，最好存在使非磁性层夹在相邻的磁性层之间的反强磁性交换耦合或强磁性交换耦合。另外，在图2B中，中间层3b呈现反强磁性交换耦合。而且，具有具有这样构成的中间层3b及强磁性层3a以及磁性层3c的磁化自由层3、隧道阻挡层4、以及磁化固定层5的强磁性隧道结型磁阻效应元件2，作为构成存储单元的要素，一般如图2A所示，被设置在上部布线(写入布线)10和下部布线20的每一个交叉点上。
另外，如图36所示，中间层3b是非磁性金属层，而且也可以与磁性层3c的尺寸相同。在此情况下，强磁性层3a和磁性层3也存在反强磁性交换耦合或强磁性交换耦合。
其次，参照图3至图10说明本实施方式的磁阻效应元件的第一至第八变形例。图3中示出了第一变形例的磁阻效应元件的结构。在图1所示的强磁性隧道结元件中，该第一变形例的磁阻效应元件2这样构成与写入布线10相邻设置的磁性层3c在写入布线10一侧延伸。另外，在该第一变形例中，使由强磁性体构成的磁化固定层5的磁化固定的反强磁性层6被设置在磁化固定层5的与设置了隧道阻挡层4的一侧相反一侧的面上，但在图1所示的第一实施方式中，设置反强磁性层6，被省略。如果采用其他方法使磁化固定层5的磁化固定，则不需要反强磁性层6，但最好利用该反强磁性层6使磁化固定层5的磁化固定。另外，在以后的变形例中也设置反强磁性层6。该第一变形例的磁阻效应元件与第一实施方式的情况相比，由于磁化自由层3的体积增大，所以热稳定性增大。
图4中示出了第二变形例的磁阻效应元件的结构。在图1所示的强磁性隧道结元件中，该第二变形例的磁阻效应元件2是磁性层和非磁性层交替地层叠了中间层3b的多层膜。
在该多层膜中，存在使非磁性层夹在相邻的磁性层之间的反强磁性交换耦合或强磁性交换耦合。
另外，在与写入布线相邻的磁性层3c和构成中间层3b的磁性层中距离磁性层3c最近的磁性层之间，既可以存在非磁性层，也可以直接连接。另外，在作为存储层的强磁性层3a和构成中间层3b的磁性层中距离强磁性层3a最近的磁性层之间，既可以存在非磁性层，也可以直接连接。
该第二变形例的磁阻效应元件2与第一实施方式的情况相比，由于磁化自由层3的体积增大，所以热稳定性增大。另外，由于中间层3b成为交替地层叠了磁性层和非磁性层的多层膜结构，所以能防止发生多级磁滞，能提高MR变化率(MR比)，能高输出化。
图5中示出了第三变形例的磁阻效应元件的结构。在图4所示的第二变形例中，该第三变形例的磁阻效应元件2构成为使磁性层3c沿写入布线10一侧延伸。该第三变形例的磁阻效应元件与第二变形例相比，由于磁化自由层3的体积增大，所以热稳定性增大。另外，由于中间层3b成为交替地层叠了磁性层和非磁性层的多层膜结构，所以MR比增大，能高输出化。
图6中示出了第四变形例的磁阻效应元件的结构。在图5所示的第三变形例中，该第五变形例的磁阻效应元件2呈这样的结构将磁性体被覆膜(轭)8设置在写入布线10的与设有磁性层3c的一侧相反的一侧上。如果再将轭8设置在写入布线10上，则更能降低写入电流，用0.2mA以下的写入电流就能进行旋转反转。另外，电流不流过写入布线10时，没有轭8和磁阻效应元件2的磁化自由层3的磁相互作用。与现有的情况相比，由于磁化自由层3的体积大，所以热稳定性增大。另外，由于中间层3b呈交替地层叠了磁性层和非磁性层的多层膜结构，所以MR比增大，能高输出化。
图7中示出了第五变形例的磁阻效应元件的结构。在图4所示的第二变形例中，该第五变形例的磁阻效应元件2呈这样的结构使与写入布线10相邻的磁性层3c呈由磁性层3c1、非磁性层3c2、以及磁性层3c3构成的层叠结构。这样，通过使磁性层3c呈层叠结构的多层膜，与第二变形例的情况相比，由于磁化自由层3的体积大，所以更能提高热稳定性。另外，由于中间层3b呈交替地层叠了磁性层和非磁性层的多层膜结构，所以MR比增大，能高输出化。
图8中示出了第六变形例的磁阻效应元件的结构。在图7所示的第五变形例中，该第六变形例的磁阻效应元件2呈这样的结构将轭8设置在写入布线10的与设有磁性层3c的一侧相反的一侧上。该第六变形例也与第五变形例相同，更能提高热稳定性。另外，由于设有轭8，所以更能降低写入电流，用0.2mA以下的写入电流就能进行旋转反转。另外，电流不流过写入布线10时，没有轭8和磁阻效应元件2的磁化自由层3的磁相互作用。另外，由于中间层3b呈交替地层叠了磁性层和非磁性层的多层膜结构，所以MR比增大，能高输出化。
图9中示出了第七变形例的磁阻效应元件的结构。该第七变形例的磁阻效应元件2有与图5所示的第三变形例的磁阻效应元件2相同的结构，呈设置在写入布线10上的结构。该第七变形例也与第三变形例相同，能提高热稳定性。另外，由于中间层3b呈交替地层叠了磁性层和非磁性层的多层膜结构，所以MR比增大，能高输出化。
图10中示出了第八变形例的磁阻效应元件的结构。该第八变形例的磁阻效应元件2有与图8所示的第六变形例的磁阻效应元件相同的结构，呈设置在写入布线10上的结构。该第八变形例也与第六变形例相同，能提高热稳定性。另外，由于中间层3b呈交替地层叠了磁性层和非磁性层的多层膜结构，所以MR比增大，能高输出化。另外，由于设有轭8，所以更能降低写入电流，用0.2mA以下的写入电流就能进行旋转反转。另外，电流不流过写入布线10时，没有轭8和磁阻效应元件2的磁化自由层3的磁相互作用。
其次，参照图11A至图11F说明构成第一实施方式的磁阻效应元件的磁化自由层3中包括的、与写入布线10相邻设置的磁性层3c的平面形状。图11A至图11F中示出了该磁性层3c的各种平面形状。图11A示出了椭圆形状，图11B示出了橄榄球形状，图11C示出了对长方形的角部进行了倒角的形状，图11D示出了长方形形状，图11E示出了八角形形状，图11F示出了十字形状。这些磁性层3c的平面形状除了图11E所示的八角形形状及图11F所示的十字形状以外，纵横比(＝长轴/短轴)都比1大，是优选的。即，与流过写入布线10的电流方向的长度相比，大致与该电流方向正交的方向的长度L1更长。另外，电流方向是短轴，大致与电流方向正交的方向是长轴。如后面所述，在将电流脉冲加在两条大致呈直线的布线上进行自旋反转的情况下，由于呈该形状，所以除了能赋予稳定的磁各向异性外，星形曲线的形状变好。在纵横比为1∶1的情况下，如果使磁性层3c的平面形状呈八角形形状、十字形状，则星形曲线的形状变好。星形曲线的形状好的意思，如图13所示的星形曲线g1所示，与其他星形曲线g2、g3相比，位于坐标轴一侧，因此，意味着旋转反转时的切换磁场的值小，旋转反转以外时的切换磁场的值大。如果呈这样的星形形状，则单元选择容易。
图12(a)至图12(h)中示出了中间层3b的平面形状。图12(a)至图12(d)表示流过写入布线10的电流方向的长度W与垂直于电流方向的长度L的比为1∶1，图12(e)至图12(h)表示L比W长。另外，L比磁性层3c的长轴方向的长度L1短。
在任何情况下与写入布线10相邻设置的磁性层3c的平面的面积都比构成隧道结型磁阻效应元件的中间层3b或强磁性层3a的平面面积大。
在这样的磁阻效应元件2中，作为能用于磁化固定层5、作为存储层的磁性层3a、中间层3b的强磁性体，能使用例如Fe(铁)、Co(钴)、Ni(镍)或它们的合金、自旋极化率大的磁铁矿、CrO2、RXMnO3-y(这里，R表示稀土类，X表示Ca(钙)、Ba(硼)、Sr(锶)中的任意一种)等氧化物、或NiMnNb(镍锰铌)、PtMnSb(铂锰锑)等郝斯勒强磁性合金等。
作为由这些材料构成的磁化固定层5最好有单向各向异性(形状各向异性)，作为磁性层3a、中间层3b最好有单轴各向异性。另外其厚度最好从0.1nm至100nm。另外，这些强磁性层5、3a、3b的厚度必须是不表现超常磁性程度的厚度，更优选为0.4nm以上。
另外，最好在用作磁化固定层5的强磁性层上附加反强磁性膜，使磁化固定。作为这样的反强磁性膜，能举出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。
另外，在这些磁性体中添加Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Mg(镁)、Si(硅)、Bi(铋)、Ta(钼)、B(硼)、C(碳)、N(氮)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)、B(硼)等非磁性元素，调节磁特性，此外还能调节结晶性、机械特性、化学特性等各种物性。
另一方面，作为磁化固定层5、磁性层3a、中间层3b，也可以使用强磁性层和非磁性层的层叠膜。例如，能使用强磁性层/非磁性层/强磁性层这样的三层结构、或三层以上的多层膜。在此情况下，希望反强磁性层之间的相互作用能在夹着非磁性层的强磁性层中起作用。
更具体地说，作为将磁性层的磁化固定在一个方向的方法，采用由Co或Co-Fe/Ru(钌)/Co或Co-Fe构成的三层结构的层叠膜、由Co(Co-Fe)/Ir(铱)/Co(Co-Fe)构成的三层结构的层叠膜、由Co或Co-Fe/Os(锇)/Co或Co-Fe构成的三层结构的层叠膜、由Co或Co-Fe/Re(铼)/Co或Co-Fe构成的三层结构的层叠膜、由Co-Fe-B等非晶体材料层/Ru(钌)/Co-Fe-B等非晶体材料层构成的三层结构的层叠膜、由Co-Fe-B等非晶体材料层/Ir(铱)/Co-Fe-B等非晶体材料层构成的三层结构的层叠膜、由Co-Fe-B等非晶体材料层/Os(锇)/Co-Fe-B等非晶体材料层构成的三层结构的层叠膜、由Co-Fe-B等非晶体材料层/Re(铼)/Co-Fe-B等非晶体材料层构成的三层结构的层叠膜。在将这些层叠膜作为磁化固定层用的情况下，还希望与其相邻地设置反强磁性膜。作为该情况下的反强磁性膜，与上述的相同，能使用Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、NiO、Fe2O3等。如果采用该结构，则磁化固定层5的磁化更不容易受来自位线或字线的电流磁场的影响，磁化被牢固地固定。另外，能减少(或调节)来自磁化固定层5的漏磁场(stray field)，通过改变形成磁化固定层5的两层强磁性层的厚度，能调整磁记录层3a的磁化移动。该强磁性层的厚度必须为不表现超常磁性程度的厚度，更优选为0.4nm以上。
另外，作为磁记录层3c，也可以采用软磁性层/强磁性层这样的两层结构、或强磁性层/软磁性层/强磁性层这样的三层结构。作为磁记录层3c，采用强磁性层/非磁性层/强磁性层这样的三层结构、强磁性层/非磁性层/强磁性层/非磁性层/强磁性层这样的五层结构，通过控制强磁性层之间的相互作用强度，作为存储单元的磁记录层的单元宽度即使在亚微米以下，不增大电流磁场的功耗就能获得更好的效果。这时，即使改变强磁性层的种类、厚度，也没关系。
特别是，如果在接近隧道阻挡膜4的强磁性层中，使用MR比增大的Co-Fe、Co-Fe-Ni、富含Fe的Ni-Fe，而在与隧道阻挡膜4不相接的强磁性体中使用富含Ni的Ni-Fe、富含Ni的Ni-Fe-Co等，则能确保MR比大，能降低转换磁场，更好。作为非磁性材料，能使用Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Ru(钌)、Os(锇)、Re(铼)、Si(硅)、Bi(铋)、Ta(钼)、B(硼)、C(碳)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)、或它们的合金。
即使在磁记录层3a中，在这些磁性体中添加Ag(银)、Cu(铜)、Au(金)、Al(铝)、Ru(钌)、Os(锇)、Re(铼)、Mg(镁)、Si(硅)、Bi(铋)、Ta(钼)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(钯)、Pt(铂)、Zr(锆)、Ir(铱)、W(钨)、Mo(钼)、Nb(铌)等非磁性元素，调节磁特性，此外，还能调节结晶性、机械特性、化学特性等各种物质。
另一方面，在作为磁阻效应元件使用TMR元件的情况下，作为构成设置在磁化固定层5和磁记录层3a之间的隧道阻挡层4的绝缘层(或电介质层)，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(氧氮化铝)等各种绝缘体(电介质)。
这些绝缘体从化学计量看不必是完全正确的组成，也可以存在氧、氮、氟等的缺损、或过量或不足。另外，该绝缘层(电介质层)4的厚度最好薄一些达到能流过隧道电流的程度，实际上最好在10nm以下。
这样的磁阻效应元件能采用各种溅射法、蒸镀法、分子线外延法等通常的薄膜形成方法，在规定的基板上形成。作为该情况下的基板，例如能使用Si(硅)、SiO2(氧化硅)、Al2O3(氧化铝)、尖晶石、AlN(氮化铝)等各种基板。
另外，作为基底层或保护层、硬掩模等，也可以在基板上设置由Ta(钽)、Ti(钛)、Pt(铂)、Pd(钯)、Au(金)、Ti(钛)/Pt(铂)、Ta(钽)/Pt(铂)、Ti(钛)/Pd(钯)、Ta(钽)/Pd(钯)、Cu(铜)、Al(铝)-Cu(铜)、Ru(钌)、Ir(铱)、Os(锇)等构成的层。
(第二实施方式)其次，参照图14A、14B说明本发明的第二实施方式。图14A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图14B是用图14A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器具有多条位线BL(在图14A、14B中，为一条位线BL)；与这些位线交叉的多条字线WL(在图14A、14B中，为一条字线WL)；以及设置在位线BL和字线WL的每一个交叉点上的多个存储单元(在图14A、14B中，为一个存储单元(单位单元))。即，存储单元呈矩阵状配置，构成存储单元阵列。各存储单元具有设置在位线BL和字线WL的交叉点上的由磁阻效应元件构成的存储元件2、以及读出单元选择晶体管18。读出单元选择晶体管18具有源、漏区18a、18b、以及栅极18c。
该实施方式中用的存储元件2是在第一实施方式或其变形例中说明的TMR元件。即，成为TMR元件2的一端部的T型磁化自由层与成为写入布线的位线BL相邻地设置。另外，轭8被设置在位线BL的与设置了T型磁化自由层的一侧相反一侧上。TMR元件2的与T型磁化自由层相反一侧的端部通过引出电极12、连接插头14，连接在读出单元晶体管18的源、漏中的一个的区域18a上。
字线WL通过绝缘膜(图中未示出)配置在引出电极12的下方，将轭22覆盖起来。
使写入电流流过对应的位线BL和字线WL，利用由该写入电流产生的电流磁场被合成后的磁场，进行对构成存储单元的TMR元件2的数据写入。使该存储单元的读出单元晶体管18导通，使读出电流通过TMR元件2流过位线BL，从构成存储单元的TMR2进行数据读出。
该第二实施方式的磁存储器使用第一实施方式或其变形例中任意一个的TMR元件作为存储元件，所以能降低写入电流，同时热稳定性也好。另外，在将构成TMR元件的中间层与磁性层和非磁性层交替地重叠作成多层膜的情况下，MR比大，能高输出化。
(第三实施方式)其次，参照图15A、15B说明本发明的第三实施方式的磁存储器。图15A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图15B是用图15A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是在图14A、14B所示的第二实施方式的磁存储器中，被设置在位线BL上的轭8延伸到位线BL侧面部分上构成的磁存储器。因此，与第二实施方式相比，更能降低写入电流。另外，TMR元件2的T型磁化自由层和轭不接触，电流不流过位线BL时，没有磁相互作用。
该实施方式的磁存储器与第二实施方式的情况相同，成为热稳定性好的实施方式。
(第四实施方式)其次，参照图16A、16B说明本发明的第四实施方式的磁存储器。图16A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图16B是用图16A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是在第二实施方式的磁存储器中，构成TMR元件2的T型磁化自由层不与位线BL而与字线WL相邻地设置，与TMR元件2的T型磁化自由层相反一侧的端部通过引出电极12、连接插头14，连接在读出单元晶体管18的源极区18a上。而且，位线BL通过绝缘膜(图中未示出)配置在引出电极12的上方。延伸到引出电极12的侧面部分的轭8设置在该位线BL上。
这样，由于使轭8延伸到TMR元件2附近构成，所以能使写入电流更低，能降低功耗。另外，与第二实施方式的情况相同，成为热稳定性好的实施方式。
另外，在第二至第四实施方式中，为了实现超大容量化存储器，最好用能层叠化的结构，使存储单元阵列多层化。
(第五实施方式)其次，参照图17A、17B、17C说明本发明的第五实施方式的磁存储器。图17A是表示本实施方式的磁存储器的结构图，图17B是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图17C是用图17B所示的切断线A-A切断时的剖面图。
该实施方式的磁存储器的TMR元件2分别通过二极管9并联连接在读出/写入用位线BL上。另外，TMR元件是第一实施方式或其变形例中的任意一个的TMR元件。读出/写入用字线WL连接在各个TMR元件2的另一端上。另外，构成TMR元件2的T型磁化自由层与字线WL相邻地设置。与TMR元件2的T型磁化自由层相反一侧的端部通过二极管9连接在位线BL上。
读出时，分别由选择晶体管STB、STw选择连接在作为目标的TMR元件9上的位线BL和字线WL，由读出放大器SA检测流过作为目标的TMR元件2的电流。另外，写入时仍然分别由选择晶体管STB、STw选择连接在作为目标的TMR元件2上的位线BL和字线WL，使写入电流流过。这时，将位线BL和字线WL中分别发生的磁场合成后的写入磁场通过使TMR元件2的磁记录层的磁化朝向规定的方向，能进行写入。
在这些读出时或写入时，二极管9具有阻断通过呈矩阵状配置的其他TMR元件2流动的迂回电流的作用。
另外，在图17B中，为了简单，只示出了位线BL、TMR元件2、二极管9、字线WL，将除此以外的要素省略。如图17B所示，用正交的位线BL和字线WL进行写入。轭8、22分别被加在位线BL及字线WL上。这些轭8、22延伸到TMR元件2附近构成。这样，由于能使覆盖位线BL、字线WL的轭靠近TMR元件的T型磁化自由层，所以功耗低，能用低电流进行写入。另外，由于使用有T型磁化自由层的TMR元件，所以热稳定性好。
另外，为了实现超大容量化存储器，最好用能层叠化的结构使存储阵列多层化。
(第六实施方式)其次，参照图18A、18B、18C说明本发明的第六实施方式的磁存储器。图18A是表示本实施方式的磁存储器的结构图，图18B是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图18C是用图18B所示的切断线A-A切断时的剖面图。
该实施方式的磁存储器的多个TMR元件2并联连接在读出/写入用位线Bw和读出/写入用位线Br之间，构成“梯子型”。另外，写入字线W沿着与位线Bw交叉的方向靠近各个TMR元件2配置。
通过将使写入电流流过写入用位线Bw而产生的磁场和使写入电流流过写入字线WL而产生的磁场的合成磁场作用于TMR元件2的磁记录层，能进行对TMR元件2的写入。
另一方面，读出时，将电压加在位线Bw和位线Br之间。于是，电流流过并联连接在它们之间的全部TMR元件2。由读出放大器SA一边检测该电流的合计，一边将写入电流加在接近目标TMR元件2的字线WL上，沿规定方向改写目标TMR元件2的磁记录层的磁化。通过检测这时的电流变化，能进行目标TMR元件2的读出。
即，如果改写前的磁记录层的磁化方向与改写后的磁化方向相同，则由读出放大器SA检测的电流没有变化。可是，在改写前后磁记录层的磁化方向反转的情况下，由读出放大器SA检测的电流由于磁阻效应而变化。这样能读出写入前的磁记录层的磁化方向、即存储数据。
但是，该方法对应于读出时使存储数据变化的所谓的“破坏读出”。
与此不同，在使磁阻效应元件的结构呈磁化自由层/绝缘层(非磁性层)/磁记录层这样的结构的情况下，能进行所谓的“非破坏读出”。即，在使用该结构的磁阻效应元件的情况下，将磁化方向记录在磁记录层上，读出时，通过适当地改变磁化自由层的磁化方向，对读出电流进行比较，能读出磁记录层的磁化方向。但是在此情况下，有必要将磁化自由层的磁化反转磁场设计得比磁记录层的磁化反转磁场小。
另外，在图18B中，为了简单，只示出了位线Br、Bw、TMR元件2、字线WL，将除此以外的要素省略。如图18B所示，用位线Br、Bw和字线WL进行写入。
另外，在本实施方式中，构成TMR元件2的T型磁化自由层与位线Bw相邻地设置。TMR元件2的与T型磁化自由层相反一侧的端部连接在位线Br上。字线WL通过绝缘膜(图中未示出)配置在位线Br的上方。轭22延伸到位线Br的侧面部分、设置在字线WL上，轭8接近TMR元件2的T型磁化自由层、设置在位线Bw上。这样，由于能使覆盖位线Br、字线WL的轭靠近TMR元件的T型磁化自由层，所以功耗低，能用低电流进行写入。另外，由于使用有T型磁化自由层的TMR元件，所以热稳定性好。
(第七实施方式)其次，参照图19A、19B说明本发明的第七实施方式的磁存储器。图19A是表示本实施方式的磁存储器的存储单元阵列的结构图，图19B是用图19A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是进行简单矩阵/双重隧道型读出的磁存储器。在该实施方式中，有T型磁化自由层的TMR元件21、22配置在位线BL的上下，在双重隧道型读出的情况下，使电流在读出位线Br1和读出位线Br2之间流过，用电阻大或是小，决定数据“1”、“0”。因此，与T型磁化自由层3的隧道阻挡层4相接的磁性层的旋转方向使电流流过位线BL、字线WL，沿相反方向进行记录，所以与上下TMR元件21、22的磁化固定层5的隧道阻挡层4相接的磁性层的旋转方向平行且相反。例如，将综合引线结构用于单侧TMR元件的磁化固定，能容易地制作这样的结构。另外，轭8被设置在位线BL的侧面部分上，轭221、222被分别设置在字线WL1、WL2上。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第八实施方式)其次，参照图20A、20B说明本发明的第八实施方式的磁存储器。图20A是表示本实施方式的磁存储器的存储单元阵列的结构图，图20B是用图20A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是进行简单矩阵/差动放大型读出的磁存储器。在该实施方式中，与第七实施方式相同，有T型磁化自由层的TMR元件21、22被设置在位线BL的上下。
写入时，TMR元件21、22与各自的T型磁化自由层的隧道阻挡层相接的磁性层的旋转方向使电流流过位线BL、字线WL1、WL2，沿相反方向进行记录。读出时，从位线BL将电流分别分支到读出位线BL1、读出位线BL2，由差动放大器40对该电流进行差动放大。因此，与隧道阻挡层4相接的磁化固定层5的磁性层设计得方向相同，T型磁化自由层3的与隧道阻挡层4相接的磁性层呈反平行方向。
另外，轭8被设置在位线BL的侧面部分上，轭221、222被分别设置在字线WL1、WL2上。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第九实施方式)其次，参照图21A、21B说明本发明的第九实施方式的磁存储器。图21A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图21B是用图21A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器具有多条公用位线BL；与这些位线BL交叉的多条读出字线Wr；以及分别设置在位线BL和字线Wr的交叉点上的存储单元。各存储单元具有从公用位线BL分支出来的单元位线30；有T型磁化自由层3的TMR元件2；以及写入单元选择晶体管19。
单元位线30有从公用位线BL分支的第一布线部30a；一端连接在第一布线部30a上、与TMR元件2的T型磁化自由层3相邻设置的第二布线部30b；以及一端连接在第二布线部30b的另一端上、另一端连接在写入单元选择晶体管19的源、漏中的一个的扩散区19a上的第三布线部30c。轭24设置在第二布线部30b上。连接插头连接在写入单元选择晶体管19的源、漏中的一个的扩散区19b上。写入时电流流过写入单元选择晶体管19的栅极19c，写入单元选择晶体管19导通。
另外，读出字线Wr连接在与TMR元件2的T型磁化自由层3相反一侧的端部上。
写入时，使单元选择晶体管19导通，使电流脉冲流过公用位线BL，将电流磁场有效地加在连接在单元位线30b上的T型磁化自由层3上，使旋转方向反转。这时，由于设有轭24，所以能更有效地降低写入电流值。
另外，在本实施方式中，写入时使写入电流只流过公用位线BL。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十实施方式)其次，参照图22A、22B说明本发明的第十实施方式的磁存储器。图22A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图22B是用图22A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是在图21A、21B所示的第九实施方式中，将设置在单元位线30的第二布线部30b上的轭24除去，同时将写入用字线WL通过绝缘膜(图中未示出)设置在第二布线部30b的上部。另外，在写入用字线WL上还设有轭22。
因此，在本实施方式中，写入时，写入电流不仅流过公用位线BL，而且流过写入用字线WL。因此，能降低每条布线中的电流。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十一实施方式)其次，参照图23A、23B说明本发明的第十一实施方式的磁存储器。图23A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图23B是用图23A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是在图21A、21B所示的第九实施方式中，将直接连接在与TMR元件2的T型磁化自由层3相反一侧的端部上的读出用字线Wr引出，通过电极13及连接插头15连接，另外，将写入用字线WL通过绝缘膜(图中未示出)设置在与TMR元件2的T型磁化自由层3相反一侧的端部的下方。读出用字线Wr及写入用字线WL形成得成为同一层。另外，轭23、22分别设置在读出用字线Wr及写入用字线WL上。
因此，在本实施方式中，写入时，写入电流不仅流过公用位线BL，而且流过写入用字线WL。因此，能降低每条布线中的电流。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十二实施方式)其次，参照图24A、24B说明本发明的第十二实施方式的磁存储器。图24A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图24B是用图24A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是在图23A、23B所示的第十一实施方式中，使设置在单元位线30的第二布线部上的轭24延伸到第二布线部30b的侧面部分。
该实施方式与第十一实施方式相比，更能降低写入电流。该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十三实施方式)其次，参照图25说明本发明的第十三实施方式的磁存储器。图25是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图。该实施方式的磁存储器是在图24A、24B所示的第十二实施方式中，将TMR元件2的T型磁化自由层3和单元位线30的第二布线部30b的连接位置从第二布线部30的下侧变为上侧，同时将设置轭24的位置从第二布线部30b的上侧变为下侧。因此，引出电极13、连接插头15、读出用字线Wr、以及写入用字线WL都设置在第二布线部30b的上侧。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十四实施方式)其次，参照图26说明本发明的第十四实施方式的磁存储器。图26是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图。该实施方式的磁存储器是在图25所示的第十三实施方式中，将读出用字线Wr连接在与TMR元件2的T型磁化自由层相反一侧的端部上，将写入用字线WL通过绝缘膜(图中未示出)配置在该读出用字线Wr的上方。延伸到TMR元件2的磁化固定层附近的轭22被设置在写入用字线WL上。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
在图22A至图26所示的第十至第十四实施方式的磁存储器中，读出方法与图21A、21B所示的第九实施方式的磁存储器相同。
(第十五实施方式)其次，参照图27说明本发明的第十五实施方式的磁存储器。图27是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图。该实施方式的磁存储器是在图21A、21B所示的第九实施方式中，代替读出字线Wr，而将读出/写入字线WL通过二极管9连接在TMR元件2的与设置了T型磁化自由层的一侧相反一侧的端部上。另外，在字线WL上除了与二极管9的接触面以外，覆盖着轭22。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十六实施方式)其次，参照图28说明本发明的第十六实施方式的磁存储器。图28是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图。该实施方式的磁存储器是在图23A、23B所示的第十一实施方式中，将读出单元选择晶体管18的源、漏中一个的区域引出，并通过电极1 2、连接插头14连接在读出用字线Wr上。而且，电源被连接在读出单元选择晶体管18的源、漏中另一个的区域上连接的连接插头16上。
在该实施方式中，读出时，使读出单元选择晶体管18导通，将电压加在公用位线BL和连接在连接插头16上的电源之间，通过图中未示出的读出放大器读出流过TMR元件2的电流。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十七实施方式)其次，参照图29A、29B说明本发明的第十七实施方式的磁存储器。图29A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图29B是用图29A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是在图21A、21B所示的第九实施方式中，将TMR元件2及轭24除去，将TMR元件21、22设置在单元位线30的第二布线部30b的上下。TMR元件21、22的T型磁化自由层分别连接在第二布线部30b上，读出用位线Br、读出用字线Wr连接在与T型磁化自由层相反一侧的端部上。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十八实施方式)其次，参照图30A、30B说明本发明的第十八实施方式的磁存储器。图30A是表示本实施方式的磁存储器的单位存储单元的结构图，图30B是用图30A所示的切断线A-A切断时的剖面图。该实施方式的磁存储器是在图29A、29B所示的第十七实施方式中，设置读出字线Wr1，来代替连接在TMR元件21上的读出位线Br，将连接在TMR元件22上的读出字线Wr作为读出字线Wr2，另外用差动放大器40对流过这些读出字线Wr1、Wr2的读出电流进行差动读出。
该实施方式的磁存储器同样功耗小、热稳定性好。
(第十九实施方式)其次，参照图31A至图32E说明本发明的第十九实施方式的TMR元件的制造方法。该实施方式的制造方法是制造图6所示的第一实施方式的第四变形例的TMR元件的方法，将其制造工序示于图31A至图32E中。
首先，在图中未示出的基板上，依次形成下部布线50、TMR膜52、由在磁性上进行了反强磁性耦合的磁性层和非磁性层构成的多层膜54、由Pt或Ru构成的金属膜56、金属硬掩模58(参照图31A)。在本实施方式中，下部布线50是由Ta/Al-Cu/Ta构成的三层膜，TMR膜从下侧开始依次为Ta(5nm)/Ru(3nm)/Ir-Mn(10nm)/CoFe(3nm)/Ru(1nm)/CoFe(3.25nm)/AlOx(1.2nm)/CoNiFe(2nm)/Ru(0.95nm)/NiFe(2nm)。在它上面形成将由Ru构成的厚度为2.45nm的非磁性层和由CoFeB构成的厚度为3nm的磁性层反复层叠10次的多层膜54、由Pt或Ru构成的金属膜56、形成了50nm的Ta作为金属硬掩模58。接着如图31A所示，在磁场中退火，此后，涂敷抗蚀剂，对该抗蚀剂进行PEP，形成抗蚀剂图形60。
其次，如图31B所示，将抗蚀剂图形60作为掩模，用例如RIE法在氯系列气体中对金属硬掩模58进行构图。这时，在Ru或Pt膜56上使刻蚀停止。此后，如图31C所示，将抗蚀剂图形60剥离，将金属硬掩模58作为掩模，直至由构成TMR膜的IrMn构成的反强磁性层为止进行切削或RIE，使强磁性隧道结进行分离。隧道结的平面形状呈纵横比为1∶1的圆形。直径尺寸为0.18微米。
其次，如图31D所示，形成由SiOx构成的保护膜62。接着，如图31E所示，涂敷抗蚀剂，进行PEP，形成抗蚀剂图形64，将该抗蚀剂图形64作为掩模，用例如RIE使下部电极50构图。
其次，如图31F所示，将抗蚀剂图形64除去后，形成由SiOx构成的层间绝缘膜66。
接着如图32A所示，对层间绝缘膜66进行深刻蚀，与进行平坦化的同时，使TMR膜54上部的Ru(2.45nm)和CoFeB(3nm)构成的多层膜中的任意一层的头露出。
其次，如图32B所示，进行了溅射刻蚀后，通过溅射，依次形成磁性层68、由Pt或Ru构成的金属层70、金属硬掩模72。将Ni-Fe层用于磁性层68，将Ta用于硬掩模72。
其次，形成图中未示出的抗蚀剂图形，将该抗蚀剂图形作为掩模，用RIE使硬掩模72构图(参照图32C)。接着，将上述抗蚀剂图形除去后，将金属硬掩模72作为掩模，使Ni-Fe磁性层68呈图11C所示的形状(掩模形状呈八角形，纵横比为长轴/短轴＝2，短轴＝0.25微米)。
其次，如图32D所示，形成上部布线74、磁性被覆层(轭)76。此后，在轭76上形成图中未示出的抗蚀剂图形，制作了有图32E所示的T型磁化自由层的TMR元件。
此后，进行了磁场中的退火，以便沿上部布线74正下方的Ni-Fe磁性层68的长轴方向施加磁场。在上部布线74中，从0.01mA开始逐渐地施加脉冲电流，每一次都测量元件电阻，0.27mA时观测到了电阻的变化。使脉冲电流沿难磁化轴方向流，沿难磁化轴方向施加10Oe大小的磁场，进行了同样的实验，0.15mA时观测到了反转。此后，保持了TMR元件的电阻呈高的“1”状态、以及TMR元件的电阻呈低的“0”状态，在120℃的温度下一周期分别保持了10个元件，能确认数据的保存，作为非易失性磁存储器呈现出良好的特性。
(第二十实施方式)其次，参照图33A至图34C说明本发明的第二十实施方式的TMR元件的制造方法。该实施方式的制造方法是制造图10所示的第一实施方式的第八变形例的TMR元件的方法，将其制造工序示于图33A至图34C中。
首先，通过溅射，在图中未示出的基板上依次形成磁性被覆层(轭)80、下部布线82，形成图中未示出的抗蚀剂图形，用该抗蚀剂图形进行构图。接着，淀积SiOx，用CMP进行平坦化(参照图33A)。
其次，如图33B所示，形成磁性层84、层叠了在磁性上进行了反强磁性耦合的磁性层和非磁性层的多层膜86、TMR膜88、由Pt或Ru构成的金属膜90、金属硬掩模92。在本实施方式中，磁性被覆层80为Ni-Fe，下部布线82是由Ta/Al-Cu/Ta构成的三层膜，磁性层84是由Ni-Fe(3nm)/Ru(1.5nm)/Ni-Fe(2nm)构成的三层膜，多层膜86是将CoFeB(3nm)和Ru(2.45nm)反复层叠了10层的层，TMR膜88从上侧开始依次为Pt-Mn(14nm)/CoFe(3nm)/Ru(1nm)/CoFe(3.25nm)/AlOx(1.2nm)/CoNiFe(2nm)/Ru(0.95nm)/NiFe(2nm)。在它上面形成了由Pt或Ru构成的金属膜90、形成了50nm的Ta作为金属硬掩模92。
接着，进行了磁场中的退火，形成了图中未示出的抗蚀剂图形后，将该抗蚀剂图形作为掩模，在氯气系列气体中，对金属硬掩模92进行各向异性刻蚀(参照图33C)。这时，在由Ru或Pt构成的金属膜90上使刻蚀停止。
此后，将上述抗蚀剂图形剥离，将金属硬掩模92作为掩模，直至由(CoFeB(3nm)/Ru(2.45nm))构成10层的多层膜86的途中为止进行切削或RIE，使TMR膜88的强磁性隧道结进行分离(参照图33D)。隧道结的平面形状呈纵横比为1∶1的圆形。直径尺寸为0.18微米。
接着，如图33E所示，形成SiOx膜94。此后，形成图中未示出的抗蚀剂图形，将该抗蚀剂图形作为掩模，例如用RIE法使SiOx膜94构图。
其次，将上述抗蚀剂图形除去后，将构图后的SiOx膜94作为掩模，用切削或RIE法，使由CoFeB(3nm)/Ru(2.45nm)构成的多层膜86中的残留的某一层构图，同时使Ni-Fe层84构图(参照图33F)。平面结构呈图11E所示的形状(掩模形状呈八角形，纵横比为长轴/短轴＝1，短轴＝0.25微米)。
其次，如图34A所示，淀积SiOx膜96，用CMP及深刻蚀法进行平坦化，同时使构成金属硬掩模92的Ta膜的头露出(参照图34B)。
此后，溅射刻蚀后，形成上部布线98，制作了有图34C所示结构的T型磁化自由层的TMR元件。
此后，进行了磁场中的退火，沿上部布线98正下方的Ni-Fe层和(CoFeB(3nm)/Ru(2.45nm))X层的易磁化轴方向施加磁场。在上部布线98中，从0.01mA开始逐渐地施加脉冲电流，每一次都测量元件电阻，0.26mA时观测到了电阻的变化。使脉冲电流沿难磁化轴流，沿难磁化轴方向施加10Oe大小的磁场，进行了同样的实验，0.14mA时观测到了反转。此后，保持了TMR元件的电阻呈高的“1”状态、以及TMR元件的电阻呈低的“0”状态，在120℃的温度下一周期分别保持了10个TMR元件，能确认数据的保存，作为非易失性磁存储器呈现出良好的特性。
(第二十一实施方式)作为本发明的第二十一实施方式，制作图19A至图20B所示的第七及第八实施方式的磁存储器中使用的有图35A及图35B所示的T型磁化自由层的TMR元件，检查了其性能。图35A表示检查双重结读出结构的结构，图35B表示检查差动读出结构用的结构。制造过程基本上是将第十九实施方式及第二十实施方式组合起来的过程。使位线BL构图后，形成被覆磁性层8，通过从垂直方向进行切削，能容易地作成位线BL的被覆磁性层8。各种材料也使用了与第十九及第二十实施方式同样的材料。尺寸及元件形状与第二十实施方式相同。
如上所述，在双重结读出时的情况和差动读出的情况下，改变相接隧道阻挡层的磁化固定层的旋转方向。这样，用反强磁性耦合的磁性层/非磁性层多层膜能容易地制作磁化固定层。
在图35A所示的位线BL中，从0.01mA开始逐渐地施加脉冲电流，每一次都测量元件电阻，0.28mA时观测到了上下TMR元件21、22两者电阻的变化。使电流脉冲沿难磁化轴流，沿难磁化轴方向施加10Oe大小的磁场，进行了同样的实验，0.17mA时观测到了上下TMR元件21、22两者的反转。此后，保持了TMR元件的电阻呈高的“1”状态、以及TMR元件的电阻呈低的“0”状态，在120℃的温度下一周期分别保持了10个元件，能确认数据的保存，作为非易失性磁存储器呈现出良好的特性。另外，在双重结型读出的情况下，读出信号是第十九及第二十实施方式时的1.6倍，差动读出时是其2倍，读出的S/N变好，作为存储器呈现了更好的特性。
(第二十二实施方式)其次，说明本发明的第二十二实施方式的磁记录再生装置。基于图1至图12及图36说明的第一实施方式的磁阻效应元件能被组装在例如记录再生一体型的磁头组件中，安装在磁记录再生装置中。这时，磁阻效应元件的磁化自由层和磁化固定层的磁化方向与磁存储器的情况不同，大致呈正交地构成。
图37是举例表示这样的磁记录再生装置的简略结构的主要部分斜视图。即，本实施方式的磁记录再生装置150是采用旋转传动形式的装置。在该图中，纵向记录用或垂直记录用磁盘200被安装在主轴152上，利用对来自图中未示出的驱动装置控制部的控制信号进行响应的图中未示出的电动机，沿箭头A的方向旋转。磁盘200有纵向记录用或垂直记录用的记录层。进行存储在磁盘200中的信息的记录或再生的磁头滑块153安装在呈薄膜状的悬臂梁154的前端。这里，磁头滑块153将包括第一实施方式的磁阻效应元件的磁头安装在其前端附近。
磁盘200一旦旋转，磁头滑块153与媒体相对的面(ABS)离开磁盘200的表面悬浮规定的量保持着。
悬臂梁154连接在有保持图中未示出的驱动线圈的线圈架部分等的致动臂155的一端上。作为线性电动机之一种的音圈电动机156设置在致动臂155的另一端上。音圈电动机156由缠绕在致动臂155的线圈架部分上的图中未示出的驱动线圈、以及夹持着该线圈相对配置的永久磁铁及相对轭构成的磁路构成。
致动臂155利用设置在固定轴157的上下两个地方的图中未示出的滚珠轴承保持着，能利用音圈电动机156自由地旋转滑动。
图38是从盘侧看到的从致动臂155到前端的磁头组件的放大斜视图。即，磁头组件160有例如有保持驱动线圈的线圈架部分等的致动臂151，悬臂梁154连接在致动臂155的一端上。
具有上述的任意磁头的磁头滑块153安装在悬臂梁154的前端。也可以将再生用头组合起来。悬臂梁154有信号写入及读出用的引线164，该引线164和组装在磁头滑块153中的磁头的各电极导电性地连接。图中165是磁头组件160的电极焊盘。
以上，参照具体例说明了本发明的实施方式。可是，本发明不限定于这些实施方式。例如，关于构成磁阻效应元件的强磁性体层、绝缘膜、反强磁性体层、非磁性金属层、电极等的具体材料、厚度、形状、尺寸等，本领域技术人员通过适当地选择，同样实施本发明，能获得同样的效果的实施方式也包括在本发明的范围内。
同样，关于构成本发明的磁存储器的各要素的结构、材质、形状、尺寸，本领域技术人员通过适当地选择，也同样实施本发明，能获得同样的效果的实施方式也包括在本发明的范围内。
另外，不仅是纵向磁记录方式，垂直磁记录方式的磁头或磁再生装置同样适用本发明的磁阻效应元件，也能获得同样的效果。
此外，作为本发明的实施方式，以上述的磁存储器为基础，本领域技术人员适当地变更设计来实施的所有的磁存储器也同样属于本发明的范围。
另外，为了读出磁阻效应元件存储的信息，控制流过磁阻效应元件的读出电流的读出电流控制元件电路、施加写入脉冲用的电路、控制器等虽然在上述实施方式中未说明，但它们也可以包含在本发明的磁存储器中。
如上所述，如果采用本发明，则功耗小、热稳定性好。
权利要求
1.一种磁阻效应元件，其特征在于包括隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的作为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层具有夹着上述隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在上述第二强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧形成、膜面面积比上述第二强磁性层大、且能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在上述第二强磁性层和上述第三强磁性层之间、将上述第三强磁性层的磁化的反转传递给上述第二强磁性层的中间层。
2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第二强磁性层和上述第三强磁性层夹着上述中间层进行磁耦合。
3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第三强磁性层的膜面形状的纵横比为1以上、2以下。
4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于包括在上述第一强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧的面上形成的反强磁性层。
5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第一至第三强磁性层中的至少一个强磁性层是强磁性层和非磁性层交替层叠的层叠膜。
6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述中间层是单层的强磁性层或强磁性层和非磁性层交替层叠的层叠膜，在上述层叠膜的相邻的上述强磁性层之间夹着上述非磁性层存在反强磁性交换耦合或强磁性交换耦合。
7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第二强磁性层和上述中间层的膜面形状相同，上述中间层和上述第三强磁性层磁性相接。
8.一种磁阻效应元件，其特征在于包括隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的作为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层具有夹着上述隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在上述第二强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧形成、膜面面积比上述第二强磁性层大、且能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在上述第二强磁性层和上述第三强磁性层之间、将上述第三强磁性层的磁化的反转传递给上述第二强磁性层的中间层，上述磁化自由层在垂直于易磁化轴方向膜面的断面中呈T形形状。
9.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第二强磁性层和上述第三强磁性层夹着上述中间层进行磁耦合。
10.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第三强磁性层的膜面形状的纵横比为1以上、2以下。
11.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于包括在上述第一强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧的面上形成的反强磁性层。
12.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第一至第三强磁性层中的至少一个强磁性层是强磁性层和反强磁性层交替层叠的层叠膜。
13.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述中间层是单层的强磁性层或强磁性层和非磁性层交替层叠的层叠膜，在上述层叠膜的相邻的上述强磁性层之间夹着上述非磁性层存在反强磁性交换耦合或强磁性交换耦合。
14.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第二强磁性层和上述中间层的膜面形状相同，上述中间层和上述第三强磁性层磁性相接。
15.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述中间层与上述第三强磁性层膜面形状相同，且是非磁性金属层。
16.一种磁存储器，其特征在于包括第一布线；与该第一布线交叉的第二布线；以及设置在上述第一布线及第二布线的交叉区域上的如权利要求1所述的磁阻效应元件，上述磁阻效应元件的第二及第三强磁性层作为能随着通过使电流流过上述第一及第二布线中的至少一条布线而产生的电流磁场来改变磁化方向的存储层，上述第三强磁性层与发生上述电流磁场的上述一条布线相邻地设置。
17.根据权利要求16所述的磁存储器，其特征在于在与上述第三强磁性层相邻的上述一条布线的、包含与上述第三强磁性层相邻的部分的周边上，存在不由上述第三强磁性层覆盖的区域。
18.根据权利要求16所述的磁存储器，其特征在于在与上述第三强磁性层相邻的上述一条布线中，在与上述第三强磁性层相反一侧的面上设有轭。
19.根据权利要求16所述的磁存储器，其特征在于设置有用来读出上述磁阻效应元件的存储信息的MOS开关或二极管。
20.一种磁存储器，其特征在于包括第一布线；与该第一布线交叉的第二布线；以及设置在上述第一布线及第二布线的交叉区域上的如权利要求8所述的磁阻效应元件，上述磁阻效应元件的第二及第三强磁性层作为能随着通过使电流流过上述第一及第二布线中的至少一条布线而产生的电流磁场来改变磁化方向的存储层，上述第三强磁性层与发生上述电流磁场的上述一条布线相邻地设置。
21.根据权利要求20所述的磁存储器，其特征在于在与上述第三强磁性层相邻的上述一条布线的、包含与上述第三强磁性层相邻的部分的周边上，存在不由上述第三强磁性层覆盖的区域。
22.根据权利要求20所述的磁存储器，其特征在于在与上述第三强磁性层相邻的上述一条布线中，在与上述第三强磁性层相反一侧的面上设有轭。
23.根据权利要求20所述的磁存储器，其特征在于设置有用来读出上述磁阻效应元件的存储信息的MOS开关或二极管。
24.一种磁头，其特征在于具有如权利要求1所述的磁阻效应元件作为磁再生元件。
25.一种磁头，其特征在于具有如权利要求8所述的磁阻效应元件作为磁再生元件。
全文摘要
提供能获得功耗小、热稳定性好的磁阻效应元件、磁存储器以及磁头。该磁阻效应元件具有隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的成为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层有夹着隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在第二强磁性层的与隧道阻挡层相反的一侧形成、膜面面积比第二强磁性层大、且能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在第二强磁性层和第三强磁性层之间、将第三强磁性层的磁化的反转传递给第二强磁性层的中间层。
文档编号G11C8/02GK1503229SQ20031011833
公开日2004年6月9日 申请日期2003年11月21日 优先权日2002年11月22日
发明者齐藤好昭, 西山胜哉, 高桥茂树, 哉, 树 申请人:株式会社东芝