含有具有垂直磁各向异性膜的数据记录层的磁存储器的制作方法

专利名称：含有具有垂直磁各向异性膜的数据记录层的磁存储器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁存储器，更具体地，涉及一种利用具有垂直磁各向异性(PMA) 的磁膜作为每个存储单元中的数据记录层的磁存储器。
背景技术：
磁存储器或磁随机存取存储器(MRAM)是实现高速操作并允许无限次重写的非易失性存储器。这促进了 MRAM在特定应用中的实际用途，并且促进了对MRAM多用途扩展的开发。磁存储器使用磁膜作为存储元件，并将数据存储为磁膜的磁化方向。在向磁膜中写入期望的数据时，磁膜的磁化转变成与数据对应的方向。已经提出了各种方法来转变磁化方向，但是所有这些提出的方法的相同之处在于都使用电流(或写入电流)。在实现MRAM的实际应用中非常重要的一点是减小写入电流。例如，N. Sakimura等人在IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42, NO. 4，pp. 830-838，2007 的“MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”中论述了减小写入电流的重要性。减小写入电流的一种途径是在数据写入时使用“电流驱动畴壁运动”。如 A. Yamaguchi 等人在PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOL. 92，Ν0· 7，077205，2004 的"Real-Space Observation of Current-Driven Domain Wall Motion in Submicron Magnetic Wires" 中所公开的，当电流在穿过畴壁的方向上流动时，畴壁会在传导电子的方向上移动。因此， 通过流动穿过数据记录层的写入电流，畴壁会在对应于电流方向的方向上移动，由此写入期望的数据。例如，在日本专利申请公布NO.2005-191032A中公开了基于电流驱动畴壁运动的MRAM。此外，在美国专利No. 6，834，005中公开了一种基于自旋注入(spin injection) 的磁移位寄存器。这种磁移位寄存器利用在磁体中形成的畴壁记录数据。当电流穿过畴壁注入到被分成多个区域(或磁畴)的磁体中时，畴壁被电流移动。每个区域的磁化方向定义为记录的数据。例如，这种磁移位寄存器用来记录大量串行数据。本领域熟知的，在实现基于电流驱动畴壁运动的数据写入的磁存储器中，通过利用具有垂直磁各向异性的磁膜作为数据记录层，能够进一步减小写入电流。例如，S. Fukami 等人在 JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 103，07E718，2008 的“Micromagnetic analysis of current driven domain wall motion in nanostrips with perpendicular magnetic anisotropy”中公开了这种技术。此外，国际公布No.W02009/001706 Al公开了一种磁存储器，其中具有垂直磁各向异性的磁膜用作数据记录层，并且通过电流驱动畴壁运动实现数据写入。图1是示意性示出集成在公开的磁存储器中的磁阻效应元件200的截面图。磁阻效应元件200包括数据记录层110、间隔层120和基准层130。数据记录层110由具有垂直磁各向异性的磁膜形成。 间隔层120由非磁性电介质层形成。基准层130由具有固定磁化的磁层形成。数据记录层110包括一对磁化固定区Illa和Illb以及磁化自由区113。磁化固定区Illa和Illb隔着磁化自由区113布置。磁化固定区Illa和Illb的磁化分别被磁化固定层115a和115b固定在相反的方向(或反向平行方向)。更具体地，通过与磁化固定层 115a磁耦合，磁化固定区Illa的磁化方向固定为+ζ方向；并且通过与磁化固定层115b磁耦合，磁化固定区Illb的磁化方向固定为-ζ方向。另一方面，通过从磁化固定区Illa和 Illb中的一个流向另一个的写入电流，磁化自由区113的磁化方向是在+ζ和-ζ方向之间可反转的。结果，取决于磁化自由区113的磁化方向，在数据记录层110中形成了畴壁112a 或112b。数据存储为磁化自由区113的磁化方向。数据可以被认为是存储为畴壁的位置 (由数字112a和112b指示)。基准层130、间隔层120和数据记录层110的磁化自由层113形成磁隧道结(MTJ)。 MTJ的电阻根据磁化自由区113的磁化方向，即，写入到数据记录层110中的数据而变化。 数据被读取为MTJ电阻的大小。使用具有垂直磁各向异性的数据记录层的磁存储器的一个重要问题是要增强数据记录层的垂直磁各向异性。当使用Co/Ni膜堆叠(薄Co膜和Ni膜交替层叠的堆叠)作为数据记录层时，例如，通过形成Co/Ni膜堆叠使得呈现高fee (111)取向，可以实现强垂直磁各向异性；然而，形成具有足够高fee (111)取向的Co/Ni膜堆叠并不容易。日本专利申请公布No. 2006-114162A公开了一种垂直磁记录电介质，包括粘附层、软磁底层、中间层和垂直记录层，它们依次层叠在衬底上。该专利文献公开了一种技术， 用来提高软磁底层的磁特性和表面平滑度，并用来进一步增强与衬底的粘附性。具体地，粘附层由第一和第二底层构成。第一底层由从镍(Ni)、铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、铬(Cr)和钴(Co)所组成的组中选择的至少两种元素的合金形成；第二底层由金属钽或掺杂了从Ni、 Al、Ti、Cr和ττ所组成的组中选择的至少一种元素的含Ta非晶合金形成。F. J. A. den Broeder 等人在 IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 28，NO. 5， pp.2760-2765,1992的"Perpendicular Magnetic Anisotropy and Coercivity of Co/Ni Multilayers”中公开了 在没有任何底层的情况下在玻璃衬底上沉积的膜会在面内方向上造成强各向异性；并且论述了对于实现垂直磁各向异性底层是必需的。该非专利文献公开了 具有(111)取向的金(Au)膜是优选的底层。这里应该注意，在该非专利文献中公开的底层是由非磁性材料形成的并且具有20nm或更大的厚度。对于图1中所示的磁存储器，其中数据记录层的磁化固定区的磁化被形成在数据记录层下面的磁化固定层所固定，使用厚的非磁层作为如在该非专利文献中公开的底层不是优选的。当底层用在图1所示的磁存储器中时，例如，底层插入在数据记录层110与磁化固定层115a和115b之间。在这种情况下，数据记录层110与磁化固定层115a和115b之间的磁耦合可能被作为底层插入的厚的非磁层所破坏，导致磁化固定区Illa和Illb的磁化不牢固。这对于磁存储器的正常操作是不可取的。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种包括具有垂直磁各向异性的数据记录层的磁存储器，其中数据记录层具有足够强的垂直磁各向异性，并且数据记录层和布置在数据记录层下面的磁化固定层之间的磁耦合被充分地增强。在本发明的一方面，磁存储器包括具有垂直磁各向异性的磁化固定层，磁化固定层的磁化方向被固定；层间电介质；形成在磁化固定层和层间电介质的上表面上的底层；和形成在底层的上表面上且具有垂直磁各向异性的数据记录层。底层包括第一磁底层； 和形成在第一磁底层上的非磁底层。第一磁底层形成为具有这样的厚度，使得在第一磁底层形成于层间电介质上的部分中第一磁底层没有呈现面内磁各向异性。在本发明的另一方面，磁存储器包括具有垂直磁各向异性的磁化固定层；层间电介质；形成在磁化固定层和层间电介质的上表面上的底层；和形成在底层的上表面上且具有垂直磁各向异性的数据记录层。磁化固定层具有固定的磁化方向。底层包括第一磁底层；和形成在第一磁底层上的非磁底层。第一磁底层包括NiFe作为主要组分，并包括从 Zr、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素。第一磁底层的厚度在0. 5至 3nm的范围内。在本发明的又一方面，磁存储器包括具有垂直磁各向异性的磁化固定层，磁化固定层的磁化方向被固定；层间电介质；形成在磁化固定层和层间电介质的上表面上的底层；和形成在底层的上表面上且具有垂直磁各向异性的数据记录层。底层包括第一磁底层；和形成在第一磁底层上的非磁底层。第一磁底层包括Co或Fe作为主要组分，并包括从 Zr、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素。第一磁底层的厚度在0. 5至 3nm的范围内。在本发明的再一方面，磁存储器包括由磁性材料形成的铁磁底层；布置在底层上的非磁中间层；形成在中间层上且具有垂直磁各向异性的铁磁数据记录层；隔着间隔层连接到铁磁数据记录层的基准层；以及与底层的底面接触布置的第一和第二磁化固定层。 数据记录层包括磁化自由区，具有可反转磁化并与基准层相对；第一磁化固定区，与磁化自由层的第一边界耦合并具有固定在第一方向上的磁化；和第二磁化固定区，与磁化自由层的第二边界耦合并具有固定在与第一方向相反的第二方向上的磁化。中间层由厚度为 0. 1至0. 2nm的Ta膜形成。本发明提供一种包含具有垂直磁各向异性的数据记录层的磁存储器，其中数据记录层具有足够强的垂直磁各向异性，并且数据记录层和布置在数据记录层下面的磁化固定层之间的磁耦合被充分地增强。


通过下面结合附图对特定优选实施例的描述，本发明的上述和其它目的、优点和特征将变得更明显，在附图中图1是示出常规磁阻效应元件的示例性构造的截面图；图2是示意性示出本发明第一实施例的磁阻效应元件的示例性构造的截面图；图3A是示意性示出写入数据“0”的磁阻效应元件的状态的图；图3B是示意性示出写入数据“1”的磁阻效应元件的状态的图；图4A是示出NiFeW膜的磁化量相对膜厚度的变化的图；图4B是示出NiFdr膜的磁化量相对膜厚度的变化的图；图4C是示出NiFeTa膜的磁化量相对膜厚度的变化的图；图5A是示出经由对应于非磁底层的Pt膜施加的耦合场相对Pt膜厚度的变化的表格；图5B是示出经由对应于非磁底层的Pd膜施加的耦合场相对Pd膜厚度的变化的表格；图5C是示出经由对应于非磁底层的Ir膜施加的耦合场相对Ir膜厚度的变化的表格；图6A是示出对于没有提供第二磁底层的情况下的第一实施例的实施例示例1中数据记录层的磁化-场曲线的图；图6B是示出对于一个Co膜和一个Pt膜层叠在第二磁底层中的情况下的第一实施例的实施例示例1中数据记录层的磁化-场曲线的图；图6C是示出对于两个Co膜和两个Pt膜层叠在第二磁底层中的情况下的第一实施例的实施例示例1中数据记录层的磁化-场曲线的图；图6D是示出对于三个Co膜和三个Pt膜层叠在第二磁底层中的情况下的第一实施例的实施例示例1中数据记录层的磁化-场曲线的图；图6E是示出形成在对应于非磁底层的Pt膜上的Co/Pt膜堆叠的磁化_场曲线的图；图7是示出饱和场Hs的定义的图；图8是示出第一实施例的实施例示例1中饱和场Hs相对第二磁底层中Co和Pt 膜的数量的变化的图；图9是示出第一实施例的实施例示例1中第二磁底层中的Co和Pt膜的数量、饱和场Hs和写入电流之间关系的图；图10是示出第一实施例的比较示例1的结构的截面图；图IlA是示出第一实施例的实施例示例1中第二磁底层中Co和Pt膜的厚度比率和饱和场Hs之间关系的图，这里NiFeW膜用作第一磁底层，而Pt膜用作非磁底层；图IlB是示出第一实施例的实施例示例1中第二磁底层中Co和Pt膜的厚度比率和饱和场Hs之间关系的图，这里NiFeV膜用作第一磁底层，而Au膜用作非磁底层；图12是示意性示出本发明第二实施例的磁阻效应元件的示例性构造的截面图；图13A是示出磁隧道结对第一磁底层的材料的依赖性的图；图13B是示出在第一磁底层由NiFe&膜形成的情况下，表示数据记录层和磁化固定层之间耦合状态的磁化-场曲线的图；图13C是示出在第一磁底层由NiFe&膜形成的情况下，表示数据记录层和磁化固定层之间耦合状态的磁化-场曲线的图；图13D是示出在第一磁底层由CoTa膜形成的情况下，表示数据记录层和磁化固定层之间耦合状态的磁化场-曲线的图；图13E是示出在第一磁底层由CoTa膜形成的情况下，表示数据记录层和磁化固定层之间耦合状态的磁化场-曲线的图；图14A是示出在第一磁底层由CoTa膜形成的情况下，磁化-场曲线相对第一磁底层的厚度变化的图；图14B是示出在第一磁底层由CoTa膜形成的情况下，磁化-场曲线相对第一磁底层的厚度变化的图；图15A是示出第二实施例中没有提供第二磁底层的情况下数据记录层的磁化-场曲线的图15B是示出第二实施例中第二磁底层中Co和Pt膜的数量为一个的情况下数据记录层的磁化-场曲线的图；图15C是示出第二实施例中第二磁底层中Co和Pt膜的数量为两个的情况下数据记录层的磁化-场曲线的图；图16是示出第二实施例中饱和场Hs相对第二磁底层中Co和Pt膜数量的变化的图；图17是示出第二实施例中第二磁底层中Co和Pt膜的数量、饱和场Hs和写入电流之间关系的图；图18是示出第二实施例中第二磁底层中Co和Pt膜的厚度比率和饱和场Hs之间关系的图；图19A和19B是示出本发明第三实施例的磁阻效应元件的示例性构造的截面图；图20A和20B是示出比较示例1的磁阻效应元件的示例性结构的截面图；图21A是示出在外部磁场施加到如图20A和20B所示结构的数据记录层的情况下的示例性磁化曲线的图；图21B是示出在外部磁场施加到如图20A和20B所示结构的数据记录层的情况下的示例性磁化曲线的图；图22A是示出在数据记录层经过热退火之后外部磁场施加到如图20A和20B所示结构的数据记录层的情况下的示例性磁化曲线的图；图22B是示出在数据记录层经过热退火之后外部磁场施加到如图20A和20B所示结构的数据记录层的情况下的示例性磁化曲线的图；图23A和23B是示出实施例示例1的磁阻效应元件的构造的截面图；图24A是示出在外部磁场施加到如图23A和23B所示结构的数据记录层的情况下的示例性磁化曲线的图；图24B是示出在外部磁场施加到如图23A和23B所示结构的数据记录层的情况下的示例性磁化曲线的图；图25是示出中间层的厚度、热退火温度和饱和场之间关系的图；图26是示出在外部磁场施加到如图23A和23B所示结构的数据记录层的情况下的示例性磁化曲线的图；图27是示出本发明的一个实施例中的磁存储器的示例性构造的框图；并且图28是示意性示出本发明的一个实施例中的存储单元的示例性构造的电路图。
具体实施例方式现在，这里将参考说明性实施例描述本发明。本领域的技术人员将认识到利用本发明的教导可以实现许多替换的实施例，并且本发明并不限于为了解释的目的而示出的这些实施例。下面参考附图描述本发明的实施例。第一实施例图2是示意性示出本发明第一实施例中的磁阻元件100的示例性构造的截面图。 磁阻效应元件100包括数据记录层10、间隔层20、基准层30、底层40以及磁化固定层50a和 50b。数据记录层10由具有垂直磁各向异性的铁磁材料形成。数据记录层10包括磁化方向可反转并且将数据存储为其磁化状态的区域。详细地，数据记录层10包括一对磁化固定区Ila和lib以及磁化自由区13。磁化固定区Ila和lib邻近磁化自由区13布置。磁化固定区Ila和lib的磁化固定在相反方向(或反向平行)。在图2所示的示例中，磁化固定区Ila的磁化方向固定在 +ζ方向，并且磁化固定区lib的磁化方向固定在-ζ方向。磁化自由区13的磁化在+ζ和-ζ方向之间可反转。因此，根据磁化自由区13的磁化方向，畴壁形成在数据记录层10中。详细地，如图3A所示，当磁化自由区13的磁化方向定向为+ζ方向时，畴壁12形成在磁化自由区13和磁化固定区lib之间。另一方面，当磁化自由区13的磁化方向定向为-ζ方向时，畴壁12形成在磁化自由区13和磁化固定区 Ila之间。换句话说，数据记录层10包含了畴壁12，并且畴壁12的位置依赖于磁化自由区 13的磁化方向。间隔层20邻近数据记录层10布置。间隔层20布置为至少与数据记录层10的磁化自由区13的上表面接触。间隔层20由非磁性电介质材料形成。基准层30布置为与间隔层2的上表面接触。也就是说，基准层30隔着间隔层20 与数据记录层10 (磁化自由区13)耦合。与数据记录层10的情况一样，基准层30也由具有垂直磁各向异性的铁磁材料形成，并且其磁化方向固定在+ζ或-ζ方向。在图2的示例中，基准层30的磁化方向固定在+ζ方向。上面提到的数据记录层10的磁化自由区13、间隔层20和基准层30形成磁隧道结(MTJ)。也就是说，数据记录层10(磁化自由区13)、间隔层20和基准层30在MTJ中分别起到自由层、阻挡层和钉扎层的作用。底层40布置在数据记录层10的底面上(其与衬底相对)。底层40用来提高数据记录层10的结晶取向，以在数据记录层10中实现强垂直磁各向异性。后面将详细论述底层40的结构和功能。磁化固定层50a和50b由具有垂直磁各向异性的硬磁铁磁材料形成，并且磁化固定层50a和50b的磁化方向分别固定在+ζ和-ζ方向。磁化固定层50a和50b用来固定数据记录层10的磁化固定区Ila和lib的磁化。通过与磁化固定层50a磁耦合，固定磁化固定区Ila的磁化；并且通过与磁化固定层50b磁耦合，固定磁化固定区lib的磁化。在本实施例中，磁化固定层50a和50b被嵌入在形成于层间电介质60上的沟槽中。在本实施例中， CoPt合金膜或Co/Pt膜堆叠(薄Co膜和Pt膜交替层叠的膜堆叠)用作磁化固定层50a和 50b。这种硬磁材料呈现强垂直磁各向异性。层间电介质60是用于层间隔离的电介质膜，通常用在半导体集成电路中。SiOx 膜、SiN膜或这些膜的膜堆叠用作层间电介质60。应该注意，电极层(未示出)分别电连接到数据记录层10的磁化固定区Ila和 lib。这些电极层用来将写入电流引入到数据记录层10中。在一个实施例中，电极层可以经由前面提到的磁化固定层50a和50b连接到数据记录层10的磁化固定区Ila和lib。而且，另一个电极层(未示出)电连接到基准层30。在磁阻效应元件100中，允许有两种存储状态，这对应于数据记录层10的两种磁化状态，也就是，数据记录层10中畴壁的两个允许位置。当数据记录层10的磁化自由区13 的磁化方向定向在如图3A所示的+ζ方向时，畴壁12形成在磁化自由区13和磁化固定区 lib之间的边界上。在这种情况下，磁化自由区13和基准层30的磁化方向彼此平行。因此，MTJ的电阻相对减小。这种磁化状态，例如，与数据“0”的存储状态相关联。另一方面，当数据记录层10的磁化自由区13的磁化方向定向在如图3B所示的_z 方向时，畴壁形成在磁化自由区13和磁化固定区Ila之间的边界上。在这种情况下，磁化自由区13和基准层30的磁化方向彼此反向平行。因此，MTJ的电阻相对增加。这种磁化状态，例如，与数据“ 1，，的存储状态相关联。应该注意，数据记录层10的磁化状态和两个存储状态之间的相互关系并不限于上面提到的。数据记录层10中包含了畴壁12，并且畴壁12的位置对应于磁化自由区13的磁化方向。结果，数据记录层10将数据存储为畴壁12的位置。在本实施例的磁阻效应元件100中，通过利用电流驱动畴壁运动，实现了数据写入。当磁阻效应元件100预先存储了数据“0”时(其中磁化自由区13和基准层30的磁化方向是平行的)，为了向磁阻效应元件100中写入数据“1”，写入电流经由磁化自由区13从磁化固定区Ila流向磁化固定区lib。在这种情况下，导电电子经由磁化自由区13从磁化固定区lib移动到磁化固定区11a。结果，自旋转移矩(STT)被施加在定位于磁化固定区 lib和磁化自由区13之间的边界上的畴壁12上，并且畴壁12向着磁化固定区Ila移动。 换句话说，产生电流驱动畴壁运动。当写入电流经过磁化固定区Ila和磁化自由区13之间的边界时，在磁化固定区Ila中，写入电流的电流密度降低。因此，畴壁12的运动在边界附近停止。通过这种方式，畴壁12移动到磁化固定区Ila和磁化自由区13之间的边界附近， 以实现数据“1”的数据写入。另一方面，当磁阻效应元件100预先存储了数据“1”时(其中磁化自由区13和基准层30的磁化方向是反向平行的)，为了向磁阻效应元件100中写入数据“0”，写入电流经由磁化自由区13从磁化固定区lib流向磁化固定区11a。在这种情况下，导电电子经由磁化自由区13从磁化固定区Ila移动到磁化固定区lib。结果，自旋转移矩施加在定位于磁化固定区Ila和磁化自由区13之间的边界上的畴壁12上，畴壁12朝着磁化固定区lib移动。换句话说，产生了电流驱动畴壁运动。当写入电流经过磁化固定区lib和磁化自由区 13之间的边界时，在磁化固定区lib中，写入电流的电流密度降低。因此，畴壁12的运动在边界附近停止。通过这种方式，畴壁12移动到磁化固定区lib和磁化自由区13之间的边界附近，以实现数据“1”的数据写入。应该注意，当在预先存储数据“0”的状态下写入数据“0”时，或者在预先存储数据 “1”的状态下写入数据“1”时，磁化状态没有发生变化。这意味着磁阻效应元件100适合重写。数据读取通过利用隧道磁阻(TMR)效应实现。具体地，在读取数据过程中，读取电流流过MTJ(由数据记录层10的磁化自由区13、间隔层20和基准层30构成)。读取电流的方向可以反向。当数据“0”存储在磁阻效应元件100中时，MTJ的电阻相对减小。另一方面，当数据“1”存储在磁阻效应元件100中时，MTJ的电阻相对增大。因此，可以通过检测MTJ的电阻来识别数据。接下来，描述数据记录层10的优选结构。数据记录层10的期望特性包括小的饱和磁化和大的自旋极化率。如A. Thiaville等人在JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, VOL. 95, NO.11, pp. 7049-7051,2004 的"Domain wall motion by spin-polarized current :a micromagnetic study”中所描述的，当参数gy BP/2eMs大时，更容易产生电流驱动畴壁运动，其中，g是朗德g(Land6g)因子，μ B是波尔磁子(Bohr magneton), P是自旋极化率，e 是基本电荷，并且Ms是饱和磁化。由于g、μ 是物理常量，所以为降低写入电流有效的是降低数据记录层10的饱和磁化Ms和增加自旋极化率P。首先，在饱和磁化方面，过渡金属的交替膜堆叠，如Co/Ni、Co/Pt、Co/Pd、CoFe/Ni、 CoFe/Pt和CoFe/Pd，有希望作为用于数据记录层10的具有垂直磁各向异性的磁膜。本领域的技术人员知道，这些材料的饱和磁化相对小。一般地说，数据记录层10可以构造为层叠第一层和第二层的膜堆叠。第一层包括Fe膜、Co膜和Ni膜中的任意一种或由从Fe、Co 和Ni所组成的组中选择的多种材料形成的合金膜。第二层包括Pt膜、Pd膜、Au膜、Ag膜、 Ni膜和Cu膜中的任意一种或由从Pt、Pd、Au、Ag、Ni和Cu所组成的组中选择的多种材料形成的合金膜。在上面描述的膜堆叠中，Co/Ni膜堆叠尤其具有高自旋极化率。因此，Co/Ni膜堆叠尤其优选作为数据记录层10。实际上，本发明人通过实验已经确认，使用Co/m膜堆叠能够使畴壁运动具有高可控性。过渡金属的交替膜堆叠(例如，Co/Ni膜堆叠)在被构造成fcc(lll)取向的晶体结构时，呈现垂直磁各向异性，其中膜堆叠具有fee结构且(111)面层叠在衬底的垂直方向上。根据 G. H. 0. Daalderop 等人在 PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOL. 68,NO. 5,pp. 682-685, 1992 白勺"Prediction and Confirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers”，上述膜堆叠的垂直磁各向异性来源于在其中界面处的界面磁各向异性。为了提供提高的垂直磁各向异性用于数据记录层10，因此优选布置使得能够以改善的 fee (111)取向生长过渡金属的交替膜堆叠的“底层”。本实施例的磁阻效应元件100包含底层40，其使得能够以改善的fee (111)取向生长数据记录层10，以提高垂直磁各向异性。在本实施例中，底层40包括三层第一磁底层41，非磁底层42和第二磁底层43。 第一磁底层41形成为覆盖磁化固定层50a和50b的上表面和布置在磁化固定层50a和50b 之间的层间电介质60的一部分的上表面。非磁底层42形成为覆盖第一磁底层41的上表面，并且第二磁底层43形成为覆盖非磁底层42的上表面。磁底层41由固有地呈现铁磁性质的材料形成，但是其具有这样的减小的厚度，使得当形成在诸如层间电介质60的非晶膜上时磁底层41没有呈现铁磁性。在本实施例中，磁底层41包括NiFe作为主要组分，并且掺杂有从&、Ta、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素，其中磁底层41的非磁性元素的浓度在从10到25原子百分比的范围内，并且磁底层41的厚度在0. 5至3nm的范围内。非磁底层42由具有fee结构且呈现强(111) 取向的非磁膜形成。在本实施例中，非磁底层42由Pt、Au、Pd和Ir中的任意一种形成，并且具有0. 3至4. Onm的厚度。第二磁底层43由第一和第二层至少交替层叠一次的磁膜堆叠形成，其中第一层由Pt或Pd构成，并且第二层由Fe、Co或Ni构成。第一磁底层41和非磁底层42的这种组合使数据记录层10呈现强垂直磁各向异性，同时增强了数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间的磁耦合。示意性地，第一磁底层41和非磁底层42的性质在定位在层间电介质60上的部分与定位在磁化固定层50a和 50b上的部分之间是不同的。通常，形成在非晶膜上的膜呈现很差的取向。因此，对于定位在层间电介质膜60上的第一磁底层41和非磁底层42的部分，其由非晶膜形成，例如SiOx 膜和SiN膜，主要问题是以fcc(lll)取向结构形成数据记录层10，以呈现提高的垂直磁各向异性。对于定位在磁化固定层50a和50b上的部分，主要问题是增强数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间的磁耦合；当底层40的结构不合适时(例如，当厚的非磁膜用作底层40时，如上述常规技术的情况一样)，这会不期望地消弱数据记录层10与磁化固定层 50a和50b之间的磁耦合。在本实施例中，第一磁底层41和非磁底层42的组合同时满足这两个必要条件。首先论述的是定位在层间电介质膜60上方的第一磁底层41和非磁底层42的部分。当形成在为非晶膜的层间电介质60上时，由于0. 5至3. Onm的薄膜厚度，第一磁底层 41生长为非晶，其表面能增大。由于非晶生长工艺，第一磁底层41与层间电介质60接触的部分形成为基本没有磁化的状态。这样构造的第一磁底层41促使其上形成的晶体的最密集的取向(具有最小表面能面的取向)。此外，由于非磁底层42由Pt、Au、Pd和Ir中的任意一种形成，并且由这些材料中的任意一种形成的膜本质上具有fee结构，所以形成在第一磁底层41上的非磁底层42生长为使得其最密集的面定向为面对fcc(lll)面。通过在非磁底层42上方形成磁膜，可以形成具有强垂直磁各向异性的数据记录层10，其中磁膜具有fee结构并且对于(111)取向呈现强垂直磁各向异性。应该注意，由于配备了第一磁底层41，即使非磁底层42具有薄的膜厚度时，也可以形成具有强垂直磁各向异性的数据记录层10。另一方面，定位在磁化固定层50a和50b上方的那部分第一磁底层41和非磁底层 42，有效地增强了数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间的磁耦合。对于由诸如Co/ Pt膜堆叠和Co-Pt合金膜的硬磁材料形成磁化固定层50a和50b的情况，与通常使用的磁化固定层的情况一样，当第一磁底层41和非磁底层42顺序层叠在磁化固定层50a和50b 上方时，由于与磁化固定层50a和50b磁相互作用，第一磁底层41部分的磁化被定向在相垂直方向，这是与磁化固定层50a和50b的磁化方向相同的方向。这种磁相互作用经由非磁底层42固定了数据记录层10的部分的磁化，结果在数据记录层10中形成了磁化固定区 Ila和lib。应该注意，由于非磁底层42的薄膜厚度(0.5至4. Onm)，实现了数据记录层10 与磁化固定层50a和50b之间强磁性耦合。有人可能认为，在层间电介质60上直接沉积第一磁底层41可能会造成不期望的磁影响，其会使垂直磁各向异性变差。也就是，有人可能认为，在非晶层间电介质60上形成第一磁底层41可能造成第一磁底层41呈现面内磁各向异性，使数据记录层10的垂直磁各向异性变差；然而，由于第一磁底层41形成为使得第一磁底层41在布置于层间电介质60 上的部分中基本没有磁化，所以第一磁底层41实际上不会造成不期望的恶化数据记录层 10的垂直磁各向异性的磁影响。因此，在数据记录层10中也实现了提高的垂直磁各向异性。第二磁底层43起到数据记录层10的结晶取向模板的作用，以提高数据记录层10 Wfcc(Ill)取向，增强垂直磁各向异性。在本实施例中，第二磁底层43由至少层叠一次第一和第二层的膜堆叠形成，其中第一层由Pt或Pd形成，并且第二层由Fe、Co或Ni形成。这样构造的第二磁底层43有效提高了由Co/Ni膜堆叠形成的数据记录层10的fee (111) 取向，增强了它的垂直磁各向异性。另外，这样构造的第二磁底层43，通过调整第二磁底层 43中层叠的第一和第二层的数量，允许调整数据记录层10的垂直磁各向异性。优选地，将数据记录层10的垂直磁各向异性调整到适当的范围，由于如果数据记录层10的垂直磁各向异性过强，可能会增大写入电流。应该注意，当很容易形成fcc(lll)-定向结构的磁膜用作数据记录层10时，可以不需要第二磁底层43。当Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10时，例如，在由Pt、Au、Pd或Ir 形成的非磁底层42上直接沉积数据记录层10不会造成强垂直磁各向异性。为了解决这个问题，当不容易形成fcc(lll)-定向结构的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10时，使用第二磁底层43有效实现了强垂直磁各向异性。另一方面，当很容易形成fcc(lll)-定向结构的磁膜(例如，包括至少一个由Pt或Pd形成的第一层和至少一个由Fe、Co或Ni形成的第二层的磁膜堆叠)用作数据记录层10时，数据记录层10可以直接形成在非磁底层42上。如上所述，使用形成为由第一磁底层41、非磁底层42和第二磁底层43构成的膜堆叠的底层40，会使数据记录层10呈现强垂直磁各向异性，同时增强了数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间的磁耦合。本发明人已经通过实验确认了上述事实。实验结果描述如下。(实验1第一磁底层41的磁性质)首先，给出第一磁底层41的磁性质和优选厚度范围的描述。通常，如上所述，在与层间电介质60 (由SiN或SiOx膜形成)接触的部分和与磁化固定层50a和50b接触的部分之间，第一磁底层41的性质是不同的。为了研究第一磁底层41与层间电介质60(由SiN或SiOx膜形成)接触的部分，在每一个都包括形成在Si衬底上的SiN膜或SiOx膜的衬底上沉积NiFeW膜，并测量 NiFeff膜的磁化。沉积的NiFeW膜的厚度在1至IOnm的范围内。该NiFeW膜包含12. 5原子百分比的钨(W)，其余是NiFe基底金属。NiFe基底金属中Ni与Fe的比率是Ni Fe = 77.5 22.5。所有样品在真空中在350°C下进行两小时退火。在测量每个样品的磁化时， 磁场以垂直方向施加到膜表面上。对于1至IOnm的厚度范围，NiFeW膜没有呈现矩形形状的M-H磁滞回线，这确认了这种NiFeW膜是非铁磁膜或面内磁化膜。图4A是示出NiFeW膜的磁化量相对膜厚度变化的图。如图4A所示，对于4nm或更大的膜厚度，磁化倾向于随着膜厚度增加而单调增加，而不管布置在NiFeW膜的正下方的是SiN膜还是SiOx膜。另一方面，对于0. 5nm至3nm的膜厚度，尤其是小于2nm的膜厚度，在SiN膜和SiOx膜两种情况下，与4nm或更大膜厚度的的情形相比，观察到显著减小的磁化。这种结果表明，当NiFeW膜沉积在层间电介质60上时，NiFeW膜没有呈现具有薄的膜厚度的磁化。如这样描述的，使用0. 5至3nm厚度的NiFeW膜作为第一磁底层41，经由非磁底层 42消除了对第二磁底层43的磁影响，由此避免了扰乱第二磁底层43的垂直磁各向异性，对形成为Co/Ni膜堆叠的数据记录层10的垂直磁各向异性没有造成影响。这允许为形成为 Co/Ni膜堆叠的数据记录层10提供改善的fee (111)取向。相反，使用膜厚度超过3nm的NiFeW膜作为第一磁底层41是不可取的，由于经由非磁底层42对第二磁底层43和数据记录层10的磁影响，使用这种NiFeW膜会不期望地削弱数据记录层10的垂直磁各向异性。另外，由于层间电介质60的表面不均勻性会经由第一磁底层41影响非磁底层42， 所以使用膜厚度小于0. 5nm的NiFeW膜作为第一磁底层41会不期望地恶化数据记录层10 Wfcc(Ill)取向。从上面的论述可以理解，用于第一磁底层41的NiFeW膜的优选厚度范围是0. 5至3nm。这同样适用于从Zr、Ta、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素代替W 掺杂到MFe基底金属的情况。例如，图4B是示出膜的磁化量相对膜厚度变化的图； 并且图4C是示出MFeTa膜的磁化量相对膜厚度变化的图。应该注意，图4B和4C是通过在包含了形成在Si衬底上的SiN膜的衬底上沉积NiFdr膜和NiFeTa膜，并测量NiFdr膜和NiFeTa膜的磁化而得到的。而且对于NiFdr膜和NiFeTa膜，在0. 5nm至3nm的膜厚度范围内，尤其是小于2nm的膜厚度，观察到显著减小的磁化。这种结果表明，当在层间电介质60上沉积NiFeW和NiFeTa膜时，NiFdr和NiFeTa膜没有呈现具有薄的膜厚度的磁化。从上面的论述可以理解，第一磁底层41优选具有0. 5nm至3nm的膜厚度，更优选小于2nm。(实验2第一磁底层41的结晶结构)接下来，给出与非磁性掺杂体浓度和第一磁底层41的结晶结构之间的关系有关的实验结果的描述，其中第一磁底层41包括NiFe作为主要组分，并且包含至少一种从ττ、 Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的非磁性元素。本实验中形成的是由掺杂&、Ta、W、Hf和 V中任意一种的MFe基底金属构成的膜。利用X射线衍射仪分析形成的膜的结晶结构。为主要组分的NiFe基底金属的组成是Ni Fe = 77. 5 22.5。形成的膜的厚度为15nm。结果显示，掺杂至少一种从Zr、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的非磁性元素的 NiFeX膜(X:Zr，Ta, W，Hf或V)，对于10至25原子百分比的非磁性掺杂体浓度，呈现具有宽峰的衍射剖面图，这表明NiFeX膜具有非晶结构。对于非磁性掺杂体浓度小于10原子百分比的情况，观察到由NiFe造成的结晶结构。对于非磁性掺杂体浓度大于25原子百分比的情况，观察到NiFe与非磁性元素的化合物和混合物的衍射峰。这表明，当掺杂至少一种从Zr、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的非磁性元素的NiFeX膜(X:Zr, Ta, W，Hf或V)用作第一磁底层41时，非磁性元素的优选浓度是10至25原子百分比。如上所述，包括作为主要组分的NiFe和从&、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素的第一磁底层41，在第一磁底层41的膜厚度调整为0. 5至3nm时基本没有呈现磁化。非磁性元素(&、Ta、W、Hf或V)的掺杂体浓度优选在10至25原子百分比的范围内。(实验3数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间的磁耦合)接下来，给出与非磁底层42的厚度与数据记录层10和磁化固定层50a和50b之间的磁耦合量之间关系有关的实验结果的描述。在本实验中，形成膜堆叠，其每一个都包括对应于磁化固定层50a、50b、第一磁底层41、非磁底层42、第二磁底层43和数据记录层10 的膜。其中Co和Pt膜交替层叠的Co/Pt膜堆叠用作对应于磁化固定层50a和50b的磁膜。1.5nm厚的NiFe&膜用作对应于第一磁底层41的膜，且Pt膜用作对应于非磁底层42 的膜。多个0. 4nm厚的Co膜和多个0. 8nm厚的Pt膜交替层叠的Co/Pt膜堆叠用作对应于第二磁底层43的膜。最后，五个0. 3nm厚的Co膜和五个0. 6nm厚的Ni膜交替层叠的Co/Ni膜堆叠用作对应于数据记录层10的膜。制备上述结构的样品，其中对应于非磁层42的 Pt膜具有0. 3至5nm的范围内的不同厚度，并测量各个样品的磁性质。所有制备的样品预先都要在真空中经受两个小时350°C的退火。图5A是示出经由Pt膜(其对应于非磁底层42)施加的耦合磁场相对Pt膜膜厚度变化的表格。如图5A所示，在0. 5至4. Onm的膜厚度范围内，经由对应于非磁底层42的 Pt膜观察到1900至1975 (Oe)的耦合磁场。本发明人认为这种结果是由下面的原因造成的因为对应于磁化固定层50a和50b的Co/Pt膜堆叠起到对应于第一磁底层41的NiFdr 膜的底层的作用，由于Co/Pt膜堆叠的磁化影响，薄NiFe&膜呈现垂直磁各向异性。此外， Co/Pt膜堆叠和NiFe&膜的垂直磁化经由对应于非磁底层42的Pt膜对对应于第二磁底层 43的Co/Pt膜堆叠造成影响，导致对减小厚度的Pt膜磁耦合。此外，对应于第二磁底层43 的Co/Pt膜堆叠与对应于数据记录层10的Co/Ni膜堆叠磁耦合。结果，经由对应于非磁底层42的Pt膜产生了大约1900至1975 (Oe)的耦合磁场。这意味着数据记录层10的磁化固定区Ila和lib的磁化可以通过磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间的磁耦合来固定。另一方面，对于4. 5nm或更大的膜厚度，经由对应于非磁底层42的Pt膜施加的耦合磁场为零。这表明使用厚度为4. 5nm或更大的Pt膜作为非磁底层42导致磁化固定层 50a和50b与数据记录层10的磁化不是磁耦合的，也就是说，没有固定数据记录层10的磁化固定区Ila和lib的磁化。应该注意，当对应于非磁底层42的Pt膜的厚度为0. 3nm那么薄时，虽然对应于磁化固定层50a和50b的Co/Pt膜堆叠与对应于数据记录层10的Co/M膜堆叠磁耦合，但耦合磁场相对小。这是因为Pt膜没有呈现足够的fcc(lll)取向，因此其上沉积的Co/Ni膜堆叠也呈现弱fcc(lll)取向。由上面的论述应该理解，当使用Pt膜作为非磁底层42时， Pt膜优选具有0. 5至4. Onm的膜厚度。对于使用Au膜、Pd膜和Ir膜的任何一种代替Pt膜的情况，获得了类似的结果。 例如，图5B是示出当1. 5nm厚度的NiFeTa膜用作对应于第一磁底层41的膜并且Pd膜用作对应于非磁底层42的膜时，经由Pd膜施加的耦合磁场相对Pd膜的膜厚度的变化的表格。 如图5B所示，对于0. 5至4. Onm的膜厚度，经由对应于非磁底层42的Pd膜观察到1910至 1975 (Oe)的耦合磁场。当对应于非磁底层42的Pd膜的膜厚度为4. 5nm或更大时，耦合磁场为零或接近零的值。而且，当对应于非磁底层42的Pd膜的膜厚度为0. 3nm那么薄时，观察到相对减小的1630 (Oe)的耦合磁场。此外，图5C是示出当1. 5nm厚度的NiFeTa膜用作对应于第一磁底层41的膜并且 Ir膜用作对应于非磁底层42的膜时，经由Ir膜施加的耦合磁场相对Ir膜的膜厚度的变化的表格。如图5C所示，对于0. 5至4. Onm的膜厚度，经由对应于非磁底层42的Ir膜观察到1930至1965 (Oe)的耦合磁场。当对应于非磁底层42的Ir膜的膜厚度为4. 5nm或更大时，耦合磁场为零。而且，当对应于非磁底层42的Ir膜的膜厚度为0. 3nm那么薄时，观察到相对减小的1700 (Oe)的耦合磁场。上述结果表明，非磁底层42优选具有0. 5至4. Onm的厚度。(实验4磁阻效应元件100的磁性质)在下文中，给出了与应用了上述底层40的磁阻效应元件100的磁性质有关的实验结果的描述。在本实验中，实际制造了应用上述底层40的磁阻效应元件100，并测量了数据记录层10的磁性质。如实施例示例1 一样制备下面结构的磁阻效应元件100。第一磁底层41、非磁底层42和第二磁底层43以此顺序依次层叠，作为每个磁阻效应元件100的底层40。厚度为 1. 5nm的NiFe&膜用作第一磁底层41，并且厚度为2nm的Pt膜用作非磁底层42。厚度为 0. 4nm的多个Co膜和厚度为0. Snm的多个Pt膜交替层叠的磁膜堆叠用作第二磁底层43。 五个厚度为0. 3nm的Co膜和五个厚度为0. 6nm的Ni膜交替层叠的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10。制备上述结构的磁阻效应元件100，其中第二磁底层43中Co和Pt膜的数量从零到四变化。磁阻效应元件100的宽度是lOOnm。在形成底层40和数据记录层10之后，这些磁阻效应元件100在真空中在350°C下经受两小时的退火。图6A至6D是示出对于第二磁底层43中Co和Pt膜的数量为零至三的情况下数据记录层10的磁化_场曲线的图。对于Co和Pt膜的数量为零的情况(也就是，没有提供第二磁底层43的情况)，如图6A所示，数据记录层10呈现相对弱的垂直磁各向异性含有了面内磁化分量。如图6B至6D所示，存在一种倾向，随着层叠的Co和Pt膜的数量的增加， M-H回线变得更为矩形，并且垂直磁各向异性增强。这表明对于相对难以实现fcc(lll)取向的Co/M膜堆叠用作数据记录层10的情况，即使在350°C下持续两个小时的退火之后，使用第二磁底层43也能够实现强垂直磁各向异性。对于厚度为1. 5nm的NiFdr膜和厚度为2nm的Pt膜分别用作第一磁底层41和非磁底层42，并在非磁底层42上沉积厚度为0. 4nm的Co膜和厚度为0. Snm的Pt膜层叠的 Co/Pt磁膜堆叠的情况，进行了类似的测量。Co/Pt磁膜堆叠中Co膜和Pt膜的数量为一。 图6E是示出使用Co/Pt磁膜堆叠的情况下的磁化_场曲线的图。如图6E所示，对于相对容易形成fcc(lll)取向的Co/Pt磁膜堆叠，获得了具有改善的矩形形状的磁化-场曲线。该事实具有两个技术含义。第一，使用Co/Pt磁膜堆叠作为数据记录层10有效实现了对于数据记录层10的强垂直磁各向异性。第二，使用Co/Pt磁膜堆叠作为第二磁底层 43能够形成具有改善的fee (111)取向的第二磁底层43，有效提高了其上形成的(例如，由 Co/Ni磁膜堆叠形成的)数据记录层10的垂直磁各向异性。此外，对于Co/Pt磁膜堆叠用作第二磁底层43并且Co/Ni磁膜堆叠用作数据记录层10的情况，测量了饱和场Hs。图7示出了本应用中饱和场Hs的定义。在本应用中，饱和场Hs定义为当以数据记录层10的面内方向施加外部磁场时，数据记录层10中的磁化完全定向在外部磁场方向时的外部磁场的量。在图7中，例如，Hsl表示样品(1)的饱和场， 而Hs2表示样品(2)的饱和场。大的饱和场意味着垂直磁各向异性大。例如，在图7中，样品(1)的饱和场Hs (也就是，在其方向上完全指向磁化的磁场)比样品(2)的大，这意味着样品(1)的垂直磁各向异性比样品(2)的大。图8示出了数据记录层10的饱和场Hs相对第二磁底层43中的Co和Pt膜的数量的变化，在这里Co和Pt膜的数量从零到四变化。由图8可以理解，饱和场Hs随着第二磁底层43中Co和Pt膜数量增加而增大；这意味着随着Co和Pt膜数量的增加，垂直磁各向异性增强。图9示出了饱和场Hs和写入电流相对第二磁底层43中的Co和Pt膜的数量的变化。写入电流的量定义为在数据记录层10中造成畴壁运动需要的最小写入电流。而且在Τ. Suzuki 等人在 IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 45，NO. 10，pp. 3776-3779，2009 StJ "Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”中描述了实验过程的细节，其公开通过引用
合并于此。对于第二磁底层43中Co和Pt膜的数量为零的样品(这意味着没有沉积第二磁底层43)，没有清晰地观察到由电流造成的畴壁运动，导致写入电流测试不成功。这可以认为是由数据记录层10呈现相对弱垂直磁各向异性且含有如图6A所示的面内磁化分量造成的。对于第二磁底层43中Co和Pt膜的数量不为零的情况，随着Co和Pt膜数量的增加，写入电流逐渐增加。对于Co和Pt膜的数量为四的情况，饱和场Hs增加到大约 10000 (Oe)，且写入电流急剧增加到超过0. 5mA。根据N. Sakimura等人在IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42, NO. 4，pp. 830-838，2007 的 ‘‘MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”，通过将写入电流减小到0. 5mA之下，单元面积可以减小到现有嵌入式 SRAM的水平。如这样描述的，当Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10时，使用Co/Pt膜堆叠作为第二磁底层43有效增强了数据记录层10的垂直磁各向异性。另外，调整第二磁底层43中Co 和Pt膜的数量能够控制数据记录层10的垂直磁各向异性，充分降低使畴壁运动所需的写入电流(或畴壁运动电流)。为将垂直磁各向异性调整到适当值，饱和场Hs的范围优选是 3000 (Oe) ^ Hs ^ 10000 (Oe)，并且为了使饱和场Hs在本范围内，第二磁底层43中Co和Pt 膜的数量是一至三。作为比较示例1，进一步如图10所示制备磁阻元件300，其中底层70由第一磁底层71和非磁底层72构成，这里厚度为2nm的NiFeB膜用作第一磁底层71，并且厚度为2nm 的Pt膜用作非磁底层72。形成在底层70上的是数据记录层10，形成为Co/Ni膜堆叠，其中五个0. 3nm厚的Co膜和五个0. 6nm厚的Ni膜交替层叠。如实施例示例1的情况，在形成底层70和数据记录层10之后，磁阻效应元件300在真空中在350°C下经受两小时的退火。磁阻效应元件300的数据记录层10的饱和场Hs测量大约为1050 (Oe)。而且，通过在膜表面的垂直方向上施加磁场测量的磁化_场回线可以确定磁阻效应元件300的数据记录层10含有面内磁化分量并且呈现非常弱的垂直磁各向异性。NiFeB膜呈现面内磁各向异性，与膜厚度无关，并且通过热退火增加了其磁化。这可能是因为第一磁底层71经由非磁底层72在面内方向上造成引导数据记录层10 (Co/Ni膜堆叠)磁化的效果，导致数据记录层10形成为面内磁化膜，其呈现弱垂直磁各向异性。此外，作为实施例示例2，另外制备了 1. 5nm厚的NiFeW膜用作第一磁底层41的磁阻效应元件100。除了这方面之外，实施例示例2的磁阻效应元件100的构造与实施例示例 1的相同。详细地，第一磁底层41、非磁底层42和第二磁底层43以此顺序依次形成作为底层40。1.5nm厚的NiFeW膜用作第一磁底层41，并且2nm厚的Pt膜用作非磁底层42。多个Co膜和多个Pt膜交替层叠的磁膜堆叠用作第二磁底层43。五个0. 3nm厚的Co膜和五个0. 6nm厚的Ni膜交替层叠的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10。也在真空中在350°C下对实施例示例2的磁阻效应元件100进行两小时退火。对于这样结构的磁阻效应元件100，检验磁化场Hs相对第二磁底层43中Pt和Co膜的膜厚度比和Pt和Co膜的数量的变化。 图IlA是示出对于Pt和Co膜的不同膜厚度比，磁化场Hs相对于第二磁底层43的Pt和Co 膜的数量的变化的图。由图IlA应该理解，对于第二磁底层43中Pt膜与Co膜的膜厚度比为1. 0至5. 0的情况，当Co膜和Pt膜的数量为一至三时，饱和场Hs的范围为从3000至 5500 (Oe)；这表明数据记录层10呈现这种垂直磁各向异性，使得可以实现电流驱动畴壁运动。此外，作为示例3，另外制备了 1.5nm厚的NiFeV膜用作第一磁底层41和2nm厚的 Au膜的磁阻效应元件100。除了这方面之外，示例3的磁阻效应元件100的构造与实施例示例1和2的相同。对于这样结构的磁阻效应元件100，检验磁化场Hs相对第二磁底层43 中Pt和Co膜的膜厚度比和Pt和Co膜的数量的变化。图IlB是示出对于Pt和Co膜的不同膜厚度比，磁化场Hs相对于第二磁底层43的Pt和Co膜的数量的变化的图。而且在图 IlB中，在第二磁底层43中Pt膜与Co膜的膜厚度比为1. 0至5. 0的情况下，饱和场Hs的范围为从3000至5500 (Oe)；这表明数据记录层10呈现这种垂直磁各向异性，使得可以实现电流驱动畴壁运动。上述结果表明，第二磁底层43中Co膜和Pt膜的优选膜厚度比为1. 0至5. 0。虽然上述示例都是关于NiFe&膜或NiFeW膜用作第一磁底层41，Pt膜用作非磁底层42并且由Co和Pt膜构成的膜堆叠用作第二非磁底层43的情况，但是第一磁底层41、 非磁底层42和第二磁底层43的材料并不限于上述那些。本发明人已经确认，通过使用从 Ta、Hf和V组成的组中选择的至少一种非磁性材料(代替Ir和W)掺杂NiFe基底金属所获得的薄膜材料，可以实现类似的效果。而且，本发明人还确认，利用Au膜、Pd膜或Ir膜代替Pt膜作为非磁底层42，可以实现类似的效果。此外，本发明人已经确认，利用由Pt和Pd 中任意一种形成的层和用Fe、Co和Ni中的任意一种形成的层的组合作为第二磁底层43， 代替Co膜和Pt膜的组合，也可以实现类似的结果。第二实施例图12是示出本发明的第二实施例的磁阻效应元件100Α的示意性结构的截面图。 第二实施例的磁阻效应元件100Α与第一实施例的磁阻效应元件100结构类似。不同点在于底层的结构。在第一实施例中，如上所述，底层40中的第一磁底层41是由固有的铁磁材料形成，具有使第一磁底层41不呈现铁磁性的薄厚度。另一方面，在第二实施例中，底层40Α 中的第一磁底层41Α是由固有呈现面内磁各向异性的材料形成的，但是具有使第一磁底层 41Α呈现垂直磁各向异性的那种厚度(具体地，0.5至3nm)。第一磁底层41Α由非晶磁性材料形成，其包括Co或Fe作为主要组分，并且包括从&、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素。非磁底层42、第二磁底层43和数据记录层10的结构与第一实施例中的相同。非磁底层42由具有fee结构并呈现强(111)取向的非磁膜形成。在本实施例中，非磁底层42 由Pt、Au、Pd或Ir形成，且具有0. 3至4. Onm的厚度。第二磁底层43由磁膜堆叠形成，其中至少一个第一层和至少一个第二层交替层叠，这里第一层由Pt和Pd中的任意一种形成， 而第二层由Fe、Co和Ni中的任意一种形成。数据记录层10，其是具有垂直磁各向异性的磁膜，优选由过渡金属交替层叠的膜堆叠形成，诸如C0/Ni、C0/Pt、C0/Pd、C0Fe/Ni、C0Fe/Pt 和CoFe/Pd。本领域的技术人员知道，这些材料的饱和磁化相对小。更一般地说，数据记录层10构造为第一层和第二层层叠的膜堆叠。第一层包括Fe、Co、Ni或从Fe、Co和Ni所组成的组中选择的多种材料的合金。第二层包括Pt、Pd、Au、Ag、Ni、Cu或从Pt、Pd、Au、Ag、Ni 和Cu所组成的组中选择的多种材料的合金。在上述膜堆叠中，Co/Ni膜堆叠呈现高自旋极化率。因此，Co/Ni膜堆叠尤其优选作为数据记录层10。下面论述第二实施例的第一磁底层41A的优点。如同第一实施例的第一磁底层41 的情况，当在如层间电介质60的非晶膜上形成时，第一磁底层41A生长为0. 5至3. Onm的薄膜厚度范围的非晶，增大了其表面能。这样结构的第一磁底层41A促使其上形成的结晶的最密集的取向(具有最小表面能面的取向)。此外，由于非磁底层42由Pt、Au、Pd和Ir 中的任意一种形成并且由这些材料中的任意一种形成的薄膜最初具有fee结构，所以形成在第一磁底层41A上的非磁底层42生长为使得其最密集的面取向为面对fee (111)面。通过在非磁底层42上方形成磁膜，其中磁膜具有fee结构，并且对于(111)取向呈现强垂直磁各向异性，数据记录层10可以形成为具有强垂直磁各向异性。应该注意，由于配备了第一磁底层41A，即使非磁底层42具有薄的膜厚度，数据记录层10也可以形成为具有强垂直磁各向异性。这里，第二实施例的第一磁底层41A是由包含作为主要组分的Co或Fe和从&、 Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素的材料形成的，并且这种材料固有地呈现出面内磁各向异性。有人可能认为这会不期望地造成数据记录层的垂直磁各向异性恶化。然而，当第一磁底层41A的厚度为0. 5至3nm那样薄时，这种材料的第一磁底层41A 实际形成为具有弱垂直磁各向异性的非晶磁体。如第一实施例的第一磁底层41形成为呈现基本没有磁化的情况，第二实施例的第一磁底层41A没有使数据记录层10的垂直磁各向异性恶化。因此，对于在数据记录层10中实现强垂直磁各向异性，第二实施例的第一磁底层41A也是优选的。另一方面，第一磁底层41A位于磁化固定层50a和50b上的部分有效地增强了数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间的磁耦合。对于由硬磁材料形成磁化固定层50a 和50b的情况，诸如Co/Pt膜堆叠和Co-Pt合金膜，当第一磁底层41A和非磁底层43相继层叠在磁化固定层50a和50b上方时，由于来自磁化固定层50a和50b的磁相互作用，第一磁底层41A在磁化固定层50a和50b上的那部分的磁化被分别定向在与磁化固定层50a和 50b的磁化方向垂直的方向上。这种磁相互作用经由非磁底层42固定了数据记录层10的一部分的磁化，结果在数据记录层10中形成了磁化固定区Ila和lib。应该注意，由于非磁底层42的薄的膜厚度(0. 5至4. Onm)，在数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间实现了强磁耦合。通过下面描述的实验结果将理解，第二实施例的第一磁底层41A比第一实施例的第一磁底层41更有效地增强了数据记录层10的垂直磁各向异性，实现了磁阻效应元件的 MR比的增加。另外，第二实施例的第一磁底层41A比第一实施例的第一磁底层41更有效地增强了数据记录层10与磁化固定层50a和50b之间的磁耦合。在下面描述实验的结果。(实验1磁隧道结的MR比对底层材料的依赖性)首先检验的是由数据记录层10、间隔层20和基准层30构成的磁隧道结的MR比与第一磁底层41或41A的材料的依赖关系。对于每个磁阻效应元件，对应于层间电介质60的电介质膜形成在衬底上，并形成底层40或40A、数据记录层10、间隔层20和基准层30。作为底层40或40A，第一磁底层41或41A、非磁底层42和第二磁底层43以此顺序依次形成。具有1. 5nm厚度的NiFdr膜、CoTa膜、CoZr膜或膜用作第一磁底层41或 41A。NiFeW膜包含12. 5原子百分比的钨(W)，并且其余的是NiFe基底金属。NiFe基底金属中Ni与Fe的比率是Ni Fe = 77. 5 22.5。CoTa膜包含20原子百分比的钽(Ta)，并且其余的是Co基底金属。膜包含20原子百分比的锆(&)，并且其余的是Co基底金属。膜包含20原子百分比的锆(&)，并且其余的是Fe基底金属。NiFe&膜对应于第一实施例的第一磁底层41，并且CoTa膜、CoZr膜和膜对应于第二实施例的第一磁底层 41A。此外，厚度为2nm的Pt膜用作非磁底层42，并且多个0. 4nm厚的Co膜和多个 0. Snm厚的Pt膜交替层叠的磁膜堆叠用作第二磁底层43。五个0. 3nm厚的Co膜和五个 0. 6nm厚的Ni膜交替层叠的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10。由此制备的样品具有IOOnm 的宽度。在形成底层40 (或41A)、数据记录层10、间隔层20和基准层30之后，在真空中在 300至350°C下对样品进行两小时退火。图13A是示出MR比与第一磁底层41 (或41A)的材料的依赖关系的图。如图13A 所示，使用NiFe&膜(对应于第一实施例的第一磁底层41)导致磁隧道结呈现大约23至 42的MR比(应该注意，这个范围内的MR比对于实际实施是足够的)。另一方面，使用CoTa 膜、膜或膜(对应于第二实施例的第一磁底层41A)导致磁隧道结呈现大约53至 65的MR比，获得了比使用NiFe&膜所能获得的更高的MR比。MR比提高的效果对于退火温度低的情况(特别对于300°C的退火温度)尤其显著。这种结果表明第二实施例的第一磁底层41A比第一实施例的第一磁底层41更有效地增强了数据记录层10的垂直磁各向异性，有效地增加了磁阻效应元件的MR比。(实验2评估磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间的耦合状态)此外，评估磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间的耦合状态。在衬底上形成对应于磁化固定层50a和50b的磁膜，并在该磁膜上形成底层(40或40A)和数据记录层 10。作为底层40或40A，第一磁底层41或41A、非磁底层42和第二磁底层43以此顺序依次形成。厚度为1. 5nm的NiFdr膜或CoTa膜用作第一磁底层41或41A。NiFeZr膜对应于第一实施例的第一磁底层41，并且CoTa膜对应于第二实施例的第一磁底层41A。NiFeZr 膜包含12. 5原子百分比的锆(&)，其余是NiFe基底金属。NiFe基底金属中Ni与Fe的比率是Ni Fe = 77. 5 22.5。CoTa膜包含20原子百分比的钽(Ta)，并且其余的是Co基
O此外，厚度为2nm的Pt膜用作非磁底层42，并且多个0. 4nm厚的Co膜和多个 0. Snm厚的Pt膜交替层叠的磁膜堆叠用作第二磁底层43。五个0. 3nm厚的Co膜和五个 0.6nm厚的Ni膜交替层叠的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10。样品的宽度是lOOnm。在形成底层40和数据记录层10之后，在真空中在300至350°C下对样品进行两小时退火。图13B至13E示出了由此获得的样品的磁化-场曲线。具体地，图13B和13C示出了包含基于NiFe&膜的第一磁底层41的样品的磁滞回线；而图13D和13E示出了包括基于CoTa膜的第一磁底层41A的样品的磁滞回线。当在对应于磁化固定层50a和50b的磁膜与对应于数据记录层10的Co/M膜堆叠之间存在足够大的磁耦合时，以磁耦合的磁膜和Co/M膜堆叠作为单元发生反向磁化，结果观察到典型的不具有阶梯的磁滞回线作为磁化_场曲线。另一方面，当磁化耦合很弱时，在磁膜和Co/M膜堆叠中分别发生反向磁化， 结果观察到阶梯式磁滞回线作为磁化-场曲线。如图13B和13C所示，对于350°C的退火温度，基于NiFdr膜的第一磁底层41实现了没有阶梯的磁滞回线；然而，对于300°C的退火温度，观察到阶梯式磁滞回线。这表明在300°C退火温度的情况下，使用NiFe&膜作为第一磁底层41会不期望削弱对应于磁化固定层50a和50b的磁膜与对应于数据记录层10的Co/M膜堆叠之间的磁耦合。另一方面，如图13D和13E所示，对于300和350°C的退火温度的情况，基于CoTa 膜的第一磁底层41A实现了没有阶梯的磁滞回线。这表明使用CoTa薄膜作为第一磁底层 41A在对应于磁化固定层50a和50b的磁膜与对应于数据记录层10的Co/Ni膜堆叠之间实现了足够强的磁耦合。(实验3第一磁底层41A的磁性质)接下来，给出第一磁底层41A的磁性质和优选的膜厚度范围的描述。为了研究第一磁底层41A与层间电介质60 (由SiN或SiO2膜形成)接触的部分，CoTa膜形成在Si衬底上沉积20nm的SiN膜的衬底上，并测量了 CoTa膜的磁化。形成的CoTa膜的厚度范围从 0.5至511111。形成的CoTa膜包括20原子百分比的钽(Ta)，其余是Co基底金属。在真空中在350°C下对样品进行两小时退火。图14A示出了在磁化测量中当在膜表面的垂直方向上施加磁场时CoTa膜的磁化-场曲线，而图14B示出了磁化量相对CoTa膜厚度的变化。这种测量等效于测量样品的垂直磁各向异性。如图14A所示，对于0. 5nm厚的CoTa膜没有呈现磁化。这种CoTa膜(其没有呈现面内磁各向异性)适合作为第一磁底层41A，不会对数据记录层10的垂直磁各向异性的产生造成磁影响。在1. O至3. Onm的膜厚度范围内，获得了磁滞回线作为磁化-场曲线。应该注意， 如图14B所示，在从1.0至3. Onm的膜厚度范围内，在膜表面的垂直方向上CoTa膜的磁化很小。显示相对于膜厚度的增加膜表面垂直方向上的磁化增加很小。这表明在1.0至3. Onm 的膜厚度范围内，CoTa膜呈现小的垂直磁各向异性。这种CoTa膜(其没有呈现面内磁各向异性)适合作为第一磁底层41A，不会对数据记录层10的垂直磁各向异性的产生造成磁影响。应该注意，第一磁底层41A没有提供其在0. 5nm以下的膜厚度范围内增强晶体生长的最初的预定功能。因此，当CoTa膜用作第一磁底层41A时，CoTa膜的厚度期望在0. 5nm 至3. Onm的范围内。另一方面，当膜厚度为4. Onm时，如图14A所示，减小了膜表面垂直方向上的磁化。 这导致在CoTa膜中在面内方向上产生了大的磁化，也就是，产生了大的面内磁各向异性。 由于对于4. Onm或更大的膜厚度，在CoTa膜中产生了大的面内磁各向异性，所以这种CoTa 膜不适合作为第一磁底层41A。上述结果表明，作为第一磁底层41A的CoTa膜的优选膜厚度范围是0.5nm至 3. Onm0本发明人已经确认，与上述CoTa膜一样，这同样适用于膜、FeTa膜和膜。
(实验4第二磁底层43的结构的效果)此外，在应用上述第二实施例的第一磁底层41A的情况下，检验磁阻效应元件中第二磁底层43的层数量的效果。具体地，制备下面结构的样品第一磁底层41A、非磁底层 42和第二磁底层43以此顺序依次层叠作为每个磁阻效应元件的底层40A。厚度为1. 5nm 的CoTa膜用作第一磁底层41A，并且厚度为2nm的Pt膜用作非磁底层42。CoTa膜包括20 原子百分比的钽(Ta)，并且其余的是Co基底金属。一个或多个0.4nm厚的Co膜和一个或多个0. Snm厚的Pt膜交替层叠的磁膜堆叠用作第二磁底层43。五个0. 3nm厚的Co膜和五个0. 6nm厚的Ni膜交替层叠的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10。制备上述结构的磁阻效应元件100，其中第二磁底层43中Co和Pt膜的数量从零到四变化。样品的宽度是lOOnm。 在形成底层40A和数据记录层10之后，在真空中在350°C下对样品进行两小时退火。图15A至15C是示出在第二磁底层43中Co和Pt膜的数量为零至两个的情况下的数据记录层10的磁化-场曲线。对于Co和Pt膜的数量为零的情况(也就是，没有提供第二磁底层43的情况)，如图15A所示，数据记录层10呈现相对弱的垂直磁各向异性，含有面内磁化分量。另一方面，如图15B和15C所示，存在一种趋势，随着层叠的Co和Pt膜数量的增加，M-H回线变得更像矩形，并且增强了垂直磁各向异性。这表明对于相对难以实现fcc(lll)取向的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10的情况，即使在350°C下进行两小时退火之后，使用第二磁底层43也能够实现强垂直磁各向异性。该事实具有两个技术含义第一，使用Co/Pt磁膜堆叠作为数据记录层10有效实现了对于数据记录层10的强垂直磁各向异性。第二，使用Co/Pt磁膜堆叠作为第二磁底层 43能够形成具有改善的fee (111)取向的第二磁底层43，有效提高了其上形成的(例如，由 Co/Ni磁膜堆叠形成的)数据记录层10的垂直磁各向异性。此外，对于CoTa膜用作第一磁底层41A，Co/Pt磁膜堆叠用作第二磁底层43并且 Co/Ni磁膜堆叠用作数据记录层10的情况，测量了饱和场Hs。图16示出了数据记录层10 的饱和场Hs相对第二磁底层43中的Co和Pt膜的数量的变化，其中Co和Pt膜的数量从零到四变化。由图16可以理解，饱和场Hs随着第二磁底层43中Co和Pt膜数量增加而增大；这意味着随着Co和Pt膜数量的增加，垂直磁各向异性增强。图17示出了饱和场Hs和写入电流相对第二磁底层43中的Co和Pt膜的数量的变化。写入电流的量定义为在数据记录层10中造成畴壁运动所需的最小写入电流。在 T. Suzuki 等人在 IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 45，NO. 10，pp. 3776-3779，2009 StJ "Evaluation of Scalability for Current-Driven Domain Wall Motion in a Co/Ni Multilayer Strip for Memory Applications”中也描述了实验过程的细节，其公开通过引用合并于此。对于第二磁底层43中Co和Pt膜的数量为零的样品(这意味着没有布置第二磁底层43)，没有清晰地观察到由电流造成的畴壁运动，导致写入电流测量不成功。这可以认为是由数据记录层10呈现相对弱垂直磁各向异性且含有如图15A所示的面内磁化分量造成的。对于第二磁底层43中Co和Pt膜的数量不为零的情况，随着Co和Pt膜数量的增加，写入电流逐渐增大。对于Co和Pt膜的数量为四的情况，饱和场Hs增加到大约 10000 (Oe)，且写入电流急剧增加到超过0. 5mA。根据N. Sakimura等人在IEEE JOURNAL OF
23SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 42, NO. 4，pp. 830-838，2007 的“MRAM Cell Technology for Over 500-MHz SoC”，通过将写入电流减小到0. 5mA之下，单元面积可以减小到现有嵌入式 SRAM的水平。如这样描述的，当CoTa膜用作第一磁底层41A且Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10 时，使用Co/Pt膜堆叠作为第二磁底层43有效增强了数据记录层10的垂直磁各向异性。另夕卜，调整第二磁底层43中Co和Pt膜的数量能够控制数据记录层10的垂直磁各向异性，充分降低使畴壁运动所需的写入电流(或畴壁运动电流)。为将垂直磁各向异性调整到适当值，饱和场Hs的范围优选是3000 (Oe) ^ Hs ^ 10000 (Oe)，并且为了使饱和场Hs在本范围内，第二磁底层中Co和Pt膜的数量是一至三。此外，检验第二磁底层43中Pt和Co膜的膜厚度比的影响。详细地，第一磁底层 41A、非磁底层42和第二磁底层43以此顺序依次层叠作为底层40A。厚度为1. 5nm的CoTa 膜用作第一磁底层41A，厚度为2nm的Pt膜用作非磁底层42。多个Co膜和多个Pt膜交替层叠的磁膜堆叠用作第二磁底层43。五个0. 3nm厚的Co膜和五个0. 6nm厚的Ni膜交替层叠的Co/Ni膜堆叠用作数据记录层10。在真空中在350°C下对样品进行两小时退火。对于这样结构的样品，检验磁化场Hs相对第二磁底层43中Pt和Co膜的膜厚度比以及相对Pt 和Co膜数量的变化。图18是示出对于Pt和Co膜的不同膜厚度比，磁化场Hs相对于第二磁底层43的 Pt和Co膜的数量的变化的图。由图18应该理解，对于第二磁底层43中Pt膜与Co膜的膜厚度比为1. 0至5. 0的情况，当Co膜和Pt膜的数量为一至三时，饱和场Hs的范围为从 3000至5500 (Oe)；这表明数据记录层10呈现这样的垂直磁各向异性，使得可以实现电流驱动畴壁运动。第三实施例图19A是示出本发明第三实施例的磁阻效应元件100B的示意性构造的截面图，并且图19B是示出第三实施例的磁阻效应元件100B的磁记录层的示例性构造的截面图。应该注意，图19B是图19A中的SS'截面上的截面图。第三实施例的磁阻效应元件100B与第一实施例的磁阻效应元件100结构类似。不同点在于底层的结构。在第一实施例中，底层40包含第一磁底层41、非磁底层42和第二磁底层43。另一方面，在第三实施例中，底层40B没有包括对应于第一实施例的第二磁底层 43的部件，而是含有磁底层41和中间层42B (其对应于非磁底层)。数据记录层10形成在中间层42B上。在第一实施例中，已经论述了第二磁底层43不是必需部件；在本实施例中， 将给出不提供第二磁底层43的优选结构。磁化固定层50a和50b嵌入在形成于层间电介质60上的沟槽中。嵌入在层间电介质60 (诸如，SiO2和SiNx)下面的是元件(诸如，选择晶体管Tra和Trb)和互连(诸如， 字线WL和位线BL和/BL)。磁底层41形成在层间电介质60和磁化固定层50a和50b的上表面上。磁底层41 在端部(X方向上)处的底面(-Z侧)上与磁化固定层50a和50b的上表面接触。磁底层 41由磁性材料形成。如上所述，磁底层41的铁磁性增强了磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间的磁耦合。优选，磁底层41是非晶的或者具有微晶结构，因为这样会提高磁底层41的表面光滑度。例如，微晶结构的磁底层41可以处于由几纳米至20nm的晶粒尺寸的晶体形成的晶相。或者，磁底层41A可以形成为晶相和非晶相的混合物。磁底层41的光滑表面优选用来形成数据记录层10，数据记录层10隔着中间层42B沉积在磁底层41上方，从而数据记录层 10具有期望的结晶度。例如，当数据记录层10是[Co/Ni]n/Pt膜时，磁底层41的光滑表面优选允许[Co/Ni]膜堆叠呈现fcc(lll)取向，这造成高垂直磁各向异性。磁底层41包括Ni、Fe和Co中的至少一种作为主要组分，和从Zr、Hf、Ti、V、Nb、 Ta、W、B和N所组成的组中选择的至少一种非磁性元素。请注意，“主要组分”意思是磁底层41中存在最多的组分。磁底层41，例如，可以由NiFeZr、CoFeB, CoZrMo, CoZrNb, CoZr, CoZrTa、CoHf、CoTa、CoTaHf, CoNbHf、CoZrNb、CoHfPd、CoTaZrNb、CoZrMoNi 或 CoTi 形成。中间层42B是非磁性体，形成为覆盖磁底层41。为了增强形成在中间层42B上的数据记录层10的垂直磁各向异性，中间层42B优选由具有小表面能的材料形成，以改善结晶取向。在一个示例中，中间层42B由Ta膜形成。当由Ta膜形成中间层42B时，中间层 42B优选具有0. 1至2. Onm的厚度，如下面所述。当中间层42B的厚度小于0. Inm时，显著降低了数据记录层10的垂直磁各向异性的增强效果。当中间层42B的厚度大于2. Onm时， 损失了磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间的磁耦合。数据记录层10是具有垂直磁各向异性的铁磁体，数据记录层10形成为覆盖中间层42B。磁化固定区IlaUlb和磁化自由区13形成在数据记录层10内。换句话说，数据记录层10是形成畴壁的区域，并且数据存储为磁化自由区13的磁化方向，或者存储为畴壁的位置。记录层10可以由具有垂直磁各向异性的铁磁材料形成，诸如在第一和第二实施例中所描述的那些。在下文中，与比较示例进行对比，描述第三实施例的磁阻效应元件的示例。饱和场用作垂直磁各向异性的量值的指数。饱和场的定义与上述参考图7定义的一样。[比较示例1]图20A和20B是示出比较示例1的磁阻效应元件300B的构造的截面图。应注意， 未示出间隔层20和基准层30。在一个示例中SiO2膜用作层间电介质60。其中Pt膜IOb 和Co/Ni膜堆叠IOa层叠的[Co/Ni]n/Pt膜堆叠用作数据记录层10，其中Co/Ni膜堆叠IOa 由交替层叠的Co膜和Ni膜形成；[Co/Ni]n/Pt膜堆叠呈现出垂直磁各向异性并且适合于畴壁运动。另外沉积Pt膜IOc为帽盖层。当[Co/Ni]n/Pt膜堆叠中含有的Co/Ni膜堆叠具有fcc(lll)取向时，[Co/Ni]n/ Pt膜堆叠呈现高的垂直磁各向异性。然而，Co/Ni膜堆叠的结晶取向取决于底层的材料和结构，并且垂直磁各向异性的量值也取决于底层的材料和结构。在比较示例1中，数据记录层10直接沉积在磁底层41上，而没有使用中间层42B。使用2.011!11厚的附？6&膜作为磁底层41。在该实验中，没有图案化样品来评估固有磁性质。也就是说，在沉积态状态(在沉积态Pt/[Co/Ni]n/Pt/NiFe&膜堆叠的状态下)下评估了数据记录层10的磁性质。使用振动样品磁强计(VSM)来评估磁性质(评估按如下进行)。首先，给出了在沉积之后受到退火工艺之前数据记录层10的磁性质的描述。图 21A和21B是示出在外部磁场施加到图20A和20B中所示结构的数据记录层10上的情况下的示例性磁化曲线的图。垂直轴代表磁化强度M和膜厚度t的乘积(任意单位)，并且水平轴代表施加的外场H(Oe)。应注意，图21A示出了在膜表面的垂直方向上施加外部磁场H的
25情况下的磁化曲线，并且图21B示出了在膜表面的面内方向上施加外部磁场H的情况下的磁化曲线。对于垂直磁场的磁化曲线(图21A中所示的垂直回线)示出了阶梯形状和大的磁滞现象，而对于面内磁场的磁化曲线(图21B中所示的面内回线)示出了倾斜形状。这表明数据记录层10呈现出垂直的磁各向异性。换句话说，NiFe&膜上的[Co/Ni]n/Pt膜堆叠呈现出垂直的磁各向异性，且存在[Co/Ni]n/Pt膜堆叠可能适合于畴壁运动的可能性。接下来，给出了数据记录层10在300°C下在惰性气体中受到两小时热退火之后的磁性质。图22A和22B是示出在数据记录层10受到热退火之后在外部磁场施加到图20A 和20B中所示结构的数据记录层10的情况下的示例性磁化曲线的图。垂直轴代表磁化强度M和膜厚度t的乘积(任意单位)，并且水平轴代表施加的外部场H(Oe)。应注意，图22A 示出了在膜表面的垂直方向上施加外部磁场H的情况下的磁化曲线，并且图22B示出了在膜表面的面内方向上施加外部磁场H的情况下的磁化曲线。比较图21A和21B，垂直回线变形成如图22A所示的更倾斜的形状，而面内回线被修改成如图22B所示的更阶梯的形状。 这表明数据记录层10的垂直磁各向异性被300°C下的热退火变差了。此外，如从图21A和 22A之间的比较可以理解，饱和磁化强度和厚度的乘积(MsXt)在热退火之后增加了，如图 22A所示。这是由固有地具有面内磁各向异性的NiFe&膜通过300°C下的热退火磁性耦合到[Co/Ni]n/Pt膜堆叠导致磁化强度增加而产生的。NiFe&膜和[Co/Ni]n/Pt膜堆叠之间的磁耦合使[Co/Ni]n/Pt膜堆叠的垂直磁各向异性变差。[比较示例2]在比较示例2中，除了使用Ta膜代替磁底层41之外，数据记录层10的结构与比较示例1(其中使用膜作为磁底层41)中的结构相同。当使用Ta膜时，要求Ta膜的厚度为4. Onm或更大，以获得Co/Ni膜堆叠的fee (111)取向。这个厚度很大，是比较示例1中的NiFe&膜的膜厚度(2. Onm)的两倍大。由于为非磁性材料的Ta膜的大厚度，在比较示例2中难以实现磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间的磁耦合。这可能会导致磁化固定区Ila和lib的磁化不固定以及数据不能存储在数据记录层10中。考虑到避免在热退火之后NiFe&膜和[Co/Ni]n/Pt膜堆叠之间不必要的磁耦合， 以及避免磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间磁耦合的断开，根据比较示例1和2，本发明人建立了以下实施例示例。[实施例示例1]图23A和23B示出了显示实施例示例1的磁阻效应元件的示例性结果的截面图。 应注意，未示出间隔层20和基准层30。在一个示例中使用SiO2膜作为层间电介质60。如同比较示例1的情况，其中Pt膜IOb和Co/Ni膜堆叠IOa层叠的[Co/Ni]n/Pt膜堆叠用作数据记录层10，其中Co/Ni膜堆叠IOa由交替层叠的Co膜和Ni膜形成；[Co/Ni]n/Pt膜堆叠呈现出垂直磁各向异性并且适合于畴壁运动。另外还沉积Pt膜IOc为帽盖层。根据比较示例1修改实施例示例1，使得中间层42B插入在磁底层41 (NiFeZr膜) 和数据记录层10([Co/Ni]n/Pt膜堆叠)之间，使得它们不是磁耦合的。使用2. Onm厚的Ta 膜作为中间层42B。这些样品在300°C下在惰性气体中经受两小时热退火，之后形成为Pt/ [Co/Ni]n/Pt/Ta/NiFeZr 膜堆叠。接下来，给出数据记录层10在300°C下在惰性气体中受到两小时热退火之后的磁性质的描述。
图24A和24B是示出在外部磁场施加到图23A和23B中所示结构的数据记录层10 的情况下的示例性磁化曲线的图。垂直轴代表磁化强度M和膜厚度t的乘积(任意单位)， 并且水平轴代表施加的外场H(Oe)。应注意，图24A示出了在膜表面的垂直方向上施加外部磁场H的情况下的磁化曲线，并图24B示出了在膜表面的面内方向上施加外部磁场H的情况下的磁化曲线。如从图21A、21B、22A和22B的比较可以理解，实施例示例1的数据记录层10示出了更倾斜的面内回线，并且这意味着甚至在350°C下的热退火之后也获得了更大的垂直磁各向异性。此外，如从与图22B的比较可以理解，如图24B所示，在实施例示例 1中饱和场Hs (见图7)增加了。换句话说，实施例示例1的数据记录层10示出了对于在外部磁场方向上引导磁化所需的更大的外部磁场，如图24B所示。如由此描述的，如图23A和 23B所示插入Ta膜作为中间层42B的数据记录层10呈现出比如图20A和20B所示的不包括中间层42B在内的数据记录层10更大的垂直磁各向异性。在下文中，给出了饱和场Hs相对中间层42B的厚度和热退火温度的变化的描述。 图25是示出饱和场Hs相对中间层42B的厚度和热退火温度的变化的一个示例的图。垂直轴代表饱和场Hs (Oe)，水平轴代表用作中间层42B的Ta膜的厚度。圆点表示在200 °C下的热退火之后获得的饱和场Hs，三角形符号表示在350°C下的热退火之后获得的饱和场Hs。对于在200°C和350°C下的热退火处理，相比没有提供Ta膜的数据记录层10，提供0. Inm或更大厚度Ta膜的数据记录层10表现出更高的饱和场Hs，并呈现更大的垂直磁各向异性。对于其中Ta膜的厚度为2. Onm或更大的构造，饱和场Hs是饱和的。这表明没有必要将Ta膜的厚度增大到超过2. Onm。确切的说，如果为非磁性的Ta膜的厚度过度增加，则磁化固定层50a和50b不能与数据记录层10磁耦合。这可能会导致磁化固定区Ila和lib的磁化不固定并且数据不能存储在数据记录层10中。另外，磁底层41和中间层42B的厚度的增加会增加包括数据记录层10的写电流路径的截面积，并且这可能导致由于制造变化而难以控制写电流。因此，Ta膜优选具有0. 1至2. Onm、更优选0. 2nm至1. Onm的厚度。如从上述结果可以理解，相比没有插入中间层42B的数据记录层10(也就是说，Ta 膜的厚度为零)，插入中间层42B (例如Ta膜)允许图23A和23B所示的数据记录层10甚至在350°C下的高温热退火之后呈现出更高的垂直磁各向异性。这可以被认为是由具有面内磁各向异性的NiFe&膜(磁底层41)和[Co/Ni]n/Pt膜堆叠(数据记录层10)之间的磁耦合被Ta膜(中间层42B)抑制而产生的。另外，确认了甚至对于中间层42B和磁底层41的厚度总和为4. Onm那么大的情况，在磁化固定层50a、50b和数据记录层10之间也保持了磁耦合。换句话说，通过磁化固定层50a和50b固定了磁化固定区Ila和lib的磁化。这可能是因为总厚度达4. Onm的增加是非磁性Ta膜和磁性膜二者厚度增加的结果，而不是仅非磁性Ta膜的厚度增加的结果。磁性NiFe&膜可能对磁性固定层50a、50b和数据记录层10之间的磁耦合提供了一些贡献。如由此描述的，插入厚度为0. 1至2. Onm的Ta膜作为磁底层41和数据记录层10 之间的中间层42B对于数据记录层10有效提高了垂直磁各向异性和畴壁运动的适应性。插入Ta膜还提供了对数据记录层10的热阻，避免了对磁化固定层和数据记录层10的磁化固定区之间的磁耦合的不期望的影响。结果，在完成磁存储器的制造工艺之后，可以获得其中数据记录层呈现出强垂直磁各向异性的磁存储器。
[实施例示例2]实施例示例2的数据记录层10的结构与实施例示例1的结构类似；实施例示例2 与中间层42B由Ta膜形成的实施例示例1的不同在于Ru膜或Mg膜用作中间层42B。图 26是示出在外部场施加到如图23A和23B所示结构的数据记录层的情况下磁化曲线的示例的图。垂直轴代表磁化强度M和膜厚度t的乘积(任意单位)，并且水平轴代表施加的磁场 (Oe)。应注意，图26示出了面内回线，其为在面内方向上施加外场H的情况下的磁化曲线。 在图26中，磁化曲线E表示使用Ta膜作为中间层42B的情况(实施例示例1)。磁化曲线 F表示Ru膜用作中间层42B的情况，磁化曲线G表示使用Mg膜的情况。Ru膜、Mg膜和Ta 膜的厚度为l.Onm，并且这些样品没有经受热退火。如图26所示，对于Ta膜的面内回线(磁化回线E)显示了最小的倾斜角和高的饱和场Hs。Ru膜和Mg膜与Ta膜的磁性质的不同可以认为是由[Co/Ni]n/Pt膜堆叠的fcc(lll) 取向的不同产生的。上述结果表明Ta膜相当适合作为中间层42B，用于增强fcc(lll)取向，这与[Co/Ni]n/Pt膜堆叠的垂直磁各向异性强相关。这些结果还表明Ru膜和Mg膜至少在它们单独使用时，不是特别适合作为中间层42B。可以以包括Ta膜的膜堆叠形式使用 Ru膜或Mg膜。磁存储器和存储单元的构造上述实施例的磁阻元件100U00A和IOOB可以用作磁存储器中的存储单元。在下文中，给出了了一个实施例中的磁存储器和包含在其中的存储单元的示例性结构。图27是示出本发明一个实施例中的磁存储器90的示例性构造的框图。磁存储器 90包括存储单元阵列、X驱动器92、Y驱动器93和控制器94。存储单元阵列91包括布置成阵列的多个存储单元80、多条字线WL、多对位线BLa、BLb、多条地线GL。每个存储单元 80都连接至对应的字线WL、对应的地线GL和对应的位线BLa和BLb对。X驱动器92驱动连接至待访问的存储单元80的字线，该字线选自多条字线WL。Y驱动器93连接至多对位线BLa和BLb，并且根据写操作和读操作驱动每条位线成为期望的状态。控制器94根据写操作和读操作控制X驱动器92和Y驱动器93。图28是示出本发明一个实施例中的存储单元80的示例性构造的电路示意图。被构造为2T-1MTJ(两个晶体管-一个磁隧道结)结构的每个存储单元包括上述的磁阻效应元件(100、IOOA或100B)和一对晶体管TRa和TRb。磁阻效应元件(100、IOOA或100B)包括三个端子。连接至磁阻效应元件(100U00A或100B)的基准层30的端子被连接至对应的地线GL。连接至数据记录层10的磁化固定区Ila的端子经由晶体管TRa连接至对应的位线BLa，并且连接至数据记录层10的磁化固定区lib的端子经由晶体管TRb连接至对应的位线BLb。晶体管TRa和TRb的栅极共同连接至字线WL。如下实现对存储单元80的访问在写操作中，字线WL被设置为高电平以开启晶体管TRa和TRb。另外，位线BLa和BLb中之一被设置为高电平，而另一个被设置成低电平 (地电平)。结果，写电流经由晶体管TRa、TRb和数据记录层10在位线BLa和BLb之间流动。这实现了将期望的数据写进数据记录层10中。另一方面，在读操作中，字线WL被设置为高电平以开启晶体管TRa和TRb。位线 BLa被置为高阻态，并且位线BLb被设置成高电平。结果，读取电流Iread经由磁阻效应元件(100、IOOA或100B)的MTJ从位线BLb流到地线GL。通过检测读取电流Iread来识别存储在磁阻效应元件的数据记录层10中的数据。 尽管上面具体描述了本发明的实施例和实施例示例，但本发明不应该解释为限于上述实施例和实施例示例。应注意，可以用对本领域技术人员显而易见的各种变化和修改来实施本发明。
权利要求
1.一种磁存储器，包括磁化固定层，所述磁化固定层具有垂直磁各向异性，所述磁化固定层的磁化方向是固定的；层间电介质；底层，所述底层形成在所述磁化固定层和所述层间电介质的上面上；和数据记录层，所述数据记录层形成在所述底层的上面上，并且具有垂直磁各向异性， 其中所述底层包括 第一磁底层；和非磁底层，所述非磁底层形成在所述第一磁底层上，并且其中所述第一磁底层形成为具有下述厚度，所述厚度使得所述第一磁底层在所述第一磁底层的形成在所述层间电介质上的部分中没有呈现面内磁各向异性。
2.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述第一磁底层的厚度被调整成使得所述第一磁底层在所述第一磁底层的形成在所述层间电介质上的部分中没有呈现铁磁性。
3.根据权利要求2所述的磁存储器，其中所述第一磁底层包括MFe作为主要组分，并且包括从Zr、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素。
4.根据权利要求3所述的磁存储器，其中所述第一磁底层具有在0.5至3nm范围内的厚度。
5.根据权利要求4所述的磁存储器，其中所述第一磁底层的厚度小于2nm。
6.根据权利要求3所述的磁存储器，其中所述第一磁底层中的所述至少一种非磁性元素的浓度在10至25原子百分比的范围内。
7.—种磁存储器，包括磁化固定层，所述磁化固定层具有垂直磁各向异性，所述磁化固定层的磁化方向是固定的；层间电介质；底层，所述底层形成在所述磁化固定层和所述层间电介质的上面上；和数据记录层，所述数据记录层形成在所述底层的上面上，并且具有垂直磁各向异性， 其中所述底层包括 第一磁底层；和非磁底层，所述非磁底层形成在所述第一磁底层上，并且其中所述第一磁底层包括NiFe作为主要组分，并且包括从&、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素，并且其中所述第一磁底层的厚度在0. 5至3nm的范围内。
8.根据权利要求7所述的磁存储器，其中所述第一磁底层的厚度小于2nm。
9.根据权利要求7所述的磁存储器，其中所述第一磁底层中的所述至少一种非磁性元素的浓度在10至25原子百分比的范围内。
10.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述第一磁底层由固有地呈现面内磁各向异性的磁性材料形成，具有使得所述第一磁底层的布置在所述层间电介质上的部分呈现垂直磁各向异性的厚度。
11.根据权利要求10所述的磁存储器，其中所述第一磁底层包括Co或Fe作为主要组分，并且包括从Zr、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素。
12.根据权利要求11所述的磁存储器，其中所述第一磁底层的厚度在0.5至3nm范围内。
13.—种磁存储器，包括磁化固定层，所述磁化固定层具有垂直磁各向异性，所述磁化固定层的磁化方向是固定的；层间电介质；底层，所述底层形成在所述磁化固定层和所述层间电介质的上面上；和数据记录层，所述数据记录层形成在所述底层的上面上，并且具有垂直磁各向异性， 其中所述底层包括 第一磁底层；和非磁底层，所述非磁底层形成在所述第一磁底层上，并且其中所述第一磁底层包括Co或Fe作为主要组分，并且包括从Zr、Ta、W、Hf和V所组成的组中选择的至少一种非磁性元素，并且其中所述第一磁底层的厚度在0. 5至3nm的范围内。
14.根据权利要求1所述的磁存储器，进一步包括布置在所述非磁底层和所述数据记录层之间的第二磁底层，其中所述第二磁底层包括至少一个膜堆叠，所述至少一个膜堆叠包括Pt或Pd的层和 Fe、Co或Ni的层。
15.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述非磁底层由从Pt、Au、Pd和Ir所组成的组中选择的材料形成。
16.根据权利要求15所述的磁存储器，其中所述非磁底层的厚度等于或大于0.5nm且小于3. Onm。
17.根据权利要求1所述的磁存储器，其中所述非磁底层由具有0.1至2. Onm的厚度的 Ta膜形成。
18.—种磁存储器，包括 由磁性材料形成的铁磁底层； 布置在所述底层上的非磁中间层；形成在所述中间层上且具有垂直磁各向异性的铁磁数据记录层； 隔着间隔层连接到所述铁磁数据记录层的基准层；和与所述底层的底面接触地布置的第一和第二磁化固定层， 其中所述数据记录层包括具有可反转磁化且与所述基准层相对的磁化自由区；耦合到所述磁化自由区的第一边界且具有固定在第一方向的磁化的第一磁化固定区；禾口耦合到所述磁化自由区的第二边界且具有固定在与所述第一方向相反的第二方向的磁化的第二磁化固定区；其中所述中间层由具有0. 1至2. Onm的厚度的Ta膜形成。
19.根据权利要求18所述的磁存储器，其中所述底层是非晶的或者具有微晶结构。
20.根据权利要求18所述的磁存储器，其中所述底层包括Ni、Fe和Co中的至少一种作为主要组分，并且包括从Zr、Hf、Ti、V、Nb、Ta、W、B和N所组成的组中选择的至少一种非磁性元素。
21.根据权利要求18所述的磁存储器，其中所述数据记录层由η个膜堆叠形成，在每个所述膜堆叠中层叠第一和第二层，其中η是自然数，其中所述第一层包括从Fe、Co和Ni所组成的组中选择的至少一种材料，并且其中所述第二层由与所述第一层的材料不同的材料形成，并且包括从Fe、Co和Ni所组成的组中选择的至少一种材料。
全文摘要
一种含有具有垂直磁各向异性膜的数据记录层的磁存储器。该磁存储器(100)，包括具有垂直磁各向异性的磁化固定层(50a、50b)，磁化固定层(50a、50b)的磁化方向是固定的；层间电介质(60)；形成在磁化固定层(50a、50b)和层间电介质(60)的上面上的底层(40)；和形成在底层(40)的上面上并且具有垂直磁各向异性的数据记录层(10)。底层(40)包括第一磁底层(41)；和形成在第一磁底层上的非磁底层(42)。第一磁底层(41)形成为具有使得在第一磁底层(41)形成于层间电介质(60)上的部分中第一磁底层(41)没有呈现面内磁各向异性的厚度。
文档编号G11C11/16GK102479541SQ20111038513
公开日2012年5月30日 申请日期2011年11月28日 优先权日2010年11月26日
发明者刈屋田英嗣, 大岛则和, 尾崎康亮, 末光克巳, 森馨, 永原圣万, 谷川博信, 铃木哲广 申请人:瑞萨电子株式会社