磁電阻效應元件和使用它的磁電阻隨機存取存儲器的製作方法

2023-05-12 21:44:21 2

專利名稱：磁電阻效應元件和使用它的磁電阻隨機存取存儲器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種磁電阻效應元件和使用它的磁電阻隨機存取存儲器，並且尤其涉及自旋轉移力矩寫入類型磁電阻效應元件。
背景技術：
近來，已經提出了以新的原理為基礎的記錄信息的固態存儲器。在這些固態存儲器中，使用隧道磁電阻(TMR)效應的磁電阻隨機存取存儲器(MRAM)被認為是固態磁存儲器。MRAM使用實現隧道磁電阻效應的磁電阻效應元件(TMR元件)，作為存儲器單元，存儲器單元根據TMR元件的磁化配置，存儲信息。TMR元件包括磁化變化層和磁化固定層。當磁化變化層的磁化方向與磁化固定層的磁化方向平行時，電阻小；當磁化變化層的磁化方向與磁化固定層的磁化方向反平行時， 電阻大。利用由於磁化變化層與磁化參考層的磁化配置而引起的電阻狀態之間的差異，信息被存儲下來。已知所謂的電流感應磁場寫入方法是在TMR元件中寫入信息的方法。該方法通過由流過TMR元件附近形成的互連的電流而產生的磁場來改變TMR元件的磁化配置。如果為了高密度的MRAM而減少TMR元件的大小，則TMR元件的磁化變化層的矯頑力Hc增加。因此，在磁場寫入類型MRAM中，隨著TMR元件的大小減少，在寫入操作中的電流通常被增大。 這使得在獲得超過256Mbit的大容量和較低的寫入電流的同時很難實現較小的單元大小。作為解決該問題的寫入方法，已經提出了使用自旋動量轉移力矩(STT)的自旋轉移力矩寫入方法(U. S. P. No. 6，256，233)。通過提供與形成TMR元件的薄膜相對的方向垂直的電流，該自旋轉移力矩寫入方法改變(反轉)TMR元件的磁化配置。用於自旋轉移力矩磁化反轉所需的電流Ic通常由電流密度Jc定義。因此，隨著 TMR元件中電流經過的平面面積減小，用於反轉磁化的注入電流Ic也減小。當以恆定電流密度寫入信息時，電流Ic隨著TMR元件大小減小而減小。因此，自旋轉移力矩寫入方法在可量測性方面在理論上優於磁場寫入方法。遺憾的是，當通過使用自旋轉移力矩寫入方法實現MRAM時，出現下述問題。也就是，用於磁化反轉所需的電流目前大於由在實現MRAM時經常使用的選擇電晶體能夠生成的電流值。這實際上使得通過使用自旋轉移力矩寫入方法來允許設備作為存儲器操作變得不可能。如在 C. Slonczewski,「Current-driven excitation of magneticmultilayers，，， "JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNET ICMATERIALS 」，1996，vol. 159, pp. L1-L7 中所述，自旋轉移力矩效應的磁化反轉的反轉電流通常取決於磁化自由層的飽和磁化強度Ms。因此，通過較低電流的自旋轉移力矩效應減少飽和磁化強度Ms以便在磁化自由層中進行磁切換是非常重要的。然而，當使用當前的技術減少飽和磁化強度時，非易失性存儲器的數據保存特性所需的熱穩定性也降低了。

發明內容
依據本發明的第一方面，提供一種磁電阻效應元件，其包括第一磁性層，具有不變的磁化方向；第二磁性層，具有可變的磁化方向，並且包含從i^、C0和Ni組成的組中選擇的至少一種元素，從Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt和Au組成的組中選擇的至少一種元素和從V、Cr和Mn組成的組中選擇的至少一種元素；以及第一隔離層，在第一磁性層和第二磁性層之間形成，並且由非磁性材料構成。流經第一磁性層、第一隔離層和第二磁性層的雙向電流使得第二磁性層的磁化方向可變。依據本發明的第二方面，提供一種磁電阻效應元件，其包括第一磁性層，具有不變的磁化方向；第二磁性層，具有可變的磁化方向，並且由包含30(含) 70(含)at%的 Mn的MnAl合金構成，第二磁性層包含鐵磁材料和亞鐵磁材料中的一種；以及第一隔離層， 在第一磁性層和第二磁性層之間形成，並且由非磁性材料構成。流經第一磁性層、第一隔離層和第二磁性層的雙向電流使得第二磁性層的磁化方向可變。依據本發明的第三方面，提供一種磁電阻隨機存取存儲器，包括存儲器單元陣列，存儲器單元陣列包括多個存儲器單元，每個存儲器單元包括依據第一或第二方面的磁電阻效應元件作為存儲器元件；以及電流提供電路，被配置為向存儲器單元雙向地提供電流。


圖1是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的示例的剖面圖；圖2是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的又一示例的剖面圖；圖3是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖4是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖5是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖6是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖7是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖8是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖9是示出加到具有Li。結構的!^ePt薄膜上的Mn的量、飽和磁化強度和垂直磁化矯頑力之間的關係的圖；圖10是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖11是示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分的另一示例的剖面圖；圖12是示出依據本發明的第二實施例使用MR元件的存儲器單元的主要組成的剖面圖；以及圖13是依據本發明的第二實施例使用MR元件的MRAM的電路圖。
具體實施例方式下面將參照附圖解釋本發明的實施例。注意在下面的解釋中，相同的附圖標記表示具有幾乎同樣功能和配置的組成元件，僅在必要時進行重複的解釋說明。然而，由於每個圖是示例性的視圖，因此應該注意在厚度和平面尺寸之間的關係，層的厚度比等與實際不同。因此，實際厚度和尺寸應該考慮下面的解釋來判定。同樣的，各圖自然包括具有不同尺寸關係或比率的部分。同樣注意，以下出現的每個實施例僅僅公開了實施本發明技術思想的裝置或方法。因此，本發明的技術思想不限於下面描述的組成部分的材料、外形、結構、配置等。本發明的技術思想可以在所附權利要求範圍內不同的變化。[第一實施例]第一實施例涉及MR元件。(I)MR元件的結構圖1示出依據本發明的第一實施例的MR元件的主要部分。圖1示出具有所謂的單一釘結構的MR元件。參看圖1，箭頭指示磁化方向。這裡在該說明書中和權利要求書的範圍內提到的MR元件是使用金屬隔離層的GMR(大磁電阻)元件和使用半導體或絕緣體作為隔離層的TMR(隧道磁電阻)元件的通用術語。儘管下面的每個圖示出MR元件的主要組成，但還可以包括其它層，只要包括圖中所示的配置即可。MR元件1具有如下配置，其中依據流過各層彼此相對的表面(薄膜表面)的電流方向各層取兩個穩定狀態中的一個。MR元件1通過使兩個穩定狀態對應於數據「0」和「1」 能夠存儲二進位數據。MR元件1通過自旋轉移力矩寫入(自旋轉移力矩寫入磁化反轉)方法來改變磁化配置，並存儲對應於磁化配置的信息。如圖1所示，MR元件1具有至少兩個磁性層2和3，和磁性層2和3之間形成的隔離層4。磁性層2具有沿穿過薄膜表面延伸的方向，典型地垂直於薄膜表面的方向的易磁化軸，並沿著通過薄膜表面的平面旋轉。磁性層2具有變化的磁化方向。磁性層2在下文中將被稱為自由層(磁化自由層，磁化變化層或者記錄層)。自由層2的特性將在後面更詳細地描述。沿穿過薄膜表面延伸的方向的磁化在後面將被稱為垂直磁化。在磁性層3中，磁化被固定在通過薄膜表面方向，典型地，在垂直於薄膜表面的方向。磁性層3也具有比自由層2大的矯頑力。磁性層3具有不變的磁化方向。磁性層3在後面將被稱為受釘扎層(固定層，磁化固定層，參考層，磁化參考層，基本層或磁化基本層)。 典型地，自由層2的易磁化軸的方向與受釘扎層3中的磁化方向相同。受釘扎層3的特性將在後面更詳細地描述。注意，在受釘扎層3中的磁化方向在圖1中是向上的，但是該方向也可以是向下的。
隔離層4是由例如非磁性金屬，非磁性半導體或絕緣薄膜形成的。隔離層4的特性將在後面更詳細地描述。MR元件1用於所謂的自旋轉移力矩寫入方法中。也就是，當寫入數據時，電流沿著穿過薄膜表面延伸的方向(典型地，垂直於薄膜表面的方向)從受釘扎層3提供到自由層 2中，或從自由層2提供到受釘扎層3中。作為結果，存儲自旋信息的電子從受釘扎層3注入到自由層2中。注入電子的自旋角動量依據自旋角動量守恆定律轉移給自由層2中的電子。這反轉自由層2中的磁化。圖1示出所謂的底部釘結構，其中自由層2形成於隔離層4上，受釘扎層3形成於隔離層4下。然而，也有可能使用所謂的頂部釘結構的，其中自由層2形成於隔離層4下， 受釘扎層3形成於隔離層4上。基礎層5也可以形成於受釘扎層3下面。基礎層5用於控制晶向和結晶度，例如受釘扎層3上面每層晶粒的大小。此外，蓋層6也可以形成於自由層2上。蓋層6作為保護層，保護底部釘層結構的自由層2或者頂部釘層結構的受釘扎層3，防止氧化。蓋層6還具有抑制退火後過程中原子(分子)擴散的功能。另外，如果自由層2或受釘扎層3引起相位改變，在考慮晶格錯配時，蓋層6有時具有輔助相位改變能量的效果。中間層(後面將描述)沒有在圖1示出的結構中插入。圖1示出的結構能夠在自由層2和受釘扎層3達到高TMR時使用，或者具有足以提高自旋轉移力矩效率的自旋極化比率。如圖2所示，中間層11也可以被插入在自由層2和隔離層4之間。中間層11和中間層12和中間層13(後面將描述)由鐵磁材料形成。中間層11到13的特性將在後面更詳細地描述。中間層11還具有減少在隔離層4和自由層2之間的交界面中的晶格錯配的效果。也就是，中間層11具有自由層2或隔離層4上的受釘扎層3的緩衝層的功能。如圖3所示，中間層12也可以被插入在受釘扎層3和隔離層4之間。插入中間層 12以便提高MR元件IWTMR比率，提高自旋提供側的極化比率，並提高自旋轉移力矩效率。 中間層12還具有減少在隔離層4和受釘扎層3之間的交界面中晶格錯配的效果。也就是， 依據設備具有底部釘結構還是頂部釘結構，中間層12具有受釘扎層3上的隔離層4或者自由層2的緩衝層的功能。當使用晶狀隔離層4時，中間層12特別重要。如圖4所示，中間層11和12也分別地被插入在自由層2和隔離層4之間以及受釘扎層3和隔離層4之間。該結構實現在對圖2和圖3的解釋中說明的效果。MR元件1可以也具有所謂的雙重釘結構。圖5示出依據本發明的實施例的MR元件的主體部分，也就是，示出了所謂雙重釘結構MR元件。如圖5所示，隔離層21和受釘扎層22被添加形成於遠離相對於隔離層4表面的自由層2的表面上。蓋層6位於受釘扎層22上。受釘扎層22類似受釘扎層3具有垂直磁化。隔離層21的材料可以從如在隔離層4中使用的相同材料中選擇。受釘扎層22的材料可以從如在受釘扎層3中使用的相同材料中選擇。受釘扎層3和22中的磁化方向是反平行的。在自旋轉移力矩磁化反轉中，雙重釘結構具有兩個電子注入源。由於其提高了電子注入效率，因此獲得了減少反轉電流的效果。
在雙重釘結構中，為了獲得TMR，隔離層4和21中的一個僅僅需要隧道屏障功能。 也就是，隔離層4和21中的一個是由絕緣體或半導體形成的。隔離層4和21中的一個也可以由例如Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Al或Mg的金屬形成。如果隔離層4和21都是隧道屏障層， 那麼隔離層4和21僅僅需要具有電阻差。在此情形下，在表面電阻(R A(R代表電阻值， A代表面積))的差優選為2到5倍。這使得最大化地使用自旋累積效果成為可能。如圖6所示，類似圖2，中間層11也可以被插入在自由層2和隔離層4之間。如圖 7所示，中間層13也可以被插入在自由層2和隔離層21之間。如圖8所示，中間層11和 13也可以分別被插入在自由層2和隔離層4之間以及自由層2和隔離層21之間。此外， 類似圖3，中間層12也可以被插入在雙重釘結構的受釘扎層3和隔離層4之間或者/和受釘扎層22和隔離層21之間。在雙重釘結構中，中間層11，12和13也可以被插入在自由層 2和隔離層4之間，自由層2和隔離層21之間，受釘扎層3和隔離層4之間，以及受釘扎層 22和隔離層21之間。注意該說明書主要涉及使用具有垂直磁化的磁性層的MR元件。然而，本發明同樣適用於使用具有縱向磁化(沿平行於薄膜表面的方向磁化)的磁性層的MR元件。(2)自由層因為自由層2具有垂直磁化而獲得以下的優點。也就是，垂直磁化薄膜使用晶體各向異性磁能作為保持信息所需的各向異性磁能。不同於使用縱向磁化薄膜的MR元件，其消除了對使用垂直磁化薄膜的MR元件的形狀的限制。因此，MR元件的縱橫比能夠被減少到1。更具體地，讓F在磁性存儲設備的製造處理中成為特徵尺寸，MR元件能夠以4F2的尺寸形成。因為MRAM的每個存儲器單元包括一個MR元件和一個選擇電晶體，因此選擇電晶體的形狀確定單元的尺寸。因此即使當具有4F2尺寸的MR元件形成時，選擇電晶體具有6F2 的尺寸，則形成單元尺寸是6F2的MRAM。(2-1)自由層需要的特性為了使特定層具有垂直磁化，該層必須具有較高的晶體各向異性磁能Ku，垂直磁化配置是不穩定的，除非有效各向異性能量Ke滿足Ke = Ku-2 π Ms2 > 0...(公式 1)其中Ms為飽和磁化強度。因此為了形成穩定垂直磁化薄膜，保證適當的有效各向異性能量Ke是重要的。其可能通過提高晶體各向異性磁能Ku或者減小飽和磁化強度Ms 來實現。因為晶體各向異性磁能Ku主要取決於材料的特性，因此它不能被無限地提高。此外，自由層2保持信息所需的激活能量fe表示為Ea = Ke · Vm其中Ke 有效各向異性磁能Vm 有效磁化體積垂直磁化薄膜的有效各向異性磁能Ke表示為Ke = Ku-2 π Ms2其中Ms表示飽和磁化強度。如上所述，激活能量fe取決於有效各向異性磁能Ke，因此取決於晶體各向異性磁能Ku。因此，如果晶體各向異性磁能Ku被過度地提高以形成穩定的垂直磁化薄膜，則保持信息所需的激活能量fe可能過度地提高。
根據以上的限制，減少飽和磁化強度Ms以便形成穩定的垂直磁化薄膜，即具有高熱阻的垂直磁化薄膜是重要的。通常，在特定層中自旋轉移力矩磁化反轉所需的臨界電流(磁化反轉電流)Ic是Ic oc α . η . Ms · Δ...(公式 2)其中α 阻尼常數η 自旋轉移力矩效率係數Δ 熱穩定指標該熱穩定指標Δ是Δ = Ke · Vm/ (kb 『 Τ)其中Vm 有效磁化體積kb 玻耳茲曼常數T 絕對溫度熱穩定指標Δ是特定層中保持記錄信息能力的指標。因此，可以通過減小飽和磁化強度Ms同時維持熱穩定指標△來減小磁化反轉電流並提高信息保持能力。如前所述，自由層2優選由以下材料形成，其具有較低的晶體各向異性磁能Ku和較小飽和磁化強度Ms，同時在正範圍內維持較高的有效各向異性磁能，以便保持垂直磁化和高熱穩定指標。(2-2)自由層的實際例子(2-2-1)特性如上所述，為了使特定層具有垂直磁化，小電流的反轉磁化並具有較高的信息保持能力，該層有利地由以下材料形成，該材料具有較低的晶體各向異性磁能Ku和較小的飽和磁化強度Ms，從而可以抑制激活能量Ea，同時在正範圍內維持較高的有效各向異性磁能 Ke。滿足這種要求的材料如下。依據第一實施例的MR元件1的自由層2由包含至少選自Fe、Co和Ni的一種元素 A、至少選自Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt和Au中的一種元素B和至少選自V、Cr和Mn的一種元素C的磁性合金形成。元素8(肋，詘，？(1^8，1^，08，11~，？{或六11)具有很多4(1和5(1電子。具有很多3d， 4d和5d電子的元素具有較高的晶體各向異性磁能。因此，由元素A和B形成的合金(在下文中被稱為AB合金)具有較高的晶體各向異性磁能Ku和較高的正有效各向異性磁能Ke。 注意AB合金是鐵磁合金。元素B的組成最好是30(含) 70(含)at%。這樣是因為在該組成的範圍中，合金可以有具有IX 106erg/CC或更高的高晶體各向異性磁能的Lltl有序結構相，其細節將在下面描述。尤其在室溫下AB合金顯出垂直磁化特性的例子是!^ePt合金、FePd合金、CoPt合金、CoPd合金和NiPt合金。垂直磁性各向異性的條件是有效各向異性磁能Ke > O。當元素A的組成比率是40 60at%時，這些合金有具有作為基礎晶格的面心四方(FCT)結構的 Lltl類型(CuAu類型)的有序結構相。該Lltl有序結構相基本上具有作為基礎結構的FCT結構，晶胞的晶格常數(a，b，c)間的關係是a = b，a興cdna>c。同樣，即使當元素A的組成比率是30 70at %時，也形成Li。有序結構相。在此情形下，Ll0結構層的體積比是50 % 或更多。在Lltl有序結構層中，由元素A形成的作為(001)平面的A平面和由元素B形成的作為(001)平面的B平面在W01]方向交替堆疊，例如A平面、B平面、A平面、B平面、A 平面...。在Lltl有序相中，由排序引起的禁止反射通過X射線衍射或電子束衍射來觀測。 也就是，除了由在FCT結構中創建的(002)平面引起的衍射圖像，還獲得了由(001)平面引起的衍射圖像。上面所述的具有ABABAB堆疊結構的Lltl結構也可以使用具有許多周期的人工晶格通過噴濺或MBE (分子束外延)來人工形成。因此，該結構不需要總是以二元或三元相狀態圖的穩定相的形式存在。此外，當元素A的組成比率是30 50at%時，以AB3表示的Ll2有序結構相有時是在局部形成的。此外，當元素A的組成比率是50 70at%時，以A3B表示的Ll2有序結構相時是在局部形成的。具有Li。結構的AB合金在W01]方向有較高的單軸晶體各向異性磁能Ku，並且當 (001)平面優選平行於薄膜表面設置時，垂直磁化變得穩定。然而，帶有Lltl有序結構相的二元AB合金具有大約1，000emu/cc的高飽和磁化強度Ms。因此，為了減少磁化反轉電流 Ic，必須減小飽和磁化強度Ms。當減小飽和磁化強度Ms時，晶體各向異性磁能Ku必須保持高到足以維持較高的正有效各向異性磁能(Ke > 0)，和保持低到足以減小激活能量fe。當非磁性元素被添加到鐵磁材料上時，飽和磁化強度Ms和晶體各向異性磁能Ku 通常減少幾乎正比於添加量的量。然而，晶體各向異性磁能Ku的減少大於飽和磁化強度Ms 的減少。因此，隨著非磁性元素的添加量的增加，如公式(1)所示，不再能夠保持有效各向異性磁能Ke > O，這使得垂直磁化很難保持。因此，作為鐵磁材料的具有Lltl結構的AB合金僅僅需要被改變為亞鐵磁材料。一種形成亞鐵磁材料方法的例子是將表現抗鐵磁性的元素添加到鐵磁材料中。為了這個目的，元素C被添加到AB合金中。元素C優選地形成固溶體，代替元素A。如上所述，表現抗鐵磁性的元素C的例子是V，Cr和Mn。將AB合金變成到亞鐵磁材料，使得減少晶體各向異性磁能Ku和有效飽和磁化強度Ms (淨Ms)同時維持較高的正有效各向異性能量Ke成為可能。當以元素C替代元素A時，元素C必須被添加使得淨飽和磁化強度Ms是O或更大。通過其使淨飽和磁化強度Ms為O的組成被稱為補償點組成。在本發明的具有Lltl結構的AB 合金中，元素C的替代量優選低於總量的25 %。也就是，當元素A相對於元素C的原子組成比率是A C = 50 50 (at%)時，換句話說，當元素C相對於元素A的組成比率是1或更低(不包括0)時，替代量是最大值。如果該比率超出，ABC合金改變為抗鐵磁合金，TMR比率突然減少。選擇元素B使得由元素A和C組成的材料具有較高的晶體各向異性磁能Ku同時維持亞鐵磁設置，並且可以保持較高的正有效各向異性磁能Ke。元素B具有很多4d和5d 電子。雖然還存在該元素的其它例子，但是它們沒有空能級或只有非常少的空能級，因此無法幫助提高元素A和C組成的材料的晶體各向異性磁能Ku。因此，該實施例使用上面所述的元素B。然而，具有5d電子並不包含4f元素的元素B對於減少阻尼常數，也就是減少自旋轉移力矩磁化反轉電流是優選的。從這個觀點來看，Ru, Rh, Pd和Ag有利於作為元素B。如上所述，自由層2由包含元素A，B和C的材料組成。由於自由層2由元素A和 B的合金組成，因此自由層2的有效各向異性磁能Ke可以在正的範圍內保持很高。同時地， 由元素A和C形成亞鐵磁材料使得實現以下的自由層2成為可能，該自由層具有較低的晶體各向異性磁能Ku和較小的飽和磁化強度Ms同時使有效各向異性磁能Ke在正的範圍內保持很高。因此，可以減少磁化反轉電流Ic和激活能量Ea，同時保持其中能夠容易地維持自由層2中的垂直磁化的狀態。該實施例使用3d過渡元素的亞鐵磁材料作為自由層2。也可以通過使用稀土元素形成亞鐵磁材料。由於亞鐵磁材料的飽和磁化強度Ms在正和負範圍內都可以被控制，因此從飽和磁化強度Ms的控制的觀點希望使用稀土元素。然而，使用稀土元素的亞鐵磁材料， 例如，FeCo-RE材料(RE是稀土元素)具有無定形的結構並且如果該無定形結構倒塌其就改變為鐵磁材料。此外，稀土元素具有非常低抗腐性。因此，使用稀土元素作為自由層2是困難的。此外，在用於自旋轉移力矩寫入的MR元件中，飽和磁化強度Ms僅僅需要最多減少到0，也就是，不需要具有負值。考慮到這些因素，該實施例通過使用元素A和C來實現亞鐵磁金屬。MuAl合金也可以作為自由層2的材料來使用。該MnAl合金也可以實現以下的自由層2，該自由層2能夠減少晶體各向異性磁能Ku和飽和磁化強度Ms，同時在正的範圍內保持較高的有效各向異性磁能Ke。作為獲得具有垂直磁化的鐵磁金屬的方法，可以將鐵磁元素i^、Co或者Ni添加到由貴金屬元素和3d過渡金屬元素形成的抗鐵磁合金中。由貴金屬元素和3d過渡金屬元素形成的抗鐵磁合金的例子是Rhi^e合金、PdMn合金、PtMn合金、PtCr合金、RhMn合金、AuMn 合金、AuCr合金、CrMn合金、PdCr合金、RuCr合金和ReCr合金。這些抗鐵磁二元合金的組成比率大約是1 1。然而，該值並不嚴格，可以包含的Mi、Pt、Pd、Au、Re或者Ru的原子組成是40 60at%。在這些合金中，RhMn合金、AuMn合金、AuCr合金、CrMn合金、PdCr合金、RuCr合金、ReCr合金等具有較低的晶體各向異性磁能Ku，因此，很可能展示出無垂直各向異性磁性。這些合金中的任一種的晶體各向異性磁能Ku可以通過添加Pt來提高。XMCD可以被用來識別鐵磁材料。XMCD是X射線磁性圓二色散的縮寫。當元素A、 B和C具有磁性時，每個元素的磁化響應曲線可以通過XMCD獲得。因為該方法能夠分解包含的元素的磁性特性，所以如果磁場的響應從一個元素改變到另一個，則可以識別亞鐵磁材料。此外，自由層2可以具有以下的平面關係和方向關係。也就是，其中Lltl有序結構的c軸垂直於薄膜表面的層，可以通過在具有NaCl結構的氧化物層上生長晶體來形成，從而具有平面關係=NaCl結構氧化物(100)//1^結構合金(001)方向關係=NaCl結構氧化物[100]//Lltl結構合金W01]「/廠意味著「平行」。如下所述，晶體將生長到在作為隔離層4使用的具有NaCl結構的氧化物層上具有上述平面關係和方向關係。這實現了更穩定的垂直磁化。(2-2-2)例子 O^ePt 合金)作為實際例子，將在下面描述向!^ePt合金薄膜添加Mn。當!^e的組成比率大約是50at% (30 70at% )時，FePt合金具有作為它的主結構的Lltl結構。如果狗的組成比率高於Pt，那麼具有!^e3Pt組成的Ll2結構合金經常被部分地形成。如果Pt的組成比率高於狗，那麼具有FePt3組成的Ll2結構合金經常被部分地形成。具有Li。結構的！^ePt合金是具有FCT晶格的有序相合金，其中a = 0. 385nm士0. 005nm, c = 0. 371nm士0. 005nm,並且 c/a 0. 96。具有 Li。結構的 FePt 合金具有800emu/CC的飽和磁化強度Ms和Ku > 1 X 107erg/cc的晶體各向異性磁能，並且是理想的高Ku薄膜。晶體各向異性磁能Ku和飽和磁化強度Ms可以通過將V、Cr或者Mn添加到!^ePt 合金來減少。V、Cr或者Mn通過替代添加到!^e的位置。替代的V、Cr或者Mn具有磁矩，但是具有反平行於狗的磁化方向。因此，V、Cr或者Mn被添加的全部!^ePt薄膜變為亞鐵磁材料。這被應用到以Pd部分或者全部替代Pt的情形中。圖9示出了加到5-nm厚的具有Li。結構的!^ePt薄膜的Mn量、飽和磁化強度Ms和垂直磁化矯頑力Hc丄之間的關係。直到在!^eMnPt薄膜中Mn原子的組成比率是25at%，即直到替代!^e的比率大約是50%時，可以減少晶體各向異性磁能Ku和飽和磁化強度Ms，同時保持垂直磁化特性。當Mn的添加量是大約25at%時，獲得依據Mn的量減少的飽和磁化強度Ms和大約 400emu/cc的垂直飽和磁化強度Ms。另外，當！^e構成的l_nm厚的中間層11和!^eMnPt合金薄膜構成的自由層2在MgO構成的隔離層4上形成時，發現自由層2具有了垂直磁化。(2-2-3)例子(MnAl 合金)在下面MnAl合金將作為另一個實際的例子來描述。當Mn的組成比率是大約30 70at%時，MnAl合金具有Li。結構有序相。為了形成更穩定的Lltl結構有序相，Mn的組成比率優選是40 60at%。MnAl合金具有lOOemu/cc 或更少的飽和磁化強度Ms，5X105erg/CC或更多的較高的晶體各向異性磁能Ku。體居裡點約是6妨K。在相圖上，該相被稱為τ相或ε，相。假定晶胞具有FCT結構，a = 0.394nm， c = 0. 358nm,並且 c/a = 0. 908。當Mn的組成比率是50at%時，具有Li。結構的MnAl合金是鐵磁材料。如果Mn的組成比率提高，那麼Mn替代到Al位置發生，因此Al位置中的Mn具有反平行於Mn位置中的Mn的自旋設置。因此，該MnAl合金變為亞鐵磁材料。即使當Al的原子組成是50at%或更多時，Mn50Al50 (at% )被Al有效地稀釋。因此，晶體各向異性磁能Ku只是減少，飽和磁化強度Ms在同時減少。這使得需要沉積具有 Ll0結構的MnAl有序相以保持較高的晶體各向異性磁能Ku。從這個觀點來看，為了沉積具有Lltl結構的MnAl有序相，Al的原子組成優選是70at%或更少。具有Lltl結構的MnAl合金具有較高的晶體各向異性磁能Ku以及較低的飽和磁化強度Ms，因此具有高激活能量fe。因此，第三元素X和第四元素Y被添加以將激活能量fe 調節到正確的值。第三元素X還具有通過提高MnAl合金的極化比率來提高TMR比率的效果。同時，第三元素X是用於提高飽和磁化強度Ms並減少激活能量fe的添加元素。第三元素X的例子是i^e、Co和Ni。Fe、Co或Ni元素作為替代處於Mn位置。由於其形成MnXAl，因此飽和磁化強度Ms提高。這使得可以減少有效垂直磁化晶體各向異性磁能Ku-effect，從而減少激活能量fe。Ku-effect表示為Ku-effect = Ku_2 π Ms2第三元素X替代Mn位置，作為元素X相對於Mn的原子組成比率，替代量最好是1或更小(除去0)。這樣是因為如果！^的原子組成比率超過1，那麼飽和磁化強度Ms可能會突然提高。在上述範圍內第三元素X的添加量也依賴於第四元素Y的添加量。當提高飽和磁化強度Ms時，為了保持垂直磁化特性而保證有效各向異性磁能Ke > 0是必要的。為了在通過添加第三元素X來獲得高TMR的同時保持有效垂直磁化晶體各向異性磁能Ku-effect 是0或更多，晶體各向異性磁能Ku在某些情形下必須依據通過添加第三元素X而引起的飽和磁化強度Ms的提高而提高。在此情形下，需要添加Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt或Au 作為第四元素Y。為了加強提高晶體各向異性磁能Ku的效果，Pt和Pd是良好的添加元素。 因此，如果可能優選添加Pt或Pd。第四元素Y具有通過與第三元素X和Mn相互作用來提高晶體各向異性磁能Ku的效果。第四元素Y的添加量取決於第三元素X的添加量。然而， 當MnAl合金是基本材料時，Al的原子組成比率優選為1或更少。此外，MnAl合金的晶體能夠在具有NaCl結構的氧化物層上以以下的平面關係和方向關係生長。平面關係=NaCl結構氧化物(IOO)ZVLIci結構MnAl合金(001)方向關係=NaCl結構氧化物[100]//Li。結構MnAl合金[100]當MnAl合金依據該規則形成時，可以使具有Lltl結構晶體的MnAl的c軸垂直於薄膜表面，因此可以獲得更穩定的垂直磁化。例如，當通過優選地朝向(100)平面而在MgO 的(100)平面上生成MnAl合金時，晶格錯配量非常小。為了獲得高TMR比率，插入中間層(後面將會描述)是有利的。實際的例子是以下的結構，其中由狗構成的2-nm厚的中間層11和由MnAl構成的5-nm厚的自由層2堆疊在MgO構成的隔離層4上。(3)隔離層下面將更詳細地描述隔離層。在如下描述中，隔離層4包括隔離層21。作為隔離層4的材料，具有NaCl結構的氧化物比具有傳統的無定形結構的々《^氧化物更有利。具有NaCl結構的氧化物的例子是MgO、CaO、SrO, TiO、VO和NbO。這些氧化物具有作為穩定相的NaCl結構。通過使用(100)平面作為優選定向的平面，這些NaCl結構氧化物的晶體容易在例如主要包含Fe、Co和Ni的無定形Cc^eNiB合金上，具有BCC (體心立方)結構和(100)優選定向平面的!^eCoNi合金或單元素金屬上，或者在具有FCT結構的層的(001)平面上生長。(100)平面可以非常容易地優選定向，尤其是在添加了 B、C或N 的( 無定形合金上。上述氧化物的晶格常數如下所示。MgO 0. 42112nmCaO :0. 48105nmSrO :0. 51602nmTiO :0. 41766nmVO :0. 4062nmNbO :0. 42101nm因為晶格延伸或壓縮，因此上述晶格常數在實際X射線衍射常數測量中具有大約士 0.01的誤差。
在(100)平面上優選定向的氧化物層上，Ll0結構層具有有利的晶格匹配特性，即在(001)優選方向的情形下具有10%或更少的錯配。當自由層2和受釘扎層3的磁化方向反平行時，自旋極化Δ 1帶引起隧道傳導，因此只有多數自旋電子能夠用於傳導。因此，MR元件1的傳導性G減弱並且電阻值增加。相對照的，當自由層2和受釘扎層3的磁化方向平行時，非自旋極化的△ 5帶支配傳導，因此 MR元件1的傳導性G提高並且電阻值降低。因此，Δ 1帶的形成是實現高TMR的關鍵。為了形成Δ 1帶，具有NaCl結構的氧化物構成的隔離層4的(100)平面和自由層2的交界面必須以很好的匹配特性來連接。插入中間層11，以便進一步提高在具有NaCl結構的氧化物層構成的隔離層4的 (100)平面上的晶格匹配特性。作為中間層11，優選地選擇通過其使隔離層4的(100)平面上的晶格匹配是5%或更小的材料，以便形成Δ 1帶。(4)受釘扎層以下將更詳細地描述受釘扎層3。在以下的描述中，受釘扎層3包含受釘扎層22。具有垂直磁化的受釘扎層3優選比自由層2厚，飽和磁化強度Ms和厚度t的積或者晶體各向異性磁能Ku優選比自由層2大很多。這樣是為了提高受釘扎層3中的自旋累積效應，也就是，為了有效地將角動量從磁化自旋轉移到傳導電子，從而最小化在受釘扎層 3中由來自自由層2的自旋轉移力矩引起的磁化波動。當受釘扎層3具有垂直磁化時，最好減少來自受釘扎層3的洩漏磁場。來自受釘扎層3的洩漏磁場幹擾了由自旋轉移力矩將自由層2和受釘扎層3的磁化方向從平行變為反平行的磁化反轉。因此，受釘扎層3的視在飽和磁化強度Ms (淨Ms)優選地儘可能小。為達到該目的的一個方法是將受釘扎層3設為合成抗鐵(SAF)結構。如圖10所示，具有SAF結構的受釘扎層3具有包含鐵磁層3a、隔離層北和磁性層3c的堆疊結構。鐵磁層3a和3c通過抗平行磁化設置而被形成為穩定的。例如Ru或Os的元素作為隔離層北使用。減少來自具有垂直磁化的受釘扎層3的洩漏磁場的另一個方法是通過使用亞鐵磁材料形成受釘扎層3。在這種情況下，如圖11所示，MR比率通過在受釘扎層3和隔離層 4之間的交界面中插入中間受釘扎層23來獲得。亞鐵磁材料的代表例子是!^eCo-RE材料。 RE的典型例子是Gd、Tb、Dy和Ho，因為它們穩定垂直磁化。FeCo-RE合金具有無定形結構。 當FeCo-RE合金的RE組成接近補償點時，飽和磁化強度Ms幾乎變為零，飽和磁化Ms的導因從i^eCo變為RE元素，並且矯頑力Hc最大化。因此，中間受釘扎層23和受釘扎層3的總視在飽和磁化強度淨Ms可以通過使RE元素的含量大於50at%幾乎設置為零。注意即使當在受釘扎層3中使用這些材料時，上述與自由層2有關的問題沒有出現。在用於自旋轉移力矩寫入的具有垂直磁化的MR薄膜1中，產生很大的自由層2和受釘扎層3之間的矯頑力的差異是有利的。自由層2的矯頑力Hcf和受釘扎層3的矯頑力 Hcp之間的關係是Hcp > Hcf0此外，作為飽和磁化強度Ms和磁性層的厚度t的積，在受釘扎層2的M、· tp和自由層3的· tf之間的關係優選為M、· tp > Msf · tf。為了給受釘扎層3足夠的單向性，優選地通過交換耦合將受釘扎層3與抗鐵磁層耦合。例子是例如PtMn、FeMn、NiMn、PdMn和IrMn的抗鐵磁合金層和例如用作自由層2的 Ll0結構合金層構成的受釘扎層3的組合。抗鐵磁合金層和Lltl結構合金層通過交換耦合而耦合。在抗鐵磁合金層和Lltl結構合金層構成的受釘扎層3之間的晶格錯配是很少的。因此，除實現交換耦合之外，抗鐵磁合金層還可以作為用於形成具有更高結晶性的受釘扎層3 的基礎層。(5)中間層(interface layer)以下將更詳細地描述中間層。在單一釘結構中，如圖2所示，中間層11可以在隔離層4和自由層2之間形成。在雙重釘結構中，如圖6到8所示，可以形成隔離層4和自由層2之間的中間層11以及隔離層21和自由層2之間的中間層13中的一個或兩個。中間層11和13是由包含從Fe、Co和Ni的中選擇的作為主要成分的元素的鐵磁材料構成的。「主要成分」意味著所包含的作為主要成分的元素的含量為50at%或更多。中間層11和13的厚度是0.5(含)到3.0(含)nm。如果厚度少於0. 5nm，那麼無法獲得通過插入中間層11和13所獲得的效果。如果厚度超過3. Onm, MR元件1的每一層不再能夠保持垂直磁化。中間層11和13的插入使得可以將與在由例如MgO構成的隔離層4和21以及自由層2之間交界面中的鐵磁材料相同的磁化配置賦予自由層2。這使得抑制MR元件1的 MR比率的範圍比減少成為可能。這樣是因為在亞鐵磁材料中，即使在交界面附近，元件也可以採用抗平行磁化配置。更具體地，當自由層2的表面覆蓋有大約50%或更多的鐵磁材料時，獲得該效果。因此，當僅僅由從Fe、Co和Ni中選擇的至少一個元素構成時，中間層11 和13通過使用原子層單元(ML 單層)只需要是0. 5ML(原子層)或更多。另一方面，當IML作為參考時，中間層11和13必須由包含從Fe、Co和Ni中選擇的至少一種元素的鐵磁材料以大於50at%的含量構成。然而，當添加除i^e、Co和Ni之外的替代元素時，也保持該限定。例如B、C或者N的侵入的附加元素的添加量可以被忽略。例子TE (Co1-YFey) ιοο-χΒχ' Fe100—ΧΒΧ 禾口 Co100—χΒχο上面所述的CoFeB薄膜優選具有在薄膜形成後通過退火從無定形結構變為BCC結構的組成。當緊接在形成之後的薄膜包含15(含) 30at% (含)的B時，緊接在形成之後的CoFeB薄膜具有無定形結構，並且( 可以在薄膜形成後通過退火再結晶。在這種情況下，狗相對於Co的原子組成比率是不相關的。在再結晶的( 中，BCC結構可以不管組成而再結晶。如上所述，中間層11和13的厚度的上限是3. Onm。這是根據由鐵磁材料構成的中間層11和13的自旋傳播長度確定的。從垂直磁化的觀點看，如果中間層11和13的厚度超過3. Onm,垂直磁化特性顯著惡化。主要包含!^e、Co或Ni的中間層11優選地具有BCC結構，以便在由具有NaCl結構的氧化物層構成的隔離層4上形成中間層11時，提高在(100)平面中晶格匹配特性。在這種情況下，具有BCC結構的中間層11優選地以(100)平面定向。在具有BCC結構的中間層 11和具有NaCl結構的隔離層4之間的方向關係如下。平面關係NaCl結構層(100)//BCC結構層(OOl)方向關係=NaCl結構層[100]//BCC結構層[110]具有主要包含Fe、Co或Ni的BCC結構的中間層11和13具有0.觀8歷士0. 05nm 的晶格常數。這減少了和具有NaCl結構的隔離層4的(100)平面的晶格匹配。
對！^構成的中間層的效果的確認的結果將在下面描述。形成具有 Fe40Mn10Pt50[2nm]/Fe[tnm]/MgO[lnm]/Mg
/CoFeB[3nm](每個[]中的值表示厚度， 「/」左邊材料構成的層在「/」右邊材料構成的層上形成)的堆疊結構的MR元件。評估該 MR元件的MR比率對！^中間層的厚度t的依賴性。因此，MR比率隨著!^e中間層的厚度的提高而提高。當狗中間層的厚度t是2nm時，獲得大約100% MR比率。MR比率不受易磁化軸是縱向的或垂直的限制。這證明了中間層的插入提高了 MR比率。如上所述，在依據第一實施例的磁電阻效應元件中，自旋轉移力矩反轉磁化配置， 並且自由層2包含元素A，B和C。這使得可以減少磁化反轉電流Ic和激活能量Ea，同時保持其中自由層2的垂直磁化是容易維持的狀態。因此，可以獲得熱穩定並能以低電流反轉磁化的自旋轉移力矩寫入類型磁電阻效應元件。[第二實施例]第二實施例涉及使用本發明的MR元件的MRAM。自旋轉移力矩寫入類型MRAM將在下面描述。圖12是示出依據本發明的第二實施例的MRAM的存儲器單元的主要部分的剖面圖。如圖12所示，MR元件1的上表面通過上電極31連接到位線32。MR元件1的下表面通過下電極33、傳導層(提取線)34和插頭35連接到半導體襯底36表面上的源/漏擴散區域37a。源/漏擴散區域37a和源/漏擴散區域37b —起形成選擇電晶體Tr，柵絕緣膜38 形成在襯底36上，柵電極39在柵絕緣膜38上形成。選擇電晶體Tr和MR元件1形成MRAM 的存儲器單元。源/漏擴散區域37b通過插頭41連接到另一個位線42。注意可以在下電極33之下形成插頭35而不形成提取線34，從而直接連接下電極 33和插頭35。位線32和42，電極31和33，傳導層34，插頭35和41是由例如W、Al、AlCu和Cu 構成的。MRAM的存儲器單元陣列通過以陣列等形式設置如圖12所示的多個存儲器單元形成。圖13是電路圖，示出了依據本發明的第二實施例的MRAM的主要組成。如圖13所示，每個包括MR元件1和選擇電晶體Tr的多個存儲器單元53以陣列的形式設置。在同一列中的存儲器單元53每個都有一個連接到相同的位線32的端子，以及另一個連接到相同的位線42的端子。在同一行中的存儲器單元53的柵電極(字線)39 連接在一起並且進一步連接到行解碼器51。位線32通過例如電晶體的切換電路M連接電流源/宿(sink)電路55。位線42 通過例如電晶體的切換電路56連接電流源/宿電路57。電流源/宿電路55和57將寫入電流(反轉電流)提供到所連接的位線32和42，或者從所連接的位線32和42中抽取寫入電流。位線42還連接到讀取電路52。讀取電路52也可以連接到位線32。讀取電路52 包括讀取電流電路、傳感放大器等。當寫入信息時，連接到作為寫入對象的存儲器單元的切換電路M和56和選擇電晶體Tr被打開，以形成通過目標存儲器單元的電流通路。依據待寫入的信息，電流源/宿電路55和57中的一個作為電流源，而另一個作為電流宿。因此，寫入電流沿與待寫入的信息相對應的方向流動。設置寫入速度，使得自旋旋轉力矩寫入可以通過具有幾納秒到幾微秒的脈衝寬度的電流來進行。當讀出信息時，讀取電流電路向以與寫入操作中相同的方式指定的MR元件1提供不引起磁化反轉的較小的讀取電流。讀取電路32將由與MR元件1的磁化配置相對應的電阻值所導致的電流值或電壓值與參考值相比較，從而確定電阻狀態。注意希望在讀取操作中的電流脈衝寬度比寫入操作中的小。這減少了由讀取電流引起的寫入錯誤。這是基於寫入電流的脈衝寬度越小，寫入電流的絕對值越大的現象。第二實施例能夠提供通過使用第一實施例的磁電阻效應元件，熱穩定並且能夠由小電流反轉磁化的自旋轉移力矩寫入類型的磁電阻隨機存取存儲器。本發明實施例能夠提供熱穩定並且能夠通過小電流反轉磁化的自旋轉移力矩寫入類型的磁電阻效應元件，以及使用它的磁電阻隨機存取存儲器。本領域技術人員可以在本發明的精神和範圍內進行各種改變和修改，因此應當理解這些改變和修改也屬於本發明的範圍。其它的優點和修改對本領域的技術人員是容易預見的。因此，本發明在其較寬的方面上不局限於這裡示出和描述的具體細節和代表性的實施例。因此，可以進行各種修改， 而不脫離由所附權利要求和其等同物所限定的總的發明概念的精神和範圍。
權利要求
1.一種磁電阻效應元件，其特徵在於包括 第一磁性層，具有不變的磁化方向；第二磁性層，具有可變的磁化方向，並且由包含大於等於30at %且小於等於70at %的 Mn的MnAl合金構成，第二磁性層包含鐵磁材料和亞鐵磁材料中的一種，由MnAl構成的第二磁性層包含從Fe、Co和Ni組成的組中選擇的至少一種元素，其相對於Mn元素的原子組成比率不超過1;以及第一隔離層，在第一磁性層和第二磁性層之間形成，並且由非磁性材料構成， 其中流經第一磁性層、第一隔離層和第二磁性層的雙向電流使得第二磁性層的磁化方向可變。
2.一種磁電阻效應元件，其特徵在於包括 第一磁性層，具有不變的磁化方向；第二磁性層，具有可變的磁化方向，並且由包含大於等於30at%並且小於等於70at% 的Mn的MnAl合金構成，第二磁性層包含鐵磁材料和亞鐵磁材料中的一種，第二磁性層包含從Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt和Au組成的組中選擇的至少一種元素，其相對於Al元素的原子組成比率不超過1 ；以及第一隔離層，在第一磁性層和第二磁性層之間形成，並且由非磁性材料構成， 其中流經第一磁性層、第一隔離層和第二磁性層的雙向電流使得第二磁性層的磁化方向可變。
3.如權利要求1或2所述的元件，其特徵在於第二磁性層的一部分包括具有FCT結構的LItl有序相。
4.如權利要求1或2所述的元件，其特徵在於還包括第二隔離層，由非磁性材料構成，並且在與面向第一隔離層的表面相對的第二磁性層的表面上形成；以及第三磁性層，具有與第一磁性層的磁化方向反平行的磁化方向，並且在與面向第二磁性層的表面相對的第二隔離層的表面上形成。
5.如權利要求1或2所述的元件，其特徵在於還包括第一中間層，在第二磁性層和第一隔離層之間形成，並且包含不少於50at%的從Fe、CO和Ni組成的組中選擇的至少一種元ο
6.如權利要求4所述的元件，其特徵在於還包括第一中間層，在第二磁性層和第一隔離層之間形成， 第二中間層，在第二磁性層和第二隔離層之間形成，其中第一和第二中間層包含不少於50at%的從i^e、Co和Ni組成的組中選擇的至少一種元素。
7.如權利要求1或2所述的元件，其特徵在於第一磁性層和第二磁性層具有基本上垂直於第一磁性層、第一隔離層和第二磁性層互相相對的表面的磁化。
8.—種磁電阻隨機存取存儲器，其特徵在於包括存儲器單元陣列，包括多個存儲器單元，每個存儲器單元包括如權利要求1或2所述的磁電阻效應元件作為存儲器元件；以及電流提供電路，被配置為向存儲器單元雙向地提供電流。
全文摘要
本發明涉及磁電阻效應元件和使用它的磁電阻隨機存取存儲器。磁電阻效應元件包括第一磁性層(3)，第二磁性層(2)和第一隔離層(4)。第一磁性層(3)具有不變的磁化方向。第二磁性層(2)具有可變的磁化方向，並且包含從Fe、Co和Ni中選擇的至少一種元素，從Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、Pt和Au中選擇的至少一種元素和從V、Cr和Mn中選擇的至少一種元素。隔離層(4)在第一磁性層(3)和第二磁性層(2)之間形成，並且由非磁性材料構成。流經第一磁性層(3)、隔離層(4)和第二磁性層(2)的雙向電流使得第二磁性層(2)的磁化方向可變。
文檔編號H01L43/08GK102176510SQ20111010369
公開日2011年9月7日 申請日期2008年3月21日 優先權日2007年3月30日
發明者與田博明, 北川英二, 吉川將壽, 岸達也, 永瀨俊彥, 甲斐正 申請人:株式會社東芝