專利名稱：磁電阻元件和磁存儲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有鐵磁性雙隧道結(jié)的磁電阻元件和使用該磁電阻元件的磁存儲裝置。
磁電阻效應(yīng)是把磁場加在強(qiáng)磁體上時電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。因?yàn)槔么烹娮栊?yīng)的磁電阻元件(MR元件)具有溫度穩(wěn)定性好，使用溫度范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛用在磁頭和磁傳感器等上。最近已能試制磁存儲裝置[磁電阻存儲器件或隨機(jī)磁存儲器(MRAM)]等。這些磁電阻元件對外部磁場的靈敏度高，響應(yīng)速度快，這些都是求之不得的性能。
近年來又正在研制具有在兩個鐵磁層之間插入介電層的夾層膜、利用在膜面上垂直流過隧道電流的磁電阻元件，即所謂鐵磁性隧道結(jié)元件[隧道結(jié)型磁電阻元件(TMR)]。鐵磁性隧道結(jié)元件顯示出20％以上的磁電阻變化率[J.APP1.Phys.79，4724(1996)]。因此使將TMR應(yīng)用到磁頭和磁電阻存儲器上的可能性增加?？墒菍@種鐵磁性單隧道結(jié)的元件而言，存在當(dāng)為了獲得希望的輸出電壓而增加施加電壓時，磁電阻變化率下降相當(dāng)多的問題[Phys.Rev Lett 74，3273(1995)]。
另外，有人建議靠近構(gòu)成鐵磁性單隧道結(jié)的一個鐵磁層設(shè)置反鐵磁層，并且有把該鐵磁層作為鎖定層的構(gòu)造的鐵磁性單結(jié)隧道元件(特開平10-4227)。然而，這種鐵磁性單結(jié)隧道元件也同樣存在當(dāng)為了獲得希望的輸出電壓而必需增加施加電壓時，磁電阻的變化率下降得相當(dāng)多的問題。
另一方面，理論上認(rèn)為在具有形成所謂Fe/Ge/Fe/Ge/Fe層疊結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)的磁電阻元件中，由于自旋偏振共振隧道效應(yīng)可以獲得大的MR變化率[Phys.Rev.B56，5484(1997)]。然而這是低溫(8K)結(jié)果，在室溫下是否發(fā)生上述現(xiàn)象還沒有預(yù)言。此外，在該例中沒有采用Al2O3、SiO2和AlN等介電體。而且上述構(gòu)造的鐵磁性雙隧道結(jié)元件存在下述問題因?yàn)闆]有被反鐵磁層鎖定的鐵磁層，所以在應(yīng)用在MRAM等上時，由于多次寫入，結(jié)果使磁化鎖定層的一部分磁矩旋轉(zhuǎn)，引起輸出逐漸下降。
還有人提出含有使磁性粒子彌散的介電層的鐵磁性多隧道結(jié)元件[Phys，Rev，B56(10)R5747(1977)；應(yīng)用磁學(xué)學(xué)會志23，4-2(1999)；APPI，Phys，Lett.73(19)，2829(1998)]。因?yàn)橛眠@些元件能獲得20％以上的磁電阻變化率，所以有望在磁頭和磁電阻存儲器上應(yīng)用。特別是鐵磁性雙隧道結(jié)元件具有即使增加施加電壓，磁電阻變化減少小的優(yōu)點(diǎn)。但這些元件又存在下述問題；因?yàn)闆]有被反鐵磁層鎖定的鐵磁層，結(jié)果在應(yīng)用在MRAM等上時，因多次寫入而使磁化鎖定層的一部分磁矩旋轉(zhuǎn)，使輸出逐漸下降。另外，就利用由連續(xù)膜組成的鐵磁層鐵磁性雙隧道結(jié)元件[APPI，Phys，Lett.73(19)，2829(1998)]而言，因?yàn)楸唤殡妼訆A持的鐵磁層由Co、Ni80Fe20等單層膜組成的，所以對用于因電流磁場使磁矩反轉(zhuǎn)的磁場不能自由設(shè)計。除了這個問題以外，還存在加工磁滯伸縮大的Co等時，使矯頑力變大的問題。
在把鐵磁性隧道結(jié)元件應(yīng)用到MRAM等上的情況下，由于在配線(位線或字線)中流過電流，所以在磁化沒有鎖定的鐵磁層(自由層，磁記錄層)上施加外部磁場(電流磁場)時，使磁記錄層的磁化反向。然而隨著存儲單元縮小磁記錄層的磁化反向到需要的磁場(開關(guān)磁場)強(qiáng)度卻增大，所以為了寫入，在配線中必需流過大電流。因此，隨著MRAM的存儲容量的增大，寫入時消耗的電功率增加。例如在1Gb以上的高密度的MRAM的器件中，在用電流磁場寫入時，配線中流過的電流密度增大，還存在配線被熔融的危險。
作為解決這種問題的一個方法是注入自旋偏振的自旋電流，進(jìn)行磁化反向的嘗試[J，Mag.Mag.Mat，159(1996)L1；J，Mag.Mag.Mat，202(1999)157]?？墒蔷妥⑷胱孕娏鬟M(jìn)行磁化反向的方法而言，因流過TMR元件的電流密度變大，而存在隧道絕緣層被破壞的危險。因此還沒有人提出適合自旋注入的元件結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的目的在于提供一種隧道結(jié)型的磁電阻元件和磁存儲裝置，該磁電阻元件和磁存儲裝置能在為獲得所希望的輸出電壓值而增加施加電壓時，磁電阻變化率不減少太多，也不存在因?qū)懭胧勾呕i定層的一部分磁矩旋轉(zhuǎn)而使輸出緩慢下降的問題，還允許自由設(shè)計用于使鐵磁層的磁矩反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)磁場。
本發(fā)明的另一目的是提供一種能抑制隨著存儲單元縮小使用于磁記錄層的磁化反向的磁場增加的隧道結(jié)型磁電阻抗元件和磁存儲裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種具有適合自旋注入的結(jié)構(gòu)并能抑制流過配線和TMR元件中電流的密度增加的磁存儲裝置，和向該磁存儲裝置寫入的方法。
本發(fā)明的第一磁電阻元件具有由第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第二介電層/第三鐵磁層/第二反鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；上述第二鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe/Co基合金三層膜構(gòu)成；在上述第一至第三鐵磁層中流過隧道電流。
本發(fā)明的第二磁電阻元件具有由第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第一反鐵磁層/第三鐵磁層/第二介電層/第四鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；上述第一和第四鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成；上述第一至第四鐵磁層中流過隧道電流。
本發(fā)明的第三磁電阻元件具有由第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第二反鐵磁層/第三鐵磁層/第二介電層/第四鐵磁層/第三反鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；上述第一和第四鐵磁層或上述第二和第三鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成；在上述第一至第四鐵磁層中流過隧道電流。
本發(fā)明的第四磁電阻元件具有由第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第一非磁性層/第三鐵磁層/第二非磁性層/第四鐵磁層/第二介電層/第五鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；互相鄰接的第二、第三和第四鐵磁層通過非磁性層反鐵磁性結(jié)合，上述第一和第五鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成；在上述第一至第五鐵磁層中流過隧道電流。
在本發(fā)明的磁電阻元件中上述的Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜的膜厚最好是1-5nm。
本發(fā)明的磁存儲裝置具有晶體管或二極管和第一至第四中的任何磁電阻元件。
本發(fā)明的磁存儲裝置具有晶體管或二極管和第一或第三磁電阻元件，上述磁電阻元件的至少最上層的反鐵磁層構(gòu)成數(shù)據(jù)線的一部分。
本發(fā)明的另一種磁存儲裝置具有磁化方向鎖定的第一磁化鎖定層、第一介電層、磁化方向可反轉(zhuǎn)的磁記錄層、第二介電層和磁化方向鎖定的第二磁化鎖定層；上述磁記錄層包含磁性層、非磁性層和磁性層三層膜，構(gòu)成該三層膜的兩個磁性層反鐵磁性結(jié)合；連接上述兩個磁化鎖定層的介電層的區(qū)域的磁化方向基本是反平行的。
本發(fā)明的又一種磁存儲裝置具有磁化方向鎖定的第一磁化鎖定層、第一介電層、沿磁化方向可反轉(zhuǎn)的磁記錄層、第二介電層、沿磁化方向鎖定的第二磁化鎖定層；上述磁記錄層包含磁性層，非磁性層和磁性層三層膜，構(gòu)成該三層膜的兩個磁性層反鐵磁性結(jié)合；上述第一磁化鎖定層的長度比上述第二磁化鎖定層和上述磁記錄層的長度長；連接上述兩個磁化鎖定層的介電層的區(qū)域的磁化方向基本是反平行的。
向上述磁存儲裝置寫入的方法包括在通過構(gòu)成的磁存儲裝置的上述第一或第二磁化鎖定層向上述磁記錄層供給自旋電流的同時，在使寫入用的配線中流過電流時，電流磁場就加在上述磁記錄層上。
本發(fā)明的另一磁電阻元件具有由第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一隧道絕緣層/第二鐵磁層/第一非磁性層/第三鐵磁層/第二非磁性層/第四鐵磁層/第二隧道絕緣層/第五鐵磁層/第二反鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；第二和第三鐵磁層通過第一非磁性層反鐵磁性結(jié)合；第三和第四鐵磁層通過第二非磁性層反鐵磁性結(jié)合。


圖1是本發(fā)明的第一磁電阻元件的基本構(gòu)造的剖視圖；圖2是本發(fā)明的第二磁電阻元件的基本構(gòu)造的剖視圖；圖3是本發(fā)明的第三磁電阻元件的基本構(gòu)造的剖視圖；圖4是本發(fā)明的第四磁電阻元件的基本構(gòu)造的剖視圖；圖5是本發(fā)明的第四磁電阻元件的變型例的基本構(gòu)造的剖視圖；圖6是MOS晶體管和鐵磁性雙隧道結(jié)組合在一起的MRAM的等效電路圖；圖7是鐵磁性雙隧道結(jié)元件的鎖定層構(gòu)成數(shù)據(jù)線的一部分的圖6的MRAM剖視圖；圖8是二極管和鐵磁性雙隧道結(jié)元件組合在一起的MRAM等效電路圖；圖9是鐵磁性雙隧道結(jié)元件的鎖定層構(gòu)成數(shù)據(jù)線的一部分的圖8的MRAM剖視圖；圖10是用在本發(fā)明的其它MRAM上的鐵磁性雙隧道結(jié)元件的剖視圖；圖11是用在本發(fā)明的其它MRAM上的鐵磁性雙隧道結(jié)元件的剖視圖；圖12是用在本發(fā)明的其它MRAM上的鐵磁性雙隧道結(jié)元件的剖視圖；圖13是表示與本發(fā)明有關(guān)的MRAM例的剖視圖14是表示與本發(fā)明有關(guān)的MRAM的其它例的剖視圖；圖15是表示與本發(fā)明有關(guān)的磁電阻元件的其它例的剖視圖；圖16是表示與本發(fā)明有關(guān)的磁電阻元件的其它例的剖視圖；圖17是表示與本發(fā)明有關(guān)的磁電阻元件的其它例的剖視圖；圖18是搭載包含與本發(fā)明有關(guān)的隧道結(jié)型磁電阻元件的磁電阻磁頭的磁頭裝置斜視圖；圖19是表示搭載如圖18所示的磁頭裝置的磁盤裝置內(nèi)部構(gòu)造斜視圖；圖20是表示實(shí)施例1的試樣A和B的磁電阻效應(yīng)的曲線的圖；圖21是表示就實(shí)施例1的試樣A、B和C的磁電阻變化率與施加電壓的關(guān)系圖；圖22是表示實(shí)施例1的試樣A、B和D的脈沖磁場的反轉(zhuǎn)次數(shù)與輸出電壓關(guān)系的圖；圖23是表示實(shí)施例2的試樣A2和B2的磁電阻抗效應(yīng)曲線圖；圖24是實(shí)施例2的試樣A2、B2和C2的磁電阻變化率與施加電壓的關(guān)系圖；圖25是表示實(shí)施例2的試樣A2、B2和D2的脈沖磁場的反轉(zhuǎn)次數(shù)與輸出電壓關(guān)系圖；圖26是表示實(shí)施例3的試樣A3和B3的磁電阻抗效應(yīng)曲線圖；圖27是表示實(shí)施例3的試樣A3，B3和C3的磁變化率與施加電壓的關(guān)系圖；圖28是實(shí)施例3的試樣A3，B3和D3的脈沖磁場的反轉(zhuǎn)次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系圖；圖29是表示實(shí)施例4的試樣A4、B4的磁電阻抗效應(yīng)曲線的圖；圖30是表示實(shí)施例4試樣A4、B4和C4的磁電阻變化率與施加電壓的關(guān)系圖；圖31是表示實(shí)施例4的試樣A4、B4和D4的脈沖磁場的反轉(zhuǎn)次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系圖；圖32是表示實(shí)施例5中的鎖定層構(gòu)成數(shù)據(jù)線一部分的磁電阻元件的剖視圖；圖33是表示實(shí)施例5的試樣A5和B5的磁電阻效應(yīng)曲線圖34是表示實(shí)施例5的試樣A5、B5和C5的磁電阻變化率與施加電壓的關(guān)系圖；圖35是表示實(shí)施例5的試樣A5、B5、D5和E5的脈沖磁場的反轉(zhuǎn)次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系圖。
圖36是表示實(shí)施例7的試樣T1，T2和T3的結(jié)寬度與磁電阻變化率的關(guān)系圖。
圖37是表示實(shí)施例7的試樣T1，T2和T3的磁電阻變化率與電壓的關(guān)系圖。
下面參照圖1～圖4說明與本發(fā)明有關(guān)的磁電阻元件的基本結(jié)構(gòu)。
圖1示出了本發(fā)明的第一磁電阻元件。該磁電阻元件10由第一反鐵磁層11/第一鐵磁層12/第一介電層13/第二鐵磁層14/第二介電層15/第三鐵磁層16/第二反鐵磁層17層疊形成強(qiáng)磁性雙隧道結(jié)而構(gòu)成。在該元件上，在第一至第三鐵磁層上流過隧道電流。在該元件上，第一和第三鐵磁層12，16是鎖定層(磁化鎖定層)，第二鐵磁層14是自由層(在MRAM情況下為磁記錄層)。在第一磁電阻元件中，作為自由層的第二鐵磁層14是由Co基合金(例如Co-Fe，Co-Fe-Ni等)或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜組成。
圖2示出了本發(fā)明的第二磁電阻元件。該磁電阻元件20由第一鐵磁層21/第一介電層22/第二鐵磁層23/第一反鐵磁層24/第三鐵磁層25/第二介電層26/第四鐵磁層27/層疊成鐵磁性雙隧道結(jié)而構(gòu)成。在該元件上第一至第四鐵磁層上流過隧道電流。在該元件上第一和第三鐵磁層23和25是鎖定層，第一和第四鐵磁層21和27是自由層(在MRAM情況下為磁記錄層)。在第二磁電阻元件中，作為自由層的第一和第四鐵磁層21和27由Co基合金(例如Co-Fe、Co-Fe-Ni等)或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成。
圖3示出了本發(fā)明的第三磁電阻元件，該磁電阻元件30由第一反鐵磁層31/第一鐵磁層32/第一介電層33/第二鐵磁層34/第二反鐵磁層35/第三鐵磁層36/第二介電層37/第四鐵磁層38/第三反鐵磁層39層疊形成鐵磁性雙隧道結(jié)而構(gòu)成。在該元件上，在第一至第四鐵磁層上流過隧道電流。在該元件上，在把第二和第三鐵磁層34、36作為鎖定層設(shè)計的情況下，第一和第四鐵磁層32和38成為自由層(在MRAM的情況為磁記錄層)。另外，在把第一和第四鐵磁層32、38作為鎖定層設(shè)計的情況下，第二和第三鐵磁層34、36成為自由層(在MRAM情況為磁記錄層)。在第三磁電阻元件上作為自由層使用的第一和第四鐵磁層32、38或第二和第三鐵磁層34、36的任何組合由Co基合金(例如Co-Fe，Co-Fe-Ni等)或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成。
圖4示出了本發(fā)明的第四磁電阻元件。該磁電阻元件40由第一鐵磁層41/第一介電層42/第二鐵磁層43/第一非磁性層44/第三鐵磁層45/第二非磁性層46/第四鐵磁層47/第二介電層48/第五鐵磁層49層疊形成鐵磁性雙隧道結(jié)而構(gòu)成。在該元件的第一至第五鐵磁層上流過隧道電流。相鄰的第二、第三、第四鐵磁層43、45、47通過非磁性層44、46反鐵磁性耦合起來。在該元件中第二至第四鐵磁層43、45、47是鎖定層，第一和第5鐵磁層41、49是自由層(在MRAM中為磁記錄層)。在第四磁電阻元件中，作為自由層的第一和第五鐵磁層41、49是由Co基合金(例如Co-Fe，Co-Fe-Ni等)或者Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜組成。
圖5示出第四磁電阻元件的變型例，在圖5所示的磁電阻元件中，通過在這些鐵磁層中間設(shè)置反鐵磁層的結(jié)構(gòu)，即形成鐵磁層45a/反鐵磁層50/鐵磁層45b的三層膜代替圖4的第三鐵磁層45。
另外，也可以使構(gòu)成第四磁電阻元件的第二和第四鐵磁層43、47中的至少一個接觸設(shè)置反鐵磁層。
因?yàn)榫哂信c本發(fā)明有關(guān)的鐵磁性雙隧道結(jié)的磁電阻元件至少具有二層介電層，所以實(shí)際施加在一個隧道結(jié)上的電壓小，因此磁電阻的變化率對電壓的依賴性不顯著、即使為了獲得希望的輸出電壓值而增加施加的壓力時，磁電阻變化率降低也較小，這是本發(fā)明的一個優(yōu)點(diǎn)。
因?yàn)榫哂信c本發(fā)明有關(guān)的鐵磁性雙隧道結(jié)的磁電阻元件中的上述的四種基本結(jié)構(gòu)的任何一個中，磁化鎖定層(鎖定層)的自旋是通過反鐵磁層或反鐵磁性耦合鎖定的，所以即使反復(fù)寫入，磁化鎖定層的磁矩也不會旋轉(zhuǎn)，從而可以防止輸出逐漸下降。
另外，在與本發(fā)明有關(guān)的磁電阻元件中，在自由層(磁記錄層上)利用磁致伸縮小的Co基合金(Co-Fe，Co-Fe-Ni等)或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜組成；自由層是圖1中的第二鐵磁層14，圖2中的第一和第四鐵磁層21、27，圖3中的第一和第四鐵磁層32、38或第二和第三鐵磁層34、36中的任何一組，圖4和圖5中的第一和第五鐵磁層41、49。從而將反轉(zhuǎn)磁場的抑制變小，而使為增加電流磁場而流過配線中的電流變小。在自由層上用Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金的三層膜的情況下，通過改變每層膜的厚度可以自由設(shè)定反轉(zhuǎn)磁場的大小。
特別是對具有圖3的結(jié)構(gòu)的磁電阻元件，反轉(zhuǎn)磁場并非由磁性體的矯頑力確定，而是由在反鐵磁性體的界面上產(chǎn)生的交換磁場確定。而且該交換磁場可以通過改變第一和第三反鐵磁層31、39和第二反鐵磁層35的種類、膜厚、合金組成自由地設(shè)定，這是本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。因此圖3的基本結(jié)構(gòu)在上述的四種基本結(jié)構(gòu)中也顯示出較好的特性。另外圖3的結(jié)構(gòu)在加工尺寸超微化，結(jié)面積變得非常小的情況下是特別有效的。通常，在加工尺寸超微化的情況下，寫入磁場因加工損傷和自由層(磁記錄層)的磁疇影響而容易引起偏差。與此相反，在如圖3所示的結(jié)構(gòu)中，在抗強(qiáng)磁性層與自由層(磁記錄層)相接觸地設(shè)置的情況下，因?yàn)榭梢愿鶕?jù)交換磁場設(shè)計寫入磁場，所以可以避免寫入磁場的偏差。還可以顯著提高元件的成品率。
另一方面，在微細(xì)加工本發(fā)明的磁電阻元件時，為了提高加工精度最好薄膜的整體膜度薄。根據(jù)這一點(diǎn)，如圖2，圖4和圖5所示那樣，盡可能使反鐵磁層少的結(jié)構(gòu)是優(yōu)選的。
下面就用在本發(fā)明的磁電阻元件的各層的材料進(jìn)行說明。
自由層(磁記錄層)如上所述采用Co基合金(Co-Fe，Co-Fe-Ni等)或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜。也可以在這些合金中添加少量的Ag、Cu、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Si、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nb等非磁性元素。本發(fā)明的磁電阻元件適合用于磁電阻型磁頭，磁存儲裝置和磁場檢測器等。在這些用途中最好使自由層具有各向異性。
自由層的厚度優(yōu)選的為0.1nm～100nm，更優(yōu)選的是0.5nm～50nm，最優(yōu)越的是1～5nm。如果自由層的厚度不是1nm，則因自由層變成不連續(xù)的膜，而存在變成鐵磁性粒子在介電層中彌散的所謂顆粒狀結(jié)構(gòu)的危險。結(jié)果還因結(jié)性能控制困難而存在開關(guān)磁場偏差的危險，由于微粒子的大小引起在室溫下變成超常磁性，從而使MR變化率嚴(yán)重下降。另一方面，如自由層的厚度超過5nm，在把磁電阻元件應(yīng)用在MRAM中時，在按例如0.25μm對元件進(jìn)行設(shè)計時，在用于超過反轉(zhuǎn)磁場1000奧斯特的配線中必須流過產(chǎn)生的大電流。另外，如果自由層厚度超過5nm，則MR變化率隨偏置電壓上升而下降。使所謂偏壓依賴性顯著。如果自由層的厚度在1～5nm范圍內(nèi)，則可以抑制因微細(xì)化使反轉(zhuǎn)磁場增大和MR變化率的偏置電壓的依賴性。此外，如果自由層的厚度在這個范圍，則還能提高加工精度。
對鎖定層材料沒有特別限制，可用Fe、Co、Ni或者它們的合金，自旋極化率大的磁鐵，CrO2、RXMnO3-y(R稀土類；XCa，Ba，Sr)等的氧化物，NiMnSb，PtMnSb等的惠斯勒合金。鎖定層必需具有不能變成超常磁性的厚度，最好在0.4nm以上。另外在不失去鐵磁性的前提下，可以在這些磁性體中添加少量的Ag、Cu、Au、Al、Mg、Si、Bi、Ta、B、C、O、N、Si、Pd、Pt、Zr、Ir、W、Mo、Nb等非磁性元素。
另外，在通過反鐵磁層加強(qiáng)鎖定鎖定層時，也可以用鐵磁層/非磁性層/鐵磁層三層膜作為鎖定層，通過非磁性層使層疊的二層鐵磁層反鐵磁性結(jié)合。對非磁性層的材料沒有特別的限制，可以用Ru、Ir、Cr、Cu等金屬。通過調(diào)整非金屬層膜的厚度使磁性層間產(chǎn)生反鐵磁性結(jié)合。非磁性層膜厚度優(yōu)選為0.5～2.5nm，如果考慮耐熱性和反鐵磁性結(jié)合的強(qiáng)度，非磁性層的膜厚為0.7～1.3nm更好。也可具體地舉出Co(或Co-Fe)/Ru/Co(或Co-Fe)，Co(或Co-Fe)/Ir/Co(或Co-Fe)等三層膜。
可以用Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn，Ni-Mn，Ir-Mn、NiO，F(xiàn)e2O3等作為反鐵磁性材料。
可以用Al2O3、SiO2、MgO、AlN、Bi2O3、MgF2、CaF2、SrTiO2、AlLaO3等作為介電層材料。介電層也可以出現(xiàn)氧、氮或氟的不足，介電層的厚度沒有特別限制，最好是薄的，優(yōu)選的厚度在10nm以下，更優(yōu)選的為5nm以下。
對形成本發(fā)明的磁電阻元件的基板沒有特別限制，可以用Si、SiO2、Al2O3、尖晶石，或AlN等各種基板。在本發(fā)明中，也可以在基板上下通過底層層疊磁電阻抗元件，并且也可以在磁電阻元件的上部配置保護(hù)層。最好用Ta、Ti、W、Pt、Pd、Au、Ti/Pt、Ta/Pt、Ti/Pd、Ta/Pd或TiNx等氮化物等作為這些底層和保護(hù)層的材料。
可以通過各種濺射法、蒸鍍法、分子束外延生長法等一般的成膜法形成各層來制造與本發(fā)明有關(guān)的磁電阻元件。
下面就使用本發(fā)明的磁電阻元件的存儲裝置(MRAM)進(jìn)行說明。使用本發(fā)明的磁電阻元件的MRAM不管是在非破壞讀出還是破壞讀出的情況，都能獲得為了施加上述的電流磁場而使配線中盡可能流過小電流的效果。
作為具體的MRAM的形態(tài)，可以考慮在晶體管上層疊鐵磁性雙隧道結(jié)的結(jié)構(gòu)或使二極管與鐵磁性以隧道結(jié)元件層疊的結(jié)構(gòu)。如下所述，這些結(jié)構(gòu)特別適用第一或第三鐵磁性雙隧道結(jié)元件，最好至少把最上層的反鐵磁層作為位線的一部分使用。
下面參照圖6和圖7說明在MOS晶體管上具有層疊例如第一鐵磁性雙隧道結(jié)元件(圖1)的結(jié)構(gòu)的MRAM。圖6是3×3單元的MRAM的等效電路圖，圖7示出了一個單元的MRAM的剖視圖。
如圖6所示，由晶體管60和圖1的鐵磁性雙隧道結(jié)元件(MTR)10構(gòu)成的記錄單元排列成矩陣狀。由晶體管60的柵極組成的讀出用的字線(WL1)62，它們與寫入用的字線(WL2)71平行配置。與TMR10的另一端(上部)連接的位線(BL)74與字線(WL1)62和字線(WL2)71垂直配置。
如圖7所示，形成由硅基片61，柵極62，源極、漏區(qū)63、64組成的晶體管60，柵極62構(gòu)成讀出用的字線(WL1)。在柵極62上通過絕緣層形成寫入用的字線(WL2)71。觸點(diǎn)金屬72連接在晶體管60的漏區(qū)64上。底層73連接在觸點(diǎn)金屬72上。在對應(yīng)底層73上的寫入用的字線(WL2)71上方的位置上形成圖1所示那樣的鐵磁性雙隧道結(jié)元件(TMR)10。即在底層73上層疊第一反鐵磁層11/第一鐵磁層(鎖定層)12/第一介電層13/第二鐵磁層(鎖定層)14/第二介電層15/第三鐵磁層(鎖定層)16a、16b/第二反鐵磁層17。在該例中，由16a，16b兩層構(gòu)成鎖定層。在該TMR10的第二反鐵磁層17上形成位線(BL)74的金屬層。
如圖7所示，作為自由層的第二鐵磁層14的面積與上部的反鐵磁層17和鎖定層16b的面積是不同的，上部的反鐵磁層17和鎖定層16b構(gòu)成位線74的一部分。即位線74由鎖定層16b/反鐵磁層17/金屬層的層疊體構(gòu)成。另外，也可以在反鐵磁層17的下面不設(shè)置與反鐵磁層17同樣面積的鎖定層16b，而由反鐵磁層17/金屬層構(gòu)成位線74。
借助這種結(jié)構(gòu)，可以通過具有大面積的反鐵磁層17更穩(wěn)定地鎖定鎖定層16b，16a的自旋，致使即使反復(fù)寫入，鎖定層16b，16a的磁矩也不會旋轉(zhuǎn)，從而可以有效地防止輸出下降。
另外TMR10的自由層14的上部結(jié)構(gòu)由自由層14/第二介電層15/鎖定層16a的成膜和圖形、鎖定層16b/反鐵磁層17/金屬層的成膜和圖形構(gòu)成?，F(xiàn)有技術(shù)中，TMR10的自由層14的上部結(jié)構(gòu)是由自由層14/第二介電層15/鎖定層16/反鐵磁層17的成膜和圖形，位線金屬層的成膜和圖形構(gòu)成。因此，如采用圖7的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槭鼓ず癖容^厚的反鐵磁層17的電路圖形工序與其它工序分開，所以可以在上述的最初的電路圖形下進(jìn)行一次微細(xì)加工，使膜厚變薄。因此，既盡可能地減少了強(qiáng)磁隧道結(jié)的加工損傷，又可以提高加工精度。
參照圖8和圖9說明具有二極管與例如第一鐵磁性隧道結(jié)元件(圖1)層疊的構(gòu)造的MRAM。圖8是3×3單元的MRAM的等效電路圖，圖9是該MRAM的斜視圖。
如圖8的等效電路圖所示，由二極管80和TMR10的層疊體組成的單元排列成矩陣狀。二極管80和TMR10的層疊體形成在字線(WL)91上。二極管80的一端與字線(WL)91相連。TMR10的另一端與和字線(WL)91垂直配置的位線(BL)92相連。
如圖9所示，在字線(WL)91的金屬層上形成硅二極管80，在其上形成底層81。還可以在金屬層與硅二極管之間設(shè)置TiNx等氮化膜，以便防止原子擴(kuò)散。在底層81上形成如圖1所示那樣的鐵磁性雙隧道結(jié)元件(TMR)10。即在底層81上由第1反鐵磁層11/第一鐵磁層(鎖定層)12/第一介電層13/第二鐵磁層14(自由層)/第二介電層15/第三鐵磁層(鎖定層)16a、16b/第二反鐵磁層17形成疊層。在該例中，由16a、16b兩層構(gòu)成鎖定層。在該TMR10的第二反鐵磁層17上形成位線(BL)92的金屬層。
這樣構(gòu)成的MRAM也能取得與參照圖7的說明那樣的效果。即通過具有大面積的反鐵磁層17可以比較穩(wěn)定地鎖定鎖定層16b、16a的自旋，即使反復(fù)寫入，鎖定層16b、16a的磁矩也不會轉(zhuǎn)動，從而可以有效地防止輸出的降低。另外，因?yàn)槭鼓ず癖容^厚的反鐵磁層17的構(gòu)圖工序與其它工序分開，所以既可減少鐵磁性隧道結(jié)部分的加工損傷，又可提高加工精度。
另外，在MRAM的用途中，也可以在自由層上使用鐵磁層/非磁性層/鐵磁層三層膜，通過非磁性層使鐵磁層和反鐵磁性結(jié)合。按照這樣的構(gòu)成，因?yàn)榇磐ㄔ谌龑觾?nèi)閉合，所以在通過電流磁場使自由層的磁矩反轉(zhuǎn)時，靜磁場既對自由層不會有影響，還可以使來自記錄層的漏磁通減少，所以可以使切換磁場減少。因此消除了因?qū)懭攵勾呕i定層的部分磁矩旋轉(zhuǎn)，結(jié)果使輸出逐漸下降的問題。按照上述結(jié)構(gòu)，最好使鐵磁層/非鐵磁層/鐵磁層中的靠近用于施加電流磁場的字線的那個鐵磁層用比較軟的鐵磁層構(gòu)成或使膜比較厚。最好在使構(gòu)成三層膜的二個鐵磁層的膜厚不同的情況下，使膜厚的差在0.5～5nm的范圍內(nèi)。
下面說明與本發(fā)明有關(guān)的其它的MRAM。與本發(fā)明有關(guān)的MRAM包括鐵磁性雙隧道結(jié)元件，該雙隧道結(jié)元件具有磁化方向鎖定的第一磁化鎖定層，第一介電層，磁化方向可反向的磁記錄層，第二介電層和磁化方向鎖定的第二鎖定層。而磁記錄層包括磁性層，非磁性層和磁性層三層膜，構(gòu)成這三層膜的兩層磁性層呈反鐵磁性耦合。因?yàn)槎€磁性層反鐵磁性耦合，使磁通在磁記錄層中閉合，所以可以降低開關(guān)磁場強(qiáng)度，從而可以減少在配線上流過的電流的電流密度。并且，兩個磁化鎖定層與介電層連接的區(qū)域的磁化基本上是平行的。因此通過選擇在磁記錄層中的電流經(jīng)過兩磁化鎖定層中的哪一個，可以選擇向磁記錄層供給的電流是上升自旋電流還是下降電流。通過使自旋電流的供給方向改變可以使磁記錄層的磁化容易反向，從而可以減少在TMR元件中流過的電流。這樣，該MRAM具有適合于在向磁記錄層供給自旋電流的同時施加電流磁場的結(jié)構(gòu)，從而可以抑制流過配線和TMR中的電流的密度。
構(gòu)成上述鐵磁性雙隧道結(jié)元件的抗強(qiáng)磁耦合的磁記錄層可以通過鐵磁層與非磁性金屬層交替層疊方便地制造而成。因?yàn)榉磋F磁性耦合的磁記錄層的膜厚薄，容易進(jìn)行微細(xì)加工，所以該磁記錄層最好是由反鐵磁層/非磁性金屬層/鐵磁層組成的三層膜。并且也可以用鐵磁層/軟磁性層/鐵磁層組成的三層膜作為反鐵磁性耦合的鐵磁層。特別是在用CoXFe1-x(0.5≤X≤1.0)作為鐵磁層時，如果在二個CoxFe1-x層間插入由例如Ni-Fe組成的薄的軟磁性層，則可以使開關(guān)磁場顯著減少。這是因?yàn)镹i-Fe合金層是fcc(111)取向的，其上面的CoXFe1-x層也變成fcc(111)取向，使CoxFe1-x本身的開關(guān)磁場減少，從而也使鐵磁層總的磁化值變小。
因此，作為反鐵磁性耦合的磁記錄層的例子可以舉出(a)鐵磁層/非磁性層/鐵磁層、(b)(鐵磁層/軟磁性層/鐵磁層)/非磁性層/鐵磁層、(c)(鐵磁層/軟磁性層/鐵磁層)/非磁性層/(鐵磁層/軟磁性層/鐵磁層)等。在這種情況下，抗強(qiáng)磁耦合的強(qiáng)度的大小最好在0.5erg/cm2以上。磁化鎖定膜也采用與磁記錄層相同的層疊結(jié)構(gòu)，使其反鐵磁性耦合。
下面參照圖10～12說明用該MRAM的鐵磁性隧道結(jié)元件的例子。
圖10的鐵磁性雙隧道結(jié)元件具有由底層101/第一反鐵磁層102/第一磁化鎖定層103/第一介電層104/由鐵磁層105a、非磁性層105b和鐵磁層105c三層膜組成的磁記錄層105/第二介電層106/第二磁化鎖定層107/第二反鐵磁層108/保護(hù)層109層疊的結(jié)構(gòu)。
磁記錄層105的鐵磁層105a和鐵磁層105c為反鐵磁性耦合。連接在第一介電層104上的第一磁化鎖定層103，連接在第二介電層106上的第二磁化鎖定層107各自的磁化處在反平行的狀態(tài)。
圖11的鐵磁性雙隧道結(jié)元件具有由底層111/第一反鐵磁層112/第一磁化鎖定層113/第一介電層114/由鐵磁層115a、非磁性層115b和鐵磁層115c三層膜組成的磁記錄層115/第二介電層116/鐵磁層117a，非磁性層117b和鐵磁層117c三層膜組成的第二磁化鎖定層117/第二反鐵磁層118/保護(hù)層119層疊的結(jié)構(gòu)。
磁記錄層115的鐵磁層115a和鐵磁層115c反鐵磁性耦合。第二磁化鎖定層117的鐵磁層117a和鐵磁層117c反鐵磁性耦合。構(gòu)成連接在第一介電層114上的第一磁化鎖定層113和連接在第二介電層116上的第二磁化鎖定層117的鐵磁層117a各自的磁化處在反平行的狀態(tài)。
在這種情況下，最好使第一磁化鎖定層113的長度做得比第二磁化鎖定層117和磁記錄層115的長度長一些，以便使其兼作金屬配線用。按照這樣的結(jié)構(gòu)，無論是第二磁化鎖定層117還是磁記錄層115中的磁通都是閉合的，而因?yàn)閬碜孕纬杀容^長的第一磁化鎖定層113的漏磁通幾乎不產(chǎn)生影響，從而可以減少對相鄰記錄層的靜磁場的影響。
圖12的鐵磁性雙隧道結(jié)元件具有由底層121/第一反鐵磁層122/由鐵磁層123a、非磁性層123b和鐵磁層123c三層膜組成的第一磁化鎖定層123/第一介電層124/由鐵磁層125a、非磁性層125b和鐵磁層125c三層膜組成的磁記錄層125/第二介電層126/由鐵磁層127a、非磁性層127b、鐵磁層127c、非磁性層127d和鐵磁層127e五層膜組成的第二磁化鎖定層127/第二反鐵磁層128/保護(hù)層129層疊的結(jié)構(gòu)。
磁記錄層125的鐵磁層125a和鐵磁層125c反鐵磁性耦合。第一磁化鎖定層123的鐵磁層123a和鐵磁層123c反鐵磁性耦合。第二磁化鎖定層127的鐵磁層127a、鐵磁層127c和鐵磁層127e反鐵磁性耦合。構(gòu)成連接在第一介電層114上的第一磁化鎖定層123的鐵磁層123c與構(gòu)成連接在第二介電層126上的第二磁化鎖定層127的鐵磁層127a各自的磁化處在反平行的狀態(tài)。在這種情況下，可以與圖11相同，將第一磁化鎖定層123的長度做得比第二磁化鎖定層117和磁記錄層115的長度長一些。
在圖13中示出了利用圖11的鐵磁性雙隧道結(jié)元件的MRAM的剖視圖。先在Si基板151上的SiO2絕緣層上形成凹槽，再形成由埋入在該凹槽內(nèi)的金屬構(gòu)成的字線152。在字線152上形成SiO2絕緣層，在該SiO2上形成金屬配線153和鐵磁性雙隧道結(jié)元件(TMR元件)。該TMR元件如圖11所示，具有由底層111/第一反鐵磁層112/第一磁化鎖定層113/第一介電層114/由鐵磁層115a、非磁性層115b和鐵磁層115c三層膜組成的磁記錄層115/第二介電層116/由鐵磁層117a、非磁性層117b和鐵磁層117c三層膜組成的第二磁化鎖定層117/第二反鐵磁層118/保護(hù)層119層疊的結(jié)構(gòu)。該TMR元件預(yù)先加工成規(guī)定的結(jié)合面積，在其周圍形成層間絕緣膜。在該層間絕緣膜上形成與TMR元件的保護(hù)層119連接的位線154。
按照該MRAM，在字線152上流過電流并在磁記錄層115上施加電流磁場(例如難磁化的軸方向)的同時，從位線154經(jīng)各層向磁記錄層115注入下降自旋電流或從金屬配線153經(jīng)各層向磁記錄層115注入增加自旋電流，借此使磁記錄層115反轉(zhuǎn)、磁化并進(jìn)行寫入。如果在向磁記錄層115注入自旋電流的同時在磁記錄層上施加電流磁場進(jìn)行寫入，既可減少在TMR元件中流過的注入電流，又可減少流過配線(字線)的電流的密度。因此，就是在1Gb以上的MRAM中，也能防止配線的熔融或TMR元件的隧道阻當(dāng)層(介電層)的破壞，從而提高可靠性。
按照圖13的MRAM，流過位線154的電流對磁記錄層115的作用是使與來自字線152的電流磁場方向相反(例如容易磁化的軸方向)的電流磁場施加在該記錄層上。隨著該方向的電流磁場增強(qiáng)其控制能力提高，還可以使注入到磁記錄層115中的自旋電流進(jìn)一步減少，因而也可以如圖14所示，在位線154上形成與絕緣層155和位線154平行地延伸的第二字線156。按照圖14的MRAM，同時用流過TMR元件上的電流的方向改變和在第二字線156上流過的電流的方向變化，可以用比較小的電流重復(fù)使磁記錄層115的磁化反向。
圖15是與本發(fā)明有關(guān)的另一磁電阻元件的剖視圖。圖15所示的磁電阻元件是由第一反鐵磁層161、第一鐵磁層162、第一隧道絕緣層163、第二鐵磁層164，第一非磁性層165、第三鐵磁層166、第二非磁性層167、第四鐵磁層168、第二隧道絕緣層169、第五鐵磁層170、第二反鐵磁層171層疊構(gòu)成的鐵磁性雙結(jié)隧道結(jié)元件。
夾在第一隧道絕緣層163與第二隧道絕緣層169之間的第二鐵磁層164，第一非磁性層165，第三鐵磁層166，第二非磁性層167和第四鐵磁層168構(gòu)成磁記錄層172。第二和第三鐵磁層164、166通過第一非磁性層165抗磁性耦合，各自的磁化保持在反平行的狀態(tài)下。同樣，第三和第四鐵磁層166，168通過第二非磁性層167反鐵磁性耦合，各自的磁化保持在反平行狀態(tài)。
第一鐵磁層162與第一反鐵磁層161交換耦合，在圖中的箭頭所示方向上磁化鎖定，同樣，第五鐵磁層170與第二反鐵磁層171交換耦合，如圖中的箭頭所示那樣與第一鐵磁層162的磁化方向同一方向磁化鎖定。
在把外磁場沿規(guī)定方向加在該磁電阻元件上時，第二至第四鐵磁層164，166、168仍保持反鐵磁性耦合，沿外磁場方向磁化旋轉(zhuǎn)。另一方面，第一鐵磁層162和第五鐵磁層170通過分別與第一和第二反鐵磁層161、171的交換耦合在使第二至第四鐵磁層164、166、168的磁化旋轉(zhuǎn)的大小的外部磁場中不產(chǎn)生磁化旋轉(zhuǎn)鎖定。這樣，就可以把“1”或“0”的信息記錄在第二至第四鐵磁層164、166、168中。
這時，因?yàn)榇磐ㄔ谕ㄟ^第一非磁性層165和反鐵磁性耦合的第二和第三鐵磁層164、166之間閉合，并且磁通在通過第二非磁性層167和反鐵磁性耦合的第三和第四磁性層166、168之間閉合，所以即使使元件微細(xì)化，抗磁場也不會增加。因此，磁化反向所需要的反向磁場HSW幾乎與存儲單元的大小無關(guān)系，而由第二至第四鐵磁層164、166、168的矯頑力Hc決定。因此如果使Hc減少，則可以使HSW變小，從而使節(jié)能效果增加。矯頑力是單軸異性的，如果設(shè)Ku磁化的大小為M，則在理想情況用Hc＝2Ku/M來表示矯頑力。通過用單軸異性小的材料可以達(dá)到此目的。另外，因?yàn)榇磐ū环磋F磁性耦合的第二至第四鐵磁層164、166、168閉合，所以記錄數(shù)據(jù)相對干擾磁場是穩(wěn)定的。
另外，因?yàn)閳D15的磁電阻元件在磁記錄層172包含三層鐵磁層，所以磁記錄層172側(cè)的第二和第四鐵磁層164、168的磁化方向保持相同。在這種情況下，夾持第一隧道絕緣層163并與第二鐵磁層164對置的第一鐵磁層(磁化鎖定層)162和夾持第二隧道絕緣層169并與第四鐵磁層168對置的第五鐵磁層(磁化鎖定層)170磁化方向也保持相同。為了能這樣地使第一鐵磁層162與第五鐵磁層170的磁化方向相同，只需用同一種材料作為第一和第二反鐵磁層161，171，從而使反鐵磁性材料的選擇范圍變寬。
在此，為了使磁通在第二至第四鐵磁層164，166，168有效閉合，最好使第三鐵磁層166的磁化值M3與第二和第四鐵磁層164，168的相加后的磁化值M(2+4)相等。然而，因?yàn)樵贛3與M(2+4)的值為相同的情況下，記錄層的磁化旋轉(zhuǎn)變得困難，所以最好使這兩個磁化值有些不同。
例如，在用同種材料形成第二至第四鐵磁層時，使第三鐵磁層166的厚度T3與第二和第四鐵磁層164，168的合計厚度T(2+4)不同。這時T3與T(2+4)的差的絕對值最好在0.5nm以上和5nm以下的范圍內(nèi)。
另外，也可以通過使第二至第四鐵磁層164，166，168所用的材料不同來使M3與M(2+4)的值不同。
此外，也可以通過與反鐵磁性交換耦合的第二至第四鐵磁層164，166，168接觸，設(shè)置其它鐵磁層，使M3與M(2+4)的值不同。圖16的磁電阻元件除具有圖15的結(jié)構(gòu)外，還具有在通過第一和第二非磁性層164，167交換耦合的第二至第四鐵磁層164，166，168中與第四鐵磁層168接觸地設(shè)置鐵磁層168b的結(jié)構(gòu)。這時如采用例如坡莫合金、Fe、Co-Fe合金、Co-Fe-Ni合金等作為鐵磁層168b，則可以在比較弱的磁場下磁化反向，這是可取的。
按照本發(fā)明，如圖17所示那樣，可以用通過非磁性層162b使兩個鐵磁層162a、162b反鐵磁交換耦合的磁性疊層作為第一鐵磁層(磁化鎖定層)162，也可以用通過非磁性層170b使鐵磁層170a、170c反鐵磁性交換耦合的磁性疊層作為第五鐵磁層(磁化鎖定層)170。通過這樣的結(jié)構(gòu)可以使第一和第五鐵磁層162、170的磁化進(jìn)一步穩(wěn)定并有效地鎖定。并且，因?yàn)槭箒碜缘谝缓偷谖彖F磁層162、170的漏磁磁場減少，所以可以抑制對磁記錄層172的影響，增加記錄的穩(wěn)定性。
如果把包含上述那樣的磁電阻元件和晶體管的存儲單元配置成陣列狀，則可以構(gòu)成圖6所示那樣的MRAM。如果把包含上述磁電阻元件和二極管的存儲單元配置成陣列狀，則可以構(gòu)成如圖8所示那樣的MRAM。
除了用Co，F(xiàn)e，Co-Fe合金、Co-Ni合金、Co-Fe-Ni合金，作為第二至第四鐵磁層164，166，168的材料之外，還可以用NiMnSb、Co2MnGe等半金屬。因?yàn)榘虢饘僭谝粋€自旋能帶上存在能源，所以利用這些材料可以獲得比較大的磁電阻效應(yīng)，結(jié)果可以獲得更大的再生輸出。
另外，第二至第四鐵磁層164，166，168最好在膜面內(nèi)具有一個弱的磁各向異性的軸，如果單軸磁各向異性強(qiáng)時，則將使各鐵磁層的矯頑力變大，開關(guān)磁場變大，這是不可取的。一個單軸磁各向異性的大小在106erg/cm3以下，最好在105erg/cm3以下。各鐵磁層的優(yōu)選膜厚是1～10nm。
可以用Cu，Au，Ag，Cr，Ru，Ir，Al或它們的合金等多種合金作為介于第二至第四鐵磁層164，166，168之間產(chǎn)生反鐵磁性耦合的第一和第二非磁性層165，167的材料。特別優(yōu)選的是Cu，Ru，Ir，它們是可以獲得薄的膜厚和大的反鐵磁性耦合的材料。非磁性層的膜厚的優(yōu)選范圍是0.5～2nm。
如上所述，可以用Al2O3、NiO、二氧化硅、MgO等作為隧道絕緣層材料。隧道絕緣層的厚度優(yōu)選范圍是0.5～3nm。如上所述，可以用FeMn、IrMn、PtMn等作為反鐵磁層材料。
下面就適用本發(fā)明的磁電阻元件的磁電阻頭進(jìn)行說明。
圖18是搭載含有與本發(fā)明有關(guān)的鐵磁性雙隧道結(jié)的磁電阻頭的磁頭裝置的斜視圖。驅(qū)動臂201設(shè)置有用于被磁盤裝置內(nèi)的固定軸固定的凹槽，并且有保持圖中未示出的驅(qū)動線圈的繞線架等。驅(qū)動臂201的一端固定有吊架202。在吊架202的前端上安裝有搭載包括上述各形狀的鐵磁性雙隧道結(jié)元件的磁電阻頭的滑架203。在吊架202上鋪設(shè)寫入和讀出用的引線204，這些引線204的一端連接在組裝在磁頭滑架203上的磁電阻頭的每個電極上，引線204的另一端連接在電極座205上。
圖19是表示搭載圖18所示的磁頭裝置的磁盤裝置內(nèi)部構(gòu)造的斜視圖。磁盤211裝在軸212上，該軸通過響應(yīng)來自圖中沒有示出的驅(qū)動裝置控制器的控制信號的圖中未示出的電動機(jī)而旋轉(zhuǎn)。圖18的驅(qū)動臂201固定在固定軸213上，支持吊架202及其前端的磁電阻頭滑架203。當(dāng)磁盤211旋轉(zhuǎn)時，磁電阻頭滑架203的媒體的相反面保持在離開磁盤211的表面規(guī)定量浮動的狀態(tài)下，進(jìn)行信息的記錄和再生。在驅(qū)動臂201的基端上設(shè)置線性電動機(jī)中的一種的偏置線圈電動機(jī)214。偏置線圈電動機(jī)214由包括繞在驅(qū)動臂201的繞線軸上的未示出的驅(qū)動線圈和由為了夾持該線圈而對置配置的永久磁鐵和對置的磁軛組成的磁回路構(gòu)成。驅(qū)動臂201由設(shè)置在固定軸213的上下兩個位置上的未示出的球軸承支承，且借助偏置線圈電動機(jī)214可以自由地旋轉(zhuǎn)滑動。
在磁電阻頭的用途中，優(yōu)選的是采用第一、第二和第四鐵磁性雙隧道結(jié)元件(圖1、圖2和圖4)，更優(yōu)選的是采用第一鐵磁性雙隧道結(jié)元件。另外，在磁電阻頭的用途中，最好通過磁場中成膜或磁場中熱處理使相鄰的鎖定層與自由層的自旋幾乎垂直。如果這樣做，可以相對磁盤的漏磁獲得線性響應(yīng)。無論那種磁頭結(jié)構(gòu)都可使用后者的磁電阻元件。
實(shí)施例以下說明本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1現(xiàn)在說明在Si/SiO2基板或SiO2基板上制作具有圖1所示那樣結(jié)構(gòu)的兩種鐵磁性雙隧道結(jié)元件(試樣A和試樣B)的例子。
試樣A具有Ta底層、由Fe-Mn/Ni-Fe二層膜組成的第一反鐵磁層，CoFe組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層、由Co9Fe組成的第二鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由CoFe組成的第三鐵磁層、由Ni-Fe/Fe-Mn的二層膜組成的第二反鐵磁層、Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣B具有Ta底層，由Ir-Mn組成的第一反鐵磁層、由Co-Fe組成的第一鐵磁層，由Al2O3組成的第一介電層，由CoFe/Ni-Fe/CoFe三層膜組成的第二鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由CoFe組成的第三鐵磁層、由Ir-Mn組成的第二反鐵磁層、Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣A的制作如下將基板放入濺射裝置中，待初始真空度達(dá)到1×10-7乇之后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定壓力。在基板上順次層疊Ta(5nm)/Fe54Mn46(20nm)/Ni8Fe2(5nm)/CoFe(3nm)/Al2O3(1.7nm)/Co9Fe(3nm)/Al2O3(2nm)/CoFe(3nm)/Ni8Fe2(5nm)/Fe54Mn46(20nm)/Ta(5nm)。然后，在純Ar氣中利用Al靶成膜后，在不破壞真空的情況下導(dǎo)入氧，通過曝露在等離子氧中形成Al2O3。
上述疊層膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。
接著，除去第一保護(hù)層圖形后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上部分的Co9Fe/Al2O3/CoFe/Ni-Fe/Fe-Mn/Ta。保留第二保護(hù)層不動，利用電子束蒸鍍淀積厚度為300nm的Al2O3后，除去第二保護(hù)層圖形及其上面的Al2O3，在結(jié)合部以外的部分上形成層間絕緣層。
接著，形成覆蓋電極配線形成區(qū)以外的區(qū)域的第三保護(hù)層圖形后，對著表面進(jìn)行濺射清洗，然后，在整個面上沉積Al，再除去第三保護(hù)層圖形及其上面的Al形成Al電極配線。然后導(dǎo)入磁場中的熱處理爐中，向鎖定層引入單向異性。
試樣B的制作如下。將基板放入濺射裝置中，在達(dá)到初始真空度1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定壓力。然后，在基板上順次層疊Ta(5nm)/Ir22Mn78(20nm)/CoFe(3nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1nm)/Ni8Fe2(tnm，t＝1，2或3nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.8nm)/CoFe(3nm)Ir22Mn78(20nm)/Ta(5nm)。再按上述同樣方法形成Al2O3。
上述層疊膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。除去第一保護(hù)層圖形后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工Al2O3以上部分的CoFe/Ni8Fe2/CoFe/Al2O3/CoFe/Ir22Mn78/Ta。接著與上述方法相同形成Al2O3層間絕緣膜，形成Al電極配線，向鎖定層引入單向異性。
另外，為了比較起見，制作以下這樣的試樣C和試樣D。
試樣C是鐵磁性單隧道結(jié)元件，具有Ta/Ir-Mn/CoFe/Al2O3/CoFe/Ni-Fe/Ta層疊結(jié)構(gòu)。
試樣D是不含反鐵磁層的鐵磁性雙隧道結(jié)元件，具有Ta(5nm)/CoPt(20nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1nm)/Ni8Fe2(3nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.8nm)/CoPt(20nm)/Ta(5nm)層疊結(jié)構(gòu)。
在圖20中示出了試樣A和B的磁電阻效應(yīng)曲線。試樣A在250奧斯特這樣弱的磁場中得到了MR變化率為27％。顯然，對于試樣B，通過改變自由層(磁記錄層)中的Ni8Fe2和CoFe的膜厚比可以控制反向磁場。即Ni8Fe2的膜厚為1nm，2nm，3nm時，分別在16奧斯特、36奧斯特、52奧斯特這樣弱的磁場下阻抗逐漸變大，可以獲得26％以上的MR變化率。
圖21示出了試樣A、B和C的MR變化率與所施加電壓的相互關(guān)系。該圖是按電壓為OV時的變化率的值規(guī)一化示出的。從該圖中可以清楚地看出，試樣A和B的磁電阻變化率降到一半時的電壓V1/2比試樣C的V1/2高，隨著電壓的增加，MR的磁電阻變化率逐漸減少。
接著把試樣A、B和D放置在螺線管線圈中，在脈沖磁場70奧斯特中進(jìn)行磁化鎖定層的磁記錄狀態(tài)的疲勞試驗(yàn)。圖22示出了試樣A、B和D的脈沖磁場的反向次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系。在該圖中，輸出電壓按初始的輸出電壓值規(guī)一化。從圖中可以明顯看出，對于試樣D，輸出電壓隨脈沖磁場反向次數(shù)增加明顯地下降。與此相反，對試樣A和B，沒有發(fā)現(xiàn)鎖定層的磁記錄狀態(tài)疲勞。
如上所述，顯然，具有圖1結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)元件在用于磁存儲裝置磁頭裝置情況下顯示出良好的性能。
另外，在利用SiO2、AlN、MgO、LaAlO3或CaF2作為介電層的情況下也發(fā)現(xiàn)同樣的傾向。
實(shí)施例2下面說明在Si/SiO2基板或SiO2基板上制作具有圖2所示那樣的結(jié)構(gòu)的二種鐵磁性雙隧道結(jié)元件(試樣A2和B2)的例子。
試樣A2具有Ta底層、由Ni-Fe/CoFe二層膜組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層、由CoFe組成的第二鐵磁層、由Ir-Mn組成的反鐵磁層、由CoFe組成的第三鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由CoFe/Ni-Fe二層膜組成的第四鐵磁層、和Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣B2具有Ta底層，由Ni-Fe/Ru/CoFe三層膜組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層，由CoFe/Ni-Fe二層膜組成的第二鐵磁層、由Fe-Mn組成的第一反鐵磁層、由Ni-Fe/CoFe二層膜組成的第三鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由CoFe/Ru/Ni-Fe組成的第四鐵磁層和Ta保護(hù)層層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣A2按下述方式制作將基板放入濺射裝置中，待初始真空度達(dá)到1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，待達(dá)到規(guī)定壓力后，在基板上順次層疊Ta(3nm)/Ni81Fe19(tnm，t＝3、5或8nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.2nm)/CoFe(1nm)/Ir22Mn78(17nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.6nm)/CoFe(1nm)/Ni81Fe19(tnm，t＝3、5或8nm)和Ta(5nm)。并且，在純Ar氣中利用Al靶形成Al膜后，在不破壞真空的情況下導(dǎo)入氧，通過曝露在等離子氧中形成Al2O3。
形成上述層疊膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定的下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。接著，除去第一保護(hù)層圖形，然后利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上部分的CoFe/Ir-Mn/CoFe/Al2O3/CoFe/Ni-Fe/Ta。保留第二保護(hù)層圖形不動，利用電子束蒸鍍沉積厚度為300nm的Al2O3，然后，除去第二保護(hù)層圖形及其上面的Al2O3，在結(jié)合部以外的部分上形成層間絕緣膜。
接著，形成覆蓋電極配線形成區(qū)以外的區(qū)域的第三保護(hù)層圖形后，對著表面進(jìn)行濺射清洗，然后，在整個面上沉積Al，再除去第三保護(hù)層圖形及其上面的Al形成Al電極配線。然后導(dǎo)入磁場中的熱處理爐中，向鎖定層引入單向異性。
試樣B2按下述步驟制作。將基板放入濺射裝置中，待初始真空度達(dá)到1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定壓力。然后，在基板上順次形成Ta(2nm)/Ni81Fe19(6nm)/Ru(0.7nm)/Co4Fe6(3nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1nm)/Ni81Fe19(1nm)/Fe54Mn46(20nm)/Ni81Fe19(1nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.7nm)/Co4Fe6(3nm)/Ru(0.7nm)/Ni81Fe19(6nm)/Ta(5nm)層疊。通過與上述同樣方法形成Al2O3。
上述層疊膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。除去第一保護(hù)層圖形后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工Al2O3以上部分的CoFe/Ni81Fe19/Fe54Mn46/Ni81Fe19/CoFe/Al2O3/Co4Fe6/Ru/Ni81Fe19/Ta。然后用上述相同方法形成Al2O3層間絕緣膜、Al電極配線，在鎖定層上引入單方向異性。
另外，為了比較起見，制作下述這樣的試樣C2和試樣D2。
試樣C2是鐵磁性單隧道結(jié)元件，具有Ta(3nm)/Ni81Fe19(5nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.2nm)/CoFe(1nm)/Ir22Mn78(17nm)/CoFe(1nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
試樣D2是不含反鐵磁層的鐵磁性雙隧道結(jié)元件，它具有Ta(3nm)/Ni81Fe19(5nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.2nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.6nm)/CoFe(1nm)/Ni81Fe19(5nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
在圖23中示出了試樣A2和B2的磁電阻效應(yīng)曲線。對于試樣A2，顯然可以通過改變在自由層(磁記錄層)中的Ni8Fe2和CoFe膜厚度比控制反向磁場。即Ni8Fe2的膜厚為3nm、5nm和8nm時，分別在15奧斯特、26奧斯特和38奧斯特的弱磁場下電阻逐漸變化，可以獲得26％以上的MR變化率。試樣B2在39奧斯特的弱磁場下，可以得到26％以上的MR變化率。
圖24示出了試樣A2、B2和C2的MR變化率與施加電壓的相互關(guān)系。該圖曲線是用MR變化率在電壓為零V時的值規(guī)一化示出的。從圖中可以明顯地看出，試樣A2和B2的磁電阻變化率降到一半時的電壓V1/2比試樣C2的V1/2大，隨著電壓的增加，MR變化率逐漸減少。
接著把試樣A2、B2和D2放置在螺線管線圈中，在脈沖磁場為70奧斯特中進(jìn)行磁化鎖定層中的磁記錄狀態(tài)的疲勞試驗(yàn)。圖25示出了試樣A2、B2和D2的脈沖磁場的反向次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系。在圖中和輸出電壓按初始的輸出電壓值規(guī)一化。從圖中可以明顯看出，對試樣D2，輸出電壓隨脈沖磁場反向次數(shù)增加明顯地下降。與此相反試樣A2和B2沒有發(fā)現(xiàn)磁化鎖定層的記錄狀態(tài)的疲勞。另外如將試樣A2和B2相比較，則利用反鐵磁性耦合的Co4Fe6/Ru/Ni81Fe19的三層結(jié)構(gòu)作為自由層的試樣B2的疲勞小。
顯然，如上所述，具有圖2結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)元件用在磁存儲裝置，磁頭中時顯示出良好的性能。
另外，在利用SiO2，AlN、MgO、LaAlO3或CaF2作為介電層的情況下也發(fā)現(xiàn)與上述相同的傾向。
實(shí)施例3下面說明在Si/SiO2基板或Si/Al2O3基板上制作具有圖3所示的結(jié)構(gòu)的二種鐵磁性雙隧道結(jié)元件(試樣A3和B3)的例子。
試樣A3具有Ta底層、由Ir-Mn組成的第一反鐵磁層、由Co-Fe組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層、由Co-Fe-Ni組成的第二鐵磁層、由Fe-Mn組成的第二反鐵磁層、由Co-Fe-Ni組成的第三鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由Co-Fe組成的第四鐵磁層，由Ir-Mn組成的第三反鐵磁層和Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣B3具有Ta底層、由Ir-Mn組成的第一反鐵磁層、由Co-Fe/Ru/Co-Fe三層膜組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層，由CoFe/Ni-Fe二層膜組成的第二鐵磁層、由Fe-Mn組成的第二反鐵磁層、由Ni-Fe/CoFe二層膜組成的第三鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由Co-Fe/Ru/Co-Fe三層膜組成的第四鐵磁層、由Ir-Mn組成的第三反鐵磁層和Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣A3按以下方式制作將基板放入濺射裝置中，待設(shè)定的初始真空度1×10-7乇達(dá)到后，導(dǎo)入Ar，待達(dá)到規(guī)定壓力后，在基板上順次層疊Ta(5mm)/Ir22Mn78(18nm)/CoFe(2nm)/Al2O3(1.7nm)/Co5Fe1Ni4(2nm)/Fe1Mn1(17nm)/Co5Fe1Ni4(2nm)/Al2O3(2nm)/CoFe(2nm)/Ir22Mn78(18nm)/Ta(5nm)。然后，在純Ar氣中利用Al靶形成Al膜，然后在不破壞真空的情況下導(dǎo)入氧，通過曝露到氧等離子體中形成Al2O3。
上述層疊膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定的下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。
接著，在除去第一保護(hù)層圖形后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上部分的Co5Fe1Ni4/Fe1Mn1/Co5Fe1Ni4/Al2O3/CoFe/Ir22Mn78/Ta。原封不動地保持第二保護(hù)層圖形，利用電子束蒸鍍，沉積厚度為350nm的Al2O3膜，然后除去第二保護(hù)層圖形及其上面的Al2O3，在結(jié)合部以外的部分上形成層間絕緣膜。
接著，在形成覆蓋電極配線形成區(qū)域以外的區(qū)域的第三保護(hù)層圖形后，對著表面濺射，進(jìn)行清潔。在整個表面沉積Al后，除去第三電極圖形及其上面的Al，形成Al電極配線。然后導(dǎo)入磁場中的熱處理爐中。在鎖定層中引入單向異性。
試樣B3按下述方法制作。將基板放入濺射裝置中，待初始真空度達(dá)到1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，待達(dá)到規(guī)定壓力后，在基板上順次層疊Ta(3nm)/Ir-Mn(14nm)/Co-Fe(1.5nm)/Ru(0.7nm)/Co-Fe(1.5nm)/Al2O3(1.7nm)/CoFe(1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Fe45Mn55(19nm)/Ni81Fe19(2nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(2.1nm)/Co9Fe(2nm)/Ru(0.8nm)/Co9Fe(2nm)/Ir-Mn(14nm)/Ta(5nm)。用與上述同樣方法形成Al2O3。
上述疊層膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。接著，除去第一保護(hù)層圖形后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上部分CoFe/Ni81Fe19/Fe45Mn55/Ni81Fe19/CoFe/Al2O3/Co9Fe/Ru/Co9Fe/Ir-Mn/Ta。接著與上相同地形成Al2O3層間絕緣膜，形成Al電極配線，向鎖定層引入單方向異性。
為了比較起見，制作以下的試樣C3和試樣D3。
試樣C3是鐵磁性單隧道結(jié)元件，具有Ta(3nm)/Ir-Mn(14nm)/Co-Fe(1.5nm)/Ru(0.7nm)/Co-Fe(1.5nm)/Al2O3(1.7nm)/CoFe(1nm)/Ni81Fe19(2nm)/Fe45Mn55(19nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
試樣D3是不含反鐵磁層的鐵磁性雙隧道結(jié)元件，它具有Ta(5nm)/Co8Pt2(15nm)/CoFe(2nm)/Al2O3(1.7nm)/Co5Fe1Ni4(2nm)/Al2O3(2nm)/CoFe(2nm)/Co8Pt2(15nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
圖26示出了試樣A3和B3的磁電阻效應(yīng)曲線。試樣A3在57奧斯特的弱磁場下得到MR變化率為26％。試樣B3在63奧斯特弱磁場下得到MR變化率為27％。
圖27示出了試樣A3、B3和C3的MR變化率與施加電壓的依賴關(guān)系。圖中按MR變化率在零V時的值規(guī)一化表示出。顯然試樣A3和B3的磁電阻變化率值降到一半時的電壓V1/2比C3的V1/2大，MR變化率隨著電壓的增大而減少。
接著把試樣A3、B3和D3放置在螺線管線圈中，在脈沖磁場75奧斯特中進(jìn)行磁化鎖定層的磁記錄狀態(tài)的疲勞試驗(yàn).圖28示出了試樣A3、B3和D3的脈沖磁場的反向次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系。在該圖中，輸出電壓按初始的輸出電壓值規(guī)一化。從圖中可以明顯看出，對于試樣D，輸出電壓隨脈沖磁場反向次數(shù)增加明顯地下降。與此相反，對試樣A和B，沒有發(fā)現(xiàn)鎖定層的磁記錄狀態(tài)的疲勞。另外，將試樣A3和B3比較，利用反鐵磁性耦合的Co9Fe/Ru/Co9Fe三層結(jié)構(gòu)作為自由層的試樣B3的疲勞少。
如上所述，顯然，具有圖3結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)元件在用于磁存儲裝置磁頭裝置情況下顯示出良好的性能。
另外，在利用SiO2、AlN、MgO、LaAlO3或CaF2作為介電層的情況下也發(fā)現(xiàn)同樣的傾向。
實(shí)施例4下面說明在Si/SiO2基板或Si/AlNO2基板上制作具有圖4或圖5所示那樣的結(jié)構(gòu)的二種鐵磁性雙隧道結(jié)元件(試樣A4和B4)的例子。
試樣A4具有Ta底層、由Ni-Fe/Co-Fe二層膜組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層、由Co-Fe組成的第二鐵磁層、由Ru組成的第一非磁性層、由Co-Fe組成的第三鐵磁層、由Ru組成的第二非磁性層、由Co-Fe組成的第四鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由Co-Fe/Ni-Fe二層膜組成的第五鐵磁層、Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣B4具有Ta底層，由Ni-Fe/Co-Fe二層膜組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層、由Co-Fe組成的第二鐵磁層、由Ru組成的第一非磁性層、Co-Fe鐵磁層/Ir-Mn反鐵磁層/Co-Fe鐵磁層，由Ru組成的第二非磁性層，由Co-Fe組成的第四鐵磁層，由Al2O3組成的第二介電層、由Co-Fe/Ni-Fe二層膜組成的第五鐵磁層，Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣A4按下述方法制作將基板放入濺射裝置中，待達(dá)到設(shè)定的初始真空度1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定壓力，在基板上順次層疊Ta(5mm)/Ni81Fe19(16nm)/Co4Fe6(3nm)/Al2O3(1.7nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.7nm)/CoFe(2nm)/RU(0.7nm)/CoFe(2nm)/Al2O3(2nm)/Co4Fe6(3nm)/Ni81Fe19(16nm)/Ta(5nm)。在純Ar氣體中用Al靶成膜Al后，在不破壞真空的情況下導(dǎo)入氧，通過曝露到氧等離子中形成Al2O3。
上述層疊膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定的下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。
接著，在除去第一保護(hù)層圖形后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上部分的CoFe/Ru/CoFe/Ru/CoFe/Al2O3/CoFe6/Ni81Fe19/Ta原封不動地保持第二保護(hù)層圖形，利用電子束蒸鍍，沉積厚度為300nm的Al2O3膜，然后除去第二保護(hù)層圖形及其上面的Al2O3，在結(jié)合部以外的部分上形成層間絕緣膜。
接著，在形成覆蓋電極配線形成區(qū)域以外的區(qū)域的第三保護(hù)層圖形后，對著表面濺射，進(jìn)行清潔。在整個表面沉積Al后，除去第三電極圖形及其上面的Al，形成Al電極配線。然后導(dǎo)入磁場中的熱處理爐中。在鎖定層中引入單向異性。
試樣B4按下述方法制作。將基板放入濺射裝置中，待初始真空度達(dá)到1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，待達(dá)到規(guī)定壓力，在基板上順次形成Ta(5mm)/Ni81Fe19(15nm)/Co9Fe(2nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1.5nm)/Ru(0.7nm)/CoFe(1.5nm)/Ir-Mn(14nm)/CoFe(1.5nm)/Ru(0.7nm)/CoFe(1.5nm)/Al2O3(2nm)/Co9Fe(2nm)/Ni81Fe19(15nm)/Ta(5nm)疊層。通過與上述相同的方法形成Al2O3。
上述疊層膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成100μm寬的規(guī)定下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。接著，除去第一保護(hù)層圖形后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的第二保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上部分的CoFe/Ru/CoFe/Ir-Mn/CoFe/Ru/CoFe/Al2O3/Co9Fe/Ni81Fe19/Ta。接著按上述相同方法形成Al2O3層間絕絕膜，形成Al電極配線，在鎖定層引入單向異性。
另外，為了比較起見，制作如下所述的試樣C4和試樣D4。
試樣C4是鐵磁性單隧道結(jié)元件，具有Ta(5nm)/Ni81Fe19(16nm)/Co4Fe6(3nm)/Al2O3(1.7nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.7nm)/CoFe(2nm)/Ru(0.7nm)/CoFe(2nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
試樣D4是沒有反鐵磁層結(jié)合的鐵磁性雙隧道結(jié)元件，具有Ta(5nm)/Ni81Fe19(16nm)/Co4Fe6(3nm)/Al2O3(1.7nm)/CoFe(6nm)/Al2O3(2nm)/Co4Fe6(3nm)/Ni81Fe19(16nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
在圖29中示出了試樣A4和B4的磁電阻效應(yīng)曲線。對于試樣A4在33奧斯特弱磁場下，獲得MR變化率為28％，試樣B4在18奧斯特的弱磁場下獲得MR變化率為26％。
圖29示出了試樣A4、B4和C4的MR變化率與所施加電壓的相互關(guān)系。該圖是按電壓為OV時的變化率的值規(guī)一化示出的。從該圖中可以清楚地看出，試樣A4和B4的磁電阻變化率降到一半時的電壓V1/2比試樣C4的V1/2高，隨著電壓的增加，MR的磁電阻變化率逐漸減少。
接著把試樣A4、B4和D4放置在螺線管線圈中，在脈沖磁場40奧斯特中進(jìn)行磁化鎖定層的磁記錄狀態(tài)的疲勞試驗(yàn)。圖31示出了試樣A4、B4和D4的脈沖磁場的反向次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系。在該圖中，輸出電壓按初始的輸出電壓值規(guī)一化。從圖中可以明顯看出，對于試樣D4，輸出電壓隨脈沖磁場反向次數(shù)增加明顯下降。與此相反，對試樣A4和B4，沒有發(fā)現(xiàn)鎖定層的磁記錄狀態(tài)的疲勞。另外試樣A4與B4相比，利用在磁化鎖定層插入反鐵磁層的CoFe/Ir/CoFe/Ir-Mn/CoFe/Ir/CoFe的七層結(jié)構(gòu)的試樣B4的疲勞小。
如上所述，顯然，具有圖4結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)元件在用于磁存儲裝置、磁頭裝置情況下顯示出良好的性能。
另外在利用SiO2、AlN、MgO、LaAlO3或CaF2作為介電層的情況下也發(fā)現(xiàn)與上述相同的傾向。
實(shí)施例5假定圖7或圖9所示的MRAM，說明在Si/SiO2或SiO2基板上制作具有圖32中所示結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)元件(試樣A5和B5)的例子。
試樣A5具有Ta底層、由Fe-Mn組成的第一反鐵磁層、由Ni-Fe/Co-Fe二層膜組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層、由Co9Fe組成的第二鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由Co-Fe組成的第三鐵磁層、位線(由Ni-Fe組成的第三鐵磁層，由Fe-Mn組成的第二反鐵磁層，由Al組成的金屬層)順次層疊的結(jié)構(gòu)。
試樣B5具有由Ta組成的底層，由Ir-Mn組成的第一反鐵磁層、由Co-Fe組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層，由Co-Fe/Ni-Fe/Co-Fe三層膜組成的第二鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由Co-Fe組成的第三鐵磁層、位線(由Co組成的第三鐵磁層、由Ir-Mn組成的第二反鐵磁層、由Al組成的金屬層)順次層疊的結(jié)構(gòu)。
如圖32所示，試樣A5和B5兩者中的任何一個的結(jié)合面積比第二反鐵磁性膜的面積大。
試樣A5按下述方法制作將基板放入濺射裝置中，待達(dá)到初始的真空度1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定壓力，在基板上順次層疊Ta(5nm)/Fe54Mn46(18nm)/Ni8Fe2(5nm)/CoFe(2nm)/Al2O3(1.7nm)/Co9Fe(3nm)/Al2O3(2nm)/CoFe(2nm)/Ta(5nm)。在純Ar氣體中用Al靶成膜Al后，在不破壞真空的情況下導(dǎo)入氧，通過曝露到氧等離子中形成Al2O3。
上述層疊膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成50μm寬的規(guī)定的下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。
接著在除去第一保護(hù)層圖形后，在最上部的Ta保護(hù)層上涂敷電子束保護(hù)層，利用電子束(EB)掃描裝置對第一Al2O3以上的各層進(jìn)行微細(xì)加工，制作結(jié)合面積1×1μm2，0.5×0.5μm2，0.15×0.15μm2的鐵磁性隧道結(jié)，原封不動地保留電子射線保護(hù)圖形，利用電子束蒸鍍沉積厚度為300nm的Al2O3，然后除去電子射線保護(hù)層圖形及其上面的Al2O3，在結(jié)合部以外的部分上形成層間絕緣膜。
接著在形成覆蓋電極配線形成區(qū)域以外的區(qū)域的第三保護(hù)層圖形后，對著表面進(jìn)行濺射清洗，再除去Ta層，然后順次層疊Ni8Fe2(5nm)/Fe54Mn46(18nm)/Al(5nm)作為位線的電極配線。除去第三保護(hù)層圖形及其上部的電極配線。然后引導(dǎo)到磁場中的熱處理爐中，在鎖定層上引入單向異性。
試樣B5按以下方法制作。將基板放入濺射裝置中，待達(dá)到設(shè)定的初始真空度1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定壓力。在基板上順次形成Ta(5nm)/Ir22Mn78(18nm)/CoFe(3nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1nm)/Ni8Fe2(3nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.8nm)/CoFe(3nm)Ta(5nm)疊層。通過與上述同樣方法形成Al2O3。
上述層疊膜成膜后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成50μm寬的規(guī)定的下部配線形狀的第一保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。
接著在除去第一保護(hù)層圖形后，在最上部的Ta保護(hù)層上涂敷電子束保護(hù)層，利用電子束(EB)掃描裝置對第一Al2O3以上的各層進(jìn)行微細(xì)加工，制作結(jié)合面積1×1μm2，0.5×0.5μm2，0.15×0.15μm2的鐵磁性隧道結(jié)，原封不動地保留電子射線保護(hù)圖形，利用電子束蒸鍍沉積厚度為300nm的Al2O3，然后除去電子射線保護(hù)層圖形及其上面的Al2O3，在結(jié)部以外的部分上形成層間絕緣膜。
接著在形成覆蓋電極配線形成區(qū)域以外的區(qū)域的第三保護(hù)層圖形后，對著表面進(jìn)行濺射清洗，再除去Ta層，然后順次層疊Co/Ir22Mn78(18nm)/Al(5nm)作為位線的電極配線。除去第三保護(hù)層圖形及其上部的電極配線。然后引導(dǎo)到磁場中的熱處理爐中，在鎖定層上引入單向異性。
為了比較起見，制作以下的試樣C5，試樣D5和試樣E5。
試樣C5是鐵磁性單隧道結(jié)元件，具有Ta(5nm)/Ir22Mn78(18nm)/CoFe(3nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1nm)/Ni8Fe2(3nm)/CoFe(1nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
試樣D5與試樣B5的結(jié)構(gòu)相同，即具有Ta(5nm)/Ir22Mn78(18nm)/CoFe(3nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1nm)/Ni8Fe2(3nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.8nm)/CoFe(3nm)/Ir22Mn78(18nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)?？墒桥c圖32的結(jié)構(gòu)不同，由上部的IrMn組成的第二反鐵磁層(和Ta保護(hù)層)的面積也加工成與結(jié)合面積相同。并且，位線只由Al層構(gòu)成。
試樣E5是不含反鐵磁層的鐵磁性雙隧道結(jié)元件，具有Ta(5nm)/CoFePt(13nm)/Al2O3(1.5nm)/CoFe(1nm)/Ni8Fe2(3nm)/CoFe(1nm)/Al2O3(1.8nm)/CoFePt(13nm)/Ta(5nm)這樣的層疊結(jié)構(gòu)。
圖33中示出了試樣A5和B5的磁電阻效應(yīng)曲線。試樣A5在29奧斯特的弱磁場下的MR變化率的測量值是28％，試樣B5在39奧斯特的弱磁場下的MR變化率的測量值是27％。
圖34示出了試樣A5、B5和C5的MR變化率與施加電壓的依賴關(guān)系。在該圖的曲線中，MR變化率是按電壓為零V時的值規(guī)一化示出的。從圖中可以明顯地看出，試樣A5和B5的磁電阻變化率的值降到一半時的電壓V1/2比試樣C5的V1/2大，并且MR變化率隨著電壓的增加而減少。
接著把試樣A5、B5和D5和E5放置在螺線管線圈中，在脈沖磁場為70奧斯特中進(jìn)行磁化鎖定層中的磁記錄狀態(tài)的疲勞試驗(yàn)。圖35示出了試樣A5、B5和D5和E5的脈沖磁場的反向次數(shù)與輸出電壓的關(guān)系。在圖中，輸出電壓按初始的輸出電壓值規(guī)一化。從圖中可以明顯看出，對試樣E5，輸出電壓隨脈沖磁場反向次數(shù)增加明顯地下降。試樣D5顯示出結(jié)合面積越少，疲勞越嚴(yán)重的傾向，一般認(rèn)為結(jié)合面積少時，由加工損傷使上部磁化鎖定層性能下降。與此相反，對試樣A5和B5沒有發(fā)現(xiàn)磁化鎖定層的記錄狀態(tài)的疲勞。因此，顯然如圖32所示那樣上部反鐵磁層作為位線的一部分的結(jié)構(gòu)是有利的。
如上所述，顯然，具有圖32結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)元件在用于磁存儲裝置、磁頭裝置情況下顯示出良好的性能。
另外，在利用SiO2、AlN、MgO、LaAlO3或CaF2作為介電層的情況下也發(fā)現(xiàn)同樣的傾向。
實(shí)施例6用與實(shí)施例1～4同樣的方法，在Si/SiO2基板或SiO2基板上制作具有圖1～圖4所示的基本結(jié)構(gòu)的鐵磁性雙隧道結(jié)元件。在表1中示出了這些元件的層疊結(jié)構(gòu)?？梢杂肨a、Ti、Ti/Pt、Pt、Ti/Pd、Ta/Pt、Ta/Pd、TiNx中任何一種材料作底層和保護(hù)層。
在表1中示出了這些試樣的MR變化率降到1/2的電壓值V1/2使自由層(磁記錄層)100000次反向時的輸出值與初始輸出值的比。對任何一種試樣都得到大的MR變化率，MR隨著電壓的變化率減少的程度也比鐵磁性隧道結(jié)元件小，并且即使使自由層(磁記錄層)反復(fù)磁化，輸出電壓也基本上不下降，疲勞也小。
因此，顯然把這些元件用作磁電阻型磁頭、檢測器、磁存儲元件是有利的。
表1
另外，按照本發(fā)明能夠產(chǎn)生各層間的原子擴(kuò)散和混合。例如在濺射時使濺射流強(qiáng)度變大，則認(rèn)為NiFe合金層、Co基合金層，或者在這些合金層與非磁性層或反鐵磁層之間的原子發(fā)生擴(kuò)散。并且還與溫度和時間有關(guān)，一般認(rèn)為用熱處理也能發(fā)生同樣的原子擴(kuò)散。即使發(fā)生這樣的原子擴(kuò)散，構(gòu)成各層的材料仍顯示出本發(fā)明需要的磁性能，只要包含在明確列出的材料范圍內(nèi)，就在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
實(shí)施例7下面說明在Si/SiO2基板或SiO2基板上制作具有如圖1所示那樣結(jié)構(gòu)且自由層厚度不同的三種鐵磁性雙隧道結(jié)元件(試樣T1、T2和T3)。
試樣T1具有Ta底層、由Fe-Mn/Ni-Fe二層膜組成的第一反鐵磁層、由CoFe組成的第一鐵磁層、由Al2O3組成的第一介電層、由Co9Fe組成的第二鐵磁層、由Al2O3組成的第二介電層、由CoFe組成的第三鐵磁層、由Ni-Fe/Fe-Mn二層膜組成的第二反鐵磁層、Ta保護(hù)層順次層疊的結(jié)構(gòu)，作為自由層的Co9Fe組成的第二鐵磁層的膜厚設(shè)定為2.5nm。
試樣T1按下述方法制作將基板放入濺射裝置中，當(dāng)達(dá)到設(shè)定初始真空度1×10-7乇后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定的壓力后，在基板上順次層疊Ta(5mm)/Fe54Mn46(20nm)/Ni8Fe2(5nm)/CoFe(3nm)/Al2O3(1.7nm)/Co9Fe(2.5nm)/Al2O3(2nm)/CoFe(3nm)/Ni8Fe2(5nm)/Fe54Mn46(20nm)/Ta(5nm)。然后，在純Ar氣體中，利用Al靶成膜后，導(dǎo)入不破壞真空的氧，通過曝露在氧等離子中形成Al2O3。
上述層疊膜形成后，利用光刻技術(shù)在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定的100μm寬的下部配線形狀的保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)進(jìn)行加工。
接著，除去保護(hù)層圖形，然后利用光刻技術(shù)或電束蝕刻技術(shù)和RIE在最上部的Ta保護(hù)層上形成規(guī)定結(jié)尺寸的Ti硬掩膜，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上的部分的Co9Fe/Al2O3/CoFe/Ni-Fe/Fe-Mn/Ta。通過該工序使結(jié)合寬度發(fā)生不同的變化，在形成結(jié)合寬度為1μm以下的元件的情況下，利用電子束蝕刻技術(shù)。在結(jié)合部以上形成保護(hù)層圖形，利用濺射法或等離子CVD法沉積厚度為300nm的SiO2，然后除去保護(hù)層圖形及其上面的SiO2，以便在結(jié)合部以外形成層間絕緣膜。
接著，形成覆蓋電極配線的形成區(qū)域以外的區(qū)域的第三保護(hù)層圖形，然后，對著表面濺射進(jìn)行清洗，在整個面上沉積Al，除去保護(hù)層圖形及其上面的Al，形成Al電極配線。然后導(dǎo)入磁場中的熱處理爐中，在自由層上引入單向異性。
試樣T2除了作為自由層的Co9Fe組成的第二鐵磁層的膜厚為7nm以外，與試樣T1的制作方法相同。
試樣T3除了由作為自由層的Co9Fe組成的第二鐵磁層的膜厚為17nm以外，與試樣T1的制作方法相同。
圖36就試樣T1、T2和T3示出了元件的結(jié)合寬度與自由層的反向磁場的關(guān)系。在該圖中，橫軸表示結(jié)合寬度W的倒數(shù)(1/W)，如圖36所示那樣，無論哪一個試樣的反向磁場都是隨著結(jié)合寬度的減少而增加。這意味在MRAM應(yīng)用中寫入時的電功率的消耗隨著結(jié)合寬度的減少而增加。然而在自由層膜厚薄的試樣T1中，直線的斜率小，隨著結(jié)寬的減少反向磁場的增加受到限制。另外，在自由層的膜厚比較厚的試樣T2和T3中，隨著結(jié)寬的減少反向磁場的增加顯著，在MRAM應(yīng)用中寫入時的電功率消耗顯著增加。在此，著眼于用當(dāng)前的加工技術(shù)獲得的結(jié)合寬0.25μm(1/W＝4)的元件比較反向磁場。對試樣T1，反向磁場小于100奧斯特，還能適應(yīng)今后進(jìn)行的微細(xì)化。另外，對試樣T2和T3，反向磁場超過100奧斯特，用在MRAM中寫入時的電功率消耗已相當(dāng)高了，很難對應(yīng)進(jìn)一步的微細(xì)化。
圖37示出了試樣T1，T2和T3的MR變化率與施加電壓的關(guān)系。該圖中的MR變化率是按電壓為零V時的值規(guī)一化示出的。對于自由層的膜厚薄的試樣T1，MR變化率的值降到一半時的偏磁電壓V1/2超過9.9V，偏磁的依存性受到抑制。另外，對于自由層的膜厚比較厚的試樣T2和T3，如果與鐵磁性單隧道結(jié)元件相比，偏磁依賴性小，V1/2不足0.8V，與試樣T1相比明顯差。
從圖36和圖37可以明顯看出，自由層的厚度越薄，越能抑制隨著結(jié)合微細(xì)化的反向磁場的增加，還能改善偏磁的依賴性。如果自由層的厚度在5nm以下，則0.25μm的通常元件的反向磁場可以被抑制在100奧斯特以下，并且還可以改善MR變化率與偏磁的依賴性。然而，如果自由層的厚度不足1nm時，則自由層變得不連續(xù)，因鐵磁性粒子擴(kuò)散在介電層中而有變成所謂的顆粒結(jié)構(gòu)的擔(dān)心，其結(jié)果使結(jié)的性能控制變得困難，因微粒的大小在室溫下變成超常磁性，還引起了MR變化率嚴(yán)重下降的問題。因此自由層的厚度最好為1～5nm。
實(shí)施例8下面說明在Si/SiO2基板上制作圖14所示那樣結(jié)構(gòu)的MRAM的例子。在Si基板151上利用等離子CVD形成SiO2膜，利用波形花紋工藝形成字線152，即涂敷保護(hù)層，利用光刻形成字線圖形，利用RIE在SiO2上加工凹槽，利用鍍敷法在凹槽內(nèi)埋入Cu，然后通過CMP進(jìn)行平坦化，形成字線152。然后，利用等離子CVD在字線152上形成厚度為250nm的SiO2層間絕緣膜。
將該試樣放入濺射裝置中，待達(dá)到設(shè)定的初始真空度3×10-8乇后，導(dǎo)入Ar，達(dá)到規(guī)定的壓力后。在SiO2層間絕緣膜上層疊Ta底層/Cu(50nm)/Ni81Fe19(5nm)/Ir22Mn78(12nm)/Co50Fe50(3nm)/Al2O3(1nm)/Co9Fe10(2nm)/Ni81Fe19(1nm)/Co90Fe10(2nm)/Ru(0.9nm)/Co90Fe10(2nm)/Ni81Fe19(1nm)/Co90Fe10(2nm)/Al2O3(1nm)/Co80Fe20(3nm)/Ru(0.9nm)/Co80Fe20/Ir22Mn78(12nm)/Ni81Fe19(5nm)/Au保護(hù)層。在純Ar氣體中，利用Al靶形成Al膜后，導(dǎo)入不會破壞真空的氧，通過曝露在氧等離子中形成Al2O3。
在上述層疊的膜上形成Si3N4膜，涂敷保護(hù)層通過光刻形成保護(hù)層圖形，利用RIE形成規(guī)定金屬配線153的硬掩膜后進(jìn)行離子蝕刻，加工層疊膜，然后除去保護(hù)層圖形。
接著涂敷保護(hù)層，利用光刻技術(shù)形成規(guī)定結(jié)尺寸的保護(hù)層圖形，利用離子蝕刻技術(shù)加工第一Al2O3以上部分的層疊層，形成TMR元件。把TMR元件的單元尺寸整個變成0.4×0.4μm2。然后除去保護(hù)層圖形。
接著，通過等離子CVD形成SiO2層間絕緣膜，利CMP磨削到250nm后，進(jìn)行平坦化。在整個面上層疊Cu、絕緣膜和Cu。在該層疊膜上形成Si3N4膜，涂敷保護(hù)層，利用蝕刻技術(shù)形成保護(hù)層圖形，利用RIE形成硬掩膜，然后進(jìn)行離子蝕刻，形成位線154，層間絕緣層155和第二字線156。然后將試樣引導(dǎo)到磁場中的熱處理爐中，在磁記錄層中引入單軸異向性，在磁化鎖定層中引入單向異向性。
對制得的MRAM進(jìn)行以下的三種方法寫入。
(1)一邊在TMR元件中注入1mA的自旋電流，一邊使10nsec的脈沖電流流過字線152和第二字線156，在磁記錄層115的容易磁化的軸方向和難磁化軸方向施加電流磁場。
(2)只向TMR元件注入自旋電流。
(3)使字線152和第二字線156上流過10nsec的脈沖電流在磁記錄層115的容易磁化軸方向和難磁化軸方向施加電流磁場。
另外，將用于在磁記錄層115的難磁化軸方向施加電流磁場的脈沖電流恒定地選為10nsec，3mA。
進(jìn)行寫入后，在TMR單元中流過直流電流，通過輸出電壓是否變化來判斷磁記錄層115的磁化反向。
對本實(shí)施例的0.4×0.4μm2這樣尺寸的TMR元件，如果采用(2)的向TMR元件只注入自旋電流的方法，即使使電流值增加到10mA，也沒有觀測到磁化反向。如果采用(3)的向磁記錄層115的容易磁化軸方向和難磁化軸方向施加電流磁場的方法，則為了使磁記錄層115的磁化反間，必需使用于在磁記錄層115磁化容易的軸向施加電流磁場的電流增加到4.3mA。
與此相反，在方法(1)中，邊流過1mA的自旋電流，當(dāng)邊使用于在磁記錄層115的磁化容易軸向施加電流磁場的電流增加時，確認(rèn)在2.6mA的電流值下磁記錄層115的磁化反向。另外，顯然通過改變在磁記錄層115的磁化容易的軸向施加電流磁場的電流方向和流過TMR元件的自旋電流方向，可以在上述原封不動的那樣小電流下反復(fù)進(jìn)行磁記錄層115的磁化反向。
這樣，如果采用本實(shí)施例的MRAM的結(jié)構(gòu)和寫入方法，則因具有適合于自旋電流注入的結(jié)構(gòu)，而可以使流過用于施加電流磁場的配線上的電流和在TMR元件上的電流減少。從而使即使隨著MRAM的高密度化配線寬度和TMR元件尺寸變小，也能防止配線熔融或隧道層破壞，還使可靠性提高。
實(shí)施例9下面說明制作圖16所示那樣的磁電阻元件的例子。利用磁控管濺射裝置，在熱氧化Si基板上順次層疊由10nm的Ta/10nm的NiFe組成的底層、由50nm的IrMn組成的反鐵磁層161、由1.5nmCo9Fe組成的第一鐵磁層162、由1.5nm的Al2O3組成的第一隧道絕緣層163、由1.5nmCo9Fe組成的第二鐵磁層164、由0.8nmRu組成的第一非磁性層165，由1.5nmCo9Fe組成的第三鐵磁層166、由0.8nmRu組成的第二非磁性層167、由2.0nmNiFe組成的鐵磁層168b、由1.5nmCo9Fe組成的第四鐵磁層168、由1.5nmAl2O3組成的隧道絕緣層169，由1.5nmCo9Fe組成的第五鐵磁層170，由50nmIrMn組成的反鐵磁層171。
在該元件中，由第二鐵磁層164，第一非磁性層165，第三鐵磁層166，第二非磁性層167，鐵磁層168b，第4鐵磁層168構(gòu)成磁性記錄層172。在該磁記錄層172中，第二和第三鐵磁層164、166通過第一非磁性層165反鐵磁性耦合，第三、第四鐵磁層166、168通過第二非磁性層167反鐵磁性耦合。NiFe鐵磁層168b是為了使第三鐵磁層166的磁化值M3與第二和第四鐵磁層164、168的磁化相加的值M(2+4)互相不同而設(shè)置的。
不破壞真空地形成所有的膜。構(gòu)成第一和第二隧道絕緣層163、169的Al2O3通過濺射Al金屬后，通過等離子氧化形成。底層，第一反鐵磁層161和第一鐵磁層162通過100μm寬的具有下部配線形狀開口的掩模成膜，變換成第一隧道絕緣層163的Al通過具有結(jié)合形狀的開口的掩模成膜。第一隧道絕緣層163以上的各層通過與下部配線垂直的方向延伸的100μm寬的具有上部配線形狀開口的掩模成膜，在這些步驟中，在真空室內(nèi)更換這些掩模。在此把結(jié)合面積取為100×100μm2。并且在形成膜時施加100奧斯特的磁場，在膜內(nèi)引入單軸異性。
就該磁電阻抗元件而言，在利用四端法測定磁電阻時，在各端約為100奧斯特的弱開關(guān)磁場下觀測磁電阻抗變化為22％。
實(shí)施例10通過利用光刻的微細(xì)加工，制造具有與實(shí)施例9同樣的層疊結(jié)構(gòu)、并且比實(shí)施例9的結(jié)構(gòu)面積小的磁電阻元件。隧道結(jié)的面積為5×5μm2，1×1μm2或0.4×0.4μm2。在對這些磁電阻元件，利用四端法測定磁電阻時，分別在12奧斯特，25奧斯特，35奧斯特這樣弱的磁場下觀測磁電阻變化。這樣，即使結(jié)合面積減少，開關(guān)磁場也幾乎沒有顯著增加。據(jù)認(rèn)為是因?yàn)槔梅磋F磁性耦合的層疊磁性膜作為磁記錄層，所以產(chǎn)生的抗磁場對元件的尺寸的依賴關(guān)系不強(qiáng)。
權(quán)利要求
1.一種磁電阻元件，其特征在于具有由第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第二介電層/第三鐵磁層/第二反鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；上述第二鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成；在上述第一至第三鐵磁層中流過隧道電流。
2.如權(quán)利要求1所述的磁電阻元件，其特征在于上述的Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜的膜厚是1-5nm。
3.一種磁存儲裝置，其特征在于包含配置成陣列狀的如權(quán)利要求1所述的磁電阻元件、和晶體管或二極管的存儲單元。
4.如權(quán)利要求3所述的磁存儲裝置，其特征在于上述磁電阻元件中的至少最上面的反鐵磁層構(gòu)成數(shù)據(jù)線的一部分。
5.一種磁電阻元件，其特征在于具有由第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第一反鐵磁層/第三鐵磁層/第二介電層/第四鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；上述第一和第四鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成；上述第一至第四鐵磁層中流過隧道電流。
6.如權(quán)利要求5所述的磁電阻元件，其特征在于上述Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜的膜厚是1-5nm。
7.一種磁存儲器，其特征在于包含配置成陣列狀的如權(quán)利要求5所述的磁電阻元件、和晶體管或二極管的存儲單元。
8.一種磁電阻元件，其特征在于具有由第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第二反鐵磁層/第三鐵磁層/第二介電層/第四鐵磁層/第三反鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；上述第一和第四鐵磁層或上述第二和第三鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成；在上述第一至第四鐵磁層中流過隧道電流。
9.如權(quán)利要求5所述的磁電阻元件，其特征在于上述Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜的膜厚是1-5nm。
10.一種磁存儲裝置，其特征在于包含配置成陣列狀的如權(quán)利要求8所述的磁電阻元件、和晶體管或二極管的存儲單元。
11.如權(quán)利要求10所述的磁存儲裝置，其特征在于上述磁電阻元件中的至少最上面的反鐵磁層構(gòu)成數(shù)據(jù)線的一部分。
12.一種磁電阻元件，其特征在于具有由第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第一非磁性層/第三鐵磁層/第二非磁性層/第四鐵磁層/第二介電層/第五鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；互相鄰接的第二、第三和第四鐵磁層通過非磁性層反鐵磁性耦合，上述第一和第五鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜構(gòu)成；在上述第一至第五鐵磁層中流過隧道電流。
13.如權(quán)利要求12所述的磁電阻元件，其特征在于上述Co基合金或Co基合金/Ni-Fe合金/Co基合金三層膜的膜厚是1-5nm。
14.一種磁存儲器，其特征在于包含配置成陣列狀的如權(quán)利要求12所述的磁電阻元件、晶體管或二極管的存儲單元。
15.一種磁電阻元件，其特征在于具有磁化方向鎖定的第一磁化鎖定層、第一介電層、磁化方向可反轉(zhuǎn)的磁記錄層、第二介電層和磁化方向鎖定的第二磁化鎖定層；上述磁記錄層包含磁性層、非磁性層和磁性層三層膜，構(gòu)成該三層膜的兩個磁性層反鐵磁性耦合；連接上述兩個磁化鎖定層的介電層的區(qū)域的磁化方向基本是反平行的。
16.一種寫入磁存儲裝置的方法，其特征在于在通過構(gòu)成如權(quán)利要求15所述的磁存儲裝置的上述第一或第二磁化鎖定層向上述磁記錄層供給自旋電流的同時，使電流流過寫入用的配線，從而將電流磁場加在上述磁記錄層上。
17.一種磁存儲裝置，其特征在于具有磁化方向鎖定的第一磁化鎖定層、第一介電層、沿磁化方向可反轉(zhuǎn)的磁記錄層、第二介電層、沿磁化方向鎖定的第二磁化鎖定層；上述磁記錄層包含磁性層、非磁性層和磁性層三層膜，構(gòu)成該三層膜的兩個磁性層通過反鐵磁性耦合；上述第一磁化鎖定層的長度比上述第二磁化鎖定層和上述磁記錄層的長度長；連接上述兩個磁化鎖定層的介電層的區(qū)域的磁化方向基本是反平行的。
18.一種磁電阻元件，其特征在于具有由第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一隧道絕緣層/第二鐵磁層/第一非磁性層/第三鐵磁層/第二非磁性層/第四鐵磁層/第二隧道絕緣層/第五鐵磁層/第二反鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)；第二和第三鐵磁層通過第一非磁性層反鐵磁性耦合；第三和第四鐵磁層通過第二非磁性層反鐵磁性耦合。
19.一種磁存儲器，其特征在于包含配置成陣列狀的如權(quán)利要求18所述的磁電阻元件、和晶體管或二極管的存儲單元。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有由第一反鐵磁層/第一鐵磁層/第一介電層/第二鐵磁層/第二介電層/第三鐵磁層/第二反鐵磁層疊層的鐵磁性雙隧道結(jié)的磁電阻元件,作為自由層的第二鐵磁層由Co基合金或Co基合金/Ni－Fe合金/Co基合金三層膜組成,在第一至第三鐵磁層中流過隧道電流。
文檔編號G11C11/15GK1308317SQ00135319
公開日2001年8月15日 申請日期2000年9月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月16日
發(fā)明者豬俁浩一郎, 中島健太郎, 齊藤好昭, 砂井正之, 岸達(dá)也 申請人:株式會社東芝