專利名稱：：磁阻效應(yīng)器件以及使用它的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種磁阻效應(yīng)器件以及一種使用它的磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，例如使用自旋注入寫入方案的磁阻效應(yīng)器件。
背景技術(shù)：
：近年來，已經(jīng)提出信息基于新原理而記錄于其上的許多固態(tài)存儲(chǔ)器。在固態(tài)存儲(chǔ)器中，作為固態(tài)磁性存儲(chǔ)器，使用隧道磁阻(TMR)的磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)是已知的。MRAM使用發(fā)揮磁阻效應(yīng)的磁阻(MR)器件作為存儲(chǔ)單元，依賴于MR元件的磁化狀態(tài)將信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中。MR元件包括具有可變磁化的層和具有固定磁化的層。當(dāng)可變磁化層的磁化方向與固定磁化層的磁化方向平行時(shí)，低阻態(tài)出現(xiàn)。當(dāng)方向彼此相反時(shí)，高阻態(tài)出現(xiàn)。阻態(tài)之間的差異用來存儲(chǔ)信息。作為在MR元件中寫入信息的方法，使用所謂電流磁場(chǎng)寫入方案。在該方案中，互連排列在MR元件附近，并且由在互連中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)改變MR元件的磁化狀態(tài)。當(dāng)MR元件的尺寸減小以縮小MRAM時(shí)，MR元件的矯頑磁性He增加。由于這個(gè)原因，在使用磁場(chǎng)寫入方案的MRAM中，隨著縮小的進(jìn)展，寫入所需的電流趨向于增加。結(jié)果，超過256Mbit的大容量的單元尺寸的縮小與低電流配置不容易兼容。提出使用自旋動(dòng)量轉(zhuǎn)移(SMT)的寫入方案作為解決上述問題的寫入方案(自旋注入寫入)(USP6,256,223號(hào)的說明書)。在自旋注入寫入方案中，電流垂直于表面而傳導(dǎo)，其中各個(gè)薄膜在實(shí)現(xiàn)隧道式磁阻的器件(MR元件)中面向，以改變(翻轉(zhuǎn))MR元件的磁化狀態(tài)。在通過自旋注入的磁化翻轉(zhuǎn)中，磁化翻轉(zhuǎn)所需的電流Ic由電流密度Jc精確地調(diào)整。因此，當(dāng)MR元件的電流流過的表面面積減小時(shí)，翻轉(zhuǎn)磁化的注入電流Ic也減小。使用用于寫入的恒定電流密度，尺寸減小的MR元件需要減小的電流Ic。這使得自旋注入寫入方案原則上在可擴(kuò)展性方面勝過磁場(chǎng)寫入方案。但是，當(dāng)自旋注入寫入方案用來實(shí)現(xiàn)MRAM時(shí)，磁化翻轉(zhuǎn)所需的電流大于常常用來實(shí)現(xiàn)MRAM的選擇晶體管產(chǎn)生的電流。由于這個(gè)原因，MRAM基本上不能用作存儲(chǔ)器。
發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種磁阻效應(yīng)元件，包括具有基本上固定磁化方向的磁化固定層；具有可變磁化方向，由具有BCC結(jié)構(gòu)并且由Fe"x—yCOxNiy((^x+y化0^x￡l，OSySl)表示的磁性合金形成，并且包含0<a￡20at%(a是含量)范圍內(nèi)的V，Cr和Mn中至少一種添加元素的磁化可變層；以及置于磁化固定層和磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過磁化固定層、中間層和磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)磁化可變層的磁化方向。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種磁阻效應(yīng)元件，包括具有基本上固定磁化方向的磁化固定層；具有可變磁化方向，由具有BCC結(jié)構(gòu)并且由Fe^-yCOxNiy(0Sx+y化0￡x^l，0^1)表示的磁性合金形成，并且包含(Xa^5at。/0(a是含量)范圍內(nèi)的Si，Ge和Ga中至少一種添加元素的磁化可變層；以及置于磁化固定層和磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過磁化固定層、中間層和磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)磁化可變層的磁化方向。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種磁阻效應(yīng)元件，包括具有基本上固定磁化方向的磁化固定層；具有可變磁化方向，由具有BCC結(jié)構(gòu)并且由Fe—COxNiy(0Sx+y$l，O化l，0￡y￡l)表示的磁性合金形成，并且包含0<a^l0at%(a是含量)范圍內(nèi)的Sr，Ti，Y，Zr，Nb,Mo，Tc，Hf，Ta，\V和Re中至少一種添加元素的磁化可變層；以及置于磁化固定層和磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過磁化固定層、中間層和磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)磁化可變層的磁化方向。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種磁阻效應(yīng)元件，包括具有基本上固定磁化方向的磁化固定層；具有可變磁化方向，由Fei_x-yCoxNiy(0^x+y化0￡xHOSySl)表示的磁性合金形成，并且包含Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Au和Ag中至少一種的磁化可變層；以及置于磁化固定層和磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過磁化固定層、中間層和磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)磁化可變層的磁化方向。圖l-9每個(gè)顯示根據(jù)一種實(shí)施方案的MR元件的基本部分；圖10顯示使用根據(jù)一種實(shí)施方案的MR元件的存儲(chǔ)單元的基本部分；以及圖11顯示使用才艮據(jù)一種實(shí)施方案的MR元件的MRAM的電路圖。具體實(shí)施方式下面將參考附隨附圖描述本發(fā)明的實(shí)施方案。在下面的描述中相同的參考數(shù)字表示具有相同功能和配置的組成元件，并且重復(fù)的描述僅當(dāng)需要時(shí)執(zhí)行。(1)MR元件(1-1)MR元件的結(jié)構(gòu)圖1和2每個(gè)顯示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的MR元件的基本部分。在圖1和2中，箭頭指示磁化方向。在下面的附圖中，顯示MR元件的基本部分。但是，MR元件可能還包括層，只要它包括基本配置。配置MR元件1以依賴于流過層彼此面向的表面(薄膜表面)的電流的方向而采取兩種穩(wěn)定狀態(tài)的一種。穩(wěn)定狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)于"o"數(shù)據(jù)和"l"數(shù)據(jù)，從而允許將二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在MR元件1中。在MR元件1中，磁化狀態(tài)根據(jù)自旋注入寫入方案翻轉(zhuǎn)，并且存儲(chǔ)依賴于狀態(tài)的信息。如圖1中所示，MR元件1具有兩個(gè)鐵磁層2和3以及排列在鐵磁層2和3之間的間隔層(中間層)4。鐵磁層2具有沿著薄膜表面的方向上的易磁化軸，以使得磁化方向沿著薄膜表面可變。在下面的描述中，鐵磁層2稱作自由層(自由層、磁化自由層、磁化可變層或記錄層)。隨后將描述包括自由層2的配置的詳細(xì)特性。沿著薄膜表面的磁化稱作面內(nèi)磁化。鐵磁層3具有沿著薄膜表面固定的磁化方向。更具體地，鐵磁層3是面內(nèi)磁化薄膜。鐵磁層3可以設(shè)計(jì)以具有高于自由層2的矯頑磁性。鐵磁層3將稱作釘層(固定層(fixedlayer)、磁化固定層(magnetizationfixedlayer)、參考層、磁化參考層、標(biāo)準(zhǔn)層或磁化標(biāo)準(zhǔn)層)。自由層2的易磁化軸的方向典型地沿著固定層3的磁化方向。釘層(pinlayer)3的磁化可以通過將反鐵磁層(沒有顯示)排列在例如與間隔層4相對(duì)的釘層3的表面上而固定。釘層3可以包括例如Co,Fe，Ni或包含這些金屬的合金。間隔層(中間層)4由非磁性金屬薄膜、非磁性半導(dǎo)體薄膜、絕緣薄膜等構(gòu)成。優(yōu)選地，間隔層4是由具有NaCl結(jié)構(gòu)的MgO,CaO，SrO,TiO或TiN形成的氧化物間隔層或氮化物間隔層。具有NaCl結(jié)構(gòu)的間隔層4優(yōu)選地具有(100)平面取向。雖然隨后將描述，這是因?yàn)榫Ц袷湓陂g隔層4與具有(100)平面取向的體心立方(BBC)結(jié)構(gòu)的自由層2，或者具有(001)平面取向的Ll。有序結(jié)構(gòu)相或Lh有序結(jié)構(gòu)相的自由層2之間的分界面上減小。寫入時(shí)，電流傳導(dǎo)以在穿透薄膜表面的方向上(典型地，垂直于薄膜表面)從釘層3流到自由層2或者從自由層2流到釘層3。結(jié)果，自旋角動(dòng)量從釘層3轉(zhuǎn)移到自由層2，其中根據(jù)自旋角動(dòng)量守恒定律，動(dòng)量轉(zhuǎn)移到自由層2的自旋，導(dǎo)致自由層2的磁化翻轉(zhuǎn)。圖2顯示自由層2和釘層3的磁化方向與圖1中不同的實(shí)例。更具體地，如圖2中所示，自由層2的易磁化軸和釘層3的磁化沿著穿透薄膜表面的方向(典型地，垂直于薄膜表面的方向)，并且自由層2的磁化沿著與薄膜表面垂直的表面旋轉(zhuǎn)。穿透薄膜表面的方向上的磁化稱作垂直磁化。當(dāng)自由層2的易磁化軸設(shè)置在垂直磁化方向上時(shí)，減小MR元件尺寸相關(guān)性從而允許長寬比為1的MR元件的實(shí)現(xiàn)。這使得能夠減小長寬比，從而減小元件面積，這減小翻轉(zhuǎn)電流。具有垂直磁化的釘層3比自由層2厚，并且優(yōu)選地具有飽和磁化Ms與厚度t的乘積MS.t，或者充分大于(三倍或更多)自由層2的單軸磁性各向異性能量Ku。這是為了在釘層3中有效地執(zhí)行自旋累積效應(yīng)，也就是，角動(dòng)量從磁化自旋到傳導(dǎo)電子的轉(zhuǎn)移，以及為了最小化由來自自由層2的自旋注入引起的釘層3的磁化波動(dòng)。當(dāng)釘層3具有垂直磁化時(shí)，優(yōu)選地減小來自釘層3的漏磁場(chǎng)。釘層3的漏磁場(chǎng)防止自由層2的磁化相對(duì)于釘層3從平行翻轉(zhuǎn)到反平行。因此，釘層3的視飽和磁化Ms(凈Ms)優(yōu)選地小。作為為此目的的一種方法，合成反鐵磁(SAF)結(jié)構(gòu)可以給予釘層3。如圖3中所示，SAF結(jié)構(gòu)由包括鐵磁層11、中間層12和鐵磁層13的層疊結(jié)構(gòu)構(gòu)成。設(shè)計(jì)鐵磁層11和磁性層13以在反平行磁化排列中穩(wěn)定。作為中間層12的材料，使用元素例如Ru或Os。在圖3中的實(shí)例中，SAF結(jié)構(gòu)應(yīng)用于具有垂直磁化的MR元件的釘層3。但是，面內(nèi)磁化(圖1)結(jié)構(gòu)當(dāng)然也可以適用。作為減小具有垂直磁化的釘層3的漏磁場(chǎng)的另一種方法，釘層3可以包括鐵磁材料。在該情況下，如圖4中所示，分界面釘層14插入到釘層3與間隔層4之間的分界面中以使得MR變化率出現(xiàn)。作為鐵磁材料，典型地使用FeCo-RE材料(RE是稀土元素)。作為RE，Gd，Tb，Dy和Ho優(yōu)選地用來穩(wěn)定垂直磁化。FeCo-RE合金具有非晶結(jié)構(gòu)。在FeCo-RE合金中，飽和磁化Ms因RE成分接近補(bǔ)償點(diǎn)而幾乎為零，飽和磁化Ms的載體從FeCo變成RE元素，并且矯頑磁性He變成相對(duì)最大值。因此，使用使得RE元素豐富的組成，分界面釘層14和釘層3的視飽和磁化凈Ms可以幾乎為零。在圖1和2中的結(jié)構(gòu)中，層疊順序可以反轉(zhuǎn)。更具體地，結(jié)構(gòu)可以垂直反轉(zhuǎn)。此外，MR元件1可以擁有具有兩個(gè)釘層的結(jié)構(gòu)(雙固定結(jié)構(gòu))。圖5顯示MR元件的另一個(gè)實(shí)例。如圖5中所示，間隔層5和釘層6進(jìn)一步排列在與間隔層4相對(duì)的自由層2的表面上。自由層2以及釘層3和6可以具有如圖1中所示的面內(nèi)磁化(由圖5的左部中的箭頭指示的磁化)或者可以具有如圖2中所示的垂直磁化(由圖5的右部中的箭頭指示的磁化)。間隔層5的材料可以選自在間隔層4中使用的材料，并且釘層6的材料選自在釘層3中使用的材料。釘層3的磁化和釘層6的磁化彼此反平行耦合。除了雙自旋結(jié)構(gòu)之外，自由層2可以具有SAF結(jié)構(gòu)。在SAF結(jié)構(gòu)中，如圖6中所示，自由層2具有由鐵磁層11、中間層12和磁性層13構(gòu)成的層疊結(jié)構(gòu)。自由層2以及釘層3和6可以具有如圖1中的相同的面內(nèi)磁化(由圖5的左部中的箭頭指示的磁化)或者可以具有如圖2中的垂直磁化(由圖5的右部中的箭頭指示的磁化)。釘層3的磁化方向與釘層6的磁化方向平行，并且鐵磁層11的磁化與磁性層13的磁化反平行耦合。作為中間層12，例如，使用元素例如Os,Ru和Ir。具有單固定結(jié)構(gòu)的自由層2(圖1和圖2)當(dāng)然可以由具有SAF結(jié)構(gòu)的自由層2代替。SAF結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于SAF結(jié)構(gòu)的視飽和磁化凈Ms在剩余磁化狀態(tài)中幾乎為零(也就是，沒有外部磁場(chǎng))。利用該特性，MR元件的SAF結(jié)構(gòu)的釘層3和6以及具有SAF結(jié)構(gòu)的自由層2對(duì)于外部磁場(chǎng)不敏感，并且對(duì)于外部磁場(chǎng)具有提高的阻抗。(1-2)自由層下面將描述自由層2的細(xì)節(jié)。當(dāng)自由層2具有SAF結(jié)構(gòu)時(shí)，下面的描述適用于鐵磁層11和13。在自旋注入寫入中翻轉(zhuǎn)自由層2的磁化所需的電流(翻轉(zhuǎn)電流)Isw由下面的>^式給出/swoc(a/g).MsF(2/ir"/Ms+祝)(1)其中a:阻尼常數(shù)g:效率Ms:飽和磁化V:體積Ku:磁性各向異性能量Hd:退磁場(chǎng)。翻轉(zhuǎn)電流是用于將自由層2的磁化從與釘層3平行和反平行分別翻轉(zhuǎn)到反平行和平行的翻轉(zhuǎn)電流的平均值。單軸磁性各向異性能量Ku通過將晶體磁性各向異性Kc和感應(yīng)磁性各向異性Ki相加而獲得。通過減小公式(1)的右側(cè)項(xiàng)中除g之外的物理值，翻轉(zhuǎn)電流可以減小。一些物理值可以是減小的目標(biāo)并且阻尼常數(shù)a是可能的。作為物理常數(shù)的阻尼常數(shù)a從微觀的觀點(diǎn)依賴于自旋軌道相互作用。它也依賴于多數(shù)電子和少數(shù)電子的電子密度。從宏觀的觀點(diǎn)，實(shí)際上，使用具有有限晶粒尺寸的多晶薄膜的影響也是顯著的。在多晶薄膜的情況下，有助于自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)電流的阻尼常數(shù)因?yàn)楸∧ば螤畹挠绊懚兓＠?，隨著薄膜的粗糙度減小，阻尼常數(shù)減小。因此，平整度和光滑度對(duì)于自由層是不可缺少的。另外，晶體取向也影響薄膜的平整度。隨著晶體取向增加，阻尼常數(shù)減小。阻尼常數(shù)也依賴于由磁性薄膜的飽和磁化引起的去磁場(chǎng)中的變化而變化。因此，隨著退磁場(chǎng)的分布增加，阻尼常數(shù)增加。退磁場(chǎng)的變化的絕對(duì)值通過減小飽和磁化Ms而減小，具有阻尼常數(shù)也減小的結(jié)果。當(dāng)形成使用垂直磁性薄膜的器件時(shí)，退磁場(chǎng)系數(shù)通過減小MTJ元件的尺寸因形狀的作用而變化。因此，與薄膜表面垂直的方向上MR元件的退磁場(chǎng)變小。因此，阻尼常數(shù)減小。如上所述，自旋極化電子從釘層3提供到自由層2以提供扭矩到自由層2的電子的自旋，從而翻轉(zhuǎn)自由層2的磁化。此時(shí)，自由層2中的自由電子顯示出相對(duì)于由自旋扭矩引起的自由層2的磁化的變化而返回到磁性穩(wěn)定狀態(tài)的力。該力意思是阻尼常數(shù)a。阻尼常數(shù)a用作防止在磁化翻轉(zhuǎn)過程開始的翻轉(zhuǎn)的力。因此，當(dāng)阻尼常數(shù)a減小時(shí)，自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)電流可以減小。(1-2-1)添加劑1根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的自由層2的材料是具有組成公式Fe,.x-yCoxNiy(0Sx+ySl，0Sx，ySl)的磁性合金(FeCoNi合金)并且包含選自V，Cr和Mn的至少一種元素N。此外，F(xiàn)eCoNi合金優(yōu)選地具有BCC結(jié)構(gòu)。更具體地說，F(xiàn)eCoNi組成是FeLx-yCOxNiy(0^x+y<0.2，0Sx<0.2,0^y<0.2)。當(dāng)x和y落入這些范圍時(shí)，F(xiàn)eCoNi合金具有BCC結(jié)構(gòu)。因?yàn)锽CC結(jié)構(gòu)不是緊密堆積結(jié)構(gòu)，原子間距離大。由于這個(gè)原因，作為元素的特性相對(duì)強(qiáng)，并且電子趨向于相對(duì)定位于原子核中。因?yàn)樽枘岢?shù)a與自旋之間的相互作用成比例，阻尼常數(shù)a隨著自由層2的電子減少而變小。當(dāng)電子限于局部時(shí)，阻止相對(duì)自旋的電子數(shù)目減少。結(jié)果，阻尼常數(shù)a減小。如上所述，間隔層4的材料經(jīng)常具有NaCI結(jié)構(gòu)。由具有BCC結(jié)構(gòu)的材料形成的自由層2可以用于間隔層4，以方便地執(zhí)行間隔層4與自由層2之間的分界面匹配。更具體地，例如，當(dāng)間隔層4包括MgO時(shí)，可以抑制(100)平面上的失配。在包含F(xiàn)e，Co和Ni作為主要成分具有BCC結(jié)構(gòu)的鐵磁中，MgO的優(yōu)選取向(100)平面和具有BCC結(jié)構(gòu)的FeCoNi合金的(100)平面之間的失配可以通過傾斜[100方向45。而抑制至多5%。結(jié)果，MR元件可以實(shí)現(xiàn)超過100%的MR變化率。通過添加元素N到FeCoNi合金，MR元件的阻尼常數(shù)a可以減小。結(jié)果，翻轉(zhuǎn)電流可以減小。該減小由下面的機(jī)制引起。阻尼常數(shù)a與自旋軌道的相互作用成比例。FeCoNi的軌道成分(L)是正的，而V、Cr和Mn的軌道成分(L)是負(fù)的。由于這個(gè)原因，通過添加元素N到FeCoNi合金，軌道成分(L)可以減小。結(jié)果，自旋軌道的相互作用減小，并且阻尼常數(shù)a可以因此減小。阻尼常數(shù)a的減小依賴于添加元素N的量，甚至少量元素N的添加減小阻尼常數(shù)a。更具體地，元素N以0<aS50at%(a是含量)的范圍添加，因?yàn)楫?dāng)添加元素N的量超過50at。/o時(shí)，MR元件的MR變化率很少出現(xiàn)。其原因似乎是飽和磁化Ms減小到幾乎零，并且抵銷分界面上磁化自旋的方向。更優(yōu)選的上限由a￡20at。/。給出。考慮到保證大MR變化率的觀點(diǎn)，更優(yōu)選的上限由a￡l0at"/。給出。另一方面，下限優(yōu)選地由0.1at。/c^a給出，因?yàn)樵谛∮贠.lat%時(shí)不會(huì)獲得減小阻尼常數(shù)a的充分效果。通過添加元素N減小阻尼常數(shù)a的效果在FeCoNi具有BCC結(jié)構(gòu)時(shí)最大。這是因?yàn)锽CC結(jié)構(gòu)不是緊密堆積結(jié)構(gòu)。具有BCC結(jié)構(gòu)的V、Cr和Mn可以在用作母合金的BCC結(jié)構(gòu)的FeCoNi中完全固態(tài)溶解。由于這個(gè)原因，這種材料的結(jié)晶相非常穩(wěn)定o但是，即使FeCoNi合金具有面心立方晶格(FCC)結(jié)構(gòu)，添加元素N也可以穩(wěn)定FeCoNi合金的BCC結(jié)構(gòu)。通常，由'減射法形成自由層2強(qiáng)迫固態(tài)溶解狀態(tài)形成，允許添加劑固態(tài)溶解到5at%。這也適用于隨后將描述的添加劑2-4。由元素N的添加引起的飽和磁化Ms的減小幾乎與添加元素N的量成比例。該特征不同于高達(dá)大約10at。/。的一般金屬元素的添加表現(xiàn)出小的飽和磁化Ms減小率的特征。這也適用于添加劑2-4。自由層2以優(yōu)選地整個(gè)體積的50。/?；蚋鄵碛芯哂行∽枘岢?shù)a的BCC結(jié)構(gòu)部分的體積。這樣，阻尼常數(shù)a顯著趨向于減小。剩余部分可以具有任何結(jié)構(gòu)。但是，假設(shè)該部分經(jīng)常是非晶的。固態(tài)溶解范圍上的添加劑聚集在BCC結(jié)構(gòu)的晶粒間界并且處于非晶態(tài)。該描述也適用于添加劑2-4。(1-2-2)添加劑2根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的自由層2的材料是由組成公式Fei.x—yCoxNiy(OSx+y$l，O^x^l,OSyH)表示的材料形成的磁性合金并且包含選自Si，Ge和Ga的至少一種元素M。此外，F(xiàn)eCoM合金優(yōu)選地具有BCC結(jié)構(gòu)。更具體地說，F(xiàn)eCoNi的組成是Fe—COxNiy(0￡x+y<0.2,0￡x<0.2，0￡y<0.2)。當(dāng)x和y落入這些范圍時(shí)，F(xiàn)eCoNi合金具有BCC結(jié)構(gòu)。由于下面的原因，MR元件的阻尼常數(shù)a也可以通過添加元素M到FeCoNi合金而減小。也就是，如上所述，翻轉(zhuǎn)電流可以通過減小阻尼常數(shù)a而減小。因?yàn)樽枘岢?shù)a與自旋軌道的相互作用成比例，阻尼常數(shù)a隨著自由層2的電子數(shù)目減少而變小。用作元素M的Si，Ge和Ga具有產(chǎn)生共價(jià)鍵的力。因此，Si，Ge和Ga添加到FeCoNi合金以產(chǎn)生共價(jià)鍵，從而局部化自由層2的自由電子，并且可以自由移動(dòng)的自由電子的數(shù)目減少。結(jié)果，翻轉(zhuǎn)電流可以通過阻尼常數(shù)a的減小而減小。優(yōu)選地設(shè)置添加劑的量，使得阻尼常數(shù)a減小而不破壞FeCoNi合金的晶體結(jié)構(gòu)。更具體地，添加劑的量(含量)b由0<b￡5at。/。給出。添加劑的量的上限的意義如下。元素M具有BCC結(jié)構(gòu)。由于這個(gè)原因，添加元素M到具有BCC結(jié)構(gòu)的FeCoNi合金允許元素M基本上固態(tài)溶解，同時(shí)保持BCC結(jié)構(gòu)。但是，元素M以多于5at%添加，則FeCoM合金的晶體結(jié)構(gòu)從BCC結(jié)構(gòu)變成非晶結(jié)構(gòu)。結(jié)果，結(jié)構(gòu)中的原子間距離等于緊密堆積結(jié)構(gòu)中的原子間距離，這提出增加的阻尼常數(shù)a的擔(dān)憂。更具體地，當(dāng)添加劑的量小于0.1at。/o時(shí)，不能觀察到減小阻尼常數(shù)a的充分效果。由于這個(gè)原因，下限優(yōu)選地設(shè)置在0.1at。/^a。當(dāng)元素M添加到具有BCC結(jié)構(gòu)的FeCoNi時(shí)，F(xiàn)eCoNi合金的BCC結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)可以有利地增加。結(jié)果，節(jié)制經(jīng)常用作間隔層4的MgO(100)平面上的失配量，這減小面積阻抗。這是因?yàn)镸gO中的能帶結(jié)構(gòu)的連接對(duì)于晶格匹配非常敏感。在這種情況下，依賴于元素M及其量的MR變化率可能影響不大。(1-2-3)添加劑3根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的自由層2的材料是由組成公式Fe^.yCoxNiy(O^x+y^l，0^x51，0SyH)表示的材料形成的磁性合金并且包含選自Sr，Ti，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W和Re的至少一種元素L。此外，F(xiàn)eCoNi合金優(yōu)選地具有BCC結(jié)構(gòu)。更具體地說，F(xiàn)eCoNi的組成是Fe^.yCOxNiy(0^x+y<0.2,0^x<0.2，0^y<0.2)。當(dāng)x和y落入這些范圍時(shí)，F(xiàn)eCoNi合金具有BCC結(jié)構(gòu)。由于下面的原因，MR元件的阻尼常數(shù)a也可以通過添加元素L到.FeCoNi合金而減小。也就是，如上所述，翻轉(zhuǎn)電流可以通過減小阻尼常數(shù)a而減小。阻尼常數(shù)a也可以通過減小自由層2中的原子間相互作用而減小。作為為此目的的一種方法，可以增加原子間距離。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，通過添加每種具有長的最近原子間距離的Sr，Ti，Y，Zr，Nb，Mo，Tc，Hf，Ta，W和Re到FeCoNi合金，包含在自由層2中的原子的晶體結(jié)構(gòu)擴(kuò)展，并且自由層2中的原子間距離增加。結(jié)果，電子的減小的相互作用可以減小阻尼常數(shù)a。結(jié)果，翻轉(zhuǎn)電流可以減小。優(yōu)選地設(shè)置添加劑的量，使得阻尼常數(shù)a減小而不破壞FeCoNi合金的晶體結(jié)構(gòu)。更具體地，添加劑的量(含量)c由0<c$10at%給出。添加劑的量的上限的意義與對(duì)于元素M的意義相同。簡要地，上限之上的添加將FeCoNi合金的晶體結(jié)構(gòu)從BCC結(jié)構(gòu)變成非晶結(jié)構(gòu)，并且使得結(jié)構(gòu)的原子間距離等于緊密堆積晶格的原子間距離，這增加阻尼常數(shù)ou更具體地，因?yàn)樵谛∮?.1at。/。時(shí)不能觀察到減小阻尼常數(shù)a的充分效果，所以下限優(yōu)選地由0.1atVc^a給出。具有更穩(wěn)定BCC結(jié)構(gòu)的Nb,Mo，W，Ta或Re更優(yōu)選地用于元素L。4象元素M—樣，當(dāng)元素L添加到具有BCC結(jié)構(gòu)的FeCoNi時(shí)，F(xiàn)eCoNi合金的BCC結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)可以有利地增加。結(jié)果，節(jié)制經(jīng)常用作間隔層4的MgO(100)平面上的失配量，以減小面積阻抗。具有(1-2-1)、(1-2-2)和(1-2-3)中描述的BCC結(jié)構(gòu)的FeCoNi合金具有(100)平面取向。自由層2的取向與間隔層4的取向的關(guān)系如下。(100)間隔層〃(100)自由層100間隔層〃[110]自由層其中〃表示平行。(1-2-4)添加劑4公式(1)顯示具有減小體積的MR元件，更具體地，具有減小厚度的自由層也可以減小翻轉(zhuǎn)電流。這是因?yàn)?，在自旋注入寫入中，因?yàn)橛勺孕⑷胱饔迷谧杂蓪由系呐ぞ貎H在分界面(S3nm)附近起作用，當(dāng)自由層變厚時(shí)，沒有扭矩的部分增加，并且翻轉(zhuǎn)電流增加。翻轉(zhuǎn)電流可以通過使自由層變薄而減小。但是，當(dāng)自由層僅僅變薄時(shí)，MR元件在熱阻方面退化。這不利地退化MRAM的存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)保持特性。由于這個(gè)原因，高磁性各向異性能量給予自由層，并且自由層的體積減小同時(shí)保持一定的熱阻。關(guān)于熱阻，滿足下面的公式△=Ke'V/(kb'T)其中△:熱阻Ke:有效磁性各向異性能量V:自由層的體積(=S(自由層的面積).t(自由層的厚度))kb:Bolzmann常數(shù)T:溫度因此，在一定溫度下，當(dāng)熱阻A和自由層面積S恒定時(shí)，增加的有效磁性各向異性能量Ke允許小的自由層厚度t。垂直磁性薄膜(例如圖2)和面內(nèi)磁性薄膜(例如圖1)上的有效磁性各向異性能量Ke彼此不同。垂直磁性薄膜上的有效磁性各向異性能量Ke通常由下面的等式表示Ke-Ku-4;rMs2。另一方面，在面內(nèi)磁性薄膜上，滿足下面的等式Ke-Ku+Ks其中Ks:形狀磁性各向異性能量。因此，根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的MR元件的自由層2是由組成公式Fe^yCoxNiy(Olx+y^l,05x，y^1)表示的材料形成的磁性合金，并且包含選自Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Au和Ag的至少一種元素X。元素X的組成范圍優(yōu)選地在20at%至80at。/。之間。元素X可以提供高單軸磁性各向異性能量Ku到自由層2,并且提高自由層2的耐蝕性。當(dāng)自由層2具有高單軸磁性各向異性能量Ku時(shí)，有效磁性各向異性能量Ke可以增加。因?yàn)樵豖不是磁性元素，當(dāng)元素X添加時(shí)，飽和磁化Ms作為材料的整個(gè)體積而減小。這也有助于自旋注入磁性翻轉(zhuǎn)電流的減小。當(dāng)自由層2具有高單軸磁性各向異性能量Ku以實(shí)現(xiàn)具有一定相等值的有效磁性各向異性能量Ke時(shí)，基于MR元件形狀的形狀磁性各向異性能量Ks可以相對(duì)減小，如從公式(3)中顯然的。結(jié)果，與MR元件的特性的尺寸的相關(guān)性減小，并且提高對(duì)使用MR元件的MRAM中MR元件(存儲(chǔ)單元)尺寸的波動(dòng)的阻抗。隨著MR元件的小型化，由MR元件尺寸的波動(dòng)引起的特性的波動(dòng)是顯著的。由于這個(gè)原因，通過使用該實(shí)施方案，可以實(shí)現(xiàn)小(小尺寸)MR元件而不考慮尺寸的波動(dòng)。當(dāng)元素X適當(dāng)?shù)靥砑拥阶杂蓪?以適當(dāng)?shù)厥棺杂蓪?的晶格取向一致時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)與薄膜表面垂直的磁性各向異性。更具體地，控制添加有元素X的FeCoNi合金薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和取向，以使得能夠提供垂直磁性各向異性到FeCoNi合金。更具體地，可以使用具有(001)平面取向的六角緊密堆積(HCP)結(jié)構(gòu)的CoFeNi-X合金，具有(111)平面取向的FCC結(jié)構(gòu)的CoFeNi-X合金，以及具有(001)平面取向的面心四方(FCT)結(jié)構(gòu)的FeCoNi-X合金。FCT結(jié)構(gòu)合金具有有序結(jié)構(gòu)。作為有序相的晶體結(jié)構(gòu)，Llo結(jié)構(gòu)和Ll2結(jié)構(gòu)是已知的。為了形成具有LU結(jié)構(gòu)和Ll2結(jié)構(gòu)的有序結(jié)構(gòu)的相，元素X的組成范圍在20at。/。至80at。/。之間是優(yōu)選的。需要熱處理以形成有序結(jié)構(gòu)相。在上面的組成范圍中，具有Llo結(jié)構(gòu)和Ll2結(jié)構(gòu)的有序結(jié)構(gòu)相可以容易地由適當(dāng)?shù)臒崽幚硇纬?。Lln結(jié)構(gòu)的有序結(jié)構(gòu)相容易在40atV。至60at，。之間的元素X的組成范圍中形成。Ll2結(jié)構(gòu)的有序結(jié)構(gòu)相容易在20at"/。至40at。/。之間和60at。/。至80at。/。之間的元素X的組成范圍中形成。(1-2-5)MR元件的另外結(jié)構(gòu)下面的實(shí)施方案可以加入添加有元素N，M或L(稱作添加元素)的實(shí)施方案。更具體地，自由層2中的添加元素具有這種濃度分布，即位置處的含量隨著位置接近間隔層4而降低。這是因?yàn)樽鳛榉谴判栽氐奶砑釉氐臐舛冉咏g隔層4與自由層2之間的分界面而減小，以使得能夠保持MR元件1的MR變化率高。因?yàn)樘砑釉氐牧吭诜纸缑娓浇?，由添加元素引起的軌道角?dòng)量減小，并且分界面附近由自由層2的自旋注入引起的扭矩應(yīng)用的效率提高。為了形成如上所述的濃度分布，如圖7中所示，使用的優(yōu)選方法是自由層2與間隔層4之間沒有添加元素的分界面自由層21的插入以使得自由層2成為雙層。更具體地，分界面自由層21包括由組成公式Fe^-yCOxNiy(0￡x+y￡l，05x^1，0Sy￡l)表示的磁性合金。在該情況下，分界面自由層21優(yōu)選地具有BCC結(jié)構(gòu)。在該情況下，F(xiàn)eCoNi合金的組成可以是FeLx.yCOxNiy(0^x+y<0.2，0^x<0.2，0￡y<0.2)。自由層2包括通過根據(jù)描述(1-2-1)、(1-2-2)和(1-2-3)添加元素N，M或L到FeCoNi合金而獲得的材料。具有分界面自由層21的MR元件在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶?。結(jié)果，添加元素從自由層2擴(kuò)散到分界面自由層21以使得能夠?qū)崿F(xiàn)這種濃度分布，即位置處的含量隨著位置接近間隔層4而增加。如上所述的濃度分布也可以實(shí)現(xiàn)，使得如圖8中所示，由選自Ru，Rh,Pd，Os，Ir，Pt和Au的至少一種元素X形成的覆蓋層22在沒有添加元素的自由層2上形成，然后適當(dāng)?shù)赝嘶?。自由?典型地具有BCC結(jié)構(gòu)并且包括通過根據(jù)描述(1-2-1)、(1-2-2)和(1-2-3)添加元素N，M和L的任何一種到(100)平面取向的FeCoNi合金而獲得的材料。作為覆蓋層22，優(yōu)選地使用具有FCC結(jié)構(gòu)并且(100)平面取向的材料。通過減小間隔層4的分界面上添加元素的濃度，獲得因添加元素引起的翻轉(zhuǎn)電流減小效果，并且MR元件1的MR變化率可以保持高。這是因?yàn)镸R變化率相當(dāng)大地依賴于間隔層4與自由層2之間的分界面的狀態(tài)。自由層2中的添加元素的濃度梯度可以通過在MR元件中使用的層的橫截面中與薄膜表面垂直的方向上由能量分散x射線衍射(EDX)或電子能量損失鐠分析(EELS)對(duì)組成的線路分析，由組成分析標(biāo)識(shí)。(1-2-6)自由層的原子結(jié)構(gòu)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的自由層2優(yōu)選地具有Ll。有序結(jié)構(gòu)相或Ll2有序結(jié)構(gòu)相。因?yàn)榫哂蠰U有序結(jié)構(gòu)相和Ll2有序結(jié)構(gòu)相的FeCoNi合金發(fā)揮非常高的晶體磁性各向異性能量Kc，F(xiàn)eCoNi合金有助于增加單軸磁性各向異性能量Ku。如上所述，高單軸磁性各向異性能量Ku可以減小翻轉(zhuǎn)電流同時(shí)保持高熱阻。Llo有序結(jié)構(gòu)相和Ll2有序結(jié)構(gòu)相的形成由X射線衍射法和電子衍射法檢查。在兩種方法中，衍射強(qiáng)度通過使用每個(gè)原子的電子散射強(qiáng)度由結(jié)構(gòu)因數(shù)計(jì)算獲得。根據(jù)有序化，結(jié)合通常出現(xiàn)的(002)衍射，以及當(dāng)消光法則失去時(shí)出現(xiàn)的屬于超晶格峰的(ooi)峰來估計(jì)有序度。有序度從(001)峰與(002)峰之間的比值中計(jì)算。這里，Llo有序結(jié)構(gòu)相或Ll2有序結(jié)構(gòu)相定義為當(dāng)Fe，Co和Ni的一種元素與Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt，Au和Ag的一種元素的二元合金看作母合金時(shí)獲得的晶體結(jié)構(gòu)。例如，作為Llo結(jié)構(gòu)合金，給出FePt有序合金，F(xiàn)ePd有序合金，CoPt有序合金等。作為Ll2結(jié)構(gòu)合金，給出Co3Pt有序合金，F(xiàn)e3Pt有序合金，F(xiàn)e3Pd有序合金等。特別地，當(dāng)具有Ll。有序結(jié)構(gòu)相的FePt合金或CoPt合金具有5xl06erg/cc或更多的高晶體磁性各向異性能量Kc，具有FCT結(jié)構(gòu)，并且(001)平面取向時(shí)，F(xiàn)ePt合金或CoPt合金優(yōu)選地發(fā)揮強(qiáng)垂直磁性各向異性。具有Ll2結(jié)構(gòu)的Fe3Pt合金和具有Lh有序結(jié)構(gòu)相的Co3Pt合金具有FCT結(jié)構(gòu)并且表現(xiàn)出lxl06erg/cc或更多的高晶體磁性各向異性能量Kc。當(dāng)選自V，Cr和Mn的元素添加到具有Llo有序結(jié)構(gòu)相的Fe3Pt合金或具有Lh有序結(jié)構(gòu)相的FePt合金時(shí)，飽和磁化Ms對(duì)于添加劑的量而極大地減小。這是因?yàn)閂,Cr和Mn的自旋方向與Fe的自旋方向相反。這與FeMn，F(xiàn)eCr等具有反鐵磁性質(zhì)的事實(shí)類似。阻尼常數(shù)a也趨向于減小。V，Cr和Mn代替Fe固態(tài)溶解。在磁化磁場(chǎng)(M-H)曲線中，垂直磁化指非磁場(chǎng)中的剩余磁化Mr與飽和磁化Ms的比值Mr/Ms為0.5或更多的狀態(tài)。在MR元件的磁阻效應(yīng)變化率-磁場(chǎng)(MR-H)曲線中，垂直磁化指非磁場(chǎng)中處于剩余狀態(tài)的MR變化率MRr與反平行磁化的最大MR變化率MRs之間的比值MRr/MRs為0.5或更多的狀態(tài)。元素N可以添加到由具有Ll。有序結(jié)構(gòu)相或Lh有序結(jié)構(gòu)相的FeCoNi合金形成的自由層2。添加劑的量優(yōu)選地"i殳置為0.5atV?；蚋嘀?0at。/?；蚋佟．?dāng)量少于0.5at。/。時(shí)，不能觀察到充分的添加劑效果。通過添加，翻轉(zhuǎn)電流可以通過阻尼常數(shù)a的減小而減小。雖然添加劑的量可以大于10at%，LU或Ll2有序結(jié)構(gòu)相的有序化溫度增加，有序化被阻止，并且有序度退化。因?yàn)閂,Cr和Mn與Fe完全固態(tài)溶解，這些V,Cr和Mn不會(huì)破壞有序晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。為了使用MR元件作為MRAM的MR元件，由X射線衍射圖像的(001)峰和(002)峰計(jì)算的有序度必須為0.6或更多。0.8或更多的有序度是優(yōu)選的。當(dāng)有序度小于0.6時(shí)，形成圖案的MR元件中的自旋注入磁性翻轉(zhuǎn)電流非?？赡懿▌?dòng)。元素M或L可以添加到由具有Ll。有序結(jié)構(gòu)相或Lh有序結(jié)構(gòu)相的FeCoNi合金形成的自由層2。添加劑的量優(yōu)選地^t置為0.5at。/?；蚋嘀?0at。/?；蚋佟．?dāng)量大于10at。/。時(shí)，自由層2具有非晶結(jié)構(gòu)并且不具有有序結(jié)構(gòu)。當(dāng)量小于0.5atY。時(shí)，不能觀察到充分的添加劑效果。具有Ll。有序結(jié)構(gòu)相或Ll2有序結(jié)構(gòu)相的自由層2(001)平面取向以用作垂直磁性薄膜。當(dāng)垂直磁性薄膜用作自由層2時(shí)，垂直磁性薄膜優(yōu)選地用作釘層3。在該配置中，釘層3的厚度優(yōu)選地大于自由層2的厚度。這是必需的，以使得釘層3的磁化量大于自由層2的磁化量，從而相對(duì)于翻轉(zhuǎn)電流提高釘層3的穩(wěn)定性。實(shí)際上，釘層3的單軸磁性各向異性能量Ku或矯頑磁性Hc也必須大于自由層2。分界面自由層21可以在具有Ll。有序結(jié)構(gòu)相或Ll2有序結(jié)構(gòu)相并且添加有元素N，M和L的任何一種的自由層2與間隔層4之間形成。分界面自由層21優(yōu)選地包括具有BCC結(jié)構(gòu)的FeCoNi合金。在該情況下，F(xiàn)eCoNi合金的組成是FeLx-yCoxNiy(0￡x+y<0.2，0^x<0.2，0^y<0.2)。分界面自由層21可以根據(jù)描述(1-2-1)、(1-2-2)和(1-2-3)添加有元素N，M和L的任何一種。分界面自由層21的厚度設(shè)置為0.5nm或更多至2nm或更少。當(dāng)厚度小于0.5nm時(shí)，幾乎不能獲得分界面自由層21的效果。當(dāng)厚度大于2nm時(shí)，翻轉(zhuǎn)電流增加。當(dāng)具有NaCl結(jié)構(gòu)的氧化物例如MgO，CaO，SrO或TiO用于間隔層4時(shí)，間隔層4優(yōu)選地(100)平面取向。在該情況下，具有LU有序結(jié)構(gòu)相或Ll2有序結(jié)構(gòu)相的自由層2優(yōu)選地(001)平面取向。在該情況下，自由層2的取向與間隔層4的取向的關(guān)系如下。(IOO)間隔層〃(100)自由層[100間隔層〃[100I自由層(1-3)具體實(shí)例(1-3-1)第一實(shí)例下面將描述本發(fā)明的具體實(shí)例?？梢詫?duì)其執(zhí)行四端測(cè)量的MR元件由下面的過程形成。厚度為lfun或更多的SK)2層通過熱氧化在Si襯底的表面上形成。低互連的圖案由溝槽在襯底上形成。用作下電極的Cu通過使用鑲嵌(Damascene)方法埋入溝槽中。通過使用DC磁控管濺射法，形成根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的MR元件。MR元件具有圖9中的結(jié)構(gòu)，包括圖l等中的結(jié)構(gòu)。更具體地，如圖9中所示，MR元件具有從頂部開始接連排列的覆蓋層23，自由層2，間隔層4,釘層3，反鐵磁層24和底層25。釘層3具有由從頂部開始接連排列的鐵磁層11、中間層12和鐵磁層13構(gòu)成的SAF結(jié)構(gòu)。由到現(xiàn)在為止執(zhí)行的步驟獲得的結(jié)構(gòu)在1.5T的磁場(chǎng)中和在真空狀態(tài)下在375°C下退火。此后，使用硬掩模材料例如TiN或Ta由離子銑削法對(duì)MR元件形成圖案。此后，形成由SiN形成的保護(hù)薄膜和由SK)2形成的層間薄膜。層間薄膜的表面由化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)平面化和拋光以暴露MR元件部分的頂面。此后，上電極通過形成圖案而形成。下面將描述形成的MR元件的詳細(xì)配置。夾在標(biāo)記/之間的材料表示為圖9中所示MR元件的從頂部開始接連排列的各個(gè)層。[I中的值表示薄膜厚度(單位是nm)，并且組成的單位是at%。MR元件中的磁性層具有面內(nèi)磁化。比較實(shí)例Ta[5/Fe[2/MgO/Fe97Cr3[2/MgO0.7/Co40Fe40B203]/Ru/Ta5通過使用根據(jù)比較實(shí)例和實(shí)例1-3的MR元件，估計(jì)面積阻抗RA，MR變化率以及自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)電流密度Jc。作為MR元件的尺寸和形狀，獲得每個(gè)具有l(wèi)OOnm寬度和200nm長度的橢圓形。電流密度Jc由脈沖寬度為1微秒的DC脈沖電流估計(jì)。估計(jì)結(jié)果在下面的表格中顯示。翻轉(zhuǎn)電流密度Jc是用于將自由層2的磁化分別從與釘層3平行翻轉(zhuǎn)到反平行以及從平行翻轉(zhuǎn)到反平行的翻轉(zhuǎn)電流密度的平均值。表格l<table>tableseeoriginaldocumentpage24</column></row><table>如表格1中所示，翻轉(zhuǎn)電流密度Jc的顯著減小效果通過添加V，Cr或Mn而獲得。通過使用由從頂部開始接連排列的Ta5/FeV[5/MgO3/Ta5/襯底形成的層疊結(jié)構(gòu)，通過鐵磁共振(FMR)測(cè)量估計(jì)阻尼常數(shù)a。結(jié)果，當(dāng)V添加到Fe時(shí)，發(fā)現(xiàn)常數(shù)是使用5at。/。添加的相對(duì)最小值。當(dāng)添加劑的量超過20at。A時(shí)，獲得的結(jié)果是比沒有V添加而獲得的阻尼常數(shù)a大的阻尼常數(shù)a。在Mn或Cr添加的情況下，獲得具有相同趨勢(shì)的結(jié)果。在具有由FeV形成的自由層2的MR元件(實(shí)施方案1中的結(jié)構(gòu))中，當(dāng)測(cè)量添加的V的量與MR變化率的相關(guān)性時(shí)，MR變化率在大約20at。/。顯著退化。類似地，在具有由FeMn形成的自由層2以及由FeCr形成的自由層2的MR薄膜(第二和第三實(shí)例)中，測(cè)量MR變化率。結(jié)果，開始顯示MR變化率在大約15at。/。和大約18at。/。顯著退化。(1-3-2)第二實(shí)例MR元件由與實(shí)例1中相同的步驟形成。MR元件的尺寸是100nmxl00nm。各個(gè)層的材料和厚度如下。與第一實(shí)例中的描述中一樣，夾在標(biāo)記/之間的材料表示為從頂部開始順序排列的各個(gè)層。[1中的值表示薄膜厚度(單位是nm)，并且組成的單位是at。/0。比較實(shí)例Ta[5/Fe50Pt50[1.5/MgO/Co4。Fe40B2。[2/Fe5。Pt50[30/Pt[10/Cr20/MgO/底層實(shí)例2:Ta[51/(Fe0.97Cr0.3)50Pt50[1.51/MgO/MgO/底層實(shí)例3:Ta[5/(Fe0.97Mn0.3)50Pt50[1.5/MgO/Fe50Pt50[30/Pt[10/Cr20I/MgO/底層所有基于FePt的合金薄膜的Ll。有序結(jié)構(gòu)相從X射線衍射圖像中觀察，比較實(shí)例和實(shí)例1-3的有序度為0.8或更多，并且沒有觀察到由元素的添加而引起的有序度的顯著退化。MR元件的所有磁性薄膜是垂直磁化薄膜。根據(jù)X射線衍射圖像，所有實(shí)例的自由層是垂直(001)平面取向。關(guān)于根據(jù)比較實(shí)例和實(shí)例的MR元件，MR變化率和自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)電流密度由四端法估計(jì)。結(jié)果在表格2中顯示。表格2<table>tableseeoriginaldocumentpage26</column></row><table>如表格2中所示，甚至在具有垂直磁化的MR元件中，減小翻轉(zhuǎn)電流密度Jc的顯著效果通過添加V,Cr或Mn而獲得。從理論方面，當(dāng)基于第一定律計(jì)算的結(jié)果比較費(fèi)米能量處狀態(tài)的密度時(shí)，建議本質(zhì)的阻尼常數(shù)可以在Mn，Cr和V中減小。效果在V中特別顯著。同樣在使用具有LU有序結(jié)構(gòu)相的Fe100_xPdx(x:40-60at%)合金自由層的情況下，關(guān)于自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)電流密度Jc，如上所述的相同效果在上述添加劑中獲得。自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)電流密度Jc的減小比率關(guān)于所有添加元素和添加的添加劑的量基本上相同。在使用FesoPd5o合金自由層的情況下，自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)電流密度Jc使用基本上相同的層結(jié)構(gòu)為大約10MA/cm2。此外，在具有Llo有序結(jié)構(gòu)相的FePt合金薄膜或FePd合金薄膜中，測(cè)量的阻尼常數(shù)極大地依賴于(001)取向和從LU有序結(jié)構(gòu)相的(001)超晶格峰獲得的有序度，而與是否添加Cr，Mn或V無關(guān)。當(dāng)(OOl)取向良好時(shí)，阻尼常數(shù)減小。該結(jié)果建議增加有序度。因此，當(dāng)Llo有序度增加時(shí)，阻尼常數(shù)減小。從自由層的(001)取向和平整度方面，MR薄膜的底層是重要的。20nm的Cr層作為正好位于FePt釘層下面的Pt層的底層可以由(001)取向的TiN，CrN，VN或NbN薄膜等代替。同樣在該情況下，可以獲得相同的效果，并且熱阻可以提高。前述薄膜的最佳厚度是5國20nm。從增加Ll。有序結(jié)構(gòu)相的(001)超晶格峰和提高有序度的觀點(diǎn)，除了上面的添加元素之外，添加Cu和Zn是優(yōu)選的。添加劑的量在1%或更多和小于10%的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。Cu和Zn在Ll。有序結(jié)構(gòu)相中代替Fe，Co和Ni。在具有垂直磁化薄膜的MR薄膜中，可以期望因退磁場(chǎng)的減小而引起的阻尼常數(shù)的減小效果也依賴于MR元件的尺寸。為了使退磁場(chǎng)的減小有效，MR元件尺寸為lOOnmcp或更小是優(yōu)選的。這是因?yàn)槿绻叽绯^100nmcp，退磁場(chǎng)的減小比率低，并且從遮光薄膜中找到磁通翻轉(zhuǎn)行為的差異是困難的。(1-3-3)第三實(shí)例與實(shí)例1中具有相同層疊結(jié)構(gòu)的MR元件由與實(shí)例1中相同的步驟形成。MR元件的尺寸是100nmxl00nm。各個(gè)層的材料和厚度如下。與實(shí)例1中的描述中一樣，夾在標(biāo)記/之間的材料表示為從頂部開始接連排列的各個(gè)層。[l中的值表示薄膜厚度(單位是nm)，并且組成的單位是at%。比較實(shí)例Ta[5/Co5()Fe5o[2/MgO/PtMn[15/Ta[5實(shí)例1:Ta[5/(Co0.5Fe0.5)97Si3[2/MgO/CoFe[3/PtMn[15/Ta[5實(shí)例2:Ta5/(Co0.5Fe0.5)97.5Ge2.5[2/MgO實(shí)例4:Ta[5/(Co0.5Fe0.5)97Ta3[2/MgO/Co40Fe40B20[3/Ru/(Co。.5Fe。.5)97Nb3[2/MgO/Co40Fe40B2o[3/Ru[0.85/CoFe[3/PtMn[15/Ta[5實(shí)例8:Ta[5/(Co0.5Fe0.5)96.5Mo3.5[2/MgO[0.75/Co40Fe40B20[3/Ru[0.85/CoFe[3I/PtMn[15/Ta5關(guān)于比較實(shí)例和實(shí)例的MR元件，估計(jì)MR變化率和翻轉(zhuǎn)電流密度Jc。結(jié)果在表格3中顯示。表格3<table>tableseeoriginaldocumentpage28</column></row><table>如表格3中所示，減小翻轉(zhuǎn)電流密度Jc的顯著效果通過添加Si，Ge，Ga，Ta，Sr，W，Nb和Mo而獲得。研究添加到CoQ.5FeQ.5的Si的量。待估計(jì)的MR元件具有由從頂部開始接連排列的Ta[5I/CoFeSi5I/MgO[3I/Ta[5I/襯底([l中的值是厚度，并且單位是nm)形成的層疊結(jié)構(gòu)。作為估計(jì)的結(jié)果，當(dāng)添加劑的量為5at。/?；蚋贂r(shí)，因BCC結(jié)構(gòu)而引起的清晰峰由X射線衍射測(cè)量觀察到。在平行橫向電磁波(TEM)觀察中，證實(shí)當(dāng)添加劑的量超過5at。/。時(shí)，CoFeSi層的體積的50%或更多具有非晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)量為10at。/o或更多時(shí)，整個(gè)CoFeSi層由非晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成。當(dāng)通過FMR測(cè)量來測(cè)量阻尼常數(shù)a時(shí)，相對(duì)最小值在大約3at。/。的添加Si的量處獲得。該趨勢(shì)也適用于Ge或Ga。研究添加到Coo.5Fe。.5的Ta的量。待估計(jì)的MR元件具有由從頂部開始接連排列的Ta5I/CoFeTa[5j/MgO[3/Ta5/襯底([中的值是厚度并且單位是nm)形成的層疊結(jié)構(gòu)。作為估計(jì)的結(jié)果，當(dāng)添加劑的量為10at。/?；蚋贂r(shí)，因BCC結(jié)構(gòu)而引起的清晰峰由X射線衍射測(cè)量觀察到。在平行TEM觀察中，證實(shí)當(dāng)添加劑的量超過10at。/。時(shí)，CoFeTa層的體積的50%或更多具有非晶結(jié)構(gòu)。當(dāng)量為20at。/?；蚋鄷r(shí)，整個(gè)CoFeTa層由非晶結(jié)構(gòu)構(gòu)成。該趨勢(shì)也適用于Sr，Ti，Y，Zr，Nb，Mo,Tc，Hf，W和Re。上述所有MR元件和MR薄膜不僅可以適用于自旋注入磁化翻轉(zhuǎn)元件以及4吏用它的MRAM，而且可以適用于疇壁移動(dòng)式元件以及使用它的存儲(chǔ)器。(2)MRAM下面將描述使用在項(xiàng)目(1)中描述的MR元件的自旋注入寫入MRAM。圖10是顯示根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施方案的MRAM的一個(gè)存儲(chǔ)單元的基本部分的橫截面視圖。如圖10中所示，MR元件1的頂面通過上電極31連接到位線32。MR元件1的底面通過下電極33、導(dǎo)電層(引線)34和插塞35連接到半導(dǎo)體襯底36的表面上的源極/漏極擴(kuò)散區(qū)37a。源極/漏極擴(kuò)散區(qū)37a與源極/漏極擴(kuò)散區(qū)37b,在半導(dǎo)體襯底36上形成的柵極絕緣薄膜38，以及在柵極絕緣薄膜38上形成的柵電極39—起構(gòu)成選擇晶體管Tr。選擇晶體管Tr和MR元件1構(gòu)成MRAM的一個(gè)存儲(chǔ)單元。源極/漏極擴(kuò)散區(qū)37b通過插塞41連接到另一個(gè)位線42。插塞35可以在下電極33下面形成，而不使用引線34將下電極33和插塞！彼此直接連接。位線32和42，電極33和34，導(dǎo)電層34，以及插塞35和36由W，Al，AlCu，Cu等組成。每個(gè)在圖10中顯示的多個(gè)存儲(chǔ)單元以矩陣排列以形成MRAM的存儲(chǔ)單元陣列。圖11是顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的MRAM的基本部分的電路圖。如圖11中所示，每個(gè)由MR元件1和選擇晶體管Tr構(gòu)成的多個(gè)存儲(chǔ)單元53以矩陣排列。屬于一列的存儲(chǔ)單元53的一個(gè)端子連接到相同的位線32，并且另一個(gè)端子連接到相同的位線42。屬于相同行的存儲(chǔ)單元35的柵電極(字線)39彼此連接并且連接到行解碼器51。位線32通過開關(guān)電路54例如晶體管連接到電流源/吸收器電路55。位線42通過開關(guān)電路56例如晶體管連接到電流源/吸收器電路57。電流源/吸收器電路55和57提供寫入電流(翻轉(zhuǎn)電流)到連接的位線32和42或者從位線32和42吸收寫入電流。位線42連接到讀出電路52。讀出電路52可以連接到位線32。讀出電路52包括讀出電流電路，讀出放大器等。寫入時(shí)，開關(guān)電路54和56以及連接到待寫入存儲(chǔ)單元的選擇晶體管Tr導(dǎo)通從而形成通過目標(biāo)存儲(chǔ)單元的電流通路。依賴于待寫入的信息，電流源/吸收器電路55和57中的一個(gè)用作電流源，而另一個(gè)用作電流吸收器。結(jié)果，寫入電流在與寫入信息相對(duì)應(yīng)的方向上流動(dòng)。關(guān)于寫入速率，自旋注入寫入可以由脈沖寬度在從幾納秒到幾微秒范圍變化的電流執(zhí)行。讀出時(shí)，讀出電流電路提供太小以至于不能引起磁化翻轉(zhuǎn)的讀出電流到像寫入時(shí)一樣指定的MR元件1。讀出電路32比較根據(jù)MR元件1的磁化狀態(tài)由阻抗引起的電流值或電壓值與參考值，從而確定阻抗?fàn)顟B(tài)。讀出時(shí)，電流脈沖寬度優(yōu)選地小于寫入時(shí)。這樣，可以減少讀出時(shí)由電流引起的錯(cuò)誤寫入。這以當(dāng)寫入電流的脈沖寬度小時(shí)寫入電流值的絕對(duì)值增加為前提。如此描述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的磁阻效應(yīng)器件，自由層2包括具有BCC結(jié)構(gòu)并且添加有預(yù)先確定元素(M，N或L)的FeCoNi合金。由于這個(gè)原因，依賴于添加元素的類型，自旋軌道的相互作用減小，或者自由電子局部化，使得MR元件的阻尼常數(shù)ot減小。結(jié)果，可以減小MR元件的翻轉(zhuǎn)電流。依據(jù)根據(jù)實(shí)施方案的磁阻效應(yīng)器件，自由層2包括具有BCC結(jié)構(gòu)并且添加有預(yù)先確定元素(X)的FeCoNi合金。由于這個(gè)原因，熱阻自由層通過單軸磁性各向異性能量Ku的增加而變薄，從而減小翻轉(zhuǎn)電流，并且使得能夠防止熱阻退化。根據(jù)實(shí)施方案的磁阻效應(yīng)器件，自由層2與間隔層4之間的分界面上元素M和N的濃度低于自由層2的另一個(gè)部分。由于這個(gè)原因，通過添加元素M和N減小翻轉(zhuǎn)電流與高M(jìn)R變化率是兼容的。此外，根據(jù)實(shí)施方案的磁阻效應(yīng)器件，自由層2包括具有Llo或Ll2有序結(jié)構(gòu)相并且添加有預(yù)先確定元素(M，N或L)的FeCoNi合金。由于這個(gè)原因，可以減小翻轉(zhuǎn)電流，同時(shí)通過高單軸磁性各向異性能量Ku保持高熱阻。另外的優(yōu)點(diǎn)和修改將容易由本領(lǐng)域技術(shù)人員想到。因此，本發(fā)明方案。因此，可以不背離由附加的權(quán)利要求及其等價(jià)物所定義的一般發(fā)明概念的本質(zhì)或范圍而做各種修改。權(quán)利要求1.一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于包括具有基本上固定的磁化方向的磁化固定層；磁化可變層，其具有可變的磁化方向，由具有BCC結(jié)構(gòu)并由Fe1-x-yCoxNiy(0≤x+y≤1，0≤x≤1，0≤y≤1)表示的磁性合金形成，并且包含在0＜a≤20at％(a是含量)范圍內(nèi)的V、Cr和Mn中的至少一種添加元素；以及置于所述磁化固定層和所述磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過所述磁化固定層、所述中間層和所述磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)所述磁化可變層的磁化方向。2.根據(jù)權(quán)利要求l的元件，其特征在于在所述磁化可變層中的位置處的所述添加元素的量隨著該位置接近所述中間層而減少。3.根據(jù)權(quán)利要求l的元件，其特征在于所述磁化可變層和所述磁化固定層分別具有與其薄膜平面垂直的磁化。4.一種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于包括具有基本上固定的磁化方向的磁化固定層；磁化可變層，其具有可變的磁化方向，由具有BCC結(jié)構(gòu)并由Fe—COxNiy(0￡x+y￡l，0￡xSl，0￡ySl)表示的磁性合金形成，并且包含在0<a^5at%(a是含量)范圍內(nèi)的Si、Ge和Ga中的至少一種添加元素的；以及置于所述磁化固定層和所述磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過所述磁化固定層、所述中間層和所述磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)所述磁化可變層的磁化方向。5.根據(jù)權(quán)利要求4的元件，其特征在于在所述磁化可變層中的位置處的所述添加元素的量隨著該位置接近所述中間層而減少。6.根據(jù)權(quán)利要求4的元件，其特征在于所述磁化可變層和所述磁化固定層分別具有與其薄膜平面垂直的磁化。7.—種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于包括具有基本上固定的磁化方向的磁化固定層；磁化可變層，其具有可變的磁化方向，由具有BCC結(jié)構(gòu)并由Fe^-yCOxNiy(O^x+y^l，0^1,0￡y$l)表示的磁性合金形成，并且包含在0<a$10at%(a是含量)范圍內(nèi)的Sr、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Hf、Ta、W和Re中的至少一種添加元素；以及置于所述磁化固定層和所述磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過所述磁化固定層、所述中間層和所述磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)所述磁化可變層的磁化方向。8.根據(jù)權(quán)利要求7的元件，其特征在于在所述磁化可變層中的位置處的所述添加元素的量隨著該位置接近所述中間層而減少。9.根據(jù)權(quán)利要求7的元件，其特征在于所述磁化可變層和所述磁化固定層分別具有與其薄膜平面垂直的磁化。10.—種磁阻效應(yīng)元件，其特征在于包括具有基本上固定的磁化方向的磁化固定層；磁化可變層，其具有可變的磁化方向，由Fei_x-yCoxNiy(0Sx+y化0^1，OSy￡l)表示的磁性合金形成，并且包含Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Au和Ag中至少一種；以及置于所述磁化固定層和所述磁化可變層之間并且由非磁性材料形成的中間層，其中由經(jīng)過所述磁化固定層、所述中間層和所述磁化可變層的雙向電流翻轉(zhuǎn)所述磁化可變層的磁化方向。11.根據(jù)權(quán)利要求10的元件，其特征在于所述磁化可變層具有Ll。有序結(jié)構(gòu)相或Ll2有序結(jié)構(gòu)相。12.根據(jù)權(quán)利要求10的元件，其特征在于所述磁性可變層包含在0.5^a510at%(a是含量)范圍內(nèi)的V、Cr和Mn的至少一種。13.根據(jù)權(quán)利要求10的元件，其特征在于所述磁性可變層包含在0.5￡a^l0at%(a是含量)范圍內(nèi)的Si、Ge和Ga的至少一種。14.根據(jù)權(quán)利要求10的元件，其特征在于所述磁性可變層包含在0.5^aSlOat%(a是含量)范圍內(nèi)的Sr、Ti、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Hf、Ta、W和Re的至少一種。15.根據(jù)權(quán)利要求10的元件，其特征在于所述磁化可變層和所述磁化固定層分別具有與其薄膜平面垂直的磁化。16.—種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于包括包括存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件作為存儲(chǔ)元件；以及供應(yīng)雙向電流給所述存儲(chǔ)單元的電流供應(yīng)電路。17.—種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于包括包括存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁阻效應(yīng)元件作為存儲(chǔ)元件；以及供應(yīng)雙向電流給所述存儲(chǔ)單元的電流供應(yīng)電路。18.—種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于包括包括存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁阻效應(yīng)元件作為存儲(chǔ)元件；以及供應(yīng)雙向電流給所述存儲(chǔ)單元的電流供應(yīng)電路。19.一種磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，其特征在于包括包括存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)單元陣列，每個(gè)存儲(chǔ)單元包括根據(jù)權(quán)利要求IO所述的磁阻效應(yīng)元件作為存儲(chǔ)元件；以及供應(yīng)雙向電流給所述存儲(chǔ)單元的電流供應(yīng)電路。全文摘要一種磁阻效應(yīng)元件(1)，包括具有基本上固定磁化方向的磁化固定層(3)。磁化可變層(2)具有可變磁化方向，由具有BCC結(jié)構(gòu)并且由Fe_1-x-yCo_xNi_y(0≤x+y≤1，0≤x≤1，0≤y≤1)表示的磁性合金組成，并且包含0＜a≤20at％(a是含量)范圍內(nèi)的V，Cr和Mn中至少一種添加元素。中間層(4)置于磁化固定層(3)和磁化可變層(2)之間并且由非磁性材料組成。由經(jīng)過磁化固定層(3)、中間層(4)和磁化可變層(2)的雙向電流翻轉(zhuǎn)磁化可變層(2)的磁化方向。文檔編號(hào)H01L43/08GK101154707SQ20071015288公開日2008年4月2日申請(qǐng)日期2007年9月21日優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日發(fā)明者與田博明,北川英二,吉川將壽,岸達(dá)也,永瀨俊彥,甲斐正申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝