磁致电阻效应元件、磁存储器以及磁头制造技术

一种磁阻效应元件，其特征在于包括：隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的作为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层具有：夹着上述隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在上述第二强磁性层的与上述隧道阻 挡层相反的一侧形成、膜面面积比上述第二强磁性层大、且能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在上述第二强磁性层和上述第三强磁性层之间、将上述第三强磁性层的磁化的反转传递给上述第二强磁性层的中间层。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及磁阻效应元件、磁存储器以及磁头。
技术介绍
使用磁性体膜的磁阻效应元件已被用于磁头、磁传感器等中，同时提出了将其用于固体磁存储器中。特别是作为能高速读写、容量大、低功耗工作的下一代的固体非易失性存储器，提高了对利用强磁性体的磁阻效应的磁随机存取存储器(以下称MRAM)的关心程度。近年来，作为具有在两个强磁性金属层之间插入一层电介质的夹层结构、使电流垂直于膜面流过、利用隧道电流的磁阻效应元件，提出了所谓的“强磁性隧道结元件(TMR元件)”。在强磁性隧道结元件中，能获得20％以上的磁阻变化率，所以提高了对MRAM的民用的可能性。在强磁性层上形成厚度为0.6nm～2.0nm的薄的Al(铝)层后，通过使其表面暴露在氧辉光放电或氧气中，形成由Al2O3构成的隧道阻挡层，能实现该强磁性隧道结元件。另外，提出了一种强磁性单隧道结，该强磁性单隧道结具有这样的结构使构成该强磁性单隧道结元件的一个强磁性层呈反强磁性层，将另一个强磁性层作为磁化固定层。另外，还提出了使分散在电介质中的磁性颗粒介于其中的强磁性隧道结元件、或强磁性双隧道结元件。在这些强磁性隧道结元件中，也能获得20％～50％的磁阻变化率，且即使为了获得所希望的输出电压值而增加加在强磁性隧道结元件上的电压值，也能抑制磁阻变化率的减少，所以有可能应用于MRAM中。在将TMR元件用于MRAM的情况下，将隧道阻挡层夹在中间的两个强磁性层中，将其中的一个磁化方向不变化的磁化固定层作为基准磁化层，将另一个磁化方向容易反转的磁化自由层作为存储层。通过使基准层和存储层的磁化方向呈平行状态和反平行状态时对应于二进信息的“0”和“1” ，能存储信息。通过利用使电流流过设置在TMR元件附近的写入布线而发生的感应磁场，使存储层的磁化方向反转，进行记录信息的写入。另外，通过检测由TMR效应引起的电阻变化部分，进行记录信息的读出。为了使基准层的磁化方向固定，采用接近强磁性层设置反强磁性层，使由交换耦合力不容易引起磁化反转的方法的结构称为自旋阀型结构。在该结构中，一边施加磁场一边进行热处理(磁化固定退火)，决定基准层的磁化方向。另一方面，通过赋予磁各向异性，使易磁化方向和基准层的磁化方向大致相同，形成存储层。这些使用强磁性单隧道结或强磁性双隧道结的磁记录元件呈非易失性，写入读出时间也快，在10毫微秒以下，而且改写次数有达1015以上的可能性。特别是使用强磁性双隧道结元件的磁记录元件，如上所述，即使为了获得所希望的输出电压值而增加加在强磁性隧道结元件上的电压值，也能抑制磁阻变化率的减少，所以能获得大的输出电压，作为磁记录元件，呈现出良好的特性。可是，关于存储器的单元尺寸，在单元采用由一个晶体管和一个TMR元件构成的结构的情况下，存在不能使尺寸小到半导体的DRAM(动态随机存取存储器)以下的问题。为了解决该问题，设计出了将TMR元件和二极管串联连接在位线和字线之间的二极管型结构、或者将TMR单元配置在位线和字线之间的简单矩阵型结构。可是，不管在哪一种情况下，向存储层写入时都用电流脉冲产生的电流磁场进行反转，所以功耗大，大容量化时布线的允许电流密度有极限，不能大容量化。另外，电流的绝对值为1mA以下，为了代替DRAM，如果达不到0.2mA以下，则使电流流通用的驱动器的面积增大，在与其他非易失性固体磁存储器、例如使用强电介质电容器的强电介质存储器(铁电随机存取存储器)或快速存储器等进行比较的情况下，存在结构增大、缺乏竞争力的问题。针对上述问题，提出了将由磁导率高的磁性材料构成的薄膜设置在写入布线周围的磁存储装置(例如，参照美国专利第5,659,499号说明书、美国专利第5,956,267号说明书、美国专利第5,940,319号说明书)。如果采用这些磁存储装置，则由于在布线周围设有磁导率高的磁性膜，所以能有效地降低对磁记录层进行信息写入所必要的电流值。可是，即使采用它们，使写入电流值在1mA以下也是非常困难的。另外，至此所设计的强磁性隧道结的存储层(磁化自由层)，通常在结合分离时由规定的体积决定，如果设计规则在0.25微米以下，则在热稳定性方面有问题。为了解决这些问题，提出了将存储层作成反强磁性结的三层膜或多层膜(例如，参照美国专利第5,953,248号说明书)。可是，如果采用上述专利文献4中的多层膜结构，则会发生多级磁滞，引起MR变化率下降的问题。
技术实现思路
本专利技术正是考虑了上述情况而完成的，目的在于提供一种功耗少、热稳定性好的磁阻效应元件、以及使用该磁阻效应元件的磁存储器及磁头。本专利技术的第一种形态的磁阻效应元件的特征在于包括隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的成为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层有夹着上述隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在上述第二强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧形成、膜面面积比上述第二强磁性层大、能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在上述第二强磁性层和上述第三强磁性层之间、将上述第三强磁性层的磁化的反转传递给上述第二强磁性层的中间层。本专利技术的第二种形态的磁存储器的特征在于包括第一布线；与该第一布线交叉的第二布线；以及设置在上述第一布线及第二布线的交叉区域上的上述磁阻效应元件，上述磁阻效应元件的第二及第三强磁性层成为存储层，该存储层能随着通过使电流流过上述第一及第二布线中的至少一条布线产生的电流磁场来改变磁化方向，上述第三强磁性层与发生上述电流磁场的上述一条布线相邻地设置。附图说明图1是表示本专利技术的第一实施方式的磁阻效应元件的结构的剖面图。图2A是表示将第一实施方式的磁阻效应元件用于磁存储器时的斜视图，图2B是表示第一实施方式的磁阻效应元件的中间层的结构的斜视图。图3是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第一变形例的结构的剖面图。图4是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第二变形例的结构的剖面图。图5是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第三变形例的结构的剖面图。图6是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第四变形例的结构的剖面图。图7是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第五变形例的结构的剖面图。图8是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第六变形例的结构的剖面图。图9是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第七变形例的结构的剖面图。图10是表示第一实施方式的磁阻效应元件的第八变形例的结构的剖面图。图11A至图11F是第一实施方式的磁阻效应元件的与写入布线相邻的磁性层的平面图。图12(a)至图12(h)是第一实施方式的磁阻效应元件的中间层的平面图。图13是表示星形曲线的图。图14A、14B是表示本专利技术的第二实施方式的磁存储器的结构图。图15A、15B是表示本专利技术的第三实施方式的磁存储器的结构图。图16A、16B是表示本专利技术的第四实施方式的磁存储器的结构图。图17A至图17C是表示本专利技术的第五实施方式的磁存储器的结构图。图18A至图18C是表示本专利技术的第六实施方式的磁存储器的结构图。图19A、19B是表示本专利技术的第七实施方式的磁存储器的结构图。图20A、20B是表示本专利技术的第八实施方式的磁存储器的结构图。图21A、21B是表示本专利技术的第九实施方式的磁存储器的结构图。图22A、22B是表示本专利技术的第十实施方式的磁存储器的结构图。图23A本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁阻效应元件，其特征在于包括隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的作为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层具有夹着上述隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在上述第二强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧形成、膜面面积比上述第二强磁性层大、且能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在上述第二强磁性层和上述第三强磁性层之间、将上述第三强磁性层的磁化的反转传递给上述第二强磁性层的中间层。2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第二强磁性层和上述第三强磁性层夹着上述中间层进行磁耦合。3.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第三强磁性层的膜面形状的纵横比为1以上、2以下。4.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于包括在上述第一强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧的面上形成的反强磁性层。5.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第一至第三强磁性层中的至少一个强磁性层是强磁性层和非磁性层交替层叠的层叠膜。6.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述中间层是单层的强磁性层或强磁性层和非磁性层交替层叠的层叠膜，在上述层叠膜的相邻的上述强磁性层之间夹着上述非磁性层存在反强磁性交换耦合或强磁性交换耦合。7.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第二强磁性层和上述中间层的膜面形状相同，上述中间层和上述第三强磁性层磁性相接。8.一种磁阻效应元件，其特征在于包括隧道阻挡层；夹着该隧道阻挡层设置在一侧的作为磁化固定层的第一强磁性层；以及磁化自由层，该磁化自由层具有夹着上述隧道阻挡层设置在另一侧的第二强磁性层；在上述第二强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧形成、膜面面积比上述第二强磁性层大、且能利用外部磁场进行磁化方向反转的第三强磁性层；以及设置在上述第二强磁性层和上述第三强磁性层之间、将上述第三强磁性层的磁化的反转传递给上述第二强磁性层的中间层，上述磁化自由层在垂直于易磁化轴方向膜面的断面中呈T形形状。9.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第二强磁性层和上述第三强磁性层夹着上述中间层进行磁耦合。10.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第三强磁性层的膜面形状的纵横比为1以上、2以下。11.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于包括在上述第一强磁性层的与上述隧道阻挡层相反的一侧的面上形成的反强磁性层。12.根据权利要求8所述的磁阻效应元件，其特征在于上述第一至第三强磁性层中的至少一个强磁性层是强磁性层...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐藤好昭，西山胜哉，高桥茂树，
申请(专利权)人：株式会社东芝，
类型：发明
国别省市：