專利名稱：磁記錄元件以及磁記錄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁記錄元件和使用磁記錄元件的磁記錄裝置，例如涉及使自旋極化電子流動(dòng)以控制磁性材料的自旋方向，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄的磁記錄元件。
背景技術(shù)：
近年來，數(shù)據(jù)記錄裝置被用于支持或推動(dòng)大范圍高度信息化的社會(huì)，因?yàn)檫@些裝置滿足大容量、高速度、耐用、低成本等各種要求。而且，還需要進(jìn)一步提高上述這些特點(diǎn)的技術(shù)。其中，利用鐵磁磁性材料的磁矩的磁記錄裝置作為例如硬盤驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)被廣泛使用，最近也提出將磁記錄裝置作為同時(shí)具有高速性和非易失性的磁阻隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(MRAM)使用的技術(shù)方案。
但是，根據(jù)最近的高密度化要求，在存儲(chǔ)一位數(shù)據(jù)的單位單元中要求達(dá)到從100納米到數(shù)十納米，或比其更小的規(guī)模。由于這個(gè)原因，可以看到數(shù)據(jù)寫入方式中的技術(shù)性壁壘。更具體地說，根據(jù)上述硬盤驅(qū)動(dòng)器和MRAM所用的電磁場(chǎng)寫入，隨著存儲(chǔ)器單元尺寸的減小，產(chǎn)生寫入所需要的磁場(chǎng)用的電流量增大。而且，諸如相鄰單元之間的串話的問題也不可避免地發(fā)生。
最近，F(xiàn).J.Albert等人在2000年12月4日的應(yīng)用物理快報(bào)(Appl.Phys.Lett.)第77卷，3089-3811頁的文獻(xiàn)中證實(shí)電流直接驅(qū)動(dòng)磁化轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。作為提供能夠解決上述電流磁場(chǎng)寫入方式的問題的新的寫入方式的現(xiàn)象，正在受到人們的期待。
這種現(xiàn)象敘述如下。也就是，在與磁性材料的磁化方向(自旋方向)不同的方向上自旋極化的傳導(dǎo)電子通過磁性材料時(shí)，傳導(dǎo)電子的自旋角動(dòng)量作用并傳遞到該磁性材料的磁化上，以產(chǎn)生使磁性材料的磁化方向轉(zhuǎn)換的磁矩。通過利用這種現(xiàn)象，與電磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁化轉(zhuǎn)換相比，對(duì)納米級(jí)的磁性材料能夠產(chǎn)生更加直接的作用，也隨著單元尺寸的減小而減少寫入所需要的電流。
但是，在目前也有下述問題存在。為了通過電流直接轉(zhuǎn)換磁化方向，當(dāng)單元的尺寸約為從100納米到數(shù)十納米的情況下時(shí)，就需要10mA到幾個(gè)毫安的極大的電流。也就是說，為了防止對(duì)設(shè)備的破壞和防止發(fā)熱反應(yīng)，還為了降低電耗，必須提高電流直接驅(qū)動(dòng)磁化轉(zhuǎn)換的效率。換言之，也就是需要以盡量小的電流使磁化方向轉(zhuǎn)換。
下述的參考文獻(xiàn)對(duì)磁化轉(zhuǎn)換所需要的電流的減少作了相關(guān)敘述。
參考文獻(xiàn)屋上公二郎(Kojiro OKUGAMI)等人的“飽和磁化減小產(chǎn)生的自旋注入反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)電流密度的降低”(Reduction of switching current density using spin injectionswitching by reduction of saturation magnetization)，日本應(yīng)用磁氣學(xué)會(huì)志(AppliedMagnetism Society of Japan)，2004，28卷，第2期，149-152頁。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種自旋極化電子被注入其中的磁記錄元件，該元件具有其磁化方向由自旋極化電子根據(jù)自旋極化電子的流動(dòng)方向改變的層，并且根據(jù)磁化方向記錄信息，該磁記錄元件包括利用自旋極化電子的作用改變磁化方向，具有自旋極化度Pf的自由層、磁化方向固定，而且具有比所述自旋極化度Pf大的自旋極化度Pp的固定層、以及設(shè)置于所述固定層與所述自由層之間，實(shí)質(zhì)上由非磁性材料構(gòu)成的中間層。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種自旋極化電子被注入其中的磁記錄元件，該磁記錄元件具有其磁化方向由自旋極化電子根據(jù)自旋極化電子的流動(dòng)方向改變的層，并且根據(jù)磁化方向記錄信息，該磁記錄元件包括由一個(gè)或一個(gè)以上的薄膜構(gòu)成，利用自旋極化電子的作用改變其磁化方向，以及具有自旋極化度Pf和互相相對(duì)的第一表面和第二表面的自由層；設(shè)置于上述自由層的第一表面上，實(shí)質(zhì)上由非磁性材料構(gòu)成的第一中間層；設(shè)置于所述第一中間層的與所述第一表面相反一側(cè)的表面上，具有自旋極化度Pp1，其極化方向固定并平行于與第一中間層接觸的自由層薄膜的極化方向的第一固定層；設(shè)置于所述第二表面上，實(shí)質(zhì)上由非磁性材料構(gòu)成的第二中間層；以及設(shè)置于所述第二中間層的與所述第二表面相反一側(cè)的表面上，具有自旋極化度Pp2，其極化方向固定并且反向平行于與第二中間層接觸的自由層薄膜的極化方向的第二固定層，滿足下面的關(guān)系式Pp1＝Pp2＞Pf，或當(dāng)Pp1≠Pp2時(shí)Pf≤Ppmin，Ppmin為Pp1和Pp2中較小的一個(gè)自旋極化度。


圖1示意性地顯示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的磁記錄元件的剖面結(jié)構(gòu)；圖2表示典型材料的自旋極化度；圖3-17分別示意性地顯示了能夠應(yīng)用于固定層和自由層的剖面結(jié)構(gòu)；圖18顯示非磁性層的厚度與夾著該非磁性層的兩個(gè)鐵磁性層之間的結(jié)合力之間的關(guān)系；圖19示意性地顯示了根據(jù)第一實(shí)施例的變化例的磁記錄元件的剖面結(jié)構(gòu)；圖20顯示實(shí)施例1～2的自由層的自旋極化度與轉(zhuǎn)換電流之間的關(guān)系。
圖21顯示實(shí)施例1～3的自由層的自旋極化度與正負(fù)轉(zhuǎn)換電流之比之間的關(guān)系；圖22顯示根據(jù)第一實(shí)施例的磁記錄元件的自由層和固定層之間的自旋極化度的關(guān)系；圖23和24分別示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的磁記錄元件的剖面結(jié)構(gòu)；圖25、26和27分別示意性地顯示了固定層和自由層之間的自旋極化度的典型關(guān)系；圖28、29、30和31分別示意性地顯示了由根據(jù)第二實(shí)施例的磁記錄元件的堆疊的固定層和堆疊的自由層實(shí)現(xiàn)的剖面結(jié)構(gòu)；圖32顯示了根據(jù)第二實(shí)施例的磁記錄元件的自由層和固定層之間的自旋極化度的關(guān)系；圖33示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的磁記錄元件的剖面結(jié)構(gòu)；圖34顯示一個(gè)具有磁記錄元件和選擇晶體管的存儲(chǔ)器單元；圖35顯示一個(gè)具有磁記錄元件和二極管的存儲(chǔ)器單元。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。在下面的說明中對(duì)具有完全相同的功能和結(jié)構(gòu)的元件標(biāo)以相同的參考數(shù)字，并且只有在需要的情況下才進(jìn)行重復(fù)說明。
(1)第一實(shí)施例第一實(shí)施例涉及磁記錄元件的結(jié)構(gòu)，即涉及具有單固定層的結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)圖1示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的磁記錄元件的剖面結(jié)構(gòu)。該磁記錄元件具有下文給出的作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的元件結(jié)構(gòu)。根據(jù)該元件結(jié)構(gòu)，依順序堆疊鐵磁性層FP、中間層(非磁性層)S和鐵磁性層FF。鐵磁性層FP和/或鐵磁性層FF也可以具有包括如下所述的多個(gè)子層的堆疊結(jié)構(gòu)。下文中，以上述鐵磁性層包括單層的情況作為例子進(jìn)行說明。
鐵磁性層FP的磁化方向固定。這可以通過例如在鐵磁性層FP上設(shè)置反鐵磁性層AF的方法達(dá)到。下面將鐵磁性層FP稱為固定層。
另一方面，關(guān)于鐵磁性層FF的自旋方向，不設(shè)置上述固定機(jī)構(gòu)。因此，鐵磁性層FF的自旋方向是可變的，下面將鐵磁性層FF稱為自由層。
中間層S要求能夠?qū)㈣F磁性層FP與鐵磁性層FF加以隔離而能夠忽略在鐵磁性層FP與鐵磁性層FF之間的直接相互作用的薄膜厚度。同時(shí)，在電流流入元件時(shí)，因?yàn)橐笸ㄟ^鐵磁性層FP的傳導(dǎo)電子在達(dá)到鐵磁性層FF之前電子的自旋方向不轉(zhuǎn)換，因此，中間層S的膜厚需要比自旋擴(kuò)散長度薄。作為中間層S可以使用非磁性金屬、非磁性半導(dǎo)體和絕緣膜等。
自旋極化度不同的材料被用作固定層FP和自由層FF，固定層FP具有高自旋極化度，而自由層FF具有低自旋極化度。另外，至少固定層FP的自旋極化度比自由層FF的自旋極化度高。自旋極化度P根據(jù)某一磁性材料的多數(shù)自旋電子的狀態(tài)密度D↑和少數(shù)自旋電子的狀態(tài)密度D↓由下式定義。
P＝(D↑-D↓)/(D↑+D↓)自旋極化度是材料固有的量，取決于所使用材料及其化學(xué)組成確定。在下述文獻(xiàn)1和文獻(xiàn)2中已知的典型材料的自旋極化度如圖2所示。
文獻(xiàn)1P.M.Tedrow和R.Meservey，Phys.Rep.238，No.4(1994)，pp.173-243文獻(xiàn)2R.J.Soulen等，Science Vol.282，pp.85-88，Oct 2，1998上述元件可以利用濺射和光刻技術(shù)進(jìn)行制作。詳細(xì)情況將在下述實(shí)例中敘述。
寫入和讀出下面對(duì)由磁記錄元件進(jìn)行寫入和讀出的方法進(jìn)行說明。
為了使自由層FF的磁化方向從反向平行于固定層FP的磁化方向向平行于固定層FP的磁化方向轉(zhuǎn)換，使電子從固定層FP向自由層FF流動(dòng)。通常，通過某一磁性材料的大多數(shù)電子具有與該磁性材料的磁化方向平行的自旋。因此通過固定層FP的大多數(shù)電子具有與固定層FP的磁化方向平行的自旋。其余的電子具有與固定層FP的磁化方向反向平行的自旋。
具有與固定層FP的磁化方向平行的自旋的傳導(dǎo)電子流入自由層FF，向?qū)ψ杂蓪覨F的磁化起作用的磁矩提供貢獻(xiàn)。另一方面，具有與固定層FP的磁化方向反向平行的自旋的電子由自由層FF與中間層S之間的界面反射。否則，該電子就流入自由層FF，妨礙自由層FF的磁化方向發(fā)生轉(zhuǎn)換。在通過某一磁性材料的電子中，具有與該磁性材料的磁化方向平行的自旋的電子的數(shù)量取決于磁性材料的自旋極化度。因此，如本實(shí)施例所述，具有高自旋極化度的材料被用作固定層FP。通過這樣做，就可以使流入自由層FF并且具有與固定層FP的磁化方向反向平行的自旋的電子和具有相反方向的電子的比例下降。結(jié)果，即使電子電流小，也能夠使自由層FF的磁化方向從和固定層FP反向平行的方向高效率地轉(zhuǎn)換為和固定層FP平行的方向。也就是說，轉(zhuǎn)換電流可以小。
相反，為了使平行于固定層FP的磁化方向的自由層FF的磁化方向轉(zhuǎn)換到反向平行于固定層FP的磁化方向，使電子從自由層FF向固定層FP流動(dòng)。通過自由層FF之后，大多數(shù)具有與固定層FP的磁化方向反向平行的自旋的電子由固定層FP反射然后返回自由層FF。電子再度流入自由層FF，具有與固定層FP的磁化方向反向平行的自旋的電子向?qū)ψ杂蓪覨F的磁化起作用的磁矩做出貢獻(xiàn)。通過自由層FF之后，一部分通過自由層FF的具有與固定層FP的磁化方向反向平行的自旋的電子雖然只是少數(shù)但也通過了固定層FP。
根據(jù)本實(shí)施例，具有低自旋極化度的材料被用作自由層FF，而具有高自旋極化度的材料被用作固定層FP。將具有低自旋極化度的材料用作自由層FF，能夠使從自由層FF流出的電子電流中具有與固定層FP(自由層FF)的磁化方向反向平行的自旋的電子增加。而且，將具有高自旋極化度的材料用作固定層FP，能夠提高具有與固定層FP的磁化方向反向平行的自旋的電子中由固定層FP反射的電子的比例。因此，上述效果被組合，減少使自由層FF的磁化方向從與固定層平行的方向轉(zhuǎn)換到與其反向平行的方向所需的電流。
這樣，使電流在橫越各層的結(jié)合面的方向上流動(dòng)，從而能夠控制自由層FF的磁化方向。根據(jù)自由層FF的磁化方向分配“0”或“1”兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，就能夠利用該元件記錄一位的信息。
該元件可以發(fā)送出利用磁阻效應(yīng)作為自由層FF的磁化方向存儲(chǔ)的信息。更具體地說，在固定層FP與自由層FF之間流過具有小于轉(zhuǎn)換電流的強(qiáng)度的傳感電流。如果自由層FF的磁化方向與固定層FP的磁化方向平行，則磁阻相對(duì)小。另一方面，如果自由層FF的磁化方向與固定層FP的磁化方向反向平行，則磁阻相對(duì)大。
將使平行于固定層FP的自由層FF的磁化方向轉(zhuǎn)換到與其反向平行的方向的轉(zhuǎn)換電流Jp大于使反向平行于固定層FP的自由層FF的磁化方向轉(zhuǎn)換到與其大致平行的方向的轉(zhuǎn)換電流Jap。這是由下述原因造成的。后者的轉(zhuǎn)換來自于主要由通過固定層FP的電子貢獻(xiàn)的磁矩，而前者的轉(zhuǎn)換來自于由通過自由層后被固定層反射的電子貢獻(xiàn)的磁矩。這樣，在轉(zhuǎn)換電流Jp與Jap之間存在非對(duì)稱性。
為了在讀出時(shí)防止流過磁記錄元件的傳感電流引起磁化轉(zhuǎn)換，必須將比轉(zhuǎn)換電流Jap小的值用作傳感電流值。因此，如果在轉(zhuǎn)換電流Jp與Jap之間的非對(duì)稱性非常大，傳感電流的值比轉(zhuǎn)換電流Jp的值小得多。因此，最好是兩個(gè)轉(zhuǎn)換電流的值之間的非對(duì)稱性小。在本實(shí)施例中，在提高固定層FP的材料的自旋極化度的同時(shí)，降低自由層FF的材料的自旋極化度。通過這樣做，就可以使轉(zhuǎn)換電流Jp的降低多于轉(zhuǎn)換電流Jap的降低，以改善該非對(duì)稱性。
結(jié)構(gòu)的變化下面對(duì)固定層FP和自由層FF的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡說明。圖3～圖17示意性地顯示了能夠應(yīng)用于圖1的固定層FP和自由層FF的剖面結(jié)構(gòu)。這些圖中顯示的任何一個(gè)結(jié)構(gòu)都可以應(yīng)用于固定層FP和自由層FF。在圖3～圖17中，各個(gè)子層內(nèi)顯示的箭頭表示磁化方向。圖4～圖10顯示了最上面的鐵磁性子層FM1和最下層的鐵磁性子層FM2發(fā)生鐵磁性交換耦合的情況。另一方面，圖11～圖17顯示了最上層的鐵磁性子層FM1與最下層的鐵磁性子層FM2發(fā)生反鐵磁性交換耦合的情況。
通常，如圖18示意性所示，兩個(gè)鐵磁性層之間通過非磁性層的交換耦合根據(jù)非磁性層的厚度在正負(fù)值之間振蕩。從而，圖4～圖17顯示的非磁性子層的膜厚被設(shè)定到在圖18中的任何正或負(fù)峰值的位置。通過這樣做，與非磁性子層的兩側(cè)相鄰的鐵磁性子層之間的交換耦合可以是鐵磁性交換耦合和反鐵磁性交換耦合。在圖4～圖17中，非磁性子層FC具有與該層FC的兩側(cè)相鄰的鐵磁性耦合鐵磁性子層的特征，并具有被調(diào)節(jié)到如圖18中所示的t2的膜厚。非磁性子層AC具有與該層AC的兩側(cè)相鄰的反鐵磁性耦合鐵磁性子層的特征，并具有被調(diào)節(jié)到如圖18中所示的t1的膜厚。
各個(gè)鐵磁性子層也可以分別具有用多層鐵磁性膜堆疊的結(jié)構(gòu)。
根據(jù)圖3顯示的結(jié)構(gòu)，只設(shè)置一層鐵磁性子層FM1。根據(jù)圖4顯示的結(jié)構(gòu)，在最下層的鐵磁性子層FM1和最上層的鐵磁性子層FM2之間設(shè)置非磁性子層FC。鐵磁性子層FM1與FM2鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖5顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層FC、鐵磁性子層FM3和非磁性子層FC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1、FM2鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖6顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層AC、鐵磁性子層FM3和非磁性子層FC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1、FM2反鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖7顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層FC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層FC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層FC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1、FM4鐵磁性地耦合。鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖8顯示的結(jié)構(gòu)中，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層FC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層AC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層AC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1鐵磁性地耦合。鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2、FM3鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖9顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層AC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層FC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層AC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1反鐵磁性地耦合，與鐵磁性子層FM4鐵磁性地耦合。鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2反鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖10顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層AC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層AC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層FC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1、FM4反鐵磁性地耦合，鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖11顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間設(shè)置非磁性子層AC。鐵磁性子層FM1與鐵磁性子層FM2反鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖12顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層FC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層AC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1鐵磁性地耦合，與鐵磁性子層FM2反鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖13顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層AC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層FC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1反鐵磁性地耦合，與鐵磁性子層FM2鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖14顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層AC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層AC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層AC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1、FM4反鐵磁性地耦合。鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2反鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖15顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層AC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層FC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層FC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1反鐵磁性地耦合，與鐵磁性子層FM4鐵磁性地耦合。鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖16顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層FC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層AC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層FC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1鐵磁性地耦合，與鐵磁性子層FM4反鐵磁性地耦合。鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2鐵磁性地耦合。
根據(jù)圖17顯示的結(jié)構(gòu)，在鐵磁性子層FM1、FM2之間從下到上依序堆疊非磁性子層FC、鐵磁性子層FM3、非磁性子層FC、鐵磁性子層FM4和非磁性子層AC。鐵磁性子層FM3與鐵磁性子層FM1、FM4鐵磁性地耦合。鐵磁性子層FM4與鐵磁性子層FM2反鐵磁性地耦合。
當(dāng)圖1的固定層FP具有圖4～圖17的結(jié)構(gòu)時(shí)，最上層的鐵磁性子層FM2上的反鐵磁性層AF(未圖示)將鐵磁性子層FM2的磁化方向加以固定。鐵磁性子層FM2的磁化方向被用作為基礎(chǔ)方向?；谠摶A(chǔ)方向，各鐵磁性子層FM1、FM3、FM4的磁化方向根據(jù)圖4～圖17顯示的結(jié)構(gòu)通過非磁性子層AC、FC固定到唯一的方向。在該情況下，與圖1的中間層S接觸的最下層的鐵磁性子層FM1的磁化方向被認(rèn)為是固定層FP的磁化方向。在形成固定層FP中使用的鐵磁性子層的材料的自旋極化度中，最高的值被用作在本實(shí)施例中敘述的固定層FP的自旋極化度。
當(dāng)圖1的自由層FF具有在圖4～圖17中顯示的結(jié)構(gòu)時(shí)，鐵磁性子層FM1到FM4以及非磁性子層AC和FC的磁化方向改變?yōu)閮蓚€(gè)方向中的任何方向，同時(shí)根據(jù)每種結(jié)構(gòu)保持其耦合。在這種情況下，可以將最上層的鐵磁性子層FM2的磁化方向設(shè)定為自由層FF的磁化方向。在形成自由層FF中使用的鐵磁性子層的材料的自旋極化度中，最高的值被用作本實(shí)施例中敘述的自由層FF的自旋極化度。
圖19示意性地顯示了根據(jù)第一實(shí)施例的修改例的磁記錄元件的剖面結(jié)構(gòu)。該變化例涉及顛倒圖1中顯示的結(jié)構(gòu)的頂面和底面的結(jié)構(gòu)。為使該元件中鐵磁性層FP的磁化方向固定，該元件在最下部配備一個(gè)反鐵磁性層AF。該磁記錄元件以和圖1所示的元件相同的方式制造和使用。根據(jù)本發(fā)明的減小轉(zhuǎn)換電流的效果與圖1所示的元件的情況相同。作為固定層FP和自由層FF，當(dāng)然也可以采用圖4至圖17的堆疊結(jié)構(gòu)。在這種情況下，固定層FP、自由層FF，即與中間層S接觸的鐵磁性子層，參照固定層FP、自由層FF的磁化方向。在形成固定層FP中使用的鐵磁性層的材料的自旋極化度中，最高的值被用作固定層FP的自旋極化度。在形成自由層FF的鐵磁性子層的材料的自旋極化度中，最高的值被用作自由層FF的自旋極化度。
在圖1或圖19所示的元件中，固定層FP的自旋可以固定為朝向與各層的結(jié)合面垂直的方向。在這種情況下，使電流流向和結(jié)合面交叉的方向，從而將自由層FF的磁化方向控制為平行于或反向平行于固定層FP的磁化方向。在該實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明減小轉(zhuǎn)換電流的效果與圖1所示的元件的情況相同。
各層的材料和膜厚下面對(duì)形成磁記錄元件的各層的材料、組成和膜厚進(jìn)行說明。
作為使鐵磁性層FP的磁化固定用的反鐵磁性層AF的材料，最好使用下列磁性半導(dǎo)體。這些磁性半導(dǎo)體為Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Pd-Mn、Pd-Pt-Mn、Ir-Mn、Pt-Ir-Mn、NiO、Fe2O3等。
作為鐵磁性層FF，即具有低自旋極化度材料，可以使用Co、Fe、Ni或含有這些金屬的合金。這些材料中，具有較高極化度的材料能更大地減小在本實(shí)施例中的轉(zhuǎn)換電流。自由層的厚度最好在0.6nm-100nm的范圍內(nèi)。
作為鐵磁性層FP，即具有高自旋極化度材料，和自由層FF一樣，可以使用Co、Fe、Ni或含有這些金屬的合金。這些諸如Co、Fe、Ni等鐵族過渡金屬以及含有這些金屬的合金已知具有高自旋極化度。因此，這些材料可以被用作具有比自由層FF高的自旋極化度的固定層FP的材料。固定層的厚度最好在0.2nm-50nm范圍內(nèi)。
固定層FP的自旋極化度越高，也就是說，越接近理想值1，根據(jù)本實(shí)施例的轉(zhuǎn)換電流的降低效果越大。但是，固定層FP的自旋極化度即使不達(dá)到1或接近1的值，也能夠充分得到根據(jù)本實(shí)施例的減小轉(zhuǎn)換電流的效果。當(dāng)少數(shù)自旋電子的狀態(tài)密度為0時(shí)，則自旋極化度根據(jù)該定義為1。具有上述性能的磁性材料被稱為半金屬，與諸如Fe、Co、Ni等的鐵族過渡金屬和含有這些金屬的合金相比，半金屬具有非常高的自旋極化度。因此，半金屬是固定層FP的理想的材料。半金屬中包括下列材料Heusler合金MMn(M表示Ni、Fe、Cu、Cr、Pt、Pd、Sb、Sn、Al、Si、Ge中的至少兩種元素構(gòu)成的混合元素)；金紅石型氧化物MO2(M表示Ti、V、Cr、Sn、Mn、Fe、Ir、Ru中的至少一種元素)；尖晶石型氧化物MFe2O4(M表示Fe、Co、Ni中的至少一種元素)；鈣鈦礦型錳氧化物RMO3(R表示稀土元素或堿土元素中的至少一種元素，M表示Mn、Fe、Ni、Cr中的一種或含有其中一種元素為主成分的混合元素)；諸如Sr2FeMoO6和Sr2CrReO6等的雙重鈣鈦礦型氧化物；諸如CrAs和CrSb等的閃鋅礦鉻化合物；黃鐵礦型化合物MX2(其中M為過渡金屬，X表示S、Se、Te中的任何元素)；諸如Tl2Mn2O7等的燒綠石型錳氧化物；和鐵硅鋁磁性合金FeM(M表示由Al、Si、Ga、Ge、Ti、V、Zr、Nb、Hf、Ta、稀土類、堿土金屬中的一種或一種以上構(gòu)成的混合元素)。
這些材料與諸如Co、Fe、Ni的鐵族過渡金屬或含有這些金屬的合金相比明顯具有更高的自旋極化度。因?yàn)轱@著地呈現(xiàn)根據(jù)本實(shí)施例的轉(zhuǎn)換電流的降低效果，因此這些材料是理想的固定層FP的材料。
這些磁性材料可以和下列非磁性元素一起添加(摻雜)以控制磁性性能和諸如結(jié)晶性能、機(jī)械特性的物理性能以及化學(xué)特性等。這些非磁性元素為Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(鋁)、Mg(鎂)、Si(硅)、Bi(鉍)、Ta(鉭)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Zr(鋯)、Ir(銥)、W(鎢)、Mo(鉬)、Nb(鈮)、H(氫)等。
如果固定層FP或自由層FF如圖4～圖17所示具有多層薄膜結(jié)構(gòu)，Cu、Au、Ag、Ru、Ir、Os或包含這些元素中的任何一種或多種元素的合金可以被用作非磁性子層FC、AC的材料。
如果非磁性金屬被用作圖1的中間層S，可以使用Au、Cu、Cr、Zn、Ga、Nb、Mo、Ru、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Pt、Bi中的任何元素或包含其中任何一種或多種元素的合金。非磁性金屬中間層S的厚度最好設(shè)定在0.2nm-20nm的范圍內(nèi)。
為了使中間層S發(fā)揮隧道勢(shì)壘層的功能，可以使用下列材料。這些材料為Al2O3(氧化鋁)、SiO2(氧化硅)、MgO(氧化鎂)、AlN(氮化鋁)、Bi2O3(氧化鉍)、MgF2(氟化鎂)、CaF2(氟化鈣)。這些材料還有SrTiO2(鈦鍶氧化物)、AlLaO3(鑭鋁氧化物)、Al-N-O(氮氧化鋁)和非磁性半導(dǎo)體(ZnO、InMn、Ga、N、GaAs、TiO2、Zn、Te或在這些化合物中摻雜過渡金屬)等。這些化合物不需要在化學(xué)配比上具有完全精確的組成，也可以存在氧、氫、氟等的缺損或過量、不足。通過隧道勢(shì)壘層的磁阻效應(yīng)大，因此可以將絕緣體或半導(dǎo)體用作中間層S以實(shí)現(xiàn)大的讀出范圍。
下面對(duì)本實(shí)施例的實(shí)例進(jìn)行說明。
實(shí)例1-1作為第一實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例，制造磁記錄元件的樣品1(實(shí)例1-1)、樣品2(比較例1)以及樣品3(比較例2)。這些磁記錄元件樣品1到3具有圖1的結(jié)構(gòu)和以下給出的材料。下面是這樣的情況，雖然在圖1中未圖示，但在固定層FP的上方設(shè)置電極(互連線)EL1，而在自由層FF的下方設(shè)置電極(互連線)EL2。在下面的敘述中，“”的左側(cè)表示材料，“”的右側(cè)表示膜厚。
樣品1電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(Fe3O410nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(Co3nm)/電極EL2(Cu)，樣品2電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(Fe3O410nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(Fe3O43nm)/電極EL2(Cu)，樣品3電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(Co10nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(Co3nm)/電極EL2(Cu)。
這些磁記錄元件通過以下工序制備。首先，在晶片上形成底電極EL2。接著，使用超高真空濺射系統(tǒng)，在底電極EL2上形成由自由層FF、中間層S、固定層FP和反鐵磁性層AF構(gòu)成的堆疊結(jié)構(gòu)。再在堆疊結(jié)構(gòu)上形成Ta保護(hù)膜。用磁真空爐對(duì)該晶片進(jìn)行270℃、10小時(shí)的磁退火，因此對(duì)鐵磁性層賦予單向各向異性。對(duì)該保護(hù)膜涂布EB(電子束)保護(hù)層后進(jìn)行電子束曝光，然后通過提離法形成與磁記錄元件的形狀相應(yīng)的掩模。接著利用離子研磨系統(tǒng)對(duì)沒有被掩模覆蓋的區(qū)域進(jìn)行蝕刻。單元的加工尺寸為100nm×50nm。
在蝕刻之后，將掩模剝離，再在單元的相互之間形成二氧化硅膜。然后表面利用離子研磨使其平面化，進(jìn)行使鉭膜的表面曝光的所謂“突出”(“projecting”)工序。在該鉭膜的表面上形成頂電極EL1。結(jié)果，形成相當(dāng)于圖1的磁記錄元件。
在這樣得到的樣品中，由在與各層的結(jié)合面垂直的方向上流過的電流從電阻的變化計(jì)算自由層FF的磁化轉(zhuǎn)換電流值。其結(jié)果是，在正負(fù)轉(zhuǎn)換電流中，具有較小絕對(duì)值的值的平均值如下樣品10.9mA樣品22.5mA樣品35.0mA正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值之比的平均值如下樣品112.5樣品255.0樣品34.2將具有比自由層FF高的自旋極化度的材料用作固定層FP，從而降低了轉(zhuǎn)換電流。另外，可以緩解正負(fù)轉(zhuǎn)換電流絕對(duì)值的非對(duì)稱性的問題。
作為另一實(shí)例，通過與樣品1相同的工序制造下述磁記錄元件。該磁記錄元件具有和樣品相同的材料和膜厚，并有如圖19所示的結(jié)構(gòu)，也就是使元件的頂和底顛倒的結(jié)構(gòu)。該元件能夠得到與樣品1相同的轉(zhuǎn)換電流降低的效果。
實(shí)例1-2接著，作為第一實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例，通過和實(shí)例1相同的工序制造下述磁記錄元件。該磁記錄元件具有圖1所示的結(jié)構(gòu)，將一系列NixCu1-x合金用作自由層FF。在NixCu1-x合金中，使Ni的比例逐步改變。單元的加工尺寸為100nm×50nm。
樣品系列1電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(Co10nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(NixCu1-x3nm)/電極EL2(Cu)，樣品系列2電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(Ni10nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(NixCu1-x3nm)/電極EL2(Cu)，其中x＝0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0。
已知NixCu1-x合金在x＜0.45時(shí)顯示非磁性，x＞0.45時(shí)顯示鐵磁性。因此在x＝0.45時(shí)，自由層FF的自旋極化度Pf為0。而在x＝1.0時(shí)，自旋極化度Pf＝0.23。因此，上述樣品的自旋極化度分別為Pf＝0.02、0.06、0.10、0.15、0.19、0.23。在屬于樣品系列1、2的各樣品中，由在垂直于膜面的方向上流動(dòng)的電流從電阻的變化計(jì)算自旋轉(zhuǎn)換電流值。其結(jié)果是，在圖20中顯示了具有較小絕對(duì)值的轉(zhuǎn)換電流的平均值。在圖20中，作為比較例同時(shí)顯示了實(shí)例1的樣品3的值(5.0mA)。從樣品系列1的結(jié)果可知，根據(jù)本實(shí)施例的效果使轉(zhuǎn)換電流降低。同樣，從樣品系列2的結(jié)果可知，根據(jù)本實(shí)施例的效果使轉(zhuǎn)換電流降低。具體地說，當(dāng)Pf≤0.15時(shí)，轉(zhuǎn)換電流小于實(shí)例1-1的樣品3。在實(shí)例1-1的樣品3中，固定層FP的自旋極化度Pp、自由層FF的自旋極化度Pf分別為0.35，0.35，在本實(shí)例中Pp和Pf分別為0.23和0.15，實(shí)現(xiàn)與實(shí)例1-1相同的轉(zhuǎn)換電流。因此，給出下列關(guān)系式作為使轉(zhuǎn)換電流比實(shí)例1-1的樣品3減小更多的近似條件。
Pp≥0.6Pf+0.14[1-7]實(shí)例1-3通過與第一實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例相同的工序制作磁記錄元件的樣品1到3(實(shí)例1-3)以及樣品4(比較例)。這些磁記錄元件的樣品1到4具有圖1所示的結(jié)構(gòu)和下面給出的材料。單元的加工尺寸為100nm×50nm。
樣品1電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(La0.7Sr0.3MnO310nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(Co3nm)/電極EL2(Cu)，樣品2電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(La0.7Sr0.3MnO310nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(NiMnSb3nm)/電極EL2(Cu)，樣品3電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(La0.7Sr0.3MnO310nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(La0.7Sr0.3MnO33nm)/電極EL2(Cu)。
樣品4電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF(PtMn20nm)/固定層FP(NiMnSb10nm)/中間層S(Cu6nm)/自由層FF(NiMnSb3nm)/電極EL2(Cu)。
根據(jù)圖2顯示的表格，材料NiMnSb和La0.7Sr0.3MnO3分別具有0.58和0.78的自旋極化度。在這樣制備的樣品中，正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值之比的平均值如下樣品12.6樣品27.4樣品317.1樣品410.6正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值之比越是接近1越是理想，但是該比的目標(biāo)值是一個(gè)一位數(shù)字的差、也就是在10倍以內(nèi)。樣品1、2、3是除了自由層FF的材料不同以外結(jié)構(gòu)、材料都相同的元件，對(duì)這些樣品，將自由層FF的自旋極化度作為橫軸，將正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值之間的比的平均值作為縱軸作出其關(guān)系圖。然后在其中作出直線。其結(jié)果如圖21所示。從圖21可知，如果固定層FP的自旋極化度Pp為0.78，自由層FF的自旋極化度Pf為0.62時(shí)，正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值之比為10。在作為比較例制作的具有自旋極化度均為0.58的固定層FP和自由層FF的樣品4中，正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值之比大致為10。根據(jù)這些數(shù)值可知，給出下列關(guān)系式作為改善轉(zhuǎn)換電流的非對(duì)稱性的制約條件Pp≥5.0Pf-2.4。
從實(shí)例1-2和實(shí)例1-3可知，當(dāng)固定層FP的自旋極化度Pp和自由層FF的自旋極化度PF同時(shí)滿足關(guān)系式Pp≥0.6Pf+0.14和Pp≥5.0Pf-0.24時(shí)，能夠產(chǎn)生具有很小轉(zhuǎn)換電流而且正負(fù)兩個(gè)轉(zhuǎn)換電流之間的差很小的磁記錄元件。滿足這些條件的自旋極化度Pf、Pp的范圍顯示于圖22。
優(yōu)點(diǎn)在根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的磁記錄元件中，固定層FP的自旋極化度Pp比自由層FF的自旋極化度Pf大。因此，能夠產(chǎn)生具有小轉(zhuǎn)換電流而且正負(fù)兩個(gè)轉(zhuǎn)換電流之間的差小的磁記錄元件。具體地說，滿足關(guān)系式Pp≥0.6Pf+0.14和Pp≥5.0Pf-2.4，能夠獲得進(jìn)一步提高的效果。也就是說，滿足關(guān)系式Pp≥0.6Pf+0.14，可以減少使具有與磁化方向固定于第一方向的固定層FP平行的磁化方向的自由層轉(zhuǎn)換所需要的電流。另外，滿足關(guān)系式Pp≥5.0Pf-2.4，可以減小正負(fù)轉(zhuǎn)換電流之間的差。
(2)第二實(shí)施例第二實(shí)施例涉及具有2個(gè)固定層的結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)圖23、24示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的磁記錄元件的剖面結(jié)構(gòu)。這些磁記錄元件具有作為基本結(jié)構(gòu)的元件結(jié)構(gòu)，其中從下到上依序堆疊鐵磁性層FP2、中間層(非磁性層)S2、鐵磁性層(自由層)FF、中間層(非磁性層)S1和固定層FP1。自由層FF、固定層FP1、FP2可以具有與第一實(shí)施例相似的如下所述的由多個(gè)子層構(gòu)成的堆疊結(jié)構(gòu)。在下文的敘述中，以每個(gè)自由層FF、固定層FP1和FP2都為單層的情況作為實(shí)例。
固定層FP1、FP2的每個(gè)磁化方向通過在固定層FP1的上方和固定層FP2的下方分別設(shè)置反鐵磁性層AF1、AF2加以固定。在下文的敘述中，將固定層FP1、FP2稱為固定層。
固定層FP1、FP2之一的磁化方向與自由層FF的磁化方向平行，另一個(gè)固定層的磁化方向與自由層FF的磁化方向反向平行。在圖23、圖24中，箭頭的方向表示各層的磁化方向。圖23顯示自由層FF的磁化方向與固定層FP1的磁化方向平行(圖23左側(cè))以及反向平行(圖23右側(cè))的情況。不管哪一種情況，自由層FF與固定層FP1之間的磁化方向的關(guān)系以及自由層FF與固定層FP2的磁化方向的關(guān)系，都是一個(gè)為平行，另一個(gè)為反向平行。圖24也有所述的相同關(guān)系。
電流在和每個(gè)層次的結(jié)合面交叉的方向流動(dòng)，從而自由層FF的磁化方向受到控制。由于自由層FF設(shè)置在兩個(gè)固定層FP1、FP2之間，與只有一個(gè)固定層的情況相比，在流過相同大小的電流時(shí)對(duì)自由層FF的磁化能夠提供至少兩倍的力。該解釋適用于電子從固定層FP2流向固定層FP1的情況。在該情況下，通過固定層FP2的電子對(duì)自由層FF的磁化轉(zhuǎn)換作出貢獻(xiàn)，通過自由層FF并且被固定層FP1反射的電子對(duì)自由層FF的磁化轉(zhuǎn)換作出貢獻(xiàn)。根據(jù)自由層FF的磁化方向分配二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”或“1”，從而一個(gè)元件能記錄一位的信息。
與第一實(shí)施例相同，固定層FP1、FP2和自由層FF中的至少一個(gè)使用具有與其他兩個(gè)不相同的自旋極化度的材料。如果至少固定層FP1、FP2具有相同的自旋極化度，固定層FP1(或固定層FP2)的自旋極化度比自由層FF的自旋極化度高。另一方面，如果固定層FP1和FP2具有不同的自旋極化度，較小的自旋極化度被設(shè)定成小于自由層FF的自旋極化度。
通常，圖25～27所示的三種狀態(tài)中的任何一種狀態(tài)被給出作為固定層FP1、FP2和自由層FF之間的相互關(guān)系。各層的磁化方向在下文的說明中使用。在圖25的情況下，固定層FP1、FP2使用具有與自由層FF不同的自旋極化度的材料。固定層FP1、FP2的每個(gè)自旋極化度都比自由層FF的自旋極化度高。在圖26的情況下，自由層FF與固定層FP2使用具有相同自旋極化度的材料，其值比固定層FP1的自旋極化度小。在圖27的情況下，自由層FF與固定層FP1使用具有相同自旋極化度的材料，其值比固定層FP2的自旋極化度小。
反鐵磁性層AF1、AF2、自由層FF、固定層FP1、FP2、中間層S1、S2可以使用與第一實(shí)施例的反鐵磁性層AF、自由層FF、固定層FP和中間層S相同的材料以及相同的膜厚(參看[1-4]，各層的材料和膜厚)。
該元件利用濺射技術(shù)和光刻技術(shù)制作。詳細(xì)情況在下面的實(shí)例中敘述。
寫入下面對(duì)本元件的信息寫入方法和讀出方法進(jìn)行說明。
為了使自由層FF的磁化方向轉(zhuǎn)換，電流根據(jù)元件的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換后自由層的磁化方向在垂直于各個(gè)層次的結(jié)合面的方向上流動(dòng)。也就是說，電子流從具有與轉(zhuǎn)換前自由層的磁化方向反向平行的磁化方向的固定層FP1、FP2的任何一個(gè)固定層向自由層FF流動(dòng)。
下面參考圖25～27對(duì)寫入方法進(jìn)行說明。如圖25～27所示，為了使自由層FF的磁化方向從與固定層FP1的磁化方向平行的狀態(tài)向與其反向平行的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，使電子流從固定層FP2向固定層FP1流動(dòng)。
在圖25的情況下，固定層FP2的自旋極化度高。所以與固定層FP2具有低極化度的情況相比，從固定層FP2流出的電子的大多數(shù)具有與固定層FP2的磁化方向平行的自旋(作用1)。與固定層FP2的磁化方向平行(與自由層FF的磁化方向反向平行)的自旋使自由層FF的磁化方向轉(zhuǎn)換。而且，固定層FP1的極化度高。所以，具有與固定層FP1的磁化方向反向平行的自旋的電子的大多數(shù)被固定層FP1反射，然后再度流進(jìn)自由層FF(作用2)，對(duì)自由層FF的磁化方向轉(zhuǎn)換作出貢獻(xiàn)。在與第一實(shí)施例相同原理的基礎(chǔ)上，這些作用被結(jié)合，從而大幅度減小轉(zhuǎn)換電流。兩個(gè)固定層FP1、FP2的極化度都高；因此即使電子在和上述方向相反的方向流動(dòng)，也能獲得相同的效果。也就是說，具有相反的電子流動(dòng)方向的轉(zhuǎn)換電流之間的差別非常小(接近于0)。
在圖26的情況下，固定層FP2的自旋極化度低(例如與自由層FF相同)。由于這個(gè)原因，在從固定層FP2流出的電子中，具有與固定層FP2的磁化方向平行的自旋的電子不那么多。因此，得不到由上述作用1產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換電流降低效果。但是，固定層FP1的自旋極化度高；因此，得到由上述作用2產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換電流降低效果。
在圖27的情況下，電子流從具有高自旋極化度的固定層FP2注入；因此，由于上述作用1的原因使轉(zhuǎn)換電流下降。另一方面，固定層FP1的極化度低；由于這個(gè)原因，由固定層FP1反射的電子不那么多。結(jié)果，產(chǎn)生自上述作用2轉(zhuǎn)換電流降低效果不理想。
在具有2個(gè)固定層的結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)固定層之一的自旋極化度設(shè)定成比自由層的自旋極化度高。通過這樣做，根據(jù)電子的流動(dòng)方向，作用1或作用2中的任何一種作用都導(dǎo)致減小轉(zhuǎn)換電流。因此，與具有單個(gè)固定層的結(jié)構(gòu)相比，與轉(zhuǎn)換電流的極性相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電流值的非對(duì)稱性得到進(jìn)一步緩和。而且，兩個(gè)固定層的自旋極化度被設(shè)定成比自由層的自旋極化度高，從而作用1和作用2導(dǎo)致轉(zhuǎn)換電流進(jìn)一步減小。在這種情況下，與轉(zhuǎn)換電流的極性相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電流量的非對(duì)稱性極其小。
關(guān)于讀出，由于與第一實(shí)施例相同，故將其省略。
結(jié)構(gòu)的變化下面對(duì)上述固定層FP和自由層FF具有堆疊結(jié)構(gòu)的情況進(jìn)行說明。
圖28～圖31示意性地顯示了由根據(jù)第二實(shí)施例的磁記錄元件的固定層FP1、自由層FF、固定層FP2的堆疊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的剖面結(jié)構(gòu)。如圖28～圖31所示，固定層FP1、自由層FF、固定層FP2具有堆疊結(jié)構(gòu)。在每個(gè)結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成固定層的所有磁性子層都具有固定的磁化方向。構(gòu)成自由層的子層的磁化方向在某約束下可采取兩個(gè)相反的方向，該約束是其任何兩個(gè)子層之間的相對(duì)角固定，即意味著關(guān)于自由層有兩種狀態(tài)。在該兩種狀態(tài)的每種狀態(tài)中，和非磁性層S1接觸的其中一個(gè)構(gòu)成固定層FP1，另一個(gè)構(gòu)成自由層FF的兩個(gè)磁性子層具有其方向互相平行或互相反向平行的磁化。對(duì)于和非磁性層S2接觸的兩個(gè)磁性子層保持相似的關(guān)系。即，其磁化方向互相平行或反向平行。另外，最好和S1接觸的子層之間的關(guān)系不同于和S2接觸的子層之間的關(guān)系，因?yàn)楹驮摋l件不被滿足的情況相比，自旋轉(zhuǎn)移磁矩的效率被提高。圖28到31中顯示的結(jié)構(gòu)被給出作為滿足上述條件的組合。在圖28～圖31中，附加于參考符號(hào)FP1、FP2、FF中的“(F)”表示固定層FP1、自由層FF、固定層FP2的最上和最下的子層被鐵磁性地交換耦合。同樣，“(A)”表示最上和最下子層被反鐵磁性地交換耦合?？梢詫D4～圖10中顯示的任何結(jié)構(gòu)用作為附加“(F)”的層次。另一方面，可以將圖11～圖17中顯示的任何結(jié)構(gòu)用作為附加“(A)”的層次。另外，各子層可以具有[1-4]各層的材料和膜厚項(xiàng)目內(nèi)敘述的材料和膜厚。
當(dāng)然，具有圖23、圖24所示的結(jié)構(gòu)的固定層FP1、自由層FF、固定層FP2中的任何一個(gè)層次或僅有兩個(gè)層次可以具有堆疊結(jié)構(gòu)。在這種情況下，將磁化方向確定為下述磁化方向相互關(guān)系中的一個(gè)為反平行關(guān)系，而另一個(gè)為平行關(guān)系。其中一個(gè)關(guān)系是接觸中間層S1的兩個(gè)鐵磁性層或子層之間的磁化方向的相互關(guān)系。另一個(gè)是接觸中間層S2的兩個(gè)鐵磁性層或子層的磁化方向的相互關(guān)系。
實(shí)例2-1作為第二實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例，通過和實(shí)例1-1相同的工序制造磁性記錄元件樣品1，2(實(shí)例2-1)和3(對(duì)比實(shí)例)。這些磁性記錄元件樣品1-3具有圖23、圖24所示結(jié)構(gòu)以及以下給出的材料。單元的加工尺寸為100nm×50nm。
樣品1電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF1(PtMn20nm)/固定層FP1(CrO210nm)/中間層S1(Cu6nm)/自由層FF(Co3nm)/中間層S2(Cu2nm)/固定層FP2(CrO210nm)/反鐵磁性層AF2(PtMn20nm)/電極EL2(Cu)，樣品2電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF1(PtMn20nm)/固定層FP1(CrO210nm)/中間層S1(Cu6nm)/自由層FF(Co3nm)/中間層S2(Cu2nm)/固定層FP2(Co10nm)/反鐵磁性層AF2(PtMn20nm)/電極EL2(Cu)，樣品3電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF1(PtMn20nm)/固定層FP1(Co10nm)/中間層S1(Cu6nm)/自由層FF(Co3nm)/中間層S2(Cu2nm)/固定層FP2(Co10nm)/反鐵磁性層AF2(PtMn20nm)/電極EL2(Cu)，對(duì)于每種這樣得到的樣品，由在與各層的結(jié)合面垂直的方向上流動(dòng)的電流從電阻變化測(cè)量自由層FF的轉(zhuǎn)換電流值。其結(jié)果是，具有較小絕對(duì)值的轉(zhuǎn)換電流的平均值如下樣品10.03mA樣品20.2mA樣品30.6mA正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值之比的平均值如下樣品11.0樣品21.3樣品31.0也就是，具有比自由層FF高的自旋極化度的材料用作固定層FP1和(或)FP2，以此減小轉(zhuǎn)換電流。另外，如果具有高自旋極化度的材料被用作固定層FP1和FP2，則出現(xiàn)特別顯著的效果。不出現(xiàn)正負(fù)轉(zhuǎn)換電流的絕對(duì)值的非對(duì)稱性。這是因?yàn)樵诘诙?shí)施例中結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性高。
實(shí)例2-2作為第二實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例，制作將絕緣體用作中間層之一的樣品1到3(實(shí)例2-2)，以及樣品4(比較例)。將絕緣體用作中間層之一使磁阻效應(yīng)能容易檢測(cè)。該樣品通過與實(shí)例1-1所用的同樣的工序制作。單元的加工尺寸為100nm×50nm。在下面的敘述中，如果在一層的“()”內(nèi)顯示用“/”符號(hào)分開多種材料和膜厚，這表示該層由堆疊薄膜構(gòu)成。
樣品1電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF1(PtMn20nm)/固定層FP1(Fe3O410nm)/中間層S1(Cu6nm)/自由層FF(Co2nm/CoFeNi1nm)/中間層S2(Al2O30.6nm)/固定層FP2(Co2nm/Ru1nm/Co5nm)/反鐵磁性層AF2(PtIrMn20nm)/電極EL2(Cu)。
樣品2電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF1(PtIrMn20nm)/固定層FP1(Co2MnSi10nm)/中間層S1(MgO0.7nm)/自由層FF(Co1nm/FeNi2nm)/中間層S2(Cu5nm)/固定層FP2(Co4nm/Ru1nm/Co4nm)/反鐵磁性層AF2(PtMn15nm)/電極EL2(Cu)。
樣品3電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF1(IrMn15nm)/固定層FP1(CrAs12nm)/中間層S1(Cu7nm)/自由層FF(FeNi2nm)/中間層S2(MgO0.5nm)/固定層FP2(Co2CrAl10nm)/反鐵磁性層AF2(PtMn20nm)/電極EL2(Cu)。
樣品4電極EL1(Cu)/反鐵磁性層AF1(PtMn20nm)/固定層FP1(Co10nm)/中間層S1(Cu6nm)/自由層FF(Co2nm/CoFeNi1nm)/中間層S2(Al2O30.6nm)/固定層FP2(Co2nm/Ru1nm/Co5nm)/反鐵磁性層AF2(PtIrMn20nm)/電極EL2(Cu)。
在這樣得到的樣品中，測(cè)量自由層FF的轉(zhuǎn)換電流值。結(jié)果，在樣品1、2、3中都出現(xiàn)比樣品4更顯著的電流降低效果。另外，在這些樣品中進(jìn)行電流掃描，以測(cè)量伴隨自由層FF的磁化轉(zhuǎn)換的電阻變化，其結(jié)果是，在樣品1、樣品2、樣品3中電阻變化平均值為20％。
優(yōu)點(diǎn)在根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的磁記錄元件中，固定層FP1、FP2、自由層FF中的至少一個(gè)層次使用具有與其他兩個(gè)層次不同的自旋極化度的材料。如果至少固定層FP1、FP2的自旋極化度Pp相同，固定層FP1(或固定層FP2)的自旋極化度Pp被設(shè)定成比自由層FF的自旋極化度Pf高。另一方面，自旋極化度Pp在固定層FP1和FP2之間不同，較小的自旋極化度Ppmin被設(shè)定為大于等于自由層FF的自旋極化度Pf。
另外，固定層FP1、FP2的較大的自旋極化度Ppmax滿足下列關(guān)系式，與第一實(shí)施例相同，可以有利地降低轉(zhuǎn)換電流。
Ppmax≥0.6Pf+0.14能滿足該條件的自旋極化度Pf、Pp的范圍示于圖32。
(3)第三實(shí)施例第3實(shí)施例涉及使用第一、第二實(shí)施例的磁記錄元件的磁記錄裝置。
基本結(jié)構(gòu)第一、第二實(shí)施例的磁記錄元件具有微小的自旋轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，所以這些磁記錄元件被應(yīng)用于各種裝置。更具體地說，排列了大量磁記錄元件，從而這些元件被應(yīng)用于諸如MRAM等的記錄/再現(xiàn)裝置。以下對(duì)與此有關(guān)的實(shí)施例進(jìn)行說明。
圖33示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的磁記錄裝置的剖面結(jié)構(gòu)。第三實(shí)施例的磁記錄裝置具有下述結(jié)構(gòu)。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通常稱為位線或字線的電極層(底層互連線)1上并列配置多個(gè)磁記錄元件R。磁記錄元件R利用第一、第二實(shí)施例的各種結(jié)構(gòu)的磁記錄元件中的任何一種元件實(shí)現(xiàn)。這些磁記錄元件R通過絕緣膜I相互電隔離。各個(gè)磁記錄元件R在上部和通常稱為位線或字線的電極層(頂層互連線)2連接。指定字線和位線，從而選擇規(guī)定的磁記錄元件R。
向磁記錄元件R的記錄由從電極層2向磁記錄元件R流動(dòng)的電流，或從磁記錄元件R向電極層2流動(dòng)的電流進(jìn)行。這里，由磁記錄元件R的尺寸、結(jié)構(gòu)、組成確定的自旋轉(zhuǎn)換電流值記為Is。比自旋轉(zhuǎn)換電流Is大的寫入電流Iw流向磁記錄元件R進(jìn)行寫入。該記錄的磁化方向，和電子流最初通過的固定層的磁化方向完全相同。這樣，電子流動(dòng)即電流的極性被轉(zhuǎn)換，從而數(shù)據(jù)“0”或“1”被寫入。
電流在和再現(xiàn)目標(biāo)記錄元件連接的電極層1和2之間流動(dòng)而進(jìn)行再現(xiàn)。在這種情況下，電流可以在兩個(gè)流動(dòng)方向流動(dòng)。在再現(xiàn)中，流過比自旋轉(zhuǎn)換電流Is小的再現(xiàn)電流Ir，以使記錄的信息不被重寫。電壓或電阻值被檢測(cè)以確定被記錄的信息。可以在再現(xiàn)目標(biāo)記錄元件的兩端施加電壓以檢測(cè)流過該記錄元件的電流的變化而確定記錄狀態(tài)。
其他結(jié)構(gòu)(實(shí)例3-1)作為第三實(shí)施例的一個(gè)實(shí)例，用具有與實(shí)例2-2的樣品相同的結(jié)構(gòu)的磁記錄元件制作磁記錄裝置。
圖34顯示一個(gè)存儲(chǔ)器單元具有磁記錄元件R和選擇晶體管T的實(shí)例。磁記錄元件R連接于位線BL與選擇晶體管T的一端之間。通常，選擇晶體管T的另一端接地，柵極與字線連接。存儲(chǔ)器單元通過下述工序制造。首先在半導(dǎo)體襯底上通過光刻、諸如反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的各向異性刻蝕和離子注入等工序形成選擇晶體管T以及與選擇晶體管T電氣連接的底層互連線1。在該底層互連線上根據(jù)與實(shí)例1-1中所述的相同方法形成磁記錄元件R。在磁記錄元件R上進(jìn)一步形成頂層互連線2。
這樣的存儲(chǔ)器單元在存儲(chǔ)器單元陣列MCA中排列成矩陣。屬于同一行的存儲(chǔ)器單元的各個(gè)選擇晶體管的柵極與同一個(gè)字線WL連接。同樣，屬于同一列的存儲(chǔ)器單元的各個(gè)記錄元件與同一個(gè)位線BL連接。在存儲(chǔ)器單元陣列MCA周圍設(shè)置譯碼器和讀出電路。位線BL和字線WL和諸如譯碼器、讀出電路的周邊電路SC連接。
譯碼器通過具有與來自外部的地址信號(hào)相應(yīng)的地址的磁記錄元件R向位線BL和字線WL提供寫入電流Iw和再現(xiàn)電流Ir。更具體地說，在再現(xiàn)或記錄中，與目標(biāo)磁記錄元件R連接的晶體管T的字線被選擇，從而使選擇晶體管T導(dǎo)通。接著，使寫入電流Iw或再現(xiàn)電流Ir流向與該目標(biāo)磁記錄元件R連接的位線，從而達(dá)到記錄或再現(xiàn)。在這種情況下，比由磁記錄元件R的結(jié)構(gòu)確定的自旋轉(zhuǎn)換電流Is大的寫入電流Iw流向該單元進(jìn)行記錄。在這里制作的磁記錄元件R中，自旋轉(zhuǎn)換電流Is的平均值為0.18mA，因此，具有正負(fù)極性，超出上述平均值的電流被用作寫入電流Iw以達(dá)到寫入。另一方面，讀出電流必須不超過0.18mA。
在這個(gè)實(shí)例中，選擇晶體管T用以選擇磁記錄元件R，但是，也可以使用其他開關(guān)元件。最好使用具有低導(dǎo)通電阻的元件。例如，如圖35所示可以使用二極管D。在這種情況下，在各個(gè)存儲(chǔ)單元中，串聯(lián)連接的磁記錄元件R和二極管D連接于字線WL和位線BL之間。
以上參照具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了說明。但是，本發(fā)明不限于這些給出的實(shí)例。例如本行業(yè)的熟練技術(shù)人員可從公知的范圍適當(dāng)選擇構(gòu)成磁記錄元件的各個(gè)元件的具體尺寸關(guān)系、材料，此外還有電極、鈍化、絕緣體等的結(jié)構(gòu)或材料。只要能夠得到同樣的效果，即使本發(fā)明以同樣的方式實(shí)施，各種變化和修改仍包括在本發(fā)明的范圍中。
在磁記錄元件中，諸如鐵磁性層、中間層和絕緣層等的元件可以形成為單層，或形成為兩層或兩層以上的堆疊結(jié)構(gòu)。
此外，以本發(fā)明的實(shí)施例中敘述和說明的磁記錄元件和磁記錄裝置為基礎(chǔ)，本行業(yè)的熟練技術(shù)人員可以適當(dāng)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。以和本發(fā)明相同方式制造的全部磁記錄元件和磁記錄裝置，只要其包括本發(fā)明的要旨就都包括在本發(fā)明的范圍中。
對(duì)于本行業(yè)的熟練技術(shù)人員，其他的優(yōu)點(diǎn)和修改都是顯而易見的和容易實(shí)施的。因此本發(fā)明廣義上不限于本文顯示和敘述的具體細(xì)節(jié)和代表性的實(shí)施例。相應(yīng)地，可以進(jìn)行各種修改而不背離由所附的權(quán)利要求及其等價(jià)物限定的本發(fā)明的總體概念的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種自旋極化電子注入其中的磁記錄元件，其特征在于，該元件包括由自旋極化電子的作用改變其磁化方向的自由層，該自由層具有自旋極化度Pf；其磁化方向固定的固定層，該固定層具有比所述自旋極化度Pf大的自旋極化度Pp；以及設(shè)置于所述固定層與所述自由層之間，基本上由非磁性材料構(gòu)成的中間層。
2.如權(quán)利要求1所述的磁記錄元件，其特征在于，滿足如下關(guān)系式Pp≥0.6Pf+0.14和Pp≥5.0Pf-2.4。
3.如權(quán)利要求1所述的磁記錄元件，其特征在于，所述中間層基本上由非磁性金屬構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的磁記錄元件，其特征在于，所述中間層包括絕緣體材料或半導(dǎo)體材料。
5.如權(quán)利要求1所述的磁記錄元件，其特征在于，所述固定層由含有鐵族過渡金屬元素的材料構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的磁記錄元件，其特征在于，所述固定層基本上由半金屬元素構(gòu)成。
7.一種磁記錄裝置，其特征在于，包括具有磁記錄元件的存儲(chǔ)單元陣列，該磁記錄元件包括排列成矩陣的權(quán)利要求1中所述的磁記錄元件。
8.如權(quán)利要求7所述的磁記錄裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括與屬于同一行的所述磁記錄元件的一端電氣連接的第一互連線；與屬于同一列的所述磁記錄元件的另一端電氣連接的第二互連線；以及與所述第一互連線和所述第二互連線連接，使電流加載到所述第一互連線和所述第二互連線，以向一個(gè)磁記錄元件寫入信息和從一個(gè)磁記錄元件讀出信息的控制電路。
9.一種自旋極化電子注入其中的磁記錄元件，其特征在于，該元件包括由一個(gè)或一個(gè)以上的薄膜構(gòu)成，由自旋極化電子的作用改變其磁化方向，具有自旋極化度Pf和互相面對(duì)的第一和第二表面的自由層；設(shè)置于上述第一表面上，基本上由非磁性材料構(gòu)成的第一中間層；設(shè)置于所述第一中間層的與所述第一表面相反一側(cè)的表面上并具有自旋極化度Pp1的第一固定層，該第一固定層的磁化方向固定并且平行于和所述第一中間層接觸的薄膜在所述自由層中的磁化方向；設(shè)置于所述第二表面上，基本上由非磁性材料構(gòu)成的第二中間層；以及設(shè)置于所述第二中間層的與所述第二表面相反一側(cè)的表面上并具有自旋極化度Pp2的第二固定層，該第二固定層的磁化方向固定并且反向平行于和所述算二中間層接觸的薄膜在所述自由層中的磁化方向；并且滿足Pp1＝Pp2＞Pf，或在Pp1≠Pp2時(shí)滿足Pf≤Ppmin，其中Ppmin是Pp1與Pp2中較小的一個(gè)自旋極化度。
10.如權(quán)利要求9所述的磁記錄元件，其特征在于，當(dāng)Pp1≠Pp2時(shí)，進(jìn)一步滿足0.6Pf+0.14≤Ppmax，其中，Ppmax是Pp1與Pp2中較大的一個(gè)自旋極化度。
11.如權(quán)利要求9所述的磁記錄元件，其特征在于，當(dāng)Pp1＝Pp2時(shí)，進(jìn)一步滿足0.6Pf+0.14≤Pp1＝Pp2。
12.如權(quán)利要求9所述的磁記錄元件，其特征在于，所述第一中間層和所述第二中間層基本上由非磁性金屬元素構(gòu)成。
13.如權(quán)利要求9所述的磁記錄元件，其特征在于，所述第一中間層或所述第二中間層包括絕緣體或半導(dǎo)體。
14.如權(quán)利要求9所述的磁記錄元件，其特征在于，所述第一固定層或所述第二固定層由含有鐵族過渡金屬元素的材料構(gòu)成。
15.如權(quán)利要求9所述的磁記錄元件，其特征在于，所述第一固定層或所述第二固定層基本上由半金屬元素構(gòu)成。
16.一種磁記錄裝置，其特征在于，包括具有磁記錄元件的存儲(chǔ)單元陣列，該磁記錄元件包括排列成矩陣的權(quán)利要求9中所述的磁記錄元件。
17.如權(quán)利要求16所述的磁記錄裝置，其特征在于，進(jìn)一步包括與屬于同一行的所述磁記錄元件的一端電氣連接的第一互連線；與屬于同一列的所述磁記錄元件的另一端電氣連接的第二互連線；以及與所述第一互連線和所述第二互連線連接，使電流加載到所述第一互連線和所述第二互連線，以向一個(gè)磁記錄元件寫入信息和從一個(gè)磁記錄元件讀出信息的控制電路。
全文摘要
自旋極化電子被注入其中的磁記錄元件具有磁化方向由自旋極化電子根據(jù)該自旋極化電子的流動(dòng)方向改變的層次，以及根據(jù)該磁化方向記錄信息。磁記錄元件包括其磁化方向由自旋極化電子的作用改變以及具有自旋極化度Pf的自由層FF。其磁化方向固定的固定層FP具有比自旋極化度Pf大的自旋極化度Pp。中間層設(shè)置于固定層和自由層之間，實(shí)質(zhì)上由非磁性材料構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01L43/08GK1770316SQ200510109730
公開日2006年5月10日 申請(qǐng)日期2005年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者森瀨博史, 中村志保, 羽根田茂 申請(qǐng)人:株式會(huì)社東芝