[发明专利]磁阻效应元件及磁存储器

说明书

技术区域

本发明涉及一种磁阻效应元件及具有该磁阻效应元件的磁存储器(Magnetic Random Access Memory：MRAM)。

背景技术

对具有现有的磁阻效应元件的磁存储器(称为MRAM)进行说明。

图24是表示具有现有的磁阻效应元件的磁存储器的存储单元的附图。如该图所示，磁存储单元2100成为使磁阻效应元件2101与选择性晶体管2102串联电连接的结构。选择性晶体管2102分别为：其源极与源极线2103电连接；其漏极通过磁阻效应元件2101与位线2104电连接；其栅极与字线2105电连接。

磁阻效应元件2101以在第一强磁性层2106与第二强磁性层2109之间夹杂第一非磁性层2110的三层结构为基础结构。磁阻效应元件的电阻值在使第一强磁性层2106与第二强磁性层2109的磁化平行配置的情况下变小，在逆平行配置的情况下变大。

在磁存储器的存储单元2100中，将这两个电阻状态分配为位信息“0”、“1”。这里，第一强磁性层2106的磁化方向是固定的，第二强磁性层2109的磁化通过由选择性晶体管供给的电流，由于自旋转移力矩(スピントランスファトルク)而被迫反转。电流在图24中由下向上流动的情况下，形成逆平行磁化配置，在电流向逆方向流动的情况下，形成平行配置。其结果，可通过由选择性晶体管2102供给的电流的方向，将第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的磁化方向配置变更为平行配置或逆平行配置，随之磁阻效应元件2101的电阻值发生变化，由此可写入位信息。

上述例子中，将第一强磁性层2106作为固定磁化的参照层(也被称为固定层)、将第二强磁性层2109作为磁化方向可变的记录层(也被称为自由层)进行叙述，但即便是相反的结构也起MRAM作用。

为了实现MRAM，作为存储元件的磁阻效应元件2101需要同时满足以下三个特性：具有100％以上的磁阻变化率(MR比)；形成记录层的第二强磁性层2109通过比选择性晶体管的驱动电流低的写入电流(设选择性晶体管的栅极宽度为Fnm，则驱动电流约为FμA)使磁化反转；作为记录层的第二强磁性层2109具有70以上的热稳定系数(E/K_BT，E为能垒，K_B为玻尔兹曼常数，T为绝对温度(K))。

作为用于得到高磁阻变化率的磁阻效应元件2101的膜结构，周知有如下结构：第一强磁性层2106及第二强磁性层2109由具有含Fe、Co、Ni等3d过渡金属中任意一种元素的bcc结构的材料构成，第一非磁性层2110中使用MgO的结构。通常，如果使用这样的材料制造磁阻效应元件，由于与元件尺寸相比，第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的膜厚薄，在膜面垂直方向上大的退磁磁场发生作用，结果使第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的磁化朝向与膜面平行的方向。

在磁化朝向与膜面平行的方向的情况下，为了使用自旋转移力矩使磁化的方向反转，需要跨越存在于膜面垂直方向的大的退磁磁场引起的能垒，存在转换电流变大这样的问题。

作为解决该问题的方法，使第一强磁性层2106和第二强磁性层2109的磁化方向朝向垂直方向。这种情况下，在使用了自旋转移力矩进行磁化反转时，由自旋转移力矩引起的磁化反转时的能垒因退磁磁场而减小，因此能够使转换电流降低。

图25是表示非专利文献1公布的磁阻效应元件2101的结构的剖视图。如该图所示，磁阻效应元件2101由底层2201、由形成在底层2201上的第一强磁性层2106构成的参照层、形成在参照层上的第一非磁性层2110、由形成在第一非磁性层2110上的第二强磁性层2109构成的记录层、形成在记录层上的覆盖层2202所构成。

根据非专利文献1，在磁阻效应元件2101中，在第一强磁性层2106和第二强磁性层2109中使用CoFeB，在第一非磁性层2110中使用MgO的结构中，通过使CoFeB的膜厚减薄，并利用在与第一非磁性层2110的MgO层之间产生的界面磁各向异性，可使磁化朝向与膜面垂直的方向。

通过上述结构，非专利文献1公布了在维持100％以上的高磁阻变化率(也称为MR比)不变，在直径40nm的器件上可实现热稳定系数40和低至49μA的输入电流。但是，热稳定系数40这一数值，虽然是可将1位信息保持10年之久的充分数值，但残留了无法达到作为用于实现MRAM所需数值的热稳定系数70这样的技术问题。