[发明专利]磁阻效应元件和磁阻式随机存取存储器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请基于并要求2006年9月28日在日本提出的在先日本专利申请No.2006-265201的优先权，该申请的全部内容并入本说明书作为参考。

技术领域

本发明涉及磁阻效应元件和磁阻式随机存取存储器。

背景技术

最近几年中，已经提出了许多种基于新的原理的用于记录信息的固态存储器。其中，利用隧道磁阻效应(以下也称作TMR效应)的作为固态磁性存储器的磁阻式随机存取存储器(以下也称作MRAM)目前正受到关注。所述MRAM特征在于：根据每一个MTJ(磁隧道结)元件的磁化状态来存储数据。

在上述传统型MRAM中，在电流磁场(由电流流经布线线路(wiring line)时激发的磁场)中执行写入操作，当每一个MTJ元件的尺寸缩小时，矫顽力Hc变大，写入操作所需要的电流往往相应地变大。在上述传统MRAM中，不可能在缩小尺寸的同时保持低电流以获得超过256Mbit(兆比特)的超高容量。

已经提出了一种MRAM，其使用自旋动量传输(SMT)写入方法(后面称作自旋注入写入方法)作为写入方法来应对上述问题(见美国专利No.6,256,223和1996年的JOURNAL OF MAGNETISM ANDMAGNETIC MATERIALS(磁学与磁性材料杂志)第159卷第L1-L7页的C.Slonczewski的“Current-driven excitation of magneticmultilayers”)。

在自旋注入磁化反转中，反转磁化所需的电流Ic由电流密度Jc所确定。相应地，当设备区缩小，用于通过自旋注入反转磁化的注入电流IC也变小。在写入操作是在恒定电流密度下进行的情况下，写入电流在MTJ元件尺寸变小的时候会变小，而不像在用传统的电流场写入方法的MRAM中的一样。因此，至少在原理上可期望极好的可缩放性(scalability)。

在自旋注入磁化反转类型的隧道磁阻效应元件中，包含Fe的合金通常用作磁化自由层或参考磁化层。但是，由于在势垒层和磁性层(磁化自由层或参考磁化层)之间的界面处的Fe的氧化，MTJ元件的电阻R变大，而在仅可以施加有限偏压的情况下可以提供的电流变小。结果，不能供应用于自旋注入写入所需的电流。

此外，在读势垒层信息时所需的TMR比值变小。

发明内容

考虑到上述这些情况提出了本发明，其目的是提供一种自旋注入磁化反转类型的磁阻效应元件，和可以用低电流反转磁化的磁阻随机存取存储器，其具有低面电阻(RA，areal resistance)和高TMR比值。

根据本发明的第一方面的磁阻效应元件包括：膜叠层，包括磁化自由层、磁化固定(pinned)层和位于所述磁化自由层和所述磁化固定层之间的中间层，其中，所述磁化自由层包括其中磁化方向可以改变的磁性层，所述磁化固定层包括其中磁化方向被固定的磁性层，所述中间层是包含硼(B)和从由Ca、Mg、Sr、Ba、Ti和Sc组成的组中选出的元素的氧化物，其中，通过所述中间层在所述磁化自由层和所述磁化固定层之间双向提供电流，因此，所述磁化自由层的磁化可以反转。

根据本发明的第二方面的磁阻式随机存取存储器包括：存储单元，每一个所述存储单元具有根据第一方面的磁阻效应元件作为存储元件。

附图说明

图1是根据本发明的第一实施例的MR元件的剖视图；

图2是根据第一实施例的第一修改的MR元件的剖视图；

图3A至图3C是根据第一实施例的第二修改至第四修改的MR元件的剖视图；

图4A至图4C是根据第一实施例的第五修改至第七修改的MR元件的剖视图；

图5图示了第一实施例的MR元件的MR膜在退火之前和之后所得到的硼浓度之间的差ΔB的SIMS分析结果；

图6图示了对第一实施例的MR元件的MR膜执行EELS方法得到的成分分析结果；

图7是根据本发明的第二实施例的自旋注入MRAM的存储单元的一个例子的剖视图；

图8是根据第二实施例的自旋注入MRAM的存储单元的另一个例子的剖视图；以及

图9是根据第二实施例的自旋注入MRAM的电路图。

具体实施例

下面将结合附图说明本发明的实施例。

(第一实施例)