[发明专利]磁电阻元件和磁存储装置

说明书

本发明涉及具有铁磁性双隧道结的磁电阻元件和使用该磁电阻元件的磁存储装置。

磁电阻效应是把磁场加在强磁体上时电阻发生变化的现象。因为利用磁电阻效应的磁电阻元件(MR元件)具有温度稳定性好，使用温度范围宽的优点，所以广泛用在磁头和磁传感器等上。最近已能试制磁存储装置[磁电阻存储器件或随机磁存储器(MRAM)]等。这些磁电阻元件对外部磁场的灵敏度高，响应速度快，这些都是求之不得的性能。

近年来又正在研制具有在两个铁磁层之间插入介电层的夹层膜、利用在膜面上垂直流过隧道电流的磁电阻元件，即所谓铁磁性隧道结元件[隧道结型磁电阻元件(TMR)]。铁磁性隧道结元件显示出20％以上的磁电阻变化率[J.APP1.Phys.79，4724(1996)]。因此使将TMR应用到磁头和磁电阻存储器上的可能性增加。可是对这种铁磁性单隧道结的元件而言，存在当为了获得希望的输出电压而增加施加电压时，磁电阻变化率下降相当多的问题[Phys.Rev Lett 74，3273(1995)]。

另外，有人建议靠近构成铁磁性单隧道结的一个铁磁层设置反铁磁层，并且有把该铁磁层作为锁定层的构造的铁磁性单结隧道元件(特开平10-4227)。然而，这种铁磁性单结隧道元件也同样存在当为了获得希望的输出电压而必需增加施加电压时，磁电阻的变化率下降得相当多的问题。

另一方面，理论上认为在具有形成所谓Fe/Ge/Fe/Ge/Fe层叠结构的铁磁性双隧道结的磁电阻元件中，由于自旋偏振共振隧道效应可以获得大的MR变化率[Phys.Rev.B56，5484(1997)]。然而这是低温(8K)结果，在室温下是否发生上述现象还没有预言。此外，在该例中没有采用Al₂O₃、SiO₂和AlN等介电体。而且上述构造的铁磁性双隧道结元件存在下述问题：因为没有被反铁磁层锁定的铁磁层，所以在应用在MRAM等上时，由于多次写入，结果使磁化锁定层的一部分磁矩旋转，引起输出逐渐下降。

还有人提出含有使磁性粒子弥散的介电层的铁磁性多隧道结元件[Phys，Rev，B56(10)R5747(1977)；应用磁学学会志23，4-2(1999)；APPI，Phys，Lett.73(19)，2829(1998)]。因为用这些元件能获得20％以上的磁电阻变化率，所以有望在磁头和磁电阻存储器上应用。特别是铁磁性双隧道结元件具有即使增加施加电压，磁电阻变化减少小的优点。但这些元件又存在下述问题；因为没有被反铁磁层锁定的铁磁层，结果在应用在MRAM等上时，因多次写入而使磁化锁定层的一部分磁矩旋转，使输出逐渐下降。另外，就利用由连续膜组成的铁磁层铁磁性双隧道结元件[APPI，Phys，Lett.73(19)，2829(1998)]而言，因为被介电层夹持的铁磁层由Co、Ni₈₀Fe₂₀等单层膜组成的，所以对用于因电流磁场使磁矩反转的磁场不能自由设计。除了这个问题以外，还存在加工磁滞伸缩大的Co等时，使矫顽力变大的问题。

在把铁磁性隧道结元件应用到MRAM等上的情况下，由于在配线(位线或字线)中流过电流，所以在磁化没有锁定的铁磁层(自由层，磁记录层)上施加外部磁场(电流磁场)时，使磁记录层的磁化反向。然而随着存储单元缩小磁记录层的磁化反向到需要的磁场(开关磁场)强度却增大，所以为了写入，在配线中必需流过大电流。因此，随着MRAM的存储容量的增大，写入时消耗的电功率增加。例如在1Gb以上的高密度的MRAM的器件中，在用电流磁场写入时，配线中流过的电流密度增大，还存在配线被熔融的危险。

作为解决这种问题的一个方法是注入自旋偏振的自旋电流，进行磁化反向的尝试[J，Mag.Mag.Mat，159(1996)L1；J，Mag.Mag.Mat，202(1999)157]。可是就注入自旋电流进行磁化反向的方法而言，因流过TMR元件的电流密度变大，而存在隧道绝缘层被破坏的危险。因此还没有人提出适合自旋注入的元件结构。

本发明的目的在于提供一种隧道结型的磁电阻元件和磁存储装置，该磁电阻元件和磁存储装置能在为获得所希望的输出电压值而增加施加电压时，磁电阻变化率不减少太多，也不存在因写入使磁化锁定层的一部分磁矩旋转而使输出缓慢下降的问题，还允许自由设计用于使铁磁层的磁矩反转的反转磁场。

本发明的另一目的是提供一种能抑制随着存储单元缩小使用于磁记录层的磁化反向的磁场增加的隧道结型磁电阻抗元件和磁存储装置。