本發(fā)明的實施方案涉及磁阻元件和磁存儲器。

背景技術(shù)：

作為磁阻元件的MTJ(Magnetic Tunnel Junction)元件將具有磁化方向可變的存儲層、磁化方向不變的參考層以及設(shè)于存儲層和參考層之間的絕緣層的層疊結(jié)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)。該MTJ元件已知顯示隧穿磁阻(TMR(Tunneling Magnetoresistive))效應(yīng)，用作磁隨機存取存儲器(MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory))中的存儲器基元的存儲元件。

MRAM根據(jù)MTJ元件中所包含的磁性層的磁化的相對角度的變化來存儲信息(“1”、“0”)，是非易失性的。另外，磁化反轉(zhuǎn)速度為數(shù)納秒，因此可進(jìn)行數(shù)據(jù)的高度寫入和高速讀出。因此，MRAM期待作為下一代的高速非易失性存儲器。另外，如果利用通過被自旋極化了的電流來控制磁化的被稱作自旋注入磁化反轉(zhuǎn)的方式，則通過減小MRAM的基元尺寸，電流密度增加。因此，能容易實現(xiàn)存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，可構(gòu)成高密度、低功耗的MRAM。

在考慮了非易失性存儲器的高密度化的情況下，磁阻元件的高集成化是不可或缺的。另外，除了高集成化，從寫入電流減小的觀點考慮，近年來，嘗試構(gòu)建利用了磁性體的磁化垂直于膜表面的MTJ元件的MRAM。

通常，用于利用自旋注入磁化反轉(zhuǎn)方式使磁化反轉(zhuǎn)的反轉(zhuǎn)電流依賴于存儲層的飽和磁化和磁弛豫常數(shù)。因此，為了通過低電流的自旋注入使存儲層的磁化反轉(zhuǎn)，期望減小存儲層的飽和磁化和磁弛豫常數(shù)。另外，從存儲層和參考層產(chǎn)生的漏磁場的影響隨著元件的小型化而更顯著，需要各層的薄膜化。在減薄了膜厚的情況下，鐵磁性層較大地受到其與底基層的界面處的粗糙度、底基層所含元素的擴(kuò)散的影響，因此期望確立抑制這些的材料、成膜方法。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開2010-232499號公報

專利文獻(xiàn)2：日本特開2012-204683號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

本實施方案提供一種即使將存儲層薄膜化，也能降低底基層所含元素的擴(kuò)散的影響的磁阻元件和磁存儲器。

用于解決課題的手段

根據(jù)本實施方案的磁阻元件具備：包含Ni和Co中的至少一種元素及Al的具有CsCl結(jié)構(gòu)的第1層、第1磁性層、所述第1層和所述第1磁性層之間的第1非磁性層、以及所述第1層和所述第1非磁性層之間的包含Mn和Ga的第2磁性層。

附圖說明

圖1是示出根據(jù)第1實施方案的磁阻元件的截面圖。

圖2是示出在NiAl層上形成了MnGa層的試樣的圖。

圖3是示出圖2所示的試樣的磁化特性的圖。

圖4是示出根據(jù)第1實施方案的變形例的磁阻元件的截面圖。

圖5是示出根據(jù)第2實施方案的磁阻元件的截面圖。

圖6是示出根據(jù)第2實施方案的變形例的磁阻元件的截面圖。

圖7是示出根據(jù)第3實施方案的磁阻元件的截面圖。

圖8是示出根據(jù)第3實施方案的變形例的磁阻元件的截面圖。

圖9(a)和9(b)是示出根據(jù)第4實施方案的磁阻元件的制造方法的圖。

圖10(a)至10(c)是示出第4實施方案的磁阻元件的制造方法的圖。

圖11是示出根據(jù)第5實施方案的磁存儲器的存儲器基元的截面圖。

圖12是示出根據(jù)第5實施方案的磁存儲器的主要部分的電路圖。

具體實施方式

以下，一邊參照附圖一邊對根據(jù)實施方案的磁阻元件進(jìn)行說明。

(第1實施方案)

圖1中示出根據(jù)第1實施方案的磁阻元件的截面。第1實施方案的磁阻元件1為MTJ元件，具有在底基層100上將磁性層2、非磁性層4(以下也稱作隧道勢壘層4)、界面磁性層6和磁性層8按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。底基層100用于控制磁性層2之上的層的晶體取向性、結(jié)晶粒徑等的結(jié)晶性，關(guān)于它們的詳細(xì)情況在后面描述。作為底基層，可以為導(dǎo)電性和絕緣性中的任一者，但在使底基層通電的情況下，優(yōu)選使用導(dǎo)電性材料。

MTJ元件的電阻值由經(jīng)由隧道勢壘層配置的兩個磁性層的磁化方向的角度來決定?？赏ㄟ^外部磁場或元件中流過的電流來控制磁化方向的角度。此時，通過使兩個磁性層的矯頑力、各向異性磁場Hk或磁摩擦常數(shù)(Gilbert damping constant)α的大小具有差別，可更穩(wěn)定地控制磁化方向的角度。就磁性層2和磁性層8而言，它們的易磁化方向與膜表面垂直。即，就磁性層2和磁性層8而言，它們的磁化方向相對于膜表面朝向垂直方向(或具有垂直方向的成分)。在此，“膜表面”是指各層的上表面。例如，“與膜表面垂直的方向”是指包含磁性層2和磁性層8的層疊體的層疊方向。

磁性層2和磁性層8中的一者的磁性層在使寫入電流流過MTJ元件1時，磁化的方向在寫入前后不變，另一鐵磁性層可變。將不變的磁性層稱作參考層，將可變的磁性層稱作存儲層。在本實施方案中，例如將磁性層2作為存儲層，將磁性層8作為參考層。予以說明，寫入電流在磁性層2和磁性層8之間在與膜表面垂直的方向上流動。

在磁性層2為存儲層、磁性層8為參考層且磁性層2的磁化方向和磁性層8的磁化方向為反平行(相反方向)的情況下，寫入電流從磁性層2流向磁性層8。在該情況下，電子從磁性層8通過界面磁性層6、非磁性層4流向磁性層2。然后，通過磁性層8而被自旋極化了的電子流向磁性層2。具有與磁性層2的磁化相同方向的自旋的被自旋極化了的電子通過磁性層2，但具有與磁性層2的磁化相反方向的自旋的被自旋極化了的電子對磁性層2的磁化作用自旋扭矩，磁性層2的磁化方向以朝向與鐵磁性層8的磁化相同方向的方式工作。由此，磁性層2的磁化方向反轉(zhuǎn)，變得與磁性層8的磁化方向平行(相同方向)。

與此相對，在磁性層2的磁化方向與鐵磁性層8的磁化方向平行的情況下，寫入電流從磁性層8流向磁性層2。在該情況下，電子從磁性層2通過非磁性層4、界面磁性層6流向磁性層8。然后，通過磁性層2而被自旋極化了的電子流向鐵磁性層8。具有與磁性層8的磁化相同方向的自旋的被自旋極化了的電子通過磁性層8，但具有與磁性層8的磁化相反方向的自旋的被自旋極化了的電子在界面磁性層6和磁性層8的界面被反射，通過非磁性層4流入磁性層2。由此，對磁性層2的磁化作用自旋扭矩，磁性層2的磁化方向以朝向與磁性層8的磁化相反方向的方式工作。由此，磁性層2的磁化方向反轉(zhuǎn)，變得與磁性層8的磁化方向反平行。予以說明，界面磁性層6是為了增大自旋極化率而設(shè)的。

磁阻元件1的電阻值依賴于磁性層2和磁性層8的磁化的相對角度，將從相對角度為反平行狀態(tài)下的電阻值減去平行狀態(tài)下的電阻值的值除以平行狀態(tài)下的電阻值而得到的值稱作磁阻變化率。

通常，矯頑力、各向異性磁場Hk或磁摩擦常數(shù)α大的磁性層作為參考層使用，矯頑力、各向異性磁場Hk或磁摩擦常數(shù)α小的磁性層作為存儲層使用。予以說明，由于底基層的表面的粗糙度或?qū)щ娦詫Υ拍Σ脸?shù)α和隧穿磁阻效應(yīng)(TMR效應(yīng))影響較大，因此期望使用合適的底基層。

在本實施方案和后述的各實施方案中，作為成為存儲層的磁性層，例如使用Mn_xGa_100-x(45atm％≤x＜64atm％)合金，該MnGa合金的c軸為易磁化軸。因此，在使其結(jié)晶化時以c軸朝向與膜表面垂直的方向的方式進(jìn)行取向控制，由此可制作垂直磁化型磁阻元件。

MnGa能使飽和磁化量相對于其組成變化。另外，MnGa為磁各向異性能的大小約10(Merg/cc)大的垂直磁化材料。進(jìn)而，作為磁化反轉(zhuǎn)容易度的指標(biāo)之一的磁摩擦常數(shù)(Gilbert damping constant)的值取決于組成，有大約0.008～0.015的報道(例如，S.Mizukami,F.Wu,A.Sakuma,J.Walowski,D.Watanabe,T.Kubota,X.Zhang,H.Naganuma,M.Oogane,Y.Ando,and T.Miyazaki,“Long-Lived Ultrafast Spin Precession in Manganese Alloys Films with a Large Perpendicular Magnetic Anisotropy”,Phys.Rev.Lett.106,117201(2011))。

通常，磁摩擦常數(shù)與材料的自旋軌道相互作用的大小相關(guān)，具有如下傾向：原子序數(shù)大的材料，自旋軌道相互作用大，磁摩擦常數(shù)也大。MnGa是由輕元素構(gòu)成的材料，因此磁摩擦常數(shù)小。因此，需要較少的磁化反轉(zhuǎn)所需的能量，因此能大幅降低用于通過自旋極化了的電子來使磁化反轉(zhuǎn)的電流密度。

這樣，MnGa為具有低飽和磁化、高磁各向異性能、低磁摩擦常數(shù)的垂直磁化材料，因此適于磁阻元件的存儲層。

在該第1實施方案中，作為非磁性層4，優(yōu)選使用氧化物絕緣體。在MTJ元件1具有例如將MnGa構(gòu)成的磁性層、結(jié)晶質(zhì)MgO構(gòu)成的非磁性層、CoFe(B)構(gòu)成的磁性層按該順序?qū)盈B了的層疊結(jié)構(gòu)的情況下，可形成MnGa(001)/MgO(001)/CoFe(B)(001)的取向關(guān)系。在此，MnGa(001)、MgO(001)是指以(001)面在各自的上表面露出的方式進(jìn)行晶體取向。

磁性層2和磁性層8通過控制晶體取向的方向，可使它們的易磁化方向相對于膜表面垂直(即，具有垂直磁各向異性)。即，本實施方案的磁阻元件1中，磁性層2和磁性層8的磁化方向各自朝向與膜表面垂直的方向，形成所謂的垂直磁化MTJ元件。予以說明，在本說明書中，膜表面是指與磁性層被層疊的方向垂直的面。另外，易磁化方向是指假設(shè)某宏觀尺寸的鐵磁性體、在無外部磁場的狀態(tài)下自發(fā)磁化朝向該方向時內(nèi)部能量變得最低的方向。與此相對，難磁化方向是指假設(shè)某宏觀尺寸的鐵磁性體、在無外部磁場的狀態(tài)下自發(fā)磁化朝向該方向時內(nèi)部能量變得最大的方向。

接著，對各層的材料進(jìn)行說明。

(底基層)

底基層100優(yōu)選晶格常數(shù)與用于底基層上的存儲層的具有L1₀相的MnGa合金相近、不易擴(kuò)散的材料。另外，可以是沒有與Mn及Ga形成化合物的相的材料，或在二元體系中元素間的鍵合強、不自擴(kuò)散的材料。作為這樣的底基層，具有在(001)面取向的CsCl結(jié)構(gòu)，由Ni、Mn、Rh、Ru、Ir、Co、Al、Ag、Zn、Pd、Ga中的至少兩種以上的元素的組合構(gòu)成。作為例子，可舉出NiMn、NiGa、NiAl、CoAl、RhAl、RuAl、AgGa等?；蛘?，也可舉出MnNiAl₂、MnCoAl₂、AlGaCo₂等3元體系作為例子。這些底基層的材料中存在與Mn及Ga的化合物，其晶體結(jié)構(gòu)為CsCl型。例如，如果為RhAl，則RhMn、RhGa各自形成CsCl結(jié)構(gòu)。認(rèn)為即使這些底基材料與MnGa混合，也與Mn及Ga鍵合，形成晶體結(jié)構(gòu)，因此擴(kuò)散被抑制。

予以說明，用于滿足上述特性的底基層的材料中，NiAl或CoAl與設(shè)于底基層上的MnGa的晶格失配小，因而更優(yōu)選。即，優(yōu)選包含及Ni和Co中的至少一種元素及Al。另外，作為NiAl，優(yōu)選使用Ni_xAl_100-x(59atm％＞x≥45amt％)，作為CoAl，優(yōu)選使用Co_xAl_100-x(56atm％＞x≥46atm％)。

作為包含Ni和Co中的至少一種元素及Al的底基層100的一例，準(zhǔn)備使用了厚度為40nm的NiAl、在該NiAl層100上制作了厚度為3nm的Mn₅₅Ga₄₅層16的試樣(參照圖2)。圖3中示出該試樣的磁化特性的測定結(jié)果。橫軸表示外部磁場H，縱軸表示旋轉(zhuǎn)角θ。根據(jù)MOKE(Magneto Optical Kerr Effect)評價，可得到垂直方向的矯頑力為約8kOe且矩形比良好的垂直磁特性。

(磁性層2)

用于磁性層2的MnGa合金的c軸成為易磁化軸。因此，通過在使其結(jié)晶化時以c軸朝向與膜表面垂直的方向的方式進(jìn)行取向控制，可制作垂直磁化MTJ元件。予以說明，為了實現(xiàn)低電流的磁化反轉(zhuǎn)，需要使磁性層2的膜厚盡可能薄。出于這樣的觀點，優(yōu)選處于1nm～5nm的范圍。但是，在與磁晶各向異性相比可得到更高的熱擾動指數(shù)Δ的結(jié)晶系材料中，也出現(xiàn)因薄膜化而各向異性下降的問題。出于這樣的觀點，薄膜的膜厚優(yōu)選為結(jié)晶化臨界膜厚以上、10nm以下的膜厚。

(界面磁性層6)

為了提高磁阻元件的磁阻比，對于與MgO的隧道勢壘層4鄰接的界面磁性層，使用具有高自旋極化率的材料。界面磁性層6優(yōu)選為包含選自Fe、Co的組的至少一種金屬的合金。此時，例如在形成由CoFe構(gòu)成的界面磁性層、由MgO構(gòu)成的非磁性層、由CoFe構(gòu)成的界面磁性層的情況下，可形成CoFe(001)/MgO(001)/CoFe(001)的外延關(guān)系。在該情況下，能改善隧道電子的波數(shù)選擇性，因此可得到大的磁阻比。

(非磁性層4)

非磁性層4由絕緣材料構(gòu)成，因此作為非磁性層4，使用隧道勢壘層。作為隧道勢壘層的材料，可舉出包含選自由鎂(Mg)、鈣(Ca)、鋇(Ba)、鋁(Al)、鈹(Be)、鍶(Sr)、鋅(Zn)和鈦(Ti)組成的組的至少一種元素的氧化物。具體而言，可舉出MgO、AlO、ZnO、SrO或TiO。隧道勢壘層可以為選自上述氧化物的組的兩種以上的材料的混晶物或它們的層疊結(jié)構(gòu)。作為混晶物的例子，為MgAlO、MgZnO、MgTiO、MgCaO等。作為雙層層疊結(jié)構(gòu)的例子，可舉出MgO/ZnO、MgO/AlO、TiO/AlO、MgAlO/MgO等。作為三層層疊結(jié)構(gòu)的例子，可舉出AlO/MgO/AlO、ZnO/MgO/ZnO等。予以說明，符號“/”的左側(cè)表示上層，右側(cè)表示下層。

(磁性層8)

另外，作為用于磁性層8的材料，可舉出包含選自過渡金屬Fe、Co、Ni的組的至少一種元素、選自稀土金屬Tb、Dy、Gd的組的至少一種元素的合金。例如，可舉出TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等。另外，也可以是將這些合金交替層疊了的多層結(jié)構(gòu)。具體而言，可舉出TbFe/Co、TbCo/Fe、TbFeCo/CoFe或DyFe/Co、DyCo/Fe、DyFeCo/CoFe等的多層膜。這些合金可通過調(diào)節(jié)膜厚比、組成來調(diào)節(jié)磁各向異性能密度、飽和磁化。

磁性層8在與膜表面垂直的方向上具有易磁化軸，即具有垂直磁各向異性。作為用于磁性層8的材料，例如可使用在面心立方晶格(FCC)的(111)面或六方密堆積結(jié)構(gòu)(HCP)的(001)面晶體取向的金屬、或可形成人工晶格的金屬。作為在FCC的(111)面或HCP的(001)面晶體取向的金屬，可舉出包含選自由Fe、Co、Ni和Cu組成的第1組的至少一種元素、以及選自由Pt、Pd、Rh和Au組成的第2組的至少一種元素的合金。具體而言，可舉出CoPd、CoPt、NiCo或NiPt等鐵磁性合金。

另外，作為用于磁性層8的人工晶格，可舉出將由選自Fe、Co和Ni組成的組的一種元素構(gòu)成的單質(zhì)或包含該一種元素的合金(磁性膜)、與由選自Cr、Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os、Re、Au和Cu組成的組的一種元素構(gòu)成的單質(zhì)或包含該一種元素的合金(非磁性膜)交替層疊了的層疊結(jié)構(gòu)。例如，可舉出Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格、CoCr/Pt人工晶格、Co/Ru人工晶格、Co/Os、Co/Au、Ni/Cu人工晶格等。這些人工晶格可通過調(diào)節(jié)向磁性膜的元素的添加、磁性膜與非磁性層的膜厚比來調(diào)節(jié)磁各向異性能密度、飽和磁化。

如以上說明的那樣，在本實施方案中，作為底基層，具有在(001)面取向的CsCl結(jié)構(gòu)、且來自Ni、Mn、Rh、Ru、Ir、Co、Al、Ag、Zn、Pd、Ga中的至少兩種以上的元素組合而成的材料由于自擴(kuò)散系數(shù)小，因此即使在底基層上設(shè)置作為具有低飽和磁化、高磁各向異性能、低磁摩擦常數(shù)的垂直磁化材料的MnGa層，也可降低底基層中所含元素的擴(kuò)散。

(變形例)

圖4中示出根據(jù)第1實施方案的變形例的磁阻元件的截面。該變形例的磁阻元件1A中，形成于底基層100上的層的層疊順序與圖1中示出的第1實施方案的磁阻元件1相反。即，具有在底基層100上將磁性層8、界面磁性層6、非磁性層4和磁性層2按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。

如果在該變形例中使用MnGa作為磁性層8，則與第1實施方案同樣，即使將存儲層薄膜化，也能降低底基層中所含元素的擴(kuò)散的影響。

(第2實施方案)

圖5中示出根據(jù)第2實施方案的磁阻元件1B。該磁阻元件1B是在圖1所示的第1實施方案的磁阻元件1中在非磁性層4和磁性層2之間設(shè)有界面磁性層3的結(jié)構(gòu)。在第2實施方案中，具有在底基層100上將磁性層2、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6和磁性層8按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。

與第1實施方案同樣，通過控制磁性層的晶體取向性，磁性層2和磁性層8可各自具有與膜表面垂直的方向的磁各向異性(垂直磁各向異性)，使它們的易磁化方向與膜表面垂直。即，本實施方案的磁阻元件1B中，磁性層2和磁性層8的磁化方向各自朝向與膜表面垂直的方向，成為所謂的垂直磁化MTJ元件。而且，磁性層2和磁性層8中的一者的磁性層在寫入電流流過MTJ元件1B時，在寫入前后磁化方向不變，另一者磁性層的磁化方向可變。在本實施方案中，例如將磁性層2作為存儲層，將磁性層8作為參考層。予以說明，寫入電流與第1實施方案同樣，在磁性層2和磁性層8之間在與膜表面垂直的方向流動。

予以說明，界面磁性層3是為了增大自旋極化率而設(shè)的。該界面磁性層3也可使用第1實施方案中說明的界面磁性層6的材料。

該第2實施方案也與第1實施方案同樣，即使將存儲層薄膜化，也能降低底基層中所含元素的擴(kuò)散的影響。

(變形例)

圖6中示出根據(jù)第2實施方案的變形例的磁阻元件的截面。該變形例的磁阻元件1C中，形成于底基層100上的層的層疊順序與圖5所示的第2實施方案的磁阻元件1B相反。即，具有在底基層100上將磁性層8、界面磁性層6、非磁性層4、界面磁性層3和磁性層2按該順序?qū)盈B了的結(jié)構(gòu)。

如果在該變形例中使用MnGa作為磁性層8，則與第2實施方案同樣，即使將存儲層薄膜化，也能降低底基層中所含元素的擴(kuò)散的影響。

(第3實施方案)

圖7中示出根據(jù)第3實施方案的磁阻元件1D。該磁阻元件1D成為在圖5所示的第2實施方案的磁阻元件1B中在磁性層8上層疊了非磁性層8、磁性層11的結(jié)構(gòu)。予以說明，在本實施方案中，例如界面磁性層6和磁性層8成為參考層。磁性層11也稱作勢壘層或偏移調(diào)整層，具有磁化方向與磁性層8反平行(相反方向)的磁化。磁性層11也可以經(jīng)由非磁性層10與磁性層8形成反鐵磁性耦合(Synthetic Anti-Ferromagnetic耦合；SAF耦合)。由此，可緩和并調(diào)節(jié)使來自參考層(由界面磁性層6和磁性層8構(gòu)成)的漏磁場引起的存儲層(由界面磁性層3和磁性層2構(gòu)成)的磁化進(jìn)行反轉(zhuǎn)的電流的偏移。非磁性層10期望具備如下功能：控制磁性層8及磁性層11不因熱工序而混雜的耐熱性、以及形成磁性層11時的晶體取向。

進(jìn)而，非磁性層10的膜厚變厚時，磁性層11和存儲層(在本實施方案中例如為磁性層2)的距離變遠(yuǎn)，因此導(dǎo)致由磁性層11向存儲層施加的偏移調(diào)整磁場變小。因此，非磁性層10的膜厚優(yōu)選為5nm以下。另外，如上述那樣，磁性層11可以經(jīng)由非磁性層10與磁性層8進(jìn)行SAF耦合，在該情況下，如果非磁性層10的膜厚過厚，則磁耦合有可能斷開。出于這樣的觀點，非磁性層10的膜厚優(yōu)選為5nm以下。鐵磁性層11由在與膜表面垂直的方向具有易磁化軸的鐵磁性材料構(gòu)成。與參考層相比，磁性層11更遠(yuǎn)離存儲層，因此為了利用鐵磁性層11調(diào)整施加于存儲層的漏磁場，需要將磁性層11的膜厚或飽和磁化Ms的大小設(shè)定為大于參考層的膜厚或飽和磁化Ms。即，根據(jù)本發(fā)明人的研究結(jié)果，在將參考層的膜厚、飽和磁化分別設(shè)為t₂、Ms₂，將磁性層11的膜厚、飽和磁化分別設(shè)為t₃、Ms₃時，需要滿足下述關(guān)系式：

Ms₂×t₂＜Ms₃×t₃。

予以說明，第3實施方案中說明的磁性層11也可應(yīng)用于第1和第2實施方案及它們的變形例的任一者的磁阻元件。在該情況下，在作為參考層的磁性層上將非磁性層10夾在中間而層疊。

(變形例)

予以說明，在第3實施方案中，具有在底基層100上將磁性層2、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6、磁性層8、非磁性層10和磁性層11按該順序?qū)盈B了的上勢壘(上バイアス)結(jié)構(gòu)。但是，磁性層11也可以層疊在底基層100下。即，如圖8所示的根據(jù)第3實施方案的變形例的磁阻元件1E那樣，為在磁性層11上將底基層100、磁性層2、中間層5、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6和磁性層8按該順序?qū)盈B了的下勢壘結(jié)構(gòu)。在該情況下，優(yōu)選將磁性層2用作參考層。

在上述變形例中，也如第3實施方案中記載的那樣，需要將施加于存儲層的磁性層11引起的漏磁場量與參考層引起漏磁場量設(shè)定為同程度。即，在存儲層和偏移調(diào)整層的距離短于存儲層和參考層的距離的情況下，需要滿足偏移調(diào)整層的總磁化量＜參考層的總磁化量的關(guān)系式。另一方面，在存儲層和偏移調(diào)整層的距離長于存儲層和參考層的距離的情況下，需要滿足偏移調(diào)整層的總磁化量＞參考層的總磁化量的關(guān)系式。

根據(jù)第3實施方案及其變形例，與第2實施方案同樣，即使將存儲層薄膜化，也能降低底基層中所含元素的擴(kuò)散的影響。

(第4實施方案)

接著，參照圖9(a)至圖10(c)對根據(jù)第1至第3實施方案及其變形例的磁阻元件的制造方法進(jìn)行說明。

該制造方法為：分別準(zhǔn)備待形成磁阻元件的基板(例如單晶基板)和形成有晶體管的基板，將在上述單晶基板上形成的磁阻元件和制作了晶體管等的基板貼合，其后除去不需要的單晶基板，由此構(gòu)建具備磁阻元件1B的MRAM。

具體而言，首先，在合適的成膜條件下在基板200上形成上述第1至第3實施方案及它們的變形例的任一者的磁阻元件。例如，以制造圖5所示的第2實施方案的磁阻元件1B的情形為例進(jìn)行說明。首先，如圖9(a)所示，使用濺射法或MBE(Molecular Beam Epitaxy)法在Si單晶基板200上將底基層100、磁性層2、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6和磁性層8按該順序形成，得到圖5所示的磁阻元件1B。此時，Si單晶基板200的結(jié)晶性傳遞至底基層100、磁性層2，所形成的磁阻元件1B成為包含至少一個單晶層的單晶MTJ元件。其后，在磁性層8上形成金屬接合層20a(圖9(a))。同樣地，準(zhǔn)備形成有晶體管電路及配線的基板220，在該基板220上形成金屬接合層20b(圖9(a))。作為金屬接合層20a、20b，可舉出Al、Au、Cu、Ti、Ta等的金屬層。

接著，以金屬接合層20a、20b對置的方式配置形成有單晶MTJ元件1B的基板200、和形成有晶體管電路的基板220。其后，如圖9(b)所示，使金屬接合層20a、20b接觸。此時，能通過加重使金屬接合層20a、20b貼合。為了提高接合力，也可以在加重時進(jìn)行加熱。

接著，如圖10(a)所示，除去形成有單晶MTJ元件1B的單晶基板200。該除去首先例如使用BSG(Back Side Grinder)法進(jìn)行減薄。其后，如圖10(b)所示，通過CMP(Chemical Mechanical Polishing)法等對減薄了的單晶基板200進(jìn)行機械研磨，從而進(jìn)行除去。由此，完成MTJ元件1(圖10(c))。

這樣，分別準(zhǔn)備了在單晶基板200上形成有上述第1至第3實施方案及它們的變形例的任一者的單晶MTJ元件和形成有晶體管電路的基板220，在單晶MTJ元件1上貼合制作了晶體管等的基板，其后，使用除去不要的單晶基板200的一系列的制造方法，由此可制作上述第1至第3實施方案及它們的變形例的任一者的單晶MTJ元件。

通過上述制造方法制造的磁阻元件在磁性層2成為存儲層的情況下，具有與成為參考層的磁性層8相比設(shè)于上方的無上部(アップフリー)結(jié)構(gòu)。關(guān)于具有存儲層與參考層相比位于下方的無底部(ボトムフリー)結(jié)構(gòu)的磁阻元件的制造方法，進(jìn)行簡單說明。

首先，例如如圖9(a)的右側(cè)的圖所示，準(zhǔn)備形成了晶體管電路和配線的基板220。此時，在晶體管電路和配線上不形成金屬接合層20b。在該基板220上形成底基層100。接著，在底基層100上，使用濺射法或MEB(Molecular Beam Epitaxy)法將磁性層2、界面磁性層3、非磁性層4、界面磁性層6和磁性層8按該順序形成。這樣，能制造具有無底部結(jié)構(gòu)的磁阻元件。

(第5實施方案)

接著，對根據(jù)第5實施方案的自旋注入寫入型的磁存儲器(MRAM)進(jìn)行說明。

該第5實施方案的MRAM具有多個磁存儲器基元。圖11中示出本實施方案的MRAM的一個磁存儲器基元的主要部分的截面。各存儲器基元具備第1至第3實施方案及它們的變形例的任一者的磁阻元件作為存儲元件。在該第5實施方案中，以存儲元件為第1實施方案的磁阻元件(MTJ元件)1的情形為例進(jìn)行說明。

如圖11所示，MTJ元件1的上表面經(jīng)由上部電極31與位線32連接。另外，MTJ元件1的下表面經(jīng)由下部電極33、引出電極34和插塞35與半導(dǎo)體基板36的表面的源極/漏極區(qū)域(第1和第2端子)中的漏極區(qū)域37a連接。漏極區(qū)域37a與源極區(qū)域37b、形成于基板36上的柵極絕緣膜38、形成于柵極絕緣膜38上的柵極電極(控制端子)39一起構(gòu)成選擇晶體管Tr。選擇晶體管Tr和MTJ源極1構(gòu)成MRAM的一個存儲器基元。源極區(qū)域37b經(jīng)由插塞41與另一位線42連接。予以說明，也可以不使用引出電極34，在下部電極33的下方設(shè)置插塞35，將下部電極33和插塞35直接連接。位線32、42、電極31、33、引出電極34、插塞35、41由W、Al、AlCu、Cu等形成。

在本實施方案的MRAM中，通過例如陣列狀設(shè)置多個如圖11所示的1個存儲器基元，形成了MRAM的存儲器基元陣列。圖12為示出本實施方案的MRAM的主要部分的電路圖。

如圖12所示，MTJ元件1和選擇晶體管Tr構(gòu)成的多個存儲器基元53被陣列狀配置。屬于相同列的存儲器基元53的一端子與同一位線32連接，另一端子與同一位線42連接。屬于相同行的存儲器基元53的選擇晶體管Tr的柵極電極(字線)39相互連接，進(jìn)而與行解碼器51連接。

位線32經(jīng)由晶體管等的開關(guān)電路54與電流源/宿電路55連接。另外，位線42經(jīng)由晶體管等的開關(guān)電路56與電流源/宿電路57連接。電流源/宿電路55、57向所連接的位線32、42供給寫入電流，或者從所連接的位線32、42抽取(引き抜く)寫入電流。

另外，位線42與讀出電路52連接。讀出電路52也可以與位線32連接。讀出電路52包括讀出電流電路、讀出放大器等。

寫入時，通過使與寫入對象的存儲器基元連接的開關(guān)電路54、56和選擇晶體管Tr導(dǎo)通(ON)，形成了經(jīng)由對象的存儲器基元的電流通路。然后，在電流源/宿電路55、57中，根據(jù)待寫入的信息，一者作為電流源起作用，另一者作為電流宿起作用。其結(jié)果，寫入電流在根據(jù)待寫入信息的方向上流動。

作為寫入速度，可以以具有從數(shù)納秒至數(shù)微妙的脈沖寬度的電流進(jìn)行自旋注入寫入。

讀出時，與寫入同樣地操作，向被指定了的MTJ元件1供給不會因上述讀出電流電路而引起磁化反轉(zhuǎn)的程度的小的讀出電流。然后，讀出電路52的讀出放大器通過將由基于MTJ元件1的磁化狀態(tài)的電阻值引起的電流值或電壓值與參照值相比較來判定其電阻狀態(tài)。

予以說明，讀出時，優(yōu)選與寫入時相比電流脈沖寬度短。由此，減少因讀出時的電流的誤寫入。這基于：寫入電流的脈沖寬度短的一方，寫入電流值的絕對值變大。

如以上所說明的那樣，根據(jù)本實施方案，與第1至第3實施方案及它們的變形例同樣，即使將存儲層薄膜化，也能將降低底基層所含元素的擴(kuò)散的影響。另外，可得到具備具有低飽和磁化、高垂直磁各向異性且具有高磁阻比的磁阻元件的磁存儲器。

雖然說明了本發(fā)明的幾個實施方案，但這些實施方案作為例子提出，不意在限定發(fā)明的范圍。這些實施方案可以以其它各種形式實施，可在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)進(jìn)行各種省略、置換、變更。這些實施方案及其變形與包含于發(fā)明的范圍、主旨的同樣地，包含于權(quán)利要求書所記載的發(fā)明及其均等的范圍。