專(zhuān)利名稱(chēng)：磁阻元件、使用其的存儲(chǔ)器元件以及相關(guān)記錄/再現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用到一非易失性存儲(chǔ)器或類(lèi)似的存儲(chǔ)器的一種磁阻元件。
在該磁存儲(chǔ)器元件中，用來(lái)存儲(chǔ)信息的最小單元被稱(chēng)為一磁存儲(chǔ)單元。該磁存儲(chǔ)單元通常具有一存儲(chǔ)層和參考層。該參考層是一磁材料層，該磁材料層的磁化方向是固定的或固定在一特定的方向。該存儲(chǔ)層是用于存儲(chǔ)信息的層，并且通常是能通過(guò)一外加磁場(chǎng)來(lái)改變其磁化方向的一磁材料層。該磁存儲(chǔ)單元的邏輯狀態(tài)是由在存儲(chǔ)層中的磁化方向是否與在參考層中的磁化方向平行來(lái)確定的。如果因?yàn)樵揗R(磁阻)效應(yīng)，這些磁化方向相互平行，那么磁存儲(chǔ)單元的電阻減少；如果這些方向不平行，則該磁存儲(chǔ)單元的電阻增加。磁存儲(chǔ)單元的邏輯狀態(tài)是通過(guò)測(cè)量它的電阻率來(lái)確定的。
在磁存儲(chǔ)單元中通過(guò)流過(guò)一導(dǎo)體的電流而生成的磁場(chǎng)來(lái)改變存儲(chǔ)層內(nèi)的磁化方向來(lái)寫(xiě)入信息。使用檢測(cè)一電阻的絕對(duì)值的絕對(duì)檢測(cè)方法讀出寫(xiě)入的信息。
另一個(gè)存儲(chǔ)單元具有一存儲(chǔ)層和檢測(cè)層。該存儲(chǔ)單元使用用于讀取的一種微分檢測(cè)方法因?yàn)樵摍z測(cè)層的磁化方向是改變的且存儲(chǔ)層的磁化方向是從一電阻變化中被檢測(cè)。
為高集成度，該磁存儲(chǔ)單元必須在形體尺寸方面縮小。通常在縱向磁化層中，因?yàn)楸∧け砻嬷械耐舜糯艌?chǎng)和小型化，自旋在薄膜邊緣卷起。該磁存儲(chǔ)單元不能穩(wěn)定地存儲(chǔ)磁信息。為防止這種問(wèn)題，當(dāng)前的發(fā)明人已經(jīng)在USP6,219,725中公開(kāi)了使用橫向磁化到薄膜表面的一磁膜(橫向磁化膜)的一種MR元件。橫向磁化膜沒(méi)有任何卷曲甚至達(dá)到小型化，且適用于小型化。
使用一MR元件的一磁存儲(chǔ)單元包括通過(guò)一薄的非磁層(隧道絕緣層)層疊的兩個(gè)磁層。從該磁存儲(chǔ)單元內(nèi)的一磁層泄漏的一磁場(chǎng)影響另一磁層。即使缺少一外部磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)也被使用。
圖20A和20B示出了具有一橫向磁膜的一TMR元件的磁化方向的例子。具有一低矯頑力的一磁膜100和具有一較高矯頑力的一磁膜200通過(guò)一隧道絕緣薄膜300層疊。在圖20A和圖20B所示的例子中，磁膜200是向下磁化。磁膜100在圖20A中是向下磁化，在圖20B中是向上磁化。因此，在圖20B中的磁存儲(chǔ)單元的電阻值比圖20A中的大。
這種狀態(tài)可被認(rèn)為是使用絕對(duì)值檢測(cè)方法的一種結(jié)構(gòu)，其中磁層200是一參考層(釘軋層)，磁層10是一存儲(chǔ)器層，如圖20A所示“0”被記錄且如圖20B所示“1”被記錄。作為選擇，該狀態(tài)可被認(rèn)為是使用微分檢測(cè)方法的一種結(jié)構(gòu)，其中磁層200是一存儲(chǔ)層，磁層10是一檢測(cè)層，且通過(guò)在檢測(cè)中的一外部磁場(chǎng)，磁化被從圖20A中所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到圖20B中所示的狀態(tài)。
圖21A示出了假設(shè)沒(méi)有磁場(chǎng)從具有矩形比為1的其他磁膜泄漏，該元件的MH曲線(xiàn)(表示磁化和應(yīng)用磁場(chǎng)間的關(guān)系的圖形)。保持磁化方向不變的一足夠小的磁場(chǎng)被加到磁層200。因此，生成了與磁層100的磁化方向相應(yīng)的曲線(xiàn)。當(dāng)沒(méi)有從其他磁膜泄漏的磁場(chǎng)，即偏置磁場(chǎng)時(shí)，通過(guò)僅施加一磁場(chǎng)H1或等于一矯頑力Hc的H2，信息能被記錄在存儲(chǔ)層上。作為選擇，檢測(cè)層的磁化能轉(zhuǎn)換。磁場(chǎng)H1從向上的方向到向下的方向轉(zhuǎn)換第一磁膜。磁場(chǎng)H2從向下的方向到向上的方向轉(zhuǎn)換第一磁膜。
實(shí)際上，另一磁層，在這種情況下，磁膜200將一向下的磁場(chǎng)應(yīng)用到磁膜100，MR曲線(xiàn)通過(guò)偏置磁場(chǎng)H0，如圖21B中所示來(lái)變換。在這種情況下，記錄磁場(chǎng)是H2＝HC+H0及HC-H0，為將圖21B的狀態(tài)改變到圖21A的狀態(tài)所必需的磁場(chǎng)減少H0。相反，為將圖21A的狀態(tài)改變到圖21B的狀態(tài)所必需的磁場(chǎng)增加H0。這表示通過(guò)寫(xiě)線(xiàn)的電流值增加。電流消耗可能增加，或當(dāng)電流超過(guò)寫(xiě)線(xiàn)的允許的電流密度時(shí)，寫(xiě)失敗。在此情形下，依靠記錄在一存儲(chǔ)單元中的信息，轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)的大小改變。如果要求轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)H2的存儲(chǔ)單元信息被重寫(xiě)入通過(guò)兩條橫向?qū)懢€(xiàn)排列在一矩陣中存儲(chǔ)單元中的記錄信息中，也要求該轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)H1的相鄰的存儲(chǔ)單元信息也被重寫(xiě)。這種錯(cuò)誤記錄操作出現(xiàn)的可能性很高。如果偏置磁場(chǎng)H0大于矯頑力Hc，如圖21C中所示，只有一個(gè)電阻值能被包括在零磁場(chǎng)中。這導(dǎo)致絕對(duì)檢測(cè)變難。
當(dāng)矩形比不是1時(shí)，在零磁場(chǎng)中的磁化強(qiáng)度M小于逆平行磁化強(qiáng)度狀態(tài)的最大磁化強(qiáng)度值Mmax。電阻值依靠低矯頑力層的磁化強(qiáng)度量來(lái)改變。在這種情況下，一讀出電阻值差R2-R1減少，降低該檢測(cè)靈敏度。即使在一偏置磁場(chǎng)H0小于矯頑力Hc的情況下，該現(xiàn)象也會(huì)發(fā)生。應(yīng)注意的是R1表示缺少一外部磁場(chǎng)時(shí)的最小電阻值；以及R2表示缺少一外部磁場(chǎng)時(shí)的最大電阻值。圖22示出了在存在一偏置磁場(chǎng)H0時(shí)的電阻值，以及圖22B表示缺少該偏置磁場(chǎng)H0時(shí)的電阻值。
對(duì)不是1的矩形比，即使一在強(qiáng)度上等于矯頑力的磁場(chǎng)的施加也不能完全使磁化飽和，如圖22B所示。完全使磁化飽和的一磁場(chǎng)，M＝Ms，將被稱(chēng)作一磁化飽和磁場(chǎng)Hs。當(dāng)存儲(chǔ)層完全飽和成與釘軋層逆平行時(shí)，電阻值最大化成相對(duì)于該磁場(chǎng)的一恒定值。也就是，在電阻值中飽和的磁場(chǎng)等于Hs，如圖22B所示。對(duì)矩形比為1的情況，矯頑力可被看成等于一磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)(對(duì)矩形比不為1的情況，矯頑力不能被看成等于該磁場(chǎng))。在這種情況下，通過(guò)施加一大于具有矩形比為1的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)，磁化被轉(zhuǎn)換。在存在由一泄漏的磁場(chǎng)生成的一偏置磁場(chǎng)時(shí)，磁化易于轉(zhuǎn)換的方向和磁化難于轉(zhuǎn)換的方向之間的被用于轉(zhuǎn)換磁化的磁場(chǎng)強(qiáng)度上的差異變大。如果這樣一種元件被作為一MRAM的存儲(chǔ)元件使用，上述錯(cuò)誤操作可能以較高的概率發(fā)生。在一磁阻元件作為一MRAM的存儲(chǔ)元件使用中，當(dāng)磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)不受控制時(shí)可能會(huì)發(fā)生故障。
上面的描述主要假定絕對(duì)值檢測(cè)方法，但同樣適用于微分檢測(cè)方法。圖23示出了微分檢測(cè)方法的主循環(huán)。
在MR元件中的上述問(wèn)題在應(yīng)用于一常規(guī)MRAM的使用一縱向磁膜的一磁阻元件中更為嚴(yán)重。
本發(fā)明的一個(gè)目的是解決在用作一存儲(chǔ)元件或類(lèi)似元件的一磁阻元件中來(lái)自于一磁層的一靜態(tài)磁場(chǎng)偏置另一磁層的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)以及該轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)增加的問(wèn)題，并提供使用該磁阻元件的一存儲(chǔ)元和它的記錄/再現(xiàn)方法件。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一磁阻元件包括一第一磁層，垂直于一薄膜平面磁化，一第二磁層，垂直于該薄膜表面磁化并具有高于該第一磁層的矯頑力的一矯頑力，一非磁性層，插入該第一磁層和第二磁層之間，以及一第三磁層，具有高于該第一磁層的矯頑力的一矯頑力并且與第二磁層逆平行地磁化。
圖5A和5B是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，示出了一磁阻元件的例子的剖視圖；圖6A和6B是示出如圖5A和5B中所示的磁阻元件的磁化取向狀態(tài)的剖視圖；圖7A和7B是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，示出了一磁阻元件的例子的剖視圖；圖8A和8B是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，示出了一磁阻元件的例子的剖視圖；圖9A和9B是表示在如圖8A和8B中所示的磁阻元件中整個(gè)磁層11和12的磁化的剖視圖；

圖10A和10B是根據(jù)本發(fā)明的第五實(shí)施例，示出了一磁阻元件的另一個(gè)例子的剖視圖；圖11A和11B是表示在如圖10A和10B中所示的磁阻元件中整個(gè)磁層11和12的磁化的剖視圖；圖12是根據(jù)使用一垂直磁化強(qiáng)度薄膜的本發(fā)明的第七實(shí)施例，表示在該磁阻元件中一泄漏的磁場(chǎng)的應(yīng)用狀態(tài)的視圖；圖13是表示在一傳統(tǒng)的磁阻元件中一泄漏的磁場(chǎng)的應(yīng)用狀態(tài)的視圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明在磁阻元件的一實(shí)施例中表示一泄漏的磁場(chǎng)的分布圖；圖15是根據(jù)本發(fā)明在磁阻元件的實(shí)施例中表示一泄漏的磁場(chǎng)的分布圖；圖16是根據(jù)本發(fā)明在磁阻元件的實(shí)施例中表示一泄漏的磁場(chǎng)的分布圖；圖17是表示在傳統(tǒng)的磁阻元件中一泄漏的磁場(chǎng)的分布圖；圖18是表示在傳統(tǒng)的磁阻元件中一泄漏的磁場(chǎng)的分布圖；圖19A和19B是根據(jù)本發(fā)明的第八實(shí)施例，一存儲(chǔ)單元的基本結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖20A和20B是傳統(tǒng)磁阻元件的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖21A、21B和21C表示在一矩形比為1的一MH曲線(xiàn)中一偏置磁場(chǎng)圖；圖22A和22B表示在一矩形比不為1的一MH曲線(xiàn)中一偏置磁場(chǎng)圖；圖23是當(dāng)具有矩形比為1的偏置磁置很大時(shí)一MH曲線(xiàn)圖；圖24A和24B是根據(jù)本發(fā)明的第六實(shí)施例，一磁阻元件的另一例子的剖視圖；圖25A和25B是表示在如圖24A和24B所示的磁阻元件中整個(gè)磁層11和12的磁化的剖視圖；圖26A和26B是根據(jù)第九實(shí)施例，表示一磁阻薄膜的結(jié)構(gòu)的示意剖視圖；圖27是表示一磁阻薄膜的薄膜結(jié)構(gòu)的示意剖視圖，其中一高自轉(zhuǎn)極化性層插在磁層113和一非磁性介電薄膜115之間；圖28是表示一磁阻薄膜的另一薄膜結(jié)構(gòu)的示意剖視圖，其中一高自轉(zhuǎn)極化性層插在磁層112和該非磁性介電薄膜115之間；圖29是表示一磁阻薄膜的另一薄膜結(jié)構(gòu)的示意剖視圖，其中一高自轉(zhuǎn)極化性層插在磁層112和一非磁性介電薄膜115之間和磁層113和該非磁性介電薄膜115之間；圖30是表示一磁阻薄膜的另一薄膜結(jié)構(gòu)的示意剖視圖，其中一高自轉(zhuǎn)極化性層插在磁層111和一非磁性導(dǎo)電薄膜114之間和磁層113和該非磁性介電薄膜115之間；圖31是表示一磁阻薄膜的另一薄膜結(jié)構(gòu)的示意剖視圖，其中一高自轉(zhuǎn)極化性層插在磁層112和一非磁性導(dǎo)電薄膜114之間和磁層112和該非磁性介電薄膜115之間；圖32是表示一磁阻薄膜的另一薄膜結(jié)構(gòu)的示意剖視圖，其中一高自轉(zhuǎn)極化性層插在磁層111和一非磁性導(dǎo)電薄膜114之間和磁層112和該非磁性導(dǎo)電薄膜114之間、磁層112和一非磁性介電薄膜115之間和磁層113和該非磁性介電薄膜115之間；圖33是表示生成將被應(yīng)用的一磁場(chǎng)以便記錄信息并在第十二實(shí)施例中使用的電路的電路圖；圖34表示讀出記錄的信息并在第十二實(shí)施例中使用的電路的電路圖；圖35是示意性地表示在第十二實(shí)施例中形成的一存儲(chǔ)元件的剖面圖；圖36是根據(jù)第十三實(shí)施例，表示一存儲(chǔ)器布置的電路圖；圖37A和37B是根據(jù)第十四實(shí)施例，表示一磁阻元件的剖視圖；圖38A和38B是根據(jù)第十四實(shí)施例，表示該磁阻元件的磁化狀態(tài)的剖視圖；圖39A1、39A2、39B1以及39B2是根據(jù)第十四實(shí)施例，用于說(shuō)明從一存儲(chǔ)元件讀信息的剖視圖；圖40A1、40A2、40B1以及40B2根據(jù)第十四實(shí)施例，用于說(shuō)明從該存儲(chǔ)元件讀信息的另一例子的剖視圖；圖41A和41B是根據(jù)第十五實(shí)施例，用于說(shuō)明一磁阻元件的磁化狀態(tài)的剖視圖；圖42A和42B是根據(jù)第十五實(shí)施例，用于說(shuō)明一磁阻元件的磁化狀態(tài)的另一例子的剖視圖；圖43A和43B是根據(jù)第十五實(shí)施例，用于說(shuō)明一磁阻元件的磁化狀態(tài)的另一例子的剖視圖；圖44是根據(jù)第十五實(shí)施例，表示該磁阻元件的另一例子的剖視圖；圖45A和45B是根據(jù)第十六實(shí)施例，表示一存儲(chǔ)元件和一寫(xiě)線(xiàn)間的關(guān)系的剖視圖；圖46是根據(jù)第十六實(shí)施例，表示一存儲(chǔ)器布置的例子的剖視圖。
具體施例方式本發(fā)明的首選實(shí)施例將參考附圖描述如下。(第一實(shí)施例)圖1A和1B是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，表示一磁阻元件的薄膜結(jié)構(gòu)的剖視圖。在圖1A和1B中，箭頭表示在磁層中的磁化方向。圖1A和1B表示該磁阻元件的兩個(gè)預(yù)期的磁化狀態(tài)。如果通過(guò)絕對(duì)檢測(cè)方法，從該磁阻元件中讀出數(shù)據(jù)，如圖1A和1B中所示的狀態(tài)與二進(jìn)制的記錄電平“0”和“1”對(duì)應(yīng)。
垂直于該薄膜表面磁化的一磁層1，一非磁性絕緣層N2以及垂直于該薄膜表面磁化的一磁層2按指定的順序?qū)盈B。絕緣層N2很厚，足以通過(guò)該絕緣層N2使在磁層1和2間流過(guò)一隧道電流。整個(gè)磁層2的矯頑力高于磁層1的矯頑力。在該磁阻元件中，經(jīng)由該絕緣層N2由在第一和第二磁層1和2之間流經(jīng)的電流產(chǎn)生的一電阻值，依據(jù)磁層1和2的相對(duì)磁化角度被改變。通過(guò)檢測(cè)該電阻值，寫(xiě)入磁阻元件中的信息能被確定。更準(zhǔn)確地說(shuō)，磁層1、絕緣層N2，以及磁層2形成一鐵磁的隧道結(jié)。在磁層1和2中的導(dǎo)電電子隧道通過(guò)絕緣層N2而保持它們的自轉(zhuǎn)。依據(jù)這兩個(gè)磁層1和2的磁化狀態(tài)，該隧道概率會(huì)變化。這被作為在隧道電阻中的變化被檢測(cè)。當(dāng)磁層1和2的磁化狀態(tài)相互平行時(shí)，電阻值很小，當(dāng)它們相互逆平行時(shí)，則電阻值很大。
在磁阻元件中，磁層2由作為相互逆平行磁化的垂直磁化薄膜的磁層21和22的層疊來(lái)形成。磁層21形成在磁層1面上(以便與絕緣層N2接觸)。在如圖1A和1B所示的例子中，磁層21的磁化朝上，且磁層22的磁化朝下。磁層1接收通過(guò)磁層21的磁化的一向上的磁場(chǎng)和通過(guò)磁層22的磁化的一向下的磁場(chǎng)。應(yīng)用到磁層1的一個(gè)視在磁場(chǎng)是這些磁場(chǎng)的組合。與磁層2僅由一個(gè)磁層形成的情況比較，應(yīng)用到磁層1的泄漏的磁場(chǎng)能被減少。磁層1的轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)的偏置也能因此而被抑制。當(dāng)該磁阻元件被應(yīng)用到一磁存儲(chǔ)單元時(shí)，寫(xiě)電流能被降低，而且能防止錯(cuò)誤地寫(xiě)入到相鄰的存儲(chǔ)單元。
如圖2A和2B所示，該磁層21和22的磁化方向可被轉(zhuǎn)換使得磁層21被向下磁化而磁層22被向上磁化。通過(guò)用一導(dǎo)體替換夾在中間的非磁性層，該磁阻元件可能組成為夾入到磁層間的一GMR元件。然而，對(duì)使用一更薄的非磁性層的一TMR元件來(lái)說(shuō)，磁阻元件的效果更顯著。(第二實(shí)施例)圖3A和3B是根據(jù)第二實(shí)施例，表示一磁阻元件的薄膜結(jié)構(gòu)的剖視圖。在該磁阻元件中，在第一實(shí)施例中的磁層2，即構(gòu)成一高矯頑力層的磁層21和22由一稀土鐵族元素合金的一亞鐵磁的薄膜組成。該鐵族元素的子晶格磁化在該磁層21中是主要的，而稀土元素的子晶格磁化在磁層21中是主要的。磁層1和絕緣層N2與在第一實(shí)施例中相同。圖3A和3B表示該磁阻元件的兩個(gè)預(yù)期的磁化狀態(tài)。在磁層21和22中的每一實(shí)線(xiàn)表示鐵族元素的子晶格磁化方向；以及每一虛線(xiàn)表示稀土元素的子晶格磁化方向。每條線(xiàn)的長(zhǎng)度表示子晶格磁化的大小。
磁層21和22是交換耦合的。在稀土鐵族合金中，鐵族元素對(duì)交換耦合力是主要，并且鐵族元素取向一個(gè)方向。在磁層21和22中逆平行于鐵族元素磁化的稀土元素也取同一個(gè)方向。整個(gè)亞鐵磁薄膜的磁化強(qiáng)度在子晶格磁化間是有差異的。如圖3A和3B所示的磁層21和22的磁化方向，磁層21和22的基本磁化方向是彼此相反。為此，整個(gè)磁層2的磁化強(qiáng)度小于每一個(gè)磁層21和22的磁化強(qiáng)度。亞鐵磁層最初在磁化強(qiáng)度量上小于由Fe、Co、FeCo、或NiFe組成并取向在薄膜表面中的一縱向磁化薄膜。從磁層2加到磁層1的磁場(chǎng)比在具有縱向磁各向異性的一元件中的磁場(chǎng)強(qiáng)度更小。這將在第四實(shí)施例中詳細(xì)說(shuō)明(將在稍后描述)。
在第二實(shí)施例中，磁層2由兩層組成，這兩層的飽和磁化強(qiáng)度Ms相對(duì)較大，而且甚至一轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)能被減少。當(dāng)該元件被作為一磁存儲(chǔ)單元使用時(shí)，該存儲(chǔ)單元能被指定用于絕對(duì)檢測(cè)并也能被指定用于微分檢測(cè)，其中磁層2被用作一存儲(chǔ)層并根據(jù)信息改變磁化強(qiáng)度。
圖4表示組成(composition)和在稀土鐵族合金中的飽和磁化間的關(guān)系。在稀土鐵族合金中，稀土原子的磁化方向能被做成逆平行于鐵族原子的磁化方向。稀土元素或鐵族元素的子晶格磁化在這些原子的組合的磁矩中的稀土元素和鐵族元素的組成(是指一種補(bǔ)償組成)的邊界上變?yōu)橹饕?。在補(bǔ)償組成中該飽和磁化強(qiáng)度Ms顯然為0，并且當(dāng)脫離該補(bǔ)償組成時(shí)則增加。一泄漏的磁場(chǎng)能通過(guò)設(shè)計(jì)圍繞該補(bǔ)償組成的磁層21和22來(lái)進(jìn)一步減少。
亞鐵磁層的首選例子是由一稀土元素和鐵族元素的合金組成的一磁膜。更準(zhǔn)確地說(shuō)，亞鐵磁層最好是由至少包含Gd、Tb和Dy中的一種的稀土元素和至少包含F(xiàn)e和Co中的一種的鐵族元素組成。這些稀土鐵族合金通過(guò)一通用膜生成裝置如一噴涂裝置在室溫下能容易地提供一垂直磁膜。特別是，制造一MRAM的半導(dǎo)體制造過(guò)程經(jīng)受一高溫處理導(dǎo)致不利的影響如減低在MOS晶體管中的性能的衰退。因此在室溫下形成一垂直磁膜很有效。(第三實(shí)施例)根據(jù)第三實(shí)施例，在一磁阻元件中，非常靠近非磁層的一磁層21是由包含作為一主要成分的鐵族元素的一鐵磁層組成。磁層22由一稀土鐵族元素合金的一亞鐵磁層組成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁層1和絕緣層N2與在第一實(shí)施例中的相同。圖5A和5B表示該磁阻元件的兩個(gè)未來(lái)的磁化狀態(tài)。在磁層21和22中的每一實(shí)線(xiàn)表示鐵族元素的子晶格磁化方向；以及每一虛線(xiàn)表示稀土元素的子晶格磁化方向。每一線(xiàn)的長(zhǎng)度表示子晶格磁化量。
在第三實(shí)施例中的磁阻元件的特征在于磁層2由兩層薄膜組成，該兩層薄膜由鐵族元素薄膜(磁層21)和稀土元素(磁層22)組成。在這種情況下，MR(磁阻)率能通過(guò)在磁層2和作為一隧道阻擋層薄膜的絕緣層N2間的接口處形成具有一高極化率的一磁膜而被增加。因?yàn)殍F族元素的磁化，磁層2主要涉及磁阻率。磁層21最好這樣構(gòu)成使得與隧道阻擋層薄膜接觸。適用于磁層21的薄的鐵族元素膜的例子是Fe、Co以及FeCo薄膜。這些材料中，F(xiàn)eCo是最合適的，因?yàn)樗@示出一高極化率并能增加MR比率。注意一鐵族元素通常取向在一單層薄膜上的縱向方向。通過(guò)例如來(lái)自磁層22的交換耦合力，磁層2被垂直于薄膜表面磁化。
圖6A和6B表示磁化取向狀態(tài)。為描述方便，磁層22的磁化強(qiáng)度是稀土元素和鐵族元素的子晶格磁化強(qiáng)度的綜合的磁化強(qiáng)度。磁層2是由逆平行磁化的兩層薄膜組成，該兩層薄膜能減少泄漏到該磁層1的一磁場(chǎng)。
同樣在第三實(shí)施例中，磁層2能由具有相對(duì)大的飽和磁化強(qiáng)度Ms的兩層組成。當(dāng)磁層2是由具有一小的磁化強(qiáng)度的單層薄膜組成以便減少泄漏到磁層1的一磁場(chǎng)時(shí)，矯頑力趨向增加。通過(guò)由具有大的磁化強(qiáng)度的兩層薄膜形成的磁層2，泄漏到磁層1的磁場(chǎng)能被降低而不增加矯頑力。同時(shí)當(dāng)偏置磁力減少時(shí)，也能達(dá)到交換磁場(chǎng)的減少。(第四實(shí)旋例)圖7A和7B是根據(jù)第五實(shí)施例，表示一磁阻元件的薄膜結(jié)構(gòu)的剖視圖。在該磁阻元件中，一絕緣薄膜500形成在磁層21和22之間。絕緣薄膜500的使用輕易地實(shí)現(xiàn)了一逆平行磁化狀態(tài)同時(shí)抑制了在磁層21和22間的一靜磁連接。
在該結(jié)構(gòu)中為改變磁層21和22到逆平行磁化狀態(tài)，具有不同矯頑力的薄膜被使用。當(dāng)磁層21具有一矯頑力高于磁層22的矯頑力時(shí)，一外部磁場(chǎng)被施加以轉(zhuǎn)換該磁層21的磁化強(qiáng)度。然后，小于該磁層21的矯頑力且高于磁層22的矯頑力的在一相反方向中的一外部磁場(chǎng)被用于磁化與磁層21相反方向的磁層22。
通過(guò)改變?cè)摻M成，例如，當(dāng)一亞鐵磁薄膜如一稀土鐵族合金被使用時(shí)，改變生成各個(gè)子晶格磁化的元素的組成，矯頑力可被設(shè)定為一所需值。(第五實(shí)施例)在第六實(shí)例中，一低矯頑力層由兩層組成，與一高矯頑力層類(lèi)似。圖8A和8B是表示該磁阻元件的薄膜結(jié)構(gòu)的剖視圖。在磁阻元件中，一磁層1，即低矯頑力層由作為被磁化為相互平行的垂直磁化薄膜的磁層11和12組成。在第六實(shí)施例中，磁層11形成在一磁層2側(cè)上(以便與絕緣層N2接觸)。這是因?yàn)镸R(磁阻)率能通過(guò)形成在磁層1和作為一隧道阻擋層薄膜的絕緣層N2間的接口處的具有一高的自旋極化率的一磁膜而增加。例如磁層是Fe、Co、以及FeCo薄膜。在這些材料中，F(xiàn)eCo是最好的，因?yàn)樗@示出一高極化率并能增加MR比率。注意一鐵族元素通常取向在具有一單層薄膜的縱向方向中。通過(guò)來(lái)自磁層12的交換耦合力，磁層1被逆垂直于該薄膜表面磁化。在下面的描述中，“具有一高的自旋極化率的層”表示這樣一層，該層的自旋極化率高于與該層接觸的一磁層的自旋極化率。
如圖8A和8B所示，磁層11能由包含鐵族元素的一鐵磁層組成，并且磁層2能由稀土鐵族元素的亞鐵磁薄膜組成，其中鐵族元素的子晶格磁化是很主要的。圖9A和9B表示在這種情況下磁層11和12的整體磁化。如上所述，磁層2是由逆平行磁化的兩層薄膜(磁層21和11)組成。通過(guò)磁層2的磁化生成的并泄漏到磁層1的磁場(chǎng)很小，但由磁層1的磁化生成的并泄漏到磁層2的磁場(chǎng)是很大的。
該結(jié)構(gòu)適用于使用磁層2作為一釘軋層(參考層)和磁層1作為一存儲(chǔ)層的結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)獒斳垖幽鼙辉O(shè)置為一大的矯頑力而不改變它的磁化且很難受到從磁層1泄漏的磁場(chǎng)的影響。相反，作為一存儲(chǔ)層的磁層1必須減小矯頑力(磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng))以便減少一寫(xiě)線(xiàn)的電流消耗，從而減少由從磁層2泄漏的磁場(chǎng)生成的一偏置磁場(chǎng)。這是通過(guò)由一逆平行磁化的兩層薄膜形成的磁層2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
在上面的例子中，磁層12是由一稀土鐵族元素合金的一亞鐵磁薄膜組成，其中鐵族元素的子晶格磁化是很主要的。磁層12也能由一稀土鐵族元素合金的亞鐵磁膜組成，其中稀土元素的子晶格磁化是很主要的。圖10A和10B是表示這樣一種磁阻元件的薄膜結(jié)構(gòu)的剖視圖。圖11A和11B是表示在如圖10A和10B中所示的磁阻元件中的磁層11和12的整體磁化的剖視圖。(第六實(shí)施例)在第七實(shí)施例中，磁層1是由兩個(gè)逆平行磁化層組成，與磁層2類(lèi)似。如圖24A和24B所示，兩個(gè)磁層的每一個(gè)是由亞鐵磁的兩層薄膜組成。每一實(shí)線(xiàn)表示一鐵族元素的子晶格磁化方向，以及每一虛線(xiàn)表示一稀土元素的子晶格磁化方向。每條線(xiàn)的長(zhǎng)度表示子晶格磁化量。在圖24A和24B中，磁層11是由一稀土元素和鐵族元素的合金薄膜組成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁層12是由一相同的合金薄膜組成，其中鐵族元素的子晶格磁化是主要的。磁層22是由相同的合金薄膜組成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁層22是由相同的合金薄膜組成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。在第七實(shí)施例中，磁層11形成在磁層2面上(以便與絕緣層N2接觸)。圖25A和25B表示在這種情況下磁層11和12的整個(gè)磁化。
在第七實(shí)施例中，磁層1和2的矯頑力可被減少以便不將從磁層1和2泄漏的磁場(chǎng)施加于彼此。這些磁層1和2的磁化能被改變，使得除絕對(duì)檢測(cè)外，還能微分檢測(cè)。該結(jié)構(gòu)適用于這樣一種結(jié)構(gòu)，其中磁層2起到一存儲(chǔ)層的作用，磁層1起到一檢測(cè)層的作用，并通過(guò)微分檢測(cè)方法讀出信息。
磁層11具有一組成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁層12具有一組成，其中鐵族元素的子晶格磁化是主要的。磁層11和12可能具有相反的組成。這也適用于磁層21和22。由于鐵族元素主要由隧道效應(yīng)引起，靠近隧道阻擋層薄膜的磁層21和11最好采用一組成，其中鐵族元素的子晶格磁化是主要的。(第七實(shí)施例)根據(jù)本發(fā)明，在一磁阻元件中，從一磁層泄漏的磁場(chǎng)的平面分布將與傳統(tǒng)的進(jìn)行比較來(lái)解釋。
圖12示出了根據(jù)第一實(shí)施例，在磁阻元件中，從一磁層2泄漏到磁層1的磁場(chǎng)的狀態(tài)。磁層2是由彼此逆平行地磁化的磁層21和22組成。從磁層2生成的磁場(chǎng)基本上被磁層21和22除去。為描述方便，來(lái)自向上磁化的磁層21的磁場(chǎng)稍微大于來(lái)自向下磁化的磁層22的磁場(chǎng)。
圖13示出使用一傳統(tǒng)縱向磁化膜的磁阻元件的薄膜結(jié)構(gòu)。同樣在傳統(tǒng)的磁阻元件中，一上部磁層41、絕緣層42以及下部磁層43按指定的順序?qū)盈B。在該結(jié)構(gòu)中，下部磁層43是由相互逆平行磁化的磁層51和52組成。通過(guò)在它們之間插入由Ru或類(lèi)似元素組成的一中間層53，這些磁層51和52必須設(shè)計(jì)成一逆平行的磁化狀態(tài)。作為中間層53的Ru薄膜的薄膜厚度大約為0.7nm。薄膜厚度的允許范圍僅為±0.1nm，這導(dǎo)致一窄的制造余量和低產(chǎn)量。相反，本發(fā)明的磁阻元件不要求這樣一種中間層，在簡(jiǎn)單的制作過(guò)程和制造余量上有優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于如圖12中所示的磁阻元件，圖14示出了作為橫坐標(biāo)x的函數(shù)的圖12的泄漏磁場(chǎng)。圖14示出了在磁層2上點(diǎn)1nm處的垂直于薄膜表面的一磁場(chǎng)，該磁層2是由0.2μm的兩層薄膜形成，一20nm厚的稀土鐵族合金其中稀土元素是主要的(RE充足)且磁化強(qiáng)度是20emu/cc，和一30nm厚的稀土鐵族合金其中鐵族元素是主要的(TM充足)且磁化強(qiáng)度是20emu/cc。至多只有500e(3.98×103A/m)的磁場(chǎng)被施加。
至于如圖12中所示的磁阻元件，圖15示出了在磁層2上點(diǎn)1nm處垂直于薄膜表面的一磁場(chǎng)，該磁層2由0.2μm的兩層薄膜形成，一50nm厚的稀土鐵族合金其中RE是充足的且磁化強(qiáng)度是50emu/cc，以及一1nm厚的Co薄膜(磁化強(qiáng)度大小1,000eum/cc)。至多只有2500e的磁場(chǎng)(19.9×103A/m)被施加。
至于如圖12中所示的磁阻元件，圖16示出了在磁層2上點(diǎn)1nm處垂直于薄膜表面的一磁場(chǎng)，該磁層2由0.2μm的兩層薄膜形成，一50nm厚的稀土鐵族合金其中RE是充足的且磁化強(qiáng)度是50emu/cc，以及一1nm厚的Co薄膜(磁化強(qiáng)度大小800emu/cc)。至多只有1700e的磁場(chǎng)(13.5×103A/m)被施加。
作為一比較的例子，圖17示出了在一傳統(tǒng)元件(見(jiàn)圖3A和3B)上的薄膜表面1nm的橫向中的一泄漏磁場(chǎng)，該傳統(tǒng)元件由一0.2μm層疊薄膜的一縱向磁化薄膜形成，其中層疊薄膜是由Co(薄膜厚度4nm)、Ru(薄膜厚度0.7nm)以及Co(薄膜厚度3nm)組成。Co的磁化強(qiáng)度是1,000emu/cc。約1,0000e(79.6×103A/m)的磁場(chǎng)在端面被施加。
圖18示出了與如圖17中所示的相同結(jié)構(gòu)存在0.2μm×0.6μm大小差異的在一傳統(tǒng)元件中的泄漏磁場(chǎng)。即使具有一矩形尺寸，約5000e(39.8×103A/m)的一磁場(chǎng)在端面被施加。在縱向磁化薄膜中，磁化轉(zhuǎn)換是由磁化方向中的自旋運(yùn)動(dòng)確定的。在端面上的一泄漏磁場(chǎng)主要有助于磁化轉(zhuǎn)換。例如，泄漏的磁場(chǎng)假定增加一偏置磁場(chǎng)。
盡管未示出，但在磁層2上的點(diǎn)1nm處，由一垂直磁化薄膜形成的單層薄膜具有4000e(31.8×103A/m)或更大的磁場(chǎng)，該磁層2是由50nm厚的稀土鐵族合金的一0.2μm的單層薄膜形成，其中磁化強(qiáng)度是120emu/cc。因此一大的磁場(chǎng)被施加于作為一低的矯頑力層的磁層1。(第八實(shí)施例)上面描述的本發(fā)明的磁阻元件采用一磁場(chǎng)生成裝置，用于生成一垂直磁場(chǎng)。通過(guò)使用磁場(chǎng)生成裝置，信息被記錄在磁阻元件上。該磁阻元件能用作一存儲(chǔ)元件。例如，如圖19A和19B所示，通過(guò)一絕緣薄膜(未示出)，寫(xiě)線(xiàn)900被安排到靠近該磁阻元件。絕緣薄膜被安排來(lái)防止磁阻元件和寫(xiě)線(xiàn)間的電接觸。
寫(xiě)線(xiàn)900在一垂直薄層表面方向上延伸。在圖19A中，一電流流向薄層表面來(lái)改變向上的磁層1的磁化。在圖19B中，在一向前的方向中，一電流從薄層表面沿前向流動(dòng)以改變向下的磁層1的磁化。
如上所述，與使用一傳統(tǒng)的縱向磁化薄膜的元件和使用一傳統(tǒng)的垂直磁化薄膜的元件相比，本發(fā)明的磁阻元件能大大地減少一泄漏的磁場(chǎng)。(第九實(shí)施例)圖26A和26B是根據(jù)第九實(shí)施例，表示一磁阻元件的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖。在第九實(shí)施例中，其磁化彼此逆平行的磁層111和113形成在作為一低矯頑力層的磁層112之上和之下。磁阻元件是由作為垂直磁化薄膜的磁層112、111和113構(gòu)成。另外，一非磁性導(dǎo)電薄膜114插入到磁層112和111之間，而一非磁性介電薄膜115被插入到磁層112和113之間。磁層111和113的磁化方向相互逆平行。在這種情況下，磁層111可被向上磁化，且磁層113可被向下磁化，如圖26A所示。作為選擇，磁層111可被向下磁化，而磁層113可被向上磁化，如圖26B所示。盡管磁層112的磁化方向未示出，在圖26A和26B中，根據(jù)在垂直磁化薄膜中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，磁層112被向上或向下磁化。
通過(guò)將磁層111和113的磁化方向設(shè)置為相互逆平行，作用于磁層112和111之間的一磁靜磁耦合力以及作用于磁層112和111之間的靜磁耦合力相互抵消。在低矯頑力層中的記錄信息中從其磁化將被改變的磁層112泄漏到另一磁層的磁場(chǎng)的影響將被減少，不管磁層112的磁化方向?qū)⒈粡南蛏系姆较蚋淖兊较蛳碌姆较蜻€是從向下的方向改變到向上的方向。通過(guò)具有相同大小的磁場(chǎng)，磁層112的磁化方向?qū)⒈幌蛏匣蛳蛳罗D(zhuǎn)換。
用作磁層111、112和113的垂直磁化薄膜的例子是人造晶格薄膜如一貴金屬的過(guò)渡金屬薄膜，一人造晶格薄膜如CoCr或稀土金屬過(guò)渡金屬薄膜或它們的合金。這些垂直磁化薄膜中，稀土金屬過(guò)渡金屬合金能容易地獲得具有一矩形比為1的一磁化曲線(xiàn)，并能容易制造。對(duì)于使用一垂直磁化薄膜的一磁阻薄膜，該稀土金屬過(guò)渡金屬合金最好是作為一個(gè)磁層。在稀土金屬過(guò)渡金屬合金中的稀土金屬最好由從含有Gd、Dy和Tb的組中選出的至少一種元素組成。過(guò)渡金屬最好由從含有Co、Fe和Ni的組中選出的至少一種元素組成。特別是，Gd最好作為用作其磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)必須很小的磁層112的稀土金屬。
各種材料可用作非磁導(dǎo)電薄膜114?？墒褂迷S多材料如Pt、Au、Ag、Ru、Zn、Si、In、Sn、Pb、Ta、Ti、W、Cu和Al。諸如SiO2和Al2O3的材料能被用作非磁性介電薄膜115。最好使用Al2O3，因?yàn)樗峁┮淮蟮拇抛韪淖?。在第九?shí)施例中記錄在磁阻薄膜上的信息通過(guò)垂直流過(guò)薄膜表面的電流和使用當(dāng)電子隧道通過(guò)非磁性介電薄膜115時(shí)依據(jù)其自旋生成的一磁阻而被讀出。通過(guò)發(fā)生在非磁性導(dǎo)電薄膜114和磁層111和112間的接口和在磁層111到113中的自旋相關(guān)散射，磁阻也被改變。然而，通過(guò)自旋相關(guān)散射改變的磁阻小于由自旋相關(guān)隧道引起的磁阻改變。在磁阻薄膜中觀(guān)察到的磁阻改變能被看作為由自旋相關(guān)隧道引起。由自旋相關(guān)散射改變的磁阻能夠被忽略。
在磁阻率方面，使用一稀土金屬過(guò)渡金屬合金的磁阻薄膜小于僅使用一過(guò)渡金屬的磁阻薄膜。這是因?yàn)樵谶@種金屬和非磁性介電薄膜間的接口處的稀土金屬不具有任何高自旋極化率。通過(guò)將具有一高自旋極化率(高自旋極化率磁層)的一磁層轉(zhuǎn)換耦合到由一稀土金屬和過(guò)渡金屬組成的一磁層能夠增加該磁阻率，如EP1,045,403中公開(kāi)的那樣。具有一高自旋極化率的磁層材料的例子是過(guò)渡金屬如Fe、Co和它們的合金。因?yàn)樗母咦孕龢O化率，F(xiàn)eCo合金是最適用的。注意一過(guò)渡金屬薄膜未顯示出垂直磁化。通過(guò)將過(guò)渡金屬薄膜轉(zhuǎn)換耦合到一垂直磁化薄膜，磁化必須做成垂直于薄膜表面。該薄膜結(jié)構(gòu)也能被應(yīng)用到本發(fā)明的磁阻薄膜?；诒景l(fā)明的磁阻薄膜將被說(shuō)明，其中插入一種高自旋極化率的磁層作為一薄層。
如圖27所示的磁阻薄膜通過(guò)如圖26A和26B所示的在磁阻膜中的非磁性介電薄膜和磁層113間插入一種高自旋極化率的磁層120來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖28所示的磁阻薄膜通過(guò)在磁層112和非磁性介電薄膜115間插入一高自旋極化率磁層119來(lái)實(shí)現(xiàn)。用這種方法，高自旋極化率磁層能被形成在非磁性介電層115和磁層12或113間的接口處。另外，如圖29所示，高自旋極化率磁層119和120能被形成在非磁性介電薄膜115的上和下表面。在兩個(gè)表面上形成該高自旋極化率磁層產(chǎn)生一更大的磁阻改變。
Fe、Co或FeCo合金具有一相對(duì)大的磁化強(qiáng)度。當(dāng)高自旋極化率磁層被形成在非磁性介電薄膜的接口處時(shí)，如上所述，來(lái)自于這些磁層的作用于磁層112的靜磁耦合力不能被忽略。作為解決該問(wèn)題的一種方法，另一高自旋極化率磁層被形成在設(shè)置得與非磁性介電層接觸的高自旋極化率磁層的磁層112對(duì)稱(chēng)的位置上。來(lái)自排列在磁層112的對(duì)稱(chēng)的位置上的兩個(gè)高自旋極化率磁層的相反的靜磁耦合力充當(dāng)磁層112。顯然，沒(méi)有靜磁耦合力作用于磁層112。其中高自旋極化率磁層被排列在磁層112的對(duì)稱(chēng)位置的磁阻薄膜將被描述。
在如圖30所示的磁阻薄膜中，高自旋極化率磁層117被插入在非磁性導(dǎo)電薄膜114和磁層111間。高自旋極化率磁層117和120存在于磁層112的對(duì)稱(chēng)的位置上。在如圖31所示的磁阻薄膜中，一高自旋極化率磁層118被插入在非磁性導(dǎo)電薄膜114和磁層112間。高自旋極化率磁層118和129存在于磁層112的對(duì)稱(chēng)的位置上。在如圖32所示的磁阻薄膜中，高自旋極化率磁層117被插入在非磁性導(dǎo)電薄膜114和磁層111之間。高自旋極化率磁層118被插入在非磁性導(dǎo)電薄膜114和磁層112之間。高自旋極化率磁層117和118以及高自旋極化率磁層120和119存在于磁層112的對(duì)稱(chēng)的位置上。
在第九實(shí)施例的磁阻薄膜中，磁層111和112間以及磁層113和112間的靜磁耦合力必須在相反方向中彼此幾乎相等。這種平衡最好保持不變，即使在磁阻薄膜的溫度有變化時(shí)。通過(guò)完全相似地形成磁層111和113能很容易地實(shí)現(xiàn)這種特性。即，磁化的溫度改變?cè)诰哂邢嗤M成的磁層間是相同的。在磁層111和113及磁層112間的靜磁耦合力保持相同的平衡，即使在溫度上有變化。
第九實(shí)施例的磁阻薄膜被用作為一存儲(chǔ)元件。用于在這種磁阻薄膜(存儲(chǔ)元件)中記錄信息的裝置和用于讀出記錄在磁阻薄膜上的裝置被設(shè)置。這能實(shí)現(xiàn)在寫(xiě)中要求一小電流的一存儲(chǔ)器并能減少能量消耗。用于記錄信息的裝置的最好的例子是由流過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的一電流產(chǎn)生的一磁場(chǎng)。用于讀出記錄的信息的裝置的最好的例子是用于當(dāng)恒定電流流過(guò)該存儲(chǔ)元件時(shí)，檢測(cè)通過(guò)該存儲(chǔ)元件的電壓的電路。(第十實(shí)施例)在第十實(shí)施例中，具有如圖26A和26B所示結(jié)構(gòu)的磁阻薄膜的更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)將被描述。一Si晶片(硅襯底)被用作為一襯底。Tb20(Fe60Co40)80薄膜被濺射為30nm厚的一薄膜作為在薄膜形成容器中的襯底上的一磁層113。使用Al2O3目標(biāo)，一非磁性介電薄膜115被濺射為1.5nm厚的一薄膜。獲得的薄膜在氧氣中被等離子體氧化來(lái)補(bǔ)償在非磁性介電薄膜115中遺漏的氧原子。相應(yīng)地，非磁性介電薄膜115被轉(zhuǎn)換成Al2O3組成。抽空被充分執(zhí)行，然后作為一磁層112的30nm厚的Gd21(Fe60Co49)79薄膜、作為一非磁性導(dǎo)電薄膜114的1.5nm厚的Al薄膜、作為一磁層111的30nm厚的Tb20(Fe60Co49)80薄膜、以及作為一保護(hù)薄膜的2nm厚的Pt薄膜通過(guò)濺射依次形成。在磁層111和113的形成中，磁場(chǎng)被垂直該襯底施加以便在預(yù)定的方向中磁化磁層111和113。在磁層111的形成中施加的磁場(chǎng)的方向和在磁層113形成中施加的磁場(chǎng)的方向彼此逆平行。被施加到磁層111的磁場(chǎng)在大小上小于到磁層113的磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)。在薄膜形成過(guò)程中施加這樣的磁場(chǎng)能使磁化層111和113的磁化方向彼此逆平行。
一0.5μm的抗蝕膜形成在合成的多層薄膜上。未被抗蝕層覆蓋的部分多層薄膜通過(guò)干腐蝕被消除。在腐蝕后，Al2O3薄膜被濺射成100nm厚的薄膜。在其上的抗蝕層和Al2O3薄膜被消除，并且用于電隔離上部電極與Si晶片的絕緣膜被形成。通過(guò)發(fā)射(lift-off)方法，由一Al薄膜形成上部電極。未被上部電極覆蓋的Al2O3薄膜部分被消除以形成用于連接一測(cè)量電路的一電極基座。作為結(jié)果，磁阻薄膜被完成。
恒定電流源被連接在磁阻薄膜的上電極和下電極(Si晶片)間。恒定電流如此流過(guò)以便引起電子通過(guò)磁阻介電薄膜115的Al2O3薄膜。一磁場(chǎng)被垂直磁阻薄膜的薄膜表面施加。磁場(chǎng)的大小和方向被改變以便測(cè)量磁阻薄膜的電壓變化(磁阻曲線(xiàn))。注意所施加的磁場(chǎng)的大小被設(shè)置為小于磁層111或113的磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)。磁層111和113的磁化方向被固定，并且只有磁層112的磁化方向能改變。測(cè)量結(jié)果顯示出在加到磁阻薄膜的電壓下降時(shí)的外部施加磁場(chǎng)與在電壓升高時(shí)的外部施加磁場(chǎng)間幾乎觀(guān)察不到差異。換句話(huà)說(shuō)，磁化轉(zhuǎn)換所需的外加磁場(chǎng)依賴(lài)由另一磁層泄漏的磁場(chǎng)，即由一泄漏磁場(chǎng)生成的偏置磁場(chǎng)引起的磁化轉(zhuǎn)換方向而改變的現(xiàn)象在該磁阻薄膜中得到抑制。(第十一實(shí)施例)在第十一實(shí)施例中，具有如圖32所示的結(jié)構(gòu)的磁阻薄膜的結(jié)構(gòu)將詳細(xì)地描述。Si晶片(硅襯底)被用作為一襯底。通過(guò)在一薄膜形成容器濺射，用作一磁層113的30nm厚的Tb20(Fe60Co40)80薄膜以及用作一高自旋極化率的磁層120的1nm厚Fe60Co40的薄膜被依次形成在襯底上。使用一Al2O3目標(biāo)，非磁性介電薄膜115被濺射為1.5nm厚的一薄膜。獲得的薄膜在氧氣中被等子氧化以補(bǔ)償在非磁性介電薄膜115中遺漏的氧原子。相應(yīng)地，非磁性介電薄膜115被轉(zhuǎn)換成Al2O3組成。抽空被充分執(zhí)行，然后作為一高自旋極化率的磁層119的1nm厚的Fe60Co40薄膜、作為一磁層112的50nm厚的Gd21(Fe60Co40)79薄膜、作為一高自旋極化率的磁層118的1nm厚的Fe60Co40薄膜、作為一非磁性導(dǎo)電薄膜114的1.5nm厚的Al薄膜、作為一高自旋極化率的磁層117的1nm厚的Fe60Co40薄膜、作為一磁層111的30nm厚的Tb20(Fe60Co40)80薄膜、以及作為一保護(hù)薄膜的2nm厚的Pt薄膜通過(guò)濺射依次形成。
在磁層111和113的形成中，磁場(chǎng)被垂直于該襯底施加以便在預(yù)定的方向中磁化磁層111和113。在磁層111的形成中施加的磁場(chǎng)的方向和在磁層113形成中施加的磁場(chǎng)的方向彼此逆平行。被施加到磁層111的磁場(chǎng)在大小上小于施加到磁層113的磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)。在薄膜形成過(guò)程中的這樣的磁場(chǎng)能使磁化層111和113的磁化方向彼此逆平行。高自旋極化率磁層120被轉(zhuǎn)換耦合到磁層113；高自旋極化率磁層117耦合到磁層111；以及高自旋極化率磁層118和119耦合到磁層112。高自旋極化率磁層117至120的磁化垂直于薄膜表面取向。高自旋極化率磁層119和120被形成為以獲得一高磁阻率。高自旋極化率磁層117和118是用于調(diào)整靜磁耦合力的磁層，并且不影響自旋極化率。
在得到的多層薄膜上形成0.5μm的抗蝕膜。未被抗蝕膜覆蓋的部分多層薄膜通過(guò)干腐蝕被消除。在腐蝕后，Al2O3薄膜被濺射成120nm厚的薄膜。在其上的抗蝕層和Al2O3薄膜被消除，并且用于電隔離上電極與Si晶片的絕緣膜被形成。通過(guò)發(fā)射方法，由一Al薄膜形成上電極。未被上電極覆蓋的Al2O3薄膜部分被消除以形成用于連接一測(cè)量電路的電極基座。作為結(jié)果，磁阻薄膜被完成。
恒定電流源被連接在磁阻薄膜的上電極和下電極(Si晶片)間。恒定電流如此流過(guò)以便引起電子通過(guò)非磁介電薄膜115的Al2O3薄膜。一磁場(chǎng)被垂直于磁阻薄膜的薄膜表面施加。磁場(chǎng)的大小和方向被改變以便測(cè)量在磁阻薄膜的電壓變化(磁阻曲線(xiàn))。注意所施加的磁場(chǎng)的大小被設(shè)置為小于磁層111或113的磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)。磁層11 1和113的磁化方向被固定，并且只有磁層112的磁化方向能改變。測(cè)量結(jié)果顯示出在加到磁阻薄膜的電壓下降時(shí)的外部施加磁場(chǎng)與在電壓升高時(shí)的外部施加磁場(chǎng)間幾乎觀(guān)察不到差異。換句話(huà)說(shuō)，磁化轉(zhuǎn)換所需的外加磁場(chǎng)依賴(lài)磁化轉(zhuǎn)換方向而改變的現(xiàn)象在該磁阻薄膜中得到抑制。(第十二實(shí)施例)當(dāng)一晶體管、布線(xiàn)層、以及類(lèi)似元件形成在一Si晶片上后，具有上面實(shí)施例中描述過(guò)的薄膜結(jié)構(gòu)的磁阻薄膜被形成。磁阻薄膜被處理成九個(gè)存儲(chǔ)元件的3×3陣列，從而構(gòu)成一存儲(chǔ)單元陣列。通過(guò)由流通一導(dǎo)體的一電流生成的磁場(chǎng)，信息被記錄在存儲(chǔ)元件上。圖33示出了用于施加一記錄磁場(chǎng)的電路。圖34示出了一讀電路。圖33和34是表示當(dāng)從上看時(shí)的Si晶片的平面圖。在磁阻薄膜中的磁化方向與垂直于薄片表面的方向一致。實(shí)際上，如圖33和34中所示的布局通過(guò)多層技術(shù)形成在存儲(chǔ)單元陣列中。
選擇性地改變選定的存儲(chǔ)元件(磁阻薄膜)的磁膜的磁化的方法將被說(shuō)明。
如圖33所示，九個(gè)存儲(chǔ)元件(磁阻薄膜)101至109在存儲(chǔ)單元陣列中按3×3矩陣排列。第一寫(xiě)線(xiàn)311-314在行方向上延伸以便把存儲(chǔ)元件的各行夾在中間。圖33中的寫(xiě)線(xiàn)311-314的左端一般被連接。在圖33中它們的右端被各自連接到用于將寫(xiě)線(xiàn)311-314連接到電源411的晶體管211至214，以及用于將寫(xiě)線(xiàn)311至314連接到一布線(xiàn)300的晶體管215-218。第二寫(xiě)線(xiàn)321-324在列方向延伸，以便把存儲(chǔ)元件的各個(gè)列夾在中間。圖33中的寫(xiě)線(xiàn)321-324的上端一般被連接。圖33中它們的下端被分別連接到用于將寫(xiě)線(xiàn)321-324接地的晶體管219-222，以及用于將寫(xiě)線(xiàn)321-324連接到布線(xiàn)300的晶體管223-226。
例如，為選擇性地改變磁阻薄膜105的磁化，晶體管212、217、225及220被導(dǎo)通，并且剩余的晶體管被關(guān)斷。然后，一電流流過(guò)寫(xiě)線(xiàn)312、313、323和322以感應(yīng)圍繞它們的磁場(chǎng)。在這種狀態(tài)下，在相同方向上的磁場(chǎng)被從四條寫(xiě)線(xiàn)僅僅施加到磁阻薄膜105。剩余的磁阻薄膜僅接收來(lái)自?xún)蓷l寫(xiě)線(xiàn)的在相同方向上的磁場(chǎng)或接收在相反方向上的磁場(chǎng)以有效地抵消磁場(chǎng)。施加到剩余磁阻薄膜的磁場(chǎng)小于施加到磁阻薄膜105的磁場(chǎng)。當(dāng)從四條寫(xiě)線(xiàn)在相同方向上施加磁場(chǎng)時(shí)的綜合磁場(chǎng)被調(diào)整為稍大于存儲(chǔ)元件(磁阻薄膜)的磁膜的磁化轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)。這種調(diào)整允許選擇性地僅改變磁阻薄膜105的磁化。為將與上面描述的磁場(chǎng)相反的磁場(chǎng)施加到磁阻薄膜105，晶體管213、216、224及221被導(dǎo)通，以及剩余的晶體管被關(guān)斷。然后，在上面提及的相反的方向上，一電流流過(guò)寫(xiě)線(xiàn)312、313、323和322。在相反方向上的磁場(chǎng)被施加到磁阻薄膜105。因此，二進(jìn)制信息的其它信息被記錄在磁阻薄膜105上。
下面將描述讀操作。如圖34所示，用于將存儲(chǔ)元件接地的晶體管231-239中的一個(gè)被串聯(lián)地形成在每一個(gè)存儲(chǔ)元件(磁阻薄膜)101至109的一個(gè)端子上。位線(xiàn)331-333形成在各自的行上。在圖34中的位線(xiàn)331-333的右端連接到用于通過(guò)一固定電阻器150，將位線(xiàn)連接到一電源412的晶體管240-242上。位線(xiàn)331被連接到磁阻薄膜101-103的每一個(gè)的另一端子上。位線(xiàn)332被連接到磁阻薄膜104-106的每一個(gè)的另一端子上。位線(xiàn)333被連接到磁阻薄膜107-109的每一個(gè)的另一端子上。圖34中所示的位線(xiàn)331-333的左側(cè)端子通常連接到用于放大這些位線(xiàn)電勢(shì)和參考電壓Ref間的差異的讀出放大器500上。字線(xiàn)341-343形成在各自列上。字線(xiàn)341被連接到晶體管231、234和237的柵極。字線(xiàn)342被連接到晶體管232、235和238的柵極。字線(xiàn)343被連接到晶體管233、236和239的柵極。
例如，記錄在磁阻薄膜105上的信息被讀出。在這種情況下，晶體管235-241被導(dǎo)通以形成一電路，其中電源412、固定電阻器150以及磁阻薄膜105串聯(lián)連接。電源電壓按固定電阻器150和磁阻薄膜105間的阻值比率，被分成固定電阻器105的阻抗與磁阻薄膜105的阻抗。由于電源電壓是固定的，磁阻薄膜的阻抗變化改變施加到磁阻薄膜中的電壓。通過(guò)讀出放大器500，該電壓值被讀出，因此讀出記錄在磁阻薄膜105上的信息。
圖35示意性地表示該存儲(chǔ)元件1位外圍部分的三維結(jié)構(gòu)。圖35表示在圖33和34中磁阻薄膜105的附近。例如，兩個(gè)n型擴(kuò)散區(qū)162和163形成在p型Si基片161中。通過(guò)一絕緣層123，字線(xiàn)342(柵電極)形成在n型擴(kuò)散區(qū)162和163間。通過(guò)一接觸插頭351，地線(xiàn)356連接到n型擴(kuò)散區(qū)162。通過(guò)接觸插頭352、353、354和357及局部布線(xiàn)358，磁阻薄膜105被連接到n型擴(kuò)散區(qū)163。通過(guò)一接觸插頭355，該磁阻薄膜105被連接到位線(xiàn)332。用于生成一磁場(chǎng)的寫(xiě)線(xiàn)322和323被排列在磁阻薄膜105旁。(第十三實(shí)施例)在第十三實(shí)施例中，通過(guò)從至少兩個(gè)方向，即當(dāng)信息被記錄時(shí)從垂直于薄膜表面的方向和一縱向方向，將磁場(chǎng)施加到一磁阻元件，磁化被改變。圖36示出了包括一存儲(chǔ)單元陣列的一存儲(chǔ)電路布置。在該存儲(chǔ)器中，通過(guò)將一縱向磁場(chǎng)和垂直磁場(chǎng)施加到一所需的存儲(chǔ)元件，信息被記錄。縱向磁場(chǎng)是由流經(jīng)一位線(xiàn)的電流生成的。在第十一實(shí)施例的存儲(chǔ)單元陣列中，一信息寫(xiě)電路和讀電路彼此電分離。在第十三實(shí)施例中描述的存儲(chǔ)陣列中，一寫(xiě)電路和讀電路共享一位線(xiàn)。
作為用于記錄信息的一種排列，九個(gè)存儲(chǔ)元件(磁阻薄膜)101至109在存儲(chǔ)單元陣列中按3×3矩陣的形式排列，如圖36所示。寫(xiě)線(xiàn)611至614在行方向上延伸以便將存儲(chǔ)元件的各個(gè)行夾在中間。圖36中的寫(xiě)線(xiàn)611-614的上端被公共地連接。圖36中它們的下端各自連接到用于將寫(xiě)線(xiàn)611-614連接到一電源411的晶體管511到514上，以及用于將寫(xiě)線(xiàn)611-614連接到一布線(xiàn)600的晶體管515-518上。
作為用于讀出信息的一種排列，用于使存儲(chǔ)元件接地的晶體管531-539中的一個(gè)以串聯(lián)的方式形成在存儲(chǔ)元件(磁阻薄膜)101至109的每一個(gè)的一端。位線(xiàn)631至633形成在各自的行上。圖36中的位線(xiàn)631-633的右端連接到通過(guò)一固定電阻器150用于將位線(xiàn)631-633連接到一電源412的晶體管540-542，以及用于將位線(xiàn)631-633連接到一布線(xiàn)600的晶體管521-523。位線(xiàn)631被連接到磁阻薄膜101至103的每一個(gè)的另一端。位線(xiàn)632被連接到磁阻薄膜104至106的每一個(gè)的另一端。位線(xiàn)633被連接到磁阻薄膜107至109的每一個(gè)的另一端。圖36中的位線(xiàn)631至633的左端通常通過(guò)一晶體管551連接到用于放大這些位線(xiàn)的電勢(shì)和參考電壓Ref間的差異的一讀出放大器500。而且，其左端通過(guò)一晶體管624連接到地電勢(shì)。字線(xiàn)641至643形成在各自列上。字線(xiàn)641連接到晶體管531、534和537的柵極。字線(xiàn)642被連接到晶體管532、535和538的柵極。字線(xiàn)643被連接到晶體管533、536和539的柵極。
一種選擇性地轉(zhuǎn)換一選定的存儲(chǔ)元件的磁膜的磁化的方法將被描述。例如，選擇性地轉(zhuǎn)換磁阻薄膜105的磁化，晶體管512、517、522及524被導(dǎo)通，以及剩余的晶體管被關(guān)斷。然后，一電流流過(guò)寫(xiě)線(xiàn)612和613以將磁場(chǎng)垂直施加到磁阻薄膜105的薄膜表面。一電流也流過(guò)位線(xiàn)632，以及一產(chǎn)生的磁場(chǎng)被施加到磁阻薄膜105的薄膜表面。磁阻薄膜105接收薄膜表面中的磁場(chǎng)以及與薄膜表面垂直的相對(duì)大的磁場(chǎng)，因此，轉(zhuǎn)換磁阻薄膜105的磁化。剩余的磁阻薄膜101至104以及106至109不接收與施加到磁阻薄膜105一樣大的任何磁場(chǎng)。它們的磁化方向能保持不變。通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)置電流的大小，只有磁阻薄膜105的磁化能被改變。為將與上面所述的相反的磁場(chǎng)施加到磁阻薄膜105，晶體管513、516、522以及524被導(dǎo)通，以及剩余的晶體管被關(guān)斷。然后，一電流流過(guò)位線(xiàn)632以便將一縱向磁場(chǎng)施加到磁阻薄膜105。同時(shí)，在相反方向中的電流流過(guò)寫(xiě)線(xiàn)613和612以便將一與薄膜表面垂直的磁場(chǎng)施加到磁阻薄膜105。因此二進(jìn)制信息的其它信息被記錄在磁阻薄膜105上。
下面將描述讀操作。例如，記錄在磁阻薄膜105上的信息將被讀出。在這種情況下，晶體管535至541被導(dǎo)通以形成一電路，其中電源412、固定電阻150和磁阻薄膜105串聯(lián)。電源電壓按固定電阻150和磁阻薄膜105的阻值間的比率被分成固定電阻150的阻值和磁阻薄膜105的阻值。由于電源電壓是固定的，磁阻薄膜的阻值變化改變施加到磁阻薄膜的電壓。通過(guò)讀出放大器500，該電壓值被讀出，因此讀出記錄在磁阻薄膜105上的信息。
(比較例子)在如圖29中所示的磁阻薄膜中，不需形成磁層111而構(gòu)成磁阻薄膜。Si晶片(硅襯底)被用作一襯底。用作為一磁層113的30nm厚的Tb20(Fe60Co40)80薄膜以及用作為一高自旋極化率磁層120的1nm厚的Fe60Co40薄膜在薄膜形成容器中通過(guò)濺射依次形成在襯底上。通過(guò)使用一Al2O3目標(biāo)，一非磁性介電薄膜被濺射到一1.5nm厚的薄膜上。所獲得的薄膜在氧氣中被等離子氧化以補(bǔ)償在非磁性介電薄膜115中遺漏的氧原子。相應(yīng)地，非磁性介電薄膜115被轉(zhuǎn)換成Al2O3組成。抽空被充分執(zhí)行，然后用作為一高自旋極化率磁層119的1nm厚的Fe60Co40薄膜、用作為一磁層112的50nm厚的Gd21(Fe60Co40)79薄膜，以及用作為一保護(hù)薄膜的2nm厚的Pt薄膜通過(guò)濺射依次形成。在這種情況下，當(dāng)其矯頑力小于該磁層的矯頑力的一磁場(chǎng)被垂直地施加到襯底時(shí)，形成磁層113；高自旋極化率磁層120被轉(zhuǎn)換耦合到磁層113；以及高自旋極化率磁層119被轉(zhuǎn)換耦合到磁層112。高自旋極化率磁層119和120的磁化垂直地取向到薄膜表面。高自旋極化率磁層119和120被形成以獲得一高磁阻比率。
一0.5μm的抗蝕薄膜形成在得到的多層薄膜上。未被抗蝕層覆蓋的部分多層薄膜通過(guò)干腐蝕被消除。在腐蝕后，Al2O3薄膜被濺射成90nm厚的薄膜。在其上的抗蝕層和Al2O3薄膜被消除，并且用于電隔離一上電極與Si晶片的絕緣膜被形成。通過(guò)發(fā)射方法，由一Al薄膜形成上電極。未被上電極覆蓋的Al2O3薄膜部分被消除以形成用于連接一測(cè)量電路的電極基座。作為結(jié)果，比較例子的磁阻薄膜被完成。
恒定電流源被連接在磁阻薄膜的上電極和下電極(Si晶片)間。恒定電流如此流過(guò)以便引起電子通過(guò)非磁性介電薄膜115的Al2O3薄膜。一磁場(chǎng)被垂直地加到磁阻薄膜的薄膜表面。磁場(chǎng)的大小和方向被改變以便測(cè)量在磁阻薄膜的電壓變化(磁阻曲線(xiàn))。測(cè)量結(jié)果顯示出當(dāng)加到磁阻薄膜上的電壓下降時(shí)的外加磁場(chǎng)比當(dāng)加到磁阻薄膜上的電壓升高時(shí)的外加磁場(chǎng)小約1.5kA/m。換句話(huà)說(shuō)，該磁阻薄膜受到這一現(xiàn)象的影響，其中用于改變磁化所需的一外加磁場(chǎng)根據(jù)磁化轉(zhuǎn)換方向，即在從作為一高矯頑力磁層的磁層113泄漏的磁場(chǎng)的影響下產(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)而變化(第十四實(shí)施例)圖37A和37B是根據(jù)第十四實(shí)施例，表示一磁阻元件的例子。一垂直磁化薄膜一般具有一小的去磁能量，并具有比一縱向磁化薄膜的磁化強(qiáng)度更小的一磁化強(qiáng)度。該垂直的磁化薄膜被用作為一磁層以形成一雙隧道磁阻元件。在這種情況下，通過(guò)每一層疊的磁層的磁化施加到另一磁層的一磁場(chǎng)大小能被減少。特別是，從一高矯頑力磁層泄漏到一低矯頑力磁層的一磁場(chǎng)可被減少。一逆平行磁化狀態(tài)能輕易地實(shí)現(xiàn)。另外，通過(guò)用一泄漏的磁場(chǎng)偏置一MH曲線(xiàn)的一偏置磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)換量能被減少。移位磁場(chǎng)(偏置磁場(chǎng))的減少表示對(duì)轉(zhuǎn)換磁場(chǎng)的增加的抑制。將該磁阻元件作為一MRAM的存儲(chǔ)元件的使用能抑制電源消耗并能抑制對(duì)一相鄰的存儲(chǔ)單元的錯(cuò)誤的寫(xiě)操作。在圖37A和37B了中，箭頭表示磁層的磁化方向。圖37A和37B表示磁阻元件的兩個(gè)穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。
磁阻元件是由垂直磁化到一薄膜表面的順序?qū)盈B的一磁層111、一第一非磁性層N1、垂直磁化到薄膜表面的一磁層112、第二非磁性層N2以及垂直磁化到薄膜表面的一磁層113制造的。在圖37A的狀態(tài)中，所有磁層均向上磁化。在圖37B的狀態(tài)中，只有磁層112向下磁化。非磁性層N1和N2由絕緣層組成。非磁性層N1和N2足夠厚使得流過(guò)一隧道電流，并且隧道電阻值依靠自旋隧道效應(yīng)改變。在這種情況下，兩個(gè)非磁性層被用作絕緣層，并且每一磁層是由一垂直磁膜形成。該磁阻元件能被看作一雙隧道垂直磁化MR元件。當(dāng)在該元件的薄膜厚度的方向中流過(guò)一電流時(shí)，在圖37A的狀態(tài)中電阻是很小的這是因?yàn)榇呕舜似叫?，但在圖37B中很大這是因?yàn)榇艑?11和112的磁化是彼此逆平行且磁層112和113的磁化也是彼此逆平行。
在包括兩個(gè)絕緣層的TMR元件中，象第十四實(shí)施例，應(yīng)用到元件的頂部和底部的電壓的1/2電壓被加到每一絕緣層。從這可以看出，它更適合于MRAM的存儲(chǔ)元件以降低與MR比率有關(guān)的偏置電壓和抑制在MR比率中的減少。
如圖37B中所示的其中僅有磁層112的磁化方向改變的一磁化狀態(tài)能通過(guò)將磁層111和113的矯頑力設(shè)置成高于磁層112的矯頑力來(lái)實(shí)現(xiàn)。更準(zhǔn)確地說(shuō)，大于111和112的矯頑力的一磁場(chǎng)被施加到元件上以調(diào)整這些磁層的方向。在那之后，一更小的磁場(chǎng)被用于改變磁層112的磁化方向。在該元件中，由自旋隧道效應(yīng)導(dǎo)致的元件電阻值通過(guò)一外部磁場(chǎng)通過(guò)改變磁層112的磁化方向來(lái)增加/減少。
磁層111和113在相同方向中被磁化，以及磁層112的磁化方向根據(jù)記錄的信息來(lái)改變。在讀中，電阻值被檢測(cè)。以這種方式，磁阻元件能充當(dāng)一存儲(chǔ)元件。
相反，如果磁層111和113的矯頑力被設(shè)定成小于磁層112的矯頑力，磁層111和113的磁化方向通過(guò)一外部磁場(chǎng)被改變，而磁層112的磁場(chǎng)方向是固定的，如圖38A和38B所示。這能實(shí)現(xiàn)如圖38A的一低阻狀態(tài)以及如圖38B所示的高阻狀態(tài)。
磁層111和113的磁化方向根據(jù)記錄的信息可被改變，并且磁層112的磁化方向在讀中可被改變。用這種方法，磁阻元件充當(dāng)一存儲(chǔ)元件。更準(zhǔn)確地說(shuō)，磁層111和113的矯頑力被設(shè)置成高于磁層112的矯頑力，以及通過(guò)微分檢測(cè)方法讀出該信息。圖39A1、39A2、39B1、39B2表示在該時(shí)間的磁化狀態(tài)。在圖39A1和39A2中，磁層111和113是向上磁化，且與“1”一致的信息被記錄。在圖39B1和39B2中，磁層111和113是向下磁化，且與“0”一致的信息被記錄。這兩磁化方向與二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”相符。圖39A1和39A2的區(qū)別是磁層112的磁化方向。圖39B1和39B2的區(qū)別也是磁層112的磁化方向。在任何情況下，在再觀(guān)信息中，向上的磁場(chǎng)被加到該元件，然后向下的磁場(chǎng)也被施加。在該時(shí)間的磁場(chǎng)被設(shè)置成大于磁層112的矯頑力而小于磁層111和113的矯頑力以便僅轉(zhuǎn)換磁層112的磁化。當(dāng)通過(guò)向上磁化磁層111和113記錄信息時(shí)，電阻從一高電阻改變?yōu)橐坏碗娮?。?dāng)通過(guò)向下磁化磁層111和113記錄信息時(shí)，電阻從一低電阻改變?yōu)橐桓唠娮琛Ｔ陔娮柚邢筮@種改變能被檢測(cè)以讀出記錄的信息。
可替換地，磁層112的磁化方向可能是固定的，磁層111和113的磁化方向可能根據(jù)記錄的信息而改變，并且電阻值可能在讀中被檢測(cè)。同樣在這種情況中，磁阻元件充當(dāng)一存儲(chǔ)元件。
該例子如圖40A1、40A2、40B1和40B2所示。圖40A1和40A2表示一種狀態(tài)，其中磁層112被向上磁化。在圖40B1和40B2中，通過(guò)向下磁化磁層112，信息被記錄。圖40A1和40A2的狀態(tài)與二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”中的一個(gè)一致，而圖40B1和40B2的狀態(tài)與另一個(gè)一致。
同樣在該例子中，向上的磁場(chǎng)被施加到該元件，然后一向下磁場(chǎng)被施加。在該時(shí)間的磁場(chǎng)被設(shè)置為小于磁層112的矯頑力而大于磁層111和113的矯頑力以便轉(zhuǎn)換磁層111和113的磁化而不改變磁層112的磁化。電阻值的改變能被檢測(cè)以讀出記錄的信息。(第十五實(shí)施例)在第十四實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中，磁層111和113由一稀土過(guò)渡金屬合金所做的亞鐵磁體組成。磁層111和113的綜合磁化方向是彼此逆平行。這種結(jié)構(gòu)能減少泄漏到磁層112的磁場(chǎng)，并更適合于減少與MR比率相關(guān)的偏置。圖41A和41B表示該元件結(jié)構(gòu)。在圖41A和41B中，在磁層111和113中的箭頭中，每一外部外箭頭表示包括稀土元素和過(guò)渡金屬的子晶格磁化的整個(gè)磁層的綜合的磁化方向。每一內(nèi)部實(shí)箭頭表示影響磁化效應(yīng)的過(guò)渡金屬的子晶格磁化方向。
例如，通過(guò)由一稀土鐵族合金薄膜形成磁層111，其中鐵族元素的子晶格磁化是主要的，以及由一稀土鐵族合金薄膜形成磁層113，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的，來(lái)準(zhǔn)備磁阻元件。稀土鐵族合金薄膜是一亞鐵磁體，其中稀土元素和鐵族元素的子晶格磁化彼此逆平行。這些子晶格磁化間的區(qū)別是凈磁化強(qiáng)度。鐵族元素的子晶格磁化主要由該磁阻引起。通過(guò)將一磁層調(diào)整為鐵族元素的子晶格磁化是主要的一組成和將另一磁層調(diào)整為稀土元素的子晶格磁化是主要的一組成，由磁阻引起的凈磁化強(qiáng)度和磁化方向能被做成彼此逆平行。
換句話(huà)說(shuō)，磁層111可被設(shè)置為其中稀土元素的子晶格磁化是主要的一組成，而磁層113可能被設(shè)置為鐵族元素的子晶格磁化是主要的一組成。
非磁性層N1和N2能由良導(dǎo)體如Cu組成以產(chǎn)生成一GMR效應(yīng)(巨大磁阻效應(yīng))，或一絕緣體如Al2O3以便生成一自旋隧道效應(yīng)。自旋隧道效應(yīng)顯示一磁阻率大于GMR效應(yīng)的磁阻率并允許設(shè)置適用于一MRAM的存儲(chǔ)單元的一電阻值。最好導(dǎo)致該自旋隧道效應(yīng)。即，第一非磁性層N1和第二非磁性層N2均要求用一絕緣層組成。
任何材料的薄膜均能被使用只要該薄膜被垂直地磁化到該薄膜表面且產(chǎn)生磁阻效應(yīng)。這種薄膜的例子是上述的稀土鐵族合金薄膜、一CoCr合金薄膜以及一柘榴石薄膜。這些材料中，稀土鐵族合金是最好的因?yàn)樵诒∧ば纬珊笤摵辖鹪诔叵潞苋菀妆桓淖兂梢淮怪贝呕∧げ⒉皇苋魏谓Y(jié)晶晶界的不利影響。所有的磁層111、112和113最好是由一亞鐵磁體薄膜組成，該亞鐵磁體薄膜是由稀土元素和鐵族元素的合金組成。
稀土鐵族合金薄膜的例子是GdFe、GdFeCo、TbFe、TbFeCo、DyFe以及DyFeCo。在指定的順序中，這些磁膜的垂直磁各向異性大于包括Gd、Dy和Tb的薄膜。為具有一高矯頑力的層，最好使用TbFe或TbFeCo。為具有一低矯頑力的層，最好使用GdFe或GdFeCo。
每一磁層的薄膜厚度要求落在2nm至1μm的范圍內(nèi)。這是因?yàn)楸?nm厚的一薄膜很難在一個(gè)方向保持它的磁化。比1nm厚的薄膜很難處理，以及它的粗糙度增加使一隧道阻擋層短路。由于在這種方式制造過(guò)程中的問(wèn)題上升，所以薄膜厚度最好是100nm或更小，以及最好是5nm或更大至50nm或更小。
圖42A和42B示出了使用由稀土元素和鐵族元素的合金組成的一亞鐵磁薄膜的一磁阻元件的磁化狀態(tài)。在磁層111和113中的每一實(shí)線(xiàn)表示鐵族元素TE)的子晶格磁化方向；每一虛線(xiàn)表示稀土元素(RE)的子晶格磁化方向。圖42A和42B表示當(dāng)磁層111和113的矯頑力高于磁層112的矯頑力、磁層111和113的磁化方向是固定的以及磁層112的磁化方向被改變時(shí)的情況。
至于交換耦合力，鐵族元素的耦合力大于稀土元素的耦合力。鐵族元素主要用于磁層間的交換耦合力。在圖42A中，鐵族元素的子晶格磁化是平行的，由于自旋隧道效應(yīng)，電阻很低。在圖42B中，在磁層111和112間以及磁層112和113間的磁化狀態(tài)彼此逆平行，并且電阻很高。
圖43A和43B表示當(dāng)磁層112的矯頑力很高，它的磁化方向是固定的，以及磁層111和113的磁化可被改變時(shí)的情況。
在第十五實(shí)施例中，所有的磁層111、112和113最好由亞鐵磁薄膜組成，該亞鐵磁薄膜是由一稀土元素和鐵族元素的合金組成的。
如上所述，具有高自旋極化率的磁層形成在一磁層的兩面上以便增強(qiáng)磁阻效應(yīng)，以及特別是自旋隧道效應(yīng)并且增加磁阻比率。對(duì)自旋隧道效應(yīng)來(lái)說(shuō)，增加磁阻比率的磁膜是指具有一高自旋極化率的薄膜。具有一高自旋極化率的磁層要求形成在每一磁層和一相應(yīng)的磁層之間的至少一部分上。
磁耦合包括交換耦合和靜磁耦合。在這些耦合中，交換耦合一律在薄膜表面起作用而不是形成磁層間的一非磁化層。與磁耦合相比，更需要交換耦合。
具有一高自旋極化率的磁層的薄膜厚度按原子次序落在10nm的范圍內(nèi)，并且最好在1nm-5nm的范圍內(nèi)。具有一高自旋極化率的材料的例子是鐵磁材料如Fe、Co以及FeCo。由于大的磁化，這些材料具有在薄膜表面內(nèi)通過(guò)一磁場(chǎng)容易被磁化的特性。較薄的薄膜更容易被垂直磁化以便交換耦合磁層111、112及113并垂直磁化它們。
圖44表示具有一高自旋極化率的這樣一種磁層的一磁阻元件。該磁阻元件是通過(guò)在磁層111和第一非磁性層N1間形成一高自旋極化率材料層M1、在第一非磁性層N1和磁層112間形成一高自旋極化率材料層N2、在磁層112和第二非磁性層N2間形成一高自旋極化率材料層N3，以及在第二非磁性層N2和磁層113間形成一高自旋極化率材料層M4來(lái)組成。
作為高自旋極化率材料層M1-M4，可使用Co、Fe、CoFe或類(lèi)似材料層。在這些材料中，CoFe最能達(dá)到一高M(jìn)R比率。當(dāng)這些材料被單獨(dú)用于薄膜形成時(shí)，最后的薄膜是一縱向磁化膜。因此，最好用這樣一種材料來(lái)形成一薄膜，將該薄膜交換耦合到磁層111、112或113，并獲得一垂直磁化膜。(第十六實(shí)施例)基于本發(fā)明的上述實(shí)施例的每一個(gè)的磁阻元件采用一磁場(chǎng)生成裝置來(lái)生成一垂直磁場(chǎng)。通過(guò)使用該磁場(chǎng)生成裝置，信息被記錄在磁阻元件上。該磁阻元件能充當(dāng)一存儲(chǔ)元件。例如，如圖45A和45B所示，通過(guò)一絕緣層(未示出)，寫(xiě)線(xiàn)900被安排在磁阻元件的附近。安排該絕緣層以防止磁阻元件和寫(xiě)線(xiàn)間的電連接。
寫(xiě)線(xiàn)900在一方向上垂直延伸到薄片表面。在圖45A中，一電流流向該薄片表面以改變向上的磁層2的磁化。在圖45B中，電流從薄片表面沿正面方向流動(dòng)中以改變向下的磁層2的磁化。
為構(gòu)成一存儲(chǔ)裝置(MRAM)，由如上所述的存儲(chǔ)元件形成的存儲(chǔ)單元按矩陣排列。最好配置一轉(zhuǎn)換元件以防止存儲(chǔ)元件間的干擾。
圖46示出了具有一轉(zhuǎn)換元件的存儲(chǔ)單元陣列。圖46僅示出了在存儲(chǔ)單元陣列中的存儲(chǔ)單元中的一個(gè)。實(shí)際上，在圖46中在橫向和深度方向排列著許多相同的存儲(chǔ)單元，并且當(dāng)從上看時(shí)，以矩陣排列。
在圖46中，在由均是形成在一硅半導(dǎo)體p型襯底33中的一柵極80、源極和漏極區(qū)32和31組成的一MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)中，磁阻元件的一端被連接到漏極區(qū)31。磁阻元件的另一端被連接到讀出線(xiàn)40。
在寫(xiě)/擦除記錄信息中，電流流過(guò)垂直延伸到薄片表面的寫(xiě)線(xiàn)900和與該薄片表面一起延伸的位線(xiàn)40。結(jié)果，信息可被記錄在位于這些線(xiàn)的交點(diǎn)處的磁阻元件(存儲(chǔ)單元)中。連接到源極區(qū)32的電極70被接地。電源和讀出電路各自排列在讀出線(xiàn)40的左側(cè)和右側(cè)。這允許將與磁阻元件的電阻值對(duì)應(yīng)的電勢(shì)加到讀出線(xiàn)上，從而檢測(cè)信息。第十六實(shí)施例也能采用磁阻元件作為MRAM的存儲(chǔ)元件，該MRAM具有與參照?qǐng)D33、34和36描述的電路等效的電路。
權(quán)利要求
1.一種磁阻元件，包括:一第一磁層，垂直于一薄膜平面磁化；一第二磁層，垂直于該薄膜表面磁化并且具有比所述第一磁層更高的矯頑力；一非磁性層，插入在所述第一磁層和第二磁層間；以及一第三磁層，具有比所述第一磁層更高的矯頑力且被逆平行于所述第二磁層磁化。
2.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于所述第二和第三磁層中的至少一個(gè)包括一亞鐵磁層。
3.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于至少所述第一磁層、所述非磁性層、所述第二磁層以及所述第三磁層按該順序形成。
4.如權(quán)利要求3所述的元件，其特征在于所述第二磁層包括一稀土鐵族元素合金的一亞鐵磁膜，其中鐵族元素的子晶格磁化是主要的，以及所述第三磁層包括一稀土鐵族元素合金的一亞鐵磁膜，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。
5.如權(quán)利要求3所述的元件，其特征在于所述第二磁層包括一鐵磁膜，該鐵磁膜包括作為一主要成分的一鐵族元素，以及所述第三磁層包括一稀土鐵族元素合金的一亞鐵磁膜，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。
6.如權(quán)利要求2所述的元件，其特征在于亞鐵磁層主要由至少一種從由Gd、Tb和Dy組成的組中選擇的稀土元素和至少一種從由Fe和Co組成的組中選擇的材料組成。
7.如權(quán)利要求3所述的元件，其特征在于一絕緣層被插在所述第二和第三磁層間。
8.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于具有比所述第一磁層的自旋極化率高的自旋極化率的一磁層被插在所述第一磁層和所述非磁性層間。
9.如權(quán)利要求8所述的元件，其特征在于所述第一磁層包括一稀土鐵族元素合金的亞鐵磁膜，其中鐵族元素的子晶格磁化是主要的，以及具有一高自旋極化率的磁層包括含有作為一主要成分的鐵族元素的一鐵磁膜。
10.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于從所述第二和第三磁層施加到所述第一磁層的一綜合磁場(chǎng)在矯頑力方面小于所述第一磁層。
11.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于所述非磁性層包括一絕緣層。
12.如權(quán)利要求1所述的元件，其特征在于至少所述第二磁層、所述非磁性層、所述第一磁層以及所述第三磁層按指定順序形成。
13.如權(quán)利要求12所述的元件，其特征在于一非磁性層被插在所述非磁性層和所述第三磁性層間。
14.一存儲(chǔ)元件，包括在權(quán)利要求1中定義的所述磁阻元件；以及磁場(chǎng)生成裝置，用于生成垂直于所述磁阻元件的薄膜表面的一磁場(chǎng)；其中通過(guò)所述磁場(chǎng)生成裝置在所述磁阻元件上記錄信息。
15.一MRAM，包括一襯底；在所述襯底上的如權(quán)利要求14中定義的多個(gè)存儲(chǔ)元件；多個(gè)轉(zhuǎn)換元件，每一個(gè)轉(zhuǎn)換元件具有一個(gè)端子，該端子連接到所述存儲(chǔ)元件對(duì)應(yīng)的一個(gè)端子上；以及多條位線(xiàn)，它們連接到所述存儲(chǔ)元件，并讀出由所述磁場(chǎng)生成裝置所記錄的信息。
16.一種用于如權(quán)利要求15中所定義的所述MRAM的記錄/再現(xiàn)方法，包括以下步驟固定所述存儲(chǔ)元件的所述第二和第三磁層的磁化，改變所述第一磁層的磁化方向以便記錄信息，并且依據(jù)所述第一磁層的磁化方向，讀出一電阻值以便再現(xiàn)該信息。
17.一磁阻元件，包括第一、第二、和第三磁層，垂直于一薄膜平面磁化；第一非磁性層，位于所述第一和第二磁層間；以及第二非磁性層，位于所述第二和第三磁層間；其中所述第一和第二磁層均具有一絕緣體或?qū)w的特性。
18.一存儲(chǔ)元件，包括如權(quán)利要求17定義的所述磁阻元件；以及磁場(chǎng)生成裝置，用于生成垂直于所述磁阻元件的薄膜表面的一磁場(chǎng)；其中通過(guò)所述磁場(chǎng)生成裝置在所述磁阻元件上記錄信息。
19.一MRAM，包括一襯底；在所述襯底上的如權(quán)利要求17中定義的多個(gè)存儲(chǔ)元件；多個(gè)轉(zhuǎn)換元件，每一個(gè)轉(zhuǎn)換元件具有一個(gè)端子，該端子連接到所述存儲(chǔ)元件對(duì)應(yīng)的一個(gè)端子上；以及多條位線(xiàn)，它們連接到所述存儲(chǔ)元件，并讀出由所述磁場(chǎng)生成裝置所記錄的信息。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁阻元件,使用磁阻元件、使用磁阻元件的存儲(chǔ)器元件以及用于該存儲(chǔ)器元件的記錄/再現(xiàn)方法,其中一磁阻元件包括第一、第二和第三磁層和非磁性層。第一磁層被垂直磁化到薄膜表面。第二磁層被垂直磁化到薄膜表面并具有比所述第一磁層的矯頑力高的矯頑力。非磁性層被插在第一和第二磁層間。第三磁層具有比所述第一磁層的矯頑力高的矯頑力并且逆平行地磁化到第二磁層。同時(shí)還公開(kāi)了一種存儲(chǔ)元件和記錄/再現(xiàn)方法。
文檔編號(hào)H01F10/32GK1389870SQ02120600
公開(kāi)日2003年1月8日 申請(qǐng)日期2002年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月19日
發(fā)明者西村直樹(shù), 池田貴司 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社