专利名称：磁阻元件、使用其的存储器元件以及相关记录/再现方法
技术领域：
本发明涉及应用到一非易失性存储器或类似的存储器的一种磁阻元件。
在该磁存储器元件中，用来存储信息的最小单元被称为一磁存储单元。该磁存储单元通常具有一存储层和参考层。该参考层是一磁材料层，该磁材料层的磁化方向是固定的或固定在一特定的方向。该存储层是用于存储信息的层，并且通常是能通过一外加磁场来改变其磁化方向的一磁材料层。该磁存储单元的逻辑状态是由在存储层中的磁化方向是否与在参考层中的磁化方向平行来确定的。如果因为该MR(磁阻)效应，这些磁化方向相互平行，那么磁存储单元的电阻减少；如果这些方向不平行，则该磁存储单元的电阻增加。磁存储单元的逻辑状态是通过测量它的电阻率来确定的。
在磁存储单元中通过流过一导体的电流而生成的磁场来改变存储层内的磁化方向来写入信息。使用检测一电阻的绝对值的绝对检测方法读出写入的信息。
另一个存储单元具有一存储层和检测层。该存储单元使用用于读取的一种微分检测方法因为该检测层的磁化方向是改变的且存储层的磁化方向是从一电阻变化中被检测。
为高集成度，该磁存储单元必须在形体尺寸方面缩小。通常在纵向磁化层中，因为薄膜表面中的退磁磁场和小型化，自旋在薄膜边缘卷起。该磁存储单元不能稳定地存储磁信息。为防止这种问题，当前的发明人已经在USP6,219,725中公开了使用横向磁化到薄膜表面的一磁膜(横向磁化膜)的一种MR元件。横向磁化膜没有任何卷曲甚至达到小型化，且适用于小型化。
使用一MR元件的一磁存储单元包括通过一薄的非磁层(隧道绝缘层)层叠的两个磁层。从该磁存储单元内的一磁层泄漏的一磁场影响另一磁层。即使缺少一外部磁场，该磁场也被使用。
图20A和20B示出了具有一横向磁膜的一TMR元件的磁化方向的例子。具有一低矫顽力的一磁膜100和具有一较高矫顽力的一磁膜200通过一隧道绝缘薄膜300层叠。在图20A和图20B所示的例子中，磁膜200是向下磁化。磁膜100在图20A中是向下磁化，在图20B中是向上磁化。因此，在图20B中的磁存储单元的电阻值比图20A中的大。
这种状态可被认为是使用绝对值检测方法的一种结构，其中磁层200是一参考层(钉轧层)，磁层10是一存储器层，如图20A所示“0”被记录且如图20B所示“1”被记录。作为选择，该状态可被认为是使用微分检测方法的一种结构，其中磁层200是一存储层，磁层10是一检测层，且通过在检测中的一外部磁场，磁化被从图20A中所示的状态转换到图20B中所示的状态。
图21A示出了假设没有磁场从具有矩形比为1的其他磁膜泄漏，该元件的MH曲线(表示磁化和应用磁场间的关系的图形)。保持磁化方向不变的一足够小的磁场被加到磁层200。因此，生成了与磁层100的磁化方向相应的曲线。当没有从其他磁膜泄漏的磁场，即偏置磁场时，通过仅施加一磁场H1或等于一矫顽力Hc的H2，信息能被记录在存储层上。作为选择，检测层的磁化能转换。磁场H1从向上的方向到向下的方向转换第一磁膜。磁场H2从向下的方向到向上的方向转换第一磁膜。
实际上，另一磁层，在这种情况下，磁膜200将一向下的磁场应用到磁膜100，MR曲线通过偏置磁场H0，如图21B中所示来变换。在这种情况下，记录磁场是H2＝HC+H0及HC-H0，为将图21B的状态改变到图21A的状态所必需的磁场减少H0。相反，为将图21A的状态改变到图21B的状态所必需的磁场增加H0。这表示通过写线的电流值增加。电流消耗可能增加，或当电流超过写线的允许的电流密度时，写失败。在此情形下，依靠记录在一存储单元中的信息，转换磁场的大小改变。如果要求转换磁场H2的存储单元信息被重写入通过两条横向写线排列在一矩阵中存储单元中的记录信息中，也要求该转换磁场H1的相邻的存储单元信息也被重写。这种错误记录操作出现的可能性很高。如果偏置磁场H0大于矫顽力Hc，如图21C中所示，只有一个电阻值能被包括在零磁场中。这导致绝对检测变难。
当矩形比不是1时，在零磁场中的磁化强度M小于逆平行磁化强度状态的最大磁化强度值Mmax。电阻值依靠低矫顽力层的磁化强度量来改变。在这种情况下，一读出电阻值差R2-R1减少，降低该检测灵敏度。即使在一偏置磁场H0小于矫顽力Hc的情况下，该现象也会发生。应注意的是R1表示缺少一外部磁场时的最小电阻值；以及R2表示缺少一外部磁场时的最大电阻值。图22示出了在存在一偏置磁场H0时的电阻值，以及图22B表示缺少该偏置磁场H0时的电阻值。
对不是1的矩形比，即使一在强度上等于矫顽力的磁场的施加也不能完全使磁化饱和，如图22B所示。完全使磁化饱和的一磁场，M＝Ms，将被称作一磁化饱和磁场Hs。当存储层完全饱和成与钉轧层逆平行时，电阻值最大化成相对于该磁场的一恒定值。也就是，在电阻值中饱和的磁场等于Hs，如图22B所示。对矩形比为1的情况，矫顽力可被看成等于一磁化转换磁场(对矩形比不为1的情况，矫顽力不能被看成等于该磁场)。在这种情况下，通过施加一大于具有矩形比为1的磁场的磁场，磁化被转换。在存在由一泄漏的磁场生成的一偏置磁场时，磁化易于转换的方向和磁化难于转换的方向之间的被用于转换磁化的磁场强度上的差异变大。如果这样一种元件被作为一MRAM的存储元件使用，上述错误操作可能以较高的概率发生。在一磁阻元件作为一MRAM的存储元件使用中，当磁化转换磁场不受控制时可能会发生故障。
上面的描述主要假定绝对值检测方法，但同样适用于微分检测方法。图23示出了微分检测方法的主循环。
在MR元件中的上述问题在应用于一常规MRAM的使用一纵向磁膜的一磁阻元件中更为严重。
本发明的一个目的是解决在用作一存储元件或类似元件的一磁阻元件中来自于一磁层的一静态磁场偏置另一磁层的转换磁场以及该转换磁场增加的问题，并提供使用该磁阻元件的一存储元和它的记录/再现方法件。
为实现上述目的，本发明提供一磁阻元件包括一第一磁层，垂直于一薄膜平面磁化，一第二磁层，垂直于该薄膜表面磁化并具有高于该第一磁层的矫顽力的一矫顽力，一非磁性层，插入该第一磁层和第二磁层之间，以及一第三磁层，具有高于该第一磁层的矫顽力的一矫顽力并且与第二磁层逆平行地磁化。
图5A和5B是根据本发明的第三实施例，示出了一磁阻元件的例子的剖视图；图6A和6B是示出如图5A和5B中所示的磁阻元件的磁化取向状态的剖视图；图7A和7B是根据本发明的第四实施例，示出了一磁阻元件的例子的剖视图；图8A和8B是根据本发明的第五实施例，示出了一磁阻元件的例子的剖视图；图9A和9B是表示在如图8A和8B中所示的磁阻元件中整个磁层11和12的磁化的剖视图；
图10A和10B是根据本发明的第五实施例，示出了一磁阻元件的另一个例子的剖视图；图11A和11B是表示在如图10A和10B中所示的磁阻元件中整个磁层11和12的磁化的剖视图；图12是根据使用一垂直磁化强度薄膜的本发明的第七实施例，表示在该磁阻元件中一泄漏的磁场的应用状态的视图；图13是表示在一传统的磁阻元件中一泄漏的磁场的应用状态的视图；图14是根据本发明在磁阻元件的一实施例中表示一泄漏的磁场的分布图；图15是根据本发明在磁阻元件的实施例中表示一泄漏的磁场的分布图；图16是根据本发明在磁阻元件的实施例中表示一泄漏的磁场的分布图；图17是表示在传统的磁阻元件中一泄漏的磁场的分布图；图18是表示在传统的磁阻元件中一泄漏的磁场的分布图；图19A和19B是根据本发明的第八实施例，一存储单元的基本结构的剖视图；图20A和20B是传统磁阻元件的结构的剖视图；图21A、21B和21C表示在一矩形比为1的一MH曲线中一偏置磁场图；图22A和22B表示在一矩形比不为1的一MH曲线中一偏置磁场图；图23是当具有矩形比为1的偏置磁置很大时一MH曲线图；图24A和24B是根据本发明的第六实施例，一磁阻元件的另一例子的剖视图；图25A和25B是表示在如图24A和24B所示的磁阻元件中整个磁层11和12的磁化的剖视图；图26A和26B是根据第九实施例，表示一磁阻薄膜的结构的示意剖视图；图27是表示一磁阻薄膜的薄膜结构的示意剖视图，其中一高自转极化性层插在磁层113和一非磁性介电薄膜115之间；图28是表示一磁阻薄膜的另一薄膜结构的示意剖视图，其中一高自转极化性层插在磁层112和该非磁性介电薄膜115之间；图29是表示一磁阻薄膜的另一薄膜结构的示意剖视图，其中一高自转极化性层插在磁层112和一非磁性介电薄膜115之间和磁层113和该非磁性介电薄膜115之间；图30是表示一磁阻薄膜的另一薄膜结构的示意剖视图，其中一高自转极化性层插在磁层111和一非磁性导电薄膜114之间和磁层113和该非磁性介电薄膜115之间；图31是表示一磁阻薄膜的另一薄膜结构的示意剖视图，其中一高自转极化性层插在磁层112和一非磁性导电薄膜114之间和磁层112和该非磁性介电薄膜115之间；图32是表示一磁阻薄膜的另一薄膜结构的示意剖视图，其中一高自转极化性层插在磁层111和一非磁性导电薄膜114之间和磁层112和该非磁性导电薄膜114之间、磁层112和一非磁性介电薄膜115之间和磁层113和该非磁性介电薄膜115之间；图33是表示生成将被应用的一磁场以便记录信息并在第十二实施例中使用的电路的电路图；图34表示读出记录的信息并在第十二实施例中使用的电路的电路图；图35是示意性地表示在第十二实施例中形成的一存储元件的剖面图；图36是根据第十三实施例，表示一存储器布置的电路图；图37A和37B是根据第十四实施例，表示一磁阻元件的剖视图；图38A和38B是根据第十四实施例，表示该磁阻元件的磁化状态的剖视图；图39A1、39A2、39B1以及39B2是根据第十四实施例，用于说明从一存储元件读信息的剖视图；图40A1、40A2、40B1以及40B2根据第十四实施例，用于说明从该存储元件读信息的另一例子的剖视图；图41A和41B是根据第十五实施例，用于说明一磁阻元件的磁化状态的剖视图；图42A和42B是根据第十五实施例，用于说明一磁阻元件的磁化状态的另一例子的剖视图；图43A和43B是根据第十五实施例，用于说明一磁阻元件的磁化状态的另一例子的剖视图；图44是根据第十五实施例，表示该磁阻元件的另一例子的剖视图；图45A和45B是根据第十六实施例，表示一存储元件和一写线间的关系的剖视图；图46是根据第十六实施例，表示一存储器布置的例子的剖视图。
具体施例方式本发明的首选实施例将参考附图描述如下。(第一实施例)图1A和1B是根据本发明的第一实施例，表示一磁阻元件的薄膜结构的剖视图。在图1A和1B中，箭头表示在磁层中的磁化方向。图1A和1B表示该磁阻元件的两个预期的磁化状态。如果通过绝对检测方法，从该磁阻元件中读出数据，如图1A和1B中所示的状态与二进制的记录电平“0”和“1”对应。
垂直于该薄膜表面磁化的一磁层1，一非磁性绝缘层N2以及垂直于该薄膜表面磁化的一磁层2按指定的顺序层叠。绝缘层N2很厚，足以通过该绝缘层N2使在磁层1和2间流过一隧道电流。整个磁层2的矫顽力高于磁层1的矫顽力。在该磁阻元件中，经由该绝缘层N2由在第一和第二磁层1和2之间流经的电流产生的一电阻值，依据磁层1和2的相对磁化角度被改变。通过检测该电阻值，写入磁阻元件中的信息能被确定。更准确地说，磁层1、绝缘层N2，以及磁层2形成一铁磁的隧道结。在磁层1和2中的导电电子隧道通过绝缘层N2而保持它们的自转。依据这两个磁层1和2的磁化状态，该隧道概率会变化。这被作为在隧道电阻中的变化被检测。当磁层1和2的磁化状态相互平行时，电阻值很小，当它们相互逆平行时，则电阻值很大。
在磁阻元件中，磁层2由作为相互逆平行磁化的垂直磁化薄膜的磁层21和22的层叠来形成。磁层21形成在磁层1面上(以便与绝缘层N2接触)。在如图1A和1B所示的例子中，磁层21的磁化朝上，且磁层22的磁化朝下。磁层1接收通过磁层21的磁化的一向上的磁场和通过磁层22的磁化的一向下的磁场。应用到磁层1的一个视在磁场是这些磁场的组合。与磁层2仅由一个磁层形成的情况比较，应用到磁层1的泄漏的磁场能被减少。磁层1的转换磁场的偏置也能因此而被抑制。当该磁阻元件被应用到一磁存储单元时，写电流能被降低，而且能防止错误地写入到相邻的存储单元。
如图2A和2B所示，该磁层21和22的磁化方向可被转换使得磁层21被向下磁化而磁层22被向上磁化。通过用一导体替换夹在中间的非磁性层，该磁阻元件可能组成为夹入到磁层间的一GMR元件。然而，对使用一更薄的非磁性层的一TMR元件来说，磁阻元件的效果更显著。(第二实施例)图3A和3B是根据第二实施例，表示一磁阻元件的薄膜结构的剖视图。在该磁阻元件中，在第一实施例中的磁层2，即构成一高矫顽力层的磁层21和22由一稀土铁族元素合金的一亚铁磁的薄膜组成。该铁族元素的子晶格磁化在该磁层21中是主要的，而稀土元素的子晶格磁化在磁层21中是主要的。磁层1和绝缘层N2与在第一实施例中相同。图3A和3B表示该磁阻元件的两个预期的磁化状态。在磁层21和22中的每一实线表示铁族元素的子晶格磁化方向；以及每一虚线表示稀土元素的子晶格磁化方向。每条线的长度表示子晶格磁化的大小。
磁层21和22是交换耦合的。在稀土铁族合金中，铁族元素对交换耦合力是主要，并且铁族元素取向一个方向。在磁层21和22中逆平行于铁族元素磁化的稀土元素也取同一个方向。整个亚铁磁薄膜的磁化强度在子晶格磁化间是有差异的。如图3A和3B所示的磁层21和22的磁化方向，磁层21和22的基本磁化方向是彼此相反。为此，整个磁层2的磁化强度小于每一个磁层21和22的磁化强度。亚铁磁层最初在磁化强度量上小于由Fe、Co、FeCo、或NiFe组成并取向在薄膜表面中的一纵向磁化薄膜。从磁层2加到磁层1的磁场比在具有纵向磁各向异性的一元件中的磁场强度更小。这将在第四实施例中详细说明(将在稍后描述)。
在第二实施例中，磁层2由两层组成，这两层的饱和磁化强度Ms相对较大，而且甚至一转换磁场能被减少。当该元件被作为一磁存储单元使用时，该存储单元能被指定用于绝对检测并也能被指定用于微分检测，其中磁层2被用作一存储层并根据信息改变磁化强度。
图4表示组成(composition)和在稀土铁族合金中的饱和磁化间的关系。在稀土铁族合金中，稀土原子的磁化方向能被做成逆平行于铁族原子的磁化方向。稀土元素或铁族元素的子晶格磁化在这些原子的组合的磁矩中的稀土元素和铁族元素的组成(是指一种补偿组成)的边界上变为主要的。在补偿组成中该饱和磁化强度Ms显然为0，并且当脱离该补偿组成时则增加。一泄漏的磁场能通过设计围绕该补偿组成的磁层21和22来进一步减少。
亚铁磁层的首选例子是由一稀土元素和铁族元素的合金组成的一磁膜。更准确地说，亚铁磁层最好是由至少包含Gd、Tb和Dy中的一种的稀土元素和至少包含Fe和Co中的一种的铁族元素组成。这些稀土铁族合金通过一通用膜生成装置如一喷涂装置在室温下能容易地提供一垂直磁膜。特别是，制造一MRAM的半导体制造过程经受一高温处理导致不利的影响如减低在MOS晶体管中的性能的衰退。因此在室温下形成一垂直磁膜很有效。(第三实施例)根据第三实施例，在一磁阻元件中，非常靠近非磁层的一磁层21是由包含作为一主要成分的铁族元素的一铁磁层组成。磁层22由一稀土铁族元素合金的一亚铁磁层组成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁层1和绝缘层N2与在第一实施例中的相同。图5A和5B表示该磁阻元件的两个未来的磁化状态。在磁层21和22中的每一实线表示铁族元素的子晶格磁化方向；以及每一虚线表示稀土元素的子晶格磁化方向。每一线的长度表示子晶格磁化量。
在第三实施例中的磁阻元件的特征在于磁层2由两层薄膜组成，该两层薄膜由铁族元素薄膜(磁层21)和稀土元素(磁层22)组成。在这种情况下，MR(磁阻)率能通过在磁层2和作为一隧道阻挡层薄膜的绝缘层N2间的接口处形成具有一高极化率的一磁膜而被增加。因为铁族元素的磁化，磁层2主要涉及磁阻率。磁层21最好这样构成使得与隧道阻挡层薄膜接触。适用于磁层21的薄的铁族元素膜的例子是Fe、Co以及FeCo薄膜。这些材料中，FeCo是最合适的，因为它显示出一高极化率并能增加MR比率。注意一铁族元素通常取向在一单层薄膜上的纵向方向。通过例如来自磁层22的交换耦合力，磁层2被垂直于薄膜表面磁化。
图6A和6B表示磁化取向状态。为描述方便，磁层22的磁化强度是稀土元素和铁族元素的子晶格磁化强度的综合的磁化强度。磁层2是由逆平行磁化的两层薄膜组成，该两层薄膜能减少泄漏到该磁层1的一磁场。
同样在第三实施例中，磁层2能由具有相对大的饱和磁化强度Ms的两层组成。当磁层2是由具有一小的磁化强度的单层薄膜组成以便减少泄漏到磁层1的一磁场时，矫顽力趋向增加。通过由具有大的磁化强度的两层薄膜形成的磁层2，泄漏到磁层1的磁场能被降低而不增加矫顽力。同时当偏置磁力减少时，也能达到交换磁场的减少。(第四实旋例)图7A和7B是根据第五实施例，表示一磁阻元件的薄膜结构的剖视图。在该磁阻元件中，一绝缘薄膜500形成在磁层21和22之间。绝缘薄膜500的使用轻易地实现了一逆平行磁化状态同时抑制了在磁层21和22间的一静磁连接。
在该结构中为改变磁层21和22到逆平行磁化状态，具有不同矫顽力的薄膜被使用。当磁层21具有一矫顽力高于磁层22的矫顽力时，一外部磁场被施加以转换该磁层21的磁化强度。然后，小于该磁层21的矫顽力且高于磁层22的矫顽力的在一相反方向中的一外部磁场被用于磁化与磁层21相反方向的磁层22。
通过改变该组成，例如，当一亚铁磁薄膜如一稀土铁族合金被使用时，改变生成各个子晶格磁化的元素的组成，矫顽力可被设定为一所需值。(第五实施例)在第六实例中，一低矫顽力层由两层组成，与一高矫顽力层类似。图8A和8B是表示该磁阻元件的薄膜结构的剖视图。在磁阻元件中，一磁层1，即低矫顽力层由作为被磁化为相互平行的垂直磁化薄膜的磁层11和12组成。在第六实施例中，磁层11形成在一磁层2侧上(以便与绝缘层N2接触)。这是因为MR(磁阻)率能通过形成在磁层1和作为一隧道阻挡层薄膜的绝缘层N2间的接口处的具有一高的自旋极化率的一磁膜而增加。例如磁层是Fe、Co、以及FeCo薄膜。在这些材料中，FeCo是最好的，因为它显示出一高极化率并能增加MR比率。注意一铁族元素通常取向在具有一单层薄膜的纵向方向中。通过来自磁层12的交换耦合力，磁层1被逆垂直于该薄膜表面磁化。在下面的描述中，“具有一高的自旋极化率的层”表示这样一层，该层的自旋极化率高于与该层接触的一磁层的自旋极化率。
如图8A和8B所示，磁层11能由包含铁族元素的一铁磁层组成，并且磁层2能由稀土铁族元素的亚铁磁薄膜组成，其中铁族元素的子晶格磁化是很主要的。图9A和9B表示在这种情况下磁层11和12的整体磁化。如上所述，磁层2是由逆平行磁化的两层薄膜(磁层21和11)组成。通过磁层2的磁化生成的并泄漏到磁层1的磁场很小，但由磁层1的磁化生成的并泄漏到磁层2的磁场是很大的。
该结构适用于使用磁层2作为一钉轧层(参考层)和磁层1作为一存储层的结构。这是因为钉轧层能被设置为一大的矫顽力而不改变它的磁化且很难受到从磁层1泄漏的磁场的影响。相反，作为一存储层的磁层1必须减小矫顽力(磁化转换磁场)以便减少一写线的电流消耗，从而减少由从磁层2泄漏的磁场生成的一偏置磁场。这是通过由一逆平行磁化的两层薄膜形成的磁层2来实现的。
在上面的例子中，磁层12是由一稀土铁族元素合金的一亚铁磁薄膜组成，其中铁族元素的子晶格磁化是很主要的。磁层12也能由一稀土铁族元素合金的亚铁磁膜组成，其中稀土元素的子晶格磁化是很主要的。图10A和10B是表示这样一种磁阻元件的薄膜结构的剖视图。图11A和11B是表示在如图10A和10B中所示的磁阻元件中的磁层11和12的整体磁化的剖视图。(第六实施例)在第七实施例中，磁层1是由两个逆平行磁化层组成，与磁层2类似。如图24A和24B所示，两个磁层的每一个是由亚铁磁的两层薄膜组成。每一实线表示一铁族元素的子晶格磁化方向，以及每一虚线表示一稀土元素的子晶格磁化方向。每条线的长度表示子晶格磁化量。在图24A和24B中，磁层11是由一稀土元素和铁族元素的合金薄膜组成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁层12是由一相同的合金薄膜组成，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的。磁层22是由相同的合金薄膜组成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁层22是由相同的合金薄膜组成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。在第七实施例中，磁层11形成在磁层2面上(以便与绝缘层N2接触)。图25A和25B表示在这种情况下磁层11和12的整个磁化。
在第七实施例中，磁层1和2的矫顽力可被减少以便不将从磁层1和2泄漏的磁场施加于彼此。这些磁层1和2的磁化能被改变，使得除绝对检测外，还能微分检测。该结构适用于这样一种结构，其中磁层2起到一存储层的作用，磁层1起到一检测层的作用，并通过微分检测方法读出信息。
磁层11具有一组成，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。磁层12具有一组成，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的。磁层11和12可能具有相反的组成。这也适用于磁层21和22。由于铁族元素主要由隧道效应引起，靠近隧道阻挡层薄膜的磁层21和11最好采用一组成，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的。(第七实施例)根据本发明，在一磁阻元件中，从一磁层泄漏的磁场的平面分布将与传统的进行比较来解释。
图12示出了根据第一实施例，在磁阻元件中，从一磁层2泄漏到磁层1的磁场的状态。磁层2是由彼此逆平行地磁化的磁层21和22组成。从磁层2生成的磁场基本上被磁层21和22除去。为描述方便，来自向上磁化的磁层21的磁场稍微大于来自向下磁化的磁层22的磁场。
图13示出使用一传统纵向磁化膜的磁阻元件的薄膜结构。同样在传统的磁阻元件中，一上部磁层41、绝缘层42以及下部磁层43按指定的顺序层叠。在该结构中，下部磁层43是由相互逆平行磁化的磁层51和52组成。通过在它们之间插入由Ru或类似元素组成的一中间层53，这些磁层51和52必须设计成一逆平行的磁化状态。作为中间层53的Ru薄膜的薄膜厚度大约为0.7nm。薄膜厚度的允许范围仅为±0.1nm，这导致一窄的制造余量和低产量。相反，本发明的磁阻元件不要求这样一种中间层，在简单的制作过程和制造余量上有优势。
对于如图12中所示的磁阻元件，图14示出了作为横坐标x的函数的图12的泄漏磁场。图14示出了在磁层2上点1nm处的垂直于薄膜表面的一磁场，该磁层2是由0.2μm的两层薄膜形成，一20nm厚的稀土铁族合金其中稀土元素是主要的(RE充足)且磁化强度是20emu/cc，和一30nm厚的稀土铁族合金其中铁族元素是主要的(TM充足)且磁化强度是20emu/cc。至多只有500e(3.98×103A/m)的磁场被施加。
至于如图12中所示的磁阻元件，图15示出了在磁层2上点1nm处垂直于薄膜表面的一磁场，该磁层2由0.2μm的两层薄膜形成，一50nm厚的稀土铁族合金其中RE是充足的且磁化强度是50emu/cc，以及一1nm厚的Co薄膜(磁化强度大小1,000eum/cc)。至多只有2500e的磁场(19.9×103A/m)被施加。
至于如图12中所示的磁阻元件，图16示出了在磁层2上点1nm处垂直于薄膜表面的一磁场，该磁层2由0.2μm的两层薄膜形成，一50nm厚的稀土铁族合金其中RE是充足的且磁化强度是50emu/cc，以及一1nm厚的Co薄膜(磁化强度大小800emu/cc)。至多只有1700e的磁场(13.5×103A/m)被施加。
作为一比较的例子，图17示出了在一传统元件(见图3A和3B)上的薄膜表面1nm的横向中的一泄漏磁场，该传统元件由一0.2μm层叠薄膜的一纵向磁化薄膜形成，其中层叠薄膜是由Co(薄膜厚度4nm)、Ru(薄膜厚度0.7nm)以及Co(薄膜厚度3nm)组成。Co的磁化强度是1,000emu/cc。约1,0000e(79.6×103A/m)的磁场在端面被施加。
图18示出了与如图17中所示的相同结构存在0.2μm×0.6μm大小差异的在一传统元件中的泄漏磁场。即使具有一矩形尺寸，约5000e(39.8×103A/m)的一磁场在端面被施加。在纵向磁化薄膜中，磁化转换是由磁化方向中的自旋运动确定的。在端面上的一泄漏磁场主要有助于磁化转换。例如，泄漏的磁场假定增加一偏置磁场。
尽管未示出，但在磁层2上的点1nm处，由一垂直磁化薄膜形成的单层薄膜具有4000e(31.8×103A/m)或更大的磁场，该磁层2是由50nm厚的稀土铁族合金的一0.2μm的单层薄膜形成，其中磁化强度是120emu/cc。因此一大的磁场被施加于作为一低的矫顽力层的磁层1。(第八实施例)上面描述的本发明的磁阻元件采用一磁场生成装置，用于生成一垂直磁场。通过使用磁场生成装置，信息被记录在磁阻元件上。该磁阻元件能用作一存储元件。例如，如图19A和19B所示，通过一绝缘薄膜(未示出)，写线900被安排到靠近该磁阻元件。绝缘薄膜被安排来防止磁阻元件和写线间的电接触。
写线900在一垂直薄层表面方向上延伸。在图19A中，一电流流向薄层表面来改变向上的磁层1的磁化。在图19B中，在一向前的方向中，一电流从薄层表面沿前向流动以改变向下的磁层1的磁化。
如上所述，与使用一传统的纵向磁化薄膜的元件和使用一传统的垂直磁化薄膜的元件相比，本发明的磁阻元件能大大地减少一泄漏的磁场。(第九实施例)图26A和26B是根据第九实施例，表示一磁阻元件的结构的示意性剖视图。在第九实施例中，其磁化彼此逆平行的磁层111和113形成在作为一低矫顽力层的磁层112之上和之下。磁阻元件是由作为垂直磁化薄膜的磁层112、111和113构成。另外，一非磁性导电薄膜114插入到磁层112和111之间，而一非磁性介电薄膜115被插入到磁层112和113之间。磁层111和113的磁化方向相互逆平行。在这种情况下，磁层111可被向上磁化，且磁层113可被向下磁化，如图26A所示。作为选择，磁层111可被向下磁化，而磁层113可被向上磁化，如图26B所示。尽管磁层112的磁化方向未示出，在图26A和26B中，根据在垂直磁化薄膜中写入的数据，磁层112被向上或向下磁化。
通过将磁层111和113的磁化方向设置为相互逆平行，作用于磁层112和111之间的一磁静磁耦合力以及作用于磁层112和111之间的静磁耦合力相互抵消。在低矫顽力层中的记录信息中从其磁化将被改变的磁层112泄漏到另一磁层的磁场的影响将被减少，不管磁层112的磁化方向将被从向上的方向改变到向下的方向还是从向下的方向改变到向上的方向。通过具有相同大小的磁场，磁层112的磁化方向将被向上或向下转换。
用作磁层111、112和113的垂直磁化薄膜的例子是人造晶格薄膜如一贵金属的过渡金属薄膜，一人造晶格薄膜如CoCr或稀土金属过渡金属薄膜或它们的合金。这些垂直磁化薄膜中，稀土金属过渡金属合金能容易地获得具有一矩形比为1的一磁化曲线，并能容易制造。对于使用一垂直磁化薄膜的一磁阻薄膜，该稀土金属过渡金属合金最好是作为一个磁层。在稀土金属过渡金属合金中的稀土金属最好由从含有Gd、Dy和Tb的组中选出的至少一种元素组成。过渡金属最好由从含有Co、Fe和Ni的组中选出的至少一种元素组成。特别是，Gd最好作为用作其磁化转换磁场必须很小的磁层112的稀土金属。
各种材料可用作非磁导电薄膜114。可使用许多材料如Pt、Au、Ag、Ru、Zn、Si、In、Sn、Pb、Ta、Ti、W、Cu和Al。诸如SiO2和Al2O3的材料能被用作非磁性介电薄膜115。最好使用Al2O3，因为它提供一大的磁阻改变。在第九实施例中记录在磁阻薄膜上的信息通过垂直流过薄膜表面的电流和使用当电子隧道通过非磁性介电薄膜115时依据其自旋生成的一磁阻而被读出。通过发生在非磁性导电薄膜114和磁层111和112间的接口和在磁层111到113中的自旋相关散射，磁阻也被改变。然而，通过自旋相关散射改变的磁阻小于由自旋相关隧道引起的磁阻改变。在磁阻薄膜中观察到的磁阻改变能被看作为由自旋相关隧道引起。由自旋相关散射改变的磁阻能够被忽略。
在磁阻率方面，使用一稀土金属过渡金属合金的磁阻薄膜小于仅使用一过渡金属的磁阻薄膜。这是因为在这种金属和非磁性介电薄膜间的接口处的稀土金属不具有任何高自旋极化率。通过将具有一高自旋极化率(高自旋极化率磁层)的一磁层转换耦合到由一稀土金属和过渡金属组成的一磁层能够增加该磁阻率，如EP1,045,403中公开的那样。具有一高自旋极化率的磁层材料的例子是过渡金属如Fe、Co和它们的合金。因为它的高自旋极化率，FeCo合金是最适用的。注意一过渡金属薄膜未显示出垂直磁化。通过将过渡金属薄膜转换耦合到一垂直磁化薄膜，磁化必须做成垂直于薄膜表面。该薄膜结构也能被应用到本发明的磁阻薄膜。基于本发明的磁阻薄膜将被说明，其中插入一种高自旋极化率的磁层作为一薄层。
如图27所示的磁阻薄膜通过如图26A和26B所示的在磁阻膜中的非磁性介电薄膜和磁层113间插入一种高自旋极化率的磁层120来实现。如图28所示的磁阻薄膜通过在磁层112和非磁性介电薄膜115间插入一高自旋极化率磁层119来实现。用这种方法，高自旋极化率磁层能被形成在非磁性介电层115和磁层12或113间的接口处。另外，如图29所示，高自旋极化率磁层119和120能被形成在非磁性介电薄膜115的上和下表面。在两个表面上形成该高自旋极化率磁层产生一更大的磁阻改变。
Fe、Co或FeCo合金具有一相对大的磁化强度。当高自旋极化率磁层被形成在非磁性介电薄膜的接口处时，如上所述，来自于这些磁层的作用于磁层112的静磁耦合力不能被忽略。作为解决该问题的一种方法，另一高自旋极化率磁层被形成在设置得与非磁性介电层接触的高自旋极化率磁层的磁层112对称的位置上。来自排列在磁层112的对称的位置上的两个高自旋极化率磁层的相反的静磁耦合力充当磁层112。显然，没有静磁耦合力作用于磁层112。其中高自旋极化率磁层被排列在磁层112的对称位置的磁阻薄膜将被描述。
在如图30所示的磁阻薄膜中，高自旋极化率磁层117被插入在非磁性导电薄膜114和磁层111间。高自旋极化率磁层117和120存在于磁层112的对称的位置上。在如图31所示的磁阻薄膜中，一高自旋极化率磁层118被插入在非磁性导电薄膜114和磁层112间。高自旋极化率磁层118和129存在于磁层112的对称的位置上。在如图32所示的磁阻薄膜中，高自旋极化率磁层117被插入在非磁性导电薄膜114和磁层111之间。高自旋极化率磁层118被插入在非磁性导电薄膜114和磁层112之间。高自旋极化率磁层117和118以及高自旋极化率磁层120和119存在于磁层112的对称的位置上。
在第九实施例的磁阻薄膜中，磁层111和112间以及磁层113和112间的静磁耦合力必须在相反方向中彼此几乎相等。这种平衡最好保持不变，即使在磁阻薄膜的温度有变化时。通过完全相似地形成磁层111和113能很容易地实现这种特性。即，磁化的温度改变在具有相同组成的磁层间是相同的。在磁层111和113及磁层112间的静磁耦合力保持相同的平衡，即使在温度上有变化。
第九实施例的磁阻薄膜被用作为一存储元件。用于在这种磁阻薄膜(存储元件)中记录信息的装置和用于读出记录在磁阻薄膜上的装置被设置。这能实现在写中要求一小电流的一存储器并能减少能量消耗。用于记录信息的装置的最好的例子是由流过导线的一电流产生的一磁场。用于读出记录的信息的装置的最好的例子是用于当恒定电流流过该存储元件时，检测通过该存储元件的电压的电路。(第十实施例)在第十实施例中，具有如图26A和26B所示结构的磁阻薄膜的更详细的结构将被描述。一Si晶片(硅衬底)被用作为一衬底。Tb20(Fe60Co40)80薄膜被溅射为30nm厚的一薄膜作为在薄膜形成容器中的衬底上的一磁层113。使用Al2O3目标，一非磁性介电薄膜115被溅射为1.5nm厚的一薄膜。获得的薄膜在氧气中被等离子体氧化来补偿在非磁性介电薄膜115中遗漏的氧原子。相应地，非磁性介电薄膜115被转换成Al2O3组成。抽空被充分执行，然后作为一磁层112的30nm厚的Gd21(Fe60Co49)79薄膜、作为一非磁性导电薄膜114的1.5nm厚的Al薄膜、作为一磁层111的30nm厚的Tb20(Fe60Co49)80薄膜、以及作为一保护薄膜的2nm厚的Pt薄膜通过溅射依次形成。在磁层111和113的形成中，磁场被垂直该衬底施加以便在预定的方向中磁化磁层111和113。在磁层111的形成中施加的磁场的方向和在磁层113形成中施加的磁场的方向彼此逆平行。被施加到磁层111的磁场在大小上小于到磁层113的磁化转换磁场。在薄膜形成过程中施加这样的磁场能使磁化层111和113的磁化方向彼此逆平行。
一0.5μm的抗蚀膜形成在合成的多层薄膜上。未被抗蚀层覆盖的部分多层薄膜通过干腐蚀被消除。在腐蚀后，Al2O3薄膜被溅射成100nm厚的薄膜。在其上的抗蚀层和Al2O3薄膜被消除，并且用于电隔离上部电极与Si晶片的绝缘膜被形成。通过发射(lift-off)方法，由一Al薄膜形成上部电极。未被上部电极覆盖的Al2O3薄膜部分被消除以形成用于连接一测量电路的一电极基座。作为结果，磁阻薄膜被完成。
恒定电流源被连接在磁阻薄膜的上电极和下电极(Si晶片)间。恒定电流如此流过以便引起电子通过磁阻介电薄膜115的Al2O3薄膜。一磁场被垂直磁阻薄膜的薄膜表面施加。磁场的大小和方向被改变以便测量磁阻薄膜的电压变化(磁阻曲线)。注意所施加的磁场的大小被设置为小于磁层111或113的磁化转换磁场。磁层111和113的磁化方向被固定，并且只有磁层112的磁化方向能改变。测量结果显示出在加到磁阻薄膜的电压下降时的外部施加磁场与在电压升高时的外部施加磁场间几乎观察不到差异。换句话说，磁化转换所需的外加磁场依赖由另一磁层泄漏的磁场，即由一泄漏磁场生成的偏置磁场引起的磁化转换方向而改变的现象在该磁阻薄膜中得到抑制。(第十一实施例)在第十一实施例中，具有如图32所示的结构的磁阻薄膜的结构将详细地描述。Si晶片(硅衬底)被用作为一衬底。通过在一薄膜形成容器溅射，用作一磁层113的30nm厚的Tb20(Fe60Co40)80薄膜以及用作一高自旋极化率的磁层120的1nm厚Fe60Co40的薄膜被依次形成在衬底上。使用一Al2O3目标，非磁性介电薄膜115被溅射为1.5nm厚的一薄膜。获得的薄膜在氧气中被等子氧化以补偿在非磁性介电薄膜115中遗漏的氧原子。相应地，非磁性介电薄膜115被转换成Al2O3组成。抽空被充分执行，然后作为一高自旋极化率的磁层119的1nm厚的Fe60Co40薄膜、作为一磁层112的50nm厚的Gd21(Fe60Co40)79薄膜、作为一高自旋极化率的磁层118的1nm厚的Fe60Co40薄膜、作为一非磁性导电薄膜114的1.5nm厚的Al薄膜、作为一高自旋极化率的磁层117的1nm厚的Fe60Co40薄膜、作为一磁层111的30nm厚的Tb20(Fe60Co40)80薄膜、以及作为一保护薄膜的2nm厚的Pt薄膜通过溅射依次形成。
在磁层111和113的形成中，磁场被垂直于该衬底施加以便在预定的方向中磁化磁层111和113。在磁层111的形成中施加的磁场的方向和在磁层113形成中施加的磁场的方向彼此逆平行。被施加到磁层111的磁场在大小上小于施加到磁层113的磁化转换磁场。在薄膜形成过程中的这样的磁场能使磁化层111和113的磁化方向彼此逆平行。高自旋极化率磁层120被转换耦合到磁层113；高自旋极化率磁层117耦合到磁层111；以及高自旋极化率磁层118和119耦合到磁层112。高自旋极化率磁层117至120的磁化垂直于薄膜表面取向。高自旋极化率磁层119和120被形成为以获得一高磁阻率。高自旋极化率磁层117和118是用于调整静磁耦合力的磁层，并且不影响自旋极化率。
在得到的多层薄膜上形成0.5μm的抗蚀膜。未被抗蚀膜覆盖的部分多层薄膜通过干腐蚀被消除。在腐蚀后，Al2O3薄膜被溅射成120nm厚的薄膜。在其上的抗蚀层和Al2O3薄膜被消除，并且用于电隔离上电极与Si晶片的绝缘膜被形成。通过发射方法，由一Al薄膜形成上电极。未被上电极覆盖的Al2O3薄膜部分被消除以形成用于连接一测量电路的电极基座。作为结果，磁阻薄膜被完成。
恒定电流源被连接在磁阻薄膜的上电极和下电极(Si晶片)间。恒定电流如此流过以便引起电子通过非磁介电薄膜115的Al2O3薄膜。一磁场被垂直于磁阻薄膜的薄膜表面施加。磁场的大小和方向被改变以便测量在磁阻薄膜的电压变化(磁阻曲线)。注意所施加的磁场的大小被设置为小于磁层111或113的磁化转换磁场。磁层11 1和113的磁化方向被固定，并且只有磁层112的磁化方向能改变。测量结果显示出在加到磁阻薄膜的电压下降时的外部施加磁场与在电压升高时的外部施加磁场间几乎观察不到差异。换句话说，磁化转换所需的外加磁场依赖磁化转换方向而改变的现象在该磁阻薄膜中得到抑制。(第十二实施例)当一晶体管、布线层、以及类似元件形成在一Si晶片上后，具有上面实施例中描述过的薄膜结构的磁阻薄膜被形成。磁阻薄膜被处理成九个存储元件的3×3阵列，从而构成一存储单元阵列。通过由流通一导体的一电流生成的磁场，信息被记录在存储元件上。图33示出了用于施加一记录磁场的电路。图34示出了一读电路。图33和34是表示当从上看时的Si晶片的平面图。在磁阻薄膜中的磁化方向与垂直于薄片表面的方向一致。实际上，如图33和34中所示的布局通过多层技术形成在存储单元阵列中。
选择性地改变选定的存储元件(磁阻薄膜)的磁膜的磁化的方法将被说明。
如图33所示，九个存储元件(磁阻薄膜)101至109在存储单元阵列中按3×3矩阵排列。第一写线311-314在行方向上延伸以便把存储元件的各行夹在中间。图33中的写线311-314的左端一般被连接。在图33中它们的右端被各自连接到用于将写线311-314连接到电源411的晶体管211至214，以及用于将写线311至314连接到一布线300的晶体管215-218。第二写线321-324在列方向延伸，以便把存储元件的各个列夹在中间。图33中的写线321-324的上端一般被连接。图33中它们的下端被分别连接到用于将写线321-324接地的晶体管219-222，以及用于将写线321-324连接到布线300的晶体管223-226。
例如，为选择性地改变磁阻薄膜105的磁化，晶体管212、217、225及220被导通，并且剩余的晶体管被关断。然后，一电流流过写线312、313、323和322以感应围绕它们的磁场。在这种状态下，在相同方向上的磁场被从四条写线仅仅施加到磁阻薄膜105。剩余的磁阻薄膜仅接收来自两条写线的在相同方向上的磁场或接收在相反方向上的磁场以有效地抵消磁场。施加到剩余磁阻薄膜的磁场小于施加到磁阻薄膜105的磁场。当从四条写线在相同方向上施加磁场时的综合磁场被调整为稍大于存储元件(磁阻薄膜)的磁膜的磁化转换磁场。这种调整允许选择性地仅改变磁阻薄膜105的磁化。为将与上面描述的磁场相反的磁场施加到磁阻薄膜105，晶体管213、216、224及221被导通，以及剩余的晶体管被关断。然后，在上面提及的相反的方向上，一电流流过写线312、313、323和322。在相反方向上的磁场被施加到磁阻薄膜105。因此，二进制信息的其它信息被记录在磁阻薄膜105上。
下面将描述读操作。如图34所示，用于将存储元件接地的晶体管231-239中的一个被串联地形成在每一个存储元件(磁阻薄膜)101至109的一个端子上。位线331-333形成在各自的行上。在图34中的位线331-333的右端连接到用于通过一固定电阻器150，将位线连接到一电源412的晶体管240-242上。位线331被连接到磁阻薄膜101-103的每一个的另一端子上。位线332被连接到磁阻薄膜104-106的每一个的另一端子上。位线333被连接到磁阻薄膜107-109的每一个的另一端子上。图34中所示的位线331-333的左侧端子通常连接到用于放大这些位线电势和参考电压Ref间的差异的读出放大器500上。字线341-343形成在各自列上。字线341被连接到晶体管231、234和237的栅极。字线342被连接到晶体管232、235和238的栅极。字线343被连接到晶体管233、236和239的栅极。
例如，记录在磁阻薄膜105上的信息被读出。在这种情况下，晶体管235-241被导通以形成一电路，其中电源412、固定电阻器150以及磁阻薄膜105串联连接。电源电压按固定电阻器150和磁阻薄膜105间的阻值比率，被分成固定电阻器105的阻抗与磁阻薄膜105的阻抗。由于电源电压是固定的，磁阻薄膜的阻抗变化改变施加到磁阻薄膜中的电压。通过读出放大器500，该电压值被读出，因此读出记录在磁阻薄膜105上的信息。
图35示意性地表示该存储元件1位外围部分的三维结构。图35表示在图33和34中磁阻薄膜105的附近。例如，两个n型扩散区162和163形成在p型Si基片161中。通过一绝缘层123，字线342(栅电极)形成在n型扩散区162和163间。通过一接触插头351，地线356连接到n型扩散区162。通过接触插头352、353、354和357及局部布线358，磁阻薄膜105被连接到n型扩散区163。通过一接触插头355，该磁阻薄膜105被连接到位线332。用于生成一磁场的写线322和323被排列在磁阻薄膜105旁。(第十三实施例)在第十三实施例中，通过从至少两个方向，即当信息被记录时从垂直于薄膜表面的方向和一纵向方向，将磁场施加到一磁阻元件，磁化被改变。图36示出了包括一存储单元阵列的一存储电路布置。在该存储器中，通过将一纵向磁场和垂直磁场施加到一所需的存储元件，信息被记录。纵向磁场是由流经一位线的电流生成的。在第十一实施例的存储单元阵列中，一信息写电路和读电路彼此电分离。在第十三实施例中描述的存储阵列中，一写电路和读电路共享一位线。
作为用于记录信息的一种排列，九个存储元件(磁阻薄膜)101至109在存储单元阵列中按3×3矩阵的形式排列，如图36所示。写线611至614在行方向上延伸以便将存储元件的各个行夹在中间。图36中的写线611-614的上端被公共地连接。图36中它们的下端各自连接到用于将写线611-614连接到一电源411的晶体管511到514上，以及用于将写线611-614连接到一布线600的晶体管515-518上。
作为用于读出信息的一种排列，用于使存储元件接地的晶体管531-539中的一个以串联的方式形成在存储元件(磁阻薄膜)101至109的每一个的一端。位线631至633形成在各自的行上。图36中的位线631-633的右端连接到通过一固定电阻器150用于将位线631-633连接到一电源412的晶体管540-542，以及用于将位线631-633连接到一布线600的晶体管521-523。位线631被连接到磁阻薄膜101至103的每一个的另一端。位线632被连接到磁阻薄膜104至106的每一个的另一端。位线633被连接到磁阻薄膜107至109的每一个的另一端。图36中的位线631至633的左端通常通过一晶体管551连接到用于放大这些位线的电势和参考电压Ref间的差异的一读出放大器500。而且，其左端通过一晶体管624连接到地电势。字线641至643形成在各自列上。字线641连接到晶体管531、534和537的栅极。字线642被连接到晶体管532、535和538的栅极。字线643被连接到晶体管533、536和539的栅极。
一种选择性地转换一选定的存储元件的磁膜的磁化的方法将被描述。例如，选择性地转换磁阻薄膜105的磁化，晶体管512、517、522及524被导通，以及剩余的晶体管被关断。然后，一电流流过写线612和613以将磁场垂直施加到磁阻薄膜105的薄膜表面。一电流也流过位线632，以及一产生的磁场被施加到磁阻薄膜105的薄膜表面。磁阻薄膜105接收薄膜表面中的磁场以及与薄膜表面垂直的相对大的磁场，因此，转换磁阻薄膜105的磁化。剩余的磁阻薄膜101至104以及106至109不接收与施加到磁阻薄膜105一样大的任何磁场。它们的磁化方向能保持不变。通过适当地设置电流的大小，只有磁阻薄膜105的磁化能被改变。为将与上面所述的相反的磁场施加到磁阻薄膜105，晶体管513、516、522以及524被导通，以及剩余的晶体管被关断。然后，一电流流过位线632以便将一纵向磁场施加到磁阻薄膜105。同时，在相反方向中的电流流过写线613和612以便将一与薄膜表面垂直的磁场施加到磁阻薄膜105。因此二进制信息的其它信息被记录在磁阻薄膜105上。
下面将描述读操作。例如，记录在磁阻薄膜105上的信息将被读出。在这种情况下，晶体管535至541被导通以形成一电路，其中电源412、固定电阻150和磁阻薄膜105串联。电源电压按固定电阻150和磁阻薄膜105的阻值间的比率被分成固定电阻150的阻值和磁阻薄膜105的阻值。由于电源电压是固定的，磁阻薄膜的阻值变化改变施加到磁阻薄膜的电压。通过读出放大器500，该电压值被读出，因此读出记录在磁阻薄膜105上的信息。
(比较例子)在如图29中所示的磁阻薄膜中，不需形成磁层111而构成磁阻薄膜。Si晶片(硅衬底)被用作一衬底。用作为一磁层113的30nm厚的Tb20(Fe60Co40)80薄膜以及用作为一高自旋极化率磁层120的1nm厚的Fe60Co40薄膜在薄膜形成容器中通过溅射依次形成在衬底上。通过使用一Al2O3目标，一非磁性介电薄膜被溅射到一1.5nm厚的薄膜上。所获得的薄膜在氧气中被等离子氧化以补偿在非磁性介电薄膜115中遗漏的氧原子。相应地，非磁性介电薄膜115被转换成Al2O3组成。抽空被充分执行，然后用作为一高自旋极化率磁层119的1nm厚的Fe60Co40薄膜、用作为一磁层112的50nm厚的Gd21(Fe60Co40)79薄膜，以及用作为一保护薄膜的2nm厚的Pt薄膜通过溅射依次形成。在这种情况下，当其矫顽力小于该磁层的矫顽力的一磁场被垂直地施加到衬底时，形成磁层113；高自旋极化率磁层120被转换耦合到磁层113；以及高自旋极化率磁层119被转换耦合到磁层112。高自旋极化率磁层119和120的磁化垂直地取向到薄膜表面。高自旋极化率磁层119和120被形成以获得一高磁阻比率。
一0.5μm的抗蚀薄膜形成在得到的多层薄膜上。未被抗蚀层覆盖的部分多层薄膜通过干腐蚀被消除。在腐蚀后，Al2O3薄膜被溅射成90nm厚的薄膜。在其上的抗蚀层和Al2O3薄膜被消除，并且用于电隔离一上电极与Si晶片的绝缘膜被形成。通过发射方法，由一Al薄膜形成上电极。未被上电极覆盖的Al2O3薄膜部分被消除以形成用于连接一测量电路的电极基座。作为结果，比较例子的磁阻薄膜被完成。
恒定电流源被连接在磁阻薄膜的上电极和下电极(Si晶片)间。恒定电流如此流过以便引起电子通过非磁性介电薄膜115的Al2O3薄膜。一磁场被垂直地加到磁阻薄膜的薄膜表面。磁场的大小和方向被改变以便测量在磁阻薄膜的电压变化(磁阻曲线)。测量结果显示出当加到磁阻薄膜上的电压下降时的外加磁场比当加到磁阻薄膜上的电压升高时的外加磁场小约1.5kA/m。换句话说，该磁阻薄膜受到这一现象的影响，其中用于改变磁化所需的一外加磁场根据磁化转换方向，即在从作为一高矫顽力磁层的磁层113泄漏的磁场的影响下产生的偏置磁场而变化(第十四实施例)图37A和37B是根据第十四实施例，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，并具有比一纵向磁化薄膜的磁化强度更小的一磁化强度。该垂直的磁化薄膜被用作为一磁层以形成一双隧道磁阻元件。在这种情况下，通过每一层叠的磁层的磁化施加到另一磁层的一磁场大小能被减少。特别是，从一高矫顽力磁层泄漏到一低矫顽力磁层的一磁场可被减少。一逆平行磁化状态能轻易地实现。另外，通过用一泄漏的磁场偏置一MH曲线的一偏置磁场的转换量能被减少。移位磁场(偏置磁场)的减少表示对转换磁场的增加的抑制。将该磁阻元件作为一MRAM的存储元件的使用能抑制电源消耗并能抑制对一相邻的存储单元的错误的写操作。在图37A和37B了中，箭头表示磁层的磁化方向。图37A和37B表示磁阻元件的两个稳定的磁化状态。
磁阻元件是由垂直磁化到一薄膜表面的顺序层叠的一磁层111、一第一非磁性层N1、垂直磁化到薄膜表面的一磁层112、第二非磁性层N2以及垂直磁化到薄膜表面的一磁层113制造的。在图37A的状态中，所有磁层均向上磁化。在图37B的状态中，只有磁层112向下磁化。非磁性层N1和N2由绝缘层组成。非磁性层N1和N2足够厚使得流过一隧道电流，并且隧道电阻值依靠自旋隧道效应改变。在这种情况下，两个非磁性层被用作绝缘层，并且每一磁层是由一垂直磁膜形成。该磁阻元件能被看作一双隧道垂直磁化MR元件。当在该元件的薄膜厚度的方向中流过一电流时，在图37A的状态中电阻是很小的这是因为磁化彼此平行，但在图37B中很大这是因为磁层111和112的磁化是彼此逆平行且磁层112和113的磁化也是彼此逆平行。
在包括两个绝缘层的TMR元件中，象第十四实施例，应用到元件的顶部和底部的电压的1/2电压被加到每一绝缘层。从这可以看出，它更适合于MRAM的存储元件以降低与MR比率有关的偏置电压和抑制在MR比率中的减少。
如图37B中所示的其中仅有磁层112的磁化方向改变的一磁化状态能通过将磁层111和113的矫顽力设置成高于磁层112的矫顽力来实现。更准确地说，大于111和112的矫顽力的一磁场被施加到元件上以调整这些磁层的方向。在那之后，一更小的磁场被用于改变磁层112的磁化方向。在该元件中，由自旋隧道效应导致的元件电阻值通过一外部磁场通过改变磁层112的磁化方向来增加/减少。
磁层111和113在相同方向中被磁化，以及磁层112的磁化方向根据记录的信息来改变。在读中，电阻值被检测。以这种方式，磁阻元件能充当一存储元件。
相反，如果磁层111和113的矫顽力被设定成小于磁层112的矫顽力，磁层111和113的磁化方向通过一外部磁场被改变，而磁层112的磁场方向是固定的，如图38A和38B所示。这能实现如图38A的一低阻状态以及如图38B所示的高阻状态。
磁层111和113的磁化方向根据记录的信息可被改变，并且磁层112的磁化方向在读中可被改变。用这种方法，磁阻元件充当一存储元件。更准确地说，磁层111和113的矫顽力被设置成高于磁层112的矫顽力，以及通过微分检测方法读出该信息。图39A1、39A2、39B1、39B2表示在该时间的磁化状态。在图39A1和39A2中，磁层111和113是向上磁化，且与“1”一致的信息被记录。在图39B1和39B2中，磁层111和113是向下磁化，且与“0”一致的信息被记录。这两磁化方向与二进制数据“0”和“1”相符。图39A1和39A2的区别是磁层112的磁化方向。图39B1和39B2的区别也是磁层112的磁化方向。在任何情况下，在再观信息中，向上的磁场被加到该元件，然后向下的磁场也被施加。在该时间的磁场被设置成大于磁层112的矫顽力而小于磁层111和113的矫顽力以便仅转换磁层112的磁化。当通过向上磁化磁层111和113记录信息时，电阻从一高电阻改变为一低电阻。当通过向下磁化磁层111和113记录信息时，电阻从一低电阻改变为一高电阻。在电阻中象这种改变能被检测以读出记录的信息。
可替换地，磁层112的磁化方向可能是固定的，磁层111和113的磁化方向可能根据记录的信息而改变，并且电阻值可能在读中被检测。同样在这种情况中，磁阻元件充当一存储元件。
该例子如图40A1、40A2、40B1和40B2所示。图40A1和40A2表示一种状态，其中磁层112被向上磁化。在图40B1和40B2中，通过向下磁化磁层112，信息被记录。图40A1和40A2的状态与二进制数据“0”和“1”中的一个一致，而图40B1和40B2的状态与另一个一致。
同样在该例子中，向上的磁场被施加到该元件，然后一向下磁场被施加。在该时间的磁场被设置为小于磁层112的矫顽力而大于磁层111和113的矫顽力以便转换磁层111和113的磁化而不改变磁层112的磁化。电阻值的改变能被检测以读出记录的信息。(第十五实施例)在第十四实施例的结构中，磁层111和113由一稀土过渡金属合金所做的亚铁磁体组成。磁层111和113的综合磁化方向是彼此逆平行。这种结构能减少泄漏到磁层112的磁场，并更适合于减少与MR比率相关的偏置。图41A和41B表示该元件结构。在图41A和41B中，在磁层111和113中的箭头中，每一外部外箭头表示包括稀土元素和过渡金属的子晶格磁化的整个磁层的综合的磁化方向。每一内部实箭头表示影响磁化效应的过渡金属的子晶格磁化方向。
例如，通过由一稀土铁族合金薄膜形成磁层111，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的，以及由一稀土铁族合金薄膜形成磁层113，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的，来准备磁阻元件。稀土铁族合金薄膜是一亚铁磁体，其中稀土元素和铁族元素的子晶格磁化彼此逆平行。这些子晶格磁化间的区别是净磁化强度。铁族元素的子晶格磁化主要由该磁阻引起。通过将一磁层调整为铁族元素的子晶格磁化是主要的一组成和将另一磁层调整为稀土元素的子晶格磁化是主要的一组成，由磁阻引起的净磁化强度和磁化方向能被做成彼此逆平行。
换句话说，磁层111可被设置为其中稀土元素的子晶格磁化是主要的一组成，而磁层113可能被设置为铁族元素的子晶格磁化是主要的一组成。
非磁性层N1和N2能由良导体如Cu组成以产生成一GMR效应(巨大磁阻效应)，或一绝缘体如Al2O3以便生成一自旋隧道效应。自旋隧道效应显示一磁阻率大于GMR效应的磁阻率并允许设置适用于一MRAM的存储单元的一电阻值。最好导致该自旋隧道效应。即，第一非磁性层N1和第二非磁性层N2均要求用一绝缘层组成。
任何材料的薄膜均能被使用只要该薄膜被垂直地磁化到该薄膜表面且产生磁阻效应。这种薄膜的例子是上述的稀土铁族合金薄膜、一CoCr合金薄膜以及一柘榴石薄膜。这些材料中，稀土铁族合金是最好的因为在薄膜形成后该合金在常温下很容易被改变成一垂直磁化薄膜并不受任何结晶晶界的不利影响。所有的磁层111、112和113最好是由一亚铁磁体薄膜组成，该亚铁磁体薄膜是由稀土元素和铁族元素的合金组成。
稀土铁族合金薄膜的例子是GdFe、GdFeCo、TbFe、TbFeCo、DyFe以及DyFeCo。在指定的顺序中，这些磁膜的垂直磁各向异性大于包括Gd、Dy和Tb的薄膜。为具有一高矫顽力的层，最好使用TbFe或TbFeCo。为具有一低矫顽力的层，最好使用GdFe或GdFeCo。
每一磁层的薄膜厚度要求落在2nm至1μm的范围内。这是因为比2nm厚的一薄膜很难在一个方向保持它的磁化。比1nm厚的薄膜很难处理，以及它的粗糙度增加使一隧道阻挡层短路。由于在这种方式制造过程中的问题上升，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。
图42A和42B示出了使用由稀土元素和铁族元素的合金组成的一亚铁磁薄膜的一磁阻元件的磁化状态。在磁层111和113中的每一实线表示铁族元素TE)的子晶格磁化方向；每一虚线表示稀土元素(RE)的子晶格磁化方向。图42A和42B表示当磁层111和113的矫顽力高于磁层112的矫顽力、磁层111和113的磁化方向是固定的以及磁层112的磁化方向被改变时的情况。
至于交换耦合力，铁族元素的耦合力大于稀土元素的耦合力。铁族元素主要用于磁层间的交换耦合力。在图42A中，铁族元素的子晶格磁化是平行的，由于自旋隧道效应，电阻很低。在图42B中，在磁层111和112间以及磁层112和113间的磁化状态彼此逆平行，并且电阻很高。
图43A和43B表示当磁层112的矫顽力很高，它的磁化方向是固定的，以及磁层111和113的磁化可被改变时的情况。
在第十五实施例中，所有的磁层111、112和113最好由亚铁磁薄膜组成，该亚铁磁薄膜是由一稀土元素和铁族元素的合金组成的。
如上所述，具有高自旋极化率的磁层形成在一磁层的两面上以便增强磁阻效应，以及特别是自旋隧道效应并且增加磁阻比率。对自旋隧道效应来说，增加磁阻比率的磁膜是指具有一高自旋极化率的薄膜。具有一高自旋极化率的磁层要求形成在每一磁层和一相应的磁层之间的至少一部分上。
磁耦合包括交换耦合和静磁耦合。在这些耦合中，交换耦合一律在薄膜表面起作用而不是形成磁层间的一非磁化层。与磁耦合相比，更需要交换耦合。
具有一高自旋极化率的磁层的薄膜厚度按原子次序落在10nm的范围内，并且最好在1nm-5nm的范围内。具有一高自旋极化率的材料的例子是铁磁材料如Fe、Co以及FeCo。由于大的磁化，这些材料具有在薄膜表面内通过一磁场容易被磁化的特性。较薄的薄膜更容易被垂直磁化以便交换耦合磁层111、112及113并垂直磁化它们。
图44表示具有一高自旋极化率的这样一种磁层的一磁阻元件。该磁阻元件是通过在磁层111和第一非磁性层N1间形成一高自旋极化率材料层M1、在第一非磁性层N1和磁层112间形成一高自旋极化率材料层N2、在磁层112和第二非磁性层N2间形成一高自旋极化率材料层N3，以及在第二非磁性层N2和磁层113间形成一高自旋极化率材料层M4来组成。
作为高自旋极化率材料层M1-M4，可使用Co、Fe、CoFe或类似材料层。在这些材料中，CoFe最能达到一高MR比率。当这些材料被单独用于薄膜形成时，最后的薄膜是一纵向磁化膜。因此，最好用这样一种材料来形成一薄膜，将该薄膜交换耦合到磁层111、112或113，并获得一垂直磁化膜。(第十六实施例)基于本发明的上述实施例的每一个的磁阻元件采用一磁场生成装置来生成一垂直磁场。通过使用该磁场生成装置，信息被记录在磁阻元件上。该磁阻元件能充当一存储元件。例如，如图45A和45B所示，通过一绝缘层(未示出)，写线900被安排在磁阻元件的附近。安排该绝缘层以防止磁阻元件和写线间的电连接。
写线900在一方向上垂直延伸到薄片表面。在图45A中，一电流流向该薄片表面以改变向上的磁层2的磁化。在图45B中，电流从薄片表面沿正面方向流动中以改变向下的磁层2的磁化。
为构成一存储装置(MRAM)，由如上所述的存储元件形成的存储单元按矩阵排列。最好配置一转换元件以防止存储元件间的干扰。
图46示出了具有一转换元件的存储单元阵列。图46仅示出了在存储单元阵列中的存储单元中的一个。实际上，在图46中在横向和深度方向排列着许多相同的存储单元，并且当从上看时，以矩阵排列。
在图46中，在由均是形成在一硅半导体p型衬底33中的一栅极80、源极和漏极区32和31组成的一MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)中，磁阻元件的一端被连接到漏极区31。磁阻元件的另一端被连接到读出线40。
在写/擦除记录信息中，电流流过垂直延伸到薄片表面的写线900和与该薄片表面一起延伸的位线40。结果，信息可被记录在位于这些线的交点处的磁阻元件(存储单元)中。连接到源极区32的电极70被接地。电源和读出电路各自排列在读出线40的左侧和右侧。这允许将与磁阻元件的电阻值对应的电势加到读出线上，从而检测信息。第十六实施例也能采用磁阻元件作为MRAM的存储元件，该MRAM具有与参照图33、34和36描述的电路等效的电路。
权利要求
1.一种磁阻元件，包括:一第一磁层，垂直于一薄膜平面磁化；一第二磁层，垂直于该薄膜表面磁化并且具有比所述第一磁层更高的矫顽力；一非磁性层，插入在所述第一磁层和第二磁层间；以及一第三磁层，具有比所述第一磁层更高的矫顽力且被逆平行于所述第二磁层磁化。
2.如权利要求1所述的元件，其特征在于所述第二和第三磁层中的至少一个包括一亚铁磁层。
3.如权利要求1所述的元件，其特征在于至少所述第一磁层、所述非磁性层、所述第二磁层以及所述第三磁层按该顺序形成。
4.如权利要求3所述的元件，其特征在于所述第二磁层包括一稀土铁族元素合金的一亚铁磁膜，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的，以及所述第三磁层包括一稀土铁族元素合金的一亚铁磁膜，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。
5.如权利要求3所述的元件，其特征在于所述第二磁层包括一铁磁膜，该铁磁膜包括作为一主要成分的一铁族元素，以及所述第三磁层包括一稀土铁族元素合金的一亚铁磁膜，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。
6.如权利要求2所述的元件，其特征在于亚铁磁层主要由至少一种从由Gd、Tb和Dy组成的组中选择的稀土元素和至少一种从由Fe和Co组成的组中选择的材料组成。
7.如权利要求3所述的元件，其特征在于一绝缘层被插在所述第二和第三磁层间。
8.如权利要求1所述的元件，其特征在于具有比所述第一磁层的自旋极化率高的自旋极化率的一磁层被插在所述第一磁层和所述非磁性层间。
9.如权利要求8所述的元件，其特征在于所述第一磁层包括一稀土铁族元素合金的亚铁磁膜，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的，以及具有一高自旋极化率的磁层包括含有作为一主要成分的铁族元素的一铁磁膜。
10.如权利要求1所述的元件，其特征在于从所述第二和第三磁层施加到所述第一磁层的一综合磁场在矫顽力方面小于所述第一磁层。
11.如权利要求1所述的元件，其特征在于所述非磁性层包括一绝缘层。
12.如权利要求1所述的元件，其特征在于至少所述第二磁层、所述非磁性层、所述第一磁层以及所述第三磁层按指定顺序形成。
13.如权利要求12所述的元件，其特征在于一非磁性层被插在所述非磁性层和所述第三磁性层间。
14.一存储元件，包括在权利要求1中定义的所述磁阻元件；以及磁场生成装置，用于生成垂直于所述磁阻元件的薄膜表面的一磁场；其中通过所述磁场生成装置在所述磁阻元件上记录信息。
15.一MRAM，包括一衬底；在所述衬底上的如权利要求14中定义的多个存储元件；多个转换元件，每一个转换元件具有一个端子，该端子连接到所述存储元件对应的一个端子上；以及多条位线，它们连接到所述存储元件，并读出由所述磁场生成装置所记录的信息。
16.一种用于如权利要求15中所定义的所述MRAM的记录/再现方法，包括以下步骤固定所述存储元件的所述第二和第三磁层的磁化，改变所述第一磁层的磁化方向以便记录信息，并且依据所述第一磁层的磁化方向，读出一电阻值以便再现该信息。
17.一磁阻元件，包括第一、第二、和第三磁层，垂直于一薄膜平面磁化；第一非磁性层，位于所述第一和第二磁层间；以及第二非磁性层，位于所述第二和第三磁层间；其中所述第一和第二磁层均具有一绝缘体或导体的特性。
18.一存储元件，包括如权利要求17定义的所述磁阻元件；以及磁场生成装置，用于生成垂直于所述磁阻元件的薄膜表面的一磁场；其中通过所述磁场生成装置在所述磁阻元件上记录信息。
19.一MRAM，包括一衬底；在所述衬底上的如权利要求17中定义的多个存储元件；多个转换元件，每一个转换元件具有一个端子，该端子连接到所述存储元件对应的一个端子上；以及多条位线，它们连接到所述存储元件，并读出由所述磁场生成装置所记录的信息。
全文摘要
本发明涉及一种磁阻元件,使用磁阻元件、使用磁阻元件的存储器元件以及用于该存储器元件的记录/再现方法,其中一磁阻元件包括第一、第二和第三磁层和非磁性层。第一磁层被垂直磁化到薄膜表面。第二磁层被垂直磁化到薄膜表面并具有比所述第一磁层的矫顽力高的矫顽力。非磁性层被插在第一和第二磁层间。第三磁层具有比所述第一磁层的矫顽力高的矫顽力并且逆平行地磁化到第二磁层。同时还公开了一种存储元件和记录/再现方法。
文档编号H01F10/32GK1389870SQ02120600
公开日2003年1月8日 申请日期2002年3月19日 优先权日2001年3月19日
发明者西村直树, 池田贵司 申请人:佳能株式会社