专利名称：磁致电阻元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁致电阻元件和磁性存储器，更具体地说，涉及一种通过供应自旋极化电子实现写操作的磁致电阻元件和磁性存储器。
背景技术：
在传统中，已经运用了应用磁场来控制磁体的磁化方向的方法。例如，在硬盘驱动器中，通过从记录头中产生的磁场使介质的磁化方向反向，由此实施写操作。此外，在固态磁性存储器中，通过将由输送给在磁致电阻效应元件的附近提供的导线的电流引起的电流磁场施加到单元中，控制单元的磁化方向。通过外部磁场对磁化方向进行控制具有较长的历史，并且可以说是比较可靠的技术。
在另一方面，随着近来纳米技术的发展，使磁性材料极大地小型化已经成为可能，因此需要一种局部实施纳米级的磁化控制。然而，磁场实质上在空间上易于传播，因此，局部化困难。在位或单元小型化时在选择特定的位或单元以控制它的磁化方向的情况下，相邻的位或单元受磁场影响的串扰问题变得严重。此外，如果磁场发生源被减小以使磁场局部化，则发生的问题是不能获得充分产生的磁场。
此外，在其中磁体作为介质提供的记录元件中，存在的危险是记录状态相对于被称为磁场的干扰变得不稳定。存在致命的问题是由于外部磁场的强度和磁致电阻元件或者平均的磁特性的组合会造成记录的擦除或者不正确信息的写。在写的过程中可能发生磁场作为干扰侵入的问题。在这种情况下，记录不正确的信息。
近年来，已经发现了“电流直接驱动型磁化反向”，其中电流输送给磁体，由此产生磁化反向(例如参见F.J.Albert等人，Appl.Phy.Lett.77，3809(2001))。
在这种反向中，通过使电流通过磁性层使电流自旋极化，并输送自旋极化电流，由此使目标磁性层的磁化反向。自旋极化电子所具有的角运动量传递给要磁性反向的磁体的角运动量并作用于它，由此使磁体的磁化反向。通过使用这种现象，可以更加直觉地作用于毫微级磁体，可以实施记录到更小的磁体中。
然而，也是在利用“电流方向驱动型磁化反向”的情况下，由于具有作为干扰侵入的磁场的缘故可能发生在记录状态下的改变。此外，在电流驱动写的过程中，存在的问题是由于具有作为干扰侵入的外部磁场的强度造成改变写所要求的电流。即，存在的问题是由于在写过程中作为干扰侵入的磁场造成记录了不正确信息。此外，存在与可靠性相关的问题，因为由反向所要求的电流引起的热影响，造成对元件的破坏。
发明概述根据本发明的一方面，提供了一种磁致电阻元件，包括其中磁化方向通过自旋极化电子改变的自由层，该自由层具有被非磁性层分开的铁磁层，其中在铁磁层中，有非磁性层插入其间的两个相邻的铁磁层在反铁磁性的方式彼此耦合；在铁磁层中，其中磁化方向是第一方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值和其中磁化方向是与第一方向相反的第二方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值之间的差值等于或小于1×10-15emu；并且，与铁磁层的衬底平行的平面越远离该衬底，所述平面越小。
附图概述附
图1A和1B所示为根据本发明的第一实施例的磁致电阻元件的基本剖面结构的示意图；附图2A和2B所示为根据本发明的实施例的磁致电阻元件的第二特定实例的示意性剖面图；附图3A和3B所示为根据本发明的实施例的磁致电阻元件的第三特定实例的示意性剖面图；附图4A和4B所示为写到在附图1A和1B中所示的记录部分RE中的机构的示意性剖面视图；附图5A和5B所示为在“反向型”的情况下写的机构的示意性剖面视图；附图6A和6B所示为在以反铁磁方式彼此耦合的层被定义为固定层时根据本发明的实施例的“普通型”的磁致电阻元件的写的机构的示意性剖面视图；附图7A和7B所示为在以反铁磁方式彼此耦合的层被定义为固定层时根据本发明的实施例的“普通型”的磁致电阻元件的写的机构的示意性剖面视图；附图8A和8B所示为在磁固定层提供在记录截面RE的顶部和底部上时“普通型”的磁致电阻元件的示意性剖面视图；附图9A和9B所示为使用其中以反铁磁性方式彼此耦合的磁性固定层的层状结构“普通型”的磁致电阻元件的示意性剖面视图；附图10A和10B所示为磁致电阻效应的原理视图；附图11A和11B所示为能够检测磁致电阻效应的磁致电阻元件的示意性视图；附图12A和12B所示为增加磁致电阻效应的磁致电阻元件的具体实例的示意性剖视图；附图13A和13B所示为增加磁致电阻效应的磁致电阻元件的另一具体实例的示意性剖视图；附图14所示为铁磁层FM1和FM2的静态磁性耦合的示意性剖视图；附图15所示为具有在其上提供有磁性固定层的磁致电阻元件的示意性剖视图；附图16A和16B所示为其中提供了反铁磁层以磁化并固定磁性固定层的磁致电阻元件的示意性剖视图；附图17A和17B所示为其中提供了反铁磁层以磁化并固定磁性固定层的磁致电阻元件的示意性剖视图；附图18所示为其中提供了反铁磁层以磁化并固定磁性固定层的磁致电阻元件的示意性剖视图；附图19所示为通过非磁性层NM绘制中间层交互作用的曲线图；附图20A和20B所示为通过本发明人制作的磁致电阻元件的试样的剖面结构的示意性视图；附图21A是根据本发明的实例的试样1的磁致电阻效果的曲线图；附图21B所示为根据本发明的比较实例的试样2的磁致电阻效果的曲线图；附图22所示为在与试样2相关的外部磁场为零时的写特性的曲线图；附图23所示为在外部磁场用于试样2时的写特性的曲线图；附图24所示为与临界电流的磁场相关的变化的曲线图；附图25所示为在与试样1相关的外部磁场为零时的写特性的曲线图；附图26所示为在与试样1相关的磁场上的临界写电流的依赖关系的曲线图；附图27A和27B所示为通过本发明人制作的磁致电阻元件的试样的剖面结构的示意性视图；附图28A、28B、28C和28D所示为根据本发明的实例磁性存储器的存储器单元的剖面结构的示意性视图；附图29所示为根据本发明的实例的磁性存储器的等效电路的示意性视图；附图30所示为使用二极管的磁性存储器的示意性视图；附图31所示为根据本发明的实例的磁性存储器的结构的示意性透视图；附图32所示为根据本发明的实例的磁性存储器的示意性视图；附图33所示为其中单元10共享其自身的部分层的结构的示意性剖视图；附图34所示为在生产多个探针时探针的阵列结构的示意性视图。
优选实施例的详细描述下文参考附图详细地描述本发明的一方面的磁致电阻元件。
附图1A和1B所示为根据本发明的第一实施例的第一具体实例的磁致电阻元件的剖面结构的示意性视图。
磁致电阻元件10具有记录部分RE，在记录部分RE中铁磁层FM1、非磁性层NM和铁磁层FM2直接或间接地顺序地层叠在衬底上。如下文详细描述，根据要求可以增加电极或者磁性固定层等(未示)以将信息记录(写)到记录部分RE中。
在这个具体实例中，信息被记录为使铁磁层FM1和FM2的磁化M1和M2彼此反向平行。例如，如附图1A所示，在铁磁层FM1的磁化M1向右朝你定向并且铁磁层FM2的磁化M2向左朝你定向的情况定义为“0”(或者“1”)。如附图1B所示，其中磁化M1和M2反向的状态分别指定为“1”(或者“0”)。这样，可以记录二值信息。
此外，在这个具体实例中，铁磁层FM1的磁化M1和铁磁层FM2的磁化M2的绝对值彼此基本相等。在此，在将铁磁层FM1的每单位体积的磁化定义为Ma，而将该层的体积定义为Va，则磁化M1通过下式表示。
M1＝Ma×Va (1)类似地，铁磁层FM2的磁化M2通过下式表示M2＝Mb×Vb (2)
这里每单位体积的磁化定义为Mb，以及该层的体积定义为Vb。
在铁磁层FM1和FM2的磁化M1和M2在方向上彼此反平行并且它们的绝对值彼此相等时，在记录部分RE上没有发生净磁化。因此，记录部分RE的磁化方向不能通过外部磁场改变，并且可以获得很难被作为干扰侵入的外部磁场影响的磁致电阻元件。结果，可以解决这样的问题由于外部磁场造成不必要地重写信息或者在写的过程中写了不正确的信息。
在将本发明应用到磁性存储器或存储装置的情况下，考虑到用作大气干扰的磁场强度，理想的是在铁磁层FM1的磁化M1的绝对值和铁磁层FM2的磁化M2的绝对值之间的差值相等或者小于5×10-15emu。即，如果磁化强度的绝对值的差值变得大于5×10-15emu，则发生的问题是，在写的过程中在干扰磁场的影响下写了不正确的信息。在磁化M1和M2的绝对值的差值等于或小于5×10-15emu时，在形成了磁性存储器等的情况下，可以防止由于作为干扰侵入的磁场引起的写误差或故障。
如附图1A和1B所示，铁磁层FM1和FM2可以以反铁磁方式彼此耦合以使铁磁层FM1和FM2的磁化方向彼此反向平行。下文详细地描述用于这种目的的非磁性层NM的材料。
最近，作为硬盘(HDD)介质，已经研制了一种以反铁磁方式彼此耦合的层状膜构成的记录介质，这种记录介质称为“反铁磁耦合(AFC)介质”。在这种介质中，铁磁层、非磁性层和铁磁层层叠，并且这些铁磁层彼此反平行地耦合以使在两个磁性层的磁化彼此不同的同时发生净磁化。由此，在来自磁头的磁场中启动写操作。然而，换句话说，在来自磁头的磁场中启动写的事实表示在强的外部干扰磁场中启动写操作。因此，应用这种结构，在磁场中的干扰不能被防止。另一方面，在将净磁场设定到零时，停止通过外部磁场的写入。
此外，作为磁性随机存取存储器(MRAM)的磁致电阻元件，类似地，提出了以反铁磁方式彼此耦合的层状层构成的磁致电阻元件。也是在这种情况下，铁磁层、非磁性层和铁磁层层叠，并且在这些铁磁层已经彼此反平行地耦合之后产生它们。然而，与应用ADC介质的情况一样，通过使两个铁磁层的磁化彼此不同产生净磁化。通过实现这些，经由导线传递的电流产生的磁场实施写操作是可能的。然而，与应用AFC介质的情况一样，这表示通过外部磁场可以改变信号，并且不能阻止由磁场引起的干扰。在另一方面，如果净磁化被设置为零，则停止通过外部磁场的写。
相反，本发明提供了一种具有彼此反平行的磁化的记录部分RE，如附图1A和1B所示，其中净磁化基本为零。自旋极化电流被输送给记录部分，由此使得可以记录预定的信息。下文将详细地描述这种记录方法。
此外，在这个具体实例中，铁磁层FM1的膜厚度大于铁磁层FM2的膜厚度。本发明人已经发现，在研究磁性层的生长时，与在记录部分RE(它们中许多都是下文描述的中间层)的下层上的生长相比，在非磁性层NM中的生长其膜平整度良好。此外，需要减小元件尺寸并提供相对大量的电流。因此，存在的问题是，在提供电流时容易产生热量，并且通过累积的热量改变了元件特性。
本发明人已经发现，在热稳定性方面，在记录部分RE的截面形状被形成为朝衬底侧变得更宽的梯形时，如图所示，热“释放”较大并且稳定。此外，如下文所述，有许多情况，在制造元件时其中记录部分RE的外围嵌入绝缘体。然而，在记录部分RE具有朝衬底侧变得更宽的梯形的情况下，可以实施充分的嵌入。相反，在记录部分具有梯形截面形状以使侧面垂直或者衬底侧面变窄的情况下(这与所示的情况相反)，存在的问题是在边缘部分的嵌入不充分，并且热“释放”变得更差。
磁致电阻元件10还形成为所谓的“序列阶形”。即，在图1A和1B中，在横向方向上的单元宽度形成为向上逐渐变窄。通过下面实例给出的说明，当磁致电阻元件实际形成时，将磁致电阻元件的层叠压在衬底(未显示)上，对叠压层加工形成图案，并在其周围嵌入绝缘膜等。此时，当磁致电阻元件10由此形成序列阶形时，可以达到绝缘膜可容易地嵌在其周围的有利效果。
当局部梯形侧面和衬底的水平面之间形成的角度限定为θ(当θ为90°时该侧面是垂直的)时，θ优选为大于等于30°并小于等于85°的范围内。如果θ小于30°，则在供应电流的情况下就变得很难书写。另一方面，如果θ大于85°，则可能会出现热的问题。根据这些要求，最好铁磁层FM1的膜厚度大于铁磁层FM2的膜厚度。此外，本发明的优势在于可以形成厚厚的会具有良好平整度的磁层。
而且，在本发明中，铁磁层距离衬底越远铁磁层的面积越小。另外，设置铁磁层的膜厚度以使它们总的磁化强度为零。因此，由于可较厚地形成铁磁层从而单元的面积可做得很小，于是防止了热的产生。
因此，由于可以获得具有良好平整度的层，因此可以减少元件偏差，并且由于良好的热“释放”从而可以获得具有极佳的热稳定性和高可靠性的磁致电阻元件。另外，便于嵌入绝缘膜。
图2A和2B所示为根据本发明的实施例的磁致电阻元件的第二特定实例的示意性剖面图。
在该特定实例中，记录部分RE具有在衬底上顺序提供的四个铁磁层FM1至FM4。在这些铁磁层中间插入有非磁层NM。这四个铁磁层FM1至FM4具有交替反向平行的并且绝对值彼此基本相等的磁化强度。即，这四个铁磁层FM1至FM4彼此交替反向平行，且它们的绝对值彼此基本相等。通过这样做，可以获得记录部分RE的净磁化变为零并且几乎不受作为干扰侵入的磁场的影响的磁致电阻元件。
一般如下文所述，有一种情况是记录部分RE的净磁化变为零。即，当磁化定位在第一方向上的第n个铁磁层的每单位层的磁化强度限定为“ma(n)”时，并且铁磁层的体积限定为Va(n)时，在第一方向上定位的总磁化强度Ma由下面的公式表示。
Ma＝∑(ma(n)×Va(n))另一方面，当定位在第二方向(反向平行于第一方向)上的第m个铁磁层的每单位层的磁化强度限定为“mb(m)”时，并且铁磁层的体积限定为Vb(m)时，在第二方向上定位的总磁化强度Mb由下面的公式表示。
Mb＝∑(mb(m)×Vb(m))总磁化强度“Ma”的绝对值可基本等于Mb的绝对值，即可基本一致。当磁化强度Ma和Mb的方向彼此反向平行时，并且它们的绝对值彼此相等时，记录部分RE不会发生净磁化。因此，可以获得这样的磁致电阻元件，其记录部分RE的磁化方向甚至在外部磁场下也不会改变，且该磁致电阻元件几乎不受作为干扰侵入的外部磁场的影响。结果，可以解决这样的问题由于外部磁场造成不必要地重写信息或者在写的过程中写了不正确的信息。期望磁化强度Ma的绝对值和磁化强度Mb的绝对值之间的差值等于或小于5×10-15emu。即，如果磁化强度的绝对值之差超过5×10-15emu时，则在写的过程中可能发生在磁场干扰的影响下写了不正确的信息的问题。当磁化强度Ma和Mb的绝对值之差等于或小于5×10-15emu时，在形成磁存储器的情况下，可以防止由于作为干扰侵入的磁场引起的故障或写误差。
而且，在该特定实例中，离衬底最远的铁磁层FM1的膜厚度大于最接近衬底的铁磁层FM4的膜厚度。其原因与第一特定实例的情况相同。
通过这样，由于可获得具有良好平整度的层因此可减少元件偏差。此外，由于良好的热“释放”，因此可获得具有极佳的热稳定性和高可靠性的磁致电阻元件。
而且，在本发明中，铁磁层距离衬底越远，铁磁层的面积越小。另外，设置铁磁层的膜厚度以使它们总的磁化强度为零。因此，由于可较厚地形成铁磁层从而单元的面积可做得很小，于是防止了热的产生。
图3A和3B所示为根据本发明的实施例的磁致电阻元件的第四特定实例的示意性剖面图。在该特定实例中，记录部分RE具有在衬底上顺序提供的三个铁磁层FM1至FM3。在这些铁磁层中间插入有非磁层NM。这三个铁磁层FM1至FM3具有彼此交替反向平行的磁化强度M1至M3。并且磁化强度M1和M3的总和的绝对值基本等于磁化强度M2的绝对值。期望磁化强度M1和M3的总和的绝对值与磁化强度M2的绝对值之间的差值等于或小于5×10-15emu。
以这种方式，可以获得记录部分RE的净磁化变为零并且几乎不受作为干扰侵入的磁场的影响的磁致电阻元件。
而且，在该特定实例中，离衬底最远的铁磁层FM1的膜厚度大于最接近衬底的铁磁层FM3的膜厚度。其原因与第一特定实例的情况相同。
通过这样，由于可获得具有良好平整度的层，因此可减少元件偏差。此外，由于良好的热“释放”，因此可获得具有极佳的热稳定性和高可靠性的磁致电阻元件。
另外，在本发明中，铁磁层距离衬底越远铁磁层的面积越小。另外，设置铁磁层的膜厚度以使它们总的磁化强度为零。因此，由于可较厚地形成铁磁层从而单元的面积可做得很小，于是防止了热的产生。
在本发明中，在记录部分RE上提供的铁磁层的数目并不局限于2至4个。即，只要磁化交替反向并且净磁化基本为零，就可以提供任意数目的铁磁层，例如五个或更多的铁磁层。另外，在本发明中，即使在一个磁层进一步由多个子磁层组成的情况下，只要这些子磁层具有同样的磁化方向就可以将它们作为一个磁层运用。即，例如Co/NiFe/Co的层叠层可以作为一个磁层运用。而且，在其中心具有几个原子层和非常薄的Cu层或Ru层的磁叠层，具有同样的磁化方向，也都可以作为一个磁层运用。
下面将说明根据本发明的磁致电阻元件中的“写”机构。
图4A和4B所示为“写”到在附图1A和1B中所示的记录部分RE中的机构的示意性剖面视图。即，磁性固定层(被钉扎层)P通过中间层S层叠，供应写电子电流I从而经由顶和底电极EL1和EL2而跨过临界界面。这里用磁性固定层P表示磁化M以预定方向固定的磁层。图4A和4B显示了朝底表面变宽且朝上表面变窄同时底部上具有衬底的梯形。即使当衬底在顶部上时“写”机构在原理上也是相同的。下面将说明在该构造中的写入记录部分RE的写机构。
首先，说明一种情况，其中通过中间层S的磁致电阻效应为“普通型”。这里用“普通型”磁致电阻效应表示这样的情况，即当中间层S的两侧上的磁层的磁化在反向平行期间时，电阻会变得比在它们在平行期间更高。即，在这种“普通型”的情况下，在通过中间层S的磁固定层P和铁磁层FM2之间的电阻，在磁固定层P和铁磁层FM2的磁化为平行期间会变得比当它们为反向平行期间的要低。
如图4A所示，下面将说明通过写电子电流I(普通电流反向通过)的情况。在该情况下，构成电子电流I的电子流经记录部分RE，并且自旋与磁化M相反(图中向左)的电子在进入磁固定层P的临界界面上反射。反射电子的左向自旋作用于铁磁层FM2。当写电流I的规模比预定的写临界值Ic大时，铁磁层FM2的磁化M2反转到该自旋(左向)的方向。此时，中间层S的作用为不防止记录部分RE上磁化反转运动的发生。即，中间层S用来打断在磁固定层P和铁磁层FM2之间的磁耦合。如果铁磁层FM2的磁化M2反转到左向，则以反铁磁方式与层FM2耦合的铁磁层FM1的磁化M1就反转到相反方向，即右方向。
另一方面，如图4B所示，当从如图4B中所示的电极EL2供应写电子电流I时，穿过具有磁化强度M的磁固定层P的电子就具有在磁化M的方向(即在右方向)上的自旋。当该电子穿过铁磁层FM2里面时，该自旋所具有的角运动量就传到铁磁层FM2，并且所传递的运动量作用于磁化M2。因此磁化M2反转到右方向。
然后，以反铁磁方式与铁磁层FM2耦合的铁磁层FM1的磁化M1就反转到磁化M2的相反方向(即左向)。
尽管在图4A和4B中，磁固定层P位于记录部分RE之下，但是即使在层P位于记录部分RE之上时也可以获得同样优势。
上面已经说明了这种情况，即在磁固定层P和铁磁层FM2之间的通过中间层S的磁致电阻效应为“普通型”。
另一方面，在上述层为“反向型”的情况下，能够通过抵消实现写操作。这里利用“反向型”表示在磁固定层P和铁磁层FM2之间的通过中间层S的电阻，在磁固定层P和铁磁层FM2的磁化M和M2为反向平行期间会变得比当它们为平行期间的要高。
在“反向型”元件中，铁磁层的材料或铁磁层与非磁层的材料组合时不同于“普通型”的元件的。因此，致力于磁化反向的电子类型在元件之间是不同的。这意味着这些元件具有相反的电特性。
图5A和5B所示为在“反向型”的情况下“写”的机构的示意性剖面视图。图5A和5B显示出朝底表面变宽且朝上表面变窄同时底部上具有衬底的梯形。即使当衬底在顶部上时“写”机构在原理上也是相同的。
即，在这种通过中间层S的磁致电阻效应为“反向型”的情况下，从磁固定层P作用于铁磁层FM2的自旋电子的方向与上面关于图4A和4B所述的情况下的相反。即，如图5A所示，在电子电流I从电极EL1向电极EL2供应的情况下，铁磁层FM2的磁化M2的方向与磁固定层P的磁化M的方向相同。
另一方面，如图5B所示，在电子电流从电极EL2向电极EL1供应的情况下，铁磁层FM2的磁化M2的方向与磁固定层P的磁化M的方向相反。
如上所述，在通过中间层S的磁致电阻效应为“普通型”以及“反向型”的两种情况下，记录部分RE的磁化M1和M2的方向都可以根据写电子电流I的流动方向而反转到预定的方向。
上述写机构同样可以应用于关于图2A、2B、3A和3B中所述的记录部分RE中。
而且，如图6A、6B、7A和7B中所示，在非磁金属层AC叠压在磁固定层P1的与记录部分相反的侧面上的情况下；在磁固定层P2还叠压在非磁金属层AC的与记录部分相反的侧面上的情况下；以及在磁固定层P1和磁固定层P2通过非磁金属层AC以反铁磁方式彼此耦合的情况下，磁化M1和M2都可以根据写电子电流I的流动方向而反转到预定方向。图6A、6B、7A和7B中的每一个都显示出在上述“普通型”的情况下的写机构。
另外，通过反铁磁耦合非磁金属层AC彼此相邻的磁固定层P1和磁固定层P2在磁化程度上彼此基本相等。此外，在磁固定层P1和磁固定层P2中，离衬底最远的层的厚度大于最接近衬底的层的厚度。以这种方式，对于磁固定层还可以获得相应于外部磁场的稳定性，从而可以减少每个元件的特性偏差并可获得热稳定性。期望磁固定层P1和磁固定层P2各自的磁化强度PM1和PM2的绝对值之差等于或小于5×10-15emu。如果磁化强度的绝对值之差超过5×10-15emu时，则在写的过程中极有可能发生在磁场干扰的影响下写了不正确的信息的问题。
而且，磁固定层提供在记录部分RE的顶部和底部上，因此可以改善写的效率。
图8A和8B所示为在磁固定层提供在记录部分RE的顶部和底部上时“普通型”的磁致电阻元件的示意性剖面视图。即，磁固定层P1和P2分别通过中间层S1和S2叠压在记录部分RE的顶部和底部上。提供磁固定层P1和P2作为其磁化M1和M2固定在预定方向上的磁层。在该特定实例中，顶部和底部磁固定层P1和P2的磁化强度PM1和PM2在方向上彼此相等。
中间层S1和S2并不用于干涉在记录部分RE上的磁化反向，但用于中断在磁固定层P1、P2和铁磁层PM1、PM2之间的磁性耦合。
如图8A所示，当电子电流I从电极EL1向电极EL2供应时，穿过具有磁化强度PM1的磁固定层P1的电子就具有在磁化PM1的方向(即在右方向)上的自旋。当该电子穿过铁磁层FM1里面时，该自旋所具有的角运动量就传到铁磁层FM1，并且所传递的运动量作用于磁化M1。因此磁化M1反转到右方向。此外，自旋与磁化PM2的方向相反(图中向左)的电子在从中间层S2进入磁固定层P2的临界界面上反射。反射电子的左向自旋作用于铁磁层FM2并使磁化M2反转。由于铁磁层FM1和铁磁层FM2以反铁磁方式彼此耦合，因此自旋传递转矩作用于自由层RE的顶部和底部，从而改善自由层RE的反向效率。
另一方面，如图8B所示，当电子电流I从电极EL2向电极EL1供应时，穿过具有磁化强度PM2的磁固定层P2的电子就具有在磁化PM2的方向(即在右方向)上的自旋。该电子作用于铁磁层FM2，且磁化PM2反向到右向。此外，自旋与磁化PM1的方向相反(图中向左)的电子在从中间层S1进入磁固定层P1的临界界面上反射。反射电子所具有的左向自旋作用于铁磁层FM1并使磁化M1反向。
如上所述，当分别在记录部分RE的顶部和底部上提供磁固定层P1和P2时，与铁磁层FM1和FM2相关的自旋传递转矩可以成倍增加，因此可改善写效率。
另外，在该特定实例中，在记录部分RE的顶部和底部上提供的磁固定层P1和P2的磁化强度彼此相等，从而可以获得便于制造的有利效果。即，仅仅一种用于固定磁固定层P1和P2的磁化的所谓的“磁场退火”就可以满足。
在“反向型”的情况下，铁磁层FM1和FM2的磁化M1和M2每个都以相反于图8A和8B中所示的方向而反转。
图9A和9B所示为使用其中以反铁磁性方式彼此耦合的磁性固定层的层状结构“普通型”的磁致电阻元件的示意性剖面视图。
即，在图9A和9B中所示的磁致电阻元件中，由磁固定层P1、用于反铁磁性耦合的非磁金属中间层(反铁磁性耦合层)AC、以及磁固定层P2构成的叠压体通过中间层S1提供在记录部分RE上。同样，在记录部分RE下，通过中间层S2提供有由磁固定层P3、反铁磁性耦合层AC以及磁固定层P4构成的叠压体。
磁固定层P1和P2以及磁固定层P3和P4通过反铁磁性耦合层AC以反铁磁性的方式彼此耦合。当写电流I供应到磁致电阻元件时，根据接近于记录部分RE的磁固定层P2和P3的磁化来执行写操作。
即，当如图9A中所示供应电子电流I时，相应于磁固定层P2的磁化PM2的自旋电子作用于铁磁层FM1，并使磁化M1以与磁化PM1相同的方向反转。此外，与磁固定层PM3的磁化PM3方向相反的自旋电子作用于铁磁层PM2，并使磁化M2以相反于磁化PM3的方向反转。
另一方面，当如图9B中所示供应电子电流I时，相应于磁固定层P3的磁化PM3的自旋电子作用于铁磁层FM2，并使磁化M2以与磁化PM3相同的方向反转。此外，与磁固定层PM3的磁化PM3方向相反的自旋电子？，并使磁化M1以相反于磁化PM2的方向反转。
以这种方式，根据电子电流I的方向可以重写记录部分RE的磁化。在“反向型”的情况下，以相反于图9A和9B中所示方向的方向执行写。
而且，通过铁磁性耦合层AC的相邻的磁固定层P1和P2与通过反铁磁性耦合层AC的相邻的磁固定层P3和P4在磁化程度上相等。在磁固定层P1和磁固定层P2中，离衬底最远的层的厚度大于最接近衬底的层的厚度。因此，对于磁固定层还可以获得相应于外部磁场的稳定性，从而可以减少每个元件的特性偏差并可获得热稳定性。
期望磁固定层P1和P2各自的磁化强度PM1和PM2的绝对值之差以及磁固定层P3和P4各自的磁化强度PM3和PM4的绝对值之差均等于或小于5×10-15emu。即，如果磁化强度的绝对值之差超过5×10-15emu时，则在写的过程中极有可能发生在磁场干扰的影响下写了不正确的信息的问题。
如上面关于图5A至9A以及图5B至9B中所述，在通过写电流I直接执行信号书写的情况下，会出现写所需要的临界电流Ic具有很强的磁场依赖的问题。这暗示了由于外部的作为干扰侵入的外部磁场写特性会变动，从而会妨碍实际应用。此外，随着记录和再现元件的集成程度增加，由于流经电线的电流产生的电流磁场的影响写特性会变动。
相反，根据本发明，利用净磁化为零的多层膜作为记录部分RE，从而可以避免这些问题并将写过程中的干扰(磁场)的影响减少到最小。
下面将说明根据本发明实施例的磁致电阻元件中的“读出”方法。在根据该实施例的磁致电阻元件中，可以利用“磁致电阻效应”来检测记录部分RE的铁磁层FM1或FM2的磁化方向。
图10A和10B所示为磁致电阻效应的原理视图。即，在利用磁致电阻效应的情况下，在其间插入有中间层S的磁层X1和X2之间供应感应电流I，从而可检测磁致电阻。
图10A显示了磁层X1的磁化M1和磁层X2的磁化M2在同一方向上的情况。在该情况下，可以获得通过将感应电流I供应给这些层而测出的磁致电阻来作为普通型的磁致电阻效应中相对小的值。获得的该磁致电阻作为反向型磁致电阻效应中的相对大的值。
另一方面，图10B显示了磁层X1的磁化M1和磁层X2的磁化M2彼此反向平行的情况。在该情况下，可以获得通过将感应电流I供应给这些层而测出的磁致电阻来作为普通型的磁致电阻效应中相对小的值。获得的该磁致电阻作为反向型磁致电阻效应中的相对小的值。
“0”和“1”分别表示这些电阻彼此不同的状态，因此可以读出2值数据。
在图4A至9A以及图4B至9B中的本发明的特定实例的“读出”操作中，记录部分RE对应于图10A和10B中所示的磁层X1，且通过中间层的相邻磁层的磁化对应于图10A和10B中的磁化M1。此外，还提供在图4A至7A以及图4B至7B中所示的中间层，并且图8A、8B、9A和9B中所示的中间层中的一个对应于图10A和10B中所示的中间层S。而且，该固定层对应于图10A和10B中所示的磁层X2。
在图4A、4B、9A和9B中所示的每个元件的顶部和底部上提供电极EL1和电极EL2，并且在电极EL1和EL2之间供应小于用于写的临界电流的感应电流，从而可以再现。在该情况下，电流可以从电极EL1供应到电极EL2，反之亦然。
为了获得具有大量存储空间的再现输出，对于图4A至7A和图4B至7B中所示的中间层或图8A、8B、9A和9B中所示的中间层之一，利用由绝缘体或半导体如氧化铝(Al2O3-X)或氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O-N或GaAlAs构成的隧道势垒材料可以测量隧道磁致电阻效应。或者，可以利用其中形成有孔并在孔中嵌入有磁体或导电金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或氧化铝来利用具有有限的电流路径的垂直导电MR效应。
下面通过图4A和4B中所示的元件结构的实例，参照图11A至13A和图11B至13B更详细地说明再现。
图11A和11B所示为将小于写电流的感应电流供应给图4A和4B中所示的元件并且检测磁致电阻效应的特定实例的示意图。
由于可以获得良好的磁致电阻效应，因此对于中间层S最好利用由绝缘体或半导体如氧化铝(Al2O3-X)或氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O-N或GaAlAs构成的隧道势垒材料。
图11A和11B显示了一种情况，铁磁层FM2的磁化M2和磁固定层P的磁化M彼此反向平行。在这种情况下，可以获得通过供应感应电流I而测出的磁致电阻来作为普通型的磁致电阻效应中相对大的值。获得的该磁致电阻作为反向型磁致电阻中的相对小的值。
另一方面，在图11B中显示了铁磁层FM2的磁化M2和磁固定层P的磁化M彼此平行的情况。在该情况下，可以获得通过供应感应电流I而测出的磁致电阻来作为普通型的磁致电阻效应中相对小的值。获得的该磁致电阻作为反向型磁致电阻中的相对大的值。
以这种方式，检测出记录部分RE的磁化强度，从而可读出数据。
图12A和12B所示为可获得较大的磁致电阻效应的磁致电阻元件的特定实例的示意性剖视图。
即，在该特定实例的情况下，中间实体层IE插入中间层S中。提供该中间实体层IE以使磁致电阻效应增加。中间实体层IE可以包括断续的绝缘薄膜。即，将具有针孔的绝缘薄膜插入到中间层中，从而可以增加磁致电阻效应。因此构成的MR称作CCP(电流-限制-经过)-CPP(电流垂直于平面)-MR(磁致电阻效应)元件。
这种断续的绝缘薄膜可以包括例如镍(Ni)和铜(Cu)合金的氧化物或氮化物；镍(Ni)和金(Au)合金的氧化物或氮化物；以及铝(Al)和铜(Cu)合金的氧化物或氮化物。
通过加热等方式使例如这些合金的氧化物或氮化物的化合物接近平衡状态从而使它们相位分离，并且它们几乎不作为由Au或Cu等制成的化合物(氧化物或氮化物)而生成。因此，这些化合物每个都分离成具有低电阻的相位以及容易提供Ni或Au等的氧化的化合物相位，该化合物相位具有电阻。因此，通过控制成分和温度或应用的能量可以形成其中有针孔存在的断续的绝缘薄膜。当由此形成填满非磁性体的针孔时，电流穿过的路径可以变窄，并可以检测到具有较高阻性的自旋依赖散射效应。因而可以获得较好的磁致电阻效应。
将这种中间实体层IE插入到中间层S中，从而使中间层的两侧上的铁磁层和磁固定层之间的磁致电阻效应增加，于是可容易地进行检测。
图13A和13B所示为增加磁致电阻效应的磁致电阻元件的另一具体实例的示意性剖视图。
即，在该特定实例的情况下，提供中间层S作为具有针孔PH的绝缘层。针孔PH中嵌入有在中间层的两侧上的铁磁层FM2和磁固定层P的材料的至少任何一种。
当铁磁层FM2和磁固定层P因此通过针孔PH而彼此相连时，就形成了所谓的“磁性点接触”，并可获得非常好的磁致电阻效应。因此，通过检测经过针孔PH的在中间层的两侧上的磁层之间的磁致电阻效应，可以高灵敏度地确定铁磁层FM2的磁化M2的方向。由此形成的MR称为“超微接触MR”。
这里，期望针孔PH的孔直径等于或小于大约20nm。针孔PH可以形成为各种形状例如锥形、柱形、球形、金字塔形和棱柱形。同样，针孔PH的数目可以为单个或多个。当然，期望孔的数目较小。
另一方面，在前面的关于图8A、8B、9A和9B所述的磁致电阻元件的情况下，会出现两序列类型的磁致电阻部分。即，会形成其中在通过在磁固定层P1(在图9A和9B的情况下是P2)和铁磁层FM1之间插入中间层S1而将这些层叠压的第一磁致电阻部分；以及在通过在磁固定层P2(在图9A和9B的情况下是P3)和铁磁层FM2之间插入中间层S2而将这些层叠压的第二磁致电阻部分。
在这些磁致电阻元件中，当在串联的电极EL1和EL2之间供应感应电流的情况下，如果中间层S1和S2的电阻彼此相等并且这些层之间的电阻变化率彼此相等，则第一和第二磁致电阻部分就会在磁致电阻效应中抵消。因此就不能测出记录部分RE的磁化状态。
如图8A、8B、9A和9B中所示，提供两个中间层S1和S2，对中间层S1和S2的其中一个利用非磁性金属中间层。在这些层的另一个上，提供前面关于图11A和11B所述的绝缘层或半导体层；前面关于图12A和12B所述的中间层；或前面关于图13A和13B所述的具有针孔PH的绝缘层。以这种方式，可以高灵敏度地检测出记录部分RE的磁化状态并可有效地执行写。
如上所述，根据本发明实施例，可以提供元件特性偏差很小、外部磁场效应非常小、可高度可靠地维持记录状态、并具有写特性和再现特性的磁致电阻元件。通过下面的实例所述，通过利用这种磁致电阻元件，可以提供磁性记录和再现装置例如具有极佳的记录和再现特性并能大大整合的固态磁性存储器或探针存储器。
下面将说明根据本发明的使磁致电阻元件中的两个磁层FM1和FM2的磁化M1和M2的方向彼此反向平行的方法。
首先，第一种方法可包括通过在静磁场中将固定层C1和C2彼此耦合从而使磁化M1和M2彼此反向平行的方法。
图14显示为铁磁层FM1和FM2的静态磁耦合的示意性剖视图。即，在该特定实例的情况下，通过绝缘层IL在记录部分RE的两侧上提供磁轭MY。在磁轭MY里面形成了由箭头所示的磁场，并且形成了通过轭MY和铁磁层FM1和FM2的回流磁场。当铁磁层FM1和FM2由此在静态磁场中通过磁轭MY彼此耦合时，可以通过回流磁场使磁化M1和M2彼此反向平行。
可以对磁固定层P1至P4采取同样的检测。即，如图14所示，可以通过在静磁场中分别耦合磁固定层P1和P2以及磁固定层P3和P4可以使磁化彼此反向平行。
而且，形成与一个磁固定层的外部相接触的反铁磁层，并被赋予单向各向异性，从而可以控制固定层的磁化方向。
图15所示为具有在其上提供有反铁磁层的磁致电阻元件的示意性剖视图。即，在磁固定层P4之下提供反铁磁层AF，且该反铁磁层磁性耦合到磁固定层P4，从而固定磁化PM4的方向。在静态磁场中通过磁轭MY与磁固定层P4耦合的磁固定层P3的磁化PM3其方向与磁化PM4相反。这还可以应用于磁固定层P1和P2。
另一方面，在本发明中，使记录部分RE的铁磁层FM1和FM2的磁化M1和M2的方向彼此相反的方法包括调整在这些铁磁层之间提供的非磁层NM的膜厚度的方法。
即，通常，通过非磁层NM的层间交换相互作用对于非磁层NM的膜厚度而正地或反地震动，如图19中示意显示。因此，可以设置非磁层NM的膜厚度以与峰值位置(t1)相关，在该位置上可以获得图19中的负的交换作用。
通过这种结构，铁磁层FM1和FM2的磁化方向可以反向平行的方式彼此耦合。
下面将说明根据本发明的在磁致电阻元件中固定磁固定层P或P1至P4的方法。
为了固定磁固定层P或P1至P4，提供与磁层相接触的反铁磁层AF。即，在图4A、4B、5A和5B中所示的磁致电阻元件中，在图16A中所示的磁固定层P和电极EL2之间提供反铁磁层AF。
在图6A和6B中所示的磁致电阻元件的情况下，为了固定以图16B中所示的反铁磁方式彼此耦合的磁固定层P1和P2，在磁固定层P2和电极EL2之间提供反铁磁层AF。
在图7A和7B中所示的磁致电阻元件的情况下，为了固定以图17A中所示的反铁磁方式彼此耦合的磁固定层P1和P2，在磁固定层P1和电极EL1之间提供反铁磁层AF。
在图8A和8B中所示的磁致电阻元件的情况下，为了如图17B中所示固定磁固定层P1和P2，在电极EL1和电极EL2之间提供反铁磁层AF。
在图9A和9B中所示的磁致电阻元件的情况下，为了固定以反铁磁方式彼此耦合的磁固定层P1和P2，并且为了固定以图18中所示的反铁磁方式彼此耦合的磁固定层P3和P4，在磁固定层P1和电极EL1之间以及在磁固定层P4和电极EL2之间提供反铁磁层AF。
通过上述结构，可以磁性地固定磁固定层。
下面将详细说明根据本发明的构成磁致电阻元件的组成元件。铁磁层FM1至FM4以及磁固定层P1至P4的材料可包括下列任何一种合金含有从下面的组中选出的至少任何一种元素的任何一种合金，该组由铁(Fe)、钴(Co)、和镍(Ni)组成或由铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、锰(Mn)和铬(Cr)组成；称做“坡莫合金”的NiFe基合金；或者，如CoNbZr基合金、FeTaC基合金、CoTaZr基合金、FeAlSi基合金、FeB基合金或CpFeB基合金的软磁材料；惠斯勒合金；磁性半导体；以及例如CrO2、FeBFe2O4、La1-XSrXMnO3的半金属磁性氧化物(或半金属磁性氮化物)。
在本发明中，可以适当地选择用于铁磁层FM1至FM4以及磁固定层P1至P4的材料作为具有根据用途的磁特性的材料。
用于这些磁层的材料可以为连续的磁体。或者，可以利用复合结构，其中由磁体组成的微观粒子沉积或形成为非磁矩阵。这种复合结构可以包括例如所谓的“粒状磁体”。
另一方面，作为用于铁磁层FM1至FM4的材料，可以利用有两层结构的叠压体，含有Co或CoFe合金和坡莫合金或Ni的叠压体，该坡莫合金由NiFe或NiFeCo或Ni制成；或者可以利用有三层结构的叠压体，该叠压体含有Co或CoFe合金、坡莫合金或Ne，该坡莫合金由NiFe或NiFeCo制成，以及Co或CoFe合金。在具有这些多层结构的磁层的情况下，最好Co或CoFe合金的外部厚度在0.2nm到1nm的范围内。通过这种结构，可以获得具有较小的电流量的磁化反转。
期望象钌(Ru)、铱(Ir)、或铬(Cr)的非磁金属层和反铁磁体用来作为用来使记录部分RE的多个铁磁层以反铁磁的方式彼此耦合的非磁层NM的材料；以及利用磁固定层以反铁磁的方式彼此耦合的叠压结构所需要的铁磁耦合层AC的材料。期望这些元件每个的膜厚度都在0.2nm到0.3nm的范围内以便获得反铁磁耦合。
磁固定层P1至P4由上述材料中的任何一种形成，并且提供它们与反铁磁层接触(参见图15、16A、16B、17A、17B和18)，因此通过交换偏磁可以磁化和固定这些固定层。对于为此目的的铁磁材料，期望利用铁锰(FeMn)、铂锰(PtMn)、钯锰(PdMn)、钯铂锰(Pd PtMn)等。利用由彼此以反铁磁的方式耦合的铁磁层、非磁层、和铁磁层构成的叠压体作为磁固定层，并使反铁磁层与该叠压体接触，从而可以固定磁化。当利用该磁固定层时，可以减少从磁固定层本身的泄漏磁场，而且可以稳定磁致电阻元件的特性。
为记录和再现操作提供的中间层S(或S1、S2)可由两种材料的任一种制成，即低阻材料和高阻材料。
低阻材料的实例包括铜(Cu)、金(Au)、银(Ag)、铝(Al)或含有这些元件的一种或多种的合金。当由这些低阻非磁金属材料制成的中间层的厚度在1毫微米到60毫微米的范围内时，可以获得有利的磁化反转效应。
高阻材料的实例包括含有从下面的组中选出的至少任何一种元素的氧化物或氮化物，该组由铝(Al)、钛(Ti)、钽(Ta)、钴(Co)、镍(Ni)、硅(Si)、镁(Mg)和铁(Fe)构成，如氧化铝(Al2O3-X)或氧化镁(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、和Al-Zr-O；由氟化物制成的绝缘体；以及具有大间隙的半导体，象GaAlAs。此外，可以利用下列材料获得较大的再现输出绝缘层上形成有针孔并且其内插入有磁层的超微接触MR材料；或者含铜的CCP(电流-限制-经过型)-CPP(电流垂直于平面)-MR(磁致电阻效应)材料。在前述的隧道磁致电阻效应的绝缘体的情况下，考虑到信号再现，因此期望绝缘体的厚度在0.2毫微米到2毫微米的范围内。
在超微接触MR和CCP-CPP-MR的情况下，期望中间层S的厚度在0.4毫微米到40毫微米的范围内。
如上所述，为了获得“普通型”的磁致电阻效应，中间层S1和S2的材料的实例包括其内填入有铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)及其化合物、氧化铝(Al2O3-X)、氧化镁(MgO)、氮化铝(Al-N)、硅的氧化物氮化物(Si-O-N)和铜(Cu)的带孔绝缘体以及其内填入有磁性材料的带孔绝缘体。
这些材料用于中间层S1和S2；并且含有Mn和Cr如Co、Fe、Ni或CoFe和NiFe的任何一种的合金，或者所谓的金属铁磁体如CoFeB或霍斯勒合金结合作为铁磁层FM1和FM以及磁固定层P1和P2的材料，因而可以在铁磁层FM1和磁固定层P1之间以及在铁磁层FM2和磁固定层P2之间获得普通型的磁致电阻效应。
在还利用氧化物基磁体例如CrO2、Fe3O4、La1-XSrXMnO3用于这些磁层的情况下，可以获得普通型的磁致电阻效应。
另一方面，为了获得反向型的磁致电阻效应，中间层S1和S2的材料的实例包括钽(Ta-O)。即，在上述所谓的金属铁磁体用作铁磁层FM1和FM2以及磁固定层P1和P2的材料的情况下，通过结合由钽的氧化物制成的中间层S1和S2，可以获得反向型的磁致电阻效应。
而且，获得了反向型的磁致电阻效应的磁层、中间层和磁层的结合的实例包括金属磁层、氧化物绝缘体中间层和氧化物基磁层的结合。例如可以利用Co/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3、Co9Fe/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3等。
可获得反向型的磁致电阻效应的磁层、中间层和磁层的组合，还可包括由磁铁矿、绝缘体中间层和钙钛矿基氧化物磁体如Fe3O4/CoCr2O4/La0.7Sr0.3MO3的组成的系统。
另外，可获得反向型的磁致电阻效应的磁层、中间层和磁层的组合，可包括CrO2、Cr氧化物绝缘体和Co的结合。
另一方面，期望的是，由于根据本发明的磁记录和再现元件的刨工形状，因此铁磁层FM1至FM4的刨工形状是纵横比例范围在1∶1至1∶5内的矩形；外观(横向)为六边形、椭圆形、菱形和平行四边形。在铁磁层的尺寸方面，期望纵向上的一个边缘在5毫微米到500毫微米的范围内。在图1A至18中，在两个电极之间的铁磁层、非磁层、中间层和磁固定层的横向尺寸在当剖面上形成为梯形时而连续变化。即使在层的中间横向尺寸的变化是断续的，只要符合本发明的要求也可获得有利的效应。
在衬底侧上具有磁固定层的情况下，将层的横向尺寸确定为比从梯形剖面形状预测的尺寸相对大些。以这种方式，可以获得有利的效果可以减少从磁固定层到铁磁层的磁极的泄漏磁场的影响，并不防止铁磁层的反转行为。
此外，在图1A至18中，尽管形成为梯形的截面表面由斜的直线组成，但即使这些直线为虚线时，只要符合本发明的要求也不会有特性问题。
而且，即使靠近物体的电极EL2充分大于从梯形剖面形状预测的横向尺寸，本发明的元件特性也不会受到影响且不会有问题。
另外，在图1A至18中，尽管上电极EL1的截面也形成为梯形，但即使电极EL1的横向尺寸充分大于上述预测尺寸时，元件特性也不会受到影响且不会有问题。
下面将参照实例更详细地说明本发明的实施例。
(实例1)根据实例1，将说明相比较于由具有单磁层构成的自由层的磁致电阻元件的电流电荷引起的写特性，由根据本发明的磁致电阻元件的电流电荷引起的写特性。
图20A和20B所示为通过本发明人制作的磁致电阻元件的试样的剖面结构的示意性视图。由此制成的磁致电阻元件的结构如下。
(试样1)下电极/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Cu6nm/[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.3nm](试样2)下电极/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Cu6nm/CoFe 2.5nm
提供试样1作为本发明实例中的磁致电阻元件，且其相应于图16B中所示的元件。另一方面，提供试样2作为根据比较实例的具有单膜自由层的磁致电阻元件。这些试样的每一个都具有通过由铂锰制成的反铁磁层AF磁化和固定的磁固定层P2；反铁磁耦合层AC；以及磁固定层P1。并且，在这些试样的每一个中，都用具有6毫微米厚度的铜(Cu)作为中间层S。
在试样1中，分别用具有1.2和1.3毫微米厚度的钴铁(CeFe)作为构成记录部分的铁磁层FM1和FM2，并用具有1毫微米厚度的钌(Ru)作为非磁固定层NM。相反，在试样2中，用具有2.5毫微米厚度的钴铁作为用来磁化记录的铁磁层。设置膜厚度以使试样1和试样2中的磁性记录部分的磁化在总体上彼此相等。对于这些试样1和2，通过电流电荷来执行写，电流电荷经过用作中间层S的Cu层，并通过经过同一Cu层的垂直导电的磁致电阻检测来执行再现。
下面将给出制作这些试样的程序。
首先，通过利用超高真空溅射装置，在晶片上形成由钽(Ta)层和铜(Cu)层制成的下电极膜，并在下电极膜上形成具有上述叠压结构的膜。然后，在该叠压结构上，形成铜(Cu)层和钽(Ta)层作为上电极。
接着，将该晶片放在磁场中的真空炉里以270摄氏度在磁场中退火10小时，并被赋予单向各向异性。向叠压膜施加电子束(EB)抗蚀剂，并执行EB曝光，然后形成预定形状(在该实例中为70nm×100nm并且平行于纵向上的单向各向异性)的掩模。
接下来，通过离子铣削装置将未掩模区域蚀刻成PtMn层。这里所用的蚀刻的数量可以通过利用差分发射和质量分析从而将溅射粒子引入四极管分析器而精密掌握。
在蚀刻之后，去掉掩模，并且涂上SiO2膜。然后，通过离子铣削来使表面平滑，并执行钽(Ta)层的初始设置。在钽(Ta)层上，形成顶部布线。通过剖面TEM观测来校验元件的形状是否形成为梯形。
下面将说明磁致电阻元件的测量结果。
图21A绘出了根据本发明的实例的试样1的磁致电阻效果，而图21B显示为用图表绘出了根据比较实例的试样2的磁致电阻效果的曲线图。
这些图表的每一个的垂直轴都绘出了微分阻值。在该测量中，电流不变化，因此可以重读测量数据作为阻值。
下面将说明图21B中所示的试样2的结果。在该图中，发现阻值在所施加磁场中的正950e(奥斯特)附近和负1300e附近变化，其中自由层的磁化方向变化。即，在试样2中，发现如果施加大于等于正950e或小于等于负1300e的外部磁场，则自由层的记录状态改变。
相反，在图21A中所示的试样1的情况下，发现以磁致电阻元件的阻值，所施加的磁场在负5000e到正5000e的范围内基本为常数。即，可以发现试样1具有在该磁场范围内不会变化的记录部分的磁化方向，并且相比较于试样2，磁致电阻元件相对于外部磁场具有较好的稳定性。
下面将说明试样2的电流写特性。
图22所示为在与试样2相关的外部磁场为零时的写特性的曲线图。在该图中，对于电流极性，当电子从磁固定层流到自由层时电流限定为正。
根据图22，可以发现分别存在低阻状态和高阻状态并且自由层的磁化平行或反向平行于磁固定层。即，当电子从磁固定层流到自由层时阻值减少。自由层的磁化平行于磁固定层。相反，当电子从自由层流到磁固定层时磁化为彼此反向平行的。当用来反向磁化所需的电流限定为临界电流Ic时，发现可以通过Ic或更大的电流来执行记录。
图23所示为在外部磁场用于试样2时的写特性的曲线图。即，图中显示出通过施加从正1500e到负1500e的磁场作为外部磁场可以获得的效果。
从图23中，可以发现外部磁场使磁滞偏移了，并且临界电流Ic改变。即，当外部磁场施加于磁致电阻元件上时，就会发生临界电流Ic偏移的情况，并且本来可以写的写电流Iw不能执行记录。相反，在小于临界电流Ic的再现电流Ir下，会发生自由层的磁化状态变化的情况，而且信号无需被写入。
这里，当临界电流分别限定为Ic+和Ic-时，在磁固定层P1和铁磁层(自由层)FM的磁化被分配为彼此平行的情况下以及在其磁化被分配为彼此反向平行的情况下，会发生图24中所示的关于这些磁场的变化。可以发现，当临界电流相对于磁场的变化由外部磁场1000e增加时，对于Ic+在零磁场附近会发生负1.2mA的变化，并且对于Ic-在零磁场附近会发生负0.6mA的变化。
下面将说明试样1的电流写特性。
图25所示为在与试样1相关的外部磁场为零时的写特性的曲线图。
从图中，可以发现根据试样2中的电流极性可以成功地写入信号。此外，可发现阻值依据在记录部分RE的磁固定层面上的铁磁层FM2的磁化方向和在磁固定层的记录部分RE一侧上的磁固定层P1的磁化方向之间的相对角度是否为平行或反向平行而变化，并且可以通过检测该相对角度来测出记录部分RE的状态。
图26所示为在临界写电流与试样1相关的磁场的依赖关系的曲线图。即，在该图中，水平轴表示外部磁场而垂直轴表示临界电流。
从图26中，可以发现，相比较于试样2，试样1对于外部磁场会发生较小的变化。相比较于增加100Oe的外部磁场，相应于Ic+，特定变化率被调整到负0.05mA的变化而对于Ic-被调整到负0.02mA的变化。即，可以发现试样1相对于外部磁场非常稳定。
(实例2)下面将根据本发明的实例2，说明当在记录部分的顶部和底部上提供磁固定层时通过原型试样而获得的效果。
图27A和27B所示为通过本发明人制作的磁致电阻元件的试样的剖面结构的示意性视图。由此制成的磁致电阻元件的结构如下。
(试样3)
下电极/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Al2O3-X1nm/[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.3nm/Cu 6nm/[CoFe 4nm/Ru1nm/CoFe 5nm/PtMn 15nm](试样4)下电极/[PtMn 20nm/CoFe 20nm]/Al2O3-X1nm/[CoFe 1.2nm/Ru1nm/CoFe 1.3nm]/Cu 6nm/[CoFe 6nm/PtMn 15nm]试样3和4相应于图17B和18中所示的元件。即，在该实例的试样3和试样4中，在记录部分RE的顶部和底部上提供磁固定层，从而减小反转电流。当这些上和下磁固定层的磁化方向彼此平行时，自旋极化电子可作用于记录部分RE的这两个顶部和底部表面。在试样3和4中，当电子电流从电极EL1流向电极EL2时，记录部分RE的上铁磁层FM1的磁化定位在右方向(下铁磁层FM2的磁化定位在左方向)。通过使流过的电子电流为相反方向，可以使这些铁磁层FM1和FM2的磁化反向。如图27A和27B所示，在试样3和4中，在元件加工过程中最大的铣削深度限定为氧化铝层的表面。
在试样3和试样4中，利用氧化铝作为中间层S2，因此由于隧道磁致电阻效应(TMRR)可获得较大的再现输出。另一方面，由于通过中间层S1的上和下磁层的磁化分配(在试样3中是磁固定层P2和铁磁层FM1而在试样4中是磁固定层P1和铁磁层FM1)得到的磁致电阻效应在TMR抵消方向上发挥作用。但是磁致电阻值与TMR相比很小，且该阻值小几位，因此该效应几乎可忽略。即，可以执行由于通过中间层S2的TMR效应的读出。
在信号0和信号1的写期间的磁化反转电流的平均值在试样3和试样4中分别为0.34mA和0.42mA。另一方面，在缺少中间层S1和上磁固定层的情况下的比较结构中，上述平均值在试样3的比较实例中和在试样4的比较实例中分别为1.50mA和1.72mA。因此，通过在记录部分的两侧上提供固定层可以获得反转电流作为表示1/n的值。但是，在试样4中，由于存在来自顶部固定层的泄漏磁场因此反转电流的不对称很大。
另一方面，对于试样3和试样4可以测出分别的反转电流的磁场依赖。结果，对于试样3，反转电流相对于100Oe的磁场变化其平均偏移量是0.01mA。对于试样4，反转电流相对于100Oe的磁场变化的平均偏移量是0.02mA。
根据这些结果，成功地验证出图17B和18中所示的结构受外部磁场的影响较小，并且能稳定操作。
替代试样3和4中的Al2O3-X，在还利用形成MgO、SiO2、Si-O-N以及孔并且孔中嵌入有具有导电金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，发现可获得与上述相同的趋势。
(实例3)下面将根据本发明的实例3讨论构成记录部分的上和下磁层的每一个的厚度。具有图17A中所示的发明结构(由梯形构成的角度θ为45度)的元件按试样5制作。元件结构如下。
(试样5)下电极/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Al2O3-X0.7nm/[CoFe 1.4nm/Ru 1nm/CoFe 1.6nm]/上电极此外，按比较实例制作具有下面结构的试样4。
(试样6)下电极/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Al2O3-X0.7nm/[CoFe 1.7nm/Ru 1nm/CoFe 1.3nm]/上电极试样5制作如下。在晶片上形成了下电极之后，将晶片引入超高真空溅射装置，并叠压由PtMn(20nm)/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe4nm/Al组成的多层膜。接着，将氧气引入溅射装置，使Al氧化，并形成Al2O3-X。在该Al2O3-X上，叠压CoFe 1.4nm/Ru 1nm/CoFe 1.6nm多层膜并从装置中取出。接下来，涂覆抗蚀剂，通过EB绘制装置执行电子束曝光，然后形成与上述元件尺寸对应的掩模图案。通过离子铣削装置将该图案铣削到Al2O3-X的上部。设置元件形状以使元件的纵轴方向定位于交换偏移方向。将SiO2涂在元件外围，形成上电极并构成元件。
在离子铣削期间根据能量和束电流量将元件部分的侧面角度θ调节到45度。
在制作试样5和6的零磁场中的平均反转电流分别是2.4mA和2.9mA，它们彼此并非明显不同。相反，当获得了磁场依赖时，试样5的关于100Oe的外部磁场变化的平均反转电流偏移就等于或小于0.01mA，而试样6的反转电流偏移为0.3mA，其显现为大于1位的值。可以发现试样6的反转电流偏移量达到了大约反转电流的10％，而且出现了磁场干扰问题。此外，当获得关于试样5和6的记录部分的净磁化(未消除的磁化)时，对于试样5得到的磁化强度是1.8×10-16emu而对于试样6则是6×10-15emu。根据这些结果，发现期望的在铁磁层FM1的磁化M1和铁磁层FM2的磁化M2之间的绝对值之差等于或小于5×10-15emu。
根据这些结果，验证出图17A中所示的符合本发明要求的结构受外部磁场的影响较小，并且能稳定操作。
替代试样5中的Al2O3-X，在还利用形成MgO、SiO2、Si-O-N以及孔并且孔中嵌入有具有导电金属(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情况下，发现可获得与上述相同的趋势。
(实例4)下面将根据本发明的实例4说明记录部分的角度θ。
根据试样7至10，具有根据本发明的制作元件和比较元件，它们每一个都具有图18中所示的根据本发明的结构，但具有不同的由梯形形成的角度θ。元件的基础层结构如下。
下电极/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm/Al2O3-X0.6nm/[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.5nm/Cu 6nm/[CoFe 4nm/Ru1nm/CoFe 5nm/PtMn 15nm]/上电极试样7至10制作如下。
首先，在晶片上形成下电极之后，将晶片引入超高真空溅射装置，并叠压由PtMn(15nm)/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm/Al组成的多层膜。接着，将氧气引入溅射装置，使Al氧化，并形成Al2O3-X。在该Al2O3-X上，进一步叠压[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.5nm]/Cu6nm/[CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 5nm/PtMn 15nm]多层膜并从装置中取出。接下来，涂覆抗蚀剂，通过EB绘制装置执行电子束曝光，然后形成与上述元件尺寸对应的掩模图案。通过离子铣削装置将该图案铣削到PtMn层的上部，并构成元件。设置元件形状以使元件的纵轴方向定位于交换偏移方向。将SiO2涂在元件外围，形成上电极并构成元件。
在离子铣削期间根据能量和束电流量可以将元件部分的侧面角度θ调节到25度、35度、80度或90度。利用传输电子显微镜通过观测元件的截面来验证这些角度。
可以重复检测对于电流驱动的磁化反向的制作试样7和10。所获得的效果如下。
(试样7)当在25度的侧面角度θ和最大正和负15mA的情况下通电时观测到没有磁化反转。
(试样8)在1.2×10-7A/cm2的平均电流密度下观测磁化反转作为在35度的侧面角度θ下重复检测的结果。
(试样9)在7.0×10-6A/cm2的平均电流密度下观测磁化反转作为在80度的侧面角度θ下重复检测的结果。
(试样10)尽管在90度的侧面角度θ下并且在7.4×10-6A/cm2的平均电流密度下以第一三周期观测磁化反向，但在第四周期及其后是观测不到反向的。
根据上述内容，当侧面角度θ等于或小于30度时，由于在电流通过的情况下的电流路径问题，因此不能写入。另一方面，当侧面角度θ等于或大于85度时，热释放不充分。因此，可以发现由于热因此可能出现元件破坏的问题。根据这些结果，发现可获得良好的元件特性，并且侧面角度优选在30度到85度的范围内以便提供具有极佳稳定性的结构。
(实例5)下面将根据本发明的实例5，说明其内结合有根据本发明的磁致电阻元件的磁性存储器(磁性随机存储器MRAM)以及金属半导体-氧化物场效应晶体管(MOSFET)。
图28A、28B、28C和28D所示为根据该实例的磁性存储器的存储器单元的剖面结构的示意性视图。
图29所示为磁性存储器的等效电路的示意性视图。
即，每个存储器单元都具有本发明的磁致电阻元件10和MOSFET(TR)。提供矩阵形状的存储器单元，它们每一个都连接到位线BL和字线WL。通过选择连接到存储器单元的位线BL和连接到MOSFET(TR)的栅极G的字线WL来选择具体的存储器单元。
图28A和28B为显示写操作的概念视图。即，通过使电流经过位线BL流向磁致电阻元件10来执行向磁致电阻元件10的写入。通过流通大于磁化反转电流Ic的写电流Iw来将信号写入磁自由层A。图28A、28B、28C和28D中的写电流Iw的方向与电子电流的方向相反。
在磁致电阻元件10由普通型MR制成的情况下，在记录部分RE的电流流入侧上的铁磁层的磁化以与电子首先流经的磁固定层的磁化的方向相同的方向被写入。因此，磁自由层RE的磁化方向根据写电流Iw的极性而变化。如图28A所示可以写入“0”且如图28B所示可以写入“1”。“0”和“1”的分配可以相反。
图28C和28D为显示读出操作的概念视图。在磁致电阻元件10的阻值标准下检测读出。尽管感应电流Ir可定位于任何方向，但相对于磁化反向的临界电流Ic必须大大减少感应电流Ir。在磁致电阻元件10中提供具有高阻值的中间层S2的情况下，可以测出通过中间层S2的磁致电阻效应。
在图28A、28B、28C和28D中，在写入信号“0”的情况下，阻值增加，而在写入信号“1”的情况下，阻值减少。通过检测信号(或直接读出阻值、读出电压或读出电流)，确定记录部分RE的磁化状态，并再现信号。考虑到与晶体管TR一致的问题，期望利用具有高绝缘属性的材料例如氧化铝或MgO作为具有高阻值的中间层S2的材料。如上关于图13A和13B所述，绝缘层上形成有孔并且孔内嵌入有Cu或磁体的CCP-CPP-MR或超微接触MR也很合适，因为它可调节阻值。
在图28A、28B、28C和28D中，尽管当再现信号具有低阻值时分配信号“0”而当信号具有高阻值时分配信号“1”，但是当然，这种分配也可相反。
在根据本发明的磁性存储器中选择磁致电阻元件的方法并不局限于选择MOSFET。
图30所示为使用二极管的磁性存储器的示意性视图。即，根据本发明的磁致电阻元件10和二极管D在以垂直和水平矩阵形状布线的位线BL和字线WL之间的交叉点附近串联。
在磁性存储器的情况下，可以通过指定字线WL和位线BL来对具体存储器单元提供存取。在这种情况下，二极管D用来中断流经连到选出的字线WL和位线BL的另一存储器单元的电流部分。
(实例6)下面将根据本发明的实例6，说明将根据本发明的磁致电阻元件应用于交叉点型磁性存储器的特定实例。
图31所示为根据该实例的磁性存储器的结构的示意性透视图。
即，以矩阵形状分配字线WL和位线BL，并且分别在这些线之间的交叉点上提供磁致电阻元件10。这里，显示了根据实例2的利用试样3的磁性存储器。
通过分别选择字线WL和位线BL，写电流Iw流向特定磁致电阻元件10，从而可以根据其极性分配信号“0”或“1”。在再现中，再现电流Ir流向目标磁致电阻元件10，并检测其磁致电阻效应。可以相信交叉点型的磁性存储器具有这种结构可用最容易的方式获得高度集成的存储器。
(实例7)下面将说明利用根据本发明的磁致电阻元件的探针存储式磁性存储器。
图32所示为根据该实例的磁性存储器的示意性视图。即，在该特定实例中，显示了用于将根据本发明的磁致电阻元件应用到所谓的“有图案的介质”的探针存储式磁性存储器，并实现了利用探针存取由此有图案的介质。
在导电衬底110上的记录介质具有这种结构，根据本发明的磁致电阻元件10以矩阵方式分配在具有高阻值的绝缘体100的平面上。为了选择这些磁致电阻元件，在介质表面上提供探针200。此外，还提供用于控制在探针200和介质表面之间的相对位置关系的驱动机构210；从探针200向磁致电阻元件10施加电流或电压的供电电源220；以及检测磁致电阻元件的内部磁化状态作为电阻变化的检测电路230。
在图32中所示的特定实例中，尽管驱动机构210连到探针200，但由于介质和探针之间的相对位置可变因此可以在介质面上提供该驱动机构。如图中所示，根据本发明的多个磁致电阻元件10安排在导电衬底110上以形成有图案的介质，并且电流通过磁致电阻元件10在导电探针200和衬底110之间流通，从而执行记录和再现操作。
在图32中所示的特定实例中，尽管每个单元10仅共享衬底110上的下电极，但这每个单元10都可构成共享其自己的局部层，如图33中所示。通过这种结构，可以便于加工并使特性均匀化。
通过改变在导电探针200和有图案的介质之间的相对位置关系来选择磁致电阻元件10。导电探针200可电连接于与这些元件接触或不接触的磁致电阻元件10。在不接触的情况下，可以利用由在各个磁致电阻元件10和探针200之间流经的隧道电流或电场发射引起的电流来执行记录和再现操作。
通过从通向磁致电阻元件的探针200流向磁致电阻元件10的电流或通过从磁致电阻元件10流向探针200的电流来执行向磁致电阻元件10内的记录。当通过磁致电阻元件10的尺寸、结构、构成等来确定磁化反转电流Is时，可以使大于电流Is的写电流“Iw”流向单元来执行记录。在将电子电流限定为标准的情况下，要记录的磁化的方向与电流首先通过的磁固定层的相同。因此，通过反转电子流向，即电流极性，可执行要求的“0”或“1”的写。
通过以与记录相同的方式的从通向磁致电阻元件10的探针200流动的电流或者通过流向探针的电流，可执行再现。但是，在再现期间，流通比磁化反转电流“Is”小的再现电流“Ir”。然后，通过检测电压或电阻来确定磁自由层A的记录状态。因此，在根据该特定实例的磁性存储器中，流通具有Iw＞Ir的关系的电流，从而可以执行记录和再现操作。
图34所示为在生产多个探针时探针的阵列结构的示意性视图。在该图中，根据本发明的磁致电阻元件安排在衬底上，并形成32×32的的矩阵。该矩阵安排成32×32块，并形成总共1M(mage)位记录和再现介质。对于这种记录和再现介质，利用32×32探针执行记录和再现操作。即，一个探针对应于一组矩阵。如前面关于图32所述的执行探针检测。可以通过介质上提供的XY驱动机构来进行关于各个探针的单元选择。但是，如果位置关系相对变化，则可通过介质上提供的驱动机构来进行单元选择。此外，探针本身制成多层；中心探针(nuclear probe)连接到所谓的字线和位线；并且指定字线和位线，从而进行探针选择。
通过从通向磁致电阻元件的探针流通的电荷电流来执行关于磁致电阻元件的记录和再现操作。通过流通正或负的电流“Iw”来写信号“0”或“1”；通过流通用于再现的电流“Ir”来测量电阻，因此可对其大小关系分配“0”和“1”。
(实例8)根据本发明的实例8，制作具有从数目1至15的15种层结构的磁致电阻元件，其中梯形侧面角度θ在30度到80度的范围内，获得平均反转电流和反转电流的外部磁场依赖关系。根据EB光刻技术和离子铣削或根据EB光刻技术和反应离子蚀刻来制作这些元件。此外，施加电流作为具有2毫微秒的脉冲宽度的脉冲电流；通过改变脉冲电流值来核对反转的出现或不出现；并且获得反转电流。这些特性的结果总结在下面的表里。根据这些结果，发现根据本发明的磁致电阻元件相对于外部磁场是稳定的。
表1
表2
上面已经参照特定实例说明了本发明的实施例。但是本发明并不局限于这些特定实例。只要本领域普通技术人员能够通过从公知范围内进行合适选择来相同地执行本发明，并可实现同样的有利效果，例如构成磁致电阻元件的组成元件的具体尺寸关系或材料或者用于电极的形状或材料、钝化或绝缘结构都包含在本发明的范围内。
在图1A和1B等图种，尽管所显示的磁固定层P(P1至P4)和铁磁层FM1和FM2在膜面方向上的尺寸彼此相等，但是本发明并不局限于此。即，为了布线连接或为了控制磁化方向，磁致电阻元件的层的尺寸也可形成为彼此不同。此外，这些层的形状也可以彼此不同。
另外，磁致电阻元件中的组成元件例如反铁磁层、磁固定层、中间层、铁磁层和非磁层可以分别形成为独立的单独层，或可以构成叠压的两个或多个层。
在不脱离本发明精神的前提下，本领域普通技术人员基于上述本发明的实施例的磁致电阻元件和磁性存储器可以进行适当设计变化的所有磁致电阻元件和磁性存储器都属于本发明的范围。
额外的优势和修改对于本领域普通技术人员来说也是显而易见的。因此，本发明在其宽泛的方面并不局限于这里所示和所述的具体细节以及示意实施例。因而，在不脱离由所附的权利要求及其等价物限定的一般创造概念的精神或范围的前提下，可以进行多种修改。
权利要求
1.一种磁致电阻元件，包括其中磁化方向被固定的固定层；其中磁化方向通过自旋极化电子而被改变的自由层，该自由层具有被非磁性层分开的铁磁层，其中在铁磁层中，有非磁性层插入其间的两个相邻的铁磁层以反铁磁性的方式彼此耦合；在铁磁层中，其中磁化方向是第一方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值和其中磁化方向是与第一方向相反的第二方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值之间的差值等于或小于5×10-15emu；并且与铁磁层的衬底平行的平面越远离该衬底，所述平面越小；以及在固定层和自由层之间的中间层。
2.根据权利要求1的磁致电阻元件，其中各个铁磁层的磁化强度由该层的每单位体积的磁化强度和其体积之间的乘积来确定。
3.根据权利要求1的磁致电阻元件，其中在铁磁层中，离衬底最远的铁磁层的厚度大于最接近衬底的铁磁层的厚度。
4.根据权利要求1的磁致电阻元件，其中在垂直于自由层的衬底的方向上的剖面被形成为梯形。
5.根据权利要求4的磁致电阻元件，其中自由层的侧面具有相对于衬底的大于等于30°并小于等于85°的角度。
6.根据权利要求1的磁致电阻元件，其中在自由层的侧面上经由绝缘层配置磁轭。
7.根据权利要求1的磁致电阻元件，其中由固定层、自由层和中间层产生的磁致电阻效应是普通型和反向型中的一种。
8.根据权利要求1的磁致电阻元件，其中中间层具有绝缘体、半导体、导电体和针孔，并且由填充有在针孔内包含磁体的导电体的绝缘体之一组成。
9.根据权利要求1的磁致电阻元件，其中固定层具有被非磁性层分开的铁磁层，有非磁性层插入其间的两个相邻的铁磁层以反铁磁性的方式彼此耦合。
10.一种磁致电阻元件，包括其中磁化方向被固定的第一和第二固定层；其中磁化方向通过自旋极化电子改变的并且位于第一和第二固定层之间的自由层，该自由层具有被非磁性层分开的铁磁层，其中在铁磁层中，有非磁性层插入其间的两个相邻的铁磁层以反铁磁性的方式彼此耦合；在铁磁层中，其中磁化方向是第一方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值和其中磁化方向是与第一方向相反的第二方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值之间的差值等于或小于5×10-15emu；并且，与铁磁层的衬底平行的平面越远离该衬底，所述平面越小；在第一固定层和自由层之间的第一中间层；以及在第二固定层和自由层之间的第二中间层。
11.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中各个铁磁层的磁化强度由该层的每单位体积的磁化强度和其体积之间的乘积来确定。
12.根据权利要求11的磁致电阻元件，其中在铁磁层中，离衬底最远的铁磁层的厚度大于最接近衬底的铁磁层的厚度。
13.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中在垂直于自由层的衬底的方向上的剖面被形成为梯形。
14.根据权利要求13的磁致电阻元件，其中自由层的侧面具有相对于衬底的大于等于30°并小于等于85°的角度。
15.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中在自由层的侧面上经由绝缘层配置磁轭。
16.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中由第一和第二固定层、自由层以及第一和第二中间层产生的磁致电阻效应是普通型和反向型中的一种。
17.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中在第一和第二固定层的磁化状态彼此相同的情况下，第一和第二中间层由不同的材料构成。
18.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中在第一和第二固定层的磁化状态彼此不同的情况下，第一和第二中间层由相同的材料构成。
19.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中第一和第二中间层每个都具有绝缘体、半导体、导电体和针孔，并且由填充有在针孔内包含磁体的导电体的绝缘体之一组成。
20.根据权利要求10的磁致电阻元件，其中固定层具有被非磁性层分开的铁磁层，有非磁性层插入其间的两个相邻的铁磁层以反铁磁性的方式彼此耦合。
全文摘要
根据本发明的一方面，提供一种磁致电阻元件，包括其中磁化方向通过自旋极化电子改变的自由层，该自由层具有被非磁性层分开的铁磁层，其中在铁磁层中，有非磁性层插入其间的两个相邻的铁磁层以反铁磁性的方式彼此耦合；在铁磁层中，其中磁化方向是第一方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值和其中磁化方向是与第一方向相反的第二方向的至少一个铁磁层的总的磁化强度的绝对值之间的差值等于或小于5×10
文档编号H01L43/00GK1677558SQ200510062839
公开日2005年10月5日 申请日期2005年3月31日 优先权日2004年3月31日
发明者中村志保, 羽根田茂 申请人:株式会社东芝