CN1150557C

CN1150557C - 有磁力地稳定的磁阻存储元件

Info

Publication number: CN1150557C
Application number: CNB011219270A
Authority: CN
Inventors: Tc; T·C·安东尼
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 2000-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2004-05-19
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: JP2002056665A; US6205053B1; JP4708602B2; KR20020000119A; TW512335B; CN1337713A; EP1168354A1

Abstract

一种磁阻存储元件(100)包括第一(110)和第二(130)导电磁层。第一和第二层中其中一层基本上是“H”或“I”形。一个隔离层(120)被安排在第一和第二层之间。在不同的实施例中，隔离层要么是导电的要么是绝缘的。在不同的实施例中，第一和第二层的至少一层包括镍铁合金(NiFe)、钴铁合金(CoFe)、或镍铁钴合金(NiFeCo)中的一种。在一种实施例中，存储元件装置包括导电的磁性参考和数据层。数据层(400)基本上是“H”或“I”形。一个隔离层被安排在参考层和数据层之间。元件可以是隧道效应磁阻元件或巨磁阻(GMR)元件。隔离层在一种实施例中是绝缘的，在一种可选的实施例中是导电的。在不同的实施例中，参考层和数据层的其中一层包括镍铁合金、钴铁合金、或镍铁钴合金中的一种。

Description

有磁力地稳定的磁阻存储元件

技术领域

本发明涉及非易失性的存储器领域。特别是，该发明涉及磁性存储元件。

背景技术

一种非易失性的存储器依靠一种磁阻效应，这里的磁阻效应指的是巨磁阻(GMR)效应。基于GMR的磁存储元件是多层结构，它包括被导电的磁层夹在中间的无磁性的层。元件的磁性状态由一个磁层中的一个磁场矢量和另一磁层中的一个磁场矢量的相对方向决定(例如，平行或反平行)。元件的阻抗按照磁场矢量的相对方向而不同。从而通过施加一个跨越元件的电压并测量作为结果的电流能确定元件的状态。

磁性材料层典型地被形成为几何上图案化的膜，如方形或长方形。图案化的磁层存储结构的一个缺点是在多个磁层中可能形成多个磁畴，致使在读操作期间元件状态不确定。元件的磁畴结构的变化也可能导致元件的磁开关场(即，矫顽磁力)起伏。

为了减小磁畴引起的模糊，通过相对于层的另一维(例如，宽度)增加层的一维(例如，长度)，形状各向异性经常被引入，以便减少磁畴状态数。然而，与正方形相比长方形的缺点是存储密度的明显减小。

发明内容

考虑到已知系统和方法的局限性，磁阻存储元件的一种实施例包括第一和第二导电磁性层。第一和第二层的其中一层基本上是“H”或“I”形。一个隔离层被安排在第一和第二层之间。在不同的实施例中，隔离层要么是导电的要么是绝缘的。在不同的实施例中，第一和第二层的至少一层包括镍铁合金(NiFe)、钴铁合金(CoFe)、或镍铁钴合金(NiFeCo)中的一种。

在一种实施例中，存储元件装置包括导电的磁性参考层和数据层。数据层基本上是“H”或“I”形。“H”或“I”形几何形状的存在给予存储元件的数据层一个稳定的单轴形各向异性。一个隔离层被安排在参考层和数据层之间。元件可以是隧道效应的磁阻元件或巨磁阻元件。隔离层在一种实施例中是导电的，在另一种可供选择的实施例中是绝缘的。在不同的实施例中，参考层和数据层的其中一层包括镍铁合金、钴铁合金、或镍铁钴合金中的一种。

从附图和下面的详细描述中，本发明的其他特征和优点将显而易见。

附图说明

本发明以举例的形式被图解，不局限于附图的图形中，在附图中相似的参考数指示类似的元件，其中：

图1图解一个与自旋有关的磁阻存储元件的一个实施例。

图2图解一个各向同性的磁膜中一个磁畴图案。

图3图解具有y轴单轴各向异性的磁膜中的磁畴图案。

图4图解也具有y轴单轴各向异性的一个H形磁膜中的一个磁畴图案。

图5图解一个阵列中许多存储元件的一个H形敏感层。

具体实施方式

巨磁阻(GMR)效应由当交替的磁层中磁场矢量的相对方向作为施加场的函数而变化时，在多层铁磁/无磁性的结构中观测到的电阻的变化产生。结构的电阻是相邻磁层中磁场矢量间的角度的函数。具有相同方向的磁场矢量被称为“平行”。具有相反方向的磁场矢量被称为反平行。

因此多层铁磁/无磁性的结构的电阻率依赖于不同磁层中磁场矢量的相对方向。典型地，磁场矢量的平行排列呈现一个低电阻率状态。当磁层的矢量反平行时，多层结构的电阻系数最大。对于磁场矢量的其他相对方向观测到中等的电阻系数。

图1图解在两个磁膜层110和130之间夹有一个无磁隔离层120的一个磁性存储元件100的一种实施例。每个磁层有磁场矢量112和132。图解的磁场矢量112和132是反平行的。当磁场矢量具有相同的方向时，它们被称为平行。磁层110和130导电金属层。典型地，磁层110和130包括镍铁合金(NiFe)、钴铁合金(CoFe)、或镍铁钴合金(NiFeCo)。当磁场矢量112和132平行时，层110和130间的电阻是R1。当磁场矢量112和132反平行时，电阻增加一个量dR1。典型地磁层110和130具有不同的]矫顽磁力。

在一种类型的磁存储元件中隔离层120是一个导电的金属层。这样一个元件被称为一个“GMR”并且通过隔离层的金属导电是两个磁层间电流的主要传输机制。当隔离层120是电介质或绝缘阻挡层时，如果阻挡层足够薄，电流可以被磁层110和130之间的量子力学隧道效应实现。这样一个元件被称为一个隧道效应磁阻(TMR)元件。

磁阻存储元件可以如此构造使得其中一层中的磁场矢量被“固定”以防止改变。这样的元件被称为旋转阀元件。如果层130被固定，那么层110被称为数据或敏感层并且层130被称为参考层。元件的状态由数据和参考层间磁场矢量的相对方向决定。如果参考层具有固定的磁场矢量132，元件100能够表示相应于一位信息的2个状态。

磁性元件结构也被称为栈，除了参考、隔离和数据层外可能包含其它层。特别地，每个参考和数据层可以被连接到导体(没有图解出来)以促进感觉元件的状态。不管层的数目和类型，术语“GMR”被用来称呼将金属导体作为参考层和数据层间主要电流传输机制的磁阻元件。类似地，不管层的数目和类型，术语“TMR”被用来称呼将量子力学隧道效应作为参考层和数据层间主要电流传输机制的磁阻元件。

图案化的磁层产生一个趋向于将层退磁的静磁场。在图案化的膜的边缘，此退磁场典型地比维持垂直于图形边缘的磁化的任何各向异性项大。作为结果，该静磁场趋向于旋转边缘附近的膜的磁场矢量。边缘附近的磁性旋转在产生磁场矢量多畴的磁膜内形成畴壁，其中磁畴的磁场矢量没有全部排列成行。当读磁性存储元件时，此多畴趋向于产生噪声或横过元件的变化电阻，这使得确定被写元件的状态困难或不可能。此外，畴状态的变化能导致开关磁场起伏，这能使得写过程不可预测。

图2图解在长方形磁各向同性的薄膜中的磁畴图案。理想地，对于存储应用膜应当有一个单一的磁场矢量。然而，如指示的那样，不同磁场矢量方向的畴趋向于形成。在这个例子中，四个畴(210、220、230和240)各个有不同的磁场矢量结果。数据层中这样一个磁化状态在存储元件中是不实用的，因为没有一个优选的磁化方向。

磁各向异性一般指在磁性材料中磁化优选方向的显示。各向异性的引入可以明显地改善退磁场的影响。例如，成分或形状的变化能够对观察的磁各向异性作贡献。磁晶各向异性指的是材料成分和结晶方向对在一个磁场中磁化一个样本的能力的方向依赖的影响。通常选择用于磁性非易失性存储应用的膜展示出单轴磁晶各向异性。此材料易于沿一个特定的轴磁化。这个轴典型地被称为膜的“易磁化轴”。

图3图解在一个具有y方向(即y轴是易磁化轴)单轴各向异性的长方形元件中的磁畴。尽管作为结果的畴构型在图2之上被提高，水平方向的边缘畴302、306和352、356的磁场矢量在四个可能的方向的每个方向有相似的可能性。这个畴构型导致向元件中写一个值时不能保证的畴状态。这反过来导致企图读存储元件的内容时噪声水平的增加和要求写的磁场的不确定性。

图4图解一个“H”或“I”形膜几何形状，它将单轴形状各向异性加入到磁膜中。形状各向异性描述几何形状对在一个使用的磁场中磁化一个在其它方面磁各向同性的样本的能力的方向依赖的影响。一般地，一个膜沿着最短的维的磁化较困难，因为在该方向上退磁场最强。对于一个厚度为T、宽度为W的长方形磁性元件，形状各向异性由H_shape＝4πM_sT/W决定，其中M_s是元件的饱和磁化。延伸部分或接片(例如，408、410、412、414)将正方形几何形状变为H形层，它具有主要相应于H形的成分402、404、406的畴。磁化被形状各向异性地限制在平行于接片的长维，对于典型地预想用于磁性存储元件的材料该磁化强度的量级为数百奥斯特。术语“H”和“I”将被可交换地指图4中图解的结构的形状。

尽管畴402、406还是在边缘附近形成，形状各向异性的使用帮助确保关于边缘畴402和406内矢量方向的可预言。这样，形状各向异性和一个沿x轴施加的初始化场一起产生一个可再生的畴构型。图4图解在正x方向的一个场应用以后的磁化方向。特别地，通过减少畴状态的数目，H形几何形状趋向于除去潜在的读和写模糊。

向具有数据层400的元件写主要仅仅改变畴404内矢量的方向。一旦设置，边缘区402和406的磁化方向被接片中的大形状各向异性固定。因此尽管图3和4的层几何形状都导致3个畴，图4的几何形状趋向于导致用于实现相同存储值的较少的可能状态。读和写元件时，这反过来减少了模糊。

图5图解形成阵列500的许多存储元件的H形敏感层510、520、530和540。具有H形敏感层，元件在x和y方向都能够被间隔象单个最小线宽那样近，并且在各个存储元件中仍然保持一个可预知的磁化状态。因而对于一个最小间距2λ，元件能被间隔λ那样近。元件在每一边具有尺寸2λ(包括元件间的间隔)，导致一个4λ2的面积。

在一种实施例中接片的高度(Δ)是10％-25％个λ。典型地，蚀刻处理能够改变照相平版印刷定义的特征以产生比最小照相平版印刷分辨率λ小的尺寸。因此经管2λ表示一个线间距(即，线尺寸和间隔尺寸的和)的照相平版印刷限制，蚀刻处理如活性离子刻蚀能被用来将线宽缩减2Δ而同时将线间间隔增加2Δ。这种活性离子刻蚀处理和本领域的技术人员知道的其它传统的处理技术一起能被用来创建宽Δ的接片区，如图5所描绘的。

使用H几何形状的形状各向异性的引入也减小了需要写的磁场的范围。参考图3，例如，通过沿着两个轴320的场的使用一个写操作被执行。通过将电流传递通过位于元件上或下的垂直的导体能产生这些场。对于元件350畴352和356中的磁场矢量的方向和场H_x相同。然而，对于元件300畴306中磁场矢量的方向和场H_x的方向反向。相应地，元件300和350将在不同的H_y值转换，暗示着不管现状态较宽范围的电流被要求以写入一个给定的状态。相反，阵列500中所有元件的边缘畴中磁场矢量的方向基本上相同。因此规划具有H形数据层的元件要求一个较窄范围的写电流。

在前面的详细描述中，参照具体的示范性的实施例本发明被描述。在不背离权利要求中提出的本发明的较宽的构思和范围时，可以进行各种各样的改进和改变。因此，说明和附图将被看作是在一个示例性的而不是限制性的意义上。

Claims

1.一种存储元件装置，包括：

一个第一和一个第二磁层，其中第一和第二层中至少一个是用于存储数据的“H”形的数据层；和

一个被安排在第一和第二层之间的隔离层。

2.一种存储元件装置，包括：

作为参考层的一个磁性第一层和作为数据层的一个磁性第二层，其中数据层是“H”形；和

一个被安排在参考层和数据层之间的隔离层。

3.权利要求1或2的装置，其中隔离层是导电的。

4.权利要求1或2的装置，其中隔离层是绝缘的。

5.权利要求1或2的装置，其中存储元件形成一个巨磁阻元件。

6.权利要求1或2的装置，其中存储元件形成一个隧道效应磁阻元件。

7.权利要求1或2的装置，其中第一和第二层具有不同的矫顽磁力。

8.权利要求1或2的装置，其中第一和第二层中的一个被固定。

9.权利要求1或2的装置，其中第一和第二层的至少一层包括镍铁合金、钴铁合金、或镍铁钴合金中的一种。

10.一种存储装置，包括：

许多磁阻存储元件，每个元件有一个“H”形数据层。