CN1254870C - 磁致电阻装置和利用磁致电阻装置的磁性存储器 - Google Patents

磁致电阻装置和利用磁致电阻装置的磁性存储器 Download PDF

Info

Publication number
CN1254870C
CN1254870C CNB011113790A CN01111379A CN1254870C CN 1254870 C CN1254870 C CN 1254870C CN B011113790 A CNB011113790 A CN B011113790A CN 01111379 A CN01111379 A CN 01111379A CN 1254870 C CN1254870 C CN 1254870C
Authority
CN
China
Prior art keywords
magnetosphere
electric current
magnetoresistance
magnetoresistance device
current line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB011113790A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1310481A (zh
Inventor
林秀和
道正司
南方量二
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sharp Corp
Original Assignee
Sharp Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2000001189A external-priority patent/JP3574773B2/ja
Priority claimed from JP2000037527A external-priority patent/JP3544638B2/ja
Priority claimed from JP2000085563A external-priority patent/JP3758933B2/ja
Priority claimed from JP2000090495A external-priority patent/JP3653442B2/ja
Application filed by Sharp Corp filed Critical Sharp Corp
Publication of CN1310481A publication Critical patent/CN1310481A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1254870C publication Critical patent/CN1254870C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00—Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/02—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements
    • G11C11/16—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using elements in which the storage effect is based on magnetic spin effect
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11C—STATIC STORES
    • G11C11/00—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor
    • G11C11/56—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency
    • G11C11/5607—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using storage elements with more than two stable states represented by steps, e.g. of voltage, current, phase, frequency using magnetic storage elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/3204—Exchange coupling of amorphous multilayers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

一种磁阻装置，具有一个第一磁性层，一个非磁性层，和一个第二磁性层，非磁性层插在第一和第二磁性层之间，第一和第二磁性层具有垂直的磁各向异性。第一磁性层或第二磁性层由一种补偿点处于室温附近的铁磁体制成。

Description

磁致电阻装置和利用磁致电阻装置的磁性存储器
技术领域
本发明涉及一种磁致电阻元件或使用具有垂直的磁各向异性的磁性层的装置，并还涉及一种利用磁致电阻装置的磁性存储器。本发明还涉及一种关于这种磁性存储器的记录方法。
背景技术
通过叠置磁性层和非磁性层所获得的GMR(巨磁致电阻)装置和TMR(隧道磁致电阻)装置作为磁敏传感器，通过它们所具有的较大的磁致电阻变化率，与常规的AMR(各向异性磁致电阻)相比，可望显示出较好的性能，GMR装置已经投入实际使用，用作对HDDs(硬盘驱动器)的读取或播放磁头。另一方面，比GMR装置有更高的磁致电阻变化率的TMR装置不仅可用于磁头，还可用于磁性存储器。
已知一种如图1所示的常规TMR装置的基本结构(例如，见日本待定专利申请平9-106514)。现参见图1，TMR装置通过叠置第一磁性层31、绝缘层32、第二磁性层33和反铁磁层34制成。在这种情况下，第一磁性层31和第二磁性层33是由Fe，Co，Ni或它们的合金制成的铁磁体，反铁磁层34由FeMn、NiMn等制成，绝缘层32由Al2O3制成。
用由Cu等制成的具有导电性的一个非磁性层取代图1中的绝缘层32将得到GMR装置。
在常规的GMR装置和TMR装置中，因为磁性层沿层表面磁化，所以装置尺寸按窄轨道宽度的磁头或高集成度的磁性存储器的比例的缩小将导致这些装置受磁极端部产生的抗磁场严重影响。为此，磁性层的磁化方向将变得不稳定，这样反过来很难保持均匀地磁化，并最终导致发生诸如磁头和磁性存储器的装置操作失败。
作为解决这类问题的一种办法，日本待定专利申请平11-213650中公开了一种利用具有垂直的磁各向异性磁性层的磁致电阻装置。在此公开物中给出的装置结构示于图2。磁致电阻装置构造成非磁性层42夹在第一磁性层41和第二磁性层43之间，其中第一磁性层由一个低矫顽力的垂直磁化膜形成，第二磁性层由一个高矫顽力的垂直磁化模形成。第一和第二磁化层由利用稀土-过渡元素的合金、石榴石膜、PtCo、PdCo等制成的铁磁膜提供。
在这种情况下，因为端部磁极出现在磁性膜表面，所以抑制了由于装置的按比例缩小导致的抗磁场的增大。因此，如果磁性膜的垂直磁各向异性能量基本上大于端部磁极导致的抗磁场能量，则无论装置的尺寸如何，都可以稳定沿垂直方向的磁化。
但是，在利用具有垂直磁各向异性的磁性层的磁致电阻装置中，端部磁极出现在磁性膜表面。因为用于GMR装置和TMR装置的非磁性层非常薄，所以出现在磁性层和非磁性层界面处的磁极影响另一个磁性层的磁化，其影响力可以使反磁化。因此，当磁致电阻装置应用到例如磁性存储器上时，可能会出现这样的问题，储存的信息不能写入存储器，或写入的信息不能消除。
在此，通过日本待定专利申请平11-213650中公开的实例解释利用垂直磁化膜对磁性存储器的记录方法。根据该公开物提出的磁致电阻装置和写入线的分布示于图3。
如图2中的情形，图3的装置由第一磁性层21、非磁性层22和第二磁性层23制成。假设第一磁性层21是一个存储层，往装置中记录信息是通过使电流穿过设置在装置两侧上的写入或记录线24、25、由此使得第一磁性层21的磁化被电流线产生的磁场抵销来完成。例如，为了使第一磁性层21向装置的上方磁化，电流穿过记录线24沿插图的纸面向前，即朝向与插图纸面的前侧面对的方向，并穿过记录线25返回插图纸面，即朝向插图纸面的反侧面对的方向。因为由这两个电流线产生的合成磁场27朝向装置的上方，所以第一磁性层21的磁化方向朝向装置的上方。
但是，把记录线置于磁致电阻装置的侧边将不利于装置的高集成度。在利用布线规则，使记录行位于装置的两侧的情形中，如图3所示，相邻装置之间的距离是4F。另一方面，在装置之间设置不带记录线的普通阵列图案的情形中，相邻装置之间的距离是2F。从装置的高集成度对于存储器制造的重要性的观点来看，图3的磁性存储器的配置不利于集成度的提高。
另外，在图3所示的布线图案中，虽然位于选取的装置以外的装置不被记录，但位于选取装置前后方向(即垂直于插图纸面的方向)的装置将被记录。其结果是不可能选择一个位于装置排列的矩阵形状的交点处的装置。
发明内容
因此，鉴于要解决上述问题，本发明的第一目的在于提供一种磁致电阻装置以及一种利用磁致电阻装置的磁性存储器，该磁致电阻装置使得磁性层能够保持在稳定的磁化状态，不受从其它磁性层穿过绝缘层施加而来的泄漏的磁场影响。
在上述常规的磁致电阻装置中，为了磁性层中的磁化作用克服端部磁极所致的抗磁场能量的效应、从而达到垂直稳定，最好磁性膜的垂直磁各向异性能量尽可能地大。但是，这通常导致矫顽力也一致地增大。因此把具有足够稳定的垂直磁化膜的常规磁致电阻装置应用到磁性存储器中时，记录层的矫顽力将过度地增大，这将很难通过记录电流产生的磁场执行反磁化。
因此，本发明的第二目的在于提供一种磁致电阻装置以及一种利用磁致电阻装置的磁性存储器，磁致电阻装置具有的矫顽力的大小使得能够进行反磁化，并且磁致电阻装置将磁化的信息稳定地保持在记录层中。
因此，鉴于这些问题，本发明的第三个目的在于提供一种具有高于常规相应物的集成度的磁性存储器以及对其的记录方法，其中存储器允许信息记录到装置中，或装置的矩阵分布的交叉点处的存储器单元中。
本发明提供了一种磁致电阻装置，包括一个具有低矫顽力的第一磁性层，一个非磁性层，和一个具有高矫顽力的第二磁性层，所述非磁性层插在第一磁性层和第二磁性层之间，所述第一磁性层和第二磁性层具有垂直的磁各向异性，其特征在于：所述第一磁性层由包括至少一种轻稀土金属的稀土金属和过渡金属的非晶合金组成；所述轻稀土金属是Pr或Ce；和第二磁性层由包括至少一种重稀土金属的稀土金属和过渡金属的非晶合金组成，或由铁磁体材料组成磁致电阻。
更具体地说，在一个实施例中，不是第一磁性层就是第二磁性层由一种铁磁体制成，铁磁体在室温附近有一个补偿点。
通过这种配置，即使装置的尺寸减小，也可以减小端部磁极的效应，并因而减小由漏磁场导致的干扰。结果，可以稳定地保持垂直磁化状态。
在一个实施例中，第一磁性层由具有低矫顽力和垂直磁各向异性的铁磁体制成，第二磁性层由具有高矫顽力和垂直磁各向异性的铁磁体制成，并且形成第二磁性层的铁磁体是一种稀土金属-过渡金属非晶合金，具有较小的饱和磁化效应。在本实施例中，获得类似的效应。
在一个实施例中，第一磁性层由一种铁磁体制成，铁磁体具有的矫顽力低至足以允许第一磁性层反磁化，铁磁体具有的磁各向异性的能量高至足以维持第一磁性层的垂直磁各向异性。
利用此结构的磁致电阻装置可以提供一种可重新写入并且能够稳定地保持记录的信息的磁性存储器。
在一个实施例中，磁致电阻装置还包括一个具有垂直磁各向异性的第三磁性层和一个插在第二和第三磁性层之间的第二非磁性层。在这种情况下，第二磁性层由一种铁磁体制成，铁磁体具有的矫顽力低至足以允许第二磁性层反磁化，铁磁体具有的磁各向异性的能量高至足以维持第二磁性层的垂直磁各向异性。
本发明还提供一种磁性存储器，利用如上所述的任何一类磁致电阻装置作为存储器单元。在所述磁性存储器中，可以利用一个隧道磁致电阻效应或一个巨磁致电阻效应来确定所述磁致电阻装置的存储状态。
另外，本发明提供一种利用磁致电阻装置的磁性存储器，每个磁致电阻装置具有一个第一磁性层，一个非磁性层，一个第二磁性层，非磁性层插在第一和第二磁性层之间，第一磁性层和第二磁性层具有垂直磁各向异性，其特征在于：把用于向磁致电阻装置记录信息的电流线设置在高于和低于磁致电阻装置位于的平面的平面中。
电流线可以直接位于磁致电阻装置的上下。或者电流线可以间接地位于磁致电阻装置的上下，使得其位于相互相邻的磁致电阻装置之间的位置上。
利用上述配置可以达到较高的集成度或存储密度。
在一个实施例中，磁致电阻装置布置成矩阵形状，上平面中的电流线在与下平面中电流线的延伸方向交叉的方向上延伸。
在此磁性存储器中，可以把信息选择性地记录到位于矩阵一点上的磁致电阻装置中。
在每个电流线上可以设置一个高导磁材料层。在这种情况下，由于高导磁材料层的存在，可以有效地执行向存储器的记录。
在如上所述的向磁性存储器记录信息时，电流通过位于上平面中并与选择的磁致电阻装置相邻的两个电流线，并通过位于下平面中并与选择的磁致电阻装置相邻的两个电流线中，使得信息被记录到选择的磁致电阻装置。
从下面的描述中本发明的其它目的、特征和优点将变得更加清晰。
通过下面参考附图的详细描述可以更全面地理解本发明，附图只是出于举例说明的目的，并不构成对本发明的限定。
附图说明
图1表示根据现有技术的TMR装置的基本结构；
图2表示根据现有技术利用垂直磁化的磁致电阻装置的结构；
图3是用于解释根据现有技术在磁致电阻装置上记录的方法的简图；
图4表示根据本发明第一实施例的磁致电阻装置的结构；
图5是一条表示TbCo合金的饱和磁化效应Ms和矫顽力Hc的曲线；
图6表示根据本发明第二实施例的磁致电阻装置的结构；
图7是一条表示PrCo合金的Pr含量和矫顽力Hc的关系曲线；
图8是一条表示PrCo合金的Pr含量和垂直磁各向异性能量K的关系曲线；
图9是一条表示PrCo合金的RE(稀土)含量和矫顽力的关系曲线；
图10是一条表示PrCo合金的RE含量和垂直磁各向异性能量K的关系曲线；
图11表示根据本发明第三实施例的磁致电阻装置的结构；
图12是一条表示PrCo合金的Pr含量和矫顽力Hc的关系曲线；
图13是一条表示PrCo合金的Pr含量和垂直磁各向异性能量K的关系曲线；
图14是一条表示TbPrCo合金的RE含量和矫顽力Hc的关系曲线；
图15是一条表示TbPrCo合金的RE含量和垂直磁各向异性能量K的关系曲线；
图16表示根据本发明第四实施例的磁致电阻装置的结构；
图17表示在第四实施例中磁致电阻装置和电流线的分布；
图18A和18B分别表示在磁致电阻装置中“0”和“1”的磁化状态；
图19是用于解释第四实施例的记录方法的示意图；
图20是用于解释第四实施例的记录方法的示意图；
图21表示根据本发明第五实施例的磁致电阻装置的结构；
图22表示在第五实施例中磁致电阻装置和电流线的分布；
图23是用于解释第五实施例的记录方法的示意图；
图24是用于解释第五实施例的记录方法的示意图；
图25表示根据本发明第六实施例的磁致电阻装置的结构；
图26表示在第六实施例中磁致电阻装置和电流线的分布；
图27A和27B分别表示在磁致电阻装置中“0”和“1”的磁化状态；
图28是用于解释第六实施例的记录方法的示意图；
图29是用于解释第六实施例的记录方法的示意图；
图30表示根据本发明第七实施例的磁致电阻装置的结构；
图31表示在第七实施例中磁致电阻装置和电流线的分布；
图32是用于解释第七实施例的记录方法的示意图；
图33是用于解释第七实施例的记录方法的示意图。
具体实施方式
(实施例1)
图4表示根据本发明的磁致电阻装置的结构。本实施例的磁致电阻装置有一个第一磁性层111，一个非磁性层112和一个第二磁性层113。第一磁性层111和第二磁性层113为铁磁体，由一种RE垂直磁化膜和铁族TM(过渡金属)非晶合金即铁磁性材料制成。例举的RE-TM材料是二元合金(GdFe，TbFe，GdCo，TbCo等)或三元合金(GdFeCo，TbFeCo，GdTbFe，GdTbCo等)。
假定第一磁性层111是一个存储层，要求第一磁性层应具有一种低至能够被写入磁场重新写入的矫顽力Hc和一定水平的饱和磁化强度Ms，第二磁性层113应有一较小的饱和磁化强度Ms和一较大的矫顽力Hc，使得对第一磁性层111的影响可以减小，远离外磁场的影响。
图5是一条以TbCo非晶合金膜为例的RE-TM材料的二元合金在室温下成分与饱和磁化效应Ms和矫顽力Hc的关系曲线。从图5中可以明显地看出，当选择具有20-23原子百分比的Tbd的非晶合金膜、即选择具有处于室温附近补偿点的非晶合金膜作为第二磁性层113时，第二磁性层113满足上述条件。作为第一磁性层111，除上述含量以外的Tb含量适于满足条件。
通过把具有处于室温附近补偿点的成份选作第二磁性层113，饱和磁化强度Ms几乎完全消除，并且RE和TM子晶格的磁化强度通过铁磁性维持到足够大。同时，因为可以把磁致电阻效应主要归因于TM，所以甚至利用补偿点处于室温附近的成份也可得到足够大的磁致电阻效应，其中饱和磁化强度在补偿点消除。
作为非磁性层112，既可以采用具有导电性的非磁性层，如用于常规的GMR装置的Cu，也可以是用于常规的TMR装置的绝缘非磁性层，如Al2O3膜。
但是，当把一种氧化膜用作非磁性层时，有这样一种危险：用在磁性层中的稀土金属可能被氧化。因此，推荐采用AlN、BN或类似元素的氮化物膜或具有金刚石、DLC(类金刚石碳)或类似元素的共价键的绝缘膜作为绝缘非磁性层。
另外，在常规的GMR装置和TMR装置的情形中，当通过绝缘层实现时，非磁性层112能够具有较大的磁致电阻变化率。
当第一磁性层111和第二磁性层113厚度太薄时，会由于热能效应而发生超顺磁。因此，需要磁性层的厚度不小于50埃。当这些磁性层的厚度太厚时，将难于制造微型装置。所以，磁性层的厚度最好不大于5000埃。
至于非磁性层112，在TMR装置的情形中，厚度在5埃以下的磁性层将会导致磁性层短路，而厚度在30埃以上的磁性层将会使得电子隧道现象很少出现。所以，非磁性层112的膜厚最好不小于5埃，不大于30埃。另一方面，在GMR装置的情形中，随着非磁性层112厚度的增大，装置电阻将变得太小，磁致电阻变化率也减小。所以，膜厚度最好不大于50埃。
虽然用一种铁电材料RE-TM作为上述情形中的第一磁性层111和第二磁性层113，但也可以用一种具有垂直磁各向异性的普通铁磁体如CoCr或CoPt作为第一磁性层。
在磁致电阻装置用到磁性存储器中作为存储单元的应用中，由于选择补偿点接近室温的成份作为第二磁性层113，所以将会导致一个十分大的矫顽力。但是，磁致电阻装置可以通过在加热到居里温度的情况下施用磁场而被很容易地初始化。
(实施例2)
图6表示根据本发明第二实施例的磁致电阻装置的结构。参见图6，本实施例的磁致电阻装置实际上由一个第一磁性层211、一个非磁性层212和一个第二磁性层213制成。第一磁性层211和第二磁性层213由RE的垂直磁化膜和铁族TM非晶合金制成。
假定第一磁性层211是一个存储层，第一磁性层211应具有一个低至能由写入磁场重新写入的矫顽力Hc，和一个大小足以保持垂直磁各向异性的磁各向异性能量。第二磁性层113最好有一个较小的饱和磁化强度Ms和一个较大的矫顽力Hc，使得能够减小第二磁性层对第一磁性层211的影响，并且第二磁性层不受外磁场的影响。
下面将讨论第一磁性层211的材料。
首先，通过以CoCr基合金为例讨论晶体材料。在《Journal of theApplied Magnetism Society of Japan》的Vol.24，No.1，pp.25-33(2000)中，以CoCrTa为CoCr基合金的例子，显示了Ta含量(Ta含量：0-10原子百分比)和单层膜中饱和磁化强度Ms、矫顽力Hc和垂直磁各向异性能量之间的关系。根据此文章，尽管CoCrTa膜在上述成份范围内保持垂直磁各向异性，但矫顽力Hc到显示出约800-24,000e的较大值。
垂直磁各向异性能量K和矫顽力Hc表现出相似的趋势。当垂直磁各向异性能量K增大时，矫顽力Hc也趋于增大。另一方面，当矫顽力Hc变小时，垂直磁各向异性能量K也变小。
接下来，以TbCo合金为例讨论包含重稀土金属的RE-TM非晶合金。在《Journal of the Applied Magnetism Society of Japan》的Vol.10，No.2，pp.179-182(1986)中，显示了Ta含量(Ta含量：0-10原子％)和TbCo单层膜中饱和磁化强度Ms、矫顽力Hc和垂直磁各向异性能量Ku之间的关系。根据此文章，TbCo合金在此时变为垂直磁化膜的Tb含量为13-31原子百分比，Tb含量范围内的矫顽力大至3kOe或更大，在此Tb含量时TbCo合金维持垂直磁各向异性。
如上所述，利用晶体合金如CoCr或包含重稀土元素的RE-TM非晶合金如TbCo制成的垂直磁化膜，矫顽力Hc将不可避免地变得太大，以对本发明的存储层维持适当的垂直磁各向异性能量K。同时，为了到达理想的矫顽力Hc，也不可避免地降低垂直磁各向异性能量K，使得不能够满足垂直磁各向异性。
接下来，以PrCo非晶合金和TbPrCo非晶合金为例讨论包含轻稀土金属的RE-TM非晶合金。图7表示PrCo非晶合金膜在室温下的成份与矫顽力Hc的关系。几乎不依赖于Pr含量的PrCo非晶合金膜的矫顽力Hc大约100Oe，这是一个允许通过记录电流磁场在磁性存储器中完全反磁化的值。图8是一条表示PrCo非晶合金膜在室温下Pr含量和垂直磁各向异性能量K的关系曲线。垂直磁各向异性能量K有一个从垂直磁各向异性能量Ku中减去抗磁场能量所得到的值2πMs2，为PrCo非晶合金膜所特有。当垂直磁各向异性能量K取正值时，所得的PrCo非晶合金膜的磁化在垂直方向变得稳定。因此，可以理解，垂直磁化膜导致Pr含量约为20原子百分比或更高，并且特别是Pr含量落在20-30原子百分比的范围内，可以获得较大的垂直磁各向异性能量K，产生一种稳定的垂直磁化膜。
图9是一条表示TbPrCo合金膜在室温下RE含量和矫顽力的关系曲线。图10是一条表示TbPrCo非晶合金膜的RE含量和垂直磁各向异性能量K的关系曲线。注意到在稀土(RE)含量中Tb与Pr成份的相对比接近Tb∶Pr＝1∶1。对于第一磁性层211，需要有一个小到足以通过磁性存储器中的记录电流磁场反磁化的矫顽力Hc，从图9中可以明显地看出，RE含量应为不小于15但不大于35的原子百分比。另一方面，还可以理解，垂直磁各向异性能量K在图10所示的所有RE含量上表现为一个正值，尤其通过10-30原子百分比范围的RE含量提供一个稳定的垂直磁化膜。
因此，适于第一磁性层211的材料以二元合金(PrFe，PrCo等)或至少包含一种轻稀土金属如Pr的三元合金(PrGdFe，PrGdCo，PrTbFe，PrTbCo，PrFeCo等)为例。
同时，已知包含一种重稀土金属将导致矫顽力增大。因此，适于第二磁性层213的材料以二元合金(TbFe，TbCo，GdFe，GdCo等)或主要包含一种重稀土金属如Tb，Gd作为稀土金属的三元合金(GdTbFe，GdTbCo，TbFeCo等)为例。
特别是对于第二磁性层213，因为磁场发生器如磁铁可以用于初始化，所以从稳定的角度出发，希望矫顽力Hc和垂直磁各向异性能量K尽可能地大。因此，从图9和图10中可以理解，使用时TbPrCo非晶合金某最好具有13-32原子百分比的RE含量。
注意到当选择拥有的成份的补偿点处于室温附近的RE-TM材料作为第二磁性层213时，饱和磁化强度Ms几乎消除，由此可以避免对第一磁性层211的影响。另外，通过RE-TM合金材料的铁磁性将RE和TM子晶格的磁化维持在足够大。因为磁致电阻效应可主要归因于TM，所以甚至利用补偿点处于室温附近的成份也可得到足够大的磁致电阻效应，其中饱和磁化强度在补偿点消除。
在磁致电阻装置用到磁性存储器中作为存储单元的应用中，由于选择补偿点接近室温的成份作为第二磁性层113，所以将会导致一个十分大的矫顽力。但是，存储器可以通过在加热到居里温度的同时施用磁场而被很容易地初始化。
作为非磁性层212，既可以采用具有导电性的非磁性层，如用于常规的GMR装置的Cu，也可以采用用于常规的TMR装置的绝缘非磁性层，如Al2O3膜。
但是，当把一种氧化膜用作非磁性层时，有这样一种危险：用在磁性层中的稀土金属可能被氧化。因此，最好采用AlN、BN或类似元素的氮化物膜或具有金刚石、DLC(类金刚石碳)或类似元素的共价键的绝缘膜作为绝缘非磁性层。
当第一磁性层211和第二磁性层213厚度太薄时，会由于热能效应而发生超顺磁。因此，需要磁性层的厚度不小于50埃。当这些磁性层的厚度太厚时，将难于制造微型装置。所以，磁性层的厚度最好不大于5000埃。
至于非磁性层212，在TMR装置的情形中，厚度在5埃以下的非磁性层212将会导致磁性层短路，而厚度在30埃以上将会使得电子隧道现象很少出现。所以，非磁性层212的膜厚最好不小于5埃，不大于30埃。另一方面，在GMR装置的情形中，随着非磁性层112厚度的增大，装置电阻将变得太小，磁致电阻变化率也减小。所以，膜厚度最好不大于50埃。
第二磁性层213的材料不限于本实施例的RE-TM合金材料，显然，也可以使用其它的材料。
(实施例3)
图11表示根据本发明第三实施例的磁致电阻装置的结构。参见图11，实施例的磁致电阻装置实质上由一个第一磁性层221、第一非磁性层222、第二磁性层223、第二非磁性层224和第三磁性层225制成。第一磁性层221、第二磁性层223和第三磁性层225均由RE和铁族TM非晶合金即铁磁体的垂直磁化膜制成。
假设第二磁性层223是一个存储层，要求第一磁性层具有一种低至能够被写入磁场重新写入的矫顽力Hc和一定水平的饱和磁化强度Ms，该水平能够保持垂直磁各向异性。另一方面，希望第一磁性层221和第三磁性层225有一较小的饱和磁化强度Ms和一较大的矫顽力Hc，它们对第二磁性层223的影响可以减小，同时，层221和225不受外磁场的影响。
因此，如实施例2中的描述，适于用作一个存储层的第二磁性层223的材料以二元合金(PrFe，PrCo等)或至少包含一种轻稀土金属如Pr作为稀土金属的三元合金(PrGdFe，PrGdCo，PrTbFe，PrTbCo，PrFeCo等)为例。例外，适于第一磁性层221和第三磁性层225的材料以二元合金(TbFe，TbCo，GdFe，GdCo等)或主要包含一种重稀土金属如Tb，Gd作为稀土金属的三元合金为例。
下面将描述PrCo非晶合金用作第二磁性层223的情形和PrTbCo非晶合金用作第二磁性层223的情形。
图12表示PrCo非晶合金膜的成份和矫顽力Hc的关系。PrCo非晶合金膜呈现出在所有Pr含量下约恒为100Oe的矫顽力Hc，这表示PrCo非晶合金膜可以通过记录电流产生的磁场反磁化。图13表示PrCo非晶合金膜在室温下的Pr含量和垂直磁各向异性能量K的关系。垂直磁各向异性能量K有一个从垂直磁各向异性能量Ku中减去抗磁场能量所得到的值2πMs2，为PrCo非晶合金膜所特有。当垂直磁各向异性能量K取正值时，所得的PrCo非晶合金膜的磁化在垂直或竖直方向变得稳定。因此，可以理解，垂直磁化膜导致Pr含量约为百分之20的原子百分比或更高，并且特别是Pr含量落在百分之20-30的原子百分比的范围内，可以获得较大的垂直磁各向异性能量K，产生一种稳定的垂直磁化膜。
图14表示TbPrCo非晶合金在室温下的RE含量和矫顽力Hc的关系。图15表示TbPrCo非晶合金的RE含量和垂直磁各向异性能量K的关系曲线。从图14中可以看出，如果不能够使得磁性层抵制外磁场的反磁化的矫顽力Hc的水平是800Oe，则满足上述条件的RE含量是18-33％的原子百分比。另一方面，从图15中还可以理解，垂直磁各向异性能量K在图15中所示的RE含量范围内的所有点处显示为一个正值，并且尤其通过10-30％的原子百分比的RE含量提供一个稳定的垂直磁化膜。
另外，为了减轻从大矫顽力材料(第一磁性层221和第三磁性层225)向小矫顽力材料(第二磁性层223)的静磁场泄漏效应，也可以用补偿点处于室温RE-TM材料作为第一磁性层221和第三磁性层225。在这种情况下，补偿点附近的饱和磁化强度Ms几乎完全小时，但通过材料的铁磁性把RE和TM子晶格的磁化强度保持为足够大。另外，因为磁致电阻效应主要归因于TM，所以甚至利用补偿点处于室温附近的成份也可得到足够大的磁致电阻效应，其中饱和磁化强度在补偿点消除。
在选择补偿点处于室温附近的成分做第一和第三磁性层的情况下，将产生较强的矫顽力。但是磁致电阻装置可以通过在施加磁场的同时加热到居里温度而很容易地被初始化。
作为非磁性层，既可以采用具有导电性的非磁性层，如用于常规的GMR装置的Cu，也可以是用于常规的TMR装置的绝缘膜，如Al2O3膜。但是，如果把绝缘层用作第一和第二非磁性层，则可以获得较大的磁致电阻变化率。
虽然铁磁体RE-TM合金用作上述情形中的磁性层的材料，但也可以使用具有垂直磁各向异性的普通铁磁体，如CoCr和CoPt。
对于具有上述结构的磁致电阻装置，还可以采用具有不同矫顽力的铁磁体作为第一、第二和第三磁性层。在这种情况下，可以实施多值存储器。
实施例3的磁致电阻装置能够获得高于实施例2两倍的MR比。
(实施例4)
图16表示根据本发明第四实施例的磁致电阻装置的结构。本实施例的磁性存储器具有这样的结构，用于记录的电流线311-313，317-319放置在磁致电阻装置之上和之下，而每个装置实质上由一个第一磁性层314、一个非磁性层315和一个第二磁性层316制成。
下面将参考图17对磁致电阻装置以及电流线的放置进行描述。参见图17，电流线311、312、313放置在装置之上，电流线317、318、319放置在装置之下。信息记录利用这些电流线进行。例如，当把信息记录到装置320时，电流通过放置在横向相邻的装置之上的电流线311、313以及放置在纵向相邻的装置310、330之下的电流线317、319，由此通过这些电流线合成产生的磁场完成信息向装置320存储层上的记录。注意到，考虑到记录磁化的稳定性，把装置制成一种柱状结构。
对于这种结构，因为电流线存在于不同于装置的平面中，所以利用布线规则F，相邻装之间的距离是2F。而在现有技术中装置-装置之间的距离是4F，与现有技术相比，本实施例的结构能够更高的集成。
电流线311-313、317-319由导电的非磁性材料如AL和Cu制成。第一磁性层314和第二磁性层316由RE(稀土元素)-TM(过渡金属)非晶合金的垂直磁化膜制成，或CoCr基合金或其它晶体合金的垂直磁化膜制成。
假设第一磁性层314是一个存储层，第一磁性层314应具有一种低至能够被写入电流线反磁化的矫顽力Hc，并还应保持垂直磁各向异性。满足这些条件的第一磁性层314的材料以二元合金(PrFe，PrCo等)或至少包含一种轻稀土金属如Pr的三元合金(PrGdFe，PrGdCo，PrTbFe，PrTbCo，PrFeCo等)为例。
同时，要求第二磁性层316保持垂直磁各向异性的同时具有不至于由写入时产生的磁场导致反磁化的矫顽力水平。满足这些特性的适于第二磁性层316的材料以二元合金(TbFe，TbCo，GdFe，GdCo等)或至少包含一种重稀土金属如Tb和Gd作为稀土金属的三元合金(GdTbFe，GdTbCo，TbFeCo等)、或具有垂直磁各向异性的普通铁磁体如CoCr和CoPt为例。
当第一磁性层和第二磁性层厚度太薄时，会由于热能效应而发生超顺磁。因此，需要磁性层的厚度不小于50埃。当这些磁性层的厚度太厚时，将难于制造微型装置。所以，磁性层的厚度最好不大于5000埃。
对于非磁性层315，既可以采用具有导电性的非磁性材料，如用于常规的GMR装置的Cu，也可以是用于TMR装置的Al2O3膜。但是，考虑到磁性层中的稀土金属可能被氧化的危险，希望采用AlN、BN或类似元素的氮化物膜或具有Si、金刚石、DLC或类似元素共价键的膜作为绝缘非磁性层的材料。
至于非磁性层的膜厚度，在TMR装置的情形中，膜厚度在5埃以下将会导致磁性层短路，而膜厚度在30埃以上将会使得电子隧道现象很少出现。所以，非磁性层的膜厚最好不小于5埃，不大于30埃。另一方面，在GMR装置的情形中，随着非磁性层厚度的增大，装置电阻将变得太小，磁致电阻变化率也减小。所以，膜厚度最好不超过50埃。
注意到，虽然没有示出，但电流线和装置通过绝缘非磁性材料如SiO2彼此隔绝。
接下来将参考图18A和18B对在装置阵列图案中交叉点的记录方法做详细的描述。
如图18A和18B所示，假设第一磁性层314是一个存储层，对应于第一磁性层314被向上(图18A)或向下(图18B)磁化分别记录磁化信息“0”和“1”。利用电流通过放置在横向相邻装置之上和纵向相邻装置之下的电流线合成产生的磁场执行向本发明磁致电阻装置的记录。
图19和20是表示分别排列在被记录在中心的装置的横向和纵向的装置截面图。在此实施例中，记录通过对存储层向装置的上方反磁化而进行。
参见图19，通过利用电流线341、343合成产生的磁场执行对存储层344的记录，其中电流线341、343被放置在横向相邻于被记录装置的装置之上。在这种情况下，电流沿彼此相对的方向通过电流线341，343。在本实施例中，因为信息记录是通过反转装置存储层344的磁化方向347而进行，所以电流向着附图纸面的前方流经电流线341并向着附图纸面的后方流经电流线343。但是，存储层344的磁化方向347不仅仅单独利用上电流线341、343产生的磁场340反向。所以电流还通过下电流线348和349产生磁场。最终，利用上下四条电流线产生的磁场进行记录。注意到，电流线348、349分别放置在关于被记录的装置向附图纸面的前方和后方对齐的装置之下。在图19中，标号342表示一条电流线，标号345和346分别表示一个非磁性层和其它的磁性层。
图20表示电流流经放置在装置之下的电流线的状态。当电流流经朝向附图纸面前方的电流线356并流经朝向附图纸面后方的电流线358时，合成产生的磁场朝向装置的上方(见箭头359)。电流线351、352放置在横向邻近于被记录装置的装置之上。在图20中，标号350表示一个产生的磁场，标号354和355分别表示一个非磁性层和其它磁性层，标号357表示一根电流线。
所以，存储层的磁化可以通过利用在记录点由图19和20中的总共四条上下电流线合成产生的磁场向装置的上方反向。
以这种方式被记录的磁致电阻装置，如上所述，当第一磁性层和第二磁性层的磁化方向彼此平行时表现出一个低阻值，当这些磁化方向彼此反平行时表现出一个高阻值。所以，可以在两种记录状态之间区分磁致电阻装置。
在实施例4中与装置隔绝的写入电流线也可以在用在磁性存储器时用于读取记录信息。或者，还可以对实施例4的结构附加设置读取电流线。
可以把装置制作在晶体管上以构成一个磁性存储器，其中装置的一侧必定连接到晶体管。在这种情况下，用于记录和读取的电流线可以连接到装置的另一侧，或者给实施例4的结构增加额外的电流线。
(实施例5)
图21表示根据实施例5的磁性存储器的结构。在此实施例的磁性存储器中，利用流经斜置于装置之上和之下的记录电流线的电流产生的磁场把信息记录到磁致电阻装置。
首先解释磁致电阻装置的结构。磁致电阻装置实质上由一个第一磁性层363、一个非磁性层364和一个第二磁性层365制成。电流线361、362斜置在装置之上，而电流线366、367斜置在装置之下。下电流线366和367放置在图中所示装置的一条线和位于插图纸面前侧的装置的另一条线之间，并放置在图中所示装置的一条线和位于插图纸面后侧的装置的另一条线之间。
下面参考图22对磁致电阻装置和电流线的放置进行描述，其中图22是平面图。参见图22，电流线361和362斜置在装置370之上，电流线366和367斜置在装置370之下。在这种情况下，与实施例4中一样，装置形成为柱形。
当把装置排列成矩阵形式时，利用流经斜置在所选装置之上和之下的记录线的电流产生的合成磁场执行对选定装置在一点处的记录。
例如，通过流经斜置在装置之上的电流线361、362以及斜置在装置之下的电流线366、367的电流进行对装置370的记录，其中电流线366、367的放置使得其产生的磁场与电流线361、362产生的磁场取向相同。在这种方式中，通过利用斜置在装置之上和之下的四条电流线产生的总磁场执行在装置阵列图案中交叉点的记录。
如同实施例4中一样，相应于存储层被向上或向下磁化，记录“0”或“1”的磁化信息。
在此实施例中，解释第一磁性层是存储层的情形以及通过向装置的上方反转存储层的磁化方向进行记录的情形。
图23和24分别表示排列在被记录在中心的装置的横向和纵向的装置截面图。对被记录装置的存储层的记录通过电流流经斜置在装置之上和之下的四条记录线并通过利用产生的磁场380和390进行。
图23表示电流通过斜置于预选装置之上的电流线381、382的状态。在此状态中，电流反方向通过电流线381、382。但是，如同实施例4中的情形，当通过电流线381、382产生的磁场380进行记录时，存储层383的磁化不反向。所以，记录通过电流线381、382产生的磁场380和斜置在装置之下的电流线386、387产生的磁场的合成而进行。在图23中，标号384和385分别表示一个非磁性层和一个磁性层。
图24表示斜置于装置之下的电流线产生的磁场390的状态。为了执行对存储层393的记录，电流也可以反方向通过斜置于装置之下的电流线396、397。在图中，标号394和395分别表示一个非磁性层和一个磁性层。
结果，在选定记录的点处，由关于选定的装置斜置的上电流线和斜置的下电流线施加的磁场在所有时间里指向朝上，如图23和24中所示，由此把存储层的磁化或磁化状态向上反向。
以此种方式记录的磁致电阻装置，当第一磁性层和第二磁性层的磁化方向彼此平行时表现出一个低阻值，当这些磁化方向彼此反平行时表现出一个高阻值，如上所述。
虽然在图中没有示出，但在写入电流线和磁致电阻装置之间设置一个绝缘层。
在实施例5中与装置绝缘的写入或记录电流线也可以在用在磁性存储器中时用于读取记录信息。或者，还可以对实施例5的结构，在每个装置之上和之下附加设置读取电流线。在记录或写入电流线还用于读取的情况下，需要连接记录电流线和装置的导线。
可以把装置制作在晶体管上以构成一个磁性存储器，其中装置的一侧必定连接到晶体管。在这种情况下，用于记录和读取的电流线可以连接到装置的另一侧，或者给实施例5的结构增加额外的电流线。
从以上明显看出，与现有技术相比，本发明可提供一个具有较高的集成度和较高的选择性的磁性存储器以及对其的记录方法。
(实施例6)
图25表示根据本实施例的磁性存储器的结构。本实施例的磁性存储器由磁致电阻装置组成，每个磁致电阻装置实质上由一个第一磁性层413、一个非磁性层414、一个第二磁性层415以及放置在各个装置之上和之下的电流线412、416制成。
另外，在置于装置之上的电流线412的上表面上以及置于装置之下的电流线416的下表面上分别设置高导磁层411、417。对电流线412、416上设置高导磁层411、417把电流线产生的磁场集中到磁致电阻装置的记录层，所以能够实现高效地记录。
在实施例6的磁性存储器中，当用最小布线规则F表示时，相邻装置之间的距离是2F。即，在实施例6的磁性存储器中，相邻装置之间的距离即装置的间距减小到磁性存储器的间距4F的一半，4F间距的磁性存储器中记录电流线放置在装置的旁边，与现有技术一样。这表示根据本实施例，可以实现高集成度。
电流线412、416由导电非磁性材料如Al或Cu制成。另外，作为设置在电流线412上侧以及电流线416下侧上的高导磁层411和417的材料，可以使用NiFe、CoZrNb或类似材料。
第一磁性层412和第二磁性层415由稀土元素(RE)-过渡金属(TM)非晶合金的垂直磁化膜或CoCr基合金或其它晶体合金的垂直磁化膜制成。
假设第一磁性层413是一个记录或存储层，第一磁性层413应具有一种低至能够被电流线反磁化的矫顽力Hc，并还应保持垂直磁各向异性。满足这些条件的第一磁性层413的材料以包含一种轻稀土金属如Ce、Pr和过渡金属的二元合金(CeCo，PrCo等)或包含一种轻稀土金属、一种重稀土金属和一种过渡金属的三元合金(PrGdFe，PrGdCo，PrTbFe，PrTbCo，PrFeCo等)为例。
同时，要求第二磁性层415在保持垂直磁各向异性的同时具有的矫顽力大到足以抵制电流线产生的磁场导致的全反磁化。满足这些特性的适于第二磁性层415的材料以主要由过渡金属和重稀土金属如Tb及Gd为稀土金属组成的二元合金(TbFe，TbCo，GdFe，GdCo等)，或由重稀土金属-过渡金属组成的三元合金(GdTbFe，GdTbCo，TbFeCo等)、或具有垂直磁各向异性的铁磁体如CoCr和CoPt为例。
另一方面，考虑到因膜厚度太薄而发生超顺磁的可能性，优选第一磁性层和第二磁性层的厚度不小于50埃。另一方面，考虑到难于制造微型装置，优选这些磁性层具有不大于5000埃的厚度。
对于非磁性层414，既可以采用具有导电性的非磁性层，如用于常规的GMR装置的Cu，也可以是用于TMR装置的Al2O3膜。但是，考虑到磁性层中的稀土金属可能被氧化的危险，希望采用AlN、BN或类似元素的氮化物膜或具有Si、金刚石、DLC或类似元素共价键的膜作为绝缘非磁性层的材料。
至于非磁性层的厚度，在TMR装置的情形中，膜厚度在5埃以下将会导致磁性层短路，而膜厚度在30埃以上将会使得电子隧道现象很少出现。所以，非磁性层的膜厚最好不小于5埃，不大于30埃。另一方面，在GMR装置的情形中，随着非磁性层厚度的增大，装置电阻将变得太小，磁致电阻变化率也减小。所以，膜厚度最好不超过50埃。
注意到，虽然没有示出，但为了避免电流线和磁致电阻装置彼此电连接，在电流线和磁致电阻装置之间设置一个绝缘膜。这是出于防止由于电流泄漏到记录电流线而衰减再现信号的打算，其中该电流在再现或读取操作期间通过磁性薄膜装置。
接下来将参考图26对装置阵列和电流线的放置做详细的描述。在此实施例中，使用柱状装置以保持磁性层的外磁化状态的稳定。
如前所述，磁致电阻装置421-425、电流线426a-426c和电流线427a-427c存在于不同的平面上，即不同的水平。在此情况下，电流线426a、426b和426c存在于位于装置421-425的平面之上的上平面，电流线427a、427b和427c存在于位于装置421-425的平面之下的下平面。电流线426a、426b和426c分别在装置424、422、425之上的横向延伸，而电流线427a、427b和427c分别在装置421、422、423之下的横向延伸。
下面将参见图26对选择存在于装置的矩阵型分布中的一点处的装置422的方法进行描述。
列中的装置通过电流流经记录电流线426a和426c选取。但是，因为不能选取行中的装置(换言之，将选取所有的装置421、422、423)，所以电流也通过其它两个记录电流线427a和427c，由此可以选取点422。
如图25所述，在记录电流线426a、426b和426c之上和记录电流线427a、427b和427c之下设置高导磁材料层。
如图27A和27B所述，在实质上由一个第一磁性层431、一个非磁性层432和一个第二磁性层433制成的磁致电阻装置中，相应于记录或存储层(第一磁性层431)是否被向上(图27A)或向下(图27B)磁化，记录“0”或“1”的磁化信息。
另一方面，为了读取记录的信息，根据电阻值的不同确定“0”或“1”，其中电阻值依赖于第一磁性层431和第二磁性层433的相对磁化方向。也即，当第一磁性层431和第二磁性层433的磁化方向如图27A所示彼此平行时表现出一个低阻值，当第一磁性层431和第二磁性层433的磁化方向如图27B所示彼此反平行时表现出一个高阻值。
接下来，参见图28和29对根据本实施例的记录方法进行详细的描述。
通过利用放置在如图28所示装置(每个装置具有层444-446)之上的电流线443a、443c或放置在如图29所示的装置(每个装置具有层453-455)之下的电流线456a、456c合成产生的磁场执行对本实施例的磁致电阻装置的记录，其中电流线341、343被放置在横向相邻于被记录装置的装置之上。
在这种情况下，电流以彼此相反的方向通过电流线443a和443c以及电流线456a和456c。
由于在电流线的上侧或下侧放置高导磁层(442a、442c、457a、457b)，电流线443a、443产生的磁场441和电流线456a、456c形成的磁场成为椭圆形。
通过放置在电流线上侧或下侧的高导磁材料，电流线产生的磁场拦截在高导磁层一侧上。因此，电流线周围的磁场变得不对称，并且对装置一侧施加较强的磁场。结果，与不放置高导磁材料的情形相比，可以更有效地抵销记录层的磁化。
以上表示的记录方法是用于对磁致电阻装置记录层444，453的向上磁化。记录层444、453可以通过仅反转电流通过图28和29所示的记录电流线443a、443c、456a和456c的方向而降低磁化。在这些附图中，标号443b、447、456b和452表示电流线，标号442b、448、457b、451表示高导磁层。
当上述装置用作磁性存储器时，需要读取电流线。读取电流线需要与装置的上下侧连接。虽然此电流线可以独立于记录电流线设置，但也可以把记录电流线连接到装置，使得记录电流线也用作读取电流线。
为了把磁致电阻装置用于磁性存储器，我们已经讨论了在晶体管上设置该装置的结构，在这种情况下，装置的下侧必需连接到晶体管。因此，当把装置叠置到晶体管上时，放置在装置上的记录电流线也可以用作读取电流线，但放置在装置之下的记录电流线单独存在。
(实施例7)
图30表示本发明实施例7的磁性存储器的结构。本实施例的磁性存储器由磁致电阻装置组成，每个磁致电阻装置实质上由一个磁性层463、一个非磁性层464和一个磁性层465以及放置在不同于装置平面的平面上以及设置在相邻装置之间的电流线462、466制成。
另外，在置于装置之上的电流线462的上表面上以及置于装置之下的电流线466的下表面上分别设置高导磁层461、467。对电流线462、466上设置高导磁层461、467把电流线产生的磁场集中到磁致电阻装置的记录层，所以能够实现高效地记录。
在实施例7的磁性存储器中，与实施例6类似，当用最小布线规则F表示时，相邻装置之间的距离是2F。即，在实施例7的磁性存储器中，相邻装置之间的距离即装置的间距减小到现有磁性存储器的间距4F的一半。
接下来将参考图31对装置阵列和电流线的放置做详细的描述。在此实施例中，与实施例6一样使用柱状装置以保持磁性层的外磁化状态的稳定。
如图30所示，磁致电阻装置471-475和记录电流线476-479存在于不同的平面上，即不同的水平。在此情况下，电流线476、477存在于位于装置471-475的平面之上的上平面。电流线476与装置472和474等距离放置，电流线477与装置472和475等距离放置。另一方面，电流线478、479存在于装置471-475的平面之下的平面。电流线478与装置471和472等距离放置，电流线479与装置472和473等距离放置。
下面将参见图31对选择存在于装置的矩阵型分布中的一点处的装置472的方法进行描述。
列中的装置通过电流流经记录电流线476和477选取。但是，因为不能选取行中的装置(换言之，将选取所有的装置471、472、473)，所以电流也通过其它两个记录电流线478和479，由此可以选取点472。
如图30所示，在记录电流线476、477之上和电流线478、479之下设置高导磁材料层。
用于实施例7中磁性存储器的装置结构和材料与实施例6中的相同。
参见图32和33对本实施例的记录方法进行详细的描述。通过利用放置在如图32所示装置(每个装置具有层484-486)之上的电流线483或放置在如图33所示的装置(每个装置具有层493-495)之下的电流线496产生的磁场482，497之和执行对本实施例中磁致电阻装置的记录。此时电流通过在彼此相反的方向上相邻的电流线。
由于在电流线的上侧或下侧放置高导磁层481、498，电流线483产生的磁场482和电流线496产生的磁场497成为椭圆形。通过放置在电流线上侧或下侧的高导磁材料，电流线产生的磁场拦截在高导磁层一侧上。因此，电流线周围的磁场变得不对称，并且对装置一侧施加较强的磁场。结果，与不放置高导磁材料的情形相比，可以更有效地抵销记录层的磁化。
以上表示的记录方法是用于对磁致电阻装置记录层484、493的向上磁化。记录层484、493可以通过仅反转电流通过图32和33所示的记录电流线483、496的方向而向下磁化。在这些附图中，标号487、492表示电流线，标号488、491表示高导磁层。
当上述装置用作磁性存储器时，需要读取电流线。读取电流线需要与装置的上下侧连接。虽然此电流线可以独立于记录电流线设置，但也可以把记录电流线连接到装置，使得记录电流线也用作读取电流线。
为了把磁致电阻装置用于磁性存储器，我们已经讨论了在晶体管上叠置该装置的结构，在这种情况下，装置的下侧必需连接到晶体管。因此，当把装置叠置到晶体管上时，放置在装置上的记录电流线也可以用作读取电流线，但放置在装置之下的记录电流线单独存在。
如上所示，根据本发明提供了一种磁性存储器和记录磁性存储器的方法，磁性存储器具有高于现有技术的集成度和记录效率。
显而易见，可以有多种方式对描述的本发明做出修改。这些改变不脱离本发明的实质和范围，并且所有这些对于本领域的技术人员显而易见的修改将包含在下列权利要求的范围之内。

Claims (22)

1.一种磁致电阻装置，包括一个具有低矫顽力的第一磁性层(211)，一个非磁性层(212)，和一个具有高矫顽力的第二磁性层(213)，所述非磁性层插在第一磁性层和第二磁性层之间，所述第一磁性层和第二磁性层具有垂直的磁各向异性，其特征在于：
所述第一磁性层由包括至少一种轻稀土金属的稀土金属和过渡金属的非晶合金组成；
所述轻稀土金属是Pr或Ce；和
第二磁性层由包括至少一种重稀土金属的稀土金属和过渡金属的非晶合金组成，或由铁磁体材料组成磁致电阻。
2.如权利要求1所述的磁致电阻装置，其特征在于所述第一磁性层是PrCo非晶合金膜，所述第二磁性层是其中Tb含量在13-32原子百分比的TbPrCo非晶合金膜。
3.如权利要求1或2所述的磁致电阻装置，其特征在于所述第一磁性层的矫顽力是8kA/m。
4.如权利要求1所述的磁致电阻装置，其特征在于所述第一磁性层或第二磁性层由一种补偿点处于室温附近的铁磁体制成。
5.如权利要求1或2所述的磁致电阻装置，其特征在于所述第一磁性层的矫顽力低于所述第二磁性层的矫顽力，并且所述第二磁性层是一种具有较小饱和磁化效应的稀土金属-过渡金属非晶合金。
6.如权利要求1或2所述的磁致电阻装置，其特征在于所述第一磁性层的矫顽力低至足以允许第一磁性层反磁化，所述第一磁性层的磁各向异性的能量高至足以维持第一磁性层的垂直磁各向异性。
7.如权利要求1或2所述的磁致电阻装置，特征在于所述磁致电阻装置还包括：
一个具有垂直磁各向异性的第三磁性层(225)；和
一个插在所述第二磁性层(223)和第三磁性层之间的第二非磁性层(224)；
其中所述第一磁性层、第二磁性层(223)和第三磁性层由一种稀土金属—过渡金属非晶合金组成。
8.如权利要求7所述的磁致电阻装置，其特征在于第三磁性层由包括至少一种重稀土金属的稀土金属和过渡金属的非晶合金组成。
9.如权利要求1或2所述的磁致电阻装置，其特征在于所述非磁性层由一种绝缘体制成。
10.如权利要求9所述的磁致电阻装置，其特征在于所述绝缘体是一个氮化物膜或一个具有金刚石共价键的绝缘膜。
11.如权利要求1或2所述的磁致电阻装置，其特征在于所述非磁性层由导体制成。
12.一种利用前述任一权利要求所述的磁致电阻装置作为存储单元的磁性存储器。
13.一种利用一个或多个根据前述权利要求9或10所述的磁致电阻装置作为存储单元的磁性存储器，其中利用一个隧道磁致电阻效应来确定所述磁致电阻装置的存储状态。
14.一种利用一个或多个根据前述权利要求11所述的磁致电阻装置作为存储单元的磁性存储器，其中利用一个巨磁致电阻效应来确定所述磁致电阻装置的存储状态。
15.根据权利要求12-14之一所述的磁性存储器，其特征在于：
用于向磁致电阻装置记录信息的多个电流线(311-313、317-319、361-362、366-367)分别设置在高于磁致电阻装置所在平面的上平面和低于磁致电阻装置所在平面的下平面中，且平行于所述磁致电阻装置所位于的平面。
16.如权利要求15所述的磁性存储器，其特征在于所述电流线(311-313、317-319)的位置与所述磁致电阻装置(310、320、330)的相应堆叠轴线分别交叉。
17.如权利要求15所述的磁性存储器，其特征在于所述电流线(361-362、366-367)的位于相邻磁致电阻装置(370)的相应堆叠轴线之间。
18.如权利要求17所述的磁性存储器，其特征在于使电流通过位于所述上平面中的两个电流线(361、362)同时使电流通过位于下平面中的两个电流线(366、367)，以使信息被记录到选择的磁致电阻装置，所述四个电流线与所述选择的磁致电阻装置相邻。
19.如权利要求18所述的磁性存储器，其特征在于使电流以相反的方向通过上平面中的两条电流线和下平面中的两条电流线。
20.如权利要求15-19中任一权利要求所述的磁性存储器，其特征在于在每个电流线上设置一个高导磁材料的层(411)。
21.如权利要求20所述的磁性存储器，其特征在于所述高导磁材料的层是NiFe或CoZrNb。
22.如权利要求15-21中任一权利要求所述的磁性存储器，其特征在于所述磁致电阻装置以矩阵形状排列，所述上平面中的电流线以与所述下平面中的电流线方向交叉的方向延伸。
CNB011113790A 2000-01-07 2001-01-06 磁致电阻装置和利用磁致电阻装置的磁性存储器 Expired - Fee Related CN1254870C (zh)

Applications Claiming Priority (15)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1189/2000 2000-01-07
JP1189/00 2000-01-07
JP2000001189A JP3574773B2 (ja) 2000-01-07 2000-01-07 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリ
JP24609/2000 2000-02-02
JP24609/00 2000-02-02
JP2000024609 2000-02-02
JP2000037527A JP3544638B2 (ja) 2000-02-02 2000-02-16 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気メモリ
JP37527/00 2000-02-16
JP37527/2000 2000-02-16
JP85563/2000 2000-03-27
JP85563/00 2000-03-27
JP2000085563A JP3758933B2 (ja) 2000-03-27 2000-03-27 磁気メモリおよびその記録方法
JP2000090495A JP3653442B2 (ja) 2000-03-29 2000-03-29 磁気メモリおよびその記録方法
JP90495/2000 2000-03-29
JP90495/00 2000-03-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1310481A CN1310481A (zh) 2001-08-29
CN1254870C true CN1254870C (zh) 2006-05-03

Family

ID=27531370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB011113790A Expired - Fee Related CN1254870C (zh) 2000-01-07 2001-01-06 磁致电阻装置和利用磁致电阻装置的磁性存储器

Country Status (4)

Country Link
US (1) US6628542B2 (zh)
EP (1) EP1115164B1 (zh)
CN (1) CN1254870C (zh)
DE (1) DE60110944T2 (zh)

Families Citing this family (44)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3679593B2 (ja) * 1998-01-28 2005-08-03 キヤノン株式会社 磁性薄膜素子および磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法
US7035138B2 (en) * 2000-09-27 2006-04-25 Canon Kabushiki Kaisha Magnetic random access memory having perpendicular magnetic films switched by magnetic fields from a plurality of directions
US6724674B2 (en) * 2000-11-08 2004-04-20 International Business Machines Corporation Memory storage device with heating element
TW544677B (en) * 2000-12-26 2003-08-01 Matsushita Electric Ind Co Ltd Magneto-resistance memory device
US6713830B2 (en) * 2001-03-19 2004-03-30 Canon Kabushiki Kaisha Magnetoresistive element, memory element using the magnetoresistive element, and recording/reproduction method for the memory element
JP3667244B2 (ja) * 2001-03-19 2005-07-06 キヤノン株式会社 磁気抵抗素子、それを用いたメモリ素子、磁気ランダムアクセスメモリ及び磁気ランダムアクセスメモリの記録再生方法
US6721201B2 (en) 2001-08-30 2004-04-13 Canon Kabushiki Kaisha Magnetoresistive film and memory using the same
FR2829868A1 (fr) * 2001-09-20 2003-03-21 Centre Nat Rech Scient Memoire magnetique a ecriture par courant polarise en spin, mettant en oeuvre des alliages amorphes ferrimagnetiques et procede pour son ecriture
JP3592282B2 (ja) * 2001-10-01 2004-11-24 キヤノン株式会社 磁気抵抗効果膜、およびそれを用いたメモリ
US6593608B1 (en) * 2002-03-15 2003-07-15 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magneto resistive storage device having double tunnel junction
JP3769241B2 (ja) * 2002-03-29 2006-04-19 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ
US7207946B2 (en) * 2002-05-09 2007-04-24 Spiration, Inc. Automated provision of information related to air evacuation from a chest cavity
US6657890B1 (en) * 2002-06-21 2003-12-02 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magnetic memory device
JP2006134363A (ja) * 2002-07-29 2006-05-25 Nec Corp 磁気ランダムアクセスメモリ
US7140081B2 (en) * 2002-10-19 2006-11-28 General Motors Corporation Releasable fastener system
US6983517B2 (en) 2002-10-19 2006-01-10 General Motors Corporation Releasable fastener system
US7146690B2 (en) * 2002-10-19 2006-12-12 General Motors Corporation Releasable fastener system
US7032282B2 (en) 2002-10-19 2006-04-25 General Motors Corporation Releasable fastener system
US7013536B2 (en) 2002-10-19 2006-03-21 General Motors Corporation Releasable fastener systems and processes
JP4015983B2 (ja) * 2002-10-19 2007-11-28 ゼネラル・モーターズ・コーポレーション 解除可能な付属品用の磁気粘性ナノ複合エラストマー
US7013538B2 (en) 2002-10-19 2006-03-21 General Motors Corporation Electroactive polymer releasable fastening system and method of use
US6944920B2 (en) * 2002-10-19 2005-09-20 General Motors Corporation Electrostatically releasable fastening system and method of use
US6973701B2 (en) * 2002-10-19 2005-12-13 General Motors Corporation Releasable fastening system based on ionic polymer metal composites and method of use
US7308738B2 (en) * 2002-10-19 2007-12-18 General Motors Corporation Releasable fastener systems and processes
US7539045B2 (en) * 2002-11-28 2009-05-26 Nxp B.V. Method and device for improved magnetic field generation during a write operation of a magnetoresistive memory device
DE10301092B4 (de) * 2003-01-14 2006-06-29 Infineon Technologies Ag MRAM-Speicherzelle
FR2851668A1 (fr) * 2003-02-24 2004-08-27 St Microelectronics Sa Procede et dispositif de selection de mode de fonctionnement d'un circuit integre
US7173847B2 (en) * 2003-05-20 2007-02-06 Magsil Corporation Magnetic storage cell
US7219113B2 (en) * 2003-09-26 2007-05-15 International Business Machines Corporation Pseudo-random binary sequence checker with automatic synchronization
US6970379B2 (en) * 2003-10-14 2005-11-29 International Business Machines Corporation System and method for storing data in an unpatterned, continuous magnetic layer
JP4377751B2 (ja) * 2004-06-10 2009-12-02 シャープ株式会社 クロスポイント構造の半導体記憶装置及びその製造方法
US7313013B2 (en) * 2004-11-18 2007-12-25 International Business Machines Corporation Spin-current switchable magnetic memory element and method of fabricating the memory element
JP2006196687A (ja) * 2005-01-13 2006-07-27 Tdk Corp 磁気メモリ
US20060261109A1 (en) * 2005-05-18 2006-11-23 Browne Alan L Cargo container including an active material based releasable fastener system
KR100695163B1 (ko) * 2005-10-06 2007-03-14 삼성전자주식회사 자기저항 효과를 이용한 상변화 메모리 소자와 그 동작 및제조 방법
US7929258B2 (en) * 2008-01-22 2011-04-19 Seagate Technology Llc Magnetic sensor including a free layer having perpendicular to the plane anisotropy
US7902616B2 (en) * 2008-06-30 2011-03-08 Qimonda Ag Integrated circuit having a magnetic tunnel junction device and method
US7863700B2 (en) * 2008-06-30 2011-01-04 Qimonda Ag Magnetoresistive sensor with tunnel barrier and method
US8790798B2 (en) 2011-04-18 2014-07-29 Alexander Mikhailovich Shukh Magnetoresistive element and method of manufacturing the same
US8758909B2 (en) 2011-04-20 2014-06-24 Alexander Mikhailovich Shukh Scalable magnetoresistive element
US8541855B2 (en) * 2011-05-10 2013-09-24 Magic Technologies, Inc. Co/Ni multilayers with improved out-of-plane anisotropy for magnetic device applications
US9368176B2 (en) 2012-04-20 2016-06-14 Alexander Mikhailovich Shukh Scalable magnetoresistive element
US9524765B2 (en) * 2014-08-15 2016-12-20 Qualcomm Incorporated Differential magnetic tunnel junction pair including a sense layer with a high coercivity portion
US10128310B2 (en) * 2016-03-14 2018-11-13 Toshiba Memory Corporation Magnetoresistive memory device and manufacturing method of the same

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5347485A (en) * 1992-03-03 1994-09-13 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Magnetic thin film memory
JPH09106514A (ja) 1995-10-06 1997-04-22 Fujitsu Ltd 強磁性トンネル素子及びその製造方法
US5909345A (en) * 1996-02-22 1999-06-01 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Magnetoresistive device and magnetoresistive head
JP3351694B2 (ja) 1996-10-28 2002-12-03 日本ビクター株式会社 磁性メモリ
JP3679593B2 (ja) 1998-01-28 2005-08-03 キヤノン株式会社 磁性薄膜素子および磁性薄膜メモリ素子およびその記録再生方法
EP0959475A3 (en) * 1998-05-18 2000-11-08 Canon Kabushiki Kaisha Magnetic thin film memory and recording and reproducing method and apparatus using such a memory

Also Published As

Publication number Publication date
EP1115164A3 (en) 2002-06-12
US20010040819A1 (en) 2001-11-15
EP1115164A2 (en) 2001-07-11
DE60110944T2 (de) 2006-04-27
US6628542B2 (en) 2003-09-30
CN1310481A (zh) 2001-08-29
DE60110944D1 (de) 2005-06-30
EP1115164B1 (en) 2005-05-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1254870C (zh) 磁致电阻装置和利用磁致电阻装置的磁性存储器
CN1203560C (zh) 磁存储器元件、磁存储器及磁存储器的制造方法
CN1185630C (zh) 磁存储装置
CN1389870A (zh) 磁阻元件、使用其的存储器元件以及相关记录/再现方法
CN1068949C (zh) 磁盘存储系统和薄膜磁头
CN1221947C (zh) 磁电阻效应装置、磁头、磁记录设备和存储装置
CN100351946C (zh) 磁性体逻辑元件及磁性体逻辑元件阵列
CN1295707C (zh) 具有磁屏蔽层的磁存储器件及其制造方法
CN1106635C (zh) 磁电阻效应元件
CN1677558A (zh) 磁致电阻元件
CN1221043C (zh) 磁阻元件以及使用该元件的磁性随机访问存储器
CN1574072A (zh) 抗热干扰和具有高写入效率的磁随机存取存储器设备
CN1612262A (zh) 在未构图的连续磁层中存储数据的系统和方法
CN1379472A (zh) 半导体存储装置
CN1503229A (zh) 磁阻效应元件、磁存储器以及磁头
CN1921167A (zh) 磁阻效应元件、磁头、磁存储装置及磁内存装置
CN1604355A (zh) 磁电阻效应元件、磁头和磁再现设备
CN1758341A (zh) 磁致电阻元件、磁头、磁记录装置以及磁存储器
CN1941175A (zh) 存储元件和存储器
CN1967892A (zh) 存储元件和存储器
CN1430292A (zh) 磁开关元件和磁存储器
CN101060160A (zh) 存储元件和存储器
CN1384503A (zh) 磁阻元件,具有其的存储元件及使用该存储元件的存储器
CN1290117C (zh) 磁存储器
CN1495793A (zh) 磁随机存取存储器

Legal Events

Date Code Title Description
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C06 Publication
PB01 Publication
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20060503

Termination date: 20160106

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee