CN1384503B - 磁阻元件,具有其的存储元件及使用该存储元件的存储器 - Google Patents

磁阻元件,具有其的存储元件及使用该存储元件的存储器 Download PDF

Info

Publication number
CN1384503B
CN1384503B CN021198284A CN02119828A CN1384503B CN 1384503 B CN1384503 B CN 1384503B CN 021198284 A CN021198284 A CN 021198284A CN 02119828 A CN02119828 A CN 02119828A CN 1384503 B CN1384503 B CN 1384503B
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
magnetic
magnetic film
magnetoresistive
magnetosphere
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
CN021198284A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1384503A (zh
Inventor
池田贵司
小金井昭雄
冈野一久
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.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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 JP2001103185A external-priority patent/JP2002299727A/ja
Priority claimed from JP2001245423A external-priority patent/JP4944315B2/ja
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Publication of CN1384503A publication Critical patent/CN1384503A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN1384503B publication Critical patent/CN1384503B/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • 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
    • H10N50/01—Manufacture or treatment
    • 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
    • G11C11/14—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements
    • G11C11/15—Digital stores characterised by the use of particular electric or magnetic storage elements; Storage elements therefor using magnetic elements using thin-film elements using multiple magnetic layers
    • 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
    • G11C11/161—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 details concerning the memory cell structure, e.g. the layers of the ferromagnetic memory cell
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y10T428/1121—Multilayer
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11—Magnetic recording head
    • Y10T428/1107—Magnetoresistive
    • Y10T428/1143—Magnetoresistive with defined structural feature
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12465—All metal or with adjacent metals having magnetic properties, or preformed fiber orientation coordinate with shape
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/12—All metal or with adjacent metals
    • Y10T428/12493—Composite; i.e., plural, adjacent, spatially distinct metal components [e.g., layers, joint, etc.]
    • Y10T428/12986—Adjacent functionally defined components
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24942—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.] including components having same physical characteristic in differing degree

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)
  • Mram Or Spin Memory Techniques (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)

Abstract

一种磁阻膜，包括一非磁膜，磁膜形成在所述非磁膜的两侧。至少所述磁膜之一为垂直磁化膜。一个磁膜形成在所述磁膜接触所述垂直磁化膜但不接触所述非磁膜的位置，该磁膜的易磁化轴与垂直于膜表面的方向倾斜。本发明还公开了一种存储器，磁元件，磁阻元件以及磁元件的制造方法。

Description

磁阻元件，具有其的存储元件及使用该存储元件的存储器
技术领域
本发明涉及一种采用降低反转磁场磁化的方法的磁阻元件，以下简称为“磁膜的反转磁场”，涉及一种具有该磁阻元件的存储元件以及一种使用该存储元件的存储器。
背景技术
近年来，象固态存储器这样的半导体存储器被应用于许多信息设备上，半导体存储器具有各种类型，比如DRAM(动态随机存取存储器)，FeRAM和闪速EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。半导体存储器的特点是既有优点也有缺点。没有能够满足当前信息设备需要的所有要求的存储器。例如，DRAM可以获得高记录密度和大的可重写数量，但是，它具有易失性，一旦电源断开就丢失信息。闪速EEPROM具有非易失性，但是，需要花费的抹去时间长，而且用于高速信息处理时不稳定。
在半导体存储器的当前情况下，一种使用磁阻元件的磁存储器(MRAM：磁随机存取存储器)正有望被作为能够满足许多信息设备的所有要求的存储器，诸如在记录时间、读出时间、记录密度、可重写量、功耗等等方面的要求。特别是，一种使用自旋隧道磁阻(TMR)效应的MRAM在高密度记录或者高速读出方面具有优势，因为可以得到大量的读出信号。近期的研究报告证实了MRAM的可行性。
一种被用作MRAM元件的磁阻膜的基本结构为夹层结构，其中，磁层通过一非磁层而彼此相邻形成。公知的非磁层的材料是Cu和Al2O3。一种用诸如Cu作为非磁层的导体的磁阻膜被称为GMR膜(巨磁阻膜)。一种用诸如Al2O3作为非磁层的绝缘体的磁阻膜被称为自旋TMR膜(隧道磁阻膜)。通常，TMR膜显示出比GMR膜更大的磁阻效应。
当两个磁层的磁化方向彼此平行时，如图13A所示，磁阻膜的电阻相对较低。当它们的磁化方向彼此逆平行时，如图13B所示，磁阻膜的电阻相对较高。其中一个磁层被形成为一记录层，而另一磁层被形成为一读出层。通过利用上述特性，信息可以被读出。例如，在一非磁层12上的磁层13被形成为一记录层，而在所述非磁层12下面的一磁层14被形成为一读出层。记录层的向右的磁化方向被定义为“1”，而向左的磁化方向被定义为“0”。假如两个磁层的磁化方向均向右，如图14A所示，则磁阻膜的电阻相对较低。假如读出层的磁化方向向右而记录层的磁化方向向左，如图14B所示，则磁阻膜的电阻相对较高。假如读出层的磁化方向向左而记录层的磁化方向向右，如图14C所示，则磁阻膜的电阻相对较高。假如两个磁层的磁化方向均向左，如图14D所示，则磁阻膜的电阻相对较低。就是说，当读出层的磁化方向被固定为向右时，“0”被记录在记录层上以作为高电阻，而“1”被记录为低电阻。或者，当读出层的磁化方向被固定为向左时，“1”被记录在记录层上以作为高电阻，而“0”被记录为低电阻。
当MRAM的元件被小型化以获得较高的记录密度时，当在端面受到去磁场或者磁化涡流的影响时，使用一种采用共面磁化膜的MRAM来保留信息已变得更加困难。为了避免此问题，比如，可将磁层形成为矩形。该方法不能使元件小型化，所以不能实现记录密度的增加。美国专利US6219275建议使用一种垂直磁化膜以避免上述问题。根据该方法，即使元件的尺寸较小，磁化磁场也不会增加。与采用一共面磁化膜的MRAM相比，可以得到一种较小尺寸的磁阻膜。与采用共面磁化膜的MRAM相类似，当两个磁层的磁化方向彼此平行时，一种采用一垂直磁化膜的磁阻膜则表现出相对低的电阻，而当两个磁层的磁化方向彼此逆平行时，这种采用垂直磁化膜的磁阻膜则表现出相对高的电阻。如图15A至15D所示，在一非磁层22上的一磁层23被形成为一记录层，而在非磁层22下面的一磁层21被形成为一读出层。该记录层的向上的磁化方向被定义为“1”，而向下的磁化方向被定义为“0”。如图14A至14D所示，就能组成一个存储元件。
垂直磁化膜的主要实例是一种合金膜或者人造网膜，它是由选自由诸如Gd、Dy和Tb等稀土金属组成的组中的至少一种元素以及选自由诸如Co、Fe和Ni等过渡金属组成的组中的至少一种元素制成的，一种由一过渡金属和贵金属制成的人造网膜比如Co/Pt，以及，一种在垂直于膜表面的方向上具有结晶磁各向异性的合金膜比如CoCr。通常，垂直磁化膜的反转磁场要比由一过渡金属制成的具有纵向磁各向异性的反转磁场大些。例如，一种用一强磁性铁镍合金作为共面磁化膜的反转磁场大约是几百A/m。一种用一Co/Pt人造网膜作为垂直磁化膜的反转磁场的反转磁场很高，约几十KA/m。根据膜的成分的不同，一种稀土金属和过渡金属的合金膜表现出显然不同的磁化强度噁，因为稀土金属的子网磁化和过渡金属的子网磁化定向为彼此逆平行。于是，该合金膜的反转磁场根据成分的变化而变化。在稀土金属和过渡金属的众多合金膜中，GdFe合金膜显示出相对小的反转磁场。通常，GdFe合金膜在临界成分附近时具有约几千A/m的反转磁场，此时磁化曲线的矩形比从1开始减少。
当采用具有垂直磁化膜的磁阻膜来制成传感器、存储器或类似器件时，由于上述理由，传感器、存储器或类似器件不能运行，除非施加大磁场。例如，对于传感器，一杂散磁场必须被集中在磁阻膜的磁层上。对于存储器，必须产生一个大磁场。施加给存储器的磁场通常是通过由一导体供应电流而产生的。尤其是便携终端所用的存储器，在电源容量受到限制的情况下，供应大电流是不受欢迎的。从而，就必须在由磁阻膜所形成的存储元件周围缠绕一种用于产生磁场的导体。该措施使磁阻膜周围的结构或电路变得复杂，而且很难实施。结果导致产量降低而且成本很高。
发明目的
考虑到上述情况，提出本发明。本发明的目的是提供一种磁阻膜，它能够降低垂直磁化膜的反转磁场，并能很容易地实施，而没有降低产量或者成本提高很高，提供一种仅仅需要小功耗的存储器。
发明内容
本发明的上述目的是通过一种磁阻膜实现的，该磁阻膜包括一非磁膜，在所述非磁膜的两侧各形成有磁膜，其特征在于，至少其中一个磁膜包括一垂直磁化膜，而且，一个其易磁化轴倾斜于一垂直于膜表面的方向的磁膜形成在一个该磁膜接触所述垂直磁化膜但不接触所述非磁膜的位置。
本发明的上述目的还可以通过一存储器来实现，该存储器具有包含所述磁阻膜的存储元件，它包括用于在与膜表面垂直的方向上给所述磁阻膜提供磁场的元件，和用于检测所述磁阻膜的电阻的元件。
本发明的上述目的还可以通过一设置有多个磁阻膜的存储器来实现，该存储器还包括用于在一所需磁阻膜上有选择地记录信息的元件，以及用于在一所需磁阻膜上有选择地读出信息的元件。
附图说明
图1示出本发明的一种磁阻膜的示意性截面图；
图2示出本发明的另一种磁阻膜的示意性截面图；
图3示出本发明的再一种磁阻膜的示意性截面图；
图4示出本发明第一实施例所用的一种磁阻膜的示意性截面图；
图5为一图表，示出本发明第一实施例所用的磁阻膜的磁阻曲线；
图6示出本发明第二实施例所用的一种磁阻膜的；
图7为一图表，示出本发明第二实施例所用的磁阻膜的磁阻曲线；
图8为一电路图，示出用于向本发明第三实施例的存储器所用磁阻膜提供磁场的电路；
图9为一电路图，示出用于本发明第三实施例的存储器的一个读出电路；
图10为一示意截面图，示出本发明第三实施例的存储器的一部分；
图11为在一比较例中所用磁阻膜的示意截面图；
图12为一图表，示出在上述比较例中所用磁阻膜的磁阻曲线；
图13A为一示意截面图，示出所述磁阻膜的磁化相互平行的一种状态；
图13B为一示意截面图，示出所述磁阻膜的磁化逆平行的一种状态；
图14A，14B，14C和14D用于解释说明在一采用共面磁化膜的传统磁阻膜上的记录/再现原理，其中：
图14A的示意截面图示出当记录信息“1”被读出时的一种状态，
图14B的示意截面图示出当记录信息“0”被读出时的一种状态，
图14C的示意截面图示出当记录信息“1”被读出时的一种状态，
图14D的示意截面图示出当记录信息“0”被读出时的一种状态；
图15A，15B，15C和15D用于解释说明在一采用垂直磁化膜的传统磁阻膜上的记录/再现原理，其中：
图15A的示意截面图示出当记录信息“1”被读出时的一种状态，
图15B的示意截面图示出当记录信息“0”被读出时的一种状态，
图15C的示意截面图示出当记录信息“1”被读出时的一种状态，
图15D的示意截面图示出当记录信息“0”被读出时的一种状态；
图16A，16B，16C和16D为示意截面图，示出本发明第五实施例磁膜的磁化的变化情况；
图17A和17B的图表分别示出第五实施例磁膜的磁化曲线和一单一第一磁层101的磁化曲线；
图18A和18B的示意图示出采用一种由稀土金属和过渡金属的合金制成的垂直磁化膜的磁元件的磁化；
图19A，19B和19C的示意图用于解释说明一种向所述第一磁层注入(inject)带电粒子和转换所述第一磁层的方法；
图20A，20B和20C的示意图用于解释说明另一种向所述第一磁层注入带电粒子和转换所述第一磁层的方法；
图21为一透视图，示出一种隧道磁阻元件；
图22为一透视图，示出另一种隧道磁阻元件，它是通过将一上部磁层的部分进行转换而形成的；
图23为一透视图，还示出再一种隧道磁阻元件，它是通过转换整个上部磁层而形成的；
图24A，24B和24C为示意图，用于说明一种通过光蚀刻法(photolithography)形成所述第二磁层的方法；
图25A，25B和25C为示意图，用于说明一种隧道磁阻元件的形成方法。
优选实施例的详细描述
图1示出本发明的一种磁阻膜的实例。一磁膜，在没有磁场的情况下，其磁化将自己定位在一个与一垂直于膜表面的方向倾斜的方向上，此时与另一磁性材料没产生交换力作用，即，一第一磁膜111，其易磁化轴倾斜于一垂直于磁膜表面的方向，一第二磁膜112，它充当一垂直磁阻膜，一非磁膜113，以及一第三磁膜114，它充当一垂直磁阻膜，它们被顺序形成。所述第一和第二磁膜111和112被交换耦合(exchange-coupled)。所述第二磁膜112的磁化被调整以便定位在一垂直于膜表面的方向上，至少是当没有磁场时在第二磁膜112与非磁膜113之间的界面周围，或者当在此方向上施加磁场时定位在一垂直于膜表面的方向上。对于一MRAM，在流过一导体的电流密度受到限制的情况下，施加给一存储元件的磁场的强度最好是设定为4KA/m或者更低。据此，在没有磁场的情况下与垂直于膜表面的方向倾斜的磁化可以通过施加4KA/m或更低的磁场而被定位在垂直方向。假如一垂直磁化膜被与一磁膜交换耦合，而该磁膜的磁化被定位在一个当没有磁场时与垂直于膜表面的方向倾斜的方向上，而且与另一磁性物质没有产生交换力作用，则该垂直磁化膜的垂直磁各向异性明显减少。于是，在垂直于膜表面的方向上的反转磁场就会降低。
为了进一步增加MR率，在非磁层与磁层之间插入一高自旋极化层，此结构已经被按照惯例测验过。与此相反，本发明是为了减少相对于一个被在垂直于膜表面的方向上施加的磁场的反转磁场。一磁膜，其磁化被定位在一个当没有磁场时与垂直于膜表面的方向倾斜的方向上，且与另一磁性物质没有产生交换力作用，该磁膜不接触一非磁膜，换言之，没有被插入于磁层与非磁层之间。该磁膜没有直接影响到MR效应的发展，它的磁化无需定位在与膜表面垂直的方向上。
即使一个磁膜是这样形成的，即，其磁化被定位在一个当没有磁场时与垂直于膜表面的方向倾斜的方向上，而与另一磁性物质没有产生交换力作用，以便不与一非磁膜接触，在所述磁膜与一垂直磁化膜之间的一个交换耦合膜的反转磁场变得小于一垂直磁化膜的单层的反转磁场。在垂直于膜表面的方向上磁化反转取决于磁膜的膜厚度，该磁膜的磁化定位在倾斜于一个与膜表面垂直方向的方向上。所述磁膜的膜厚度是由一反转磁场的强度决定的。在本发明的一种磁阻膜中，其磁化定位在与一个垂直于膜表面方向倾斜的方向上的所述磁膜，其磁化不需要被定位在一个垂直于膜表面的方向上。该磁膜能被制得相对厚些，在垂直于膜表面方向上的反转磁场能被容易地充分降低。
如上所述，所述垂直磁化膜的主要实例是一种合金膜或者人造网膜，它是由选自由诸如Gd、Dy和Tb等稀土金属组成的组中的至少一种元素以及选自由诸如Co、Fe和Ni等过渡金属组成的组中的至少一种元素而制成的，一种由一过渡金属和贵金属制成的人造网膜比如Co/Pt，以及，一种在垂直于膜表面的方向上具有结晶磁各向异性的合金膜比如CoCr。磁化定位在当无磁场时与一个垂直于膜表面方向倾斜的方向上而且与另一磁性物质没有产生交换力作用的所述磁膜，可以通过调整膜形成的条件而获得，通过使用与具有垂直磁各向异性的磁膜相同的材料而使之满足Ku-2πMs2＜0的条件。这提供了一种磁膜，其易磁化轴倾斜于一个垂直于膜表面的方向。此时，Ku是垂直磁各向异性的一个能量常数，而Ms是饱和磁化的强度。采用一种稀土-过渡金属合金最好是允许容易地控制这些物理性质。用选自由诸如Co、Fe和Ni等过渡金属组成的组中的一种元素制成的一种膜，或者用一种由两种或多种元素制成的合金膜所形成的一种共面磁化膜也可以采用。
所述非磁膜113的实例是一种诸如Cu或Cr的导体以及一种诸如Al2O3或NiO的绝缘体。由一绝缘体制成的所述非磁膜113相对地提供一个大的磁阻变化，而且，所述非磁膜113最好是被用于存储器元件。
当一种具有如图1所示膜结构的磁阻膜被用作一存储器元件时，所述第二磁膜112的磁化可以通过施加一磁场而被反转，而第三磁膜114的磁化可以被或者不被反转。假如第三磁膜114的磁化不被反转，则元件电压最好是被直接读出而不变化磁化方向，以便不破坏处于读出中的被记录信息。假如第三磁膜114的磁化能被反转，则在所述第一和第二磁膜111和112之间的、具有一相对小的反转磁场(矫磁力)的变换耦合膜能被设定为一读出层，而具有一相对大的反转磁场(矫磁力)的所述磁层114能被设定为一记录层。通过读取因反转所述第二磁膜112的磁化方向所导致的元件电压变化，可以以一种非破坏性的方式读出记录信息。
图2为一示意截面图，示出作为本发明实施例的一个实例的一种膜结构。该膜结构不同于图1所示的膜结构，它形成有一第四磁膜115。所述第四磁膜115是这样一种磁膜，即，其磁化定位于与一个垂直于膜表面方向倾斜的方向上而且与另一磁性物质没有产生交换力作用。所述第四磁膜115被交换耦合至所述第三磁膜114。所述第四磁膜115降低了垂直磁化膜的反转磁场，类似于所述第一磁膜111。此结构可以通过作用一小磁场而使得第二和第三磁膜112和114的磁化反转。所述第二磁膜112的反转磁场和所述第三磁膜114的反转磁场在强度上是不同的。当一具有该结构的磁阻膜被用作存储器时，一具有相对小的反转磁场的磁层被设定为读出层，而不是在第一和第二磁膜111和112之间的所述交换耦合膜以及在第三和第四磁膜114和115之间的所述交换耦合膜，而另一具有相对大的反转磁场的磁层被设定为记录层。可以通过每一磁膜的成分、膜厚度或者膜形成条件来调整反转磁场的强度。
如图3所示，由一种具有一高自旋极化的材料制成的磁膜116和117可以被形成于在所述非磁膜113与这些磁膜之间的界面上，因而增大了磁阻率。如图3所示，这些膜被形成在两个界面上，但仅仅是可以形成它们中的一个。被形成在界面上的所述磁膜116和117可以是其磁化定位于与一个垂直于膜表面方向倾斜的方向上的磁膜或者是垂直磁化膜。当第二和第三磁膜112和114被彼此交换耦合时，具有所述非磁膜113的界面周围的磁化一定垂直于所述膜表面。
所述磁膜116和117可以具有一颗粒形状(grain shape)。
在本发明所述磁阻膜中，所述非磁膜可以是由一种金属比如Cu或者一种电介质比如Al2O3制成。当所述磁阻膜被用作存储器时，由于磁阻变化很大，最好是一种电介质非磁膜。
将具有上述任何一种膜结构的多个磁阻膜进行布置以构成一个存储器，通过仅仅向一个所需元件作用一相对大的磁场，可以有选择地将信息记录在该存储器上。
通过转换一些或者所有磁层以及有意地形成磁各向异性较小的一部分磁层，能够降低反转磁场(矫磁力)。将在下面的实施例中进行详细描述。
第一实施例
图4为一示意截面图，示出本发明第一实施例的一种磁阻膜。将一Si晶片用作基体001，其表面被氧化以形成一层约1μm厚的SiO2膜002。一层5nm厚的Fe膜是一共面磁化膜，它作为一第一磁膜111，一层30nm厚的Gd20Fe80膜是一垂直磁化膜，它作为一第二磁膜112，一层2nm厚的Al2O3膜作为一非磁膜113，一层10nm厚的Tb22Fe78膜是一垂直磁化膜，它作为一第三磁膜114，以及一层5nm厚的Pt膜作为一层保护膜118，这些膜顺序地形成在所述SiO2膜002上。所述Fe膜和所述Gd20Fe80膜被彼此交换耦合，起一种保护膜作用的所述Pt膜用于防止腐蚀，比如磁膜的氧化。在Gd20Fe80膜和Tb22Fe78膜中，过渡金属的子网磁化是占支配地位的。在所得到的多层膜上形成一层1-μm□的抗蚀膜，以及，通过干蚀刻法将所述Pt膜和Tb22Fe78膜从没有被抗蚀膜覆盖的部分除去。在干蚀刻之后，形成一层15nm厚的Al2O3膜，所述抗蚀膜和上层Al2O3膜被移除。一层用于防止上部电极与下部电极之间短路的绝缘膜121被形成，而所述电极是由所述Fe膜和Gd20Fe80膜组成的。之后，由一层Al膜形成一个突出的上部电极122，以及，从上部电极平移的所述Al2O3膜被移除以形成一电极垫用于连接一测量电路。将一个2MA/m的磁场在一垂直于所述膜表面的方向上作用在所合成的磁阻膜上，以将所述Tb22Fe78膜朝向所作用的磁场磁化。所述1-cm□Tb22Fe78膜的矫磁力表现出的值为1.6MA/m大。所述合成磁阻膜的矫磁力也希望表现出一个类似大的值。
所述磁阻膜的上部和下部电极被连接到一恒定的电流源上，而且，一恒定的电流流动以使电子通过位于Gd20Fe80膜与Tb22Fe78膜之间的Al2O3膜。一个磁场被垂直作用到所述磁阻膜的膜表面，改变其强度和方向以测量磁阻膜上的电压变化(磁阻曲线)。测量结果如图5所示。根据该测量结果可知，大约在3KA/m处发生磁化反转。
第二实施例
图6为一示意截面图，示出根据本发明第二实施例的一种磁阻膜。将一Si晶片用作基体001，其表面被氧化以形成一层约1μm厚的SiO2膜002。一层3nm厚的Fe膜是一共面磁化膜，它作为一第一磁膜111，一层50nm厚的Gd25Fe75膜是一垂直磁化膜，它作为一第二磁膜112，一层1nm厚的Co50Fe50膜是一共面磁化膜，它作为一磁膜116，它的自旋极化表现出要比第二磁膜的自旋极化高些，一层2nm厚的Al2O3作为一非磁膜113，一层1nm厚的Co50Fe50膜是一共面磁化膜，它作为一磁膜117，它的自旋极化表现出要比第三磁膜的自旋极化高些，一层30nm厚的Tb25Fe75膜是一垂直磁化膜，它作为一第三磁膜114，一层3nm厚的Fe膜是一共面磁化膜，它作为一第四磁膜115，以及，一层5nm厚的Pt膜作为一保护膜118，这些膜顺序地形成在所述SiO2膜002上。所述Fe与Gd25Fe75膜，以及所述Gd25Fe75与Co50Fe50膜被分别彼此交换耦合。所述Co50Fe50与Tb25Fe75膜，以及所述Tb25Fe75与Fe膜被分别彼此交换耦合。在Gd25Fe75和Tb25Fe75膜中，稀土金属的子网磁化是占支配地位的。所述两层的Co50Fe50膜的自旋极化要比Gd25Fe75膜和Tb25Fe75膜的自旋极化高些，而且通过交换耦合力而被在垂直于膜表面的方向上磁化。起一种保护膜作用的所述Pt膜用于防止诸如磁膜氧化的腐蚀。在所得到的多层膜上形成的一层1-μm□的抗蚀膜，以及，通过干蚀刻法将所述Pt和Tb25Fe75膜从没有被抗蚀膜覆盖的部分除去。在干蚀刻之后，形成一层39nm厚的Al2O3膜，所述抗蚀膜和上层Al2O3膜被移除。一层用于防止上部电极与下部电极之间短路的绝缘膜121被形成，而所述电极是由所述Fe和Gd25Fe75膜制成的。然后，由一层Al膜形成一个突出的上部电极122，以及，从上部电极平移的所述Al2O3膜被移除以形成一电极垫用于连接一测量电路。
所述磁阻膜的上部和下部电极被连接到一恒定的电流源上，而且，一恒定的电流流动以使电子通过位于Gd25Fe75膜与Tb25Fe75膜之间的Al2O3膜。一个磁场被垂直作用到所述磁阻膜的膜表面，改变其强度和方向以测量磁阻膜上的电压变化。测量结果如图7所示。大约在2.5KA/m和3.8KA/m处发生磁化反转。
第三实施例
图8和9表示当第二实施例所采用的磁阻膜101至109被布置在一个3×3的矩阵中时的一种存储单元的电路，该矩阵作为存储元件。图8示出一种电路，用于产生磁场以作用到所述磁阻膜上。图9示出一种电路，用于检测磁阻膜上的电阻变化。
下面将描述一种有选择地反转一任意元件的磁膜的磁化的方法。例如，为了有选择地反转所述磁阻膜105的磁化，晶体管212、217、225和220被接通，剩余的晶体管被保持断开。然后，电流流过导体312、313、323和322以在它们周围产生磁场。在相同方向的磁场被从所述四个导体仅仅作用到所述磁阻膜105。调整该组合磁场以使之比所述元件的磁膜的反转磁场稍微大些。仅仅是所述磁阻膜105的磁化可以被有选择地反转。在一个垂直地相反方向给所述磁阻膜105作用一磁场，则晶体管213、216、224和221被接通，而剩余的晶体管被保持断开。然后，电流以与上述方向相反的方向流过导体312、313、323和322，从而一反向磁场被作用到所述磁阻膜105上。
下面将描述读出操作。比如，为了读出被记录在所述磁阻膜105上的信息，晶体管235和241被接通以形成电流，其中，一电源412、一固定电阻器100和所述磁阻膜105被串联连接。所述电源电压被根据所述固定电阻器100的电阻值与所述磁阻膜105的电阻值之间的比值而分压。由于电源电压是固定的，施加在所述磁阻膜上的电压根据磁阻膜电阻值的变化而变化。该电压值被一读出放大器500读出。该读出方法主要包括两个方法。第一，检测被施加在所述磁阻膜上的电压值的数量，而信息是由该数量标识的。这种方法被称为绝对检测。第二，仅仅改变所述磁阻膜的读出层的磁化方向，信息被以电压值的差值来标识。比如，当所述读出层的磁化被反转时，由于电压值降低所发生的变化被定义为“1”，由于电压值增大所发生的变化被定义为“0”。这种读出方法被称为相对检测。
图10为一示意截面图，示出在一元件周围的外围设备部分。在一个p型Si基体011上形成两个n型扩散区119和120，在它们之间通过一绝缘层123而形成一字线(门电极)342。一地线356被连接到所述n型扩散区119。一磁阻膜105通过接触插头352、353、354和357及一部线358被连接到另一n型扩散区。所述磁阻膜还与一位线332连接。在所述磁阻膜105的两侧设置用于产生磁场的导体322和323。
比较例
如图11所示，一Si晶片被用作基体001，它的表面被氧化以形成一层约1μm厚的SiO2膜002。一层30nm厚的Gd20Fe80膜是一共面磁化膜，它被作为一磁膜21，它具有一相对小的磁场，一层2nm厚的Al2O3膜被作为一非磁膜22，一层10nm厚的Tb22Fe78膜是一共面磁化膜，它作为一磁膜23，它具有一相对大的矫磁力，以及，一层5nm厚的Pt膜作为一保护膜118，这些膜顺序地形成在所述SiO2膜002上。起一种保护膜作用的所述Pt膜用于防止诸如磁膜氧化的腐蚀。在Gd20Fe80和Tb22Fe78膜中，过渡金属的子网磁化是占支配地位的。在所得到的多层膜上形成的一层1-μm□的抗蚀膜，以及，通过干蚀刻法将所述Pt和Tb22Fe78膜从没有被抗蚀膜覆盖的部分除去。在干蚀刻之后，形成一层15nm厚的Al2O3膜，所述抗蚀膜和上层Al2O3膜被移除。一层用于防止上部电极与下部电极之间短路的绝缘膜121被形成，而所述电极是由所述Gd20Fe80膜制成的。然后，由一层Al膜形成一个突出的上部电极122，以及，从上部电极平移的所述Al2O3膜被移除以形成一电极垫用于连接一测量电路。一2MA/m的磁场被在垂直于膜表面的方向上施加到所合成的磁阻膜上，以使所述Tb22Fe78膜被向所施加的磁场方向磁化。所述1-cm□Tb22Fe78膜的矫磁力表现出一个1.6MA/m大的值。所合成的磁阻膜的矫磁力也被希望表现出同样大的值。
所述磁阻膜的上部和下部电极被连接到一恒定的电流源上，而且，一恒定的电流流动以使电子通过位于Gd20Fe80膜与Tb22Fe78膜之间的Al2O3膜。一个磁场被垂直作用到所述磁阻膜的膜表面，改变其强度和方向以测量磁阻膜上的电压变化(磁阻曲线)。测量结果如图12所示。根据该测量结果可知，反转磁场约为24KA/m。
第四实施例
在上述实施例中，形成一磁层(垂直磁各向异性小的层)，其磁化倾斜于膜厚度方向(堆叠方向)，以降低反转磁场。所述磁化倾斜的磁层能够被在所述用于降低反转磁场的磁层的端面。
下面将参照图16A至16D进行描述。图16A至16D为示意截面图，示出每一磁层的磁化方向的变化，其中，在一磁层的端面形成有一个具有小的垂直磁各向异性的区域(层)。为了便于描述，仅仅显示出一个具有一小的垂直磁备向异性层的磁膜。这样的磁膜也可以被用作磁阻元件的磁膜。如图16A至16D所示，在时间序列方面，第一磁层101的磁化方向和第二磁区102的磁化方向表现出较小的垂直磁各向异性，该状态相互一致，通过施加一外界磁场而使磁化反转，最后，在相反方向上磁化方向相互一致。在图16A中，箭头为表示第一磁层101和第二磁区102的磁化方向的矢量。
这是一个简单的模型，用以简要地说明本发明的机理。不用说，一个实际的磁化反转行为是一个基于微磁学的微观的、错综复杂的反应。
在图16A所示的状态，第一磁层101的磁化和第一磁区102a和102b的磁化均向上。当施加到所述磁膜上的一个向下的外界磁场逐渐变强时，具有小的垂直磁各向异性的所述第二磁层102a和102b的磁化方向开始倾斜，如图16B所示。
在图16B所示的状态，所述外界磁场的强度小于所述第一磁层101的矫磁力。所述第一磁层101从外围的所述第二磁区102a和102b接收交换力，而所述第一磁层101的磁化能比单层结构更容易地反转。因此，所述第一磁层101的磁化也倾斜。然而，所述第一磁层101的磁化的倾斜要小于所述第二磁区102a和102b的磁化的倾斜。
在图16C所示的状态，向下的外界磁场变得比图16B所示状态的要强。具有小的垂直磁各向异性的所述第二磁区102a和102b的磁化几乎完全被反转。然而，所述第一磁层101的磁化反转滞后。
在图16D所示的状态，外界磁场变得比图16C所示状态的更强。所述第一磁层101的磁化和所述第一磁区102a和102b的磁化被完全反转。因此，与使用单一第一磁层101相比较，通过一个小的外界磁场就使磁化反转了。
将该实施例的所述磁膜应用在一MRAM上就能容易地降低存储单元的反转磁场，而且能降低磁化反转所需的写入电流。
图17A的图表显示出根据本发明第四实施例的磁元件的磁化曲线，图17B的图表显示出单一第一磁层101的磁化曲线。磁化曲线是一个表示外界磁场(H)与磁化之间关系的图表。图17A和17B中的每一箭头表示在当磁化曲线表现出一磁滞特性的部分的磁化前进方向。此时，在磁化曲线与H轴相交的那点的外界磁场被定义为矫磁力。在第四实施例中的所述磁元件的矫磁力为Hc1，而所述单一第一磁层101的矫磁力为Hc2。
所述矫磁力Hc1与Hc2具有这样的关系：Hc1＜Hc2。与所述单一磁层101相比，一个弱的外界磁场就可使磁化反转。
图18A和18B的示意图示出一种结构的磁化，在该结构中，一种铁磁材料例如一种稀土金属和过渡金属的合金被用作磁膜。图18A表示当过渡金属占支配地位时的磁化，图18B表示当稀土金属占支配地位时的磁化。每一粗箭头表示稀土金属(RE)的磁化方向，每一细箭头表示过渡金属(TM)的磁化方向，而每一粗的开口箭头表示复合的磁化方向。
一种与合适材料和成分复合的稀土金属-过渡金属磁性物质表现出铁氧体磁性。于是，稀土金属和过渡金属的磁化是逆平行的。在稀土金属子网磁化与过渡金属子网磁化之间的差值可以被看作整个磁化。
上面描述了一种方法，该方法提供了一较小的垂直磁各向异性区域以降低用于反转磁化的磁场。而且，另外一种方法也可以用于降低磁场，该方法提供了一个磁化较大的区域。
比如，提供一层包含过渡金属和稀土金属的第一磁层401，以使过渡金属的磁化大于稀土金属的磁化，但是，它们的差值很小。而且，还提供包含所述过渡金属和稀土金属的第一磁区402a和402b，以使过渡金属的磁化比稀土金属的磁化大很多。所述第一磁区402a和402b的整个磁化大于所述第一磁层401的磁化。
具有大的磁化或者具有小的垂直磁各向异性的所述第一磁区402a和402b，被一与所述第一磁层401相比更弱的外界磁场进行磁化的反转。
在图18B中，一第一磁层403和第一磁区404两者都由一种合金制成，在该合金中，稀土金属的子网磁化是起支配作用的。
具有大的磁化或者具有小的垂直磁各向异性的第一磁区404a和404b，被一与所述第一磁层403相比更弱的外界磁场进行磁化的反转。
图18A和18B显示了这样的情形，即，第一磁层和第一磁区的占支配地位的金属是同类的。也可能是，在第一磁层和第一磁区任何之一中，稀土金属的子网磁化是占支配地位的，而在第一磁层和第一磁区另外一个中，过渡金属的子网磁化是占支配地位的，直到整个第一磁层的磁化大于整个第一磁区的磁化，并且它们的方向相同。
下面将描述一种制造方法。在第四实施例中，有许多用于制造磁膜的方法。例如，所述第一磁膜被转换以获得第一磁区，或者通过光蚀刻法在第一磁区形成图案以形成一个膜。
图19A至19C的示意图用于说明第四实施例的磁元件的制造方法，在该方法中，带电粒子被注入第一磁层以转换所述第一磁层，从而获得第一磁区。
如图19A所示，在一基体501上形成一第一磁层502和一保护层503。
所述第一磁层502被一束从一Ga离子源发射的聚焦离子束(加速电压：30KV)进行处理。图19B示出该处理状态。第一磁层502被一离子束504照射以便在元件的周围形成一被转换的锥形部分。所述第一磁层502的被转换部分作为一第一磁区505，该磁区的磁垂直各向异性要比所述第一磁层的小些。图19C示出通过转换之后所形成的第一磁区的状态。
在第一磁区505，第一磁层502中的磁耦合链(coupling chain)被Ga离子部分地切断，以降低磁各向异性。
被用于转换所述第一磁层502的离子或者带电粒子并不局限于Ga聚焦离子束。
被用于转换所述第一磁层502的离子或带电粒子的一种合适的注入能量是10至300keV。在10kev或者更低的能量下，不能发生令人满意的转换。在超过300kev的能量下，目标对象被物理损坏，可能被破坏。
所述注入能量应根据带电粒子、或者欲被转换的所述第一磁层502的材料、处理的形状、或处理的区域来正确选择。
所述磁膜欲被转换的部分并不局限于磁层的周围，而转换是为了降低垂直磁各向异性。该部分可以被设定在磁阻元件的堆叠方向，如上述实施例所述。
图20A至20C示出了这一结构。如图20A所示，离子504被通过一保护层503注入以转换其上表面。图20B为一截面图，示出注入离子之后的一被转换区域。在一磁层502上形成一具有小的垂直磁各向异性的第一磁区505。由于通过注入离子穿过保护层503而使上表面被转换，被注入到所述磁层502中的离子总数可以通过选择合适的保护层的膜厚度而调整。因此，所述第一磁区505的膜厚度可以被调整到一希望的厚度。
假如所述保护层503被做得更薄以便完全灌注一非磁元件506，所述第一磁层502可以被整个转换，如图20C所示。根据所希望的磁膜的反转磁场而控制欲被转换的区域。
用于转换所述磁层502以形成所述第一磁区505的制造方法并不局限于照射离子束比如FIB。例如，可以通过在空气中自然氧化第一磁层502而很容易地转换它。
可以在第一磁层与第一磁区之间的边界设置一与第一磁层和第一磁区不同的第三区域。第三区域可以是由所述第一磁层和第一磁区的材料的一种混合物制成。
在第四实施例中，上述磁膜可以被应用于一隧道磁阻元件的磁膜。
图21为一透视图，示出一种隧道磁阻元件，其结构是，在本发明第四实施例所述的磁膜之间夹入有一非磁绝缘层。
根据该实施例的所述隧道磁阻元件的下部磁层是一第一磁膜810，它由一第一磁层801和一第一磁区804组成，而第一磁区804是由第一磁层转换而形成的。所述非磁绝缘层是一隧道膜802。其上部磁层是一第二磁膜820，它由一第一磁层803和第一磁区805组成。所述第一磁区805为一个区域，该区域的垂直磁备向异性比所述第一磁层的小些。
所述下部和上部磁层具有不同的矫磁力。在一MRAM的实际应用中，低矫磁力层起到一个自由层的作用，而高矫磁力层起到一个引线层(pinned layer)的作用。或者，高矫磁力层起到一存储层的作用，而低矫磁力层起到一检测层的作用。
在第四实施例中，所述第一磁膜810的第一磁区804被设置成围绕所述第一磁层801。所述第二磁膜820的第一磁区805被设置成围绕所述第一磁层803。所述第一和第二磁膜810和820组成了一个隧道磁阻元件。
所述隧道磁阻元件被电连接到一下读出线806和一上读出线807a和807b。为了便于说明，在图21中，上读出线807被分成上读出线807a和807b，但是实际上是一根线。
下读出线806被与所述第一磁膜810的第一磁层801和第一磁区804电连接。上读出线807被与所述第二磁膜820的第一磁层803和第一磁区805电连接。读出电流通过隧道磁阻元件从一读出线流到另一读出线。请注意，在图21中没有显示出读出电流流动所必需的绝缘层。
通过转换所述磁层的一部分以形成一个具有小的垂直磁备向异性的区域，可以降低矫磁力，如第四实施例所述。利用MRAM中的磁阻效应可以用小电流很容易地写入信息。
当该实施例中的磁元件被应用于一隧道磁阻元件时，所述磁层能被用作上磁层和下磁层，如图21所示，或者仅仅能被应用于上或下磁层。
在用离子束转换上磁层时，磁层可以被部分地或者几乎整个地转换。
图22为一透视图，示出一隧道磁阻元件，它是通过转换上磁层的上表面部分而构成的。
所述下磁层是一第一磁膜830，而所述非磁绝缘层是一隧道膜802。所述上磁层是由一第一磁层803和第一磁区805组成的第二磁膜840。一导电保护层808防止因离子注入引起的任何损坏。
所述下磁层和上磁层具有不同的矫磁力。低矫磁力层起一自由层的作用，而高矫磁力层起一引线层的作用。
作为一种制造方法，在用于定义一存储单元区域的处理之后，发射一离子束以转换所述第二磁膜840的第一磁层803。结果，在所述第一磁层803上形成了所述第一磁区805，该磁区805具有比第一磁层小的垂直磁各向异性。
在第一磁区805中，在第一磁层803中的磁耦合链被Ga离子部分地去耦，降低了磁各向异性。作为一引线层的第二磁膜840的矫磁力可以通过选择导电保护层808的膜厚度而被调整。
在具有上述结构的磁阻膜中的矫磁力也可以被降低。将所述隧道磁阻元件应用于MRAM可以降低电力消耗。
图23为一透视图，示出一种通过转换整个上磁层所形成的隧道磁阻元件。
在图23中，下磁层是一第一磁膜830。非磁绝缘层是一隧道膜802，而上磁层是一第二磁膜850。
在用于定义一存储单元区域的处理之后，发射一离子束以转换所述整个上磁层，从而形成所述第二磁膜850。一种非磁元件809被注入所述第二磁膜850。通过在此时选择注入能量，所述第二磁性元件850的矫磁力能被调整。
在具有该结构的磁阻膜中的矫磁力也可以被降低。将所述隧道磁阻元件应用于MRAM可以降低功率消耗。
一种通过离子束照射而形成具有被降低的垂直磁各向异性的磁性元件的处理方法能够被相对容易地引进到隧道磁阻元件的制造过程中，是因为没有任何掩模(mask)形成的步骤。由于能够极其精确地处理其主要部分，用于降低矫磁力的处理生产率是很高的。
第四实施例所述磁元件的应用并不仅仅局限于一种隧道磁阻元件。当在微图案磁应用产品中需要一低矫磁力磁元件时，该实施例的磁元件能被广泛地应用。
第五实施例
下面将描述另一种采用具有被降低矫磁力的磁膜的隧道磁阻元件。
在该隧道磁阻元件中，一非磁绝缘层被夹在下磁层和上磁层之间。上磁层和下磁层是由通过转换磁层以降低矫磁力所得到的磁膜而形成的。
如图21所示，上磁层和下磁层是通过一种制造方法形成的，即，在离子蚀刻处理之后进行氧化而转换其侧壁。
下面将参照图25A至25C描述所述隧道磁阻元件的形成方法。
图25A为一示意图，示出一种处理之前的隧道结的截面形状。在一基体131上形成有一磁层132，磁层134，导电保护层135和带图案的抗蚀层(resist)136。在所述磁层132与134之间插入一隧道膜133。通过离子蚀刻、RIE或类似方法处理一元件。处理之后，普遍地用一绝缘膜来掩埋其周边，同时保持抗蚀层无用，形成突出的隧道结。
图25B为一用于比较的视图，是一截面图，示出一种经过形成一元件的处理之后的隧道结，该元件是通过采用一抗蚀层掩模的离子蚀刻法形成的，而抗蚀层掩模是通过光蚀刻法形成的。在抗蚀层136无用的区域形成一隧道结。该区域的两侧被一绝缘层139掩埋。
图25C为一截面图，示出一种隧道结，通过氧化第一磁层的侧壁而在隧道结的周围形成所述第二磁区，而该磁区是由第一磁层转换而成的。
与图25B所示进行比较，显然可知，由所述磁层132转换而成的一磁层137和由所述磁层134转换而成的一磁层138是形成在所述隧道结的周围。当所述磁层132被定义为第一磁层时，所述磁层137相当于第一磁区。当所述磁层134被定义为第一磁层时，所述磁层138相当于第二磁区。
下面将描述其形成过程。
所述基体131是一(1，0，0)Si晶片，具有一层1μm的热氧化膜。
表1示出被形成于所述基体131上的所述磁层132和134、隧道膜133和导电保护层135的材料和膜厚度。这些膜是通过磁控管溅射法形成的。所述隧道膜133是通过高频溅射Al2O3和执行氧化物等离子体处理(0.2Pa，Rf 5W，30秒)而形成的。
表1
  名称   材料   膜厚度(nm)
  磁层(nm)   Gd<sub>22</sub>Fe   50
  名称   材料   膜厚度(nm)
  隧道膜133   Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>   1.5
  磁层134   Tb<sub>20</sub>Fe   25
  导电保护层135   Si   50
在膜形成之后，在一样品上施加一抗蚀层，通过光蚀刻法而形成隧道结的掩模图。特别地，可以采用从TOKYO OHKA KOGYO得到的LOR-P003形成一具有约1.2μm厚的抗蚀层。可以用卤素光进行接点曝光以形成图案。
具有抗蚀层图案的基体被装入一离子蚀刻装置，经过处理以形成一隧道元件。
当处理结束之后，其上形成有一绝缘层的基体被立即用作一个比较样品。该比较样品的截面形状如图25B所示。
当处理结束之后，基体被临时在空气中曝光以形成磁层137和138，进而形成一绝缘层139。所形成的基体被用作第五实施例的样品。该样品的截面形状如图25C所示。
已经经过隧道结处理的基体再次经过光蚀刻处理，形成一个用作上部电极的抗蚀层掩模。通过一磁控管溅射装置而形成一层50nm厚的Al膜以作为一上部电极膜，从而形成最终的隧道磁阻元件。所述结的面积为200μm2。
通过一磁阻测量装置测量和评价所述元件的特性。施加一外界磁场直到1KOe，流过该元件的电流被设定至1μA。为了消除探测器的接点电阻的影响，在四个终端进行测量。一个引起磁化反转的磁场被定义为Hc，而该磁场Hc的值被在第五实施例的实例和比较例之间进行比较。结果如表2所示。
第六实施例
下面还将描述另一种隧道磁阻元件，它采用一具有被降低的矫磁力的磁膜。
如图21所示，采用一种通过FIB转换侧壁的制造方法而形成上磁层和下磁层。用作试验样品和比较例样品的基体和磁膜的层状结构与第五实施例的相同。
在膜形成之后，用光蚀刻法将样品刻上微观图案以形成一下部电极和类似物。形成一单层磁膜，通过从一Ga离子源发射的聚焦离子束(加速电压：30KV)而形成隧道元件的过程被执行，与图19B所示相同。
与图19B所示相同，发射一聚焦离子束以使元件的周围成为锥形，从而转换上磁层和下磁层的周边。在被转换部分，包含于上磁层内的磁耦合链被Ga离子部分地去藕，降低了垂直磁各向异性。
已经经过隧道结处理的基体再次经过光蚀刻处理，形成一个用作上部电极的抗蚀层掩模。通过一磁控管溅射装置而形成一层50nm厚的Al膜以作为一上部电极膜，从而形成最终的隧道磁阻元件。
在与第五实施例相同的条件下评价所述磁元件的特性。结果如表2所示。
第七实施例
下面还将描述另一种隧道磁阻元件，它采用一具有被降低的矫磁力的磁膜。
如图22所示，通过离子束照射而使一上磁层被部分地转换。用作试验样品和比较例样品的基体和磁膜的层状结构与第五实施例的相同，除了有一非磁导电层以外。为了能够实行局部离子注入，所述非磁导电层由Si形成，厚度为25nm。
在形成膜之后，用光蚀刻法将样品刻上微观图案以形成一下部电极和隧道元件。形成一单层磁元件，而且，通过从一Ga离子源发射的聚焦离子束(加速电压：30KV)而局部转换一上磁层的过程被执行，与图20A和20B所示相同。
已经经过隧道结处理的基体再次经过光蚀刻处理，而且形成一个用作上部电极的抗蚀层掩模。通过一磁控管溅射装置而形成一层50nm厚的Al膜以作为一上部电极膜，从而形成最终的隧道磁阻元件。
在与第五实施例相同的条件下评价所述磁元件的特性。结果如表2所示。
第八实施例
下面还将描述另一种隧道磁阻元件，它采用一具有被降低的矫磁力的磁膜。
如图23所示，通过离子束照射而使一上磁层被全部转换。用作试验样品和比较例样品的基体和磁膜的层状结构与第五实施例的相同，除了有一非磁导电层以外。为了能够实行全部离子注入，所述非磁导电层由Si形成，厚度为5nm。
在形成膜之后，用光蚀刻法将样品刻上微观图案以形成一下部电极和类似物。形成一单层磁元件，而且，通过从一Ga离子源发射的聚焦离子束(加速电压：30KV)而全部转换一上磁层的过程被执行，与图20A至20C所示相同。
已经经过隧道结处理的基体再次经过光蚀刻处理，而且形成一个用作上部电极的抗蚀层掩模。通过一磁控管溅射装置而形成一层50nm厚的Al膜以作为一上部电极膜，从而形成最终的隧道磁阻元件。
在与第五实施例相同的条件下评价所述磁元件的特性。结果如表2所示。
表2
  Hc(KOe)
  第五实施例   0.48
  第六实施例   0.36
  第七实施例   0.41
  第八实施例   0.50
  比较例   0.62
本发明并不局限于上述实施例，可以通过对多个实施例进行组合而实现本发明。一种适用于MRAM的隧道磁阻元件已经被作为一种磁阻元件的例子进行描述。然而，本发明并不局限于此，本发明的经过还可以被应用于比如一种巨磁阻元件，其中的非磁层是由导体制成的。

Claims (15)

1.一种磁阻膜，包括：
第一磁膜、第二磁膜和设置在所述第一磁膜的第一侧和所述第二磁膜的第一侧之间的非磁膜，
其中，所述第一磁膜和第二磁膜是垂直磁化膜；在所述第一磁膜的第二侧位置处形成有一个其易磁化轴相对于膜表面的垂直方向倾斜的磁膜，
其中，其磁化轴倾斜的磁膜设置在第一磁膜附近以便减小第一磁膜的转换磁场。
2.根据权利要求1所述的磁阻膜，其特征在于：所述第一磁膜和所述其易磁化轴相对于膜表面的垂直方向倾斜的磁膜彼此交换耦合。
3.根据权利要求1所述的磁阻膜，其特征在于：在所述垂直磁化膜与所述非磁膜之间插入一层，该层的自旋极化高于所述垂直磁化膜至少之一的自旋极化，而且，所述垂直磁化膜与所述具有高自旋极化的层相互交换耦合。
4.根据权利要求1所述的磁阻膜，其特征在于：在所述第一磁膜的第二侧位置处形成有一个其易磁化轴相对于膜表面的垂直方向倾斜的第四磁膜，所述第一与第二磁膜以及所述第三与第四磁膜分别相互交换耦合。
5.根据权利要求4所述的磁阻膜，其特征在于：在所述第二磁膜与所述非磁膜之间插入一层，该层的自旋极化高于所述第二磁膜的自旋极化，而且，在所述第三磁膜与所述非磁膜之间插入一层，该层的自旋极化高于所述第三磁膜的自旋极化，具有高自旋极化的所述层与第二磁膜以及具有高自旋极化的所述层与第三磁膜分别被相互交换耦合。
6.根据权利要求1所述的磁阻膜，其特征在于：易磁化轴定位在相对于膜表面的垂直方向倾斜的方向上的所述磁膜，其磁化至少部分地相对于膜表面的垂直方向倾斜，而所述磁膜与所述垂直磁化膜交换耦合。
7.根据权利要求1所述的磁阻膜，其特征在于：所述垂直磁化膜至少之一为铁磁层，该铁磁层由一种稀土金属和过渡金属的非晶合金形成。
8.根据权利要求1所述的磁阻膜，其特征在于：所述非磁膜包括一绝缘体。
9.一种存储器，它具有一种包括权利要求1所述磁阻膜的存储元件，包括：
用于在一垂直于膜表面的方向上向所述磁阻膜施加磁场的装置，和
用于检测所述磁阻膜的电阻的装置。
10.根据权利要求9所述的存储器，其特征在于：用于施加磁场的所述装置包括一导体。
11.根据权利要求9所述的存储器，其特征在于：还包括一个用于在相对于所述膜表面的垂直方向倾斜的方向上向所述磁阻膜施加一磁场的装置。
12.根据权利要求9所述的存储器，其特征在于：当记录信息时，在夹住所述非磁膜的所述磁膜之中，与其易磁化轴从垂直于所述膜表面的方向倾斜的所述磁膜相接触的所述磁膜的磁化方向被改变，而所述另一磁膜的磁化方向被保持不变以记录/再现信息。
13.根据权利要求9所述的存储器，其特征在于：在与所述非磁膜接触的形成所述磁膜之中，在无磁场时其磁化定位于一个垂直于膜表面的方向上的所述磁膜被设定为一记录层，而所述另一磁膜被设定为一读出层。
14.根据权利要求9所述的存储器，其特征在于：在与所述非磁膜形成接触的所述磁膜中，与所述非磁膜的一个膜表面接触形成的所述磁膜的磁化不被在记录或读出时所施加的磁场反转，而与所述非磁膜的另一膜表面接触形成的所述磁膜的磁化被反转。
15.根据权利要求9所述的存储器，其特征在于：
设置有多个磁阻膜，而且
所述存储器还包括
用于在一所希望的磁阻膜上通过施加磁场有选择地记录信息的元件，以及
用于有选择地读出被记录在一所希望的磁阻膜上的信息的元件。
CN021198284A 2001-04-02 2002-04-02 磁阻元件,具有其的存储元件及使用该存储元件的存储器 Expired - Fee Related CN1384503B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP103185/2001 2001-04-02
JP2001103185A JP2002299727A (ja) 2001-04-02 2001-04-02 磁性素子、トンネル磁気抵抗効果素子及びその製造方法
JP2001245423A JP4944315B2 (ja) 2001-08-13 2001-08-13 磁気抵抗効果膜、それを備えたメモリ素子及びそれを用いたメモリ
JP245423/2001 2001-08-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1384503A CN1384503A (zh) 2002-12-11
CN1384503B true CN1384503B (zh) 2010-04-28

Family

ID=26612947

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN021198284A Expired - Fee Related CN1384503B (zh) 2001-04-02 2002-04-02 磁阻元件,具有其的存储元件及使用该存储元件的存储器

Country Status (6)

Country Link
US (1) US6829121B2 (zh)
EP (1) EP1248264B1 (zh)
KR (1) KR100498998B1 (zh)
CN (1) CN1384503B (zh)
DE (1) DE60223440T2 (zh)
TW (1) TW560095B (zh)

Families Citing this family (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
JP2003242771A (ja) * 2002-02-15 2003-08-29 Toshiba Corp 半導体記憶装置
US6794695B2 (en) * 2002-04-29 2004-09-21 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Magneto resistive storage device having a magnetic field sink layer
KR20040084095A (ko) * 2003-03-26 2004-10-06 주식회사 하이닉스반도체 마그네틱 램의 형성방법
JP2004363527A (ja) * 2003-04-11 2004-12-24 Toshiba Corp 磁気記憶装置、データ複写装置、データ複写システム、データ複写プログラム、及びデータ複写方法
JP4128938B2 (ja) * 2003-10-28 2008-07-30 株式会社日立製作所 磁気ヘッド及び磁気記録再生装置
US7180715B2 (en) * 2004-02-26 2007-02-20 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Canted easy axis in self-pinned layers
KR100694170B1 (ko) * 2004-05-24 2007-03-12 충남대학교산학협력단 이온 빔 조사에 의한 교환 바이어스 특성 향상 방법
JP4134080B2 (ja) * 2005-04-04 2008-08-13 Ｔｄｋ株式会社 磁気抵抗効果素子およびその製造方法、ならびに磁気抵抗効果装置、薄膜磁気ヘッド、ヘッドジンバルアセンブリ、ヘッドアームアセンブリおよび磁気ディスク装置
US7502253B2 (en) * 2006-08-28 2009-03-10 Everspin Technologies, Inc. Spin-transfer based MRAM with reduced critical current density
US20090218645A1 (en) * 2007-02-12 2009-09-03 Yadav Technology Inc. multi-state spin-torque transfer magnetic random access memory
JP5201885B2 (ja) * 2007-06-19 2013-06-05 キヤノン株式会社 磁性物質の検出装置及び検出方法
US20090303779A1 (en) * 2008-06-05 2009-12-10 Young-Shying Chen Spin Torque Transfer MTJ Devices with High Thermal Stability and Low Write Currents
WO2010062073A2 (ko) * 2008-11-27 2010-06-03 고려대학교 산학협력단 자기 정보 처리 장치 및 그 제조 방법
JP5502627B2 (ja) * 2010-07-09 2014-05-28 株式会社東芝 磁気ランダムアクセスメモリ及びその製造方法
JP5214691B2 (ja) 2010-09-17 2013-06-19 株式会社東芝 磁気メモリ及びその製造方法
JP5535161B2 (ja) * 2011-09-20 2014-07-02 株式会社東芝 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
CN103165179B (zh) * 2011-12-14 2015-12-16 北京时代全芯科技有限公司 一种用于相变存储器的快速数据读取电路
US9190167B2 (en) 2013-02-28 2015-11-17 Kabushiki Kaisha Toshiba Shift register and shift register type magnetic memory
US9123879B2 (en) 2013-09-09 2015-09-01 Masahiko Nakayama Magnetoresistive element and method of manufacturing the same
US9368717B2 (en) 2013-09-10 2016-06-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetoresistive element and method for manufacturing the same
US9231196B2 (en) 2013-09-10 2016-01-05 Kuniaki SUGIURA Magnetoresistive element and method of manufacturing the same
US9385304B2 (en) 2013-09-10 2016-07-05 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic memory and method of manufacturing the same
JP6545493B2 (ja) * 2015-03-19 2019-07-17 東芝メモリ株式会社 磁気メモリ素子および磁気メモリ
CN113025954B (zh) * 2021-03-09 2021-12-10 北京科技大学 一种调控铁磁多层膜dm相互作用的方法
CN114156042B (zh) * 2021-11-30 2023-09-12 杭州电子科技大学 一种基于倾斜垂直磁各向异性TbCo薄膜及制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1083250A (zh) * 1992-08-28 1994-03-02 国际商业机器公司 磁阻自旋阀传感器中的反铁磁交互耦合
EP1045103A2 (de) * 1999-04-15 2000-10-18 Werner Schmitz Sprossenfenster
US6205052B1 (en) * 1999-10-21 2001-03-20 Motorola, Inc. Magnetic element with improved field response and fabricating method thereof

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL254646A (zh) 1959-08-07
JP2646398B2 (ja) * 1989-09-20 1997-08-27 インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン 光磁気記録媒体
US5390061A (en) 1990-06-08 1995-02-14 Hitachi, Ltd. Multilayer magnetoresistance effect-type magnetic head
JP3022023B2 (ja) * 1992-04-13 2000-03-15 株式会社日立製作所 磁気記録再生装置
US5652054A (en) 1994-07-11 1997-07-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Magnetic recording media having a magnetic thin film made of magnetic metals grains and nonmagnetic matrix
US5729410A (en) 1996-11-27 1998-03-17 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junction device with longitudinal biasing
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
JP2001126332A (ja) * 1999-10-21 2001-05-11 Canon Inc 光磁気記録媒体の製造方法
RU2169398C1 (ru) * 2000-02-11 2001-06-20 Общество с ограниченной ответственностью "ЛабИНТЕХ" (Лаборатория ионных нанотехнологий) Способ изготовления магнитного носителя
JP3524486B2 (ja) * 2000-10-13 2004-05-10 キヤノン株式会社 磁気抵抗素子及び該素子を用いたメモリ素子
US6798624B2 (en) * 2001-03-15 2004-09-28 Seagate Technology Llc Magnetization sensor for sensing the write field characteristics of a perpendicular or longitudinal recording head

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1083250A (zh) * 1992-08-28 1994-03-02 国际商业机器公司 磁阻自旋阀传感器中的反铁磁交互耦合
EP1045103A2 (de) * 1999-04-15 2000-10-18 Werner Schmitz Sprossenfenster
US6205052B1 (en) * 1999-10-21 2001-03-20 Motorola, Inc. Magnetic element with improved field response and fabricating method thereof

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
全文.
同上.

Also Published As

Publication number Publication date
EP1248264A2 (en) 2002-10-09
DE60223440T2 (de) 2008-09-04
KR100498998B1 (ko) 2005-07-01
CN1384503A (zh) 2002-12-11
US6829121B2 (en) 2004-12-07
US20020182442A1 (en) 2002-12-05
TW560095B (en) 2003-11-01
DE60223440D1 (de) 2007-12-27
EP1248264B1 (en) 2007-11-14
EP1248264A3 (en) 2004-06-16
KR20030009095A (ko) 2003-01-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1384503B (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
US6480411B1 (en) Magnetoresistance effect type memory, and method and device for reproducing information from the memory
US7682840B2 (en) Magnetic device and method of making the same
JP4143020B2 (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ
US7002839B2 (en) Magnetic ring unit and magnetic memory device
CN100447892C (zh) 具有软基准层的磁存储器件
US6845038B1 (en) Magnetic tunnel junction memory device
RU2580378C2 (ru) Записываемый магнитный элемент
CN1307643C (zh) 具有软基准层的磁阻器件的读取方法
US7348589B2 (en) Low power consumption magnetic memory and magnetic information recording device
KR100624762B1 (ko) 고밀도 ｍｒａｍ 어플리케이션을 위한 합성-페리자성체센스-층
JP2000090658A (ja) 磁気メモリ素子
JP2000195250A (ja) 磁気メモリ装置
JP4125465B2 (ja) 磁気メモリ装置
JP3977576B2 (ja) 磁気メモリ装置
US6898115B2 (en) Magnetoresistive element, and magnetic memory using the same
KR100446888B1 (ko) 자기저항효과막 및 그를 이용한 메모리
JP2004087870A (ja) 磁気抵抗効果素子および磁気メモリ装置
JP4944315B2 (ja) 磁気抵抗効果膜、それを備えたメモリ素子及びそれを用いたメモリ
JPH11154389A (ja) 磁気抵抗素子、磁性薄膜メモリ素子および該メモリ素子の記録再生方法
JP4054403B2 (ja) 磁性薄膜メモリ
JP3350311B2 (ja) 磁性薄膜メモリ素子及び磁性薄膜メモリ
JP2003174214A (ja) 磁気抵抗効果膜、その製造方法およびそれを用いたメモリ
JP2000100154A (ja) 磁気メモリ素子及びこれを用いた記録再生方法
EP1418590A1 (en) Magnetic device

Legal Events

Date Code Title Description
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20100428

Termination date: 20130402