CN1606783A - 适于用作亚微米存储器的增强磁稳定性装置 - Google Patents

Abstract

介绍了可以用在亚微米单元尺寸中的磁性装置单元，例如MRAM单元。本发明介绍了通过在当不进行读出时自旋阀的两个磁化方向为反平行的位置上建立存储状态，以便稳定磁性装置的方法。这避免了以这么小的尺寸在自旋阀或自旋隧道结中磁化方向的平行状态变得不稳定的问题。高矫顽力存储层与低矫顽力保持层结合。读出过程还被简化为：位线上的仅仅一个脉冲和字线中的电阻测量就足以确定在按照本发明的磁性装置单元中存储的数据。

Description

适于用作亚微米存储器的增强磁稳定性装置

本发明涉及在不同层之间具有反平行耦合的磁性装置，尤其涉及非易失性磁存储器，还涉及磁记录和磁传感器的读出磁头以及使用这种装置的方法。

目前多家公司认为磁或磁阻随机存取存储器(MRAM)是快闪存储器的继任产品。非易失存储装置，这意味着不需要能量来维持存储的信息。可以看出这优于绝大多数其它类型的存储器。

MRAM概念最初发展于美国的Honeywell公司，在磁多层装置中使用磁化方向作为信息存储和用于信息读出的生成的阻抗差异。对于所有的存储装置，在MRAM阵列中的每个单元必须能够存储至少两种状态，表现为“1”或“0”。

存在不同种类的磁阻(MR)效应，目前最重要的是巨磁阻(GMR)和遂道磁阻(TMR)。GMR效应和TMR或磁隧道结(MTJ)或自旋依赖隧穿(SDT)效应提供了实现a.o.非易失性磁存储器的可能。这些装置包括其至少两个为铁磁性和亚铁磁性的薄膜的叠层，并由非磁性中间层分隔的。GMR是具有导体中间层结构的磁阻，TMR是具有介电中间层结构的磁阻。如果在两个铁磁性和亚铁磁性膜之间放置非常薄的导体，那么当膜的磁化方向平行时复合多层结构的有效面内电阻最小，当膜的磁化方向反平行时最大。如果在两个铁磁性或亚铁磁性膜之间放置薄介电中间层，则当膜的磁化方向平行时，观察到膜之间的隧穿电流最大(或者因而电阻最小)，并且当膜的磁化方向反平行时，膜之间的隧穿电流最小(或者因而电阻最大)。

磁阻通常测量为从平行到反平行磁化状态的上述结构的电阻增加的百分比。TMR装置提供了比GMR结构更高百分比的磁阻，由此具有更高信号和更高速度的潜能。最近的结果表明与优良GMR单元中6-9％磁阻相比，隧穿提供了高于40％的磁阻。

GMR装置引起关注的类型是广为公知的自旋阀，如在J.M.Daughton等的“Applications of spin dependent transportmaterials”J.Phys.D：Appl.Phys.32 (1999)R169-177中所介绍的。在该结构中，一铁磁性层的磁化与反铁磁性材料层(例如MnO或MnFe)被钉扎(pin)在一个方向中。其它层的磁化自由旋转，但是随着位变得非常窄，它趋向于在可再生和稳定状态中相对于钉扎层平行或反平行对准。这些取向对应磁存储位的“0”或“1”状态。当两个铁磁化层中的磁化从平行(低阻)态转换到反平行(高阻)态时，观察到电阻的变化，反之亦然。通过测量电阻可以测量单元的状态。

US-6252796也介绍了这种自旋阀单元，其中在层中使用电流来将强反平行耦合层的磁化方向作为整体进行转换或重置，即，总是为反平行耦合。

伪自旋阀(PSV)单元也是公知的，如在J.M.Daughton等的“Applications of spin dependent transport materials”，J.Phys.D：Appl.Phys.32(1999)R169-177中所介绍的。图1示意示出典型的伪自旋阀叠层1。在这些装置中，存在两个磁性层2、3，其具有不匹配的性质，即两个铁磁性或亚铁磁性层2、3具有不同的矫顽力，从而一个趋向于在比另一个更低的磁场下转换。铁磁性层的矫顽力可以看作使磁化变化方向所需的磁场。通过中间层4例如通过Cu间隔层分隔磁性层2、3。在底磁层2下设置籽晶层5以在其下面具有良好的结构，在顶磁层3的顶上设置覆盖层6，例如Ta覆盖层，作为抗氧化层。

例如通过相同材料但具有不同厚度的两个磁性膜来提供具有不同矫顽力的磁性层2、3。在这种情况中，较薄膜3在较低磁场下转换，并且为低矫顽性层或“软”膜，较厚膜2在较高磁场下转换，并且为高矫顽性层或“硬”膜。应用相对弱磁场仅可以改变“较软磁性”层3的磁性取向，而强磁场可以转换层2、3的磁化方向。在硬膜2的磁化方向与软膜3的磁化方向对准的磁场下，伪自旋阀单元1的电阻最低。

为了在伪自旋阀MRAM单元中写入“1”或“0”，分别向那个单元施加正负磁场，其足够强以改变高矫顽性层2的磁化方向。高矫顽性层2还公知作为“存储层”。通过施加足够强使高矫顽性层2确定磁化方向的磁场，也就确定了低矫顽性层3的磁化方向。通过直接在磁性元件上并感应耦合到其上而制造的导体来进行写入。向下穿过导体的电流脉冲生成与导体平面平行并与其表面接近的磁场。应适当设计写入电流，以便它将比转换磁场更高的场耦合到元件并转换二进制状态。为了写入相反的位，将写入电流的方向反向。

低矫顽性层3用作读出存储状态的装置，其存储在高矫顽性层2中，并因此公知为“参考层”。当施加低磁场时，低矫顽性层3的磁化方向转换为与低磁场对准，相对于高矫顽性层2平行或者反平行，而不转换高矫顽性层2的磁化方向。除去施加的磁场后，参考层的取向必须是稳定的，无论写入平行或反平行设置。由于这些平行和反平行设置具有不同的电阻，因此随后可以读回该电阻以确定“1”还是“0”已被存储。

在MRAM阵列中，包括多个MRAM单元，正交的线在每个位之下和之上通过，承载产生转换场的电流。设计每个位以当仅向一条线施加电流时不发生转换，当电流流过在选定位交叉的两条线时将通常发生转换。

具有铜中间层的磁性多层和具有介电中间层的隧穿磁性多层之间物理和磁性的相似性暗示了，可以以与PSV单元十分相同的方式构造隧穿存储单元，但具有某些限制，如在J.M.Daughton等的“Applications of spin dependent transport materials”，J.Phys.D：Appl.Phys.32(1999) R169-177中所介绍的，例如使用较小的感应电流，其不能被用于辅助单元的转换。这暗示对于TMR比PSV单元具有额外的接触和更低的密度。

在S.Tehrani等的“Progress and outlook for MRAMtechnology”，IEEE Transactions on Magnetics，1999年9月第35卷第5期中介绍了典型的TMR结构，在图2中示出。TMR材料叠层10包括两个磁性层，固定或钉扎磁性层11和自由磁性层12，例如其都由NiFe构成，被例如由AlOx制成的薄介电阻挡层13分隔开，和例如IrMn钉扎层14的机制，以将固定磁性层11其中之一的极化钉扎到固定方向。对于非耦合、自由、铁磁性膜，膜的磁性取向表现为在最后施加的饱和场方向中的滞后行为指向。如果施加饱和场并随后移开，自由膜的磁性取向将为该磁场的方向。如果将施加的饱和场的方向反向并再次移开，膜的磁性取向将反向。由此，在零施加场中，两个取向都是可能的。

分别在多层叠层之下和顶部上设置底电极15和顶电极16。使用自由磁性层12的极化方向作为信息存储，对于写入操作仅仅自由层12的磁化需要被反向。

单元10的电阻很大，并且感应电流很小(μA范围)。存储位的电阻为低或高取决于自由层12关于钉扎或固定磁性层11的相对极性、平行或反平行。外部施加的场可以在两种状态(与固定层11的磁化方向平行或反平行)之间转换自由层12的磁化。

因为在读取模式期间TMR电阻的绝对值要与参考单元比较，因此在这种结构中单元的MR比率和绝对电阻的一致性是严格的。如果在存储块中有源装置电阻显示出很大的电阻变化，则当它们与参考单元比较时将会发生信号误差。TMR单元10的电阻指数性取决于AlOx阻挡层13的厚度。因此，预计AlOx厚度的很小变化就会引起电阻很大的变化。

在US-5,936,293和US-6,052,263中也介绍了TMR结构。

在TMR多层装置10中，因为电子必须隧穿阻挡层13，因此感应电流I_s必须垂直于层平面施加(CPP-垂直于平面的电流)。在GMR装置中，例如PSV1，感应电流I_s通常在层的平面中流动(CIP-面内电流)，尽管CPP结构提供了更大的磁阻效应。CPP GMR结构的一个例子是双自旋阀，其在中间具有一个高矫顽性层，被两个低矫顽性层环绕。从顶到底测量电阻。在这种情况中，MR效应加倍。

从存储密度角度估计，在几年时间内，存储元件不会大于200×200nm。这么小的单元尺寸将引起严重的微磁问题，其可以影响MRAM的稳定性。已经示出在室温下类似的小铁磁性微粒为铁磁性的，但不知道在长时间下其磁畴结构的稳定性。在由单一磁性层构成的小结构的情况中，消磁场实际有助于稳定单一磁畴状态。但是，在自旋阀情况中，两个铁磁性和亚铁磁性层的存在意味着最低能态是当两个磁化方向对准为反平行时。这有效地意味着单元的平行态仅是亚稳态的，并存在很大的可能，即两个磁性层的磁化方向将衰减到低能量反平行结构。

公知MRAM单元的缺点在于它们必须以特定方式读出。

在具有固定磁化方向的自旋阀情况中，在自由磁性层中存储数据，当然其不应被读出干扰。在这种情况中，测量单元的绝对电阻以得知它的内容；如果需要，相对于参考单元不同地测量。通过通常为晶体管的开关元件来选择单元，这意味着在这种情况下每个单元需要一个晶体管。

在PSV单元情况中，多个单元(N)串联连接在字线中。通过测量字线(具有N个单元的串联)的电阻来实现读出，而随后向所需位线施加小的正和负脉冲。伴随的磁场脉冲在两个铁磁性层的转换场之间；由此，具有较高转换场的层(数据存储层)将保持不变，同时其它层的磁化将被设定在限定方向中并接着被反向。从产生的字线中电阻变化的迹象可以看出，在字线和位线的交叉点处的单元中存储的是“0”还是“1”。

本发明的目的是提供一种MRAM单元，具有读出在单元列上的单个单元的改进的可能性。

通过按照本发明的磁性装置实现了上述目的。这种装置包括由非磁性间隔层分隔的第一和第二铁磁性或亚铁磁性层，由此形成多层结构。第一铁磁性或亚铁磁性层具有第一值的矫顽力并被用作存储层，第二铁磁性或亚铁磁性层具有低于第一值的第二值的矫顽力。而且，装置包括当处于体眠状态时，将第一和第二铁磁性或亚铁磁性层的磁化方向强制成为反平行状态的装置。

按照一个实施例，强制装置可以使用磁性各向异性。在这种情况中，选择第二铁磁性或亚铁磁性层的组分来保证比由第一铁磁性或亚铁磁性层发射的杂散场更低的矫顽力值。

按照另一个实施例，强制装置可以使用形状各向异性。在这种情况中，第一和第二铁磁性或亚铁磁性层可以具有不同形状。

强制装置可以使用通过间隔层在第一和第二铁磁性或亚铁磁性层之间耦合的中间层。间隔层可以具有选择的厚度，以便在第一和第二铁磁性或亚铁磁性层之间耦合的中间层在休眠状态期间强制它们成为反平行状态。

按照本发明的磁性装置可以包括自旋隧道结。可替换地，磁性装置基于巨磁阻(GMR)效应。

本发明还提供了一种如任何上述实施例中介绍的磁性装置阵列。

按照一个实施例，这种阵列可以包括配置成惠斯顿电桥的按照本发明的四个磁性装置。

按照另一个实施例，通过以列串联耦合和以行串联耦合的磁性装置形成阵列。该阵列还包括读出电路，其在一行和一列上强加电位并读出代表在一行和一列的会合点处的磁性装置上存储的值的读出值。读出电路可以将单个电脉冲强加到一行和一列上，以便读出该读出值。在这种阵列中，在磁性装置上存储的值可以表示二进制代码的“1”或“0”。

本发明还提供了作为接照本发明的磁性装置任何实施例的磁性存储元件、磁性传感器或磁性读头的使用。

而且，本发明提供了基于改变施加的磁场而改变装置的电阻，读出按照本发明的任何实施例的磁性装置的方法。在另一实施例中，本发明提供了基于改变施加的磁场而改变磁折射效应，读出按照本发明任何实施例的磁性装置的方法。

本发明的实质在于设计磁阻多层装置(例如自旋阀或自旋隧道结)，其通常优选在反平行方向上对准两个铁磁性或亚铁磁性层的磁化方向。论述了这样做的三种可能方法：磁性各向异性、形状各向异性和中间层耦合。按照本发明的装置特别适合于高微型化装置。

尽管在本领域存在装置恒定的改进、变化和演变，但是可以相信本原理呈现出实质上全新的和新颖的改进，包括从现有读出实际出发，提供了性能更有效、稳定和可靠的装置。更确切地说，在人们尝试避免层之间耦合的地方，本发明使用了两个铁磁性或亚铁磁性层之间的耦合。铁磁性层可以存在多个层。

通过以下结合附图的介绍本发明的目的和特征将变得更加易懂，附图通过例子说明了发明的原理。该介绍仅是为了举例，不限制发明的范围。以下引证提及附图的参考图。

图1是按照现有技术的伪自旋阀叠层的示意说明。

图2是现有技术公知的典型TMR材料叠层的示意说明。

图3A和3B是按照本发明分别在存储和读出状态中MRAM单元的“0”和“1”状态的示意说明。

图4A和4B表示分别在常规数据存储方法和按照本发明方法的情况中，读出的MRAM单元的线。

图5是各向异性场对NiFeCo膜组分相关性的示图。

图6是中间层耦合对Cu间隔层厚度相关性的示图。

图7示出部分的基于GMR的MRAM。

图8示出部分的基于TMR的MRAM。

图9A和9B分别示出流经与TMR元件相关的位线和字线用于读取和写入这种元件的电流。

将根据特定实施例并参照特定附图介绍本发明，但发明不限于此，而是由权利要求限定。所介绍的附图仅是示意性的并非限制性的。在附图中，在某些情况中为了说明的目的放大了装置和它们层的尺寸。

按照本发明的磁性装置在结构上可以类似现有技术公知的PSV，在图3A和3B中示出作为例子。其为包括至少两个被非磁性间隔层23分隔的铁磁性或亚铁磁性层21、22的结构，从而形成多层结构20。其中一个铁磁性层，例如层21，为高矫顽力层，另一个铁磁性层，例如层22，为低矫顽力层。例如低矫顽力层22可以具有小于20Oe的矫顽力值，高矫顽力层21可以具有在20Oe和200Oe之间的矫顽力值。使用该高矫顽力层21作为存储层，即该层21的磁化方向确定在单元20中存储的是“0”还是“1”值。存储层21的矫顽力值高于另一铁磁性层22的矫顽力值。按照本发明，磁性装置20还包括当处于休眠或正常状态时，用于将铁磁性层21、22的磁化方向强制在反平行状态中的装置。通过休眠或正常状态意为处于低或零磁场的状态。低磁场可以是地磁场(50A/m)或通过环境强加的任何其它背景磁场。随后更详细地介绍用于将磁化方向强制在反平行状态中的这种装置。

如同现有技术MRAM存储方法，使用足够高的写入磁场将数据存储在按照本发明的磁性装置20中，从而重新取向在高矫顽力层21中的磁化的取向。高矫顽力层21成为存储层。关于现有技术，低矫顽力层22可以是非常低的矫顽力层(具有0到20Oe之间的矫顽力值)，高矫顽力层21具有与在MRAM中目前存在的低矫顽力层可比拟的矫顽力(具有20到200Oe之间的矫顽力值)；高矫顽力层21应容易地可转换。

在图3A中说明了代表值“0”和“1”的单元20的存储状态。为了寻址单元20用于在单元阵列中写入，向一行施加所需的写入电流值的一半，向一列施加等量的电流。接着全电流在阵列中寻址单个单元。该半选择过程需要每个磁滞回线足够方，以便施加和去除半转换场使单元保留在其原始状态。通过组合字电流和感应电流在单元20中写入存储状态，从而生成的总磁场超过硬磁性层21的转换磁场。例如，为了写入“1”状态，施加相应正磁场的字电流；为了写入“0”状态，在相反方向上施加字电流。当施加正磁场时，硬磁性层21的磁化方向例如转换到右。立即地，软磁性层22的磁化方向也转换到相同的方向。但是，提供了当处于休眠状态时将硬磁性层21和软磁性层22的磁化方向强制在反平行方向中的装置，从而当在硬磁性层21中写入“1”状态，并去除(通过写入电流施加的)磁场时，软磁性层22的磁化方向向着反平行方向转换。

按照本发明，具有低矫顽力的层22为充分地磁性软，从而它的磁化常常衰减为与休眠状态中，即去除磁场时的存储层反平行。现在将低矫顽力层22称为磁性保持层，因为它允许杂散磁通量从存储层21返回。由于保持层22，在零外部磁场(H_施加的＝0)或低外部磁场(例如H_施加的＝50A/m)中所有的单元将具有磁化的低能量反平行取向，而独立于单元的内容。而且，它们还将都具有相同(高)的电阻。

为了读取这种MRAM单元20的内容，使用读取脉冲设定保持层22的磁性取向并确定在高矫顽力存储层21中的磁化取向。这在图3B中说明，其中在读出状态中示出代表值“0”和“1”的单元20。通过施加如图3B所示的外部场H_施加的从单元20读取存储状态，其足够大以转换软磁性层22的磁化方向，还须足够小以保留硬磁性层21的磁化方向不变。读出的单元20的软磁性层22的磁化方向已与施加的外部磁场H_施加的对准，或转换到该场对准。这意味着对于存储了其中硬磁性层21的磁化方向与施加的外部磁场H_施加的对准的状态的单元20(在图3B例子的情况中为“0”状态)，软磁性层22的磁化方向从反平行转换到平行。对于存储了其中硬磁性层21的磁化方向与施加的外部磁场H_施加的反平行的状态的单元20(在图3B例子的情况中为“1”状态)，由此软磁性层22的磁化方向与施加的外部场H_施加的平行，不发生转换。因此，“0”状态的电阻保持高(两个磁化方向保持反平行)，而“1”状态的电阻变为低(两个磁化方向变成平行)。

当使用这种存储机制用于MRAM，并具有较小单元尺寸时，低能存储状态(两个磁化方向反平行)将比当必须维持平行对准时更稳定。事实上，根据读取，某些单元将需要转换到平行状态，而该状态仅需要读出时间，例如，平行状态维持稳定大约1ns读出时间。在读出期间外部磁场的存在还稳定了平行状态。

用按照本发明在MRAM单元20中存储数据的方法，每个单元20在休眠状态具有相同的电阻，而无论其内容如何，即无论在单元20中存储的是“1”或“0”。这示出了对于MRAM阵列的优点，其中每单元线仅使用一个晶体管用于读出。在图4中，考虑了用数据写入的单元线。

如果使用数据存储的常规方法(图4A)，读取选择的MRAM单元30的电阻不能简单地通过读取或测量字线的总电阻实现。这是因为字线上的电阻还取决于线中所有其它单元中的数据。通常在例如正向方向中通过首先将读出脉冲31发送到要读出的单元30(经与字线正交的位线)来解决该问题。接着必须测量单元30的电阻，随后发送负脉冲32。还必须再次测量电阻，并根据两个电阻的相减，找到要读出的单元30的电阻。这种读出方法具有其很慢的缺点。

图4B示出按照本发明磁性装置阵列的一部分，例如以列和行串联成组。按照本发明，如从图4B可以看出，仅需要一个读出脉冲33来读出特定单元34。通过读出电路(未示出)提供读出脉冲，还通过公知方法由该电路读出被寻址元件的电阻。测量的电阻是将读出的单元34状态的绝对测量。实际上，已知了参考值是什么。如果施加脉冲33并改变电阻，则已知单元34的内容为“1”；如果它不改变，则已知内容为“0”(如果使用相反的规定，反之亦然)。电阻测量独立于也在字线上的其它元件，由于它们在休眠状态中具有相同的电阻。因此，由于在字线上的非寻址元件的电阻都是相同的并还都已知，可以考虑和/或消除这些电阻的效应。按照本发明的装置的该性质可以用于GMR和TMR。

按照本发明的第一实施例，当处于休眠状态时强制设备为反平行状态的装置是磁性各向异性的。选择“保持层”22的组分以保证极低的矫顽力。该低矫顽力应低于从高矫顽力层21发出的杂散场。如果是这种情况，那么保持层将移动至反平行设置。由于各种原因，发出磁场的强度难于估计，即它是不均匀的并取决于高矫顽力层的高宽比和构成其的材料的磁矩。但是，如果假定矫顽力越低越好，那么例如通过使用图5可以选择保持层22的组分。假定沿着材料易磁化的轴在MRAM中施加场，那么如图5给出的那样，各向异性场等效于矫顽力。从该图中，例如Ni₈₀Fe₂₀合金(铁镍合金)将表现为很好的侯选。通过图5还可以选择其它(具有高矫顽力H_K)铁磁性层。这应考虑从字/位线产生的最大场强度。当函数磁化强度×厚度对于两个铁磁性层都相同时，获得了最稳定的反平行传感器。如果对于两个铁磁性层函数磁化强度×厚度都相同，那么不存在杂散磁场。通过保持层可以返回来自一层的所有磁场。相反，如果对两个铁磁性层函数磁化强度×厚度不同，将存在使反平行能态更高的杂散场。如果在地磁场中使用该装置，那么构成层的材料以及它们的形状、厚度和尺寸应选择为以使地磁场不会改变保持层的磁化。

但是，重要的是切记由于矫顽力随着厚度增加而趋向于增加，例如铁镍合金的低矫顽力层的厚度也是重要的。对于低矫顽力层使用薄NiFe是有利的，因为对于这种薄膜矫顽力值很低。例如，K.J.Kirk等在J.Phys.D：Appl.Phys.34(2001)中有所介绍，其图2示出在铁镍合金厚度的函数中矫顽力的值。

如果使单个铁磁性层成为矩形微粒并处在给定宽度(通常为大约磁畴壁宽度)，那么磁化将位于沿着长轴定向的单个磁畴态中。但是，如果存在两个铁磁性层，那么在两层中的磁化M的反平行配置将在给定高宽比上变得在能量方面更加有利。可以通过本领域技术人员计算或通过实验确定该高宽比是多少。如果保持层22具有足够低的矫顽力，那么小微粒将常常“翻转”到反平行状态。

按照本发明的第二实施例，当处于休眠状态时强制该设备成为反平行状态的装置是形状各向异性的。延长以沿长轴的小铁磁性微粒中的磁化偏向还可以被用来保证反平行休眠状态。该实施例使用这一事实，即延长的磁性材料，例如材料带，具有在沿着其纵轴的一个方向中磁化自身的趋势。即使两层由相同的合金构成，通过对一层使用高的高宽比也可以建立高矫顽力层。如果第二层(低矫顽力层)具有较低的高宽比，那么由于低高宽比微粒的磁化可以旋转形成反平行对准，则常常能获得反平行状态。

一般地，在多层结构中的不同层具有相同的形状，但是按照本发明，为了获得不同的矫顽力，可以使用不同形状的高和低矫顽力层，例如在不同方向上具有大和小轴(或者由此的容易轴)的椭圆，或者对于自旋隧道结或GMR-CPP，连续的软磁性层，而将硬磁性层蚀刻成小条。

按照本发明的第三实施例，当处于休眠状态时强制该设备成为反平行状态的装置是层间耦合(跨越中间层23耦合)，通常指RKKY层间耦合。在图6可以看到示出作为Cu层厚度函数的耦合曲线。存在三个可见峰值，仅头两个非常明显。在中间层的最大厚度处，样品被去耦。在公知装置中，这是优选条件。从图6中可以看出，通过选择与耦合强度的最小值一致的Cu层厚度(大约1.8nm的厚度)，可以降低反平行状态的能量。图6未示出但存在的耦合强度的另一最小值落在0.8nm的Cu层厚度。在Fe/Cr多层中可以使用的材料除了铜之外，还有钌(Ru)、铑(Rh)、金(Au)、铱(Ir)或铬(Cr)。由此，本发明的实施例包括薄导电(金属)中间层，其厚度选择成以便在休眠状态中形成高和低矫顽力层的反平行状态。可以单独使用该层间耦合，或者与上述实施例的其它装置结合以确保反平行对准。

GMR和TMR都可以使用按照本发明的反平行状态原理。

按照本发明装置的磁性层优选应在高真空机器中用埃/秒范围内的淀积速率溅射淀积。物理气相淀积是尤其成功的，特别是平面磁控管溅射，和离子束淀积。还可以使用蒸发或电解淀积，尽管这些装置的质量趋向于较低。

控制磁性层的磁性性质是重要的，这对淀积工艺引入特别的要求。例如，多数铁磁性材料具有涉及原子标度上排序的固有磁性各向异性。通过横跨晶片施加磁场，在层淀积期间可以设置该备向异性的方向。观测所产生的单轴各向异性作为层的磁化中磁性易和难的方向。因为各向异性轴影响材料的转换行为，因此在淀积期间，淀积系统必须能够横跨晶片投射均匀的磁场，一般为20-100Oe范围。而且矫顽力取决于淀积工艺，还必须通过选择磁性合金和淀积条件来控制。(软和硬)磁性膜应优选每个为均匀的厚度。

所用的其它层与常规装置的伪自旋阀中所用的相似。

本发明还包括在TMR装置中的绝缘隧道阻挡层。已知制造绝缘隧道阻挡层TMR装置的多种方法。对于通过淀积金属性铝层，并接着通过例如等离子体氧化、空气中氧化、离子束氧化、辉光放电等离子体氧化、原子氧暴露或紫外激励O₂暴露等方法之一使其氧化制得的AlOx隧道阻挡层，获得了最好的效果。隧道阻挡层非常薄，优选小于20。除了非常光滑无针孔之外，在整个晶片上必须非常均匀，因为AlOx厚度很小的改变将导致电阻很大的改变。

按照本发明的装置可以是对磁场敏感的任何装置，例如存储单元(MRAM单元)、传感器和磁场读头。

一种类型的传感器使用惠斯顿电桥，其中配置按照本发明的四个磁阻元件，以使在零施加磁场下，电桥的输出电流也为零。另一种类型的传感器是旋转位置传感器，其中当外部磁铁在按照本发明的磁性装置的条上旋转180°时，电阻从最小变到最大，并且在下次旋转180°期间，电阻再次返回到其最小值。

图7示出部分的包括GMR元件70的行和列的基于GMR的MRAM阵列。每个基于GMR的MRAM元件70是三层结构，包括高矫顽力层71和低矫顽力层72，以及在它们之间的非磁性导体中间层73。在一行上的GMR元件70通过位线连接，在一列上的GMR元件70通过字线75连接。使用这些位线74和字线75在选中的GMR元件70的高矫顽力层71中写入磁化方向，并读出选中的GMR元件70的内容。通过同时经字线75和经位线74发送相当大的电流执行写入，其字线75和位线74在选中的GMR元件70处交叉。这些组合了电流使得在选中的GMR元件70处生成的总磁场使高矫顽力层71的磁化指向特定方向，取决于在GMR元件中写入“0”还是“1”。读一位，或者由此确定高矫顽力层71的磁性取向，是通过在位线74上的读出脉冲实现的，该脉冲足够大以生成能够转换低矫顽力层72磁化方向的磁场。测量GMR元件70的电阻，从该测量获知GMR元件70的内容。

图8示出部分的包括TMR元件80的行和列的基于TMR的MRAM阵列。每个元件80是层的结构，包括固定或钉扎层81、自由层82和它们之间的介电阻挡层83。通过在铁磁性或亚铁磁性层81、82、其间有介电层83的夹层上施加小电压，电子能够隧穿介电阻挡层83。通过同时经位线84施加第一写电流和经字线85施加第二写入电流，执行写入，如图9B所示，字线85和位线84在选中的TMR元件80处交叉。这些组合的电流使得在选中的TMR元件80生成的总磁场使高矫顽力层81的磁化指向特定方向，取决于在TMR元件中写入“0”还是“1”。读一位，或者因此确定选中的TMR单元80的高矫顽力层81的磁性取向，是通过在位线84上的读出脉冲实现的，其可以转换低矫顽性层82的磁化方向。这在图9A中示出。测量TMR元件80的电阻，从该测量得知TMR元件80的内容。

在图8的结构中，每个TMR元件80需要一个晶体管86或开关元件。当这种选择晶体管86对于选中的TMR元件80导通时，在位线84上的电流脉冲可以隧穿选中的TMR元件80。

本发明包括使用该装置作为磁盘装置的读头。磁盘驱动器的容量随着其尺寸的缩小持续快速增长。这意味着在更小的空间量中写入越来越多的数据。数据被写入作为用磁性材料的薄膜覆盖的磁盘上的微小磁化区域。信息(“1”或“0”)存储作为这些区域的磁化方向。通过仅仅感测在磁盘上这些磁化区域上方的磁场来读取信息。可以以如下方式制造按照本发明的读取传感器，使得非常小的磁场引起其电阻的可检测的变化，这种电阻变化产生了与被发送到例如计算机的磁盘上的数据相应的电信号。

除了电阻，可以测量其它的性质，例如光性质，像磁折射效应，其与电阻成比例：由于施加的磁场引起折射率的变化，其表现电导率变化的效果。光的吸收和反射系数取决于折射率，因此透过和反射的红外光强度与磁阻有关。由于测量光，因此无需欧姆接触。

按照本发明的装置趋于形成小单元，例如存储单元，优选具有最大尺寸小于50μm，最好小于1μm。

尽管参照优选实施例示出并介绍了发明，本领域技术人员应理解不脱离发明的范围和精神可以做出形式和细节上的多种变型或改进。确切地说，所介绍的优选实施例涉及MRAM单元，但是其不是将发明的范围限制到MRAM单元。而且，在上述介绍中在提及铁磁性层的地方，不排除使用铁磁性膜或层。应理解，在提及铁磁性或亚铁磁性层的地方，该层可以由多层构成。

Claims (19)

1.磁性装置，包括：

-由非磁性间隔层分隔的第一和第二铁磁性或亚铁磁性层，由此形成多层结构，第一铁磁性或亚铁磁性层具有第一值的矫顽力并被用作存储层，第二铁磁性或亚铁磁性层具有低于第一值的第二值矫顽力，和

-当处于休眠状态时，强制第一和第二铁磁性或亚铁磁性层的磁化方向为反平行状态的装置。

2.按照权利要求1的磁性装置，其中强制装置使用磁性各向异性。

3.按照权利要求2的磁性装置，其中选择第二铁磁性或亚铁磁性层的组分选择为以保证比由第一铁磁性或亚铁磁性层发出的杂散场更低的矫顽力值。

4.按照权利要求1的磁性装置，其中强制装置用形状各向异性。

5.按照权利要求4的磁性装置，其中第一和第二铁磁性或亚铁磁性层具有不同形状。

6.按照上述任一项权利要求的磁性装置，其中强制装置使用通过间隔层在第一和第二铁磁性或亚铁磁性层之间耦合的中间层。

7.按照权利要求6的磁性装置，其中，间隔层具有的厚度选择为使得在休眠状态期间，在第一和第二铁磁性或亚铁磁性层之间耦合的中间层强制它们为反平行状态。

8.按照上述任一项权利要求的磁性装置，其中装置包括自旋隧道结。

9.按照权利要求1到7任一项的磁性装置，其中装置基于巨磁阻(GMR)效应。

10.一种按照权利要求1到9任一项的磁性装置阵列。

11.按照权利要求10的阵列，包括配置成惠斯顿电桥的按照权利要求1到9任一项的四个磁性装置。

12.按照权利要求10的阵列，其中磁性装置以列串联并以行串联耦合，还包括读出电路，该读出电路在一行和一列上施加电位，并读出代表在一行和一列的会合点处磁性装置上存储的值的读出值。

13.按照权利要求12的阵列，其中在磁性装置上存储的值表示二进制编码为“1”或“0”。

14.按照权利要求12或13的阵列，其中读出电路将单个电脉冲施加到一行和一列上以读出该读出值。

15.使用根据权利要求1到9任一项的装置作为磁性存储元件。

16.使用根据权利要求1到9任一项的装置作为磁性传感器。

17.使用根据权利要求1到9任一项的装置作为磁性读头。

18.读出按照权利要求1到9任一项的磁性装置的方法，根据随着改变施加的磁场而改变装置的电阻。

19.读出按照权利要求1到9任一项磁性装置的方法，根据随着改变施加的磁场而改变磁折射效应。

Images