CN1941449A - 磁阻元件及其制造方法以及磁性随机存取存储器 - Google Patents

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Abstract

根据本发明一个方面的一种磁阻元件包括其磁化状态改变的自由层和其磁化状态固定的钉扎层。所述自由层包括第一和第二铁磁性层以及设置在所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性层。设定所述第一和第二铁磁性层之间的交换耦合强度，以使星形曲线沿难磁化方向开口。

Description

磁阻元件及其制造方法以及磁性随机存取存储器
相关申请的交叉引用
本申请基于并要求于2005年9月29日提交的在先日本专利申请No.2005-285054的优先权，此处引入全文供参考。
技术领域
本发明涉及磁阻元件的形状和结构，并具体地应用于磁性随机存取存储器。
背景技术
传统上，已提出了各种类型的固态磁性存储器。近年来，提出了一种利用呈现出巨磁阻效应的磁阻元件的磁性随机存取存储器，该磁阻元件中的大部分利用了铁磁性隧道结。
铁磁性隧道结具有例如铁磁性层/绝缘层(隧道势垒层)/铁磁性层的层叠结构。当对在该结构中的绝缘层施加电压时，隧道电流流经绝缘层。在这种情况下，铁磁性隧道结的隧道电导与两个铁磁性层之间的相对角度的余弦成比例变化。
也就是，当两个铁磁性层沿同一方向(相互平行)磁化时，结电阻值最小，而当它们沿相反方向(相互反平行)磁化时，结电阻值最大。
这种现象称为隧道磁阻(TMR)效应。例如，最近，报道由于TMR效应磁性隧道结(MTJ)的电阻值的变化率(MR率)高达200％或更高。
在具有铁磁性隧道结的磁阻元件中，两个铁磁性层之一被定义为其磁化状态固定的钉扎(pinned)层，而另一个定义为其磁化状态随数据改变的自由(free)层。例如，如果钉扎层和自由层相互平行磁化，那么所存储的数据假定为“0”，而如果他们彼此反平行磁化，那么所存储的数据假定为“1”。
例如，通过对磁阻元件施加由流经写入线的写入电流所产生的磁场来写入数据给磁阻元件，以由此使磁阻元件的自由层的磁化方向反转。另一方面，例如通过施加经过磁阻元件的铁磁性隧道结的读出电流来读取数据，以由此检测由TMR效应引起的铁磁性隧道结的电阻的变化。
通过按阵列设置这种磁阻元件作为存储单元，构成存储单元阵列。对于存储单元阵列已提出了各种类型的结构。例如，公知一个晶体管/一个MTJ型的结构，其中一个转换晶体管连接到一个磁阻元件，以便能够快速随机存取。
提出了另一结构，其中二极管和铁磁性隧道结在字线和位线相互交叉的区域中串联连接。
然而，为了实际实现磁性随机存取存储器，要解决许多问题。
例如，必须解决由构成存储单元阵列的磁阻元件的转换磁场的发散(dispersion)引起的干扰问题。而且，还必须使用星形形状，以使磁阻元件具有写入选择性(例如，参看日本专利申请特开公开号No.11-273337，美国专利号No.6,005,800，由Y.K.Ha等人，2004 Symp，VLSL Technol.Dig.Tech.Papers，第24页)。
而且，还必须同时允许精细构图磁阻元件和降低写入电流。目前，如果磁阻元件制作得越小，那么其矫顽力变得越大，以致需要越大的转换磁场来反转磁化方向。在这种情况下，很难降低产生磁场所需的写入电流，从而增加功率消耗。
另外，必须提高热稳定性以长时间存储数据。由称为能量势垒比率α＝ΔE/kBT的参数来判断的热稳定性优选更大。然而，能量势垒比率与铁磁性层的体积和矫顽力成比例，结果其随着磁阻元件被更加精细构图而恶化。
发明内容
根据本发明一个方面的磁阻元件包括自由层，所述自由层具有第一和第二铁磁性层以及设置在所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性层，其中以这样的方式设定所述第一和第二铁磁性层之间的交换耦合强度，以使星形曲线沿难磁化方向开口，这意味着所述星形曲线不与所述难轴相交。
附图说明
图1示出了作为参考实例的星形曲线；
图2示出了作为另一参考实例的星形曲线；
图3示出了根据本发明一个实例的星形曲线；
图4示出了SAF的交换耦合强度与非磁性层的厚度之间的关系；
图5示出了SAF的磁相图；
图6示出了与图5的磁相图相关的自由层的结构；
图7示出了Hs与p之间的关系；
图8示出了p与hj之间的关系；
图9A和9B各示出了作为SAF的自由层的能量分布图；
图10示出了能量势垒的外部磁场依从关系；
图11示出了能量势垒的另一外部磁场依从关系；
图12示出了hj的最佳范围随p的函数变化；
图13示出了hj的最佳范围随t2的函数变化；
图14示出了C形磁阻元件；
图15示出了螺旋桨形的磁阻元件；
图16示出了另一螺旋桨形的磁阻元件；
图17示出了螺旋桨形的、常规形状的和C形的元件的相互对比；
图18示出了磁性随机存取存储器的存储单元阵列的一个实例；
图19示出了读出电路的一个实例；
图20示出了读出电路的另一个实例；
图21示出了读出电路的又一个实例；
图22示出了读出电路的再一个实例；
图23示出了磁阻元件的结构实例；
图24示出了具有弱交换耦合的SAF的星形曲线；
图25A示出了具有强交换耦合的SAF的星形曲线；
图25B示出了具有单层结构的自由层的星形曲线；
图26A示出了用于模拟的磁阻元件的形状；
图26B示出了沿难磁化方向开口的星形曲线；
图27示出了在沿难磁化方向的磁场下磁阻元件的模拟磁化状态；
图28示出了在沿难磁化方向的磁场下磁阻元件的另一模拟磁化状态；
图29示出了在沿难磁化和易磁化方向的磁场下磁阻元件的模拟磁化状态；
图30示出了在沿难磁化和易磁化方向的磁场下磁阻元件的另一模拟磁化状态；
图31是字线驱动器/消能器(sinker)的一个实例的电路图；
图32是位线驱动器/消能器的一个实例的电路图；
图33A至33C各示出了硬掩模制造方法的第一实例(C形)；
图34A至34C各示出了硬掩模制造方法的第二实例(C形)；
图35A至35C各示出了硬掩模制造方法的第三实例(螺旋桨形)；
图36A至36D各示出了硬掩模制造方法的第四实例(螺旋桨形)；
图37A至37F各示出了三步工艺的一个实例；以及
图38A至38E各示出了信息写入方法。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明本发明一个方面的磁阻元件。
1.概要
本发明一个实施例涉及一种磁阻元件，其包括具有合成反铁磁性自由层(SAF)结构的自由层，并调整SAF结构的两个铁磁性层的交换耦合强度，由此实现这样的星形特性曲线，以使写入裕量大且很难发生写入错误。
SAF结构的基本结构包括一非磁性层和两个铁磁性层，该两个铁磁性层把非磁性层夹在中间以相互反铁磁性耦合。
通常，磁阻元件的星形特性曲线具有这样一种形状，使得星形曲线在易磁化轴(Hx轴)和难磁化轴(Hy轴)上闭合，例如如图1中所示。也就是说，如果磁场强度超过转换磁场Hc(矫顽力)或Hk中每一个的磁场强度，那么仅对其施加沿易磁化或难磁化方向的磁场的半选择单元误写。
易磁化方向定义为这样的方向，沿该方向铁磁体的磁矩最容易对准。
难磁化方向定义为这样的方向，沿该方向铁磁体的磁矩最难对准。
如果利用星形特性曲线的两个象限，例如，通过利用第一和第二象限，写入数据。
如果星形曲线在用于数据写入的象限中凹入越大，那么可以使得作为能够转换(磁化方向反转)的区域的写入裕量越大。同时，可以减小沿易磁化方向H1和沿难磁化方向H2的写入磁场，以及可以使写入点WP靠近原点。
然而，构成存储单元阵列的许多磁阻元件由于晶片工艺的原因而具有星形形状的发散，如图2所示。在这种情况下，减小写入裕量以防止对非选择单元或半选择单元误写入。
比较而言，根据本发明实施例，调整了SAF结构的两个铁磁性层之间的交换耦合强度，从而可以实现具有这样一种形状的星形特性曲线，使得星形曲线在难磁化轴(Hy轴)上不闭合并沿难磁化方向开口，例如，如图3中所示。
而且，沿难磁化方向的星形曲线在磁场沿难磁化方向增大的过程中经过局部最小值点。
具体地说，在构成SAF结构的两个铁磁性层之间的交换耦合减弱。两个铁磁性层之间的交换耦合强度取决于介于两个铁磁性层之间的非磁性层的厚度，例如，如图4中所示。因此，在本发明的实施例中，将构成SAF结构的非磁性层(例如，Ru)的厚度设定为大于1nm(典型值为2nm)，由此实现了其星形曲线在难磁化轴上不闭合的星形特性。
在这种情况下，当仅沿难磁化方向施加磁场时，不管磁场的强度值如何，也不会发生转换(磁场方向反转)。因此，可以提高抗写入干扰的稳固性，从而确保大的写入裕量。
另一方面，考虑仅沿易磁化方向施加磁场的情况。在这种情况下，如果使用具有自由层的磁阻元件，该自由层具有关于易轴不对称的平面形状，例如C形或梯形的平面形状，那么可以增大在星形曲线的Hx轴上的转换磁场强度(矫顽力)Hc的值。如果采用这样的形状，那么当仅沿易磁化方向施加磁场时(在半选择单元的情况下)，构成C型磁畴。由于C型磁畴很难使其磁场方向反转，所以增大了转换磁场强度(矫顽力)。
此外，通过利用具有二重旋转对称性且不具有关于易轴和难轴镜面对称性的形状，可以增大转换磁场强度(矫顽力)Hc的值。
具有二重旋转对称性意味着如果磁阻元件围绕磁阻元件的中心点O顺时针或逆时针旋转360°/2，那么它与最初的形状一致。也就是说，二重旋转对称性是指关于磁阻元件的中心点O的点对称。
这样的形状包括平行四边形、螺旋桨形等。我们已发明了螺旋桨形。螺旋桨形是具有弧形凸出部分的平行四边形。两个凸出部分被置于平行四边形的长边的中间的两侧上。螺旋桨形的剩余磁化状态是S型磁畴。如果仅沿易磁化方向施加磁场(在半选择单元的情况下)，那么就构成两个C型磁畴。由于C型磁畴很难使其磁化方向反转，所以转换磁场强度(矫顽力)增大。
确保磁性随机存取存储器的热稳定性的最重要因素是提高仅对其施加磁场HWL和磁场HBL中的任一者的半选择单元的热稳定性，其中磁场HWL通过流经字线(WL)的写入电流被施加给磁阻元件的自由层，磁场HBL通过流经位线(BL)的写入电流被施加给自由层。
WL半选择单元的能量势垒比率与(1-HWL/Hk)2成比例，而BL半选择单元的能量势垒比率与(1-HBL/Hc)2成比例。
这里，Hk是当难轴磁场Hy的绝对值增大(而易轴磁场Hx的绝对值减小)时星形曲线闭合处的点的值。Hc是当易轴磁场Hx的绝对值增大(而难轴磁场Hy的绝对值减小)时星形曲线闭合处的点的值。
因此，为提高热稳定性，降低WPWL(字线方向写入点)＝HWL/Hk的值和WPBL(位线方向写入点)＝HBL/Hc的值是重要的。为此，必须如此设计自由层的形状，以使星形曲线凹入更大。
在根据本发明实施例的磁阻元件的情况下，Hk无限大，而通过采用C形、平行四边形、螺旋桨形等作为自由层的形状可减小HBL/Hc，从而可提高热稳定性。
接着，在星形特性和在数据写入时自由层的磁化图形之间说明图3中所示的关系。
磁阻元件假定为C形。此外，构成SAF结构的非磁性层由Ru制成且具有例如约2nm的厚度，并如此设定，以使两个铁磁性层之间的交换耦合强度弱。
如图3A至3E所示，用箭头分别指示方向，沿这些方向两个铁磁性层构成SAF结构。此外，假定磁阻元件的自由层的剩余磁化构成C型磁畴。
首先，在其中主要施加易轴场Hx的状态下，如图3B中所示，自由层的磁化图形构成一个C型磁畴。结果，主要对其施加易轴场Hx的半选择单元具有较大的转换磁场(反转磁场)Hsw值。
接着，在其中施加易轴场Hx和难轴场Hy的状态下，如图3C中所示，自由层的磁化图形构成S型磁畴。结果，对其写入数据的被选择单元具有较小的转换磁场(反转磁场)Hsw值，使得星形曲线大大地凹入。
随后，如果增大难轴场强度Hy，如图3D所示，那么沿难磁化方向自由层被剧烈地(roughly)磁化。在此点处，两个铁磁性层保持为相互反平行磁化。
此处所使用的反平行是指其中两个铁磁性层沿相互相反的方向被磁化的状态。
接着，如果进一步增大难轴场Hy，如图3E所示，那么具有较小的磁各向异性场的铁磁性层比具有较大的磁各向异性场的铁磁性层更邻近易磁化方向被磁化。因此，沿两个铁磁性层之间的磁化方向不能保持反平行，使得星形曲线沿难磁化方向开口。
应注意，磁各向异性场的大小由铁磁性层的材料或厚度确定。
根据本发明实施例，星形曲线沿难磁化方向开口，从而可以防止向对其仅施加了难轴磁场的半选择单元的误写入，减小转换磁场并提高热稳定性。
图4示出了SAF的交换耦合强度与非磁性层的厚度之间的关系。
交换耦合可包括反铁磁性耦合和铁磁性耦合。前者是指其中两个铁磁性层相互耦合以致相互反平行磁化的状态，而后者是指其中它们相互偶合以致相互平行磁化的状态。
由于交换耦合的类型和强度随着非磁性层的厚度而变化，所以设定非磁性层的厚度为这样的值，以使两个铁磁性层相互反铁磁性耦合，例如0.7nm或更大，并优选为在不小于1nm且不大于5nm范围内的值。
从而通过设定厚度，可以实现这种星形特性，使得星形曲线沿难磁化方向开口。
如果非磁性层的厚度小于0.7nm，那么两个铁磁性层之间的交换耦合强度增大，以致星形曲线在难轴上闭合。
图5示出了具有SAF结构的磁阻元件的磁相图。图5示出了hj＝2.1、t2＝0.5·t1和Ms2＝Ms1的情况。此处，hj是表示耦合强度的参数，J表示SAF结构的耦合能量，Ms1和Ms2分别表示每个铁磁性层的磁化强度，以及Hk1和Hk2分别表示每层的磁各向异性场。此处及下文中，假设Ms1×t1大于Ms2×t2。通过利用较厚的铁磁性层的参数由下列等式给出hj和J之间的关系。
J＝hj·Hk1·Ms1·t1
hj＝2.1的SAF结构具有比用于MTJ钉扎(pinned)层的SAF结构弱得多的交换耦合。甚至比用于触发器模式(toggle-mode)自由层的的SAF结构的交换耦合稍弱。
在磁相图中，由饱和场包围外周。
应注意，磁阻元件的自由层具有例如如图6中所示的这种结构。一个典型例可以由具有t1厚度的NiFe、t2厚度的NiFe和介于它们之间的Ru(具有2nm厚度)构成。
在易轴(Hx轴附近)，磁阻元件的自由层构成至少一个C型磁畴，因此转换磁场大。也就是说，由于仅通过施加易轴磁场不会使磁阻元件的磁化方向反转，所以在半选择单元中所存储的数据不会丢失。
不管施加的难轴磁场(Hy)如何大，只要磁场不超过饱和场，磁阻元件的磁化方向就不会反转。也就是说，由于仅通过施加难轴磁场也不会使磁阻元件的磁化方向反转，所以在半选择单元中所存储的数据不会丢失。
通过构成SAF结构的t1、t2、Hk1、Hk2、Ms1、Ms2和J的参数，给出用于得到如图3中所示的沿难磁化方向开口的星形曲线的条件。
例如，如果Ms1＝Ms2＝Ms，由t2/t1和Hs＝J(t1+t2)/(Ms·t1·t2)的参数在图7中的阴影线部分中给出条件。也就是，通过利用与图7中的阴影线部分对应的值来设计t2/t1和Hs，可以得到沿难磁化方向开口的星形曲线。
希望t2/t1不小于0.1且不大于0.9。希望Hs不小于20Oe且不大于800Oe。希望hj不小于0.6且不大于80。在这些范围内，通常随着t2/t1增加，Hs和hj的最佳值增加。
图8示出了hj随p＝t2/t1函数变化的最佳范围。阴影线部分表示最佳范围。
它们可以粗略地表达为下列通用等式：
hj≥12p4             等式(1)，以及
hj≤580p4            等式(2)
与触发器模式相比，利用根据本发明实施例的SAF结构的数据写入能够通过利用不超过触发器模式中所需的一半的磁场强度来写入数据。
因此，在降低写入电流和功率消耗方面，根据本发明实施例的SAF结构优于触发器模式。
接着，说明用于WL半选择单元的磁化反转的能量势垒。
图9A和9B示出了磁阻元件的自由层的能量分布图的实例。自由层具有如图6中所示的这样一种结构，其中假设hj＝2.0和t2/t1＝0.5。
水平轴给出了构成SAF结构的两个铁磁性层(NiFe)之一的磁化方向和易轴之间的角度，垂直轴给出了两个铁磁性层(NiFe)中另一个的磁化方向和易轴之间的角度。
能量势垒对应于分别在图9A和9B中的箭头两端之间的能级的差。通常，与图9A的零磁场的情况相比，在图9B的磁场中能量势垒降低。
设定写入磁场HWL的值为例如1.5Hk。应注意，Hk是构成SAF结构自由层的两个铁磁性层的磁各向异性场的值中的较大的一者。
在这种WL半选择状态中，hj＝2.0时的能量势垒降低到磁场强度为零时的能量势垒(图9A)的大约0.60。与自由层仅由一个铁磁性层构成的情况相比，该降低的程度轻微。该降低的程度相当于在自由层仅由一个铁磁性层构成的情况下的写入点WPWL＝0.23。
此外，当hj＝1.5时，需要用来转换的能量势垒降低到磁场强度为零时的大约0.72。该降低的程度相当于在自由层仅由一个铁磁性层构成的情况下的写入点WPWL＝0.15倍。
在自由层仅由一个铁磁性层构成的情况下，很难使星形曲线凹入，使得WPWL降低为0.15至0.23。在本发明中，通过根据SAF结构的两个铁磁性层的膜厚度比率优化交换耦合强度，半选择状态下的能量势垒的降低得到抑制。
图10进一步示出了其中通过利用p＝t2/t1作为参数计算能量势垒ΔE的外部磁场依从关系的实例。
在该例中，在hj＝2.0的情况下进行了计算。水平轴给出了利用Hk标准化(normalize)的外部磁场强度Happl的值，垂直轴给出了利用零外部磁场值(ΔE0)的标准化的ΔE值。
如图10中所示，与p＝0的单个自由层的情况相比，当施加外部磁场时，在SAF自由层中的能量势垒不会降低如此多。如果p不大于0.3，那么能量势垒能级显著降低，因此优选p超过0.3。而且，由于ΔE/ΔE0的最小值不小于0.5，所以优选p不小于0.5。然而，p的最佳值范围随hj而变化。
图11示出了其中通过利用hj作为参数计算能量势垒ΔE的外部磁场依从关系的实例。
在该例中，在p＝t2/t1＝0.5的情况下进行了计算。水平轴给出了利用Hk标准化的外部磁场强度Happl的值，垂直轴给出了利用零外部磁场强度标准化的ΔE的值。
在p＝t2/t1＝0.5的情况下，如果hj超过10，那么能量势垒显著降低。因此，优选hj不超过10。而且，如果设定hj为2或更小，那么优选ΔE/ΔE0的最小值不小于0.5。然而，hj的最佳值范围随p而变化。
图12示出了hj的最佳范围随p的函数变化。阴影区是最佳范围。此外，图13示出了在t1＝4nm的情况下hj的最佳范围随t2的函数变化。阴影区是最佳范围。
这可以通过下列通用等式粗略地给出：
hj≤40p4          等式(3)
如上所述，根据本发明实施例，可以增大半选择单元的能量势垒，从而提供在热稳定性方面极佳的磁阻元件。
可以结合用于给出条件以获得沿难磁化方向开口的星形曲线的上述等式(1)和(2)以及用于给出条件以提供在50％的半选择时能量势垒能级降低的百分比的等式(3)，以提供给出本发明最佳范围的下列等式。
12p4≤hj≤40p4                等式(4)
考虑到自由层的材料特性的稳定性和可再现性，p具有适当的范围。如果p的数值小，那么就会出现较薄的铁磁性层变得太薄以致不能提供连续层的问题、或由扩散经过上层和下层引起特性变得不稳定的问题。
因此，p优选为0.05或更大。更优选地，p为0.1或更大。由于SAF结构的材料的各向异性，Hk的总值一般与(膜厚度总和)/(膜厚度差)成比例。如果膜厚度差小，那么Hk随着膜厚度分散而大大变化。
因此，从抑制转换场分散的观点来看，p的值优选不很接近1。也就是，优选p为0.95或更小。更优选地，p为0.9或更少。考虑到p以及等式(3)和(4)的这些条件，hj优选为33或更小。更优选地，hj为27或更小。
2.磁阻元件的自由层的平面形状
为使本发明实施例的效果最大化，优选自由层具有关于沿易磁化方向延伸的中心线不对称的平面形状。
例如，图14的磁阻元件MTJ具有C平面形状。C形关于沿易磁化方向延伸的中心线是不对称的。
此外，通过利用具有二重旋转对称性且不具有关于沿易磁化方向延伸的中心线和沿难磁化方向延伸的中心线的镜面对称性的自由层的平面形状，也可以使本发明实施例的效果最大化。
例如，图15和图16的磁阻元件MTJ都是螺旋桨平面形状。螺旋桨形具有二重旋转对称性且不具有关于沿易磁化方向延伸的中心线和沿难磁化方向延伸的中心线的镜面对称性。
在螺旋桨形的情况下，星形曲线不关于沿难磁化方向延伸的中心线镜面对称。例如，星形曲线的凹入在第一和第三象限内比在第二和第四象限内大。在这种情况下，第一和第三象限用于写入数据。
例如，星形曲线的第一象限用于写入“1”，而其第三象限用于写入“0”。在这种情况下，当写入“1”时流经字线和位线的写入电流的方向与当写入“0”时流经字线和位线的写入电流的方向相反。
一些情况下，曲线在第二和第四象限内的凹入大于在第一和第三象限内的凹入。在这种情况下，第二和第四象限用于写入数据。
图17示出了螺旋桨形、常规形状和C形的相互对比。
作为常规形状，此处给出了十字形(常规形状1)和椭圆形(常规形状2)的两种形状。
十字形和椭圆形具有二重旋转对称性且关于沿易磁化方向延伸的中心线和沿难磁化方向延伸的中心线镜面对称。
C形关于沿易磁化方向延伸的中心线不对称。
螺旋桨形具有二重旋转对称性且关于沿易磁化方向延伸的中心线和沿难磁化方向延伸的中心线不镜面对称。
3.实施例
下面将介绍被认为是最优选的实施例。
(1)存储器阵列结构
图18示出了磁性随机存取存储器的存储单元阵列。
存储单元由磁阻元件MTJ构成。将磁阻元件MTJ设置为阵列。磁阻元件MTJ例如具有C形，其关于沿易磁化方向延伸的中心线不对称而关于沿难磁化方向延伸的中心线对称。
在磁阻元件MTJ下面，设置沿x方向延伸的字线WLi-1、WLi、WLi+1。字线驱动器/消能器1连接到各字线WLi-1、WLi、WLi+1的一端，字线驱动器/消能器2连接到各字线的另一端。
在利用星形曲线的第一和第三象限写入数据的情况下，根据写入数据的值，沿不同方向对字线WLi-1、WLi、WLi+1施加写入电流IWL。
例如，当写入“1”时，写入电流从字线驱动器/消能器2向左流到字线驱动器/消能器1，而当写入“0”时，写入电流从字线驱动器/消能器1向右流到字线驱动器/消能器2。
在利用星形曲线的第一和第二象限写入数据的情况下，可以一直沿一个方向(向右)对字线WLi-1、WLi、WLi+1施加写入电流IWL。在这种情况下，仅需要用字线驱动器1取代字线驱动器/消能器1以及用字线消能器2取代字线驱动器/消能器2，使得电路结构简化，从而有利地减小芯片面积。
在磁阻元件MTJ上面，设置沿y方向延伸的位线BLj-1、BLj、BLj+1。位线驱动器/消能器3连接到各位线BLj-1、BLj、BLj+1的一端，而位线驱动器/消能器4连接到各位线的另一端。
根据写入数据的值，沿不同方向IBL对位线BLj-1、BLj、BLj+1施加写入电流。
例如，当写入“1”时，写入电流从位线驱动器/消能器4向下流到位线驱动器/消能器3，而当写入“0”时，写入电流从位线驱动器/消能器3向上流到位线驱动器/消能器4。
尽管在图18中省略了，但还使用了适于一种类型的存储单元阵列的读出电路来读取数据。
例如，如图19中所示，在交叉点型的情况下，通过选择器晶体管STw将读出放大器SA连接到字线WLi，以及通过选择晶体管STB将电源连接到位线BLj。
二极管D设置在磁阻元件C和字线WLi之间。二极管D具有在读取或写入数据时防止交叉点型所特有的寄生电流(sneak current)流动的功能。
通过对非选择字线WLi和非选择位线BLj施加偏置电势，避免寄生电流。
而且，如图20所示，在梯型情况下，通过选择器晶体管ST将电阻器元件R连接到读出位线RBLj。读出放大器SA检测跨过电阻器元件R两端发生的电压，以由此读出读取数据。将电源连接到位线BLj的一端，而通过例如选择器晶体管ST将接地点连接到另一端。
此外，如图21和22所示，在一个晶体管/一个MTJ型的情况下，通过选择器晶体管ST2将读出放大器SA连接到磁阻元件C的一端。通过选择器晶体管ST1将电源连接到位线BLj。
应注意，在图22的结构中，磁阻元件C的一端连接到用作引出线(leader line)的下部电极L。因此，即使选择器晶体管ST2设置在磁阻元件C的正下方，字线WLi也可设置在磁阻元件C附近。
(2)磁阻元件的结构实例
下面将介绍磁阻元件的结构实例。
A.结构实例1
结构实例1涉及具有C平面形状的并与图14的平面形状相对应的磁阻元件。将C形的全部拐角倒圆(round off)。
磁阻元件沿易磁化方向较长而沿难磁化方向较短。设定磁阻元件的宽度(沿难磁化方向的宽度)的最大值为例如约0.3μm，并设定磁阻元件的长度(沿易磁化方向的长度)的最大值为例如约0.6μm。
作为另一个实例，设定磁阻元件的宽度的最大值为例如约0.2μm，并设定磁阻元件的长度的最大值为例如约0.3μm。
尽管磁阻元件的宽度不限于这些示范值，但考虑到磁阻元件逐渐增长的集成密度，优选其为1μm或更小。
此外，优选将磁阻元件的长度设定为其宽度的1至10倍，更优选地，设定为其宽度的1.1至2.5倍。
B.结构实例2
结构实例2涉及具有螺旋桨平面形状的并与图15或16的平面形状相对应的磁阻元件。
螺旋桨形由延伸部分和凸出部分构成。例如，在图15的形状的情况下，延伸部分具有平行四边形，其具有沿易磁化方向的长边，而凸出部分从平行四边形的长边沿难磁化方向凸出。
此外，在图16的形状的情况下，延伸部分具有沿易磁化方向较长的长方形，而凸出部分从长方形的较长边沿难磁化方向凸出。此外，切掉了存在于长方形的两条对角线的至少一个上的拐角。
将螺旋桨形的全部拐角倒圆。
磁阻元件沿易磁化方向较长而沿难磁化方向较短。将磁阻元件的宽度(难轴宽度)设定为在其中央部分处为例如约0.5μm而在其边缘处为例如约0.35μm。设定磁阻元件的长度为例如约0.8μm。
作为另一个实例，将磁阻元件的宽度设定为在其中央部分处为例如约0.2μm而在其边缘处为例如约0.13μm。设定磁阻元件的长度为例如约0.4μm。
尽管磁阻元件的宽度不限于这些示范值，但考虑到磁阻元件逐渐增长的集成密度，优选其为1μm或更小。
优选地，磁阻元件的长度是为其宽度的1至10倍的值，更优选地，是其宽度的1.1至2.5倍。
将磁阻元件的凸出部分的长度(难轴长度)设定为不小于磁阻元件的延伸部分的宽度最大值的1/7且不大于1/4的值。
C.结构实例3
结构实例3涉及磁阻元件的层结构。
图23示出了磁阻元件的层结构实例。
磁阻元件MJT设置在字线WLi和位线BLj的交叉部处。磁阻元件MJT具有层叠结构并且被上部电极和下部电极夹在中间，该层叠结构由例如反铁磁性层/铁磁性层(钉扎层)/绝缘层(隧道势垒层)/铁磁性层(自由层)构成。
自由层具有SAF结构。也就是，自由层具有由铁磁性层A/非磁性层/铁磁性层B构成的层叠结构。而且，两个铁磁性层A和B具有不同的各向异性场HkA和HkB(例如，HkA＞HkB)并且彼此微弱地反铁磁性耦合。
尽管该实例利用了其中钉扎层设置在自由层下方的底部钉扎型，但其也可以是其中钉扎层设置在自由层上方的顶部钉扎型。
而且，尽管该钉扎层由单层构成，但可选地，其可以由两个铁磁性层以及设置在它们之间的非磁性层构成。
(3)磁阻元件的材料的实例
优选地，在本实例中，构成SAF结构自由层的两个铁磁性层的材料是NiFe，但不限于此。例如，它们可以由金属例如Co9Fe10、Fe、Co或Ni、这些金属的层叠、或含有这些金属中的至少一种的合金(CoFeB、CoFeNi、NiFeZr等)制成。
此处，两个铁磁性层之一的各向异性场Hk2设定为不小于另一各向异性场Hk1的0.1倍至小于1倍的值。
构成夹在两个铁磁性层之间的非磁性层的材料可以是非磁性金属例如Ru、Ir或Rh或含有这些金属中的至少一种的合金。
非磁性层的厚度具体设定为0.7nm或更大，优选为从不小于1nm至不大于5nm的值，以得到与p相对应的适当的反铁磁性耦合强度，使得星形曲线沿难磁化方向开口。
在上述实例中，可以通过非磁性层的厚度来调整构成SAF结构的两个铁磁性层之间的交换耦合强度。可选地，还可以通过制作合金的非磁性层和调整合金的组分来调整交换耦合强度。
通过参数hj来限定交换耦合强度。在本发明的实施例中，该参数hj设定为大于等于0.6且小于等于80，并优选设定为从不小于1.1至不大于27的值。
此处，确定了hj＝J/(Hk·Ms·t)的关系，其中J是SAF结构的耦合能量，Hk是两个铁磁性层的各向异性场Hk1和Hk2的值中较大的一个值，Ms和t分别是具有较大的各向异性场的铁磁性层的磁化强度和厚度。
通过由此调整SAF结构中的交换耦合强度，使引起数据消失的难轴磁场强度是其中自由层仅由一个铁磁性层构成的情况下的至少两倍。
(4)交换耦合强度和星形曲线(实验结果)
图24、25A和25B示出了对星形曲线进行实验的结果。
在这些实验中，制备了三种类型的样品，以证实星形曲线如何随交换耦合强度变化。
样品1是磁阻元件，其自由层结构由从上至下的NiFe(3nm)/CoFe(0.5nm)/Ru(2nm)/CoFe(0.5nm)/NiFe(4nm)层构成(括号内的值表示厚度)，其是具有弱交换耦合(反铁磁性耦合)的SAF结构。
如图24中所示，样品1的星形特性使得星形曲线沿难磁化方向开口。在这种情况下，可以在所有的象限中实现理想化的L型星形曲线，从而提高写入裕量。
样品2是磁阻元件，其自由层结构由从上至下的NiFe(3nm)/CoFe(0.5nm)/Ru(0.8nm)/CoFe(0.5nm)/NiFe(4nm)层构成(括号内的值表示厚度)，其是具有强交换耦合(反铁磁性耦合)的SAF结构。
如图25A中所示，样品2的星形特性使得星形曲线沿难磁化方向闭合。在这种情况下，WL半选择单元抗写入干扰及抗热激发的稳固性弱。
样品3是磁阻元件，其自由层结构由从上至下的NiFe(5nm)/CoFe(0.5nm)层构成(括号内的值表示厚度)。
如图25B中所示，样品3的星形特性使得星形曲线沿难磁化方向闭合并且Hk和Hc小。在这种情况下，WL半选择单元和BL半选择单元抗写入干扰及抗热激发的稳固性都弱。
星形曲线开口意味着曲线随着沿难磁化方向的磁场增大而逐渐远离难轴。星形曲线闭合意味着曲线随着沿难磁化方向的磁场增大而逐渐靠近难轴。
(5)交换耦合强度和星形曲线(模拟结果)
图26A和26B示出了对星形特性模拟的结果。
磁阻元件具有0.5μm×0.29μm大小的C形，如图26A中所示。在图26B中，“SAF：弱交换耦合”对应于样品1的条件，“SAF：强交换耦合”对应于样品2的条件，以及“单层”对应于样品3的条件。
在该模拟中，可以获得与上述实验结果的星形特性基本上相同的星形特性，从而支持这些结果。
图27至30示出了在对具有带弱交换耦合的SAF结构的磁阻元件施加磁场的情况下，对磁化状态的模拟结果。
铁磁性层A和B构成SAF结构。耦合能量J设定为0.02erg/cm2，而交换耦合强度设定为与在上述实验结果中样品1的值基本上相同的值。在这种情况下，hj约为2。
假设在具有弱交换耦合的SAF结构中，对于两个铁磁性层，将磁化强度和厚度的乘积Mst设定为不同的值。在这种情况下，具有Mst乘积中的较大值的铁磁性层之一(层A)比具有乘积中的较小值的另一铁磁性层(层B)更顺从外部磁场。由于反铁磁性耦合，所以层B的磁化方向与外部磁场有点(rather)相反。然而，在弱耦合和强外部场的情况下，层B的磁化方向趋向于顺从外部磁场。那么，反平行状态消除(collapse)。
由形状(包括厚度)和材料来确定在此所使用的各向异性场。
由形状引起的各向异性场称为形状各向异性场，由材料引起的各向异性场称为材料各向异性场，通过将它们求和所得到的各向异性场称为各向异性场。形状各向异性场与Mst乘积成比例。
如果仅在磁阻元件上施加难轴磁场Hy，那么如图27和28中所示磁化磁阻元件。
如果难轴磁场强度Hy的值小(Hy＝75Oe)，那么由于两个铁磁性层A和B保持在反平行磁化方向，所以转换磁场Hsw具有小的强度值(Hx)，如图27中所示。
相反，如果难轴磁场强度Hy的值大(Hy＝150Oe)，那么由于两个铁磁性层A和B不能保持在反平行磁化方向，所以转换磁场Hsw具有大的强度值，如图28中所示。
也就是说，随着难轴场强度Hy的值变大，静磁能量克服了耦合能量。因此，具有比铁磁性层A小的Mst乘积的层B的磁化被拉回易磁化的方向，从而使难轴星形曲线开口。
图29和30示出了当磁阻元件施加有沿难磁化方向的恒定磁场Hy以及又施加有逐渐增大的易轴磁场Hx时，如何使磁阻元件磁化。
在图29和30中，难轴磁场强度Hy设定为恒定值(Hy＝150Oe)。
图29示出了紧接在具有Hx＝41Oe的磁化方向反转之前的磁化状态。
相反，如果易轴磁场强度Hx增加很少(Hx＝42Oe)，那么磁化方向反转，如图30中所示。
(5)驱动器/消能器的电路实例
下面将介绍驱动器/消能器的电路实例。
在下文中，将介绍在利用星形曲线的第一和第三象限写入数据的情况下驱动器/消能器的电路实例。
图31示出了字线驱动器/消能器的一个电路实例。
这些字线驱动器/消能器1和2分别对应于例如图18的字线驱动器/消能器1和2。
字线驱动器/消能器1包括用作驱动器的P沟道MOS晶体管P1、用作消能器的N沟道MOS晶体管N1、以及用作解码器的NAND门电路ND1和AND门电路AD1。
字线驱动器/消能器2包括用作驱动器的P沟道MOS晶体管P2、用作消能器的N沟道MOS晶体管N2、以及用作解码器的NAND门电路ND2和AND门电路AD2。
图32示出了位线驱动器/消能器的一个电路实例。
这些位线驱动器/消能器3和4分别对应于例如图18的位线驱动器/消能器3和4。
位线驱动器/消能器3包括用作驱动器的P沟道MOS晶体管P3、用作消能器的N沟道MOS晶体管N3、以及用作解码器的NAND门电路ND3和AND门电路AD3。
位线驱动器/消能器4包括用作驱动器的P沟道MOS晶体管P4、用作消能器的N沟道MOS晶体管N4、以及用作解码器的NAND门电路ND4和AND门电路AD4。
当写入数据时，写入信号WRITE变为“H”。而且，供给有用于被选择的第i行的行地址信号i的所有位变为“H”，而供给有用于被选择的第j列的列地址信号j的所有位变为“H”。
在其中写入数据为“1”的写入“1”的情况下，DATA变为“H”。因此，P沟道MOS晶体管P2和P4以及N沟道MOS晶体管N1和N3开通，而P沟道MOS晶体管P1和P3以及N沟道MOS晶体管N2和N4关断。
结果，向左的写入电流从字线驱动器/消能器2流向字线驱动器/消能器1，而向下的写入电流从位线驱动器/消能器4流向位线驱动器/消能器3，由此通过利用第一象限进行数据写入。
在其中写入数据为“0”的写入“0”的情况下，DATA变为“L”。因此，P沟道MOS晶体管P1和P3以及N沟道MOS晶体管N2和N4开通，而P沟道MOS晶体管P2和P4以及N沟道MOS晶体管N1和N3关断。
结果，向右的写入电流从字线驱动器/消能器1流向字线驱动器/消能器2，而向上的写入电流从位线驱动器/消能器3流向位线驱动器/消能器4，由此通过利用第三象限进行数据写入。
(6)制造方法
下面将说明根据本发明实施例制造磁阻元件的方法。
通常，抗蚀剂被曝光于光、电子束和X射线中的任一种，并通过显影形成抗蚀剂图形。然后，利用该抗蚀剂图形作为掩模，通过离子铣削或蚀刻处理磁性材料和非磁性材料，从而形成磁阻元件。
为形成大尺寸的例如微米数量级的磁阻元件，可以形成已将抗蚀剂图形转移到其的硬掩模(其由氧化硅、氮化硅等制成)。然后，利用该硬掩模作为掩模，可以通过反应离子蚀刻(RIE)处理磁性材料和非磁性材料，从而得到磁阻元件。
为形成小尺寸的例如亚微米数量级(2至3μm直至0.1μm)的磁阻元件，可以利用光刻。在这种情况下，通过光刻形成抗蚀剂图形，并将所形成的抗蚀剂图形转移到硬掩模上。利用该硬掩模作为掩模，通过反应离子蚀刻(RIE)处理磁性材料和非磁性材料，从而得到磁阻元件。
为形成精细尺寸的例如具有0.5μm或更小尺寸的磁阻元件，可以利用电子束曝光。在这种情况下，通过电子束曝光形成抗蚀剂图形，并将所形成的抗蚀剂图形转移到硬掩模上。利用该硬掩模作为掩模，通过反应离子蚀刻(RIE)处理磁性材料和非磁性材料，从而得到磁阻元件。
此外，被称作两步工艺的制造方法可用为有希望的方法，以得到根据本发明实施例的磁阻元件的平面形状。
该两步工艺涉及制造硬掩模的方法，硬掩模在构图磁阻元件时用作掩模。
图33A至33C示出了两步工艺的第一实例。
在第一实例中，形成了图14的C形。
首先，如图33A中所示，进行第一光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂11的图形转移到硬掩模(其由例如SiO2构成)12。此时，硬掩模12是梯形的(第一步)。
接着，如图33B和33C所示，进行第二光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂13的图形转移到硬掩模12。也就是说，硬掩模(梯形的)12的底边(base)(或较长边)在其中间处凹入，由此形成C形硬掩模12(第二步)。
然后，通过利用硬掩模12构图磁阻元件MTJ，完成C形磁阻元件MTJ。
通过该两步工艺，可以很容易地形成具有0.5μm或更小长度的精细C形磁阻元件。
图34A至34C示出了两步工艺的第二实例。
在第二实例中，也形成了图14的C形。
首先，如图34A中所示，进行第一光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂11的图形转移到硬掩模(其由例如SiO2构成)12。此时，硬掩模12是梯形的，并且设定其宽度W+α大于预期的完成宽度W(第一步)。
接着，如图34B和34C所示，进行第二光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂13的图形转移到硬掩模12。也就是说，减小硬掩模12(梯形的)的宽度W+α，并且其底边(或较长边)在其中间处凹入，由此形成C形硬掩模12(第二步)。
然后，通过利用硬掩模12构图磁阻元件MTJ，完成C形磁阻元件MTJ。
通过该两步工艺，可以很容易地形成具有0.5μm或更小长度的精细C形磁阻元件。该方法的一个优点是，可以几乎垂直地锐利地形成下部边的两个角。这使得磁化过程更好。
图35A至35C示出了两步工艺的第三实例。
在第三实例中，形成了图15的螺旋桨形。
首先，如图35A中所示，进行第一光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂11的图形转移到硬掩模(其由例如SiO2构成)12。此时，与硬掩模12的延伸部分相对应的部分是长方形的(第一步)。
接着，如图35B和35C所示，进行第二光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂13的图形转移到硬掩模12。也就是说，倾斜地切除了与硬掩模12的延伸部分相对应的部分(长方形)的较短边(第二步)。
然后，通过利用硬掩模12构图磁阻元件MTJ，按螺旋桨形形成磁阻元件MTJ，该螺旋桨形具有平行四边形的延伸部分和从延伸部分凸出的弧形凸出部分。
通过该两步工艺，可以将磁阻元件MTJ的延伸部分形成为其较短边被笔直地切除的平行四边形。在这种情况下，星形曲线的不对称性变得很明显，由此使利用第一和第三象限(或第二和第四象限)的写入法很有效。
图36A至36D示出了两步工艺的第四实例。
在第四实例中，也形成了图15的螺旋桨形。
首先，如图36A中所示，进行第一光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂14的图形转移到硬掩模(其由例如SiO2构成)15。硬掩模15决定磁阻元件MTJ的延伸部分的形状(第一步)。
接着，如图36B所示，在硬掩模15的侧壁上形成绝缘层(例如，其由SiN构成)16。
接着，如图36C和36D所示，进行第二光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂17的图形转移到用作硬掩模的绝缘层16。作为硬掩模的绝缘层16决定磁阻元件MTJ的凸出部分的形状(第二步)。
然后，通过利用硬掩模15和16构图磁阻元件MTJ，按螺旋桨形形成磁阻元件MTJ，该螺旋桨形具有其较短边被部分切除的平行四边形的延伸部分和从该延伸部分凸出的凸出部分。
通过利用使两步工艺的第三和第四实例结合的三步工艺，可以精细地形成又一优选的MTJ形状。
图37A至37F示出了三步工艺的一个实例。
在该工艺中，都是在精确控制下形成延伸部分和凸出部分的形状。
首先，如图37A中所示，在多个存储单元上方形成包括线和间隔的硬掩模(其由例如SiO2构成)。接着，如图37B所示，在硬掩模15的侧壁上形成绝缘层(其由例如SiN构成)16(第一步)。
然后，如图37C和37D所示，进行第二光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂13的图形转移到硬掩模15和绝缘层16。也就是，决定了硬掩模15的延伸部分的形状(第二步)。
此外，如图37E和37F所示，进行第三光刻和蚀刻步骤以将光致抗蚀剂17的图形转移到用作硬掩模的绝缘层16。用作硬掩模的绝缘层16决定磁阻元件MTJ的凸出部分的形状(第三步)。
然后，通过利用硬掩模15和16构图磁阻元件MTJ，按螺旋桨形形成磁阻元件MTJ，该螺旋桨形具有延伸部分和凸出部分，其形状从磁特性的观点来看都是可优选的。
通过利用这样的两步工艺或三步工艺，可以精确地控制凸出部分的形状，从而有效地降低在许多单元之间的星形曲线的分散。
(7)写入信息的方法
图38A至38E示出了根据本发明实施例应用于磁阻元件的信息写入法的几个实例。
在对本发明实施例中所提出的磁阻元件写入信息的方法中，一个重要的方面是，终止沿难磁化方向Hy的磁场，然后终止沿易磁化方向Hx的磁场。
下面将说明通过图38A至38D中所示的四种信息写入法所得到的写入操作特性。灰色部分表示没有沿方向使磁化反转的区域，阴影线部分表示沿方向使磁化反转的区域。实线箭头表示磁场矢量，其从左方向至右方向使磁性自由层的磁化方向反转。
根据本发明实施例的写入方法涉及在反转磁化方向之后如何消除磁场，如图38A或38C中所示，通过其首先终止沿难磁化方向Hy的磁场，然后终止沿易磁化方向Hx的磁场。
相反，比较实例的写入方法涉及在反转磁化方向之后如何消除磁场，如图38B或38D中所示，通过其首先终止沿易磁化方向Hx的磁场，然后终止沿难磁化方向Hy的磁场。
在本发明实施例和比较例之间比较时，本发明实施例给出了显著大的阴影线区和大的操作裕量，而比较例遇到了其中磁化没有被反转的由虚线包围的区域并给出了小的操作裕量。
由这些写入方法产生的写入操作特性的差异表明，当在写入程序之后沿剩余磁化方向的磁场在磁化反转之后在写入程序的最后逐渐降低到零时，获得了稳定的写入操作。
如上所述，沿方向使磁化反转，然后，在终止沿难轴Hy的磁场之后建立了其中仅施加沿易轴Hx的磁场的状态，从而可以获得高密度存储所需的星形特性。
应注意，不特别限制在沿方向反转磁化之前产生磁场的方法。
例如，如图38A或38B所示，本发明包括在仅产生沿难轴Hy的磁场之后产生沿难轴Hy和易轴Hx的磁场以反转磁化的方法。
以及如图38C或38D所示，本发明包括在仅产生沿易轴Hx的磁场之后产生沿难轴Hy和易轴Hx的磁场以反转磁化的方法。
此外，如图38E所示，即使在同时产生沿难轴Hy和易轴Hx的磁场的情况下，也在终止沿难轴Hy的磁场之后终止沿易轴Hx的磁场，使得可增大操作裕量。
(8)其他
存储单元阵列结构(图18)是基于磁阻元件MTJ都沿同一方向取向的假设。
然而，可以镜面对称地或点对称地布置沿x方向邻近的两个磁阻元件MTJ。而且，可以镜面对称地或点对称地布置沿y方向邻近的两个磁阻元件MTJ。
在这些情况下，如果采用一个晶体管/一个MTJ型单元阵列结构，那么多个磁阻元件MTJ可以共用一个晶体管(选择元件)。
4.效果
本发明实施例提供了下列效果。
a)通过根据两个磁性层的膜厚度的比率来适当地降低在SAF结构中的两个铁磁性层的交换耦合强度，星形曲线沿难磁化方向开口，从而能够提高半选择单元的抗写入干扰的稳固性，其中对该半选择单元仅沿难磁化方向施加由流经字线的写入电流所产生的磁场。
b)此外，通过利用如C形或螺旋桨形这样的形状，在半选择单元中构成至少一个C形磁畴，其中对该半选择单元仅沿易磁化方向施加由流经位线的写入电流所产生的磁场，从而类似地能够提高抗写入干扰的稳固性。
c)由于星形曲线在所有的象限中是L形的，所以增大了写入裕量。而且，通过降低写入点的位置，也就是，使写入点靠近转换场特性图的原点，可以有助于降低写入电流和功率消耗。
d)通过降低写入点的位置，可以提高半选择单元的热稳定性并减小磁阻元件的尺寸，从而提高存储单元的扩展性(scalability)。
e)此外，通过采用两步或三步工艺，可以在实际工艺中减小具有如C形或螺旋桨形这样的平面形状的磁阻元件的尺寸，从而提供具有高集成密度以及操作快和功率消耗低的磁性随机存取存储器。
f)如果星形曲线在第一和第二象限(或第三和第四象限)中不对称，那么可以利用第一和第三(或第二和第四)象限写入数据。
g)本领域技术人员将很容易地想到其它的优点和修改。因此，本发明在其更宽泛方面不限于此处所示的和说明的具体细节和示范性实施例。因此，在不脱离由附加权利要求及其等效物所限定的总发明构思的精神或范围的情况下，可以作出各种修改。

Claims (22)

1.一种磁阻元件，包括：
其磁化状态改变的自由层；以及其磁化状态固定的钉扎层，
所述自由层包括：
第一和第二铁磁性层；以及设置在所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性层，
其中设定所述第一和第二铁磁性层之间的交换耦合强度，以使星形曲线沿难磁化方向开口。
2.根据权利要求1的磁阻元件，其中所述非磁性层具有不小于1nm且不大于5nm的厚度。
3.根据权利要求1的磁阻元件，其中所述第一和第二铁磁性层具有不同的磁化强度和厚度的乘积值，并且当施加仅沿所述难磁化方向的磁场时不沿反平行方向磁化。
4.根据权利要求3的磁阻元件，其中通过利用参数hj和比率p＝t′/t将hj和p之间的关系表达为12p4≤hj≤40p4，其中通过利用所述第一和第二铁磁性层中各向异性场强度较大的一层的各向异性场强度Hk、磁化强度Ms、膜厚度t以及所述第一和第二铁磁性层的耦合能量J，将所述参数hj表达为hj＝J/(Hk·Ms·t)，以及所述比率p表示所述第一和第二铁磁性层中具有较小各向异性场强度的一层的膜厚度t′相对于具有较大各向异性场强度的另一层的膜厚度t的比率。
5.根据权利要求4的磁阻元件，其中所述各向异性场强度的值取决于Mst乘积。
6.根据权利要求1的磁阻元件，其中所述自由层具有关于沿易磁化方向的中心线不对称的形状。
7.根据权利要求6的磁阻元件，其中所述自由层的拐角全部被倒圆。
8.根据权利要求1的磁阻元件，其中所述自由层具有二重旋转对称性且具有关于沿易磁化方向延伸的中心线和沿所述难磁化方向延伸的中心线不镜面对称的形状。
9.根据权利要求8的磁阻元件，其中所述自由层的拐角全部被倒圆。
10.根据权利要求1的磁阻元件，其中所述第一和第二铁磁性层均由包括Fe、Co和Ni之一的材料、包括Fe、Co和Ni中的至少一种的合金、或包括所述材料和所述合金中的至少一种的叠层构成。
11.根据权利要求1的磁阻元件，其中所述非磁性层由包括Ru、Ir、Rh和Cu之一的材料、或包括Ru、Ir、Rh和Cu中至少一种的合金构成。
12.一种磁阻元件，包括：
其磁化状态改变的自由层；以及其磁化状态固定的钉扎层，
所述自由层包括：
第一和第二铁磁性层；以及设置在所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性层，
其中设定所述第一和第二铁磁性层之间的交换耦合强度，以使沿易磁化方向的转换场随沿难磁化方向的磁场的增大具有局部最小值。
13.一种磁性随机存取存储器，包括：
磁阻元件；以及
相互交叉的第一和第二线，
其中所述磁阻元件设置在所述第一和第二线之间，并包括其磁化状态改变的自由层和其磁化状态固定的钉扎层，
其中所述自由层包括：
第一和第二铁磁性层；以及设置在所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性层，
其中设定所述第一和第二铁磁性层之间的交换耦合强度，以使星形曲线沿难磁化方向开口。
14.一种制造磁阻元件的方法，包括以下步骤：
形成由关于沿易磁化方向延伸的中心线不对称的梯形构成的第一图形；
在所述梯形的底边中其中间部分处形成凹陷，以形成由C形构成的第二图形；以及
利用所述第二图形作为掩模，构图磁阻元件。
15.根据权利要求14的方法，其中所述磁阻元件具有合成的反铁磁性结构。
16.一种制造磁阻元件的方法，包括以下步骤：
形成由关于沿易磁化方向延伸的中心线不对称的梯形构成的第一图形；
减小所述梯形的宽度并在所述梯形的底边中其中间部分处形成凹陷，以形成由C形构成的第二图形；以及
利用所述第二图形作为掩模，构图磁阻元件。
17.根据权利要求16的方法，其中所述磁阻元件具有合成的反铁磁性结构。
18.一种对磁阻元件写入数据的方法，包括以下步骤：
产生沿难磁化方向的磁场和沿易磁化方向的磁场；以及
终止沿所述难磁化方向的磁场，然后终止沿所述易磁化方向的磁场，
所述磁阻元件包括：
其磁化状态改变的自由层；以及其磁化状态固定的钉扎层，
所述自由层包括：
第一和第二铁磁性层；以及设置在所述第一和第二铁磁性层之间的非磁性层，
其中设定所述第一和第二铁磁性层之间的交换耦合强度，以使星形曲线沿难磁化方向开口。
19.根据权利要求18的方法，其中，在产生沿所述难磁化方向的磁场之后，产生沿所述易磁化方向的磁场。
20.根据权利要求18的方法，其中，在产生沿所述易磁化方向的磁场之后，产生沿所述难磁化方向的磁场。
21.根据权利要求18的方法，其中同时产生沿所述难磁化方向的磁场和沿所述易磁化方向的磁场。
22.根据权利要求18的方法，其中所述磁阻元件具有合成的反铁磁性结构。
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