專利名稱：具有雙磁態(tài)的磁性元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及信息存儲(chǔ)和/或讀出用的磁性元件及其制造方法，尤其涉及一種雙磁態(tài)磁性元件及其制造方法。
在此引入與本申請(qǐng)有關(guān)且屬于同一受讓人的下述共同未決申請(qǐng)作參考Motorola卷號(hào)為CR 97-133而美國(guó)系列號(hào)為09/144,686的專利申請(qǐng)，它于1998年8月31日提出，其名稱為“磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器及其制造方法”(“MAGNETIC RANDOM ACCESS MEMORY ANDFABRICATING METHOD THEREOF”)；Motorola卷號(hào)為CR 97-158而美國(guó)系列號(hào)為08/986,764的專利申請(qǐng)，它于1997年12月8日提出，其名稱為“磁膜圖形構(gòu)成方法”(“PROCESS OF PATTERNINGMAGNETIC FILMS”)；Motorola卷號(hào)為CR 99-001而美國(guó)系列號(hào)為09/356,864的專利申請(qǐng)，它于1999年7月19日提出，其名稱為“具有改進(jìn)的磁場(chǎng)響應(yīng)的磁性元件及其制造方法”(“MAGNETICELEMENT WITH IMPROVED FIELD RESPONSE ANDFABRICATING METHOD THEREOF”)；此外，還引入受讓人相同而專利號(hào)為5,768,181的美國(guó)專利作為參考，其頒證日是1998年6月16日，名稱為“具有絕熱和傳導(dǎo)層的多層磁性器件”(“MAGNETICDEVICE HAVING MULTI-LAYER WITH INSULATING ANDCONDUCTIVE LAYERS”)。
一般而言，一種磁性元件諸如磁隧道結(jié)存儲(chǔ)元件，在結(jié)構(gòu)上它含有用一種非磁性襯墊層隔離的許多鐵磁層。信息可按磁化向量的方向存儲(chǔ)在磁性層中。例如，另一磁性層中的磁化向量自由地在同向和反向即所謂的“平行”和“反平行”狀態(tài)間換向，相應(yīng)地，某一磁性層中的磁化向量會(huì)在這個(gè)磁場(chǎng)作用范圍內(nèi)被固定或鎖定。對(duì)應(yīng)于平行和反平行狀態(tài)，磁性存儲(chǔ)元件表現(xiàn)出兩種不同的阻抗。當(dāng)兩磁性層中的磁化向量大體上指向同向和反向時(shí)，相應(yīng)地，阻抗就出現(xiàn)最小值和最大值。而阻抗變換的檢測(cè)使得可用一種諸如MRAM的器件，將信息存儲(chǔ)在磁性存儲(chǔ)元件中。阻抗的最大值和最小值之差除以最小阻抗值就是公知的磁阻率(MR)。
一種MRAM裝置集成著磁性元件，尤其是許多磁性存儲(chǔ)元件以及其它電路，例如磁性存儲(chǔ)元件控制電路、檢測(cè)某一磁性存儲(chǔ)元件狀態(tài)用的比較器、輸入/輸出電路等等。這些線路都是用CMOC(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝制造的，以便降低器件的能耗。
另外，在結(jié)構(gòu)上，磁性元件含有許多薄層，其中有些是數(shù)十埃厚的。磁性元件的阻抗對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)是受這些薄層表面結(jié)構(gòu)所制約的。為了使磁性元件能作為一種存儲(chǔ)單元來(lái)操作，它處于閑置狀態(tài)或沒(méi)有外加磁場(chǎng)作用于它的狀態(tài)時(shí)，至少需具備兩種阻抗?fàn)顟B(tài)。對(duì)磁性元件的這種要求相當(dāng)于它應(yīng)有一個(gè)相對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的居中阻抗，必須糾正存在的拓樸正耦合和針孔耦合以形成居中阻抗。
在典型的MTJ磁性元件制造中，諸如MRAM存儲(chǔ)元件制造中，會(huì)含有一種通過(guò)濺射沉積，蒸發(fā)，或外延工藝而生成的金屬膜，其膜表面不是真正平的而是呈現(xiàn)出表面或界面波紋。這種表面和/或鐵磁層間界面的波紋是自由鐵磁層和其他鐵磁層諸如固定層或被牽制層之間存在的磁性耦合的原因，這就是公知的拓?fù)漶詈匣騈eel’s桔皮耦合。這種耦合一般是不希望在磁性元件中存在的，因?yàn)樗鼤?huì)造成自由層對(duì)外磁場(chǎng)響應(yīng)的偏移。此外，在常用的自旋閥磁性元件的構(gòu)成中，還存在電子交換耦合。為了補(bǔ)償這類耦合，以及其他在MTJ和自旋閥元件中發(fā)現(xiàn)的各種耦合作用，必須進(jìn)行補(bǔ)償以產(chǎn)生一種居中阻抗，這樣才能使器件在雙態(tài)中操作。
還有，在MRAM存儲(chǔ)單元磁場(chǎng)換向時(shí)一般存在兩種偏移。第一種如前所述是鐵磁耦合或正耦合，它是由與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的靜磁耦合引起的，在零外磁場(chǎng)下只能導(dǎo)致低阻抗存儲(chǔ)狀態(tài)。事實(shí)上這種存儲(chǔ)單元不能工作。要使存儲(chǔ)器發(fā)揮作用，在零磁場(chǎng)下至少要具備兩種存儲(chǔ)狀態(tài)。單元的另一種換向偏移可稱作反鐵磁性耦合或負(fù)耦合。它是由處于長(zhǎng)寬比等于或大于1的存儲(chǔ)單元端部的靜磁耦合引起的。它的作用在于當(dāng)零外磁場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)高阻抗存儲(chǔ)狀態(tài)。沒(méi)有外加的讀入磁場(chǎng)這種存儲(chǔ)器也不工作。較佳地，應(yīng)當(dāng)在不施加由電流脈沖引起的磁場(chǎng)下即可進(jìn)行讀取，以節(jié)約能耗并達(dá)到高速度。
所以，必須制造一種含有存儲(chǔ)單元端部靜磁邊緣磁場(chǎng)(bit endmagnetostatic fringing fields)的器件，它將抵消這種結(jié)構(gòu)的全部正耦合，從而在零外磁場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)雙磁態(tài)。
據(jù)稱，鐵磁耦合強(qiáng)度正比于表面磁荷密度而且確定為夾層厚度指數(shù)值的倒數(shù)。有一項(xiàng)1998年6月9日頒證且專利號(hào)為5,764,567的美國(guó)專利，它的名稱是“具有用于改進(jìn)磁場(chǎng)響應(yīng)的非鐵磁性界面層的磁隧道結(jié)器件”(“MAGNETIC TUNNEL JUNCTION DEVICE WITHNONFERROMAGNETIC INTERFACE LAYER FOR IMPROVEDMAGNETIC FIELD RESPONSE”)，其中指出在磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中于靠近氧化鋁隧道阻擋層處加一種非磁性的銅層，可以提高磁性層間的間距，達(dá)到降低鐵磁性桔皮耦合或拓?fù)漶詈?。但是，附加銅層會(huì)降低隧道結(jié)的MR，從而使器件性能惡化。另外，銅層的夾雜也會(huì)增加金屬蝕刻工藝的復(fù)雜性。
因而，本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)過(guò)改進(jìn)的磁性元件，相對(duì)外加磁場(chǎng)它有居中阻抗響應(yīng)曲線，因而能夠?qū)崿F(xiàn)雙態(tài)操作。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種經(jīng)改進(jìn)的磁性元件，它可對(duì)存在的鐵磁耦合，尤其是拓?fù)淦鹨虻蔫F磁耦合或交換耦合予以補(bǔ)償。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的在于提供一種磁性元件，其中的單元端部退磁場(chǎng)(bit end demagnetizing fields)將抵消這種結(jié)構(gòu)的全部正耦合以在零外磁場(chǎng)下獲得雙磁態(tài)。
本發(fā)明更進(jìn)一步的目的在于提供一種制造磁性元件的方法，該元件有對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的居中阻抗，從而能夠?qū)崿F(xiàn)雙態(tài)操作。
本發(fā)明進(jìn)一步的目的還在于提供一種制造磁性元件的方法，該元件有對(duì)磁場(chǎng)響應(yīng)的居中阻抗且可改進(jìn)為適合于大批量生產(chǎn)。
所有這些以及其他需求基本上都是通過(guò)提供一種磁性元件來(lái)滿足的，它含有許多薄膜層，其中的單元端部退磁場(chǎng)可抵消這種結(jié)構(gòu)的全部正耦合以在零外磁場(chǎng)下獲得雙磁態(tài)。此外，也公開(kāi)了一種通過(guò)許多薄膜層制造磁性元件的方法，其中，各薄膜層上的單元端部退磁場(chǎng)將抵消這種結(jié)構(gòu)的全部正耦合以在零外磁場(chǎng)下獲得雙磁態(tài)。


圖1～5表示許多磁性元件的橫剖視圖，它們都有本發(fā)明所述的已改進(jìn)的磁場(chǎng)響應(yīng)；圖6說(shuō)明拓?fù)漶詈洗艌?chǎng)和根據(jù)本發(fā)明計(jì)算的相對(duì)于固定磁性層厚度的退磁場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；圖7說(shuō)明本發(fā)明所述磁性元件的金屬薄膜層的磁極。
敘述時(shí)，用于說(shuō)明本發(fā)明各圖中相同的元件都用同樣的數(shù)字標(biāo)記。圖1和圖2用橫剖視圖說(shuō)明本發(fā)明所述MTJ磁性元件的二種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。具體地，在圖1中說(shuō)明了一種構(gòu)圖完整的磁性元件結(jié)構(gòu)10。它含有合成的反鐵磁性結(jié)構(gòu)11。這種結(jié)構(gòu)含有襯底12，底層電極多層疊片14，含氧化鋁的襯墊層16以及頂層電極多層疊片18。底層電極多層疊片14和頂層電極多層疊片18都含有鐵磁層。底層電極層14是形成在金屬引線13上的，金屬引線13又是形成在襯底12上的。底層電極層14含有許多沉積在底部金屬引線13上的底層20，它起仔晶層和模板層的作用，還含有反鐵磁性牽制材料層22，被牽制鐵磁層24，釕制夾層26以及形成在其上且與下面的反鐵磁性牽制層22交換耦合的固定鐵磁層28。
底層20一般用鉭和釕(Ta/Ru)形成。它們對(duì)反鐵磁性牽制層22起定向底座的作用。反鐵磁性牽制層22一般由銥錳(IrMn)或鉑錳(PtMn)組成。
被牽制鐵磁層24是受牽制的，它的磁矩交換耦合于牽制層22，以便當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)足夠大的外磁場(chǎng)去使自由磁性層30翻轉(zhuǎn)時(shí)它的磁矩保持不翻轉(zhuǎn)。鐵磁層24一般由鎳(Ni)、鐵(Fe)和鈷(Co)中一種或多種的合金形成。其次，夾層26一般由釕形成，其作用是在被牽制鐵磁層24和固定鐵磁層28間誘發(fā)反鐵磁性交換耦合。最后，固定鐵磁層28是做在釕制夾層26的上表面的。固定鐵磁層28是受固定或牽制的，以便當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)足夠大的外磁場(chǎng)去使自由鐵磁層30翻轉(zhuǎn)時(shí)，它的磁矩被阻止翻轉(zhuǎn)。
頂層電極疊片18含有自由鐵磁層30和保護(hù)層32。自由鐵磁層30的磁矩是不固定的，或不受交換耦合牽制的，在出現(xiàn)外磁場(chǎng)時(shí)它可自由地在兩種狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)。自由鐵磁層30一般用鎳鐵合金(NiFe)形成。
固定鐵磁層28的厚度用t1表示，一般在3～100范圍。被牽制鐵磁層24的厚度用t2表示，一般小于100。襯墊層16的厚度用t3表示，一般小于50。這是對(duì)于磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)或帶銅襯墊的自旋閥型薄膜而言的。在這個(gè)具體實(shí)施例中，為了補(bǔ)償橫越襯墊層16的正耦合，固定鐵磁層28的厚度要做得比被牽制鐵磁層24的大，即t1＞t2。應(yīng)該明白在這里的披露中考慮到了反向或倒裝結(jié)構(gòu)。具體地，考慮到了所公開(kāi)的磁性元件可以通過(guò)包含一個(gè)頂層固定或被牽制層來(lái)形成，由此描述為一種頂層受牽制結(jié)構(gòu)。
所有磁性層可以是一種單一的磁性材料，或者是用多層磁性層制成的一種組合磁性層，彼此相鄰而很好地調(diào)整它們的磁參數(shù)，諸如換向磁場(chǎng)，磁阻等等。在本實(shí)施例中，固定鐵磁層28有M1和T1兩個(gè)參數(shù)，M=磁化強(qiáng)度，T=厚度，被牽制鐵磁層24有M2和T2兩個(gè)參數(shù)，自由鐵磁層30有M3和T3兩個(gè)參數(shù)。
為了補(bǔ)償固定鐵磁層28和自由鐵磁層30之間存在的正拓?fù)漶詈?，乘積M1T1應(yīng)大于M2T2?？梢允筎1＞T2,M1=M2，或使T1=T2,M1＞M2，或使T1＞T2,M1＞M2來(lái)達(dá)到。調(diào)整M1和T1，與M2T2間的差值即可使正耦合得以全部消除。當(dāng)M1T1＞M2T2時(shí)，在固定鐵磁層28的端部將會(huì)有未補(bǔ)償?shù)拇艠O或磁荷。在長(zhǎng)/寬比等于或大于1的高密度存儲(chǔ)單元中，存在于自由鐵磁層30和固定以及被牽制鐵磁層端部之間的靜磁耦合是反磁性的，形成了閉合磁通。這種反鐵磁性耦合可通過(guò)M1T1和M2T2之差來(lái)予以調(diào)整以完全消除正耦合。
圖2是構(gòu)圖完整的磁性元件結(jié)構(gòu)的一種可供選擇的實(shí)施例，請(qǐng)參閱10’，它含有合成的反鐵磁性結(jié)構(gòu)11’。應(yīng)當(dāng)指出第一實(shí)施例與第二實(shí)施例所有相同的部件都標(biāo)以相同的標(biāo)號(hào)，加一個(gè)撇號(hào)以表示不同的實(shí)施例。與圖1所示的結(jié)構(gòu)相同，此結(jié)構(gòu)含有襯底12’，底層電極多層疊片14’，襯墊層16’以及項(xiàng)層電極多層疊片18’。底層電極多層疊片14’和頂層電極多層疊片18’都含有鐵磁層，與圖1中的疊片14和18基本相同。底層電極層14’是形成在金屬引線13’上的，而金屬引線13’又是形成在襯底12’上的；該電極層14’還含有許多底層20’，底層20’包括沉積在金屬引線13’上的第一仔晶層21和一個(gè)模板層23。電極層14’還有反鐵磁材料層22’，在其上形成且和下面的反鐵磁層22’交換耦合的被牽制鐵磁層24’，耦合夾層26’以及和被牽制層反鐵磁性耦合的固定鐵磁層28’。鐵磁層24’和28’是受牽制或固定的，在出現(xiàn)外磁場(chǎng)時(shí)它們的磁矩是被阻止翻轉(zhuǎn)的。頂層電極疊片18’含有自由鐵磁層30’和保護(hù)層32’。自由鐵磁層30’的磁矩是不固定或不受交換耦合牽制的，在出現(xiàn)外磁場(chǎng)時(shí)它的磁矩可自由地在兩種狀態(tài)間翻轉(zhuǎn)。
固定鐵磁層28’的厚度用T1表示。被牽制鐵磁層24’的厚度用T2表示。在這個(gè)具體實(shí)施例中，為了補(bǔ)償橫越襯墊層16’的正耦合，固定鐵磁層28’的厚度要形成得比被牽制鐵磁層24的大些，即T1＞T2。應(yīng)當(dāng)明白在這里的披露中考慮到了反向或倒裝結(jié)構(gòu)。具體地，考慮到了所公開(kāi)的具有SAF結(jié)構(gòu)的磁性元件可以包含頂層固定或被牽制層來(lái)形成，由此描述為一種頂層受牽制結(jié)構(gòu)。
這項(xiàng)具體實(shí)施例的制造含有兩項(xiàng)蝕刻工序。首先，所有各層被蝕刻以確定該磁性器件10’，然后，保護(hù)層32’和自由鐵磁層30’被蝕刻以確定偏移40。具體地，低于自由鐵磁層30’的各層要大于自由鐵磁層30’一個(gè)偏移量40。對(duì)器件10’的這種蝕刻保證了避免跨過(guò)襯墊層16’的短路。
現(xiàn)在參閱圖3，示出了本發(fā)明所述磁性器件的另一種實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫剖視圖。具體地，示出了器件50，它和圖1的器件10基本相同，只是在本具體實(shí)施例中，磁性元件50不含耦合夾層和固定鐵磁層。與圖1所述的結(jié)構(gòu)一樣，該結(jié)構(gòu)含有襯底52，底層電極多層疊片54，襯墊層56以及頂層電極多層疊片58。底層電極多層疊片54和頂層電極多層疊片58都含有鐵磁層，與圖1中的疊片14和18基本相同。底層電極層54是形成在金屬引線53上的，而金屬引線53又形成在襯底52上的；該電極層54含有許多底層60，包括在金屬引線53上沉積形成的第一仔晶層61和一個(gè)模板層63。底層電極多層疊片54還含有被牽制鐵磁層64。被牽制鐵磁層64是固定或受牽制的，在出現(xiàn)低于一定強(qiáng)度的外磁場(chǎng)時(shí)它的磁矩是被阻止翻轉(zhuǎn)的。頂層電極疊片58含有自由鐵磁層70和保護(hù)層72。自由鐵磁層70的磁矩是不固定或不受交換耦合牽制的，在出現(xiàn)高于一定強(qiáng)度的外磁場(chǎng)時(shí)它的磁矩可自由地在兩種狀態(tài)之間翻轉(zhuǎn)。
與圖2所述的實(shí)施例基本相同，器件50可以含有一個(gè)偏移74，見(jiàn)圖4。應(yīng)當(dāng)明白圖3的實(shí)施例與圖4的實(shí)施例所有相同的部件都標(biāo)以相同的標(biāo)號(hào)，加一個(gè)撇號(hào)以表示不同的實(shí)施例在圖4所述實(shí)施例中，偏移74提供了降低從被牽制鐵磁層64’向自由鐵磁層70’的退磁場(chǎng)的作用，從而消除被牽制鐵磁層64’和自由鐵磁層70’之間的正耦合。應(yīng)當(dāng)明白在這里的披露中考慮到了反向或倒裝結(jié)構(gòu)。具體地，考慮到了所公開(kāi)的磁性元件可以通過(guò)包含一個(gè)頂層固定或被牽制層來(lái)形成，由此描述為一種頂層受牽制結(jié)構(gòu)。
再次參閱圖4，這項(xiàng)具體實(shí)施例的制造含有兩項(xiàng)蝕刻工藝。首先，所有各層被蝕刻以確定磁性器件50’。然后，保護(hù)層72’和自由鐵磁層70’被蝕刻以確定偏移74。具體地，位于自由鐵磁層70’以下的各層要大于自由鐵磁層70’一個(gè)偏移量74。對(duì)器件50’的這種蝕刻保證了避免跨過(guò)襯墊層56’的短路。
現(xiàn)在參閱圖5，示出了本發(fā)明所述磁性元件另一種實(shí)施例的簡(jiǎn)化橫剖視圖。具體地，示出了磁性元件80，它沒(méi)有耦合夾層和固定鐵磁層。與圖4提示的結(jié)構(gòu)相同，它含有襯底82，底層電極多層疊片84，第一襯墊層86，第二襯墊層或隧道阻擋層88以及頂層電極多層疊片90。底層電極多層疊片84和頂層電極多層疊片90都含鐵磁層，和圖1中的疊片14和18基本相同。底層電極多層疊片84是形成在底層金屬引線83上的，而該引線83又是形成在襯底82上的；底層電極多層疊片84還含有許多底層，包括在底層金屬引線83上沉積形成的第一仔晶層81和選擇性的模板層85。底層電極多層疊片84還含有鐵磁層92。鐵磁層92是固定或受牽的，在出現(xiàn)低于一定強(qiáng)度的外磁場(chǎng)時(shí)它的磁矩被阻止翻轉(zhuǎn)。底層電極多層疊片84另外還含有襯墊層86和自由鐵磁層94。自由鐵磁層94的磁矩是不固定或不受交換耦合牽制的，在出現(xiàn)大于一定強(qiáng)度的外磁場(chǎng)時(shí)它可自由地在兩種狀態(tài)間翻轉(zhuǎn)。頂層電極疊片90含有第二固定鐵磁層96和保護(hù)層98。鐵磁層92和96由于端靜磁耦合(end-magneto static coupling)而具有反平行排列。
與圖4所述的實(shí)施例基本相同，器件80可選擇性地含有偏移100，如圖5所示。偏移100提供了降低從鐵磁層92或96的至少一個(gè)向自由鐵磁層94的退磁場(chǎng)的作用，從而消除鐵磁層92或96與自由鐵磁層96之間的正耦合。應(yīng)當(dāng)明白在這里的披露考慮到了一種反向或倒裝結(jié)構(gòu)。
本具體實(shí)施例的制造在存在偏移100時(shí)含有二項(xiàng)蝕刻工序。首先，各層被蝕刻以確定磁性器件80，然后保護(hù)層98和鐵磁層96被蝕刻以確定偏移100。具體地，位于鐵磁層96以下的各層要大于被牽制鐵磁層96一個(gè)偏移量。對(duì)器件80的這種蝕刻保證了避免跨過(guò)襯墊層88的短路。
現(xiàn)在參閱圖6，它圖解說(shuō)明諸如圖1中的固定鐵磁層28厚度相對(duì)于這類磁性元件的拓?fù)漶詈洗艌?chǎng)(Hcp1)和單元端部退磁場(chǎng)或負(fù)磁場(chǎng)的作用。如圖所示，隨著圖2和圖4所述器件層的偏移的增大，退磁場(chǎng)將會(huì)減小。偏移小于3000則會(huì)引發(fā)一個(gè)較大的負(fù)磁場(chǎng)或退磁場(chǎng)。磁性元件通常是用在信息存儲(chǔ)和/或讀出裝置上的，它必須利用薄的自由層保持低的換向磁場(chǎng)，然而，當(dāng)設(shè)計(jì)的器件具有這些薄自由層時(shí)會(huì)使拓?fù)漶詈洗艌?chǎng)Hcp1增強(qiáng)。相應(yīng)地，為了補(bǔ)償或消除這種拓?fù)浯艌?chǎng)Hcp1，可以對(duì)在此公開(kāi)的磁性元件其余結(jié)構(gòu)作出調(diào)整，以利用退磁場(chǎng)去補(bǔ)償或消除這類正耦合磁場(chǎng)。
參閱圖7，它示意了利用調(diào)整磁層厚度的方法來(lái)減弱耦合磁場(chǎng)，諸如調(diào)整圖1中相對(duì)于被牽制層24的固定層28的層厚。如其所示，固定層28的層厚提高到比被牽制層24的大時(shí)，存在的正耦合磁場(chǎng)Hcp1就會(huì)受到補(bǔ)償。存在的正端磁極和相對(duì)的負(fù)端磁極可消除諸如拓?fù)洹⑨樋缀驼娮咏粨Q等各種正耦合。相應(yīng)地，如圖7所示，一種和圖1中的磁性元件10基本相同的磁性元件，它除了包含自由層30，還有層厚大于被牽制層24的固定層28，在層28和30間提供某一差值，從而抵消正耦合并提供相對(duì)于磁場(chǎng)響應(yīng)的居中阻抗并能操作于雙態(tài)的平衡器件。
更具體地參閱圖7，磁端極在層24和28之間形成。固定層28的厚度增加到比被牽制層24的大，便可在磁性元件10中實(shí)現(xiàn)對(duì)正耦合的補(bǔ)償。
下面將公開(kāi)非磁性的仔晶和模板層，如圖3中的層61和63，它的利用將會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)響應(yīng)耦合的減弱而不需包含SAF結(jié)構(gòu)。該模板層不向該結(jié)構(gòu)施加磁矩，由此，唯一的端靜磁耦合是結(jié)構(gòu)中薄被牽制層導(dǎo)致的結(jié)果。相應(yīng)地可以對(duì)此進(jìn)行調(diào)整以便消除其耦合強(qiáng)度使器件能在雙態(tài)下進(jìn)行操作。當(dāng)模板層63是非磁性的且不存在SAF結(jié)構(gòu)時(shí)，存在由于已構(gòu)圖形狀端部的磁極引起的負(fù)靜磁耦合，因此，通過(guò)被牽制層64相對(duì)于自由層70的厚度便可控制正耦合?？梢赃x擇被牽制層64的厚度以抵消靜磁耦合，給出居中回線。因此，通過(guò)減小被牽制層64的厚度使其厚度小于被牽制層70，正耦合的抵消作用便可以在磁性元件50中得以實(shí)現(xiàn)。
再次參閱圖7，示出了圖1中磁性元件10的結(jié)構(gòu)，顯示出磁極，其中單元端部靜磁退磁場(chǎng)消除了該結(jié)構(gòu)的全部正耦合，以便在零外磁場(chǎng)下獲得雙磁態(tài)。
因而，公開(kāi)了一種能在雙態(tài)下操作的磁性元件及其構(gòu)成方法，其中磁耦合被消除，或補(bǔ)償，這是基于彼此相對(duì)的各磁性層厚度或磁化強(qiáng)度與厚度的乘積之上的。該技術(shù)可應(yīng)用于使用構(gòu)圖的磁性元件的器件，諸如磁傳感器、磁記錄頭、磁記錄介質(zhì)以及其他等等。相應(yīng)地，這些例舉也為本公開(kāi)說(shuō)明所覆蓋。
權(quán)利要求
1．一種磁性元件(10,10’,50,50’,80)其特征在于多個(gè)薄膜層，其中單元端部靜磁退磁場(chǎng)(bit end magneto-static demagnetizationfields)消除該結(jié)構(gòu)的全部正耦合以在零外磁場(chǎng)下獲得雙磁態(tài)。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性元件，其中，多個(gè)薄膜層形成一種自旋閥結(jié)構(gòu)或磁隧道結(jié)(MTJ)結(jié)構(gòu)。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性元件，其中，多個(gè)薄膜層形成一種SAF結(jié)構(gòu)，它含有固定鐵磁層(28)和被牽制鐵磁層(24)，固定鐵磁層具有大于被牽制鐵磁層的厚度，從而消除固定鐵磁層與自由鐵磁層之間的正耦合。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性元件，其中，多個(gè)薄膜層形成一種結(jié)構(gòu)，它含有具有不同的換向磁場(chǎng)的多個(gè)鐵磁層，其中鐵磁層之間的偏移提供了鐵磁層之間的退磁場(chǎng)的減弱，從而消除鐵磁層之間的正耦合。
5．根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁性元件，其中，多個(gè)鐵磁層含有被牽制鐵磁層(24)和自由鐵磁層(30)，且所述偏移提供了從被牽制鐵磁層向自由鐵磁層的退磁場(chǎng)的減弱，從而消除被牽制鐵磁層和自由鐵磁層之間的正耦合。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性元件，其中，多個(gè)薄膜層形成一種結(jié)構(gòu)，它含有自由鐵磁層(30)，多個(gè)襯墊層(16)以及多個(gè)鐵磁層，多個(gè)鐵磁層具有由于端靜磁耦合(end-magneto static coupling)導(dǎo)致的反平行排列，其中，調(diào)整多個(gè)鐵磁層中至少一個(gè)的厚度以提供消除自由鐵磁層和多個(gè)鐵磁層中至少一個(gè)之間的正耦合。
7．一種磁性元件，其特征在于第一電極(14)其特征在于有固定鐵磁層(28)，在存在一特定強(qiáng)度的施加磁場(chǎng)時(shí)其磁化強(qiáng)度可固定在某一優(yōu)選方向，該固定鐵磁層具有厚度1(t1)，被牽制鐵磁層(24)具有厚度2(t2)，以及位于固定鐵磁層和被牽制鐵磁層之間的耦合夾層(26)；第二電極(18)其特征在于有自由鐵磁層(30)，它有一表面，其磁化強(qiáng)度當(dāng)存在足夠的施加磁場(chǎng)時(shí)可自由翻轉(zhuǎn)；襯墊層(16)，它位于第一電極的固定鐵磁層和第二電極的自由鐵磁層之間；其中固定鐵磁層的厚度t1大于被牽制鐵磁層的厚度t2，從而消除固定鐵磁層和自由鐵磁層之間的正耦合；以及襯底(12)，第一和第二電極以及襯墊層都是在該襯底上形成的。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁性元件，其中，被牽制鐵磁層的磁化是由反鐵磁性牽制層(24)所固定的，固定鐵磁層通過(guò)耦合夾層(26)反鐵磁性交換于被牽制鐵磁層而被固定于相反方向，從而確定一種SAF結(jié)構(gòu)。
9．根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁性元件，其中，耦合夾層由金屬釕(Ru)形成。
10．根據(jù)權(quán)利要求7所述的磁性元件，還包括自由鐵磁層和襯墊層之間的至少一個(gè)偏移。
全文摘要
一種改進(jìn)且新穎的磁性元件(10;10’;50;50’;80),它含有許多薄膜層,其中單元端部靜磁退磁場(chǎng)將抵消這種結(jié)構(gòu)的全部正耦合以在零外磁場(chǎng)下獲得雙磁態(tài)。另外還公開(kāi)了一種通過(guò)提供多個(gè)薄膜層來(lái)構(gòu)成一種磁性元件(10)的方法,其中單元端部靜磁退磁場(chǎng)將抵消這種結(jié)構(gòu)的全部正耦合以在零外磁場(chǎng)下獲得雙磁態(tài)。
文檔編號(hào)G11B5/39GK1309301SQ0013660
公開(kāi)日2001年8月22日 申請(qǐng)日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月17日
發(fā)明者陳佑俊, 喬恩·邁克爾·斯勞夫特, 馬克·杜爾拉姆, 馬克·德赫勒拉, 賽德·N.·特拉尼 申請(qǐng)人:摩托羅拉公司