專利名稱：具有軟基準層的磁阻器件的讀取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及磁阻器件。本申請還涉及數(shù)據(jù)存儲。
背景技術(shù)：
磁隨機存取存儲器(“MRAM”)為用于短期和長期存儲數(shù)據(jù)的非易失存儲器。MRAM具有的功耗低于如DRAM、SRAM和快閃存儲器等的短期存儲器。MRAM進行的讀取和寫入操作比常規(guī)的長期存儲裝置例如硬盤驅(qū)動器快得多(高幾個數(shù)量級)。此外，MRAM比硬盤驅(qū)動器更致密并且功耗更低。MRAM也被用于如極快處理器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等的嵌入式應(yīng)用。
典型的MRAM器件包括存儲單元的陣列、沿存儲單元的行延伸的字線、以及沿存儲單元列延伸的位線。每個存儲單元位于字線和位線的交叉點。
存儲單元基于隧道(tunneling)磁阻(TMR)器件，例如與旋轉(zhuǎn)相關(guān)的隧道(SDT)結(jié)。典型的SDT結(jié)包括定位(pinned)層、讀出層以及夾在定位層和讀出層之間的絕緣隧道阻擋層。定位層具有在感興趣范圍內(nèi)施加磁場時固定而不旋轉(zhuǎn)的磁化取向(orientation)。讀出層具有兩個方向的任何一個中取向的磁化與定位層磁化的相同方向或與定位層磁化的相反方向。如果定位層和讀出層的磁化為相同的方向，那么SDT結(jié)的取向稱做“平行”。如果定位層和讀出層的磁化為相反的方向，那么SDT結(jié)的取向稱做“反向平行”。這兩個穩(wěn)定的取向，平行和反向平行，對應(yīng)于邏輯值‘0’和‘1’。
通過底層的反鐵磁性(AF)定位層確定定位層的磁化取向。AF定位層提供了大的交換場，將定位層的磁化保持在一個方向。AF層下面通常為第一和第二籽晶層。第一籽晶使第二籽晶在(111)晶向生長。第二籽晶層為AF定位層建立(111)晶體結(jié)構(gòu)取向。
發(fā)明概述具有數(shù)據(jù)層和基準(reference)層的存儲器件通過臨時地將基準層的磁化設(shè)置為已知的方向并確定器件的阻力方向讀取。
從下面結(jié)合附圖借助闡明本發(fā)明的原理的例子的詳細說明中，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點將變得很顯然。
附圖簡介

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件。
圖2示出了圖1所示磁存儲器件的數(shù)據(jù)和基準層的磁滯回線。
圖3示出了對圖1所示磁存儲器件進行讀取操作的第一種方法。
圖4a和4b示出了對應(yīng)于第一種方法的器件磁化方向。
圖5示出了對圖1所示磁存儲器件進行讀取操作的第二種方法。
圖6a-6e和7a-7e進一步示出了第二種方法。
圖8示出了執(zhí)行第二種方法的電路。
圖9a和9b為圖8所示電路的時序圖。
圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的MRAM器件。
圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的另一MRAM器件。
圖12示出了讀取操作期間的另一MRAM。
圖13a、13b以及14-17示出了用于根據(jù)本發(fā)明的MRAM器件的不同覆蓋導(dǎo)體。
圖18a和18b示出了用于根據(jù)本發(fā)明的磁存儲器件的合成鐵氧磁材料基準層。
圖19示出了合成鐵氧磁基準層的各鐵磁層基準層的磁滯回線。
圖20示出了合成鐵氧磁基準層的磁滯回線。
具體實施例方式
參考圖1，磁存儲器件10包括具有數(shù)據(jù)層12、基準層14以及數(shù)據(jù)層和基準層12和14之間的隧道阻擋層16的磁隧道結(jié)11。層12和14都由鐵磁材料制成。數(shù)據(jù)層12具有能在兩個方向的任何一個中取向的磁化(由向量M1)表示，通常沿數(shù)據(jù)層1 2的易磁化軸(EA1)。基準層14具有能在兩個方向的任何一個中取向的磁化(由向量M2)表示，通常沿易磁化軸(EA2)。顯示的易磁化軸(EA1，EA2)沿X軸延伸。
如果數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁化向量(M1和M2)的指向為相同的方向，那么磁性隧道結(jié)11的取向稱為“平行”。如果數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁化向量(M1和M2)的指向為相反的方向，那么磁性隧道結(jié)11的取向稱為“反向平行”。這兩個穩(wěn)定的取向，平行和反向，平行對應(yīng)于邏輯值‘0’和‘1’。
絕緣隧道阻擋層16允許在數(shù)據(jù)和基準層12和14之間發(fā)生量子機械遂道。這種遂道現(xiàn)象為電子旋轉(zhuǎn)相關(guān)，使磁性隧道結(jié)11的電阻為數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁化向量(M1和M2)的相對取向的函數(shù)。例如，如果磁性隧道結(jié)11的磁化取向為平行，那么磁性隧道結(jié)11的電阻為第一值(R)，如果磁性隧道結(jié)11的磁化取向為反向平行，那么電阻為第一值(R+ΔR)。絕緣隧道阻擋層16由氧化鋁(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)、氧化鉭(Ta2O5)、氮化硅(SiN4)、氮化鋁(AlNX)、或氧化鎂(MgO)制成。其它的介質(zhì)和某些半導(dǎo)體材料可以用做絕緣隧道阻擋層16。絕緣隧道阻擋層16的厚度從約0.5納米到約三納米。
數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)比基準層14的矯頑磁力(Hc2)高得多(參見圖2，分別示出了數(shù)據(jù)和基準層12和14的磁滯回路L1和L2)。數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)比基準層14的矯頑磁力(Hc2)大至少2-5倍。例如，數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)約25 Oe，基準層14的矯頑磁力(Hc2)約5 0e。優(yōu)選使基準層14的矯頑磁力(Hc2)盡可能地低(例如，通過使基準層14盡可能地薄)。由此，可以認為基準層14比數(shù)據(jù)層12“更軟”，是由于它的磁化向量(M2)很容易翻轉(zhuǎn)。
通過使兩層12和14的形狀、幾何結(jié)構(gòu)、成分、厚度等不同，將兩層12和14的矯頑磁力制得不同?？梢允褂玫蔫F磁層材料包括鎳鐵(NiFe)、鎳鐵鈷(NiFeCo)、鈷鐵(CoFe)、NiFe和Co的其它磁性軟合金、摻雜的非晶鐵磁性合金以及PERMALLOYTM。例如，數(shù)據(jù)層12可以由例如NiFeCo或CoFe的材料制成，基準層14可以由例如NiFe的材料制成。
沿x軸延伸的第一導(dǎo)體18與數(shù)據(jù)層12接觸。沿y軸延伸的第二導(dǎo)體20與基準層14接觸。第一和第二導(dǎo)體18和20顯示為正交。在第二導(dǎo)體20上為第三導(dǎo)體22，也沿y軸延伸。電絕緣體24(例如介質(zhì)材料層)將第二和第三導(dǎo)體20和22分開。導(dǎo)體18、20和22由導(dǎo)電材料例如鋁、銅、金或銀制成。
通過將寫電流提供到第一和第二導(dǎo)體18和20，數(shù)據(jù)寫入到磁性隧道結(jié)11。提供到第一導(dǎo)體18的電流在第一導(dǎo)體18周圍產(chǎn)生磁場，提供到第二導(dǎo)體20的電流在第二導(dǎo)體周圍產(chǎn)生磁場。當合并時，兩個磁場超過了數(shù)據(jù)層12的矯頑磁力(Hc1)，因此，使數(shù)據(jù)層12的磁化向量(M1)設(shè)置在需要的取向(取向取決于提供到第一和第二導(dǎo)體18和20的電流方向)。磁化設(shè)置為對應(yīng)于邏輯‘1’的取向或?qū)?yīng)于邏輯‘0’的取向。由于基準層14的矯頑磁力(Hc2)小于數(shù)據(jù)層1 2的，合并的磁場產(chǎn)生基準層14的磁化(M2)呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)層12的磁化(M1)取向相同。
從導(dǎo)體18和20移走寫入電流之后，數(shù)據(jù)層12的磁化向量(M1)保持它的取向?；鶞蕦?4的磁化向量(M2)保持或不保持它的取向。如果基準層14為“超-軟”，當從第一和第二導(dǎo)體18和20移走寫入電流時，它將失去它的磁化取向。
第三導(dǎo)體22用于幫助寫操作。通過寫操作期間將電流提供到第三導(dǎo)體22，第三導(dǎo)體22周圍的所得磁場與其它兩個磁場合并以幫助將數(shù)據(jù)層12的磁化向量(M1)設(shè)置在需要的取向。
圖3示出了讀取磁存儲器件10的第一種方法。電流提供到第三導(dǎo)體22，所得磁場產(chǎn)生基準層14的磁化向量(M2)呈現(xiàn)特定的取向(方框110)。所得磁場不會影響數(shù)據(jù)層12的磁化向量(M1)。由于基準層14的矯頑磁力(Hc2)很低，因此第三導(dǎo)體電流的量值也低。
隨著電流提供到第三導(dǎo)體22，電壓施加在磁性隧道結(jié)11上(方框110)。第一和第二導(dǎo)體18和20用于施加磁性隧道結(jié)11上的電壓。電壓使讀出電流流過磁性隧道結(jié)11。
通過讀出流過磁性隧道結(jié)11的電流測量磁性隧道結(jié)11的電阻(方框112)。讀出電流反比于電流測量磁性隧道結(jié)11的電阻。由此Is＝V/R或者Is＝V/(R+ΔR)，其中V為施加的電壓，Is為讀出電流，R為器件10的標稱電阻，ΔR為從平行磁化取向到反向平行磁化取向產(chǎn)生的電阻變化。
現(xiàn)在參考圖4a和4b。假設(shè)磁性隧道結(jié)11具有1歐姆的標稱電阻(R)，30％的遂道磁致電阻。畫出的讀取電流(IR)流入第三導(dǎo)體22內(nèi)。讀取電流(IR)使基準層14的磁化向量(M2)指向左邊。如果測量的電阻R＝1歐姆，那么數(shù)據(jù)層12存儲第一邏輯值(圖4a)。如果測量的電阻R＝1.3歐姆，那么數(shù)據(jù)層12存儲第二邏輯值(圖4b)。由此，通過將基準層14的磁化設(shè)置為已知的取向并測量器件10的電阻(R或R+ΔR)，那么可以確定存儲在磁存儲器件10中的邏輯值。
圖5示出了讀取磁存儲器件10的第二種方法。雙極脈沖施加到第三導(dǎo)體22(方框210)，檢查結(jié)電阻的過渡(transition)(方框212)。過渡方向(從高到低，或從低到高)表示數(shù)據(jù)層12的取向，因此，邏輯值存儲在磁存儲器件10中。
圖6a-6e進一步示出了與存儲邏輯‘0’的數(shù)據(jù)層12有關(guān)的第二種方法。雙脈沖250施加到第三導(dǎo)體22(圖6a)。雙脈沖250具有正極性252(對應(yīng)于邏輯‘0’)，之后接負極性254(對應(yīng)于邏輯‘1’)。正極性252將基準層14的磁化取向在與數(shù)據(jù)層12的相同方向中(圖6b)，由此器件10的磁化方向平行并且它的阻值為Rp。之后，負極性254將基準層14的磁化向量(M2)取向在相反方向(圖6c)，由此器件10的磁化方向反向平行并且它的阻值為R+ΔR或Rap。由此器件10的電阻從低到高過渡(圖6d)。從低到高過渡表示邏輯‘0’存儲在器件10中。對應(yīng)的讀出電流(IS)顯示在圖6e中。
圖7a-7e示出了與存儲邏輯‘1’的數(shù)據(jù)層12有關(guān)的第二種方法。相同的雙極脈沖250施加到第三導(dǎo)體22(圖7a)。磁存儲器件從反向平行磁化取向(圖7b)過渡為平行磁化取向(圖7c)，由此磁存儲器件10的電阻從高過渡到低(圖7d)。由此從低到高過渡表示邏輯‘1’存儲在器件10中。對應(yīng)的讀出電流(IS)顯示在圖7e中。
雙極讀取操作涉及自身。因此，該動態(tài)方法對不同器件上的電阻變化不敏感。
雙極脈沖不限于單個正極性之后接單個負極性，也不限于對應(yīng)于邏輯‘0’的正極性和對應(yīng)于邏輯‘1’的負極性。例如，正極性能容易地對應(yīng)于邏輯‘1’，雙極脈沖由負極性開始并過渡到正極性等。
檢測電阻過渡的簡單讀出放大器310顯示在圖8中。流過磁性隧道結(jié)11的讀出電流(IS)提供到讀出放大器312。讀出放大器312的第一和第二輸出提供了與讀出電流量值成正比的電壓(V讀出)。第一輸出提供到比較器316的第一輸入(IN+)。讀出放大器312第二輸出提供到延遲元件314，具有幾納秒的延遲。延遲元件314的輸出提供到比較器316的第二輸入(IN-)。延遲元件314的輸出提供到比較器316的第二輸入(IN-)。比較器316將第一比較器輸入(IN+)處的讀出電壓(V讀出)與第二比較器輸入(IN-)處的延遲讀出電壓比較。比較器316的輸出(VOUT)表示存儲在磁存儲器件10中的邏輯狀態(tài)。
圖9a和9b為圖8電路的時序圖。圖9a對應(yīng)于圖6a-6e，圖9b對應(yīng)于7a-7e。
磁存儲器件10具有比常規(guī)SDT結(jié)簡單的結(jié)構(gòu)。磁存儲器件10比SDT結(jié)易于制造是由于不需要籽晶層和AF定位層。仍然進行退火數(shù)據(jù)層以設(shè)定易磁化軸，但在較低的溫度下進行并且不是很關(guān)鍵。此外，顯著減少了淀積工藝的復(fù)雜性。另一優(yōu)點是數(shù)據(jù)層12在金屬導(dǎo)體的頂部，得到更均勻的數(shù)據(jù)膜，因此，得到較好的磁響應(yīng)和工藝性(就晶片上較好的一致性而言)。
現(xiàn)在參考圖10，示出了包括磁性隧道結(jié)11陣列12的MRAM器件410。磁性隧道結(jié)11以行和列的形式排列，行沿x方向延伸，列沿y方向延伸。僅示出較小量的磁性隧道結(jié)11以簡化MRAM器件410的圖示。實際上，可以使用任何尺寸的陣列。
起字線18作用的導(dǎo)電條沿x軸在陣列12一側(cè)的平面中延伸。字線18接觸磁性隧道結(jié)11的數(shù)據(jù)層12。起位線20作用的導(dǎo)電條沿y方向在陣列12的相鄰側(cè)的平面中延伸。位線20接觸磁性隧道結(jié)11的基準層14。可以一個字線18用于陣列12的每行，一個位線20用于陣列12的每列。每個磁性隧道結(jié)11位于字線18和位線20的交叉點。
起讀取線22功能的導(dǎo)電條也沿y軸延伸。讀取線22位于位線20上面并與之絕緣。(此外，讀取線22可以位于位線20下面，字線18上面或下面，沿行或列等)。讀取線22與字線18和位線20不相關(guān)。
MRAM器件410也包括第一和第二行解碼器414a和414b，第一和第二列解碼器416a和416b以及讀出/寫入電路418。讀出/寫入電路418包括讀出放大器420、地連接422、行電流源424、電壓源426以及列電流源428。
在選定的磁性隧道結(jié)11上進行寫操作期間，第一行解碼器414a將選定的字線18的一端連接到行電流源424，第二行解碼器414b將選定字線18的另一端連接到地，第一列解碼器416a將選定的位線20的一端接地，第二列解碼器416b將選定位線20的另一端連接到列電流源428。由此，寫電流流過選定的字線18和位線20。寫電流產(chǎn)生磁場，使磁性隧道結(jié)11轉(zhuǎn)換。列解碼器416a和416b也使寫電流流過讀取線22穿過選定的磁性隧道結(jié)11。該第三寫電流產(chǎn)生附加的磁場協(xié)助選定的隧道結(jié)11轉(zhuǎn)換。
在選定的隧道結(jié)11上讀取操作期間，第一行解碼器414a將電壓源426連接到選定的字線18，第一列解碼器416a將選定的位線20連接到讀出放大器420的虛擬地輸入。由此，讀出電流穿過選定的磁性隧道結(jié)11流到讀出放大器420的輸入。同時，第一和第二列解碼器416a和416b使穩(wěn)定的讀出電流或雙極電流脈沖流過讀取線22穿過選定的磁性隧道結(jié)11。如果穩(wěn)定的讀出電流提供到選定的讀取線22，那么通過讀出放大器420可以讀出選定的磁性隧道結(jié)11的電阻狀態(tài)。如果雙極脈沖提供到選定的讀取線22，那么通過讀出放大器420可以檢查結(jié)電阻的過渡(檢查結(jié)電阻過渡的讀出放大器420具有與圖8所示讀出放大器312相同的結(jié)構(gòu))。
磁性隧道結(jié)11通過許多平行路徑耦合在一起。在一個交叉點看到的電阻等于與其它行和列中磁性隧道結(jié)11電阻平行的交叉點處的磁性隧道結(jié)11的電阻。由此磁性隧道結(jié)11的陣列12特征為交叉點電阻器網(wǎng)絡(luò)。
由于磁性隧道結(jié)11連成交叉點電阻器網(wǎng)絡(luò)，寄生或潛通路電流干擾選定的磁性隧道結(jié)11上的讀取操作。閉鎖器件例如二極管或晶體管可以連接到磁性隧道結(jié)11。這些閉鎖器件阻止了寄生電流。
此外，可以使用受讓人的US專利No.6,259,644中公開的“等電位”法處理寄生電流。如果使用等電位法，讀取/寫入電路418提供了未選定位線20和選定位線20相同的電位，或者提供了未選定字線18和選定字線18相同的電位。
由于讀取線22與位線20電絕緣，因此它們不會增加磁性隧道結(jié)11的阻性交叉干擾。因此，相同的電位沒有加到讀取線22。
圖10示出了具有三種不同類型導(dǎo)電條的MRAM器件410字線18、位線20以及讀取線22。然而，本發(fā)明不限于此。例如，根據(jù)本發(fā)明的MRAM器件可以僅具有兩種不同類型的導(dǎo)電條字線18和位線20。
參考圖11，示出了包括字線18和位線20的MRAM器件510，但不包括讀取線22。磁性隧道結(jié)11位于字線和位線18和20的交叉點處。
再參考圖12，示出了僅使用字線和位線18和20的讀取操作。第一行解碼器514a將電壓源56連接到選定的字線18，第一列解碼器516a將選定的位線20的一端連接到讀出放大器520的虛擬地輸入。由此，讀出電流(IS)穿過選定的磁性隧道結(jié)11流到讀出放大器520。第二列解碼器516b將列電流源528連接到選定位線20的另一端。由此，讀取電流(IR)穿過選定的位線20流到讀出放大器520。讀取電流(IR)設(shè)定了基準層的磁化向量。讀出放大器520檢測讀出和讀取電流(IS+IR)的總和。由于讀取電流(IR)的量值已知，因此可以確定讀出電流(IS)以及磁性隧道結(jié)11的電阻和邏輯狀態(tài)。
由此介紹的磁性隧道結(jié)11包括各基準層14，每個基準層14具有與對應(yīng)的數(shù)據(jù)層12和隧道阻擋層16相同的幾何結(jié)構(gòu)。然而，本發(fā)明不限于基準層14具有與數(shù)據(jù)層和隧道阻擋層16相同的幾何結(jié)構(gòu)。
相反，基準層具有與字線和位線18和20相同的幾何結(jié)構(gòu)。這種基準層稱做“基準線’’。
現(xiàn)在參考圖13a，示出了由多各磁性隧道結(jié)611共享的基準線610?；鶞示€610頂部的疊層為位線和讀取線20和22?；鶞示€610在與位線和讀取線20和22相同的方向中延伸。由此，一列的每個磁性隧道結(jié)611包括各數(shù)據(jù)層12、各隧道阻擋層16以及共享的基準線610。
本發(fā)明不限于圖13a中所示的層疊在位線20下面的基準線610。相反，基準線610可以層疊在位線20的頂部(參見圖13b)；或者基準線610可以層疊在讀取線22的上面或下面(并在與讀取線22相同的方向中延伸)，或者基準線610可以層疊在字線18的上面或下面(并在與字線18相同的方向中延伸)。如果基準線610層疊在位線20的頂部，因此不與隧道阻擋層16接觸，而構(gòu)圖層14形成在隧道阻擋層16和字線、位線20之間之間，如圖13b所示。
本發(fā)明不限于相對于字線、位線或讀取線18、20或22層疊的基準線610?；鶞示€可以與字線、位線和/或讀取線結(jié)合，如圖14-17所示。通過將鐵磁材料覆蓋到任何其它線，基準線610可以與任何其它線結(jié)合。將基準線與其它線結(jié)合的一個優(yōu)點是省卻了額外的互連層。覆蓋的另一優(yōu)點是減少了功耗，是由于覆蓋使讀和寫電流量級減少。
圖14示出了覆蓋有鐵磁材料(例如，NiFe)的位線20。覆蓋層712形成軟或超軟基準線710。位線20位于讀取線22和絕緣隧道阻擋層16之間。介質(zhì)層(未示出)將讀取線22與基準線710隔開。
鐵磁覆蓋層712完全封閉位線20以閉合磁通路線。隧道阻擋層16和位線20之間的那部分覆蓋層712較薄。
寫操作期間，寫電流施加到位線20，所得磁場使基準線710飽和?；鶞示€710較薄的部分將磁場指向數(shù)據(jù)層12。
讀取操作期間，讀取電流流過讀取線22設(shè)定基準線710的磁化取向，而讀出和寄生電流流過字線和位線。讀取操作期間存在由流過字線的讀出和寄生電流產(chǎn)生的磁場時，鐵磁覆蓋層712不應(yīng)飽和。只要它不飽和，由讀出和寄生電流產(chǎn)生的任何磁場不會干擾數(shù)據(jù)層12。
圖15示出了覆蓋有鐵磁材料(例如，NiFe)的讀取線22。覆蓋層形成軟或超軟基準線810。讀取線22位于位線20和絕緣隧道阻擋層16之間。鐵磁覆蓋層完全封閉讀取線22以閉合磁通路線(如圖16所示)，或者它部分環(huán)繞讀取線22(未示出)。該讀取線22的未覆蓋部分直接接觸隧道阻擋層16，剩余部分覆蓋有鐵磁材料。
存在讀取磁場時鐵磁覆蓋層812不應(yīng)飽和(即，當讀取電流提供到讀取線22產(chǎn)生磁場并用于確定基準線810的磁化向量。只要覆蓋層812完全包含讀取磁場，那么讀取磁場不會延伸超出覆蓋層812干擾數(shù)據(jù)層12。
與圖14的結(jié)構(gòu)相比，字線14進一步離開數(shù)據(jù)層12，減少了寫操作期間字線20施加的磁場強度。為補償減少的磁場，寫操作期間寫電流也提供到覆蓋的讀取線810。寫操作期間由讀取線22提供的磁場幫助轉(zhuǎn)換。
圖16示出了包括覆蓋在位線20和讀取線22上鐵磁材料的基準線912。基準線912包括三個部分下部分912a、上部分912b以及帽蓋部分912c。下部分912a由介質(zhì)914與其它兩部分912b和912c隔開。雖然與其它部分912b和912c電絕緣，但下部分912a磁耦合到其它部分912b和912c。
基準線912的下部分912a包括讀取線22。覆蓋層覆蓋讀取線22的底部和側(cè)面。讀取線22的上表面沒有被鐵磁覆蓋層覆蓋，但覆蓋有介質(zhì)914。
基準線912的上部分912b包括位線20。覆蓋層覆蓋位線20的頂部和側(cè)面。位線20的底面沒有被覆蓋層覆蓋，但被介質(zhì)914覆蓋。位線和讀取線20和22也由介質(zhì)914隔開。
讀取線22提供有比位線20大的截面，以補償制造公差。制造期間，基準線912b的上部分位于在下部分912a的中部。然而實際上，會發(fā)生未對準。即使發(fā)生未對準，上部分仍設(shè)置在下部分912a上，以便不引起位線和讀取線20和22之間的短路。
帽蓋部分912c從上部分912b向外延伸并在下部分912a的側(cè)壁上延伸。帽蓋部分912c也覆蓋介質(zhì)914。帽蓋部分912c包圍了下部分和上部分912a和912b之間的磁通路。帽蓋部分912c和下部分912a的側(cè)壁之間的間隙填充有介質(zhì)914。間隙防止了位線20和讀取線22之間的短路。由位線20產(chǎn)生的磁場在間隙上延伸并進入帽蓋部分912c內(nèi)。
多個絕緣隧道阻擋層16形成在基準線912的上部分912b上，對應(yīng)的數(shù)據(jù)層12形成在絕緣隧道阻擋層16上。字線18形成在數(shù)據(jù)層12上。
夸大了下部分912a中覆蓋層厚度的描述。對于下、上和帽蓋部分912a、912b和912c。僅由讀取線22產(chǎn)生的讀取磁場沒有飽和基準線912的上部分912b。由位線20產(chǎn)生的寫入磁場飽和了基準線912的下部分912a。
位線和讀取線20和22之間的電絕緣(即，介質(zhì)914)使各電流提供到位線和讀取線20和22。各電流進而允許讀取和寫入操作期間獨立的場控制。通過調(diào)節(jié)提供到位線和讀取線20和22的電流，所得兩個磁場可以調(diào)節(jié)以僅確定下部分912a的磁化，或者僅確定上部分912b的磁化，或者基準線912的上部分和下部分912a和912b的磁化。
圖17示出了下部分912a’的側(cè)壁向上在介質(zhì)層914’延伸的基準線912’。在帽蓋部分912c’的側(cè)壁和下部分912a’的側(cè)壁之間有空氣隙或絕緣體。
本發(fā)明不限于覆蓋字線。字線和位線可以換位，位線可以改用鐵磁材料覆蓋。
基準層和線不限于鐵磁鐵。例如，基準線可以實現(xiàn)為合成鐵磁鐵，也稱做人工反鐵磁體。再參考圖18a和18b，SF基準層1010包括由金屬隔離層1016隔開的第一和第二鐵磁層1012和1014。鐵磁層1012和1014由例如CoFe、NiFe或Co等的材料制成，隔離層1016可以由導(dǎo)電、非導(dǎo)磁材料例如Ru、Re、Rh或Cu制成。兩個鐵磁層1012和1014之間存在強層間交換耦合。這種耦合的量值以及它的符號(無論是正或是負)為隔離層厚度/材料以及鐵磁層材料和厚度的函數(shù)。耦合為負，即，兩個鐵磁層1012和1014為反向平行。
位線的尺寸、形狀及特定FM層的厚度決定了它的矯頑磁性，即磁滯回路的x軸分量。其中一個磁滯回路顯示在圖19中。FM層的總體積以及層材料的單元磁化(每單位體積的磁矩)，即，磁滯回路的y軸分量。
兩個FM層1012和1014的矯頑磁性稍微不同(例如，10±5 Oe，50±10Oe)。SF基準層1010的矯頑磁性低于各FM層1012和1014的。由于兩個FM層1012和1014的磁化指向相反方向，它們的力矩相互抵消，即，MSF＝M1-M2，其中M1為第一鐵磁層1012的磁矩，M2為第二鐵磁層1014的磁矩，MSF為SF基準層1010的所得磁矩。結(jié)果為圖20的磁滯回路。
隔離層1016的厚度可以在約0.2nm和2nm之間。每個鐵磁層1012和1014例如具有約10-100 Oe的矯頑磁性和類似的磁滯回路。如果例如第一層1012的厚度為3納米并且第二層1014的厚度為4納米，那么通過改變第一和第二層1012和1014的厚度比例可以將所得矯頑磁性控制小于10 Oe。該低矯頑磁性使SF基準層1010的磁化向量容易地在圖18a和18b所示的取向中轉(zhuǎn)換。
兩層1012和1014的磁化向量之間的交換耦合很強。因此，需要很大的磁場(例如，4000 Oe)將鐵磁層1012和1014的磁化向量去耦。
示例性的SF基準層1010如下。

SF基準層不限于以上介紹的三層結(jié)構(gòu)。SF基準層包括以下五個參考層FM1/Ru1/FM2/Ru2/FM3，所有層具有不同的厚度。
SF基準層可以覆蓋。覆蓋層可以減小雜散磁場并減少讀取/寫入電流需求(通過集中讀取和寫入操作其間產(chǎn)生的磁場)。
雖然結(jié)合TMR器件介紹了本發(fā)明，但不限于此。本發(fā)明可以適用于具有類似運行特性的其它類型的磁阻器件。例如，本發(fā)明可以適用于巨磁阻(GMR)器件。除了非導(dǎo)磁金屬層代替絕緣隧道阻擋層將數(shù)據(jù)層和基準層隔開之外，GMR器件具有于TMR器件相同的基本結(jié)構(gòu)。示例性的隔離層金屬包括金、銀和銅。數(shù)據(jù)和基準磁化向量的相對取向影響了GMR器件的面內(nèi)電阻。
本發(fā)明不限于GMR和TMR器件。例如，本發(fā)明可以適用于頂部和底部旋轉(zhuǎn)閥。
雖然介紹和示出了本發(fā)明的幾個具體實施例，但本發(fā)明不限于所介紹和示出的具體形式或布局。取而代之，本發(fā)明根據(jù)以下權(quán)利要求構(gòu)成。
權(quán)利要求
1.一種對具有數(shù)據(jù)層和基準層的磁阻器件進行讀取操作的方法，該方法包括將基準層的磁化臨時地設(shè)置為已知的取向(110，210)；以及確定器件的電阻狀態(tài)(112，212)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過在器件上施加電壓(110)并讀出流過器件的電流(112)確定電阻狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過將雙極脈沖施加到器件(210)；以及讀出器件電阻的過渡(212)確定電阻狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中雙極脈沖使讀出電流流過器件；以及其中通過以下步驟讀出過渡將讀出電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(312)；延遲電壓信號(314)；以及將未延遲的電壓信號與延遲的電壓信號比較(316)，比較顯示器件電阻是否由高狀態(tài)到低狀態(tài)，或者由低狀態(tài)到高狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過將基準層暴露到外部磁場臨時地設(shè)置基準層的磁化取向。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過向器件施加電壓(526)確定器件的電阻，由此基準電流流過器件；以及也將電流提供到器件(528)，由流過器件電流總和確定電阻狀態(tài)。
全文摘要
一種磁阻器件(10)包括具有不同矯頑磁性的數(shù)據(jù)層和參考層(12和14)。每層具有在兩個方向中的一個取向的磁化。通過將基準層的磁化臨時地設(shè)置為已知的取向(110，210)并確定器件的電阻狀態(tài)(112，212)可以讀取存儲器件(10)。
文檔編號H01L27/105GK1409321SQ0213234
公開日2003年4月9日 申請日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月25日
發(fā)明者L·T·特蘭, M·沙馬 申請人:惠普公司