專利名稱：磁致電阻元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁致電阻元件和磁性存儲器，更具體地說，涉及一種通過供應(yīng)自旋極化電子實(shí)現(xiàn)寫操作的磁致電阻元件和磁性存儲器。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)中，已經(jīng)運(yùn)用了應(yīng)用磁場來控制磁體的磁化方向的方法。例如，在硬盤驅(qū)動器中，通過從記錄頭中產(chǎn)生的磁場使介質(zhì)的磁化方向反向，由此實(shí)施寫操作。此外，在固態(tài)磁性存儲器中，通過將由輸送給在磁致電阻效應(yīng)元件的附近提供的導(dǎo)線的電流引起的電流磁場施加到單元中，控制單元的磁化方向。通過外部磁場對磁化方向進(jìn)行控制具有較長的歷史，并且可以說是比較可靠的技術(shù)。
在另一方面，隨著近來納米技術(shù)的發(fā)展，使磁性材料極大地小型化已經(jīng)成為可能，因此需要一種局部實(shí)施納米級的磁化控制。然而，磁場實(shí)質(zhì)上在空間上易于傳播，因此，局部化困難。在位或單元小型化時在選擇特定的位或單元以控制它的磁化方向的情況下，相鄰的位或單元受磁場影響的串?dāng)_問題變得嚴(yán)重。此外，如果磁場發(fā)生源被減小以使磁場局部化，則發(fā)生的問題是不能獲得充分產(chǎn)生的磁場。
此外，在其中磁體作為介質(zhì)提供的記錄元件中，存在的危險是記錄狀態(tài)相對于被稱為磁場的干擾變得不穩(wěn)定。存在致命的問題是由于外部磁場的強(qiáng)度和磁致電阻元件或者平均的磁特性的組合會造成記錄的擦除或者不正確信息的寫。在寫的過程中可能發(fā)生磁場作為干擾侵入的問題。在這種情況下，記錄不正確的信息。
近年來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了“電流直接驅(qū)動型磁化反向”，其中電流輸送給磁體，由此產(chǎn)生磁化反向(例如參見F.J.Albert等人，Appl.Phy.Lett.77，3809(2001))。
在這種反向中，通過使電流通過磁性層使電流自旋極化，并輸送自旋極化電流，由此使目標(biāo)磁性層的磁化反向。自旋極化電子所具有的角運(yùn)動量傳遞給要磁性反向的磁體的角運(yùn)動量并作用于它，由此使磁體的磁化反向。通過使用這種現(xiàn)象，可以更加直覺地作用于毫微級磁體，可以實(shí)施記錄到更小的磁體中。
然而，也是在利用“電流方向驅(qū)動型磁化反向”的情況下，由于具有作為干擾侵入的磁場的緣故可能發(fā)生在記錄狀態(tài)下的改變。此外，在電流驅(qū)動寫的過程中，存在的問題是由于具有作為干擾侵入的外部磁場的強(qiáng)度造成改變寫所要求的電流。即，存在的問題是由于在寫過程中作為干擾侵入的磁場造成記錄了不正確信息。此外，存在與可靠性相關(guān)的問題，因?yàn)橛煞聪蛩蟮碾娏饕鸬臒嵊绊?，造成對元件的破壞?br> 發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種磁致電阻元件，包括其中磁化方向通過自旋極化電子改變的自由層，該自由層具有被非磁性層分開的鐵磁層，其中在鐵磁層中，有非磁性層插入其間的兩個相鄰的鐵磁層在反鐵磁性的方式彼此耦合；在鐵磁層中，其中磁化方向是第一方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值和其中磁化方向是與第一方向相反的第二方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值之間的差值等于或小于1×10-15emu；并且，與鐵磁層的襯底平行的平面越遠(yuǎn)離該襯底，所述平面越小。
附圖概述附

圖1A和1B所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的磁致電阻元件的基本剖面結(jié)構(gòu)的示意圖；附圖2A和2B所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的磁致電阻元件的第二特定實(shí)例的示意性剖面圖；附圖3A和3B所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的磁致電阻元件的第三特定實(shí)例的示意性剖面圖；附圖4A和4B所示為寫到在附圖1A和1B中所示的記錄部分RE中的機(jī)構(gòu)的示意性剖面視圖；附圖5A和5B所示為在“反向型”的情況下寫的機(jī)構(gòu)的示意性剖面視圖；附圖6A和6B所示為在以反鐵磁方式彼此耦合的層被定義為固定層時根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的“普通型”的磁致電阻元件的寫的機(jī)構(gòu)的示意性剖面視圖；附圖7A和7B所示為在以反鐵磁方式彼此耦合的層被定義為固定層時根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的“普通型”的磁致電阻元件的寫的機(jī)構(gòu)的示意性剖面視圖；附圖8A和8B所示為在磁固定層提供在記錄截面RE的頂部和底部上時“普通型”的磁致電阻元件的示意性剖面視圖；附圖9A和9B所示為使用其中以反鐵磁性方式彼此耦合的磁性固定層的層狀結(jié)構(gòu)“普通型”的磁致電阻元件的示意性剖面視圖；附圖10A和10B所示為磁致電阻效應(yīng)的原理視圖；附圖11A和11B所示為能夠檢測磁致電阻效應(yīng)的磁致電阻元件的示意性視圖；附圖12A和12B所示為增加磁致電阻效應(yīng)的磁致電阻元件的具體實(shí)例的示意性剖視圖；附圖13A和13B所示為增加磁致電阻效應(yīng)的磁致電阻元件的另一具體實(shí)例的示意性剖視圖；附圖14所示為鐵磁層FM1和FM2的靜態(tài)磁性耦合的示意性剖視圖；附圖15所示為具有在其上提供有磁性固定層的磁致電阻元件的示意性剖視圖；附圖16A和16B所示為其中提供了反鐵磁層以磁化并固定磁性固定層的磁致電阻元件的示意性剖視圖；附圖17A和17B所示為其中提供了反鐵磁層以磁化并固定磁性固定層的磁致電阻元件的示意性剖視圖；附圖18所示為其中提供了反鐵磁層以磁化并固定磁性固定層的磁致電阻元件的示意性剖視圖；附圖19所示為通過非磁性層NM繪制中間層交互作用的曲線圖；附圖20A和20B所示為通過本發(fā)明人制作的磁致電阻元件的試樣的剖面結(jié)構(gòu)的示意性視圖；附圖21A是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例的試樣1的磁致電阻效果的曲線圖；附圖21B所示為根據(jù)本發(fā)明的比較實(shí)例的試樣2的磁致電阻效果的曲線圖；附圖22所示為在與試樣2相關(guān)的外部磁場為零時的寫特性的曲線圖；附圖23所示為在外部磁場用于試樣2時的寫特性的曲線圖；附圖24所示為與臨界電流的磁場相關(guān)的變化的曲線圖；附圖25所示為在與試樣1相關(guān)的外部磁場為零時的寫特性的曲線圖；附圖26所示為在與試樣1相關(guān)的磁場上的臨界寫電流的依賴關(guān)系的曲線圖；附圖27A和27B所示為通過本發(fā)明人制作的磁致電阻元件的試樣的剖面結(jié)構(gòu)的示意性視圖；附圖28A、28B、28C和28D所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例磁性存儲器的存儲器單元的剖面結(jié)構(gòu)的示意性視圖；附圖29所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例的磁性存儲器的等效電路的示意性視圖；附圖30所示為使用二極管的磁性存儲器的示意性視圖；附圖31所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例的磁性存儲器的結(jié)構(gòu)的示意性透視圖；附圖32所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例的磁性存儲器的示意性視圖；附圖33所示為其中單元10共享其自身的部分層的結(jié)構(gòu)的示意性剖視圖；附圖34所示為在生產(chǎn)多個探針時探針的陣列結(jié)構(gòu)的示意性視圖。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述下文參考附圖詳細(xì)地描述本發(fā)明的一方面的磁致電阻元件。
附圖1A和1B所示為根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的第一具體實(shí)例的磁致電阻元件的剖面結(jié)構(gòu)的示意性視圖。
磁致電阻元件10具有記錄部分RE，在記錄部分RE中鐵磁層FM1、非磁性層NM和鐵磁層FM2直接或間接地順序地層疊在襯底上。如下文詳細(xì)描述，根據(jù)要求可以增加電極或者磁性固定層等(未示)以將信息記錄(寫)到記錄部分RE中。
在這個具體實(shí)例中，信息被記錄為使鐵磁層FM1和FM2的磁化M1和M2彼此反向平行。例如，如附圖1A所示，在鐵磁層FM1的磁化M1向右朝你定向并且鐵磁層FM2的磁化M2向左朝你定向的情況定義為“0”(或者“1”)。如附圖1B所示，其中磁化M1和M2反向的狀態(tài)分別指定為“1”(或者“0”)。這樣，可以記錄二值信息。
此外，在這個具體實(shí)例中，鐵磁層FM1的磁化M1和鐵磁層FM2的磁化M2的絕對值彼此基本相等。在此，在將鐵磁層FM1的每單位體積的磁化定義為Ma，而將該層的體積定義為Va，則磁化M1通過下式表示。
M1＝Ma×Va (1)類似地，鐵磁層FM2的磁化M2通過下式表示M2＝Mb×Vb (2)
這里每單位體積的磁化定義為Mb，以及該層的體積定義為Vb。
在鐵磁層FM1和FM2的磁化M1和M2在方向上彼此反平行并且它們的絕對值彼此相等時，在記錄部分RE上沒有發(fā)生凈磁化。因此，記錄部分RE的磁化方向不能通過外部磁場改變，并且可以獲得很難被作為干擾侵入的外部磁場影響的磁致電阻元件。結(jié)果，可以解決這樣的問題由于外部磁場造成不必要地重寫信息或者在寫的過程中寫了不正確的信息。
在將本發(fā)明應(yīng)用到磁性存儲器或存儲裝置的情況下，考慮到用作大氣干擾的磁場強(qiáng)度，理想的是在鐵磁層FM1的磁化M1的絕對值和鐵磁層FM2的磁化M2的絕對值之間的差值相等或者小于5×10-15emu。即，如果磁化強(qiáng)度的絕對值的差值變得大于5×10-15emu，則發(fā)生的問題是，在寫的過程中在干擾磁場的影響下寫了不正確的信息。在磁化M1和M2的絕對值的差值等于或小于5×10-15emu時，在形成了磁性存儲器等的情況下，可以防止由于作為干擾侵入的磁場引起的寫誤差或故障。
如附圖1A和1B所示，鐵磁層FM1和FM2可以以反鐵磁方式彼此耦合以使鐵磁層FM1和FM2的磁化方向彼此反向平行。下文詳細(xì)地描述用于這種目的的非磁性層NM的材料。
最近，作為硬盤(HDD)介質(zhì)，已經(jīng)研制了一種以反鐵磁方式彼此耦合的層狀膜構(gòu)成的記錄介質(zhì)，這種記錄介質(zhì)稱為“反鐵磁耦合(AFC)介質(zhì)”。在這種介質(zhì)中，鐵磁層、非磁性層和鐵磁層層疊，并且這些鐵磁層彼此反平行地耦合以使在兩個磁性層的磁化彼此不同的同時發(fā)生凈磁化。由此，在來自磁頭的磁場中啟動寫操作。然而，換句話說，在來自磁頭的磁場中啟動寫的事實(shí)表示在強(qiáng)的外部干擾磁場中啟動寫操作。因此，應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)，在磁場中的干擾不能被防止。另一方面，在將凈磁場設(shè)定到零時，停止通過外部磁場的寫入。
此外，作為磁性隨機(jī)存取存儲器(MRAM)的磁致電阻元件，類似地，提出了以反鐵磁方式彼此耦合的層狀層構(gòu)成的磁致電阻元件。也是在這種情況下，鐵磁層、非磁性層和鐵磁層層疊，并且在這些鐵磁層已經(jīng)彼此反平行地耦合之后產(chǎn)生它們。然而，與應(yīng)用ADC介質(zhì)的情況一樣，通過使兩個鐵磁層的磁化彼此不同產(chǎn)生凈磁化。通過實(shí)現(xiàn)這些，經(jīng)由導(dǎo)線傳遞的電流產(chǎn)生的磁場實(shí)施寫操作是可能的。然而，與應(yīng)用AFC介質(zhì)的情況一樣，這表示通過外部磁場可以改變信號，并且不能阻止由磁場引起的干擾。在另一方面，如果凈磁化被設(shè)置為零，則停止通過外部磁場的寫。
相反，本發(fā)明提供了一種具有彼此反平行的磁化的記錄部分RE，如附圖1A和1B所示，其中凈磁化基本為零。自旋極化電流被輸送給記錄部分，由此使得可以記錄預(yù)定的信息。下文將詳細(xì)地描述這種記錄方法。
此外，在這個具體實(shí)例中，鐵磁層FM1的膜厚度大于鐵磁層FM2的膜厚度。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在研究磁性層的生長時，與在記錄部分RE(它們中許多都是下文描述的中間層)的下層上的生長相比，在非磁性層NM中的生長其膜平整度良好。此外，需要減小元件尺寸并提供相對大量的電流。因此，存在的問題是，在提供電流時容易產(chǎn)生熱量，并且通過累積的熱量改變了元件特性。
本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在熱穩(wěn)定性方面，在記錄部分RE的截面形狀被形成為朝襯底側(cè)變得更寬的梯形時，如圖所示，熱“釋放”較大并且穩(wěn)定。此外，如下文所述，有許多情況，在制造元件時其中記錄部分RE的外圍嵌入絕緣體。然而，在記錄部分RE具有朝襯底側(cè)變得更寬的梯形的情況下，可以實(shí)施充分的嵌入。相反，在記錄部分具有梯形截面形狀以使側(cè)面垂直或者襯底側(cè)面變窄的情況下(這與所示的情況相反)，存在的問題是在邊緣部分的嵌入不充分，并且熱“釋放”變得更差。
磁致電阻元件10還形成為所謂的“序列階形”。即，在圖1A和1B中，在橫向方向上的單元寬度形成為向上逐漸變窄。通過下面實(shí)例給出的說明，當(dāng)磁致電阻元件實(shí)際形成時，將磁致電阻元件的層疊壓在襯底(未顯示)上，對疊壓層加工形成圖案，并在其周圍嵌入絕緣膜等。此時，當(dāng)磁致電阻元件10由此形成序列階形時，可以達(dá)到絕緣膜可容易地嵌在其周圍的有利效果。
當(dāng)局部梯形側(cè)面和襯底的水平面之間形成的角度限定為θ(當(dāng)θ為90°時該側(cè)面是垂直的)時，θ優(yōu)選為大于等于30°并小于等于85°的范圍內(nèi)。如果θ小于30°，則在供應(yīng)電流的情況下就變得很難書寫。另一方面，如果θ大于85°，則可能會出現(xiàn)熱的問題。根據(jù)這些要求，最好鐵磁層FM1的膜厚度大于鐵磁層FM2的膜厚度。此外，本發(fā)明的優(yōu)勢在于可以形成厚厚的會具有良好平整度的磁層。
而且，在本發(fā)明中，鐵磁層距離襯底越遠(yuǎn)鐵磁層的面積越小。另外，設(shè)置鐵磁層的膜厚度以使它們總的磁化強(qiáng)度為零。因此，由于可較厚地形成鐵磁層從而單元的面積可做得很小，于是防止了熱的產(chǎn)生。
因此，由于可以獲得具有良好平整度的層，因此可以減少元件偏差，并且由于良好的熱“釋放”從而可以獲得具有極佳的熱穩(wěn)定性和高可靠性的磁致電阻元件。另外，便于嵌入絕緣膜。
圖2A和2B所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的磁致電阻元件的第二特定實(shí)例的示意性剖面圖。
在該特定實(shí)例中，記錄部分RE具有在襯底上順序提供的四個鐵磁層FM1至FM4。在這些鐵磁層中間插入有非磁層NM。這四個鐵磁層FM1至FM4具有交替反向平行的并且絕對值彼此基本相等的磁化強(qiáng)度。即，這四個鐵磁層FM1至FM4彼此交替反向平行，且它們的絕對值彼此基本相等。通過這樣做，可以獲得記錄部分RE的凈磁化變?yōu)榱悴⑶規(guī)缀醪皇茏鳛楦蓴_侵入的磁場的影響的磁致電阻元件。
一般如下文所述，有一種情況是記錄部分RE的凈磁化變?yōu)榱?。即，?dāng)磁化定位在第一方向上的第n個鐵磁層的每單位層的磁化強(qiáng)度限定為“ma(n)”時，并且鐵磁層的體積限定為Va(n)時，在第一方向上定位的總磁化強(qiáng)度Ma由下面的公式表示。
Ma＝∑(ma(n)×Va(n))另一方面，當(dāng)定位在第二方向(反向平行于第一方向)上的第m個鐵磁層的每單位層的磁化強(qiáng)度限定為“mb(m)”時，并且鐵磁層的體積限定為Vb(m)時，在第二方向上定位的總磁化強(qiáng)度Mb由下面的公式表示。
Mb＝∑(mb(m)×Vb(m))總磁化強(qiáng)度“Ma”的絕對值可基本等于Mb的絕對值，即可基本一致。當(dāng)磁化強(qiáng)度Ma和Mb的方向彼此反向平行時，并且它們的絕對值彼此相等時，記錄部分RE不會發(fā)生凈磁化。因此，可以獲得這樣的磁致電阻元件，其記錄部分RE的磁化方向甚至在外部磁場下也不會改變，且該磁致電阻元件幾乎不受作為干擾侵入的外部磁場的影響。結(jié)果，可以解決這樣的問題由于外部磁場造成不必要地重寫信息或者在寫的過程中寫了不正確的信息。期望磁化強(qiáng)度Ma的絕對值和磁化強(qiáng)度Mb的絕對值之間的差值等于或小于5×10-15emu。即，如果磁化強(qiáng)度的絕對值之差超過5×10-15emu時，則在寫的過程中可能發(fā)生在磁場干擾的影響下寫了不正確的信息的問題。當(dāng)磁化強(qiáng)度Ma和Mb的絕對值之差等于或小于5×10-15emu時，在形成磁存儲器的情況下，可以防止由于作為干擾侵入的磁場引起的故障或?qū)懻`差。
而且，在該特定實(shí)例中，離襯底最遠(yuǎn)的鐵磁層FM1的膜厚度大于最接近襯底的鐵磁層FM4的膜厚度。其原因與第一特定實(shí)例的情況相同。
通過這樣，由于可獲得具有良好平整度的層因此可減少元件偏差。此外，由于良好的熱“釋放”，因此可獲得具有極佳的熱穩(wěn)定性和高可靠性的磁致電阻元件。
而且，在本發(fā)明中，鐵磁層距離襯底越遠(yuǎn)，鐵磁層的面積越小。另外，設(shè)置鐵磁層的膜厚度以使它們總的磁化強(qiáng)度為零。因此，由于可較厚地形成鐵磁層從而單元的面積可做得很小，于是防止了熱的產(chǎn)生。
圖3A和3B所示為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的磁致電阻元件的第四特定實(shí)例的示意性剖面圖。在該特定實(shí)例中，記錄部分RE具有在襯底上順序提供的三個鐵磁層FM1至FM3。在這些鐵磁層中間插入有非磁層NM。這三個鐵磁層FM1至FM3具有彼此交替反向平行的磁化強(qiáng)度M1至M3。并且磁化強(qiáng)度M1和M3的總和的絕對值基本等于磁化強(qiáng)度M2的絕對值。期望磁化強(qiáng)度M1和M3的總和的絕對值與磁化強(qiáng)度M2的絕對值之間的差值等于或小于5×10-15emu。
以這種方式，可以獲得記錄部分RE的凈磁化變?yōu)榱悴⑶規(guī)缀醪皇茏鳛楦蓴_侵入的磁場的影響的磁致電阻元件。
而且，在該特定實(shí)例中，離襯底最遠(yuǎn)的鐵磁層FM1的膜厚度大于最接近襯底的鐵磁層FM3的膜厚度。其原因與第一特定實(shí)例的情況相同。
通過這樣，由于可獲得具有良好平整度的層，因此可減少元件偏差。此外，由于良好的熱“釋放”，因此可獲得具有極佳的熱穩(wěn)定性和高可靠性的磁致電阻元件。
另外，在本發(fā)明中，鐵磁層距離襯底越遠(yuǎn)鐵磁層的面積越小。另外，設(shè)置鐵磁層的膜厚度以使它們總的磁化強(qiáng)度為零。因此，由于可較厚地形成鐵磁層從而單元的面積可做得很小，于是防止了熱的產(chǎn)生。
在本發(fā)明中，在記錄部分RE上提供的鐵磁層的數(shù)目并不局限于2至4個。即，只要磁化交替反向并且凈磁化基本為零，就可以提供任意數(shù)目的鐵磁層，例如五個或更多的鐵磁層。另外，在本發(fā)明中，即使在一個磁層進(jìn)一步由多個子磁層組成的情況下，只要這些子磁層具有同樣的磁化方向就可以將它們作為一個磁層運(yùn)用。即，例如Co/NiFe/Co的層疊層可以作為一個磁層運(yùn)用。而且，在其中心具有幾個原子層和非常薄的Cu層或Ru層的磁疊層，具有同樣的磁化方向，也都可以作為一個磁層運(yùn)用。
下面將說明根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件中的“寫”機(jī)構(gòu)。
圖4A和4B所示為“寫”到在附圖1A和1B中所示的記錄部分RE中的機(jī)構(gòu)的示意性剖面視圖。即，磁性固定層(被釘扎層)P通過中間層S層疊，供應(yīng)寫電子電流I從而經(jīng)由頂和底電極EL1和EL2而跨過臨界界面。這里用磁性固定層P表示磁化M以預(yù)定方向固定的磁層。圖4A和4B顯示了朝底表面變寬且朝上表面變窄同時底部上具有襯底的梯形。即使當(dāng)襯底在頂部上時“寫”機(jī)構(gòu)在原理上也是相同的。下面將說明在該構(gòu)造中的寫入記錄部分RE的寫機(jī)構(gòu)。
首先，說明一種情況，其中通過中間層S的磁致電阻效應(yīng)為“普通型”。這里用“普通型”磁致電阻效應(yīng)表示這樣的情況，即當(dāng)中間層S的兩側(cè)上的磁層的磁化在反向平行期間時，電阻會變得比在它們在平行期間更高。即，在這種“普通型”的情況下，在通過中間層S的磁固定層P和鐵磁層FM2之間的電阻，在磁固定層P和鐵磁層FM2的磁化為平行期間會變得比當(dāng)它們?yōu)榉聪蚱叫衅陂g的要低。
如圖4A所示，下面將說明通過寫電子電流I(普通電流反向通過)的情況。在該情況下，構(gòu)成電子電流I的電子流經(jīng)記錄部分RE，并且自旋與磁化M相反(圖中向左)的電子在進(jìn)入磁固定層P的臨界界面上反射。反射電子的左向自旋作用于鐵磁層FM2。當(dāng)寫電流I的規(guī)模比預(yù)定的寫臨界值Ic大時，鐵磁層FM2的磁化M2反轉(zhuǎn)到該自旋(左向)的方向。此時，中間層S的作用為不防止記錄部分RE上磁化反轉(zhuǎn)運(yùn)動的發(fā)生。即，中間層S用來打斷在磁固定層P和鐵磁層FM2之間的磁耦合。如果鐵磁層FM2的磁化M2反轉(zhuǎn)到左向，則以反鐵磁方式與層FM2耦合的鐵磁層FM1的磁化M1就反轉(zhuǎn)到相反方向，即右方向。
另一方面，如圖4B所示，當(dāng)從如圖4B中所示的電極EL2供應(yīng)寫電子電流I時，穿過具有磁化強(qiáng)度M的磁固定層P的電子就具有在磁化M的方向(即在右方向)上的自旋。當(dāng)該電子穿過鐵磁層FM2里面時，該自旋所具有的角運(yùn)動量就傳到鐵磁層FM2，并且所傳遞的運(yùn)動量作用于磁化M2。因此磁化M2反轉(zhuǎn)到右方向。
然后，以反鐵磁方式與鐵磁層FM2耦合的鐵磁層FM1的磁化M1就反轉(zhuǎn)到磁化M2的相反方向(即左向)。
盡管在圖4A和4B中，磁固定層P位于記錄部分RE之下，但是即使在層P位于記錄部分RE之上時也可以獲得同樣優(yōu)勢。
上面已經(jīng)說明了這種情況，即在磁固定層P和鐵磁層FM2之間的通過中間層S的磁致電阻效應(yīng)為“普通型”。
另一方面，在上述層為“反向型”的情況下，能夠通過抵消實(shí)現(xiàn)寫操作。這里利用“反向型”表示在磁固定層P和鐵磁層FM2之間的通過中間層S的電阻，在磁固定層P和鐵磁層FM2的磁化M和M2為反向平行期間會變得比當(dāng)它們?yōu)槠叫衅陂g的要高。
在“反向型”元件中，鐵磁層的材料或鐵磁層與非磁層的材料組合時不同于“普通型”的元件的。因此，致力于磁化反向的電子類型在元件之間是不同的。這意味著這些元件具有相反的電特性。
圖5A和5B所示為在“反向型”的情況下“寫”的機(jī)構(gòu)的示意性剖面視圖。圖5A和5B顯示出朝底表面變寬且朝上表面變窄同時底部上具有襯底的梯形。即使當(dāng)襯底在頂部上時“寫”機(jī)構(gòu)在原理上也是相同的。
即，在這種通過中間層S的磁致電阻效應(yīng)為“反向型”的情況下，從磁固定層P作用于鐵磁層FM2的自旋電子的方向與上面關(guān)于圖4A和4B所述的情況下的相反。即，如圖5A所示，在電子電流I從電極EL1向電極EL2供應(yīng)的情況下，鐵磁層FM2的磁化M2的方向與磁固定層P的磁化M的方向相同。
另一方面，如圖5B所示，在電子電流從電極EL2向電極EL1供應(yīng)的情況下，鐵磁層FM2的磁化M2的方向與磁固定層P的磁化M的方向相反。
如上所述，在通過中間層S的磁致電阻效應(yīng)為“普通型”以及“反向型”的兩種情況下，記錄部分RE的磁化M1和M2的方向都可以根據(jù)寫電子電流I的流動方向而反轉(zhuǎn)到預(yù)定的方向。
上述寫機(jī)構(gòu)同樣可以應(yīng)用于關(guān)于圖2A、2B、3A和3B中所述的記錄部分RE中。
而且，如圖6A、6B、7A和7B中所示，在非磁金屬層AC疊壓在磁固定層P1的與記錄部分相反的側(cè)面上的情況下；在磁固定層P2還疊壓在非磁金屬層AC的與記錄部分相反的側(cè)面上的情況下；以及在磁固定層P1和磁固定層P2通過非磁金屬層AC以反鐵磁方式彼此耦合的情況下，磁化M1和M2都可以根據(jù)寫電子電流I的流動方向而反轉(zhuǎn)到預(yù)定方向。圖6A、6B、7A和7B中的每一個都顯示出在上述“普通型”的情況下的寫機(jī)構(gòu)。
另外，通過反鐵磁耦合非磁金屬層AC彼此相鄰的磁固定層P1和磁固定層P2在磁化程度上彼此基本相等。此外，在磁固定層P1和磁固定層P2中，離襯底最遠(yuǎn)的層的厚度大于最接近襯底的層的厚度。以這種方式，對于磁固定層還可以獲得相應(yīng)于外部磁場的穩(wěn)定性，從而可以減少每個元件的特性偏差并可獲得熱穩(wěn)定性。期望磁固定層P1和磁固定層P2各自的磁化強(qiáng)度PM1和PM2的絕對值之差等于或小于5×10-15emu。如果磁化強(qiáng)度的絕對值之差超過5×10-15emu時，則在寫的過程中極有可能發(fā)生在磁場干擾的影響下寫了不正確的信息的問題。
而且，磁固定層提供在記錄部分RE的頂部和底部上，因此可以改善寫的效率。
圖8A和8B所示為在磁固定層提供在記錄部分RE的頂部和底部上時“普通型”的磁致電阻元件的示意性剖面視圖。即，磁固定層P1和P2分別通過中間層S1和S2疊壓在記錄部分RE的頂部和底部上。提供磁固定層P1和P2作為其磁化M1和M2固定在預(yù)定方向上的磁層。在該特定實(shí)例中，頂部和底部磁固定層P1和P2的磁化強(qiáng)度PM1和PM2在方向上彼此相等。
中間層S1和S2并不用于干涉在記錄部分RE上的磁化反向，但用于中斷在磁固定層P1、P2和鐵磁層PM1、PM2之間的磁性耦合。
如圖8A所示，當(dāng)電子電流I從電極EL1向電極EL2供應(yīng)時，穿過具有磁化強(qiáng)度PM1的磁固定層P1的電子就具有在磁化PM1的方向(即在右方向)上的自旋。當(dāng)該電子穿過鐵磁層FM1里面時，該自旋所具有的角運(yùn)動量就傳到鐵磁層FM1，并且所傳遞的運(yùn)動量作用于磁化M1。因此磁化M1反轉(zhuǎn)到右方向。此外，自旋與磁化PM2的方向相反(圖中向左)的電子在從中間層S2進(jìn)入磁固定層P2的臨界界面上反射。反射電子的左向自旋作用于鐵磁層FM2并使磁化M2反轉(zhuǎn)。由于鐵磁層FM1和鐵磁層FM2以反鐵磁方式彼此耦合，因此自旋傳遞轉(zhuǎn)矩作用于自由層RE的頂部和底部，從而改善自由層RE的反向效率。
另一方面，如圖8B所示，當(dāng)電子電流I從電極EL2向電極EL1供應(yīng)時，穿過具有磁化強(qiáng)度PM2的磁固定層P2的電子就具有在磁化PM2的方向(即在右方向)上的自旋。該電子作用于鐵磁層FM2，且磁化PM2反向到右向。此外，自旋與磁化PM1的方向相反(圖中向左)的電子在從中間層S1進(jìn)入磁固定層P1的臨界界面上反射。反射電子所具有的左向自旋作用于鐵磁層FM1并使磁化M1反向。
如上所述，當(dāng)分別在記錄部分RE的頂部和底部上提供磁固定層P1和P2時，與鐵磁層FM1和FM2相關(guān)的自旋傳遞轉(zhuǎn)矩可以成倍增加，因此可改善寫效率。
另外，在該特定實(shí)例中，在記錄部分RE的頂部和底部上提供的磁固定層P1和P2的磁化強(qiáng)度彼此相等，從而可以獲得便于制造的有利效果。即，僅僅一種用于固定磁固定層P1和P2的磁化的所謂的“磁場退火”就可以滿足。
在“反向型”的情況下，鐵磁層FM1和FM2的磁化M1和M2每個都以相反于圖8A和8B中所示的方向而反轉(zhuǎn)。
圖9A和9B所示為使用其中以反鐵磁性方式彼此耦合的磁性固定層的層狀結(jié)構(gòu)“普通型”的磁致電阻元件的示意性剖面視圖。
即，在圖9A和9B中所示的磁致電阻元件中，由磁固定層P1、用于反鐵磁性耦合的非磁金屬中間層(反鐵磁性耦合層)AC、以及磁固定層P2構(gòu)成的疊壓體通過中間層S1提供在記錄部分RE上。同樣，在記錄部分RE下，通過中間層S2提供有由磁固定層P3、反鐵磁性耦合層AC以及磁固定層P4構(gòu)成的疊壓體。
磁固定層P1和P2以及磁固定層P3和P4通過反鐵磁性耦合層AC以反鐵磁性的方式彼此耦合。當(dāng)寫電流I供應(yīng)到磁致電阻元件時，根據(jù)接近于記錄部分RE的磁固定層P2和P3的磁化來執(zhí)行寫操作。
即，當(dāng)如圖9A中所示供應(yīng)電子電流I時，相應(yīng)于磁固定層P2的磁化PM2的自旋電子作用于鐵磁層FM1，并使磁化M1以與磁化PM1相同的方向反轉(zhuǎn)。此外，與磁固定層PM3的磁化PM3方向相反的自旋電子作用于鐵磁層PM2，并使磁化M2以相反于磁化PM3的方向反轉(zhuǎn)。
另一方面，當(dāng)如圖9B中所示供應(yīng)電子電流I時，相應(yīng)于磁固定層P3的磁化PM3的自旋電子作用于鐵磁層FM2，并使磁化M2以與磁化PM3相同的方向反轉(zhuǎn)。此外，與磁固定層PM3的磁化PM3方向相反的自旋電子？，并使磁化M1以相反于磁化PM2的方向反轉(zhuǎn)。
以這種方式，根據(jù)電子電流I的方向可以重寫記錄部分RE的磁化。在“反向型”的情況下，以相反于圖9A和9B中所示方向的方向執(zhí)行寫。
而且，通過鐵磁性耦合層AC的相鄰的磁固定層P1和P2與通過反鐵磁性耦合層AC的相鄰的磁固定層P3和P4在磁化程度上相等。在磁固定層P1和磁固定層P2中，離襯底最遠(yuǎn)的層的厚度大于最接近襯底的層的厚度。因此，對于磁固定層還可以獲得相應(yīng)于外部磁場的穩(wěn)定性，從而可以減少每個元件的特性偏差并可獲得熱穩(wěn)定性。
期望磁固定層P1和P2各自的磁化強(qiáng)度PM1和PM2的絕對值之差以及磁固定層P3和P4各自的磁化強(qiáng)度PM3和PM4的絕對值之差均等于或小于5×10-15emu。即，如果磁化強(qiáng)度的絕對值之差超過5×10-15emu時，則在寫的過程中極有可能發(fā)生在磁場干擾的影響下寫了不正確的信息的問題。
如上面關(guān)于圖5A至9A以及圖5B至9B中所述，在通過寫電流I直接執(zhí)行信號書寫的情況下，會出現(xiàn)寫所需要的臨界電流Ic具有很強(qiáng)的磁場依賴的問題。這暗示了由于外部的作為干擾侵入的外部磁場寫特性會變動，從而會妨礙實(shí)際應(yīng)用。此外，隨著記錄和再現(xiàn)元件的集成程度增加，由于流經(jīng)電線的電流產(chǎn)生的電流磁場的影響寫特性會變動。
相反，根據(jù)本發(fā)明，利用凈磁化為零的多層膜作為記錄部分RE，從而可以避免這些問題并將寫過程中的干擾(磁場)的影響減少到最小。
下面將說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁致電阻元件中的“讀出”方法。在根據(jù)該實(shí)施例的磁致電阻元件中，可以利用“磁致電阻效應(yīng)”來檢測記錄部分RE的鐵磁層FM1或FM2的磁化方向。
圖10A和10B所示為磁致電阻效應(yīng)的原理視圖。即，在利用磁致電阻效應(yīng)的情況下，在其間插入有中間層S的磁層X1和X2之間供應(yīng)感應(yīng)電流I，從而可檢測磁致電阻。
圖10A顯示了磁層X1的磁化M1和磁層X2的磁化M2在同一方向上的情況。在該情況下，可以獲得通過將感應(yīng)電流I供應(yīng)給這些層而測出的磁致電阻來作為普通型的磁致電阻效應(yīng)中相對小的值。獲得的該磁致電阻作為反向型磁致電阻效應(yīng)中的相對大的值。
另一方面，圖10B顯示了磁層X1的磁化M1和磁層X2的磁化M2彼此反向平行的情況。在該情況下，可以獲得通過將感應(yīng)電流I供應(yīng)給這些層而測出的磁致電阻來作為普通型的磁致電阻效應(yīng)中相對小的值。獲得的該磁致電阻作為反向型磁致電阻效應(yīng)中的相對小的值。
“0”和“1”分別表示這些電阻彼此不同的狀態(tài)，因此可以讀出2值數(shù)據(jù)。
在圖4A至9A以及圖4B至9B中的本發(fā)明的特定實(shí)例的“讀出”操作中，記錄部分RE對應(yīng)于圖10A和10B中所示的磁層X1，且通過中間層的相鄰磁層的磁化對應(yīng)于圖10A和10B中的磁化M1。此外，還提供在圖4A至7A以及圖4B至7B中所示的中間層，并且圖8A、8B、9A和9B中所示的中間層中的一個對應(yīng)于圖10A和10B中所示的中間層S。而且，該固定層對應(yīng)于圖10A和10B中所示的磁層X2。
在圖4A、4B、9A和9B中所示的每個元件的頂部和底部上提供電極EL1和電極EL2，并且在電極EL1和EL2之間供應(yīng)小于用于寫的臨界電流的感應(yīng)電流，從而可以再現(xiàn)。在該情況下，電流可以從電極EL1供應(yīng)到電極EL2，反之亦然。
為了獲得具有大量存儲空間的再現(xiàn)輸出，對于圖4A至7A和圖4B至7B中所示的中間層或圖8A、8B、9A和9B中所示的中間層之一，利用由絕緣體或半導(dǎo)體如氧化鋁(Al2O3-X)或氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O-N或GaAlAs構(gòu)成的隧道勢壘材料可以測量隧道磁致電阻效應(yīng)。或者，可以利用其中形成有孔并在孔中嵌入有磁體或?qū)щ娊饘?Cu、Ag、Au)的SiO2或氧化鋁來利用具有有限的電流路徑的垂直導(dǎo)電MR效應(yīng)。
下面通過圖4A和4B中所示的元件結(jié)構(gòu)的實(shí)例，參照圖11A至13A和圖11B至13B更詳細(xì)地說明再現(xiàn)。
圖11A和11B所示為將小于寫電流的感應(yīng)電流供應(yīng)給圖4A和4B中所示的元件并且檢測磁致電阻效應(yīng)的特定實(shí)例的示意圖。
由于可以獲得良好的磁致電阻效應(yīng)，因此對于中間層S最好利用由絕緣體或半導(dǎo)體如氧化鋁(Al2O3-X)或氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O-N或GaAlAs構(gòu)成的隧道勢壘材料。
圖11A和11B顯示了一種情況，鐵磁層FM2的磁化M2和磁固定層P的磁化M彼此反向平行。在這種情況下，可以獲得通過供應(yīng)感應(yīng)電流I而測出的磁致電阻來作為普通型的磁致電阻效應(yīng)中相對大的值。獲得的該磁致電阻作為反向型磁致電阻中的相對小的值。
另一方面，在圖11B中顯示了鐵磁層FM2的磁化M2和磁固定層P的磁化M彼此平行的情況。在該情況下，可以獲得通過供應(yīng)感應(yīng)電流I而測出的磁致電阻來作為普通型的磁致電阻效應(yīng)中相對小的值。獲得的該磁致電阻作為反向型磁致電阻中的相對大的值。
以這種方式，檢測出記錄部分RE的磁化強(qiáng)度，從而可讀出數(shù)據(jù)。
圖12A和12B所示為可獲得較大的磁致電阻效應(yīng)的磁致電阻元件的特定實(shí)例的示意性剖視圖。
即，在該特定實(shí)例的情況下，中間實(shí)體層IE插入中間層S中。提供該中間實(shí)體層IE以使磁致電阻效應(yīng)增加。中間實(shí)體層IE可以包括斷續(xù)的絕緣薄膜。即，將具有針孔的絕緣薄膜插入到中間層中，從而可以增加磁致電阻效應(yīng)。因此構(gòu)成的MR稱作CCP(電流-限制-經(jīng)過)-CPP(電流垂直于平面)-MR(磁致電阻效應(yīng))元件。
這種斷續(xù)的絕緣薄膜可以包括例如鎳(Ni)和銅(Cu)合金的氧化物或氮化物；鎳(Ni)和金(Au)合金的氧化物或氮化物；以及鋁(Al)和銅(Cu)合金的氧化物或氮化物。
通過加熱等方式使例如這些合金的氧化物或氮化物的化合物接近平衡狀態(tài)從而使它們相位分離，并且它們幾乎不作為由Au或Cu等制成的化合物(氧化物或氮化物)而生成。因此，這些化合物每個都分離成具有低電阻的相位以及容易提供Ni或Au等的氧化的化合物相位，該化合物相位具有電阻。因此，通過控制成分和溫度或應(yīng)用的能量可以形成其中有針孔存在的斷續(xù)的絕緣薄膜。當(dāng)由此形成填滿非磁性體的針孔時，電流穿過的路徑可以變窄，并可以檢測到具有較高阻性的自旋依賴散射效應(yīng)。因而可以獲得較好的磁致電阻效應(yīng)。
將這種中間實(shí)體層IE插入到中間層S中，從而使中間層的兩側(cè)上的鐵磁層和磁固定層之間的磁致電阻效應(yīng)增加，于是可容易地進(jìn)行檢測。
圖13A和13B所示為增加磁致電阻效應(yīng)的磁致電阻元件的另一具體實(shí)例的示意性剖視圖。
即，在該特定實(shí)例的情況下，提供中間層S作為具有針孔PH的絕緣層。針孔PH中嵌入有在中間層的兩側(cè)上的鐵磁層FM2和磁固定層P的材料的至少任何一種。
當(dāng)鐵磁層FM2和磁固定層P因此通過針孔PH而彼此相連時，就形成了所謂的“磁性點(diǎn)接觸”，并可獲得非常好的磁致電阻效應(yīng)。因此，通過檢測經(jīng)過針孔PH的在中間層的兩側(cè)上的磁層之間的磁致電阻效應(yīng)，可以高靈敏度地確定鐵磁層FM2的磁化M2的方向。由此形成的MR稱為“超微接觸MR”。
這里，期望針孔PH的孔直徑等于或小于大約20nm。針孔PH可以形成為各種形狀例如錐形、柱形、球形、金字塔形和棱柱形。同樣，針孔PH的數(shù)目可以為單個或多個。當(dāng)然，期望孔的數(shù)目較小。
另一方面，在前面的關(guān)于圖8A、8B、9A和9B所述的磁致電阻元件的情況下，會出現(xiàn)兩序列類型的磁致電阻部分。即，會形成其中在通過在磁固定層P1(在圖9A和9B的情況下是P2)和鐵磁層FM1之間插入中間層S1而將這些層疊壓的第一磁致電阻部分；以及在通過在磁固定層P2(在圖9A和9B的情況下是P3)和鐵磁層FM2之間插入中間層S2而將這些層疊壓的第二磁致電阻部分。
在這些磁致電阻元件中，當(dāng)在串聯(lián)的電極EL1和EL2之間供應(yīng)感應(yīng)電流的情況下，如果中間層S1和S2的電阻彼此相等并且這些層之間的電阻變化率彼此相等，則第一和第二磁致電阻部分就會在磁致電阻效應(yīng)中抵消。因此就不能測出記錄部分RE的磁化狀態(tài)。
如圖8A、8B、9A和9B中所示，提供兩個中間層S1和S2，對中間層S1和S2的其中一個利用非磁性金屬中間層。在這些層的另一個上，提供前面關(guān)于圖11A和11B所述的絕緣層或半導(dǎo)體層；前面關(guān)于圖12A和12B所述的中間層；或前面關(guān)于圖13A和13B所述的具有針孔PH的絕緣層。以這種方式，可以高靈敏度地檢測出記錄部分RE的磁化狀態(tài)并可有效地執(zhí)行寫。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，可以提供元件特性偏差很小、外部磁場效應(yīng)非常小、可高度可靠地維持記錄狀態(tài)、并具有寫特性和再現(xiàn)特性的磁致電阻元件。通過下面的實(shí)例所述，通過利用這種磁致電阻元件，可以提供磁性記錄和再現(xiàn)裝置例如具有極佳的記錄和再現(xiàn)特性并能大大整合的固態(tài)磁性存儲器或探針存儲器。
下面將說明根據(jù)本發(fā)明的使磁致電阻元件中的兩個磁層FM1和FM2的磁化M1和M2的方向彼此反向平行的方法。
首先，第一種方法可包括通過在靜磁場中將固定層C1和C2彼此耦合從而使磁化M1和M2彼此反向平行的方法。
圖14顯示為鐵磁層FM1和FM2的靜態(tài)磁耦合的示意性剖視圖。即，在該特定實(shí)例的情況下，通過絕緣層IL在記錄部分RE的兩側(cè)上提供磁軛MY。在磁軛MY里面形成了由箭頭所示的磁場，并且形成了通過軛MY和鐵磁層FM1和FM2的回流磁場。當(dāng)鐵磁層FM1和FM2由此在靜態(tài)磁場中通過磁軛MY彼此耦合時，可以通過回流磁場使磁化M1和M2彼此反向平行。
可以對磁固定層P1至P4采取同樣的檢測。即，如圖14所示，可以通過在靜磁場中分別耦合磁固定層P1和P2以及磁固定層P3和P4可以使磁化彼此反向平行。
而且，形成與一個磁固定層的外部相接觸的反鐵磁層，并被賦予單向各向異性，從而可以控制固定層的磁化方向。
圖15所示為具有在其上提供有反鐵磁層的磁致電阻元件的示意性剖視圖。即，在磁固定層P4之下提供反鐵磁層AF，且該反鐵磁層磁性耦合到磁固定層P4，從而固定磁化PM4的方向。在靜態(tài)磁場中通過磁軛MY與磁固定層P4耦合的磁固定層P3的磁化PM3其方向與磁化PM4相反。這還可以應(yīng)用于磁固定層P1和P2。
另一方面，在本發(fā)明中，使記錄部分RE的鐵磁層FM1和FM2的磁化M1和M2的方向彼此相反的方法包括調(diào)整在這些鐵磁層之間提供的非磁層NM的膜厚度的方法。
即，通常，通過非磁層NM的層間交換相互作用對于非磁層NM的膜厚度而正地或反地震動，如圖19中示意顯示。因此，可以設(shè)置非磁層NM的膜厚度以與峰值位置(t1)相關(guān)，在該位置上可以獲得圖19中的負(fù)的交換作用。
通過這種結(jié)構(gòu)，鐵磁層FM1和FM2的磁化方向可以反向平行的方式彼此耦合。
下面將說明根據(jù)本發(fā)明的在磁致電阻元件中固定磁固定層P或P1至P4的方法。
為了固定磁固定層P或P1至P4，提供與磁層相接觸的反鐵磁層AF。即，在圖4A、4B、5A和5B中所示的磁致電阻元件中，在圖16A中所示的磁固定層P和電極EL2之間提供反鐵磁層AF。
在圖6A和6B中所示的磁致電阻元件的情況下，為了固定以圖16B中所示的反鐵磁方式彼此耦合的磁固定層P1和P2，在磁固定層P2和電極EL2之間提供反鐵磁層AF。
在圖7A和7B中所示的磁致電阻元件的情況下，為了固定以圖17A中所示的反鐵磁方式彼此耦合的磁固定層P1和P2，在磁固定層P1和電極EL1之間提供反鐵磁層AF。
在圖8A和8B中所示的磁致電阻元件的情況下，為了如圖17B中所示固定磁固定層P1和P2，在電極EL1和電極EL2之間提供反鐵磁層AF。
在圖9A和9B中所示的磁致電阻元件的情況下，為了固定以反鐵磁方式彼此耦合的磁固定層P1和P2，并且為了固定以圖18中所示的反鐵磁方式彼此耦合的磁固定層P3和P4，在磁固定層P1和電極EL1之間以及在磁固定層P4和電極EL2之間提供反鐵磁層AF。
通過上述結(jié)構(gòu)，可以磁性地固定磁固定層。
下面將詳細(xì)說明根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成磁致電阻元件的組成元件。鐵磁層FM1至FM4以及磁固定層P1至P4的材料可包括下列任何一種合金含有從下面的組中選出的至少任何一種元素的任何一種合金，該組由鐵(Fe)、鈷(Co)、和鎳(Ni)組成或由鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)、錳(Mn)和鉻(Cr)組成；稱做“坡莫合金”的NiFe基合金；或者，如CoNbZr基合金、FeTaC基合金、CoTaZr基合金、FeAlSi基合金、FeB基合金或CpFeB基合金的軟磁材料；惠斯勒合金；磁性半導(dǎo)體；以及例如CrO2、FeBFe2O4、La1-XSrXMnO3的半金屬磁性氧化物(或半金屬磁性氮化物)。
在本發(fā)明中，可以適當(dāng)?shù)剡x擇用于鐵磁層FM1至FM4以及磁固定層P1至P4的材料作為具有根據(jù)用途的磁特性的材料。
用于這些磁層的材料可以為連續(xù)的磁體?；蛘撸梢岳脧?fù)合結(jié)構(gòu)，其中由磁體組成的微觀粒子沉積或形成為非磁矩陣。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)可以包括例如所謂的“粒狀磁體”。
另一方面，作為用于鐵磁層FM1至FM4的材料，可以利用有兩層結(jié)構(gòu)的疊壓體，含有Co或CoFe合金和坡莫合金或Ni的疊壓體，該坡莫合金由NiFe或NiFeCo或Ni制成；或者可以利用有三層結(jié)構(gòu)的疊壓體，該疊壓體含有Co或CoFe合金、坡莫合金或Ne，該坡莫合金由NiFe或NiFeCo制成，以及Co或CoFe合金。在具有這些多層結(jié)構(gòu)的磁層的情況下，最好Co或CoFe合金的外部厚度在0.2nm到1nm的范圍內(nèi)。通過這種結(jié)構(gòu)，可以獲得具有較小的電流量的磁化反轉(zhuǎn)。
期望象釕(Ru)、銥(Ir)、或鉻(Cr)的非磁金屬層和反鐵磁體用來作為用來使記錄部分RE的多個鐵磁層以反鐵磁的方式彼此耦合的非磁層NM的材料；以及利用磁固定層以反鐵磁的方式彼此耦合的疊壓結(jié)構(gòu)所需要的鐵磁耦合層AC的材料。期望這些元件每個的膜厚度都在0.2nm到0.3nm的范圍內(nèi)以便獲得反鐵磁耦合。
磁固定層P1至P4由上述材料中的任何一種形成，并且提供它們與反鐵磁層接觸(參見圖15、16A、16B、17A、17B和18)，因此通過交換偏磁可以磁化和固定這些固定層。對于為此目的的鐵磁材料，期望利用鐵錳(FeMn)、鉑錳(PtMn)、鈀錳(PdMn)、鈀鉑錳(Pd PtMn)等。利用由彼此以反鐵磁的方式耦合的鐵磁層、非磁層、和鐵磁層構(gòu)成的疊壓體作為磁固定層，并使反鐵磁層與該疊壓體接觸，從而可以固定磁化。當(dāng)利用該磁固定層時，可以減少從磁固定層本身的泄漏磁場，而且可以穩(wěn)定磁致電阻元件的特性。
為記錄和再現(xiàn)操作提供的中間層S(或S1、S2)可由兩種材料的任一種制成，即低阻材料和高阻材料。
低阻材料的實(shí)例包括銅(Cu)、金(Au)、銀(Ag)、鋁(Al)或含有這些元件的一種或多種的合金。當(dāng)由這些低阻非磁金屬材料制成的中間層的厚度在1毫微米到60毫微米的范圍內(nèi)時，可以獲得有利的磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)。
高阻材料的實(shí)例包括含有從下面的組中選出的至少任何一種元素的氧化物或氮化物，該組由鋁(Al)、鈦(Ti)、鉭(Ta)、鈷(Co)、鎳(Ni)、硅(Si)、鎂(Mg)和鐵(Fe)構(gòu)成，如氧化鋁(Al2O3-X)或氧化鎂(MgO)、SiO2、Si-O-N、Ta-O、和Al-Zr-O；由氟化物制成的絕緣體；以及具有大間隙的半導(dǎo)體，象GaAlAs。此外，可以利用下列材料獲得較大的再現(xiàn)輸出絕緣層上形成有針孔并且其內(nèi)插入有磁層的超微接觸MR材料；或者含銅的CCP(電流-限制-經(jīng)過型)-CPP(電流垂直于平面)-MR(磁致電阻效應(yīng))材料。在前述的隧道磁致電阻效應(yīng)的絕緣體的情況下，考慮到信號再現(xiàn)，因此期望絕緣體的厚度在0.2毫微米到2毫微米的范圍內(nèi)。
在超微接觸MR和CCP-CPP-MR的情況下，期望中間層S的厚度在0.4毫微米到40毫微米的范圍內(nèi)。
如上所述，為了獲得“普通型”的磁致電阻效應(yīng)，中間層S1和S2的材料的實(shí)例包括其內(nèi)填入有銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)及其化合物、氧化鋁(Al2O3-X)、氧化鎂(MgO)、氮化鋁(Al-N)、硅的氧化物氮化物(Si-O-N)和銅(Cu)的帶孔絕緣體以及其內(nèi)填入有磁性材料的帶孔絕緣體。
這些材料用于中間層S1和S2；并且含有Mn和Cr如Co、Fe、Ni或CoFe和NiFe的任何一種的合金，或者所謂的金屬鐵磁體如CoFeB或霍斯勒合金結(jié)合作為鐵磁層FM1和FM以及磁固定層P1和P2的材料，因而可以在鐵磁層FM1和磁固定層P1之間以及在鐵磁層FM2和磁固定層P2之間獲得普通型的磁致電阻效應(yīng)。
在還利用氧化物基磁體例如CrO2、Fe3O4、La1-XSrXMnO3用于這些磁層的情況下，可以獲得普通型的磁致電阻效應(yīng)。
另一方面，為了獲得反向型的磁致電阻效應(yīng)，中間層S1和S2的材料的實(shí)例包括鉭(Ta-O)。即，在上述所謂的金屬鐵磁體用作鐵磁層FM1和FM2以及磁固定層P1和P2的材料的情況下，通過結(jié)合由鉭的氧化物制成的中間層S1和S2，可以獲得反向型的磁致電阻效應(yīng)。
而且，獲得了反向型的磁致電阻效應(yīng)的磁層、中間層和磁層的結(jié)合的實(shí)例包括金屬磁層、氧化物絕緣體中間層和氧化物基磁層的結(jié)合。例如可以利用Co/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3、Co9Fe/SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3等。
可獲得反向型的磁致電阻效應(yīng)的磁層、中間層和磁層的組合，還可包括由磁鐵礦、絕緣體中間層和鈣鈦礦基氧化物磁體如Fe3O4/CoCr2O4/La0.7Sr0.3MO3的組成的系統(tǒng)。
另外，可獲得反向型的磁致電阻效應(yīng)的磁層、中間層和磁層的組合，可包括CrO2、Cr氧化物絕緣體和Co的結(jié)合。
另一方面，期望的是，由于根據(jù)本發(fā)明的磁記錄和再現(xiàn)元件的刨工形狀，因此鐵磁層FM1至FM4的刨工形狀是縱橫比例范圍在1∶1至1∶5內(nèi)的矩形；外觀(橫向)為六邊形、橢圓形、菱形和平行四邊形。在鐵磁層的尺寸方面，期望縱向上的一個邊緣在5毫微米到500毫微米的范圍內(nèi)。在圖1A至18中，在兩個電極之間的鐵磁層、非磁層、中間層和磁固定層的橫向尺寸在當(dāng)剖面上形成為梯形時而連續(xù)變化。即使在層的中間橫向尺寸的變化是斷續(xù)的，只要符合本發(fā)明的要求也可獲得有利的效應(yīng)。
在襯底側(cè)上具有磁固定層的情況下，將層的橫向尺寸確定為比從梯形剖面形狀預(yù)測的尺寸相對大些。以這種方式，可以獲得有利的效果可以減少從磁固定層到鐵磁層的磁極的泄漏磁場的影響，并不防止鐵磁層的反轉(zhuǎn)行為。
此外，在圖1A至18中，盡管形成為梯形的截面表面由斜的直線組成，但即使這些直線為虛線時，只要符合本發(fā)明的要求也不會有特性問題。
而且，即使靠近物體的電極EL2充分大于從梯形剖面形狀預(yù)測的橫向尺寸，本發(fā)明的元件特性也不會受到影響且不會有問題。
另外，在圖1A至18中，盡管上電極EL1的截面也形成為梯形，但即使電極EL1的橫向尺寸充分大于上述預(yù)測尺寸時，元件特性也不會受到影響且不會有問題。
下面將參照實(shí)例更詳細(xì)地說明本發(fā)明的實(shí)施例。
(實(shí)例1)根據(jù)實(shí)例1，將說明相比較于由具有單磁層構(gòu)成的自由層的磁致電阻元件的電流電荷引起的寫特性，由根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件的電流電荷引起的寫特性。
圖20A和20B所示為通過本發(fā)明人制作的磁致電阻元件的試樣的剖面結(jié)構(gòu)的示意性視圖。由此制成的磁致電阻元件的結(jié)構(gòu)如下。
(試樣1)下電極/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Cu6nm/[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.3nm](試樣2)下電極/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Cu6nm/CoFe 2.5nm
提供試樣1作為本發(fā)明實(shí)例中的磁致電阻元件，且其相應(yīng)于圖16B中所示的元件。另一方面，提供試樣2作為根據(jù)比較實(shí)例的具有單膜自由層的磁致電阻元件。這些試樣的每一個都具有通過由鉑錳制成的反鐵磁層AF磁化和固定的磁固定層P2；反鐵磁耦合層AC；以及磁固定層P1。并且，在這些試樣的每一個中，都用具有6毫微米厚度的銅(Cu)作為中間層S。
在試樣1中，分別用具有1.2和1.3毫微米厚度的鈷鐵(CeFe)作為構(gòu)成記錄部分的鐵磁層FM1和FM2，并用具有1毫微米厚度的釕(Ru)作為非磁固定層NM。相反，在試樣2中，用具有2.5毫微米厚度的鈷鐵作為用來磁化記錄的鐵磁層。設(shè)置膜厚度以使試樣1和試樣2中的磁性記錄部分的磁化在總體上彼此相等。對于這些試樣1和2，通過電流電荷來執(zhí)行寫，電流電荷經(jīng)過用作中間層S的Cu層，并通過經(jīng)過同一Cu層的垂直導(dǎo)電的磁致電阻檢測來執(zhí)行再現(xiàn)。
下面將給出制作這些試樣的程序。
首先，通過利用超高真空濺射裝置，在晶片上形成由鉭(Ta)層和銅(Cu)層制成的下電極膜，并在下電極膜上形成具有上述疊壓結(jié)構(gòu)的膜。然后，在該疊壓結(jié)構(gòu)上，形成銅(Cu)層和鉭(Ta)層作為上電極。
接著，將該晶片放在磁場中的真空爐里以270攝氏度在磁場中退火10小時，并被賦予單向各向異性。向疊壓膜施加電子束(EB)抗蝕劑，并執(zhí)行EB曝光，然后形成預(yù)定形狀(在該實(shí)例中為70nm×100nm并且平行于縱向上的單向各向異性)的掩模。
接下來，通過離子銑削裝置將未掩模區(qū)域蝕刻成PtMn層。這里所用的蝕刻的數(shù)量可以通過利用差分發(fā)射和質(zhì)量分析從而將濺射粒子引入四極管分析器而精密掌握。
在蝕刻之后，去掉掩模，并且涂上SiO2膜。然后，通過離子銑削來使表面平滑，并執(zhí)行鉭(Ta)層的初始設(shè)置。在鉭(Ta)層上，形成頂部布線。通過剖面TEM觀測來校驗(yàn)元件的形狀是否形成為梯形。
下面將說明磁致電阻元件的測量結(jié)果。
圖21A繪出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例的試樣1的磁致電阻效果，而圖21B顯示為用圖表繪出了根據(jù)比較實(shí)例的試樣2的磁致電阻效果的曲線圖。
這些圖表的每一個的垂直軸都繪出了微分阻值。在該測量中，電流不變化，因此可以重讀測量數(shù)據(jù)作為阻值。
下面將說明圖21B中所示的試樣2的結(jié)果。在該圖中，發(fā)現(xiàn)阻值在所施加磁場中的正950e(奧斯特)附近和負(fù)1300e附近變化，其中自由層的磁化方向變化。即，在試樣2中，發(fā)現(xiàn)如果施加大于等于正950e或小于等于負(fù)1300e的外部磁場，則自由層的記錄狀態(tài)改變。
相反，在圖21A中所示的試樣1的情況下，發(fā)現(xiàn)以磁致電阻元件的阻值，所施加的磁場在負(fù)5000e到正5000e的范圍內(nèi)基本為常數(shù)。即，可以發(fā)現(xiàn)試樣1具有在該磁場范圍內(nèi)不會變化的記錄部分的磁化方向，并且相比較于試樣2，磁致電阻元件相對于外部磁場具有較好的穩(wěn)定性。
下面將說明試樣2的電流寫特性。
圖22所示為在與試樣2相關(guān)的外部磁場為零時的寫特性的曲線圖。在該圖中，對于電流極性，當(dāng)電子從磁固定層流到自由層時電流限定為正。
根據(jù)圖22，可以發(fā)現(xiàn)分別存在低阻狀態(tài)和高阻狀態(tài)并且自由層的磁化平行或反向平行于磁固定層。即，當(dāng)電子從磁固定層流到自由層時阻值減少。自由層的磁化平行于磁固定層。相反，當(dāng)電子從自由層流到磁固定層時磁化為彼此反向平行的。當(dāng)用來反向磁化所需的電流限定為臨界電流Ic時，發(fā)現(xiàn)可以通過Ic或更大的電流來執(zhí)行記錄。
圖23所示為在外部磁場用于試樣2時的寫特性的曲線圖。即，圖中顯示出通過施加從正1500e到負(fù)1500e的磁場作為外部磁場可以獲得的效果。
從圖23中，可以發(fā)現(xiàn)外部磁場使磁滯偏移了，并且臨界電流Ic改變。即，當(dāng)外部磁場施加于磁致電阻元件上時，就會發(fā)生臨界電流Ic偏移的情況，并且本來可以寫的寫電流Iw不能執(zhí)行記錄。相反，在小于臨界電流Ic的再現(xiàn)電流Ir下，會發(fā)生自由層的磁化狀態(tài)變化的情況，而且信號無需被寫入。
這里，當(dāng)臨界電流分別限定為Ic+和Ic-時，在磁固定層P1和鐵磁層(自由層)FM的磁化被分配為彼此平行的情況下以及在其磁化被分配為彼此反向平行的情況下，會發(fā)生圖24中所示的關(guān)于這些磁場的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)臨界電流相對于磁場的變化由外部磁場1000e增加時，對于Ic+在零磁場附近會發(fā)生負(fù)1.2mA的變化，并且對于Ic-在零磁場附近會發(fā)生負(fù)0.6mA的變化。
下面將說明試樣1的電流寫特性。
圖25所示為在與試樣1相關(guān)的外部磁場為零時的寫特性的曲線圖。
從圖中，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)試樣2中的電流極性可以成功地寫入信號。此外，可發(fā)現(xiàn)阻值依據(jù)在記錄部分RE的磁固定層面上的鐵磁層FM2的磁化方向和在磁固定層的記錄部分RE一側(cè)上的磁固定層P1的磁化方向之間的相對角度是否為平行或反向平行而變化，并且可以通過檢測該相對角度來測出記錄部分RE的狀態(tài)。
圖26所示為在臨界寫電流與試樣1相關(guān)的磁場的依賴關(guān)系的曲線圖。即，在該圖中，水平軸表示外部磁場而垂直軸表示臨界電流。
從圖26中，可以發(fā)現(xiàn)，相比較于試樣2，試樣1對于外部磁場會發(fā)生較小的變化。相比較于增加100Oe的外部磁場，相應(yīng)于Ic+，特定變化率被調(diào)整到負(fù)0.05mA的變化而對于Ic-被調(diào)整到負(fù)0.02mA的變化。即，可以發(fā)現(xiàn)試樣1相對于外部磁場非常穩(wěn)定。
(實(shí)例2)下面將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例2，說明當(dāng)在記錄部分的頂部和底部上提供磁固定層時通過原型試樣而獲得的效果。
圖27A和27B所示為通過本發(fā)明人制作的磁致電阻元件的試樣的剖面結(jié)構(gòu)的示意性視圖。由此制成的磁致電阻元件的結(jié)構(gòu)如下。
(試樣3)
下電極/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Al2O3-X1nm/[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.3nm/Cu 6nm/[CoFe 4nm/Ru1nm/CoFe 5nm/PtMn 15nm](試樣4)下電極/[PtMn 20nm/CoFe 20nm]/Al2O3-X1nm/[CoFe 1.2nm/Ru1nm/CoFe 1.3nm]/Cu 6nm/[CoFe 6nm/PtMn 15nm]試樣3和4相應(yīng)于圖17B和18中所示的元件。即，在該實(shí)例的試樣3和試樣4中，在記錄部分RE的頂部和底部上提供磁固定層，從而減小反轉(zhuǎn)電流。當(dāng)這些上和下磁固定層的磁化方向彼此平行時，自旋極化電子可作用于記錄部分RE的這兩個頂部和底部表面。在試樣3和4中，當(dāng)電子電流從電極EL1流向電極EL2時，記錄部分RE的上鐵磁層FM1的磁化定位在右方向(下鐵磁層FM2的磁化定位在左方向)。通過使流過的電子電流為相反方向，可以使這些鐵磁層FM1和FM2的磁化反向。如圖27A和27B所示，在試樣3和4中，在元件加工過程中最大的銑削深度限定為氧化鋁層的表面。
在試樣3和試樣4中，利用氧化鋁作為中間層S2，因此由于隧道磁致電阻效應(yīng)(TMRR)可獲得較大的再現(xiàn)輸出。另一方面，由于通過中間層S1的上和下磁層的磁化分配(在試樣3中是磁固定層P2和鐵磁層FM1而在試樣4中是磁固定層P1和鐵磁層FM1)得到的磁致電阻效應(yīng)在TMR抵消方向上發(fā)揮作用。但是磁致電阻值與TMR相比很小，且該阻值小幾位，因此該效應(yīng)幾乎可忽略。即，可以執(zhí)行由于通過中間層S2的TMR效應(yīng)的讀出。
在信號0和信號1的寫期間的磁化反轉(zhuǎn)電流的平均值在試樣3和試樣4中分別為0.34mA和0.42mA。另一方面，在缺少中間層S1和上磁固定層的情況下的比較結(jié)構(gòu)中，上述平均值在試樣3的比較實(shí)例中和在試樣4的比較實(shí)例中分別為1.50mA和1.72mA。因此，通過在記錄部分的兩側(cè)上提供固定層可以獲得反轉(zhuǎn)電流作為表示1/n的值。但是，在試樣4中，由于存在來自頂部固定層的泄漏磁場因此反轉(zhuǎn)電流的不對稱很大。
另一方面，對于試樣3和試樣4可以測出分別的反轉(zhuǎn)電流的磁場依賴。結(jié)果，對于試樣3，反轉(zhuǎn)電流相對于100Oe的磁場變化其平均偏移量是0.01mA。對于試樣4，反轉(zhuǎn)電流相對于100Oe的磁場變化的平均偏移量是0.02mA。
根據(jù)這些結(jié)果，成功地驗(yàn)證出圖17B和18中所示的結(jié)構(gòu)受外部磁場的影響較小，并且能穩(wěn)定操作。
替代試樣3和4中的Al2O3-X，在還利用形成MgO、SiO2、Si-O-N以及孔并且孔中嵌入有具有導(dǎo)電金屬(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情況下，發(fā)現(xiàn)可獲得與上述相同的趨勢。
(實(shí)例3)下面將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例3討論構(gòu)成記錄部分的上和下磁層的每一個的厚度。具有圖17A中所示的發(fā)明結(jié)構(gòu)(由梯形構(gòu)成的角度θ為45度)的元件按試樣5制作。元件結(jié)構(gòu)如下。
(試樣5)下電極/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Al2O3-X0.7nm/[CoFe 1.4nm/Ru 1nm/CoFe 1.6nm]/上電極此外，按比較實(shí)例制作具有下面結(jié)構(gòu)的試樣4。
(試樣6)下電極/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm]/Al2O3-X0.7nm/[CoFe 1.7nm/Ru 1nm/CoFe 1.3nm]/上電極試樣5制作如下。在晶片上形成了下電極之后，將晶片引入超高真空濺射裝置，并疊壓由PtMn(20nm)/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe4nm/Al組成的多層膜。接著，將氧氣引入濺射裝置，使Al氧化，并形成Al2O3-X。在該Al2O3-X上，疊壓CoFe 1.4nm/Ru 1nm/CoFe 1.6nm多層膜并從裝置中取出。接下來，涂覆抗蝕劑，通過EB繪制裝置執(zhí)行電子束曝光，然后形成與上述元件尺寸對應(yīng)的掩模圖案。通過離子銑削裝置將該圖案銑削到Al2O3-X的上部。設(shè)置元件形狀以使元件的縱軸方向定位于交換偏移方向。將SiO2涂在元件外圍，形成上電極并構(gòu)成元件。
在離子銑削期間根據(jù)能量和束電流量將元件部分的側(cè)面角度θ調(diào)節(jié)到45度。
在制作試樣5和6的零磁場中的平均反轉(zhuǎn)電流分別是2.4mA和2.9mA，它們彼此并非明顯不同。相反，當(dāng)獲得了磁場依賴時，試樣5的關(guān)于100Oe的外部磁場變化的平均反轉(zhuǎn)電流偏移就等于或小于0.01mA，而試樣6的反轉(zhuǎn)電流偏移為0.3mA，其顯現(xiàn)為大于1位的值?？梢园l(fā)現(xiàn)試樣6的反轉(zhuǎn)電流偏移量達(dá)到了大約反轉(zhuǎn)電流的10％，而且出現(xiàn)了磁場干擾問題。此外，當(dāng)獲得關(guān)于試樣5和6的記錄部分的凈磁化(未消除的磁化)時，對于試樣5得到的磁化強(qiáng)度是1.8×10-16emu而對于試樣6則是6×10-15emu。根據(jù)這些結(jié)果，發(fā)現(xiàn)期望的在鐵磁層FM1的磁化M1和鐵磁層FM2的磁化M2之間的絕對值之差等于或小于5×10-15emu。
根據(jù)這些結(jié)果，驗(yàn)證出圖17A中所示的符合本發(fā)明要求的結(jié)構(gòu)受外部磁場的影響較小，并且能穩(wěn)定操作。
替代試樣5中的Al2O3-X，在還利用形成MgO、SiO2、Si-O-N以及孔并且孔中嵌入有具有導(dǎo)電金屬(Cu、Ag、Au)的SiO2或Al2O3的情況下，發(fā)現(xiàn)可獲得與上述相同的趨勢。
(實(shí)例4)下面將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例4說明記錄部分的角度θ。
根據(jù)試樣7至10，具有根據(jù)本發(fā)明的制作元件和比較元件，它們每一個都具有圖18中所示的根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，但具有不同的由梯形形成的角度θ。元件的基礎(chǔ)層結(jié)構(gòu)如下。
下電極/[PtMn 15nm/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm/Al2O3-X0.6nm/[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.5nm/Cu 6nm/[CoFe 4nm/Ru1nm/CoFe 5nm/PtMn 15nm]/上電極試樣7至10制作如下。
首先，在晶片上形成下電極之后，將晶片引入超高真空濺射裝置，并疊壓由PtMn(15nm)/CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 4nm/Al組成的多層膜。接著，將氧氣引入濺射裝置，使Al氧化，并形成Al2O3-X。在該Al2O3-X上，進(jìn)一步疊壓[CoFe 1.2nm/Ru 1nm/CoFe 1.5nm]/Cu6nm/[CoFe 4nm/Ru 1nm/CoFe 5nm/PtMn 15nm]多層膜并從裝置中取出。接下來，涂覆抗蝕劑，通過EB繪制裝置執(zhí)行電子束曝光，然后形成與上述元件尺寸對應(yīng)的掩模圖案。通過離子銑削裝置將該圖案銑削到PtMn層的上部，并構(gòu)成元件。設(shè)置元件形狀以使元件的縱軸方向定位于交換偏移方向。將SiO2涂在元件外圍，形成上電極并構(gòu)成元件。
在離子銑削期間根據(jù)能量和束電流量可以將元件部分的側(cè)面角度θ調(diào)節(jié)到25度、35度、80度或90度。利用傳輸電子顯微鏡通過觀測元件的截面來驗(yàn)證這些角度。
可以重復(fù)檢測對于電流驅(qū)動的磁化反向的制作試樣7和10。所獲得的效果如下。
(試樣7)當(dāng)在25度的側(cè)面角度θ和最大正和負(fù)15mA的情況下通電時觀測到?jīng)]有磁化反轉(zhuǎn)。
(試樣8)在1.2×10-7A/cm2的平均電流密度下觀測磁化反轉(zhuǎn)作為在35度的側(cè)面角度θ下重復(fù)檢測的結(jié)果。
(試樣9)在7.0×10-6A/cm2的平均電流密度下觀測磁化反轉(zhuǎn)作為在80度的側(cè)面角度θ下重復(fù)檢測的結(jié)果。
(試樣10)盡管在90度的側(cè)面角度θ下并且在7.4×10-6A/cm2的平均電流密度下以第一三周期觀測磁化反向，但在第四周期及其后是觀測不到反向的。
根據(jù)上述內(nèi)容，當(dāng)側(cè)面角度θ等于或小于30度時，由于在電流通過的情況下的電流路徑問題，因此不能寫入。另一方面，當(dāng)側(cè)面角度θ等于或大于85度時，熱釋放不充分。因此，可以發(fā)現(xiàn)由于熱因此可能出現(xiàn)元件破壞的問題。根據(jù)這些結(jié)果，發(fā)現(xiàn)可獲得良好的元件特性，并且側(cè)面角度優(yōu)選在30度到85度的范圍內(nèi)以便提供具有極佳穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。
(實(shí)例5)下面將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例5，說明其內(nèi)結(jié)合有根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件的磁性存儲器(磁性隨機(jī)存儲器MRAM)以及金屬半導(dǎo)體-氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
圖28A、28B、28C和28D所示為根據(jù)該實(shí)例的磁性存儲器的存儲器單元的剖面結(jié)構(gòu)的示意性視圖。
圖29所示為磁性存儲器的等效電路的示意性視圖。
即，每個存儲器單元都具有本發(fā)明的磁致電阻元件10和MOSFET(TR)。提供矩陣形狀的存儲器單元，它們每一個都連接到位線BL和字線WL。通過選擇連接到存儲器單元的位線BL和連接到MOSFET(TR)的柵極G的字線WL來選擇具體的存儲器單元。
圖28A和28B為顯示寫操作的概念視圖。即，通過使電流經(jīng)過位線BL流向磁致電阻元件10來執(zhí)行向磁致電阻元件10的寫入。通過流通大于磁化反轉(zhuǎn)電流Ic的寫電流Iw來將信號寫入磁自由層A。圖28A、28B、28C和28D中的寫電流Iw的方向與電子電流的方向相反。
在磁致電阻元件10由普通型MR制成的情況下，在記錄部分RE的電流流入側(cè)上的鐵磁層的磁化以與電子首先流經(jīng)的磁固定層的磁化的方向相同的方向被寫入。因此，磁自由層RE的磁化方向根據(jù)寫電流Iw的極性而變化。如圖28A所示可以寫入“0”且如圖28B所示可以寫入“1”?！?”和“1”的分配可以相反。
圖28C和28D為顯示讀出操作的概念視圖。在磁致電阻元件10的阻值標(biāo)準(zhǔn)下檢測讀出。盡管感應(yīng)電流Ir可定位于任何方向，但相對于磁化反向的臨界電流Ic必須大大減少感應(yīng)電流Ir。在磁致電阻元件10中提供具有高阻值的中間層S2的情況下，可以測出通過中間層S2的磁致電阻效應(yīng)。
在圖28A、28B、28C和28D中，在寫入信號“0”的情況下，阻值增加，而在寫入信號“1”的情況下，阻值減少。通過檢測信號(或直接讀出阻值、讀出電壓或讀出電流)，確定記錄部分RE的磁化狀態(tài)，并再現(xiàn)信號?？紤]到與晶體管TR一致的問題，期望利用具有高絕緣屬性的材料例如氧化鋁或MgO作為具有高阻值的中間層S2的材料。如上關(guān)于圖13A和13B所述，絕緣層上形成有孔并且孔內(nèi)嵌入有Cu或磁體的CCP-CPP-MR或超微接觸MR也很合適，因?yàn)樗烧{(diào)節(jié)阻值。
在圖28A、28B、28C和28D中，盡管當(dāng)再現(xiàn)信號具有低阻值時分配信號“0”而當(dāng)信號具有高阻值時分配信號“1”，但是當(dāng)然，這種分配也可相反。
在根據(jù)本發(fā)明的磁性存儲器中選擇磁致電阻元件的方法并不局限于選擇MOSFET。
圖30所示為使用二極管的磁性存儲器的示意性視圖。即，根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件10和二極管D在以垂直和水平矩陣形狀布線的位線BL和字線WL之間的交叉點(diǎn)附近串聯(lián)。
在磁性存儲器的情況下，可以通過指定字線WL和位線BL來對具體存儲器單元提供存取。在這種情況下，二極管D用來中斷流經(jīng)連到選出的字線WL和位線BL的另一存儲器單元的電流部分。
(實(shí)例6)下面將根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例6，說明將根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件應(yīng)用于交叉點(diǎn)型磁性存儲器的特定實(shí)例。
圖31所示為根據(jù)該實(shí)例的磁性存儲器的結(jié)構(gòu)的示意性透視圖。
即，以矩陣形狀分配字線WL和位線BL，并且分別在這些線之間的交叉點(diǎn)上提供磁致電阻元件10。這里，顯示了根據(jù)實(shí)例2的利用試樣3的磁性存儲器。
通過分別選擇字線WL和位線BL，寫電流Iw流向特定磁致電阻元件10，從而可以根據(jù)其極性分配信號“0”或“1”。在再現(xiàn)中，再現(xiàn)電流Ir流向目標(biāo)磁致電阻元件10，并檢測其磁致電阻效應(yīng)。可以相信交叉點(diǎn)型的磁性存儲器具有這種結(jié)構(gòu)可用最容易的方式獲得高度集成的存儲器。
(實(shí)例7)下面將說明利用根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件的探針存儲式磁性存儲器。
圖32所示為根據(jù)該實(shí)例的磁性存儲器的示意性視圖。即，在該特定實(shí)例中，顯示了用于將根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件應(yīng)用到所謂的“有圖案的介質(zhì)”的探針存儲式磁性存儲器，并實(shí)現(xiàn)了利用探針存取由此有圖案的介質(zhì)。
在導(dǎo)電襯底110上的記錄介質(zhì)具有這種結(jié)構(gòu)，根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件10以矩陣方式分配在具有高阻值的絕緣體100的平面上。為了選擇這些磁致電阻元件，在介質(zhì)表面上提供探針200。此外，還提供用于控制在探針200和介質(zhì)表面之間的相對位置關(guān)系的驅(qū)動機(jī)構(gòu)210；從探針200向磁致電阻元件10施加電流或電壓的供電電源220；以及檢測磁致電阻元件的內(nèi)部磁化狀態(tài)作為電阻變化的檢測電路230。
在圖32中所示的特定實(shí)例中，盡管驅(qū)動機(jī)構(gòu)210連到探針200，但由于介質(zhì)和探針之間的相對位置可變因此可以在介質(zhì)面上提供該驅(qū)動機(jī)構(gòu)。如圖中所示，根據(jù)本發(fā)明的多個磁致電阻元件10安排在導(dǎo)電襯底110上以形成有圖案的介質(zhì)，并且電流通過磁致電阻元件10在導(dǎo)電探針200和襯底110之間流通，從而執(zhí)行記錄和再現(xiàn)操作。
在圖32中所示的特定實(shí)例中，盡管每個單元10僅共享襯底110上的下電極，但這每個單元10都可構(gòu)成共享其自己的局部層，如圖33中所示。通過這種結(jié)構(gòu)，可以便于加工并使特性均勻化。
通過改變在導(dǎo)電探針200和有圖案的介質(zhì)之間的相對位置關(guān)系來選擇磁致電阻元件10。導(dǎo)電探針200可電連接于與這些元件接觸或不接觸的磁致電阻元件10。在不接觸的情況下，可以利用由在各個磁致電阻元件10和探針200之間流經(jīng)的隧道電流或電場發(fā)射引起的電流來執(zhí)行記錄和再現(xiàn)操作。
通過從通向磁致電阻元件的探針200流向磁致電阻元件10的電流或通過從磁致電阻元件10流向探針200的電流來執(zhí)行向磁致電阻元件10內(nèi)的記錄。當(dāng)通過磁致電阻元件10的尺寸、結(jié)構(gòu)、構(gòu)成等來確定磁化反轉(zhuǎn)電流Is時，可以使大于電流Is的寫電流“Iw”流向單元來執(zhí)行記錄。在將電子電流限定為標(biāo)準(zhǔn)的情況下，要記錄的磁化的方向與電流首先通過的磁固定層的相同。因此，通過反轉(zhuǎn)電子流向，即電流極性，可執(zhí)行要求的“0”或“1”的寫。
通過以與記錄相同的方式的從通向磁致電阻元件10的探針200流動的電流或者通過流向探針的電流，可執(zhí)行再現(xiàn)。但是，在再現(xiàn)期間，流通比磁化反轉(zhuǎn)電流“Is”小的再現(xiàn)電流“Ir”。然后，通過檢測電壓或電阻來確定磁自由層A的記錄狀態(tài)。因此，在根據(jù)該特定實(shí)例的磁性存儲器中，流通具有Iw＞Ir的關(guān)系的電流，從而可以執(zhí)行記錄和再現(xiàn)操作。
圖34所示為在生產(chǎn)多個探針時探針的陣列結(jié)構(gòu)的示意性視圖。在該圖中，根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件安排在襯底上，并形成32×32的的矩陣。該矩陣安排成32×32塊，并形成總共1M(mage)位記錄和再現(xiàn)介質(zhì)。對于這種記錄和再現(xiàn)介質(zhì)，利用32×32探針執(zhí)行記錄和再現(xiàn)操作。即，一個探針對應(yīng)于一組矩陣。如前面關(guān)于圖32所述的執(zhí)行探針檢測?？梢酝ㄟ^介質(zhì)上提供的XY驅(qū)動機(jī)構(gòu)來進(jìn)行關(guān)于各個探針的單元選擇。但是，如果位置關(guān)系相對變化，則可通過介質(zhì)上提供的驅(qū)動機(jī)構(gòu)來進(jìn)行單元選擇。此外，探針本身制成多層；中心探針(nuclear probe)連接到所謂的字線和位線；并且指定字線和位線，從而進(jìn)行探針選擇。
通過從通向磁致電阻元件的探針流通的電荷電流來執(zhí)行關(guān)于磁致電阻元件的記錄和再現(xiàn)操作。通過流通正或負(fù)的電流“Iw”來寫信號“0”或“1”；通過流通用于再現(xiàn)的電流“Ir”來測量電阻，因此可對其大小關(guān)系分配“0”和“1”。
(實(shí)例8)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例8，制作具有從數(shù)目1至15的15種層結(jié)構(gòu)的磁致電阻元件，其中梯形側(cè)面角度θ在30度到80度的范圍內(nèi)，獲得平均反轉(zhuǎn)電流和反轉(zhuǎn)電流的外部磁場依賴關(guān)系。根據(jù)EB光刻技術(shù)和離子銑削或根據(jù)EB光刻技術(shù)和反應(yīng)離子蝕刻來制作這些元件。此外，施加電流作為具有2毫微秒的脈沖寬度的脈沖電流；通過改變脈沖電流值來核對反轉(zhuǎn)的出現(xiàn)或不出現(xiàn)；并且獲得反轉(zhuǎn)電流。這些特性的結(jié)果總結(jié)在下面的表里。根據(jù)這些結(jié)果，發(fā)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的磁致電阻元件相對于外部磁場是穩(wěn)定的。
表1
表2
上面已經(jīng)參照特定實(shí)例說明了本發(fā)明的實(shí)施例。但是本發(fā)明并不局限于這些特定實(shí)例。只要本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠通過從公知范圍內(nèi)進(jìn)行合適選擇來相同地執(zhí)行本發(fā)明，并可實(shí)現(xiàn)同樣的有利效果，例如構(gòu)成磁致電阻元件的組成元件的具體尺寸關(guān)系或材料或者用于電極的形狀或材料、鈍化或絕緣結(jié)構(gòu)都包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
在圖1A和1B等圖種，盡管所顯示的磁固定層P(P1至P4)和鐵磁層FM1和FM2在膜面方向上的尺寸彼此相等，但是本發(fā)明并不局限于此。即，為了布線連接或?yàn)榱丝刂拼呕较?，磁致電阻元件的層的尺寸也可形成為彼此不同。此外，這些層的形狀也可以彼此不同。
另外，磁致電阻元件中的組成元件例如反鐵磁層、磁固定層、中間層、鐵磁層和非磁層可以分別形成為獨(dú)立的單獨(dú)層，或可以構(gòu)成疊壓的兩個或多個層。
在不脫離本發(fā)明精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員基于上述本發(fā)明的實(shí)施例的磁致電阻元件和磁性存儲器可以進(jìn)行適當(dāng)設(shè)計變化的所有磁致電阻元件和磁性存儲器都屬于本發(fā)明的范圍。
額外的優(yōu)勢和修改對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說也是顯而易見的。因此，本發(fā)明在其寬泛的方面并不局限于這里所示和所述的具體細(xì)節(jié)以及示意實(shí)施例。因而，在不脫離由所附的權(quán)利要求及其等價物限定的一般創(chuàng)造概念的精神或范圍的前提下，可以進(jìn)行多種修改。
權(quán)利要求
1.一種磁致電阻元件，包括其中磁化方向被固定的固定層；其中磁化方向通過自旋極化電子而被改變的自由層，該自由層具有被非磁性層分開的鐵磁層，其中在鐵磁層中，有非磁性層插入其間的兩個相鄰的鐵磁層以反鐵磁性的方式彼此耦合；在鐵磁層中，其中磁化方向是第一方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值和其中磁化方向是與第一方向相反的第二方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值之間的差值等于或小于5×10-15emu；并且與鐵磁層的襯底平行的平面越遠(yuǎn)離該襯底，所述平面越?。灰约霸诠潭▽雍妥杂蓪又g的中間層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻元件，其中各個鐵磁層的磁化強(qiáng)度由該層的每單位體積的磁化強(qiáng)度和其體積之間的乘積來確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻元件，其中在鐵磁層中，離襯底最遠(yuǎn)的鐵磁層的厚度大于最接近襯底的鐵磁層的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻元件，其中在垂直于自由層的襯底的方向上的剖面被形成為梯形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的磁致電阻元件，其中自由層的側(cè)面具有相對于襯底的大于等于30°并小于等于85°的角度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻元件，其中在自由層的側(cè)面上經(jīng)由絕緣層配置磁軛。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻元件，其中由固定層、自由層和中間層產(chǎn)生的磁致電阻效應(yīng)是普通型和反向型中的一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻元件，其中中間層具有絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)電體和針孔，并且由填充有在針孔內(nèi)包含磁體的導(dǎo)電體的絕緣體之一組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的磁致電阻元件，其中固定層具有被非磁性層分開的鐵磁層，有非磁性層插入其間的兩個相鄰的鐵磁層以反鐵磁性的方式彼此耦合。
10.一種磁致電阻元件，包括其中磁化方向被固定的第一和第二固定層；其中磁化方向通過自旋極化電子改變的并且位于第一和第二固定層之間的自由層，該自由層具有被非磁性層分開的鐵磁層，其中在鐵磁層中，有非磁性層插入其間的兩個相鄰的鐵磁層以反鐵磁性的方式彼此耦合；在鐵磁層中，其中磁化方向是第一方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值和其中磁化方向是與第一方向相反的第二方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值之間的差值等于或小于5×10-15emu；并且，與鐵磁層的襯底平行的平面越遠(yuǎn)離該襯底，所述平面越??；在第一固定層和自由層之間的第一中間層；以及在第二固定層和自由層之間的第二中間層。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中各個鐵磁層的磁化強(qiáng)度由該層的每單位體積的磁化強(qiáng)度和其體積之間的乘積來確定。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的磁致電阻元件，其中在鐵磁層中，離襯底最遠(yuǎn)的鐵磁層的厚度大于最接近襯底的鐵磁層的厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中在垂直于自由層的襯底的方向上的剖面被形成為梯形。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的磁致電阻元件，其中自由層的側(cè)面具有相對于襯底的大于等于30°并小于等于85°的角度。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中在自由層的側(cè)面上經(jīng)由絕緣層配置磁軛。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中由第一和第二固定層、自由層以及第一和第二中間層產(chǎn)生的磁致電阻效應(yīng)是普通型和反向型中的一種。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中在第一和第二固定層的磁化狀態(tài)彼此相同的情況下，第一和第二中間層由不同的材料構(gòu)成。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中在第一和第二固定層的磁化狀態(tài)彼此不同的情況下，第一和第二中間層由相同的材料構(gòu)成。
19.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中第一和第二中間層每個都具有絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)電體和針孔，并且由填充有在針孔內(nèi)包含磁體的導(dǎo)電體的絕緣體之一組成。
20.根據(jù)權(quán)利要求10的磁致電阻元件，其中固定層具有被非磁性層分開的鐵磁層，有非磁性層插入其間的兩個相鄰的鐵磁層以反鐵磁性的方式彼此耦合。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種磁致電阻元件，包括其中磁化方向通過自旋極化電子改變的自由層，該自由層具有被非磁性層分開的鐵磁層，其中在鐵磁層中，有非磁性層插入其間的兩個相鄰的鐵磁層以反鐵磁性的方式彼此耦合；在鐵磁層中，其中磁化方向是第一方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值和其中磁化方向是與第一方向相反的第二方向的至少一個鐵磁層的總的磁化強(qiáng)度的絕對值之間的差值等于或小于5×10
文檔編號H01L43/00GK1677558SQ200510062839
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月31日
發(fā)明者中村志保, 羽根田茂 申請人:株式會社東芝