專利名稱：磁阻效應(yīng)元件和磁存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到磁阻效應(yīng)元件和磁存儲器。
背景技術(shù)：
使用磁性材料膜的磁阻效應(yīng)元件被使用在例如磁頭和磁傳感器中。此外，也建議在固態(tài)MRAMs(磁隨機存取存儲器)中使用磁阻效應(yīng)元件。
作為一種磁阻效應(yīng)晶體管元件，所謂的“鐵磁TMR(隧道磁阻效應(yīng))元件”被提了出來，這種元件具有通過在兩層鐵磁層之間插入一個電介質(zhì)單層而形成的三明治結(jié)構(gòu)膜，這種結(jié)構(gòu)使得電流垂直于膜表面流動，并利用了一種隧道電流。因為在鐵磁隧道磁阻效應(yīng)元件中已經(jīng)可以獲得至少20％的磁阻變化率，所以，將這種元件在商業(yè)上用于MRAM的技術(shù)發(fā)展正在迅猛進行。
所述TMR元件可以這樣制造，即在一個鐵磁電極上形成厚度范圍在0.6nm到2.0nm的薄Al(鋁)層，然后將該Al層的表面暴露在氧氣或氧氣的輝光放電中，這樣形成一個由Al2O3構(gòu)成的隧道勢壘層，或形成一個由MgO(氧化鎂)構(gòu)成的厚度范圍在0.5nm到3.0nm的隧道勢壘層薄膜。
提出了一種鐵磁單隧道結(jié)，其結(jié)構(gòu)中，夾著隧道勢壘層的鐵磁層中的一層鐵磁層采用反鐵磁層，并使用鐵磁層作為磁化釘扎層(pinned layer)。
此外也提出了一種磁隧道結(jié)，其中在電介質(zhì)中散布著磁性顆粒，還提出了一種鐵磁雙隧道結(jié)(連續(xù)薄膜)。
這些磁阻效應(yīng)元件也有用于MRAM中的可能性，因為已經(jīng)可以獲得高的磁阻變化率，并且即使增加磁隧道結(jié)上的電壓以獲得所需要的輸出電壓值，磁阻變化率的減小也受到抑制。
使用鐵磁單隧道結(jié)或鐵磁雙隧道結(jié)的磁記錄元件是非易失性的，并且具有使讀寫時間達到小于等于10納秒那么快、重寫次數(shù)達到至少1015的潛力。
然而，就存儲器的單元大小來說，問題是，當(dāng)所用的體系結(jié)構(gòu)中存儲器單元是由一個晶體管和一個TMR元件構(gòu)成時，尺寸不能做得比一個半導(dǎo)體DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)的單元更小。
為了解決這個問題，提出了一種二極管類型的體系結(jié)構(gòu)，它包括在字線和位線之間的一個由TMR元件構(gòu)成的單元和一個二極管所構(gòu)成的串聯(lián)連接，也提出了一種簡單的矩陣類型的體系結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通過在字線和位線之間每個都包含一個TMR元件的單元的排列所構(gòu)成。
然而，在兩者中的任何一種情形中，有下面的問題。當(dāng)向磁記錄層進行寫操作時，使用電流脈沖引起的電流磁場進行反轉(zhuǎn)，這導(dǎo)致高的功耗。當(dāng)容量增加時，連線上可允許的電流密度有一個限制，結(jié)果就不能獲得大的容量。輸出電流的驅(qū)動器的面積也增加了。
為了解決上述問題，提出了一種固態(tài)磁存儲器，其在寫連線周圍提供一種高磁導(dǎo)率磁性材料構(gòu)成的薄膜。根據(jù)這種磁存儲器，在布線周圍提供一種高磁導(dǎo)率磁性膜，于是，向磁記錄層寫信息所要求的電流值就可以有效地減少。然而，即使使用這種器件，使寫電流值變?yōu)?mA或更小也非常困難。
為了解決這些問題，提出了一種使用自旋注入(spin injection)方法的寫方法(參見，例如美國專利No.6,256,223)。這種寫方法利用了磁阻效應(yīng)元件中磁記錄層的磁化的反轉(zhuǎn)，這種反轉(zhuǎn)是通過注入自旋極化電流到磁阻效應(yīng)元件中來獲得的。
當(dāng)使用利用了自旋注入的寫方法來進行自旋注入時，除非讓具有高電流密度的電流流入所述元件，否則自旋的反轉(zhuǎn)不能發(fā)生。如果讓具有高電流密度的電流流入具有隧道勢壘層的磁阻效應(yīng)元件，就會在該勢壘層上施加一個高的電場，于是就會損壞元件。所以，需要一種結(jié)構(gòu)，其中可以以低電流密度來進行自旋注入。
此外，也需要低的自旋反轉(zhuǎn)電流密度來減小寫電流。
如此前所述，包括以低的寫電流進行操作的自旋注入方法需要一種元件，其中自旋反轉(zhuǎn)是在低電流密度下進行的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是根據(jù)這些情形而產(chǎn)生的，本發(fā)明的一個目標(biāo)是，提供一種磁阻效應(yīng)元件，其中自旋反轉(zhuǎn)發(fā)生在低電流密度之下，這樣不會導(dǎo)致元件的損壞，并且可以以小電流進行寫操作，還提供一種使用這種磁阻效應(yīng)元件的磁存儲器。
本發(fā)明的第一個方面所述的磁阻效應(yīng)元件包括，一個磁釘扎層，其中磁化方向是釘扎的；一個磁記錄層，其中磁化方向是可變的，所述磁化釘扎層中的磁化方向與所述磁記錄層中的磁化方向形成一個大于0度小于180度的角度，并且所述磁記錄層中的磁化方向通過將自旋極化(spin-polarized)電子注入到所述磁記錄層中而被反轉(zhuǎn)；一個非磁性金屬層，它介于所述磁化釘扎層與磁記錄層之間。
本發(fā)明的第二方面所述的磁存儲器包括，一個第一連線；一個與所述第一連線交叉的第二連線；以及一個包含權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件的存儲單元，所述磁阻效應(yīng)元件中的磁記錄層與所述第一連線進行電連接，所述磁阻效應(yīng)元件中的磁化釘扎層與所述第二連線進行電連接。


圖1是本發(fā)明的第一個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的截面圖；圖2是第一個實施例的修正例所述的磁阻效應(yīng)元件的截面圖；圖3A到3C解釋了第一個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件中的磁記錄層和磁化釘扎層的磁化方向；圖4A到4C解釋了第一個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面形狀；
圖5A到5C解釋了第一個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面形狀；圖6解釋了第一個實施例中由磁記錄層中的磁化方向與磁化釘扎層中的磁化方向所形成的一個角度；圖7解釋了第二個實施例中由磁記錄層中的磁化方向與磁化釘扎層中的磁化方向所形成的一個角度；圖8解釋了第三個實施例中由磁記錄層中的磁化方向與磁化釘扎層中的磁化方向所形成的一個角度；圖9顯示了第四實施例所述的磁記錄層的薄膜表面形狀與磁釘扎層中的磁化方向之間的關(guān)系；圖10顯示了第一個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的透視圖；圖11顯示了根據(jù)第一個例子的磁阻效應(yīng)元件的電阻對脈沖電流密度的依賴關(guān)系；圖12顯示了根據(jù)第一個例子的磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面形狀、薄膜表面面積和平均反轉(zhuǎn)電流密度；圖13顯示了根據(jù)第二個例子中的磁阻效應(yīng)元件的透視圖；圖14顯示了根據(jù)第二個例子的磁阻效應(yīng)元件的電阻對脈沖電流密度的依賴關(guān)系；圖15顯示了根據(jù)第二個例子的磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面形狀、薄膜表面面積和平均反轉(zhuǎn)電流密度；圖16A到16C顯示了第三個例子所述的磁阻效應(yīng)元件中的磁記錄層的薄膜表面形狀；圖17顯示了根據(jù)第三個例子的磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面形狀、薄膜表面面積和平均反轉(zhuǎn)電流密度；以及圖18顯示了根據(jù)第四個例子的磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面形狀、傾斜角、是否有退火、薄膜表面面積和平均反轉(zhuǎn)電流密度。
具體實施例方式
下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
第一實施例本發(fā)明的第一個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)示于圖1中。圖1是一個截面圖，顯示了本發(fā)明中的磁阻效應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)。本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件是一種底釘扎(bottom-pin)TMR元件。如圖1所示，通過在基底1上相繼形成下電極2、反鐵磁層3、磁化方向被釘扎的磁化釘扎層4、隧道勢壘層5、具有可變磁化方向的磁記錄層6、反射自旋極化電子的自旋反射層7、相反電極8來獲得所述磁阻效應(yīng)元件的結(jié)構(gòu)。另外，也可以使用一種頂釘扎(top-pin)TMR元件，如圖2所示，這種元件在所述下電極2和相反電極8之間的各層的排列是通過將圖1中各層的排列顛倒過來而得到的。換言之，也可以使用一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過在一個基底1上相繼形成下電極2、自旋反射層7、磁記錄層6、隧道勢壘層5、磁化釘扎層4、反鐵磁層3、以及相反電極8來得到。如果由自旋注入引起的磁化反轉(zhuǎn)的電流密度足夠低的話，可以去掉所述自旋反射層7。
圖3A和3B為平面圖，顯示了從圖1所示的相反電極8的一側(cè)來看磁化釘扎層4和磁記錄層6中的磁化方向而得到的狀態(tài)。在本實施例中，磁記錄層6的薄膜表面基本上呈矩形形狀，如圖4A所示。由于形狀各向異性，磁記錄層6被磁化的方向平行于所述矩形的主軸32。磁記錄層6能有形狀各向異性，只要所述形狀長而窄。磁記錄層6的薄膜表面不僅可以呈如圖4A所示的近似矩形的形狀，還可以呈如圖4B所示的橢圓形狀或者如圖4C所示的平行四邊形形狀。由于形狀各向異性，磁記錄層6被磁化的方向平行于所述橢圓形狀的主軸34。由于形狀各向異性，磁記錄層6被磁化的方向平行于所述平行四邊形的長邊36。此外，磁記錄層6的薄膜表面可以呈一種由一部分近橢圓形狀和一部分近矩形形狀的組合而得到的形狀，如圖5A所示，也可以呈一種由一部分近橢圓形狀和一部分近平行四邊形形狀的組合而得到的形狀，如圖5B所示，還可以呈一種由一部分近平行四邊形形狀和一部分近矩形形狀的組合而得到的形狀，如圖5C所示。此外，在本實施例中，磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向之間有一定的角度θ。換言之，所述角度θ不是0度，也不是180度。
一般地，假設(shè)磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向之間形成的角度為θ，自旋極化電子的注入效率依賴于該角度θ和磁記錄層6的自旋極化因子P。在例如“Journal of Magnetism and MagneticMaterials，159(1996)L1”中所描述的，自旋電子的注入效率由下面的方程來表示。
g(θ)＝[-4+(1+P)3(3+cosθ)/4P3/2]-1設(shè)α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4以及β＝-4+3α那么g(θ)可以表示為g(θ)＝(β-αcosθ)-1另一方面，希望所述角度θ是一個能使自旋注入效率高的角度，以便實現(xiàn)在低電流密度下由自旋注入產(chǎn)生的磁化反轉(zhuǎn)。所以，與自旋注入效率的最大值相比，希望自旋注入效率至少是其一半。使自旋注入效率最大化的角度θ表示為θ1max，使自旋注入效率等于自旋注入效率最大值之半的角度表示為θ1和θ1’(＜θ1)，它們之間的關(guān)系依賴于磁記錄層6的自旋極化因子P，如圖6所示。角度θ1和θ1’可以用下面關(guān)于磁記錄層6的自旋極化因子P的方程來表示。
θ1＝arccos[{-αβ-2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]θ1’＝arccos[{-αβ+2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]這里，滿足關(guān)系0°＜θ1’＜θ1＜180°。從這些方程中應(yīng)該注意到，當(dāng)磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向所形成的角度θ在θ1’和θ1之間時，自旋注入效率高。順便提及，因為0＜P＜1，故有120°＜θ1＜180°。
如果磁化反轉(zhuǎn)由自旋注入引起的話，磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向所形成的角度θ從θ變化為接近(180°-θ)的一個角。如果進一步引起磁化反轉(zhuǎn)的話，那么該角度從接近(180°-θ)的一個角變?yōu)榻咏鹊囊粋€角。所以，希望磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向所形成的角度在(180°-θ1)到(180°-θ1’)的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在θ1’到θ1的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度。
另一方面，磁阻變化率MR對磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向所形成的角度的依賴關(guān)系由下面的方程表示。
MR(θ)＝MR(0°)|cosθ|從這個關(guān)系中可以得到到，使角度θ接近90°會降低MR。希望磁阻變化率MR至少等于最大值之半，以便讀出磁阻變化。當(dāng)θ＝60°或θ＝120°時，磁阻變化率MR減小到一半。換言之，希望θ滿足關(guān)系0°＜θ≤60°或者120°≤θ＜180°。
從前面的描述中，當(dāng)θ1’至少為120°時，希望磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向所形成的角度θ在(180°-θ1)到(180°-θ1’)的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在θ1’到θ1的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度。當(dāng)θ1’小于120°時，希望所述角度θ在(180°-θ1)到60°的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在120°到θ1的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度。所以，在本實施例中，所述角度θ值的選取要滿足陰影區(qū)域中關(guān)于磁記錄層6中的自旋極化因子P的關(guān)系。
如果不像本實施例中的那樣，而是使磁化釘扎層4中的磁化方向平行或反平行于磁記錄層6中的磁化方向，那么引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度將變高，因為自旋注入效率低。在本實施例中，所述角度θ在圖6所示的陰影區(qū)域中選取。所以，當(dāng)將磁記錄層6中的磁化方向“從近乎反平行的方向到近乎平行的方向”反轉(zhuǎn)時，從而，自旋注入效率變高，于是，磁化反轉(zhuǎn)能夠在低電流密度下完成。
根據(jù)本實施例，磁化反轉(zhuǎn)在低電流密度下進行，這樣不會引起元件的損壞，寫操作可以在低電流下進行，如前面所描述的。
第二實施例現(xiàn)在描述本發(fā)明第二個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件。本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的層結(jié)構(gòu)與圖1中所示的第一實施例中的層結(jié)構(gòu)相同。其薄膜表面取近乎矩形形狀，和第一實施例一樣。順便提及，所述層結(jié)構(gòu)的順序可以顛倒，如圖2所示。此外，薄膜表面可以采取近乎橢圓形狀或采取近乎平行四邊形形狀，如圖4B或4C所示，或采取圖5A、5B或5C所示的形狀。
在本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件中，實現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)以便降低當(dāng)磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向所形成的角度θ“從近乎平行狀態(tài)的一個角度被反轉(zhuǎn)到近乎反平行狀態(tài)的一個角度”時所獲得電流密度，和當(dāng)所述角度θ“從近乎反平行狀態(tài)的一個角度被反轉(zhuǎn)到近乎平行狀態(tài)的一個角度”時所獲得電流密度的平均值。
如參考第一實施例所描述的，自旋極化電子的注入效率依賴于磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向所形成的角度θ以及磁記錄層6中的自旋極化因子P。當(dāng)“從近乎平行狀態(tài)的一個角度到近乎反平行狀態(tài)的一個角度”的自旋注入效率和“從近乎反平行狀態(tài)的一個角度到近乎平行狀態(tài)的一個角度”的自旋注入效率的平均值被最大化時，所獲得的角度θ用θ2max表示。當(dāng)所述平均值變?yōu)樽畲笾抵霑r所獲得的角度θ用θ2和θ2’表示。角度θ2max、θ2和θ2’有圖7所示的依賴關(guān)系。此處假設(shè)θ2和θ2’是接近平行態(tài)的角度，而(180°-θ2)和(180°-θ2’)是接近于反平行態(tài)的角度。通過下面的方程，角度θ2和θ2’可以用磁記錄層6中的自旋極化因子P來表示。
α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4β＝-4+3αθ2＝arcsin[{(2-31/2)(β2-α2)1/2}/α]θ2’＝arcsin[{(2+31/2)(β2-α2)1/2}/α]這里0°＜θ2＜θ2’＜90°。
希望磁阻變化率MR至少等于最大值之半，以便讀出磁阻變化。換言之，希望θ滿足關(guān)系0°＜θ≤60°或者120°≤θ＜180°。因為0＜P＜1，故有0°＜θ2＜60°。
當(dāng)θ2’小于60°時，從這些關(guān)系式中可以得到，希望角度θ在θ2到θ2’的范圍內(nèi)，這兩個角度包括在內(nèi)，或者在(180°-θ2’)到(180°-θ2)的范圍內(nèi)，這兩個角度包括在內(nèi)，以便提高自旋注入效率。當(dāng)θ2’至少為60°時，希望角度θ在θ2到60°的范圍內(nèi)，這兩個角度包括在內(nèi)，或者在120°到(180°-θ2)的范圍內(nèi)，這兩個角度包括在內(nèi)。
如果不像本實施例中的那樣，而是使磁化釘扎層4中的磁化方向平行或反平行于磁記錄層6中的磁化方向，那么引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度將變高，因為自旋注入效率低。
另一方面，在本實施例中，選取的角度θ落在圖7所示的關(guān)于磁記錄層6中的自旋極化因子P的陰影區(qū)域中。所以，將磁記錄層6中的磁化方向“從近乎平行的狀態(tài)的一個角度到近乎反平行的狀態(tài)的一個角度”反轉(zhuǎn)時的電流密度和將磁記錄層6中的磁化方向“從近乎反平行的狀態(tài)的一個角度到近乎平行的狀態(tài)的一個角度”反轉(zhuǎn)時的電流密度的平均值變低，并且磁化反轉(zhuǎn)能夠在低電流密度下完成。
根據(jù)本實施例，磁化反轉(zhuǎn)在低電流密度下進行，這樣不會引起元件的損壞，寫操作可以在低電流下進行，如前面所描述的。
第三實施例現(xiàn)在描述本發(fā)明第三個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件。本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的層結(jié)構(gòu)和薄膜表面形狀與第一實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的層結(jié)構(gòu)和薄膜表面形狀類似。
磁阻變化率MR依賴于磁記錄層中的自旋極化因子P。為了獲得高的自旋極化因子P，希望使用具有高自旋極化因子P的材料。作為高自旋極化因子P，已經(jīng)在室溫下獲得了P＝0.8。所以，在本實施例中，通過使用一種具有高自旋極化因子的材料作為磁記錄層6并使磁化釘扎層磁化4的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向之間有一個交角，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)得以在低電流密度下實現(xiàn)。
當(dāng)自旋極化因子P＝0.8時，由第一實施例所述的磁阻效應(yīng)元件中的磁記錄層6的磁化方向與磁化釘扎層4的磁化方向所形成的角度θ1變?yōu)?76°，如圖8所示。換言之，希望設(shè)置角度θ為至少4°或最多176°，以便使得將磁化“從近乎反平行的狀態(tài)的一個角度反轉(zhuǎn)到近乎平行的狀態(tài)的一個角度”的自旋注入效率等于至少最大值之半。
希望磁阻變化率MR等于至少最大值之半，以便讀出磁阻變化。換言之，希望θ滿足關(guān)系0°＜θ≤60°或者120°≤θ＜180°。
所以，在本實施例中，角度θ被設(shè)置在4°到60°的范圍內(nèi)，這兩個角度包括在內(nèi)，或者設(shè)置在120°到176°的范圍內(nèi)，這兩個角度包括在內(nèi)。在本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件中，與角度θ為0°(平行狀態(tài))的情形或與角度θ為180°(反平行狀態(tài))的情形相比，磁化反轉(zhuǎn)可以在低電流密度下完成而不降低MR很多。
根據(jù)本實施例，磁化反轉(zhuǎn)在低電流密度下完成，這樣不會引起元件的損壞，寫操作可以在低電流下進行，如前面所描述的。
第四實施例現(xiàn)在描述本發(fā)明第四個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件。
本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的層結(jié)構(gòu)與圖1所示的第一實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的層結(jié)構(gòu)相同，但是薄膜表面形狀卻不同。本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件中的磁記錄層6的薄膜表面形狀示于圖9。如圖9所示，本實施例所述的磁記錄層6的結(jié)構(gòu)中，呈四邊形形狀的第一部分6a的主軸和呈四邊形形狀的第二部分6b的主軸相互連接，使得它們相互交叉的角度大于0°，而小于180°。此外，除了磁記錄層6之外的其它層，諸如下電極2、反鐵磁層3、磁化釘扎層4、隧道勢壘層5、自旋反射層7以及相反電極8也具有和圖9所示磁記錄層6同樣的薄膜表面形狀。
一般地，由于形狀各向異性的原因，磁記錄層6中的磁化方向變得近乎平行于主軸。所以，與磁化釘扎層4中的磁化方向41相比，第一部分6a中的磁化方向61和第二部分6b中的磁化方向62都有一個傾角。換言之，第一部分6a中的磁化方向61相對于磁化釘扎層4中的磁化方向41傾斜了一個正的角度，第二部分6b中的磁化方向62相對于磁化釘扎層4中的磁化方向41傾斜了一個負(fù)的角度。在本說明書中，圖9中所示的逆時針角被認(rèn)為是正角，而順時針角被認(rèn)為是負(fù)角。如圖9所示，磁記錄層6的第一部分6a中的磁化方向61與磁化釘扎層4中的磁化方向41所形成的角度用Ψ1表示，磁記錄層6的第二部分6b中的磁化方向62與磁化釘扎層4中的磁化方向41所形成的角度用Ψ2表示。
在本實施例中，通過將|Ψ1|和|Ψ2|都設(shè)置為近似等于第二實施例中的θ2max或(180°-θ2max)，從而提高自旋注入效率，就可以實現(xiàn)低電流密度下的磁化反轉(zhuǎn)。
順便提及，|Ψ1|和|Ψ2|都可以設(shè)置為第一實施例中的(180°-θ1)到60°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角，或者都設(shè)置為120°到θ1范圍內(nèi)的值，包括這兩個角(當(dāng)θ1’＜120°時)?；蛘?，|Ψ1|和|Ψ2|都可以設(shè)置為第一實施例中的(180°-θ1)到(180°-θ1’)范圍內(nèi)的值，包括這兩個角，或者都設(shè)置為θ1’到θ1范圍內(nèi)的值，包括這兩個角(當(dāng)θ1’≥120°時)。|Ψ1|和|Ψ2|都可以設(shè)置為第二實施例中的θ2到60°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角，或者都設(shè)置為120°到(180°-θ2)范圍內(nèi)的值，包括這兩個角(當(dāng)θ2’≥60°時)?；蛘?，|Ψ1|和|Ψ2|都可以設(shè)置為第二實施例中的θ2到θ2’范圍內(nèi)的值，或者都設(shè)置為(180°-θ2’)到(180°-θ2)范圍內(nèi)的值，包括這兩個角(當(dāng)θ2’≥60°時)。|Ψ1|和|Ψ2|都可以設(shè)置為第三實施例中的4°到60°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角，或者都設(shè)置為120°到176°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角。
根據(jù)本實施例，自旋反轉(zhuǎn)在低電流密度下完成，這樣不會引起元件的損壞，寫操作可以在低電流下進行，如前面所描述的。
第五實施例現(xiàn)在描述本發(fā)明第五個實施例所述的磁阻效應(yīng)元件。
本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的層結(jié)構(gòu)與圖1中所示的第一實施例中的層結(jié)構(gòu)相同，但是薄膜表面形狀不同。順便提及，所述層結(jié)構(gòu)的順序可以以圖2所示的第一實施例的修正例中同樣的方式顛倒過來。本實施例所述的磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面取近乎圓形形狀。順便提及，薄膜表面可以取近乎方形形狀或者取至少有五個角的近乎規(guī)則的多邊形形狀以代替近乎圓形的形狀。在本實施例中，通過使用感生磁各向異性使磁化釘扎層4和磁記錄層6具有磁各向異性。所述“感生磁各向異性”是指一種現(xiàn)象，即當(dāng)在高溫下形成磁性物質(zhì)或者原子可以移動時，在要產(chǎn)生磁各向異性的方向上施加一個磁場，使磁性物質(zhì)具有磁各向異性。由這種現(xiàn)象產(chǎn)生的磁各向異性被稱作感生磁各向異性。
在本實施例中，磁化釘扎層4和磁記錄層6被提供了感生磁各向異性，磁化釘扎層4中感生磁各向異性的方向與磁記錄層6中感生磁各向異性的方向夾一個角度φ。因為磁化釘扎層4中的磁化方向和磁記錄層6中的磁化方向分別與各自的感生磁各向異性的方向幾乎一致，所以磁化釘扎層4中的磁化方向與磁記錄層6中的磁化方向相比有一個接近φ的傾角。因為在本實施例中，角度φ設(shè)置為近似等于第二實施例中的θ2max，所以自旋注入效率高，并且磁化反轉(zhuǎn)可以在低反轉(zhuǎn)電流密度下進行。
在本實施例中，角度φ設(shè)置為近似等于θ2max。或者，角度φ可以設(shè)置為第一實施例中的(180°-θ1)到60°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角，或者設(shè)置為120°到θ1范圍內(nèi)的一個值，包括這兩個角(當(dāng)θ1＞120°時)?；蛘?，角度φ可以設(shè)置為第二實施例中的θ2到60°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角，或者設(shè)置為120°到(180°-θ2)范圍內(nèi)的值，包括這兩個角(當(dāng)θ2＜60°時)。角度φ可以設(shè)置為第三實施例中的4°到60°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角，或者設(shè)置為120°到176°范圍內(nèi)的值，包括這兩個角。
在前面所描述的實施例中，磁阻效應(yīng)元件中的磁性膜(該磁性膜構(gòu)成磁化釘扎層4和磁記錄層6)可以由至少一種薄膜構(gòu)成，或者由一種層壓膜構(gòu)成，該層壓膜使用從一組材料中選取的一種或多種材料構(gòu)成，這組材料包括，Ni-Fe合金、Co-Fe合金、Co-Fe-Ni合金、非晶材料諸如(Co，F(xiàn)e，Ni)-(Si，B)、(Co，F(xiàn)e，Ni)-(Si，B)-(P，Al，Mo，Nb，Mn)和Co-(Zr，Hf，Nb，Ta，Ti)、以及霍伊斯勒(Heusler)合金諸如Co2(CrxFe1-x)Al、Co2MnSi和Co2MnAl。順便提及，例如，字符串(Co，F(xiàn)e，Ni)是指從Co、Fe、和Ni中選擇至少一種元素。
具體說，當(dāng)包含在磁記錄層6或者磁化釘扎層4中的鐵磁層具有以非磁性層為中間媒介將多個層層疊在一起而得到的層疊結(jié)構(gòu)時，更希望使用由于位于隧道勢壘層5附近的鐵磁層中的磁阻效應(yīng)而具有大的磁阻變化(resistance change)率的Co-Fe、Co-Fe-Ni或者富含F(xiàn)e的Fe-Ni，以及在不與隧道勢壘層接觸的鐵磁層中使用富含Ni的Ni-Fe、富含Ni的Ni-Fe-Co等等，這是因為寫電流可以被減少而保持磁阻變化率為一個大的值。
作為磁記錄層，也可以使用表示為軟磁層/鐵磁層的兩層結(jié)構(gòu)，或者使用表示為鐵磁層/軟磁層/鐵磁層的三層結(jié)構(gòu)。使用表示為鐵磁層/非磁性層/鐵磁層的三層結(jié)構(gòu)，或者表示為鐵磁層/非磁性層/鐵磁層/非磁性層/鐵磁層的五層結(jié)構(gòu)，通過控制鐵磁層之間的交換相互作用的強度能夠獲得有利的效應(yīng)。就是說，即使作為存儲單元的磁記錄層的單元寬度為亞微米量級或更小，也不需要為自旋注入而增加寫電流。
不僅可以調(diào)節(jié)磁性特性，通過在磁化釘扎層4和磁記錄層6的磁性材料中加入非磁性元素，也可以調(diào)節(jié)諸如晶體特性、機械特性等各種物理特性以及化學(xué)特性，所述加入的非磁性元素為諸如Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(鋁)、Ru(銣)、Os(鋨)、Re(錸)、Ta(鉭)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Zr(鋯)、Ir(銥)、W(鎢)、Mo(鉬)、Nb(鈮)。
磁化釘扎層4和磁記錄層6也可以采用一種表示為磁性物質(zhì)/非磁性物質(zhì)/磁性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，在磁性層之間有交換耦合。磁化釘扎層4和磁記錄層6也可以是使用具有交換耦合的三層或多層磁性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。
另一方面，當(dāng)隧道結(jié)被用作磁阻效應(yīng)元件時，可以使用各種絕緣體，諸如Al2O3(氧化鋁)、SiO2(氧化硅)、MgO(氧化鎂)、AlN(氮化鋁)、Bi2O3(氧化鉍)、MgF2(氟化鎂)、CaF2(氟化鈣)、SrTiO2(鈦鍶氧化物)、LaAlO3(鑭鋁氧化物)、Al-N-O(鋁氧化物氮化物)或者HfO(氧化鉿)作為磁化釘扎層和磁記錄層之間的隧道勢壘層5。
從化學(xué)配比的角度看，這些化合物沒有必要具有完全精確的組成。可以存在氧、氮、氟等等的缺失、過量或不足。希望絕緣層的厚度能夠薄到隧道電流可以流動的程度。實際上，希望厚度為10nm或更小。更希望厚度為2nm或更小。
通過使用普通的薄膜形成裝置，諸如各種濺射方法、蒸發(fā)方法或分子束外延方法，可以在預(yù)定的基底上形成這樣的磁阻效應(yīng)元件。作為這種情形中的基底，可以使用各種基底，諸如Si(硅)、SiO2(氧化硅)、Al2O3(氧化鋁)、尖晶石(spinel)以及AlN(氮化鋁)基底。
此外，可以在基底上形成一層Ta(鉭)、Ti(鈦)、Pt(鉑)、Pd(鈀)、Au(金)、Ti(鈦)/Pt(鉑)、Ta(鉭)/Pt(鉑)、Ti(鈦)/Pd(鈀)、Ta(鉭)/Pd(鈀)、Cu(銅)、Al(鋁)-Cu(銅)、Ru(銣)、Ir(銥)、Os(鋨)、或Rh(銠)，作為襯層、保護層、硬掩模等等。
希望能夠?qū)⒎磋F磁膜3加到用作磁化釘扎層4來使磁化釘扎的鐵磁層上。
作為反鐵磁層3，可以使用Fe(鐵)-Mn(錳)、Pt(鉑)-Mn(錳)、Pt(鉑)-Cr(鉻)-Mn(錳)、Ni(鎳)-Mn(錳)、Ir(銥)-Mn(錳)、NiO(氧化鎳)、Fe2O3(氧化鐵)等等。
自旋反射層7的結(jié)構(gòu)從磁記錄層一端起依次包括蓋層/磁性層/反鐵磁層，或者蓋層磁性層/非磁性層/磁性層/反鐵磁層。自旋反射層7反射自旋極化電子并促使磁記錄層中的磁化反轉(zhuǎn)。結(jié)果，用于自旋注入磁化反轉(zhuǎn)的電流密度就可以被降低。至于蓋層，可以使用由金屬、合金或者金屬間化合物構(gòu)成的保護膜。
下面將參考例子更詳細地描述本發(fā)明的實施例。
第一個例子首先，參考圖10描述本發(fā)明的第一個例子中的存儲器。本例中的磁存儲器包括下連線20、上連線25和一個存儲單元。所述存儲單元包括一個磁阻效應(yīng)元件。該磁阻效應(yīng)元件具有圖1所示的層結(jié)構(gòu)。如圖3C中所示，磁記錄層6中的磁化方向相對于磁化釘扎層4中的磁化方向有一個傾角。制造具有圖4A所示的近乎矩形形狀的薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件、具有圖4B所示的近乎橢圓形狀的薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件、具有圖4C所示的近乎平行四邊形形狀薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件。順便提及，所述薄膜表面形狀可以是一種通過組合一部分的近似矩形形狀、一部分的近似橢圓形狀和一部分的近似平行四邊形形狀而獲得的形狀，如圖5A、圖5B和圖5C所示。本例中的磁存儲器的形成如下所述。
首先，由Ta(30nm)/Al(100nm)/Ta(50nm)構(gòu)成的下連線層20通過濺射形成在由SiO2構(gòu)成的基底(未示出)上。下連線層20的表面用化學(xué)機械拋光(CMP)進行拋光。然后，在下連線層20上順序形成一個由Ta(5nm)/Ru(3nm)構(gòu)成的襯層(未示出)、一個由PtMn構(gòu)成的厚度為15nm的反鐵磁層3、一個由CoFe(5nm)/Ru(1nm)/CoFeB(3nm)構(gòu)成的磁化釘扎層4、一個由MgO構(gòu)成的層厚為1.0nm的隧道勢壘層5、一個由CoFeB構(gòu)成的層厚為3nm的磁記錄層6、一個由Ru構(gòu)成的厚度為5nm的第一蓋層(未示出)、一個由CoFe(3nm)/PtMn(15nm)構(gòu)成的自旋反射層7、以及一個由Ru構(gòu)成的層厚為5nm的第二蓋層(未示出)。之后，由Ta(50nm)/Al(2nm)/Ta(150nm)構(gòu)成的相反電極8形成在所述第二蓋層上。之后，在300℃下進行退火，同時在磁化釘扎層4中的磁化方向上施加磁場，以便對磁化釘扎層4中的磁化進行固定。
然后，在相反電極8上施加一層光刻膠，使用光刻的方法形成具有磁阻效應(yīng)元件之薄膜表面形狀的光刻膠圖形。順便提及，磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面采取近似矩形形狀、近似橢圓形狀、或者近似平行四邊形形狀，以便使磁記錄層6的磁化具有形狀各向異性。上述形狀中主軸的方向與磁化釘扎層4中釘扎的磁化方向相比傾斜32°。
用所述光刻膠圖形作掩模并使用反應(yīng)離子刻蝕來刻蝕相反電極層8以形成相反電極8。隨后，光刻膠圖形被剝離。之后，用相反電極8作掩模并使用離子銑削來銑削第二蓋層、自旋反射層7、第一蓋層、磁記錄層6、隧道勢壘層5、磁化釘扎層4和反鐵磁層3。在這些層的上面，用濺射形成一層SiO2膜(未示出)作為保護膜。
隨后，形成下連線層的光刻膠圖形。下連線20通過用離子銑削的刻蝕來形成。在光刻膠圖形被剝離后，用濺射形成由SiO2構(gòu)成的厚度為200nm的一層絕緣隔層(未示出)。形成包括通孔圖形的光刻膠圖形，所述通孔圖形用來獲得與相反電極8接觸。用該光刻膠圖形作掩模、用反應(yīng)離子刻蝕來刻蝕所述絕緣隔層，直到相反電極8出現(xiàn)為止。之后，光刻膠圖形被剝離。隨后，形成一層Ti/Al/Ti層，作為上連線層。在所述Ti/Al/Ti層上形成光刻膠圖形。隨后，用光刻膠作掩模、用反應(yīng)離子刻蝕來刻蝕所述Ti/Al/Ti層來形成上連線25。然后將光刻膠圖形剝離。
在本例中，使用脈沖測量方法來測量由自旋注入磁化反轉(zhuǎn)引起的電阻變化，該方法讓脈沖電流流過磁阻效應(yīng)元件，并測量在足夠低的電流下的電阻。本例所述的具有近似矩形形狀的磁阻效應(yīng)元件的電阻對脈沖電流密度的依賴關(guān)系示于圖11。磁化反轉(zhuǎn)由自旋注入引起，可以觀察到電阻的變化。當(dāng)與磁化釘扎層4中的磁化方向相比，磁記錄層6中的磁化方向從近乎反平行狀態(tài)的一個方向反轉(zhuǎn)為近乎平行狀態(tài)的一個方向時，引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度估計為0.48×106A/cm2。當(dāng)磁記錄層6中的磁化方向從近乎平行狀態(tài)的一個方向反轉(zhuǎn)為近乎反平行狀態(tài)的一個方向時，用于磁化反轉(zhuǎn)的電流密度估計為2.0×106A/cm2。引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度平均為1.2×106A/cm2。
作為比較例，制造一個樣品，除了磁記錄層中的磁化方向與磁化釘扎層中的磁化方向相比不發(fā)生傾斜，即傾角為0°或180°，該樣品與本例中樣品相同，并用自旋注入進行磁化反轉(zhuǎn)。對于從近乎反平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎平行狀態(tài)的情形和從近乎平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎反平行狀態(tài)的情形，比較樣品中引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度平均為1.0×107A/cm2。
所以，在本例中，可以在低電流密度下進行自旋注入寫操作。
薄膜表面形狀近乎橢圓或近乎平行四邊形的磁阻效應(yīng)元件的面積和平均反轉(zhuǎn)電流密度示于圖12。在薄膜表面形狀近乎橢圓或近乎平行四邊形的磁阻效應(yīng)元件中，也可以在低電流密度下進行自旋注入寫操作。
本例中的磁存儲器被證明可以在低電流下進行自旋注入寫操作，并適合于作為大容量存儲器。
第二個例子參考圖13描述根據(jù)第二個例子的存儲器。本例中的磁存儲器包括下連線20、上連線25和一個存儲單元。所述存儲單元包括一個磁阻效應(yīng)元件。在本磁阻效應(yīng)元件中，磁記錄層6中的磁化方向相對于磁化釘扎層4中的磁化方向有一個傾角，如圖3C所示。制造具有圖4A所示的近乎矩形形狀薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件、具有圖4B所示的近乎橢圓形狀薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件、具有圖4C所示的近乎平行四邊形形狀薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件。順便提及，所述薄膜表面形狀可以是一種通過組合一部分的近似矩形形狀、一部分的近似橢圓形狀和一部分的近似四邊形形狀而獲得的形狀，如圖5A、圖5B和圖5C所示。在本例中，在下連線和相反電極之間的層結(jié)構(gòu)的順序通過將第一個例子中的層結(jié)構(gòu)順序顛倒而得到。本例中的磁存儲器的形成如下所述。
直到下連線20，制造過程與第一個例子中的過程相同。下連線層20的表面用化學(xué)機械拋光(CMP)進行拋光。然后，在下連線層20上以下面所述順序形成一個由Ta(5nm)/Ru(3nm)構(gòu)成的襯層(未示出)、一個由PtMn(15nm)/CoFe(3nm)構(gòu)成的自旋反射層7、一個由Ru構(gòu)成的層厚為5nm的第一蓋層(未示出)、一個由CoFeB構(gòu)成的層厚為3nm的磁記錄層6、一個由MgO構(gòu)成的層厚為1.0nm的隧道勢壘層5、一個由CoFe(5nm)/Ru(1nm)/CoFeB(3nm)構(gòu)成的磁化釘扎層4、一個由PtMn構(gòu)成的層厚為15nm的反鐵磁層3、以及一個由Ru構(gòu)成的層厚為5nm的第二蓋層(未示出)。之后，由Ta(50nm)/Al(2nm)/Ta(150nm)構(gòu)成的相反電極8形成在所述第二蓋層上。
之后，在300℃下進行退火，同時在磁化釘扎層4中的磁化方向上施加磁場，以便對磁化釘扎層4中的磁化進行固定。
在本例中，在相反電極8上施加一層光刻膠，使用光刻的方法形成具有磁阻效應(yīng)元件之薄膜表面形狀的光刻膠圖形。順便提及，磁阻效應(yīng)元件的薄膜表面采取近似矩形形狀、近似橢圓形狀、或者近似平行四邊形形狀，以便使磁記錄層6的磁化具有形狀各向異性。上述薄膜表面形狀中長邊的方向或者主軸的方向與磁化釘扎層4中釘扎的磁化方向相比傾斜38°。
該磁阻效應(yīng)元件隨后的工藝處理與第一個例子中的工藝相同。這樣就形成了一個磁存儲器。在本例中，用脈沖測量方法測量自旋注入磁化反轉(zhuǎn)引起的電阻變化。
在本例中，引起自旋注入磁化反轉(zhuǎn)，并能夠測量電阻變化。具有近似橢圓形狀的薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件的電阻對脈沖電流密度的依賴關(guān)系示于圖14。當(dāng)與磁化釘扎層4中的磁化方向相比，磁記錄層6中的磁化方向從近乎反平行狀態(tài)的一個方向反轉(zhuǎn)為近乎平行狀態(tài)的一個方向時，具有近似橢圓形狀的薄膜表面的磁阻效應(yīng)元件的發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)時的電流密度估計為0.56×106A/cm2。當(dāng)磁記錄層6中的磁化方向從近乎平行狀態(tài)的一個方向反轉(zhuǎn)為近乎反平行狀態(tài)的一個方向時，發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)的電流密度估計為1.7×106A/cm2。引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度平均為1.1×106A/cm2。
作為比較例，制造一個樣品，除了磁記錄層中的磁化方向與磁化釘扎層中的磁化方向相比不發(fā)生傾斜，即傾角為0°或180°，該樣品與本例中樣品相同，并用自旋注入進行磁化反轉(zhuǎn)。對于從近乎反平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎平行狀態(tài)的情形和從近乎平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎反平行狀態(tài)的情形，比較例樣品中引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度平均為1.0×107A/cm2。
所以，在本例中，可以在低電流密度下進行自旋注入寫操作。
薄膜表面形狀近乎橢圓或近乎平行四邊形的磁阻效應(yīng)元件的面積和平均反轉(zhuǎn)電流密度示于圖15。從圖15中注意到，在薄膜表面形狀近乎橢圓或近乎平行四邊形的磁阻效應(yīng)元件中，也可以在低電流密度下進行自旋注入寫操作。
本例中的磁存儲器被證明可以在低電流下進行自旋注入寫操作，并適合于作為大容量存儲器。
第三個例子作為本發(fā)明的第三個例子，制造一種磁阻效應(yīng)元件，該元件的形狀在形狀各向異性中有兩個軸。在本例中，形成與第一個例子中的磁阻效應(yīng)元件相同的層結(jié)構(gòu)。在300℃下進行退火，同時在磁化釘扎層中的磁化方向上施加磁場。
在本例中，使用和第一個例子中相同的光刻方法來制造如圖16A所示通過兩個近似矩形形狀的組合而得到其薄膜表面形狀的磁阻效應(yīng)元件、如圖16B所示通過兩個近似橢圓形狀的組合而得到其薄膜表面形狀的磁阻效應(yīng)元件、以及如圖16C所示通過兩個近似平行四邊形形狀的組合而得到其薄膜表面形狀的磁阻效應(yīng)元件。該元件的薄膜表面的形狀可以是一種從近似矩形形狀、近似橢圓形狀和近似平行四邊形形狀中組合其中的兩個而獲得的形狀。該元件的薄膜表面形狀可以是一種通過組合一部分的近似矩形形狀、一部分的近似橢圓形狀和一部分的近似平行四邊形形狀而獲得的形狀。
磁記錄層6的第一部分中的各向異性的形狀的軸61與磁化釘扎層4中的磁化方向41所形成的角度Ψ1設(shè)為32°，而磁記錄層6的第二部分的各向異性形狀的軸62與磁化釘扎層4中的磁化方向41所形成的角度Ψ2設(shè)為-32°(見圖9)。之后，磁阻效應(yīng)元件的制造過程和第一個例子中過程相同。
至于根據(jù)本例這樣制造的磁阻效應(yīng)元件，用脈沖測量方法測量由自旋注入磁化反轉(zhuǎn)所引起的電阻變化。所制造的磁阻效應(yīng)元件的形狀、面積以及被測量的自旋注入磁化反轉(zhuǎn)電流密度示于圖17。
作為比較例，制造一個樣品，除了磁記錄層中的磁化方向與磁化釘扎層中的磁化方向相比不發(fā)生傾斜，即傾角為0°或180°，該樣品與本例中樣品相同，并用自旋注入進行磁化反轉(zhuǎn)。對于從近乎反平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎平行狀態(tài)的情形和從近乎平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎反平行狀態(tài)的情形，比較例樣品中引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度的平均值為1.0×107A/cm2。
所以，在本例中，可以在低電流密度下進行自旋注入寫操作。如果用本例中的磁阻效應(yīng)元件來代替第一或第二例所述的磁存儲器中的磁阻效應(yīng)元件的話，可以得到具有大容量的磁存儲器。
第四個例子關(guān)于本例中的磁阻效應(yīng)元件，在成膜裝置中安裝一個磁體，進行成膜時給樣品施加一個磁場。在成膜時，通過使磁化釘扎層中的磁化方向相對于磁記錄層中的磁化方向傾斜一個角φ，使磁記錄層在第一時間獲得感生磁各向異性。至于層結(jié)構(gòu)，使用和第一個例子所述的磁阻效應(yīng)元件同樣的層結(jié)構(gòu)。
制造一個通過成膜后的退火在第二時間獲得感生磁各向異性的樣品，以及一個不退火因而在第二時間沒有獲得感生磁各向異性的樣品。至于本例中的退火，退火在300℃下進行，同時在與磁化釘扎層成膜時所用磁場的方向幾乎相同的方向上施加磁場，然后溫度降低到120℃，同時在與磁記錄層成膜時所用磁場的方向幾乎相同的方向上施加一個磁場以進行退火。
在本例中，制造一個具有方形形狀的磁阻效應(yīng)元件和一個具有圓形形狀的磁阻效應(yīng)元件。在本例的制造元件的工藝中，采用和第一個例子相同的方法。使用和第一個例子相同的脈沖測量方法測量自旋注入磁化反轉(zhuǎn)電流密度。
在一些元件形狀和一些角度φ情況下的平均反轉(zhuǎn)電流密度示于圖18。從圖18中注意到，只要元件在成膜時獲得感生磁各向異性，不管該元件是否在第二時間獲得感生磁各向異性，自旋注入磁化反轉(zhuǎn)電流密度的變化很小。
作為比較例，制造一個樣品，除了磁記錄層中的磁化方向與磁化釘扎層中的磁化方向相比不發(fā)生傾斜，即傾角為0°或180°，該樣品與本例中樣品相同，并用自旋注入進行磁化反轉(zhuǎn)。對于從近乎反平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎平行狀態(tài)的情形和從近乎平行狀態(tài)反轉(zhuǎn)為近乎反平行狀態(tài)的情形，該比較樣品中引起磁化反轉(zhuǎn)的電流密度平均為1.0×107A/cm2。
所以，應(yīng)該注意到，本例中的結(jié)構(gòu)使得可以在低電流下進行自旋注入寫操作。
如果用本例中的磁阻效應(yīng)元件來代替第一或第二例所述的磁存儲器中的磁阻效應(yīng)元件的話，可以得到具有大容量的磁存儲器。
根據(jù)本發(fā)明的例子，自旋反轉(zhuǎn)可以在低電流密度下產(chǎn)生，這樣不會引起元件的損壞，寫操作可以在小電流下進行，如前面所描述的。
對于那些本領(lǐng)域技術(shù)人員，很容易看到附加的優(yōu)點和修正。所以，本發(fā)明在其較寬的方面不限于這里所顯示和描述的具體細節(jié)和有代表性的實施例。因此，可以做各種修正而不偏離由附屬權(quán)利要求書及其等價描述所界定的一般性發(fā)明概念的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁阻效應(yīng)元件，包括磁化釘扎層，其中磁化方向被釘扎；磁記錄層，其中磁化方向是可變的，所述磁化釘扎層中的磁化方向與所述磁記錄層中的磁化方向之間形成一個大于0度小于180度的角，并且通過注入自旋極化電子到所述磁記錄層中，所述磁記錄層中的磁化方向被反轉(zhuǎn)；以及非磁性層，其設(shè)置為介于所述磁化釘扎層和所述磁記錄層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁記錄層的薄膜表面采取基本上是矩形的形狀，所述磁化釘扎層中的磁化方向相對于所述矩形的主軸傾斜一個大于0度小于180度的角，以及所述磁記錄層中的磁化方向基本上平行于所述矩形的所述軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁記錄層的薄膜表面采取基本上是橢圓的形狀，所述磁化釘扎層中的磁化方向相對于所述橢圓的主軸傾斜一個大于0度小于180度的角，以及所述磁記錄層中的磁化方向基本上平行于所述橢圓的所述軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁記錄層的薄膜表面采取基本上是平行四邊形的形狀，所述磁化釘扎層中的磁化方向相對于所述平行四邊形的長邊傾斜一個大于0度小于180度的角，以及所述磁記錄層中的磁化方向基本上平行于所述平行四邊形的所述長邊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁記錄層的薄膜表面形狀包括具有第一主軸的第一部分，和具有第二主軸的第二部分，所述第二主軸與第一主軸相交成一個大于0度小于180度的角，并且與所述第一部分相連，以及所述第一和第二主軸中的一個與所述磁化釘扎層中的磁化方向形成一個正角，而所述第一和第二主軸中的另一個與所述磁化釘扎層中的磁化方向形成一個負(fù)角。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁記錄層具有感生磁各向異性，所述磁記錄層中的磁化方向基本上平行于所述感生磁各向異性的方向，以及所述磁化釘扎層的磁化方向與所述磁記錄層中的所述感生磁各向異性的所述方向相比有一個大于0度小于180度的傾角。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁記錄層中的自旋極化因子P用P來表示，以及設(shè)α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4，β＝-4+3α，θ1＝arccos[{-αβ-2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]，θ1’＝arccos[{-αβ+2×31/2(β2-α2)}/(4β2-3α2)]其中0°＜θ1’＜θ1＜180°，當(dāng)θ1’大于等于120°時，所述磁化釘扎層中的磁化方向和所述磁記錄層中的磁化方向所形成的角度θ在(180°-θ1)到(180°-θ1’)的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在θ1’到θ1的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，并且當(dāng)θ1’小于120°時，所述角度θ在(180°-θ1)到60°的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在120°到θ1的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁記錄層中的自旋極化因子P用P來表示，以及設(shè)α＝{(P1/2+P-1/2)3}/4，β＝-4+3α，θ2＝arcsin[{(2-31/2)(β2-α2)1/2}/α]θ2’＝arcsin[{(2+31/2)(β2-α2)1/2}/α]其中0°＜θ2＜θ2’＜90°，當(dāng)θ2’小于60°時，所述磁化釘扎層中的磁化方向和所述磁記錄層中的磁化方向所形成的角度θ在θ2到θ2’的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在(180°-θ2’)到(180°-θ2)的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，并且當(dāng)θ2’大于等于60°時，所述角度θ在θ2到60°的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在120°到(180°-θ2)的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，其中，所述磁化釘扎層中的磁化方向和所述磁記錄層中的磁化方向所形成的角度在4°到60°的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度，或者在120°到176°的范圍內(nèi)，該范圍包括這兩個角度。
10.一種磁存儲器，包括第一連線；第二連線；以及存儲單元，包括如權(quán)利要求1所述的磁阻效應(yīng)元件，所述磁阻效應(yīng)元件中的磁記錄層與所述第一連線電連接，所述磁阻效應(yīng)元件中的磁化釘扎層與所述第二連線電連接。
全文摘要
可以在低電流密度下引起自旋反轉(zhuǎn)，這樣不會造成元件損壞，還可以用小電流進行寫操作。一種磁阻效應(yīng)元件包括磁化釘扎層，其中磁化方向被釘扎；磁記錄層，其中磁化方向可變，所述磁化釘扎層中的磁化方向與所述磁記錄層中的磁化方向之間形成一個大于0度小于180度的角，并且通過注入自旋極化電子到所述磁記錄層中，所述磁記錄層中的磁化方向?qū)崿F(xiàn)反轉(zhuǎn)；以及一個非磁性金屬層，介于所述磁化釘扎層和磁記錄層之間。
文檔編號H01F10/32GK101030443SQ20071000698
公開日2007年9月5日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月31日
發(fā)明者杉山英行, 齊藤好昭, 井口智明 申請人:株式會社東芝