專利名稱：磁隧道結(jié)器件、使用該器件的磁存儲(chǔ)器和單元及其存取方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁隧道結(jié)器件、使用磁隧道結(jié)器件的磁存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)單元及其存取方法。
近年來(lái)，與原來(lái)的各向異性磁阻效應(yīng)(AMR)器件和巨大磁阻效應(yīng)(GMR)器件相比，磁隧道結(jié)(MTJ)器件能夠得到大的輸出的事實(shí)已為人所知。因此，已經(jīng)考慮把磁隧道結(jié)(MTJ)器件應(yīng)用于HDD(硬盤驅(qū)動(dòng)器)用的重放磁頭或磁存儲(chǔ)器。
特別是，在磁存儲(chǔ)器中，雖然磁隧道結(jié)器件是與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相同的無(wú)源固體存儲(chǔ)器，但是，即使電源中斷，也不會(huì)丟失信息，而且重復(fù)次數(shù)沒有限制，即使放射線進(jìn)行照射也不存在記錄內(nèi)容消失的危險(xiǎn)性等，因此，與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相比更加有用。
原來(lái)的MTJ器件的構(gòu)成表示在

圖11上，這樣的構(gòu)成已經(jīng)展示于例如日本公開專利JP-A-9-106514公報(bào)(
公開日4/22/1997)。
圖11的MTJ器件104由反強(qiáng)磁性層141、強(qiáng)磁性層142、絕緣層143和強(qiáng)磁性層144層疊而成。這里，強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144的磁化都在膜面內(nèi)，并且具有平行或反平行的實(shí)際有效的單軸磁各向異性。強(qiáng)磁性層142的磁化實(shí)質(zhì)上從與反強(qiáng)磁性層141的交換結(jié)合開始固定于一個(gè)方向，按照強(qiáng)磁性層144的磁化的方向保持記錄。
采用FeMn、NiMn、PtMn、IrMn等合金作為反強(qiáng)磁性層141，采用Fe、Co、Ni或它們的合金作為強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144。雖然研討了使用各種氧化物或氮化物作為絕緣層143，但是已經(jīng)知道使用Al2O3膜的情況下，能夠得到最高的磁阻(MR)比。
另外，也已經(jīng)提出了用除去反強(qiáng)磁性層141的構(gòu)成而利用強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144的保持力差的MTJ器件的方案。
把上述圖11的構(gòu)造的MTJ器件104使用于磁存儲(chǔ)器的情況的動(dòng)作原理表示于圖12(a)和圖12(b)上。
如上所述，強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144的磁化都在膜面內(nèi)，并且具有平行或反平行的實(shí)際有效的單軸磁各向異性。強(qiáng)磁性層142的磁化實(shí)質(zhì)上從與反強(qiáng)磁性層141的交換結(jié)合開始固定于一個(gè)方向，按照強(qiáng)磁性層144的磁化的方向保持記錄。
按構(gòu)成該存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層144的磁化與強(qiáng)磁性層142的磁化平行或反平行來(lái)檢測(cè)出MTJ器件104的阻抗差別，由此來(lái)進(jìn)行讀出。利用配置在MTJ器件104附近的電流線產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)改變強(qiáng)磁性層144的磁化方向，由此來(lái)進(jìn)行寫入。
把圖11所示的構(gòu)成的MTJ器件用于可隨機(jī)存取的磁存儲(chǔ)器的情況的概略構(gòu)成表示于圖13上。晶體管151具有讀出時(shí)選擇MTJ器件152的作用。按照?qǐng)D11所示的MTJ器件的方向來(lái)記錄信息“0”、“1”，強(qiáng)磁性層142的磁化方向被固定。而且，強(qiáng)磁性層142與強(qiáng)磁性層144的磁化平行時(shí)，阻抗值低，反平行時(shí)，阻抗值高，利用這種磁阻效應(yīng)來(lái)讀出信息。另一方面，用比特線153和字線154形成的合成磁場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)強(qiáng)磁性層144的磁化方向，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)寫入。標(biāo)號(hào)155表示屏極線。
可是，因?yàn)樵谏鲜鰳?gòu)成的MTJ器件中強(qiáng)磁性層142與強(qiáng)磁性層144的磁化是面內(nèi)方向，所以磁極產(chǎn)生在兩端部。但是，當(dāng)為了磁存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的高密度化而使MTJ器件104微細(xì)化了的情況下，隨著器件的細(xì)微化，兩端部磁極產(chǎn)生的反磁場(chǎng)影響就變大。
因?yàn)閷?duì)于強(qiáng)磁性層142來(lái)說(shuō)是與反強(qiáng)磁性層141交換結(jié)合，所以上述的反磁場(chǎng)的影響少，如美國(guó)專利US5841692所示的那樣，由反強(qiáng)磁性結(jié)合的兩個(gè)強(qiáng)磁性層構(gòu)成強(qiáng)磁性層142，這樣就能夠使端部產(chǎn)生的磁極實(shí)質(zhì)上為零。
但是，因?yàn)閷?duì)于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層144不能采取同樣的方法，所以，與圖案的細(xì)微化有關(guān)，由于端部磁極的影響磁化就不穩(wěn)定，記錄的保持就很困難。
因此，考慮把構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層144作為閉合磁路來(lái)減低端部磁極的影響。這時(shí)，如果使比特線和字線都通過該閉合磁路內(nèi)，那么，在寫入時(shí)就能夠有效地把強(qiáng)磁性層144的磁化翻轉(zhuǎn)，但是，因?yàn)楸忍鼐€和字線在MTJ器件內(nèi)沿同樣的方向配置，所以，就很難作成為圖13所示的那種簡(jiǎn)單的正交排列。這種閉合磁路結(jié)構(gòu)的例子可見于日本公開專利JP-A-10-302456號(hào)公報(bào)(
公開日1998/11/13)等，但是并未公開這時(shí)磁存儲(chǔ)單元的最佳的存取方法。
考慮上述的磁頭和磁存儲(chǔ)器的應(yīng)用的情況下，高阻抗變化率就很重要，對(duì)于這樣的要求，從材料的觀點(diǎn)來(lái)看，限制了阻抗變化率的改善，所以試圖由膜的構(gòu)成來(lái)提高阻抗變化率。例如按照日本公開專利JP-A-11-163436號(hào)公報(bào)(
公開日6/18/1999)，把多個(gè)MTJ器件層疊起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高阻抗變化率。
圖14表示出了日本公開專利JP-A-11-163436號(hào)公報(bào)所示的MTJ器件的構(gòu)成。圖14的MTJ器件由第一強(qiáng)磁性層161、第一絕緣層162、第二強(qiáng)磁性層163、第二絕緣層164和第三強(qiáng)磁性層165層疊起來(lái)構(gòu)成，而且，上述構(gòu)成的MTJ器件雖然主要目的是應(yīng)用于磁頭，但是，也可以應(yīng)用于磁存儲(chǔ)器。
在把圖14構(gòu)成的MTJ器件用于磁存儲(chǔ)器的情況下，強(qiáng)磁性層161、強(qiáng)磁性層163和強(qiáng)磁性層165的磁化都在膜面內(nèi)，也可以具有平行或反平行的實(shí)際有效的單軸磁各向異性。
與反強(qiáng)磁性層的交換結(jié)合，實(shí)質(zhì)上就把強(qiáng)磁性層161和強(qiáng)磁性層165的磁化固定于一個(gè)方向上，并沿強(qiáng)磁性層163的磁化方向來(lái)保持記錄。構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層163的磁化平行或反平行于其他強(qiáng)磁性層161、165，通過檢測(cè)出MTJ器件的阻抗的不同，來(lái)進(jìn)行讀出。按照?qǐng)D14所示的構(gòu)成由于兩個(gè)磁隧道結(jié)合部串聯(lián)連接，所以，與具有單個(gè)磁隧道結(jié)合部的原來(lái)的MTJ器件相比，能夠得到大約兩倍的輸出。
利用MTJ器件附近配置的電流線產(chǎn)生磁場(chǎng)改變強(qiáng)磁性層163的磁化方向來(lái)實(shí)現(xiàn)寫入。
即使在上述構(gòu)成的MTJ器件中，由于強(qiáng)磁性層161、強(qiáng)磁性層163和強(qiáng)磁性層165的磁化都在膜面內(nèi)方向，所以，兩端部也會(huì)產(chǎn)生磁極。使磁存儲(chǔ)器高密度化有必要把MTJ器件細(xì)微化，但是，隨著器件的細(xì)微化，兩端部引起的磁極的影響就會(huì)變大。
在強(qiáng)磁性層161和強(qiáng)磁性層165與反強(qiáng)磁性層交換結(jié)合的情況下，上述的反磁場(chǎng)的影響小，而且，因?yàn)橛煞磸?qiáng)磁性結(jié)合的兩個(gè)強(qiáng)磁性層構(gòu)成強(qiáng)磁性層161和強(qiáng)磁性層165，所以實(shí)質(zhì)上能夠使端部產(chǎn)生的磁極為零。
但是，因?yàn)閷?duì)于構(gòu)成存儲(chǔ)層的反強(qiáng)磁性層163不能采取同樣的方法，所以，與圖案的細(xì)微化有關(guān)，由于端部磁極的影響磁化就不穩(wěn)定，記錄的保持就很困難。
本發(fā)明的目的是提供即使圖案細(xì)微化也能夠穩(wěn)定存在記錄在存儲(chǔ)層內(nèi)的磁化狀態(tài)的磁隧道結(jié)器件及使用該器件的磁存儲(chǔ)器。
本發(fā)明的其他目的是提供即使把閉合磁路導(dǎo)入構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層也不會(huì)降低磁存儲(chǔ)器的單元密度的磁存儲(chǔ)器的存取方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于至少在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)的一側(cè)經(jīng)金屬層的同時(shí)，設(shè)置作為間隔中央部的閉合磁路的第三磁性層，并由第一或第二磁性層與第三磁性層構(gòu)成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，因?yàn)榈谝换虻诙?qiáng)磁性層與第三強(qiáng)磁性層的磁化構(gòu)成閉環(huán)，所以能夠防止端部產(chǎn)生磁極。這樣，按照上述構(gòu)成的磁隧道結(jié)器件由于能夠避免端部磁極的影響，所以即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。
由于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。另外，本發(fā)明的MTJ器件能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器使用磁隧道結(jié)器件，所述磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于至少在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)的一側(cè)經(jīng)金屬層的同時(shí)，包含間隔中央部而設(shè)置的第三磁性層，并由第一或第二磁性層與第三磁性層形成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，因?yàn)榈谝换虻诙?qiáng)磁性層與第三強(qiáng)磁性層的磁化構(gòu)成閉環(huán)，所以能夠防止端部產(chǎn)生磁極。這樣，按照上述構(gòu)成的MTJ器件由于能夠避免端部磁極的影響，所以即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。由于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。另外，能夠降低使用上述MTJ器件的磁存儲(chǔ)器的耗電。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的其他磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、第一絕緣層、第二磁性層、第二絕緣層和第三磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于在所述第二磁性層的所述第一絕緣層層疊側(cè)或第二絕緣層層疊側(cè)的某一側(cè)上經(jīng)金屬層的同時(shí)，間隔中央部而設(shè)置第四磁性層，并由所述第二磁性層和所述第四磁性層構(gòu)成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，能夠得到高的阻抗變化率，并能夠降低端部磁極的影響。因此，即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。由于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的其他磁存儲(chǔ)器使用磁隧道結(jié)器件，所述磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、第一絕緣層、第二磁性層、第二絕緣層和第三磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于在所述第二磁性層的所述第一絕緣層層疊側(cè)或第二絕緣層層疊側(cè)的某一側(cè)上經(jīng)金屬層的同時(shí)，間隔中央部而設(shè)置第四磁性層，并由所述第二磁性層和所述第四磁性層構(gòu)成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高集成度的磁存儲(chǔ)器，并能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器的存取方法包含如下步驟形成設(shè)置在保持磁存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)的磁性層上的閉合磁路層；在所述磁性層和閉合磁路層構(gòu)成的閉合磁路內(nèi)配置第一電流線，并在該閉合磁路外配置第二電流線；使上述閉合磁路層的磁化翻轉(zhuǎn)而使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)的電流流入所述第一電流線，另一方面，使該磁性層的磁化單獨(dú)地不翻轉(zhuǎn)，與上述第一電流線的合成磁場(chǎng)使該磁性層的磁化翻轉(zhuǎn)的電流流入所述第二電流線，由此來(lái)改變?cè)摯判詫拥拇呕较颉?br> 按照上述的磁存儲(chǔ)單元的存取方法，通過控制強(qiáng)磁性層和閉合磁路層的磁特性和流入第一電流線(比特線)和第二電流線(字線)的電流的大小，就能夠僅存取單一的磁存儲(chǔ)單元，同時(shí)，能夠降低記錄電流。由于降低了磁存儲(chǔ)單元的端部磁極的影響，所以即使把圖案細(xì)微化也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)，同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高集成度的磁存儲(chǔ)器。由于存儲(chǔ)層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。另外，采用本發(fā)明能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
由于上述第一電流線處在由上述磁性層和閉合磁路層構(gòu)成的閉合磁路層結(jié)構(gòu)內(nèi)，所以，能夠以非常低的電流使閉合磁路的磁化翻轉(zhuǎn)，并能夠有效地對(duì)上述磁性層施加磁場(chǎng)。
根據(jù)以下所示的記載將能夠十分清楚地了解本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，參照附圖的如下的說(shuō)明將更加明白本發(fā)明的有利之處。
圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的MTJ器件的概略構(gòu)成圖。
圖2是使用圖1所示的MTJ器件的磁存儲(chǔ)器的概略構(gòu)成圖。
圖3是圖2所示的磁存儲(chǔ)器的字線和比特線的配置圖。
圖4是按照本發(fā)明的其他實(shí)施例的MTJ器件的概略構(gòu)成圖。
圖5是使用圖4所示的MTJ器件的磁存儲(chǔ)器的概略構(gòu)成圖。
圖6是使用本發(fā)明的MTJ器件的磁存儲(chǔ)器的字線和比特線的配置圖。
圖7是本發(fā)明的MTJ器件的其他概略構(gòu)成圖。
圖8是本發(fā)明的磁存儲(chǔ)單元的說(shuō)明圖。
圖9是本發(fā)明的磁存儲(chǔ)單元的概略構(gòu)成圖。
圖10是本發(fā)明的其他磁存儲(chǔ)單元的概略構(gòu)成圖。
圖11是原來(lái)的MTJ器件的構(gòu)成圖。
圖12(a)和圖12(b)是使用磁存儲(chǔ)器的原來(lái)的MTJ器件動(dòng)作原理圖。
圖13是原來(lái)的磁存儲(chǔ)器的概略構(gòu)成圖。
圖14是原來(lái)的MTJ器件的概略構(gòu)成圖。參照附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明如下。
如圖1所示，按照本實(shí)施例的MTJ器件1由反強(qiáng)磁性層11、強(qiáng)磁性層12、絕緣層13、強(qiáng)磁性層14、金屬層15、16和閉合磁路層17(第三磁性層)構(gòu)成。上述反強(qiáng)磁性層11和強(qiáng)磁性層12交換結(jié)合，強(qiáng)磁性層14和閉合磁路層17經(jīng)金屬層15、16相結(jié)合，并由中央部相間隔。上述磁性層12或14相當(dāng)于第一或第二磁性層，上述閉合磁路層17相當(dāng)于上述第三磁性層。
作為上述反強(qiáng)磁性層11的材料，可以用FeMn、NiMn、PtMn、IrMn等合金。作為強(qiáng)磁性層12、14和閉合磁路層17的材料，可以用Fe、Co、Ni或它們的合金。從MR比的觀點(diǎn)來(lái)看，作為絕緣層13，最好是Al2O3膜。但是，本發(fā)明的絕緣層13并不限于此，也可以是其他氧化膜、氮化膜等絕緣膜，也可以是Si膜、金剛石膜、相似金剛石碳膜(DLD)等絕緣膜。
作為金屬層15的材料，可以用Ru、Cr、Cu等金屬或它們的合金。該金屬層的膜厚設(shè)定為強(qiáng)磁性層14和閉合磁路層17反強(qiáng)磁性結(jié)合的膜厚，這時(shí)，強(qiáng)磁性層14和閉合磁路層17的磁化構(gòu)成閉環(huán)(閉合磁路)，所以能夠防止端部產(chǎn)生磁性。
強(qiáng)磁性層12、14和閉合磁路層17的膜厚最好大于10而小于1000。因?yàn)槿绻ず裉?，熱能的影響形成超常磁化，所以磁性層的膜厚最好大?0，另一方面，如果膜厚太厚，按照本發(fā)明的閉合磁路的結(jié)構(gòu)就避免不了端部磁極的影響，所以磁性層的膜厚最好小于1000。也可以把各磁性層構(gòu)成多層膜結(jié)構(gòu)，這時(shí)，最好把總膜厚設(shè)定為大于10而小于1000。
作為絕緣層13的膜厚最好是大于3而小于30，這是因?yàn)樵诮^緣層13的膜厚小于3的情況下，強(qiáng)磁性層12和強(qiáng)磁性層14有可能電短路，而在大于30的情況下，難以產(chǎn)生電子隧道，而會(huì)減小磁阻比。
圖1中，雖然各自分離地設(shè)置金屬層15、16，顯然，即使連續(xù)地形成單一的金屬層，也可以達(dá)到本發(fā)明的目的。
圖2表示把本實(shí)施例的MTJ器件1用于可隨機(jī)存取的磁存儲(chǔ)器2的情況的概圖。
在讀出時(shí)，晶體管21起選擇MTJ器件1的作用，根據(jù)圖1所示的MTJ器件1的強(qiáng)磁性層14的磁化方向來(lái)記錄信息“0”、“1”，固定強(qiáng)磁性層12的磁化方向。而且，利用強(qiáng)磁性層12和強(qiáng)磁性層14的磁化平行時(shí)阻抗低而反平行時(shí)阻抗高的磁阻效應(yīng)來(lái)讀出信息。另一方面，通過用比特線22(引線)和字線23(引線)所形成的合成磁場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)強(qiáng)磁性層14和閉合磁路層17的磁化方向，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)寫入。
圖3中表示比特線22和字線23的配置例，圖中，24表示板極線，如該圖所示，在強(qiáng)磁性層14和閉合磁路層17的中央間隔部?jī)?nèi)貫通比特線22和字線23，這樣就能夠減小翻轉(zhuǎn)強(qiáng)磁性層14和閉合磁路層17的磁化方向所需要的電流，并能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
作為比特線22和字線23的配置，并不限定于圖3的配置方式，例如也可以把比特線22和字線23設(shè)置在同一平面上。或者，也可以把兩者或其某一方的配線設(shè)置在MTJ器件的外部，這樣，能夠簡(jiǎn)單地進(jìn)行存取。
在圖3中，比特線22和字線23同時(shí)由強(qiáng)磁性層14和閉合磁路層17電氣絕緣，但是，本發(fā)明并不限于此，其任何一方與閉合磁路層17電氣連接都能夠作為檢測(cè)阻抗變化的電極。
在上面的描述中，由與反強(qiáng)磁性層11的交換結(jié)合來(lái)固定強(qiáng)磁性層12的磁化，但是也可以采取使用保持力大的強(qiáng)磁性材料等的其他手段。
用通過金屬層進(jìn)行反強(qiáng)磁性結(jié)合的兩個(gè)強(qiáng)磁性層來(lái)構(gòu)成強(qiáng)磁性層12，能夠減輕強(qiáng)磁性層12的端部產(chǎn)生的磁極的影響，而且，在用例如補(bǔ)償點(diǎn)附近組成的稀土類-遷移金屬合金之類的鐵氧體磁性材料12的場(chǎng)合，同樣也能降低端部磁極的影響。
也可以按照與上述的順序相反的順序來(lái)疊層各層，另外，在本實(shí)施例中，僅說(shuō)明了一方的強(qiáng)磁性層形成閉合磁路的情況，但是本發(fā)明并不限定于此，也可以把兩方的強(qiáng)磁性層都形成閉合磁路。
在本實(shí)施例中，僅說(shuō)明了MTJ器件部分，在實(shí)際的器件形成時(shí)，當(dāng)然必須要有供電用的電極、基板、保護(hù)層和粘結(jié)層等。參照附圖對(duì)本發(fā)明的其他實(shí)施例說(shuō)明如下。
圖4表示本實(shí)施例的MTJ器件的概略構(gòu)成。
如圖4所示，按照本實(shí)施例的MTJ器件3包含有反強(qiáng)磁性層31(第一反強(qiáng)磁性層)、強(qiáng)磁性層32、絕緣層33、強(qiáng)磁性層34(第二磁性層)、金屬層35、35′、強(qiáng)磁性層(閉合磁路層)36、絕緣層37、強(qiáng)磁性層38和反強(qiáng)磁性層(第二反強(qiáng)磁性層)39。強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層(閉合磁路層)36(第四磁性層)在兩端部經(jīng)金屬層35、35′相結(jié)合，并由中央部間隔開。
這里，把金屬層35、35′的膜厚設(shè)定為強(qiáng)磁性層34與強(qiáng)磁性層36反強(qiáng)磁性結(jié)合的膜厚，這就能夠使強(qiáng)磁性層34與強(qiáng)磁性層36的磁化方向相反，因?yàn)閺?qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層36的磁化構(gòu)成閉環(huán)，所以能夠防止在強(qiáng)磁性層34的端部產(chǎn)生磁壁。
反強(qiáng)磁性層31與強(qiáng)磁性層32、反強(qiáng)磁性層39與強(qiáng)磁性層38分別交換結(jié)合，并固定強(qiáng)磁性層32和強(qiáng)磁性層38的磁化方向。
作為強(qiáng)磁性層32、34、38和閉合磁路層36的材料，可以使用Fe、Co、Ni或它們的合金，作為反強(qiáng)磁性層31、39的材料，可以使用FeMn、NiMn、PtMn、IrMn等合金。
從阻抗變化率的觀點(diǎn)來(lái)看，作為絕緣層33、37最好使用Al2O3膜，但是，本發(fā)明的絕緣層33、37并不限定于此，也可以使用其他氧化膜、氮化膜等絕緣膜，也可以使用Si膜、金剛石膜、相似金剛石碳膜(DLD)等絕緣膜。作為金屬層35、35′的材料，可以用Ru、Cr、Cu等金屬或它們的合金。
MTJ器件3在由強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層36形成的閉環(huán)的磁化方向上保持記憶，MTJ器件3按照由強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層36形成的閉環(huán)的磁化方向和固定層即強(qiáng)磁性層32、38的磁化方向平行或反平行引起的阻抗變化來(lái)讀出存儲(chǔ)狀態(tài)。
這樣，由于在由強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層36形成的閉環(huán)的磁化方向上保持記憶，所以必須由反強(qiáng)磁性層31與反強(qiáng)磁性層39的交換結(jié)合把強(qiáng)磁性層32、38的磁化固定在互逆的方向上。
這樣的磁化的配置能夠通過使用交換結(jié)合磁場(chǎng)的消失溫度(閉塞溫度)Tb不同的材料作為反強(qiáng)磁性層31、39來(lái)實(shí)現(xiàn)。
例如把PtMn用于反強(qiáng)磁性層31以及把IrMn用于反強(qiáng)磁性層39為例進(jìn)行說(shuō)明。PtMn是具有AuCuI型的規(guī)則相的反強(qiáng)磁性層，其Tb1是380℃。另一方面，IrMn是具有面心立方結(jié)構(gòu)的反強(qiáng)磁性層，其Tb2是270℃。
首先，在同一真空中全部層(21～29)成型后，為使PtMn膜構(gòu)成的反強(qiáng)磁性層31規(guī)則化，在某方向上施加磁場(chǎng)，同時(shí)在250℃下進(jìn)行熱處理6小時(shí)。這樣，PtMn膜(反強(qiáng)磁性層31)規(guī)則化，其自旋一面受朝向施加磁場(chǎng)方向的強(qiáng)磁性層32的磁化的影響，一面由冷卻過程進(jìn)行排列。由該結(jié)果產(chǎn)生的交換結(jié)合就使強(qiáng)磁性層32固定于施加磁場(chǎng)方向上。
然后，用高于Tb2而低于Tb1的溫度進(jìn)行加熱，一面在與最初相反的方向上施加磁場(chǎng)，一面冷卻。這樣，由IrMn膜構(gòu)成的反強(qiáng)磁性層39的自旋一面受施加反方向磁場(chǎng)的強(qiáng)磁性層38的磁化的影響，一面由冷卻過程進(jìn)行排列，結(jié)果，被固定于與最初的熱處理反平行的方向上。
這時(shí)，由于是低于Tb1的溫度，所以，由PtMn膜構(gòu)成的反強(qiáng)磁性層31和強(qiáng)磁性層32的交換結(jié)合的磁場(chǎng)方向被維持在開始不受影響的熱處理的方向上，結(jié)果，反強(qiáng)磁性層31和強(qiáng)磁性層32的磁化方向成為反平行。
反強(qiáng)磁性層的材料和磁化的排列方向并不限定于上述的那樣，也可以是Tb不同的兩個(gè)反強(qiáng)磁性層。除了在磁場(chǎng)中進(jìn)行熱處理的方法之外，作為磁化排列的方法也能夠用控制成膜時(shí)的磁場(chǎng)方向、或者把它們組合起來(lái)等方法也能夠?qū)崿F(xiàn)。顯然，在把不規(guī)則合金膜用于反強(qiáng)磁性層的情況下，就不必進(jìn)行使用規(guī)則合金膜時(shí)的規(guī)則化熱處理。
強(qiáng)磁性層32、34、38和閉合磁路層36的膜厚最好大于10而小于1000。如果膜厚太薄，熱能的影響形成超常磁化，所以磁性層的膜厚最好大于10，另一方面，如果膜厚太厚，按照本發(fā)明的閉合磁路的結(jié)構(gòu)就避免不了端部磁極的影響，所以磁性層的膜厚最好小于1000。也可以把各磁性層構(gòu)成多層膜結(jié)構(gòu)，這時(shí)，最好把總膜厚設(shè)定為大于10而小于1000。
所述絕緣層33、37的膜厚最好是大于3而小于30，這是因?yàn)樵诮^緣層33、37的膜厚小于3的情況下，強(qiáng)磁性層32和強(qiáng)磁性層34或強(qiáng)磁性層36和強(qiáng)磁性層38有可能電短路，而在絕緣層33、37的膜厚大于30的情況下，難以產(chǎn)生電子隧道，而會(huì)減小磁阻比。
圖4中，雖然各自分離地設(shè)置金屬層35、35′，顯然，在由連續(xù)地的單一金屬層形成的場(chǎng)合，也可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。
另外，由于由兩層強(qiáng)磁性層構(gòu)成強(qiáng)磁性層32或強(qiáng)磁性層38，所以能夠?qū)嶋H有效地在端部不產(chǎn)生磁極。即使用三層以上來(lái)調(diào)整構(gòu)成強(qiáng)磁性層的膜厚，也可以實(shí)際有效地在端部不產(chǎn)生磁極。
圖5表示把本發(fā)明的MTJ器件3用于可存取的磁存儲(chǔ)器80的情況下的概圖。
圖5中，在讀出時(shí)，晶體管71起選擇MTJ器件3的作用，根據(jù)圖4所示的MTJ器件3的強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層36的磁化方向來(lái)記錄信息“0”、“1”，固定強(qiáng)磁性層32和強(qiáng)磁性層38的磁化方向。而且，當(dāng)強(qiáng)磁性層32和強(qiáng)磁性層34的磁化平行時(shí)以及強(qiáng)磁性層32和強(qiáng)磁性層38的磁化平行時(shí)，阻抗低而反平行時(shí)利用阻抗高的磁阻效應(yīng)來(lái)讀出信息。另一方面，通過用比特線72(引線)和字線73(引線)所形成的合成磁場(chǎng)來(lái)翻轉(zhuǎn)強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層36的磁化方向，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)寫入。
74表示板極線。
圖6中表示比特線72和字線73的配置例。
圖6中，在強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層36的中央間隔部?jī)?nèi)貫通比特線72和字線73，這樣就能夠減小翻轉(zhuǎn)強(qiáng)磁性層34和強(qiáng)磁性層(閉合磁路層)36的磁化方向所需要的電流，并能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
比特線72和字線73同時(shí)由強(qiáng)磁性層14和強(qiáng)磁性層36電氣絕緣。參照附圖對(duì)本發(fā)明的其他實(shí)施例說(shuō)明如下。
圖7表示本實(shí)施例的MTJ器件的概略構(gòu)成。
如圖7所示，按照本實(shí)施例的MTJ器件4由反強(qiáng)磁性層41(第一反強(qiáng)磁性層)、強(qiáng)磁性層42(第一磁性層)、絕緣層43(第一絕緣層)、強(qiáng)磁性層44(第二磁性層)、金屬層45、45′、強(qiáng)磁性層(閉合磁路層)46(第四磁性層)、絕緣層47(第二絕緣層)、強(qiáng)磁性層38(第三磁性層)和反強(qiáng)磁性層(第二反強(qiáng)磁性層)39構(gòu)成。強(qiáng)磁性層44和強(qiáng)磁性層(閉合磁路層)46在兩端部經(jīng)金屬層45、45′相結(jié)合，并由中央部間隔開。
這里，把金屬層45、45′的膜厚設(shè)定為強(qiáng)磁性層44與強(qiáng)磁性層46反強(qiáng)磁性結(jié)合的膜厚，這就能夠使強(qiáng)磁性層44與強(qiáng)磁性層46的磁化方向相反，因?yàn)閺?qiáng)磁性層44和強(qiáng)磁性層46的磁化構(gòu)成閉環(huán)，所以能夠防止在強(qiáng)磁性層44的端部產(chǎn)生磁壁。
本實(shí)施例的MTJ器件4不同于實(shí)施例2的MTJ器件3，強(qiáng)磁性層42由經(jīng)金屬層42b(第二金屬層)反強(qiáng)磁性結(jié)合的兩層強(qiáng)磁性層42a(第二強(qiáng)磁性層)和強(qiáng)磁性層42c(第一強(qiáng)磁性層)構(gòu)成，強(qiáng)磁性層42c與反強(qiáng)磁性層41交換結(jié)合。與實(shí)施例2同樣，反強(qiáng)磁性層49和強(qiáng)磁性層48交換結(jié)合。
即強(qiáng)磁性層48用固定層通過與反強(qiáng)磁性層49的交換結(jié)合來(lái)固定磁化，強(qiáng)磁性層42c通過與反強(qiáng)磁性層41的交換結(jié)合來(lái)固定磁化，另外，強(qiáng)磁性層42a經(jīng)金屬層42b反強(qiáng)磁性結(jié)合，所以在與強(qiáng)磁性層42c反方向固定磁化。
MTJ器件4在由強(qiáng)磁性層44和強(qiáng)磁性層46形成的閉環(huán)的磁化方向上保持記錄，通過強(qiáng)磁性層44和強(qiáng)磁性層46形成的閉環(huán)的磁化方向與強(qiáng)磁性層42a、48的磁化方向平行或反平行引起的阻抗變化來(lái)讀出記憶狀態(tài)。
這樣，為了通過強(qiáng)磁性層44和強(qiáng)磁性層46形成的閉環(huán)的磁化方向與強(qiáng)磁性層42a、48的磁化方向平行或反平行引起的阻抗變化來(lái)讀出記憶狀態(tài)，就必須把強(qiáng)磁性層42c的磁化方向固定于與強(qiáng)磁性層48的磁化方向相同的方向上。
因此，按照本實(shí)施例，就能夠一次處理或在相同的磁場(chǎng)方向上固定強(qiáng)磁性層42c和強(qiáng)磁性層48的磁化方向，與前述的實(shí)施例相比能夠使處理簡(jiǎn)單化。
在本實(shí)施例中，強(qiáng)磁性層42由兩層強(qiáng)磁性層構(gòu)成，強(qiáng)磁性層48由單層強(qiáng)磁性層構(gòu)成，但是如果用構(gòu)成固定層的兩層來(lái)使強(qiáng)磁性層的層數(shù)不同于一層，也能夠得到同樣的效果。
在本實(shí)施例中，在反強(qiáng)磁性層41和反強(qiáng)磁性層49中也可以使用同樣的反強(qiáng)磁性材料。
與前述的實(shí)施例2的MTJ器件3一樣，本實(shí)施例的MTJ器件4可以用于磁存儲(chǔ)器。
在本實(shí)施例中，僅僅表示了MTJ器件部分，在實(shí)際的器件形成時(shí)，當(dāng)然還必須要有供給電流用的電極、基板、保護(hù)層和粘接層。參照附圖對(duì)本發(fā)明的其他實(shí)施例說(shuō)明如下。
圖8表示按照本實(shí)施例的磁存儲(chǔ)器的概略構(gòu)成。磁存儲(chǔ)器51配置在比特線52(第一電流線)和字線53(第二電流線)的交點(diǎn)上。磁存儲(chǔ)器51在圖面的縱軸方向上具有閉合磁路結(jié)構(gòu)，磁化也朝向同一方向。圖9表示圖8的AB斷面圖，為簡(jiǎn)便起見，僅僅表示了一個(gè)磁存儲(chǔ)單元。
如圖9所示，磁存儲(chǔ)器51在由反強(qiáng)磁性層61、強(qiáng)磁性層62、絕緣層63、強(qiáng)磁性層64構(gòu)成的MTJ器件上設(shè)置有閉合磁路65。而且，反強(qiáng)磁性層61和強(qiáng)磁性層62交換結(jié)合，強(qiáng)磁性層64(磁性層)與閉合磁路層65在兩端部結(jié)合，在中央部間隔開。在其中央間隔部設(shè)置有比特線52，并與MTJ器件電連接，字線53經(jīng)絕緣層66被設(shè)置在磁存儲(chǔ)單元51上。
因此，MTJ器件的一面與比特線52電連接，另一面與選擇晶體管(未示出)的漏極連接。字線與MTJ器件電絕緣，與未圖示的選擇晶體管的柵極相連接。結(jié)果，構(gòu)成圖5所示的可隨機(jī)存取的方案。
磁存儲(chǔ)單元的信息在強(qiáng)磁性層64的磁化方向上進(jìn)行存儲(chǔ)，另一方面，強(qiáng)磁性層62的磁化方向通過與反強(qiáng)磁性層61的交換結(jié)合被固定下來(lái)，因此，利用由強(qiáng)磁性層62和強(qiáng)磁性層64的磁化方向平行、反平行使MTJ器件的阻抗變化來(lái)檢測(cè)出存儲(chǔ)在磁存儲(chǔ)單元內(nèi)的信息，即檢測(cè)出強(qiáng)磁性層的磁化方向。
磁存儲(chǔ)單元的信息的改寫是使電流流過比特線52和字線53來(lái)改變強(qiáng)磁性層64的磁化方向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)，處于流過電流的比特線52和字線53的交點(diǎn)的磁存儲(chǔ)單元51以外的磁存儲(chǔ)單元的強(qiáng)磁性層62必須不改變磁化方向，這能夠按如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
強(qiáng)磁性層64能夠保持信息，但是，具有用記錄電流可改寫的保持力。另一方面，閉合磁路層65由比強(qiáng)磁性層64的保持力小的材料構(gòu)成。在改寫磁存儲(chǔ)單元51的信息的情況下，雖然使閉合磁路層65的磁化翻轉(zhuǎn)，但是使強(qiáng)磁性層64的磁化不翻轉(zhuǎn)的大小的電流流過比特線52。另外，雖然與比特線52的合成磁場(chǎng)使強(qiáng)磁性層64的磁化翻轉(zhuǎn)，而不能翻轉(zhuǎn)的大小的電流單獨(dú)地流過字線53。這時(shí)，因?yàn)閬?lái)自比特線52的磁場(chǎng)不施加在處于比特線52上的磁存儲(chǔ)單元51以外的單元上，所以強(qiáng)磁性層64的磁化方向不變化。
如上所述，通過控制強(qiáng)磁性層64和閉合磁路層65的磁特性以及流過比特線52和字線53的電流的大小，就能夠改變處于比特線52和字線53交點(diǎn)處的磁存儲(chǔ)單元51的磁化方向。
按照本實(shí)施例，因?yàn)楸忍鼐€52處于由強(qiáng)磁性層64和閉合磁路層65構(gòu)成的閉合磁路結(jié)構(gòu)內(nèi)，所以，能夠以非常低的電流使閉合磁路層65的磁化翻轉(zhuǎn)，從而能夠有效地把磁場(chǎng)施加于強(qiáng)磁性層64上。另一方面，字線53還經(jīng)絕緣層接近于閉合磁路層65，所以，能夠通過閉合磁路層65有效地把磁場(chǎng)施加于強(qiáng)磁性層64。因此，與圖4所示的原來(lái)的結(jié)構(gòu)相比，能夠以十分低的電流來(lái)改變磁存儲(chǔ)單元51的磁化方向。因此，如果用高導(dǎo)磁率材料來(lái)構(gòu)成閉合磁路層65，降低記錄電流是十分有效的。
圖10表示圖8所示的磁存儲(chǔ)單元51的其他構(gòu)成例。該構(gòu)成與圖9所示的構(gòu)成之不同點(diǎn)在于強(qiáng)磁性層64和閉合磁路層65經(jīng)金屬層67相結(jié)合。該金屬層67的膜厚被設(shè)定得使強(qiáng)磁性層64和閉合磁路層65反強(qiáng)磁性結(jié)合。因此，當(dāng)與上述一樣地進(jìn)行磁存儲(chǔ)單元51的信息的改寫時(shí)，在磁存儲(chǔ)單元51以外不進(jìn)行改寫的單元中，由于經(jīng)金屬層67的反強(qiáng)磁性結(jié)合，強(qiáng)磁性層64和閉合磁路層65的磁化就確實(shí)地構(gòu)成閉合磁路。
在本實(shí)施例中，作為具有閉合磁路結(jié)構(gòu)的磁存儲(chǔ)單元，表示了使用MTJ器件的兩個(gè)例子，也可以使用具有其他閉合磁路結(jié)構(gòu)的磁存儲(chǔ)單元。在上述的實(shí)施例中，字線設(shè)置在比特線之上，但是，也可以設(shè)置在MTJ器件之下。比特線可以由MTJ器件進(jìn)行絕緣，或者可以替換插入比特線和字線，或者記錄用、讀出用可以分別設(shè)置比特線或字線等，當(dāng)然，有關(guān)比特線和字線以及閉合磁路的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明并不局限于上述的實(shí)施例。
如上所述，本發(fā)明的第一磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)經(jīng)金屬層設(shè)置作為間隔中央部的閉合磁路的第三磁性層，并由第一或第二磁性層與第三磁性層構(gòu)成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，因?yàn)榈谝换虻诙?qiáng)磁性層與第三強(qiáng)磁性層的磁化構(gòu)成閉環(huán)，所以能夠防止端部產(chǎn)生磁極。這樣，按照上述構(gòu)成的磁隧道結(jié)器件由于能夠避免端部磁極的影響，所以即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。由于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。另外，使用上述MTJ器件的磁存儲(chǔ)器能夠降低耗電。
本發(fā)明的第二磁隧道結(jié)器件的特征在于在所述第一磁隧道結(jié)器件中至少一條引線被設(shè)置在所述第一或第二磁性層與第三磁性層的間隔部?jī)?nèi)。
按照上述的構(gòu)成，由于所述第一或第二磁性層與閉合磁路層的中央間隔部?jī)?nèi)貫通引線，所以能夠減小翻轉(zhuǎn)該磁性層與閉合磁路層的磁化方向所必要的電流值，從而能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
本發(fā)明的第三磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、第一絕緣層、第二磁性層、第二絕緣層和第三磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于在所述第二磁性層的所述第一絕緣層層疊側(cè)或第二絕緣層層疊側(cè)的某一側(cè)上經(jīng)金屬層間隔開中央部而設(shè)置第四磁性層，并由所述第二磁性層和所述第四磁性層構(gòu)成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，能夠得到高的阻抗變化率，并能夠降低端部磁極的影響。因此，即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。由于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。
本發(fā)明的第四磁隧道結(jié)器件的特征在于，在所述第三磁隧道結(jié)器件結(jié)構(gòu)中層疊有交換結(jié)合在所述第一磁性層上的第一反強(qiáng)磁性層，并層疊有交換結(jié)合在所述第三磁性層上的第二反強(qiáng)磁性層。
本發(fā)明的第五磁隧道結(jié)器件的特征在于，在所述第四磁隧道結(jié)器件結(jié)構(gòu)中所述第一反強(qiáng)磁性層與所述第一磁性層的交換結(jié)合的消失溫度與所述第二反強(qiáng)磁性層與所述第三磁性層的交換結(jié)合的消失溫度不同。
本發(fā)明的第六磁隧道結(jié)器件的特征在于，在所述第一或第二磁隧道結(jié)器件結(jié)構(gòu)中至少由經(jīng)金屬層反強(qiáng)磁性結(jié)合的兩個(gè)以上的強(qiáng)磁性層構(gòu)成所述第一磁性層或第三磁性層的某一個(gè)。
按照上述構(gòu)成，為了通過由第一或第三磁性層和作為閉合磁路層的第二磁性層構(gòu)成的閉環(huán)的磁化方向與所述強(qiáng)磁性層和第一或第三磁性層的磁化方向平行或反平行來(lái)由阻抗變化讀出記憶狀態(tài)，所述強(qiáng)磁性層的磁化方向必須被固定于與所述第一或第三磁性層相同的方向上。
因此，按照本實(shí)施例，就能夠一次處理或在相同的磁場(chǎng)方向上固定強(qiáng)磁性層和所述第一或第三強(qiáng)磁性層的磁化方向，這樣就能夠使處理簡(jiǎn)單化。
在上述的實(shí)施例中，由兩層強(qiáng)磁性層構(gòu)成強(qiáng)磁性層，而由單層構(gòu)成第三磁性層，但是如果用構(gòu)成固定層的兩層來(lái)使強(qiáng)磁性層的層數(shù)不同于一層，也能夠得到同樣的效果。
本發(fā)明的第七磁隧道結(jié)器件的特征在于，在所述第三至第六的任一個(gè)磁隧道結(jié)器件中在所述第二磁性層和第四磁性層的間隔部?jī)?nèi)設(shè)置至少一條引線。
按照上述構(gòu)成，由于所述第二磁性層與第四磁性層的中央間隔部?jī)?nèi)貫通引線，所以能夠減小翻轉(zhuǎn)第二磁性層與第四磁性層(閉合磁路層)的磁化方向所必要的電流值，從而能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
本發(fā)明的第一磁存儲(chǔ)器的特征在于使用磁隧道結(jié)器件，所述磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成，至少在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)的一側(cè)經(jīng)金屬層間隔開中央部而設(shè)置有第三磁性層，并由第一或第二磁性層與第三磁性層形成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，因?yàn)榈谝换虻诙?qiáng)磁性層與第三強(qiáng)磁性層的磁化構(gòu)成閉環(huán)，所以能夠防止端部產(chǎn)生磁極。這樣，按照上述構(gòu)成的MTJ器件由于能夠避免端部磁極的影響，所以即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。由于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。另外，能夠降低使用上述MTJ器件的磁存儲(chǔ)器的耗電。
本發(fā)明的第二磁存儲(chǔ)器的特征在于在所述第一磁存儲(chǔ)器中，所述第一或第二強(qiáng)磁性層與第三磁性層的間隔部設(shè)置有至少一條引線。
本發(fā)明的第三磁存儲(chǔ)器的特征在于使用磁隧道結(jié)器件，所述磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、第一絕緣層、第二磁性層、第二絕緣層和第三磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于至少在所述第二磁性層的所述第一絕緣層層疊側(cè)或第二絕緣層層疊側(cè)的某一側(cè)上經(jīng)金屬層的同時(shí)，間隔中央部而設(shè)置第四磁性層，并由所述第二磁性層和所述第四磁性層構(gòu)成閉合磁路。
按照上述的構(gòu)成，能夠得到高阻抗變化率，并能夠降低端部磁極的影響。因此，即使圖案細(xì)微化，也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高集成度的磁存儲(chǔ)器，并能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器的存取方法的特征在于，在保持磁存儲(chǔ)單元的存儲(chǔ)的磁性層上設(shè)置閉合磁路層，在由所述磁性層和閉合磁路層構(gòu)成的閉合磁路內(nèi)配置第一電流線，在該閉合磁路外配置第二電流線，同時(shí)，使上述閉合磁路層的磁化翻轉(zhuǎn)而使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)的電流流入所述第一電流線，使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)，而與上述第一電流線的合成磁場(chǎng)使該磁性層的磁化翻轉(zhuǎn)的電流單獨(dú)地流入所述第二電流線，由此來(lái)改變?cè)摯判詫拥拇呕较颉?br> 按照上述的磁存儲(chǔ)單元的存取方法，通過控制強(qiáng)磁性層和閉合磁路層的磁特性和流入第一電流線(比特線)和第二電流線(字線)的電流的大小，就能夠僅存取單一的磁存儲(chǔ)單元，同時(shí)，能夠降低記錄電流。由于減輕了磁存儲(chǔ)單元的端部磁極的影響，所以即使把圖案細(xì)微化也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)，同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高集成度的磁存儲(chǔ)器。由于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層采取閉合磁路結(jié)構(gòu)，所以對(duì)于外部泄漏磁場(chǎng)變得穩(wěn)定。另外，按照本發(fā)明能夠降低磁存儲(chǔ)器的耗電。
由于第一電流線處在由上述磁性層(強(qiáng)磁性層64)和閉合磁路層構(gòu)成的閉合磁路層結(jié)構(gòu)內(nèi)，所以，能夠以非常低的電流使閉合磁路層的磁化翻轉(zhuǎn)，并能夠有效地對(duì)上述磁性層施加磁場(chǎng)。
本發(fā)明的第一磁存儲(chǔ)單元的特征在于，在使用上述第一存取方法的磁存儲(chǔ)單元中，所述磁存儲(chǔ)單元至少由按順序把第一磁性層、絕緣層和第二磁性層層疊起來(lái)的所述磁隧道結(jié)器件構(gòu)成，并且至少還由把該第一磁性層或第二磁性層按順序?qū)盈B起來(lái)的磁隧道結(jié)器件構(gòu)成，而且至少在不同于第一或第二磁性層的該磁性層的該絕緣層疊層側(cè)的一側(cè)間隔開中央部而設(shè)置所述閉合磁路層，第一磁性層或第二磁性層與閉合磁路層構(gòu)成閉合磁路。
本發(fā)明的第二磁存儲(chǔ)單元的特征在于，在使用上述第一存取方法的磁存儲(chǔ)單元中，所述磁存儲(chǔ)單元至少由按順序把第一磁性層、絕緣層和第二磁性層層疊起來(lái)的所述磁隧道結(jié)器件構(gòu)成，而且至少在不同于第一或第二磁性層的該絕緣層側(cè)疊層側(cè)經(jīng)金屬層間隔開中央部而設(shè)置所述閉合磁路層，第一磁性層或第二磁性層與閉合磁路層構(gòu)成閉合磁路。
發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明中所作出的實(shí)施方案或?qū)嵤├齼H僅是用來(lái)明確本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，不應(yīng)該狹義地被解釋而僅限定于這樣的具體例，在本發(fā)明的精神和下面記載的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)，可以實(shí)施各種各樣的變更。
權(quán)利要求
1．一種磁隧道結(jié)器件，至少由第一磁生層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于至少包含經(jīng)金屬層間隔中央部地設(shè)置在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)的一側(cè)的第三磁性層(17)；第一或第二磁性層與第三磁性層構(gòu)成閉合磁路。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的磁隧道結(jié)器件，其特征在于在所述第一或第二磁性層與第三磁性層的間隔部設(shè)置有至少一條引線。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述金屬層的膜厚被設(shè)定為所述第一或第二磁性層與第三磁性層反強(qiáng)磁性結(jié)合的膜厚。
4．根據(jù)權(quán)利要求1至3的任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述金屬層分別形成在各端部。
5．根據(jù)權(quán)利要求1至4的任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述金屬層膜由Ru、Cr、Cu和它們的合金構(gòu)成的組選擇的材料形成。
6．一種磁存儲(chǔ)器，其特征在于使用磁隧道結(jié)器件，所述磁隧道結(jié)器件至少由第一磁性層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成，至少包含經(jīng)金屬層間隔中央部地設(shè)置在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)的一側(cè)的第三磁性層(17)；第一或第二磁性層與第三磁性層構(gòu)成閉合磁路。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的磁存儲(chǔ)器，其特征在于使用磁隧道結(jié)器件，所述磁隧道結(jié)器件在所述第一或第二磁性層與第三磁性層的間隔部設(shè)置有至少一條引線。
8．一種磁隧道結(jié)器件，至少由第一磁性層、第一絕緣層、第二磁性層、第二絕緣層和第三磁性層按順序?qū)盈B而成，其特征在于至少包含經(jīng)金屬層間隔中央部地設(shè)置在所述第二磁性層的所述第一絕緣層層疊側(cè)或第二絕緣層層疊側(cè)的某一側(cè)的第四磁性層(36)；第二和第四磁性層構(gòu)成閉合磁路。
9．根據(jù)權(quán)利要求8的磁隧道結(jié)器件，其特征在于還包含與所述第一磁性層交換結(jié)合的第一反強(qiáng)磁性層(31)、與所述第三磁性層交換結(jié)合的第二反強(qiáng)磁性層(39)。
10．根據(jù)權(quán)利要求9的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述第一反強(qiáng)磁性層與所述第一磁性層的交換結(jié)合的消失溫度和所述第二反強(qiáng)磁性層與所述第三磁性層的交換結(jié)合的消失溫度不同。
11．根據(jù)權(quán)利要求9或10的磁隧道結(jié)器件，其特征在于經(jīng)第二金屬層(42b)反強(qiáng)磁性結(jié)合的兩層以上的強(qiáng)磁性層(42a、42c)構(gòu)成所述第一磁性層(42)或第三磁性層(48)的任一個(gè)。
12．根據(jù)權(quán)利要求8至11任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于在所述第二磁性層與第四磁性層的間隔部設(shè)置有至少一條引線。
13．根據(jù)權(quán)利要求8至12任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述金屬層的膜厚被設(shè)定為所述第二磁性層與第四磁性層反強(qiáng)磁性結(jié)合的膜厚。
14．根據(jù)權(quán)利要求9至13任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述第一磁性層和第一反強(qiáng)磁性層的磁化與第三磁性層與第二反強(qiáng)磁性層的磁化各自交換結(jié)合，并被固定為相互反方向。
15．根據(jù)權(quán)利要求9至14任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述第一磁性層和所述第三磁性層的各磁性層的數(shù)不同于一層。
16．根據(jù)權(quán)利要求15任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述第三磁性層是單層，所述第一磁性層由經(jīng)第二金屬層反強(qiáng)磁性結(jié)合的第一強(qiáng)磁性層和第二強(qiáng)磁性層構(gòu)成；所述第一強(qiáng)磁性層的磁化方向被固定于所述第三磁性層的磁化方向上。
17根據(jù)權(quán)利要求8至16任一項(xiàng)的磁隧道結(jié)器件，其特征在于所述金屬層膜由Ru、Cr、Cu和它們的合金構(gòu)成的組選擇的材料形成。
18．一種磁存儲(chǔ)器，其特征在于使用磁隧道結(jié)器件，所述磁隧道結(jié)器件，至少由第一磁性層、第一絕緣層、第二磁性層、第二絕緣層和第三磁性層按順序?qū)盈B而成，至少在所述第二磁性層的所述第一絕緣層層疊側(cè)或第二絕緣層層疊側(cè)的某一側(cè)經(jīng)金屬層間隔中央部地設(shè)置有第四磁性層；第二和第四磁性層構(gòu)成閉合磁路。
19．一種磁存儲(chǔ)單元的存取方法，包含如下步驟形成設(shè)置在保持磁存儲(chǔ)單元的記憶的磁性層上的閉合磁路層；在所述磁性層和閉合磁路層構(gòu)成的閉合磁路內(nèi)配置第一電流線(52)，在該閉合磁路外配置第二電流線(53)；使上述閉合磁路層的磁化翻轉(zhuǎn)而使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)的電流流入所述第一電流線，使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)，而與上述第一電流線的合成磁場(chǎng)使該磁性層的磁化翻轉(zhuǎn)的電流單獨(dú)地流入所述第二電流線，由此來(lái)改變?cè)摯判詫拥拇呕较颉?br> 20．一種磁存儲(chǔ)單元，其特征在于，使用如下的磁存儲(chǔ)單元的存取方法在保持磁存儲(chǔ)單元的記憶的磁性層上形成閉合磁路層；在所述磁性層和閉合磁路層構(gòu)成的閉合磁路內(nèi)配置第一電流線，在該閉合磁路外配置第二電流線；使上述閉合磁路層的磁化翻轉(zhuǎn)而使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)的電流流入所述第一電流線，使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)，而與上述第一電流線的合成磁場(chǎng)使該磁性層的磁化翻轉(zhuǎn)的電流單獨(dú)地流入所述第二電流線，由此來(lái)改變?cè)摯判詫拥拇呕较?；所述磁存?chǔ)單元由至少以第一磁性層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成的磁隧道結(jié)器件構(gòu)成，且在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)的一側(cè)間隔中央部地設(shè)置有閉合磁路層；第一或第二磁性層與閉合磁路層構(gòu)成閉合磁路。
21．根據(jù)權(quán)利要求20的磁存儲(chǔ)單元，其特征在于所述閉合磁路層由比形成該閉合磁路層和閉合磁路的第一磁性層或第二磁性層保持力更小的材料構(gòu)成。
22．一種磁存儲(chǔ)單元，其特征在于，使用如下的磁存儲(chǔ)單元的存取方法在保持磁存儲(chǔ)單元的記憶的磁性層上形成閉合磁路層；在所述磁性層和閉合磁路層構(gòu)成的閉合磁路內(nèi)配置第一電流線，在該閉合磁路外配置第二電流線；使上述閉合磁路層的磁化翻轉(zhuǎn)而使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)的電流流入所述第一電流線，使該磁性層的磁化不翻轉(zhuǎn)，而與上述第一電流線的合成磁場(chǎng)使該磁性層的磁化翻轉(zhuǎn)的電流單獨(dú)地流入所述第二電流線，由此來(lái)改變?cè)摯判詫拥拇呕较?；所述磁存?chǔ)單元由至少以第一磁性層、絕緣層和第二磁性層按順序?qū)盈B而成的磁隧道結(jié)器件構(gòu)成，且在不同于所述第一或第二磁性層的所述絕緣層層疊側(cè)的一側(cè)經(jīng)金屬層間隔中央部地設(shè)置有所述閉合磁路層；第一或第二磁性層與閉合磁路層構(gòu)成閉合磁路。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的磁存儲(chǔ)單元，其特征在于于所述金屬層的膜厚被設(shè)定得使所述閉合磁路層與構(gòu)成該閉合磁路層和閉合磁路的第一磁性層與第二磁性層反強(qiáng)磁性結(jié)合。
全文摘要
在構(gòu)成為磁隧道結(jié)器件的存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層上經(jīng)金屬層間隔中央部地形成閉合磁路層,由上述強(qiáng)磁性層和上述閉合磁路層形成閉環(huán)。這樣,即使把圖案細(xì)微化也能夠保持穩(wěn)定的磁化狀態(tài)。
文檔編號(hào)G11C11/15GK1305234SQ00131059
公開日2001年7月25日 申請(qǐng)日期2000年12月9日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月10日
發(fā)明者南方量二, 道嶋正司, 林秀和 申請(qǐng)人:夏普公司