具有双磁态的磁性元件及其制造方法技术

一种改进且新颖的磁性元件（１０；１０’；５０；５０’；８０），它含有许多薄膜层，其中单元端部静磁退磁场将抵消这种结构的全部正耦合以在零外磁场下获得双磁态。另外还公开了一种通过提供多个薄膜层来构成一种磁性元件（１０）的方法，其中单元端部静磁退磁场将抵消这种结构的全部正耦合以在零外磁场下获得双磁态。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及信息存储和/或读出用的磁性元件及其制造方法，尤其涉及一种双磁态磁性元件及其制造方法。
技术介绍
在此引入与本申请有关且属于同一受让人的下述共同未决申请作参考Motorola卷号为CR 97-133而美国系列号为09/144,686的专利申请，它于1998年8月31日提出，其名称为“磁随机存取存储器及其制造方法”(“MAGNETIC RANDOM ACCESSMEMORY AND FABRICATING METHOD THEREOF”)；Motorola卷号为CR 97-158而美国系列号为08/986,764的专利申请，它于1997年12月8日提出，其名称为“磁膜图形构成方法”(“PROCESS OF PATTERNING MAGNETIC FILMS”)；Motorola卷号为CR 99-001而美国系列号为09/356,864的专利申请，它于1999年7月19日提出，其名称为“具有改进的磁场响应的磁性元件及其制造方法”(“MAGNETIC ELEMENT WITH IMPROVEDFIELD RESPONSE AND FABRICATING METHOD THEREOF”)；此外，还引入受让人相同而专利号为5,768,181的美国专利作为参考，其颁证日是1998年6月16日，名称为“具有绝热和传导层的多层磁性器件”(“MAGNETIC DEVICE HAVING MULTI-LAYERWITH INSULATING AND CONDUCTIVE LAYERS”)。一般而言，一种磁性元件诸如磁隧道结存储元件，在结构上它含有用一种非磁性衬垫层隔离的许多铁磁层。信息可按磁化向量的方向存储在磁性层中。例如，另一磁性层中的磁化向量自由地在同向和反向即所谓的“平行”和“反平行”状态间换向，相应地，某一磁性层中的磁化向量会在这个磁场作用范围内被固定或锁定。对应于平行和反平行状态，磁性存储元件表现出两种不同的阻抗。当两磁性层中的磁化向量大体上指向同向和反向时，相应地，阻抗就出现最小值和最大值。而阻抗变换的检测使得可用一种诸如MRAM(磁随机存取存储器)的器件，将信息存储在磁性存储元件中。阻抗的最大值和最小值之差除以最小阻抗值就是公知的磁阻率(MR)。一种MRAM装置集成着磁性元件，尤其是许多磁性存储元件以及其它电路，例如磁性存储元件控制电路、检测某一磁性存储元件状态用的比较器、输入/输出电路等等。这些线路都是用CMOC(互补金属氧化物半导体)工艺制造的，以便降低器件的能耗。另外，在结构上，磁性元件含有许多薄层，其中有些是数十埃厚的。磁性元件的阻抗对磁场响应是受这些薄层表面结构所制约的。为了使磁性元件能作为一种存储单元来操作，它处于闲置状态或没有外加磁场作用于它的状态时，至少需具备两种阻抗状态。对磁性元件的这种要求相当于它应有一个相对磁场响应的居中阻抗，必须纠正存在的拓朴正耦合和针孔耦合以形成居中阻抗。在典型的MTJ(磁隧道结)磁性元件制造中，诸如MRAM存储元件制造中，会含有一种通过溅射沉积，蒸发，或外延工艺而生成的金属膜，其膜表面不是真正平的而是呈现出表面或界面波纹。这种表面和/或铁磁层间界面的波纹是自由铁磁层和其他铁磁层诸如固定层或被钉扎层之间存在的磁性耦合的原因，这就是公知的拓扑耦合或尼氏(Neel’s)桔皮耦合。这种耦合一般是不希望在磁性元件中存在的，因为它会造成自由层对外磁场响应的偏移。此外，在常用的自旋阀磁性元件的构成中，还存在电子交换耦合。为了补偿这类耦合，以及其他在MTJ和自旋阀元件中发现的各种耦合作用，必须进行补偿以产生一种居中阻抗，这样才能使器件在双态中操作。还有，在MRAM存储单元磁场换向时一般存在两种偏移。第一种如前所述是铁磁耦合或正耦合，它是由与拓扑结构相关的静磁耦合引起的，在零外磁场下只能导致低阻抗存储状态。事实上这种存储单元不能工作。要使存储器发挥作用，在零磁场下至少要具备两种存储状态。单元的另一种换向偏移可称作反铁磁性耦合或负耦合。它是由处于长宽比等于或大于1的存储单元端部的静磁耦合引起的。它的作用在于当零外磁场时出现高阻抗存储状态。没有外加的读入磁场这种存储器也不工作。较佳地，应当在不施加由电流脉冲引起的磁场下即可进行读取，以节约能耗并达到高速度。所以，必须制造一种含有存储单元端部静磁边缘磁场(bit endmagnetostatic fringing fields)的器件，它将抵消这种结构的全部正耦合，从而在零外磁场下实现双磁态。据称，铁磁耦合强度正比于表面磁荷密度而且确定为夹层厚度指数值的倒数。有一项1998年6月9日颁证且专利号为5,764,567的美国专利，它的名称是“具有用于改进磁场响应的非铁磁性界面层的磁隧道结器件”(“MAGNETIC TUNNEL JUNCTION DEVICEWITH NONFERROMAGNETIC INTERFACE LAYER FORIMPROVED MAGNETIC FIELD RESPONSE”)，其中指出在磁隧道结结构中于靠近氧化铝隧道阻挡层处加一种非磁性的铜层，可以提高磁性层间的间距，达到降低铁磁性桔皮耦合或拓扑耦合。但是，附加铜层会降低隧道结的MR，从而使器件性能恶化。另外，铜层的夹杂也会增加金属蚀刻工艺的复杂性。
技术实现思路
因而，本专利技术的目的在于提供一种经过改进的磁性元件，相对外加磁场它有居中阻抗响应曲线，因而能够实现双态操作。本专利技术的另一目的在于提供一种经改进的磁性元件，它可对存在的铁磁耦合，尤其是拓扑起因的铁磁耦合或交换耦合予以补偿。本专利技术进一步的目的在于提供一种磁性元件，其中的单元端部退磁场(bit end demagnetizing fields)将抵消这种结构的全部正耦合以在零外磁场下获得双磁态。本专利技术更进一步的目的在于提供一种制造磁性元件的方法，该元件有对磁场响应的居中阻抗，从而能够实现双态操作。本专利技术进一步的目的还在于提供一种制造磁性元件的方法，该元件有对磁场响应的居中阻抗且可改进为适合于大批量生产。所有这些以及其他需求基本上都是通过提供一种磁性元件来满足的，它含有许多薄膜层，其中的单元端部退磁场可抵消这种结构的全部正耦合以在零外磁场下获得双磁态。此外，也公开了一种通过许多薄膜层制造磁性元件的方法，其中，各薄膜层上的单元端部退磁场将抵消这种结构的全部正耦合以在零外磁场下获得双磁态。附图说明图1～5表示许多磁性元件的横剖视图，它们都有本专利技术所述的已改进的磁场响应；图6说明拓扑耦合磁场和根据本专利技术计算的相对于固定磁性层厚度的退磁场的实验结果；图7说明本专利技术所述磁性元件的金属薄膜层的磁极。叙述时，用于说明本专利技术各图中相同的元件都用同样的数字标记。具体实施例方式图1和图2用横剖视图说明本专利技术所述MTJ磁性元件的二种实施例的结构。具体地，在图1中说明了一种构图完整的磁性元件结构10。它含有合成的反铁磁性结构11。这种结构含有衬底12，底层电极多层叠片14，含氧化铝的衬垫层16以及顶层电极多层叠片18。底层电极多层叠片14和顶层电极多层叠片18都含有铁磁层。底层电极层14是形成在金属引线13上的，金属引线13又是形成在衬底12上的。底层电极层14含有许多沉积在底部金属引线13上的底层20，它起仔晶层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性元件（１０，１０’，５０，５０’，８０）其特征在于：多个薄膜层，其中单元端部静磁退磁场（ｂｉｔ　　ｅｎｄ　　ｍａｇｎｅｔｏ－ｓｔａｔｉｃ　　ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ　　ｆｉｅｌｄｓ）消除该结构的全部正耦合以在零外磁场下获得双磁态。

【技术特征摘要】
US 1999-12-17 09/464,8071.一种磁性元件(10，10’，50，50’，80)其特征在于多个薄膜层，其中单元端部静磁退磁场(bit end magneto-staticdemagnetization fields)消除该结构的全部正耦合以在零外磁场下获得双磁态。2.根据权利要求1所述的磁性元件，其中，多个薄膜层形成一种自旋阀结构或磁隧道结(MTJ)结构。3.根据权利要求2所述的磁性元件，其中，多个薄膜层形成一种SAF结构，它含有固定铁磁层(28)和被钉扎铁磁层(24)，固定铁磁层具有大于被钉扎铁磁层的厚度，从而消除固定铁磁层与自由铁磁层之间的正耦合。4.根据权利要求2所述的磁性元件，其中，多个薄膜层形成一种结构，它含有具有不同的换向磁场的多个铁磁层，其中铁磁层之间的偏移提供了铁磁层之间的退磁场的减弱，从而消除铁磁层之间的正耦合。5.根据权利要求4所述的磁性元件，其中，多个铁磁层含有被钉扎铁磁层(24)和自由铁磁层(30)，且所述偏移提供了从被钉扎铁磁层向自由铁磁层的退磁场的减弱，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佑俊，乔恩迈克尔斯劳夫特，马克杜尔拉姆，马克德赫勒拉，赛德N特拉尼，
申请(专利权)人：自由度半导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]