磁阻元件、使用其的存储器元件以及相关记录/再现方法技术

本发明专利技术涉及一种磁阻元件，使用磁阻元件、使用磁阻元件的存储器元件以及用于该存储器元件的记录／再现方法，其中一磁阻元件包括第一、第二和第三磁层和非磁性层。第一磁层被垂直磁化到薄膜表面。第二磁层被垂直磁化到薄膜表面并具有比所述第一磁层的矫顽力高的矫顽力。非磁性层被插在第一和第二磁层间。第三磁层具有比所述第一磁层的矫顽力高的矫顽力并且逆平行地磁化到第二磁层。同时还公开了一种存储元件和记录／再现方法。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及应用到一非易失性存储器或类似的存储器的一种磁阻元件。在该磁存储器元件中，用来存储信息的最小单元被称为一磁存储单元。该磁存储单元通常具有一存储层和参考层。该参考层是一磁材料层，该磁材料层的磁化方向是固定的或固定在一特定的方向。该存储层是用于存储信息的层，并且通常是能通过一外加磁场来改变其磁化方向的一磁材料层。该磁存储单元的逻辑状态是由在存储层中的磁化方向是否与在参考层中的磁化方向平行来确定的。如果因为该MR(磁阻)效应，这些磁化方向相互平行，那么磁存储单元的电阻减少；如果这些方向不平行，则该磁存储单元的电阻增加。磁存储单元的逻辑状态是通过测量它的电阻率来确定的。在磁存储单元中通过流过一导体的电流而生成的磁场来改变存储层内的磁化方向来写入信息。使用检测一电阻的绝对值的绝对检测方法读出写入的信息。另一个存储单元具有一存储层和检测层。该存储单元使用用于读取的一种微分检测方法因为该检测层的磁化方向是改变的且存储层的磁化方向是从一电阻变化中被检测。为高集成度，该磁存储单元必须在形体尺寸方面缩小。通常在纵向磁化层中，因为薄膜表面中的退磁磁场和小型化，自旋在薄膜边缘卷起。该磁存储单元不能稳定地存储磁信息。为防止这种问题，当前的专利技术人已经在USP6,219,725中公开了使用横向磁化到薄膜表面的一磁膜(横向磁化膜)的一种MR元件。横向磁化膜没有任何卷曲甚至达到小型化，且适用于小型化。使用一MR元件的一磁存储单元包括通过一薄的非磁层(隧道绝缘层)层叠的两个磁层。从该磁存储单元内的一磁层泄漏的一磁场影响另一磁层。即使缺少一外部磁场，该磁场也被使用。图20A和20B示出了具有一横向磁膜的一TMR元件的磁化方向的例子。具有一低矫顽力的一磁膜100和具有一较高矫顽力的一磁膜200通过一隧道绝缘薄膜300层叠。在图20A和图20B所示的例子中，磁膜200是向下磁化。磁膜100在图20A中是向下磁化，在图20B中是向上磁化。因此，在图20B中的磁存储单元的电阻值比图20A中的大。这种状态可被认为是使用绝对值检测方法的一种结构，其中磁层200是一参考层(钉轧层)，磁层10是一存储器层，如图20A所示“0”被记录且如图20B所示“1”被记录。作为选择，该状态可被认为是使用微分检测方法的一种结构，其中磁层200是一存储层，磁层10是一检测层，且通过在检测中的一外部磁场，磁化被从图20A中所示的状态转换到图20B中所示的状态。图21A示出了假设没有磁场从具有矩形比为1的其他磁膜泄漏，该元件的MH曲线(表示磁化和应用磁场间的关系的图形)。保持磁化方向不变的一足够小的磁场被加到磁层200。因此，生成了与磁层100的磁化方向相应的曲线。当没有从其他磁膜泄漏的磁场，即偏置磁场时，通过仅施加一磁场H1或等于一矫顽力Hc的H2，信息能被记录在存储层上。作为选择，检测层的磁化能转换。磁场H1从向上的方向到向下的方向转换第一磁膜。磁场H2从向下的方向到向上的方向转换第一磁膜。实际上，另一磁层，在这种情况下，磁膜200将一向下的磁场应用到磁膜100，MR曲线通过偏置磁场H0，如图21B中所示来变换。在这种情况下，记录磁场是H2＝HC+H0及HC-H0，为将图21B的状态改变到图21A的状态所必需的磁场减少H0。相反，为将图21A的状态改变到图21B的状态所必需的磁场增加H0。这表示通过写线的电流值增加。电流消耗可能增加，或当电流超过写线的允许的电流密度时，写失败。在此情形下，依靠记录在一存储单元中的信息，转换磁场的大小改变。如果要求转换磁场H2的存储单元信息被重写入通过两条横向写线排列在一矩阵中存储单元中的记录信息中，也要求该转换磁场H1的相邻的存储单元信息也被重写。这种错误记录操作出现的可能性很高。如果偏置磁场H0大于矫顽力Hc，如图21C中所示，只有一个电阻值能被包括在零磁场中。这导致绝对检测变难。当矩形比不是1时，在零磁场中的磁化强度M小于逆平行磁化强度状态的最大磁化强度值Mmax。电阻值依靠低矫顽力层的磁化强度量来改变。在这种情况下，一读出电阻值差R2-R1减少，降低该检测灵敏度。即使在一偏置磁场H0小于矫顽力Hc的情况下，该现象也会发生。应注意的是R1表示缺少一外部磁场时的最小电阻值；以及R2表示缺少一外部磁场时的最大电阻值。图22示出了在存在一偏置磁场H0时的电阻值，以及图22B表示缺少该偏置磁场H0时的电阻值。对不是1的矩形比，即使一在强度上等于矫顽力的磁场的施加也不能完全使磁化饱和，如图22B所示。完全使磁化饱和的一磁场，M＝Ms，将被称作一磁化饱和磁场Hs。当存储层完全饱和成与钉轧层逆平行时，电阻值最大化成相对于该磁场的一恒定值。也就是，在电阻值中饱和的磁场等于Hs，如图22B所示。对矩形比为1的情况，矫顽力可被看成等于一磁化转换磁场(对矩形比不为1的情况，矫顽力不能被看成等于该磁场)。在这种情况下，通过施加一大于具有矩形比为1的磁场的磁场，磁化被转换。在存在由一泄漏的磁场生成的一偏置磁场时，磁化易于转换的方向和磁化难于转换的方向之间的被用于转换磁化的磁场强度上的差异变大。如果这样一种元件被作为一MRAM的存储元件使用，上述错误操作可能以较高的概率发生。在一磁阻元件作为一MRAM的存储元件使用中，当磁化转换磁场不受控制时可能会发生故障。上面的描述主要假定绝对值检测方法，但同样适用于微分检测方法。图23示出了微分检测方法的主循环。在MR元件中的上述问题在应用于一常规MRAM的使用一纵向磁膜的一磁阻元件中更为严重。本专利技术的一个目的是解决在用作一存储元件或类似元件的一磁阻元件中来自于一磁层的一静态磁场偏置另一磁层的转换磁场以及该转换磁场增加的问题，并提供使用该磁阻元件的一存储元和它的记录/再现方法件。为实现上述目的，本专利技术提供一磁阻元件包括一第一磁层，垂直于一薄膜平面磁化，一第二磁层，垂直于该薄膜表面磁化并具有高于该第一磁层的矫顽力的一矫顽力，一非磁性层，插入该第一磁层和第二磁层之间，以及一第三磁层，具有高于该第一磁层的矫顽力的一矫顽力并且与第二磁层逆平行地磁化。图5A和5B是根据本专利技术的第三实施例，示出了一磁阻元件的例子的剖视图；图6A和6B是示出如图5A和5B中所示的磁阻元件的磁化取向状态的剖视图；图7A和7B是根据本专利技术的第四实施例，示出了一磁阻元件的例子的剖视图；图8A和8B是根据本专利技术的第五实施例，示出了一磁阻元件的例子的剖视图；图9A和9B是表示在如图8A和8B中所示的磁阻元件中整个磁层11和12的磁化的剖视图；附图说明图10A和10B是根据本专利技术的第五实施例，示出了一磁阻元件的另一个例子的剖视图；图11A和11B是表示在如图10A和10B中所示的磁阻元件中整个磁层11和12的磁化的剖视图；图12是根据使用一垂直磁化强度薄膜的本专利技术的第七实施例，表示在该磁阻元件中一泄漏的磁场的应用状态的视图；图13是表示在一传统的磁阻元件中一泄漏的磁场的应用状态的视图；图14是根据本专利技术在磁阻元件的一实施例中表示一泄漏的磁场的分布图；图15是根据本专利技术在磁阻元件的实施例中表示一泄漏的磁场的分布图；图16是根据本专利技术在磁阻元件的实施例中表示一泄漏的磁场的分布图；图17是表示在传统的磁阻元件中一泄漏的磁场的分布图；图18本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁阻元件，包括：一第一磁层，垂直于一薄膜平面磁化；一第二磁层，垂直于该薄膜表面磁化并且具有比所述第一磁层更高的矫顽力；一非磁性层，插入在所述第一磁层和第二磁层间；以及一第三磁层，具有比所述第一磁层更高的矫顽力且被逆平行于 所述第二磁层磁化。

【技术特征摘要】
JP 2001-3-19 078470/2001;JP 2001-3-19 078472/2001;1.一种磁阻元件，包括:一第一磁层，垂直于一薄膜平面磁化；一第二磁层，垂直于该薄膜表面磁化并且具有比所述第一磁层更高的矫顽力；一非磁性层，插入在所述第一磁层和第二磁层间；以及一第三磁层，具有比所述第一磁层更高的矫顽力且被逆平行于所述第二磁层磁化。2.如权利要求1所述的元件，其特征在于所述第二和第三磁层中的至少一个包括一亚铁磁层。3.如权利要求1所述的元件，其特征在于至少所述第一磁层、所述非磁性层、所述第二磁层以及所述第三磁层按该顺序形成。4.如权利要求3所述的元件，其特征在于所述第二磁层包括一稀土铁族元素合金的一亚铁磁膜，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的，以及所述第三磁层包括一稀土铁族元素合金的一亚铁磁膜，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。5.如权利要求3所述的元件，其特征在于所述第二磁层包括一铁磁膜，该铁磁膜包括作为一主要成分的一铁族元素，以及所述第三磁层包括一稀土铁族元素合金的一亚铁磁膜，其中稀土元素的子晶格磁化是主要的。6.如权利要求2所述的元件，其特征在于亚铁磁层主要由至少一种从由Gd、Tb和Dy组成的组中选择的稀土元素和至少一种从由Fe和Co组成的组中选择的材料组成。7.如权利要求3所述的元件，其特征在于一绝缘层被插在所述第二和第三磁层间。8.如权利要求1所述的元件，其特征在于具有比所述第一磁层的自旋极化率高的自旋极化率的一磁层被插在所述第一磁层和所述非磁性层间。9.如权利要求8所述的元件，其特征在于所述第一磁层包括一稀土铁族元素合金的亚铁磁膜，其中铁族元素的子晶格磁化是主要的，以及具有一高自旋极化率的磁层包括含有作为一主要成分的铁族元素的一铁磁膜。10.如权利要求1所述的元件...

【专利技术属性】
技术研发人员：西村直树，池田贵司，
申请(专利权)人：佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]