[发明专利]磁阻元件,具有其的存储元件及使用该存储元件的存储器

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用降低反转磁场磁化的方法的磁阻元件，以下简称为“磁膜的反转磁场”，涉及一种具有该磁阻元件的存储元件以及一种使用该存储元件的存储器。

背景技术

近年来，象固态存储器这样的半导体存储器被应用于许多信息设备上，半导体存储器具有各种类型，比如DRAM(动态随机存取存储器)，FeRAM和闪速EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。半导体存储器的特点是既有优点也有缺点。没有能够满足当前信息设备需要的所有要求的存储器。例如，DRAM可以获得高记录密度和大的可重写数量，但是，它具有易失性，一旦电源断开就丢失信息。闪速EEPROM具有非易失性，但是，需要花费的抹去时间长，而且用于高速信息处理时不稳定。

在半导体存储器的当前情况下，一种使用磁阻元件的磁存储器(MRAM：磁随机存取存储器)正有望被作为能够满足许多信息设备的所有要求的存储器，诸如在记录时间、读出时间、记录密度、可重写量、功耗等等方面的要求。特别是，一种使用自旋隧道磁阻(TMR)效应的MRAM在高密度记录或者高速读出方面具有优势，因为可以得到大量的读出信号。近期的研究报告证实了MRAM的可行性。

一种被用作MRAM元件的磁阻膜的基本结构为夹层结构，其中，磁层通过一非磁层而彼此相邻形成。公知的非磁层的材料是Cu和Al₂O₃。一种用诸如Cu作为非磁层的导体的磁阻膜被称为GMR膜(巨磁阻膜)。一种用诸如Al₂O₃作为非磁层的绝缘体的磁阻膜被称为自旋TMR膜(隧道磁阻膜)。通常，TMR膜显示出比GMR膜更大的磁阻效应。

当两个磁层的磁化方向彼此平行时，如图13A所示，磁阻膜的电阻相对较低。当它们的磁化方向彼此逆平行时，如图13B所示，磁阻膜的电阻相对较高。其中一个磁层被形成为一记录层，而另一磁层被形成为一读出层。通过利用上述特性，信息可以被读出。例如，在一非磁层12上的磁层13被形成为一记录层，而在所述非磁层12下面的一磁层14被形成为一读出层。记录层的向右的磁化方向被定义为“1”，而向左的磁化方向被定义为“0”。假如两个磁层的磁化方向均向右，如图14A所示，则磁阻膜的电阻相对较低。假如读出层的磁化方向向右而记录层的磁化方向向左，如图14B所示，则磁阻膜的电阻相对较高。假如读出层的磁化方向向左而记录层的磁化方向向右，如图14C所示，则磁阻膜的电阻相对较高。假如两个磁层的磁化方向均向左，如图14D所示，则磁阻膜的电阻相对较低。就是说，当读出层的磁化方向被固定为向右时，“0”被记录在记录层上以作为高电阻，而“1”被记录为低电阻。或者，当读出层的磁化方向被固定为向左时，“1”被记录在记录层上以作为高电阻，而“0”被记录为低电阻。

当MRAM的元件被小型化以获得较高的记录密度时，当在端面受到去磁场或者磁化涡流的影响时，使用一种采用共面磁化膜的MRAM来保留信息已变得更加困难。为了避免此问题，比如，可将磁层形成为矩形。该方法不能使元件小型化，所以不能实现记录密度的增加。美国专利US6219275建议使用一种垂直磁化膜以避免上述问题。根据该方法，即使元件的尺寸较小，磁化磁场也不会增加。与采用一共面磁化膜的MRAM相比，可以得到一种较小尺寸的磁阻膜。与采用共面磁化膜的MRAM相类似，当两个磁层的磁化方向彼此平行时，一种采用一垂直磁化膜的磁阻膜则表现出相对低的电阻，而当两个磁层的磁化方向彼此逆平行时，这种采用垂直磁化膜的磁阻膜则表现出相对高的电阻。如图15A至15D所示，在一非磁层22上的一磁层23被形成为一记录层，而在非磁层22下面的一磁层21被形成为一读出层。该记录层的向上的磁化方向被定义为“1”，而向下的磁化方向被定义为“0”。如图14A至14D所示，就能组成一个存储元件。