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CN1182552C - 磁致电阻元件及其作为存储单元阵列内的存储元的应用 - Google Patents

磁致电阻元件及其作为存储单元阵列内的存储元的应用 Download PDF

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CN1182552C
CN1182552C CNB998120529A CN99812052A CN1182552C CN 1182552 C CN1182552 C CN 1182552C CN B998120529 A CNB998120529 A CN B998120529A CN 99812052 A CN99812052 A CN 99812052A CN 1182552 C CN1182552 C CN 1182552C
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    • H01F10/3281—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn only by use of asymmetry of the magnetic film pair itself, i.e. so-called pseudospin valve [PSV] structure, e.g. NiFe/Cu/Co
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Abstract

磁致电阻元件具有一个第1铁磁层元(11)，一个非磁性层元(13)和一个第2铁磁层元(12)，它们是如此安排的，非磁性层元(13)安排在第1铁磁层元(11)和第2铁磁层元(12)之间。第1铁磁层元(11)和第2铁磁层元(12)基本上具有同一材料，然而，它们通过以下方式在其平行于对非磁性层元(13)界面的截面不同，即至少在一维上具有不同尺寸。磁致电阻元件既适合于作传感元件也适合于作存储单元阵列的存储元。

Description

磁致电阻元件及其 作为存储单元阵列内的存储元的应用
技术领域
本发明涉及磁致电阻元件及其作为存储单元阵列内的存储元的应用。
背景技术
磁致电阻元件，也称为磁电阻元件，日益增长地作为传感器元件或作为存储单元阵列的存储元，所谓MRAM，应用(参阅：S.Mengel，Technologieanlyse Magnetismus Band2，XMR-Technologien，HerausgeberVDI Technologiezentrum Physikalische Technologien，1997年8月)。在学术界，对磁致电阻元件理解为具有至少两层铁磁层和安排其间的一层非磁性层的一种结构。这时各按照层结构的组成可以区分为GMR元、TMR元和CMR元。
在学术界，GMR元的概念用于具有至少两层铁磁层和安排其间的一层非磁性的导电层，并显示所谓的GMR(巨大磁致电阻)效应的层结构。所谓GMR效应可理解为，GMR元的电阻取决于在两铁磁层内磁化是平行或反平行取向。GMR效应比所谓AMR(各向异性磁致电阻)效应大。所谓AMR效应可理解为，在磁化导体内的电阻在平行和垂直磁化方向是不同的。AMR效应涉及在铁磁单层内出现的体积效应。
在学术界，概念TMR元用于隧道磁致电阻层结构，该结构具有至少两层铁磁层和安排其间的绝缘的非磁性层。这时该绝缘层是如此之薄，以致于导致在两铁磁层之间出现隧道电流。该层结构也显示磁致电阻效应，该效应是通过在两铁磁层间安排在绝缘的非磁性层的自旋极化隧道电流引起的。在这种情况下TMR元的电阻也取决于在两铁磁层内的磁化是同向平行或反向平行。这时相对的电阻变化约为6到30％。
另一磁致电阻效应，由于其巨大(在室温下相对电阻变化从100％到400％)称为超常(Colosal)磁致电阻效应(CMR效应)，因其高的矫顽力，为了在磁化状态之间转化必须高磁场。
在US 5 477 482内建议，环形构成CMR元的铁磁层和非磁层，其中环彼此层叠或彼此同心安排。
已提出建议(参阅，例如S.Tehrari等IEDM 96-193和D.D Tang等，IEDM 95-997)GMR元或TMR元用作存储单元阵列中的存储元。存储元经读出线串联。与读出线垂直走向的字线对读出线和对存储元绝缘。加在字线上的信号，通过在字线内流过电流产生磁场，该磁场在足够强度时影响处于其下的存储元。在存储单元阵列里充分利用存储元电阻的不同，它各取决于在两铁磁层内磁化方向是彼此平行或反平行取向。因此为了写入信息，一层铁磁层的磁化方向固定，而另一层铁磁层的磁化方向转换。此外，也称作XY线的、本身在应写入的存储元上正交的正交线是这样加上信号的，使得在正交点之上引起足够用于转换磁化的磁场。
在铁磁层之一内磁化方向的固定，通过固定磁化的、相邻的反铁磁层实现(参阅：D.D.Tang等，IEDM 95-997)，或通过铁磁层的不同层厚(参阅S.Tehrani等，IEDM 96-193)实现。这时，反铁磁层具有与相邻的其磁化状态被固定的铁磁层不同的材料组成。
两铁磁层的不同层厚导致，在一铁磁层内为了影响磁化方向必须比另一铁磁层内更高的磁场。为了写入信息，必须如此确定磁场，使得可以只影响在两铁磁层之一内的磁化方向。因此，只可以用提高的磁场才可转换的另一铁磁层内的磁化方向则不受影响。
因为一方面，铁磁层的层厚因制造技术原因不可能低于最小约5nm的层厚，另一方面，在GMR或TMR元内铁磁层的最大层厚也受限于，一定的磁化方向必须对层平面平行，所以在这种情况下准确调整转换磁场是必要的。
作为本发明基础的问题是：提供一种磁致电阻元件，它在半导体工艺技术框架内是可以更好的效益制造的，并且对转换磁场的调整是不敏感的。
发明内容
根据本发明，该问题通过根据以下技术方案的磁致电阻元件解决。
另外，磁致电阻元件可以有利地作为存储单元阵列的存储元利用。此外，磁致电阻元件是可作为传感器元件应用的。
根据本发明的一种磁致电阻元件，其中，
-提供一个第1铁磁层元，一个非磁性层元和一个第2铁磁层元，各自形成平面的层元，上下如此安排成叠层，使得非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间，其中非磁性层元对第1铁磁层元和第2铁磁层元各自具有一界面，
-第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上具有同一材料，
-第1铁磁层元和第2铁磁层元在垂直叠层层系的第一维上基本上具有同一尺寸，其特征在于：
第1铁磁层元和第2铁磁层元的尺寸，在垂直层系的第二维上相差至少20％。
磁致电阻元件具有一个第1铁磁层元、一个非磁性层元和一个第2铁磁层元，它们是如此安排的，即：非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间。这时非磁性层元对第1铁磁层元和对第2铁磁层元各具有一界面。第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上具有同一材料。第1铁磁层元和第2铁磁层元在至少一维对界面平行与非磁性层元有不同尺寸。
通过第1铁磁层元和第2铁磁层元的这种不同造型使磁场是不同的，这是在铁磁层元内的磁化方向转换所必要的。该效应称为形状的各向异性。因为在任一层元内，垂直于层厚的尺寸显著地大于层厚，所以在该磁致电阻元件内比在S.Tehrani等，IEDM 96-193内建议的元件，有关层厚尺寸方面有更大的差异是可能的。这些在尺寸上较大差异引起显著不同的磁场强度，这种强度在有关的层内转换磁化方向是必要的。因此磁致电阻元件对准确调整转换磁场是较不灵敏的。
因为第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上由同一材料构成，所以在半导体工艺技术框架内，尤其是在那里伴有出现约450℃的温度负荷的硅工艺技术，可以制造磁致电阻元件。在这个温度范围，根据在磁致电阻层系内包含的元素，尤其是Fe、Co、Ni、Cu等的扩散迁移率必须考虑改变铁磁层元特性的扩散。根据令人担心的扩散导致在界面区内材料组成的变化，它损害与自旋有关的电子输运，而在该元件内的磁致电阻效应是以该电子输运为基础的。因此可以预料，具有有效作用区在1到5nm范围的微不足道的扩散制约的材料迁移越过界面，已导致磁和电特性的显著改变。因此为了固定在铁磁层之一内的磁化方向，使用反铁磁层也是成问题的，因为反铁磁层本身对材料组成而言必须与铁磁层有所区别，并必须考虑到通过在相邻层之间的扩散过程的材料成分的改变。
该问题在本发明的磁致电阻的元件内通过以下方式解决，即两铁磁层元主要由同一材料组成，使得在两铁磁层之间不出现浓度梯度。通过在两铁磁层元之间缺少的浓度梯度，使得经非磁性层元扩散所决定的材料迁移的驱动力消失。
根据本发明的一种磁致电阻元件，其中，
-提供一个第1铁磁层元，一个非磁性层元和一个第2铁磁层元，它们上下如此安排成叠层，使得非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间，其中非磁性层元对第1铁磁层元和第2铁磁层元各自具有一界面，以及
-第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上具有同一材料，其特征在于：
第1铁磁层元，非磁性层元和第2铁磁层元分别形成空心圆筒形，
其中，第1铁磁层元的外径和/或内径与第2铁磁层元的外径或内径不同，以及
其中，第1铁磁层元，非磁性层元和第2铁磁层元在空心圆筒主轴方向叠层。
根据本发明的一种磁致电阻元件，其中，
-提供一个第1铁磁层元，一个非磁性层元和一个第2铁磁层元，它们是如此安排的，使得非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间，其中非磁性层元对第1铁磁层元和第2铁磁层元各自具有一界面，以及，
-第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上具有同一材料，其特征在于，
第1铁磁层元、非磁性层元和第2铁磁层元各自形成空心圆筒，
第1铁磁层元、非磁性层元和第2铁磁层元彼此同心安排，
第1铁磁层元和第2铁磁层元其平行于圆筒主轴的高度不同。
与对非磁性层元的界面平行，铁磁层元可以具有任意的截面。
本发明还包括基于上述技术方案的扩展。
根据本发明的扩展，第1铁磁层元，非磁性层元和第2铁磁层元作为平面层元形成，它们组合成叠层。在这种情况下至少在垂直层系方向的一维，第1铁磁层元和第2铁磁层元的尺寸有差异。在此在本发明的框架内第1铁磁层元和第2铁磁层在垂直层系的一维上尺寸基本上相同。
铁磁层元的厚度优先处于2nm到20nm之间。垂直层厚方向，第1铁磁层元的尺寸为50nm×80nm到250nm×400nm，第2铁磁层元的尺寸为65nm×80nm到350nm×400nm，其中在一个维上存在至少20％到30％的差异。这时，第1铁磁层元和第2铁磁层元的截面最好基本上是矩形的。但是它也可以是圆形、椭圆或多角形的。
根据本发明的另一扩展，第1铁磁层元，非磁性层元和第2铁磁层元分别是环形构成的，其中第1铁磁层元和第2铁磁层元的环宽不同。第1铁磁层元、非磁性层元和第2铁磁层元具有空心圆筒形状，并在空心圆筒主轴方向上叠层。磁转换场的形状各向异性在本扩展中通过不同环宽，即有关空心圆筒的、第1铁磁层元的和第2铁磁层元的外径和内径的半差实现。第1铁磁层元和第2铁磁层元的厚度分别为2nm到20nm。第1铁磁层元和第2铁磁层元的外径处在50nm和400nm的范围内，其中第1铁磁层元和第2铁磁层元的外径和/或内径相差20％到50％。在一种扩展中，第1铁磁层元的外径为75nm到300nm，而第2铁磁层元的外径为100nm到400nm。
根据本发明的另一扩展，第1铁磁层元，非磁性层元和第2铁磁层元分别是空心圆筒结构，彼此同心安排，其中非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间。在这种情况下，第1铁磁层元和第2铁磁层元在其平行圆筒轴的高度有所不同。
第1铁磁层元的高度优先处于50nm和250nm之间，第2铁磁层元的高度最好处于80nm和400nm之间，其中高度差处于30nm和150nm之间，并至少应当为20％到30％。在另一种扩展中，第1铁磁层元具有外径在70nm和400nm之间，内径在60nm和390nm之间，平行于圆筒主轴的高度在35nm和180nm之间，而第2铁磁层元具有外径在60nm和390nm之间，内径在50nm和380nm之间，平行于圆筒主轴的高度在50nm和400nm之间。
铁磁层元优先各自包含至少元素Fe、Ni、Co、Cr、Mn、Gd、Dy之一。非磁性层元可以是或导电的、或非导电的。非磁性层元优先提供非导电的，具有至少材料Al2O3、NiO、HfO2、TiO2、NbO和/或SiO2之一，并且具有垂直于铁电层元界面的尺寸处于1到4nm之间。在这种情况下，磁致电阻元件是TMR元，它与GMR元比较，在垂直于隧道层方向具有高电阻。
另可选择地，非磁性层元由导电材料例如Cu，Au或Ag制造，并且在垂直于铁磁层元界面方向的尺寸为2nm到4nm。
附图说明
依靠附图详细说明本发明的实施例如下。
图1a示出具有平面层元的磁致电阻元件的俯视图，其中，垂直于磁化方向的第1铁磁层元和第2铁磁层元的尺寸不同。
图1b示出在图1内用Ib-Ib所示剖面。
图2a示出具有平面的层元的磁致电阻元件的俯视图，其中平行于磁化方向的第1铁磁层元和第2铁磁层元的尺寸不同。
图2b示出在图2a内用IIb-IIb所示的剖面。
图3a示出彼此层叠、具有其外径尺寸不同的空心圆筒形层元的磁致电阻元件的俯视图。
图3b示出在图3a内用IIIb-IIIb所示的剖面。
图4a示出具有彼此同心安排，其高度彼此不同的空心圆筒形层元的磁致电阻元件的俯视图。
图4b示出在图4a内用IVb-IVb所示的剖面。
图5示出具有磁致电阻元件作存储元的存储单元阵列的片段。
具体实施方式
一个第1铁磁层元11，一个非磁性层元13和一个第2铁磁层元12上下呈叠层安排(参阅图1a，1b)。第1铁磁层元11具有尺寸为130nm×250nm基本上呈矩形形状。在层系方向第1铁磁层元11具有10nm厚度。非磁性层元13也具有尺寸为130nm×250nm的基本上呈矩形的截面。在层系方向它具有2nm厚度。第2铁磁层元12具有尺寸为200nm×250nm基本上呈矩形的截面。在层系方向它具有10nm厚度。
第1铁磁层元11和非磁性层元13具有与第2铁磁层元12相同的长度，然而却具有比第2铁磁层元12较小的宽度。第1铁磁层元11和非磁性层元13安排在第2铁磁层元12上宽度的中心。无论在第1铁磁层元11或在第2铁磁层元12内都存在与各层元11，12的长度平行的优选磁化方向。磁化方向在图1a内用双箭矢标出。
第1铁磁层元11和第2铁磁层元12具有同一材料组成。它由Co组成。非磁性层元13由Al2O3组成。
第1铁磁层元11具有比第2铁磁层元高的转换阈。
在第2实施例内，由Co构成的第1铁磁层元21，由Al2O3构成的非磁性层元23和由Co构成的第2铁磁层元22彼此相叠安排(参阅图2a，2b)。第1铁磁层元21基本上为矩形形状，其长度250nm，宽度130nm，在层系方向的厚度为10nm。第2铁磁层元22也基本上为矩形截面，其长度200nm，宽度130nm，在层系方向的厚度为10nm。非磁性层元23具有与第2铁磁层元22相同的截面，并在平行于层系方向的厚度为2nm。
在第1铁磁层元21和第2铁磁层元22内各自的磁化状态占有，磁化方向平行于有关层元21、22的长度。磁化方向在图2a内作为双箭矢标出。
第2磁化层元22和非磁性层元23安排在第1铁磁层元21上的长度方向中央。在这种安排，第1铁磁层元具有比第2铁磁层元22高的转换阈。
在第3实施例，磁致电阻元件具有由NiFe制造的一个第1铁磁层元31，由NiFe制造的一个第2铁磁层元32和由Al2O3制造的一个非磁性层元33，它们各自具有园筒状截面(参阅图3a，3b)。第1铁磁层元31，非磁性层元33和第2铁磁层元32，在空心圆筒的主轴方向安排成叠层，其中非磁性层元33安排在第1铁磁层元31和第2铁磁层元32之间，其中圆筒轴重合。
第1铁磁层元31和第2铁磁层元32各具有平行主轴方向的厚度10nm。在第1铁磁层元31和第2铁磁层元32内确立环形磁化状态，它可以取顺时针或反时针方向。
非磁性层元33具有平行于主轴方向的厚度2nm。第1铁磁层元31的外径为200nm，第2铁磁层元32的外径为250nm，所有层元的内径130nm。
在这种安排中，第1铁磁层31具有比第2铁磁层元32较大的转换阈。
类似地，上下叠层的、空心圆筒形的层元在其内径或内外径方面不同。
在第4实施例中，提供由NiFe制造的一个第1铁磁层元41，由Al2O3制造的一个非磁性层元43和由NiFe制造的一个第2铁磁层元42，它们各具有空心圆筒形、彼此同心安排。这时非磁性层元43安排在第1铁磁层元41和第2铁磁层元42之间(参阅图4a，4b)。
第1铁磁层元41具有约270nm的外径，约260nm的内径，其平行于空心圆筒主轴的高度为180nm。非磁性层元43具有约260nm的外径，2nm的厚度以及平行于空心圆筒主轴的高度至少为180nm。第2铁磁层元42具有约258nm的外径，约250nm的内径以及平行于空心圆筒主轴的高度为250nm。第1铁磁层元41和非磁性层元43安排在第2铁磁层元42中央的高度上。
在第1铁磁层元41以及在第2铁磁层元42内，磁化呈环形，并且在顺时针或反时针方向走向。在图4a磁化方向标成双箭矢。
在这种安排中，第1铁磁层元41具有比第2铁磁层元42高的转换阈。
为了建立具有磁致电阻元作存储元S的存储单元阵列，该磁致电阻元件正如依靠图1a到图4b所述构成的那样，存储元S安排呈网格形的(参阅图5)。这时每个存储元S连接在第1导线L1和第2导线L2之间。第1导线L1彼此平行走向与彼此也平行走向的第2导线L2正交。为了写入存储元S在从属的导线L1和从属的第2导线L2上分别加这样的电流，使得存储元S安排在第1导线L1和第2导线L2的正交点上，产生足够的磁场，以便转换第2铁磁层元的磁化方向。这时在有关正交点上有效的磁场是由通过在第1导线L1内的电流量感应的磁场和通过在第2导线L2内的电流量感应的磁场的叠加。

Claims (11)

1.一种磁致电阻元件，其中，
-提供一个第1铁磁层元(11，21)，一个非磁性层元(13，23)和一个第2铁磁层元(12，22)，各自形成平面的层元，上下如此安排成叠层，使得非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间，其中非磁性层元对第1铁磁层元和第2铁磁层元各自具有一界面，
-第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上具有同一材料，
-第1铁磁层元和第2铁磁层元在垂直叠层层系的第一维上基本上具有同一尺寸，其特征在于：
第1铁磁层元(11，21)和第2铁磁层元(12，22)的尺寸，在垂直层系的第二维上相差至少20％。
2.根据权利要求1所述的磁致电阻元件，其特征在于：第1铁磁层元(11，21)和第2铁磁层元(12，22)的尺寸，在垂直层系的一维上相差至少30％。
3.根据权利要求1或2所述的磁致电阻元件，其特征在于：第1铁磁层元(11，21)的垂直层系的尺寸为50nm×80nm到250nm×400nm，平行层系的厚度在2nm和20nm之间，以及
第2铁磁层元(12，22)的垂直层系的尺寸为65nm×80nm到350nm×400nm，平行层系的厚度为2nm到20nm。
4.一种磁致电阻元件，其中，
-提供一个第1铁磁层元(31)，一个非磁性层元(33)和一个第2铁磁层元(32)，它们上下如此安排成叠层，使得非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间，其中非磁性层元对第1铁磁层元和第2铁磁层元各自具有一界面，以及
-第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上具有同一材料，其特征在于：
第1铁磁层元(31)，非磁性层元(33)和第2铁磁层元(32)分别形成空心圆筒形，
其中，第1铁磁层元(31)的外径和/或内径与第2铁磁层元(32)的外径或内径不同，以及
其中，第1铁磁层元(31)，非磁性层元(33)和第2铁磁层元(32)在空心圆筒主轴方向叠层。
5.根据权利要求4所述的磁致电阻元件，其特征在于：
第1铁磁层元(31)和第2铁磁层元(32)的厚度分别为2nm到20nm，以及
第1铁磁层元和第2铁磁层元的外径处于50nm和400nm之间，
其中，第1铁磁层元和第2铁磁层元的外径和/或内径相差20％到50％。
6.根据权利要求4的磁致电阻元件，其特征在于：第1铁磁层元(31)的外径为75nm到300nm，平行于主轴的第1铁磁层元(31)的厚度为2nm到20nm，以及
第2铁磁层元(32)的外径为100nm到400nm，平行于圆筒主轴的第2铁磁层元(32)的厚度为2nm到20nm。
7.一种磁致电阻元件，其中，
-提供一个第1铁磁层元(41)，一个非磁性层元(43)和一个第2铁磁层元(42)，它们是如此安排的，使得非磁性层元安排在第1铁磁层元和第2铁磁层元之间，其中非磁性层元对第1铁磁层元和第2铁磁层元各自具有一界面，以及，
-第1铁磁层元和第2铁磁层元基本上具有同一材料，其特征在于：
第1铁磁层元(41)、非磁性层元(43)和第2铁磁层元(42)各自形成空心圆筒，
第1铁磁层元(41)、非磁性层元(43)和第2铁磁层元(42)彼此同心安排，
第1铁磁层元(41)和第2铁磁层元(42)其平行于圆筒主轴的高度不同。
8.根据权利要求7所述的磁致电阻元件，其特征在于：
第1铁磁层元(41)的高度处在50nm和250nm之间，
第2铁磁层元(42)的高度处在80nm和400nm之间，以及
其高度的差异处于30nm和150nm之间。
9.根据权利要求7所述的磁致电阻元件，其特征在于：
第1铁磁层元(41)具有外径在70nm和400nm之间，内径在60nm和390nm之间，平行于圆筒主轴的高度在35nm和180nm之间，
第2铁磁层元(42)具有外径在60nm和390nm之间，内径在50nm和380nm之间，平行于圆筒主轴的高度在50nm和400nm之间。
10.根据权利要求1到9之一所述的磁致电阻元件，其特征在于：
非磁性层元(13，23，33，43)至少包含材料NiO，HfO2，TiO2，NbO，SiO2之一，厚度处在1nm和4nm之间。
11.根据权利要求1到10之一所述的磁致电阻元件，其特征在于：
第1铁磁层元(11，21，31，41)和第2铁磁层元(12，22，32，42)各自至少包含元素Cr，Mn，Gd，Dy之一。
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