[发明专利]磁阻元件以及使用该元件的磁性随机访问存储器

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于永久存储器以及类似设备的磁阻元件，以及一种使用该磁阻元件的MRAM(磁性随机访问存储器)。

背景技术

近来，通过使用磁阻效应用于存储信息的磁性存储元件由于其高密度、高响应、永久性固态存储器元件的性质而引起了注意。MRAM作为使用磁性存储器元件的存储设备而吸引了注意。磁性存储器元件通过磁化磁层的方向来储存信息，并能构成用来半永久保存信息的永久存储器。MRAM可以被用来作为诸如便携式终端或插件的信息存储元件的不同类型存储器。尤其是当带有一个磁性存储器元件的MRAM使用旋转隧道磁阻(TMR)效应的时候，可以通过TMR效应实现高输出特征。这种MRAM也允许高速读取，并且其实际应用也即将实现。

一个磁性存储器元件可以具有一种包括存储层和参照层的结构。通常，参照层是一个磁化方向被固定或定位于一个特定方向的磁材料层。该存储层是一个用来存储信息的层，并且通常是一种可以通过外加一个磁场来改变其磁化方向的磁性层。该存储器元件的逻辑状态是通过其存储层内的磁化方向是否与参照层内的磁化方向一致来决定的。如果由于MR(磁阻)效应而使得这些磁化方向彼此平行的话，磁存储器单元的阻抗减小，如果这些方向不平行的话，例如反平行，存储器单元的阻抗就会增加。通过测量阻抗来确定存储器单元的逻辑状态。

通过在导体中流过的电流而产生的磁场使得在存储层内部的磁化方向发生变化，信息就能够被写入到MRAM的存储单元中去。通过使用一种检测电阻的绝对值的绝对探测方式或者是通过改变读取的检测层的磁化方向的微分检测方法，读出写入的信息。

在高集成的条件下，存储器元件的物理尺寸必须缩小。通常在一个纵向磁化层当中，由于膜表面上的退磁区域与小型化，自旋会在膜边缘部分卷曲。存储器元件就不能够稳定地存储磁信息。为了防止这一问题的出现，本发明人在U.S.P.第6,219,725中披露了一种使用被垂直于膜表面而磁化的磁膜(垂直磁膜)的MR元件。这种垂直磁膜即便是小型化也不会卷曲。当这种膜被用作存储器元件，就可以有效地减小物理尺寸以便提高MRAM的密度。

MR元件包括两个通过一非磁性层而叠置的磁性层。一个磁性层所漏出的杂散磁场被施加到另外一磁性层上。该杂散磁场在外加磁场不存在的情况下都一直存在。

图14A和14B显示了带有一个垂直磁膜的TMR元件的磁化方向。一个磁性层100和一个比磁性膜100具有更高矫顽力的磁性膜200通过一个非磁性膜300叠放在一起。在所有图14A以及14B所示的实例中，磁性膜200都是向下磁化。磁性膜100在图14A中向下磁化，在图14B中向上磁化。磁性膜200是一个通常都向下磁化的钉轧层。“0”表示图14A的状态，“1”表示图14B的状态。

图15A显示了该元件的MH曲线(曲线显示了磁化强度和外加磁场之间的关系)，这是基于这样一个假设：没有任何杂散磁场从矩形比为1的磁性膜中渗漏。由于磁性膜200(钉轧层)的磁化方向不能改变，所以阻抗就随着磁性膜100(存储器层)的磁化方向而改变。当不存在偏转磁场的时候，只有当外加磁场H1或H2等于矫顽力Hc的时候，信息才能够被写到存储层上去。磁场H1将磁性膜100从向上的方向变化称为向下的方向。磁场H2将磁性膜100从向下的方向变化称为向上的方向。

在实践当中，磁性膜200(钉轧层)给磁性膜100(存储器层)提供一个向下的磁场。如图15B所示，MR曲线受到了一个偏转磁场的影响。这时，记录磁场是H2＝Hc+Ho，H1＝Hc-Ho。从图14B所示的状态转换到图14A的状态所需的磁场减少Ho。相反，从图14A所示的状态转换到到图14B的状态所需的磁场增加Ho。图15B显示了这时的磁场强度曲线。曲线显示了流过写线的电流值依据重写磁化方向而变化的情况。电流消耗提高，或者是当电流超过允许的写入线布线的电流密度的时候，写入操作就失败。这时，转换磁场的强度依据写入到存储器单元上的信息的变化而变化。如果需要转换磁场H2的存储器单元在通过两个正交写入线而形成的矩阵排列的存储器单元中重新写入记录信息，需要转换磁场H1的邻近存储器单元信息也会被重写。这样的错误记录操作经常会发生。如果如图15C所示的，当偏转磁场Ho变化到比矫顽力Hc还大的时候，仅有一个阻抗值能够在零磁场内被取得。这使绝对检测变得困难起来。