[發(fā)明專利]磁隧道結(jié)器件、使用該器件的磁存儲(chǔ)器和單元及其存取方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 00131059.3
• 申請(qǐng)日: 2000-12-09
• 公開（公告）號(hào): CN1305234A
• 公開（公告）日: 2001-07-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 南方量二;道嶋正司;林秀和
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 夏普公司
• 主分類號(hào): H01L43/00
• 分類號(hào): H01L43/00;H01L43/08;G11C11/15
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 葉愷東

本發(fā)明涉及磁隧道結(jié)器件、使用磁隧道結(jié)器件的磁存儲(chǔ)器和磁存儲(chǔ)單元及其存取方法。

近年來，與原來的各向異性磁阻效應(yīng)(AMR)器件和巨大磁阻效應(yīng)(GMR)器件相比，磁隧道結(jié)(MTJ)器件能夠得到大的輸出的事實(shí)已為人所知。因此，已經(jīng)考慮把磁隧道結(jié)(MTJ)器件應(yīng)用于HDD(硬盤驅(qū)動(dòng)器)用的重放磁頭或磁存儲(chǔ)器。

特別是，在磁存儲(chǔ)器中，雖然磁隧道結(jié)器件是與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相同的無(wú)源固體存儲(chǔ)器，但是，即使電源中斷，也不會(huì)丟失信息，而且重復(fù)次數(shù)沒有限制，即使放射線進(jìn)行照射也不存在記錄內(nèi)容消失的危險(xiǎn)性等，因此，與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器相比更加有用。

原來的MTJ器件的構(gòu)成表示在圖11上，這樣的構(gòu)成已經(jīng)展示于例如日本公開專利JP-A-9-106514公報(bào)(公開日：4/22/1997)。

圖11的MTJ器件104由反強(qiáng)磁性層141、強(qiáng)磁性層142、絕緣層143和強(qiáng)磁性層144層疊而成。這里，強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144的磁化都在膜面內(nèi)，并且具有平行或反平行的實(shí)際有效的單軸磁各向異性。強(qiáng)磁性層142的磁化實(shí)質(zhì)上從與反強(qiáng)磁性層141的交換結(jié)合開始固定于一個(gè)方向，按照強(qiáng)磁性層144的磁化的方向保持記錄。

采用FeMn、NiMn、PtMn、IrMn等合金作為反強(qiáng)磁性層141，采用Fe、Co、Ni或它們的合金作為強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144。雖然研討了使用各種氧化物或氮化物作為絕緣層143，但是已經(jīng)知道使用Al₂O₃膜的情況下，能夠得到最高的磁阻(MR)比。

另外，也已經(jīng)提出了用除去反強(qiáng)磁性層141的構(gòu)成而利用強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144的保持力差的MTJ器件的方案。

把上述圖11的構(gòu)造的MTJ器件104使用于磁存儲(chǔ)器的情況的動(dòng)作原理表示于圖12(a)和圖12(b)上。

如上所述，強(qiáng)磁性層142和強(qiáng)磁性層144的磁化都在膜面內(nèi)，并且具有平行或反平行的實(shí)際有效的單軸磁各向異性。強(qiáng)磁性層142的磁化實(shí)質(zhì)上從與反強(qiáng)磁性層141的交換結(jié)合開始固定于一個(gè)方向，按照強(qiáng)磁性層144的磁化的方向保持記錄。

按構(gòu)成該存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層144的磁化與強(qiáng)磁性層142的磁化平行或反平行來檢測(cè)出MTJ器件104的阻抗差別，由此來進(jìn)行讀出。利用配置在MTJ器件104附近的電流線產(chǎn)生的磁場(chǎng)來改變強(qiáng)磁性層144的磁化方向，由此來進(jìn)行寫入。

把圖11所示的構(gòu)成的MTJ器件用于可隨機(jī)存取的磁存儲(chǔ)器的情況的概略構(gòu)成表示于圖13上。晶體管151具有讀出時(shí)選擇MTJ器件152的作用。按照?qǐng)D11所示的MTJ器件的方向來記錄信息“0”、“1”，強(qiáng)磁性層142的磁化方向被固定。而且，強(qiáng)磁性層142與強(qiáng)磁性層144的磁化平行時(shí)，阻抗值低，反平行時(shí)，阻抗值高，利用這種磁阻效應(yīng)來讀出信息。另一方面，用比特線153和字線154形成的合成磁場(chǎng)來翻轉(zhuǎn)強(qiáng)磁性層144的磁化方向，由此來實(shí)現(xiàn)寫入。標(biāo)號(hào)155表示屏極線。

可是，因?yàn)樵谏鲜鰳?gòu)成的MTJ器件中強(qiáng)磁性層142與強(qiáng)磁性層144的磁化是面內(nèi)方向，所以磁極產(chǎn)生在兩端部。但是，當(dāng)為了磁存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)的高密度化而使MTJ器件104微細(xì)化了的情況下，隨著器件的細(xì)微化，兩端部磁極產(chǎn)生的反磁場(chǎng)影響就變大。

因?yàn)閷?duì)于強(qiáng)磁性層142來說是與反強(qiáng)磁性層141交換結(jié)合，所以上述的反磁場(chǎng)的影響少，如美國(guó)專利US5841692所示的那樣，由反強(qiáng)磁性結(jié)合的兩個(gè)強(qiáng)磁性層構(gòu)成強(qiáng)磁性層142，這樣就能夠使端部產(chǎn)生的磁極實(shí)質(zhì)上為零。

但是，因?yàn)閷?duì)于構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層144不能采取同樣的方法，所以，與圖案的細(xì)微化有關(guān)，由于端部磁極的影響磁化就不穩(wěn)定，記錄的保持就很困難。

因此，考慮把構(gòu)成存儲(chǔ)層的強(qiáng)磁性層144作為閉合磁路來減低端部磁極的影響。這時(shí)，如果使比特線和字線都通過該閉合磁路內(nèi)，那么，在寫入時(shí)就能夠有效地把強(qiáng)磁性層144的磁化翻轉(zhuǎn)，但是，因?yàn)楸忍鼐€和字線在MTJ器件內(nèi)沿同樣的方向配置，所以，就很難作成為圖13所示的那種簡(jiǎn)單的正交排列。這種閉合磁路結(jié)構(gòu)的例子可見于日本公開專利JP-A-10-302456號(hào)公報(bào)(公開日：1998/11/13)等，但是并未公開這時(shí)磁存儲(chǔ)單元的最佳的存取方法。

考慮上述的磁頭和磁存儲(chǔ)器的應(yīng)用的情況下，高阻抗變化率就很重要，對(duì)于這樣的要求，從材料的觀點(diǎn)來看，限制了阻抗變化率的改善，所以試圖由膜的構(gòu)成來提高阻抗變化率。例如：按照日本公開專利JP-A-11-163436號(hào)公報(bào)(公開日：6/18/1999)，把多個(gè)MTJ器件層疊起來，實(shí)現(xiàn)高阻抗變化率。