[发明专利]磁致电阻元件及其作为存储单元阵列内的存储元的应用

说明书

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,Herausgeber VDI Technologiezentrum PhysikalischeTechnologien,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US5477482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IEDM96-193和D.D Tang等，IEDM95-997)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，IEDM95-997)，或通过铁磁层的不同层厚(参阅S.Tehrani等，IEDM96-193)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。

根据本发明，该问题通过根据权利要求1的磁致电阻元件解决。本发明的其它扩展源自从属权利要求。

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。

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。