使用磁性材料的元件及其編址方法

2023-06-25 00:26:16 2

專利名稱：使用磁性材料的元件及其編址方法
技術領域：
本發明涉及控制磁性材料的磁化的方法。更具體地講，涉及使用磁性材料的元件，例如用於通過控制磁性材料的磁化記錄信息的信息記錄元件，或者用於通過控制磁性材料的磁化來控制電阻的可變電阻元件，並且涉及在採用這種元件的裝置中的編址方法。
與半導體器件相比，使用磁性材料的元件在兩方面有吸引力。首先，由於裝置元件可以使用導電金屬，所以可以實現大的載流子密度和低的電阻。因此，可以期望使用磁性材料的元件適合於設計規則細微化和高集成度。其次，磁性材料固有的雙穩態磁化方向可以用於非易失存儲器。亦即，如果利用磁性材料固有的雙穩態磁化方向，則可以期望實現固態非易失性存儲器，其中即使電路電源被中斷也不會丟失記錄的信息。
同時，電路電源被中斷也不會丟失記錄信息的固態非易失性存儲器預期在許多應用領域都是有用的。特別是，固態非易失性存儲器在非使用期間並不消耗能量，因此在可攜式電子信息設備中降低電池容量和重量方面，可以期望作為關鍵技術。另一方面，在衛星媒體商用時代到來的背景上，固態非易失性存儲器也有廣泛的用途，用於當衛星處於太陽能電池不能使用的地球陰影面時支持衛星的工作。
使用磁性材料的元件具有如下優點，ⅰ)非易失性；ⅱ)重複使用後不產生退化；ⅲ)高速寫入的可能性；ⅳ)尺寸小並且適用於高的記錄密度；ⅴ)優異的抗輻射能力。以下具體討論這些優點。
ⅰ)非易失性由於磁性材料固有的磁化方向的雙穩性，作為磁化方向寫入的信息在沒有驅動電源的情況下也保持不變。
ⅱ)重複使用後不產生退化也曾提出過使用象磁性材料那樣呈現雙穩性的介電材料的存儲器(鐵電隨機存取存儲器F-RAM)。在這種F-RAM中，通過使自發介電極化反向對存儲器狀態重寫。但是，由於對應於存儲器狀態重寫的自發介電極化的反轉伴隨著晶格中的離子運動，所以反覆重寫超過一百萬次後會導致結晶缺陷擴大。於是，對於F-RAM，元件的使用壽命由於材料的疲勞而不能優異，這就提出了問題。另一方面，由於磁性材料的磁化反向不伴隨著離子運動，所以使用磁性材料的元件幾乎可以無限制地重寫，而沒有材料疲勞的限制。
ⅲ)高速寫入的可能性磁性材料的磁化反向速度快至約1ns，通過使用這樣高的開關速率，高速寫入就成為可能。
ⅳ)尺寸小並且適用於高的記錄密度基於組成或結構的選擇，可以大範圍地改變磁性合金的磁性能。於是，使用磁性材料的元件具有極高的設計自由度。對於使用磁性材料的元件，可以使用導電的磁性合金。如果使用導電磁性合金，可以確保元件的電流密度大於使用半導體時的，因而，與使用半導體元件相比，可以進一步細微化，並達到更高的記錄密度。
作為利用這些特性的元件，已經提出了一種自旋電晶體，如Journal ofSociety of Applied Magnetic Science of Japan,vol.19,684(1995)所述。自旋電晶體具有由磁性材料E構成的發射極，同時具有分別由磁性材料C和非磁性材料B構成的收集極和基極，如

圖1所示。對於這種自旋電晶體，取決於磁性材料C、E的磁化方向的輸出電壓，由從磁性材料C、E向非磁性材料B滲出的極化密度所產生。同時，圖1所示自旋電晶體的結構使得輸出電壓取決於磁性材料C和E的磁化方向。通過向磁化用電流線500提供磁化用電流脈衝，並且向磁性材料C和E施加由磁化用電流脈衝P產生的磁場，改變磁化方向。
ⅴ)優異的抗輻射性如果電離輻射穿過元件，那麼通過向電容器充電而產生的存儲狀態，例如對於動態隨機存取存儲器(D-RAM)，就會發生放電，以致丟失存儲的信息。相反，磁性材料的磁化方向不受電離輻射的影響。於是，使用磁性材料的元件在抗輻射性方面是優異的。因此，使用磁性材料的元件對於需要高的抗輻射性的應用，例如通信衛星特別有用。實際上，在使用磁性材料的存儲器中，磁泡存儲器早已用做裝載在通信衛星上的存儲器。
使用磁性材料的器件具有許多優點，如上所述。作為利用這些特徵的器件，已經提出固體磁性存儲器。固體磁性存儲器是一種採用磁性材料陣列作為存儲介質的磁性存儲器件，並且，區別於磁帶或磁碟，其進行存儲操作無需伴隨著存儲介質的運動。
在傳統的固體磁性存儲器中，使用的是一種利用磁性材料特性的簡單編址方法。以下說明傳統的固體磁性存儲器的編址方法。
在固體磁性存儲器中，使用呈現單軸磁各向異性的磁性薄膜。引起磁性薄膜的磁化反轉所需的磁場強度取決於磁場的施加方向。亦即，如果在與易磁化軸傾斜約45°的方向施加磁場，則與在平行於易磁化軸的方向施加磁場相比，可以用較小的磁場強度引起磁化反轉。在傳統的固體磁性存儲器中，可以利用這些特性進行記錄比特的編址，從而可以使用極為簡單的編址系統。
亦即，在傳統的固體磁性存儲器中，按相互垂直地配置字線W1、W2、W3…和位線B1、B2、B3…，存儲載體A-1、A-2、…、B-1、B-2、…、C-1、C-2、…、布置在交叉點，如圖2所示。亦即，在傳統固體磁性存儲器中，存儲載體配置成x-y矩陣構形，構成存儲晶片。每個存儲載體的易磁化軸沿字線方向取向。
如果字線W2和位線B1被選擇，饋以適當的電流，則僅在兩線的交叉點處的存儲載體B-1發生磁化反轉。被饋以電流的字線W2和位線B1上配置的多個存儲載體都被加以磁場。應注意僅來自字線W2或位線B1的磁場不足以引起磁化反轉。只有當來自字線W2的磁場HW和來自位線B1的磁場HB合成時，提供相對於易磁化軸成45°取向的磁場，才能產生磁化反轉，亦即只有在存儲載體B-1中才能產生磁化反轉。亦即，在傳統的固體磁性存儲器中，選擇特定存儲載體的原理是，只有當施加於存儲載體的磁場相對於易磁化軸成45°取向時，才能在存儲載體中引起磁化反轉。
亦即，在傳統的固體磁性存儲器中，可以使用交叉的導電線的簡單布置，來選擇特定的存儲載體，引起磁化反轉，從而使採用極為簡單的編址系統成為可能。
雖然使用磁性材料的元件具有許多優點，如上所述，但是也存在一定的缺點。下面以固體磁性存儲器為例說明使用磁性材料的元件所產生的缺點。以下說明的這些缺點通常是由於為寫入而向存儲載體施加磁場而引起的。
(ⅰ)串擾在傳統的固體磁性存儲器中，通過橫跨存儲器施加磁場在存儲器中進行寫入。但是，由於磁場具有遠程作用的力，所以如果存儲載體密度大，則不可忽略的效應作用在與被選擇的存儲載體鄰接的區域，於是產生了串擾。雖然Z.G.Wang等在IEEE Trans Magn.,Mag33,4498(1997)報導了具有磁場屏蔽結構的存儲單元的設計方法，但是提出的存儲單元的結構複雜。
(ⅱ)矯頑力因設計規則細微化而降低在傳統的固體磁性存儲器中，由電流產生寫入磁場。但是，根據所用的材料，導體可輸送的電流的密度i[A/m2]存在限制。結果是隨著設計規則變得更細密以及導體直徑更細微，可以使用的電流上限被降低。
如果導體直徑是D[m]，則在距導體中心L距離處分出的磁場強度H[A/m]由公式(1)給出H=(πiD2/4)/4(2πL)…(1)導體與存儲載體的中心間距離不明顯小於D，所以如果L=D，則施加於存儲載體的磁場強度由公式(2)給出H=(πiD2/4)/(2πL)=iD/8…(2)如果可允許的電流密度i是i=107[A/cm2]=1011[A/m2],D』[μm]=D[m]×106，則施加於存儲載體的磁場強度H由公式(3)給出H=12500×D』[A/m]=156×D』[Oe]…(3)亦即，如果由於設計規則細微化而使作為存儲載體的磁性材料靠近導體中心，考慮到對接近磁場源的存儲載體的效應，則可以使用的最大磁場正比於設計規則值而顯著降低。
另一方面，需要把存儲載體的矯頑力設計成可以利用外加磁場實現磁化反轉。這樣，如果可以施加於存儲載體的磁場隨著設計規則細微化而降低，則存儲載體的矯頑力也需要相應地降低。亦即對於固體磁性存儲器，需要降低存儲載體的矯頑力。但是，如果存儲載體的矯頑力過度降低，則工作可靠性降低了。這給在受周圍磁場幹擾的環境中使用的可攜式電子設備的存儲器帶來了嚴重問題。
由於為寫入而向存儲載體施加磁場，所以出現了傳統的固體磁性存儲器所固有的這些問題。為了克服這些問題，必須從為了實現目標操作而指定選做寫入或讀出目標的存儲載體的編址方法開始重新考慮問題。
同時，上述問題可歸因於為了使存儲載體的磁化狀態反轉而外加磁場，並且不限於固體磁性存儲器的情況。例如圖1所示自旋電晶體也有同樣的問題。自旋電晶體實現的功能是輸出隨構成元件的磁化方向而變化，其中，輸入操作，亦即參與輸出判斷的改變磁性元件磁化方向的操作，是通過從附近以電流施加磁場來實現的，如同上述固體磁性存儲器的情況一樣。因此，自旋電晶體也有上述存在於固體磁性存儲器中的問題。
如果無需使用磁場即可控制磁化，則可以解決上述問題。作為無需使用磁場即可控制磁化的技術，提出了採用鐵磁性層/半導體層/鐵磁性層層疊在一起的技術，如「Mattson et al,Phys.Rev.Lett.71(1993)185」所公開的。
其利用了依賴於作為中間層的半導體層載流子濃度的鐵磁性層之間的磁性耦合。在層疊在一起的鐵磁性層/半導體層/鐵磁性層中，例如可以通過控制作為中間層的半導體層的載流子濃度而使鐵磁性層之間的磁性耦合從平行改變為反平行。於是，如果磁性層之一(固定層)的矯頑力增大，則可以使相對側的磁性層(可變層)的磁化相對於固定層旋轉。這種通過電輸入可使磁化反轉的技術，被認為是有希望作為實現小尺寸固體器件的技術。
同時，在層疊在一起的鐵磁性層/半導體層/鐵磁性層中，通過半導體層在鐵磁性層之間產生了間接的磁交互作用。為了通過控制作為中間層的半導體層的載流子濃度來控制鐵磁性層之間的磁性耦合，必須降低作為中間層的半導體層的膜厚。
原因在於鐵磁性層之間通過半導體層交互作用的程度，相對於半導體層的厚度成指數地衰減。為了實現切合實際的交互作用程度，例如通過交換偏磁法，對厚度為2nm、飽和磁化強度為12500高斯的Ni-Fe合金片賦予1000Oe的矯頑力。對於利用通過半導體層實現的間接交互作用使Ni-Fe合金磁化反轉所需能量的等同能量，採用簡單的計算即可估算，交換耦合常數必須不小於0.02erg/cm2。從J.J.de Vries，在「Physical Review Letters」78(1997)p.3023發表的論文，可知鐵磁性層之間的距離應約為2.5nm。亦即，為了提供實用的元件，半導體層的厚度應是2.5nm以下。
但是，採用目前的精細加工技術，製備採用厚度不大於2.5nm的薄膜的元件是不現實的。而且，就算可以實際製備這種元件，則這種厚度級別的半導體層被認為實質上是起絕緣勢壘作用的，這是因為在半導體層和鐵磁性層之間的界面上形成肖特基勢壘引起形成耗盡層所造成的。因此，很難注入載流子。
因此，對於由層疊在一起的鐵磁性層/半導體層/鐵磁性層構成的元件儘管在理論上無需使用磁場即可控制磁化，但是製備起來非常困難。
因此，本發明的目的在於提供一種使用磁性材料的元件，其中無需使用磁場即可控制磁化。本發明的另一目的在於提供使用磁性材料的元件，其中可以實現集成電路元件所不可缺少的編址功能，同時解決了使用磁場進行寫入所帶來的問題，例如起因於設計規則細微化或者矯頑力降低的串擾。
在本發明的第一方案中，鐵磁性材料的磁化區域被含有磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域所分隔。對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化。以下說明根據本發明第一方案的磁化控制方法、信息記錄方法和信息記錄元件。
在根據本發明此方案的磁化控制方法中，磁化區域被含有磁性材料和半導體材料的隔離區域所分隔。對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化。
為了控制磁化區域的磁化方向，此磁化控制方法利用在磁化區域之間由隔離區域傳遞的間接磁交互作用。由於隔離區域中含有磁性材料，所以即使隔離區域的厚度增大，也可以在鐵磁性材料的磁化區域之間產生磁交互作用。亦即，採用本發明的磁化控制方法，即使隔離區域的厚度增大，也可以控制磁化區域的磁化。
根據本發明的此方案的磁化控制方法，包括利用厚度不小於10nm的隔離區域分隔鐵磁性材料的磁化區域，對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化。
採用厚度不小於10nm的隔離區域，可以避免由於隔離區域厚度過薄而引起的製造困難或者載流子注入困難所導致的問題。雖然對隔離區域的厚度上限沒有特別的限制，但是從實際製造工藝出發厚度應不大於約1μm。
根據本發明此方案的信息記錄方法，包括，用含有磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域分隔鐵磁性材料的磁化區域，根據要記錄的信息對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化，依賴於磁化區域的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
採用本發明的信息記錄方法，利用在磁化區域之間由隔離區域傳遞的間接磁交互作用，控制磁化區域的磁化方向，記錄信息。由於隔離區域中含有磁性材料，所以即使隔離區域的厚度增大，也可以在鐵磁性材料的磁化區域之間產生磁交互作用。亦即，採用本發明的信息記錄方法，即使隔離區域的厚度增大，也可以控制磁化區域的磁化。
根據本發明此方案的信息記錄方法，包括，用厚度不小於10nm的隔離區域分隔鐵磁性材料的磁化區域，根據要記錄的信息對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化，依賴於磁化區域的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
採用厚度不小於10nm的隔離區域，可以避免由於隔離區域厚度過薄而引起的製造困難或者載流子注入困難所導致的問題。雖然對隔離區域的厚度上限沒有特別的限制，但是從實際製造工藝出發厚度應不大於約1μm。
根據本發明此方案的信息記錄元件具有的結構中，鐵磁性材料的磁化區域被含有磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域所分隔。根據要記錄的信息對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化，根據磁化區域的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
對於這種信息記錄元件，利用在磁化區域之間由隔離區域傳遞的間接磁交互作用，控制磁化區域的磁化方向，記錄信息。由於隔離區域中含有磁性材料，所以即使隔離區域的厚度增大，也可以在鐵磁性材料的磁化區域之間產生磁交互作用。亦即，採用本發明的信息記錄元件，即使隔離區域的厚度增大，也可以控制磁化區域的磁化，記錄信息。
根據本發明此方案的信息記錄方法具有的結構中，鐵磁性材料的磁化區域被厚度不小於10nm的隔離區域所分隔。根據要記錄的信息對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化，根據磁化區域的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
採用厚度不小於10nm的隔離區域，可以避免由於隔離區域厚度過薄而引起的製造困難或者載流子注入困難所導致的問題。雖然對隔離區域的厚度上限沒有特別的限制，但是從實際製造工藝出發厚度應不大於約1μm。
在上述磁化控制方法、信息記錄方法或者信息記錄元件中，根據本發明此方案，外加激勵可以是電激勵、光照或者溫度控制之一。用做隔離區域的複合材料可以列舉出磁性半導體、由分散在磁性半導體中的鐵磁性顆粒組成的介質、鐵磁性膜和半導體膜組合的多層膜、和鐵磁性膜和磁性半導體膜組合的多層膜。這些可以單獨或者組合用做隔離區域。
在本發明的第二方案中，由包含導電材料的導電層和多個磁性層構成層狀組合膜，以使導電層布置在磁性層之間，在層狀組合膜的導電層中流過電流，以改變磁性層之間的磁耦合狀態，從而控制磁性層的磁化方向。以下說明根據本發明此方案的磁化控制方法、信息記錄方法和信息記錄元件。
根據本發明此方案的磁化控制方法，包括，層疊包含導電材料的導電層和多個磁性層，構成層狀組合膜，使導電層位於磁性層之間，在層狀組合膜的導電層中流過電流，以改變磁性層之間的磁性耦合狀態，控制磁性層的磁化方向。
在此磁化控制方法中，可以用做導電層的有，包含呈現單相磁性有序的物質和非磁性材料的複合材料，鐵磁性組成區和非磁性組成區交替布置製成的層狀組合膜或者組成調製膜，或者鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物。
在磁化控制方法中，可以提供其電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。此時，如果電流流過層狀組合膜，則電流聚集在導電層中。
根據本發明此方案的磁功能元件，包括層狀組合膜，後者是層疊包含導電材料的導電層和多個磁性層獲得的，以使導電層位於磁性層之間。在層狀組合的導電層中流過電流，以改變磁性層之間的磁性耦合狀態，控制磁性層的磁化方向。在此磁性功能元件中，利用磁光效應例如磁光克爾效應或者法拉第效應，根據磁性層的磁化狀態提供輸出。
在此磁功能元件中，可以用做導電層的有，包含呈現單相磁性有序的物質和非磁性材料的複合材料，鐵磁性組成區和非磁性組成區交替布置製成的層狀組合膜或者組成調製膜，或者鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物。
在磁功能元件中，可以提供其電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。此時，如果電流流過層狀組合膜，則電流聚集在導電層中。
根據本發明此方案的信息記錄方法，包括，層疊包含導電材料的導電層和多個磁性層，構成層狀組合，以使導電層位於磁性層之間；在層狀組合的導電層中流過電流，從而改變磁性層之間的磁性耦合狀態，控制磁性層的磁化方向；基於磁化層的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
在本發明的信息記錄方法中，可以用做導電層的有，包含呈現單相磁性有序的物質和非磁性材料的複合材料，鐵磁性組成區和非磁性組成區交替布置製成的層狀組合膜或者組成調製膜，或者鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物。
而且，在本發明的信息記錄方法中，可以提供其電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。此時，如果電流流過層狀組合膜，則電流聚集在導電層中。
根據本發明此方案的信息記錄元件，包括層狀組合，後者是層疊包含導電材料的導電層和多個磁性層獲得的，以使導電層位於磁性層之間。在層狀組合的導電層中流過電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態，控制磁性層的磁化方向，基於磁化層的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。採用本發明的信息記錄元件，利用磁光效應例如磁光克爾效應或者法拉第效應，檢測磁性層的磁化方向，讀出記錄的信息。
在本發明的信息記錄元件中，可以用做導電層的有，包含呈現單相磁性有序的物質和非磁性材料的複合材料，鐵磁性組成區和非磁性組成區交替布置製成的層狀組合膜或者組成調製膜，或者鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物。
而且，在本發明的信息記錄元件中，可以提供其電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。此時，如果電流流過層狀組合膜，則電流聚集在導電層中。
根據本發明此方案的可變電阻元件，包括，由層疊在一起的第一磁性層、第二磁性層、非磁性層和第三磁性層製成的層狀組合。在層狀組合的導電層中流過電流，改變第一磁性層和第二磁性層之間的磁性耦合狀態，以控制第二磁性層的磁化方向，從而控制包括第二磁性層、非磁性層和第三磁性層的電流通道的電阻。
在本發明的可變電阻元件中，可以用做導電層的有，包含呈現單相磁性有序的物質和非磁性材料的複合材料，鐵磁性組成區和非磁性組成區交替布置製成的層狀組合膜或者組成調製膜，或者鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物。
而且，在本發明的可變電阻元件中，可以提供其電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。此時，如果電流流過層狀組合膜，則電流聚集在導電層中。
在第三方案中，本發明利用通過固相傳播的交換作用，作為指定選做寫入或讀出的可選存儲載體的方法，以便實現目標操作。以下說明在此第三方案中的磁性存儲器件和編址方法。
根據本發明此方案的磁性存儲器件，包括，多個分隔的磁性部件的陣列作為存儲載體，其中利用通過固相傳播的交換作用，作為指定選做寫入或讀出的某一可選存儲載體的方法，以便實現目標操作。
利用通過固相傳播的交換作用時使用了一種結構，由夾在兩個磁性層之間的耦合控制層組成。此時，所用的交換作用是在布置在耦合控制層兩側上的兩個磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則利用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過對耦合控制層施加激勵，例如電激勵或光激勵而產生的。
作為耦合控制層，可以使用例如半導體層。此時交換作用由半導體層的價電子來傳遞。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則利用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過對耦合控制層施加電激勵而產生的。
作為耦合控制層，可以使用例如介電層。此時，交換作用由利用隧道效應藉助介電層在磁性層之間遷移的電子來傳遞。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則利用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過改變介電層的隧道勢壘高度而產生的。
作為耦合控制層，可以使用例如導電層。此時，所用的交換作用是藉助導電層在兩個磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則利用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是在導電層中流過電流而產生的。
而且，作為耦合控制層，可以使用含有磁性材料的膜厚度不小於10nm的層。具體地，最好是磁性層和非鐵磁性層構成的多層結構，或者磁性顆粒分散在非磁性材料中構成的結構。
在磁性存儲器件中，可以形成由硬磁材料所形成的磁性層，作為耦合控制層夾在兩個磁性層之間所構成的結構的下層。作為磁性層，它布置在耦合控制層的兩側上，後者是層狀組合膜，由夾有中間層的一對磁性層組成，以使其磁化方向相互反平行。在磁性層和耦合控制層之間，可以設置由作為磁性耦合媒介的電絕緣材料形成的薄膜。
在磁性存儲器件中，多個直線式部件相互交叉布置，每個存儲載體布置在直線式部件的交叉點。選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，兩個以上直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用被組合，以對被選擇的存儲載體實施寫入或讀出，其中至少一個磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
在本發明的磁性存儲器件中，多個直線式部件相互交叉布置，每個存儲載體布置在直線式部件的交叉點。選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，利用三個以上的直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用的組合，來控制存儲載體的磁化方向，其中至少一個磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
根據本發明此方案的具有多個分隔的磁性部件陣列作為存儲載體的磁性存儲器件中的編址方法，包括，在選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，使用通過固相傳播的交換作用。
使用通過固相傳播的交換作用時，所用結構由夾在兩個磁性層之間的耦合控制層組成。此時，所用的交換作用是在布置在耦合控制層兩側上的兩個磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則使用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過對耦合控制層施加激勵，例如電激勵或光激勵而產生的。
作為耦合控制層，例如使用半導體層。該交換作用由半導體層的價電子來傳遞。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則使用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過對半導體層施加電激勵而產生的。
作為耦合控制層，例如可以使用介電層。此時，交換作用由利用隧道效應藉助介電層在磁性層之間遷移的電子來傳遞。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則使用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是通過改變介電層的隧道勢壘高度而產生的。
作為耦合控制層，可以使用例如導電層。此時，所用的交換作用是藉助導電層在兩個磁性層之間起作用的交換作用。如果可選存儲載體被選擇用做寫入或讀出，則使用兩個磁性層之間的交換作用的變化，這種變化是在導電層中流過電流而產生的。
而且，作為耦合控制層，可以使用含有磁性材料的膜厚度不小於10nm的層。具體地，最好是磁性層和非鐵磁性層構成的多層結構，或者磁性顆粒分散在非磁性材料中構成的結構。
在根據本發明的編址方法中，多個直線式部件相互交叉布置，每個存儲載體布置在直線式部件的交叉點。選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，對由兩個以上的直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用進行組合，以對被選擇的存儲載體實施寫入或讀出，其中至少一個磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
在根據本發明的編址方法中，多個直線式部件相互交叉布置，每個存儲載體布置在直線式部件的交叉點。選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，利用由三個以上的直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用的組合，來控制存儲載體的磁化方向，其中至少一個磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
根據本發明的此方案，提供了一種無需使用磁場即能控制磁性部件的磁化的元件。於是，根據本發明的此方案，可以解決在使用磁性部件的元件中使用磁場進行寫入所導致的問題，例如因設計規則細微化或者矯頑力降低產生的串擾。此外，根據本發明的此方案，雖然採用使用磁性部件的元件，也可以實現集成電路元件不可缺少的編址功能。
圖1展示了自旋電晶體的結構。
圖2展示了傳統的固體磁性存儲器中的編址方法。
圖3A和3B展示了當磁化區域被隔離區域分隔時，通過激勵隔離區域調製鐵磁性材料的磁化區域的磁化狀態的方式，其中圖3A展示了未激勵隔離區域的狀態，圖3B展示了通過激勵隔離區域使磁化區域之一的磁化方向反轉的狀態。
圖4展示了通過層疊鐵磁性材料形成的磁化區域、磁性材料和半導體材料的複合材料隔離區域和鐵磁性材料的磁化區域獲得的層狀組合的剖面圖，其中磁性半導體用做隔離區域中使用的複合材料。
圖5展示了通過層疊鐵磁性材料形成的磁化區域、磁性材料和半導體材料的複合材料隔離區域和鐵磁性材料的磁化區域獲得的層狀組合的剖面圖，其中，將鐵磁性微粒組成的磁性團分散在半導體內部所獲得的介質用做隔離區域中使用的複合材料。
圖6展示了通過層疊鐵磁性材料形成的磁化區域、磁性材料和半導體材料的複合材料隔離區域和鐵磁性材料的磁化區域獲得的層狀組合的剖面圖，其中，通過層疊鐵磁性層和半導體層於一起所獲得的多層膜用做隔離區域中使用的複合材料。
圖7展示了隔離區域厚度和磁化區域厚度之間的關係，分別為隔離區域是鐵磁性層和半導體層的多層膜的情況，和隔離區域僅是半導體層的情況。
圖8是根據本發明的信息記錄元件的剖面圖，具體展示了未在其柵電極上施加電壓的狀態。
圖9是圖8的信息記錄元件的平面圖，具體展示了未在其柵電極上施加電壓的狀態。
圖10是在圖8所示的信息記錄元件的柵電極上施加電壓的狀態的剖面圖。
圖11是在圖8所示的信息記錄元件的柵電極上施加電壓的狀態的平面圖。
圖12展示了另一個信息記錄元件，具體展示了未在第一和第二柵電極上施加電壓的狀態。
圖13是在圖12所示信息記錄元件的第二柵電極上施加電壓的狀態的剖面圖。
圖14是在圖12所示信息記錄元件的第一柵電極上施加電壓的狀態的剖面圖。
圖15展示了又一個信息記錄元件，具體展示了第一和第二柵電極上未施加電壓的狀態。
圖16是在圖15所示信息記錄元件的第二柵電極上施加電壓的狀態的剖面圖。
圖17是在圖15所示信息記錄元件的第一柵電極上施加電壓的狀態的剖面圖。
圖18是一對磁性部件相互接觸的結構。
圖19是中間層夾在成對磁性部件之間的結構。
圖20展示了信息記錄元件單元的尺寸L和可以用於驅動記錄載體的驅動磁場H之間的關係。
圖21是實施本發明的磁功能元件的示例平面圖。
圖22是沿圖21的線X1-X2截取的剖面圖，具體展示了實施本發明的磁功能元件。
圖23展示了在兩個相互垂直方向(x-和y-方向)測量磁化強度分量的方法。
圖24是在磁功能元件的兩個相互垂直方向(x-和y-方向)的磁化強度的磁滯測量結果。
圖25是在非磁性基片上形成的Ni-Fe合金薄膜的磁化曲線。
圖26展示了磁功能元件的可變磁性層的磁化方向，具體展示了導體層未饋給電流時的磁化方向和導體層被饋給電流時的磁化方向。
圖27展示了導體層所加電流在導通/截止狀態轉換時，在兩個相互垂直方向(x-和y-方向)觀察磁功能元件的磁化的時間變化的結果。
圖28示意地展示了層狀結構的導體層的結構。
圖29示意地展示了微粒分散結構的導體層結構。
圖30是磁功能元件及其外圍電路的結構，此時，可變磁性層的磁化方向的轉換操作所獲得的結果即作為電輸出。
圖31A-31C是負邏輯一次寫入式信息記錄元件的驅動原理的示意圖，其中圖31A是復位狀態，圖31B是導通狀態，圖31C是設定狀態。
圖32A-32C是正邏輯一次寫入式信息記錄元件的驅動原理的示意圖，其中圖32A是復位狀態，圖32B是導通狀態，圖32C是設定狀態。
圖33A-33D是重寫式信息記錄元件的驅動原理的示意圖，圖33A是可變磁性層的磁化方向保持向右的狀態，圖33B是可變磁性層的磁化方向被向左重寫的狀態，圖33C是可變磁性層的磁化方向保持向左的狀態，圖33D是可變磁性層的磁化方向被向右重寫的狀態。
圖34是實施本發明的可變電阻元件的示意圖。
圖35是一對磁性部件相互接觸的結構。
圖36是中間層夾在成對磁性部件之間的結構。
圖37是交換耦合式固體磁性存儲器的示意圖。
圖38展示了信息記錄元件單元的尺寸L和可以用於驅動記錄載體的驅動磁場H之間的關係。
圖39是交換耦合式固體磁性存儲器的一個存儲單元的放大示意圖。
圖40A-40E是圖39所示存儲單元的驅動原理的示意圖，其中圖40A是存儲載體的磁化方向保持向右的狀態，圖40B是電流僅在構成第二y-方向驅動線的第二導體層中流動的狀態，圖40C是存儲載體的磁化方向被向左重寫的狀態，圖40D是電流僅在構成第一y-方向驅動線的第一導體層中流動的狀態，圖40E是存儲載體的磁化方向被向右重寫的狀態。
圖41展示了實施本發明的交換耦合式固體磁性存儲器中的編址方法。
圖42展示了以半導體層作為耦合控制層以之進行磁性驅動的狀態。
圖43展示了以介電層作為耦合控制層以之進行磁性驅動的狀態。
圖44展示了以多層介電層作為耦合控制層以之進行磁性驅動的狀態。
圖45是由層疊在一起的磁性層和非鐵磁性層構成的多層耦合控制層的結構示意圖。
圖46是由分散在非磁性材料中的磁性顆粒構成的耦合控制層的結構示意圖。
圖47是實施本發明的耦合控制層的製造工藝的第一示意圖。
圖48是實施本發明的耦合控制層的製造工藝的第二示意圖。
圖49是實施本發明的耦合控制層的製造工藝的第三示意圖。
圖50是實施本發明的耦合控制層的製造工藝的第四示意圖。
圖51是實施本發明的耦合控制層的製造工藝的第五示意圖。
圖52是具有4×4存儲單元的交換耦合式固體磁性存儲器的平面結構。
圖53是圖52的圓圈部位S的放大圖，具體展示了一個存儲單元的平面結構。
圖54展示了向存儲單元寫入之後用克爾顯微鏡觀察的結果，用於證實在圖52所示交換耦合式固體磁性存儲器中的編址操作。
以下將參考附圖具體說明本發明的優選實施例。
1．第一實施例在第一實施例中，鐵磁性材料的磁化區域被包含磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域分隔，對隔離區域外加激勵，改變被分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個磁化區域的磁化。以下說明採用上述基本概念的磁化控制方法、信息記錄方法和信息記錄元件。
1-1磁化控制方法的原理首先，參考圖3A和3B說明磁化控制方法的基本原理。
參見圖3A，鐵磁性材料形成的磁化區域11、由包含磁性材料和半導體材料的複合材料形成的隔離區域20、和鐵磁性材料形成的磁化區域12被層疊在一起，形成隔離區域20夾在磁化區域11、12之間的結構。在此層狀結構中，如果改變隔離區域20所含半導體的導帶的電子濃度或者價電子帶的空穴濃度，則藉助於這些載流子的磁化區域之間的RKKY交互作用被改變。因此，通過控制隔離區域20的載流子濃度，可以控制磁化區域11和相對側的磁化區域12之間的磁性耦合。
於是，對隔離區域20施加外激勵，如圖3中的箭頭A1所示，改變隔離區域20所含半導體的導帶的電子濃度或者價電子帶的空穴濃度，由此改變磁化區域11和12之間的磁交互作用，從而控制磁化區域11和12的磁化。通過改變磁化區域11、12之間的磁交互作用，控制其磁化，可以使磁化區域11的磁化方向M1和磁化區域12的磁化方向M2從圖3A所示的平行狀態轉變為圖3B所示的反平行狀態。
注意，通過在隔離區域20施加電壓注入載流子，對隔離區域20進行光照或者通過控制隔離區域20的溫度，可以控制隔離區域20的載流子濃度。亦即，為了對隔離區域20施加激勵，控制磁化區域11、12的磁化，可以使用有載流子注入的電激勵、光照或者溫度控制。
1-2元件的特定例子在本實施例中，隔離區域20中含有磁性材料，即使隔離區域20厚度較厚，也可以在磁化區域之間產生磁交互作用。以下參考圖4-6說明具有含磁性材料的隔離區域的特定例子。
圖4展示了採用磁性半導體21作為隔離區域20所用複合材料的例子。磁性半導體21的結構是磁性離子21B分散於半導體母體21A中。此時，磁化區域11通過磁性半導體21的半導體母體21A與磁性離子21B耦合。這些磁性離子21B與其它磁性離子21B耦合。重複這種耦合直到磁化區域11最終與相對側的磁化區域12耦合。亦即，通過半導體母體21A和磁性離子21B，磁化區域11和12間接相互耦合。
通常，磁性耦合的產生和消失現象取決於磁性半導體中的載流子濃度，正如H.Ohno et al,Phys.Rev.Lett.689 1992)2664所討論的。此現象稱為載流子感應的鐵磁性。因此，利用磁性半導體21的載流子濃度，可以調製磁性離子21B與相鄰磁性離子21B的耦合狀態。於是，採用層狀結構，如圖4所示，通過控制磁性半導體21的載流子濃度，可以控制磁化區域11和12之間的間接磁性耦合，以便控制磁化區域11和12的磁化方向。
按此方式，如果使用磁性半導體21作為隔離區域20所用的複合材料，則磁化區域11、12可以藉助半導體母體21A和磁性離子21B相互間接耦合，即使隔離區域20厚度較厚，也可以在磁化區域之間感應磁交互作用。亦即，通過使用磁性半導體21作為隔離區域20，即使隔離區域20的厚度較厚，也可以控制磁化區域11、12的磁化。
用於磁性半導體21的材料可以是基於Ⅱ-Ⅳ族、Ⅲ-Ⅴ族或者硫族化物，或者是所謂的半磁性半導體，例如EuTe或者EuS。如果磁性半導體21中所含的磁性離子21B的濃度使得能夠通過載流子濃度控制來控制磁性離子之間的磁性耦合狀態，就足夠了。
圖5展示的實施例中，將鐵磁性顆粒組成的磁性團22人工地分散進入半導體23內部所獲得的介質用做隔離區域20所用的複合材料。磁性團22所起作用與圖4的磁性離子21B的相似，以便實現與通過圖4所示例子所實現的相似的效果。
作為半導體23，可以使用非晶態或結晶Si或Ge組成的半導體。作為半導體23，可以使用化合物半導體、氧化物半導體或者混晶半導體。如果磁性團22的材料呈現磁矩，則就足夠了，可以使用Fe、Co、Ni、它們的合金、稀土元素、或者含有稀土元素的合金。對磁性團22的尺寸、形狀或者密度無特別限制，只要能夠通過控制半導體23的載流子濃度來控制磁性團之間的磁耦合狀態即可。
在本實施例中，可以使用磁性半導體代替半導體23。如果使用磁性半導體代替半導體23，則不僅顯示出磁性團22的作用而且還顯示出如圖4的實施例所示的磁性離子的作用。
圖6展示的實施例中，通過使用層疊在一起的鐵磁膜24和半導體膜25組成的多層膜作為隔離區域20所用複合材料，實現了與圖4和5所示的相似效果。此時，磁化區域11藉助相鄰半導體膜25與最接近磁化區域11的鐵磁膜24耦合。此鐵磁膜24與最接近的其它鐵磁膜24耦合。重複這種耦合直到實現了與相對側磁化區域12的耦合。亦即，藉助層疊在一起的鐵磁膜24和半導體膜25組成的多層膜，磁化區域11和相對側磁化區域12相互間接耦合。
在把鐵磁膜24和半導體膜25層疊在一起獲得的多層膜中，鐵磁膜之間的磁耦合狀態隨著半導體膜25載流子濃度的改變而改變，正如例如E.E.Fullerton et al,J.Magn.Magn.Mater.117(1992)L301所述。於是，利用半導體膜25的載流子濃度可以調製鐵磁膜24和與其相鄰的其它鐵磁膜24之間的耦合狀態。於是，通過控制半導體膜25的載流子濃度，可以控制磁化區域11和相對側的磁化區域12之間的間接磁性耦合，從而控制磁化區域11、12的磁化方向。
半導體膜25可以由非晶或結晶半導體例如Si或Ge形成。半導體膜25可以由化合物半導體、氧化物半導體或混晶半導體形成。如果鐵磁膜24的材料呈現磁矩就足夠了，例如可以使用Fe、Co或Ni、它們的合金、稀土元素、或含有稀土元素的合金。對鐵磁膜24或半導體膜25的膜厚或層數也沒有限制，只要能夠通過控制半導體膜25的載流子濃度來控制鐵磁膜之間的磁性耦合狀態即可。
在本實施例中，可以使用磁性半導體代替半導體25。如果使用磁性半導體代替半導體25，則不僅顯示出磁性團22的作用而且還顯示出如圖4的實施例所示的磁性離子的作用。
同時，如果使用圖4-6所示結構，則可以在隔離區域20的厚度例如不小於10nm的條件下，控制磁化區域11、12的磁化，不必象傳統實踐那樣把厚度設定為2.5nm以下。原因在於，儘管鐵磁性材料之間藉助於半導體相互作用的耦合力隨鐵磁性材料之間的距離成指數地增大，但如果鐵磁性材料之間存在磁性材料，則會通過該磁性材料發生間接耦合。
具體地，在圖4所示實施例中，即使隔離區域20厚度增大，存在於隔離區域20的磁性離子21B也可以起介質作用，實現磁化區域11和12之間的間接耦合。在圖5所示實施例中，即使隔離區域20厚度增大，存在於隔離區域20的磁性團22也可以起介質作用，實現磁化區域11和12之間的間接耦合。在圖6所示實施例中，即使隔離區域20厚度增大，存在於隔離區域20的鐵磁膜24也可以起介質作用，實現磁化區域11和12之間的間接耦合。
圖7展示了磁化區域11如何藉助隔離區域20中所含的磁性材料與其它磁化區域12間接耦合。此圖中，橫坐標和縱坐標分別代表隔離區域20的厚度(磁化區域之間的距離)和磁化區域之間的交換耦合常數。通過提供隔離區域20的厚度以約0.5nm逐步改變的多個樣品，並且利用例如磁共振法測量這些樣品的交換耦合常數，可以驗證隔離區域20的厚度和交換耦合常數之間的這種關係。
圖7中，實線A代表在使用鐵磁膜24和半導體膜25的多層膜作為隔離區域20時，作為磁化區域之間距離的隔離區域20的厚度和交換耦合常數之間的關係。假設各鐵磁膜24的磁矩相互平行地設置，亦即磁化區域11的磁化方向平行於另一磁化區域12的磁化方向。換言之，圖7展示了磁化區域11藉助其間的鐵磁膜24與另一磁化區域12鐵磁性耦合的情況。
同時為了對比，圖7還展示了隔離區域20僅由半導體組成的情況。亦即，圖7的實線B展示了在隔離區域20僅由半導體形成時，作為磁化區域之間距離的隔離區域20的厚度和交換耦合常數之間的關係。
參見圖7，如果隔離區域20僅由半導體組成，隨著隔離區域20厚度的增加，交換耦合常數呈指數律衰減。如果隔離區域20的厚度不小於約2.5nm，則磁化區域之間的耦合極弱，以致不能構成實用的元件。因此，隔離區域20的厚度通常必須設定在2.5nm以下。
相反，如果隔離區域20採用層疊在一起的鐵磁膜24和半導體膜25組成的多層膜，由於隔離區域20中存在鐵磁膜，如圖7所示，所以每個層疊周期均可保持耦合。由此可見，使用含有磁性材料和半導體材料的複合材料作為隔離區域20，磁化區域11可以藉助作為介質的磁性材料直接與相對側的磁化區域12耦合。亦即，如果由鐵磁膜24和半導體膜25組成的複合材料用做隔離區域20，則隔離區域20可以比傳統的明顯增厚。
於是，通過應用本發明，隔離區域20厚度可以比傳統技術增厚。如果隔離區域20具有不小於10nm數量級的厚度，則採用現行的精細處理技術，足以製備在隔離區域20兩側上的磁化區域11、12組成的結構。此外，如果隔離區域20具有10nm以上數量級的厚度，則可以克服因為在半導體和鐵磁性材料之間的界面上形成肖特基勢壘而導致形成耗盡層的問題，從而可以把載流子注入隔離區域20。
在圖4-6所示的結構中，圖4所示結構具有隔離區域是均勻單相結構的優點，有利於製造。而且，圖5所示結構具有多個不同強度的磁性耦合的路徑。因此，可以通過按照耦合強度的升序去除路徑來逐漸地減弱磁性耦合。亦即圖5所示結構有利於實現模擬操作。圖6的結構具有更易於控制的優點，可以實現期望特性的較高的再現性。此外，採用圖6所示結構，通過改變膜厚或層數可以容易地實現特性匹配或材料設計。
在上述說明中，系以利用RKKY交互作用的耦合情況為例。但是，間接交互作用的原理並不限於RKKY交互作用等，只要滿足通過控制隔離區域20的載流子濃度可以調製磁化區域之間的耦合狀態的條件即可。亦即，本發明可以應用於由隧道電子來傳遞的耦合或者利用半導體中的局部能級的耦合。由隧道電子來傳遞的耦合例如公開於P.Bruno,Phys.Rev.B49(1994)13231，而利用半導體中的局部能級的耦合例如在S.Toscano et al,J.Magn.Magn.Mater.114 91992)L301中進行了討論1-3信息記錄元件和信息記錄方法以下參考圖8-17說明採用上述磁化控制方法的信息記錄元件和信息記錄方法。
首先參考圖8-11說明信息記錄元件和信息記錄方法的第一例子。此時，信息記錄元件30是一次寫入式信息記錄元件，能夠基於磁化區域的磁化方向進行雙電平記錄。
參見圖8和9，信息記錄元件30包括，形成在基片31上的固定磁性層32、形成在固定磁性層32上的隔離層33、形成在隔離層33上的可變磁性層34、和隔有絕緣層35形成在隔離層33上的柵電極36。
在此信息記錄元件30中，固定磁性層32相當於設置在隔離層33兩側上的磁化區域之一，其磁化方向M3任何時候均固定在預置的方向。此固定磁性層32最好由鐵磁性足夠強的鐵磁性材料形成，具體地是矯頑力不小於1kOe數量級的鐵磁性材料，以便磁化方向M3不會因可能存在於普通環境中的弱磁場而改變。
可變磁性層34相當於位於隔離層33兩側上的另一磁化區域，具有取決於記錄的信息的可變的磁化方向M4。選擇可變磁性層34的材料或形狀，以使其矯頑力小於固定磁性層32的矯頑力。例如利用磁場的磁化對可變磁性層34進行處理，以使之呈現強的單軸磁各向異性，從而具有與固定磁性層32的磁化方向成反平行的磁化方向M4。
隔離層33用做隔離區域。用於分隔鐵磁性材料形成的磁化區域。亦即，在本發明的信息記錄元件30中，由固定磁性層32和可變磁性層34形成的磁化區域，被包括磁性材料和半導體材料的複合材料組成的隔離層33所分隔。構成隔離層33的複合材料可以由磁性半導體形成，正如參考圖4所述的，或者由其中分散鐵磁性顆粒的半導體或磁性半導體形成，正如參考圖5所述的。另外，複合材料也可以由鐵磁膜、半導體膜或磁性半導體膜製成的多層膜形成，正如參考圖6所述的。
同時，在根據本發明的信息記錄元件30中，隔離層33可以增加厚度，具體地可以具有不小於10nm的膜厚。如果隔離層33的膜厚不小於10nm，則可以避免因隔離層33厚度過薄而導致製造困難或者載流子注入困難的問題。
柵電極36由導電材料例如金形成，並且隨著絕緣層35面對隔離層33設置。如果在柵電極36上施加電壓，則載流子聚集在隔離層33隔著絕緣層35面對柵電極36的部位。
在柵電極36未施加電壓的信息記錄元件30的初始狀態，亦即在柵電極Vc=0的狀態，固定磁性層32的磁化方向M3與可變磁性層34的磁化方向M4反平行，如圖8和9所示。
當在信息記錄元件30上記錄信息時，在柵電極36上施加預置電壓(柵電壓VG=V)，如圖10和11所示。如果電壓V施加在柵電極36上，布置在固定磁性層32和可變磁性層34之間的隔離層33的載流子濃度被改變，結果固定磁性層32和可變磁性層34之間的磁性耦合狀態被改變。矯頑力較低的可變磁性層34被置於轉矩之下，從而可變磁性層34的磁化方向M4被反轉。由於可變磁性層34具有強的單軸磁各向異性，所以該磁化方向一旦被反轉就穩定了，從而，施加在柵電極36上的電壓V終止後，該狀態仍被保持。
於是，採用信息記錄元件30，無需使用磁場即可控制可變磁性層34的磁化方向M4，從而可以基於可變磁性層34的磁化取向來記錄雙電平信息。
以下參考圖12-14說明信息記錄元件和信息記錄方法的第二實施例。圖12-14所示信息記錄元件40是能夠通過使用多個固定磁性層進行信息寫入的信息記錄元件。在此信息記錄元件40中，如同上述信息記錄元件30一樣，可利用磁化區域的磁化取向實現雙態記錄。
參見圖12，此信息記錄元件40包括，形成在基片41一部分上的第一固定磁性層42、形成在基片41另一部分上的第二固定磁性層43、從第一固定磁性層42延伸到第二固定磁性層43而形成的隔離層44、和形成在隔離層44上的可變磁性層45。信息記錄元件40還包括通過絕緣層46形成在隔離層44一部分上的第一柵電極47和通過絕緣層48形成在隔離層44另一部分上的第二柵電極49。
與信息記錄元件30中的固定磁性層32相同，固定磁性層42、43由高矯頑力的磁性材料形成並且是固定的，以便在任何時候均具有固定的磁化方向。在此信息記錄元件40中，第一固定磁性層42的磁化方向M5與第二固定磁性層43的磁化方向M6反平行。
與上述信息記錄元件30中的可變磁性層34相同，可變磁性層45具有根據記錄的信息而變的磁化方向M7。亦即，選擇此可變磁性層42的形狀或材料，使其具有的矯頑力小於固定磁性層42、43的矯頑力。而且，可變磁性層45例如由場內成膜方法形成，從而具有強的單軸磁各向異性，並且具有與固定磁性層42、43的磁化方向平行或反平行的磁化方向M7。在本實施例中，可變磁性層45的磁化方向M7在初始狀態分別與第一固定磁性層42的磁化方向M5和第二固定磁性層43的磁化方向M6平行和反平行。
隔離層44用做隔離區域，用於分隔由鐵磁性材料形成的磁化區域。亦即，在本發明的信息記錄元件40中，由第一固定磁性層42、第二固定磁性層43和可變磁性層45形成的磁化區域被隔離層44分隔。此隔離層44由包含磁性材料和半導體材料的複合材料形成。構成隔離層44的複合材料可以由磁性半導體形成，正如參考圖4所述的，由具有鐵磁性顆粒分散其中的半導體或磁性半導體形成，正如參考圖5所述的，或者由層疊在一起的鐵磁性膜、半導體膜或磁性半導體膜製成的多層膜形成，如圖6所示。
採用根據本發明的信息記錄元件40，隔離層44的膜厚可以增加，具體地是膜厚可以不小於10nm。如果隔離層44的膜厚不小於10nm，則可以克服因隔離層的厚度過薄而產生的製造困難或載流子注入團難的問題。
第一柵電極47或第二柵電極49由導電材料例如金形成。布置第一柵電極47，使其通過絕緣層46面對隔離層44，通過絕緣層46和隔離層44面對第一固定磁性層42。布置第二柵電極49，使其通過絕緣層48面對隔離層44，通過絕緣層48和隔離層44面對第二固定磁性層43。
如果在第一電極47上施加電壓，則藉助於該第一柵電極47，載流子被聚集在隔離層44面對第一柵電極47的部位附近。換言之，如果在第一電極47上施加電壓，則載流子被聚集在可變磁性層45和第一固定磁性層42之間的隔離層44中。
如果在第二柵電極49施加電壓，載流子則被聚集在通過絕緣層48布置的隔離層44附近。換言之，載流子聚集在可變磁性層45和第二固定磁性層43之間的隔離層44中。
採用此信息記錄元件40，通過控制在第一柵電極47和第二柵電極49上施加的電壓，可以使可變磁性層44的磁化方向M7反覆地反轉。以下說明反覆反轉可變磁性層44的磁化方向M7的操作。
在第一柵電極47和第二柵電極49上均未施加電壓的初始狀態，可變磁性層45的磁化方向M7與第一固定磁性層42的磁化方向平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6反平行，如圖12所示。
在此狀態，如果在第二柵電極49上施加預置電壓V2，如圖13所示，則第二柵電極49的柵電壓VG2是V2(VG2=V2)。這樣就改變了布置在可變磁性層45和第二固定磁性層43之間的隔離層44的載流子濃度，以改變可變磁性層45和第二固定磁性層43之間的磁性耦合狀態。於是轉矩施加在低矯頑力的可變磁性層45上，使可變磁性層45的磁化方向M7反轉。亦即，可變磁性層45的磁化方向與第一固定磁性層42的磁化方向M5反平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6平行，如圖13所示。由於可變磁性層45呈現強的單軸磁各向異性，所以如此反轉的此磁化狀態是穩定的，以致即使終止在第二柵電極49上施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態。
當可變磁性層45的磁化方向與第一固定磁性層42的磁化方向M5反平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6平行時，將預置電壓V1施加在第一柵電極47上，如圖14所示，把第一柵電極47的柵電壓Vc1設定為等於V1(Vc1=V1)。這樣就改變了布置在可變磁性層45和第一固定磁性層42之間的隔離層44的載流子濃度，以改變可變磁性層45和第一固定磁性層42之間的磁性耦合狀態。於是轉矩施加在低矯頑力的可變磁性層45上，使可變磁性層45的磁化方向M7反轉。亦即，可變磁性層45的磁化方向M7與第一固定磁性層42的磁化方向M5平行，與第二固定磁性層43的磁化方向M6反平行，如圖14所示。由於可變磁性層45呈現強的單軸磁各向異性，所以如此反轉的磁化是穩定的，以致即使終止在第一柵電極47上施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態。
於是，採用本發明的信息記錄元件40，通過在第一柵電極47或者第二柵電極49上施加電壓，無需使用磁場，即可以控制可變磁性層45的磁化方向M7，從而能夠基於可變磁性層45的磁化方向記錄雙電平信息。此外，採用本發明的信息記錄元件40，通過在第一柵電極47上施加預置電壓V1或者通過在第二柵電極49上施加預置電壓V2，可以使可變磁性層45的磁化方向M7反覆地反轉。亦即，信息記錄元件40可以反覆地重寫信息。
以下參考圖15-17說明信息記錄元件和信息記錄方法的第三實施例。此時，信息記錄元件50是通過使用多個固定磁性層進行信息重寫的元件。採用此信息記錄元件50，與信息記錄元件30和40相同，可以基於磁化區域的磁化方向實現雙電平記錄。
參見圖15，此信息記錄元件50包括，形成在基片51上的第一固定磁性層52、形成在固定磁性層52上的第一隔離層53、形成在第一隔離層53上的可變磁性層54、形成在可變磁性層54上的第二隔離層55、形成在第二隔離層55上的第二固定磁性層56。信息記錄元件50還包括通過絕緣層57形成在第二隔離層55一部分上的第一柵電極58、和通過絕緣層59形成在第二隔離層55一部分上的第二柵電極60。
在本發明的信息記錄元件50中，固定磁性層52、56如同固定磁性層42、43一樣由高矯頑力的磁性材料形成，，並且是固定的，從而在任何時候均取向在相同的磁化方向。在本發明的信息記錄元件50中，固定磁性層52的磁化方向M8和第二固定磁性層56的磁化方向M9被設定為反平行。
與可變磁性層45相同，可變磁性層54具有取決於記錄信息的可變磁化方向M10。亦即，選擇此可變磁性層54的形狀或材料類型，使其矯頑力小於固定磁性層52或56的矯頑力。而且，可變磁性層45例如由場內成膜方法形成，以使之具有強的單軸磁各向異性，並使其磁化方向M10與固定磁性層52、53的磁化方向平行或反平行。在本實施例中，可變磁性層54的磁化方向M10在初始狀態分別與第一固定磁性層52的磁化方向M8和第二固定磁性層43的磁化方向M9平行和反平行。
第一隔離層53和第二隔離層55用做隔離區域，用於分隔由鐵磁性材料形成的磁化區域。亦即，在本發明的信息記錄元件50中，由第一固定磁性層52、第二固定磁性層56和可變磁性層54形成的磁化區域被第一隔離層53和第二隔離層55分隔。所述隔離層53、55由包含磁性材料和半導體材料的複合材料形成。構成隔離層53、55的複合材料可以由磁性半導體形成，正如參考圖4所述的，由具有鐵磁性顆粒分散其中的半導體或磁性半導體形成，正如參考圖5所述的，或者由層疊在一起的鐵磁性膜、半導體膜或磁性半導體膜製成的多層膜形成，如圖6所示。
採用根據本發明的信息記錄元件50，隔離層53、55的膜厚可以增加，具體地是膜厚不小於10nm。如果隔離層53、55的膜厚不小於10nm，則可以克服因隔離層53、55的厚度過薄而產生的製造困難或載流子注入困難的問題。
第一柵電極58或第二柵電極60由導電材料例如金形成。布置第一柵電極58，使其通過絕緣層57面對隔離層53，通過絕緣層57和第一隔離層53面對第一固定磁性層52。布置第二柵電極60，使其通過絕緣層59面對第二隔離層55，通過絕緣層59和隔離層55面對可變磁性層54。
如果在第一電極58上施加電壓，則載流子被聚集在第一隔離層53的通過絕緣層57面對第一柵電極58的部位附近。換言之，如果在第一柵電極58上施加電壓，則載流子被聚集在可變磁性層54和第一固定磁性層52之間的第一隔離層53中。
如果在第二柵電極60上施加電壓，則載流子被聚集在通過絕緣層59布置的第二隔離層55附近。換言之，載流子聚集在第二隔離層55的通過絕緣層59面對第二柵電極60的部分中。換言之，如果在第二柵電極60上施加電壓，則載流子聚集在可變磁性層54和第二固定磁性層56之間的第二隔離層55中。
採用本發明的信息記錄元件50，通過控制在第一柵電極58和第二柵電極60上施加的電壓，可以使可變磁性層54的磁化方向M10反覆地反轉。以下說明反覆反轉可變磁性層54的磁化方向M10的操作。
在第一柵電極58和第二柵電極60上均未施加電壓的初始狀態，可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9反平行，如圖15所示。
在此狀態，如果在第二柵電極60上施加預置電壓V2，如圖16所示，則第二柵電極60的柵電壓VG2是V2(VG2=V2)。這樣就改變了布置在可變磁性層54和第二固定磁性層56之間的第二隔離層55的載流子濃度，從而改變了可變磁性層54和第二固定磁性層56之間的磁性耦合狀態。於是轉矩施加在低矯頑力的可變磁性層54上，使可變磁性層54的磁化方向M10反轉。亦即，可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8反平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9平行，如圖16所示。由於可變磁性層54呈現強的單軸磁各向異性，所以如此反轉的此磁化狀態是穩定的，以致即使終止在第二柵電極60上施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態。
當可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8反平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9平行，在第一柵電極58上施加預置電壓V1，如圖17所示，把第一柵電極58的柵電壓設定為等於V1(Vc1=V1)。這改變了布置在可變磁性層54和第一固定磁性層52之間的第一隔離層53的載流子濃度，從而改變了可變磁性層54和第一固定磁性層52之間的磁性耦合狀態。於是轉矩施加在低矯頑力的可變磁性層54上，使可變磁性層54的磁化方向M10反轉。亦即，可變磁性層54的磁化方向M10與第一固定磁性層52的磁化方向M8平行，與第二固定磁性層56的磁化方向M9平行，如圖17所示。由於可變磁性層54呈現強的單軸磁各向異性，所以如此反轉的此磁化狀態是穩定的，以致即使終止在第二柵電極58施加的電壓V2也可以保持該磁化狀態。
於是，採用本發明的信息記錄元件50，通過在第一柵電極58上或者第二柵電極60上施加電壓，無需使用磁場，即可以控制可變磁性層54的磁化方向M10，從而能夠基於可變磁性層54的磁化方向記錄雙電平信息。此外，採用本發明的信息記錄元件50，通過在第一柵電極58施加預置電壓或者通過在第二柵電極60施加預置電壓，可以使可變磁性層54的磁化方向M10反覆地反轉。亦即，信息記錄元件50可以反覆地重寫信息。
在如圖12-17所示的信息記錄元件中，圖12-14所示信息記錄元件，具有的優點是可變磁性層45位於其上表面，從而可以容易地讀出可變磁性層45的磁化方向M7的變化。另一方面，圖15-17所示信息記錄元件50，與圖12-14所示信息記錄元件相比具有的優點是，其需要的表面積較小，從而可以使其具有更高的電路集成度。
在上述信息記錄元件30、40和50中，所用的可變磁性層34、45和54呈現單軸磁各向異性，從而可進行雙電平記錄。但是，所用的可變磁性層相對於磁化取向可具有三個以上的最小各向異性能量點。如果採用相對於磁化取向具有三個以上的最小各向異性能量點的可變磁性層，則可以利用單個可變磁性層進行三個以上值的多值記錄。
通過使隔離區域中如上具體所述含有磁性材料，即使隔離區域厚度較厚也可以在鐵磁性材料形成的磁化區域之間產生磁交互作用。亦即，通過使隔離區域包含磁性材料，即使隔離區域的厚度較厚也可以控制磁化區域的磁化。亦即，採用本發明的上述第一方案，可以實現無需磁場即能夠控制磁化的磁化控制方法、和使用該磁化控制方法的信息記錄元件和信息記錄方法。結果實現了可快速存取的理想的固體存儲器，使其具有更高的電路集成度，具有巨大的重寫次數，是非易失的並且無串擾。
2．第二實施例本發明的第二方案應用於如下構成，其中含有導電材料的導電層與多個磁性層層疊，使導電層設置在磁性層之間，電流在層疊組合的導電層中流動，從而控制磁性層的磁化方向。以下將具體說明根據本發明的磁化控制方法、信息功能元件、信息記錄方法、信息記錄元件和可變電阻元件的優選實施例。
2-1磁化控制方法的原理首先，說明磁化控制方法的基本原理。在本實施例中，無需依靠外加磁場，而是利用固體材料中的磁交互作用(交換作用)作為驅動能量，在作為器件的構成部分的磁性層中感應磁化的反轉。由於磁化方向被反轉，所以其中感應磁化反轉的磁性層可以稱為『可變磁性層』，或者如果考慮信息記錄元件，則也可以稱為『記錄介質』。
交換作用正是鐵磁性材料內部的原子的單向取向的磁矩的來源。如果一對磁性部件100、101相互接觸，交換作用就通過磁性部件100、101相互接觸的界面在其間起作用。如果磁性部件100、101不相互直接接觸而有中間層103夾於其間，交換作用則可以藉助中間層103在磁性部件100、101之間作用。如果中間層103是磁性部件，它當然傳遞交換作用。但是，如果中間層103本身是非磁性層，例如Au，或者是半導體，例如Si、Ge，已經證實交換作用也通過中間層103傳遞。已經提出了解釋交換作用的傳遞源的理論，例如RKKL模型。
這裡採用這種交換作用來控制磁性部件的磁化方向。下面通過具體實施例說明利用交換作用來控制磁化方向的方法。
假設磁性部件100、101相互不直接接觸，而是由中間層103分隔，如圖19所示。還假設磁性部件100是磁化方向易於改變的軟磁部件，而磁性部件101是磁化方向固定的永久磁體。還假設磁性部件100、101之間的中間層103是鐵磁性材料，但是具有低的居裡溫度Tc(高於該溫度時磁性狀態是無序的)。
當溫度高於中間層103的居裡溫度Tc時，中間層103缺乏磁性有序，以致磁性部件101的作用不能傳遞到磁性部件100，從而在外磁場的作用下磁性部件100的磁化處於隨機取向。如果溫度降低到居裡溫度Tc以下，則將在中間層103中產生磁性有序，從而，匹配磁性部件100、101的磁化方向的交互作用通過中間層103起作用。由於磁性部件101是永久磁體，所以至此仍在隨機方向取向的磁性部件100的磁化方向被改變成與磁性部件101的磁化方向相匹配。磁性部件100的磁化方向的這種變化不是由外磁場引起的，而是由固體材料中的交換作用引起的。
根據本發明，採用這種交換作用作為驅動能源來控制磁性部件的磁化方向。但是，根據本發明，系利用電輸入控制交換作用，而不是如上所述的環境溫度。
根據本發明的磁功能元件，是採用以交換作用作為驅動能源從而改變磁化方向的操作的元件。換言之，根據本發明的磁功能元件是由包含磁性材料和電輸入/輸出端的多薄膜的多層結構製成的元件。鐵磁性材料的磁化方向的所述變化不是由施加於鐵磁性材料的外磁場的改變引起的，而是由固體材料中的交換作用的改變引起的。
亦即，在本發明的第二方案中，以固體材料中的交換作用作為驅動能源，控制磁性部件的磁化方向。通過使用這種交換作用，構成了一種信息記錄元件。採用具有幾十Oe的矯頑力、具有適中的磁化方向變化趨勢的磁性部件(以下稱為磁性部件A)作為記錄介質，而採用由永久磁體形成的磁性部件(以下稱為磁性部件B)作為在記錄介質上寫入的驅動能源。基於磁性部件A的磁化取向，實現包括雙值記錄的多值記錄。
以下說明使用磁性部件A和磁性部B的交換作用，其中，具有幾十Oe的矯頑力、具有適中的磁化方向變化趨勢的磁性部件A被作為記錄介質，永久磁體的磁性部件B被作為在記錄介質上寫入的驅動能源。
假設磁性部件A和B均是層疊膜，其具有的接觸表面大於磁性部件的體積，可以有效地傳遞交換作用。在以下說明中，具有幾十Oe的矯頑力、具有適中的磁化方向變化趨勢的磁性部件A的各層被作為記錄載體，因而稱為記錄載體層。而且，永久磁體形成的磁性部件B各層是固定的，以使其磁化方向不變，因而稱為固定磁性層。由於本發明期望降低信息記錄元件的尺寸，所以假設記錄載體層具有單磁疇結構。
通常，由兩層之間的交換作用產生的勢能Uex正比於磁性部件A和B之間界面的面積S。如果記錄載體層的磁化方向是θ，固定磁性層的磁化方向是θflx則由兩層之間的交換作用產生的勢能Uex由下式(1-1)表示Uex=-S·J·cos(θ-θflx)…(1-1)其中J代表係數。
另一方面，在外磁場H中，記錄載體層具有由外磁場H產生的勢能(塞曼能)UZ。此勢能UZ由下式(1-2)表示UZ=-S·t·磁性半導體·H·(θ-θH)…(1-2)其中Ms是飽和磁化強度，t是厚度，θH是外磁場H的方向。
從上述公式(1-1)和(1-2)可見，由交換作用產生的勢能Uex和勢能UZ有相同形式。亦即，與外磁場類似，交換作用具有改變記錄載體層的磁化方向的作用。因此，交換作用的強度可以作為磁場等效值Hex控制。亦即，如果θflx和θH具有相同值，Uex等於UZ，則下式(1-3)成立-S·J·cos(θ-θflx)=-S·t·磁性半導體·Hex·cos(θ-θH)…(1-3)從而作為磁場計算的交換作用的強度的值Hex可以表示如下Hex=J/(Ms·t)(1-4)如果記錄載體層的矯頑力Hc小於磁場等效值Hex，則可以由交換作用產生磁化反轉。
至今為止，通過在導體中流過電流所產生的磁場被施加給記錄介質。可以施加於記錄介質的磁場強度H由公式(3)表示，如上所述。亦即，如果通過在導體中流過電流而向記錄介質施加磁場，則可以使用的磁場幅度正比於導體的直徑D』H=12500×D』[A/m]=156×D』[Oe]…(3)另一方面，從公式(1-4)可知，利用交換作用進行的磁化反轉與界面表面積無關。因此，在元件尺寸趨向於更為精細的技術進程中，根據本發明利用交換作用實現磁化反轉的操作超越傳統的利用磁場的操作的時代必定來臨。
如果交換作用的值是J=0.05mJ/m2，記錄載體層的厚度t是t=10nm，記錄載體層的飽和磁化強度Ms是Ms=1T，把這些值代入上述公式(1-4)，則磁場等效值Hex是Hex=5000A/m=630Oe。另一方面，當直徑D』=0.4μm時，由上述公式(3)表示的磁場強度H是630Oe。
亦即，根據本發明的磁化控制方法比利用通過導體流過電流而產生的磁場的方法更有效的元件尺寸是亞微米範圍。如果考慮近來的技術趨勢，在不遠的將來，在例如磁性存儲器中，設計規則肯定將達到亞微米數量級。因此，根據本發明的磁化控制方法將來顯然將優於使用通過在導體中流過電流而產生的磁場的方法。
為了對比，圖20分別針對使用通過在導體中流過電流而產生的磁場的現行磁場系統和利用固體材料中的交換作用的交換耦合系統，展示了信息記錄元件的單元尺寸L和可以用於驅動記錄載體層的驅動磁場H之間的關係。圖20中，實線A和虛線B分別代表現行磁場系統和交換耦合系統。在現行磁場系統中，假設導體的直徑D』是單元尺寸的0.8倍。
參見圖20，對於現行磁場系統，單元尺寸越小，可以從導體施加的磁場就越小。另一方面，由於層疊結構中的交換耦合作用與單元尺寸無關，設計規則越精細，交互耦合系統就越優越。
在利用交換作用控制記錄載體層的磁化的情況下，由於交換作用的磁場等效值Hex如上所述與單元尺寸無關，即使設計規則變精細，大矯頑力的磁性薄膜也可以用做記錄介質。具體地，從圖20可知，即使單元尺寸極小，矯頑力超過幾十Oe的磁性薄膜也可以用做記錄載體層。同時，如果飽和磁化強度Ms降低，則可以進一步提高記錄載體層的矯頑力。而且由於應用本發明的磁化反轉操作取決於僅在兩種接觸材料之間產生的交換作用，所以可以避免在別的情況下會與相鄰元件產生的串擾。
2-2元件的具體實施例以下說明使用上述原理的根據本發明的元件的具體實施例。
圖21、22展示了根據本發明的磁功能元件的一個實施例。參見圖21、22，磁功能元件110包括，形成在玻璃基片111上的固定磁性層112、形成在固定磁性層112上的導電層113、與導電層113兩端連接的電極114、115和通過絕緣層116形成在導電層113上的可變磁性層117。
固定磁性層112由高矯頑力的氧化物磁性材料形成，並且穩定在恆定的磁化方向。亦即，固定磁性層112之所以被稱為『固定磁性層』，意思是該元件具有恆定的磁化方向。相反，可變磁性層117由低矯頑力的磁性材料形成。採用本發明的磁功能元件110，可以控制可變磁性層117的磁化方向。亦即，可變磁性層117之被稱為『可變磁性層』，意味著該層117具有可變的磁化方向。
由導電材料形成的導電層113用來控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁性耦合狀態。亦即，導電層113可以說是用於控制固定磁性層112與可變磁性層117的磁性耦合狀態的層。
採用本發明的磁功能元件110，可以通過電極114、115使電流流過導電層113，改變固定磁性層112和可變磁性層117之間的交換作用，控制可變磁性層117的磁化方向。換言之，可以採用本發明的磁功能元件110，通過電輸入控制交換作用，從而控制其磁化方向。
此時，在磁功能元件110中，由高電阻的氧化物材料形成的固定磁性層112作為導電層113的下層，而布置高電阻的絕緣層116覆蓋導電層113。通過形成高電阻層作為導電層113的上層和下層，可以使從電極114、115施加的電流有效地聚集在導電層113中。因此，可以利用弱電流驅動磁功能元件110。
此時，對具有控制可變磁性層117的磁化方向的功能的磁功能元件110的使用沒有特別限制。例如，磁功能元件可以用做電光調製器、信息記錄元件、可變電阻元件或者用做放大元件，如下所述。
2-2-1-1磁功能元件的製造方法使用五極(quintenary)磁控管濺射器件，實際製造磁功能元件110。製造工序如下(ⅰ)固體磁性層的形成首先，在BK-7的玻璃基片111上形成鈷鐵氧體薄膜的固定磁性層112。具體地，採用第一掩膜，其具有在垂直或Y方向為20μm、在水平或X方向為220μm的矩形開口，在加熱到250℃的玻璃基片111上澱積鈷鐵氧體薄膜。採用CoFe2O4燒結靶，通過RF-磁控管濺射，以0.3nm/s的澱積速率，澱積厚300nm的鈷鐵氧體薄膜。作為濺射氣體，採用混合有10％的O2的Ar氣，並且以3mTorr的濺射氣壓按20sccm的速率供氣。
(ⅱ)導電層的形成導電層113，作為Cr膜和Fe-Ag膜交替形成的多層膜，形成於固定磁性層112上。具體地，在形成有固定磁性層112的玻璃基片111交替地處於各個靶之上的同時，同步地濺射Fe-Ag鑲嵌靶和Cr靶，以便在室溫下在玻璃基片111上反覆澱積Cr膜和Fe-Ag膜，該鑲嵌靶是由以15°的圓心角布置在Fe靶上的六個扇形Ag板組成的。調節膜厚以使每層Cr膜具有0.9nm的膜厚、每層Fe-Ag膜具有1.5nm的膜厚。調節層疊順序以使Fe-Ag膜首先澱積在固定磁性層112上，並且在16個半的周期之後澱積Fe-Ag膜作為最上層。
(ⅲ)絕緣層的形成然後在導電層113上形成氧化鋁的絕緣層116。具體地，在澱積的圖形中央布置具有20μm×20μm正方形開口的Mo掩膜，在其上再澱積A1薄膜。然後，利用濺射器件的基片蝕刻功能，對Al薄膜進行等離子體氧化，形成絕緣層116。Al薄膜的等離子體氧化在混合有5％的O2的Ar氣氛中，以10mTorr的氣壓進行。
(ⅳ)可變磁性層的形成然後在絕緣層116上形成Ni78Fe22合金薄膜構成的可變磁性層117。具體地，與澱積的圖形對準地在玻璃基片111上布置具有3μm×3μm正方形開口的Mo掩膜。玻璃基片111被加熱到160℃，在其上澱積厚110nm的Ni78Fe22合金薄膜。在平行於圖形的縱向側(在Y方向)的方向上施加50Oe的磁場，以便對厚10nm的Ni78Fe22合金薄膜賦予磁各向異性。
(ⅴ)電極的形成然後，在導電層113兩端形成Au電極114、115。具體地，澱積尺寸為100μm長、100μm寬和200μm厚的Au薄膜，以便覆蓋導電層113的兩端，亦即覆蓋在先澱積的圖形的左端和右端。
(ⅵ)固定磁性層的磁化最後，在室溫於平行於圖形水平側(X方向)的方向上利用電磁體施加2kOe的磁場，製成如圖21和22所示的磁功能元件110，其中固定磁性層112的磁化方向取向在X方向。
2-2-1-2交換作用的證實在如上所述製造的磁功能元件110上施加外磁場，觀察可變磁性層117的磁化磁滯，以證實交換作用的存在。結果如下為了觀察可變磁性層117的磁化磁滯，利用了正比於材料表面層的磁化的磁光克爾效應MOKE。具體地，在X-Z平面布置一組MOKE測量器件，在Y-Z平面布置另一組MOKE測量器件，以便測量正比於X方向磁化分量和正比於Y方向磁化分量的克爾旋轉角。
用於測量Ｘ方向的克爾旋轉角的MOKE測量器件，包括由布置在X-Z平面的用於發射670nm波長可見光雷射的半導體雷射器121x、光偏振器122x、第一透鏡123x、第二透鏡124x、光偏振器125x和光電探測器126x組成的光學系統，如圖23所示。MOKE測量器件通過偏振器122x和第一透鏡123x把半導體雷射器121x發射的雷射照射在磁功能元件110的可變磁性層117上，藉助第二透鏡124x和光偏振器125x利用光電探測器126x檢測從可變磁性層117反射的光，測量正比於X方向磁化分量的克爾旋轉角。注意應設定照射在磁功能元件110的可變磁性層117上的雷射的入射角和雷射的偏振面，以便僅可以有效地檢測起因於可變磁性層117的MOKE。
用於測量Y方向的克爾旋轉角的MOKE測量器件，包括由布置在Y-Z平面的用於照射670nm波長可見光的半導體雷射器121y、光偏振器122y、第一透鏡123y、第二透鏡124y、光偏振器125y和光電探測器126y組成的光學系統，如圖23所示。MOKE測量器件通過偏振器122y和第一透鏡123y把半導體雷射器121y發射的雷射照射在磁功能元件110的可變磁性層117上，藉助第二透鏡124y和光偏振器125y利用光電探測器126y檢測從可變磁性層117反射的光，測量正比於Y方向磁化分量的克爾旋轉角。注意應設定照射在磁功能元件110的可變磁性層117上的雷射的入射角和雷射的偏振面，以便僅可以有效地檢測起因於可變磁性層117的MOKE。
為了觀察可變磁性層117的磁化磁滯，對磁功能元件110施加強度和取向均可變的外磁場。利用布置在磁功能元件110兩側的一對線圈127、128，對磁功能元件110施加外磁場，如圖23所示。通過改變線圈127、128中流動的電流和線圈127、128的位置，改變施加在磁功能元件110上的磁場強度和取向。
此時，使用振動樣品磁強計VSM測量固定磁性層112的平面內磁化曲線。發現呈現滿意的矩形形狀的磁化曲線，矯頑力是1060Oe。於是，在±50Oe以下的外加磁場強度利用MOKE觀察可變磁性層117的磁化磁滯，以便不引起在X方向磁化的固定磁性層的磁化狀態的變化。觀察到四種磁化磁滯，亦即在可變磁性層117中無電流的條件下的X方向的磁化磁滯，在可變磁性層117中無電流的條件下的Y方向的磁化磁滯，在可變磁性層117中有電流的條件下的X方向的磁化磁滯，和在可變磁性層117中有電流的條件下的Y方向的磁化磁滯。
首先，觀察在導電層113中未施加電流的條件下的磁化磁滯。在X方向和Y方向的磁化磁滯的觀察結果分別展示在圖24的左上側和右上側。圖24左上側所示的X方向的磁化磁滯呈現左右對稱軸向左偏移的磁滯曲線。從此可見，可變磁性層受到對X方向的磁化敏感的偏磁作用。另一方面，展示在圖24右上側的Y方向磁化磁滯表明，在導電層113中無電流流動的條件下，在零磁場中的Y方向剩餘磁化極小。從此可見，在零磁場中，可變磁性層117的磁化方向基本取向在X方向。
然後，隨著嚮導電層113饋送1.2mA的電流，觀察可變磁性層117的磁化磁滯。在X方向和Y方向的磁化磁滯的觀察結果分別展示在左下側和右下側。從這些觀察結果可見，如果通過導電層113饋送電流，則可變磁性層117呈現在Y方向易磁化的特性。
此時，如果終止電流源從而觀察可變磁性層117的磁化磁滯，可變磁性層117顯示的磁化磁滯如圖24上側所示。這表明是否通過可變磁性層117施加電流所引起的變化具有可逆性質。
為了對比，在非磁性基片上僅形成Ni-Fe合金薄膜，觀察Ni-Fe合金薄膜的磁化磁滯。結果展示在圖25。通過在如下環境下，即如同形成可變磁性層117時那樣在Y方向施加磁場，在玻璃基片上直接澱積Ni-Fe合金薄膜，從而製得用於上述觀察的樣品。在Y方向施加磁場的環境下製備的Ni-Fe合金薄膜的Y方向的磁化曲線，展示了高矯頑力和高剩磁，這表明在此Ni-Fe合金薄膜內建立了Y方向易磁化的磁各向異性。
從圖25可見，在磁場中澱積的Ni-Fe合金薄膜在施加磁場的方向具有易磁化軸。因此，磁功能元件110的可變磁性層117本身在Y方向具有易磁化軸。圖24所示觀察結果的特徵被認為反映了來自下層的效應。
如果未嚮導電層113饋送電流，則可變磁性層117在零磁場中被偏置，從而易於在X方向磁化。這提示，使磁化方向取向的鐵磁性交換作用是從在+X方向磁化的下層傳遞而來的。另一方面，如果通過導電層113施加電流，則可變磁性層117呈現與圖25所示對比樣品的觀察結果相似的特性，於是更顯著地表明了可變磁性層本身獨有的特性。由此可見，通過在導電層113流過電流，減弱了來自下層的影響。
上述觀察結果表明，在可變磁性層117和作為可變磁性層117的下層的固定磁性層112之間存在交換作用，而通過對導電層113施加電流可減弱交換作用。
2-2-1-3轉換操作的證實圖26展示了從圖24讀出的在零磁場狀態中各個方向的磁化分量的比例、和從該讀出比例估算的可變磁性層117的磁化矢量的取向。圖26中，矢量A和B分別表示在通入電流狀態和未通入電流狀態的可變磁性層117的磁化矢量的取向。
從圖26可見，可變磁性層117的磁化絕對值不變，磁化方向與X方向的夾角在約20°和約85°之間轉換。這實際上證實了通過施加給導電層113的電流的導通/截止，可變磁性層117的磁化矢量在這兩個方向轉換。
證實轉換操作時，同時使用如圖23所示的兩組MOKE測量器件，對正比於可變磁性層117的X方向磁化分量的X方向克爾旋轉角和正比於可變磁性層117的Y方向磁化分量的Y方向克爾旋轉角進行監視的同時時，轉換導電層113的電流導通/截止。
結果如圖27所示，其中θk-x表示X方向的克爾旋轉角，θk-y表示Y方向的克爾旋轉角，I表示施加於導電層113的電流。從圖27可見，在可變磁性層117的磁化方向，觀察到與饋給導電層113的電流的導通/截止操作同步的變化，還應注意到只要對導電層113有電流輸入，則就有輸出改變的『瞬時』轉換。
此時，當電流施加給導電層113時，可變磁性層117的磁化矢量在該矢量與電流流動方向所成夾角增加的方向發生變化。但是，無論電流極性是否變化，發生轉換的夾角範圍不變。由此可見，電流產生的磁場在改變可變磁性層117的磁化方向上的作用較小，完成轉換操作的原動力在於交換作用的變化。
此時，在磁功能元件中，導電層113的上層和下層由電阻明顯大於導電層113的氧化物形成。因此，通過電極114、115施加的1.2mA電流基本僅流過導電層113。在磁功能元件110中，寬20μm的導電層113參與3μm×3μm的可變磁性層117的轉換操作的部分僅是中央3μm的部位。因此，實現轉換操作的淨電流是0.18mA。
按此方式，採用磁功能元件110，可以用極小的電流實現轉換操作。在傳統的固體磁性存儲器中，據報導，為了控制記錄載體而在導體中流過的電流可減小到約1mA。採用上述磁功能元件，可以用明顯更小的電流實現轉換。此外，採用由交換作用控制磁化的本發明系統，如果單元尺寸較小，則轉換操作所需電流可以進一步減小。同時，如果對導電層113施加1.3mA的電流，電流密度大約是1.56×109A/m2。此值與為了控制記錄載體磁化而在導體中流過的電流密度具有基本相同的數量級。
2-2-2-4導電層的操作採用上述磁功能元件110，反覆層疊Cr和Fe-Ag膜獲得的多層膜用做導電層113，控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的交換作用。以下說明通過導電層113來控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的交換作用的機理。
在由層疊在一起的Cr和Fe膜組成的多層膜中，如果Cr層的厚度選擇為適當的值，例如0.7nm，則可按照已知方式實現反鐵磁性耦合，其中Cr膜兩側的Fe膜的磁化相互反平行。如果採用Fe-Ag膜代替Fe膜，Cr膜兩側可有類似的磁性離合。但是應注意，如果採用Fe-Ag膜代替Fe膜，由於含有Ag，整個多層膜的磁性耦合變弱。
由於存在偶數層的Cr膜，所以在最下的Fe-Ag膜和最上的Fe-Ag膜之間產生了鐵磁性耦合，趨向於使兩層的磁矩取相同的方向和相同的強度。
最初層疊的Fe-Ag膜與鈷鐵氧體薄膜製成的固定磁性層112鐵磁性耦合。另一方面，由氧化鋁形成的絕緣層116形成在Fe-Ag膜上，最後層疊。此絕緣層116具有極薄的厚度，因此具有許多針孔。於是，最上的Fe-Ag膜通過針孔與形成於其上的Ni-Fe合金薄膜的可變磁性層117鐵磁性耦合。如果在正向追蹤從固定磁性層112到可變磁性層117的耦合，則可發現鐵磁性耦合產生在固定磁性層112和可變磁性層117之間，符合根據圖24上側所示的磁特性得出的結論。
當對導電層113施以電流時，固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁耦合被減弱。但是難以用單一理由解釋磁耦合的衰減。如果要設想其機理，可以認為，如果對導電層113施以電流，則由電流在導電層113中產生過多的電子散射，以致在相對於層疊膜的膜表面的垂直方向傳遞自旋，從而幹擾了在上下磁性層之間傳遞交換作用的電子，從而減弱了磁性耦合。還可以設想，由於電流引起的升溫減弱了導電層中的磁性有序，所以磁性耦合被電流引起的升溫所分離，從而減弱了由整個導電層傳遞的磁性耦合的強度。
導電層113的例子如圖28所示。如同圖28所示，導電層113A由多層磁性層113a和位於磁性層113a之間的中間層113b製成。雖然導電層113A由四層磁性層113a和三層中間層113b製成，而上述磁功能元件110所用的導電層113是由17層磁性層113a和16層中間層113b製成的。但是對層數沒有特別限制，可以根據期望的磁性耦合狀態適當地改變。
而且，在磁功能元件110的導電層113中，Fe-Ag膜用做磁性層113a,Cr膜用做中間層113b。但是，磁性層113a或者中間層113b的材料並不限於這些材料。
例如，可以使用鐵磁性材料，例如Fe、Co或Ni，或者它們與非磁性金屬的合金。作為中間層113b，可以使用幾乎任何金屬物質。例如可以使用Ti、V、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。而且，本身在室溫呈現反鐵磁性的Cr，在其用於上述導電層113的同時，自然也可以用做中間層113b。在具有此層疊結構的導電層113A中，可以任意地通過例如磁性層113a的類型、中間層113b的厚度、磁性層113a或中間層113b的層數，進行改變，無論所得磁性耦合是鐵磁性還是反鐵磁性，或者磁性耦合強度怎樣。
同時，只要磁性功能元件110中所用的導電層113具有改變磁交互作用在固相的傳播方式的功能就足夠了。因此，導電層113可以由含呈現單相磁性有序的材料和非磁性材料的複合材料形成。此時，導電層113的形成可以無需為方便導電層113的形成而使用多維濺射設備。
導電層113可以由層疊薄膜或者組成調製膜構成，這是交替形成鐵磁性成分區和非磁性成分區獲得的。其優點在於易於控制導電層113的結構，從而保證性能的高再現性。此外，通過改變膜厚或者說層疊周期，可以容易地實現材料設計或性能的匹配。這是如圖28所示的導電層113A的情形。
導電層113可以是具有鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物。由於有不同強度的磁性耦合的多種路徑，所以可以通過從較弱耦合路徑開始移動路徑來逐漸降低磁性耦合。因此，此結構特別適合於模擬操作，如同在以下將說明的可變電阻元件的情形下一樣。
圖29展示了由鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物構成的導電層113的典型例子。如圖29所示的導電層113B具有微粒分散結構，其中鐵磁性顆粒113c分散在微粒分散結構的導電層113B中的非磁性材料113d內，磁性耦合在作用類似於樓梯石階的鐵磁性顆粒中傳輸，結果布置在導電層113B兩側的固定磁性層112和可變磁性層117就磁性耦合起來。
鐵磁性顆粒間的磁性耦合極弱，所以如果電流在導電層113B中流動，則磁性耦合因過多電子散射和溫升而趨於分離。亦即，在微粒分散結構的導電層113B中，布置在其兩側的固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁性耦合，依賴於鐵磁性顆粒間的弱磁性耦合，以致宏觀磁性耦合趨於因導電層113B中流動的電流而被分離。
在微粒分散結構的導電層113B中，針對構成層疊結構的導電層113A的導電層113a所列舉的上述材料，可以用做鐵磁性顆粒113c的材料。而且，針對構成層疊結構的導電層113A的中間層113b所列舉的上述材料，可以用做鐵磁性顆粒113c分散於其內的非磁性層113d的材料。
同時，微粒分散結構也可以用做層疊結構的構成單元。雖然Fe-Ag膜用做磁性功能元件110的導電層113，但是非固溶體式的兩相混合物材料形成的Fe-Ag膜，可以正確地說成是微粒分散結構。
導電層113不僅可以由共存的兩相構成，而且還可以由在靠近補償點的狀態的單相鐵磁性材料構成。在靠近補償點的狀態的單相鐵磁性材料，在外加激勵作用下，其宏觀磁特性呈現顯著的變化。於是，通過使用在靠近補償點的狀態的單相鐵磁性材料作為導電層113的材料，可以控制固定磁性層112和可變磁性層117之間的磁性耦合狀態，或者直接調製用於可變磁性層117的偏磁。
2-2-1-5輸出方法在上述實驗中，系通過使用MOKE對用於轉換可變磁性層117的磁化方向的轉換操作的結果進行光學檢測。這相當於將磁性功能元件110作為電光調製單元工作。但是，用於改變可變磁性層117的磁化方向的轉換操作的結果也可以作為電輸出而獲得。
如果用於可變磁性層117的磁化方向的轉換操作的結果要作為電輸出獲得，則將非磁性金屬的隔離層130和具有固定磁化方向的磁性金屬的磁性層131布置在可變磁性層117上，如圖30所示。通過在可變磁性層117上布置隔離層130和磁性層131，利用可變磁性層117、隔離層130和磁性層131的自旋閥作用，可以檢測電阻的變化，從而檢測可變磁性層117的磁化方向的變化。
具體地，構成輸出電路132，用於互連可變磁性層117和磁性層131，如圖30所示。此時，電阻根據可變磁性層117的磁化方向與磁性層131磁化方向的夾角而變化，從而改變在輸出電路中流動的輸出電流。
同時，利用隧道磁致電阻效應，而不利用自旋閥效應，也可以檢測用於改變可變磁性層117的磁化方向的轉換操作的結果。當使用隧道磁致電阻效應時，隔離層130由絕緣材料形成。如果使用絕緣材料作為隔離層130，則可以利用隧道磁致電阻效應改變輸出電路132中的電流。
或者，四個接線端可以適當地連接於可變磁性層117，用於根據可變磁性層117的磁化方向通過霍爾效應獲得電壓輸出。
2-2-2一次寫入式信息記錄元件以下說明使用通過電流產生的交換作用的一次寫入式信息記錄元件。
此時，使可變磁性層的磁化方向在一定方向取向的操作稱為驅動操作。對可變磁性層施加驅動操作的層被稱為驅動層。在以下說明中，對應於上述磁性功能元件110的固定磁性層112和導電層113總稱為一個驅動層。
2-2-2-1正邏輯驅動式信息記錄元件利用交換作用的調製能夠僅一次寫入的信息記錄元件的例子如圖31A-31C所示，這些是示意圖，展示了信息記錄元件的驅動原理，沒有具體展示輸出或輸入電路的布線。
參見圖31A-31C，信息記錄元件140包括驅動層141，其上形成有呈現單軸磁各向異性的磁性材料142，元件140適合於基於可變磁性層142的磁化方向進行二進位記錄。在圖31A-31C中，箭頭M1和A1代表可變磁性層142的磁化方向和從驅動層141作用在可變磁性層142上的驅動操作。
此信息記錄元件140是所謂的『正邏輯驅動式』元件，其中，改變可變磁性層142的磁化方向時，驅動操作A1從驅動層141作用於可變磁性層142。以下說明信息記錄元件140的驅動原理。
採用本發明的信息記錄元件140，可變磁性層142的磁化方向設定在復位狀態，以便與來自驅動層141的驅動操作方向A1相反，如圖31A所示。在圖31A-31C的例子中，驅動操作的方向A1向左，在復位狀態中可變磁性層142的磁化方向M1向右。在此復位狀態下，電流施加給驅動層141的導電層，從而以使從驅動層141向可變磁性層142的驅動操作A1終止。
為了改變可變磁性層142的磁化方向M1，以設定寫入信息的導通狀態，終止施加於構成驅動層141的導電層的電流。這樣在驅動層141和可變磁性層142之間產生了交換作用，同時產生了從驅動層141向可變磁性層142的驅動操作。
此時，從驅動層141作用在可變磁性層142上的驅動操作A1，應具有超過可變磁性層142矯頑力的強度。如果驅動操作A1超過可變磁性層142的矯頑力，則在處於導通狀態時可變磁性層142的磁化被反轉，從而使可變磁性層142的磁化方向與驅動操作A1的方向相匹配。亦即，採用本發明的信息記錄元件140，當處於導通狀態時可變磁性層142的磁化方向M1反轉向左。
如果之後電流施加在驅動層141的導電層，阻止從驅動層141向可變磁性層142的驅動操作A1，由於單軸磁各向異性，可變磁性層142的反轉的磁化方向M1被保持，如圖31C所示。亦即，如果從驅動層141作用在可變磁性層142的驅動操作A1被禁止，則磁性材料142的磁化方向M1已被反轉的設定狀態被保持，如圖31C所示。
採用本發明的信息記錄元件140，如上所述，通過轉換施加在構成驅動層141的導電層的電流的導通/截止，可以使可變磁性層142的磁化方向反轉，於是，可以基於可變磁性層142的磁化方向進行二進位記錄。應注意信息記錄元件140必須連續對驅動層141的導電層施以電流，以便保持復位狀態，因而不是非易失存儲器。
作為上述信息記錄元件140，本發明人實際製備了類似於圖21和22所示磁性功能元件110的元件，包括玻璃基片，其上形成有在-X方向磁化的鈷鐵氧體薄膜的固定磁性層，由反覆層疊Cr膜和Fe-Ag膜形成的多層導電膜，氧化鋁的絕緣層，具有在X方向的易磁化軸的Ni-Fe合金薄膜的可變磁性層。
通過改變施加給導電層的電流的導通/截止狀態而產生的可變磁性層的磁化方向的變化通過測量MOKE而加以檢測。具體地，通過饋給導電層電流，同時在+X方向施加40Oe的磁場，以使可變磁性層的磁化取向在+X方向。然後去掉施加的磁場，而對導電層仍連續提供電流。此時發現，可變磁性層的磁化保持在+X方向，終止電流時磁化則反轉為-X方向。
由此發現，通過轉換施加給導電層的電流的導通/截止，可以改變可變磁性層的磁化方向，能夠進行一次寫入操作。但是應注意此時可變磁性層的轉換操作，不是把可變磁性層的磁化方向和X方向之間的角度從約20°改變為約85°的轉換操作，而是在平行和反平行之間的轉換操作。
2-2-2-2負邏輯驅動式信息記錄元件能夠進行利用電流調製交換作用的一次寫入操作的信息記錄元件的一種改進如圖32A-32C所示。此時，圖32A-32C是示意圖，類似於圖31A-31C，用於展示信息記錄元件的驅動原理，沒有具體展示用於輸出或輸入電路的布線。
參見圖32A-32C，展示了信息記錄元件150，其中，在驅動層151上形成具有單軸磁各向異性的可變磁性層152，在可變磁性層152上形成反鐵磁性層153，用於施加與從驅動層151向可變磁性層152的驅動作用反向的驅動作用，以便能夠基於可變磁性層152的磁化方向進行二進位記錄。在圖32A-32C中，箭頭A1、A2和M1分別代表從驅動層151向可變磁性層152的驅動操作、從反鐵磁性層153向可變磁性層153的驅動操作、和可變磁性層152的磁化方向。
此信息記錄元件150是所謂的負邏輯驅動式元件，其中當從驅動層151向可變磁性層152的驅動操作A1終止時，可變磁性層152的磁化方向M1被改變。以下說明信息記錄元件150的驅動原理。
在此信息記錄元件150中，可變磁性層152的磁化方向M1設定在與復位狀態中的驅動操作A1的方向相同的方向，如圖32A所示。在圖32A-32C的例子中，驅動操作的方向A1向右，在復位狀態中的可變磁性層152的磁化方向M1向右。
在此信息記錄元件150中，在復位狀態對驅動層151的導電層未施加電流。因此，在復位狀態，從驅動層151向可變磁性層152施加了驅動操作。但是，在信息記錄元件150中，與來自驅動層151的驅動操作A1反向的驅動操作A2，被從反鐵磁性層153施加於可變磁性層152，來自驅動層151的驅動操作A1被來自反鐵磁性層153的驅動操作A2抵消。但是，由於反鐵磁性層153呈現單軸磁各向異性，所以可變磁性層152的磁化方向保持在其初始磁化方向上，而與來自驅動層151的驅動操作A1或者來自反鐵磁性層153的驅動操作A2無關。
如果要改變可變磁性層152的磁化方向M1設定用於寫入信息的導通狀態，則給驅動層151的導電層施加電流。這樣減弱了驅動層151和可變磁性層152之間的交換作用，以致令從驅動層151作用到可變磁性層152的驅動操作A1無效。從反鐵磁性層153到可變磁性層152的驅動操作A2被設定，以便具有超過可變磁性層152的矯頑力的幅度。如果來自反鐵磁性層153的驅動操作A2設計成超過可變磁性層152的矯頑力，則當從驅動層151到可變磁性層152的驅動操作A1中斷有效時，可變磁性層152的磁化被反轉，可變磁性層152的磁化方向M1取向在來自反鐵磁性層153的驅動操作A2的方向上。亦即，採用本發明的信息記錄元件150，當處於導通狀態時，可變磁性層152的磁化方向M1被反轉為向左。
如果隨後終止向構成驅動層151的導電層施加電流，以使驅動操作A1從驅動層151施加給可變磁性層152，驅動操作A1就被來自反鐵磁性層153的驅動操作A2所抵消，如同復位狀態下的情況一樣。由於可變磁性層152具有單軸磁各向異性，可變磁性層152的反轉的磁化方向M1保持不變，如圖32C所示。亦即，如果電流施加在構成驅動層151的導電層，以使驅動操作A1從驅動層151施加在可變磁性層152，則對應於可變磁性層152的反轉的磁化方向M1的設定狀態得以保持，如圖32C所示。
採用本發明的信息記錄元件150，如上所述，通過轉換施加給驅動層151的導電層152的電流的導通/截止，可以使可變磁性層152的磁化方向M1反轉，使得能夠基於可變磁性層152的磁化方向M1進行二進位記錄。此外，信息記錄元件150不必了保持復位狀態或者設定狀態而向驅動層151的導電層施以電流，為。亦即，本信息記錄元件150是非易失存儲器。
作為上述信息記錄元件150，本發明人實際製備了類似於圖21和22所示磁性功能元件110的元件，包括玻璃基片，其上形成有在-X方向磁化的鈷鐵氧體薄膜的固定磁性層，由反覆層疊Cr膜和Fe-Ag膜形成的多層導電膜，氧化鋁的絕緣層，具有在X方向的易磁化軸的Ni-Fe合金薄膜的可變磁性層，還包括形成在可變磁性層上的反鐵磁性Ph-Mn膜，用於在-X方向向可變磁性層施加驅動操作。
通過改變施加給導電層的電流的導通/截止狀態而產性的可變磁性層的磁化方向的變化通過測量MOKE進行檢測。具體地，通過電流饋給導電層，在+X方向施加40Oe的磁場，以使可變磁性層的磁化取向在+X方向。然後去掉施加的磁場。發現可變磁性層的磁化保持在+X方向，而對導電層施加電流時，磁化反轉為-X方向。
由此發現，通過轉換施加給導電層的電流的導通/截止，可以改變可變磁性層的磁化方向，能夠進行一次寫入操作。但是應注意此時可變磁性層的轉換操作，不是把可變磁性層的磁化方向和X方向之間的角度從約20°改變為約85°的轉換操作，而是在+X方向和-X方向之間的轉換操作。
如果轉換施加給導電層的電流的導通/截止，使可變磁性層的磁化瞬變，則在電流供給終止之後反轉狀態仍然保持。亦即，這證實了在可變磁性層上形成有反鐵磁性層的元件可用做非易失存儲器。
2-2-3重寫式信息記錄元件通過電流調製交換作用的重寫式信息記錄元件如圖33A-33D所示。與圖31A-31D或者32A-32D類似，圖33A-33D是示意圖，用於展示信息記錄元件的驅動原理，沒有展示用於輸入或輸出電路的布線。
參見圖33A-33D，展示了信息記錄元件160，呈現單軸磁各向異性的可變磁性層161夾在第一驅動層162和第二驅動層163之間。信息記錄元件160可以基於可變磁性層161的磁化方向進行二進位記錄。
在圖33A-33D中，箭頭A1、A2和M1分別代表從驅動層161到可變磁性層162的驅動操作、從第二驅動層163到可變磁性層161的驅動操作和可變磁性層161的磁化方向。
如果可變磁性層161的易磁化軸的方向是X方向，則第一驅動層162使驅動操作A1作用於可變磁性層161，以使可變磁性層161的磁化方向M1取向在+X方向(圖33中的向右方向)。另一方面，第二驅動層163使驅動操作A2作用於可變磁性層161，以使可變磁性層161的磁化方向M1取向在-X方向(圖33中的向左方向)。
在信息記錄元件160中，如果使從第一驅動層162到可變磁性層161的驅動操作A1處於無效，則可變磁性層161的磁化方向M1被第二驅動層163到可變磁性層161的驅動操作A2取向在-X方向。另一方面，如果從第二驅動層163到可變磁性層161的驅動操作A2處於無效，則通過從第一驅動層162到可變磁性層161的驅動操作A1，可變磁性層161的磁化方向M1取向在+X方向。
而且，在信息記錄元件160中，如果從第一驅動層162到可變磁性層161的驅動操作A1和從第二驅動層163到可變磁性層161的驅動操作A2均有效，則來自第一驅動層162的驅動操作A1和來自第二驅動層163的驅動操作A2相互抵消，而可變磁性層161的磁化方向M1被可變磁性層本身的單軸磁各向異性所穩定，保持其狀態。
以下進一步說明信息記錄元件160的驅動原理。
圖33A展示的狀態是可變磁性層161的磁化方向M1保持在+X方向(圖中是向右方向)。此時，對第一驅動層162的導電層和第二驅動層163的導電層均未施加電流，因此，來自第一驅動層162的驅動操作A1和來自第二驅動層163的驅動操作A2均作用在可變磁性層161。但是，由於來自第一驅動層162的驅動操作A1的方向與來自第二驅動層163的驅動操作A2的方向相反，所以來自第一驅動層162的驅動操作A1和來自第二驅動層163的驅動操作A2相互抵消。於是，可變磁性層161的磁化方向M1被可變磁性層本身固有的單軸磁各向異性所穩定，保持其狀態(可變磁性層161的磁化方向M1取向在+X方向的狀態)。
圖33B展示的狀態是可變磁性層161的磁化方向M1被從+X方向(圖中向右方向)重寫為-X方向(圖中向左方向)。此時，電流從第一驅動層162施加於可變磁性層161，以致從第一驅動層162到可變磁性層161的驅動操作A1被終止。另一方面，對構成第二驅動層163的導電層未施加電流。所以來自第二驅動層163的驅動操作A2作用於可變磁性層161。
從第二驅動層163作用於可變磁性層161的驅動操作A2被設計成具有超過可變磁性層161的矯頑力的強度。如果來自第二驅動層163的驅動操作A2適於超過可變磁性層161的矯頑力，則當來自第一驅動層162的驅動操作A1被終止有效時，可變磁性層161的磁化從+X方向(圖中向右方向)反轉為-X方向(圖中向左方向)，如圖33B所示，同時可變磁性層161的磁化方向M1取向在來自第二驅動層163的驅動操作A2的方向。
圖33C展示的狀態可變磁性層161的磁化方向M1保持在-X方向(圖中向左方向)。此時，對第一驅動層162的導電層和第二驅動層163的導電層均未施加電流。因此，來自第一驅動層162的驅動操作A1和來自第二驅動層163的驅動操作A2均作用於可變磁性層161。但是，由於來自第一驅動層162的驅動操作A1與來自第二驅動層163的驅動操作A2相反，所以來自第一驅動層162的驅動操作A1和來自第二驅動層163的驅動操作A2相互抵消。於是，可變磁性層161的磁化方向M1被可變磁性層本身固有的單軸磁各向異性所穩定，保持其狀態(可變磁性層161的磁化方向M1取向在-X方向的狀態)。
圖33D展示的狀態是可變磁性層161的磁化方向M1被從-X方向(圖中向左方向)重寫為+X方向(圖中向右方向)。此時，電流施於從第二驅動層163的導電層，以致從第二驅動層163到可變磁性層161的驅動操作A2被終止。另一方面，對構成第一驅動層162的導電層未施加電流。所以來自第一驅動層162的驅動操作A1作用於可變磁性層161。
從第一驅動層162作用於可變磁性層161的驅動操作A1被設計成具有超過可變磁性層161的矯頑力的強度。如果來自第一驅動層162的驅動操作A1超過可變磁性層161的矯頑力，則當來自第二驅動層163的驅動操作A2被終止有效時，可變磁性層161的磁化從-X方向(圖中向左方向)反轉為+X方向(圖中向右方向)，如圖33D所示，同時可變磁性層161的磁化方向M1取向在來自第一驅動層162的驅動操作A1的方向。
這樣，通過轉換施於第一驅動層162的導電層的電流的導通/截止，或者轉換施於第二驅動層163的導電層的電流的導通/截止，可以使可變磁性層161的磁化方向M1反轉，於是能夠基於可變磁性層161的磁化方向進行二進位記錄。此外，採用本發明的信息記錄元件160，可以反覆地反轉可變磁性層161的磁化方向M1，能夠反覆地重寫記錄的信息。而且，在信息記錄元件中，不必為了保持可變磁性層161的磁化方向M1，而對第一驅動層162的導電層或者對第二驅動層163的導電層施加電流。亦即本發明的信息記錄元件160可用做非易失存儲器。
對於如上所述的信息記錄元件140、150、160，使用呈現單軸磁各向異性的可變磁性層142、152、161進行二進位記錄。但是，可以使用相對於磁化方向具有三個以上的最小各向異性能量點的可變磁性層142、152、161。如果使用相對於磁化方向具有三個以上的最小各向異性能量點的可變磁性層142、152、161，則可以用單個可變磁性層進行三值或更多值記錄。
2-2-4可變電阻元件圖34展示了利用電流對交換作用的調製的可變電阻元件的例子。
圖34所示可變電阻元件的構成類似於圖30的元件(適合於獲得可變磁性層的磁化方向的轉換操作結果作為電輸出的元件)。具體地，可變電阻元件180包括，固定在磁化預置方向Ma的固定磁性層181，形成在固定磁性層181上的導電層182，形成在導電層182上的可變磁性層183，形成在可變磁性層183上的非磁性金屬的隔離層184，和固定在磁化預置方向M6的磁性金屬的第二固定磁性層185。
在可變電阻元件180中，電流在導電層182中流動，改變第一固定磁性層181和可變磁性層183之間的磁性耦合狀態，控制可變磁性層183的磁化方向Mc。作為導電層182的材料，最好使用例如對第一固定磁性層181和可變磁性層183之間的磁性耦合狀態具有相對適中的改變率的材料。通過使用對磁性耦合狀態具有相對適中的改變率的材料，可以利用對導電層182的電流輸入基本平滑地改變可變磁性層183的磁化方向。
為了相對於輸入電流值保證對磁性耦合狀態的相對適中的改變率，如果導電層183具有由鐵磁性組成區和非磁性組成區的混合物構成的結構就足夠了。採用鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物構成的結構，則存在大量的不同強度的磁性耦合路徑，因而，通過按照強度的升序來去除路徑，可以逐漸地降低磁性耦合。因此，通過對導電層82輸入電流可以基本平滑地改變可變磁性層183的磁化方向，從而提供模擬操作。
而且，採用本發明的可變電阻元件180，可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185構成自旋閥，因而如果改變可變磁性層183的磁化方向Mc，則通過隔離層184和第二固定磁性層185的自旋閥作用，可改變到可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185的通路的電阻。
亦即，採用本發明的可變電阻元件180，電流在導電層182中流動，改變第一固定磁性層181和可變磁性層183之間的磁性耦合狀態，以控制可變磁性層183的磁化方向Mc。通過控制可變磁性層183的磁化方向Mc，可以控制到可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185的通路的電阻。
如果可變電阻元件180具有圖34所示電路結構，並且由可變磁性層183、隔離層184和第二固定磁性層185構成自旋閥，則可變電阻元件180可以用做模擬放大器。亦即，採用圖34所示電路結構，可以提供放大作用，其中輸出端的大電流電路阻抗隨著對導電層182的小電流輸入而變化。
通過改變磁性層之間的磁性耦合狀態，控制磁性層的磁化方向，如上具體所述，可以避免在控制磁性層的磁化方向時伴隨著精細設計規則或者矯頑力降低而產生的串擾問題。對於本發明使用磁化控制方法的磁性功能元件、磁記錄元件和可變電阻元件，無論設計規則精細化如何進展，均可以避免產生串擾或者矯頑力降低的問題。
3．第三實施例在本發明的第三方案中，通過固相傳播的交換作用被用做利用指定選做寫入或讀出的可選存儲載體實現目標操作的方法。以下說明按照本方式布置的本實施例的磁性存儲器件和編址方法。
3-1固體磁性存儲器根據本發明的磁性存儲器件是具有由多個分隔的磁性部件組成的陣列的存儲器件，或者說是所謂的固體磁性存儲器。控制作為用於存儲的元件的存儲介質的磁化方向無需依靠使用外加磁場。具體地，本發明的第一方案的磁化方向或者本發明的第二方案的磁化控制方法，用來控制作為負責存儲功能的元件的存儲載體的磁化方向。
在以下說明中，以一種固體磁性存儲器為例，其中用固相中的磁交互作用(交換作用)作為驅動力，控制作為承擔存儲功能的元件的存儲載體的磁化方向。同時，在以下說明中，該固體磁性存儲器被稱為交換耦合式固體磁性存儲器。
傳統的固體磁性存儲器中固有的問題，亦即例如由精細設計規則或者矯頑力降低引起的串擾的問題，可歸因於為了寫入而對存儲介質施加磁場。在交換耦合式固體磁性存儲器中，使用交換作用控制存儲載體的磁化方向，可以解決傳統固體磁性存儲器的所述問題。
此時，使鐵磁性材料內部的原子磁矩在單一方向取向的動力源是交換作用。如果一對磁性部件190、191相互接觸，如圖35所示，則交換作用通過接觸界面192起作用。如果磁性部件190不與磁性部件91直接接觸，如圖36所示，而是在磁性部件190、191之間存在中間層193，則磁性部件190、191之間的交換作用往往經過中間層193傳播。如果中間層193是磁性部件，該層193當然傳輸交換作用。但是，如果中間層193本身是非磁性材料，例如Au，或者半導體例如Si或Ge，則同樣已經證實可通過中間層193傳輸交換作用。也已提出了說明交換作用的傳遞的成因的理論，例如RKKY模型。
3-2交換耦合式固體磁性存儲器的例子圖37展示了交換耦合式固體磁性存儲器201的例子。如圖37所示，交換耦合式固體磁性存儲器201是一次寫入式存儲器，通過控制磁性材料形成的存儲載體202的磁化方向僅可以寫入一次。
在此交換耦合式固體磁性存儲器201中，存儲載體202夾在偏磁相互反向的兩個固定磁性層203、204之間。從輸入電路205向耦合控制層206提供的電流用於切斷由固定磁性層203向存儲載體202施加的偏磁作用。
亦即，如果對耦合控制層206的輸入截止，以致無電流流過耦合控制層206，則在固定磁性層203和存儲載體202之間產生了交換作用，以致來自固定磁性層203的偏磁作用在存儲載體202上。如果存在來自固定磁性層203的偏磁，則來自固定磁性層203的偏磁和來自固定磁性層204的偏磁相互抵消，以致沒有淨驅動源作用於存儲載體202的磁化。
另一方面，如果對耦合控制層206的輸入導通，以使電流在耦合控制層206中流動，則固定磁性層203和存儲載體202之間的交換作用被終止，使得從固定磁性層203作用在存儲載體202上的偏磁被終止作用。如果來自固定磁性層203的偏磁作用被終止，則在來自固定磁性層204的偏磁作用下，在存儲載體202中產生磁化反轉。
在圖37的實施例中，在自旋閱的原理下實現存儲載體202的磁化方向的讀出。固定磁性層207被非磁性中間層208分隔，以便不影響存儲載體202的磁化。如果存儲載體202的磁化方向和固定磁性層207的磁化方向分別平行或反平行，則從輸出電路209施加的從固定磁性層207經過非磁性中間層208流向存儲載體202的電流分別較大或較小，於是能夠進行對存儲載體202的磁化方向的檢測。
由於交換耦合式固體磁性存儲器201使用交換作用來控制存儲載體202的磁化，因而可以解決通過磁場進行寫入伴隨的問題，例如伴隨設計規則精細化或者矯頑力降低而產生的串擾。
為了對比，針對使用在導體中流動電流而產生的磁場的電流磁場系統的情況，亦即圖2所示傳統的固體磁性存儲器，以及使用固相中的交換作用的交換耦合系統的情況，亦即圖37所示的交換耦合式固體磁性存儲器，圖38分別展示了固體磁性存儲器的以下稱為存儲單元的單位存儲部分的尺寸L與可以用於驅動存儲載體的驅動磁場H之間的關係。圖38中，實線A代表電流磁場系統，以虛線B代表交換耦合系統。此時，在電流磁場系統中，假設導體直徑是存儲單元尺寸L的0.8倍。
在電流磁場系統中，如圖38所示，當存儲單元尺寸降低時，可從導體施加的磁場變小。另一方面，由於交換作用不依賴於存儲單元尺寸L，所以當設計規則精細化時交換耦合系統具有優勢。
按磁場計算的交換作用不依賴於存儲單元尺寸L。因此，如果使用交換作用控制存儲載體的磁化，則可以使用高矯頑力的磁性材料，即使設計規則進一步精細化也是如此。具體地，從圖38可見，如果存儲單元尺寸L極小，則可以使用矯頑力超過幾十Oe的磁性部件作為存儲載體。通過使用高矯頑力的存儲載體，則可以在環境擾動磁場環境下的可攜式電子設備中使用所述存儲載體而具有高的工作可靠性。
3-3固體磁性存儲器的編址對上述交換耦合式固體磁性存儲器增加集成電路不可缺少的編址功能。
通常，對具有多個存儲單元的固體磁存儲器進行的寫入由以下一系列操作構成。亦即，由使用固體磁性存儲器的運算處理器件選擇進行寫入的存儲單元。「某一目標存儲單元中的存儲載體的磁化將被反轉」的信息被從運算處理器件送到固體磁性存儲器。目標存儲單元處於固體磁性存儲器的大量存儲單元之中。然後，根據上述信息，對所述存儲單元的記錄載體作用驅動磁化反轉的能量，使所述存儲載體的磁化反轉。這種選擇特定存儲單元以便在被選擇的存儲單元上進行特定操作的的操作通常被稱為編址。
在利用電輸入控制存儲載體的磁化方向的固體磁性存儲器中，如果期望實現編址功能，則提供用於從運算處理器件向有關存儲單元輸送電信號的布線(所謂的地址線)就足夠了。亦即，如果為每個存儲單元提供地址線，並將電信號輸送到與有關存儲單元相關的地址線，則可以選擇並驅動特定的存儲單元。
但是，如果為各個存儲單元分別提供地址線，結果造成結構複雜。例如對於m個垂直存儲單元×n個水平存儲單元，如果為各個存儲單元分別提供地址線，即使為單個存儲單元僅提供一條地址線，也需要m×n地址線。這樣造成結構複雜，很難提供集成電路元件。
另一方面，對於傳統的固體磁性存儲器，如圖2所示，通過由交叉導體構成的簡化結構實現編址功能。亦即，對於傳統的固體磁性存儲器，如圖2所示，對m個垂直存儲單元和n個水平存儲單元的陣列，簡單地提供m個垂直導體和n個水平導體，總數為n+m個導體，即可以選擇和驅動特定存儲單元。
在以下說明中，使用這些交叉導體的編址被稱為矩陣式編址。此矩陣式編址在構成集成電路上特別有利，因為增加存儲單元數量時只要極少量的導體就足夠了，於是簡化了結構。
在傳統的固體磁性存儲器中，如圖2所示，系使用磁場疊加來實現矩陣式編址。因此，可以容易地實現矩陣式編址。但是，在交換作用式固體磁性存儲器中，矩陣式編址則難以實現，因為不使用磁場疊加。
亦即，在前述交換作用式固體磁性存儲器中，如果期望選擇和驅動特定存儲單元，則需要這樣的機制，即，要選擇特定存儲單元並對選擇的單元提供電流或電壓。為此原因，在前述交換作用式固體磁性存儲器中，無法以簡單的方式應用矩陣式編址。換言之，在前述交換作用式固體磁性存儲器中，如果無論如何都要應用矩陣式編址，則不只是簡單地連接地址線和存儲單元的問題，而需要某些別的技術。例如，必須在地址線和存儲單元之間互連非線性元件，例如二極體，或者把例如在半導體存儲器中所用的選擇電晶體附加於存儲單元。但是，這導致了結構複雜，所以是不希望的。
3-4具有編址功能的交換耦合式固體磁性存儲器在交換耦合式固體磁性存儲器中實現矩陣式編址時，如果使用非線性器件或選擇電晶體，則結構被不受歡迎地複雜化。於是，根據本發明，不使用非線性器件或者選擇電晶體而在交換耦合式固體磁性存儲器中實現矩陣式編址。以下說明本發明的交換耦合式固體磁性存儲器的例子的基本結構。
3-4-1整體結構首先，交換偶合式固體磁性存儲器設置有多個直線式部件，即細長的或者條狀部件。這些直線式部件被賦予用於指定具體存儲單元的信號傳輸線功能，以及控制存儲單元中的存儲載體磁化方向的功能。在以下說明中，這些直線式部件被稱為驅動線。
更具體地，例如，如果兩個相互垂直方向被稱為X-方向和Y-方向，則平行於X-方向布置多條驅動線(以下稱為X-方向驅動線)，並平行於Y-方向布置多條驅動線(以下稱為Y-方向驅動線)，在對應於X-方向驅動線和Y-方向驅動線的交叉點的格點布置存儲載體。
類似於圖2所示的傳統固體磁性存儲器中的字線和位線，這些驅動線完成改變沿驅動線布置的所有存儲載體的磁化方向的操作。由於本實施例涉及的是交換耦合式固體磁性存儲器，故使用交換作用作為改變存儲載體的磁化方向的操作。在以下說明中，使存儲載體的磁化方向取向在給定取向的操作被稱為驅動操作。
3-4-2矩陣式編址的原理交換耦合式固體磁性存儲器中的矩陣式編址，是通過組合上述驅動線實現的，以下進行說明。
3-4-2-1存儲單元的結構參考圖39和40A-40E說明用於矩陣式編址的交換耦合式固體磁性存儲器的存儲單元。圖39展示了僅單個存儲單元，而圖40A-40E展示了驅動原理。參見圖39，存儲單元210的構成包括，第一y-方向驅動線211和第二y-方向驅動線212，與第一、第二y-方向驅動線211、212成直角配置的x-方向驅動線214，在第一和第二y-方向驅動線211、212和x-方向驅動線214之間配置的存儲載體213。存儲載體213受第一和第二y-方向驅動線211、212和x-方向驅動線214的作用。亦即存儲載體213受三路驅動源的影響。
在此存儲單元210中，第一y-方向驅動線211是由均是長條形狀的在預定取向磁化的第一固定磁性層211a和第一導體層211b構成的層疊組件。第二y-方向驅動線212是由均是長條形狀的在與第一固定磁性層211a的相反取向磁化的第二固定磁性層212a和第二導體層212b構成的層疊組件，存儲載體213覆蓋部分第一y-方向驅動線211和部分第二y-方向驅動線212，從而通過導體層211b和212b面對固定磁性層211a和212a。
雖然在圖39中未示出，但是最好在第一導電層211b和存儲載體213之間、第二導電層212b和存儲載體213之間、或者存儲載體213和x-方向驅動線214之間形成絕緣層，如果存儲載體213是低電阻時尤其應如此。
在此存儲單元21中，第一y-方向驅動線211起在存儲載體213上施加驅動操作A1的驅動源作用，把存儲載體213的磁化方向設定為預置取向。類似地，第二y-方向驅動線212起在存儲載體213上施加驅動操作A2的驅動源作用，把存儲載體213的磁化方向設定為預置取向。此時，在圖39和40A-40E中，箭頭A1的方向代表從第一y-方向驅動線211到存儲載體213的驅動操作的方向，而箭頭A2的方向代表從第二y-方向驅動線212到存儲載體213的驅動操作的方向。
亦即，構成第一y-方向驅動線211的第一固定磁性層211a在-x方向磁化，同時從第一y-方向驅動線211到存儲載體213的驅動操作，使存儲載體213的磁化方向M1在-x方向取向。另一方面，構成第二y-方向驅動線212的第二固定磁性層212a在+x方向磁化，同時從第二y-方向驅動線212到存儲載體213的驅動操作，使存儲載體213的磁化方向M1在+x方向取向。
配置成覆蓋第一y-方向驅動線211的一部分和第二y-方向驅動線212的一部分的存儲載體13，由呈現單軸磁各向異性的磁性材料形成，x-方向是易磁化軸。採用本存儲單元210，可以基於存儲載體213的磁化方向進行二進位記錄。
另一方面，x-方向驅動線214由導電材料形成，是長條形狀，以其縱向為x-方向，從而覆蓋存儲載體213。採用本存儲單元210，通過在x-方向驅動線214流過電流來產生磁場，施加在存儲載體213。此時，圖39、40C和40E中，A3代表電流在x-方向驅動線214中流過時產生的磁場。
同時，使磁性材料的磁化反轉所需的磁場幅度取決於磁場的施加方向，正如結合圖2所示的傳統固體磁性存儲器所討論的。通常，如果在從易磁化軸傾斜大約45°的方向施加磁場，與平行於易磁化軸施加磁場相比，可以用較小的磁場強度使磁化反轉。
於是，在本存儲單元210中，如果僅有來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1或者僅有來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2，則存儲載體213不會產生磁化反轉。另一方面，如果存在來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1和電流流過x-方向驅動線214產生的磁場A3的作用，或者如果存在來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2和電流流過x-方向驅動線214產生的磁場A3的作用，則存儲載體213會產生磁化反轉。亦即，採用本存儲單元，通過控制在第一y-方向驅動線211的第一導體層211b中流動的電流、在第二y-方向驅動線212的第二導電層212b中流動的電流、和在x-方向驅動線214中流動的電流，對存儲載體213的磁化方向M1進行控制，以便基於存儲載體213的磁化方向進行二進位記錄。
3-4-2-2存儲單元的驅動原理參見圖40A-40E，具體說明存儲單元210的驅動原理。
圖40A展示的狀態是在對x-方向驅動線214、第一y-方向驅動線211的第一導電層211b和第二y-方向驅動線212的第二導電層212b均未施加電流的情況下，存儲載體213的磁化方向保持在+x方向(圖中向右)。由於此時對x-方向驅動線214、第一y-方向驅動線211的第一導電層211b和第二y-方向驅動線212的第二導電層212b均未施加電流，所以來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1和來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2均作用在存儲載體213上。但是，由於來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1的方向與來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2的方向相反，所以來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1和來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2相互抵消，因此存儲載體213的磁化方向M1被存儲載體本身的單軸磁各向異性所穩定，保持其現有狀態，即存儲載體213的磁化方向取向在+x方向的狀態。
圖40B展示的狀態是存儲載體213的磁化方向M1在+x方向(圖中向右)時，僅對第二y-方向驅動線212的第二導電層212b施加電流，而對x-方向驅動線214和第一y-方向驅動線211的第一導電層211b均未施加電流。此時，從第二y-方向驅動線212到存儲載體213的驅動操作A2無效。另一方面，因為對第一y-方向驅動線211的導電層211b未施加電流，所以來自第一y-方向驅動線211的A1有效。從第一y-方向驅動線211作用在存儲載體213上的驅動操作A1不超過存儲載體213的矯頑力。如果從第一y-方向驅動線211作用在存儲載體213上的驅動操作A1應不超過存儲載體213的矯頑力，則在來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2被終止有效時，存儲載體213的磁化方向M1保持在+x方向(圖中向右)，如圖40B所示。
圖40C展示的狀態是，當存儲載體213的磁化方向M1保持+x方向即圖中向右的方向時，對x-方向驅動線214和第二y-方向驅動線212的第二導電層212b施加電流，對第一y-方向驅動線211的第一導電層211b不施加電流。此時，從第二y-方向驅動線212到存儲載體213的驅動操作A2被終止有效，另一方面，因為對第一y-方向驅動線211的第一導電層211b不施加電流，所以來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1作用在存儲載體213上。因為對x-方向驅動線214施加電流，在x-方向驅動線214流動的電流產生的y-方向磁場A3作用在存儲載體213上。
來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1和在x-方向驅動線214流動的電流產生的磁場A3作用的組合作用矢量，取向在偏離存儲載體213的易磁化軸的方向上，因而能夠以比平行於易磁化軸作用要小的磁場強度，在存儲載體213上產生磁化反轉。存儲載體213適於在來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1和在x-方向驅動線214流動的電流產生的磁場A3作用均存在的情況下產生磁化反轉。結果如圖40C所示，存儲載體213的磁化方向M1從+x方向(圖中向右方向)反轉到-x方向(圖中向左方向)，如圖40C所示，存儲載體213的磁化方向M1取向在來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1的方向。
如果停止對x-方向驅動線214和第二導電層212b施加電流，則反轉到-x方向的存儲載體213的磁化方向M1被保持。如果停止對x-方向驅動線214和第二導電層212b施加電流，則來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1和來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2均有效。但是，由於來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1的方向與來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2的方向相反，所以這些驅動操作A1和A2相互抵消。因此，存儲載體213的磁化方向M1被其本身固有的單軸磁各向異性所穩定，以致保持現有狀態(存儲載體213的磁化方向在-x方向的狀態)。
圖40D展示的狀態是，存儲載體213的磁化方向M1在-x方向即圖中向左方向，僅對第一y-方向驅動線211的第一導電層211b施加電流，對x-方向驅動線214和第二y-方向驅動線212的第二導電層212b均不施加電流。此時，從第一y-方向驅動線211到存儲載體213的驅動操作A1被終止有效。另一方面，由於對第二y-方向驅動線212的第二導電層212b不施加電流，所以來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2作用在存儲載體213上。使從第二y-方向驅動線212的到存儲載體213的驅動操作A2不超過存儲載體213的矯頑力。如果從第二y-方向驅動線212的到存儲載體213的驅動操作A2不超過存儲載體213的矯頑力，則即使來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1被終止有效，存儲載體213的磁化方向M1也仍保持在-x方向(圖中向左方向)，如圖40D所示。
圖40E展示的狀態是，存儲載體213的磁化方向M1在-x方向即圖中向左方向，對x-方向驅動線214和第一y-方向驅動線211的第一導電層211b施加電流，對第二y-方向驅動線212的第二導電層212b不施加電流。此時，從第一y-方向驅動線211到存儲載體213的驅動操作A1被終止有效。另一方面，由於對第二y-方向驅動線212的第二導電層212b不施加電流，所以來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2作用在存儲載體213上。由於對x-方向驅動線214施加電流，所以在x-方向驅動線214中流動的電流產生的y-方向磁場A3作用在存儲載體213上。
來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2和在x-方向驅動線214流動的電流產生的磁場A3作用的組合作用矢量，取向在偏離存儲載體213的易磁化軸的方向上，因而能夠以比平行於易磁化軸作用要小的磁場強度，在存儲載體213上產生磁化反轉。存儲載體213適於在來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2和在x-方向驅動線214流動的電流產生的磁場A3作用均存在的情況下產生磁化反轉。結果如圖40E所示，存儲載體213的磁化方向M1從-x方向(圖中向左方向)反轉到+x方向(圖中向右方向)，如圖40E所示，存儲載體213的磁化方向M1取向在來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2的方向。
如果停止對x-方向驅動線214和第一導電層211b施加電流，則反轉到+x方向的存儲載體213的磁化方向M1被保持。如果停止對x-方向驅動線214和第一導電層211b施加電流，則來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1和來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2均有效。但是，來自第一y-方向驅動線211的驅動操作A1的方向與來自第二y-方向驅動線212的驅動操作A2的方向相反，所以這些驅動操作A1和A2相互抵消。因此，存儲載體213的磁化方向M1被其本身固有的單軸磁各向異性所穩定，以致保持現有狀態(存儲載體213的磁化方向在+x方向的狀態)。
如上所述，採用本發明的存儲單元210，通過對第一y-方向驅動線211的第一導電層211b、第二y-方向驅動線212的第二導電層212b或者x-方向驅動線214施加電流的導通/截止狀態的轉換，可以使存儲載體213的磁化方向M1反轉，從而能夠存儲載體213的磁化方向進行二進位記錄。
此外，採用存儲單元210，可以反覆地反轉存儲載體213的磁化方向M1，從而能夠反覆地重寫記錄的信息。此外，本存儲單元210不必為了保持存儲載體213的磁化方向M1，而對第一導電層211b、對第二導電層212b或對x-方向驅動線214施加電流。亦即本存儲單元可以用做非易失存儲器。
3-4-2-3矩陣式編址在上述存儲單元210中，第一y-方向驅動線211、第二y-方向驅動線212和x-方向驅動線214用做驅動源，用來使存儲載體213的磁化方向M1反轉。應注意單一驅動源不足以產生磁化反轉，當兩個驅動源被導通時才在存儲載體213中產生磁化反轉。因此，如果多條細長的y-方向驅動線211、212和多條伸長的x-方向驅動線214按照矩陣構形配置在基片上，如圖39所示的存儲單元210配置在這些驅動線的交叉點，則提供了由大量存儲單元210按照矩陣構形構成的磁性存儲器件。
亦即，通過彼此平行地配置第一y-方向驅動線211和第二y-方向驅動線212，與第一和第二y-方向驅動線211、212成直角地配置多條x-方向驅動線214，並且通過在第一和第二y-方向驅動線211、212和x-方向驅動線214的交叉點配置多個存儲載體213，由此可以提供具有編址功能並可以對可選存儲單元進行選擇和寫入實現的交換耦合式固體磁性存儲器，這是利用與圖2所示傳統固體磁性存儲器類似的簡單矩陣具有矩陣式編址功能的交換耦合式固體磁性存儲器。
具體地，平行於y-方向配置多條第一y-方向驅動線211A、211B、…和多條第二y-方向驅動線212A、212B、…，第一y-方向驅動線和第二y-方向驅動線相互平行地延伸。亦即，第一y-方向驅動線211A和第二y-方向驅動線212A的組合221A、第一y-方向驅動線211B和第二y-方向驅動線212B的組合221B、…彼此平行地配置在y-方向。而且，平行於x-方向配置多條x-方向驅動線214A、214B、214C…，在交叉點布置若干存儲載體213A-1、213A-2、…213B-1、213B-2、…213C-1、213C-2、…。
如果選擇單一y-方向驅動線211A和單一x-方向驅動線214B並同時分別饋以適當的電流I1、I2，則僅在這兩條驅動線的交叉點的存儲載體213B-1發生磁化反轉。此時，均饋以電流的y-方向驅動線211A和x-方向驅動線214B對配置在其上的多個存儲載體施加驅動操作。但是，來自y-方向驅動線211A或x-方向驅動線214B之一的驅動操作不足以產生磁化反轉。在y-方向驅動線211A流動的電流產生的驅動操作和在x-方向驅動線214B流動的電流產生的驅動操作被合成，僅當在存儲載體213上的驅動作用處於相對於易磁化軸成45°的方向時，才產生磁化反轉。在圖41的例子中，磁化反轉僅發生在存儲載體213B-1。
通過在如上所述的交換耦合式固體磁性存儲器中實現矩陣式編址，可以通過類似於圖2所示的傳統固體磁性存儲器的簡單結構，對可選存儲單元進行寫入，無需對各個固體磁性存儲器附加非線性元件或者選擇電晶體。
在上述交換耦合式固體磁性存儲器中，即使使用矩陣式編址，也不必使用非線性元件或選擇電晶體。亦即交換耦合式固體磁性存儲器可以由金屬材料和絕緣材料構成，而不必使用對汙染敏感的半導體。如果存儲器由金屬材料和絕緣材料構成，則由於不使用對汙染敏感的半導體，所以可以顯著地筒化製造工藝。
3-5具有編址功能的交換耦合式固體磁性存儲器的具體例子3-5-1整體結構作為存儲載體，使用形成在基片上的多個磁性薄膜的組合。作為從交換耦合式固體磁性存儲器之外，利用編址方式選擇各個存儲載體和傳輸在單一存儲載體上的寫入操作的傳輸通路，多條驅動線配置在基片上。為了以儘可能少的驅動線實現有效的編址，提供多組驅動線，例如多組在x-方向延伸的驅動線和在y-方向延伸的多組驅動線，在對應於各組驅動線的交叉點的格點配置存儲載體。
3-5-2可使用的交換耦合的機理產生從驅動線向存儲載體傳輸驅動能量的交換作用的機理具有如下所述各種來源，同時還有各種適合於從外部控制交換作用的強度的輸入系統。
3-5-2-1藉助半導體層的磁性耦合與磁性部件接觸的半導體中的載流子的自旋強度分布按振蕩方式隨著距磁性部件的距離而衰減，產生對極化距離(平均載流子自旋從零點的偏移)處的其它磁性離子或磁性部件的磁交互作用(PKKY交互作用)。利用這種交互作用，導致被半導體層分隔的兩層磁性層之間的交換作用。
磁性交互作用的強度或距離的振蕩周期取決於載流子濃度。而且，半導體的載流子濃度可以利用電激勵(施加電壓或提供電流)或者外激勵例如光照來改變。於是，通過對半導體層施加外部激勵，可以改變上下磁性層之間的磁性耦合。這樣，通過配置具有固定磁化方向的磁性金屬薄膜232、具有可變磁化方向的磁性金屬薄膜233，半導體層231夾在其間，並且通過轉換電壓的導通/截止，可以產生能夠使磁性金屬薄膜233的磁化矢量反轉的驅動能量。
具體地，在由半導體層傳遞的磁性耦合中，由於自旋強度分布的振蕩性質，不僅磁性耦合的強度而且符號均易於改變。亦即，在由半導體層傳遞的磁性耦合中，存在如下可能性，即可利用施於半導體層的外加激勵，控制上下磁性層的磁化是易於取向在鐵磁性的平行方向，還是取向在反鐵磁性的反平行方向。如果使用能夠使驅動方向反轉的驅動線，則可以利用單一驅動線實現圖39所示存儲單元中的兩條驅動線(第一y-方向驅動線211和第二y-方向驅動線212)的功能。因此，如果在垂直方向和水平方向分別有m和n個存儲單元，則僅需m+n條驅動線即可以實現矩陣式編址，如同圖2所示的傳統固體磁性存儲器的情況。
3-5-2-2由介電層傳遞的磁性耦合藉助介電層可以在磁性層之間建立交換耦合。此時，磁性層之間的交換耦合由互連兩層的隧道電子傳遞的。於是，通過配置具有固定磁化方向的磁性金屬薄膜242和具有可變磁化方向的磁性金屬薄膜243，其間夾有介電層241，並且通過從磁性金屬薄膜242、243或者獨立的電極施加電壓，從而改變層狀結構的電位分布，改變經過介電層241傳輸的電子的隧穿可能性，進而改變磁性金屬薄膜242、243之間的交換耦合。這可以用做使磁化方向反轉的驅動能量。
同時，如果形成多層介電層241a、241b，如圖44所示，則實現了具有多勢壘的結構。如果電子具有經過勢壘之間的勢阱諧振傳輸的能量，則經過具有多勢壘的結構傳輸的電子的可能性呈現顯著的局部最大值。如果電子能量的電位分布或者結構在諧振與非諧振之間變化，則可以利用相對較小的外部激勵產生隧穿可能性的顯著變化，結果在可利用隧道電子的交換耦合中產生顯著的變化。
3-5-2-3由導電層傳遞的耦合在由非磁性金屬形成的導電層中觀察到了RKKY作用，借之可以在磁性層之間實現磁性耦合。但是，導電材料具有許多載流子和短的弛豫時間，因而難以象使用半導體那樣利用外部激勵改變載流子數量，從而調製磁性耦合。但是，通過利用材料結構上的新設計，可以調製磁性耦合。
例如，通過在磁性層之間配置由Cr/Fe-Ag層疊膜形成的耦合控制層，並且對耦合控制層施加電流，可以去除磁性層之間的磁性耦合。圖37所示結構對應於使用這種原理的例子。這對應於使用導電材料的情況和3-5-2-4說明的使用複合材料的情況。此電流控制系統具有的優點是工作速度不受電容量的限制，同時絕緣材料不必具有耐高壓的特性。
3-5-2-4由複合材料傳遞的耦合如果使用圖45或46所示的複合材料，代替單相材料作為控制磁性層之間磁性耦合的耦合控制層，則可以對磁性耦合的傳播進行控制，並利用外部激勵改變耦合強度。
圖45展示了由磁性層251和非鐵磁性層252組成的多層耦合控制層。對於作為多層結構的構成元件的磁性層251，可以使用鐵磁性金屬例如Fe、Co、Ni，或它們與非磁性金屬的合金。作為非鐵磁性層252，可以使用任何適當的金屬，例如Ti、V、Mn、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt或Au。此外，可以使用在室溫呈現反鐵磁特性的Cr。可以根據磁性材料類型或者非鐵磁性層252的厚度,按照許多方式設計鐵磁或反鐵磁特性或者所得耦合的強度。
除了層疊結構之外，也可以使用圖46所示的微粒分散結構作為耦合控制層。此耦合控制層具有的結構中鐵磁性顆粒253例如Fe顆粒分散在非磁性材料254例如Ag內。磁性耦合在類似於階梯的鐵磁性顆粒253之中傳遞，結果配置在耦合控制層兩側的磁性層與磁性層磁性耦合在一起。
鐵磁性顆粒中的磁性耦合極弱，以致如果在耦合控制層中流過電流，則由於溫升和過多的電子散射而使磁性耦合趨於分離。亦即，在微粒分散結構的耦合控制層中，配置在其兩側的磁性層之間的磁性耦合取決於鐵磁性顆粒之中的弱磁性耦合，以致宏觀的磁性耦合可被耦合控制層中流動的電流所分離。
同時，微粒分散結構也可以用做層狀結構的元件。例如，Cr/Fe-Ag膜用做以下將說明的交換耦合式固體磁性存儲器中的耦合控制層。此Fe-Ag膜由非固溶式的兩相混合材料形成，因而可以說是微粒分散結構。
同時，如果在耦合控制層中使用含磁性材料的複合材料，則經過複合材料中的磁性材料間接發生磁性耦合。因此，耦合控制層的膜厚可以增加。如果使用含磁性材料的複合材料作為耦合控制層，其膜厚最好不小於10nm。如果膜厚不小於10nm，則可以避免因耦合控制層過薄而產生的製造困難的問題。
雖然對由複合材料組成的耦合控制層的厚度上限沒有限制，但是考慮到實際的製造工藝，耦合控制層的厚度最好不大於約1μm。
3-5-2-5由別的磁性材料傳遞的耦合如果施加外部激勵則居裡溫度-在該溫度磁有序將消失-相對較低的材料，或者在補償點附近的鐵磁性材料的宏觀磁特性將顯著變化。這可以用於調製磁性層之間的磁性耦合。
3-5-3對編址操作的實驗證實實際製備實施本發明的交換耦合式固體磁性存儲器，證實其編址操作。
3-5-3-1交換耦合式固體磁性存儲器的製備工序使用磁控管濺射器件製備實施本發明的交換耦合式固體磁性存儲器。參考圖47-51說明製備工序。應注意展示交換耦合式固體磁性存儲器的製造工藝的圖47-51示出的是單個存儲單元的局部放大剖面圖。
(1)用於控制磁化方向的固定磁性層和Cu層的澱積(圖47)在玻璃基片260上澱積高矯頑力的Co-Pt磁性層261(永磁層)和Co層262之後，利用電子束蝕刻形成光刻膠掩模圖形263，在對應於單個y-方向驅動線的區域內澱積條狀Cu層264。
高矯頑力的Co-Pt磁性層261、Co層262和Cu層264的膜厚分別是100nm、100nm和0.8nm。
(2)第二級Co層和耦合控制層的澱積(圖48)去除光刻膠掩模263，澱積厚20nm的第二級Co層265。澱積在Cu層264上的第二級Co層265的區域，利用由Cu層264傳遞的反鐵磁性交換作用，在與下伏Co層262反平行的方向上被磁化。
然後澱積絕緣控制層266。通過在含氧氫氣氛中濺射Fe-Si靶獲得的絕緣控制層266由具有高電阻和鐵磁特性的材料形成，可以傳播磁性耦合。
然後澱積耦合控制層267。為此目的，通過同時濺射Fe-Ag鑲嵌靶和Cr靶，並使基片260交替處於各個靶上，而在室溫澱積Cu/Fe-Ag多層膜。所用的鑲嵌靶是其上配置有6個圓心角為15°的扇形Ag板的Fe靶。對於Cr和Fe-Ag膜其各自的膜厚分別是0.9nm和1.5nm。這些層澱積在鐵氧體基片上，以第一Fe-Ag層開始，在16個半周期之後，澱積最後的Fe-Ag層作為最上層。此控制層中流過電流時具有中斷磁性耦合的作用，正如在3-5-2-4中討論的。在存儲單元區的外邊緣上形成電極焊盤，以便提供對耦合控制層267施加電流的電極。
在耦合控制層267上澱積絕緣耦合層268，使其不覆蓋從耦合控制層267導出的電極焊盤。
(3)驅動線圖形的形成(圖49)在對應於單元寬度的兩條y-方向驅動線的區域內形成光刻膠掩模圖形269，互連電極焊盤，同時把其它部位刮掉至下伏Co層262的一半厚度。這樣形成y-方向驅動線270、271。
(4)Ni-Fe層的澱積和賦予磁各向異性通過絕緣樹脂272消除臺階差，然後澱積Ni-Fe層273，與絕緣耦合層268接觸。澱積過程中，通過加熱基片消除從下層傳播來的偏磁。在x-方向施加外磁場，產生單軸磁各向異性，其易磁化軸沿Ni-Fe層273中的x-軸方向。此Ni-Fe層273起存儲載體作用。
(5)存儲載體的形成和x-方向驅動線的澱積和形成通過掩模工藝，Ni-Fe層273被留下存儲載體的尺寸。填充絕緣樹脂274之後，澱積x-方向Cu互連，形成x-方向驅動線275。使用電磁鐵在室溫在x-方向施加2kOe的磁場，使高矯頑力的Co-Pt磁性層261和Co層262的磁化方向取向在-x方向。
如上所述，即製備出了包括驅動線的交換耦合式固體磁性存儲器。雖然在圖47-51中所示的是單個存儲單元的放大圖，但是實際製備了4×4個存儲單元。圖52和53分別展示了由4×4個存儲單元構成的固體磁性存儲器的平面結構和放大的單個存儲單元的平面結構。
在上述交換耦合式固體磁性存儲器中，x-方向驅動線275是簡單的導體。從導體使Ni-Fe層273構成的存儲載體磁化的操作，是利用在此導體中流過電流產生的磁場完成的。為了簡化製造工藝，就x-方向驅動線275來說不使用交換耦合。當然，通過使用利用交換耦合使存儲載體的磁化向y-方向傾斜的驅動線，可以通過交換耦合實現整體驅動。在這種情況，可以從3-5-2-1～3-5-2-5所示的這些方案中，選擇並使用在電輸入導通態產生驅動的任何適當的機理。也可以使用在電輸入導通態耦合斷開的類型的驅動線，如同本實施例所採用的。此時，利用來自其它磁性部件例如圖37的固定磁性層204的偏磁疊加，使驅動能量平衡偏移，以便在電輸入導通態下產生驅動能量。
在上述元件結構中，包含了在元件製備中十分重要的下述方面。
(1)在整個基片表面上澱積的固定磁性層在上述交換耦合式固體磁性存儲器中，由高矯頑力Co-Pt磁性層261和Co層262構成的固定磁性層澱積在整個基片表面上。通過使固定磁性層在一個方向磁化，並在其上的單元陣列以下構建這種結構，則以固定磁性層為基準，驅動線和存儲載體整體的磁化方向在整個基片表面上的均勻性得以改善。這種均勻性有利於尤其是在存儲器讀出過程中的信號均勻性，改善了工作可靠性。
(2)控制磁化方向所用的Cu層用於實現存儲載體在相反方向例如+x和-x方向的磁化的兩條驅動線270、271的驅動方向應是正確地反平行。作為實現這種在驅動線270、271上的規則磁疇結構的措施，其特徵是Cu層263兩側上的Co層260、265上的磁化成為相互反平行。同時，在不同材料的各種組合中，已知會產生類似的反平行耦合，例如由Cr層傳遞的各Fe層的耦合。可以適當地選擇這些組合用於存儲器的製造。這種反平行耦合例如在S.S.P.Parkin,Physical ReviewLetters vol.61,p.3598-3601(1991)有所討論。
(3)在耦合控制層中有電流並且傳播磁性耦合的絕緣耦合層作為傳遞磁性耦合的高電阻材料，可以使用在含氧氣氛中濺射Fe-Si靶所獲得的薄膜。此薄膜估計是磁性金屬合金和氧化物的混合物。具有上述功能的類似材料可以通過濺射主要由Fe、Co和Ni組成的靶來獲得。
3-5-3-2編址操作的證實使用如上所述製備的交換耦合式固體磁性存儲器，實驗證實了存儲單元可以實際地被選擇用於寫入。使用克爾顯微鏡檢測存儲載體的磁化方向，該顯微鏡向偏光顯微鏡的圖象附加基於磁化的亮/暗對比度，其原理是當光在磁性樣品表面上反射時產生的偏振光平面的旋轉(磁光克爾效應)反映了樣品的磁化方向。對此實驗，選擇光學系統的配置以便能夠檢測基於對應於存儲載體易磁化軸的x-方向磁化分量的對比度。觀察之前，利用離子蝕刻去除4×4存儲載體的上部所疊加的絕緣樹脂，以使用做存儲載體的Ni-Fe薄膜暴露在表面上。使用此工序是為了避免由樹脂雙折射和表面反射疊加二者產生的冗餘對比度被誤當作磁光克爾效應所致。
(1)在初始磁化狀態中，樣品的永磁體下層在-x方向磁化，同時存儲載體層也取向在-x方向。用克爾顯微鏡觀察，全部16個存儲載體均顯得具有相同的亮度。
(2)把樣品移至顯微探針並且設置4個電極。選擇y-方向驅動線之一和x-方向驅動線之一，同時饋以脈衝電流。為了使存儲載體的磁化反轉至+x方向，選擇這種驅動線饋以電流時用於減弱在-x方向對存儲載體的偏磁。
(3)把樣品移回克爾顯微鏡以與初始觀察時相同的取向觀察圖象。觀察的圖象展示在圖54，從中可見只有被選擇的存儲單元的存儲載體(從上數第二行和從左數第三列的存儲載體273A)比其它存儲載體更亮，於是證實有關存儲載體的磁化方向已被改變。
(4)把樣品移至探針。選擇相同的存儲單元，為了擦除存儲內容，對不同的y-方向和x-方向驅動線施加脈衝電流。在克爾顯微鏡下再次觀察樣品。發現全部存儲載體出現相同的亮度。這證實了由磁化反轉進行的存儲寫入是可逆的。
(5)對多個不同的存儲單元反覆地進行上述實驗。證實了可以對每一個存儲單元獨立地完成寫入和擦除。亦即，採用交換耦合式固體磁性存儲器，通過配置成矩陣構型的驅動線，可以實現編址操作。
在具有作為存儲載體的磁性部件陣列的磁性存儲器件中，利用簡單矩陣式互連，可以實現集成電路元件不可缺少的編址功能，而不存在使用磁場寫入所伴隨的問題，例如起因於精細化的設計規則或矯頑力降低的串擾。
權利要求
1．一種磁化控制方法，包括利用含有磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域分隔鐵磁性材料的磁化區域；對所述隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化。
2．根據權利要求1的磁化控制方法，其中，利用電激勵、光照或溫度控制之一，對所述隔離區域施加所述激勵。
3．根據權利要求1的磁化控制方法，其中，半導體材料用做隔離區域所用的複合材料。
4．根據權利要求1的磁化控制方法，其中，在半導體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質用做隔離區域所用的複合材料。
5．根據權利要求1的磁化控制方法，其中，在磁性半導體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質用做隔離區域所用的複合材料。
6．根據權利要求1的磁化控制方法，其中，層疊鐵磁性膜和半導體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區域所用的複合材料。
7．根據權利要求1的磁化控制方法，其中，層疊鐵磁性膜和磁性半導體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區域所用的複合材料。
8．根據權利要求1的磁化控制方法，其中，隔離區域的厚度不小於10nm。
9．一種磁化控制方法，包括利用厚度不小於10nm的隔離區域分隔鐵磁性材料的磁化區域；對所述隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化。
10．根據權利要求9的磁化控制方法，其中，包含磁性材料和半導體材料的複合材料用做隔離區域。
11．一種信息記錄方法，包括用含有磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域分隔鐵磁性材料的磁化區域；根據要記錄的信息對所述隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化；基於磁化區域的磁化方向進行二進位或以上的多值記錄。
12．根據權利要求11的信息記錄方法，其中，利用電激勵、光照或溫度控制之一，對所述隔離區域施加所述激勵。
13．根據權利要求11的信息記錄方法，其中，磁性半導體材料用做所述隔離區域所用的複合材料。
14．根據權利要求11的信息記錄方法，其中，在半導體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質用做隔離區域所用的複合材料。
15．根據權利要求11的信息記錄方法，其中，在磁性半導體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質用做隔離區域所用的複合材料。
16．根據權利要求11的信息記錄方法，其中，層疊鐵磁性膜和半導體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區域所用的複合材料。
17．根據權利要求11的信息記錄方法，其中，層疊鐵磁性膜和磁性半導體膜在一起獲得的多層膜用做所述隔離區域所用的複合材料。
18．根據權利要求11的信息記錄方法，其中，所述隔離區域的厚度不小於10nm。
19．一種信息記錄方法，包括用厚度不小於10nm的隔離區域分隔鐵磁性材料的磁化區域；根據要記錄的信息對所述隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，從而控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化；基於磁化區域的磁化方向進行二進位或以上的多值記錄。
20．根據權利要求19的信息記錄方法，其中，包含磁性材料和半導體材料的複合材料用做隔離區域。
21．一種信息記錄元件，其具有的結構中，鐵磁性材料的磁化區域被含有磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域所分隔；其中，根據要記錄的信息對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化；基於磁化區域的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
22．根據權利要求21的信息記錄元件，其中，利用電激勵、光照或溫度控制之一，對所述隔離區域施加所述激勵。
23．根據權利要求21的信息記錄元件，其中，磁性半導體材料用做所述隔離區域所用的複合材料。
24．根據權利要求21的信息記錄元件，其中，用做隔離區域的複合材料是在半導體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質。
25．根據權利要求21的信息記錄元件，其中，用做隔離區域的複合材料是在磁性半導體中分散鐵磁性顆粒獲得的介質。
26．根據權利要求21的信息記錄元件，其中，用在隔離區域的複合材料是層疊鐵磁性膜和半導體膜在一起獲得的多層膜。
27．根據權利要求21的信息記錄元件，其中，用在隔離區域的複合材料是層疊鐵磁性膜和磁性半導體膜在一起獲得的多層膜。
28．根據權利要求21的信息記錄元件，其中，隔離區域的厚度不小於10nm。
29．一種信息記錄元件，其具有的結構中，鐵磁性材料的磁化區域被厚度不小於10nm的隔離區域所分隔；其中，根據要記錄的信息對隔離區域外加激勵，改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用，控制一個或多個分隔的磁化區域的磁化；基於磁化區域的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
30．根據權利要求29的信息記錄元件，其中，所述隔離區域由包含磁性材料和半導體材料的複合材料組成。
31．一種磁化控制方法，包括由包含導電材料的導電層和多個磁性層構成層狀組合膜，使導電層布置在磁性層之間；在層狀組合膜的導電層中流過電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態，從而控制磁性層的磁化方向。
32．根據權利要求31的磁化控制方法，其中，導電層由包含呈現單相磁有序的物質和非磁性材料的複合材料構成。
33．根據權利要求31的磁化控制方法，其中，導電層由鐵磁性組成區和非磁性組成區交替層疊構成，或者由組成調製膜構成。
34．根據權利要求31的磁化控制方法，其中，所述導電層具有鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物結構。
35．根據權利要求31的磁化控制方法，其中，電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。
36．一種磁功能元件，包括層狀組合，是層疊包含導電材料的導電層和多個磁性層獲得的，使導電層位於磁性層之間；在層狀組合的導電層中流過電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態，以控制磁性層的磁化方向。
37．根據權利要求36的磁功能元件，其中，利用磁性層的磁化狀態使輸出對應於磁性層的磁化狀態。
38．根據權利要求36的磁功能元件，其中，導電層由包含呈現單相磁有序的物質和非磁性材料的複合材料構成。
39．根據權利要求36的磁功能元件，其中，導電層由鐵磁性組成區和非磁性組成區交替層疊構成，或者由組成調製膜構成。
40．根據權利要求36的磁功能元件，其中，所述導電層具有鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物結構。
41．根據權利要求36的磁功能元件，其中，電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。
42．一種信息記錄方法，包括通過層疊包含導電材料的導電層和多個磁性層，構成層狀組合，使導電層位於磁性層之間；在層狀組合的導電層中流過電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態，以控制磁性層的磁化方向；基於磁化層的磁化方向進行雙值以上的多值記錄。
43．根據權利要求42的信息記錄方法，其中，導電層由包含呈現單相磁有序的物質和非磁性材料的複合材料構成。
44．根據權利要求42的信息記錄方法，其中，導電層是鐵磁性組成區和非磁性組成區交替層疊構成的層狀薄膜組合或者說組成調製膜。
45．根據權利要求42的信息記錄方法，其中，所述導電層具有鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物結構。
46．根據權利要求42的信息記錄方法，其中，電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。
47．一種信息記錄元件，包括層狀組合，是層疊包含導電材料的導電層和多個磁性層獲得的，以使導電層位於磁性層之間；在層狀組合的導電層中流過電流，改變磁性層之間的磁性耦合狀態，以控制磁性層的磁化方向；基於磁化層的磁化方向進行二進位以上的多值記錄。
48．根據權利要求47的信息記錄元件，其中，利用磁光效應檢測磁性層的磁化方向，讀出記錄的信息。
49．根據權利要求47的信息記錄元件，其中，導電層由包含呈現單相磁有序的物質和非磁性材料的複合材料構成。
50．根據權利要求47的信息記錄元件，其中，導電層是鐵磁性組成區和非磁性組成區交替層疊構成的層狀薄膜組合，或者是組成調製膜。
51．根據權利要求47的信息記錄元件，其中，所述導電層具有鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物結構。
52．根據權利要求47的信息記錄元件，其中，電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。
53．一種可變電阻元件，包括由層疊在一起的第一磁性層、第二磁性層、非磁性層和第三磁性層製成的層狀組合；在層狀組合的導電層中流過電流，改變第一磁性層和第二磁性層之間的磁性耦合狀態，控制第二磁性層的磁化方向，以控制包括第二磁性層、非磁性層和第三磁性層的電流通道的電阻。
54．根據權利要求53的可變電阻元件，其中，導電層由包含呈現單相磁有序的物質和非磁性材料的複合材料構成。
55．根據權利要求53的可變電阻元件，其中，導電層由具有鐵磁性組成和非磁性組成的交替層疊區的層狀膜組合構成，或者由組成調製膜構成。
56．根據權利要求53的可變電阻元件，其中，所述導電層具有鐵磁性組成區和非磁性組成區的三維混合物結構。
57．根據權利要求53的可變電阻元件，其中，電阻大於導電層電阻的材料層，作為導電層的上層和下層。
58．一種磁性存儲器件，具有由多個分隔的磁性部件組成的陣列作為存儲載體，其中利用通過固相傳播的交換作用，作為指定選做寫入或讀出的可選存儲載體之一的方法，以實現目標操作。
59．根據權利要求58的磁性存儲器件，具有耦合控制層夾在兩個磁性層之間的結構，其中，所述交換作用是通過所述耦合控制層在兩個磁性層之間起作用的交換作用，通過對所述耦合控制層施加激勵，使兩個磁性層之間的交換作用發生變化，所述變化用於選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
60．根據權利要求59的磁性存儲器件，其中所述耦合控制層是半導體層，其中，通過所述半導體層的價電子傳遞所述交換作用；對所述半導體層施加電激勵，使兩個磁性層之間的交換作用發生變化，所述變化用於選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
61．根據權利要求59的磁性存儲器件，其中所述耦合控制層是介電層，其中，通過由隧道效應藉助所述介電層在磁性層之間遷移的電子來傳遞所述交換作用；改變所述介電層之間的隧道勢壘高度，使兩個磁性層之間的交換作用發生變化，所述變化用於選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
62．根據權利要求59的磁性存儲器件，其中所述耦合控制層是導電層，其中，所述交換作用是通過所述介電層在兩個磁性層之間起作用的交換作用，通過對所述導電層施加電流，使兩個磁性層之間的交換作用發生變化，所述變化用於選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
63．根據權利要求59的磁性存儲器件，其中，所述耦合控制層具有不小於10nm的厚度並且包含磁性材料。
64．根據權利要求63的磁性存儲器件，其中，耦合控制層是層疊在一起的磁性層和非磁性層構成的多層結構。
65．根據權利要求63的磁性存儲器件，其中，耦合控制層是磁性顆粒分散在非磁性材料中的分散系。
66．根據權利要求59的磁性存儲器件，其中，形成硬磁材料的磁性層，作為夾在所述兩個磁性層之間的耦合控制層構成的結構的下層。
67．根據權利要求59的磁性存儲器件，其中，耦合控制層兩側上的磁性層中的至少一個通過中間層層疊，以使成對磁性層的磁化方向相互反平行。
68．根據權利要求59的磁性存儲器件，其中，傳遞磁性耦合的電絕緣材料的薄膜配置在磁性層和耦合控制層之間。
69．根據權利要求58的磁性存儲器件，其中，多個直線式部件相互交叉地布置，每個存儲載體布置在所述直線式部件的交叉點；其中，選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，兩個以上直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用被組合，對被選擇的存儲載體實施寫入或讀出；至少一個所述磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
70．根據權利要求58的磁性存儲器件，其中，多個直線式部件相互交叉地布置，每個存儲載體布置在所述直線式部件的交叉點；其中，選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，利用三個以上的直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用的組合，控制存儲載體的磁化方向；至少一個所述磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
71．一種在具有多個分隔的磁性部件線陣列作為存儲載體的磁性存儲器件中的編址方法，包括在選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，使用通過固相傳播的交換作用。
72．根據權利要求71的編址方法，其中，所述交換作用是通過一種結構中的耦合控制層在兩個磁性層之間作用的交換作用，所述結構由夾在所述磁性層之間的所述耦合控制層構成，通過對耦合控制層施加激勵所產生的兩個磁性層之間的交換作用的變化，用來選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
73．根據權利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層是半導體層，其中，所述交換作用由所述半導體層的價電子傳遞；對所述半導體層施加電激勵，使兩個磁性層之間的交換作用發生變化，所述變化用於選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
74．根據權利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層是介電層，其中，通過由隧道效應藉助所述介電層在磁性層之間遷移的電子來傳遞所述交換作用；改變所述介電層之間的隧道勢壘高度，使兩個磁性層之間的交換作用發生變化，所述變化被用於選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
75．根據權利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層是導電層，其中，所述交換作用是在兩個磁性層之間起作用的交換作用，使電流流過所述導電層，使兩個磁性層之間的交換作用發生變化，所述變化被用於選擇用做寫入或讀出的可選存儲載體。
76．根據權利要求72的編址方法，其中，所述耦合控制層的厚度不小於10nm，並且包含磁性材料。
77．根據權利要求72的編址方法，其中，耦合控制層是層疊在一起的磁性層和非磁性層構成的多層結構。
78．根據權利要求72的編址方法，其中，耦合控制層是磁性顆粒分散在非磁性材料中的分散系。
79．根據權利要求71的編址方法，其中，多個直線式部件相互交叉地布置，每個存儲載體布置在所述直線式部件的交叉點；其中，選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，兩個以上直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用被組合，對被選擇的存儲載體實施寫入或讀出；至少一個所述磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
80．根據權利要求71的編址方法，其中，多個直線式部件相互交叉地布置，每個存儲載體布置在所述直線式部件的交叉點；其中，選擇用於寫入或讀出的可選存儲載體時，利用三個以上的直線式部件施加在存儲載體上的磁交互作用的組合，控制存儲載體的磁化方向；至少一個所述磁交互作用是通過固相傳播的交換作用。
全文摘要
公開了一種無需外加磁場即可控制磁化的元件。鐵磁性材料形成的磁化區域被包含磁性材料和半導體材料的複合材料的隔離區域所分隔。對隔離區域外加激勵,改變分隔的磁化區域之間的磁交互作用,以控制磁化區域的磁化。另外,提供由包含導電材料的導電層和多個磁性層構成的層狀組合,使導電層配置在磁性層之間。使電流流過導電層,改變磁性層之間的磁性耦合狀態,以控制磁性層之間的磁化方向。
文檔編號H01L43/08GK1236995SQ9910568
公開日1999年12月1日 申請日期1999年2月12日 優先權日1998年5月13日
發明者別所和宏, 巖崎洋 申請人:索尼株式會社