DE10113853B4

DE10113853B4 - Magnetspeicherelement und Magnetspeicher

Info

Publication number: DE10113853B4
Application number: DE10113853A
Authority: DE
Inventors: Masashi Michijima; Hidekazu Hayashi; Ryoji Minakata
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2009-08-06
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: CN1320973A; CN1203560C; DE10113853A1; US20010026471A1; US6396735B2

Abstract

Magnetspeicherelement mit einem Laminat aus mindestens einer ersten ferromagnetischen Schicht (12) mit einer festen Magnetisierungsrichtung, einer unmagnetischen Schicht (13) und einer zweiten ferromagnetischen Schicht (14),
wobei eine dritte ferromagnetische Schicht (16) über einer dazwischen liegenden ersten Leiterschicht (15) auf einer Seite der zweiten ferromagnetischen Schicht (14) vorhanden ist, deren andere Seite näher an der unmagnetischen Schicht (13) liegt, und
wobei eine zweite Leiterschicht (18; 28; 38; 48) zwischen der ersten Leiterschicht (15) und der dritten ferromagnetischen Schicht (16) vorgesehen ist und
wobei die erste Leiterschicht (15) zur Stromführung senkrecht zur Richtung der Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ausgebildet ist und die zweite Leiterschicht (18; 28; 38; 48) zur Stromführung parallel zur Richtung der Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ausgebildet ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Magnetspeicher, bei dem aufgezeichnete Information magnetoresistiv abgespielt werden kann, und sie betrifft ein Verfahren zu dessen Herstellung, und insbesondere betrifft sie ein Magnetspeicherelement, in dem trotz hoher Dichte in einer Speicherschicht eine stabile Magnetisierung existiert und einen Magnetspeicher.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren wurde die Anwendung von Elementen wie solchen mit anisotropem Magnetowiderstand (AMR = Anisotropic Magneto Resistive), mit Riesenmagnetowiderstand (GMR = Giant Magneto Resistive) und magnetischem Tunnelübergang (MTJ = Magnetic Tunnel Junction) für HDD-Abspielköpfe und Magnetspeicher vorgeschlagen. Ein Magnetspeicher ist, wie ein Halbleiterspeicher, ein Festkörperspeicher ohne arbeitende Abschnitte, und im Vergleich mit einem Halbleiterspeicher verfügt ein Magnetspeicher über eine Anzahl von Vorteilen wie (a) kein Informationsverlust beim Abschalten, (b) Verfügbarkeit für ein unbegrenzte Anzahl wiederholter Einsätze und (c) Verhinderung der Zerstörung des Speicherinhalts durch einfallende Röntgenstrahlung.
Insbesondere ändert sich bei einem MTJ-Element die Widerstands-Änderungsrate in großem Ausmaß abhängig von der Magnetisierungsrichtung in einem Paar ferromagnetischer Schichten, die das MTJ-Element aufbauen. Es wurde die Verwendung eines MTJ-Elements in einer Speicherzelle erwartet.
Die Struktur eines herkömmlichen MTJ-Elements ist z. B. in der JP 09-106514 A , veröffentlicht am 22. April 1997 zu einer ungeprüften japanischen Patentanmeldung offenbart.
Ein MTJ-Element, wie es in 33 dargestellt ist, besteht aus einer antiferromagnetischen Schicht 51, einer ferromagnetischen Schicht 52, einer Isolierschicht 53 und einer ferromagnetischen Schicht 54, die aufeinandergestapelt sind.
Die antiferromagnetische Schicht 51 besteht aus einer Legierung FeMn, NiMn, PtMn oder IrMn. Die ferromagnetischen Schichten 52 und 54 bestehen aus Fe, Co oder Ni oder einer Legierung hiervon. Ferner wurde hinsichtlich des Materials der Isolierschicht 53 die Verwendung verschiedener Oxide oder Nitride untersucht, wobei bekannt ist, dass die Verwen dung eines Al₂O₃-Films das höchste Magnetowiderstands(Mr = magneto-resistive)-Verhältnis erzeugt.
Ferner wurde, neben dem Vorstehenden, ein MTJ-Element vorgeschlagen, das eine Differenz der Koerzitivfeldstärken zwischen den ferromagnetischen Schichten 52 und 54 in einer Struktur ohne die antiferromagnetische Schicht 51 nutzt.
Die Prinzipien eines MTJ-Elements bei Verwendung als Magnetspeicher sind in 34 veranschaulicht.
Die Magnetisierung in beiden ferromagnetischen Schichten 52 und 54 ist eine in der Ebene liegender Magnetisierung, die einer tatsächlichen uniaxialen magnetischen Anisotropie unterliegt, die die Magnetisierung entweder parallel oder antiparallel ausrichtet. Außerdem ist die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 52 praktisch auf Grund der Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht 51 in einer Richtung fixiert. Ferner wird aufgezeichnete Information in einer Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 54 aufrechterhalten, die innerhalb eines Bereichs der uniaxialen magnetischen Anisotropie flexibel variiert. Es wird darauf hingewiesen, dass "antiparallel" einen Magnetisierungszustand der ferromagnetischen Schichten 52 und 54 bezeichnet, bei dem die Magnetisierungen zueinander parallel aber einander entgegengerichtet sind.
Die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 54 weist, damit sie als Speicherschicht wirkt, die Eigenschaft auf, dass der Widerstand des gesamten MTJ-Elements 50 abhängig von der Richtung variiert, die parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 52 verwendet wird.
Demgemäß wird beim Abspielen der Widerstandswert erfasst, um einen in einem MTJ-Element 50 abgespeicherten Informationsdatenwert abzurufen.
Ferner wird beim Aufzeichnen ein durch einen in der Nähe des MTJ-Elements 50 angebrachten Stromdraht erzeugtes Magnetfeld dazu verwendet, die Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 54 zu ändern, um dadurch ein Einschreiben von Daten in das MTJ-Element 50 auszuführen.
Indessen erzeugt das MTJ-Element 50 mit der vorstehend angegebenen Struktur an beiden Enden einen Magnetpol, da die ferromagnetischen Schichten 52 und 54 in der Ebene magnetisiert sind. Im Ergebnis tritt, wenn unter Verwendung von MTJ-Elementen 50 ein Speicherarray aufgebaut wird, zwischen benachbarten MTJ-Elementen 50 eine magnetostatische Wechselwirkung auf. Dies bedeutet den Zustand, dass ein benachbartes MTJ-Element eine Auswirkung auf die Eigenschaften eines betroffenen MTJ-Elements hat, was es erschwert, den Abstand zwischen MTJ-Elementen zu verringern und damit die Aufzeichnungsdichte zu erhöhen.
Angesichts der vorstehenden Probleme ist in der JP 11-161919 A , veröffentlicht am 18. Juni 1999 zu einer ungeprüften japanischen Patentanmeldung ein Verfahren zum Verringern der Auswirkung von Kantenmagnetpolen offenbart.
In 35 ist ein Struktur eines MTJ-Elements 60 dargestellt, die den Effekt von Kantenmagnetpolen senkt. Gemäß 34 sind eine ferromagnetische Schicht (fixierte Schicht) 62, deren Magnetisierungsrichtung durch Kopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht 61 fixiert ist, und eine ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 64, deren Magnetisierung sich in Bezug auf ein externes Magnetfeld frei drehen kann, so aufeinandergestapelt, dass sie eine Isolierschicht 63 einbetten. Ferner weist die ferromagnetische Schicht 62 eine solche Struktur auf, dass ein Paar ferromagnetischer Schichten 71 und 73, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, eine unmagnetische Metallschicht 72 einbetten. In ähnlicher Weise verfügt die ferromagnetische Schicht 64 über eine Struktur, bei der ein Paar ferromagnetischer Schichten 74 und 76, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, eine unmagnetische Metallschicht 75 einbetten, um dadurch Magnetpole zu verringern, wie sie an den Kanten der als flexible Schicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 64 und der als Fixierschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 62 erzeugt werden.
Jedoch zeigt der obige herkömmliche Magnetspeicher die folgenden Probleme.
Die ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 64, die nicht an die antiferromagnetische Schicht angrenzt, besteht aus einer NiFe-Schicht/Ru-Schicht/NiFe-Schicht, und ihre Magnetisierung dreht sich bei Anlegung eines externen Magnetfelds auf flexible Weise. Gemäß dem Dokument aus dem Stand der Technik verfügt die unmagnetische Metallschicht (Ru-Schicht) 75 über ein Filmdicke, die so eingestellt ist, dass das Paar ferromagnetischer Schichten (NiFe-Schichten) 74 und 76 maximale antiferromagnetische Kopplungsstärke aufweist, wobei geringfügig verschiedene Filmdicken vorliegen. Wenn von außen ein Magnetfeld angelegt wird, dreht sich die Nettomagnetisierung der als flexible Schicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 64, die durch die Differenz zwischen den Filmdicken des Paars ferromagnetischer Schichten (NiFe-Schichten) 74 und 76 erzeugt wird.
Jedoch ist die Filmdicke der unmagnetischen Metallschicht (Ru-Schicht) 75 so eingestellt, dass zwischen dem Paar ferromagnetischer Schichten (NiFe-Schichten) 74 und 76 die ma ximale antiferromagnetische Kopplungsstärke vorliegt. Daher liegt die Filmdicke der unmagnetischen Metallschicht (Ru-Schicht) 75 im Bereich von 0,4 nm (4 Å) bis 0,8 nm, d. h., dass sie sehr dünn ist. Bei dieser Anordnung wirkt die Ausbildung feiner Löcher in umgekehrter Richtung und induziert ferromagnetische Kopplung, so dass es schwierig ist, eine stabile antiferromagnetische Kopplungsstärke zu erzielen. Außerdem muss, damit ein externes Magnetfeld die Magnetisierungsrichtung umkehren kann, das Paar ferromagnetischer Schichten (NiFe-Schichten) 74 und 76 verschiedene Filmdicken aufweisen. Genauer gesagt, ist es schwierig, die Magnetisierung umzukehren, wenn die scheinbare Magnetisierung der zwei Schichten null ist, und daher muss durch Ändern der Filmdicke eine Magnetisierung erzeugt werden. Jedoch verhindert die Differenz der Filmdicken der zwei Schichten ein Absenken der Nettomagnetisierung des von außen gesehenen MTJ-Elements 60 auf null. Demgemäß bestand ein Problem dahingehend, dass der herkömmliche Magnetspeicher nicht mit hoher Dichte hergestellt werden konnte, da ein an einer Kante einer ferromagnetischen Schicht erzeugter Magnetpol ein benachbartes magnetisches Speicherelement nachteilig beeinflusst.
Ferner wird, wenn ein MTJ-Element 60 als Magnetspeicherelement verwendet wird, durch das Hindurchführen von elektrischem Strom durch benachbarte Leiterdrähte ein zum Umkehren der Magnetisierung erforderliches Magnetfeld erzeugt. Jedoch sind im Dokument aus dem Stand der Technik keine Anordnungen zum Senken des Energieverbrauchs offenbart.
Ferner wird beim herkömmlichen Magnetspeicher, wenn das MTJ-Element 60 als Magnetkopf verwendet wird, dasselbe in einem Zustand verwendet, in dem ein angelegtes Magnetfeld und die Richtung einer Achse harter Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht (flexible Schicht) 64 einander rechtwinklig schneiden. Wenn jedoch ein MTJ-Element 60 als Magnetspei cherelement verwendet wird, ist es allgemein üblich, dass das von zwei einander schneidenden Leiterdrähten auf dem Magnetspeicherelement erzeugte Magnetfeld die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht (flexible Schicht) 64 dreht. Dies bewirkt, dass ein angelegtes Magnetfeld seine Richtung zur Richtung der Achse harter Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht (flexible Schicht) 64 dreht. Demgemäß ist es unwahrscheinlich, dass eine einfache Umkehrung der Magnetisierung auf Grund einer Drehung der Magnetisierung, wie im Dokument aus dem Stand der Technik offenbart, tatsächlich auftritt, was verhindert, dass ein Element mit dieser Anordnung als Magnetspeicherelement verwendbar ist.
In WO 00/10024 A1 ist ein Speicherelement beschrieben, bei dem eine erste und eine zweite ferromagnetische Schicht durch eine unmagnetische Schicht getrennt sind. Die erste der Schichten besteht aus zwei ferromagnetischen Unterschichten, die durch eine nichtmagnetische, leitende Schicht getrennt sind und deren Magnetisierungsrichtungen antiparallel sind. Die zweite ferromagnetische Schicht besitzt bei der Speicheranwendung eine feste Magnetisierung.
Die WO 00/10022 A1 offenbart einen Magnetfeldsensor auf der Basis von GMR-Material oder eines Elementes mit Tunnelmagnetwiderstand (TMR) Auch dort ist in einem Ausführungsbeispiel eine Schichtung eines antiferromagnetisch gekoppelten Schichtenpaars gezeigt, das über eine Isolierschicht mit einer weiteren ferromagnetischen Schicht verbunden ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Angesichts der vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, folgendes zu schaffen: (i) ein Magnetspeicherelement, das eine in einer Speicherschicht gespeicherte Magnetisierung stabil aufrechterhalten kann und das niedrigen Energieverbrauch zeigt und (ii) einen Magnetspeicher mit einem solchen Magnetspeicherelement.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird bei einem Magnetspeicherelement erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und bei einem Magnetspeicher erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, verfügt der erfindungsgemäße Magnetspeicher über ein Magnetspeicherelement mit einem Laminat aus mindestens einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer unmagnetischen Schicht und einer zweiten ferromagnetischen Schicht, wobei eine dritte ferromagnetische Schicht über einer dazwischenliegenden ersten Leiterschicht auf einer Seite der zweiten ferromagnetischen Schicht vorhanden ist, deren andere Seite näher an der unmagnetischen Schicht liegt, und wobei eine zweite Leiterschicht entweder zwischen der ersten Leiterschicht und der dritten ferromagnetischen Schicht oder außenseitig von der ersten oder der dritten ferromagnetischen Schicht, nämlich an einer Seite der ersten ferromagnetischen Schicht, die der unmagnetischen Schicht gegenüberliegt, oder an einer Seite der dritten ferromagnetischen Schicht, die der ersten Leiterschicht gegenüberliegt, vorgesehen ist, wobei die erste Leiterschicht einen Strom rechtwinkelig zur Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht und die zweite Leiterschicht einen Strom parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht führt.
Somit verfügt das erfindungsgemäße Magnetspeicherelement über mehrere ferromagneti sche Schichten mit uniaxialer, anisotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung sowie eine Isolierschicht auf zueinander parallelen Achsen, und er nutzt einen Tunneleffekt zum Abspielen von Magnetisierungsinformation, wobei er mit Folgendem versehen ist: einer ersten ferromagnetischen Schicht als fester Schicht sowie einer zweiten ferromagnetischen Schicht als Speicherschicht unter den mehreren ferromagnetischen Schichten; und einer ersten Leiterschicht zum Liefern eines Stroms zwischen der zweiten ferromagnetischen Schicht und einer dritten ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierungsrichtung flexibel umkehrbar ist; wobei die erste Leiterschicht einen Strom in einer Richtung rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht liefert.
Bei der vorstehend genannten Anordnung wird Magnetisierungsinformation im Magnetspeicher gespeichert, wenn ein durch die erste Leiterschicht fließender Strom ein Magnetfeld an die als Speicherschicht wirkende zweite ferromagnetische Schicht anlegt. Die der zweiten, als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht verliehene Magnetisierung und die der dritten ferromagnetischen Schicht, die auf der entgegengesetzten Seite bei dazwischenliegender erster Leiterschicht ausgebildet ist, verliehene Magnetisierung nebeneinander in entgegengesetzten Richtungen auf. Genauer gesagt, werden an die zweite und dritte ferromagnetische Schicht, die auf bzw. unter der ersten Leiterschicht liegen, Magnetfelder mit entgegengesetzten Richtungen gemäß der Korkenzieherregel angelegt, was bewirkt, dass die Magnetisierungen in den zwei ferromagnetischen Schichten in entgegengesetzten Richtungen zeigen. So heben die Magnetisierungen in der zweiten und dritten ferromagnetischen Schicht einander auf, was die scheinbare Magnetisierung des Magnetspeicherelements senkt und damit einen möglichen nachteiligen Effekt auf benachbarte Magnetspeicher verringert.
Demgemäß können Magnetspeicherelemente unter Verringerung des gegenseitigen Abstands angeordnet werden, wodurch ein Magnetspeicher mit höherer Dichte als bei einem herkömmlichen Magnetspeicher realisiert wird. Darüber hinaus kann die erste Leiterschicht, die einen Strom zum Erzeugen von Magnetisierungsinformation liefert, in der Nähe der als Speicherschicht wirkenden zweiten ferromagnetischen Schicht vorhanden sein, was zu einem Magnetspeicher führt, der auch bei kleinem Strom ein zum Umkehren der Magnetisierung ausreichendes Magnetfeld erzeugen kann, wodurch niedriger Energieverbrauch möglich ist.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, verfügt ein beispielhaftes Herstellverfahren für einen Magnetspeicher mit einer Vielzahl von Magnetspeicherelementen mit einem Laminat aus zumindest einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer unmagnetischen Schicht und einer zweiten, eine Speicherschicht bildenden ferromagnetischen Schicht über die folgenden Schritte:

– Herstellen eines Laminatfilms mit zumindest einer zweiten Leiterschicht, der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite eines Substrats aufeinander folgend auf diesem Substrat;
– Bearbeiten des Laminatfilms in die Form jedes der Vielzahl von Magnetspeicherelementen, die voneinander getrennt sind;
– Herstellen eines Isolierfilms in solcher Weise, dass ein Zwischenraum zwischen der Vielzahl von auf dem Substrat hergestellten Magnetspeicherelementen ausgefüllt wird;
– Herstellung einer ersten Leiterschicht und einer dritten ferromagnetischen Schicht aufeinander folgend auf der Vielzahl von Magnetspeicherelementen und auf der Isolierschicht, die zwischen der Vielzahl von Magnetspeicherelementen ausgebildet ist; und
– Bearbeiten der ersten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte Magnetspeicherelemente in einer Richtung miteinander verbunden sind, nachdem die dritte ferromagnetische Schicht auf im Wesentlichen dieselbe Form wie jedes der Magnetspeicherelemente bearbeitet wurde.

Beim vorstehend angegebenen Verfahren kann die scheinbare Magnetisierung in jedem den Magnetspeicher aufbauenden Magnetspeicherelement kleiner als bei einem herkömmlichen Magnetspeicher gemacht werden, um dadurch stabile Magnetisierung in der Speicherschicht selbst bei einem Magnetspeicher mit dicht beieinander angeordneten Magnetspeicherelementen aufrechtzuerhalten, wodurch ein Magnetspeicher mit höherer Dichte als bei einem herkömmlichen Magnetspeicher erzielt ist.
Genauer gesagt, wird die Magnetisierungsinformation auf solche Weise im Magnetspeicher gespeichert, dass ein zusammengesetzte Magnetfeld aus mehreren Magnetfeldern, von denen eines von einem durch die erste Leiterschicht fließenden Strom erzeugt wird und das andere von einem durch die zweite Leiterschicht fließenden Strom erzeugt wird, an die dritte ferromagnetische Schicht und eine eine Speicherschicht bildende ferromagnetische Schicht, die einen Speicherabschnitt bildet, angelegt wird.
Die erste Leiterschicht liegt zwischen der dritten ferromagnetischen Schicht und dem Speicherabschnitt. Daher versorgt der durch die erste Leiterschicht fließende Strom die dritte ferromagnetische Schicht und die Speicherschicht gemäß der Korkenzieherregel mit Magnetfeldern miteinander in entgegengesetzten Richtungen. Außerdem liegt die zweite Leiterschicht oben auf dem Laminat, wodurch ein Strom in einer Richtung parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht zugeführt wird. Dies sorgt dafür, dass ein durch die zweite Leiterschicht erzeugtes Magnetfeld rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der dritten ferromagnetischen Schicht und dem Speicherabschnitt gerichtet ist.
Ferner verfügen die dritte ferromagnetische Schicht und eine ferromagnetische Schicht des Speicherabschnitts über in der Ebene liegende Magnetisierung mit paralleler, uniaxialer Anisotropie. Daher dreht sich das zusammengesetzte Magnetfeld aus den Magnetfeldern, die mittels durch die erste und zweite Leiterschicht fließenden Strömen erzeugt werden, das an die dritte ferromagnetische Schicht und die ferromagnetische Schicht des Speicherabschnitt angelegt wird, auf eine Achse in die entgegengesetzte Richtung. Im Ergebnis werden die Magnetisierungen in der dritten ferromagnetischen Schicht bzw. in der ferromagnetischen Schicht des Speicherabschnitts antiparallel. Die in der ferromagnetischen Schicht des Speicherabschnitts gespeicherte Magnetisierungsinformation wird aufrechterhalten, bis weitere, als Nächstes einzuspeichernde Magnetisierungsinformation geliefert wird. Daher verbleiben die zweite und dritte ferromagnetische Schicht in einem Zustand, in dem sie sich im Magnetspeicherelement gegeneinander aufheben, was es ermöglicht, dass die Magnetspeicherelemente individuell eine kleinere scheinbare Magnetisierung als ein herkömmliches Magnetspeicherelement aufweisen.
Demgemäß wird selbst dann, wenn durch Verringern des Abstands zwischen den den Magnetspeicher aufbauenden Magnetspeicherelementen ein feines Muster vorliegt, ein nachteiliger Effekt auf benachbarte Magnetspeicherelemente weniger wahrscheinlich, wodurch ein Magnespeicher mit höherer Dichte geschaffen ist.
Zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Stärken der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung deutlich. Ferner gehen die Vorteile der Erfindung aus der folgenden Erläuterung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines Magnetspeicherelements zeigt.
2 ist eine schematische Ansicht eines Magnetspeichers unter Verwendung des Magnetspeicherelements der 1.
3(a) und 3(b) sind Draufsichten, die ein in einer ferromagnetischen Schicht einer Filmstruktur in 1 erzeugtes Magnetfeld zeigen.
4 ist eine schematische Ansicht eines anderen Beispiels eines Magnetspeicherelements.
5(a) und 5(b) sind Draufsichten, die ein in einer ferromagnetischen Schicht einer Filmstruktur in 4 erzeugtes Magnetfeld zeigen.
6 ist eine schematische Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Magnetspeicherelements zeigt.
7(a) und 7(b) sind Draufsichten, die ein in einer ferromagnetischen Schicht einer Filmstruktur in 6 erzeugtes Magnetfeld zeigen.
8 ist eine schematische Ansicht, die noch ein Beispiel des Magnetspeicherelements zeigt.
9 ist eine schematische Ansicht, die einen Magnetspeicher unter Verwendung eines erfindungsgemäßen MTJ-Elements zeigt.
10 ist eine allgemeine Ansicht eines Magnetspeicherelements, das gemäß einem Beispiel eines Herstellverfahrens für einen Magnetspeicher hergestellt wurde.
11 ist eine Schnittansicht, die Einzelheiten der Struktur des Magnetspeicherelements der 10 zeigt.
12(a) und 12(b) sind Draufsichten, die die Richtung eines in einer ferromagnetischen Schicht des Magnetspeicherelements der 11 erzeugten Magnetfelds zeigen.
13 ist eine Draufsicht eines Magnetspeichers, in dem das Magnetspeicherelement der 11 angeordnet ist.
14 ist eine schematische Ansicht, die ein hergestelltes Magnetspeicherelement zeigt.
15(a) und 15(b) sind Draufsichten, die ein in einer ferromagnetischen Schicht einer Filmstruktur in 14 erzeugtes Magnetfeld zeigen.
16(a) und 16(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
17(a) und 17(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
18(a) und 18(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
19 ist eine erläuternde Ansicht zum Veranschaulichen eines Herstellprozesses für das Magnetspeicherelement.
20 ist eine schematische Ansicht, die ein anderes hergestelltes Magnetspeicherelement zeigt.
21(a) und 21(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
22 ist einer erläuternde Ansicht, die ein gemäß der Erfindung hergestelltes Magnetspeicherelement zeigt.
23(a) und 23(b) sind Draufsichten, die eine in einer ferromagnetischen Schicht in einer Filmstruktur in 22 erzeugtes Magnetfeld zeigen.
24(a) und 24(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
25(a) und 25(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements gemäß der Erfindung.
26(a) und 26(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements gemäß der Erfindung.
27(a) und 27(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements gemäß der Erfindung.
28(a) und 28(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
29(a) und 29(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
30(a) und 30(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
31(a) und 31(b) sind erläuternde Ansichten zum Veranschaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherelements.
32 ist eine erläuternde Ansicht zum Veranschaulichen eines Herstellprozesses eines Magnetspeicherelements.
33 ist eine Schnittansicht, die die Struktur eines herkömmlichen MTJ-Elements zeigt.
34 ist eine Schnittansicht, die die Prinzipien des herkömmlichen MTJ-Elements veranschaulicht.
35 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur eines anderen herkömmlichen MTJ-Elements zeigt.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
[ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetspeichers erläutert.
Ein Magnetspeicherelement 1a, wie es in 2 dargestellt ist, ist ein MTJ-Element mit einer Leiterschicht (einer zweiten Leiterschicht) 18, einer Isolierschicht 24, einer Leiterschicht (einer dritten Leiterschicht: untere Elektrode) 19, einem Speicherabschnitt 30, einer Leiterschicht (ei ner ersten Leiterschicht) 15 und einer ferromagnetischen Schicht (einer dritten ferromagnetischen Schicht) 16, die in dieser Reihenfolge aufeinanderlaminiert sind.
Das Magnetspeicherelement 1a gemäß dem vorliegenden Beispiel, wie es in 1 dargestellt ist, ist ein MTJ-Element mit einer Leiterschicht 28, einer Isolierschicht 27, einer antiferromagnetischen Schicht 11, einer ferromagnetischen Schicht (einer ersten ferromagnetischen Schicht: fixierte Schicht) 12, einer Isolierschicht (einer unmagnetischen Schicht) 13, einer ferromagnetischen Schicht (einer zweiten ferromagnetischen Schicht: Speicherschicht) 14, einer Leiterschicht 15 und einer ferromagnetischen Schicht (einer dritten ferromagnetischen Schicht) 16.
Bei diesem Magnetspeicherelement 1a besteht die ferromagnetische Schicht (fixierte Schicht) 12 ferner aus drei Laminatfilmen: einer ferromagnetischen Schicht 20, einer Metallschicht 21 und einer ferromagnetischen Schicht 22. Die Metallschicht 21 verfügt über eine Filmdicke, die so bestimmt ist, dass die ferromagnetischen Schichten 20 und 22 antiferromagnetische miteinander gekoppelt sind und sie im Wesentlichen dieselbe Magnetisierung aufweisen. Die ferromagnetischen Schichten 20 und 22 sind so ausgewählt, dass sie im Wesentlichen dieselbe Magnetisierung zeigen. Die ferromagnetische Schicht 12 kann aus einer Einzelschicht einer ferromagnetischen Substanz bestehen; jedoch kann die vorstehend genannten Laminatstruktur die scheinbare Magnetisierung praktisch auf null senken.
Den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ist auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 die axiale Anisotropie verliehen, und die antiferromagnetische Schicht 11 und die ferromagnetische Schicht 20 sind einer Austauschkopplung unterzogen.
Im Magnetspeicherelement 1a werden die Magnetisierungsrichtungen in der die ferromagnetische Schicht 12 aufbauenden ferromagnetischen Schicht 22 sowie der ferromagnetischen Schicht 14 in zwei verschiedene Zustände gestellt: parallel oder antiparallel zueinander. Die Stromstärke durch das Magnetspeicherelement 1a in der Laminatrichtung variiert abhängig davon, ob die Magnetisierungsrichtungen in der ferromagnetischen Schicht 12 und der ferromagnetischen Schicht 22 parallel oder antiparallel sind. Beim Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird diese Änderung des elektrischen Widerstands erfasst, um die in der Speicherschicht gespeicherte Magnetisierungsrichtung zu erfassen, um dadurch einen Abspielvorgang auszuführen.
Ferner dient die Leiterschicht 15 sowohl als Bitleitung als auch als Elektrode zum Erfassen einer Widerstandsänderung, und sie ist mit einem weiteren, benachbarten Magnetspeicherelement über einen Abstand verbunden, der durch Leiterbahnregeln bestimmt ist. Die Leiterschicht 18 ist eine Wortleitung.
Hierbei wird, wie es in 1 dargestellt ist, der Leiterschicht 15 ein Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 und entlang einer Laminatfläche zugeführt, und der Leiterschicht 28 wird ein Strom parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 zugeführt. In diesem Fall wird, wie es in 3(a) und 3(b) dargestellt ist, an den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ein zusammengesetztes Magnetfeld angelegt, das aus einem durch den Stromfluss durch die Leiterschicht 15 erzeugten Magnetfeld H_B und einem durch den Stromfluss durch die Leiterschicht 18 erzeugten Magnetfeld H_W besteht. Wie es in 3(a) und 3(b) dargestellt ist, sind, da die Richtungen des zusammengesetzten Magnetfelds an den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 verschieden sind, diese ferromagnetischen Schichten 14 und 16, die auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 mit uniaxialer Anisotropie versehen sind, einander entgegengesetzt magnetisiert. Demgemäß wird die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 14 durch ein Magnetfeld stabilisiert, das durch einen an den beiden Enden der ferromagnetischen Schicht 16 erzeugten Magnetpol erzeugt wird. Ferner wird im Fall des Magnetspeichers des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch Einstellen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 auf dasselbe magnetische Moment verhindert, dass eine scheinbare Magnetisierung nach außen hin auftritt und ein nachteiliger Effekt auf ein benachbartes Magnetspeicherelement ausgeübt wird.
Ferner verfügt das Magnetspeicherelement 1a über eine Anordnung, bei der die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 in direktem Kontakt mit der Leiterschicht 15 stehen. Durch diese Anordnung der Leiterschicht 15 und der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 für Anordnung in der Nachbarschaft, kann selbst ein kleiner Strom die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 mit ausreichender Magnetfeldstärke versorgen, um dadurch niedrigen Energieverbrauch in einem Magnetspeicherelement zu realisieren.
Es wird darauf hingewiesen, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dasselbe magnetische Moment aufweisen, das jedoch für die Stärke des magnetischen Moments keine Beschränkung hierauf besteht. Selbst wenn zwischen den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 eine Differenz der Stärken der magnetischen Momente besteht, wirken sie so, dass sie einander aufheben, um dadurch die Stärke der scheinbaren Magnetisierung zu senken, abweichend von einem herkömmlichen Magnetspeicher ohne ferromagnetische Schicht 16. Es sei darauf hingewiesen, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 vorzugsweise ein magnetisches Moment derselben Stärke aufweisen, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, um die scheinbare Magnetisierung in einem Magnetspeicher auf null zu senken und um sicher zu verhindern, dass die scheinbare Magnetisierung ein benachbartes Magnetspeicherelement nachteilig beeinflusst.
9 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Magnetspeicherelements 1a bei Verwendung in einem Magnetspeicher mit Direktzugriff zeigt.
Ein Transistor 51 wählt ein wiederzugebendes Magnetspeicherelement 1a aus, wenn die gespeicherte Magnetisierungsinformation wiedergegeben wird. In der Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 14 des in 1 dargestellten Magnetspeicherelements 1a ist Information wie '0' oder '1' gespeichert, und es ist die Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 fixiert. Außerdem reproduziert das vorliegende Magnetspeicherelement 1a die gespeicherte Magnetisierungsinformation unter Ausnutzung eines Magnetowiderstandseffekts, so dass der Widerstandswert niedrig wird, wenn die jeweiligen Magnetisierungsrichtungen in den ferromagnetischen Schichten 12 (ferromagnetische Schicht 22) und der ferromagnetischen Schicht 14 parallel sind, während der Widerstandswert hoch wird, wenn die Magnetisierungsrichtungen in den Schichten 12 (22) und 14 antiparallel sind.
Andererseits wird ein Aufzeichnen in einem Magnetspeicher dadurch erzielt, dass ein zusammengesetztes Magnetfeld, das in einer in 9 dargestellten Bitleitung 52 und einer Wortleitung zu Schreibzwecken (nicht dargestellt) erzeugt wird, die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 entsprechend der Speicherungsinformation ändern kann. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Element mit der Bezugszahl '54' eine Plattenleitung ist.
Ferner verfügt ein Modifizierungsbeispiel des Magnetspeicherelements 1a des Magnetspeichers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Anordnung mit einem Magnetspeicherelement 1b, wie in 4 dargestellt, bei dem die Leiterschicht 18 auf der Oberseite der Schichten vorhanden ist, d. h. auf der der antiferromagnetischen Schicht 11 entgegengesetzten Seite, gesehen ausgehend von der zweiten ferromagnetischen Schicht 14, wobei es sich um die Speicherschicht handelt. Mit dieser Anordnung kann ein Effekt ähnlich dem beim Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels erzielt werden.
Ein Magnetfeld, das an den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 durch zwei Ströme erzeugt wird, die durch die Leiterschichten 15 und 18 fließen, ist entgegengesetzt gerichtet, wie in 5 dargestellt. Daher wird, wie im Fall des Magnetspeicherelements 1a der 1, die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 14 durch ein Magnetfeld stabilisiert, das durch Magnetpole an den beiden Enden der ferromagnetischen Schicht 16 erzeugt wird.
Nachfolgend werden Laminatmaterialien erläutert, die den vorstehend genannten Magnetspeicher aufbauen.
Zu Materialien für die antiferromagnetische Schicht 11 gehören Legierungen wie FeMn, NiMn, PtMn und IrMn.
Zu Materialien für die ferromagnetischen Schichten 12, 14 und 16 gehören Fe, Co und Ni sowie Legierungen hiervon.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die ferromagnetischen Schichten 12, 14 und 16 jeweils eine Filmdicke nicht unter 1 nm (10 Å) aufweisen. Ein übermäßig dünner Film führt unter der Einwirkung thermischer Energie zu Superparamagnetisierung. Daher weist die ferromagnetische Schicht vorzugsweise eine Filmdicke nicht unter 1 nm auf.
Als Isolierschicht 13 ist angesichts des MR-Verhältnisses ein Al₂O₃-Film bevorzugt; jedoch kann auch ein Isolierfilm aus einem anderen Oxidfilm oder Nitridfilm oder ein Isolierfilm wie ein Si-Film, ein Diamantfilm und ein Film aus diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC = diamond-like carbon) verwendet werden.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die Isolierschicht 13 eine Filmdicke nicht unter 0,3 nm und nicht über 3 nm aufweist, da dann, wenn sie eine Filmdicke von unter 0,3 nm aufweist, die ferromagnetischen Schichten 12 und 14 möglicherweise elektrisch kurzgeschlossen werden können, während dann, wenn sie eine Filmdicke von über 3 nm aufweist, für Elektronen im Wesentlichen kein Tunneleffekt besteht, wodurch sich das Magnetowiderstandsverhältnis verringert.
6 ist ein anderes Modifizierungsbeispiel des Magnetspeichers des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
Wie es in 6 dargestellt ist, ist ein Magnetspeicherelement 1c gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein MTJ-Element wie das Magnetspeicherelement 1a, und es verfügt über die antiferromagnetische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht 12, die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht 14, die Leiterschicht 15, eine Isolierschicht 37, eine Leiterschicht 38 und die ferromagnetische Schicht 16. Die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 sind auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 mit uniaxialer Anisotropie versehen. Ferner ist, wie beim Magnetspeicherelement 1a, die ferromag netische Schicht 12 ein Laminatfilm, und die antiferromagnetische Schicht 11 und die ferromagnetische Schicht 20 unterliegen einer Austauschkopplung. Es wird darauf hingewiesen, dass die Materialien der Schichten und die Filmdicken betreffend das Magnetspeicherelement 1a auch hier anwendbar sind.
Das Magnetspeicherelement 1c verfügt über eine Anordnung, bei der ein Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 die Leiterschicht 15 fließt und durch die Leiterschicht 38 ein Strom parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 fließt. An den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 liegt, wie es in den 7(a) und 7(b) dargestellt ist, ein zusammengesetztes Magnetfeld aus einem Magnetfeld H_B und einem Magnetfeld H_W an, die durch die jeweiligen durch die Leiterschichten 15 bzw. 38 fließenden Ströme erzeugt werden.
Bei dieser Anordnung wird das an die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 angelegte zusammengesetzte Magnetfeld im Wesentlichen antiparallel. Im Ergebnis wirken Magnetpole, die während eines Prozesses vor dem Aufzeichnen, wenn die Magnetisierung umgekehrt wird, in den ferromagnetischen Schichten erzeugt werden, in einer solchen Richtung, dass sie wechselseitig die Magnetisierungsumkehr herbeiführen, um dadurch den Speicherstrom stärker als beim Magnetspeicherelement 1a zu senken.
8 zeigt noch ein anderes Modifizierungsbeispiel des Magnetspeicherelements 1a des vorliegenden Beispiels.
Ein Magnetspeicherelement 1d ist wie das Magnetspeicherelement 1a ein MTJ-Element, und es verfügt über die antiferro magnetische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht 12, die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht 14, die Leiterschicht 15, die ferromagnetische Schicht 16, eine Isolierschicht 47, eine Leiterschicht 48 und eine ferromagnetische Schicht 49. Die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 sind auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 mit uniaxialer Anisotropie versehen. Ferner ist, wie beim Magnetspeicherelement 1a, die ferromagnetische Schicht 12 ein Laminatfilm, und die antiferromagnetische Schicht 11 und die ferromagnetische Schicht 20 unterliegen einer Austauschkopplung. Es wird darauf hingewiesen, dass die Materialien für die Schichten und die Filmdicken betreffend das Magnetspeicherelement 1a auch hier anwendbar sind.
Das Magnetspeicherelement 1d verfügt über eine Anordnung, bei der ein Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 durch die Leiterschicht 15 fließt und durch die Leiterschicht 48 ein Strom auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 fließt.
Die Richtung eines an die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 anzulegenden Magnetfeldes ist dieselbe wie in den Magnetspeicherelementen 1a bis 1c.
Im Magnetspeicherelement 1d ist die ferromagnetische Schicht 49 mit hoher Permeabilität auf einer Seite der Leiterschicht 48 vorhanden, deren andere Seite dichter an der antiferromagnetischen Schicht 11 liegt. Beim Aufzeichnen fließt ein Strom durch die Leiterschicht 48, um ein Magnetfeld zu erzeugen, und ein auf einer Seite der Leiterschicht 48, die der ferromagnetischen Schicht 49 benachbart liegt, erzeugtes Magnetfeld wird durch die hohe Permeabilität der ferromagnetischen Schicht 49 auf diese fokussiert. Im Ergebnis wird das Magnetfeld, das auf der anderen Seite der Leiterschicht erzeugt wird, die benachbart zur Isolierschicht 47 liegt, groß, so dass das Zuführen desselben Stroms die Magnetfeldstärke an den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14, als Speicherschicht, und 16 im Vergleich zum Fall ohne die ferromagnetische Schicht 49 erhöht, um so den Energieverbrauch in einem Magnetspeicher im Vergleich zum Fall zu senken, in dem ein Magnetspeicher über keine ferromagnetische Schicht 49 verfügt. Es wird darauf hingewiesen, dass hinsichtlich der ferromagnetischen Schicht 49 Legierungen mit höher Permeabilität wie eine NiFe-Legierung, eine amorphe Legierung aus der CoZrNb-Familie und eine Legierung aus der FeAlSi-Familie anwendbar sind.
Ferner wurde erläutert, dass das Magnetspeicherelement 1d über die Leiterschicht 48 verfügt, die in der Nähe der antiferromagnetischen Schicht 11 angeordnet ist. Jedoch kann dieselbe Wirkung erzielt werden, wenn die Leiterschicht 48 auf einer Seite der ferromagnetischen Schicht 16 angebracht wird, wobei sich dazwischen eine Isolierschicht befindet.
Wie erörtert, kann das Magnetspeicherelement des vorliegenden Beispiels die Magnetisierung in der eine Speicherschicht bildenden ferromagnetischen Schicht 14 stabilisieren und die scheinbare Magnetisierung im Magnetspeicherelement auf einen kleineren Wert als bei dem herkömmlichen Magnetspeicherelement senken, um dadurch eine nachteilige Auswirkung auf benachbarte Magnetspeicherelementen zu senken, wodurch ein stabiler Magnetisierungszustand selbst dann aufrechterhalten bleibt, wenn ein feines Muster vorliegt und ein Magnetspeicher mit höherer Integration realisiert ist.
Ferner kann mit dem Magnetspeicher des vorliegenden Beispiels der Energieverbrauch gegenüber einem herkömm lichen Magnetspeicher gesenkt werden, was dadurch möglich ist, dass die Leiterschicht 15 zum Zuführen eines Stroms zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Nähe der eine Speicherschicht bildenden ferromagnetischen Schicht 14 vorhanden ist und die Magnetfelder der Leiterschicht 48 auch die ferromagnetische Schicht 14 fokussiert werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass für das vorliegende Beispiel eine Erläuterung mittels des Falles erfolgte, dass die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 12 durch Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht 11 fixiert wird; jedoch ist es auch möglich, eine andere Anordnung ohne die antiferromagnetische Schicht 11 zu verwenden, die eine andere Maßnahme wie die Verwendung eines ferromagnetischen Materials mit größerer Koerzitivfeldstärke nutzt, um eine ferromagnetische Schicht als fixierte Schicht auszubilden.
Ferner ist es bevorzugt, die ferromagnetische Schicht 12 z. B. aus einem ferrimagnetischen Material wie einem Seltenerdmetall-Übergangsmetall-Legierungsfilm mit einer Zusammensetzung nahe dem Kompensationspunkt aufzubauen, um den Einfluss von Magnetpolen an einer Kante der ferromagnetischen Schicht zu verringern.
Ferner spielt die Laminatreihenfolge der Laminatmaterialien beim vorliegenden Beispiel keine Rolle, so dass es auch möglich ist, dass die Schichten in umgekehrter Reihenfolge in Bezug auf den Fall beim vorstehend genannten Magnetspeicherelement auflaminiert sind.
Ferner ist es bevorzugt, die Koerzitivfeldstärke der ferromagnetischen Schicht 16 auf einen kleineren Wert als den der ferromagnetischen Schicht 14 einzustellen, um die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 16 beim Aufzeichnen als Erste umzukehren. Dies ermöglicht es, dass die an den beiden Enden der ferromagnetischen Schicht 16 erzeugten Magnetpole ein Magnetfeld in einer Richtung erzeugen, durch die die Umkehr der Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 14 beschleunigt wird, um dadurch zum Aufzeichnen erforderliche Ströme weiter zu senken.
Ferner wurden zwar die vorstehenden Ausführungsbeispiele nur für einen Abschnitt eines Magnetspeicherelements erläutert, jedoch sind bei der tatsächlichen Herstellung des Elements ersichtlich auch andere Komponenten erforderlich, wie eine Elektrode auf der Auslassseite von Strömen, ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolutkontaktschicht.
Ferner wurden zwar die vorstehenden Beispiele bei einem MTJ-Element als Beispiel erläutert, jedoch ist auch Anwendung bei einem GMR-Element möglich, wenn ein Laminatabschnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der ferromagnetischen Schicht 12, der Isolierschicht (unmagnetische Schicht) 13 und der ferromagnetischen Schicht 14, der einen Speicherelementabschnitt bildet, gegen eine Leiterschicht isoliert wird.
[ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 10 bis 13 ein anderes Beispiel eines Magnetspeichers erläutert.
Es wird darauf hingewiesen, dass zum Erleichtern der Erläuterung Elemente mit denselben Funktionen, wie sie in Zeichnungen zum ersten Beispiel dargestellt sind, mit denselben Bezugszahlen versehen sind und hier eine zugehörige Erläuterung weggelassen wird.
Ein Magnetspeicherelement 1e, wie es in 10 dargestellt ist, ist ein MTJ-Element aus der ferromagnetischen Schicht (der dritten ferromagnetischen Schicht) 16, der Leiterschicht (der ersten Leiterschicht) 15, einer Isolierschicht 24, einer Leiterschicht (der dritten Leiterschicht: untere Elektrode) 19, einem Speicherabschnitt 30 und der Leiterschicht (der zweiten Leiterschicht) 18, die in dieser Reihenfolge aufeinandergestapelt sind.
Ein Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Beispiel ist ein solcher zum Reproduzieren von Magnetisierungsinformation, die durch einen herkömmlicherweise verwendeten Tunneleffekt gespeichert wurde. Außerdem weist, wie es unten erörtert ist, der Speicherabschnitt 30 zum Speichern von Magnetisierungsinformation dieselbe Anordnung wie bei einem herkömmlichen Magnetspeicher auf. Insbesondere hat der Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Eigenschaft, dass die bei der Wiedergabe verwendeten Leiterschichten 19 und 18 gemeinsam mit der anderen ferromagnetischen Schichten, als Gegenstand des Magnetspeicherelements 1e, auflaminiert sind. Die ferromagnetische Schicht 16 verfügt über uniaxiale, anisotrope, in der Ebene liegende Magnetisierung, die parallel zur uniaxialen, anisotropen, in der Ebene liegenden Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten 14 und 12, was später erörtert wird, ist.
Ferner ist die Leiterschicht 15 eine solche Leiterschicht, die einen Strom in einer Richtung rechtwinklig zur Richtung der in der Ebene liegenden Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 16 zuführt.
Die Leiterschicht 19 ist mit einer Drainelektrode eines Transistors verbunden, der das Magnetspeicherelement 1e zum Ausführen von Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgängen auswählt. Außerdem bildet die Leiterschicht 19 die untere Elek trode, die eine Widerstandsänderung im Stromfluss durch den Speicherabschnitt 30 zwischen der Leiterschicht 19 und der Leiterschicht 18 erfasst, was später erörtert wird, um im Magnetspeicherelement 1e gespeicherte Magnetisierungsinformation auszulesen.
Der Speicherabschnitt 30 verfügt über mehrere ferromagnetische Schichten einschließlich der ferromagnetischen Schicht 14 als Speicherschicht, in die zu speichernde Magnetisierungsinformation eingeschrieben wird, und eine Isolierschicht, wobei, wie es in 11 dargestellt ist, die ferromagnetische Schicht (die zweite ferromagnetische Schicht: flexible Schicht) 14, die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht (erste ferromagnetische Schicht: fixierte Schicht) 12 und die antiferromagnetische Schicht 11 in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind. Die ferromagnetische Schicht 12 verfügt über Dreischichtstruktur, bei der die ferromagnetischen Schichten 20 und 22, die jeweils im Wesentlichen dieselbe Magnetisierung aufweisen, eine Metallschicht 21 einbetten. Die Metallschicht 21 verfügt über eine Filmdicke, die so eingestellt ist, dass die ferromagnetischen Schichten 20 und 22 antiferromagnetisch gekoppelt werden und daher die scheinbare Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 12 auf null eingestellt ist. Außerdem ist die ferromagnetische Schicht 12 mit der benachbarten antiferromagnetischen Schicht 11 austausch-gekoppelt, um dadurch die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 22 der ferromagnetischen Schicht 12 in einer Richtung zu fixieren. Darüber hinaus, da nämlich die ferromagnetischen Schichten 20 und 22 antiferromagnetisch gekoppelt sind, ist die Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 20 im Ergebnis in der Richtung entgegengesetzt zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 22 fixiert.
Die Leiterschicht 18 ist über einen Abstand, der entspre chend den Leiterbahnregeln bestimmt ist, mit einem benachbarten Magnetspeicherelement verbunden. Außerdem spielt die Leiterschicht 18, wie später erörtert, zwei Rollen. Die eine ist die einer oberen Elektrode zum Erfassen des Widerstandswerts, der entsprechend der Magnetisierungsrichtung in der als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 14 variiert, und die andere ist die einer Bitleitung.
Nachfolgend wird ein Aufzeichnungs- und Wiedergabeverfahren mit dem Magnetspeicher des vorliegenden Beispiels erläutert.
Ein Aufzeichnen hinsichtlich des Magnetspeicherelements 1e wird dadurch ausgeführt, dass den einander rechtwinklig schneidenden Leiterschichten 15 und 18 ein jeweiliger Strom zugeführt wird. Die Leiterschicht 15 speist einen Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 16 ein, während die Leiterschicht 18 einen Strom parallel zu dieser einspeist. In diesem Fall wird, wie es in 12 dargestellt ist, an die die Speicherschicht bildende ferromagnetische Schicht 14 ein zusammengesetztes Magnetfeld aus einem durch den durch die Leiterschicht 15 fließenden Strom erzeugten Magnetfeld H_W und einem durch die Leiterschicht 18 fließenden Strom erzeugten Magnetfeld H_B angelegt. Dieses angelegte zusammengesetzte Magnetfeld ermöglicht das Einschreiben der einzuspeichernden Magnetisierungsinformation.
Andererseits erfolgt eine Wiedergabe durch Erfassen des elektrischen Widerstandswerts zwischen den Leiterschichten 18 und 19, die eine obere bzw. untere Elektrode bilden. Dieser elektrische Widerstandswert variiert abhängig vom Zustand der Magnetisierungsrichtungen in der festen ferromagnetischen Schicht 20 und der als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 14, nämlich ob diese parallel oder antiparallel sind. Genauer gesagt, ist die Anzahl der auf Grund des Tunneleffekts durch die Isolierschicht 13 laufenden Elektronen erhöht, was den elektrischen Widerstand senkt, wenn die in der ferromagnetischen Schicht 14 gespeicherte Magnetisierungsrichtung mit der in der fixierten ferromagnetischen Schicht 20 übereinstimmt. Wenn dagegen die in der ferromagnetischen Schicht 14 gespeicherte Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt zu der in der fixierten ferromagnetischen Schicht 20 ist, nimmt die Anzahl der auf Grund des Tunneleffekts durch die Isolierschicht 13 laufenden Elektronen ab, so dass der elektrische Widerstand erhöht ist. Wie erläutert, wird beim Abspielen eine Spannung an die Leiterschichten 18 und 19 angelegt, und dann wird eine Änderung des elektrischen Widerstands für einen durch den Speicherabschnitt 30 fließenden Strom erfasst, um die Magnetisierungsinformation im Speicherabschnitt 30 als Signal zu erhalten, um so die gespeicherte Information wiederzugeben.
Insbesondere verfügt der Magnetspeicher des vorliegenden Beispiels über die Leiterschicht 15 zum Einspeisen eines Stroms, der beim Aufzeichnen für Magnetisierungsinformation sorgt, wobei diese Leiterschicht 15 zwischen den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ausgebildet ist, die die Speicherschicht bzw. die flexible Schicht bilden. Daher sorgt die Leiterschicht 15 gemäß der Korkenzieherregel für entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen in den ferromagnetischen Schichten 14 und 16, die über bzw. unter der Leiterschicht 15 angeordnet sind. Darüber hinaus werden die ferromagnetischen Schichten 16 und 14 mit einem magnetischen Moment derselben Stärke versehen. Dies bedeutet, dass die ferromagnetische Schicht 16 eine Magnetisierung erhält, die dieselbe Stärke und die entgegengesetzte Richtung in Bezug auf die in der ferromagnetischen Schicht 14 gespeicherte Magnetisierungsinformation hat, wodurch die scheinbare Magnetisierung im Magnetspeicherelement 1e auf null gesenkt ist.
Wie erörtert, beeinflusst beim Magnetspeicher des vorliegenden Beispiels selbst dann, wenn durch Verringern des Abstands zwischen den Magnetspeicherelementen ein feines Muster erzeugt ist, die Magnetisierung benachbarter Magnetspeicherelemente die in der Speicherschicht gespeicherte Magnetisierung nicht, um dadurch einen Magnetspeicher zu schaffen, der selbst bei erhöhter Speicherdichte eine stabile Magnetisierung in einer Speicherschicht zeigen kann. Darüber hinaus benötigt der Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels, abweichend von einem herkömmlichen Magnetspeicher, keinen Magnetkopf, wodurch Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgänge alleine durch den Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels ausgeführt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass für den Magnetspeicher des vorliegenden Beispiels eine Erläuterung für den Fall erfolgte, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ein magnetisches Moment derselben Stärke erhalten, wobei jedoch keine Beschränkung hierauf besteht. Das heißt, dass, wenn ein Magnetspeicher mit derselben Struktur wie der obigen verwendet wird, die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 eine Magnetisierung in einer Richtung erhalten, dass sich die Magnetisierungen gegenseitig aufheben. Demgemäß wird die Stärke der scheinbaren Magnetisierung im Magnetspeicherelement 1e kleiner als in einem herkömmlichen Magnetspeicher, wobei, wie oben, ein Magnetspeicher hoher Dichte erhalten wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 bevorzugter magnetische Momente derselben Stärke aufweisen, wie beim Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels, da dadurch die scheinbare Magnetisierung im Magnetspeicherelement 1e auf null gesenkt wird, wodurch eine nachteilige Auswirkung auf benachbarte Magnetspeicherelemente vollständig vermieden wird.
Ferner ist, wie es in 13 dargestellt ist, jedes der Magnetspeicherelemente 1e in einem Schnittabschnitt zwischen den Leiterschichten 15 und 18 ausgebildet. Ein zum Umkehren der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 erforderliches Magnetfeld ist größer als die Magnetisierungen H_W und H_B, die durch durch die Leiterschichten 15 und 18 fließenden Ströme erzeugt werden und es ist kleiner als das zusammengesetzte Magnetfeld aus H_W und H_B. Demgemäß werden, wenn den Leiterschichten 15 und 18 beim Aufzeichnen von Magnetisierungsinformation Ströme zugeführt werden, benachbarte Magnetspeicherelemente nicht nachteilig beeinflusst, was es ermöglicht, die Magnetisierung nur in Magnetspeicherelementen 1e in den Schnittabschnitten umzukehren.
Ferner wird beim Ausführen eines Aufzeichnungsvorgangs in den Magnetspeicherelementen 1e, wie erläutert, durch Ändern der Richtung des der Leiterschicht 15 zuzuführenden Stroms entsprechend der einzuspeichernden Magnetisierungsinformation die Richtung der im Speicherabschnitt 30 zu speichernden Magnetisierung geändert. Da die Leiterschicht 30 und der Speicherabschnitt 30 für Magnetisierungsumkehr benachbart angeordnet sind, kann auch ein kleiner Strom für ein Magnetfeld sorgen, das dazu ausreicht, die Magnetisierung im Speicherabschnitt 30 umzukehren. Demgemäß führt die Verwendung der Anordnung des Magnetspeichers des vorliegenden Ausführungsbeispiels zu einem Magnetspeicher, der nur wenig elektrische Energie verbraucht.
[DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 14 bis 21(a) und 21(b) ein Beispiel eines Herstellverfahrens für einen Magnetspeicher erläutert.
Es wird darauf hingewiesen, dass der Einfachheit der Erläuterung halber Elemente mit denselben Funktionen, wie sie in den zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen dargestellt sind, dieselben Bezugszahlen erhalten und eine zugehörige Beschreibung hier weggelassen wird.
Ein Magnetspeicherelement 1f gemäß dem vorliegenden Beispiel nutzt, wie in 14 dargestellt, ein MTJ-Element, und es verfügt über die Leiterschicht 18, die Isolierschicht 17, eine Leiterschicht 19, die antiferromagnetische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht (fixierte Schicht) 12, die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 14, die Leiterschicht 15 und die ferromagnetische Schicht 16.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 16(a) und 16(b) bis 20 ein erstes Herstellverfahren für den Magnetspeicher der 14 erläutert. Der Einfachheit halber zeigt eine Zeichnung einen Querschnitt eines Magnetspeicherelements 1f.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wie es in den 15(a) und 15(b) dargestellt ist, die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 individuell ein von der Leiterschicht 15 erzeugtes Magnetfeld H_B und ein von der Leiterschicht 18 erzeugtes Magnetfeld H_W erfahren und dass zusammengesetzte Magnetfelder aus den Magnetfelder H_B und H_W, die in entgegengesetzten Richtungen wirken, einander aufheben.
Im Allgemeinen besteht ein Substrat, auf dem ein einen Magnetspeicher aufbauendes Magnetspeicherelement 1f hergestellt wird, aus einem Halbleitersubstrat mit einem Transistor zum Auswählen des auf ihm ausgebildeten Magnetspeicherelements 1f sowie einer Isolierschicht, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet und eingeebnet ist. Außerdem kann in der Nachbarschaft entweder einer Leiterschicht 10, wie in 14 dargestellt oder der ferromagnetischen Schicht 16 (nicht dargestellt) eine Wortleitung (eine Leiterschicht 18) angeordnet sein.
Im ersten Herstellschritt werden die Leiterschicht (unter Elektrode) 19, die antiferromagnetische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht 12 (fixierte Schicht), die Isolierschicht (unmagnetische Schicht) 13 und die ferromagnetische Schicht 14 (flexible Schicht) aufeinanderfolgend hergestellt [16(a)].
Die ferromagnetische Schicht 12 besteht beim vorliegenden Beispiel aus einem Paar ferromagnetischer Schichten, die über eine dazwischenliegende Metallschicht antiferromagnetisch gekoppelt sind; jedoch kann statt dessen auch eine einzelne ferromagnetische Schicht ohne antiferromagnetische Schicht verwendet werden. In jedem Fall können durch das Herstellverfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Magnetspeicher hergestellt werden, die dieselbe Wirkung erzielen.
Ferner kann beim Abscheiden jedes Films der Laminatschichten ein übliches Filmabscheidungsverfahren wie ein Sputterverfahren, ein Dampfabscheidungsverfahren verwendet werden.
In einem zweiten Herstellschritt wird ein im ersten Herstellschritt hergestellter Laminatfilm zur Form einer unteren Elektrode bearbeitet. Ein Bearbeitungsverfahren geht dahin, dass als Erstes durch Fotolithografie ein Resistmuster ausgebildet wird und dann der Film durch Ionenstrahlätzen und dergleichen (nicht dargestellt) mit gewünschter Form ausgebildet wird. Im folgenden Schritt kann dasselbe Bearbeitungsverfahren auch beim Formen eines Elements verwendet werden.
In einem dritten Herstellschritt werden alle Schichten mit Ausnahme der Leiterschicht 19 so bearbeitet, dass jedes Magnetspeicherelement von den anderen getrennt wird [16(b)]. Dann wird die Leiterschicht 19 so bearbeitet, dass sie in der Richtung benachbarter Magnetspeicherelemente eine Kopplung bildet. Bis zum vorliegenden Herstellschritt werden Magnetspeicherelemente erzeugt, die jeweils von den anderen über einen durch die Leiterbahnregeln bestimmten Abstand voneinander getrennt sind.
In einem vierten Herstellschritt wird, ohne dass ein im dritten Herstellschritt als Ätzmaske verwendeter Resist 23 entfernt wird, die Isolierschicht 24 so hergestellt, dass sie Zwischenräume zwischen den voneinander getrennten Magnetspeicherelementen auffüllt [17(a)]. Die Isolierschicht 24 kann aus einem Material wie SiO₂ und Al₂O₃ hergestellt werden. Durch ein solches Abscheiden der Isolierschicht 24 ohne Entfernen des Resists 23 kann die auf den Magnetspeicherelementen abgeschiedene Isolierschicht 24 durch Abheben entfernt werden [17(b)]. Daher ist kein Herstellschritt zum Entfernen der Isolierschicht 24 auf den Magnetspeicherelementen, wie ein Einebnen, erforderlich.
In einem fünften Herstellschritt werden die zweite Leiterschicht 15 und der dritte ferromagnetische Film 16 aufeinanderfolgend hergestellt [18(a)].
In einem sechsten Herstellschritt wird die dritte ferromagnetische Schicht 16 auf im Wesentlichen dieselbe Form wie der des im dritten Herstellschritt hergestellten Magnetspeicherelements bearbeitet [18(b)].
In einem siebten Herstellschritt wird die zweite Leiterschicht 15 so bearbeitet, dass sie nur in einer Richtung rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 12 eine Verbindung herstellt (19). Durch dieses Bearbeiten der Leiterschicht 15 am Schluss kann verhindert werden, dass die Isolierschicht 24 geätzt wird.
Durch das vorstehend genannte Herstellverfahren können das in 14 dargestellte, für eine Anordnung hoher Dichte geeignete Magnetspeicherelement und ein Magnetspeicher erhalten werden.
Ferner erfolgte für das vorliegende Beispiel eine Erläuterung mittels eines Herstellverfahrens, bei dem die als Wortleitung dienende Leiterschicht 18 auf der Seite der Leiterschicht 19 (auf der Seite des Substrats) angebracht wird, wobei jedoch keine Beschränkung hierauf besteht. Es kann nämlich dieselbe Wirkung wie beim durch das Herstellverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiel erhaltenen Magnetspeicher durch ein Herstellverfahren erzielt werden, bei dem die Leiterschicht 18 auf der Seite der ferromagnetischen Schicht 16 abgeschieden wird.
Ferner kann, wie es in 20 dargestellt ist, ein Magnetspeicher hergestellt werden, der eine Anordnung aufweist, bei der eine ferromagnetische Schicht 31 mit hoher Permeabilität angrenzend an eine Seite der als Wortleitung dienenden Leiterschicht 18 angebracht wird, deren andere Seite der Isolierschicht 17 zugewandt ist. Bei diesem Magnetspeicher wird beim Aufzeichnen durch einen durch die Leiterschicht 18 fließenden Strom ein Magnetfeld erzeugt; jedoch werden, da die ferromagnetische Schicht 31 hohe Permeabilität aufweist, Magnetfelder auf der Seite der Leiterschicht 18, die näher an der ferromagnetischen Schicht 31 liegt, auf diese fokussiert. Im Ergebnis wird ein Magnetfeld auf der anderen Seite der Leiterschicht 18, näher an der Isolierschicht 17, groß, und daher führt auch derselbe Stromfluss zu einer größeren Magnetfeldstärke an den Positionen der als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 14 und der ferromagnetischen Schicht 16 im Vergleich zum Fall ohne die ferromagnetische Schicht 31, wodurch der Energieverbrauch in einem Magnetspeicher im Vergleich zum Fall gesenkt wird, in dem die ferromagnetische Schicht 31 vorhanden ist.
Die ferromagnetische Schicht 31 kann aus einer Legierung mit hoher Permeabilität bestehen, wie aus einer NiFe-Legierung, einer amorphen Legierung der CoZrNb-Familie oder einer Legierung der FeAlSi-Familie. Da die ferromagnetische Schicht 31 zur selben Form wie die Leiterschicht 18 bearbeitet werden kann, ist das beim ersten Ausführungsbeispiel angegebene Herstellverfahren bei den nachfolgenden Herstellschritten anwendbar.
Wie erörtert, kann der Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Beispiel als in 20 dargestellter Magnespeicher ausgebildet werden, der für eine Anordnung mit hoher Dichte geeignet ist und niedrigen Energieverbrauch zeigen kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass im vierten Herstellschritt des Herstellverfahrens für den Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Beispiel, wie in den 21(a) und 21(b) dargestellt, der Resist entfernt werden kann, während die Isolierschicht 24 hergestellt wird, um Abstände zwischen Magnetspeicherelementen aufzufüllen, die voneinander getrennt sind [21(a)].
Ferner kann im fünften Herstellschritt die Isolierschicht 24 auf den Magnetspeicherelementen durch mechanisches Bearbeiten wie CMP entfernt werden, um eine Einebnung auszuführen [21(b)].
Alternativ kann die Isolierschicht auf den Magnetspeicherelementen durch weiteres Einebenen von Unregelmäßigkeiten entfernt werden, wie sie nach der Erzeugung der Isolierschicht mit dem Resist auftreten, und es kann ein vollständiges Rückätzen ausgeführt werden. Danach kann, mit denselben Herstellschritten, wie sie oben beschrieben sind, der für eine Anordnung hoher Dichte geeignete, in 14 dargestellte Magnetspeicher erhalten werden.
In jedem Fall ist es möglich, durch das Herstellverfahren des vorliegenden Beispiels ein Magnetspeicherelement und einem Magnetspeicher herzustellen.
Ferner erfolgte beim vorstehenden Beispiel eine Erläuterung alleine eines Abschnitts eines Magnetspeicherelements, jedoch sind beim tatsächlichen Herstellen eines Elements ersichtlich andere Komponenten erforderlich, wie ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolutkontaktschicht.
Ferner wurde zwar das vorstehende Beispiel mit einem MTJ-Element als Beispiel erläutert, jedoch besteht auch Anwendbarkeit bei einem GMR-Element, wenn ein Laminatabschnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der ferromagnetischen Schicht 12, der Isolierschicht (unmagnetischen) Schicht 13 und der einen Speicherabschnitt bildenden ferromagnetischen Schicht 14 gegen eine Leiterschicht isoliert wird.
Wie erörtert, kann durch das Herstellverfahren für ein Magnetspeicherelement gemäß dem vorliegenden Beispiel stabile Magnetisierung in einer Speicherschicht erzielt werden, während ein Magnetspeicherelement erhalten wird, bei dem eine nachteilige Einwirkung auf benachbarte Magnetspeicherelementen verhindert ist. Demgemäß kann ein stabiler Magnetisierungszustand selbst dann aufrechterhalten werden, wenn ein feines Muster vorliegt, wodurch ein Magnetspeicher höherer Integration realisiert ist. Darüber hinaus kann gemäß dem Herstellverfahren für einen Magnetspeicher gemäß der Erfindung eine Leiterschicht in der Nähe einer Speicherschicht angeordnet werden, und/oder durch eine Leiterschicht erzeugte Magnetfelder werden auf eine Speicherschicht fokussiert, um dadurch einen Magnetspeicher zu schaffen, der wenig Energie verbrauchen kann.
[VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 22 bis 27(a) und 27(b) ein anderes Beispiel eines Herstellverfahrens für einen Magnetspeicher gemäß der Erfindung erläutert.
Zur Vereinfachung der Erläuterung sind Elemente mit denselben Funktionen, wie sie in den zum obigen ersten Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen angegeben sind, mit denselben Bezugszahlen versehen, und eine zugehörige Erläuterung wird hier weggelassen.
Ein Magnetspeicherelement 1g gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie es in 22 dargestellt ist, verwendet ein MTJ-Element, und es verfügt über die Leiterschicht 19, die antiferromagnetische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht 12 (fixierte Schicht), die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 14, die Leiterschicht (Bitleitung) 15, die Isolierschicht 17, die Leiterschicht (Wortleitung) 18 und die ferromagnetische Schicht 16.
Ein durch das Herstellverfahren für einen Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Beispiel hergestellter Mag netspeicher verfügt über dieselbe Anordnung wie der Magnetspeicher des obigen dritten Ausführungsbeispiels, jedoch mit einem Unterschied hinsichtlich der Position der Leiterschicht 18, die sich zwischen den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 befindet.
Beim durch das Herstellverfahren des vorliegenden Beispiels erhaltenen Magnetspeicher sind die Leiterschichten 15 und 18 in der Nähe der ferromagnetischen Schichten 14 bzw. 16 vorhanden. Diese Anordnung ist bevorzugt, da dann, wenn die durch die Leiterschichten 15 und 18 fließenden Ströme klein sind, die als Speicherschicht wirkende ferromagnetische Schicht 14 eine ausreichende Magnetfeldstärke zum Aufzeichnen von Magnetisierungsinformation erhalten kann, wodurch im Magnetspeicher niedriger Energieverbrauch realisiert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wie es in den 23(a) und 23(b) dargestellt ist, die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 einzeln ein von der Leiterschicht 15 erzeugtes Magnetfeld H_B und ein von der Leiterschicht 18 erzeugtes Magnetfeld H_W erfahren, wobei sich die zusammengesetzten Magnetfelder aus den Magnetfeldern H_B und H_W so wirken, dass sie in entgegengesetzten Richtungen einander aufheben. Demgemäß kann im Vergleich mit dem Fall, in dem die ferromagnetische Schicht 16 nicht vorhanden ist, die scheinbare Magnetisierung im Magnetspeicherelement 1g verringert werden, wodurch selbst in einem Magnetspeicher mit einer Anordnung hoher Dichte eine nachteilige Wirkung zwischen benachbarten Magnetspeicherelementen verhindert ist.
Ferner wirken, da es die zwei Leiterschichten 15 und 18 den ferromagnetischen Schichten 15 und 16 ermöglichen, über Richtungen der Magnetfelder zu verfügen, die im Wesentlichen antiparallel zueinander sind, Magnetfelder, die im Prozess vor dem Umkehren der Magnetisierung beim Aufzeichnen und den ferromagnetischen Schichten erzeugt werden, jeweils in einer solchen Richtung, dass sie die Magnetisierungsumkehr beschleunigen, um dadurch die Speicherströme stark zu senken und Energie im Vergleich mit einem Magnetspeicher einzusparen, der über die zwei Leiterschichten 15 und 18 verfügt, die jedoch zwischen den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 vorhanden sind.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die 24(a), 24(b) bis 26(a) und 26(b) ein Herstellverfahren für den in 22 dargestellten Magnetspeicher erläutert. Zur Vereinfachung ist jede Zeichnung eine Schnittansicht eines Speicherelements, wobei eine Seite desselben dargestellt ist.
Im Allgemeinen besteht ein Substrat, auf dem Magnetspeicherelemente hergestellt werden, aus einem Halbleitersubstrat, auf dem ein Transistor zum Auswählen eines Magnetspeicherelements, an dem Wiedergabe- und Aufzeichnungsvorgänge ausgeführt werden, ausgebildet ist, und mit einer Isolierschicht, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet und eingeebnet ist (nicht dargestellt).
Ein erster bis vierter Herstellschritt sind dieselben wie beim obigen dritten Beispiel.
In einem fünften Herstellschritt werden die Leiterschicht 15 und die Isolierschicht 17 aufeinanderfolgend hergestellt [24(a)].
In einem sechsten Herstellschritt wird auf der Leiterschicht 15 und der Isolierschicht 17 ein Resistmuster hergestellt, und diese Schichten werden dann bearbeitet, um mit Magnetspeicherelementen verbunden zu werden, die benachbart in einer Richtung rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 vorhanden sind [24(b)].
In einem siebten Herstellschritt wird, ohne dass ein Resist 25, der im sechsten Herstellschritt als Ätzmaske verwendet wurde, entfernt wird, eine Isolierschicht 24' so hergestellt, dass sie Zwischenräume zwischen erzeugten Leiterbahnen ausfüllt [25(a)]. Durch solches Abscheiden der Isolierschicht 24' ohne Entfernen des Resists 25 kann die auf den Magnetspeicherelementen abgeschiedene Isolierschicht 24' durch Abheben entfernt werden.
In einem achten Herstellschritt werden die Leiterschicht 18 und die ferromagnetische Schicht 16 aufeinanderfolgend hergestellt [25(b)].
In einem neunten Herstellschritt wird die ferromagnetische Schicht 16 auf im Wesentlichen dieselbe Form wie die des beim dritten Herstellschritt hergestellten Magnetelements bearbeitet [26(a)].
In einem zehnten Herstellschritt wird die Leiterschicht 18 so bearbeitet, dass sie nur Magnetspeicherelemente verbindet, die in einer Richtung parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 benachbart sind [26(b)]. Da durch solches Bearbeiten der Leiterschicht 18 am Schluss kann verhindert werden, dass die Isolierschicht 24 geätzt wird.
Durch das vorstehend angegebene Herstellverfahren können ein für eine Anordnung hoher Dichte geeignetes Magnetspeicherelement und der Magnetspeicher, wie in 22 dargestellt, erhalten werden.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 27 ein anderes Herstellverfahren für den in 22 dargestellten Magnet speicher erläutert.
Bis zum dritten Herstellschritt, in dem ein Magnetspeicherelement von anderen getrennt wird, ist dieses Herstellverfahren dasselbe wie das des ersten Beispiels.
In einem vierten Herstellschritt wird der Resist entfernt und die Isolierschicht 24 wird so hergestellt, dass sie Zwischenräume zwischen den getrennten Magnetspeicherelementen ausfüllt [24(a)].
In einem fünften Herstellschritt wird die Isolierschicht 24 durch mechanisches Bearbeiten wie CMP entfernt, um eine Einebnung ausführen [27(b)]. Alternativ kann die Isolierschicht auf den Magnetspeicherelementen durch weiteres Einebenen von Unregelmäßigkeiten entfernt werden, wie sie nach der Erzeugung der Isolierschicht durch den Resist auftraten, wobei ein vollständiges Rückätzen ausgeführt wird.
Danach kann, durch dasselbe Herstellverfahren wie für den Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Beispiel, der in 22 dargestellte Magnetspeicher erhalten werden, der für eine Anordnung mit hoher Dichte geeignet ist.
Ferner wurden bei diesem Herstellverfahren die Leiterschicht 15 und die Isolierschicht 17 aufeinanderfolgend hergestellt, jedoch kann alternativ nur die Leiterschicht 15 als Erste hergestellt werden, woraufhin, nach einem Ausführen einer Bearbeitung und Einebnung derselben, die Isolierschicht 17, die Leiterschicht 18 und die ferromagnetische Schicht 16 aufeinanderfolgend hergestellt werden.
Hinsichtlich der Anordnung des Magnetspeichers wird die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht (fixierte Schicht) 12 durch Austauschkopplung mit der antiferromagne tischen Schicht 11 fixiert. Jedoch ist es auch möglich, eine andere Maßnahme wie ein ferromagnetisches Material mit großer Koerzitivfeldstärke für die ferromagnetische Schicht 12 als fixierte Schicht zu verwenden. Ferner kann die ferromagnetische Schicht 12 auch z. B. aus einem ferrimagnetischen Material wie einem Seltenerdmetall-Übergangsmetall-Legierungsfilm mit einer Zusammensetzung nahe dem Kompensationspunkt bestehen, um den Einfluss von Magnetpolen an einer Kante der ferromagnetischen Schicht zu verringern.
Ferner ist es bevorzugt, die Koerzitivfeldstärke in der ferromagnetischen Schicht 16 auf einen kleineren Wert als in der ferromagnetischen Schicht 14 einzustellen, um dadurch die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 16 beim Aufzeichnen als Erste umzukehren. Demgemäß, da nämlich an beiden Enden der ferromagnetischen Schicht 16 erzeugte Magnetpole Magnetfelder in einer Richtung zum Beschleunigen der Umkehrung der Magnetisierungsrichtung in der als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht beschleunigen, ist es wahrscheinlich, dass die Magnetisierung umgekehrt wird, und es kann selbst dann, wenn der durch eine Leiterschicht fließende Strom klein ist, eine zum Aufzeichnen ausreichende Magnetisierung erzeugt werden, wodurch in einem Magnetspeicher viel Energie eingespart wird.
In jedem Fall können durch das Herstellverfahren gemäß der Erfindung ein Magnetspeicherelement und ein Magnetspeicher hergestellt werden.
Ferner erfolgte im ganzen vorstehenden Ausführungsbeispiel einer Erläuterung alleine zum Abschnitt eines Magnetspeicherelements; jedoch sind bei einer tatsächlichen Herstellung eines Elements ersichtlich andere Komponenten erforderlich, wie ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolutkontaktschicht.
Ferner wurde beim vorstehenden Ausführungsbeispiel ein MTJ-Element als Beispiel erläutert; jedoch besteht Anwendbarkeit auch bei einem GMR-Element, wenn ein Laminatabschnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der ferromagnetischen Schicht 12, der Isolierschicht (der unmagnetischen Schicht) 13 und der ferromagnetischen Schicht 14, die einen Speicherelementabschnitt bilden, gegen eine Leiterschicht isoliert wird.
Wie erörtert, kann durch das Herstellverfahren des Magnetspeichers gemäß dem vorliegenden Beispiel stabile Magnetisierung in der Speicherschicht erzielt werden, während die scheinbare Magnetisierung im Magnetspeicherelement verringert ist, um dadurch ein Magnetspeicherelement zu erhalten, bei dem eine nachteilige Auswirkung auf benachbarte Magnetspeicherelemente vermieden ist. Demgemäß kann ein stabiler Magnetisierungszustand selbst dann aufrechterhalten werden, wenn ein feines Muster vorliegt, wodurch ein Magnetspeicher mit höherer Integration realisiert ist. Darüber hinaus kann ein Magnetspeicher, der niedrigen Energieverbrauch zeigen kann, geschaffen werden, da die die Speicherschicht mit Magnetisierungsinformation versorgende Leiterschicht in der Nähe der ferromagnetischen Schicht vorhanden ist, die die Speicherschicht bilden soll, und/oder da die Magnetisierung in der Speicherschicht auf einfache Weise verdrehbar ist.
[FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 28(a) bis 28(b) bis 32 ein Ausführungsbeispiel eines Herstellverfahrens für den beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläuterten Magnetspeicher erläutert.
Der Einfachheit der Erläuterung halber werden Elemente mit denselben Funktionen, wie sie in den zum obigen ersten bis vierten Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen dargestellt sind, mit denselben Bezugszahlen versehen, und eine zugehörige Erläuterung wird hier weggelassen.
Im Allgemeinen besteht ein Substrat, auf dem das Magnetspeicherelement 1e hergestellt wird, aus einem Halbleitersubstrat, auf dem ein Transistor zum Auswählen eines Magnetspeicherelements, für das Wiedergabe- und Aufzeichnungsvorgänge ausgeführt werden, ausgebildet ist, und einer Isolierschicht, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet und eingeebnet ist. Nachfolgend werden Herstellschritte zum Herstellen des Magnetspeicherelements 1e auf dieser Isolierschicht beschrieben.
In einem ersten Herstellschritt wird eine ferromagnetische Schicht mit uniaxialer, isotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung durch ein Sputterverfahren auf der gesamten Isolierschicht hergestellt.
In einem zweiten Herstellschritt wird, wie es in 28(a) dargestellt ist, durch Fotolithografie ein Resistmuster hergestellt, und dann wird durch Ionenstrahlätzen und dergleichen die ferromagnetische Schicht zu gewünschter Form bearbeitet. Beim vorliegenden Herstellschritt wird ein Array von ferromagnetischen Substanzen mit der Form eines gesonderten Magnetspeicherelements hergestellt, um dadurch die ferromagnetische Schicht 16 auszubilden.
In einem dritten Herstellschritt wird, wie es in 28(b) dargestellt ist, eine Leiterschicht 15' auf dem gesamten Substrat mit der darauf vorhandenen ferromagnetischen Schicht 16 hergestellt.
In einem vierten Herstellschritt wird auf der Leiterschicht 15' ein Resistmuster hergestellt, und dann wird, wie es in 29(a) dargestellt ist, die Leiterschicht 15' so bearbeitet, dass Magnetspeicherelemente in einer Richtung rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 16 vorhanden sind, wobei die Leiterschicht 15' dazwischenliegt, um dadurch die Leiterschicht 15 auszubilden.
In einem fünften Herstellschritt wird, wie es in 29(b) dargestellt ist, die Isolierschicht 24 so hergestellt, dass sie die Oberfläche der Leiterschicht 15 bedeckt und Zwischenräume zwischen benachbarten Magnetspeicherelementen ausfüllt.
In einem sechsten Herstellschritt wird, wie es in 30(a) dargestellt ist, nach einem Einebnen der Isolierschicht 24 auf der Leiterschicht 15 in solcher Weise, dass konstante Filmdicke vorliegt, ein Laminatfilm aus der Leiterschicht 19, der ferromagnetischen Schicht 14, der Isolierschicht 13, der ferromagnetischen Schicht 12 und der antiferromagnetischen Schicht 11 in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrats hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Leiterschicht, mit der die Drainelektrode des Transistors und die Leiterschicht 19 elektrisch verbunden sind, gesondert hergestellt werden muss, bevor die Leiterschicht 19 hergestellt wird. Die ferromagnetische Schicht 16 und die Leiterschicht 15 werden dazu verwendet, indem sie mit einem gewünschten Muster ausgebildet werden.
In einem siebten Herstellschritt wird, wie es in 30(b) dargestellt ist, auf der antiferromagnetischen Schicht 11 ein Resistmuster hergestellt, und dann wird dieses Resistmuster auf im Wesentlichen dieselbe Form wie die der ferromagnetischen Schicht 16 bearbeitet, um dadurch eine Anzahl von Magnetspeicherelementen auszubilden, von denen jedes von den anderen getrennt ist.
In einem achten Herstellschritt wird, wie es in 31(a) dargestellt ist, auf der Leiterelektrode 19 (unter Elektrode) ein Resistmuster hergestellt, und die Leiterschicht 19 wird zur Form einer unteren Elektrode bearbeitet.
In einem neunten Herstellschritt wird, wie es in 31(b) dargestellt ist, eine Isolierschicht 23 so hergestellt, dass sie Zwischenräume zwischen der Anzahl getrennter Magnetspeicherelemente ausfüllt.
In einem zehnten Herstellschritt wird, nach einen Einebnen der Isolierschicht 23 durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren), wie in 32 dargestellt) die Leiterschicht 18 auf der Isolierschicht 24 auf und zwischen der Anzahl von Magnetspeicherelementen hergestellt.
In einem elften Herstellschritt wird die Leiterschicht 18 so bearbeitet, dass benachbarte Magnetspeicherelemente nur in einer die Leiterschicht 15 rechtwinklig schneidenden Richtung verbunden sind, um dadurch einen Magnetspeicher herzustellen.
Wie beschrieben, liefert der durch das vorstehend genannte Herstellverfahren erhaltene Magnetspeicher einen Strom an die im vierten Herstellschritt hergestellte Bitleitung 15, um die ferromagnetischen Schichten 16 und 14 mit Magnetisierungen von entgegengesetzten Richtung zu versorgen. Außerdem weisen die ferromagnetischen Schichten 12, 14 und 16 uniaxiale anisotrope, in der Ebene liegende Magnetisierung auf. Die Leiterschicht 15 liefert einen Strom rechtwinklig zur Richtung der uniaxialen, anisotropen, in der Ebene liegenden Magnetisierung. Demgemäß entspricht die Richtung des Magnetfeld durch die Leiterschicht 15 der Richtung der in der Ebe ne liegenden Magnetisierung in den ferromagnetichen Schichten 12, 14 und 16. Ferner erfahren die ferromagnetischen Schichten 16, und 14, die über bzw. unter der Leiterschicht 15 vorhanden sind, Magnetfeldern mit entgegengesetzten Richtungen. Demgemäß werden die in der Ebene liegenden Magnetisierungen in der ferromagnetischen Schicht 16 und der ferromagnetischen Schicht 14 antiparallel zueinander, weswegen sie sich aufheben.
Ferner verfügt die ferromagnetische Schicht 12 über Dreischichtstruktur aus der ferromagnetischen Schicht/Metallschicht/ferromagnetischen Schicht. Da das Paar ferromagnetischer Schichten 20 und 22 miteinander antiferromagnetisch gekoppelt ist, befindet sich die Magnetisierung innerhalb der ferromagnetischen Schicht 12 im ausgeglichenen Zustand.
Demgemäß kann, wie erörtert, eine Anordnung höherer Dichte realisiert werden, um dadurch einen Magnetspeicher zu erhalten, der niedrigen Energieverbrauch zeigen kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass die ferromagnetische Schicht 16 im ersten Herstellschritt nicht nur durch ein Sputterverfahren sondern auch durch andere übliche Abscheidungsverfahren wie ein Dampfabscheidungsverfahren hergestellt werden kann.
Ferner kann als Einebnungsverfahren für die Isolierschicht 24 z. B. eine mechanische Bearbeitung wie CMP verwendet werden. Alternativ kann die Isolierschicht 24 durch Einebnen von Unregelmäßigkeiten entfernt werden, die nach dem Herstellen der Isolierschicht 24 mit Resist auftraten, wobei darauf ein vollständiges Rückätzen ausgeführt wird. Alternativ ist es auch möglich, dass, ohne den Resist zu entfernen, der im vierten Herstellschritt als Ätzmaske verwendet wurde, die Isolierschicht 24 so hergestellt wird, dass sie den Zwi schenraum um die Leiterschicht 15 herum auffüllt, wobei dann, nach einem Entfernen der Isolierschicht 24 auf der Leiterschicht 15 durch Abheben und durch Einebnen darauf, Filme eines Laminatteils über der Isolierschicht und die Leiterschicht 15 aufeinanderfolgend hergestellt werden.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Einfachheit der Erläuterung halber ein einzelner Magnetspeicherelement-Abschnitt erläutert, jedoch sind bei der tatsächlichen Herstellung des Elements andere Komponenten erforderlich, wie ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolutkontaktschicht.
Als Materialien für die erste, zweite und dritte ferromagnetische Schicht 12, 14 und 16 können Fe, Co und Ni oder Legierungen hiervon verwendet werden.
Außerdem können als Materialien für die antiferromagnetische Schicht 11 Legierungen wie FeMn, NiMn, PtMn und IrMn verwendet werden.
Ferner wird die Isolierschicht 13 angesichts des Mr-Verhältnisses vorzugsweise aus einem Al₂O₃-Film hergestellt; jedoch kann auch ein Isolierfilm aus einem anderen Oxidfilm oder Nitridfilm oder ein Isolierfilm wie ein Si-Film oder ein Diamantfilm und ein Film aus diamantförmigem Kohlenstoff (DLC) verwendet werden.
Außerdem ist es bevorzugt, dass die erste, zweite und dritte ferromagnetische Schicht 12, 14 und 16 über eine Filmdicke nicht unter 1 mm (10 Å) verfügen. Durch Einstellen dieses Bereichs kann verhindert werden, dass eine ferromagnetische Substanz unter der Einwirkung thermischer Energie zu einer superparamagnetischen Substanz wird.
Ferner ist es bevorzugt, die Isolierschicht 13 mit einer Filmdicke nicht unter 0,3 nm und nicht über 3 nm herzustellen. Wenn die Isolierschicht 13 mit einer Filmdicke von weniger als 0,3 mm hergestellt wird, sind die zweite und die dritte ferromagnetische Schicht 14 und 16 dicht beieinander angeordnet, so dass sie möglicherweise elektrisch kurzgeschlossen werden können. Wenn dagegen die Isolierschicht 13 mit einer Filmdicke über 3 nm hergestellt wird, besteht für Elektronen im Wesentlichen kein Tunneleffekt zwischen der zweiten und dritten ferromagnetischen Schicht 14 und 16, wodurch das Magnetowiderstandsverhältnis gesenkt ist.
Ferner kann die erste ferromagnetische Schicht 12 aus einer einzelnen ferromagnetischen Substanz bestehen, jedoch können mit der Dreischichtstruktur wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel an einer Kante der ersten ferromagnetischen Schicht 12 erzeugte Magnetpole im Wesentlichen auf null gesenkt werden.
Ferner ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht (der fixierten Schicht) durch die Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht 11 fixiert. Jedoch kann die antiferromagnetische Schicht 11 weggelassen werden, wenn eine andere Maßnahme zum Aufbauen der ersten ferromagnetischen Schicht 12 aus einem ferromagnetischen Material mit großer Koerzitivfeldstärke ergriffen wird. Wenn z. B. die erste ferromagnetische Schicht 12 aus einem ferrimagnetischen Material wie einem Seltenerdmetall-Übergangsmetall-Legierungsfilm mit einer Zusammensetzung nahe dem Kompensationspunkt aufgebaut wird, wird die Erzeugung von Magnetpolen an den Kanten der ferromagnetischen Schicht verhindert, was eine nachteilige Auswirkung auf benachbarte Magnetspeicher verhindert.
Ferner kann die antiferromagnetische Schicht weggelassen werden, wenn ein Material mit großem anisotropem Magnetfeld zum Kompensieren der ferromagnetischen Schichten 20 und 22 verwendet wird.
Ferner ist es als Anordnung des Magnetspeicherelements durch Einstellen der Koerzitivfeldstärke in der dritten ferromagnetischen Schicht 16 auf einen kleineren Wert als denjenigen in der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 möglich, die Magnetisierung in der dritten ferromagnetischen Schicht 16 beim Aufzeichnen als Erste umzukehren. Demgemäß führen an den beiden Enden der ersten ferromagnetischen Schicht 12 erzeugte Magnetpole zur Erzeugung eines Magnetfelds in einer Richtung zum Beschleunigen der Umkehr der Magnetisierung in der zweiten ferromagnetischen Schicht 14. Dies führt zu einfacherem Umkehren der Magnetisierung beim Aufzeichnen, wodurch der zum Aufzeichnen erforderliche Strom und der Energieverbrauch gesenkt werden.
Ferner wurde beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Magnetspeicher beispielhaft als MTJ-Element erläutert; jedoch ist auch Anwendung bei einem GMR-Element möglich, wenn ein Laminatabschnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der ersten ferromagnetischen Schicht 12, der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 und der dritten ferromagnetischen Schicht 16 im Speicherelement 1 gegen eine Leiterschicht isoliert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei einem Herstellverfahren, das ein solches für einen Magnetspeicher mit einer Vielzahl von Magnetspeicherelementen ist, von denen jedes eine erste ferromagnetische Schicht, eine unmagnetische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht, die eine Speicherschicht bilden soll, enthält, die aufeinanderlaminiert sind, zumindest die folgenden Schritte aufweist: Herstellen einer dritten ferromagnetischen Schicht auf einem Substrat; Bearbeiten der dritten ferromagnetischen Schicht zur Form eines Magnetspeicherelements, das von den anderen getrennt ist; Herstellen einer ersten Leiterschicht auf dem Substrat; Bearbeiten der ersten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte, getrennte dritte ferromagnetische Schichten nur in einer Richtung miteinander verbunden sind; Herstellen einer Isolierschicht auf dem Substrat in solcher Weise, dass sie den Zwischenraum um die bearbeiteten ersten Leiterschichten herum ausfüllt; Herstellen eines Laminatfilms aus einer zweiten Leiterschicht, der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht, die in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrats aufeinanderfolgend hergestellt werden; Herstellen mehrerer voneinander getrennter Magnetspeicherelemente durch Bearbeiten des Laminatfilms auf der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht, außer der zweiten Leiterschicht, auf im Wesentlichen dieselbe Form wie die der dritten ferromagnetischen Schicht; Bearbeiten der zweiten Leiterschicht in die Form einer unteren Elektrode; Herstellen einer Isolierschicht in solcher Weise, dass sie Zwischenräume zwischen den mehreren Magnetspeicherelementen ausfüllt; Herstellen einer dritten Leiterschicht auf der Isolierschicht auf und zwischen den mehreren Magnetspeicherelementen; und Bearbeiten der dritten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte, voneinander getrennte Magnetspeicherelemente nur in einer die erste Leiterschicht rechtwinklig schneidenden Richtung verbunden sind.
Ferner ist es eindeutig bevorzugt, dass die zweite ferromagnetische Schicht, die die Magnetisierungsinformation speichernde Speicherschicht bilden soll, die Isolierschicht, die erste ferromagnetische Schicht und die antiferromagnetische Schicht, die mit der ersten ferromagnetischen Schicht aus tauschgekoppelt ist, aufeinanderlaminiert sind, um einen Speicherabschnitt zu bilden. Bei dieser Anordnung ist die erste ferromagnetische Schicht eine fixierte Schicht mit fixierter Magnetisierung auf Grund der Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht. Es kann ein Magnetspeicher unter Ausnutzung eines Magnetowiderstandseffekts geschaffen werden, so dass sich der elektrische Widerstand abhängig vom Unterschied zwischen den Magnetisierungsrichtungen der ersten ferromagnetischen Schicht als fixierte Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht als Speicherschicht ändert.
Ferner ist es eindeutig bevorzugt, die erste ferromagnetische Schicht so herzustellen, dass sie eine Dreischichtstruktur aufweist, bei der ein Paar ferromagnetischer Schichten, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, eine Metallschicht einbetten.
Bei dieser Anordnung kann, da das Paar der die ferromagnetische Schicht bildenden ferromagnetischen Schichten antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, die scheinbare Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht auf null gesenkt werden, um dadurch die Erzeugung von Magnetpolen in einem Kantenbereich stark im Vergleich zum Fall zu senken, in dem die erste ferromagnetische Schicht als Einzelschicht ausgebildet ist, wobei in jedem Magnetspeicherelement die scheinbare Magnetisierung sicherer auf null gesenkt wird. Im Ergebnis kann selbst dann, wenn einen Magnetspeicher aufbauende Magnetspeicherelemente dicht beieinander angeordnet werden, in der Speicherschicht ein stabiler Magnetisierungszustand aufrechterhalten werden, wodurch ein Magnetspeicher mit einer Anordnung höherer Dichte geschaffen ist.
Die in der vorstehenden detaillierten Erläuterung erörterten Ausführungsformen und konkreten Realisierungsbeispiele dienen nur zum Veranschaulichen der technischen Einzelheiten der Erfindung, und sie sollen innerhalb der Grenzen derartiger Ausführungsformen und konkreter Beispiele nicht eng interpretiert werden, sondern sie sollen vielmehr bei zahlreichen Variationen innerhalb des Grundgedankens der Erfindung angewandt werden, vorausgesetzt, dass derartige Variationen den Schutzumfang der nachfolgenden Patentansprüche nicht überschreiten.

Claims

Magnetspeicherelement mit einem Laminat aus mindestens einer ersten ferromagnetischen Schicht (12) mit einer festen Magnetisierungsrichtung, einer unmagnetischen Schicht (13) und einer zweiten ferromagnetischen Schicht (14), wobei eine dritte ferromagnetische Schicht (16) über einer dazwischen liegenden ersten Leiterschicht (15) auf einer Seite der zweiten ferromagnetischen Schicht (14) vorhanden ist, deren andere Seite näher an der unmagnetischen Schicht (13) liegt, und wobei eine zweite Leiterschicht (18; 28; 38; 48) zwischen der ersten Leiterschicht (15) und der dritten ferromagnetischen Schicht (16) vorgesehen ist und wobei die erste Leiterschicht (15) zur Stromführung senkrecht zur Richtung der Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ausgebildet ist und die zweite Leiterschicht (18; 28; 38; 48) zur Stromführung parallel zur Richtung der Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht (12) ausgebildet ist.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die Magnetisierungsstärke in der dritten ferromagnetischen Schicht (16) im Wesentlichen dieselbe wie die Magnetisierungsstärke in der der ersten Leiterschicht (15) benachbarten zweiten ferromagnetischen Schicht (14) ist.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die dritte ferromagnetische Schicht (16) eine Koerzitivfeldstärke aufweist, die kleiner als die Koerzitivfeldstärke in der zweiten, an die erste Leiterschicht (15) angrenzenden ferromagnetischen Schicht (14) ist.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem – die zweite Leiterschicht (18) zwischen der ersten Leiterschicht (15) und der dritten ferromagnetischen Schicht (16) vorgesehen ist und – eine dritte Leiterschicht an einer Seite der ersten ferromagnetischen Schicht (12), die der unmagnetischen Schicht (13) gegenüberliegt, angeordnet ist.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die unmagnetische Schicht (13) zwischen der ersten (12) und zweiten ferromagnetischen Schicht (14) aus einer isolierenden Substanz besteht.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die erste bis dritte ferromagnetische Schicht (12, 14, 16) jeweils eine Filmdicke nicht unter 1 nm aufweist.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die Isolierschicht eine Filmdicke nicht unter 0,3 nm und nicht über 3 nm aufweist.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem eine Seite der ersten ferromagnetischen Schicht (12), deren andere Seite der Isolierschicht (13) zugewandt ist, in Kontakt mit einer antiferromagnetischen Schicht (11) steht.
Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die erste ferromagnetische Schicht (12) über eine Dreischichtstruktur mit einer Metallschicht (21) zwischen einem Paar ferromagnetischer Schichten (20, 22) verfügt.
Magnetspeicher mit mindestens einem Magnetspeicherelement (1f) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Magnetspeicher nach Anspruch 10, – wobei das mindestens eine Magnetspeicherelement (1f) mit mehreren ferromagnetischen Schichten (12, 14, 16) mit uniaxialer, anisotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung und einer Isolierschicht (13) auf zueinander parallelen Achsen und unter Verwendung des Tunneleffekts zum Wiedergeben von Magnetisierungsinformation ausgebildet ist, – wobei die erste ferromagnetische Schicht (12) als Schicht eine feste Magnetisierung trägt und die zweite ferromagnetische Schicht (14) als Speicherschicht dient und – wobei die Magnetisierungsrichtung der dritten ferromagnetischen Schicht (16) flexibel umkehrbar ist.