DE69804742T2

DE69804742T2 - Magnetisches Dünnfilmspeicherelement und Aufnahme-/Wiedergabeverfahren unter dessen Verwendung

Info

Publication number: DE69804742T2
Application number: DE69804742T
Authority: DE
Inventors: Naoki Nishimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-09-18
Filing date: 1998-09-17
Publication date: 2002-09-26
Anticipated expiration: 2018-09-18
Also published as: EP0910092A3; EP0910092A2; EP0910092B1; US6111784A; DE69804742D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Magneto- Widerstands-Element zum Aufzeichnen von Information mit der Orientierung der Magnetisierung und auf deren Wiedergabe mit einem Magneto-Widerstands-Effekt, und auf einen magnetischen Dünnfilmspeicher, der diesen verwendet.

Verwandter Stand der Technik

Der magnetische Dünnfilmspeicher ist ein Festzustandsspeicher ohne bewegliche Teile wie in einem Halbleiterspeicher, und hat derartige Vorteile über den Halbleiterspeicher, dass Information nicht verloren geht, sogar wenn die Energiezufuhr unterbrochen wird, dass dieser eine unbegrenzte Anzahl an wiederholtem Beschreiben ermöglicht, und dass es kein Risiko gibt, dass Information verloren geht, wenn dieser durch Strahlen bestrahlt wird. In den letzten Jahren zieht ein magnetischer Dünnfilmspeicher, der den großen Magneto- Widerstands-Effekt verwendet, insbesondere die Aufmerksamkeit an sich, da dieser einen höheren Ausstoß bereitstellen kann, als ein magnetischer Dünnfilmspeicher, welcher vorgeschlagen worden ist und einen anisotropen Magneto-Widerstands-Effekt verwendet.
Zum Beispiel schlug das Journal of the Magnetic Society of Japan, Band 20, Seite 22 (1996) einen Festzustandsspeicher vor, welcher aufgebaut war, wie in Fig. 1 gezeigt, in dem Komponenten aufeinander gelagert wurden, die aus einem harten magnetischen Film HM/ nicht- magnetischen Film NM/ weichen magnetischen Film SM bestanden, um ein Speicherelement aufzubauen. Dieses Speicherelement wird mit einer Abfragelinie S, die an einen Metallleiter gebunden ist, und einer Wortlinie W, die von der Abfragelinie S durch einen Isolierungsfilm I isoliert ist, vorgesehen und Information wird durch ein durch Ströme erzeugtes magnetisches Feld durch die Wort- und Abfragelinien geschrieben. Im Einzelnen, wie in Fig. 2a und 2d gezeigt, werden Speicherzustände "0" und "1" aufgezeichnet, indem ein Strom I durch die Wortlinie W zugeführt wird, um ein magnetisches Feld unterschiedlicher Orientierung, abhängig von der Differenz einer Stromrichtung ID zu erzeugen, wodurch die Magnetisierung des harten magnetischen Feldes HM invertiert wird. Zum Beispiel wird wie in Fig. 2a und 2b gezeigt, in dem harten magnetischen Film HM "1" aufgezeichnet, indem ein positiver Strom zugeführt wird, um ein magnetisches Feld nach rechts zu erzeugen, während wie in Fig. 2c und 2d gezeigt, "0" in dem harten magnetischen Film aufgezeichnet, indem eine negative Spannung zugeführt wird, um ein magnetisches Feld nach links zu erzeugen. Das lesen der Information wird ausgeführt, indem ein Strom I zugeführt wird, der kleiner als der Aufzeichnungsstrom durch die Wortlinie W ist, um die Magnetisierung von nur dem weichen magnetischen Film SM zu invertieren und indem die Variation des Widerstands in dem Film gemessen wird. Wenn der große Magneto- Widerstands-Effekt bzw. Giant-Magneto-Widerstands-Effekt verwendet wird, werden verschiedene Widerstandswerte in dem Fall erzeugt, wenn die Magnetisierung der weichen und harten magnetischen Filme SM und HM parallel ist und in dem Fall, wenn diese antiparallel ist, so dass die Speicherzustände von "1" und "0" aus der Variation des Widerstands in jedem Fall ermittelt werden können. Wenn ein positiver-zu-negativer Puls, wie in Fig. 3a gezeigt, angelegt wird, wird die Orientierung des weichen magnetischen Films von recht nach links geändert, so dass sich dessen Widerstandswert für den Speicherzustand "1" von einem kleinen Wert, wie in Fig. 3b gezeigt, zu einem großen Wert, wie in Fig. 3c gezeigt, ändert, während sich dieser für den Speicherzustand "0" von einem großen Wert, wie in Fig. 3d gezeigt, zu einem kleinen Wert, wie in Fig. 3e gezeigt, ändert. Wenn die Widerstandsvariation so gelesen wird, kann die in dem harten magnetischen Film HM aufgezeichnete Information unabhängig von dem Zustand der Magnetisierung in dem weichen magnetischen Film SM nach dem Aufzeichnen gelesen werden, so dass ein nicht zerstörendes Lesen erreicht werden kann.
Jedoch kann in dem magnetischen Dünnfilm mit der vorstehenden Anordnung, ein anti-magnetisches Feld (selbst entmagnetisierendes Feld), das in der magnetischen Schicht erzeugt wird, vernachlässigbar sein, da die Fläche der Bit-Zelle verringert wird, so dass die Magnetisierung nicht in einer Orientierung fixiert ist und für die magnetische Schicht zum Halten der Aufzeichnung instabil wird. Daher besitzt der magnetische Dünnfilmspeicher mit der vorstehenden Anordnung den Nachteil, dass Information nicht erhalten werden kann, wenn die Bit-Zelle miniaturisiert wird, so dass diese nicht hoch integriert werden kann.
US-A-5541868 offenbart ein magnetisches Dünnfilmspeicherelement wie in der Präambel von Anspruch 1 angegeben.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zielt angesichts dieser Punkte auf einen magnetischen Dünnfilmspeicher ab, aus welchem ein anti-magnetisches Feld, das ein Problem bei der Miniaturisierung von Bit-Zellen verursacht, eliminiert werden kann und welcher hoch integriert werden kann.
Dann kann die vorstehende Aufgabe durch ein magnetisches Dünnfilmspeicherelement erreicht werden, das folgendes umfasst:
eine erste magnetische Schicht mit einer geschlossenen magnetischen Schaltungsstruktur;
eine zweite magnetische Schicht mit einer geschlossenen magnetischen Schaltungsstruktur mit einer Koerzivkraft, die höher als diejenige der ersten magnetischen Schicht ist; und
eine nicht-magnetische Schicht, die zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten angeordnet ist, von welcher wenigstens ein Teil aus einem isolierenden Material hergestellt ist.
Zudem kann dieses durch ein Informationsaufzeichnungsverfahren erreicht werden, das umfasst: den Schritt der Zuführung eines Stroms mit unterschiedlicher Richtung abhängig von der Information auf einen Stromweg des magnetischen Dünnfilmspeicherelements, wodurch die Information in der ersten magnetischen Schicht aufgezeichnet wird.
Darüber hinaus kann dies durch ein Informationswiedergabeverfahren erreicht werden, das die folgenden Schritte umfasst: Zuführen eines Stroms zwischen die ersten und zweiten magnetischen Schichten des magnetischen Dünnfilmspeicherelements, und Messen von Widerstand, wodurch Information wiedergegeben wird, die auf der ersten magnetischen Schicht aufgezeichnet ist.
Eine detaillierte Beschreibung wird in Verbindung mit den Ausführungsformen gegeben, welche nur als Beispiel angegeben werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines magnetischen Dünnfilms zum Veranschaulichen eines herkömmlichen magnetischen Dünnfilmspeichers, der einen großen Magneto- Widerstands-Effekt verwendet.
Fig. 2a, 2b, 2c und 2d sind Diagramme, die ein Aufzeichnungsverfahren eines herkömmlichen magnetischen Dünnfilmspeichers zeigen, der den großen Magneto- Widerstands-Effekt verwendet, in welchen Fig. 2a und 2c die Antwort eines Wortstroms I zur Zeit T zeigen, während Fig. 2b und 2d den Zustand der Magnetisierung in dem herkömmlichen magnetischen Dünnfilmspeicher zeigen.
Fig. 3a, 3b, 3c, 3d und 3e sind Diagramme, die einen Aufzeichnungsbetrieb eines herkömmlichen magnetischen Dünnfilmspeichers zeigen, der den großen Magneto- Widerstands-Effekt verwendet, wobei Fig. 3a die Antwort eines Wortstroms I zur Zeit T zeigt, während Fig. 3b und 3e den Zustand der Magnetisierung in dem herkömmlichen magnetischen Dünnfilmspeicherelement zeigen;
Fig. 4a und 4b sind perspektivische Ansichten zum Veranschaulichen eines Dünnfilmspeicherelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5a und 5b sind perspektivische Ansichten zum Veranschaulichen des Zustands der Magnetisierung in einem magnetischen Dünnfilmspeicherelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen des Zustands der Magnetisierung in einem magnetischen Dünnfilmspeicherelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer Struktur eines magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 ist eine Schnittansicht zum Veranschaulichen einer Struktur eines magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht zum Veranschaulichen des Zustands der Magnetisierung in einem magnetischen Dünnfilmspeicherelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 10 ist eine zweite Ausführungsform eines magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 11 ist ein Beispiel eines Speichers, welcher unter Verwendung des magnetischen Dünnfilmspeichers von Fig. 10 zusammengesetzt ist;
Fig. 12 ist eine schematische Ansicht eines zylindrischen Stromwegs;
Fig. 13 ist ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem Radius vom Stromweg in Fig. 12 und magnetischen Feldern, mit der Länge des Stromwegs als ein Parameter;
Fig. 14 ist ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Länge vom Stromweg in Fig. 12 und den erzeugten maximalen magnetischen Feldern;
Fig. 15 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 16 ist eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 17 ist eine Schnittansicht, die ein magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 18 ist eine Schnittansicht, die ein magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 19a und 19b sind perspektivische Ansichten zum Veranschaulichen eines magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

[erste Ausführungsform]

Fig. 4a und 4b zeigen ein Beispiel für ein magnetisches Dünnfilmspeicherelement einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, welche in den Figuren zylindrisch ist. In den Figuren werden gezeigt: eine erste magnetische Schicht 1, eine zweite magnetische Schicht 2 und eine nicht-magnetische Schicht 3, wobei als Schicht 3 ein isolierendes Material verwendet wird, um so einen Spintunneleffekt wie nachstehend beschrieben zu verursachen. Ein Pfeil zeigt die Orientierung der Magnetisierung in jeder magnetischen Schicht. Die ersten und zweiten magnetischen Schichten sind zylindrisch und haben eine leicht magnetisierbare Achse im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn. Deren Magnetisierungen sind entlang des Zylinders ringförmig orientiert. So wird, anders als das in dem Abschnitt des Stands der Technik beschriebenen Mediums, ein magnetischer Pol nicht an der Endoberfläche ausgesetzt, so dass eine Magnetisierung stabil erhalten werden kann.
Magnetisierte Informationen von "0" und "1" wird aufgezeichnet, ob die Orientierung der Magnetisierung für die erste magnetische Schicht im Urzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn ist. Zum Beispiel besitzt die erste magnetische Schicht eine geringe Koerzivkraft, um so fähig zu sein, eine magnetisierte Information entsprechend "0" in Fig. 4a und "1" in Figur b aufzuzeichnen.
Die zweite magnetische Schicht besitzt eine Koerzivkraft, die höher als die erste magnetische Schicht ist. Dessen magnetische Orientierung hängt nicht von der magnetischen Information ab, sondern ist in einer vorbestimmten Richtung orientiert, und wird konstant beim Erhalten, Aufzeichnen und Wiedergeben beibehalten.
Zudem zeigt das magnetische Dünnfilmspeicherelement der vorliegenden Erfindung einen geringen Widerstandswert, wenn die Magnetisierung der ersten und zweiten magnetischen Schichten parallel ist, und einen hohen Widerstandswert, wenn dieser antiparallel ist. So besitzt das Speicherelement einen unterschiedlichen Widerstandswert abhängig von der magnetischen Orientierung der ersten magnetischen Schicht, so dass aufgezeichnete magnetische Information gelesen werden kann.
Verwendet wird für das Speicherelement der vorliegenden Erfindung ein großer Magneto-Widerstandselement vom Spin- Tunneltyp. Dies folgt aus den folgenden Gründen. Zunächst kann der Spin-Tunneltyp ein großes Magneto-Widerstands- (MR-)verhältnis gewährleisten. Während ein MR-Verhältnis von nur ungefähr 10% aus einem Magneto-Widerstandselement vom Spin-Streuungstyp erhalten wird, in welchem ein nicht-magnetische Schicht eines guten Leiters, wie etwa Kupfer, zwischen magnetischen Schichten gehalten wird, kann ein MR-Verhältnis von ungefähr 20 bis 30% aus dem Spin-Tunneltyp bei Raumtemperatur erhalten werden, wodurch ein großes Signal beim Lesen erhalten werden kann. Zweitens kann das Magneto-Widerstandselement vom Spin-Tunneltyp dessen Widerstandswert auf einen so hohen Wert wie 1 kΩ erhöhen. Wenn die Speicherelemente der vorliegenden Erfindung in einer Matrix zum Betrieb angeordnet werden, wird ein Halbleiterschaltungselement mit dem Speicherelement verbunden. Wenn der Widerstand des Speicherelements geringer ist als der On-Widerstand (ungefähr 1 kΩ) des Halbleiterspeicherelements, wird das Lesen der Information, die in dem Speicherelement aufgezeichnet ist, unter dem Einfluss der Variation des On-Widerstands instabil. Drittens kann der Spin-Tunneltyp einen CPP (Strom senkrecht zu der Filmebene (MR- (Magneto-Widerstands-) Effekt verwenden, welcher bewirkt, dass Strom senkrecht zur Filmoberfläche strömt. Dies ist, da beim Montieren eines Kontaktes auf das Speicherelement, das Anbringen von Elektrodendrähten 6 und 7 auf und unter das Speicherelement wie in der vorliegenden Erfindung, wie in Fig. 5A und 5B gezeigt, einen sichereren Kontakt zwischen dem Speicherelement und der Elektrodenverdrahtung als beim Anbringen des Kontaktes an die Seite des Speicherelements gewährleistet. Obwohl Magneto-Widerstand mit dem CPP-MR- Effekt auch auf dem Magneto-Widerstandselement vom Spin- Streuungstyp beobachtet werden kann, ist dieser in dieser Hinsicht für das Speicherelement ungeeignet. Dies folgt daraus, dass während das Magneto-Widerstandselement vom Spin-Streuungstyp einige 10 Ω aufweist, sogar wenn man einen Strom parallel zu der Filmoberfläche strömen lässt, der Widerstandswert um eine weitere Größenordnung oder mehr vermindert wird, wenn der CPP-MR-Effekt verwendet wird, so dass das Lesen nicht genau wie vorstehend beschrieben, durchgeführt werden kann.
Wie zuvor beschrieben ist das magnetische Dünnfilmspeicherelement der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Magneto-Widerstandseffekt mit dem Spin-Tunneltyp erzeugt wird. Der Magneto-Widerstandseffekt durch das Spin- Tunneln stellt eine Struktur aus erster magnetischer Schicht/nicht-magnetischer Schicht/zweiter magnetischer Schicht bereit, zum Beispiel wie in Fig. 4A und 4B gezeigt, und ein dünnes Isolierungsmaterial wird für die nicht-magnetische Schicht verwendet. Dabei ist die Anordnung derart, dass ein Elektron-Tunnelphänomen aus der ersten magnetischen Schicht zu der zweiten magnetischen Schicht auftritt, wenn man Strom senkrecht zu der Filmoberfläche bei der Widergabe strömen lässt.
In den magnetischen Dünnfilmspeicherelement vom Spin- Tunneltyp der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzen aufwärtsgerichteter Spin und abwärtsgerichteter Spin einen verschiedenen Elektronenzustand auf der Fermi- Oberfläche, da Leitungselektronen im ferromagnetischen Material spinpolarisiert sind. Wenn ein ferromagnetischer Tunnelübergang, der aus einem ferromagnetischen Material, einem Isolierungsmaterial und einem ferromagnetischen Material besteht, aus einer derartigen ferromagnetischen Metallschicht aufgebaut ist, tunnelt das Leitungselektron unter Beibehaltung von dessen Spin, so dass die Tunnelwahrscheinlichkeit abhängig von dem Zustand der Magnetisierung von beiden magnetischen Schichten variiert, welches als Variation vom Tunnelwiderstand erscheint. Dies vermindert den Widerstand, wenn die Magnetisierung der ersten und zweiten magnetischen Schichten parallel ist, und vergrößert den Widerstand, wenn dieser antiparallel ist. Da ein größerer Unterschied zwischen den Zustandsdichten der aufwärtsgerichteten und abwärtsgerichteten Spins den Widerstandswert erhöhte, und ein größeres Widergabesignal erhalten wird, ist es wünschenswert, ein magnetisches Material mit hoher Spinpolarisierbarkeit für die ersten und zweiten magnetischen Schichten zu verwenden. Im Einzelnen wird Eisen mit viel Polarisierung von aufwärtsgerichteten und abwärtsgerichteten Spins auf der Fermi-Oberfläche für die ersten und zweiten magnetischen Schichten ausgewählt, und Co wird als eine Sekundärkomponente ausgewählt. In Einzelnen ist es wünschenswert, ein Material auszuwählen und zu verwenden, das Fe, Co oder Ni als Primärkomponente enthält. Vorzugsweise ist dieses Fe, Co, FeCo, NiFe und NiFeCo. Die bevorzugte Elementarstruktur von NiFe ist derart, dass x 0 aber 82 oder weniger für NixFe100-x entspricht. Im Einzelnen schließt dies Fe, Co, Ni72Fe28, Ni&sub5;&sub1;Fe&sub4;&sub9;, Ni&sub4;&sub2;Fe&sub5;&sub8;, Ni&sub2;&sub5;Fe&sub7;&sub5; und Ni&sub9;Fe&sub9;&sub1; ein.
Zudem ist NiFe, NiFeCo oder Fe wünschenswert für die erste magnetische Schicht, um die Koerzivkraft zu vermindern. Darüber hinaus ist ein Material, das hauptsächlich Co enthält, für die zweite magnetische Schicht wünschenswert, um die Koerzivkraft zu erhöhen.
Wie zuvor beschrieben, muss die nicht-magnetische Schicht eine Isolierungsschicht für das Elektron sein, um unter Beibehaltung des Spins zu tunneln, da das Magneto- Widerstandsspeicherelement der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung den Magneto-Widerstandseffekt vom Spin-Tunnel verwendet. Der nicht-magnetische Film kann ganz oder teilweise ein Isolierungsfilm sein. Der Magneto-Widerstandseffekt kann weiter erhöht werden, indem die nicht-magnetische Schicht teilweise mit einer Isolierungsschicht aufgebaut ist, um dessen Dicke zu minimieren. Ein Beispiel unter Verwendung eines Oxidfilms als der nicht-magnetische Metallfilm beinhaltet einen Al&sub2;O&sub3;-Film, welcher ein Al-Film ist, von welchem ein Teil in der Luft oxidiert ist. Die nicht-magnetische Schicht ist aus einem isolierenden Material hergestellt, vorzugsweise Aluminiumoxid AlOx, Aluminiumnitrid AlNx, Siliziumoxid SiOx, und Siliziumnitrid SiNx. NiOx kann als die Primärkomponente verwendet werden. Da eine geeignete Potentialbarriere in der Energie von Leitungselektronen in den ersten und zweiten magnetischen Schichten zur Kolbentunnelung existieren sollte, ist es mit den zuvor erwähnten Materialien relativ leicht, eine derartige Barriere zu erhalten und sie sind vorteilhaft bei der Herstellung.
Jede von den ersten und zweiten magnetischen Schichten des magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß der vorliegenden Erfindung besitzt erwünschtermaßen eine Filmdicke, die dicker als 100 Å aber 5000 Å oder weniger aufweist. Als erstes, wenn ein Oxid für die nicht- magnetische Schicht verwendet wird, ist der Magnetismus an der Grenzfläche der magnetischen Schicht nahe zu der nicht-magnetischen Schicht aufgrund des Effekts des Oxids geschwächt, und dieser Effekt ist hoch, wenn der Film dünn ist. Zweitens, wenn die nicht-magnetische Schicht aus Aluminiumoxid gebildet wird, indem ein Film von Aluminium gebildet wird, und dann Sauerstoff zur Oxidation eingeführt wird, verbleibt Aluminium einige 10 Å, und dieser Effekt wird wesentlich, wenn die magnetische Schicht 100Å oder weniger ist, so dass eine geeignete Speichercharakteristik nicht erhalten werden kann. Drittens, besonders, wenn das Speicherelement auf eine Submikrongrößenordnung miniaturisiert ist, wird eine Schwächung der Speicherhaltungsfähigkeit der ersten magnetischen Schicht verursacht, und die Fähigkeit zum Halten eines konstanten Magnetismus für die zweite magnetische Schicht. Wenn diese zu dick ist besteht ein derartiges Problem, dass der Widerstandswert zu hoch wird, daher ist es wünschenswert, dass diese 5000Å oder weniger beträgt, und weiter bevorzugt 1000Å oder weniger.
Zudem ist es erwünscht, dass die nicht-magnetische Schicht eine gleichförmige Schicht von ungefähr einigen 10Å ist und, dass die Filmdicke und dessen isolierender Teil 5Å oder mehr, aber 30Å oder weniger beträgt. Das ist weil, wenn die Dicke weniger als 5Å beträgt, die Möglichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten besteht und weil, wenn diese 30Å übersteigt, das Tunnelphänomen vom Elektron kaum auftreten wird. Darüber hinaus beträgt diese vorzugsweise 4Å oder mehr, aber 25Å oder weniger. Weiter bevorzugt beträgt diese 6Å oder mehr aber 18Å.
Darüber hinaus beträgt die Koerzivkraft vorzugsweise 10 Oe oder mehr, aber 50 Oe oder weniger für die erste magnetische Schicht des magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß der vorliegenden Erfindung. Dies folgt daraus, dass man einen Strom durch das Speicherelement strömen lässt, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, wobei die Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht invertiert wird, wenn die Koerzivkraft 50 Oe übersteigt, wird ein Strom, der zum Invertieren der Magnetisierung notwendig ist, erhöht, wodurch der Energieverbrauch durch den Speicher erhöht wird; und, da die Stromdichte zu dem limitierenden Strom erreicht wird, der den Elektrodendraht bricht, der die Speicherelemente, oder das Speicherelement und das Schaltungselement verbindet. Zudem wenn diese weniger als 10 Oe beträgt, ist es schwierig, magnetisierte Information stabil zu erhalten. Darüber hinaus übersteigt die Koerzivkraft für die zweite magnetische Schicht vorzugsweise 50 Oe. Dies ist, weil, wenn diese eine schwache Koerzivkraft aufweist, die Magnetisierung beim Erhalten oder Aufzeichnen invertiert wird, so dass die Wiedergabe nicht ausgeführt werden kann.
Daher ist es wünschenswert, dass die Koerzivkraft für die erste magnetische Schicht des magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine Hälfte oder weniger von derjenigen der zweiten magnetischen Schicht eingestellt wird.
Da die Koerzivkraft abnimmt, wenn Fe in Co zugegeben wird und zunimmt, wenn Pt zugegeben wird, ist es ausreichend, die Koerzivkraft zu steuern, indem beispielsweise x und y für Co100-x-yFexPty eingestellt wird. Die Koerzivkraft kann auch erhöht werden, indem die Substrattemperatur bei der Filmbildung erhöht wird. Folglich kann die Koerzivkraft gesteuert werden, indem die Substrattemperatur bei der Filmbildung des gesteuert wird. Dieser Ansatz kann mit dem vorstehenden Ansatz zum Einstellen der Zusammensetzung eines ferromagnetischen Dünnfilms kombiniert werden.
In einem magnetischen Dünnfilmspeicherelement einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine antiferromagnetische Schicht vorgesehen werden, um die Oberfläche zu kontaktieren, die der nicht-magnetischen Schicht der zweiten magnetischen Schicht gegenüberliegt, so dass die antiferromagnetische Schicht eine geschaltete Verbindung mit der zweiten magnetischen Schicht herstellt, um die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht zu fixieren. Die geschaltete Verbindung mit der antiferromagnetischen Schicht ermöglicht es, die Koerzivkraft der zweiten magnetischen Schicht zu erhöhen. Da in diesem Fall das gleiche Material für die erste und zweite magnetischen Schichten verwendet werden kann, besteht keine Notwendigkeit das MR-Verhältnis zur Erhöhung der Koerzivkraft zu opfern, so dass der Bereich zur Auswahl von Materialien ausgeweitet wird. Materialien für die antiferromagnetische Schicht können beinhalten: Nickeloxid NiO, Ferromangan FeMn, und Kobaltoxid CoO.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Beispiel für das magnetische Dünnfilmspeicherelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der Figur wird ein Leiter 5, der von einem Isolator 4 umgeben ist, an dem Zentrum der ersten magnetischen Schichten 1 und 2 gebildet. Der Leiter 5 ist zum Invertieren der Magnetisierung, indem ein Strom beim Aufzeichnen zugeführt wird, und besitzt eine Leitfähigkeit, die höher ist als diejenige der magnetischen Schicht. Der Isolator 4 wird vorgesehen, um zu verhindern, dass der Leiter 5 die magnetische Schicht kontaktiert. Fig. 7 zeigt eine Querschnittsansicht von Fig. 6, in welcher Abfragelinien 61 und 62, die zur Wiedergabe verwendet werden, und eine Wortlinie 7, die zum Aufzeichnen verwendet wird, zu der Anordnung von Fig. 6 zugegeben werden. Während in Fig. 7 die Abfragelinie 62 auch als eine Widerstandselektrode der Wortlinie 7 funktioniert, zeigt Fig. 8 eine separat bereitgestellte Wortlinie 72. Die Struktur, die in Fig. 8 gezeigt wird, führt das Aufzeichnen aus, indem ein Strom durch die Wortlinie 71 und 72 zugeführt wird. Beim Lesen wird ein Widerstandswert des Speicherelements gemessen, indem ein Strom zwischen die Abfragelinien 61 und 62 zugeführt wird. Die Abfragelinien 61 und 62 können parallel oder senkrecht zu den Wortlinien 71 und 72 sein. Zum Beispiel sind in einer Struktur, die in Fig. 9 gezeigt wird, die Abfragelinien 61 und 62 zueinander parallel, und die Wortlinie 7 wird senkrecht zu diesen bereitgestellt.
Wenn man die Strukturen, die in Fig. 6, 7 und 8 gezeigt werden, mit denjenigen von Fig. 4A und 4B vergleicht, besitzen diese einen geringeren Verdrahtungswiderstand, und besseren Energieverbrauch und -antwort, da kein Strom durch die magnetischen Schichten beim Aufzeichnen strömt.
Wenn die Aufzeichnung in dem magnetischen Dünnfilmspeicherelement der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, wird der Zustand von "0" oder "1" aufgezeichnet, indem ein Strom senkrecht zu der Filmoberfläche zugeführt wird, das heißt der Strom senkrecht zu der Magnetisierungsorientierung hergestellt wird, und die Magnetisierungsorientierung für die erste magnetische Schicht mit einem durch den Strom erzeugten magnetischen Feld ermittelt wird. Die Orientierung des erzeugten magnetischen Felds hängt von der Richtung des zugeführten Stroms ab. Wenn zum Beispiel der Strom durch das Speicherelement aus der Spitze zu dem Boden strömt, wird das magnetische Feld in der Uhrzeigerrichtung erzeugt, wenn von oben betrachtet, so dass die Magnetisierung im Uhrzeigersinn liegt. Auf der anderen Seite, wenn der Strom von dem Boden zu der Spitze strömt, ist die Magnetisierung gegen den Uhrzeigersinn. In dem magnetischen Dünnfilmspeicherelement der vorliegenden Erfindung besitzt die erste magnetische Schicht eine geringe Koerzivkraft, und die zweite magnetische Schicht besitzt eine höhere Koerzivkraft. Wenn die Größe des zugeführten Stroms eingestellt wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das größer als das magnetische Feld zum Invertieren der Magnetisierung des ersten magnetischen Felds ist, können Daten von "0" oder "1" in dem ersten magnetischen Feld gemäß der Orientierung von dessen Magnetisierung aufgezeichnet werden.
Beim Aufzeichnen magnetisierter Information wird die magnetisierte Information von "0" und "1" ermittelt, indem man den Strom durch das magnetische Dünnfilmspeicherelement der vorliegenden Erfindung senkrecht zu der Filmoberfläche strömen lässt, das heißt in einer Reihenfolge von einer ersten magnetischen Schicht, der nicht-magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht oder in einer Reihenfolge von der zweiten magnetischen Schicht, der nicht-magnetischen Schicht und der ersten magnetischen Schicht strömen lässt, und indem ein Widerstandswert zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten des Speicherelements gemessen wird. In diesem Fall wird ein geringerer Widerstandswert beobachtet, wenn die Magnetisierungsorientierung der ersten und zweiten magnetischen Schichten parallel ist, während ein größerer Widerstandswert beobachtet wird, wenn diese antiparallel ist. Da die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht zuvor in einer vorbestimmten Richtung fixiert wird, variiert der Widerstandswert gemäß der Magnetisierung, die in der ersten magnetischen Schicht aufgezeichnet wird, so dass Information gelesen werden kann.
Die magnetische Schicht kann nicht nur die zylindrische Gestalt besitzen, sondern auch eine Struktur mit einem Abschnitt in der Gestalt eines Quaders, vorausgesetzt die Magnetisierung ist so orientiert, dass sie eine geschlossene magnetische Schaltung bildet. Zum Beispiel kann die magnetische Schicht nicht nur eine derartige Gestalt, wie in Fig. 4A und Fig. 6 gezeigt besitzen, sondern auch eine derartige Gestalt wie in Fig. 19A und 19B jeweils gezeigt. In Fig. 19A und 19B werden eine erste magnetische Schicht 91, eine zweite magnetische Schicht 92, eine nicht-magnetische Schicht 93 eine Isolierungsschicht 94 und eine Schreiblinie 95 gezeigt. Die magnetische Schicht kann nicht nur die Gestalt eines Quaders sondern auch die Gestalt eines Polygons besitzen. Die zylindrische Gestalt ist für die magnetische Schicht geeigneter, da diese die stabilste geschlossene magnetische Schaltung gewährleistet.
In den zuvor erwähnten Beispielen wird die erste magnetische Schicht mit einer geringen Koerzivkraft als eine Speicherschicht, die Information behält, verwendet, und die zweite magnetische Schicht mit einer hohen wird als eine Schicht verwendet, wobei eine Magnetisierungsorientierung konstant ist, d. h. die Pin- Schicht. Jedoch kann die zweite magnetische Schicht als die Speicherschicht, die Informationen behält, verwendet werden, und die erste magnetische Schicht als eine Ermittlungsschicht, um Information auf der zweiten magnetischen Schicht zu lesen. Eine derartige Ermittlungsschicht wird so eingestellt, dass sie die Magnetisierung in zwei Orientierungen invertiert und eine Widerstandsvariierung, die durch die Inversion erzeugt wird, ermittelt.
Bei dem Aufbau der Ermittlungsschicht/der nicht- magnetischen Schicht/der Speicherschicht, beträgt die Koerzivkraft der zweiten magnetischen Schicht vorzugsweise 10 Oe oder mehr, aber 50 Oe oder weniger; und diejenige der ersten magnetischen Schicht beträgt vorzugsweise 2 Oe oder mehr und die Hälfte der Koerzivkraft der zweiten magnetischen Schicht oder weniger.
In den zuvor erwähnten Beispielen gibt es hauptsächlich Beschreibungen bezüglich des Speicherelements. Wie in den Beschreibungen gezeigt, ist das Element der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass sogar wenn das Element mikrostrukturisiert ist, ein hohes MR-Verhältnis in dem Element verwirklicht werden kann. Demzufolge kann die vorliegende Erfindung auf den Speicherkopf einer Festplatte, einen magnetischen Messfühler und so weiter angewendet werden.

Experiment A

NiFe von der Dicke τ als die erste magnetische Schicht 1, Al&sub2;O&sub3; mit einer Dicke von 10Å als die magnetische Schicht 3, und Co von Dicke τ als die zweite magnetische Schicht 2 wurde hergestellt, um ein Si-Substrat in dieser Reihenfolge aufzubauen, um magnetische Dünnfilmspeicherelemente der vorliegenden Erfindung mit einem Aufbau von 5Å zu bilden, wobei die Dicke t der magnetischen Schicht von 10Å zu 10000Å variiert wurde. Der Spintunnelelementteil, der NiFe, Al&sub2;O&sub3; und Co umfasste, wurde durch einen Fokusionenstrahl fein verarbeitet, um eine zylindrische Gestalt von ungefähr 0,8 um Durchmesser zu erhalten. Ein Strom wurde zwischen Elektroden 6 und 7 angelegt, um den Widerstandswert in jedem Fall zu messen, dass die Orientierung der zwei magnetischen Schichten parallel ist und dass diese antiparallel ist. Das MR-Verhältnis wurde als (maximaler Widerstandswert - minimaler Widerstandswert) - minimaler Widerstandswert definiert. Die Ergebnisse werden in "Experiment A" Spalte in Tabelle 1 gezeigt. Wie in dem Ergebnis gezeigt, während die magnetischen Schichten einen Bereich von 110Å bis 5000Å in der Dicke τ ein MR- Verhältnis von 15% oder mehr besitzen, besitzen die magnetischen Schichten in dem anderen Bereich von der Dicke t ein MR-Verhältnis von weniger als 10%. Die magnetischen Schichten in einem Bereich von 110Å bis 1000Å in der Dicke x besitzen ein MR-Verhältnis von 20% oder mehr.

Vergleichsbeispiel 1

NiFe von der Dicke τ als eine magnetische Schicht, Cu 50Å in der Dicke als eine nicht-magnetische Schicht und Co von der Dicke τ als eine magnetische Schicht wurden hergestellt, um in dieser Reihenfolge aufzubauen, um eine Struktur von Fig. 5A mit einem verarbeitenden zylindrischen Teil von ungefähr 0,8 um Durchmesser des Spinstreuungsfilms zu bilden, wobei die Dicke der magnetischen Schicht auf die gleiche Weise wie in dem vorstehenden Experiment variiert wurde. Der Spinstreuungsfilm bedeutet einen großen magnetischen Widerstandsfilm, wobei die nicht-magnetische Schicht aus einem guten Leiter besteht, der sandwichartig zwischen zwei magnetischen Schichten eingeschlossen ist. Die Ergebnisse der MR-Verhältnismessung in den resultierenden Elementen werden in der Spalte "Vergleichsexperiment 1" von Tabelle 1 gezeigt.

Vergleichsbeispiel 2

Spintunnelfilme von Fig. 1 mit einem offenen magnetischen Schaltungsaufbau mit dem verarbeiteten Teil von ungefähr 0,8 um Durchmesser, in welchem die magnetische Schaltung nicht geschlossen war, wurden auf eine Weise hergestellt, wobei NiFe von der Dicke τ als SM, Al&sub2;O&sub3; 15Å in Dicke als NM, und Co von der Dicke τ als HM build up hergestellt wurde, wobei die Dicke der magnetischen Schicht auf die gleiche Weise wie vorstehend variiert wurde. Die Ergebnisse der MR-Verhältnismessung in den resultierenden Elementen werden in der Spalte "Vergleichsbeispiel 2" von Tabelle 1 gezeigt.

Vergleichsbeispiel 3

Spinstreuungsfilme von Fig. 1 mit einem offenen magnetischen Schaltungsaufbau, in welchem die magnetische Schaltung nicht geschlossen war, wurden auf eine Weise hergestellt, wobei NiFe von Dicke τ als SM, Co 50Å in Dicke als NM, und Co von Dicke τ als HM build up hergestellt wurden und der Teil so verarbeitet wurde, dass er eine Länge von ungefähr 0,8 um aufwies, wobei die Dicke der magnetischen Schicht auf die gleiche Weise wie vorstehend variiert wurde. Die Ergebnisse der MR- Verhältnismessung in den resultierenden Elementen werden in der Spalte "Vergleichsbeispiel 3" von Tabelle 1 gezeigt.
Wie in Tabelle 1 gezeigt besitzt das Spintunnelelement der vorliegenden Erfindung ein höheres MR-Verhältnis, verglichen mit den Spinstreuungselementen, sogar wenn die magnetischen Schichten insbesondere verdickt werden. Weiter ist die Abnahme von MR in dem offenen magnetischen Schaltungsaufbau in den Fällen bemerkenswert, wobei die Dicke der magnetischen Schicht 100Å oder mehr beträgt. Der Grund hierfür scheint zu sein, dass das magnetische Feld verringert wird, indem die zylindrische Gestalt angewendet wird und folglich die Turbulenz der magnetischen Orientierung verringert wird. Andererseits wird das MR-Verhältnis des Spinstreuungsfilms mit der magnetischen Schicht 100Å oder mehr verringert, sogar wenn es eine zylindrische Gestalt besitzt. Dies ist, da, wenn der Spinstreuungsfilm eine dicke magnetische Schicht besitzt, es dann schwierig ist, den magnetischen Widerstandseffekt selbst zu verursachen.
Demzufolge ist der Effekt der Verringerung des antimagnetischen Feldes durch den zylindrischen Typ bei dem Spintunnelfilm eher als bei dem Spinstreuungsfilm bemerkbar. Folglich wird es deutlich, dass betreffend dem Spintunnelfilm die zylindrische Struktur den Effekt zeigen kann und eine Vorrichtung, die eine hohe Integration aufweisen kann, sein kann. Tabelle 1

Zweite Ausführungsform

Nun wird eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen beschrieben. Fig. 10 zeigt eine Anordnung einer anderen Ausführungsform des magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß der vorliegenden Erfindung. In der Figur wird eine erste zylindrische magnetische Schicht 21 und eine zweite zylindrische magnetische Schicht 22 gezeigt. Eine nicht- magnetische Schicht 23 wird zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 bereitgestellt. Ein Speicherelement von einer Bit-Zelle wird durch die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21, 22 und die nicht-magnetische Schicht 23 von Fig. 10 zusammengesetzt. Die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 besitzen die Achse der leichten Magnetisierung in der Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeigerrichtung, und deren Magnetisierung ist ringförmig entlang der Gestalt des Zylinders orientiert. Pfeile in Fig. 10 zeigen jeweils die Magnetisierungsrichtung der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22. Hierbei ist die magnetische Schicht nicht auf die zylindrische Gestalt begrenzt, sondern kann eine Struktur mit einem rechteckigen Querschnittsabschnitt verwenden, solange wie die Magnetisierung in einer geschlossenen magnetischen Schaltung orientiert ist. Jedoch ist die zylindrische Struktur bevorzugt, da diese die stabilste geschlossene magnetische Schaltung gewährleistet.
Zudem zeigt der Widerstand zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 einen geringeren Widerstandswert, wenn die magnetischen Orientierungen der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 in der gleichen Richtung sind, und einen höheren Widerstandswert, wenn diese in der entgegengesetzten Richtung sind. So besitzt das Speicherelement einen unterschiedlichen Widerstandswert, abhängig von der Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht, so dass dieser verwendet werden kann, um eine aufgezeichnete magnetisierte Information zu lesen. Zudem wird eine magnetisierte Information von "0" und "1" in Übereinstimmung mit der magnetischen Uhrzeiger- oder Gegenuhrzeiger-Orientierung der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 aufgezeichnet. Das heißt der Strom wird aufwärtsgerichtet oder abwärtsgerichtet senkrecht zu der Filmoberfläche der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 (τ-Richtung in Fig. 10) zugeführt, wobei die Aufzeichnung durchgeführt wird, indem die Magnetisierung der ersten und zweiten magnetischen Schicht 21 oder 22 mit dem erzeugten magnetischen Feld invertiert wird. Die Verfahren zum Aufzeichnen und Wiedergeben von Information werden nachstehend beschrieben werden. Da in der Ausführungsform die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 in einer geschlossenen magnetischen Schaltung strukturiert sind, kann der Effekt des antimagnetischen Feldes eliminiert werden, so dass die magnetisierte Information stabil aufgezeichnet werden kann. Daher kann die Zellweite für ein Bit verschmälert werden, wobei eine hochintegrierte Speichervorrichtung verwirklicht werden kann. Zudem besteht kein Leckstrom eines magnetischen Leckfeldes zu benachbarten Zellen, wobei das Aufzeichnen und die Wiedergabe stabil durchgeführt werden können.
Fig. 11 ist ein Beispiel eines Falls, wo ein Speicher aufgebaut ist, indem das Speicherelement von Fig. 10 verwendet wird. In Fig. 11 wird zuerst das Speicherelement 40, das aus den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21, 22 und der magnetischen Schicht 23 besteht, auf ein Halbleitersubstrat 41 im Paar mit einem Antriebstransistor 42 montiert. Das Halbleitersubstrat ist zum Beispiel aus einem p-Typ- Halbleiter hergestellt, wobei die Source- und Drainbereiche aus einem n-Typ-Halbleiter hergestellt sind. Der Antriebstransistor besitzt zum Beispiel einen Source-Anschluss 43 und einen Gate-Anschluss 44, wobei ein Drain-Anschluss zum Beispiel mit dem Speicherelement verbunden ist. Dieses besitzt auch ein Steuerungsgate 45. Das andere Ende des Speicherelements wird mit einer Source-Spannung (VDD) 46 verbunden. Die Richtung des Stroms durch das Speicherelement wird geändert, indem die Polarität von VDD gemäß der Aufzeichnungsinformation geändert wird, wodurch "1" und "0" der magnetisierten Information aufgezeichnet wird. Eine große Zahl von Speicherelementen und Antriebstransistoren werden longitudinal und lateral auf dem Halbleitersubstrat angeordnet, und als ein hochintegrierter magnetischer Dünnfilmspeicher integriert.
Hierbei wird in dieser Ausführungsform, wenn Information aufgezeichnet wird, das Speicherelement in zwei Arten geteilt, ob die Magnetisierung für die erste magnetische Schicht oder für die zweite magnetische Schicht invertiert wird. Der erste Typ ist eine Anordnung, die eine Speicherschicht (erste magnetische Schicht 21), eine nicht-magnetische Schicht 23 und eine Pin-Schicht (zweite magnetische Schicht 22) umfasst. Dies ist ein Fall, wo die erste magnetische Schicht 21 als eine Speicherschicht zum Aufbewahren magnetisierter Information verwendet wird, und die zweite magnetische Schicht 22 als eine Pin- Schicht zum kontinuierlichen Konstantbeibehalten von dessen Magnetisierungsinformation bei dem Beibehalten-, Aufzeichnungs- und Wiedergabezustand ohne von der magnetisierten Information abhängig zu sein. In diesem Fall ist es die Magnetisierung des ersten magnetischen Feldes 21, die durch den Aufzeichnungsstrom invertiert wird. Die Wiedergabe der Information wird ausgeführt, indem ein absoluter Wert ermittelt wird, ohne die magnetische Schicht zu invertieren, wie nachstehend beschrieben.
Der zweite Typ ist eine Anordnung, die eine Ermittlungsschicht bzw. Detektionsschicht (erste magnetische Schicht 21), die magnetische Schicht 23 und eine Speicherschicht (zweite magnetische Schicht 22) umfasst. Dies ist ein Fall, wobei die erste magnetische Schicht 21 als eine Ermittlungsschicht zum Ausführen der Inversion für die relative Ermittlung beim Schreiben, und die zweite magnetische Schicht 22 als eine Speicherschicht zum Aufbewahren magnetisierter Information verwendet wird. In diesem Fall ist es die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht 22, die durch den Aufzeichnungsstrom invertiert wird. In beiden Fällen ist es notwendig, dass die erste magnetische Schicht 21 eine geringere Koerzivkraft besitzt, und die zweite magnetische Schicht 22 eine Koerzivkraft besitzt, die höher als die erste magnetische Schicht 21 ist.
Dann kann das magnetische Dünnfilmspeicherelement dieser Ausführungsform eine ausreichend stabile Aufzeichnung durchführen, indem die Länge τ eines Strompfads, durch welchen der Aufzeichnungsstrom strömt, erhöht wird. Dies ist auch sowohl für den ersten und zweiten Typ und für die Spintunnelanordnung und die Spinsteuerungsfilmanordnung richtig, welche nachstehend beschrieben werden. Nun wird eine konkrete Anordnung des Speicherelementes beschrieben. Zunächst, um Information in die Speicherelemente aufzuzeichnen, ist es bevorzugt, ein magnetisches Feld von wenigsten 5 Oe und weiter bevorzugt 10 Oe zu erzeugen. Dies ist weil, wenn das magnetische Feld zu schwach ist, es notwendig wird, die Koerzivkraft des magnetischen Dünnfilmspeicherelements abzuschwächen, welches es schwierig macht, stabil aufgezeichnete Informationen zu halten. Es ist ausreichend, einen großen Strom zuzuführen, um ein großes magnetisches Feld zu erreichen. Wenn dieses jedoch die limitierende Stromdichte für Verdrahtungsmaterial übersteigt, kommt es zu Elektromigration, welche dazu tendiert, eine Verdrahtung zu brechen. Wenn zudem der Stromwert zunimmt, verbraucht das Speicherelement viel Energie.
Die limitierende Stromdichte beträgt 20 mA/um² für eine Wolframverdrahtung, welche eine relativ hohe limitierende Stromdichte von Verdrahtungsmaterialien, die für eine Halbleitervorrichtung verwendet werden, besitzt. Zudem ist ungefähr 1 mA oder weniger ein bevorzugter Strom zum Unterdrücken der Zunahme von Energieverbrauch und Wärmeerzeugung in der Vorrichtung. Hierbei zeigt Fig. 12 den zuvor erwähnten Wolframdraht als einen zylindrischen Leiter mit einem Radius R und einer Länge t. Fig. 13 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Radius R des Leiters, der in Fig. 12 gezeigt wird, und einem magnetischen Feld, wenn ein Strom in die Richtung der Höhe t dem Leiter zugeführt wird. Hierbei zeichnet Fig. 13 das erzeugte magnetische Feld H in Bezug auf den Radius R mit der Länge t des Leiters als ein Parameter. Die Länge vom Halbleiter t ist 0,01, 0,03, 0,05, 0,1, 0,2 und 0,3 um.
Dann zeigt Fig. 14 einen Zusammenhang zwischen der Länge des Leiters t und dem maximalen magnetischen Feld Hmax. Wie aus den Fig. 13 und 14 zu sehen ist, benötigt Länge t vom Stromweg wenigstens 0,05 um, um ein magnetisches Feld von 5 Oe oder mehr zu erhalten, das zur Aufzeichnung benötigt wird. Zudem kann, wie aus Fig. 13 zu sehen ist, eine längere Länge t des Stromwegs den verfügbaren Bereich vom Radius R des Stromwegs auch weiten, so dass der Spielraum beim Montieren des Speicherelements erhöht werden kann. Aus dem vorstehenden Ergebnis ist eine Länge von 0,05 um für die Länge t des Stromwegs nötig, um das magnetische Feld von 5 Oe, das zum Aufzeichnen benötigt wird, zu erzeugen, weiter bevorzugt 0,1 um oder mehr, noch weiter bevorzugt 0,15 um oder mehr und insbesondere 0,2 um oder mehr. Zudem, wenn die Länge t vom Stromweg zu lang gemacht wird, erhöht diese die Filmdicke, was nicht nur viel Zeit die Filmbildung benötigt, sondern auch verursachen kann, dass das Speicherelement nicht senkrecht wird, sondern hinsichtlich des Halbleitersubstrats von Fig. 11 ansteigt. Dies verursacht fehlerhafte Aufzeichnung, wie etwa Aufzeichnung auf einen benachbarten Speicherelement. Daher ist die Länge t vom Stromweg 2 um oder weniger, vorzugsweise 1 um oder weniger, insbesondere 0,5 um oder weniger. Daher ist die Länge t vom Stromweg des Speicherelements von Fig. 10 ausreichend, wenn dieser 0,05 um oder mehr beträgt, aber 2 um oder weniger.
Fig. 15 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Während der Stromweg zum Aufzeichnen in der Ausführungsform von Fig. 10 durch die erste magnetische Schicht 21, die nicht-magnetische Schicht 23 und die zweite magnetische Schicht 22 zusammengesetzt ist, wird diese Ausführungsform weiter mit einem guten Leiter 24 bereitgestellt. Das heißt in dem Fall, wenn die Filmdicke nicht für die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 erhöht werden kann, wird die Länge des Stromwegs sichergestellt, in dem der gute Leiter 24 vorgesehen wird. Ein Material mit einer Leitfähigkeit, die höher als diejenige der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 ist, wird als der gute Leiter 24 verwendet, wobei die Aufzeichnung in den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 durchgeführt wird, indem senkrecht zu dem Speicherelement von Fig. 15 ein Strom zugeführt wird. Der gute Leiter 24 kann auf beiden Endoberflächen der ersten magnetischen Schicht 21, die der Oberfläche, die die nicht-magnetische Schicht 23 kontaktiert, gegenüberliegt, und der Oberfläche der zweiten magnetischen Schicht 22, die der magnetischen Schicht 23 kontaktierenden Oberfläche gegenüberliegt, wie in Fig. 15 gezeigt, oder auf jeder der beiden, vorgesehen werden. Ein derartiges Bereitstellen des guten Leiters 24 vermindert den Widerstandsverlust des Speicherelements und den Energieverbrauch.
Fig. 16 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist mit einem Leiter 25 zum Zuführen eines Aufzeichnungsstroms zu dem Zentrum des Speicherelements ausgestattet. Der Leiter 25 ist durch einen Isolator 26 bedeckt, und Material mit einer Leitfähigkeit, die höher als diejenige der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 ist, wird hierfür verwendet. Der Isolator 26 wird vorgesehen, um zu verhindern, das der Leiter 25 die magnetische Schicht elektrisch kontaktiert. Jedoch ist dieser vorzugsweise so dünn wie möglich, da, wenn der Isolator 26 zu dick ist, die Distanz zwischen dem Leiter 25 und jeder magnetischen Schicht erhöht wird, wodurch das an die magnetische Schicht angelegte magnetische Feld abgeschwächt wird. Da in dieser Ausführungsform ein Strom nicht zu der magnetischen Schicht beim Aufzeichnen zugeführt wird, sondern zu dem Leiter 25 zugeführt wird, ist es möglich, den Energieverbrauch zu vermindern, und eine gute Reaktionsfähigkeit kann vorgesehen werden.
Nun wird ein spezifisches Verfahren zum Aufzeichnen von Informationen in dem magnetischen Dünnfilmspeicherelement beschrieben. Zunächst wird, zum Aufzeichnen von Informationen in dem Speicherelement dem Speicherelement ein Strom senkrecht zu der Filmoberfläche des Speicherelements zugeführt. Das heißt, der Strom wird senkrecht hinsichtlich der Magnetisierungsorientierung zugeführt, und die Magnetisierungsorientierung des Speicherelements wird durch das Strom-erzeugte magnetische Feld ermittelt, wodurch Informationen von "0" und "1" aufgezeichnet werden. Da in diesem Fall die Orientierung des erzeugten magnetischen Feldes von der Richtung des Stroms, der zugeführt wird abhängt, wenn z. B. der Strom von der Spitze zu dem Boden des magnetischen Feldes zugeführt wird, wird das magnetische Feld in der Uhrzeigerrichtung erzeugt, wenn das magnetische Feld von oben betrachtet wird, so dass die Magnetisierung im Uhrzeigersinn orientiert ist. Wenn andererseits der Strom von dem Boden zu der Spitze des magnetischen Elements zugeführt wird, wird das magnetische Feld in der Gegenuhrzeigerrichtung erzeugt, wenn von oben betrachtet, so dass die Magnetisierung im Gegenuhrzeigersinn orientiert ist.
Wenn die Information tatsächlich aufgezeichnet wird, unterscheidet sich das Aufzeichnungsverfahren für den zuvor erwähnten ersten Typ, "Speicherschicht (erste magnetische Schicht 21), nicht-magnetische Schicht 23, und Pin-Schicht (zweite magnetische Schicht 22)" und dem zweiten Typ "Ermittlungsschicht (erste magnetische Schicht 21), nicht-magnetische Schicht 23, Speicherschicht (zweite magnetische Schicht 22)". In der Anordnung vom ersten Typ kann Information von "0" und "1" auf die Speicherschicht (erste magnetische Schicht 21) abhängig von der Orientierung der Magnetisierung aufgezeichnet werden, indem die Größe des zugeführten Stroms eingestellt wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das kleiner als die Magnetisierung ist, die das magnetische Feld der Pin-Schicht (zweite magnetische Schicht 22) invertiert, aber größer als die Magnetisierung, die das magnetische Feld der Speicherschicht (erste magnetische Schicht 21) invertiert. Darüber hinaus kann in dem Fall vom zweiten Typ Information von "0" und "1" abhängig von der Orientierung der Magnetisierung aufgezeichnet werden, indem die Größe des zugeführten Stroms eingestellt wird, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, das größer als die Magnetisierung ist, die das magnetische Feld der Speicherschicht (zweite magnetische Schicht 22) invertiert.
Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines spezifischen Verfahrens zur Wiederherstellung von Informationen, die in dem magnetischen Dünnfilmspeicherelement aufgezeichnet wird, gegeben. Zuerst wird Information aufgezeichnet, indem ein Strom in einer Richtung senkrecht zu der Filmoberfläche des Speicherelements in einer Reihenfolge von der ersten magnetischen Schicht 21, der nicht- magnetischen Schicht 23 und der zweiten magnetischen Schicht 22 oder von der zweiten magnetischen Schicht 22 der nicht-magnetischen Schicht 23 und der ersten magnetischen Schicht 21 zugeführt wird. Dann wird die magnetische Information "0" und "1" ermittelt, indem ein Widerstandswert zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 des Speicherelements ermittelt wird. Das heißt, der Widerstandswert zwischen den ersten und zweiten Schichten 21 und 22 ist klein, wenn die Magnetisierungsrichtung der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 in der gleichen Richtung ist, und groß, wenn diese entgegengesetzt sind, wobei die Information durch diese Differenz von Widerstandswerten ermittelt wird. Alternativ wird die Differenz von Widerstandswerten ähnlich ermittelt, indem der Strom in eine Richtung horizontal hinsichtlich der Filmoberfläche des Speicherelements zugeführt wird.
Darüber hinaus unterscheidet sich das Leseverfahren für die ersten und zweiten Typen des Speicherelements. Im Falle des ersten Typ wird ein Widerstandswert zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 gemessen, indem ein Lesestrom zugeführt wird, der kleiner als derjenige beim Aufzeichnen in einer Richtung senkrecht zu der Filmoberfläche des Speicherelements ist. Da in diesem Fall die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht 22 zuvor in einer vorbestimmten Richtung fixiert wird, variiert der Widerstandswert zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 entsprechend der Magnetisierungsrichtung, die in der ersten magnetischen Schicht aufgezeichnet ist, und die aufgezeichnete Information wird mit dem Widerstandswert wiedergegeben. In diesem Fall besteht hierbei kein Bedarf die Magnetisierung der magnetischen Schicht zu invertieren. Anderseits gibt es drei Leseverfahren für den zweiten Typ. Das erste Verfahren ist, um die Magnetisierung der Ermittlungsschicht (erste magnetische Schicht) in eine vorbestimmte Richtung auszurichten und zu initialisieren, indem ein Strom in einer Richtung senkrecht zu der Filmoberfläche des Speicherelements zugeführt wird, und indem die Ermittlungsschicht (erste magnetische Schicht) invertiert wird. Dann wird der Widerstandswert zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 gemessen, indem in einer Richtung senkrecht zu der Filmoberfläche des Speicherelements ein schwacher Lesestrom in einer Größe zugeführt wird, die die Ermittlungsschicht nicht invertiert. Dieses Verfahren ist effektiv für ein Element, in welchem die Ermittlungsschicht eine kleine Koerzivkraft und dessen Magnetisierung zufällig orientiert ist.
Ein anderes Verfahren ist es, anfangs den Widerstandswert des Speicherelements zu messen, dann einen Strom in einer Richtung senkrecht zu der Filmoberfläche des Speicherelements zuzuführen, um die Magnetisierung der Ermittlungsschicht in einer vorbestimmten Richtung zu orientieren und weiter den Widerstandswert des Speichers zu messen. Die magnetisierte Information in dem Speicherelement kann ermittelt werden, ob der Widerstand in diesem Fall variiert oder nicht. Dieses Verfahren wird etabliert, um so die Magnetisierungsorientierung der Ermittlungsschicht und der Speicherschicht in einem vorbestimmten Zusammenhang nach Vervollständigung der Aufzeichnung herzustellen. Zum Beispiel sind die Ermittlungsschicht und die Speicherschicht derartig angeordnet, dass deren parallel magnetisierter Zustand mit der magnetischen Wechselwirkung stabil ist, und der Widerstandswert, der anfangs gemessen wurde, ist derjenige in dem parallel magnetisierten Zustand. Dies wird erreicht z. B., indem die nicht-magnetische Schicht mit einer Filmdicke von ungefähr 10Å bis 20Å in dem Spintunneltyp bereitgestellt wird.
Der letzte Verfahren ist es, einen Strom aus einer Richtung zu dem Speicherelement in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche zu liefern, und Widerstandsvariierung zwischen der ersten und der zweiten magnetischen Schicht 21 und 22 zu lesen. Dann wird ein Strom zu dem Speicherelement in der Richtung entgegengesetzt zu der vorstehenden Richtung geliefert, wobei die Variation des Widerstands zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 gelesen wird, und aufgezeichnete Information mit der resultierenden Widerstandsvariation ermittelt wird. Der Strom sollte eine genügend groß sein, um nur die Ermittlungsschicht zu invertieren. In jedem Verfahren ist es notwendig, dass die Speicherschicht (zweite magnetische Schicht) nicht invertiert wird.
Diese Ausführungsform verwendet den CPP (Strom senkrecht zu der Filmebene) - MR (Magnetowiderstands) Effekt, bei welchem man den Strom senkrecht zu der Filmoberfläche bei der Widergabe strömen lässt, wie zuvor beschrieben, oder den CIP (Strom in Ebene mit der Filmebene)- MR-Effekt, bei welchem man einen Strom parallel zu der Filmoberfläche strömen lässt. Hier strömt in den vorstehenden Speicherelementen, wie in Fig. 10 und 15 gezeigt wird, der Strom, der senkrecht zu der Filmoberfläche zugeführt wird, um die Magnetisierungsorientierung der magnetischen Schicht zu ermitteln, durch den gleichen Stromweg wie der Strom zum Messen des Widerstandswerts des Speicherelements.
Zudem lässt man in der Anordnung vom Speicherelement, die in Fig. 16 gezeigt wird, den Strom zum Ermitteln der Magnetisierungsorientierung durch den Leiter 25 strömen, während man den Strom zum Messen des Widerstandswerts zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 strömen lässt. Eine am besten geeignete Ausführungsform in diesem Fall wird in den Fig. 17 und 18 gezeigt. Fig. 17 ist eine Querschnittsansicht des Speicherelements. Mit dieser Anordnung wird, wenn die Magnetisierungsorientierung ermittelt wird, eine Potentialdifferenz zwischen Leitern 271 und 272 vorgesehen, um einen Strom durch den Leiter 25 strömen zu lassen. Wenn der Widerstandswert des Speicherelements gemessen wird, lässt man einen Strom zwischen Elektroden 261 und 263, die aus einem auf der oberen Oberfläche der ersten magnetischen Schicht 21 und Elektroden 262 und 264, die aus einem auf der Bodenfläche der zweiten magnetischen Schicht 22 vorgesehenen Leiter bestehen, strömen. Dies ist ein Fall der CPP-Ermittlung und wird verwendet zum Ermitteln von beiden Typen des Spintunnel und der Spinstreuung, welche nachstehend beschrieben werden.
Eine Anordnung, die in Fig. 18 gezeigt wird, ist eine Querschnittsansicht eines Speicherelements, in welchem die Elektroden 262 und 264 von Fig. 17 eliminiert sind, und man einen Strom durch die Elektroden 261 und 263 strömen lässt, wenn der Widerstandswert gemessen wird. Dies ist ein Fall von CIP-Detektion, und wird verwendet für einen Fall, wo das Element vom Spinstreuungstyp, welches nachstehend beschrieben wird, ermittelt wird. Da das Element vom Spinstreuungstyp eine dünne magnetische Schicht besitzt und der Widerstand in der CPP Ermittlung gering ist, ist es wünschenswert, die CIP-Ermittlung zu verwenden.
Nun werden Materialien für die ersten und zweiten magnetischen Schichten und der nicht-magnetischen Schicht des magnetischen Dünnfilmspeicherelements und deren Dicke beschrieben. Hier ist es möglich, die Spintunnelfilmanordnung und die Spinsteuerungsfilmanordnung als die Speicherelementfilmanordnung zu verwenden, welche bei beiden Anordnungen des ersten Typs, "Speicherschicht/nicht-magnetische Schicht/Pin-Schicht" und des zweiten Typs, "Ermittlungsschicht/nicht- magnetische Schicht/Speicherschicht" angewendet werden kann. Es ist jedoch weiter bevorzugt, die Spintunnelanordnung als die Spinstreuungsfilmanordnung zu verwenden. Dies ist so, weil die Spintunnelfilmanordnung ein großes Magneto-Widerstands (MR-) Verhältnis gewährleisten kann, und einen Widerstandswert so hoch wie 1 kΩ oder mehr erhält, so dass diese weniger empfindlich gegenüber einer Variation des On-Widerstands (ungefähr 1 kΩ) des Halbleiterschaltungselementes ist. Da der Spintunnelfilm zudem, wie nachstehend beschrieben, eine relativ dicke magnetische Schicht bereitstellen kann, kann diese für beliebige Ausführungsformen von Fig. 10, 15 und 16 verwendet werden, während es beim Spinstreuungsfilm schwierig ist, alle magnetischen Schichten und die nicht-magnetischen Schichten mit einer Filmdicke von 0,05 um oder mehr bereitzustellen, und wird vorzugsweise für die Ausführungsform von Fig. 15 und 16 verwendet.
Die ersten und zweiten magnetischen Schichten verwenden als deren Primärmaterial wenigstens eine aus Ni, Fe und Co oder Amorphlegierung mit CoFe als Hauptkomponente. Sie sind ein magnetischer Film aus NiFe, NiFeCo, Fe, FeCo, Co, CoFeB oder dergleichen.

(Material der ersten magnetischen Schicht)

Die erste magnetische Schicht besitzt eine geringere Koerzivkraft als die zweite magnetische Schicht. Daher ist es für die erste magnetische Schicht wünschenswert, einen weichen magnetischen Film, der Ni enthält, zu verwenden und im Einzelnen insbesondere NiFe oder NiFeCo als die Hauptkomponente zu verwenden. Zudem kann dieser ein magnetischer FeCo Film mit hohem Eisengehalt sein, oder ein amorph-magnetischer Film mit einer geringer Koerzivkraft, wie etwa COFeB.
Das atomare Zusammensetzungsverhältnis von NiFeCo ist, für NixFeyCoz wie folgt: x von 40 oder mehr, aber 95 oder weniger, y von 0 oder mehr, aber 40 oder weniger, und z von 0 oder mehr, aber 50 oder weniger, vorzugsweise x von 50 oder mehr, aber 90 oder weniger, y von 0 oder mehr, aber 30 oder weniger und z von 0 oder mehr, aber 40 oder weniger, weiter bevorzugt x von 60 oder mehr, aber 85 oder weniger, y von 10 oder mehr, aber 25 oder weniger und z von 0 oder mehr, aber 30 oder weniger.
Zudem ist die atomare Zusammensetzung von FeCo für FexCo100-x wie folgt: x von 50 oder mehr, aber 100 oder weniger, vorzugsweise 60 oder mehr, aber 90 oder weniger. Darüber hinaus ist das atomare Verhältnis von CoFeB für (CoxFe100-x)100-yBy vorzugsweise wie folgt: x von 86 oder mehr, aber 93 oder weniger und y von 10 oder mehr, aber 25 oder weniger.

(Material der zweiten magnetischen Schicht)

Die zweite magnetische Schicht besitzt eine höhere Koerzivkraft als die erste magnetische Schicht. Zum Beispiel ist diese vorzugsweise ein magnetischer Film, der viel Co verglichen mit der ersten magnetischen Schicht enthält. NixFeyCoz enthält geeignetermaßen in der Zusammensetzung: x von 0 oder mehr, aber 40 oder weniger, y von 0 oder mehr, aber 50 oder weniger, und z von 20 oder mehr, aber 95 oder weniger, vorzugsweise x von 0 oder mehr, aber 30 oder weniger, y von 5 oder mehr, aber 40 oder weniger und z von 40 oder mehr, aber 90 oder weniger, weiter bevorzugt x von 5 oder mehr, aber 20 oder weniger, y von 10 oder mehr, aber 30 oder weniger und z von 50 oder mehr, aber 85 oder weniger. FexCo100-x enthält geeignetermaßen in einer atomaren Zusammensetzung x von 0 oder mehr, aber 50 oder weniger. Zudem kann ein zusätzliches Element, wie etwa Pt in die zweite magnetische Schicht für den Zweck der Steuerung der Koerzivkraft und der Verbesserung des Korrosionswiderstands zugegeben werden.
In dem Fall der Spintunnelfilmanordnung wird eine Dünnfilmschicht als die nicht-magnetische Schicht 22 zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 verwendet, so dass der Tunneleffekt aus der ersten magnetischen Schicht 21 zu der zweiten magnetischen Schicht 22 auftritt, ein Strom senkrecht zu der Filmoberfläche bei der Wiedergabe zugeführt wird. Als solches besitzen in dem magnetischen Dünnfilmspeicherelement vom Spintunneltyp aufwärts gerichtete Spin und abwärts gerichtete Spin einen unterschiedlichen Elektronenzustand auf der Fermi- Oberfläche, da die Leitungselektronen eine Spinpolarisierung in einem ferromagnetischen Metall verursachen. Wenn eine ferromagnetische Tunnelverbindung, die aus einem ferromagnetischen Material, einem Isolierungsmaterial und einem ferromagnetischen Material besteht, aus einem ferromagnetischen Material zusammengesetzt ist, tunnelt das Leitungselektron unter Spinbeibehaltung, so dass die Tunnelwahrscheinlichkeit abhängig von dem Zustand der Magnetisierung von sowohl der magnetischen Schicht 21 als auch 22 abhängt, welches als Variation des Tunnelwiderstands erscheint. Folglich wird der Widerstandswert zwischen ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 gering, wenn die Magnetisierungsorientierung der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 in der gleichen Richtung ist, und wird groß, wenn diese in der entgegengesetzten Richtung ist.
Da ein größerer Unterschied zwischen den aufwärts gerichteten und abwärts gerichteten Spins in der Zustandsdichte den Widerstandswert erhöht, und ein größeres Wiedergabesignal erhalten wird, ist es wünschenswert, ein magnetisches Material mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit für die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 zu verwenden. Im Einzelnen wird Fe mit viel Polarisierung von abwärts und abwärts gerichteten Spins auf der Fermioberfläche für die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 ausgewählt, und Co wird als Sekundärkomponente ausgewählt. Im Einzelnen ist es wünschenswert, ein Fe, Co oder Ni als Primärkomponente enthaltendes Material auszuwählen und zu verwenden. Vorzugsweise ist dieses Fe, Co, FeCo, NiFe und NiFeCo. Im Einzelnen beinhaltet dieses Fe, Co, Ni&sub7;&sub2;Fe&sub2;&sub8;, Ni&sub5;&sub1;Fe&sub4;&sub9;, Ni&sub4;&sub2;F&sub5;&sub8;, Ni&sub2;&sub5;Fe&sub7;&sub5;, Ni&sub9;Fe&sub9;&sub1; und dergleichen. Zudem ist NiFe, NiFeCo oder Fe für die erste magnetische Schicht 21 wünschenswert, um die Koerzivkraft abzuschwächen, und ein Co als die Hauptkomponente enthaltendes Material ist für die zweite magnetische Schicht 22 wünschenswert.
Dann besitzen die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 des magnetischen Dünnfilmspeicherelements vorzugsweise eine Filmdicke von mehr als 100Å, aber 5000Å oder weniger. Dies ist so, da erstens, wenn ein Oxid für die nicht-magnetische Schicht 23 verwendet wird, Magnetismus an der Grenzfläche der magnetischen Schicht nahe zu der nicht-magnetischen Schicht aufgrund des Effekts des Oxids abgeschwächt wird, und dieser Effekt hoch ist, wenn der Film dünn ist. Zweitens, wenn die nicht-magnetische Aluminiumoxidschicht gebildet wird, indem ein Film aus Aluminium gebildet wird und dann Sauerstoff zur Oxidation eingeführt wird, Aluminium einige 101 verbleibt, und dieser Effekt wesentlich wird, wenn die magnetische Schicht 100Å oder weniger beträgt, so dass eine geeignete Speichercharakteristik nicht erhalten werden kann. Drittens, insbesondere, wenn das Speicherelement auf eine Submikrongrößenordnung miniaturisiert ist, eine Abschwächung der Speicherhaltungsfähigkeit der ersten magnetischen Schicht 21 und der Fähigkeit zum Konstanthalten von Magnetismus für die zweite magnetische Schicht 22 verursacht wird. Da zudem ein zu hoher Widerstandswert der Zelle besteht, wenn diese zu dick ist, ist diese vorzugsweise 5000Å oder weniger und weiter bevorzugt 1000Å oder weniger.
Als nächstes wird ein Material für die nicht-magnetische Schicht 23 beschrieben. Zunächst verwendet diese die den Magneto-Widerstandseffekt mit Spintunnelung. Folglich muss die nicht-magnetische Schicht 23 eine Isolierungsschicht sein, so dass Elektronen tunneln, während sie deren Spin beibehalten. Die nicht-magnetische Schicht 23 kann ganz oder teilweise eine Isolierungsschicht sein. Der Magneto-Widerstandseffekt kann weiter vermehrt werden, indem die nicht-magnetische Schicht teilweise mit einer Isolierungsschicht aufgebaut wird, um dessen Dicke zu minimieren. Zudem beinhaltet der Fall, wo die nicht-magnetische Schicht 23 eine Oxidschicht ist, welche aufgebaut wird, indem ein nicht- magnetischer Metallfilm oxidiert wird, ein Fall, wo ein Teil vom Al-Film in der Luft oxidiert wird, um eine Al&sub2;O&sub3;-Schicht zu bilden. Die nicht-magnetische Schicht 23 ist aus einem Isolierungsmaterial hergestellt, vorzugsweise Aluminiumoxid AlOx, Aluminiumnitrid AlNx, Siliziumoxid SiOx und Siliziumnitrid SiNx. Zudem kann NiOx als die Hauptkomponente verwendet werden. Dies ist so, weil eine geeignete Potentialbarriere bei den Leitungselektronen in den ersten und zweiten magnetischen Schichten 23 und 22 existieren muss, um das Spin-Tunneln zu verursachen, und die Barriere kann relativ leicht erhalten werden, wenn NiOx als die Hauptkomponente verwendet wird, welche bei der Herstellung vorteilhaft ist.
Zudem besitzt die nicht-magnetische Schicht 23 vorzugsweise eine gleichförmige Filmdichte von einigen 10Å und dessen Isolierungsregion besitzt vorzugsweise eine Filmdicke von 5Å oder mehr beträgt, aber 30Å oder weniger. D. h., wenn diese weniger als 5Å beträgt, besteht die Möglichkeit eines elektrischen Kurzschlusses zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 und, wenn diese 30Å übersteigt, wird das Tunnelphänomen vom Elektron schwerlich auftreten. Darüber hinaus beträgt diese vorzugsweise 4Å oder mehr, aber 25Å oder weniger, und weiter bevorzugt 6Å oder mehr, aber 18Å oder weniger.
Als nächstes verwendet die Spinstreuerungsfilmanordnung den Magneto-Widerstandseffekt, der durch die Spinabhängige Streuung erzeugt wird. Um den Magneto- Widerstandseffekt durch die Spin-abhängige Streuung zu erhalten, ist es geeignet, eine Metallschicht aus einem guten Halbleiter als die nicht-magnetische Schicht 23 zu verwenden. Der Magneto-Widerstandseffekt wird durch die Spin-abhängige Streuung wird aufgrund der Tatsache verursacht, dass Streuung von Leitungselektronen sich je nach ihrem Spin wesentlich unterscheidet. D. h., der Widerstandswert wird für das Leitungselektron mit dem Spin in der gleichen Orientierung wie die Magnetisierung klein, da dieses nicht viel gestreut wird, während die Streuung den Widerstand des Elektrons mit dem Spin in der entgegengesetzten Richtung vergrößert. Folglich, wenn die Magnetisierung von den ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 in der entgegengesetzten Richtung ist, stellt diese einen größeren Widerstandswert als in dem Fall bereit, wenn diese in der gleichen Orientierung ist.
Es werden die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 und die nicht-magnetische Schicht 23 in der Spin-abhängigen Streuungsfilmanordnung beschrieben. Die erste magnetische Schicht 21 besteht, um eine ringförmige Schleife zusammen mit der zweiten Schicht zu bilden, und, um magnetisierte Informationen, die auf der zweiten magnetischen Schicht 22 aufbewahrt wird, unter Verwendung des großen Magneto-Widerstandseffekts zu lesen. Die erste magnetische Schicht 21 verwendet vorzugsweise Ni, Fe oder Co als die Hauptkomponente oder eine amorphe Legierung, die Co und Fe als Hauptkomponenten enthält. Sie beinhalten z. B. einen magnetischen Film aus NiFe, NiFeCo, FeCo, CoFeB oder dergleichen. Zudem kann diese ein amorphes magnetisches Material, wie CoFeB mit einer Zusammensetzung, wie etwa Co&sub8;&sub4;Fe&sub9;B&sub7; oder Co&sub7;&sub2;Fe&sub8;B&sub2;&sub0;, verwenden.
Die zweite magnetische Schicht 22 ist eine magnetische Schicht um hauptsächlich magnetisierte Informationen aufzubewahren, und ihre Magnetisierungs-Orientierung wird gemäß der Information von "0" oder "1" ermittelt. Ähnlich zu der ersten magnetischen Schicht 21, ist die zweite magnetische Schicht 22 notwendig, um effektiv den großen Magneto-Widerstandseffekt zu erzeugen, und, um stabil den magnetisierten Zustand beibehalten zu können. Als zweite magnetische Schicht 22 wird eine magnetische Schicht verwendet, die Fe oder Co als die Hauptkomponente enthält, wie etwa ein magnetischer Film aus Fe, FeCo oder Co. Ein zusätzliches Element, wie etwa Pt kann hinzugegeben werden. Da die Koerzivkraft klein wird, wenn Co in Fe zugegeben wird, und groß wird, wenn Pt zugegeben wird, kann die Koerzivkraft gesteuert werden, indem Elementkomponenten X und Y für Co100-x-yFexPty eingestellt werden. Auf ähnliche Weise kann die Koerzivkraft der ersten magnetischen Schicht 21 mit dem Zusammensetzungsverhältnis von Fe und Co und der Menge von zusätzlichem Element, wie etwa Pt, eingestellt werden.
Es ist notwendig, dass die Filmdicke der ersten magnetischen Schicht 21 derart eingerichtet wird, dass diese den großen Magneto-Widerstandseffekt vom Streuungstyp effektiv erzeugt. Bei dem CPP-MR ist ein wichtiger Faktor eine Distanz, bei der sich der Spin bewegt, während dessen Orientierung oder die Spinstreuungslänge beibehalten wird. Im Einzelnen beträgt die Filmdicke der ersten magnetischen Schicht 21 vorzugsweise wenigstens 200Å oder weniger, da, wenn diese im wesentlichen größer als der durchschnittliche freie Weg vom Elektron ist, der unter der Phono-Streuung effektiv abgeschwächt wird. Weiter bevorzugt beträgt diese 150Å oder weniger. Jedoch beträgt diese vorzugsweise 20Å oder mehr, weiter bevorzugt 80Å oder mehr, da, wenn diese zu dünn ist, der Widerstandswert der Zelle klein wird, und so den Wiedergabesignal-Output abschwächt, und die Magnetisierung kann nicht erhalten werden.
Die Filmdicke der zweiten magnetischen Schicht 22 muss ähnlich zu der ersten magnetischen Schicht 21 etabliert werden, um effektiv den großen Magneto-Widerstandseffekt vom Streuungstyp zu erzeugen und vorzugsweise wenigstens 200Å oder weniger betragen. Weiter bevorzugt beträgt dieser 150Å oder weniger. Jedoch beträgt dieser vorzugsweise 20Å oder mehr, und weiter bevorzugt 80Å oder mehr, da, wenn dieser zu dünn ist, die Speicheraufbewahrungsleistung verschlechtert wird, so dass der Widergabesignal-Output abgeschwächt wird, und der Widerstandswert der Zelle klein wird, so dass die Magnetisierung nicht beibehalten werden kann.
Die nicht-magnetische Schicht 23 besteht aus einem guten Leiter. Es ist bevorzugt, Cu als die Hauptkomponente zu verwenden, da dieses ein Fermienergieniveau nahe zu derjenigen der magnetischen Schicht und eine gute Adhäsion besitzt, so dass der Widerstand an der Grenzfläche leicht auftritt, wenn sich die Magnetisierungsorientierung ändert, was zweckmäßig ist, um ein großes Magneto-Widerstandsverhältnis zu erreichen. Zudem besitzt die nicht-magnetische Schicht 23 eine Filmdicke von 5Å oder mehr, aber 60Å oder weniger. Zudem, wenn eine magnetische Schicht, die Cu als die Hauptkomponente enthält, zwischen der ersten magnetischen Schicht 21 und der nicht-magnetischen Schicht 23 vorgesehen wird, oder zwischen der zweiten magnetischen Schicht 22 und der nicht-magnetischen Schicht 23, oder zwischen der ersten magnetischen Schicht 21 und der nicht-magnetischen Schicht 23 und zwischen der zweiten magnetischen Schicht 22 und der nicht-magnetischen Schicht 23, vorgesehen wird, dies wünschenswert ist, da dies ein hohes Magneto-Widerstandsverhältnis bereitstellt, so dass ein hohes S/N-Verhältnis erhalten werden kann. In diesem Fall beträgt die Dicke der Schicht mit Cu als die Hauptkomponente vorzugsweise 20Å oder weniger, und weiter bevorzugt 5Å oder mehr, so dass sich der Effekt zeigen kann. Um zudem das S/N-Verhältnis zu verbessern, kann es möglich sein, die erste magnetische Schicht 21/nicht-magnetische Schicht 23/zweite magnetische Schicht 22/nicht-magnetische Schicht 23 als eine Einheit zusammenzusetzen, und die Einheit übereinander zu lagern. Während eine größere Anzahl von Lageeinheiten wünschenswert ist, da ein höheres MR- Verhältnis erhalten werden kann, wird, wenn zu viele Lageeinheiten übereinander gelagert werden, die MR- magnetische Schicht zu dick, welches viel Strom benötigt. Daher ist es bevorzugt, die Zahl der Lagereinheiten auf 40 oder weniger zu begrenzen, weiter bevorzugt 3 bis 30 Lagereinheiten bereitzustellen.
Die Koerzivkraft der ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 wird ausreichend gesteuert, in dem die Elementkomponenten x und y für Co100-x-yFexPty eingestellt werden, da die Koerzivkraft klein wird, wenn Fe in Co zugegeben wird, und groß wenn Pt zugegeben wird. Die Koerzivkraft kann auch erhöht werden, in dem die Substrattemperatur bei der Filmbildung erhöht wird. Folglich kann die Koerzivkraft gesteuert werden, indem diese Substrattemperatur bei der Filmbildung eingestellt wird. Dieser Ansatz kann mit dem vorstehenden Ansatz zur Einstellung der Zusammensetzung des ferromagnetischen Dünnfilms kombiniert werden.
Die Erfindung ist nicht auf die Anordnungen von Fig. 10, 15 und 16 begrenzt, sondern kann derart angeordnet sein, das eine antiferromagnetische Schicht vorgesehen wird, um die Oberfläche der zweiten magnetischen Schicht 22, die der nicht-magnetischen Schicht gegenüberliegt, zu kontaktieren, und diese antiferromagnetische Schicht stellt eine geschaltete Verbindung mit der zweiten magnetischen Schicht 22 her, um die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht 22 zu fixieren. Die geschaltete Verbindung mit der antiferromagnetischen Schicht ermöglicht es, die Koerzivkraft der zweiten magnetischen Schicht 22 zu vergrößern. Da in diesem Fall das gleiche Material für die ersten und zweiten magnetischen Schichten 21 und 22 verwendet wird, besteht kein Bedarf, das MR-Verhältnis zur Vergrößerung der Koerzivkraft zu opfern, so dass der Bereich zur Auswahl von Materialien aufgeweitet wird. Materialien für die antiferromagnetische Schicht können beinhalten: Nickeloxid NiO, Ferromangan FeMn und Cobaltoxid CoO.
Dann wird wie zuvor beschrieben, das Aufzeichnen von Informationen in dem Speicherelement durch einen Aufzeichnungsstrom zum Erzeugen eines magnetischen Feldes, das größer als das die Magnetisierung der der Speicherschicht invertierende magnetische Feld (Koerzivkraft) ist, durchgeführt wird. Folglich hängt das zum Aufzeichnen benötigte magnetische Feld von der Koerzivkraft der Speicherschicht ab. Der Erfinder führte Evaluierungsexperimente durch, indem Speicherelemente mit Speicherschichten, die unterschiedliche Koerzivkraft aufwiesen, hergestellt wurden, um so die Größe eines magnetischen Feldes, das zum Aufzeichnen notwendig ist, zu untersuchen.
Mit der Anordnung eines Speicherelements, das in Fig. 16 gezeigt wird, stellte ich jeweils 100 Speicherzellen dar, die aus dem Leiter 25 mit einem Durchmesser von 0,12 um und einen NiFe-Ermittlungsschicht/AlOx/Co-Speicherschicht von einem inneren Durchmesser von 0,14 um unter einem äußeren Durchmesser von 0,30 um bestanden, und mit der Koerzivkraft von 2, 4, 5, 10 und 12 Oe bestanden. "0" oder "1" wurde in diesen Speicherzellen aufgezeichnet. Die Größe des magnetischen Feldes, die aus dem Strom erzeugt wurde, der durch die Schreiblinie strömte, wurde etabliert, um im Wesentlichen gleich oder geringfügig höher als die Koerzivkraft der Speicherschicht zu sein. Es wurde ermittelt, dass die Länge des Leiters 25 oder Stromwegs 2 um betrug. Nachfolgend wurde die Information in jeder Zelle wiedergegeben, und es wurde auf die Zahl der Normalzellen untersucht, in welchen die aufgezeichnete Information sicher gehalten wurde, und die Zahl an defekten Zellen, in welchen die aufgezeichnete Information verloren wurde.
Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 angegeben. Das Fehlerverhältnis wurde als ein Verhältnis von defekten Zellen zu der gesamten Zahl an Zellen definiert. Das Fehlerverhältnis betrug 1%, wenn die Größe des magnetischen Feldes, das von dem Schreiblinien-Strom erzeugt wurde, 5 Oe betrug, und 0%, wenn dieses 10 Oe oder mehr betrug. Zudem betrug das Fehlerverhältnis jeweils 50% und 90% für 2 und 4 Oe, bei welchem Information schwierig gehalten wurde. Wenn das Fehlerverhältnis bei einem Niveau von ungefähr einigen Prozent ist, kann es zu 0% gemacht werden, indem Redundanz durch Zugabe einer Fehlerkorrekturfunktion als ein Speicher bereitgestellt wird, so dass Aufzeichnen und Wiedergabe genau erreicht werden kann. Aus diesen Ergebnissen hat sich herausgestellt, dass wenigstens 5 Oe oder mehr, vorzugsweise 10 Oe oder mehr für das magnetische Schreibstrom-Feld erforderlich ist Tabelle 2
Dann führte der Erfinder Aufzeichnungs-/ Wiedergabeexperimente durch, indem die Speicherzellen mit der gleichen Anordnung wie vorstehend beschrieben mit verschiedener Stromlänge hergestellt wurden, um die obere Grenze der Stromweglängen zu untersuchen. Jeweils 100 Speicherzellen wurden mit der Stromweglänge von 0,5, 1,0, 2,0, 3,0 und 4,0 pin hergestellt. "0" oder "1" wurde in diesen Speicherzellen bei einer Größe des magnetischen Feldes von 10 Oe, das aus dem durch die Schreiblinie strömenden Strom erzeugt wurde, und 8 Oe der Spannung der Koerzivkraft der Speicherschicht aufgezeichnet. Die Ergebnisse werden in Tabelle 3 angegeben. Das Fehlerverhältnis betrug 2% für die Schreiblinienlänge von 2 um, 1% für 1,0 um, und 0% für 0,5 um. Es wird angenommen, dass schlechtere Fehlerverhältnis von fehlerhaften Aufzeichnungen in einer benachbarten Zelle verursacht wird, da ein langer Stromweg in der Richtung der Filmdicke bereitgestellt wurde. Es hat sich aus diesen Ergebnissen herausgestellt, dass die notwendige Länge der Schreiblinie wenigstens 2 um oder weniger, vorzugsweise 1,0 um oder weniger, insbesondere 0,5 um oder weniger beträgt.

Claims

1. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement, das folgendes umfasst:

eine erste magnetische Schicht (1) mit einer geschlossenen magnetischen Schaltungsstruktur;

eine zweite magnetische Schicht (2) mit einer geschlossenen magnetischen Schaltungsstruktur, die eine höhere Koerzivfeldstärke besitzt als diejenige, der ersten magnetischen Schicht; und

eine nicht-magnetische Schicht (3), die zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der nicht-magnetischen Schicht (3) aus einem isolierendem Material hergestellt ist.

2. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten magnetischen Schichten wenigstens ein Element aus Fe, Co und Ni enthalten.

3. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht aus einem beliebigen aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid umfasst wird.

4. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten magnetischen Schichten eine Filmdicke von 100 Å oder mehr, aber 5000 Å oder weniger besitzen.

5. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei die nicht-magnetische Schicht eine Filmdicke von 5 Å oder mehr, aber 30 Å oder weniger besitzt.

6. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei die Koerzivfeldstärke der ersten magnetischen Schicht die Hälfte oder weniger derjenigen der zweiten magnetischen Schicht beträgt, wobei die erste magnetische Schicht die Koerzivfeldstärke von 10 Oe oder mehr aber 50 Oe oder weniger besitzt, wobei die zweite magnetische Schicht die Koerzivfeldstärke von mehr als 50 Oe besitzt.

7. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei eine antiferromagnetische Schicht in Kontakt mit der Oberfläche der zweiten magnetischen Schicht, gegenüberliegend zu der nicht-magnetischen Schicht, angeordnet ist, wobei die antiferromagnetische Schicht eine geschaltete Verbindung mit der zweiten magnetischen Schicht herstellt, wobei die Orientierung der Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht fixiert ist.

8. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei ein Stromweg zum Erzeugen eines aufzeichnenden magnetischen Feldes am Zentrum der ersten magnetischen Schicht, der nicht-magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht gebildet wird.

9. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei der Stromweg von einem Isolator umgeben ist.

10. Magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß Anspruch 1, wobei der Stromweg eine Länge von 0,05 um oder mehr, aber 2 um oder weniger besitzt.

11. Informationsaufzeichnungsverfahren, das den Schritt der Zuführung von Strom mit verschiedener Richtung abhängig von der Information zu dem Stromweg des magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß Anspruch 8 umfasst, wodurch die Information in der ersten magnetischen Schicht aufgezeichnet wird.

12. Informationsaufzeichnungsverfahren, das folgende Schritte umfasst: Zuführen eines Stroms zwischen den ersten und zweiten magnetischen Schichten des magnetischen Dünnfilmspeicherelements gemäß Anspruch 1, und Messen des Widerstands, wodurch eine auf der ersten magnetischen Schicht aufgezeichnete Information ausgelesen wird.

13. Speichervorrichtung die folgendes umfasst:

ein magnetisches Dünnfilmspeicherelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und

eine Einrichtung, die ermöglicht, dass Strom durch ausgewählte Teile des Speicherelements zugeführt wird.