DE60216838T2

DE60216838T2 - Magnetoresistives Element,Speicherelement mit dieses magnetoresistiven Element,und Aufnahme/Wiedergabe-Verfahren für das Speicherelement

Info

Publication number: DE60216838T2
Application number: DE60216838T
Authority: DE
Inventors: c/oCanon Kabushiki Kaisha Naoki Nishimura; c/oCanon Kabushiki Kaisha Takashi Ikeda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: EP1244117A2; KR100502113B1; CN1389870A; TWI272610B; KR20030009084A; EP1244117B1; EP1244117A3; US20020167059A1; CN100490003C; DE60216838D1; US6713830B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Element bzw. Magnetwiderstandselement, das auf einen nichtflüchtigen Speicher oder dergleichen angewendet wird.
Verwandter Stand der Technik
In den letzten Jahren ziehen magnetische Speicherelemente zum Speichern von Informationen unter Verwendung eines magnetoresistiven Effekts bzw. Magnetwiderstandseffekts als nichtflüchtige Festzustandsspeicherelemente hoher Dichte und hoher Ansprechbarkeit Aufmerksamkeit auf sich. Es wurde untersucht, ein RAM (Random Access Memory = Nur-Lese-Speicher) zu bilden, indem das magnetische Speicherelement verwendet wird. Das magnetische Speicherelement kann durch die Magnetisierungsrichtung einer magnetischen Schicht Informationen speichern, und kann einen nichtflüchtigen Speicher für semipermanentes Halten von Informationen bilden. Es wird erwartet, dass magnetische Speicherelemente als verschiedenste Aufzeichnungselemente, wie beispielsweise Informationsspeicherelemente für ein tragbares Endgerät und Karte Verwendung finden. Insbesondere kann ein magnetisches Speicherelement, das einen Spintunnelmagnetwiderstandseffekt (TMR-Effekt) verwendet, eine durch den TMR-Effekt erlangte hohe Ausgabecharakteristik verwenden. Dieses magnetische Speicherelement ermöglicht auch ein Hochgeschwindigkeitslesen, und es wird seine praktische Verwendung erwartet.
Bei dem magnetischen Speicherelement wird die minimale Einheit zur Speicherung von Informationen eine magnetische Speicherzelle genannt. Die magnetische Speicherzelle hat im Allgemeinen eine Speicherschicht und eine Bezugsschicht. Die Bezugsschicht ist eine Schicht aus magnetischen Material, deren Magnetisierungsrichtung in einer spezifischen Richtung fixiert oder fest ist. Die Speicherschicht ist eine Schicht zur Speicherung von Informationen und ist im Allgemeinen eine Schicht aus magnetischem Material, die in der Lage ist, ihre Magnetisierungsrichtung durch externes Anlegen eines Magnetfelds zu ändern. Der Logikzustand der magnetischen Speicherzelle ist dadurch bestimmt, ob die Magnetisierungsrichtung in der Speicherschicht parallel zu der in der Bezugsschicht ist. Sind diese Magnetisierungssichtungen aufgrund des MR-Effekts (Magnetwiderstandseffekts) parallel zueinander, nimmt der Widerstand der magnetischen Speicherzelle ab; sind diese Richtungen nicht parallel, nimmt der Widerstand der magnetischen Speicherzelle zu. Der Logikzustand der magnetischen Speicherzelle wird durch Messen ihrer Widerstandsfähigkeit bestimmt.
Informationen werden in die magnetische Speicherzelle durch Ändern der Magnetisierungsrichtung in der Speicherschicht durch ein Magnetfeld geschrieben, das durch Fließen eines Stroms durch einen Leiter erzeugt wird. Geschriebene Informationen werden unter Verwendung eines absoluten Erfassungsverfahrens des Erfassens des absoluten Werts eines Widerstands ausgelesen.
Eine andere Speicherzelle hat eine Speicherschicht und eine Erfassungsschicht. Diese Speicherzelle setzt ein Differentialerfassungsverfahren zum Lesen ein, da die Magnetisierungsrichtung der Erfassungsschicht geändert wird und die Magnetisierungsrichtung der Speicherschicht aus einer Änderung des Widerstands erfasst wird.
Die magnetische Speicherzelle muss für hohe Integrationsgrade in der Merkmalsgröße schrumpfen. Einhergehend mit der Miniaturisierung dreht sich bzw. wirbelt im Allgemeinen bei einer Schicht longitudinaler Magnetisierung der Spin an dem Filmrand aufgrund eines Demagnetisierungsfelds in der Filmoberfläche. Die magnetische Speicherzelle kann magnetische Informationen nicht stabil speichern. Um dieses Problem zu verhindern, hat der Erfinder in der USP 6,219,725 ein MR-Element offenbart, das einen magnetischen Film (senkrechter Magnetisierungsfilm) verwendet, der senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert ist. Der Film senkrechter Magnetisierung ist sogar bei Miniaturisierung frei von jedem Wirbeln, und er ist geeignet für eine Miniaturisierung.
Eine ein MR-Element verwendende magnetische Speicherzelle umfasst zwei magnetische Schichten, die über eine dünne nichtmagnetische Schicht (Tunnelisolationsschicht) gestapelt sind. Ein aus einer magnetischen Schicht in der magnetischen Speicherzelle ausgetretenes Magnetfeld beeinflusst die andere magnetische Schicht. Das Magnetfeld wird sogar bei dem Nichtvorhandensein eines externen Magnetfelds angelegt gehalten.
20A und 20B zeigen Beispiele der Magnetisierungsrichtung eines TMR-Elements mit einem senkrechten Magnetisierungsfilm. Ein magnetischer Film 100 mit einer geringen Koerzitivkraft und ein magnetischer Film 200 mit einer höheren Koerzitivkraft sind über einen Tunnelisolationsfilm 300 gestapelt. Bei beiden in 20A und 20B gezeigten Beispielen ist der magnetische Film 200 nach unten magnetisiert. Der magnetische Film 100 ist in 20A nach unten und in 20B nach oben magnetisiert. Daher ist der Widerstandswert der magnetischen Speicherzelle in 20B größer als in 20A.
Dieser Zustand kann als eine Struktur angesehen werden, die das Absolutwerterfassungsverfahren verwendet, bei welchem die magnetische Schicht 200 eine Bezugsschicht (feste Schicht) ist, die magnetische Schicht 100 eine Speicherschicht ist, "0" aufgezeichnet wird, wie in 20A gezeigt, und "1" aufgezeichnet wird, wie in 20B gezeigt. Alternativ kann dieser Zustand als eine Struktur angesehen werden, die das Differenzialerfassungsverfahren verwendet, bei welchem die magnetische Schicht 200 eine Speicherschicht ist, die magnetische Schicht 100 eine Erfassungsschicht ist, und die Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld bei Erfassung von dem in 20A gezeigten Zustand zu dem in 20B gezeigten Zustand geschaltet wird.
21A zeigt die MH-Kurve dieses Elements (ein Graph, der die Beziehung zwischen der Magnetisierung und dem Anlegemagnetfeld zeigt) unter der Annahme, dass kein Magnetfeld aus dem anderen magnetischen Film mit einem Rechtwinkligkeitsverhältnis von 1 austritt. An die magnetische Schicht 200 wird ein Magnetfeld angelegt, das klein genug ist, um die Magnetisierungsrichtung unverändert zu halten. Daher erscheint eine Kurve entsprechend der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 100. Bei dem Nichtvorhandensein eines von dem anderen magnetischen Film ausgetretenen Magnetfelds, das heißt einem Versatzmagnetfeld, können auf der Speicherschicht Informationen nur aufgezeichnet werden, indem ein Magnetfeld H1 oder H2 gleich einer Koerzitivkraft Hc angelegt wird. Alternativ kann die Magnetisierung der Erfassungsschicht geschaltet werden. Das Magnetfeld H1 schaltet den ersten magnetischen Film von der Aufwärtsrichtung in die Abwärtsrichtung. Das Magnetfeld H2 schaltet den ersten magnetischen Film von der Abwärtsrichtung in die Aufwärtsrichtung.
In der Praxis legt die andere magnetische Schicht, in diesem Fall der magnetische Film 200, ein Abwärtsmagnetfeld an den magnetischen Film 100 an. Die MR-Kurve verschiebt sich durch das Versatzmagnetfeld Ho, wie in 21B gezeigt. In diesem Fall beträgt das Aufzeichnungsmagnetfeld H2 = Hc + Ho und H1 = Hc – Ho. Das Magnetfeld, das zur Änderung des Zustands von 21B zu dem von 21A ist, vermindert sich um Ho. Im Gegensatz dazu erhöht sich das Magnetfeld, das zur Änderung des Zustands von 21A zu dem von 21B ist, um Ho. Das bedeutet, dass sich ein durch eine Schreibleitung fließender Strom erhöht. Der Stromverbrauch kann sich erhöhen, oder, wenn der Strom die zulässige Stromdichte einer Schreibleitungsverdrahtung überschreitet, das Schreiben kann fehlschlagen. In diesem Fall ändert sich die Größe eines Schaltmagnetfelds abhängig von in einer Speicherzelle gespeicherten Informationen. Werden das Schaltmagnetfeld H2 erfordernde Speicherzelleninformationen in Aufzeichnungsinformationen in Speicherzellen umgeschrieben bzw. neu geschrieben, die in einer Matrix über zwei senkrechte Schreibleitungen aufgereiht sind, werden auch benachbarte das Schaltmagnetfeld H1 erfordernde Speicherzelleninformationen umgeschrieben bzw. neu geschrieben. Ein derartiger fehlerhafter Aufzeichnungsbetrieb kann mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auftreten. Wird das Versatzmagnetfeld Ho größer als die Koerzitivkraft Hc, wie in 21C gezeigt, kann nur ein Widerstandswert bei Nullmagnetfeld genommen werden. Dies macht eine absolute Erfassung bzw. Absoluterfassung schwierig.
Ist das Rechtwinkligkeitsverhältnis nicht 1, wird eine Magnetisierung M bei Nullmagnetfeld kleiner als ein maximaler Magnetisierungswert Mmax von einem antiparallelen Magnetisierungszustand. Der Widerstandswert ändert sich auch abhängig von der Magnetisierungsgröße der Schicht geringer Koerzitivkraft. In diesem Fall nimmt eine Auslesewiderstandswertdifferenz R2 – R1 ab, was die Erfassungsempfindlichkeit verschlechtert. Dieses Phänomen tritt sogar bei einem Versatzmagnetfeld Ho auf, das kleiner als die Koerzitivkraft Hc ist. Es sei erwähnt, dass R1 den minimalen Widerstandswert bei dem Nichtvorhandensein eines externen Magnetfelds repräsentiert; und R2 den maximalen Widerstandswert bei dem Nichtvorhandensein eines externen Magnetfelds. 22A zeigt den Widerstandswert bei dem Vorhandensein des Versatzmagnetfelds Ho, und 22B zeigt den Widerstandswert bei dem Nichtvorhandensein des Versatzmagnetfelds Ho.
Für ein Rechtwinkligkeitsverhältnis ungleich 1 sättigt sogar ein Anlegen eines Magnetfelds mit gleicher Größe wie die Koerzitivkraft die Magnetisierung nicht vollständig, wie in 22B gezeigt. Ein Magnetfeld, welches vollständig die Magnetisierung sättigt, M = Ms, wird ein Magnetisierungssättigungsmagnetfeld Hs genannt werden. Wenn die Speicherschicht vollständig gesättigt ist, damit sie antiparallel zu der festen Schicht ist, maximiert sich der Widerstandswert in Bezug auf das Magnetfeld auf einen konstanten Wert. Das heißt, das in dem Widerstandswert gesättigte Magnetfeld ist gleich Hs, wie in 22B gezeigt. Für ein Rechtwinkligkeitsverhältnis von 1 kann die Koerzitivkraft gleich einem Magnetisierungsschaltmagnetfeld betrachtet werden. Für ein Rechtwinkligkeitsverhältnis ungleich 1 kann die Koerzitivkraft nicht gleich diesem Magnetfeld betrachtet werden. In diesem Fall muss die Magnetisierung geschaltet werden, indem ein Magnetfeld angelegt wird, das größer als das ist, das ein Rechtwinkligkeitsverhältnis von 1 hat. Bei dem Vorhandensein eines durch ein ausgetretenes Magnetfeld erzeugten Versatzmagnetfelds wird die Differenz bei der Größe eines zum Schalten der Magnetisierung angelegten Magnetfelds größer zwischen einer Richtung, in welcher die Magnetisierung einfach zu schalten ist, und einer Richtung, in welcher die Magnetisierung schwierig zu schalten ist. Wird ein derartiges Element als das Speicherelement eines MRAMs eingesetzt, kann der zuvor beschriebene fehlerhafte Betrieb mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auftreten. Eine Fehlfunktion kann auftreten, wenn ein Magnetisierungsschaltmagnetfeld nicht bei der Verwendung eines magnetoresistiven Elements als das Speicherelement eines MRAMs gesteuert wird.
Die vorangehende Beschreibung nimmt hauptsächlich das Absolutwerterfassungsverfahren an, jedoch kann es in ähnlicher Weise auf das Differentialerfassungsverfahren angewendet werden. 23 zeigt die Hauptschleife des Differentialerfassungsverfahrens.
Die zuvor beschriebenen Probleme bei dem MR-Element sind insbesondere bei einem magnetoresistiven Element gravierend, das einen Film longitudinaler Magnetisierung verwendet, der bei einem herkömmlichen MRAM eingesetzt ist.
EP-A-0 933 782 offenbart ein magnetoresistives Element bzw. Magnetwiderstandselement gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Problem, dass ein statisches Magnetfeld von einer magnetischen Schicht das Schaltmagnetfeld der anderen magnetischen Schicht bei einem als ein Speicherelement oder dergleichen verwendeten magnetoresistiven Element bzw. Magnetwiderstandselement versetzt, und das Problem zu lösen, ein dieses magnetoresistive Element verwendendes Speicherelement und sein Aufzeichnungs/Wiedergabeverfahren zur Verfügung zu stellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein magnetoresistives Element bzw. Magnetwiderstandselement nach Anspruch 1 erzielt.
Weitere vorteilhafte Entwicklungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1A und 1B sind Schnittansichten eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements bzw. Magnetwiderstandselements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
2A und 2B sind Schnittansichten eines weiteren Beispiels eines magnetoresistiven Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3A und 3B sind Schnittansichten eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
4 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Komposition bzw. Zusammensetzung und der Sättigungsmagnetisierung bei einer seltenen Erd-Eisenfamilienlegierung bzw. Seltenerd-Eisenfamilienlegierung zeigt;
5A und 5B sind Schnittansichten eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel;
6A und 6B sind Schnittansichten, die den Magnetisierungsorientierungszustand des in 5A und 5B gezeigten magnetoresistiven Elements zeigen;
7A und 7B sind Schnittansichten eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel;
8A und 8B sind Schnittansichten eines Beispiels eines magnetoresistiven Elements gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel;
9A und 9B sind Schnittansichten, welche die Magnetisierungen von gesamten magnetischen Schichten 11 und 12 bei dem in 8A und 8B gezeigten magnetoresistiven Element zeigen;
10A und 10B sind Schnittansichten eines weiteren Beispiels des magnetoresistiven Elements gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel;
11A und 11B sind Schnittansichten, welche die Magnetisierungen der gesamten magnetischen Schichten 11 und 12 bei dem in 10A und 10B gezeigten magnetoresistiven Element zeigen;
12 ist eine Ansicht des Anlegezustands eines ausgetretenen Magnetfelds bei dem magnetoresistiven Element gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, das einen Film senkrechter Magnetisierung verwendet;
13 ist eine Ansicht des Anlegezustands eines ausgetretenen Magnetfelds bei einem herkömmlichen magnetoresistiven Element;
14 ist ein Graph, der die Verteilung eines ausgetretenen Magnetfelds bei einem Ausführungsbeispiel des magnetoresistiven Element gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
15 ist ein Graph, der die Verteilung eines ausgetretenen Magnetfelds bei dem Ausführungsbeispiel des magnetoresistiven Element gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
16 ist ein Graph, der die Verteilung eines ausgetretenen Magnetfelds bei dem Ausführungsbeispiel des magnetoresistiven Element gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 ist ein Graph, der die Verteilung eines ausgetretenen Magnetfelds bei einem herkömmlichen magnetoresistiven Element zeigt;
18 ist ein Graph, der die Verteilung eines ausgetretenen Magnetfelds bei dem herkömmlichen magnetoresistiven Element zeigt;
19A und 19B sind Schnittansichten, welche die Grundstruktur bzw. den Grundaufbau einer Speicherzelle gemäß einem Beispiel zeigen, das keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet;
20A und 20B sind Schnittansichten der Struktur bzw. des Aufbaus des herkömmlichen magnetoresistiven Elements;
21A, 21B, und 21C sind Graphen, die ein Versatzmagnetfeld bei einer MH-Kurve für eine Rechtwinkligkeit von 1 zeigen;
22A und 22B sind Graphen, die ein Versatzmagnetfeld bei einer MH-Kurve für eine Rechtwinkligkeit ungleich 1 zeigen;
23 ist ein Graph, der eine MH-Kurve zeigt, wenn das Versatzmagnetfeld mit einer Rechtwinkligkeit von 1 groß ist;
24A und 24B sind Schnittansichten eines weiteren Beispiels eines magnetoresistiven Elements gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
25A und 25B sind Schnittansichten, welche die Magnetisierungen von gesamten magnetischen Schichten 11 und 12 bei dem in 24A und 24B gezeigten magnetoresistiven Element zeigen;
26A und 26B sind schematische Schnittansichten, welche die Struktur bzw. den Aufbau eines magnetoresistiven Element gemäß dem achten Ausführungsbeispiel zeigen;
27 ist eine schematische Schnittansicht, welche eine Filmstruktur bzw. den Filmaufbau eines magnetoresistiven Films zeigt, bei welchem eine Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen eine magnetische Schicht 113 und einen nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 eingefügt ist;
28 ist eine schematische Schnittansicht, welche eine weitere Filmstruktur bzw. den Filmaufbau des magnetoresistiven Films zeigt, bei welchem eine Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen eine magnetische Schicht 112 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 eingefügt ist;
29 ist eine schematische Schnittansicht, welche noch eine weitere Filmstruktur bzw. den Filmaufbau des magnetoresistiven Films zeigt, bei welchem Schichten hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen die magnetische Schicht 112 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 und zwischen die magnetische Schicht 113 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 eingefügt sind;
30 ist eine schematische Schnittansicht, welche noch eine weitere Filmstruktur bzw. den Filmaufbau des magnetoresistiven Films zeigt, bei welchem Schichten hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen eine magnetische Schicht 111 und einen nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 und zwischen die magnetische Schicht 113 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 eingefügt sind;
31 ist eine schematische Schnittansicht, welche noch eine weitere Filmstruktur bzw. den Filmaufbau des magnetoresistiven Films zeigt, bei welchem Schichten hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen die magnetische Schicht 112 und den nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 und zwischen die magnetische Schicht 112 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 eingefügt sind;
32 ist eine schematische Schnittansicht, welche noch eine weitere Filmstruktur bzw. den Filmaufbau des magnetoresistiven Films zeigt, bei welchem Schichten hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen die magnetische Schicht 111 und den nichtmagnetischen leitfähigen Film 114, zwischen die magnetische Schicht 112 und den nichtmagnetischen leitfähigen Film 114, zwischen die magnetische Schicht 112 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115, und zwischen die magnetische Schicht 113 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 eingefügt sind;
33 ist ein Schaltungsschaubild einer Schaltung, welche ein zum Aufzeichnen von Informationen angelegtes Magnetfeld erzeugt und bei dem elften Ausführungsbeispiel Verwendung findet;
34 ist ein Schaltungsschaubild einer Schaltung, welche aufgezeichnete Informationen ausliest und bei dem elften Ausführungsbeispiel Verwendung findet;
35 ist eine Schnittansicht, welche ein bei dem elften Ausführungsbeispiel gebildetes Speicherelement schematisch zeigt;
36 ist ein Schaltungsschaubild einer Speicheranordnung gemäß dem zwölften Ausführungsbeispiel;
37A und 37B sind Schnittansichten, welche ein magnetoresistives Element gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel zeigen;
38A und 38B sind Schnittansichten, welche den Magnetisierungszustand des magnetoresistiven Elements gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel zeigen;
39A1, 39A2, 39B1 und 39B2 sind Schnittansichten zur Erläuterung eines Lesens von Informationen aus einem Speicherelement gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel;
40A1, 40A2, 40B1 und 40B2 sind Schnittansichten zur Erläuterung eines weiteren Beispiels eines Lesens von Informationen aus dem Speicherelement gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel;
41A und 41B sind Schnittansichten zur Erläuterung des Magnetisierungszustands eines magnetoresistiven Elements gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel;
42A und 42B sind Schnittansichten, welche ein weiteres Beispiel des Magnetisierungszustands eines magnetoresistiven Elements gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel zeigen;
43A und 43B sind Schnittansichten, welche noch ein weiteres Beispiel des Magnetisierungszustands eines magnetoresistiven Elements gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel zeigen;
44 ist eine Schnittansicht, welche ein weiteres Beispiel des magnetoresistiven Elements gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel zeigt;
45A und 45B sind Schnittansichten, welche die Beziehung zwischen einem Speicherelement und einer Schreibleitung gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel zeigen; und
46 ist eine Schnittansicht eines Beispiels einer Speicheranordnung gemäß dem fünfzehnten Ausführungsbeispiel.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEIPIELE
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlich beschrieben.
[Erstes Ausführungsbeispiel]
1A und 1B sind Schnittansichten der Filmstruktur eines magnetoresistiven Elements bzw. Magnetwiderstandselements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In 1A und 1B zeigen Pfeile Magnetisierungsrichtungen bei magnetischen Schichten an. 1A und 1B zeigen zwei zu erwartende Magnetisierungszustände des magnetoresistiven Elements. Werden durch das Absoluterfassungsverfahren Daten aus dem magnetoresistiven Element ausgelesen, entsprechen die in 1A und 1B gezeigten Zustände den Binäraufzeichnungspegeln "0" und "1".
Eine senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisierte magnetische Schicht 1, eine nichtmagnetische isolierende Schicht N2, und eine senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisierte magnetische Schicht 2 sind in der genannten Reihenfolge gestapelt. Die isolierende Schicht N2 ist dick genug, damit in ihr einen Tunnelstrom zwischen den magnetischen Schichten 1 und 2 über die isolierende Schicht N2 fließt. Die Koerzitivkraft der gesamten magnetischen Schicht 2 ist höher als die der magnetischen Schicht 1. In dem magnetoresistiven Element ändert sich ein Widerstandswert beim Fließen eines Stroms zwischen den magnetischen Schichten 1 und 2 über die isolierende Schicht N2 abhängig von den relativen Magnetisierungswinkeln der magnetischen Schichten 1 und 2. Durch Erfassen dieses Widerstandswerts können in das magnetoresistive Element geschriebene Informationen bestimmt werden. Genauer gesagt, die magnetische Schicht 1, die isolierende Schicht N2, und die magnetische Schicht 2 bilden eine ferromagnetische Tunnelkreuzung bzw. -verbindung. Leitungselektronen in den magnetischen Schichten 1 und 2 tunneln durch die isolierende Schicht N2, während sie ihren Spin bzw. Drehung beibehalten. Die Tunnelwahrscheinlichkeit ändert sich abhängig von den Magnetisierungszuständen der beiden magnetischen Schichten 1 und 2. Dies wird als eine Änderung des Tunnelwiderstands erfasst. Dieser Widerstandswert ist klein, wenn die Magnetisierungszustände der magnetischen Schichten 1 und 2 parallel zueinander sind, und groß, wenn sie antiparallel zueinander sind.
Bei dem magnetoresistiven Element ist die magnetische Schicht 2 gebildet, indem magnetische Schichten 21 und 22 gestapelt sind, die als antiparallel zueinander magnetisierte Filme senkrechter Magnetisierung dienen. Die magnetische Schicht 21 ist auf der Seite der magnetischen Schicht 1 gebildet (damit sie die isolierende Schicht N2 kontaktiert). Bei dem in 1A und 1B gezeigten Beispiel orientiert sich die Magnetisierung der magnetischen Schicht 21 nach oben bzw. aufwärts, und die der magnetischen Schicht 22 orientiert sich nach unten bzw. abwärts. Die magnetische Schicht 1 empfängt durch die Magnetisierung der magnetischen Schicht 21 ein nach oben gerichtetes Magnetfeld bzw. Aufwärtsmagnetfeld und durch die Magnetisierung der magnetischen Schicht 22 ein nach unten gerichtetes Magnetfeld bzw. Abwärtsmagnetfeld. Ein an die magnetische Schicht 1 angelegtes ersichtliches Magnetfeld ist eine Kombination dieser Magnetfelder. Ein an die magnetische Schicht 1 angelegtes ausgetretenes Magnetfeld kann im Vergleich mit einem Fall vermindert werden, bei welchem die magnetische Schicht 2 nur aus einer magnetischen Schicht gebildet ist. Daher kann ein Versatz des Schaltmagnetfelds der magnetischen Schicht 1 unterdrückt bzw. unterbunden werden. Wird das magnetoresistive Element bei einer magnetischen Speicherzelle eingesetzt, kann der Schreibstrom reduziert werden, und es kann ein fehlerhaftes Schreiben in eine benachbarte Speicherzelle verhindert werden.
Wie in 2A und 2B gezeigt, können die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 21 und 22 derart geschaltet werden, dass die magnetische Schicht 21 nach unten magnetisiert ist und die magnetische Schicht 22 nach oben magnetisiert ist. Dieses magnetoresistive Element kann als ein GMR-Element gebildet sein, das zwischen die magnetischen Schichten eingelegt ist, indem die dazwischen eingelegte nichtmagnetische Schicht durch einen Leiter ausgetauscht wird. Die Effekte des magnetoresistiven Elements sind jedoch signifikanter für ein TMR-Element, das eine dünnere nichtmagnetische Schicht verwendet.
[Zweites Ausführungsbeispiel]
3A und 3B sind Schnittansichten einer Filmstruktur eines magnetoresistiven Elements gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Bei diesem magnetoresistiven Element sind die magnetische Schicht 2 bei dem ersten Ausführungsbeispiel, das heißt die magnetischen Schichten 21 und 22, die eine Schicht hoher Koerzitivkraft bilden, die aus einem ferrimagnetischen Film aus einer seltenen Erd-Eisenfamilienelementlegierung bzw. Seltenerd-Eisenfamilienelementlegierung angefertigt ist. Die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements ist in der magnetischen Schicht 21 dominant, wohingegen die Nebengittermagnetisierung des seltenen Erdelements bzw. Seltenerdelements in der magnetischen Schicht 22 dominant ist. Eine magnetische Schicht 1 und eine isolierende Schicht N2 sind identisch zu denjenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel. 3A und 3B zeigen zwei zu erwartende Magnetisierungszustände des magnetoresistiven Elements. Jede durchgezogene Linie bei den magnetischen Schichten 21 und 22 repräsentiert die Nebengittermagnetisierungsrichtung des Eisenfamilienelements; und jede gepunktete bzw. gestrichelte Linie die Nebengittermagnetisierungsrichtung des Seltenerdelements. Die Länge jeder Linie repräsentiert die Größe der Nebengittermagnetisierung.
Die magnetischen Schichten 21 und 22 sind austauschgekoppelt. Bei der Seltenerd- Eisenfamilienelementlegierung ist das Eisenfamilienelement dominant über die Austauschkopplungskraft, und das Eisenfamilienelement orientiert sich in einer Richtung. Zu den Eisenfamilienelementen antiparallel magnetisierte Seltenerdelemente orientieren sich auch in der selben Richtung in den magnetischen Schichten 21 und 22. Die Magnetisierung des gesamten ferrimagnetischen Films ist die Differenz zwischen Nebengittermagnetisierungen. Als die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 21 und 22, die in 3A und 3B gezeigt sind, sind die Nettomagnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 21 und 22 einander entgegengesetzt. Aus diesem Grund ist die Magnetisierung der gesamten magnetischen Schicht 2 kleiner als die Magnetisierung jeder der magnetischen Schichten 21 und 22. Die ferrimagnetische Schicht hat eine ursprünglich kleinere Magnetisierungsgröße als ein Film longitudinaler Magnetisierung, der aus Fe, Co, FeCo, oder NiFe angefertigt ist und in der Filmoberfläche orientiert ist. Die Größe eines von der magnetischen Schicht 2 an die magnetische Schicht 1 angelegten Magnetfelds ist viel kleiner als diejenige bei einem Element mit longitudinaler magnetischer Anisotropie. Dies wird ausführlich bei dem (später zu beschreibenden) dreizehnten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die magnetische Schicht 2 aus zwei Schichten, deren Sättigungsmagnetisierung Ms relativ groß ist, und es kann sogar ein Schaltmagnetfeld reduziert werden. Wird dieses Element als eine magnetische Speicherzelle eingesetzt, kann die Speicherzelle für Absoluterfassung gebildet sein und sie kann auch für Differenzialerfassung gebildet sein, bei welcher die magnetische Schicht 2 als eine Speicherschicht verwendet wird und die Magnetisierung gemäß von Informationen geändert wird.
4 zeigt die Beziehung zwischen der Komposition bzw. Zusammensetzung und der Sättigungsmagnetisierung bei der Seltenerd-Eisenfamilienelementlegierung. Bei der Seltenerd-Eisenfamilienelementlegierung kann die Magnetisierungsrichtung des Seltenerdatoms antiparallel zu derjenigen des Eisenfamilienatoms gemacht werden. Die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements oder des Eisenfamilienelements wird an der Grenze der (als eine Kompensationskomposition zu bezeichnenden) Zusammensetzung bzw. Komposition des Seltenerdelements und des Eisenfamilienelements bei dem kombinierten magnetischen Moment dieser Atome dominant. Die Sättigungsmagnetisierung Ms wird bei der Kompensationskomposition ersichtlich 0 und nimmt mit Entfernung von der Kompensationskomposition zu. Ein ausgetretenes Magnetfeld kann weiter reduziert werden, indem sowohl die magnetischen Schichten 21 und 22 um die Kompensationskomposition herum entworfen bzw. gestaltet werden.
Ein bevorzugtes Beispiel der ferrimagnetischen Schicht ist ein magnetischer Film, der aus einer Legierung aus einem Seltenerdelement und einem Eisenfamilienelement gefertigt ist. Genauer gesagt, ist die ferrimagnetische Schicht vorzugsweise aus einem zumindest eines von Gd, Tb, und Tb enthaltenden Seltenerdelement und einem zumindest eines von Fe und Co enthaltenden Eisenfamilienelement gefertigt. Diese Seltenerd- Eisenfamilienelementlegierung kann durch ein Mehrzweckfilmbildungsgerät, wie beispielsweise ein Sputtergerät, einfach einen Film senkrechter Magnetisierung bei Raumtemperatur zur Verfügung stellen. Insbesondere leidet ein Halbleiterherstellungsprozess des Herstellens eines MRAMs unter einem Hochtemperaturprozess, was einen nachteiligen Einfluss hat, wie beispielsweise eine Verschlechterung der MOS-Transistorleistungsfähigkeit. Es ist daher effektiv, dass ein Film senkrechter Magnetisierung bei Raumtemperatur gebildet werden kann.
(Drittes Ausführungsbeispiel)
Bei einem magnetoresistiven Element gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist eine sich sehr nah bei einer nichtmagnetischen Schicht befindende magnetische Schicht 21 aus einer ferromagnetischen Schicht angefertigt, die ein Eisenfamilienelement als eine Hauptkomponente enthält. Eine magnetische Schicht 22 ist aus einer ferrimagnetischen Schicht aus einer Seltenerd-Eisenfamilienelementlegierung angefertigt, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist. Eine magnetische Schicht 1 und eine isolierende Schicht N2 sind identisch zu denjenigen bei dem ersten Ausführungsbeispiel. 5A und 5B zeigen zwei zu erwartende Magnetisierungszustände des magnetoresistiven Elements. Jede durchgezogene Linie bei den magnetischen Schichten 21 und 22 repräsentiert die Nebengittermagnetisierungsrichtung des Eisenfamilienelements; und jede gepunktete bzw. gestrichelte Linie die Nebengittermagnetisierungsrichtung des Seltenerdelements. Die Länge jeder Linie repräsentiert die Größe der Nebengittermagnetisierung.
Das magnetoresistive Element bei dem dritten Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Schicht 2 aus einem zweischichtigen Film gebildet ist, der aus dem Eisenfamilienelementfilm (magnetische Schicht 21) und der Seltenerdelement (magnetische Schicht 22) aufgebaut ist. In diesem Fall kann das MR-Verhältnis (Magnetwiderstandsverhältnis) erhöht werden, indem ein magnetischer Film mit einer hohen Polarisierbarkeit an der Schnittstelle zwischen der magnetischen Schicht 2 und der isolierenden Schicht N2 gebildet wird, die als ein Tunnelbarrierenfilm dient. Die magnetische Schicht 2 betrifft in großem Maße das Magnetwiderstandsverhältnis aufgrund der Magnetisierung des Eisenfamilienelements. Die magnetische Schicht 21 ist vorzugsweise so gebildet, dass sie den Tunnelbarrierenfilm kontaktiert. Beispiele eines auf die magnetische Schicht 21 anwendbaren Eisenfamilienelementdünnfilms sind Fe-, Co-, und FeCo-Dünnfilme. Von diesen Materialien ist FeCo das am meisten bevorzugte, da es eine hohe Polarisierbarkeit an den Tag legt und das MR-Verhältnis erhöhen kann. Es sei erwähnt, dass sich ein Eisenfamilienelement im Allgemeinen in der longitudinalen Richtung eines Einschichtfilms orientiert. Die magnetische Schicht 2 ist, beispielsweise durch die Austauschkopplungskraft von der magnetischen Schicht 22, senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert.
6A und 6B zeigen Magnetisierungsorientierungszustände. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist die Magnetisierung der magnetischen Schicht 22 die kombinierte Magnetisierung der Nebengittermagnetisierungen des Seltenerdelements und des Eisenfamilienelements. Die magnetische Schicht 2 ist aus einem antiparallel magnetisierten zweischichtigen Film angefertigt, welche ein zu der magnetischen Schicht 1 ausgetretenes Magnetfeld reduzieren kann.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel kann die magnetische Schicht 2 außerdem aus zwei Schichten gebildet sein, die eine relativ große Sättigungsmagnetisierung Ms haben. Wird die magnetische Schicht 2 aus einem einschichtigen Film mit einer kleinen Magnetisierung gebildet, um ein zu der magnetischen Schicht 1 ausgetretenes Magnetfeld zu reduzieren, neigt die Koerzitivkraft dazu, sich zu erhöhen. Durch Bilden der magnetischen Schicht 2 aus einem zweischichtigen Film mit einer großen Magnetisierung kann ein zu der magnetischen Schicht 1 ausgetretenes Magnetfeld ohne Erhöhung der Koerzitivkraft reduziert werden. Zu der selben Zeit wie eine Reduktion der Versatzmagnetkraft kann auch eine Reduktion des Schaltmagnetfelds erzielt werden.
(Viertes Ausführungsbeispiel)
7A und 7B sind Schnittansichten, die die Filmstruktur eines magnetoresistiven Elements gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel zeigen. Bei diesem magnetoresistiven Element ist ein isolierender Film 500 zwischen magnetischen Schichten 21 und 22 gebildet. Die Verwendung des isolierenden Films 500 realisiert einfach einen antiparallelen Magnetisierungszustand, während eine magnetostatische Verbindung zwischen den magnetischen Schichten 21 und 22 unterbunden wird.
Um die magnetischen Schichten 21 und 22 zu antiparallelen Magnetisierungszuständen bei dieser Struktur zu ändern, werden Filme mit verschiedenen Koerzitivkräften verwendet. Hat die magnetische Schicht 21 eine höhere Koerzitivkraft als die der magnetischen Schicht 22, wird ein externes Magnetfeld angelegt, um die Magnetisierung der magnetischen Schicht 21 zu schalten. Dann wird ein externes Magnetfeld in einer entgegengesetzten Richtung, das kleiner als die Koerzitivkraft der magnetischen Schicht 21 und höher als das der magnetischen Schicht 22 ist, angelegt, um die magnetische Schicht 22 in einer zu der magnetischen Schicht 21 entgegengesetzten Richtung zu magnetisieren.
Die Koerzitivkraft kann auf einen gewünschten Wert gesetzt werden, indem die Komposition bzw. Zusammensetzung geändert wird, beispielsweise, wenn ein ferrimagnetischer Film, wie beispielsweise eine Seltenerd-Eisenfamilienlegierung, Verwendung findet, indem die Komposition von jeweiligen Nebengittermagnetisierungen erzeugenden Elementen geändert wird.
(Fünftes Ausführungsbeispiel)
Bei dem fünften Ausführungsbeispiel ist eine Schicht geringer Koerzitivkraft, ähnlich zu einer Schicht hoher Koerzitivkraft, aus zwei Schichten aufgebaut. 8A und 8B sind Schnittansichten der Filmstruktur dieses magnetoresistiven Elements. Bei dem magnetoresistiven Element ist eine magnetische Schicht 1', das heißt eine Schicht geringer Koerzitivkraft aus magnetischen Schichten 11 und 12 aufgebaut, die als Filme senkrechter Magnetisierung dienen, die parallel zueinander magnetisiert sind. Bei dem fünften Ausführungsbeispiel ist die magnetische Schicht 11 auf der Seite einer magnetischen Schicht 2 gebildet (um so eine isolierende Schicht N2 zu kontaktieren. Der Grund dafür liegt darin, dass das MR-Verhältnis (Magnetwiderstandsverhältnis) erhöht werden kann, indem ein magnetischer Film mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit an der Schnittstelle zwischen der magnetischen Schicht 1' und der isolierenden Schicht N2 gebildet wird, die als ein Tunnelbarrierenfilm dient. Beispiele einer solchen magnetischen Schicht sind Fe-, Co-, und FeCo-Dünnfilme. Von diesen Materialien ist FeCo das am meisten bevorzugte, da es eine hohe Polarisierbarkeit an den Tag legt und das MR-Verhältnis erhöhen kann. Es sei erwähnt, dass sich ein Eisenfamilienelement im Allgemeinen in der longitudinalen Richtung in einem Einschichtfilm orientiert. Die magnetische Schicht 1' ist durch die Austauschkopplungskraft von der magnetischen Schicht 12, senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert. Bei der folgenden Beschreibung bedeutet "eine Schicht mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit" eine Schicht, deren Spinpolarisierbarkeit höher als die einer magnetischen Schicht ist, die mit dieser Schicht in Kontakt steht.
Wie in 8A und 8B gezeigt, kann die magnetische Schicht 11 aus einer ein Eisenfamilienelement enthaltenden ferromagnetischen Schicht angefertigt sein, und die magnetische Schicht 12 kann aus einer eine Seltenerd-Eisenfamilienelementlegierung enthaltenden ferrimagnetischen Schicht angefertigt sein, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelement dominant ist. 9A und 9B zeigen die gesamte Magnetisierung der magnetischen Schichten 11 und 12 in diesem Fall. Wie zuvor beschrieben, besteht die magnetische Schicht 2 aus einem antiparallel magnetisierten zweischichtigen Film (magnetische Schichten 21 und 22). Ein magnetisches Feld, das durch die Magnetisierung der magnetischen Schicht 2 erzeugt ist und zu der magnetischen Schicht 1' ausgetreten ist, ist klein, jedoch ist ein magnetisches Feld, das durch die Magnetisierung der magnetischen Schicht 1' erzeugt ist und zu der magnetischen Schicht 2 ausgetreten ist, groß.
Diese Struktur ist für eine Struktur geeignet, die die magnetische Schicht 2 als eine feste Schicht bzw. Festschicht (Bezugsschicht) und die magnetische Schicht 1' als eine Speicherschicht verwendet. Der Grund dafür liegt darin, dass die Festschicht ohne Schalten ihrer Magnetisierung auf eine große Koerzitivkraft gesetzt werden kann und durch ein aus der magnetischen Schicht 1' ausgetretenes Magnetfeld kaum beeinflusst wird. Im Gegensatz dazu muss die Koerzitivkraft (Magnetisierungsschaltmagnetfeld) der als eine Speicherschicht dienenden magnetischen Schicht 1' vermindert werden, um so den Stromverbrauch einer Schreibleitung zu minimieren, wodurch das durch ein aus der magnetischen Schicht 2 ausgetretenes Magnetfeld erzeugtes Versatzmagnetfeld reduziert wird. Dies ist erzielbar, indem die magnetische Schicht 2 aus einem antiparallel magnetisierten zweischichtigen Film gebildet wird.
Bei dem vorangehenden Beispiel ist die magnetische Schicht 12 aus einem ferrimagnetischen Film aus einer Seltenerd-Eisenfamilienelementlegierung angefertigt, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist. Die magnetische Schicht 12 kann auch aus einem ferrimagnetischen Film aus einer Seltenerd-Eisenfamilienelementlegierung angefertigt, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist. 10A und 10B sind Schnittansichten der Filmstruktur eines derartigen magnetoresistiven Elements. 11A und 11B sind Schnittansichten, welche die gesamte Magnetisierung der magnetischen Schichten 11 und 12 bei dem in 10A und 10B gezeigten magnetoresistiven Element zeigen.
(Sechstes Ausführungsbeispiel)
Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel ist eine magnetische Schicht 1', ähnlich zu einer magnetischen Schicht 2, aus zwei antiparallel magnetisierten Schichten aufgebaut. Wie in 24A und 24B gezeigt, ist jede der beiden magnetischen Schichten aus einem zweischichtigen ferrimagnetischen Film angefertigt. Jede durchgezogene Linie repräsentiert die Nebengittermagnetisierungsrichtung eines Eisenfamilienelements; und jede gepunktete bzw. gestrichelte Linie die Nebengittermagnetisierungsrichtung eines Seltenerdelements. Die Länge jeder Linie repräsentiert die Größe der Nebengittermagnetisierung. In 24A und 24B ist eine magnetische Schicht 11 aus einem Legierungsfilm aus einem Seltenerdelement und Eisenfamilienelement angefertigt, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist. Eine magnetische Schicht 12 ist aus einem identischen Legierungsfilm angefertigt, bei welchem die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist. Eine magnetische Schicht 21 ist aus einem identischen Legierungsfilm angefertigt, bei welchem die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist. Eine magnetische Schicht 22 ist aus einem identischen Legierungsfilm angefertigt, bei welchem die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist. Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel ist die magnetische Schicht 11 auf der Seite der magnetischen Schicht 2 gebildet (damit sie eine isolierende Schicht N2 kontaktiert). 25A und 25B zeigen die gesamte Magnetisierung der magnetischen Schichten 11 und 12 bei diesem Fall.
Bei dem sechsten Ausführungsbeispiel können die Koerzitivkräfte von beidem magnetischen Schichten 1' und 2 derart erhöht werden, um so keine von den magnetischen Schichten 1' und 2 zueinander austretenden Magnetfelder anzulegen. Die Magnetisierungen dieser magnetischen Schichten 1' und 2 können geschaltet werden, was zusätzlich zu einer Absoluterfassung eine Differentialerfassung ermöglicht. Diese Struktur ist für eine Struktur geeignet, bei welcher die magnetische Schicht 2 als eine Speicherschicht funktioniert, die magnetische Schicht 1' als eine Erfassungsschicht funktioniert, und Informationen werden durch das Differentialerfassungsverfahren ausgelesen werden.
Die magnetische Schicht 11 hat eine Komposition bzw. Zusammensetzung, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist. Die magnetischen Schicht 12 hat eine Komposition bzw. Zusammensetzung, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist. Die Kompositionen der magnetischen Schichten 11 und 12 können umgekehrt sein, das heißt, die magnetische Schicht 11 hat eine Komposition bzw. Zusammensetzung, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist. Die magnetische Schicht 12 hat eine Komposition bzw. Zusammensetzung, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist. Dies gilt auch für die magnetischen Schichten 21 und 22. Da der Tunneleffekt hauptsächlich durch das Eisenfamilienelement verursacht wird, haben die magnetischen Schichten 21 und 11, welche sich näher bei dem Tunnelbarrierenfilm befinden, vorzugsweise eine Komposition, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist.
(Siebtes Ausführungsbeispiel)
Es wird die ebene Verteilung eines Magnetfelds, das aus einer magnetischen Schicht bei einem magnetoresistiven Element gemäß der vorliegenden Erfindung ausgetreten ist, im Vergleich mit einer Herkömmlichen beschrieben.
12 zeigt den Zustand eines aus einer magnetischen Schicht 2 zu einer magnetischen Schicht 1 ausgetretenen Magnetfelds bei dem magnetoresistiven Element gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die magnetische Schicht 2 ist aus den magnetischen Schichten 21 und 22 aufgebaut, die antiparallel zueinander magnetisiert sind. Ein von der magnetischen Schicht 2 erzeugtes Magnetfeld wird im Wesentlichen durch die magnetischen Schichten 21 und 22 gelöscht. Zur Vereinfachung der Beschreibung ist ein Magnetfeld aus der nach oben magnetisierten magnetischen Schicht 21 etwas größer als das aus der nach unten magnetisierten magnetischen Schicht 22.
13 zeigt die Filmstruktur eines magnetoresistiven Elements, das einen herkömmlichen Magnetisierungsfilm verwendet. Außerdem sind bei dem herkömmlichen magnetoresistiven Element eine obere magnetische Schicht 41, eine isolierenden Schicht 42, und eine untere magnetische Schicht 43 in der genannten Reihenfolge gestapelt. Bei dieser Struktur ist die untere. magnetische Schicht 43 aus zwei antiparallel zueinander magnetisierten magnetischen Schichten 51 und 52 aufgebaut. Diese magnetischen Schichten 51 und 52 müssen in einen antiparallelen Magnetisierungszustand gestaltet sein, indem eine aus Ru oder dergleichen angefertigte Zwischenschicht dazwischen gelegt wird. Die Filmdicke des als die Zwischenschicht 53 dienenden Ru-Films beträgt ungefähr 0,7 nm. Der zulässige Bereich der Filmdicke beträgt nur ±0,1 nm, was eine enge Herstellungsmarge und einen geringen Ertrag zur Folge hat. Im Gegensatz dazu erfordert das magnetoresistive Element der vorliegenden Erfindung keine solche Zwischenschicht. Dies ist in Bezug auf einen einfachen Fabrikationsprozess und Herstellungsmarge vorteilhaft.
14 zeigt das ausgetretene Magnetfeld von 12 als eine Funktion der Abszisse x in Bezug auf das in 12 gezeigte magnetoresistive Element. 14 zeigt ein Magnetfeld, das senkrecht zu der Filmoberfläche bei einem Punkt 1 nm über der magnetischen Schicht 2 ist, die aus einem 0,2 μm zweischichtigen Film aus einer 20 nm dicken Seltenerd-Eisenfamilienlegierung, bei welcher das Seltenerdelement dominant ist (RE reich) und die Magnetisierung 8π mT (20 emu/cc) ist, und einer 30 nm dicken Seltenerd-Eisenfamilienlegierung gebildet ist, bei welcher das Eisenfamilienelement dominant ist (TM reich) und die Magnetisierung 8π mT (20 emu/cc) ist. Es ist höchstens ein Magnetfeld von 50 Oe (3,98 × 10³ A/m) angelegt.
Was das in 12 gezeigte magnetoresistive Element betrifft, zeigt 15 ein Magnetfeld, das senkrecht zu der Filmoberfläche bei einem Punkt 1 nm über der magnetischen Schicht 2 ist, die aus einem 0,2 μm zweischichtigen Film aus einer 50 nm dicken Seltenerd-Eisenfamilienlegierung, welche RE reich ist und deren Magnetisierung 20π mT (50 emu/cc) beträgt, und einem 10 nm dicken Co-Film (Magnetisierungsgröße: 400π mT (1.000 emu/cc)) gebildet ist. Es ist höchstens ein Magnetfeld von 250 Oe (19,9 × 10³ A/m) angelegt.
Was das in 12 gezeigte magnetoresistive Element betrifft, zeigt 16 ein Magnetfeld, das senkrecht zu der Filmoberfläche bei einem Punkt 1 nm über der magnetischen Schicht 2 ist, die aus einem 0,2 μm zweischichtigen Film aus einer 50 nm dicken Seltenerd-Eisenfamilienlegierung, welche RE reich ist und deren Magnetisierung 20π mT (50 emu/cc) beträgt, und einem 1 nm dicken Co-Film (Magnetisierungsgröße: 320π mT (800 emu/cc)) gebildet ist. Es ist höchstens ein Magnetfeld von 170 Oe (13,5 × 10³ A/m) angelegt.
Als ein vergleichendes Beispiel zeigt 17 ein ausgetretenes Magnetfeld in der Querrichtung der Filmoberfläche 1 nm über einem herkömmlichen Element (vgl. 3A und 3B), das aus einem Film longitudinaler Magnetisierung aus einem 0,2 μm gestapelten Film aus Co (Filmdicke: 4 nm), Ru (Filmdicke: 0,7 nm), und Co (Filmdicke: 3 nm) gebildet ist. Die Magnetisierung von Co beträgt 400π mT (1.000 emu/cc). An der Endfläche ist ein Magnetfeld von 1,000 Oe (79,6 × 10³ A/m) angelegt.
18 zeigt ein ausgetretenes Magnetfeld bei einem herkömmlichen Element, das eine um 0,2 μm × 0,6 μm verschiedene Größe hat, mit der selben Struktur wie das in 17 Gezeigte. Selbst mit einer rechteckigen Größe wird ein Magnetfeld von ungefähr 500 Oe (39,8 × 10³ A/m) an der Endfläche angelegt. Bei dem Film longitudinaler Magnetisierung wird ein Magnetisierungsschalten durch Spinbewegung in der Magnetisierungsrichtung bestimmt. Ein an der Endfläche ausgetretenes Magnetfeld trägt signifikant zum Magnetisierungsschalten bei. Beispielsweise wird angenommen, dass das ausgetretene Magnetfeld ein Versatzmagnetfeld erhöht.
Auch wenn es nicht gezeigt ist, hat ein aus einem senkrechten Magnetisierungsfilm bzw. Film senkrechter Magnetisierung gebildeter einschichtiger Film ein Magnetfeld von 400 Oe (31,8 × 10³ A/m) oder mehr bei einem Punkt 1 nm über der magnetischen Schicht 2, die aus einem 0,2 μm einschichtigen Film aus einer 50 nm dicken Seltenerd-Eisenfamilienlegierung, bei welcher die Magnetisierung 48π mT (120 emu/cc) beträgt. An die als eine Schicht geringer Koerzitivkraft dienende magnetische Schicht 1 wird daher ein großes Magnetfeld angelegt.
(Beispiel, das keinen Teil der vorliegenden Erfindung bildet.)
Das zuvor beschriebene magnetoresistive Element der vorliegenden Erfindung setzt eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines senkrechten Magnetfelds ein. Informationen werden in das magnetoresistive Element unter Verwendung der Magnetfelderzeugungseinrichtung aufgezeichnet. Dieses magnetoresistive Element kann als ein Speicherelement dienen. Beispielsweise ist, wie in 19A und 19B gezeigt, eine Schreibleitung 900 in der Nähe des magnetoresistiven Elements über einem (nicht abgebildeten) isolierenden Film angeordnet. Der isolierende Film ist angeordnet, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem magnetoresistiven Element und der Schreibleitung zu verhindern.
Die Schreibleitung 900 erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zu der Blattoberfläche. In 19A fließt ein Strom in Richtung auf die Blattoberfläche, um die Magnetisierung einer magnetischen Schicht 1 nach oben bzw, aufwärts zu ändern. In 19B fließt ein Strom in einer vorderen Richtung von der Blattoberfläche, um die Magnetisierung der magnetischen Schicht 1 nach unten bzw. abwärts zu ändern.
Wie zuvor beschrieben, kann das magnetoresistive Element der vorliegenden Erfindung ein ausgetretenes Magnetfeld in großem Maße im Vergleich zu einem Element vermindern, das einen herkömmlichen Film longitudinaler Magnetisierung und ein Element verwendet, das einen herkömmlichen Film senkrechter Magnetisierung verwendet.
(Achtes Ausführungsbeispiel)
26A und 26B sind schematische Schnittansichten, welche die Struktur bzw. den Aufbau eines magnetoresistiven Elements gemäß dem achten Ausführungsbeispiel zeigen. Bei dem achten Ausführungsbeispiel sind magnetische Schichten 111 und 113, deren Magnetisierungen antiparallel zueinander sind, über und unter einer magnetischen Schicht 112 gebildet, die als eine Schicht geringer Koerzitivkraft dient. Das magnetoresistive Element ist durch die magnetischen Schichten 112, 111, und 113 gebildet, die als Filme senkrechter Magnetisierung dienen. Zudem ist ein nichtmagnetischer leitfähiger Film 114 zwischen die magnetischen Schichten 112 und 111 eingefügt, wohingegen ein nichtmagnetischer dielektrischer Film 115 zwischen die magnetischen Schichten 112 und 113 eingefügt ist. Die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 sind antiparallel zueinander. In diesem Fall kann die magnetische Schicht 111 aufwärts magnetisiert sein, und die magnetische Schicht 113 kann abwärts magnetisiert sein, wie in 26A gezeigt. Alternativ kann die magnetische Schicht 111 abwärts magnetisiert sein, und die magnetische Schicht 113 kann aufwärts magnetisiert sein, wie in 26B gezeigt. Auch wenn die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 nicht gezeigt ist, ist die magnetische Schicht 112 in 26A und 26B gemäß von in den Film senkrechter Magnetisierung geschriebenen Daten aufwärts oder abwärts magnetisiert.
Durch Setzen der Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 antiparallel zueinander, löschen sich eine zwischen den magnetischen Schichten 112 und 111 wirkende magnetostatische Kopplungskraft und eine zwischen den magnetischen Schichten 112 und 111 wirkende magnetostatische Kopplungskraft einander aus. Der Einfluss eines Magnetfelds, das zu einer anderen magnetischen Schicht aus der magnetischen Schicht 112 ausgetreten ist, deren Magnetisierung beim Aufzeichnen von Informationen in die Schicht geringer Koerzitivkraft zu schalten ist, kann unabhängig davon reduziert werden, ob die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 von der Aufwärtsrichtung zu der Abwärtsrichtung oder von der Abwärtsrichtung zu der Aufwärtsrichtung zu schalten ist. Die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 kann durch ein Magnetfeld mit der selben Größe aufwärts oder abwärts geschaltet werden.
Beispiele von Filmen senkrechter Magnetisierung, die als die magnetischen Schichten 111, 112 und 113 verwendet werden, sind ein Film mit künstlichem Gitter, wie beispielsweise ein Edelmetall-Übergangsmetallfilm, ein Film mit künstlichem Gitter, wie beispielsweise ein CoCr- oder Seltenerdmetall-Übergangsmetallfilm, und eine Legierung davon. Von diesen Filmen senkrechter Magnetisierung kann die Seltenerdmetall-Übergangsmetalllegierung einfach eine Magnetisierungskurve mit einem Rechtwinkligkeitsverhältnis von 1 erzielen, und sie kann einfach hergestellt werden. Diese Seltenerdmetall-Übergangsmetalllegierung ist für eine magnetische Schicht für einen magnetoresistiven Film bevorzugt, der einen Film senkrechter Magnetisierung verwendet. Das Seltenerdmetall bei der Seltenerdmetall-Übergangsmetalllegierung besteht vorzugsweise aus zumindest einem Element, das aus der aus Gd, Dy, und Tb bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Das Übergangsmetall besteht vorzugsweise aus zumindest einem Element, das aus der aus Co, Fe, und Ni bestehenden Gruppe ausgewählt ist. Insbesondere ist Gd als das Seltenerdmetall vorzuziehen, das für die magnetische Schicht 112 Verwendung findet, deren Magnetisierungsschaltmagnetfeld klein sein muss.
Für den nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 können verschiedenste Materialien verwendet werden. Es können viele Materialien, wie beispielsweise Pt, Au, Ag, Ru, Zn, Si, In, Sn, Pb, Ta, Ti, W, Cu, und Al zum Einsatz kommen. Für den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 können Materialien, wie beispielsweise SiO₂ und Al₂O₃, verwendet werden. Vorzugsweise wird Al₂O₃ eingesetzt, da es eine große Magnetwiderstandsänderung bereitstellt. Auf dem magnetoresistiven Film bei dem neunten Ausführungsbeispiel aufgezeichnete Informationen werden ausgelesen, indem ein Strom senkrecht zu der Filmoberfläche fließen gelassen wird und ein Magnetwiderstand Verwendung findet, der erzeugt wird, wenn Elektronen durch den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 abhängig von dem Spin tunneln. Der Magnetwiderstand wird auch durch spinabhängiges Streuen geändert, was an den Schnittstellen zwischen dem nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 und den magnetischen Schichten 111 und 112 und in den magnetischen Schichten 111 bis 113 auftritt. Jedoch ist die Magnetwiderstandsänderung durch spinabhängiges Streuen kleiner als die durch spinabhängiges Tunneln Verursachte. Eine in dem magnetoresistiven Film beobachtete Magnetwiderstandsänderung kann als durch spinabhängiges Tunneln erzeugt angesehen werden. Eine Magnetwiderstandsänderung durch spinabhängiges Streuen kann vernachlässigt werden.
Ein eine Seltenerdmetall-Übergangsmetalllegierung verwendender magnetoresistiver Film hat ein kleineres Magnetwiderstandsverhältnis als ein magnetoresistiver Film, der nur ein Übergangsmetall verwendet. Der Grund dafür liegt darin, dass ein Seltenerdmetall an der Schnittstelle zwischen diesem Metall und einem nichtmagnetischen dielektrischen Film keine hohe Spinpolarisierbarkeit hat. Dieses Magnetwiderstandsverhältnis kann durch Austauschkoppeln einer magnetischen Schicht mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit (magnetische Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit) mit einer magnetischen Schicht erhöht werden, die aus einem Seltenerdmetall und einem Übergangsmetall angefertigt ist, wie in EP 1,045,403 offenbart. Beispiele des Materials der magnetischen Schicht mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit sind Übergangsmetalle, wie beispielsweise Fe, Co, und eine Legierung davon. Die FeCo-Legierung ist aufgrund ihrer hohen Spinpolarisierbarkeit insbesondere bevorzugt. Es sei erwähnt, dass ein Übergangsmetalldünnfilm keine senkrechte Magnetisierung an den Tag legt. Die Magnetisierung muss senkrecht zu der Filmoberfläche gemacht werden, indem der Übergangsmetalldünnfilm mit einem Film senkrechter Magnetisierung austauschgekoppelt wird. Diese Filmstruktur kann auch auf den magnetoresistiven Film der vorliegenden Erfindung angewendet werden. Es wird ein auf der vorliegenden Erfindung basierender magnetoresistiver Film erläutert, bei welchem eine derartige magnetische Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit als eine Dünnschicht dazwischen eingefügt ist.
Ein in 27 gezeigter magnetoresistiver Film ist ausgeführt, indem eine magnetische Schicht 120 hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen den nichtmagnetischen dielektrischen Film und die magnetische Schicht 113 bei dem in 26A und 26B gezeigten magnetoresistiven Film eingefügt ist. Ein in 28 gezeigter magnetoresistiver Film ist ausgeführt, indem eine magnetische Schicht 119 hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen die magnetische Schicht 112 und den nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 eingefügt ist. Auf diese Weise kann die magnetische Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit als die Schnittstelle zwischen dem nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 und der magnetischen Schicht 112 oder 113 gebildet sein. Zudem können, wie in 29 gezeigt, die magnetischen Schichten 119 und 120 hoher Spinpolarisierbarkeit an den unteren und oberen Oberflächen des nichtmagnetischen dielektrischen Films 115 gebildet sein. Ein Bilden der magnetischen Schichten hoher Spinpolarisierbarkeit an den zwei Oberflächen erzielt eine größere Magnetwiderstandsänderung.
Fe, Co, oder eine FeCo-Legierung hat eine relativ große Magnetisierung. Ist die magnetische Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit an der Schnittstelle des nichtmagnetischen dielektrischen Films 115 gebildet, wie zuvor beschrieben, kann eine auf die magnetische Schicht 112 von diesen magnetischen Schichten wirkende magnetostatische Kopplungskraft nicht vernachlässigt werden. Als ein dieses Problem lösendes Verfahren ist eine andere magnetische Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit an einer Position gebildet, die symmetrisch zu der magnetische Schicht 112 zu der magnetische Schicht hoher Spinpolarisierbarkeit ist, die sich in Kontakt mit dem nichtmagnetischen dielektrischen Film befindet. Entgegengesetzte magnetostatische Kopplungskräfte von den zwei magnetischen Schichten hoher Spinpolarisierbarkeit, die an den zu der magnetischen Schicht 112 symmetrischen Positionen angeordnet sind, wirken auf die magnetische Schicht 112. Ersichtlich wirkt keine magnetostatische Kopplungskraft auf die magnetische Schicht 112. Es wird ein magnetoresistiver Film beschrieben, bei welchem magnetische Schichten hoher Spinpolarisierbarkeit bei zu der magnetischen Schicht 112 symmetrischen Positionen angeordnet sind.
Bei einem in 30 gezeigten magnetoresistiven Film, ist eine magnetische Schicht 117 hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen den nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 und die magnetische Schicht 111 eingefügt. Die magnetischen Schichten 117 und 120 hoher Spinpolarisierbarkeit befinden sich bei zu der magnetischen Schicht 112 symmetrischen Positionen. Bei einem in 31 gezeigten magnetoresistiven Film ist eine magnetische Schicht 118 hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen den nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 und die magnetische Schicht 111 eingefügt. Die magnetischen Schichten 118 und 119 hoher Spinpolarisierbarkeit befinden sich bei zu der magnetischen Schicht 112 symmetrischen Positionen. Bei einem in 32 gezeigten magnetoresistiven Film, ist eine magnetische Schicht 117 hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen den nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 und die magnetische Schicht 111 eingefügt. Die magnetische Schicht 118 hoher Spinpolarisierbarkeit ist zwischen dem nichtmagnetischen leitfähigen Film 114 und der magnetischen Schicht 112 eingefügt. Die magnetischen Schichten 117 und 118 hoher Spinpolarisierbarkeit und die magnetischen Schichten 120 und 119 befinden sich bei zu der magnetischen Schicht 112 symmetrischen Positionen.
Bei dem magnetoresistiven Film des achten Ausführungsbeispiels muss die magnetostatische Kopplungskraft zwischen den magnetischen Schichten 111 und 112 und die zwischen den magnetischen Schichten 113 und 112 in entgegengesetzten Richtungen ungefähr gleich zueinander sein. Dieses Gleichgewicht wird sogar bei einer Änderung bei der Temperatur des magnetoresistiven Films vorzugsweise unverändert gehalten. Diese Charakteristik kann einfach realisiert werden, indem die magnetischen Schichten 111 und 113 vollkommen gleich gebildet werden. Das heißt, die Temperaturänderung der Magnetisierung ist die selbe zwischen magnetischen Schichten mit der selben Komposition bzw. Zusammensetzung. Die magnetostatischen Kopplungskräfte zwischen den magnetischen Schichten 111 und 113 und der magnetischen Schicht 112 halten sogar bei einer Änderung bei der Temperatur das selbe Gleichgewicht bei.
Der magnetoresistive Film des achten Ausführungsbeispiels wird als ein Speicherelement verwendet. Es sind eine Einrichtung zur Aufzeichnung von Informationen in diesen magnetoresistiven Film (Speicherelement) und eine Einrichtung zum Auslesen von auf dem magnetoresistiven Film aufgezeichneten Informationen angeordnet. Dies kann einen Speicher ausführen, welcher beim Schreiben einen kleinen Strom erfordert und den Energieverbrauch reduzieren kann. Ein bevorzugtes Beispiel der Einrichtung zur Aufzeichnung von Informationen ist ein Magnetfeld, das durch Fließen eines Stroms durch eine Verdrahtung erzeugt wird. Ein bevorzugtes Beispiel der Einrichtung zum Auslesen aufgezeichneter Informationen ist eine Schaltung zur Erfassung einer Spannung über dem Speicherelement, wenn ein konstanter Strom durch das Speicherelement fließt.
(Neuntes Ausführungsbeispiel)
Bei dem neunten Ausführungsbeispiel wird die ausführlichere Struktur bzw. Aufbau eines magnetoresistiven Elements mit der in 26A und 26B gezeigten Struktur beschrieben. Ein Si-Wafer (Siliziumsubstrat) wurde als ein Substrat verwendet. In einem Filmbildungsgefäß wurde ein Tb₂₀(Fe₆₀Co₄₀)₈₀-Film auf eine Filmdicke von 30 nm als eine magnetische Schicht 113 auf das Substrat gesputtert. Unter Verwendung eines Al₂O₃-Ziels wurde ein nichtmagnetischer dielektrischer Film 115 auf eine Filmdicke von 1,5 nm gesputtert. Der erlangte Film wurde in einer Sauerstoffatmosphäre plasmaoxidiert, um Sauerstoffatome zu kompensieren, die in dem nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 ausgelassen sind. Dementsprechend wurde der nichtmagnetische dielektrische Film 115 in die Al₂O₃-Komposition umgewandelt. Es wurde eine Evakuierung ausreichend durchgeführt, und dann wurden ein 30 nm Gd₂₁(Fe₆₀Co₄₀)₇₉-Film als eine magnetische Schicht 112, ein 1,5 nm dicker Al-Film als ein nichtmagnetischer leitfähiger Film 114, ein 30 nm dicker Tb₂₀(Fe₆₀Co₄₀)₈₀- Film als eine magnetische Schicht 111, und ein 2 nm dicker Pt-Film als ein Schutzfilm sequentiell durch Sputtern gebildet. Während eines Bildens der magnetischen Schichten 111 und 113 wurde ein Magnetfeld senkrecht an das Substrat angelegt, um so die magnetischen Schichten 111 und 113 in vorbestimmten Richtungen zu magnetisieren. Die Richtung eines während einer Bildung der magnetischen Schicht 111 angelegten Magnetfelds und die Richtung eines während einer Bildung der magnetischen Schicht 113 angelegten Magnetfelds waren antiparallel zueinander. Das an die magnetische Schicht 111 angelegte Magnetfeld hatte eine kleinere Größe als das Magnetisierungsschaltfeld an der magnetischen Schicht 113. Ein Anlegen derartiger Magnetfelder während einer Filmbildung bzw. Filmerzeugung konnte die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 antiparallel zueinander machen.
Auf dem resultierenden vielschichtigen Film wurde ein 0,5 μm Fotolackfilm gebildet. Durch Trockenätzen wurde ein Abschnitt des nicht mit dem Fotolack bedeckten vielschichtigen Films entfernt. Nach dem Ätzen wurde ein Al₂O₃-Film auf eine Filmdicke von 100 nm gesputtert. Der Fotolack und der Al₂O₃-Film darauf wurden entfernt, und es wurde ein isolierender Film zur elektrischen Isolation einer oberen Elektrode und des Si-Wafers gebildet. Eine obere Elektrode wurde aus einem Al-Film durch ein Abhebeverfahren gebildet. Es wurde ein Abschnitt des nicht mit der oberen Elektrode bedeckten Al₂O₃-Films entfernt, um einen Elektrodenanschluss zum Anschließen einer Messschaltung zu bilden. Als ein Ergebnis war ein magnetoresistiver Film vollendet.
Zwischen die obere Elektrode und die untere Elektrode (Si-Wafer) des magnetoresistiven Films wurde eine Konstantstromquelle verbunden. Ein konstanter Strom wurde so fließen gelassen, dass Elektronen veranlasst wurden, durch den Al₂O₃-Film des nichtmagnetischen dielektrischen Films 115 zu tunneln. Ein Magnetfeld wurde senkrecht zu der Filmoberfläche des magnetoresistiven Films angelegt. Die Größe und die Richtung des Magnetfelds wurden geändert, um Änderungen (Magnetwiderstandskurve) in der Spannung des magnetoresistiven Films zu messen. Es sei erwähnt, dass die Größe des angelegten Magnetfelds kleiner als das Magnetisierungsschaltmagnetfeld der magnetischen Schichten 111 oder 113 gesetzt wurde. Die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 waren fixiert, und nur die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 konnte sich ändern. Die Messergebnisse legten fast keine beobachtete Größendifferenz zwischen einem extern angelegten Magnetfeld, wenn die an den magnetoresistiven Film angelegte Spannung abfiel, und einem extern angelegten Magnetfeld an den Tag, wenn die Spannung anstieg. Mit anderen Worten, das Phänomen, bei welchem sich die Größe eines zum Schalten der Magnetisierung erforderlichen extern angelegten Magnetfelds abhängig von der Magnetisierungsschaltrichtung aufgrund eines aus einer anderen magnetischen Schicht ausgetretenen Magnetfelds änderte, das heißt, ein durch ein ausgetretenes Magnetfeld erzeugtes Versatzmagnetfeld, wurde bei diesem magnetoresistiven Film unterbunden.
(Zehntes Ausführungsbeispiel)
Bei dem zehnten Ausführungsbeispiel wird die Struktur bzw. Aufbau eines magnetoresistiven Elements mit der in
32 gezeigten Struktur ausführlicher beschrieben. Ein Si-Wafer (Siliziumsubstrat) wurde als ein Substrat verwendet. Durch Sputtern in einem Filmbildungsgefäß wurde ein 30 nm dicker Tb₂₀(Fe₆₀Co₄₀)₈₀-Film als eine magnetische Schicht 113 und ein 1 nm dicker Fe₆₀Co₄₀-Film als eine magnetische Schicht 120 hoher Spinpolarisierbarkeit sequentiell auf dem Substrat gebildet. Unter Verwendung eines Al₂O₃-Ziels wurde ein nichtmagnetischer dielektrischer Film 115 auf eine Filmdicke von 1,5 nm gesputtert. Der erlangte Film wurde in einer Sauerstoffatmosphäre plasmaoxidiert, um Sauerstoffatome zu kompensieren, die in dem nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 ausgelassen sind. Dementsprechend wurde der nichtmagnetische dielektrische Film 115 in die Al₂O₃-Komposition umgewandelt. Es wurde eine ausreichende Evakuierung durchgeführt, und dann wurden ein 1 nm dicker Fe₆₀Co₄₀-Film als eine magnetische Schicht 119 hoher Spinpolarisierbarkeit, ein 50 nm dicker Gd₂₁(Fe₆₀Co₄₀)₇₉-Film als eine magnetische Schicht 112, ein 1 nm dicker Fe₆₀Co₄₀-Film als eine magnetische Schicht 118 hoher Spinpolarisierbarkeit, ein 1,5 nm dicker Al-Film als ein nichtmagnetischer leitfähiger Film 114, ein 1 nm dicker Fe₆₀Co₄₀-Film als eine magnetische Schicht 117 hoher Spinpolarisierbarkeit, ein 30 nm dicker Tb₂₀(Fe₆₀Co₄₀)₈₀-Film als eine magnetische Schicht 111, und ein 2 nm dicker Pt-Film als ein Schutzfilm sequentiell durch Sputtern gebildet.
Während eines Bildens der magnetischen Schichten 111 und 113 wurde ein Magnetfeld senkrecht zu dem Substrat angelegt, um so die magnetischen Schichten 111 und 113 in vorbestimmten Richtungen zu magnetisieren. Die Richtung eines während einer Bildung der magnetischen Schicht 111 angelegten Magnetfelds und die Richtung eines während einer Bildung der magnetischen Schicht 113 angelegten Magnetfelds waren antiparallel zueinander. Das an die magnetische Schicht 111 angelegte Magnetfeld hatte eine kleinere Größe als das an die magnetische Schicht 113 angelegte Magnetisierungsschaltfeld. Ein Anlegen derartiger Magnetfelder während einer Filmbildung bzw. Filmerzeugung konnte die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 antiparallel zueinander machen. Die magnetische Schicht 120 hoher Spinpolarisierbarkeit wurde zu der magnetischen Schicht 113 austauschgekoppelt; die magnetische Schicht 117 hoher Spinpolarisierbarkeit zu der magnetischen Schicht 111; und die magnetischen Schichten 118 und 119 hoher Spinpolarisierbarkeit zu der magnetischen Schicht 112. Die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 117 bis 120 hoher Spinpolarisierbarkeit orientierten sich senkrecht zu der Filmoberfläche. Die magnetischen Schichten 119 und 120 hoher Spinpolarisierbarkeit wurden gebildet, um ein hohes Magnetwiderstandsverhältnis zu erlangen. Die magnetischen Schichten 117 und 118 hoher Spinpolarisierbarkeit waren magnetische Schichten zum Einstellen der magnetostatischen Kopplungskraft und beeinflussten nicht die Spinpolarisierbarkeit.
Auf dem resultierenden vielschichtigen Film wurde ein 0,5 μm Fotolackfilm gebildet. Durch Trockenätzen wurde ein Abschnitt des nicht mit dem Fotolack bedeckten vielschichtigen Films entfernt. Nach dem Ätzen wurde ein Al₂O₃-Film auf eine Filmdicke von 120 nm gesputtert. Der Fotolack und der Al₂O₃-Film darauf wurden entfernt, und es wurde ein isolierender Film zur elektrischen Isolation einer oberen Elektrode und des Si-Wafers gebildet. Eine untere Elektrode wurde aus einem Al-Film durch ein Abhebeverfahren gebildet. Es wurde ein Abschnitt des nicht mit der oberen Elektrode bedeckten Al₂O₃-Films entfernt, um einen Elektrodenanschluss zum Anschließen einer Messschaltung zu bilden. Als ein Ergebnis war ein magnetoresistiver Film vollendet.
Zwischen die obere Elektrode und die untere Elektrode (Si-Wafer) des magnetoresistiven Films wurde eine Konstantstromquelle verbunden. Ein konstanter Strom wurde so fließen gelassen, dass Elektronen veranlasst wurden, durch den Al₂O₃-Film des nichtmagnetischen dielektrischen Films 115 zu tunneln. Ein Magnetfeld wurde senkrecht an die Filmoberfläche des magnetoresistiven Films angelegt. Die Größe und Richtung des Magnetfelds wurden geändert, um Änderungen (Magnetwiderstandskurve) bei der Spannung des magnetoresistiven Films zu messen. Es sei erwähnt, dass die Größe des angelegten Magnetfelds kleiner als das Magnetisierungsschaltmagnetfeld der magnetischen Schichten 111 oder 113 gesetzt wurde. Die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 waren fixiert, und nur die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 konnte sich ändern. Die Messergebnisse legten fast keine beobachtete Größendifferenz zwischen einem extern angelegten Magnetfeld, wenn die an den magnetoresistiven Film angelegte Spannung abfiel, und einem extern angelegten Magnetfeld an den Tag, wenn die Spannung anstieg. Mit anderen Worten, das Phänomen, bei welchem sich die Größe des zum Schalten der Magnetisierung erforderlichen extern angelegten Magnetfelds abhängig von der Magnetisierungsschaltrichtung änderte, wurde bei diesem magnetoresistiven Film unterbunden.
(Elftes Ausführungsbeispiel)
Nachdem ein Transistor, eine Verdrahtungsschicht, und dergleichen auf einem Si-Wafer gebildet wurden, wurde ein magnetoresistiver Film mit der bei dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel beschriebenen Filmstruktur gebildet. Der magnetoresistive Film wurde in ein 3 × 3-Array von neun Speicherelementen verarbeitet, die auf diese Weise ein Speicherzellenarray bilden. In dem Speicherelement werden Informationen durch ein Magnetfeld aufgezeichnet, das durch Fließen Lassen eines Stroms durch einen Leiter erzeugt wird. 33 zeigt eine elektrische Schaltung zum Anlegen eines Aufzeichnungsmagnetfelds. 34 zeigt eine Leseschaltung. 33 und 34 sind ebene Ansichten eines Si-Wafers, wenn er von oben angesehen wird. Die Magnetisierungsrichtung in dem magnetoresistiven Film stimmt mit einer Richtung senkrecht zu der Blattoberfläche überein. In der Praxis werden die in 33 und 34 gezeigten Anordnungen in dem Speicherzellenarray durch eine Vielschichttechnik gebildet.
Es wird ein Verfahren des selektiven Schaltens der Magnetisierung des magnetischen Films eines ausgewählten Speicherelements (magnetoresistiver Film) erläutert.
Wie in 33 gezeigt, sind neun Speicherelemente (magnetoresistive Filme) 101 bis 109 in einer 3 × 3 Matrix in dem Speicherzellenarray angeordnet. Erste Schreibleitungen 311 bis 314 erstrecken sich in der Reihenrichtung, um so jeweilige Reihen der Speicherelemente zu umfassen (sandwich). Die linken Anschlüsse der Schreibleitungen 311 bis 314 in 33 sind gemeinsam verbunden. Ihre rechten Anschlüsse in 33 sind jeweils mit Transistoren 211 bis 214 zur Verbindung der Schreibleitungen 311 bis 314 mit einer Energieversorgung 411, und mit Transistoren 215 bis 218 zur Verbindung der Schreibleitungen 311 bis 314 mit einer Verdrahtungsleitung 300 verbunden. Zweite Schreibleitungen 321 bis 324 erstrecken sich in der Spaltenrichtung, um so jeweilige Spalten der Speicherelemente zu umfassen (sandwich). Die oberen Anschlüsse der Schreibleitungen 321 bis 324 in 33 sind gemeinsam verbunden. Ihre unteren Anschlüsse in 33 sind mit Transistoren 219 bis 222 zur Erdung der Schreibleitungen 321 bis 324, und mit Transistoren 223 bis 226 zur Verbindung der Schreibleitungen 321 bis 324 mit der Verdrahtungsleitung 300 verbunden.
Um beispielsweise die Magnetisierung des magnetoresistiven Films 105 selektiv zu schalten, werden die Transistoren 212, 217, 225, und 220 eingeschaltet, und die verbleibenden bzw. übrigen Transistoren werden ausgeschaltet. Dann fließt ein Strom durch die Schreibleitungen 312, 313, 323 und 322, um Magnetfelder um sie herum zu induzieren. Bei diesem Zustand werden Magnetfelder in der selben Richtung von den vier Schreibleitungen nur an den magnetoresistiven Film 105 angelegt. Die übrigen magnetoresistiven Filme empfangen nur Magnetfelder in der gleichen Richtung von zwei Schreibleitungen oder empfangen Magnetfelder in entgegen gesetzten Richtungen, um die Magnetfelder auszulöschen. Das an die übrigen magnetoresistiven Filme angelegte Magnetfeld ist viel kleiner als das an den magnetoresistiven Film 105 Angelegte. Ein kombiniertes Magnetfeld beim Anlegen von Magnetfeldern in der selben Richtung von vier Schreibleitungen wird eingestellt, dass es etwas größer als das Magnetisierungsschaltmagnetfeld des magnetischen Films eines Speicherelements (magnetoresistiven Films) ist. Diese Einstellung ermöglicht ein selektives Schalten von nur der Magnetisierung des magnetoresistiven Films 105. Um an den magnetoresistiven Film 105 Magnetfelder anzulegen, die zu den zuvor beschriebenen entgegengesetzt sind, werden die Transistoren 213, 216, 224, und 221 eingeschaltet, und die übrigen Transistoren werden ausgeschaltet. Dann fließt ein Strom durch die Schreibleitungen 312, 313, 323, und 322 in einer zu der zuvor beschriebenen Richtung entgegen gesetzten Richtung. An den magnetoresistiven Film 105 wird ein Magnetfeld in einer entgegen gesetzten Richtung angelegt. Daher werden die anderen Informationen von Binärinformationen auf dem magnetoresistiven Film 105 aufgezeichnet.
Es wird der Lesebetrieb beschrieben. Wie in 34 gezeigt, ist einer von Transistoren 231 bis 239 zur Erdung von Speicherelementen bei einem Anschluss von jedem der Speicherelemente (magnetoresistive Filme) 101 bis 109 in Reihe gebildet. An jeweiligen Reihen sind Bitleitungen 331 bis 333 gebildet. Die rechten Anschlüsse der Bitleitungen 331 bis 333 in 34 sind mit Transistoren 240 bis 242 zur Verbindung der Bitleitungen mit einer Energieversorgung 412 über einen festen Widerstand 150 verbunden. Die Bitleitung 331 ist mit dem anderen Anschluss von jedem der magnetoresistiven Filme 101 bis 103 verbunden. Die Bitleitung 332 ist mit dem anderen Anschluss von jedem der magnetoresistiven Filme 104 bis 106 verbunden. Die Bitleitung 333 ist mit dem anderen Anschluss von jedem der magnetoresistiven Filme 107 bis 109 verbunden. Die linken Anschlüsse der Bitleitungen 331 bis 333 in 34 sind gemeinsam mit einem Messverstärker 500 zur Verstärkung der Differenzen zwischen den Potentialen dieser Bitleitungen und einer Bezugsspannung Ref verbunden. Auf jeweiligen Spalten sind Wortleitungen 341 bis 343 gebildet. Die Wortleitung 341 ist mit den Gattern bzw. Gates der Transistoren 231, 234, und 237 verbunden. Die Wortleitung 342 ist mit den Gattern bzw. Gates der Transistoren 232, 235, und 238 verbunden. Die Wortleitung 343 ist mit den Gattern bzw. Gates der Transistoren 233, 236, und 239 verbunden.
Beispielsweise sind auf dem magnetoresistiven Film 105 aufgezeichnete Informationen auszulesen. In diesem Fall werden die Transistoren 235 und 241 eingeschaltet, damit sie eine Schaltung bilden, bei welcher die Energieversorgung 412, der feste Widerstand 150 und der magnetoresistive Film 105 in Reihe geschaltet sind. Die Energieversorgungsspannung wird in die Widerstände des festen Widerstands 150 und des magnetoresistiven Films 105 mit dem Verhältnis zwischen den Widerstandswerten des festen Widerstands 150 und des magnetoresistiven Films 105 aufgeteilt. Da die Energieversorgungsspannung fest bzw. fixiert ist, ändert eine Änderung des Widerstandswerts des magnetoresistiven Films 105 die an den magnetoresistiven Film 105 angelegte Spannung. Dieser Spannungswert wird durch den Messverstärker 500 ausgelesen, wodurch auf dem magnetoresistiven Film 105 aufgezeichnete Informationen ausgelesen werden.
35 zeigt schematisch die dreidimensionale Struktur des 1-Bit-Randabschnitts dieses Speicherelements. 35 zeigt die nahe Umgebung des magnetoresistiven Films 105 in 33 und 34. Beispielsweise werden zwei n-Typ Diffusionsbereiche 162 und 163 in einem p-Typ Si-Substrat 161 gebildet. Die Wortleitung 342 (Gatelektrode) ist zwischen den n-Typ Diffusionsbereichen 162 und 163 über eine isolierende Schicht 123 gebildet. Eine Erdungsverdrahtung 356 ist mit dem n-Typ Diffusionsbereich 162 über den Kontaktstecker 351 verbunden. Der magnetoresistive Film 105 ist mit dem n-Typ Diffusionsbereich 163 über Kontaktstecker 352, 353, 354, und 357 und eine lokale Verdrahtung 358 verbunden. Der magnetoresistive Film 105 ist mit der Bitleitung 332 über einen Kontaktstecker 355 verbunden. Die Schreibleitungen 322 und 323 zur Erzeugung eines Magnetfelds sind neben dem magnetoresistiven Film 105 angeordnet.
(Zwölftes Ausführungsbeispiel)
Bei dem zwölften Ausführungsbeispiel wird die Magnetisierung durch Anlegen von Magnetfeldern an ein magnetoresistives Element von zumindest zwei Richtungen geschaltet, das heißt von einer Richtung senkrecht zu der Filmoberfläche und einer longitudinalen Richtung, wenn Informationen aufgezeichnet werden. 36 zeigt eine Speicherschaltungsanordnung mit einem Speicherzellenarray. Bei diesem Speicher werden Informationen durch Anlegen eines longitudinalen Magnetfelds und eines senkrechten Magnetfelds an ein gewünschtes Speicherelement aufgezeichnet. Das longitudinale Magnetfeld wird durch Fließen Lassen eines Stroms durch eine Bitleitung erzeugt. Bei dem Speicherzellenarray des zehnten Ausführungsbeispiels sind eine Informationsschreibschaltung und -leseschaltung voneinander elektrisch getrennt. Bei dem bei dem zwölften Ausführungsbeispiel beschriebenen Speicherarray teilen eine Schreibschaltung und Leseschaltung eine Bitleitung.
Als eine Anordnung zur Aufzeichnung von Informationen sind neun Speicherelemente (magnetoresistive Filme) 101 bis 109 in einer 3 × 3 Matrix in dem Speicherzellenarray angeordnet, wie in 36 gezeigt. Schreibleitungen 611 bis 614 erstrecken sich in der Reihenrichtung, um so jeweilige Reihen der Speicherelemente zu umfassen (sandwich). Die oberen Anschlüsse der Schreibleitungen 611 bis 614 in 36 sind gemeinsam verbunden. Ihre unteren Anschlüsse in 36 sind jeweils mit Transistoren 511 bis 514 zur Verbindung der Schreibleitungen 611 bis 614 mit einer Energieversorgung 411, und mit Transistoren 515 bis 518 zur Verbindung der Schreibleitungen 611 bis 614 mit einer Verdrahtungsleitung 600 verbunden.
Als eine Anordnung zum Auslesen von Informationen ist einer von Transistoren 531 bis 539 zur Erdung von Speicherelementen bei einem Anschluss von jedem der Speicherelemente (magnetoresistiven Filme) 101 bis 109 in Reihe gebildet. An jeweiligen Reihen sind Bitleitungen 631 bis 633 gebildet. Die rechten Anschlüsse der Bitleitungen 631 bis 633 in 36 sind mit Transistoren 540 bis 542 zur Verbindung der Bitleitungen 631 bis 633 mit einer Energieversorgung 412 über einen festen Widerstand 150, und mit Transistoren 521 bis 523 zur Verbindung der Bitleitungen 631 bis 633 mit einer Verdrahtungsleitung 600 verbunden. Die Bitleitung 631 ist mit dem anderen Anschluss von jedem der magnetoresistiven Filme 101 bis 103 verbunden. Die Bitleitung 632 ist mit dem anderen Anschluss von jedem der magnetoresistiven Filme 104 bis 106 verbunden. Die Bitleitung 633 ist mit dem anderen Anschluss von jedem der magnetoresistiven Filme 107 bis 109 verbunden. Die linken Anschlüsse der Bitleitungen 631 bis 633 in 36 sind gemeinsam mit einem Messverstärker 500 zur Verstärkung der Differenzen zwischen den Potentialen dieser Bitleitungen und der Bezugsspannung Ref über einen Transistor 551 verbunden. Zudem sind ihre linken Anschlüsse über einen Transistor 624 mit dem Erdpotential verbunden. Auf jeweiligen Spalten sind Wortleitungen 641 bis 643 gebildet. Die Wortleitung 641 ist mit den Gattern bzw. Gates der Transistoren 531, 534, und 537 verbunden. Die Wortleitung 642 ist mit den Gattern bzw. Gates der Transistoren 532, 535, und 538 verbunden. Die Wortleitung 643 ist mit den Gattern bzw. Gates der Transistoren 533, 536, und 539 verbunden.
Es wird ein Verfahren des selektiven Schaltens der Magnetisierung des magnetischen Films eines ausgewählten Speicherelements beschrieben. Um beispielsweise die Magnetisierung des magnetoresistiven Films 105 selektiv zu schalten, werden die Transistoren 512, 517, 522, und 524 eingeschaltet, und die verbleibenden bzw. übrigen Transistoren werden ausgeschaltet. Dann fließt ein Strom durch die Schreibleitungen 612 und 613, um Magnetfelder senkrecht zu der Filmoberfläche des magnetoresistiven Films 105 anzulegen. Es fließt auch ein Strom durch die Bitleitung 632, und ein erzeugtes Magnetfeld wird an die Filmoberfläche des magnetoresistiven Films 105 angelegt.
Der magnetoresistive Film 105 empfängt das Magnetfeld in der Filmoberfläche und das relativ große Magnetfeld senkrecht zu der Filmoberfläche, wodurch die Magnetisierung des magnetoresistiven Films 105 geschaltet wird. Die übrigen magnetoresistiven Filme 101 bis 104 und 106 bis 109 empfangen kein Magnetfeld, das so groß ist, wie das an den magnetoresistiven Film 105 Angelegte. Ihre Magnetisierungsrichtungen können unverändert gehalten werden. Durch geeignetes Setzen der Größe des Stroms kann die Magnetisierung von nur dem magnetoresistiven Film 105 geschaltet werden. Um an den magnetoresistiven Film 105 Magnetfelder anzulegen, die zu den zuvor beschriebenen entgegengesetzt sind, werden die Transistoren 513, 516, 522, und 524 eingeschaltet, und die übrigen Transistoren werden ausgeschaltet. Dann fließt ein Strom durch die Schreibleitung 632, um an den magnetoresistiven Film 105 ein longitudinales Magnetfeld anzulegen. Zu der gleichen Zeit fließt ein Strom in einer entgegengesetzten Richtung durch die Schreibleitungen 613 und 612, um ein Magnetfeld senkrecht zu der Filmoberfläche an den magnetoresistiven Film 105 anzulegen. Daher werden die anderen Informationen von Binärinformationen auf dem magnetoresistiven Film 105 aufgezeichnet.
Es wird der Lesebetrieb beschrieben. Beispielsweise sind auf dem magnetoresistiven Film 105 aufgezeichnete Informationen auszulesen. In diesem Fall werden die Transistoren 535 und 541 eingeschaltet, damit sie eine Schaltung bilden, bei welcher die Energieversorgung 412, der feste Widerstand 150 und der magnetoresistive Film 105 in Reihe geschaltet sind. Die Energieversorgungsspannung wird in die Widerstände des festen Widerstands 150 und des magnetoresistiven Films 105 mit dem Verhältnis zwischen den Widerstandswerten des festen Widerstands 150 und des magnetoresistiven Films 105 aufgeteilt. Da die Energieversorgungsspannung fest bzw. fixiert ist, ändert eine Änderung des Widerstandswerts des magnetoresistiven Films 105 die an den magnetoresistiven Film 105 angelegte Spannung. Dieser Spannungswert wird durch den Messverstärker 500 ausgelesen, wodurch auf dem magnetoresistiven Film 105 aufgezeichnete Informationen ausgelesen werden.
(Vergleichendes Beispiel)
Ein magnetoresistiver Film wurde ohne Bilden der magnetischen Schicht 111 bei dem in 29 gezeigten magnetoresistiven Film aufgebaut. Ein Si-Wafer (Siliziumsubstrat) wurde als ein Substrat verwendet. Durch Sputtern in einem Filmbildungsgefäß wurde ein 30 nm dicker Tb₂₀(Fe₆₀Co₄₀)₈₀-Film als eine magnetische Schicht 113 und ein 1 nm dicker Fe₆₀Co₄₀-Film als eine magnetische Schicht 120 hoher Spinpolarisierbarkeit sequentiell auf dem Substrat gebildet. Unter Verwendung eines Al₂O₃-Ziels wurde ein nichtmagnetischer dielektrischer Film 115 auf eine Filmdicke von 1,5 nm gesputtert. Der erlangte Film wurde in einer Sauerstoffatmosphäre plasmaoxidiert, um Sauerstoffatome zu kompensieren, die in dem nichtmagnetischen dielektrischen Film 115 ausgelassen sind. Dementsprechend wurde der nichtmagnetische dielektrische Film 115 in die Al₂O₃-Komposition umgewandelt. Es wurde eine Evakuierung ausreichend durchgeführt, und dann wurden ein 1 nm dicker Fe₆₀Co₄₀-Film als eine magnetische Schicht 119 hoher Spinpolarisierbarkeit, ein 50 nm dicker Gd₂₁(Fe₆₀Co₄₀)₇₉-Film als eine magnetische Schicht 112, ein 2 nm dicker Pt-Film als eine Schutzschicht sequentiell durch Sputtern gebildet. In diesem Fall wurde die magnetische Schicht 113 gebildet, während ein Magnetfeld, dessen Koerzitivkraft kleiner als diejenige der magnetischen Schicht war, senkrecht an das Substrat angelegt wurde. Die magnetische Schicht 120 hoher Spinpolarisierbarkeit wurde zu der magnetischen Schicht 113 austauschgekoppelt; und die magnetische Schicht 119 hoher Spinpolarisierbarkeit zu der magnetischen Schicht 112. Die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 119 und 120 hoher Spinpolarisierbarkeit orientierten sich senkrecht zu der Filmoberfläche. Die magnetischen Schichten 119 und 120 hoher Spinpolarisierbarkeit wurden gebildet, um ein hohes Magnetwiderstandsverhältnis zu erlangen.
Auf dem resultierenden vielschichtigen Film wurde ein 0,5 μm Fotolackfilm gebildet. Durch Trockenätzen wurde ein Abschnitt des nicht mit dem Fotolack bedeckten vielschichtigen Films entfernt. Nach dem Ätzen wurde ein Al₂O₃-Film auf eine Filmdicke von 90 nm gesputtert. Der Fotolack und der Al₂O₃-Film darauf wurden entfernt, und es wurde ein isolierender Film zur elektrischen Isolation einer oberen Elektrode und des Si-Wafers gebildet. Eine untere Elektrode wurde aus einem Al-Film durch ein Abhebeverfahren gebildet. Es wurde ein Abschnitt des nicht mit der oberen Elektrode bedeckten Al₂O₃-Films entfernt, um einen Elektrodenanschluss zum Anschließen einer Messschaltung zu bilden. Als ein Ergebnis war ein magnetoresistiver Film vollendet.
Zwischen die obere Elektrode und die untere Elektrode (Si-Wafer) des magnetoresistiven Films wurde eine Konstantstromquelle verbunden. Ein konstanter Strom wurde so fließen gelassen, dass Elektronen veranlasst wurden, durch den Al₂O₃-Film des nichtmagnetischen dielektrischen Films 115 zu tunneln. Ein Magnetfeld wurde senkrecht an die Filmoberfläche des magnetoresistiven Films angelegt. Die Größe und Richtung des Magnetfelds wurden geändert, um Änderungen (Magnetwiderstandskurve) bei der Spannung des magnetoresistiven Films zu messen. Die Messergebnisse legten an den Tag, dass ein extern angelegtes Magnetfeld, wenn die an den magnetoresistiven Film angelegte Spannung abfiel, eine um ungefähr 1,5 kA/m kleinere Größe als ein extern angelegtes Magnetfeld hatte, wenn die Spannung anstieg. Das heißt, dieser magnetoresistive Film litt unter dem Phänomen, bei welchem sich die Größe eines zum Schalten der Magnetisierung erforderlichen extern angelegten Magnetfelds abhängig von der Magnetisierungsschaltrichtung änderte, das heißt, ein unter dem Einfluss eines Magnetfelds erzeugtes Versatzmagnetfeld trat aus der magnetischen Schicht 113 aus, die als eine magnetische Schicht hoher Koerzitivkraft diente.
(Dreizehntes Ausführungsbeispiel)
37A und 37B zeigen ein Beispiel eines magnetoresistiven Elements gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel. Ein Film senkrechter Magnetisierung hat im Allgemeinen eine kleine Demagnetisierungsenergie und hat eine kleinere Magnetisierungsgröße als diejenige eines Films longitudinaler Magnetisierung. Dieser Film senkrechter Magnetisierung wird für eine magnetische Schicht verwendet, um ein doppelt tunnelndes magnetoresistives Element zu bilden. In diesem Fall kann die Größe eines Magnetfelds vermindert werden, das durch die Magnetisierung von jeder gestapelten magnetischen Schicht zu einer anderen magnetischen Schicht angelegt wird. Insbesondere kann ein Magnetfeld reduziert werden, das aus einer magnetischen Schicht hoher Koerzitivkraft zu einer magnetischen Schicht geringer Koerzitivkraft ausgetreten ist. Ein antiparalleler Magnetisierungszustand kann einfach realisiert werden. Zusätzlich kann der Verschiebebetrag durch ein Versatzmagnetfeld vermindert werden, das die MH-Kurve durch ein ausgetretenes Magnetfeld versetzt. Eine Reduktion eines Verschiebemagnetfelds (Versatzmagnetfelds) bedeutet eine Unterbindung einer Erhöhung des Schaltmagnetfelds. Die Verwendung dieses magnetoresistiven Elements als das Speicherelement eines MRAMs kann den Energieverbrauch unterbinden und kann auch ein fehlerhaftes Schreiben in eine benachbarte Speicherzelle unterbinden. In 37A und 37B zeigen Pfeile die Magnetisierungsrichtungen von magnetischen Schichten an. 37A und 37B zeigen zwei stabile Magnetisierungszustände des magnetoresistiven Elements.
Das magnetoresistive Element ist durch sequentielles Stapeln einer magnetischen Schicht 111, die senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert ist, einer ersten nichtmagnetischen Schicht N1, einer magnetischen Schicht 112, die senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert ist, einer zweiten nichtmagnetischen Schicht N2, und einer magnetischen Schicht 113 produziert, die senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert ist. Bei dem Zustand von 37A sind alle magnetischen Schichten aufwärts magnetisiert. Bei dem Zustand von 37B ist nur die magnetische Schicht 112 abwärts magnetisiert. Die nichtmagnetischen Schichten N1 und N2 sind aus isolierenden Schichten gebildet. Die nichtmagnetischen Schichten N1 und N2 sind dick genug, damit ein Tunnelstrom fließt, und der Tunnelwiderstandswert ändert sich abhängig von dem Spintunneleffekt. In diesem Fall werden die beiden nichtmagnetischen Schichten als isolierende Schichten eingesetzt, und jede magnetische Schicht ist aus einem Film senkrechter Magnetisierung gebildet. Dieses magnetoresistive Element kann als ein doppelt tunnelndes MR-Element senkrechter Magnetisierung angesehen werden. Fließt ein Strom in der Richtung der Filmdicke dieses Elements, ist der Widerstand bei dem Zustand von 37A klein, da Magnetisierungen parallel zueinander sind, jedoch ist er bei dem Zustand von 37B groß, da die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 111 und 112 antiparallel zueinander sind und diejenigen der magnetischen Schichten 112 und 113 auch antiparallel zueinander sind.
Bei einem TMR-Element mit zwei isolierenden Schichten, wie bei dem dreizehnten Ausführungsbeispiel, ist an jede isolierende Schicht eine Spannung angelegt, die 1/2 der Spannung ist, die von ganz oben und ganz unten von dem Element angelegt wird. Von diesem ist es für das Speicherelement des MRAMs mehr vorzuziehen, die Vorspannungsabhängigkeit des MR-Verhältnisses zu reduzieren und eine Verminderung des MR-Verhältnisses zu reduzieren.
Durch Setzen der Koerzitivkräfte der magnetischen Schichten 111 und 113 höher als die der magnetischen Schicht 112 kann ein Magnetisierungszustand realisiert werden, bei welchem sich nur die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht ändert, wie in 37B gezeigt. Genauer gesagt, an das Element wird ein Magnetfeld angelegt, das größer als die Koerzitivkräfte der magnetischen Schichten 111 und 113 ist, um die Richtungen dieser magnetischen Schichten auszurichten. Danach wird ein kleineres Magnetfeld angelegt, um die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 zu ändern. Bei diesem Element kann der Elementwiderstandswert durch den Spintunneleffekt erhöht/vermindert werden, indem die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 durch ein externes Magnetfeld geändert wird.
Die magnetischen Schichten 111 und 113 sind in der selben Richtung magnetisiert, und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 wird gemäß von Aufzeichnungsinformationen geändert. Beim Lesen wird der Widerstandswert erfasst. Auf diese Weise kann das magnetoresistive Element als ein Speicherelement funktionieren.
Im Gegensatz dazu können, wenn die Koerzitivkräfte der magnetischen Schichten 111 und 113 kleiner als diejenige der magnetischen Schicht 112 gesetzt sind, die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 durch ein externes Magnetfeld geändert werden, während die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 fixiert ist, wie in 38A und 38B gezeigt. Dies kann einen in 38A gezeigten Niedrigwiderstandszustand und einen in 38B gezeigten Hochwiderstandszustand realisieren.
Die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 können gemäß von Aufzeichnungsinformationen geändert werden, und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 kann beim Lesen geschaltet werden. Auf diese Weise funktioniert das magnetoresistive Element als ein Speicherelement. Genauer gesagt, die Koerzitivkräfte der magnetischen Schichten 111 und 113 werden höher als diejenige der magnetische Schicht 112 gesetzt, und Informationen werden durch das Differentialerfassungsverfahren ausgelesen. 39A1, 39A2, 39B1 und 39B2 zeigen Beispiele des Magnetisierungszustands zu dieser Zeit. In 39A1 und 39A2 sind die magnetischen Schichten 111 und 113 nach oben magnetisiert, und es werden zu "1" entsprechende Informationen aufgezeichnet. In 39B1 und 39B2 sind die magnetischen Schichten 111 und 113 nach unten magnetisiert, und es werden zu "0" entsprechende Informationen aufgezeichnet. Diese zwei Magnetisierungsrichtungen entsprechen Binärdaten "0" und "1". Der Unterschied zwischen 39A1 und 39A2 ist die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112. Der Unterschied zwischen 39B1 und 39B2 ist auch die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112. In jedem Fall wird beim Wiedergeben von Informationen ein Aufwärtsmagnetfeld an das Element angelegt, und dann wird ein Abwärtsmagnetfeld angelegt. Das Magnetfeld ist zu dieser Zeit größer als die Koerzitivkraft der magnetischen Schicht 112 und kleiner als die Koerzitivkräfte der magnetischen Schichten 111 und 113 gesetzt, um so nur die Magnetisierung der magnetischen Schicht 112 zu schalten. Werden Informationen aufgezeichnet, indem die magnetischen Schichten 111 und 113 aufwärts magnetisiert werden, ändert sich der Widerstand von einem hohen Widerstand zu einem geringen Widerstand. Werden Informationen aufgezeichnet, indem die magnetischen Schichten 111 und 113 abwärts magnetisiert werden, ändert sich der Widerstand von einem geringen Widerstand zu einem hohen Widerstand. Eine derartige Widerstandsänderung kann erfasst werden, um aufgezeichnete Informationen auszulesen.
Alternativ können die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 fixiert werden, die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 gemäß von Aufzeichnungsinformationen geändert werden, und der Widerstandswert beim Lesen erfasst werden. Auch in diesem Fall funktioniert das magnetoresistive Element als ein Speicherelement..
Dieses Beispiel ist in 40A1, 40A2, 40B1 und 40B2 gezeigt. 40A1 und 40A2 zeigen einen Zustand, bei welchem die magnetische Schicht 112 nach oben bzw. aufwärts magnetisiert ist. Bei 40B1 und 40B2 sind Informationen aufgezeichnet, indem die magnetische Schicht 112 nach unten bzw. abwärts magnetisiert ist. Die Zustände von 40A1 und 40A2 entsprechen einem von Binärdaten "0" und "1", wohingegen die Zustände von 40B1 und 40B2 dem anderen Zustand entsprechen.
Auch bei diesem Beispiel wird ein Aufwärtsmagnetfeld an das Element angelegt, und dann wird ein Abwärtsmagnetfeld angelegt. Das Magnetfeld ist zu dieser Zeit kleiner als die Koerzitivkraft der magnetischen Schicht 112 und größer als die Koerzitivkräfte der magnetischen Schichten 111 und 113 gesetzt, um so nur die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 111 und 113 ohne Schalten der Magnetisierung der magnetischen Schicht 112 zu schalten. Eine Widerstandswertänderung kann erfasst werden, um aufgezeichnete Informationen auszulesen.
(Vierzehntes Ausführungsbeispiel)
Bei der Struktur bzw. Aufbau des vierzehnten Ausführungsbeispiels sind magnetische Schichten 111 und 113 aus einem Ferrimagnet aus einer Seltenerd-Übergangsmetalllegierung gebildet. Die kombinierten Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 sind antiparallel zueinander gemacht. Diese Struktur kann ein zu einer magnetischen Schicht 112 ausgetretenes Magnetfeld reduzieren, und kann mehr bevorzugt die Vorspannungsabhängigkeit des MR-Verhältnisses reduzieren. 41A und 41B zeigen diese Elementstruktur. In 41A und 41B zeigen von Pfeilen in den magnetischen Schichten 111 und 113 jeder äußere Umrisspfeil die kombinierte Magnetisierungsrichtung der gesamten magnetischen Schicht mit den Nebengittermagnetisierungen des Seltenerdelements und des Übergangsmetalls. Jeder innere Pfeil mit durchgezogener schwarzer Linie repräsentiert die Nebengittermagnetisierungsrichtung des Übergangsmetalls, welches den Magnetwiderstandseffekt beeinflusst.
Beispielsweise wird ein magnetoresistives Element erstellt, indem die magnetische Schicht 111 aus einem Seltenerd-Eisenfamilienlegierungsfilm, bei welchem die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist, und die magnetische Schicht 113 aus einem Seltenerd-Eisenfamilienlegierungsfilm gebildet wird, bei welchem die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist. Der Seltenerd-Eisenfamilienlegierungsfilm ist ein Ferrimagnet, bei welchem die Nebengittermagnetisierungen des Seltenerdelements und des Eisenfamilienelements antiparallel zueinander sind. Die Nettomagnetisierung ist die Differenz zwischen diesen Nebengittermagnetisierungen. Die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements verursacht hauptsächlich den Magnetwiderstand. Die den Magnetwiderstand verursachende Nettomagnetisierung und Magnetisierungsrichtung können antiparallel zueinander gemacht werden, indem eine magnetische Schicht auf eine Komposition bzw. Zusammensetzung, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist, und die andere magnetische Schicht auf eine Komposition bzw. Zusammensetzung eingestellt wird, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist.
Alternativ kann die magnetische Schicht 111 auf eine Komposition bzw. Zusammensetzung gesetzt werden, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Seltenerdelements dominant ist, wohingegen die magnetische Schicht 113 und auf eine Komposition bzw. Zusammensetzung gesetzt werden kann, bei welcher die Nebengittermagnetisierung des Eisenfamilienelements dominant ist.
Nichtmagnetische Schichten N1 und N2 können aus einem guten Leiter, wie beispielsweise Cu, um so einen GMR-Effekt (Gigantischer Magnetwiderstandseffekt) zu erzeugen, oder einem Isolator, wie beispielsweise Al₂O₃, angefertigt werden, um einen Spintunneleffekt zu erzeugen. Der Spintunneleffekt legt ein höheres Magnetwiderstandsverhältnis wie das des GMR-Effekts an den Tag, und ermöglicht ein Setzen eines für die Speicherzelle eines MRAMs geeigneten Widerstandswerts. Es ist vorzuziehen, den Spintunneleffekt zu verursachen. Das heißt, sowohl die erste nichtmagnetische Schicht N1 als auch die zweite nichtmagnetische Schicht N2 sind wünschenswerterweise aus einer isolierenden Schicht angefertigt.
Es kann ein beliebiger Materialfilm Verwendung finden, so lange der Film senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert ist und den Magnetwiderstandseffekt erzeugt. Beispiele eines derartigen Films sind der zuvor beschriebene Seltenerd-Eisenfamilienlegierungsfilm, ein CoCr-Legierungsfilm und ein Granatfilm. Von diesen Materialien ist die Seltenerd-Eisenfamilienlegierung vorzuziehen, da diese Legierung nach Filmbildung einfach in einen Film senkrechter Magnetisierung bei Raumtemperatur geändert wird und frei von einem beliebigen nachteiligen Effekt auf die Kristallkorngrenze ist. Alle magnetischen Schichten 111, 112 und 113 sind vorzugsweise aus einem ferrimagnetischen Film gebildet, der aus einer Legierung aus einem Seltenerdelement und einem Eisenfamilienelement angefertigt ist.
Beispiele des Seltenerd-Eisenfamilienlegierungsfilms sind GdFe, GdFeCo, TbFe, TbFeCo, DyFe, und DyFeCo. Die senkrechten magnetischen Anisotropien dieser magnetischen Filme werden größer, wie die Filme Gd, Dy, und Tb in der genannten Reihenfolge enthalten. Für eine Schicht mit einer hohen Koerzitivkraft werden vorzugsweise TbFe oder TbFeCo eingesetzt. Für eine Schicht mit einer geringen Koerzitivkraft werden vorzugsweise GdFe oder GdFeCo eingesetzt.
Die Filmdicke jeder magnetischen Schicht fällt vorzugsweise in den Bereich von 2 nm bis 1 μm. Der Grund dafür liegt darin, dass ein Film dünner als 1 nm schwierig seine Magnetisierung in einer Richtung beibehalten kann. Ein Film dicker als 1 μm ist schwierig zu verarbeiten, und seine Rauigkeit nimmt zu, so dass ein Tunnelbarrierenfilm kurzgeschlossen wird. Da auf diese Weise Probleme bei dem Herstellungsprozess entstehen, ist die Filmdicke vorzugsweise 100 nm oder geringer, und bevorzugter 5 nm oder mehr bis zu 50 nm oder geringer.
42A und 42B zeigen den Magnetisierungszustand eines magnetoresistiven Elements, das einen ferrimagnetischen Film verwendet, der aus einer Legierung aus einem Seltenerdelement und Eisenfamilienelement angefertigt ist. Jede durchgezogene Linie in den magnetischen Schichten 111 und 113 repräsentiert die Nebengittermagnetisierungsrichtung des Eisenfamilienelements (TE); jede gepunktete bzw. gestrichelte Linie, die Nebengittermagnetisierungsrichtung des Seltenerdelements (RE). 42A und 42B zeigen einen Fall, bei welchem die Koerzitivkräfte der magnetischen Schichten 111 und 113 höher als diejenige der magnetischen Schicht 112 sind, die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten 111 und 113 fixiert sind, und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 112 geschaltet wird.
Was die Austauschkopplungskraft betrifft, ist die Kopplungskraft des Eisenfamilienelements stärker als diejenige des Seltenerdelements. Das Eisenfamilienelement trägt hauptsächlich zu der Austauschkopplungskraft zwischen den magnetischen Schichten bei. In 42A sind die Nebengittermagnetisierungen des Eisenfamilienelements parallel, und der Widerstand ist mit dem Spintunneleffekt gering. In 42B ist der Magnetisierungszustand zwischen den magnetischen Schichten 111 und 112 und der zwischen den magnetischen Schichten 112 und 113 antiparallel zueinander, und der Widerstand ist hoch.
43A und 43B zeigen einen Fall, bei welchem die Koerzitivkraft der magnetischen Schicht 112 hoch ist, ihre Magnetisierungsrichtung fixiert ist, und die Magnetisierungen der magnetischen Schichten 111 und 113 geschaltet werden.
Bei dem vierzehnten Ausführungsbeispiel sind alle magnetischen Schichten 111, 112, und 113 vorzugsweise aus einem ferrimagnetischen Film gebildet, der aus einer Legierung aus einem Seltenerdelement und einem Eisenfamilienelement angefertigt ist.
Wie zuvor beschrieben, sind magnetische Schichten mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit auf den beiden Seiten einer nichtmagnetischen Schicht gebildet, um den Magnetwiderstandseffekt, und insbesondere den Spintunneleffekt, zu verbessern und das Magnetwiderstandsverhältnis zu erhöhen. Für den Spintunneleffekt bedeutet ein das Magnetwiderstandsverhältnis erhöhendes Magnetfeld einen Film mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit. Eine magnetische Schicht mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit wird wünschenswerterweise aus zumindest einem Abschnitt zwischen jeder magnetischen Schicht und einer entsprechenden nichtmagnetischen Schicht gebildet.
Magnetische Kopplung umfasst eine Austauschkopplung und magnetostatische Kopplung. Von diesen Kopplungen wirkt Austauschkopplung gleichmäßig in der Filmoberfläche, ohne dass eine nichtmagnetische Schicht zwischen magnetischen Schichten gebildet wird. Austauschkopplung ist wünschenswerter als magnetostatische Kopplung.
Die Filmdicke der magnetischen Schicht mit hoher Spinpolarisierbarkeit fällt in den Bereich von 10 nm in der Atomreihenfolge, und vorzugsweise in den Bereich von 1 nm bis 5 nm. Beispiele des Materials mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit sind ferromagnetische Materialien, wie beispielsweise Fe, Co und FeCo. Diese Materialien haben eine Eigenschaft, dass sie einfach in der Filmoberfläche durch ein Demagnetisierungsfeld aufgrund von großer Magnetisierung magnetisiert werden. Ein dünnerer Film wird leichter senkrecht magnetisiert, um die magnetischen Schichten 111, 112 und 113 austauschzukoppeln und sie senkrecht zu magnetisieren.
44 zeigt ein magnetoresistives Elements mit einer derartigen magnetischen Schicht mit hoher Spinpolarisierbarkeit. Dieses magnetoresistive Element ist aufgebaut, indem eine Schicht M1 aus Material hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen der magnetischen Schicht 111 und der ersten nichtmagnetischen Schicht N1, eine Schicht M2 aus Material hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen der ersten nichtmagnetischen Schicht N1 und der magnetischen Schicht 112, eine Schicht M3 aus Material hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen der magnetischen Schicht 112 und der zweiten nichtmagnetischen Schicht N2, und eine Schicht M4 aus Material hoher Spinpolarisierbarkeit zwischen der zweiten nichtmagnetischen Schicht N2 und der magnetischen Schicht 113 gebildet wird.
Für die Schichten M1 bis M4 aus Material hoher Spinpolarisierbarkeit können Schichten aus Co, Fe, CoFe, und dergleichen zum Einsatz kommen. Von diesen Materialien erzielt CoFe bevorzugt ein hohes MR-Verhältnis. Werden diese Materialien einzeln zur Filmbildung verwendet, ist der resultierende Film ein Film longitudinaler Magnetisierung. Es ist daher vorzuziehen, einen Dünnfilm aus einem derartigen Material zu bilden, diesen Film mit der magnetischen Schicht 111, 112 oder 113 austauschzukoppeln, und einen Film senkrechter Magnetisierung zu erlangen.
(Fünfzehntes Ausführungsbeispiel)
Das magnetoresistive Element von jedem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung setzt eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines senkrechten Magnetfelds ein.
Informationen werden in das magnetoresistive Element unter Verwendung der Magnetfelderzeugungseinrichtung aufgezeichnet. Dieses magnetoresistive Element kann als ein Speicherelement dienen. Beispielsweise ist, wie in 45A und 45B gezeigt, eine Schreibleitung 900 in der Nähe des magnetoresistiven Elements über einen (nicht abgebildeten) isolierenden Film angeordnet. Der isolierende Film ist angeordnet, um einen elektrischen Kontakt zwischen dem magnetoresistiven Element und der Schreibleitung zu verhindern.
Die Schreibleitung 900 erstreckt sich in einer Richtung senkrecht zu der Blattoberfläche. In 45A fließt ein Strom in Richtung auf die Blattoberfläche, um die Magnetisierung einer magnetischen Schicht 2 nach oben bzw. aufwärts zu ändern. In 45B fließt ein Strom in einer vorderen Richtung von der Blattoberfläche, um die Magnetisierung der magnetischen Schicht 2 nach unten zu ändern.
Um eine Speichervorrichtung (MRAM) aufzubauen, sind aus zuvor beschriebenen Speicherelementen gebildete Speicherzellen in einer Matrix angeordnet. Ein Schaltelement ist vorzugsweise angeordnet, um ein Nebensprechen zwischen Speicherelementen zu verhindern.
46 zeigt ein Speicherzellenarray mit einem Schaltelement. 46 zeigt nur eine von Speicherzellen bei dem Speicherzellenarray. In der Praxis sind identischen Speicherzellen in der seitlichen Richtung und in der Tiefenrichtung von 46 ausgerichtet, und sie sind in einer Matrix aufgereiht, wenn sie von oben betrachtet werden.
In 46 ist ein Anschluss eines magnetoresistiven Elements mit einem Senkenbereich (Drainregion) 31 in einem MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor) verbunden, der aus einer Gateelektrode 80, und Source und Drainregionen 32 und 31 aufgebaut ist, welche n+-Typ Regionen sind, die in einem Siliziumhalbleitersubstrat 33 des p-Typs gebildet sind. Der andere Anschluss des magnetoresistiven Elements ist mit einer Erfassungsleitung bzw. Messleitung 40 verbunden.
Beim Schreiben/Löschen von Aufzeichnungsinformationen werden Ströme durch die sich senkrecht zu der Blattoberfläche erstreckende Schreibleitung 900 und die sich entlang der Blattoberfläche erstreckende Bitleitung 40 fließen gelassen. Als ein Ergebnis können Informationen bei einem magnetoresistiven Element (Speicherzelle) aufgezeichnet werden, das bei der Kreuzung zwischen diesen Leitungen positioniert ist. Eine mit der Sourceregion 32 verbundene Elektrode 70 ist geerdet. Eine Stromquelle und Erfassungsschaltung bzw. Messschaltung sind jeweils auf der linken und rechten Seite der Messleitung 40 angeordnet. Dies ermöglich ein Anlegen eines Potentials, das dem Widerstandswert des magnetoresistiven Elements entspricht, an die Messschaltung, wodurch Informationen erfasst werden. Das fünfzehnte Ausführungsbeispiel kann auch das magnetoresistive Element als das Speicherelement eines MRAMs mit äquivalenten Schaltungen einsetzen, die unter Bezugnahme auf 33, 34 und 36 beschrieben sind.

Claims

Magnetoresistives Element, mit einer ersten magnetischen Schicht (1, 12, 13), die senkrecht zu einer Filmebene magnetisiert ist, einer zweiten magnetischen Schicht (21, 113), die senkrecht zu der Filmoberfläche magnetisiert ist und eine höhere Koerzitivkraft als die Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schicht hat, einer nichtmagnetischen Schicht (N2), die zwischen der ersten und zweiten magnetischen Schicht eingefügt ist, gekennzeichnet durch eine dritte magnetische Schicht (22, 111), die eine höhere Koerzitivkraft als die Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schicht hat und antiparallel zu der zweiten magnetischen Schicht magnetisiert ist.
Element nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der zweiten und dritten magnetischen Schicht (21, 22) eine ferrimagnetische Schicht umfasst.
Element nach Anspruch 1, wobei zumindest die erste magnetische Schicht (1), die nichtmagnetische Schicht (N2), die zweite magnetische Schicht (21), und die dritte magnetische Schicht (22) in dieser Reihenfolge geformt sind.
Element nach Anspruch 3, wobei die zweite magnetische Schicht (21) einen ferrimagnetischen Film aus einer seltenen Erd-Eisenfamilienelementlegierung umfasst, in welcher eine Nebengittermagnetisierung eines Eisenfamilienelements dominant ist, und die dritte magnetische Schicht (22) einen ferrimagnetischen Film aus einer seltenen Erd-Eisenfamilienelementlegierung umfasst, in welcher eine Nebengittermagnetisierung eines seltenen Erdelements dominant ist.
Element nach Anspruch 3, wobei die zweite magnetische Schicht (21) einen ferromagnetischen Film umfasst, der ein Eisenfamilienelement als eine Hauptkomponente enthält, und die dritte magnetische Schicht (22) einen ferrimagnetischen Film aus einer seltenen Erd-Eisenfamilienelementlegierung umfasst, in welcher eine Nebengittermagnetisierung eines seltenen Erdelements dominant ist.
Element nach Anspruch 2, wobei die ferrimagnetische Schicht (22) im Wesentlichen aus zumindest einem seltenen Erdelement, das aus der aus Gd, Tb, und Dy bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und zumindest einem Material besteht, das aus der aus Fe und Co bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
Element nach Anspruch 3, wobei ein isolierender Film (500) zwischen der zweiten und dritten magnetischen Schicht (21, 22) eingefügt ist.
Element nach Anspruch 1, wobei eine magnetische Schicht (11) mit einer höheren Spinpolarisierbarkeit als einer Spinpolarisierbarkeit der ersten magnetischen Schicht (12) zwischen der ersten magnetischen Schicht und der nichtmagnetischen Schicht (N2) eingefügt ist.
Element nach Anspruch 8, wobei die erste magnetische Schicht (12) einen ferrimagnetischen Film (12) aus einer seltenen Erd-Eisenfamilienelementlegierung umfasst, in welcher eine Nebengittermagnetisierung eines Eisenfamilienelements dominant ist, und die eine hohe Spinpolarisierbarkeit aufweisende magnetische Schicht (11) umfasst einen ferromagnetischen Film, der ein Eisenfamilienelement als eine Hauptkomponente enthält.
Element nach Anspruch 1, wobei eine Koerzitivkraft der zweiten und dritten magnetischen Schicht (21, 22) höher als diejenige der ersten magnetischen Schicht (1) ist.
Element nach Anspruch 1, wobei die nichtmagnetische Schicht (N2) eine isolierende Schicht umfasst.
Element nach Anspruch 1, wobei zumindest die zweite magnetische Schicht (113), die nichtmagnetische Schicht (N2), die erste magnetische Schicht (112), und die dritte magnetische Schicht (111) in dieser Reihenfolge geformt sind.
Element nach Anspruch 12, wobei eine nichtmagnetische Schicht (N1) zwischen die erste magnetische Schicht (112) und die dritte magnetische Schicht (111) eingefügt ist.
Speicherelement (101 bis 109), mit dem in Anspruch 1 definierten magnetoresistiven Element, und einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds senkrecht zu einer Filmoberfläche des magnetoresistiven Elements, wobei Informationen auf dem magnetoresistiven Element unter Verwendung der Magnetfelderzeugungseinrichtung aufgezeichnet werden.
MRAM, mit einem Substrat, einer Vielzahl von in Anspruch 14 definierten Speicherelementen (101 bis 109) an dem Substrat, einer Vielzahl von Schaltelementen (211 bis 226), die jedes einen Anschluss aufweisen, der mit einem Anschluss eines entsprechenden Speicherelements der Speicherelemente verbunden ist, und einer Vielzahl von Bitleitungen (331; 332; 333), welche mit den Speicherelementen verbunden sind und Informationen auslesen, die durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung aufgezeichnet sind.
Aufzeichnungs/Wiedergabeverfahren für das in Anspruch 15 definierte MRAM, mit den Schritten des Fixierens von Magnetisierungen der zweiten und dritten magnetischen Schicht (21; 22) des Speicherelements, Änderns einer Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht (1, 12), um Informationen aufzuzeichnen, und Auslesens eines Widerstandswerts abhängig von der Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht, um die Informationen wiederzugeben.