專利名稱：磁存儲器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及磁存儲器，更詳細地說，涉及具有集成了有強磁性隧道結(jié)型等的磁阻效應元件的存儲單元的結(jié)構(gòu)，能消除存儲單元之間的互相干擾、且用低功耗進行穩(wěn)定的記錄、讀出的磁存儲器。
背景技術：
已提出將使用磁性體膜的磁阻效應元件用于磁頭、磁傳感器等中，同時用于固體磁存儲器(磁阻效應存儲器MRAM(MagneticRandom Access Memory))中的方案。
近年來，在將一層電介質(zhì)插入兩個磁性金屬層之間的多層結(jié)構(gòu)膜中，使電流垂直于膜面流過，作為利用隧道電流的磁阻效應元件，設計出了所謂的“強磁性隧道結(jié)元件(TMR(Tunneling Magneto-Resistance effect)元件)”。在強磁性隧道結(jié)元件中，能獲得20％以上的磁阻變化率(J.Appl.Phys.79，4724(1996))，所以應用于MRAM的民用可能性增大了。
通過在強磁性電極上形成厚度為0.6nm～2.0nm的薄的Al(鋁)層后，將其表面暴露在氧輝光放電或氧氣中，能實現(xiàn)該強磁性隧道結(jié)元件。
另外，提出了將反強磁性體層附加在該強磁性單層隧道結(jié)的一側(cè)的強磁性層上，具有將一側(cè)作為磁化固定層的結(jié)構(gòu)的強磁性單層隧道結(jié)的方案(日本特開平10-4227號公報)。
另外，還提出了通過分散在電介質(zhì)中的磁性顆粒作為媒介的強磁性隧道結(jié)、或強磁性二重隧道結(jié)(連續(xù)膜)的方案(Phys.Rev.B56(10)，R5747(1997)；應用磁氣學會志23，4-2，(1999)；Appl.Phys.Lhys.Lett.73(19)，2829(1998)；Jpn.J.Appl.Phys.39，L1035(2001))。
在這些公報中，由于能獲得20～50％的磁阻變化率、以及能獲得所希望的輸出電壓值，所以即使增大施加在強磁性隧道結(jié)元件上的電壓值，也能抑制磁阻變化率的減少，所以有應用于MRAM的可能性。
使用這些強磁性單層隧道結(jié)或強磁性二重隧道結(jié)的磁記錄元件具有非易失性、寫入讀出時間達到10毫微秒以下的高速、改寫次數(shù)也在1015以上的電位。特別是使用強磁性二重隧道結(jié)的磁記錄元件，如上所述，由于能獲得所希望的輸出電壓值，所以即使增大施加在強磁性隧道結(jié)元件上的電壓值，也能抑制磁阻變化率的減少，所以能獲得較大的輸出電壓，作為磁記錄元件呈現(xiàn)出優(yōu)異的特性。
可是，關于存儲器的單元尺寸，在采用1Tr(晶體管)-1TMR結(jié)構(gòu)(例如USP5、734、605號公報中公開的結(jié)構(gòu))的情況下，存在不能使尺寸小于半導體的DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)的尺寸以下的問題。
為了解決該問題，設計出了在位(bit)線和字(word)線之間串聯(lián)連接了TMR單元和二極管的二極管型結(jié)構(gòu)(USP5、640、343號公報)、或在位線和字線之間配置了TMR單元的單純矩陣型結(jié)構(gòu)(DE19744095、WO 9914760)。
可是，在任何情況下，由于向存儲層寫入時利用由電流脈沖產(chǎn)生的電流磁場進行反轉(zhuǎn)，所以存在功耗大、由于存在布線的允許電流密度極限而限制了能集成的單元個數(shù)、以及由于寫入電流的絕對值達到1mA左右而使得驅(qū)動器的面積增大等問題。
因此，在與其他作為非易失性固體磁存儲器的FeRAM(強電介質(zhì)隨機存取存儲器)或快速存儲器等相比較的情況下，應改善的問題多。
針對這些問題，設計出了在寫入布線的周圍設置由具有高磁導率的材料構(gòu)成的薄膜的固體磁存儲裝置(美國專利5,659,499號、美國專利5,956,267、國際專利申請WO 00/10172及美國專利5,940,319)。如果采用這些磁存儲裝置，則由于在布線周圍設有高磁導率磁性膜，所以能有效地降低向磁記錄層寫入信息時所需要的電流值。
可是，在美國專利5,659,499號公開的磁存儲裝置中，加在磁阻效應膜的記錄層上的磁場不均勻，另外，在美國專利5,956,267和美國專利5,940,319中公開的磁存儲裝置中，如“雙自旋閥型二重隧道結(jié)”那樣，在自由層(記錄層)被設置在層疊的磁性層的中心部的結(jié)構(gòu)中，難以將磁場有效地加在自由層上。
另一方面，在國際專利申請WO 00/10172中公開的磁存儲裝置中，雖然是一種能將較大的磁場加在自由層上的結(jié)構(gòu)，但其制造極其困難。
另外，本發(fā)明者獨自研究的結(jié)果表明，在將由這樣的磁性材料形成的覆蓋層設置在寫入布線的周圍的情況下，該覆蓋層的磁化狀態(tài)及其重要。即，判明了不能將來自寫入布線的電流磁場有效地加在磁阻效應元件的記錄層上。另外，同時判明了隨著覆蓋層的磁化方向的不同，在接近的磁阻效應元件之間產(chǎn)生磁相互作用，星形曲線變形，所以有時對寫入或讀出產(chǎn)生不良影響。
本發(fā)明正是基于對這樣的課題的認識而完成的，其目的在于提供一種在寫入布線的周圍設有由磁性材料構(gòu)成的覆蓋層的情況下，通過控制其磁化狀態(tài)，能將電流磁場有效地加在記錄層上的磁存儲器。

發(fā)明內(nèi)容
為了達到上述目的，本發(fā)明的第一種磁存儲器是備有有磁記錄層的磁阻效應元件；以及在上述磁阻效應元件的上面或下面沿第一方向延伸的第一布線；利用使電流流過上述第一布線而形成的磁場，將信息記錄在上述磁記錄層中的磁存儲器，其特征在于上述第一布線在其兩個側(cè)面的至少任意的一個側(cè)面上有由晶體磁各向異性常數(shù)K1為5×104erg/cc以下的磁性體構(gòu)成的覆蓋層，
上述覆蓋層沿著上述第一布線的縱向有容易磁化的單軸各向異性的特性。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能一邊消除對相鄰的存儲單元的寫入互相干擾、一邊使通過了覆蓋層的寫入磁場穩(wěn)定并加在磁阻效應元件上，另外能消除與該磁阻效應元件之間的無用的磁相互作用。
另外，本發(fā)明的第二種磁存儲器是備有沿第一方向延伸的第一布線；設置在上述第一布線上的磁阻效應元件；以及在上述磁阻效應元件的上沿著與上述第一方向交叉的方向延伸的第二布線，利用使電流分別流過上述第一及第二布線而形成的磁場，將雙值信息中的任意一個信息記錄在上述磁阻效應元件的記錄層中的磁存儲器，其特征在于上述第一及第二布線中的至少一者至少在其兩個側(cè)面上有由晶體磁各向異性常數(shù)K1為5×104erg/cc以下的磁性體構(gòu)成的覆蓋層，上述覆蓋層沿著設置了該覆蓋層的縱向有容易磁化的單軸各向異性的特性。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能一邊消除對相鄰的存儲單元的寫入互相干擾、一邊使通過了覆蓋層的寫入磁場穩(wěn)定并加在磁阻效應元件上，另外能消除與該磁阻效應元件之間的無用的磁相互作用。
另外這里，所謂“交叉”是指兩條布線在空間不平行而且不相交的配置狀態(tài)而言。
另外，本發(fā)明的第三種磁存儲器是備有沿第一方向延伸的第一布線；設置在上述第一布線上的磁阻效應元件；以及在上述磁阻效應元件的上沿著與上述第一方向交叉的方向延伸的第二布線，利用使電流分別流過上述第一及第二布線而形成的磁場，將雙值信息中的任意一個信息記錄在上述磁阻效應元件的記錄層中的磁存儲器，其特征在于上述第一及第二布線中的至少一者至少在其兩個側(cè)面上有由磁性體構(gòu)成的覆蓋層，還備有從上述布線看，與上述覆蓋層的外側(cè)相鄰設置的由導電性非磁性材料構(gòu)成的導電層。
如上所述，如果采用本發(fā)明，則能實現(xiàn)超低功耗·低電流·沒有互相干擾的大容量磁存儲器，工業(yè)上的優(yōu)點大。


圖1是簡單地表示本發(fā)明的磁存儲器的存儲單元的主要部分的模式圖，該圖(a)是表示存儲單元中包含的一對寫入布線及磁阻效應元件的正視圖，該圖(b)是其平面圖，該圖(c)是其側(cè)視圖。
圖2是說明由于形狀效果而產(chǎn)生沿長軸方向的單軸各向異性用的示意圖。
圖3是舉例示出有被分割的覆蓋層SM的布線斷面的模式圖。
圖4是表示層疊了由反強磁性體構(gòu)成的層的覆蓋層的示意圖。
圖5是舉例示出有突出部的覆蓋層的模式圖。
圖6是舉例示出設置了突出部P時的布線BL、WL和磁阻效應元件C的關系的模式圖。
圖7是舉例示出設置了突出部P時的布線BL、WL和磁阻效應元件C的關系的模式圖。
圖8是舉例示出施加了寫入用電流脈沖時覆蓋層的磁疇的變化的模式圖。
圖9是表示本發(fā)明的磁阻效應元件的磁記錄層的平面狀態(tài)的具體例的模式圖。
圖10是表示有強磁性單層隧道結(jié)的磁阻效應元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖11是表示有強磁性單層隧道結(jié)的磁阻效應元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖12是舉例示出有強磁性二重隧道結(jié)的磁阻效應元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖13是舉例示出有強磁性二重隧道結(jié)的磁阻效應元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖14是舉例示出有強磁性二重隧道結(jié)的磁阻效應元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
圖15是表示使用開關晶體管時的單元結(jié)構(gòu)的模式剖面圖。
圖16是表示使用開關晶體管時的單元結(jié)構(gòu)的模式剖面圖。
圖17是表示使用開關晶體管時的單元結(jié)構(gòu)的模式剖面圖。
圖18是表示本發(fā)明中能使用的結(jié)構(gòu)的第二具體例的模式圖。
圖19是表示圖18所示的結(jié)構(gòu)中能采用的覆蓋層SM的具體例的模式圖。
圖20是表示圖18所示的結(jié)構(gòu)中能采用的覆蓋層SM的具體例的模式圖。
圖21是表示能使存儲器陣列層疊化的結(jié)構(gòu)的第三具體例的模式圖。
圖22是舉例示出圖18所示的結(jié)構(gòu)中設置的覆蓋層SM的模式圖。
圖23是表示能使存儲器陣列層疊化的結(jié)構(gòu)的第四具體例的模式圖。
圖24是表示圖23所示的結(jié)構(gòu)中能設置的覆蓋層SM的模式圖。
圖25是表示圖23所示的結(jié)構(gòu)中能設置的覆蓋層SM的模式圖。
圖26是表示本發(fā)明中能使用的結(jié)構(gòu)的第五具體例的模式圖。
圖27是表示圖26所示的結(jié)構(gòu)中的覆蓋層的具體例的模式圖。
圖28是表示本發(fā)明中能使用的覆蓋層的變形例的模式圖。
圖29是表示本發(fā)明中能使用的覆蓋層的變形例的模式圖。
圖30表示將圖18至圖20所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖31表示將圖18至圖20所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖32表示將圖21及圖22所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖33表示將圖21及圖22所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖34表示將圖23及圖24所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖35表示將圖23及圖24所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖36表示將圖26及圖27所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖37表示將圖26及圖27所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
圖38是表示第一實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖39是表示第一實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖40是表示第一實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖41是表示第一實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖42是表示將反強磁性膜附加在第一實施例的布線上的變形例的評價結(jié)果的一覽表。
圖43是表示將反強磁性膜附加在第一實施例的布線上的變形例的評價結(jié)果的一覽表。
圖44是表示將反強磁性膜附加在第一實施例的布線上的變形例的評價結(jié)果的一覽表。
圖45是表示比較例的評價結(jié)果的一覽表。
圖46是表示比較例的評價結(jié)果的一覽表。
圖47是表示第二實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖48是表示第二實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖49是表示第二實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖50是表示第二實施例的評價結(jié)果的一覽表。
圖51是表示比較例的評價結(jié)果的一覽表。
圖52是表示比較例的評價結(jié)果的一覽表。
圖53是表示將反強磁性膜附加在第二實施例的布線上的變形例的評價結(jié)果的一覽表。
圖54是表示將反強磁性膜附加在第二實施例的布線上的變形例的評價結(jié)果的一覽表。
圖55是表示將反強磁性膜附加在第二實施例的布線上的變形例的評價結(jié)果的一覽表。
具體實施例方式
以下，參照

本發(fā)明的實施方式。
圖1是簡單地表示本發(fā)明的磁存儲器的存儲單元的主要部分的模式圖。即，該圖(a)是表示存儲單元中包含的一對寫入布線及磁阻效應元件的正視圖，該圖(b)是其平面圖，該圖(c)是其側(cè)視圖。
即，本發(fā)明的磁存儲器在磁阻效應元件C的上下相對地設置了大致正交的一對寫入布線BL、WL。通過將磁場加在磁阻效應元件C上，而能設置其磁化方向能反轉(zhuǎn)的磁記錄層。而且，利用使寫入電流分別流過一對寫入布線BL、WL而產(chǎn)生的合成磁場，使該磁記錄層的磁化方向適當?shù)胤崔D(zhuǎn)，進行“寫入”即信息的記錄。
一對寫入布線BL、WL在其周圍有由磁性材料構(gòu)成的覆蓋層SM。覆蓋層SM分別設置在各布線的兩側(cè)面及從磁阻效應元件C看的背面一側(cè)上，有防止磁場泄漏的作用。即，通過設置覆蓋層，能防止由寫入布線BL、WL產(chǎn)生的電流磁場引起的對沿著左右方向或上下方向相鄰的其他存儲單元的“寫入干擾”。
另外，這樣的覆蓋層SM本身成為所謂的“磁軛”，對寫入布線BL、WL周圍產(chǎn)生的電流磁場進行感應，具有集中在磁阻效應元件C的磁記錄層中的作用。其結(jié)果，能降低寫入電流，還能降低存儲器的功耗。
其次，在本發(fā)明中，沿著相對于布線BL、WL的縱向平行的方向形成這樣的覆蓋層SM的易磁化方向M。如果將這樣的布線的沿縱軸方向的單軸各向異性設在覆蓋層SM上，則能減少其沿正上方向或正下方向與磁阻效應元件C的磁相互作用的影響，能抑制由寫入電流產(chǎn)生的電流磁場的“離散”，能減少布線上的互相干擾的影響。
即，如果不規(guī)定覆蓋層SM的磁化方向，則由于由電流磁場引起的覆蓋層SM的磁化方向的反轉(zhuǎn)變得不一定，所以加在磁阻效應元件的磁記錄層上的寫入磁場有可能離散。另外，如果覆蓋層SM的磁化方向呈朝向磁阻效應元件C的方向，則由于產(chǎn)生磁相互作用，所以在寫入或讀出工作中有可能發(fā)生不穩(wěn)定的現(xiàn)象。
與此不同，如果沿布線BL、WL的縱向規(guī)定覆蓋層SM的易磁化方向，則能消除這些問題，能進行穩(wěn)定的寫入、讀出。
作為這樣的覆蓋層SM的材料，最好使用晶體磁各向異性常數(shù)K1為5×104erg/cc以下的材料。具體地說，例如，可以使用鎳鐵(Ni-Fe)合金、鈷鎳(Co-Ni)合金、鈷鐵鎳(Co-Fe-Ni)合金、鈷(Co)與鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鈦(Ti)中的至少一者的合金(包括非晶態(tài)合金)、還有(Co、Fe、Ni)-(Si、B)-(P、Al、Mo、Nb、Mn)系列等的非晶態(tài)合金、(Fe、Co)-(B、Si、Hf、Zr、Sm、Ta、Al)-(F、O、N)系列等的金屬-非金屬性的晶粒膜、或絕緣性鐵氧體等。
例如，通過選擇適當?shù)陌谐煞?，能容易地選擇坡莫合金(NiFe)的K1約為2×103erg/cc，CoNi的K1約為4×104erg/cc，CoFeNi的K1約為1×104erg/cc。
另外，既可以將由它們中的任意一種構(gòu)成的薄膜作為單層使用，或者也可以將多種薄膜層疊起來使用。
為了使由這些材料構(gòu)成的覆蓋層SM具有沿布線BL、WL的縱軸方向的單軸各向異性的特性，規(guī)定覆蓋層SM的形狀、或附加磁性層即可。
例如，如圖2所示，如果使沿布線BL、WL的周圍的覆蓋層SM的長度的合計(2L2+L3)比布線BL、WL的縱軸方向的覆蓋層SM的長度L1短，則由于形狀效應而產(chǎn)生沿縱軸方向的單軸各向異性。
另外，如果考慮實際使用的磁性材料的磁疇尺寸，則最好再使上述的覆蓋層SM的長度的合計(2L2+L3)在1微米以下。即，假設在該范圍內(nèi)，則不容易產(chǎn)生布線縱軸方向以外的磁化。
另一方面，假設使布線BL、WL的縱軸方向的覆蓋層SM的長度L1為磁阻效應元件的縱軸方向的長度d1的約1.5倍以上，則沒有來自寫入布線BL、WL的雜散磁場的影響，能獲得穩(wěn)定的開關特性。
另外，如果使覆蓋層SM的厚度t1、t2在0.05微米以下，則其厚度方向的反磁場增大，磁場中退火時也不形成沿厚度方向的磁各向異性。其結(jié)果，能減少其沿正上方向或正下方向與磁阻效應元件C的磁相互作用的影響，能抑制由寫入電流產(chǎn)生的寫入磁場的“離散”，能減少布線上的互相干擾的影響。
另外，作為利用形狀效應獲得單軸各向異性的一種方法，有將設置在布線BL、WL的周圍的覆蓋層SM分割成多個的方法。
圖3是舉例示出有這樣分割的覆蓋層SM的布線斷面的模式圖。即，在該圖(a)所示的具體例的情況下，在布線BL、WL的兩側(cè)面及背面分別分割、獨立地設置覆蓋層SM。如果這樣沿布線的周圍方向分割覆蓋層SM，則容易使各自的覆蓋層SM沿布線的縱向呈“細長”形狀，能容易地沿布線縱軸方向呈現(xiàn)單軸各向異性。另外，由于在布線BL、WL上形成的寫入電流磁場形成得在覆蓋層SM的內(nèi)部環(huán)繞在布線BL、WL的周圍，所以在被分割的覆蓋層SM的“接縫”中，磁通在端面上從覆蓋層SM的端面通過。因此，即使這樣分割覆蓋層SM，也不用擔心磁場從該“接縫”泄漏到周圍。
另外，在圖3(b)所示的具體例的情況下，在布線BL、WL的左右分割覆蓋層SM。在這樣分割的情況下，由于覆蓋層SM覆蓋著布線的棱，所以對磁通的泄漏特別有利。
另外，在圖3(c)所示的具體例的情況下，在布線BL、WL的側(cè)面分割覆蓋層SM。另外，在圖3(d)所示的具體例的情況下，還在背面分割覆蓋層SM。圖3(e)表示在布線上形成勢壘金屬層BM，在布線的兩側(cè)面和勢壘金屬層BM上分割設置覆蓋層SM。
以上，如圖3中的例子所示，由于沿布線BL、WL的周圍方向分割覆蓋層SM，所以容易使覆蓋層SM呈“細長”形狀，能可靠且容易地沿布線縱軸方向呈現(xiàn)單軸各向異性。
另外，作為制造圖3(e)所示的結(jié)構(gòu)的方法，是將各個布線和勢壘金屬層層疊起來，采用RIE等方法構(gòu)圖時，選擇各材料和刻蝕條件，以便進行布線的側(cè)面刻蝕。如果這樣處理，則勢壘金屬層BM的兩端超過布線向外側(cè)突出，形成延伸量。在該狀態(tài)下，如果采用電鍍等方法形成覆蓋層SM，則能獲得圖3(e)所示的結(jié)構(gòu)。
另一方面，作為規(guī)定覆蓋層SM的磁化方向的方法，有層疊由反強磁性體構(gòu)成的層的方法。
圖4(a)及(b)是表示層疊了由反強磁性體構(gòu)成的層的覆蓋層的示意圖。
即，在由磁性體構(gòu)成的覆蓋層SM的周圍層疊反強磁性層AF。通過這樣層疊反強磁性層AF，能將覆蓋層的磁化方向固定在布線縱軸方向上。這時，如圖4(a)所示，也可以在覆蓋層SM的外側(cè)層疊反強磁性層AF，或者如圖4(b)所示，也可以在覆蓋層SM的內(nèi)側(cè)層疊反強磁性層AF。還可以將反強磁性層AF插入兩層或兩層以上的覆蓋層SM之間。
另外，將非磁性層插入覆蓋層SM和反強磁性層AF之間，調(diào)節(jié)覆蓋層SM和反強磁性層AF的磁耦合即可。
另外，如圖3中的例子所示那樣地分割覆蓋層SM，將反強磁性層AF層疊在各個覆蓋層SM上即可。如果這樣做，則更能呈現(xiàn)可靠的單軸各向異性。
而且，如圖3所示，即使在分割覆蓋層SM而構(gòu)成時，如后所述，也可以設置被分割的覆蓋層SM的下端比配線BL、WL向下更突出的突起部P(圖中用虛線表示)，通過設置這樣的突起部P，可以實現(xiàn)低耗電化和低電流化。
另外，在將反強磁性層AF設置在大致正交的一對寫入布線BL、WL中的各條布線上的情況下，沿各個布線縱軸方向固定各個反強磁性層AF的磁化方向的工序是必要的。
為此，例如，對上下布線BL、WL使用屏蔽溫度(強磁性/反強磁性之間的耦合力為零的溫度)不同的反強磁性層即可。即，通過磁場中退火處理，在使溫度從高溫下降的過程中，首先，一邊施加與形成了屏蔽溫度高的反強磁性層的布線的縱軸方向平行的磁場，一邊冷卻到比該屏蔽溫度低的溫度，將磁化方向固定。然后，再一邊沿著相對于另一條布線的縱軸方向平行的方向施加磁場，一邊冷卻到比在該布線上形成的反強磁性層的屏蔽溫度低的溫度，將磁化方向固定。
通過采用屏蔽溫度為50℃左右不同的兩種反強磁性體，能實施這樣的方法。反強磁性體的屏蔽溫度，例如，鎳·錳為430℃，鉑錳為360℃，銥錳為270℃，鐵錳為150℃。因此，選擇它們中的任意的兩種用于上下布線BL、WL即可。
另外，已經(jīng)知道了，作為覆蓋層SM的材料，如果使用晶體磁各向異性常數(shù)K1(一次項)為5×104erg/cc以下的材料，則加熱到反強磁性層AF和強磁性膜的屏蔽溫度以上，如果覆蓋層SM的長度及厚度等滿足上述的規(guī)定條件，則能沿正交的布線方向可靠地分別獲得單軸各向異性。
這樣，通過根據(jù)納爾溫度，使溫度依次降低，對大致正交的一對寫入布線中的每一條布線來說，能將覆蓋層SM的磁化方向固定在布線長軸方向上。
另外，最好在這些布線和覆蓋層SM之間或者在覆蓋層SM的外側(cè)，設置由氮化鉭(TaN)、氮化硅(SiN)、氮化鈦(TiN)等構(gòu)成的“勢壘金屬”。另外，也可以將由銅(Cu)構(gòu)成的非磁性層插入覆蓋層SM和反強磁性膜之間，調(diào)整覆蓋層SM和反強磁性膜的相互作用，調(diào)整軟磁性特性。
以上，說明了使覆蓋層SM具有單軸各向異性的方法。
另一方面，在本發(fā)明中，能將由銅等構(gòu)成的導電層設置在覆蓋層SM的外側(cè)或內(nèi)側(cè)。采用電鍍等方法形成覆蓋層SM時，該導電層具有作為籽晶層的作用。
圖4(c)及(d)是表示設有這樣的導電層的布線的橫斷面的模式圖。
即，圖4(c)表示在位線BL或字線WL的外側(cè)設置覆蓋層SM，在其周圍設置導電層CL。另外，在導電層CL的外側(cè)設置勢壘金屬層BM。例如，能利用SiO2等構(gòu)成的絕緣層IL將勢壘金屬層BM的周圍埋沒。這里，勢壘金屬層BM由TiN和TaN等構(gòu)成，具有防止覆蓋層SM等的材料向周圍擴散的作用。
圖4(c)所示的布線結(jié)構(gòu)在從其周圍依次形成的情況下是一種有利的結(jié)構(gòu)。即，在絕緣層IL上形成布線用的槽，首先，在該槽的內(nèi)壁上形成勢壘金屬層BM。然后，形成導電層CL。例如，能用銅等形成導電層CL。
其次，將導電層CL作為籽晶層，能用電鍍法在它上面形成由磁性體構(gòu)成的覆蓋層SM。然后，采用電鍍法等，在覆蓋層SM的內(nèi)側(cè)形成布線BL(WL)。
如果采用以上說明的方法，通過將導電層CL作為籽晶層用，能防止覆蓋層SM的島生長。就是說，能用電鍍法形成薄而且均勻的覆蓋層SM。這樣，通過形成薄而且均勻的覆蓋層SM，能容易地獲得單軸各向異性。
另一方面，在圖4(d)所示的結(jié)構(gòu)的情況下，首先，在位線BL或字線WL的外側(cè)設置勢壘金屬層BM，在其外側(cè)依次設置導電層CL、覆蓋層SM、勢壘層BB。例如用絕緣層IL將覆蓋層SM的周圍埋沒。例如能用SiN等形成勢壘層BB。
圖4(d)所示的結(jié)構(gòu)適合于從內(nèi)側(cè)的布線BL(WL)開始依次形成的方法。即，在此情況下，能將由銅等構(gòu)成的導電層CL作為籽晶層，利用電鍍法在其表面上形成覆蓋層SM。在此情況下，也能防止覆蓋層SM的島生長。就是說，能用電鍍法形成薄而且均勻的覆蓋層SM。這樣，通過形成薄而且均勻的覆蓋層SM，能容易地獲得單軸各向異性。
另外，圖4(c)所示的結(jié)構(gòu)適合于例如在磁阻效應元件C的下側(cè)形成的布線。
另一方面，圖4(d)所示的結(jié)構(gòu)適合于在磁阻效應元件C的上側(cè)形成的布線。
在圖4(c)、(d)中的任何一種情況下，勢壘金屬層BM和勢壘層BB都有防止構(gòu)成覆蓋層SM的元素通過將周圍埋沒的絕緣層IL或磁阻效應元件C向設置在其下方的MOS晶體管等半導體元件部分擴散的作用。
以上，說明了設置在覆蓋層SM的外側(cè)或內(nèi)側(cè)的導電層CL。
另一方面，通過再將朝向磁阻效應元件C的突出部設在這些覆蓋層SM上，還能實現(xiàn)低功耗、低電流的旋轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)。
圖5是舉例示出有這樣的突出部的覆蓋層的模式圖。
即，如該圖所示，設置從寫入布線BL、WL的側(cè)面朝向磁阻效應元件C的方向突出的突出部P。
如果設置這樣的突出部P，則能使在覆蓋層SM中感應的寫入磁場集中在磁阻效應元件C的磁化記錄層中。即，本發(fā)明的覆蓋層SM具有作為“磁軛”的作用，感應出在布線BL、WL的周圍形成的寫入磁場。而且，通過設置這樣的突出部P，能有效地使寫入磁場的釋放端接近磁阻效應元件C的磁記錄層施加。
圖6及圖7是舉例示出設置了這樣的突出部P時布線BL、WL和磁阻效應元件C的關系的模式圖。即，在圖6所示的具體例的情況下，突出部P被設置在上側(cè)的布線的覆蓋層SM上。而且，在圖7所示的具體例的情況下，突出部P還被設置在下側(cè)的布線的覆蓋層SM上。
如這些具體例所示，通過在覆蓋層SM上設置突出部P，能使寫入磁場的釋放端接近磁阻效應元件C，能使電流磁場效率更高，低功耗化、低電流化成為可能。
如果能這樣降低寫入電流，則由于能使驅(qū)動電路的容量小，能使寫入布線的粗度細一些，所以能縮小存儲器的尺寸，提高集成度。
另外，通過降低寫入電流，還能抑制寫入布線中的電遷移等問題，能提高磁存儲器的可靠性，延長壽命。
圖8是舉例示出施加了寫入用電流脈沖時覆蓋層的磁疇的變化的模式圖。即，該圖(a)是從平行于位線BL的方向看到的圖，該圖(b)是從平行于字線WL的方向看到的圖。
如果使電流脈沖通過寫入布線BL、WL，則根據(jù)電流脈沖的寬度(對應于施加時間)在覆蓋層SM上形成磁疇壁。而且，只有沿寫入布線BL、WL的縱軸方向看，才存在電流脈沖，磁場H有效地傳遞到磁阻效應元件C上，磁阻效應元件C的磁記錄層利用來自上下布線的磁場H的合成磁場，進行磁化反轉(zhuǎn)。
另外，如圖8所示，上述磁阻效應元件的磁化方向不一定必須呈直線狀，由于形成“邊緣磁疇”等，所以也可以呈彎曲形狀。即，磁記錄層的磁化方向隨著其平面形態(tài)而發(fā)生各種變化。
圖9是表示本發(fā)明的磁阻效應元件的磁記錄層的平面形態(tài)的具體例的模式圖。即，磁阻效應元件的磁記錄層例如，如該圖(a)所示，可以是將突出部附加在長方形的一對對角的兩端的形狀，或者如該圖(b)所示的平行四邊形、如該圖(c)所示的菱形、如該圖(d)所示的橢圓形、如該圖(e)所示的邊緣傾斜形狀等各種形狀。在這些具體例中，如箭頭所示進行磁化。
這里，在使磁記錄層構(gòu)成圖9(a)～(c)、(e)所示的圖形的情況下，實際上角部多半呈圓形，角部這樣呈圓形也可以。通過使光刻中使用的中間掩模圖形形狀呈非對稱形狀，能容易地制作這些非對稱的形狀。
另外這里，磁阻效應元件的磁記錄層的寬度W和長度L的比L/W最好為1.2以上，最好沿長度L的方向呈現(xiàn)單軸各向異性。
其次，參照圖10～圖14，說明本發(fā)明的磁存儲器中能使用的磁阻效應元件C的結(jié)構(gòu)。
圖10及圖11是表示有強磁性單層隧道結(jié)的磁阻效應元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。
即，在圖10所示的磁阻效應元件的情況下，在基底層BF上依次層疊反強磁性層AF、強磁性層FM、隧道勢壘層TB、強磁性層FM、保護層PB。與反強磁性層AF相鄰層疊的強磁性層FM具有作為磁化固定層(銷層)的作用，在隧道勢壘層TB上層疊的強磁性層FM具有作為記錄層(自由層)的作用。
在圖11所示的磁阻效應元件的情況下，在隧道勢壘層TB的上下分別設有強磁性層FM、非磁性層NM和強磁性層FM層疊而成的層疊膜SL。在此情況下，在反強磁性層AF和隧道勢壘層TB之間設置的層疊膜SL也具有作為磁化固定層的作用，設置在隧道勢壘層TB上的層疊膜具有作為記錄層的作用。
圖12至圖14是舉例示出有強磁性二重隧道結(jié)的磁阻效應元件的斷面結(jié)構(gòu)的模式圖。關于這些附圖與關于圖11及圖12所述的相同的要素標以相同的標記，詳細說明從略。
在圖12至圖14所示的結(jié)構(gòu)的情況下，設有任意兩層的隧道勢壘層TB，在其上下設有強磁性層FM、或強磁性層FM和非磁性層NM的層疊膜SL。在這里舉例示出的二重隧道結(jié)元件的情況下，與上下反強磁性層AF相鄰層疊的強磁性層FM或?qū)盈B膜具有作為磁化固定層的作用，設置在雙層的隧道勢壘層TB之間的強磁性層FM或?qū)盈B膜SL具有作為記錄層的作用。
如果采用這樣的二重隧道結(jié)，則能使相對于記錄層的磁化方向的電流變化(或電壓變化)大，這一點有利。
另外，本發(fā)明的磁存儲器中使用的磁阻效應元件不限定于圖10至圖14所示的元件，除此以外，例如也可以使用層疊了第一強磁性層、非磁性層和第二強磁性層的呈所謂的“自旋閥結(jié)構(gòu)”的磁阻效應元件等。
在作為磁阻效應元件采用任意結(jié)構(gòu)的情況下，能使一個強磁性層具有作為磁化方向?qū)嶋H上被固定的“磁化固定層(有時也稱為“釘扎層”等)”的作用，能使另一個強磁性層具有作為通過施加來自外部的磁場而使磁化方向可變的“磁記錄層(磁記錄層)”的作用。
在這些磁阻效應元件中，作為能作為磁化固定層使用的強磁性體，例如能使用Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)或它們的合金、旋轉(zhuǎn)磁化率大的磁鐵礦、CrO2、RXMnO3-y(這里R表示稀土類、X表示Ca(鈣)、Ba(鋇)、Sr(鍶)中的任意一種)等氧化物、或者，NiMnSb(鎳·錳·銻)、PtMnSb(鉑·錳·銻)、Co2MnGe等赫斯勒強磁性合金。
由這些材料構(gòu)成的磁化固定層最好有單向各向異性。另外其厚度最好在0.1nm以上、100nm以下。另外，該強磁性層的厚度必須是呈非超常磁性程度的厚度，最好在0.4nm以上。
另外，在作為磁化固定層用的強磁性層上最好附加反強磁性膜，將磁化固定。作為這樣的反強磁性膜，能舉出Fe(鐵)-Mn(錳)、Pt(鉑)-Mn(錳)、Pt(鉑)-Cr(鉻)-Mn(錳)、Ni(鎳)-Mn(錳)、Ir(銥)-Mn(錳)、Os(鋨)-Mn(錳)、NiO(氧化鎳)、Fe2O3(氧化鐵)、或者上述的磁性半導體等。
另外，在這些磁性體中添加Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(鋁)、Mg(鎂)、Si(硅)、Bi(鉍)、Ta鉭)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Zr(鋯)、Ir(銥)、W(鎢)、Mo(鉬)、Nb(鈮)、H(氫)等非磁性元素，能調(diào)節(jié)磁特性，此外，能調(diào)節(jié)結(jié)晶性、機械特性、化學特性等各種物性。
另一方面，作為磁化固定層，也可以使用強磁性層和非磁性層的層疊膜。例如，能使用圖11等中舉例示出的強磁性層/非磁性層/強磁性層這樣的三層結(jié)構(gòu)。在此情況下，最好通過非磁性層使反強磁性的層之間的相互作用作用在兩側(cè)的強磁性層上。
更具體地說，作為將磁性層固定在一個方向上的方法，最好將Co(Co-Fe)/Ru(釕)/Co(Co-Fe)、Co(Co-Fe)/Ir(銥)/Co(Co-Fe)、Co(Co-Fe)/Os(鋨)/Co(Co-Fe)、磁性半導體強磁性層/磁性半導體非磁性層/磁性半導體強磁性層等呈三層結(jié)構(gòu)的層疊膜作為磁化固定層，另外，最好與其相鄰地設置反強磁性膜。
作為這種情況下的反強磁性膜，與上述的相同，能使用Fe-Mn、Pt-Mn、Pt-Cr-Mn、Ni-Mn、Ir-Mn、NiO、Fe2O3、磁性半導體等。如果采用該結(jié)構(gòu)，則除了磁化固定層的磁化牢固地被固定以外，還能減少(或調(diào)節(jié))來自磁化固定層的泄漏磁場，通過改變形成磁化固定層的雙層強磁性層的厚度，能調(diào)整磁記錄層(磁記錄層)的磁化移位。
另一方面，作為磁記錄層(自由層)的材料，與磁化固定層相同，例如，能使用Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)或它們的合金、旋轉(zhuǎn)磁化率大的磁鐵礦、CrO2、RXMnO3-y(這里R表示稀土類、X表示Ca(鈣)、Ba(鋇)、Sr(鍶)中的任意一種)等氧化物、或者，NiMnSb(鎳·錳·銻)、PtMnSb(鉑·錳·銻)等赫斯勒合金等。
作為由這些材料構(gòu)成的磁記錄層的強磁性層最好有相對于膜表面大致呈平行方向的單軸各向異性的特性。另外其厚度最好在0.1nm以上、100nm以下。另外，該強磁性層的厚度必須是呈非超常磁性程度的厚度，最好在0.4nm以上。
另外，作為磁記錄層，也可以使用軟磁性層/強磁性層這樣的雙層結(jié)構(gòu)、或者強磁性層/軟磁性層/強磁性層這樣的三層結(jié)構(gòu)。作為磁記錄層，使用強磁性層/非磁性層/強磁性層這樣的三層結(jié)構(gòu)、或者強磁性層/非磁性層/強磁性層/非磁性層/強磁性層這樣的五層結(jié)構(gòu)，通過控制強磁性層之間的相互作用的強度，即使作為存儲單元的磁記錄層的單元寬度在亞微米以下，也能獲得不增大電流磁場的功耗的較好的效果。在五層結(jié)構(gòu)的情況下，中間強磁性層最好使用被軟磁性層或非磁性層隔斷的強磁性層。
在磁化記錄層中，也能在這些磁性體中添加Ag(銀)、Cu(銅)、Au(金)、Al(鋁)、Mg(鎂)、Si(硅)、Bi(鉍)、Ta(鉭)、B(硼)、C(碳)、O(氧)、N(氮)、Pd(鈀)、Pt(鉑)、Zr(鋯)、Ir(銥)、W(鎢)、Mo(鉬)、Nb(鈮)、H(氫)等非磁性元素，調(diào)節(jié)磁特性，此外，能調(diào)節(jié)結(jié)晶性、機械特性、化學特性等各種物性。
另一方面，在作為磁阻效應元件使用TMR元件的情況下，在磁化固定層和磁化記錄層之間設置的隧道勢壘層TB的材料，能使用Al2O3(氧化鋁)、SiO2(氧化硅)、MgO(氧化鎂)、AlN(氮化鋁)、Bi2O3(氧化鉍)、MgF2(氟化鎂)、CaF2(氟化鈣)、SrTiO2(氧化鈦鍶)、AlLaO3(氧化鑭鋁(也可以用其他稀土類元素代替La))、Al-N-O(氧氮化鋁)、非磁性半導體(ZnO、InMn、GaN、GaAs、TiO2、Zn、Te、以及向它們中摻雜過渡金屬構(gòu)成的物質(zhì))等。
這些化合物不必是在化學計量比上完全正確的組成，也可以存在氧、氮、氟等的欠缺或過量或不足。另外，該絕緣層(電介質(zhì)層)的厚度最好薄到隧道電流能流過的程度，實際上最好在10nm以下。
采用各種濺射法、蒸鍍法、分子束外延法、CVD法等通常的薄膜形成方法，能在規(guī)定的基板上形成這樣的磁阻效應元件。作為該情況下的基板，例如能使用Si(硅)、SiO2(氧化硅)、Al2O3(氧化鋁)、尖晶石、AlN(氮化鋁)、GaAs、GaN等各種基板。
另外，在基板上也可以設置Ta(鉭)、Ti(鈦)、Pt(鉑)、Pd(鈀)、Au(金)、Ti(鈦)/Pt(鉑)、Ta(鉭)/Pt(鉑)、Ti(鈦)/Pd(鈀)、Cu(銅)、Al(鋁)-Cu(銅)、Ru(釕)、Ir(銥)、Os(鋨)、GaAs、GaN、ZnO、TiO2等由半導體基底等構(gòu)成的層，作為基底層或保護層等。
以上，說明了本發(fā)明的磁存儲器中使用的磁阻效應元件的層疊結(jié)構(gòu)。
其次，用具體例說明本發(fā)明的磁存儲器的單元結(jié)構(gòu)。
圖15至圖17是表示使用開關晶體管時的單元結(jié)構(gòu)的模式剖面圖。即，該圖(a)是從垂直于位線BL的方向看到的圖，該圖(b)是從垂直于字線WL的方向看到的圖。
在作為開關晶體管使用MOSFET的情況下，使下部選擇晶體管導通，使電流通過磁阻效應元件C流過位線BL，進行讀出。
另一方面，用正交的位線BL和字線WL進行寫入。而且，在這些位線BL及字線WL上設有關于圖1至圖8所述的具有單軸各向異性的覆蓋層SM。
另外，在圖16所示的具體例的情況下，由于在覆蓋層SM上設有突出部P，能使位線BL、字線WL都靠近磁阻效應元件C，所以還能用低功耗、小電流進行寫入。
另外，在圖17所示的具體例的情況下，分割設置覆蓋層SM的突出部P。即，突出部P被設置在位線BL上的覆蓋層SM分離，設置在連接磁阻效應元件C的讀出用位線RBL的側(cè)面上。在設置突出部P的情況下，由于位線BL的周圍方向的覆蓋層的長度容易變長，所以有時圖形效應低。與此不同，如具體例所示，通過分離設置突出部P，能具有由圖形效應產(chǎn)生的單軸各向異性。
另一方面，為了實現(xiàn)超大容量存儲器，最好采用能使存儲器陣列層疊化的結(jié)構(gòu)，進行多層化。因此，下面將說明容易層疊化的結(jié)構(gòu)。
圖18是表示本發(fā)明中能使用的結(jié)構(gòu)的第二個具體例的模式圖。即，該圖表示存儲器陣列的斷面結(jié)構(gòu)。在該結(jié)構(gòu)的情況下，通過二極管D將磁阻效應元件C并聯(lián)連接在讀出/寫入用位線BL上。然后，讀出/寫入用字線WL被連接在各自的磁阻效應元件C的另一端上。
讀出時，通過用選擇晶體管ST選擇連接在目標磁阻效應元件C上的位線BL和字線WL，并通過讀出放大器SA檢測電流。另外，寫入時，仍然通過選擇晶體管ST選擇連接在目標磁阻效應元件C上的位線BL和字線WL，流過寫入電流。這時，通過使分別在位線BL和字線WL上發(fā)生的磁場合成后的磁場使磁阻效應元件C的磁記錄層的磁化朝向規(guī)定的方向，就能寫入。
在這些讀出時或?qū)懭霑r，二極管D具有阻斷通過呈矩陣狀配置的其他磁阻效應元件C流過的迂回電流的作用。
圖19及圖20是表示圖18所示的結(jié)構(gòu)中采用的覆蓋層SM的具體例的模式圖。
在這些附圖中，為了簡單，只示出了位線BL、磁阻效應元件C、二極管D、字線WL，省略了除此以外的其他要素。在這些具體的例的存儲單元中，用正交的位線BL和字線WL進行寫入。在位線BL及字線WL上設有關于圖1至圖8所述的覆蓋層SM，另外，也形成突出部P。
而且，在圖20的具體例的情況下，突出部P分離地設置在二極管D的側(cè)面上，能更可靠地發(fā)生由形狀效應導致的單軸各向異性。作為這樣的突出部P的形成方法，是在形成了二極管D之后，在其上表面及側(cè)面上淀積絕緣層，再在絕緣層上淀積突出部P的材料，然后，采用CMP等方法將在二極管D上淀積的絕緣層和突出部P的材料研磨掉即可。
其次，說明本發(fā)明的磁存儲器中能采用的結(jié)構(gòu)的第三具體例。
圖21是表示能將存儲器陣列層疊化的結(jié)構(gòu)的第三具體例的模式圖。即，該圖表示存儲器陣列的斷面結(jié)構(gòu)。
在該結(jié)構(gòu)中，是將多個磁阻效應元件C并聯(lián)連接在讀出/寫入用位線BL和讀出用位線Br之間的一種“梯子形”的結(jié)構(gòu)。另外，接近各自的磁阻效應元件C，沿著與位線交叉的方向配置寫入字線WL。
通過使寫入電流流過讀出/寫入用位線BL而發(fā)生的磁場、以及使寫入電流流過寫入字線WL而發(fā)生的磁場這兩個磁場的合成磁場作用于磁阻效應元件的磁記錄層上，能進行向磁阻效應元件的寫入。
另一方面，讀出時，將電壓加在位線BL及Br之間。于是，電流流過并聯(lián)連接在它們之間的全部磁阻效應元件。一邊用讀出放大器SA檢測該電流的合計大小，一邊將寫入電流加在接近目標磁阻效應元件的字線WL上，沿規(guī)定的方向改寫目標磁阻效應元件的磁記錄層的磁化。通過檢測這時的電流變化，能進行目標磁阻效應元件的讀出。
即，如果寫入前的磁記錄層的磁化方向和寫入后的磁化方向相同，則由讀出放大器SA檢測的電流沒有變化。可是，在改寫前后磁記錄層的磁化方向反轉(zhuǎn)的情況下，由讀出放大器SA檢測的電流由于磁阻效應而變化。這樣就能讀出改寫前的磁記錄層的磁化方向即存儲數(shù)據(jù)。
但是，該方法對應于讀出時使存儲數(shù)據(jù)變化的所謂的“破壞讀出”。
與此不同，在使磁阻效應元件的結(jié)構(gòu)呈磁化自由層/絕緣層(非磁性層)/磁記錄層這樣的結(jié)構(gòu)的情況下，所謂的“非破壞讀出”是可能的。即，在使用該結(jié)構(gòu)的磁阻效應元件的情況下，將磁化方向記錄在磁記錄層上，讀出時，使磁化自由層的磁化方向適當變化，并對讀出電流進行比較，能讀出磁記錄層的磁化方向。但在該情況下，有必要將磁化自由層的磁化反轉(zhuǎn)磁場設計得比磁記錄層的磁化反轉(zhuǎn)磁場小。
圖22是舉例示出圖21所示的結(jié)構(gòu)中設置的覆蓋層SM的模式圖。這里，也是為了簡單，只示出了位線BL、磁阻效應元件C、字線WL，省略了除此以外的其他要素。
在圖22所示的具體例中，用正交的位線BL和字線WL進行寫入。而且，通過在這些線上設置覆蓋層SM，不用擔心寫入相互干擾，能用低功耗、小電流進行寫入。
其次，說明本發(fā)明的磁存儲器中能采用的結(jié)構(gòu)的第四具體例。
圖23是表示能將存儲器陣列層疊化的結(jié)構(gòu)的第四具體例的模式圖。即，該圖表示存儲器陣列的斷面結(jié)構(gòu)，即，該圖(a)是從垂直于位線BL的方向看到的圖，該圖(b)是從垂直于字線WL的方向看到的圖。
在該結(jié)構(gòu)中，多個磁阻效應元件C并聯(lián)連接在讀出/寫入用位線BL上，讀出/寫入用位線Br呈矩陣狀地連接在這些磁阻效應元件的另一端上。
另外，接近這些讀出用位線Br配置寫入用字線WL。
通過使寫入電流流過讀出/寫入用位線BL而發(fā)生的磁場、以及使寫入電流流過寫入字線WL而發(fā)生的磁場這兩個磁場的合成磁場作用于磁阻效應元件的磁記錄層上，能進行向磁阻效應元件的寫入。
另一方面，讀出時，通過用選擇晶體管ST選擇位線BL和Br，使讀出電流流過目標磁阻效應元件，能用讀出放大器SA進行檢測。
圖24及圖25是表示圖23所示的結(jié)構(gòu)中能設置的覆蓋層SM的模式圖。即，該圖(a)是從平行于位線BL的方向看到的圖，該圖(b)是從平行于字線WL的方向看到的圖。
另外，圖24及圖25表示對圖23來說，使上下關系反轉(zhuǎn)了的狀態(tài)。另外，在這些附圖中，也是為了簡單，只示出了位線BL及Br、磁阻效應元件C、字線WL，省略了除此以外的其他要素。
如圖24所示，將具有單軸各向異性的覆蓋層SM設置在位線BL和字線WL上，還在字線中形成突出部P。
如果這樣做，則不用擔心相互干擾，能用低功耗、小電流進行寫入。
在圖25所示的具體例的情況下，該突出部P分離地設置在字線WL中。就是說，該突出部與設置在字線WL周圍的覆蓋層SM分離地、在讀出用位線Br的側(cè)面上形成。如果這樣分離，則容易發(fā)生由形狀效果引起的單軸各向異性。
其次，說明本發(fā)明的磁存儲器中能采用的結(jié)構(gòu)的第五具體例。
圖26是表示本發(fā)明中能使用的結(jié)構(gòu)的第五具體例的模式圖。即，該圖表示存儲器陣列的斷面結(jié)構(gòu)。
在該具體例中，讀出用位線Br通過引線L連接在磁阻效應元件C上，寫入用字線WL配置在磁阻效應元件C的正下面。
圖27是表示圖26所示的結(jié)構(gòu)中的覆蓋層的具體例的模式圖。該圖中，也是為了簡單，只示出了位線BL、磁阻效應元件C、字線WL，省略了除此以外的其他要素。這樣將具有單軸各向異性的覆蓋層SM設置在位線BL和字線WL上，不用擔心寫入相互干擾，寫入及讀出工作穩(wěn)定，能用低功耗、小電流進行寫入。
圖28及圖29是表示本發(fā)明中能使用的覆蓋層的變形例的模式圖。
即，如這些圖所示，利用絕緣體IN將磁阻效應元件C埋沒，為了覆蓋其兩側(cè)，能使覆蓋層SM延伸出來形成。
圖30至圖37是表示將圖18至圖27所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)的模式圖。在這些附圖中，與關于圖1至圖29所述的要素相同的要素標以同一標記，詳細的說明從略。
首先，圖30及圖31表示將圖18至圖20所示的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
在圖30所示的具體例的情況下，由于使寫入字線WL由其上下的磁阻效應元件C1、C2共同使用，所以覆蓋層SM只設置在側(cè)面。在該情況下，通過使覆蓋層SM具有沿布線縱向的單軸各向異性，能進行穩(wěn)定的記錄、再生。
另一方面，在圖31所示的具體例的情況下，覆蓋層SM被插入字線WL中。該覆蓋層SM阻斷從上下位線BL發(fā)生的寫入磁場，有抑制上下之間的寫入相互干擾的作用。另外，在由絕緣層形成了該覆蓋層SM的情況下，能分別獨立地使用其上下字線WL。
其次，圖32及圖33表示將關于圖21及圖22所述的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
在圖32所示的具體例的情況下，由于使寫入字線WL由其上下的磁阻效應元件C1、C2共同使用，所以覆蓋層SM只設置在側(cè)面。在該情況下，通過使覆蓋層SM具有沿布線縱向的單軸各向異性，能進行穩(wěn)定的記錄、再生。
另一方面，在圖33所示的具體例的情況下，覆蓋層SM被插入字線WL中。該覆蓋層SM阻斷從上下位線BL發(fā)生的寫入磁場，有抑制上下之間的寫入相互干擾的作用。另外，在由絕緣層形成了該覆蓋層SM的情況下，能分別獨立地使用其上下字線WL。
其次，圖34及圖35表示將關于圖23及圖24所述的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
在圖34所示的具體例的情況下，由于使寫入字線WL由其上下的磁阻效應元件C1、C2共同使用，所以覆蓋層SM只設置在側(cè)面。在該情況下，通過使覆蓋層SM具有沿布線縱向的單軸各向異性，能進行穩(wěn)定的記錄、再生。
另一方面，在圖35所示的具體例的情況下，覆蓋層SM被插入字線WL中。該覆蓋層SM阻斷從上下位線BL發(fā)生的寫入磁場，有抑制上下之間的寫入相互干擾的作用。另外，在由絕緣層形成了該覆蓋層SM的情況下，能分別獨立地使用其上下字線WL。
其次，圖36及圖37表示將關于圖26及圖27所述的結(jié)構(gòu)層疊起來的結(jié)構(gòu)。
在圖36所示的具體例的情況下，由于使寫入字線WL由其上下的磁阻效應元件C1、C2共同使用，所以覆蓋層SM只設置在側(cè)面。在該情況下，通過使覆蓋層SM具有沿布線縱向的單軸各向異性，能進行穩(wěn)定的記錄、再生。
另一方面，在圖37所示的具體例的情況下，覆蓋層SM被插入字線WL中。該覆蓋層SM阻斷從上下位線BL發(fā)生的寫入磁場，有抑制上下之間的寫入相互干擾的作用。另外，在由絕緣層形成了該覆蓋層SM的情況下，能分別獨立地使用其上下字線WL。
以上，如圖30至圖37中的例所示，如果作成層疊型的結(jié)構(gòu)，則更大的容量成為可能。在這樣層疊化的情況下，如關于圖1至圖8所述，本發(fā)明也具有顯著的作用效果。

以下，參照實施例詳細地說明本發(fā)明的實施方式。
(第一實施例)首先，作為本發(fā)明的第一實施例，將圖23及圖24所示的呈單純矩陣結(jié)構(gòu)的存儲器陣列作為基本結(jié)構(gòu)，形成了有10×10個TMR單元的磁存儲器。
按照其制造順序說明該磁存儲器的結(jié)構(gòu)如下。
首先，作為下層的位線BL，采用電鍍法在圖中未示出的基板上形成有由鎳鐵(NiFe)構(gòu)成的覆蓋層SM的布線。這里，布線本體是由銅(Cu)構(gòu)成的厚度為1微米的導電層。然后，用CVD法制作了絕緣層后，進行CMP(Chemical Mechanical Polishing)，進行了平坦化。此后，用濺射法形成了有強磁性二重隧道結(jié)的TMR的層疊結(jié)構(gòu)膜。
其各層的材料及厚度從下側(cè)開始依次為Ta(30nm)/Ru(3nm)/Ir-Mn(8nm)/CoFe(3nm)/Ru(1nm)/CoFe(3nm)/AlOx(1nm)/CoFeNi(2nm)/Cu(1.5nm)/CoFeNi(2nm)/AlOx(1nm)/CoFe(3nm)/Ru(1nm)/CoFe(3nm)/IrMn(8nm)/Ta(9nm)/Ru(30nm)。
其次，將最上層的Ru層作為硬掩模用，采用使用了氯系列的刻蝕氣體的RIE(反應離子蝕刻)，對層疊結(jié)構(gòu)膜進行刻蝕，直至下側(cè)的Ru/Ta布線層為止，制作了TMR元件的孤立圖形。
然后，作為絕緣體，采用低溫TEOS法淀積SiOx，用CMP法平坦化后，通過成膜、構(gòu)圖形成了讀出位線Br。
然后，用同樣的方法形成層間絕緣膜，進行了平坦化后，形成字線WL，進行了構(gòu)圖后，用電鍍法形成了覆蓋層SM。這時，覆蓋層SM的厚度為0.01微米至0.06微米，使TMR元件的短軸長度為0.25微米，長軸長度在0.3微米至0.8微米的范圍內(nèi)變化，與這樣的試料不同，L3(圖2所示)的長度為TMR的長度+0.15微米。
這里，為了在覆蓋層SM中形成比布線WL向下突出的突出部P，在形成了布線WL后，挖掘其兩側(cè)的絕緣層形成槽，在其內(nèi)壁上濺射金屬的籽晶層，在該籽晶層上電鍍覆蓋層SM的材料，將槽埋沒就能形成突出部P。
另外，制作了使上部字線WL和下部字線WL的覆蓋層SM的長度(圖2中的L1)從TMR的長軸的長度到2.0微米的范圍內(nèi)變化的試料。L1為2.0微米時，相鄰的覆蓋層SM之間完全連接成一體。這時，字線WL沿覆蓋層SM的表面垂直方向的長度(圖2中的L2)為2微米。
此后，導入能施加磁場的熱處理爐中，將單軸各向異性導入TMR元件的磁記錄層中，還將單軸各向異性導入磁固定層中。另外，作為覆蓋層SM的材料，由于使用晶體磁各向異性常數(shù)K1(一次項)為5×104erg/cc以下的材料(例如，鎳鐵、鈷鐵鎳、鈷鎳等)，所以在磁場中對TMR元件進行退火的條件下(例如，7000高斯、300℃、1小時)能獲得單軸各向異性。
在這樣制作的本發(fā)明的磁存儲器中，測定進行了10次寫入后的TMR信號輸出，使TMR元件的電平“1”和電平“0”反轉(zhuǎn)，用檢驗標志圖形檢查了有無工作不良現(xiàn)象。這時，在相互干擾為最小的條件下，進行了使寫入電流的脈沖電流值和脈寬最佳化。
將其結(jié)果作成一覽表，示于圖38至圖41中。從這些結(jié)果可知，作為覆蓋層SM的材料，在使用晶體磁各向異性常數(shù)K1(一次項)為5×104erg/cc以下的材料的情況下，由于發(fā)生由形狀效應引起的單軸各向異性，所以觀測不到工作不良現(xiàn)象，能獲得良好的特性。另外這里，L2為0.2微米。
即，由本實施例可知，在磁性覆蓋層的厚度為0.06微米較薄的情況下，特別是在L1＞1微米≥(2L2+L3)的情況下，沒有工作不良現(xiàn)象。
另外，在上述實施例的布線中，通過Cu(厚0.5nm)將FeMn(厚8nm)和IrMn(厚4nm)分別附加在布線上，將該實施例的結(jié)果作成一覽表，示于圖42至圖44中。在附加了反強磁性膜的情況下，與圖38至圖41比較可知，工作不良現(xiàn)象明顯地減少，能獲得更好的效果。
另外，本發(fā)明者進行了這樣的研究作為比較例，覆蓋層SM的材料使用了晶體磁各向異性常數(shù)K1(一次項)為1×105erg/cc的鈷鐵合金(C090Fe10)，試制成磁存儲器，對其工作進行了研究。
圖45及圖46是表示該比較例的結(jié)果的一覽表。在圖40、圖41中未發(fā)現(xiàn)工作不良現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)中，在圖45、圖46中還是發(fā)生了工作不良現(xiàn)象。這樣，可知在使用了晶體磁各向異性常數(shù)K1(一次項)為1×105erg/cc的材料的情況下，在覆蓋層SM中由形狀效應引起的單軸各向異性不穩(wěn)定，成為工作不良的原因。
(第二實施例)其次，作為本發(fā)明的第二實施例，將圖26及圖27所示的呈矩陣結(jié)構(gòu)的存儲器陣列作為基本結(jié)構(gòu)，形成了有10×10個TMR單元的磁存儲器。
按照其制造順序說明該磁存儲器的結(jié)構(gòu)如下。
首先，作為下層的位線BL，采用電鍍法在圖中未示出的基板上形成了有由鎳鐵(NiFe)構(gòu)成的覆蓋層SM、由銅(Cu)構(gòu)成的厚度為1微米的布線層。然后，用CVD法制作了絕緣層后，形成路徑，埋入W電極，然后進行CMP，進行了平坦化。此后，用濺射法形成了有接觸布線Mx和強磁性二重隧道結(jié)的TMR的層疊結(jié)構(gòu)膜。
其各層的材料及厚度從下側(cè)開始依次為Ta(30nm)/Ru(3nm)/Ir-Mn(12nm)/CoFe(3nm)/Ru(1nm)/CoFe(3nm)/AlOx(1nm)/CoFeNi(2nm)/Ru(1.5nm)/CoFeNi(2nm)/AlOx(1nm)/CoFe(3nm)/Ru(1nm)/CoFe(3nm)/Pt-Mn(12nm)/Ta(9nm)/Ru(30nm)。
其次，將最上層的Ru層作為硬掩模用，采用使用了氯系列的刻蝕氣體的RIE，對層疊結(jié)構(gòu)膜進行刻蝕，直至下側(cè)的Ru/Ta布線層為止，制作了TMR元件的孤立圖形。
然后，作為絕緣體，采用低溫TEOS法淀積SiOx，用CMP法平坦化后，通過成膜、構(gòu)圖形成了讀出位線Br。然后，用同樣的方法形成層間絕緣膜，進行了平坦化后，形成字線WL，進行了構(gòu)圖后，用電鍍法形成了覆蓋層SM。
這時，磁性覆蓋布線的厚度在0.01微米至0.06微米的范圍內(nèi)變化，使TMR元件的短軸長度為0.25微米，長軸長度在0.3微米至0.8微米的范圍內(nèi)變化，與這樣的試料不同，L3的長度為TMR的長度加0.15微米。另外，制作了使上部字線WL和下部字線WL的覆蓋層SM的長度(L1)從長軸的長度到2.0微米的范圍內(nèi)變化的試料。L1為2.0微米時，覆蓋層SM完全連接。這時，字線WL中沿覆蓋層SM的表面垂直方向的長度(L2)為0.2微米。
此后，導入能施加磁場的熱處理爐中，將單軸各向異性導入TMR元件的磁記錄層中，將單軸各向異性導入磁固定層中。
在這樣制作的本發(fā)明的磁存儲器中，測定進行了10次寫入后的TMR信號輸出，使TMR元件的電平“1”和電平“0”反轉(zhuǎn)，檢查了工作不良的影響。這時，在相互干擾為最小的條件下，進行了使寫入電流的脈沖電流值和脈寬最佳化。
將其結(jié)果作成一覽表，示于圖47至圖50中。從這些結(jié)果可知，在覆蓋層SM中，在由于形狀效應而產(chǎn)生單軸各向異性的情況下，觀測不到工作不良現(xiàn)象，能獲得良好的特性。
即，由本實施例可知，在磁性覆蓋層的厚度＜0.06微米較薄的情況下，特別是在L1＞1微米≥(2L2+L3)的情況下，沒有工作不良現(xiàn)象。另外這里L2為0.2微米。
另外，本發(fā)明者進行了這樣的研究作為比較例，覆蓋層SM的材料使用了晶體磁各向異性常數(shù)K1(一次項)為1×105erg/cc的鈷鐵合金(Co90Fe10)，試制成磁存儲器，對其工作進行了研究。
圖51及圖52是表示該比較例的結(jié)果的一覽表。在圖49、圖50中未發(fā)現(xiàn)工作不良現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)中，在圖51、圖52中還是發(fā)生了工作不良現(xiàn)象。這樣，可知在使用了晶體磁各向異性常數(shù)K1(一次項)為1×105erg/cc的材料的情況下，在覆蓋層SM中由形狀效應引起的單軸各向異性不穩(wěn)定，成為工作不良的原因。
另外，通過Cu(厚0.7nm)將FeMn(厚6nm)和IrMn(厚5nm)分別附加在上述實施例的布線上，將該實施例的結(jié)果作成一覽表，示于圖53至圖55中。在附加了反強磁性膜的情況下，工作不良現(xiàn)象明顯地減少，確認了能獲得更高的效果。
以上，參照具體例，說明了本發(fā)明的實施方式?？墒?，本發(fā)明不限定于這些具體例。例如，本專業(yè)工作者適當?shù)剡x擇構(gòu)成磁存儲器的磁阻效應元件的強磁性體層、絕緣膜、反強磁性體層、非磁性金屬層、電極等的具體的材料、厚度、形狀、尺寸等，同樣地實施本發(fā)明，能獲得同樣的結(jié)果，這也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
同樣，本專業(yè)工作者適當?shù)剡x擇構(gòu)成本發(fā)明的磁存儲器的各要素的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、形狀、尺寸，同樣地實施本發(fā)明，能獲得同樣的結(jié)果，這也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
此外，作為本發(fā)明的實施方式，以上述的磁存儲器為基礎，本專業(yè)工作者適當?shù)刈兏O計后實施的所有的磁存儲器同樣也屬于本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種磁存儲器，備有有磁記錄層的磁阻效應元件；以及在上述磁阻效應元件的上面或下面沿第一方向延伸的第一布線，利用使電流流過上述第一布線而形成的磁場，將信息記錄在上述磁記錄層中，該磁存儲器的特征在于上述第一布線在其兩個側(cè)面的至少任一個側(cè)面上有由磁性體構(gòu)成的覆蓋層，上述覆蓋層沿著上述第一布線的縱向有容易磁化的單軸各向異性。
2.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層沿上述第一布線周圍的長度合計為1微米以下。
3.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層的厚度在0.05微米以下。
4.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層被設置得沿著上述布線的上述縱向被分割成沿互相大致平行的方向延伸的多個部分。
5.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于在上述覆蓋層上層疊著由反強磁性體構(gòu)成的層。
6.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層有從上述布線朝著上述磁阻效應元件突出的突出部。
7.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層有與接近上述布線設置的部分分離、且接近上述磁阻效應元件而設置的部分。
8.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層由從以下物質(zhì)構(gòu)成的組中選擇的任意一種構(gòu)成，這些物質(zhì)是鎳鐵(Ni-Fe)合金、鈷鎳(Co-Ni)合金、鈷鐵鎳(Co-Fe-Ni)合金、鈷(Co)與鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鈦(Ti)中的至少一種的合金、(Co、Fe、Ni)-(Si、B)-(P、Al、Mo、Nb、Mn)系列的非晶態(tài)合金、(Fe、Co)-(B、Si、Hf、Zr、Sm、Ta、Al)-(F、O、N)系列的金屬-非金屬性的晶粒膜、以及絕緣性鐵氧體。
9.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于還備有從上述第一布線看與上述覆蓋層的外側(cè)相鄰設置的由導電性非磁性材料構(gòu)成的導電層。
10.根據(jù)權利要求9所述的磁存儲器，其特征在于上述導電性非磁性材料以銅為主要成分。
11.根據(jù)權利要求1所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層由晶體磁各向異性常數(shù)K1為5×104erg/cc以下的磁性體構(gòu)成。
12.一種磁存儲器，備有沿第一方向延伸的第一布線；設置在上述第一布線上的磁阻效應元件；以及在上述磁阻效應元件上沿著與上述第一方向交叉的方向延伸的第二布線，利用使電流分別流過上述第一及第二布線而形成的磁場，將雙值信息中的任意一個信息記錄在上述磁阻效應元件的記錄層中，該磁存儲器的特征在于上述第一及第二布線中的至少一者至少在其兩個側(cè)面上有由磁性體構(gòu)成的覆蓋層，上述覆蓋層沿著設置了該覆蓋層的配線的縱向有容易磁化的單軸各向異性。
13.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層沿設置了該覆蓋層的布線的周圍的長度合計為1微米以下。
14.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層的厚度在0.05微米以下。
15.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層被設置得沿著上述布線的上述縱向被分割成沿互相大致平行的方向延伸的多個部分。
16.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于在上述覆蓋層上層疊著由反強磁性體構(gòu)成的層。
17.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述第一及第二布線分別有上述覆蓋層，在上述第一布線所具有的上述覆蓋層上，層疊了由具有第一屏蔽溫度的反強磁性體構(gòu)成的層，在上述第二布線所具有的上述覆蓋層上，層疊了由具有與上述第一屏蔽溫度不同的第二屏蔽溫度的反強磁性體構(gòu)成的層。
18.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層有從上述布線朝著上述磁阻效應元件突出的突出部。
19.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層有與接近上述布線設置的部分分離、且接近上述磁阻效應元件而設置的部分。
20.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層由從以下物質(zhì)構(gòu)成的群中選擇的任意一種構(gòu)成，這些物質(zhì)是鎳鐵(Ni-Fe)合金、鈷鎳(Co-Ni)合金、鈷鐵鎳(Co-Fe-Ni)合金、鈷(Co)與鋯(Zr)、鉿(Hf)、鈮(Nb)、鉭(Ta)、鈦(Ti)中的至少一者的合金、(Co、Fe、Ni)-(Si、B)-(P、Al、Mo、Nb、Mn)系列的非晶態(tài)合金、(Fe、Co)-(B、Si、Hf、Zr、Sm、Ta、Al)-(F、O、N)系列的金屬-非金屬性的晶粒膜、以及絕緣性鐵氧體。
21.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層由晶體磁各向異性常數(shù)K1為5×104erg/cc以下的磁性體構(gòu)成。
22.根據(jù)權利要求12所述的磁存儲器，其特征在于還備有從設置了上述覆蓋層的布線看與上述覆蓋層的外側(cè)相鄰設置的由導電性非磁性材料構(gòu)成的導電層。
23.根據(jù)權利要求22所述的磁存儲器，其特征在于上述導電性非磁性材料以銅為主要成分。
24.一種磁存儲器，備有沿第一方向延伸的第一布線；設置在上述第一布線上的磁阻效應元件；以及在上述磁阻效應元件上沿著與上述第一方向交叉的方向延伸的第二布線，利用使電流分別流過上述第一及第二布線而形成的磁場，將雙值信息中的任意一個信息記錄在上述磁阻效應元件的記錄層中，該磁存儲器的特征在于上述第一及第二布線中的至少一者至少在其兩個側(cè)面上有由磁性體構(gòu)成的覆蓋層，還備有從設置了上述覆蓋層的布線看，與上述覆蓋層的外側(cè)相鄰設置的由導電性非磁性材料構(gòu)成的導電層。
25.根據(jù)權利要求24所述的磁存儲器，其特征在于上述導電性非磁性材料以銅為主要成分。
26.根據(jù)權利要求24所述的磁存儲器，其特征在于上述覆蓋層由晶體磁各向異性常數(shù)K1為5×104erg/cc以下的磁性體構(gòu)成。
27.根據(jù)權利要求24所述的磁存儲器，其特征在于在上述覆蓋層上層疊著由反強磁性體構(gòu)成的層。
全文摘要
提供一種磁存儲器。其中備有具有磁記錄層的磁阻效應元件(C)；以及在上述磁阻效應元件的上面或下面沿第一方向延伸的第一布線(BL、WL)，利用使電流流過上述第一布線而形成的磁場，使上述磁記錄層的磁化沿規(guī)定的方向變化來記錄信息，該磁存儲器的特征在于上述第一布線在其兩個側(cè)面的至少任意的一個側(cè)面上有由磁性體構(gòu)成的覆蓋層(SM)，上述覆蓋層沿著上述第一布線的縱向有容易磁化的單軸各向異性(M)。
文檔編號G11C11/16GK1433021SQ03102768
公開日2003年7月30日 申請日期2003年1月16日 優(yōu)先權日2002年1月16日
發(fā)明者斉藤好昭, 西山勝哉, 高橋茂樹, 天野実, 上田知正, 與田博明, 淺尾吉昭, 巖田佳久, 岸逹也 申請人:株式會社東芝