專利名稱：抗熱干擾和具有高寫入效率的磁隨機存取存儲器設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁隨機存取存儲器(MRAM)、使用它的電子卡和電子裝置，特別涉及由通過隧道磁阻效應(yīng)存儲“1”/“0”信息的存儲元件構(gòu)成的存儲器單元的構(gòu)造。
現(xiàn)有技術(shù)近年來，提出了許多通過新原理存儲信息的存儲器。例如其中的一個就是在Roy Scheuerlein et.al.“A 10ns Read and WriteNon-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction andFET Switch in each Cell”ISSC C2000 Technical Digest pp.128～pp.129中揭示的將使用磁隧道連接(以后表記為MTJ)元件的磁存儲器單元配置為行列狀的MRAM。該MRAM同時具有非易失性、高速性。
MTJ元件一般具有記錄層和被稱為固定層的2個磁性層。在向MTJ元件編程數(shù)據(jù)的時候，通過向?qū)懭氩季€流過電流，并向MTJ元件施加規(guī)定方向的磁場，來切換記錄層的磁化方向。
但是，MRAM的最大問題是降低寫入電流。本發(fā)明者們進(jìn)行了MTJ元件的可靠性保持試驗，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)確保抗熱干擾性是重要的課題。以下說明其緣由。
現(xiàn)在，MTJ元件的寫入電流值為8～10mA大。為了實用化，必須使寫入電流值降低到能夠許可的水平。本發(fā)明者們試驗作成的1K比特水平的MRAM的測試芯片的寫入電流值也還是8～10mA。
進(jìn)而，調(diào)查了MTJ元件的比特信息的保持特性。其結(jié)果是即使將被設(shè)想為硬盤存儲裝置的磁介質(zhì)的抗熱干擾性的標(biāo)準(zhǔn)Ku×V/kB×T設(shè)置為80以上，也會發(fā)生比特信息的反轉(zhuǎn)。在此，V是MTJ元件的記錄層的體積，kB是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對溫度。在MRAM的情況下，通常主要由形狀磁各向異性決定Ku，而實際上是基于形狀的各向異性能量和感應(yīng)磁各向異性的和。
為了防止比特信息的反轉(zhuǎn)，提高比特信息的抗熱干擾性，關(guān)鍵是要增大Ku×V。但是，如果這樣做，則更加增加了寫入電流。
如上所述，在MRAM中理想的是同時降低寫入電流和確?？篃岣蓴_性。但是，現(xiàn)有技術(shù)中并沒有提出具體的設(shè)計方案。以下，詳細(xì)說明對該問題點的見解。
現(xiàn)在，在元件寬度為0.6μm，元件長度為1.2μm左右的情況下，所報告的MTJ元件的寫入電流值小的也有8mA左右。
通常，假設(shè)MTJ元件的平面形狀為長方形或橢圓形狀，向MTJ元件付與形狀磁各向異性，規(guī)定MTJ元件的磁化方向，也付與抗熱干擾性。
MTJ元件的形狀磁各向異性和感應(yīng)磁各向異性的和與MTJ元件的記錄層的體積的積為Ku×V。在此，假設(shè)MTJ元件的記錄層的感應(yīng)磁各向異性與基于形狀的各向異性的方向是同一方向，不產(chǎn)生各向異性的分散等。但是，通?？梢哉J(rèn)為對于作為記錄層的材料使用的NiFe來說，感應(yīng)磁各向異性的大小(幾Oe)與基于形狀的各向異性的磁場的大小(幾十Oe)相比小一個數(shù)量級，抗熱干擾性、反轉(zhuǎn)磁場也幾乎都由形狀磁各向異性決定。
大致由下式(1)決定寫入記錄層的磁化信息所必需的反轉(zhuǎn)磁場Hsw。
Hsw＝4π×Ms×t/F(Oe)......(1)在此，Ms是記錄層的飽和磁化，t是記錄層的厚度，F(xiàn)是記錄層的寬度。另外，大致由下式(2)決定基于形狀的各向異性能量和感應(yīng)磁各向異性的和Ku。
Ku＝Hsw×Ms/2......(2)作為降低寫入電流的方法，例如在Saied Tehrani，“Magnetoresistive RAM”，2001 IEDM short course中提出了在例如由Cu等構(gòu)成的通常的寫入布線上覆蓋NiFe等軟磁性材料，成為具有磁軛(yoke)的寫入布線。由此，能夠產(chǎn)生2倍左右的高效率，即使寫入電流值降低1/2左右。
圖1展示了上述文獻(xiàn)“Magneto resistive RAM”中記載的具有磁軛的寫入布線的構(gòu)造的一個例子，圖2展示了研究使用了圖1的寫入布線后的寫入特性的結(jié)果。如圖1所示，具有磁軛的寫入布線具有用NiFe等軟磁性材料構(gòu)成的磁軛20覆蓋由Cu構(gòu)成的寫入布線30的周圍一部分的構(gòu)造。
在圖2中，用實線表示的特性A展示了在作為MTJ元件的記錄層使用2nm膜厚的CoFeNi薄膜的情況下，縮小記錄層的寬度F，伴隨著MTJ元件的細(xì)微化，開關(guān)磁場Hsw增大的情況。
在使用通常的寫入布線的情況(特性B)下，由于到1/F為7左右為止產(chǎn)生的磁場比開關(guān)磁場大，所以能夠進(jìn)行寫入。與此相對，在使用通過現(xiàn)有技術(shù)形成的具有磁軛的寫入布線的情況(特性C)下，由于即使1/F超過了7左右，產(chǎn)生的磁場也比開關(guān)磁場大，所以能夠進(jìn)行寫入。但是，如果1/F超過了10左右，則產(chǎn)生的磁場變得比開關(guān)磁場小。
在使用通過現(xiàn)有技術(shù)形成的具有磁軛的寫入布線的情況下，通過試驗和計算機模擬研究的結(jié)果是能夠確認(rèn)2倍左右的高效率化效果，并能夠?qū)懭腚娏鹘档偷?mA。但是，這是界限，離作為實用化所必需的目標(biāo)值的1～2mA還很遙遠(yuǎn)。
另一方面，在池田等著作的“使用了GdFe合金垂直磁化膜的GMR膜和TMR膜”，日本應(yīng)用磁學(xué)會雜志Vol.24，No.4-2，2000p.563～566中，報告了在TMR膜中使用了GdFe合金垂直磁化膜的情況下的磁阻效應(yīng)的測量結(jié)果。
另外，在N.Nisimura，et.al.，“Megnetic tunnel junction devicewith perpendicular magnetization films for high-density magneticrandom access memory”，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，VOLUME 91，NUMBER 8，15 APRIL 2002中，作為使用了垂直磁化膜的MTJ元件的層疊結(jié)構(gòu)的一個例子，揭示了磁性層(GdFeCo)(50nm)/界面層(CoFe)/隧道壁壘膜(Al2O3(2.2nm))/界面層(CoFe)/磁性層(TbFeCo)(30nm)。
如上所述，理想的是現(xiàn)有的MRAM能夠同時確保寫入電流的降低和比特信息的抗熱干擾性，但并未提出具體的設(shè)計方案。另外，由于現(xiàn)有的MRAM伴隨著MTJ元件的細(xì)微化而寫入電流進(jìn)一步增大，所以并未提案出使MRAM大容量化所必需的使寫入電流小于等于1mA左右的具體的方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第1方面，提供以下這樣的磁隨機存取存儲器設(shè)備由垂直型的磁阻元件和寫入布線構(gòu)成，其中該磁阻元件具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構(gòu)成記錄層，另一個構(gòu)成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向；該寫入布線配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場，在上述磁阻元件的磁性層的磁化方向上施加該產(chǎn)生的磁場，使上述磁阻元件的上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息。
根據(jù)本發(fā)明的第2方面，提供以下這樣的電子卡由半導(dǎo)體芯片、卡主體、蓋子和多個外部端子構(gòu)成，其中該半導(dǎo)體芯片具有磁阻元件和寫入布線，該磁阻元件具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構(gòu)成記錄層，另一個構(gòu)成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向，該寫入布線配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場，在上述磁阻元件的磁性層的磁化方向上施加該產(chǎn)生的磁場，使上述磁阻元件的上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息；該卡主體收納上述半導(dǎo)體芯片，在半導(dǎo)體芯片的一個側(cè)面具有窗口；該蓋子具有使上述卡主體的上述窗口開關(guān)的磁屏蔽效果；該外部端子設(shè)置在上述卡主體的至少一個端部，將上述半導(dǎo)體芯片電連接到卡主體的外部。


圖1是展示具有磁軛的寫入布線的結(jié)構(gòu)的一個例子的斜視圖。
圖2是展示研究了使用圖1的具有磁軛的寫入布線后的寫入特性的結(jié)果的特性圖。
圖3是概要地展示在MRAM中使用的MTJ元件的一般結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖4A和圖4B是展示圖3中的MTJ元件的2個磁性層的磁化方向的圖。
圖5是模式地展示MRAM的單元陣列的平面布局的一個例子的圖。
圖6是模式地展示實施例1的MTJ元件的基本結(jié)構(gòu)和磁軛與寫入布線的配置關(guān)系的側(cè)面圖。
圖7是展示圖6中的磁軛的具體結(jié)構(gòu)的一個例子的斜視圖。
圖8是展示圖6中的MTJ元件的具體結(jié)構(gòu)的一個例子的側(cè)面圖。
圖9是展示圖6中的MTJ元件的具體結(jié)構(gòu)的另一個例子的側(cè)面圖。
圖10是展示圖6中的MTJ元件的具體結(jié)構(gòu)的又一個例子的側(cè)面圖。
圖11是展示圖6中的磁軛的具體結(jié)構(gòu)的另一個例子的側(cè)面圖。
圖12是展示圖6中的磁軛的具體結(jié)構(gòu)的又一個例子的側(cè)面圖。
圖13是展示圖6中的磁軛的具體結(jié)構(gòu)的又一個例子的側(cè)面圖。
圖14是展示本發(fā)明的實施例2的MRAM單元的結(jié)構(gòu)的斜視圖。
圖15是展示本發(fā)明的實施例3的MRAM單元的結(jié)構(gòu)的斜視圖。
圖16是本發(fā)明的實施例4的存儲器單元陣列的電路圖。
圖17是展示圖16的存儲器單元陣列內(nèi)的一個MRAM單元與寫入布線和磁軛的配置關(guān)系的一個例子的斜視圖。
圖18是展示本發(fā)明的實施例5的MRAM單元的結(jié)構(gòu)的側(cè)面圖。
圖19是展示在本發(fā)明的實施例6的MRAM中規(guī)定特性比的基準(zhǔn)的特性圖。
圖20是展示本發(fā)明的實施例7的存儲器單元陣列的電路圖。
圖21是作為本發(fā)明相關(guān)的MRAM的適用例1展示數(shù)字用戶線用調(diào)制解調(diào)器的DLS數(shù)據(jù)總線布線的框圖。
圖22是作為本發(fā)明相關(guān)的MRAM的適用例2展示便攜電話終端中的實現(xiàn)通信功能的部分的框圖。
圖23是展示將本發(fā)明相關(guān)的MRAM適用于MRAM卡的例子的上面圖。
圖24是作為使用本發(fā)明相關(guān)的MRAM卡的電子裝置的一個例子展示插入型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫裝置的上面圖。
圖25是與圖24對應(yīng)的截面圖。
圖26是作為本發(fā)明相關(guān)的電子裝置的另一個例子展示嵌入型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫裝置的截面圖。
圖27是作為本發(fā)明相關(guān)的電子裝置的又一個例子展示滑動型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫裝置的截面圖。
具體設(shè)施方式首先，在說明實施例之前，先說明在各實施例中使用的MTJ元件。圖3概要地展示了MTJ元件的截面結(jié)構(gòu)。MTJ元件10具有以下結(jié)構(gòu)由強磁性層或強磁性體膜構(gòu)成的2個磁性層11、12夾著1個非磁性層(隧道壁壘膜)13。MTJ元件10通過2個磁性層11、12的磁化方向是平行還是反平行，來存儲邏輯“1”電平或“0”電平的數(shù)據(jù)。
在磁性層12的一側(cè)配置反強磁性層14。反強磁性層14是通過使一側(cè)的磁性層12的磁化方向固定，而只改變另一側(cè)的磁性層11的磁化方向，來容易地改寫數(shù)據(jù)的部件。在此，磁化方向是固定的磁性層12被稱為固定層或針層，磁化方向是可變的磁性層11被稱為自由層或記錄層。
圖4A和圖4B展示了圖3所示的MTJ元件10的2個磁性層11、12的磁化方向的2個狀態(tài)。如圖4A所示，在2個磁性層11、12的磁化方向(圖示箭頭的方向)是平行(相同)的情況下，夾在2個磁性層11、12之間的隧道壁壘膜13的隧道電阻最低。在該情況下，隧道電流變得最大。
如圖4B所示，在2個磁性層11、12的磁化方向是反平行的情況下，夾在2個磁性層11、12之間的隧道壁壘膜13的隧道電阻最高。在該情況下，隧道電流最小。
在MRAM中，使MTJ元件的電阻值不同的2個狀態(tài)與邏輯“1”電平的數(shù)據(jù)的存儲狀態(tài)(“1”狀態(tài))和邏輯“0”電平的數(shù)據(jù)的存儲狀態(tài)(“0”狀態(tài))對應(yīng)。
圖5模式地展示了在行方向和列方向上二維地配置了多個MTJ元件10的MRAM單元陣列的平面布局的一個例子。
在相互垂直的方向上配置多個寫入/讀出用的比特線BL和多個寫入字線WWL。與各比特線BL和各寫入字線WWL的交點對應(yīng)地分別配置MTJ元件10。MTJ元件10的長方形的長邊沿著寫入字線WWL，短邊沿著比特線BL，并沿著長邊方向付與磁化方向。各比特線BL與同一行(或列)的多個MTJ元件10的各一個磁性層(圖3中的符號11或12)電連接。使得與同一列(或行)的多個MTJ元件10的各另一個磁性層(圖3中的符號12或11)接近并相對地配置各寫入字線WWL。這些多個MTJ元件形成在半導(dǎo)體基板，例如硅基板上，并被形成為一個芯片。
<MRAM的實施例1>
圖6是模式地展示在實施例1相關(guān)的MRAM中，作為MRAM單元使用的MTJ元件的基本結(jié)構(gòu)和磁軛與寫入布線的配置關(guān)系的側(cè)面圖。
在圖6中，MTJ元件10分別由磁性層構(gòu)成，具有以下的層疊結(jié)構(gòu)在被稱為自由層的記錄層11和被稱為固定磁化層或針層的固定層12之間，夾著由非磁性層構(gòu)成的隧道壁壘層13。該MTJ元件10具有隧道磁阻(TMR)效應(yīng)，是磁性層11、12的磁化方向是膜面垂直方向的垂直型MTJ元件。在此，隧道壁壘層13使用氧化鋁AlO，例如Al2O3等。
磁軛20從厚度方向夾著MTJ元件10，具有以下作用從厚度方向向MTJ元件10的磁性層11、12施加基于后述寫入布線30產(chǎn)生的磁場。磁軛20使用軟磁性體。在本實施例中，MTJ元件10與磁軛20相接。但是，在界面上也可以設(shè)置例如Ta等金屬、MgO等絕緣體。
沿著與MTJ元件10的厚度方向垂直的方向，在本實施例中是MTJ元件10的厚度方向的側(cè)面，接近地配置寫入布線30。寫入布線30與MTJ元件10的磁性層11、12的膜面垂直方向(磁化方向)平行地施加所產(chǎn)生的磁場。寫入布線30例如由Cu或Al等構(gòu)成。
即，實施例1相關(guān)的MRAM具有夾著非磁性層的2層磁性層，使磁性層的磁化方向向著膜面垂直方向的垂直型MTJ元件10的由于2層磁性層的磁化排列狀態(tài)而變化的電阻值與“0”“1”的信息對應(yīng)。所以，在MTJ元件10的磁性層的磁化方向上施加因在接近MTJ元件10配置的寫入布線30中流過電流而產(chǎn)生的磁場，使MTJ元件10的2個磁性層中的一個的記錄層的磁化方向變化，來寫入信息。
<磁軛的具體例子>
圖7展示了圖6中的磁軛20的具體結(jié)構(gòu)例子。設(shè)置具有包圍寫入布線30的完全閉合磁力線結(jié)構(gòu)的包圍磁軛20a。在該包圍方向的中間，夾著垂直型MTJ元件10的兩側(cè)的磁性層。在該情況下，包圍磁軛20a的包圍閉合磁力線的一部分夾著電絕緣膜21。在包圍磁軛20a和寫入布線30之間也夾著電絕緣膜。包圍磁軛20a在MTJ元件10的存儲數(shù)據(jù)讀出時，成為在MTJ元件10中流過電流的電流路徑的一部分。
接著，說明對圖6和圖7所示的MTJ元件10的寫入動作的原理。通過以下步驟完成對MTJ元件10的寫入與寫入數(shù)據(jù)對應(yīng)地向?qū)懭氩季€30流過朝向第1方向或與之相反的第2方向的脈沖電流，利用通過該電流形成的磁場使MTJ元件10的記錄層11的膜面垂直方向的磁化方向平行或反平行。在上述寫入動作時，磁軛20的磁通向MTJ元件10的記錄層11收斂，因此能夠大幅度降低寫入電流。
從MTJ元件10讀出信息時，形成流過MTJ元件10的電流的電流路徑，通過向MTJ元件10的兩端間施加規(guī)定的讀出電壓V而在電流路徑中流過與MTJ元件10的電阻值對應(yīng)的電流，通過用傳感放大器檢測出該電流值來讀出信息。
但是，根據(jù)本申請發(fā)明者們的實驗，在向垂直型MTJ元件寫入數(shù)據(jù)的情況下，在向?qū)懭氩季€流入與向現(xiàn)有例子的MTJ元件進(jìn)行寫入的情況相同的電流值的電流的情況下，在MTJ元件中產(chǎn)生的磁場和磁場的產(chǎn)生效率為現(xiàn)有例子的100倍以上。換一種說法，為了產(chǎn)生與現(xiàn)有例子相同的磁場所必需的寫入電流值降低為1/100以下。
但是，即使寫入磁場變得如此大，但為了使薄膜磁性層的磁化朝向膜面垂直方向，也必須具有比該靜磁能量～2πMs2大的垂直磁各向異性能量，因此反轉(zhuǎn)磁場變大為數(shù)千Oe，結(jié)果是寫入電流值沒有降低。
所以，如圖6所示，通過由磁軛20在厚度方向上夾著MTJ元件10，能夠大幅度地降低靜磁能量，降低垂直磁各向異性能量Ku，即使反轉(zhuǎn)磁場為100Oe以下，也能夠使磁性層的磁化朝向膜面垂直方向。
由此，本實施例相關(guān)的MRAM單元具有作為現(xiàn)有的MRAM單元的反轉(zhuǎn)磁場的約30Oe的3倍左右的反轉(zhuǎn)磁場，其結(jié)果是能夠使寫入電流值成為現(xiàn)有例子的寫入電流值的1/30，即降低到0.3mA左右。
如上所述，作為磁各向異性，形狀磁各向異性和感應(yīng)磁各向異性是主要因素，在假設(shè)單磁區(qū)并且磁化一齊反轉(zhuǎn)的情況下，可以如前面的式(1)那樣記述反轉(zhuǎn)磁場Hsw。
在本實施例中，為了使磁性膜的磁化方向朝向膜面垂直方向，必須是垂直方向的磁各向異性。在該磁各向異性是結(jié)晶磁各向異性的情況下是無法改變的，因此即使磁性膜的圖形大小減小，原理上反轉(zhuǎn)磁場Hsw也不改變。所以，通過使磁性膜為垂直磁化膜，才有可能不使反轉(zhuǎn)磁場Hsw增加而進(jìn)行細(xì)微化。
另外，如上所述，即使對MTJ元件10進(jìn)行細(xì)微化，但由于反轉(zhuǎn)磁場不增加，所以能夠?qū)崿F(xiàn)具有在現(xiàn)有的MRAM中無法實現(xiàn)的90nm以下的細(xì)微的MTJ元件的例如256M比特以上的大容量的MRAM。
即，根據(jù)實施例1，對MTJ元件10的數(shù)據(jù)寫入可以向MTJ元件10的磁性層的膜面垂直方向施加寫入磁場，可以由磁軛20從厚度方向夾著MTJ元件10。并且，在磁軛20中，夾著MTJ元件時的間隙與MTJ元件10的厚度相當(dāng)，十分狹窄，因此能夠大幅度提高磁場的產(chǎn)生效率。
另外，不需要現(xiàn)有例子的MTJ元件中所必需的反強磁性體，通過降低MTJ元件10的膜厚度，來提高寫入磁場的產(chǎn)生效率等。在該情況下，作為現(xiàn)有例子的MTJ元件的反強磁性層使用了Mn族合金，Mn從300℃左右的溫度開始擴散，具有使電阻變化率(MR比)劣化的問題。與此相對，如果如本實施例那樣不必使用反強磁性層，則能夠降低因Mn擴散造成的MR的劣化。
另外，由于反轉(zhuǎn)磁場Hsw并不依存于MTJ元件10的平面寬度，所以不需要擔(dān)心伴隨著MTJ元件10的擴散的反轉(zhuǎn)磁場不足。另外，由于因磁軛20的MTJ元件磁性層的膜面垂直方向的反磁場產(chǎn)生的靜磁能量降低，所以即使具有小的反轉(zhuǎn)磁場，也能夠使磁性層的磁化朝向膜面垂直方向。
所以，能夠使MRAM單元的寫入電流值減小到實用水平，并且能夠解決伴隨著形狀改變的反轉(zhuǎn)電流值的偏離，能夠?qū)崿F(xiàn)確保充分的抗熱干擾性，并且降低了寫入電流值的MRAM。
<MRAM單元的選擇晶體管>
例如，如圖7中的虛線所示，可以將寫入單元選擇用的MOS晶體管31連接到寫入布線30上。通過連接該MOS晶體管31，能夠進(jìn)行對選擇對象的MRAM單元的MTJ元件10的選擇、從非選擇對象的其他MRAM單元中的分離。在該情況下，如果通過在上述實施例中得到的效果，能夠使寫入電流值成為mA級，則能夠?qū)崿F(xiàn)將寫入單元選擇用晶體管31減小到與MTJ元件10相同的程度，能夠安裝到存儲器單元陣列中。
由此，能夠不產(chǎn)生半選擇狀態(tài)的單元，完全沒有誤寫入。進(jìn)而，還能夠解決半選擇狀態(tài)的單元的熱干擾的問題。進(jìn)而，在寫入時，可以采用一邊通過寫入電流等加熱選擇了的單元一邊進(jìn)行寫入的熱輔助記錄方式。由此，能夠?qū)TJ元件10細(xì)微化到50nm等級，提高將MRAM置換為DRAM的可實現(xiàn)性。
與此相對，在現(xiàn)有的熱輔助記錄方式的概念中，在寫入時沒有單元的選擇性，因此對選擇單元以外的單元也施加相當(dāng)程度的熱，成為因熱干擾造成記錄層的磁化反轉(zhuǎn)的一個原因。
但是，在具有圖6所示那樣的基本結(jié)構(gòu)的MTJ元件10中，作為固定層12使用具有高保磁力的高Hc磁性材料，作為記錄層11使用保磁力比固定層12小的低Hc磁性材料，由此能夠?qū)崿F(xiàn)高性能的MTJ元件10。在該情況下，適當(dāng)?shù)剡x擇高Hc磁性材料和低Hc磁性材料，能夠適當(dāng)?shù)卣{(diào)整Hc。
作為高Hc磁性材料，理想的是具有1×106erg/cc以上的高結(jié)晶磁各向異性能量密度的材料，以下列舉其具體例子。
(1)Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)中的至少一個元素，或者Fe、Co、Ni中的至少一個元素與Cr(鉻)、Pt(鉑)、Pd(鈀)中的至少一個元素的合金。該合金包含規(guī)則合金、不規(guī)則合金。作為規(guī)則合金可以列舉Fe(50)Pt(50)、Fe(50)Pd(50)、Co(50)Pt(50)等。作為不規(guī)則合金，可以列舉CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等。
(2)將Fe、Co、Ni中的至少一個元素或包含該一個元素的合金、Pd、Pt中的至少一個元素或包含該元素的合金交替層疊而成的結(jié)構(gòu)。例如Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格、CoCr/Pt人工晶格。在使用了上述Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格等的情況下，作為電阻變化率(MR比)能夠具有40％左右的大值。
(3)如前面的文獻(xiàn)(“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”)中揭示的那樣的稀土類金屬中的至少一個金屬，例如由Tb(鋱)、Dy(鏑)、Gd(釓)與過渡金屬中的至少一個元素構(gòu)成的非晶形合金。例如，TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等，進(jìn)而理想的是將補償溫度調(diào)整到室溫附近的組成。
另一方面，低Hc磁性材料是通過組成比的調(diào)整、雜質(zhì)的添加、膜厚度的調(diào)整等，使磁各向異性能量密度與高Hc磁性材料相比低的材料。以下列舉該材料的具體例子。
(1)Fe、Co、Ni中的至少一個元素，或者Fe、Co、Ni中的至少一個元素與包含Cr、Pt、Pd中的至少一個元素的合金。在該合金是規(guī)則合金的情況下，可以列舉向Fe(50)Pt(50)和Co(50)Pt(50)等添加了Cu(銅)、Cr、Ag(銀)等雜質(zhì)元素或添加了該合金、絕緣物質(zhì)而降低了磁各向異性能量密度的材料。在上述合金是不規(guī)則合金的情況下，可以列舉增加了非磁性元素的比例而降低了磁各向異性能量密度的材料。
(2)將Fe、Co、Ni中的至少一個元素、Pd、Pt中的至少一個元素交替層疊而成的結(jié)構(gòu)，包含F(xiàn)e、Co、Ni的層的膜厚度或包含Pd、Pt的層的膜厚度厚。實際上，具有包含F(xiàn)e、Co、Ni的層的膜厚度和包含Pd、Pt的層的膜厚度的最優(yōu)值，如果不是該最優(yōu)值則磁各向異性能量密度下降。即，是上述膜厚度比最優(yōu)值薄的構(gòu)造。
(3)如前面的文獻(xiàn)(“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”)中揭示的那樣的稀土類金屬中的至少一個金屬，例如由Tb(鋱)、Dy(鏑)、Gd(釓)與過渡金屬中的至少一個元素構(gòu)成的非晶形合金。
<MTJ元件的實施例1>
圖8是展示圖6中的MTJ元件10的具體例子的側(cè)面圖。在將MTJ元件10層疊在磁軛用磁性材料上的情況下，為了防止擴散和交換結(jié)合，可以在磁軛用材料上設(shè)置由適當(dāng)?shù)牟牧?，例如Ta(鉭)、TiN、TaN等構(gòu)成的基礎(chǔ)層。
在作為具有高保磁力的固定層12使用FePt、CoPt規(guī)則合金的情況下，為了產(chǎn)生垂直磁各向異性，必須定向fat(001)面。因此，作為結(jié)晶定向用基礎(chǔ)，可以使用由數(shù)nm左右的MgO(氧化鎂)構(gòu)成的極薄基礎(chǔ)。另外，也可以使用具有晶格常數(shù)為0.28nm、0.40nm、0.56nm左右的fcc、bcc構(gòu)造的元素、化合物，例子Pt、Pd、Ag、Au、Al、Cr等。
在作為具有低保磁力的記錄層11例如使用Co/Pt人工晶格的情況下，通過調(diào)整Co和Pt的膜厚度，能夠調(diào)整保磁力。
MTJ元件10的實施例1的層疊結(jié)構(gòu)如下。
下部磁軛20由NiFe構(gòu)成。基礎(chǔ)層14由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。結(jié)晶定向用基礎(chǔ)15由膜厚度為1nm的MgO構(gòu)成。固定層12由膜厚度為5nm的FePt構(gòu)成。隧道壁壘膜13由膜厚度為1.2nm的AlO構(gòu)成。記錄層11由膜厚度為0.5nm的Co、膜厚度為1.5nm的Pt的層疊膜構(gòu)成?；A(chǔ)層14由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。進(jìn)而，上部磁軛20由NiFe構(gòu)成。
在此，也可以在隧道壁壘膜13和記錄層11的界面上插入不損失MR比程度的Pt層。另外，作為固定層12，也可以代替上述的FePt規(guī)則層，而使用CoPt規(guī)則層。另外，作為記錄層11，也可以代替Co/Pt人工晶格而使用Co/Pd人工晶格。另外，作為隧道壁壘膜13，也可以代替AlO而使用MgO。
<MTJ元件的實施例2>
圖9是展示圖6中的MTJ元件10的具體例子的側(cè)面圖?？梢杂扇斯ぞЦ穹謩e構(gòu)成MTJ元件10的固定層12和記錄層11。
該情況下的MTJ元件10的層疊結(jié)構(gòu)的一個例子如下。
下部磁軛20由NiFe構(gòu)成?；A(chǔ)層14由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。固定層12由膜厚度為0.8nm的Pt、膜厚度為0.3nm的Co的層疊膜構(gòu)成。隧道壁壘膜13由膜厚度為1.2nm的AlO構(gòu)成。記錄層11由膜厚度為0.5nm的Co、膜厚度為1.5nm的Pd的層疊膜構(gòu)成。基礎(chǔ)層14由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。進(jìn)而，上部磁軛20由NiFe構(gòu)成。
在該情況下，也可以在隧道壁壘膜13和記錄層11的Co的界面上插入不損失MR比程度的Pt、Pd。
<MTJ元件的實施例3>
作為MTJ元件10的固定層12或記錄層11，也可以使用由稀土類金屬和過渡金屬構(gòu)成的非晶形合金。該情況下的MTJ元件的層疊結(jié)構(gòu)的一個例子如下，與圖9所示的層疊結(jié)構(gòu)一樣。
下部磁軛由NiFe構(gòu)成。基礎(chǔ)層由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。固定層由膜厚度為20nm的Tb(22)(Fe(71)Co(29))(78)構(gòu)成。隧道壁壘膜由膜厚度為1.2nm的AlO構(gòu)成。記錄層由膜厚度為0.5nm的Co、膜厚度為1.5nm的Pd的層疊膜構(gòu)成?；A(chǔ)層由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。進(jìn)而，上部磁軛由NiFe構(gòu)成。
在此，也可以在由Tb(22)(Fe(71)Co(29))(78)構(gòu)成的固定層和由AlO構(gòu)成的隧道壁壘膜的界面上插 Co等使之交換結(jié)合。另外，固定層或記錄層也可以是例如將TbFeCo/Pt/Co那樣的由稀土類金屬和過渡金屬構(gòu)成的非晶形合金、Pt、Pd等非磁性金屬、Co層疊的結(jié)構(gòu)。
<MTJ元件的實施例4>
MTJ元件10的記錄層11也可以位于下部磁軛側(cè)。該情況下的MTJ元件的層疊結(jié)構(gòu)的一個例子如下。
下部磁軛由NiFe構(gòu)成。基礎(chǔ)層由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。記錄層由膜厚度為10nm的CrTi、膜厚度為10nm的Co(74)Cr(16)Nb(10)的層疊膜構(gòu)成。隧道壁壘膜由膜厚度為1.2nm的AlO構(gòu)成。固定層由膜厚度為0.3nm的Co、膜厚度為0.8nm的層疊膜構(gòu)成?；A(chǔ)層由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。進(jìn)而，上部磁軛由NiFe構(gòu)成。
<MTJ元件的實施例5>
MTJ元件10的固定層12也可以使用層疊費里(Ferry)結(jié)構(gòu)，即磁性層和金屬層交替層疊的結(jié)構(gòu)。作為上述磁性層可以列舉Fe、Co、Ni、它們的合金等，作為上述金屬層可以列舉Ru、Ir、Rh、Re、Os等。作為層疊費里的具體例子，有Co/Ru、Co/Ir、Co/Rh等。該情況下的MTJ元件的層疊結(jié)構(gòu)的一個例子如下。
下部磁軛由NiFe構(gòu)成?；A(chǔ)層由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。記錄層由膜厚度為10nm的CrTi、膜厚度為10nm的Co(74)Cr(16)Nb(10)的層疊膜構(gòu)成。隧道壁壘膜由膜厚度為1.2nm的AlO構(gòu)成。固定層由膜厚度為0.3nm的Co、膜厚度為0.8nm的Ru的層疊膜構(gòu)成?；A(chǔ)層由膜厚度為2nm的Ta構(gòu)成。上部磁軛由NiFe構(gòu)成。
<MTJ元件的實施例6>
MTJ元件10的磁性層11、12也可以使用費里磁性體或?qū)盈B費里結(jié)構(gòu)。在此，費里磁性體有以下幾種使用了稀土類金屬中的至少一個元素例如Gd、Tb、過渡金屬中的至少一個元素構(gòu)成的非晶形合金，例如將GdCo、TbFeCo、GdTbFe等、Fe、Co、Ni中的至少一個元素、V(釩)、Cr、Cu、Nb(鈮)、Mo(鉬)、Ru(釕)、Rh(銠)、Pd、Ta、W(鎢)、Re(錸)、Os(鋨)、Ir(銥)、Pt、Au中的一個元素交替層疊的結(jié)構(gòu)；使用了Mn(錳)、Cu、Al、Ge(鍺)、Bi(鉍)的材料，例如MnBi、MnAlGe、MnCuBi等。
如果MTJ元件的記錄層使用了費里磁性層，則能夠降低垂直方向的靜磁能量，能夠?qū)崿F(xiàn)具有小反轉(zhuǎn)磁場的垂直記錄層，并且能夠降低磁軛自己消耗的偏置磁場，因此能夠降低改寫時所必需的電流值。
如果MTJ元件的固定層使用費里磁性體，則能夠降低記錄層11所消耗的偏置磁場，因此能夠降低偏移磁場。
<MTJ元件的實施例7>
圖10是展示圖6中的MTJ元件10的具體例子的側(cè)面圖。該MTJ元件10在磁性層11、12和隧道壁壘膜13的界面，即在2處的壁壘界面上隔著Co、Ni、Fe或它們的合金(CoFe、NiFe、NiCo、FeCoNi)16，其他部分具有與圖6所示的MTJ元件10相同的構(gòu)造，并付與了與圖6中一樣的符號。通過該結(jié)構(gòu)，提高了MTJ元件的電阻變化率MR。
<磁軛的實施例1>
圖11是展示圖6中的磁軛20的具體例子的側(cè)面圖。在該磁軛中，作為磁軛本體(軟磁性體本體)41的MTJ元件界面?zhèn)鹊拇判詫訆A住部分即磁軛尖端，使用了具有高飽和磁通密度(Bs)的材料，例如FeCo、CoFe、Fe(1-x)Nx等。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，能夠增加寫入磁場，提高寫入效率。另外，圖11中的MTJ元件的一個例子具有例如與圖10所示的MTJ元件一樣的構(gòu)造，并付與與圖10中一樣的符號。
<磁軛的實施例2>
如果使實施例1中的磁軛20的截面形狀成為磁通朝向MTJ元件10收斂的構(gòu)造，則不只是提高寫入效率，還使得沒有從磁軛的彎曲部分的磁場泄漏，能夠降低施加到相鄰其他的MTJ元件的磁場，消除誤寫入的可能。
圖12是展示圖6中的磁軛20的具體例子的側(cè)面圖。MTJ元件10的固定層12側(cè)的磁軛尖端42a的面積與固定層12的面積相同。與此相對，記錄層11側(cè)的磁軛尖端42b的面積比記錄層11的面積大。另外，將記錄層側(cè)的磁軛面積設(shè)置得比針層側(cè)的磁軛面積大。另外，圖12中的MTJ元件的一個例子具有與例如圖11中所示的MTJ元件一樣的構(gòu)造，并付與與圖11中相同的符號。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，提高了寫入效率，與例如圖11中所示的磁軛20相比降低了寫入電流，例如減半。
<磁軛的實施例3>
圖13是展示圖6中的磁軛的具體例子的側(cè)面圖。MTJ元件10的固定層12側(cè)的磁軛尖端42a的面積與MTJ元件的固定層12的面積相同，記錄層11側(cè)的磁軛尖端42b的面積與記錄層11的面積相同。但是，將記錄層11側(cè)的磁軛本體41b的面積設(shè)置得比固定層12側(cè)的磁軛本體，即軟磁性體本體41a的面積大。另外，圖13中的MTJ元件的一個例子具有與例如圖11中所示的MTJ元件一樣的構(gòu)造，并付與與圖11中相同的符號。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，提高了寫入效率，與例如圖11中所示的磁軛相比降低了寫入電流，例如減半。
<MRAM單元的實施例2>
圖14是實施例2的MRAM單元的側(cè)面圖。在該MRAM單元中，在一個垂直型MTJ元件10的兩側(cè)并排設(shè)置2個寫入布線301、302。設(shè)置具有例如眼鏡形狀的完全閉合磁力線結(jié)構(gòu)的磁軛20b，使得包圍該2個寫入布線51、52。在該磁軛20b中，通過位于2個寫入布線51、52中間的閉合磁力線，在厚度方向上夾著MTJ元件10。另外，作為圖14中的MTJ元件的一個例子，展示了具有與圖6中所示的MTJ元件相同的構(gòu)造，并付與與圖6中相同的符號。
如果根據(jù)這樣從2個寫入布線51、52向MTJ元件10產(chǎn)生磁場的結(jié)構(gòu)，則與例如圖6中所示的MRAM單元相比，即使在與1個布線中的寫入電流相等的情況下，也能夠增加產(chǎn)生的磁場。換一種說法，與圖6中所示的MRAM單元相比，在假設(shè)對一個MTJ元件的產(chǎn)生磁場都為一樣的情況下，降低了一個布線中的寫入電流，例如減半。
在該情況下，能夠有選擇地向MTJ元件施加在2個寫入布線51、52的一個中流過了寫入電流的情況下所產(chǎn)生的磁場、或在2個寫入布線51、52中流過了相互相反方向的電流的情況下分別產(chǎn)生的磁場。
<MRAM單元的實施例3>
圖15是實施例3的MRAM單元的側(cè)面圖。在該MRAM單元中，在寫入布線30的兩側(cè)分別配置了垂直型MTJ元件10。另外，在具有包圍寫入布線30的完全閉合磁力線構(gòu)造的磁軛20a中的寫入布線30的兩側(cè)的2個地方，分別從厚度方向上夾著2個MTJ元件10。另外，圖15中的各MTJ元件10是一個例子，具有與例如圖6所示的MTJ元件相同的構(gòu)造，并付與與圖6中一樣的符號。
通過這樣的結(jié)構(gòu)，2個MTJ元件10分別同樣地被磁化為平行狀態(tài)或反平行狀態(tài)。另外，由于來自固定層12的偏置磁場相互抵消，所以降低了偏移磁場。在讀出一個MTJ元件10的情況下，也可以任意地插入圖7中的電絕緣膜21，使得夾住一個MTJ元件10。
<MRAM單元的實施例4>
圖16和圖17展示了實施例4的MRAM單元陣列和MRAM單元，圖16展示了存儲器單元陣列的一部分，圖17展示了圖16中的存儲器單元陣列內(nèi)的一個MRAM單元與寫入布線、磁軛的配置關(guān)系的一個例子。
在實施例4中，將在實施例1中說明了的那樣的垂直MTJ元件10行列狀地配置在半導(dǎo)體層例如半導(dǎo)體硅基板上，構(gòu)成單元陣列。在該情況下，在行方向上配置作為第1寫入布線的字線WL，使得在與同一行的MTJ元件10的厚度方向垂直的方向上接近MTJ元件10的側(cè)面。另外，在列方向上配置作為第2寫入布線的比特線BL，使得在與同一列的MTJ元件10的厚度方向垂直的方向上接近MTJ元件10的側(cè)面。由此，與字線WL和比特線BL的交叉部分附近對應(yīng)地存在MTJ元件10。
如圖17所示，向MTJ元件10設(shè)置具有包圍比特線BL的完全閉合磁力線構(gòu)造的第1磁軛20B、具有包圍字線WL的完全閉合磁力線構(gòu)造的第2磁軛20W。在該情況下，將1個MTJ元件10設(shè)置在第1磁軛20B和第2磁軛20W相互垂直的方向上，在厚度方向上由第1磁軛20B夾著MTJ元件10。在MTJ元件10的厚度方向上由第2磁軛20W夾著該第1磁軛20B。
即，只由第1磁軛20B、或者只由第2磁軛20W、或者由第1磁軛20B和第2磁軛20W向1個MTJ元件10施加磁場。
另外，作為圖17中的MTJ元件10的一個例子，具有與圖6中所示的MTJ元件相同的構(gòu)造，并付與與圖6中一樣的符號。
根據(jù)這樣分別從配置在垂直方向上的2個寫入布線WL、BL向MTJ元件10有選擇地產(chǎn)生磁場的結(jié)構(gòu)，與例如圖6中所示的MRAM單元相比，即使在與1個布線中的寫入電流相等的情況下，也能夠增加產(chǎn)生的磁場。換一種說法，與圖6中所示的MRAM單元相比，在假設(shè)對一個MTJ元件產(chǎn)生的磁場都為一樣的情況下，降低了一個布線中的寫入電流，例如減半。在該情況下，能夠只在同時向字線WL和比特線BL流過寫入電流時向位于該字線WL和比特線BL的交叉部分附近的希望的MTJ元件10進(jìn)行需要的寫入，因此沒有必要對每個MTJ元件設(shè)置寫入單元選擇用晶體管。
<MRAM單元的實施例5>
圖18是實施例5的MRAM單元的側(cè)面圖。在該MRAM單元中，在磁軛20和垂直型MTJ元件10的兩側(cè)的磁性層11、12之間，夾著導(dǎo)電性的一對讀出布線17、18的一部分。
在讀出MTJ元件10的存儲數(shù)據(jù)時，通過從一對讀出布線17、18向MTJ元件10的兩端之間施加規(guī)定的讀出電壓V，而在MTJ元件10中流過與存儲數(shù)據(jù)對應(yīng)的電流。一對讀出布線17、18形成在讀出存儲數(shù)據(jù)時的電流路徑的一部分。
<MRAM單元的實施例6>
在實施例6的MRAM單元中，與圖6或圖7所示的構(gòu)造相比，在省略了磁軛這一點上不同，其他是相同的。
在前面的文獻(xiàn)“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”中，記載了MTJ元件的磁性層的RE-TM類材料的垂直磁各向異性能量Ku一般是105～106erg/cc左右，其飽和磁化Ms被調(diào)整為0～150emu/cc。另外，Co的飽和磁化Ms是1420emu/cc，單軸磁各向異性能量是4.5×106erg/cc。另外，記載了磁性層的RE-TM材料(30nm)和界面的Co強磁性地交換結(jié)合，如果假設(shè)Co膜厚度例如為RE-TM材料的1/10，與各自的體積比例對應(yīng)地產(chǎn)生實際的各向異性能量Keff、飽和磁化Meff，則可以預(yù)料Keff為105～106erg/cc的程度，Meff為0～270emu/cc左右。
在磁性層保持單一磁區(qū)構(gòu)造，同時通過磁化旋轉(zhuǎn)來反轉(zhuǎn)磁化方向的情況下，可以預(yù)料磁性層的保磁力為2Ku/Ms，為700～10kOe左右。在前面的文獻(xiàn)(“Megnetic tunnel junction device with perpendicularmagnetization films for high-density magnetic random accessmemory”)所記載的發(fā)明中，保磁力為250Oe左右。其理由是單元尺寸大到85μm，可以認(rèn)為通過磁壁移動產(chǎn)生了磁化反轉(zhuǎn)，比預(yù)料的2Ku/Ms的保磁力小。在實際制作直徑為0.3μm大小的MTJ元件時，保磁力為1.5kOe。
在沒有磁軛的結(jié)構(gòu)，即沒有用磁軛覆蓋寫入布線的情況下，在寫入布線中流過1mA的電流所能產(chǎn)生的磁場最高為10Oe左右，在前面的文獻(xiàn)(“Megnetic tunnel junction device with perpendicularmagnetization films for high-density magnetic random accessmemory”)所記載的結(jié)構(gòu)中，在細(xì)微的單元尺寸下，是難以用數(shù)mA的記錄電流進(jìn)行記錄動作的。
但是，在實施例6的MRAM單元中，例如將垂直型MTJ元件的記錄層的膜厚度t與單元面積(記錄層的面積)S的平方根√S的比t/√S(特性比)設(shè)置為大于等于2左右。因此，記錄層的膜厚度t為100nm，記錄層的大小為0.05μm×0.05μm。
如果這樣將特性比設(shè)置得較大，則降低了反磁場系數(shù)，能夠以較小的各向異性能量實現(xiàn)垂直磁化。換一種說法，通過設(shè)置為高特性比，能夠?qū)崿F(xiàn)保磁力小的垂直磁化膜。
圖19展示了在實施例6中規(guī)定特性比的基準(zhǔn)。在圖19中，橫軸表示MTJ元件10的磁性層的飽和磁化Ms emu/cc和寫入布線與MTJ元件之間的距離δnm，縱軸表示基于寫入布線的寫入電流(記錄電流)所產(chǎn)生的磁場的強度Ho、用來在膜面垂直方向上保持磁化的各向異性磁場Hg。
根據(jù)圖19，可以知道如果每1mA的寫入電流所產(chǎn)生的磁場HI和記錄電流Iw的積HI×Iw與反磁場系數(shù)N、記錄層的飽和磁化M的關(guān)系滿足HI×Iw＞4πNM，則能夠?qū)崿F(xiàn)可以寫入的垂直磁化膜。在此，在沒有設(shè)置磁軛的寫入布線的寫入電流為1mA的情況下所能夠產(chǎn)生的磁場最高為10Oe左右。理想的是寫入電流為10mA以下。更理想的是在5mA以下。
<MRAM單元的實施例7>
圖20展示了實施例7的排列了多個MRAM單元的存儲器單元陣列的一部分。如圖20所示，將在實施例1中說明了的那樣的垂直型MTJ元件10行列狀地配置在半導(dǎo)體層，例如硅基板上，構(gòu)成單元陣列。行列狀配置的2種類的各自多個布線，即行線和列線并不存在于同一平面上，行線WL和列線BL隔著絕緣膜被配置在不同的平面上。然后，各行線和各列線在兩者交叉的位置上相互電連接。但是，為了降低電流的倒流，理想的是具有某種程度的電阻。在由這些行列狀配置的行線和列線包圍的區(qū)域內(nèi)配置各垂直型MTJ元件10。
通過選擇與希望選擇的MTJ元件10垂直的2個側(cè)面相鄰的行線和列線，并流過電流來進(jìn)行單元的選擇和對其的寫入。在本例子中，在選擇圖中斜線所示的單元時，在虛線所示的方向上從行線b向列線b流過電流。向其他的不選擇的布線施加偏置電壓，調(diào)整為不回流電流。
如果如上述那樣從行線b向列線b流過電流，則在行線b和列線c的交叉點部分附近電流方向從行方向變化為列方向，向交叉點附近的選擇單元施加由來自行方向的電流產(chǎn)生的磁場和由來自列方向的電流產(chǎn)生的磁場的和。因此，只對選擇單元進(jìn)行開關(guān)，與選擇的行、列相鄰的其他單元處于半選擇的狀態(tài)，不產(chǎn)生磁化反轉(zhuǎn)。
另外，圖20中的MTJ元件10也可以是如圖6中所示的那樣由磁軛夾著的結(jié)構(gòu)，還可以是圖7所示的完全閉合磁力線型的構(gòu)造，也可以是沒有磁軛的構(gòu)造。
實施例1到實施例7相關(guān)的MRAM可以有各種各樣的適用。以下說明這樣的幾個適用例子。
(適用例子1)作為MRAM的適用例子的一個，圖21展示了數(shù)字用戶線(DSL)用調(diào)制解調(diào)器的DSL數(shù)據(jù)總線部分。該調(diào)制解調(diào)器包含可編程數(shù)字信號處理器(DSP)151、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D)和數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器(D/A)152、發(fā)送驅(qū)動器153、信號接收機放大器154。在圖21中，省略了帶通濾波器，代替它作為能夠保存線路代碼程序的各種類型的可選的存儲器，展示了MRAM155和EEPROM156。
另外，在本適用例子中，作為用來保存線路代碼程序的存儲器使用了MRAM和EEPROM的2種存儲器，但可以將EEPROM置換為MRAM，即可以不使用2種存儲器，而只使用MRAM。
(適用例子2)
作為MRAM的另一個適用例子，圖22展示了便攜電話終端300中的實現(xiàn)通信功能的部分。如圖22所示，實現(xiàn)通信功能的部分具備發(fā)送接收天線201、天線多路復(fù)用器202、接收部件203、基帶處理部件204、作為聲音編碼器使用的數(shù)字信號處理器(DSP)205、揚聲器206、麥克風(fēng)207、發(fā)送部件208、頻率合成器209。
另外如圖22所示，在便攜電話終端300中，設(shè)置了控制該便攜電話終端的各部件的控制部件200?？刂撇考?00是通過CPU總線225將CPU221、ROM222、MRAM223和快閃存儲器224連接起來而構(gòu)成的微型計算機。
在此，ROM222預(yù)先存儲在CPU221中執(zhí)行的程序、顯示用的字體等必要的數(shù)據(jù)。另外，MRAM223主要作為工作區(qū)域使用，被用于根據(jù)需要在CPU221執(zhí)行程序過程中存儲正在計算的數(shù)據(jù)等、暫時存儲在控制部件200和各部件之間傳送的數(shù)據(jù)等情況。另外，快閃存儲器224為了即使在關(guān)閉了便攜電話終端300的電源時也存儲例如在這之前的設(shè)置條件等，在下一次打開電源時進(jìn)行同樣設(shè)置的使用，而存儲這樣設(shè)置參數(shù)。即，快閃存儲器224是即使在關(guān)閉了便攜電話終端的電源時，也不會使存儲在其中的數(shù)據(jù)消失的非易失性存儲器。
在本適用例子中，使用了ROM222、MRAM223、快閃存儲器224，但也可以將快閃存儲器224置換為MRAM，進(jìn)而還可以將ROM222也置換為MRAM。
另外，在圖22中，211是聲音數(shù)據(jù)重放處理部件，212是與聲音數(shù)據(jù)重放處理部件211連接的外部端子，213是LCD控制器，214是與LCD控制器213連接的LCD，215是環(huán)網(wǎng)，231是設(shè)置在CPU總線225和外部存儲器卡槽232之間的接口(I/F)，233是設(shè)置在CPU總線225和鍵操作部件234之間的接口(I/F)，235是CPU總線225和外部端子236之間的接口(I/F)，向外部存儲器卡槽232插入外部存儲器240。
(適用例子3)圖23到圖27展示了將MRAM適用于收納輕便介質(zhì)等存儲介質(zhì)內(nèi)容的卡(MRAM卡)的例子。
在圖23的上面圖中，400是MRAM卡本體，401是MRAM芯片，402是開口部分，403是蓋子，404是多個外部端子。MRAM芯片401被收納在卡主體400內(nèi)部，從開口部分402露出到外部。在攜帶MRAM卡時，用蓋子403蓋住MRAM芯片401。蓋子403由具有屏蔽外部磁場的效果的材料，例如陶瓷等構(gòu)成。在轉(zhuǎn)寫數(shù)據(jù)的情況下，打開蓋子403，使MRAM芯片401露出。外部端子404是將存儲在MRAM卡中的內(nèi)容數(shù)據(jù)讀出到外部的部件。
圖24和圖25展示了用來將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫到MRAM卡中的卡插入型轉(zhuǎn)寫裝置的上面圖和側(cè)面圖。從轉(zhuǎn)寫裝置500的插入部件510插入最終用戶所使用的第2MRAM卡450，按壓塞子520直到閉合。塞子520被用作使第1MRAM卡550和第2MRAM卡450位置符合的部件。在將第2MRAM卡450配置在規(guī)定位置上的狀態(tài)下，將存儲在第1MRAM卡550中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)寫到第2MRAM卡450中。
圖26是嵌入型轉(zhuǎn)寫裝置的側(cè)面圖。如該圖中的箭頭所示，以塞子520為目標(biāo)，將第2MRAM卡450嵌入到第1MRAM卡550上。由于轉(zhuǎn)寫方法與卡插入型一樣，所以省略其說明。
圖27是滑動型轉(zhuǎn)寫裝置的側(cè)面圖。與CD-ROM驅(qū)動器、DVD驅(qū)動器等一樣，在轉(zhuǎn)寫裝置500內(nèi)設(shè)置接收盤滑板560，該接收盤滑板560如圖中的水平方向的箭頭所示滑動。在接收盤滑板560以圖中的虛線所示的狀態(tài)移動時，將第2MRAM卡450放置到接收盤滑板560上。然后，接收盤滑板560將第2MRAM卡450搬送到轉(zhuǎn)寫裝置500內(nèi)部。進(jìn)行搬送使得將第2MRAM卡450的前端部分與塞子520對接這一點和轉(zhuǎn)寫方法與卡插入型相同，所以省略其說明。
上述實施例只是本發(fā)明的例子，并不只限于此，在不脫離本發(fā)明的宗旨和范圍的情況下可以有各種變形。
權(quán)利要求
1.一種磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于包括具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構(gòu)成記錄層，另一個構(gòu)成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；以及配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場，在上述磁阻元件的磁性層的磁化方向上施加該產(chǎn)生的磁場，使上述磁阻元件的上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于還具備從厚度方向夾著上述磁阻元件，向上述2層磁性層施加基于上述寫入布線所產(chǎn)生的磁場的磁軛。
3.根據(jù)權(quán)利要求2記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述磁軛是具有包圍上述寫入布線的包圍閉合磁力線的包圍磁軛的一部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求3記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于在上述包圍磁軛的包圍閉合磁力線的一部分中設(shè)置第1電絕緣膜，在上述包圍磁軛和上述寫入布線之間設(shè)置第2電絕緣膜，上述磁軛在讀出上述磁阻元件的存儲數(shù)據(jù)時，形成在上述磁阻元件中流過電流的電流路徑的一部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述固定層由具有高保磁力的高Hc磁性材料構(gòu)成，上述記錄層由具有比上述固定層的保磁力小的保磁力的低Hc磁性材料構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述固定層和記錄層由Fe、Co、Ni中的至少一種元素、或者包含F(xiàn)e、Co、Ni中的至少一種元素和Cr、Pt、Pd中的至少一種元素的合金構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述固定層和記錄層是將Fe、Co、Ni中的至少一種元素或包含該一種元素的合金、Cr、Pt、Pd中的一種元素或包含該一種元素的合金交替層疊而構(gòu)成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述2層的各個磁性層由費里磁性體構(gòu)成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述2層的磁性層具有層疊費里構(gòu)造。
10.根據(jù)權(quán)利要求1記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于還具備分別設(shè)置在與相接于上述非磁性層的上述2層的各個磁性層的界面上，由Fe、Co、Ni中的至少一種元素或包含該一種元素的合金構(gòu)成的磁性層。
11.根據(jù)權(quán)利要求2記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述磁軛由與上述2層的各個磁性層鄰接的軟磁性尖端和軟磁性體主體構(gòu)成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述軟磁性尖端由具有比上述軟磁性體主體高的飽和磁通密度的材料構(gòu)成。
13.根據(jù)權(quán)利要求12記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于上述軟磁性尖端和上述2層的各個磁性層以自匹配狀態(tài)相接。
14.根據(jù)權(quán)利要求1記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于還具備與上述寫入布線連接的寫入單元選擇用的晶體管。
15.一種磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于包括具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構(gòu)成記錄層，另一個構(gòu)成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；并排配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向的兩側(cè)，通過分別流過寫入電流而產(chǎn)生磁場，在上述磁阻元件的2層磁性層的磁化方向上施加該產(chǎn)生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的2個寫入布線；以及具有分別包圍上述2個寫入布線的完全閉合磁力線，在上述2個寫入布線的中間的位置上從厚度方向夾著上述磁阻元件，向上述磁阻元件的2層磁性層施加基于上述2個寫入布線而產(chǎn)生的磁場的磁軛。
16.根據(jù)權(quán)利要求15記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于向上述磁阻元件施加在上述2個寫入布線的一個中流過寫入電流的情況下所產(chǎn)生的磁場、或者分別在上述2個寫入布線中流過相互相反方向的電流的情況下所產(chǎn)生的磁場。
17.一種磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于包括通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場的寫入布線；配置得各自的側(cè)面與上述寫入布線的兩側(cè)面相對，分別具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的2個磁阻元件；以及具有包圍上述寫入布線的完全閉合磁力線，在上述寫入布線的兩側(cè)分別從厚度方向夾著上述2個磁阻元件，向上述磁阻元件的2層磁性層施加在上述寫入布線中流過寫入電流時產(chǎn)生的上述磁場的磁軛。
18.一種磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于包括將多個磁阻元件行列狀地配置在半導(dǎo)體層上的單元陣列，其中該磁阻元件是分別具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；在與配置在上述單元陣列的同一行上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與多個上述磁阻元件接近，配置在通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場的行方向上的多個第1寫入布線；在與配置在上述單元陣列的同一列上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與多個上述磁阻元件接近，配置在通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場的列方向上的多個第2寫入布線；具有包圍上述多個第1寫入布線的各個的完全閉合磁力線，向上述多個磁阻元件的各個的上述2層磁性層施加在各個上述第1寫入布線中流過寫入電流時產(chǎn)生的上述磁場的多個第1磁軛；以及具有包圍上述多個第2寫入布線的各個的完全閉合磁力線，設(shè)置在與各個上述第1磁軛相互垂直的方向上，向上述多個磁阻元件的各個的上述2層磁性層施加在各個上述第2寫入布線中流過寫入電流時產(chǎn)生的上述磁場的多個第2磁軛，其中上述多個第1磁軛的各個和第2磁軛的各個中的任意一方的磁軛從厚度方向夾著各個上述磁阻元件，另一方的磁軛隔著上述一方的磁軛的一部分從厚度方向夾著各個上述磁阻元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求18記載的磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于向上述多個磁阻元件的各個只施加基于上述第1磁軛的磁場、或者只施加基于上述第2磁軛的磁場、或者施加將基于上述第1磁軛的磁場和基于上述第2磁軛的磁場相加后的磁場。
20.一種磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于包括將多個磁阻元件行列狀地配置在半導(dǎo)體層上的單元陣列，其中該磁阻元件是分別具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；在與配置在上述單元陣列的同一行上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與上述多個磁阻元件接近，配置在行方向上的多個第1寫入布線；以及配置得在與配置在上述單元陣列的同一列上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與上述多個磁阻元件接近，并且配置在與上述多個第1寫入布線不同的平面上，在與上述多個第1寫入布線的各個交叉的位置上與各個第1寫入布線連接的多個第2寫入布線。
21.一種磁隨機存取存儲器設(shè)備，其特征在于包括具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構(gòu)成記錄層，另一個構(gòu)成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；以及配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場，在上述2層磁性層的磁化方向上施加產(chǎn)生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線，其中在設(shè)流過寫入布線的記錄電流為Iw，由上述記錄電流的每1mA產(chǎn)生的磁場為HI，反磁場系數(shù)為N時，上述記錄層的飽和磁化M滿足Iw×HI＞4πNM的關(guān)系。
22.一種電子卡，其特征在于包括半導(dǎo)體芯片，包含具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構(gòu)成記錄層，另一個構(gòu)成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的磁阻元件；配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場，在上述2層磁性層的磁化方向上施加該產(chǎn)生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線；收納上述半導(dǎo)體芯片，在半導(dǎo)體芯片的一個側(cè)面具有窗口的卡主體；使上述卡主體的上述窗口開閉的具有磁屏蔽效果的蓋子；設(shè)置在上述卡主體的至少一個端部，將上述半導(dǎo)體芯片電連接到卡主體的外部的多個外部端子。
23.一種電子裝置，其特征在于包括包含半導(dǎo)體芯片、卡主體、蓋子和多個外部端子的電子卡；收納上述電子卡的卡槽；與上述卡槽電連接的卡接口；以及在與上述電子卡之間轉(zhuǎn)送數(shù)據(jù)的存儲裝置，其中上述半導(dǎo)體芯片具有具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構(gòu)成記錄層，另一個構(gòu)成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的磁阻元件；配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產(chǎn)生磁場，在上述2層磁性層的磁化方向上施加該產(chǎn)生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線；上述卡主體收納上述半導(dǎo)體芯片，在半導(dǎo)體芯片的一個側(cè)面具有窗口；上述蓋子使上述卡主體的上述窗口開閉并具有磁屏蔽效果；上述外部端子設(shè)置在上述卡主體的至少一個端部，將上述半導(dǎo)體芯片電連接到卡主體的外部。
全文摘要
本發(fā)明的磁隨機存取存儲器設(shè)備使“0”、“1”的信息與具有非磁性層和2層磁性層的MTJ元件的因2層磁性層的磁化排列狀態(tài)而變化的電阻值對應(yīng)。在與MTJ元件接近配置的寫入布線中流過電流而產(chǎn)生感應(yīng)磁通，并使MTJ元件的2層磁性層中的一個的記錄層的磁化變化而寫入信息的MRAM中，MTJ元件是2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的MTJ元件。寫入布線被配置在與MTJ元件的厚度方向垂直的方向上，在MTJ元件的磁性層的磁化方向上施加產(chǎn)生的磁場。磁軛從厚度方向夾著MTJ元件，向MTJ元件的磁性層施加基于寫入布線而產(chǎn)生的磁場。
文檔編號H01L21/8246GK1574072SQ20041006166
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月23日
發(fā)明者永瀨俊彥, 與田博明, 吉川將壽, 甲婓正, 岸達(dá)也, 相川尚德, 上田知正 申請人:株式會社東芝