專利名稱：磁阻效應(yīng)元件、磁存儲器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括其磁化方向由外部磁場改變的鐵磁襯底的磁阻效應(yīng)元件，該元件利用磁化方向改變來存儲信息的磁存儲器，及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，諸如DRAM，SRAM等之類的易失性存儲器用作在計算機(jī)、通信設(shè)備等信息處理設(shè)備中用的通用存儲器。易失性存儲器需要通過給保持存儲器不斷提供電流來涮新。而且，由于在電源斷開時所有的信息都丟失，所以非易失性存儲器需要設(shè)置除易失性存儲器以外的信息記錄裝置，例如，可用閃存EEPROM，硬磁盤等。
在非易失性存儲器中，根據(jù)高速信息處理的趨勢，高速訪問成了重要的問題。而且，由于高性能便攜式信息設(shè)備的迅速普及，例如普遍存在的能隨時隨地進(jìn)行信息處理的有計算能力的信息設(shè)備得到迅速發(fā)展。作為構(gòu)成研發(fā)這種信息設(shè)備的核心的關(guān)鍵器件迫切需要開發(fā)能用于高速處理的非易失性存儲器。
在技術(shù)上影響非易失性存儲器超前的是現(xiàn)有的磁隨機(jī)存取存儲器(以后叫做MRAM)，其中，磁存儲元件以沿著鐵磁層容易磁存取的磁化方向按矩陣形對準(zhǔn)的方式來存儲信息。在MRAM中，利用兩個鐵磁襯底中的磁化方向的組合來存儲信息。同時，用磁化方向與參考方向平行并彼此方向相同的情況和磁化方向相互平行和方向相反的情況所產(chǎn)生的阻值(即，改變電流或電壓)變化來檢測存儲的信息。
當(dāng)前已經(jīng)歸納為實用程度的MRAM利用大磁阻(GMR)效應(yīng)。在美國專利文獻(xiàn)U.S.P-5343422中公開了利用獲得GMR效應(yīng)的GMR元件的MRAM。GMR效應(yīng)是指，兩個平行的磁化層中沿容易磁化的軸的方向的磁化方向相互平行和方向相同時阻值變成最小值，和磁化方向相互平行和方向相反時阻值變成最大值的現(xiàn)象。作為用GMR元件的MRAM有不同矯頑力型(偽螺旋閥型)MRAM和偏置互換型(螺旋閥型)MRAM。在不同矯頑力型MRAM中，GMR元件包括兩個鐵磁層和夾在它們之間的非磁性層，利用兩個鐵磁襯底的矯頑力之間的差讀寫信息。其中例如用“鎳鐵合金(NiFe)/銅(Cu)/鈷(Co)”結(jié)構(gòu)構(gòu)成GMR元件時，電阻變化率小到6-8％。同時，在偏置互換型MRAM中，GMR元件包括用與反鐵磁層耦合的反鐵磁的磁化方向固定的固定層，用外部磁場改變其磁化方向的自由層，和夾在它們之間的非磁性層，利用固定層與自由層之間的磁化方向之間的差來讀寫信息。例如，用“鉑錳(PtMn)/鈷鐵CoFe)/銅(Cu)/鈷鐵CoFe)”結(jié)構(gòu)構(gòu)成GMR元件時，電阻變化率是10％。這表示該電阻變化率值大于不同矯頑力型GMR元件的電阻變化率。但是，該值不足以進(jìn)一步增大存儲速度或進(jìn)一步增大訪問速度。
為了克服上述缺點，提出了具有利用隧道磁阻效應(yīng)(以后叫做TMR效應(yīng))的TMR元件的MRAM。TMR效應(yīng)是指其間夾有極薄的絕緣層(隧道阻擋層)的兩個鐵磁層之間的相對角在隧道電流流過絕緣層時變化的效應(yīng)。當(dāng)兩個鐵磁層的磁化方向相互平行并方向相同時阻值最小，當(dāng)兩個鐵磁層的磁化方向相互平行并方向相反時阻值最大。在利用的TMR效應(yīng)的MRAM中，用“CoFe/Al2O3/CoFe”結(jié)構(gòu)構(gòu)成TMR元件時，電阻變化率高達(dá)40％，而且，電阻值的大，與MOSFET等半導(dǎo)體器件組合的情況下容易匹配。因此，容易實現(xiàn)比具有GMR元件的MRAM的輸出高的輸出，有可能增大存儲容量和訪問速度。在用TMR效應(yīng)的MVRAM的情況下，現(xiàn)有的信息存儲方法是，將TMR磁性薄膜的磁化方向改變成電流在引線中流動產(chǎn)生的電流磁場所產(chǎn)生的預(yù)定方向?，F(xiàn)有的已存儲的信息的讀出方法是，使電流按取向于隧道阻擋層的方向流動來檢測TMR元件的阻值變化。而且，在美國專利文獻(xiàn)U.S.P5629922或日本專利文獻(xiàn)JP-A-9-919149中公開了用TMR效應(yīng)的MRAM。
如上所述，用TMR效應(yīng)的MRAM的信息輸出能達(dá)到高于用GMR效應(yīng)的的MRAM的信息輸出。但是，即使在用TMR效應(yīng)的MRAM的情況下，電阻變化率達(dá)到40％，輸出電壓是幾十mV，因而輸出電壓不足以實現(xiàn)具有更高密度的磁存儲器。
圖32是說明用TMR效應(yīng)的常規(guī)磁存儲器的結(jié)構(gòu)的平面圖，圖33是圖32所示磁存儲器的主要部分的結(jié)構(gòu)剖視圖。讀和寫字線112和106和位線105垂直交叉，TMR元件120包括第一磁性層102，隧道阻擋層103和第二磁性層104，這些膜層配置成其間插入垂直交叉部分。在一種MRM的情況下，寫位線105和寫字線106相互垂直，構(gòu)成自由層的第二磁性層中的磁化方向不能完全對準(zhǔn)，它難以進(jìn)行完全穩(wěn)定的寫。
另外，用TMR效應(yīng)的MRAM的情況下，將磁性膜的磁化方向改變成電流在配置成相互垂直的引線中流動所感應(yīng)的磁場(也就是電流磁場)的磁化方向，而將信息存儲到每個存儲單元中，但是，電流磁場是開放的(不限定到具體的磁化區(qū)域)磁場，因此，不僅效率低，而且還會對相鄰的存儲單元造成負(fù)面影響。
在用高集成度的存儲單元來達(dá)到磁存儲器的更高密度的信息的情況下，必須使TMR元件小型化，但是，會出現(xiàn)以下的相關(guān)問題。也就是說，增大TMR元件中的每個磁性層的縱橫尺寸比(疊層面方向中的厚度/寬度)似乎會增大反磁場，要增大用于改變自由層的磁化方向的磁場強(qiáng)度，和需要大的寫電流。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到該問題，提出本發(fā)明，本發(fā)明的第一目的是，提供一種磁存儲器，通過有效地利用較強(qiáng)的磁場能進(jìn)行穩(wěn)定的寫操作，其上安裝有磁阻效應(yīng)元件。本發(fā)明的第二目的是，提供一種磁存儲器，對相鄰存儲單元的反面影響較小，和其上安裝有磁阻效應(yīng)元件。另外，本發(fā)明的第三目的是，提供容易制造這種磁存儲器的方法。
按本發(fā)明，提供一種磁阻效應(yīng)元件，包括磁敏感層的疊層體，用外部電場改變其磁化方向，構(gòu)成為使電流按垂直于其疊層面的方向流動；和環(huán)形磁性層，設(shè)置在疊層體的一個面的邊上，沿疊層面的方向構(gòu)成軸向，并構(gòu)成為被多根引線穿過。按本發(fā)明，術(shù)語“環(huán)行”是指磁和電連續(xù)閉合的狀態(tài)。而且，環(huán)形磁層可以包括氧化膜，盡管環(huán)形磁層不包括防止電流流過的絕緣襯底，但是在制造過程中仍然具有優(yōu)點。
按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件，用上述的結(jié)構(gòu)使電流流過多根引線能形成閉合磁路，能有效進(jìn)行磁敏感層的磁化反向。
按本發(fā)明，提供一種磁存儲器，包括多根第一寫入線；延伸到分別與多根第一寫入線交叉的多根第二寫入線；和多個磁阻效應(yīng)元件，其中，每個磁阻效應(yīng)元件包括磁敏感層的疊層體，用外部電場改變其磁化方向，構(gòu)成為使電流按垂直于其疊層面的方向流動，其中，磁阻效應(yīng)元件包括環(huán)形磁性層，設(shè)置在疊層體的一個面的邊上，其軸向沿疊層面的方向構(gòu)成，并構(gòu)成為被第一寫入線和第二寫入線穿過。
按本發(fā)明的磁存儲器，用上述的結(jié)構(gòu)，使電流流過第一寫入線和第二寫入線形成閉合磁路，并能有效進(jìn)行磁阻效應(yīng)元件的磁敏感層的磁化反向。
按本發(fā)明提供一種磁主體器件的制造方法，它是磁存儲器的制造方法，磁存儲器包括包括多根第一寫入線和延伸到分別與多根第一寫入線交叉的多根第二寫入線的寫入線組；和具有磁敏感層疊層體的磁阻效應(yīng)元件，用外部磁場改變其磁化方向，該方法包括在第一絕緣層上形成第一寫入線的步驟，形成覆蓋第一寫入線的一部分并包圍它的第二絕緣層的步驟，在第二絕緣層上形成第二寫入線的步驟，和自調(diào)整地形成疊層結(jié)構(gòu)的步驟，其中，用第二寫入線構(gòu)成掩模，選擇腐蝕除去第二絕緣層和第一寫入線，使其間夾有絕緣層的第一寫入線和第二寫入線相互平行延伸。這里，在疊層結(jié)構(gòu)中，夾在第一寫入線和第二寫入線之間的絕緣層對應(yīng)于第二絕緣層。而且，按本發(fā)明在制造中平行度的誤差范圍是±10度。
按本發(fā)明的磁存儲器的制造方法，包括自調(diào)節(jié)形成相互平行延伸的疊層結(jié)構(gòu)的步驟，進(jìn)行具有高對準(zhǔn)精度的制造，簡化總的制造步驟。而且，疊層體最好選擇地連接到環(huán)形磁性層。
按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件，多根引線最好構(gòu)成為在穿過環(huán)形磁性層的區(qū)域中相互平行延伸。因此，電流流到多根引線中所產(chǎn)生的合成磁場大于多根引線相互交叉的情況下所產(chǎn)生的磁場，在磁敏感層的磁化能更有效地進(jìn)行反向。
按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件，環(huán)形磁性層與疊層體之間的界面處，環(huán)形磁性層的面積最好大于疊層體的面積。防止在接觸疊層體的環(huán)形磁性層的磁性層周圍引起磁化不均勻。穩(wěn)定磁敏感層的磁化方向。此外，擴(kuò)大用作記錄部分的自由層的面積，減小磁敏感層的去磁場，因此，可以減小寫入電流。
按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件，環(huán)形磁性層的一部分可以構(gòu)成也用作磁敏感層?；蛘?，磁敏感層與環(huán)形磁性層分開設(shè)置，使磁敏感層和環(huán)形磁性層進(jìn)入磁交換耦合。而且，磁敏感層與環(huán)形磁性層之間可以設(shè)置非磁性的導(dǎo)電層，使磁敏感層與環(huán)形磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合。
另外，按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件可以構(gòu)成為，使疊層體包括磁性層，第一磁性層疊置到非磁性層的一邊并具有固定的磁化方向，第二磁性層疊置到與第一磁性層相對的非磁性層的一邊并具有磁敏感層的功能，其磁化方向用外部磁場改變，其中，根據(jù)疊層體中流動的電流來檢測信息。這種情況下，非磁性層可以包括引起隧道效應(yīng)的絕緣層。
再有，按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件，最好設(shè)置其矯頑力大于環(huán)形磁性層的矯頑力的磁敏感層。因而，能使磁敏感層的磁化方向更穩(wěn)定。而且，與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的反鐵磁的第三磁性層可以設(shè)置在與非磁性層相對的第一磁性層的一邊上。而且，與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的第四磁性層可以設(shè)置在第一磁性層與非磁性層之間。這種情況下，使第一磁性層和第四磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合的第二非磁性的導(dǎo)電層可以設(shè)置在第一磁性層與第四磁性層之間。
按本發(fā)明的磁存儲器，第一寫入線和第二寫入線最好構(gòu)成為在穿過環(huán)形磁性層的區(qū)域中相互平行延伸。因此，電流流到第一和第二引線中所產(chǎn)生的合成磁場大于第一和第二引線相互交叉的情況下所產(chǎn)生的磁場，在磁阻效應(yīng)元件的磁敏感層的磁化能更有效地進(jìn)行反向。
按本發(fā)明的磁存儲器，環(huán)形磁性層的一部分可以構(gòu)成為也用作磁敏感層。或者，磁敏感層與環(huán)形磁性層分開設(shè)置，使磁敏感層和環(huán)形磁性層進(jìn)入磁交換耦合。而且，磁敏感層與環(huán)形磁性層之間可以設(shè)置非磁性的導(dǎo)電層，使磁敏感層與環(huán)形磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合。
按本發(fā)明的磁存儲器可以構(gòu)成為使疊層體包括非磁性層，第一磁性層疊置到非磁性層的一邊并具有固定的磁化方向，第二磁性層疊置到與第一磁性層相對的非磁性層的一邊并具有磁敏感層的功能，其中，根據(jù)疊層體中流動的電流來檢測信息。這種情況下，第二磁性層的矯頑力最好大于環(huán)形磁性層的矯頑力，由于這能使第二磁性層的磁化方向更穩(wěn)定，所以，在這種情況下，最好設(shè)置其矯頑力大于第二磁性層的矯頑力的第一磁性層。由于第一磁性層中的磁化方向保持在固定的方向。
在上述的情況下，按本發(fā)明的磁存儲器可以構(gòu)成為，使與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的反鐵磁性的第三磁性層設(shè)置在與非磁性層相對的第一磁性層的一邊上，與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的第四磁性層設(shè)置在第一磁性層與非磁性層之間。而且，使第一磁性層和第四磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合的非磁性的導(dǎo)電層設(shè)置在第一磁性層和第四磁性層之間。
按本發(fā)明的磁存儲器可以構(gòu)成為，非磁性層包括能引起隧道效應(yīng)的絕緣層。
按本發(fā)明的磁存儲器可以構(gòu)成為，通過彎曲第一和第二寫入線中的至少一個形成相互平行延伸的第一和第二寫入線的多個平行部分。這種情況下，第一和第二寫入線中的一個有可能按矩形波形狀延伸，而第一和第二寫入線中的另一個按直線形延伸，矩形波形狀的上升部分和下降部分對應(yīng)平行部分。在這種情況下，彎曲第一和第二寫入線可以構(gòu)成包括通過含導(dǎo)電材料的層間連接層而相互連接的兩層部分。
按本發(fā)明的磁存儲器可以構(gòu)成為還包括多根讀出線，使讀出電流安垂直于每個磁阻效應(yīng)元件中的疊層體的疊層面的方向流動，并根據(jù)在疊層體中流動的電流讀信息。
按本發(fā)明的磁存儲器的制造方法，包括形成第一寫入線的步驟，該步驟包括形成第一寫入線的不平行于第二寫入線的部分的步驟；形成覆蓋不平行于第二寫入線的第一寫入線的部分并包圍它的第三絕緣層的步驟；通過在第三絕緣層形成連接到不平行于第二寫入線的第一寫入線的部分的端部的通孔來形成層間導(dǎo)電層和嵌入通孔達(dá)到導(dǎo)電材料的步驟；在第三絕緣層上形成包括在疊層結(jié)構(gòu)中的與第二寫入線平行的第一寫入線的一部分的步驟，使與第二寫入線平行的第一寫入線的一部分的端部連接到層間導(dǎo)電層的上部，其中，彎曲第一寫入線，不僅在膜面方向而且在疊層方向，用層間導(dǎo)電層連接不平行于第二寫入線的第一寫入線的一部分和平行于第二寫入線的第一寫入線的一部分。
按本發(fā)明的磁存儲器的制造方法還可以構(gòu)成為，在磁存儲器包括環(huán)形磁性層，該環(huán)形磁性層包圍按環(huán)形相互平行的第一和第二寫入線的多個部分中的至少一部分時，方法還包括步驟在第三絕緣層上在對應(yīng)相互平行的第一和第二寫入線的多個部分中的至少一部分的區(qū)域選擇形成第一環(huán)形磁性層部分的步驟；在相互平行的第一和第二寫入線的多個部分形成疊層結(jié)構(gòu)，然后形成覆蓋疊層結(jié)構(gòu)的側(cè)面和頂面的第四絕緣層的步驟；和通過選擇覆蓋第四絕緣層的側(cè)面和上面形成包括第一和第二環(huán)形磁性層部分的環(huán)形磁性層，和形成連接到第一環(huán)形磁性層部分的第二環(huán)形磁性層部分的步驟。


圖1是顯示發(fā)明第一實施例的磁存儲器的總體結(jié)構(gòu)的框圖；圖2是顯示圖1所示磁存儲器的寫入線結(jié)構(gòu)的平面圖；圖3是顯示圖1所示磁存儲器的電路結(jié)構(gòu)的電路圖；圖4是顯示圖1所示磁存儲器的存儲單元組的主要部分的結(jié)構(gòu)的一部分的平面圖；圖5是顯示圖1所示磁存儲器的存儲單元組的主要部分的結(jié)構(gòu)的其他部分的平面圖；圖6是顯示圖1所示磁存儲器的存儲單元組的主要部分的結(jié)構(gòu)的主要部分的透視圖；圖7A到7C是顯示沿圖4所示存儲單元的A-A線的切開面的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖8A和8B是顯示圖1所示磁存儲器的制造方法中的步驟的放大剖視圖；圖9A和9B是顯示圖8所示步驟順序的放大剖視圖；圖10A和10B是顯示圖9A和9B所示步驟順序的放大剖視圖；圖11A和11B是顯示圖10A和10B所示步驟順序的放大剖視圖；圖12A和12B是顯示圖11A和11B所示步驟順序的放大剖視圖；圖13A和13B是顯示圖12A和12B所示步驟順序的放大剖視圖；圖14A和14B是顯示圖13A和13B所示步驟順序的放大剖視圖；圖15A和15B是顯示圖14A和14B所示步驟順序的放大剖視圖；圖16A和16B是顯示圖15A和15B所示步驟順序的放大剖視圖；圖17A和17B是顯示圖16A和16B所示步驟順序的放大剖視圖；圖18A和18B是顯示圖17A和17B所示步驟順序的放大剖視圖；圖19A和19B是顯示圖18A和18B所示步驟順序的放大剖視圖；圖20A和20B是顯示圖19A和19B所示步驟順序的放大剖視圖；圖21A和21B是顯示圖20A和20B所示步驟順序的放大剖視圖；圖22A和22B是顯示圖21A和21B所示步驟順序的放大剖視圖；圖23A和23B是顯示圖22A和22B所示步驟順序的放大剖視圖；圖24A到24C是顯示按發(fā)明第二實施例的磁存儲器的主要部分的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖25A到25C是顯示按發(fā)明第三實施例的磁存儲器的主要部分的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖26A到26C是顯示按發(fā)明第一到第三實施例的磁存儲器的主要部分的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖27是用于說明作為圖1所示磁存儲器的第一對比例的磁存儲器的主要部分的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖28是用于說明作為圖1所示磁存儲器的第二對比例的磁存儲器的主要部分的結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖29A到29C是顯示圖1所示磁存儲器的寫入線的結(jié)構(gòu)改進(jìn)例的平面圖；圖30是顯示圖29所示改進(jìn)例的主要部分的結(jié)構(gòu)的部分平面圖；圖31是顯示圖1所示磁存儲器的電路結(jié)構(gòu)的改進(jìn)例的平面圖；圖32是說明現(xiàn)有的磁存儲器結(jié)構(gòu)的平面圖；圖33說明現(xiàn)有的磁存儲器的主要部分的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
具體實施例方式
以下將參見附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施例。
首先參見圖1-7說明按第一實施例磁存儲器的結(jié)構(gòu)。
圖1顯示按實施例的磁存儲器的總體結(jié)構(gòu)。磁存儲器設(shè)置有地址緩沖器21，數(shù)據(jù)緩沖器52，控制邏輯53，存儲單元組54，第一驅(qū)動控制電路部分56，第二驅(qū)動控制電路部分58，外部地址輸入端A0-A20，和外部數(shù)據(jù)輸入端D0-D7。
存儲單元組54設(shè)置成矩陣結(jié)構(gòu)，其中，具有隧道磁阻效應(yīng)元件(以下叫做TMR元件)的多個存儲單元1按相互垂直的字線方向(X-方向)和位線方向(Y方向)對準(zhǔn)。在磁存儲器中存儲單元1是存儲數(shù)據(jù)的最小單元，這在以后還會詳細(xì)描述。
地址緩沖器51從外邊從外部地址輸入端A0-A20輸入地址信號，用其內(nèi)設(shè)置的緩沖放大器將電壓放大到第一和第二驅(qū)動控制電路部分56和58中的地址解碼器電路56A和58B尋址所需要的電壓電平。而且，地址緩沖器51起將經(jīng)放大的地址信號分成經(jīng)X方向地址線55輸出到第一驅(qū)動控制電路部分56和經(jīng)Y方向地址線57輸出到第二驅(qū)動控制電路部分57的兩個地址信號的作用。
讀存儲在存儲單元組54的信息信號中，數(shù)據(jù)緩沖器52用其內(nèi)設(shè)置的緩沖放大器放大記錄的信息信號，然后以低阻抗輸出到外部數(shù)據(jù)端D0-D7。而且，在對存儲單元組54進(jìn)行寫入操作中，數(shù)據(jù)緩沖器52起輸入外部數(shù)據(jù)端D0-D7的信號電壓，用內(nèi)部緩沖放大器將其放大到第一和第二驅(qū)動控制電路部分56和58中的電流驅(qū)動電路56C和58C所需的電壓電平的作用，然后經(jīng)X方向?qū)憯?shù)據(jù)總線60和Y方向?qū)憯?shù)據(jù)總線61傳送到電流驅(qū)動電路56C和58C。
控制邏輯部分53起從片選端CS輸入信號電壓的作用，用于從存儲器單元組54選擇構(gòu)成讀出和寫入對象的存儲單元1，和來自寫入使能端WE的信號電壓起輸出寫入使能信號的作用，輸出控制信號53A到數(shù)據(jù)緩沖器52。
第一驅(qū)動控制電路部分56包括Y方向的地址解碼電路56A，Y方向的讀出放大器電路56B和Y方向的電流驅(qū)動電路56C。和第二驅(qū)動控制電路部分58包括X方向的地址解碼電路56A，X方向的恒流電路58B和X方向的電流驅(qū)動電路58C。
地址解碼器電路56A和58A根據(jù)輸入的地址信號選擇以后要描述的字解碼線71X和位解碼線71Y。讀出放大器電路56B和恒流電路58B是在讀操作中驅(qū)動的電路，電流驅(qū)動電路56C和58C是在寫操作中驅(qū)動的電路。
讀出放大器電路56B和存儲單元組54經(jīng)在讀操作中有讀出電流流動的多根位解碼線71Y連接。同樣，恒流電路58B和存儲單元組54經(jīng)在讀操作中有讀出電流流動的以后要說明的多根字解碼線71X連接。
電流驅(qū)動電路56C和存儲單元組54經(jīng)寫操作中必需的以后要說明的寫位線5進(jìn)行連接。同樣，電流驅(qū)動電路58C和存儲單元組54經(jīng)寫操作中必需的以后要說明的寫字線6進(jìn)行連接。
Y方向讀數(shù)據(jù)總線62起將輸出從讀出放大器電路56B的輸出按Y方向傳送到數(shù)據(jù)緩沖器52的輸出緩沖器52B的作用。
圖2主要顯示出存儲單元組54中多根寫位線5，寫字線6和存儲單元1之間的位置關(guān)系。如圖2所示，在一邊上的寫字線6按矩形波形狀延伸，在另一邊上的寫位線5按直線延伸。寫字線6的矩形波形狀中的上升部分和下降部分沿寫位線5形成多個的平行部分10。存儲單元1設(shè)置在寫位線5和寫字線6的交叉區(qū)域，包圍每個平行部分10的至少一部分。這里，在交叉區(qū)域設(shè)置存儲單元1還包括設(shè)置鄰近交叉點的存儲單元的情況。電流從電流驅(qū)動電路56C和58C分別流到寫位線5和寫字線6。用寫位線5和寫字線6寫到存儲單元1的操作以后要說明。
以下，參見圖3說明按本發(fā)明實施例的關(guān)于磁存儲器中讀操作的電路結(jié)構(gòu)。
圖3顯示出關(guān)于讀操作的部分的主要電路結(jié)構(gòu)。存儲單元組54中，按相互垂直的柵格形狀設(shè)置按X方向延伸并按Y方向按相等間隔對準(zhǔn)的多根讀字線12和按Y方向延伸并按X方向按相等間隔對準(zhǔn)的多根讀位線13。在讀字線12和讀位線13垂直交叉的各個區(qū)域按相等間隔設(shè)置多個存儲單元。每個存儲單元1的一端分別連接到讀字線12，和其另一端分別連接到讀位線13。
用TMR元件20形成每個存儲單元1。MR元件20根據(jù)其內(nèi)部的兩個鐵磁層的磁化方向既可以選擇高阻狀態(tài)也可以選擇低阻狀態(tài)。以后要詳細(xì)說明存儲單元1。
讀字線12的一端分別連接字線選擇開關(guān)74。字線選擇開關(guān)74既可以選擇連接到字解碼線71X，也可以選擇連接到限流電阻器76。限流電阻器76具有調(diào)節(jié)讀電流輻度的功能，限流電阻器76的對著字線選擇開關(guān)74的一端接地。讀位線13的一端分別連接到位線選擇開關(guān)73，它的另一端接地。位線選擇開關(guān)73既可以選擇連接到位解碼線71Y也可以選擇連接到電流/電壓轉(zhuǎn)換電阻器72。電流/電壓轉(zhuǎn)換電阻器72起在電壓變化時拾取讀電流的作用。
按照具有這種電路結(jié)構(gòu)的磁存儲器，讀電流按垂直于疊層體的疊層面的方向流動，所述的疊層體包括第一磁性層2，作為環(huán)形磁性層4的一部分而構(gòu)成的磁敏感層，和隧道阻擋層3，并用根據(jù)讀電流檢測環(huán)形磁性層4的磁化方向來讀信息。環(huán)形磁性層4的構(gòu)成為孔的開口方向要注意給一個環(huán)形磁性層4加信號，也就是說，環(huán)形磁性層4的軸方向變成沿TMR元件20的疊層面的方向，TMR元件20是圖7所示的疊層元件，這在以后會說明。環(huán)形磁性層4的結(jié)構(gòu)與其他實施、改進(jìn)例和例子例中的結(jié)構(gòu)相同，這在以后會說明。以下描述具體的讀操作。
參見圖4-圖7A說明磁存儲器的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。
圖4和圖5顯示存儲單元組54的主要部分的平面結(jié)構(gòu)。圖4中顯示的寫位線5，寫字線6和存儲單元1與圖2對應(yīng)。圖6是存儲單元1的放大透視圖。圖7A是顯示沿圖4中的存儲單元1的A-A線切開的面的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
如圖4所示，按實施例的磁存儲器包括多根寫位線5，和多根寫字線6，寫字線6延伸到分別與多根寫位線5交叉。磁存儲器構(gòu)成為包括平行部分，在此，寫位線5和寫字線6交叉的區(qū)域?qū)懳痪€5和寫字線6相互平行延伸。而且，TMR元件20設(shè)置在平行部分10，用電流流過平行部分10中所產(chǎn)生的磁場(即在環(huán)形磁性層4的外部磁場)改變構(gòu)成TMR元件20的一部分的環(huán)形磁性層4的磁化方向來存儲信息。
具體地說，如圖4所示，在Y方向線形延伸的多根寫位線5在X方向按相等間隔對準(zhǔn)，和在XY平面中按矩形波形延伸的寫字線6被形成為分別與多根寫位線5交叉。寫字線6的矩形波形的上升部分和下降部分和寫位線構(gòu)成平行部分10。在平行部分10，在XY平面中相互重疊的位置形成寫位線5和寫字線6，在Z軸方向按其間恒定的間隔構(gòu)成寫位線5和寫字線6。而且，圖4中省略了寫位線5的多個部分，以便容易看出寫字線6的形狀。
如圖6所示，寫字線6包括在Z軸方向相互不同的面形成的兩層部分，即，上寫字線6U和下寫字線6B，它們經(jīng)包含例如鋁(Al)的導(dǎo)電材料層間連接層17分別相互連接。按本發(fā)明的層間連接層17的具體例是“層間導(dǎo)電層”。而且，圖6中，省略了讀字線13。
多根寫位線5的兩端分別設(shè)置有寫位線引出電極42。一個寫位線引出電極42連接到電流驅(qū)動電路56C，另一個寫位線引出電極42最終連接到地。同樣，多根寫字線6的兩端分別設(shè)置寫字線引出電極41，一個寫字線引出電極41連接到電流驅(qū)動電路58C，另一個寫字線引出電極41最終連接到地。
圖4顯示的設(shè)置的存儲單元設(shè)置在XY平面中多根讀字線12和多根讀位線13的各個交叉點。這里，存儲單元1的上面(TMR元件20的一邊上)與讀位線13接觸，存儲單元1的下面(TMR元件20的相對的一邊上)與讀字線12接觸。
圖7A顯示沿圖4和6中顯示的存儲單元1的A-A線切開的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
如圖7A所示，存儲單元1包括TMR元件20，寫位線5，寫字線6，和在讀字線12與讀位線13之間形成的絕緣膜7。TMR元件20設(shè)置有環(huán)形磁性層4和疊層體。其中，環(huán)形磁性層4是按環(huán)形形狀形成的，并構(gòu)成為被多根引線穿過；疊層體包括作為環(huán)形磁性層4的一部分構(gòu)成的磁敏感層，并構(gòu)成為使電流按垂直于疊層體的疊層面的方向流動。具體地說，按照TMR元件20，疊層體包括隧道阻擋層3，疊置在隧道阻擋層3的一邊上的并具有固定的磁化方向的第一磁性層2，和疊置在與第一磁性層2相對的隧道阻擋層3的一邊上的環(huán)形磁性層4的一部分，具有磁敏感層的功能，其磁化方向由外部電場改變，根據(jù)在垂直于疊層體的疊層面的方向流動的電流來檢測作為磁敏感層的環(huán)形磁性層4的磁化方向。
按照TMR元件20，電壓按垂直于疊層面的方向加到第一磁性層2與環(huán)形磁性層4(磁敏感層)之間時，電子穿過隧道阻擋層3移動到環(huán)形磁性層4(磁敏感層)，因此引起隧道電流流動。用在其與隧道阻擋層3的界面部分的第一磁性層2的自旋與環(huán)形磁性層4(磁敏感層)自旋之間的相對角來改變隧道電流。也就是說，當(dāng)?shù)谝淮判詫?的自旋與環(huán)形磁性層4(磁敏感層)自旋相互平行并方向相同時，阻值最小，當(dāng)?shù)谝淮判詫?的自旋與環(huán)形磁性層4(磁敏感層)自旋相互平行并方向相反時，阻值最大。磁阻變化率(MR率)由用阻值的等式(1)確定。
(MR率)＝dR/R…(1)式中“dR”是自旋按相互平行和方向相同的方式進(jìn)行時的阻值與自旋按相互不平行的方式進(jìn)行時的阻值之間的差，“R”是自旋按相互平行和方向相反的方式進(jìn)行時的阻值。
阻止隧道電流的阻值(以后叫做隧道阻值Rt)與隧道阻擋層3的膜厚T密切相關(guān)。如等式(2)所示，在低電壓區(qū)，隧道阻值Rt相對于隧道阻擋層3的膜厚T成指數(shù)式增大。
Rt∝exp(2XT)，x＝{8π2m*(φ·05)/h …(2)式中“φ”是阻擋層高度，“m*”是電子的有效質(zhì)量，“Ef”是費(fèi)米能級，h是普朗克常數(shù)?？傊?，按照用TMR元件的存儲元件，為了實現(xiàn)與晶體管等的半導(dǎo)體器件的匹配，隧道電阻Rt約為幾十kΩ·(μm)2。但是，為了達(dá)到磁存儲器操作的高密度形成和高速形成，隧道電阻Rt優(yōu)選等于或小于10KΩ·(μm)2，更優(yōu)選隧道電阻Rt值是1kΩ·(μm)2。因此，為了達(dá)到上述的隧道電阻Rt，隧道阻擋層3的膜厚T優(yōu)選等于或小于2nm，更優(yōu)選等于或小于1.5nm。
通過減薄隧道阻擋層3的膜厚T可以減小隧道電阻Rt時，由于第一磁性層2和環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的接合界面處的凹凸引起的漏電流使MR率減小。為了防止產(chǎn)生漏電流，隧道阻擋層3的膜厚T必須達(dá)到?jīng)]有漏電流流過的程度，具體地說，隧道阻擋層3的膜厚T等于或大于0.3nm。
圖7A中顯示的TMR元件20具有矯頑力不同類型結(jié)構(gòu)，最好第一磁性層2的矯頑力大于環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的矯頑力。具體地說，第一磁性層2的矯頑力大于(50/4π)×103A/m，實際上優(yōu)選(100/4π)×103A/m。以防止第一磁性層2的磁化方向受到外部干擾磁場等不需要的磁場的影響。第一磁性層2包含其膜厚例如是5nm的鐵鈷合金(CoFe)。另外，單一的鈷(Co)，鉑鈷合金(PtFe)，鎳鐵鈷合金(NiFeCo)等都能用于第一磁性層2。第一磁性層2和環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的容易磁化的軸設(shè)置成相互平行，以使第一磁性層2的磁化方向和環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的磁化方向相互平行和方向相同的狀態(tài)穩(wěn)定，或第一磁性層2的磁化方向和環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的磁化方向相互平行而方向相反的狀態(tài)穩(wěn)定。
環(huán)形磁性層4(磁敏感層)延伸到包圍寫位線5和寫字線6中的平行部分的至少一部分，也就是說包圍穿過環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的區(qū)域，并構(gòu)成為通過在平行部分10中流過電流而在環(huán)形磁性層4內(nèi)產(chǎn)生環(huán)形電流磁場。環(huán)形磁性層4是存儲信息的存儲層，用環(huán)形電流磁場使環(huán)形磁性層4的磁化方向反向來存儲信息。環(huán)形磁性層4包括例如，鎳鐵合金(NiFe)，它在構(gòu)成TMR元件20的磁敏感層一部分的橫截面方向的厚度是20nm。而且，環(huán)形磁性層4的矯頑力范圍在等于或大于(50/4π)×103A/m和等于或小于(100/4π)×103A/m，環(huán)形磁性層4的矯頑力小于第一磁性層2的矯頑力。矯頑力小于(50/4π)×103A/m時，外部干擾磁場等不需要的磁場會干擾環(huán)形磁性層4中的磁化方向。另一方面，環(huán)形磁性層4的矯頑力大于(100/4π)×103A/m時，TMR元件本身會被寫電流增大所產(chǎn)生的熱損壞。而且，環(huán)形磁性層4的導(dǎo)磁率最好較大，以便用寫位線5和寫字線6將電流磁場集中在環(huán)形磁性層4。具體地說，優(yōu)選導(dǎo)磁率等于或大于2000，更優(yōu)選導(dǎo)磁率等于或大于6000。
每根寫位線5和每根寫字線6用厚度為10nm的鈦(Ti)層，厚度為10nm的氮化鈦(TiN)層和厚度為500nm的鋁(Al)層順序疊置構(gòu)成的疊層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，用絕緣膜7使寫位線5和寫字線6相互絕緣。寫位線5和寫字線6可以包含鋁(Al)、銅(Cu)和鎢(W)中的至少一種。
以下說明按本發(fā)明實施例的磁存儲器的操作。
首先參見圖7B和7C說明存儲單元1的寫操作，圖7B和7C顯示沿圖4和圖6中的磁存單元1的A-A線切開的剖面，顯示出電流方向與磁化方向之間的關(guān)系。
圖7B和7C顯示寫位線5和寫字線6按相同的方向按相互平行的方式穿過存儲單元1，對應(yīng)圖2中的存儲單元1A的狀態(tài)。圖7B顯示的情況是，寫電流按垂直于紙面的方向從這一邊向縱深一邊(按Y方向)流動，和在環(huán)形磁性層4的內(nèi)部按順時針方向產(chǎn)生的閉合電流磁場。圖7C顯示的情況是，寫電流按垂直于紙面的方向從縱深一邊向這一邊(按Y方向)流動，和在環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的內(nèi)部按逆時針方向產(chǎn)生的閉合電流磁場。按該方式，當(dāng)電流在寫位線5和寫字線6按相同的方向流動時，環(huán)形磁性層4的磁化方向反向，記錄成0或1。例如，當(dāng)圖7B所示的狀態(tài)設(shè)置成0時，圖7C所示的狀態(tài)視為1。這里，如圖2所示的存儲單元1B的狀態(tài)，寫電流按彼此相反的方向流動，或者，其中只有一個有寫電流流動時，環(huán)形磁性層4的磁化方向不反向，和不再寫數(shù)據(jù)。
以下參見圖1和圖3說明磁存儲器的讀操作。首先，用在第一驅(qū)動控制電路部分56的地址解碼器電路56A選擇多根位解碼線71Y中的一根，以驅(qū)動在相應(yīng)的部分的位線選擇開關(guān)73。所選擇的位線選擇開關(guān)73進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，讀電流在讀位線13流動，正電位加到TMR元件20的側(cè)邊上的存儲單元1上。同樣，用在第二驅(qū)動控制電路部分58中的地址解碼器電路58A選擇多根字解碼線71X中的一根，以驅(qū)動在相應(yīng)的部分的字線選擇開關(guān)74。所選擇的字線選擇開關(guān)74進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，讀電流流進(jìn)讀字線12，負(fù)電位加到與TMR元件20相對的側(cè)邊上的存儲單元1上。因此，讀出所需的讀電流流到用地址解碼器電路56A和地址解碼器電路58A選擇的單個1存儲單元1。通過根據(jù)讀電流檢測環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的磁化方向來讀存儲的信息。
按實施例的磁存儲器，用上述的結(jié)構(gòu)，設(shè)置按環(huán)形形成的疊層結(jié)構(gòu)，包括環(huán)形磁性層4(磁敏感層)，它構(gòu)成為要穿過寫位線5和寫字線6，和構(gòu)成為使電流按垂直于疊層面的方向流動。因此，使電流流入寫位線5和寫字線6可以形成閉合的磁路，能有效進(jìn)行在TMR元件20的環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的磁化轉(zhuǎn)換，能減小磁干擾對構(gòu)成寫對象的存儲單元附近的存儲單元的影響。而且，寫位線5和寫字線6構(gòu)成為在穿過環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的區(qū)域相互平行地延伸，因而，使電流流入寫位線5和寫字線6在環(huán)形磁性層4(磁敏感層)產(chǎn)生的合成磁場大于寫線相互交叉的情況下產(chǎn)生的合成磁場。能進(jìn)一步有效地進(jìn)行在環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的磁化反向。
以下說明具有上述結(jié)構(gòu)的按本發(fā)明實施例的磁存儲器的制造方法。
按本發(fā)明的磁存儲器的制造方法包括步驟在絕緣膜7B上形成上寫字線6U的步驟；形成絕緣膜7C，覆蓋和包圍上寫字線6U對應(yīng)平行部分10的部分，然后平整其表面的步驟；用寫位線5構(gòu)成掩模，通過選擇腐蝕除去絕緣膜7C，在寫位線5與上寫字線6U的平行部分10自調(diào)節(jié)地形成疊層結(jié)構(gòu)19的步驟。
具體說明如下。
參見圖8-23，詳細(xì)描述磁存儲器的存儲單元1的主要形成方法。而且，圖8A-23A顯示出沿圖4中顯示的A-A線切開的結(jié)構(gòu)剖視圖，圖8B-23B顯示出沿圖4中顯示的B-B線切開的結(jié)構(gòu)剖視圖。
首先，如圖8所示，制備含硅(Si)的基板11，用濺射設(shè)備在基板11上順序形成鈦(Ti)層，氮化鈦(TiN)層和鋁(Al)層疊置構(gòu)成的多層膜16B。然后在構(gòu)件的整個表面上涂覆預(yù)定的光刻膠，用i輻射衰減分擋器等形成具有預(yù)定形狀的光刻膠圖形。用光刻膠圖形31做掩模，用三氯化硼(BC13)作反應(yīng)氣體，進(jìn)行選擇反應(yīng)離子腐蝕(RIE)。如圖9所示，形成有預(yù)定形狀的下寫字線6B。在這種情況下，下寫字線6B形成為沿X方向的寬度例如變成700nm。
以下，如圖10所示，用CVD(化學(xué)氣相淀積)設(shè)備，用例如TEOS(四乙基原硅酸酯；Si(OC2H5)4)，形成例如含氧化硅(SiO2)的覆蓋整個表面的絕緣膜7A。然后，用例如CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)設(shè)備平整絕緣膜7A的表面。
然后，如圖11所示，在對應(yīng)寫位線5和寫字線6的平行部分10的至少一部分的區(qū)域順序地選擇形成讀字線12和底環(huán)形磁性層4B。這里的底環(huán)形磁性層4B的具體例相當(dāng)于按本發(fā)明的“第一環(huán)形磁性層部分”。具體地說，首先，用濺射設(shè)備在絕緣膜7A上順序形成鈦(Ti)層，氮化鈦(TiN)層和鋁(Al)層，然后形成隨后要構(gòu)成讀字線12的多層膜(沒有顯示)。然后，涂覆覆蓋整個表面的光刻膠，并用i輻射衰減分擋器等形成光刻膠圖形。通過RIE處理或用光刻膠圖形對多層膜構(gòu)圖，形成讀字線12。隨后，用i輻射衰減分擋器等形成光刻膠圖形(沒有顯示)，并浸入例如硫酸亞鐵(FeSO4)和硫酸鎳(NiSO4)的導(dǎo)電鍍槽中，形成含鎳鐵合金(原子比是Ni∶Fe＝80∶20)的鍍膜(沒有顯示)。然后對鍍膜(沒有顯示)構(gòu)圖，形成底環(huán)形磁性層4B。
形成讀字線12和底環(huán)形磁性層4B后，如圖12A和12B所示，用CVD設(shè)備用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7B，并用CMP設(shè)備平整絕緣膜7B的表面。而且，形成連接上寫字線6U和下寫字線6B的通孔7H(參見圖12B)。這種情況下，在絕緣膜7B上涂覆光刻膠，用i輻射衰減分擋器形成光刻膠圖形，然后，用C4F8作反應(yīng)氣體進(jìn)行R1E，形成通孔7H。
隨后，用LTS(長射程濺射)設(shè)備等向通孔7H中嵌入例如鋁的導(dǎo)電材料，形成層間連接層17，如圖13B所示。層間連接層17具有連接上寫字線6U和下寫字線6B的功能。形成層間連接層17后，在整個表面上形成包含例如鈦(Ti)，氮化鈦(TiN)和鋁(Al)的金屬多層膜16U，如圖13A和13B所示。
用i輻射衰減分擋器在金屬多層膜16U的整個表面上形成光刻膠圖形(沒有顯示)后，用光刻膠圖形作掩模進(jìn)行RIE處理對金屬多層膜16U構(gòu)圖。因此，如圖14A和14B所示，在對應(yīng)平行部分10的區(qū)域形成上寫字線6U。這種情況下，重要的是形成要連接到層間連接層17上部的端部，和形成比在以后的步驟中要形成的寫位線5在X方向的寬度稍微寬一些的金屬多層膜16U。
形成上寫字線6U后，如圖15A和15B所示，用CVD設(shè)備用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7C，和用CMP設(shè)備平整絕緣膜7C的表面。用濺射設(shè)備等在平整后的絕緣膜7C上順序形成鈦(Ti)膜，氮化鈦(TiN)膜和鋁(Al)膜，以形成隨后要構(gòu)成寫位線5的多層膜5A。而且，多層膜5A上涂覆光刻膠后，用i輻射衰減分擋器選擇形成光刻膠圖形32。
用光刻膠圖形32作掩模，用BCl3氣體作反應(yīng)氣體進(jìn)行RIE處理，對多層膜5A構(gòu)圖。由此形成寫位線5。
然后，如圖17A和17B所示，用寫位線5作掩模自調(diào)節(jié)地形成疊層結(jié)構(gòu)19。具體地說，用C4F8作反應(yīng)氣體進(jìn)行RIE和離子研磨，除去不被寫位線5保護(hù)的所有區(qū)域的絕緣膜7C和絕緣膜7B和上寫字線6U的厚度方向的多個部分，形成疊層結(jié)構(gòu)19。這里，重要的是除去絕緣膜7B直到底環(huán)形磁性層4B露出為止。由此，暫時地制成其中用層間連接層17連接下寫字線6B和上寫字線6U的寫字線6。這種情況下，用層間連接層17連接寫字線6的不平行部分和平行部分10形成不僅在膜面方向彎曲而且在疊層方向也彎曲的寫字線6。由此可以在XY平面上在較小的區(qū)域形成存儲單元1。
按此方式，用寫位線5作掩模自調(diào)節(jié)地形成疊層結(jié)構(gòu)19，按此方式，能高精度地形成其寬度與寫位線5的寬度相同的上寫字線6U。而且，可以省略光刻膠圖形的形成步驟和光刻膠的除去步驟，能簡化制造步驟。
在寫位線5和寫字線6的平行部分10形成疊層結(jié)構(gòu)19后，如圖18A和18B所示，形成包含例如SiO2的絕緣膜7D，覆蓋疊層結(jié)構(gòu)19的側(cè)面和上面。具體地說，在用i輻射衰減分擋器在沿A-A線的切面在至少除去疊層結(jié)構(gòu)19的區(qū)域選擇形成光刻膠圖形33后，用CVD設(shè)備或用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7D。
然后，選擇覆蓋絕緣膜7D的側(cè)面和上面，和形成要連接到底環(huán)形磁性層4B的上環(huán)形磁性層4U，由此完成包括底環(huán)形磁性層4B和上環(huán)形磁性層4U的環(huán)形磁性層4的形成。這里上環(huán)形磁性層4U的具體例對應(yīng)按本發(fā)明的“第一環(huán)形磁性層部分”，而且，底環(huán)形磁性層4B的具體例對應(yīng)按本發(fā)明的“第二環(huán)形磁性層部分”。
具體地說，如圖19A和19B所示，用去除法除去光刻膠圖形33后，在用i輻射衰減分擋器等在沿A-A線的切面在至少除去絕緣膜7D的區(qū)域選擇形成光刻膠圖形34。而且，用光刻膠圖形34用例如濺射設(shè)備形成上環(huán)形磁性層4U，上環(huán)形磁性層4U包含的材料與底環(huán)形磁性層4B的材料相同，例如，NiFe。
然后，如圖20A和20B所示，用去除法除去光刻膠34，露出上環(huán)形磁性層4U。
隨后，如圖21A和21B所示，用CVD設(shè)備在整個表面上形成絕緣膜7E后，用CMP設(shè)備等拋光絕緣膜7E的表面使其平整，露出上環(huán)形磁性層4U的上面，用CMP設(shè)備等拋光上環(huán)形磁性層4U的上面到預(yù)定的厚度。
如圖22A和22B所示，在上環(huán)形磁性層4U的上面形成TMR元件20。具體地說，首先，用i輻射衰減分擋器等選擇形成光刻膠圖形，以覆蓋除形成TMR元件的區(qū)域以外的區(qū)域。然后在整個表面上形成鋁(Al)層。鋁(Al)層進(jìn)行氧化處理形成隧道阻擋層3。然后，形成包括例如CoFe層的第一磁性層2，形成保護(hù)層等，和除去光刻膠圖形35，由此完成TMR元件20的形成。而且，在圖22A和圖22B中顯示出，為了簡化，省略了構(gòu)成MR元件20的各個層。
TMR元件20形成后，用CVD設(shè)備在整個表面上形成絕緣膜7F，然后，用CMP設(shè)備等拋光絕緣膜7F，使其平整，并露出TMR元件20最上面的面。
最終，如圖23A和23B所示，形成讀位線13。具體地說，用磁控管濺射設(shè)備順序形成鈦(Ti)膜，氮化鈦(TiN)膜和鋁(Al)膜的疊層，由此形成多層膜13A。然后，形成具有預(yù)定形狀的光刻膠圖形(沒有顯示)，用光刻膠圖形作掩模用RIE除去非保護(hù)部分的多層膜13A。由此形成具有預(yù)定圖形的讀位線13。
然后，在各個寫字線6的兩端形成寫字線引出電極41，在各個寫位線5的兩端形成寫位線引出電極42，在各個讀字線12的兩端形成讀字線引出電極43，在各個讀位線13的兩端形成讀位線引出電極44。
如上所述，暫時完成了包括存儲單元1的1存儲單元組54的形成。
然后，通過用濺射設(shè)備，CVD設(shè)備等形成保護(hù)層SiO2，Al2O3等的步驟，和用拋光保護(hù)膜的步驟，完成磁存儲器的制造。
如上所述，按實施例，TMR元件20包括按環(huán)形形狀形成的環(huán)形磁性層4，構(gòu)成為被寫位線5和寫字線6穿過，具有磁敏感層的功能，和構(gòu)成疊層體，使電流按垂直于疊層面的方向流動，因而，使電流流入寫位線5和寫字線6而形成閉合磁路，能進(jìn)一步有效地進(jìn)行TMR元件20的環(huán)形磁性層4(磁敏感層)處的磁化方向反向，能減小磁干擾對構(gòu)成寫的對象的存儲單元1附近的存儲單元的影響。
按實施例，寫位線5和寫字線6在穿過環(huán)形磁性層4的區(qū)域形成平行部分，電流流到寫位線5和寫字線6而在環(huán)形磁性層4(磁敏感層)所產(chǎn)生的合成磁場要大于寫線相互交叉的情況所產(chǎn)生的合成磁場，能更有效地使在環(huán)形磁性層4(磁敏感層)的磁化反向。結(jié)果，能進(jìn)一步減小使磁化反向所需的寫電流。
此外，按實施例，用寫位線5作掩模，自調(diào)節(jié)地形成疊層結(jié)構(gòu)19，然后進(jìn)行高精度的機(jī)械加工，可以省略光刻膠的形成步驟和光刻膠圖形的除去等步驟，從總體上簡化了制造步驟。
以下參見圖24A到24C說明按第二實施例的磁存儲器圖24A顯示出按對應(yīng)圖7A中的實施例的磁存儲器中的存儲單元1的剖面結(jié)構(gòu)。圖24A中與圖7A中的構(gòu)件基本相同的部分用相同的符號標(biāo)注。
以下的描述中主要描述關(guān)于磁存儲器的結(jié)構(gòu)及其制造方法中與第一實施例不同的部分，其余的相同的部分不再描述。
按第一實施例的磁存儲器，TMR元件20中的環(huán)形磁性層4的一部分還用作磁敏感層，與此相反，按第二實施例的磁存儲器，如圖24所示，設(shè)置與環(huán)形磁性層4分開的第二磁性層8，用作磁敏感層，并設(shè)置進(jìn)入磁交換耦合的TMR元件21中的環(huán)形磁性層4。
第二磁性層8設(shè)置在隧道阻擋層3與環(huán)形磁性層4之間，用外部磁場改變第二磁性層8的磁化方向。第二磁性層8包含例如鈷(Co)，鈷鐵合金(CoFe)，鈷鉑合金(CoPt)，或鎳鐵鈷合金(NiFeCo)中的單一物質(zhì)。
第二磁性層8與環(huán)形磁性層4分開設(shè)置能使第二磁性層8的磁化方向更穩(wěn)定。這種情況下，可以不設(shè)置其矯頑力小于第二磁性層8的矯頑力的環(huán)形磁性層4，環(huán)形磁性層4也有磁敏感層的功能，環(huán)形磁性層4的矯頑力可以小于(50/4π)×103A/m。
以下，參見圖24B和24C 說明按實施例的磁存儲器的寫操作。圖24B和圖24C是圖4中的存儲單元1的A-A線切開的剖視圖，顯示電流方向與磁化方向之間的關(guān)系。
圖24B和圖24C顯示出寫電流流入相互平行的寫位線5和寫字線6以彼此相同的方向穿過存儲單元1的情況。圖24B顯示出寫電流按垂直于頁面的方向從這一邊流向縱深一邊(向Y方向)和在環(huán)形磁性層4內(nèi)按順時針方向產(chǎn)生環(huán)形電流磁場的情況。在這種情況下，第二磁性層8磁化方向變成環(huán)形磁性層4的磁化方向，也就是X方向。同時，圖24C顯示出寫電流按垂直于頁面的方向從縱深一邊流向這一邊(向-Y方向)和在環(huán)形磁性層4內(nèi)按逆時針方向產(chǎn)生環(huán)形電流磁場的情況。在這種情況下，第二磁性層8磁化方向變成環(huán)形磁性層4的磁化方向，也就是-X方向。按實施例，在第二磁性層8的外部磁場是指寫電流在寫位線5和寫字線6中流動所產(chǎn)生的磁場，或者，是指在環(huán)形磁性層4處產(chǎn)生的環(huán)形電流磁場。當(dāng)電流按相同的方向流入寫位線5和寫字線6時，第二磁性層8的磁化方向反向，記錄成0或1。例如，當(dāng)圖24B所示的狀態(tài)設(shè)定為0時，圖24C所示的狀態(tài)設(shè)定為1。這里，寫電流按彼此相反的方向在寫位線5和寫字線6中流動時，或者，只在寫位線5和寫字線6中的任何一個中流動時，第二磁性層8的磁化方向不反向，數(shù)據(jù)不重寫。
按實施例的磁存儲器的制造中，用第一實施例中所述的工藝形成上環(huán)形磁性層4U后，用以下的方式在上環(huán)形磁性層4U上形成TMR元件21。具體地說，首先，用i輻射衰減分擋器等選擇形成光刻膠圖形，以覆蓋除要形成TMR元件21的區(qū)域以外的區(qū)域。然后，用濺射設(shè)備等在整個表面上形成包括順序形成的CoFe層和Al層的第二磁性層8。然后，用氧等離子體對Al層進(jìn)行氧化處理，形成隧道阻擋層3。而且，用濺射設(shè)備順序形成含例如CoFe層的第二磁性層8和含鉭(Ta)的保護(hù)層后，除去光刻膠圖形35。由此完成了具有第一磁性層2和隧道阻擋層3和第二磁性層8的TMR元件21的形成。然后，與第一實施例相同，完成了預(yù)定的工藝步驟之后，就完成了磁存儲器的制造。
如上述的，按實施例的磁存儲器，除了按第一實施例的結(jié)構(gòu)外，在隧道阻擋層3與環(huán)形磁性層4之間設(shè)置第二磁性層8。所以，環(huán)形磁性層4與第二磁性層8可以形成交換耦合。而且，作為磁敏感層的第二磁性層8的磁化方向的更優(yōu)良對準(zhǔn)使寫更穩(wěn)定地。能進(jìn)一步減小環(huán)形磁性層4的矯頑力，通過減小寫操作中的電流量能減小發(fā)熱，能使磁存儲器的功能更充分。
以下描述按本發(fā)明第三實施例的磁存儲器。
圖25A顯示的是對應(yīng)圖7A和圖24A的按實施例的磁存儲器中的存儲單元的剖面結(jié)構(gòu)。在圖25A中與圖7A和圖24A中的相同構(gòu)件用相同的符號指示。
以下的描述中主要描述關(guān)于磁存儲器的結(jié)構(gòu)及其制造方法中與第一和第二實施例不同的部分，其余的相同的部分不再描述。
構(gòu)成按第一實施例的磁存儲器，TMR元件20的環(huán)形磁性層4的一部分也用作磁敏感層。按第二實施例的磁存儲器，如圖24所示，具有磁敏感層功能的第二磁性層8與環(huán)形磁性層4和TMR元件21分開設(shè)置，其中，第二磁性層8與環(huán)形磁性層4進(jìn)入磁交換耦合。
相反，按實施例的磁存儲器，如圖25A所示，使第二磁性層8與環(huán)形磁性層4進(jìn)入反鐵磁耦合的非磁性導(dǎo)電層9之中在第二磁性層8與環(huán)形磁性層4之間。具有使環(huán)形磁性層4和第二磁性層8進(jìn)入反鐵磁耦合功能的非磁性導(dǎo)電層9用例如釕(Ru)，銅(Cu)等構(gòu)成。
按實施例的磁存儲器，使環(huán)形磁性層4和第二磁性層8進(jìn)入反鐵磁耦合，即使環(huán)形磁性層4的矯頑力小于(50/4π)×103A/m也不會有問題，環(huán)形磁性層4可以用例如鐵(Fe)，NiFe，CoFe，NiFeCo，Co等構(gòu)成。
用各向異性磁場用反鐵磁耦合使第二磁性層8變成保持記錄的一部分并穩(wěn)定。第二磁性層8的矯頑力范圍的等于或小于(100/4π)×103A/m，并構(gòu)成為小于第一磁性層2的矯頑力。
以下參見圖25B和25C說明磁存儲器的寫操作。圖25B和25C是沿圖4中的存儲單元1的A-A線切開的剖視圖，顯示電流方向與磁化方向之間的關(guān)系。
圖25B和25C顯示寫電流按彼此相同的方向流入相互平行的寫位線5和寫字線6穿過存儲單元1的情況。圖25B顯示出寫電流按垂直于頁面的方向從這一邊流向左邊(向Y方向)和在環(huán)形磁性層4內(nèi)按順時針方向產(chǎn)生環(huán)形電流磁場的情況。在這種情況下，第二磁性層8磁化方向變成與環(huán)形磁性層4的磁化方向相反，也就是-X方向。另一方面，圖25C顯示出寫電流按垂直于頁面的方向從縱深一邊流向這一邊(向-Y方向)和在環(huán)形磁性層4內(nèi)按逆時針方向產(chǎn)生環(huán)形電流磁場的情況。在這種情況下，第二磁性層8磁化方向變成與環(huán)形磁性層4的磁化方向相反，變成X方向。按實施例，在第二磁性層8的外部磁場是指寫電流流入寫位線5和寫字線6中所產(chǎn)生的磁場，或者，是指在環(huán)形磁性層4處產(chǎn)生的環(huán)形電流磁場。當(dāng)電流按該方式按相同的方向流入寫位線5和寫字線6時，第二磁性層8的磁化方向反向，記錄成0或1。例如，當(dāng)圖25B所示的狀態(tài)設(shè)定為0時，圖25C所示的狀態(tài)設(shè)定為1。這里，寫電流按彼此相反的方向在寫位線5和寫字線6中流動時，或者，只在寫位線5和寫字線6中的任何一個中流動時，第二磁性層8的磁化方向不反向，數(shù)據(jù)不重寫。
按實施例的磁存儲器的制造中，用第一實施例中所述的工藝形成上環(huán)形磁性層4U后，用以下的方式在上環(huán)形磁性層4U上形成TMR元件22。具體地說，首先，用i輻射衰減分擋器等選擇形成光刻膠圖形，以覆蓋除要形成TMR元件22的區(qū)域以外的區(qū)域。然后，用濺射設(shè)備等在整個表面上順序形成非磁性的導(dǎo)電層9，包括鈷鐵合金(CoFe)層和Al層的第二磁性層8。然后，用氧等離子體對Al層進(jìn)行氧化處理，形成隧道阻擋層3。而且，用濺射設(shè)備順序形成含例如CoFe層的第一磁性層2和含鉭(Ta)的保護(hù)層，然后，除去光刻膠圖形35。由此完成了具有第一磁性層2，和隧道阻擋層3，和第二磁性層8，和非磁性的導(dǎo)電層9的TMR元件22的形成。然后，與第一實施例相同，完成了預(yù)定的工藝步驟之后，就完成了磁存儲器的制造。
按該方式，按實施例的磁存儲器，除了第二實施例的結(jié)構(gòu)之外，還在環(huán)形磁性層4與第二磁性層8之間設(shè)置非磁性的導(dǎo)電層9。因此，可以在環(huán)形磁性層4與第二磁性層8之間形成強(qiáng)反鐵磁耦合，而且，作為自由層的第二磁性層8的磁化方向更穩(wěn)定而不會受到外部干擾磁場的不需要的磁場的干擾。此外，用上述的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步減小環(huán)形磁性層4的矯頑力。而且，通過減小寫操作中的電流量能減小發(fā)熱量，用非磁性的導(dǎo)電層9屏蔽可以防止金屬元素擴(kuò)散移動到第二磁性層8，這有助于熱穩(wěn)定性。結(jié)果，使寫更穩(wěn)定。
以下參見圖26說明改進(jìn)例。
具有其矯頑力大于第二磁性層8的矯頑力的第一磁性層2的結(jié)構(gòu)叫做矯頑力不同類型的結(jié)構(gòu)，用該結(jié)構(gòu)構(gòu)成按實施例的TMR元件22。相反，圖26A所示的TMR元件22B的結(jié)構(gòu)叫做用交換耦合固定第一磁性層2的磁化方向的交換偏置型結(jié)構(gòu)。
具體地說，TMR元件22B包括從環(huán)形磁性層4的一邊開始順序形成的非磁性的導(dǎo)電層9，第二磁性層8，隧道阻擋層3，第一磁性層2和第三磁性層15。第三磁性層15具有反鐵磁性，具有通過與第一磁性層2的相互交換操作而固定第一磁性層2的磁化方向的功能，用反鐵磁材料構(gòu)成，例如，鉑錳合金(PtMn)，銥錳合金(IrMn)，鐵錳合金(FeMn)，鎳錳合金(NMn)，釕錳合金(RuMn)，等。
在具有圖26A所示的交換偏置型結(jié)構(gòu)的TMR元件22B的情況下，第一磁性層2的磁化方向由第三磁性層15可靠地固定，而且，第一磁性層2的矯頑力小于(50/4π)×103A/m。
圖26B顯示出TMR元件22C的結(jié)構(gòu)，其中，在按實施例的TMR元件22C的結(jié)構(gòu)中，在第一磁性層2與隧道阻擋層3之間設(shè)置非磁性的導(dǎo)電層35和第四磁性層18。
具體地說，TMR元件22C包括從環(huán)形磁性層4一邊開始順序形成的非磁性的導(dǎo)電層9，第二磁性層8，隧道阻擋層3，和第四磁性層18，非磁性的導(dǎo)電層35和第一磁性層2。第四磁性層18經(jīng)非磁性的導(dǎo)電層35與第一磁性層2形成反鐵磁耦合，第一磁性層2和第四磁性層18的磁化方向平行和方向彼此相反。第四磁性層18用例如，鐵(Fe)，NiFe，CoFe，NiFeCo或鈷(Co)等構(gòu)成。
按改進(jìn)例，用上述結(jié)構(gòu)，用在第一磁性層2和第四磁性層18的靜磁場形成閉合的磁路，因此，改進(jìn)例中外部磁場難以影響穩(wěn)定性，能夠防止第二磁性層8的磁場彎曲。因此，當(dāng)作為自由層的第二磁性層8的磁化方向反向時能減小寫電流磁場。
圖26C顯示改進(jìn)例中的TMR元件22D除第二實施例的TMR元件22C的結(jié)構(gòu)外還設(shè)置有第三磁性層15。具體地說，TMR元件22D包括從環(huán)形磁性層4一邊開始順序形成的非磁性的導(dǎo)電層9，第二磁性層8，隧道阻擋層3，第四磁性層18，非磁性的導(dǎo)電層35，第一磁性層2和第三磁性層15。
在TMR元件22ID的情況下，用第三磁性層15穩(wěn)定地固定第一磁性層2的磁化方向，因此，第一磁性層2的矯頑力小于(50/4π)×103A/m。
現(xiàn)在說明實施例的具體例子。
按照該例子，根據(jù)上述的制造方法用以下的方式形成磁存儲器。參見圖8-23說明例子。
首先，如圖8所示，制備含硅(Si)的基板11，用磁控濺射設(shè)備在基板11上順序形成厚度為10nm的鈦(Ti)層，厚度為10nm的氮化鈦(TiN)層和厚度為500nm的鋁(Al)層疊置構(gòu)成的多層膜16B。然后在構(gòu)件的整個表面上涂覆預(yù)定的光刻膠，用i輻射衰減分擋器等形成具有預(yù)定形狀的光刻膠圖形31。用光刻膠圖形31做掩模，用三氯化硼(BCl3)作反應(yīng)氣體，進(jìn)行選擇反應(yīng)離子腐蝕(RIE)。如圖9所示，形成有預(yù)定形狀的下寫字線6B。在這種情況下，下寫字線6B形成為沿X方向的寬度為700nm。
以下，如圖10所示，用CVD(化學(xué)氣相淀積)設(shè)備，用例如TEOS(四乙基原硅酸酯；Si(OC2H5)4)，形成例如含氧化硅(SiO2)的覆蓋整個表面的絕緣膜7A。然后，用例如CMP(化學(xué)機(jī)械拋光)設(shè)備平整絕緣膜7A的表面。在這種情況下，形成絕緣膜7A，使在下寫字線6B上形成的絕緣膜7A的厚度變成500nm。
然后，如圖11所示，在對應(yīng)寫位線5和寫字線6的平行部分10的至少一部分的區(qū)域順序地選擇形成讀字線12和底環(huán)形磁性層4B。具體地說，首先，用磁控濺射設(shè)備在絕緣膜7A上順序形成厚度為10nm的鈦(Ti)層，厚度為10nm的氮化鈦(TiN)層和厚度為500nm的鋁(Al)層構(gòu)成的多層膜(沒有顯示)，多層膜隨后要構(gòu)成讀字線12。然后，涂覆覆蓋整個表面的光刻膠，并用i輻射衰減分擋器等形成光刻膠圖形(沒有顯示)。通過用BCl3作反應(yīng)氣體RIE處理，用光刻膠圖形對多層膜構(gòu)圖，形成讀字線12。隨后，用i輻射衰減分擋器等形成光刻膠圖形(沒有顯示)，并浸入例如硫酸亞鐵(FeSO4)和硫酸鎳(NiSO4)的導(dǎo)電鍍槽中，形成含鎳鐵合金(原子比是Ni∶Fe＝80∶20)的鍍膜(沒有顯示)。然后對鍍膜(沒有顯示)構(gòu)圖，形成底環(huán)形磁性層4B。通過構(gòu)圖形成的讀字線12和底環(huán)形磁性層4B設(shè)置成1100nm(X方向)×350nm(Y方向)。
形成讀字線12和底環(huán)形磁性層4B后，如圖12A和12B所示，用CVD設(shè)備用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7B，并用CMP設(shè)備平整絕緣膜7B的表面。這種情況下，底環(huán)形磁性層4B上的絕緣膜7B的厚度設(shè)定為150nm。而且，形成連接上寫字線6U和下寫字線6B的通孔7H(參見圖12B)。這種情況下，在絕緣膜7B上涂覆光刻膠，用i輻射衰減分擋器形成光刻膠圖形，然后，用C4F8作反應(yīng)氣體進(jìn)行RIE，形成通孔7H。
隨后，用LTS(長射程濺射)設(shè)備等向通孔7H中嵌入例如鋁(Al)形成層間連接層17，如圖13B所示。然后，同樣用LTS(長射程濺射)設(shè)備等在整個表面上形成包括厚度為10nm的鈦(Ti)層，厚度為10nm的氮化鈦(TiN)層和厚度為500nm的鋁(Al)層的金屬多層膜16U，如圖13A和13B所示。
用i輻射衰減分擋器在金屬多層膜16U的整個表面上形成光刻膠圖形(沒有顯示)后，用光刻膠圖形作掩模，用BCl3作反應(yīng)氣體進(jìn)行RIE處理，對金屬多層膜16U構(gòu)圖。因此，如圖14A和14B所示，形成上寫字線6U。上寫字線6U沿X方向的寬度設(shè)定為700nm。
形成上寫字線6U后，如圖15A和15B所示，用CVD設(shè)備用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7C，和用CMP設(shè)備平整絕緣膜7C的表面。用磁控濺射設(shè)備等在平整后的絕緣膜7C上順序形成厚度為10nm的鈦(Ti)膜，厚度為10nm的氮化鈦(TiN)膜和厚度為500nm的鋁(Al)膜，以形成隨后要構(gòu)成寫位線5的多層膜5A。而且，多層膜5A上涂覆光刻膠后，如圖16A和16B所示，用i輻射衰減分擋器選擇形成光刻膠圖形32。
用光刻膠圖形32作掩模，用BCl3氣體作反應(yīng)氣體進(jìn)行RIE處理，對多層膜5A構(gòu)圖。由此形成沿X方向的厚度為700nm的寫位線5。
然后，如圖17A和17B所示，用寫位線5作掩模自調(diào)節(jié)地形成疊層結(jié)構(gòu)19。具體地說，用C4F8作反應(yīng)氣體進(jìn)行RIE和離子研磨，除去不被寫位線5保護(hù)的所有區(qū)域的絕緣膜7C和在厚度方向的絕緣膜7B和上寫字線6U的多個部分，形成疊層結(jié)構(gòu)19。
在寫位線5和寫字線6的平行部分10形成疊層結(jié)構(gòu)19后，如圖18A和18B所示，形成包含例如SiO2的絕緣膜7D，覆蓋疊層結(jié)構(gòu)19的側(cè)面和上面。具體地說，在沿A-A線的切面在至少除去疊層結(jié)構(gòu)19的區(qū)域選擇形成光刻膠圖形33后，用CVD設(shè)備或用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7D。
然后，形成上環(huán)形磁性層4U，選擇覆蓋絕緣膜7D的側(cè)面和上面，和連接到底環(huán)形磁性層4B，由此完成包括底環(huán)形磁性層4B和上環(huán)形磁性層4U的環(huán)形磁性層4的形成。形成環(huán)形磁性層4，以包圍寫位線5和寫字線6的平行部分10的一部分，沿Y方向的長度超過350nm。
具體地說，如圖19A和19B所示，用去除法除去光刻膠33后，用i輻射衰減分擋器等在沿A-A線的切面在至少除去絕緣膜7D的區(qū)域選擇形成光刻膠圖形34。而且，用光刻膠34用例如濺射設(shè)備形成上環(huán)形磁性層4U，上環(huán)形磁性層4U包含的材料與底環(huán)形磁性層4B的材料相同，例如，NiFe。
然后，如圖20A和20B所示，用去除法除去光刻膠34，露出上環(huán)形磁性層4U。
隨后，如圖21A和21B所示，用CVD設(shè)備用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7E后，用CMP設(shè)備等拋光絕緣膜7E的表面使其平整，露出上環(huán)形磁性層4U的上面，用CMP設(shè)備等拋光上環(huán)形磁性層4U的上面直到厚度變成50nm為止。
這里，如圖22A和22B所示，在上環(huán)形磁性層4U的上面形成TMR元件20。具體地說，首先，用i輻射衰減分擋器等選擇形成光刻膠圖形(沒有顯示)，以覆蓋除形成TMR元件的區(qū)域以外的區(qū)域。然后，用高真空直流濺射設(shè)備在整個表面上順序形成含釕(Ru)的厚度為0.7nm的非磁性的導(dǎo)電層9，含鈷鐵合金(CoFe)的厚度為5nm的第二磁性層8，和厚度為1nm的鋁(Al)層。在13.33Pa的壓力下用氧等離子體對鋁(Al)層進(jìn)行氧化處理，形成隧道阻擋層3。然后，形成包括例如CoFe層厚度為5nm的第一磁性層2，含IrMn的厚度為50nm的第三磁性層15和含Ta的厚度為5nm的保護(hù)層(沒有顯示)等，除去光刻膠35，由此完成圖26A所示的TMR元件22B的形成。
TMR元件22B形成后，用CVD設(shè)備用TEOS在整個表面上形成絕緣膜7F，然后，用CMP設(shè)備等拋光絕緣膜7F，使其平整，并露出TMR元件22B的最上面的面。
最終，如圖23A和23B所示，形成讀位線13。具體地說，用磁控制濺射設(shè)備順序形成厚度為10nm的鈦(Ti)膜，厚度為10nm的氮化鈦(TiN)膜和厚度為500nm的鋁(Al)膜構(gòu)成的疊層，由此形成多層膜13A。然后，用光刻膠作掩模進(jìn)行RIE，除去非保護(hù)部分的多層膜13A。由此形成具有預(yù)定圖形的讀位線13。
然后，用i輻射衰減分擋器等形成光刻膠圖形，用磁控濺射設(shè)備形成厚度為45μm的鋁層。由此，在各個寫字線6的兩端形成寫字線的引出電極41，在各個寫位線5的兩端形成寫位線的引出電極42，在各個讀字線12的兩端形成讀字線的引出電極43，在各個讀位線13的兩端形成讀位線的引出電極44。隨后，用磁控濺射設(shè)備形成覆蓋整個表面的氧化鋁(Al2O3)保護(hù)層后，通過拋光露出各個引出電極41-44。經(jīng)過預(yù)定的工藝步驟后，完成用4個垂直方向的元件和4個水平方向的元件按矩陣形狀對準(zhǔn)的磁存儲器的形成。
已經(jīng)測試了用上述方法制造的磁存儲器的MR率，隧道電阻值Rt，開關(guān)電流和相鄰元件的反向電流。測試結(jié)果作為例子顯示在表1中。這里，為了進(jìn)行數(shù)值對比，還對圖27和圖28中所示的磁存儲器進(jìn)行了同樣的測試，該磁存儲器具有的存儲單元的結(jié)構(gòu)沒有設(shè)置連續(xù)的環(huán)形磁性層。測試結(jié)果作為對比例1和2顯示在表1中。測試中用的磁場設(shè)定為(500/4π)×103A/m。盡管圖27中顯示的作為對比例1的存儲單元101設(shè)置有嵌在絕緣膜7中的并相互平行延伸的寫位線105和寫字線106和設(shè)置在其附近的TMR元件20B，但是，存儲單元101沒有設(shè)置完全包圍寫位線105和寫字線106的環(huán)形磁性層。圖28中顯示的在一邊上的作為對比例2的存儲單元201用其截面構(gòu)成“溝道形”形狀的環(huán)形磁性層204和TMR元件20C的第二磁性層8包圍嵌在絕緣膜7中的并相互平行延伸的寫位線105和寫字線106的周圍的大部分來構(gòu)成。但是，“溝道形”形狀的環(huán)形磁性層204沒有設(shè)置與第二磁性層8接觸的部分。
表1

如表1所示，盡管在例子與對比例1和2中有關(guān)MR率％，隧道電阻值Rt沒有看到明顯的差別，但是，開關(guān)電流和相鄰單元反向電流存在明顯的差別。
開關(guān)電流是使構(gòu)成寫對象存儲單元的磁化方向反向的最小電流量。實施例的開關(guān)電流基本上是對比例1的開關(guān)電流的四分之一的小值。小開關(guān)電流值表示即使用小電流也能進(jìn)行寫操作，因為，能使磁敏感層的磁化有效地反向。
相鄰單元反向電流是指給構(gòu)成寫對象的存儲單元的相鄰單元加電流而使原先沒有寫的存儲單元的磁化方向反向的電流。如表1所示，按實施例，甚至加比現(xiàn)有技術(shù)的寫電流大的寫電流，在相鄰存儲單元的磁化方向也不反向。這就表明形成了閉合磁路，可以抑制磁場對相鄰存儲單元的干擾所產(chǎn)生的負(fù)面影響。
如上所述，按實施例，TMR元件22B包括按環(huán)形形狀形成的環(huán)形磁性層4，它構(gòu)成為被寫位線5和寫字線6穿過，并具有磁敏感層的功能，和構(gòu)成為疊層體，以使電流按垂直于疊層面的方向流動，使電流流入寫位線5和寫字線6能形成閉合磁路，TMR元件22B的環(huán)形磁性層4的磁化方向能更有效地反向，能減小與構(gòu)成寫對象的存儲單元相鄰的存儲單元上的磁場干擾。
盡管已經(jīng)用實施例和改進(jìn)例說明了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些實施例和改進(jìn)例，本發(fā)明還會有各種改進(jìn)。例如，盡管按實施例寫字線6彎曲按矩形波延伸，如圖29A所示，寫字線6也可以彎曲成鋸齒形(三角波形)。在那種情況下，存儲單元1設(shè)置成圖30所示的形式。而且，盡管按實施例只有寫字線6彎曲，寫字線6的多個部分通過嵌在通孔7H中的層間連接層17相互連接，只有寫位線5彎曲，或者，圖29B寫位線5和寫字線6都彎曲，如圖29B和圖29C所示。圖29B中，有“角”形彎曲圖形的總的按一個方向延伸的寫位線5，和同樣有“角”形彎曲圖形的總的按與寫位線5的延伸方向相反的方向延伸的寫字線6，相互交叉，使“角”形部分相互平行。圖29C所示的圖形中，彼此相鄰的寫位線5按一個固定的方向總體延伸，而在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)，彼此相鄰的寫位線5之間的間隔變化，彼此相鄰的寫字線6按與寫位線5的延伸方向不同的一個固定的方向總體延伸，而在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)，彼此相鄰的寫字線6之間的間隔變化，寫位線5的多個部分與寫字線6的多個部分相互平行。也就是說，這些線沿著前進(jìn)的方向相對于下層直線保持相互對稱的形狀，線按趨近部分和分開部分交替地重復(fù)延伸。這里趨近部分和分開部分構(gòu)成梯形輪廓線的一部分。
而且，寫位線5可以構(gòu)成為回路形，其中，兩端連接到電流驅(qū)動電路56C。同樣，寫字線6可以構(gòu)成為回路形，其中，兩端連接到電流驅(qū)動電路58C。
如圖31所示，在每個存儲單元1與字解碼線71X之間設(shè)置整流元件75，以保證電流流動更穩(wěn)定。
盡管已經(jīng)按照實施例說明了寫位線5和寫字線6分別構(gòu)成平行部分10的情況，但是，實施例不限于此，寫位線5和寫字線6也可以不相互平行。然而，形成包圍平行部分10的環(huán)形磁性層4時，能有效進(jìn)行磁敏感層的磁化反向，這是更優(yōu)選的。
如上所述，按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件包括具有磁敏感層的疊層體，用外部磁場改變它的磁化方向，構(gòu)成為使電流按垂直于其疊層面的方向流動，在疊層體的一面的邊上設(shè)置的環(huán)形磁性層構(gòu)成沿疊層面方向的軸向，構(gòu)成為被多根引線穿過，而且，使電流流入多根引線而形成閉合磁路，并更有效進(jìn)行磁敏感層的磁化反向。
按本發(fā)明的磁存儲器包括多根第一寫線，與多根第一寫線分別交叉的多根第二寫線，和多個磁阻效應(yīng)元件，其中的每個磁阻效應(yīng)元件包括有磁敏感層的疊層體，用外部磁場改變其磁化方向，構(gòu)成為使電流按垂直于其疊層面的方向流動，其中，磁阻效應(yīng)元件包括設(shè)置在疊層體的一面的邊上的環(huán)形磁性層，使其軸向由沿著疊層面的方向構(gòu)成，并構(gòu)成為被第一和第二寫線穿過，因而，使電流流入第一和第二寫線可以構(gòu)成閉合磁路，能更有效地進(jìn)行環(huán)形磁性層中的磁化反向，可以降低磁阻效應(yīng)對構(gòu)成寫對象的存儲單元的相鄰的存儲單元的影響。
特別是，按本發(fā)明的磁阻效應(yīng)元件或磁存儲器，構(gòu)成在穿過環(huán)形磁性層的區(qū)域相互平行延伸的多根寫線，因此，使電流流入多根引線在磁敏感層產(chǎn)生的合成磁場大于多根引線相互交叉的情況下所產(chǎn)生的合成磁場，能更有效地進(jìn)行環(huán)形磁性層中的磁化反向。結(jié)果，能進(jìn)一步減小磁化反向所需的寫電流。而且，更有利于磁敏感層中的多個磁疇的磁化方向?qū)?zhǔn)，因而能獲得更高的可靠性。
按本發(fā)明的磁存儲器的制造方法，包括以下步驟用第二寫線作掩模，選擇腐蝕除去第一寫線和夾在第一寫線與第二寫線之間的第二絕緣層，自調(diào)節(jié)形成在相互平行的第一與第二寫線的多個平行部分中的疊層結(jié)構(gòu)，而且，進(jìn)行高精度的機(jī)械加工，因而簡化了制造步驟。
權(quán)利要求
1，一種磁阻效應(yīng)元件，包括一疊層體，有一磁敏感層，用外部磁場改變磁敏感層的一個磁化方向，構(gòu)成為使電流按垂直于其疊層面的方向流動；一環(huán)形磁性層，設(shè)置在疊層體的一面的邊上，用沿疊層面的方向構(gòu)成軸向；和穿過所述環(huán)形磁性層的多根引線。
2，按權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中，疊層體電連接到環(huán)形磁性層。
3，按權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中，該多根引線在穿過環(huán)形磁性層的區(qū)域外相互平行延伸。
4，按權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中，環(huán)形磁性層的一部分還用作磁敏感層。
5，按權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中，磁敏感層與環(huán)形磁性層分開設(shè)置，磁敏感層與環(huán)形磁性層進(jìn)入磁交換耦合。
6，按權(quán)利要求5的磁阻效應(yīng)元件，其中，在磁敏感層與環(huán)形磁性層之間設(shè)置一非磁性的導(dǎo)電層，使磁敏感層與環(huán)形磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合。
7，按權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中，磁敏感層的矯頑力大于環(huán)形磁性層的矯頑力。
8，按權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中，疊層體包括一非磁性層；一第一磁性層，疊置在非磁性層的一邊上，有固定的磁化方向；和一第二磁性層，疊置在與第一磁性層相對的非磁性層的一邊上，具有磁敏感層的功能；其中，根據(jù)疊層體中的電流流動檢測信息。
9，按權(quán)利要求8的磁阻效應(yīng)元件，其中，第一磁性層的矯頑力大于第二磁性層的矯頑力。
10，按權(quán)利要求8的磁阻效應(yīng)元件，其中，與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的一個反鐵磁的第三磁性層設(shè)置在與非磁性層相對的第一磁性層的邊上。
11，按權(quán)利要求8的磁阻效應(yīng)元件，其中，與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的一個第四磁性層設(shè)置在第一磁性層與非磁性層之間。
12，按權(quán)利要求11的磁阻效應(yīng)元件，其中，使第一磁性層與第四磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合的一個第二非磁性導(dǎo)電層設(shè)置在第一磁性層與第四磁性層之間。
13，按權(quán)利要求8的磁阻效應(yīng)元件，其中，非磁性層包括一個能引起隧道效應(yīng)的絕緣層。
14，一種磁存儲器，包括多根第一寫線；與多根第一寫線分別交叉延伸的多根第二寫線，和多個磁阻效應(yīng)元件，其中的每個磁阻效應(yīng)元件具有疊層體，疊層體包括磁敏感層，用外部磁場改變磁敏感層的磁化方向，并構(gòu)成為使電流按垂直于其疊層面的方向流動，設(shè)置在疊層體的一面的邊上的環(huán)形磁性層，用沿疊層面的方向構(gòu)成它的軸向，并構(gòu)成為使第一和第二寫線穿過。
15，按權(quán)利要求14的磁存儲器，其中，疊層體電連接到環(huán)形磁性層。
16，按權(quán)利要求14的磁存儲器，其中，第一和第二寫線在穿過環(huán)形磁性層的區(qū)域外相互平行延伸。
17，按權(quán)利要求14的磁存儲器，其中，環(huán)形磁性層的一部分還用作磁敏感層。
18，按權(quán)利要求14的磁存儲器，其中，磁敏感層與環(huán)形磁性層分開設(shè)置，磁敏感層與環(huán)形磁性層進(jìn)入磁交換耦合。
19，按權(quán)利要求18的磁存儲器，其中，磁敏感層與環(huán)形磁性層之間的間隔設(shè)置有一個非磁性的導(dǎo)電層，使磁敏感層與環(huán)形磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合。
20，按權(quán)利要求14的磁存儲器，其中，疊層體包括一非磁性層；一第一磁性層，疊置在非磁性層一邊上并具有固定的磁化方向；和一第二磁性層，疊置在與第一磁性層相對的非磁性層的邊上，具有磁敏感層的功能；其中，根據(jù)電流在疊置體中的流動檢測信息。
21，按權(quán)利要求20的磁存儲器，其中，第二磁性層的矯頑力大于環(huán)形磁性層的矯頑力。
22，按權(quán)利要求20的磁存儲器，其中，第一磁性層的矯頑力大于第二磁性層的矯頑力。
23，按權(quán)利要求20的磁存儲器，其中，與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的一個反鐵磁的第三磁性層設(shè)置在與非磁性層相對的第一磁性層的一邊上。
24，按權(quán)利要求20的磁存儲器，其中，與第一磁性層進(jìn)入交換耦合的一個第四磁性層設(shè)置在第一磁性層與非磁性層之間。
25，按權(quán)利要求24的磁存儲器，其中，使第一磁性層與第四磁性層進(jìn)入反鐵磁耦合的一個第二非磁性層設(shè)置在第一磁性層與第四磁性層之間。
26，按權(quán)利要求20的磁存儲器，其中，非磁性層包括能產(chǎn)生隧道效應(yīng)的絕緣層。
27，按權(quán)利要求16的磁存儲器，其中，通過彎曲第一和第二寫線中的至少一個，形成相互平行延伸的第一和第二寫線的平行部分。
28，按權(quán)利要求27的磁存儲器，其中，第一和第二寫線中的一個按矩形波形狀延伸，而其中的另一個按直線延伸，矩形波的上升部分和下降部分對應(yīng)于該平行部分。
29，按權(quán)利要求27的磁存儲器，其中，彎曲的第一或第二寫線，構(gòu)成包括通過含導(dǎo)電材料的層間連接層而相互連接的兩層部分。
30，按權(quán)利要求14的磁存儲器，還包括多根讀線，使讀電流按垂直于每個磁阻效應(yīng)元件中的疊層體的疊層面的方向流動；其中，根據(jù)電流在疊層體中的流動檢測信息。
31，一種磁主體器件的制造方法，磁主體包括寫線組和磁阻效應(yīng)元件，寫線組包括多根第一寫線和與多根第一寫線分別交叉的多根第二寫線；磁阻效應(yīng)元件具有一個疊層體，疊層體包括磁敏感層，用一個外部磁場改變磁敏感層達(dá)到一個磁化方向，方法包括以下步驟在一個第一絕緣層上形成該第一寫線；形成覆蓋和包圍第一寫線的一部分的一個第二絕緣層；在第二絕緣層上形成該第二寫線；和用第二寫線作掩模，選擇腐蝕除去第二絕緣層和第一寫線，自調(diào)節(jié)形成一個疊層結(jié)構(gòu)，其中，第一和第二寫線相互平行延伸，其間夾有該絕緣層。
32，按權(quán)利要求31的磁存儲器的制造方法，其中，形成第一寫線的步驟包括形成不平行于第二寫線的第一寫線的一部分的步驟；形成覆蓋并包圍不平行于第二寫線的第一寫線的一部分的一個第三絕緣層步驟；在第三絕緣層形成連接到不平行于第二寫線的第一寫線的一部分的端部的通孔，以形成一個層間導(dǎo)電層，和將導(dǎo)電材料嵌進(jìn)通孔的步驟；和形成疊層結(jié)構(gòu)中包括的并與第三絕緣層上的第二寫線平行的第一寫線的一部分，使其端部連接到層間導(dǎo)電層的上部的步驟；其中，用層間導(dǎo)電層連接不平行于第二寫線的第一寫線的部分和平行于第二寫線的第一寫線的部分，按疊置方向形成彎曲的第一寫線。
33，按權(quán)利要求32的磁存儲器的制造方法，其中，當(dāng)磁存儲器還包括包圍按環(huán)形形狀相互平行的第一寫線和第二寫線的多個部分中的至少一部分的環(huán)形磁性層時，所述的方法還包括在第三絕緣層上，在對應(yīng)相互平行的第一寫線和第二寫線的多個部分中的至少一部分的區(qū)域，選擇形成第一環(huán)形磁性層部分的步驟；相互平行的第一寫線和第二寫線的多個部分形成疊層結(jié)構(gòu)，然后形成覆蓋疊層結(jié)構(gòu)的側(cè)面和上面的一個第四絕緣層的步驟；和通過選擇覆蓋第四絕緣層的側(cè)面和上面形成包括第一和第二環(huán)形磁性層部分的環(huán)形磁性層，和形成連接到第一環(huán)形磁性層部分的第二環(huán)形磁性層部分的步驟。
34，按權(quán)利要求1的磁阻效應(yīng)元件，其中，在環(huán)形磁性層與疊層體的交界處，環(huán)形磁性層的面積大于疊層體的面積。
全文摘要
磁阻效應(yīng)元件包括有磁敏感層的疊層體，外部磁場改變磁敏感層的磁化方向，構(gòu)成為使電流按垂直于其疊層面的方向流動，設(shè)置在疊層體的一面的邊上的環(huán)形磁性層用沿著疊層面的方向構(gòu)成軸向并被多根引線穿過，使電流流入多根引線能形成閉合磁路，能更有效地進(jìn)行磁敏感層的磁化反向。
文檔編號G11C11/02GK1495929SQ03125540
公開日2004年5月12日 申請日期2003年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月13日
發(fā)明者江崎城一朗, 古賀啟治, 柿沼裕二, 二, 治 申請人:Tdk株式會社