專利名稱：磁性存儲(chǔ)器及其驅(qū)動(dòng)方法、以及使用它的磁性存儲(chǔ)器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性存儲(chǔ)器及其驅(qū)動(dòng)方法，以及使用這種存儲(chǔ)器的磁性隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器(MRAM)等磁存儲(chǔ)裝置。
背景技術(shù)：
隧道磁阻效應(yīng)(TMRtunnel magnetoresistance)元件包含隧道(阻擋層barrier)層和夾著該層的一對(duì)磁性層。TMR元件中，利用一對(duì)磁性層中磁化方向的相對(duì)角度差異產(chǎn)生的自旋隧道效果。自旋閥型的TMR元件中，一對(duì)磁性層包含磁化難以旋轉(zhuǎn)的固定磁性層與磁化容易旋轉(zhuǎn)的自由磁性層。自由磁性層具有存儲(chǔ)器層的功能，其信息作為磁化方向而被記錄。
作為磁性存儲(chǔ)器，TMR元件以矩陣狀排列的MRAM中，隨著集成度越來(lái)越高，可能會(huì)產(chǎn)生下面一些問(wèn)題。
1.由于元件間隔減少而出現(xiàn)磁串?dāng)_所導(dǎo)致的記錄錯(cuò)誤。
2.由于磁性體的精細(xì)化帶來(lái)的磁化反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的增加及記錄電流的增大。
3.由于導(dǎo)線的微細(xì)化導(dǎo)致的記錄電流的局限性。
4.隨著導(dǎo)線的微細(xì)化使阻抗上升并導(dǎo)致讀出時(shí)S/N下降。
由于這些問(wèn)題，普遍認(rèn)為很難達(dá)到大于Gbit/平方英寸的高集成度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器，包括沿層厚方向積層的2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層和2個(gè)以上的隧道層，2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層串聯(lián)電連接，第一層組的磁化反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻抗變化ΔR1與第二層組的磁化反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻抗變化ΔR2互不相同，其中第一層組由從上述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層選擇的至少1個(gè)所構(gòu)成，而第二層組是由從上述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層選擇的至少1個(gè)所構(gòu)成。
通過(guò)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)多值化的磁性存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器的多值化，不僅可以抑制存儲(chǔ)器的精細(xì)化，還可以高密度記錄信息。利用本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器，可以進(jìn)行信息的非破壞讀取?？梢酝ㄟ^(guò)施加額定電流或額定電壓時(shí)的電壓變化或電流變化來(lái)測(cè)定存儲(chǔ)器的阻抗變化。
本發(fā)明也提供一種適用上述磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法。使用這種驅(qū)動(dòng)方法，存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)通過(guò)利用由包含在厚度方向通過(guò)該存儲(chǔ)器層的電流的多個(gè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行。將這種驅(qū)動(dòng)方法適用于本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器時(shí)，上述電流沿厚度方向通過(guò)從上述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層選擇的、成為磁化反轉(zhuǎn)的對(duì)象的至少1個(gè)層。但是，上述驅(qū)動(dòng)方法基本可適用于所有能夠使電流沿層厚方向通過(guò)的磁阻元件，以及使用這些磁阻元件的磁性存儲(chǔ)器，并不局限于TMR元件，也可以用于CPP(電流垂直于面Current Perpendicular to Plane)型GMR(巨磁電阻)元件的驅(qū)動(dòng)。
通過(guò)本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)順暢的磁化反轉(zhuǎn)。順暢的磁化反轉(zhuǎn)對(duì)減少高集成度磁性存儲(chǔ)器中的誤記錄非常有效。


圖1A、圖1B分別表示可用于本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的磁阻元件基本構(gòu)造的截面圖。
圖2是表示可用于本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的磁阻元件基本構(gòu)造及周圍部件的截面圖。
圖3A、圖3B是本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的一種形態(tài)的截面圖，該圖是從相互成90度角的不同的方向觀看磁性存儲(chǔ)器的狀態(tài)。
圖4是本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的另一種形態(tài)的截面圖。
圖5是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)值的圖。
圖6是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器中最大存儲(chǔ)值的圖。
圖7是本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的一種形態(tài)，是使用包含多個(gè)存儲(chǔ)器層的磁阻元件的形態(tài)的截面圖。
圖8用來(lái)說(shuō)明讀出本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器輸出的一例方法的電路圖。
圖9A、圖9B分別表示本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的另一種形態(tài)的截面圖。
圖10是本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的一種形態(tài)，是使用包含多個(gè)存儲(chǔ)器層的磁阻元件的另一種形態(tài)的截面圖。
圖11是表示磁性存儲(chǔ)器裝置的一種形態(tài)的平面圖，該裝置沿面內(nèi)方向設(shè)置多個(gè)本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器而形成。
圖12是本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器裝置的另一種形態(tài)的平面圖。
圖13是用來(lái)說(shuō)明圖12所示的磁性存儲(chǔ)器裝置中導(dǎo)線的位置關(guān)系的截面圖。
圖14A、圖14B分別表示存儲(chǔ)器層的磁化開(kāi)關(guān)曲線的例子。
圖15用來(lái)說(shuō)明存儲(chǔ)器層的磁化開(kāi)關(guān)曲線與可磁化反轉(zhuǎn)的合成磁場(chǎng)之間的關(guān)系圖。
圖16是本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器裝置中各個(gè)存儲(chǔ)器層的易磁化軸的相對(duì)關(guān)系的平面圖。
圖17A、圖17B表示因存儲(chǔ)器層的易磁化軸的夾角α而引起的磁化開(kāi)關(guān)曲線的傾向，以及說(shuō)明在此情況下合成磁場(chǎng)引起的磁化反轉(zhuǎn)。
圖18是表示本發(fā)明的存儲(chǔ)器裝置中，沿面內(nèi)方向配置的存儲(chǔ)器層的易磁化軸的一例關(guān)系的平面圖。
圖19A～圖19E分別表示存儲(chǔ)器層的面形狀的示例的平面圖。
圖20A～圖20C用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的一例驅(qū)動(dòng)方法，圖20A是磁性存儲(chǔ)器的截面圖，圖20B是記錄電流與時(shí)間之間的關(guān)系圖，圖20C是存儲(chǔ)器層的平面圖。
圖21A、圖21B是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的另一例驅(qū)動(dòng)方法的磁性存儲(chǔ)器的截面圖，圖21A是寫入操作，圖21B是讀出操作。
圖22A、圖22B用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的另一例驅(qū)動(dòng)方法的磁性存儲(chǔ)器的截面圖，圖22A是寫入操作，圖22B是讀出操作。
圖23是使用了本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的系統(tǒng)LSI的一例電路圖。
圖24是將本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器配置于面內(nèi)方向的磁性存儲(chǔ)器裝置的另一例的平面圖。
圖25是磁化開(kāi)關(guān)曲線，表示通過(guò)字線的電流IW及通過(guò)位線的電流IB所引起的磁化反轉(zhuǎn)。
圖26表示本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器裝置中元件的配置的另一例的平面圖。
圖27是按照本發(fā)明的實(shí)施例所制造的磁性存儲(chǔ)器的截面圖。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器中，從多個(gè)存儲(chǔ)器層中選擇的第一層組的阻抗變化ΔR1與第二層組的阻抗變化ΔR2互不相同。包含在這些存儲(chǔ)器層組內(nèi)的存儲(chǔ)器層的數(shù)量并沒(méi)有限制，但第一層組及第二層組也可以同時(shí)由1個(gè)存儲(chǔ)器層構(gòu)成。
阻抗變化ΔR1與阻抗變化ΔR2(其中ΔR1＜ΔR2)，優(yōu)選滿足下面的關(guān)系式(1)。
ΔR1×2≤ΔR2(1)如果公式(1)的關(guān)系成立，就可以很容易地分離2個(gè)存儲(chǔ)器層組的輸出。
本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器也可以由2個(gè)以上的磁阻元件(TMR元件)沿層厚方向積層而形成。TMR元件包含各自至少1個(gè)構(gòu)成磁性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器層與隧道層。磁性存儲(chǔ)器中設(shè)置2個(gè)以上的記錄導(dǎo)線用來(lái)寫入信息。這種情況下，優(yōu)選在從上述2個(gè)以上的TMR元件中選擇的、相鄰的一對(duì)TMR元件之間配置從上述2個(gè)以上記錄導(dǎo)線中選擇的至少1根記錄導(dǎo)線。TMR元件與至少1根記錄導(dǎo)線優(yōu)選是交叉配置。其原因在于，如果記錄導(dǎo)線與存儲(chǔ)器層之間的距離變小，就能夠減少磁化反轉(zhuǎn)所需電流量。
本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的一形態(tài)中，包含沿層厚方向積層的2個(gè)以上的TMR元件，這2個(gè)以上的TMR元件包括輸出各異的2個(gè)TMR元件。
在這個(gè)磁性存儲(chǔ)器中，記錄導(dǎo)線也可以?shī)A著各個(gè)TMR元件的方式而設(shè)置。包含N個(gè)TMR元件的存儲(chǔ)器中，可以設(shè)置至少(N+1)根記錄導(dǎo)線。其中N為2以上的整數(shù)。
TMR元件不僅可以只包含1個(gè)存儲(chǔ)器層，還可以包含2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層。這種TMR元件包含從構(gòu)成磁性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器層中選擇的至少2個(gè)。這種TMR元件也可以包含至少2個(gè)隧道層。在這種情況下，包含在1個(gè)TMR元件中的至少2個(gè)存儲(chǔ)器層中，也可以包含因磁化反轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的電阻變化互不相同的2個(gè)存儲(chǔ)器層。
本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的另一形態(tài)中，裝備TMR元件，該元件包含沿層厚方向積層而成，輸出互不相同的至少2個(gè)存儲(chǔ)器層。
為了形成由于磁化反轉(zhuǎn)阻抗變化互不相同的2個(gè)存儲(chǔ)器層，例如，也可形成膜厚互不相同的2個(gè)隧道層。根據(jù)隧道層的厚度，作為固定磁性層/隧道層/存儲(chǔ)器層(自由磁性層)，能夠記載的積層體的隧道阻抗發(fā)生變化。另外，自旋隧道效應(yīng)也會(huì)受影響。由于隧道阻抗發(fā)生變化，即便隧道阻抗變化率隨著磁化反轉(zhuǎn)而保持恒定，仍可以改變阻抗變化。調(diào)整隧道層的膜厚是控制因存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)而導(dǎo)致阻抗變化的一種方法。
包含N個(gè)存儲(chǔ)器層的情況下，本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器可以提供最大為2N個(gè)阻抗變化。但N是不小于2的整數(shù)。換言之，本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器為最大值達(dá)2N的存儲(chǔ)器。
第N個(gè)存儲(chǔ)器層的電阻變化用ΔRN表示，ΔRN的最小值用ΔRmin表示，ΔRN的最大值用ΔRmax表示，此時(shí)優(yōu)選下面的關(guān)系式(2)成立。
ΔRmax≥ΔRmin×2N-1(2)其中N為2以上的整數(shù)。
第M個(gè)最小值ΔRN用ΔRM表示時(shí)，優(yōu)選下面的關(guān)系式(3)成立。
ΔRM×2≤ΔRM+1(3)但是，M為1以上(N-1)以下的整數(shù)。
沿包含在磁性存儲(chǔ)器中的2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層的厚度方向，通過(guò)額定電流I時(shí)，隨著第N個(gè)存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生輸出變化IΔR。如果關(guān)系式(2)和/或(3)成立，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多值化，還可以很容易地分離因各個(gè)存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)而引起的輸出變化。
此外，優(yōu)選IΔRmin設(shè)定于檢測(cè)極限以上，雖然要視檢測(cè)元件而定，但50mV以上比較合適。
上述關(guān)系式中，N并沒(méi)有特別限制，但如果考慮操作速度、輸出、成本等因素，優(yōu)選是2～10左右。N如果過(guò)大，磁性存儲(chǔ)器整體的阻抗就會(huì)增加，而且也不能忽視RC延遲等。此外，輸出也隨之下降，同時(shí)，由于積層數(shù)量的增加，使層表面的粗糙度增大，從而導(dǎo)致生產(chǎn)率低。
磁性存儲(chǔ)器中優(yōu)選包含一對(duì)沿層厚方向相鄰的、且易磁化軸方向互異的存儲(chǔ)器層。易磁化軸方向的夾角優(yōu)選20度以上90度以下。如果調(diào)整易磁化軸方向，則不僅能夠容易的控制各個(gè)存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)，還能防止誤操作。
本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器可以通過(guò)非線形元件控制，該非線形元件與2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層電相連。非線形元件的例子，可以列舉開(kāi)關(guān)元件、整流元件。2個(gè)以上的TMR元件串聯(lián)相連，各個(gè)TMR元件之間，至少使1根記錄導(dǎo)線與TMR元件電相連，以這種方式配置時(shí)，各個(gè)記錄導(dǎo)線之間可以分別設(shè)置非線形元件，如整流元件。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)這種設(shè)置可以很容易對(duì)通過(guò)各個(gè)元件的電流進(jìn)行控制。
使用上述磁性存儲(chǔ)器作為MRAM等的磁性存儲(chǔ)器裝置(存儲(chǔ)器設(shè)備)時(shí)，可以沿層的面內(nèi)方向設(shè)置多個(gè)存儲(chǔ)器。這種存儲(chǔ)器裝置優(yōu)選包含沿層的面內(nèi)方向相鄰的、且易磁化軸方向互不相同的一對(duì)存儲(chǔ)器層。與上述內(nèi)容相同，易磁化軸方向的夾角優(yōu)選20度以上90度以下。上述磁性存儲(chǔ)器例如還可以用于系統(tǒng)LSI。
本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)方法中使用第一電流，該電流沿至少作為磁化反轉(zhuǎn)對(duì)象的存儲(chǔ)器層的厚度方向通過(guò)該層。除了此第一電流，也可以使用第二電流，該電流沿層的面內(nèi)方向通過(guò)，并在上述磁化反轉(zhuǎn)后的磁化方向上形成磁場(chǎng)。此時(shí)，可以在開(kāi)始施加第一電流之后，開(kāi)始施加第二電流。也可以結(jié)束施加第一電流之后，結(jié)束施加第二電流。這樣，通過(guò)同時(shí)調(diào)整施加電流的開(kāi)始及/或結(jié)束，就可以更加順利地實(shí)現(xiàn)磁化反轉(zhuǎn)。由第二電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，在存儲(chǔ)器層的面中，優(yōu)選沿與反轉(zhuǎn)后的存儲(chǔ)器層的磁化方向相同的方向作用。
也可施加因第三電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，第三電流在層的面內(nèi)方向沿著與第二電流不同的方向流過(guò)。此時(shí)，可以在開(kāi)始施加第三電流之后，開(kāi)始施加第二電流。也可以結(jié)束施加第三電流之后，結(jié)束施加第二電流。這樣就可以與上述方法相同，順利進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)。
此外，第一電流及第三電流可以同時(shí)施加，也可以作為從同一記錄導(dǎo)線中分流的電流。從第三電流分流而供給第一電流時(shí)，優(yōu)選第一電流分流之前的第三電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與第一電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用，使成為磁化反轉(zhuǎn)對(duì)象的存儲(chǔ)器層中的磁化方向沿同一方向旋轉(zhuǎn)。
此外，也可以至少施加因在延伸于這2個(gè)層之間的導(dǎo)線內(nèi)流過(guò)的電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而使2個(gè)層中的磁化反轉(zhuǎn)同時(shí)進(jìn)行。
下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。
圖1A、B是舉例表示可用于本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器的磁阻元件的構(gòu)造。磁阻元件(TMR元件)至少包含一個(gè)隧道層2和夾著該隧道層2的兩個(gè)強(qiáng)磁性層1、3(圖1A)。在此TMR元件中，由于自由磁性層(存儲(chǔ)器層)3中磁化方向的變化，該磁化方向與固定磁性層1的磁化方向之間會(huì)產(chǎn)生磁化相對(duì)角的變化。磁化相對(duì)角的變化可通過(guò)將這些層1、2、3包含于局部的電路中的電壓變化或電流變化而檢測(cè)出。
TMR元件中還可以增加其它的層。例如，也可以積層偏置隧道層4與非磁性導(dǎo)電層5(圖1B)。通過(guò)偏置隧道層4可以改善MR變化率的偏置相依性。
TMR元件中也可以包含多個(gè)固定磁性層或自由磁性層。作為這種TRM元可以列舉包含固定磁性層/隧道層/自由磁性層/隧道層/固定磁性層、自由磁性層/隧道層/固定磁性層/隧道層/自由磁性層這樣的積層體的元件。
由于自由磁性層(存儲(chǔ)器層)3具有單軸各向異性或多軸各向異性，因此磁化方向處于雙穩(wěn)定狀態(tài)或多穩(wěn)定狀態(tài)。外部磁場(chǎng)消失后仍可把磁化方向作為信息記憶下來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，磁化相對(duì)角越大，所得到的磁阻抗變化率(MR變化率)就越大，因此，自由磁性層3中優(yōu)選引入磁化方向的雙穩(wěn)定，即賦予單軸各向異性而設(shè)定一個(gè)易磁化軸。如果引入雙穩(wěn)定狀態(tài)，自由磁性層3的磁化方向受外部磁場(chǎng)影響，在與固定磁性層1的磁化方向平行(同一方向)或反方向平行(相反方向)之間反轉(zhuǎn)。
雖然單軸各向異性(uniaxial anisotropy)可以根據(jù)基于層的形狀的形狀各向異性而引進(jìn)，但是并不局限于此種方法，也可以通過(guò)其它的方法而引入。其它的方法包括利用在自由磁性層的磁場(chǎng)中進(jìn)行熱處理、在磁場(chǎng)中進(jìn)行成膜處理、傾斜淀積(oblique deposition)而引進(jìn)各向異性。
固定磁性層1在與隧道層2相反一側(cè)的面上，優(yōu)選通過(guò)與高矯頑力層、積層鐵氧體、反強(qiáng)磁性層磁性耦合而難以轉(zhuǎn)動(dòng)磁化方向。
高矯頑力層可以用CoPt、FePt、CoCrPt、CoTaPt、FeTaPt、FeCrPt等矯頑力在100Oe以上的材料構(gòu)成。反強(qiáng)磁性層可以用PtMn、PtPdMn、FeMn、IrMn、NiMn等含Mn(錳)的反強(qiáng)磁性材料構(gòu)成。積層鐵氧體是磁性膜與非磁性膜的積層體。作為磁性膜可以使用Co或者FeCo、CoFeNi、CoNi、CoZrTa、CoZrB、CoZrNb等Co合金，非磁性膜可以使用厚度為0.2～1.1nm左右的Cu、Ag、Au、Ru、Rh、Ir、Re、Os或者這些金屬的合金或氧化物。
兩磁性層1、3是至少在隧道層的界面附近，優(yōu)選用以下材料構(gòu)成。①Fe、Co、Ni、FeCo合金、NiFe合金、CoNi合金或者NiFeCo合金；②FeN、FeTiN、FeAlN、FeSiN、FeTaN、FeCoN、FeCoTiN、FeCo(Al、Si)N、FeCoTaN等由式TMA所表示的化合物；其中，T是從Fe、Co、Ni中選擇的至少一種，M是從Mg、Ca、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Al、Si、Mg、Ge、Ga中選擇的至少一種，A是從N、B、O、F、C中選擇的至少一種；③由式(Co、Fe)E所表示的化合物。其中，E是從Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cu、B中選擇的至少一種；④以FeCr、FeSiAl、FeSi、FeAl、FeCoSi、FeCoAl、FeCoSiAl、FeCoTi、Fe(Ni)(Co)Pt、Fe(Ni)(Co)Pd、Fe(Ni)(Co)Rh、Fe(Ni)(Co)Ir、Fe(Ni)(Co)Ru、FePt等為代表的由式TL所表示的化合物，其中，T是從Fe、Co、Ni中選擇的至少一種，L是從Cu、Ag、Au、Pd、Pt、Rh、Ir、Ru、Os、Ru、Si、Ge、Al、Ga、Cr、Mo、W、V、Nb、Ta、Ti、Zr、Hf、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中選擇的至少一種；⑤氧化鐵(Fe3O4)、由式XMnSb表示的材料(其中，X是從Ni、Cu、Pt中選擇的至少一種)，以LaSrMnO、LaCaSrMnO、CrO2為代表的半金屬材料；⑥由式QDJ(其中，Q是從Sc、Y、鑭系元素、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Ni、Zn中選擇的至少一種，D是從V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中選擇的至少一種，J是從C、N、O、F、S中選擇的至少一種)，或者GaMnN、AlMnN、GaAlMnN、AlBMnN等的以式RDG(其中，R是從B、Al、Ga、Ga、In中選擇的至少一種，D與上述內(nèi)容相同，G是從C、N、O、P、S中選擇的至少一種)為代表的磁性半導(dǎo)體；⑦鈣鈦礦氧化物(perovskite-type oxide)、鐵氧體等尖晶石型(spinel-type)氧化物、石榴石型(garnet-type)氧化物；⑧CaB6、CaMgB等堿土類金屬氧化物或者在這些堿土金屬氧化物中添加La等鑭系元素的強(qiáng)磁性體。
隧道層2及偏置隧道層4上，如果是絕緣體或者半導(dǎo)體則沒(méi)有限制，但是從含Mg、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr的IIa～VIa族(在新IUPAC表示中是2～6族)元素、含La、Ce的鑭系元素、以及含Zn、B、Al、Ga、Si的IIb～I(xiàn)vb族(12～14族)元素中選擇的元素與從F、O、C、N、B中選擇的至少一種元素的化合物也可適用。典型的隧道層用絕緣體有Al的氧化物、氮化物、氧氮化物。
磁阻元件實(shí)際上是形成于基板10上的多層膜的一部分(圖2)。以?shī)A著圖1B所示的元件的方式，設(shè)置一對(duì)電極6、9，并在這兩個(gè)電極之間設(shè)置層間絕緣膜8。
傳統(tǒng)的多層膜成膜方法可以用脈沖激光沉積(PLD)、離子束淀積(IBD)、團(tuán)簇離子束、RF、DC、ECR(電子回旋共振Electron CyclotronResonance)、螺旋(helicon)、ICP(誘導(dǎo)耦合等離子體InductivelyCoupled Plasma)、對(duì)向靶等各種濺射法、分子束外延生長(zhǎng)法(MBEmolecular Beam Epitaxy)、離子鍍膜法。除了這些物理氣相沉積法(PVDPhysical Vapor Deposition)，還可以利用化學(xué)氣相沉積法(CVDChemical Vapor Deposition)、電鍍法、溶膠凝膠法(Sol-Gel)等方法。
在含有規(guī)定的元素、分子、離子、游離基的適當(dāng)氣氛內(nèi)，使由規(guī)定金屬或合金構(gòu)成的薄膜前驅(qū)體發(fā)生反應(yīng)，具體地講就是通過(guò)氟化、氧化、炭化、氮化、硼化等制作隧道層。作為薄膜前驅(qū)體，也可以使用以化學(xué)理論比以下的比例包含F(xiàn)、O、C、N、B的不定比化合物。
例如，作為隧道絕緣層對(duì)Al2O3膜進(jìn)行成膜處理時(shí)，使Al或AlOx(X≤1.5)在非活性氣體中或Ar+O2氣體中進(jìn)行成膜處理，之后，在氧氣或氧氣與非活性氣體中進(jìn)行氧化處理，從而完成成膜。氧化等也可以使等離子體產(chǎn)生而進(jìn)行。
作為成膜后的精細(xì)加工方法，也可以使用半導(dǎo)體工藝或GMR頭制造工藝中所使用的方法。這種方法包括離子蝕刻、RIE(Reactive IonEtching)、FIB(Focused Ion Beam)等物理或化學(xué)蝕刻方法、用于精細(xì)圖形形成的曝光裝置(Stepper)、利用EB等方法的光刻法。為了保證電極等表面的平坦，也可以使用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP，ChemicalMechanical Polishing)或簇離子束蝕刻。
在本發(fā)明中，例如，在基板上積層多個(gè)磁阻元件11、12、13，在這些元件之間配置記錄用導(dǎo)線(圖3A、B)。此外，在圖3A、B中，使用圖1B所示的元件作為磁阻元件。
這些元件11、12、13構(gòu)成以串聯(lián)的方式電連接的元件組，這些元件組與作為開(kāi)關(guān)元件51的MOSFET連接。也可以使用如二極管、庫(kù)侖阻塞元件、隧道二極管等這樣的整流元件代替開(kāi)關(guān)元件。
開(kāi)關(guān)元件或整流元件等非線性元件的作用是電分離相鄰的元件組。在未配置非線性元件的情況下，為了確保靈敏度(sensitivity)，也可以設(shè)置為將最大個(gè)數(shù)為1萬(wàn)個(gè)左右的存儲(chǔ)單元集合體定義為一個(gè)區(qū)，而與其它的區(qū)電分離。
基本上使用字線(word line)31與位線21向元件11施加磁場(chǎng)即可。同樣，對(duì)于元件12使用位線21和字線32，而對(duì)于元件13使用字線32和位線22。在這種存儲(chǔ)器中，以?shī)A著各個(gè)元件的方式配置一對(duì)記錄導(dǎo)線(字線、位線)，由流過(guò)這些導(dǎo)線的電流所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)加到各個(gè)元件。
字線31、32伸長(zhǎng)的方向與位線21、22伸長(zhǎng)的方向互成90度夾角，并處于相互“偏斜(skew line)”的位置。在此存儲(chǔ)器中，字線31、32與各個(gè)元件電絕緣。而位線21、22與各個(gè)元件電連接，也可以用作讀取信息的讀出線(sense line)。此外，字線、位線等導(dǎo)線可以使用Cu、Al等材料制成。
按照這種方式，如果在相互串聯(lián)連接的元件之間，使字線和位線相互交叉，且伸長(zhǎng)方向互相垂直，則可以有效地把記錄信息的磁場(chǎng)施加給各個(gè)元件。
記錄導(dǎo)線并不局限于單線，也可以由相互平行伸長(zhǎng)的多根導(dǎo)線構(gòu)成(圖4)。圖4所示的存儲(chǔ)器中，字線31、32及位線21、22分別由兩根導(dǎo)線構(gòu)成。與使用單線路的記錄導(dǎo)線的方式(圖3A、B)相比，這種方式更適于使用高記錄頻率(例如200MHz以上)的信息的記錄。此外，在由多線路構(gòu)成的記錄導(dǎo)線中，將至少一根導(dǎo)線保持為額定電位，如接地電位。
多個(gè)元件也可以同時(shí)進(jìn)行信息寫入。進(jìn)行多個(gè)比特(位bit)的記錄信息寫入時(shí)，如果選擇未共用記錄導(dǎo)線的元件11、13，則可以很容易防止因磁串?dāng)_等而引起的誤記錄，而如果選擇共用記錄導(dǎo)線的元件11、12(12、13)，則有利于節(jié)省電力。
同時(shí)記錄多個(gè)比特(位bit)時(shí)，也可假設(shè)瞬間最大耗電量大于電源的允許量。此時(shí)在記錄電流的非發(fā)生時(shí)間內(nèi)，向與電源并聯(lián)設(shè)置的電容器充電，在寫入信息時(shí)，從電源和電容器同時(shí)供應(yīng)，或只從電容器供應(yīng)記錄電流即可。
下面對(duì)可向圖3A、圖3B、圖4所示的磁性存儲(chǔ)器中寫入的信息量進(jìn)行說(shuō)明。以電壓檢測(cè)為例，磁阻元件的輸出變化可用ΔP(ΔP＝I×ΔR，ΔR為阻抗變化量)表示。如果把元件11的輸出變化設(shè)定為ΔP1、把元件12的輸出變化設(shè)定為ΔP2(ΔP2＝2ΔP1)、把元件13的輸出變化設(shè)定為ΔP3(ΔP3＝3ΔP1)，則可讀取的存儲(chǔ)值就為7個(gè)(圖5)。
另一方面，元件13的輸出變化ΔP3不是3ΔP1而是4ΔP1，則可讀取的存儲(chǔ)值為8(23)個(gè)(圖6)。
在圖5、圖6中，ΔR值要在可檢測(cè)的最小輸出值以上。最小的ΔP(I×ΔRmin)在50mV以上即可。這樣就可以廉價(jià)地制造輸出檢測(cè)元件。
從相互串聯(lián)著的N個(gè)存儲(chǔ)器層所獲得的存儲(chǔ)值最大為2N-1。為實(shí)現(xiàn)此目的，與最小輸出變化IΔRmin相比，最大輸出優(yōu)選在IΔRmin×2N-1以上。另外，與第M個(gè)(其中，M是1以上(N-1)以下的整數(shù))低輸出變化IΔRM相對(duì)，第M+1個(gè)的低輸出變化IΔRM+1優(yōu)選在IΔRM×2以上。
關(guān)于各個(gè)元件的ΔR是測(cè)量偏壓或測(cè)量電流下的MR變化率與元件阻抗R的積。通過(guò)調(diào)整元件阻抗R，如控制隧道絕緣層的膜厚，就可容易地進(jìn)行ΔR的調(diào)整。
此外，雖然以上針對(duì)電壓檢測(cè)加以敘述，即便在電流檢測(cè)時(shí)，只要滿足同樣的關(guān)系即可。
即使不將磁阻元件積層而在一個(gè)元件內(nèi)部將多個(gè)存儲(chǔ)器層積層，也可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器的多值化(圖7)。
如圖7所示，在圖1B所示的元件中，如果再積層隧道層72、自由磁性層(存儲(chǔ)器層)73、偏置隧道層74，就可以使一個(gè)元件內(nèi)存在兩個(gè)存儲(chǔ)器層3、73。在這個(gè)元件中，以固定磁性層1為中心，在其兩側(cè)依次積層有隧道層2、72、自由磁性層3、72、偏置隧道層4、74。
利用相互處于“扭轉(zhuǎn)”位置的位線21和字線31，向此元件的存儲(chǔ)器層3、73施加記錄磁場(chǎng)，利用開(kāi)關(guān)元件51就可選擇該存儲(chǔ)器。也可以如圖3A、圖3B所示方式，積層此磁阻元件。
如果一個(gè)元件中存在多個(gè)存儲(chǔ)器層，為了分別向各個(gè)存儲(chǔ)器層寫入信息，也可以改變存儲(chǔ)器層的矯頑力(磁化反轉(zhuǎn)磁場(chǎng))。矯頑力的調(diào)整不僅可以通過(guò)控制材料、膜厚、結(jié)晶構(gòu)造，還可以通過(guò)存儲(chǔ)器層的多層化來(lái)進(jìn)行?？紤]施加外部磁場(chǎng)的方向，且可賦予存儲(chǔ)器層形狀各向異性。
即便存在于一個(gè)磁阻元件中的多個(gè)存儲(chǔ)器層3、73的矯頑力實(shí)際相同，只要利用與位線21及字線31對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器層的位置差異，可分別向存儲(chǔ)器層寫入信息。其原因在于，由于隨著存儲(chǔ)器層與記錄導(dǎo)線之間的距離的變化，磁化反轉(zhuǎn)所需電流量不同。此操作的具體實(shí)施例，將參照?qǐng)D15在后面進(jìn)行說(shuō)明。
一個(gè)元件包含的存儲(chǔ)器層的層數(shù)也可以是三個(gè)以上。但是，為使它們與記錄導(dǎo)線的距離不至于過(guò)大，包含固定磁性層、自由磁性層、隧道層的積層體1～4、72～74的厚度在500nm以下適當(dāng)。
來(lái)自磁性存儲(chǔ)器的輸出的檢測(cè)電路優(yōu)選通過(guò)差動(dòng)放大器與比較用存儲(chǔ)器相連(圖8)。這樣，通過(guò)利用與包括布線阻抗的比較阻抗的輸出差，則可以取消布線阻抗及基準(zhǔn)元件阻抗。如果使用這種檢測(cè)電路，能容易實(shí)現(xiàn)高的S/N。
使用二極管、隧道二極管這樣的整流元件52、53、54代替開(kāi)關(guān)元件51，也能獲得相同效果的存儲(chǔ)器(圖9A、圖9B)。
在這種存儲(chǔ)器中，由于整流元件52、53、54位于各個(gè)記錄導(dǎo)線之間，因此能夠分別讀出磁阻元件11、12、13的磁阻抗變化。在這種存儲(chǔ)器中，使用位線21、22作為讀出線，同時(shí)也使用字線31、32來(lái)讀出信息。元件11中，字線31與位線21之間的阻抗變化，元件12中，位線21與字線32之間的阻抗變化，元件13中，字線32與位線22之間的阻抗變化，以電壓或電流變化的形式而被讀出。在這種實(shí)施方式中，由于元件被電氣分離，因此很容易提高S/N。
圖4所示的元件中，也可以使用整流元件52來(lái)代替開(kāi)關(guān)元件51(圖10)。
本發(fā)明的磁性存儲(chǔ)器并不局限于上述所列舉的構(gòu)造，也可以將元件或存儲(chǔ)器層積層，還可以適當(dāng)改變布線設(shè)置。
下面，對(duì)磁性存儲(chǔ)器的面內(nèi)方向的配置進(jìn)行說(shuō)明。
為形成規(guī)定數(shù)目的存儲(chǔ)器列及存儲(chǔ)器行，磁性存儲(chǔ)器也可以配置成矩陣形狀(圖11)。磁性存儲(chǔ)器101、102…201、202…301…303…被配置在字線31、131、231…與位線21、121、221…的交點(diǎn)處。通過(guò)分別設(shè)置的開(kāi)關(guān)元件70、170、270…71、171、271…來(lái)控制通向這些記錄導(dǎo)線的記錄電流。按照與所謂雙電流一致的方式進(jìn)行該控制。圖11所示例中，只有開(kāi)關(guān)元件70、71處于接通(ON)狀態(tài)，則選擇配置在字線31與位線21交叉位置的磁性存儲(chǔ)器101被選擇，并向此存儲(chǔ)器101施加記錄磁場(chǎng)。
如果加快依賴于開(kāi)關(guān)元件的尋址時(shí)間，或縮小記錄導(dǎo)線的間隔，則有時(shí)會(huì)在記錄導(dǎo)線之間產(chǎn)生感應(yīng)耦合電流或電容耦合電流，并產(chǎn)生磁串?dāng)_。為了抑制磁串?dāng)_，可以在記錄導(dǎo)線之間配置接合線(bondingwires)81、181、281…91、191、291…(圖12)。
接合線也可以分別配置在沿層厚方向而設(shè)的記錄導(dǎo)線之間(圖13)。即，如與位線21、22的伸長(zhǎng)方向相鄰的磁性存儲(chǔ)器101、201之間，接合線81、82被分別配置在字線31、131之間與字線32、132之間。通過(guò)設(shè)置接合線81、82，可以避免在相鄰的一對(duì)磁阻元件11、111(12、112；13、113)中發(fā)生誤記錄。接合線可事先保持在規(guī)定額定電位，如接地電位。
如上所述，為記錄信息，可以賦予自由磁性層(存儲(chǔ)器層)單軸各向異性。被賦予單軸各向異性的自由磁性層中的開(kāi)關(guān)磁場(chǎng)曲線，并非四階對(duì)稱(fourth order symmetry)的理想形狀(圖14A)，有時(shí)是把該曲線沿難磁化軸方向拉伸后的星形曲線(圖14B)。如將軟磁性膜與高矯頑力膜積層后的雙層膜那樣，在膜面垂直方向的各向異性不同的存儲(chǔ)器層，即至少包括兩個(gè)磁性膜的存儲(chǔ)器層上，這種傾向更為明顯。夾著非磁性膜的一對(duì)磁性膜靜磁耦合而成的積層體所構(gòu)成的存儲(chǔ)器層上，開(kāi)關(guān)磁場(chǎng)曲線有時(shí)呈現(xiàn)多軸穩(wěn)定的形狀。
2個(gè)存儲(chǔ)器層的易磁化軸相互傾斜規(guī)定角度α，該存儲(chǔ)器層具有圖14A所示的磁化開(kāi)關(guān)曲線，則出現(xiàn)在一個(gè)開(kāi)關(guān)曲線內(nèi)、而在另一個(gè)曲線外的磁化反轉(zhuǎn)區(qū)域(圖17A)。如果施加圖17A中點(diǎn)A所表示的磁場(chǎng)，則只在開(kāi)關(guān)曲線a所示的存儲(chǔ)器層發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，而施加點(diǎn)B所表示的磁場(chǎng)，則只在開(kāi)關(guān)曲線b所示的存儲(chǔ)器層發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。
如果使用這種方法，不僅能夠控制磁串?dāng)_，而且可以向規(guī)定的存儲(chǔ)器層記錄信息。此外，如果存儲(chǔ)器層的易磁化軸依賴形狀各向異性，則易磁化軸的角度α可以用存儲(chǔ)器層3a、3b的長(zhǎng)度方向所形成的夾角表示(圖17B)。此時(shí)，夾角α的優(yōu)選范圍是20°～70°。此外，這樣雖然便于使元件的面形狀形成矩形，但元件的面形狀并非局限于矩形(圖19B～圖19E)。
同樣，圖14B所示的磁化開(kāi)關(guān)曲線，使兩個(gè)存儲(chǔ)器層的易磁化軸互相不同，則能夠出現(xiàn)只在一個(gè)存儲(chǔ)器層進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)區(qū)域(圖15)。此時(shí)，易磁化軸夾角的優(yōu)選范圍是20°～90°。
因此，在以矩陣形狀設(shè)置磁性存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器裝置中，使相鄰的存儲(chǔ)器層的易磁化軸互不相同的方向優(yōu)選是20°～90°，更優(yōu)選的是形成20°～70°的角度，這樣就可以抑制磁串?dāng)_(圖18)。圖18所示的MRAM中，各個(gè)存儲(chǔ)器層201、201、203…211、212、213…221、222、223…是與在層的面內(nèi)方向相鄰的存儲(chǔ)器層的易磁化軸方向成20°～70°夾角而配置的。
存儲(chǔ)器層還可以按照在層的面垂直方向(層厚方向)相鄰的易磁化軸方向互不相同的方式而設(shè)置(圖16)。圖16所示的存儲(chǔ)器裝置中，存儲(chǔ)器層以矩陣形狀配置的第二段存儲(chǔ)器層面120，被夾在存儲(chǔ)器層所形成的第一段及第三段的存儲(chǔ)器層面110、130之間。包含在第二段的存儲(chǔ)器層面120內(nèi)的存儲(chǔ)器層121、122、123…221、222、223…321、322、323，不僅在面內(nèi)方向相鄰的存儲(chǔ)器層，而且與該層在面垂直方向相鄰的存儲(chǔ)器層都以易磁化軸方向互不相同的方式而配置。按照這種配置，存儲(chǔ)器層222在與之相鄰的上下左右的所有存儲(chǔ)器層122、221、223、322、212、232之間，易磁化軸互不相同。
此外，在圖16中，假定磁化開(kāi)關(guān)曲線是圖14B所示的情況，易磁化軸的夾角α設(shè)定為90°。
雖然圖16、圖18中，存儲(chǔ)器層的面形狀呈矩形(圖19A)，但存儲(chǔ)器層的面形狀并非局限于此(圖19B～圖19E)。如果存儲(chǔ)器層的形狀為變形的多角形(圖19B)，即頂角附近向內(nèi)側(cè)靠近的曲線，橢圓(圖19C)、內(nèi)角大于90°的多角形(圖19D、圖19E)，則可以提高存儲(chǔ)器的角形形狀和保存信息的可靠性。
存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)通常是開(kāi)關(guān)元件處于斷開(kāi)(OFF)的狀態(tài)下進(jìn)行的。當(dāng)開(kāi)關(guān)元件處于接通(ON)狀態(tài)時(shí)，流過(guò)讀出電流(sense current)，就可以讀出與存儲(chǔ)器層的磁化狀態(tài)相應(yīng)的輸出變化。
但是，如果使用沿存儲(chǔ)器層的層厚方向通過(guò)的電流，則可以確定存儲(chǔ)器層中磁化轉(zhuǎn)動(dòng)的方向(圖20A)。圖20A中，使存儲(chǔ)器層(自由磁性層)3的磁化反轉(zhuǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)元件51處于接通(ON)狀態(tài)，電流63沿層厚方向通過(guò)元件，與此同時(shí)，產(chǎn)生沿面內(nèi)方向圍繞存儲(chǔ)器層的磁場(chǎng)43。該磁場(chǎng)43使存儲(chǔ)器層中磁化的旋轉(zhuǎn)更順暢。此外，也可以分別沿層的面內(nèi)方向使電流61、62通過(guò)位線21及字線31，并產(chǎn)生磁場(chǎng)41、42。
優(yōu)選在開(kāi)始(結(jié)束)施加通過(guò)開(kāi)關(guān)元件51的電流63之后，開(kāi)始(結(jié)束)施加流過(guò)字線31的電流62(圖20B)。電流63所產(chǎn)生的磁場(chǎng)43誘導(dǎo)磁化的旋轉(zhuǎn)，而電流62所產(chǎn)生的磁場(chǎng)42使旋轉(zhuǎn)的磁化朝向規(guī)定方向。此外，在這個(gè)磁阻元件中，由于電流從同時(shí)使用讀出線的位線21分流供應(yīng)給開(kāi)關(guān)元件51，所以，讓電流61、63同時(shí)通過(guò)。
圖20B中的時(shí)間T1中，在橫切存儲(chǔ)器層3的磁化方向33的方向(層的寬度方向)，施加磁場(chǎng)41、43，則磁化方向33就變得不穩(wěn)定(圖20C)。只有磁場(chǎng)41的情況下，成為磁化反轉(zhuǎn)的起始點(diǎn)的磁化波動(dòng)在層的兩端產(chǎn)生，通過(guò)同時(shí)施加磁場(chǎng)43，在其中一個(gè)端部更容易發(fā)生磁化波動(dòng)。此時(shí)，當(dāng)沿電流63通過(guò)的方向觀看磁化旋轉(zhuǎn)的方向時(shí)，換言之，就是從圖20A的上方觀看時(shí)，它呈順時(shí)針?lè)较?向右旋轉(zhuǎn)方向)。于是，磁化方向的旋轉(zhuǎn)開(kāi)始。
在時(shí)間T2，再施加與初始磁化方向相反(反向平行)的磁場(chǎng)42，在時(shí)間T3，結(jié)束施加磁場(chǎng)41、42，則確定磁化方向33(圖20C)。
為使反轉(zhuǎn)的磁化復(fù)原，在圖20A中，可以使通過(guò)字線32的電流62的流向逆轉(zhuǎn)。如果磁化的旋轉(zhuǎn)向左(逆時(shí)針?lè)较?時(shí)，只要使電流61、63的流向逆轉(zhuǎn)即可。
在這個(gè)元件中，從存儲(chǔ)器層3的讀出操作也可以通過(guò)電流63進(jìn)行。
這些寫入或讀取操作，在使用整流元件52代替開(kāi)關(guān)元件51的情況(圖21A、B)，與未使用這些元件的情況(圖22A、B)相同。圖21B、圖22B表示利用讀出電流(sense current)64所進(jìn)行的讀出操作。
如上所述，本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)方法，不僅適用于具有1個(gè)存儲(chǔ)器層的傳統(tǒng)型TMR元件，對(duì)于沿層厚方向積層2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層而構(gòu)成的磁性存儲(chǔ)器也同樣適用。如果按照傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方法，很難在規(guī)定的存儲(chǔ)器層中進(jìn)行順暢的磁化反轉(zhuǎn)，而在這種磁性存儲(chǔ)器中，由于存儲(chǔ)器層的密度高，因此，使用上述方法的效果也非常好。
如果使用上述方法所制造的存儲(chǔ)器，則可以制造搭載存儲(chǔ)功能的可程控存儲(chǔ)器(programmable memory)或者可重置存儲(chǔ)器(reconfigurable memory)，這種存儲(chǔ)器的基本電路如圖23所示。此處，以圖7所示的存儲(chǔ)器100為例，但能夠使用的磁性存儲(chǔ)器并非局限于這一種。
圖23中Vo＝Vi×(Rv+Rc)/(Ri+Rv+Rc)這個(gè)關(guān)系式成立。此處，Rc為FET2接通時(shí)的阻抗，Rv為包括全部4個(gè)隧道層的積層體的阻抗。規(guī)定存儲(chǔ)器層中的磁化方向與固定磁性層中的磁化方向平行時(shí)的Rv設(shè)定為Rvp，把與之反向平行時(shí)的Rv設(shè)定為Rvap，如果反向平行時(shí)的阻抗較高，如將負(fù)載電路的柵極電壓Vd與磁阻元件的阻抗的關(guān)系用下面的公式表示，Vd＜Vo＝Vi×(Rvap+Rc)/(Ri+Rvap+Rc)Vd＞Vo＝Vi×(Rvp+Rc)/(Ri+Rvp+Rc)這樣，就可以用作非易失性的可重置存儲(chǔ)器。
在此電路中，如果作為負(fù)載電路而使用邏輯電路，則作為非易失可程控元件，作為負(fù)載電路而使用顯示電路時(shí)，則可用于靜止畫面等的非易失性存儲(chǔ)。此外，也可以用作集這些多個(gè)功能于一身的系統(tǒng)LSI。另外，圖23的FET可以分別在晶片上制造。
此外，如下面的實(shí)施例所表示，磁性存儲(chǔ)器可以用磁性屏蔽件而封裝。對(duì)于MRAM等存儲(chǔ)裝置及系統(tǒng)LSI等，優(yōu)選也同樣添加磁性屏蔽部。這樣就可以抑制因外部磁噪而引起的誤操作。磁性屏蔽部用普通的磁性材料制造即可。
實(shí)施例(實(shí)施例1)如圖3所示，在CMOS基板上，利用由3段的磁阻元件構(gòu)成的磁性存儲(chǔ)器制作集成存儲(chǔ)器。集成存儲(chǔ)器密封入陶瓷封裝，并在整個(gè)封裝上，電鍍厚度為100μm的NiFe膜作為磁性屏蔽部。
與圖11所示的相同，磁性存儲(chǔ)器以矩陣形狀排列，而且每隔一存儲(chǔ)列，配置比較用的磁性存儲(chǔ)器R1、R2、R3…(圖24)。這些磁性存儲(chǔ)器也由3段磁阻元件構(gòu)成。磁性存儲(chǔ)器按照256×256(磁阻元件的總數(shù)為256×256×3個(gè))的方式排列。比較用的磁性存儲(chǔ)器配置256個(gè)。
各個(gè)磁性存儲(chǔ)器中，按照下面所表示的積層構(gòu)造制作，作為第一段的磁性存儲(chǔ)器元件。
下部電極/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.0)/NiFe(2)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極此處，括號(hào)內(nèi)的數(shù)值是單位為nm的膜厚，AlO的膜厚是氧化前的金屬Al的膜厚(以下同)。
在這個(gè)元件中，隧道層與存儲(chǔ)器層分別通過(guò)AlO、NiFe形成。PtMn是使固定磁性層(CoFe/Ru/CoFe)的磁化難以反轉(zhuǎn)的反強(qiáng)磁性層。
除了使2層的AlO(1.0)分別設(shè)定為AlO(1.06)以外，第二段的磁阻元件按照與第一段的元件相同的方式制作。
除了使2層的AlO(1.0)分別設(shè)定為AlO(1.12)以外，第三段的磁阻元件按照與第一段的元件相同的方式制作。
制作完這些元件之后，在5kOe、280℃條件下熱處理1小時(shí)，PtMn上設(shè)定單向各向異性。然后，對(duì)各個(gè)元件中各層的面形狀進(jìn)行加工，使該單向各向異性的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向。即，圖3A中的左右方向是各層的長(zhǎng)度方向，元件的面形狀為0.2μm×0.3μm。
除了導(dǎo)線阻抗或CMOS阻抗之外，各磁阻元件的輸出分別為，第一段為40mV、第二段為80mV、第三段為160mV。
通過(guò)字線與位線的合成磁場(chǎng)，對(duì)由3段構(gòu)成的一系列磁性存儲(chǔ)器的每一個(gè)存儲(chǔ)器記錄3位。如果參照?qǐng)D3、圖24進(jìn)行說(shuō)明，首先，對(duì)應(yīng)寫入的磁性存儲(chǔ)器101的開(kāi)關(guān)元件70、71尋址。接著，電流通過(guò)在元件11、12之間延伸的位線21，沿元件的短邊方向把磁場(chǎng)加給這些元件，同時(shí)，電流流過(guò)字線31、32，并進(jìn)行一次元件11、12的磁化反轉(zhuǎn)。這樣，同時(shí)進(jìn)行2個(gè)以上的元件的磁化反轉(zhuǎn)，就能達(dá)到節(jié)省耗電的目的。
接下來(lái)，電流流過(guò)位線22，并沿短邊方向把磁場(chǎng)加給元件13后，電流在字線32內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)行元件13的磁化反轉(zhuǎn)。
此外，電流通過(guò)位線及字線的時(shí)間(電流的脈沖寬度)為25nsec(納秒nanosecond)，按照來(lái)自位線的電流脈沖到達(dá)元件10nsec后，來(lái)自字線的脈沖到達(dá)元件的方式加以控制。
其次，顯示讀出操作。首先，與磁性存儲(chǔ)器101及相應(yīng)的比較用磁性存儲(chǔ)器R1對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)元件70、71、RS進(jìn)行尋址。接著，讀出電流通過(guò)磁性存儲(chǔ)器101及比較用磁性存儲(chǔ)器R1。
通過(guò)圖8所示的電路對(duì)從兩個(gè)元件101、R1輸出的Vmem、Vref放大，判斷所得的輸出值是否是8個(gè)存儲(chǔ)值的任一個(gè)。
圖24所示的電路中，讀出電流分別流向應(yīng)讀出的磁性存儲(chǔ)器與比較用磁性存儲(chǔ)器。雖然需要增加開(kāi)關(guān)元件，但為了降低偏置的變動(dòng)或讀取電壓的最小值，也可以把磁性存儲(chǔ)器與比較用磁性存儲(chǔ)器用不同的電路表示。
此外，在多個(gè)個(gè)磁性存儲(chǔ)器中，同時(shí)寫入位于同一段的磁阻元件。此處，選擇元件101同時(shí)在行或列方向上每隔一個(gè)而選擇元件301…103…303…。這樣，如果同時(shí)向行及列方向上不相鄰的元件寫入，不僅能夠抑制磁串?dāng)_(magnetic crosstalk)，還能提高寫入的效率，以及控制耗電量。在這種情況下，也可以通過(guò)使用并聯(lián)設(shè)置在各個(gè)布線上的電容器(圖中省略未示)的充放電，減輕電源負(fù)載。
如果把同時(shí)向多個(gè)個(gè)元件寫入信息與抑制電流的分流的讀取組合，則寫入信號(hào)與讀取信號(hào)相對(duì)時(shí)間軸而不同。在這種情況下，利用移位寄存器或緩沖存儲(chǔ)器，同時(shí)使用控制輸入輸出信號(hào)的電路。
(實(shí)施例2)在CMOS基板上，通過(guò)將由具有圖7所示的兩個(gè)存儲(chǔ)器層3、73的磁阻元件構(gòu)成的磁性存儲(chǔ)器排列成矩陣狀，制作集成存儲(chǔ)器。集成存儲(chǔ)器上進(jìn)行與實(shí)施例1相同的磁性屏蔽。但是，圖7所示的層中，省略制作兩端的偏置隧道層4、74。
磁性存儲(chǔ)器的排列與實(shí)施例1相同(圖24)。這種集成存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器的總數(shù)為256×256×2個(gè)。將該集成存儲(chǔ)器作為1幀，制作合計(jì)8幀的MRAM。
磁阻元件的膜構(gòu)造如下下部電極/Ta(3)/NiFeCr(4)/NiFe(2)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.06)/NiFe(2)/NiFeCr(4)/Ta(3)/上部電極。
在這個(gè)元件中，隧道層與存儲(chǔ)器層分別由AlO、NiFe形成。
按照與實(shí)施例1相同的方式對(duì)此多層膜進(jìn)行熱處理，并考慮單向各向異性，對(duì)層進(jìn)行加工(圖7中左右方向?yàn)閷拥拈L(zhǎng)度方向)。
利用外部線圈施加均勻磁場(chǎng)，測(cè)定MR變化率，2個(gè)存儲(chǔ)器層(NiFe)的矯頑力相同。各個(gè)存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)引起的輸出變化，除了布線阻抗或CMOS的阻抗，下部電極側(cè)的存儲(chǔ)器層73為40mV，上部電極的存儲(chǔ)器層3為80mV。
這些輸出變化值是從多層膜的MR曲線求出的數(shù)值，多層膜如下所示地制作形狀各向異性的大小互不相同的NiFe(6)及NiFe(2)。
下部電極/Ta(3)/NiFe(6)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.06)/NiFe(2)/NiFeCr(4)/Ta(3)/上部電極通過(guò)字線與位線的合成磁場(chǎng)，分別向2個(gè)存儲(chǔ)器層3、73進(jìn)行寫入。這些存儲(chǔ)器層的磁化開(kāi)關(guān)曲線全部略呈圖14A所示的形狀。但是，由于存儲(chǔ)器層3、73與位線21或字線31的相對(duì)距離的差異，基于電流的磁化開(kāi)關(guān)曲線，是沿較近的記錄導(dǎo)線的方向拉伸的形狀(圖25)。因此，如施加相當(dāng)于點(diǎn)A的合成電流，則只在具有磁化開(kāi)關(guān)曲線p的存儲(chǔ)器層3上發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。通過(guò)施加點(diǎn)B的合成電流，只在具有磁化開(kāi)關(guān)曲線q的存儲(chǔ)器層73發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。
如果對(duì)此加以利用，則可以向包含在1個(gè)磁阻元件內(nèi)的多個(gè)存儲(chǔ)器層的任一存儲(chǔ)器層寫入信息。
可以按照與實(shí)施例1相同的方式寫入和讀出。此外，在這種MRAM中，在8個(gè)基本幀中同時(shí)對(duì)1個(gè)元件進(jìn)行讀取操作，這樣就可以同時(shí)進(jìn)行2×8位的存儲(chǔ)器的讀出。
(實(shí)施例3)玻璃基板上，用如圖9所示的由3段磁阻元件構(gòu)成的磁性存儲(chǔ)器制作集成存儲(chǔ)器。對(duì)集成存儲(chǔ)器實(shí)施與實(shí)施例1相同的磁性屏蔽。
磁性存儲(chǔ)器按照?qǐng)D24所示的方式排列。磁性存儲(chǔ)器以256×256(磁阻元件的總數(shù)256×256×3個(gè))方式排列，此此磁性存儲(chǔ)器組作為一個(gè)幀，制作共8幀的MRAM。
3個(gè)元件中，磁阻元件的膜結(jié)構(gòu)如下所示下部電極/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.0)/Fe(2)/AlO(1.3)/Ta(3)/上部電極。
在這個(gè)元件中，隧道層與存儲(chǔ)器層分別通過(guò)AlO與Fe形成。與Ta接觸的AlO是偏置隧道層。
按照與實(shí)施例1相同的方式對(duì)此多層膜進(jìn)行熱處理，以及進(jìn)行考慮單向各向異性的層的加工(圖9A中左右方向?yàn)閷拥拈L(zhǎng)度方向)。
各個(gè)磁阻元件之間，從順時(shí)針?lè)较蚍謩e制作具有引銷(pin)構(gòu)造的二極管，以作為整流元件52、53、54。此處，引銷(pin)的各層通過(guò)CVD方法成膜。p層按照0.5％B2H6/H2＝100sccm、H2＝100sccm、SiH4＝100sccm的條件制作。i層通過(guò)SiH4與H2，n層按照0.5％PH3/H2＝100sccm、H2＝100sccm、SiH4＝50sccm的條件制作。此處，“0.5％”是表示與H2的比例。此外，這些二極管與磁阻元件或?qū)Ь€之間形成Ti緩沖層。
各個(gè)磁阻元件的輸出，除了導(dǎo)線阻抗或二極管阻抗，為120mV。
向各個(gè)元件的寫入按照與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行。
參照?qǐng)D9、圖24對(duì)讀出操作進(jìn)行說(shuō)明。首先，對(duì)應(yīng)讀出的磁性存儲(chǔ)器101與比較磁性存儲(chǔ)器R1尋址，然后，使字線31、32接入接地電位，位線22與字線32之間，以及位線21與字線31之間通過(guò)大小相同的讀出電流。之后，按照與實(shí)施例1相同的方式，首先，判斷元件11的存儲(chǔ)值，接著判斷元件12的存儲(chǔ)值。以此讀取構(gòu)成1個(gè)磁性存儲(chǔ)器101的2個(gè)磁阻元件11、12的存儲(chǔ)值。
(實(shí)施例4)
玻璃基板上，用如圖10所示的具有2個(gè)存儲(chǔ)器層的磁阻元件制作集成存儲(chǔ)器。對(duì)集成存儲(chǔ)器實(shí)施與實(shí)施例1相同的磁性屏蔽。
磁性存儲(chǔ)器按照?qǐng)D24所示的方式排列。磁性存儲(chǔ)器以256×256(磁阻元件的總數(shù)256×256×2個(gè))方式排列，此磁性存儲(chǔ)器組作為一個(gè)幀，制作共8幀的MRAM。
磁阻元件的膜結(jié)構(gòu)如下所示。
下部電極/Ta(3)/AlO(1.3)/Fe(2)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.8)/CoFe(3)/AlO(1.06)/Fe(2)/AlO(1.3)/Ta(3)/上部電極在這個(gè)元件中，隧道層與存儲(chǔ)器層分別由AlO與Fe形成。與Ta接觸的AlO是偏置隧道層。
按照與實(shí)施例1相同的方式對(duì)此多層膜進(jìn)行熱處理，并進(jìn)行考慮了單向各向異性的層的加工(圖10中左右方向?yàn)閷拥拈L(zhǎng)度方向)。
利用外部線圈施加均勻磁場(chǎng)，測(cè)定MR變化率，2個(gè)存儲(chǔ)器層(Fe)的矯頑力相同。各個(gè)存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)引起的輸出變化，除了布線阻抗或二極管阻抗，下部電極的存儲(chǔ)器層73為40mV，上部電極的存儲(chǔ)器層3為80mV左右。這些輸出變化以與實(shí)施例2相同的方法求得。
以下，按照與實(shí)施例2相同的方式，分別向構(gòu)成1個(gè)元件的存儲(chǔ)器層寫入信息，或讀出電流從并用讀出線的位線21流向字線31，從而讀取寫入的信息。
(實(shí)施例5)在CMOS基板上，用磁性存儲(chǔ)器制作集成存儲(chǔ)器，該磁性存儲(chǔ)器由圖3所示的多段磁阻元件構(gòu)成。但此處元件的段數(shù)為2。集成存儲(chǔ)器中，進(jìn)行與實(shí)施例1相同的磁性屏蔽。
磁性存儲(chǔ)器按照?qǐng)D24所示的方式排列。磁性存儲(chǔ)器按照256×256(磁阻元件的總數(shù)為256×256×2個(gè))的方式排列。
各個(gè)磁性存儲(chǔ)器中，作為第一段的磁阻元件，制作下面所示的積層結(jié)構(gòu)。
下部電極/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.0)/CoFe(0.5)/NiFe(2)/CoFe(0.5)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極接著，制作下面所示的積層結(jié)構(gòu)，作為第二段磁阻元件。
下部電極/Ta(3)/IrMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.06)/CoFe(0.5)/NiFe(2)/CoFe(0.5)/AlO(1.06)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/IrMn(20)/Ta(3)/上部電極在這些元件中，隧道層與存儲(chǔ)器層分別由AlO和CoFe(0.5)/NiFe(2)/CoFe(0.5)形成。
此外，對(duì)第一段元件的成膜處理結(jié)束后，按照與實(shí)施例1相同的條件賦予PtMn單向各向異性，并把層面形狀加工成0.2μm×0.3μm，使此單向各向異性的方向成為長(zhǎng)度方向(圖3中左右方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向)。
而第二段元件，通過(guò)在磁場(chǎng)內(nèi)對(duì)IrMn進(jìn)行成膜處理，與PtMn正交的方式設(shè)置單向各向異性，然后，層面形狀加工成0.2μm×0.3μm，使此單向各向異性的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向(圖3中左右方向?yàn)槎踢叿较?。這樣得到的集存儲(chǔ)器就是“存儲(chǔ)器A”。
為了進(jìn)行比較，按照與上述相同的方式制作第一段元件，除了AlO(1.0)變?yōu)锳lO(1.06)之外，其它各項(xiàng)都與第一段相同，而制作“存儲(chǔ)器B”作為第二段的元件。但是，此處第一段與第二段之間，使單向各向異性的方向與層的長(zhǎng)度方向一致(圖3中左右方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向)。
在上述兩個(gè)集成存儲(chǔ)器中，減去布線阻抗或CMOS的阻抗，各個(gè)磁阻元件的輸出，第一段為60mV、第二段120mV。
對(duì)于這樣所得到的集成存儲(chǔ)器，通過(guò)位線21沿層的短邊方向向第一段的元件施加磁場(chǎng)，進(jìn)而從字線31施加磁場(chǎng)，反復(fù)進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)操作。對(duì)反復(fù)進(jìn)行反轉(zhuǎn)后的第二段元件中存儲(chǔ)器的誤記錄的概率進(jìn)行測(cè)定，存儲(chǔ)器A中為10-8/次，存儲(chǔ)器B中為10-6/次。但是，誤記錄中也包含讀出時(shí)的誤差所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。
制作補(bǔ)充存儲(chǔ)器并進(jìn)行研究表明，第一段元件的長(zhǎng)度方向與第二段元件的長(zhǎng)度方向的夾角如果20度以上90度以下，則誤記錄明顯減少。即使在面內(nèi)方向相鄰的元件之間，使層的長(zhǎng)度方向互不相同，對(duì)減少誤記錄也有明顯效果。
此外，如圖26所示，第一段的元件111、112、211、212與第二段的元件121、122、221、222在厚度方向互不重疊而設(shè)置，這樣就可以提高讀取信息的精度。
接著，使用下面所示的元件，按照與上述相同的方式制作集成存儲(chǔ)器。
存儲(chǔ)器I第一段下部電極/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.0)/NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(4)/AlO(1.0)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極第二段下部電極/Ta(3)/IrMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.06)/NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(4)/AlO(1.06)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極存儲(chǔ)器II第一段下部電極/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.0)/NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(2)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極第二段下部電極/Ta(3)/IrMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.06)/NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(2)/AlO(1.06)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極存儲(chǔ)器III第一段下部電極/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.0)/NiFe(1)/CoFe(1)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極第二段下部電極/Ta(3)/IrMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.06)/NiFe(1)/CoFe(1)/AlO(1.06)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極存儲(chǔ)器IV第一段下部電極/Ta(3)/PtMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.0)/NiFe(2)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極第二段下部電極/Ta(3)/IrMn(20)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/AlO(1.06)/NiFe(2)/AlO(1.06)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極存儲(chǔ)器I～I(xiàn)II中，使用多層膜作為存儲(chǔ)器層。存儲(chǔ)器I中，存儲(chǔ)器層是NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(4)，存儲(chǔ)器II中，存儲(chǔ)器層是NiFe(2)/Ru(0.9)/NiFe(4)/Ru(0.9)/NiFe(4)，存儲(chǔ)器III中，存儲(chǔ)器層是NiFe(1)/CoFe(1)。與此相反，存儲(chǔ)器IV中存儲(chǔ)器層是NiFe(2)。
在各個(gè)存儲(chǔ)器中，第一段元件成膜后在280℃、5kOe的氣氛下熱處理1小時(shí)，賦予PtMn單向各向異性后，使單向各向異性的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向，把各層的元件形狀加工成0.2μm×0.3μm(圖3A的左右方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向)。
在各個(gè)存儲(chǔ)器中，第二段元件，通過(guò)在磁場(chǎng)內(nèi)對(duì)IrMn進(jìn)行成膜處理，以與PtMn正交的方式設(shè)置單向各向異性，然后，把各層的元件形狀加工成0.2μm×0.3μm，使此單向各向異性的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向(圖3A中左右方向?yàn)槎踢叿较?。
各個(gè)磁阻元件的輸出，減去導(dǎo)線阻抗或CMOS的阻抗，第一段為60mV、第二段120mV。
對(duì)于這樣所得到的存儲(chǔ)器，通過(guò)位線21沿層的短邊方向向第一段元件施加磁場(chǎng)，并從字線31施加磁場(chǎng)，反復(fù)進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)操作。對(duì)反復(fù)進(jìn)行反轉(zhuǎn)后的第二段元件中存儲(chǔ)器的誤記錄的概率進(jìn)行測(cè)定，存儲(chǔ)器I～I(xiàn)II中為10-8/次，存儲(chǔ)器IV中為10-6/次。但是，誤記錄中也包含讀出時(shí)的誤差所導(dǎo)致的錯(cuò)誤。
如存儲(chǔ)器I～I(xiàn)II一樣，如果存儲(chǔ)器層是至少2種磁性膜或至少2種磁性膜與至少1種非磁性膜的多層膜，則開(kāi)關(guān)磁化曲線就無(wú)法保持單純的4階對(duì)稱。這樣，就會(huì)減少誤記錄。
(實(shí)施例6)在CMOS基板上，制作矩陣形狀配置圖27所示結(jié)構(gòu)的磁阻元件的MRAM，并對(duì)其記錄方法進(jìn)行研究。
作為磁阻元件，采用如下的結(jié)構(gòu)。
下部電極/Ta(3)/AlO(1.3)/Fe(2)/AlO(1.0)/CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)/PtMn(20)/Ta(3)/上部電極此處，AlO(1.3)為偏置隧道層4，F(xiàn)e(2)為存儲(chǔ)器層3，AlO(1.0)為隧道層2，CoFe(3)/Ru(0.9)/CoFe(3)為固定磁性層1。PtMn(3)為圖中省略未示的反強(qiáng)磁性層。
多層膜成膜后，在280℃、5kOe的氣氛下熱處理1小時(shí)，賦予PtMn單向各向異性，然后把各層的元件形狀加工成0.1μm×0.15μm，使此單向各向異性的方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向(圖27中左右方向?yàn)殚L(zhǎng)度方向)。
本實(shí)施例中，調(diào)整字線的位置，在40～100nm范圍內(nèi)適當(dāng)改變字線31的上端與存儲(chǔ)器層3的下端之間的距離d，制作多個(gè)元件。
首先，電流61、62通過(guò)字線31及位線21，通過(guò)產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)嘗試進(jìn)行存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)。隨著d的增大磁化反轉(zhuǎn)變得困難。
再通過(guò)電流63進(jìn)行磁化反轉(zhuǎn)，在d的整個(gè)范圍內(nèi)，誤記錄的概率減少。此時(shí)，流過(guò)位線21的分流前的電流61a所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向與電流63所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向一致。
使通過(guò)位線21的電流61a、61b的方向作為反方向，分流前的電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向與電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)的方向相反，則無(wú)法達(dá)到減少誤記錄的目的。其原因，與分流后相比，相對(duì)大的分流之前的流過(guò)位線的電流所產(chǎn)生磁場(chǎng)阻礙了垂直流過(guò)存儲(chǔ)器層的電流所產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)輔助效果的發(fā)揮。
權(quán)利要求
1.一種磁性存儲(chǔ)器，包含沿層厚方向積層的2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層與2個(gè)以上的隧道層，所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層串聯(lián)電連接，第一層組的磁化反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻抗變化與第二層組的磁化反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻抗變化互不相同，該第一層組由從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層中選擇的至少1個(gè)構(gòu)成，該第二層組由從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層中選擇的至少1個(gè)構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述第一層組的阻抗變化ΔR1與所述第二層組的阻抗變化ΔR2滿足下面的關(guān)系式。ΔR1×2≤ΔR2其中ΔR1＜ΔR2。
3.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，包含2個(gè)以上的磁阻元件，所述2個(gè)以上的磁阻元件分別包含從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層中選擇的至少1個(gè)和從所述2個(gè)以上的隧道層中選擇的至少1個(gè)，且還包含2個(gè)以上的記錄導(dǎo)線，在從所述2個(gè)以上的磁阻元件中選擇的、相互鄰接的一對(duì)磁阻元件之間，配置有從所述2個(gè)以上的記錄導(dǎo)線選擇的至少一個(gè)記錄導(dǎo)線。
4.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，包含含有從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層中選擇的至少2個(gè)層的磁阻元件，所述至少2個(gè)層中包含因磁化反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻抗變化互不相同的2個(gè)存儲(chǔ)器層。
5.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述2個(gè)以上的隧道層包含膜厚度互不相同的2個(gè)隧道層。
6.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層中選擇的第N個(gè)存儲(chǔ)器層中的阻抗變化用ΔRN表示、所述ΔRN的最小值用ΔRmin表示，所述ΔRN的最大值用ΔRmax表示，此時(shí)下面的關(guān)系式成立ΔRmax≥ΔRmin×2N-1其中N為2以上的整數(shù)。
7.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層中選擇的第N個(gè)存儲(chǔ)器層中的阻抗變化用ΔRN表示、第M個(gè)最小的ΔRN用ΔRM表示時(shí)，下面的關(guān)系式成立。ΔRM×2≤ΔRM+1其中，N為2以上的整數(shù)，M為1以上(N-1)以下的整數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層包含沿層的厚度方向鄰接的、易磁化軸方向互不相同的一對(duì)存儲(chǔ)器層。
9.如權(quán)利要求8所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述易磁化軸方向的夾角20度以上90度以下。
10.如權(quán)利要求8所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，所述一對(duì)存儲(chǔ)器層中的至少一個(gè)是包含2個(gè)以上磁性膜的積層體。
11.如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，包含與所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層電連接的非線形元件。
12.一種磁性存儲(chǔ)器裝置，其特征在于，在層的面內(nèi)方向配置多個(gè)如權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器。
13.如權(quán)利要求12所述的磁性存儲(chǔ)器裝置，其特征在于，包含在層的面內(nèi)方向鄰接的、易磁化軸方向互不相同的一對(duì)存儲(chǔ)器層。
14.一種系統(tǒng)LSI，其特征在于，包含權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器。
15.一種磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，驅(qū)動(dòng)權(quán)利要求1所述的磁性存儲(chǔ)器，其特征在于，從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層選擇的至少1個(gè)層的磁化反轉(zhuǎn)通過(guò)因包含沿著厚度方向通過(guò)該至少1個(gè)層的電流的多個(gè)電流而產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行。
16.如權(quán)利要求15所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述多個(gè)電流，將沿所述層厚方向通過(guò)的電流作為第一電流，包含沿所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層的面內(nèi)方向流動(dòng)的、使磁場(chǎng)沿所述磁化反轉(zhuǎn)后的磁化方向產(chǎn)生的第二電流。
17.如權(quán)利要求16所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，在開(kāi)始所述第一電流的施加后，開(kāi)始施加所述第二電流。
18.如權(quán)利要求17所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述多個(gè)電流還包含在所述面內(nèi)方向且在與第二電流不同的方向流動(dòng)的第三電流，在開(kāi)始施加所述第三電流之后，開(kāi)始施加所述第二電流。
19.如權(quán)利要求16所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述多個(gè)電流還包含在所述面內(nèi)方向且在與第二電流不同的方向流動(dòng)的第三電流，從所述第三電流分流而供應(yīng)所述第一電流。
20.如權(quán)利要求15所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，至少施加由在所述2個(gè)層之間延伸的導(dǎo)線中流過(guò)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層選擇的2個(gè)層的磁化同時(shí)反轉(zhuǎn)。
21.一種磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，該磁性存儲(chǔ)器具有存儲(chǔ)器層，其特征在于，所述存儲(chǔ)器層的磁化反轉(zhuǎn)，通過(guò)由包含在厚度方向流過(guò)該存儲(chǔ)器層的電流的多個(gè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)而進(jìn)行。
22.如權(quán)利要求21所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述多個(gè)電流，將沿所述層厚方向通過(guò)的電流作為第一電流，包含沿所述存儲(chǔ)器層的面內(nèi)方向流動(dòng)的、使磁場(chǎng)沿所述磁化反轉(zhuǎn)后的磁化方向產(chǎn)生的第二電流。
23.如權(quán)利要求22所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，在開(kāi)始所述第一電流的施加之后，開(kāi)始施加所述第二電流。
24.如權(quán)利要求23所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述多個(gè)電流還包含在所述面內(nèi)方向且在與所述第二電流不同的方向流動(dòng)的第三電流，在開(kāi)始所述第三電流的施加之后，開(kāi)始施加所述第二電流。
25.如權(quán)利要求22所述的磁性存儲(chǔ)器的驅(qū)動(dòng)方法，其特征在于，所述多個(gè)電流還包含在所述面內(nèi)方向且在與所述第二電流不同的方向流動(dòng)的第三電流，從所述第三電流分流而供應(yīng)所述第一電流。
全文摘要
本發(fā)明提供一種磁性存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器包含沿層厚方向積層的2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層與2個(gè)以上的隧道層，所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層串聯(lián)電連接，第一層組的磁化反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻抗變化與第二層組的磁化反轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的阻抗變化互不相同，其中第一層組是由從所述2個(gè)以上的存儲(chǔ)器層選擇的至少1個(gè)構(gòu)成。
文檔編號(hào)H01L27/22GK1529910SQ0281213
公開(kāi)日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2002年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月19日
發(fā)明者平本雅祥, 松川望, 小田川明弘, 里見(jiàn)三男, 杉田康成, 川島良男, 成, 明弘, 男 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社