專利名稱：磁存儲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在磁阻效應(yīng)元件中存儲信息的磁存儲器。
背景技術(shù)：
近年來，MRAM(磁性隨機存取存儲器)已經(jīng)引起了注意，它作為存儲單元使用在如計算機和通信設(shè)備的信息處理裝置中。由于MRAM能夠磁性地存儲數(shù)據(jù)，并且因此不需利用任何電部件來維持磁化方向，因此能夠避免由于電源故障而喪失信息的缺點，如在易失性存儲器DRAM(動態(tài)隨機存取存儲器)和SRAM(靜態(tài)隨機存取存儲器)中發(fā)生的那樣。MRAM在存取速度、可靠性和功耗方面也優(yōu)于如閃速EEPROM和硬盤這種傳統(tǒng)非易失性存儲器。因此，MRAM也被認(rèn)為能夠代替如DRAM和SRAM這種易失性存儲器的功能以及如閃速EEPROM和硬盤裝置的這種非易失性存儲器的功能(參考JP-A-11-274599的官方通報)。
在集中到所謂的使得信息在各處同時處理的無所不在的計算的信息裝置的發(fā)展中，對滿足高速處理并且還降低功耗以及即使在電源故障的情況下也允許避免信息損失的這種存儲器有共同的認(rèn)識。MRAM保證滿足所有這些要求并且期望發(fā)現(xiàn)將來在眾多的信息裝置中被采用。
具體地說，用戶天天攜帶在身上的卡和便攜式信息終端常常無法保證充分的電源。因此，當(dāng)在公用設(shè)施的惡劣環(huán)境下處理大量信息時，即使自夸低電耗的MRAM也需要在處理信息的過程中能夠進(jìn)一步減少功耗。
作為能夠進(jìn)一步減少MRAM中的功耗的技術(shù)的一個實例，可以在JP-A 2000-90658的官方通報、JP-A 2004-128430的官方通報、或者在2002年11月18日發(fā)行的″Nikkei Electronics″133頁中公開的磁存儲器中得到。此磁存儲器提供于它的各個單獨的存儲器區(qū)(存儲單元)中，具有位線、布置為垂直于位線的字線、以及在位線和字線之間其交叉點的位置布置的隧道磁阻效應(yīng)(TMR)元件。此外，此磁存儲器在位線或者字線中的TMR元件附近提供用來環(huán)繞導(dǎo)線的軛(磁場控制層)。軛由高磁導(dǎo)率的鐵磁體構(gòu)成，并且能夠滿足降低位線或者字線的磁通量滲漏以將磁通量集中在TMR元件上的角色。因此，即使利用低電耗也能夠獲得變換TMR元件的磁化狀態(tài)所需的磁場。此外，磁通量能夠集中于TMR元件。
順便說一下，TMR元件備有第一磁化層(磁敏感層)，能夠通過外部磁場改變磁化方向；第二磁層，具有固定的磁化方向；以及無磁性絕緣層，它插入在第一磁層和第二磁層之間，適于通過控制第一磁層的磁化方向平行于或者不平行于第二磁層的磁化方向來記憶二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
但是，本發(fā)明人作出的另一研究表明，即使采用軛的磁存儲器也并不總是沒有不能節(jié)省功耗的可能性。軛相當(dāng)威脅如需要大功耗來產(chǎn)生磁場的這種問題，并且由于它自己的內(nèi)部磁場的影響，在它碰巧具有沒有適當(dāng)考慮的形狀時阻礙磁存儲器。
由于TMR元件配置為通過變換磁層的磁化方向來存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此使變換此磁化方向所需的功耗在本文涉及的兩個方向中良好平衡很重要。例如，其中在一個方向變換磁場增加功耗同時在另一方向中變換磁場導(dǎo)致功耗的減少，實質(zhì)上沒有獲得低電耗。因此，在軛的磁化方向喪失良好平衡時，軛的采用必然伴有對電流的復(fù)雜控制問題，以及在寫操作期間的定時控制問題。
當(dāng)軛經(jīng)歷其中出現(xiàn)多個磁疇的情況時，位線和字線的磁化狀態(tài)變化導(dǎo)致發(fā)出巴克噪音，這種噪聲構(gòu)成對寫屬性損壞的原因。
鑒于以上枚舉的問題，此發(fā)明的目的在于抑制寫磁場的偏移同時降低在磁存儲器中寫入過程期間的功耗。

發(fā)明內(nèi)容
著眼于達(dá)到如上所述的目的，根據(jù)此發(fā)明磁存儲器的特征在于，配置了在任意確定方向上延伸的導(dǎo)線、與導(dǎo)線鄰近布置的磁阻效應(yīng)元件、以及與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)面相鄰布置的側(cè)軛。此磁存儲器的特征在于如下事實反元件側(cè)軛的厚度比50mm大同時小于150nm。
如果反元件側(cè)軛過度小，則該不足將導(dǎo)致不可避免地削弱在反元件側(cè)軛中產(chǎn)生的磁場，并且使得磁阻效應(yīng)元件不再能夠產(chǎn)生磁存儲器所需的足夠磁場。同時，如果反元件側(cè)軛過度大，則該過大將導(dǎo)致不可避免地提高使反元件側(cè)軛能夠產(chǎn)生磁場所需的電流的消耗。因此，通過使此范圍符合本發(fā)明，使得有可能在反元件側(cè)軛中產(chǎn)生的磁場和為此產(chǎn)生消耗的電流量之間建立理想的平衡，并且保證磁阻效應(yīng)元件中信號的有效寫入。
此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了在任意確定方向上延伸的導(dǎo)線、與導(dǎo)線鄰近布置的磁阻效應(yīng)元件、以及與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)面相鄰布置的反元件側(cè)軛。此磁存儲器的特征在于如下事實反元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的大小比反元件側(cè)軛沿導(dǎo)線橫向方向的大小的二分之一大，比它的兩倍小。
通過滿足這個范圍，能夠使反元件軛的形狀在導(dǎo)線的圓周方向變得狹窄和長，因此抑制不可避免的反元件側(cè)軛內(nèi)導(dǎo)線的圓周方向的(一側(cè))的磁化自發(fā)發(fā)生。因此，使得有可能允許在導(dǎo)線圓周上產(chǎn)生的磁化在兩個方向上都理想地平衡，并且允許信號集中到將在其中以高速有效寫入的磁阻效應(yīng)元件。如果反元件側(cè)軛在導(dǎo)線延伸的方向具有過長的形狀，則過長將可能導(dǎo)致在反元件側(cè)軛中感應(yīng)磁疇的形成，并且阻止了軛中磁化改變平滑地進(jìn)行(由于響應(yīng)退化)。如果元件尺寸過大，則過大的尺寸將可能導(dǎo)致由于電流流向?qū)Ь€而產(chǎn)生的磁場的響應(yīng)性的損壞。因此，在實現(xiàn)此發(fā)明時，有可能在導(dǎo)線外圍的兩個方向有效地以高響應(yīng)度感應(yīng)磁場的產(chǎn)生。
此外，此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了在任意確定方向上延伸的導(dǎo)線、與導(dǎo)線鄰近布置的磁阻效應(yīng)元件、以及與線中的磁阻效應(yīng)元件布置在相同側(cè)上的元件側(cè)軛。此磁存儲器的特征在于如下事實元件側(cè)軛的厚度比10nm大同時小于30nm。
如果元件側(cè)軛具有過度小的厚度，則此不足將導(dǎo)致從軛產(chǎn)生的磁場很小，并且降低寫效率。如果它厚度過大，則過大的厚度將可能導(dǎo)致軛中形成磁疇并且阻止軛的磁化改變平滑地進(jìn)行。當(dāng)這個軛滿足本發(fā)明時，能夠?qū)⒋艌黾性诖抛栊?yīng)元件中同時保證保持高響應(yīng)度。
此外，此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了在任意確定方向上延伸的導(dǎo)線、與導(dǎo)線鄰近布置的磁阻效應(yīng)元件、以及與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件布置在相同側(cè)上的元件側(cè)軛。此磁存儲器的特征在于如下事實它滿足公式2.5＜A/B＜7.5，其中A表示上述的元件側(cè)軛的厚度，并且B是磁阻效應(yīng)元件的厚度。
然后，此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了在任意確定方向上延伸的導(dǎo)線、與導(dǎo)線鄰近布置的磁阻效應(yīng)元件、以及與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件布置在相同側(cè)上的元件側(cè)軛。此磁存儲器的特征在于如下事實元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的大小設(shè)置為使得比磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的一倍大，并且小于磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的五倍。
此外，它還配置了在任意確定方向上延伸的導(dǎo)線、與導(dǎo)線鄰近布置的磁阻效應(yīng)元件、以及沿導(dǎo)線的圓周方向布置的軛結(jié)構(gòu)，并且其特征在于如下事實形成在與軛結(jié)構(gòu)中磁阻效應(yīng)元件相對側(cè)上的反元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為比形成在軛結(jié)構(gòu)中與磁阻效應(yīng)元件相對側(cè)上的元件側(cè)軛的厚度大。在磁存儲器滿足此發(fā)明時，它能夠通過使反元件側(cè)軛設(shè)置為大的壁厚度來有效地提供磁阻效應(yīng)元件，以獲得對磁場滲漏的正抑制并且允許這個磁場經(jīng)小的壁厚度的元件側(cè)軛集中。在此情況下，反元件側(cè)軛的厚度最好設(shè)置為比50nm大并且小于150nm，并且同時，元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為比10nm大并且小于30nm。
然后，此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了導(dǎo)線，它在任意確定的方向上延伸；磁阻效應(yīng)元件，布置為與導(dǎo)線相鄰；以及軛結(jié)構(gòu)，沿導(dǎo)線的圓周方向布置，并且通過在部分圓周方向中配置一個間隙以在該間隙中容納磁阻效應(yīng)元件而實現(xiàn)，其特征在于如下事實軛結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)線長度方向的最大外部尺寸設(shè)置為使得它比軛結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)線橫向方向的最大外部尺寸的二分之一大，比它的兩倍小。本發(fā)明的磁存儲器優(yōu)選的特征在于如下事實元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的大小設(shè)置為使得它比磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的一倍大，并且小于磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的5倍，其中所述導(dǎo)線構(gòu)成軛結(jié)構(gòu)中磁阻效應(yīng)元件的鄰域。
然后，此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了在任意確定方向延伸的導(dǎo)線、與該導(dǎo)線鄰近布置的磁阻效應(yīng)元件、以及與導(dǎo)線中磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)鄰近布置的反元件側(cè)軛、以及布置在與導(dǎo)線中磁阻效應(yīng)元件相同側(cè)上的元件側(cè)軛。此磁存儲器的特征在于如下事實反元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為它比元件側(cè)軛的厚度大。在此發(fā)明中，反元件側(cè)軛的厚度最好設(shè)置為比50nm大并且小于150nm，并且同時，元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為比10nm大并且小于30nm。
此外，此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了導(dǎo)線，它在任意確定的方向上延伸；磁阻效應(yīng)元件，布置為與導(dǎo)線相鄰；以及反元件側(cè)軛，布置為與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)鄰近；以及元件側(cè)軛，布置在與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件相同側(cè)上，并且其特征在于如下事實反元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的大小設(shè)置為比磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的一倍大，并且比磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的5倍小。
此發(fā)明的實施例的任何上述模式預(yù)期的磁存儲器優(yōu)選地特征在于，它還包括一對側(cè)部軛，用于將元件側(cè)軛的相鄰相對端子的鄰域與反元件側(cè)軛的相鄰相對端子的鄰域相連。
然后，此發(fā)明預(yù)期的磁存儲器配置了導(dǎo)線，它在任意確定的方向上延伸；磁阻效應(yīng)元件，布置為與導(dǎo)線相鄰；反元件側(cè)軛，布置為與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)鄰近；元件側(cè)軛，布置在與導(dǎo)線中的磁阻效應(yīng)元件相同側(cè)上，以及一對側(cè)部軛，用于將元件側(cè)軛的相鄰相對端子的鄰域和反元件側(cè)軛的相鄰相對端子的鄰域相連，并且其特征在于如下事實元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的外部大小設(shè)置為比所述一對側(cè)部軛之間的距離的二分之一大，比該距離的兩倍小。
此發(fā)明能夠穩(wěn)定從導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場，平滑由于磁場的改變出現(xiàn)在軛中的磁化改變，以及顯現(xiàn)增強寫屬性同時減少功耗的效果。


本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)點從以下描述以及所附的權(quán)利要求書、連同附圖而變得顯而易見。
圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器的整體結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖2是圖解放大比例尺的磁存儲器的存儲單元的示意圖。
圖3是圖解三維的存儲單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的放大透視圖。
圖4是圖解放大比例尺的存儲單元中晶體管的結(jié)構(gòu)的橫截面。
圖5是圖解放大比例尺的存儲單元中鐵磁軛結(jié)構(gòu)的構(gòu)成的橫截面。
圖6是圖解放大比例尺的磁層中布置的磁阻效應(yīng)元件的層狀結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。
圖7是圖解作為模式標(biāo)本的磁層中鐵磁軛結(jié)構(gòu)的磁化狀態(tài)的局部剖面透視圖。
圖8是圖解作為模式標(biāo)本的磁層中鐵磁軛結(jié)構(gòu)的磁化狀態(tài)的局部剖面透視圖。
圖9是圖解作為模式標(biāo)本的磁層中鐵磁軛結(jié)構(gòu)的磁化狀態(tài)的局部剖面透視圖。
圖10是模擬圖解在鐵磁軛結(jié)構(gòu)的反元件側(cè)軛的厚度改變期間電流大小的改變的簡圖。
圖11是圖解在鐵磁軛結(jié)構(gòu)的反元件側(cè)軛的厚度改變期間電流大小改變的表格圖。
圖12是圖解在鐵磁軛結(jié)構(gòu)的元件側(cè)軛厚度改變期間電流大小改變的表格圖。
圖13是圖解在鐵磁軛結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)線長度方向的大小和鐵磁軛結(jié)構(gòu)沿導(dǎo)線橫向方向的大小之比改變期間電流大小改變的表格圖。
圖14是圖解在鐵磁軛結(jié)構(gòu)中沿導(dǎo)線長度方向的元件側(cè)軛的大小改變期間電流大小改變的表格圖。
圖15是圖解磁存儲器的構(gòu)成的另一個實例的側(cè)視圖。
圖16是圖解由本發(fā)明的實施例的第二模式預(yù)期的磁存儲器的整體結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖17是圖解放大比例尺的磁存儲器的存儲單元的示意圖。
圖18是圖解存儲單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的放大橫截面。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將在下面參考附圖描述根據(jù)此發(fā)明的磁存儲器的實施例模式。在附圖的描述中，相同的部件將用相同的附圖標(biāo)記表示，并且省略重復(fù)的說明。
圖1是圖解根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的磁存儲器1的整體結(jié)構(gòu)的示意圖。磁存儲器1配置了存儲器部分2、位選擇電路11、字選擇電路12、位線13和14、以及字線15、16。在存儲器部分2中，多個存儲單元3二維地排列在m列和n行的陣列中(m和n分別表示不小于2的整數(shù))。如圖2中放大比例尺的圖解，存儲器區(qū)3各自配置了TMR元件4、組合讀寫線5、組合讀寫晶體管6、讀出線7、鐵磁軛結(jié)構(gòu)20等等。順便說一下，組合讀寫線5排列為使得從位線13引入。順便提及，由于組合讀寫線5這樣放置以便從位線13引入，因此存儲單元3分別具有組合讀寫線5、鐵磁軛結(jié)構(gòu)20等。
TMR(隧道磁阻效應(yīng))元件4具有根據(jù)磁化方向的改變而改變它自身電阻的大小的功能。電阻這個大小的改變狀態(tài)導(dǎo)致TMR元件4中寫入二進(jìn)制數(shù)據(jù)。改變TMR元件4的磁化方向的外部磁場由組合讀寫線5產(chǎn)生。
組合讀寫線5的一端經(jīng)組合讀寫晶體管5電連接到位線13。組合讀寫線5的另一端電連接到位線14。組合讀寫晶體管6是一個開關(guān)部件，用于控制組合讀寫線5中寫電流和讀電流的通道，其中組合讀寫線5連接到它的漏極和源極中的任一個并且位線13連接到它的另外一個。此外，字線15連接到組合讀寫晶體管6的柵極。因此，組合讀寫線5借助于組合讀寫晶體管6獲取提供的電流，并且借助于這個電流在它的外圍產(chǎn)生磁場。
讀出線7的一端連接到TMR元件4并且它的另一端連接到字線16，并且二極管插入在兩端之間。在TMR元件4中，通過將組合讀寫線5連接到與連接了字線16的側(cè)相對的表面而向其提供讀電流。順便說一下，由于在讀出線7中存在二極管，因此有可能阻止回轉(zhuǎn)電流從字線16流向TMR元件4。
位線13和14配置給布置為陣列圖案的多行存儲單元3中的每一個。位線13連接到屬于相關(guān)行的所有存儲單元3中的組合讀寫晶體管6，并且通過組合讀寫晶體管6連接到組合讀寫線5的一側(cè)端子。然后，位線14連接到屬于相關(guān)行的所有存儲單元3中的組合讀寫線5的另一側(cè)端子。電流流向組合讀寫線5通過允許組合讀寫晶體管6導(dǎo)通同時在位線13和位線14之間給出電位差而開始。
字線15和16布置在存儲單元3的各個列中。字線15連接到屬于相關(guān)列的所有存儲單元3中的組合讀寫晶體管的柵極。然后，字線15和16經(jīng)屬于相關(guān)列的所有存儲單元3中的組合讀寫線7連接到TMR元件4。
再參考圖1，位選擇電路11具有向各個存儲單元3中的組合讀寫線5提供正的或者負(fù)的寫電流的功能。具體地說，位選擇電路11包括地址解碼器，用于響應(yīng)于內(nèi)部或者外部指定地址而從布置在陣列型式的存儲單元3選擇指定行；以及電流驅(qū)動電路，用于對應(yīng)于選擇的指定行在位線13和14之間提供正或負(fù)的電位差，并且提供寫電流到配置在指定行的位線13和14之間的組合讀寫線5。
字選擇電路12包括地址解碼器電路，用于響應(yīng)于內(nèi)部或外部指定地址從布置為陣列型式的存儲單元3選擇指定列；以及電流驅(qū)動電路，用于對應(yīng)于指定列向字線15和16提供指定電壓。因此，能夠使組合讀寫晶體管6通過借助于字選擇電路12對對應(yīng)于指定列的字線15施加控制電壓來獲取連續(xù)性。通過這種連續(xù)性控制，能夠確定向由位選擇電路11選擇的地址的組合讀寫線5提供和不提供寫電流之間的選擇。還能夠使字選擇電路12通過向字線16施加指定電壓來控制讀電流。具體地說，在位選擇電路11中，對應(yīng)于內(nèi)部或者外部指定地址的行由地址解碼器電路選擇，并且將指定電壓施加到有關(guān)的位線13。同時，在字選擇電路12中，通過選擇對應(yīng)于地址解碼器電路的地址的列并且施加指定電壓到對應(yīng)于該列的字線16，從而在位線13和字線16之間提供讀電流。在這個時候，通過也施加電壓到選擇列中的字線15，從而根據(jù)組合讀寫晶體管6控制讀電流的傳導(dǎo)。
現(xiàn)在，將在下面解釋磁存儲器1中存儲單元3的具體結(jié)構(gòu)。圖3是三維圖解存儲單元3中的導(dǎo)線狀態(tài)的透視圖。存儲單元3從上到下，大致配置了半導(dǎo)體層、導(dǎo)線層以及磁性材料層。半導(dǎo)體層包含沒有具體圖解的半導(dǎo)體襯底，保持整個存儲單元3的機械強度，并形成這種半導(dǎo)體器件作為組合讀寫晶體管6。在最高磁性材料層中，形成諸如TMR元件4的磁性材料的這種結(jié)構(gòu)性物件以及適合于有效地向TMR元件4提供磁場的鐵磁軛結(jié)構(gòu)20。在中間位置的導(dǎo)線層中，形成位線13和14、字線1 5和16、組合讀寫導(dǎo)線5的一部分以及讀出線7。
半導(dǎo)體層中的組合讀寫晶體管6形成為封裝在絕緣區(qū)中，并且適于將多個相鄰的組合讀寫晶體管6電氣分離。絕緣區(qū)由諸如例如SiO2的這種絕緣材料形成，并且半導(dǎo)體襯底由例如Si基礎(chǔ)形成，并且一定摻雜有p型或者n型雜質(zhì)。
如圖4中放大比例尺圖解的組合讀寫晶體管6由用于構(gòu)成與半導(dǎo)體襯底30相反傳導(dǎo)類型的漏極區(qū)6A、源極區(qū)6B、柵電極6C等組成。因此，介于漏極區(qū)6A和源極區(qū)6B之間的半導(dǎo)體襯底30和柵電極6C布置在半導(dǎo)體襯底30的一個指定間隙上。柵電極6C由字線15形成。由于這種構(gòu)成，向字線15施加電壓導(dǎo)致得到組合讀寫晶體管6的漏極區(qū)6A和源極區(qū)6C的相互連續(xù)性，結(jié)果是從位線13提供的電流將流向組合讀寫導(dǎo)線5。
再參考圖3，導(dǎo)線層中除去導(dǎo)線、即位線13和14以及字線15和16的區(qū)域全部由絕緣區(qū)占有。作為絕緣區(qū)的材料，如SiO2的這種絕緣材料類似于半導(dǎo)體層的絕緣區(qū)使用。然后，例如W或Al可以用作導(dǎo)線材料。
與TMR元件4鄰接的組合讀寫導(dǎo)線5在存儲單元3的陣列表面(平面)方向延伸，并且假定在該面中彎曲為字母L的形狀。此外，組合讀寫導(dǎo)線5的一端在垂直于該平面的方向彎曲，并能夠形成垂直導(dǎo)線，并且在它的下側(cè)連接到位線14。組合讀寫導(dǎo)線5的另一端在類似地垂直于該平面的方向彎曲，并形成垂直導(dǎo)線，并且能夠在它的下端與組合讀寫晶體管6的漏極區(qū)6A形成電阻連接。
然后，對于各個存儲單元3，位線13具有形成為在平面方向分支的引入線13A，并且前向部分在垂直方向彎曲，并能夠與組合讀寫晶體管6的源極區(qū)6B形成電阻連接。讀出線7也在該平面方向延伸，在它的一端電連接到TMR元件4，并且在另一端在垂直方向彎曲并且在它的下側(cè)連接到字線16。
在線方向延伸的字線15的一部分充當(dāng)柵電極6C。這個事實的意義和將字線15電連接到組合讀寫晶體管6的柵電極6C是一樣的。
下面將參考圖5等解釋磁性材料層。磁性材料層配置了TMR元件4、鐵磁軛結(jié)構(gòu)20、部分組合讀寫導(dǎo)線5、部分讀出線7等等。順便說一下，在磁性材料層中，下面將解釋的構(gòu)成以及除了其它導(dǎo)線之外的區(qū)域由絕緣區(qū)域24占據(jù)。
如圖6中以放大比例尺圖解的TMR元件4配置有第一磁層(自由層/磁敏感層)4A，它的磁化方向通過外部磁場改變；第二磁層(栓層)4B，其磁化方向固定；非磁性絕緣層(絕緣體層)4C，插入在第一磁層4A和第二磁層4B之間；以及反鐵磁層4D，適合于固定(約束)第二磁層4B的磁化方向。這個TMR元件4具有一種性質(zhì)，使得在第一磁層4A的磁化方向響應(yīng)外部磁場而改變時，第一磁層4A和第二磁層4B之間的電阻大小也改變。通過電阻大小的這個差異，能夠記錄二進(jìn)制數(shù)據(jù)。順便說一下，對于第一磁層4A的材料，可以利用例如Co、CoFe、NiFe、NiFeCo或CoPt的鐵磁材料。
第二磁層4B通過反鐵磁層4D固定它的磁化方向。具體地說，通過反鐵磁層4D和第二磁層4B之間的界面中的互換耦合，第二磁層4B的磁化方向的定向穩(wěn)定在一個方向上。第二磁層4B的易磁化軸方向沿第一磁層4A的易磁化軸方向設(shè)置。對于第二磁層4B的材料，可以利用例如Co、CoFe、NiFe、NiFeCo或CoPt的鐵磁材料。然后，對于反鐵磁層4D的材料，可以利用例如IrMn、PtMn、FeMn、PtPdMn、NiO或它們的任意組合的材料。
非磁性絕緣層4C是由非磁性和絕緣材料形成的一層，該層插入在第一磁層4A和第二磁層4B之間，以便產(chǎn)生隧道磁阻效應(yīng)(TMR)。更具體地說，它具有取決于第一磁層4A和第二磁層4B之間磁化方向的相對性(即平行或不平行)改變電阻大小的特性。作為適于非磁性絕緣層4C的材料，可以利用例如Al、Zn和Mg的這種金屬的氧化物或氮化物。
為了穩(wěn)定第二磁層4B的磁化方向，第二磁層4B可以用第二磁層/非磁性金屬層/第三磁層的三層結(jié)構(gòu)代替，盡管沒有具體圖示。這里，第三磁層是與反鐵磁層4D接觸所需的。通過適當(dāng)?shù)卦O(shè)置非磁性金屬層的厚度，第三磁層和第二磁層的磁化方向能夠保持在反平行狀態(tài)，并且第二磁層的磁化方向能夠通過由第三磁層與第二磁層感應(yīng)的互換作用穩(wěn)定。盡管第三磁層的材料不需要特別限制，但可以優(yōu)選地使用例如Co、CoF、NiFe、NiFeCo和CoPt的這種鐵磁材料，或者單獨或者組合使用。作為適于第三磁層的材料，可以使用例如Co、CoF、CoFe、NiFe、NiFeCo和CoPt的這種鐵磁材料，或者單獨或者組合使用。作為插入在第二磁層和第三磁層之間的非磁性金屬層的材料，Ru、Rh、Ir、Cu和Ag證明是有利的。
TMR元件4的反鐵磁層4D經(jīng)金屬層19電連接到組合讀寫導(dǎo)線5。TMR元件4的第一磁層4A電連接到讀出線7。由于這個構(gòu)成，使得有可能從組合讀寫導(dǎo)線5經(jīng)TMR元件4提供讀電流到讀出線7，并且檢測TMR元件4電阻大小的變化。順便說一下，鐵磁軛結(jié)構(gòu)20配置為封裝鄰接與TMR元件4相鄰的組合讀寫導(dǎo)線5中TMR元件4的區(qū)域5A(參考圖3)。順便說一下，TMR元件4的第一磁層4A的易磁化軸設(shè)置為使得沿與組合讀寫導(dǎo)線5的長度方向交叉的方向(即與寫電流方向交叉的方向)放置。
再參考圖5，鐵磁軛結(jié)構(gòu)20由元件側(cè)軛20A、反元件側(cè)軛20B以及一對側(cè)部軛20C和20C組成，其中元件側(cè)軛20A鄰近地配置在延伸組合讀寫導(dǎo)線5中的TMR元件側(cè)上，反元件側(cè)軛20B鄰近地配置在延伸組合讀寫導(dǎo)線5中與TMR元件4相對的側(cè)上，一對側(cè)部軛20C和20C通過連接到元件側(cè)軛20A的相對端子和反元件側(cè)軛20B的相對端子幾乎環(huán)繞鐵磁軛結(jié)構(gòu)20，以便組合讀寫導(dǎo)線5經(jīng)過它的內(nèi)部。
間隙20E形成在元件側(cè)軛20A推理的方向的中途，并且TMR元件4配置為介于在這個間隙20E之間。當(dāng)軸向觀察鐵磁軛結(jié)構(gòu)時，發(fā)現(xiàn)鐵磁軛結(jié)構(gòu)20覆蓋組合讀寫導(dǎo)線5的外圍并且由于在圓周方向的一部分上形成間隙20E而呈現(xiàn)字母C的形狀。因此，容納在鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的一部分中的TMR元件4用作使TMR元件4能夠接近導(dǎo)線5的用途，并且元件側(cè)軛20A和反元件側(cè)軛20B之間的距離L成比例地狹窄(即，使側(cè)部軛20C和20C的長度減少)。本實施例已經(jīng)描述為通過金屬層19電連接導(dǎo)線5和TMR元件4。選擇性地，導(dǎo)線5可變成專有的寫導(dǎo)線，以保持導(dǎo)線5和TMR元件4處于互相絕緣狀態(tài)并且可以獨立地形成金屬薄膜導(dǎo)線并用于保證到TMR元件4的一個表面的專有讀電流的連續(xù)性。
順便說一下，絕緣體22插入在鐵磁軛結(jié)構(gòu)20和配置在其中的組合讀寫導(dǎo)線之間，并且插入在元件側(cè)軛20A和TMR元件4之間，以免它們會彼此接觸并且引起電短路。
鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的詳細(xì)大小將在下面參考圖7描述。
反元件側(cè)軛20B的厚度TZ，如圖7(A)所示，設(shè)置為比元件側(cè)軛20A的厚度BZ大。具體地說，反元件側(cè)軛的厚度TZ設(shè)置在比50nm大并且小于150nm的范圍中，并且元件側(cè)軛的厚度BZ設(shè)置在比10nm大并且小于30nm的范圍中。
然后，反元件側(cè)軛20B沿導(dǎo)線長度方向的大小設(shè)置為比鐵磁軛結(jié)構(gòu)20沿導(dǎo)線橫向方向的最大外部大小(即反元件側(cè)軛20B沿導(dǎo)線橫向方向的大小TX)的二分之一大，并且比它的兩倍小。
此外，如圖7(B)所示，元件側(cè)軛20A沿導(dǎo)線長度方向的大小BY設(shè)置為比100nm長并且比1000nm短。關(guān)于TMR元件4，此大小設(shè)置在比TMR元件4沿導(dǎo)線長度方向的大小MY的一倍大，并且比它的5倍小。
順便說一下，在本實施例中的鐵磁軛結(jié)構(gòu)修改為從組合讀寫導(dǎo)線5的延伸方向軸向觀察，形成幾乎梯形形狀。簡而言之，在反元件例軛20B構(gòu)成上底并且與之平行的元件側(cè)軛20A構(gòu)成下底的情況下，本實施例使元件側(cè)軛20A(構(gòu)成下底)比反元件側(cè)軛20B(構(gòu)成上底)更長，并且由于這個長度的差異，使得一對側(cè)部軛20C和20C傾斜。因此，具體地說，側(cè)部軛20C和20C的上端側(cè)現(xiàn)在可以接近組合讀寫導(dǎo)線5，并且由于相關(guān)區(qū)域壁厚度增加的這個事實，因此能夠有效地抑制與TMR元件4相對側(cè)上的磁通量。此外，通過縮短以及成比例地更加傾斜側(cè)部軛20C，使得有可能允許側(cè)部軛20C和反元件側(cè)軛20B通過一系列的處理整體地制造在一個膜中并且也允許生產(chǎn)成本下降。順便說一下，作為用于形成鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的鐵磁材料，適當(dāng)?shù)乩美绨豊i、Fe和Co中的至少一種的金屬。
下面將參考圖7-圖9解釋在本實施例的磁存儲器1中的TMR元件4中寫信息的操作。
組合讀寫導(dǎo)線5產(chǎn)生的磁場無法在不存在電流流向組合讀寫導(dǎo)線5時發(fā)生，如圖7(A)所示。因此，由于形成鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的效果，鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的磁化狀態(tài)X以幾乎一致于組合讀寫導(dǎo)線5的延伸方向的狀態(tài)構(gòu)成單個磁疇或者具有變化方向的多個磁疇。因此，抑制了鐵磁軛結(jié)構(gòu)20在組合讀寫導(dǎo)線5的圓周方向構(gòu)成單個磁疇。TRM元件4中第二磁層4B的磁化方向B和第一磁層4A的磁化方向A在這里彼此相符。在本實施例中，定義在磁化方向A和B彼此相符時已經(jīng)寫入二進(jìn)制數(shù)據(jù)0。
當(dāng)寫電流I1流向組合讀寫導(dǎo)線5時，如圖8所示，圍繞組合讀寫導(dǎo)線5產(chǎn)生圓周方向的磁場F1。磁場F1在配置在它的外圍上的鐵磁軛結(jié)構(gòu)5的內(nèi)部運轉(zhuǎn)并因此形成一個閉合路徑。盡管受到內(nèi)部磁場的影響，但以此磁場F1以這種方式引導(dǎo)的鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的磁化狀態(tài)X使得磁化方向平滑地旋轉(zhuǎn)90度，直到它與磁場F1的方向相符。在這個時候，磁場F1的泄漏能夠被有效抑制，并且引導(dǎo)到TMR元件4，因為反元件側(cè)軛20B形成為大的壁厚度。
因此，由組合讀寫導(dǎo)線5產(chǎn)生的磁化狀態(tài)F1和在鐵磁軛結(jié)構(gòu)20中產(chǎn)生磁化狀態(tài)X的綜合引起的強磁場集中在具有小的壁厚度的元件側(cè)軛20A中，并且因此作用于TMR元件4中的第一磁層4A并引起它的磁化方向A的反轉(zhuǎn)。當(dāng)組合讀寫導(dǎo)線5的電流I1的流動在此狀態(tài)下中止時，TMR元件4的磁化狀態(tài)X保持在反轉(zhuǎn)狀態(tài)下，如圖8所示。由于磁化方向A和B保持在相反的狀態(tài)，因此在這里寫入二進(jìn)制數(shù)據(jù)1。
當(dāng)寫電流I2接下來在與組合讀寫導(dǎo)線5中的電流I1相反的方向流動時，如圖9所示，圍繞組合讀寫導(dǎo)線5產(chǎn)生在圓周定向的磁場F2。磁場F2形成一個閉合路徑，它在其圓周形成的鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的內(nèi)部運轉(zhuǎn)。以此磁場F2引導(dǎo)的鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的磁化狀態(tài)X使得磁化方向平滑地旋轉(zhuǎn)90度，直到它與磁場F2的方向相符。
因此，由組合讀寫導(dǎo)線5產(chǎn)生的磁化狀態(tài)F2和在鐵磁軛結(jié)構(gòu)20中產(chǎn)生磁化狀態(tài)X被綜合，并且由此形成的強磁場作用于TMR元件中的第一磁層4A并反轉(zhuǎn)磁化方向A，直到它與第二磁層4B的磁化方向B一致。由于磁化方向A和B的一致，TMR元件4引起再次在這里寫入二進(jìn)制數(shù)據(jù)0。
順便說一下，在讀出已經(jīng)寫入TMR元件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的情況下，讀電流在組合讀寫導(dǎo)線5和讀出線7之間傳遞，并且檢測電流大小的變化或者兩個導(dǎo)線之間電位差的變化。這個過程顯出TMR元件4的電阻大小并且確定是否已經(jīng)記錄兩個二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的任一個(即通過區(qū)別第一磁層4A的磁化方向A和第二磁層4B的磁化方向B彼此是平行或者不平行)。當(dāng)例如第一磁層4A的磁化方向A與第二磁層4B的磁化方向B一致時，由于非磁性絕緣層4C中隧道磁阻效應(yīng)(TMR)的原因，第一磁層4A和第二磁層4B之間的電阻大小變成相當(dāng)小。相反，當(dāng)磁化方向A和磁化方向B為相反方向時，由于隧道磁阻效應(yīng)的原因，第一磁層4A和第二磁層4B之間的電阻變成相當(dāng)大。
圖10是在反元件側(cè)軛20B的厚度TZ(nm)改變時，模擬在鐵磁軛結(jié)構(gòu)20中引起的寫電流的大小Iw(mA)的變化的曲線圖。從圖中給出的結(jié)果可以看出，很明顯寫電流Iw在厚度TZ設(shè)置在50nm附近時最小。也很明顯的是，寫電流Iw在厚度小于50nm時突然增大。也很明顯的是，當(dāng)厚度TZ增加到超過150nm時，寫電流Iw不可避免地超過10mA并且變得不適于實際用途。因此，顯然反元件側(cè)軛20B的厚度TZ設(shè)置在比50nm大并且小于150nm的范圍中，并且更優(yōu)選的設(shè)置在比50nm大并且小于100nm的范圍中。順便說一下，本模擬采用如下設(shè)置情況設(shè)置組合讀寫導(dǎo)線5的寬度WW為500nm，TMR元件4沿導(dǎo)線橫向方向的大小TX為200nm，TMR元件4沿其導(dǎo)線長度方向的大小TY為200nm，元件側(cè)軛20A沿導(dǎo)線橫向方向的大小BX為1500nm，并且元件側(cè)軛20A沿導(dǎo)線長度方向的大小BY為900nm。
圖11(A)顯示通過準(zhǔn)備三個試驗件(#1、#2、#3)執(zhí)行的測試結(jié)果，其中設(shè)置各個樣品的磁軛結(jié)構(gòu)20中反元件側(cè)軛20B的厚度TZ為兩個值中的任何一個50nm和100nm，并且測量寫電流的大小Iw。在所有的測試運行中，電流量不超過4(mA)，事實證明寫入能夠用很小的電流執(zhí)行。由于三個試驗件中鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的其它大小顯示在圖11(B)中，因此將在下面的說明中省略。
產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要因素可以歸于以下方面。當(dāng)反元件側(cè)軛20B的厚度過度小時，則反元件側(cè)軛中產(chǎn)生的磁場不可避免地被削弱，因此抑制磁場泄漏的效果下降并且磁阻效應(yīng)元件不能夠產(chǎn)生磁存儲器所需的足夠磁場。當(dāng)反元件側(cè)軛20B的厚度過度大時，則電功率消耗不可避免地提高，因為反元件側(cè)軛20B經(jīng)歷了產(chǎn)生內(nèi)部磁場所需的能量的增大。因此，通過使該范圍符合本實施例模式，反元件側(cè)軛20B產(chǎn)生的磁場以及這個產(chǎn)生所消耗的電功率理想地平衡。
然后，在圖12(A)中，通過準(zhǔn)備四個試驗件(#1、#2、#3、#4)執(zhí)行的測試中發(fā)現(xiàn)寫電流的大小Iw(mA)的改變并且改變各個樣品的鐵磁軛結(jié)構(gòu)20中元件側(cè)軛20A的厚度BZ(nm)。從這個測試的結(jié)果可以看出，很明顯除了測試件(#2)之外的所有測試件中，寫電流Iw在厚度BZ設(shè)置在20nm附近時最小。因此，證明優(yōu)選地使元件側(cè)軛的厚度BZ設(shè)置在中間值為20nm并且大于10nm小于30nm的小范圍中。由于四個試驗件中鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的其它大小顯示在圖12(B)中，因此將在下面的說明中省略。
關(guān)于元件側(cè)軛20A，類似于反元件側(cè)軛20B，過度小的厚度導(dǎo)致從引線端產(chǎn)生的磁場減小，并且降低寫效率。同時，厚度過大可能導(dǎo)致鐵磁軛結(jié)構(gòu)20在其中形成磁疇并且阻止元件側(cè)軛20A平滑地改變引線端的磁化。
但是，根據(jù)圖11和圖12顯示的結(jié)果，很明顯，元件側(cè)軛20A的最佳厚度總體上比反元件側(cè)軛20B的最佳厚度更小。因此，通過使元件側(cè)軛20A的厚度BZ小于反元件側(cè)軛20B的厚度TZ，有可能積極地抑制反元件側(cè)軛20B上磁場的泄漏，將磁場引導(dǎo)到元件側(cè)軛20A，并且有效地將這個磁場施加到TMR元件4，其中在形成為小的壁厚度的元件側(cè)軛20A中具有快速的響應(yīng)度。
在圖13中，在通過準(zhǔn)備四個試驗件(#1、#2、#3、#4)執(zhí)行的測試中發(fā)現(xiàn)寫電流的大小Iw(mA)改變的狀態(tài)，設(shè)置反元件側(cè)軛20B沿各個樣品的鐵磁軛結(jié)構(gòu)20中的導(dǎo)線的橫向方向的大小TX為1.4μm(1400nm)，并且改變反元件側(cè)軛20B沿導(dǎo)線長度方向的大小TY。從圖中清楚的看到，在比率TY/TX不足0.5時，寫電流Iw不可避免地過度增大。順便說一下，由于在本試驗件中，反元件側(cè)軛20B沿導(dǎo)線橫向方向的大小TX和元件側(cè)軛20A沿相同方向的大小BX幾乎相等，因此以上顯示的測試結(jié)果在改為使用大小BX時也相同。
當(dāng)反元件側(cè)軛20B的整個形狀在組合讀寫導(dǎo)線5的長度方向短，并且在橫向方向過度長時，它不可避免地導(dǎo)致自發(fā)形成反元件側(cè)軛20B中組合讀寫導(dǎo)線5圓周方向的內(nèi)部磁場，并且使內(nèi)部磁場的中和趨于零。因此，如在本實施例模式中那樣，推論通過使TY比BX的二分之一大，使得有可能抑制圓周方向的內(nèi)部磁場的發(fā)生，即使在電流在組合讀寫導(dǎo)線5的雙方向流過時，兩個圓周方向的磁場也能夠快速并且均勻地形成，并且保持功耗低。如果比率TY/BX增加到超過2，超過的部分將導(dǎo)致鐵磁軛結(jié)構(gòu)20過度地拉長，事實證明在考慮TMR元件4的面積時不合理。
圖14顯示在測試中獲得的作用于間隙20E的中心(即TMR元件4的中心)的磁場強度(Oe)的模擬結(jié)果，測試通過設(shè)置元件側(cè)軛20A的厚度BZ為四個值10nm、20nm、30nm和40nm并且改變各個測試運行沿導(dǎo)線長度方向的大小BY而執(zhí)行。此模擬基于通過設(shè)置從鐵磁軛結(jié)構(gòu)20產(chǎn)生的磁場強度為800(emu/cc)并且容納TMR元件4的間隙的距離為320nm而執(zhí)行的計算。
根據(jù)圖14，當(dāng)元件側(cè)軛20A沿導(dǎo)線長度方向的大小BY不足100nm時，該不足引起磁場強度的突然下降，事實證明不適于寫信息。此外，此下降的趨勢提高到超出了200nm的限度。同時，當(dāng)沿導(dǎo)線長度方向的大小BY增加到超過1000nm時，該超出引起幾乎固定的磁場強度。因此，通過設(shè)置100nm＜BY＜1000nm的范圍，并且優(yōu)選為200nm＜BY＜1000nm的范圍，使得有可能獲得一種理想的磁場。常常，如TMR元件4沿導(dǎo)線長度方向的大小MX采用在200nm附近的長度?？紤]到TMR元件4沿導(dǎo)線長度方向的大小MX的關(guān)系，有效的是設(shè)置元件側(cè)軛20A沿導(dǎo)線長度方向的大小BX在一個比MX的二分之一大并且比它的5倍小的范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選的是在一個比MX的1倍大并且比它的5倍小的范圍內(nèi)。由于BX變得比MX的二分之一大的事實(優(yōu)選地比它的1倍大)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率節(jié)省，因為能夠使寫磁場作用于TMR元件4的中心區(qū)域并且防止元件側(cè)軛20A通過將BY設(shè)置為小于MY的5倍的值而變得不足道地過度地大。
根據(jù)上述磁存儲器1，能夠以低的功耗獲得大強度的磁場，因為鐵磁軛結(jié)構(gòu)20配置為指定的一個形狀。此外，在具有配置在陣列圖案中的多個存儲單元3的情況下，如圖1所示，通過組合讀寫導(dǎo)線5和鐵磁軛結(jié)構(gòu)20獲得的磁場屬性能夠均勻化并且寫控制能夠變得更為方便。
例如，在這種獨立結(jié)構(gòu)的情況下，其中該結(jié)構(gòu)具有從位線13引入的用在單獨的存儲單元3中的組合讀寫導(dǎo)線5并且具有分別形成鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的單獨的組合讀寫導(dǎo)線5，由多個鐵磁軛結(jié)構(gòu)顯示的磁化屬性通常趨向于在它們本身之間產(chǎn)生偏移。但是，當(dāng)鐵磁軛結(jié)構(gòu)20配置為指定形狀，如本磁存儲器1那樣時，磁場屬性能夠穩(wěn)定并且記錄速度等能夠在多個存儲單元3間均勻化。
然后，當(dāng)鐵磁軛結(jié)構(gòu)20配置在組合讀寫導(dǎo)線5中時，由于鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的圓周方向構(gòu)成鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的長度方向，因此磁疇易于主要形成在長度方向中。通過將鐵磁軛結(jié)構(gòu)20配置為指定空間比率，如本實施例中那樣，有可能抑制圓周方向內(nèi)部磁場的出現(xiàn)并且減少如導(dǎo)致的二進(jìn)制寫入中一個寫速度和另一個寫速度之間的差異以及在一側(cè)需要的電流電壓大小和在另一側(cè)需要的電流電壓大小之間的差異的這種不平衡。
然后，在本磁存儲器1中，通過進(jìn)一步降低導(dǎo)線5的壁厚度，能夠在總體上使存儲單元3變薄。在這種情況下，鐵磁軛結(jié)構(gòu)20還可以在圓截面結(jié)構(gòu)中通過稍傾斜元件側(cè)軛20A或反元件側(cè)軛20B的相對端子而直接首尾相連，如圖15所示。通過省略如上所述根據(jù)用于形成元件側(cè)軛20A的第一軛成膜過程以及用于形成反元件側(cè)軛20B的第二軛成膜過程而形成側(cè)部軛20C和形成鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的步驟，有可能極大地減少鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的總厚度并且也減少鐵磁軛結(jié)構(gòu)20的壁厚度。在這種情況下，側(cè)部軛20C無法必然地明確定位。在這個時候，足以將元件側(cè)軛20A和反元件側(cè)軛20B的接觸點視作側(cè)部軛20C和20C，并且采用側(cè)部軛20C和20C之間最大的距離作為鐵磁軛結(jié)構(gòu)20沿導(dǎo)線橫向方向的最大大小。
順便說一下，措辭“在元件側(cè)軛上形成的間隙”用在本發(fā)明中指的是鐵磁軛結(jié)構(gòu)20采用的成品鋼材，并不需要限于連續(xù)地形成元件側(cè)軛20A其后執(zhí)行為了形成間隙的分離工作的情況。例如，可允許形成一對元件側(cè)軛20A，它們彼此獨立并且將TMR元件夾在其間。
在圖16中，圖解了構(gòu)成本發(fā)明的第二實施例的磁存儲器101的整體結(jié)構(gòu)。順便說一下，下面將描述的磁存儲器101以不同于第一實施例的地方為主。通過借助于相關(guān)附圖標(biāo)記的兩個最低有效位的一致性，它與第一實施例共享的部件和元件將在以下描述中省略。
提供此磁存儲器101中存儲器部分102的各個存儲單元103，如圖17中放大比例的圖示，具有TMR元件104、寫入級導(dǎo)線105A、讀出級導(dǎo)線105B、寫入級晶體管106A、讀出級晶體管106B等等。不同于利用組合讀寫導(dǎo)線的第一實施例，第二實施例的磁存儲器101適合于通過將寫入級導(dǎo)線105A和讀出級導(dǎo)線105B配置為彼此獨立，從而減少如回轉(zhuǎn)電流這種原因的噪音。
寫入級導(dǎo)線105A的相對端連接到兩條位線113和114，并且寫入級晶體管106插入在這兩端之間。因此，通過在位線113和114之間施加電壓，并且接通寫入級晶體管106A，使得有可能向?qū)懭爰墝?dǎo)線105A提供電流并且產(chǎn)生圍繞鄰近配置的TMR元件104圓周的磁場。然后，讀出級導(dǎo)線105B的相對端也連接到兩條位線113和114，并且讀出級晶體管106B和TMR元件104插入在這些端子之間。因此，通過在位線113和114之間施加電壓，并且接通讀出級晶體管106B，使得有可能向讀出級導(dǎo)線105B提供電流，并且檢測TMR元件104電阻大小的變化。順便說一下，寫入級導(dǎo)線106A連接到字線115，并且讀出級晶體管106B連接到字線116。因此，通過利用施加到字線115和116的電壓，使得有可能彼此獨立地切換各個晶體管106A和106B的連續(xù)性狀態(tài)。因此，可以在有需要時從位線113和114向字線115提供電流。
在圖18中，以放大比例尺圖解鐵磁軛結(jié)構(gòu)120。鐵磁軛120由元件側(cè)軛120A、反元件側(cè)軛120B以及一對側(cè)部軛120C和120C組成，其中元件側(cè)軛120A配置為鄰近寫入級導(dǎo)線105A中的TMR元件104側(cè)，反元件側(cè)軛120B配置為鄰近寫入級導(dǎo)線105A中的TMR元件104的相對側(cè)，并且一對側(cè)部軛120C和120C配置為連接實質(zhì)上為圓周形狀的元件側(cè)軛120A的兩端和反元件側(cè)軛120B的兩端，并且在其中穿過寫入級導(dǎo)線105A。順便說一下，在元件側(cè)軛120A中形成的間隙中，配置TMR元件104。
TMR元件104和寫入級導(dǎo)線105A通過絕緣體122設(shè)置為互相絕緣的狀態(tài)。同時，這個TMR元件104的上端面和下端面連接到讀出級導(dǎo)線105B。順便說一下，讀出級導(dǎo)線105B形成為具有這種向下凸的橫截面的薄膜結(jié)構(gòu)，以便寫入級導(dǎo)線105A和TMR元件104可最充分地彼此接近。順便說一下，鐵磁軛結(jié)構(gòu)120的詳細(xì)大小等于第一實施例的大小。
這個第二實施例的磁存儲器101能夠獲得與第一實施例相同的效果。由于寫入級導(dǎo)線105A和讀出級導(dǎo)線105B彼此無關(guān)，因此在寫操作期間電流能夠?qū)ｉT地提供給寫入級導(dǎo)線105A。同時，在讀出操作的過程期間，電流能夠?qū)ｉT地提供給讀出級導(dǎo)線105B。因此，寫入和讀出操作能夠進(jìn)一步地穩(wěn)定，因為能夠避免回轉(zhuǎn)電流，而不必包括例如二極管。
已經(jīng)描述了第一和第二模式的實施例預(yù)期的磁存儲器。然而，本發(fā)明不限于以上引用的任何實施例，而是允許變化的修改。盡管以上引用的實施例利用TMR元件作為磁阻效應(yīng)元件，但可以改為利用例如利用巨磁阻效應(yīng)(GMR)的GMR元件。術(shù)語“GMR效應(yīng)”意思指鐵磁層在垂直于疊層方向的方向的電阻大小通過由包括一個非磁性層的兩個鐵磁層的磁化方向形成的角度而改變。也就是說，在GMR元件中，鐵磁層的電阻大小在兩個鐵磁層的磁化方向彼此平行時最小，并且在兩個鐵磁層的磁化方向彼此不平行時最大。順便說一下，TMR元件和GMR元件各個是兩個已知的類型，即對位自旋球類型，它通過利用兩個鐵磁層之間矯磁力的差異實行寫入/讀出；以及自旋球類型，它通過與反鐵磁層的互換耦合固定鐵磁層之一的磁化方向。然后，讀出GMR元件中的數(shù)據(jù)是通過檢測鐵磁層在垂直于疊層方向的方向中的電阻大小而進(jìn)行的。在GMR元件中寫入數(shù)據(jù)是通過用寫電流產(chǎn)生的磁場反轉(zhuǎn)鐵磁層之一的磁化方向而進(jìn)行的。
在上述模式的實施例中，晶體管(組合讀寫晶體管)用作開關(guān)部件，用于控制寫電流和讀電流。作為開關(guān)部件，可以在有需要時采用具有接通/斷開電流連續(xù)性的功能的變化部件。
本發(fā)明預(yù)期的磁存儲器不限于以上引用的實施例模式，并且當(dāng)然允許包括變化的修改，并不背離本發(fā)明的精神。
本發(fā)明能夠廣泛地使用在如借助于磁阻效應(yīng)元件記錄和保持各種信息的領(lǐng)域中。
權(quán)利要求
1.一種磁存儲器，其特征在于，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及反元件側(cè)軛，鄰近所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)配置，并且使得所述反元件側(cè)軛的厚度比50nm大并且小于150nm。
2.一種磁存儲器，其特征在于，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及反元件側(cè)軛，鄰近所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)配置，并且使得所述反元件側(cè)軛沿所述導(dǎo)線長度方向的大小比所述反元件側(cè)軛沿所述導(dǎo)線橫向方向的大小的二分之一大，并且比它的兩倍小。
3.一種磁存儲器，其特征在于，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及元件側(cè)軛，鄰近地配置在與所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相同的側(cè)上，并且使得所述元件側(cè)軛的厚度比10nm大并且小于30nm。
4.一種磁存儲器，其特征在于，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及元件側(cè)軛，鄰近地配置在與所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相同的側(cè)上，并且滿足公式2.5＜A/B＜7.5，其中A表示所述元件側(cè)軛的厚度，并且B表示所述磁阻效應(yīng)元件的厚度。
5.一種磁存儲器，其特征在于，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及元件側(cè)軛，鄰近地配置在與所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相同的側(cè)上，并且使得所述元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的大小設(shè)置為使得比所述磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的一倍大，并且小于所述磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的五倍。
6.一種磁存儲器，其特征在于，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及沿所述導(dǎo)線的圓周方向配置的軛結(jié)構(gòu)，以及使得構(gòu)成與所述軛結(jié)構(gòu)中所述磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)的反元件側(cè)軛的厚度比構(gòu)成所述軛結(jié)構(gòu)中所述磁阻效應(yīng)元件的鄰域的元件側(cè)軛的厚度大。
7.如權(quán)利要求6所述的磁存儲器，其中所述反元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為使得比50nm大并且小于150nm，以及所述元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為使得比10nm大并且小于30nm。
8.一種磁存儲器，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及軛結(jié)構(gòu)，沿所述導(dǎo)線的圓周方向配置，在所述圓周方向的一部分中配置有間隙，并且能夠在所述間隙中容納所述磁阻效應(yīng)元件，并且使得所述軛結(jié)構(gòu)沿所述導(dǎo)線長度方向的最大外部大小設(shè)置為使得比所述軛結(jié)構(gòu)沿所述導(dǎo)線的橫向方向的最大外部大小的二分之一大，并且比它的兩倍小。
9.如權(quán)利要求8所述的磁存儲器，其中構(gòu)成所述軛結(jié)構(gòu)中的所述磁阻效應(yīng)元件的鄰域的所述元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的大小設(shè)置為使得它比所述磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的一倍大，并且小于所述磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的5倍。
10.一種磁存儲器，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及反元件側(cè)軛，鄰近所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)配置，以及元件側(cè)軛，鄰近地配置在與所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相同的側(cè)上，并且使得所述元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為使得比所述反元件側(cè)軛的厚度大。
11.如權(quán)利要求10所述的磁存儲器，其中所述反元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為比50nm大并且小于150nm，并且所述元件側(cè)軛的厚度設(shè)置為比10nm大并且小于30nm。
12.一種磁存儲器，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線附近配置的磁阻效應(yīng)元件，以及元件側(cè)軛，鄰近地配置在與所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相同的側(cè)上，并且使得所述元件側(cè)軛沿導(dǎo)線長度方向的大小設(shè)置為比所述磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的一倍大，并且小于所述磁阻效應(yīng)元件沿導(dǎo)線長度方向的大小的五倍。
13.如權(quán)利要求10、11或12所述的磁存儲器，還包括一對側(cè)部軛，用于將所述元件側(cè)軛的相對端的鄰域與所述反元件側(cè)軛的相對端的鄰域相連。
14.一種磁存儲器，包括在任意確定的方向中延伸的導(dǎo)線，鄰近所述導(dǎo)線配置的磁阻效應(yīng)元件，以及反元件側(cè)軛，鄰近所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相對的側(cè)配置，元件側(cè)軛，鄰近地配置在與所述導(dǎo)線中的所述磁阻效應(yīng)元件相同的側(cè)上，以及一對側(cè)部軛，用于將所述元件側(cè)軛的相對端的鄰域與所述反元件側(cè)軛的相對端的鄰域相連，并且使得所述元件側(cè)軛沿所述導(dǎo)線長度方向的外部大小設(shè)置為比所述一對側(cè)部軛之間距離的二分之一大并且比該距離的兩倍小。
全文摘要
磁存儲器(1)具有在任意確定方向上延伸的導(dǎo)線(5)、與導(dǎo)線(5)鄰近配置的磁阻效應(yīng)元件(4)、以及與導(dǎo)線(5)中的磁阻效應(yīng)元件(4)相對的側(cè)上相鄰配置的反元件側(cè)軛(20B)，并且該反元件側(cè)軛(20B)的厚度設(shè)置為比50nm大并且小于150nm。因與此發(fā)明一致的緣故，在寫入操作期間，此磁存儲器能夠使磁化屬性均勻，并且用低電流執(zhí)行寫工作。
文檔編號G11C11/15GK1983444SQ200610092409
公開日2007年6月20日 申請日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月12日
發(fā)明者原谷進(jìn) 申請人:Tdk株式會社