CN1905060A - 磁存储器 - Google Patents

Abstract

在磁存储器(1)中，磁阻效应元件(4)邻近导线(5)布置，用于产生写磁场，并且此外，铁磁体(20)布置为覆盖至少部分导线(5)，并且因此在一个方向定向此铁磁体(20)的磁化状态X。根据本发明，使得有可能使写入过程期间的磁化属性均匀，并且有效地执行写工作。

Description

磁存储器

技术领域

本发明涉及用于在磁阻效应元件中存储信息的磁存储器。

背景技术

近年来，MRAM(磁性随机存取存储器)已经引起了注意，它作为存储单元使用在如计算机和通信设备的信息处理装置中。由于MRAM能够磁性地存储数据，并且因此不需利用任何电部件来维持磁化方向，因此能够避免由于电源故障而丧失信息的缺点，如在易失性存储器DRAM(动态随机存取存储器)和SRAM(静态随机存取存储器)中发生的那样。MRAM在存取速度、可靠性和功耗方面也优于如闪速EEPROM和硬盘这种传统非易失性存储器。因此，MRAM也被认为能够代替如DRAM和SRAM这种易失性存储器的所有功能以及如闪速EEPROM和硬盘装置的这种非易失性存储器的功能。

在集中到所谓的使得信息在各处同时处理的无所不在的计算的信息装置的发展中，对满足高速处理并且还降低功耗以及即使在电源故障的情况下也允许避免信息损失的这种存储器有共同的认识。MRAM保证满足所有这些要求并且期望发现将来在众多的信息装置中被采用。

具体地说，用户天天携带在身上的卡和便携式信息终端常常无法保证充分的电源。因此，当在公用设施的恶劣环境下处理大量信息时，即使自夸低电耗的MRAM也需要在处理信息的过程中能够进一步减少功耗。

作为能够进一步减少MRAM中的功耗的技术的一个实例，可以在2002年11月18日发行的″Nikkei Electronics″133页中公开的磁存储器中得到。此磁存储器500如图19所示，在它的各个存储区(存储单元)中，配置了位线502、布置为垂直于位线502的字线504、以及在位线502和字线504之间其交叉点的位置布置的隧道磁阻元件(TMR)506，以及连接到TMR元件的晶体管508。位线502和字线506各自适合于产生使TMR元件506的位状态(磁化状态)反向所需的几乎一半的磁场。当通过选择的位线502和字线504提供电流时，TMR元件506的磁化状态在这些线的交叉点处适当地反向。

此磁存储器500配置为使得位线502和字线504配置了镀有高导磁率的铁磁性薄膜510的结构。因此，能够降低从位线502和字线504的磁通量泄漏。在通过位线502和字线504传递电流期间，由于铁磁性薄膜510能够因为铁磁性薄膜510的磁化产生静磁场，因此，铁磁性薄膜510的静磁场和位线502和字线504的感应磁场之和施加到TMR元件500。因此，即使在功耗状态低时，能够获得TMR元件506的磁化状态变换所需的磁场。

此磁存储器能够通过保持位线和字线各自在三个表面上覆盖了铁磁性薄膜510，并且使在TMR元件506侧上它们的表面敞开，因此它具有降低写时间的优点。

顺便说一下，TMR元件备有第一磁化层(磁敏感层)，能够通过外部磁场改变磁化方向；第二磁层，具有固定的磁化方向；以及无磁性绝缘层，它插入在第一磁层和第二磁层之间，适于通过控制第一磁层的磁化方向平行于或者不平行于第二磁层的磁化方向来记忆二进制数据。

但是，本发明人作出的另一研究表明，用铁磁性薄膜510涂敷位线501和字线504易于导致产生的磁场的偏移，尽管实际上它能够降低写入过程期间电流的大小。具体地说，铁磁性薄膜510引起沿它的长度方向均匀涂敷位线502和字线的困难，最终在它的内部由于多个磁畴的自发形成而获得各种磁化方向。由于这些因素，铁磁性薄膜510必然伴有在写入过程期间给予各个TMR元件506的磁化属性的可能性。

当通过切换到位线502和字线504的电通道方向而使磁场反向时，铁磁性薄膜510的存在引起改变速度以及前向电流和反向电流之间磁场强度的不均匀的问题。因此，各个TMR元件506引起在一个方向的写速度和在另一个方向的写速度的偏移，并且因此引起使电流控制和写入定时控制复杂化的忧虑。

当铁磁性薄膜501碰巧形成许多磁畴时，在位线502和字线504的磁化状态改变期间它经历了巴克豪森噪声的发生。此噪声被认为构成降低写入属性的一个因素。

鉴于以上枚举的问题，本发明的目的在于抑制磁存储器中写磁场的偏移，同时增强写属性。

发明内容

根据本发明的磁存储器的特征在于，配置了电线，用于产生写信息的磁场；磁阻效应元件，与电线邻近布置；以及铁磁体，布置为覆盖至少部分电线并且具有在指定方向定向的磁化状态。由此，磁存储器能够增强写效率和信息的准确性，因为即使在电线涂敷了铁磁体或者电线用铁磁体轭环绕以便提高磁效率的情况下，铁磁体的磁化属性也是均匀的。同时，也能够平滑铁磁体磁化的改变。

此外，如此作用的磁化状态方向最好导致铁磁体以单个磁畴的形式磁化。因此，有可能防止磁壁的移动导致磁化属性的不连续变化。

本发明的磁存储器的特征还在于，铁磁体磁化状态约束在与电线延伸方向实质上相同的方向上。因此，铁磁体的感应磁场的改变相对于电线中电的两个通过方向都是均匀的，因为磁化状态恒定地相对于出现在电线外围中的两个方向的磁场固定在中立方向上。

根据本发明特征在于，配置了电线，用于产生写信息的磁场；磁阻效应元件，邻近电线布置；铁磁体，布置为覆盖至少部分电线；以及通过将磁化状态约束为与电线延伸方向实质上相同方向而用于固定铁磁体的磁化方向的部件。因此，磁化状态能够进一步地稳定，因为用于固定磁化方向的部件能够相对于电线分布方向固定铁磁体。

作为用于固定磁化方向的部件，铁磁体最好另外添加反铁磁层。这样增加反铁磁层导致在反铁磁层和铁磁体之间建立互换耦合。

当多个磁阻效应元件沿上述的电线分布方向布置，并且多个铁磁体布置为各自横跨与电线中磁阻效应元件的多个相邻点时，即使当电线用于操作写工作的多个磁阻效应元件时，也有可能减少电线上磁化状态的偏移。

同样优选的是，铁磁体布置为涂敷反元件表面，位于电线中磁阻效应元件的对侧上，并且相对侧表面延续到电线中反元件表面中，并且反铁磁层被加到铁磁体的外面。因此，使从电线产生的磁场能够进一步地集中在磁阻效应元件中。即使在这种情况下，也能够平滑磁场的改变。

此外，本发明的方面通过各自配置多个磁阻效应元件，以形成多个能够在磁阻效应元件中保持信息的存储单元而实现。通过使铁磁体和用于固定磁化方向部件布置为在各个存储单元中的每一个中处于独立状态，有可能借助于铁磁体将从电线产生的磁场集中在磁阻效应元件中，约束各个铁磁体中的磁化方向，并且稳定磁化状态。

本发明的磁存储器特征为，配置了电线，用于产生写信息磁场；磁阻效应元件，邻近电线布置；铁磁轭，布置为覆盖电线到磁阻效应元件的邻域；以及反铁磁层，被加到铁磁轭上并且适于在固定铁磁轭的磁化状态的方向和电线延伸的方向之间的近似一致性。

当电线的磁场通过采用上述方式的铁磁轭而绝对集中于磁阻效应元件中时，磁场易于引起强度以及磁场变化属性的偏移。但是，通过增加反铁磁层，能够稳定磁场的变化属性。当用于写信息的磁场的前向和反向切换时，能够使磁化的两个状态均匀。

在这种情况下，优选的是，上述的铁磁轭由元件侧轭、反元件侧轭、以及一对侧部轭构成，其中元件侧轭布置在电线中上述的磁阻效应元件侧上，与电线分离；反元件侧轭布置在与电线中磁阻效应元件相对的侧上，与电线分离；一对侧部轭通过连接到元件侧轭的相对端以及反元件侧轭的相对端并且与电线分离而环绕铁磁轭，使得环绕的铁磁轭在它的内周侧上经过电线，并且使铁磁轭即将反铁磁层添加到它的外周侧的至少一部分上。

此外，在这种情况下，优选的是通过将元件侧轭在环的方向分割并且使磁阻效应元件布置为插入在元件侧轭的分割区域中，从而使得铁磁轭的环状态保持不连贯。因此，使得有可能从元件侧轭的分割表面发出的磁场施加到磁阻效应元件的端面并且因此能够提高写速度。

本发明能够稳定从电线产生的磁场，平滑此磁场的改变，并且显现增强写属性的效果。

附图说明

本发明的上述及其它目的、特征和优点从以下描述以及所附的权利要求书、连同附图而变得显而易见。

图1是图解根据本发明的第一实施例的磁存储器的整体结构的示意图。

图2是图解放大比例尺的磁存储器的存储单元的示意图。

图3是图解三维的存储单元的内部结构的放大透视图。

图4是图解放大比例尺的存储单元中晶体管的结构的横截面。

图5是图解放大比例尺的存储单元中铁磁轭结构的构成的横截面。

图6是图解放大比例尺的磁层中布置的磁阻效应元件的层状结构的侧视图。

图7是图解作为模式标本的磁层中铁磁轭结构的磁化状态的局部剖面透视图。

图8是图解作为模式标本的磁层中铁磁轭结构的磁化状态的局部剖面透视图。

图9是图解作为模式标本的磁层中铁磁轭结构的磁化状态的局部剖面透视图。

图10是图示磁层的另一个典型结构的横截面。

图11是图解放大比例尺的根据本发明的第二实施例的磁存储器的结构的透视图。

图12是图示磁存储器的另一个典型结构的透视图。

图13是图示磁存储器的另一个典型结构的透视图。

图14是图解根据本发明的第三实施例的磁存储器的整体结构的概念图。

图15是图解放大标度的磁存储器的存储单元的示意图。

图16是图解放大比例尺的磁存储器的内部结构的横截面。

图17是图解根据一个工作实例磁存储器的MR比率改变状态的曲线图。

图18是图解根据一个对照实例磁存储器的MR比率改变状态的曲线图。

图19是图示传统的磁存储器的另一个典型结构的透视图。

具体实施方式

现在，将在下面参考附图描述根据本发明的磁存储器的实施例模式。在附图的描述中，相同的部件将用相同的附图标记表示，并且省略重复的说明。

图1是图解根据本发明的第一实施例的磁存储器1的整体结构的示意图。磁存储器1配置了：存储器部分2、位选择电路11、字选择电路12、位线13和14、以及字线15、16。在存储器部分2中，多个存储单元3二维地排列在m列和n行的阵列中(m和n分别表示不小于2的整数)。如图2中放大比例尺的图解，存储器区3各自配置了：TMR元件4、组合读写线5、组合读写晶体管6、读出线7、铁磁轭结构20等等。顺便说一下，组合读写线5排列为使得从位线13引入。顺便提及，由于组合读写线5这样放置以便从位线13引入，因此存储单元3分别具有组合读写线5、铁磁轭结构20以及用于约束铁磁轭20的部件(如下文中具体描述)。

TMR(隧道磁阻效应)元件4具有根据磁化方向的改变而改变它自身电阻的大小的功能。电阻这个大小的改变状态导致TMR元件4中写入二进制数据。改变TMR元件4的磁化方向的外部磁场由组合读写线5产生。

组合读写线5的一端经组合读写晶体管5电连接到位线13。组合读写线5的另一端电连接到位线14。组合读写晶体管6是一个开关部件，用于控制组合读写线5中写电流和读电流的通道，其中组合读写线5连接到它的漏极和源极中的任一个并且位线13连接到它的另外一个。此外，字线15连接到组合读写晶体管6的栅极。因此，组合读写线5借助于组合读写晶体管6获取提供的电流，并且借助于这个电流在它的外围产生磁场。

读出线7的一端连接到TMR元件4并且它的另一端连接到字线16，并且二极管插入在两端之间。在TMR元件4中，通过将组合读写线5连接到与连接了字线16的侧相对的表面而向其提供读电流。

位线13和14配置给布置为阵列图案的多行存储单元3中的每一个。位线13连接到属于相关行的所有存储单元3中的组合读写晶体管6，并且通过组合读写晶体管6连接到组合读写线5的一侧端子。然后，位线14连接到属于相关行的所有存储单元3中的组合读写线5的另一侧端子。电流流向组合读写线5通过允许组合读写晶体管6导通同时在位线13和位线14之间给出电位差而开始。

字线15和16布置在存储单元3的各个列中。字线15连接到属于相关列的所有存储单元3中的组合读写晶体管的栅极。然后，字线15和16经属于相关列的所有存储单元3中的组合读写线7连接到TMR元件4。

再参考图1，位选择电路11具有向各个存储单元3中的组合读写线5提供正的或者负的写电流的功能。具体地说，位选择电路11包括地址解码器，用于响应于内部或者外部指定地址而从布置在阵列型式的存储单元3选择指定行；以及电流驱动电路，用于对应于选择的指定行在位线13和14之间提供正或负的电位差，并且提供写电流到配置在指定行的位线13和14之间的组合读写线5。

字选择电路12包括地址解码器电路，用于响应于内部或外部指定地址从布置为阵列型式的存储单元3选择指定列；以及电流驱动电路，用于对应于指定列向字线15和16提供指定电压。因此，能够使组合读写晶体管6通过借助于字选择电路12对对应于指定列的字线15施加控制电压来获取连续性。通过这种连续性控制，能够确定向由位选择电路11选择的地址的组合读写线5提供和不提供写电流之间的选择。还能够使字选择电路12通过向字线16施加指定电压来控制读电流。具体地说，在位选择电路11中，对应于内部或者外部指定地址的行由地址解码器电路选择，并且将指定电压施加到有关的位线13。同时，在字选择电路12中，通过选择对应于地址解码器电路的地址的列并且施加指定电压到对应于该列的字线16，从而在位线13和字线16之间提供读电流。在这个时候，通过也施加电压到选择列中的字线15，从而根据组合读写晶体管6控制读电流的传导。

现在，将在下面解释磁存储器1中存储单元3的具体结构。图3是三维图解存储单元3中的导线状态的透视图。存储单元3从上到下，大致配置了半导体层、导线层以及磁性材料层。半导体层包含没有具体图解的半导体衬底，保持整个存储单元3的机械强度，并形成这种半导体器件作为组合读写晶体管6。在最高的磁性材料层中，形成诸如TMR元件4的磁性材料的这种结构性物件以及适合于有效地向TMR元件4提供磁场的铁磁轭结构20。在中间位置的导线层中，形成位线13和14、字线15和16、组合读写导线5的一部分以及读出线7。

半导体层中的组合读写晶体管6形成为封装在绝缘区中，并且适于将多个相邻的组合读写晶体管6电气分离。绝缘区由诸如例如SiO₂的这种绝缘材料形成，并且半导体衬底由例如Si基础形成，并且一定掺杂有p型或者n型杂质。

如图4中放大比例尺图解的组合读写晶体管6由用于构成与半导体衬底30相反传导类型的漏极区6A、源极区6B、栅电极6C等组成。因此，介于漏极区6A和源极区6B之间的半导体衬底30和栅电极6C布置在半导体衬底30的一个指定间隙上。栅电极6C由字线15形成。由于这种构成，向字线15施加电压导致得到组合读写晶体管6的漏极区6A和源极区6C的相互连续性，结果是从位线13提供的电流将流向组合读写导线5。

再参考图3，导线层中除去导线、即位线13和14以及字线15和16的区域全部由绝缘区占有。作为绝缘区的材料，如SiO₂的这种绝缘材料类似于半导体层的绝缘区使用。然后，例如W或Al可以用作导线材料。

与TMR元件4邻接的组合读写导线5在存储单元3的阵列表面(平面)方向延伸，并且假定在该面中弯曲为字母L的形状。此外，组合读写导线5的一端在垂直于该平面的方向弯曲，并能够形成垂直导线，并且在它的下侧连接到位线14。组合读写导线5的另一端在类似地垂直于该平面的方向弯曲，并形成垂直导线，并且能够在它的下端与组合读写晶体管6的漏极区6A形成电阻连接。

然后，对于各个存储单元3，位线13具有形成为在平面方向分枝的引入线13A，并且前向部分在垂直方向弯曲，并能够与组合读写晶体管6的源极区6B形成电阻连接。读出线7也在该平面方向延伸，在它的一端电连接到TMR元件4，并且在另一端在垂直方向弯曲并且在它的下侧连接到字线16。

在线方向延伸的字线15的一部分充当栅电极6C。这个事实的意义和将字线15电连接到组合读写晶体管6的栅电极6C是一样的。

下面将参考图5等解释磁性材料层。磁性材料层配置了：TMR元件4、铁磁轭结构20、部分组合读写导线5、部分读出线7等等。顺便说一下，在磁性材料层中，下面将解释的构成以及除了其它导线之外的区域由绝缘区域24占据。

如图6中以放大比例尺图解的TMR元件4配置有：第一磁层(自由层/磁敏感层)4A，它的磁化方向通过外部磁场改变；第二磁层(栓层)4B，其磁化方向固定；非磁性绝缘层(绝缘体层)4C，插入在第一磁层4A和第二磁层4B之间；以及反铁磁层4D，适合于固定(约束)第二磁层4B的磁化方向。这个TMR元件4具有一种性质，使得在第一磁层4A的磁化方向响应外部磁场而改变时，第一磁层4A和第二磁层4B之间的电阻大小也改变。通过电阻大小的这个差异，能够记录二进制数据。顺便说一下，对于第一磁层4A的材料，可以利用例如Co、CoFe、NiFe、NiFeCo或CoPt的铁磁材料。

第二磁层4B通过反铁磁层4D固定它的磁化方向。具体地说，通过反铁磁层4D和第二磁层4B之间的界面中的互换耦合，第二磁层4B的磁化方向的定向稳定在一个方向上。第二磁层4B的易磁化轴方向沿第一磁层4A的易磁化轴方向设置。对于第二磁层4B的材料，可以利用例如Co、CoFe、NiFe、NiFeCo或CoPt的铁磁材料。然后，对于反铁磁层4D的材料，可以利用例如IrMn、PtMn、FeMn、PtPdMn、NiO或它们的任意组合的材料。

非磁性绝缘层4C是由非磁性和绝缘材料形成的一层，该层插入在第一磁层4A和第二磁层4B之间，以便产生隧道磁阻效应(TMR)。更具体地说，它具有取决于第一磁层4A和第二磁层4B之间磁化方向的相对性(即平行或不平行)改变电阻大小的特性。作为适于非磁性绝缘层4C的材料，可以利用例如Al、Zn和Mg的这种金属的氧化物或氮化物。

作为稳定第二磁层4B的磁化方向的层，可以通过非磁性金属层或者合成AF(反铁磁)层来提供第三磁层，代替反铁磁层4D，尽管没有具体图示。此第三磁层通过与第二磁层4B形成反铁磁耦合而实现，以进一步稳定第二磁层4B的磁化方向。尽管第三磁层的材料不需要特别限制，但可以优选地使用例如Co、CoF、NiFe、NiFeCo和CoPt的这种铁磁材料，或者单独或者组合使用。作为插入在第二磁层4B和第三磁层之间的非磁性金属层的材料，可以利用Ru、Rh、Ir、Cu和Ag。为了在第二磁层4B和第三磁层之间产生强的反铁磁耦合，非磁性层的厚度最好不超过2nm。

TMR元件4的反铁磁层4D电连接到组合读写导线5。TMR元件4的第一磁层4A经铁磁轭20电连接到读出线7。由于这个构成，使得有可能从组合读写导线5经TMR元件4提供读电流到读出线7，并且检测TMR元件4电阻大小的变化。顺便说一下，铁磁轭20配置为覆盖与TMR元件4相邻的组合读写导线5的TMR元件4的区域5A(参考图3)。顺便说一下，TMR元件4的第一磁层4A的易磁化轴设置为使得沿与组合读写导线5的较长方向交叉的方向布置(即与写电流方向交叉的方向)。

再参考图5，铁磁轭结构20由元件侧轭20A、反元件侧轭20B以及一对侧部轭20C和20C组成，其中元件侧轭20A布置在组合读写导线5中的TMR元件侧上，反元件侧轭20B布置在组合读写导线5中与TMR元件4相对的侧上，一对侧部轭20C和20C通过连接到元件侧轭20A的相对端子和反元件侧轭20B的相对端子环绕铁磁轭20，以便组合读写导线5经过它的内部。TMR元件4插入在元件侧轭20A和组合读出导线5之间。因此，TMR元件4的第一磁层4A经元件侧轭20A连接到读出线7，而TMR元件的反铁磁层4D与组合读写导线5接触。在铁磁轭20和置于其中的组合读写导线5之间，绝缘体22构成一个间隙，以免它们会彼此接触并且引起电短路。

铁磁轭20设置为形成从组合读写导线5的延伸方向轴向查看大约梯形的形状。在梯形形状中，反元件侧轭20B为上底并且与之平行的元件侧轭20A为下底，在本实施例中，下底的长度比上底的长度长。此尺寸差异允许一对侧部轭20C和20C各自呈现倾斜状态。对于用于铁磁轭20的铁磁材料，有利地使用包含Ni、Fe和Co元素中的至少一种的金属。

轭级反铁磁层26形成在铁磁轭20中的反元件侧轭20B和侧部轭20C的外周侧上。铁磁轭20通过在它与轭级反铁磁层26的界面中的互换耦合稳定它的磁化方向。稳定铁磁轭20中的磁化状态的方向设置为使得大致与组合读写导线5的延伸方向一致，即垂直于组合读写导线5产生的感应磁场的方向。

下面将参考图7-图9解释在本实施例的磁存储器1中的TMR元件4中写信息的操作。

由于当不存在如图7所示的流向组合读写导线5的电流时，组合读写导线5产生的磁场未能出现，因此铁磁轭20的磁化状态X受到轭级反铁磁层26的约束作用的影响，并使其呈现实质上与组合读写导线5的延伸方向一致的状态。因此，铁磁轭20处于具有在一个方向均匀的整体磁化的单磁畴状态。在TMR元件4中，第一磁层4A的磁化方向A和第二磁层4B的磁化方向B彼此相符。这里，定义在磁化方向A和B彼此相符时写入二进制数据0。

当写电流I1流向组合读写导线5时，如图8所示，围绕组合读写导线5产生圆周定向的磁场F1。磁场Fl在配置在它的外围上的铁磁轭20的内部运转并因此形成一个闭合路径。尽管受到轭级反铁磁层26的约束作用的影响，但以此磁场F1引导的铁磁轭20的磁化状态X使得磁化方向平滑地旋转90度，直到它与磁场F1的方向相符。

因此，由组合读写导线5产生的磁化状态F1和在铁磁轭结构20中产生磁化状态X的综合引起的强磁场作用在TMR元件4中的第一磁层4A上并引起磁化方向A的反转。当组合读写导线5的电流I1的流动在此状态下中止时，铁磁轭20的磁化状态X在轭级反铁磁层26的约束作用的影响下，平滑地回到图7的状态，同时TMR元件的磁化方向A保持在反转状态下，如图8所示。由于磁化方向A和B保持在相反状态下，因此这时写入二进制数据1。

当写电流I2接下来在与组合读写导线5中的电流I1相反的方向流动时，如图9所示，围绕组合读写导线5产生圆周定向的磁场F2。磁场F2形成一个闭合路径，它在其外围中形成的铁磁轭结构20的内部运转。尽管受到轭级反铁磁层26的约束作用的影响，但以此磁场F2引导的铁磁轭20的磁化状态X使得磁化方向平滑地旋转90度，直到它与磁场F2的方向相符。

因此，由组合读写导线5产生的磁化状态F2和在铁磁轭结构20中产生的磁化状态X被综合，并且由此形成的强磁场作用于TMR元件中的第一磁层4A并反转磁化方向A，直到它与第二磁层4B的磁化方向B一致。当组合读写导线5的电流I2在此状态下中止时，铁磁轭20的磁化状态X在轭级反铁磁层26的约束作用的影响下，回到图7的状态。TMR元件4由于磁化方向A和B保持一致的原因而导致再次在这里写入二进制数据0。

顺便说一下，在读出已经写入TMR元件中的二进制数据的情况下，读电流在组合读写导线5和读出线7之间传递，并且检测电流大小的变化或者两个导线之间电位差的变化。此过程显出TMR元件4的电阻大小并且确定是否已经记录两个二进制数据中的任一个(即区分第一磁层4A的磁化方向A和第二磁层4B的磁化方向B彼此是平行或者不平行)。当例如第一磁层4A的磁化方向A与第二磁层4B的磁化方向B一致时，由于非磁性绝缘层4C中隧道磁阻效应(TMR)的原因，第一磁层4A和第二磁层4B之间的电阻大小变成相当小。相反，当磁化方向A和磁化方向B为相反方向时，由于隧道磁阻效应的原因，第一磁层4A和第二磁层4B之间的电阻大小变成相当大。

根据上述磁存储器1，由于铁磁轭20的磁化状态X不变地保持在单磁畴状态下，因此与自发地形成不规则的多个磁畴的情况相比，有可能使磁场的变化平滑，并且减少巴克豪森噪声。此外，在当多个存储单元3布置在图1所示的阵列图案中时，通过组合读写导线5和铁磁轭20获得的磁场属性能够在这些存储单元之间均匀化，并且写控制能够更为方便。

然后，在这种对于各个存储单元3来说，组合读写导线5从位线13引入，并且铁磁轭20形成在各个组合读写导线5中的独立结构的情况下，各个存储单元的磁化属性倾向于导致偏移，因为磁化属性通常在多个铁磁轭20之间是不同的。但是，通过使铁磁轭20各自形成磁畴，如当前的磁存储器1，使得有可能减少磁化属性的偏移并且在多个存储单元3间使写速度均匀化。

当组合读写导线5配置了铁磁轭20时，铁磁轭结构20的圆周方向构成相对于铁磁轭20的较长方向。在忽略约束作用时，多个磁畴不可避免地主要地形成在纵向，并且最终引起呈现倾斜于一个圆周方向的磁化状态。也就是说，一部分上的写速度和另一部分上的写速度在二进制写入时不同，或者一部分上所需的电流大小以及电压和另一部分上所需的电流大小以及电压不同的情况可能出现。根据实施例，由于铁磁轭20的磁化状态X强制地固定在导线方向上，因此磁化状态X恒定地维持中立。因此，当进行写工作时，有可能在写入“0”和“1”时都使组合读写导线5中的电流和电压大小以及形成磁场的速度(即上升率/写速度)均匀化，并不必依赖组合读写导线5中电流的方向。

此外，根据本磁存储器1，通过形成铁磁轭20并且其后在制造过程中在其上叠加轭级反铁磁层26，有可能在反元件侧轭20B和侧部轭20C的外周侧上形成轭级反铁磁层26，并且容易地约束铁磁轭20。此外，在复合构造使得组合读写导线5在铁磁轭20前后弯曲的情况下，如本磁存储器那样，则这些导线易于产生形成噪音的磁场。铁磁轭20在这种变化噪音磁场下易受损坏。但是，通过使铁磁轭20与轭级反铁磁层26固定，有可能减少噪音的影响，因为它的磁化状态X偏置在中立方向上。

顺便说一下，尽管磁存储器1已经描述为通过向反元件侧轭20B和侧部轭20C增加轭级反铁磁层26而减少噪音影响，但这种减少可以优选地例如通过用预备地在读出线7上形成轭级反铁磁层16并且随后在其上形成元件侧轭20A而确实地固定元件侧轭20A而实现，例如，如图10(A)所示。

同样优选的是，分割元件侧轭并且将元件4插入在分割的部分之间，如图10(B)所示。在这种情况下，可允许在TMR元件和读出线7之间建立直接接触，同时保证元件侧轭的分割表面和TMR元件4的端面之间存在间隙。因此，铁磁轭20的磁场能够施加到TMR元件4的端面并且能够增强写和读的响应率。进一步可允许的是，使轭级反铁磁层26在例如各个元件侧轭20A的内周侧(即组合读写导线5侧)。本发明，中使用的措辞“元件侧轭的分割”表示的是通过制造过程完成的铁磁铁磁轭20的形成状态。不需要限于连续地形成元件侧轭20A随后进行分割工作的情况。例如，可允许独立地形成一对元件侧轭20A(能够呈现分割状态)并且将TMR元件夹在其间。

下面将参考图11解释根据本发明的第二实施例的磁存储器101。此磁存储器101配置了多个位线113、多个字线115以及多个TMR元件104。位线113在一个平面内互相平行地布置，并且字线115同样地互相平行地布置在一个平面内，与位线113分开一个距离。顺便说一下，由于位线113和字线115的延伸方向彼此垂直，因此，这些线113和115总地形成一个空间网格。位线和字线115能够通过在其中流过的电流为TMR元件104产生写磁场。

TMR元件104邻近地布置在位线113和字线115彼此交叉的地方(交叉点K)。具体地说，TMR元件104布置为夹在位线113和字线115之间。因此，TMR元件104的一侧表面碰到线113并且它的另一侧表面碰到字线115。

顺便说一下，TMR元件104布置在构成如上所述空间网格的交叉点的交叉点K上的事实，换句话说，意味着各个位线113或者字线115横跨多个TMR元件104而布置。

此外，所有位线113和字线115部分地沿较长方向被导线级铁磁层140覆盖，并且因此形成所谓的镀层结构。导线级铁磁层140布置为直接覆盖位线113和字线115中TMR元件104的相反侧表面(反元件侧表面)，并且这些导线级铁磁层140构成用于抑制各个导线113和115产生的磁通量的渗漏的结构。因此，从位线113和字线115产生的磁通量集中在存在于与导线级铁磁层140相对的侧上的TMR元件104上。

此外，镀层级反铁磁层126添加到导线级铁磁层的表面(位线113和字线115的相反侧表面)。通过复合平面上与镀层级反铁磁层126的互换耦合，稳定了导线级铁磁层140的磁化方向。用镀层级反铁磁层126约束导线级铁磁层140的状态X的方向设置为与被导线级铁磁层140覆盖的位线113或者字线115的延伸方向大致一致。因此，在没有电流流向位线113字线115时，导线铁磁层140的磁化状态包括单个磁畴和方向。

在本磁存储器101中执行的写工作包括首先根据请求地址从多个位线113中选择一条线，也根据相同的请求地址从多个字线115中选择一条线，然后判断哪个二进制信息(0，1)用于写，并且响应于该二进制信息传递电流。由于位线113和字线115在圆周方向产生磁场，因此各个导线级铁磁层140的磁化状态X的方向用这种方式平滑地旋转以便由这些磁场引导直到它们与各个线113和115的磁场一致。通过线113和字线115的交互作用，TMR元件104的第一磁层的磁化状态(未显示)设置在规定方向，以完成二进制信息的写工作。

同样在本磁存储器101中，类似于第一实施例，用于防止磁通量泄漏的导线级铁磁层140的磁化状态X固定在导线的延伸方向上，以形成单个磁畴。根据从位线113或者字线115产生的磁场感应的磁化状态X平滑地改变并且减少写噪声。具体地说，如在当前的第二实施例中，当导线113和115在较长方向的磁化属性由于采用镀层结构而丧失均匀性，其中多个交叉点K存在于字线113或位线115之一的整个较长方向上时，各个TMR元件104(交叉点K)的磁场强度和波动属性变化，并且写过程期间的定时控制和电流/电压控制变得复杂。但是，在本磁存储器101中，尽管各个导线113和115形成了镀层结构，但由于各个线113和115在整个较长方向的磁化利用镀层级反铁磁层126而变得均匀，因此有可能对所有TMR元件104来说，在写过程期间的磁化状态均匀化并且提高了写速度。

顺便说一下，尽管第二实施例的磁存储器101已经参考仅仅覆盖位线113和字线115的反元件表面的情况进行了描述，但本发明不需要限于这个模式。优选地，导线级铁磁层140各自布置为正方形的三个边的横截面的形状，以便不仅覆盖导线113和115的反元件表面而且覆盖例如各个导线113和115延续到反元件表面的相对侧表面，如图12所示，从而磁通量的泄漏量进一步减少，并且将为TMR元件更有效地提供磁场。在这个时候，镀层级反铁磁层126可以仅仅被加到导线级铁磁层140中外部反元件表面侧或者镀层级反铁磁层126可以被加到导线级铁磁层140的整个外边缘区，其中各个导线级铁磁层140的形状为正方形的三个边的横截面，以便将导线、镀层以及反铁磁层集中包含在汽缸衬筒形状中，如图13所示。

在本磁存储器101中，镀层级反铁磁层126可以仅仅被加到位线113或者字线115。优选地，本磁存储器101具有各种镀层的组合，如图11-图13所示。例如，TMR元件下面的字线115可以利用镀层级反铁磁层添加镀层，如图11所示，并且TMR元件上面的位线113可以利用镀层级反铁磁层加上镀层，如图12所示。

本第二实施例已经参考位线113和字线115在它的整个较长方向被覆盖的情况进行了描述。然而，本发明不限于这个模式。可选地，它们可以在它们的较长方向被部分覆盖。例如，从提高为TMR元件104形成的磁场强度的观点看，各个导线113和115可以使它们的区域至少包括被局部覆盖的交叉点K以便呈现局部镀层结构。

在图14中，图解了构成本发明的第三实施例的磁存储器201的整体结构。顺便说一下，下面将描述磁存储器201，以它不同于第一实施例的地方为主。通过借助于相关附图标记的两个最低有效位的一致性，它与第一实施例共享的部件和元件将在以下描述中省略。

在此磁存储器201中，存储器部分202的各个存储单元203，如图15中放大比例的图示，配置有TMR元件204、写级导线205A、读级导线205B、写级晶体管206A、读级晶体管206B等。不像利用组合读写导线的第一实施例，第三实施例的磁存储器201适合于通过将写级导线205A和读级导线205B配置为彼此独立，从而减少如回转电流这种原因的噪音。

写级导线205A的相对端连接到两条位线213和214，并且写级晶体管206插入在这两端之间。因此，通过在位线213和214之间施加电压，并且接通写级晶体管206A，使得有可能向写级导线205A提供电流并且产生围绕邻近配置的TMR元件204外围的磁场。然后，读级导线205B的相对端也连接到两条位线213和214，并且读级晶体管206B和TMR元件204插入在这些端子之间。因此，通过在位线213和214之间施加电压，并且接通写级晶体管206A，使得有可能向读级导线205B提供电流，并且检测TMR元件的电阻大小的变化。顺便说一下，写级晶体管206A连接到字线215并且读级晶体管206B连接到字线216。因此，通过利用施加到字线215和216的电压，有可能彼此独立地切换各个晶体管206A和206B的连续性状态。因此，可以在有需要时从位线213和214向字线215提供电流。

在图16中，以放大比例尺图解铁磁轭220。这个铁磁轭220由元件侧轭220A、反元件侧轭220B以及一对侧部轭220C和220C组成，其中元件侧轭220A布置为邻近写级导线205A中的TMR元件204侧，反元件侧轭220B布置为邻近写级导线205A中的TMR元件204的相对侧，并且一对侧部轭220C和220C布置为连接实质上为圆周形状的元件侧轭220A的两端和反元件侧轭220B的两端，并且穿过写级导线205A。顺便说一下，在元件侧轭220A中形成的间隙中，布置TMR元件204。

TMR元件204和写级导线205A通过绝缘体222设置为互相绝缘的状态。同时，这个TMR元件204的上端面和下端面连接到读级导线205B。顺便说一下，读级导线205B形成为具有这种向下凸的横截面的薄膜结构，以便写级导线205A和TMR元件204可以最充分的程度彼此接近。

此外，轭级反铁磁层226形成在铁磁轭220中的反元件侧轭220B和侧部轭220C和220C的外周侧。因此，铁磁轭220通过这个轭级反铁磁层226的接合表面上的互换耦合使其磁化方向稳定。固定铁磁轭220中磁化状态的方向设置为大致与写级导线205A的延伸方向一致，即垂直于写级导线205A产生的感应磁场的方向。

第三实施例的磁存储器201能够获得与第一实施例相同的效果，并且还能够在写操作期间专门向写级205A提供电流，因为写级导线205A和读级导线205B彼此独立。同时，它能够在写操作过程期间专门向写级导线205A提供电流。因此，写入和读出动作能够进一步地稳定，因为能够避免回转电流，而不必靠例如二极管。

(实例)

在第三实施例的磁存储器201中，产生四个存储单元(样品No.1-4)，向写级导线205A提供电流，并且检查TMR元件204以确定因此导致的其中状态的变换。具体地说，写级导线205A在长度方向的大小设置为0.2μm，并且它的宽度方向的大小设置为0.5μm，写级导线205A的宽度设置为0.5μm，铁磁轭220中写级导线205A的长度方向的大小为0.2μm，元件侧轭220A的壁厚为20nm，以及反元件侧轭220B的壁厚为50nm。通过测量TMR元件204的波动状态的MR比率(％)来确定TMR元件204的磁场变换状态。顺便说一下，MR比率指的是用公式{R(a…b)-R(a＝b)}/R(a＝b)表示的比率，其中R(a＝b)表示其中TMR元件204中第一磁层的磁化方向与第二磁层的磁化方向一致时TMR元件204的电阻大小，并且R(a…b)表示其中第一磁层的磁化方向与第二磁层的磁化方向相反时TMR元件204的电阻大小，结果显示在图17中。

从图中清楚的看到，即使当到写级导线205A的电流的流向反复反向时，也给出了非常小噪声的稳定磁滞曲线。由于磁滞曲线的形状接近点对称，很明显，铁磁轭的磁化状态处于好的平衡。此推断可以在逻辑上通过假定铁磁轭220的磁场利用轭级反铁磁层226而变为中性状态下的单个磁畴来解释。因此，即使当多个存储单元203布置在阵列图案中时，写速度在所有存储单元203之间也是均匀的。

(对照实例)

为了澄清轭级反铁磁层226的效果，产生四个存储单元(样品No.5-8)在尺寸上等于在工作实例中产生的磁存储器201，并且除去轭级反铁磁层226，向写级导线205A提供电流，并且检查TMR元件以确定其中因此感应的变换的程度，即MR比率，结果显示在图18中。

从图中清楚的看到，当提供给写级导线205A的电流的方向反复反向时，局部产生了大噪声。这意味着，铁磁轭220的磁化状态不稳定。此外，磁滞曲线的整个形状不对称，事实清楚地表示，TMR元件204中在一个方向的写入和在另一个方向的写入在响应属性上显著不同。此推论可以通过假定多个磁畴不可避免地主要形成在长度方向，并且因为铁磁轭220不固定，磁化状态在一个圆周方向偏移来在逻辑上进行解释。

顺便说一下，本发明预期的磁存储器不需要限于以上引用的任何实施例，而是允许变化的修改。尽管以上引用的实施例利用TMR元件作为磁阻效应元件，但可以改为利用例如利用巨磁阻效应(GMR)的GMR元件。术语“GMR效应”意思指铁磁层在垂直于叠层方向的方向的电阻大小通过由包括一个非磁性层的两个铁磁层的磁化方向形成的角度而改变。也就是说，在GMR元件中，铁磁层的电阻大小在两个铁磁层的磁化方向彼此平行时最小，并且在两个铁磁层的磁化方向彼此不平行时最大。顺便说一下，TMR元件和GMR元件各个是两个已知的类型，即对位自旋球类型，它通过利用两个铁磁层之间矫磁力的差异实行写入/读出；以及自旋球类型，它通过与反铁磁层的互换耦合固定铁磁层之一的磁化方向。因此，读出GMR元件中的数据是通过检测铁磁层在垂直于叠层方向的方向中的电阻大小而进行的。在GMR元件中写入数据是通过用写入电流产生的磁场反转铁磁层之一的磁化方向而进行的。

在以上引用的第一或者第三实施例中，晶体管(组合读写晶体管)用作开关部件，用于控制写入电流和读出电流。作为开关部件，可以在有需求时采用具有接通/断开电流连续性的功能的改变部件。

此外，本实施例已经参考借助于添加一个反铁磁层到铁磁体，作为用于固定覆盖导线的铁磁体的磁化状态的部件的情况进行了描述。本发明不需要限于这个模式。约束效果例如可以通过为铁磁体提供附加磁层，用来通过非磁性金属层来覆盖导线，并且因此使磁层能够形成与铁磁体的反铁磁耦合而获得。

本发明能够广泛地使用在如借助于磁阻效应元件记录和保持各种信息的领域中。

Claims (12)

1.一种磁存储器，其特征在于，包括：

导线，用于产生写磁场，

磁阻效应元件，邻近所述导线布置，以及

铁磁体，配置为覆盖至少部分所述导线，并且适于：

使它的磁化状态定向在指定方向上。

2.如权利要求1所述的磁存储器，其中所述铁磁体的磁化状态形成为单个磁畴。

3.如权利要求1或权利要求2所述的磁存储器，其中所述铁磁体的磁化状态被约束在实质上与所述导线的延伸方向相同的方向上。

4.一种磁存储器，其特征在于，包括：

导线，用于产生写磁场，

磁阻效应元件，邻近所述导线布置，以及

铁磁体，配置为覆盖至少部分所述导线，以及

磁化方向固定部件，用于将所述铁磁体的磁化状态约束在一个实质上与所述导线的延伸方向相同的方向上。

5.如权利要求4所述的磁存储器，其中反铁磁层作为所述磁化方向固定部件添加到所述铁磁体。

6.如权利要求5所述的磁存储器，其中多个所述磁阻效应元件沿所述导线布置，并且所述铁磁体布置成横跨导线与所述磁阻效应元件的多个邻接点。

7.如权利要求5或权利要求6所述的磁存储器，其中

所述铁磁体布置为覆盖构成所述导线中所述磁阻效应元件相对的侧的反元件表面以及延续到所述导线中所述反元件表面中的相对侧面，以及

所述反铁磁层被增加到所述铁磁体中所述反元件表面的外侧。

8.如权利要求4到7中的任何一项所述的磁存储器，其中

布置多个所述磁阻效应元件，并且所述磁阻效应元件能够形成多个存储单元，所述多个存储单元能够保持信息，以及

所述铁磁体和所述磁化方向固定部件在各个所述存储单元中布置为独立状态。

9.一种磁存储器，其特征在于，包括：

导线，用于产生写磁场，

磁阻效应元件，邻近所述导线布置，

铁磁轭，布置为覆盖所述导线与所述磁阻效应元件的邻接区，以及

反铁磁层，被添加到所述铁磁轭，并且适于在所述铁磁轭的磁化状态的约束方向和所述导线的延伸方向之间建立实质上的一致性。

10.如权利要求9所述的磁存储器，其中

所述铁磁轭由如下部件组成：

元件侧轭，布置在所述导线中的所述磁阻效应元件侧上与所述导线跨越一个间隙，

反元件侧轭，布置在所述导线中与所述磁阻效应元件相对的侧上与所述导线跨越一个间隙，以及

一对侧部轭，通过将所述元件侧轭的相对端与所述反元件侧轭的相对端相连而环绕所述铁磁轭，并且布置为从所述导线跨越一个间隙，以及

所述导线向所述环绕的铁磁轭的内周侧延伸，并且所述反铁磁层被添加到所述铁磁轭的至少部分外周侧。

11.如权利要求10所述的磁存储器，其中

所述铁磁轭的环绕状态通过在它的所述圆周方向分割所述元件侧轭而彼此断开，以及

所述磁阻效应元件布置为出现在所述元件侧轭的所述分割区域中。

12.如权利要求4到11中的任何一项所述的磁存储器，其中

所述导线向与所述磁阻效应元件的邻接区的外部弯曲。

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