DE10113853A1

DE10113853A1 - Magnetspeicherelement, Magnetspeicher und Herstellungsverfahren für einen Magnetspeicher

Info

Publication number: DE10113853A1
Application number: DE10113853A
Authority: DE
Inventors: Masashi Michijima; Hidekazu Hayashi; Ryoji Minakata
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-03-23
Filing date: 2001-03-21
Publication date: 2001-10-04
Anticipated expiration: 2021-03-22
Also published as: US6396735B2; US20010026471A1; CN1203560C; DE10113853B4; CN1320973A

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Magnetspeicher mit einem Magnetspeicherelement aus mindestens einer ersten ferromagnetischen Schicht (12), einer unmagnetischen Schicht (13) und einer zweiten ferromagnetischen Schicht (14), die aufeinandergestapelt sind, ist eine dritte ferromagnetische schicht (16) über mindestens einer Leiterschicht (15) auf einer Seite der zweiten ferromagnetischen Schicht vorhanden, deren andere Seite dichter an der unmagnetischen Schicht liegt. Die Magnetspeicherelemente können dadurch mit einem kleineren gegenseitigen Intervall angebracht werden, um dadurch einen Magnetspeicher mit höherer Dichte als bei einem herkömmlichen Magnetspeicher zu realisieren. Ferner kann die erste Leiterschicht zum Liefern eines Stroms zum Erzeugen von Magnetisierungsinformation in der Nähe der als Speicherschicht wirkenden zweiten ferromagnetischen Schicht angebracht werden, um dadurch einen Magnetspeicher zu erzeugen, der selbst bei einem kleinen Strom und niedrigem Energieverbrauch Magnetpole erzeugen kann, die zum Umkehren der Magnetisierung ausreichen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen Magnetspeicher, bei dem aufge zeichnete Information magnetoresistiv abgespielt werden kann, und sie betrifft ein Verfahren zu dessen Herstellung, und insbesondere betrifft sie ein Magnetspeicherelement, in dem trotz hoher Dichte in einer Speicherschicht eine stabile Magnetisierung existiert, einen Magnetspeicher und ein Ver fahren zu dessen Herstellung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In den letzten Jahren wurde die Anwendung von Elementen wie solchen mit anisotropem Magnetowiderstand (AMR = Anisotropic Magneto Resistive), mit Riesenmagnetowiderstand (GMR = Giant Magneto Resistive) und magnetischem Tunnelübergang (MTJ = Magnetic Tunnel Junction) für HDD-Abspielköpfe und Magnet speicher vorgeschlagen. Ein Magnetspeicher ist, wie ein Halbleiterspeicher, ein Festkörperspeicher ohne arbeitende Abschnitte, und im Vergleich mit einem Halbleiterspeicher verfügt ein Magnetspeicher über eine Anzahl von Vorteilen wie (a) kein Informationsverlust beim Abschalten, (b) Ver fügbarkeit für ein unbegrenzte Anzahl wiederholter Einsätze und (c) Verhinderung der Zerstörung des Speicherinhalts durch einfallende Röntgenstrahlung.

Insbesondere ändert sich bei einem MTJ-Element die Wider stands-Änderungsrate in großem Ausmaß abhängig von der Mag netisierungsrichtung in einem Paar ferromagnetischer Schich ten, die das MTJ-Element aufbauen. Es wurde die Verwendung eines MTJ-Elements in einer Speicherzelle erwartet.

Die Struktur eines herkömmlichen MTJ-Elements ist z. B. in der Veröffentlichung Nr. 106514/1997 (Tokukaihei 9-106514, veröffentlicht am 22. April 1997) zu einer ungeprüften japa nischen Patentanmeldung offenbart.

Ein MTJ-Element, wie es in Fig. 33 dargestellt ist, besteht aus einer antiferromagnetischen Schicht 51, einer ferromag netischen Schicht 52, einer Isolierschicht 53 und einer fer romagnetischen Schicht 54, die aufeinandergestapelt sind.

Die antiferromagnetische Schicht 51 besteht aus einer Legie rung FeMn, NiMn, PtMn oder IrMn. Die ferromagnetischen Schichten 52 und 54 bestehen aus Fe, Co oder Ni oder einer Legierung hiervon. Ferner wurde hinsichtlich des Materials der Isolierschicht 53 die Verwendung verschiedener Oxide oder Nitride untersucht, wobei bekannt ist, dass die Verwen dung eines Al₂O₃-Films das höchste Magnetowiderstands (Mr = magneto-resistive)-Verhältnis erzeugt.

Ferner wurde, neben dem Vorstehenden, ein MTJ-Element vorge schlagen, das eine Differenz der Koerzitivfeldstärken zwi schen den ferromagnetischen Schichten 52 und 54 in einer Struktur ohne die antiferromagnetische Schicht 51 nutzt.

Die Prinzipien eines MTJ-Elements bei Verwendung als Magnet speicher sind in Fig. 34 veranschaulicht.

Die Magnetisierung in beiden ferromagnetischen Schichten 52 und 54 ist eine in der Ebene liegender Magnetisierung, die einer tatsächlichen uniaxialen magnetischen Anisotropie un terliegt, die die Magnetisierung entweder parallel oder an tiparallel ausrichtet. Außerdem ist die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 52 praktisch auf Grund der Aus tauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht 51 in einer Richtung fixiert. Ferner wird aufgezeichnete Informa tion in einer Magnetisierungsrichtung in der ferromagneti schen Schicht 54 aufrechterhalten, die innerhalb eines Be reichs der uniaxialen magnetischen Anisotropie flexibel va riiert. Es wird darauf hingewiesen, dass "antiparallel" ei nen Magnetisierungszustand der ferromagnetischen Schichten 52 und 54 bezeichnet, bei dem die Magnetisierungen zueinan der parallel aber einander entgegengerichtet sind.

Die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 54 weist, damit sie als Speicherschicht wirkt, die Eigenschaft auf, dass der Widerstand des gesamten MTJ-Elements 50 abhängig von der Richtung variiert, die parallel oder antiparallel zur Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 52 verwen det wird.

Demgemäß wird beim Abspielen der Widerstandswert erfasst, um einen in einem MTJ-Element 50 abgespeicherten Informations datenwert abzurufen.

Ferner wird beim Aufzeichnen ein durch einen in der Nähe des MTJ-Elements 50 angebrachten Stromdraht erzeugtes Magnetfeld dazu verwendet, die Magnetisierungsrichtung in der ferromag netischen Schicht 54 zu ändern, um dadurch ein Einschreiben von Daten in das MTJ-Element 50 auszuführen.

Indessen erzeugt das MTJ-Element 50 mit der vorstehend ange gebenen Struktur an beiden Enden einen Magnetpol, da die ferromagnetischen Schichten 52 und 54 in der Ebene magneti siert sind. Im Ergebnis tritt, wenn unter Verwendung von MTJ-Elementen 50 ein Speicherarray aufgebaut wird, zwischen benachbarten MTJ-Elementen 50 eine magnetostatische Wechsel wirkung auf. Dies bedeutet den Zustand, dass ein benachbar tes MTJ-Element eine Auswirkung auf die Eigenschaften eines betroffenen MTJ-Elements hat, was es erschwert, den Abstand zwischen MTJ-Elementen zu verringern und damit die Aufzeich nungsdichte zu erhöhen.

Angesichts der vorstehenden Probleme ist in der Veröffentli chung Nr. 161919/1999 (Tokukaihei 11-161919, veröffentlicht am 18. Juni 1999) zu einer ungeprüften japanischen Patentan meldung ein Verfahren zum Verringern der Auswirkung von Kan tenmagnetpolen offenbart.

In Fig. 35 ist ein Struktur eines MTJ-Elements 60 darge stellt, die den Effekt von Kantenmagnetpolen senkt. Gemäß Fig. 34 sind eine ferromagnetische Schicht (fixierte Schicht) 62, deren Magnetisierungsrichtung durch Kopplung mit einer antiferromagnetischen Schicht 61 fixiert ist, und eine ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 64, deren Magnetisierung sich in Bezug auf ein externes Magnetfeld frei drehen kann, so aufeinandergestapelt, dass sie eine Isolierschicht 63 einbetten. Ferner weist die ferromagneti sche Schicht 62 eine solche Struktur auf, dass ein Paar fer romagnetischer Schichten 71 und 73, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, eine unmagnetische Metallschicht 72 einbet ten. In ähnlicher Weise verfügt die ferromagnetische Schicht 64 über eine Struktur, bei der ein Paar ferromagnetischer Schichten 74 und 76, die antiferromagnetisch gekoppelt sind, eine unmagnetische Metallschicht 75 einbetten, um dadurch Magnetpole zu verringern, wie sie an den Kanten der als flexible Schicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 64 und der als Fixierschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 62 erzeugt werden.

Jedoch zeigt der obige herkömmliche Magnetspeicher die fol genden Probleme.

Die ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 64, die nicht an die antiferromagnetische Schicht angrenzt, besteht aus einer NiFe-Schicht/Ru-Schicht/NiFe-Schicht, und ihre Magnetisierung dreht sich bei Anlegung eines externen Mag netfelds auf flexible Weise. Gemäß dem Dokument aus dem Stand der Technik verfügt die unmagnetische Metallschicht (Ru-Schicht) 75 über ein Filmdicke, die so eingestellt ist, dass das Paar ferromagnetischer Schichten (NiFe-Schichten) 74 und 76 maximale antiferromagnetische Kopplungsstärke auf weist, wobei geringfügig verschiedene Filmdicken vorliegen. Wenn von außen ein Magnetfeld angelegt wird, dreht sich die Nettomagnetisierung der als flexible Schicht wirkenden fer romagnetischen Schicht 64, die durch die Differenz zwischen den Filmdicken des Paars ferromagnetischer Schichten (NiFe- Schichten) 74 und 76 erzeugt wird.

Jedoch ist die Filmdicke der unmagnetischen Metallschicht (Ru-Schicht) 75 so eingestellt, dass zwischen dem Paar fer romagnetischer Schichten (NiFe-Schichten) 74 und 76 die ma ximale antiferromagnetische Kopplungsstärke vorliegt. Daher liegt die Filmdicke der unmagnetischen Metallschicht (Ru- Schicht) 75 im Bereich von 0,4 nm (4 Å) bis 0,8 nm, d. h., dass sie sehr dünn ist. Bei dieser Anordnung wirkt die Aus bildung feiner Löcher in umgekehrter Richtung und induziert ferromagnetische Kopplung, so dass es schwierig ist, eine stabile antiferromagnetische Kopplungsstärke zu erzielen. Außerdem muss, damit ein externes Magnetfeld die Magnetisie rungsrichtung umkehren kann, das Paar ferromagnetischer Schichten (NiFe-Schichten) 74 und 76 verschiedene Filmdicken aufweisen. Genauer gesagt, ist es schwierig, die Magnetisie rung umzukehren, wenn die scheinbare Magnetisierung der zwei Schichten null ist, und daher muss durch Ändern der Filmdi cke eine Magnetisierung erzeugt werden. Jedoch verhindert die Differenz der Filmdicken der zwei Schichten ein Absenken der Nettomagnetisierung des von außen gesehenen MTJ-Elements 60 auf null. Demgemäß bestand ein Problem dahingehend, dass der herkömmliche Magnetspeicher nicht mit hoher Dichte her gestellt werden konnte, da ein an einer Kante einer ferro magnetischen Schicht erzeugter Magnetpol ein benachbartes magnetisches Speicherelement nachteilig beeinflusst.

Ferner wird, wenn ein MTJ-Element 60 als Magnetspeicherele ment verwendet wird, durch das Hindurchführen von elektri schem Strom durch benachbarte Leiterdrähte ein zum Umkehren der Magnetisierung erforderliches Magnetfeld erzeugt. Jedoch sind im Dokument aus dem Stand der Technik keine Anordnungen zum Senken des Energieverbrauchs offenbart.

Ferner wird beim herkömmlichen Magnetspeicher, wenn das MTJ- Element 60 als Magnetkopf verwendet wird, dasselbe in einem Zustand verwendet, in dem ein angelegtes Magnetfeld und die Richtung einer Achse harter Magnetisierung der ferromagneti schen Schicht (flexible Schicht) 64 einander rechtwinklig schneiden. Wenn jedoch ein MTJ-Element 60 als Magnetspei cherelement verwendet wird, ist es allgemein üblich, dass das von zwei einander schneidenden Leiterdrähten auf dem Magnetspeicherelement erzeugtes Magnetfeld die Magnetisie rung der ferromagnetischen Schicht (flexible Schicht) 64 dreht. Dies bewirkt, dass ein angelegtes Magnetfeld seine Richtung zur Richtung der Achse harter Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht (flexible Schicht) 64 dreht. Dem gemäß ist es unwahrscheinlich, dass eine einfache Umkehrung der Magnetisierung auf Grund einer Drehung der Magnetisie rung, wie im Dokument aus dem Stand der Technik offenbart, tatsächlich auftritt, was verhindert, dass ein Element mit dieser Anordnung als Magnetspeicherelement verwendbar ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Angesichts der vorstehenden Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, Folgendes zu schaffen: (i) ein Magnetspeicherele ment, das eine in einer Speicherschicht gespeicherte Magne tisierung stabil aufrechterhalten kann und das niedrigen Energieverbrauch zeigt, (ii) einen Magnetspeicher mit einem solchen Magnetspeicherelement und (iii) ein Verfahren zum Herstellen dieses Magnetspeichers.

Um die vorstehenden Probleme zu lösen, verfügt der erfin dungsgemäße Magnetspeicher über ein Magnetspeicherelement mit einem Laminat aus zumindest eine ersten ferromagneti schen Schicht, einer unmagnetischen Schicht und einer zwei ten ferromagnetischen Schicht, wobei eine dritte ferromagne tische Schicht über mindestens einer dazwischen vorhandenen Leiterschicht auf einer Seite der zweiten ferromagnetischen Schicht vorhanden ist, deren andere Seite dichter an der un magnetischen Schicht liegt.

Ferner verfügt, um die vorstehenden Probleme zu lösen, der erfindungsgemäße Magnetspeicher über mehrere ferromagneti sche Schichten mit uniaxialer, anisotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung sowie eine Isolierschicht auf zu einander parallelen Achsen, und er nutzt einen Tunneleffekt zum Abspielen von Magnetisierungsinformation, wobei er mit Folgendem versehen ist: einer ersten ferromagnetischen Schicht als fester Schicht sowie einer zweiten ferromagneti schen Schicht als Speicherschicht unter den mehreren ferro magnetischen Schichten; und einer ersten Leiterschicht zum Liefern eines Stroms zwischen der zweiten ferromagnetischen Schicht und einer dritten ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierungsrichtung flexibel umkehrbar ist; wobei die erste Leiterschicht einen Strom in einer Richtung rechtwink lig zur Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagneti schen Schicht liefert.

Bei der vorstehend genannten Anordnung wird Magnetisierungs information im Magnetspeicher gespeichert, wenn ein durch die erste Leiterschicht fließender Strom ein Magnetfeld an die als Speicherschicht wirkende zweite ferromagnetische Schicht anlegt. Die der zweiten, als Speicherschicht wirken den ferromagnetischen Schicht verliehene Magnetisierung und die der dritten ferromagnetischen Schicht, die auf der ent gegengesetzten Seite bei dazwischenliegender erster Leiter schicht ausgebildet ist, verliehene Magnetisierung nebenein ander in entgegengesetzten Richtungen auf. Genauer gesagt, werden an die zweite und dritte ferromagnetische Schicht, die auf bzw. unter der ersten Leiterschicht liegen, Magnet felder mit entgegengesetzten Richtungen gemäß der Korkenzie herregel angelegt, was bewirkt, dass die Magnetisierungen in den zwei ferromagnetischen Schichten in entgegengesetzten Richtungen zeigen. So heben die Magnetisierungen in der zweiten und dritten ferromagnetischen Schicht einander auf, was die scheinbare Magnetisierung des Magnetspeicherelements senkt und damit einen möglichen nachteiligen Effekt auf be nachbarte Magnetspeicher verringert.

Demgemäß können Magnetspeicherelemente unter Verringerung des gegenseitigen Abstands angeordnet werden, wodurch ein Magnetspeicher mit höherer Dichte als bei einem herkömmli chen Magnetspeicher realisiert wird. Darüber hinaus kann die erste Leiterschicht, die einen Strom zum Erzeugen von Magne tisierungsinformation liefert, in der Nähe der als Speicher schicht wirkenden zweiten ferromagnetischen Schicht vorhan den sein, was zu einem Magnetspeicher führt, der auch bei kleinem Strom ein zum Umkehren der Magnetisierung ausrei chendes Magnetfeld erzeugen kann, wodurch niedriger Energie verbrauch möglich ist.

Um die vorstehenden Probleme zu lösen, verfügt ein erfin dungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Magnetspeichers mit mehreren Magnetspeicherelementen mit einem Laminat aus mindestens einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer un magnetischen Schicht und einer zweiten, als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht über die folgenden Schritte: Herstellen eines Laminatfilms auf zumindest der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht in dieser Reihen folge ausgehend von der Seite eines Substrats aufeinander folgend auf diesem Substrat; Bearbeiten des Laminatfilms auf die Form jedes der Vielzahl von Magnetspeicherelementen, die voneinander getrennt sind; Herstellen eines Isolierfilms in solcher Weise, dass ein Zwischenraum zwischen der Vielzahl von auf dem Substrat hergestellten Magnetspeicherelementen ausgefüllt wird; Herstellen einer Leiterschicht und einer dritten ferromagnetischen Schicht aufeinanderfolgend auf der Isolierschicht über und zwischen der Vielzahl von Magnet speicherelementen; und Bearbeiten der Leiterschicht in sol cher Weise, dass benachbarte Magnetspeicherelemente in einer Richtung miteinander verbunden sind, nachdem die dritte fer romagnetische Schicht auf im Wesentlichen dieselbe Form wie jedes der Magnetspeicherelemente bearbeitet wurde.

Ferner verfügt, um die vorstehend genannten Probleme zu lö sen, ein Herstellverfahren für einen Magnetspeicher mit ei ner Vielzahl von Magnetspeicherelementen mit einem Laminat aus zumindest einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer unmagnetischen Schicht und einer zweiten, als Speicher schicht wirkenden ferromagnetischen Schicht über die folgen den Schritte: Herstellen eines Laminatfilms auf zumindest der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite eines Substrats aufein anderfolgend auf diesem Substrat; Bearbeiten des Laminat films auf die Form jedes der Vielzahl von Magnetspeicherele menten, die voneinander getrennt sind; Herstellen eines Iso lierfilms in solcher Weise, dass ein Zwischenraum zwischen der Vielzahl von auf dem Substrat hergestellten Magnetspei cherelementen ausgefüllt wird; Herstellen einer ersten Lei terschicht und einer Isolierschicht aufeinanderfolgend auf der Isolierschicht auf und zwischen der Vielzahl von Magnet speicherelementen; Bearbeiten der ersten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte Magnetspeicherelemente nur in einer Richtung verbunden sind; Herstellen einer Isolier schicht in solcher Weise, dass sie den Zwischenraum um die bearbeitete erste Leiterschicht herum ausfüllen; Herstellen einer zweiten Leiterschicht und einer dritten ferromagneti schen Schicht aufeinanderfolgend auf der Isolierschicht über und zwischen der bearbeiteten ersten Leiterschicht; und Be arbeiten der zweiten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte Magnetspeicherelemente nur in einer Richtung verbunden sind, die die erste Leiterschicht rechtwinklig schneidet, nachdem die dritte ferromagnetische Schicht auf im Wesentlichen dieselbe Form wie das Magnetspeicherelement bearbeitet wurde.

Ferner verfügt, um die vorstehenden Probleme zu lösen, ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren für einen Magnetspeicher mit einem Laminat aus mehreren ferromagnetischen Schichten und einer Isolierschicht und einem Speicherabschnitt zum Speichern von Magnetisierungsinformation, wobei eine Wider standsänderung betreffend einen durch den Speicherabschnitt fließenden Strom gemäß einem Tunneleffekt erfasst wird, über die folgenden Schritte: Herstellen einer dritten ferromagne tischen Schicht mit uniaxialer, anisotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung auf einem Substrat; Herstellen ei ner ersten Leiterschicht zum Liefern eines Stroms durch Kopplung mit Magnetspeicherelementen, die in einer Richtung benachbart sind, die die Magnetisierungsrichtung in der dritten ferromagnetischen Schicht rechtwinklig schneidet; Herstellen einer Isolierschicht in solcher Weise, dass sie die Oberseite der ersten Leiterschicht bedeckt und Zwischen räume zwischen den Magnetspeicherelementen ausfüllt; Her stellen einer dritten Leiterschicht als untere Elektrode zum Erfassen der Widerstandsänderung; Herstellen eines Speicher abschnitts mit einer ferromagnetischen Schicht mit uniaxi aler, anisotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung sowie einer Isolierschicht auf einer Achse parallel zur Mag netisierung in der dritten ferromagnetischen Schicht; und Herstellen einer zweiten Leiterschicht als obere Elektrode, die die Widerstandsänderung erfasst, zum Liefern eines Stroms durch Verbindung mit den Magnetspeicherelementen, die in einer Richtung parallel zur Magnetisierungsrichtung in der dritten ferromagnetischen Schicht benachbart vorhanden sind.

Beim vorstehend angegebenen Verfahren kann die scheinbare Magnetisierung in jedem den Magnetspeicher aufbauenden Mag netspeicherelement kleiner als bei einem herkömmlichen Mag netspeicher gemacht werden, um dadurch stabile Magnetisie rung in der Speicherschicht selbst bei einem Magnetspeicher mit dicht beieinander angeordneten Magnetspeicherelementen aufrechtzuerhalten, wodurch ein Magnetspeicher mit höherer Dichte als bei einem herkömmlichen Magnetspeicher erzielt ist.

Genauer gesagt, wird die Magnetisierungsinformation auf sol che Weise im Magnetspeicher gespeichert, dass ein zusammen gesetzte Magnetfeld aus mehreren Magnetfeldern, von denen eines von einem durch die erste Leiterschicht fließenden Strom erzeugt wird und das andere von einem durch die zweite Leiterschicht fließenden Strom erzeugt wird, an die dritte ferromagnetische Schicht und eine eine Speicherschicht bil dende ferromagnetische Schicht, die einen Speicherabschnitt bildet, angelegt wird.

Die erste Leiterschicht liegt zwischen der dritten ferromag netischen Schicht und dem Speicherabschnitt. Daher versorgt der durch die erste Leiterschicht fließende Strom die dritte ferromagnetische Schicht und die Speicherschicht gemäß der Korkenzieherregel mit Magnetfeldern miteinander in entgegen gesetzten Richtungen. Außerdem liegt die zweite Leiters schicht oben auf dem Laminat, wodurch ein Strom in einer Richtung parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht zugeführt wird. Dies sorgt dafür, dass ein durch die zweite Leiterschicht erzeugtes Magnetfeld rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der dritten fer romagnetischen Schicht und dem Speicherabschnitt gerichtet ist.

Ferner verfügen die dritte ferromagnetische Schicht und eine ferromagnetische Schicht des Speicherabschnitts über in der Ebene liegende Magnetisierung mit paralleler, uniaxialer Anisotropie. Daher dreht sich das zusammengesetzte Magnet feld aus den Magnetfeldern, die mittels durch die erste und zweite Leiterschicht fließenden Strömen erzeugt werden, das an die dritte ferromagnetische Schicht und die ferromagneti sche Schicht des Speicherabschnitt angelegt wird, auf eine Achse in die entgegengesetzte Richtung. Im Ergebnis werden die Magnetisierungen in der dritten ferromagnetischen Schicht bzw. in der ferromagnetischen Schicht des Speicher abschnitts antiparallel. Die in der ferromagnetischen Schicht des Speicherabschnitts gespeicherte Magnetisierungs information wird aufrechterhalten, bis weitere, als Nächstes einzuspeichernde Magnetisierungsinformation geliefert wird. Daher verbleiben die zweite und dritte ferromagnetische Schicht in einem Zustand, in dem sie sich im Magnetspeicher element gegeneinander aufheben, was es ermöglicht, dass die Magnetspeicherelemente individuell eine kleinere scheinbare Magnetisierung als ein herkömmliches Magnetspeicherelement aufweisen.

Demgemäß wird selbst dann, wenn durch Verringern des Ab stands zwischen den den Magnetspeicher aufbauenden Magnet speicherelementen ein feines Muster vorliegt, ein nachteili ger Effekt auf benachbarte Magnetspeicherelemente weniger wahrscheinlich, wodurch ein Magnespeicher mit höherer Dichte geschaffen ist.

Zusätzliche Aufgaben, Merkmale und Stärken der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung deutlich. Ferner ge hen die Vorteile der Erfindung aus der folgenden Erläuterung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Ausführungs beispiel eines erfindungsgemäßen Magnetspeicherelements zeigt.

Fig. 2 ist eine schematische Ansicht eines Magnetspeichers unter Verwendung des Magnetspeicherelements der Fig. 1.

Fig. 3(a) und 3(b) sind Draufsichten, die ein in einer fer romagnetischen Schicht einer Filmstruktur in Fig. 1 erzeug tes Magnetfeld zeigen.

Fig. 4 ist eine schematische Ansicht eines anderen Ausfüh rungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetspeicherele ments.

Fig. 5(a) und 5(b) sind Draufsichten, die ein in einer fer romagnetischen Schicht einer Filmstruktur in Fig. 4 erzeug tes Magnetfeld zeigen.

Fig. 6 ist eine schematische Ansicht, die noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Magnetspeicherele ments zeigt.

Fig. 7(a) und 7(b) sind Draufsichten, die ein in einer fer romagnetischen Schicht einer Filmstruktur in Fig. 6 erzeug tes Magnetfeld zeigen.

Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die noch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Magnetspeicherele ments zeigt.

Fig. 9 ist eine schematische Ansicht, die einen Magnetspei cher unter Verwendung eines erfindungsgemäßen MTJ-Elements zeigt.

Fig. 10 ist eine allgemeine Ansicht eines Magnetspeicherele ments, das gemäß einem Ausführungsbeispiel eines erfindungs gemäßen Herstellverfahrens für einen Magnetspeicher herge stellt wurde.

Fig. 11 ist eine Schnittansicht, die Einzelheiten der Struk tur des Magnetspeicherelements der Fig. 10 zeigt.

Fig. 12(a) und 12(b) sind Draufsichten, die die Richtung ei nes in einer ferromagnetischen Schicht des Magnetspeicher elements der Fig. 11 erzeugten Magnetfelds zeigen.

Fig. 13 ist eine Draufsicht eines Magnetspeichers, in dem das Magnetspeicherelement der Fig. 11 angeordnet ist.

Fig. 14 ist eine schematische Ansicht, die ein gemäß der Er findung hergestelltes Magnetspeicherelement zeigt.

Fig. 15(a) und 15(b) sind Draufsichten, die ein in einer ferromagnetischen Schicht einer Filmstruktur in Fig. 14 er zeugtes Magnetfeld zeigen.

Fig. 16(a) und 16(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 17(a) und 17(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 18(a) und 18(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 19 ist eine erläuternde Ansicht zum Veranschaulichen eines Herstellprozesses für das Magnetspeicherelement gemäß der Erfindung.

Fig. 20 ist eine schematische Ansicht, die ein anderes gemäß der Erfindung hergestelltes Magnetspeicherelement zeigt.

Fig. 21(a) und 21(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 22 ist einer erläuternde Ansicht, die ein gemäß der Er findung hergestelltes Magnetspeicherelement zeigt.

Fig. 23(a) und 23(b) sind Draufsichten, die eine in einer ferromagnetischen Schicht in einer Filmstruktur in Fig. 22 erzeugtes Magnetfeld zeigen.

Fig. 24(a) und 24(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 25(a) und 25(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 26(a) und 26(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 27(a) und 27(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 28(a) und 28(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 29(a) und 29(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 30(a) und 30(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 31(a) und 31(b) sind erläuternde Ansichten zum Veran schaulichen von Herstellprozessen eines Magnetspeicherele ments gemäß der Erfindung.

Fig. 32 ist eine erläuternde Ansicht zum Veranschaulichen eines Herstellprozesses eines Magnetspeicherelements gemäß der Erfindung.

Fig. 33 ist eine Schnittansicht, die die Struktur eines her kömmlichen MTJ-Elements zeigt.

Fig. 34 ist eine Schnittansicht, die die Prinzipien des her kömmlichen MTJ-Elements veranschaulicht.

Fig. 35 ist eine Schnittansicht, die eine Struktur eines an deren herkömmlichen MTJ-Elements zeigt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE [ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetspeichers erläutert.

Ein Magnetspeicherelement 1a, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, ist ein MTJ-Element mit einer Leiterschicht (einer zweiten Leiterschicht) 18, einer Isolierschicht 24, einer Leiterschicht (einer dritten Leiterschicht: untere Elektro de) 19, einem Speicherabschnitt 30, einer Leiterschicht (ei ner ersten Leiterschicht) 15 und einer ferromagnetischen Schicht (einer dritten ferromagnetischen Schicht) 16, die in dieser Reihenfolge aufeinanderlaminiert sind.

Das Magnetspeicherelement 1a gemäß dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, ist ein MTJ-Element mit einer Leiterschicht 28, einer Isolier schicht 27, einer antiferromagnetischen Schicht 11, einer ferromagnetischen Schicht (einer ersten ferromagnetischen Schicht: fixierte Schicht) 12, einer Isolierschicht (einer unmagnetischen Schicht) 13, einer ferromagnetischen Schicht (einer zweiten ferromagnetischen Schicht: Speicherschicht) 14, einer Leiterschicht 15 und einer ferromagnetischen Schicht (einer dritten ferromagnetischen Schicht) 16.

Bei diesem Magnetspeicherelement 1a besteht die ferromagne tische Schicht (fixierte Schicht) 12 ferner aus drei Lami natfilmen: einer ferromagnetischen Schicht 20, einer Metall schicht 21 und einer ferromagnetischen Schicht 22. Die Me tallschicht 21 verfügt über eine Filmdicke, die so bestimmt ist, dass die ferromagnetischen Schichten 20 und 22 antifer romagnetische miteinander gekoppelt sind und sie im Wesent lichen dieselbe Magnetisierung aufweisen. Die ferromagneti schen Schichten 20 und 22 sind so ausgewählt, dass sie im Wesentlichen dieselbe Magnetisierung zeigen. Die ferromagne tische Schicht 12 kann aus einer Einzelschicht einer ferro magnetischen Substanz bestehen; jedoch kann die vorstehend genannten Laminatstruktur die scheinbare Magnetisierung praktisch auf null senken.

Den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ist auf einer Ach se parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagneti schen Schicht 12 die axiale Anisotropie verliehen, und die antiferromagnetische Schicht 11 und die ferromagnetische Schicht 20 sind einer Austauschkopplung unterzogen.

Im Magnetspeicherelement 1a werden die. Magnetisierungsrich tungen in der die ferromagnetische Schicht 12 aufbauenden ferromagnetischen Schicht 22 sowie der ferromagnetischen Schicht 14 in zwei verschiedene Zustände gestellt: parallel oder antiparallel zueinander. Die Stromstärke durch das Mag netspeicherelement 1a in der Laminatrichtung variiert abhän gig davon, ob die Magnetisierungsrichtungen in der ferromag netischen Schicht 12 und der ferromagnetischen Schicht 22 parallel oder antiparallel sind. Beim Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird diese Änderung des elektrischen Widerstands erfasst, um die in der Speicher schicht gespeicherte Magnetisierungsrichtung zu erfassen, um dadurch einen Abspielvorgang auszuführen.

Ferner dient die Leiterschicht 15 sowohl als Bitleitung als auch als Elektrode zum Erfassen einer Widerstandsänderung, und sie ist mit einem weiteren, benachbarten Magnetspeicher element über einen Abstand verbunden, der durch Leiterbahn regeln bestimmt ist. Die Leiterschicht 18 ist eine Wortlei tung.

Hierbei wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, der Leiter schicht 15 ein Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrich tung in der ferromagnetischen Schicht 12 und entlang einer Laminatfläche zugeführt, und der Leiterschicht 28 wird ein Strom parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromag netischen Schicht 12 zugeführt. In diesem Fall wird, wie es in Fig. 3(a) und 3(b) dargestellt ist, an den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ein zusammengesetztes Magnetfeld angelegt, das aus einem durch den Stromfluss durch die Leiterschicht 15 erzeugten Magnetfeld H_B und einem durch den Stromfluss durch die Leiterschicht 18 erzeugten Magnetfeld H_W besteht. Wie es in Fig. 3(a) und 3(b) darge stellt ist, sind, da die Richtungen des zusammengesetzten Magnetfelds an den Positionen der ferromagnetischen Schich ten 14 und 16 verschieden sind, diese ferromagnetischen Schichten 14 und 16, die auf einer Achse parallel zur Magne tisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 mit uniaxialer Anisotropie versehen sind, einander entgegenge setzt magnetisiert. Demgemäß wird die Magnetisierung der ferromagnetischen Schicht 14 durch ein Magnetfeld stabili siert, das durch einen an den beiden Enden der ferromagneti schen Schicht 16 erzeugten Magnetpol erzeugt wird. Ferner wird im Fall des Magnetspeichers des vorliegenden Ausfüh rungsbeispiels durch Einstellen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 auf dasselbe magnetische Moment verhin dert, dass eine scheinbare Magnetisierung nach außen hin auftritt und ein nachteiliger Effekt auf ein benachbartes Magnetspeicherelement ausgeübt wird.

Ferner verfügt das Magnetspeicherelement 1a über eine Anord nung, bei der die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 in direktem Kontakt mit der Leiterschicht 15 stehen. Durch die se Anordnung der Leiterschicht 15 und der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 für Anordnung in der Nachbarschaft, kann selbst ein kleiner Strom die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 mit ausreichender Magnetfeldstärke versorgen, um da durch niedrigen Energieverbrauch in einem Magnetspeicherele ment zu realisieren.

Es wird darauf hingewiesen, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel dasselbe magnetische Moment aufweisen, das jedoch für die Stärke des magnetischen Moments keine Beschränkung hierauf besteht. Selbst wenn zwischen den ferromagnetischen Schich ten 14 und 16 eine Differenz der Stärken der magnetischen Momente besteht, wirken sie so, dass sie einander aufheben, um dadurch die Stärke der scheinbaren Magnetisierung zu sen ken, abweichend von einem herkömmlichen Magnetspeicher ohne ferromagnetische Schicht 16. Es sei darauf hingewiesen, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 vorzugsweise ein magnetisches Moment derselben Stärke aufweisen, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, um die scheinbare Magneti sierung in einem Magnetspeicher auf null zu senken und um sicher zu verhindern, dass die scheinbare Magnetisierung ein benachbartes Magnetspeicherelement nachteilig beeinflusst.

Fig. 9 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel eines beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten Magnet speicherelements 1a bei Verwendung in einem Magnetspeicher mit Direktzugriff zeigt.

Ein Transistor 51 wählt ein wiederzugebendes Magnetspeicher element 1a aus, wenn die gespeicherte Magnetisierungsinfor mation wiedergegeben wird. In der Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 14 des in Fig. 1 dargestellten Magnetspeicherelements 1a ist Information wie '0' oder '1' gespeichert, und es ist die Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 fixiert. Außerdem reproduziert das vorliegende Magnetspeicherelement 1a die gespeicherte Magnetisierungsinformation unter Ausnutzung eines Magnetowi derstandseffekts, so dass der Widerstandswert niedrig wird, wenn die jeweiligen Magnetisierungsrichtungen in den ferro magnetischen Schichten 12 (ferromagnetische Schicht 22) und der ferromagnetischen Schicht 14 parallel sind, während der Widerstandswert hoch wird, wenn die Magnetisierungsrichtun gen in den Schichten 12 (22) und 14 antiparallel sind.

Andererseits wird ein Aufzeichnen in einem Magnetspeicher dadurch erzielt, dass ein zusammengesetztes Magnetfeld, das in einer in Fig. 9 dargestellten Bitleitung 52 und einer Wortleitung zu Schreibzwecken (nicht dargestellt) erzeugt wird, die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 entsprechend der Speicherungsinformation ändern kann. Es wird darauf hingewiesen, dass ein Element mit der Bezugszahl '54' eine Plattenleitung ist.

Ferner verfügt ein Modifizierungsbeispiel des Magnetspei cherelements 1a des Magnetspeichers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel über eine Anordnung mit einem Magnet speicherelement 1b, wie in Fig. 4 dargestellt, bei dem die Leiterschicht 18 auf der Oberseite der Schichten vorhanden ist, d. h. auf der der antiferromagnetischen Schicht 11 ent gegengesetzten Seite, gesehen ausgehend von der zweiten fer romagnetischen Schicht 14, wobei es sich um die Speicher schicht handelt. Mit dieser Anordnung kann ein Effekt ähn lich dem beim Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungs beispiels erzielt werden.

Ein Magnetfeld, das an den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 durch zwei Ströme erzeugt wird, die durch die Leiterschichten 15 und 18 fließen, ist entgegenge setzt gerichtet, wie in Fig. 5 dargestellt. Daher wird, wie im Fall des Magnetspeicherelements 1a der Fig. 1, die Magne tisierung in der ferromagnetischen Schicht 14 durch ein Mag netfeld stabilisiert, das durch Magnetpole an den beiden En den der ferromagnetischen Schicht 16 erzeugt wird.

Nachfolgend werden Laminatmaterialien erläutert, die den vorstehend genannten Magnetspeicher aufbauen.

Zu Materialien für die antiferromagnetische Schicht 11 gehö ren Legierungen wie FeMn, NiMn, PtMn und IrMn.

Zu Materialien für die ferromagnetischen Schichten 12, 14 und 16 gehören Fe, Co und Ni sowie Legierungen hiervon.

Außerdem ist es bevorzugt, dass die ferromagnetischen Schichten 12, 14 und 16 jeweils eine Filmdicke nicht unter 1 nm (10 Å) aufweisen. Ein übermäßig dünner Film führt unter der Einwirkung thermischer Energie zu. Superparamagnetisie rung. Daher weist die ferromagnetische Schicht vorzugsweise eine Filmdicke nicht unter 1 nm auf.

Als Isolierschicht 13 ist angesichts des MR-Verhältnisses ein Al₂O₃-Film bevorzugt; jedoch kann auch ein Isolierfilm aus einem anderen Oxidfilm oder Nitridfilm oder ein Isolier film wie ein Si-Film, ein Diamantfilm und ein Film aus dia mantähnlichem Kohlenstoff (DLC = diamond-like carbon) ver wendet werden.

Außerdem ist es bevorzugt, dass die Isolierschicht 13 eine Filmdicke nicht unter 0,3 nm und nicht über 3 nm aufweist, da dann, wenn sie eine Filmdicke von unter 0,3 nm aufweist, die ferromagnetischen Schichten 12 und 14 möglicherweise elektrisch kurzgeschlossen werden können, während dann, wenn sie eine Filmdicke von über 3 nm aufweist, für Elektronen im Wesentlichen kein Tunneleffekt besteht, wodurch sich das Magnetowiderstandsverhältnis verringert.

Fig. 6 ist ein anderes Modifizierungsbeispiel des Magnet speichers des vorliegenden Ausführungsbeispiels.

Wie es in Fig. 6 dargestellt ist, ist ein Magnetspeicherele ment 1c gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein MTJ- Element wie das Magnetspeicherelement 1a, und es verfügt über die antiferromagnetische Schicht 11, die ferromagneti sche Schicht 12, die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht 14, die Leiterschicht 15, eine Isolierschicht 37, eine Leiterschicht 38 und die ferromagnetische Schicht 16. Die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 sind auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromag netischen Schicht 12 mit uniaxialer Anisotropie versehen. Ferner ist, wie beim Magnetspeicherelement 1a, die ferromag netische Schicht 12 ein Laminatfilm, und die antiferromagne tische Schicht 11 und die ferromagnetische Schicht 20 unter liegen einer Austauschkopplung. Es wird darauf hingewiesen, dass die Materialien der Schichten und die Filmdicken be treffend das Magnetspeicherelement 1a auch hier anwendbar sind.

Das Magnetspeicherelement 1c verfügt über eine Anordnung, bei der ein Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 die Leiterschicht 15 fließt und durch die Leiterschicht 38 ein Strom parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 fließt. An den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14 und 16 liegt, wie es in den Fig. 7(a) und 7(b) dargestellt ist, ein zusammengesetztes Magnetfeld aus einem Magnetfeld H_B und einem Magnetfeld H_W an, die durch die jeweiligen durch die Leiterschichten 15 bzw. 38 fließenden Ströme er zeugt werden.

Bei dieser Anordnung wird das an die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 angelegte zusammengesetzte Magnetfeld im Wesentlichen antiparallel. Im Ergebnis wirken Magnetpole, die während eines Prozesses vor dem Aufzeichnen, wenn die Magnetisierung umgekehrt wird, in den ferromagnetischen Schichten erzeugt werden, in einer solchen Richtung, dass sie wechselseitig die Magnetisierungsumkehr herbeiführen, um dadurch den Speicherstrom stärker als beim Magnetspei cherelement 1a zu senken.

Fig. 7 zeigt noch ein anderes Modifizierungsbeispiel des Magnetspeicherelements 1a des vorliegenden Ausführungsbei spiels.

Ein Magnetspeicherelement 1d ist wie das Magnetspeicherele ment 1a ein MTJ-Element, und es verfügt über die antiferro magnetische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht 12, die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht 14, die Lei terschicht 15, die ferromagnetische Schicht 16, eine Iso lierschicht 47, eine Leiterschicht 48 und eine ferromagneti sche Schicht 49. Die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 sind auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 mit uniaxialer Anisotropie versehen. Ferner ist, wie beim Magnetspeicherelement 1a, die ferromagnetische Schicht 12 ein Laminatfilm, und die anti ferromagnetische Schicht 11 und die ferromagnetische Schicht 20 unterliegen einer Austauschkopplung. Es wird darauf hin gewiesen, dass die Materialien für die Schichten und die Filmdicken betreffend das Magnetspeicherelement 1a auch hier anwendbar sind.

Das Magnetspeicherelement 1d verfügt über eine Anordnung, bei der ein Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 durch die Leiterschicht 15 fließt und durch die Leiterschicht 48 ein Strom auf einer Achse parallel zur Magnetisierungsrichtung in der ferromag netischen Schicht 12 fließt.

Die Richtung eines antiferromagnetischen Schichten 14 und 16 anzulegenden Magnetfeld ist dieselbe wie in den Magnetspei cherelementen 1a bis 1c.

Im Magnetspeicherelement 1d ist die ferromagnetische Schicht 49 mit hoher Permeabilität auf einer Seite der Leiterschicht 48 vorhanden, deren andere Seite dichter an der antiferro magnetischen Schicht 11 liegt. Beim Aufzeichnen fließt ein Strom durch die Leiterschicht 48, um ein Magnetfeld zu er zeugen, und ein auf einer Seite der Leiterschicht 48, die der ferromagnetischen Schicht 49 benachbart liegt, erzeugtes Magnetfeld wird durch die hohe Permeabilität der ferromagne tischen Schicht 49 auf diese fokussiert. Im Ergebnis wird das Magnetfeld, das auf der anderen Seite der Leiterschicht erzeugt wird, die benachbart zur Isolierschicht 47 liegt, groß, so dass das Zuführen desselben Stroms die Magnetfeld stärke an den Positionen der ferromagnetischen Schichten 14, als Speicherschicht, und 16 im Vergleich zum Fall ohne die ferromagnetische Schicht 49 erhöht, um so den Energiever brauch in einem Magnetspeicher im Vergleich zum Fall zu sen ken, in dem ein Magnetspeicher über keine ferromagnetische Schicht 49 verfügt. Es wird darauf hingewiesen, dass hin sichtlich der ferromagnetischen Schicht 49 Legierungen mit hoher Permeabilität wie eine NiFe-Legierung, eine amorphe Legierung aus der CoZrNb-Familie und eine Legierung aus der FeAlSi-Familie anwendbar sind.

Ferner wurde erläutert, dass das Magnetspeicherelement 1d über die Leiterschicht 48 verfügt, die in der Nähe der anti ferromagnetischen Schicht 11 angeordnet ist. Jedoch kann dieselbe Wirkung erzielt werden, wenn die Leiterschicht 48 auf einer Seite der ferromagnetischen Schicht 16 angebracht wird, wobei sich dazwischen eine Isolierschicht befindet.

Wie erörtert, kann das Magnetspeicherelement des vorliegen den Ausführungsbeispiels die Magnetisierung in der eine Speicherschicht bildenden ferromagnetischen Schicht 14 sta bilisieren und die scheinbare Magnetisierung im Magnetspei cherelement auf einen kleineren Wert als bei dem herkömmli chen Magnetspeicherelement senken, um dadurch eine nachtei lige Auswirkung auf benachbarte Magnetspeicherelementen zu senken, wodurch ein stabiler Magnetisierungszustand selbst dann aufrechterhalten bleibt, wenn ein feines Muster vor liegt und ein Magnetspeicher mit höherer Integration reali siert ist.

Ferner kann mit dem Magnetspeicher des vorliegenden Ausfüh rungsbeispiels der Energieverbrauch gegenüber einem herkömm lichen Magnetspeicher gesenkt werden, was dadurch möglich ist, dass die Leiterschicht 15 zum Zuführen eines Stroms zur Erzeugung eines Magnetfelds in der Nähe der eine Speicher schicht bildenden ferromagnetischen Schicht 14 vorhanden ist und die Magnetfelder der Leiterschicht 48 auch die fer romagnetische Schicht 14 fokussiert werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass für das vorliegende Ausfüh rungsbeispiel eine Erläuterung mittels des Falles erfolgte, dass die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 12 durch Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht 11 fixiert wird; jedoch ist es auch möglich, eine andere Anordnung ohne die antiferromagnetische Schicht 11 zu verwenden, die eine andere Maßnahme wie die Verwendung eines ferromagnetischen Materials mit größerer Koerzitivfeldstärke nutzt, um eine ferromagnetische Schicht als fixierte Schicht auszubilden.

Ferner ist es bevorzugt, die ferromagnetische Schicht 12 z. B. aus einem ferrimagnetischen Material wie einem Seltenerd metall-Übergangsmetall-Legierungsfilm mit einer Zusammenset zung nahe dem Kompensationspunkt aufzubauen, um den Einfluss von Magnetpolen an einer Kante der ferromagnetischen Schicht zu verringern.

Ferner spielt die Laminatreihenfolge der Laminatmaterialien. beim vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Rolle, so dass es auch möglich ist, dass die Schichten in umgekehrter Rei henfolge in Bezug auf den Fall beim vorstehend genannten Magnetspeicherelement auflaminiert sind.

Ferner ist es bevorzugt, die Koerzitivfeldstärke der ferro magnetischen Schicht 16 auf einen kleineren Wert als den der ferromagnetischen Schicht 14 einzustellen, um die Magneti sierung in der ferromagnetischen Schicht 16 beim Aufzeichnen als Erste umzukehren. Dies ermöglicht es, dass die an den beiden Enden der ferromagnetischen Schicht 16 erzeugten Mag netpole ein Magnetfeld in einer Richtung erzeugen, durch die die Umkehr der Magnetisierungsrichtung in der ferromagneti schen Schicht 14 beschleunigt wird, um dadurch zum Aufzeich nen erforderliche Ströme weiter zu senken.

Ferner wurden zwar die vorstehenden Ausführungsbeispiele nur für einen Abschnitt eines Magnetspeicherelements erläutert, jedoch sind bei der tatsächlichen Herstellung des Elements ersichtlich auch andere Komponenten erforderlich, wie eine Elektrode auf der Auslassseite von Strömen, ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolutkontaktschicht.

Ferner wurden zwar die vorstehenden Ausführungsbeispiele bei einem MTJ-Element als Beispiel erläutert, jedoch ist auch Anwendung bei einem GMR-Element möglich, wenn ein Laminatab schnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der ferro magnetischen Schicht 12, der Isolierschicht (unmagnetische Schicht) 13 und der ferromagnetischen Schicht 14, der einen Speicherelementabschnitt bildet, gegen eine Leiterschicht isoliert wird.

[ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 10 bis 13 ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnet speichers erläutert.

Es wird darauf hingewiesen, dass zum Erleichtern der Erläu terung Elemente mit denselben Funktionen, wie sie in Zeich nungen zum ersten Ausführungsbeispiel dargestellt sind, mit denselben Bezugszahlen versehen sind und hier eine zugehöri ge Erläuterung weggelassen wird.

Ein Magnetspeicherelement 1e, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, ist ein MTJ-Element aus der ferromagnetischen Schicht (der dritten ferromagnetischen Schicht) 16, der Leiter schicht (der ersten Leiterschicht) 15, einer Isolierschicht 24, einer Leiterschicht (der dritten Leiterschicht: untere Elektrode) 19, einem Speicherabschnitt 30 und der Leiter schicht (der zweiten Leiterschicht) 18, die in dieser Rei henfolge aufeinandergestapelt sind.

Ein Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei spiel ist ein solcher zum Reproduzieren von Magnetisierungs information, die durch einen herkömmlicherweise verwendeten Tunneleffekt gespeichert wurde. Außerdem weist, wie es unten erörtert ist, der Speicherabschnitt 30 zum Speichern von Magnetisierungsinformation dieselbe Anordnung wie bei einem herkömmlichen Magnetspeicher auf. Insbesondere hat der Mag netspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels die Eigen schaft, dass die bei der Wiedergabe verwendeten Leiter schichten 19 und 18 gemeinsam mit der anderen ferromagneti schen Schichten, als Gegenstand des Magnetspeicherelements 1e, auflaminiert sind. Die ferromagnetische Schicht 16 ver fügt über uniaxiale, anisotrope, in der Ebene liegende Mag netisierung, die parallel zur uniaxialen, anisotropen, in der Ebene liegenden Magnetisierung der ferromagnetischen Schichten 14 und 12, was später erörtert wird, ist.

Ferner ist die Leiterschicht 15 eine solche Leiterschicht, die einen Strom in einer Richtung rechtwinklig zur Richtung der in der Ebene liegenden Magnetisierung in der ferromagne tischen Schicht 16 zuführt.

Die Leiterschicht 19 ist mit einer Drainelektrode eines Transistors verbunden, der das Magnetspeicherelement 1e zum Ausführen von Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgängen aus wählt. Außerdem bildet die Leiterschicht 19 die untere Elek trode, die eine Widerstandsänderung im Stromfluss durch den Speicherabschnitt 30 zwischen der Leiterschicht 19 und der Leiterschicht 18 erfasst, was später erörtert wird, um im Magnetspeicherelement 1e gespeicherte Magnetisierungsinfor mation auszulesen.

Der Speicherabschnitt 30 verfügt über mehrere ferromagneti sche Schichten einschließlich der ferromagnetischen Schicht 14 als Speicherschicht, in die zu speichernde Magnetisie rungsinformation eingeschrieben wird, und eine Isolier schicht, wobei, wie es in Fig. 11 dargestellt ist, die fer romagnetische Schicht (die zweite ferromagnetische Schicht: flexible Schicht) 14, die Isolierschicht 13, die ferromagne tische Schicht (erste ferromagnetische Schicht: fixierte Schicht) 12 und die antiferromagnetische Schicht 11 in die ser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind. Die ferromagne tische Schicht 12 verfügt über Dreischichtstruktur, bei der die ferromagnetischen Schichten 20 und 22, die jeweils im Wesentlichen dieselbe Magnetisierung aufweisen, eine Metall schicht 21 einbetten. Die Metallschicht 21 verfügt über eine Filmdicke, die so eingestellt ist, dass die ferromagneti schen Schichten 20 und 22 antiferromagnetisch gekoppelt wer den und daher die scheinbare Magnetisierung in der ferromag netischen Schicht 12 auf null eingestellt ist. Außerdem ist die ferromagnetische Schicht 12 mit der benachbarten anti ferromagnetischen Schicht 11 austausch-gekoppelt, um dadurch die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 22 der ferromagnetischen Schicht 12 in einer Richtung zu fixieren. Darüber hinaus, da nämlich die ferromagnetischen Schichten 20 und 22 antiferromagnetisch gekoppelt sind, ist die Magne tisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 20 im Ergebnis in der Richtung entgegengesetzt zur Magnetisie rungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 22 fixiert.

Die Leiterschicht 18 ist über einen Abstand, der entspre chend den Leiterbahnregeln bestimmt ist, mit einem benach barten Magnetspeicherelement verbunden. Außerdem spielt die Leiterschicht 18, wie später erörtert, zwei Rollen. Die eine ist die einer oberen Elektrode zum Erfassen des Widerstands werts, der entsprechend der Magnetisierungsrichtung in der als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 14 variiert, und die andere ist die einer Bitleitung.

Nachfolgend wird ein Aufzeichnungs- und Wiedergabeverfahren mit dem Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels erläutert.

Ein Aufzeichnen hinsichtlich des Magnetspeicherelements 1e wird dadurch ausgeführt, dass den einander rechtwinklig schneidenden Leiterschichten 15 und 18 ein jeweiliger Strom zugeführt wird. Die Leiterschicht 15 speist einen Strom rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagne tischen Schicht 16 ein, während die Leiterschicht 18 einen Strom parallel zu dieser einspeist. In diesem Fall wird, wie es in Fig. 12 dargestellt ist, an die die Speicherschicht bildende ferromagnetische Schicht 14 ein zusammengesetztes Magnetfeld aus einem durch den durch die Leiterschicht 15 fließenden Strom erzeugten Magnetfeld H_W und einem durch die Leiterschicht 18 fließenden Strom erzeugten Magnetfeld H_B angelegt. Dieses angelegte zusammengesetzte Magnetfeld er möglicht das Einschreiben der einzuspeichernden Magnetisie rungsinformation.

Andererseits erfolgt eine Wiedergabe durch Erfassen des elektrischen Widerstandswerts zwischen den Leiterschichten 18 und 19, die eine obere bzw. untere Elektrode bilden. Die ser elektrische Widerstandswert variiert abhängig vom Zu stand der Magnetisierungsrichtungen in der festen ferromag netischen Schicht 20 und der als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 14, nämlich ob diese parallel oder antiparallel sind. Genauer gesagt, ist die Anzahl der auf Grund des Tunneleffekts durch die Isolierschicht 13 laufen den Elektronen erhöht, was den elektrischen Widerstand senkt, wenn die in der ferromagnetischen Schicht 14 gespei cherte Magnetisierungsrichtung mit der in der fixierten fer romagnetischen Schicht 20 übereinstimmt. Wenn dagegen die in der ferromagnetischen Schicht 14 gespeicherte Magnetisie rungsrichtung entgegengesetzt zu der in der fixierten ferro magnetischen Schicht 20 ist, nimmt die Anzahl der auf Grund des Tunneleffekts durch die Isolierschicht 13 laufenden Elektronen ab, so dass der elektrische Widerstand erhöht ist. Wie erläutert, wird beim Abspielen eine Spannung an die Leiterschichten 18 und 19 angelegt, und dann wird eine Ände rung des elektrischen Widerstands für einen durch den Spei cherabschnitt 30 fließenden Strom erfasst, um die Magneti sierungsinformation im Speicherabschnitt 30 als Signal zu erhalten, um so die gespeicherte Information wiederzugeben.

Insbesondere verfügt der Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels über die Leiterschicht 15 zum Einspei sen eines Stroms, der beim Aufzeichnen für Magnetisierungs information sorgt, wobei diese Leiterschicht 15 zwischen den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ausgebildet ist, die die Speicherschicht bzw. die flexible Schicht bilden. Daher sorgt die Leiterschicht 15 gemäß der Korkenzieherregel für entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen in den ferromag netischen Schichten 14 und 16, die über bzw. unter der Lei terschicht 15 angeordnet sind. Darüber hinaus werden die ferromagnetischen Schichten 16 und 14 mit einem magnetischen Moment derselben Stärke versehen. Dies bedeutet, dass die ferromagnetische Schicht 16 eine Magnetisierung erhält, die dieselbe Stärke und die entgegengesetzte Richtung in Bezug auf die in der ferromagnetischen Schicht 14 gespeicherte Magnetisierungsinformation hat, wodurch die scheinbare Mag netisierung im Magnetspeicherelement 1e auf null gesenkt ist.

Wie erörtert, beeinflusst beim Magnetspeicher des vorliegen den Ausführungsbeispiels selbst dann, wenn durch Verringern des Abstands zwischen den Magnetspeicherelementen ein feines Muster erzeugt ist, die Magnetisierung benachbarter Magnet speicherelemente die in der Speicherschicht gespeicherte Magnetisierung nicht, um dadurch einen Magnetspeicher zu schaffen, der selbst bei erhöhter Speicherdichte eine stabi le Magnetisierung in einer Speicherschicht zeigen kann. Da rüber hinaus benötigt der Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels, abweichend von einem herkömmlichen Magnetspeicher, keinen Magnetkopf, wodurch Aufzeichnungs- und Wiedergabevorgänge alleine durch den Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels ausgeführt werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass für den Magnetspeicher des vorliegenden Ausführungsbeispiels eine Erläuterung für den Fall erfolgte, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 ein magnetisches Moment derselben Stärke erhalten, wobei jedoch keine Beschränkung hierauf besteht. Das heißt, dass, wenn ein Magnetspeicher mit derselben Struktur wie der obi gen verwendet wird, die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 eine Magnetisierung in einer Richtung erhalten, dass sich die Magnetisierungen gegenseitig aufheben. Demgemäß wird die Stärke der scheinbaren Magnetisierung im Magnetspeicherele ment 1e kleiner als in einem herkömmlichen Magnetspeicher, wobei, wie oben, ein Magnetspeicher hoher Dichte erhalten wird. Es sei darauf hingewiesen, dass die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 bevorzugter magnetische Momente dersel ben Stärke aufweisen, wie beim Magnetspeicher des vorliegen den Ausführungsbeispiels, da dadurch die scheinbare Magneti sierung im Magnetspeicherelement 1e auf null gesenkt wird, wodurch eine nachteilige Auswirkung auf benachbarte Magnet speicherelemente vollständig vermieden wird.

Ferner ist, wie es in Fig. 13 dargestellt ist, jedes der Magnetspeicherelemente 1e in einem Schnittabschnitt zwischen den Leiterschichten 15 und 18 ausgebildet. Ein zum Umkehren der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 erforderliches Magnetfeld ist größer als die Magnetisie rungen H_W und H_B, die durch durch die Leiterschichten 15 und 18 fließenden Ströme erzeugt werden und es ist kleiner als das zusammengesetzte Magnetfeld aus H_W und H_B. Demgemäß wer den, wenn den Leiterschichten 15 und 18 beim Aufzeichnen von Magnetisierungsinformation Ströme zugeführt werden, benach barte Magnetspeicherelemente nicht nachteilig beeinflusst, was es ermöglicht, die Magnetisierung nur in Magnetspeicher elementen 1e in den Schnittabschnitten umzukehren.

Ferner wird beim Ausführen eines Aufzeichnungsvorgangs in den Magnetspeicherelementen 1e, wie erläutert, durch Ändern der Richtung des der Leiterschicht 15 zuzuführenden Stroms entsprechend der einzuspeichernden Magnetisierungsinformati on die Richtung der im Speicherabschnitt 30 zu speichernden Magnetisierung geändert. Da die Leiterschicht 30 und der Speicherabschnitt 30 für Magnetisierungsumkehr benachbart angeordnet sind, kann auch ein kleiner Strom für ein Magnet feld sorgen, das dazu ausreicht, die Magnetisierung im Spei cherabschnitt 30 umzukehren. Demgemäß führt die Verwendung der Anordnung des Magnetspeichers des vorliegenden Ausfüh rungsbeispiels zu einem Magnetspeicher, der nur wenig elek trische Energie verbraucht.

[DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 14 bis 21(a) und 21(b) ein Ausführungsbeispiel eines Herstellverfahrens für einen Magnetspeicher gemäß der Erfindung erläutert.

Es wird darauf hingewiesen, dass der Einfachheit der Erläu terung halber Elemente mit denselben Funktionen, wie sie in den zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen dargestellt sind, dieselben Bezugszahlen erhal ten und eine zugehörige Beschreibung hier weggelassen wird.

Ein Magnetspeicherelement 1f gemäß dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel nutzt, wie in Fig. 14 dargestellt, ein MTJ- Element, und es verfügt über die Leiterschicht 18, die Iso lierschicht 17, eine Leiterschicht 29, die antiferromagne tische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht (fixierte Schicht) 12, die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 14, die Leiterschicht 15 und die ferromagnetische Schicht 16.

Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 16(a) und 16(b) bis 20 ein erstes Herstellverfahren für den Magnet speicher der Fig. 14 erläutert. Der Einfachheit halber zeigt eine Zeichnung einen Querschnitt eines Magnetspeicherele ments 1f.

Es wird darauf hingewiesen, dass, wie es in den Fig. 15(a) und 15(b) dargestellt ist, die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 individuell ein von der Leiterschicht 15 erzeugtes Magnetfeld H_B und ein von der Leiterschicht 18 erzeugtes Magnetfeld H_W erfahren und dass zusammengesetzte Magnetfel der aus den Magnetfelder H_B und H_W, die in entgegengesetzten Richtungen wirken, einander aufheben.

Im Allgemeinen besteht ein Substrat, auf dem ein einen Mag netspeicher aufbauendes Magnetspeicherelement 1f hergestellt wird, aus einem Halbleitersubstrat mit einem Transistor zum Auswählen des auf ihm ausgebildeten Magnetspeicherelements 1f sowie einer Isolierschicht, die auf dem Halbleitersub strat ausgebildet und eingeebnet ist. Außerdem kann in der Nachbarschaft entweder einer Leiterschicht 10, wie in Fig. 14 dargestellt oder der ferromagnetischen Schicht 16 (nicht dargestellt) eine Wortleitung (eine Leiterschicht 18) ange ordnet sein.

Im ersten Herstellschritt werden die Leiterschicht (unter Elektrode) 19, die antiferromagnetische Schicht 11, die fer romagnetische Schicht 12 (fixierte Schicht), die Isolier schicht (unmagnetische Schicht) 13 und die ferromagnetische Schicht 14 (flexible Schicht) aufeinanderfolgend hergestellt [Fig. 16(a)].

Die ferromagnetische Schicht 22 besteht beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Paar ferromagnetischer Schich ten, die über eine dazwischenliegende Metallschicht antifer romagnetisch gekoppelt sind; jedoch kann statt dessen auch eine einzelne ferromagnetische Schicht ohne antiferromagne tische Schicht verwendet werden. In jedem Fall können durch das Herstellverfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei spiel Magnetspeicher hergestellt werden, die dieselbe Wir kung erzielen.

Ferner kann beim Abscheiden jedes Films der Laminatschichten ein übliches Filmabscheidungsverfahren wie ein Sputterver fahren, ein Dampfabscheidungsverfahren verwendet werden.

In einem zweiten Herstellschritt wird ein im ersten Her stellschritt hergestellter Laminatfilm zur Form einer unte ren Elektrode bearbeitet. Ein Bearbeitungsverfahren geht da hin, dass als Erstes durch Fotolithografie ein Resistmuster ausgebildet wird und dann der Film durch Ionenstrahlätzen und dergleichen (nicht dargestellt) mit gewünschter Form ausgebildet wird. Im folgenden Schritt kann dasselbe Bear beitungsverfahren auch beim Formen eines Elements verwendet werden.

In einem dritten Herstellschritt werden alle Schichten mit Ausnahme der Leiterschicht 19 so bearbeitet, dass jedes Mag netspeicherelement von den anderen getrennt wird [Fig. 16(b)]. Dann wird die Leiterschicht 19 so bearbeitet, dass sie in der Richtung benachbarter Magnetspeicherelemente eine Kopplung bildet. Bis zum vorliegenden Herstellschritt werden Magnetspeicherelemente erzeugt, die jeweils von den anderen über einen durch die Leiterbahnregeln bestimmten Abstand voneinander getrennt sind.

In einem vierten Herstellschritt wird, ohne dass ein im dritten Herstellschritt als Ätzmaske verwendeter Resist 23 entfernt wird, die Isolierschicht 24 so hergestellt, dass sie Zwischenräume zwischen den voneinander getrennten Mag netspeicherelementen auffüllt [Fig. 17(a)]. Die Isolier schicht 24 kann aus einem Material wie SiO₂ und Al₂O₃ herge stellt werden. Durch ein solches Abscheiden der Isolier schicht 24 ohne Entfernen des Resists 23 kann die auf den Magnetspeicherelementen abgeschiedene Isolierschicht 24 durch Abheben entfernt werden [Fig. 17(b)]. Daher ist kein Herstellschritt zum Entfernen der Isolierschicht 24 auf den Magnetspeicherelementen, wie ein Einebnen, erforderlich.

In einem fünften Herstellschritt werden die zweite Leiter schicht 15 und der dritte ferromagnetische Film 16 aufeinan derfolgend hergestellt [Fig. 18(a)].

In einem sechsten Herstellschritt wird die dritte ferromag netische Schicht 16 auf im Wesentlichen dieselbe Form wie der des im dritten Herstellschritt hergestellten Magnetspei cherelements bearbeitet [Fig. 18(b)].

In einem siebten Herstellschritt wird die zweite Leiter schicht 15 so bearbeitet, dass sie nur in einer Richtung rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung der ferromagneti schen Schicht 12 eine Verbindung herstellt (Fig. 19). Durch dieses Bearbeiten der Leiterschicht 15 am Schluss kann ver hindert werden, dass die Isolierschicht 24 geätzt wird.

Durch das vorstehend genannte Herstellverfahren können das in Fig. 14 dargestellte, für eine Anordnung hoher Dichte ge eignete Magnetspeicherelement und ein Magnetspeicher erhal ten werden.

Ferner erfolgte für das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Erläuterung mittels eines Herstellverfahrens, bei dem die als Wortleitung dienende Leiterschicht 18 auf der Seite der Leiterschicht 19 (auf der Seite des Substrats) angebracht wird, wobei jedoch keine Beschränkung hierauf besteht. Es kann nämlich dieselbe Wirkung wie beim durch das Herstell verfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiel erhaltenen Magnetspeicher durch ein Herstellverfahren erzielt werden, bei dem die Leiterschicht 18 auf der Seite der ferromagneti schen Schicht 16 abgeschieden wird.

Ferner kann, wie es in Fig. 20 dargestellt ist, ein Magnet speicher hergestellt werden, der eine Anordnung aufweist, bei der eine ferromagnetische Schicht 31 mit hoher Permeabi lität angrenzend an eine Seite der als Wortleitung dienenden Leiterschicht 18 angebracht wird, deren andere Seite der Isolierschicht 17 zugewandt ist. Bei diesem Magnetspeicher wird beim Aufzeichnen durch einen durch die Leiterschicht 18 fließenden Strom ein Magnetfeld erzeugt; jedoch werden, da die ferromagnetische Schicht 31 hohe Permeabilität aufweist, Magnetfelder auf der Seite der Leiterschicht 18, die näher an der ferromagnetischen Schicht 31 liegt, auf diese fokus siert. Im Ergebnis wird ein Magnetfeld auf der anderen Seite der Leiterschicht 18, näher an der Isolierschicht 17, groß, und daher führt auch derselbe Stromfluss zu einer größeren Magnetfeldstärke an den Positionen der als Speicherschicht wirkenden ferromagnetischen Schicht 14 und der ferromagneti schen Schicht 16 im Vergleich zum Fall ohne die ferromagne tische Schicht 31, wodurch der Energieverbrauch in einem Magnetspeicher im Vergleich zum Fall gesenkt wird, in dem die ferromagnetische Schicht 31 vorhanden ist.

Die ferromagnetische Schicht 31 kann aus einer Legierung mit hoher Permeabilität bestehen, wie aus einer NiFe-Legierung, einer amorphen Legierung der CozrNb-Familie oder einer Le gierung der FeAlSi-Familie. Da die ferromagnetische Schicht 31 zur selben Form wie die Leiterschicht 18 bearbeitet wer den kann, ist das beim ersten Ausführungsbeispiel angegebene Herstellverfahren bei den nachfolgenden Herstellschritten anwendbar.

Wie erörtert, kann der Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als in Fig. 20 dargestellter Magnespei cher ausgebildet werden, der für eine Anordnung mit hoher Dichte geeignet ist und niedrigen Energieverbrauch zeigen kann.

Es wird darauf hingewiesen, dass im vierten Herstellschritt des Herstellverfahrens für den Magnetspeicher gemäß dem vor liegenden Ausführungsbeispiel, wie in den Fig. 21(a) und 21(b) dargestellt, der Resist entfernt werden kann, während die Isolierschicht 24 hergestellt wird, um Abstände zwischen Magnetspeicherelementen aufzufüllen, die voneinander ge trennt sind [Fig. 21(a)].

Ferner kann im fünften Herstellschritt die Isolierschicht 24 auf den Magnetspeicherelementen durch mechanisches Bearbei ten wie CMP entfernt werden, um eine Einebnung auszuführen [Fig. 21(b)].

Alternativ kann die Isolierschicht auf den Magnetspeicher elementen durch weiteres Einebenen von Unregelmäßigkeiten entfernt werden, wie sie nach der Erzeugung der Isolier schicht mit dem Resist auftreten, und es kann ein vollstän diges Rückätzen ausgeführt werden. Danach kann, mit densel ben Herstellschritten, wie sie oben beschrieben sind, der für eine Anordnung hoher Dichte geeignete, in Fig. 14 darge stellte Magnetspeicher erhalten werden.

In jedem Fall ist es möglich, durch das Herstellverfahren des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein Magnetspeicherele ment und einem Magnetspeicher herzustellen.

Ferner erfolgte beim vorstehenden Ausführungsbeispiel eine Erläuterung alleine eines Abschnitts eines Magnetspeicher elements, jedoch sind beim tatsächlichen Herstellen eines Elements ersichtlich andere Komponenten erforderlich, wie ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolutkontakt schicht.

Ferner wurde zwar das vorstehende Ausführungsbeispiel mit einem MTJ-Element als Beispiel erläutert, jedoch besteht auch Anwendbarkeit bei einem GMR-Element, wenn ein Laminat abschnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der fer romagnetischen Schicht 12, der Isolierschicht (unmagneti schen) Schicht 13 und der einen Speicherabschnitt bildenden ferromagnetischen Schicht 14 gegen eine Leiterschicht iso liert wird.

Wie erörtert, kann durch das Herstellverfahren für ein Mag netspeicherelement gemäß dem vorliegenden Ausführungsbei spiel stabile Magnetisierung in einer Speicherschicht er zielt werden, während ein Magnetspeicherelement erhalten wird, bei dem eine nachteilige Einwirkung auf benachbarte Magnetspeicherelementen verhindert ist. Demgemäß kann ein stabiler Magnetisierungszustand selbst dann aufrechterhal ten werden, wenn ein feines Muster vorliegt, wodurch ein Magnetspeicher höherer Integration realisiert ist. Darüber hinaus kann gemäß dem Herstellverfahren für einen Magnet speicher gemäß der Erfindung eine Leiterschicht in der Nähe einer Speicherschicht angeordnet werden, und/oder durch eine Leiterschicht erzeugte Magnetfelder werden auf eine Spei cherschicht fokussiert, um dadurch einen Magnetspeicher zu schaffen, der wenig Energie verbrauchen kann.

[VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 22 bis 27(a) und 27(b) ein anderes Ausführungsbeispiel eines Herstellver fahrens für einen Magnetspeicher gemäß der Erfindung erläu tert.

Zur Vereinfachung der Erläuterung sind Elemente mit densel ben Funktionen, wie sie in den zum obigen ersten Ausfüh rungsbeispiel gehörenden Zeichnungen angegeben sind, mit denselben Bezugszahlen versehen, und eine zugehörige Erläu terung wird hier weggelassen.

Ein Magnetspeicherelement 1g gemäß dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel, wie es in Fig. 22 dargestellt ist, verwendet ein MTJ-Element, und es verfügt über die Leiterschicht 19, die antiferromagnetische Schicht 11, die ferromagnetische Schicht 12 (fixierte Schicht), die Isolierschicht 13, die ferromagnetische Schicht (flexible Schicht) 14, die Leiter schicht (Bitleitung) 15, die Isolierschicht 17, die Leiter schicht (Wortleitung) 18 und die ferromagnetische Schicht 16.

Ein durch das Herstellverfahren für einen Magnetspeicher ge mäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hergestellter Mag netspeicher verfügt über dieselbe Anordnung wie der Magnet speicher des obigen dritten Ausführungsbeispiels, jedoch mit einem Unterschied hinsichtlich der Position der Leiter schicht 18, die sich zwischen den ferromagnetischen Schich ten 14 und 16 befindet.

Beim durch das Herstellverfahren des vorliegenden Ausfüh rungsbeispiels erhaltenen Magnetspeicher sind die Leiter schichten 15 und 18 in der Nähe der ferromagnetischen Schichten 14 bzw. 16 vorhanden. Diese Anordnung ist bevor zugt, da dann, wenn die durch die Leiterschichten 15 und 18 fließenden Ströme klein sind, die als Speicherschicht wir kende ferromagnetische Schicht 14 eine ausreichende Magnet feldstärke zum Aufzeichnen von Magnetisierungsinformation erhalten kann, wodurch im Magnetspeicher niedriger Energie verbrauch realisiert wird.

Es wird darauf hingewiesen, dass, wie es in den Fig. 23(a) und 23(b) dargestellt ist, die ferromagnetischen Schichten 14 und 16 einzeln ein von der Leiterschicht 15 erzeugtes Magnetfeld H_B und ein von der Leiterschicht 18 erzeugtes Magnetfeld H_W erfahren, wobei sich die zusammengesetzten Magnetfelder aus den Magnetfeldern H_B und H_W so wirken, dass sie in entgegengesetzten Richtungen einander aufheben. Dem gemäß kann im Vergleich mit dem Fall, in dem die ferromagne tische Schicht 16 nicht vorhanden ist, die scheinbare Magne tisierung im Magnetspeicherelement 1g verringert werden, wo durch selbst in einem Magnetspeicher mit einer Anordnung ho her Dichte eine nachteilige Wirkung zwischen benachbarten Magnetspeicherelementen verhindert ist.

Ferner wirken, da es die zwei Leiterschichten 15 und 18 den ferromagnetischen Schichten 15 und 16 ermöglichen, über Richtungen der Magnetfelder zu verfügen, die im Wesentlichen antiparallel zueinander sind, Magnetfelder, die im Prozess vor dem Umkehren der Magnetisierung beim Aufzeichnen und den ferromagnetischen Schichten erzeugt werden, jeweils in einer solchen Richtung, dass sie die Magnetisierungsumkehr be schleunigen, um dadurch die Speicherströme stark zu senken und Energie im Vergleich mit einem Magnetspeicher einzuspa ren, der über die zwei Leiterschichten 15 und 18 verfügt, die jedoch zwischen den ferromagnetischen Schichten 14 und 16 vorhanden sind.

Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 24(a), 24(b) bis 26(a) und 26(b) ein Herstellverfahren für den in Fig. 22 dargestellten Magnetspeicher erläutert. Zur Vereinfachung ist jede Zeichnung eine Schnittansicht eines Speicherele ments, wobei eine Seite desselben dargestellt ist.

Im Allgemeinen besteht ein Substrat, auf dem Magnetspeicher elemente hergestellt werden, aus einem Halbleitersubstrat, auf dem ein Transistor zum Auswählen eines Magnetspeicher elements, an dem Wiedergabe- und Aufzeichnungsvorgänge aus geführt werden, ausgebildet ist, und mit einer Isolier schicht, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet und ein geebnet ist (nicht dargestellt).

Ein erster bis vierter Herstellschritt sind dieselben wie beim obigen dritten Ausführungsbeispiel.

In einem fünften Herstellschritt werden die Leiterschicht 15 und die Isolierschicht 17 aufeinanderfolgend hergestellt [Fig. 24(a)].

In einem sechsten Herstellschritt wird auf der Leiterschicht 15 und der Isolierschicht 17 ein Resistmuster hergestellt, und diese Schichten werden dann bearbeitet, um mit Magnet speicherelementen verbunden zu werden, die benachbart in ei ner Richtung rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 12 vorhanden sind [Fig. 24(b)].

In einem siebten Herstellschritt wird, ohne dass ein Resist 25, der im sechsten Herstellschritt als Ätzmaske verwendet wurde, entfernt wird, eine Isolierschicht 24' so herge stellt, dass sie Zwischenräume zwischen erzeugten Leiterbah nen ausfüllt [Fig. 25(a)]. Durch solches Abscheiden der Iso lierschicht 24' ohne Entfernen des Resists 25 kann die auf den Magnetspeicherelementen abgeschiedene Isolierschicht 24' durch Abheben entfernt werden.

In einem achten Herstellschritt werden die Leiterschicht 18 und die ferromagnetische Schicht 16 aufeinanderfolgend her gestellt [Fig. 25(b)].

In einem neunten Herstellschritt wird die ferromagnetische Schicht 16 auf im Wesentlichen dieselbe Form wie die des beim dritten Herstellschritt hergestellten Magnetelements bearbeitet [Fig. 26(a)].

In einem zehnten Herstellschritt wird die Leiterschicht 18 so bearbeitet, dass sie nur Magnetspeicherelemente verbin det, die in einer Richtung parallel zur Magnetisierungsrich tung in der ferromagnetischen Schicht 12 benachbart sind [Fig. 26(b)]. Da durch solches Bearbeiten der Leiterschicht 18 am Schluss kann verhindert werden, dass die Isolier schicht 24 geätzt wird.

Durch das vorstehend angegebene Herstellverfahren können ein für eine Anordnung hoher Dichte geeignetes Magnetspeicher element und der Magnetspeicher, wie in Fig. 22 dargestellt, erhalten werden.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 27 ein anderes Herstellverfahren für den in Fig. 22 dargestellten Magnet speicher erläutert.

Bis zum dritten Herstellschritt, in dem ein Magnetspeicher element von anderen getrennt wird, ist dieses Herstellver fahren dasselbe wie das des ersten Ausführungsbeispiels.

In einem vierten Herstellschritt wird der Resist entfernt und die Isolierschicht 24 wird so hergestellt, dass sie Zwi schenräume zwischen den getrennten Magnetspeicherelementen ausfüllt [Fig. 24(a)].

In einem fünften Herstellschritt wird die Isolierschicht 24 durch mechanisches Bearbeiten wie CMP entfernt, um eine Ein ebnung ausführen [Fig. 27(b)]. Alternativ kann die Isolier schicht auf den Magnetspeicherelementen durch weiteres Ein ebenen von Unregelmäßigkeiten entfernt werden, wie sie nach der Erzeugung der Isolierschicht durch den Resist auftraten, wobei ein vollständiges Rückätzen ausgeführt wird.

Danach kann, durch dasselbe Herstellverfahren wie für den Magnetspeicher gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, der in Fig. 22 dargestellte Magnetspeicher erhalten werden, der für eine Anordnung mit hoher Dichte geeignet ist.

Ferner wurden bei diesem Herstellverfahren die Leiterschicht 15 und die Isolierschicht 17 aufeinanderfolgend hergestellt, jedoch kann alternativ nur die Leiterschicht 15 als Erste hergestellt werden, woraufhin, nach einem Ausführen einer Bearbeitung und Einebnung derselben, die Isolierschicht 17, die Leiterschicht 18 und die ferromagnetische Schicht 16 aufeinanderfolgend hergestellt werden.

Hinsichtlich der Anordnung des Magnetspeichers wird die Mag netisierung in der ferromagnetischen Schicht (fixierte Schicht) 12 durch Austauschkopplung mit der antiferromagne tischen Schicht 11 fixiert. Jedoch ist es auch möglich, eine andere Maßnahme wie ein ferromagnetisches Material mit gro ßer Koerzitivfeldstärke für die ferromagnetische Schicht 12 als fixierte Schicht zu verwenden. Ferner kann die ferromag netische Schicht 12 auch z. B. aus einem ferrimagnetischen Material wie einem Seltenerdmetall-Übergangsmetall-Legie rungsfilm mit einer Zusammensetzung nahe dem Kompensations punkt bestehen, um den Einfluss von Magnetpolen an einer Kante der ferromagnetischen Schicht zu verringern.

Ferner ist es bevorzugt, die Koerzitivfeldstärke in der fer romagnetischen Schicht 16 auf einen kleineren Wert als in der ferromagnetischen Schicht 14 einzustellen, um dadurch die Magnetisierung in der ferromagnetischen Schicht 16 beim Aufzeichnen als Erste umzukehren. Demgemäß, da nämlich an beiden Enden der ferromagnetischen Schicht 16 erzeugte Mag netpole Magnetfelder in einer Richtung zum Beschleunigen der Umkehrung der Magnetisierungsrichtung in der als Speicher schicht wirkenden ferromagnetischen Schicht beschleunigen, ist es wahrscheinlich, dass die Magnetisierung umgekehrt wird, und es kann selbst dann, wenn der durch eine Leiter schicht fließende Strom klein ist, eine zum Aufzeichnen aus reichende Magnetisierung erzeugt werden, wodurch in einem Magnetspeicher viel Energie eingespart wird.

In jedem Fall können durch das Herstellverfahren gemäß der Erfindung ein Magnetspeicherelement und ein Magnetspeicher hergestellt werden.

Ferner erfolgte im ganzen vorstehenden Ausführungsbeispiel einer Erläuterung alleine zum Abschnitt eines Magnetspei cherelements; jedoch sind bei einer tatsächlichen Herstel lung eines Elements ersichtlich andere Komponenten erforder lich, wie ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolut kontaktschicht.

Ferner wurde beim vorstehenden Ausführungsbeispiel ein MTJ- Element als Beispiel erläutert; jedoch besteht Anwendbarkeit auch bei einem GMR-Element, wenn ein Laminatabschnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der ferromagnetischen Schicht 12, der Isolierschicht (der unmagne 19384 00070 552 001000280000000200012000285911927300040 0002010113853 00004 19265tischen Schicht) 13 und der ferromagnetischen Schicht 14, die einen Speicher elementabschnitt bilden, gegen eine Leiterschicht isoliert wird.

Wie erörtert, kann durch das Herstellverfahren des Magnet speichers gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel stabile Magnetisierung in der Speicherschicht erzielt werden, wäh rend die scheinbare Magnetisierung im Magnetspeicherelement verringert ist, um dadurch ein Magnetspeicherelement zu er halten, bei dem eine nachteilige Auswirkung auf benachbarte Magnetspeicherelemente vermieden ist. Demgemäß kann ein sta biler Magnetisierungszustand selbst dann aufrechterhalten werden, wenn ein feines Muster vorliegt, wodurch ein Magnet speicher mit höherer Integration realisiert ist. Darüber hi naus kann ein Magnetspeicher, der niedrigen Energieverbrauch zeigen kann, geschaffen werden, da die die Speicherschicht mit Magnetisierungsinformation versorgende Leiterschicht in der Nähe der ferromagnetischen Schicht vorhanden ist, die die Speicherschicht bilden soll, und/oder da die Magnetisie rung in der Speicherschicht auf einfache Weise verdrehbar ist.

[FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL]

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 28(a) bis 28(b) bis 32 ein Ausführungsbeispiel eines Herstellverfah rens für den beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläuterten Magnetspeicher erläutert.

Der Einfachheit der Erläuterung halber werden Elemente mit denselben Funktionen, wie sie in den zum obigen ersten bis vierten Ausführungsbeispiel gehörenden Zeichnungen darge stellt sind, mit denselben Bezugszahlen versehen, und eine zugehörige Erläuterung wird hier weggelassen.

Im Allgemeinen besteht ein Substrat, auf dem das Magnetspei cherelement 1e hergestellt wird, aus einem Halbleitersub strat, auf dem ein Transistor zum Auswählen eines Magnet speicherelements, für das Wiedergabe- und Aufzeichnungsvor gänge ausgeführt werden, ausgebildet ist, und einer Isolier schicht, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet und ein geebnet ist. Nachfolgend werden Herstellschritte zum Her stellen des Magnetspeicherelements 1e auf dieser Isolier schicht beschrieben.

In einem ersten Herstellschritt wird eine ferromagnetische Schicht mit uniaxialer, isotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung durch ein Sputterverfahren auf der gesamten Isolierschicht hergestellt.

In einem zweiten Herstellschritt wird, wie es in Fig. 28(a) dargestellt ist, durch Fotolithografie ein Resistmuster her gestellt, und dann wird durch Ionenstrahlätzen und derglei chen die ferromagnetische Schicht zu gewünschter Form bear beitet. Beim vorliegenden Herstellschritt wird ein Array von ferromagnetischen Substanzen mit der Form eines gesonderten Magnetspeicherelements hergestellt, um dadurch die ferromag netische Schicht 16 auszubilden.

In einem dritten Herstellschritt wird, wie es in Fig. 28(b) dargestellt ist, eine Leiterschicht 15' auf dem gesamten Substrat mit der darauf vorhandenen ferromagnetischen Schicht 16 hergestellt.

In einem vierten Herstellschritt wird auf der Leiterschicht 15' ein Resistmuster hergestellt, und dann wird, wie es in Fig. 29(a) dargestellt ist, die Leiterschicht 15' so bear beitet, dass Magnetspeicherelemente in einer Richtung recht winklig zur Magnetisierungsrichtung in der ferromagnetischen Schicht 16 vorhanden sind, wobei die Leiterschicht 15' da zwischenliegt, um dadurch die Leiterschicht 15 auszubilden.

In einem fünften Herstellschritt wird, wie es in Fig. 29(b) dargestellt ist, die Isolierschicht 24 so hergestellt, dass sie die Oberfläche der Leiterschicht 15 bedeckt und Zwi schenräume zwischen benachbarten Magnetspeicherelementen ausfüllt.

In einem sechsten Herstellschritt wird, wie es in Fig. 30(a) dargestellt ist, nach einem Einebnen der Isolierschicht 24 auf der Leiterschicht 15 in solcher Weise, dass konstante Filmdicke vorliegt, ein Laminatfilm aus der Leiterschicht 19, der ferromagnetischen Schicht 14, der Isolierschicht 13, der ferromagnetischen Schicht 12 und der antiferromagneti schen Schicht 11 in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrats hergestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Leiterschicht, mit der die Drainelektrode des Transistors und die Leiterschicht 19 elektrisch verbunden sind, gesondert hergestellt werden muss, bevor die Leiter schicht 19 hergestellt wird. Die ferromagnetische Schicht 16 und die Leiterschicht 15 werden dazu verwendet, indem sie mit einem gewünschten Muster ausgebildet werden.

In einem siebten Herstellschritt wird, wie es in Fig. 30(b) dargestellt ist, auf der antiferromagnetischen Schicht 11 ein Resistmuster hergestellt, und dann wird dieses Resist muster auf im Wesentlichen dieselbe Form wie die der ferro magnetischen Schicht 16 bearbeitet, um dadurch eine Anzahl von Magnetspeicherelementen auszubilden, von denen jedes von den anderen getrennt ist.

In einem achten Herstellschritt wird, wie es in Fig. 31(a) dargestellt ist, auf der Leiterelektrode 19 (unter Elektro de) ein Resistmuster hergestellt, und die Leiterschicht 19 wird zur Form einer unteren Elektrode bearbeitet.

In einem neunten Herstellschritt wird, wie es in Fig. 31(b) dargestellt ist, eine Isolierschicht 23 so hergestellt, dass sie Zwischenräume zwischen der Anzahl getrennter Magnetspei cherelemente ausfüllt.

In einem zehnten Herstellschritt wird, nach einen Einebnen der Isolierschicht 23 durch CMP (chemisch-mechanisches Po lieren), wie in Fig. 32 dargestellt) die Leiterschicht 18 auf der Isolierschicht 24 auf und zwischen der Anzahl von Magnetspeicherelementen hergestellt.

In einem elften Herstellschritt wird die Leiterschicht 18 so bearbeitet, dass benachbarte Magnetspeicherelemente nur in einer die Leiterschicht 15 rechtwinklig schneidenden Rich tung verbunden sind, um dadurch einen Magnetspeicher herzu stellen.

Wie beschrieben, liefert der durch das vorstehend genannte Herstellverfahren erhaltene Magnetspeicher einen Strom an die im vierten Herstellschritt hergestellte Bitleitung 15, um die ferromagnetischen Schichten 16 und 14 mit Magnetisie rungen von entgegengesetzten Richtung zu versorgen. Außerdem weisen die ferromagnetischen Schichten 12, 14 und 16 uniaxi ale anisotrope, in der Ebene liegende Magnetisierung auf. Die Leiterschicht 15 liefert einen Strom rechtwinklig zur Richtung der uniaxialen, anisotropen, in der Ebene liegenden Magnetisierung. Demgemäß entspricht die Richtung des Magnet feld durch die Leiterschicht 15 der Richtung der in der Ebe ne liegenden Magnetisierung in den ferromagnetichen Schich ten 12, 14 und 16. Ferner erfahren die ferromagnetischen Schichten 16 und 14, die über bzw. unter der Leiterschicht 15 vorhanden sind, Magnetfeldern mit entgegengesetzten Rich tungen. Demgemäß werden die in der Ebene liegenden Magneti sierungen in der ferromagnetischen Schicht 16 und der ferro magnetischen Schicht 14 antiparallel zueinander, weswegen sie sich aufheben.

Ferner verfügt die ferromagnetische Schicht 12 über Drei schichtstruktur aus der ferromagnetischen Schicht/Metall schicht/ferromagnetischen Schicht. Da das Paar ferromagneti scher Schichten 20 und 22 miteinander antiferromagnetisch gekoppelt ist, befindet sich die Magnetisierung innerhalb der ferromagnetischen Schicht 12 im ausgeglichenen Zustand.

Demgemäß kann, wie erörtert, eine Anordnung höherer Dichte realisiert werden, um dadurch einen Magnetspeicher zu erhal ten, der niedrigen Energieverbrauch zeigen kann.

Es wird darauf hingewiesen, dass die ferromagnetische Schicht 16 im ersten Herstellschritt nicht nur durch ein Sputterverfahren sondern auch durch andere übliche Abschei dungsverfahren wie ein Dampfabscheidungsverfahren herge stellt werden kann.

Ferner kann als Einebnungsverfahren für die Isolierschicht 24 z. B. eine mechanische Bearbeitung wie CMP verwendet wer den. Alternativ kann die Isolierschicht 24 durch Einebnen von Unregelmäßigkeiten entfernt werden, die nach dem Her stellen der Isolierschicht 24 mit Resist auftraten, wobei darauf ein vollständiges Rückätzen ausgeführt wird. Alterna tiv ist es auch möglich, dass, ohne den Resist zu entfernen, der im vierten Herstellschritt als Ätzmaske verwendet wurde, die Isolierschicht 24 so hergestellt wird, dass sie den Zwi schenraum um die Leiterschicht 15 herum auffüllt, wobei dann, nach einem Entfernen der Isolierschicht 24 auf der Leiterschicht 15 durch Abheben und durch Einebnen darauf, Filme eines Laminatteils über der Isolierschicht und die Leiterschicht 15 aufeinanderfolgend hergestellt werden.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Einfachheit der Erläuterung halber ein einzelner Magnetspeicherelement- Abschnitt erläutert, jedoch sind bei der tatsächlichen Her stellung des Elements andere Komponenten erforderlich, wie ein Substrat, eine Schutzschicht und eine Absolutkontakt schicht.

Als Materialien für die erste, zweite und dritte ferromagne tische Schicht 12, 14 und 16 können Fe, Co und Ni oder Le gierungen hiervon verwendet werden.

Außerdem können als Materialien für die antiferromagnetische Schicht 11 Legierungen wie FeMn, NiMn, PtMn und IrMn verwen det werden.

Ferner wird die Isolierschicht 13 angesichts des Mr-Verhält nisses vorzugsweise aus einem Al₂O₃-Film hergestellt; jedoch kann auch ein Isolierfilm aus einem anderen Oxidfilm oder Nitridfilm oder ein Isolierfilm wie ein Si-Film oder ein Di amantfilm und ein Film aus diamantförmigem Kohlenstoff (DLC) verwendet werden.

Außerdem ist es bevorzugt, dass die erste, zweite und dritte ferromagnetische Schicht 12, 14 und 16 über eine Filmdicke nicht unter 1 mm (10 Å) verfügen. Durch Einstellen dieses Bereichs kann verhindert werden, dass eine ferromagnetische Substanz unter der Einwirkung thermischer Energie zu einer superparamagnetischen Substanz wird.

Ferner ist es bevorzugt, die Isolierschicht 13 mit einer Filmdicke nicht unter 0,3 nm und nicht über 3 nm herzustel len. Wenn die Isolierschicht 13 mit einer Filmdicke von we niger als 0,3 mm hergestellt wird, sind die zweite und die dritte ferromagnetische Schicht 14 und 16 dicht beieinander angeordnet, so dass sie möglicherweise elektrisch kurzge schlossen werden können. Wenn dagegen die Isolierschicht 13 mit einer Filmdicke über 3 nm hergestellt wird, besteht für Elektronen im Wesentlichen kein Tunneleffekt zwischen der zweiten und dritten ferromagnetischen Schicht 14 und 16, wo durch das Magnetowiderstandsverhältnis gesenkt ist.

Ferner kann die erste ferromagnetische Schicht 12 aus einer einzelnen ferromagnetischen Substanz bestehen, jedoch können mit der Dreischichtstruktur wie beim vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel an einer Kante der ersten ferromagnetischen Schicht 12 erzeugte Magnetpole im Wesentlichen auf null ge senkt werden.

Ferner ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Magne tisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht (der fi xierten Schicht) durch die Austauschkopplung mit der anti ferromagnetischen Schicht 11 fixiert. Jedoch kann die anti ferromagnetische Schicht 11 weggelassen werden, wenn eine andere Maßnahme zum Aufbauen der ersten ferromagnetischen Schicht 12 aus einem ferromagnetischen Material mit großer Koerzitivfeldstärke ergriffen wird. Wenn z. B. die erste ferromagnetische Schicht 12 aus einem ferrimagnetischen Ma terial wie einem Seltenerdmetall-Übergangsmetall-Legierungs film mit einer Zusammensetzung nahe dem Kompensationspunkt aufgebaut wird, wird die Erzeugung von Magnetpolen an den Kanten der ferromagnetischen Schicht verhindert, was eine nachteilige Auswirkung auf benachbarte Magnetspeicher ver hindert.

Ferner kann die antiferromagnetische Schicht weggelassen werden, wenn ein Material mit großem anisotropem Magnetfeld zum Kompensieren der ferromagnetischen Schichten 20 und 22 verwendet wird.

Ferner ist es als Anordnung des Magnetspeicherelements durch Einstellen der Koerzitivfeldstärke in der dritten ferromag netischen Schicht 16 auf einen kleineren Wert als denjenigen in der zweiten ferromagnetischen Schicht 14 möglich, die Magnetisierung in der dritten ferromagnetischen Schicht 16 beim Aufzeichnen als Erste umzukehren. Demgemäß führen an den beiden Enden der ersten ferromagnetischen Schicht 12 er zeugte Magnetpole zur Erzeugung eines Magnetfelds in einer Richtung zum Beschleunigen der Umkehr der Magnetisierung in der zweiten ferromagnetischen Schicht 14. Dies führt zu ein facherem Umkehren der Magnetisierung beim Aufzeichnen, wo durch der zum Aufzeichnen erforderliche Strom und der Ener gieverbrauch gesenkt werden.

Ferner wurde beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Mag netspeicher beispielhaft als MTJ-Element erläutert; jedoch ist auch Anwendung bei einem GMR-Element möglich, wenn ein Laminatabschnitt aus der antiferromagnetischen Schicht 11, der ersten ferromagnetischen Schicht 12, der zweiten ferro magnetischen Schicht 14 und der dritten ferromagnetischen Schicht 16 im Speicherelement 1 gegen eine Leiterschicht isoliert wird.

Es wird darauf hingewiesen, dass bei einem erfindungsgemäßen Herstellverfahren, das ein solches für einen Magnetspeicher mit einer Vielzahl von Magnetspeicherelementen ist, von de nen jedes eine erste ferromagnetische Schicht, eine unmagne tische Schicht und eine zweite ferromagnetische Schicht, die eine Speicherschicht bilden soll, enthält, die aufeinander laminiert sind, zumindest die folgenden Schritte aufweist:

Herstellen einer dritten ferromagnetischen Schicht auf einem Substrat; Bearbeiten der dritten ferromagnetischen Schicht zur Form eines Magnetspeicherelements, das von den anderen getrennt ist; Herstellen einer ersten Leiterschicht auf dem Substrat; Bearbeiten der ersten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte, getrennte dritte ferromagnetische Schichten nur in einer Richtung miteinander verbunden sind; Herstellen einer Isolierschicht auf dem Substrat in solcher Weise, dass sie den Zwischenraum um die bearbeiteten ersten Leiterschichten herum ausfüllt; Herstellen eines Laminat films aus einer zweiten Leiterschicht, der ersten ferromag netischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zwei ten ferromagnetischen Schicht, die in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite des Substrats aufeinanderfolgend hergestellt werden; Herstellen mehrerer voneinander getrenn ter Magnetspeicherelemente durch Bearbeiten des Laminatfilms auf der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht, außer der zweiten Leiterschicht, auf im Wesentlichen dieselbe Form wie die der dritten ferromagnetischen Schicht; Bearbeiten der zweiten Leiterschicht in die Form einer unteren Elektrode; Herstellen einer Isolierschicht in solcher Weise, dass sie Zwischenräume zwischen den mehreren Magnetspeicherelementen ausfüllt; Herstellen einer dritten Leiterschicht auf der Isolierschicht auf und zwischen den mehreren Magnetspeicher elementen; und Bearbeiten der dritten Leiterschicht in sol cher Weise, dass benachbarte, voneinander getrennte Magnet speicherelemente nur in einer die erste Leiterschicht recht winklig schneidenden Richtung verbunden sind.

Ferner ist es eindeutig bevorzugt, dass die zweite ferromag netische Schicht, die die Magnetisierungsinformation spei chernde Speicherschicht bilden soll, die Isolierschicht, die erste ferromagnetische Schicht und die antiferromagnetische Schicht, die mit der ersten ferromagnetischen Schicht aus tauschgekoppelt ist, aufeinanderlaminiert sind, um einen Speicherabschnitt zu bilden. Bei dieser Anordnung ist die erste ferromagnetische Schicht eine fixierte Schicht mit fixierter Magnetisierung auf Grund der Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht. Es kann ein Magnetspei cher unter Ausnutzung eines Magnetowiderstandseffekts ge schaffen werden, so dass sich der elektrische Widerstand ab hängig vom Unterschied zwischen den Magnetisierungsrichtun gen der ersten ferromagnetischen Schicht als fixierte Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht als Spei cherschicht ändert.

Ferner ist es eindeutig bevorzugt, die erste ferromagneti sche Schicht so herzustellen, dass sie eine Dreischicht struktur aufweist, bei der ein Paar ferromagnetischer Schichten, die antiferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, eine Metallschicht einbetten.

Bei dieser Anordnung kann, da das Paar der die ferromagne tische Schicht bildenden ferromagnetischen Schichten anti ferromagnetisch miteinander gekoppelt sind, die scheinbare Magnetisierung in der ersten ferromagnetischen Schicht auf null gesenkt werden, um dadurch die Erzeugung von Magnetpo len in einem Kantenbereich stark im Vergleich zum Fall zu senken, in dem die erste ferromagnetische Schicht als Ein zelschicht ausgebildet ist, wobei in jedem Magnetspeicher element die scheinbare Magnetisierung sicherer auf null ge senkt wird. Im Ergebnis kann selbst dann, wenn einen Magnet speicher aufbauende Magnetspeicherelemente dicht beieinander angeordnet werden, in der Speicherschicht ein stabiler Mag netisierungszustand aufrechterhalten werden, wodurch ein Magnetspeicher mit einer Anordnung höherer Dichte geschaffen ist.

Die in der vorstehenden detaillierten Erläuterung erörterten Ausführungsformen und konkreten Realisierungsbeispiele die nen nur zum Veranschaulichen der technischen Einzelheiten der Erfindung, und sie sollen innerhalb der Grenzen derarti ger Ausführungsformen und konkreter Beispiele nicht eng in terpretiert werden, sondern sie sollen vielmehr bei zahlrei chen Variationen innerhalb des Grundgedankens der Erfindung angewandt werden, vorausgesetzt, dass derartige Variationen den Schutzumfang der nachfolgenden Patentansprüche nicht überschreiten.

Claims

1. Magnetspeicherelement mit einem Laminat aus mindes tens einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer unmagne tischen Schicht und einer zweiten ferromagnetischen Schicht, wobei eine dritte ferromagnetische Schicht über mindestens einer dazwischenliegenden Leiterschicht auf einer Seite der zweiten ferromagnetischen Schicht vorhanden ist, deren ande re Seite näher an der unmagnetischen Schicht liegt.

2. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die Mag netisierungsstärke in der dritten ferromagnetischen Schicht im Wesentlichen dieselbe wie die Magnetisierungsstärke in der der Leiterschicht benachbarten zweiten ferromagnetischen Schicht ist.

3. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die dritte ferromagnetische Schicht eine Koerzitivfeldstärke aufweist, die kleiner als die Koerzitivfeldstärke in der zweiten, an die Leiterschicht angrenzenden ferromagnetischen Schicht ist.

4. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem eine zweite Leiterschicht zwischen der Leiterschicht und der dritten ferromagnetischen Schicht vorhanden ist.

5. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem:

- eine zweite Leiterschicht außerhalb der ersten oder drit ten ferromagnetischen Schicht vorhanden ist; und
- eine ferromagnetische Schicht angrenzend an eine Seite der zweiten Leiterschicht vorhanden ist, deren andere Seite der ersten oder dritten ferromagnetischen Schicht zugewandt ist.

6. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die un magnetische Schicht zwischen der ersten und zweiten ferro magnetischen Schicht aus einer isolierenden Substanz be steht.

7. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die ers te bis dritte ferromagnetische Schicht jeweils eine Filmdi cke nicht unter 1 nm aufweisen.

8. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die Iso lierschicht eine Filmdicke nicht unter 0,3 nm und nicht über 3 nm aufweist.

9. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die ers te ferromagnetische Schicht aus einem ferrimagnetischen Ma terial besteht, das ein Seltenerdmetall-Übergangsmetall-Le gierungsfilm mit einer Zusammensetzung nahe dem Kompensa tionspunkt ist.

10. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem eine Seite der ersten ferromagnetischen Schicht, deren andere Seite der Isolierschicht zugewandt ist, in Kontakt mit einer antiferromagnetischen Schicht steht.

11. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem die ers te ferromagnetische Schicht über eine Dreischichtstruktur mit einer Metallschicht zwischen einem Paar ferromagneti scher Schichten verfügt.

12. Magnetspeicherelement nach Anspruch 1, bei dem ein Mag netfeld zum Umkehren der Magnetisierung in der zweiten und dritten ferromagnetischen Schicht größer als jedes von Mag netfeldern ist, die sich mittels der ersten Leiterschicht und der zweiten Leiterschicht ergeben, und es kleiner ist als das zusammengesetzte Magnetfeld aus diesen Magnetfel dern.

13. Magnetspeicher mit dem im Anspruch 1 dargelegten Mag netspeicherelement.

14. Magnetspeicher mit mehreren ferromagnetischen Schichten mit uniaxialer, anisotroper, in der Ebene liegender Magneti sierung und einer Isolierschicht auf zueinander parallelen Achsen und unter Verwendung des Tunneleffekts zum Wiederge ben von Magnetisierungsinformation, mit:

- einer ersten ferromagnetischen Schicht als fester Schicht sowie einer zweiten ferromagnetischen Schicht als Speicher schicht unter den mehreren ferromagnetischen Schichten; und
- einer ersten Leiterschicht zum Liefern eines Stroms zwi schen der zweiten ferromagnetischen Schicht und einer drit ten ferromagnetischen Schicht, deren Magnetisierungsrichtung flexibel umkehrbar ist;
- wobei die erste Leiterschicht einen Strom in einer Rich tung rechtwinklig zur Magnetisierungsrichtung in der ersten ferromagnetischen Schicht liefert.

15. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die dritte ferromagnetische Schicht ein magnetisches Moment mit einer Stärke aufweist, die im Wesentlichen derjenigen in der zwei ten ferromagnetischen Schicht entspricht.

16. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem die dritte ferromagnetische Schicht eine Koerzitivfeldstärke aufweist, die kleiner als diejenige in der zweiten ferromagnetischen Schicht ist, die angrenzend an die erste Leiterschicht ange ordnet ist.

17. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem zwischen der ersten Leiterschicht und der ferromagnetischen Schicht eine zweite Leiterschicht vorhanden ist.

18. Magnetspeicher nach Anspruch 14, bei dem eine vierte ferromagnetische Schicht über einer zweiten Leiterschicht außerhalb der ersten oder dritten ferromagnetischen Schicht vorhanden ist.

19. Herstellverfahren für einen Magnetspeicher mit einer Vielzahl von Magnetspeicherelementen mit einem Laminat aus zumindest einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer un magnetischen Schicht und einer zweiten, eine Speicherschicht bildenden ferromagnetischen Schicht, mit den folgenden Schritten:

- Herstellen eines Laminatfilms auf zumindest der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite eines Substrats aufeinanderfolgend auf diesem Substrat;
- Bearbeiten des Laminatfilms auf die Form jedes der Viel zahl von Magnetspeicherelementen, die voneinander getrennt sind;
- Herstellen eines Isolierfilms in solcher Weise, dass ein Zwischenraum zwischen der Vielzahl von auf dem Substrat her gestellten Magnetspeicherelementen ausgefüllt wird;
- Herstellen einer Leiterschicht und einer dritten ferromag netischen Schicht aufeinanderfolgend auf der Isolierschicht über und zwischen der Vielzahl von Magnetspeicherelementen; und
- Bearbeiten der Leiterschicht in solcher Weise, dass be nachbarte Magnetspeicherelemente in einer Richtung miteinan der verbunden sind, nachdem die dritte ferromagnetische Schicht auf im Wesentlichen dieselbe Form wie jedes der Mag netspeicherelemente bearbeitet wurde.

20. Herstellverfahren für einen Magnetspeicher mit einer Vielzahl von Magnetspeicherelementen mit einem Laminat aus zumindest einer ersten ferromagnetischen Schicht, einer un magnetischen Schicht und einer zweiten, eine Speicherschicht bildenden ferromagnetischen Schicht, mit den folgenden Schritten:

- Herstellen eines Laminatfilms auf zumindest der ersten ferromagnetischen Schicht, der unmagnetischen Schicht und der zweiten ferromagnetischen Schicht in dieser Reihenfolge ausgehend von der Seite eines Substrats aufeinanderfolgend auf diesem Substrat;
- Bearbeiten des Laminatfilms auf die Form jedes der Viel zahl von Magnetspeicherelementen, die voneinander getrennt sind;
- Herstellen eines Isolierfilms in solcher Weise, dass ein Zwischenraum zwischen der Vielzahl von auf dem Substrat her gestellten Magnetspeicherelementen ausgefüllt wird;
- Herstellen einer ersten Leiterschicht und einer Isolier schicht aufeinanderfolgend auf der Isolierschicht auf und zwischen der Vielzahl von Magnetspeicherelementen;
- Bearbeiten der ersten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte Magnetspeicherelemente nur in einer Richtung verbunden sind;
- Herstellen einer Isolierschicht in solcher Weise, dass sie den Zwischenraum um die bearbeitete erste Leiterschicht he rum ausfüllen;
- Herstellen einer zweiten Leiterschicht und einer dritten ferromagnetischen Schicht aufeinanderfolgend auf der Iso lierschicht über und zwischen der bearbeiteten ersten Lei terschicht; und
- Bearbeiten der zweiten Leiterschicht in solcher Weise, dass benachbarte Magnetspeicherelemente nur in einer Rich tung verbunden sind, die die erste Leiterschicht rechtwink lig schneidet, nachdem die dritte ferromagnetische Schicht auf im Wesentlichen dieselbe Form wie das Magnetspeicherele ment bearbeitet wurde.

21. Herstellverfahren für einen Magnetspeicher mit einem Laminat aus mehreren ferromagnetischen Schichten und einer Isolierschicht sowie einem Speicherabschnitt zum Speichern von Magnetisierungsinformation, mit Erfassung einer Änderung des Widerstands für einen auf Grund des Tunneleffekts durch den Speicherabschnitt fließenden Strom, mit den folgenden Schritten:

- Herstellen einer dritten ferromagnetischen Schicht mit uniaxialer, anisotroper, in der Ebene liegender Magnetisie rung auf einem Substrat;
- Herstellen einer ersten Leiterschicht zum Liefern eines Stroms durch Kopplung mit Magnetspeicherelementen, die in einer Richtung benachbart sind, die die Magnetisierungsrich tung in der dritten ferromagnetischen Schicht rechtwinklig schneidet;
- Herstellen einer Isolierschicht in solcher Weise, dass sie die Oberseite der ersten Leiterschicht bedeckt und Zwischen räume zwischen den Magnetspeicherelementen ausfüllt;
- Herstellen einer dritten Leiterschicht als untere Elektro de zum Erfassen der Widerstandsänderung;
- Herstellen eines Speicherabschnitts mit einer ferromagne tischen Schicht mit uniaxialer, anisotroper, in der Ebene liegender Magnetisierung sowie einer Isolierschicht auf ei ner Achse parallel zur Magnetisierung in der dritten ferro magnetischen Schicht; und
- Herstellen einer zweiten Leiterschicht als obere Elektro de, die die Widerstandsänderung erfasst, zum Liefern eines Stroms durch Verbindung mit den Magnetspeicherelementen, die in einer Richtung parallel zur Magnetisierungsrichtung in der dritten ferromagnetischen Schicht benachbart vorhanden sind.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem der Speicherab schnitt dadurch hergestellt wird, dass eine als Speicher schicht zum Speichern von Magnetisierungsinformation dienen de zweite ferromagnetische Schicht, eine Isolierschicht, ei ne erste ferromagnetische Schicht und eine antiferromagneti sche Schicht, die mit der ersten ferromagnetischen Schicht austausch-gekoppelt ist, aufeinander laminiert werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem die erste ferromag netische Schicht so hergestellt wird, dass sie eine Drei schichtstruktur mit einem zwischen einem Paar ferromagneti scher Schichten eingebetteten Metallschicht aufweist.

24. Magnetspeicherelement nach Anspruch 14, bei dem die un magnetische Schicht zwischen der ersten und zweiten ferro magnetischen Schicht aus einer isolierenden Substanz be steht.

25. Magnetspeicherelement nach Anspruch 14, bei dem die erste bis dritte ferromagnetische Schicht jeweils eine Film dicke nicht unter 1 nm aufweisen.

26. Magnetspeicherelement nach Anspruch 14, bei dem die Isolierschicht eine Filmdicke nicht unter 0,3 nm und nicht über 3 nm aufweist.

27. Magnetspeicherelement nach Anspruch 14, bei dem die erste ferromagnetische Schicht aus einem ferrimagnetischen Material besteht, das ein Seltenerdmetall-Übergangsmetall- Legierungsfilm mit einer Zusammensetzung nahe dem Kompensa tionspunkt ist.

28. Magnetspeicherelement nach Anspruch 14, bei dem eine Seite der ersten ferromagnetischen Schicht, deren andere Seite der Isolierschicht zugewandt ist, in Kontakt mit einer antiferromagnetischen Schicht steht,

29. Magnetspeicherelement nach Anspruch 14, bei dem die erste ferromagnetische Schicht über eine Dreischichtstruktur mit einer Metallschicht zwischen einem Paar ferromagneti scher Schichten verfügt.

30. Magnetspeicherelement nach Anspruch 14, bei dem ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierung in der zweiten und dritten ferromagnetischen Schicht größer als jedes von Magnetfeldern ist, die sich mittels der ersten Leiterschicht und der zweiten Leiterschicht ergeben, und es kleiner ist als das zusammengesetzte Magnetfeld aus diesen Magnetfel dern.