DE102008008361A1

DE102008008361A1 - Magnetwiderstandseffektelement und magnetische Speichervorrichtung

Info

Publication number: DE102008008361A1
Application number: DE102008008361A
Authority: DE
Inventors: Takao Kawasaki Ochiai; Hiroshi Kawasaki Ashida; Takahiro Kawasaki Ibusuki; Yutaka Kawasaki Shimizu
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2008-08-28
Also published as: US20080204946A1; JP2008211008A

Abstract

Ein Magnetwiderstandseffektelement mit einer freien Magnetschicht wird bereitgestellt. Die freie Magnetschicht ist in einem Laminat geformt, umfassend eine Festmagnetisierungsschicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung, eine nicht magnetische Schicht, welche auf der Festmagnetisierungsschicht geformt ist, eine erste ferromagnetische Schicht, eine nicht magnetische Metallschicht, welche auf der ersten ferromagnetischen Schicht geformt ist, und eine zweite ferromagnetische Schicht, welche auf der nicht magnetischen Metallschicht geformt ist. Die freie Magnetschicht umfasst magnetische Aufzeichnungsregionen, und in jeder Region sind die erste ferromagnetische Schicht und die zweite ferromagnetische Schicht so gekoppelt, dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind, und eine der magnetischen Aufzeichnungsregionen liegt der Festmagnetisierungsschicht gegenüber, mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetwiderstandseffektelement und eine magnetische Speichervorrichtung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
In den letzten Jahren wurden als wieder beschreibbare, nicht flüchtige Speicher magnetische Schreib-Lese-Speicher (nachfolgend als MRAM bezeichnet) bekannt, welche Magnetwiderstandseffektelemente besitzen, die in einer Matrix angeordnet sind. In den MRAMs wird Information gespeichert, indem eine Kombination von Magnetisierungsrichtungen in zwei Magnetschichten verwendet wird. Die gespeicherte Information wird ausgelesen, indem Widerstandsänderungen (das heißt Stromänderungen oder Spannungsänderungen) erkannt werden, zwischen in einem Fall, in dem die Magnetisierungsrichtungen zweier Magnetschichten parallel zu einander sind, und in einem Fall, in dem die Magnetisierungsrichtungen zweier Magnetschichten antiparallel zu einander sind.
Als die Magnetwiderstandseffektelemente, welche die MRAMs bilden, sind magnetfeldempfindliche Widerstands-(GMR)Elemente und Tunnelmagnetwiderstands-(TMR)Elemente bekannt. Insbesondere die TMR-Elemente, welche eine große Widerstandsänderung erreichen können, wurden zur Verwendung als das Magnetwiderstandseffektelement für die MRAMs angenommen. Das TMR-Element umfasst zwei ferromagnetische Schichten, die aufeinander liegen, mit einem Tunnelisolationsfilm, der dazwischen ausgebildet ist, und verwendet ein Phänomen, dass sich ein Tunnelstrom, welcher zwischen den Magnetschichten über den Tunnelisolationsfilm fließt, ändert, abhängig von Zusammenhängen von Magnetisierungsrichtungen der zwei ferromagnetischen Schichten. Das heißt, das TMR-Element besitzt einen niedrigen Elementwiderstand in einem Fall, in welchem die Magnetisierungsrichtungen der zwei ferromagnetischen Schichten parallel zu einander sind, und besitzt einen hohen Elementwiderstand in einem Fall, in welchem die Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind. Diese zwei Zustände beziehen sich auf einen Datenwert "0" und einen Datenwert "1", um dadurch das TMR-Element als eine Speichervorrichtung zu verwenden.
Außerdem wurden in den letzten Jahren magnetische Speichervorrichtungen vorgeschlagen, welche ein Verlagerungsphänomen einer magnetischen Bereichswand und einen Magnetwiderstandseffekt in ferromagnetischen Schichten vom Feinleitungstyp verwenden. Solche magnetischen Speichervorrichtungen wurden beispielsweise in der nicht geprüften japanischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2006-073930 und im US-Patent mit der Nummer 6834005 offenbart.
Um eine Kommerzialisierung eines neuen Speichers zu realisieren ist es notwendig, eine Vorrichtung zu entwickeln, deren Leistung besser ist als jene existierender DRAMs und Flashspeicher.
Jedoch haben die herkömmlichen magnetischen Speichervorrichtungen, welche das Verlagerungsphänomen einer magnetischen Bereichswand und den Magnetwiderstandseffekt in den ferromagnetischen Schichten vom Feinleitungstyp verwenden, keine ausreichenden Verlagerungsgeschwindigkeiten einer magnetischen Bereichswand erreicht, und es war nicht möglich, Betriebsgeschwindigkeiten zu realisieren, welche mit jenen in den DRAMs und den Flashspeichern vergleichbar sind.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung führten eine Untersuchung durch, dass unter einer Bedingung einer Pulsbreite von 5 μsec und einem Anwendungsstrom von 5 mA ein Spannungspuls an einer Permalloy-Leitung mit 220 nm Breite angelegt wird, und es wurde ein Ergebnis einer Verlagerungsgeschwindigkeit magnetischer Bereichswände von 3 m/sec erreicht. Der Wert entspricht ungefähr 4 Megabytes/sec in einer Datenübertragungsgeschwindigkeit, und weniger oder gleich einem Zehntel einer Datentransfergeschwindigkeit herkömmlicher Festplattenvorrichtungen.
Dementsprechend ist es, um die magnetische Speichervorrichtung zu realisieren, welche das Verlagerungsphänomen einer magnetischen Bereichswand verwendet, notwendig, die Verlagerungsgeschwindigkeit einer magnetischen Bereichswand zu erhöhen.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem Aspekt eines Ausführungsbeispiels wird ein Magnetwiderstandseffektelement mit einer freien Magnetschicht bereitgestellt. Die freie Magnetschicht ist in einem Laminat ausgebildet, umfassend eine Festmagnetisierungsschicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung, eine nicht magnetische Schicht, welche auf der Festmagnetisierungsschicht ausgebildet ist, eine erste ferromagnetische Schicht, eine nicht magnetische Metallschicht, welche auf der ersten ferromagnetischen Schicht ausgebildet ist und eine zweite ferromagnetische Schicht, welche auf der nicht magnetischen Metallschicht ausgebildet ist. Die freie Magnetschicht umfasst magnetische Aufzeichnungsregionen, und in jeder Region sind die erste ferromagnetische Schicht und die zweite ferromagnetische Schicht so gekoppelt, dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind, und eine der magnetischen Aufzeichnungsregionen liegt der Fest magnetisierungsschicht gegenüber, mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen.
Gemäß einem weiteren Aspekt eines Ausführungsbeispiels wird eine magnetische Speichervorrichtung mit einem Magnetwiderstandseffektelement und einem Anwendungsmittel für elektrischen Strom bereitgestellt. Das Magnetwiderstandseffektelement umfasst eine freie Magnetschicht, welche in einem Laminat ausgebildet ist, umfassend eine Festmagnetisierungsschicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung, eine nicht magnetische Schicht, welche auf der Festmagnetisierungsschicht ausgebildet ist, eine erste ferromagnetische Schicht, eine nicht magnetische Metallschicht, welche auf der ersten ferromagnetischen Schicht ausgebildet ist, und eine zweite ferromagnetische Schicht, welche auf der nicht magnetischen Metallschicht ausgebildet ist. Die freie Magnetschicht umfasst magnetische Aufzeichnungsregionen, und in jeder Region sind die erste ferromagnetische Schicht und die zweite ferromagnetische Schicht so gekoppelt, dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind, und eine der magnetischen Aufzeichnungsregionen liegt der Festmagnetisierungsschicht gegenüber, mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen. Das Anwendungsmittel für elektrischen Strom legt zwischen der Festmagnetisierungsschicht und der freien Magnetschicht mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen einen elektrischen Strom an.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B illustrieren eine schematische Querschnittansicht beziehungsweise eine Draufsicht, welche eine Struktur eines Magnetwiderstandseffektelements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel illustrieren;
2A, 2B und 2C illustrieren einen Betrieb des Magnetwiderstandseffektelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 illustriert ein Modell zum Erklären eines Effekts des Magnetwiderstandseffektelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4A und 4B illustrieren eine schematische Querschnittansicht beziehungsweise eine Draufsicht, welche eine Struktur einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel illustrieren;
5A und 5B illustrieren ein Schreibverfahren in der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
6A, 6B und 6C sind Prozessquerschnittansichten (Teil 1), welche das Schreibverfahren in der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel illustrieren;
7A und 7B sind Prozessquerschnittansichten (Teil 2), welche das Schreibverfahren in der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel illustrieren; und
8A und 8B sind Prozessquerschnittansichten (Teil 3), welche das Schreibverfahren in der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel illustrieren.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Erstes Ausführungsbeispiel
Ein Magnetwiderstandseffektelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird mit Bezugnahme auf die 1A bis 3 beschrieben.
1A und 1B illustrieren eine schematische Querschnittansicht beziehungsweise eine Draufsicht, welche eine Struktur eines Magnetwiderstandseffektelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel illustrieren. 2A, 2B und 2C illustrieren einen Betrieb des Magnetwiderstandseffekte lements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. 3 illustriert ein Modell zum Erklären eines Effekts des Magnetwiderstandseffektelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Nun wird die Struktur des Magnetwiderstandseffektelements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die 1A und 1B beschrieben. 1A ist eine schematische Querschnittansicht, welche die Struktur des Magnetwiderstandseffektelements gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert, und 1B ist eine Draufsicht. Die Querschnittansicht entlang der Linie 1B-1B entspricht der 1A.
Wie in 1A gezeigt werden auf eine antiferromagnetische Schicht 28 eine ferromagnetische Schicht 30, eine nicht magnetische Metallschicht 32 und eine ferromagnetische Schicht 34 geschichtet, um eine Festmagnetisierungsschicht 36 zu formen. Die Festmagnetisierungsschicht 36 ist in einem Laminat einer synthetischen ferromagnetischen Struktur ausgebildet. Auf der Festmagnetisierungsschicht 36 ist ein Barrierenisolationsfilm 40 ausgebildet. Auf den Barrierenisolationsfilm 40 sind eine ferromagnetische Schicht 42, eine nicht magnetische Metallschicht 44 und eine ferromagnetische Schicht 46 geschichtet, um eine ferromagnetische Feinleitung 48 in einem Laminat zu formen.
An der ferromagnetischen Feinleitung 48 sind, wie in 1b gezeigt, gekerbte Teilbereiche (nachfolgend als Kerben 62 bezeichnet) geformt. Die Kerben 62 sind an Positionen geformt, welche einander gegenüberliegen, so dass sich Breiten (Querschnittbereiche) der ferromagnetischen Feinleitung 48 verengen. Außerdem werden die Kerben 62 in gleichen Intervallen in einer Erstreckungsrichtung der ferromagnetischen Feinleitung 48 bereitgestellt. In der Beschreibung wird die Region, in welcher die Kerbe 62 geformt ist, als eine Regulierungsregion bezeichnet, und der Teil bereich mit einer großen Breite zwischen den Kerben 62 wird als eine magnetische Aufzeichnungsregion 64 bezeichnet.
Die Festmagnetisierungsschicht 36 ist in einem Mittelteil der magnetischen Aufzeichnungsregion 64 angeordnet. In einem Teil der magnetischen Aufzeichnungsregion gegenüber der Festmagnetisierungsschicht 36 kann, in Verbindung mit der Festmagnetisierungsschicht 36, ein Magnetwiderstandseffekt erreicht werden. Der Teil entspricht Freimagnetisierungsschichten in bekannten Magnetwiderstandseffektelementen. Dementsprechend wird in der Beschreibung die Gesamtheit der ferromagnetischen Feinleitung 48 auch einfach als eine Freimagnetisierungsschicht bezeichnet.
Wie oben beschrieben umfasst das Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei ferromagnetische Schichten, welche gegenüberliegend aufeinander geschichtet sind, mit dem Barrierenisolationsfilm dazwischen. Eine der zwei ferromagnetischen Schichten ist die ferromagnetische Feinleitung. Die ferromagnetische Feinleitung 48 ist in dem Laminat ausgebildet, umfassend die ferromagnetische Schicht 42, die nicht magnetische Metallschicht 44 und die ferromagnetische Schicht 46. Die ferromagnetische Schicht 42 und die ferromagnetische Schicht 46 sind so gekoppelt, dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind. Die antiferromagnetische Schicht 28 kann beispielsweise aus einem antiferromagnetischen Material geformt sein, welches eines von Re, Ru, Rh, Pd, IrPt, Cr, Fe, Ni, Cu, Ag und Au und Mn, beispielsweise PtMn, PdPtMn, IrMn, RhMn, RuMn, FeMn, oder Ähnliches umfasst.
Die ferromagnetischen Schichten 30, 34, 42 und 46, welche die Festmagnetisierungsschicht 36 und die ferromagnetische Feinleitung formen, können beispielsweise aus einem Material mit ferromagnetischer Legierung geformt sein, welches eines von Co, Fe und Ni umfasst, beispielsweise Co_xFe_100-x (0 ≤ x ≤ 100), Ni_xFe_100-x (0 ≤ x ≤ 100), ein amorphes Material, beispielsweise CoFeB, CoFeNi, CoFeNiB, CoFeSi oder CoFeBSi, oder ein Halbmetallmaterial, repräsentiert durch A₂BC (A = Co, Fe oder Ni, B = Mn oder Cr, und C = Al, Si, Ge, Sn oder V).
Die nicht magnetischen Metallschichten 32 und 44 können beispielsweise aus einem nicht magnetischen Metallmaterial geformt sein, wie z. B. Ru, Rh, Cr oder Ähnliches.
Der Barrierenisolationsfilm 40 kann beispielsweise aus einem Oxidmaterial geformt sein, welches eines von Mg, Al, Hf, Ti, V, Ta oder Si umfasst, oder aus einem Oxynitriermaterial oder einem Nitridmaterial, wie z. B. MgO, AlO, AlN, HfO, TiO, VO, TaO, SiO oder Ähnliches.
Nun wird ein Grundbetrieb des Magnetwiderstandseffektelements gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C beschrieben. In der folgenden Beschreibung kennzeichnet eine Magnetisierungsrichtung der Festmagnetisierungsschicht 36 eine Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 34, und kennzeichnet eine Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Feinleitung 48 eine Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 42 in der magnetischen Aufzeichnungsregion 64, welche der Festmagnetisierungsschicht 36 gegenüberliegt. Diese Definition wurde in Anbetracht dessen gemacht, dass ein Widerstandszustand des Magnetwiderstandseffektelements durch einen Zusammenhang zwischen der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 34 und der Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Schicht 42 in der magnetischen Aufzeichnungsregion 64, welche der Festmagnetisierungsschicht 36 gegenüberliegt, reguliert wird.
Wie in 2A gezeigt werden magnetische Aufzeichnungsregionen 64a, 64b, 64c, 64d und 64e an der ferromagnetischen Feinleitung bereitgestellt, und es wird davon aus gegangen, dass Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Aufzeichnungsregionen 64a, 64b, 64c, 64d und 64e in der Zeichnung jeweils linksgerichtet, rechtsgerichtet, rechtsgerichtet, linksgerichtet und rechtsgerichtet sind. Magnetische Bereichswände 66a, 66b und 66c sind zwischen der magnetischen Aufzeichnungsregion 64a und der magnetischen Aufzeichnungsregion 64b; der magnetischen Aufzeichnungsregion 64c und der magnetischen Aufzeichnungsregion 64d; und der magnetischen Aufzeichnungsregion 64d und der magnetischen Aufzeichnungsregion 64e geformt, jeweils in einem Zustand, dass die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Aufzeichnungsregionen jeweils entgegengesetzt zueinander sind. Es wird angemerkt, dass es eine bekannte Charakteristik ferromagnetischer Materialien ist, dass ihre Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt zueinander sind, mit einer magnetischen Bereichswand dazwischen. Es wird davon ausgegangen, dass die Festmagnetisierungsschicht 36 an der magnetischen Aufzeichnungsregion 64c vorgesehen ist.
In einem Zustand, welcher in 2A gezeigt ist, wenn ein elektrischer Strom in einer existierenden Richtung der ferromagnetischen Feinleitung 48 angelegt wird, bewegen sich die magnetischen Bereichswände 66a, 66b und 66c in eine Richtung, in welche der Elektronenspin fließt.
Beispielsweise in 2B, wenn ein elektrischer Strom I in der Zeichnung in einer Linksrichtung angelegt wird, fließt der Elektronenspin in eine Rechtsrichtung. Dann, durch das Spinmoment, bewegen sich die magnetischen Bereichswände 66a, 66b und 66c jeweils auf die rechte Seite. Andererseits, in 2C, wenn der elektrische Strom I in der Zeichnung in einer Rechtsrichtung angelegt wird, fließt der Elektronenspin in eine Linksrichtung. Dann, durch das Spinmoment, bewegen sich die magnetischen Bereichswände 66a, 66b und 66c jeweils auf die linke Seite.
In solch einem Zustand ist es möglich, die Bewegungsdistanz der magnetischen Bereichswände 66 zu steuern, indem ein Strompuls, der an der ferromagnetischen Feinleitung 48 angelegt werden soll, angemessen gesteuert wird. In den Teilbereichen, in denen die Kerben 62 ausgebildet sind, werden die Querschnittbereiche der ferromagnetischen Feinleitung 48 reduziert. Die Teilbereiche, in denen die Querschnittbereiche der ferromagnetischen Feinleitung 48 reduziert sind, sind energietechnisch stabil, im Vergleich zu Teilbereichen, in denen Querschnittbereiche der ferromagnetischen Feinleitung 48 groß sind. Dementsprechend können die magnetischen Bereichswände 66 an den Teilbereichen abgefangen werden, an denen die Querschnittbereiche durch die Kerben 62 reduziert sind. Das heißt, die Kerben 62 sind sogenannte Befestigungsstellen für eine magnetische Bereichswand. Mit der Struktur können die magnetischen Bereichswände 66 in Teilbereichen zwischen den magnetischen Aufzeichnungsregionen 64 akkurat bewegt werden. 2B und 2C illustrieren Zustände, in denen die magnetischen Bereichswände 66 um eine Region der magnetischen Aufzeichnungsregion 64 nach rechts beziehungsweise nach links bewegt werden.
Ein Bereitstellen der Kerben 62 an der ferromagnetischen Feinleitung 48 ermöglicht, die Verlagerung der magnetischen Bereichswände 66 zu regulieren. Dementsprechend ist es möglich, die Betriebszuverlässigkeit beim Schreiben und Lesen zu erhöhen. Es wird angemerkt, dass die Form der Kerben 62 nicht auf die V-Form beschränkt ist, die in den Zeichnungen gezeigt ist, und verschiedene Formen wie z. B. ein Trapez, Rechteck oder Halbkreis können verwendet werden, da bei Obigem ähnliche Effekte erhalten werden können. Dementsprechend kann die Form der Kerben 62 frei ausgewählt werden, abhängig von der Vorrichtungsstruktur.
Durch ein Bewegen der magnetischen Bereichswände 66 durch das Spinmoment wird die Magnetisierungsinformation in den magnetischen Aufzeichnungsregionen 64 zwischen den magnetischen Bereichswänden 66 ohne Änderung beibehalten. Das heißt, die Magnetisierungsinformation (Magnetisierungsrichtungen), welche in jeder magnetischen Aufzeichnungsregion 64 aufgezeichnet ist, kann ohne Änderung zu einer angrenzenden magnetischen Aufzeichnungsregion 64 bewegt werden, jeweils entlang der Bewegungsrichtung der magnetischen Bereichswände 66, in Verbindung mit der Verlagerung der magnetischen Bereichswände 66.
Wie oben beschrieben, kann, durch ein Bewegen der magnetischen Bereichswände 66 entlang der Erstreckungsrichtung der ferromagnetischen Feinleitung 48, die Magnetisierungsinformation, welche in irgendeiner magnetischen Aufzeichnungsregion 64 aufgezeichnet ist, zu der magnetischen Aufzeichnungsregion 64 bewegt werden, welche dem Teilbereich entspricht, der der Festmagnetisierungsschicht 36 gegenüberliegt. Dementsprechend kann die Magnetisierungsinformation, welche in irgendeiner magnetischen Aufzeichnungsregion 64 aufgezeichnet ist, ausgelesen werden.
Das heißt beispielsweise in einem Fall, in welchem die Magnetisierungsrichtung der Festmagnetisierungsschicht 36 in der Zeichnung rechtsgerichtet ist, wenn ein Zustand, nachdem die magnetischen Bereichswände 66 bewegt werden, ein Zustand ist, der in den 2A oder 2B gezeigt ist, sind die Magnetisierungsrichtung der Festmagnetisierungsschicht 36 und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsregion 64c parallel zu einander, und ein Elementwiderstand zwischen der Festmagnetisierungsschicht 36 und der magnetischen Aufzeichnungsregion 64c ist gering. Andererseits, wenn ein Zustand, nachdem die magnetischen Bereichswände 66 bewegt werden, ein Zustand ist, der in 2C gezeigt ist, sind die Magnetisierungsrichtung der Festmagnetisierungsschicht 36 und die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsregion 64c antiparallel zu einander, und der Elementwiderstand zwischen der Festmagnetisierungsschicht 36 und der magnetischen Aufzeichnungsregion 64c ist hoch. Dementsprechend wird eine Spannung entsprechend dem Widerstandszustand des Magnetwiderstandseffektelements ausgegeben, indem ein Lesestrom an das Magnetwiderstandseffektelement in einer senkrechten Richtung angelegt wird, das heißt, zwischen der ferromagnetischen Feinleitung 48 und der Festmagnetisierungsschicht 36, mit dem Barrierenisolationsfilm 40 dazwischen. Durch ein Erkennen der Spannung ist es möglich auszulesen, ob das Magnetwiderstandseffektelement in dem Zustand mit hohem Widerstand oder in dem Zustand mit niedrigem Widerstand ist, das heißt, Datenwert "0" wird aufgezeichnet oder Datenwert "1" wird aufgezeichnet.
Wie oben beschrieben verwendet das Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Verlagerung der magnetischen Bereichswände 66 in der ferromagnetischen Feinleitung 48, welche durch die Elektronenspininjektion erzeugt wird. In dem Magnetwiderstandseffektelement ist die ferromagnetische Feinleitung 48 in dem Laminat geformt, umfassend die ferromagnetische Schicht 42, die nicht magnetische Metallschicht 44 und die ferromagnetische Schicht 46. Die ferromagnetische Schicht 42 und die ferromagnetische Schicht 46 sind so gekoppelt, dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind. Mit der Struktur des Magnetwiderstandseffektelements ist es möglich, die Verlagerungsgeschwindigkeit magnetischer Bereichswände zu erhöhen, ohne eine Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen zu verringern.
Nun wird der oben beschriebene Effekt des Magnetwiderstandseffektelements im Detail beschrieben. Eine Sättigungsmagnetisierung M_s einer ferromagnetischen Feinleitung in ihrer Gesamtheit in einer dreischichtigen ferromagnetischen Feinleitung wird beschrieben. Wie in 3 gezeigt umfasst die ferromagnetische Feinleitung eine ferromagnetische Schicht F₁ mit einer Dicke t₁, und eine Sättigungsmagnetisierung M₁, und eine ferromagnetische Schicht F₂ mit einer Dicke t₂ (≠ t₁), und eine Sättigungsmagnetisierung M₂ mit einer nicht magnetischen Metallschicht N dazwischen, und die ferromagnetische Schicht F₁ und die ferromagnetische Schicht F₂ sind gekoppelt, um antiparallele Magnetisierungsrichtungen zu besitzen. In der folgenden Beschreibung wird der mehrschichtige Film, in welchem die Magnetisierungsrichtungen der zwei ferromagnetischen Schichten antiparallel zueinander sind, als ein antiparallel gekoppelter Film bezeichnet.
Wenn die ferromagnetische Schicht F₁ und die ferromagnetische Schicht F₂ gekoppelt sind, um antiparallele Magnetisierungsrichtungen zu besitzen, mit einer nicht magnetischen Metallschicht N dazwischen, kann eine offensichtliche Sättigungsmagnetisierung M_s wie folgt dargestellt werden: Ms = |t1M1 – t2M2|/(t1 + t2) (1)
Das heißt, da die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht F₁ und der ferromagnetischen Schicht F₂ antiparallel zueinander sind, werden die offensichtlichen Magnetisierungen verneint, und eine effektive Magnetisierung wird kleiner als jene in einem Fall einer einzigen Schicht (siehe beispielsweise T. Nozaki et al., "Magnetic switching properties of magnetic tunnel junctions using a synthetic ferrimagnet free layer", J. Appl. Phys., Vol. 95, 2004, Seiten 3745-3748).
Es wird angemerkt, dass, da die Dicke der nicht magnetischen Metallschicht N, welche zwischen die ferromagnetische Schicht F₁ und die ferromagnetische Schicht F₂ geschichtet ist, extrem dünn ist, diese Auswirkung auf die Magnetisierung M_s gering genug ist, um vernachlässigt zu werden.
Unterdessen wurde bekannt, dass eine Verlagerungsgeschwindigkeit v einer magnetischen Bereichswand gemäß der Elektronenspininjektion entsprechend einem Zusammenhang zwischen Veränderungen magnetischer Momente aufgrund eines Spinübertragungseffekts und einer Verlagerung einer magnetischen Bereichswand wie folgt dargestellt wird (siehe beispielsweise A. Yamaguchi et al., "Real space observation of current-driven domain wall motion in submicron magnetic wires", Phys. Rev. Lett., Vol. 92, 2004, Seiten 077205-1-077205-4).
wobei
ein Bohr-Magneton kennzeichnet, e eine Elementarladung eines Elektrons kennzeichnet, P eine Spinpolarisierbarkeit magnetischen Materials kennzeichnet und j eine Stromdichte kennzeichnet.
Wie aus Gleichung (2) deutlich wird ist die Verlagerungsgeschwindigkeit v einer magnetischen Bereichswand proportional zu der Stromdichte j, und umgekehrt proportional zu der Sättigungsmagnetisierung M_s. Dementsprechend ist es, um die Verlagerungsgeschwindigkeit einer magnetischen Bereichswand zu erhöhen, notwendig, die Stromdichte j zu erhöhen oder die Sättigungsmagnetisierung M_s zu verringern.
Zwischen den Bedingungen ist es nicht bevorzugt, die Stromdichte j zu erhöhen, da die Erhöhung der Stromdichte j einen Anstieg beim Energieverbrauch erfordert. Außerdem ist es auch nicht bevorzugt, die Sättigungsmagnetisierung M_s zu sehr zu verringern, da, wenn die Sättigungsmagnetisierung M_s zu gering ist, die Temperaturbeständigkeit abnimmt.
Jedoch kann der antiparallel gekoppelte Film, welcher in 3 gezeigt ist, eine hohe Temperaturbeständigkeit realisieren, im Vergleich zu einem einschichtigen ferromagnetischen Film (siehe beispielsweise Ikeda et al., "proceeding of the 67th Japan Society of Applied Physics autumn meeting" (2006, Autumn), 29p-ZK-11). Dementsprechend kann die Verlagerungsgeschwindigkeit v einer magnetischen Bereichswand erhöht werden, indem der antiparallel gekoppelte Film verwendet wird, um die Sättigungsmagnetisierung M_s zu reduzieren, während eine hohe Temperaturbeständigkeit sichergestellt ist. Außerdem wird in Bezug auf die Temperaturschwankung, welche in einem Fall betrachtet wird, in dem die ferromagnetische Feinleitung miniaturisiert ist, angenommen, dass die Beständigkeit erhöht wird.
Wie der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, ist es bevorzugt, dass die Sättigungsmagnetisierungen (Materialien) und die Dicken der ferromagnetischen Schichten 42 und 46, welche die ferromagnetische Feinleitung 48 formen, so festgelegt werden, dass der Wert der effektiven Sättigungsmagnetisierungen M_s der ferromagnetischen Feinleitung 48 in seiner Gesamtheit so gering wie möglich ist.
Nun wird davon ausgegangen, dass ein antiparallel gekoppelter Film zwei ferromagnetische Schichten F₁ und F₂ umfasst, welche aus einem gleichen Material geformt sind (das heißt M_s = M₁ = M₂), und die Dicke der ferromagnetischen Schicht F₁ ist t₁ = 30 nm, und die Dicke der ferromagnetischen Schicht F₂ ist t₂ = 20 nm (t₁ + t₂ = 50 nm). Außerdem wird davon ausgegangen, dass ein einschichtiger ferromagnetischer Film aus dem gleichen Material geformt ist, das die ferromagnetischen Schichten F₁ und F₂ formt, und eine Dicke von 50 nm besitzt.
In einem Fall, in dem eine Sättigungsmagnetisierung des antiparallel gekoppelten Films M_sy ist und eine Sättigungsmagnetisierung der einschichtigen ferromagnetischen Schicht M_single ist, wenn die Sättigungsmagnetisierung M_sy mit der Sättigungsmagnetisierung M_single verglichen wird, wird ein Ergebnis wie folgt angegeben. Msy/Msingle = (|30 × Ms – 20 × Ms|/50)/Ms = 1/5
Dementsprechend ist die Sättigungsmagnetisierung M_sy des antiparallel gekoppelten Films offensichtlich ein Fünf tel der Sättigungsmagnetisierung M_single des einschichtigen ferromagnetischen Films. Daher kann in diesem Fall eine Verlagerungsgeschwindigkeit einer magnetischen Bereichswand geschätzt werden, das Fünffache jener des einschichtigen Films zu betragen.
Wie oben beschrieben umfasst das Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei ferromagnetische Schichten, welche gegenüberliegend aufeinander geschichtet sind, mit der Barrierenisolationsschicht dazwischen. Eine der zwei ferromagnetischen Schichten ist die ferromagnetische Feinleitung, und die ferromagnetische Feinleitung ist in dem Laminat geformt, umfassend die ferromagnetische Schicht, die nicht magnetische Metallschicht und die ferromagnetische Schicht. Die ferromagnetischen Schichten sind so gekoppelt, dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind. Dementsprechend kann die Magnetisierung der ferromagnetischen Feinleitung stabilisiert werden, kann die Sättigungsmagnetisierung der ferromagnetischen Feinleitung in ihrer Gesamtheit reduziert werden, und dadurch kann die Verlagerungsgeschwindigkeit der magnetischen Bereichswände erhöht werden, ohne eine Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen zu reduzieren.
Zweites Ausführungsbeispiel
Eine magnetische Speichervorrichtung und ein Herstellungsverfahren der Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel werden mit Bezugnahme auf die 4A bis 8B beschrieben werden. Für Elemente, die jenen in dem Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in den 1A bis 3 gezeigt ist, ähnlich sind, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und ihre Beschreibungen werden ausgelassen oder vereinfacht.
4A und 4B illustrieren eine schematische Querschnittansicht beziehungsweise eine Draufsicht, welche eine Struktur einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel illustrieren. 5A und 5B illustrieren ein Schreibverfahren in der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. 6A bis 8B sind Prozessquerschnittansichten, welche Herstellungsverfahren der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel illustrieren.
Eine Struktur der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird mit Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben.
Auf einem Siliziumsubstrat 10 ist ein Elementisolationsfilm 12, welcher eine aktive Region definiert, geformt. In der aktiven Region, welche durch den Elementisolationsfilm 12 definiert wird, ist ein Auswahltransistor geformt, welcher eine Gateelektrode 14 und Source-/Drainregionen 16 und 18 umfasst.
Auf dem Siliziumsubstrat 10, auf welchem der Auswahltransistor ausgebildet ist, ist ein Zwischensichtisolationsfilm 20 geformt. In den Zwischenschichtisolationsfilm 20 ist ein Steckkontakt 24 eingebettet, welcher mit der Source-/Drainregion 16 verbunden ist.
Auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 20, in welchem der Steckkontakt 24 eingebettet ist, sind eine untere Elektrodenschicht 26, eine antiferromagnetische Schicht 28, welche auf der unteren Elektrodenschicht 26 geformt ist, und die Festmagnetisierungsschicht 36, welche auf der antiferromagnetischen Schicht 28 geformt ist, geformt. Die untere Elektrodenschicht 26 ist mit der Source-/Drainregion 16 durch den Steckkontakt 24 elektrisch verbunden. Die Festmagnetisierungsschicht 36 umfasst die ferromagnetische Schicht 30, die nicht magnetische Metallschicht 32 und die ferromagnetische Schicht 34, und die Festmagnetisierungsschicht 36 ist in dem Laminat einer synthetischen ferromagnetischen Struktur ausgebildet. Auf einer Region des Zwi schenschichtisolationsfilms 20, die sich von der Region unterscheidet, in welcher die untere Elektrodenschicht 26, die antiferromagnetische Schicht 28 und die Festmagnetisierungsschicht 36 geformt sind, ist ein Zwischenschichtisolationsfilm 38 geformt.
Auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 38 ist der Barrierenisolationsfilm 40 geformt. Auf dem Barrierenisolationsfilm 40 ist die ferromagnetische Feinleitung 48, welche in dem Laminat der synthetischen ferromagnetischen Struktur geformt ist, umfassend die ferromagnetische Schicht 42, die nicht magnetische Metallschicht 44 und die ferromagnetische Schicht 46, geformt. An der ferromagnetischen Feinleitung 48 sind wie in 4B gezeigt die Kerben 62 in gleichen Intervallen geformt. Durch die Kerben 62 werden die magnetischen Aufzeichnungsregionen 64a, 64b, 64c, 64d, 64e, ... definiert. Eine der magnetischen Aufzeichnungsregionen (magnetische Aufzeichnungsregion 64a) liegt der Festmagnetisierungsschicht 36 gegenüber, mit dem Barrierenisolationsfilm 40 dazwischen.
Auf dem Barrierenisolationsfilm 40, auf welchem die ferromagnetische Feinleitung 48 geformt ist, ist der Zwischenschichtisolationsfilm 52 geformt. Auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 52 ist eine Schreibleitung 54 geformt. Die Schreibleitung 54 ist, wie in 4B gezeigt, in einer der magnetischen Aufzeichnungsregionen (magnetische Aufzeichnungsregion 64e) der ferromagnetischen Feinleitung 48 angeordnet, so dass die Schreibleitung 54 orthogonal zu der magnetischen Aufzeichnungsregion ist.
Wie oben beschrieben ist die magnetische Aufzeichnungsvorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel geformt, indem das Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird.
Nun wird ein Schreibverfahren für die magnetische Speichervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die 5A und 5B beschrieben.
Für das Schreiben in der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Schreibleitung 54 verwendet.
Wie in 5A gezeigt, wenn ein elektrischer Strom I an der Schreibleitung 54 in einer Aufwärtsrichtung in der Zeichnung angelegt wird, an die magnetische Aufzeichnungsregion 64e, wird ein externes Magnetfeld in einer Linksrichtung in der Zeichnung angelegt. Dann dreht sich eine Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsregion 64e in Verbindung mit dem externen Magnetfeld nach links.
Andererseits, wie in 5B gezeigt, wenn der elektrische Strom I an die Schreibleitung 54 in einer Abwärtsrichtung in der Zeichnung angelegt wird, an die magnetische Aufzeichnungsregion 64e, wird ein externes Magnetfeld in eine Rechtsrichtung in der Zeichnung angelegt. Dann dreht sich die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsregion 64e in Verbindung mit dem externen Magnetfeld nach rechts.
Es wird angemerkt, dass sich in den Magnetwiderstandseffektelementen, wie z. B. dem Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, in welchem die ferromagnetische Schicht 42 und die ferromagnetische Schicht 46 gekoppelt sind, um antiparallel zueinander zu sein, die effektive Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsregion 64e in ihrer Gesamtheit dreht, von außen betrachtet, in Verbindung mit dem externen Magnetfeld.
Um in die magnetische Speichervorrichtung zu schreiben, können, zusätzlich zu dem oben beschriebenen Anwendungsverfahren eines externen Magnetfelds, andere Schreibverfahren verwendet werden, welche einen Mechanismus einer Magnetisierungsumkehrung einer Spininjektion verwenden. Wenn das Magnetisierungsumkehrungsverfahren für eine Spininjektion verwendet wird ist es möglich, eine Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsregion 64 umzukehren, welche entgegengesetzt zu der Festmagnetisierungsschicht 36 in irgendeiner Richtung ist, indem ein Schreibstrom einer vorbestimmten Richtung zwischen der ferromagnetischen Feinleitung 48 und der Festmagnetisierungsschicht 36 angelegt wird.
Das heißt, das Anlegen des Schreibstroms von der Seite der Festmagnetisierungsschicht 36 zu der Seite der magnetischen Aufzeichnungsregion 64 erzeugt die Magnetisierungsumkehrung in den ferromagnetischen Schichten 42 und 46, so dass die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht 34, der Festmagnetisierungsschicht 36 und der ferromagnetischen Schicht 42 der magnetischen Aufzeichnungsregion 62 antiparallel zueinander sind. Andererseits erzeugt das Anlegen des Schreibstroms von der Seite der magnetischen Aufzeichnungsregion 64 zu der Seite der Festmagnetisierungsschicht 36 die Magnetisierungsumkehrung in den ferromagnetischen Schichten 42 und 46, so dass die Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht 34 der Festmagnetisierungsschicht 36 und der ferromagnetische Schicht 42 der magnetischen Aufzeichnungsregion 64 parallel zueinander sind.
Die Stromdichte des Stroms, welcher für die Magnetisierungsumkehrung einer Spininjektion angelegt wird, ist geringer als jene, welche für die Verlagerung einer magnetischen Bereichswand um ungefähr eine Stelle angelegt wird. Dementsprechend können die Magnetisierungsrichtungen in den magnetischen Aufzeichnungsregionen umgekehrt werden, ohne Verlagerung der magnetischen Bereichswände.
Mit dem oben beschriebenen Verfahren wird, nachdem das Schreiben der Magnetisierungsinformation in die magnetische Aufzeichnungsregion 64e abgeschlossen ist, ein Strom an die ferromagnetische Feinleitung 48 angelegt, um die magnetischen Bereichswände zu verlagern. Das heißt, die Magnetisierungsinformation, welche in der magnetischen Aufzeichnungsregion 64e aufgezeichnet ist, wird in die angrenzende magnetische Aufzeichnungsregion 64d oder 64f verlagert.
Durch wiederholtes Durchführen der Schritte kann eine vorbestimmte Magnetisierungsinformation der Reihe nach in die magnetischen Aufzeichnungsregionen in der ferromagnetischen Feinleitung 48 geschrieben werden.
In Bezug auf das Leseverfahren für die magnetische Speichervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu jenem für das Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
Nun wird ein Herstellungsverfahren der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Bezugnahme auf die 6A bis 8B beschrieben.
Zuerst wird auf dem Siliziumsubstrat 10, beispielsweise indem eine Seichtgrabenisolierung (STI) verwendet wird, der Elementisolationsfilm 12 geformt, welcher eine aktive Region definiert.
Dann wird auf der aktiven Region, welche durch den Elementisolationsfilm 12 definiert ist, auf eine zu bekannten Formungsverfahren von MOS-Transistoren ähnliche Art und Weise, ein Auswahltransistor geformt, welcher die Gateelektrode 14 und die Source-/Drainregionen 16 und 18 besitzt (6A).
Auf dem Siliziumsubstrat 10, auf welchem der Auswahltransistor geformt wurde, wird ein Siliziumoxidfilm abgelagert, indem beispielsweise eine chemische Aufdampfung (CVD) verwendet wird, wird die Oberfläche durch ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP) geebnet, und wird dadurch der Zwischenschichtisolationsfilm 20 geformt, welcher aus dem Siliziumoxidfilm geformt ist.
Dann wird durch Photolithographie oder Trockenätzung in dem Zwischenschichtisolationsfilm 20 ein Kontaktloch 22 geformt, welches bis zu der Source-/Drainregion 16 reicht.
Dann werden beispielsweise durch CVD ein Titaniumnitridfilm und ein Wolframfilm als Barrierenmetalle abgelagert, werden die leitfähigen Filme mittels Ätzen kaschiert oder mittels Polieren kaschiert, und wird dadurch ein Steckkontakt 24 geformt, welcher in das Kontaktloch 22 eingebettet ist und mit der Source-/Drainregion 16 elektrisch verbunden ist (6B).
Auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 20, in welchem der Steckkontakt 24 eingebettet ist, werden beispielsweise durch ein Sputterverfahren der Reihe nach geformt: eine leitfähige Schicht 26a, welche aus einem leitfähigen Material geformt ist, beispielsweise Ta mit einer Filmdicke von 5 nm, die antiferromagnetische Schicht 28, die aus einem antiferromagnetischen Material geformt ist, beispielsweise PtMn mit einer Filmdicke von 10 nm, die ferromagnetische Schicht 30, welche aus einem ferromagentischen Material geformt ist, beispielsweise CoFe mit einer Filmdicke von 2 nm, die nicht magnetische Schicht 32, welche aus einem nicht magnetischen Material geformt ist, beispielsweise Ru mit einer Filmdicke von 0,7 nm, und die ferromagnetische Schicht 34, welche aus einem ferromagnetischen Material geformt ist, beispielsweise CoFeB mit einer Filmdicke von 3 nm (6C).
Dann, durch Photolithographie oder Trockenätzung werden die ferromagnetische Schicht 34, die nicht magnetische Metallschicht 32, die ferromagnetische Schicht 30 und die antiferromagnetische Schicht 28 gemustert, und dadurch wird die Festmagnetisierungsschicht 36 geformt, welche in dem Laminat der synthetischen ferromagnetischen Struktur ge formt ist, umfassend die ferromagnetische Schicht 34, die nicht magnetische Metallschicht 32 und die ferromagnetische Schicht 30.
Dann, durch Photolithographie oder Trockenätzung, wird der leitfähige Film 26a gemustert, und die untere Elektrodenschicht 26, welche aus dem leitfähigen Film 26a geformt ist, wird geformt (7A).
Auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 20, auf welchem die untere Elektrodenschicht 26, die antiferromagnetische Schicht 28 und die Festmagnetisierungsschicht 36 geformt wurden, beispielsweise durch CVD, wird ein Siliziumfilm abgelagert, wird die Oberfläche poliert, bis die Festmagnetisierungsschicht 36 durch CMP exponiert ist, und wird dadurch der Zwischenschichtisolationsfilm 38 geformt, welcher aus dem Siliziumoxidfilm geformt wird (7B).
Auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 38, in welchem die Festmagnetisierungsschicht 36 eingebettet ist, wird beispielsweise durch ein Sputterverfahren ein Isolationsmaterial, beispielsweise MgO mit einer Filmdicke von 1 nm, abgelagert, und dadurch wird der Barrierenisolationsfilm 40 geformt, welcher aus dem Isolationsmaterial geformt ist.
Auf dem Barrierenisolationsfilm 40 wird beispielsweise durch ein Sputterverfahren der Reihe nach geformt: die ferromagnetische Schicht 42, welche aus einem ferromagnetischen Material geformt ist, beispielsweise CoFe mit einer Filmdicke von 20 nm, die nicht magnetische Metallschicht 44, welche aus einem nicht magnetischen Metallmaterial geformt ist, beispielsweise Ru mit einer Filmdicke von 0,7 nm, und die ferromagnetische Schicht 46, welche aus einem ferromagnetischen Material geformt ist, beispielsweise CoFe mit einer Filmdicke von 30 nm.
Durch Photolithographie oder Trockenätzung werden die ferromagnetische Schicht 46, die nicht magnetische Metallschicht 44 und die ferromagnetische Schicht 42 gemustert, und dadurch wird die ferromagnetische Feinleitung 48 geformt, welche in dem Laminat aus der synthetischen ferromagnetischen Struktur geformt ist, umfassend die ferromagnetische Schicht 46, die nicht magnetische Metallschicht 44 und die ferromagnetische Schicht 42.
Wie oben beschrieben wird ein Magnetwiderstandseffektelement 50 geformt, welches in einer TMR-Struktur geformt ist, umfassend die antiferromagnetische Schicht 28, eine Festmagnetisierungsschicht 36, den Barrierenisolationsfilm 40 und die ferromagnetische Feinleitung 48 (8A).
Auf dem Barrierenisolationsfilm 40, auf welchem das Magnetwiderstandseffektelement 50 geformt wurde, wird ein Siliziumoxidfilm abgelagert, beispielsweise durch CVD, wird die Oberfläche durch CMP geebnet, und dadurch wird ein Zwischenschichtisolationsfilm 52 geformt, welcher aus dem Siliziumoxidfilm geformt ist.
Dann wird auf dem Zwischenschichtisolationsfilm 52 ein leitfähiger Film abgelagert und gemustert, und die Schreibleitung 54 wird geformt (8B).
Danach werden des Weiteren eine Isolationsschicht, eine Leitungsschicht oder Ähnliches auf der oberen Schicht geformt, falls notwendig, und dann ist die Formung der magnetischen Speichervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel abgeschlossen.
Wie oben beschrieben wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die magnetische Speichervorrichtung geformt, indem das Magnetwiderstandseffektelement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird, und es ist möglich, die Verlagerungsgeschwindigkeit der magnetischen Bereichswände zu erhöhen, ohne die Stabilität des Magnetwiderstandseffektelements gegen Temperaturschwankungen zu verringern. Dementsprechend ist es möglich, die Schreibgeschwindigkeit, die Lesegeschwindigkeit und die Betriebszu verlässigkeit der magnetischen Speichervorrichtung zu erhöhen.
Modifizierte Ausführungsbeispiele
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern es können verschiedene Modifikationen vorgenommen werden.
Beispielsweise sind die Strukturmaterialien des Magnetwiderstandseffektelements, welches in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben wird, typische Strukturmaterialien, und diese sind nicht auf die obigen beschränkt.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Festmagnetisierungsschicht in der synthetischen ferromagnetischen Struktur aus CoFeB/Ru/CoFe geformt, um den magnetischen Verlust eines Magnetfelds aus der Festmagnetisierungsschicht 36 zu verringern. Jedoch, indem die oben beschriebenen Materialien verwendet werden, kann eine einschichtige Festmagnetisierungsschicht geformt werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Regulationsregionen zum Regulieren der Verlagerung der magnetischen Bereichswände durch Kerben geformt. Jedoch, wie in der Beschreibung der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2006-151180 durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, können die Regulierungsregionen geformt werden, indem ein Ionenstrahl wahlweise auf eine ferromagnetische Feinleitung gestrahlt wird und wahlweise eine magnetische Eigenschaft eines ferromagnetischen Materials verändert wird.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die vorliegende Erfindung auf die magnetische Speichervorrichtung angewendet, welche das Magnetwiderstandseffektelement vom TMR-Typ besitzt. Jedoch kann die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf eine magnetische Speichervorrichtung angewendet werden, welche ein Magnetwiderstandseffek telement vom GMR-Typ besitzt. In solch einem Fall kann anstelle des Barrierenisolationsfilms 40 eine leitfähige, nicht magnetische Schicht bereitgestellt werden. Jedoch ist es in Anbetracht von Veränderungen von Widerstandswerten aufgrund eines Magnetwiderstandseffekts bevorzugt, das Magnetwiderstandseffektelement vom TMR-Typ zu verwenden.
Außerdem ist das Magnetwiderstandseffektelement gemäß der vorliegenden Erfindung nicht auf die magnetische Speichervorrichtung gemäß dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern das Magnetwiderstandseffektelement kann auf magnetische Speichervorrichtungen verschiedener Strukturen angewendet werden. In Bezug auf die magnetische Speichervorrichtung, welche die Verlagerung einer magnetischen Bereichswand in der ferromagnetischen Feinleitung verwendet, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung in der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2006-093446 , der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2006-146135 , der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2006-149535 , der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2006-151180 , der japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2006-151253 und Ähnliches diskutiert. Das Magnetwiderstandseffektelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf die magnetischen Speichervorrichtungen angewendet werden, welche in diesen Anmeldungen beschrieben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung, in dem Magnetwiderstandseffektelement, umfassend zwei ferromagnetische Schichten, welche gegenüberliegend zueinander geschichtet sind, mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen, wobei eine der zwei ferromagnetischen Schichten eine ferromagnetische Feinleitung ist, wird die ferromagnetische Feinleitung in einem Laminat geformt, umfassend eine ferromagnetische Schicht, eine nichtmagnetische Metallschicht und eine ferromagnetische Schicht. Die ferromagnetischen Schichten sind so gekoppelt, dass ihre Magnetisierungsrichtungen an tiparallel zueinander sind. Dementsprechend kann eine Magnetisierung der ferromagnetischen Feinleitung stabilisiert werden, kann eine Sättigungsmagnetisierung der ferromagnetischen Feinleitung in ihrer Gesamtheit reduziert werden und kann dadurch eine Verlagerungsgeschwindigkeit magnetischer Bereichswände erhöht werden, ohne eine Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen zu reduzieren. Des Weiteren wird, indem solch ein Magnetisierungswiderstandseffektelement verwendet wird, eine magnetische Speichervorrichtung geformt, welche ein Verlagerungsphänomen einer magnetischen Bereichswand und einen Magnetwiderstandseffekt in den ferromagnetischen Schichten für eine Feinleitung verwendet. Dementsprechend ist es möglich eine Schreibgeschwindigkeit und eine Lesegeschwindigkeit in der magnetischen Speichervorrichtung zu erhöhen und auch eine Betriebszuverlässigkeit zu erhöhen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 2006-073930 [0004]
- US 6834005 [0004]
- JP 2006-151180 [0093, 0095]
- JP 2006-093446 [0095]
- JP 2006-146135 [0095]
- JP 2006-149535 [0095]
- JP 2006-151253 [0095]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- T. Nozaki et al., "Magnetic switching properties of magnetic tunnel junctions using a synthetic ferrimagnet free layer", J. Appl. Phys., Vol. 95, 2004, Seiten 3745-3748 [0041]
- A. Yamaguchi et al., "Real space observation of current-driven domain wall motion in submicron magnetic wires", Phys. Rev. Lett., Vol. 92, 2004, Seiten 077205-1-077205-4 [0043]
- Ikeda et al., "proceeding of the 67th Japan Society of Applied Physics autumn meeting" (2006, Autumn), 29p-ZK-11 [0046]

Claims

Ein Magnetwiderstandseffektelement, umfassend: eine Festmagnetisierungsschicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung; eine nicht magnetische Schicht, welche auf der Festmagnetisierungsschicht geformt ist; und eine freie Magnetschicht mit einer Laminatstruktur, wobei die Laminatstruktur eine erste ferromagnetische Schicht, eine nicht magnetische Metallschicht, welche über der ersten ferromagnetischen Schicht geformt ist, und eine zweite ferromagnetische Schicht, welche über der nicht magnetischen Metallschicht geformt ist, umfasst, wobei die freie Magnetschicht magnetische Aufzeichnungsregionen besitzt, die erste ferromagnetische Schicht und die zweite ferromagnetische Schicht in jeder der magnetischen Aufzeichnungsregionen gekoppelt sind, so dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind, und eine der magnetischen Aufzeichnungsregionen der Festmagnetisierungsschicht gegenüberliegt, mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen.
Das Magnetwiderstandseffektelement nach Anspruch 1, wobei die freie Magnetschicht Regulierungsregionen zum Regulieren der Verlagerung der magnetischen Bereichswände umfasst, welche in regelmäßigen Intervallen geformt sind, und die Regulierungsregionen die magnetischen Aufzeichnungsregionen definieren.
Das Magnetwiderstandseffektelement nach Anspruch 1, wobei die nicht magnetische Schicht ein Isolationsmaterial umfasst.
Eine magnetische Speichervorrichtung, umfassend: ein Magnetwiderstandseffektelement mit einer Festmagnetisierungsschicht, welche eine feste Magnetisierungsrichtung besitzt, einer nicht magnetischen Schicht, welche auf der Festmagnetisierungsschicht geformt ist; und eine freie Magnetschicht ist in einer Laminatstruktur geformt, wobei die Laminatstruktur eine erste ferromagnetische Schicht, eine nicht magnetische Metallschicht, welche über der ersten ferromagnetischen Schicht geformt ist, und eine zweite ferromagnetische Schicht, welche über der nicht magnetischen Metallschicht geformt ist, umfasst, wobei die freie Magnetschicht magnetische Aufzeichnungsregionen besitzt, die erste ferromagnetische Schicht und die zweite ferromagnetische Schicht in jeder der magnetischen Aufzeichnungsregionen gekoppelt sind, so dass ihre Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind, und eine der magnetischen Aufzeichnungsregionen der Festmagnetisierungsschicht gegenüberliegt, mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen, ein Anwendungsmittel für elektrischen Strom, welches elektrischen Strom zwischen der Festmagnetisierungsschicht und der freien Magnetschicht mit der nicht magnetischen Schicht dazwischen anlegt.
Eine magnetische Speichervorrichtung nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend: ein Bewegungsmittel für eine magnetische Bereichswand, welches die magnetische Bereichswand zwischen den magnetischen Aufzeichnungsregionen bewegt, indem der elektrische Strom in einer existierenden Richtung der freien Magnetschicht angelegt wird.
Eine magnetische Speichervorrichtung nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend: ein Schreibmittel, welches eine Magnetisierungsinformation in die magnetischen Aufzeichnungsregionen schreibt.
Eine magnetische Speichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Schreibmittel die Magnetisierungsinformation durch Anlegen eines externen Magnetfelds an den magnetischen Aufzeichnungsregionen schreibt.
Eine magnetische Speichervorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Schreibmittel die Magnetisierungsinformation durch die Spininjektion schreibt, indem Strom zwischen der Festmagnetisierungsschicht und der freien Magnetschicht angelegt wird.