DE112017001776T5 - Magnetoresistives Element, Speicherelement und elektronische Vorrichtung - Google Patents

Magnetoresistives Element, Speicherelement und elektronische Vorrichtung Download PDF

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Abstract

[Problem] Es möglich zu machen, die Magnetowiderstandsänderungsrate weiter zu verbessern, ohne die Zuverlässigkeit als ein Element zu verschlechtern.
[Lösung] Bereitgestellt ist ein magnetoresistives Element, das mit Folgendem ausgestattet ist: einer Speicherungsschicht, wobei sich die Magnetisierungsrichtung entsprechend Informationen ändert; einer ersten Schicht mit fester Magnetisierung, die unter der Speicherungsschicht bereitgestellt ist und die Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufweist, d. h. eine Referenz zu den in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen; einer zweiten Schicht mit fester Magnetisierung, die über der Speicherungsschicht bereitgestellt ist und die Magnetisierungsrichtung senkrecht zur Filmoberfläche aufweist, d. h. die Referenz zu den in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen, wobei die Magnetisierungsrichtung entgegengesetzt zu der der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist; einer ersten Zwischenschicht, die zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt ist; und einer zweiten Zwischenschicht, die zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt ist. Die Speicherungsschicht wird durch Laminieren einer ersten Schicht aus einem magnetischen Material, einer Schicht aus einem nicht magnetischen Material und einer zweiten Schicht aus einem magnetischen Material in dieser Reihenfolge konfiguriert und die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material weist die Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche auf.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein magnetoresistives Element, ein Speicherelement und eine elektronische Vorrichtung.
  • Stand der Technik
  • Die durch verschiedene elektronische Vorrichtungen bearbeitete Informationsmenge hat sich mit dem Fortschritt der Informationsgesellschaft in den letzten Jahren explosiv erhöht. Somit wird erfordert, dass Speicherungseinrichtungen, die in derartigen elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, eine zusätzliche verbesserte Leistungsfähigkeit aufweisen.
  • Unter den Einrichtungen, als Substitutionen für Speicherungseinrichtungen, wie etwa NOR-Flash-Speicher oder DRAMs, die gegenwärtig allgemein verwendet werden, haben magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAMs), insbesondere magnetische Direktzugriffsspeicher (MRAMs) (oder magnetische Spin-Drehmoment-Direktzugriffsspeicher (ST-MRAMs)), die eine Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung (die auch Spin-Injektion-Magnetisierungsumkehrung genannt wird) verwenden, an Aufmerksamkeit gewonnen. Es wird in Betracht gezogen, dass die ST-MRAMs in der Lage sind, einen niedrigen Leistungsverbrauch und eine große Kapazität umzusetzen, während sie die Vorteile von MRAMs beibehalten, die Operationen mit hohen Geschwindigkeiten und eine im Wesentlichen unbegrenzte Anzahl von Neuschreiboperationen sind.
  • Obwohl ein ST-MRAM derart konfiguriert ist, dass mehrere Speicherzellen, die jeweils ein magnetoresistives Element beinhalten, das als ein Speicherungselement dient, das Informationen von 1/0 speichert, darin in einem Array angeordnet sind, ist ein Element mit einer MTJ-Struktur (MTJ: Magnetic Tunnel Junction - magnetischer Tunnelübergang) als das magnetoresistive Element verwendet worden. Die MTJ-Struktur ist eine Struktur, bei der eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material (eine Tunnelbarrierenschicht) zwischen zwei Schichten aus einem magnetischen Material (einer Schicht mit fester Magnetisierung und einer Speicherungsschicht) eingelegt ist. Ein magnetoresistives Element mit der MTJ-Struktur wird nachfolgend auch als ein MTJ-Element bezeichnet. In einem MTJ-Element werden Informationen von 1/0 unter Verwendung einer Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung in der Speicherungsschicht aufgezeichnet, die erzeugt wird, indem verursacht wird, dass ein Strom in der MTJ-Struktur fließt.
  • Hier ist eine duale MTJ-Struktur eines MTJ-Elements, in dem Schichten mit fester Magnetisierung jeweils sowohl über als auch unter einer Speicherungsschicht mit dazwischen angeordneten Tunnelbarrierenschichten angeordnet sind, vorgeschlagen worden. Gemäß der dualen MTJ-Struktur wird ein Spin-Drehmoment durch die beiden Schichten mit fester Magnetisierung von sowohl über als auch unter der Speicherungsschicht geliefert, und somit wird ein Effekt des Verringerns eines Stroms, der zur Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung notwendig ist (Umkehrstrom), in einem magnetoresistiven Element erwartet. Das heißt, durch das Konfigurieren eines ST-MRAM mit einem derartigen magnetoresistiven Element, das eine duale MTJ-Struktur aufweist, kann ein niedrigerer Leistungsverbrauch erzielt werden.
  • Als ein magnetoresistives Element, das die duale MTJ-Struktur aufweist, ist zum Beispiel ein in der Patentliteratur 1 offenbartes vorgeschlagen worden. Genauer gesagt schlägt die Patentliteratur 1 ein magnetoresistives Element mit der dualen MTJ-Struktur vor, bei der eine Filmdicke einer Tunnelbarrierenschicht, die an der oberen Seite angeordnet ist, unter zwei Tunnelbarrierenschichten, größer ist als eine Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht, die an der oberen Seite angeordnet ist. Gemäß dem in der Patentliteratur 1 offenbarten magnetoresistiven Element kann ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis (MR-Verhältnis) durch das Konfigurieren der Filmdicken der zwei Tunnelbarrierenschichten wie oben beschrieben erhöht werden.
  • Entgegenhaltungsliste
  • Patentliteratur
  • Patentliteratur 1: JP 2014-49766A
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • In der Technologie, die in der Patentliteratur 1 offenbart wird, ist die obere Tunnelbarrierenschicht jedoch derart ausgebildet, dass sie eine relativ dünne Filmdicke aufweist. Wenn die Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht dünn ist, verringert sich eine Stehspannung des magnetoresistiven Elements und somit besteht eine Möglichkeit, dass die Zuverlässigkeit des Elements erheblich beeinträchtigt ist.
  • Unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Umstände ist eine Technologie verlangt worden, die ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis eines magnetoresistiven Elements weiter erhöhen kann, ohne dessen Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Daher schlägt die vorliegende Offenbarung ein neuartiges und verbessertes magnetoresistives Element, ein Speicherelement und eine elektronische Vorrichtung vor, das bzw. die ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis weiter erhöhen kann, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.
  • Lösung des Problems
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein magnetoresistives Element bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet: eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern; eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient; eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, liegt und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist; eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden; und eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden. Die Speicherungsschicht beinhaltet eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, und entweder die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material weist eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche auf.
  • Zusätzlich dazu ist gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Speicherelement bereitgestellt, das Folgendes beinhaltet: mehrere magnetoresistive Elemente, die dazu konfiguriert sind, Informationen gemäß einem Magnetisierungszustand eines magnetischen Materials zu behalten; und eine Verdrahtung, die dazu konfiguriert ist, einen Strom an jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in eine Laminierungsrichtung anzulegen oder einen Strom zu detektieren, der in jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in die Laminierungsrichtung fließt. Jedes der magnetoresistiven Elemente beinhaltet eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern, eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, liegt und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist, eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, und eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet und entweder die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
  • Außerdem ist gemäß der vorliegenden Offenbarung eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt, die Folgendes beinhaltet: ein Speicherelement, das dazu konfiguriert ist, Informationen zu speichern. Das Speicherelement beinhaltet mehrere magnetoresistive Elemente, die dazu konfiguriert sind, Informationen gemäß einem Magnetisierungszustand eines magnetischen Materials zu behalten, und eine Verdrahtung, die dazu konfiguriert ist, einen Strom an jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in eine Laminierungsrichtung anzulegen oder einen Strom zu detektieren, der in jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in die Laminierungsrichtung fließt, wobei jedes der magnetoresistiven Elemente eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern, eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, liegt und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist, eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, und eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, beinhaltet, wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet und entweder die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung, in einem sogenannten magnetoresistiven Element des Typs mit senkrechter Magnetisierung, das die duale MTJ-Struktur aufweist, wird eine Speicherungsschicht durch Laminieren einer ersten Schicht aus einem magnetischen Material, einer Schicht aus einem nicht magnetischen Material und einer zweiten Schicht aus einem magnetischen Material konfiguriert. Zusätzlich dazu wird eine Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht aus einem magnetischen Material und/oder der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material zu einer ebeneninternen Richtung gesetzt. Dementsprechend kann ein TMR-Effekt einer Tunnelbarrierenschicht, die in Kontakt mit der Schicht aus einem magnetischen Material kommt, deren Magnetisierungsrichtung in die ebeneninterne Richtung orientiert ist, verringert werden. Somit kann ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis des Gesamtelements verbessert werden. Zu dieser Zeit, ohne eine Ausdünnung einer Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht, kann der TMR-Effekt verringert werden und daher kann die Zuverlässigkeit des Elements auch gewährleistet werden.
  • Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
  • Gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Offenbarung ist es möglich, ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis weiter zu erhöhen, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Es wird angemerkt, dass die oben beschriebenen Effekte nicht notwendigerweise beschränkend sind. Mit den oder an Stelle der obigen Effekte(n) kann ein beliebiger der Effekte, die in dieser Beschreibung beschrieben sind, oder können andere Effekte, die aus dieser Beschreibung erhalten werden können, erzielt werden.
  • Figurenliste
    • [1] 1 ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt eines allgemeinen magnetoresistiven Elements des Typs mit vertikaler Magnetisierung veranschaulicht.
    • [2] 2 ist ein Diagramm zum Beschreiben eines Tunnelmagnetowiderstandseffekts des in 1 veranschaulichten allgemeinen magnetoresistiven Elements.
    • [3] 3 ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt eines magnetoresistiven Elements veranschaulicht, das eine allgemeine duale MTJ-Struktur aufweist.
    • [4] 4 ist ein Diagramm zum Beschreiben eines TMR-Effekts eines magnetoresistiven Elements 321, das die allgemeine duale MTJ-Struktur aufweist.
    • [5] 5 ist eine Perspektivansicht, die eine schematische Konfiguration einer Speicherungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
    • [6] 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine schematische Konfiguration eines magnetoresistiven Elements gemäß der in 5 veranschaulichten gegenwärtigen Ausführungsform veranschaulicht.
    • [7] 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine vergrößerte untere Tunnelbarrierenschicht, eine Speicherungsschicht und eine obere Tunnelbarrierenschicht veranschaulicht, die aus dem magnetoresistiven Element gemäß der in 6 veranschaulichten gegenwärtigen Ausführungsform extrahiert werden.
    • [8] 8 ist ein Graph, der Messergebnisse von Magnetisierungskurven einer Speicherungsschicht einer Probe 1 veranschaulicht.
    • [9] 9 ist ein Graph, der Messergebnisse von Magnetisierungskurven einer Speicherungsschicht einer Probe 2 veranschaulicht.
    • [10] 10 ist ein Graph, der Messergebnisse von Magnetisierungskurven einer Speicherungsschicht einer Probe 3 veranschaulicht.
  • Ausführungsweise(n) der Erfindung
  • Nachfolgend wird/werden (eine) bevorzugte Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es ist zu beachten, dass in dieser Beschreibung und den angehängten Zeichnungen strukturelle Elemente, die im Wesentlichen die gleiche Funktion und Struktur aufweisen, mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet werden und eine wiederholte Erläuterung dieser strukturellen Elemente ausgelassen wird.
  • Es ist zu beachten, dass die Beschreibung in der folgenden Reihenfolge bereitgestellt wird.
    1. 1. Hintergrund der vorliegenden Offenbarung
    2. 2. Konfiguration der Speicherungseinrichtung
    3. 3. Struktur eines magnetoresistiven Elements
    4. 4. Ergänzung
  • Zusätzlich dazu, wenn eine Magnetisierungsrichtung oder magnetische Anisotropie in der vorliegenden Spezifikation beschrieben wird, werden Ausdrücke, wie etwa eine „senkrechte Richtung“ (eine Richtung senkrecht zu einer Filmoberfläche), eine „ebeneninterne Richtung“ (eine Richtung parallel zu einer Filmoberfläche) und dergleichen für Zweckmäßigkeitszwecke verwendet. Diese Ausdrücke bezeichnen jedoch nicht notwendigerweise exakte Richtungen der Magnetisierung. Formulierungen, wie etwa „eine Magnetisierungsrichtung ist eine senkrechte Richtung“, „mit senkrechter magnetischer Anisotropie“ und dergleichen bedeuten zum Beispiel, dass eine Magnetisierung in eine senkrechte Richtung ein dominanter Zustand gegenüber einer Magnetisierung in eine ebeneninterne Richtung ist. Gleichermaßen bedeuten Formulierungen, wie etwa „eine Magnetisierungsrichtung ist eine ebeneninterne Richtung“, „mit magnetischer ebeneninterner Anisotropie“ und dergleichen zum Beispiel, dass eine Magnetisierung in die ebeneninterne Richtung ein dominanter Zustand gegenüber einer Magnetisierung in eine senkrechte Richtung ist.
  • (Hintergrund der vorliegenden Offenbarung)
  • Der Hintergrund der durch die vorliegenden Erfinder erzielten vorliegenden Offenbarung wird beschrieben, bevor bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung geschrieben werden, um Effekte der vorliegenden Erfindung weiter zu verdeutlichen.
  • Zusammen mit der schnellen Entwicklung verschiedener Arten von Informationsvorrichtungen, angefangen mit Servern mit großer Kapazität bis zu mobilen Endgeräten, ist eine noch höhere Leistungsfähigkeit, einschließlich hoher Integration, hoher Geschwindigkeit, niedrigen Leistungsverbrauchs und dergleichen, für Speicherungseinrichtungen, wie etwa Speicher, die die Vorrichtungen bilden, ersucht worden. Insbesondere ist der Fortschritt von nicht flüchtigen Halbleiterspeichern bemerkenswert gewesen und Flash-Speicher sind als zentralisierte Dateispeicher mit großer Kapazität weit verbreitet geworden, mit dem Momentum, Festplatten zu verdrängen. Währenddessen, angesichts der Ausweitung in Speicher zur Codespeicherung und ferner in Arbeitsspeicher, ist eine Entwicklung von ferroelektrischen Direktzugriffsspeichern (FeRAMs), MRAMs, Phasenänderung-Direktzugriffsspeichern (PCRAMs) und dergleichen als Speicherungseinrichtungen, die NOR-Flash-Speicher, DRAMs und dergleichen, die allgemein gegenwärtig verwendet werden, ersetzen können, am Laufen und manche derartige Speicher sind schon praktisch angewendet worden.
  • Unter diesen speichern MRAMs Informationen unter Verwendung einer Magnetisierungsrichtung eines magnetischen Materials und können somit eine im Wesentlichen unbegrenzte Anzahl (1015 oder mehr) von Neuschreiboperationen mit hohen Geschwindigkeiten durchführen, und daher sind sie schon in den Gebieten der industriellen Automatisierung, Luftfahrt und dergleichen verwendet worden. Es wird erwartet, dass sich MRAMs in der Zukunft aufgrund ihrer Hochgeschwindigkeitsoperationen und Zuverlässigkeit in Codespeicherungen und Arbeitsspeichern ausbreiten; in der Realität besitzen sie jedoch Probleme des niedrigen Leistungsverbrauchs und hoher Kapazitäten. Dies sind fundamentale Probleme, die dem Aufzeichnungsprinzip von MRAMs, das heißt dem Verfahren des Umkehrens der Magnetisierung unter Verwendung eines Strommagnetfelds, das aus einer Verdrahtung erzeugt wird, zuschreibbar sind. Als ein Verfahren zur Lösung dieser Probleme sind Aufzeichnungsverfahren, die nicht von einem Strommagnetfeld abhängen, das heißt Magnetisierungsumkehrungsverfahren, untersucht wurden und unter diesen wird die Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung aktiv erforscht und entwickelt.
  • In einem MRAM (ST-MRAM), der eine Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung verwendet, ist ein magnetoresistives Element, das als ein Speicherungselement fungiert, das Informationen von 1/0 speichert, als ein MTJ-Element mit einer MTJ-Struktur konfiguriert. Die MTJ-Struktur weist eine Konfiguration auf, bei der eine Tunnelbarrierenschicht zwischen einer Schicht aus einem magnetischen Material, deren Magnetisierungsrichtung in eine gewisse Richtung fixiert ist, (Schicht mit fester Magnetisierung) und einer anderen Schicht aus einem magnetischen Material, deren Magnetisierungsrichtung frei ist (die Magnetisierungsrichtung ist nicht fixiert), eingelegt ist (Speicherungsschicht). Es ist bezüglich der MTJ-Struktur bekannt, dass durch das Verursachen, dass ein Strom in der MTJ-Struktur fließt, der Speicherungsschicht ein Drehmoment gegeben wird, wenn spinpolarisierte Elektronen, die durch die Schicht mit fester Magnetisierung gelaufen sind, in die Speicherungsschicht eintreten, und dann findet ein Phänomen der Umkehrung einer Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht statt. Ein MTJ-Element führt eine Aufzeichnung von Informationen unter Verwendung dieses Phänomens durch, indem es bewirkt, dass ein Strom mit einem Wert gleich oder höher als ein gewisser Schwellenwert darin fließt, um eine Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht umzukehren. Zusätzlich dazu wird zu dieser Zeit ein Neuschreiben von 1/0 durchgeführt, indem die Polarität des Stroms geändert wird.
  • In einem MTJ-Element ist der absolute Wert eines Stroms, der für die Umkehrung einer Magnetisierungsrichtung einer Speicherungsschicht notwendig ist (Umkehrstrom), gleich oder niedriger als 1 mA für ein Element mit einem Maßstab von etwa 0,1 um, und da der Stromwert im Verhältnis zum Elementvolumen abnimmt, ist eine Skalierung möglich. Darüber hinaus, da eine Wortleitung zum Erzeugen eines aufzeichnenden Strommagnetfelds in herkömmlichen MRAMs notwendig ist, die keine Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung nutzen, nicht notwendig ist, besitzen ST-MRAMs einen Vorteil einer einfachen Zellenstruktur. Aus diesen Gründen werden ST-MRAMs als nicht flüchtige Speicher, die einen niedrigen Leistungsverbrauch und hohe Kapazitäten erzielen können, während die Vorteile von MRAMs einschließlich einer hohen Geschwindigkeit und einer im Wesentlichen unbegrenzten Anzahl von Neuschreiboperationen beibehalten werden, mit großer Spannung erwartet.
  • Obwohl verschiedene Materialien als in ST-MRAMs bildenden magnetoresistiven Elementen zu verwendende magnetische Materialien untersucht worden sind, werden Materialien mit senkrechter magnetischer Anisotropie anstatt jene mit ebeneninterner magnetischer Anisotropie allgemein als für einen niedrigen Leistungsverbrauch und große Kapazitäten geeignet erachtet. Der Grund dafür ist, dass eine senkrechte Magnetisierung eine niedrigere Energiebarriere während der Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung überwinden muss, und eine hohe magnetische Anisotropie eines Films mit senkrechter Magnetisierung ist zum Behalten der Wärmebeständigkeit eines miniaturisierten Speicherungsträgers durch Erhöhen einer Kapazität von Vorteil.
  • Eine Struktur eines allgemeinen magnetoresistiven Elements, das aus magnetischen Materialien mit senkrechter magnetischer Anisotropie gebildet wird (magnetoresistives Element des Typs mit senkrechter Magnetisierung), wird unter Bezug auf 1 beschrieben. 1 ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt eines allgemeinen magnetoresistiven Elements des Typs mit senkrechter Magnetisierung veranschaulicht.
  • Wie veranschaulicht, ist ein magnetoresistives Element 301 des Typs mit senkrechter Magnetisierung in der MTJ-Struktur konfiguriert, bei der, auf einer Masseschicht 303, eine Schicht 305 mit fester Magnetisierung, das heißt eine Schicht aus einem magnetischen Material mit senkrechter magnetischer Anisotropie, deren Magnetisierungsrichtung aufgrund einer starken Koerzitivkraft in eine Richtung fixiert ist, eine Tunnelbarrierenschicht 307 einschließlich eines nicht magnetischen Materials und eine Speicherungsschicht 309, das heißt eine Schicht aus einem magnetischen Material mit senkrechter magnetischer Anisotropie, deren Magnetisierungsrichtung frei ist, laminiert sind. Zusätzlich dazu ist eine Kappenschicht 311 auf der Speicherungsschicht 309 laminiert.
  • Die Informationsaufzeichnung (das Schreiben) im magnetoresistiven Element 301 wird durchgeführt, indem eine Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 309, die eine einachsige Anisotropie aufweist, umgekehrt wird. Genauer gesagt, wenn Informationen geschrieben werden, wird ein Strom in eine Richtung senkrecht zur Filmoberfläche angelegt, um eine Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung in der Speicherungsschicht 309 zu bewirken.
  • Hier wird die Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung kurz beschrieben. Elektronen besitzen zwei Arten von Spin-Drehimpuls. Die zwei Arten werden als Aufwärts- und Abwärtsmoment definiert. Die Anzahlen von Elektronen beider Arten sind in einem nicht magnetischen Material die gleichen und unterscheiden sich in einem magnetischen Material. Ein Fall, bei dem die Magnetisierungsrichtungen der beiden Schichten aus einem magnetischen Material (d. h. der Schicht 305 mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht 309) des in 1 veranschaulichten magnetoresistiven Elements 301 entgegengesetzt sind (ein antiparalleler Zustand) und sich Elektronen von der Schicht 305 mit fester Magnetisierung, das heißt einer unteren Schicht aus einem magnetischen Material, zu der Speicherungsschicht 309, das heißt einer oberen Schicht aus einem magnetischen Material, bewegen, wird in Betracht gezogen. In diesem Fall tritt eine Spin-Polarisierung in Elektronen auf, die die Schicht 305 mit fester Magnetisierung durchlaufen haben, das heißt eine Unterscheidung wird zwischen der Anzahl von Elektronen mit einem Aufwärts-Spin-Drehimpuls und der Anzahl von Elektronen mit einem Abwärts-Spin-Drehimpuls vorgenommen.
  • Wenn die Elektronen in diesem Zustand durch ein nicht magnetisches Material laufen, wird die Polarisierung normalerweise in dem nicht magnetischen Material relaxiert, was zu einem Nicht-Polarisierungszustand führt (einem Zustand, bei dem die Anzahl von Elektronen mit Aufwärts-Spin-Drehimpuls die gleiche ist wie die Anzahl von Elektronen mit Abwärts-Spin-Drehimpuls). In einem Fall, bei dem eine Dicke der Tunnelbarrierenschicht 307, das heißt einer Schicht aus einem nicht magnetischen Material, ausreichend dünn ist, wie im magnetoresistiven Element 301, erreichen die Elektronen jedoch das andere magnetische Material, das heißt die Speicherungsschicht 309, bevor die Polarisierung relaxiert wird, und ein Nicht-Polarisierungszustand bewirkt wird. In diesem Fall wird das Vorzeichen eines Spin-Polarisierungsgrads umgekehrt, was die Systemenergie herabsetzt, und somit werden manche Elektronen umgekehrt, das heißt, veranlasst, die Richtung des Spin-Drehimpulses zu ändern.
  • Zu diesem Zeitpunkt, da der Gesamtdrehimpuls des Systems erhalten werden sollte, wird eine Reaktion äquivalent zu der Gesamtänderung im Drehimpuls durch die Elektronen, die Richtungen geändert haben, auch an einem magnetischen Moment des Magnetismus der Speicherungsschicht 309 ausgeübt. In einem Fall, bei dem ein Strom, das heißt die Anzahl von Elektronen, die in einer Zeiteinheit vorbeilaufen, klein ist, nimmt auch eine Gesamtanzahl von Elektronen, die die Richtung des Spin-Drehimpulses ändern, ab, und somit ist die Änderung im Drehimpuls, der im magnetischen Moment der Speicherungsschicht 309 erzeugt wird, auch klein, aber falls der Strom zunimmt, kann mehr Änderung im Drehimpuls innerhalb der Zeiteinheit vorgenommen werden. Eine zeitliche Änderung des Drehimpulses ist ein Drehmoment und wenn das Drehmoment einen gewissen Schwellenwert überschreitet, fängt das magnetische Moment der Speicherungsschicht 309 an, sich umzukehren, eine 180-Grad-Rotation wird aufgrund der einachsigen Anisotropie von dieser vorgenommen, und dann wird die Speicherungsschicht stabil. Dementsprechend tritt im magnetoresistiven Element 301 eine Umkehrung von einem antiparallelen Zustand zu einem parallelen Zustand auf (d. h. einem Zustand, bei dem die Magnetisierungsrichtungen der Schicht 305 mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht 309 die gleichen sind).
  • Falls bewirkt wird, dass ein Strom in die entgegengesetzte Richtung, das heißt die Richtung, in die Elektronen von der Speicherungsschicht 309 zur Schicht 305 mit fester Magnetisierung gesendet werden, im parallelen Zustand fließt, wird die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 309 umgekehrt, dieses Mal aufgrund des Drehmoments, das gegeben wird, wenn spinumgekehrte Elektronen, die in der Schicht 305 mit fester Magnetisierung reflektiert werden, in die Speicherungsschicht 309 eintreten, was den Zustand des magnetoresistiven Elements 301 zum antiparallelen Zustand umkehren kann. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Menge an Strom, die zum Bewirken einer Umkehrung notwendig ist, jedoch größer als in einem Fall, bei dem eine Umkehrung vom antiparallelen Zustand zum parallelen Zustand durchgeführt wird. Obwohl es schwierig ist, eine Umkehrung vom parallelen Zustand zum antiparallelen Zustand intuitiv zu verstehen, kann in Betracht gezogen werden, dass, da eine Magnetisierungsrichtung in der Schicht 305 mit fester Magnetisierung fixiert ist, es nicht möglich ist, die Magnetisierungsrichtung umzukehren, und die Magnetisierungsrichtung wird in der Speicherungsschicht 309 umgekehrt, um den Drehimpuls des Gesamtsystems zu erhalten.
  • 2 ist ein Diagramm zum Beschreiben eines Tunnelmagnetowiderstandseffekts (TMR-Effekts) des in 1 veranschaulichten allgemeinen magnetoresistiven Elements 301. In 2 sind nur die Schicht 305 mit fester Magnetisierung, die Tunnelbarrierenschicht 307 und die Speicherungsschicht 309 des in 1 veranschaulichten magnetoresistiven Elements 301 veranschaulicht und Magnetisierungsrichtungen der Schicht mit fester Magnetisierung 305 und der Speicherungsschicht 309 werden simulativ durch Aufwärts- und Abwärtspfeile neben den Schichten angegeben. Wie veranschaulicht, wird der elektrische Widerstand der Tunnelbarrierenschicht 307 im magnetoresistiven Element 301 im parallelen Zustand höher, bei dem Magnetisierungsrichtungen der Schicht 305 mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht 309 die gleichen sind, als im antiparallelen Zustand, bei dem Magnetisierungsrichtungen beider Schichten unterschiedlich sind, und somit wird der elektrische Widerstand des Gesamtelements höher.
  • Im magnetoresistiven Element 301 werden Informationen von 1/0 unter Verwendung einer derartigen Differenz im elektrischen Widerstand gespeichert. Das heißt, im magnetoresistiven Element 301 wird das Aufzeichnen von Informationen von 1/0 durchgeführt, indem bewirkt wird, dass ein Strom, der einen Wert gleich oder höher als ein gewisser Schwellenwert aufweist, der der Polarität jeder Schicht entspricht, in die Richtung von der Schicht 305 mit fester Magnetisierung zur Speicherungsschicht 309 oder in die entgegengesetzte Richtung fließt.
  • Hier bezüglich des magnetoresistiven Elements 301 des Typs mit senkrechter Magnetisierung, wenn angenommen wird, dass ein Umkehrstrom zum Umkehren vom parallelen Zustand zum antiparallelen Zustand Ic_perp1 ist, und angenommen wird, dass ein Umkehrstrom zum Umkehren vom antiparallelen Zustand zum parallelen Zustand Ic_perp2 ist, werden Ic_perp1 und Ic_perp2 durch die folgenden Ausdrücke (1) bzw. (2) repräsentiert.

    [Math. 1] I c _ p e r p 1 = ( A ⋅ α ⋅ M s ⋅ V g ( 0 ) ⋅ P ) ( H k − 4 π M s )
    Figure DE112017001776T5_0001
     I c _ p e r p 2 = − ( A ⋅ α ⋅ M s ⋅ V g ( π ) ⋅ P ) ( H k − 4 π M s )
    Figure DE112017001776T5_0002
  • Währenddessen bezüglich eines magnetoresistiven Elements des Typs mit ebeneninterner Magnetisierung (ein magnetoresistives Element, das durch ein magnetisches Material mit einer ebeneninternen magnetischen Anisotropie gebildet wird), wenn angenommen wird, dass ein Umkehrstrom zum Umkehren vom parallelen Zustand zum antiparallelen Zustand Ic_para1 ist, und angenommen wird, dass ein Umkehrstrom zum Umkehren vom antiparallelen Zustand zum parallelen Zustand Ic_para2 ist, werden Ic_para1 und Ic_para2 durch die folgenden Ausdrücke (3) bzw. (4) repräsentiert.

    [Math. 2] I c _ p a r a 1 = ( A ⋅ α ⋅ M s ⋅ V g ( 0 ) ⋅ P ) ( H k + 2 π M s )
    Figure DE112017001776T5_0003
     I c _ p e r p 2 = − ( A ⋅ α ⋅ M s ⋅ V g ( π ) ⋅ P ) ( H k + 2 π M s )
    Figure DE112017001776T5_0004
  • Hier repräsentiert A eine Konstante, α repräsentiert eine Dämpfungskonstante, Ms repräsentiert eine Sättigungsmagnetisierung, V repräsentiert ein Elementvolumen, g(0)P und g(π)P repräsentieren Koeffizienten, die der Effizienz entsprechen, bei der ein Spin-Drehmoment zu der anderen Schicht aus einem magnetischen Material im parallelen Zustand bzw. antiparallelen Zustand übertragen wird, und Hk repräsentiert die magnetische Anisotropie (für weitere Einzelheiten der obigen Ausdrücke (1) bis (4) siehe zum Beispiel „S. Mangin et al., Nature Materials, Band 5, März 2006, S. 210“).
  • In den obigen Ausdrücken (1) bis (4), wenn der Term (Hk-4πMs), der im Fall des Typs mit senkrechter Magnetisierung auftritt, und der Term (Hk+2πMs), der im Fall des Typs mit ebeneninterner Magnetisierung auftritt, verglichen werden, kann festgestellt werden, dass das magnetoresistive Element 301 des Typs mit senkrechter Magnetisierung Informationen mit einem niedrigeren Umkehrstrom aufzeichnen kann als ein magnetoresistives Element des Typs mit ebeneninterner Magnetisierung, das heißt, das Erstgenannte eignet sich mehr für einen niedrigen Aufzeichnungsstrom. Aus diesem Grund werden Forschung und Entwicklung bezüglich Speichern, die magnetoresistive Elemente des Typs mit senkrechter Magnetisierung verwenden, als ST-MRAMs aktiv durchgeführt.
  • Bezüglich eines ST-MRAM, der ein derartiges magnetoresistives Element des Typs mit senkrechter Magnetisierung verwendet, um eine höhere Verdichtung des Speicherelements umzusetzen, ist es notwendig, Umkehrströme zu verringern und ferner die Flächen der Speicherelemente zu verringern. Als eine Struktur zum Verringern eines Umkehrstroms in MTJ-Elementen ist somit die duale MTJ-Struktur, bei der Schichten mit fester Magnetisierung jeweils sowohl über als auch unter einer Speicherungsschicht mit dazwischen angeordneten Tunnelbarrieren schichten angeordnet sind, vorgeschlagen worden.
  • Eine Struktur eines magnetoresistiven Elements mit der allgemeinen dualen MTJ-Struktur wird mit Bezug auf 3 beschrieben. 3 ist ein Diagramm, das schematisch einen Querschnitt eines magnetoresistiven Elements veranschaulicht, das die allgemeine duale MTJ-Struktur aufweist.
  • Wie veranschaulicht, wird das magnetoresistive Element 321, das die duale MTJ-Struktur aufweist, in der dualen MTJ-Struktur konfiguriert, bei der, auf einer Masseschicht 323, eine untere Schicht 325 mit fester Magnetisierung, das heißt eine Schicht aus einem magnetischen Material mit senkrechter magnetischer Anisotropie, deren Magnetisierungsrichtung in eine Richtung fixiert ist, eine untere Tunnelbarrierenschicht 327 einschließlich eines nicht magnetischen Materials, eine Speicherungsschicht 329, das heißt eine Schicht aus einem magnetischen Material mit senkrechter magnetischer Anisotropie, deren Magnetisierungsrichtung frei ist, eine obere Tunnelbarrierenschicht 331 einschließlich eines nicht magnetischen Materials und eine obere Schicht 333 mit fester Magnetisierung, das heißt eine Schicht aus einem magnetischen Material mit senkrechter magnetischer Anisotropie, deren Magnetisierungsrichtung in die entgegengesetzte Richtung zu der der unteren Schicht 325 mit fester Magnetisierung fixiert ist, laminiert sind. Zusätzlich dazu ist eine Kappenschicht 335 auf der oberen Schicht 333 mit fester Magnetisierung laminiert.
  • Im magnetoresistiven Element 321 wird die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 329 durch Anlegen eines Stroms an das magnetoresistive Element 321 umgekehrt und Informationen werden aufgezeichnet, wie in dem in 1 veranschaulichten magnetoresistiven Element 301. Zu dieser Zeit, gemäß der dualen MTJ-Struktur, wird ein Spin-Drehmoment durch die beiden Schichten 325 und 333 mit fester Magnetisierung von sowohl über als auch unter der Speicherungsschicht 329 geliefert und somit werden eine Verringerung in einem Umkehrstrom und eine Eliminierung von polarer Asymmetrie im magnetoresistiven Element 321 erwartet.
  • Da es jedoch die beiden Tunnelbarrierenschichten 327 und 331 im magnetoresistiven Element 321, das die duale MTJ-Struktur aufweist, gibt, wird der TMR-Effekt in den Tunnelbarrierenschichten 327 und 331 ausgeglichen und somit gibt es Bedenken, dass eine elektrische Widerstandsänderung eines Gesamtelements abnimmt, das heißt, dass ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis herabgesenkt wird.
  • 4 ist ein Diagramm zum Beschreiben des TMR-Effekts des magnetoresistiven Elements 321, das die allgemeine duale MTJ-Struktur aufweist. In 4 ist nur der Abschnitt veranschaulicht, der der dualen MTJ-Struktur (der unteren Schicht 325 mit fester Magnetisierung, der unteren Tunnelbarrierenschicht 327, der Speicherungsschicht 329, der oberen Tunnelbarrierenschicht 331 und der oberen Schicht 333 mit fester Magnetisierung) des in 3 veranschaulichten magnetoresistiven Elements 321 entspricht, und Magnetisierungsrichtungen der unteren Schicht 325 mit fester Magnetisierung, der Speicherungsschicht 329 und der oberen Schicht 333 mit fester Magnetisierung werden simulativ durch Aufwärts- und Abwärtspfeile neben den Schichten angegeben.
  • Wie veranschaulicht, weisen die untere Schicht 325 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 333 mit fester Magnetisierung im magnetoresistiven Element 321 die entgegengesetzten Magnetisierungsrichtungen zueinander auf. Wenn sich die untere Schicht 325 mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht 329 somit im parallelen Zustand befinden, befinden sich die obere Schicht 333 mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht 329 im antiparallelen Zustand („Anordnung (1)“ in der Zeichnung). Zu dieser Zeit, während ein elektrischer Widerstand der unteren Tunnelbarrierenschicht 327 niedrig ist, ist ein elektrischer Widerstand der oberen Tunnelbarrierenschicht 331 hoch, und somit heben sich die Widerstände gegenseitig auf.
  • Andererseits, wenn sich die untere Schicht 325 mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht 329 im antiparallelen Zustand befinden, befinden sich die obere Schicht 333 mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht 329 im parallelen Zustand („Anordnung (2)“ in der Zeichnung). Zu dieser Zeit, während ein elektrischer Widerstand der unteren Tunnelbarrierenschicht 327 hoch ist, ist ein elektrischer Widerstand der oberen Tunnelbarrierenschicht niedrig, und somit heben sich die Widerstände gegenseitig auf. Infolgedessen ist eine Änderung im elektrischen Widerstand zwischen der „Anordnung (1)“ und der „Anordnung (2)“, die Zustände sind, die „1“ bzw. „0“ angeben, im magnetoresistiven Element 321 klein.
  • Als eine Technologie zum Lösen dieses Problems des magnetoresistiven Elements 321, das die duale MTJ-Struktur aufweist, ist die in der Patentliteratur 1 offenbarte Technologie vorgeschlagen worden. Genauer gesagt offenbart die Patentliteratur 1 ein magnetoresistives Element mit einer dualen MTJ-Struktur, bei der eine Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht, die an einer unteren Seite angeordnet ist, unter zwei Tunnelbarrierenschichten, dazu konfiguriert, dicker zu sein als eine Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht, die an einer oberen Seite angeordnet ist. In der Patentliteratur 1 werden die Tunnelbarrierenschichten zum Beispiel unter Verwendung von MgO gebildet, die Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht, die an der unteren Seite angeordnet ist, wird auf zwischen 0,8 nm und 1,5 nm festgelegt und die Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht, die an der oberen Seite angeordnet ist, wird auf zwischen 0,5 nm und 1,0 nm festgelegt. Gemäß dieser Konfiguration nimmt der TMR-Effekt der ausgedünnten Tunnelbarrierenschicht ab und somit wird in Betracht gezogen, dass ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis des Gesamtelements zunimmt.
  • Wenn die Tunnelbarrierenschicht ausgedünnt ist, tritt jedoch ein Defekt, wie etwa ein sehr kleines Loch, in der Tunnelbarrierenschicht auf, was aus der Ausdünnung resultiert, und somit gibt es Bedenken, dass eine dielektrische Durchbruchspannung erheblich abnimmt. Das heißt, wenn die Tunnelbarrierenschicht ausgedünnt ist, gibt es Bedenken, dass eine Stehspannung des Elements niedriger ist und die Zuverlässigkeit des Elements erheblich beeinträchtigt ist. Daher ist die Ausdünnung der Tunnelbarrierenschicht hinsichtlich der Zuverlässigkeit nicht vorteilhaft.
  • Das Überprüfungsergebnis des allgemeinen bestehenden MTJ-Elements durch die vorliegenden Erfinder ist oben beschrieben worden. Im allgemeinen bestehenden MTJ-Element, insbesondere dem magnetoresistiven Element mit der dualen MTJ-Struktur, ist eine Technologie gefordert worden, die ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis eines Gesamtelements erhöhen kann, während eine Filmdicke einer Tunnelbarrierenschicht beibehalten wird, wie oben beschrieben. Falls ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis eines Gesamtelements erhöht werden kann, während eine Filmdicke einer Tunnelbarrierenschicht beibehalten wird, kann ein magnetoresistives Element mit der dualen MTJ-Struktur mit hoher Zuverlässigkeit und höherer Leistungsfähigkeit umgesetzt werden. Zusätzlich dazu, falls ein ST-MRAM unter Verwendung eines derartigen magnetoresistiven Elements konfiguriert wird, kann eine Speicherungseinrichtung (ein Speicherelement) mit niedrigerem Leistungsverbrauch und größerer Kapazität umgesetzt werden.
  • Unter Berücksichtigung der obigen Umstände haben die vorliegenden Erfinder die vorliegende Offenbarung als ein Ergebnis einer intensiven Studie an einer Technologie für ein magnetoresistives Element mit der dualen MTJ-Struktur konzipiert, bei der ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis des Gesamtelements erhöht werden kann, während eine Filmdicke einer Tunnelbarrierenschicht beibehalten wird. Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die durch die vorliegenden Erfinder konzipiert wurden, werden im Folgenden beschrieben.
  • (Konfiguration der Speicherungseinrichtung)
  • 5 ist eine Perspektivansicht, die eine schematische Konfiguration einer Speicherungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. In 5 ist nur ein Teil der Speicherungseinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform extrahiert und schematisch veranschaulicht.
  • Wie in 5 veranschaulicht, ist die Speicherungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform derart konfiguriert, dass magnetoresistive Elemente 10, die als ein Speicherungselement fungieren, das Informationen in Abhängigkeit von einem Magnetisierungszustand behalten kann, in der Nähe der Schnittstellen von zwei Arten von Adressverdrahtung (z. B. einer Wortleitung und einer Bitleitung) angeordnet, die orthogonal zueinander sind.
  • Genauer gesagt sind in der Speicherungseinrichtung 1 eine Gate-Elektrode 207, ein Drain-Gebiet 209 und ein Source-Gebiet 211, die einen Auswahltransistor 205 zum Auswählen jedes magnetoresistiven Elements 10 bilden, jeweils in einem Abschnitt eines Halbleitersubstrats 201 ausgebildet, wie etwa eines Siliziumsubstrats, das durch Elementtrennschichten 203 getrennt wird. In dem veranschaulichten Beispiel wird eine Speicherzelle durch ein magnetoresistives Element 10 und einen Auswahltransistor 205 zum Auswählen des magnetoresistiven Elements 10 gebildet. Die Speicherungseinrichtung 10 ist ein Speicherelement, das durch Anordnen mehrerer Speicherzellen konfiguriert wird, wie oben beschrieben. In 5 ist ein Abschnitt der Speicherungseinrichtung 1, der vier Speicherzellen entspricht, extrahiert und veranschaulicht.
  • Die Gate-Elektrode 207 erstreckt sich in die Tiefenrichtung der Zeichnung und dient auch als eine Adressverdrahtung (eine Wortleitung). Die Verdrahtung 213 ist mit dem Drain-Gebiet 209 verbunden und das Drain-Gebiet 209 ist dazu konfiguriert, in der Lage zu sein, sein elektrisches Potenzial über die Verdrahtung 213 zweckmäßig zu ändern. Es ist anzumerken, dass das Drain-Gebiet 209 im veranschaulichten Beispiel so ausgebildet ist, dass es durch Auswahltransistoren 205, die nebeneinander angeordnet sind, gemeinsam genutzt wird.
  • Das magnetoresistive Element 10 ist über dem Source-Gebiet 211 angeordnet. Des Weiteren erstreckt sich eine Bitleitung 215, das heißt die andere Adressverdrahtung, über dem magnetoresistiven Element 10 in eine Richtung orthogonal zur Wortleitung (d. h. der Gate-Elektrode 207). Kontaktschichten 217 sind zwischen dem Source-Gebiet 211 und dem magnetoresistiven Element 10 und zwischen dem magnetoresistiven Element 10 und der Bitleitung 215 bereitgestellt, sodass sie elektrisch miteinander verbunden sind.
  • Das magnetoresistive Element 10 weist die duale MTJ-Struktur auf und durch das Umkehren einer Magnetisierungsrichtung einer Speicherungsschicht des magnetoresistiven Elements 10 unter Verwendung der Spin-Drehmoment-Magnetisierungsumkehrung können Informationen von 1/0 in das magnetoresistive Element 10 aufgezeichnet werden. Das heißt, die Speicherungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein ST-MRAM Es ist zu beachten, dass eine spezifische Struktur des magnetoresistiven Elements 10 im Folgenden beschrieben wird.
  • Genauer gesagt ist eine (nicht veranschaulichte) Leistungsversorgungsschaltung, die eine gewünschte Spannung an der Gate-Elektrode 207, der Verdrahtung 213 und der Bitleitung 215 anlegen kann, in der Speicherungseinrichtung 1 bereitgestellt. Zu der Zeit des Informationsschreibens legt die Leistungsversorgungsschaltung einen Strom an der Adressverdrahtung (d. h. der Gate-Elektrode 207 und der Bitleitung 215), die einem gewünschten magnetoresistiven Element 10 entspricht, in dem ein Schreiben gewünscht wird, an und dadurch wird bewirkt, dass ein Strom im magnetoresistiven Element 10 fließt. Zu dieser Zeit werden elektrische Potenziale der Adressverdrahtung und der Verdrahtung 213, die mit dem Drain-Gebiet 209 verbunden ist, zweckmäßig angepasst, sodass der Strom, der im magnetoresistiven Element 10 fließt, größer ist als ein Umkehrstrom. Dementsprechend wird die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht des magnetoresistiven Elements 10 umgekehrt und somit können Informationen im magnetoresistiven Element 10 geschrieben werden. Es ist anzumerken, dass zu diesem Zeitpunkt durch das zweckmäßige Anpassen eines elektrischen Potenzials des Drain-Gebiets 209 über die Verdrahtung 213 die Richtung des Stroms, der im magnetoresistiven Element 10 fließt, gesteuert werden kann, und eine Richtung, in die die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht des magnetoresistiven Elements 10 geändert werden soll, kann gesteuert werden. Das heißt, welche Informationen von „1“ und „0“ geschrieben werden sollen, kann gesteuert werden.
  • Währenddessen, zu der Zeit des Informationslesens, legt die Leistungsversorgungsschaltung einen Strom an der Gate-Elektrode 207, die einem gewünschten magnetoresistiven Element 10 entspricht, von dem ein Lesen gewünscht wird, an und der Strom, der das magnetoresistive Element 10 von der Bitleitung 215 durchläuft und dann zum Auswahltransistor 205 fließt, wird detektiert und mit einem Stromwert einer Referenzzelle verglichen. Da sich der elektrische Widerstand des magnetoresistiven Elements 10 aufgrund des TMR-Effekts gemäß einer Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht des magnetoresistiven Elements 10 ändert, können Informationen von 1/0 auf Basis der Größe des detektierten Stromwerts gelesen werden. Zu dieser Zeit, da der Strom zur Zeit des Lesens viel kleiner ist als der Strom, der zur Zeit des Schreibens fließt, ändert sich die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht des magnetoresistiven Elements 10 zur Zeit des Lesens nicht. Das heißt, im magnetoresistiven Element 10 ist ein Informationslesen auf eine nicht zerstörende Art und Weise möglich.
  • Die schematische Konfiguration der Speicherungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde oben beschrieben. Es ist zu beachten, dass eine Konfiguration der Speicherungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform nicht auf die oben beschriebene beschränkt ist. Wie im Folgenden beschrieben wird, weist die Speicherungseinrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine charakteristische Konfiguration in der Struktur des magnetoresistiven Elements 10 auf. Das heißt, in der vorliegenden Ausführungsform kann das magnetoresistive Element 10 wie in 6 und 7, die im Folgenden beschrieben werden, konfiguriert sein und andere Konfigurationen der Speicherungseinrichtung 1 können beliebig sein. Als die Konfiguration der Speicherungseinrichtung 1 außer dem magnetoresistiven Element 10 können zum Beispiel beliebige verschiedener öffentlich bekannter Konfigurationen, die in allgemeinen ST-MRAMs verwendet werden, angewendet werden.
  • Zusätzlich dazu kann die Speicherungseinrichtung 1 in verschiedenen elektrischen Vorrichtungen installiert werden, in die Speicherungseinrichtungen montiert werden können. Die Speicherungseinrichtung 1 kann zum Beispiel in einer beliebigen verschiedener mobiler Vorrichtungen (Smartphones, Tablet-Personal-Computers (PCs) und dergleichen), verschiedener elektronischer Vorrichtungen, wie etwa Notebook-PCs, tragbaren Einrichtungen, Spielvorrichtungen, Musikvorrichtungen, Videovorrichtungen oder digitalen Kameras als ein Speicher zur temporären Speicherung oder als eine Speicherung montiert werden.
  • (Struktur eines magnetoresistiven Elements)
  • 6 ist eine Querschnittsansicht, die eine schematische Konfiguration des magnetoresistiven Elements 10 gemäß der in 5 veranschaulichten gegenwärtigen Ausführungsform veranschaulicht. 7 ist eine Querschnittsansicht, die eine vergrößerte untere Tunnelbarrierenschicht, eine Speicherungsschicht und eine obere Tunnelbarrierenschicht veranschaulicht, die aus dem magnetoresistiven Element 10 gemäß der in 6 veranschaulichten gegenwärtigen Ausführungsform extrahiert werden. Es ist anzumerken, dass in 6 und 7 die Magnetisierungsrichtungen von Schichten, die ein magnetisches Material beinhalten, simulativ durch Pfeile für Beschreibungszwecke angegeben werden.
  • Mit Bezug auf 6 wird das magnetoresistive Element 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform in der dualen MTJ-Struktur konfiguriert, bei der, auf einer Masseschicht 101, eine untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung, das heißt eine Schicht aus einem magnetischen Material mit senkrechter magnetischer Anisotropie, deren Magnetisierungsrichtung in eine Richtung fixiert ist, eine untere Tunnelbarrierenschicht 105 einschließlich eines nicht magnetischen Materials, eine Speicherungsschicht 107, die Schichten aus einem magnetischen Material beinhaltet, deren Magnetisierungsrichtung aufgrund des Anlegens eines Stroms umgekehrt ist, wobei Informationen unter Verwendung der Umkehrung der Magnetisierungsrichtung aufgezeichnet werden, eine obere Tunnelbarrierenschicht 109 einschließlich eines nicht magnetischen Materials und eine obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung, das heißt eine Schicht aus einem magnetischen Material mit senkrechter magnetischer Anisotropie, deren Magnetisierungsrichtung in die entgegengesetzte Richtung zu der der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung fixiert ist, laminiert sind. Zusätzlich dazu ist eine Kappenschicht 113 auf der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung laminiert.
  • Die Masseschicht 101 besitzt eine Funktion des Förderns einer glatten und homogenen granularen Struktur von darüber ausgebildeten Schichten. Zusätzlich dazu besitzt die Masseschicht 101 auch eine Funktion des Fixierens einer Magnetisierungsrichtung der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung, die in Kontakt mit der Masseschicht 101 kommt. Um die Funktion des Fixierens der Magnetisierungsrichtung der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung aufzuweisen, ist die Masseschicht 101 in der vorliegenden Ausführungsform unter Verwendung eines antiferromagnetischen Materials, zum Beispiel PtMn, IrMn oder dergleichen, ausgebildet. Durch das Bereitstellen des antiferromagnetischen Materials in Kontakt mit der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung kann eine Magnetisierungsrichtung der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung effektiv fixiert werden.
  • Es ist anzumerken, dass die vorliegende Ausführungsform nicht auf das Beispiel beschränkt ist und als die Masseschicht 101 beliebige aller Materialien und Konfigurationen, die an magnetoresistiven Elementen mit der dualen MTJ-Struktur, die in allgemeinen ST-MRAMs montiert sind, angewendet werden, verwendet werden können.
  • Die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung sind Schichten, die als eine Referenz einer Magnetisierungsrichtung im magnetoresistiven Element 10 dienen. Das heißt, das magnetoresistive Element ist derart konfiguriert, dass nur eine Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 107 durch das Anlegen eines Stroms, das heißt einer Spin-Injektion, umgekehrt wird und Magnetisierungsrichtungen der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung und der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung nicht umgekehrt werden, und im magnetoresistiven Element 10 werden Informationen von „1“ oder „0“ durch relative Winkel der Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 107 und der Magnetisierungsrichtungen der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung und der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung definiert. Das heißt, Informationen von 1/0 werden aufgrund der Umkehrung der Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 107 aufgezeichnet.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform wird als ein magnetisches Material, das die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung bildet, eine Co-Fe-B-Legierung verwendet. Zusätzlich dazu, da die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung als eine Referenz einer Magnetisierungsrichtung dienen, wie oben beschrieben, sind ihre Magnetisierungsrichtungen dazu konfiguriert, sich nicht für das Informationsschreiben oder -lesen zu ändern. Es ist jedoch nicht notwendig, die Magnetisierungsrichtungen für die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung vollständig zu einer spezifischen Richtung zu fixieren, es ist besser, es schwieriger zu gestalten, die Magnetisierungsrichtungen als eine Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 107 umzukehren. Um es schwieriger zu gestalten, die Magnetisierungsrichtungen der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung und der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung als eine Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht 107 umzukehren, kann ein Verfahren zum Beispiel zum Konfigurieren der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung und der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung, sodass diese eine größere Koerzitivkraft, eine größere Filmdicke oder eine größere magnetische Dämpfungskonstante als die Speicherungsschicht 107 aufweisen, oder dergleichen eingesetzt werden. Alternativ dazu kann die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung in einer laminierten Ferri-Struktur (die auch eine laminierte Ferri-Pin-Struktur genannt wird) konfiguriert werden, bei der mindestens zwei Schichten aus einem magnetischen Material und eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material aus Ru oder dergleichen laminiert sind. Durch das Einsetzen der laminierten Ferri-Struktur in der Schicht mit fester Magnetisierung kann eine Asymmetrie der Wärmebeständigkeit bezüglich Informationsschreibrichtungen aufgehoben werden und die Beständigkeit gegenüber dem Spin-Drehmoment kann verbessert werden. Alternativ dazu kann die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung durch Kombinieren eines antiferromagnetischen Materials mit der laminierten Ferri-Struktur konfiguriert werden. Dementsprechend kann die Magnetisierungsrichtung effektiver fixiert werden. Alternativ dazu kann die Magnetisierungsrichtung der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung fixiert werden, indem ein Material und eine Konfiguration der Masseschicht 101 wie oben beschrieben zweckmäßig ausgewählt werden. Wie im Folgenden beschrieben wird, kann die Magnetisierungsrichtung der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung gleichermaßen durch Konfigurieren der Kappenschicht 113 fixiert werden, die in Kontakt mit der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung kommt, ähnlich der Masseschicht 101.
  • Zusätzlich dazu sind die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung dazu konfiguriert, eine senkrechte magnetische Anisotropie aufzuweisen, und sind derart konfiguriert, dass ihre Magnetisierungsrichtungen entgegengesetzt zueinander sind. Durch das Konfigurieren der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung und der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung, sodass sie eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweisen, kann der Effekt einer weiteren Abnahme eines Umkehrstroms erhalten werden im Vergleich zu einem Fall, bei dem Schichten mit fester Magnetisierung, die eine ebeneninterne magnetische Anisotropie aufweisen, verwendet werden, wie oben beschrieben.
  • Es ist anzumerken, dass die vorliegende Ausführungsform nicht auf das obige Beispiel beschränkt ist. Die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung können eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweisen und als Referenzschichten zur Zeit des Informationsschreibens und -lesens bezüglich des magnetoresistiven Elements 10 fungieren, und ein Material und eine Konfiguration davon können beliebig sein. Als die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung können zum Beispiel beliebige aller Materialien und Konfigurationen, die an magnetoresistiven Elementen mit der dualen MTJ-Struktur, die in allgemeinen ST-MRAMs montiert sind, angewendet werden, verwendet werden.
  • Die untere Tunnelbarrierenschicht 105 und die obere Tunnelbarrierenschicht 109 können ein nicht magnetisches Material beinhalten und als Tunnelbarrieren zur Zeit des Informationsschreibens und -lesens bezüglich des magnetoresistiven Elements 10 fungieren. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird MgO als ein magnetisches Material verwendet, das die untere Tunnelbarrierenschicht 105 und die obere Tunnelbarrierenschicht 109 bildet. Durch das Verwenden von MgO kann ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis eines Gesamtelements aufgrund eines Effekts eines Phänomens der kohärenten Tunnelung erhöht werden. Zusätzlich dazu ist es allgemein bekannt, dass die Effizienz einer Spin-Injektion von einem Magnetowiderstandsänderungsverhältnis abhängt, die Effizienz der Spin-Injektion sich weiter verbessert, wenn ein Magnetowiderstandsänderungsverhältnis höher wird, und somit eine Magnetisierungsumkehrungsstromdichte verringert werden kann. Daher kann durch das Ausbilden der unteren Tunnelbarrierenschicht 105 und der oberen Tunnelbarrierenschicht 109 aus MgO ein Umkehrstrom verringert werden, das heißt Informationen können mit einem niedrigeren Strom geschrieben werden. Zusätzlich dazu kann eine Lesesignalintensität erhöht werden.
  • Zusätzlich dazu werden die Filmdicken der unteren Tunnelbarrierenschicht 105 und der oberen Tunnelbarrierenschicht 109 so angepasst, dass Stehspannungscharakteristiken ausreichend gewährleistet werden können. In einem Fall, bei dem die Schichten unter Verwendung von MgO ausgebildet werden, können die Filmdicken der unteren Tunnelbarrierenschicht 105 und der oberen Tunnelbarrierenschicht 109 zum Beispiel etwa 0,6 nm bis 1,5 nm betragen.
  • Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf das obige Beispiel beschränkt und als Materialien der unteren Tunnelbarrierenschicht 105 und der oberen Tunnelbarrierenschicht 109 können verschiedene Materialien verwendet werden. Die untere Tunnelbarrierenschicht 105 und die obere Tunnelbarrierenschicht 109 können zum Beispiel beliebige Isolatoren beinhalten, wie etwa Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, SiO2, Bi2O3, MgF2, CaF, SrTiO2, AlLaO3 oder eine Al-N-O-Legierung, ein Dielektrikum oder einen Halbleiter. Zusätzlich dazu können als die untere Tunnelbarrierenschicht 105 und die obere Tunnelbarrierenschicht 109 beliebige aller Materialien und Konfigurationen, die an magnetoresistiven Elementen mit der dualen MTJ-Struktur, die in allgemeinen ST-MRAMs montiert sind, angewendet werden, verwendet werden.
  • Die Kappenschicht 113 wird zum Beispiel durch ein nicht magnetisches Material wie etwa Ru gebildet und weist Funktionen des Verhinderns einer Oxidation der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung und des Umsetzens einer ausgezeichneten Leitung mit einer darauf ausgebildeten oberen Elektrode (nicht veranschaulicht) auf. Alternativ dazu kann die Kappenschicht 113 ähnlich der Masseschicht 101 hinsichtlich des Fixierens einer Magnetisierungsrichtung der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung konfiguriert sein.
  • Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf das obige Beispiel beschränkt ist und als die Kappenschicht 113 können beliebige aller Materialien und der Konfiguration, die an magnetoresistiven Elementen mit der dualen MTJ-Struktur, die in allgemeinen ST-MRAMs montiert sind, angewendet werden, verwendet werden.
  • Eine Konfiguration der Speicherungsschicht 107 wird ausführlich unter Bezugnahme auf 7 beschrieben. Mit Bezug auf 7 ist die Speicherungsschicht 107 derart konfiguriert, dass eine erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material, eine Schicht 123 aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material in dieser Reihenfolge laminiert sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform beinhalten die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material eine Co-Fe-B-Legierung, wie die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung. Zusätzlich dazu beinhaltet die Schicht 123 aus einem nicht magnetischen Material Ta.
  • Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch nicht auf das obige Beispiel beschränkt und Materialien und Konfigurationen der ersten Schicht 121 aus einem magnetischen Material, der Schicht 123 aus einem nicht magnetischen Material und der zweiten Schicht 125 aus einem magnetischen Material können beliebig sein, solange die Schichten die im Folgenden beschriebenen Charakteristiken aufweisen. Die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material können zum Beispiel unter Verwendung eines Metallmaterials ausgebildet werden, das Co, Fe, Ni oder B enthält. Alternativ dazu können die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material zum Beispiel unter Verwendung einer Legierung ausgebildet werden, die mindestens eines von Co, Fe, Ni und B beinhaltet. Alternativ dazu können die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material zum Beispiel unter Verwendung eines Materials ausgebildet werden, das durch Hinzufügen eines heterogenen Elements zu einer Co-Fe-B-Legierung erhalten wird. Dementsprechend können Effekte einer verbesserten Wärmebeständigkeit, die aus der Verhinderung einer Diffusion hervorgeht, einer Zunahme in einem Magnetowiderstandseffekt, einer Zunahme in einer dielektrischen Stehspannung aufgrund von Abflachung und dergleichen erhalten werden. Als ein Material eines additiven Elements dieses Falls kann B, C, N, O, F, Li, Mg, Si, P, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Cu, Ge, Nb, Ru, Rh, Pd, Ag, Ta, Ir, Pt, Au, Zr, Hf, W, Mo, Re, Os, eine Legierung davon oder ein Oxid davon verwendet werden. Zusätzlich dazu kann als ein Material der Schicht 123 aus einem nicht magnetischen Material Ru, Os, Re, Ir, Au, Ag, Cu, Al, Bi, Si, B, C, Cr, Pd, Pt, Zr, Hf, W, Mo, Nb, V oder eine Legierung davon zusätzlich zu Ta verwendet werden.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist sie derart konfiguriert, dass, unter der ersten Schicht 121 aus einem magnetischen Material und der zweiten Schicht 125 aus einem magnetischen Material, die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweist und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material eine ebeneninterne magnetische Anisotropie aufweist. Zur Zeit des Informationsschreibens wird eine Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht 121 aus einem magnetischen Material in eine senkrechte Richtung umgekehrt und eine Magnetisierungsrichtung der zweiten Schicht 125 aus einem magnetischen Material wird in eine ebeneninterne Richtung umgekehrt.
  • Eine derartige magnetische Anisotropie kann gesteuert werden, indem Zusammensetzungen von Materialien, die die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material bilden, und/oder die Filmdicken der ersten Schicht 121 aus einem magnetischen Material und der zweiten Schicht 125 aus einem magnetischen Material angepasst werden. Eine Zusammensetzung der ersten Schicht 121 aus einem magnetischen Material wird zum Beispiel so angepasst, dass die Größe eines effektiven diamagnetischen Felds, das die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material empfängt, kleiner ist als eine gesättigte Magnetisierungsmenge Ms. Dementsprechend kann die Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht 121 aus einem magnetischen Material so festgelegt werden, dass sie in senkrechter Richtung liegt. Zusätzlich dazu kann, zum Beispiel durch das Festlegen der Filmdicke der zweiten Schicht 125 aus einem magnetischen Material auf 0,8 nm in einer vorbestimmten Zusammensetzung, die Magnetisierungsrichtung davon so festgelegt werden, dass sie in der ebeneninternen Richtung liegt (siehe auch Beispiel 1, das im Folgenden beschrieben wird).
  • Die Struktur des magnetoresistiven Elements 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wurde oben beschrieben. Es ist anzumerken, dass das oben beschriebene magnetoresistive Element 10 hergestellt werden kann, indem die Masseschicht 101 in einer Vakuumeinrichtung kontinuierlich zur Kappenschicht 113 laminiert wird und dann die Schichten durch eine Verarbeitung, wie etwa Ätzen, zweckmäßig strukturiert werden. Als ein Abscheideverfahren und ein Strukturierverfahren jeder Schicht können jene verwendet werden, die in allgemeinen Halbleiterprozessen verwendet werden, und somit wird eine ausführliche Beschreibung davon weggelassen.
  • Gemäß dem oben beschriebenen magnetoresistiven Element 10 ist die Speicherungsschicht 107 derart konfiguriert, dass die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material, die Schicht 123 aus einem nicht magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material in dieser Reihenfolge laminiert werden, wobei die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweist und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material eine ebeneninterne magnetische Anisotropie aufweist. Dementsprechend kann zum Beispiel der TMR-Effekt der oberen Tunnelbarrierenschicht 109, die zwischen der zweiten Schicht 125 aus einem magnetischen Material und der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung positioniert ist, im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Speicherungsschicht 329 eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweist, weiter verringert werden, wie in dem in 3 veranschaulichten allgemeinen magnetoresistiven Element 321. Zusätzlich dazu kann zu dieser Zeit, im Gegensatz zu der in der Patentliteratur 1 offenbarten Technologie, der Effekt des Verringerns des TMR-Effekts erhalten werden, ohne die Filmdicke der oberen Tunnelbarrierenschicht 109 auszudünnen (während z. B. die Filmdicke der Tunnelbarrierenschicht, die eine dickere Filmdicke aufweist, in dem in der Patentliteratur 1 offenbarten magnetoresistiven Element beibehalten wird). Daher kann gemäß dem magnetoresistiven Element 10, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen, das Magnetowiderstandsänderungsverhältnis des Gesamtelements mehr als ein allgemeines magnetoresistives Element mit der herkömmlichen dualen MTJ-Struktur erhöht werden.
  • Zusätzlich dazu, gemäß dem magnetoresistiven Element 10, um zu bewirken, dass die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweist, ist die Größe des effektiven diamagnetischen Felds, das die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material empfängt, so konfiguriert, dass sie kleiner ist als die gesättigte Magnetisierungsmenge Ms der ersten Schicht 121 aus einem magnetischen Material. Dementsprechend wird die Größe eines effektiven diamagnetischen Felds, das die Speicherungsschicht 107 empfängt, verringert und somit kann die Größe eines Umkehrstroms in der Speicherungsschicht 107 verringert werden. Da das magnetoresistive Element 10 die duale MTJ-Struktur aufweist, kann die Speicherungsschicht 107 hier den Umkehrstrom mehr als ein magnetoresistives Element ohne die duale MTJ-Struktur verringern, da die Speicherungsschicht eine Spin-Injektion von sowohl der unteren Tunnelbarrierenschicht 105 als auch der oberen Tunnelbarrierenschicht 109 effizienter empfängt. Das heißt, gemäß der vorliegenden Ausführungsform, zusätzlich zu dem Effekt der Umkehrstromverringerung, die durch das Einsetzen der dualen MTJ-Struktur bewirkt wird, kann der Effekt der Umkehrstromverringerung, die durch das Konfigurieren der Speicherungsschicht 107 bewirkt wird, wie oben beschrieben, erhalten werden. Somit kann der Umkehrstrom im Vergleich zu einem allgemeinen magnetoresistiven Element mit der herkömmlichen dualen MTJ-Struktur weiter verringert werden. Daher kann eine Leistungsverbrauchsmenge der Speicherungseinrichtung 1, die durch das magnetoresistive Element 10 gebildet wird, verringert werden.
  • Währenddessen, gemäß dem magnetoresistiven Element 10, da der Umkehrstrom verringert werden kann, auch ohne eine gesättigte Magnetisierungsmenge Ms der Speicherungsschicht 107 zu verringern, kann die Speicherungsschicht 107 eine ausreichende gesättigte Magnetisierungsmenge Ms aufweisen und die Wärmebeständigkeit der Speicherungsschicht 107 kann gewährleistet werden. Des Weiteren können im magnetoresistiven Element 10 die beiden Schichten mit fester Magnetisierung, das heißt die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung, die laminierte Ferri-Pin-Struktur konfigurieren. Dementsprechend können die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung veranlasst werden, bezüglich eines externen Magnetfelds gedämpft zu sein, und ein Leckmagnetfeld, das durch die untere Schicht 103 mit fester Magnetisierung und die obere Schicht 111 mit fester Magnetisierung verursacht wird, kann blockiert werden. Zusätzlich dazu kann die Verbesserung der senkrechten magnetischen Anisotropie der unteren Schicht 103 mit fester Magnetisierung und der oberen Schicht 111 mit fester Magnetisierung, die aus einer Zwischenschichtkopplung der mehreren Schichten aus einem magnetischen Material hervorgeht, erzielt werden. Wie oben beschrieben, kann die Wärmebeständigkeit gemäß dem magnetoresistiven Element 10 ausreichend gewährleistet werden, das heißt eine Informationsaufbewahrungsfähigkeit kann ausreichend gewährleistet werden, und somit kann das magnetoresistive Element 10, das im charakteristischen Ausgleich hervorragend ist, konfiguriert werden.
  • Obwohl die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material, die an der unteren Seite der Speicherungsschicht 107 positioniert ist, so festgelegt ist, dass sie eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweist, und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material, die an der oberen Seite davon positioniert ist, so festgelegt ist, dass sie eine ebeneninterne magnetische Anisotropie im oben beschriebenen Konfigurationsbeispiel aufweist, ist anzumerken, dass die vorliegende Ausführungsform nicht darauf beschränkt ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann eine der beiden Schichten aus einem magnetischen Material (die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material), die die Speicherungsschicht 107 bilden, eine ebeneninterne magnetische Anisotropie aufweisen, die andere kann eine senkrechte magnetische Anisotropie aufweisen, und eine Kombination davon kann beliebig sein. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Konfigurationsbeispiel kann die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material, die an der unteren Seite positioniert ist, zum Beispiel veranlasst werden, eine ebeneninterne magnetische Anisotropie aufzuweisen, und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material, die an der oberen Seite positioniert ist, kann veranlasst werden, eine senkrechte magnetische Anisotropie aufzuweisen. Außerdem können in der Konfiguration ähnliche Effekte erhalten werden.
  • Zusätzlich dazu kann bei der vorliegenden Ausführungsform eine der beiden Schichten aus einem magnetischen Material (die erste Schicht 121 aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht 125 aus einem magnetischen Material), die die Speicherungsschicht 107 bilden, eine ebeneninterne magnetische Anisotropie aufweisen und die andere kann eine magnetische Anisotropie aufweisen, die um einen vorbestimmten Winkel, bei dem ein dominanter Zustand mit senkrechter Magnetisierung wahrscheinlich beibehalten wird, von der senkrechten Richtung geneigt ist (d. h. geneigt zu dem Ausmaß, dass eine ebeneninterne Magnetisierung nicht einen dominanten Zustand erreicht). Gemäß dieser Konfiguration, während der Umkehrstrom-Verringerungseffekt verringert werden kann, können die oben beschriebenen anderen Effekte (d. h. ein verbessertes Magnetowiderstandsänderungsverhältnis und gewährleistete Wärmebeständigkeit) auch gleichermaßen erhalten werden, im Vergleich zu einem Fall mit magnetischer Anisotropie in einer vollständig senkrechten Richtung.
  • [Beispiel 1]
  • Um die magnetische Anisotropie der Speicherungsschicht 107 des magnetoresistiven Elements 10 gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform zu evaluieren, ist das folgende Experiment durchgeführt worden. In dem Experiment wurden drei Arten von magnetoresistiven Elementproben, die ähnliche Konfigurationen zu den in 6 und 7 veranschaulichten aufweisen, erzeugt und jede der Magnetisierungskurven der Proben 1 bis 3 wurde gemessen. Die Proben 1 bis 3 unterscheiden sich nur in einer Filmdicke der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material, die die Speicherungsschicht bildet, und andere Konfigurationen davon sind die gleichen.
  • Genauer gesagt sind Konfigurationen außer den Speicherungsschichten der Proben 1 bis 3 wie folgt.
    • Masseschicht: Ein laminierter Film eines Ta-Films mit einer Filmdicke von 10 nm und eines Ru-Films mit einer Filmdicke von 10 nm.
    • Untere Schicht mit fester Magnetisierung: Ein laminierter Film eines Co-Pt-Films mit einer Filmdicke von 2 nm, eines Ru-Films mit einer Filmdicke von 0,7 nm und eines [Co20Fe80]80B30-Films mit einer Filmdicke von 1,2 nm.
    • Untere Tunnelbarrierenschicht: Ein Magnesiumoxidfilm mit einer Filmdicke von 1 nm.
    • Obere Tunnelbarrierenschicht: Ein Magnesiumoxidfilm mit einer Filmdicke von 1 nm.
    • Obere Schicht mit fester Magnetisierung: Ein laminierter Film eines [Co20Fe80]80B30-Films mit einer Filmdicke von 1,3 nm, eines Ru-Films mit einer Filmdicke von 0,6 nm und eines Co-Pt-Films mit einer Filmdicke von 2 nm.
    • Kappenschicht: Ein Ta-Film mit einer Filmdicke von 5 nm.
  • Zusätzlich dazu wurde für die Speicherungsschichten der Proben 1 bis 3 ein [Co20Fe80]80B30-Film mit einer Filmdicke von 1,3 nm als eine erste Schicht aus einem magnetischen Material abgeschieden und Tantal mit einer Filmdicke von 0,2 nm wurde als eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material abgeschieden.
  • Konfigurationen von zweiten Schichten aus einem magnetischen Material der Speicherungsschichten sind wie folgt.
    • Probe 1: Ein [Co20Fe80]80B30-Film mit einer Filmdicke von 0,6 nm.
    • Probe 2: Ein [Co20Fe80]80B30-Film mit einer Filmdicke von 0,8 nm.
    • Probe 3: Ein [Co20Fe80]80B30-Film mit einer Filmdicke von 1,0 nm.
  • Jede der Proben 1 bis 3 wurde erzeugt, indem ein thermischer Oxidfilm mit einer Dicke von 300 nm auf einem Siliziumsubstrat mit einer Dicke von 0,725 mm ausgebildet wird, und dadurch ein magnetoresistives Element mit der oben beschriebenen Konfiguration darauf ausgebildet wird. Zusätzlich dazu, obwohl eine ausführliche Beschreibung weggelassen wird, wurden auch eine Verdrahtung und dergleichen, die zur Messung notwendig sind, zweckmäßig auf dem Siliziumsubstrat ausgebildet.
  • Jede der Schichten außer Isolierungsschichten wurde unter Verwendung eines DC-Magnetron-Sputterverfahrens abgeschieden. Die ein Oxid verwendende Isolierschicht wurde durch Abscheiden eines Metallfilms unter Verwendung eines HF-Magnetron-Sputterverfahrens oder eines DC-Magnetron-Sputterverfahrens und dann Durchführen einer Wärmebehandlung bei 350 °C daran in einem Wärmebehandlungsofen in einem Magnetfeld ausgebildet.
  • Magnetisierungskurven der Proben 1 bis 3, die wie oben beschrieben erzeugt werden, wurden über eine Messung des magnetischen Kerr-Effekts gemessen. Zu dieser Zeit wurden Volumenfilmteile von etwa 8 mm × 8 mm, die speziell auf Siliziumsubstraten zur Evaluierung von Magnetisierungskurven bereitgestellt werden, zur Messung verwendet, anstatt mikrostrukturierten Elementen. Zusätzlich dazu wurden Messungsmagnetfelder in eine senkrechte Richtung zu Filmoberflächen angelegt.
  • 8 bis 10 sind Graphen, die jeweils Messergebnisse der Magnetisierungskurven der Speicherungsschichten der Proben 1 bis 3 veranschaulichen. In 8 bis 10 repräsentieren die horizontalen Achsen das angelegte Messungsmagnetfeld, die vertikalen Achsen repräsentieren den Signalwert, der eine Größe des magnetischen Kerr-Effekts angibt, und die Beziehung von beiden Faktoren wird grafisch dargestellt.
  • Mit Bezug auf 8 wird festgestellt, dass eine Magnetisierungskurve mit hoher Rechteckigkeit in der Probe 1 erhalten wurde, die die zweite Schicht aus einem magnetischen Material der Speicherungsschicht mit einer Filmdicke von 0,6 nm aufweist. Dies wird aufgrund der Tatsache in Betracht gezogen, dass die erste Schicht aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht aus einem magnetischen Material der Speicherungsschicht in der Probe 1 zusammen in eine senkrechte Richtung magnetisiert sind.
  • Währenddessen, mit Bezug auf 9 und 10, werden in den Proben 2 und 3, die zweite Schichten aus einem magnetischen Material der Speicherungsschichten mit Filmdicken von 0,8 nm bzw. 1,0 nm aufweisen, Änderungen in der Rechteckigkeit der Magnetisierungskurven gefunden. Es wird in Betracht gezogen, dass die Änderungen aufgrund der Tatsache bewirkt werden, dass diamagnetische Felder in den Proben 2 und 3 zunehmen, wenn Filmdicken der zweiten Schichten aus einem magnetischen Material dicker werden, und Magnetisierungsrichtungen davon sich von einer senkrechten Richtung in eine ebeneninterne Richtung ändern. Es ist anzumerken, dass in Betracht gezogen wird, dass, während die Magnetisierungsrichtungen der zweiten Schichten aus einem magnetischen Material der Speicherungsschichten zu der ebeneninternen Richtung hin orientiert waren, Magnetisierungsrichtungen der ersten Schichten aus einem ferromagnetischen Material senkrechte Richtungen waren, und somit wird in Betracht gezogen, dass die in 9 und 10 veranschaulichten Magnetisierungskurven als ein Ergebnis des Magnetismus der ersten Schichten aus einem magnetischen Material erschienen sind, der magnetisch mit dem der zweiten Schichten aus einem magnetischen Material über nicht magnetische Materialien innerhalb der Speicherungsschichten gekoppelt war.
  • Die obigen Experimentergebnisse geben an, dass Magnetisierungsrichtungen der zweiten Schichten aus einem magnetischen Material, die die Speicherungsschichten bilden, in die senkrechte Richtung oder in die ebeneninterne Richtung gesteuert werden können, indem Filmdicken von diesen angepasst werden. Zusätzlich dazu geben die Experimentergebnisse an, dass die Magnetisierungsrichtungen in einem Fall, bei dem die zweiten Schichten aus einem ferromagnetischen Material durch den [Co20Fe80]80B30-Film gebildet werden, zu der ebeneninternen Richtung gesetzt werden können, indem die Filmdicken auf 0,8 nm oder größer festgelegt werden. Obwohl die Beziehung zwischen den Filmdicken und den Magnetisierungsrichtungen der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material im Experiment evaluiert wurde, wird in Betracht gezogen, dass ein ähnliches Ergebnis auch für die ersten Schichten aus einem magnetischen Material erhalten werden kann.
  • [Beispiel 2]
  • Das folgende Experiment wurde durchgeführt, um den Effekt der Verbesserung in einem Magnetowiderstandsänderungsverhältnis des magnetoresistiven Elements 10 gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform festzustellen. In dem Experiment wurden drei Arten von magnetoresistiven Elementproben, die ähnliche Konfigurationen zu den in 6 und 7 veranschaulichten aufweisen, erzeugt, Magnetowiderstandskurven der Proben 1 bis 3 wurden gemessen und Magnetowiderstandsänderungsverhältnisse wurden aus den Magnetowiderstandskurven berechnet.
  • Als Proben 1 bis 3 wurden Proben verwendet, die denen des oben beschriebenen Beispiels 1 ähneln. Das heißt, die Proben 1 bis 3 unterscheiden sich nur in einer Filmdicke der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material, die die Speicherungsschicht bildet, und andere Konfigurationen davon sind die gleichen. Auf Basis der Ergebnisse des Beispiels 1 wird in Betracht gezogen, dass in der Probe 1 Magnetisierungsrichtungen der ersten Schicht aus einem magnetischen Material und der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material zusammen eine senkrechte Richtung waren, und in den Proben 2 und 3 war die Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht aus einem magnetischen Material eine senkrechte Richtung und die Magnetisierungsrichtung der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material war eine ebeneninterne Richtung.
  • Eine Messung von Magnetowiderstandsänderungsverhältnissen wurde unter Verwendung einer CIPT-Messeinrichtung mit 12 Anschlüssen evaluiert. Zu dieser Zeit wurden Volumenfilmteile von etwa 2 cm Quadrat, die speziell auf Siliziumssubstraten zur Evaluierung von Magnetowiderstandsänderungsverhältnissen bereitgestellt werden, zur Messung verwendet, statt mikrostrukturierten Elementen. Zusätzlich dazu wurden Messungsmagnetfelder in eine senkrechte Richtung zu Filmoberflächen angelegt. Messergebnisse der Magnetowiderstandsänderungsverhältnisse sind in der folgenden Tabelle 1 dargestellt.
  • [Tabelle 1]
    Magnetowiderstandsänderungsverhältnis (%)
    Probe 1 (Filmdicke eines zweiten Films aus einem magnetischen Material = 0,6 nm) 80
    Probe 2 (Filmdicke eines zweiten Films aus einem magnetischen Material = 0,8 nm) 95
    Probe 3 (Filmdicke eines zweiten Films aus einem magnetischen Material = 1,0 nm) 107
  • Wie in Tabelle 1 dargestellt, kann festgestellt werden, dass die Magnetowiderstandsänderungsverhältnisse der Proben 2 und 3 höher sind als das der Probe 1. Als Grund für dieses Experimentergebnis wird in Betracht gezogen, dass durch das Erhöhen der Filmdicken der zweiten Schichten aus einem magnetischen Material die Magnetisierungsrichtungen der zweiten Schichten aus einem magnetischen Material zu der ebeneninternen Richtung geändert wurden, und die TMR-Effekte der oberen Tunnelbarrierenschichten abnahmen, und somit wurden die Magnetowiderstandsänderungsverhältnisse der Gesamtelemente erhöht. Das heißt, das Experimentergebnis gibt an, dass eine Verringerung in TMR-Effekt und der Effekt der Verbesserung im Magnetowiderstandsänderungsverhältnis sicher mit dem magnetoresistiven Element 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erhalten werden kann.
  • (Ergänzung)
  • Die bevorzugte(n) Ausführungsform(en) der vorliegenden Offenbarung wurde(n) oben unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, obwohl die vorliegende Offenbarung nicht auf die obigen Beispiele beschränkt ist. Ein Fachmann kann verschiedene Abänderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs der angehängten Ansprüche finden und es versteht sich, dass sie natürlich in dem technischen Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung liegen werden.
  • Obwohl das magnetoresistive Element 10 als ein MTJ-Element zum Beispiel unter Verwendung des TMR-Effekts in der oben beschriebenen Ausführungsform konfiguriert ist, ist die vorliegende Technologie nicht darauf beschränkt. Schichten, die der unteren Tunnelbarrierenschicht 105 und der oberen Tunnelbarrierenschicht 109 entsprechen (die im Folgenden auch als eine erste Zwischenschicht und eine zweite Zwischenschicht bezeichnet werden), des magnetoresistiven Elements 10 können zum Beispiel unter Verwendung eines Metallmaterials ausgebildet werden und eine Spin-Injektion kann unter Verwendung eines Riesenmagnetowiderstand-Effekts (GMR-Effekts) durchgeführt werden. In diesem Fall kann als ein Material der ersten Zwischenschicht und der zweiten Zwischenschicht ein Metallmaterial, das den GMR-Effekt zeigt, zum Beispiel ein Metallmaterial, das Cu, Ag oder Cr enthält, eine Legierung, die mindestens eines von Cu, Ag und Cr beinhaltet, oder dergleichen, verwendet werden. Alternativ dazu kann entweder die erste Zwischenschicht oder die zweite Zwischenschicht durch ein nicht magnetisches Material gebildet werden, das den TMR-Effekt zeigt, und die andere kann unter Verwendung eines Metallmaterials ausgebildet werden, das wahrscheinlich den GMR-Effekt zeigt.
  • Zusätzlich dazu, obwohl das magnetoresistive Element 10 zum Beispiel als ein Speicherungselement einer Speicherungseinrichtung in der oben beschriebenen Ausführungsform verwendet wird, ist die vorliegende Technologie nicht darauf beschränkt. Das magnetoresistive Element 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann bei anderen verschiedenen Einrichtungen angewendet werden, an denen ein magnetoresistives Element allgemein angewendet werden kann, zum Beispiel einem magnetischen Kopf einer Festplatte (HDD) und dergleichen.
  • Des Weiteren sind die in dieser Spezifikation beschriebenen Effekte lediglich veranschaulichende oder beispielhafte Effekte und sind nicht beschränkend. Das heißt, dass die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung mit oder anstelle der obigen Effekte andere Effekte erzielen kann, die Fachleuten aus der Beschreibung dieser Spezifikation ersichtlich sind.
  • Zusätzlich dazu kann die vorliegende Technologie auch wie unten beschrieben konfiguriert sein.
    1. (1) Ein magnetoresistives Element, das Folgendes beinhaltet:
      • eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern;
      • eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient;
      • eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche ist, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist;
      • eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden; und
      • eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden,
      • wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet, und
      • die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
    2. (2) Das magnetoresistive Element nach (1), wobei, unter der ersten Schicht aus einem magnetischen Material und der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material, eine Filmdicke der Schicht aus einem magnetischen Material, die die Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist, größer oder gleich 0,8 nm ist.
    3. (3) Das magnetoresistive Element nach (1) oder (2), wobei die erste Schicht aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht aus einem magnetischen Material ein Metallmaterial sind, das Co, Fe, Ni oder B enthält, oder eine Legierung sind, die mindestens eines von Co, Fe, Ni oder B beinhaltet.
    4. (4) Das magnetoresistive Element nach (2), wobei, unter der ersten Schicht aus einem magnetischen Material und der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material, zumindest die Schicht aus einem magnetischen Material, die die Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist, ein Metallmaterial ist, das Co, Fe, Ni oder B enthält, oder eine Legierung ist, die mindestens eines von Co, Fe, Ni oder B beinhaltet.
    5. (5) Das magnetoresistive Element nach einem von (1) bis (4), wobei die erste Zwischenschicht und/oder die zweite Zwischenschicht Magnesiumoxid ist bzw. sind.
    6. (6) Das magnetoresistive Element nach einem von (1) bis (4), wobei die erste Zwischenschicht und/oder die zweite Zwischenschicht ein Metallmaterial ist bzw. sind, das Cu, Ag oder Cr enthält, oder eine Legierung ist bzw. sind, die mindestens eines von Cu, Ag und Cr beinhaltet.
    7. (7) Das magnetoresistive Element nach einem von (1) bis (6), wobei eine Filmdicke der ersten Zwischenschicht und der zweiten Zwischenschicht 0,6 nm bis 1,5 nm beträgt.
    8. (8) Ein Speicherelement, das Folgendes beinhaltet:
      • mehrere magnetoresistive Elemente, die dazu konfiguriert sind, Informationen gemäß einem Magnetisierungszustand eines magnetischen Materials zu behalten; und
      • Verdrahtung, die dazu konfiguriert ist, einen Strom an jedes der mehreren magnetoresistiven Elemente in eine Laminierungsrichtung anzulegen oder einen Strom, der in jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in der Laminierungsrichtung fließt, zu detektieren,
      • wobei jedes der magnetoresistiven Elemente Folgendes beinhaltet:
        • eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern,
        • eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient,
        • eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche ist, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist,
        • eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, und
        • eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden,
      • wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet, und
      • die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
    9. (9) Eine elektronische Vorrichtung, die Folgendes beinhaltet:
      • ein Speicherelement, das zum Speichern von Informationen konfiguriert ist,
      • wobei das Speicherelement Folgendes beinhaltet:
        • mehrere magnetoresistive Elemente, die dazu konfiguriert sind, Informationen gemäß einem Magnetisierungszustand eines magnetischen Materials zu behalten, und
        • Verdrahtung, die dazu konfiguriert ist, einen Strom an jedes der mehreren magnetoresistiven Elemente in eine Laminierungsrichtung anzulegen oder einen Strom, der in jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in der Laminierungsrichtung fließt, zu detektieren,
      • wobei jedes der magnetoresistiven Elemente Folgendes beinhaltet:
        • eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern,
        • eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient,
        • eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche ist, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist,
        • eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, und
        • eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden,
      • wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet, und
      • die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Speicherungseinrichtung (Speicherelement)
    10, 301, 321
    magnetoresistives Element
    101, 303, 323
    Masseschicht
    103, 325
    untere Schicht mit fester Magnetisierung
    105, 327
    untere Tunnelbarrierenschicht
    107, 309, 329
    Speicherungsschicht
    109, 331
    obere Tunnelbarrierenschicht
    111, 333
    obere Schicht mit fester Magnetisierung
    113, 311, 335
    Kappenschicht
    121
    erste Schicht aus einem magnetischen Material
    123
    Schicht aus einem nicht magnetischen Material
    125
    zweite Schicht aus einem magnetischen Material
    201
    Halbleitersubstrat
    203
    Elementtrennschicht
    205
    Auswahltransistor
    207
    Gate-Elektrode
    209
    Drain-Gebiet
    211
    Source-Gebiet
    213
    Verdrahtung
    215
    Bitleitung
    217
    Kontaktschicht
    305
    Schicht mit fester Magnetisierung
    307
    Tunnelbarrierenschicht
  • 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 2014049766 A [0007]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • S. Mangin et al., Nature Materials, Band 5, März 2006, S. 210 [0035]

Claims (9)

  1. Magnetoresistives Element, umfassend: eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern; eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient; eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche ist, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist; eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden; und eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet, und die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
  2. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, wobei, unter der ersten Schicht aus einem magnetischen Material und der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material, eine Filmdicke der Schicht aus einem magnetischen Material, die die Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist, größer oder gleich 0,8 nm ist.
  3. Magnetoresistives Element nach Anspruch 2, wobei die erste Schicht aus einem magnetischen Material und die zweite Schicht aus einem magnetischen Material ein Metallmaterial sind, das Co, Fe, Ni oder B enthält, oder eine Legierung sind, die mindestens eines von Co, Fe, Ni und B beinhaltet.
  4. Magnetoresistives Element nach Anspruch 2, wobei, unter der ersten Schicht aus einem magnetischen Material und der zweiten Schicht aus einem magnetischen Material, zumindest die Schicht aus einem magnetischen Material, die die Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist, ein Metallmaterial ist, das Co, Fe, Ni oder B enthält, oder eine Legierung ist, die mindestens eines von Co, Fe, Ni und B beinhaltet.
  5. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, wobei die erste Zwischenschicht und/oder die zweite Zwischenschicht Magnesiumoxid ist bzw. sind.
  6. Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, wobei die erste Zwischenschicht und/oder die zweite Zwischenschicht ein Metallmaterial ist bzw. sind, das Cu, Ag oder Cr enthält, oder eine Legierung ist bzw. sind, die mindestens eines von Cu, Ag und Cr beinhaltet.
  7. Magnetoresistives Element nach Anspruch 5, wobei eine Filmdicke der ersten Zwischenschicht und der zweiten Zwischenschicht 0,6 nm bis 1,5 nm beträgt.
  8. Speicherelement, umfassend: mehrere magnetoresistive Elemente, die dazu konfiguriert sind, Informationen gemäß einem Magnetisierungszustand eines magnetischen Materials zu behalten; und Verdrahtung, die dazu konfiguriert ist, einen Strom an jedes der mehreren magnetoresistiven Elemente in eine Laminierungsrichtung anzulegen oder einen Strom, der in jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in der Laminierungsrichtung fließt, zu detektieren, wobei jedes der magnetoresistiven Elemente Folgendes beinhaltet: eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern, eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche ist, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist, eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, und eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet, und die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
  9. Elektronische Einrichtung, die Folgendes umfasst: ein Speicherelement, das zum Speichern von Informationen konfiguriert ist, wobei das Speicherelement Folgendes beinhaltet: mehrere magnetoresistive Elemente, die dazu konfiguriert sind, Informationen gemäß einem Magnetisierungszustand eines magnetischen Materials zu behalten, und Verdrahtung, die dazu konfiguriert ist, einen Strom an jedes der mehreren magnetoresistiven Elemente in eine Laminierungsrichtung anzulegen oder einen Strom, der in jedem der mehreren magnetoresistiven Elemente in der Laminierungsrichtung fließt, zu detektieren, wobei jedes der magnetoresistiven Elemente Folgendes beinhaltet: eine Speicherungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung dazu konfiguriert ist, sich gemäß Informationen zu ändern, eine erste Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, unter der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung senkrecht zu einer Filmoberfläche aufzuweisen, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, eine zweite Schicht mit fester Magnetisierung, die dazu konfiguriert ist, über der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden und eine Magnetisierungsrichtung aufzuweisen, die senkrecht zu der Filmoberfläche ist, die als eine Referenz von in der Speicherungsschicht gespeicherten Informationen dient, und entgegengesetzt der Magnetisierungsrichtung der ersten Schicht mit fester Magnetisierung ist, eine erste Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der ersten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, und eine zweite Zwischenschicht, die dazu konfiguriert ist, zwischen der zweiten Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht bereitgestellt zu werden, wobei die Speicherungsschicht eine erste Schicht aus einem magnetischen Material, eine Schicht aus einem nicht magnetischen Material und eine zweite Schicht aus einem magnetischen Material, die in dieser Reihenfolge laminiert sind, beinhaltet, und die erste Schicht aus einem magnetischen Material oder die zweite Schicht aus einem magnetischen Material eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Filmoberfläche aufweist.
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S. Mangin et al., Nature Materials, Band 5, März 2006, S. 210

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