DE112019005542T5

DE112019005542T5 - Magnetoresistives element

Info

Publication number: DE112019005542T5
Application number: DE112019005542.9T
Authority: DE
Inventors: Makoto Ueki; Katsumi Suemitsu
Original assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Current assignee: Sony Semiconductor Solutions Corp
Priority date: 2018-11-06
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-07-15
Also published as: US20210318395A1; JPWO2020095753A1; WO2020095753A1

Abstract

Dieses magnetoresistive Element hat eine Schichtstruktur 50, die mindestens eine Schicht mit fester Magnetisierung, eine Zwischenschicht und eine Speicherungsschicht beinhaltet, wobei die Schichtstruktur 50 eine Metallschicht 61 hat, die darauf oder darüber gebildet ist, ein orthogonales Bild der Schichtstruktur 50 relativ zu der Metallschicht 61 in der Metallschicht 61 enthalten ist, und EGib-0(T) < EGib-1(T) und/oder EGib-2(T) ≤ EGib-0(T) erfüllt ist, wobei EGib-0(T) die Oxidbildungs-Gibbs-Energie von Metallatomen ist, die die Metallschicht 61 bei einer Temperatur T (°C) von 0°C bis 400°C bilden, EGib-1(T) die kleinste Gibbs-Energie für die die Oxidbildungs-Gibbs-Energie von Metallatomen ist, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bei der Temperatur T bilden, und EGib-2(T) die größte Gibbs-Energie für die die Oxidbildungs-Gibbs-Energie von Metallatomen ist, die die Zwischenschicht bilden.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein magnetoresistives Element.
[Stand der Technik]
Da ein MRAM (Magnetic Random Access Memory) Daten auf der Basis einer Magnetisierungsrichtung eines magnetischen Materials speichert, kann der Speicher mit hoher Geschwindigkeit und nahezu unendlich (1015-mal oder mehr) umgeschrieben werden, und ein solcher Speicher wurde bereits in den Gebieten der industriellen Automatisierung, der Luftfahrzeuge und dergleichen verwendet. Aufgrund seines Hochgeschwindigkeitsbetriebs und seiner hohen Zuverlässigkeit wird erwartet, dass MRAM in Zukunft Anwendung auf Codespeicherung und Arbeitsspeicher findet, in der Realität ist es jedoch schwierig, den Energieverbrauch des Speichers zu reduzieren und seine Kapazität zu erhöhen. Dies ist aufgrund des Aufzeichnungsprinzips von MRAM, das heißt des Verfahrens des Umkehrens der Magnetisierung durch ein von einer Verdrahtung erzeugtes Strommagnetfeld, ein wesentliches Problem. Als ein Verfahren zur Lösung dieses Problems wurde ein Aufzeichnungsverfahren, das nicht von dem Strommagnetfeld abhängt, das heißt ein Magnetisierungsumkehrverfahren, untersucht, und bei diesem Ansatz hat ein magnetoresistives Element Aufmerksamkeit erregt, das aus einem Spininjektionstyp-Magnetowiderstandseffektelement besteht, wobei die Magnetisierungsumkehr durch Spininjektion (STT-MRAM, Spin Transfer Torque based Magnetic Random Access Memory) eingesetzt wird (siehe zum Beispiel JP 2013-008868 A ).
Die Magnetisierungsumkehr durch Spininjektion ist ein Phänomen, bei dem Elektronen, die ein magnetisches Material durchdrungen haben und spinpolarisiert wurden, in ein anderes magnetisches Material injiziert werden, wobei eine Magnetisierungsumkehr in dem anderen magnetischen Material verursacht wird. Infolge der Verwendung von Magnetisierungsumkehr durch Spininjektion ist ein magnetoresistives Element, das aus einem Spininjektionstyp-Magnetowiderstandseffektelement besteht, einem MRAM, bei dem die Magnetisierungsumkehr basierend auf einem externen Magnetfeld ausgeführt wird, insofern überlegen, als der Schreibstrom nicht ansteigt, selbst wenn das Element feiner wird, eine Skalierung möglich ist, da der Schreibstromwert proportional zu dem Elementvolumen abnimmt, und die Zellenfläche reduziert werden kann. Ein anderer Vorteil ist es, dass die Gerätestruktur und die Zellenstruktur vereinfacht werden, da ein Wortdraht zum Erzeugen eines Aufzeichnungsstrommagnetfelds, der für MRAM erforderlich ist, nicht benötigt wird. Ein magnetoresistives Element, das aus einem Spininjektionstyp-Magnetowiderstandseffektelement besteht, hat zum Beispiel eine Schichtstruktur, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht.
[Quellenangabeliste]
[Patentliteratur]
[PTL 1]
JP 2013-008868 A
[Kurzdarstellung]
[Technisches Problem]
Bei dem Herstellungsprozess eines magnetoresistiven Elements, das aus einem solchen Spininjektionstyp-Magnetowiderstandseffektelement besteht, ist die Schichtstruktur des magnetoresistiven Elements während des Herstellungsprozesses häufig einer oxidierenden Atmosphäre oder einer reduzierenden Atmosphäre ausgesetzt. Infolgedessen werden verschiedene Schichten, die die Schichtstruktur des magnetoresistiven Elements bilden, oxidiert oder reduziert. Wenn ein solches Phänomen in der Schichtstruktur auftritt, treten verschiedene Probleme auf, wie zum Beispiel eine Verschlechterung der Informationsretentionseigenschaften des magnetoresistiven Elements, eine Erhöhung der Informationsschreibspannung und der Informationsumschreibspannung, und eine Variation in dem Widerstandswert.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein magnetoresistives Element bereitzustellen, das stabile Eigenschaften hat.
[Lösung für das Problem]
Ein magnetoresistives Element gemäß dem ersten Modus der vorliegenden Offenbarung zum Erreichen des obigen Objekts hat mindestens eine Schichtstruktur, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht, wobei eine Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist;
ein orthogonales Projektionsbild der Schichtstruktur in Bezug auf die Metallschicht ist in der Metallschicht enthalten; und
unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine minimale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-1(T) ist, $EGib - 0 (T) < EGib - 1 (T)$
erfüllt ist.
Ein magnetoresistives Element gemäß dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung zum Erreichen des obigen Objekts hat mindestens eine Schichtstruktur, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht, wobei eine Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist;
ein orthogonales Projektionsbild der Schichtstruktur in Bezug auf die Metallschicht ist in der Metallschicht enthalten; und
unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine maximale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Zwischenschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-2(T) ist, $EGib - 2 (T) \leq EGib - 0 (T)$

erfüllt ist.
Figurenliste

[1] 1 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1.
[2] 2 ist ein äquivalenter Schaltplan des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1.
[3] Die 3A und 3B sind konzeptionelle Diagramme eines Spininjektions-Magnetowiderstandseffektelements, auf das eine Spininjektionsmagnetisierungsumkehr angewendet wurde.
[4] Die 4A und 4B sind konzeptionelle Diagramme eines Spininjektions-Magnetowiderstandseffektelements, auf das eine Spininjektionsmagnetisierungsumkehr angewendet wurde.
[5] Die 5A, 5B und 5C sind schematische Teil-Endansichten einer Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1.
[6] Die 6A, 6B und 6C sind schematische Teil-Endansichten einer Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1 nach 5C.
[7] Die 7A und 7B sind schematische Teil-Endansichten einer Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Modifikationsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements gemäß Ausführungsform 1.
[8] Die 8A und 8B sind schematische Teil-Endansichten einer Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Modifikationsbeispiels des Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements gemäß Ausführungsform 1 nach 7B.
[9] 9 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 2.
[10] 10 ist eine schematische Teil-Endansicht einer Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 2.
[11] 11 ist eine schematische Teil-Endansicht der Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 2 nach 10.
[12] 12 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 3.
[13] 13 ist eine schematische Teil-Endansicht einer Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 3.
[14] 14 ist eine schematische Teil-Endansicht der Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 3 nach 13.
[15] 15 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4.
[16] 16 ist eine schematische Teil-Endansicht einer Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des in 15 gezeigten magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4.
[17] 17 ist eine schematische Teil-Endansicht der Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung des Verfahrens zur Herstellung des in 15 gezeigten magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4 nach 16.
[18] Die 18A, 18B und 18C sind schematische Teil-Querschnittsansichten einer Schichtstruktur und dergleichen eines Modifikationsbeispiels des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4.
[19] Die 19A, 19B und 19C sind schematische Teil-Endansichten der Schichtstruktur und dergleichen zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des Modifikationsbeispiels des in 18C gezeigten magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4.
[20] 20 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines anderen Modifikationsbeispiels des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4.
[21] Die 21A und 21B sind schematische perspektivische Ansichten, die einen ausgeschnittenen Teil eines Verbundmagnetkopfs von Ausführungsform 5 bzw. eine schematische Querschnittsansicht des Verbundmagnetkopfs von Ausführungsform 5 zeigen.
[22] 22 ist eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines Modifikationsbeispiels des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1.
[23] 23 ist ein konzeptionelles Diagramm des magnetoresistiven Elements der vorliegenden Offenbarung.

[Beschreibung von Ausführungsformen]
Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung basierend auf Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, aber die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt, und verschiedene numerische Werte und Materialien in den Ausführungsformen sind beispielhaft. Die Beschreibung wird in der folgenden Reihenfolge gegeben.

1. Beschreibung des magnetoresistiven Elements gemäß dem ersten und zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung und allgemeine Informationen.
2. Ausführungsform 1 (magnetoresistive Elemente gemäß dem ersten und zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung)
3. Ausführungsform 2 (Modifikation von Ausführungsform 1)
4. Ausführungsform 3 (eine andere Modifikation von Ausführungsform 1)
5. Ausführungsform 4 (Modifikationen der Ausführungsformen 1 bis 3)
6. Ausführungsform 5 (Anwendungsbeispiel für magnetoresistive Elemente der Ausführungsformen 1 bis 4)
7. Andere

Beschreibung magnetoresistiver Elemente gemäß dem ersten und zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung und allgemeine Informationen
Das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus der vorliegenden Offenbarung kann in einer Form sein, in der unter der Annahme, dass eine maximale Gibbs-Energie zwischen den Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Zwischenschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-2(T) ist, EGib-2(T) ≤ EGib-0(T)
(2)
erfüllt ist.
Das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der obigen bevorzugten Form, oder das magnetoresistive Element gemäß dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung können in einer Form sein, in der die Metallschicht mindestens ein Metallatom beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Titan (Ti) -Atom, einem Aluminium (Al) - Atom und einem Magnesium (Mg) -Atom besteht.
Darüber hinaus können die magnetoresistiven Elemente gemäß dem ersten und zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der oben beschriebenen bevorzugten Form, in einer Form sein, in der ein Metallatom, das die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bildet, ein Kobalt (Co) -Atom oder ein Eisen (Fe) -Atom oder ein Kobaltatom und ein Eisenatom (Co-Fe) beinhaltet. Mit anderen Worten ist eine Form möglich, in der ein Metallatom, das die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bildet, mindestens ein Kobalt (Co) -Atom oder ein Eisen (Fe) -Atom beinhaltet. Das heißt, es ist eine Form möglich, in der die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht aus einem Metallmaterial (Legierung, Verbindung) konfiguriert sind, das aus mindestens Kobalt (Co) oder Eisen (Fe) besteht. Hier ist eine Form möglich, in der das Kobalt (Co) -Atom oder das Eisen (Fe) -Atom, oder das Kobaltatom und das Eisenatom (Co-Fe), die die Schicht mit fester Magnetisierung bilden, mit 50 Atom-% oder mehr, vorzugsweise 70 Atom-% oder mehr, in der Schicht mit fester Magnetisierung enthalten sind. Ferner ist eine Form möglich, in der das Kobalt (Co) -Atom oder das Eisen (Fe) -Atom, oder das Kobaltatom und das Eisenatom (Co-Fe), die die Schicht mit fester Magnetisierung bilden, mit 50 Atom-% oder mehr, vorzugsweise 70 Atom-% oder mehr, in der Speicherungsschicht enthalten sind. Alternativ können als ein Metallatom, das die Schicht mit fester Magnetisierung und/oder die Speicherungsschicht bildet, Nickel (Ni), Platin (Pt), Palladium (Pd), Rhodium (Rh), Terbium (Tb), Mangan (Mn) und Iridium (Ir) erwähnt werden.
Alternativ kann das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der verschiedenen oben beschriebenen bevorzugten Formen und Konfigurationen, in einer Form sein, in der die Speicherungsschicht aus einem Metallmaterial (Legierung, Verbindung) konfiguriert ist, das aus Kobalt, Eisen und Nickel besteht, oder aus einem Metallmaterial (Legierung, Verbindung), das aus Kobalt, Eisen, Nickel und Bor besteht. Alternativ kann ein Material, das die Speicherungsschicht bildet, durch Legierungen aus ferromagnetischen Materialien, wie zum Beispiel Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Kobalt (Co) (zum Beispiel Co-Fe, Co-Fe-B, Co-Fe-Ni, Fe-Pt, Ni-Fe, Fe-B, Co-B und dergleichen), oder durch Legierungen, die durch Zugabe von Gadolinium (Gd) zu diesen Legierungen erhalten werden, beispielhaft gezeigt werden. Darüber hinaus kann bei einem senkrechten Magnetisierungstyp ein schweres Seltenerdelement, wie zum Beispiel Terbium (Tb), Dysprosium (Dy) und Holmium (Ho), zu der Legierung hinzugefügt werden, um eine senkrechte magnetische Anisotropie weiter zu erhöhen, oder eine Legierung, die diese Elemente enthält, kann geschichtet sein. Die Speicherungsschicht kann im Wesentlichen jegliche Kristallinität haben, und die Speicherungsschicht kann polykristallin, monokristallin oder amorph sein. Ferner kann die Speicherungsschicht eine Einzelschichtkonfiguration, eine Schichtkonfiguration, in der mehrere unterschiedliche oben beschriebene ferromagnetische Materialschichten geschichtet sind, oder eine Schichtstruktur, in der eine ferromagnetische Materialschicht und eine nichtmagnetische Materialschicht geschichtet sind, haben. Da der Anteil des Gadoliniums (Gd) und der schweren Seltenen Erden als Atome, die die Speicherungsschicht besetzen, klein ist, ist es nicht erforderlich, die Formel (1) zu erfüllen. Alternativ ist die minimale Gibbs-Energie zwischen den Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bilden und 5 Atom-% oder mehr einnehmen, EGib-1(T).
Es ist auch möglich, ein nichtmagnetisches Element zu dem Material, das die Speicherungsschicht bildet, hinzuzufügen. Durch Hinzufügen eines nichtmagnetischen Elements können Effekte, wie zum Beispiel Verbesserung der Wärmebeständigkeit durch Verhinderung von Diffusion, Erhöhung des Magnetowiderstandseffekts und Erhöhung der Durchschlagfestigkeit aufgrund der Planarisierung erhalten werden. Als ein nicht magnetisches Element, das hinzugefügt werden soll, können 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 und Os erwähnt werden. Da der Anteil des Atoms, der dem nichtmagnetischen Element als ein Atom entspricht, das die Speicherungsschicht besetzt, gering ist, ist es nicht erforderlich, die Formel (1) zu erfüllen. Alternativ ist die minimale Gibbs-Energie zwischen den Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bilden und 5 Atom-% oder mehr einnehmen, EGib-1(T).
Darüber hinaus können als eine Speicherungsschicht ferromagnetische Materialschichten geschichtet werden, die unterschiedliche Zusammensetzungen haben. Alternativ ist es auch möglich, eine ferromagnetische Materialschicht und eine weichmagnetische Materialschicht zu schichten, oder mehrere ferromagnetische Materialschichten mit einer dazwischen eingefügten weichmagnetischen Materialschicht oder einer nichtmagnetischen Materialschicht zu schichten. Insbesondere in dem Fall einer Konfiguration, in der mehrere ferromagnetische Materialschichten, wie zum Beispiel eine Fe-Schicht, eine Co-Schicht, eine Fe-Ni-Legierungsschicht, eine Co-Fe-Legierungsschicht, eine Co-Fe-B-Legierungsschicht, eine Fe-B-Legierungsschicht und eine Co-B-Legierungsschicht mit einer dazwischen eingefügten nichtmagnetischen Schicht geschichtet sind, kann das Verhältnis der Magnetstärke zwischen den Schichten des ferromagnetischen Materials eingestellt werden, sodass ein Erhöhen des Magnetisierungsumkehrstroms in dem Spininjektionstyp-Magnetowiderstandseffektelement verhindert werden kann. Als ein Material für die nichtmagnetische Schicht können Ru, Os, Re, Ir, Au, Ag, Cu, Al, Bi, Si, B, C, Cr, Ta, Pd, Pt, Zr, Hf, W, Mo, Nb , V oder Legierungen davon erwähnt werden. Da der Anteil des Atoms, das die nichtmagnetische Materialschicht bildet, als ein Atom, das die Speicherungsschicht besetzt, gering ist, ist es nicht erforderlich, die Formel (1) zu erfüllen. Alternativ ist die minimale Gibbs-Energie zwischen den Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bilden und 5 Atom-% oder mehr einnehmen, EGib-1(T).
Die Dicke der Speicherungsschicht kann durch 0,5 nm bis 30 nm beispielhaft gezeigt werden, und die Dicke der Schicht mit fester Magnetisierung kann durch 0,5 nm bis 30 nm beispielhaft gezeigt werden.
Die Schicht mit fester Magnetisierung kann in einer Form sein, die eine geschichtete Ferri-Struktur (auch bezeichnet als eine geschichtete Ferri-Pin-Struktur) hat, in der mindestens zwei magnetische Materialschichten geschichtet sind. Insbesondere ist die geschichtete Ferri-Struktur eine Schichtstruktur mit antiferromagnetischer Kopplung, das heißt eine Struktur, bei der Zwischenschichtaustauschkopplung von zwei magnetischen Materialschichten (einer Referenzschicht und einer festen Schicht) antiferromagnetisch wird, was auch als synthetische antiferromagnetische Kopplung (SAF: Synthetic Antiferromagnet) bezeichnet wird, wobei es eine Struktur anzeigt, in der Zwischenschichtaustauschkopplung der zwei magnetischen Materialschichten (eine magnetische Materialschicht wird manchmal als eine „Referenzschicht“ bezeichnet, und die andere magnetische Materialschicht, die die geschichtete Ferri-Struktur bildet, wird manchmal als eine „feste Schicht“ bezeichnet) antiferromagnetisch oder ferromagnetisch ist, abhängig von einer Dicke einer nichtmagnetischen Schicht, die zwischen den zwei magnetischen Materialschichten bereitgestellt wird. Über eine solche Struktur wurde zum Beispiel in S. S. Parkin et al., Physical Review Letters, 7. Mai, S. 2304-2307 (1990) berichtet. Hier ist eine Magnetisierungsrichtung der Referenzschicht eine Magnetisierungsrichtung, die als eine Referenz für Informationen dient, die in der Speicherungsschicht gespeichert werden sollen. Eine magnetische Materialschicht (die Referenzschicht), die die geschichtete Ferri-Struktur bildet, ist auf der Seite der Speicherungsschicht platziert. In diesem Fall beinhaltet eine der magnetischen Materialschichten (zum Beispiel die Referenzschicht), die die geschichtete Ferri-Struktur bilden, mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni) besteht, oder beinhaltet mindestens eines Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen (Fe), Kobalt (Co) und Nickel (Ni) besteht und auch (B) beinhaltet, und kann insbesondere durch eine Co-Fe-Legierung, eine Co-Fe-Ni-Legierung, eine Ni-Fe-Legierung und eine Co-Fe-B-Legierung, und durch eine Schichtstruktur, wie zum Beispiel Fe-Schicht/Pt-Schicht, Fe-Schicht/Pd-Schicht, Co-Schicht/Pt-Schicht, Co-Schicht/Pd-Schicht, Co-Schicht/Ni-Schicht und Co-Schicht/Rh-Schicht beispielhaft gezeigt werden. Die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien können eingestellt werden, und verschiedene physikalische Eigenschaften davon, wie zum Beispiel Kristallstruktur, Kristallinität und Materialstabilität können durch Zugabe eines nichtmagnetischen Elements, wie zum Beispiel Ag, Cu, Au, Al, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ta, Hf, Ir, W, Mo, Nb, V, Ru und Rh dazu eingestellt werden, und
die andere magnetische Materialschicht (zum Beispiel die feste Schicht), die die geschichtete Ferri-Struktur bildet, kann aus einem Material bestehen, das als Hauptelemente mindestens ein Element beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Eisen (Fe), Kobalt (Co), Nickel (Ni) und Mangan (Mn) (der Einfachheit halber bezeichnet als „Element A“) besteht, und mindestens ein Element, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Platin (Pt), Palladium (Pd), Nickel (Ni), Iridium (Ir) und Rhodium (Rh) (jedoch einem Element, das sich von dem Element A unterscheidet, der Einfachheit halber bezeichnet als „Element B“) besteht. Ferner können als ein Material, das die nichtmagnetische Schicht bildet, Ruthenium (Ru), eine Legierung davon und eine Rutheniumverbindung erwähnt werden, oder es können Os, Re, Ir, Au, Ag, Cu, Al, Bi, Si, B, C, Cr, Ta, Pd, Pt, Zr, Hf, W, Mo, Nb, V, Rh und Legierungen davon erwähnt werden. Durch Übernehmen einer geschichteten Ferri-Struktur für die Schicht mit fester Magnetisierung ist es möglich, eine Asymmetrie in der thermischen Stabilität in einer Informationsschreibrichtung zuverlässig aufzuheben, und die Stabilität des Spin-Drehmoments zu verbessern. Da der Anteil des Atoms, der dem nichtmagnetischen Element entspricht, oder des Atoms, das das nichtmagnetische Element bildet, als ein Atom, das die Schicht mit fester Magnetisierung besetzt, gering ist, ist es nicht erforderlich, die Formel (1) zu erfüllen. Alternativ ist die minimale Gibbs-Energie zwischen den Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bilden und 5 Atom-% oder mehr einnehmen, EGib-1(T).
Zusätzlich kann die Schicht mit fester Magnetisierung eine Konfiguration haben, in der ihre Magnetisierungsrichtung nur durch die ferromagnetische Schicht oder durch Verwenden der antiferromagnetischen Kopplung zwischen der antiferromagnetischen Schicht und der ferromagnetischen Schicht festgelegt wird. Als das antiferromagnetische Material können eine Fe-Mn-Legierung, eine Fe-Pt-Legierung, eine Ni-Mn-Legierung, eine Pt-Mn-Legierung, eine Pt-Cr-Mn-Legierung, eine Ir-Mn-Legierung, eine Rh-Mn-Legierung und eine Co-Pt-Legierung, Kobaltoxid, Nickeloxid (NiO) und Eisenoxid (Fe2O3) erwähnt werden. Alternativ können die magnetischen Eigenschaften dieser Materialien eingestellt werden, und verschiedene physikalische Eigenschaften davon, wie zum Beispiel Kristallstruktur, Kristallinität und Materialstabilität können durch Zugabe eines nichtmagnetischen Elements, wie zum Beispiel Ag, Cu, Au, Al, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ta, Hf, Ir, W, Mo, Nb, V, Ru und Rh dazu eingestellt werden. Da der Anteil des Atoms, der dem nichtmagnetischen Element als ein Atom entspricht, das die Schicht mit fester Magnetisierung besetzt, gering ist, ist es nicht erforderlich, die Formel (1) zu erfüllen. Alternativ ist die minimale Gibbs-Energie zwischen den Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bilden und 5 Atom-% oder mehr einnehmen, EGib-1(T).
Die Schicht mit fester Magnetisierung ist jedoch nicht auf die Form beschränkt, die eine geschichtete Ferri-Struktur hat. Sie kann auch als eine Schicht mit fester Magnetisierung konfiguriert sein, die aus einer Schicht besteht und als eine Referenzschicht funktioniert. Als ein Material, das eine solche Schicht mit fester Magnetisierung bildet, kann ein Material (ferromagnetisches Material) erwähnt werden, das die unten beschriebene Speicherungsschicht bildet, oder die Schicht mit fester Magnetisierung (Referenzschicht) kann so konfiguriert sein, dass sie aus einem Schichtkörper einer Co-Schicht und einer Pt-Schicht, einem Schichtkörper aus einer Co-Schicht und einer Pd-Schicht, einem Schichtkörper aus einer Co-Schicht und einer Ni-Schicht, einem Schichtkörper aus einer Co-Schicht und einer Tb-Schicht, einer Co-Pt-Legierungsschicht, einer Co-Pd-Legierungsschicht, einer Co-Ni-Legierungsschicht, einer Co-Fe-Legierungsschicht, einer Co-Tb-Legierungsschicht, einer Co-Schicht, einer Fe-Schicht oder einer Co-Fe-B-Legierungsschicht besteht, oder magnetische Eigenschaften dieser Materialien können eingestellt werden, und verschiedene physikalische Eigenschaften davon, wie zum Beispiel Kristallstruktur, Kristallinität und Materialstabilität können eingestellt werden, indem ein nichtmagnetisches Element, wie zum Beispiel Ag, Cu, Au, Al, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ta, Hf, Ir, W, Mo, Nb, V, Ru und Rh dazu hinzugefügt wird, und darüber hinaus kann vorzugsweise die Schicht mit fester Magnetisierung (Referenzschicht) so konfiguriert sein, dass sie aus einer Co-Fe-B-Legierungsschicht besteht. Da der Anteil des Atoms, der dem nichtmagnetischen Element als ein Atom entspricht, das die Schicht mit fester Magnetisierung besetzt, gering ist, ist es nicht erforderlich, die Formel (1) zu erfüllen. Alternativ ist die minimale Gibbs-Energie zwischen den Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bilden und 5 Atom-% oder mehr einnehmen, EGib-1(T).
Da die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung eine Referenz für Informationen ist, sollte die Magnetisierungsrichtung nicht durch Aufzeichnen oder Lesen von Informationen geändert werden, sondern die Magnetisierungsrichtung muss nicht notwendigerweise auf eine spezifische Richtung festgelegt werden, und eine Konfiguration und eine Struktur, bei der sich die Magnetisierungsrichtung weniger wahrscheinlich als die in der Speicherungsschicht ändert, kann durch Erhöhen einer Koerzitivkraft in Bezug auf diejenige in der Speicherungsschicht, durch Erhöhen der Filmdicke oder durch Erhöhen einer magnetischen Dämpfungskonstante erhalten werden.
Ferner kann das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der oben beschriebenen bevorzugten Formen, eine Form haben, in der das Metallatom, das die Zwischenschicht bildet, ein Magnesium (Mg) -Atom oder ein Aluminium (Al) -Atom ist.
Alternativ besteht in dem magnetoresistiven Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der oben beschriebenen bevorzugten Formen, die Zwischenschicht vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material. Das heißt, bei dem Spininjektionstyp-magnetoresistiven Element ist die Zwischenschicht, die eine Schichtstruktur bildet, die einen TMR (Tunnel Magnetoresistance) -Effekt hat, vorzugsweise ein Isolationsmaterial, und besteht aus einem nichtmagnetischen Material. Das Konfigurieren einer Schichtstruktur, die einen TMR-Effekt einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht hat, bezieht sich auf eine Struktur, bei der eine Zwischenschicht, die aus einem nichtmagnetischen Materialfilm besteht, der als ein Tunnelisolationsfilm funktioniert, zwischen einer Schicht mit fester Magnetisierung, die aus einem magnetischen Material besteht, und einer Speicherungsschicht, die aus einem magnetischen Material besteht, eingebettet ist. Hier können als ein Material, das ein Isolationsmaterial und ein nichtmagnetisches Material ist, verschiedene Isolationsmaterialien, dielektrische Materialien und Halbleitermaterialien, wie zum Beispiel Magnesiumoxid (MgO), Magnesiumnitrid, Magnesiumfluorid, Aluminiumoxid (AlOX), Aluminiumnitrid (AlN), Siliciumoxid (SiOX), Siliciumnitrid (SiN), TiO2, Cr2O3, Ge, NiO, CdOX, HfO2, Ta2O5, Bi2O3, CaF, SrTiO2, AlLaO3, Mg-Al2-O, Al-N-O, BN und ZnS erwähnt werden. Der Flächenwiderstandswert der aus dem Isolationsmaterial bestehenden Zwischenschicht ist vorzugsweise etwa einige zehn Ω·µm2 oder weniger. Wo die Zwischenschicht aus Magnesiumoxid (MgO) konfiguriert ist, ist es wünschenswert, dass die MgO-Schicht kristallisiert wird, und es ist wünschenswerter, dass die Zwischenschicht eine Kristallorientierung in der (001)-Richtung hat. Ferner ist, wo die Zwischenschicht aus Magnesiumoxid (MgO) konfiguriert ist, deren Dicke vorzugsweise 1,5 nm oder weniger.
Eine Zwischenschicht, die ein Isolationsmaterial ist, und die aus einem nichtmagnetischen Material konfiguriert ist, kann zum Beispiel durch Oxidieren oder Nitrieren eines durch ein Sputter-Verfahren gebildeten Metallfilms erhalten werden. Insbesondere wo Aluminiumoxid (AlOX) oder Magnesiumoxid (MgO) als das Isolationsmaterial, das die Zwischenschicht bildet, verwendet wird, beinhalten Beispiele eines geeigneten Verfahrens ein Verfahren des Oxidierens, in der Atmosphäre, von durch ein Sputter-Verfahren gebildetem Aluminium oder Magnesium, ein Verfahren des Plasmaoxidierens von durch das Sputter-Verfahren gebildetem Aluminium oder Magnesium, ein Verfahren des IPC-Plasmaoxidierens von durch das Sputter-Verfahren gebildetem Aluminium oder Magnesium, ein Verfahren des natürlichen Oxidierens, in Sauerstoff, von durch das Sputter-Verfahren gebildetem Aluminium oder Magnesium, ein Verfahren des Oxidierens von durch das Sputter-Verfahren gebildetem Aluminium oder Magnesium mit Sauerstoffradikalen, ein Verfahren des Bestrahlens von durch das Sputter-Verfahren gebildetem Aluminium oder Magnesium mit ultravioletter Strahlung während des natürlichen Oxidierens in Sauerstoff, ein Verfahren des Bildens eines Films aus Aluminium oder Magnesium durch ein reaktives Sputter-Verfahren, und ein Verfahren des Bildens eines Films aus Aluminiumoxid (AlOX) oder Magnesiumoxid (MgO) durch das Sputter-Verfahren.
Ferner kann das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der oben beschriebenen bevorzugten Formen, eine Form haben, in der das Metallatom, das die Metallschicht bildet, mit 60 Atom-% oder mehr, und vorzugsweise mit 80 Atom-% oder mehr, in der Metallschicht enthalten ist. Die verbleibenden Atome, die die Metallschicht besetzen, können durch Stickstoff (N), Kohlenstoff (C), Sauerstoff (O), Wolfram (W) und Tantal (Ta) beispielhaft gezeigt werden.
Ferner kann das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der oben beschriebenen bevorzugten Formen, eine Form haben, in der die Dicke der Metallschicht 1 × 10 -8 m oder mehr, vorzugsweise 2 × 10-8 m oder mehr, ist, wodurch eine Metallschicht erhalten werden kann, die ein gewünschtes Volumen hat.
Ferner kann das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der oben beschriebenen bevorzugten Formen, eine Form haben, bei der die seitliche Oberfläche der Schichtstruktur mit einer Seitenwand bedeckt ist. In diesem Fall ist, unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Seitenwand bei der Temperatur T bildet, EGib-SW(T) ist, $EGib - 2 (T) \leq EGib - SW (T) < EGib - 1 (T)$
erfüllt. Darüber hinaus ist in diesen Fällen in einer möglichen Form das Atom, das die Seitenwand bildet, mindestens ein Atom, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan (Ti), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Silizium (Si) besteht. Darüber hinaus ist in diesen Fällen in einer möglichen Form mindestens ein Teil der Seitenwand mit einer Metallschicht bedeckt. Die Seitenwand besteht aus einem Oxid.
Ferner kann das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der oben beschriebenen bevorzugten Formen eine Konfiguration haben, bei der
die Schichtstruktur durch eine Isolationsschicht umgeben ist;
ein Verbindungsabschnitt, der mit der Schichtstruktur verbunden ist, auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist; und
die Metallschicht an einer inneren Wand des Verbindungsabschnitts gebildet ist.
In diesem Fall ist eine Konfiguration möglich, bei der der Verbindungsabschnitt aus einer Metallschicht und einem Kontaktlochabschnitt konfiguriert ist, und ferner ist es, unter der Annahme, dass die Oberfläche der Schichtstruktur, die der Metallschicht zugewandt ist, S1 ist, und die Oberfläche der Metallschicht, die der Struktur zugewandt ist, S2 ist, bevorzugt, dass
S2/S1 ≥ 1
wünschenswert
S2/S1 ≥ 2
erfüllt ist Die Obergrenze von S2/S1 kann beispielhaft mit 30 gezeigt werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Alternativ ist in diesem Fall eine Konfiguration möglich, bei der der Verbindungsabschnitt aus einer Metallschicht und einem Teil der Verdrahtung, die eine Damaszenerstruktur hat, konfiguriert ist, und ferner ist es, unter der Annahme, dass die Länge des Abschnitts der Schichtstruktur, die der Metallschicht zugewandt ist, in einer virtuellen Ebene orthogonal zu der Ausdehnungsrichtung der Verdrahtung L1 ist, und die Länge des Abschnitts der Metallschicht, die der Schichtstruktur zugewandt ist, in der virtuellen Ebene L2 ist, bevorzugt, dass
L2/L1 ≥ 1
wünschenswert
L2/L1 ≥ 2
erfüllt ist. Die Obergrenze von L2/L1 kann beispielhaft mit 10 gezeigt werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Alternativ ist in diesem Fall eine Konfiguration möglich, bei der die Schichtstruktur durch eine Isolationsschicht umgeben ist; eine Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet und mit der Schichtstruktur verbunden ist; und eine Verdrahtungsschicht auf der Metallschicht gebildet ist, und ferner ist es, unter der Annahme, dass die Länge des Abschnitts der Schichtstruktur, die der Metallschicht zugewandt ist, in einer virtuellen Ebene orthogonal zu der Ausdehnungsrichtung der Verdrahtung L1 ist, und die Länge des Abschnitts der Metallschicht, die der Schichtstruktur zugewandt ist, in der virtuellen Ebene L2 ist, bevorzugt, dass
L2/L1 ≥ 1
wünschenswert
L2/L1 ≥ 2
erfüllt ist Die Obergrenze von L2/L1 kann beispielhaft mit 100 gezeigt werden, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Das magnetoresistive Element gemäß dem ersten Modus und dem zweiten Modus der vorliegenden Offenbarung, einschließlich verschiedener oben beschriebener bevorzugter Formen und Konfigurationen (das nachstehend zusammenfassend als „magnetoresistives Element und dergleichen der vorliegenden Offenbarung“ bezeichnet werden kann), kann eine Form haben, in der, wie hierin oben erwähnt, sich die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht gemäß der Informationen, die gespeichert werden sollen, ändert, und in der Speicherungsschicht die einfache Magnetisierungsachse parallel zu der Schichtrichtung der Schichtstruktur (das heißt der Form eines vertikalen Magnetisierungstyps) ist. In diesem Fall kann das Element aus einem Spininjektionstyp-magnetoresistiven Element eines vertikalen Magnetisierungssystems bestehen, und ferner ist in diesen Fällen die erste Oberfläche der Schichtstruktur in Kontakt mit der ersten Elektrode, die zweite Oberfläche der Schichtstruktur ist in Kontakt mit der zweiten Elektrode, und ein Strom (auch Magnetisierungsumkehrstrom oder spinpolarisierter Strom genannt, der ein Schreibstrom ist) fließt zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, wodurch eine Form erhalten werden kann, in der Informationen in der Speicherungsschicht gespeichert werden. Das heißt, indem es einem Magnetisierungsumkehrstrom ermöglicht wird, in der Schichtrichtung der Schichtstruktur zu fließen, kann eine Form erhalten werden, in der die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht geändert wird, und Informationen in der Speicherungsschicht aufgezeichnet werden.
Die Schicht mit fester Magnetisierung kann die erste Oberfläche der Schichtstruktur bilden, oder die Speicherungsschicht kann die erste Oberfläche der Schichtstruktur bilden.
Wie oben beschrieben, können das magnetoresistive Element und dergleichen der vorliegenden Offenbarung eine Struktur haben, bei der eine Schichtstruktur, die einen TMR-Effekt hat, aus einer Schichtstruktur konfiguriert ist, die aus einer Speicherungsschicht, einer Zwischenschicht und einer Schicht mit fester Magnetisierung besteht. Zum Beispiel wird, wie in dem konzeptionellen Diagramm in 3B gezeigt, wo ein Magnetisierungsumkehrstrom in einem antiparallelen Magnetisierungszustand von der Speicherungsschicht zu der Schicht mit fester Magnetisierung fließt, die Magnetisierung der Speicherungsschicht durch ein Spin-Drehmoment, das aufgrund der Injektion von Elektronen von der Schicht mit fester Magnetisierung in die Speicherungsschicht wirkt, umgekehrt, und die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht, die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung (insbesondere der Referenzschicht) und die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht sind parallel angeordnet. Unterdessen wird, wie zum Beispiel in dem konzeptionellen Diagramm in 3A gezeigt, wo ein Magnetisierungsumkehrstrom in einem parallelen Magnetisierungszustand von der Schicht mit fester Magnetisierung zu der Speicherungsschicht fließt, die Magnetisierung der Speicherungsschicht durch ein Spin-Drehmoment, das aufgrund des Flusses von Elektronen von der Speicherungsschicht zu der Schicht mit fester Magnetisierung wirkt, umgekehrt, und die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht, die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung (insbesondere der Referenzschicht) und die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht sind in einem antiparallelen Magnetisierungszustand. Alternativ kann, wie in dem konzeptionellen Diagramm in 23 gezeigt, eine Struktur so sein, dass eine Schichtstruktur, die einen TMR-Effekt hat, aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht, einer Speicherungsschicht, einer Zwischenschicht und einer Schicht mit fester Magnetisierung konfiguriert ist. In einer solchen Struktur ist es notwendig, einen Unterschied in der Änderung des magnetischen Widerstands zwischen den zwei über und unter der Speicherungsschicht platzierten Zwischenschichten zu erzeugen.
Aus den Gesichtspunkten des Gewährleistens einer einfachen Verarbeitung und Gleichmäßigkeit in der Richtung einer einfachen Magnetisierungsachse der Speicherungsschicht ist es wünschenswert, dass die dreidimensionale Form der Schichtstruktur eine zylindrische Form oder eine Säulenform ist, aber eine solche Form ist nicht beschränkend, und die Form kann ein dreieckiges Prisma, ein viereckiges Prisma, ein sechseckiges Prisma, ein achteckiges Prisma und dergleichen (einschließlich solcher, die abgerundete Seiten oder Rippen haben) oder ein elliptischer Zylinder sein. Von dem Gesichtspunkt einer einfachen Umkehrung der Magnetisierungsrichtung mit einem geringen Magnetisierungsumkehrstrom, ist die Fläche der Schichtstruktur vorzugsweise zum Beispiel 0,01 µm2 oder weniger. Informationen werden in die Speicherungsschicht geschrieben, indem die Magnetisierungsrichtung in der Speicherungsschicht auf die erste Richtung (Richtung parallel zu der einfachen Magnetisierungsachse) oder die zweite Richtung (Richtung entgegengesetzt zu der ersten Richtung) eingestellt wird, indem es einem Magnetisierungsumkehrstrom ermöglicht wird, in der Schichtstruktur von der ersten Elektrode zu der zweiten Elektrode oder von der zweiten Elektrode zu der ersten Elektrode zu fließen.
Darüber hinaus kann in dem magnetoresistiven Element und dergleichen der vorliegenden Offenbarung, einschließlich der verschiedenen oben beschriebenen bevorzugten Formen und Konfigurationen, die Schichtstruktur eine Form haben, die eine Deckschicht auf der zweiten Oberflächenseite hat, um eine gegenseitige Diffusion der Atome, die die Elektroden bilden und Verbindungsabschnitten der Atome, die die Speicherungsschicht bilden, zu verhindern, den Kontaktwiderstand zu reduzieren, und eine Oxidation der Speicherungsschicht zu verhindern. In diesem Fall ist eine Form möglich, bei der die Deckschicht aus einer Monoschichtstruktur besteht, die aus mindestens einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hafnium, Tantal, Wolfram, Zirkonia, Niob, Molybdän, Titan, Vanadium, Chrom, Magnesium, Ruthenium, Rhodium, Palladium und Platin besteht; einer Monoschichtstruktur, die aus Oxiden, wie zum Beispiel einer Magnesiumoxidschicht, einer Aluminiumoxidschicht, einer Titanoxidschicht, einer Siliziumoxidschicht, einer Bi2O3-Schicht, einer SrTiO2-Schicht, einer AlLaO3-Schicht, einer Al-N-O-Schicht, einer Mg-Ti-O-Schicht und einer MgAl2O4-Schicht besteht; und einer Schichtstruktur aus mindestens einer Materialschicht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Hafnium, Tantal, Wolfram, Zirkonia, Niob, Molybdän, Titan, Vanadium, Chrom, Magnesium, Ruthenium, Rhodium, Palladium und Platin besteht, und mindestens einer Oxidschicht, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus MgTiO, MgO, AlO und SiO (zum Beispiel Ru-Schicht/Ta-Schicht) besteht.
Die verschiedenen oben beschriebenen Schichten können zum Beispiel durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren (Physical-Vapor-Deposition - PVD-Verfahren), beispielhaft gezeigt durch ein Sputter-Verfahren, ein Ionenstrahlabscheidungsverfahren, ein Vakuumdampfabscheidungsverfahren und ein chemisches Dampfabscheidungsverfahren (Chemical-Vapor-Deposition - CVD-Verfahren) beispielhaft gezeigt durch ein ALD (Atomic-Layer-Deposition) -Verfahren, gebildet werden. Ferner können diese Schichten durch ein reaktives Ionenätzverfahren (Reactive-Ion-Etching - RIE-Verfahren) oder ein Ionendünnungsverfahren (Ionenstrahlätzverfahren) strukturiert werden. Es ist bevorzugt, die verschiedenen Schichten kontinuierlich in einer Vakuumvorrichtung zu bilden, und es ist bevorzugt, dass danach eine Strukturierung ausgeführt wird.
Die erste Elektrode, die zweite Elektrode, die erste Verdrahtung, die zweite Verdrahtung, die Verdrahtungsschicht und dergleichen können aus einer Schichtstruktur aus Ta oder TaN, Cu, Al, Au, Pt, Ti und dergleichen oder Verbindungen davon bestehen, oder können eine Schichtstruktur aus einer Basisschicht, die aus Cr, Ti und dergleichen besteht, und einer Cu-Schicht, einer Au-Schicht, einer Pt-Schicht und dergleichen, die auf der Basisschicht gebildet sind, haben. Alternativ können sie auch aus einer Monoschichtstruktur aus Ta oder einer Verbindung davon, oder einer Schichtstruktur aus Cu, Ti und dergleichen oder Verbindungen davon konfiguriert sein. Diese Elektroden und dergleichen können zum Beispiel durch ein PVD-Verfahren, beispielhaft gezeigt durch ein Sputter-Verfahren, gebildet werden.
In dem magnetoresistiven Element und dergleichen der vorliegenden Offenbarung wird ein Auswahltransistor, der aus einem Feldeffekttransistor besteht, unterhalb der Schichtstruktur bereitgestellt, und zum Beispiel ist eine Form möglich, in der ein Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung einer zweiten Verdrahtung (eines Bitdrahts), die mit einer zweiten Elektrode verbunden ist, orthogonal zu einem Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung einer Gate-Elektrode (die zum Beispiel auch als eine Wortleitung oder eine Adressleitung funktioniert) ist, die den Feldeffekttransistor bildet, und eine Form ist ebenfalls möglich, bei der das Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung der zweiten Verdrahtung (des Bitdrahts) parallel zu dem Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung der Gate-Elektrode ist, die den Feldeffekttransistor bildet. Ferner ist eine Form möglich, bei der ein Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung einer ersten Verdrahtung (Erfassungsdraht), die mit einer ersten Elektrode verbunden ist, parallel zu dem Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung der zweiten Verdrahtung ist. In einigen Fällen wird der Auswahltransistor nicht benötigt.
In der bevorzugten Konfiguration des magnetoresistiven Elements wie oben beschrieben, wird ein Auswahltransistor, der aus einem Feldeffekttransistor besteht, ferner unterhalb der Schichtstruktur bereitgestellt, aber eine spezifischere Konfiguration kann zum Beispiel beispielhaft gezeigt werden durch, ist aber nicht beschränkt auf eine Konfiguration, die Folgendes beinhaltet:

einen Auswahltransistor, der auf einem Halbleitersubstrat gebildet ist; und
eine Zwischenschicht-Isolationsschicht, die den Auswahltransistor bedeckt, wobei
eine erste Elektrode auf der Zwischenschicht-Isolationsschicht gebildet ist;
die erste Elektrode elektrisch mit einem Source/Drain-Bereich des Auswahltransistors über ein Verbindungsloch (oder ein Verbindungsloch und ein Landing-Pad oder eine Verdrahtung der unteren Schicht) verbunden ist, das in der Zwischenschicht-Isolationsschicht bereitgestellt ist. die Schichtstruktur in Kontakt mit der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ist; und
die Isolationsschicht die Zwischenschicht-Isolationsschicht bedeckt, und die erste Elektrode, die Schichtstruktur und die zweite Elektrode umgibt.

In einigen Fällen wird eine Seitenwand zwischen der seitlichen Oberfläche der Schichtstruktur und der Isolationsschicht gebildet.
Der Auswahltransistor kann zum Beispiel aus einem gut bekannten FET vom Typ MIS oder einem FET vom Typ MOS konfiguriert sein. Das Verbindungsloch, das die erste Elektrode und den Auswahltransistor elektrisch verbindet, kann aus Polysilicium konfiguriert sein, das mit einer Verunreinigung dotiert ist, oder aus einem hochschmelzenden Metall oder Metallsilizid, wie zum Beispiel Wolfram, Ti, Pt, Pd, Cu, TiW, TiNW, WSi2, MoSi2 und dergleichen, und kann auf der Basis eines CVD-Verfahrens oder eines PVD-Verfahrens, beispielhaft gezeigt durch ein Sputter-Verfahren, gebildet werden. Ferner kann ein Material, das die Isolationsschicht und die Zwischenschicht-Isolationsschicht bildet, durch Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (SiN), SiON, SiOC, SiOF, SiCN, SOG (Spin-on-Glas), NSG (nicht dotiertes Silikatglas), BPSG (Borphosphorsilikatglas), PSG, BSG, PbSG, AsSG, SbSG, LTO und Al2O3 beispielhaft gezeigt werden. Alternativ können Isolationsmaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante (zum Beispiel Fluorkohlenstoffe, Cycloperfluorkohlenstoffpolymere, Benzocyclobuten, zyklische Fluorharze, Polytetrafluorethylen, amorphes Tetrafluorethylen, Polyarylether, fluorierte Arylether, fluorierte Polyimide, organisches SOG, Parylen, fluorierte Fullerene, amorpher Kohlenstoff), Polyimidharze, Fluorharze, Seide (eine Marke von The Dow Chemical Co., ein Isolationsfilmmaterial mit niedriger Dielektrizitätskonstante zwischen Beschichtungen), Flare (eine Marke von Honeywell Electronic Materials Co., Material auf Polyallylether (PAE) -Basis) erwähnt werden, und diese können einzeln oder in einer geeigneten Kombination verwendet werden. Alternativ können Polymethylmethacrylat (PMMA); Polyvinylphenol (PVP); Polyvinylalkohol (PVA); Polyimide; Polycarbonate (PC); Polyethylenterephthalat (PET); Polystyrol; Silanolderivate (Silankopplungsmittel), wie zum Beispiel N-2- (Aminoethyl) -3-Aminopropyltrimethoxysilan AEAPTMS), 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan (MPTMS) und Octadecyltrichlorsilan (OTS); Phenolharze vom Typ Novolac; Fluorharze; organische Isolationsmaterialien (organische Polymere), beispielhaft gezeigt durch lineare Kohlenwasserstoffe, die eine funktionelle Gruppe haben, die dazu in der Lage ist, an einem Ende an eine Steuerelektrode zu binden, wie zum Beispiel Octadecanthiol und Dodecylisosianat, erwähnt werden, und Kombinationen davon können ebenfalls verwendet werden. Die Isolationsschicht und die Zwischenschicht-Isolationsschicht können basierend auf bekannten Verfahren, wie zum Beispiel verschiedenen CVD-Verfahren, Beschichtungsverfahren, verschiedenen PVD-Verfahren, einschließlich eines Sputter-Verfahrens und eines Vakuum-Dampfabscheidungsverfahrens, verschiedenen Druckverfahren, wie zum Beispiel einem Siebdruckverfahren, und einem Sol-Gel-Verfahren gebildet werden.
Als elektronische Geräte, die das magnetoresistive Element der vorliegenden Offenbarung enthalten, können tragbare elektronische Geräte, wie zum Beispiel mobile Geräte, Spielegeräte, Musikgeräte und Videogeräte, und stationäre elektronische Geräte erwähnt werden, und Magnetköpfe können ebenfalls erwähnt werden. Ferner kann auch ein Speicherungsgerät erwähnt werden, das aus einem nichtflüchtigen Speicherungselement-Array konfiguriert ist, in dem die magnetoresistiven Elemente (insbesondere Speicherungselemente, noch spezieller nichtflüchtige Speicherzellen) der vorliegenden Offenbarung in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind.
Ausführungsform 1
Ausführungsform 1 betrifft das magnetoresistive Element der vorliegenden Offenbarung, insbesondere zum Beispiel ein magnetoresistives Element, das ein Speicherungselement (eine nichtflüchtige Speicherzelle) bildet. 1 zeigt eine schematische Teil-Querschnittsansicht des magnetoresistiven Elements (Spininjektionstyp-magnetoresistives Element) von Ausführungsform 1, das einen Auswahltransistor beinhaltet, und 2 zeigt einen äquivalenten Schaltplan. Die nichtflüchtige Speicherzelle wird gebildet, indem die magnetoresistiven Elemente von Ausführungsform 1 in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet werden. Die magnetoresistiven Elemente bilden eine nichtflüchtige Speicherzelle.
das magnetoresistive Element von Ausführungsform 1 oder von den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschrieben sind, hat Schichtstruktur 50, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht, wobei Metallschicht 61 auf oder über der Schichtstruktur 50 (insbesondere über der Schichtstruktur 50 in Ausführungsform 1 oder in den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschrieben sind) gebildet ist, und ein orthogonales Projektionsbild der Schichtstruktur 50 in Bezug auf die Metallschicht 61 in der Metallschicht 61 enthalten ist.
Unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht 61 bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine minimale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-1(T) ist, ist die folgende Formel (1) erfüllt. Alternativ ist, unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht 61 bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine maximale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Zwischenschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-2(T) ist, die folgende Formel (2) erfüllt. Abhängig von der Konfiguration des magnetoresistiven Elements kann entweder eine der Formeln (1) und (2) erfüllt sein, jedoch sind in dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1 oder von den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschrieben sind, bei der Temperatur T, die Formeln (1) und (2) gleichzeitig erfüllt. $EGib - 0 (T) < EGib - 1 (T)$
$EGib - 2 (T) \leq EGib - 0 (T)$
Hier beinhaltet in dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1 oder von den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschriebenen werden, die Metallschicht 61 mindestens eine Art von Metallatom, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Titan (Ti) -Atom, einem Aluminium (Al) -Atom und einem Magnesium (Mg) -Atom besteht. Insbesondere besteht die Metallschicht 61 aus Titan (Ti). Titan (Ti) hat auch einen Wasserstoffspeicherungseffekt. Insbesondere ist die Metallschicht 61 als eine Schicht veranschaulicht, aber in der Realität hat die Metallschicht 61 eine Ti/TiN-Schichtstruktur. Ti kann eine obere oder eine untere Schicht sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass die Metallschicht 61 aus einer Ti-Schicht als eine Einzelschicht bestehen kann. Zusätzlich ist das Metallatom, das die Metallschicht 61 bildet, in der Metallschicht 61 mit 60 Atom-% oder mehr, vorzugsweise 80 Atom-% oder mehr, enthalten, aber in dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1 oder von den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschriebenen werden, bilden insbesondere die Metallatome, die die Metallschicht 61 bilden, die gesamte Metallschicht 61. Es ist wünschenswert, dass die Dicke der Metallschicht 61 1 × 10-8 m oder mehr, vorzugsweise 2 × 10-8 m oder mehr ist, und insbesondere war die Dicke der Oberfläche der Metallschicht 61, die der Schichtstruktur 50 zugewandt ist, 20 nm.
Ferner beinhaltet in dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1 oder von den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschrieben sind, das Metallatom, das die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bildet, ein Kobalt (Co) -Atom, ein Eisen (Fe) -Atom, oder ein Kobaltatom und ein Eisenatom (Co-Fe). Insbesondere bestehen die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht aus einer Co-Fe-B-Legierungsschicht [zum Beispiel (Co20Fe80)80B20-Legierungsschicht]. Ferner beinhaltet das Metallatom, das die Zwischenschicht bildet, die aus einem nichtmagnetischen Material besteht, das als ein Tunnelisolationsfilm fungiert, ein Magnesium (Mg) -Atom oder ein Aluminium (Al) -Atom. Insbesondere besteht die Zwischenschicht aus MgO. Durch Konfigurieren der Zwischenschicht der MgO-Schicht kann die magnetische Widerstandsänderungsrate (MR-Verhältnis) erhöht werden, was die Effizienz der Spininjektion verbessern kann, und die Magnetisierungsumkehrstromdichte, die zum Umkehren der Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht erforderlich ist, reduzieren kann. Die Oxidbildungs-Gibbs-Energie (T = 400°C) von Ti, Co, Fe, Mg und Si ist in der Tabelle 1 unten gezeigt.
[Tabelle 1]

Oxidbildungs-Gibbs-Energie (Wert bei 673°K)

Ti -800 kJ/mol-02

Al -990 kJ/mol-02

Mg -1120 kJ/mol-02

Co -380 kJ/mol-02

Fe -433 kJ/mol-02

Si -763 kJ/mol-02
In dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1, ist die Schichtstruktur 50 durch Isolationsschichten 31 und 32 umgeben; ist Verbindungsabschnitt 60, der mit der Schichtstruktur 50 verbunden ist, auf oder über der Schichtstruktur 50 (insbesondere über der Schichtstruktur 50) gebildet; und ist die Metallschicht 61 an der inneren Wand des Verbindungsabschnitts 60 gebildet.
Insbesondere ist der Verbindungsabschnitt 60 aus der Metallschicht 61 und Kontaktlochabschnitt 62, der aus Wolfram (W) besteht, konfiguriert. Unter der Annahme, dass die Oberfläche der Schichtstruktur 50, die der Metallschicht 61 zugewandt ist, S1 ist, und die Oberfläche der Metallschicht 61, die der Schichtstruktur 50 zugewandt ist, S2 ist, ist es bevorzugt, dass
S2/S1 ≥ 1
wünschenswert
S2/S1 ≥ 2 erfüllt ist. Insbesondere ist zum Beispiel S2/S1 = 2. Die dreidimensionale Form der Schichtstruktur 50 ist zylindrisch (säulenförmig), ist jedoch nicht darauf beschränkt, und kann zum Beispiel ein viereckiges Prisma sein. Durch das Design sind die ebenen Formen der Oberfläche der Schichtstruktur 50, die der Metallschicht 61 zugewandt ist, und die Oberfläche der Metallschicht 61, die der Schichtstruktur 50 zugewandt ist, konzentrische Kreise.
In dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1 oder von den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschrieben sind, ändert sich die Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht gemäß den Informationen, die gespeichert werden sollen. In der Speicherungsschicht ist die einfache Magnetisierungsachse parallel zu der Schichtrichtung der Schichtstruktur 50 (das heißt es wird ein senkrechter Magnetisierungstyp realisiert). Das heißt, das magnetoresistive Element besteht aus einem Spininjektionstyp-Magnetowiderstandseffektelement eines senkrechten Magnetisierungssystems. Mit anderen Worten ist das magnetoresistive Element aus einem MTJ-Element konfiguriert. Die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung ist die Magnetisierungsrichtung, die die Referenz für die Informationen ist, die in der Speicherungsschicht gespeichert werden sollen, und Information „0“ und Information „1“ werden durch die relativen Winkel der Magnetisierungsrichtung der Speicherungsschicht und der Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung spezifiziert. Die erste Oberfläche der Schichtstruktur 50 ist in Kontakt mit erster Elektrode 41, die zweite Oberfläche der Schichtstruktur 50 ist in Kontakt mit zweiter Elektrode 42, und es wird ein Strom zwischen der ersten Elektrode 41 und der zweiten Elektrode 42 geleitet, wobei Informationen in der Speicherungsschicht gespeichert werden (Magnetisierungsumkehrstrom). Die Schicht mit fester Magnetisierung kann die erste Oberfläche der Schichtstruktur 50 bilden, oder die Speicherungsschicht kann die erste Oberfläche der Schichtstruktur 50 bilden.
Die verschiedenen oben beschriebenen Schichtkonfigurationen sind in Tabelle 2 unten aufgelistet.

[Tabelle 2]

Schichtstruktur Speicherungs schicht:	(Co20Fe80)80B20-Schicht mit einer
Filmdicke von 1,6 nm Zwischenschicht: von 1,0 nm	MgO-Schicht mit einer Filmdicke
Schicht mit feste Schicht mit einer r Magnetisierung: (Co20Fe80)80B20-Filmdicke von 1,0 nm
Erste Elektrode:	TaN mit einer Dicke von 10 nm
Zweite Elektrode:	Ta mit einer Dicke von 30 nm
Metallschicht: Ti-	-Schicht mit einer Filmdicke von 20 nm

In dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1 oder von den Ausführungsformen 2 bis 4, die nachfolgend beschrieben sind, wird ein Auswahltransistor TR, der aus einem Feldeffekttransistor besteht, unterhalb der Schichtstruktur 50 bereitgestellt, und zum Beispiel ist eine Form möglich, in der ein Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung von zweiter Verdrahtung (Bitdraht) 63, die mit der zweiten Elektrode 42 verbunden ist, orthogonal zu einem Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung von Gate-Elektrode (die zum Beispiel auch als eine Wortleitung oder eine Adressleitung funktioniert) 12 ist, die den Feldeffekttransistor TR bildet, und eine Form ist ebenfalls möglich, bei der das Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung der zweiten Verdrahtung 63 parallel zu dem Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung der Gate-Elektrode 12 ist, die den Feldeffekttransistor TR bildet. In einer spezifischeren Konfiguration ist das Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung der zweiten Verdrahtung 63 orthogonal zu dem Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung der Gate-Elektrode 12, und parallel zu dem Projektionsbild in der Ausdehnungsrichtung von erster Verdrahtung (Erfassungsdraht) 66. Jedoch sind in 1 oder in den 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und 20, die nachstehend beschrieben sind, die Ausdehnungsrichtungen der Gate-Elektrode 12, von zweiter Verdrahtung 63, 73 und 83 und von erster Verdrahtung 66, 76 und 86 zur Vereinfachung der Figuren unterschiedlich zu denen in der vorstehenden Beschreibung. Die zweite Verdrahtung 63, 73 und 83 und die erste Verdrahtung 66, 76 und 86 erstrecken sich in der Richtung senkrecht zu der Ebene der Figuren.
Zum Beispiel ist der Auswahltransistor TR, der auf Halbleitersubstrat 10 gebildet ist, das aus einem Siliziumhalbleitersubstrat besteht, aus Kanalbildungsbereich 14 und Source/Drain-Bereichen 15A und 15B, die auf dem Halbleitersubstrat 10 gebildet sind, und der Gate-Elektrode 12, die gegenüber dem Kanalbildungsbereich 14 mit dazwischen eingefügter Gate-Isolationsschicht 13 bereitgestellt ist, konfiguriert. Gate-Seitenwand 16, die aus SiO2 besteht, ist an der Seitenwand der Gate-Elektrode 12 gebildet. Der Auswahltransistor TR ist mit Zwischenschicht-Isolationsschichten 21 und 22 bedeckt. Die Zwischenschicht-Isolationsschicht 21 besteht aus SiN, und die Zwischenschicht-Isolationsschicht 22 besteht aus SiO2. Referenznummer 11 bezeichnet einen Elementtrennungsbereich.
Die erste Elektrode 41 ist auf der Zwischenschicht-Isolationsschicht 22 gebildet;
die erste Elektrode 41 ist mit einem Source/Drain-Bereich 15A des Auswahltransistors TR durch Verbindungsloch 23, das in den Zwischenschicht-Isolationsschichten 22 und 21 bereitgestellt ist, elektrisch verbunden;
die Schichtstruktur 50 ist in Kontakt mit der ersten Elektrode 41 und der zweiten Elektrode 42; und
die Isolationsschichten 31 und 32 bedecken die Zwischenschicht-Isolationsschicht 22, und umgeben die erste Elektrode 41, die Schichtstruktur 50 und die zweite Elektrode 42. Die Isolationsschicht 31 besteht aus SiN, und die Isolationsschicht 32 besteht aus SiO2.
Der andere Source/Drain-Bereich 15B des Auswahltransistors TR ist mit der ersten Verdrahtung (Erfassungsdraht) 66 über Verbindungsloch 24, das in den Zwischenschicht-Isolationsschichten 22 und 21 bereitgestellt wird, und Verbindungsloch 65, das in den Isolationsschichten 31 und 32 gebildet ist, verbunden.
Nachfolgend wird der Überblick des Verfahrens zur Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1 unter Bezugnahme auf die 5A, 5B, 5C, 6A, 6B und 6C beschrieben. In den 5B, 5C, 6A, 6B, 6C, 7A, 7B, 8A und 8B ist der Auswahltransistor TR nicht gezeigt.
[Schritt-100]
Zuerst wird basierend auf einem gut bekannten Verfahren der Elementtrennungsbereich 11 auf dem Halbleitersubstrat 10, das aus einem Siliziumhalbleitersubstrat besteht, gebildet, und der Auswahltransistor TR, der aus der Gate-Isolationsschicht 13, der Gate-Elektrode 12, der Gate-Seitenwand 16 und den Source/Drain-Bereichen 15A und 15B besteht, wird auf einem Abschnitt des Halbleitersubstrats 10, das durch den Elementtrennungsbereich 11 umgeben ist, gebildet. Der Abschnitt des Halbleitersubstrats 10, der zwischen dem Source/Drain-Bereich 15A und dem Source/Drain-Bereich 15B platziert ist, entspricht einem Kanalbildungsbereich 14. Als nächstes werden die Zwischenschicht-Isolationsschichten 21 und 22 gebildet. Dann wird das Verbindungsloch 23, das aus einem Wolframstopfen besteht, in den Abschnitten der Zwischenschicht-Isolationsschichten 21 und 22 über einem Source/Drain-Bereich 15A gebildet, und das Verbindungsloch 24, das aus einem Wolframstopfen besteht, wird in den Abschnitten der Zwischenschicht-Isolationsschichten 21 und 22 über dem anderen Source/Drain-Bereich 15B gebildet. Auf diese Weise kann der Auswahltransistor TR, der mit den Zwischenschicht-Isolationsschichten 22 und 21 bedeckt ist, erhalten werden (siehe 5A).
[Schritt-110]
Danach werden die erste Elektrode 41, die Schichtstruktur 50 und die zweite Elektrode 42 auf der Zwischenschicht-Isolationsschicht 22 gebildet, und dann werden die zweite Elektrode 42, die Schichtstruktur 50 und die erste Elektrode 41 basierend auf einem reaktiven Ionenätzverfahren (Reactive-Ion-Etching - RIE-Verfahren) geätzt (siehe 5B). Die erste Elektrode 41 ist in Kontakt mit dem Verbindungsloch 23. Die Zwischenschicht, die aus Magnesiumoxid (MgO) besteht, wurde durch Bilden einer MgO-Schicht auf der Basis eines RF-Magnetron-Sputter-Verfahrens gebildet. Die anderen Schichten wurden auf der Basis eines DC-Magnetron-Sputter-Verfahrens gebildet. Anstatt jede Schicht durch das RIE-Verfahren zu strukturieren, kann jede Schicht basierend auf einem Ionendünnungsverfahren (Ionenstrahlätzverfahren) strukturiert werden.
[Schritt-120]
Als nächstes werden die Isolationsschichten 31 und 32 auf der gesamten Oberfläche gebildet (siehe 5C und 6A). Dann wird Öffnung 67A in den Isolationsschichten 31 und 32 über der Schichtstruktur 50 gebildet. Die Schichtstruktur 50 liegt an dem Boden der Öffnung 67A frei. Ferner wird Öffnung 67B in den Isolationsschichten 31 und 32 über dem Verbindungsloch 24 gebildet. Das Verbindungsloch 24 liegt an dem Boden der Öffnung 67B frei. Auf diese Weise kann die in 6B gezeigte Struktur erhalten werden.
[Schritt-130]
Danach werden die Metallschichten 61 und 64 auf der gesamten Oberfläche auf der Basis eines Sputter-Verfahrens gebildet, eine Wolframschicht wird auf der gesamten Oberfläche auf der Basis eines CVD-Verfahrens gebildet, und die Wolframschicht und die Metallschichten 61 und 64 auf der Isolationsschicht 32 werden durch ein CMP-Verfahren entfernt. Auf diese Weise kann die in 6C gezeigte Struktur erhalten werden.
[Schritt-140]
Als nächstes werden die zweite Verdrahtung (Bitdraht) 63 und die erste Verdrahtung (Erfassungsdraht) 66 auf der Isolationsschicht 32 auf der Basis eines gut bekannten Verfahrens gebildet. Die zweite Verdrahtung 63 ist in Kontakt mit dem Verbindungsabschnitt 60, der aus der Metallschicht 61 und dem Kontaktlochabschnitt 62 besteht. Ferner ist die erste Verdrahtung 66 in Kontakt mit der Metallschicht 64 und dem Verbindungsloch 65. Auf diese Weise kann das in 1 gezeigte magnetoresistive Element von Ausführungsform 1 erhalten werden.
Wie oben beschrieben, kann ein allgemeiner MOS-Fertigungsprozess für die Fertigung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1 angewendet werden, und das Element kann als ein Mehrzweckspeicher verwendet werden.
Wie in den konzeptionellen Diagrammen in den 3A und 4A gezeigt, wird angenommen, dass die in der Speicherungsschicht gespeicherte Information „0“ in „1“ umgeschrieben wird. Das heißt, in dem parallelen Magnetisierungszustand wird ein Schreibstrom (Magnetisierungsumkehrstrom) I1 von der Schicht mit fester Magnetisierung über die Speicherungsschicht zu dem Auswahltransistor TR geleitet. Mit anderen Worten, Elektronen fließen von der Speicherungsschicht in Richtung der Schicht mit fester Magnetisierung. Insbesondere wird zum Beispiel Vdd an die zweite Verdrahtung (Bitdraht) 63 angelegt, und der andere Source/Drain-Bereich 15B des Auswahltransistors TR wird geerdet. Elektronen mit Spins in einer Richtung, die die Schicht mit fester Magnetisierung erreicht haben, durchdringen die Schicht mit fester Magnetisierung. Währenddessen werden Elektronen mit Spins in die andere Richtung durch die Schicht mit fester Magnetisierung reflektiert. Wo diese Elektronen in die Speicherungsschicht eintreten, wird ein Drehmoment auf die Speicherungsschicht ausgeübt, und die Speicherungsschicht wird in den antiparallelen Magnetisierungszustand umgekehrt. Hier ist, da die Magnetisierungsrichtung der Schicht mit fester Magnetisierung festgelegt ist, deren Umkehrung unmöglich, und es kann berücksichtigt werden, dass die Speicherungsschicht umgekehrt wird, um den Drehimpuls des gesamten Systems zu bewahren.
Wie in den konzeptionellen Diagrammen in den 3B und 4B gezeigt, wird angenommen, dass die in der Speicherungsschicht gespeicherte Information „1“ in „0“ umgeschrieben wird. Das heißt, in dem antiparallelen Magnetisierungszustand wird ein Schreibstrom I2 von dem Auswahltransistor TR über die Speicherungsschicht zu der Schicht mit fester Magnetisierung geleitet. Mit anderen Worten, Elektronen fließen von der Schicht mit fester Magnetisierung in Richtung der Speicherungsschicht. Insbesondere wird zum Beispiel Vdd an den anderen Source/Drain-Bereich 15B des Auswahltransistors TR angelegt, und die zweite Verdrahtung (Bitdraht) 63 wird geerdet. Für Elektronen, die die Schicht mit fester Magnetisierung durchdrungen haben, gibt es einen Unterschied in der Spinpolarisation, das heißt der Anzahl nach aufwärts und nach abwärts. Wo die Dicke der Zwischenschicht ausreichend klein ist und die Speicherungsschicht erreicht ist, bevor die Spinpolarisation gelockert ist und ein nicht polarisierter Zustand eines normalen nicht magnetischen Materials angenommen wird (die gleiche Anzahl von Aufwärts- und Abwärtszuständen), wird das Vorzeichen des Spinpolarisationsgrades umgekehrt, sodass für einige Elektronen eine Umkehrung auftritt, das heißt die Ausrichtung des Spindrehimpulses wird geändert, um die Energie des gesamten Systems zu reduzieren. Zu diesem Zeitpunkt, da der Gesamtdrehimpuls des Systems bewahrt bleiben muss, wird dem magnetischen Impuls in der Speicherungsschicht eine Gegenaktion gegeben, die äquivalent zu der Gesamtänderung des Drehimpulses aufgrund der Elektronen mit geänderter Orientierung ist. Wo der Strom, das heißt die Anzahl der Elektronen, die pro Zeiteinheit die Schicht mit fester Magnetisierung durchdringen, gering ist, ist auch die Gesamtzahl der Elektronen, die die Orientierung ändern, gering, sodass die Änderung des Drehimpulses, die in dem magnetischen Impuls in der Speicherungsschicht erzeugt wird, ebenfalls gering ist. Wo der Strom zunimmt, kann der Speicherungsschicht innerhalb einer Zeiteinheit eine große Anzahl von Änderungen des Drehimpulses gegeben werden. Die zeitliche Änderung des Drehimpulses ist das Drehmoment, und wo das Drehmoment einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, beginnt der magnetische Impuls der Speicherungsschicht, sich umzukehren, und wird bei einer Drehung um 180 Grad aufgrund seiner einachsigen Anisotropie stabil. Das heißt, die Umkehrung von dem antiparallelen Magnetisierungszustand zu dem parallelen Magnetisierungszustand tritt auf, und die Information „0“ wird in der Speicherungsschicht gespeichert.
Wenn die in die Speicherungsschicht geschriebenen Informationen ausgelesen werden, wird der Auswahltransistor TR in dem magnetoresistiven Element, aus dem die Informationen ausgelesen werden sollten, in einen leitenden Zustand gebracht. Dann wird ein Strom zwischen der zweiten Verdrahtung (Bitdraht) 63 und der ersten Verdrahtung (Erfassungsdraht) 66 geleitet, und ein in der zweiten Verdrahtung 63 auftretendes Potential wird in den anderen Eingangsabschnitt einer Komparatorschaltung (nicht gezeigt), die eine Vergleichsschaltung (nicht gezeigt) bildet, eingegeben. Währenddessen wird ein Potential von einer Schaltung (nicht gezeigt) zum Erhalten eines Referenzwiderstandswerts in einen Eingangsabschnitt der Komparatorschaltung, die die Vergleichsschaltung bildet, eingegeben. In der Vergleichsschaltung wird verglichen, ob das in der zweiten Verdrahtung 63 auftretende Potential unter Bezugnahme auf das Potential aus der Schaltung zum Erhalten des Referenzwiderstandswerts hoch oder niedrig ist, und das Vergleichsergebnis (Information 0/1) wird von einem Ausgangsabschnitt der Komparatorschaltung, die die Vergleichsschaltung bildet, ausgegeben.
Da die Formel (1) [EGib-0 < EGib-1] in dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 1 erfüllt ist, ist es wahrscheinlicher, dass bei dem Herstellungsprozess des magnetoresistiven Elements die Metallschicht anstatt der Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht in der oxidierenden Atmosphäre oxidiert wird. Da die Formel (2) [EGib-2 ≤ EGib-0] erfüllt ist, ist es ferner wahrscheinlicher, dass bei dem Herstellungsprozess des magnetoresistiven Elements die Metallschicht anstatt der Zwischenschicht in der reduzierenden Atmosphäre reduziert wird. Infolge des Obigen ist es möglich, ein magnetoresistives Element zu erhalten, das eine hohe Stabilität in Bezug auf Wärme und die Atmosphäre hat, und in dem die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht in der oxidierenden Atmosphäre weniger wahrscheinlich oxidiert werden, und die Zwischenschicht in der reduzierenden Atmosphäre weniger wahrscheinlich reduziert wird.
Wenn zum Beispiel die Höhe der Schichtstruktur 50 groß ist, unterscheiden sich die Tiefe der Öffnung 67A und die Tiefe der Öffnung 67B erheblich, und es kann schwierig sein, den Kontaktlochabschnitt 62 und das Verbindungsloch 65 gleichzeitig zu bilden. In einem solchen Fall, wie in den 7A, 7B, 8A und 8B gezeigt, ist es möglich, die Öffnung 67A zu bilden, dann die Metallschicht 61 und den Kontaktlochabschnitt 62 zu bilden, als nächstes die Öffnung 67B zu bilden, und dann die Metallschicht 64 und das Verbindungsloch 65 zu bilden. Die Reihenfolge für das Bilden des Kontaktlochabschnitts 62 und dergleichen und des Verbindungslochs 65 und dergleichen kann umgekehrt werden. Das heißt, es ist es möglich, die Öffnung 67B zu bilden, dann die Metallschicht 64 und das Verbindungsloch 65 zu bilden, als nächstes die Öffnung 67A zu bilden, und dann die Metallschicht 61 und den Kontaktlochabschnitt 62 zu bilden.
Ausführungsform 2
Ausführungsform 2 ist eine Modifikation von Ausführungsform 1. 9 zeigt eine schematische Teil-Querschnittsansicht des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 2.
In dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 2 ist Verbindungsabschnitt 70 aus der Metallschicht 61 und einem Teil der Verdrahtung (zweite Verdrahtung und auch ein Bitdraht) 73, die eine Damaszenerstruktur hat, konfiguriert. Ferner ist, unter der Annahme, dass die Länge des Abschnitts der Schichtstruktur 50, der der Metallschicht 61 zugewandt ist, in einer virtuellen Ebene (virtuelle Ebene parallel zu der Ebene in der Figur) orthogonal zu der Ausdehnungsrichtung der Verdrahtung 73 (Richtung senkrecht zu der Ebene in der Figur) L1 ist, und die Länge des Abschnitts der Metallschicht 61, der der Schichtstruktur 50 in der virtuellen Ebene zugewandt ist, L2 ist,
L2/L1 ≥ 1
wünschenswert
L2/L1 ≥ 2
erfüllt. Insbesondere ist L2/L1= 3.
Die Damaszenerstruktur selbst ist eine gut bekannte Struktur.
Bei der Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 2 werden in einem Schritt ähnlich [Schritt-120] von Ausführungsform 1 die Isolationsschichten 31 und 32 auf der gesamten Oberfläche gebildet, und dann wird Nut 68A in den Isolationsschichten 31 und 32 über der Schichtstruktur 50 gebildet. Die Schichtstruktur 50 liegt an dem Boden der Nut 68A frei. Ferner wird Nut 68B in den Isolationsschichten 31 und 32 über dem Verbindungsloch 24 gebildet. Das Verbindungsloch 24 liegt an dem Boden der Nut 68B frei. Auf diese Weise kann die in 10 gezeigte Struktur erhalten werden. Als nächstes werden in einem Schritt ähnlich [Schritt-130] von Ausführungsform 1 die Metallschichten 61 und 64, die aus Titan bestehen, auf der gesamten Oberfläche auf der Basis eines Sputter-Verfahrens gebildet (siehe 11), und ferner wird eine Kupferschicht auf der gesamten Oberfläche auf der Basis eines CVD-Verfahrens gebildet, und die Kupferschicht und die Metallschichten 61 und 64 auf der Isolationsschicht 32 werden durch ein CMP-Verfahren entfernt. Auf diese Weise ist es möglich, das in 9 gezeigte magnetoresistive Element von Ausführungsform 2 zu erhalten, das die zweite Verdrahtung (Bitdraht) 73 und die erste Verdrahtung (Erfassungsdraht) 76 hat, die eine Damaszenerstruktur haben. Die zweite Verdrahtung (Bitdraht) 73 und die erste Verdrahtung (Erfassungsdraht) 76 erstrecken sich in die Richtung senkrecht zu der Ebene in der Figur.
Mit Ausnahme der obigen Punkte kann die Konfiguration und Struktur des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 2 dieselbe sein, wie die Konfiguration und Struktur des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1, und daher wird eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen.
Ausführungsform 3
Ausführungsform 3 ist ebenfalls eine Modifikation von Ausführungsform 1. Eine schematische TeilQuerschnittsansicht des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 3 wird in 12 gezeigt.
In dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 3, ist die Schichtstruktur 50 durch die Isolationsschichten 31 und 32 umgeben;
ist die Metallschicht 61 auf oder über der Schichtstruktur 50 gebildet (insbesondere über der Schichtstruktur 50 gebildet), und ist mit der Schichtstruktur 50 verbunden; und
ist Verdrahtungsschicht 83 auf der Metallschicht 61 gebildet. Ferner ist, unter der Annahme, dass die Länge des Abschnitts der Schichtstruktur 50, der der Metallschicht 61 zugewandt ist, in einer virtuellen Ebene (virtuelle Ebene parallel zu der Ebene in der Figur) orthogonal zu der Ausdehnungsrichtung der Verdrahtungsschicht 83 (Richtung senkrecht zu der Ebene in der Figur) L1 ist, und die Länge des Abschnitts der Metallschicht 61, der der Schichtstruktur 50 in der virtuellen Ebene zugewandt ist, L2 ist,
L2/L1 ≥ 1
wünschenswert
L2/L1 ≥ 2
erfüllt. Insbesondere ist L2/L1= 5.
Bei der Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 3 werden in einem Schritt ähnlich [Schritt-120] von Ausführungsform 1 die Isolationsschichten 31 und 32 auf der gesamten Oberfläche gebildet, die Isolationsschichten 31 und 32 werden dann planarisiert, die obere Oberfläche der zweiten Elektrode 42 wird freigelegt, und die Öffnung 67B wird danach in den Isolationsschichten 31 und 32 über dem Verbindungsloch 24 gebildet. Das Verbindungsloch 24 liegt an dem Boden der Öffnung 67B frei. Auf diese Weise kann die in 13 gezeigte Struktur erhalten werden. Als nächstes wird in einem Schritt ähnlich [Schritt-130] von Ausführungsform 1 Metallschicht 61', die aus Titan besteht, auf der gesamten Oberfläche auf der Basis eines Sputter-Verfahrens gebildet (siehe 14), und ferner wird eine Aluminiumschicht auf der gesamten Oberfläche auf der Basis eines Sputter-Verfahrens gebildet, und die Aluminiumschicht und die Metallschicht 61' auf der Isolationsschicht 32 werden strukturiert und basierend auf einem Ätzverfahren entfernt. Auf diese Weise kann das in 12 gezeigte magnetoresistive Element von Ausführungsform 3, das die zweite Verdrahtung (Bitdraht) 83 und die erste Verdrahtung (Erfassungsdraht) 86 hat, erhalten werden. Die zweite Verdrahtung (Bitdraht) 83 und die erste Verdrahtung (Erfassungsdraht) 86 erstrecken sich in die Richtung senkrecht zu der Ebene in der Figur.
Mit Ausnahme der obigen Punkte kann die Konfiguration und Struktur des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 3 dieselbe sein, wie die Konfiguration und Struktur des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 1, und daher wird eine detaillierte Beschreibung davon weggelassen.
In einigen Fällen kann ein Verbindungsloch, das zum Beispiel aus einem Wolframstopfen besteht, zwischen der Metallschicht 61 und der zweiten Elektrode 42 gebildet sein. Selbst wenn die Metallschicht 61 nicht an die Schichtstruktur 50 angrenzend positioniert ist, kann die Metallschicht 61 die Wirkungen des Unterdrückens der Oxidation der Schicht mit fester Magnetisierung und der Speicherungsschicht und des Unterdrückens der Verringerung der Zwischenschicht ausüben. Ferner kann die Breite der Metallschicht 61 und der Verdrahtungsschicht 83, die über der Schichtstruktur 50 platziert sind, größer sein als die Breite anderer Abschnitte. Alternativ kann die Breite der Metallschicht 61 größer sein als die Breite der Verdrahtungsschicht 83. Das heißt, die Metallschicht 61 kann in einer großen Fläche gebildet sein, solange ein Kurzschluss mit der angrenzenden zweiten Verdrahtung (Bitdraht) 83 und der ersten Verdrahtung (Erfassungsdraht) 86 vermieden wird.
Ausführungsform 4
Ausführungsform 4 ist eine Modifikation der Ausführungsformen 1 bis 3. Eine schematische Teil-Querschnittsansicht des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4 wird in 15 gezeigt.
In dem magnetoresistiven Element von Ausführungsform 4 ist die seitliche Oberfläche der Schichtstruktur 50 mit Seitenwand 33 bedeckt. In diesem Fall ist, unter der Annahme, dass die Oxidbildungs-Gibbs-Energie des Atoms, das die Seitenwand 33 bei der Temperatur T bildet, EGib-SW (T) ist, $EGib - 2 (T) \leq EGib - SW (T) < EGib - 1 (T)$
erfüllt. Darüber hinaus beinhaltet das Atom, das die Seitenwand 33 bildet, mindestens ein Atom, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan (Ti), Aluminium (Al), Magnesium (Mg) und Silizium (Si) besteht. Insbesondere war das Atom, das die Seitenwand 33 bildete, Silizium (Si). Die Seitenwand 33 besteht aus SiO2.
Bei der Herstellung des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4 kann die aus SiO2 bestehende Seitenwand 33 auf der seitlichen Oberfläche der Schichtstruktur 50 gebildet werden, indem zum Beispiel eine SiO2-Schicht auf der gesamten Oberfläche gebildet und dann die SiO2-Schicht zwischen [Schritt-110] und [Schritt-120] von Ausführungsform 1 zurückgeätzt wird (siehe 16, die eine schematische Teil-Endansicht der Schichtstruktur und dergleichen ist). Ein Schritt ähnlich [Schritt-120] von Ausführungsform 1 kann anschließend ausgeführt werden (siehe 17).
Schematische Teil-Querschnittsansichten einer Schichtstruktur und dergleichen eines Modifikationsbeispiels des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4 sind in den 18A, 18B und 18C gezeigt.
In der in 18A gezeigten Struktur ist die Seitenwand aus erster Seitenwand 33A, die aus SiN besteht, und zweiter Seitenwand 33B, die aus SiO2 besteht, konfiguriert. Die erste Seitenwand 33A ist in Kontakt mit der seitlichen Oberfläche der Schichtstruktur 50, und die zweite Seitenwand 33B ist in Kontakt mit der aus SiN bestehenden Isolationsschicht 31.
In der in 18B gezeigten Struktur, ähnlich zu der in 18A gezeigten Struktur, besteht die Seitenwand aus der ersten Seitenwand 33A, die aus SiN besteht, und der zweiten Seitenwand 33B, die aus SiO2 besteht. Jedoch erstreckt sich der Boden der ersten Seitenwand 33A über die Zwischenschicht-Isolationsschicht 22.
In der in 18C gezeigten Struktur, ähnlich zu der in 18A gezeigten Struktur, besteht die Seitenwand aus der ersten Seitenwand 33A, die aus SiN besteht, und der zweiten Seitenwand 33B, die aus SiO2 besteht. Jedoch ist der obere Teil der ersten Seitenwand 33A durch die zweite Seitenwand 33B bedeckt. Ähnlich zu der in 18B gezeigten Struktur kann sich der Boden der ersten Seitenwand 33A über die Zwischenschicht-Isolationsschicht 22 erstrecken. Wenn eine solche Seitenwandstruktur gebildet wird, wird die aus SiN bestehende Isolationsschicht 31 auf der gesamten Oberfläche gebildet, wie in 19A gezeigt, und dann wird die aus SiO2 bestehende Isolationsschicht 32 auf der gesamten Oberfläche gebildet, wie in 19B gezeigt . Dann wird, zum Beispiel um einen Verbindungsabschnitt zu bilden, die Öffnung 67A in der Isolationsschicht 32 und der Isolationsschicht 31 gebildet, wie in 19C gezeigt. Hier wird, wenn die aus SiN bestehende Isolationsschicht 31 geätzt wird, der obere Abschnitt der ersten Seitenwand 33A, die aus SiN besteht, mit der zweiten Seitenwand 33B bedeckt, die aus SiO2 besteht, sodass die erste Seitenwand 33A nicht geätzt wird.
Eine schematische Teil-Querschnittsansicht eines anderen Modifikationsbeispiels des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4 wird in 20 gezeigt. In dem Modifikationsbeispiel von Ausführungsform 4 ist zum Beispiel mindestens ein Teil der Seitenwand 33, die aus SiO2 oder SiN besteht (in dem veranschaulichten Beispiel die gesamte Seitenwand 33), mit der Metallschicht 61 bedeckt. Mit einer solchen Struktur können strukturelle Änderungen (zum Beispiel die Verdrahtungsstruktur) in einem Logikbereich minimiert werden, sodass der Einfluss auf die Eigenschaften der Logikschaltung, wie zum Beispiel die Erhöhung des Widerstandswerts und des Kapazitätswerts, verringert werden kann, und die kombinierte Montage magnetoresistiver Elemente erleichtert wird.
Mit Ausnahme der obigen Punkte kann die Konfiguration und Struktur des magnetoresistiven Elements von Ausführungsform 4 dieselbe sein, wie die Konfiguration und Struktur des magnetoresistiven Elements der Ausführungsformen 1 bis 3, und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
Ausführungsform 5
Ausführungsform 5 bezieht sich auf ein elektronisches Gerät, das mit dem in den Ausführungsformen 1 bis 4 beschriebenen magnetoresistiven Element ausgestattet ist, insbesondere auf einen Magnetkopf. Der Magnetkopf kann auf verschiedene elektronische Geräte, elektrische Geräte und dergleichen angewendet werden, zum Beispiel auf Festplatten, Chips für integrierte Schaltkreise, PC, mobile Endgeräte, Mobiltelefone und Magnetsensorgeräte.
Als ein Beispiel zeigen die 21A und 21B ein Beispiel, in dem magnetoresistives Element 101 in Komposit-Magnetkopf 100 verwendet wird. 21A ist eine schematische perspektivische Ansicht des Komposit-Magnetkopfs 100, bei der ein Teil ausgeschnitten ist, sodass die innere Struktur davon gesehen werden kann, und 21B ist eine schematische Querschnittsansicht des Komposit-Magnetkopfs 100.
Der Komposit-Magnetkopf 100 ist ein Magnetkopf, der für ein Festplattengerät und dergleichen verwendet wird, und in dem Magnetkopf ist ein Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt, der mit dem in den Ausführungsformen 1 bis 4 beschriebenen magnetoresistiven Element bereitgestellt wird, auf Substrat 122 gebildet, und ferner ist ein induktiver Magnetkopf auf dem Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt geschichtet und gebildet. Hier arbeitet der Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt als ein Wiedergabekopf, und der induktive Magnetkopf arbeitet als ein Aufzeichnungskopf. Das heißt, in dem Komposit-Magnetkopf 100 sind der Wiedergabekopf und der Aufzeichnungskopf kombiniert.
Der in dem Komposit-Magnetkopf 100 installierte Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt ist ein sogenannter Abschirmtyp-MR-Kopf, und beinhaltet erste magnetische Abschirmschicht 125, die auf Substrat dem 122 gebildet ist, wobei Isolationsschicht 123 dazwischen eingefügt ist, ein magnetoresistives Element 101, das auf der magnetischen Abschirmschicht 125 gebildet ist, wobei die Isolationsschicht 123 dazwischen eingefügt ist, und zweite magnetische Abschirmschicht 127, die auf dem magnetoresistiven Element 101 gebildet ist, wobei die Isolationsschicht 123 dazwischen eingefügt ist. Die Isolationsschicht 123 besteht aus einem Isolationsmaterial, wie zum Beispiel Al2O3 oder SiO2. Die erste magnetische Abschirmschicht 125 ist für das magnetische Abschirmen der unteren Schichtseite des magnetoresistiven Elements 101, und besteht aus einem weichmagnetischen Material, wie zum Beispiel Ni-Fe. Das magnetoresistive Element 101 ist auf der ersten magnetischen Abschirmschicht 125 gebildet, wobei die Isolationsschicht 123 dazwischen eingefügt ist. Das magnetoresistive Element 101 funktioniert als ein magnetosensitives Element, das ein magnetisches Signal von einem magnetischen Aufzeichnungsmedium in dem Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt erkennt. Die Form des magnetoresistiven Elements 101 ist im wesentlichen rechteckig, und eine seitliche Oberfläche liegt als eine dem magnetischen Aufzeichnungsmedium zugewandte Oberfläche frei. Vorspannungsschichten 128 und 129 sind an beiden Enden des magnetoresistiven Elements 101 angeordnet. Ferner werden Verbindungsanschlüsse 130 und 131 gebildet, die mit den Vorspannungsschichten 128 und 129 verbunden sind. Ein Erfassungsstrom wird an das magnetoresistive Element 101 über die Verbindungsanschlüsse 130 und 131 angelegt. Die zweite magnetische Abschirmschicht 127 ist an den oberen Teilen der Vorspannungsschichten 128 und 129 bereitgestellt, wobei die Isolationsschicht 123 dazwischen eingefügt ist.
Der induktive Magnetkopf, der auf dem Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt geschichtet und gebildet ist, beinhaltet einen magnetischen Kern, der aus der zweiten magnetischen Abschirmschicht 127 und oberem Schichtkern 132 konfiguriert ist, und Dünnfilmspule 133, die so gebildet ist, dass sie sich um den magnetischen Kern herum windet. Der obere Schichtkern 132 bildet zusammen mit der zweiten magnetischen Abschirmschicht 127 einen geschlossenen magnetischen Pfad, dient als ein magnetischer Kern des induktiven Magnetkopfs, und besteht aus einem weichmagnetischen Material, wie zum Beispiel Ni-Fe. Hier sind in der zweiten magnetischen Abschirmschicht 127 und dem oberen Schichtkern 132 die vorderen Enden davon als dem magnetischen Aufzeichnungsmedium zugewandte Oberflächen freigelegt, und die zweite magnetische Abschirmschicht 127 und der obere Schichtkern 132 sind so gebildet, dass sie an den hinteren Enden davon in Kontakt miteinander sind. Hier sind die vorderen Enden der zweiten magnetischen Abschirmschicht 127 und des oberen Schichtkerns 132 so gebildet, dass die zweite magnetische Abschirmschicht 127 und der obere Schichtkern 132 durch einen vorbestimmten Spalt g auf den Oberflächen, die dem magnetischen Aufzeichnungsmedium zugewandt sind, voneinander getrennt sind. Das heißt, in dem Komposit-Magnetkopf 100 schirmt die zweite magnetische Abschirmschicht 127 nicht nur die obere Schichtseite des magnetoresistiven Elements 101 magnetisch ab, sondern dient auch als der magnetische Kern des induktiven Magnetkopfs, und der magnetische Kern des induktiven Magnetkopfs ist aus der zweiten magnetischen Abschirmschicht 127 und dem oberen Schichtkern 132 konfiguriert. Der Spalt g wird zu einem magnetischen Aufzeichnungsspalt des induktiven Magnetkopfs.
Ferner ist die in die Isolationsschicht 123 eingebettete Dünnfilmspule 133 auf der zweiten magnetischen Abschirmschicht 127 gebildet. Die Dünnfilmspule 133 ist so gebildet, dass sie sich um den Magnetkern herum windet, der aus der zweiten magnetischen Abschirmschicht 127 und dem oberen Schichtkern 132 konfiguriert ist. Obwohl nicht gezeigt, sind beide Enden der Dünnfilmspule 133 nach außen freigelegt, und Anschlüsse, die an beiden Enden der Dünnfilmspule 133 gebildet sind, dienen als externe Verbindungsanschlüsse für den induktiven Magnetkopf. Das heißt, wenn ein magnetisches Signal auf einem magnetischen Aufzeichnungsmedium aufgezeichnet wird, wird an die Dünnfilmspule 133 von diesen externen Verbindungsanschlüssen ein Aufzeichnungsstrom angelegt.
Der wie oben beschriebene Komposit-Magnetkopf 100 ist mit dem Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt als ein Wiedergabekopf ausgestattet, und der Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt ist mit dem in den Ausführungsformen 1 bis 4 beschriebenen magnetoresistiven Element 101 als ein magnetisches Erfassungselement bereitgestellt, das ein magnetisches Signal von einem magnetischen Aufzeichnungsmedium erkennt. Da das magnetoresistive Element 101 wie oben beschrieben äußerst hervorragende Eigenschaften aufweist, kann der Magnetkopf vom Typ Magnetowiderstandseffekt eine weitere Erhöhung der Aufzeichnungsdichte der magnetischen Aufzeichnung bewältigen.
Obwohl die vorliegende Offenbarung oben basierend auf bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Die verschiedenen in den Beispielen beschriebenen Schichtstrukturen, die verwendeten Materialien und dergleichen sind beispielhaft und können wo geeignet geändert werden. Die Schicht mit fester Magnetisierung kann eine geschichtete Ferri-Struktur (geschichtete Ferri-Pin-Struktur) sein, die aus einer Referenzschicht und einer Fixierschicht besteht. In einigen Fällen kann anstelle der Metallschicht eine Si-Schicht gebildet werden. Ein Substrat, das einen Logikbereich hat, der ein nichtflüchtiges Speicherungselement-Array beinhaltet, das aus mehreren magnetoresistiven Elementen der vorliegenden Offenbarung konfiguriert ist, zum Beispiel ein Substrat, das ein Bildaufnahmeelement-Array beinhaltet, das mehrere darin gebildete Bildaufnahmeelemente hat, kann ebenfalls angebracht werden.
Wie in 22 gezeigt, kann in dem in Ausführungsform 1 beschriebenen magnetoresistiven Element die Ti-Schicht 61', die als eine Metallschicht funktioniert, unter der zweiten Verdrahtung 63 gebildet sein. Die Breite des Abschnitts der Verdrahtungsschicht 63, die über der Schichtstruktur 50 platziert ist, kann größer sein als die Breite anderer Abschnitte. Das heißt, es ist wünschenswert, die Metallschicht 61 in einer großen Fläche zu bilden, solange ein Kurzschluss mit der angrenzenden zweiten Verdrahtung (Bitdraht) 63 und der ersten Verdrahtung (Erfassungsdraht) 66 vermieden wird.
Es ist auch möglich, eine sogenannte Kreuzungspunkttyp-Speicherungszelleneinheit zu konfigurieren, die aus mehreren magnetoresistiven Elementen (Speicherungselement, nichtflüchtige Speicherzelle) konfiguriert ist. Diese Kreuzungspunkttyp-Speicherungszelleneinheit ist konfiguriert aus mehreren dritten Verdrahtungen (Wortdrähten), die sich in der ersten Richtung erstrecken;
mehreren zweiten Verdrahtungen (Bitdrähten), die so angeordnet sind, dass sie vertikal von den dritten Verdrahtungen getrennt sind, und sich in einer zweiten Richtung erstrecken, die unterschiedlich zu der Ausdehnungsrichtung der dritten Verdrahtungen ist; und einem magnetoresistiven Element (Speicherungselement, nichtflüchtiger Speicher), das in einem Bereich angeordnet ist, in dem sich die dritte Verdrahtung und die zweite Verdrahtung überlappen, und das mit der dritten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung verbunden ist.
Informationen werden in das magnetoresistive Element geschrieben oder daraus gelöscht, abhängig von der Richtung der Spannung, die zwischen der dritten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung angelegt wird, oder der Richtung des Stroms, der zwischen der dritten Verdrahtung und der zweiten Verdrahtung fließt. In einer solchen Struktur ist der Auswahltransistor TR nicht erforderlich.
Die vorliegende Offenbarung kann auch die folgenden Konfigurationen haben.
[A01]
<Magnetoresistives Element: Erster Modus>
Ein magnetoresistives Element, das eine Schichtstruktur hat, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht, wobei
eine Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist;
ein orthogonales Projektionsbild der Schichtstruktur in Bezug auf die Metallschicht in der Metallschicht enthalten ist; und
unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine minimale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bei der Temperatur T bilden,
EGib-1(T) ist, $EGib - 0 (T) < EGib - 1 (T)$
erfüllt ist.
[A02]
Das magnetoresistive Element wie in [A01] beschrieben, wobei unter der Annahme, dass eine maximale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Zwischenschicht bei der Temperatur T bilden, EGib -2 (T) ist,
EGib-2(T) ≤ EGib-0(T)
erfüllt ist.
[A03]
<Magnetoresistives Element: Zweiter Modus>
Ein magnetoresistives Element, das eine Schichtstruktur hat, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht, wobei
eine Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist;
ein orthogonales Projektionsbild der Schichtstruktur in Bezug auf die Metallschicht in der Metallschicht enthalten ist; und
unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine maximale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Zwischenschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-2(T) ist, $EGib - 2 (T) \leq EGib - 0 (T)$
erfüllt ist.
[A04]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A03] beschrieben, wobei die Metallschicht mindestens ein Metallatom beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Titanatom, einem Aluminiumatom und einem Magnesiumatom besteht.
[A05]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A04] beschrieben, wobei ein Metallatom, das die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bildet, ein Kobaltatom oder ein Eisenatom oder ein Kobaltatom und ein Eisenatom beinhaltet.
[A06]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A05] beschrieben, wobei ein Metallatom, das die Zwischenschicht bildet, ein Magnesiumatom oder ein Aluminiumatom beinhaltet.
[A07]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A06] beschrieben, wobei ein Metallatom, das die Metallschicht bildet, mit 60 Atom-% oder mehr in der Metallschicht enthalten ist.
[A08]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A07] beschrieben, wobei die Dicke der Metallschicht 1 × 10-8 m oder mehr ist.
[A09]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A08] beschrieben, wobei eine seitliche Oberfläche der Schichtstruktur mit einer Seitenwand bedeckt ist.
[A10]
Das magnetoresistive Element wie in [A09] beschrieben, wobei unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Seitenwand bei der Temperatur T bildet, EGib-SW(T) ist,
EGib-2(T) ≤ EGib-SW(T) < EGib-1(T) erfüllt ist.
[A11]
Das magnetoresistive Element wie in [A09] oder [A10] beschrieben, wobei ein Atom, das die Seitenwand bildet, mindestens eine Art Atom ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Aluminium, Magnesium, und Silizium besteht.
[A12]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A09] bis [A11] beschrieben, wobei mindestens ein Teil der Seitenwand mit einer Metallschicht bedeckt ist.
[A13]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A12] beschrieben, wobei
die Schichtstruktur durch eine Isolationsschicht umgeben ist;
ein Verbindungsabschnitt, der mit der Schichtstruktur verbunden ist, auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist; und
die Metallschicht an einer inneren Wand des Verbindungsabschnitts gebildet ist.
[A14]
Das magnetoresistive Element wie in [A13] beschrieben, wobei der Verbindungsabschnitt aus einer Metallschicht und einem Kontaktlochabschnitt konfiguriert ist.
[A15]
Das magnetoresistive Element wie in [A13] beschrieben, wobei der Verbindungsabschnitt aus einer Metallschicht und einem Teil einer Verdrahtung, die eine Damaszenerstruktur hat, konfiguriert ist.
[A16]
Das magnetoresistive Element wie in einem von [A01] bis [A12] beschrieben, wobei
die Schichtstruktur durch eine Isolationsschicht umgeben ist;
die Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet und mit der Schichtstruktur verbunden ist; und eine Verdrahtungsschicht auf der Metallschicht gebildet ist.
Bezugszeichenliste

10: Halbleitersubstrat
11: Elementtrennungsbereich
12: Gate-Elektrode (Wortleitung oder Adressleitung)
13: Gate-Isolationsschicht
14: Kanalbildungsbereich
15A, 15B: Source/Drain-Bereich
16: Gate-Seitenwand
21,22: Zwischenschicht-Isolationsschicht
23,24: Verbindungsloch
31,32: Isolationsschicht
33, 33A, 33B: Seitenwand
41: Erste Elektrode
42: Zweite Elektrode
50: Schichtstruktur
60, 70: Verbindungsabschnitt
61: Metallschicht
61': Ti-Schicht
62: Kontaktlochabschnitt
63, 73, 83: Zweite Verdrahtung (Bitdraht)
64: Metallschicht
65: Verbindungsloch
66, 76, 86: Erste Verdrahtung (Erfassungsdraht)
67A, 67B: Öffnung
68A, 68B: Nut
100: Komposit-Magnetkopf
101: Magnetoresistives Element
122: Substrat
123: Isolationsschicht
125: Erste magnetische Abschirmschicht
127: Zweite magnetische Abschirmschicht
128, 129: Vorspannungsschicht
130, 131: Verbindungsanschluss
132: Oberer Schichtkern
133: Dünnfilmspule
TR: Auswahltransistor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013008868 A [0002, 0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

S. S. Parkin et al., Physical Review Letters, 7. Mai, S. 2304-2307 (1990) [0017]

Claims

Magnetoresistives Element, das eine Schichtstruktur hat, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht, wobei eine Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist; ein orthogonales Projektionsbild der Schichtstruktur in Bezug auf die Metallschicht in der Metallschicht enthalten ist; und unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine minimale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-1 (T) ist, $EGib - 0 (T) < EGib - 1 (T)$
erfüllt ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1, wobei unter der Annahme, dass eine maximale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Zwischenschicht bei der Temperatur T bilden, EGib -2(T) ist, EGib-2(T) ≤ EGib-0(T) erfüllt ist.
Magnetoresistives Element, das eine Schichtstruktur hat, die aus einer Schicht mit fester Magnetisierung, einer Zwischenschicht und einer Speicherungsschicht besteht, wobei eine Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist; ein orthogonales Projektionsbild der Schichtstruktur in Bezug auf die Metallschicht in der Metallschicht enthalten ist; und unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Metallschicht bei einer Temperatur T (°C) von 0°C oder höher und 400°C oder niedriger bildet, EGib-0(T) ist, und eine maximale Gibbs-Energie zwischen Oxidbildungs-Gibbs-Energien von Metallatomen, die die Zwischenschicht bei der Temperatur T bilden, EGib-2(T) ist, $EGib - 2 (T) \leq EGib - 0 (T)$
erfüllt ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Metallschicht mindestens ein Metallatom beinhaltet, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Titanatom, einem Aluminiumatom und einem Magnesiumatom besteht.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei ein Metallatom, das die Schicht mit fester Magnetisierung und die Speicherungsschicht bildet, ein Kobaltatom oder ein Eisenatom oder ein Kobaltatom und ein Eisenatom beinhaltet.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei ein Metallatom, das die Zwischenschicht bildet, ein Magnesiumatom oder ein Aluminiumatom beinhaltet.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei ein Metallatom, das die Metallschicht bildet, mit 60 Atom-% oder mehr in der Metallschicht enthalten ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Dicke der Metallschicht 1 × 10-8 m oder mehr ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei eine seitliche Oberfläche der Schichtstruktur mit einer Seitenwand bedeckt ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 9, wobei unter der Annahme, dass eine Oxidbildungs-Gibbs-Energie eines Metallatoms, das die Seitenwand bei der Temperatur T bildet, EGib-SW(T) ist, EGib-2(T) ≤ EGib-SW(T) < EGib-1(T) erfüllt ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 9, wobei ein Atom, das die Seitenwand bildet, mindestens eine Art Atom umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Titan, Aluminium, Magnesium, und Silizium besteht.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 9, wobei mindestens ein Teil der Seitenwand mit einer Metallschicht bedeckt ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Schichtstruktur durch eine Isolationsschicht umgeben ist; ein Verbindungsabschnitt, der mit der Schichtstruktur verbunden ist, auf oder über der Schichtstruktur gebildet ist; und die Metallschicht an einer inneren Wand des Verbindungsabschnitts gebildet ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 13, wobei der Verbindungsabschnitt aus einer Metallschicht und einem Kontaktlochabschnitt konfiguriert ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 13, wobei der Verbindungsabschnitt aus einer Metallschicht und einem Teil einer Verdrahtung, die eine Damaszenerstruktur hat, konfiguriert ist.
Magnetoresistives Element nach Anspruch 1 oder 3, wobei die Schichtstruktur durch eine Isolationsschicht umgeben ist; die Metallschicht auf oder über der Schichtstruktur gebildet und mit der Schichtstruktur verbunden ist; und eine Verdrahtungsschicht auf der Metallschicht gebildet ist.