DE602004012813T2 - Magnetoresistives Element, magnetische Speicherzelle und magnetische Speicheranordnung - Google Patents

Magnetoresistives Element, magnetische Speicherzelle und magnetische Speicheranordnung Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein magnetoresistives Element und eine magnetische Speicherzelle, welche jeweils eine magnetosensitive Schicht aufweisen, deren Magnetisierungsrichtung sich gemäß einem externen Magnetfeld verändert, sowie auf eine magnetische Speichervorrichtung zum Speichern/Lesen von Information unter Verwendung einer Veränderung in der Magnetisierungsrichtung der magnetosensitiven Schicht in dem magnetoresistiven Element und der magnetischen Speicherzelle.
  • 2. Beschreibung des Sachgebiets
  • Herkömmlicher Weise werden als Hauptspeicher für Informationsprozessoren wie z. B. Computer und Kommunikationsvorrichtungen flüchtige Speicher wie z. B. DRAM (Dynamic Random Access Memory) und SRAM (Static RAM) verwendet. Die flüchtigen Speicher müssen aktualisiert werden, indem ständig ein Versorgungsstrom bereitgestellt wird, um die gespeicherte Information zu behalten. Wenn die Spannungsquelle abgeschaltet wird, geht sämtliche Information verloren, so dass ein nichtflüchtiger Speicher als Mittel zum Speichern von Information zusätzlich zu dem flüchtigen Speicher bereitgestellt werden muss. Zum Beispiel werden hierfür ein Flash-EEPROM, ein magnetisches Festplattenlaufwerk oder ähnliches verwendet.
  • In den nichtflüchtigen Speichern ist, da sich die Geschwindigkeit der Informationsverarbeitung erhöht, eine Erhöhung der Zugriffsgeschwindigkeit ein wichtiges Thema. Da sich ein tragbares Informationsgerät schnell verbreitet und seine Leistung größer wird, schreitet ferner die Entwicklung von Informationsgeräten mit dem Ziel einer so genannten allgegenwärtigen EDV, d. h. der Möglichkeit einer Informationsverarbeitung an jedem Ort und zu jeder Zeit, schnell voran. Es herrscht ein großer Bedarf an einer Entwicklung eines nichtflüchtigen Speichers, welcher sich für eine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung als Schlüsselvorrichtung derartiger Entwicklungen von Informationsgeräten eignet.
  • Als effektive Technik zur Steigerung der Geschwindigkeit der nichtflüchtigen Speicher ist eine MRAM-Speicherzelle („Magnetic Random Access Memory") bekannt, in welcher magnetische Speicherelemente, welche jeweils zum Speichern von Information entsprechend der Magnetisierungsrichtung entlang der Achse einer einfachen Magnetisierung einer ferromagnetischen Schicht in einer Matrixform angeordnet sind. Die MRAM speichert Information unter Verwendung einer Kombination der Magnetisierungsrichtungen in zwei ferromagnetischen Elementen. Andererseits wird gespeicherte Information ausgelesen, indem eine Veränderung eines Widerstands gemessen wird (d. h. eine Veränderung in einem Strom oder einer Spannung), welche zwischen dem Fall, in welchem die Magnetisierungsrichtung parallel bezüglich einer Referenzrichtung ist, und dem Fall, in dem die Magnetisierungsrichtung nicht parallel zu der Referenzrichtung ist, auftritt. Da die MRAM nach diesem Prinzip arbeitet, ist es wichtig, dass das Verhältnis der Widerstandsänderung so hoch wie möglich ist, um ein stabiles Schreiben und Lesen in der MRAM zu erlauben.
  • Die MRAM wie sie derzeit in der Praxis eingesetzt wird, verwendet den GMR-Effekt („giant magneto-resistive effect"). Der GMR-Effekt ist ein Phänomen, bei welchem, wenn zwei magnetische Schichten derart angeordnet werden, dass ihre Achsen der einfachen Magnetisierung parallel zueinander sind, in dem Fall, in welchem die Magnetisierungsrichtungen der Schichten parallel zu der Achse der einfachen Magnetisierung sind, der Widerstandswert minimal wird. In dem Fall, in welchem die Magnetisierungsrichtung antiparallel zu der Achse der einfachen Magnetisierung ist, wird der Widerstandswert maximal. Eine MRAM, welche ein GMR-Element verwendet, mit Hilfe dessen ein solcher GMR-Effekt erzielbar ist (im folgenden als GMR-MRAM beschrieben), ist beispielsweise in US Patent Nr. 5,343,422 angegeben.
  • Da auf weitere Verbesserungen in einer Speichergeschwindigkeit, einer Zugriffsgeschwindigkeit usw. abgezielt wird, wurde in jüngster Zeit eine MRAM mit einem TMR-Element mit einem TMR-Element, das einen TMR-Effekt („tunneling magneto-resistive effect") nutzt, anstelle der GMR-MRAM vorgeschlagen. Der TMR-Effekt ist ein Effekt, wonach der Tunnelstrom, der durch eine Isolationsschicht fließt, sich entsprechend Relativwinkeln der Magnetisierungsrichtung zweier ferromagnetischer Schichten, welche eine sehr dünne Isolationsschicht (Tunnelbarriereschicht) umschließen, verändert. Wenn die Magnetisierungsrichtungen der beiden ferromagnetischen Schichten parallel zueinander sind, wird der Widerstandswert minimal. Demgegenüber wird der Widerstandswert maximal, wenn die Magnetisierungsrichtungen antiparallel zueinander sind. In der TMR-MRAM ist das Verhältnis der Widerstandsänderung 40% und der Widerstandswert ist ebenfalls hoch, wenn das TMR-Element beispielsweise eine "CoFe/Aluminiumoxid/CoFe"-Anordnung aufweist. Folglich kann die TMR-MRAM einfach mit einer Halbleitervorrichtung wie z. B. einem MOSFET angepasst werden. Deshalb kann die TMR-MRAM einfach einen höheren Ausgang als eine GMR-MRAM erreichen und eine Verbesserung in einer Speicherkapazität und einer Zugriffsgeschwindigkeit sind zu erwarten. In der TMR-MRAM wird ein Strommagnetfeld erzeugt, indem Strom durch einen Leiter, in Form einer nahe dem TMR-Element angeordneten Schreibleitung, geschickt wird. Durch die Verwendung des Strommagnetfelds wird die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht in dem TMR-Element in eine festgelegte Richtung geändert, wodurch Information gespeichert wird. Als Verfahren zum Lesen gespeicherter Information ist ein Verfahren eines Führens von Strom in der senkrechten Richtung zu einer Tunnelbarriereschicht und des Detektierens einer Widerstandsänderung in dem TMR-Element bekannt. Derartige TMR-MRAM-Techniken sind im US-Patent Nr. 5,629,922 und in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. Hei 9-91949 gezeigt.
  • In jüngster Zeit gibt es einen wachsenden Bedarf an einer hohen Packungsdichte einer magnetischen Speichervorrichtung und dementsprechend ist eine Verkleinerung der Größe des TMR-Elements ebenfalls nötig. Da die TMR-Elemente feiner werden, wird durch den Einfluss eines entmagnetisierenden Feldes, welches durch die magnetischen Pole an beiden Enden des TMR-Elements erzeugt wird, ein stärkeres magnetisches Feld benötigt, um die Magnetisierungsrichtung in einer magnetischen Schicht (Schicht mit freier Magnetisierungsrichtung) auszurichten, um Information in einer festgelegten Richtung zu speichern, und ein Schreibstrom, welcher zum Zeitpunkt des Schreibens von Information benötigt wird, nimmt stetig zu. Um dieses Problem zu lösen, wird eine Struktur, in welcher ein geschlossener magnetischer Kreis zusammen mit der Schicht mit freier Magnetisierungsrichtung um einen Leiter (Schreibleitung) nahe dem TMR-Element gebildet ist, vorgeschlagen (siehe z. B. japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-273759 ). Da der geschlossene Magnetkreis aus einer Schicht mit freier Magnetisierungsrichtung konstruiert ist, welche auf das Speichern bzw. Aufnehmen bezogen ist, kann der entgegengesetzte Einfluss, welcher von dem Entmagnetisierungsfeld ausgeübt wird, verhindert werden und eine magnetische Speichervorrichtung mit hoher Packungsdichte ist realisierbar. Ferner erstrecken sich in diesem Fall die beiden Schreibleitungen in dem geschlossenen Magnetkreis, so dass eine Magnetisierung effizient invertiert werden kann.
  • Selbst in der magnetischen Speichervorrichtung mit einer Struktur, wie sie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-273759 beschrieben ist, schwankt jedoch auch die Stärke eines Rückstrommagnetfeldes bzw. eines magnetischen Gegenfeldes, welches in dem geschlossenen Magnetkreis erzeugt wird, wenn der Schreibstrom schwankt. Folglich wird erwartet, dass mit einem schwächer werdenden Schreibstrom ein ausreichend stabiler Schreibvorgang schwierig durchzuführen ist.
  • In US Patent Nr. 6,404,674 B1 ist ein Lese-Schreibleiter mit einer Ummantelung beschrieben, der eine magnetische Speicherzelle mit einem Lese-Schreibleiter aufweist, welcher vollständig mit einem weichmagnetischen Material für eine fixierte („pinned-on-the-fly") weichmagnetische Referenzschicht ummantelt ist. Die magnetische Speicherzelle weist ein oder mehrere magnetische Joche mit festgelegten Dimensionen zum Verbindungsteil hin auf.
  • In US 5,587,943 ist eine nichtflüchtige magnetoresistive Speichereinheit mit einem vollständig geschlossenen Flussbetrieb bekannt, welche eine Speicherzelle mit einer Mehrschichtstruktur aufweist. Die Speicherzelle weist Lese- und Schreibleitungen für eine Informationsübertragung und für Speicherzwecke auf, welche angeordnet sind, um zu verhindern, dass die Magnetisierung von der Schlussrichtung des Flusses abkommt.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung wurde unter Berücksichtigung derartiger Probleme erreicht und ihre Aufgabe ist es, ein magnetoresistives Element, eine magnetische Speicherzelle und eine magnetische Speichervorrichtung mit dem magnetoresistiven Element und der magnetischen Speicherzelle bereitzustellen, auf die Information auf stabile Weise geschrieben werden kann, indem ein mag netisches Feld, welches durch einen in einem Leiter fließenden Strom erzeugt wird, effizient genutzt wird.
  • Ein magnetoresistives Element gemäß der Erfindung weist folgendes auf: ein magnetisches Joch, welches in einer Teilregion entlang einer Erstreckungsrichtung eines Leiters und in der umlaufenden Richtung angeordnet ist, so dass es den Leiter umgibt; und einen Schichtkörper, welcher eine magnetosensitive Schicht aufweist, deren Magnetisierungsrichtung sich entsprechend einem externen magnetischen Feld ändert und magnetisch mit dem magnetischen Joch gekoppelt ist, sowie einen Durchschnittsbereich senkrecht zu der umlaufenden Richtung des magnetischen Jochs, welcher an einer Stelle, welche mit dem Schichtkörper verbunden ist, am kleinsten ist. "Umgeben" bedeutet gemäß der Erfindung nicht nur von einer vollständigen geschlossenen Kranzform umgeben sondern auch ein Umgeben mit einem offenen Teil (nicht perfektes Umgeben). Die "umlaufende Richtung" bezeichnet eine Richtung um den Leiter herum. Das "externe magnetische Feld" bezeichnet ein magnetisches Feld, welches durch einen Strom, welcher in dem Leiter fließt, erzeugt wird, oder ein magnetisches Gegenfeld oder entgegen gesetztes magnetisches Feld, welches in dem magnetischen Joch erzeugt wird.
  • Eine magnetische Speicherzelle gemäß der Erfindung weist ein Paar magnetoresistiver Elemente auf, von denen jedes folgendes aufweist: ein magnetisches Joch, welches in einer Teilregion entlang einer Erstreckungsrichtung eines Leiters angeordnet ist und in der umgebenden Richtung angeordnet ist, so dass der Leiter umgeben ist; und einen Schichtkörper mit einer magnetosensitiven Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich entsprechend einem externen magnetischen Feld ändert und magnetisch mit dem magnetischen Joch gekoppelt ist. Das Paar magnetoresistiver Elemente weist einen gemeinsamen Teil des magnetischen Jochs auf und ein Gebiet eines zur umlaufenden Richtung des magnetischen Jochs senkrechten Querschnittsbereichs ist am kleinsten in einem Teil, der mit dem Schichtkörper verbunden ist.
  • Eine magnetische Speichervorrichtung gemäß der Erfindung weist folgendes auf: eine erste Schreibleitung; eine zweite Schreibleitung, welche sich so erstreckt, dass sie die erste Schreibleitung kreuzt, und welche so ausgebildet ist, dass sie sich parallel zu der ersten Schreibleitung in einem Teilbereich, welcher einem Schnittgebiet mit der ersten Schreibleitung entspricht, parallel erstreckt; und eine magnetische Speicherzelle mit einem Paar magnetoresistiver Elemente. Jedes der magnetoresistiven Elemente des Paars weist folgendes auf: ein magnetisches Joch, welches in einer Teilregion entlang einer Erstreckungsrichtung der ersten und zweiten Schreibleitungen angeordnet ist und in der umlaufenden Richtung angeordnet ist, so dass die erste und die zweite Schreibleitung umgeben sind; und einen Schichtkörper mit einer magnetosensitiven Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich entsprechend einem externen magnetischen Feld ändert und magnetisch mit dem magnetischen Joch gekoppelt ist, sowie einen Teil des magnetischen Jochs gemeinsam hat. Das Gebiet eines Schnittbereichs, der senkrecht zu der umlaufenden Richtung des magnetischen Jochs ist, ist am kleinsten in einem Teil, welcher mit dem Schichtkörper verbunden ist.
  • In dem magnetoresistiven Element, der magnetischen Speicherzelle sowie der magnetischen Speichervorrichtung gemäß der Erfindung ist das Gebiet eines Durchschnittsbereichs, welcher senkrecht zu der umlaufenden Richtung des magnetischen Jochs ist, in dem Teil am kleinsten, welcher mit dem Schichtkörper verbunden ist. Folglich wird die magnetische Flussdichte eines Megnetischen Gegenfelds, welches in dem magnetischen Joch erzeugt wird, wenn Strom durch den Leiter fließt (erste und zweite Schreibleitungen), in dem Verbindungsteil am höchsten.
  • In dem magnetoresistiven Element, der magnetischen Speicherzelle sowie der magnetischen Speichervorrichtung gemäß der Erfindung nimmt das Gebiet des Durchschnittsbereichs in dem magnetischen Joch zum Verbindungsteil hin stetig ab. In diesem Fall nimmt die Breite des magnetischen Jochs zum Verbindungsteil hin graduell ab und wird in dem Verbindungsteil am kleinsten, oder die Decke des magnetischen Jochs kann graduell zum Verbindungsteil hin abnehmen und in dem Verbindungsteil am kleinsten werden. Die "Breite" gemäß der Erfindung beschreibt die Länge einer Erstreckungsrichtung des Leiters (erste und zweite Schreibleitungen) und die "Dicke" gemäß der Erfindung beschreibt die Länge in der Richtung zum/vom Leiter. Wenn das magnetische Joch als Ring angesehen wird, beschreibt die Dicke konkret die Dimension des magnetischen Jochs in der radialen Richtung des Rings.
  • In dem magnetoresistiven Element, der magnetischen Speicherzelle und der magnetischen Speichervorrichtung gemäß der Erfindung kann das magnetische Joch ein balkenartig geformtes Joch aufweisen, welches sich entlang einer Schichtstapeldeckschicht des Schichtkörpers erstreckt, und den Verbindungsteil aufweist. Alternativ kann das magnetische Joch folgendes aufweisen: ein Paar säulenförmiger Joche, welche sich über den Leiter hinweg (erste und zweite Schreibleitungen) gegenüberliegen und sich in der Richtung senkrecht zu der Schichtstapeldeckschicht des Schichtkörpers erstrecken; sowie ein balkenartig geformtes Joch, das mit einem Ende auf der Seite des Schichtkörpers jedes der säulenförmigen Joche des Paars verbunden ist und den Verbindungsteil aufweist, und eine teilweise geöffnete Durchschnittsform aufweisen kann. Das magnetische Joch kann folgendes aufweisen: ein Paar säulenförmiger Joche, welche sich über den Leiter (erste und zweite Schreibleitungen) hinweg gegenüberliegen und sich in Richtung senkrecht zu der Schichtstapeldeckschicht des Schichtkörpers erstrecken; ein erstes balkenartig geformtes Joch, das mit einem Ende auf der Seite des Schichtkörpers jedes der säulenförmigen Joche des entsprechenden Paars verbunden ist und den Verbindungsteil aufweist, sowie ein zweites balkenartig geformtes Joch, das mit dem anderen Ende jedes der säulenförmigen Joche des entsprechenden Paars verbunden ist und eine geschlossene Durchschnittsform aufweist.
  • In dem magnetoresistiven Element, der magnetischen Speicherzelle und der magnetischen Speichervorrichtung gemäß der Erfindung kann der Verbindungsteil auch als magnetoresistive Schicht dienen.
  • In dem magnetoresistiven Element, der magnetischen Speicherzelle und der magnetischen Speichervorrichtung der Erfindung ist das Gebiet eines Durchschnittsbereichs senkrecht zu der umlaufenden Richtung des magnetischen Jochs in dem Verbindungsteil mit dem Schichtkörper am kleinsten. Folglich kann die magnetische Flussdichte des Megnetischen Gegenfelds, welches in dem magnetischen Joch durch den Fluss eines Stroms durch den Leiter (erste und zweite Schreibleitung) erzeugt wird, in dem Verbindungsteil am höchsten gemacht werden. Deshalb kann die Magnetisierung der magnetosensitiven Schicht effizient invertiert werden, indem ein kleinerer Schreibstrom aufgebracht wird. Folglich kann die magnetische Flussdichte des Megnetischen Gegenfelds fast bis zu einem Sättigungszustand in dem Verbindungsteil erhöht werden, so dass eine stabile Schreiboperation durchführbar ist. Somit sind das magnetoresistive Element, die magnetische Speicherzelle und die magnetische Speichervorrichtung der Erfindung für eine höhere Packungsdichte und eine höhere Integration geeignet.
  • Andere und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung in vollständigerer Weise ersichtlich.
  • KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Grundkonfiguration einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • 2 ist eine Draufsicht, welche die Anordnung einer Schreibleitung der magnetischen Speichervorrichtung aus 1 zeigt.
  • 3 ist eine ausschnitthafte Draufsicht, welche die Konfiguration eines Hauptteils einer Speicherzellengruppe in der magnetischen Speichervorrichtung aus 1 zeigt.
  • 4 ist eine Perspektivansicht, welche die Konfiguration eines Hauptteils der Speicherzellengruppe in der magnetischen Speichervorrichtung aus 1 zeigt.
  • 5 ist eine Draufsicht, welche die Konfiguration aus der Richtung des Pfeils V gesehen der magnetischen Speicherzelle aus 4 zeigt.
  • 6 ist eine Durchschnittsansicht, welche die Konfiguration einer Ebene entlang der Linie VI-VI der magnetischen Speicherzelle aus 5 zeigt.
  • 7 ist eine Durchschnittsansicht, welche zeigt, dass die magnetische Speicherzelle aus 6 konzeptionell in zwei TMR-Elemente aufgeteilt ist.
  • 8 ist eine weitere teilweise Draufsicht, welche die Anordnung des Hauptteils der Speicherzellengruppe in der magnetischen Speichervorrichtung aus 1 zeigt.
  • 9 ist eine Durchschnittsansicht der Anordnung in einer Ebene entlang der Linie IX-IX der Speicherzelle aus 8.
  • 10 ist ein Schaltplan der Schaltungsanordnung der magnetischen Speichervorrichtung aus 1.
  • 11A ist ein erstes beispielhaftes Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Schreibstromrichtung und einer entgegengesetzten Richtung eines magnetischen Feldes (Magnetisierungsrichtung) in der Abschnittskonfiguration der magnetischen Speichervorrichtung aus 6 zeigt.
  • 11B ist ein zweites beispielhaftes Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Schreibstromrichtung und der Richtung des Megnetischen Gegenfelds (Magnetisierungsrichtung) in der Abschnittskonfiguration der magnetischen Speicherzelle aus 6 zeigt.
  • 12A ist eine erste teilweise vergrößerte Ansicht der Schaltplankonfiguration aus 10.
  • 12B ist eine zweite teilweise vergrößerte Ansicht der Schaltplankonfiguration aus 10.
  • 13 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht, die einen Prozess in einem Verfahren zum Herstellen der magnetischen Speichervorrichtung aus 1 zeigt.
  • 14 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 13.
  • 15A ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses aus 14.
  • 15B ist eine vergrößerte Draufsicht einer Konfiguration gemäß 15A.
  • 16A ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses zu 15A.
  • 16B ist eine vergrößerte Draufsicht einer Konfiguration gemäß 16A.
  • 17 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 16.
  • 18 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 17.
  • 19 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 18.
  • 20 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 19.
  • 21 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 20.
  • 22 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 21.
  • 23 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 22.
  • 24 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 23.
  • 25 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 24.
  • 26 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 25.
  • 27 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 26.
  • 28 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 27.
  • 29 ist eine vergrößerte Durchschnittsansicht eines Folgeprozesses von 28.
  • 30A ist eine Draufsicht einer ersten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 30B ist eine Durchschnittsansicht der ersten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 31A ist eine Draufsicht einer zweiten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 31B ist eine Durchschnittsansicht der zweiten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 32A ist eine Draufsicht einer dritten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 32B ist eine Durchschnittsansicht der dritten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 33A ist eine Durchschnittsansicht der Konfiguration eines Hauptteils einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • 33B ist eine Durchschnittsansicht, welche zeigt, dass die magnetische Speicherzelle aus 33A konzeptionell in zwei TMR-Elemente aufgeteilt ist.
  • 34A ist ein erstes beispielhaftes Diagramm, welches die Beziehung zwischen einer Schreibstromrichtung und einer Richtung eines Megnetischen Gegenfelds (Magnetisierungsrichtung) in der Querschnittsanordnung der magnetischen Speicherzelle aus 33A zeigt.
  • 34B ist ein zweites beispielhaftes Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Schreibstromrichtung und der Richtung des Megnetischen Gegenfelds (Magnetisierungsrichtung) in der Querschnittsanordnung der magnetischen Speicherzelle aus 33A zeigt.
  • 35 ist ein charakteristisches Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Breite eines Verbindungsteils und einem Schreibstrom, welcher für die Umkehrung der Magnetisierung einer magnetosensitiven Schicht in der magnetischen Speicherzelle benötigt wird, als erste Veränderung, welche in den 30A und 30B gezeigt ist, darstellt.
  • 36 ist ein charakteristisches Diagramm, welche die Beziehung zwischen der Dicke der Vorsprünge, welche auf beiden Seiten des Verbindungsteils bereitgestellt sind, und dem Schreibstrom, welcher zum Umkehren der Magnetisierung einer magnetosensitiven Schicht in der magnetischen Speicherzelle nötig ist als zweite Veränderung aus 31A und 31B zeigt.
  • 37 ist ein charakteristisches Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Länge einer Region mit einer Dicke gleich dem Verbindungsteil in dem magnetischen Joch 4 sowie dem Schreibstrom, welcher für die Umkehrung der Magnetisierung einer magnetosensitiven Schicht in der magnetischen Speicherzelle, als dritte Veränderung aus den 32A und 32B zeigt.
  • 38 ist eine Durchschnittsansicht einer vierten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 39 ist eine Durchschnittsansicht einer fünften Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 40A ist eine Draufsicht einer sechsten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 40B ist eine Durchschnittsansicht der sechsten Veränderung der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 41 ist eine perspektivische Ansicht einer siebten Modifikation der magnetischen Speicherzelle aus 5.
  • 42 ist eine Durchschnittsansicht einer Querschnittskonfiguration einer Veränderung einer Gleichrichtervorrichtung in der Schreibplankonfiguration aus 10.
  • 43 ist ein Schaltplan eines Hauptteils einer Schaltungskonfiguration mit einer Gleichrichtervorrichtung als Veränderung gegenüber 42.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden unter Bezug auf die Figuren beschrieben.
  • Zunächst wird unter Bezug auf die 1 bis 10 die Anordnung einer magnetischen Speichervorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
  • 1 ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine generelle Konfiguration einer magnetischen Speichervorrichtung in der Ausführungsform zeigt. Die magnetische Speichervorrichtung besitzt einen Adresspuffer 51, einen Datenpuffer 52, einen Steuerlogikteil 53, eine Speicherzellengruppe 54, einen ersten Antriebssteuerteil 56, einen zweiten Antriebssteuerteil 58, externe Adresseingabeanschlüsse A0 bis A20 und externe Datenanschlüsse D0 bis D7.
  • Die Speicherzellengruppe 54 besitzt eine Matrixstruktur, in welcher eine Anzahl von Speicherzellen 1 mit jeweils einem Paar Tunnel-magnetoresistiver Elemente (im folgenden TMR(Tunnel Magneto Resistive)-Elemente genannt) in einer Wortleitungsrichtung (X-Richtung) und einer Bitleitungsrichtung (Y-Richtung), welche senkrecht zueinander stehen, angeordnet sind. Die Speicherzelle 1 ist die kleinste Einheit zum Speichern von Daten in der magnetischen Speichervorrichtung und ein konkretes Beispiel für eine "magnetische Speicherzelle" in der Erfindung. Die Speicherzelle 1 wird später detailliert beschrieben.
  • Der erste Antriebssteuerungsteil 56 weist einen Adressdecoderkreis 56A, einen Leseverstärkerkreis 56B und einen Stromsteuerkreis 56C in der Y-Richtung auf. Der zweite Antriebssteuerungsteil 58 weist einen Adressdecodierkreis 58A, einen Konstantstromkreis 58B sowie einen Stromsteuerkreis 58C in der X-Richtung auf.
  • Die Adressdecodierkreise 56A und 58A können eine Wortdecodierungsleitung 72 (später beschrieben) und eine Bitdecodierungsleitung 71 (wird später beschrieben) gemäß einem eingegebenen Adresssignal auswählen. Der Leseverstärkerkreis 56B und der Konstantstromkreis 58B sind Schaltkreise, welche zum Zeitpunkt des Ausführens einer Leseoperation betrieben werden. Die Stromsteuerkreise 56C und 58C sind Schaltkreise, welche zum Zeitpunkt des Durchführens eines Schreibvorganges bzw. einer Schreiboperation betrieben werden.
  • Der Leseverstärkerkreis 56B und die Speicherzellengruppe 54 sind miteinander über eine Vielzahl von Bitdecodierleitungen 71 verbunden, in denen der Lesestrom zum Zeitpunkt einer Leseoperation fließt. In ähnlicher Weise sind der Konstantstromkreis 58B und die Speicherzellengruppe 54 miteinander über eine Vielzahl von Wortdecodierleitungen 72 verbunden, in welchen der Lesestrom zum Zeitpunkt eines Lesevorganges fließt.
  • Der Stromsteuerkreis 56C in Y-Richtung und die Speicherzellengruppe 54 sind miteinander über Schreibbitleitungen 5 (werden später beschrieben) verbunden, welche zum Zeitpunkt einer Schreiboperation nötig sind. Auf ähnliche Weise sind der Stromsteuerkreis 58C in X-Richtung und die Speicherzellengruppe 54 miteinander über Schreibwortleitungen 6 (werden später beschrieben) verbunden, welche zum Zeitpunkt einer Schreiboperation nötig sind.
  • Der Adresspuffer 51 weist die externen Adresseingabeanschlüsse A0 bis A20 auf und ist mit dem Adressdecoderkreis 56A in Y-Richtung in dem ersten Antriebssteuerkreisteil 56 über eine Adressleitung 57 in Y-Richtung und dem Adressdecodierkreis 58A in X-Richtung in dem zweiten Antriebssteuerkreisteil 58 über eine Adressleitung 55 in X-Richtung verbunden. Der Adresspuffer 51 empfängt ein Adresssignal von außerhalb über die externen Adresseingabeanschlüsse A0 bis A20 und verstärkt das Adresssignal auf einen Spannungspegel, welcher in dem Adressdecoderkreis 56A in Y-Richtung und dem Adressdecoderkreis 58A in X-Richtung von einem Pufferverstärker (nicht gezeigt) in dem Adresspuffer 51 benötigt wird. Ferner arbeitet der Adresspuffer 51 so, dass das verstärkte Adresssignal in zwei Signale aufgeteilt wird und die Signale an den Adressdecoderkreis 56A in Y-Richtung über die Adressleitung 57 in Y-Richtung sowie den Adressdecoderkreis 58A in X-Richtung über die Adressleitung 55 in X-Richtung ausgegeben werden.
  • Der Datenpuffer 52 ist mit Hilfe eines Eingabepuffers 52A und einem Ausgabepuffer 52B aufgebaut, weist die externen Datenanschlüsse D0 bis D7 auf, ist mit dem Steuerlogikteil 53 verbunden und arbeitet mit einem Ausgabesteuersignal 53A des Steuerlogikteil 53. Der Eingabepuffer 52A ist mit dem Stromsteuerkreis 56C in Y-Richtung in dem ersten Antriebssteuerteil 56 und dem Stromsteuerkreis 58C in X-Richtung in dem zweiten Antriebssteuerkreis 58 über einen Schreibdatenbus 61 in Y-Richtung bzw. einen Schreibdatenbus 60 in X-Richtung verbunden. Zum Zeitpunkt des Durchführens eines Vorgangs des Schreibens von Daten in die Speicherzellengruppe 54 arbeitet der Eingabepuffer 52A so, dass Signalpegel der externen Datenanschlüsse D0 bis D7 empfangen werden, der Signalpegel bis auf einen von einem internen Pufferverstärker (nicht gezeigt) benötigten Spannungspegel verstärkt wird und die resultierende Spannung an den Stromsteuerkreis 58C in X-Richtung und den Stromsteuerkreis 56C in Y-Richtung über den Schreibdatenbus 60 in X-Richtung bzw. den Schreibdatenbus 61 in Y-Richtung gesendet wird. Der Ausgabepuffer 52B ist mit dem Leseverstärkerkreis 56B über einen Lesendatenbus 62 in X-Richtung verbunden. Zum Zeitpunkt eines Lesens eines Informationssignals, welches in der Speicherzellengruppe 54 gespeichert ist, arbeitet der Ausgabepuffer 52B so, dass das Informationssignal verstärkt wird, welches von dem Leseverstärkerkreis 56B durch einen intern bereitgestellten Pufferverstärker (nicht gezeigt) bereitgestellt wird, und dass das resultierende Signal mit einer niedrigen Impedanz an die externen Datenanschlüsse D0 bis D7 ausgegeben wird.
  • Der Steuerlogikteil 53 weist einen Chipauswahlanschluss CS und einen Schreibaktivierungsanschluss WE auf und ist mit dem Datenpuffer 52 verbunden. Der Steuerlogikteil 53 arbeitet so, dass er einen Signalpegel von dem Chipauswahlanschluss CS im Auswählen einer Speicherzelle empfängt, von welcher/auf welche aus der Gruppe 54 der Speicherzellen gelesen/geschrieben werden soll, sowie einen Signalpegel vom Schreibaktivierungsan schluss WE zum Ausgeben eines Schreibzulasssignals und zum Ausgeben des Ausgabesteuersignals 53A an den Datenpuffer 52.
  • Die Anordnung, welche sich auf die Informationsschreiboperation in der magnetischen Speichervorrichtung aus 1 bezieht, wird nun beschrieben.
  • 2 ist ein konzeptionelles Diagramm, welches eine Konfiguration in einer Draufsicht eines Hauptteils bezüglich der Schreiboperation in der Speicherzellengruppe 54 zeigt. Wie in 2 gezeigt, weist die magnetische Speichervorrichtung der Ausführungsform eine Vielzahl von Schreibbitleitungen 5a und 5b auf und die Vielzahl von Schreibwortleitungen 6, welche sich so erstrecken, dass sie die Vielzahl von Schreibbitleitungen 5a und 5b kreuzen. Jede Region, in welcher die Schreibbitleitungen 5a und 5b sowie die Schreibwortleitung 6 einander kreuzen, weist einen parallelen Teil 10a auf, in welchem sich die Schreibbitleitung 5a und die Schreibwortleitung 6 parallel zueinander und parallel zu einem parallelen Teil 10b erstrecken, in welchem die Schreibbitleitung 5b und die Schreibwortleitung 6 sich parallel zueinander erstrecken. Konkret erstrecken sich, wie in 2 gezeigt, die Schreibwortleitungen 6 in der X-Richtung in einer rechteckigen Wellenform und die Schreibbitleitungen 5a und 5b erstrecken sich in der Y-Richtung abwechselnd und linear. Die steigenden und fallenden Flanken der rechteckigen Wellenform der Schreibwortleitungen 6 bilden die Vielzahl von parallelen Teilen 10a und 10b zusammen mit den Schreibbitleitungen 5a und 5b. Die Speicherzelle 1 ist in jeder der Regionen bereitgestellt, in welchen die Schreibbitleitungen 5a und 5b die Schreibwortleitung 6 kreuzen, so dass wenigstens ein Teil der parallelen Teile 10a und 10b eingeschlossen ist. Die Konfiguration, dass die Speicherzelle 1 in der Kreuzungsregion bereitgestellt ist, umfasst einen Fall, in welchem die Speicherzelle 1 neben dem Kreuzungspunkt bereitgestellt ist. Die Speicherzelle 1 ist durch TMR-Elemente 1a und 1b aufgebaut, wobei das TMR-Element 1a in einer Region bereitgestellt ist, in der die Schreibbitleitung 5a und die Schreibwortleitung 6 einander kreuzen, und das andere TMR-Element 1b ist in der Region bereitgestellt, in welcher die Schreibbitleitung 5b und die Schreibwortleitung 6 einander kreuzen. Die TMR-Elemente 1a und 1b sind konkrete Beispiele für "ein Paar magnetoresistiver Elemente" gemäß der Erfindung.
  • In die Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 fließen Ströme von dem Stromsteuerkreis 56C in Y-Richtung und dem Stromsteuerkreis 58C in X-Richtung. Der in der Schreibbitleitung 5a fließende Strom und der in der Schreibbitleitung 5b fließende Strom sind immer entgegengesetzt gerichtet. Zum Beispiel, wie durch die Pfeile in 2 gezeigt ist, ist die Stromrichtung in den Schreibbitleitungen 5b die –Y-Richtung, wenn die Stromrichtung in den Schreibbitleitungen 5a als +Y-Richtung gesehen wird. Aus diesem Grund sind in diesem Fall, wenn die Stromrichtungen in den Schreibwortleitungen 6 gemeinsam als +X-Richtung gesehen wird (von links nach rechts in dem Figurenblatt), die Richtung des Stroms in der Schreibbitleitung 5a und der in der Schreibwortleitung 6 in dem TMR-Element 1a parallel zueinander. Die Stromrichtung in der Schreibbitleitung 5b und die in der Schreibwortleitung 6 sind ebenfalls parallel zueinander, wobei der Strom in dem anderen TMR-Element 1b fließt. Wenn es im folgenden nicht notwendig ist, die Stromrichtungen voneinander zu unterscheiden, wird auf die Schreibbitleitungen 5a und 5b der Einfachheit halber als Schreibbitleitungen Bezug genommen. Die Schreibwortleitung 6 ist ein konkretes Beispiel für eine "erste Schreibleitung" gemäß der Erfindung und die Schreibbitleitung 5 ist ein konkretes Beispiel für eine „zweite Schreibleitung" gemäß der Erfindung.
  • 3 zeigt eine genauere Draufsicht der Konfiguration bzw. Anordnung des Hauptteils der Speicherzellengruppe 54. Die Schreibbitleitungen 5a und 5b, die Schreibwortleitungen 6 und die Speicherzelle 1 (TMR-Elemente 1a und 1b) aus 3 entsprechen denen in 2. Die TMR-Elemente 1a und 1b sind in den parallelen Teilen 10a und 10b der Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitungen angeordnet. Die TMR-Elemente 1a und 1b weisen Schichtkörper S20a und S20b auf, wobei jeder eine magnetosensitive Schicht und die magnetischen Joche 4a bzw. 4b aufweist und die Magnetisierungsrichtung der magnetosensitiven Schicht ändert sich entsprechend dem magnetischen Feld, welches durch die Ströme erzeugt wird, welche in den Schreibbitleitungen 5a und 5b und den Schreibwortleitungen 6 in den parallelen Teilen 10a und 10b fließen (also das externe magnetische Feld in den magnetischen Jochen 4a und 4b). In diesem Fall sind die Schreibbitleitungen 5a und 5b und die Schreibwortleitung 6 in den parallelen Teilen 10a und 10b in annähernd zusammenpassenden Positionen in der XY-Ebene angeordnet. In der Z-Ebene sind sie jedoch mit einem vorbestimmten Abstand bereitgestellt und elektrisch voneinander isoliert.
  • An beiden Enden jeder Schreibbitleitung 5 sind Schreibbitleitungsvorspannelektroden 47 bereitgestellt. Eine der Schreibbitleitungsvorspannelektroden 47 ist mit dem Stromsteuerkreis 56C in Y-Richtung verbunden und die an dere ist so angeschlossen, dass sie geerdet ist. Auf ähnliche Weise sind Schreibwortleitungsvorspannelektroden 46 an beiden Enden jeder Schreibwortleitung 6 bereitgestellt. Ein Ende jeder Schreibwortleitungsvorspannelektrode 56 ist mit dem Stromsteuerkreis 58C in X-Richtung verbunden. Das andere Ende ist so angeschlossen, dass es geerdet ist. In 3 sind die Schreibbitleitungen 5 teilweise ausgelassen, so dass die Form der Schreibwortleitungen 6 gut ersichtlich ist.
  • 4 ist eine vergrößerte Perspektivansicht der Speicherzelle 1. 5 ist eine Draufsicht aus Sicht der Richtung des Pfeils V aus 4. 6 ist eine Schnittzeichnung entlang der Linie VI-VI aus 5. 7 zeigt, dass die Speicherzelle 1 in 6 konzeptionell in die TMR-Elemente 1a und 1b aufgeteilt ist.
  • Wie in den 4 bis 7 gezeigt ist, weist die magnetische Speicherzelle 1 ein Paar TMR-Elemente 1a und 1b auf, die magnetische Joche 4a und 4b sowie Schichtkörper S20a bzw. S20b aufweisen. Die Schreibwortleitung 6, Schreibwortleitungen 5a und 5b und magnetischen Joche 4a und 4b sind durch Isolierfilme 7a und 7b elektrisch voneinander isoliert. Die Schichtkörper S20a und S20b sind in der Oberfläche der magnetischen Joche 4a und 4b auf der gegenüberliegenden Seite der Schreibbitleitungen 5a und 5b jeweils über den Schreibwortleitungen 6 gebildet. Eine Lesewortleitung 32 ist so bereitgestellt, dass sie sich in die X-Richtung der Seite erstreckt, welche der Oberfläche gegenüberliegt, an der die Schichtkörper S20a und S20b der magnetischen Joche 4a und 4b gebildet sind. Das Paar Schichtkörper S20a und S20b ist mit leitenden Schichten 36a und 36b (welche später beschrieben werden) verbunden, welche auf der den magnetischen Jochen 4a und 4b gegenüberliegenden Seite gebildet. Das Paar leitender Schichten 36a und 36b ist ein Teil eines Paars von Schottky-Dioden 75a und 75b (die später beschrieben werden) und das andere Ende jeder der Schottky-Dioden 75a und 75b ist mit Lesebitleitungen 33a und 33b (welche später beschrieben werden) verbunden, welche sich in der Y-Richtung erstrecken. Die Schottky-Dioden 75a und 75b sind in einem Substrat 31 (wird später beschrieben) eingegraben bzw. begraben. Die Schichtkörper S20a und S20b sind auf der Unterseite der magnetischen Joche 4a und 4b (auf der Substratseite 31) bereitgestellt. 4 zeigt die Speicherzelle von unten, so dass die Positionsbeziehungen zwischen den Schichtkörpern S20a und S20b und den magnetischen Jochen 4a und 4b sowie die Form der magnetischen Joche 4a und 4b einfach verständlich sind.
  • Das TMR-Element 1a in der Speicherzelle 1 weist folgendes auf: das magnetische Joch 4a, welches in Wechselwirkung mit dem Gebiet (dem parallelen Teil 10a) in dem die Schreibbitleitung 5a und die Schreibwortleitung 6 einander kreuzend angeordnet und in der umlaufenden Richtung angeordnet sind, so dass die Peripherie der Schreibbitleitung 5a und der Schreibwortleitung 6 umschlossen ist; und den Schichtkörper S20a mit einer zweiten magnetischen Schicht 8a als magnetosensitive Schicht, deren Magnetisierungsrichtung entsprechend einem externen magnetischen Feld veränderbar ist, welches mit dem magnetischen Joch 4a magnetisch gekoppelt ist, und so angeordnet ist, dass Strom in die Richtung senkrecht zur Schichtoberfläche fließt. Das andere TMR-Element 1b weist folgendes auf: das magnetische Joch 4b, welches unter Bezug zu dem Gebiet (dem parallelen Teil 10b) angeordnet ist, in welchem die Schreibbitleitung 5b und die Schreibwortleitung 6 einander kreuzen und in der umlaufenden Richtung so angeordnet ist, dass es die Peripherie der Schreibbitleitung 5b und der Schreibwortleitung 6 umgibt; und der Schichtkörper S20b weist eine zweite magnetische Schicht 8b als magnetosensitive Schicht auf, deren Magnetisierungsrichtung sich entsprechend einem externen magnetischen Feld ändert, welcher magnetisch mit dem magnetischen Joch 4b gekoppelt ist und so konstruiert ist, dass ein Strom in der senkrechten Richtung zu der Schichtoberfläche fließt. Das Paar TMR-Elemente 1a und 1b hat einen gemeinsamen Teil 34 als Teil der magnetischen Joche 4a und 4b gemeinsam. Wie in den 5 und 6 dargestellt, ist das Paar magnetischer Joche 4a und 4b so konstruiert, dass deren Durchschnittsbereiche senkrecht zu der umlaufenden Richtung graduell zu den Verbindungsteilen 14a und 14b mit den Schichtkörpern S20a und S20b hin abnimmt und am kleinsten in den Verbindungsteilen 14a und 14b ist. Das bedeutet, dass die Breite und Dicke der magnetischen Joche 4a und 4b graduell zu den Verbindungsteilen 14a und 14b hin abnimmt und am kleinsten in den Verbindungsteilen 14a und 14b ist. Die Verbindungsteile 14a und 14b sind Teil der magnetischen Joche 4a und 4b und magnetisch mit den Schichtkörpern S20a bzw. S20b gekoppelt.
  • Wie in den 6 und 7 dargestellt, sind die Schichtkörper S20a und S20b TMR-Filme, welche in der Reihenfolge von der Seite der magnetischen Joche 4a und 4b (Verbindungsteile 14a und 14b) folgendes aufweisen: die zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b, Tunnelbarriereschichten 3a und 3b und erste magnetische Schichten 2a und 2b, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, und welche so konstruiert sind, dass ein Strom in die Richtung senkrecht zu der Schichtoberfläche fließt. In den 6 und 7 sind die Schichtkörper S20a und S20b für eine Klarstellung der Konfiguration der Schichtkörper S20a und S20b übertrieben dargestellt, so dass sie gegenüber den umgebenden Teilen größer erscheinen. Die zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b als magnetosensitive Schichten (auch Schichten mit freier Magnetisierungsrichtung genannt) sind mit den Verbindungsteilen 14a und 14b magnetisch austauschgekoppelt.
  • Wenn die Magnetisierungsrichtungen des Paars TMR-Elemente 1a und 1b in der antiparallel zueinander liegenden Richtung invertiert sind, werden in dem gemeinsamen Teil 34 die Richtungen von Strommagnetfeldern, welche von den Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 erzeugt werden, gleich und die magnetische Flussdichte steigt. Folglich kann das Strommagnetfeld effizienter genutzt werden und der zum Invertieren der Magnetisierungsrichtungen der Verbindungsteile 14a und 14b der magnetischen Joche 4a und 4b und der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b benötigte Strom kann weiter verringert werden. Da das magnetische Joch 4 aufgeteilt ist, kann das Paar TMR-Elemente 1a und 1b einfach gebildet, der Ausbildungsbereich der Speicherzelle 1 verringert und die Kapazität der gespeicherten Information erhöht werden.
  • Wenn ein Feld in senkrechter Richtung zur Schichtfläche in den Schichtkörpern S20a und S20b zwischen den ersten magnetischen Schichten 2a und 2b und den zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b angelegt wird, passieren beispielsweise Elektronen in den ersten magnetischen Schichten 2a und 2b durch die Tunnelbarriereschichten 3a und 3b und bewegen sich zu den zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b und ein Tunnelstrom fließt. Der Tunnelstrom verändert sich entsprechend einem Relativwinkel zwischen dem Spin in den ersten magnetischen Schichten 2a und 2b in der Grenzfläche mit der Tunnelbarriereschicht 3 und dem Spin in den zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b. Speziell wird, wenn der Spin der ersten magnetischen Schicht 2a und 2b und der der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b parallel zueinander sind, der Widerstandswert minimal. Wenn sie antiparallel zueinander sind, wird der Widerstandswert maximal. Indem die Widerstandswerte ausgenutzt werden, ist die Rate der Veränderung eines Magnetwiderstandes (MR-Verhältnis) als Gleichung (1) definiert. MR-Rate = dR/R (1) wobei "dR" die Differenz zwischen dem Widerstandswert für parallele Spins in dem Fall, in welchem die Spins antiparallel zueinander sind, bezeichnet und "R" den Widerstandswert für den Fall zeigt, in welchem die Spins parallel zueinander sind.
  • Der Wert der Widerstands gegen den Tunnelstrom (im folgenden Tunnelwiderstand Rt genannt) hängt stark von der Dicke T der Tunnelbarriereschicht 3 ab. In einer Region mit niedriger Spannung, steigt der Tunnelwiderstand Rt exponentiell mit der Dicke T der Tunnelbarriereschicht 3 wie in Gleichung (2) gezeigt ist. Rt∝(exp(2χT), χ = {8π2m*(ϕ·Ef)0,5}/h (2)wobei ϕ die Höhe der Barriere, "m*" die effektive Elektronenmasse und "Ef" die Fermienergie bezeichnet und h die Planck-Konstante angibt. Generell gilt in einer Speicherzelle mit einem TMR-Element, welches an eine Halbleitervorrichtung wie z. B. einen Transistor angepasst werden soll, dass der richtige Tunnelwiderstand Rt etwa zehn kΩ·(μm)2 ist. Um eine höhere Packungsdichte in der magnetischen Speichervorrichtung sowie eine höhere Betriebsgeschwindigkeit zu erreichen, wird der Tunnelwiderstand Rt jedoch vorzugsweise zu 10 kΩ·(μm)2 oder weniger, noch vorteilhafter zu 1 kΩ·(μm)2 oder geringer gesetzt. Um den Tunnelwiderstand Rt zu realisieren, ist es deshalb wünschenswert, die Dicke T der Tunnelbarriereschichten 3a und 3b zu 2 nm oder weniger, vorteilhafterweise 1,5 nm oder weniger zu setzen.
  • Indem die Dicke T der Tunnelbarriereschichten 3a und 3b verringert werden, kann der Tunnelwiderstand Rt reduziert werden, aber auf der anderen Seite tritt ein Leckstrom aufgrund einer Grobheit der Verbindungsgrenzflächen der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b und zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b auf, so dass die MR-Rate bzw. das MR-Verhältnis sich verschlechtert. Um dies zu verhindern, muss die Dicke T der Tunnelbarriereschichten 3a und 3b so groß sein, dass ein Leckstrom nicht fließt. Konkret ist die Dicke T vorzugsweise 0,3 nm oder größer.
  • Es ist wünschenswert, dass die Schichtkörper S20a und S20b eine differentielle Koerzitivkraftstruktur aufweisen und dass die Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b größer als die der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b ist. Konkret ist die Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schicht 2 vorzugsweise größer als (50/4π) × 103 A/m, noch vorteilhaf ter (100/4π) × 103 A/m. Mit der Konfiguration kann die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b davor bewahrt werden, von ungewünschten magnetischen Feldern, wie z. B. externen Streustrommagnetfeldern oder ähnlichem, beeinflusst zu werden. Die ersten magnetischen Schichten 2a und 2b sind beispielsweise aus einer Kobalteisenlegierung (CoFe) hergestellt und weisen eine Dicke von 5 nm auf. Alternativ können Kobalt (Co), Kobaltplatinlegierung (CoPt), Nickeleisenkobaltlegierung (NiFeCo) oder ähnliches als erste magnetische Schichten 2a und 2b verwendet werden. Die zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b sind beispielsweise aus Kobalt (Co), Kobalteisenlegierung (CoFe), Kobaltplatinlegierung (CoPt), Nickeleisenlegierung (NiFe) oder Nickeleisenkobaltlegierung (NiFeCo) hergestellt. Die Achsen der einfachen Magnetisierung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b und der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b sind vorzugsweise parallel zueinander, so dass die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b und die der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b in einem parallelen oder einem antiparallelen Zustand stabilisiert sind.
  • Die magnetischen Joche 4a und 4b erstrecken sich so, dass sie zumindest einen Teil der parallelen Teile 10a und 10b in den Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 ringförmig umgeben, und sind so aufgebaut, dass ein magnetisches Gegenfeld in den magnetischen Jochen 4a und 4b durch einen in den parallelen Teilen 10a und 10b fließenden Strom erzeugt wird. Insbesondere weist das magnetische Joch 4a wie in 7 gezeigt, folgendes auf: ein Paar säulenförmiger Joche 42a (421 und 422), welche sich in der senkrechten Richtung (Z-Richtung) zu einer Schichtstapeldeckfläche des Schichtkörpers S20a erstrecken, während sie sich über der Schreibbitleitung 5a und der Schreibwortleitung 6 hinweg gegenüberliegen; ein erstes balkenartig geformtes Joch 41a, welches mit einem Ende auf der Seite des Schichtkörpers jedes der säulenförmigen Joche 42a (421 und 422) des entsprechenden Paars verbunden ist; und ein zweites balkenartig geformtes Joch 43a, welches mit dem anderen Ende jedes der säulenförmigen Joche 42a (421 und 422) des entsprechenden Paars verbunden ist. Das magnetische Joch 4a weist eine geschlossene Durchschnittsform auf. Das andere magnetische Joch 4b weist folgendes auf: ein Paar säulenförmiger Joche 42b (422 und 423), die sich in der senkrechten Richtung zu der Schichtstapeldeckschicht des Schichtkörpers S20b erstrecken, während sie sich über die Schreibbitleitung 5a und die Schreibwortleitung 6 hinweg gegenüberliegen; ein erstes balkenartig geformtes Joch 41b, welches mit einem Ende auf der Seite des Schichtkörpers S20b jedes der säulenförmigen Joche 42b (422 und 423) des entsprechenden Paars verbunden ist; und ein zweites balkenartig geformtes Joch 43b, welches mit dem anderen Ende jedes der säulenförmigen Joche 42b (422 und 423) des entsprechenden Paars verbunden ist. Das magnetische Joch 4b weist ebenfalls eine geschlossene Durchschnittsform auf. Das erste balkenartig geformte Joch 41a weist eine inhärente Region 411 und eine gemeinsame Region 412 auf und das andere balkenartig geformte Joch 41b weist eine inhärente Region 413 und die gemeinsame Region 412 auf. Das Paar säulenförmiger Joche 42a weist das inhärente säulenförmige Joch 421 und das gemeinsame säulenförmige Joch 422 auf und das andere Paar säulenförmiger Joche 42b weist das inhärente säulenförmige Joch 423 und das gemeinsame säulenförmige Joch 422 auf. Das zweite balkenartig geformte Joch 42a weist die inhärente Region 431 und die gemeinsame Region 432 auf und das andere zweite balkenartig geformte Joch 43b weist die inhärente Region 433 und die gemeinsame Region 432 auf. Die TMR-Elemente 1a und 1b teilen sich die gemeinsame Region 412 der ersten balkenartig geformten Joche 41a und 41b, das gemeinsame säulenförmige Joch 422 der säulenförmigen Joche 42a und 42b sowie die gemeinsame Region 432 der zweiten balkenartig geformten Joche 43a und 43b. Die gemeinsamen Regionen bilden den gemeinsamen Teil 34, wie in 5 gezeigt.
  • Die Magnetisierungsrichtung eines jeden derartigen magnetischen Jochs 4a und 4b wird durch das magnetische Gegenfeld, welches auf der Innenseite der magnetischen Joche 4a und 4b erzeugt wird, invertiert. Mit der Invertierung der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Joche 4a und 4b durch das Megnetische Gegenfeld wird die Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b invertiert, so dass die zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b als Speicherschichten zum Speichern von Information arbeiten.
  • Der zu der Schichtstapeldeckschicht der Schichtkörper S20a und S20b parallele Abschnitt jedes der balkenartig geformten Joche 41a und 41b in den magnetischem Jochen 4a und 4b weist beispielsweise, wie in 5 dargestellt, die Form einer Hantel auf. Die Breite in der Ausbreitungsrichtung (Y-Richtung) der Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitungen 6 nimmt zu den Verbindungsteilen 14a und 14b hin ab und ist in den Verbindungsteilen 14a und 14b am kleinsten. Ferner sind, wie in den 6 und 7 gezeigt, die ersten balkenartig geformten Joche 41a und 41b so aufgebaut, dass die Länge in der Schichtungsrichtung (Z-Richtung), also die Dicke der Schichtkörper S20a und S20b in den Verbindungsteilen 14a und 14b zu den Verbindungsteilen 14a und 14b, abnimmt und in den Verbindungsteilen 14a und 14b am kleinsten ist. Konkret weist jedes der ersten balkenartig geformten Joche 14a und 14b abgeschrägte Flächen 41AK in angrenzenden Teilen auf, welche die Verbindungsteile 14a und 14b umschließen. Die ersten balkenartig geformten Joche 41a und 41b sind so aufgebaut, dass die Dicke zu der den Schichtkörpern S20a und S20b in der Schichtungsrichtung (Z-Richtung) der Schichtkörper S20a und S20b gegenüberliegenden Seite hin zunimmt, unter einem Abstand zu den Verbindungsteilen 14a und 14b. Die ersten balkenartig geformten Joche 41a und 41b weisen Vorsprünge 41T auf, welche zu den Schichtkörpern S20a und S20b hin hervorstehen und dicker als die Verbindungsteile 14a und 14b sind. Bei der Anordnung fließt ein Schreibstrom zu den Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6. Wenn das Megnetische Gegenfeld in den magnetischen Jochen 4a und 4b erzeugt wird, kann die höchste und stabilste magnetische Flussdichte in den Verbindungsteilen 14a und 14b erreicht werden.
  • Vorzugsweise ist die Koerzitivkraft der Verbindungsteile 14a und 14b kleiner als die der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b innerhalb des Bereichs von (100/4π) × 103 A/m oder kleiner. Dies geschieht aus den folgenden Gründen. Wenn die Koerzitivkraft (100/4π) × 103 A/m übersteigt, ist es möglich, dass die Schichtkörper S20a und S20b selbst als TMR-Filme schlechtere Eigenschaften durch die aufgrund des erhöhten Schreibstroms erzeugten Hitze erfahren. Wenn die Koerzitivkraft der Verbindungsteile 14a und 14b gleich oder größer ist als die der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b, steigt ferner der Schreibstrom an, die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischem Schichten 2a und 2b als festgelegte magnetische Schichten ändert sich und die Schichtkörper S20a und S20b als Speicherelemente werden zerstört. Um die Strommagnetfelder durch die Schreibbitleitungen 5a und 5b und die Schreibwortleitung 6 auf die magnetischen Joche 4a und 4b zu konzentrieren, ist vorzugsweise die magnetische Permeabilität der magnetischen Joche 4a und 4b höher. Konkret ist die magnetische Permeabilität 2000 oder größer und noch vorteilhafter 6000 oder größer.
  • Jede der Schreibbitleitung 5 und Schreibwortleitung 6 weist eine Struktur auf, in welcher ein Titanfilm (Ti) mit einer Dicke von 10 nm, ein Titannitridfilm (TiN) mit einer Dicke von 10 nm sowie ein Aluminiumfilm (Al) mit einer Dicke von 500 nm nacheinander geschichtet und durch die Isolierfilme 7 elektrisch voneinander isoliert sind. Die Schreibbitleitung 5 und die Schreibwortleitung 6 können aus wenigstens einem der Materialien wie z. B. Aluminium (Al), Kupfer (Cu) und Wolfram (W) hergestellt sein. Eine konkretere Operation des Schreibens von Information in die Speicherzelle 1 mit Hilfe der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 wird später beschrieben.
  • Die Anordnung, welche sich auf den Informationslesebetrieb in der magnetischen Speichervorrichtung 1 aus 1 bezieht, wird nun unter Bezug auf 8 und 9 beschrieben. 8 ist eine Draufsicht der Anordnung eines Hauptteils bezogen auf den Lesebetrieb der Speicherzellengruppe 54 und entspricht der 3. Die 9 zeigt eine Durchschnittsansicht entlang der Linie IX-IX aus 8.
  • Wie in 8 gezeigt ist, ist jede Speicherzelle 1 an jedem der Kreuzungspunkte der Vielzahl von Lesewortleitungen 32 und der Vielzahl von Lesebitleitungen 33 in der XY-Ebene angeordnet. Die Schichtkörper S20a und S20b unter der Oberfläche der Speicherzelle 1 sind mit dem Paar Lesebitleitungen 33a und 33b über die Schottky-Dioden 75a und 75b verbunden und die obere Oberfläche (die den Schichtkörpern S20a und S20b gegenüberliegende Seite) steht in Kontakt mit der Lesewortleitung 32. Die Schreibbitleitungen 33a und 33b versorgen das Paar TMR-Elemente 1a und 1b in jeder Speicherzelle 1 mit einem Lesestrom und die Lesewortleitung 32 leitet den Lesestrom, welcher durch die TMR-Elemente 1a und 1b fließt, an die Masse bzw. Erde. An beiden Enden jeder Lesebitleitung 33, sind Lesebitleitungsführungselektroden 49 bereitgestellt. Auf der anderen Seite sind an beiden Enden jeder Lesewortleitung 32 Lesewortleitungsführungselektroden 48 bereitgestellt.
  • Wie in 9 gezeigt, ist eine magnetische Speichervorrichtung der Ausführungsform so aufgebaut, dass in einer die Speicherzelle 1 aufweisenden Region ein Paar Schichtkörper S20a und S20b und die magnetischen Joche 4a und 4b aufeinander folgend auf dem Substrat 31 gebildet sind, welches mit der Schottky-Diode 45 (im folgenden einfach Diode 75 genannt) ausgestattet ist und als Gleichrichter arbeitet.
  • Das Paar Dioden 75a und 75b weist die leitenden Schichten 36a und 36b, eine Epitaxieschicht 37 und ein Substrat 38 in dieser Reihenfolge von der Seite der Schichtkörper S20a und S20b gesehen auf. Zwischen den leitenden Schichten 36a und 36 und der Epitaxieschicht 37 ist eine Schottky-Barriere gebildet. Die Dioden 75a und 75b weisen keine elektrisch miteinander verbundenen Teile auf, außer zum Verbinden der ringförmigen magnetischen Schicht 4 unter einem Umfassen der Schichtkörper S20a und S20b. Das Substrat 38 ist ein n-Typ Siliziumwafer. Generell ist in dem n-Typ Siliziumwafer eine Phosphor-(P)-Verunreinigung eindiffundiert. Als Substrat 38 wird ein Wafer von einem n++-Typ verwendet, welcher durch eine hohe Dotierung mit Phosphor erhalten wird. Als Epitaxieschicht 37 wird ein n–-Typ Wafer verwendet, welcher durch leichtes Dotieren mit Phosphor erhalten wird. Indem die Epitaxieschicht 37 als n–-Typ Halbleiter und die leitenden Schichten 36a und 36b aus Metall gefertigt werden, so dass diese beiden sich kontaktieren, wird eine Bandlücke erzeugt und eine Schottky-Barriere gebildet. Ferner sind die Dioden 75a und 75b des Paars Dioden mit den Lesebitleitungen 33a bzw. 33b über eine Verbindungsschicht 33T verbunden.
  • Unter Bezug auf 10 wird nun die Schaltkreisanordnung beschrieben, welche sich auf die Leseoperation in der magnetischen Speichervorrichtung der Ausführungsform bezieht.
  • 10 ist ein Konfigurationsdiagramm eines Schaltkreissystems, welches durch die Speicherzellengruppe 54 und einen Lesekreis aufgebaut ist. In dem Lesekreissystem ist die Speicherzelle 1 von einem differentiellen Verstärkertyp, welcher durch das Paar TMR-Elemente 1a und 1b aufgebaut ist. Information in der Speicherzelle 1 wird ausgelesen, indem ein differentieller Wert eines Lesestroms durch die TMR-Elemente 1a und 1b ausgegeben wird (Ströme, welche von den Lesebitleitungen 33a und 33b an die TMR-Elemente 1a und 1b geleitet und an die gemeinsame Lesewortleitung 32 ausgegeben werden).
  • In 10 ist ein Einheit-Lesekreis 80 (..., 80n, 80n+1, ...) als Einheit der Wiederholung des Lesekreises durch die Speicherzellen 1 jeder Bitleitung in der Speicherzellengruppe 54 aufgebaut und ein Teil des Lesekreises mit dem Leseverstärkerkreis 56B sowie die Einheit-Lesekreise 80n sind in der Richtung der Bitleitung angeordnet. Jeder der Einheit-Lesekreise 80n ist mit dem Adressdecoderkreis 56A in Y-Richtung über die Bitdecoderleitung 71 (..., 71n, 71n+1, ...) verbunden und mit dem Ausgabepuffer 52B über den Lesedatenbus 62 in Y-Richtung verbunden.
  • In der Speicherzellengruppe 54 sind die Lesewortleitungen 32 (..., 32m, 32m+1, ...), welche in der X-Richtung angeordnet sind und das Paar Lesebit leitungen 33a und 33b, welche in der Y-Richtung angeordnet sind, in einer Matrixform angeordnet. Jede der Speicherzellen 1 ist an einer Position angeordnet, welche die Lesewortleitung 32 in einer Region kreuzt, welche zwischen dem Paar Lesebitleitungen 33a und 33b liegt. Ein Ende eines jeden der TMR-Elemente 1a und 1b in jeder Speicherzelle 1 ist mit den Lesebitleitungen 33a und 33b über das Paar Dioden 75a bzw. 75b verbunden und die andere Enden sind mit der gemeinsamen Lesewortleitung 32 verbunden.
  • Ein Ende jeder Lesewortleitung 32 ist mit einem Leseschalter 83 (..., 83m , 83m+1 , ...) über die Lesewortleitungsführungselektrode 48 verbunden und auch mit einem gemeinsamen Konstantstromkreis 58B verbunden. Jeder Leseschalter 83 ist mit dem Adressdecoderkreis 58A in X-Richtung über die Wortdecoderleitung 72 (.., 72m , 72m+1 , ...) verbunden. Der Leseschalter 83 wird leitend gemacht, wenn ein Auswahlsignal von dem Adressdecoderkreis 58A in X-Richtung bereitgestellt wird. Der Konstantstromkreis 58B hat die Funktion, den in der Lesewortleitung 32 fließenden Strom konstant zu machen.
  • Ein Ende jeder Lesebitleitung 33 ist mit dem Leseverstärkerkreis 56B über die Lesebitleitungsführungselektrode 49 verbunden und das andere Ende ist letztlich geerdet. Ein Leseverstärkerkreis 56B ist für jeden Einheit-Lesekreis 80 bereitgestellt und besitzt eine Funktion zum Empfangen der Potentialdifferenz zwischen dem Paar Lesebitleitungen 33a und 33b in jedem Einheit-Lesekreis 80 und zum Verstärken der Potentialdifferenz. Der Leseverstärkerkreis 56B ist mit der Ausgabeleitung 82 (..., 82n, 82n+1, ...) verbunden und letztlich mit dem Ausgabepuffer 52B über den Lesedatenbus 62 in Y-Richtung verbunden.
  • Die Operation bzw. der Betrieb in der magnetischen Speichervorrichtung der Ausführungsform wird nun beschrieben.
  • Zunächst wird unter Bezug auf 2 und die 11A und 11B das Verfahren zum Schreiben von Information in die Speicherzelle 1 beschrieben. Die 1A und 1B stellen das Verhältnis zwischen der Schreibstromrichtung und der Richtung des magnetischen Gegenfeldes (Magnetisierungsrichtung) in der gegliederten Anordnung der Speicherzelle 1 aus 6 dar. Die Pfeile in den magnetischen Schichten in den 11A und 11B zeigen die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Schichten. Bezogen auf die magnetischen Joche 4a und 4b sind überdies die magnetischen Feldrichtungen eines innen gebildeten magnetischen Weges gezeigt. Die Magnetisierung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b ist in der –X-Richtung festgehalten bzw. fixiert. Die 11A und 11B zeigen den Fall, in welchem ein Schreibstrom in der gleichen Richtung zu der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 fließt, welche sich in der Speicherzelle 1 erstrecken und parallel zueinander sind. 11A entspricht der Schreibstromrichtung aus 2. 11A zeigt einen Fall, in welchem ein Schreibstrom von dieser Seite in die Tiefe in die senkrechte Richtung zur Zeichenebene (in die +Y-Richtung) in das TMR-Element 1 fließt, ein Magnetisches Gegenfeld 16a in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem magnetischen Joch 4a, welches die Schreibbitleitung 5a und die Schreibwortleitung 6 umgibt, erzeugt wird, ein Schreibstrom von der Tiefe in diese Seite in die senkrechte Richtung zur Zeichenebene (in die –Y-Richtung) in das TMR-Element 1b fließt und das Magnetische Gegenfeld 16b in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem die Schreibbitleitung 5b und die Schreibwortleitung 6 umgebenden magnetischen Joch 4b erzeugt wird. In diesem Fall ist die Magnetisierungsrichtung des Verbindungsteils 14a und der zweiten magnetischen Schicht 8a die –X-Richtung und die Magnetisierungsrichtung des Verbindungsteils 14b und der zweiten magnetischen Schicht 8b ist die +X-Richtung. 1B entspricht dem Fall, in welchem die Richtungen des in der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 fließenden Stromes denen aus 11A entgegengesetzt sind. Insbesondere zeigt 11B einen Fall, in welchem ein Schreibstrom von der Tiefe in diese Seite in der senkrechten Richtung zur Zeichenebene (in die –Y-Richtung) in das TMR-Element 1a fließt, das Magnetische Gegenfeld 16a in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem die Schreibbitleitung 5a und. die Schreibwortleitung 6 umgebenden magnetischen Joch 4a erzeugt wird, ein Schreibstrom von dieser Seite in die Tiefe in die senkrechte Richtung zur Zeichenebene (in die +Y-Richtung) in das TMR-Element 1b fließt und das Gegenmagnetfeld bzw. magnetische Gegenfeld 16b in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem die Schreibbitleitung 5b und die Schreibwortleitung 6 umgebenden magnetischen Joch 4b erzeugt wird. In diesem Fall ist die Magnetisierungsrichtung des Verbindungsteils 14a und der magnetischen Schicht 8a die +X-Richtung und die Magnetisierungsrichtung des Verbindungsteils 14b und der zweiten magnetischen Schicht ist die –X-Richtung.
  • In den Fällen aus den 11A und 11B sind die Stromrichtungen der Schreibbitleitung 5a und der Schreibwortleitung 6, welche das TMR-Element 1a durchfließen, und die der Schreibbitleitung 5b und der Schreibwortlei tung 6, welche das TMR-Element 1b durchfließen, zueinander entgegengesetzt. Folglich können die Richtungen der Magnetischen Gegenfelder 16a und 16, welche in dem säulenförmigen Joch 422 (vgl. 6), welches dem gemeinsamen Teil 34 der magnetischen Joche 4a und 4b entspricht, gleich gemacht werden (die –Z-Richtung aus 11A und die +Z-Richtung in 11B).
  • Wie aus den 11A und 11B deutlich wird, verändern sich entsprechend den Richtungen der magnetischen Gegenfelder 16a und 16, welches durch die in der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6, welche die magnetischen Joche 4a und 4b durchdringen, fließenden Ströme, die Magnetisierungsrichtungen des Verbindungsteils 14a und der zweiten magnetischen Schicht 8a und die des Verbindungsteils 14b und der zweiten magnetischen Schicht 8b so, dass sie entgegengesetzt zueinander sind. Durch Ausnutzen dieses Effekts kann Information in der Speicherzelle 1 gespeichert werden.
  • Kurzum, wenn Strom in den Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 in der gleichen Richtung fließt, werden die Magnetisierungsrichtungen der magnetischen Joche 4a und 4b invertiert und der Invertierung zufolge ändern sich die Magnetisierungsrichtungen der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b, wodurch eine binäre Information "0" oder "1" gespeichert werden kann. In dem Fall, in welchem "0" beispielsweise dem Zustand aus 11A entspricht, also insbesondere in dem Zustand, in welchem der Verbindungsteil 14a und die zweite magnetische Schicht 8a in die –X-Richtung magnetisiert sind und der andere Verbindungsteil 14a und die zweite magnetische Schicht 8b in die +X-Richtung magnetisiert sind, entspricht "1" dem Zustand aus 1B, also insbesondere dem Zustand, in welchem der Verbindungsteil 14a und die zweite magnetische Schicht 8a in die +X-Richtung magnetisiert sind und der andere Verbindungsteil 14b und die zweite magnetische Schicht 8b in die –X-Richtung magnetisiert sind. Auf diese Weise kann Information gespeichert werden.
  • In diesem Fall wird in den TMR-Elementen 1a und 1b, wenn die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b und die der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b parallel sind, ein Zustand mit niedrigem Widerstand erreicht, in welchem ein hoher Tunnelstrom fließt. Wenn sie antiparallel zueinander sind, wird ein Zustand mit hohem Widerstand erhalten, in welchem lediglich ein kleiner Tunnelstrom fließt. Das heißt, eines der TMR-Elemente 1a und 1b des Paares ist immer in dem Zu stand mit niedrigem Widerstand und das andere ist in dem Zustand mit hohem Widerstand, wodurch Information gespeichert wird. In dem Fall, in welchem die Schreibströme in der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 in die entgegengesetzten Richtungen fließen, oder in dem Fall, in welchem der Schreibstrom nur in der Schreibbitleitung 5 oder der Schreibwortleitung 6 fließt, wird die Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht 8 nicht invertiert und die Daten werden nicht wieder beschrieben bzw. nicht neu geschrieben.
  • In der Speicherzelle 1 in der magnetischen Speichervorrichtung der Ausführungsform mit der oben beschriebenen Konfiguration werden, indem die Ströme in der gleichen Richtung an die Schreibbitleitung 5 und die Schreibwortleitung 6 weitergeleitet werden, die Richtung des Strommagnetfeldes, welches durch die Schreibbitleitung 5 erzeugt wurde, sowie die des Stommagnetfelds, welches durch die Schreibwortleitung 6 erzeugt wurde, in dem magnetischen Joch gleich, so dass ein synthetisches bzw. künstliches magnetisches Feld erzeugbar ist. Folglich kann gegenüber einem Fall, in welchem das magnetische Joch 4 nicht bereitgestellt ist und einem Fall, in dem die Schreibbitleitung 5 und die Schreibwortleitung 6 sich einander senkrecht schneiden, eine höhere magnetische Flussdichte erhalten werden. So kann das Strommagnetfeld effizienter genutzt werden und der zum Umkehren der Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht nötige Strom kann reduziert werden.
  • Ferner werden durch ein Bereitstellen der zweiten magnetischen Schicht 8 zwischen der Tunnelbarriereschicht 3 und dem Verbindungsteil 14 des magnetischen Jochs 4 die folgenden Vorteile erhalten. Eine Austauschkopplung zwischen dem Verbindungsteil 14 und der zweiten magnetischen Schicht 8 ist möglich und die Magnetisierungsrichtung in der zweiten magnetischen Schicht 8 kann noch besser ausgerichtet werden, so dass ein stabileres Beschreiben durchführbar ist. Ferner kann die Koerzitivkraft in dem Verbindungsteil 14 weiter unterdrückt werden, so dass die Menge einer Hitzeerzeugung verringert werden kann, indem der Stromwert in der Schreibinformation reduziert wird und die Funktionen der magnetischen Speichervorrichtung können sich voll entfalten.
  • In der magnetischen Speichervorrichtung der Ausführungsform wie oben beschreiben kann durch einen Stromfluss zu der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 ein geschlossener magnetischer Pfad bzw. Weg gebildet werden. Folglich kann eine Umkehrung der Magnetisierung in den magnetischen Jochen 4a und 4b in den TMR-Elementen 1a und 1b effizient ausgeführt werden und ein magnetischer Einfluss auf Speicherzellen, welche an der Speicherzelle 1 anliegen, die beschrieben wird, kann reduziert werden. Ferner können durch den abschirmenden Effekt der magnetischen Joche 4a und 4b anliegende Speicherzellen auf dem Substrat in engeren Abständen angeordnet werden. Somit ist sie vorteilhaft zum Realisieren einer höheren Integration und einer höheren Packungsdichte der magnetischen Speichervorrichtung.
  • In der Ausführungsform ist der Aufbau derart, dass der zur umlaufenden Richtung des Paars magnetischer Joche 4a und 4b orthogonale Durchschnittsbereich in den Verbindungsteilen 14a und 14b am kleinsten ist, welche den Schichtkörpern S20a und S20b gegenüberliegen. Folglich kann die magnetische Flussdichte des Magnetischen Gegenfelds 16a und 16b, welches durch ein Leiten des Schreibstromes an die Schreibbitleitungen 5a und 5b und die Schreibwortleitung 6 erzeugt wurde, am höchsten in den Verbindungsteilen 14a und 14b gemacht und stabilisiert werden. So kann die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b selbst bei einem geringeren Schreibstrom effizient umgekehrt werden und eine stabile Schreiboperation ist durchführbar. Unter Bezug auf 1, 10, 12A und 12B wird im folgenden die Leseoperation in der magnetischen Speichervorrichtung der Ausführungsform beschrieben.
  • Zuerst wird eine der Bitdecodierleitungen 71 durch den Adressedecoderkreis 56A in dem ersten Antriebssteuerkreisteil 56 ausgewählt und ein Steuersignal an den entsprechenden Leseverstärkerkreis 565 gesendet. Folglich fließt ein Lesestrom in den Lesebitleitungen 33a und 33b und die Seiten der Schichtkörper S20a und S20b in den TMR-Elementen 1a und 1b werden mit dem positiven Potential beaufschlagt. Auf ähnliche Weise wird durch den Adressdecoderkreis 58A in X-Richtung in dem zweiten Antriebssteuerkreisteil 58 eine der Wortdecodierleitungen 72 ausgewählt und der Leseschalter 83 in dem entsprechenden Teil wird angesteuert. Der ausgewählte Leseschalter 83 wird leitend gemacht, ein Lesestrom fließt in der entsprechenden Lesewortleitung 32 und ein negatives Potential wird auf die den Schichtkörpern S20a und S20b gegenüberliegende Seite beaufschlagt. Folglich kann ein zum Lesen notwendiger Lesestrom an eine Speicherzelle 1 geleitet werden, welche durch den Adressdecoderkreis 56A in Y-Richtung und den Adressdecoderkreis 58A in X-Richtung ausgewählt wurde. Aufgrund des Lese stroms werden die Magnetisierungsrichtungen des Paars der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b detektiert, wodurch es ermöglicht wird, zu lesende Information zu speichern.
  • Die 12A und 12B sind Schaltkreisdiagramme, welche jeweils einen Abschnitt um die Speicherzelle 1 herum zeigen. Die Magnetisierungsrichtungen der ersten magnetischen Schichten 12a und 12b in den Schichtkörpern S20a und S20b sind durch nicht ausgefüllte Pfeile angezeigt und die der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b sind durch ausgefüllte Pfeile angezeigt. Beide Magnetisierungsrichtungen der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b sind in die linken Richtungen festgehalten bzw. fixiert. In 12A sind die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht 2a und die in der zweiten magnetischen Schicht 2b in dem Schichtkörper S20a parallel und die Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht 2b und die der zweiten magnetischen Schicht 2b in dem anderen Schichtkörper S20b sind antiparallel zueinander. In diesem Fall ist der Schichtkörper S20a in dem Zustand mit niedrigem Widerstand und der Schichtkörper S20b ist in dem Zustand mit hohem Widerstand. Dieser Fall entspricht beispielsweise "0". In dem anderen Fall aus 12B ist entgegen dem Fall aus 12A der Schichtkörper S20a in dem Zustand mit hohem Widerstand und der Schichtkörper S20b in dem Zustand mit niedrigem Widerstand. Dies entspricht beispielsweise "1". Derartige binäre Information kann erhalten werden, indem die Tatsache ausgenutzt wird, dass die Widerstandswerte der Schichtkörper S20a und S20b voneinander verschieden sind und der Unterschied zwischen den Stromwerten detektiert wird.
  • Ein Verfahren zum Herstellen der magnetischen Speicherzelle der Ausführungsform mit der oben beschriebenen Konfiguration und ein Verfahren zum Herstellen der magnetischen Speichervorrichtung werden im folgenden beschrieben.
  • Ein Verfahren zum Herstellen insbesondere der Speicherzelle in der magnetischen Speichervorrichtung wird im folgenden unter Bezug auf 13 bis 29 konkret beschrieben. Die 13 bis 29 sind Durchschnittsansichten, welche der 9 entsprechen und zeigen schrittweise die Herstellungsschritte.
  • In dem ersten Schritt wird ein erste balkenartig geformtes Joch 41 auf dem Substrat 31 durch die Schichtkörper S20a und S20b gebildet.
  • Zunächst wird das Substrat 31 vorbereitet, in welchem die Dioden 75a und 75b eingegraben bzw. bedeckt sind und auf dem die Schichtkörper S20a und S20b sowie der Isolierfilm 17A, welcher die Schichtkörper S20a und S20b umgibt, gebildet sind. In den der 13 nachfolgenden 14 bis 29 werden Details des Substrats 31 weggelassen. Dann wird, wie in 14 gezeigt, ein Graben bzw. ein Trench 17H selektiv in einem Isolierfilm 17A gebildet. Wie in 15A gezeigt, wird ein Muster aus Resist-Material bzw. ein Fotolackmuster 30A in einer festgelegten Form auf dem Isolierfilm 17A gebildet und ein Plattierungsfilm 41S aus NiFe oder ähnlichem wird beispielsweise durch Sputtern auf dem Isolierfilm 17A und den Schichtkörpern S20a und S20b in der nicht mit dem Fotolackmuster 30a bedeckten Region gebildet. Die Dicke des Plattierungsfilms 41S beträgt z. B. 20 nm. Danach wird das Ergebnis in einem Plattierungsbad oder einem galvanischen Bad getränkt und ein Plattierungsvorgang oder ein galvanischer Vorgang mit dem Plattierungsfilm 41S als Elektrode wird durchgeführt, wodurch ein Vorläufer einer magnetischen Schicht 41AZ gebildet wird. Generell wird ein derartiges Dünnfilmmusterverfahren „frame plating method" (Rahmenplattierungsverfahren) genannt. 15B entspricht 15A und ist ein Grundriss, welcher den Zustand zeigt, in dem der Vorläufer der magnetischen Schicht 41AZ gebildet wird. Insbesondere entspricht ein Querschnitt entlang der Linie XV(A)-XV(A) aus 15B der 15A. Nach dem Bilden des Vorläufers der magnetischen Schicht 41AZ wird der Vorläufer der magnetischen Schicht 41AZ, wie in den 16A und 16B gezeigt, entsprechend den Schichtkörpern S20a und S20b selektiv geätzt, wie in den 16A und 16B gezeigt, wodurch eine magnetische Schicht 41A (411A, 412A und 413A) mit abgeschrägten Flächen 41AK gebildet wird. Auf diese Weise wird das erste magnetische Joch 41, welches in der Schichtungsrichtung (Z-Richtung) der Schichtkörper S20a und S20b in den den Schichtkörpern S20a und S20b entsprechenden Teilen verjüngt und ist auch in der Richtung (Y-Richtung), in welcher die Schreibbitleitungen 5a und 5b sowie die Schreibwortleitung 6 in dem folgenden Verfahrensschritt sich erstrecken, fertig gestellt.
  • In dem folgenden zweiten Verfahren werden auf dem ersten balkenartig geformten Joch 41 drei Grund-säulenförmige Joche 42B (421B, 422B und 423B) und die Schreibwortleitung 6 auf dem ersten balkenartig geformten Joch 41 gebildet.
  • In dem zweiten Verfahren werden zunächst, wie in 17 gezeigt, die drei Grund-säulenförmig gebildeten Joche 42B aus Ni0,8Fe0,2 auf den magnetischen Schichten 411A, 412A und 413A beispielsweise durch das Frame-Plating-Verfahren gebildet. Danach wird die Schreibwortleitung über den Isolierfilm 7A zwischen den drei Grund-säulenförmig ausgebildeten Jochen 42B gebildet. Zuerst wird, wie in 18 gezeigt, der Isolierfilm 7A aus Al2O3 oder ähnlichem gebildet, so dass er alles bedeckt, was beispielsweise durch ein CVD-Gerät bewirkt wird. Als Nächstes wird, wie in 19 gezeigt, ein Plattierungsfilm 6S aus Kupfer oder ähnlichem so gebildet, dass er den Isolierfilm 7A bedeckt, was durch Sputtern oder ähnliches erreicht wird. Danach wird ein Fotolackmuster 30B selektiv gebildet, so dass die Regionen zwischen den Grund-säulenförmig ausgebildeten Jochen 42B, wie in 20 gezeigt, frei bleiben und dann wird eine Metallschicht 6Z so gebildet, dass sie wenigstens die Regionen zwischen den Grund-säulenförmigen Joche 42B bedeckt, wie in 21 gezeigt. In diesem Fall wird, durch ein Tränken des Ergebnisses in einem Plattierungsbad bzw. einem galvanischen Bad und dem Durchführen eines Plattierungs- oder galvanischen Prozesses mit dem Plattierungsfilm 6S als Elektrode die Metallschicht 6Z aus Kupfer gebildet. Danach wird das Fotolackmuster 30B abgezogen und der freigelegte Plattierungsfilm 6S wird entfernt, beispielsweise durch ein Abfräsen oder ähnliches. Ein Isolierfilm 17B aus Al2O3 oder ähnlichem wird so gebildet, dass er alles bedeckt, indem er beispielsweise, wie in 22 gezeigt, gesputtert wird, danach wird die gesamte Oberfläche auf eine festgelegte Dicke poliert und beispielsweise durch die Verwendung eines CMP-Geräts planarisiert. Auf diese Weise werden die Schreibwortleitungen 6 gebildet.
  • In dem folgenden dritten Prozess wird ein Isolierfilm 7B so gebildet, dass er die obere Fläche der Schreibwortleitung 6 bedeckt und die Peripherie der Schreibwortleitung 6 in einem Zusammenwirken mit dem Isolierfilm 7A umgibt. Konkret wird, wie in 24 gezeigt, ein Fotolackmuster 30C selektiv in Regionen außer der Region, in welcher die Schreibwortleitung 6, der Plattierungsfilm 6S und der Isolierfilm 7A in der Oberfläche freigelegt sind, gebildet. Danach wird das Fotolackmuster 30C als Maske verwendet und ein Sputtern wird durchgeführt, wobei der Isolierfilm 7B aus beispielsweise Al2O3, wie in 25 gezeigt, gebildet wird. Ferner erscheint durch ein Entfernen des Fotolackmusters 30C der Isolierfilm 7B, welcher die Schreibwortleitung 6, den Plattierungsfilm 6S und den Isolierfilm 7A bedeckt. Durch Bilden einer Hohlkehle bzw. durch Unterätzen in einem tieferen Teil der Planfläche des Fotolackmusters 30C kann das Fotolackmuster 30C einfach abgezogen werden.
  • In einem vierten Prozess werden drei obere säulenförmige Joche 42U (421U, 422U und 423U) aus Ni0,8Fe0,2 auf den drei Grund-säulenförmigen Jochen 42B (421B, 422B und 423B) gebildet, indem das Frame-Plating-Verfahren verwendet ward. In einem fünften Prozess werden die Schreibbitleitungen 5 (5a und 5b) über den Isolierfilm 7C zwischen den oberen säulenförmigen Jochen 42U gebildet. Die Schreibbitleitungen 5 können durch ein Wiederholen eines Vorgangs ähnlich dem zum Bilden der Schreibwortleitungen 6 aus 18 bis 25 gebildet werden. Ferner wird in einem sechsten Prozess ein Isolierfilm 7D so gebildet, dass er die obere Fläche der Schreibbitleitung 5 bedeckt und die Peripherie der Schreibbitleitung 5 in Zusammenarbeit mit dem Isolierfilm 7C umgibt. Im folgenden werden unter Bezug auf 26 der fünfte und der sechste Prozess konkret beschrieben.
  • Nach dem Bilden des oberen säulenförmigen Jochs 42U in dem vierten Prozess wird das Fotolackmuster für den Plattierungsprozess abgezogen und der freigelegte Plattierungsfilm wird durch Fräsen oder ähnliches entfernt. In dem folgenden fünften Prozess wird der Isolierfilm 7C aus Al2O3 oder ähnlichem so gebildet, dass er alles bedeckt, wofür beispielsweise ein CVD-Gerät verwendet wird. Danach wird der Plattierungsfilm 5S aus beispielsweise Kupfer so gebildet, dass er den Isolierfilm 7C bedeckt, wofür ein Sputtern oder ähnliches verwendet wird. Ein Fotolackmuster (nicht gezeigt) wird selektiv gebildet, so dass die Regionen zwischen den oberen säulenförmigen Jochen 42U frei bleiben. Ferner werden die Schreibbitleitungen 5 so gebildet, dass sie zumindest die Regionen zwischen den oberen säulenförmigen Jochen 42U bedecken. In diesem Fall wird das Ergebnis in einem Plattierungsbad bzw. galvanischem Bad getränkt und ein Plattierungsprozess mit dem Plattierungsfilm 5S als Elektrode wird durchgeführt, wobei die Schreibbitleitung 5 aus Kupfer gebildet wird. Nach dem Bilden der Schreibbitleitung 5 wird das Fotolackmuster abgezogen und der Plattierungsfilm 5S wird durch ein Fräsen oder ähnliches entfernt. Ferner wird ein Isolierfilm 17D aus beispielsweise Al2O3 gebildet, so dass er alles bedeckt, wofür ein Sputtern oder ähnliches durchgeführt wird. Danach wird die gesamte Oberfläche auf eine festgelegte Dicke poliert, so dass sie planarisiert wird, wozu beispielsweise ein CMP-(Chemical Mechanical Polishing, chemisch-mechanisches Polieren)-Gerät verwendet wird. Im folgenden sechsten Prozess wird ein Fotolackmuster (nicht gezeigt) selektiv in Regionen außerhalb der Regi on, in welcher die Schreibbitleitung 5, der Plattierungsfilm 5S und der Isolierfilm 7C in der Oberfläche freiliegen, gebildet. Das Fotolackmuster wird als Maske verwendet und ein Sputtern wird durchgeführt, wodurch der Isolierfilm 7D aus beispielsweise Al2O3 gebildet wird. Indem das Fotolackmuster entfernt wird, erscheinen der Isolierfilm 7D, welcher die Schreibbitleitung 5 bedeckt, der Plattierungsfilm 5S sowie der Isolierfilm 7C.
  • In dem folgenden siebten Prozess werden durch das Bereitstellen des zweiten balkenartig geformten Joches 43 zum Bedecken des oberen säulenförmigen Joches 42U und des Isolierfilms 7D die Bildung des magnetischen Jochs 4, welches aus dem ersten balkenartig geformten Joch 41, den säulenförmigen Jochen 421 bis 423 (Grund- und obere säulenförmigen Joche 42B und 42U) und das zweite balkenartig geformte Joch 43 aufgebaut ist, abgeschlossen. Konkret wird zunächst, wie in 27 gezeigt, der Plattierungsfilm 43S so gebildet, dass alles bedeckt wird, wobei ein Sputtern oder ähnliches zu Hilfe genommen wird. Als Nächstes wird, wie in 28 gezeigt, ein Fotolackmuster 30D selektiv auf dem Plattierungsfilm 43S gebildet, mit Ausnahme der Region, welche dem Bildungsgebiet des ersten balkenartigen Jochs 41 entspricht. Das Fotolackmuster 30D wird als Maske verwendet und ein Galvanisierungsprozess bzw. Plattierungsprozess unter Zuhilfenahme des Plattierungsfilmes 43S wird durchgeführt, wodurch das zweite balkenartig geformte Joch 43 aus beispielsweise Ni0,8Fe0,2 gebildet wird. Nach dem Bilden des zweiten balkenartig geformten Joches 43 wird das Fotolackmuster 30B abgezogen und der freiliegende Plattierungsfilm 43S beispielsweise durch Abfräsen entfernt. Folglich wird ein Isolierfilm 17F aus Al2O3 oder ähnlichem auf der gesamten Oberfläche gebildet. Wie in 29 gezeigt, ist die gesamte Oberfläche bis auf eine festgelegte Dicke poliert, indem beispielsweise ein CMP-Gerät verwendet und eine Planarisierung durchgeführt wird. Die Bildung des magnetischen Jochs wird fertig gestellt und die Speicherzelle 1 ist fertig gestellt. Folglich wird die Lesewortleitung 32 mit einer gewünschten Breite gebildet, so dass sie elektrisch mit dem zweiten balkenartig geformten Joch 43 verbunden ist.
  • Danach werden die Schreibwortleitungsführungselektroden 46 an beiden Enden der Schreibwortleitung 6 gebildet, die Schreibbitleitungsführungselektroden 47 werden an beiden Enden der Schreibbitleitung 5 gebildet, die Schreibwortleitungsführungselektroden 48 werden an beiden Enden der Lesewortleltung 32 gebildet und die Lesebitleitungsführungselektroden 49 werden ferner an beiden Enden der Lesebitleitung 33 gebildet.
  • Auf diese Weise wird die Bildung der Speicherzellengruppe 54 mit den Speicherzellen 1 fertig gestellt.
  • Folglich wird durch das Ausführen eines Prozesses zum Bilden einer Schutzschicht aus Siliziumoxid (SiO2), Al2O3 oder ähnlichem durch ein Sputtergerät, ein CVD-Gerät oder ähnlichem und einen Prozess zum Polieren der Schutzschicht zum Freilegen der Führungselektroden 46 bis 49 die Herstellung der magnetischen Speichervorrichtung fertig gestellt.
  • Wie oben beschrieben, werden in dieser Ausführungsform die Grund- und oberen säulenförmigen Joche 42 und die zweiten balkenartig geformten Joche 43 in dem magnetischen Joch 4, die Schreibbitleitung 5 und Schreibwortleitung 6 durch Plattieren bzw. Galvanisieren gebildet. Sie können auch durch eine Kombination aus einem Trockenfilmbildungsverfahren („dry film forming method") wie z. B. Sputtern mit einem Verfahren zum Trockenformen („dry patterning"), wie z. B. Fräsen, reaktives Ionenätzen oder ähnliches gebildet werden. Jedoch ist der Fall des Formens durch Plattieren im Vergleich zu dem Fall, in welchem sie mit Hilfe eines Trockenverfahrens wie z. B. Sputtern gebildet werden, vorzuziehen, da der Randwinkel einfacher erhöht werden kann und das Joch 4, die Schreibbitleitung 5 sowie die Schreibwortleitung 6 mit hoher Präzision und mit ausreichender Dicke hergestellt werden können.
  • Modifikationen
  • Unter Bezug auf die 30A bis 32B werden im folgenden drei Veränderungen, Abwandlungen oder Modifikationen, im Folgenden Modifikationen, der Ausführungsform beschrieben. Speicherzellen als Modifikationen, welche in den 30A bis 32B gezeigt werden, weisen magnetische Joche 4V1 bis 4V3 mit Formen auf, welche sich von denen der magnetischen Joche 4 in der Speicherzelle 1 aus den 4 bis 6 unterscheiden, und werden nacheinander beschrieben.
  • Erste Modifikation
  • Die 30A und 30B zeigen die Konfiguration einer Speicherzelle 1V1 als erste Modifikation bzw. Veränderung der Ausführungsform. 30A zeigt die Konfiguration einer XY-Ebene parallel zu der Schichtfläche der Schicht körper S20a und S20b. 30B ist eine Durchschnittsansicht entlang der Linie XXX(B)-XXX(B) aus 30A. Wie oben beschrieben, sind in der Ausführungsform die ersten balkenartig geformten Joche 41A und 41B in den magnetischen Jochen 4a und 4b so aufgebaut, dass die Breite in der Ausbreitungsrichtung (Y-Richtung) der Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 in den Verbindungsteilen 14a und 14b am kleinsten wird und die Breite der Schichtrichtung (Z-Richtung) der Schichtkörper S20a und S20b in den Verbindungsteilen 14a und 14b, d. h. die Dicke, in den Verbindungsteilen 14a und 14b am kleinsten wird. Im Gegensatz zu der Speicherzelle 1V1 der Modifikation ist das magnetische Joch 4V1 so aufgebaut, dass die Dicke des ersten balkenartig geformten Jochs 41 gleichmäßig wird und die Breite W14 in der Y-Richtung der Verbindungsteile 14a und 14b schmaler wird als die Breite W1 des angrenzenden Teils.
  • Zweite Modifikation
  • Die 31A und 31B zeigen die Konfiguration einer Speicherzelle 1V2 als zweite Modifikation der Ausführungsform. Die 31A zeigt die Konfiguration einer XY-Ebene parallel zu der Schichtfläche der Schichtkörper S20a und S20b. 31B ist eine Durchschnittsansicht entlang der Linie XXXI(B)-XXXI(B) aus 31A. In der Speicherzelle 1V1 der ersten Modifikation ist die Dicke des ersten balkenartig geformten Joches 41V1 gleichmäßig hergestellt und die Breite in der Y-Richtung der Verbindungsteile 14a und 14b ist schmaler gemacht als die angrenzenden Teile. Es ist auch möglich, die Breite W1 in der Y-Richtung eines ersten balkenartig geformten Jochs 41V2 gleichmäßig zu machen und die Dicke T14 der Verbindungsteile 14a und 14b kleiner als die angrenzenden Teile herzustellen. Konkret ist die Speicherzelle 1V2 so aufgebaut, dass die Dicke T41 nur durch die Dicke Ti größer als die Dicke T14 der Verbindungsteile 14a und 14b ist, indem das erste balkenartig geformte Joch 41V2 so hergestellt wird, dass der Vorsprung 41T gegenüber den Schichtkörpern S20a und S20b nur durch die Höhe Ti erreicht wird.
  • Dritte Modifikation
  • Die 32A und 32B zeigen die Konfiguration einer Speicherzelle 1V3 als dritte Modifikation der Ausführungsform. 32A zeigt die Konfiguration einer XY-Ebene parallel zu der Schichtfläche der Schichtkörper S20a und S20b. 32B ist eine Durchschnittsansicht entlang der Linie XXXII(B)- XXXII(B) aus 32A. In der Speicherzelle 1V2 der zweiten Modifikation ist der Vorsprung 41T gegenüber den Schichtkörpern S20a und S20b bereitgestellt. Alternativ kann, wie eine Speicherzelle 1V3 aus den 32A und 32B, ein erstes balkenartig geformtes Joch 41V3 abgeschrägte Flächen 41AK auf beiden Seiten der Verbindungsteile 14a und 14b aufweisen und die Dicke nimmt zu den den Schichtkörpern S20a und S20b gegenüberliegenden Seiten in der Schichtrichtung (Z-Richtung) der Schichtkörper S20a und S20b entfernt von den Verbindungsteilen 14a und 14b zu. Ebenfalls in der Konfiguration bzw. Anordnung, kann die Dicke T14 der Verbindungsteile 14a und 14b kleiner gemacht werden als die Dicke T41 des an die Verbindungsteile 14a und 14b in dem an den ersten balkenartig geformten Joch 41V3 angrenzenden Teil werden.
  • Ebenfalls in den Speicherzellen 1V1 bis 1V3 als erste bis dritte Modifikation kann der Durchschnittsbereich orthogonal zu der umlaufenden Richtung um die Schreibbitleitungen 5a und 5b und die Schreibwortleitung 6 am kleinsten in den Verbindungsteilen 14a und 14b gemacht werden, so dass die höchste magnetische Flussdichte in den Verbindungsteilen 14a und 14b erreichbar ist. Somit kann die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b durch sogar noch kleinere Schreibströme effizient invertiert werden und eine stabile Schreiboperation ist durchführbar.
  • Zweite Ausführungsform
  • Eine magnetische Speicherzelle einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezug auf die 33A und 34B beschrieben.
  • 33A und 33B zeigen einen Durchschnittsgrundriss einer Speicherzelle 121 in einer magnetischen Speichereinheit der zweiten Ausführungsform, welche der Speicherzelle 1 aus 5 der ersten Ausführungsform entspricht. In den 33A und 33B sind die gleichen Bezugszeichen im Wesentlichen gleichen Komponenten wie in den 6 und 7 zugeordnet.
  • Im folgenden werden im Hinblick auf die Konfiguration der magnetischen Speichervorrichtung der zweiten Ausführungsform und einem Verfahren zum Herstellen der magnetischen Speichervorrichtung die unterschiedlichen Punkte von der ersten Ausführungsform hauptsächlich beschrieben und die weiteren Beschreibungen werden auf angemessene Weise ausgelassen.
  • In der Speicherzelle 1 der ersten Ausführungsform weisen die TMR-Elemente 1a und 1b des Paars TMR-Elemente folgendes auf: die magnetischen Joche 4a und 4b, welche so aufgebaut sind, dass sie die gesamte Peripherie der Schreibbitleitungen 5a und 5b bzw. der Schreibwortleitung 6 umgeben; und die Schichtkörper S20a und S20b mit den zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b als magnetosensitive Schicht, deren Magnetisierungsrichtung sich entsprechend einem externen magnetischen Feld verändert, welche magnetisch mit den magnetischen Jochen 4a und 4b gekoppelt ist und so aufgebaut ist, dass ein Strom in der Richtung senkrecht zu der Schichtfläche fließt. Die magnetischen Joche 4a und 4b weisen einen gemeinsamen Teil auf. Im Gegensatz dazu dienen in der magnetischen Speicherzelle 121 der zweiten Ausführungsform, wie in den 33A und 33B gezeigt, die Verbindungsteile 84a und 84b als Teil des magnetischen Jochs 4 auch als magnetosensitive Schichten in den Schichtkörpern S21a und S21b.
  • Insbesondere arbeiten in dem TMR 121a und TMR 121b die Verbindungsteile 84a und 84b als Teil der magnetischen Joche 4a und 4b auch als magnetosensitive Schicht in den Schichtkörpern S21a und S21b. Deshalb können die zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b für die TMR-Elemente 1a und 1b ausgelassen werden bzw. entfallen. Die Speicherzelle 121 kann eine einfachere Konfiguration als die Speicherzelle 1 aufweisen.
  • In diesem Fall ist es vorzuziehen, dass die Achsen der einfachen Magnetisierung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b und der Verbindungsteile 84a und 84b parallel zueinander sind, so dass die Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schichten 2a und 2b und die der gekoppelten Teile 84a und 84b stabilisiert sind, um parallel oder antiparallel zueinander zu sein. Die Dicke in der Schnittrichtung in den Verbindungsteilen 84a und 84b der magnetischen Joche 4a und 4b ist beispielsweise 20 nm. Die Koerzitivkraft der Verbindungsteile 84a und 84b ist vorteilhafterweise im Bereich von (50/4π) × 103 A/m bis (100/4π) × 103 A/m und ist kleiner als die der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b. Bei einer Koerzitivkraft kleiner als (50/4π) × 103 A/m kann die Magnetisierungsrichtung der Verbindungsteile 84a und 84b durch ungewünschte magnetische Felder gestört werden, wie z. B. durch externe magnetische Streufelder oder ähnliches. Andererseits besteht bei Koerzitivkräften über (100/4π) × 103 A/m die Möglichkeit, dass die TMR-Elemente 121a und 121b aufgrund von Hitzeerzeugung durch den Anstieg des Schreibstroms abfallen bzw. versagen. Ferner steigt, wenn die Koerzitivkraft der Verbindungsteile 84a und 84b gleich oder größer als die der magnetischen Schichten 2a und 2b wird, der Schreibstrom und die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b als feste Magnetisierungsschicht verändern sich und die TMR-Elemente 121a und 121b als Speicherelemente werden zerstört.
  • In der Speicherzelle 121 arbeiten die Verbindungsteile 84a und 84b als Speicherschichten zum Speichern von Information. Insbesondere wird die Magnetisierungsrichtung der Verbindungsteile 84a und 84b durch ein Megnetisches Gegenfeld invertiert, welches durch den in der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 fließenden Stromes erzeugt wird, und Information wird gespeichert. Im folgenden wird unter Bezug auf die 34A und 34B die Schreiboperation in der Speicherzelle 121 konkret beschrieben. Die 34A und 34B zeigen das Verhältnis zwischen der Richtung des Schreibstroms und der Richtung des magnetischen Feldes in Gegenrichtung (Magnetisierungsrichtung) bzw. des Megnetischen Gegenfelds in einer Durchschnittsansicht der Speicherzelle 121, welche in der 33 dargestellt ist.
  • Die 34A und 34B zeigen den Fall, in welchem der Schreibstrom in der gleichen Richtung in den Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 fließen, die parallel zueinander sind und sich in den TMR-Elementen 121a und 121b erstrecken. 34A zeigt einen Fall, in welchem der Schreibstrom von dieser Seite in die Tiefe in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene (in die +Y-Richtung) in dem TMR-Element 121a fließt, das Magnetische Gegenfeld 16a in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem magnetischen Joch, welches die Schreibbitleitung 5a umgibt, erzeugt wird, ein Schreibstrom von der Tiefe hierzu in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene (in –Y-Richtung) in dem TMR-Element 121a fließt und das Magnetische Gegenfeld 16b in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem magnetischen Joch 4 des die Schreibbitleitung 5b umgebenden Teils erzeugt wird. In diesem Fall ist die Magnetisierungsrichtung des Verbindungsteils 84a die –X-Richtung und die Magnetisierungsrichtung des Verbindungsteils 84b ist die –X-Richtung. 34B entspricht dem Fall, in welchem die Richtungen des Stromflusses in der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 entgegensetzt zu der aus 34A sind. Insbesondere zeigt 34B einen Fall, in welchem der Schreibstrom von der Tiefe zu dieser Seite in die senkrechte Richtung zur Zeichenebene (in –Y-Richtung) in dem TMR-Element 121a fließt, ein Magnetisches Gegenfeld 16a in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem magnetischen Joch 4 des die Schreibbitleitung 5a umgebenden Teils erzeugt wird, ein Schreibstrom von dieser Seite in die Tiefe in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene (in +Y-Richtung) des TMR-Elements 121b fließt und das Magnetische Gegenfeld 16b in der Richtung gegen den Uhrzeigersinn in dem ringförmigen magnetischen Joch 4 des die Schreibbitleitung 5b umgebenden Teils erzeugt wird. In diesem Fall ist die Magnetisierungsrichtung der Verbindungsteile 84a die +X-Richtung und die Magnetisierungsrichtung des Verbindungsteils 84b ist die –X-Richtung.
  • Wenn ein Strom in der gleichen Richtung in der Schreibbitleitung 5 und der Schreibwortleitung 6 fließt, kehren sich die Magnetisierungsrichtungen der Verbindungsteile 84a und 84b um bzw. werden invertiert und es wird 0 oder 1 geschrieben. Zum Beispiel bezeichnet in einem Fall, in welchem "0" dem Zustand aus 34A entspricht, der Zustand aus 34B "1". In dem Fall, in welchem die Schreibströme in die entgegengesetzten Richtungen fließen oder der Schreibstrom nur in einer der Leitungen fließt, werden die Magnetisierungsrichtungen der Verbindungsteile 84a und 84b nicht invertiert und Daten werden nicht wiederbeschrieben bzw. erneuert.
  • Wie oben beschrieben, arbeiten in der magnetischen Speichervorrichtung der Ausführungsform die Verbindungsteile 84a und 84b als Teile der magnetischen Joche 4a und 4b als magnetosensitive Schichten in den Schichtkörpern S21a und S21b, so dass die Speicherzelle 121 mit einem einfacheren Aufbau erhalten werden kann. Zudem ist die magnetische Speichervorrichtung der Ausführungsform so aufgebaut, dass der Durchschnittsbereich orthogonal zur umlaufenden Richtung des Paars magnetischer Joche 4a und 4b in den Verbindungsteilen 84a und 84b mit den Schichtkörpern S21a und S21b am kleinsten ist. Folglich kann die magnetische Flussdichte in den Verbindungsteilen 84a und 84b in den Magnetischen Gegenfeldern 16a und 16b, welche erzeugt werden, wenn der Schreibstrom durch die Schreibbitleitungen 5a und 5b und die Schreibwortleitung 6 geführt wird, erhöht und stabilisiert werden. Deshalb kann die Magnetisierung der Verbindungsteile 84a und 84b als magnetosensitive Schichten sogar durch einen kleineren Schreibstrom invertiert bzw. umgekehrt werden und ein stabilerer Schreibbetrieb ist durchführbar.
  • Beispiele
  • Konkrete Beispiele der ersten Ausführungsform werden nun beschrieben. In den Beispielen wurden Muster der magnetischen Speichervorrichtung der ersten bis dritten Modifikationen auf Grundlage des Herstellungsverfahrens, welche oben für die erste Ausführungsform beschrieben wurde, gebildet.
  • Erstes Beispiel
  • Im ersten Beispiel wurde der Zusammenhang zwischen der Breite W14 des Verbindungsteils 14 in dem magnetischen Joch 4 und dem zum Umkehren der Magnetisierung der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b in der Speicherzelle 1V1 aus den 30A und 30B nötigen Schreibstrom IW gemessen. Es wurde angenommen, dass die Breite W1 in der Y-Richtung der anliegenden Teile, welche die Verbindungsteile 14a und 14b in dem ersten balkenartig geformten Joch 41V1 einschließt, 200 nm beträgt, die Größe jeder Seite der XY-Ebene jedes der Schichtkörper S20a und S20b 100 nm beträgt und der Abstand zwischen den Schichtkörpern S20a und S20B 600 nm beträgt. Es wurde auch angenommen, dass die Dicke in der Z-Richtung der Verbindungsteile 14a und 14b 20 nm beträgt, die Höhe in der Z-Richtung der säulenförmigen Joche 421 bzw. 423 420 nm beträgt, die Länge in der X-Richtung der säulenförmigen Joche 421 und 423 250 nm beträgt, die Länge in der X-Richtung der säulenförmigen Joche 422 300 nm beträgt und die Dicke in der Z-Richtung des zweiten balkenartig geformten Joches 43 200 nm beträgt. Ferner wurde auch angenommen, dass die Länge in der X-Richtung der Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitungen 6 200 nm beträgt und die Dicke in Z-Richtung 150 nm beträgt. 35 zeigt das Messergebnis der Speicherzelle 1V1. In dem Graphen aus 35 gibt die Horizontalachse die Breite W14 an (Einheit: Nanometer (nm)) und die vertikale Achse zeigt den Schreibstrom Iw (Einheit: Milliampere (mA)). In dem Zustand, in welchem das erste balkenartig geformte Joch keinen verengten oder verjüngten Teil aufweist, beträgt die Weite W14 200 nm. Aus 35 ist verständlich, dass der Schreibstrom Iw den höchsten numerischen Wert bei der Breite W14 = 200 nm in dem Zustand, in dem das erste balkenartig geformte Joch 41V1 keinen verjüngten Teil aufweist, beträgt und durch ein Verschmälern der Breite W14 verringert werden kann.
  • Zweites Beispiel
  • In dem zweiten Beispiel wurde der Zusammenhang zwischen der Dicke Ti des Vorsprungs 41T und dem Schreibstrom Iw, welcher zum Invertieren der Magnetisierung der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b in der Speicherzelle 1V2 aus den 31A und 31B notwendig ist, gemessen. Es wurde angenommen, dass die Breite W1 in Y-Richtung in dem ersten balkenartig geformten Joch 41V2 200 nm beträgt, die Größe jeder Seite der XY-Ebene jedes Schichtkörpers der Schichtkörper S20a und S20b 100 nm beträgt und die Entfernung zwischen den Schichtkörpern S20a und S20b 600 nm beträgt. Es wurde auch angenommen, dass die Dicke in Z-Richtung der Verbindungsteile 14a und 14b 20 nm beträgt, die Höhe in Z-Richtung der säulenförmigen Joche 421 bis 423 400 nm beträgt, die Länge in X-Richtung der säulenförmigen Joche 421 und 423 250 nm beträgt, die Länge in X-Richtung des säulenförmigen Joches 422 300 nm beträgt und die Dicke in Z-Richtung des zweiten balkenartig geformten Joches 43 200 nm beträgt. Ferner wurde auch angenommen, dass die Länge in X-Richtung der Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 200 nm beträgt und die Dicke in Z-Richtung 150 nm beträgt. Die 36 zeigt das Messergebnis der Speicherzelle 1V2. In dem Graphen aus 36 zeigt die horizontale Achse die Dicke T1 (Einheit: Nanometer (nm)) und die vertikale Achse den Schreibstrom Iw (Einheit: Milliampere (mA)) an. In dem Zustand, in welchem das erste balkenartig geformte Joch 41V2 keinen Vorsprung 41T aufweist (in dem Fall, in dem die obere Deckfläche des Schichtkörpers S20 des ersten balkenartig geformten Jochs 41 flach ist), beträgt die Dicke T1 0 nm. Aus 36 ist verständlich, dass der Schreibstrom Iw den höchsten numerischen Wert bei der Dicke Ti = 0 nm in dem Zustand aufweist, in welchem das erste balkenartig geformte Joch 41V2 keinen Vorsprung aufweist, und mit einer erhöhten Dicke Ti verringert werden kann.
  • Drittes Beispiel
  • In dem dritten Beispiel wurde das Verhältnis zwischen der Länge D einer Region mit einer Dicke, welche der des Verbindungsteils 14 in dem magnetischen Joch entspricht, und dem Schreibstrom Iw, welcher zum Invertieren der Magnetisierung der zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b in der Speicherzelle 1V3 aus den 32A und 32B notwendig ist, gemessen. Es wurde angenommen, dass die Breite W1 in der Y-Richtung des ersten balkenartig geformten Jochs 41V3 200 nm beträgt, die Größe jeder Seite der XY-Ebene jedes der Schichtkörper S20a und S20b 100 nm beträgt und die Entfernung zwischen den Schichtkörpern S20a und S20b 600 nm beträgt. Es wurde auch angenommen, dass die Dicke T14 in Z-Richtung der Verbindungsteile 14a und 14b 20 nm beträgt, die Höhe in Z-Richtung der säulenförmigen Joche 421 bis 423 420 nm beträgt, die Länge in X-Richtung der säulenförmigen Joche 421 und 423 250 nm beträgt, die Länge in X-Richtung des säulenförmigen Jochs 422 300 nm beträgt und die Dicke in Z-Richtung des zweiten balkenartig geformten Jochs 43 200 nm beträgt. Ferner wurde auch angenommen, dass die Länge in X-Richtung der Schreibbitleitungen 5a und 5b und der Schreibwortleitung 6 200 nm beträgt und die Dicke in Z-Richtung 150 nm beträgt. Der Neigungswinkel der abgeschrägten Fläche 41AK war 45° von der Schichtfläche der Schichtkörper S20a und S20b. 37 zeigt das Messergebnis der Speicherzelle 1V3. In dem Graphen aus 37 zeigt die horizontale Achse die Länge D (Einheit: Nanometer (nm)) und die vertikale Achse den Schreibstrom Iw (Einheit: Milliampere (mA)) an. In dem Zustand, in welchem das erste balkenartig geformte Joch 41V3 keine geneigte bzw. abgeschrägte Fläche 41AK aufweist, beträgt die Länge D 200 nm. Aus 37 ist verständlich, dass der Schreibstrom Iw reduziert werden kann, indem die Länge D auf eine Länge, welche annähernd der Länge (100 nm) der Schichtkörper S20a und S20b entspricht, reduziert wird.
  • Obwohl die Erfindung oben anhand von einigen Ausführungsformen und Beispielen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen und Beispiele beschränkt sondern kann auf vielfältige Weise verändert werden. Zum Beispiel wurden in den vorangehenden ersten und zweiten Ausführungsformen und Beispielen die Formen der magnetischen Joche nach drei Mustern (und einer Kombination der Muster) der ersten bis dritten Modifikationen beschrieben. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Konfigurationen beschränkt. Es genügt, dass der Durchschnittsbereich, welcher orthogonal auf die umlaufende Richtung des magnetischen Jochs am kleinsten in dem Verbindungsteil mit dem Schichtkörper ist.
  • In den vorangehenden ersten und zweiten Ausführungsformen und Beispielen wurde der Fall beschrieben, in welchem ein Teil des magnetischen Jochs, welches so ausgebildet ist, dass es die gesamte Peripherie der ersten und zweiten Schreibleitungen umgibt, von dem Paar magnetoresistiver Elemente in der magnetischen Speicherzelle gemeinsam ist, beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht auf diesen Fall beschränkt. Konkret können, wie in einer Speicherzelle 122 (vierte Modifikation) aus 38, zwei U-förmige magnetische Joche (magnetische Joche mit jeweils einer Durchschnittsform mit einem offenen Teil), welche so aufgebaut sind, dass sie einen Teil der Peripherie der ersten und zweiten Schreibleitungen umgeben und jeweils eine Öffnung an der dem Schichtkörper gegenüberliegenden Seite aufweisen, miteinander verbunden werden. Die Speicherzelle 122 weist folgendes auf: ein TMR-Element 122a mit dem magnetischen Joch 4a, welches durch ein Paar säulenförmiger Joche 421 und 422 aufgebaut ist, welche sich gegenüberliegen und sich in der orthogonalen Richtung zur Schichtstapeldeckfläche des Schichtkörpers S20a erstrecken und ein balkenartig geformtes Joch 141a, welches mit einem Ende der Seite des Schichtkörpers S20a jedes der säulenförmigen 421 und 422 des Paars säulenförmiger Joche verbunden ist; sowie ein TMR-Element 122b, welches das magnetische Joch 4b aufweist, welches durch das Paar säulenförmiger Joche 422 und 423 aufgebaut ist, die sich gegenüberliegen und sich in der orthogonalen Richtung zur Schichtstapeldeckfläche des Schichtkörpers S20b erstrecken und ein balkenartig geformtes Joch 141b, welches mit einem Ende auf der Seite des Schichtkörpers S20b jedes der säulenförmigen Joche 422 und 423 des Paars säulenförmiger Joche verbunden ist. Die TMR-Elemente 122a und 122b des Paars TMR-Elemente teilen sich das säulenförmige Joch 422 bzw. haben sie dieses gemeinsam. Ebenfalls in der Speicherzelle 122 mit einer derartigen Konfiguration kann die höchste magnetische Flussdichte in dem Verbindungsteil erhalten werden, indem ein Aufbau derart vorgenommen wird, dass der Durchschnittsbereich, welcher orthogonal zu der umlaufenden Richtung des magnetischen Joches ist, in dem Verbindungsteil mit dem Schichtkörper am kleinsten ist. Deshalb kann die Magnetisierung der magnetosensitiven Schichten der Schichtkörper S20a und S20b selbst durch einen kleineren Schreibstrom effizient invertiert werden und ein stabilerer Schreibbetrieb ist durchführbar. Ferner ist es in diesem Fall nicht immer notwendig, die säulenförmigen Joche 421 bis 423 bereitzustellen. Das heißt, eine Speicherzelle mit einer Form aufgrund eines Weglassens der säulenförmigen Joche 421 bis 423 in der Speicherzelle 122 aus 38 kann ebenso eingesetzt werden.
  • Die Konfiguration des Schichtkörpers ist nicht auf die der Schichtkörper S20a und S20b aus 6 oder die der Schichtkörper S21a und S21b aus den 33A und 33B in den vorangehenden ersten und zweiten Ausführungsformen beschränkt. Zum Beispiel können, wie bei den Schichtkörpern S23a und S23b einer Speicherzelle 123 (fünfte Modifikation) aus 39, die zweiten magnetischen Schichten 8a und 8b als magnetosensitive Schichten eine Zwei-Schichtstruktur mit ersten freien Magnetisierungsschichten 181a und 181b und zweiten freien Magnetisierungsschichten 182a und 182b mit einer Koerzitivkraft größer als die der ersten freien Magnetisierungsschichten 181a bzw. 181b aufweisen. Obwohl es nicht gezeigt ist, ist es auch möglich, eine antiferromagnetische Schicht auf der den Tunnelbarriereschichten 3a und 3b der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b in den Schichtkörpern S20a und S20b oder den Schichtkörpern S21a und S21b bereitzustel len, um somit die Magnetisierung der ersten magnetischen Schichten 2a und 2b zu stabilisieren. Der Schichtkörper ist nicht auf die Konfiguration beschränkt, dass ein Strom in der Richtung orthogonal zu der Schichtstapeldeckfläche fließt, sondern kann auch so aufgebaut sein, dass ein Strom entlang der Schichtstapeldeckfläche fließt.
  • Obwohl die magnetische Speicherzelle mit einem Paar magnetoresistiver Elemente in den vorangehenden ersten und zweiten Ausführungsformen beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die magnetische Speicherzelle beschränkt. Zum Beispiel kann, wie in einer Speicherzelle 124 (sechste Modifikation) aus den 40A und 40B, ein einzelnes TMR-Element 124 mit einem magnetischen Joch 4 und einem Schichtkörper S20 als magnetisches Speicherelement verwendet werden. 40A zeigt die Konfiguration einer XY-Ebene parallel zur Schichtfläche der Schichtkörper S20a und S20b in dem TMR-Element 124 und 40B ist eine Durchschnittsansicht entlang der Linie XXXX(B)-XXXX(B) aus 40A.
  • In den ersten und zweiten Ausführungsformen weist das säulenförmige Joch in dem magnetischen Joch die Form eines Prismas auf. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Formgebung beschränkt. Zum Beispiel kann, wie bei einer Speicherzelle 125 aus 41, ein säulenförmiges Joch 142 mit einer zylindrischen Form verwendet werden.
  • Ferner ist die Erfindung, obwohl ein Diodenpaar als Gleichrichter in dem Lesekreis in den Ausführungsformen verwendet wird, nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Beispielsweise kann ein Paar Bipolartransistoren 76a und 76b verwendet werden, wie in den 42 und 43 gezeigt. 42 zeigt eine Durchschnittsanordnung der Bipolartransistoren 76a und 76b. 43 zeigt die Konfiguration eines Hauptteils eines Schaltkreises in dem Fall, in dem die Bipolartransistoren 76a und 76b zwischen den Lesebitleitungen 33a und 33b und den Schichtkörpern S20a und S20b angeordnet sind. Wie in den 42 und 43 gezeigt, ist ein Ende jedes der TMR-Elemente 1a und 1b in jeder Speicherzelle 1 mit den Lesebitleitungen 33a und 33b über das Paar Bipolartransistoren 76a bzw. 76b verbunden und die anderen Enden sind mit der gemeinsamen Lesewortleitung 32 verbunden. Genauer sind Basen B in dem Paar Bipolartransistoren 76a und 76b mit der Wortdecoderleitung 72 verbunden, Kollektoren C mit den Lesebitleitungen 33a und 33b über die Verbindungsschicht 29 verbunden und Emitter E mit den geschichteten Teilen 20a und 20b über die Verbindungsschicht 27 entsprechend verbunden.
  • In diesem Fall, wenn ein Steuersignal von der Wortdecoderleitung 72 die Basis B in dem ausgewählten Paar Bipolartransistoren 76a und 76b erreicht, werden der Kollektor C und der Emitter E leitend gemacht und ein Lesestrom fließt in den Schichtkörpern S20a und S20b (in den geschichteten Teilen 20a und 20b), wodurch Information gelesen wird.
  • Offensichtlicher Weise sind viele Modifikationen und Variationen der vorliegenden Erfindung im Lichte der obigen Lehren möglich. Es sei daher verstanden, dass innerhalb des Bereichs der angehängten Ansprüche die Erfindung anderweitig umgesetzt werden kann als ausdrücklich beschrieben.

Claims (13)

  1. Magnetoresistives Element (1a) mit: einem magnetischen Joch (4a), welches in einer Teilregion entlang einer Erstreckungsrichtung eines Leiters (5a, 6) und in der umlaufenden Richtung so angeordnet ist, dass es den Leiter (5a, 6) umgibt; und einen Schichtkörper (S20a) mit einer magnetoresistiven Schicht (36a), deren Magnetisierungsrichtung sich entsprechend einem externen Magnetfeld ändert, und welcher mit dem magnetischen Joch (4a) magnetisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite bzw. eine Dicke des magnetischen Jochs (4a) in einem mit dem Schichtkörper (S20a) verbundenen Teil (14a, 84a) am kleinsten ist.
  2. Magnetoresistives Element (1a) gemäß Anspruch 1, wobei die Schnittfläche des magnetischen Jochs (4a) in Richtung des Verbindungsteils (14a, 84a) graduell abnimmt.
  3. Magnetoresistives Element (1a) gemäß Anspruch 1, wobei die Breite des magnetischen Jochs (4a) in Richtung des Verbindungsteils (14a, 84a) graduell abnimmt.
  4. Magnetoresistives Element (1a) gemäß Anspruch 1, wobei die Dicke des magnetischen Jochs (4a) in Richtung des Verbindungsteil (14a, 84a) graduell abnimmt.
  5. Magnetoresistives Element (1a) gemäß Anspruch 1, wobei das magnetische Joch (4a) ein balkenartig geformtes Joch (41) aufweist, welches sich in Richtung einer Schichtstapeldeckschicht des Schichtkörpers (S20a) erstreckt und den Verbindungsteil (14a, 84a) aufweist.
  6. Magnetoresistives Element (1a) gemäß Anspruch 1, wobei das magnetische Joch (4a) Folgendes aufweist: ein Paar säulenförmig ausgebildeter Joche (42), die sich über den Leiter (5a, 6) hinweg gegenüberliegen und sich in der Richtung senkrecht zu der Schichtstapeldeckschicht des Schicktkörpers (S20a) erstrecken; und ein balkenartig geformtes Joch (41), das mit einem Ende auf der Seite des Schichtkörpers jedes der säulenförmig ausgebildeten Joche (42) des ent sprechenden Paars verbunden ist und den Verbindungsteil (14a) aufweist, und eine teilweise geöffnete Durchschnittsform aufweist.
  7. Magnetoresistives Element (1a) gemäß Anspruch 1, wobei das magnetische Joch (4a) Folgendes aufweist: ein Paar säulenförmig ausgebildeter Joche (42), welche sich über den Leiter hinweg gegenüberliegen und sich in der Richtung senkrecht zu der Schichtstapeldeckschicht des Schicktkörpers (S20a) erstrecken; eine erstes balkenartig geformtes Joch (41), das mit einem Ende auf der Seite des Schichtkörpers jedes der säulenförmig ausgebildeten Joche (42) des entsprechenden Paars verbunden ist und den Verbindungsteil (14a) aufweist, und ein zweites balkenartig geformtes Joch (41), das mit dem anderen Ende jedes der säulenförmig ausgebildeten Joche (42) des entsprechenden Paars verbunden ist und und eine geschlossene Durchschnittsform aufweist.
  8. Magnetoresistives Element (1a) gemäß Anspruch 1, wobei der Verbindungsteil (14a, 84a) auch als magnetoresistive Schicht dient.
  9. Magnetische Speicherzelle mit einem Paar magnetoresistiver Elemente (1a) gemäß Anspruch 1, wobei das Paar magnetoresistiver Elemente (1a) einen Teil mit dem magnetischen Joch (4a) gemeinsam hat.
  10. Magnetische Speicherzelle gemäß Anspruch 9, wobei die Schnittfläche des magnetischen Jochs (4a) in Richtung des Verbindungsteils (14a, 84a) graduell abnimmt.
  11. Magnetische Speichervorrichtung mit: einer ersten Schreibleitung; einer zweiten Schreibleitung, die sich so erstreckt, dass sie die erste Schreibleitung kreuzt und so aufgebaut ist, dass sie sich parallel zu der ersten Schreibleitung in einem einer Schnittbereich mit der ersten Schreibleitung entsprechenden Teilbereich erstreckt; und einer magnetischen Speicherzelle (121) mit einem Paar magnetoresistiver Elemente (1a, 121a) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das magnetische Joch (4a) in einer Teilregion entlang einer Erstreckungsrichtung der ersten und der zweiten Schreibleitung (5a, 5b) angeordnet ist und in der umlaufenden Richtung angeordnet ist, so dass es die erste und die zweite Schreibleitung (5a, 5b) umgibt.
  12. Magnetische Speichervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei das Paar magnetoresistiver Elemente (1a, 121a) wenigstens eines der säulenförmig ausgebildeten Joche (42) des entsprechenden Paars gemeinsam hat.
  13. Magnetische Speichervorrichtung gemäß Anspruch 11, wobei: jedes der magnetischen Joche des entsprechenden Paars ein balkenartig geformtes Joch (41) aufweist, welches mit einem Ende der Seite des Schichtkörpers jedes der säulenförmig ausgebildeten Joche (42) des entsprechenden Paars verbunden ist und den Verbindungsteil (14a, 84a) aufweist und eine teilweise geöffnete Durchschnittsform aufweist und das Paar magnetoresistiver Elemente (1a, 121a) wenigstens eines der säulenförmig ausgebildeten Joche (42) des entsprechenden Paars gemeinsam hat.
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