DE60212479T2

DE60212479T2 - Magnetoresistives Element und Benützung für MRAM

Info

Publication number: DE60212479T2
Application number: DE60212479T
Authority: DE
Inventors: c/o Canon Kabushiki Kaisha Naoki Nishimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2002280639A; EP1244118B1; EP1244118A2; CN1221043C; CN1392618A; JP3667244B2; KR20030009083A; KR100515623B1; US6853580B2; TW559807B; US20030002330A1; EP1244118A3; DE60212479D1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung und in Betracht gezogener Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf ein bei einem nichtflüchtigen Speicher oder dergleichen eingesetztes magnetoresistives Element sowie auf einen MRAM-Speicher, bei dem dieses magnetoresistive Element Verwendung findet.
In jüngerer Zeit sind magnetische Speicherelemente zur Informationsspeicherung unter Ausnutzung eines magnetoresistiven Effektes oder Magnetowiderstandseffekts verstärkt in Betracht gezogen worden, da sie als nichtflüchtige Festkörper-Speicherelemente hochempfindlich sind und eine hohe Integrationsdichte ermöglichen. Ferner haben MRAM-Speicher (magnetische Direktzugriffsspeicher bzw. Arbeitsspeicher) als Speichereinrichtungen Interesse gefunden, bei denen solche magnetischen Speicherelemente Verwendung finden. Ein derartiges magnetisches Speicherelement speichert Informationen in Form der Magnetisierungsrichtung einer magnetischen Schicht und kann einen nichtflüchtigen Speicher zum semipermanenten Festhalten von Informationen bilden. MRAM-Speicher können hierbei in Form von verschiedenen Speichern wie z.B. in Form von Informationsspeicherelementen für ein tragbares Endgerät oder eine Karte Verwendung finden. Eine hohe Ausgangsleistung lässt sich insbesondere bei einem MRAM-Speicher mit einem magnetischen Speicherelement erzielen, bei dem ein spinabhängiger Tunnel-Magnetowiderstandseffekt (TMR-Effekt) ausgenutzt wird. Da ein solcher MRAM-Speicher auch mit hoher Geschwindigkeit ausgelesen werden kann, ist zu erwarten, dass er rasch Eingang in die Praxis findet.
Ein magnetisches Speicherelement kann hierbei einen Aufbau aufweisen, der eine Speicherschicht und eine Referenzschicht umfasst. Im allgemeinen besteht die Referenzschicht aus einem magnetischen Material, dessen Magnetisierungsrichtung fest vorgegeben oder in einer spezifischen Richtung festgelegt ist. Die Speicherschicht stellt dagegen eine Schicht zur Informationsspeicherung dar und umfasst im allgemeinen eine magnetische Schicht, deren Magnetisierungsrichtung durch externe Anlegung eines Magnetfeldes geändert werden kann. Der logische Zustand des Speicherelements wird hierbei davon bestimmt, ob die Magnetisierungsrichtung in der Speicherschicht parallel zu derjenigen der Referenzschicht verläuft. Wenn die Magnetisierungsrichtungen auf Grund des magnetoresistiven Effektes bzw. Magnetowiderstandseffektes (MR-Effektes) parallel zueinander verlaufen, nimmt der Widerstand der magnetischen Speicherzelle ab, während er zunimmt, wenn diese Richtungen nicht parallel, d.h., antiparallel zueinander verlaufen. Der logische Zustand der Speicherzelle wird somit durch Messung ihres Widerstands bestimmt.
Informationen werden in die Speicherzelle des MRAM-Speichers eingeschrieben, indem die Magnetisierungsrichtung in der Speicherschicht durch ein Magnetfeld verändert wird, das durch Beaufschlagung eines Leiters mit einem Strom erzeugt wird. Die eingeschriebenen Informationen werden ausgelesen, indem ein Absolutwert-Detektionsverfahren zur Erfassung des Absolutwertes eines Widerstands oder ein differentielles Detektionsverfahren zur Änderung der Magnetisierungsrichtung einer Detektionsschicht beim Auslesen eingesetzt wird.
Zur Erzielung einer hohen Integrationsdichte muss das Speicherelement möglichst geringe Abmessungen aufweisen. Im allgemeinen tritt in Verbindung mit einer Miniaturisierung in einer in Längsrichtung magnetisierten Schicht am Schichtrand eine Spinwelligkeit auf Grund eines Entmagnetisierungsfeldes in der Schichtfläche auf, sodass das Speicherelement magnetische Informationen nicht stabil speichern kann. Zur Vermeidung dieses Problems ist seitens der Anmelderin in der US-Patentschrift 6 219 275 bereits ein MR-Element vorgeschlagen worden, bei dem eine magnetische Schicht (senkrecht magnetisierte Schicht) verwendet wird, die senkrecht zu der Schichtoberfläche magnetisiert ist. Auch bei Miniaturisierung tritt bei dieser senkrecht magnetisierten Schicht keine Spinwelligkeit auf. Wenn diese Schicht als Speicherelement Verwendung findet, können seine Abmessungen zur Vergrößerung der Integrationsdichte des MRAM-Speichers in ausreichendem Maße verringert werden.
Das MR-Element umfasst zwei magnetische Schichten, zwischen denen eine unmagnetische Schicht angeordnet ist. Hierbei wirkt ein Streumagnetfeld von der einen magnetischen Schicht auf die andere magnetische Schicht ein. Dieses Magnetfeld ist auch vorhanden, wenn kein äußeres Magnetfeld angelegt ist.
Die 14A und 14B zeigen Beispiele für die Magnetisierungsrichtung eines TMR-Elements mit senkrecht magnetisierten Schichten. Hierbei ist zwischen einer magnetischen Schicht 100 und einer eine höhere Koerzitivkraft als die magnetische Schicht 100 aufweisenden magnetischen Schicht 200 eine unmagnetische Schicht 300 angeordnet. Bei den beiden Ausführungsbeispielen gemäß den 14A und 14B ist die magnetische Schicht 200 abwärts magnetisiert, während die magnetische Schicht 100 bei dem Beispiel gemäß 14A abwärts und bei dem Beispiel gemäß 14B aufwärts magnetisiert ist. Die magnetische Schicht 200 stellt eine festgelegte Schicht dar, deren Magnetisierung stets in Abwärtsrichtung festgelegt ist. In dem Zustand gemäß 14A ist der Wert "0" aufgezeichnet, während in dem Zustand gemäß 14B der Wert "1" aufgezeichnet ist.
15A zeigt die MH-Kurve bei diesem Element (eine Kennlinie, die die Beziehung zwischen der Magnetisierung und einem angelegten Magnetfeld wiedergibt) unter der Annahme, dass bei einem Rechteckigkeitsverhältnis von 1 kein Streumagnetfeld von der magnetischen Schicht übertritt. Da die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 200 (der festgelegten Schicht) nicht verändert werden kann, ändert sich der Widerstandswert in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Schicht 100 (der Speicherschicht). Bei Nichtvorhandensein eines Offset-Magnetfeldes kann eine Information in der Speicherschicht nur durch Anlegen eines Magnetfeldes H1 oder H2 mit einer Koerzitivkraft Hc erfolgen. Durch das Magnetfeld H1 wird die magnetische Schicht 100 von der Aufwärtsrichtung in die Abwärtsrichtung umgeschaltet, während durch das Magnetfeld H2 eine Umschaltung der magnetischen Schicht 100 von der Abwärtsrichtung in die Aufwärtsrichtung erfolgt.
In der Praxis beaufschlagt die magnetische Schicht 200 (die festgelegte Schicht) jedoch die magnetische Schicht 100 (die Speicherschicht) mit einem abwärts gerichteten Magnetfeld, sodass die MH-Kurve sich durch dieses Offset-Magnetfeld in der in 15B veranschaulichten Weise verschiebt. Hierbei ist das Aufzeichnungsmagnetfeld durch H2 = Hc + Ho und durch H1 = Hc – Ho gegeben. Das Magnetfeld, das zur Änderung des Zustands gemäß 14B in den Zustand gemäß 14A erforderlich ist, verringert sich hierdurch um Ho, während das Magnetfeld, das zur Änderung des Zustands gemäß 14A in den Zustand gemäß 14B erforderlich ist, sich um Ho vergrößert. 15B zeigt die hierbei erhaltene Magnetsierungskurve, wobei dem Schaubild zu entnehmen ist, dass der über eine Schreibleitung fließende Stromwert sich in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung bei einem erneuten Einschreiben verändert. Der Stromverbrauch nimmt hierdurch zu oder es tritt eine Schreibstörung ein, wenn der Strom die zulässige Stromdichte der Schreibleitung überschreitet. In diesem Falle ändert sich die Feldstärke des Umschaltmagnetfeldes in Abhängigkeit von der in einer Speicherzelle aufgezeichneten Information. Wenn eine Speicherzelleninformation, für die das Umschaltmagnetfeld H2 erforderlich ist, über zwei senkrechte Schreibleitungen als Aufzeichnungsinformation in in einer Matrix angeordnete Speicherzellen wieder eingeschrieben wird, wird auch eine benachbarte Speicherzelleninformation erneut eingeschrieben, für die das Umschaltmagnetfeld H1 erforderlich ist. Solche fehlerhaften Aufzeichnungsvorgänge können mit hoher Wahrscheinlichkeit auftreten. Wenn das Offset-Magnetfeld Ho in der in 15C veranschaulichten Weise größer als die Koerzitivkraft Hc wird, kann nur ein Widerstandswert in einem Nullmagnetfeld ermittelt werden, was die Absolutwerterfassung erschwert.
Wenn dagegen in der in den 16A und 16B veranschaulichten Weise das Rechteckigkeitsverhältnis nicht den Wert 1 aufweist, wird ein Widerstandswert M2 im Nullmagnetfeld kleiner als ein maximaler Magnetisierungswert Mmax in einem antiparallelen Magnetisierungszustand. Der Widerstandswert ändert sich außerdem in Abhängigkeit von der Magnetisierungsstärke in der Schicht mit niedriger Koerzitivkraft. In diesem Falle nimmt eine Lese-Widerstandswertdifferenz M2 – M1 ab, wodurch sich die Detektionsempfindlichkeit verringert. Ein Speicherelement mit einem Rechteckigkeitsverhältnis, das nicht den Wert 1 aufweist, wird von dem Offset-Magnetfeld stärker beeinflusst, wobei diese Erscheinung auch bei einem Offset-Magnetfeld Ho auftritt, das kleiner als die Koerzitivkraft Hc ist. Der Wert M1 bezeichnet hierbei den minimalen Widerstandswert ohne Anliegen eines äußeren Magnetfeldes, während mit M2 der maximale Widerstandswert ohne Anliegen eines äußeren Magnetfeldes bezeichnet ist. 16A zeigt den Widerstandswert bei Vorhandensein des Offset-Magnetfeldes Ho, während 16B den Widerstandswert veranschaulicht, wenn das Offset-Magnetfeld Ho nicht vorhanden ist.
Bei einem Rechteckigkeitsverhältnis, das nicht den Wert 1 aufweist, führt auch das Anlegen eines Magnetfeldes mit einer der Koerzitivkraft entsprechenden Feldstärke nicht zu einer vollständigen Sättigung der Magnetisierung, wie dies in 16B veranschaulicht ist. Ein Magnetfeld, bei dem eine vollständige Sättigung der Magnetisierung eintritt, sodass M = Ms gilt, wird nachstehend als Sättigungsmagnetfeld Hs bezeichnet. Wenn in der Speicherschicht eine vollständige Sättigung antiparallel zu der festgelegten Schicht erfolgt, nimmt der Widerstandswert in Bezug zu dem Magnetfeld einen maximalen Konstantwert an, d.h., das bei diesem Widerstandswert gesättigte Magnetfeld entspricht Hs, wie dies in 16B veranschaulicht ist. Während bei einem Rechteckigkeitsverhältnis von 1 davon ausgegangen werden kann, dass die Koerzitivkraft einem Magnetisierungs-Umschaltmagnetfeld entspricht, kann bei einem nicht den Wert 1 aufweisenden Rechteckigkeitsverhältnis nicht davon ausgegangen werden. In einem solchen Fall muss die Umschaltung der Magnetisierung durch Anlegen eines Magnetfeldes erfolgen, das stärker als das Magnetfeld bei einem Rechteckigkeitsverhältnis von 1 ist. Bei Vorhandensein eines von einem Streumagnetfeld erzeugten Offset-Magnetfeldes vergrößert sich jedoch die Feldstärkedifferenz bei einem Magnetisierungs-Umschaltmagnetfeld zwischen einer einfach umzuschaltenden Magnetisierungsrichtung und einer schwierig umzuschaltenden Magnetisierungsrichtung. Wenn ein solches Element als Speicherelement bei einem MRAM-Speicher Verwendung findet, kann der vorstehend beschriebene fehlerhafte Betrieb mit noch höherer Wahrscheinlichkeit erfolgen. Falls ein Magnetisierungs-Umschaltmagnetfeld bei der Verwendung eines magnetoresistiven Elements als Speicherelement bei einem MRAM-Speicher somit nicht entsprechend gesteuert wird, besteht die Gefahr des Auftretens von Fehlfunktionen.
Aus der (den nächstliegenden Stand der Technik darstellenden) EP-A-0 959 475 sind magnetische Dünnschichtelemente bekannt, die jeweils eine erste magnetische Schicht, eine zweite magnetische Schicht mit einer höheren Koerzitivkraft als die erste magnetische Schicht und eine zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht angeordnete unmagnetische Schicht umfassen. Die erste und zweite magnetische Schicht können von senkrecht magnetisierten Schichten gebildet werden, wobei die erste magnetische Schicht aus Gd₁₈Fe₈₂ mit einer Koerzitivkraft von 398 A/m (5 Oe) und die zweite magnetische Schicht aus Gd₁₉Fe₈₁ mit einer Koerzitivkraft von 1194 A/m (15 Oe) bestehen können. Die zweite magnetische Schicht weist somit im Vergleich zu der ersten magnetischen Schicht eine geringere Sättigungsmagnetisierung auf.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, das Problem, dass bei einem als Speicherelement oder dergleichen dienenden magnetoresistiven Element das statische Magnetfeld einer magnetischen Schicht das Umschaltmagnetfeld einer anderen magnetischen Schicht beeinträchtigt, zu lösen und ein entsprechendes Speicherelement in Form eines solchen magnetoresistiven Elements und ein zugehöriges Aufzeichnungs/Wiedergabeverfahren anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein magnetoresistives Element gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein Speicherelement, das das magnetoresistive Element gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zu einer Schichtoberfläche des magnetoresistiven Elements umfasst, wobei eine Information in dem magnetoresistiven Element unter Verwendung der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung aufgezeichnet wird. Darüber hinaus wird diese Aufgabe durch einen MRAM-Speicher gelöst, der eine Vielzahl dieser Speicherelemente, die auf einem Substrat in Form einer Matrix angeordnet sind, eine Vielzahl von Bitleitungen, die jeweils mit einem Anschluss eines entsprechenden Speicherelements verbunden sind, eine Vielzahl von Schreibleitungen, die die Bitleitungen kreuzen und eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Speicherelemente bilden, Speicherelement-Wählschaltelemente, die jeweils mit dem anderen Anschluss eines entsprechenden Speicherelements verbunden sind, sowie eine Vielzahl von Leseverstärkern umfasst, die jeweils über einen jeweiligen Anschluss mit einer entsprechenden Bitleitung verbunden sind und den Widerstandswert des zugehörigen Speicherelements erfassen, wobei eine Information durch Magnetfelder aufgezeichnet wird, die über die Schreib- und Bitleitungen angelegt werden, und eine Information durch Anlegen einer Spannung an eine jeweilige Bitleitung und Eingabe des Widerstandswertes des zugehörigen Speicherelements in den jeweiligen Leseverstärker wiedergegeben wird.
Weitere Zielsetzungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen erfolgt. Es zeigen:
1A und 1B Schnittansichten eines magnetoresistiven Elements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2A und 2B Schnittansichten eines magnetoresistiven Elements, bei dem als zweite magnetische Schicht eine Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung Verwendung findet,
3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Zusammensetzung einer Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung und der Sättigungsmagnetisierungsstärke,
4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen einem aus einer senkrecht magnetisierten Schicht austretenden Streumagnetfeld A und der Elementgröße,
5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Zusammensetzung der Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung und der Sättigungsmagnetisierung,
6A und 6B schematische Darstellungen der Grundstruktur einer Speicherzelle,
7 eine schematische Darstellung der Grundstruktur einer Hybrid-Speicherzelle mit einem Halbleiterelement,
8 eine grafische Darstellung der Verteilung eines Streumagnetfeldes in einem erfindungsgemäßen magnetoresistiven Element,
9 eine grafische Darstellung einer weiteren Verteilung eines Streumagnetfeldes in einem erfindungsgemäßen magnetoresistiven Element,
10 eine schematische Darstellung des Einwirkungszustands des Streumagnetfelds bei dem erfindungsgemäßen magnetoresistiven Element,
11 eine schematische Darstellung des Einwirkungszustands des Streumagnetfelds bei einem unter Verwendung einer in Längsrichtung magnetisierten Schicht aufgebauten magnetoresistiven Element des Standes der Technik,
12 eine grafische Darstellung der Verteilung eines Streumagnetfelds in dem unter Verwendung einer in Längsrichtung magnetisierten Schicht aufgebauten magnetoresistiven Element des Standes der Technik,
13 eine grafische Darstellung einer weiteren Verteilung eines Streumagnetfelds in dem unter Verwendung der in Längsrichtung magnetisierten Schicht aufgebauten magnetoresistiven Element des Standes der Technik,
14A und 14B Schnittansichten des Aufbaus eines magnetoresistiven Elements,
15A, 15B und 15C Kennlinien, die ein Offset-Magnetfeld bei einer MR-Kurve mit einem Rechteckigkeitsverhältnis von 1 veranschaulichen,
16A und 16B Kennlinien, die ein Offset-Magnetfeld bei einer MR-Kurve mit einem nicht den Wert 1 aufweisenden Rechteckigkeitsverhältnis veranschaulichen, und
17 ein Ersatzschaltbild eines MRAM-Speichers, bei dem magnetoresistive Elemente als Speicherelemente in einer 4 × 4-Matrix angeordnet sind.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben.
Erstes Ausführungsbeispiel
Die 1A und 1B zeigen Schnittansichten, die den Schichtaufbau eines magnetoresistiven Elements veranschaulichen. In den 1A und 1B sind Magnetisierungsrichtungen in magnetisierten Schichten durch Pfeile gekennzeichnet, wobei zwei mögliche Magnetisierungszustände des magnetoresistiven Elements veranschaulicht sind.
Wie in den 1A und 1B veranschaulicht ist, sind eine senkrecht zur Schichtoberfläche magnetisierte erste magnetische Schicht 1, eine z.B. von einer Isolierschicht gebildete unmagnetische Schicht N2 und eine senkrecht zur Schichtoberfläche magnetisierte zweite magnetische Schicht 2 in dieser Reihenfolge in Schichtbauweise angeordnet. Die Isolierschicht N2 ist ausreichend dünn, um das Fließen eines Tunnelstroms zwischen den magnetischen Schichten 1 und 2 über die Isolierschicht N2 zu ermöglichen. Die Koerzitivkraft (Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld) der zweiten magnetischen Schicht 2 ist hierbei höher als die Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schicht 1. Der Widerstandswert, bei dem ein Strom zwischen der ersten magnetischen Schicht 1 und der zweiten magnetischen Schicht 2 über die Isolierschicht N2 fließt, ändert sich hierbei in Abhängigkeit von den relativen Magnetisierungswinkeln der ersten magnetischen Schicht 1 und der zweiten magnetischen Schicht 2. Die erste magnetische Schicht 1, die Isolierschicht N2 und die zweite magnetische Schicht 2 bilden somit einen ferromagnetischen Tunnelübergang. In den magnetischen Schichten 1 und 2 befindliche Leitungselektronen tunneln hierbei durch die Isolierschicht N2, wobei sie ihren Spin beibehalten. Die Tunnelwahrscheinlichkeit ändert sich in Abhängigkeit von dem jeweiligen Magnetisierungszustand der beiden magnetischen Schichten 1 und 2, was dann als Änderung des Tunnelwiderstands erfasst wird. Wenn die Magnetisierung der magnetischen Schichten 1 und 2 parallel zueinander verläuft, ist der Widerstandswert gering, während bei antiparallelem Verlauf ein hoher Widerstand vorliegt. Das magnetoresistive Element kann auch als sogenanntes GMR-Element ausgestaltet werden, indem die unmagnetische Schicht durch eine leitende Schicht ersetzt wird.
Bei der Aufzeichnung/Wiedergabe ist die zweite magnetische Schicht 2 stets in der gleichen Richtung, wie z.B. abwärts magnetisiert, während die erste magnetische Schicht 1 in Abhängigkeit von der Aufzeichnungsinformation aufwärts oder abwärts magnetisiert wird.
Die Aufzeichnung von Informationen wird somit durch die Aufzeichnungsrichtung der ersten magnetischen Schicht bestimmt, wobei die erste magnetische Schicht gemäß 1A aufwärts und gemäß 1B abwärts magnetisiert ist und diese Richtungen hierbei den binären Speicherwerten "0" und "1" entsprechen können. Diese Zustände können durch die Richtung eines Stroms gesteuert werden, der über eine von dem Element durch eine Isolierschicht getrennte Schreibleitung fließt und hierbei ein senkrecht zur Schichtoberfläche verlaufendes Magnetfeld erzeugt, wobei über die Stromrichtung die Richtung des angelegten Magnetfeldes geändert werden kann. Zum Auslesen einer aufgezeichneten Information wird das Fließen eines Stroms in einer Richtung herbeigeführt, bei der der Magnetowiderstandseffekt auftritt. Bei einem TMR-Element wird z.B. im allgemeinen das Fließen eines Stroms senkrecht zur Schichtoberfläche herbeigeführt. Der Element-Widerstandswert ändert sich hierbei in Abhängigkeit von der jeweiligen Magnetisierungsrichtung in der ersten und zweiten magnetischen Schicht und zwar insbesondere in Abhängigkeit davon, ob die Magnetisierungsrichtungen von Eisenfamilienelementen zwischen diesen magnetischen Schichten parallel oder antiparallel verlaufen. Der Element-Widerstandswert wird dann gemessen, wobei die Differenz zu einem Bezugswiderstandswert berechnet wird und auf diese Weise das Auslesen der aufgezeichneten Information erfolgt.
Die zweite magnetische Schicht wird von einer senkrecht magnetisierten Schicht gebildet, die z.B. aus einem ferrimagnetischen Material besteht. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die 2A und 2B näher auf einen Fall eingegangen, bei dem eine ferrimagnetische Schicht aus einer Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung als zweite magnetische Schicht 2 Verwendung findet. In den 2A und 2B bezeichnen die durchgezogenen Pfeile jeweils die Teilgitter-Magnetisierungsrichtung eines Eisenfamilienelements, während die gestrichelten Pfeile jeweils die Teilgitter-Magnetisierungsrichtung eines Seltenerdelements bezeichnen. Die Zusammensetzung der zweiten magnetischen Schicht 2 wird von einer Kompensationszusammensetzung gebildet, bei der die Teilgitter-Magnetisierungsstärke des Seltenerdelements weitgehend derjenigen des Eisenfamilienelements entspricht. 3 zeigt eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Anteil des Seltenerdelements in der Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung und einer Sättigungsmagnetisierung Ms. Wie 3 zu entnehmen ist, ändert sich die Magnetisierung der Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung in Abhängigkeit von dem Anteil des Seltenerdelements. Da die Magnetisierung der gesamten zweiten magnetischen Schicht 2 von der Differenz der Teilgittermagnetisierung bestimmt wird, kann die Magnetisierungsstärke der zweiten magnetischen Schicht 2 in zufriedenstellender Weise verringert werden, wobei die Feldstärke eines von der magnetischen Schicht erzeugten Magnetfeldes der Magnetisierungsstärke proportional ist. Die Verwendung einer Seltenerden-Eisenfamilien-Legierungsschicht mit einer der Kompensationszusammensetzung angenäherten Zusammensetzung ermöglicht eine ausreichende Verringerung eines von der zweiten magnetischen Schicht 2 auf die erste magnetische Schicht 1 übertretenden Streumagnetfeldes. Eine Änderung des Widerstands im Rahmen des magnetoresistiven Effektes hängt hauptsächlich von der Teilgitter-Magnetisierungsstärke des Eisenfamilienelements ab. Da sich die Gesamtmagnetisierungsstärke ohne Verringerung der Teilgittermagnetisierung des Eisenfamilienelements verringern lässt, kann ein Offset-Magnetfeld in zufriedenstellender Weise verringert werden, ohne hierbei den magnetoresistiven Effekt zu beeinträchtigen.
Beispiele für das Material der als zweite magnetische Schicht 2 verwendeten magnetischen Schicht stellen TbFe, TbFeCo, DyFe und DyFeCo dar, die relativ hohe Koerzitivkräfte aufweisen. Beispiele für das Material der als erste magnetische Schicht 1 verwendeten magnetischen Schicht stellen GdFe und GdFeCo dar, die eine geringere Koerzitivkraft aufweisen können.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel wird für die zweite magnetische Schicht 2 eine Schicht verwendet, deren Sättigungsmagnetisierung Ms durch Einstellung der Zusammensetzung der Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung auf den Bereich der Kompensationszusammensetzung in der vorstehend beschriebenen Weise verringert werden kann, wodurch sich ein Umschaltmagnetfeld verstärkt. Das magnetoresistive Element kann die zweite magnetische Schicht als festgelegte Schicht enthalten, eignet sich für eine Absolutwertdetektion und ermöglicht eine Verringerung des Streumagnetfeldes. Die Koerzitivkraft der senkrecht magnetisierten Schicht kann hierbei auf einfache Weise auf mehrere kOe oder mehr eingestellt werden. Eine Schicht mit hoher Koerzitivkraft lässt sich ausbilden, indem anders als bei einer in Längsrichtung magnetisierten Schicht das Material der magnetischen Schicht ohne Festlegung unter Verwendung einer antiferromagnetischen Schicht in geeigneter Weise ausgewählt wird. Bei dem magnetoresistiven Element gemäß diesem ersten Ausführungsbeispiel kann somit eine gewünschte Charakteristik in Form einer einfachen Struktur erhalten werden, ohne dass aufwendige Veränderungen der Struktur erforderlich sind.
Mit Hilfe des ersten Ausführungsbeispiels lassen sich die Sättigungsmagnetisierung der zweiten magnetischen Schicht und damit ein auf die erste magnetische Schicht übertretendes Streumagnetfeld verringern, wodurch sich wiederum ein Offset-Magnetfeld verringern lässt. Die zweite magnetische Schicht wird hierbei von einer Seltenerden-Eisenfamilien-Legierungsschicht gebildet, wobei ihre Zusammensetzung auf den Bereich einer Kompensationszusammensetzung eingestellt ist. Hierdurch lässt sich ein Streumagnetfeld verringern, während sich die Koerzitivkraft erhöhen lässt. Die zweite magnetische Schicht findet hierbei vorzugsweise als festgelegte Schicht Verwendung, bei der eine höhere Koerzitivkraft erforderlich ist.
Zweites Ausführungsbeispiel
Tabelle 1 zeigt in Einheiten von Oersted (Oe) und Ampere/Meter (A/m) ein Streumagnetfeld H, das bei der Mitte einer senkrecht magnetisierten Schicht mit einer Schichtdicke h (nm), einer Länge L (μm) und einer Breite L (μm) in einer von der Oberseite in einem Abstand z (nm) gelegenen Position senkrecht zur Schichtoberfläche verläuft, sowie eine ohne ein externes Magnetfeld vorhandene Magnetisierung M (Restmagnetisierung). Das Streumagnetfeld steigt in Abhängigkeit von einer Verringerung der Länge (= Breite) L, sowie einer Vergrößerung der Schichtdicke oder der Magnetisierung M an. In Tabelle 1 stellt der Wert "z = 1,5 nm" einen repräsentativen Wert für die Schichtdicke einer Spin-Tunnelschicht dar, die bei einem MRAM-Speicher Verwendung findet und in einem Standard-Schichtdickenbereich liegt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass die in Tabelle 1 aufgeführten Zahlenwerte für z = 0,5 nm bis 3 nm gelten.
Tabelle 1
Das Streumagnetfeld H ist hierbei in Einheiten von Oersted (Oe) ausgedrückt, wobei in 4 die Beziehung M/H × h über L aufgetragen ist und hierbei folgende Beziehung besteht: M/H × h = 75 × L + 2,6 ...(1)
Das Streumagnetfeld H (Oe) lässt sich somit folgendermaßen ausdrücken: H = M × h/(75 × L + 2,6) ...(2)
Wenn mit π die Kreiskonstante bezeichnet wird, lässt sich das Streumagnetfeld somit in Einheiten von A/m folgendermaßen ausdrücken: H = 250 × M × h/(π × (75 × L + 2,6)) ...(2)'
Wenn ein magnetoresistives Element als Speicherelement bei einem MRAM-Speicher eingesetzt werden soll, muss das Offset-Magnetfeld kleiner als das Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld der ersten magnetischen Schicht 1 sein. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn Informationen mit Hilfe des Absolutwert-Detektionsverfahrens ausgelesen werden. Die Feldstärke des Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeldes ist gleich der Koerzitivkraft oder größer. Wenn in Gleichung 2 mit M die Restmagnetisierung (emu/cc = 10³ A/m) der zweiten magnetischen Schicht 2, mit h die Schichtdicke (nm) und mit L die Elementlänge (μm) bezeichnet werden, erfüllt das Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld Hs (Oe) der ersten magnetischen Schicht vorzugsweise die Bedingung: M × h/(75 × L + 2,6) < Hs ...(3)
In Einheiten von A/m lässt sich diese Bedingung für das Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld folgendermaßen ausdrücken: 250 × M × h/(π × (75 × L + 2,6)) < Hs ...(3)'
Drittes Ausführungsbeispiel
Wenn das magnetoresistive Element gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel als Speicherelement bei einem MRAM-Speicher Verwendung findet, hat die erste magnetische Schicht die Funktion einer Detektionsschicht, während die zweite magnetische Schicht als Speicherschicht dient. Informationen werden hierbei eingeschrieben, indem die Magnetisierungsrichtung einer Schicht mit einer hohen Koerzitivkraft geändert wird. Beim Auslesen werden die Magnetisierung nur der ersten magnetischen Schicht umgeschaltet, eine Widerstandsänderung erfasst und hierbei die Differenz detektiert, wodurch die Informationswiedergabe erfolgt.
Wenn die Magnetisierung insbesondere der Schicht mit der hohen Koerzitivkraft durch Verwendung eines (nachstehend noch näher beschriebenen) ferrimagnetischen Materials herabgesetzt wird, erfordert dies ein stärkeres Magnetisierungs-Umschaltmagnetfeld. Ein starkes Magnetisierungs-Umschaltmagnetfeld erfordert jedoch eine höhere Energiemenge zur Umschaltung der Magnetisierung z.B. in Form eines höheren Stroms, der über eine Schreibleitung geführt wird. Bei diesem Element sollten vorzugsweise die zweite magnetische Schicht von einer magnetischen Schicht mit festgelegter Magnetisierungsrichtung gebildet und die Magnetisierungsinformationen in der ersten magnetischen Schicht aufgezeichnet werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
Außer der bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorliegenden Struktur des magnetoresistiven Elements wurde auch die Koerzitivkraft (Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld) der ersten magnetischen Schicht, d.h., der Schicht mit niedriger Koerzitivkraft, untersucht. Bei einer hohen Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schicht 1 ist ein höherer Strom zum Einschreiben in ein bei einem MRAM-Speicher verwendetes magnetoresistives Element erforderlich. Eine praxisnahe Koerzitivkraft liegt vorzugsweise bei zumindest 1,59 × 10⁴ A/m (200 Oe) oder weniger, wenn Verbrauchsgesichtspunkte Berücksichtigung finden. Unter Berücksichtigung des Stromverbrauchs beträgt dann die Koerzitivkraft 7,96 × 10³ A/m (100 Oe) oder weniger, vorzugsweise jedoch 3,98 × 10³ A/m (50 Oe) oder weniger, wobei ein Wert von 1,59 × 10³ A/m (20 Oe) oder weniger noch bevorzugter ist und ein Wert von 796 A/m (10 Oe) den weitaus bevorzugtesten Wert darstellt. Wenn das magnetoresistive Element als Speicherelement bei einem MRAM-Speicher Verwendung findet und dem Einfluss eines externen Magnetfeldes ausgesetzt ist, schwankt die Magnetisierung auf Grund eines Magnetfeldes, das beim Einschreiben in ein benachbartes Speicherelement erzeugt wird. Zur Verhinderung dieser Erscheinung beträgt daher die Koerzitivkraft vorzugsweise 398 A/m (5 Oe) oder mehr.
Wenn nun mit M die Restmagnetisierung (emu/cc = 10³ A/m) der die Schicht mit hoher Koerzitivkraft darstellenden zweiten magnetischen Schicht 2, mit h die Schichtdicke (nm) und mit L die Elementlänge (μm) bezeichnet werden, erfüllt die zweite magnetische Schicht 2, d.h., die Schicht mit der hohen Koerzitivkraft, vorzugsweise die Bedingung: 250 × M × h/(π × (75 × L + 2,6)) < 1,59 × 104 ...(4)
Fünftes Ausführungsbeispiel
In Verbindung mit der bei dem ersten Ausführungsbeispiel vorliegenden Struktur des magnetoresistiven Elements liegt die Restmagnetisierung M (emu/cc = 10³ A/m) der die Schicht mit hoher Koerzitivkraft bildenden zweiten magnetischen Schicht 2 vorzugsweise in der Nähe eines Wertes, der durch die nachstehende Gleichung (5) gegeben ist, die eine Modifikation von Gleichung (2) darstellt: M = Hs/h × (75 × L + 2,6) ...(5)wobei mit h die Schichtdicke (nm) der zweiten magnetischen Schicht, mit L die Elementlänge (μm) und mit Hs (Oe) das Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld der ersten magnetischen Schicht 1 bezeichnet sind.
Wenn das Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld Hs der ersten magnetischen Schicht 1 in Einheiten von A/m angegeben wird, lässt sich die Gleichung (5) folgendermaßen ausdrücken: M = n × Hs/(250 × h × (75 × L + 2,6)) ...(5)'
Die Schichtdicke h der zweiten magnetischen Schicht wird vorzugsweise auf Werte zwischen 2 nm und 100 nm eingestellt, da bei unter 2 nm liegenden Schichtdicken die Aufrechterhaltung einer stabilen Magnetisierung mit Schwierigkeiten verbunden ist. Bei über 10 nm liegenden Schichtdicken nimmt der zulässige Magnetisierungswert ab, sodass Toleranzen bei der Zusammensetzung nicht mehr gewährleistet werden können und die Gefahr besteht, dass Verarbeitungsprobleme wie Schwierigkeiten beim Ätzen auftreten. Demzufolge wird für die Schichtdicke vorzugsweise ein Wert von 80 nm oder weniger gewählt, wobei ein Wert von 50 nm oder weniger noch bevorzugter ist.
Die Schichtdicke der zweiten magnetischen Schicht wurde zwischen Werten von 2 nm bis 50 nm verändert. Die nachstehende Tabelle 2 zeigt die Schichtdicke der Schicht mit der hohen Koerzitivkraft und den Wert der Restmagnetisierung M (emu/cc = 10³ A/m) der zweiten magnetischen Schicht 2, wenn die Elementlänge L zwischen Werten von 0,1 μm, 0,2 μm, 0,3 μm, 0,4 μm und 0,5 μm, die Schichtdicke h der zweiten magnetischen Schicht 2 zwischen Werten von 2 nm, 5 nm, 10 nm, 20 nm, 30 nm, 40 nm und 50 nm, und die Koerzitivkraft Hc der ersten magnetischen Schicht zwischen Werten von 398 A/m (5 Oe), 796 A/m (10 Oe), 1,59 × 10³ A/m (20 Oe) und 3,98 × 10,3 A/m (50 Oe) gewählt werden.
Tabelle 2
Wie vorstehend beschrieben, beträgt das Offset-Magnetfeld 3,98 × 10³ A/m (50 Oe) oder weniger, vorzugsweise 1,59 × 10³ A/m (20 Oe) oder weniger, wobei ein Wert von 796 A/m (10 Oe) oder weniger noch bevorzugter ist und ein Wert von 398 A/m (5 Oe) oder weniger den weitaus bevorzugtesten Wert darstellt. Die Elementabmessungen betragen vorzugsweise 0,3 μm oder weniger, was in der Praxis von dem Integrationsgrad eines nichtflüchtigen Speichers abhängt. Wie vorstehend beschrieben, beträgt die Schichtdicke der zweiten magnetischen Schicht vorzugsweise 2 nm oder mehr. Eine Verringerung der Schichtdicke führt bei einer Miniaturisierung jedoch zu einer Volumenverringerung der magnetischen Schicht, sodass die Gefahr besteht, dass eine thermische Stabilisierung der Magnetisierung mit Schwierigkeiten verbunden ist. Aus diesem Grund stellt ein Wert von 5 nm oder mehr der Schichtdicke der zweiten magnetischen Schicht einen weitaus bevorzugteren Wert dar.
Für h = 5 nm betragen L = 0,3 μm oder weniger und H = 1,59 × 10³ A/m (20 Oe) oder weniger. Für h = 10 nm betragen vorzugsweise L = 0,3 μm oder weniger und H = 1,59 × 10³ A/m (20 Oe) oder weniger, wobei Werte von L = 0,1 μm oder weniger und von H = 1,59 × 10³ A/m (20 Oe) oder weniger noch bevorzugter sind und ein Wert von H = 796 A/m (10 Oe) oder weniger den weitaus bevorzugtesten Wert darstellt.
Unter Berücksichtigung dieser Werte besitzt die Magnetisierungsstärke der zweiten magnetischen Schicht 2 einen Wert von 10⁵ A/m (100 emu/cc) oder weniger, vorzugsweise jedoch einen Wert von 5 × 10⁴ A/m (50 emu/cc) oder weniger, wobei ein Wert von 2 × 10⁴ A/m (20 emu/cc) oder weniger noch bevorzugter ist und ein Wert von 10⁴ A/m (10 emu/cc) oder weniger den weitaus bevorzugtesten Wert darstellt.
Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung bezeichnet die Elementlänge L den jeweils längeren Wert der Breite und Länge des magnetoresistiven Elements.
Sechstes Ausführungsbeispiel
5 zeigt bei einer Seltenerden-Eisenfamilien-Legierungsschicht Gd_x (Fe_1–yCo_y)_1–x (y = 0,1 bis 0,5) die Beziehung zwischen der Zusammensetzung und der Sättigungsmagnetisierung. Auch bei Tb_x(Fe_1–yCo_y)_1–x und Dy_x (Fe_1–yCo_y)_1–x neigt die Sättigungsmagnetisierung dazu, bei einem höheren Anteil des Seltenerdmetalls anzusteigen, wenn die Gd-Konzentration im Bereich der Kompensationszusammensetzung (gemäß 5 im Bereich von 23,2%) oder darüber liegt, wobei sich dies bei der Kompensationszusammensetzung oder darunter liegenden Werten umkehrt.
Wie in Verbindung mit dem vierten Ausführungsbeispiel vorstehend beschrieben, ist eine Magnetisierungsstärke der zweiten magnetischen Schicht 2 von 10⁵ A/m (100 emu/cc) oder weniger anzustreben, vorzugsweise ein Wert von 5 × 10⁴ A/m (50 emu/cc) oder weniger, wobei ein Wert von 2 × 10⁴ A/m (20 emu/cc) oder weniger noch bevorzugter ist und ein Wert von 10⁴ A/m (10 emu/cc) oder weniger den weitaus bevorzugtesten Wert darstellt. Wie 5 zu entnehmen ist, ist anzustreben, dass die Zusammensetzung einer Schicht mit einer solchen Magnetisierungsstärke in einem Bereich von ± 2,6 Atom-% im Bereich der Kompensationszusammensetzung liegt, vorzugsweise jedoch in einem Bereich von ± 2,0 Atom-%, wobei ein Bereich von ± 1,4 Atom-% noch bevorzugter ist und ein Bereich von ± 0,25 Atom-% den weitaus bevorzugtesten Bereich darstellt. Hierbei kann entweder eine teilgitterdominante Seltenerdenzusammensetzung oder eine teilgitterdominante Eisenfamilienelement-Zusammensetzung Verwendung finden.
Siebtes Ausführungsbeispiel
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen des magnetoresistiven Elements findet eine Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines senkrechten Magnetfeldes Verwendung, wobei Informationen in dem magnetoresistiven Element unter Verwendung dieser Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung aufgezeichnet werden. Das magnetoresistive Element kann hierbei als Speicherelement dienen. Wie in den 6A und 6B veranschaulicht ist, ist z.B. eine Schreibleitung 900 über eine (nicht dargestellte) Isolierschicht in der Nähe des magnetoresistiven Elements angeordnet. Die Isolierschicht dient zur Verhinderung eines elektrischen Kontaktes zwischen der Schreibleitung und dem magnetoresistiven Element, was insbesondere bei einem TMR-Element von Bedeutung ist, da dann im EIN-Betrieb kein Spin-Tunneleffekt auftritt. Die Schreibleitung 900 verläuft senkrecht zur Schichtoberfläche. In 6A ist der Fall dargestellt, dass ein Strom zur Schichtoberfläche hin fließt, um die Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht 1 in Aufwärtsrichtung zu ändern, während in 6B der Fall dargestellt ist, dass ein Strom frontal von der Schichtoberfläche weg fließt, um die Magnetisierung der ersten magnetischen Schicht 1 in Abwärtsrichtung zu ändern. Auf diese Weise lässt sich eine binäre Information in dem magnetoresistiven Element auf der Basis der Richtung eines über die Schreibleitung fließenden Stroms aufzeichnen.
Beim Aufbau eines Speichers unter Verwendung dieses magnetoresistiven Elements werden die aus den magnetoresistiven Elementen gebildeten Speicherelemente in Form einer Matrix angeordnet. Zur Verhinderung von Koppeleffekten in Form eines sogenannten Nebensprechens zwischen Speicherelementen ist hierbei vorzugsweise ein zugehöriges Schaltelement vorgesehen.
7 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer 1-Bit-Speicherzelle mit einem Schaltelement. Bei Betrachtung der Figur von oben, sind in der Praxis identische Speicherzellen in seitlicher Richtung und in in 7 hineinführender Richtung in Matrixform angeordnet.
Gemäß 7 ist ein Anschluss eines magnetoresistiven Elements mit einem Drain-Bereich 31 eines MOS-Feldeffekttransistors (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors) verbunden, der eine Gate-Elektrode 80 sowie Source- und Drain-Bereiche 32 und 31 umfasst, die n⁺-leitende Bereiche darstellen, welche in einem p-leitenden Silicium-Halbleitersubstrat 33 ausgebildet sind. Der andere Anschluss des magnetoresistiven Elements ist mit einer Abtast- oder Leseleitung 40 verbunden.
Beim Schreiben/Löschen von Aufzeichnungsinformationen werden Ströme über die senkrecht zur Schichtoberfläche verlaufende Schreibleitung 900 und die entlang der Schichtoberfläche verlaufende Bitleitung 40 geführt. Auf diese Weise kann eine Information in einem am Kreuzungspunkt dieser Leitungen angeordneten magnetoresistiven Element (einer Speicherzelle) aufgezeichnet werden. Eine mit dem Source-Bereich 32 verbundene Elektrode 70 liegt hierbei an Masse. Eine Stromquelle und eine Abtast- oder Leseschaltung sind auf der linken bzw. rechten Seite der Abtast- oder Leseleitung 40 angeordnet. Hierdurch kann ein dem Widerstandswert des magnetoresistiven Elements entsprechendes Potential der Abtast- oder Leseschaltung zur Informationsdetektion zugeführt werden. Bei diesem siebten Ausführungsbeispiel ist die Schreibleitung zwar direkt neben dem Element angeordnet, kann jedoch auch in Bezug auf das Speicherelement an der Substratseite oder an der dem Substrat gegenüber liegenden Seite angeordnet sein, da das Anlegen eines annähernd senkrecht zur Schichtoberfläche verlaufenden Magnetfeldes ausreichend ist. Obwohl eine Anordnung der Schreibleitung direkt neben dem Element zu einem hohen Stromwirkungsgrad führt, wird die Schreibleitung aus Fertigungsgründen vorzugsweise an der Substratseite angeordnet. Ein senkrecht zur Schichtoberfläche verlaufendes Magnetfeld kann hierbei mit Hilfe einer mit einem benachbarten Speicherelement verbundenen Bitleitung angelegt werden.
Achtes Ausführungsbeispiel
In den 8 und 9 sind Simulationsergebnisse für die Verteilung eines Streumagnetfeldes veranschaulicht, das von einem Bereich von 0,2 μm⎕ einer senkrecht magnetisierten Schicht erzeugt wird und senkrecht zur Schichtoberfläche verläuft. Wie in 10 im einzelnen dargestellt ist, wirkt hierbei ein von der Magnetisierung M der zweiten magnetischen Schicht 2 erzeugtes Streumagnetfeld auf die erste magnetische Schicht 1 ein. In Bezug auf das Streumagnetfeld wird hierbei ein Wert verwendet, der sich in einem Abstand von 1 nm über der zweiten magnetischen Schicht 2 ergibt.
In 8 gibt die durchgezogene starke Kennlinie 1 das Simulationsergebnis für eine Magnetisierung von 5 × 10⁴ A/m (50 emu/cc) wieder, während die durchgezogene starke Kennlinie 2 das Simulationsergebnis für eine Magnetisierung von 10⁴ A/m (10 emu/cc), die durchgezogene dünne Kennlinie 3 das Simulationsergebnis für eine Magnetisierung von 5 × 10³ A/m (5 emu/cc) und die gestrichelte Kennlinie 4 das Simulationsergebnis für eine Magnetisierung von 2 × 103 A/m (2 emu/cc) wiedergeben. In jedem dieser Fälle beträgt die Schichtdicke 50 nm.
In 9 gibt die durchgezogene Kennlinie 1 das Simulationsergebnis für eine Schichtdicke von 50 nm wieder, während die gestrichelte Kennlinie 2 das Simulationsergebnis für eine Schichtdicke von 30 nm wiedergibt. In beiden Fällen beträgt die Magnetisierung 10⁴ A/m (10 emu/cc). Diese Magnetisierungsstärken und Schichtdicken können leicht mit Hilfe einer senkrecht magnetisierten Schicht aus einer Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung wie TbFe, GdFe, DyFe, DyFeCo, TbFeCo oder GdFeCo erhalten werden.
11 zeigt einen Zustand, bei dem ein von der Magnetisierung RM einer festgelegten Schicht 12 erzeugtes Streumagnetfeld auf eine Speicherschicht 11 in einer in Längsrichtung magnetisierten Schicht mit einer üblichen Struktur einwirkt. Zwischen der festgelegten Schicht 12 und der Speicherschicht 11 ist eine Isolierschicht 13 ausgebildet. 12 zeigt hierbei das Simulationsergebnis für die Verteilung eines Streumagnetfeldes in einem Abstand von 1 nm über der Schichtoberfläche, das von einem Bereich von 0,2 μm⎕ einer in Längsrichtung magnetisierten Schicht erzeugt wird und parallel zu der Schichtoberfläche verläuft. Das Simulationsergebnis zeigt, dass im Vergleich zu einer senkrecht magnetisierten Schicht ein sehr starkes Magnetfeld von 111 × 10³ A/m (1400 Oe) an der Endseite anliegt. 13 zeigt das Simulationsergebnis für die Verteilung eines Streumagnetfeldes in einem Abstand von 1 nm über der Schichtoberfläche, das von einer in Längsrichtung magnetisierten Schicht mit Abmessungen von 0,2 μm × 0,6 μm erzeugt wird und parallel zur Schichtoberfläche verläuft. Auch in diesem Falle liegt ein Magnetfeld mit einem Wert von 79,6 × 10³ A/m (1000 Oe) an. Die in Längsrichtung magnetisierten Schichten gemäß den 12 und 13 weisen hierbei eine Schichtdicke von 3 nm und eine Magnetisierung von 10⁶ A/m (1000 emu/cc) auf. Bei der in Längsrichtung magnetisierten Schicht wird die Magnetisierungsumschaltung von der Spinbewegung in der Magnetisierungsrichtung bestimmt. Ein Streumagnetfeld an der Endseite trägt hierbei maßgeblich zur Magnetisierungsumschaltung bei. So wird z.B. durch ein Streumagnetfeld ein Offset-Magnetfeld verstärkt.
Auf der Basis dieser Ergebnisse wurden eine senkrecht magnetisierte Schicht und eine in Längsrichtung magnetisierte Schicht miteinander verglichen, wobei sich herausstellte, dass ein Streumagnetfeld von 15,9 × 10³ A/m (200 Oe) oder weniger an der senkrecht magnetisierten Schicht anliegt, während ein Streumagnetfeld von 79,6 × 10³ A/m (1000 Oe) oder mehr an der in Längsrichtung magnetisierten Schicht anliegt. Bei der senkrecht magnetisierten Schicht kann die Feldstärke des Streumagnetfeldes durch entsprechende Einstellung der Schichtdicke und der Magnetisierung auf 3,98 × 10³ A/m (50 Oe) und weiter auf 796 A/m (10 Oe) oder weniger herabgesetzt werden, was beinhaltet, dass bei dem erfindungsgemäßen magnetoresistiven Element auch ein Offset-Magnetfeld verringert werden kann.
Im allgemeinen besteht eine für ein übliches TMR-Element verwendete, in Längsrichtung magnetisierte Schicht aus NiFe, Co oder Fe wobei die Sättigungsmagnetisierung Ms einen hohen Wert von ungefähr 8 × 10⁵ A/m bis 15 × 10⁵ A/m (800 bis 1500 emu/cc) aufweist. Bei einer solchen Schicht führt eine Verringerung der Magnetisierung im allgemeinen auch zu einer Verringerung des Widerstandsverhältnisses, sodass eine Verringerung eines Offset-Magnetfeldes bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Widerstandsverhältnisses mit Schwierigkeiten verbunden ist. Bei einem ferrimagnetischen Material wie einer Seltenerden-Eisenfamilien-Legierung kann jedoch die Stärke der Sättigungsmagnetisierung Ms ohne Schwierigkeiten auf ungefähr einige 10 × 10³ A/m (einige 10 emu/cc) verringert werden, ohne hierbei das Widerstandsverhältnis zu verringern. Da die Feldstärke eines Streumagnetfeldes eines Magneten der Sättigungsmagnetisierung Ms proportional ist, kann somit bei einem ferrimagnetischen Material die Magnetisierungsstärke verringert und damit ein Offset-Magnetfeld unterdrückt werden.
Neuntes Ausführungsbeispiel
17 zeigt ein Ersatzschaltbild eines MRAM-Speichers, bei dem die in Verbindung mit den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen magnetoresistiven Elemente als Speicherelemente in Form einer 4 × 4-Matrix angeordnet sind. Die Anzahl der Speicherelemente kann jedoch auch größer sein. Bitleitungen BL1 bis BL4 sind parallel zueinander angeordnet, während Schreibleitungen WL1 bis WL4 die Bitleitungen kreuzen und hierbei ebenfalls parallel zueinander angeordnet sind. Die Schreibleitungen sind in Positionen angeordnet, bei denen an die Speicherelemente ein annähernd senkrecht zur Schichtoberfläche verlaufendes Magnetfeld angelegt wird. In 17 sind 16 Speicherelemente R11 bis R44 dargestellt, wobei ein Anschluss eines jeden Speicherelements mit einem Schaltelement zur Auswahl eines Speicherelements verbunden ist, das heisst z.B. mit einem entsprechenden Transistor von Transistoren T11 bis T44. Der andere Anschluss des Speicherelements ist mit einer entsprechenden Bitleitung verbunden. Ein Anschluss einer jeweiligen Bitleitung ist über ein zugehöriges Schaltelement von Schaltelementen Ts1 bis Ts4 mit einem Anschluss eines zugehörigen Leseverstärkers von Leseverstärkern SA1 bis SA4 verbunden.
Nachstehend wird auf das Verfahren zum Einschreiben/Auslesen von Informationen bei diesem MRAM-Speicher näher eingegangen. Zum Einschreiben wird ein Stromimpuls an eine der Schreibleitungen WL1 bis WL4 angelegt. Ein durch diesen Strom erzeugtes Magnetfeld ändert die Magnetisierung der Schicht mit niedriger Koerzitivkraft, wodurch der Wert "1" oder "0" aufgezeichnet wird. Wenn bei der Aufzeichnung einer Information in dem Speicherelement R23 ein Stromimpuls an die nächstliegende Schreibleitung WL3 angelegt wird, werden identische Magnetfelder auch bei den Speicherelementen R13, R33 und R43 erzeugt. Zur Auswahl nur des Speicherelements R23 für die Aufzeichnung der Information wird gleichzeitig mit der Schreibleitung WL3 auf der Bitleitung BL2 ein Stromimpuls zugeführt, um in der Ebenenrichtung des Speicherelements R23 ein Magnetfeld zu erzeugen. Dieses in der Ebene liegende Magnetfeld ermöglicht im Vergleich zu einem Fall, bei dem nur ein Magnetfeld senkrecht zur Filmoberfläche anliegt, eine einfache Magnetisierungsumschaltung auch dann, wenn nur ein Magnetfeld geringer Feldstärke senkrecht zur Filmoberfläche anliegt, d.h., das von einer Bitleitung erzeugte Magnetfeld wirkt als Unterstützungsmagnetfeld. Durch die von der Schreibleitung WL3 und der Bitleitung BL2 erzeugten Magnetfelder ist somit gewährleistet, dass eine Information nur in dem Speicherelement R23 aufgezeichnet wird.
Nachstehend wird auf das Auslesen von Informationen näher eingegangen. Wenn z.B. aus dem Speicherelement R23 eine Information ausgelesen werden soll, wird das zugehörige Schaltelement T23 durchgeschaltet, um der Bitleitung BL2 einen Strom zuzuführen. Hierbei wird der Widerstandswert des Speicherelements R23 erfasst und einem Anschluss des Leseverstärkers SA2 zugeführt, dessen anderer Anschluss an einem Referenzpotential liegt. Der Widerstandswert des Speicherelements R23 wird dann auf der Basis des Referenzpotentials erfasst und auf diese Weise die Information ausgelesen.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel magnetoresistive Elemente gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen als Speicherelemente Verwendung finden, hat das aus der Schicht mit hoher Koerzitivkraft austretende Streumagnetfeld nur eine schwache Wirkung. Wenn somit Informationen in der vorstehend beschriebenen Weise ausgelesen werden, lässt sich eine höhere Widerstandswertdifferenz zwischen "1" und "0" erhalten, sodass die Informationen genau ausgelesen werden können.
Wie vorstehend beschrieben, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Verschiebung des Umschaltmagnetfeldes bei einer Speicherschicht zu unterdrücken, die durch ein statisches Magnetfeld von einer festgelegten Schicht in einem als Speicherelement dienenden magnetoresistiven Element hervorgerufen wird. Das magnetoresistive Element besteht aus einer aufeinanderfolgenden Schichtanordnung einer senkrecht zur Schichtoberfläche magnetisierten ersten magnetischen Schicht (1), einer Isolierschicht (N2) und einer ebenfalls senkrecht zur Schichtoberfläche magnetisierten zweiten magnetischen Schicht (2). Die Koerzitivkraft der zweiten magnetischen Schicht (2) ist hierbei höher als die Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schicht (1). Wenn ein Strom zwischen der ersten magnetischen Schicht (1) und der zweiten magnetischen Schicht (2) über die Isolierschicht (N2) fließt, ändert sich der Widerstandswert in Abhängigkeit von dem Relativwinkel der Magnetisierung zwischen der ersten magnetischen Schicht (1) und der zweiten magnetischen Schicht (2). Bei diesem magnetoresistiven Element wird ein von der zweiten magnetischen Schicht (2) auf die erste magnetische Schicht (1) einwirkendes Magnetfeld auf einen kleineren Wert als die Koerzitivkraft der ersten magnetischen Schicht (1) eingestellt.

Claims

Magnetoresistives Element mit einem Aufbau, bei dem eine nichtmagnetische Schicht zwischen einer senkrecht zur Schichtebene magnetisierten ersten magnetischen Schicht und einer senkrecht zur Schichtebene mit einer höheren Koerzitivfeldstärke als die erste magnetische Schicht magnetisierten zweiten magnetischen Schicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das von der zweiten magnetischen Schicht auf die erste magnetische Schicht einwirkende Magnetfeld kleiner als ein Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld der ersten magnetischen Schicht ist, wobei die Restmagnetisierung M (emu/cc = 10³ A/m), die Schichtdicke h (nm) und die Länge L (μm) der zweiten magnetischen Schicht sowie das Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld Hs (A/m) der ersten magnetischen Schicht die Bedingung 250 × M × h/(π × (75 × L + 2,6)) < Hserfüllen.
Element nach Anspruch 1, bei dem die zweite magnetische Schicht von einer ferrimagnetischen Schicht gebildet wird.
Element nach Anspruch 1, bei dem die erste und die zweite magnetische Schicht von einer ferrimagnetischen Schicht gebildet werden.
Element nach Anspruch 1, bei dem die Magnetisierung der zweiten magnetischen Schicht stets in der gleichen Richtung festgelegt ist.
Element nach Anspruch 1, bei dem das Magnetisierungs-Sättigungsmagnetfeld Hs der ersten magnetischen Schicht nicht mehr als 1,59 × 10⁴ A/m beträgt.
Element nach Anspruch 1, bei dem die Schichtdicke der zweiten magnetischen Schicht in einem Bereich von 2 nm bis 100 nm liegt.
Element nach Anspruch 2, bei dem die zweite magnetische Schicht von einer ferrimagnetischen Schicht in Form einer Kompensationszusammensetzung gebildet wird.
Element nach Anspruch 7, bei dem die zweite magnetische Schicht von einer ferrimagnetischen Schicht aus einer Seltenerden-Eisenfamilien-Elementlegierung gebildet wird und der Anteil eines Seltenerdenelements in der Zusammensetzung der ferrimagnetischen Schicht innerhalb von +/– 2,6 Atom% im Bereich der Kompensationszusammensetzung liegt.
Element nach Anspruch 1, bei dem die Sättigungsmagnetisierung der zweiten magnetischen Schicht nicht mehr als 100 × 10³ A/m beträgt.
Element nach Anspruch 2, bei dem die ferrimagnetische Schicht im wesentlichen aus zumindest einem Seltenerdelement aus der aus Gd, Tb und Dy bestehenden Gruppe und zumindest einem Eisenfamilienelement aus der aus Fe und Co bestehenden Gruppe besteht.
Speicherelement mit dem magnetoresistiven Element gemäß Patentanspruch 1, und einer Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes senkrecht zu einer Schichtoberfläche des magnetoresistiven Elements, wobei eine Information in dem magnetoresistiven Element unter Verwendung der Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung aufgezeichnet wird.
MRAM, mit einem Substrat, einer Vielzahl von Speicherelementen gemäß Patentanspruch 11, die auf dem Substrat in Form einer Matrix angeordnet sind, einer Vielzahl von Bitleitungen, die jeweils mit einem Anschluss eines entsprechenden Elements der Speicherelemente verbunden sind, einer Vielzahl von Schreibleitungen, die die Bitleitungen kreuzen und als die Magnetfeld-Erzeugungseinrichtung zum Anlegen eines Magnetfeldes an die Speicherelemente dienen, Speicherelement-Wählschaltelementen, die jeweils mit dem anderen Anschluss eines entsprechenden Elements der Speicherelemente verbunden sind, und einer Vielzahl von Leseverstärkern, die jeweils über einen jeweiligen Anschluss mit einer entsprechenden Leitung der Bitleitungen verbunden sind und den Widerstandswert des zugehörigen Speicherelements erfassen, wobei eine Information durch Magnetfelder aufgezeichnet wird, die über die Schreib- und Bitleitungen angelegt werden, und eine Information durch Anlegen einer Spannung an eine jeweilige Bitleitung und Eingabe des Widerstandswertes des zugehörigen Speicherelements in den jeweiligen Leseverstärker wiedergegeben wird.
MRAM nach Anspruch 12, bei dem eine Information durch Vergleich des Widerstandswertes eines jeweiligen Speicherelements mit einem dem anderen Anschluss des zugehörigen Leseverstärkers zugeführten Bezugswert wiedergegeben wird.