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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft Magnetspeichereinrichtungen zur Verwendung als
Informationsspeichereinrichtungen und insbesondere eine Magnetspeichereinrichtung
mit einem magnetoresistiven Element, welches einen so genannten
MR(magnetoresistiven)-Effekt aufweist, bei dem der Widerstand in
Abhängigkeit
von einem von außen
angelegten magnetischen Feld variiert.
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Technischer Hintergrund
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In
jüngster
Zeit wurde als eine Art von Magnetspeichereinrichtungen ein MRAM
(Magnetic Random Access Memory, magnetischer Zufallszugriffsspeicher)
vorgeschlagen, der als Speichereinrichtung arbeitet. Der MRAM speichert
Information durch Ausnutzen der Umkehrbarkeit der Magnetisierungsrichtung
in einem magnetoresistiven Element wie z.B. einem GMR-(giant magnetoresistive,
riesenmagnetoresistiven) oder einem TMR-(tunnel magnetoresistive,
Magnetischem Tunnelwiderstands-)Element.
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In
einem magnetoresistiven Element wie z.B. einem TMR-Element, welches
in dem MRAM verwendet wird, sind eine freie Schicht aus einem ferromagnetischen
Material, eine nichtmagnetische Schicht aus einem isolierenden Material,
eine feste Schicht aus einem ferromagnetischen Material und eine
antiferromagnetische Schicht zum direkten oder indirekten Fixieren
der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht der Reihe nach aufgeschichtet
und der Widerstand eines Tunnelstroms variiert in Abhängigkeit
von der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht. So kann der
MRAM Information entsprechend der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht
in dem magnetoresistiven Element speichern; z.B. speichert es eine "1", wenn die Magnetisierung in einer bestimmten
Richtung orientiert ist, und eine "0",
wenn die Magnetisierung in einer anderen Richtung orientiert ist.
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Um
Information in das magnetoresistive Element zu schreiben, weist
der MRAM eine Elektrodenschicht aus einem nichtmagnetischen Leiter
auf, die zumindest anliegend an die freie Schicht in dem magnetoresistiven
Element angeordnet ist. Ein magnetisches Feld, welches höher als
ein magnetisches Feld Hc ist, das zum Umkehren der Magnetisierungsrichtung
der freien Schicht notwendig ist, wird an das magnetoresistive Element
durch ein von einem durch die Elektrodenschicht fließenden elektrischen
Strom generiertes magnetisches Feld angelegt, um so die Magnetisierungsrichtung
zu ändern,
wodurch Information in das magnetoresistive Element geschrieben wird.
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In
einem solchen MRAM wird die Größe (planare
Fläche)
des magnetoresistiven Elements immer kleiner, wodurch sich die Packungsdichte
erhöht.
Aus diesem Grund tendiert selbstverständlich auch die Größe der freien
Schicht, welche die Magnetisierungsrichtung umkehrt (schaltet),
dazu, kleiner zu werden.
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Da
aber die Entfernung zwischen beiden Enden der freien Schicht, also
die Entfernung zwischen den magnetischen Polen in der freien Schicht
mit der Größenreduzierung
der freien Schicht abnimmt, verstärkt sich ein in der freien
Schicht generiertes Entmagnetisierungsfeld. Das Entmagnetisierungsfeld reduziert
ein magnetisches Feld, welches von außen an die freie Schicht angelegt
wird. Aus diesem Grund hat das Entmagnetisierungsfeld einen großen Einfluss
auf die Koerzitivkraft in der freien Schicht. Wenn das Entmagnetisierungsfeld
anwächst,
muss ein stärkeres
Magnetfeld angelegt werden, damit die freie Schicht umschalten kann.
Das heißt,
wenn das Entmagnetisierungsfeld anwächst, muss die Strommenge,
welche an die Elektrodenschicht zum Generieren eines Magnetfelds
in der freien Schicht angelegt werden soll, zunehmen muss. Folglich
steigt der Leistungsverbrauch während
dem Schreiben von Information.
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Um
zu verhindern, dass die Koerzitivkraft aufgrund eines solches Entmagnetisierungsfeldes vergrößert wird,
kann die Abhängigkeit
des Entmagnetisierungsfelds von der Strukturgröße beispielsweise durch ein
Vermindern des Moments der freien Schicht (des Produkts aus der
Sättigungsmagnetisierung
Ms des ferromagnetischen Materials, welches die freie Schicht bildet
und der Dicke t der freien Schicht) verringert werden. Dies ist
möglich,
da das Entmagnetisierungsfeld Hd, das Moment Ms × t sowie die Größe W in
der Richtung, in welcher ein magnetisches Feld an das magnetoresistive
Element angelegt wird (üblicherweise
die Richtung der einfachen Magnetisierungsachse) eine Relation Hd
= A × Ms × t/W (A
ist eine Proportionalitätskonstante)
besitzen. Jedoch kann das die freie Schicht bildende ferromagnetische Material
nicht einfach geändert
werden, da es einen großen
Einfluss auf das MR-Verhältnis
hat. Aus diesem Grund muss die freie Schicht in ihrer Dicke verringert
werden, um ihr Moment zu reduzieren. Jedoch können, wenn die Dicke der freien Schicht
zu klein ist, (z.B. einige Nanometer) Probleme entstehen: zum Beispiel
bildet die freie Schicht keinen kontinuierlichen Film und die thermische
Stabilität
verringert sich. Das bedeutet, dass aufgrund der beschränkten Reduktion
der Dicke der freien Schicht eine Dickenreduktion nicht notwendiger
Weise die Erhöhung
der Koerzitivkraft aufgrund des Entmagnetisierungsfeldes verhindern
kann.
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EP-A-1 105 878 offenbart
eine Speicherzellenanordnung mit einer ersten und einer zweiten
Leitung, auf deren Kreuzungspunkt ein magnetisches Speicherelement
angeordnet ist. Ein magnetisches Joch umgibt eine der Leitungen
und enthält
ein magnetisierbares Material.
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EP-A-1 120 790 zeigt
eine magnetische Speicherzelle mit einer Struktur, die ein leitendes
Element umgibt, welches dazu dient, Unterbrechungen der Magnetisierung
in der Speicherschicht der magnetischen Speicherzelle zu verhindern.
Die Struktur liegt an dem Leiter an drei von dessen Seiten an und liegt
ebenfalls an einer magnetischen Speicherzelle an, die den Leiter
kontaktiert.
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EP-0 953 849 offenbart einen
magnetischen Sensor vom TMR-Typ mit einem Tunnelisolationsfilm,
wobei ein spintunnel-magnetoresistiver Effekt genutzt wird. Der
Tunnelisolationsfilm ist zwischen einer ersten Elektrode und einer
ersten magnetischen Schicht angeordnet. Die erste Elektrode ist
elektrisch mit der ersten magnetischen Schicht nur in einer Öffnung eines
Isolierfilms verbunden.
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US 2001-50859 offenbart
einen Schreibleiter, eine Schirmung, eine freie magnetische Schicht und
eine Isolierschicht.
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Dementsprechend
ist eine Aufgabe der Erfindung das Bereitstellen einer Magnetspeichereinrichtung,
die verhindern kann, dass die Koerzitivkraft einer freien Schicht
durch ein Entmagnetisierungsfeld verstärkt wird, ungeachtet der Dicke,
des Moments und ähnlichem
der freien Schicht, so dass Information mit einem geringen Leistungsverbrauch geschrieben
werden kann, selbst wenn die Größe des magnetoresistiven
Elements reduziert wird. Beschreibung der Erfindung Die Erfindung
wurde gemacht, um die oben genannte Aufgabe zu lösen und sie stellt eine magnetische
Speichereinrichtung gemäß Anspruch
1 bereit.
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Da
die magnetische Schicht auf einem Teil der Oberfläche der
Elektrodenschicht, anliegend an und nicht in Kontakt mit der freien
Schicht angeordnet ist, werden in der Magnetspeichereinrichtung
gemäß Anspruch
1 die magnetischen Pole an den Enden der freien Schicht durch das
umgebende Magnetfeld ausgelöscht,
und der sichtbare Bereich der die Magnetschicht aufweisenden freien
Schicht wird vergrößert. Aus
diesem Grund steigt das Entmagnetisierungsfeld in der freien Schicht
nicht, selbst wenn die Größe des magnetoresistiven
Elements verringert wird.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1 ist
eine schematische Ansicht der Anordnung des Hauptteils einer ersten
Ausführungsform
einer Magnetspeichereinrichtung gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine schematische Ansicht der generellen Anordnung eines magnetoresistiven
Elements, welches in der Magnetspeichereinrichtung verwendet wird.
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3 ist
eine (erste) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens zum
Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Abscheiden eines
magnetoresistiven Films.
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4 ist
eine (zweite) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Formen einer unteren
Elektrode.
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5 ist
eine (dritte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schrittes zum Ätzen der unteren Elektrode.
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6 ist
eine (vierte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Abscheiden eines
Isolierfilms zum Bedecken einer unteren Elektrode.
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7 ist
eine (fünfte)
schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens zum Herstellen
der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Abtragungsschritts des Isolierfilms
zum Bedecken der unteren Elektrode.
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8 ist
eine (sechste) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Formen eines Teilbereichs
eines magnetoresistiven Elements.
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9 ist
eine (siebte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere von Schritten zum Ätzen und zum Entfernen von
Resistmaterial des Teilbereichs des magnetoresistiven Elements.
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10 ist
eine (achte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens zum
Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Formen eines Elektrodenverbindungslochs.
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11 ist
eine (neunte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Abscheiden eines
Isolierfilms zum Formen eines Elektrodenverbindungslochs.
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12 ist
eine (zehnte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen einer Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schrittes zum Abscheiden einer
magnetischen Schicht.
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13 ist
eine (elfte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens zum
Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Abtragen des Isolierfilms
zum Formen des Elektrodenverbindungslochs und der magnetischen Schicht.
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14 ist
eine (zwölfte)
schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens zum Herstellen der
Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Formen einer oberen
Elektrode.
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15 ist
eine (dreizehnte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Abscheiden und Abtragen
der oberen Elektrode sowie eines Schritts zum Ätzen der magnetischen Schicht.
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16 ist
eine (vierzehnte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines weiteren Beispiels eines Schritts
zum Abscheiden der oberen Elektrode.
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17 ist
eine beispielhafte Ansicht eines konkreten Beispiels für die Abhängigkeit
der Koerzitivkraft in einer freien Schicht von der Strukturgröße.
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18 ist
eine schematische Ansicht der Anordnung des Hauptteils einer zweiten
Ausführungsform
einer Magnetspeichereinrichtung gemäß der Erfindung.
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19 ist
eine schematische Ansicht der Anordnung des Hauptteils einer dritten
Ausführungsform
einer Magnetspeichereinrichtung gemäß der Erfindung.
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20 ist
eine (erste) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens zum
Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Abscheiden einer
oberen Elektrode.
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21 ist
eine (zweite) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schritts zum Bilden einer Struktur
zum Abtragen einer magnetischen Schicht.
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22 ist
eine (dritte) schematische Ansicht des Ablaufs eines Verfahrens
zum Herstellen der Magnetspeichereinrichtung gemäß der dritten Ausführungsform
der Erfindung, insbesondere eines Schrittes zum Abscheiden und Abtragen
einer magnetischen Schicht.
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23 ist
eine schematische Ansicht der grundsätzlichen Anordnung einer Magnetspeichereinrichtung,
in welcher eine Vielzahl von magnetoresistiven Elementen in einer
Matrix angeordnet sind.
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Beste Art und Weise zum Ausführen der
Erfindung
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Eine
Magnetspeichereinrichtung gemäß der Erfindung
wird im Folgenden unter Bezug auf die Figuren beschrieben. Beispielhaft
wird ein Fall beschrieben, in welchem die Erfindung auf ein MRAM angewendet
wird, welches ein einziges TMR-Spin-Valve-Element (TRM-Spinventilelement, im
Folgenden als "TMR-Element" bezeichnet) als magnetoresistives
Element aufweist.
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[Erste Ausführungsform]
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1 ist
eine schematische Ansicht des Aufbaus des Hauptteils einer ersten
Ausführungsform
eines MRAM, auf welchen die Erfindung angewendet ist und 2 ist
eine schematische Ansicht der grundsätzliche Aufbau eines TMR-Elements,
welches in dem MRAM verwendet wird.
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Zunächst wird
ein TMR-Element beschrieben. Ein TMR-Element weist eine freie Schicht
aus einem ferromagnetischen Material, eine nichtmagnetische Schicht
aus einem isolierenden Material, eine feste Schicht aus einem ferromagnetischen
Material sowie eine antiferromagnetische Schicht zum direkten oder
indirekten Fixieren der Magnetisierungsrichtung der festen Schicht
auf, wobei die Schichten der Reihe nach aufgeschichtet sind. Das
TMR-Element nimmt Information auf, indem es die Veränderung
der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht nutzt und der Widerstand
eines Tunnelstroms variiert in Abhängigkeit der Magnetisierungsrichtung.
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Genauer
gesagt weist das TMR-Element beispielsweise eine geschichtete Struktur
auf, in welcher ein Ta-Film von 3 nm Dicke, ein PtMn-Film von 30
nm Dicke, ein CoFe-Film 14a von 1,5 nm Dicke, ein Ru-Film 14b von
0,8 nm Dicke, ein CoFe-Film 14c von 2 nm Dicke, ein Al-Ox-Film
von 1,5 nm Dicke, ein NiFe-Film von 15 nm Dicke und ein Ta-Film von
5 nm Dicke der Reihe nach auf einem Substrat 11 aufgeschichtet
sind, wie in 2 dargestellt. Die Dicken der
Filme sind lediglich Beispiele und sind nicht auf die oben angegebenen
Werte beschränkt.
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In
einer solchen Schichtstruktur funktioniert der NiFe-Film als eine
freie Schicht 16, der Al-Ox-Film funktioniert als nichtmagnetische
Schicht 15 und der PtMn-Film funktioniert als antiferromagnetische
Schicht 13. Eine synthetische ferromagnetische Region,
in welcher die beiden CoFe-Filme 14a und 14c mit
dem Ru-Film 14b gestapelt sind, der als nichtmagnetische
Schicht dazwischen fungiert, funktioniert als feste Schicht 14.
Die Ta-Filme arbeiten als Schutzfilme 12 und 17.
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Während NiFe
als ferromagnetisches Material verwendet wird, welches die freie
Schicht bildet, und CoFe als ferromagnetisches Material verwendet wird,
welches die feste Schicht bildet, können diese durch Co, Ni, Fe,
eine Legierung mit mindestens einem dieser Materialien oder einem
mehrschichtigen Film, welcher die Materialien aufweist, ersetzt
werden. Während
PtMn als antiferromagnetische Schicht verwendet wird, kann es durch
NiMn als ähnlich
geordnete Legierung, IrMn, RhMn oder FeMu als ungeordnete Legierungen,
NiO oder α-Fe2O3 als Oxide ersetzt
werden.
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Während so
genannte TMR-Elemente vom Grundtyp (bottom-type), in welchen eine
feste Schicht früher
(unten) als eine freie Schicht abgeschieden wird, als Beispiel genannt
wird, kann selbstverständlich
auch eine ein so genanntes TMR-Element vom Spitzentyp (top-type),
in welchen eine freie Schicht früher
(unten) als eine feste Schicht abgeschieden wird, verwendet werden.
Dies gilt selbstverständlich
nicht nur für
das TMR-Element, sondern auch für
ein GMR-Element, in welchem eine nichtmagnetische Schicht zwischen
einer freien Schicht und einer festen Schicht angeordnet ist und
aus Cu oder ähnlichem
besteht.
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Der
Aufbau des Hauptteils des MRAM mit dem oben beschriebenen TMR-Element wird nun
beschrieben. Wie in 1 gezeigt, weist der MRAM in dieser
Ausführungsform
ein einziges TMR-Element 10 auf. Das TMR-Element 10 weist
eine Struktur auf, in welcher zumindest eine feste Schicht 14,
eine nichtmagnetische Schicht 15 sowie eine freie Schicht 16 auf
einem Substrat 11 aufgeschichtet sind, und insbesondere
die oben beschriebene Schichtstruktur (vgl. 2). Die
feste Schicht 14 arbeitet als untere Elektrodenschicht,
welche ein magnetisches Feld zum Umkehren der Magnetisierungsrichtung
der freien Schicht 16 generiert.
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Eine
Elektrodenschicht 22 aus einem nichtmagnetischen Leiter
wird auf dem TMR-Element 10 in der Figur bereitgestellt,
d.h. auf einer Seite der freien Schicht 16 in dem TMR-Element 10,
wobei eine Isolierschicht 21 aus einem isolierenden Material
dazwischen liegt. Die Elektrodenschicht 22 arbeitet als obere
Elektrode, welche der unteren Elektrodenschicht entspricht, generiert
ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 16 in ähnlicher
Weise wie in der unteren Elektrodenschicht und ist mit einem Kontaktteil
versehen, welcher anliegend an, jedoch nicht in Kontakt mit der freien
Schicht 16 ist. Das bedeutet, die Elektrodenschicht 22 ist
direkt auf der freien Schicht 16 in dem Kontaktteil aufgeschichtet
und die Isolierschicht 21 ist zwischen der freien Schicht 16 und
der Elektrodenschicht 22 in dem anderen, nicht kontaktierten Teil
angeordnet.
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Der
MRAM, welcher in dieser Ausführungsform
beschrieben wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische
Schicht 23 aus einem magne tischen Material auf dem nicht
kontaktierten Teil auf der Oberfläche der Elektrodenschicht 22 anliegend an,
und nicht in Kontakt mit der freien Schicht 16 bereitgestellt
ist. Die magnetische Schicht 23 ist beispielsweise ein
NiFe-Film mit einer Dicke von 10 nm. Neben NiFe kann auch Co, Ni,
Fe, eine Legierung mit zumindest einem dieser Materialien oder ein
mehrschichtiger Film, der diese Materialien aufweist, verwendet
werden. Jedenfalls ist es vorteilhaft, dass die Koerzitivkraft der
magnetischen Schicht 23 in einer großen Fläche gleich oder kleiner ist
als die Koerzitivkraft des magnetischen Materials, welches für die freie
Schicht 16 verwendet wird. Ein nichtmagnetisches metallisches
Material, ein isolierendes Material oder ähnliches können zwischen der magnetischen Schicht 23 und
der Elektrodenschicht 22 angeordnet sein.
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Ein
Verfahren zum Herstellen des MRAM mit dem oben beschriebenen Aufbau
wird nun beschrieben. Die 3 bis 16 sind
schematische Ansichten des Ablaufs eines Herstellungsverfahrens
des MRAM. Um den MRAM herzustellen, welcher die oben beschriebene
Anordnung aufweist, werden zunächst
zumindest eine feste Schicht 14, eine nichtmagnetische
Schicht 15 und eine freie Schicht 16 (insbesondere
beispielsweise die geschichtete Struktur aus 2) nacheinander
auf einem Substrat 11 abgeschieden, um einen TMR-Film wie
in 3 dargestellt, zu bilden.
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Nachdem
der TMR-Film gebildet ist, wird gemäß 4 ein Resistfilm 31 auf
der freien Schicht 16 abgeschieden, was einem Strukturieren
zum Bilden einer unteren Elektrodenschicht entspricht. Dann werden
die feste Schicht 14, die nichtmagnetische Schicht 15 und
die freie Schicht 16 teilweise durch Ätzen entfernt, wie in 5 dargestellt,
und eine Isolierschicht 24 wird, wie in 6 gezeigt,
abgeschieden. Dann werden nicht benötigte Teilbereiche durch die
Verwendung eines so genannten Abtragungsverfahrens (lift-off), wie
in 7 dargestellt, entfernt. Um die Abtragung durchzuführen, weist
der Resistfilm 31 eine Zweischichtstruktur, in welcher
die obere Schicht aus der unteren Schicht herausragt, wie in 4 dargestellt,
oder eine umgekehrte verjüngte Form
auf.
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Nachdem
eine untere Elektrode durch Bilden der Isolierschicht 24 bedeckt
wird, wird ein Resistfilm 32 entsprechend dem Strukturieren
eines TMR-Elements 10 auf
der freien Schicht 16 und der Isolierschicht 24 abgeschieden,
wie in 8 dargestellt. Nachdem die nichtmagnetische Schicht 15 und
die freie Schicht 16 teilweise durch Ätzen entfernt wurden, wird
der Re sistfilm 32 entfernt, wie in 9 dargestellt.
Als Folge ist ein Bereich gebildet, der als TMR-Element 10 arbeitet
(fast in der Mitte der Figur).
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Nachdem
ein TMR-Element 10 gebildet wurde, wird ein Resistfilm 33 auf
einem Teilbereich abgeschieden, wo ein Elektrodenverbindungsloch
gebildet werden soll, wie in 10 dargestellt.
Der Resistfilm 33 weist eine Zweischichtstruktur oder eine
umgekehrte verjüngte
Struktur zum Zwecke des Abtragens auf. Dann wird ein Isolierfilm 21 darauf
abgeschieden, wie in 11 dargestellt. Die oben genannten
Prozesse sind grundsätzlich ähnlich zu
denen des grundsätzlichen
MRAM-Herstellungsverfahrens.
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Beim
Herstellen des MRAM, der in dieser Ausführungsform beschrieben wird,
wird, wie in 12 dargestellt, eine magnetische
Schicht 23 auf der Isolierschicht 21 abgeschieden.
Die magnetische Schicht 23 kann beispielsweise ein NiFe-Film
mit einer Dicke von 10 nm sein, wie oben beschrieben. Dann werden
nicht benötigte
Teile wie der Resistfilm 33 durch Abtragen entfernt, wie
in 13 dargestellt. Folglich sind die Isolierschicht 21 und
die magnetische Schicht 23 außerhalb des Abschnitts, der
als TMR-Element 10 arbeitet (teilweise in Kontakt mit der Elektrodenschicht 22)
und das Elektrodenverbindungsloch des TMR-Elements 10,
welches mit der unteren Elektrodenschicht verbunden wird, aufeinander
gestapelt. In dem Kontaktteil können
die freie Schicht 16 des TMR-Elements 10 und die
magnetische Schicht 23 miteinander kontaktiert oder voneinander
getrennt werden, indem eine entsprechende Bestimmung der Form des
Resistfilms 33 durchgeführt
wird.
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Nachdem
die Isolierschicht 21 und die magnetische Schicht 23 gebildet
sind, wird ein Resistfilm 34 gemäß der Strukturierung zum Bilden
einer Elektrodenschicht 22 abgeschieden, wie in 14 dargestellt.
Dann werden das Abscheiden einer Elektrodenschicht 22 und
ein Abtragen des Resistfilms 34 durchgeführt, wie
in 15 dargestellt. Da aber die magnetische Schicht 23,
welche zuvor gebildet wurde, auf der gesamten Oberfläche zurückbleibt,
wird ein unnötiger
Teil der magnetischen Schicht 23 durch das anschließende Durchführen einer
generellen Ätzung
entfernt, wobei die Elektrodenschicht 22 als Maske verwendet
wird. Daher ist es vorzuziehen, dass die Dicke der Elektrodenschicht 22 unter
Berücksichtigung
der Menge bestimmt wird, welche durch das Ätzen entfernt wird. Der unbenötigte Teilbereich
der magnetischen Schicht 23 kann nicht nur durch Ätzen entfernt
werden, wenn die Elektrodenschicht 22 als Maske verwendet
wird, sondern auch durch das Durchführen eines Ätzens, nachdem ein neues Resistmuster
gebildet wird.
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Durch
ein solches Herstellungsverfahren besitzt der resultierende MRAM
einen Aufbau wie in 1, das heißt eine Anordnung, in welcher
die magnetische Schicht 23 auf dem Teil der Oberfläche der Elektrodenschicht 22 angeordnet
ist, welche an der freien Schicht 16 anliegt und diese
nicht kontaktiert. Während
die als obere Elektrode arbeitende Elektrodenschicht 22 gebildet
wird, indem das Abtrageverfahren (vgl. 14) verwendet
wird, kann beispielsweise eine Elektrodenschicht 22 einer
gewünschten Form
gebildet werden, indem eine Ätzung
durchgeführt
wird, nachdem ein Material für
die Elektrodenschicht 22 auf der gesamten Oberfläche abgeschieden
wird, wie in 16 dargestellt. In diesem Fall wird
die magnetische Schicht 23 durch Ätzen zusammen mit der Elektrodenschicht 22 entfernt,
was sich von dem obigen Fall unterscheidet.
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In
dem MRAM, welcher wie oben beschrieben gebildet wurde, werden dadurch,
dass die magnetische Schicht 23 in dem nicht kontaktierenden
Teil zwischen der freien Schicht 16 und der Elektrodenschicht 22 angeordnet
ist, magnetische Pole an den Enden der freien Schicht 16 durch
die magnetische Schicht 23 ausgelöscht, welche um diese herum
angeordnet sind, und die sichtbare Fläche der freien Schicht 16 (magnetische
Schicht) wird vergrößert sich.
Aus diesem Grund vergrößert sich
ein Antimagnetfeld in der freien Schicht 16 des TMR-Elements 10 nicht,
selbst wenn die Größe des TMR-Elements 10 verringert
wird.
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17 ist
eine erklärende
Darstellung konkreter Beispiele der Abhängigkeit der Koerzitivkraft der
freien Schicht von der Strukturgröße. Die Figur zeigt Messbeispiele
der Abhängigkeit
der Koerzitivkraft der freien Schicht 16 von der Strukturgröße für den Fall,
dass das TMR-Element 10 im Wesentlichen quadratisch in
einer Draufsicht (siehe Punkte in der Figur) ist, und verdeutlicht
zum Vergleich Messbeispiele für
den Fall eines Grundtyps eines MRAM ohne magnetische Schicht 23 (siehe
nicht ausgefüllte Punkte
in der Figur). Wie aus der Figur hervorgeht, vergrößert sich
in der grundsätzlichen
Anordnung die Koerzitivkraft der freien Schicht mit abnehmender Strukturgröße. Im Gegensatz
dazu wird die Tendenz reduziert, wenn die magnetische Schicht 23,
wie in dieser Ausführungsform,
bereitgestellt wird.
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Gemäß dem Vorhergehenden
kann in dem MRAM gemäß dieser
Ausführungsform
die Tendenz der Koerzitivkraft der freien Schicht 16 in
dem TMR-Element 10 zum
Anwachsen verringert werden, selbst wenn die Größe des TMR-Elements abnimmt. Darüber hinaus
muss die Dicke der freien Schicht 16 zu diesem Zweck nicht
reduziert werden. Das bedeutet, dass das Ansteigen der Koerzitivkraft
der freien Schicht 16 aufgrund des Entmagnetisierungsfeldes verhindert
werden kann, ungeachtet der Dicke, des Moments und ähnlichem
der freien Schicht 16. Aus diesem Grund ist es in dem MRAM
dieser Ausführungsform,
selbst wenn die Größe des TMR-Elements 10 reduziert
wird, nicht nötig,
die Strommenge zum Umschalten der Magnetisierungsrichtung der freien
Schicht 16 zu erhöhen.
Folglich kann Information in das TMR-Element 10 mit einem
geringen Leistungsverbrauch geschrieben werden.
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[Zweite Ausführungsform]
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Eine
Beschreibung wird nun für
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung gegeben. 18 ist eine schematische Ansicht
des Aufbaus des Hauptteils einer zweiten Ausführungsform eines MRAM, auf
welchen die Erfindung angewendet ist. Dabei werden nur Unterschiede
gegenüber
der oben beschriebenen ersten Ausführungsform beschrieben. In der
Figur sind gleiche Komponenten wie in der ersten Ausführungsform
mit den gleichen Referenzzeichen bezeichnet.
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Ein
MRAM, welcher in dieser Ausführungsform
beschrieben wird, ist generell dadurch gekennzeichnet, dass eine
magnetische Schicht 23 nicht nur auf einer Oberfläche einer
Elektrodenschicht 22 nahe einer freien Schicht 16 angeordnet
ist, sondern auch auf einer gegenüberliegenden Fläche, wie
in der Figur gezeigt. Eine magnetische Schicht 23 auf der
gegenüberliegenden
Seite besteht aus einem magnetischen Material wie ein NiFe-Film,
in einer ähnlichen Weise
wie das in der magnetischen Schicht 23 nahe der freien
Schicht 16. Ein nichtmagnetisches metallisches Material,
eine Isolierschicht, oder ähnliches können zwischen
der magnetischen Schicht 23 auf der gegenüberliegenden
Fläche
und der Elektrodenschicht 22 angeordnet sein.
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Um
einen MRAM mit der oben genannten Konfiguration herzustellen, werden,
nachdem eine Elektrodenschicht 22 gebildet ist, magnetische Schichten 23 auf
der Elektrodenschicht 22 abgeschieden, in einer grundsätzlich ähnlichen
Weise wie in der ersten Ausführungsform.
Dadurch ist es möglich, einen
MRAM herzustellen, der eine Konfiguration besitzt, in welcher die
magnetischen Schichten 23 auf zwei gegenüberliegenden
Flächen
(obere und untere Fläche)
der Elektrodenschicht 22 bereitgestellt sind.
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In
dem MRAM, welcher auf diese Weise gebildet wurde, wird ein magnetisches
Feld dadurch erzeugt, dass ein Strom durch die Elektrodenschicht 22 fließt, um ein
Umschalten des TMR-Elements 10 zu bewirken, ähnlich wie
in der ersten Ausführungsform. In
diesem Fall ist die magnetische Schicht 23 jedoch nicht
nur auf der Seite der freien Schicht 16 des TMR-Elements 10 bereitgestellt,
sondern auch auf der gegenüberliegenden
Fläche.
Wenn ein magnetisches Feld, das durch Durchströmen eines Stroms durch die
Elektrodenschicht 22 generiert wird, funktioniert die magnetische
Schicht 23 der gegenüberliegenden
Seite deshalb als Pfad für
den magnetischen Fluss in dem magnetischen Feld. Da das magnetische
Feld sich an den magnetischen Schichten 23 konzentriert,
kann ein Streuen des magnetischen Flusses außerhalb der Elektrodenschicht 22 minimiert
werden.
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Deshalb
kann in einem MRAM dieser Ausführungsform
die Koerzitivkraft in der freien Schicht 16 davor bewahrt
werden, dass sie durch ein Entmagnetisierungsfeld ansteigt, ungeachtet
der Dicke, des Moments und ähnlichem
der freien Schicht 16 und ein Umschalten in der freien
Schicht 16 kann auf effiziente Weise aufgrund der Konzentration
des magnetischen Feldes durchgeführt
werden. Folglich kann Information in dem TMR-Element 10 mit
einem geringen Leistungsverbrauch geschrieben werden.
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Zudem
kann das magnetische Feld in dem MRAM dieser Ausführungsform
schon dadurch konzentriert werden, dass ein Prozess zum Abscheiden der
magnetischen Schicht 23 zu dem Prozess in der ersten Ausführungsform
hinzugefügt
wird, wobei eine Verringerung in der Produktionseffizienz minimiert werden
kann.
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[Dritte Ausführungsform]
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Eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung wird nun beschrieben. 19 ist
eine schematische Ansicht der Anordnung des Hauptteils einer dritten Ausführungsform
eines MRAM, auf welchen die Erfindung angewendet ist. Dabei werden
nur Unterschiede zu der oben beschriebenen ersten oder zweiten Ausführungsform
beschrieben. In der Figur sind die gleichen Kom ponenten wie in der
ersten Ausführungsform
durch die gleichen Referenznummern bezeichnet.
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Ein
MRAM dieser Ausführungsform
ist hauptsächlich
dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Schicht 23 bereitgestellt
ist, welche nicht nur eine Oberfläche einer Elektrodenschicht 22 nahe
einer freien Schicht 16 bedeckt, sondern auch andere Oberflächen, wie
in der Figur gezeigt. Wenn die Elektrodenschicht 22 beispielsweise
rechteckig im Durchschnitt ist, wird eine magnetische Schicht 23 auf
der Oberfläche
nahe der freien Schicht 16 und den anderen drei Oberflächen bereitgestellt.
Wenn die Durchschnittsansicht der Elektrodenschicht 22 wie
ein Polygon, welches kein Rechteck ist, geformt ist, ist selbstverständlich eine
magnetische Schicht 23 auf jeder der Oberflächen angeordnet,
welche nicht nahe der freien Schicht 16 sind. Die magnetische
Schicht 23 auf jeder Oberfläche besteht aus einem magnetischen
Material, wie z.B. einem NiFe-Film, in einer ähnlichen Weise wie in der magnetischen
Schicht 23 nahe der freien Schicht 16. Ein nichtmagnetisches
metallisches Material, ein isolierendes Material, oder ähnliches,
können
zwischen der magnetischen Schicht 23 auf jeder Oberfläche und
der Elektrodenschicht 22 angeordnet sein.
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Ein
Verfahren zum Herstellen des MRAM mit dem oben genannten Aufbau
wird nun beschrieben. Die 20 bis 22 sind
schematische Ansichten des Ablaufs des Produktionsprozesses für den MRAM.
Ein Verfahren zum Bilden einer Elektrodenschicht 22 und
folgende Verfahren in dem Verfahren zum Herstellen des MRAM mit
der oben genannten Konfiguration sind grundsätzlich ähnlich zu denen in der ersten
Ausführungsform
(siehe 3 bis 16). Nachdem die Elektrodenschicht 22 gebildet ist,
werden die Elektrodenschicht 22 und die magnetische Schicht 23 teilweise
(z.B. Seitenflächen
der Elektrodenschicht 22, auf welcher eine neue magnetische
Schicht 23 gebildet werden soll) durch Ätzen entfernt, wie dies notwendig
ist, wie in 20 gezeigt, und ein Resistfilm 35,
welcher dem Muster zum Bilden der neuen magnetischen Schicht 23 entspricht,
wird dann abgeschieden, wie in 21 dargestellt.
Folglich werden, nachdem eine magnetische Schicht 23 gebildet
ist, nicht benötigte
Teilbereiche wie der Resistfilm 35 durch Ablösen entfernt,
wie in 22 gezeigt. In diesem Fall kann
die magnetische Schicht 23 beispielsweise aus einem NiFe-Film
bestehen. Folglich kann ein MRAM gebildet werden, bei dem ein nicht
kontaktierender Teil der Oberfläche
der Elektrodenschicht 22, welche an der freien Schicht 16 anliegt,
und die anderen drei Oberflächen
sind von der magnetischen Schicht 23 bedeckt.
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In
dem auf diese Weise gebildeten MRAM arbeitet die magnetische Schicht 23 auch
als Pfad für den
magnetischen Fluss in dem Magnetfeld, ähnlich wie in der zweiten Ausführungsform.
Das Magnetfeld konzentriert sich deshalb an der magnetischen Schicht 23 und
ein Streuen des magnetischen Flusses außerhalb der Elektrodenschicht 22 wird
minimiert. Darüber
hinaus ist das magnetische Feld effizienter konzentriert als in
der zweiten Ausführungsform,
da die magnetische Schicht 23, welche als Pfad für den magnetischen
Fluss funktioniert, bereitgestellt ist, um jede Oberfläche der
Elektrodenschicht 22 zu bedecken.
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Demgemäß ist es
in dem MRAM dieser Ausführungsform
möglich,
zu verhindern, dass die Koerzitivkraft durch ein Entmagnetisierungsfeld
in der freien Schicht 16 vergrößert wird, und es ist möglich, einen
Umschaltvorgang in der freien Schicht 16 effizienter durchzuführen. Folglich
kann eine weitere Reduktion des Leistungsverbrauchs während dem Schreiben
von Information erwartet werden.
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Während die
Erfindung auf den MRAM mit einem einzigen magnetoresistiven Element
in den oben beschriebenen ersten bis dritten Ausführungsformen
angewendet wird, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt und
ist auch ähnlich
auf beispielsweise einen MRAM mit einer Vielzahl von magnetoresistiven
Elementen, welche in einer Matrixform angeordnet sind, anwendbar.
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23 ist
eine schematische Ansicht des grundsätzlichen Aufbaus eines MRAM
mit einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementen, welche in einer
Matrixform angeordnet sind. Ein solcher MRAM weist Wortleitungen 20a und
Bitleitungen 20b auf, welche sich entsprechend Reihen und
Spalten, in welchen magnetoresistive Elemente 10 angeordnet sind,
schneiden, wie in der Figur dargestellt. Die Wortleitungen 20a und
die Bitleitungen 20b schneiden die magnetoresistiven Elemente 10 in
der Länge und
in der Breite, so dass die magnetoresistiven Elemente 10 vertikal
zwischen den Wortleitungen 20a und die Bitleitungen 20b eingeschlossen
sind und an den Schnittbereichen der Leitungen angeordnet sind.
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Information
wird in jedes magnetoresistive Element 10 geschrieben,
indem die Magnetisierungsrichtung des Elements durch ein kombiniertes Magnetfeld
gesteuert wird, welches dadurch generiert wird, dass ein Strom durch
eine Wortleitung 20a und eine Bitleitung 20b fließt. Das
bedeutet, dass ein Magnetfeld zum Umkehren der Magnetisierungsrichtung
in dem magnetore sistiven Element 10 durch ein Kombinieren
von Magnetfeldern, welche durch die Wortleitungen 20a und
die Bitleitung 20b fließen, gegeben ist. Die Magnetisierungsrichtung
von nur einem ausgewählten
magnetoresistiven Element 10 wird dabei umgekehrt und Information
wird aufgezeichnet. Da ein magnetisches Feld von nur einer der Wortleitungen 20a und
der Bitleitungen 20b auf ein nicht-ausgewähltes magnetoresistives
Element 10 angewendet wird, ist die Umkehrung des magnetischen
Feldes nicht ausreichend und Information wird nicht geschrieben.
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In
einem solchen MRAM entspricht eine der Wortleitungen 20a und
der Bitleitungen 20b, welche näher an der freien Schicht in
dem magnetoresistiven Element 10 angeordnet sind, der Elektrodenschicht 22,
wie in der ersten Ausführungsform
beschrieben. Wenn eine magnetische Schicht 23 entlang einer
der Wortleitungen 20a und der Bitleitungen 20b bereitgestellt
ist, obwohl die magnetische Schicht 23 von einer magnetischen
Schicht in dem angrenzenden magnetoresistiven Element getrennt werden
soll, wird deshalb verhindert, dass die Koerzitivkraft durch das Entmagnetisierungsfeld
verstärkt
wird und der Leistungsverbrauch zum Schreiben von Information kann,
wie oben beschrieben, reduziert werden, selbst wenn die Größe jedes
magnetoresistiven Elements 10 verringert ist, um die Packungsdichte
des Speichers zu erhöhen.
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Da
eine sichtbare Fläche
der freien Schicht vergrößert wird,
da die magnetische Schicht, welche auf der Oberfläche der
Elektrodenschicht, die anliegend an und nicht in Kontakt mit der
freien Schicht angeordnet ist, steigt, selbst wenn die Größe des magnetoresistiven
Elements verringert ist, wie oben beschrieben, in der Magnetspeichereinrichtung
der Erfindung das Entmagnetisierungsfeld in der freien Schicht nicht.
Das bedeutet, dass verhindert werden kann, dass die Koerzitivkraft
in der freien Schicht durch das Entmagnetisierungsfeld vergrößert wird, ungeachtet
der Dicke, des Moments und ähnlichem der
freien Schicht. Aus diesem Grund kann Information in das magnetoresistive
Element mit einem geringen Leistungsverbrauch geschrieben werden, selbst
wenn die Größe des magnetoresistiven
Elements verringert wird.