DE60222985T2

DE60222985T2 - Magnetische Speicheranordnung und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60222985T2
Application number: DE60222985T
Authority: DE
Inventors: Keiji Minato-ku Hosotani
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2008-07-31
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: EP1320104B1; EP1320104A1; KR20030048351A; JP3866567B2; US6829162B2; JP2003179213A; CN1427396A; US6914810B2; US20030112655A1; TW571435B; KR100521825B1; CN1215464C; DE60222985D1; US20050002230A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Speichervorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür, und genauer auf eine magnetische Speichervorrichtung und ein Herstellungsverfahren dafür, die Speichervorrichtung zum Einschreiben von Daten unter Benutzung eines aktuellen magnetischen Feldes in einem jeweiligen Bit und Auslesen der Information von "1", "0" gemäß der durch die Veränderung in dem Magnetisierungszustand der Zelle verursachte Widerstandsänderung.
In letzter Zeit ist ein MRAM (Englisch: Magnetic Random Access Memory, magnetischer Direktzugriffsspeicher), der einen magnetwiderstandsbeständigen Tunneleffekt (TMR, Englisch: Tunneling Magneto Resistive Effect) ausnutzt, als ein Speicherelement vorgeschlagen worden. MRAMs sind dazu entwickelt worden, eine Nicht-Flüchtigkeit, eine hochdichte Integration, eine hohe Zuverlässigkeit und eine hohe Betriebsgeschwindigkeit aufzuweisen, und somit ein großes Potential auf dem Speichermarkt zu haben.
26 ist eine Querschnittsansicht, die einen Teil eines MRAM gemäß der Technologie aus dem Stand der Technik zeigt. Wie in 26 gezeigt, sind erste und zweite Verdrahtungen bzw. elektrische Leitungen 13, 23 so angeordnet, dass sie sich unter rechten Winkeln kreuzen, und ein MTJ (Englisch: Magnetic Tunneling Junction, magnetische Tunnelverbindung)-Element 16 ist in dem Bereich des Kreuzungspunkts zwischen der ersten Verdrahtung 13 und der zweiten Verdrahtung 23 angeordnet. Das MTJ Element 16 ist über eine obere Elektrode (nicht gezeigt) mit der zweiten Verdrahtung 23 verbunden und mit einer Source-/Drain-Diffusionsschicht 52 eines MOS Transistors 53 über eine untere Elektrode 55 und einen Kontakt 54 verbunden. Ferner wird eine Gate-Elektrode 51 des MOS Transistors 53 als Verdrahtung zum Auslesen benutzt.
Das MTJ Element 16 ist aus Folgendem aufgebaut: einer magnetisch fixierten Schicht 31, die eine ferromagnetische Schicht ist und die mit der unteren Elektrode 55 verbunden ist, einer magnetischen Aufzeichnungsschicht 33, die eine ferromagnetische Schicht ist und die mit der zweiten Verdrahtung 23 über die obere Elektrode verbunden ist, und einer Tunnelverbindungsschicht 32, die eine nicht-magnetische Schicht ist und die zwischen der magnetisch fixierten Schicht 31 und der magnetischen Aufzeichnungsschicht 33 eingelegt ist.
In den obigen MRAM werden die Dateneinschreibe- und Auslesevorgänge wie folgt ausgeführt.
Wenn zunächst Daten in eine gewünschte ausgewählte Zelle eingeschrieben werden, wird der Zustand von "1" oder "0" Daten in das MTJ Element 16 einer ausgewählten Zelle geschrieben, indem die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 33 invertiert wird. Infolgedessen wird der Widerstand der Tunnelverbindungsschicht 32 der niedrigste, wenn die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 33 dieselbe wird wie die Magnetisierungsrichtung der magnetisch fixierten Schicht 31. Wenn im Gegensatz dazu die Magnetisierungsrichtungen einander entgegengesetzt sind, wird der Widerstand der Tunnelverbindungsschicht 32 am größten. Eine Änderung in dem Widerstand der Tunnelverbindungsschicht 32 wird ausgelesen, indem bewirkt wird, dass ein Strom in einer Richtung durch das MTJ Element 16 aus den über und unter dem MTJ Element 16 angeordneten Verdrahtungen 23, 13 fließt, wobei die obere Elektrode und die untere Elektrode das dazwischen angeordnete MTJ Element 16 eingelegt sein lassen. So kann der Speicherzustand von "1", "0" bestimmt und die Information ausgelesen werden.
Der Artikel "Features of remagnetization processes in stripes of multilayer films with crossed easy axes of magnetization and prospects of their application" (übersetzt: "Eigenschaften von Remagnetisierungsprozessen in Streifen von Mehrschichtfilmen mit gekreuzten Achsen leichter Magnetisierung und Erwartungen ihrer Anwendungen") von Samofalov und Lukashenko im Journal of Magnetism and Magnetic Materials 128 (1993) Dezember, Nr. 3, Seiten 354–360 (XP 000414691) offenbart eine Untersuchung von Remagnetisierungsprozessen in schmalen Streifen von Mehrschichtfilmen mit gekreuzten Achsen der leichten Magnetisierung (EAs, Englisch: Easy Axes). Die Realisierung von stabilen, eindomänigen Zuständen wird in einer jeweiligen Schicht möglich gemacht, wenn die EAs in ferromagnetischen Schichten gekreuzt werden und das Verhältnis der Länge l zur Breite b sehr hoch ist. Eine Speicherzelle wird offenbart, die auf den Filmstrukturen mit gekreuzten EA, ferromagnetischen Schichten, einer nicht-magnetischen Zwischenschicht, Isolationsschichten, Substrat und Datenwortanschlüssen basiert.
Wie oben beschrieben, können in dem MRAM mit der Technologie aus dem Stand der Technik für ein jeweiliges Bit zweiwertige Daten gespeichert werden, jedoch ist es unmöglich, Daten mit einem höheren Wert zu speichern.
Nach der vorliegenden Erfindung wird eine magnetische Speichervorrichtung wie im Patentanspruch 1 dargelegt bereitgestellt.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Herstellen einer magnetischen Speichervorrichtung wie im Patentanspruch 21 dargelegt bereit.
Optionale Merkmale sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
Ausführungsformen können aus der folgenden ausführlichen Beschreibung vollständiger verstanden werden, wenn diese zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei für die Zeichnungen gilt:
1 ist eine Aufsicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
2 ist eine entlang der Linie II-II in der 1 genommene Querschnittsansicht, die die magnetische Speichervorrichtung der 1 zeigt,
3 ist eine perspektivische Ansicht, die die magnetische Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
4A, 4B sind Querschnittsansichten, die MTJ Elemente mit einer Einzeltunnelverbindungsstruktur gemäß entsprechender Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt,
5A, 5B sind Querschnittsansichten, die MTJ Elemente mit einer Doppeltunnelverbindungsstruktur gemäß entsprechenden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigt,
6, 7, 8, 9, 10 sind Querschnittsansichten, die jeweils Herstellungsschritte der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen,
11 ist ein Schaubild, das Asteroidkurven der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
12 ist ein Ersatzschaltbild, das einen Ersatzschaltkreis der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
13 ist ein Schaubild zum Veranschaulichen des Auslesevorgangs in der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
14 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
15 ist eine Querschnittsansicht, die die magnetische Speichervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
16 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
17 ist eine Querschnittsansicht, die die magnetische Speichervorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
18 ist eine Draufsicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
19 ist ein Schaubild, das Asteroidkurven der magnetischen Speichervorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
20 ist eine Aufsicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
21 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, welche [Vorrichtung] kein Umschaltelement aufweist,
22 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung mit einer Ausleseschaltdiode nach der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
23 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung mit einem Ausleseschalttransistor nach der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
24 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die kein Schaltelement aufweist,
25 ist eine perspektivische Ansicht, die eine andere magnetische Speichervorrichtung nach der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die kein Schaltelement aufweist, und
26 ist eine Querschnittsansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung gemäß der Technologie aus dem Stand der Technik zeigt.
Eine magnetische Speichervorrichtung (MRAM: Magnetic Random Access Memory, magnetischer Direktzugriffsspeicher) nach einer jeweiligen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Vielzahl von MTJ (Englisch: Magnetic Tunneling Junction, magnetische Tunnelverbindungen)-Elementen umfasst, die den magnetwiderstandsbeständigen Tunneleffekt (TMR Effekt, Englisch: Tunneling Magneto Resistive Effect) in einer jeweiligen Zelle einsetzt, und die Daten mit vier oder mehr Werten für ein jeweiliges Bit halten kann.
Es werden nun Ausführungsformen dieser Erfindung mit Verweis auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Erläuterung sind in den Zeichnungen durchwegs gemeinsame Bezugssymbole an gemeinsamen Teilen bzw. Elementen angebracht.
[Erste Ausführungsform]
Die erste Ausführungsform ist ein Beispiel, in dem zwei MTJ Elemente in einer jeweiligen Zelle laminiert werden, ohne dass die Richtungen ihrer leichten Achsen (Anmerkung des Übersetzers: gemeint sind die Achsen mit der leichten bzw. kleineren Magnetisierung) überlappen (ohne dass die leichten Achsen in der selben Richtung eingestellt sind).
1 ist eine Draufsicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine Querschnittsansicht, die die magnetische Speichervorrichtung der 1 genommen entlang der Linie II-II zeigt. 3 ist eine perspektivische Ansicht, die die magnetische Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Aufbau der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten erläutert.
Wie in den 1 bis 3 gezeigt, umfasst die magnetische Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform erste und zweite Verdrahtungen bzw. elektrische Leitungen 13, 23, die sich in unterschiedlichen Richtungen erstrecken, und erste und zweite MTJ Elemente 16, 21, die zwischen der ersten und zweiten Verdrahtung 13 und 23 eingelegt sind. Die ersten und zweiten MTJ Elemente 16, 21 sind mit den Achsen 16a, 21a der leichten Magnetisierung in verschiedenen Richtungen eingestellt angeordnet. In diesem Fall ist es möglich, eine Ätzstoppschicht (nicht-magnetische Schicht) auszubilden, die zum Zeitpunkt des Ausbildens der Muster der MTJ Elemente 16, 21 als ein Stopper zwischen den ersten und zweiten MTJ Elementen 16 und 21 verwendet wird.
In der ersten Ausführungsform sind die erste und zweite Verdrahtung 13, 23 so ausgebildet, dass sie sich unter rechten Winkeln kreuzen, und es wird ein Aufbau bereitgestellt, der zum Ausbilden einer groß angelegten Zellenanordnung geeignet ist. Ferner wird die Achse 16a der leichten Magnetisierung des ersten MTJ Elements 16 in derselben Richtung eingestellt wie die Erstreckungsrichtung der ersten Verdrahtung 13, und die Achse 21a der leichten Magnetisierung des zweiten MTJ Elements 21 wird in derselben Richtung wie die Erstreckungsrichtung der zweiten Verdrahtung 23 eingestellt. Folglich kreuzen sich die Achsen 16a der leichten Magnetisierung des ersten MTJ Elements 16 und die Achse 21a der leichten Magnetisierung des zweiten MTJ Elements 21 unter rechten Winkeln.
Wie oben beschrieben, sind die mit den Richtungen der Achsen 16a, 21a der leichten Magnetisierung nicht überlappend ausgebildeten und laminierten MTJ Elemente 16, 21, jeweils aus drei Schichten aufgebaut, die folgendes umfassen: eine magnetisch fixierte Schicht (magnetische Schicht) 31, deren Magnetisierungsrichtung fixiert ist, eine Tunnelverbindungsschicht (nicht-magnetische Schicht) 32 und eine magnetische Aufzeichnungsschicht (magnetische Schicht) 33, deren Magnetisierungsrichtung invertiert ist. Die Positionen der magnetisch fixierten Schicht 31 und der magnetischen Aufzeichnungsschicht 33 können ausgetauscht werden, und die MTJ Elemente 16, 21 können aus einer Einfachtunnelverbindungsstruktur, die durch eine einfach geschichtete Tunnelverbindungsschicht 32 ausgebildet ist, oder einer Doppeltunnelverbindungsstruktur, die durch eine doppelt geschichtete Tunnelverbindungsschicht 32 aufgebaut ist, ausgebildet werden. Beispiele der MTJ Elemente 16, 21 mit der Einzeltunnelverbindungsstruktur bzw. -aufbau oder der Doppeltunnelverbindungsstruktur bzw. -aufbau werden unten erläutert.
Die MTJ Elemente 16, 21 mit der in 4A gezeigten Einzeltunnelverbindungsstruktur umfassen jeweils eine magnetisch fixierte Schicht 31 umfassend eine Vorlagen- bzw. Musterschicht 101, eine initiale ferromagnetische Schicht 102, eine antiferromagnetische Schicht 103 und eine ferromagnetische Referenzschicht 104, die nacheinander auflaminiert werden, eine auf der magnetisch fixierten Schicht 31 ausgebildete Tunnelverbindungsschicht 32 und eine magnetische Aufzeichnungsschicht 33 umfassend eine freie ferromagnetische Schicht 105 und eine Kontaktschicht 106, die nacheinander auf der Tunnelverbindungsschicht 32 auflaminiert werden.
Die MTJ Elemente 16, 21 mit der in 4B gezeigten Einzeltunnelverbindungsstruktur umfassen jeweils eine magnetisch fixierte Schicht 31 umfassend eine Vorlagenschicht 101, eine initiale ferromagnetische Schicht 102, eine antiferromagnetische Schicht 103, eine ferromagnetische Schicht 104', eine nicht-magnetische Schicht 107 und eine ferromagnetische Schicht 104'', die nacheinander auflaminiert werden, eine auf der magnetisch fixierten Schicht 31 auflaminierte Tunnelverbindungsschicht 32 und eine magnetische Aufzeichnungsschicht umfassend eine ferromagnetische Schicht 105', eine nicht-magnetische Schicht 107, eine ferromagnetische Schicht 105'' und eine Kontaktschicht 106, die nacheinander auf der Tunnelverbindungsschicht 32 auflaminiert werden.
In den in 4B gezeigten MTJ Elementen 16, 21 kann das Auftreten der magnetischen Pole in dem ferromagnetischen inneren Bereich unterdrückt werden, und es kann ein zur Miniaturisierung besser geeigneter Zellenaufbau vorgeschlagen werden als im Vergleich zu dem in 4A gezeigten MTJ Elementen 16, 21, in dem folgendes benutzt wird: der dreischichtige Aufbau umfassend die ferromagnetische Schicht 104', die nicht-magnetische Schicht 107 und die ferromagnetische Schicht 104'' in der magnetisch fixierten Schicht 31 und der dreischichtige Aufbau umfassend die ferromagnetische Schicht 105', die nicht-magnetische Schicht 107 und die ferromagnetische Schicht 105'' in der magnetischen Aufzeichnungsschicht 33.
Die MTJ Elemente 16, 21 mit dem in 5A gezeigten Doppeltunnelverbindungsaufbau umfassen jeweils eine erste magnetisch fixierte Schicht 31a umfassend eine Vorlagen- bzw. Musterschicht 101, eine initiale ferromagnetische Schicht 102, eine antiferromagnetische Schicht 103 und eine ferromagnetische Referenzschicht 104, die nacheinander auflami niert werden, eine auf der ersten magnetisch fixierten Schicht 31a ausgebildete erste Tunnelverbindungsschicht 32a, eine auf der ersten Tunnelverbindungsschicht 32a ausgebildete Magnetaufzeichnungsschicht 33, eine auf der Magnetaufzeichnungsschicht 33 ausgebildete, zweite Tunnelverbindungsschicht 32b und eine zweite magnetisch fixierte Schicht 31b umfassend eine ferromagnetische Referenzschicht 104, eine antiferromagnetische Schicht 103, eine initiale ferromagnetische Schicht 102 und eine Kontaktschicht 106, die nacheinander auf der zweiten Tunnelverbindungsschicht 32b auflaminiert werden.
Die MTJ Elemente 16, 21 mit der in 5B gezeigten Doppeltunnelverbindungsstruktur umfassen jeweils eine erste magnetisch fixierte Schicht 31a mit einer Muster- bzw. Vorlagenschicht 101, eine initiale ferromagnetische Schicht 102, eine antiferromagnetische Schicht 103 und eine ferromagnetische Referenzschicht 104, die nacheinander auflaminiert werden, eine auf der ersten magnetisch fixierten Schicht 31a ausgebildete erste Tunnelverbindungsschicht 32a, eine Magnetaufzeichnungsschicht 33 mit einer dreischichtigen Struktur umfassend: eine ferromagnetische Schicht 33', eine nicht-magnetische Schicht 107 und eine ferromagnetische Schicht 33'', die nacheinander auf der ersten Tunnelverbindungsschicht 32a auflaminiert werden, eine auf der Magnetaufzeichnungsschicht 33 ausgebildete, zweite Tunnelverbindungsschicht 32b und eine zweite magnetisch fixierte Schicht 31b umfassend eine ferromagnetische Schicht 104', eine nicht-magnetische Schicht 107, eine ferromagnetische Schicht 104'', eine antiferromagnetische Schicht 103, eine initiale ferromagnetische Schicht 102 und eine Kontaktschicht 106, die nacheinander auf der zweiten Tunnelverbindungsschicht 32b auflaminiert werden.
In den in 5B gezeigten MTJ Elementen 16, 21 kann das Auftreten von magnetischen Polen in dem ferromagnetischen inneren Bereich unterdrückt werden, und es kann ein zur Miniaturisierung besser geeigneter Zellenaufbau vorgeschlagen werden als im Vergleich zu dem in 5A gezeigten MTJ Elementen 16, 21, indem folgendes benutzt wird: der dreischichtige Aufbau umfassend die ferromagnetische Schicht 33', die nicht-magnetische Schicht 107 und die ferromagnetische Schicht 33'', die die Magnetaufzeichnungsschicht 33 ausbilden, und der dreischichtige Aufbau umfassend die ferromagnetische Schicht 104', die nicht-magnetische Schicht 107 und die ferromagnetische Schicht 104'' in der zweiten magnetisch fixierten Schicht 31b.
In den MTJ Elementen 16, 21 mit der Doppeltunnelverbindungsstruktur ist die Alterung bzw. Verschlechterung des MR (magnetwiderstandsbeständigen) Verhältnisses (das Änderungsverhältnis im Widerstand von dem "1" Zustand und zu dem "0" Zustand) geringer, wenn die gleiche externe Vorspannung darauf beaufschlagt wird, und infolge dessen können sie mit einer höheren Vorspannung als im Vergleich zu den MTJ Elementen 16, 21 mit der Einfachtunnelverbindungsstruktur betrieben werden. D. h. die Doppeltunnelverbindungsstruktur ist vorteilhaft beim Auslesen der Information einer Zelle.
Die MTJ Elemente 16, 21 mit der Einzeltunnelverbindungsstruktur oder der Doppeltunnelverbindungsstruktur werden ausgebildet, indem beispielsweise die folgenden Materialien verwendet werden:
Für die Materialien der magnetisch fixierten Schichten 31, 31a, 31b und der Magnetaufzeichnungsschicht 33 ist es beispielsweise bevorzugt, folgendes zu verwenden: Fe, Co, Ni, eine Legierung davon, Magnetit mit einer hohen Spinpolarisierbarkeit, Oxide wie etwa CrO₂, RXMnO₃-y (R: Selten-Erd-Element, X: Ca, Ba, Sr), oder eine Heusler Legierung wie etwa NiMnSb, PtMnSb. Ferner kann in den obigen magnetischen Materialien eine kleine Menge eines nicht-magnetischen Elements oder solcher Elemente enthalten sein, wie etwa Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo, Nb, so lange der Ferromagnetismus aufrecht erhalten werden kann.
Als das Material der antiferromagnetischen Schicht 103, die einen Teil der magnetisch fixierten Schichten 31, 31a, 31b bildet, ist es bevorzugt, folgendes zu benutzen: Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, NiO, Fe₂O₃ oder dergleichen.
Als das Material für die Tunnelverbindungsschichten 32, 32a, 32b ist es möglich, vielfältige dielektrische Substanzen zu benutzen, wie etwa Al₂O3, SiO₂, MgO, AlN, Bi₂O₃, MgF₂, CaF₂, SrTiO₂, AlLaO₂ oder dergleichen. Es ist erlaubbar, dass selbst Sauerstoff, Stickstoff oder Fluorstörstellen in den oben genannten dielektrischen Substanzen existieren.
Wie oben beschrieben, können die MTJ Elemente 16, 21 mit der Einfachtunnelverbindungsstruktur oder der Doppeltunnelverbindungsstruktur ausgebildet werden, und es kann ein beliebiges Material benutzt werden, wenn es zu den obigen Materialien gehört. Damit ein MRAM realisiert wird, der vierwertige Daten für ein jeweiliges Bit hält, ist es jedoch erforderlich, Widerstandsänderungsgrößen ΔR1, ΔR2 in den "1", "0" Zuständen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 auf verschiedene Werte einzustellen.
Daher können die folgenden MTJ Elemente 16, 21 ausgebildet werden, um die Widerstandsveränderungsgrößen ΔR1, ΔR2 auf verschiedene Werte einzustellen. Beispielsweise kann die Schichtdicke der Tunnelverbindungsschicht 32 des ersten MTJ Elements 16 verschieden von derjenigen der Tunnelverbindungsschicht 32 des zweiten MTJ Elements 21 hergestellt werden. Ferner können das erste und zweite MTJ Element 16, 21 mit verschiedenen Größen ausgebildet werden.
Zusätzlich können die MR Verhältnisse auf verschiedene Werte eingestellt werden, indem das erste und zweite MTJ Element 16, 21 unter Benutzung verschiedener Materialien ausgebildet wird. Wenn beispielsweise Co₉-Fe als die magnetisch fixierte Schicht 31 benutzt wird (in diesem Fall wird die antiferromagnetische Schicht beispielsweise aus Pt-Mn ausgebildet), können die MR Verhältnisse auf verschiedene Werte eingestellt werden, indem die folgenden Materialien für die Magnetaufzeichnungsschicht 33 verwendet werden. D. h. wenn das Material für die Magnetaufzeichnungsschicht Co-Fe ist, wird das MR Verhältnis 50% oder weniger, wenn es Co-Fe-Ni ist, wird das MR Verhältnis 40% bis 50%, und wenn es Ni-Fe ist, wird das MR Verhältnis 35% oder weniger.
Eines aus dem ersten und zweiten MTJ Element 16, 21 kann mit der Einzeltunnelverbindungsstruktur, und das andere MTJ Element kann mit der Doppeltunnelverbindungsstruktur ausgebildet werden. Mit diesem Aufbau können die MR Verhältnisse und Widerstände des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 jeweils auf verschiedene Werte eingestellt werden.
Die 6 bis 10 sind Querschnittsansichten, die jeweils Herstellungsschritte der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Das Herstellungsverfahren der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform wird unten erläutert.
Zunächst wird, wie in 6 gezeigt, eine erste Verdrahtung 13 auf einem Halbleitersubstrat 11 ausgebildet, wobei eine Isolationsschicht 12 oder dergleichen dazwischen angeordnet wird, und eine erste Schicht 14 aus TMR Material wird auf der ersten Verdrahtung 13 ausgebildet. In dem Fall der Einfachtunnelverbindungsstruktur wird das erste TMR Material beispielsweise aus drei Schichten ausgebildet, einschließlich einer magnetisch fixierten Schicht 31, einer Tunnelverbindungsschicht 32 und einer Magnetaufzeichnungsschicht 33. Dann wird eine harte Maske 15, die beispielsweise aus einer DLC (Diamond Like Carbon, diamantgleicher Kohlenstoff) Schicht ausgebildet ist, auf der ersten Schicht 14 mit TMR Material ausgebildet und mit einem Muster versehen. Danach wird die erste Schicht 14 aus TMR Material selektiv entfernt, indem ein RIE (Englisch: Reactive Ion Etching, reaktives Ionenätzen) Prozess oder ein Ionenfräsprozess ausgeführt wird unter Benutzung der mit einem Muster versehenen, harten Maske 15, um so ein erstes MTJ Element 16 auszubilden. Dann wird die gemusterte harte Maske 15 entfernt.
Als nächstes wird, wie in 7 gezeigt, eine Isolationsschicht 17 auf dem ersten MTJ Element 16 und der ersten Verdrahtung 13 ausgebildet, und ein umringender Flächenbereich des ersten MTJ Elements 16 wird mit der Isolationsschicht 17 gefüllt. Dann wird die Isolationsschicht 17 poliert oder flach ausgebildet, bis die Oberfläche des ersten MTJ Elements 16 bloßliegt. Danach wird eine aus einer nicht-magnetischen Schicht ausgebildete Ätzstoppschicht 18 auf der Isolationsschicht 17 und dem ersten MTJ Element 16 beispielsweise unter Benutzung eines Sputterverfahrens ausgebildet. Als nächstes wird eine zweite Schicht 19 aus TMR Material auf der Ätzstoppschicht 18 ausgebildet. Wie die erste Schicht 14 aus TMR Material wird im Falle der Einfachtunnelverbindungsstruktur die zweite Schicht 19 aus TMR Material von drei Schichten ausgebildet, beispielsweise einschließlich einer magnetisch fixierten Schicht 31, einer Tunnelverbindungsschicht 32 und einer Magnetaufzeichnungsschicht 33. In diesem Fall ist es bevorzugt, die zweite Schicht 19 aus TMR Material unter Benutzung eines Materi als, das von dem der ersten Schicht 14 aus TMR Material verschieden ist, auszubilden, und die Schichtdicke der Tunnelverbindungsschicht 32 der zweiten Schicht 19 aus TMR Material kann von der der Tunnelverbindungsschicht 32 der ersten Schicht 14 aus TMR Material verschieden hergestellt werden. Dann wird eine beispielsweise aus einer DLC Schicht ausgebildete, harte Maske 20 auf der zweiten Schicht 19 aus TMR Material ausgebildet.
Als nächstes wird, wie in 8 gezeigt, die harte Maske 20 durch einen Lithographie- oder Ätzprozess mit einem Muster versehen. Danach wird die zweite Schicht 19 aus TMR Material selektiv entfernt, indem ein RIE Prozess oder ein Ionenfräsprozess ausgeführt wird, unter Benutzung der gemusterten harten Maske 20, wobei der Ätzstopper 28 als ein Stopper benutzt wird, um so das zweite MTJ Element 21 auszubilden. Dann wird die gemusterte harte Maske 20 entfernt.
Als nächstes wird, wie in 9 gezeigt, der Ätzstopper 18 unter Benutzung eines Lithographie- oder Ätzprozesses gemustert bzw. mit einem Muster versehen. Beispielsweise zu diesem Zeitpunkt wird der Ätzstopper 18 mit einem Muster versehen, um eine Fläche zurückzulassen, die größer ist als die Flächen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21. Dann werden auf der Isolationsschicht 17 eine Isolationsschicht 22, der Ätzstopper 18 und das zweite MTJ Element 21 und die Isolationsschicht 22 flach ausgebildet, bis die Oberfläche des zweiten MTJ Elements 21 bloßliegt.
Als nächstes wird, wie in 10 gezeigt, eine zweite Verdrahtung 23 auf dem zweiten MTJ Element 21 und der Isolationsschicht 22 ausgebildet. Dann wird eine Isolationsschicht 24 auf der zweiten Verdrahtung 23 ausgebildet und eine Isolationsschicht 22 und ein umringender Flächenbereich der zweiten Verdrahtung 23 wird mit der Isolationsschicht 24 gefüllt. Danach wird die Oberfläche der Isolationsschicht 24 flach hergestellt, bis die Oberfläche der zweiten Verdrahtung 23 bloßliegt.
Um die Magnetisierungsrichtungen der magnetisch fixierten Schichten 31 des ersten und des zweiten MTJ Elements 16, 21 gleichförmig auszubilden, wird ein magnetisches Feld von ungefähr einigen Tausend Oe (Oersted) in einem Vakuum beaufschlagt, und der Temperprozess wird bei einer Temperatur von einigen hundert Grad ausgeführt. In diesem Fall wird der Temperprozess wie folgt ausgeführt, um die Magnetisierungsrichtungen der magnetisch fixierten Schichten 31 der beiden MTJ Elemente 16, 21 mit zueinander verschiedenen Richtungen auszubilden. Wie oben beschrieben, werden das erste und zweite MTJ Element 16, 21 aus verschiedenen Materialien ausgebildet. Zuerst wird ein magnetisches Feld mit einer ersten Richtung an dem ersten MTJ Element 16, dessen Magnetisierungsrichtung bei einer hohen Temperatur eingestellt werden kann, beaufschlagt, und der Temperprozess wird bei den hohen Temperaturen ausgeführt, um die Magnetisierungsrichtung des ersten MTJ Elements 16 zu fixieren. Dann wird ein magnetisches Feld mit einer zweiten Richtung an dem zweiten MTJ Element 21, dessen Magnetisierungsrichtung nur bei niedrigen Temperaturen eingestellt werden kann, beaufschlagt und der Temperprozess wird bei niedrigen Temperaturen ausgeführt, um die Magnetisierungsrichtung des zweiten MTJ Elements 21 zu fixieren.
Ein konkretes Verfahren zum Fixieren der Magnetisierungsrichtungen der magnetisch fixierten Schichten 31 des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 in zueinander verschiedenen Richtungen wird unten erläutert.
Die Blockierungstemperatur wird unterschiedlich in Abhängigkeit von dem Material einer zum Ausbilden der magnetisch fixierten Schicht 31 verwendeten, anti-ferromagnetischen Schicht. Wenn beispielsweise das Material der anti ferromagnetischen Schicht Ni-Mn ist, wird die Blockierungstemperatur auf 430°C eingestellt, wenn es Pt-Mn ist, wird die Blockierungstemperatur auf 350°C eingestellt, wenn es Ir-Mn ist, wird die Blockierungstemperatur auf 260°C eingestellt, und wenn es Fe-Mn ist, wird die Blockierungstemperatur auf 150°C eingestellt. Folglich können die Magnetisierungsrichtungen der magnetisch fixierten Schichten 31 des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 unter Benutzung des Unterschieds in den Blockierungstemperaturen in verschiedenen Richtungen eingestellt werden.
Zunächst wird eine erste magnetische Tunnelverbindung (erstes MTJ Element 16) ausgebildet. Genauer wird ein erster laminierter Film ausgebildet, der aus einer magnetisch fixierten Schicht 31 mit einer aus einer Pt-Mn ausgebildeten, anti-ferromagnetischen Schicht, einer Tunnelverbindungsschicht 32 und einer Magnetaufzeichnungsschicht 33 auf der ersten Verdrahtung 13 abgeschieden wird. Dann wird der erste laminierte Film unter Benutzung eines Ionenfräsverfahrens verarbeitet, so dass die leichte Achse in einer gewünschten Magnetisierungsrichtung länger wird. Danach wird ein SiOx Film als eine Zwischenniveauisolationsschicht auf der gesamten Oberfläche beispielsweise unter Benutzung eines Hochfrequenz-Sputterverfahrens abgeschieden. Die SiOx Schicht wird flach gemacht, um die obere Oberfläche der ersten magnetischen Tunnelverbindung bloß zu legen.
Dann wird eine zweite magnetische Tunnelverbindung (zweites MTJ Element 21) ausgebildet. Genauer wird ein zweiter laminierter Film, der aus einer magnetisch fixierten Schicht 31 besteht, die folgendes umfasst: eine aus Ir-Mn ausgebildete anti-ferromagnetische Schicht, eine Tunnelverbindungsschicht 32 und eine Magnetaufzeichnungsschicht 33 über der ersten Magnettunnelverbindung abgeschieden. Dann wird der zweite laminierte Film unter Benutzung des Ionenfräsverfahrens verarbeitet, so dass die leichte Achse in einer ge wünschten Magnetisierungsrichtung länger wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die Richtungen der leichten Achsen der ersten und zweiten magnetischen Tunnelverbindungen in zueinander verschiedenen Richtungen eingestellt.
Danach wird, während ein magnetisches Feld von einigen Tausend Oe in einer Richtung der leichten Achse der ersten magnetischen Tunnelverbindung beaufschlagt wird, das Substrat auf eine Temperatur von 350°C + α aufgeheizt, um die Magnetisierungsrichtung der magnetisch fixierten Schicht 31 zu fixieren. Dann wird, während ein Magnetfeld von einigen Tausend Oe in einer Richtung der leichten Achse der zweiten magnetischen Tunnelverbindung beaufschlagt wird, das Substrat auf eine Temperatur von 260°C + α aufgeheizt, um die Magnetisierungsrichtung der magnetisch fixierten Schicht 31, die von der im Fall der ersten magnetischen Tunnelverbindung verschieden ist, zu fixieren.
Die Richtungen der leichten Achsen der Magnetaufzeichnungsschichten 33 in der ersten und zweiten magnetischen Tunnelverbindung werden in Abhängigkeit von der Anisotropie der Form eingestellt. Unter Benutzung des obigen Prozesses wird es möglich, die magnetischen Tunnelverbindungen mit den leichten Achsen in verschiedenen Richtungen zu laminieren.
Wie oben beschrieben, ist es bevorzugt, den Temperprozess zum Fixieren der Magnetisierungsrichtungen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 zum letzten Zeitpunkt auszuführen, nachdem die verschiedenen Elemente bis zu der zweiten Verdrahtung 23 ausgebildet worden sind. Dies ist, weil eine Möglichkeit besteht, dass verschiedene, nach dem Temperprozess ausgeführten Prozesse die fixierte Magnetisierung nachteilig beeinflussen, wenn der Temperprozess im Verlauf des gesamten Prozesses ausgeführt wird. Wenn jedoch nachteilige Beeinflussungen auf die fixierte Magnetisierung verhindert werden können, ist es möglich, den Temperprozess zum Fixieren der Magnetisierungsrichtungen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 zu einem vom letzten Zeitpunkt verschiedenen Zeitpunkt auszuführen.
11 zeigt Asteroidkurven der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Einschreibeverfahren in der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform wird unten erläutert.
Weil die Richtungen der Achsen 16a, 21a der leichten Magnetisierung des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 verschieden voneinander sind, werden die Stromwerte der Schreibströme zum Umkehren der Magnetisierungsrichtungen unterschiedlich. D. h. in 11, wenn ein Wert I1 eines Schreibstroms, der in der ersten Verdrahtung 13 angeregt wird, auf der Abszisse (X Achse) angezeigt wird, und ein Wert I2 eines Schreibstroms, der in der zweiten Verdrahtung 23 angeregt wird, auf der Ordinate (Y Achse) angezeigt wird, dann wird der Schwellwert eines für das erste MTJ Element 16 erforderlichen Schreibstroms durch eine Asteroidkurve mit unterbrochenen Linien angezeigt, und der Schwellwert für einen für das zweite MTJ Element 21 erforderlichen Schreibstrom wird durch eine Asteroidkurve mit durchgezogenen Linien angezeigt. Indem bewirkt wird, dass Ströme mit Stromwerte, die in den Flächen außerhalb einer durch die Asteroidkurven definierten Fläche in der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 angeregt werden, können Daten in die MTJ Elemente 16, 21 eingeschrieben werden.
Allgemein gesprochen, weil die invertierten Schwellwerte der Magnetisierung des MTJ Elements in der Richtung der leichten Achse kleiner sind als in der Richtung der harten Achse, sind die Asteroidkurven für das erste und zweite MTJ Element 16, 21 unsymmetrisch in Bezug auf die X, Y Richtungen. D. h. die Asteroidkurven des ersten und zweiten MTJ E lements 16, 21 sind um einen Winkel von 90 Grad in Bezug zueinander gedreht und überlappen einander nicht. Basiert auf dieser Tatsache können in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Daten selektiv in eines aus dem ersten und zweiten MTJ Element 16, 21 eingeschrieben werden.
D. h., wenn ein Strom in einem ersten Stromgebiet in der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 zu fließen angeregt wird, dann wird nur die Magnetisierung des ersten MTJ Elements 16 invertiert und Daten können nur in das erste MTJ Element 16 eingeschrieben werden. Wenn ferner ein Strom in einem zweiten Stromgebiet bewirkt wird, in der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 zu fließen, dann wird nur die Magnetisierung des zweiten MTJ Elements 21 invertiert und Daten können nur in das zweite MTJ Element 21 eingeschrieben werden. Wenn ein Strom in einem dritten Stromgebiet in der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 angeregt wird, dann werden die Magnetisierungen von sowohl dem ersten als auch dem zweiten MTJ Element 16, 21 beide invertiert und Daten können sowohl in das erste als auch in das zweite Element 16, 21 eingeschrieben werden. So kann durch selektives Einstellen des Schreibstroms, der in der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 zu fließen angeregt wird, unter Benutzung eines Paares von Schreibströmen 13, 23 Daten selektiv in die beiden MTJ Elemente 16, 21 eingeschrieben werden und es können vierwertige Daten in einer Zelle eingeschrieben werden.
12 ist ein Ersatzschaltbild, das einen Ersatzschaltkreis der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 13 ist ein erläuterndes Schaubild zum Veranschaulichen des Auslesevorgangs der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Ausleseverfahren der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform wird unten erläutert.
Wie in 12 gezeigt, wird eine Speicherzelle in der magnetischen Speichervorrichtung nach der ersten Ausführungsform dadurch ausgebildet, dass das erste und zweite MTJ Element 16, 21 seriell miteinander verbunden werden. In diesem Fall werden die Widerstände des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 zum Zeitpunkt des "1" Zustands und zum Zeitpunkt des "0" Zustands verändert. Wenn in dem ersten MTJ Element 16 der Widerstand zum Zeitpunkt des "1" Zustands R1 ist und der Widerstand zum Zeitpunkt des "0" Zustands R1 + ΔR1 ist, und der Widerstand zum Zeitpunkt des "1" Zustands R2 ist und in dem zweiten MTJ Element 21 der Widerstand zum Zeitpunkt des "0" Zustands R2 + ΔR2 ist, dann wird der Reihenwiderstand R der Speicherzelle gleich der Summe der Widerstände (R1 oder R1 + ΔR1) des ersten MTJ Elements 16 und des Widerstands R2 oder R2 + ΔR2) des zweiten MTJ Elements 21.
Folglich wird, wie in 13 gezeigt, der Reihenwiderstand der beiden MTJ Elemente 16, 21 auf allen der vier Werte je nach dem Aufzeichnungszustand des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 eingestellt.
Zunächst wird angenommen, dass sowohl in das erste als auch in das zweite MTJ Element 16, 21 "1" Daten eingeschrieben worden sind. In diesem Fall wird der Reihenwiderstand Ra der Speicherzelle auf einen Wert eingestellt, der durch Zusammenzählen der Widerstände R1, R2 des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21, d. h. R1 + R2, erhalten worden ist. Als nächstes, wenn Daten nur beispielsweise in das erste MTJ Element 16 eingeschrieben werden, dann verändert sich der Widerstand des ersten MTJ Elements 16 auf R1 + ΔR1. Folglich ist in diesem Fall der Reihenwiderstand Rb der Speicherzelle auf R1 + ΔR1 + R2 eingestellt. Wenn ferner Daten beispiels weise nur in das zweite MTJ Element 21 eingeschrieben werden, verändert sich der Widerstand des zweiten MTJ Elements 21 auf R2 + ΔR2. Folglich wird in diesem Fall der Reihenwiderstand Rc der Speicherzelle auf R1 + R2 + ΔR2 eingestellt. Wenn Daten beispielsweise sowohl in das erste als auch in das zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben werden, verändert sich der Widerstand des ersten MTJ Elements 16 auf R1 + ΔR1 und der Widerstand des zweiten MTJ Elements 21 auf R2 + ΔR2. Folglich wird in diesem Fall der Reihenwiderstand Rd der Speicherzelle auf R1 + ΔR1 + R2 + ΔR2 eingestellt.
Wie oben beschrieben, können vierwertige Daten ausgelesen werden. D. h. wenn der Widerstand R der ausgewählten Speicherzelle Ra ist, beispielsweise wenn der Auslesestrom zu fließen bewirkt wird, werden "1" Daten in das erste und zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben, und wenn er beispielsweise Rb ist, werden "0" Daten in das erste MTJ Element 16 und "1" Daten in das zweite MTJ Element 21 eingeschrieben. Ferner wenn der Widerstand R der ausgewählten Speicherzelle beispielsweise Rc ist, wird ein "1" Datum in das erste MTJ Element 16 und ein "0" Datum in das zweite MTJ Element 21 eingeschrieben, und wenn er beispielsweise Rd ist, wird ein "0" Datum in das erste und das zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben.
Um es möglich zu machen, vierwertige Daten auszulesen, ist es unerlässlich, Widerstände mit vier verschiedenen Werten zu erzeugen. D. h. um die Reihenwiderstände Rb, Rc zu erzeugen, muss die notwendige Bedingung, dass ΔR1, ΔR2 auf verschiedene Werte eingestellt sind, erfüllt sein. Wie oben beschrieben, kann die obige Bedingung leicht erfüllt werden, indem beispielsweise die Tunnelverbindungsschichten 32 in dem ersten und zweiten MTJ Element 16, 21 mit verschiedenen Schichtdicken ausgebildet werden, um die Werte von R1 und R2 zu verändern, oder indem die Tunnelverbindungs schichten 32 unter Benutzung von verschiedenen Materialien ausgebildet werden, um die MR Verhältnisse zu ändern.
Nach der ersten Ausführungsform werden das erste und zweite MTJ Element 16, 21 zwischen der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 laminiert, ohne dass die Richtungen der leichten Achsen einander überlappen (ohne die leichten Achsen in derselben Richtung einzustellen). Indem der Auslesestrom geeignet einjustiert wird und Daten selektiv in das erste und zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben werden, können vierwertige Daten eingeschrieben werden. Weil ferner vierwertige Reihenwiderstände Ra, Rb, Rc, Rd erzeugt werden können, indem die Widerstandsveränderungswerte ΔR1, ΔR2 des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 auf verschiedene Werte eingestellt werden, können vierwertige Daten ausgelesen werden. Weil wie oben beschrieben vierwertige Daten für ein jeweiliges Bit aufgezeichnet und ausgelesen werden können, wird die Integrationsdichte des Speichers stark verbessert.
[Zweite Ausführungsform]
In der zweiten Ausführungsform wird ein Beispiel gezeigt, in dem zwei MTJ Elemente in einer jeweiligen Zelle laminiert werden, wobei die Richtungen ihrer leichten Magnetisierungsachsen (leichte Achsen) nicht überlappend sind und ein Gleichrichterelement als ein Schaltelement benutzt wird.
14 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Aufbau der magnetischen Speichervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten erläutert.
Wie in 14 gezeigt, ist die zweite Ausführungsform vergleichbar zu der ersten Ausführungsform, außer dass ein Diodenelement 41 als ein Ausleseschaltelement verwendet wird. D. h. die magnetische Speichervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform umfasst erste und zweite Verdrahtungen 13, 23, die so ausgebildet sind, dass sie sich in verschiedenen Richtungen in Bezug zueinander zu erstrecken, wobei das erste und das zweite MTJ Element 16, 21 zwischen der ersten und zweiten Verdrahtung 13 und 23 eingelegt sind, und das Diodenelement 41 zwischen dem ersten MTJ Element 16 und der ersten Verdrahtung 13 angeordnet ist. Das erste und zweite MTJ Element 16, 21 sind ihren leichten Achsen in verschiedenen Richtungen eingestellt ausgebildet mit. Die anderen Teile des Aufbaus sind vergleichbar zu denen in der ersten Ausführungsform und ihre Erläuterung wird ausgelassen.
15 ist eine Querschnittsansicht, die die magnetische Speichervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Herstellungsverfahren der magnetischen Speichervorrichtung nach der zweiten Ausführungsform wird unten erläutert.
Zunächst wird, wie in 15 gezeigt, eine erste Verdrahtung 13 auf einem Halbleitersubstrat 11 ausgebildet, wobei eine Isolationsschicht 12 oder dergleichen dazwischen angeordnet wird und eine Diodenmaterialschicht 40 auf der ersten Verdrahtung 13 ausgebildet wird. Eine erste Schicht 14 aus TMR Material wird auf der Schicht 40 mit Diodenmaterial ausgebildet. Im Fall eines Einzeltunnelaufbaus beispielsweise wird die erste Schicht 14 aus TMR Material aus drei Schichten einschließlich einer magnetisch fixierten Schicht 31, einer Tunnelverbindungsschicht 32 und einer Magnetaufzeichnungsschicht 33 ausgebildet. Dann wird eine beispielsweise aus einer DLC Schicht ausgebildete harte Maske 15 auf der ersten Schicht 14 aus TMR Material ausgebildet und mit einem Muster versehen. Danach werden die erste Schicht 14 aus TMR Material und die Schicht 40 aus Diodenmaterial selektiv entfernt, indem ein RIE Prozess oder ein Ionenfräsprozess unter Benutzung der gemusterten harten Maske 15 ausgeführt wird, um ein erstes MTJ Element 16 und ein Diodenelement 41 auszubilden. Dann wird die mit einem Muster versehene, harte Maske 15 entfernt. Als nächstes wird eine Isolationsschicht 17 auf dem ersten MTJ Element 16 und der ersten Verdrahtung 13 ausgebildet, und ein umringender Bereich des ersten MTJ Elements 16 und das Diodenelement 41 werden mit der Isolationsschicht 17 gefüllt. Weil der danach ausgeführte Prozess der gleiche ist wie in der ersten Ausführungsform, wird seine Erläuterung ausgelassen.
Wie oben beschrieben, werden in der zweiten Ausführungsform wie in der ersten Ausführungsform erste bis dritte Stromgebiete auf der Grundlage der Asteroidkurven des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 eingestellt, wie in 11 gezeigt. Daten werden selektiv in das erste und das zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben, indem ein Schreibstrom aus dem ersten bis dritten Strombereich ausgewählt wird. Ferner wird zum Zeitpunkt des Datenauslesens, in dem ersten und zweiten MTJ Element 16, 21 ein Auslesestrom zu fließen erregt und Schreibdaten werden bestimmt basiert auf den Reihenwiderständen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21. In der zweiten Ausführungsform kann, weil das Diodenelement 41 als das Schaltelement verwendet wird, leicht bewirkt werden, dass ein Auslesestrom nur in eine ausgewählte Zelle fließt, und zwar durch Einstellung der Vorspannung zum Zeitpunkt des Datenauslesens.
Nach der zweiten Ausführungsform können die gleichen Effekte wie in der ersten Ausführungsform erzielt werden. Ferner kann durch Einstellen der Vorspannung durch Einfügen des Diodenelements 41 zwischen dem ersten MTJ Element 16 und der ersten Verdrahtung 13 leicht bewirkt werden, dass ein Strom nur in eine ausgewählte Zelle fließt. Folglich kann die Datenauslesegenauigkeit signifikant verbessert und die Auslesegeschwindigkeit vergrößert werden.
[Dritte Ausführungsform]
In der dritten Ausführungsform wird ein Beispiel gezeigt, in dem zwei MTJ Elemente in einer jeweiligen Zelle laminiert sind, ohne dass sich die Richtungen ihrer leichten Achsen der Magnetisierung (leichte Achsen) überlappen, und ein Transistor wird als ein Schaltelement verwendet.
16 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Aufbau der magnetischen Speichervorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden erläutert.
Wie in 16 gezeigt, ist die dritte Ausführungsform ähnlich wie die erste Ausführungsform, außer dass ein MOS Transistor 53 als ein Ausleseschaltelement verwendet wird. D. h. die magnetische Speichervorrichtung nach der dritten Ausführungsform umfasst eine erste und zweite Verdrahtung 13, 23, die so ausgebildet sind, dass sie sich in verschiedenen Richtungen zueinander erstrecken, ein erstes und ein zweites MTJ Element 16, 21, die zwischen der ersten und zweiten Verdrahtung 13 und 23 eingelegt sind, und den MOS Transistor 53, der mit dem ersten MTJ Element 16 über eine untere Elektrode 55 verbunden ist. Die untere Elektrode 55 ist getrennt von der ersten Verdrahtung 13 angeordnet. Das erste und das zweite MTJ Element 16, 21 sind mit ihren leichten Achsen in verschiedenen Richtungen eingestellt ausgebildet. Die anderen Teile der Anordnung sind ähnlich wie die in der ersten Ausführungsform und ihre Erläuterung wird ausgelassen.
17 ist eine Querschnittsansicht, die die magnetische Speichervorrichtung nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Herstellungsverfahren der magnetischen Speichervorrichtung nach der dritten Ausführungsform wird unten erläutert.
Zunächst wird, wie in 17 gezeigt, eine Gate-Elektrode 51 über einem Halbleitersubstrat 11 selektiv ausgebildet, wobei eine Gate-Isolationsschicht 50 dazwischen angeordnet wird und Source-/Drain-Diffusionsschichten 52 in den Oberflächenbereichen des Halbleitersubstrats 11 auf beiden Seiten der Gate-Elektrode 51 ausgebildet werden. So wird ein MOS Transistor 53 ausgebildet und die Gate-Elektrode 51 des MOS Transistors 53 wird als eine Ausleseverdrahtung verwendet. Dann wird ein Kontakt 54 und eine erste Verdrahtung 13, die jeweils mit den Source-/Drain-Diffusionsschichten 52 verbunden sind, in einer Isolationsschicht 12 ausgebildet. Danach wird eine untere Elektrode, die getrennt von der ersten Verdrahtung 13 angeordnet ist und mit dem Kontakt 54 verbunden ist, ausgebildet und eine erste Schicht 14 aus TMR Material wird auf der unteren Elektrode 55 ausgebildet. Der danach ausgeführte Prozess ist der gleiche wie der in der ersten Ausführungsform und seine Erläuterung wird ausgelassen.
Wie oben beschrieben, werden in der dritten Ausführungsform, wie in der ersten Ausführungsform, erste bis dritte Strombereiche gemäß der zwei Asteroidkurven des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 eingestellt, wie in 11 gezeigt. Daten werden selektiv in das erste und das zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben, indem ein Schreibstrom aus dem ersten bis dritten Stromgebiet ausgewählt wird. Ferner wird zur Datenauslesezeit bewirkt, dass ein Auslesestrom in das erste und zweite MTJ Element 16, 21 fließt, und Einschreibedaten werden bestimmt basiert auf den Reihenwiderständen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21.
In der dritten Ausführungsform kann, weil der MOS Transistor 53 als das Schaltelement benutzt wird, leicht bewirkt werden, dass ein Auslesestrom nur in eine ausgewählte Zelle fließt, indem der MOS Transistor 53 eingeschaltet wird, welcher Transistor zur Datenauslesezeit mit der ausgewählten Zelle verbunden wird.
Nach der dritten Ausführungsform kann der gleiche Effekt wie in der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Ferner kann wie in der zweiten Ausführungsform leicht bewirkt werden, dass ein Strom nur in eine ausgewählte Zelle fließt, indem der MOS Transistor 53 als das Ausleseschaltelement benutzt wird. Daher kann die Datenauslesegenauigkeit signifikant erhöht und die Auslesegeschwindigkeit verbessert werden.
Der Prozess für den MOS Transistor 53 ist gleichartig wie der CMOS Prozess, der in einem normalen LSI Prozess verwendet wird. D. h. weil MOS Transistoren 53 der Speicherzellenfläche zur gleichen Zeit wie die Ausbildung der MOS Transistoren in der Fläche des Peripherenschaltkreises ausgebildet werden, kann das Schaltelement ausgebildet werden, ohne den Prozess kompliziert zu machen.
[Vierte Ausführungsform]
In der vierten Ausführungsform wird ein Beispiel gezeigt, in dem die leichten Achsen der Magnetisierung (leichte Achsen) der MTJ Elemente in Bezug auf die Erstreckungsrichtungen der Verdrahtungen unterschiedlichen Richtungen eingestellt sind.
18 ist eine Aufsicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung zeigt. 19 zeigt Asteroidkurven der magnetischen Speichervorrichtung nach der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die magnetische Speichervorrichtung nach der vierten Ausführungsform wird unten erläutert. In der vierten Ausführungsform werden nur Teile erläutert, die von denen der ersten Ausführungsform verschieden sind.
Wie in 18 gezeigt, ist die vierte Ausführungsform ähnlich wie die erste Ausführungsform, außer dass die Richtungen 16a, 21a der leichten Achsen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 in Bezug auf die Erstreckungsrichtungen der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 gedreht oder abgewichen sind. Genauer gesagt ist die Richtung 16a der leichten Achse des ersten MTJ Elements 16 um einen Winkel von 45 Grad im Uhrzeigersinn in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der ersten Verdrahtung 13 gedreht und die Richtung 21a der leichten Achse des zweiten MTJ Elements 21 ist um einen Winkel von 45 Grad im Uhrzeigersinn in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der zweiten Verdrahtung 23 gedreht. Auch in diesem Fall gilt wie in der ersten Ausführungsform, dass weil die erste und zweite Verdrahtung 13, 23 so ausgebildet sind, dass sie sich unter einem rechten Winkel überkreuzen, überkreuzen sich die Richtung 16a der leichten Achse des ersten MTJ Elements 16 und die Richtung 21a der leichten Achse des zweiten MTJ Elements 21 unter rechten Winkeln.
Folglich kann in der vierten Ausführungsform die Konfiguration, in der das erste und zweite MTJ Element 16, 21 um einen Winkel von 45 Grad im Uhrzeigersinn im Vergleich mit denjenigen der ersten Ausführungsform gedreht sind, erhalten werden. Folglich werden die Asteroidkurven in der vierten Ausführungsform erhalten, indem die Asteroidkurven in der ersten Ausführungsform um 45 Grad im Uhrzeigersinn gedreht werden, wie in 19 gezeigt. D. h. in der ersten Ausführungsform ist es erforderlich, dass ein relativ großer Strom in eine der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 fließt, wenn Daten nur in eine der ersten und zweiten MTJ Elemente 16, 21 eingeschrieben werden. Jedoch wird in der vierten Ausführungsform bewirkt, dass Ströme mit nahezu dem gleichen Wert in die erste und zweite Verdrahtung 12, 23 fließen.
Wie oben beschrieben, werden in der vierten Ausführungsform erste bis dritte Stromgebiete auf der Grundlage der zwei Asteroidkurven des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 eingestellt, wie in 19 gezeigt. Dann werden Daten selektiv in das erste und das zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben, indem ein Schreibstrom aus dem ersten bis dritten Strombereich ausgewählt wird. Ferner wird zur Datenauslesezeit bewirkt, dass ein Auslesestrom in das erste und zweite MTJ Element 16, 21 fließt, und Schreibdaten werden bestimmt basiert auf dem Reihenwiderstand des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21.
Nach der vierten Ausführungsform können die gleichen Wirkungen wie in der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Ferner wird in der vierten Ausführungsform bewirkt, dass Ströme mit nahezu dem gleichen Wert in die erste und zweite Verdrahtung 12, 23 fließen, wenn Daten in nur eines der ersten und zweiten MTJ Elemente 16, 21 eingeschrieben werden. Daher kann der Wert bzw. die Stärke einer Last, die einer der ersten und zweiten Verdrahtungen 13, 23 beaufschlagt wird, wenn bewirkt wird, dass die Schreibströme darin fließen, im Vergleich zu dem Fall der ersten Ausführungsform heruntergesenkt bzw. unterdrückt werden.
Ferner sind die Drehwinkel der Richtungen 16a, 21a der leichten Achsen des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21 in Bezug auf die Erstreckungsrichtungen der ersten und zweiten Verdrahtung 13, 23 nicht auf 45 Grad beschränkt und können variiert werden.
Es ist auch möglich, den Aufbau der vierten Ausführungsform mit dem in der zweiten und dritten Ausführungsform gezeigten Schaltelement zu kombinieren.
[Fünfte Ausführungsform]
In der fünften Ausführungsform wird ein Beispiel gezeigt, in dem drei oder mehr MTJ Elemente in einer jeweiligen Zelle laminiert werden, wobei die Richtungen von ihren leichten Achsen sich nicht überlappen (mit den leichten Achsen nicht in derselben Richtung eingestellt).
20 ist eine Aufsicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die magnetische Speichervorrichtung nach der fünften Ausführungsform wird unten erläutert. In der fünften Ausführungsform werden nur Teile, die in Bezug auf die der ersten Ausführungsform verschieden sind, erläutert.
Wie in 20 gezeigt, ist die fünfte Ausführungsform ähnlich zu der ersten Ausführungsform, außer dass vier MTJ Elemente 16, 21, 60, 61 in einer jeweiligen Zelle laminiert werden, ohne dass sich deren Richtungen 16a, 21a, 60a, 61a der leichten Achse überlappen. D. h. das erste MTJ Element 16 ist ausgebildet, wobei die Richtung 16a der leichten Achse in der Erstreckungsrichtung der ersten Verdrahtung 13 eingestellt ist und das zweite MTJ Element 21 ist ausgebildet, wobei seine Richtung 21a der leichten Achse um einen Winkel von 45 Grad im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf die Richtung 16a der leichten Achse des ersten MTJ Elements 16 gedreht ist. Das dritte MTJ Element 60 ist ausgebildet, wobei dessen Richtung 60a der leichten Achse in einer Richtung eingestellt ist, die um einen Winkel von 45 Grad im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf die Richtung 21a der leichten Achse des zweiten MTJ Elements 21 oder der Erstreckungsrichtung der zweiten Verdrahtung 23 gedreht ist. Ferner ist das vierte MTJ Element 61 ausgebildet, wobei dessen Richtung 61a der leichten Achse in einer Richtung eingestellt ist, die um einen Winkel von 45 Grad im Gegenuhrzeigersinn in Bezug auf die Richtung 60a der leichten Achse des dritten MTJ Elements 60 gedreht ist. Die ersten bis vierten MTJ Elemente 16, 21, 60, 61 werden nacheinander zwischen der ersten und zweiten Verdrahtung 13 und 23 laminiert. Ferner werden jeweils Ätzstoppschichten 18, die jeweils als eine nicht-magnetische Schicht ausgebildet sind, jeweils zwischen dem ersten und zweiten MTJ Element 16 und 21, zwischen dem zweiten und dritten MTJ Element 21 und 60, und zwischen dem dritten und vierten MTJ Element 60 und 61 ausgebildet.
In der oben beschriebenen fünften Ausführungsform wird eine Vielzahl von Strombereichen eingestellt basiert auf Asteroidkurven der ersten bis vierten MTJ Elemente 16, 21, 60, 61. Daten werden in das erste bis vierte MTJ Element 16, 21, 60, 61 selektiv eingeschrieben, indem ein Schreibstrom aus den obigen Stromflächen ausgewählt wird. Ferner wird zur Datenauslesezeit bewirkt, dass ein Auslesestrom in das erste bis vierte MTJ Element 16, 21, 60, 61 fließt und Schreibdaten werden bestimmt basiert auf dem Reihenwiderstand des ersten bis vierten MTJ Elements 16, 21, 60, 61. In der fünften Ausführungsform kann ein MRAM, das 16-wertige Daten für ein jeweiliges Bit hält, realisiert werden.
Um 16-wertige Daten für ein jeweiliges Bit zu halten, ist es erforderlich, die Widerstandsänderungswerte ΔR1, ΔR2, ΔR3, ΔR4 in den "1", "0" Zuständen des ersten bis vierten MTJ Elements 16, 21, 60, 61 auf jeweils verschiedene Werte einzustellen. Wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, kann dies beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Schichtdicken der Tunnelverbindungsschichten des ersten bis vierten MTJ Elements 16, 21, 60, 61 auf verschiedene Werte eingestellt werden, das erste bis vierte MTJ Element 16, 21, 60, 61 unter Benutzung verschiedener Materialien ausgebildet wird, oder das erste bis vierte MTJ Element 16, 21, 60, 61 in verschiedenen Größen ausgebildet wird.
Ferner kann die magnetische Speichervorrichtung nach der fünften Ausführungsform in der gleichen Weise wie in der ersten Ausführungsform ausgebildet werden, indem das erste bis vierte MTJ Element 16, 21, 60, 61 laminiert werden. In diesem Fall wird der Tempervorgang in dem Magnetfeld, der ausgeführt wird, wenn die Magnetisierungsrichtungen des ersten bis vierten MTJ Elements 16, 21, 60, 61 fixiert werden, bei verschiedenen Temperaturen ausgeführt, und zwar in der Reihenfolge des ersten MTJ Elements 16, des zweiten MTJ Elements 21, des dritten MTJ Elements 60 und des vierten MTJ Elements 61. Es ist wünschenswert, dass die Tempertemperatur in diesem Fall für das MTJ Element einer oberen Schicht niedriger eingestellt wird.
Nach der fünften Ausführungsform kann der gleiche Effekt wie der in der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Ferner können in der fünften Ausführungsform 16-wertige Daten für ein jeweiliges Bit eingeschrieben und ausgelesen werden, indem die vier MTJ Elemente 16, 21, 60, 61 in einer jeweiligen Zelle laminiert werden, ohne dass sich deren Richtungen 16a, 21a, 60a, 61a der leichten Achse überlappen. Folglich kann die Integrationsdichte des Speichers weiter verbessert werden.
Fünf oder mehr MTJ Elemente können in einer jeweiligen Zelle laminiert werden, ohne dass sich deren Richtungen der leichten Achsen überlappen. Wenn beispielsweise n MTJ Elemente laminiert werden, können für ein jeweiliges Bit 2n-wertige Daten eingeschrieben und ausgelesen werden, indem die n MTJ Elemente vorgesehen sind, die jeweils um einen Winkel von 180 Grad/n in Bezug auf das benachbarte MTJ Element verdreht sind.
Ferner kann der Aufbau der fünften Ausführungsform mit dem in der zweiten und dritten Ausführungsform gezeigten Schaltelement kombiniert werden und die Richtungen der leichten Achse der MTJ Elemente können so eingestellt werden, dass sie nicht mit den Erstreckungsrichtungen der ersten und zweiten Verdrahtung überlappen, wie in der vierten Ausführungsform.
[Sechste Ausführungsform]
In der sechsten Ausführungsform kreuzen die Richtungen der Verdrahtungen und der benachbarten leichten Achsen jeweils unter rechten Winkeln.
21 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die kein Schaltelement aufweist. 22 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung nach der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Ausleseschaltdiode zeigt. 23 ist eine perspektivische Ansicht, die eine magnetische Speichervorrichtung mit einem Ausleseschalttransistor zeigt, gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau der magnetischen Speichervorrichtung nach der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unten erläutert.
Wie in den 21 bis 23 gezeigt, ist die sechste Ausführungsform ähnlich wie die erste Ausführungsform, außer dass eine Richtung 16a der leichten Achse eines ersten MTJ Elements 16, das benachbart zu und direkt auf einer ersten Verdrahtung 13 ausgebildet ist, um einen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der ersten Verdrahtung 13 gedreht oder abgewichen ist, und eine Richtung 21a der leichten Achse eines zweiten MTJ Elements 21, das benachbart zu und direkt unter einer zweiten Verdrahtung 23 ausgebildet ist, um einen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der zweiten Verdrahtung 23 gedreht ist. D. h. es wird ein Aufbau bereitgestellt, in dem die Richtungen der Verdrahtungen und der benachbarten leichten Achsen sich einander jeweils unter einem rechten Winkel kreuzen.
Wie in der ersten bis dritten Ausführungsform werden in der oben beschriebenen sechsten Ausführungsform, basiert auf den zwei Asteroidkurven des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21, erste bis dritte Strombereiche eingestellt, wie in 11 gezeigt. Daten werden selektiv in das erste und das zweite MTJ Element 16, 21 eingeschrieben, indem ein Schreibstrom aus dem ersten bis dritten Stromgebiet ausgewählt wird. Ferner wird zur Datenauslesezeit bewirkt, dass ein Auslesestrom in das erste und zweite MTJ Element 16, 21 fließt und Schreibdaten werden bestimmt basiert auf dem Serienwiderstand des ersten und zweiten MTJ Elements 16, 21.
Nach den entsprechenden Zeichnungen der obigen sechsten Ausführungsform können dieselben Wirkungen wie die in einer jeweiligen der ersten bis dritten Ausführungsform erzielt werden und zusätzlich kann der folgende Effekt erzielt werden.
In der ersten bis dritten Ausführungsform sind die Aufbauten bereitgestellt, in denen die Richtungen der Verdrahtungen und benachbarten leichten Achsen jeweils parallel zueinander eingestellt sind. Daher kann der Abstand zwischen benachbarten Zellen klein gemacht werden, weil die Schreibverdrahtung dünn hergestellt werden kann. Infolgedessen kann ein Aufbau erzielt werden, der beim Miniaturisieren der Zellen vorteilhaft ist.
Andererseits wird in der sechsten Ausführungsform ein Aufbau bereitgestellt, in dem sich die Richtungen der Verdrahtungen und benachbarten leichten Achsen jeweils unter rechten Winkeln kreuzen. Folglich kann, weil ein magnetisches Feld in der Richtung der leichten Achse unter Benutzung der dichtesten Verdrahtung beaufschlagt werden kann, die Magnetisierung der Zelle leicht invertiert werden, und es kann ein Aufbau erzielt werden, der zum Verringern des Schreibstroms vorteilhaft ist. Wenn beispielsweise Daten in einer ausgewählten Zelle eingeschrieben werden, wird ein magnetisches Feld, das in der Richtung der leichten Achse stärker ist als in der Richtung der harten Achse, im Verhältnis von 1,7:1,0 beispielsweise beaufschlagt. Nach dem Zellenaufbau verändert sich dieses Verhältnis stark.
[Siebte Ausführungsform]
Die siebte Ausführungsform ist eine Abänderung der ersten Ausführungsform und zeigt einen Aufbau, der kein Schaltelement aufweist.
Die 24 und 25 sind perspektivische Ansichten, die jeweils eine magnetische Speichervorrichtung ohne Schaltelemente nach der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Der Aufbau der magnetischen Speichervorrichtung nach der siebten Ausführungsform wird unten erläu tert. Es werden hauptsächlich Teile erläutert, die von denen des Aufbaus der ersten Ausführungsform verschieden sind.
In dem in 24 gezeigten Aufbau ist eine erste Verdrahtung 13 in eine Wortschreib-Leitung 13a und eine Wortauslese-Leitung 13b unterteilt. Die Wortschreib-Leitung 13a ist getrennt angeordnet von dem ersten MTJ Element 16, so dass sie sich über eine zweite Verdrahtung (Bitleitung) 23 unter einem beispielsweise rechten Winkel erstreckt und kreuzt. Die Wortauslese-Leitung 13b ist so angeordnet, dass sie sich parallel zu der Wortschreib-Leitung 13a in der gleichen Ebene erstreckt und über einen Kontakt 54 und eine untere Elektrode 55 mit dem ersten und zweiten MTJ Element 16, 21 verbunden ist.
Auch ist in dem in 25 gezeigten Aufbau eine erste Verdrahtung in eine Wortschreib-Leitung 13a und eine Wortauslese-Leitung 13b unterteilt. Die Wortschreib-Leitung 13a ist getrennt von einem ersten MTJ Element 16 angeordnet, so dass sie sich mit einer zweiten Verdrahtung (Bitleitung) 23 beispielsweise unter rechten Winkeln erstreckt und kreuzt. Die Wortauslese-Leitung 13b ist so angeordnet, dass sie sich parallel zu der Wortschreib-Leitung 13a erstreckt, zwischen dem ersten MTJ Element 16 und der Wortschreib-Leitung 13a angeordnet ist, und in Kontakt mit dem ersten MTJ Element 16 ausgebildet ist.
Nach der siebten Ausführungsform können die gleichen Wirkungen wie in der ersten Ausführungsform erzielt werden.
Ferner ist in der siebten Ausführungsform die erste Verdrahtung in die Wortschreib-Leitung 13a und die Wortauslese-Leitung 13b unterteilt. Folglich kann ein starkes Auslesesignal herausgeführt werden und die Auslesegeschwindig keit kann im Vergleich mit dem einfachen Kreuzungspunktaufbau aus der ersten Ausführungsform verbessert werden.
Weil ferner die Schreibleitung und die Ausleseleitung teilweise getrennt voneinander sind, kann eine zum Zeitpunkt des Einschreibens der Tunnelverbindungsschicht 32 beaufschlagte Vorspannung eliminiert werden und die Zuverlässigkeit kann verbessert werden.
In der siebten Ausführungsform kann, weil kein Schaltelement benutzt wird, die Zellengröße verringert und die Entwicklung eines mehrschichtigen Aufbaus leicht erzielt werden.
In der ersten bis siebten Ausführungsform wird das MTJ Element als das Speicherelement benutzt, jedoch kann ein GMR (Englisch: Giant Magneto Resistive, riesenmagnetwiderstandsbeständiges) Element, das beispielsweise aus magnetischen Schichten und einer zwischen den magnetischen Schichten eingelegten, leitfähigen Schicht aufgebaut ist, verwendet wird.

Claims

Eine magnetische Speichervorrichtung mit: einem ersten magnetwiderstandsbeständigen Element (16), das folgendes umfasst: eine erste magnetisch fixierte Schicht (31), eine erste Magnetaufzeichnungsschicht (33) und eine erste nicht-magnetische Schicht (32), die zwischen der ersten magnetisch fixierten Schicht und der ersten Magnetaufzeichnungsschicht ausgebildet ist, das eine sich in einer ersten Richtung erstreckende erste Achse (16a) mit leichter Magnetisierung aufweist, und das erste und zweite Widerstandswerte aufweist, einem zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element (21), das auf dem ersten magnetwiderstandsbeständigen Element auflaminiert ist und eine Mehrfachwertspeicherzelle ausbildet, das folgendes umfasst: eine zweite magnetisch fixierte Schicht (31), eine zweite Magnetaufzeichnungsschicht (33) und eine zweite nicht-magnetische Schicht (32), die zwischen der zweiten magnetisch fixierten Schicht und der zweiten Magnetaufzeichnungsschicht ausgebildet ist, das eine sich in einer von der ersten Richtung verschiedenen, zweiten Richtung erstreckende zweite Achse (21a) mit leichter Magnetisierung aufweist, und das dritte und vierte Widerstandswerte aufweist, und ersten und zweiten elektrischen Leitungen (13, 23), die das erste und zweite magnetisch widerstandsbeständige Element dazwischen einlegen und die so angeordnet sind, dass sie sich in zueinander verschiedenen Richtungen erstrecken.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste elektrische Leitung (13) so angeordnet ist, dass sie sich in einer dritten Richtung erstreckt, das erste magnetwiderstandsbeständige Element (16) über der ersten elektrischen Leitung (13) angeordnet ist, das zweite magnetwiderstandsbeständige Element (21) über dem ersten magnetwiderstandsbeständigen Element (16) angeordnet ist, und die zweite elektrische Leitung (23) über dem zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element (21) angeordnet ist und sich in einer von der dritten Richtung verschiedenen, vierten Richtung erstreckt.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die zweite Richtung auf einen Winkel von 90 Grad zu der ersten Richtung eingestellt ist.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die dritte Richtung auf einen Winkel von 90 Grad zu der vierten Richtung eingestellt ist.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die dritte Richtung auf dieselbe Richtung wie die erste Richtung eingestellt ist und die vierte Richtung auf dieselbe Richtung wie die zweite Richtung eingestellt ist.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Richtung auf einen Winkel von 45 Grad zu der dritten Richtung eingestellt ist und die zweite Richtung auf einen Winkel von 45 Grad zu der vierten Richtung eingestellt ist.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend Gleichrichterelemente oder Transistoren (41, 53), die mit dem ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element verbunden sind.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Richtung der ersten Achse mit leichter Magnetisierung des ersten magnetwiderstandsbeständigen Elements, die in der Nähe der ersten elektrischen Leitung (13) ist, um einen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der ersten elektrischen Leitung (13) abweicht, und die Richtung der zweiten Achse mit leichter Magnetisierung des zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements, die in der Nähe der zweiten elektrischen Leitung (23) ist, um einen Winkel von 90 Grad in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der zweiten elektrischen Leitung (23) abweicht.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Widerstand des ersten magnetwiderstandsbeständigen Elements verschieden sind von dem dritten und vierten Widerstand des zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements in demselben Einschreibezustand.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Filmdicken der ersten und zweiten magnetischen Schichten verschieden sind.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Materialien der ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elemente verschieden sind.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die MR Verhältnisse der ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elemente verschieden sind.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Größen des ersten und zweiten Magnetwiderstandselements verschieden sind.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei eines des ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements eine Einzeltunnel-Zusammenfügungsstruktur aufweist und das andere des ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements eine Doppeltunnel-Zusammenfügungsstruktur aufweist.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite magnetwiderstandsbeständige Element MTJ Elemente oder GMR Elemente sind.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 15, wobei das MTJ Element eine Einzelzusammenfügungsstruktur oder eine Doppelzusammenfügungsstruktur aufweist.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine nicht-magnetische Schicht, die zwischen dem ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element ausgebildet ist und eine Fläche aufweist, die größer ist als die Flächen des ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Ströme, die hervorgerufen worden sind, in der ersten und zweiten elektrischen Leitung (13, 23) zu fließen, für ein jeweiliges eines aus dem ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element ausgewählten magnetwiderstandsbeständigen Elements verschieden sind, wenn Daten nur in das ausgewählte magnetwiderstandsbeständige Element eingeschrieben werden.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei Mehrfachwertdaten ausgelesen werden, basiert auf der Tatsache, dass der erste und vierte Widerstand der ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elemente verschieden sind, wenn Daten in das erste und zweite magnetwiderstandsbeständige Element eingeschrieben werden.
Die Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste magnetwiderstandsbeständige Element (16) den ersten Widerstandswert aufweist, wenn "1" Daten in das erste magnetwiderstandsbeständige Element (16) eingeschrieben werden, das erste magnetwiderstandsbeständige Element (16) den zweiten Widerstandswert aufweist, wenn "0" Daten in das erste magnetwiderstandsbeständige Element (16) eingeschrieben werden, das zweite magnetwiderstandsbeständige Element (21) den dritten Widerstandswert aufweist, wenn "1" Daten in das zweite magnetwiderstandsbeständige Element (21) eingeschrieben werden, das zweite magnetwiderstandsbeständige Element (21) den vierten Widerstandswert aufweist, wenn "0" Daten in das zweite magnetwiderstandsbeständige Element (21) eingeschrieben werden, und Daten mit vier Werten ausgelesen werden, basiert auf der Tatsache, dass ein erster Wert, der eine Gesamtheit des ersten und dritten Widerstandswerts repräsentiert, ein zweiter Wert, der eine Gesamtheit des zweiten und dritten Widerstandswerts repräsentiert, ein dritter Wert, der eine Gesamtheit des ersten und vierten Widerstandswerts repräsentiert, und ein vierter Wert, der eine Gesamtheit des zweiten und vierten Widerstandswerts aufweist repräsentiert, verschieden sind.
Ein Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung, mit folgenden Schritten: Ausbilden einer ersten elektrischen Leitung (13), die sich in einer ersten Richtung erstreckt, Laminieren von ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elementen (16, 21) über der ersten elektrischen Leitung (13) zum Ausbilden einer Mehrfachwertzelle, wobei das erste magnetwiderstandsbeständige Element folgendes umfasst: eine erste magnetisch fixierte Schicht (31), eine erste Magnetaufzeichnungsschicht (33) und eine erste nicht-magnetische Schicht (32), die zwischen der ersten magnetisch fixierten Schicht und der ersten Magnetaufzeichnungsschicht ausgebildet ist, wobei das zweite magnetwiderstandsbeständige Element folgendes umfasst: eine zweite magnetisch fixierte Schicht (31), eine zweite Magnetaufzeichnungsschicht (33) und eine zweite nicht-magnetische Schicht (33), die zwischen der zweiten magnetisch fixierten Schicht und der zweiten Magnetaufzeichnungsschicht ausgebildet ist, wobei das erste magnetwiderstandsbeständige Element erste und zweite Widerstandswerte aufweist und das zweite magnetwiderstandsbeständige Element dritte und vierte Widerstandswerte aufweist, Ausbilden einer zweiten elektrischen Leitung (23), die sich in einer zweiten Richtung verschieden von der ersten Richtung auf dem ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element erstreckt, und nacheinander Ausführen von Wärmebehandlungen in einem Magnetfeld bei verschiedenen Temperaturen bezüglich des ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements und Fixieren der Magnetisierungsrichtungen der ersten und zweiten magnetisch fixierten Schichten (31) des ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements in verschiedenen Richtungen.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Wärmebehandlung in dem magnetischen Feld bei einer ersten Temperatur ausgeführt wird, um die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetisch fixierten Schicht (31) in einer dritten Richtung zu fixieren, und die Wärmebehandlung in dem magnetischen Feld bei einer von der ersten Temperatur verschiedenen, zweiten Temperatur ausgeführt wird, um die Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetisch fixierten Schicht (31) in einer vierten Richtung zu fixieren.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 22, wobei die erste und zweite elektrische Leitung (13, 23) so ausgebildet sind, dass sie einen Winkel von 90 Grad zwischen der ersten und zweiten Richtung ausbilden.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Magnetisierungsrichtungen der ersten und zweiten magnetisch fixierten Schicht (31) so fixiert sind, dass sie einen Winkel von 90 Grad zwischen der dritten und vierten Richtung ausbilden.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 22, wobei die dritte Richtung dieselbe ist wie die erste Richtung und die vierte Richtung dieselbe ist wie die zweite Richtung.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 22, wobei ein Winkel von 45 Grad zwischen der ersten und dritten Richtung ausgebildet ist und ein Winkel von 45 Grad zwischen der zweiten und vierten Richtung ausgebildet ist.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, ferner umfassend Ausbilden von Gleichrichterelementen oder Transistoren (41, 53), die mit dem ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element verbunden sind.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Richtung der ersten Achse mit leichter Magnetisierung des ersten magnetwiderstandsbeständigen Elements, das in der Nähe der ersten elektrischen Leitung (13) ist, in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der ersten elektrischen Leitung (13) um einen Winkel von 90 Grad abweichend ist, und die Richtung der zweiten Achse mit leichter Magnetisierung des zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements, das in der Nähe der zweiten elektrischen Leitung (23) ist, in Bezug auf die Erstreckungsrichtung der zweiten elektrischen Leitung (23) um einen Winkel von 90 Grad abweichend ist.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die erste und zweite nicht-magnetische Schicht mit verschiedenen Filmdicken ausgebildet sind.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei das erste und zweite magnetwiderstandsbeständige Element aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei das erste und zweite magnetwiderstandsbeständige Element so ausgebildet sind, dass sie verschiedene Größen aufweisen.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, ferner umfassend Ausbilden einer nicht-magnetischen Schicht zwischen dem ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element, wobei die Fläche der nicht-magnetischen Schicht größer als die Fläche des ersten und zweiten magnetwiderstandsbeständigen Elements ist.
Das Herstellungsverfahren für eine Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Wärmebehandlungen in Bezug auf das erste und zweite magnetwiderstandsbeständige Element nacheinander ausgeführt werden in einer Reihenfolge von dem ersten magnetwiderstandsbeständigen Element, das auf der Seite der ersten elektrischen Leitung (13) liegt, zu dem zweiten magnetwiderstandsbeständigen Element, das auf der Seite der zweiten elektrischen Leitung (23) liegt, und die Temperaturen zur Zeit der Wärmebehandlungen so eingestellt sind, dass sie in der obengenannten Reihenfolge niedriger wird.