DE60037784T2

DE60037784T2 - Magnetoresistives Element und magnetische Speicheranordnung

Info

Publication number: DE60037784T2
Application number: DE60037784T
Authority: DE
Inventors: Koichiro Minato-ku Inomata; Kentaro Minato-ku Nakajima; Yoshiaki Minato-ku Saito; Masayuki Minato-ku Sagoi; Tatsuya Minato-ku Kishi
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2020-09-16
Also published as: US6987653B2; US20050185347A1; EP1085586A2; US6611405B1; US7345852B2; US20040175596A1; US20030197984A1; KR100421408B1; US7038894B2; US6751074B2; KR20030041882A; KR20010030391A; US20060146451A1; EP1085586B1; US20070297101A1; KR100401777B1; CN1185630C; US7593193B2; CN1308317A; DE60037784D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein magnetoresistives Element mit einem ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang und eine dieses verwendende Magnetspeichervorrichtung.
Der Magnetwiderstands- bzw. magnetoresistive Effekt ist ein Phänomen, das ein elektrischer Widerstand sich ändert, wenn ein Magnetfeld an ein ferrogmagnetisches Material angelegt wird. Da das den obigen Effekt verwendende magnetoresistive Element (MR-Element) eine gehobene Temperaturstabilität innerhalb eines weiten Temperaturbereichs hat, ist es für einen Magnetkopf und einen Magnetsensor und Ähnliches verwendet worden. Jüngst ist eine Magnetspeichervorrichtung (ein magnetoresistiver Speicher oder ein Magnetspeicher wahlfreien Zugriffs (MRAM)) hergestellt worden. Das magnetoresistive Element musste eine hohe Empfindlichkeit in Bezug auf ein externes Magnetfeld haben und ein rasches Ansprechen.
In den letzten Jahren ist ein magnetoresistives Element mit einer Sandwich-Schicht gefunden worden, in welcher eine dielektrische Schicht eingefügt ist zwischen zwei magnetischen Schichten, und das senkrecht zu der Schicht fließende Tunnelströme verwendet, ein sogenanntes ferrogmagnetisches Tunnelübergangselement (magnetoresistives Tunnelübergangselement (TMR)). Das ferrogmagnetische Tunnelübergangselement zeigt 20% oder mehr von einer Änderungsrate im Magnetowiderstand (J. Appl. Phys. 79, 4724 (1996)). Daher hat es eine zunehmende Möglichkeit gegeben, das TMR bei einem Magnetkopf und einem magnetoresistiven Speicher anzuwenden. Jedoch hat es ein Problem gegeben, dass die Magnetowiderstands- bzw. MR-Änderung in dem ferrogmagnetischen Einzeltunnelübergangselement spürbar abgenommen hat, wenn eine anzulegende Spannung erhöht worden ist, um eine erforderliche Ausgangsspannung zu erhalten (Phys. Rev. Lett. 74, 3273 (1995)).
Es ist ein ferrogmagnetisches Einzeltunnelübergangselement vorgeschlagen worden mit einer Struktur, bei der eine antiferromagnetische Schicht in Kontakt mit einer ferrogmagnetischen Schicht bereitgestellt worden ist für den ferrogmagnetischen Einzeltunnelübergang, um die ferrogmagnetische Schicht zu einer verstifteten Magnetisierungsschicht zu machen ( japanische Patentanmeldung KOKAI Veröffentlichungs-Nr. 10-4227 ). Jedoch hat ein solches Element ein ähnliches Problem, dass die MR-Änderung spürbar abnimmt, wenn eine angelegte Spannung erhöht wird, um eine erforderliche Ausgangsspannung zu erhalten.
Andererseits ist theoretisch geschätzt worden, dass ein magnetoresistives Element mit einem ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang, das eine geschichtete Struktur von Fe/Ge/Fe/Ge/Fe bildet, eine erhöhte MR-Änderung bedingt durch den Spin-polarisierten Resonanztunneleffekt hat (Phys. Ref. B56, 5484 (1997)). Jedoch basiert die Schätzung auf Ergebnissen bei niedriger Temperatur (8K) und daher ist das obige Phänomen nicht notwendiger Weise bei Raumtemperatur begründet. Beachte, dass das obige Element nicht ein Dielektrikum wie zum Beispiel Al₂O₃, SiO₂, und AlN verwendet. Darüber hinaus gibt es, da das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement der obigen Struktur keinerlei ferrogmagnetische Schicht mit einer antiferromagnetischen Schicht verstiftet hat, ein Problem, dass die Ausgangsgröße graduell abnimmt bedingt durch die Drehung eines Teils der magnetischen Momente in einer verstifteten Magnetisierungsschicht durch Durchführen von mehrmaligem Schreiben, wenn es für MRAM und Ähnliches verwendet wird.
Zudem ist ein ferrogmagnetisches Mehrfachtunnelübergangselement, das eine dielektrische Schicht, in der magnetische Partikel dispergiert sind, vorgeschlagen worden (Phys. Rev. B56 (10), R5747 (1947); Journal of Applied Magnetics, 23, 4-2, (1999); und Appl. Phys. Lett. 73 (19), 2829 (1998)). Es ist erwartet worden, dass das Element bei einem Magnetkopf oder einem magnetoresistiven Speicher verwendet werden könnte, da 20% oder mehr der MR-Änderung realisiert worden sind. Speziell hat das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement einen Vorteil, das die Reduzierung der MR-Änderung gering gemacht werden kann selbst bei zunehmender angelegter Spannung. Darüber hinaus gibt es, da das Element keine mit einer antiferromagnetischen Schicht verstiftete ferrogmagnetische Schicht hat, ein Problem, das die Ausgangsgröße graduell abnimmt bedingt durch Rotation eines Teils der magnetischen Momente in einer verstifteten Magnetisierungsschicht durch Durchführen von mehrmaligem Schreiben, wenn es für ein MRAM oder Ähnliches verwendet wird. Da ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement unter Verwendung einer ferrogmagnetischen Schicht, die aus einer kontinuierlichen Schicht besteht (Appl. Phys. Lett. 73(19), 2829 (1998) eine aus einer Einzellagenschicht von beispielsweise Co, Ni₈₀Fe₂₀ zwischen dielektrischen Schichten besteht, gibt es Probleme, dass magnetische Umschaltfelder zum Umschalten des magnetischen Moments nicht frei entworfen werden können, und dass eine Koerzitivkraft der ferrogmagnetischen Schicht erhöht werden kann, wenn das Material wie zum Beispiel Co verarbeitet wird.
Für Anwendungen des ferrogmagnetischen Tunnelübergangselements bei MRAM und Ähnlichem werden externe Magnetfelder an eine ferrogmagnetische Schicht (eine freie Schicht oder eine magnetische Aufzeichnungsschicht), deren Magnetisierung nicht verstiftet ist, durch Fließenlassen eines Stroms in einem Draht (einer Bitleitung oder eine Wortleitung) angelegt, um die Magnetisierung der magnetischen Aufzeichnungsschicht umzukehren. Da jedoch erhöhte Magnetfelder (magnetische Umschaltfelder) erforderlich sind, um die Magnetisierung der magnetischen Aufzeichnungsschicht umzukehren, wenn Speicherzellen kleiner werden, ist es erforderlich, einen hohen Strom zum Schreiben in den Draht fließen zu lassen. Demnach wird der Energieverbrauch zum Schreiben erhöht, wenn die Speicherkapazität des MRAM erhöht wird. Beispielsweise kann in einer MRAM-Vorrichtung mit einer hohen Dichte von 1 Gb oder darüber ein Problem verursacht werden, dass die Verdrahtung bedingt durch erhöhte Stromdichte zum Schreiben in den Drähten schmilzt.
Als eine Lösung des obigen Problems wurde versucht, MagnetisierungsUmschalt durch Injizieren von Spinpolarisiertem Strom auszuführen (J. Mag. Mag. Mat., 159 (1996) L1; und J. Mag. Mag. Mat., 202 (1999) 157). Jedoch verursachte das Verfahren zum Durchführen von MagnetisierungsUmschalt durch Injizieren von Spin-Strom eine Erhöhung in der Stromdichte in dem TMR-Element, was zu einer Zerstörung eines Tunnelisolators führte. Zudem gab es keine Vorschläge für eine Elementstruktur, die für Spin-Injektion geeignet gewesen wäre.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines magnetoresistiven Elements vom Tunnelübergangstyp und einer Magnetspeichervorrichtung derart, dass eine Reduzierung der MR-Änderung niedrig ausgestattet werden kann, selbst wenn eine angelegte Spannung erhöht wird zum Erhalten einer erforderlichen Ausgangsspannung, wobei es kein Problem damit gibt, dass eine Ausgangsgröße graduell verschlechtert wird bedingt durch die Rotation eines Teils der magnetischen Momente in der verstifteten Magnetisierungsschicht durch wiederholtes Schreiben, und wobei ein Umschaltmagnetfeld zum Umschalten der magnetischen Momente in der ferrogmagnetischen Schicht frei entworfen werden kann.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein magnetoresistives Element vom Tunnelübergangstyp und eine magnetische Speichervorrichtung bereitzustellen, die eine Zunahme im Umschaltmagnetfeld zum Umschalten der Magnetisierung der magnetischen Aufzeichnungsschicht unterdrücken kann, die mit der Verkleinerung von Speicherzellen einhergeht.
Noch ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Magnetspeichervorrichtung bereitzustellen, die eine für Spin-Injektion geeignete Struktur hat und die Stromdichte in einem Draht und einem TMR-Element steuern kann, und ein Verfahren zum Schreiben von Information in die Magnetspeichervorrichtung.
WO 01/71735 , die unter die Bedingungen des Artikels 54(3) EPC fällt, bezieht sich auf ein MRAM mit einer synthetischen antiferromagnetischen Struktur, die antiparallele untere und obere freie magnetische Schichten getrennt durch eine Austauschabstandsschicht dazwischen umfasst, zwei Tunnelsperrschichten und eine untere verstiftete ferrogmagnetische Schicht und eine obere verstiftete ferrogmagnetische Schicht, die antiparallel zueinander hergestellt werden.
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Magnetspeichervorrichtung bereit, die eine erste verstiftete Magnetisierungsschicht umfasst, deren Magnetisierungsrichtung verstiftet ist, eine erste dielektrische Schicht, eine magnetische Aufzeichnungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung Umschaltbar ist, eine zweite dielektrische Schicht und eine zweite verstiftete Magnetisierungsschicht, deren Magnetisierungsrichtung verstiftet ist;
wobei die magnetische Aufzeichnungsschicht einen dreilagigen Film einer magnetischen Schicht, einer nicht-magnetischen Schicht und einer magnetischen Schicht umfasst, wobei die beiden magnetischen Schichten des dreilagigen Films antiferromagnetisch gekoppelt sind;
die zweite verstiftete Magnetisierungsschicht einen. dreilagigen Film aus einer magnetischen Schicht einer nicht-magnetischen Schicht und einer magnetischen Schicht umfasst, wobei die beiden magnetischen Schichten des dreilagigen Films antiferromagnetisch gekoppelt sind; und
die Magnetisierungsrichtungen der beiden verstifteten Magnetisierungsschichten in Bereichen in Kontakt sind mit den dielektrischen Schichten im Wesentlichen antiparallel zueinander sind,
wobei die Länge der ersten verstifteten Magnetisierungsschicht länger ausgestaltet ist als jene der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht und der magnetischen Aufzeichnungsschicht.
Dieses Resümee der Erfindung beschreibt nicht notwendiger Weise alle erforderlichen Merkmale, so dass die Erfindung auch eine Unterkombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
Die Erfindung kann vollständiger aus der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden, wenn betrachtet im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen zeigt:
1 eine Schnittansicht einer zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Grund-Struktur eines ersten magnetoresistiven Elements;
2 eine Schnittansicht einer zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Grund-Struktur eines zweiten magnetoresistiven Elements;
3 eine Schnittansicht einer zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Grund-Struktur eines dritten magnetoresistiven Elements;
4 eine Schnittansicht einer zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen Grund-Struktur eines dritten magnetoresistiven Elements;
5 eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche Schnittansicht einer Grund-Struktur einer Variation des vierten magnetoresistiven Elements;
6 ein Äquivalenzschaltungsdiagramm eines MOS-Transistoren- und ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselements kombinierenden MRAM;
7 eine Schnittansicht des MRAM in 6, in welchem eine verstiftete Schicht des ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements einen Teil einer Bitleitung bildet;
8 ein Äquivalenzschaltungsdiagramm eines Dioden- und ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselemente kombinierenden MRAM;
9 eine Schnittansicht des MRAM in 8, in welchem eine verstiftete Schicht des ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements einen Teil einer Bitleitung bildet;
10 eine Schnittansicht eines zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützlichen, für ein MRAM verwendeten ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements;
11 eine Schnittansicht eines ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements, das in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
12 eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche Schnittansicht eines ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements, das für ein anderes MRAM verwendet wird;
13 eine Schnittansicht eines Elements eines MRAM in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche Schnittansicht eines anderen Beispiels eines MRAM;
15 eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche Schnittansicht eines anderen beispielhaften magnetoresistiven Elements;
16 eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche Schnittansicht noch eines anderen Beispiels eines magnetoresistiven Elements;
17 eine zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche Schnittansicht noch eines anderen Beispiels eines magnetoresistiven Elements;
18 eine perspektivische Ansicht einer Magnetkopfanordnung, die mit einem magnetoresistiven Kopf versehen ist, der ein magnetoresistives Tunnelübergangselement umfasst;
19 eine perspektivische Ansicht der inneren Struktur einer Magnetplattenvorrichtung, die mit der in 18 gezeigten Magnetkopfanordnung versehen ist;
20 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik magnetoresistiver Kurven der Proben A und B;
21 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik der Abhängigkeit angelegter Spannung von der MR-Änderung für die Proben A, B und C;
22 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik von Zusammenhängen zwischen Umschaltzyklen pulsierter Magnetfelder und einer Ausgangsspannung für die Proben A, B und D;
23 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik magnetoresistiver Kurven der Proben A2 und B2;
24 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik der Abhängigkeit angelegter Spannung einer MR-Anderung für die Proben A2, B2 und C2;
25 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik des Zusammenhangs zwischen Umschaltzyklen gepulster Magnetfelder und einer Ausgangsspannung für die Proben A2, B2 und D2;
26 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik elektroresistiver Kurven der Proben A3 und B3;
27 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik einer angelegten Spannung von MR-Änderung für die Proben A3, B3 und C3;
28 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik des Zusammenhangs zwischen Umschaltzyklen gepulster Magnetfelder und einer Ausgangsspannung für die Proben A3, B3 und D3;
29 eine Grafik magnetoresistiver Kurven der Proben A4 und B4 in Ausführungsform 4;
30 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik der Abhängigkeit einer angelegten Spannung von der MR-Änderung für die Proben A4, B4 und C4;
31 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik des Zusammenhangs zwischen Umschaltzyklen gepulster Magnetfelder und einer Ausgangsspannung für die Proben A4, B4 und D4;
32 eine Schnittansicht eines magnetoresistiven Elements, wobei eine verstiftete Schicht einen Teil einer Bitleitung bildet;
33 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik magnetoresistiver Kurven von Proben A5 und B5;
34 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik der Abhängigkeit angelegter Spannung von der MR-Änderung für die Proben A5, B5 und C5;
35 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik des Zusammenhangs zwischen Umschaltzyklen eines gepulsten Magnetfelds und einer Ausgangsspannung für die Proben A5, B5, D5 und E5;
36 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik eines Zusammenhangs zwischen einer Übergangsweite und einer MR-Änderung für die Proben T1, T2 und T3; und
37 eine zum Verständnis der Erfindung nützliche Grafik der Abhängigkeit angelegter Spannung von der MR-Änderung für die Proben T1, T2 und T3.
Grund-Strukturen magnetoresistiver Elemente, die nützlich sind für das Verständnis der vorliegenden Erfindung, werden nachstehend unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben.
1 zeigt ein erstes für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliches magnetoresistives Element. Das magnetoresistive Element 10 bildet einen ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang mit einer geschichteten Struktur einer ersten antiferromagnetischen Schicht 11/einer ersten ferrogmagnetischen Schicht 12/einer ersten dielektrischen Schicht 13/einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht 14/einer zweiten dielektrischen Schicht 15/einer dritten ferrogmagnetischen Schicht 16/einer zweiten antiferromagnetischen Schicht 17. In dem Element wird ein Tunnelstrom zwischen der ersten ferrogmagnetischen Schicht und der dritten ferrogmagnetischen Schicht fließen gelassen. In dem Element sind die ersten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 12, 16 verstiftete Schichten (verstiftete Magnetisierungsschichten) und die zweite magnetische Schicht 14 ist eine freie Schicht (eine magnetische Aufzeichnungsschicht in dem Fall eines MRAM). In dem ersten magnetoresistiven Element besteht die zweite ferrogmagnetische Schicht 14, die eine freie Schicht ist, aus einer Co-basierten Legierung (beispielsweise Co-FE, Co-Fe-Ni und Ähnliches) oder einem dreilagigen Film aus einer Co-basierten Legierung/einer Ni-FE-Legierung/einer Co-basierten Legierung.
2 zeigt ein zweites für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliches magnetoresistives Element. Das magnetoresistive Element 20 bildet einen ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang mit einer geschichteten Struktur einer ersten ferrogmagnetischen Schicht 21/einer ersten dielektrischen Schicht 22/einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht 23/einer antiferromagnetischen Schicht 24/einer dritten ferrogmagnetischen Schicht 25/einer zweiten dielektrischen Schicht 26/einer vierten ferrogmagnetischen Schicht 27. In dem Element wird ein Tunnelstrom zwischen der ersten ferrogmagnetischen Schicht und der vierten ferrogmagnetischen Schicht fließen gelassen. In dem Element sind die zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 23, 25 verstiftete Schichten und die ersten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 21, 27 sind jeweils eine freie Schicht (eine magnetische Aufzeichnungsschicht in dem Fall eines MRAM). In dem zweiten magnetoresistiven Element bestehen die ersten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 21, 27, die eine freie Schicht sind, aus einer Co-basierten Legierung (beispielsweise Co-Fe, Co-Fe-Ni und Ähnliches) oer einem dreilagigen Film einer Co-basierten Legierung/einer Ni-Fe-Legierung/einer Co-basierten Legierung.
3 zeigt ein drittes für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliches magnetoresistives Element. Das magnetoresistive Element 30 bildet einen ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang mit einer geschichteten Struktur einer ersten antiferromagnetischen Schicht 31/einer ersten ferrogmagnetischen Schicht 32/einer ersten dielektrischen Schicht 33/einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht 34/einer zweiten antiferromagnetischen Schicht 35/einer dritten ferrogmagnetischen Schicht 36/einer zweiten dielektrischen Schicht 37/einer vierten ferrogmagnetischen Schicht 38/einer dritten antiferromagnetischen Schicht 30. In dem Element wird ein Strom zwischen der ersten ferrogmagnetischen Schicht und der vierten ferrogmagnetischen Schicht fließen gelassen. In dem Element sind, wenn die zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 34, 36 als eine verstiftete Schicht entworfen sind, die ersten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 32, 38 als freie Schichten ausgestaltet (eine magnetische Aufzeichnungsschicht in dem Fall eines MRAM). Andererseits, wenn die ersten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 32, 38 als eine verstiftete Schicht ausgestaltet sind, sind die zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 34, 36 als eine freie Schicht ausgestaltet (eine magnetische Aufzeichnungsschicht in dem Fall eines MRAM). In dem dritten magnetoresistiven Element bestehen entweder eine erste Gruppe der ersten und vierten ferrogmagnetischen Schicht 34, 36 oder die der zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 34, 36, die jeweils als eine freie Schicht verwendet werden, aus einer Co-basierten Legierung (beispielsweise Co-Fe, Co-FE-Ni und Ähnliches) oder einem dreilagigen Film einer Co-basierten Legierung/einer Ni-Fe-Legierung/einer Co-basierten Legierung.
4 zeigt ein viertes für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliches magnetoresistives Element. Das magnetoresistive Element 40 bildet einen ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang mit einer geschichteten Struktur einer ersten ferrogmagnetischen Schicht 41/einer ersten dielektrischen Schicht 42/einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht 43/einer ersten nicht-magnetischen Schicht 44/einer dritten ferrogmagnetischen Schicht 45/einer zweiten nicht-magnetischen Schicht 46/einer vierten ferrogmagnetischen Schicht 47/einer zweiten dielektrischen Schicht 48/einer fünften ferrogmagnetischen Schicht 49. In dem Element wird ein Tunnelstrom zwischen der ersten ferrogmagnetischen Schicht und der fünften ferrogmagnetischen Schicht fließen gelassen. Zudem sind die zueinander benachbarten zweiten, dritten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 43, 45 und 47 antiferromagnetisch gekoppelt über nicht-magnetische Schichten 44, 46. In dem Element sind die zweiten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 43, 45, 47 eine verstiftete Schicht und die ersten und fünften ferrogmagnetischen Schichten 41, 49 sind eine freie Schicht (eine magnetische Aufzeichnungsschicht im Fall eines MRAM). In dem magnetoresistiven Element bestehen die ersten und fünften ferrogmagnetischen Schichten 41, 49, die eine freie Schicht sind, aus einer Co-basierten Legierung (beispielsweise Co-Fe, Co-Fe-Ni und Ähnliches) oder einem dreilagigen Film einer Co-basierten Legierung/einer Ni-Fi-Legierung/einer Co-basierten Legierung.
5 zeigt eine Variation des vierten magnetoresistiven Elements. In dem in 5 gezeigten magnetoresistiven Element wird eine Struktur, in die eine antiferrogmagnetische Schicht zwischen die ferrogmagnetischen Schichten eingefügt ist, das heißt, ein dreilagiger Film einer ferrogmagnetischen Schicht 45a/einer antiferromagnetischen Schicht 50/einer ferrogmagnetischen Schicht 45b bereitgestellt statt der in 4 gezeigten dritten ferrogmagnetischen Schicht 45.
Beachte, dass eine antiferromagnetische Schicht in Kontakt mit mindestens einem von den zweiten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 43, 47, die das vierte magnetoresistive Element bilden, bereitgestellt sein kann.
Da die magnetoresistiven Elemente mit einem ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang mindestens zwei dielektrische Schichten umfassen, ist eine effektive an einen Tunnelübergang angelegte Spannung niedrig. Daher haben die Elemente den Vorteil, dass ihre Spannungsabhängigkeit von der MR-Änderung nicht signifikant ist, das heißt, eine Reduzierung der MR-Änderung wird niedrig gemacht, selbst wenn eine angelegte Spannung angehoben wird, um eine erforderliche Ausgangsspannung zu erhalten.
In den obigen vier Grund-Strukturen des magnetoresistiven Elements mit einem ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergang sind Spins in der verstifteten Magnetisierungsschicht (eine verstiftete Schicht) mit der antiferromagnetischen Schicht oder der antiferromagnetischen Koppelung verstiftet. Daher kann es möglich sein, das Problem zu vermeiden, dass die Ausgangsgröße bedingt durch die Rotation der magnetischen Momente in der verstifteten Magnetisierungsschicht durch wiederholtes Schreiben graduell abnimmt.
Zudem verwenden die magnetoresistiven Elemente eine Co-basierte Legierung (Co-Fe und Co-Fe-Ni und Ähnliches) oder einen dreilagigen Film einer Co-basierten Legierung/einer Ni-Fe-Legierung/einer Co-basierten Legierung, deren Magnetowiderstand gering ist, als die freie Schicht (magnetische Aufzeichnungsschicht). Die freien Schichten sind die zweite ferrogmagnetische Schicht 14 in 1, die ersten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 21 und 27 in 2, entweder eine Gruppe der ersten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 32, 38 oder eine Gruppe der zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 34, 36, und die ersten und fünften ferrogmagnetischen Schichten 41, 49 in 4 und 5. Daher wird das Umschaltmagnetfeld auf einem kleinen Wert gesteuert, was es ermöglicht, einen in einem Draht zum Anlegen eines Strommagnetfelds fließenden Strom zu verringern. Wenn der dreilagige Film aus einer Co-basierten Legierung/eine Ni-Fe-Legierung/einer Co-basierten Legierung für die freie Schicht verwendet wird, kann die Größe des Umschaltmagnetfelds frei gewählt werden durch Steuern des Dickenverhältnisses jeder der Schichten.
Insbesondere wird in dem magnetoresistiven Element mit der in 3 gezeigten Struktur das Umschaltmagnetfeld nicht durch die magnetische Koerzitivkraft des magnetischen Materials, sondern durch das auf dem Übergang zwischen einem magnetischen Material/einem antiferromagnetischen Material verursachte Änderung des Magnetfelds bestimmt. In vorteilhafter Weise kann das Austauschmagnetfeld frei entworfen werden durch Steuern des Typs, der Dicke und der Legierungszusammensetzung der ersten und dritten antiferromagnetischen Schichten 31, 39 und der zweiten antiferromagnetischen Schicht 35. Demnach zeigt die Grund-Struktur der 3 die am meisten bevorzugten Eigenschaften unter den obigen vier Grund-Strukturen. Darüber hinaus ist die Struktur der 3 speziell wirksam in dem Fall, in dem eine Verarbeitungsgröße verringert wird in dem Sub-Mikronbereich und ein Übergangsbereich sehr klein gemacht wird. Das heißt, in dem Fall, in dem eine Verarbeitungsgröße verringert wird in den Sub-Mikron-Bereich neigt das Schreibmagnetfeld dazu, unregelmäßig zu werden bedingt durch Prozessschäden oder Einfluss von Domänen der freien Schicht (Magnetaufzeichnungsschicht). Wo eine antiferromagnetische Schicht vorgesehen ist in Kontakt mit der freien Schicht (Magnetaufzeichnungsschicht) als die in 3 gezeigte Struktur, kann es möglich sein, die Unregelmäßigkeit des Schreibmagnetfeldes zu vermeiden, da das Schreibmagnetfeld basierend auf dem Austauschmagnetfeld entworfen werden kann. Daher kann das Ergebnis des Elements spürbar verbessert werden.
Andererseits wird vorgezogen, die Gesamtdicke des Elements dünn auszugestalten, um die Verarbeitungsgenauigkeit bei der Feinverarbeitung des Elements der vorliegenden Erfindung zu verbessern. In diesem Punkt ist es vorzuziehen, Korrekturen, wie sie in 2, 4 und 5 gezeigt sind, welche es ermöglichen, die Anzahl der antiferromagnetischen Schichten so sehr wie irgend möglich zu reduzieren, anzunehmen.
Dann werden Materialien zur Verwendung in jeder Schicht eines magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung nachstehend beschrieben.
Wie oben erwähnt, wird eine Co-basierte Legierung (Co-Fe, Co-Fe-Ni, und Ähnliches) oder ein dreilagiger Film einer Co-basierten Legierung/einer Ni-Fe-Legierung/einer Co-basierten Legierung für die freie Schicht (magnetische Aufzeichnungsschicht) verwendet. Ferner wird eine kleine Menge nicht-magnetischer Elemente wie zum Beispiel Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Si, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo und Nb gegebenenfalls zu den obigen Legierungen hinzugefügt. Das magnetoresistive Element kann bei einem magnetoresistiven Magnetkopf angewendet werden, einer Magnetspeichervorrichtung, einem Magnetfeldsensor und Ähnlichem. In den obigen Anwendungen wird vorgezogen, einaxiale Anisotropie der freien Schicht vorzusehen.
Die Dicke der freien Schicht kann vorzugsweise 0,1 nm bis 100 nm, speziell vorzugsweise 0,5 nm sein und höchst vorzugsweise 1 bis 5 nm. Wenn die Dicke der freien Schicht geringer als ein nm ist, besteht die Möglichkeit, dass die freie Schicht nicht in einer kontinuierlichen Schicht ausgebildet wird, sondern in einer sogenannten granularen Struktur, in welche ferrogmagnetische Partikel in einer dielektrischen Schicht dispergiert sind. Als ein Ergebnis wird es schwierig, die Übergangseigenschaften zu steuern und es besteht die Möglichkeit, dass das umschaltende Magnetfeld unregelmäßig wird. Darüber hinaus kann ein Problem verursacht werden, dass Feinpartikel superparamagnetisch ausgestaltet werden bei Raumtemperatur, was zu extremer Reduzierung in der MR-Änderung führt. Andererseits, wenn die Dicke der freien Schicht 5 nm übersteigt, kann das Umschaltmagnetfeld 7960 A/m (100 Oe) übersteigen, das Fließenlassen eines hohen Stroms in einem Draht in einem Fall erfordert, in dem beispielsweise das magnetoresistive Element auf ein MRAM angewendet wird, das durch eine 0,25 μm-Regel entworfen wird. Zudem, wenn die Dicke der freien Schicht 5 nm übersteigt, wird die MR-Änderung mit zunehmender Vorspannung reduziert, das heißt, die sogenannte Vorspannungsabhängigkeit wird signifikant. Wenn die Dicke der freien Schicht in einem Bereich von 1 bis 5 nm liegt, können die Zunahme des Umschaltmagnetfelds und die Vorspannungsabhängigkeit der MR-Änderung, die durch Feinverarbeitung verursacht werden könnten, gesteuert werden. Darüber hinaus wird, da die Dicke der freien Schicht im obigen Bereich liegt, die Verarbeitungsgenauigkeit ebenfalls exzellent.
Materialien, die für die verstiftete Schicht verwendet werden, sind nicht speziell beschränkt und Fe, Co, Ni oder ihre Legierungen, ein Magnetit mit hoher Spin-Polarisierbarkeit, ein Oxid wie zum Beispiel CrO₂ und RXMnO_3-y (wobei R ein Seltene-Erden-Element darstellt und X Ca, Ba oder Sr darstellt), eine Heusler-Legierung wie NiMnSb und PtMnSb und Ähnliches können verwendet werden. Die verstiftete Schicht muss so dick sein, dass sie keinen Supermagnetismus erhält und kann vorzugsweise 0,4 nm oder darüber sein. Zudem können, sofern der Ferromagnetismus nicht verloren geht, eine kleine Menge von nicht-magnetischen Elementen wie zum Beispiel Ag, Cu, Au, Al, Mg, Si, Bi, Ta, B, C, O, N, Si, Pd, Pt, Zr, Ir, W, Mo und Nb zu den obigen magnetischen Materialien hinzugefügt sind.
Wenn die verstiftete Schicht stark mit der antiferromagnetischen Schicht verstiftet gewünscht wird, kann ein dreilagiger Film einer ferrogmagnetischen Schicht/einer nicht-magnetischen Schicht/einer ferrogmagnetischen Schicht als eine verstiftete Schicht derart verwendet werden, die zweilagigen ferrogmagnetischen Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sein können durch eine nicht-magnetische Schicht. Materialen für die nicht-magnetische Schicht sind nicht speziell eingeschränkt und ein Metall wie zum Beispiel Ru, Ir, Cr, Cu und Rh können verwendet werden. Die antiferromagnetische Kopplung kann zwischen den magnetischen Schichten durch Abstimmen der Dicke der nicht-magnetischen Schicht verursacht werden. Die Dicke der nicht-magnetischen Schicht kann vorzugsweise 0,5 bis 2,5 nm sein. Den thermischen Widerstand und die Stärke der antiferromagnetischen Kopplung berücksichtigend, kann die Dicke der nicht-magnetischen Schicht noch vorzugsweiser 0,7 bis 1,5 nm sein. Speziell kann ein dreilagiger Film wie zum Beispiel Co (oder Co-Fe)/Ru/Co (oder Co-Fe), und Co (oder Co-Fe)/IR/Co (oder Co-Fe) verwendet werden.
Als Materialien für die antiferromagnetische Schicht können Fe-Mn, Pt-Mn, Pt-Cr-Mn, Ni-Mn, Ir-Mn, NiO, Fe₂O₃ und Ähnliches verwendet werden.
Als Materialien für die dielektrische Schicht können Al₂O₃, SiO₂, MgO, AlN, Bi₂O₃, MgF₂, CaF₂, SrTiO₂ AlLaO₃ und Ähnliches verwendet werden. Der Verlust an Sauerstoff, Stickstoff oder Fluorin in der dielektrischen Schicht kann zugelassen werden. Obwohl die Dicke der dielektrischen Schicht nicht speziell beschränkt ist, ist die dielektrische Schicht vorzugsweise dünn ausgestaltet und sie kann vorzugsweise 10 nm oder weniger haben, speziell vorzugsweise 5 nm oder weniger.
Ein Substrat, auf dem ein magnetoresistives Element ausgebildet ist, wird nicht speziell beschränkt. Verschiedene Typen von Substraten wie zum Beispiel Si, SiO₂, Al₂O₃, Spinel und AlN können verwendet werden. Das magnetoresistive Element kann geschichtet sein auf dem Substrat mit Dazwischenlegen einer Unterlage (unteren Schicht) und eine Schutzschicht kann auf dem magnetoresistiven Element vorgesehen sind. Als Materialien für die Unterlage und die Schutzschicht können vorzugsweise Ta, Ti, W, Pt, Pd, Au, Ti/Pt, Ta/Pt, Ti/Pd, Ta/Pd oder Nitrid wie zum Beispiel TiN_X verwendet werden.
Ein magnetoresistives Element kann durch Abscheiden jeder Schicht mit gewöhnlichen Abscheidungsverfahren wie zum Beispiel verschiedenen Arten von Sputtern, Vakuumdampf- und Molekularstrahlepitaxie hergestellt werden.
Als Nächstes wird eine Magnetspeichervorrichtung (MRAM) unter Verwendung eines magnetoresistiven Elements beschrieben werden. Das das magnetoresistive Element verwendende MRAM erhält eine Wirkung, dass ein in einen Draht fließender Strom zum Anlegen des Strommagnetfelds reduziert werden kann, selbst in beiden Fällen von nicht zerstörendem Lesen und zerstörendem Lesen.
Als eine spezifische Anordnung ist eine Struktur überlegt worden, in der das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement auf einem Transistor geschichtet wird oder eine Struktur, in der eine Diode und das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement geschichtet sind. Wie nachstehend beschrieben, ist es insbesondere vorzuziehen, das erste oder dritte ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement auf die Strukturen anzuwenden und mindestens die oberste antiferromagnetische magnetische Schicht als einen Teil einer Bitleitung zu verwenden.
Ein MRAM mit einer Struktur, bei der beispielsweise ein erstes ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement (1) auf einem MOS-Transistor geschichtet ist, wird nachstehend unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben. 6 zeigt eine Ansicht einer Äquivalenzschaltung des MRAM von 3 × 3 Zellen. 7 zeigt eine Schnittansicht eines MRAMs in einer einzelnen Zelle.
Wie in dem Äquivalenzschaltungsdiagramm der 6 gezeigt, sind jeweils der Transistor 60 und das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement (TMR) 10 der 1 umfassende Speicherzellen in einer Matrix angeordnet. Die Wortleitung zum Lesen (WL1) 62, die durch die Gate-Elektrode des Transistors 60 gebildet wird, und die Wortleitung zum Schreiben (WL2) 71 sind parallel zueinander. Die Bitleitung (BL) 74, die mit dem anderen Ende (im oberen Teil) des TMR 10 verbunden ist, ist im rechten Winkel zu der Wortleitung (WL1) 62 und der Wortleitung (WL2) 71 angeordnet.
Wie in 7 gezeigt, umfasst der Transistor 60 das Siliziumsubstrat 61, die Gate-Elektrode 62, die Source- und Drainregionen 63, 64. Die Gate-Elektrode 62 bildet die Wortleitung zum Lesen (WL1). Die Wortleitung zum Schreiben (WL2) 71 wird auf der Gate-Elektrode 62 und einem Isolator gebildet. Das Kontaktmetall 72 ist mit der Drain-Region 64 des Transistors 60 verbunden und die Unterlage 73 ist mit dem Kontaktmetall 72 verbunden. Das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement (TMR) 10 der 1 ist auf der Unterlage (73) an einer Position oberhalb der Wortleitung zum Schreiben (WL2) 71 angeordnet. Das heißt, die folgenden Schichten sind auf der Unterlage 73 geschichtet: eine antiferromagnetische Schicht 11/eine erste ferrogmagnetische Schicht (verstiftete Schicht) 12/eine erste dielektrische Schicht 13/eine zweite ferrogmagnetische Schicht (freie Schicht) 14/eine zweite dielektrische Schicht 15/dritte ferrogmagnetische Schichten (verstiftete Schichten) 16a und 16b/eine zweite antiferromagnetische Schicht 17. In dieser Ausführungsform wird die verstiftete Schicht durch die beiden Schichten 16a und 16b gebildet. Die Metallschicht der Bitleitung (BL) 74 wird auf der zweiten antiferromagnetischen Schicht 17 des TMR 10 gebildet.
Der Bereich der zweiten ferrogmagnetischen Schicht 14 einer freien Schicht unterscheidet sich von dem der oberen antiferromagnetischen Schicht 17 und der verstifteten Schicht 16b. Die obere antiferromagnetische Schicht 17 und die verstiftete Schicht 16b formen einen Teil der Bitleitung 74. Genauer, die Bitleitung 74 hat eine geschichtete Struktur einer verstifteten Schicht 16b/einer antiferromagnetischen Schicht 17/einer metallischen Schicht. Beachte, dass die Bitleitung 74 durch die antiferromagnetische Schicht 17/die Metallschicht ohne das Vorsehen der verstifteten Schicht 16b mit demselben Bereich gebildet werden kann wie dem der antiferromagnetischen Schicht 17 unter der Schicht 17.
In diesem Aufbau sind die Spins in den verstifteten Schichten 16b und 16a stabiler mit der antiferromagnetischen Schicht 17 mit einem großen Bereich verstiftet, und die magnetischen Momente in den verstifteten Schichten 16b und 16a werden selbst durch wiederholtes Schreiben nicht gedreht. Demnach kann eine Reduzierung der Ausgangsgröße effektiv verhindert werden.
Ferner setzt die Struktur oberhalb der freien Schicht 14 des TMR 10 durch Abscheiden und Musterbildung von der freien Schicht 14/der zweiten dielektrischen Schicht 15/der verstifteten Schicht 16a und jener der verstifteten Schicht 16b/der antiferromagnetischen Schicht 17/der Metallschicht gebildet.
Konventionell ist die obige Struktur der freien Schicht 14 des TMRs 10 durch Abscheiden und Musterbildung der freien Schicht 14/der zweiten dielektrischen Schicht 15/der verstifteten Schicht 16a/der antiferromagnetischen Schicht 17 und jenen der Bitleitungsmetallschicht gebildet. Wenn demnach die in 7 gezeigte Struktur übernommen wird, ist es, da der Musterbildungsprozess der vergleichsweise dicken antiferromagnetischen Schicht 17 getrennt von einem anderen Prozess ist, möglich, die Dicke der Schicht, die zu einer Zeit fein zu verarbeiten ist, in der obigen früheren Musterbildung dünn auszugestalten. Daher ist es möglich, die Verarbeitungsbeschädigung der Region des ferrogmagnetischen Tunnelübergangs zu reduzieren und die Verarbeitungsgenauigkeit zu verbessern.
Ein MRAM einer Struktur mit einer Diode in beispielsweise einem ersten ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselement (1) wird nachstehend unter Bezugnahme auf 8 und 9 beschrieben. 8 zeigt eine Ansicht eines Äquivalenzschaltungsdiagramms eines MRAM von 3 × 3 Zellen. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht des MRAM.
Wie in dem Äquivalenzschaltungsdiagramm der 8 gezeigt, sind jeweils eine geschichtete Struktur einer Diode 90 und eines TMRs 10 habende Speicherzellen in einer Matrix angeordnet. Die geschichtete Struktur der Diode 80 und des TMR 10 werden auf der Wortleitung (WL) 91 derart gebildet die Wortleitung (WL) 91 mit einem Ende der Diode 80 verbunden ist. Die Bitleitung (BL) 92, die senkrecht zur Wortleitung (WL) 91 angeordnet ist, ist mit einem anderen Ende des TMR 10 verbunden.
Wie in 9 gezeigt, wird die Siliziumdiode 80 auf der Metallschicht der Wortleitung (WL) 91 gebildet. Die Unterlage 81 wird der Diode 80 gebildet. Eine Nitridschicht wie TiN_X kann zwischen der Metallschicht und der Siliziumdiode vorgesehen sein, um Atomdiffusion zu vermeiden. Das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement (TMR) 10, das in 1 gezeigt wird, wird auf der Unterlage 81 gebildet. Das heißt, eine erste antiferromagnetische Schicht 11/eine erste ferrogmagnetische Schicht (verstiftete Schicht) 12/eine erste dielektrische Schicht 13/eine zweite ferrogmagnetische Schicht (freie Schicht) 14/eine zweite dielektrische Schicht 15/dritte ferrogmagnetische Schichten (verstiftete Schichten) 16a und 16b/eine zweite antiferromagnetische Schicht 17 sind auf der Unterlage 81 geschichtet. In der obigen Ausführungsform wird die verstiftete Schicht durch zwei Schichten 16a und 16b gebildet. Die Metallschicht der Bitleitung 92 ist auf der zweiten antiferromagnetischen Schicht 17 des TMR 10 ausgebildet.
Das MRAM mit einer solchen Struktur kann den ähnlichen Effekt erzielen wie das in Bezug auf 7 beschriebene, das heißt, Spins in den verstifteten Schichten 16b und 16a sind stabiler durch die antiferromagnetische Schicht 17 mit einem großen Bereich verstiftet und die magnetischen Momente in den verstifteten Schichten 16b und 16a werden selbst bei wiederholtem Schreiben nicht gedreht. Daher kann eine Reduzierung in der Ausgangsgröße wirksam vermieden werden. Zudem, da die Musterbildungsverarbeitung der vergleichsweise dicken antiferromagnetischen Schicht 17 getrennt zu einem anderen Prozess ist, wird es möglich, die Prozesszerstörung der Region des ferrogmagnetischen Tunnelübergangs zu reduzieren und die Verarbeitungsgenauigkeit zu verbessern.
Für die Anwendung des MRAM kann ein dreilagiger Film einer ferrogmagnetischen Schicht/einer nicht-magnetischen Schicht/einer ferrogmagnetischen Schicht für eine freie Schicht derart verwendet werden, dass die ferrogmagnetischen Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind durch die nicht-magnetische Schicht. In einer solchen Struktur wird, da der magnetische Fluss in dem dreilagigen Film beschränkt wird, der Einfluss des statischen Magnetfelds auf die verstiftete Schicht vermieden, wenn die magnetischen Momente in der freien Schicht durch ein Strommagnetfeld umgedreht werden, und auch das Lecken eines Magnetfelds von der Aufzeichnungsschicht kann reduziert werden, was es möglich macht, das Umschaltmagnetfeld zu reduzieren. Demnach ist es möglich, das Problem, dass die Ausgangsgröße graduell bedingt durch Drehung eines Teils der magnetischen Momente in der verstifteten Magnetisierungsschicht durch wiederholtes Schreiben verringert wird, zu vermeiden. Vorzugsweise wird eine ferrogmagnetische Schicht in der Struktur der ferrogmagnetischen Schicht/der nicht-magnetischen Schicht/der ferrogmagnetischen Schicht, welche näher bei der Wortleitung ist, um das Strommagnetfeld anzulegen, von einem weicheren ferrogmagnetischen Material gemacht oder dicker gemacht. Wenn die zwei ferrogmagnetischen Schichten, die den dreilagigen Film bilden, ausgestaltet sind, um unterschiedliche Dicke zueinander zu haben, wird vorgezogen, die Dickendifferenz innerhalb des Bereichs von 0,5 bis 5 nm zu machen.
Ein anderes für das Verständnis der vorliegenden Erfindung nützliche MRAM wird nachstehend beschrieben. Dieses MRAM umfasst ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement mit einer ersten verstifteten Magnetisierungsschicht mit einer verstifteten Magnetisierungsrichtung, einer ersten dielektrischen Schicht, einer magnetischen Aufzeichnungsschicht mit einer Umschaltbaren Magnetisierungsrichtung, einer zweiten dielektrischen Schicht und einer zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht mit einer verstifteten Magnetisierungsrichtung. Die magnetische Aufzeichnungsschicht umfasst einen dreilagigen Film einer magnetischen Schicht, einer nicht-magnetischen Schicht und einer magnetischen Schicht, und die beiden magnetischen Schichten, die den dreilagigen Film bilden, sind antiferromagnetisch gekoppelt. Da die beiden magnetischen Schichten antiferromagnetisch gekoppelt sind und der magnetische Fluss in der magnetischen Aufzeichnungsschicht reduziert wird, ist es möglich, das Umschaltmagnetfeld und die in einem Draht fließende Stromdichte zu reduzieren. Die Magnetisierungsrichtungen in der Region der zwei in Kontakt mit den dielektrischen Schichten verstifteten Magnetisierungsschichten sind im Wesentlichen parallel zueinander. Demnach kann es möglich sein, entweder einen Aufwärts-Spin-Strom und einen Abwärts-Spin-Strom auszuwählen, um der magnetischen Aufzeichnungsschicht zugeführt zu werden durch Auswählen einer verstifteten Schicht zum Fließenlassen eines Stroms zu der magnetischen Aufzeichnungsschicht von den verstifteten Magnetisierungsschichten. Daher kann die Magnetisierung der magnetischen Aufzeichnungsschicht leicht umgekehrt werden durch Ändern einer Richtung zum Zuführen des Spin-Stroms, so dass der in dem TMR-Element fließende Strom reduziert werden kann. Demnach hat das MRAM eine geeignete Struktur zum Zuführen des Spin-Stroms und des Strommagnetfelds zu der magnetischen Aufzeichnungsschicht, um die Stromdichte, die in dem Draht und dem TMR-Element fließt, zu steuern.
Die das obige ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement bildende antiferromagnetisch gekoppelte Magnetaufzeichnungsschicht kann leicht durch abwechselndes Schichten ferrogmagnetischer Schichten und antiferromagnetischer Metallschichten gebildet werden. Da die Feinverarbeitung um so leichter möglich ist, je dünner die antiferromagnetisch gekoppelte magnetische Aufzeichnungsschicht ist, ist es vorzuziehen, für die magnetische Aufzeichnungsschicht, dass sie aus einem dreilagigen Film einer ferrogmagnetischen Schicht/einer nicht-magnetischen Metallschicht/einer ferrogmagnetischen Schicht gebildet wird. Zudem wird ein dreilagiger Film einer ferrogmagnetischen Schicht/einer weichmagnetischen Schicht/einer ferrogmagnetischen Schicht als die ferrogmagnetische Schicht verwendet. Speziell, wenn der dreilagige Film, in dem eine weichmagnetische Schicht wie zum Beispiel eine Ni-Fe-Legierung zwischen zwei Co_xFe_1-x-Schichten eingefügt ist (wobei 0,5 ≤ x < 1,0 gilt), für die ferrogmagnetische Schicht verwendet wird, kann das Umschaltmagnetfeld spürbar niedriger gemacht werden. Der Grund hierzu ist, dass die Ni-Fe-Legierungsschicht fcc (111)-orientiert ist und dann die Co_xFe_1-x-Schicht auf dieser Schicht auch fcc (111)-orientiert ist, so dass das Umschaltmagnetfeld der Co_xFe_1-x-Schicht selbst reduziert wird und auch der Gesamtwert der Magnetisierung der ferrogmagnetischen Schicht reduziert wird.
Daher sind Beispiele der antiferromagnetisch gekoppelten magnetischen Aufzeichnungsschicht: (a) eine ferrogmagnetische Schicht/eine nicht-magnetische Schicht/eine ferrogmagnetische Schicht, (b) (eine ferrogmagnetische Schicht/eine weichmagnetische Schicht/eine ferrogmagnetische Schicht)/eine nicht-magnetische Schicht/eine ferrogmagnetische Schicht, (c) (eine ferrogmagnetische Schicht/eine weichmagnetische Schicht/eine ferrogmagnetische Schicht)/eine nicht-magnetische Schicht/eine ferrogmagnetische Schicht/eine weichmagnetische Schicht/eine ferrogmagnetische Schicht). In diesem Fall ist die Stärke der antiferromagnetischen Kopplung vorzugsweise so hoch wie 10^–5 J/m² (0,01 erg/cm²) oder darüber. Die verstifteten Magnetisierungsschichten können antiferromagnetisch gekoppelt werden durch Bilden einer verstifteten Struktur ähnlich der der magnetischen Aufzeichnungsschicht.
Beispiele des für das MRAM verwendeten ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements werden nachstehend unter Bezugnahme auf 10 bis 12 beschrieben.
Ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement der 10 hat eine geschichtete Struktur einer Unterlage 101/einer ersten antiferromagnetischen Schicht 102/einer ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 103/einer ersten dielektrischen Schicht 104/einer magnetischen Aufzeichnungsschicht 105, die einen dreilagigen Film einer ferrogmagnetischen Schicht 105a, einer nicht-magnetischen Schicht 105b und einer ferrogmagnetischen Schicht 105c einschließt/einer zweiten dielektrischen Schicht 106/einer zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 107/einer zweiten antiferromagnetischen Schicht 108/einer Schutzschicht 109.
Die ferrogmagnetische Schicht 105a und die ferrogmagnetische Schicht 105c der magnetischen Aufzeichnungsschicht 105 sind antiferromagnetisch gekoppelt. Die Magnetisierungsrichtungen der ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 103 in Kontakt mit der ersten dielektrischen Schicht 104 und der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 107 in Kontakt mit der zweiten dielektrischen Schicht 106 sind antiparallel zueinander.
Ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement der 11 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat eine geschichtete Struktur einer Unterlage 111/einer ersten antiferromagnetischen Schicht 112/einer ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 113/einer ersten dielektrischen Schicht 114/einer Magnetisierungsaufzeichnungsschicht 115, die einen dreilagigen Film aus einer ferrogmagnetischen Schicht 115a, einer nicht-magnetischen Schicht 115b und einer ferrogmagnetischen Schicht 115c umfasst/einer zweiten dielektrischen Schicht 116 einer zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 117, die einen dreilagigen Film aus einer ferrogmagnetischen Schicht 117a, einer nicht-magnetischen Schicht 117b und einer ferrogmagnetischen Schicht 117c umfasst/einer zweiten antiferromagnetischen Schicht 118/einer Schutzschicht 119.
Die ferrogmagnetische Schicht 115a und die ferrogmagnetische Schicht 115c der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 sind antiferromagnetisch gekoppelt. Die ferrogmagnetische Schicht 117a und die ferrogmagnetische Schicht 117c der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 117 sind antiferromagnetisch gekoppelt. Die Magnetisierungsrichtung der ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 113 in Kontakt mit der ersten dielektrischen Schicht 114, und der ferrogmagnetischen Schicht 117a, die die zweite verstiftete Magnetisierungsschicht 117 in Kontakt mit der zweiten dielektrischen Schicht 116 bildet, sind antiparallel zueinander.
In dem obigen Fall ist die Länge der ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 113 länger ausgebildet als jene der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 117 und der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115, um einen Teil einer Verdrahtung zu bilden. In einer solchen Struktur ist der magnetische Fluss der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 117 und der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 eingeschränkt und ein Leckmagnetstrom von der ersten länger ausgebildeten verstifteten Magnetisierungsschicht 113 hat geringen Einfluss, so dass der Einfluss eines Streufelds auf die magnetische Aufzeichnungsschicht reduziert wird.
Ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement der 12, das nützlich ist zum Verständnis der Erfindung, hat eine geschichtete Struktur einer Unterlage 121a/einer antiferromagnetischen Schicht 122/einer ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 123, die einen dreilagigen Film einer ferrogmagnetischen Schicht 123a, einer nicht-magnetischen Schicht 123b und einer ferrogmagnetischen Schicht 123c umfasst/einer ersten dielektrischen Schicht 124/einer magnetischen Aufzeichnungsschicht 125, die einen dreilagigen Film einer ferrogmagnetischen Schicht 125a, einer nicht-magnetischen Schicht 125b und einer ferrogmagnetischen Schicht 125c umfasst/einer zweiten dielektrischen Schicht 126/einer zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 127, die einen fünflagigen Film einer ferrogmagnetischen Schicht 127a, einer nicht-magnetischen Schicht 127b, einer ferrogmagnetischen Schicht 127c, einer nicht-magnetischen Schicht 127d und einer ferrogmagnetischen Schicht 127e umfasst/einer zweiten antiferromagnetischen Schicht 128/einer Schutzschicht 129.
Die ferrogmagnetische Schicht 125a und die ferrogmagnetische Schicht 125c der magnetischen Aufzeichnungsschicht 125 sind antiferromagnetisch gekoppelt. Die ferrogmagnetische Schicht 123a und die ferrogmagnetische Schicht 123c der ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 123 sind antiferromagnetisch gekoppelt. Die ferrogmagnetische Schicht 127a, eine ferrogmagnetische Schicht 127c und eine ferrogmagnetische Schicht 127e der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 127 sind antiferromagnetisch gekoppelt. Die Magnetisierungsrichtungen der die erste verstiftete Magnetisierungsschicht 123 in Kontakt mit der ersten dielektrischen Schicht 114 bildenden ferrogmagnetische Schicht 123c und der die zweite verstiftete Magnetisierungsschicht 127 in Kontakt mit der zweiten dielektrischen Schicht 126 bildenden ferrogmagnetischen Schicht 127a sind antiparallel zueinander. Auch in diesem Fall kann die Länge der ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 123 vorzugsweise länger ausgestaltet werden als jene der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 127 und der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115.
13 ist eine Schnittansicht des MRAM unter Verwendung des ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements der 11 in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In einem SiO₂-Isolator auf einem Si-Substrat 151 ist ein Graben ausgebildet, und eine Wortleitung 152, die in dem Graben eingebettetes Metall umfasst, ausgestaltet worden. Ein SiO₂-Isolator ist auf der Wortleitung 152 ausgestaltet, auf der eine Metallverdrahtung 153 und ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement (TMR-Element) ausgebildet sind. Wie in 11 gezeigt, hat das TMR-Element eine geschichtete Struktur einer Unterlage 111/einer ersten antiferromagnetischen Schicht 112/einer ersten verstifteten Magnetisierungsschicht 113/einer dielektrischen Schicht 114/einer magnetischen Aufzeichnungsschicht 115, die einen dreilagigen Film einer ferrogmagnetischen Schicht 115a, einer nicht-magnetischen Schicht 115b und einer ferrogmagnetischen Schicht 115c umfasst/einer zweiten dielektrischen Schicht 116/einer zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht 117, die einen dreilagigen Film einer ferrogmagnetischen Schicht 117a, einer nicht-magnetischen Schicht 117b und einer ferrogmagnetischen Schicht 117c umfasst/einer zweiten antiferromagnetischen Schicht 118/einer Schutzschicht 119.
Das TMR-Element wird verarbeitet, um einen vorbestimmten Übergangsbereich zu haben und hat eine abgeschiedene Zwischenlagen-Isolationsschicht an ihrem Außenbereich. Eine Bitleitung 154, die mit der Schutzschicht 119 des TMR-Elements verbunden ist, wird auf der Zwischenlagen-Isolationsschicht ausgebildet.
In diesem MRAM wird ein Strommagnetfeld angelegt (zum Beispiel zu einer Hart-Achsenrichtung) an die magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 durch Fließenlassen eines Stroms in der Wortleitung 152, und auch ein Abwärts-Spin-Strom wird von der Bitleitung 154 durch Schichten zu der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 eingeprägt, oder ein Aufwärts-Spin-Strom wird von der Metallverdrahtung 153 durch Schichten zu der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 eingeprägt, hierdurch das Schreiben durch Umkehren der Magnetisierungsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 ausführend. Demnach kann das Schreiben durch das Einprägen des Spin-Stroms und das Anlegen des Strommagnetfelds an die magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 eine Reduzierung des Spin-Stroms, der in dem TMR-Element fließt und in der in der Verdrahtung (Wortleitung) fließenden Stromdichte verursachen. Demnach ist es, selbst in einem MRAM mit einer Kapazität von 1 Gb oder darüber möglich, das Drahtschmelzen oder das Zerstören der Tunnelsperrschicht (dielektrischen Schicht) des TMR-Elements zu vermeiden und die Zuverlässigkeit zu verbessern.
In dem MRAM der 13 funktioniert der in der Bitleitung 154 fließende Strom zum Anlegen eines Strommagnetfelds an die magnetische Aufzeichnungsschicht 115 in einer zu der der Wortleitung 152 unterschiedlichen Richtung (beispielsweise in einer Leicht-Achsenrichtung). Um das Strommagnetfeld in dieser Richtung zu erhöhen, um die Steuerbarkeit zu verbessern und um den in die magnetische Aufzeichnungsschicht 115 injizierten Spin-Stroms zu reduzieren, kann die zweite Wortleitung 152 auf derselben Bitleitung 154 vorgesehen sein, um sich parallel zu der Bitleitung 154 mit einem Dazwischenfinden der Isolationsschicht 155 zu erstrecken, wie in 14 gezeigt. In dem MRAM der 14 kann die Umkehr der Magnetisierung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 durch einen niedrigeren Strom wiederholt werden unter gemeinsamen Verwenden der Änderung in der Richtung des in dem TMR-Element fließenden Stroms und in der zweiten Wortleitung 156.
15 ist eine Schnittansicht eines anderen für das Verständnis der Erfindung nützlichen magnetoresistiven Elements. Das in 15 gezeigte magnetoresistive Element umfasst ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement mit einer geschichteten Struktur einer ersten antiferromagnetischen Schicht 161, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht 162, eines ersten Tunnel-Isolators 163, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht 164, einer ersten nicht-magnetischen Schicht 165, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht 166, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht 167, einer vierten ferrogmagnetischen Schicht 168, eines zweiten Tunnel-Isolators 169, einer fünften ferrogmagnetischen Schicht 170 und einer zweiten antiferromagnetischen Schicht 171.
Eine magnetische Aufzeichnungsschicht 172 umfasst die zweite ferrogmagnetische Schicht 164, die erste nicht-magnetische Schicht 165, die dritte ferrogmagnetische Schicht 166, die zweite nicht-magnetische Schicht 167 und die vierte ferrogmagnetische Schicht 168 eingelegt zwischen dem ersten Tunnel-Isolator 163 und dem zweiten Tunnel-Isolator 169. Die zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 164 und 166 sind antiferromagnetisch gekoppelt durch die erste nicht-magnetischen Schicht 165 und ihre Magnetisierungsrichtungen werden antiparallel zueinander beibehalten. In ähnlicher Weise sind die dritten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 166 und 168 antiferromagnetisch gekoppelt durch die zweite nicht-magnetische Schicht 167, und ihre Magnetisierungsrichtungen werden antiparallel zueinander beibehalten.
Die erste ferrogmagnetische Schicht 162 ist austauschgekoppeelt mit der ersten antiferromagnetischen Schicht 161, und hat die verstiftete Magnetisierung in der Richtung der in der Zeichnung gezeigten Pfeile. In ähnlicher Weise ist die fünfte ferrogmagnetische Schicht 121 austausch-gekoppelt worden mit der zweiten antiferromagnetischen Schicht 171 und hat die verstiftete Magnetisierung in derselben Magnetisierungsrichtung wie der der ersten ferrogmagnetischen Schicht 162.
In dem magnetoresistiven Element wird die Magnetisierungsdrehung in der Richtung des externen Magnetfelds vorgenommen unter Beibehaltung der antiferromagnetischen Kopplung zwischen der zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schicht 164, 166, 168, wenn ein externes Magnetfeld in einer vorbestimmten Richtung angelegt wird. Andererseits sind die erste ferrogmagnetische Schicht 162 und die fünfte ferrogmagnetische Schicht 170 durch Austauschkopplung mit der ersten und zweiten antiferromagnetischen Schicht 161, 171 derart verstiftet, dass sie keine Magnetisierungsdrehung in dem externen Magnetfeld verursachen, die die Magnetisierungsdrehung der zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schicht 164, 166, 168 zulässt. Demnach kann die logische "1" oder die logische "0" auf den zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166, 168 aufgezeichnet werden.
Zu dieser Zeit gibt es kein erhöhtes diamagnetisches Feld in einem in den Ausmaßen kleiner gemachtes Element, da der magnetische Fluss zwischen den zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 164 und 166 antiferromagnetisch gekoppelt durch die erste nicht-magnetische Schicht 165 eingeschränkt wird und der magnetische Fluss zwischen den dritten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 166 und 168 ferrogmagnetisch gekoppelt durch die zweite nicht-magnetische Schicht 167 eingeschränkt wird. Daher wird das Umkehrmagnetfeld Hsw, das für die Magnetisierungsumkehr erforderlich ist, kaum abhängig von der Größe der Speicherzellen durch die magnetische Koerzitivkraft Hc der zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schicht 164, 166 und 168 bestimmt. Das heißt, es kann einen hohen Energieaufbewahrungseffekt geben, da ein niedrigers Hc ein niedrigeres Hsw verursachen kann. Unter der Annahme, dass die uniaxiale Anisotropie Ku ist und die Magnetisierungsintensität M ist, kann die Koerzitivkraft Hc idealer Weise gegeben werden als Hc = 2Ku/M. Demnach kann die Verwendung eines Materials mit geringer uniaxialer Anisotropie das Ziel erreichen. Darüber hinaus kann ein Vorteil erzielt werden, dass die Aufzeichnungsbits stabil sind in Bezug auf das Störmagnetfeld, da der magnetische Fluss in den antiferromagnetisch gekoppelten zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168 eingeschränkt ist.
In dem magnetoresistiven Element der 15 haben, da drei ferrogmagnetische Schichten in der magnetischen Aufzeichnungsschicht 172 eingeschlossen sind, die zweite und vierte ferrogmagnetische Schicht 164 und 168 der magnetischen Aufzeichnungsschicht 172 dieselbe Magnetisierungsrichtung. In diesem Fall haben die der zweiten ferrogmagnetischen Schicht 164 durch den ersten Tunnel-Isolator 163 gegenüberliegende erste ferrogmagnetische Schicht (verstiftete Magnetisierungsschicht) und die der vierten ferrogmagnetischen Schicht 168 durch den zweiten Tunnel-Isolator 169 gegenüberliegende fünfte ferrogmagnetische Schicht (verstiftete Magnetisierungsschicht) 170 dieselbe Magnetisierungsrichtung. Demnach kann es mehr Optionen in Bezug auf die Auswahl der antiferromagnetischen Materialien geben, da es ausreicht, bloß dasselbe Material wie die ersten und zweiten antiferromagnetischen Schichten 161 und 171 zu verwenden und die Magnetisierungsrichtungen der ersten ferrogmagnetischen Schicht 162 und die der fünften ferrogmagnetischen Schicht 170 identisch auszugestalten.
Es kann vorzuziehen sein, dass der Magnetisierungswert M3 der dritten ferrogmagnetischen Schicht 166 gleich dem Gesamtmagnetisierungswert M(2-4) des Magnetisierungswerts M2 der zweiten ferrogmagnetischen Schicht 164 und dem Magnetisierungswert M4 der vierten ferrogmagnetischen Schicht 168 ist, um den magnetischen Fluss in den zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168 wirksam zu beschränken. Da jedoch die Magnetisierungsdrehung der zweiten Schicht schwierig wird, wenn M3 gleich M(2-4) ist, kann es vorzuziehen sein, dass die obigen Magnetisierungswerte geringfügig unterschiedlich voneinander sind.
Wenn beispielsweise die zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten aus demselben Material erstellt werden, wird die Dicke T3 der dritten ferrogmagnetischen Schicht 166 unterschiedlich gemacht von der Gesamtdicke T(2-4) der zweiten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 164 und 168. In diesem Fall kann es vorzuziehen sein, dass der Absolutwert der Differenz zwischen T3 und T(2-4) innerhalb eines Bereichs von 0,5 nm bis 5 nm liegt.
Es kann möglich sein, dass der Wert von M3 unterschiedlich ist von dem von M(2 + 4) durch Verwenden unterschiedlicher Materialien für die zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168.
Zudem kann es auch möglich sein, dass der Wert von M3 unterschiedlich ist von dem von M(2 + 4) durch Vorsehen einer anderen ferrogmagnetischen Schicht in Kontakt mit den zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168, die antiferromagnetisch gekoppelt sind. Ein magnetoresistives Element von 16 hat einen Aufbau, in dem die ferrogmagnetische Schicht 168b in Kontakt mit der vierten ferrogmagnetischen Schicht 168 unter den zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168 vorgesehen ist, welche antiferromagnetisch die ersten und zweiten nicht-magnetischen Schichten 164 bzw. 167 gekoppelt sind. In diesem Fall kann es, wenn ein weichmagnetisches Material wie MU-Metall (Permalloy), Fe, Co-Fe-Legierung und Co-Fe-Legierung als ferrogmagnetische Schicht 168b verwendet wird, vorzugsweise möglich sein, die Magnetisierungsdrehung mit einem kleinen Magnetfeld vorzunehmen.
In dem Element kann ein magnetisch geschichteter Film, in welchem zwei ferrogmagnetische Schichten 162a und 162c durch die nicht-magnetische Schicht 162b antiferromagnetisch gekoppelt sind, als dritte ferrogmagnetische Schicht (verstiftete Magnetisierungsschicht) 162 verwendet werden, und ein magnetisch geschichteter Film, in dem die zwei ferrogmagnetischen Schichten 170a und 170c durch die nicht- magnetische Schicht 170b antiferromagnetisch gekoppelt sind, kann verwendet werden als fünfte ferrogmagnetische Schicht (verstiftete Magnetisierungsschicht) 170. In einer solchen Struktur sind die Magnetisierungen der ersten und fünften ferrogmagnetischen Schichten 162 und 170 stabiler und fester verstiftet. Zudem, da ein Leckmagnetfeld von den ersten und fünften ferrogmagnetischen Schichten 162 und 170 gering wird, können magnetische Effekte auf der magnetischen Aufzeichnungsschicht 172 gesteuert werden, so dass die Aufzeichnungsstabilität erhöht wird.
Wenn Speicherzellen, die jeweils das obige magnetoresistive Element und einen Transistor haben, matrixförmig angeordnet werden, kann das in 6 gezeigte MRAM gebildet werden. Wenn Speicherzellen, die jeweils das obige magnetoresistive Element und eine Diode haben, matrixförmig angeordnet werden, kann das in 8 gezeigte MRAM gebildet werden.
Halbmetall wie NiMnSb und Co₂MnGe können für das Material der zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168 verwendet werden, die von Co, Fe- Co-Fe-Legierung, Co-Ni-Legierung, Co-Fe-Ni-Legierung und Ähnlichem abweichen. Ein höherer magnetoresistiver Effekt kann durch die Verwendung des Halbmetalls erreicht werden, da das Halbmetall einen Energieabstand in einer Hälfte des Spin-Bandes hat, so dass eine höhere Wiederherstellungsausgangsgröße erhalten werden kann.
Darüber hinaus kann es vorzuziehen sein, dass die zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168 weiche uniaxiale Anisotropie in einer Richtung innerhalb einer gleichen Ebene haben. Die uniaxiale Anisotropie, die zu stark ist, verursacht hohe magnetische Koerzitivkraft jeder ferrogmagnetischen Schicht, um ein unvorteilhaftes Umschalten des Magnetfelds zu verursachen. Die Intensität der uniaxialen Anisotropie kann 10⁵ J/m³ (10⁶ erg/cm³) sein oder weniger, vorzugsweise 10⁴ J/m³ (10⁵ erg/cm³) oder weniger. Die Dicke jeder ferrogmagnetischen Schicht kann bis 10 nm sein.
Verschiedene Arten von Metall wie Cu, Au, Ag, Cr, Ru, Ir, Al und ihre Legierungen können als Material die ersten und zweiten nicht-magnetischen Schichten 165 und 167, die zwischen den zweiten bis vierten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 und 168 vorliegen und eine antiferromagnetische Kopplung verursachen, verwendet werden. Insbesondere kann Cu, Ru und Ir vorzugsweise verwendet werden, da eine starke antiferromagnetische Kopplung erhalten werden kann selbst bei einer geringen Dicke. Der bevorzugte Bereich der Dicke der nicht-magnetischen Schichten kann 0,5 bis 2 nm sein.
Wie oben erwähnt, können Al₂O₂, NiO, Siliziumoxid, MgO und Ähnliches als Material für den Tunnel-Isolator verwendet werden. Der bevorzugte Bereich der Dicke des Tunnel-Isolators kann 0,5 bis 3 nm sein. Wie oben erwähnt, können FeMn, IrMn, PtMn und Ähnliches für die antiferromagnetischen Schichten verwendet werden.
Dann wird ein magnetoresistiver Kopf unter Verwendung des magnetoresistiven Elements der vorliegenden Erfindung beschrieben.
18 ist eine perspektivische Ansicht einer magnetoresistiven Kopfanordnung, die mit einem magnetoresistiven Kopf mit einem ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements gemäß der vorliegenden Erfindung versehen ist. Ein Betätigungsarm 201, der mit einem Loch zu einer Befestigung an einer festen Achse in der Magnetplattenvorrichtung versehen ist, umfasst einen Rollenteil, der eine Antriebsspule hält (nicht dargestellt). Eine Aufhängung 202 ist an einem Ende des Betätigungsarms 201 befestigt. Ein Kopfgleiter 203, der mit dem magnetoresistiven Kopf mit dem ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselements in jeder oben erwähnten Form versehen ist, ist an der Spitze der Aufhängung 202 installiert. Darüber hinaus ist ein Leiterdraht 204 zum Lesen und Schreiben von Signalen mit der Aufhängung 202 verdrahtet; ein Ende des Leiterdrahts 204 ist mit jeder der Elektroden des in dem Kopfgleiter 203 installierten magnetoresistiven Kopf verbunden; und das andere Ende des Leiterdrahts 204 ist mit einem Elektrodenkontaktfleck 205 verbunden.
19 ist eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus einer mit der in 18 gezeigten Magnetkopfanordnung versehenen Magnetplattenvorrichtung. Eine Magnetplatte 211 ist auf einer Spindel 212 montiert und wird durch einen Motor (nicht dargestellt) ansprechend auf Steuersignale von einem Antriebssteuerteil (nicht dargestellt) gedreht. Der Betätigungsarm 201 der 18 ist an einer festen Achse 213 befestigt und trägt die Aufhängung 202 und den Kopfgleiter 203 an der Spitze der Aufhängung. Wenn die Magnetplatte 211 gedreht wird, wird die Luft-tragende Oberfläche des Kopfgleiters 203, die gegenüber der Platte angeordnet ist, in einem gleitenden Zustand von der Oberfläche der Platte 211 durch eine vorbestimmte Flughöhe beabstandet gehalten, um das Aufzeichnen und Wiedergeben von Information vorzunehmen. Ein Hauptspulenmotor 214 wird durch eine Antriebsspule (nicht gezeigt) gebildet, die um den Rollenteil des Betätigungsarms 201 gewickelt ist, um aus einer Magnetschaltung mit einem gegenüber der Spule und die Spule und ein Joch umgebend angeordneten Permanentmagneten. Der Betätigungsarm 201 wird durch Kugellager (nicht gezeigt) gelagert, die an zwei Positionen der oberen und unteren Enden der festen Achse 213 vorgesehen sind und kann eine Gleitbewegung durch die Aktion des Tauchspulenmotors 214 vollführen.
Die ersten, zweiten und vierten ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselemente (1, 2 und 4) können vorzugsweise verwendet werden und das erste ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement kann noch eher für die Anwendung des magnetoresistiven Kopfs verwendet werden. Darüber hinaus sind die Spins der angrenzenden verstifteten Schichten und freien Schichten vorzugsweise senkrecht zueinander durch Abscheidungs- oder Wärmebehandlung in dem Magnetfeld zur Verwendung des magnetoresistiven Kopfs. Ein lineares Ansprechen kann erhalten werden für das Leckmagnetfeld der Magnetplatte mit der obigen Struktur, um die Anwendung irgendeines Typs von Kopfstrukturen zu haben.
Beispiel 1, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem zwei Arten von ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselementen (Probe A und B) mit der in 1 gezeigten Struktur auf einem Si/SiO₂-Substrat oder SiO₂-Substrat ausgebildet worden sind, wird nachstehend beschrieben.
Die Probe A hat eine Struktur, die sequentiell geschichtet ist mit einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht eines Zweilagenfilms von Fe-Mn/Ni-Mn, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht von Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht von Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht von Co₉Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht von Al₂O₃, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht von Co-Fe, einer zweiten antiferromagnetischen Schicht eines zweilagigen Films von Ni-Fe/Fe-Mn, und einer Schutzschicht aus Ta.
Die Probe B hat eine Struktur, die sequentiell geschichtet ist mit einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht aus Ir-Mn, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer ferrogmagnetischen Schicht eines dreilagigen Films von Co-Fe/Ni-Fe/Co-Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer zweiten antiferromagnetischen Schicht aus Ir-Mn und einer Schutzschicht aus Ca.
Die Probe A wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung gesetzt. Nach dem Festlegen des Anfangsdrucks bei 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Fe₅₄Mn₄₆ (20 nm)/Ni₈Fe₂ (5 nm)/Co-Fe (3 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co₉Fe (3 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co-Fe (3 nm)/Ni₈Fe₂ (5 nm)/Fe₅₄Mn₄₆ (20 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht durch Abscheiden von Al unter Verwendung eines Al-Ziels in reinem Ar-Gas durch Einfügen von Sauerstoff in die Vorrichtung ohne Unterbrechung des Vakuums und dann durch sein Aussetzen gegenüber einem Plasmasauerstoff erzeugt.
Nach dem Abscheiden des obigen geschichteten Films, ein erstes Resist bzw. Schutzlackmuster, das eine untere Verdrahtungsform definiert mit einer Breite von 100 μm, auf der untersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie aufgetragen und die oberste Schicht wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet.
Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites Resistmuster, das eine Übergangsdimension definiert, auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolitographie ausgebildet und die Schichten von Co₉Fe/Al₂O₃/Co-Fe/Ni-Fe/Fe-Mn/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden bearbeitet. Die Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von 300 nm wurde durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden während des Belassens des zweitens Resistmusters, und dann wurden das zweite Resistmuster und die Al₂O₃-Schicht auf dem obigen Muster abgehoben, hierdurch wurde eine Zwischenisolationsschicht in Regionen mit Ausnahme der Übergangsregion ausgebildet.
Dann, nach dem Ausbilden des die Regionen mit Ausnahme der Region der Elektrodenverdrahtung abdeckenden dritten Resistmusters wurde die Oberfläche Umkehr-gesputtert und gereinigt. Nachdem Al über die gesamte Oberfläche abgeschieden worden ist, wurden das dritte Resistmuster und das Al auf dem Muster abgehoben, hierdurch wurde der Al- Elektrodendraht ausgebildet. Dann, nach dem Einführen in einen Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld wurde die uniaxiale Anisotropie für die verstifteten Schicht eingefügt.
Die Probe B wurde folgendermaßen erstellt. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung eingelegt. Nach dem Festlegen des Anfangsdrucks bei 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (20 nm)/Co-Fe (3 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈Fe₂ (t nm, t = 1, 2, oder 3 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,8 nm)/Co-Fe (3 nm)/IR₂₂Mn₇₈ (20 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht in ähnlicher Weise wie bei dem obigen Verfahren ausgebildet.
Nach dem Anordnen des obigen geschichteten Films wurde ein erstes Resistmuster, das eine untere Verdrahtungsform definiert mit einer Breite von 100 μm auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolitographie ausgebildet und die obige Schicht wurde durch Ionenfräsen bearbeitet. Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites Resistmuster, das eine Übergangsdimension definiert, auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolitographie ausgebildet und die Schichten von Co-Fe/Ni₈Fe₂/Co-Fe/Al₂O₃/Co-Fe/Ir₂₂Mn₇₈/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden durch Innenfräsen bearbeitet. Dann wurden in einer ähnlichen Weise zu der obigen das Ausbilden der Al₂O₃-Zwischenshicht-Isolationsschicht und das von der Al-Elektrodenverdrahtung ausgeführt und das Einfügen der uniaxialen Anisotropie in die verstiftete Schicht wurde durchgeführt.
Zum Vergleich wurden nachfolgend beschriebene Proben C und D gemacht.
Die Probe C ist ein ferrogmagnetisches Einzeltunnelübergangselement und hat eine geschichtete Struktur aus Ta/Ir-Mn/Co-Fe/Al₂O₃/Co-Fe/Ni-Fe/Ta.
Die Probe D ist ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement ohne eine antiferromagnetische Schicht und hat eine geschichtete Struktur von Ta (5 nm)/CoPt (20 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈Fe₂ (3 nm) /Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,8 nm)/CoPt (20 nm)/Ta (5 nm).
Die magnetoresistiven Kurven der Proben A und B werden in 20 gezeigt. Beispielsweise wurden 27% einer MR-Änderung durch ein niedriges Magnetfeld von 1990 A/m (25 Oe) erhalten. Für die Probe B wurde verstanden, dass das Umkehrmagnetfeld durch Ändern des Dickenverhältnisses zwischen den Ni₈Fe₂- und Co-Fe-Schichten in der freien Schicht (magnetischen Aufzeichnungsschicht) gesteuert wird. Das heißt, wenn die Dicke der Ni₈Fe₂-Schicht 1 nm, 2 nm und 3 nm ist, ändert sich der Widerstand in großem Maße durch ein niedriges Magnetfeld von 1273,6 A/m (16 Oe), 2865,6 A/m (36 Oe), bzw. 4139,2 A/m (52 Oe), um eine hohe MR-Änderung von 26% oder darüber zu erhalten.
21 zeigt eine Abhängigkeit der angelegten Spannung von der MR-Änderung für die Proben A, D und C, Hier wird in der Zeichnung die MR-Änderung normiert durch den Wert von 0V gezeigt. Die Zeichnung stellt dar, dass die Proben A und B eine höhere Spannung von V_1/2 haben, bei der die MR-Änderung auf die Hälfte reduziert ist, und eine niedrige Reduzierung der MR-Änderung mit zunehmender Spannung verglichen mit der Probe C.
Als Nächstes werden die Proben A, B und C jeweils in eine gewickelte Spule gelegt und Ermüdungstests der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetisch aufgezeichneten Zustand wurden durchgeführt in einem Impulsmagnetfeld von 5572 A/m (70 Oe). 22 zeigt den Zusammenhang zwischen den Umkehrzyklen und der Ausgangsspannung des Impulsmagnetfelds für die Proben A, B und C. In der Zeichnung wird die Ausgangsspannung normiert auf einen Anfangsausgangsspannungswert. Wie in der Zeichnung klar gezeigt ist, wird die Ausgangsspannung spürbar reduziert mit der Zunahme der Umkehrzyklen des Impulsmagnetfelds in dem Fall der Probe D. Andererseits wurde keinerlei Ermüdung in der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetischen aufgezeichneten Zustand in dem Fall der Proben A und B gefunden.
Aus dem Obigen geht hervor, dass das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement mit einer in 1 gezeigten Struktur geeignete Eigenschaften für Anwendungen für eine Magnetspeichervorrichtung und einen Magnetkopf zeigt.
Wenn SiO₂, AlN, MgO, LaAlO₃ oder CaF₂ für die dielektrische Schicht verwendet wurden, wurde eine ähnliche Tendenz zu der obigen gefunden.
Beispiel 2, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem zwei Arten von ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselementen (Probe A2 und B2) mit der in 2 gezeigten Struktur auf einem Si/SiO₂-Substrat oder SiO₂-Substrat ausgebildet wurden, wird nachstehend beschrieben.
Die Probe A2 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit einer TaN-Unterlage, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht eines zweilagigen Films aus Ni-Fe/Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht von Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht von Co-Fe, einer antiferromagnetischen Schicht von Ir-Mn, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht von Co-Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht von Al₂O₃, einer vierten ferrogmagnetischen Schicht eines zweilagigen Films von Co-Fe/Ni-Fe, und einer Schutzschicht von Ta.
Die Probe B2 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit einer TaN-Unterlage, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht aus einem dreilagigen Film von Ni-Fe/Ru/Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht aus einem zweilagigen Film aus Co-Fe/Ni-Fe, einer ersten antiferromagnetischen Schicht aus Fe-Mn, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht eines zweilagigen Films aus Ni-Fe/Co-Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe/Ru/Ni-Fe, und einer Schutzschicht aus Ta.
Die Probe A2 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung gelegt. Nach dem Einstellen des Anfangsdrucks auf 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10_–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (3 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (t nm, t = 3, 5, oder 8 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,2 nm)/Co-Fe (1 nm)/IR₂₂Mn₇₈ (17 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,6 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (t nm, t = 3, 8 oder 8 nm)/Ta (5 nm) sequentiell auf das Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht durch Abscheiden von Al unter Verwendung eines Al-Ziels in reinem Ar-Gas durch Einfügen von Sauerstoff in die Vorrichtung ohne Unterbrechung des Vakuums und dann durch sein Aussetzen gegenüber einem Plasmasauerstoff erzeugt.
Nach dem Abscheiden des obigen geschichteten Films, wurde ein erstes Resist- bzw. Schutzlastmuster, das eine untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 100 μm definiert, auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie ausgebildet und der obige Film wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet.
Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites Resistmuster, das eine Übergangsdimension definiert, auf der obersten Ta- Schutzschicht durch Photolitographie ausgebildet und die Schichten von Co-Fe/Ir-Mn/Co-Fe/Al₂O₃/Co-Fe/Ni-Fe/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden bearbeitet. Die Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von 300 nm wurde durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden während das zweite Resistmuster belassen wurde und dann wurden das zweite Resistmuster und die Al₂O₃-Schicht auf dem obigen Muster abgehoben durch eine Zwischenschicht-Isolationsschicht in Regionen mit Ausnahme der Übergangsregion ausgebildet wurden.
Dann wurden nach dem Bilden des ersten, Regionen mit Ausnahme der Region der Elektrodenverdrahtung abdeckenden Resistmuster die Oberfläche einem Umkehr-Sputtern und Reinigen unterzogen. Nachdem Al über die gesamte Oberfläche abgeschieden worden ist, wurden das Resistmuster und das Al auf dem Muster angehoben, wodurch die Al-Elektrodenverdrahtung ausgebildet wurde. Dann wurde nach dem Einfügen in einen Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld die uniaxiale Anisotropie in die verstiftete Schicht eingefügt.
Die Probe B2 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung eingegeben. Nach dem Festlegen des Anfangsdrucks auf 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (2 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (6 nm)/Ru (0,7 nm)/Co₄Fe₆ (3 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (1 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co₄Fe₆ (3 nm)/Ru (0,7 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (6 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht in einer ähnlichen Weise wie bei dem obigen Verfahren ausgebildet.
Nach dem Abscheiden des obigen geschichteten Films, wurde ein erstes Resistmuster, das eine untere Verdrahtungsform definiert mit einer Breite von 100 μm, auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie aufgetragen und die oberste Schicht wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites Resistmuster, das Übergangsdimensionen definiert, auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie ausgebildet und die Schichten von Co-Fe/N₈₁Fe₁₉/Fe₅₄Mn₄₆/N₈₁Fe₁₉/Co-Fe/Al₂O₃/Co₄Fe₆/Ru/Ni₈₁Fe₁₉/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Dann wurde in einer ähnlichen Weise zu der obigen das Ausbilden der Al₂O₃-Zwischen-Isolationsschicht und das von der Al-Elektrodenverdrahtung und das Einfügen der uniaxialen Anisotropie in die verstiftete Schicht vorgenommen.
Zum Vergleich wurden Proben C2 und D3, die im Folgenden beschrieben werden, gemacht.
Die Probe C2 ist ein ferrogmagnetisches Einzeltunnelübergangselement und hat eine geschichtete Struktur von Ta (3 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,2 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (17 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ta (5 nm).
Die Probe D2 ist ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement ohne eine antiferromagnetische Schicht und hat eine geschichtete Struktur von Ta (3 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,2 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,2 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,6 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (5 nm)/Ta (5 nm).
Die magnetoresistiven Kurven der Proben A2 und B2 sind in 23 gezeigt. Für die Probe A2 wird verstanden, dass das Umkehrmagnetfeld durch Ändern des Dickenverhältnisses zwischen den Ni₈₁Fe₂ und Co-Fe-Schichten in der freien Schicht (magnetische Aufzeichnungsschicht) gesteuert werden kann. Das heißt, wenn die Dicke der Ni₈Fe₂-Schicht 3 nm, 5 nm bzw. 8 nm ist, ändert sich der Widerstand in großem Umfang durch ein niedriges Magnetfeld von 1194 A/m (15 Oe), 2070 A/m (26 Oe), 3025 A/m (38 Oe), um eine hohe MR-Änderung von 26% oder darüber zu erhalten. In dem Fall der Probe B2 wird die MR-Änderung von 26% durch ein niedriges Magnetfeld von 3104 A/m (39 Oe) erhalten.
24 zeigt die Abhängigkeit der angelegten Spannung von der MR-Änderung für die Proben A2, B2 und C2. Hier ist die MR-Änderung auf den Wert von 0V normiert in der Zeichnung gezeigt. Die Zeichnung stellt dar, dass die Proben A2 und B2 eine höhere Spannung von V_1/2 haben, bei der die MR-Änderung auf die Hälfte reduziert wird, und eine geringe Reduzierung in der MR-Änderung mit Zunahme der Spannung verglichen mit der Probe C2.
Als Nächstes wurden die Proben A2, B2 und D2 in eine Spule gelegt und Ermüdungstests der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetischen aufgezeichneten Zustand wurden in einem Impulsmagnetfeld von 5572 A/m (70 Oe) vorgenommen. 25 zeigt den Zusammenhang zwischen den Umkehrzyklen und der Ausgangsspannung des Impulsmagnetfelds für die Proben A2, B2 und D2. Wie klar in der Zeichnung gezeigt, wird die Ausgangsspannung mit Zunahme der Umkehrzyklen des Impulsmagnetfelds in dem Fall der Probe D2 spürbar reduziert. Andererseits wurde keinerlei Ermüdung in der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetischen Aufzeichnungszustand in dem Fall der Proben A2 und B2 gefunden. Darüber hinaus wurde im Vergleich zwischen den Proben A2 und B2 weniger Ermüdung in der Probe B2 unter Verwendung einer antiferromagnetisch gekoppelten dreilagigen Struktur von Co₄Fe₆/Ru/Ni₈₁Fe₁₉ für die freie Schicht gefunden.
Es ist aus dem Obigen ersichtlich, dass das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement mit einer in 2 gezeigten Struktur, geeignete Eigenschaften für Anwendungen in einer Magnetspeichervorrichtung und einem Magnetkopf zeigt.
Wenn SiO₂, AlN, MgO, LaAlO₃ oder CaF₂ als dielektrische Schicht verwendet wurden, wurde die ähnliche Tendenz wie die obige gefunden.
Beispiel 3, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem zwei Arten von ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselementen (Probe A3 und B3) mit der in 3 gezeigten Struktur auf einem Si/SiO₂-Substrat oder SiO₂-Substrat ausgebildet wurden, wird nachstehend beschrieben.
Die Probe A3 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht aus Ir-Mn, eine erste ferrogmagnetische Schicht aus Co-Fe, eine erste dielektrische Schicht aus Al₂O₃, eine zweite ferrogmagnetische Schicht aus Co-Fe-Ni, eine zweite antiferromagnetische Schicht aus Fe-Mn, eine dritte ferrogmagnetische Schicht aus Co-Fe-Ni, eine zweite dielektrische Schicht aus Al₂O₃, eine vierte ferrogmagnetische Schicht aus Co-Fe, eine dritte antiferromagnetische Schicht aus Ir-Mn und eine Schutzschicht aus Ta.
Die Probe B3 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht aus Ir-Mn, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht eines dreilagigen Films aus Co-Fe/Ru/Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht aus einem zweilagigen Film von Co-Fe/Ni-Fe, einer zweiten antiferromagnetischen Schicht aus Fe-Mn, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht aus einem zweilagigen Film aus Ni-Fe/Co-Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer vierten ferrogmagnetischen Schicht aus einem dreilagigen Film aus Co-Fe/Ru/Coi-Fe, einer dritten antiferromagnetischen Schicht aus Ir-Mn und einer Schutzschicht aus Ta.
Die Probe A3 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung gelegt. Nach dem Einstellen des Anfangsdrucks auf 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (18 nm)/Co-Fe (2 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co₅Fe₁Ni₄ (2 nm)/Fe₁Mn₁ (17 nm/Co₅Fe₁Ni₄ (2 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co-Fe (2 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (18 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht durch Abscheiden von Al unter Verwendung eines Al-Ziels in reinem Ar-Gas durch Einfügen von Sauerstoff in die Vorrichtung ohne Unterbrechung des Vakuums und dann durch sein Aussetzen gegenüber einem Plasmasauerstoff erzeugt.
Nach dem Abscheiden der obigen geschichteten Schicht wurde ein erstes Resistmuster, das eine untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 100 μm definiert, auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie aufgebracht und die obige Schicht wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet.
Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites, die Dimensionen eines Übergangs definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie aufgebracht und die Schichten von Co₅Fe₁Ni₄/Fe₁Mn₁/Co-FeNi₄/Al₂O₃/Co-Fe/Ir₂₂Mn₇₈/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Die Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von 350 nm wurde durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden während des Belassens des zweiten Resistmusters, und dann wurden das zweite Resistmuster und die Al₂O₃-Schicht auf dem obigen Muster angehoben, wodurch eine Zwischenschicht-Isolationsschicht in Bereichen mit Ausnahme des Übergangsbereichs gebildet wurde.
Dann wurde nach dem Ausbilden des ersten, Bereiche mit Ausnahme des Bereichs der Elektrodenverdrahtung abdeckenden dritten Resistmusters die Oberfläche durch Anwenden eines Umkehr-Sputterns gereinigt. Nachdem das Al über der gesamten Oberfläche abgeschieden worden ist, wurde das dritte Resistmuster und das Al auf dem Muster angehoben, wodurch Al- Elektronverdrahtung ausgebildet wurde. Dann wurde nach dem Einfügen in einem Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld die uniaxiale Anisotropie in die verstiftete Schicht eingefügt.
Die Probe B3 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung gelegt. Nach dem Festlegen des Anfangsdrucks bei 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (3 nm)/Ir-Mn (14 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Ru (0,7 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co-Fe (1 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (2 nm)/Fe₄₅Mn₅₅ (19 mm)/Ni₈₁Fe₁₉ (2 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (2,1 nm)/Co₉Fe (2 nm)/Ru (0,8 nm)/Co₉Fe (2 nm)/Ir-Mn (14 nm)/Ta (5 nm) Co-Fe (2 nm)/Ir-Mn (14 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht in ähnlicher Weise ausgebildet wie bei dem obigen Verfahren.
Nach dem Anordnen der obigen geschichteten Schicht wurde ein eine untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 100 μm definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie ausgebildet und der obige Film wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites, die Dimension eines Übergangs definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie ausgebildet und die Schichten von Co-Fe/Ni₈₁Fe₁₉/Fe₄₅Mn₅₅/Ni₈₁Fe₁₉/Co-Fe/Al₂O₃/Co₉Fe/Ru/Co₉Fe/Ir-Mn/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Dann wurden in ähnlicher Weise zu der obigen das Ausbilden der Al₂O₃-Zwischenschicht-Isolationsschicht und das von der Al-Elektrodenverdrahtung und das Einfügen der uniaxialen Anisotropie in die verstiftete Schicht ausgeführt.
Zum Vergleich wurden nachstehend beschriebene Proben C3 und D3 gemacht.
Die Probe C3 ist ein ferrogmagnetisches Einzeltunnelübergangselement und hat eine geschichtete Struktur von Ta (3 nm)/Ir-Mn (14 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Ru (0,7 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (2 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co-Fe (2 nm)/Co₈Pt₂ (15 nm)/Ta (5 nm).
Die Probe D3 ist ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement ohne eine antiferromagnetische Schicht und hat eine geschichtete Struktur von Ta (5 nm)/Co₈Pt₂ (15 nm)/Co-Fe (2 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co₅Fe₁Ni₄ (2 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co-Fe (2 nm)/Co₈Pt₂ (15 nm)/Ta (5 nm).
Die magnetoresistiven Kurven der Proben A3 und B3 werden in 26 gezeigt. Die Probe A3 hat 26% einer MR-Änderung durch ein niedriges Magnetfeld von 4537 A/m (57 Oe) und die Probe B3 hat 27% einer MR-Änderung durch ein niedriges Magnetfeld von 5015 A/m (63 Oe).
27 zeigt die Abhängigkeit der angelegten Spannung von der MR-Änderung für die Proben A3, B3 und C3. Hier ist die MR-Änderung auf dem Wert von 0V normiert in der Zeichnung gezeigt. Die Zeichnung legt offen, dass die Proben A3 und B3 eine höhere Spannung von V_1/2 haben, bei der die MR-Änderung auf die Hälfte reduziert ist, und eine geringe Reduzierung der MR-Änderung mit zunehmender Spannung verglichen mit der Probe C3.
Als Nächstes wurden die Proben A3, B3 und D3 in eine Spule gelegt und Ermüdungstests der verstifteten Magnetisierungsschicht wurden in einem magnetisch aufgezeichneten Zustand durchgeführt in einem Impulsmagnetfeld von 5970 A/m (75 Oe). 28 zeigt Zusammenhänge zwischen den Umkehrzyklen und der Ausgangsspannung des Impulsmagnetfelds für die Proben A3, B3 und D3. Hier ist die Ausgangsspannung normiert mit der Anfangsausgangsspannung. Wie klar in der Zeichnung gezeigt wird, wird die Ausgangsspannung spürbar mit Zunahme der Umkehrzyklen des Impulsmagnetfeldes reduziert in dem Fall der Probe D3. Andererseits wurde keine Ermüdung in der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetisch aufgezeichneten Zustand in dem Fall der Proben A3 und B3 gefunden. Zudem wurde beim Vergleich zwischen den Proben A3 und B3 gefunden, das ist weniger Ermüdung in der Probe B3 unter Verwendung einer antiferromagnetisch gekoppelten dreilagigen Struktur von Co₉Fe/Ru/Co₉Fe für die freie Schicht gibt.
Es ist aus dem Obigen ersichtlich, dass das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement mit einer in 3 gezeigten Struktur geeignete Eigenschaften für Anwendungen in einer Magnetspeichervorrichtung und einem Magnetkopf zeigt.
Wenn SiO₂, AlN, MgO, LaAlO₃ oder CaF₂ für die dielektrische Schicht verwendet wurden, wurde die ähnliche Tendenz zu der obigen gefunden.
Beispiel 4, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem es zwei Arten von ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselementen (Probe A, und B4) mit der in 4 oder 5 gezeigten Struktur auf einem Si/SiO₂-Substrat oder SiO₂-Substrat ausgebildet wurden, wird nachstehend beschrieben.
Die Probe A4 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit. einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht von einem zweilagigen Film aus Ni-Fe/Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer ersten nicht-magnetischen Schicht aus Ru, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer zweiten nicht-magnetischen Schicht aus Ru, einer vierten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer fünften ferrogmagnetischen Schicht aus einem zweilagigen Film aus Co-Fe/Ni-Fe, und einer Schutzschicht aus Ta.
Die Probe B4 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit einer TaN-Unterlage, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht eines zweilagigen Films aus Ni-Fe/Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer ersten nicht-magnetischen Schicht aus Ru, einer Co-Fe-ferrogmagnetischen Schicht/einer Ir-Mn-antiferromagnetischen Schicht/einer Co-Fe-ferrogmagnetischen Schicht, einer zweiten nicht-magnetischen Schicht aus Ru, einer vierten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer fünften ferrogmagnetischen Schicht aus einem zweilagigen Film von Co-Fe/Ni-Fe und einer Schutzschicht aus Ta.
Die Probe A4 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung gelegt. Nach dem Festlegen des Anfangsdrucks bei 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (16 nm)/Co₄Fe₆ (3 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co-Fe (2 nm)/Ru (0,7 nm)/Co-Fe (2 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co₄Fe₆ (3 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (16 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht durch Abscheiden von Al unter Verwendung eines Al-Ziels in reinem Ar-Gas ausgebildet durch Einfügen von Sauerstoff in die Vorrichtung ohne Unterbrechung des Vakuums und dann durch Aussetzen von diesem gegenüber Plasmasauerstoff.
Nach dem Anordnen der obigen geschichteten Schicht wurde eine erste untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 100 μm definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie ausgebildet und die obige Schicht wurde durch Ionen-Fräsen verarbeitet.
Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites, die Abmessung eines Übergangs definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie ausgebildet und die Schichten von Co-Fe/Ru/Co-Fe/Ru/Co-Fe/Al₂O₃/Co₄Fe₆/Ni₈₁Fe₁₉/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Die Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von 300 nm wurde durch Elektronenstrahlverdampfung abgeschieden während des Belassens des zweiten Resistmusters, und dann wurden das zweite Resistmuster und die Al₂O₃-Schicht auf dem obigen Muster angehoben, wodurch ein Zwischenschichten-Isolationsfilm in Regionen mit Ausnahme der Übergangsregion ausgebildet wurde.
Dann wurde nach dem Ausbilden des dritten Resistmusters, das Regionen mit Ausnahme der Region der Elektrodenverdrahtung abdeckte, die Oberfläche einem Umkehr-Sputterprozess unterzogen und sie wurde gereinigt. Nachdem Al über die gesamte Oberfläche abgeschieden worden ist, wurden das dritte Resistmuster und das Al auf dem Muster angehoben, wodurch die Al-Elektrodenverdrahtung ausgebildet wurde. Dann wurde nach dem Einfügen in einen Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld die uniaxiale Anisotropie in die verstiftete Schicht eingefügt.
Die Probe B4 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter-Vorrichtung gelegt. Nach dem Festlegen des Anfangsdrucks bei 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (15 nm)/Co₉Fe (2 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Ru (0,7 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Ir-Mn (14 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Ru (0,7 nm)/Co-Fe (1,5 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co₉Fe (2 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (15 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht in ähnlicher Weise zu dem obigen Verfahren ausgebildet.
Nach dem Anordnen der obigen geschichteten Schicht wurde ein eine untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 100 μm definierendes erstes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie aufgebracht und die obige Schicht wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein zweites, eine Übergangsabmessung definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie ausgebildet und die Schichten von Co-Fe/Ru/Co-Fe/Ir-Mn/Co-Fe/Ru/Co-Fe/Al₂O₃/Co₉Fe/Ni₈₁Fe₁₉/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Dann wurde das Ausbilden der Al₂O₃-Zwischenschicht-Isolationsschicht und das der Al-Elektrodenverdrahtung in einer der obigen ähnlichen Weise durchgeführt und das Einfügen der uniaxialen Anisotropie in die verstiftete Schicht wurde ausgeführt.
Zum Vergleich wurden im Folgenden beschriebene Proben C4 und D4 gemacht.
Die Probe C4 ist ein ferrogmagnetisches Einzeltunnelübergangselement und hat eine geschichtete Struktur von Ta (5 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (16 nm)/Co₄Fe₆ (3 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co-Fe (2 nm)/Ru (0,7 nm)/Co-Fe (2 nm)/Ru (0,7 nm)/Co-Fe (2 nm)/Ta (5 nm).
Die Probe D4 ist ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement ohne eine antiferromagnetische Schicht und hat eine geschichtete Struktur aus Ta (5 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (16 nm)/Co₄Fe₆ (3 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co-Fe (6 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co₄Fe₆ (3 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (16 nm)/Ta (5 nm).
Die magnetoresistiven Kurven der Proben A4 und B4 sind in 29 gezeigt. Die Probe A4 hat 28% einer MR-Änderung durch ein niedriges Magnetfeld von 2627 A/m (33 Oe) und die Probe B4 hat 26% einer MR-Änderung durch ein niedriges Magnetfeld von 1433 A/m (18 Oe).
30 zeigt die Abhängigkeit der angelegten Spannung von der MR-Änderung für die Proben A4, B4 und 04. Hier ist die MR-Änderung auf die Spannung von 0V normiert in der Zeichnung gezeigt. Die Zeichnung legt dar, dass die Proben A4 und B4 eine höhere Spannung von V_1/2 haben, bei der die MR-Änderung auf die Hälfte reduziert ist, und eine geringere Reduzierung in der MR-Änderung mit zunehmender Spannung verglichen mit der Probe C4.
Als Nächstes wurden die Proben A4, B4 und D4 in eine Spule eingesetzt und Ermüdungstests der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetisch aufgezeichneten Zustand wurden in einem Impulsmagnetfeld von 3184 A/m (40 Oe) vorgenommen. 31 zeigt Zusammenhänge zwischen den Umkehrzyklen und der Ausgangsspannung des Impulsmagnetfelds für die Proben A4, B4 und D4. Hier wird die Ausgangsspannung normiert auf die Anfangsausgangsspannung. Wie in der Zeichnung klar gezeigt, ist die Ausgangsspannung spürbar reduziert mit Zunahme der Umkehrzyklen des Impulsmagnetfeldes in dem Fall der Probe D4. Andererseits wurde keine Ermüdung in der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetisch aufgezeichneten Zustand in dem Fall der Probee A4 und B4 gefunden. Darüber hinaus wurde beim Vergleich zwischen den Proben A4 und B4 eine geringere Ermüdung in der Probe A4 unter Verwendung einer siebenschichtigen Struktur von Co-Fe/Ie/Co-Fe/Ir-Mn/Co-Fe/Jr/Co-Fe, in welchem eine antiferromagnetische Schicht in eine verstiftete Magnetisierungsschicht eingefügt worden ist, gefunden.
Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement mit einer in 4 gezeigten Struktur geeignete Eigenschaften für Anwendungen für eine Magnetspeichervorrichtung und einen Magnetkopf zeigt.
Wenn SiO₂, AlN, MgO, LaAlO₃, oder CaF₂ für die dielektrische Schicht verwendet wurden, wurde eine ähnliche Tendenz zu der obigen gefunden.
Beispiel 5, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement (Probe A5 und B5) mit der in 32 gezeigten Struktur auf einem Si/SiO₂-Substrat oder SiO₂-Substrat gemacht worden ist unter Berücksichtigung des MRA der 7 und der 9 wird nachstehend beschrieben.
Die Probe A5 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht aus Fe-Mn, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht aus einem zweilagigen Film aus Ni-Fe/Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht aus Co₉Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer Bitleitung (einer dritten ferrogmagnetischen Schicht von Ni-Fe, einer zweiten antiferromagnetischen Schicht von Fe-Mn, einer Metalllage aus Al).
Die Probe B5 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht aus Ir-Mn, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht aus einem dreilagigen Film aus Co-Fe/Ni-Fe/Co-Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer Bitleitung (einer dritten ferrogmagnetischen Schicht aus Co, einer zweiten antiferromagnetischen Schicht aus Ir-Mn, einer Metallschicht aus Al).
Wie in 32 gezeigt, haben beide Proben A5 und B5 einen größeren Bereich der zweiten antiferromagnetischen Schicht als dem des Übergangsbereichs. Die Probe A5 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in eine Sputter- Vorrichtung gelegt. Nach dem Einstellen des Anfangsdrucks auf 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^-7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Fe₅₄Mn₄₆ (18 nm)/Ni₈Fe₂ (5 nm)/Co-Fe (2 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co₉Fe (3 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co-Fe (2 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht durch Abscheiden von Al unter Verwendung eines Al-Ziels in reinem Ar-Gas durch Einfügen von Sauerstoff in die Vorrichtung ohne Unterbrechung des Vakuums und dann durch Aussetzen von diesem dem Plasmasauerstoff ausgebildet.
Nach dem Abscheiden der obigen geschichteten Schicht wurde ein erstes eine untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 50 μm definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schicht durch Photolithographie ausgebildet und die obige Schicht wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet.
Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein Elektronenstrahl- bzw. EB-Resist auf der obersten TA-Schicht aufgebracht und eine Feinverarbeitung jeder Schicht oberhalb der Al₂O₃-Schicht wurde ausgeführt unter Verwendung einer EB-Photolithographievorrichtung, um das ferrogmagnetische Tunnelübergangselement mit einem Übergangsbereich von 1 × 1 μm², 0,5 × 0,5 μm² oder 0,15 × 0,15 μm² zu bilden. Die Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von 100 nm wurde durch Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden während des Belassens des EB-Resistmusters, und dann wurden das EB-Resistmuster und die Al₂O₃-Schicht auf dem obigen Muster angehoben, wodurch die Zwischenschicht-Isolationsschicht in Regionen mit Ausnahme der Übergangsregion ausgebildet wurde.
Dann wurde nach dem Ausbilden der Regionen mit Ausnahme der Region der Elektrodenverdrahtung abdeckenden dritten Resistmusters die Oberfläche einem Umkehr-Sputtern unterzogen und gereinigt. Ferner wurde die Ta-Schicht entfernt. Dann wurden sequentiell Ni₈Fe₂ (5 nm)/Fe₅₄Mn₄₆ (18 nm)/Al (5 nm) als die Elektrodenverdrahtung der Bitleitung geschichtet. Das dritte Resistmuster und die Elektrodenverdrahtung auf dem Muster wurde angehoben. Dann wurde nach dem Einfügen in einen Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld die uniaxiale Anisotropie in die verstiftete Schicht eingefügt.
Die Probe B5 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in einer Sputter-Vorrichtung eingelegt. Nach dem Einstellen des Anfangsdrucks auf 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (18 nm)/Co-Fe (3 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈Fe₂ (3 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,8 nm)/Co-Fe (3 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht in ähnlicher Weise wie dem obigen Verfahren ausgebildet.
Nach dem Abscheiden der obigen geschichteten Schicht wurde ein eine untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 50 μm definierendes erstes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie aufgebracht und der obige Film wurde durch Ionen-Fräsen bearbeitet.
Als Nächstes wurde nach dem Entfernen des ersten Resistmusters ein Elektronenstrahl- bzw. EB-Resist auf der obersten Ta-Schicht aufgebracht und eine Feinverarbeitung jeder Schicht oberhalb Al₂O₃-Schicht wurde durchgeführt unter Verwendung einer EB-Lithographievorrichtung, um ein ferrogmagnetisches Tunnelübergangselement mit einem Übergangsbereich von 1 × 1 μm², 0,5 × 0,5 μm² oder 0,15 × 0,15 μm² auszubilden. Die Al₂O₃-Schicht mit einer Dicke von 300 nm wurde durch Elektronenstrahlverdampfen abgeschieden während des Belassens des zweiten Resistmusters, und das EB-Resistmuster und die Al₂O₃-Schicht auf dem obigen Muster wurden angehoben. Dann wurde nach dem Ausbilden des Regionen mit Ausnahme der Region der Elektrodenverdrahtung abdeckenden dritten Resistmusters die Oberfläche einer Umkehr-Sputterung unterzogen und gereinigt. Ferner wurde die Ta-Schicht entfernt. Dann wurde Co/Ir₂₂Mn₇₈ (18 nm)/Al (5 nm)/Al (5 nm) sequentiell auf der Elektrodenverdrahtung der Bitleitung geschichtet. Das dritte Resistmuster und die Elektrodenverdrahtung auf dem Muster wurden angehoben. Dann wurde nach dem Einfügen in einem Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld die uniaxiale Anisotropie in die verstiftete Schicht eingefügt.
Zum Vergleich wurden Proben C5, D5 und E5, die im Folgenden beschrieben werden, gemacht.
Die Probe C5 ist ein ferrogmagnetisches Einzeltunnelübergangselement und hat eine geschichtete Struktur von Ta (5 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (18 nm)/Co-Fe (3 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈Fe₂ (3 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ta (5 nm).
Die Probe D5 hat die ähnliche geschichtete Struktur wie die der Probe B5, das heißt, eine Struktur, die sequentiell geschichtet wird mit Ta (5 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (18 nm)/Co-Fe (3 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₈Fe₂ (3 nm)/Co-Fe (3 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (18 nm)/Ta (5 nm). Jedoch unterscheidet sich die Struktur von der von 32, das heißt, sie wird so verarbeitet, dass die obere zweite antiferromagnetische Schicht aus IrMn (und die Ta-Schutzschicht) denselben Bereich haben wie den des Übergangsbereichs. Zudem umfasst die Bitleitung nur eine Al-Schicht.
Die Probe E5 ist ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement ohne eine antiferromagnetische Schicht und hat eine geschichtete Struktur von Ta (5 nm)/Co-FePt (13 nm)/Al₂O₃ (1,5 nm)/Co-Fe (1 nm)/Ni₁₈Fe₂ (2 nm)/Co-Fe (1 nm)/Al₂O₃ (1,8 nm)/Co-FePt (13 nm)/Ta (5 nm (1,8 nm)/Co-FePt (13 nm)/Ta (5 nm).
Die magnetoresistiven Kurven der Proben A5 und B5 werden in 33 gezeigt. Die Probe A5 hat 28% der MR-Änderung bei einem niedrigen Magnetfeld von 2308 A/m (29 Oe), und die Probe B5 hat 27% einer MR-Änderung durch ein niedriges Magnetfeld von 3104 A/m (39 Oe).
34 zeigt die Abhängigkeit der angelegten Spannung von der MR-Änderung für die Proben A5, B5 und C5. Hier ist die MR-Änderung durch den Wert bei 0V normiert dargestellt in der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt, dass die Proben A5 und B5 eine höhere Spannung von V_1/2 haben, mit der die MR-Änderung auf die Hälfte reduziert ist, und eine niedrigere Reduzierung in der MR-Änderung mit zunehmender Spannung verglichen mit der Probe C5.
Als Nächstes wurden die Proben A5, B5, D5 und E5 in eine Spule gelegt und Ermüdungstests der verstifteten Magnetisierungsschicht in einem magnetischen Aufzeichnungszustand wurden in einem Impulsmagnetfeld von 5572 A/m (70 Oe) durchgeführt. 35 zeigt den Zusammenhang zwischen den Umkehrzyklen und der Ausgangsspannung des Impulsmagnetfelds für die Spulen A5, B5, C5 und E5. Hier ist die Ausgangsspannung mit der Anfangsausgangsspannung normiert. Wie in der Zeichnung klar gezeigt ist, wird die Ausgangsspannung spürbar reduziert mit der Zunahme der Umkehrzyklen des Impulsmagnetfelds in dem Fall der Probe E5. In dem Fall von D5 ist eine Tendenz gezeigt, viel mehr Ermüdung zu verursachen, da der untere Übergangsbereich reduziert ist. Ed wird als ein Grund angenommen, dass der kleinere Bereich eine Verschlechterung der oberen verstifteten Magnetisierungsschicht durch Prozesszerstörung und Ähnliches verursacht. Andererseits wurde keinerlei Ermüdung in der magnetisierten verstifteten Schicht in einem magnetischen Aufzeichnungszustand in dem Fall der Proben A5 und B5 gefunden. Demnach ist es offensichtlich, dass es vorteilhaft ist, eine Struktur mit der oberen antiferromagnetischen Schicht als einem Teil von Bitleitungen wie in 32 gezeigt zu haben.
Es ist aus dem Obigen ersichtlich, dass das ferrogmagnetische Doppeltunnelübergangselement mit einer in 32 gezeigten Struktur geeignete Eigenschaften zum Anwenden für insbesondere eine Magnetspeichervorrichtung hat.
Wenn SiO₂, AlN, MgO, LaAlO₃ oder CaF₂ verwendet wurden für die dielektrische Schicht, wurde die ähnliche Tendenz zu der obigen gefunden.
Beispiel 6, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein ferrogmagnetisches Doppeltunnelübergangselement mit einer in 1 bis 4 gezeigten Grund-Struktur wurde auf einem Si/SiO₂-Substrat oder einem SiO₂-Substrat in einer ähnlichen Weise zu jener der Ausführungsformen 1 bis 4 erstellt. Die geschichteten Strukturen der obigen Element sind in Tabelle 1 gezeigt. Hier wurde irgendeines von Ta, Ti, Ti/Pt, Pt, Ti/Pd, Ta/Pt, Ta/Pd und TiN_X für die Unterlage und die Verarbeitungsschicht verwendet.
Für die obigen Proben werden in Tabelle 1 die Spannung von V_1/2, bei der die MR-Änderung auf die Hälfte reduziert ist und ein Verhältnis der Ausgangsgröße bei 1000 Umkehrzyklen und der anfänglichen Ausgangsgröße der freien Schicht (magnetische Aufzeichnungsschicht) gezeigt. Irgendeine Probe hat eine höhere MR-Anderung und eine niedrigere Reduzierung in der MR-Änderung mit zunehmender Spannung verglichen mit jener des ferrogmagnetischen Einzeltunnelübergangselements. Zudem gibt es eine geringe Reduzierung der Ausgangsspannung und weniger Ermüdung mit wiederholter Magnetisierungsumkehr der freien Schicht (magnetische Aufzeichnungsschicht).
Demnach ist es ersichtlich, dass die obigen Elemente geeignete Eigenschaften zum Anwenden auf einen magnetoresistiven Kopf, einen Sensor und eine Magnetspeichervorrichtung hat.
Beachte, dass Atomdiffusion und ein Vermengen zwischen Schichten verursacht werden kann. Beispielsweise wird angenommen, dass bei starkem Sputtern die Atomdiffusion zwischen einer NiFe-Legierungsschicht. und einer Co-basierten Legierungsschicht oder zwischen jener. Schichten und einer nicht-magnetischen Schicht oder einer antiferromagnetischen Schicht verursacht werden können. Zudem wird angenommen, dass die ähnliche Atomdiffusion durch Wärmebehandlung abhängig von der Temperatur und der Zeit verursacht werden kann.
Beispiel 7, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem drei Arten von ferrogmagnetischen Doppeltunnelübergangselementen (Probe T1, T2 und T3) mit unterschiedlichen Dicken der freien Schicht mit einer in 1 gezeigten Struktur auf einem Si/SiO₂-Substrat oder SiO₂-Substrat gemacht wurden, wird nachstehend beschrieben.
Die Probe T1 hat eine sequentiell geschichtete Struktur mit Lagen aus einer TaN-Unterlage, einer ersten antiferromagnetischen Schicht eines zweilagigen Films aus Fe-Mn/Ni-Fe, einer ersten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer ersten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer zweiten ferrogmagnetischen Schicht aus Co₉Fe, einer zweiten dielektrischen Schicht aus Al₂O₃, einer dritten ferrogmagnetischen Schicht aus Co-Fe, einer zweiten antiferromagnetischen Schicht aus einem zweilagigen Film aus Ni-Fe/Fe-Mn, und einer Ta-Schutzschicht, und die freie Schicht, die die zweite ferrogmagnetische Schicht aus Co₉Fe ist, ist 2,5 nm dick.
Die Probe T1 wurde folgendermaßen gemacht. Das Substrat wurde in einer Sputter-Vorrichtung gelegt. Nach dem Einstellen des Anfangsdrucks aus 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von Ta (5 nm)/Fe₅₄Mn₄₆ (20 nm)/Ni₈Fe₂ (5 nm)/ Co-Fe (3 nm)/Al₂O₃ (1,7 nm)/Co₉Fe (2,5 nm)/Al₂O₃ (2 nm)/Co-Fe (3 nm)/Ni₈Fe₂ (5 nm)/Fe₅₄Mn₄₆ (20 nm)/Ta (5 nm) auf dem Substrat geschichtet. Hier wurde die Al₂O₃-Schicht durch Abscheiden von Al unter Verwendung eines Al-Ziels in reinem Ar-Gas durch Einfügen von Sauerstoff in die Vorrichtung ohne Unterbrechung des Vakuums und dann durch sein Aussetzen gegenüber einem Plasmasauerstoff erzeugt.
Nach dem Abscheiden des obigen geschichteten Films wurde eine untere Verdrahtungsform mit einer Breite von 100 μm definierendes Resistmuster auf der obersten Ta-Schutzschicht durch Photolithographie aufgetragen und die oberste Schicht wurde durch verarbeitet durch Ionen-Fräsen.
Dann wurde nach dem Entfernen des Resistmusters eine eine Übergangsabmessung definierende Ti-Hartmaske auf der obersten Ta-Schutzschicht für Photolithographie und RIE (reaktives Ionenätzen) ausgebildet und die Schichten von Co₉Fe/Al₂O₃/Co-Fe/Ni-Fe/Fe-Mn/Ta oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht wurden durch Ionen-Fräsen bearbeitet. Übergangsweiten wurden vielfältig geändert durch den obigen Prozess. Die EB-Lithographie wurde zum Herstellen von Elementen mit einer Übergangsweite von 1 μm oder weniger verwendet. Nach dem Ausbilden des Resistmusters auf dem Übergangsbereich und dem Abscheiden einer SiO₂-Schicht mit einer Dicke von 300 nm durch Sputtern oder Plasma-CVD wurden das Resistmuster und die SiO₂-Schicht auf dem Muster angehoben, durch eine Zwischenschicht-Isolationsschicht auf Regionen mit Ausnahme der Übergangsregion ausgebildet wurden.
Dann wurde nach dem Ausbilden eines Regionen mit Ausnahme der Region der Elektrodenverdrahtung abdeckenden Resistmusters die Oberfläche einem Umkehr-Sputtern und Reinigen unterzogen. Nachdem Al über der gesamten Oberfläche abgeschieden worden war, wurden das Resistmuster und das Al auf dem Muster angehoben, wodurch die Al-Elektrodenverdrahtung ausgebildet wurde. Dann wurde nach dem Einfügen in einen Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld die uniaxiale Anisotropie in die verstiftete Schicht eingefügt.
Die Probe T2 hat eine freie Schicht, die zweite ferrogmagnetische Schicht aus Co₉Fe, von 7 nm Dicke und sie wurde in ähnlicher Weise gemacht wie der der Probe T1.
Die Probe T3 hat eine freie Schicht, die zweite ferrogmagnetische Schicht aus Co₉Fe, von 17 nm Dicke und sie wurde in einer ähnlichen Weise gemacht wie der der Probe T1.
36 zeigt Zusammenhänge zwischen einer Übergangsweite des Elements und dem Umkehrmagnetfeld der freien Schicht für die Proben T1 und T2. Hier ist die horizontale Achse ein Reziprokwert (1/W) der Übergangsweite W in der Zeichnung. Wie in 36 gezeigt, haben alle Proben das Umkehrmagnetfeld stärker angehoben in Übereinstimmung mit der stärker reduzierten Übergangsweite. Das heißt, in der Anwendung des MRAM kann es einen stärker erhöhten Energieverbrauch zum Schreiben in Übereinstimmung mit der stärker reduzierten Weite geben. Jedoch in dem Fall der Probe T1 mit einer dünnen freien Schicht ist die Neigung der geraden Linie sanft und die Zunahme des Umkehrmagnetfelds in Entsprechung zu der reduzierten Übergangsweite kann gesteuert werden. Andererseits ist in dem Fall der Proben T2 und T3 mit relativ dicker freier Schicht die Zunahme des Umkehrmagnetfelds in Entsprechung zu der reduzierten Übergangsweite spürbar und in der Anwendung des MRAM ist der Energieverbrauch zum Schreiben hochwahrscheinlich spürbar erhöht. Hier werden mit Herausnehmen von Elementen einer Übergangsweite von 0,25 μm (1/W = 4), die durch eine derzeitige Verarbeitungstechnologie erhalten werden, die Umkehrmagnetfelder verglichen. In dem Fall der Probe T1 ist das Umkehrmagnetfeld niedriger als 7960 A/m (100 Oe) und eine weitere Feinverarbeitung kann realisiert werden. Andererseits übersteigt in dem Fall der Proben T2 und T3 das Umkehrmagnetfeld 7960 A/m (100 Oe) und die weitere Feinverarbeitung kann schwierig werden, da der Energieverbrauch für das Schreiben bereits in der Anwendung des MRAM hoch ist.
37 zeigt die Abhängigkeit der angelegten Spannung von der MR-Änderung für die Proben T1, T2 und T3. Hier ist die MR-Änderung durch den Wert bei 0V normiert in der Zeichnung dargestellt. In diesem Fall der Probe T1 mit einer dünnen freien Schicht übersteigt eine Vorspannung von V_1/2, bei der die MR-Änderung auf die Hälfte reduziert ist, 0,9 V zum Steuern der Vorspannungsabhängigkeit. Andererseits ist in dem Fall der Proben T2 und T3 mit einer dicken freien Schicht die Vorspannungsabhängigkeit niedrig verglichen mit der eines ferrogmagnetischen Einzeltunnelübergangselements, aber V_1/2 ist geringer als 0,8 V. Das heißt, sie sind klar schlechter gegenüber der Probe T1.
Es ist aus 36 und 37 ersichtlich, dass die dünnere freie Schicht die gesteuerte Zunahme in Entsprechung zu dem feineren Übergang verursacht und die Verbesserung der Vorspannungsabhängigkeit. Wenn die Dicke der freien Schicht 5 nm oder darunter ist, kann das Umkehrmagnetfeld in dem Fall des Elements von der 0,25 μm-Regel zu 7960 A/m (100 Oe) oder darunter gesteuert werden und die Vorspannungsabhängigkeit der MR-Änderung kann verbessert werden. Wenn jedoch die Dicke einer freien Schicht und weniger als 1 nm wird, wird die freie Schicht nicht als kontinuierliche Schicht ausgebildet und sehr wahrscheinlich werden Partikel in eine dielektrische Schicht dispergiert. Demnach kann es schwierig sein, die Übergangseigenschaften zu steuern, und, abhängig von der Größe der Feinpartikel, können sie in einen superparamagnetischen Zustand bei einer Raumtemperatur gelangen, um eine spürbare Reduzierung der MR-Änderung zu verursachen. Daher dürfte die Dicke der freien Schicht vorzugsweise 1 bis 5 nm sein.
Beispiel 8, nützlich für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem ein MRAM mit einer in 14 gezeigten Struktur mit einem SiO₂-Substrat gemacht wurde. SiO₂ wurde auf einem SiO₂-Substrat 121 durch Plasma-CVD abgeschieden. Eine Wortleitung 152 wurde unter Verwendung eines Damaszener-Prozesses ausgebildet. Das heißt, nach dem Anwenden eines Resists wurde ein Resistmuster mit Photolithographie ausgebildet, Gräben wurden auf dem SiO₂ durch RIE verarbeitet, Cu wurde in die Gräben unter Verwendung der Platzierung eingebettet und ein Abflachen wurde durch CMP vorgenommen, um die Wortleitung 152 zu bilden. Dann wurde ein SiO₂-Zwischenschicht-Isolationsfilm mit einer Dicke von 250 nm auf der Wortleitung 152 durch Plasma-CVD ausgebildet.
Die Probe wurde in eine Sputter-Vorrichtung gelegt. Nach dem Festlegen des Anfangsdrucks bei 1,33 × 10^–5 Pa (1 × 10^–7 Torr), wurde Ar in die Vorrichtung eingefügt und der Druck wurde auf einen vorbestimmten Wert festgelegt. Dann wurden sequentiell Schichten von einer TaN-Unterlage/Cu (50 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (5 nm)/Ir₂₂Mn₇₈ (12 nm)/Co₅₀Fe₅₀ (3 nm)/Al₂O₃ (1 nm)/Co₉₀Fe₁₀ (2 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (1 nm)/Co₉₀Fe₁₀ (2 nm)/Ru (0,9 nm)/Co₉₀Fe₁₀ (2 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (1 nm)/Co₉₀Fe₁₀ (2 nm)/Al₂O₃ (1 nm)/Co₈₀Fe₂₀ (3 nm)/Ru (0,9 nm)/Co₈₀Fe₂₀/Ir₂₂Mn₇₈ (12 nm)/Ni₈₁Fe₁₉ (5 nm)/Au-Schutzschicht wurden auf der SiO₂-Zwischenschicht-Isolationsschicht geschichtet. Die Al₂O₃-Schicht wurde durch Abscheiden von Al unter Verwendung eines Al-Ziels in reinem Ar-Gas durch Einfügen von Sauerstoff in die Vorrichtung ohne Unterbrechung des Vakuums und dann durch sein Aussetzen gegenüber einem Plasmasauerstoff erzeugt.
Nach dem Abscheiden einer Si₃N₄-Schicht auf der obigen geschichteten Schicht und Anwenden eines Resists, wurde ein Resistmuster durch Photolithographie ausgebildet, um eine einen Metalldraht 153 definierende Hart-Maske durch RIE auszubilden. Dann wurde Ionen-Fräsen durchgeführt zum Verarbeiten der geschichteten Schicht. Danach wurde das Resistmuster entfernt.
Als Nächstes wurde das Resist aufgebracht, ein eine Übergangsabmessung definierendes Resistmuster wurde durch Photolithographie ausgebildet. Dann wurden die Schichten oberhalb der ersten Al₂O₃-Schicht durch Ionen-Fräsen bearbeitet, wodurch das TMR-Element gebildet wurde. Alle Zellengrößen von den TMR-Elementen wurden auf 0,4 × 0,4 μm² festgelegt. Daraufhin wurde das Resistmuster entfernt.
Als Nächstes, nach dem Abscheiden einer SiO₂-Zwischenschicht-Isolationsschicht durch Plasma-CVD wurde das Abflachen durch ihr Polieren auf eine Dicke von 250 nm durch CMP durchgeführt. Cu und eine Isolationsschicht und Cu wurden über die gesamte Oberfläche geschichtet. Eine Si₃N₄-Schicht wurde auf der geschichteten Schicht abgeschieden. Nach dem Anwenden des Resists wurde ein Resistmuster durch Photolithographie ausgebildet. Nach dem Ausbilden einer Hartmaske durch RIE wurde Ionen-Fräsen durchgeführt zum Ausbilden einer Bitleitung 154, einer Zwischenschicht-Isolationsschicht 155 und der zweiten Wortleitung 156. Dann wurde nach dem Einfügen in einen Wärmebehandlungsofen in dem Magnetfeld die uniaxiale Anisotropie in die magnetische Aufzeichnungsschicht eingefügt und eine uniaxiale Anisotropie in die verstiftete Magnetisierungsschicht.
Das Schreiben wurde auf dem erhaltenen MRAM durch die folgenden drei Verfahren vorgenommen.

(1). Ein Verfahren, bei dem während des Initiierens des Spin-Stroms von 1 mA in das TMR-Element Stromimpulse von 10 ns in die Wortleitung 152 und die zweite Wortleitung 156 fließen gelassen wurde zum Anlegen eines Strommagnetfelds auf eine leichte Achsrichtung und eine harte Achsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115.
(2) Ein Verfahren, in dem nur das Injizieren des Spin-Stroms in das TMR-Element vorgenommen wurde.
(3) Ein Verfahren, bei dem die Stromimpulse von 10 ns in die Wortleitung 152 und die zweite Wortleitung 156 fließen gelassen wurden zum Anlegen eines Strommagnetfelds in einer leichten Achsrichtung und einer harten Achsrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115.

Der Stromimpuls zum Anlegen des Strommagnetfelds in einer Hartachsenrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 wurde festgelegt, um konstant zu sein bei 10 ms und 3 mA.
Die Magnetisierungsumkehr der Magnetisierungsaufzeichnung 115 wurde durch Anlegen eines Richtstroms an die TMR-Zellen nach dem Schreiben und Prüfen, ob es eine Änderung in der Ausgangsspannung gegeben hat, entschieden.
In dem Verfahren von (2), in dem nur das Injizieren eines Spin-Stroms in das TMR-Element vorgenommen wird, wurde keine Magnetisierungsumkehr gefunden, selbst wenn der Strom zu 10 mA zugenommen hatte. In dem Verfahren der 3, in dem das Strommagnetfeld in der Richtung einer Leicht-Achse angewendet wird und das eine Hart-Achse oder der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115, war der Strom zum Anlegen des Strommagnetfelds in der Leicht-Achsenrichtung des magnetischen Aufzeichnungsmediums 114 als auf 4,3 mA erhöht, erforderlich, um die Magnetisierungsumkehr zu verursachen.
Andererseits wurde gemäß dem Verfahren von (1), wenn ein Strom zum Anwenden des Strommagnetfelds in einer Leicht-Achsenrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 während des Injizierens eines Spin-Stroms von 1 mA erhöht wurde, bestätigt, dass die Magnetisierungsumkehr der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 bei einem Strom von 2,6 mA erreicht wurde. Zudem wurde gefunden, dass wiederholte Magnetisierungsumkehr der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 erreicht werden könnte bei dem obigen niedrigen Strom durch Ändern der Richtung des Stroms zum Anwenden des Strommagnetfelds in einer Leicht-Achsenrichtung der magnetischen Aufzeichnungsschicht 115 und dem des in dem TMR-Element fließenden Spin-Stroms.
Demnach kann eine geeignete Struktur zum Injizieren des Spin-Stroms realisiert werden und der in dem Draht zum Anlegen eines Strommagnetfelds fließende Strom und der in dem TMR-Element fließende Strom können reduziert werden, wenn die Struktur des MRAM und das Schreibverfahren gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden. Daher kann selbst wenn die Tragweite und die Größe des TMR-Elements stärker reduziert werden mit höherer Dichte des MRAM das Schmelzen von Draht oder die Zerstörung der Tunnelbarrierenschicht gesteuert werden zum Erhöhen der Zuverlässigkeit.
Beispiel 9, nützlich zum Verständnis der vorliegenden Erfindung
Ein Beispiel, bei dem ein magnetoresistives Element mit einer in 16 gezeigten Struktur gemacht wurde, wird beschrieben. Auf einem thermisch oxidierten Si-Substrat 151 werden eine Unterlage von Ta (10 nm)/NiFe (10 nm), eine erste antiferromagnetische Schicht 162 aus IrMn (50 nm), eine erste ferrogmagnetische Schicht 162 aus Co₉Fe (1,5 nm), ein erster Tunnel-Isolator 163 aus Al₂O₃ (1,5 nm), eine zweite ferrogmagnetische Schicht 164 aus Co₉Fe (1,5 nm), eine erste nicht-magnetische Schicht 165 aus Ru (0,8 nm), eine dritte ferrogmagnetische Schicht 166 aus Co₉Fe (1,5 nm), eine zweite nicht-magnetische Schicht 167 aus Ru (0,8 nm), eine ferrogmagnetische Schicht 168b aus NiFe (2,0 nm), eine vierte ferrogmagnetische Schicht 178 aus Co₉Fe (1,5 nm), ein zweiter Tunnel-Isolator 169 aus Al₂O₃ (1,5 nm), eine fünfte ferrogmagnetische Schicht 170 aus Co₉Fe (1,5 nm), und eine zweite antiferromagnetische Schicht 171 aus IrMn (50 nm) sequentiell unter Verwendung einer Magnetron-Sputter-Vorrichtung geschichtet. In diesem Element bilden die zweite ferrogmagnetische Schicht 164, die erste nicht-magnetische Schicht 165, die dritte ferrogmagnetische Schicht 166, die zweite nicht-magnetische Schicht 167, die ferrogmagnetische Schicht 168b und die vierte ferrogmagnetische Schicht 168 die magnetischen Aufzeichnungsschicht 172. In der magnetische Aufzeichnungsschicht 172 sind die zweiten und dritten ferrogmagnetischen Schichten 164, 166 antiferromagnetisch gekoppelt durch die erste nicht-magnetische Schicht 165 und die dritten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 166 und 168 sind antiferromagnetisch gekoppelt durch die zweite nicht-magnetische Schicht 167. Die NiFe-ferrogmagnetische Schicht 168b ist derart vorgesehen, dass der Magnetisierungswert M3 der dritten ferrogmagnetischen Schicht 166 und der Gesamtmagnetisierungswert M(2-4) der zweiten und vierten ferrogmagnetischen Schichten 16d4 und 168 unterschiedlich voneinander ausgestaltet werden.
Alle Schichten wurden ohne Unterbrechung des Vakuums ausgebildet. Al₂O₃, der die ersten und zweiten Tunnel-Isolatoren 163 und 169 bildet, wurde durch Plasma-Oxidation nach dem Sputtern von Al-Metall ausgebildet. Die Unterlage, die erste antiferromagnetische Schicht 161 und die erste ferrogmagnetische Schicht 162 wurden durch eine Maske mit einer Öffnung einer unteren Verdrahtungsform mit einer Weite von 100 μm abgeschieden. Al, mit dem der erste Tunnel-Isolator 163 zu bedecken war, wurde durch eine Maske mit einer Öffnung mit einer Form des Übergangs abgeschieden. Jede Schicht oberhalb des ersten Tunnel-Isolators 163 wurde durch eine Maske mit einer Öffnung mit einer Form der oberen Verdrahtung mit einer Weite von 100 μm ausgeführt, die sich in der Richtung senkrecht zu der unteren Verdrahtung erstreckt. In der obigen Verarbeitung wurden die obigen Masken in der Vakuumkammer ausgetauscht. Demnach wurde der Übergangsbereich 100 × 100 μm² gemacht. Die uniaxiale Anisotropie wurde in die Schichtoberfläche durch Anwenden des Magnetfelds von 7960 A/m (100 Oe) beim Abscheiden eingefügt.
Von den Messungen des magnetischen Widerstands für die obigen magnetoresistiven Elemente wurde unter Verwendung des Vier-Anschluss-Verfahrens beobachtet, dass es hier jeweils 22% einer MR-Änderung unter einem niedrigen umschaltenden Magnetfeld von etwa 796 A/m (10 Oe) gegeben hat.
Ausführungsform 10
Magnetoresistive Elemente mit kleinerem Übergangsbereich als dem der Ausführungsform 9 und mit der ähnlichen geschichteten Struktur zu der der Ausführungsform 9 durch Feinverarbeitung unter Verwendung der Photolithographie wurden gemacht. Der Bereich des Tunnelübergangs wurde 5 × 5 μm², 1 × 1 μm² oder 0,4 × 0,4 μm² gemacht.
Es wurde von den Messungen des magnetischen Widerstands für die obigen magnetoresistiven Elemente unter Verwendung des Vier-Anschluss-Verfahrens beobachtet, dass es eine MR-Änderung unter einem niedrigen Umschaltmagnetfeld von 955 A/m (12 Oe), 1990 Ak/m (25 Oe), 2786 A/m (35 Oe) jeweils gegeben hat. Es gab keine merkliche Erhöhung in dem Umschaltmagnetfeld selbst unter einem kleinen Übergangsbereich, wie er oben gezeigt wurde. Als Grund wird angenommen, dass das erzeugte diamagnetische Feld nicht von der Elementgröße als solcher abhängt, da geschichtete magnetische Filme antiferromagnetisch gekoppelt für die magnetische Aufzeichnungsschicht verwendet werden.

Claims

Magnetspeichereinrichtung, eine erste verstiftete Magnetisierungsschicht (113) umfassend, deren Magnetisierungsrichtung verstiftet ist, eine erste dielektrische Schicht (114), eine magnetische Aufzeichnungsschicht (115), deren Magnetisierungs-Richtung umkehrbar ist, eine zweite dielektrische Schicht (116), und eine zweite verstiftete Magnetisierungsschicht (117), deren Magnetisierungs-Richtung verstiftet ist; wobei die magnetische Aufzeichnungsschicht (115) einen dreilagigen Film einer magnetischen Schicht (115a), einer nicht-magnetischen Schicht (115b) und einer magnetischen Schicht (115c) umfasst, wobei die beiden magnetischen Schichten des dreilagigen Films antiferromagnetisch gekoppelt sind; die zweite verstiftete Magnetisierungsschicht (117) einen dreilagigen Film aus einer magnetischen Schicht (117a), einer nicht-magnetischen Schicht (117b) und einer magnetischen Schicht (117c) umfasst, wobei die beiden magnetischen Schichten des dreilagigen Films anti-ferromagnetisch gekoppelt sind; und die Magnetisierungsrichtungen der beiden verstifteten Magnetisierungsschichten (113, 117) in Bereichen in Kontakt sind mit den dielektrischen Schichten, die im Wesentlichen antiparallel zueinander sind, wobei eine Länge der ersten verstifteten Magnetisierungsschicht (113) länger ausgestaltet wird als jene der zweiten verstifteten Magnetisierungsschicht (117), und der magnetischen Aufzeichnungsschicht (115).