CN1983444A

CN1983444A - 磁存储器

Info

Publication number: CN1983444A
Application number: CNA2006100924096A
Authority: CN
Inventors: 原谷进
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-12-12
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-06-20
Also published as: US7453721B2; JP2007165449A; US20070133263A1; EP1796101A3; EP1796101A2

Abstract

磁存储器(1)具有：在任意确定方向上延伸的导线(5)、与导线(5)邻近配置的磁阻效应元件(4)、以及与导线(5)中的磁阻效应元件(4)相对的侧上相邻配置的反元件侧轭(20B)，并且该反元件侧轭(20B)的厚度设置为比50nm大并且小于150nm。因与此发明一致的缘故，在写入操作期间，此磁存储器能够使磁化属性均匀，并且用低电流执行写工作。

Description

磁存储器

技术领域

本发明涉及用于在磁阻效应元件中存储信息的磁存储器。

背景技术

近年来，MRAM(磁性随机存取存储器)已经引起了注意，它作为存储单元使用在如计算机和通信设备的信息处理装置中。由于MRAM能够磁性地存储数据，并且因此不需利用任何电部件来维持磁化方向，因此能够避免由于电源故障而丧失信息的缺点，如在易失性存储器DRAM(动态随机存取存储器)和SRAM(静态随机存取存储器)中发生的那样。MRAM在存取速度、可靠性和功耗方面也优于如闪速EEPROM和硬盘这种传统非易失性存储器。因此，MRAM也被认为能够代替如DRAM和SRAM这种易失性存储器的功能以及如闪速EEPROM和硬盘装置的这种非易失性存储器的功能(参考JP-A-11-274599的官方通报)。

在集中到所谓的使得信息在各处同时处理的无所不在的计算的信息装置的发展中，对满足高速处理并且还降低功耗以及即使在电源故障的情况下也允许避免信息损失的这种存储器有共同的认识。MRAM保证满足所有这些要求并且期望发现将来在众多的信息装置中被采用。

具体地说，用户天天携带在身上的卡和便携式信息终端常常无法保证充分的电源。因此，当在公用设施的恶劣环境下处理大量信息时，即使自夸低电耗的MRAM也需要在处理信息的过程中能够进一步减少功耗。

作为能够进一步减少MRAM中的功耗的技术的一个实例，可以在JP-A 2000-90658的官方通报、JP-A 2004-128430的官方通报、或者在2002年11月18日发行的″Nikkei Electronics″133页中公开的磁存储器中得到。此磁存储器提供于它的各个单独的存储器区(存储单元)中，具有位线、布置为垂直于位线的字线、以及在位线和字线之间其交叉点的位置布置的隧道磁阻效应(TMR)元件。此外，此磁存储器在位线或者字线中的TMR元件附近提供用来环绕导线的轭(磁场控制层)。轭由高磁导率的铁磁体构成，并且能够满足降低位线或者字线的磁通量渗漏以将磁通量集中在TMR元件上的角色。因此，即使利用低电耗也能够获得变换TMR元件的磁化状态所需的磁场。此外，磁通量能够集中于TMR元件。

顺便说一下，TMR元件备有第一磁化层(磁敏感层)，能够通过外部磁场改变磁化方向；第二磁层，具有固定的磁化方向；以及无磁性绝缘层，它***在第一磁层和第二磁层之间，适于通过控制第一磁层的磁化方向平行于或者不平行于第二磁层的磁化方向来记忆二进制数据。

但是，本发明人作出的另一研究表明，即使采用轭的磁存储器也并不总是没有不能节省功耗的可能性。轭相当威胁如需要大功耗来产生磁场的这种问题，并且由于它自己的内部磁场的影响，在它碰巧具有没有适当考虑的形状时阻碍磁存储器。

由于TMR元件配置为通过变换磁层的磁化方向来存储二进制数据，因此使变换此磁化方向所需的功耗在本文涉及的两个方向中良好平衡很重要。例如，其中在一个方向变换磁场增加功耗同时在另一方向中变换磁场导致功耗的减少，实质上没有获得低电耗。因此，在轭的磁化方向丧失良好平衡时，轭的采用必然伴有对电流的复杂控制问题，以及在写操作期间的定时控制问题。

当轭经历其中出现多个磁畴的情况时，位线和字线的磁化状态变化导致发出巴克噪音，这种噪声构成对写属性损坏的原因。

鉴于以上枚举的问题，此发明的目的在于抑制写磁场的偏移同时降低在磁存储器中写入过程期间的功耗。

发明内容

着眼于达到如上所述的目的，根据此发明磁存储器的特征在于，配置了在任意确定方向上延伸的导线、与导线邻近布置的磁阻效应元件、以及与导线中的磁阻效应元件相对的侧面相邻布置的侧轭。此磁存储器的特征在于如下事实：反元件侧轭的厚度比50mm大同时小于150nm。

如果反元件侧轭过度小，则该不足将导致不可避免地削弱在反元件侧轭中产生的磁场，并且使得磁阻效应元件不再能够产生磁存储器所需的足够磁场。同时，如果反元件侧轭过度大，则该过大将导致不可避免地提高使反元件侧轭能够产生磁场所需的电流的消耗。因此，通过使此范围符合本发明，使得有可能在反元件侧轭中产生的磁场和为此产生消耗的电流量之间建立理想的平衡，并且保证磁阻效应元件中信号的有效写入。

此发明预期的磁存储器配置了在任意确定方向上延伸的导线、与导线邻近布置的磁阻效应元件、以及与导线中的磁阻效应元件相对的侧面相邻布置的反元件侧轭。此磁存储器的特征在于如下事实：反元件侧轭沿导线长度方向的大小比反元件侧轭沿导线横向方向的大小的二分之一大，比它的两倍小。

通过满足这个范围，能够使反元件轭的形状在导线的圆周方向变得狭窄和长，因此抑制不可避免的反元件侧轭内导线的圆周方向的(一侧)的磁化自发发生。因此，使得有可能允许在导线圆周上产生的磁化在两个方向上都理想地平衡，并且允许信号集中到将在其中以高速有效写入的磁阻效应元件。如果反元件侧轭在导线延伸的方向具有过长的形状，则过长将可能导致在反元件侧轭中感应磁畴的形成，并且阻止了轭中磁化改变平滑地进行(由于响应退化)。如果元件尺寸过大，则过大的尺寸将可能导致由于电流流向导线而产生的磁场的响应性的损坏。因此，在实现此发明时，有可能在导线***的两个方向有效地以高响应度感应磁场的产生。

此外，此发明预期的磁存储器配置了在任意确定方向上延伸的导线、与导线邻近布置的磁阻效应元件、以及与线中的磁阻效应元件布置在相同侧上的元件侧轭。此磁存储器的特征在于如下事实：元件侧轭的厚度比10nm大同时小于30nm。

如果元件侧轭具有过度小的厚度，则此不足将导致从轭产生的磁场很小，并且降低写效率。如果它厚度过大，则过大的厚度将可能导致轭中形成磁畴并且阻止轭的磁化改变平滑地进行。当这个轭满足本发明时，能够将磁场集中在磁阻效应元件中同时保证保持高响应度。

此外，此发明预期的磁存储器配置了在任意确定方向上延伸的导线、与导线邻近布置的磁阻效应元件、以及与导线中的磁阻效应元件布置在相同侧上的元件侧轭。此磁存储器的特征在于如下事实：它满足公式：2.5＜A/B＜7.5，其中A表示上述的元件侧轭的厚度，并且B是磁阻效应元件的厚度。

然后，此发明预期的磁存储器配置了在任意确定方向上延伸的导线、与导线邻近布置的磁阻效应元件、以及与导线中的磁阻效应元件布置在相同侧上的元件侧轭。此磁存储器的特征在于如下事实：元件侧轭沿导线长度方向的大小设置为使得比磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的一倍大，并且小于磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的五倍。

此外，它还配置了在任意确定方向上延伸的导线、与导线邻近布置的磁阻效应元件、以及沿导线的圆周方向布置的轭结构，并且其特征在于如下事实：形成在与轭结构中磁阻效应元件相对侧上的反元件侧轭的厚度设置为比形成在轭结构中与磁阻效应元件相对侧上的元件侧轭的厚度大。在磁存储器满足此发明时，它能够通过使反元件侧轭设置为大的壁厚度来有效地提供磁阻效应元件，以获得对磁场渗漏的正抑制并且允许这个磁场经小的壁厚度的元件侧轭集中。在此情况下，反元件侧轭的厚度最好设置为比50nm大并且小于150nm，并且同时，元件侧轭的厚度设置为比10nm大并且小于30nm。

然后，此发明预期的磁存储器配置了导线，它在任意确定的方向上延伸；磁阻效应元件，布置为与导线相邻；以及轭结构，沿导线的圆周方向布置，并且通过在部分圆周方向中配置一个间隙以在该间隙中容纳磁阻效应元件而实现，其特征在于如下事实：轭结构沿导线长度方向的最大外部尺寸设置为使得它比轭结构沿导线横向方向的最大外部尺寸的二分之一大，比它的两倍小。本发明的磁存储器优选的特征在于如下事实：元件侧轭沿导线长度方向的大小设置为使得它比磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的一倍大，并且小于磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的5倍，其中所述导线构成轭结构中磁阻效应元件的邻域。

然后，此发明预期的磁存储器配置了在任意确定方向延伸的导线、与该导线邻近布置的磁阻效应元件、以及与导线中磁阻效应元件相对的侧邻近布置的反元件侧轭、以及布置在与导线中磁阻效应元件相同侧上的元件侧轭。此磁存储器的特征在于如下事实：反元件侧轭的厚度设置为它比元件侧轭的厚度大。在此发明中，反元件侧轭的厚度最好设置为比50nm大并且小于150nm，并且同时，元件侧轭的厚度设置为比10nm大并且小于30nm。

此外，此发明预期的磁存储器配置了：导线，它在任意确定的方向上延伸；磁阻效应元件，布置为与导线相邻；以及反元件侧轭，布置为与导线中的磁阻效应元件相对的侧邻近；以及元件侧轭，布置在与导线中的磁阻效应元件相同侧上，并且其特征在于如下事实：反元件侧轭沿导线长度方向的大小设置为比磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的一倍大，并且比磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的5倍小。

此发明的实施例的任何上述模式预期的磁存储器优选地特征在于，它还包括一对侧部轭，用于将元件侧轭的相邻相对端子的邻域与反元件侧轭的相邻相对端子的邻域相连。

然后，此发明预期的磁存储器配置了：导线，它在任意确定的方向上延伸；磁阻效应元件，布置为与导线相邻；反元件侧轭，布置为与导线中的磁阻效应元件相对的侧邻近；元件侧轭，布置在与导线中的磁阻效应元件相同侧上，以及一对侧部轭，用于将元件侧轭的相邻相对端子的邻域和反元件侧轭的相邻相对端子的邻域相连，并且其特征在于如下事实：元件侧轭沿导线长度方向的外部大小设置为比所述一对侧部轭之间的距离的二分之一大，比该距离的两倍小。

此发明能够稳定从导线产生的磁场，平滑由于磁场的改变出现在轭中的磁化改变，以及显现增强写属性同时减少功耗的效果。

附图说明

本发明的上述及其它目的、特征和优点从以下描述以及所附的权利要求书、连同附图而变得显而易见。

图1是图解根据本发明的第一实施例的磁存储器的整体结构的示意图。

图2是图解放大比例尺的磁存储器的存储单元的示意图。

图3是图解三维的存储单元的内部结构的放大透视图。

图4是图解放大比例尺的存储单元中晶体管的结构的横截面。

图5是图解放大比例尺的存储单元中铁磁轭结构的构成的横截面。

图6是图解放大比例尺的磁层中布置的磁阻效应元件的层状结构的侧视图。

图7是图解作为模式标本的磁层中铁磁轭结构的磁化状态的局部剖面透视图。

图8是图解作为模式标本的磁层中铁磁轭结构的磁化状态的局部剖面透视图。

图9是图解作为模式标本的磁层中铁磁轭结构的磁化状态的局部剖面透视图。

图10是模拟图解在铁磁轭结构的反元件侧轭的厚度改变期间电流大小的改变的简图。

图11是图解在铁磁轭结构的反元件侧轭的厚度改变期间电流大小改变的表格图。

图12是图解在铁磁轭结构的元件侧轭厚度改变期间电流大小改变的表格图。

图13是图解在铁磁轭结构沿导线长度方向的大小和铁磁轭结构沿导线横向方向的大小之比改变期间电流大小改变的表格图。

图14是图解在铁磁轭结构中沿导线长度方向的元件侧轭的大小改变期间电流大小改变的表格图。

图15是图解磁存储器的构成的另一个实例的侧视图。

图16是图解由本发明的实施例的第二模式预期的磁存储器的整体结构的示意图。

图17是图解放大比例尺的磁存储器的存储单元的示意图。

图18是图解存储单元的内部结构的放大横截面。

具体实施方式

现在，将在下面参考附图描述根据此发明的磁存储器的实施例模式。在附图的描述中，相同的部件将用相同的附图标记表示，并且省略重复的说明。

图1是图解根据本发明的第一实施例的磁存储器1的整体结构的示意图。磁存储器1配置了：存储器部分2、位选择电路11、字选择电路12、位线13和14、以及字线15、16。在存储器部分2中，多个存储单元3二维地排列在m列和n行的阵列中(m和n分别表示不小于2的整数)。如图2中放大比例尺的图解，存储器区3各自配置了：TMR元件4、组合读写线5、组合读写晶体管6、读出线7、铁磁轭结构20等等。顺便说一下，组合读写线5排列为使得从位线13引入。顺便提及，由于组合读写线5这样放置以便从位线13引入，因此存储单元3分别具有组合读写线5、铁磁轭结构20等。

TMR(隧道磁阻效应)元件4具有根据磁化方向的改变而改变它自身电阻的大小的功能。电阻这个大小的改变状态导致TMR元件4中写入二进制数据。改变TMR元件4的磁化方向的外部磁场由组合读写线5产生。

组合读写线5的一端经组合读写晶体管5电连接到位线13。组合读写线5的另一端电连接到位线14。组合读写晶体管6是一个开关部件，用于控制组合读写线5中写电流和读电流的通道，其中组合读写线5连接到它的漏极和源极中的任一个并且位线13连接到它的另外一个。此外，字线15连接到组合读写晶体管6的栅极。因此，组合读写线5借助于组合读写晶体管6获取提供的电流，并且借助于这个电流在它的***产生磁场。

读出线7的一端连接到TMR元件4并且它的另一端连接到字线16，并且二极管***在两端之间。在TMR元件4中，通过将组合读写线5连接到与连接了字线16的侧相对的表面而向其提供读电流。顺便说一下，由于在读出线7中存在二极管，因此有可能阻止回转电流从字线16流向TMR元件4。

位线13和14配置给布置为阵列图案的多行存储单元3中的每一个。位线13连接到属于相关行的所有存储单元3中的组合读写晶体管6，并且通过组合读写晶体管6连接到组合读写线5的一侧端子。然后，位线14连接到属于相关行的所有存储单元3中的组合读写线5的另一侧端子。电流流向组合读写线5通过允许组合读写晶体管6导通同时在位线13和位线14之间给出电位差而开始。

字线15和16布置在存储单元3的各个列中。字线15连接到属于相关列的所有存储单元3中的组合读写晶体管的栅极。然后，字线15和16经属于相关列的所有存储单元3中的组合读写线7连接到TMR元件4。

再参考图1，位选择电路11具有向各个存储单元3中的组合读写线5提供正的或者负的写电流的功能。具体地说，位选择电路11包括地址解码器，用于响应于内部或者外部指定地址而从布置在阵列型式的存储单元3选择指定行；以及电流驱动电路，用于对应于选择的指定行在位线13和14之间提供正或负的电位差，并且提供写电流到配置在指定行的位线13和14之间的组合读写线5。

字选择电路12包括地址解码器电路，用于响应于内部或外部指定地址从布置为阵列型式的存储单元3选择指定列；以及电流驱动电路，用于对应于指定列向字线15和16提供指定电压。因此，能够使组合读写晶体管6通过借助于字选择电路12对对应于指定列的字线15施加控制电压来获取连续性。通过这种连续性控制，能够确定向由位选择电路11选择的地址的组合读写线5提供和不提供写电流之间的选择。还能够使字选择电路12通过向字线16施加指定电压来控制读电流。具体地说，在位选择电路11中，对应于内部或者外部指定地址的行由地址解码器电路选择，并且将指定电压施加到有关的位线13。同时，在字选择电路12中，通过选择对应于地址解码器电路的地址的列并且施加指定电压到对应于该列的字线16，从而在位线13和字线16之间提供读电流。在这个时候，通过也施加电压到选择列中的字线15，从而根据组合读写晶体管6控制读电流的传导。

现在，将在下面解释磁存储器1中存储单元3的具体结构。图3是三维图解存储单元3中的导线状态的透视图。存储单元3从上到下，大致配置了半导体层、导线层以及磁性材料层。半导体层包含没有具体图解的半导体衬底，保持整个存储单元3的机械强度，并形成这种半导体器件作为组合读写晶体管6。在最高磁性材料层中，形成诸如TMR元件4的磁性材料的这种结构性物件以及适合于有效地向TMR元件4提供磁场的铁磁轭结构20。在中间位置的导线层中，形成位线13和14、字线1 5和16、组合读写导线5的一部分以及读出线7。

半导体层中的组合读写晶体管6形成为封装在绝缘区中，并且适于将多个相邻的组合读写晶体管6电气分离。绝缘区由诸如例如SiO₂的这种绝缘材料形成，并且半导体衬底由例如Si基础形成，并且一定掺杂有p型或者n型杂质。

如图4中放大比例尺图解的组合读写晶体管6由用于构成与半导体衬底30相反传导类型的漏极区6A、源极区6B、栅电极6C等组成。因此，介于漏极区6A和源极区6B之间的半导体衬底30和栅电极6C布置在半导体衬底30的一个指定间隙上。栅电极6C由字线15形成。由于这种构成，向字线15施加电压导致得到组合读写晶体管6的漏极区6A和源极区6C的相互连续性，结果是从位线13提供的电流将流向组合读写导线5。

再参考图3，导线层中除去导线、即位线13和14以及字线15和16的区域全部由绝缘区占有。作为绝缘区的材料，如SiO₂的这种绝缘材料类似于半导体层的绝缘区使用。然后，例如W或Al可以用作导线材料。

与TMR元件4邻接的组合读写导线5在存储单元3的阵列表面(平面)方向延伸，并且假定在该面中弯曲为字母L的形状。此外，组合读写导线5的一端在垂直于该平面的方向弯曲，并能够形成垂直导线，并且在它的下侧连接到位线14。组合读写导线5的另一端在类似地垂直于该平面的方向弯曲，并形成垂直导线，并且能够在它的下端与组合读写晶体管6的漏极区6A形成电阻连接。

然后，对于各个存储单元3，位线13具有形成为在平面方向分支的引入线13A，并且前向部分在垂直方向弯曲，并能够与组合读写晶体管6的源极区6B形成电阻连接。读出线7也在该平面方向延伸，在它的一端电连接到TMR元件4，并且在另一端在垂直方向弯曲并且在它的下侧连接到字线16。

在线方向延伸的字线15的一部分充当栅电极6C。这个事实的意义和将字线15电连接到组合读写晶体管6的栅电极6C是一样的。

下面将参考图5等解释磁性材料层。磁性材料层配置了：TMR元件4、铁磁轭结构20、部分组合读写导线5、部分读出线7等等。顺便说一下，在磁性材料层中，下面将解释的构成以及除了其它导线之外的区域由绝缘区域24占据。

如图6中以放大比例尺图解的TMR元件4配置有：第一磁层(自由层/磁敏感层)4A，它的磁化方向通过外部磁场改变；第二磁层(栓层)4B，其磁化方向固定；非磁性绝缘层(绝缘体层)4C，***在第一磁层4A和第二磁层4B之间；以及反铁磁层4D，适合于固定(约束)第二磁层4B的磁化方向。这个TMR元件4具有一种性质，使得在第一磁层4A的磁化方向响应外部磁场而改变时，第一磁层4A和第二磁层4B之间的电阻大小也改变。通过电阻大小的这个差异，能够记录二进制数据。顺便说一下，对于第一磁层4A的材料，可以利用例如Co、CoFe、NiFe、NiFeCo或CoPt的铁磁材料。

第二磁层4B通过反铁磁层4D固定它的磁化方向。具体地说，通过反铁磁层4D和第二磁层4B之间的界面中的互换耦合，第二磁层4B的磁化方向的定向稳定在一个方向上。第二磁层4B的易磁化轴方向沿第一磁层4A的易磁化轴方向设置。对于第二磁层4B的材料，可以利用例如Co、CoFe、NiFe、NiFeCo或CoPt的铁磁材料。然后，对于反铁磁层4D的材料，可以利用例如IrMn、PtMn、FeMn、PtPdMn、NiO或它们的任意组合的材料。

非磁性绝缘层4C是由非磁性和绝缘材料形成的一层，该层***在第一磁层4A和第二磁层4B之间，以便产生隧道磁阻效应(TMR)。更具体地说，它具有取决于第一磁层4A和第二磁层4B之间磁化方向的相对性(即平行或不平行)改变电阻大小的特性。作为适于非磁性绝缘层4C的材料，可以利用例如Al、Zn和Mg的这种金属的氧化物或氮化物。

为了稳定第二磁层4B的磁化方向，第二磁层4B可以用第二磁层/非磁性金属层/第三磁层的三层结构代替，尽管没有具体图示。这里，第三磁层是与反铁磁层4D接触所需的。通过适当地设置非磁性金属层的厚度，第三磁层和第二磁层的磁化方向能够保持在反平行状态，并且第二磁层的磁化方向能够通过由第三磁层与第二磁层感应的互换作用稳定。尽管第三磁层的材料不需要特别限制，但可以优选地使用例如Co、CoF、NiFe、NiFeCo和CoPt的这种铁磁材料，或者单独或者组合使用。作为适于第三磁层的材料，可以使用例如Co、CoF、CoFe、NiFe、NiFeCo和CoPt的这种铁磁材料，或者单独或者组合使用。作为***在第二磁层和第三磁层之间的非磁性金属层的材料，Ru、Rh、Ir、Cu和Ag证明是有利的。

TMR元件4的反铁磁层4D经金属层19电连接到组合读写导线5。TMR元件4的第一磁层4A电连接到读出线7。由于这个构成，使得有可能从组合读写导线5经TMR元件4提供读电流到读出线7，并且检测TMR元件4电阻大小的变化。顺便说一下，铁磁轭结构20配置为封装邻接与TMR元件4相邻的组合读写导线5中TMR元件4的区域5A(参考图3)。顺便说一下，TMR元件4的第一磁层4A的易磁化轴设置为使得沿与组合读写导线5的长度方向交叉的方向(即与写电流方向交叉的方向)放置。

再参考图5，铁磁轭结构20由元件侧轭20A、反元件侧轭20B以及一对侧部轭20C和20C组成，其中元件侧轭20A邻近地配置在延伸组合读写导线5中的TMR元件侧上，反元件侧轭20B邻近地配置在延伸组合读写导线5中与TMR元件4相对的侧上，一对侧部轭20C和20C通过连接到元件侧轭20A的相对端子和反元件侧轭20B的相对端子几乎环绕铁磁轭结构20，以便组合读写导线5经过它的内部。

间隙20E形成在元件侧轭20A推理的方向的中途，并且TMR元件4配置为介于在这个间隙20E之间。当轴向观察铁磁轭结构时，发现铁磁轭结构20覆盖组合读写导线5的***并且由于在圆周方向的一部分上形成间隙20E而呈现字母C的形状。因此，容纳在铁磁轭结构20的一部分中的TMR元件4用作使TMR元件4能够接近导线5的用途，并且元件侧轭20A和反元件侧轭20B之间的距离L成比例地狭窄(即，使侧部轭20C和20C的长度减少)。本实施例已经描述为通过金属层19电连接导线5和TMR元件4。选择性地，导线5可变成专有的写导线，以保持导线5和TMR元件4处于互相绝缘状态并且可以独立地形成金属薄膜导线并用于保证到TMR元件4的一个表面的专有读电流的连续性。

顺便说一下，绝缘体22***在铁磁轭结构20和配置在其中的组合读写导线之间，并且***在元件侧轭20A和TMR元件4之间，以免它们会彼此接触并且引起电短路。

铁磁轭结构20的详细大小将在下面参考图7描述。

反元件侧轭20B的厚度TZ，如图7(A)所示，设置为比元件侧轭20A的厚度BZ大。具体地说，反元件侧轭的厚度TZ设置在比50nm大并且小于150nm的范围中，并且元件侧轭的厚度BZ设置在比10nm大并且小于30nm的范围中。

然后，反元件侧轭20B沿导线长度方向的大小设置为比铁磁轭结构20沿导线横向方向的最大外部大小(即反元件侧轭20B沿导线横向方向的大小TX)的二分之一大，并且比它的两倍小。

此外，如图7(B)所示，元件侧轭20A沿导线长度方向的大小BY设置为比100nm长并且比1000nm短。关于TMR元件4，此大小设置在比TMR元件4沿导线长度方向的大小MY的一倍大，并且比它的5倍小。

顺便说一下，在本实施例中的铁磁轭结构修改为从组合读写导线5的延伸方向轴向观察，形成几乎梯形形状。简而言之，在反元件例轭20B构成上底并且与之平行的元件侧轭20A构成下底的情况下，本实施例使元件侧轭20A(构成下底)比反元件侧轭20B(构成上底)更长，并且由于这个长度的差异，使得一对侧部轭20C和20C倾斜。因此，具体地说，侧部轭20C和20C的上端侧现在可以接近组合读写导线5，并且由于相关区域壁厚度增加的这个事实，因此能够有效地抑制与TMR元件4相对侧上的磁通量。此外，通过缩短以及成比例地更加倾斜侧部轭20C，使得有可能允许侧部轭20C和反元件侧轭20B通过一系列的处理整体地制造在一个膜中并且也允许生产成本下降。顺便说一下，作为用于形成铁磁轭结构20的铁磁材料，适当地利用例如包含元素Ni、Fe和Co中的至少一种的金属。

下面将参考图7-图9解释在本实施例的磁存储器1中的TMR元件4中写信息的操作。

组合读写导线5产生的磁场无法在不存在电流流向组合读写导线5时发生，如图7(A)所示。因此，由于形成铁磁轭结构20的效果，铁磁轭结构20的磁化状态X以几乎一致于组合读写导线5的延伸方向的状态构成单个磁畴或者具有变化方向的多个磁畴。因此，抑制了铁磁轭结构20在组合读写导线5的圆周方向构成单个磁畴。TRM元件4中第二磁层4B的磁化方向B和第一磁层4A的磁化方向A在这里彼此相符。在本实施例中，定义在磁化方向A和B彼此相符时已经写入二进制数据0。

当写电流I1流向组合读写导线5时，如图8所示，围绕组合读写导线5产生圆周方向的磁场F1。磁场F1在配置在它的***上的铁磁轭结构5的内部运转并因此形成一个闭合路径。尽管受到内部磁场的影响，但以此磁场F1以这种方式引导的铁磁轭结构20的磁化状态X使得磁化方向平滑地旋转90度，直到它与磁场F1的方向相符。在这个时候，磁场F1的泄漏能够被有效抑制，并且引导到TMR元件4，因为反元件侧轭20B形成为大的壁厚度。

因此，由组合读写导线5产生的磁化状态F1和在铁磁轭结构20中产生磁化状态X的综合引起的强磁场集中在具有小的壁厚度的元件侧轭20A中，并且因此作用于TMR元件4中的第一磁层4A并引起它的磁化方向A的反转。当组合读写导线5的电流I1的流动在此状态下中止时，TMR元件4的磁化状态X保持在反转状态下，如图8所示。由于磁化方向A和B保持在相反的状态，因此在这里写入二进制数据1。

当写电流I2接下来在与组合读写导线5中的电流I1相反的方向流动时，如图9所示，围绕组合读写导线5产生在圆周定向的磁场F2。磁场F2形成一个闭合路径，它在其圆周形成的铁磁轭结构20的内部运转。以此磁场F2引导的铁磁轭结构20的磁化状态X使得磁化方向平滑地旋转90度，直到它与磁场F2的方向相符。

因此，由组合读写导线5产生的磁化状态F2和在铁磁轭结构20中产生磁化状态X被综合，并且由此形成的强磁场作用于TMR元件中的第一磁层4A并反转磁化方向A，直到它与第二磁层4B的磁化方向B一致。由于磁化方向A和B的一致，TMR元件4引起再次在这里写入二进制数据0。

顺便说一下，在读出已经写入TMR元件中的二进制数据的情况下，读电流在组合读写导线5和读出线7之间传递，并且检测电流大小的变化或者两个导线之间电位差的变化。这个过程显出TMR元件4的电阻大小并且确定是否已经记录两个二进制数据中的任一个(即通过区别第一磁层4A的磁化方向A和第二磁层4B的磁化方向B彼此是平行或者不平行)。当例如第一磁层4A的磁化方向A与第二磁层4B的磁化方向B一致时，由于非磁性绝缘层4C中隧道磁阻效应(TMR)的原因，第一磁层4A和第二磁层4B之间的电阻大小变成相当小。相反，当磁化方向A和磁化方向B为相反方向时，由于隧道磁阻效应的原因，第一磁层4A和第二磁层4B之间的电阻变成相当大。

图10是在反元件侧轭20B的厚度TZ(nm)改变时，模拟在铁磁轭结构20中引起的写电流的大小Iw(mA)的变化的曲线图。从图中给出的结果可以看出，很明显写电流Iw在厚度TZ设置在50nm附近时最小。也很明显的是，写电流Iw在厚度小于50nm时突然增大。也很明显的是，当厚度TZ增加到超过150nm时，写电流Iw不可避免地超过10mA并且变得不适于实际用途。因此，显然反元件侧轭20B的厚度TZ设置在比50nm大并且小于150nm的范围中，并且更优选的设置在比50nm大并且小于100nm的范围中。顺便说一下，本模拟采用如下设置情况：设置组合读写导线5的宽度WW为500nm，TMR元件4沿导线横向方向的大小TX为200nm，TMR元件4沿其导线长度方向的大小TY为200nm，元件侧轭20A沿导线横向方向的大小BX为1500nm，并且元件侧轭20A沿导线长度方向的大小BY为900nm。

图11(A)显示通过准备三个试验件(#1、#2、#3)执行的测试结果，其中设置各个样品的磁轭结构20中反元件侧轭20B的厚度TZ为两个值中的任何一个：50nm和100nm，并且测量写电流的大小Iw。在所有的测试运行中，电流量不超过4(mA)，事实证明写入能够用很小的电流执行。由于三个试验件中铁磁轭结构20的其它大小显示在图11(B)中，因此将在下面的说明中省略。

产生这种现象的主要因素可以归于以下方面。当反元件侧轭20B的厚度过度小时，则反元件侧轭中产生的磁场不可避免地被削弱，因此抑制磁场泄漏的效果下降并且磁阻效应元件不能够产生磁存储器所需的足够磁场。当反元件侧轭20B的厚度过度大时，则电功率消耗不可避免地提高，因为反元件侧轭20B经历了产生内部磁场所需的能量的增大。因此，通过使该范围符合本实施例模式，反元件侧轭20B产生的磁场以及这个产生所消耗的电功率理想地平衡。

然后，在图12(A)中，通过准备四个试验件(#1、#2、#3、#4)执行的测试中发现写电流的大小Iw(mA)的改变并且改变各个样品的铁磁轭结构20中元件侧轭20A的厚度BZ(nm)。从这个测试的结果可以看出，很明显除了测试件(#2)之外的所有测试件中，写电流Iw在厚度BZ设置在20nm附近时最小。因此，证明优选地使元件侧轭的厚度BZ设置在中间值为20nm并且大于10nm小于30nm的小范围中。由于四个试验件中铁磁轭结构20的其它大小显示在图12(B)中，因此将在下面的说明中省略。

关于元件侧轭20A，类似于反元件侧轭20B，过度小的厚度导致从引线端产生的磁场减小，并且降低写效率。同时，厚度过大可能导致铁磁轭结构20在其中形成磁畴并且阻止元件侧轭20A平滑地改变引线端的磁化。

但是，根据图11和图12显示的结果，很明显，元件侧轭20A的最佳厚度总体上比反元件侧轭20B的最佳厚度更小。因此，通过使元件侧轭20A的厚度BZ小于反元件侧轭20B的厚度TZ，有可能积极地抑制反元件侧轭20B上磁场的泄漏，将磁场引导到元件侧轭20A，并且有效地将这个磁场施加到TMR元件4，其中在形成为小的壁厚度的元件侧轭20A中具有快速的响应度。

在图13中，在通过准备四个试验件(#1、#2、#3、#4)执行的测试中发现写电流的大小Iw(mA)改变的状态，设置反元件侧轭20B沿各个样品的铁磁轭结构20中的导线的横向方向的大小TX为1.4μm(1400nm)，并且改变反元件侧轭20B沿导线长度方向的大小TY。从图中清楚的看到，在比率TY/TX不足0.5时，写电流Iw不可避免地过度增大。顺便说一下，由于在本试验件中，反元件侧轭20B沿导线横向方向的大小TX和元件侧轭20A沿相同方向的大小BX几乎相等，因此以上显示的测试结果在改为使用大小BX时也相同。

当反元件侧轭20B的整个形状在组合读写导线5的长度方向短，并且在横向方向过度长时，它不可避免地导致自发形成反元件侧轭20B中组合读写导线5圆周方向的内部磁场，并且使内部磁场的中和趋于零。因此，如在本实施例模式中那样，推论通过使TY比BX的二分之一大，使得有可能抑制圆周方向的内部磁场的发生，即使在电流在组合读写导线5的双方向流过时，两个圆周方向的磁场也能够快速并且均匀地形成，并且保持功耗低。如果比率TY/BX增加到超过2，超过的部分将导致铁磁轭结构20过度地拉长，事实证明在考虑TMR元件4的面积时不合理。

图14显示在测试中获得的作用于间隙20E的中心(即TMR元件4的中心)的磁场强度(Oe)的模拟结果，测试通过设置元件侧轭20A的厚度BZ为四个值：10nm、20nm、30nm和40nm并且改变各个测试运行沿导线长度方向的大小BY而执行。此模拟基于通过设置从铁磁轭结构20产生的磁场强度为800(emu/cc)并且容纳TMR元件4的间隙的距离为320nm而执行的计算。

根据图14，当元件侧轭20A沿导线长度方向的大小BY不足100nm时，该不足引起磁场强度的突然下降，事实证明不适于写信息。此外，此下降的趋势提高到超出了200nm的限度。同时，当沿导线长度方向的大小BY增加到超过1000nm时，该超出引起几乎固定的磁场强度。因此，通过设置100nm＜BY＜1000nm的范围，并且优选为200nm＜BY＜1000nm的范围，使得有可能获得一种理想的磁场。常常，如TMR元件4沿导线长度方向的大小MX采用在200nm附近的长度。考虑到TMR元件4沿导线长度方向的大小MX的关系，有效的是设置元件侧轭20A沿导线长度方向的大小BX在一个比MX的二分之一大并且比它的5倍小的范围内，并且更优选的是在一个比MX的1倍大并且比它的5倍小的范围内。由于BX变得比MX的二分之一大的事实(优选地比它的1倍大)，能够实现功率节省，因为能够使写磁场作用于TMR元件4的中心区域并且防止元件侧轭20A通过将BY设置为小于MY的5倍的值而变得不足道地过度地大。

根据上述磁存储器1，能够以低的功耗获得大强度的磁场，因为铁磁轭结构20配置为指定的一个形状。此外，在具有配置在阵列图案中的多个存储单元3的情况下，如图1所示，通过组合读写导线5和铁磁轭结构20获得的磁场属性能够均匀化并且写控制能够变得更为方便。

例如，在这种独立结构的情况下，其中该结构具有从位线13引入的用在单独的存储单元3中的组合读写导线5并且具有分别形成铁磁轭结构20的单独的组合读写导线5，由多个铁磁轭结构显示的磁化属性通常趋向于在它们本身之间产生偏移。但是，当铁磁轭结构20配置为指定形状，如本磁存储器1那样时，磁场属性能够稳定并且记录速度等能够在多个存储单元3间均匀化。

然后，当铁磁轭结构20配置在组合读写导线5中时，由于铁磁轭结构20的圆周方向构成铁磁轭结构20的长度方向，因此磁畴易于主要形成在长度方向中。通过将铁磁轭结构20配置为指定空间比率，如本实施例中那样，有可能抑制圆周方向内部磁场的出现并且减少如导致的二进制写入中一个写速度和另一个写速度之间的差异以及在一侧需要的电流电压大小和在另一侧需要的电流电压大小之间的差异的这种不平衡。

然后，在本磁存储器1中，通过进一步降低导线5的壁厚度，能够在总体上使存储单元3变薄。在这种情况下，铁磁轭结构20还可以在圆截面结构中通过稍倾斜元件侧轭20A或反元件侧轭20B的相对端子而直接首尾相连，如图15所示。通过省略如上所述根据用于形成元件侧轭20A的第一轭成膜过程以及用于形成反元件侧轭20B的第二轭成膜过程而形成侧部轭20C和形成铁磁轭结构20的步骤，有可能极大地减少铁磁轭结构20的总厚度并且也减少铁磁轭结构20的壁厚度。在这种情况下，侧部轭20C无法必然地明确定位。在这个时候，足以将元件侧轭20A和反元件侧轭20B的接触点视作侧部轭20C和20C，并且采用侧部轭20C和20C之间最大的距离作为铁磁轭结构20沿导线横向方向的最大大小。

顺便说一下，措辞“在元件侧轭上形成的间隙”用在本发明中指的是铁磁轭结构20采用的成品钢材，并不需要限于连续地形成元件侧轭20A其后执行为了形成间隙的分离工作的情况。例如，可允许形成一对元件侧轭20A，它们彼此独立并且将TMR元件夹在其间。

在图16中，图解了构成本发明的第二实施例的磁存储器101的整体结构。顺便说一下，下面将描述的磁存储器101以不同于第一实施例的地方为主。通过借助于相关附图标记的两个最低有效位的一致性，它与第一实施例共享的部件和元件将在以下描述中省略。

提供此磁存储器101中存储器部分102的各个存储单元103，如图17中放大比例的图示，具有TMR元件104、写入级导线105A、读出级导线105B、写入级晶体管106A、读出级晶体管106B等等。不同于利用组合读写导线的第一实施例，第二实施例的磁存储器101适合于通过将写入级导线105A和读出级导线105B配置为彼此独立，从而减少如回转电流这种原因的噪音。

写入级导线105A的相对端连接到两条位线113和114，并且写入级晶体管106***在这两端之间。因此，通过在位线113和114之间施加电压，并且接通写入级晶体管106A，使得有可能向写入级导线105A提供电流并且产生围绕邻近配置的TMR元件104圆周的磁场。然后，读出级导线105B的相对端也连接到两条位线113和114，并且读出级晶体管106B和TMR元件104***在这些端子之间。因此，通过在位线113和114之间施加电压，并且接通读出级晶体管106B，使得有可能向读出级导线105B提供电流，并且检测TMR元件104电阻大小的变化。顺便说一下，写入级导线106A连接到字线115，并且读出级晶体管106B连接到字线116。因此，通过利用施加到字线115和116的电压，使得有可能彼此独立地切换各个晶体管106A和106B的连续性状态。因此，可以在有需要时从位线113和114向字线115提供电流。

在图18中，以放大比例尺图解铁磁轭结构120。铁磁轭120由元件侧轭120A、反元件侧轭120B以及一对侧部轭120C和120C组成，其中元件侧轭120A配置为邻近写入级导线105A中的TMR元件104侧，反元件侧轭120B配置为邻近写入级导线105A中的TMR元件104的相对侧，并且一对侧部轭120C和120C配置为连接实质上为圆周形状的元件侧轭120A的两端和反元件侧轭120B的两端，并且在其中穿过写入级导线105A。顺便说一下，在元件侧轭120A中形成的间隙中，配置TMR元件104。

TMR元件104和写入级导线105A通过绝缘体122设置为互相绝缘的状态。同时，这个TMR元件104的上端面和下端面连接到读出级导线105B。顺便说一下，读出级导线105B形成为具有这种向下凸的横截面的薄膜结构，以便写入级导线105A和TMR元件104可最充分地彼此接近。顺便说一下，铁磁轭结构120的详细大小等于第一实施例的大小。

这个第二实施例的磁存储器101能够获得与第一实施例相同的效果。由于写入级导线105A和读出级导线105B彼此无关，因此在写操作期间电流能够专门地提供给写入级导线105A。同时，在读出操作的过程期间，电流能够专门地提供给读出级导线105B。因此，写入和读出操作能够进一步地稳定，因为能够避免回转电流，而不必包括例如二极管。

已经描述了第一和第二模式的实施例预期的磁存储器。然而，本发明不限于以上引用的任何实施例，而是允许变化的修改。尽管以上引用的实施例利用TMR元件作为磁阻效应元件，但可以改为利用例如利用巨磁阻效应(GMR)的GMR元件。术语“GMR效应”意思指铁磁层在垂直于叠层方向的方向的电阻大小通过由包括一个非磁性层的两个铁磁层的磁化方向形成的角度而改变。也就是说，在GMR元件中，铁磁层的电阻大小在两个铁磁层的磁化方向彼此平行时最小，并且在两个铁磁层的磁化方向彼此不平行时最大。顺便说一下，TMR元件和GMR元件各个是两个已知的类型，即对位自旋球类型，它通过利用两个铁磁层之间矫磁力的差异实行写入/读出；以及自旋球类型，它通过与反铁磁层的互换耦合固定铁磁层之一的磁化方向。然后，读出GMR元件中的数据是通过检测铁磁层在垂直于叠层方向的方向中的电阻大小而进行的。在GMR元件中写入数据是通过用写电流产生的磁场反转铁磁层之一的磁化方向而进行的。

在上述模式的实施例中，晶体管(组合读写晶体管)用作开关部件，用于控制写电流和读电流。作为开关部件，可以在有需要时采用具有接通/断开电流连续性的功能的变化部件。

本发明预期的磁存储器不限于以上引用的实施例模式，并且当然允许包括变化的修改，并不背离本发明的精神。

本发明能够广泛地使用在如借助于磁阻效应元件记录和保持各种信息的领域中。

Claims

1.一种磁存储器，其特征在于，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

反元件侧轭，邻近所述导线中的所述磁阻效应元件相对的侧配置，并且使得：所述反元件侧轭的厚度比50nm大并且小于150nm。

2.一种磁存储器，其特征在于，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

反元件侧轭，邻近所述导线中的所述磁阻效应元件相对的侧配置，并且使得：

所述反元件侧轭沿所述导线长度方向的大小比所述反元件侧轭沿所述导线横向方向的大小的二分之一大，并且比它的两倍小。

3.一种磁存储器，其特征在于，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

元件侧轭，邻近地配置在与所述导线中的所述磁阻效应元件相同的侧上，并且使得：

所述元件侧轭的厚度比10nm大并且小于30nm。

4.一种磁存储器，其特征在于，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

元件侧轭，邻近地配置在与所述导线中的所述磁阻效应元件相同的侧上，并且满足：

公式：2.5＜A/B＜7.5，其中A表示所述元件侧轭的厚度，并且B表示所述磁阻效应元件的厚度。

5.一种磁存储器，其特征在于，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

所述元件侧轭沿导线长度方向的大小设置为使得比所述磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的一倍大，并且小于所述磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的五倍。

6.一种磁存储器，其特征在于，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

沿所述导线的圆周方向配置的轭结构，以及

使得

构成与所述轭结构中所述磁阻效应元件相对的侧的反元件侧轭的厚度比构成所述轭结构中所述磁阻效应元件的邻域的元件侧轭的厚度大。

7.如权利要求6所述的磁存储器，其中

所述反元件侧轭的厚度设置为使得比50nm大并且小于150nm，以及

所述元件侧轭的厚度设置为使得比10nm大并且小于30nm。

8.一种磁存储器，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

轭结构，沿所述导线的圆周方向配置，在所述圆周方向的一部分中配置有间隙，并且能够在所述间隙中容纳所述磁阻效应元件，并且使得

所述轭结构沿所述导线长度方向的最大外部大小设置为使得比所述轭结构沿所述导线的横向方向的最大外部大小的二分之一大，并且比它的两倍小。

9.如权利要求8所述的磁存储器，其中

构成所述轭结构中的所述磁阻效应元件的邻域的所述元件侧轭沿导线长度方向的大小设置为使得它比所述磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的一倍大，并且小于所述磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的5倍。

10.一种磁存储器，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

反元件侧轭，邻近所述导线中的所述磁阻效应元件相对的侧配置，以及

所述元件侧轭的厚度设置为使得比所述反元件侧轭的厚度大。

11.如权利要求10所述的磁存储器，其中所述反元件侧轭的厚度设置为比50nm大并且小于150nm，并且所述元件侧轭的厚度设置为比10nm大并且小于30nm。

12.一种磁存储器，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线附近配置的磁阻效应元件，以及

所述元件侧轭沿导线长度方向的大小设置为比所述磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的一倍大，并且小于所述磁阻效应元件沿导线长度方向的大小的五倍。

13.如权利要求10、11或12所述的磁存储器，还包括一对侧部轭，用于将所述元件侧轭的相对端的邻域与所述反元件侧轭的相对端的邻域相连。

14.一种磁存储器，包括：

在任意确定的方向中延伸的导线，

邻近所述导线配置的磁阻效应元件，以及

反元件侧轭，邻近所述导线中的所述磁阻效应元件相对的侧配置，

元件侧轭，邻近地配置在与所述导线中的所述磁阻效应元件相同的侧上，以及

一对侧部轭，用于将所述元件侧轭的相对端的邻域与所述反元件侧轭的相对端的邻域相连，并且使得：

所述元件侧轭沿所述导线长度方向的外部大小设置为比所述一对侧部轭之间距离的二分之一大并且比该距离的两倍小。