DE602005004965T2

DE602005004965T2 - Magnetische Speicherzelle und Methode zu Herstellung derselben

Info

Publication number: DE602005004965T2
Application number: DE602005004965T
Authority: DE
Inventors: Keiji Koga
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2025-09-08
Also published as: DE602005004965D1; EP1632951A1; JP2006080164A; US7470964B2; JP4569231B2; EP1632951B1; CN1758371A; US20060056232A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen magnetischen Speicher, der Daten in einem magnetwiderstandsbeständigen Element speichert, und ein Herstellungsverfahren dafür.
Verwandter Hintergrund der Erfindung
In letzter Zeit gibt es ein wachsendes Interesse an einem MRAM (Magnetischer Zufallszugriffsspeicher – Magnetic Random Access Memory) als eine in einem operationsverarbeitenden Gerät, so wie ein Computer und ein Kommunikationsgerät, verwendete Speichervorrichtung. Da das MRAM Daten mit Hilfe des Magnetismus speichert, im Gegensatz zum flüchtigen Speicher, so wie einem DRAM (Dynamischer Speicher mit beliebigem Zugriff – Dynamic Random Access Memory) und SRAM (Statisches RAM – Static RAM), hat es nicht den Nachteil, dass Informationen wegen eines Stromausfalls verloren gehen. Auch ist das MRAM verglichen mit konventionellen nichtflüchtigen Speichern, so wie einem Flash EEPROM und Festplattenspeichergeräten, bezüglich der Zugangsgeschwindigkeit, Zuverlässigkeit, des Energieverbrauchs usw., überlegen. Dementsprechend kann das MRAM sowohl die Funktionen als ein flüchtiger Speicher, so wie einem DRAM und einem SRAM, als auch eines nichtflüchtigen Speichers, so wie einem Flash EEPROM und einem Festplattengerät, durchführen. Eine Informationsvorrichtung, die dazu fähig ist so genannte ubiquitäre bzw. allgegenwärtige Computerinformationsverarbeitung zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort möglich zu machen, ist nun zunehmend in der Entwicklung. Es wird erwartet, dass das MRAM als eine Schlüsselkomponente in solchen Informationsvorrichtungen agieren wird.
39A ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel einer Struktur eines Speicherbereichs 100 in einem konventionellen MRAM zeigt. Das konventionelle MRAM ist mit einer Vielzahl von Verdrahtungen 102 ausgerüstet, die sich in einer Richtung erstrecken, und einer Vielzahl von Verdrahtungen 104, die sich in einer die Verdrahtungen 102 kreuzenden Richtung erstrecken. Der Speicherbereich 100 wird in jedem Bereich gebildet, worin die Verdrahtungen 102 und 104 sich kreuzen. Jeder Speicherbereich 100 hat ein tunnelndes Magnetwiderstandselement (tunneling magnetoresistive element – als TMR-Element bezeichnet) 101, das den tunnelnden Magnetwiderstandseffekt (tunneling magnetoresistive effect – TMR) verwendet. Wie in 39B gezeigt ist, beinhaltet das TMR-Element 100 eine erste magnetische Schicht (magnetisch-sensitive Schicht – magneto-sensitive layer) 101a, von der die Magnetisierungsrichtung A in Abhängigkeit eines externen magnetischen Feldes wechselt, eine zweite magnetische Schicht 101c, von der die Magnetisierungsrichtung B durch eine antiferromagnetische Schicht 101d fixiert ist und eine nichtmagnetische Isolierungsschicht 101b, die zwischen der ersten magnetischen Schicht 101a und der zweiten magnetischen Schicht 101c eingelegt ist. Durch die Steuerung der Magnetisierungsrichtung A der ersten magnetischen Schicht 101a mit Hilfe des synthetischen magnetischen Feldes von den Verdrahtungen 102 und 104, die parallel oder antiparallel zu der Magnetisierungsrichtung B sind, werden Daten von 0 oder 1 in das TMR-Element 101 geschrieben. Der Widerstandswert in der Richtung der Dicke bzw. Stärke des TMR-Elementes 101 variiert in Abhängigkeit von der Magnetisierungsrichtung A in der ersten magnetischen Schicht 101a und der Magnetisierungsrichtung B in der zweiten magnetischen Schicht 101c; d. h. ob die Richtungen parallel oder antiparallel zueinander sind. Dementsprechend wird der Transistor 101 in einen leitenden Zustand versetzt, um den Strom von der mit der ersten magnetischen Schicht 101 verbundenen Verdrahtung 102 zu der mit der zweiten magnetischen Schicht verbundenen Verdrahtung 103 zu leiten, damit die binären Daten aus dem TMR-Element 101 gelesen werden. Basierend auf der Stromgröße oder der Potenzialdifferenz zwischen der ersten magnetischen Schicht 101a und der zweiten magnetischen Schicht 101c wird festgelegt, welcher der Werte der binären Daten aufgezeichnet bzw. eingetragen oder festgehalten wird.
Die gleiche Konfiguration wie des obigen MRAMs ist beispielsweise in den Patentdokumenten 1 und 2 offenbart.
Es besteht das folgende Problem in der Konfiguration des in den 39A und 39B gezeigten MRAMs. Das ist, dass in diesem MRAM bevorzugt wird, dass die Magnetisierungsrichtung A der ersten magnetischen Schicht 101a nur in dem TMR-Element 101 umgekehrt bzw. invertiert wird, dem das magnetische Feld von sowohl den Verdrahtungen 102 als auch 104 gegeben wird. Allerdings bilden die Verdrahtungen 102 und 104 das magnetische Feld zu jedem TMR-Element, das entlang der jeweiligen Ausbreitungsrichtung an geordnet ist. Dementsprechend besteht eine Möglichkeit, dass in einem TMR-Element 101, das ein anderes TMR-Element 101 als Ziel zum Beschreiben mit binären Daten ist, die Magnetisierungsrichtung A der ersten magnetischen Schicht 101 irrtümlicherweise durch das magnetische Feld von der Verdrahtung 102 oder 104 invertiert wird.
Als eine Technik, um solche irrtümlichen Schreibvorgänge zu vermeiden, ist zum Beispiel ein magnetischer Speicher aus dem Patentdokument 3 bekannt. Dieser magnetische Speicher ist mit einem TMR-Element für jeden Speicherbereich (Speicherzelle – memory cell), einer Verdrahtung (Bitzellenverbindung – cell bit line) zum Leiten des Schreibstromes an das TMR-Element und einem mit der Bitzellenlinie bzw. -reihe verbundenen Transistor ausgerüstet. Folglich wird durch eine Steuerung des Schreibstromes zum Schreiben binärer Daten in das TMR-Element unter Verwendung eines Transistors nur dem mit binären Daten zu beschreibenden Ziel-TMR-Element ein magnetisches Feld gegeben.

[Patentschrift 1] Japanische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2001-358315
[Patentschrift 2] Japanische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2002-110938
[Patentschrift 3] Japanische veröffentlichte Patentanmeldung Nr. 2004-153182

Allerdings verbleibt das folgende allgemeine Problem in den in den Dokumenten 1 bis 3 offenbarten Konfigurationen. Dies ist, dass in diesen MRAM-Konfigurationen die TMR-Element zwischen den Verdrahtungen (zum Beispiel die Verdrahtungen 102 in 39A oder Bitlinien BL in der Patentschrift 3 usw.) angeordnet sind, die sich durch eine Vielzahl von Speicherbereichen und das Substrat bzw. Trägermaterial erstrecken. In anderen Worten sind die TMR-Elemente innerhalb der Schicht (Verdrahtungsschicht – wiring layer) angeordnet, in der ein sich über eine Vielzahl von Speicherbereichen erstreckendes Verdrahtungssystem gebildet wird. Andererseits wird auf der Oberfläche des Trägermaterials, auf dem die Verdrahtungsschicht aufgebaut ist, ein Bereich eines Halbleiterelementes, so wie ein Transistor zum Steuern des Stromes zum Lesen der binären Daten aus dem TMR-Element (zum Beispiel der Transistor 105 in 39A usw.) und ein Transistor zum Steuern des Schreibstromes zum Schreiben der binären Daten in das TMR-Element (zum Beispiel der Schreibauswahltransistor 19 in der Patentschrift 3), gebildet. In solch einer Konfiguration eines MRAMs reicht ferromagnetisches Material, so wie Mn, Fe, Ni und Co, das von dem TMR-Element in die Verdrahtungsschicht diffundiert (abwandert), graduell bis zu dem Transistor auf der Oberfläche des Trägermaterials, während die Zeit fortschreitet, und mischt sich mit einem anderen Dotierungsmittel bzw. -stoff oder Dotanden (Kontamination), was eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften des Transistors bewirkt. Dementsprechend ist die Lebenszeit des MRAMs erheblich reduziert. Auch besteht im Herstellungsprozess des MRAMs die Möglichkeit, dass ferromagnetisches Material in den Bereich des Halbleiterelements gemischt wird, das auf der Oberfläche des Trägermaterials gebildet ist.
Das US-Patent 2003/0081454 A1 sieht eine Speicherzelle, einen Speicherschaltkreisblock, ein Datenschreibverfahren und ein Datenleseverfahren vor, die eine Reduktion der Anzahl der Metallschichten, Kosten und der Chipgröße realisieren und die Produktionserträge und die Produktzuverlässigkeit erhöhen.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der oben beschriebenen Probleme vorgeschlagen. Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für einen magnetischen Speicher zur Verfügung zu stellen, das dazu fähig ist, die Diffusion des ferromagnetischen Materials in den Bereich des Halbleiterelementes zu reduzieren und einen magnetischen Speicher zur Verfügung zu stellen, der dazu fähig ist, zu verhindern, dass ferromagnetisches Material in den Bereich des Halbleiterelementes während des Herstellungsverfahrens dafür gemischt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um das obige Problem zu lösen, ist ein magnetischer Speicher gemäß der vorliegenden Erfindung ein magnetischer Speicher, der eine Vielzahl von Speicherbereichen hat, die in einer zweidimensionalen Konfiguration von m Reihen und n Spalten angeordnet sind (m und n sind ganzzahlige Vielfache bzw. integers von 2 oder mehr), wobei der magnetische Speicher umfasst:
eine magnetische Materialschicht, eine Halbleiterschicht und eine Verdrahtungsschicht, die zwischen der magnetischen Materialschicht und der Halbleiterschicht gebildet wird, worin
die magnetische Materialschicht ein magnetwiderstandsbeständiges Element beinhaltet, das eine für ein Magnetfeld empfindliche Schicht beinhaltet, von der die Magnetisierungsrichtung in Abhängigkeit von einem externen Magnetfeld wechselt, das jedem aus der Vielzahl von magnetischem Bereichen zur Verfügung gestellt wird, und eine Schreibverdrahtung, die jedem aus der Vielzahl der magnetischen Bereiche zur Verfügung gestellt wird, um den für ein Magnetfeld empfindlichen Schichten durch einen Schreibstrom ein magnetisches Feld zur Verfügung zu stellen,
wobei die Halbleiterschicht einen Halbleiterbereich beinhaltet, der eine Halbleiterschalteinrichtung zum Steuern des Leitens des Schreibstromes in der Schreibverdrahtung von jedem aus der Vielzahl von Speicherbereichen bildet,
wobei die Schreibverdrahtung eine erste Verdrahtung beinhaltet, die zu jeder Spalte aus der Vielzahl von Speicherbereichen gehört und elektrisch mit der Schreibverdrahtung verbunden ist, die in jedem der Speicherbereiche der dazugehörigen Spalte bzw. Reihe beinhaltet ist, und einer zweiten Verdrahtung, die zu jeder Reihe aus der Vielzahl von Speicherbereichen gehört und in dem Speicherbereich der dazugehörigen Reihe elektrisch mit einem Steueranschluss der Halbleiterschreibschalteinrichtung verbunden ist.
In dem oben beschriebenen magnetischen Speicher wird zwischen der magnetischen Materialschicht, die das TMR-Element beinhaltet, und der Halbleiterschicht, die die Halbleiterschreibschalteinrichtung beinhaltet, die eine Art von Halbleiterelementbereich ist, die Verdrahtungsschicht, welche die erste Verdrahtung beinhaltet, die zu jeder Spalte der Speicherbereiche gehört, und die zweite Verdrahtung, die zu jeder Reihe gehört, gebildet. Wie oben beschrieben wurde, erreicht das von dem TMR-Element diffundierte ferromagnetische Material zwischen der Schicht (magnetische Materialschicht), die das TMR-Element und die Schicht (Halbleiterschicht) beinhaltet, die den Halbleiterbereich beinhaltet, durch das Einlegen einer weiteren Schicht (Schreibschicht – writing layer) kaum bis zur Halbleiterschicht. Dementsprechend kann die Diffusion des ferromagnetischen Materials in die Halbleiterbereiche, welche die Halbleiterschreibschalteinrichtung bilden, reduziert werden. Entsprechend dem oben beschriebenen magnetischen Speicher kann auch der Prozess zur Vorbereitung der magnetischen Materialschicht und der Prozess des Bildens der Verdrahtungsschicht und der Halbleiterschicht von einander separiert werden. Deswegen kann das TMR-Element in einem Zustand gebildet werden, in dem die Verdrahtungsschicht die Halbleiterschreibschalteinrichtung schützt. Dementsprechend kann in dem Herstellungsprozess das ferromagnetische Material davon abgehalten werden, sich in den Halbleiterbereich zu mischen, der die Halbleiterschreibschalteinrichtung bildet.
In dem oben beschriebenen magnetischen Speicher beinhaltet die zweite Verdrahtung, die elektrisch mit dem Steueranschluss für die Halbleiterschreibschalteinrichtung verbunden ist, eine Betriebsart, in der ein Teil der zweiten Verdrahtung allgemein als der Steueranschluss (Elektrode) der Halbleiterschreibvorrichtung dient.
Des Weiteren kann der magnetische Speicher eine Antidiffusionsschicht beinhalten, die zwischen der magnetischen Materialschicht und der Halbleiterschicht gebildet ist, um zu verhindern, dass ein in dem magnetwiderstandsfähigen Element beinhaltetes Element in die Halbleiterschicht diffundiert bzw. sich darin ausbreitet oder damit vermischt. Demzufolge kann die Diffusion von ferromagnetischem Material in dem Halbleiterbereich, der die Halbleiterschreibschalteinrichtung bildet, noch besser reduziert werden. Während des Herstellungsprozesses kann das ferromagnetische Material effektiver davon abgehalten werden, sich in den Halbleiterbereich zu mischen, der die Halbleiterschreibschalteinrichtung bildet.
Darüber hinaus kann in dem magnetischen Speicher die Antidiffusionsschicht wenigstens ein Element beinhalten, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Ti und Ru besteht. Demzufolge kann in der Antidiffusionsschicht die Funktion, das in dem magnetwiderstandsfähigen Element beinhaltenden Elementes davon abzuhalten, in die Halbleiterschicht zu diffundieren, angemessen erreicht werden.
Noch darüber hinaus kann die magnetische Materialschicht in dem Magnetspeicher eine Leseverdrahtung beinhalten, die wiederum aus der Vielzahl von Speicherbereichen zur Verfügung gestellt wird und elektrisch mit dem magnetwiderstandsfähigen Element verbunden ist, um den Lesestrom an das magnetwiderstandsfähige Element zu leiten, wobei die Halbleiterschicht des Weiteren einen Halbleiterbereich beinhaltet, der eine Halbleiterschreibschalteinrichtung zum Steuern des Leitens des Schreibstromes in die Leseverdrahtung in jedem aus der Vielzahl der Speicherbereiche bildet. Demzufolge können die in dem TMR-Element gespeicherten binären Daten angemessen ausgelesen werden. Wie oben beschrieben wurde, ist in dem magnetischen Speicher auch zwischen der Halbleiterschicht und der magnetischen Materialschicht eine Verdrahtungsschicht eingelegt. Dementsprechend kann die Diffusion des ferromagnetischen Materials in den Halbleiterbereich, der die Halbleiterschreibschalteinrichtung bildet, die eine Art von Halbleiterelementbereich ist, reduziert werden. Und des Weiteren ist es während dem Herstellungsprozess möglich, das ferromagnetische Material davon abzuhalten, sich in den Halbleiterbereich zu mischen, der die Halbleiterschreibschalteinrichtung bildet.
Ein Herstellungsverfahren für den magnetischen Speicher gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Herstellungsverfahren eines magnetischen Speichers, der eine Vielzahl von Speicherbereichen hat, die in einer zweidimensionalen Konfiguration von m Reihen und n Spalten angeordnet sind (m, n sind Ganzzahlige von 2 oder mehr), wobei das Verfahren beinhaltet: einen Halbleiterschichtbildungsprozess zum Bilden einer Halbleiterschicht; einen Verdrahtungsschichtbildungsprozess zum Bilden einer Verdrahtungsschicht auf der Halbleiterschicht; und einen Magnetischen-Materialschicht-Bildungsprozess zum Bilden einer magnetischen Materialschicht auf der Verdrahtungsschicht, wobei der Halbleiterschichtbildungsprozess einen Prozess zum Bilden einer Halbleiterschicht beinhaltet, die eine Halbleiterschreibschalteinrichtung in jedem aus der Vielzahl von Speicherbereichen in der Halbleiterschicht bildet, wobei der Verdrahtungsschichtformungsprozess einen Prozess zum Formen einer ersten Verdrahtung beinhaltet, die zu jeder Spalte der Vielzahl von Speicherbereichen gehört, und eine zweite Verdrahtung, die entsprechend jeder Reihe der Vielzahl von Speicherbereichen zur Verfügung gestellt wird, und mit einem Steueranschluss der Halbleiterschreibschalteinrichtung elektrisch verbunden ist, die in jedem der Speicherbereiche in der entsprechenden Reihe der Verdrahtungsschicht beinhaltet ist, wobei der magnetische Materialbildungsprozess einen Prozess zum Bilden eines magnetwiderstandsfähigen Elements beinhaltet, das eine magnetfeldempfindliche Schicht beinhaltet, die jedem aus der Vielzahl der Speicherbereiche zur Verfügung gestellt wird, und deren Magnetisierungsrichtung in Abhängigkeit von einem externen magnetischen Feld wechselt, und wobei eine Schreibverdrahtung, die in jeder aus der Vielzahl der Speicherbereiche gebildet und mit der ersten Verdrahtung elektrisch verbunden wird, um das externe magnetische Feld der magnetfeldempfindlichen Schicht zur Verfügung zu stellen, wobei ein Schreibstrom zu der magnetischen Materialschicht verwendet wird.
Das oben beschriebene Herstellungsverfahren für einen magnetischen Speicher umfasst den Halbleiterschichtbildungsprozess, der einen Prozess beinhaltet, der den Halbleiterbereich bildet, der die Halbleiterschreibschalteinrichtung erschafft, die eine Art von Halbleiterelementbereich ist, wobei der Verdrahtungsschichtbildungsprozess einen Prozess beinhaltet, der die ersten und zweiten Verdrahtungen bildet, und wobei der magnetische Materialschichtbildungsprozess einen Prozess beinhaltet, der das TMR-Element bildet. Wie oben beschrieben wurde, sind die Prozesse, um den Halbleiterbereich zu bilden, der die Halbleiterschreibschalteinrichtung bildet, der Prozess um die ersten und zweiten Verdrahtungen zu bilden und der Prozess, um das TMR-Element zu bilden, perfekt bzw. vollständig voneinander separiert. Wenn das TMR-Element innerhalb der magnetischen Materialschicht gebildet wird, blockiert die Verdrahtungsschicht das ferromagnetische Material. Dementsprechend kann das ferromagnetische Material davon abgehalten werden, sich in den Halbleiterbereich zu mischen, der eine Halbleiterschreibschalteinrichtung erschafft bzw. bildet.
Gemäß dem magnetischen Speicher dieser Erfindung kann die Diffusion von ferromagnetischem Material in dem Bereich des Halbleiterelementes reduziert werden. Auch kann gemäß dem Herstellungsverfahren eines magnetischen. Speichers der vorliegenden Erfindung das ferromagnetische Material davon abgehalten werden, sich in den Halbleiterelementbereich während des Herstellungsprozesses davon zu mischen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Abbildung, die schematisch die gesamte Konfiguration eines magnetischen Speichers in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform zeigt.
2 ist ein vergrößerter Ausschnitt von einem Speicherabschnitt, der eine Schnittkonfiguration zeigt, die entlang der Richtung der Linie aufgenommen ist.
3 ist ein vergrößerter Ausschnitt aus dem Speicherabschnitt, der entlang der Linie I-I in 2 aufgenommen ist.
4 ist ein vergrößerter Ausschnitt des Speicherabschnittes, der entlang der Linie II-II in 2 aufgenommen ist.
5 ist eine Schnittabbildung des Speicherbereichs, die ein TMR-Element und eine periphere Struktur davon entlang der Richtung der Reihen zeigt.
6 ist eine Schnittabbildung eines Speicherbereichs, die das TMR-Element und eine periphere Struktur davon entlang der Spalte in Richtung zeigt.
7A ist ein Diagramm, das den Betrieb in der Peripherie des TMR-Elementes in dem Speicherbereich zeigt, und 7B ist ein Diagramm, das den Betrieb in der Peripherie des TMR-Elementes in dem Speicherelement zeigt.
8A ist eine Abbildung, die den Betrieb in der Peripherie des TMR-Elementes in dem Speicherbereich zeigt, und 8B ist eine Abbildung, die den Betrieb in der Peripherie des TMR-Elementes in dem Speicherbereich zeigt.
9 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess einer Halbleiterschicht zeigt.
10 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Halbleiterschicht zeigt.
11 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess einer Halbleiterschicht zeigt.
12 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess einer Halbleiterschicht zeigt.
13 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess einer Halbleiterschicht zeigt.
14 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess einer Halbleiterschicht zeigt.
15 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess einer Verdrahtungsschichtzeigt.
16 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
17 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
18 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
19 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
20 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
21 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
22 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
23 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
24 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
25 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
26 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der Verdrahtungsschicht zeigt.
27 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess einer magnetischen Materialschicht zeigt.
28 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
29 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
30 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
31 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
32 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
33 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
34 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
35 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
36 ist eine Abbildung, die den Herstellungsprozess der magnetischen Materialschicht zeigt.
37 ist eine Abbildung, die eine Konfiguration eines magnetischen Joches bzw. eines Ablenkjoches oder Bügels gemäß einer Modifikation zeigt.
38 ist eine Abbildung, die eine Konfiguration eines magnetischen Joches bzw. eines Ablenkjoches oder Bügels gemäß einer Modifikation zeigt.
39A ist eine seitliche Schnittansicht, die ein Beispiel einer Struktur eines Speicherbereiches in einem konventionellen MRAM zeigt, und 39B ist eine Schnittabbildung, die eine Struktur eines TMR-Elementes zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen eines magnetischen Speichers und eines Herstellungsverfahrens dafür in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung der Zeichnungen werden identische Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen und redundante Beschreibungen davon werden weggelassen.
Zuallererst wird eine Konfiguration eines magnetischen Speichers in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine Abbildung, die schematisch die gesamte Konfiguration eines magnetischen Speichers 1 in Übereinstimmung mit der Ausführungsform zeigt. Der magnetische Speicher beinhaltet einen Speicherbereich 2, einen Bitauswahlschaltkreis 11, einen Wortauswahlschaltkreis 12, Bitverdrahtungen 13a, 13b, eine Wortverdrahtung 14 und eine erdende Verdrahtung 15. Der Speicherabschnitt 2 beinhaltet eine Vielzahl von Speicherbereichen 3. Die Vielzahl von Speicherbereichen 3 sind zweidimensional angeordnet und beinhalten m Reihen und n Spalten (m, n sind Ganzzahlige von 2 oder mehr). Jeder aus der Vielzahl von Speicherbereichen 3 hat einen magnetischen Elementabschnitt 9, deren TMR-Element 4, eine Schreibverdrahtung 31 und eine Leseverdrahtung 33, einen Schreibtransistor 32 und einen Lesetransistor 34 beinhaltet.
Das TMR-Element 4 ist ein magnetwiderstandsfähiges Element bzw. ein Element für einen magnetoresistiven Effekt, das eine für ein Magnetfeld empfindliche bzw. magnetosensitive Schicht beinhaltet, von der die Magnetisierungsrichtung in Abhängigkeit von einem externen Magnetfeld wechselt. Insbesondere beinhaltet das konfigurierte TMR-Element 4 eine erste magnetische Schicht als eine für ein Magnetfeld empfindliche Schicht, eine zweite magnetische Schicht, von der die magnetische Richtung fixiert ist, und eine nicht magnetische Isolationsschicht, die zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht eingebettet bzw. eingeschlossen ist. Das TMR-Element 4 ist entlang eines Teiles der Schreibverdrahtung 31 angeordnet, so dass die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht unter dem magnetischen Feld wechselt, das im Schreibstrom erzeugt wird, der durch die Schreibverdrahtung 31 fließt. Wenn die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht durch den Schreibstrom geändert wird, ändert sich der Widerstandswert zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht in Übereinstimmung mit der Beziehung zwischen der Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht und der Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht.
Die Schreibverdrahtung 31 ist eine Verdrahtung, um ein externes bzw. von außen wirkendes magnetisches Feld der ersten magnetischen Schicht des TMR-Elementes 4 mit Hilfe eines Schreibstromes zur Verfügung zu stellen. Ein Ende der Schreibverdrahtung 31 ist mit einer Bitverdrahtung 13a elektrisch verbunden. Das andere Ende der Schreibverdrahtung 31 ist mit der Quelle oder der Senke des Schreibtransistors 32 elektrisch verbunden. Der Schreibtransistor 32 ist eine Halbleiterschreibschalteinrichtung zum Steuern des Leitens des Schreibstromes in die Schreibverdrahtung 31. In dem Schreibtransistor 32 ist einer der Senke oder der Quelle mit der Schreibverdrahtung elektrisch verbunden und der andere ist mit der Bitverdrahtung 13b elektrisch verbunden. Das Gatter zwischen dem Schreibtransistor 32 ist mit der Wortverdrahtung 14 elektrisch verbunden.
Die Leseverdrahtung 33 ist eine Verdrahtung zum Leiten eines Lesestromes durch das TMR-Element 4. Insbesondere ist ein Ende der Leseverdrahtung 33 mit der Bitverdrahtung 13a elektrisch verbunden und das andere Ende der Leseverdrahtung 33 ist mit der ersten Seite der magnetischen Schicht des TMR-Elementes 4 elektrisch verbunden. Der Lesetransistor 31 ist eine Halbleiterleseschaiteinrichtung zum Steuern des Leitens des Lesestromes in die Leseverdrahtung 33. Eine der Quelle oder der Senke des Lesetransistors 34 ist mit der zweiten Seite der magnetischen Schicht des TMR-Elementes 4 elektrisch verbunden und die andere Seite der Quelle und die Senke ist mit der erdenden Verdrahtung 15 elektrisch verbunden. Die Sperrschicht des Lesetransistors 34 ist mit der Wortverdrahtung 14 elektrisch verbunden. Die Bezeichnung „erste Seite der magnetischen Schicht (zweite Seite der magnetischen Schicht) des TMR-Elementes 4" bedeutet, die erste Seite der magnetischen Schicht oder die zweite Seite der magnetischen Schicht unter Bezug auf die nichtmagnetische isolierende Schicht, die den Fall beinhaltet, durch eine andere Ebene auf der ersten magnetischen Schicht (zweiten magnetischen Schicht) dazwischengeschaltet bzw. dazwischen eingelegt zu sein.
Die Bitverdrahtungen 13a und 13b sind für jede Spalte des Speicherbereichs 3 angeordnet. Die Bitverdrahtungen 13a und 13b sind die ersten Verdrahtungen in dieser Ausführungsform. Das heißt, die Bitverdrahtung 13a ist mit einem Enden der Schreibverdrahtung 31 elektrisch verbunden, das in jeden der Speicherbereiche 3 in der dazugehörigen Spalte beinhaltet ist. Des Weiteren ist die Bitverdrahtung 13a von dieser Ausführungsform mit einem Ende der Schreibverdrahtung 33 elektrisch verbunden, die in jedem der Speicherbereiche 3 in der dazugehörigen Spalte beinhaltet ist. Die Bitverdrahtung 13b ist mit der Quelle oder der Senke des Schreibtransistors 32 elektrisch verbunden, der in jedem der Speicherbereiche 3 in der entsprechenden Spalte verbunden ist. Die Wortverdrahtung 14 ist eine zweite Verdrahtung in dieser Ausführungsform. Das heißt, die Wortverdrahtung 14 ist zu jeder Reihe der Speicherbereiche 3 gehörig angeordnet und ist elektrisch mit dem Gatter verbunden, das Steueranschluss des Schreibtransistors 32 ist, der in jedem Speicherbereich in der entsprechenden Reihe beinhaltet ist.
Der Bitauswahlschaltkreis 11 ist eine Einrichtung, die in dieser Ausführungsform einen Schreibstrom erzeugt. Das heißt, der Schreibverdrahtung 31 in jedem Speicherbereich 3 einen positiven oder negativen Schreibstrom zur Verfügung zu stellen. Insbesondere ist der Bitauswahlschaltkreis 11 konfiguriert, einen Adressendekodierschaltkreis zu beinhalten, der entsprechend der Adresse in Übereinstimmung mit der spezifizierten Adresse, wenn Daten von der Innenseite oder Außenseite des magnetischen Speichers 1 geschrieben werden, eine entsprechende Spalte auszuwählen, und ein Stromantriebsschaltkreis, der für einen positiven oder negativen Strom zwischen der Bitverdrahtung 13a und der Verdrahtung 13b sorgt, entsprechend der ausgewählten Spalte. Der Wortauswahlschaltkreis 12 hat auch die Funktion, entsprechend der ausgewählten Reihe in Übereinstimmung mit der Adresse, die spezifiziert wurde, wenn Daten von der Innenseite oder der Außenseite in den magnetischen Speicher 1 geschrieben werden, eine entsprechende Reihe auszuwählen und einer Wortverdrahtung 14, die zu der Adresse gehört, eine Kontrollspannung zur Verfügung zu stellen.
Der wie oben beschrieben konfigurierte magnetische Speicher 1 funktioniert wie unten beschrieben. Das heißt, wenn eine Adresse (i-te Reihe, j-te Spalte/1 ≤ i ≤ m, 1 ≤ j ≤ n), die mit Daten zu beschreiben ist, von der Innenseite oder Außenseite des magnetischen Speichers 1 spezifiziert wird, wählen der Bitauswahlschaltkreis 11 und der Wortauswahlschaltkreis 12 jeweils die entsprechende j-te Spalte und i-te Reihe. In dem Schreibtransistor 32 des Speicherbereichs 3, der in der i-ten Reihe beinhaltet ist, die durch den Wortauswahlschaltkreis 12 ausgewählt wurde, wird eine Kontrollspannung an das Gatter angelegt und ein Zustand wird erzeugt, indem der Schreibstrom fließt. In einem Speicherbereich 3, der in der j-ten Spalte beinhaltet ist, die durch den Bitauswahlschaltkreis 11 ausgewählt wurde, wird eine positive oder negative Spannung zwischen der Bitverdrahtung 13a und der Bitverdrahtung 13b in Übereinstimmung mit den Daten angelegt. In dem Speicherbereich 3, der sowohl in beiden der j-ten Spalte, die durch den Bitauswahlschaltkreis 11 ausgewählt wurde, und der i-ten Reihe, die durch den Wortauswahlschaltkreis 12 ausgewählt wurde, wird über den Schreibtransistor 32 ein Schreibstrom auf der Schreibverdrahtung 31 erzeugt und die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht des TMR-Elementes 4 wird durch das magnetische Feld des Schreibstromes invertiert. Demzufolge werden binären Daten in den Speicherbereich 3 in die spezifizierte Adresse geschrieben (i-te Reihe, j-te Spalte).
Wenn eine Adresse (k-te Reihe, i-te Spalte/1 ≤ k ≤ m, 1 ≤ i ≤ n), von der Daten gelesen werden, von der Innenseite oder der Außenseite des magnetischen Speichers 1 spezifiziert werden, wählen der Bitauswahlschaltkreis 11 und der Wortauswahlschaltkreis 12 jeweils die dazugehörige i-te Spalte und k-te Reihe. In dem Lesetransistor 34 des Speicherbereichs 3, der in der k-ten Reihe beinhaltet ist, die durch den Wortauswahlschaltkreis 12 ausgewählt wurde, wird ein Steuerspannungsgatter angelegt und ein Zustand wird eingestellt, in dem der Lesestrom fließt. In der Bitverdrahtung 13a, die zu der i-ten Reihe gehört, die durch den Bitauswahlschaltkreis 11 ausgebildet wurde, wird auch eine Spannung angelegt, um einen Schreibstrom von dem Bitauswahlschaltkreis 11 zu leiten. In dem Speicherbereich 3, der in sowohl der i-ten Spalte beinhaltet ist, die durch den Bitauswahlschaltkreis 11 ausgewählt wurde, und der k-ten Reihe beinhaltet ist, die durch den Wortauswahlschaltkreis 12 ausgewählt wurde, fließt ein Schreibstrom von der Leseverdrahtung 33 zu der erdenden Verdrahtung 15 über das TMR-Element 4 und den Lesetransistor 34. Durch ein Festlegen der Stärke der eintretenden Spannung zum Beispiel, werden in dem TMR-Element 4 die in dem Speicherbereich 3 an der spezifizierten Adresse (k-te Reihe, i-te Spalte) gespeicherten Daten ausgelesen.
Eine bestimmte Konfiguration des Speicherabschnittes 2 in dieser Ausführungsform wird weiter unten im Detail beschrieben. 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt, der eine Schnittkonfiguration zeigt, wenn der Speicherabschnitt 2 entlang der Richtung der Linie abgeschnitten wird. 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt, wenn der Speicherabschnitt 2 entlang der Linie I-I in 2 abgeschnitten wird. 4 ist ein vergrößerter Ausschnitt, wenn der Speicherabschnitt 2 entlang der Linie II-II in 2 abgeschnitten wird.
Unter Bezug auf die 2 bis 4 beinhaltet ein Speicherabschnitt 2 eine Halbleiterschicht 6, eine Verdrahtungsschicht 7, eine magnetische Materialschicht 8 und eine Antidiffusionsschicht 36. Die Halbleiterschicht 6 ist eine Schicht, die ein Halbleitersubstrat bzw. Trägerelement 21 beinhaltet, um die mechanische Widerstandsfähigkeit bzw. Stärke des gesamten Speicherabschnittes 2 aufrechtzuerhalten, und wird mit einem Bereich des Halbleiterelementes, so wie einem Transistor, gebildet. Die magnetische Materialschicht 8 ist eine Schicht, in der Komponentenelemente (magnetischer Elementabschnitt 9), so wie das TMR-Element 4 und das magnetische Joch 5, das ein magnetisches Material beinhaltet, um effektiv ein magnetisches Feld auf das TMR-Element 4 zu geben, gebildet. Die Verdrahtungsschicht 7 wird zwischen der Halbleiterschicht 6 und der magnetischen Materialschicht 8 gebildet. Die Verdrahtungsschicht 7 ist eine Schicht, in der Verdrahtungen, so wie die Bitverdrahtungen 13a, 13b und die Wortverdrahtungen 14, gebildet werden, die in Speicherbereich 3 eindringen. In der Verdrahtungsschicht 7 sind auch Verdrahtungen zum elektrischen Verbinden des magnetischen Elementabschnittes 9, der in der magnetischen Materialschicht 8 im Halbleiterelementbereich, so wie der Transistor, der in der Halbleiterschicht 6 gebildet ist, gebildet. Eine Antidiffusionsschicht 36 ist eine Schicht, um ferromagnetisches Material (ferromagnetisches Element), das in dem magnetischen Elementabschnitt 9 beinhaltet ist, davon abzuhalten, in die Halbleiterschicht 6 zu diffundieren.
Vor allen anderen Dingen wird die Halbleiterschicht 6 beschrieben. Die Halbleiterschicht 6 beinhaltet ein Halbleitersubstrat bzw. eine Halbleiterträgerschicht 21, eine Isola tionsschicht 22, einen Senken- bzw. Abflussbereich 32a und einen Quellbereich 32c des Schreibtransistors 32, einen Senkenbereich 34a und einen Quellbereich 34c des Lesetransistors 34. Das Halbleitersubstrat 21 wird gebildet aus, zum Beispiel, einem Si-Substrat, das mit einer Verunreinigung eines p-Typs oder n-Typs dotiert ist. Der Isolationsbereich 22 wird in einem anderen Bereich als der Schreibtransistor 32 und der Lesetransistor 34 auf dem Halbleitersubstrat 21 gebildet, um den Schreibtransistor 32 von dem Lesetransistor 34 elektrisch zu separieren. Der Isolationsbereich 22 wird aus einem Isolationsmaterial gebildet, so wie zum Beispiel SiO₂.
Mit Bezug auf die 3 ist der Lesetransistor 34 aus einem Senkenbereich 34a und einem Quellbereich 34c konfiguriert, die Halbleiterbereiche eines leitenden Typs sind, der dem des Halbleitersubstrates entgegengesetzt ist, eine Gatterelektrode 34b und ein Teil des Halbleitersubstrates 21. Der Senkenbereich 34a und der Quellbereich 34c sind, zum Beispiel, an die Oberfläche des Si-Substrates angrenzend gebildet, das mit einer Verunreinigung bzw. Unreinheit eines leitenden Typs, der dem des Halbleitersubstrates entgegengesetzt ist, dotiert ist. Der Senkenbereich 34a und der Quellbereich 34c sind durch das dazwischen liegende Halbleitersubstrat 21 voneinander abgegrenzt auf dem Halbleitersubstrat 21 und die Gatterelektrode 34b ist davon separiert angeordnet. Der obigen Konfiguration zufolge wird in dem Lesetransistor 34 eine Leitfähigkeit zwischen dem Senkenbereich 34a und dem Quellbereich 34c erzeugt, wenn eine Spannung (Kontrollspannung) auf die Gatterelektrode 34b angewendet wird. In dieser Ausführungsform wird die Elektrode 34b nicht in der Halbleiterschicht 6, sondern in der Verdrahtungsschicht 7 gebildet, was später beschrieben werden wird.
Mit Bezug auf die 4 ist der Lesetransistor 32 aus einem Senkenbereich 32a und einem Quellbereich 32c gebildet, die Halbleiterbereiche eines leitfähigen Typs sind, der dem Halbleitersubstrat 21 entgegengesetzt ist, eine Gatterelektrode 32b und ein Teil des Halbleitersubstrates 21. Der Senkenbereich 32a und der Quellbereich 32c sind, zum Beispiel, an die Oberfläche des Si-Substrates angrenzend geformt, das mit einer Unreinheit eines leitfähigen Typs dotiert ist, der dem des Halbleitersubstrates 21 entgegengesetzt ist. Der Senkenbereich 32a und der Quellbereich 32c sind durch ein dazwischen liegendes Halbleitersubstrat voneinander abgegrenzt; auf dem Halbleitersubstrat 21 ist eine Gatterelektrode 32b davon separiert angeordnet. Der oben beschriebene Konfiguration zufolge wird in dem Lesetransistor 32 eine Leitung zwischen dem Senkenbereich 32a und dem Quellbereich 32c erzeugt, wenn eine Spannung (Kontrollspannung) auf die Gatterelektrode 32b angewendet wird. In dieser Ausführungsform ist die Gatterelektrode 32b nicht in der Halbleiterschicht 6, sondern in der Verdrahtungsschicht 7 gebildet, was später beschrieben werden wird.
Als nächstes wird die magnetische Materialschicht 8 beschrieben. Die magnetische Materialschicht 8 ist so konfiguriert, dass sie einen Isolationsbereich 24 und einen magnetischen Elementabschnitt 9 beinhaltet. Der magnetische Elementabschnitt 9 beinhaltet das TMR-Element 4, das magnetische Joch 5, die Schreibverdrahtung 31 und die Leseverdrahtung 33. In der magnetischen Materialschicht 8 nimmt der Isolationsbereich 24 einen anderen Bereich ein als der magnetische Elementabschnitt 9 und andere Verdrahtungen. Die 5 und 7 sind vergrößerte Ansichten des TMR-Elementes 4 und der peripheren Strukturen davon. 5 zeigt einen Ausschnitt des Speicherbereichs 3 entlang der Richtung der Reihen; und 6 zeigt einen Ausschnitt aus dem Speicherbereich 3 entlang der Richtung der Spalten. Unter Bezug auf die 5 und 6 ist das TMR-Element 4 aus einer ersten magnetischen Schicht 41, einer nichtmagnetischen isolierenden Schicht 42, einer zweiten magnetischen Schicht 43 und einer antiferromagnetischen Schicht 44 konfiguriert, die in dieser Reihenfolge aufeinander gestapelt sind. In dieser Ausführungsform ist die erste magnetische Schicht 41 die für ein Magnetfeld empfindliche Schicht und die Magnetisierungsrichtung davon wechselt in Abhängigkeit von dem externen magnetischen Feld von der Schreibverdrahtung 31; demzufolge werden binäre Daten aufgezeichnet. Was das Material der ersten magnetischen Schicht 41 betrifft, ist zum Beispiel ein ferromagnetisches Material, so wie Co, CoFe, NiFe, NiFeCo und CoPt verfügbar.
In dem zweiten magnetischen Schicht 43 wird die magnetische Ausrichtung durch die antiferromagnetische Schicht 44 fixiert. Das heißt, aufgrund der Austauschkopplung in der Verbindungsfläche zwischen der antiferromagnetischen Schicht 44 und der zweiten magnetischen Schicht 43 wird die magnetische Ausrichtung der zweiten magnetischen Schicht 43 stabilisiert. Die Richtung der einfach zu magnetisierenden Achse der zweiten magnetischen Schicht 43 wird so angepasst, dass sie mit der Richtung der einfach zu magnetisierenden Achse der ersten magnetischen Schicht 41 übereinstimmt. Was das Material der zweiten magnetischen Schicht 43 betrifft, kann zum Beispiel ein ferromagnetisches Material, so wie Co, CoFe, NiFe, NiFeCo und CoPt, eingesetzt werden. Es können auch als Material für die antiferromagnetische Schicht 44 ein Material aus IrMn, PtMn, FeMn, PtPdMn, NiO oder abweichende Kombinationen davon eingesetzt werden.
Die nichtmagnetische isolierende Schicht 42 ist eine Schicht, die aus einem nichtmagnetischen und isolierenden Material gebildet wird. Von der nichtmagnetischen isolierenden Schicht 42 zwischen der ersten magnetischen Schicht 42 und der zweiten magnetischen Schicht 43 dazwischengeschaltet, wird eine tunnelnde Magnetwiderstandsfähigkeit (tunneling magnetoresistive – TMR) zwischen der ersten magnetischen Schicht 41 und der zweiten magnetischen Schicht 4 erzeugt. Das heißt, zwischen der ersten magnetischen Schicht 41 und der zweiten magnetischen Schicht 43 wird ein elektrischer Widerstand erzeugt, der der relativen Beziehung (parallel oder antiparallel) zwischen der Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht 42 und der Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht 43 entspricht. Was das Material für die nichtmagnetische isolierende Schicht 42 betrifft, sind zum Beispiel Oxide oder Nitride eines Metalls, so wie Al, Zn und Mg geeignet.
Als die Schicht zum Stabilisieren der Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht 43, anstelle der antiferromagnetischen Schicht 44, kann eine dritte magnetische Schicht gebildet werden, die durch eine nichtmagnetische Metallschicht oder eine synthetische antiferromagnetische Schicht (AF – antiferromagnetic) dazwischengeschaltet ist. Die dritte magnetische Schicht bildet eine antiferromagnetische Kombination mit der zweiten magnetischen Schicht 43, wodurch die Magnetisierungsrichtung der zweiten magnetischen Schicht 43 weiter stabilisiert wird. Darüber hinaus kann der Einfluss des statischen Magnetismus von der zweiten magnetischen Schicht 43 auf die erste magnetische Schicht 41 unterbunden werden und die Magnetisierungsrichtung der ersten magnetischen Schicht 41 kann einfach invertiert werden. Was das Material für die dritte magnetische Schicht betrifft, so ist dieses nicht auf ein besonders eingeschränkt, aber es wird vorgezogen, ein einziges ferromagnetisches Material, so wie Co, CoFe, NiFe, NiFeCo und CoPt oder eine Kombination davon zu verwenden. Was das Material für die nichtmagnetische Metallschicht betrifft, die zwischen der zweiten magnetischen Schicht 43 und der dritten magnetischen Schicht gebildet wird, ist Ru, Rh, Ir, Cu und Ag zu bevorzugen. Die Dicke der nichtmagnetischen Metallschicht ist vorzugsweise 2 nm oder weniger, so dass eine starke antiferromagnetische Kombination zwischen der zweiten magnetischen Schicht 43 und der dritten magnetischen Schicht erreicht wird.
Auf der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 wird die Leseverdrahtung 33 gebildet. Die Leseverdrahtung 33 wird aus einem leitfähigen Metall gebildet und erstreckt sich entlang der Richtung der Speicherbereiche 3. Ein Ende der Leseverdrahtung 33 ist elektrisch mit der magnetischen Schicht 41 verbunden. Das andere Ende der Leseverdrahtung 33 ist mit einer Elektrode 17b über eine vertikale Verdrahtung 16f (unter Bezug zu 2) elektrisch verbunden. Die antiferromagnetische Schicht 44 des TMR-Elementes 4 ist auf einer Elektrode 35 gebildet und elektrisch mit der Elektrode 35 verbunden. Der obigen Konfiguration zufolge kann der Lesestrom von der Leseverdrahtung 33 zu dem TMR-Element 4 geleitet werden.
Auf der Leseverdrahtung 33 ist die Schreibverdrahtung 31 gebildet. Zwischen der Leseverdrahtung 33 und der Schreibverdrahtung 31 ist eine Lücke vorgesehen, die mit dem Material aus dem Isolationsbereich 24 gefüllt ist, um dazwischen zu isolieren. Die Schreibverdrahtung 31 ist aus einem leitfähigen Metall gebildet und erstreckt sich an der Linie der Richtung des Speicherbereichs 3. Ein Ende der Schreibverdrahtung 31 ist elektrisch mit einer Elektrode 17a über eine vertikale Verdrahtung 16a verbunden (unter Bezug zu 2). Das andere Ende der Schreibverdrahtung 31 ist elektrisch mit einer Elektrode 17c über eine vertikale Verdrahtung 16h verbunden (unter Bezug zu 2). Die Achse der einfach zu magnetisierenden Richtung der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 ist so angepasst, dass sie mit der Richtung übereinstimmt, welche die Längsrichtung der Schreibverdrahtung 13 kreuzt (d. h., die Richtung kreuzt die Richtung des Schreibstromes).
Das magnetische Joch 5 ist ein ferromagnetisches Glied, das die Peripherie bzw. den äußeren Umfang der Schreibverdrahtung 31 umschließt und effektiv ein magnetisches Feld zur Verfügung stellt, das durch den Schreibstrom an das TMR-Element 4 erzeugt wird. Das magnetische Joch 5 wird aus einem im Wesentlichen ringähnlichen Glied gebildet, das wenigstens ein Paar von offenen Enden hat, die sich gegenüberstehen und zwischen denen ein Spalt vorbestimmter Länge zwischengeschaltet ist, der so angeordnet ist, dass er die äußere Peripherie bzw. den Außenumfang der Schreibverdrahtung 31 an einem Abschnitt in der Erstreckungsrichtung der Schreibverdrahtung 31 umschließt. Insbesondere beinhaltet das magnetische Joch 5 der Ausführungsform ein Paar von sich gegenüberstehenden Jochen 5b, ein Paar von stützenden bzw. tragenden Jochen 5c und ein Seiten- bzw. Trägerjoch 5d. Das Paar von sich gegenüberstehenden Jochen 5b hat ein Paar von Endflächen bzw. Stirnseiten 5a als das Paar der offenen Enden und diese sind so geformt, dass sie sich entlang der Richtung der einfach zu magnetisierenden Achse der ersten magnetischen Schicht 41 gegenüberstehen. Das TMR-Element 4 ist so angeordnet, dass das Paar der Seitenflächen 4a (unter Bezug auf 6) auf ein Paar von Stirnflächen 5a gerichtet ist, und die Richtung der einfach zu magnetisierenden Achse der ersten magnetischen Schicht 41 stimmt mit der Richtung überein, in der das Paar der Stirnflächen 5a ausgerichtet ist. Das Stützjoch 5d ist entlang der Stirnseiten der Schreibverdrahtung 31 entgegengesetzt zu dem TMR-Element 4 geformt. Das Paar von Stützjochen 5c ist jeweils entlang der Stirnflächen der Schreibverdrahtung 31 gebildet und verbindet zwischen einem Ende des Paares von sich gegenüberstehenden Jochen 5b an der von der Stirnfläche 5a unterschiedlichen Seite und den beiden Enden des Trägerjoches 5d. Dieser obigen Konfiguration zufolge umschließen die sich gegenüberstehenden Joche 5b, die Stützjoche 5c und die Trägerjoche 5d die äußere Peripherie bzw. den äußeren Umfang der Schreibverdrahtung 31 in einem Abschnitt in der Erstreckungsrichtung der Schreibverdrahtung 31 (ein Teil auf dem TMR-Element 4).
Was das Material zum Bilden des magnetischen Joches 5 betrifft, wird zum Beispiel ein Metall bevorzugt, das wenigstens eines der Elemente Ni, Fe und Co beinhaltet. Das magnetische Joch 5 ist so gebildet, dass die Richtung der einfach zu magnetisierenden Achse davon mit der Richtung der einfach zu magnetisierenden Achse der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 übereinstimmt. Was die Querschnittsfläche des magnetischen Joches 5 in den Stirnseiten betrifft, die senkrecht zur peripheren Richtung der Schreibverdrahtung 31 sind, ist die Fläche in dem Paar von Stirnseiten 5a die kleinste. Insbesondere in den sich gegenüberstehenden Jochen 5b, den Stützjochen 5c und dem Trägerjoch 5d des magnetischen Joches 5 ist die Querschnittsfläche der sich gegenüberstehenden Joche 5b die kleinste. Darüber hinaus wird vorzugsweise die Querschnittsfläche der sich gegenüberstehenden Joche 5b kleiner, je näher sie den Stirnseiten 5a ist.
Was das Material für den isolierenden Bereich 24 betrifft, ist wie bei dem isolierenden Bereich 22 der Halbleiterschicht 6 ein Isolationsmaterial, so wie SiO₂, verfügbar.
Als nächstes wird die Verdrahtungsschicht 7 beschrieben. Die Verdrahtungsschicht beinhaltet eine Isolationsschicht 23, Bitverdrahtungen 13a und 13b, eine Wortverdrahtung 14, eine erdende Verdrahtung 15 und eine Vielzahl von vertikalen Verdrahtungen und horizontalen Verdrahtungen. In der Verdrahtungsschicht 7 nimmt der Isolationsbereich 23 den anderen Bereich als die Verdrahtungen ein. Was das Material für den Isolationsbereich 23 betrifft, ist, so wie bei dem Isolationsbereich 22 der Halbleiterschicht 6, ein Isolati onsmaterial, so wie SiO₂, verfügbar. Was das Material für die vertikalen Verdrahtungen betrifft, ist zum Beispiel W verfügbar. Und was das Material für die horizontalen Verdrahtungen betrifft, ist zum Beispiel Al verfügbar.
Unter Bezug auf 2 ist eine Elektrode 17a mit einem Ende der Schreibverdrahtung 31 der magnetischen Materialschicht 8 elektrisch mit der Bitverdrahtung 13a über die vertikale Verdrahtung 16b verbunden. Die Elektrode 35, die elektrisch mit der Seite der zweiten magnetischen Schicht 43 des TMR-Elementes 4 verbunden ist, ist elektrisch mit den vertikalen Verdrahtungen 16c bis 16e und horizontalen Verdrahtungen 18a, 18b der Verdrahtungsschicht 7 verbunden. Die vertikale Verdrahtung 16e ist ein ohmscher Kontakt mit einem Senkenbereich 34a des Lesetransistors 34. In der magnetischen Materialschicht 8 ist eine Elektrode 17b, die elektrisch mit der Seite der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 über die Leseverdrahtung 33 verbunden ist, elektrisch mit der horizontalen Verdrahtung 18c über die vertikale Verdrahtung 16g verbunden. Die horizontale Verdrahtung 18c ist elektrisch mit der Bitverdrahtung 13a über eine nichtgezeigte Verdrahtung verbunden.
Unter Bezug auf 3 ist die erdende Verdrahtung 15 elektrisch mit einer vertikalen Verdrahtung 16n verbunden; und die vertikale Verdrahtung 16n steht im ohmschen Kontakt mit dem Quellbereich 34c des Lesetransistors 34. Ein Teil der Wortverdrahtung 14 dient als die Gatterelektrode 34b des Lesetransistors 34. Das bedeutet, dass die in 3 gezeigte Gatterelektrode 34 unter Verwendung eines Teils der Wortverdrahtung 14 gebildet ist, die sich entlang der Linie in der Richtung des Speicherbereichs 3 erstreckt. Der obigen Konfiguration zufolge ist die Wortverdrahtung 14 elektrisch mit dem Steueranschluss (Gatterelektrode 34b) des Lesetransistors 34 verbunden.
Unter Bezug auf 4 ist eine Elektrode 17e, die mit dem anderen Ende der Schreibverdrahtung 31 in der magnetischen Materialschicht 8 verbunden ist, elektrisch mit vertikalen Verdrahtungen 16i bis 16k und horizontalen Verdrahtungen 18d, 18e in der Verdrahtungsschicht 7 verbunden. Die vertikale Verdrahtung 16k steht im ohmschen Kontakt mit dem Senkenbereich 32a des Schreibtransistors 32. Die horizontale Verdrahtung 18h ist elektrisch mit einer vertikalen Verdrahtung 16q verbunden; und die vertikale Verdrahtung 16q steht im ohmschen Kontakt mit dem Quellbereich 32c des Schreibtransistors 32. Die horizontale Verdrahtung 18h ist elektrisch mit der Bitverdrahtung 13b (unter Bezug auf 2) über eine nicht gezeigte Verdrahtung verbunden. Ein Teil der Wortverdrahtung 14 dient als Gatterelektrode 32b des Schreibtransistors 32. Das bedeutet, dass die in 4 gezeigte Gatterelektrode 32b unter Verwendung eines Teils der Wortverdrahtung 14 gebildet ist, die sich entlang der Linie der Richtung des Speicherbereichs 3 erstreckt. Dieser obigen Konfiguration zufolge ist die Wortverdrahtung 14 elektrisch mit dem Steueranschluss (Gatterelektrode 32b) des Schreibtransistors 32 verbunden.
Als nächstes wird die Antidiffusionsschicht 36 beschrieben. Die Antidiffusionsschicht 36 ist eine Schicht, um das ferromagnetische Material (ferromagnetische Element), das in dem TMR-Element 4 des magnetischen Elementabschnittes 9 und dem magnetischen Joch 5 enthalten ist, von einem Diffundieren in die Halbleiterschicht 6 abzuhalten. In dieser Ausführungsform ist die Antidiffusionsschicht 36 zwischen der magnetischen Materialschicht 8 und der Verdrahtungsschicht 7 gebildet. Die Antidiffusionsschicht 36 beinhaltet vorzugsweise ein Material, um das ferromagnetische Material davon abzuhalten, hindurchzudringen, zum Beispiel wenigstens ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus Ti und Ru besteht. Die Antidiffusionsschicht 36 ist wenigstens zwischen der magnetischen Materialschicht 8 und der Halbleiterschicht 6 angeordnet. Zum Beispiel kann die Antidiffusionsschicht 36 zwischen der Verdrahtungsschicht 7 und der Halbleiterschicht 6 oder innerhalb der Verdrahtungsschicht 7 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform sind die Elektroden 17a bis 17c auf der Seite der magnetischen Materialschicht 8 mit Bezug auf die Antidiffusionsschicht 36 positioniert. Allerdings können die Elektroden 17a bis 17c auf der Seite der Verdrahtungsschicht 7 mit Bezug auf die Antidiffusionsschicht 36 positioniert sein.
Unter Bezug auf die 7A, 7B, 8A und 8B wird nun die Funktion des TMR-Elementes 4 und der Peripherie davon in dem Speicherbereich 3 von dieser Ausführungsform beschrieben. Wie in 7A gezeigt ist, wird ein magnetisches Feld Φ₁ um die Schreibverdrahtung 31 in der peripheren Richtung der Schreibverdrahtung 31 erzeugt, wenn ein negativer Schreibstrom durch die Schreibverdrahtung 31 fließt. Das magnetische Feld Φ₁ bildet eine geschlossene Bahn, welche durch die Innenseite des magnetischen Joches 5 hindurchgeht, das um die Schreibverdrahtung 31 und die Lücke bzw. den Spalt zwischen dem Paar von Stirnseiten 5a gebildet ist. In dieser Ausführungsform ist in den sich gegenüberliegenden Jochen 5b, den Stützjochen 5c und dem Trägerjoch 5d des magnetischen Joches 5 die Querschnittsfläche der sich gegenüberstehenden Joche 5b die kleinste. Dementsprechend ist die magnetische Feldstärke des magnetischen Feldes Φ₁, das inner halb des magnetischen Joches 5 gebildet wird, an den sich gegenüberliegenden Jochen 5b am größten.
Wenn das magnetische Feld Φ₁ um die Schreibverdrahtung 31 erzeugt wird, wird aufgrund des magnetischen Kurzschluss- bzw. Umschlusseffektes in dem magnetischen Joch 5 das magnetische Feld Φ₁ (externes magnetisches Feld) effizient der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 zur Verfügung gestellt. Aufgrund des magnetischen Feldes Φ₁ ist die Magnetisierungsrichtung A der ersten magnetischen Schicht 41 in der gleichen Richtung orientiert wie die des magnetischen Feldes Φ₁. Hier sind der Austauschkopplung zwischen der antiferromagnetischen Schicht 44 zufolge die Magnetisierungsrichtung A der ersten magnetischen Schicht 41 und die Magnetisierungsrichtung B der zweiten magnetischen Schicht 43 in der gleichen Richtung orientiert; d. h. parallel zueinander, wenn die Magnetisierungsrichtung B der zweiten magnetischen Schicht 43 zuvor in der gleichen Richtung wie die des magnetischen Feldes Φ₁ orientiert ist. Somit wird eine der binären Daten (zum Beispiel 0) in das TMR-Element 4 geschrieben.
Wenn die in das TMR-Element 4 geschriebenen binären Daten ausgelesen werden, wird, so wie in 7B gezeigt, ein Lesestrom Ir zwischen der Leseverdrahtung 33 und der Elektrode 35 zum Fließen gebracht und ein Wechsel im Wert des Stromes wird detektiert. Oder ein Wechsel der Potenzialdifferenz zwischen der Leseverdrahtung 33 und der Elektrode 35 wird detektiert. Demzufolge ist es möglich zu bestimmten, welche der binären Daten die TMR-Element 4 aufzeichnet, d. h., ob die Magnetisierungsrichtung A in der ersten magnetischen Schicht 41 parallel oder antiparallel zu der Magnetisierungsrichtung B in der zweiten magnetischen Schicht 43 ist. Zum Beispiel, wenn die Magnetisierungsrichtung A in der ersten magnetischen Schicht 41 parallel mit der Magnetisierungsrichtung B in der zweiten magnetischen Schicht 43 ist, ist der Widerstandswert zwischen der ersten magnetischen Schicht 41 und der zweiten magnetischen Schicht 43 aufgrund des tunnelnden Magnetwiderstandseffektes (tunneling magnetoresistive effect – TMR) relativ klein. Dementsprechend, angenommen dass zum Beispiel Lesestrom Ir konstant ist, ist die Potenzialdifferenz zwischen der Leseverdrahtung 33 und der Elektrode 35 relativ klein, so wird festgelegt, dass das TMR-Element 4 mit der Zahl 0 als binäre Daten beschrieben wird.
Wie in 8 gezeigt ist, wird ein magnetisches Feld Φ₂ um die Schreibverdrahtung 31 erzeugt, dessen Richtung der Richtung des magnetischen Feldes Φ₁ entgegengesetzt ist, wenn ein positiver Schreibstrom I_w2 durch die Schreibverdrahtung 31 fließt. Das magnetische Feld Φ₂ bildet eine geschlossene Bahn, die durch die Innenseite des magnetischen Joches und den Spalt zwischen den Paaren von Stirnseiten 5a verläuft. So wie es auch bei dem magnetischen Feld Φ₁ der Fall ist, ist die Magnetfelddichte des magnetischen Feldes Φ₂, das auf der Innenseite des magnetischen Joches 5 gebildet wird, am größten an den sich gegenüberliegenden Jochen 5b.
Wenn das magnetische Feld Φ₂ um die Schreibverdrahtung 31 gebildet wird, wird das magnetische Feld Φ₂ (externes magnetisches Feld) durch den magnetischen Kurzschlusseffekt des magnetischen Joches 5 effizient der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 zur Verfügung gestellt. In dem magnetischen Feld Φ₂ ist die Magnetisierungsrichtung A der ersten magnetischen Schicht 41 in der gleichen Richtung orientiert wie die des magnetischen Feldes Φ₂. Hier sind die Magnetisierungsrichtung A in der ersten magnetischen Schicht 41 und die Magnetisierungsrichtung B in der zweiten magnetischen Schicht 43 einander entgegengesetzt, d. h. antiparallel zueinander, wenn die Magnetisierungsrichtung B des zweiten magnetischen Feldes 43 in der entgegengesetzten Richtung zu der des magnetischen Feldes Φ₂ orientiert ist. Folglich wird das TMR-Element 4 mit einem anderen der binären Daten beschrieben (zum Beispiel 1).
Wenn die Magnetisierungsrichtung A in der ersten Magnetisierungsschicht 41 antiparallel zu der Magnetisierungsrichtung B in der zweiten magnetischen Schicht 43 ist, ist der Widerstandswert zwischen der ersten magnetischen Schicht und der zweiten magnetischen Schicht 43 aufgrund des tunnelnden magnetoresistiven Effektes (TMR) in der nichtmagnetischen Isolationsschicht 42 relativ groß. Dementsprechend, zum Beispiel wie in 8B gezeigt, wenn ein spezifischer Lesestrom zwischen der Leseverdrahtung 33 und der Elektrode 35 fließt, ist die Potenzialdifferenz zwischen der Leseverdrahtung 33 und der Elektrode 35 relativ groß. Demzufolge wird festgelegt, dass das TMR-Element 4 mit der Zahl 1 als binäre Daten beschrieben wird.
Der Effekt, der dem magnetischen Speicher 1 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform zur Verfügung gestellt wird, wird beschrieben. In dem magnetischen Speicher 1 der Ausführungsform ist zwischen der magnetischen Materialschicht 1, die das TMR-Element 4 und die Halbleiterschicht 6 beinhaltet, welche den Schreibtransistor 32 beinhaltet, die Verdrahtungsschicht 7, welche die Bitverdrahtungen 13a und 13b beinhaltet, die zu jeder Spalte der Speicherbereiche 3 und der Wortverdrahtung 14, die zu jeder Reihe gehört, gebildet. Wie oben beschrieben wurde, erreicht das von dem TMR-Element 4 aus diffundie rende ferromagnetische Material wegen der eingelegten Schicht (Verdrahtungsschicht 7) zwischen der Schicht (magnetische Materialschicht 8), die das TMR-Element 4 und die Schicht (Halbleiterschicht 6) beinhaltet, die den Schreibtransistor 32 beinhaltet, nur schwer bis zur Halbleiterschicht 6. Dementsprechend ist die Diffusion des ferromagnetischen Materials in den Senkenbereich 32a und den Quellbereich 32c des Schreibtransistors 32 reduziert. Wie später beschrieben wird, können in dem magnetischen Speicher 1 der Ausführungsform der Prozess, der die magnetische Materialschicht 8 bildet, und der Prozess, der die Verdrahtungsschicht 7 und die Halbleiterschicht 6 bildet, voneinander separiert werden. Demzufolge kann das TMR-Element 4 in einem Zustand gebildet werden, in dem die Verdrahtungsschicht 7 den Schreibtransistor schützt. Dementsprechend wird während des Herstellungsprozesses das ferromagnetische Material davon abgehalten, sich in den Senkenbereich 32a und den Quellbereich 32c des Schreibtransistors 32 zu mischen.
Der oben beschriebene magnetische Speicher 1 kann dadurch erreicht werden, dass jedem Speicherbereich 3 ein Schreibtransistors 32 zur Verfügung gestellt wird. Das heißt, dass im Unterschied zu konventionellen magnetischen Speichern 100, die in der 39A gezeigt sind, in dem der Schreibtransistor 32 jedem Speicherbereich 3 zur Verfügung gestellt wird, die Schreibverdrahtung 31, welche die externen magnetischen Feldern Φ₁ und Φ₂ dem TMR-Element 4 zur Verfügung stellt, unabhängig jedem Speicherbereich 3 zugeordnet werden. Dementsprechend können die Bitverdrahtungen 13a, 13b, die für die Vielzahl von Speicherbereichen 3 zur Verfügung gestellt sind, separat von der magnetischen Materialschicht 8 gebildet werden. Folglich können die magnetische Materialschicht 8, die Verdrahtungsschicht 7 und die Halbleiterschicht 6 voneinander separiert werden.
In dem magnetischen Speicher 1 der Ausführungsform wird es vorgezogen, dass zwischen der magnetischen Materialschicht 8 und der Halbleiterschicht 7 eine Antidiffusionsschicht 36 angeordnet ist, welche die in dem TMR-Element 4 beinhalteten Elemente davon abhält, in die Halbleiterschicht 6 zu diffundieren. Demzufolge ist es möglich, die Diffusion des ferromagnetischen Materials in den Senkenbereich 32a und den Quellbereich 32c sehr effektiv zu reduzieren. Und es ist möglich, effektiver das ferromagnetische Material davon abzuhalten, sich während des Herstellungsprozesses in den Senkenbereich 32a und den Quellbereich 32c zu mischen.
Wie in dieser Ausführungsform wird es vorgezogen, dass die Leseverdrahtung 33, die jedem der Vielzahl von Speicherbereichen 3 zur Verfügung gestellt wird und elekt risch mit dem TMR-Element 4 verbunden ist, um die Lesespannung Ir durch das TMR-Element 4 zu leiten, in der magnetischen Materialschicht 8 beinhaltet ist. Und in jedem der Vielzahl von Speicherbereichen 3 wird es bevorzugt, dass der Senkenbereich 34a und der Quellbereich 34c, die den Lesetransistor 34 bilden, der das Leiten des Lesestroms steuert, in der Halbleiterschicht 6 beinhaltet sind. Demzufolge können die in dem TMR-Element 4 gespeicherten binären Daten angemessen ausgelesen werden. In dem magnetische Speicher 1 ist es auch möglich, die Diffusion des ferromagnetischen Materials in den Senkenbereich 34a und den Quellbereich 34c zu vermindern, da die Verdrahtungsschicht 7 zwischen der Halbleiterschicht 6 und der magnetischen Materialschicht 8 eingeschlossen ist. Darüber hinaus ist es in dem Herstellungsprozess möglich, das ferromagnetische Material davon abzuhalten, sich in den Senkenbereich 34a und den Quellbereich 34c zu mischen.
Des Weiteren ist in dieser Ausführungsform das magnetische Joch 5 vorzugsweise aus einem ringähnlichen Teil bzw. Glied geformt, das wenigstens ein Paar von offenen Enden (Stirnseiten 5a) hat, die sich gegenüberliegen und zwischen die eine Lücke bzw. Spalte vorbestimmter Größe gesetzt ist und die so angeordnet sind, dass sie die äußere Peripherie der Schreibverdrahtung 31 in einem Abschnitt in der Erstreckungsrichtung davon umschließen. Demzufolge kann das magnetische Feld, das in der Richtung weg von dem TMR-Element 4 emittiert wird, in den magnetischen Feldern aufgrund der Schreibströme I_w1 und I_w2 reduziert werden. Des Weiteren hat das magnetische Joch 5 ein Paar von Stirnseiten 5a, die einem Paar von Seitenflächen 4a des TMR-Elementes 4 gegenüberstehen. Dementsprechend können die magnetischen Felder Φ₁ und Φ₂ innerhalb des magnetischen Joches 5, das einen geschlossenen Pfad bzw. eine geschlossene Bahn in der peripheren Richtung bildet, effizient der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 zur Verfügung gestellt werden. Folglich können gemäß des magnetischen Speichers 1 der Ausführungsform die magnetischen Felder Φ₁ und Φ₂ aufgrund der Schreibströme I_w1 und I_w2 effizient dem TMR-Element 4 zur Verfügung gestellt werden. Dementsprechend kann die Magnetisierungsrichtung A in der ersten magnetischen Schicht 41 des TMR-Elementes 4 unter Verwendung kleiner Schreibströme I_w1 und I_w2 invertiert werden.
Des Weiteren kann die Magnetisierungsrichtung A der ersten magnetischen Schicht 41 gemäß dem magnetischen Speicher 1 der Ausführungsform aufgrund des oben beschriebenen Effektes des magnetischen Joches 5 unter Verwendung kleiner Schreibströme I_w1 und I_w2 invertiert werden. Der Schreibtransistor 32 zum Steuern des Leitens der Schreibströme I_w1 und I_w2 kann miniaturisiert werden. Dementsprechend kann der Schreibtransistor 32 einfach zwischen jedem Speicherbereich 3 angeordnet werden.
Wie diese Ausführungsform stimmt die Richtung der leicht zu magnetisierenden Achse des magnetischen Joches 5 vorzugsweise mit der Richtung der leicht zu magnetisierenden Achse der ersten magnetischen Schicht 1 überein. Es wird auch bevorzugt, dass der Bereich des Abschnittes, der senkrecht zu der peripheren Richtung des magnetischen Joches 5 steht, am Paar der Stirnseiten 5a am kleines ist. Demzufolge können die magnetischen Felder Φ₁ und Φ₂ innerhalb des magnetischen Joches 5 effizienter an die erste magnetische Schicht 41 des TMR-Elementes 4 abgegeben werden.
Als nächstes wird ein Beispiel des Herstellungsverfahrens des magnetischen Speichers 1 gemäß der Ausführungsform beschrieben. Vor allem anderen wird unter Bezug auf die 9 bis 26 der Bildungsprozess bzw. Formgebungsprozess der Halbleiterschicht und der Verdrahtungsschicht beschrieben. Und dann wird unter Bezug zu den 27 bis 37 der Bildungsprozess bzw. Formgebungsprozess der magnetischen Materialschicht beschrieben. Jeder der 9 bis 37 zeigt einen Schnitt entlang der Linie I-I und II-II in 2, um den Herstellungsprozess sequentiell darzustellen.
Zuallererst wird, wie in 9 gezeigt, ein P-leitendes Silikonsubstrat als das Halbleitersubstrat 21 vorbereitet. Auf diesem Halbleitersubstrat 21 wird ein SiO₂-Film 61 in der Weise eines thermischen Oxidationsverfahrens gebildet. Auf dem SiO₂-Film 61 wird ein Si₃Ni₄-Film 62 in der Weise einer thermischen CVD unter Verwendung zum Beispiel von SiH und NH₃ als Materialgas gebildet. Um dann einen aktiven Bereich (LOCOS) des Schreibtransistors 32 und des Lesetransistors 34 zu bilden, wird eine Leiterplattenschutzschichtmaske bzw. -widerstandsmaske 70 gebildet, die eine Öffnung 70a hat, in der Weise einer Photolithographie, und dann werden in dem SiO₂-Film 61 und dem Si₃N₄-Film 62 Öffnungen 61a und 62a gebildet (Strukturierung bzw. Oberflächenstrukturierung) in der Weise eines reaktiven Ionenätzens (reactive ion etching – RIE) (unter Bezug auf 10).
Dann wird, nachdem die Leiterplattenschutzschichtmaske 70, wie in 11 gezeigt, entfernt wurde unter Verwendung des Si₃Ni₄-Films 62 als Maske der freigelegte Teil des SiO₂-Film 61 in der Weise eines thermischen Oxidationsverfahrens oxidiert. Folglich wird der Feldoxidfilm (d. h. Isolationsbereich 22) aus SiO₂ geformt. Danach werden der SiO₂-Film 61 und der Si₃Ni₄-Film 62 in der Weise eines Nassätzens (wet etching) entfernt.
Dann wird, wie in 12 gezeigt, auf dem Halbleitersubstrat 21 und der dem Isolationsbereich 22 der Gatterisolationsfilm 23a aus SiO₂ in der Weise eines thermischen Oxidationsverfahrens dünn gebildet. Wie in 13 gezeigt ist, wird auf dem Gatterisolationsfilm 23a ein polykristalliner Siliziumfilm 63 gebildet. Hier wird der polykristalline Siliziumfilm 63 in der Weise einer thermischen CVD gebildet, die zum Beispiel SiH und N₂ als Materialgas verwendet. Danach wird, wie in 14 gezeigt, eine Leiterplattenschutzschichtmaske auf dem polykristallinen Siliziumfilm 63 gebildet, die ein Gatterelektrodenmuster hat, und der polykristalline Siliziumfilm 63 wird einem Ätzprozess ausgesetzt in der Art und Weise von RIE, um die Gatterelektroden 32b (34b) zu bilden. In diesem Fall, wo die Gatterelektrode 32b (34b) als ein Teil der Wortverdrahtung 14 gebildet wird (unter Bezug zu 2 bis 4), wird eine Leiterplattenschutzschichtmaske auf dem polykristallinen Siliziumfilm 63 gebildet, die ein Wortverdrahtungsmuster hat; und dann wird der polykristalline Siliziumfilm 63 einem Ätzen in der Art eines RIE ausgesetzt, um die Wortverdrahtung 14 zu bilden. Der andere Teil als der Teil zwischen der Gatterelektrode 32b (34b) und dem Halbleitersubstrat 21 in dem Gatterisolationsfilm 238 wird der RIE unter Verwendung der Gatterelektrode 32b (34b) als die davon zu entfernende Maske ausgesetzt. Der Gatterisolationsfilm 23a, der wie hier beschrieben gebildet wird, wird ein Teil der Isolationsschicht 23 (unter Bezug zu den 2 bis 4). Dann wird ein Ion 80 (zum Beispiel As) in das Halbleitersubstrat 21 unter Verwendung der Gatterelektrode 32b (34b) als Maske eingespritzt; wodurch der n⁺-leitende Senkenbereich 32a (34a) und der Quellbereich 32c (34c) unter Bezug auf die Gatterelektrode 32b (34b) in einer sich selbst ausrichtenden Art und Weise gebildet wird. Somit ist die Halbleiterschicht 6 fertig.
Dann wird, wie in 15 gezeigt, der zwischen den Schichten liegende Isolationsfilm 23c aus SiO₂ über dem gesamten Halbleitersubstrat 21 nach Art der Verwendung einer CVD gebildet, zum Beispiel mit SiH und O₂ als das Materialgas, der zwischen den Schichten liegende Isolationsfilm 23c wird auch ein Teil des Isolationsbereichs 23. Damit Kontaktlöcher gebildet werden können, um die entsprechenden Elektroden aus dem Senkenbereich 32a (34a), der Gatterelektrode 32b (34b) und dem Quellbereich 32c (34c) jeweils wie in 16 gezeigt zu ziehen, werden Kontaktlöcher 23d bis 23f in dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23c gebildet. Hier wird eine Abdeckung bzw. Schutzschicht auf dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23c gebildet, die Öffnungen hat, welche den Positionen und der Konfiguration der Kontaktlöcher 23d bis 23f ent sprechen, und der zwischen den Schichten liegende Isolationsfilm 23c wird einer RIE ausgesetzt, um die Kontaktlöcher 23d bis 23f zu bilden.
Dann wird, wie in 17 gezeigt, auf dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23c und innerhalb der Kontaktlöcher 23d bis 23f ein Al-Film 64 nach Art einer Kathodenzerstäubung bzw. eines Sputterns gebildet. Dann wird, wie in 18 gezeigt, der Al-Film 64 einem Ätzen (RIE) ausgesetzt, unter Verwendung einer Schutzmaske eines vorbestimmten Musters bzw. einer vorbestimmten Schablone. Dadurch werden eine Verdrahtung 16r, die elektrisch mit dem Senkenbereich 32a (34a) verbunden ist, eine Verdrahtung 16s, die elektrisch mit der Gatterelektrode 32b (34b) verbunden ist, und eine Verdrahtung 16t, die elektrisch mit dem Quellbereich 32c (34c) verbunden ist, gebildet. In diesem Herstellungsverfahren dienen die Verdrahtungen 16r bis 16t sowohl als die vertikalen Verdrahtungen als auch als die horizontalen Verdrahtungen. Es braucht nicht gesagt werden, dass, wie in 2 bis 4 gezeigt, der vertikale Verdrahtungsteil und der horizontale Verdrahtungsteil unter Verwendung verschiedener Materialien (in verschiedenen Prozessen) gebildet werden können. Wenn nötig, können die Verdrahtungen 16r bis 16t weggelassen werden. Insbesondere in dem Fall, wo die Gatterelektrode 32b (34b) allgemein als die Wortverdrahtung 14 (unter Bezug zu 1) verwendet wird, ist die Verdrahtung 16s, die elektrisch mit der Gatterelektrode 32b (34b) verbunden ist, nicht notwendig.
Dann wird nach Art der Verwendung einer CVD, zum Beispiel mit SiH und O₂ als das Materialgas, ein zwischen den Schichten liegender Isolationsfilm 23g von SiO₂ über den gesamten Halbleitersubstrat 21, wie in 19 gezeigt ist, gebildet. Der zwischen den Schichten liegende Isolationsfilm 23g wird auch ein Teil des Isolationsbereichs 23. Wie in 20 gezeigt ist, werden, nachdem eine Schutzschablone gebildet wurde, die Öffnungen an den Positionen hat, die eine vertikale Verdrahtung auf dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23g bilden, Löcher 23h und 23i in dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23g gebildet, indem der Isolationsfilm 23g einem Ätzprozess (RIE) ausgesetzt wird. Dann wird, wie in 21 gezeigt, ein W-Film 65 auf dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23g und innerhalb der Löcher 23h und 23i nach Art einer CVD gebildet. Dann wird, wie in 22 gezeigt, der W-Film 65 in den Bereichen, die sich von den Löchern 23h und 23i unterscheiden, entfernt nach Art eines chemischmechanischen Polierens (chemical mechanical polishing – CMP), um die Oberfläche des zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilms 23g abzuflachen bzw. zu glätten. Folglich werden die vertikalen Verdrahtungen 16u und 16v gebildet. Diese vertikalen Verdrahtungen 16u und 16v sind ein Beispiel für vertikale Verdrahtungen in den 2 bis 4. Die vertikalen Verdrahtungen können in einem vorbestimmten Teil unter Verwendung des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens gebildet werden.
Dann wird, wie in 23 gezeigt, auf dem abgeflachten zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23g und den vertikalen Verdrahtungen 16u und 16v ein Al-Film 66 nach Art eines Zerstäubungsverfahrens bzw. Sputterns gebildet. Nachdem eine Schutzmaske eines vorbestimmten Musters auf dem Al-Film 66 gebildet wurde, wird der Al-Film 66 einem Ätzprozess (RIE) ausgesetzt, um die horizontalen Verdrahtungen 18i und 18j zu bilden, wie in 24 gezeigt ist. Diese horizontalen Verdrahtungen 18i und 18j sind ein Beispiel für die in den 2 bis 4 gezeigten horizontalen Verdrahtungen. Die horizontalen Verdrahtungen können unter Verwendung des obigen Herstellungsverfahrens an einem vorbestimmten Punkt gebildet werden. Hier werden die Bitverdrahtungen 13a und 13b, die durch die Vielzahl von Speicherbereichen 3 angeordnet sind, auch unter Verwendung des gleichen Herstellungsprozesses wie der der horizontalen Verdrahtungen 18i und 18j gebildet. Danach werden die vertikalen Verdrahtungen und horizontalen Verdrahtungen wiederholt unter Verwendung der gleichen Methode wie in den oben beschriebenen Prozessen (unter Bezug auf 19 bis 24) gebildet; folglich wird die Verdrahtung innerhalb der Verdrahtungsebene 7 gebildet. Nach dem Bilden der vertikalen Verdrahtungen wird der zwischen den Schichten liegende Isolationsfilm abgeflacht; somit sind die Bildungsprozesse der Verdrahtungsschicht abgeschlossen. Das bedeutet, dass, wie in 25 gezeigt ist, der alleroberste zwischen den Schichten liegende Isolationsfilm 23i (welcher ein Teil des Isolationsbereichs 23 wird) gebildet, die Löcher 23k und 23m sind in dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23i gebildet; und der W-Film 67 ist auf dem zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23i und innerhalb der Löcher 23k und 23m gebildet. Dann wird, wie in 26 gezeigt, der W-Film 67, der in einem von den Löchern 23k und 23m unterschiedlichen Bereich gebildet ist, nach Art einer CMP entfernt und die Oberfläche des zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilmes 23i wird abgeflacht und vertikale Verdrahtungen 16w und 16x werden gebildet. Unter Verwendung der gleichen Prozesse wie die des Bildungsprozesse der vertikalen Verdrahtungen 16w und 16x werden die vertikalen Verdrahtungen 16b, 16c, 16g und 16i gebildet, die in den 2 bis 4 gezeigt sind. Somit ist die Verdrahtungsschicht 7 fertig. Die abgeflachte Oberfläche des zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilms 23i wird eine Zwischenschicht 7a zwischen dem Bildungsprozess der Verdrahtungsschicht 7 und dem Bildungsprozess der magnetischen Materialschicht 8. Die elektrische Verbindung zwischen der Verdrahtungsschicht 7 und der magnetischen Materialschicht 8 in der Zwischenschicht 7a kann unter Verwendung einer vertikalen Verdrahtung gemacht werden, die aus W gebildet wird.
Wenn die Antidiffusionsschicht 63 in dem magnetischen Speicher 1 gebildet wird, wird nach dem Abflachen der Oberfläche des zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilms 23i auf den zwischen den Schichten liegenden Isolationsfilm 23i ein Film aus Ti oder Ru nach Art eines Kathodenzerstäubens bzw. Sputterns oder Ähnlichem gebildet, wodurch die Antidiffusionsschicht 36 vorzugsweise gebildet werden kann.
Als Nächstes wird der Bildungsprozess der magnetischen Materialschicht beschrieben. Wie in 27 gezeigt, ist die Elektrode 35 auf der vertikalen Verdrahtung 16c der Verdrahtungsschicht 7 gebildet. Danach wird, um das TMR-Element 4 zu bilden, unter Verwendung einer Hochvakuumgleichstromkathodenzerstäubungsvorrichtung (high vacuum (UHV) DC sputtering apparatus) zum Beispiel eine Basisschicht aus Ta, eine Schicht IrMn, eine Schicht CoFe und eine Schicht Al in dieser Reihenfolge gebildet. Danach wird die Schicht Al unter Verwendung eines Sauerstoffplasmas oxidiert, um eine Tunnelisolationsschicht (d. h. eine Schicht, welche die nichtmagnetische Isolationsschicht 42 sein wird, die in den 6 und 7 gezeigt ist), gebildet und dann werden eine Schicht CoFe und eine Schutzschicht Ta gebildet.
Dann wird, wie in 28 gezeigt, nachdem unter Verwendung einer Lithographievorrichtung eine Schutzmaske 71 gebildet wurde, das TMR-Element 4 nach Art eines Ionenstrahlätzens (ion milling) gebildet. Danach wird unter Verwendung einer CVD-Vorrichtung zum Beispiel die Seitenfläche des TMR-Elementes 4 aus Si(OC₂H₅)₄ gebildet und eine Isolationsschicht 24a aus SiO₂ wird auf der Elektrode 35 gebildet. Des Weiteren wird, um ein Paar der sich gegenüberstehenden Joche 5b zu bilden, zum Beispiel ein Spritzapparat (spatter apparatus), nachdem ein NiFe-Film 68 gebildet wurde, die Schutzmaske 71 entfernt. Dann wird, wie in 29 gezeigt, eine Schutzmaske 72 auf dem NiFe-Film 68 und dem TMR-Element 4 gebildet, die mit der Konfiguration der sich gegenüberstehenden Joche 5b übereinstimmt, und dann wird der NiFe-Film 68 nach Art eines Ionenstrahlätzens gebildet, um ein Paar sich gegenüberstehender Joche 5b zu bilden. Danach wird die Schutzmaske 72 entfernt.
Dann wird, wie in 30 gezeigt, die Leseverdrahtung 33 gebildet, die in Kontakt mit der oberen Oberfläche des TMR-Elementes 4 steht. Dann wird eine Isolationsschicht 24b auf der Leseverdrahtung 33, der Isolationsschicht 24a und den sich gegenüberstehenden Jochen 5b gebildet, die aus dem gleichen Material wie das der Isolationsschicht 24a nach Art einer CVD gebildet wird. Dann wird ein Metallisierungs- bzw. Überzugs- oder Verstärkungsgrundlagenfilm 31a aus einem Material, das eine gute Leitfähigkeit hat, zum Beispiel Cu oder Ähnliches, auf der Isolationsschicht 24b nach Art eines Kathodenzerstäubungsverfahrens gebildet.
Dann wird, wie in 31 gezeigt, auf dem Metallisierungsgrundlagenfilm 31a eine Schutzmaske 37 wahlweise bzw. selektiv geformt. Hier hat die Schutzmaske 73 eine Öffnung, die sich in einem Bereich oberhalb des TMR-Elementes 4 befindet und die weiter als die obere Oberfläche des TMR-Elementes 4 ist. Dann wird der gesamte magnetische Speicher 1 in ein Metallisierungs- bzw. Galvanisierungsbad getaucht und eine Metallisierungs- bzw. Galvanisierungsbehandlung wird unter Verwendung des Metallisierungsgrundlagenfilms 31a als Elektrode ausgeführt, um die Schreibverdrahtung 31b zu bilden. Nach dieser Metallisierungs- bzw. Galvanisierungsbehandlung wird, wie in 32 gezeigt, die Schutzmaske 73 entfernt. Und des Weiteren wird in dem Metallisierungsgrundlagenfilm 31a der freigelegte Teil nach Art einer Fräsbearbeitung entfernt. Somit ist die Schreibverdrahtung 31 gebildet.
Dann wird, wie in 33 gezeigt, eine Isolationsschicht 24c aus dem gleichen Material, wie das der Isolationsschichten 24a und 24b auf der Schreibverdrahtung 31 und der Isolationsschicht 24b nach Art einer CVD gebildet. Und in der Isolationsschicht 24c wird die Schutzmaske 74 selektiv gebildet. Hier wird die Schutzmaske 74 in einem Bereich gebildet, der sich oberhalb der Schreibverdrahtung 31 befindet und ein wenig breiter bzw. dicker als die obere Oberfläche der Schreibverdrahtung 31 ist. In den Isolationsschichten 24b und 24e werden die nicht durch die Schutzmaske 74 abgedeckten Bereiche nach Art eines RIE oder Ähnlichem entfernt, um die sich gegenüberliegenden Joche 5b freizulegen. Dann wird die Schutzmaske 74 entfernt (unter Bezug auf 34).
Dann wird, wie in 35 gezeigt, auf der Isolationsschicht 24a selektiv die Schutzmaske 75 gebildet. Hier wird die Schutzmaske 75 so gebildet, dass sie nicht die sich gegenüberliegenden Joche 5b und die Schreibverdrahtung 31 abdeckt. In dem Bereich, wo die Schutzmaske 75 nicht gebildet ist, wird zum Beispiel das Paar von Stützjochen 5c und das Trägerjoch 5d auf die Weise eines Kathodenzerstäubungsverfahrens gebildet. Somit wird das magnetische Joch 5 gebildet, das das Paar von sich gegenüberstehenden Jochen 5b, das Paar von Stützjochen 5c und das Trägerjoch 5d beinhaltet. Als letztes wird, wie in 36 gezeigt, die Schutzmaske 75 entfernt und eine Isolationsschicht 24d aus dem gleichen Material, wie das der Isolationsschicht 24a, wird auf der Isolationsschicht 24a und dem magnetischen Joch 5 auf die Weise einer CVD gebildet. Somit ist die Isolationsschicht 24 gebildet und die magnetischen Materialschicht 8 ist fertig.
In dem wie oben beschriebenen Herstellungsverfahren des magnetischen Speichers 1 ist der Prozess, in dem der Senkenbereich 32a und der Quellbereich 32b des Schreibtransistors 32 in der Halbleiterschicht 6 gebildet werden, der Prozess, in dem die Bitverdrahtungen 13a und 13b und die Wortverdrahtung 14 auf der Verdrahtungsschicht 7 auf der Halbleiterschicht 6 gebildet werden, und der Prozess, in dem das TMR-Element 4 und das magnetische Joch 5 auf der magnetischen Materialschicht 8 gebildet werden, perfekt voneinander separiert. Demzufolge schließt die Verdrahtungsschicht 7 das ferromagnetische Material ab, wenn das TMR-Element 4 und das magnetische Joch 5 in der magnetischen Materialschicht abgebildet werden; folglich wird das ferromagnetische Material effektiv davon -abgehalten, sich in den Senkenbereich 32a und den Quellbereich 32b des Schreibtransistors 32 zu mischen.
Des Weiteren können in dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren des magnetischen Speichers 1 die Halbleiterschicht 6, die Verdrahtungsschicht 7 und die magnetische Materialschicht 8 jeweils als Module entwickelt bzw. designt werden, da der Halbleiterschichtbildungsprozess, der Verdrahtungsschichtbildungsprozess und der Bildungsprozess für die magnetische Materialschicht voneinander separiert sind. Dementsprechend kann der Herstellungsprozess weiter vereinfacht werden.
(Modifikation)
Nun wird eine Modifikation des magnetischen Speichers in Übereinstimmung mit der Ausführungsform beschrieben. 37 und 38 zeigen eine Schnittansicht, die jeweils die Konfiguration von magnetischen Jochen 51 und 52 in Übereinstimmung mit der Modifikation zeigen. Unter Bezug auf 37 ist das magnetische Joch 51 so konfiguriert, dass es ein Paar von sich gegenüberstehenden Jochen 51b, ein Paar von Stützjochen 51c und ein Trägerjoch 51d beinhaltet. In dem magnetischen Joch 51 sind der Aufbau und die Konfiguration des Paares von Stützjochen 51c und des Trägerjoches 51d die gleichen wie der Aufbau und die Konfiguration des oben beschriebenen Paares von Stützjochen 5c und dem Trägerjoch 5d des magnetischen Joches 5 (unter Bezug zu 6). In dem Paar von sich gegenüberliegenden Jochen 51b in den Seitenflächen 4a des TMR-Elementes 4 steht die Stirnseite 51a davon in Kontakt mit den Seitenflächen der ersten magnetischen Schicht 41. Das magnetische Joch 51 kann eine wie oben beschriebene Konfiguration haben; dadurch kann das innerhalb des magnetischen Joches 51 durch einen Schreibstrom zur Verfügung gestellte magnetische Feld noch effizienter der magnetischen Schicht 41 zur Verfügung gestellt werden.
Des Weiteren ist unter Bezug zu 38 ein magnetisches Joch 52 so konfiguriert, dass es ein erstes Trägerjoch 52b, ein Paar von Stützjochen 52c und ein zweites Trägerjoch 51d beinhaltet. In dem magnetischen Joch 52 ist das erste Trägerjoch 52b zwischen der Leseverdrahtung 33 und der nichtmagnetischen Isolationsschicht 42 angeordnet, damit es im Allgemeinen als die erste magnetische Schicht des TMR-Elementes 4b dienen kann. Ein Ende des ersten Trägerjoches 52b ist bis zu einem aus dem Paar der Stützjoche 52c fortgeführt und das andere Ende des ersten Trägerjoches 52b ist bis zu einem anderen aus dem Paar von Stützjochen 52c fortgeführt bzw. verlängert. Das Trägerjoch 52d ist entlang der Oberfläche auf der dem TMR-Element 4 gegenüberliegenden Seite in der Schreibverdrahtung 31 gebildet. Das Paar von Stützjochen 52c ist entlang der Seitenflächen der Schreibverdrahtung 31 gebildet, um beide Enden des ersten Trägerjoches 52b und beide Enden des zweiten Trägerjoches 52d zu verbinden. Dieser oberen Konfiguration zufolge können das erste Trägerjoch 52b, das Paar von Stützjochen 52c und das zweite Trägerjoch 52d die äußere Peripherie der Schreibverdrahtung 31 an einem Teil bzw. Abschnitt der Schreibverdrahtung 31 in der Erstreckungsrichtung davon komplett umschließen (ein Teil des TMR-Elementes 4). Dementsprechend kann das innerhalb des magnetischen Joches 52 durch den Schreibstrom erzeugte magnetische Feld noch effizienter der ersten magnetischen Schicht zur Verfügung gestellt werden (d. h. dem ersten Trägerjoch 52b).
Der magnetische Speicher in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedene Modifikationen davon sind möglich. Zum Beispiel wird in der obigen Ausführungsform als magnetwiderstandsfähiges Element das TMR-Element verwendet. Allerdings kann ein GMR-Element verwendet werden, das einen gigantischen Magnetwiderstandseffekt (giant magnetoresistive effect – GMR) nutzt. Der GMR-Effekt steht für ein Phänomen, dass, wenn der durch die beiden Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schicht, welche eine nichtmagnetische Schicht umschließt, wechselt, der Widerstandswert der ferromagnetischen Schichten in einer senkrecht zu den Aufbaurichtungen davon liegenden Richtung wechselt. Das heißt, dass in dem GMR-Element die Widerstandswerte der ferromagnetischen Schicht minimal werden, wenn die zwei Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten parallel zueinander sind; und wenn die zwei Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Schichten antiparallel zueinander sind, wird der Widerstandswert der ferromagnetischen Schichten maximal. Was das TMR-Element und das GMR-Element angeht, stehen ein Pseudodrehventiltyp (pseud-sein-valve type), in welchem das Schreiben/Lesen unter Nutzung der Differenz der Koerzitivkräfte zwischen zwei ferromagnetischen Schichten durchgeführt wird, und ein Drehventil bzw. Schiebertyp (sein-valve type), in welchem die Magnetisierungsrichtung von einer ferromagnetischen Schicht durch die Austauschkopplung mit der antiferromagnetischen Schicht fixiert wird, zur Verfügung. In dem GMR-Element wird das Datenlesen durch die Detektion des Wechsels des Widerstandswertes in der ferromagnetischen Schicht in der senkrecht zur Aufbaurichtung verlaufenden Richtung detektiert. Andererseits wird in dem GMR-Element das Datenschreiben durch ein invertieren der Magnetisierungsrichtung von einer ferromagnetischen Schicht ausgeführt, wobei das magnetische Feld unter Verwendung eines Schreibstromes erzeugt wird.
In der obigen Ausführungsform ist das magnetische Joch integral von einer Endfläche bzw. Stirnseite bis zu der anderen Stirnseite in der peripheren Richtung bzw. Umfangsrichtung der Schreibverdrahtung gebildet. Was die Konfiguration des magnetischen Joches angeht, kann zusätzlich zu dem obigen zum Beispiel so eine Konfiguration eingesetzt werden, die eine oder mehrere Spalten bzw. Lücken in der Umfangsrichtung beinhaltet und das magnetische Joch in eine Vielzahl von Teilen unterteilt wird. Des Weiteren werden in der obigen Ausführungsform als die Halbleiterschreibschalteinrichtung und die Halbleiterleseschalteinrichtung Transistoren eingesetzt bzw. zur Verfügung gestellt. Was die Schalteinrichtungen angeht, können verschiedene Halbleitereinrichtungen bzw. -vorrichtungen oder -geräte eingesetzt werden, welche eine Funktion haben, den Strom, wenn es notwendig ist, EIN/AUS zu schalten.

Claims

Magnetischer Speicher (1) mit mehreren Speicherbereichen (3), die einen zweidimensionalen Aufbau aus m Reihen und n Spalten aufweisen, wobei m gleich 2 ist oder einer anderen ganzen Zahl entspricht und n gleich 2 ist oder einer anderen ganzen Zahl entspricht, und jeder Speicherbereich umfasst: Eine magnetische Materialschicht (8) mit Einem magnetwiderstandsbeständigen Element (4), das eine für ein Magnetfeld empfindliche Schicht (41) aufweist, deren Magnetisierungsrichtung sich in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes ändert, und eine Schreibverdrahtung (31), um mithilfe des Schreibstroms ein externes Magnetfeld an die für ein Magnetfeld empfindliche Schicht anzulegen; Einer Halbleiterschicht (6), die einen Halbleiterbereich aufweist, der eine Halbleiterschreibschalteinrichtung (32) zur Steuerung einer Leitung des Schreibstroms in der Schreibverdrahtung (31) bildet; dadurch gekennzeichnet, dass jeder Speicherbereich des Weiteren umfasst: Eine Verdrahtungsschicht (7), die zwischen der magnetischen Materialschicht und der Halbleiterschicht angeordnet ist, wobei die Verdrahtungsschicht umfasst. Eine erste Verdrahtung (13a, 13b), die mit der Schreibverdrahtung (31) elektrisch verbunden ist; und Eine zweite Verdrahtung (14), die mit einem Steueranschluss der Halbleiterschreibschalteinrichtung (32) elektrisch verbunden ist.
Magnetischer Speicher nach Anspruch 1, der des Weiteren eine Antidiffusionsschicht umfasst, die zwischen der magnetischen Materialschicht und der Halbleiterschicht ausgebildet ist, um zu verhindern, dass sich ein in dem magnetwiderstandsbeständigen Element enthaltenes Element in der Halbleiterschicht ausbreitet.
Magnetischer Speicher nach Anspruch 2, wobei die Antidiffusionsschicht zumindest ein Element, das aus einer Gruppe bestehend aus Ti und Ru ausgewählt wurde, umfasst.
Magnetischer Speicher nach Anspruch 1, wobei die magnetische Materialschicht des Weiteren eine Leseverdrahtung, die mit dem magnetwiderstandsbeständigen Element elektrisch verbunden ist, umfasst, so dass ein Lesestrom zu dem magnetwiderstandsbeständigen Element fließen kann, und wobei die Halbleiterschicht des Weiteren einen Halbleiterbereich umfasst, der eine Halbleiterleseschalteinrichtung zur Steuerung einer Leitung des Lesestroms in der Leseverdrahtung aufweist.
Fertigungsverfahren eines magnetischer Speicher (1) mit mehreren Speicherbereichen (3), die einen zweidimensionalen Aufbau aus m Reihen und n Spalten aufweisen, wobei m gleich 2 ist oder einer anderen ganzen Zahl entspricht und n gleich 2 ist oder einer anderen ganzen Zahl entspricht, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bilden einer Halbleiterschicht (6); Bilden einer Verdrahtungsschicht (7) auf der Halbleiterschicht; und Bilden einer magnetischen Materialschicht (8) auf der Verdrahtungsschicht, wobei Das Bilden einer Halbleiterschicht (6) das Bilden eines Halbleiterbereiches umfasst, der eine Halbleiterschreibschalteinrichtung (32) in jedem Speicherbereich der Halbleiterschicht (6) bildet, Das Bilden einer Verdrahtungsschicht (7) das Bilden einer ersten Verdrahtung (13a, 13b), die jeder Spalte des Speicherbereiches entspricht, und einer zweiten Verdrahtung (14) umfasst, die jeder Reihe des Speicherbereiches entspricht und mit einem Steueranschluss der Halbleiterschreibschaltungseinrichtung (32) verbunden ist, die in jedem Speicherbereich (3) in der entsprechenden Reihe der Verdrahtungsschicht (7) ausgebildet ist, und Das Bilden einer magnetischen Materialschicht (8) das Bilden eines magnetwiderstandsbeständigen Elements (4) umfasst, das eine für ein Magnetfeld empfindliche Schicht (41) aufweist, die in jedem Speicherbereich (3) vorgesehen ist und deren Magnetisierungsrichtung sich in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes ändert, und eine Schreibverdrahtung (31), die in jedem Speicherbereich (3) ausgebildet und mit der ersten Verdrahtung (13a, 13b) elektrisch verbunden ist, um mithilfe des Schreibstrom ein externes Magnetfeld an die für ein Magnetfeld empfindliche Schicht (41) anzulegen.