專利名稱：抗熱干擾和具有高寫入效率的磁隨機存取存儲器設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及磁隨機存取存儲器(MRAM)、使用它的電子卡和電子裝置，特別涉及由通過隧道磁阻效應存儲“1”/“0”信息的存儲元件構成的存儲器單元的構造。
現有技術近年來，提出了許多通過新原理存儲信息的存儲器。例如其中的一個就是在Roy Scheuerlein et.al.“A 10ns Read and WriteNon-Volatile Memory Array Using a Magnetic Tunnel Junction andFET Switch in each Cell”ISSC C2000 Technical Digest pp.128～pp.129中揭示的將使用磁隧道連接(以后表記為MTJ)元件的磁存儲器單元配置為行列狀的MRAM。該MRAM同時具有非易失性、高速性。
MTJ元件一般具有記錄層和被稱為固定層的2個磁性層。在向MTJ元件編程數據的時候，通過向寫入布線流過電流，并向MTJ元件施加規定方向的磁場，來切換記錄層的磁化方向。
但是，MRAM的最大問題是降低寫入電流。本發明者們進行了MTJ元件的可靠性保持試驗，其結果發現確保抗熱干擾性是重要的課題。以下說明其緣由。
現在，MTJ元件的寫入電流值為8～10mA大。為了實用化，必須使寫入電流值降低到能夠許可的水平。本發明者們試驗作成的1K比特水平的MRAM的測試芯片的寫入電流值也還是8～10mA。
進而，調查了MTJ元件的比特信息的保持特性。其結果是即使將被設想為硬盤存儲裝置的磁介質的抗熱干擾性的標準Ku×V/kB×T設置為80以上，也會發生比特信息的反轉。在此，V是MTJ元件的記錄層的體積，kB是玻爾茲曼常數，T是絕對溫度。在MRAM的情況下，通常主要由形狀磁各向異性決定Ku，而實際上是基于形狀的各向異性能量和感應磁各向異性的和。
為了防止比特信息的反轉，提高比特信息的抗熱干擾性，關鍵是要增大Ku×V。但是，如果這樣做，則更加增加了寫入電流。
如上所述，在MRAM中理想的是同時降低寫入電流和確保抗熱干擾性。但是，現有技術中并沒有提出具體的設計方案。以下，詳細說明對該問題點的見解。
現在，在元件寬度為0.6μm，元件長度為1.2μm左右的情況下，所報告的MTJ元件的寫入電流值小的也有8mA左右。
通常，假設MTJ元件的平面形狀為長方形或橢圓形狀，向MTJ元件付與形狀磁各向異性，規定MTJ元件的磁化方向，也付與抗熱干擾性。
MTJ元件的形狀磁各向異性和感應磁各向異性的和與MTJ元件的記錄層的體積的積為Ku×V。在此，假設MTJ元件的記錄層的感應磁各向異性與基于形狀的各向異性的方向是同一方向，不產生各向異性的分散等。但是，通常可以認為對于作為記錄層的材料使用的NiFe來說，感應磁各向異性的大小(幾Oe)與基于形狀的各向異性的磁場的大小(幾十Oe)相比小一個數量級，抗熱干擾性、反轉磁場也幾乎都由形狀磁各向異性決定。
大致由下式(1)決定寫入記錄層的磁化信息所必需的反轉磁場Hsw。
Hsw＝4π×Ms×t/F(Oe)......(1)在此，Ms是記錄層的飽和磁化，t是記錄層的厚度，F是記錄層的寬度。另外，大致由下式(2)決定基于形狀的各向異性能量和感應磁各向異性的和Ku。
Ku＝Hsw×Ms/2......(2)作為降低寫入電流的方法，例如在Saied Tehrani，“Magnetoresistive RAM”，2001 IEDM short course中提出了在例如由Cu等構成的通常的寫入布線上覆蓋NiFe等軟磁性材料，成為具有磁軛(yoke)的寫入布線。由此，能夠產生2倍左右的高效率，即使寫入電流值降低1/2左右。
圖1展示了上述文獻“Magneto resistive RAM”中記載的具有磁軛的寫入布線的構造的一個例子，圖2展示了研究使用了圖1的寫入布線后的寫入特性的結果。如圖1所示，具有磁軛的寫入布線具有用NiFe等軟磁性材料構成的磁軛20覆蓋由Cu構成的寫入布線30的周圍一部分的構造。
在圖2中，用實線表示的特性A展示了在作為MTJ元件的記錄層使用2nm膜厚的CoFeNi薄膜的情況下，縮小記錄層的寬度F，伴隨著MTJ元件的細微化，開關磁場Hsw增大的情況。
在使用通常的寫入布線的情況(特性B)下，由于到1/F為7左右為止產生的磁場比開關磁場大，所以能夠進行寫入。與此相對，在使用通過現有技術形成的具有磁軛的寫入布線的情況(特性C)下，由于即使1/F超過了7左右，產生的磁場也比開關磁場大，所以能夠進行寫入。但是，如果1/F超過了10左右，則產生的磁場變得比開關磁場小。
在使用通過現有技術形成的具有磁軛的寫入布線的情況下，通過試驗和計算機模擬研究的結果是能夠確認2倍左右的高效率化效果，并能夠將寫入電流降低到5mA。但是，這是界限，離作為實用化所必需的目標值的1～2mA還很遙遠。
另一方面，在池田等著作的“使用了GdFe合金垂直磁化膜的GMR膜和TMR膜”，日本應用磁學會雜志Vol.24，No.4-2，2000p.563～566中，報告了在TMR膜中使用了GdFe合金垂直磁化膜的情況下的磁阻效應的測量結果。
另外，在N.Nisimura，et.al.，“Megnetic tunnel junction devicewith perpendicular magnetization films for high-density magneticrandom access memory”，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS，VOLUME 91，NUMBER 8，15 APRIL 2002中，作為使用了垂直磁化膜的MTJ元件的層疊結構的一個例子，揭示了磁性層(GdFeCo)(50nm)/界面層(CoFe)/隧道壁壘膜(Al2O3(2.2nm))/界面層(CoFe)/磁性層(TbFeCo)(30nm)。
如上所述，理想的是現有的MRAM能夠同時確保寫入電流的降低和比特信息的抗熱干擾性，但并未提出具體的設計方案。另外，由于現有的MRAM伴隨著MTJ元件的細微化而寫入電流進一步增大，所以并未提案出使MRAM大容量化所必需的使寫入電流小于等于1mA左右的具體的方法。

發明內容
根據本發明的第1方面，提供以下這樣的磁隨機存取存儲器設備由垂直型的磁阻元件和寫入布線構成，其中該磁阻元件具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構成記錄層，另一個構成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向；該寫入布線配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產生磁場，在上述磁阻元件的磁性層的磁化方向上施加該產生的磁場，使上述磁阻元件的上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息。
根據本發明的第2方面，提供以下這樣的電子卡由半導體芯片、卡主體、蓋子和多個外部端子構成，其中該半導體芯片具有磁阻元件和寫入布線，該磁阻元件具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構成記錄層，另一個構成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向，該寫入布線配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產生磁場，在上述磁阻元件的磁性層的磁化方向上施加該產生的磁場，使上述磁阻元件的上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息；該卡主體收納上述半導體芯片，在半導體芯片的一個側面具有窗口；該蓋子具有使上述卡主體的上述窗口開關的磁屏蔽效果；該外部端子設置在上述卡主體的至少一個端部，將上述半導體芯片電連接到卡主體的外部。


圖1是展示具有磁軛的寫入布線的結構的一個例子的斜視圖。
圖2是展示研究了使用圖1的具有磁軛的寫入布線后的寫入特性的結果的特性圖。
圖3是概要地展示在MRAM中使用的MTJ元件的一般結構的截面圖。
圖4A和圖4B是展示圖3中的MTJ元件的2個磁性層的磁化方向的圖。
圖5是模式地展示MRAM的單元陣列的平面布局的一個例子的圖。
圖6是模式地展示實施例1的MTJ元件的基本結構和磁軛與寫入布線的配置關系的側面圖。
圖7是展示圖6中的磁軛的具體結構的一個例子的斜視圖。
圖8是展示圖6中的MTJ元件的具體結構的一個例子的側面圖。
圖9是展示圖6中的MTJ元件的具體結構的另一個例子的側面圖。
圖10是展示圖6中的MTJ元件的具體結構的又一個例子的側面圖。
圖11是展示圖6中的磁軛的具體結構的另一個例子的側面圖。
圖12是展示圖6中的磁軛的具體結構的又一個例子的側面圖。
圖13是展示圖6中的磁軛的具體結構的又一個例子的側面圖。
圖14是展示本發明的實施例2的MRAM單元的結構的斜視圖。
圖15是展示本發明的實施例3的MRAM單元的結構的斜視圖。
圖16是本發明的實施例4的存儲器單元陣列的電路圖。
圖17是展示圖16的存儲器單元陣列內的一個MRAM單元與寫入布線和磁軛的配置關系的一個例子的斜視圖。
圖18是展示本發明的實施例5的MRAM單元的結構的側面圖。
圖19是展示在本發明的實施例6的MRAM中規定特性比的基準的特性圖。
圖20是展示本發明的實施例7的存儲器單元陣列的電路圖。
圖21是作為本發明相關的MRAM的適用例1展示數字用戶線用調制解調器的DLS數據總線布線的框圖。
圖22是作為本發明相關的MRAM的適用例2展示便攜電話終端中的實現通信功能的部分的框圖。
圖23是展示將本發明相關的MRAM適用于MRAM卡的例子的上面圖。
圖24是作為使用本發明相關的MRAM卡的電子裝置的一個例子展示插入型數據轉寫裝置的上面圖。
圖25是與圖24對應的截面圖。
圖26是作為本發明相關的電子裝置的另一個例子展示嵌入型數據轉寫裝置的截面圖。
圖27是作為本發明相關的電子裝置的又一個例子展示滑動型數據轉寫裝置的截面圖。
具體設施方式首先，在說明實施例之前，先說明在各實施例中使用的MTJ元件。圖3概要地展示了MTJ元件的截面結構。MTJ元件10具有以下結構由強磁性層或強磁性體膜構成的2個磁性層11、12夾著1個非磁性層(隧道壁壘膜)13。MTJ元件10通過2個磁性層11、12的磁化方向是平行還是反平行，來存儲邏輯“1”電平或“0”電平的數據。
在磁性層12的一側配置反強磁性層14。反強磁性層14是通過使一側的磁性層12的磁化方向固定，而只改變另一側的磁性層11的磁化方向，來容易地改寫數據的部件。在此，磁化方向是固定的磁性層12被稱為固定層或針層，磁化方向是可變的磁性層11被稱為自由層或記錄層。
圖4A和圖4B展示了圖3所示的MTJ元件10的2個磁性層11、12的磁化方向的2個狀態。如圖4A所示，在2個磁性層11、12的磁化方向(圖示箭頭的方向)是平行(相同)的情況下，夾在2個磁性層11、12之間的隧道壁壘膜13的隧道電阻最低。在該情況下，隧道電流變得最大。
如圖4B所示，在2個磁性層11、12的磁化方向是反平行的情況下，夾在2個磁性層11、12之間的隧道壁壘膜13的隧道電阻最高。在該情況下，隧道電流最小。
在MRAM中，使MTJ元件的電阻值不同的2個狀態與邏輯“1”電平的數據的存儲狀態(“1”狀態)和邏輯“0”電平的數據的存儲狀態(“0”狀態)對應。
圖5模式地展示了在行方向和列方向上二維地配置了多個MTJ元件10的MRAM單元陣列的平面布局的一個例子。
在相互垂直的方向上配置多個寫入/讀出用的比特線BL和多個寫入字線WWL。與各比特線BL和各寫入字線WWL的交點對應地分別配置MTJ元件10。MTJ元件10的長方形的長邊沿著寫入字線WWL，短邊沿著比特線BL，并沿著長邊方向付與磁化方向。各比特線BL與同一行(或列)的多個MTJ元件10的各一個磁性層(圖3中的符號11或12)電連接。使得與同一列(或行)的多個MTJ元件10的各另一個磁性層(圖3中的符號12或11)接近并相對地配置各寫入字線WWL。這些多個MTJ元件形成在半導體基板，例如硅基板上，并被形成為一個芯片。
<MRAM的實施例1>
圖6是模式地展示在實施例1相關的MRAM中，作為MRAM單元使用的MTJ元件的基本結構和磁軛與寫入布線的配置關系的側面圖。
在圖6中，MTJ元件10分別由磁性層構成，具有以下的層疊結構在被稱為自由層的記錄層11和被稱為固定磁化層或針層的固定層12之間，夾著由非磁性層構成的隧道壁壘層13。該MTJ元件10具有隧道磁阻(TMR)效應，是磁性層11、12的磁化方向是膜面垂直方向的垂直型MTJ元件。在此，隧道壁壘層13使用氧化鋁AlO，例如Al2O3等。
磁軛20從厚度方向夾著MTJ元件10，具有以下作用從厚度方向向MTJ元件10的磁性層11、12施加基于后述寫入布線30產生的磁場。磁軛20使用軟磁性體。在本實施例中，MTJ元件10與磁軛20相接。但是，在界面上也可以設置例如Ta等金屬、MgO等絕緣體。
沿著與MTJ元件10的厚度方向垂直的方向，在本實施例中是MTJ元件10的厚度方向的側面，接近地配置寫入布線30。寫入布線30與MTJ元件10的磁性層11、12的膜面垂直方向(磁化方向)平行地施加所產生的磁場。寫入布線30例如由Cu或Al等構成。
即，實施例1相關的MRAM具有夾著非磁性層的2層磁性層，使磁性層的磁化方向向著膜面垂直方向的垂直型MTJ元件10的由于2層磁性層的磁化排列狀態而變化的電阻值與“0”“1”的信息對應。所以，在MTJ元件10的磁性層的磁化方向上施加因在接近MTJ元件10配置的寫入布線30中流過電流而產生的磁場，使MTJ元件10的2個磁性層中的一個的記錄層的磁化方向變化，來寫入信息。
<磁軛的具體例子>
圖7展示了圖6中的磁軛20的具體結構例子。設置具有包圍寫入布線30的完全閉合磁力線結構的包圍磁軛20a。在該包圍方向的中間，夾著垂直型MTJ元件10的兩側的磁性層。在該情況下，包圍磁軛20a的包圍閉合磁力線的一部分夾著電絕緣膜21。在包圍磁軛20a和寫入布線30之間也夾著電絕緣膜。包圍磁軛20a在MTJ元件10的存儲數據讀出時，成為在MTJ元件10中流過電流的電流路徑的一部分。
接著，說明對圖6和圖7所示的MTJ元件10的寫入動作的原理。通過以下步驟完成對MTJ元件10的寫入與寫入數據對應地向寫入布線30流過朝向第1方向或與之相反的第2方向的脈沖電流，利用通過該電流形成的磁場使MTJ元件10的記錄層11的膜面垂直方向的磁化方向平行或反平行。在上述寫入動作時，磁軛20的磁通向MTJ元件10的記錄層11收斂，因此能夠大幅度降低寫入電流。
從MTJ元件10讀出信息時，形成流過MTJ元件10的電流的電流路徑，通過向MTJ元件10的兩端間施加規定的讀出電壓V而在電流路徑中流過與MTJ元件10的電阻值對應的電流，通過用傳感放大器檢測出該電流值來讀出信息。
但是，根據本申請發明者們的實驗，在向垂直型MTJ元件寫入數據的情況下，在向寫入布線流入與向現有例子的MTJ元件進行寫入的情況相同的電流值的電流的情況下，在MTJ元件中產生的磁場和磁場的產生效率為現有例子的100倍以上。換一種說法，為了產生與現有例子相同的磁場所必需的寫入電流值降低為1/100以下。
但是，即使寫入磁場變得如此大，但為了使薄膜磁性層的磁化朝向膜面垂直方向，也必須具有比該靜磁能量～2πMs2大的垂直磁各向異性能量，因此反轉磁場變大為數千Oe，結果是寫入電流值沒有降低。
所以，如圖6所示，通過由磁軛20在厚度方向上夾著MTJ元件10，能夠大幅度地降低靜磁能量，降低垂直磁各向異性能量Ku，即使反轉磁場為100Oe以下，也能夠使磁性層的磁化朝向膜面垂直方向。
由此，本實施例相關的MRAM單元具有作為現有的MRAM單元的反轉磁場的約30Oe的3倍左右的反轉磁場，其結果是能夠使寫入電流值成為現有例子的寫入電流值的1/30，即降低到0.3mA左右。
如上所述，作為磁各向異性，形狀磁各向異性和感應磁各向異性是主要因素，在假設單磁區并且磁化一齊反轉的情況下，可以如前面的式(1)那樣記述反轉磁場Hsw。
在本實施例中，為了使磁性膜的磁化方向朝向膜面垂直方向，必須是垂直方向的磁各向異性。在該磁各向異性是結晶磁各向異性的情況下是無法改變的，因此即使磁性膜的圖形大小減小，原理上反轉磁場Hsw也不改變。所以，通過使磁性膜為垂直磁化膜，才有可能不使反轉磁場Hsw增加而進行細微化。
另外，如上所述，即使對MTJ元件10進行細微化，但由于反轉磁場不增加，所以能夠實現具有在現有的MRAM中無法實現的90nm以下的細微的MTJ元件的例如256M比特以上的大容量的MRAM。
即，根據實施例1，對MTJ元件10的數據寫入可以向MTJ元件10的磁性層的膜面垂直方向施加寫入磁場，可以由磁軛20從厚度方向夾著MTJ元件10。并且，在磁軛20中，夾著MTJ元件時的間隙與MTJ元件10的厚度相當，十分狹窄，因此能夠大幅度提高磁場的產生效率。
另外，不需要現有例子的MTJ元件中所必需的反強磁性體，通過降低MTJ元件10的膜厚度，來提高寫入磁場的產生效率等。在該情況下，作為現有例子的MTJ元件的反強磁性層使用了Mn族合金，Mn從300℃左右的溫度開始擴散，具有使電阻變化率(MR比)劣化的問題。與此相對，如果如本實施例那樣不必使用反強磁性層，則能夠降低因Mn擴散造成的MR的劣化。
另外，由于反轉磁場Hsw并不依存于MTJ元件10的平面寬度，所以不需要擔心伴隨著MTJ元件10的擴散的反轉磁場不足。另外，由于因磁軛20的MTJ元件磁性層的膜面垂直方向的反磁場產生的靜磁能量降低，所以即使具有小的反轉磁場，也能夠使磁性層的磁化朝向膜面垂直方向。
所以，能夠使MRAM單元的寫入電流值減小到實用水平，并且能夠解決伴隨著形狀改變的反轉電流值的偏離，能夠實現確保充分的抗熱干擾性，并且降低了寫入電流值的MRAM。
<MRAM單元的選擇晶體管>
例如，如圖7中的虛線所示，可以將寫入單元選擇用的MOS晶體管31連接到寫入布線30上。通過連接該MOS晶體管31，能夠進行對選擇對象的MRAM單元的MTJ元件10的選擇、從非選擇對象的其他MRAM單元中的分離。在該情況下，如果通過在上述實施例中得到的效果，能夠使寫入電流值成為mA級，則能夠實現將寫入單元選擇用晶體管31減小到與MTJ元件10相同的程度，能夠安裝到存儲器單元陣列中。
由此，能夠不產生半選擇狀態的單元，完全沒有誤寫入。進而，還能夠解決半選擇狀態的單元的熱干擾的問題。進而，在寫入時，可以采用一邊通過寫入電流等加熱選擇了的單元一邊進行寫入的熱輔助記錄方式。由此，能夠將MTJ元件10細微化到50nm等級，提高將MRAM置換為DRAM的可實現性。
與此相對，在現有的熱輔助記錄方式的概念中，在寫入時沒有單元的選擇性，因此對選擇單元以外的單元也施加相當程度的熱，成為因熱干擾造成記錄層的磁化反轉的一個原因。
但是，在具有圖6所示那樣的基本結構的MTJ元件10中，作為固定層12使用具有高保磁力的高Hc磁性材料，作為記錄層11使用保磁力比固定層12小的低Hc磁性材料，由此能夠實現高性能的MTJ元件10。在該情況下，適當地選擇高Hc磁性材料和低Hc磁性材料，能夠適當地調整Hc。
作為高Hc磁性材料，理想的是具有1×106erg/cc以上的高結晶磁各向異性能量密度的材料，以下列舉其具體例子。
(1)Fe(鐵)、Co(鈷)、Ni(鎳)中的至少一個元素，或者Fe、Co、Ni中的至少一個元素與Cr(鉻)、Pt(鉑)、Pd(鈀)中的至少一個元素的合金。該合金包含規則合金、不規則合金。作為規則合金可以列舉Fe(50)Pt(50)、Fe(50)Pd(50)、Co(50)Pt(50)等。作為不規則合金，可以列舉CoCr合金、CoPt合金、CoCrPt合金、CoCrPtTa合金、CoCrNb合金等。
(2)將Fe、Co、Ni中的至少一個元素或包含該一個元素的合金、Pd、Pt中的至少一個元素或包含該元素的合金交替層疊而成的結構。例如Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格、CoCr/Pt人工晶格。在使用了上述Co/Pt人工晶格、Co/Pd人工晶格等的情況下，作為電阻變化率(MR比)能夠具有40％左右的大值。
(3)如前面的文獻(“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”)中揭示的那樣的稀土類金屬中的至少一個金屬，例如由Tb(鋱)、Dy(鏑)、Gd(釓)與過渡金屬中的至少一個元素構成的非晶形合金。例如，TbFe、TbCo、TbFeCo、DyTbFeCo、GdTbCo等，進而理想的是將補償溫度調整到室溫附近的組成。
另一方面，低Hc磁性材料是通過組成比的調整、雜質的添加、膜厚度的調整等，使磁各向異性能量密度與高Hc磁性材料相比低的材料。以下列舉該材料的具體例子。
(1)Fe、Co、Ni中的至少一個元素，或者Fe、Co、Ni中的至少一個元素與包含Cr、Pt、Pd中的至少一個元素的合金。在該合金是規則合金的情況下，可以列舉向Fe(50)Pt(50)和Co(50)Pt(50)等添加了Cu(銅)、Cr、Ag(銀)等雜質元素或添加了該合金、絕緣物質而降低了磁各向異性能量密度的材料。在上述合金是不規則合金的情況下，可以列舉增加了非磁性元素的比例而降低了磁各向異性能量密度的材料。
(2)將Fe、Co、Ni中的至少一個元素、Pd、Pt中的至少一個元素交替層疊而成的結構，包含Fe、Co、Ni的層的膜厚度或包含Pd、Pt的層的膜厚度厚。實際上，具有包含Fe、Co、Ni的層的膜厚度和包含Pd、Pt的層的膜厚度的最優值，如果不是該最優值則磁各向異性能量密度下降。即，是上述膜厚度比最優值薄的構造。
(3)如前面的文獻(“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”)中揭示的那樣的稀土類金屬中的至少一個金屬，例如由Tb(鋱)、Dy(鏑)、Gd(釓)與過渡金屬中的至少一個元素構成的非晶形合金。
<MTJ元件的實施例1>
圖8是展示圖6中的MTJ元件10的具體例子的側面圖。在將MTJ元件10層疊在磁軛用磁性材料上的情況下，為了防止擴散和交換結合，可以在磁軛用材料上設置由適當的材料，例如Ta(鉭)、TiN、TaN等構成的基礎層。
在作為具有高保磁力的固定層12使用FePt、CoPt規則合金的情況下，為了產生垂直磁各向異性，必須定向fat(001)面。因此，作為結晶定向用基礎，可以使用由數nm左右的MgO(氧化鎂)構成的極薄基礎。另外，也可以使用具有晶格常數為0.28nm、0.40nm、0.56nm左右的fcc、bcc構造的元素、化合物，例子Pt、Pd、Ag、Au、Al、Cr等。
在作為具有低保磁力的記錄層11例如使用Co/Pt人工晶格的情況下，通過調整Co和Pt的膜厚度，能夠調整保磁力。
MTJ元件10的實施例1的層疊結構如下。
下部磁軛20由NiFe構成。基礎層14由膜厚度為2nm的Ta構成。結晶定向用基礎15由膜厚度為1nm的MgO構成。固定層12由膜厚度為5nm的FePt構成。隧道壁壘膜13由膜厚度為1.2nm的AlO構成。記錄層11由膜厚度為0.5nm的Co、膜厚度為1.5nm的Pt的層疊膜構成。基礎層14由膜厚度為2nm的Ta構成。進而，上部磁軛20由NiFe構成。
在此，也可以在隧道壁壘膜13和記錄層11的界面上插入不損失MR比程度的Pt層。另外，作為固定層12，也可以代替上述的FePt規則層，而使用CoPt規則層。另外，作為記錄層11，也可以代替Co/Pt人工晶格而使用Co/Pd人工晶格。另外，作為隧道壁壘膜13，也可以代替AlO而使用MgO。
<MTJ元件的實施例2>
圖9是展示圖6中的MTJ元件10的具體例子的側面圖。可以由人工晶格分別構成MTJ元件10的固定層12和記錄層11。
該情況下的MTJ元件10的層疊結構的一個例子如下。
下部磁軛20由NiFe構成。基礎層14由膜厚度為2nm的Ta構成。固定層12由膜厚度為0.8nm的Pt、膜厚度為0.3nm的Co的層疊膜構成。隧道壁壘膜13由膜厚度為1.2nm的AlO構成。記錄層11由膜厚度為0.5nm的Co、膜厚度為1.5nm的Pd的層疊膜構成。基礎層14由膜厚度為2nm的Ta構成。進而，上部磁軛20由NiFe構成。
在該情況下，也可以在隧道壁壘膜13和記錄層11的Co的界面上插入不損失MR比程度的Pt、Pd。
<MTJ元件的實施例3>
作為MTJ元件10的固定層12或記錄層11，也可以使用由稀土類金屬和過渡金屬構成的非晶形合金。該情況下的MTJ元件的層疊結構的一個例子如下，與圖9所示的層疊結構一樣。
下部磁軛由NiFe構成。基礎層由膜厚度為2nm的Ta構成。固定層由膜厚度為20nm的Tb(22)(Fe(71)Co(29))(78)構成。隧道壁壘膜由膜厚度為1.2nm的AlO構成。記錄層由膜厚度為0.5nm的Co、膜厚度為1.5nm的Pd的層疊膜構成。基礎層由膜厚度為2nm的Ta構成。進而，上部磁軛由NiFe構成。
在此，也可以在由Tb(22)(Fe(71)Co(29))(78)構成的固定層和由AlO構成的隧道壁壘膜的界面上插 Co等使之交換結合。另外，固定層或記錄層也可以是例如將TbFeCo/Pt/Co那樣的由稀土類金屬和過渡金屬構成的非晶形合金、Pt、Pd等非磁性金屬、Co層疊的結構。
<MTJ元件的實施例4>
MTJ元件10的記錄層11也可以位于下部磁軛側。該情況下的MTJ元件的層疊結構的一個例子如下。
下部磁軛由NiFe構成。基礎層由膜厚度為2nm的Ta構成。記錄層由膜厚度為10nm的CrTi、膜厚度為10nm的Co(74)Cr(16)Nb(10)的層疊膜構成。隧道壁壘膜由膜厚度為1.2nm的AlO構成。固定層由膜厚度為0.3nm的Co、膜厚度為0.8nm的層疊膜構成。基礎層由膜厚度為2nm的Ta構成。進而，上部磁軛由NiFe構成。
<MTJ元件的實施例5>
MTJ元件10的固定層12也可以使用層疊費里(Ferry)結構，即磁性層和金屬層交替層疊的結構。作為上述磁性層可以列舉Fe、Co、Ni、它們的合金等，作為上述金屬層可以列舉Ru、Ir、Rh、Re、Os等。作為層疊費里的具體例子，有Co/Ru、Co/Ir、Co/Rh等。該情況下的MTJ元件的層疊結構的一個例子如下。
下部磁軛由NiFe構成。基礎層由膜厚度為2nm的Ta構成。記錄層由膜厚度為10nm的CrTi、膜厚度為10nm的Co(74)Cr(16)Nb(10)的層疊膜構成。隧道壁壘膜由膜厚度為1.2nm的AlO構成。固定層由膜厚度為0.3nm的Co、膜厚度為0.8nm的Ru的層疊膜構成。基礎層由膜厚度為2nm的Ta構成。上部磁軛由NiFe構成。
<MTJ元件的實施例6>
MTJ元件10的磁性層11、12也可以使用費里磁性體或層疊費里結構。在此，費里磁性體有以下幾種使用了稀土類金屬中的至少一個元素例如Gd、Tb、過渡金屬中的至少一個元素構成的非晶形合金，例如將GdCo、TbFeCo、GdTbFe等、Fe、Co、Ni中的至少一個元素、V(釩)、Cr、Cu、Nb(鈮)、Mo(鉬)、Ru(釕)、Rh(銠)、Pd、Ta、W(鎢)、Re(錸)、Os(鋨)、Ir(銥)、Pt、Au中的一個元素交替層疊的結構；使用了Mn(錳)、Cu、Al、Ge(鍺)、Bi(鉍)的材料，例如MnBi、MnAlGe、MnCuBi等。
如果MTJ元件的記錄層使用了費里磁性層，則能夠降低垂直方向的靜磁能量，能夠實現具有小反轉磁場的垂直記錄層，并且能夠降低磁軛自己消耗的偏置磁場，因此能夠降低改寫時所必需的電流值。
如果MTJ元件的固定層使用費里磁性體，則能夠降低記錄層11所消耗的偏置磁場，因此能夠降低偏移磁場。
<MTJ元件的實施例7>
圖10是展示圖6中的MTJ元件10的具體例子的側面圖。該MTJ元件10在磁性層11、12和隧道壁壘膜13的界面，即在2處的壁壘界面上隔著Co、Ni、Fe或它們的合金(CoFe、NiFe、NiCo、FeCoNi)16，其他部分具有與圖6所示的MTJ元件10相同的構造，并付與了與圖6中一樣的符號。通過該結構，提高了MTJ元件的電阻變化率MR。
<磁軛的實施例1>
圖11是展示圖6中的磁軛20的具體例子的側面圖。在該磁軛中，作為磁軛本體(軟磁性體本體)41的MTJ元件界面側的磁性層夾住部分即磁軛尖端，使用了具有高飽和磁通密度(Bs)的材料，例如FeCo、CoFe、Fe(1-x)Nx等。
通過這樣的結構，能夠增加寫入磁場，提高寫入效率。另外，圖11中的MTJ元件的一個例子具有例如與圖10所示的MTJ元件一樣的構造，并付與與圖10中一樣的符號。
<磁軛的實施例2>
如果使實施例1中的磁軛20的截面形狀成為磁通朝向MTJ元件10收斂的構造，則不只是提高寫入效率，還使得沒有從磁軛的彎曲部分的磁場泄漏，能夠降低施加到相鄰其他的MTJ元件的磁場，消除誤寫入的可能。
圖12是展示圖6中的磁軛20的具體例子的側面圖。MTJ元件10的固定層12側的磁軛尖端42a的面積與固定層12的面積相同。與此相對，記錄層11側的磁軛尖端42b的面積比記錄層11的面積大。另外，將記錄層側的磁軛面積設置得比針層側的磁軛面積大。另外，圖12中的MTJ元件的一個例子具有與例如圖11中所示的MTJ元件一樣的構造，并付與與圖11中相同的符號。
通過這樣的結構，提高了寫入效率，與例如圖11中所示的磁軛20相比降低了寫入電流，例如減半。
<磁軛的實施例3>
圖13是展示圖6中的磁軛的具體例子的側面圖。MTJ元件10的固定層12側的磁軛尖端42a的面積與MTJ元件的固定層12的面積相同，記錄層11側的磁軛尖端42b的面積與記錄層11的面積相同。但是，將記錄層11側的磁軛本體41b的面積設置得比固定層12側的磁軛本體，即軟磁性體本體41a的面積大。另外，圖13中的MTJ元件的一個例子具有與例如圖11中所示的MTJ元件一樣的構造，并付與與圖11中相同的符號。
通過這樣的結構，提高了寫入效率，與例如圖11中所示的磁軛相比降低了寫入電流，例如減半。
<MRAM單元的實施例2>
圖14是實施例2的MRAM單元的側面圖。在該MRAM單元中，在一個垂直型MTJ元件10的兩側并排設置2個寫入布線301、302。設置具有例如眼鏡形狀的完全閉合磁力線結構的磁軛20b，使得包圍該2個寫入布線51、52。在該磁軛20b中，通過位于2個寫入布線51、52中間的閉合磁力線，在厚度方向上夾著MTJ元件10。另外，作為圖14中的MTJ元件的一個例子，展示了具有與圖6中所示的MTJ元件相同的構造，并付與與圖6中相同的符號。
如果根據這樣從2個寫入布線51、52向MTJ元件10產生磁場的結構，則與例如圖6中所示的MRAM單元相比，即使在與1個布線中的寫入電流相等的情況下，也能夠增加產生的磁場。換一種說法，與圖6中所示的MRAM單元相比，在假設對一個MTJ元件的產生磁場都為一樣的情況下，降低了一個布線中的寫入電流，例如減半。
在該情況下，能夠有選擇地向MTJ元件施加在2個寫入布線51、52的一個中流過了寫入電流的情況下所產生的磁場、或在2個寫入布線51、52中流過了相互相反方向的電流的情況下分別產生的磁場。
<MRAM單元的實施例3>
圖15是實施例3的MRAM單元的側面圖。在該MRAM單元中，在寫入布線30的兩側分別配置了垂直型MTJ元件10。另外，在具有包圍寫入布線30的完全閉合磁力線構造的磁軛20a中的寫入布線30的兩側的2個地方，分別從厚度方向上夾著2個MTJ元件10。另外，圖15中的各MTJ元件10是一個例子，具有與例如圖6所示的MTJ元件相同的構造，并付與與圖6中一樣的符號。
通過這樣的結構，2個MTJ元件10分別同樣地被磁化為平行狀態或反平行狀態。另外，由于來自固定層12的偏置磁場相互抵消，所以降低了偏移磁場。在讀出一個MTJ元件10的情況下，也可以任意地插入圖7中的電絕緣膜21，使得夾住一個MTJ元件10。
<MRAM單元的實施例4>
圖16和圖17展示了實施例4的MRAM單元陣列和MRAM單元，圖16展示了存儲器單元陣列的一部分，圖17展示了圖16中的存儲器單元陣列內的一個MRAM單元與寫入布線、磁軛的配置關系的一個例子。
在實施例4中，將在實施例1中說明了的那樣的垂直MTJ元件10行列狀地配置在半導體層例如半導體硅基板上，構成單元陣列。在該情況下，在行方向上配置作為第1寫入布線的字線WL，使得在與同一行的MTJ元件10的厚度方向垂直的方向上接近MTJ元件10的側面。另外，在列方向上配置作為第2寫入布線的比特線BL，使得在與同一列的MTJ元件10的厚度方向垂直的方向上接近MTJ元件10的側面。由此，與字線WL和比特線BL的交叉部分附近對應地存在MTJ元件10。
如圖17所示，向MTJ元件10設置具有包圍比特線BL的完全閉合磁力線構造的第1磁軛20B、具有包圍字線WL的完全閉合磁力線構造的第2磁軛20W。在該情況下，將1個MTJ元件10設置在第1磁軛20B和第2磁軛20W相互垂直的方向上，在厚度方向上由第1磁軛20B夾著MTJ元件10。在MTJ元件10的厚度方向上由第2磁軛20W夾著該第1磁軛20B。
即，只由第1磁軛20B、或者只由第2磁軛20W、或者由第1磁軛20B和第2磁軛20W向1個MTJ元件10施加磁場。
另外，作為圖17中的MTJ元件10的一個例子，具有與圖6中所示的MTJ元件相同的構造，并付與與圖6中一樣的符號。
根據這樣分別從配置在垂直方向上的2個寫入布線WL、BL向MTJ元件10有選擇地產生磁場的結構，與例如圖6中所示的MRAM單元相比，即使在與1個布線中的寫入電流相等的情況下，也能夠增加產生的磁場。換一種說法，與圖6中所示的MRAM單元相比，在假設對一個MTJ元件產生的磁場都為一樣的情況下，降低了一個布線中的寫入電流，例如減半。在該情況下，能夠只在同時向字線WL和比特線BL流過寫入電流時向位于該字線WL和比特線BL的交叉部分附近的希望的MTJ元件10進行需要的寫入，因此沒有必要對每個MTJ元件設置寫入單元選擇用晶體管。
<MRAM單元的實施例5>
圖18是實施例5的MRAM單元的側面圖。在該MRAM單元中，在磁軛20和垂直型MTJ元件10的兩側的磁性層11、12之間，夾著導電性的一對讀出布線17、18的一部分。
在讀出MTJ元件10的存儲數據時，通過從一對讀出布線17、18向MTJ元件10的兩端之間施加規定的讀出電壓V，而在MTJ元件10中流過與存儲數據對應的電流。一對讀出布線17、18形成在讀出存儲數據時的電流路徑的一部分。
<MRAM單元的實施例6>
在實施例6的MRAM單元中，與圖6或圖7所示的構造相比，在省略了磁軛這一點上不同，其他是相同的。
在前面的文獻“Megnetic tunnel junction device withperpendicular magnetization films for high-density magnetic randomaccess memory”中，記載了MTJ元件的磁性層的RE-TM類材料的垂直磁各向異性能量Ku一般是105～106erg/cc左右，其飽和磁化Ms被調整為0～150emu/cc。另外，Co的飽和磁化Ms是1420emu/cc，單軸磁各向異性能量是4.5×106erg/cc。另外，記載了磁性層的RE-TM材料(30nm)和界面的Co強磁性地交換結合，如果假設Co膜厚度例如為RE-TM材料的1/10，與各自的體積比例對應地產生實際的各向異性能量Keff、飽和磁化Meff，則可以預料Keff為105～106erg/cc的程度，Meff為0～270emu/cc左右。
在磁性層保持單一磁區構造，同時通過磁化旋轉來反轉磁化方向的情況下，可以預料磁性層的保磁力為2Ku/Ms，為700～10kOe左右。在前面的文獻(“Megnetic tunnel junction device with perpendicularmagnetization films for high-density magnetic random accessmemory”)所記載的發明中，保磁力為250Oe左右。其理由是單元尺寸大到85μm，可以認為通過磁壁移動產生了磁化反轉，比預料的2Ku/Ms的保磁力小。在實際制作直徑為0.3μm大小的MTJ元件時，保磁力為1.5kOe。
在沒有磁軛的結構，即沒有用磁軛覆蓋寫入布線的情況下，在寫入布線中流過1mA的電流所能產生的磁場最高為10Oe左右，在前面的文獻(“Megnetic tunnel junction device with perpendicularmagnetization films for high-density magnetic random accessmemory”)所記載的結構中，在細微的單元尺寸下，是難以用數mA的記錄電流進行記錄動作的。
但是，在實施例6的MRAM單元中，例如將垂直型MTJ元件的記錄層的膜厚度t與單元面積(記錄層的面積)S的平方根√S的比t/√S(特性比)設置為大于等于2左右。因此，記錄層的膜厚度t為100nm，記錄層的大小為0.05μm×0.05μm。
如果這樣將特性比設置得較大，則降低了反磁場系數，能夠以較小的各向異性能量實現垂直磁化。換一種說法，通過設置為高特性比，能夠實現保磁力小的垂直磁化膜。
圖19展示了在實施例6中規定特性比的基準。在圖19中，橫軸表示MTJ元件10的磁性層的飽和磁化Ms emu/cc和寫入布線與MTJ元件之間的距離δnm，縱軸表示基于寫入布線的寫入電流(記錄電流)所產生的磁場的強度Ho、用來在膜面垂直方向上保持磁化的各向異性磁場Hg。
根據圖19，可以知道如果每1mA的寫入電流所產生的磁場HI和記錄電流Iw的積HI×Iw與反磁場系數N、記錄層的飽和磁化M的關系滿足HI×Iw＞4πNM，則能夠實現可以寫入的垂直磁化膜。在此，在沒有設置磁軛的寫入布線的寫入電流為1mA的情況下所能夠產生的磁場最高為10Oe左右。理想的是寫入電流為10mA以下。更理想的是在5mA以下。
<MRAM單元的實施例7>
圖20展示了實施例7的排列了多個MRAM單元的存儲器單元陣列的一部分。如圖20所示，將在實施例1中說明了的那樣的垂直型MTJ元件10行列狀地配置在半導體層，例如硅基板上，構成單元陣列。行列狀配置的2種類的各自多個布線，即行線和列線并不存在于同一平面上，行線WL和列線BL隔著絕緣膜被配置在不同的平面上。然后，各行線和各列線在兩者交叉的位置上相互電連接。但是，為了降低電流的倒流，理想的是具有某種程度的電阻。在由這些行列狀配置的行線和列線包圍的區域內配置各垂直型MTJ元件10。
通過選擇與希望選擇的MTJ元件10垂直的2個側面相鄰的行線和列線，并流過電流來進行單元的選擇和對其的寫入。在本例子中，在選擇圖中斜線所示的單元時，在虛線所示的方向上從行線b向列線b流過電流。向其他的不選擇的布線施加偏置電壓，調整為不回流電流。
如果如上述那樣從行線b向列線b流過電流，則在行線b和列線c的交叉點部分附近電流方向從行方向變化為列方向，向交叉點附近的選擇單元施加由來自行方向的電流產生的磁場和由來自列方向的電流產生的磁場的和。因此，只對選擇單元進行開關，與選擇的行、列相鄰的其他單元處于半選擇的狀態，不產生磁化反轉。
另外，圖20中的MTJ元件10也可以是如圖6中所示的那樣由磁軛夾著的結構，還可以是圖7所示的完全閉合磁力線型的構造，也可以是沒有磁軛的構造。
實施例1到實施例7相關的MRAM可以有各種各樣的適用。以下說明這樣的幾個適用例子。
(適用例子1)作為MRAM的適用例子的一個，圖21展示了數字用戶線(DSL)用調制解調器的DSL數據總線部分。該調制解調器包含可編程數字信號處理器(DSP)151、模擬-數字轉換器(A/D)和數字-模擬轉換器(D/A)152、發送驅動器153、信號接收機放大器154。在圖21中，省略了帶通濾波器，代替它作為能夠保存線路代碼程序的各種類型的可選的存儲器，展示了MRAM155和EEPROM156。
另外，在本適用例子中，作為用來保存線路代碼程序的存儲器使用了MRAM和EEPROM的2種存儲器，但可以將EEPROM置換為MRAM，即可以不使用2種存儲器，而只使用MRAM。
(適用例子2)
作為MRAM的另一個適用例子，圖22展示了便攜電話終端300中的實現通信功能的部分。如圖22所示，實現通信功能的部分具備發送接收天線201、天線多路復用器202、接收部件203、基帶處理部件204、作為聲音編碼器使用的數字信號處理器(DSP)205、揚聲器206、麥克風207、發送部件208、頻率合成器209。
另外如圖22所示，在便攜電話終端300中，設置了控制該便攜電話終端的各部件的控制部件200。控制部件200是通過CPU總線225將CPU221、ROM222、MRAM223和快閃存儲器224連接起來而構成的微型計算機。
在此，ROM222預先存儲在CPU221中執行的程序、顯示用的字體等必要的數據。另外，MRAM223主要作為工作區域使用，被用于根據需要在CPU221執行程序過程中存儲正在計算的數據等、暫時存儲在控制部件200和各部件之間傳送的數據等情況。另外，快閃存儲器224為了即使在關閉了便攜電話終端300的電源時也存儲例如在這之前的設置條件等，在下一次打開電源時進行同樣設置的使用，而存儲這樣設置參數。即，快閃存儲器224是即使在關閉了便攜電話終端的電源時，也不會使存儲在其中的數據消失的非易失性存儲器。
在本適用例子中，使用了ROM222、MRAM223、快閃存儲器224，但也可以將快閃存儲器224置換為MRAM，進而還可以將ROM222也置換為MRAM。
另外，在圖22中，211是聲音數據重放處理部件，212是與聲音數據重放處理部件211連接的外部端子，213是LCD控制器，214是與LCD控制器213連接的LCD，215是環網，231是設置在CPU總線225和外部存儲器卡槽232之間的接口(I/F)，233是設置在CPU總線225和鍵操作部件234之間的接口(I/F)，235是CPU總線225和外部端子236之間的接口(I/F)，向外部存儲器卡槽232插入外部存儲器240。
(適用例子3)圖23到圖27展示了將MRAM適用于收納輕便介質等存儲介質內容的卡(MRAM卡)的例子。
在圖23的上面圖中，400是MRAM卡本體，401是MRAM芯片，402是開口部分，403是蓋子，404是多個外部端子。MRAM芯片401被收納在卡主體400內部，從開口部分402露出到外部。在攜帶MRAM卡時，用蓋子403蓋住MRAM芯片401。蓋子403由具有屏蔽外部磁場的效果的材料，例如陶瓷等構成。在轉寫數據的情況下，打開蓋子403，使MRAM芯片401露出。外部端子404是將存儲在MRAM卡中的內容數據讀出到外部的部件。
圖24和圖25展示了用來將數據轉寫到MRAM卡中的卡插入型轉寫裝置的上面圖和側面圖。從轉寫裝置500的插入部件510插入最終用戶所使用的第2MRAM卡450，按壓塞子520直到閉合。塞子520被用作使第1MRAM卡550和第2MRAM卡450位置符合的部件。在將第2MRAM卡450配置在規定位置上的狀態下，將存儲在第1MRAM卡550中的數據轉寫到第2MRAM卡450中。
圖26是嵌入型轉寫裝置的側面圖。如該圖中的箭頭所示，以塞子520為目標，將第2MRAM卡450嵌入到第1MRAM卡550上。由于轉寫方法與卡插入型一樣，所以省略其說明。
圖27是滑動型轉寫裝置的側面圖。與CD-ROM驅動器、DVD驅動器等一樣，在轉寫裝置500內設置接收盤滑板560，該接收盤滑板560如圖中的水平方向的箭頭所示滑動。在接收盤滑板560以圖中的虛線所示的狀態移動時，將第2MRAM卡450放置到接收盤滑板560上。然后，接收盤滑板560將第2MRAM卡450搬送到轉寫裝置500內部。進行搬送使得將第2MRAM卡450的前端部分與塞子520對接這一點和轉寫方法與卡插入型相同，所以省略其說明。
上述實施例只是本發明的例子，并不只限于此，在不脫離本發明的宗旨和范圍的情況下可以有各種變形。
權利要求
1.一種磁隨機存取存儲器設備，其特征在于包括具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構成記錄層，另一個構成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；以及配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產生磁場，在上述磁阻元件的磁性層的磁化方向上施加該產生的磁場，使上述磁阻元件的上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線。
2.根據權利要求1記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于還具備從厚度方向夾著上述磁阻元件，向上述2層磁性層施加基于上述寫入布線所產生的磁場的磁軛。
3.根據權利要求2記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述磁軛是具有包圍上述寫入布線的包圍閉合磁力線的包圍磁軛的一部分。
4.根據權利要求3記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于在上述包圍磁軛的包圍閉合磁力線的一部分中設置第1電絕緣膜，在上述包圍磁軛和上述寫入布線之間設置第2電絕緣膜，上述磁軛在讀出上述磁阻元件的存儲數據時，形成在上述磁阻元件中流過電流的電流路徑的一部分。
5.根據權利要求1記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述固定層由具有高保磁力的高Hc磁性材料構成，上述記錄層由具有比上述固定層的保磁力小的保磁力的低Hc磁性材料構成。
6.根據權利要求5記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述固定層和記錄層由Fe、Co、Ni中的至少一種元素、或者包含Fe、Co、Ni中的至少一種元素和Cr、Pt、Pd中的至少一種元素的合金構成。
7.根據權利要求1記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述固定層和記錄層是將Fe、Co、Ni中的至少一種元素或包含該一種元素的合金、Cr、Pt、Pd中的一種元素或包含該一種元素的合金交替層疊而構成的。
8.根據權利要求1記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述2層的各個磁性層由費里磁性體構成。
9.根據權利要求1記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述2層的磁性層具有層疊費里構造。
10.根據權利要求1記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于還具備分別設置在與相接于上述非磁性層的上述2層的各個磁性層的界面上，由Fe、Co、Ni中的至少一種元素或包含該一種元素的合金構成的磁性層。
11.根據權利要求2記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述磁軛由與上述2層的各個磁性層鄰接的軟磁性尖端和軟磁性體主體構成。
12.根據權利要求11記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述軟磁性尖端由具有比上述軟磁性體主體高的飽和磁通密度的材料構成。
13.根據權利要求12記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于上述軟磁性尖端和上述2層的各個磁性層以自匹配狀態相接。
14.根據權利要求1記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于還具備與上述寫入布線連接的寫入單元選擇用的晶體管。
15.一種磁隨機存取存儲器設備，其特征在于包括具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構成記錄層，另一個構成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；并排配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向的兩側，通過分別流過寫入電流而產生磁場，在上述磁阻元件的2層磁性層的磁化方向上施加該產生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的2個寫入布線；以及具有分別包圍上述2個寫入布線的完全閉合磁力線，在上述2個寫入布線的中間的位置上從厚度方向夾著上述磁阻元件，向上述磁阻元件的2層磁性層施加基于上述2個寫入布線而產生的磁場的磁軛。
16.根據權利要求15記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于向上述磁阻元件施加在上述2個寫入布線的一個中流過寫入電流的情況下所產生的磁場、或者分別在上述2個寫入布線中流過相互相反方向的電流的情況下所產生的磁場。
17.一種磁隨機存取存儲器設備，其特征在于包括通過流過寫入電流而產生磁場的寫入布線；配置得各自的側面與上述寫入布線的兩側面相對，分別具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的2個磁阻元件；以及具有包圍上述寫入布線的完全閉合磁力線，在上述寫入布線的兩側分別從厚度方向夾著上述2個磁阻元件，向上述磁阻元件的2層磁性層施加在上述寫入布線中流過寫入電流時產生的上述磁場的磁軛。
18.一種磁隨機存取存儲器設備，其特征在于包括將多個磁阻元件行列狀地配置在半導體層上的單元陣列，其中該磁阻元件是分別具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；在與配置在上述單元陣列的同一行上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與多個上述磁阻元件接近，配置在通過流過寫入電流而產生磁場的行方向上的多個第1寫入布線；在與配置在上述單元陣列的同一列上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與多個上述磁阻元件接近，配置在通過流過寫入電流而產生磁場的列方向上的多個第2寫入布線；具有包圍上述多個第1寫入布線的各個的完全閉合磁力線，向上述多個磁阻元件的各個的上述2層磁性層施加在各個上述第1寫入布線中流過寫入電流時產生的上述磁場的多個第1磁軛；以及具有包圍上述多個第2寫入布線的各個的完全閉合磁力線，設置在與各個上述第1磁軛相互垂直的方向上，向上述多個磁阻元件的各個的上述2層磁性層施加在各個上述第2寫入布線中流過寫入電流時產生的上述磁場的多個第2磁軛，其中上述多個第1磁軛的各個和第2磁軛的各個中的任意一方的磁軛從厚度方向夾著各個上述磁阻元件，另一方的磁軛隔著上述一方的磁軛的一部分從厚度方向夾著各個上述磁阻元件。
19.根據權利要求18記載的磁隨機存取存儲器設備，其特征在于向上述多個磁阻元件的各個只施加基于上述第1磁軛的磁場、或者只施加基于上述第2磁軛的磁場、或者施加將基于上述第1磁軛的磁場和基于上述第2磁軛的磁場相加后的磁場。
20.一種磁隨機存取存儲器設備，其特征在于包括將多個磁阻元件行列狀地配置在半導體層上的單元陣列，其中該磁阻元件是分別具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；在與配置在上述單元陣列的同一行上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與上述多個磁阻元件接近，配置在行方向上的多個第1寫入布線；以及配置得在與配置在上述單元陣列的同一列上的多個上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上與上述多個磁阻元件接近，并且配置在與上述多個第1寫入布線不同的平面上，在與上述多個第1寫入布線的各個交叉的位置上與各個第1寫入布線連接的多個第2寫入布線。
21.一種磁隨機存取存儲器設備，其特征在于包括具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構成記錄層，另一個構成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的磁阻元件；以及配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產生磁場，在上述2層磁性層的磁化方向上施加產生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線，其中在設流過寫入布線的記錄電流為Iw，由上述記錄電流的每1mA產生的磁場為HI，反磁場系數為N時，上述記錄層的飽和磁化M滿足Iw×HI＞4πNM的關系。
22.一種電子卡，其特征在于包括半導體芯片，包含具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構成記錄層，另一個構成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的磁阻元件；配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產生磁場，在上述2層磁性層的磁化方向上施加該產生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線；收納上述半導體芯片，在半導體芯片的一個側面具有窗口的卡主體；使上述卡主體的上述窗口開閉的具有磁屏蔽效果的蓋子；設置在上述卡主體的至少一個端部，將上述半導體芯片電連接到卡主體的外部的多個外部端子。
23.一種電子裝置，其特征在于包括包含半導體芯片、卡主體、蓋子和多個外部端子的電子卡；收納上述電子卡的卡槽；與上述卡槽電連接的卡接口；以及在與上述電子卡之間轉送數據的存儲裝置，其中上述半導體芯片具有具有非磁性層和夾著該非磁性層的2層磁性層，上述2層磁性層中的任意一個構成記錄層，另一個構成固定層，上述2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的磁阻元件；配置在與上述磁阻元件的厚度方向垂直的方向上，通過流過寫入電流而產生磁場，在上述2層磁性層的磁化方向上施加該產生的磁場，使上述記錄層的磁化方向變化而寫入信息的寫入布線；上述卡主體收納上述半導體芯片，在半導體芯片的一個側面具有窗口；上述蓋子使上述卡主體的上述窗口開閉并具有磁屏蔽效果；上述外部端子設置在上述卡主體的至少一個端部，將上述半導體芯片電連接到卡主體的外部。
全文摘要
本發明的磁隨機存取存儲器設備使“0”、“1”的信息與具有非磁性層和2層磁性層的MTJ元件的因2層磁性層的磁化排列狀態而變化的電阻值對應。在與MTJ元件接近配置的寫入布線中流過電流而產生感應磁通，并使MTJ元件的2層磁性層中的一個的記錄層的磁化變化而寫入信息的MRAM中，MTJ元件是2層磁性層的磁化方向朝向膜面垂直方向的垂直型的MTJ元件。寫入布線被配置在與MTJ元件的厚度方向垂直的方向上，在MTJ元件的磁性層的磁化方向上施加產生的磁場。磁軛從厚度方向夾著MTJ元件，向MTJ元件的磁性層施加基于寫入布線而產生的磁場。
文檔編號H01L21/8246GK1574072SQ20041006166
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月23日 優先權日2003年6月23日
發明者永瀨俊彥, 與田博明, 吉川將壽, 甲婓正, 岸達也, 相川尚德, 上田知正 申請人:株式會社東芝