CN1489152A - 磁电阻效应元件和磁存储器 - Google Patents

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Abstract

提供一种磁电阻效应元件和磁存储器，具有热稳定的磁性结构、同时能降低写入信息时所必要的切换磁场。该磁电阻效应元件包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及磁化方向随着外部磁场的变化而变化的存储层，该存储层有易磁化轴方向比难磁化轴方向长的本体部、和沿该本体部的中央部的难磁化轴方向设置的突出部。

Description

磁电阻效应元件和磁存储器
(相关申请的交叉引用
本申请基于并要求以2002年9月30日递交的在先日本专利申请2002-287412为优先权，其全部内容在此引作参考。)
技术领域
本发明涉及磁电阻效应元件和磁存储器。
背景技术
迄今，设计出了各种类型的固体磁存储器。近年来，进行了将呈现巨大的磁电阻效应的磁电阻效应元件用作存储元件的磁随机存取存储器的设计，特别是作为磁电阻效应元件，将目光集中在使用强磁性隧道结元件的磁存储器上。
强磁性隧道结主要由第一强磁性层/绝缘层/第二强磁性层这样的三层膜构成，将绝缘层作为隧道流过电流。在此情况下，结电阻值与第一及第二强磁性层磁化方向的相对角度的余弦成正比地变化。因此，第一及第二强磁性层的磁化方向平行时，电阻值为极小值，反平行时则为极大值。将这一现象称为隧道磁电阻效应(以下也称为TMR效应)。例如，有报告称：在室温下由TMR效应引起的电阻值变化为49.7％(例如，参照Appl.Phys.Lett.77，238，2000)。
在存储单元中有强磁性隧道结的磁存储器中，使强磁性层的一个磁化方向固定作为基准层，将另一个强磁性层作为存储层。在该存储单元中，对应于基准层和存储层的磁化方向的配置呈平行或反平行，对应地取二进制信息的“0”或“1”存储信息。记录信息的写入，是利用使电流流过对该存储单元另外设置的写入布线(位线及字线)而产生的磁场，使存储层的磁化方向反转进行的。另外，读出是通过使电流流过强磁性隧道结，检测由TMR效应引起的电阻变化进行的。通过配置多个这样的存储单元，构成磁存储器。
关于磁存储器的实际的结构，为了能选择任意的单元，例如与DRAM(动态随机存取存储器)同样地对各单元配置开关晶体管，安装外围电路来构成。另外，还设计了与二极管相匹配地将强磁性隧道结安装在字线和位线交叉的位置的方式(例如，参照美国专利第5640343号说明书、美国专利第5650958号说明书)。
其次，如果考虑存储单元中有强磁性隧道结的磁存储器的高集成化，则存储单元的大小变小、构成强磁性隧道结的强磁性层的大小也必然变小。一般说来，如果强磁性层变小，则其矫顽力增大。由于矫顽力的大小成为使磁化方向反转所必需的切换磁场的大小的目标，所以这意味着切换磁场的增大。
因此，写入信息时必须使更大的电流流过写入布线，导致功耗增加这样的不良结果。因此，在高集成化的磁存储器的实用化中，降低磁存储器的存储单元中用的强磁性层的矫顽力是重要的课题。
另一方面，由于使磁存储器作为非易失性存储器工作，所以必须能稳定地保持记录信息。作为稳定地长时间进行记录用的目标，存在称为热波动常数的参数，一般而言，该参数与强磁性层的体积和矫顽力成正比。因此，为了降低功耗，如果降低矫顽力，则热稳定性也同样降低这一大小，就不能长时间地保持信息了。在高集成化的磁存储器的实用化中，考虑热稳定性高、能长时间地保持信息的强磁性隧道结元件也成为重要的课题。
另外，在作为磁存储器的存储单元使用的情况下，一般考虑使用呈长方形的强磁性体。可是，在长方形的微小强磁性体的情况下，已知在端部产生称为边缘磁畴的特殊的磁区(例如，参照J.App.Phys.81，5471，1997)。这是因为在长方形的短边上为了降低反磁场能量，沿边缘磁化而形成呈涡旋状旋转的图形所致。图14中示出了这样的磁结构的一例。从该图14可知，在磁化区域的中央部分沿磁各向异性的方向产生磁化，但在两端部沿着与中央部分不同的方向产生磁化。
如果考虑对该长方形的强磁性体进行磁化方向反转，则已知边缘磁畴生长，边缘磁畴的区域增大。这里，如果考虑长方形的两端部的边缘磁畴，则有互相沿平行方向的情况和沿反平行方向的情况。在沿平行方向的情况下，由于形成360度磁畴壁，所以矫顽力增大。
为了解决该课题，提出了用椭圆性的强磁性体作为存储层(例如，参照美国专利第5757695号说明书)。该文献中记载的技术是这样一种技术：利用边缘磁畴对强磁性体的形状的敏感性大的性质，抑制在长方形等情况下在端部产生的边缘磁畴的发生，实现单磁区，从而能在整个强磁性体中进行同样的反转，减小反转磁场。
另外，作为存储层，提出了采用象平行四边形那样具有在其角部不成直角的角度的形状的强磁性体(例如，参照日本专利特开平11-273337号公报)。在此情况下，虽然存在边缘磁畴，但越是长方形的情况越占有较大的区域，在磁化方向反转的过程中不会再生成复杂的微小磁畴，磁化方向大致能同样地反转。其结果，反转磁场减弱。
另外，作为存储层，为了降低矫顽力，还设计出了在长方形的一组对角的两端部上附加了突出部的形状(例如，参照日本专利申请特愿2001-76614号)。
另外，提出了虽然形状仍然是长方形，但作为存储层，采用通过非磁性层至少层叠了两层强磁性层的多层结构的膜、即在上述的强磁性层之间包括反强磁性耦合的多层结构膜(例如，参照日本专利特开平9-25162号、日本专利特愿平11-263741号、美国专利第5953248号说明书)。在此情况下，两个强磁性层的磁矩或厚度不同，通过反强磁性耦合，使磁化方向相反。因此，磁化方向实际上互相抵消，作为存储层总体，可以考虑与沿易磁化轴方向具有小磁化的强磁性体等同。如果沿着与具有该存储层的易磁化轴方向的小磁化方向相反的方向施加磁场，则各强磁性层的磁化仍保持反强磁性耦合反转。因此，由于磁力线闭合，所以反磁场的影响小。而且，由于记录层的切换磁场由各强磁性层的矫顽力决定，所以用小的切换磁场就能进行磁化的反转。
如上所述，降低使记录层的磁化方向反转的磁场(切换磁场)、提高热稳定性在磁存储器中是必要而不可缺少的要素。因此，提出了采用几种形状或包括反强磁性耦合的多层膜。可是，在高集成化磁存储器中使用的小存储单元内的微小强磁性体中，例如如果其短轴的幅度为数微米至亚微米左右以下，则已知由于反磁场的影响，在磁化区域的端部产生与磁性体的中央部分的磁性结构不同的磁性结构(边缘磁畴)。
在高集成化磁存储器的单元中使用的微小的磁性体中，如上所述，在其端部生成的边缘磁畴的影响大，磁化方向反转时的磁性结构图形的变化复杂。其结果，矫顽力增大，且切换磁场增大。
作为防止只能产生这样复杂的磁性结构的变化的方法，可以考虑使边缘磁畴固定(例如，参照美国专利第5748524号说明书、日本专利特开2000-100153号公报)。
通过使边缘磁畴固定，虽然能控制磁化方向反转时的举动，但实际上不能降低切换磁场。另外，为了使边缘磁畴固定，有必要附加另外的结构，不适合高密度化。
发明内容
本发明就是考虑了上述情况而完成的，目的在于提供一种具有热稳定的磁性结构、同时能降低写入信息时所必要的切换磁场的磁电阻效应元件及磁存储器。
本发明的第一种形态的磁电阻效应元件的特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及磁化方向随着外部磁场的变化而变化的存储层，该存储层有易磁化轴方向比难磁化轴方向长的本体部、和沿该本体部的中央部的难磁化轴方向设置的突出部。
另外，上述本体部和上述突出部的结合部分最好呈圆形。
另外，本发明的第二种形态的磁电阻效应元件的特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及存储层，该存储层的磁化方向随着外部磁场的变化而变化、具有中央部分的幅度比端部的幅度宽的膜面形状，在上述端部和上述中央部分之间、内侧具有中间细的曲线轮廓。
另外，本发明的第三种形态的磁电阻效应元件的特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及存储层，该存储层呈易磁化轴方向比难磁化轴方向长的十字形状，且磁化方向随着外部磁场的变化而变化。
另外，本发明的第四种形态的磁电阻效应元件的特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及存储层，该存储层的膜面形状呈八角形，其一组对边垂直于易磁化轴，该一组对边中的各边和与该各边相邻的边构成的内角为135度以下，且磁化方向随着外部磁场的变化而变化。
另外，上述存储层的端部最好带有圆形。
另外，上述第一基准层至少有一层强磁性层，上述存储层至少有一层强磁性层，在上述第一基准层和上述存储层之间也可以设置作为第一隧道阻挡层的绝缘层。
另外，也可以包括至少有一层强磁性层的第二基准层，上述存储层设置在该第二基准层和上述第一基准层之间，作为第二隧道阻挡层的绝缘层设置在上述第二基准层和上述存储层之间。
另外，上述基准层及上述存储层中至少一者也可以包括夹着非磁性层层叠的至少两层的强磁性层。
另外，本发明的第五种形态的磁存储器的特征在于包括：第一布线；与该第一布线交叉的第二布线；以及设置在上述第一及第二布线的交叉区域中的上述的磁电阻效应元件。
在这样构成的本发明的磁电阻效应元件中，与现有的技术不同，不是缩小边缘磁畴的区域，不如将大的区域给予边缘磁畴，使其作为磁化反转的核起作用。因此，具有热稳定的磁性结构，同时能降低写入信息时所必要的切换磁场。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的磁电阻效应元件的存储层的膜面形状的图。
图2是表示第一实施方式的磁电阻效应元件的结构的斜视图。
图3是表示第一实施方式的磁电阻效应元件的磁化曲线图。
图4A、4B是表示第一实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的计算结果的图。
图5A、5B是表示存储层的膜面形状呈长方形的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的计算结果的图。
图6是表示本发明的第二实施方式的磁电阻效应元件的存储层的膜面形状的图。
图7是表示第二实施方式的磁电阻效应元件的磁化曲线图。
图8A、8B是表示第一实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的计算结果的图。
图9是表示第二实施方式的变形例的磁电阻效应元件的存储层的膜面形状的图。
图10是表示磁随机存取存储器的第一具体例图。
图11是表示磁随机存取存储器的第二具体例图。
图12是表示磁随机存取存储器的第三具体例图。
图13是表示磁随机存取存储器的第四具体例图。
图14是表示现有的磁电阻效应元件的存储层的膜面形状的图。
图15是表示本发明的第三实施方式的磁电阻效应元件的存储层的膜面形状的图。
图16是表示第三实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的计算结果的图。
图17是表示第三实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的计算结果的图。
具体实施方式
以下参照附图说明本发明的实施方式。
(第一实施方式)
参照图1至图4说明本发明的第一实施方式的磁电阻效应元件。如图2所示，该实施方式的磁电阻效应元件2是作为磁存储器的存储单元使用的元件，被设置在字线10和位线12的交叉点上，包括：下部电极2a、反强磁性层2b、成为基准层的强磁性层2c、成为隧道阻挡层的绝缘层2d、成为存储层的强磁性层2e、以及上部电极2f。成为基准层的强磁性层2c利用与反强磁性层2b的交换耦合力，使磁化方向固定。成为存储层的强磁性层2e利用外部磁场，使磁化方向变化。而且，隧道电导随着强磁性层2c和强磁性层2e的磁化方向的相对角度的变化而变化。
图1中示出了该实施方式的构成磁电阻效应元件2的存储层的强磁性层2e的膜面形状。如图1所示，构成存储层的强磁性层2e有易磁化轴方向5比难磁化轴方向长的长方形的本体部3、以及设置在大致中央部的突出部4。即，存储层2e呈中央部的长度比本体部3的端部的宽度(难磁化轴方向的长度)宽的形状。另外，该实施方式的形状也呈十字形状。例如，本体部3的端部的宽度为0.24μm，存储层2e的中央部的宽度为0.3μm，存储层2e的易磁化轴方向的长度为0.48μm。另外，存储层2e的厚度为2nm。另外，在本实施方式中，由于磁电阻效应元件2的制造上的理由，如图2所示，反强磁性层2b、强磁性层2c、以及绝缘层2d也与构成记录层的强磁性层2e的形状相同。电极2a、2f也可以呈相同的形状。
作为强磁性层的材料，在本实施方式中，虽然使用CoFe，但作为强磁性材料，例如也可以是Fe、Co、Ni或它们的合金等通常使用的磁性材料。另外，强磁性层也可以是具有由这些磁性材料构成的层、以及例如由Cu、Au、Ru、Al等金属非磁性材料构成的层的层叠结构的膜。
关于该实施方式的磁电阻效应元件2的磁滞，图3中示出了模拟计算结果。在图3中，横轴表示外部磁场，纵轴表示利用饱和磁化Ms使磁化M归一化的值。图3中用实线表示的曲线g1表示记录层2e的易磁化轴方向的磁化曲线，用虚线表示的曲线g2是残余磁化曲线，即，表示使施加了外部磁场后的外部磁场为零时的磁化状态的曲线。从该图3求得易磁化轴方向的矫顽力为95Oe。另外，从图3可知，在本实施方式的磁电阻效应元件中，呈现出尖锐地进行开关，表示不取“1”、“0”以外的中间的磁化状态。即，意味着在磁化反转过程中，不以复杂的形态产生微小磁畴。
其次，图4A中示出了通过模拟计算求得了本实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的情况。另外，图4B表示用易磁化轴方向的矫顽力归一化的星形曲线。在图4A、4B中，横轴表示易磁化轴方向的磁场，纵轴表示难磁化轴方向的磁场。另外，图4B所示的实线表示切换磁场的理想的星形曲线。另外，起来进行比较，图5A中示出了通过模拟计算求得了记录层的膜面形状、即磁电阻效应元件的膜面形状呈图14所示的长方形时(长方形单元)的切换磁场的星形曲线的情况，图5B表示用易磁化轴方向的矫顽力归一化的星形曲线。在图5A、5B中，横轴表示易磁化轴方向的磁场，纵轴表示难磁化轴方向的磁场。另外，图5B所示的实线表示切换磁场的理想的星形曲线。
从这些图5A、5B可知，在长方形单元中，在距离理想的星形曲线相当远的地方存在模拟计算结果。可是，从图4A、4B可知，通过采用本实施方式的单元形状，在某特定的方向上，模拟计算结果存在于靠近理想的星形曲线内侧。实际上，本实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场比长方形单元的磁电阻效应元件约减少一半，能用小的切换磁场进行反转。因此，能减少写入信息时所需要的电流。另外，本实施方式的易磁化轴方向的矫顽力与长方形单元的矫顽力大致相同，热稳定性不劣化。
另外，在本实施方式中，如图3所示，残余磁化对饱和磁化Ms的比为0.92，与图中未示出的长方形单元的比例大致相同。这是因为存在边缘磁畴。一般说来，沿强磁性体的磁化方向有偏移或混乱的部分，残余磁化相对于饱和磁化的比例比1小时，在使用该强磁性体的强磁性隧道结中，与没有偏移或混乱的情况相比，隧道磁电阻比减少。可是，在本实施方式中，由于包含绝缘层2d上下的强磁性层2c、2e形状相同，所以上下的强磁性层2c、2e具有大致相同的磁畴结构。因此，与该比例小于1无关，磁化方向的隧道磁电阻几乎不减少。
另外，在本实施方式中，与现有技术不同，不使边缘磁畴的区域缩小，不如将某一大的区域给予边缘磁畴，将偏磁场加在端部，不使边缘磁畴固定，使其作为磁化反转的核起作用。
如上所述，如果采用本实施方式，则有热稳定的磁性结构，同时能降低写入信息时所需要的切换磁场。
在本实施方式中，膜面形状虽然呈各顶点具有90度的角度的多角形，但不限定于此，特别是各顶点不限定于90度。另外，各边也不需要是直线，也可以用一般的曲线构成。另外，也不限定尺寸。最大宽度最好小于1μm左右，长度最好在最大宽度的约1.3倍以上、10倍以内。强磁性体的厚度在10nm以下即可，在5nm以下就更好。特别是为了高集成化，元件尺寸最好小一些。
(第二实施方式)
其次，参照图6至图8B说明本发明的第二实施方式的磁电阻效应元件。图6是表示第二实施方式的磁电阻效应元件的存储层的膜面形状的图。从图6可知，本实施方式的存储层2e1是使图1所示的第一实施方式的存储层2e的本体部3的角部呈圆形，同时使本体部3呈半圆形，还使突出部4也呈半圆形。即，与第一实施方式相比，变成了降低边缘磁畴的效应的形状。另外，在本实施方式中，例如，存储层2e1的厚度为2nm，长度为0.48μm，端部的宽度为0.24μm，中央部的宽度为0.36μm。另外，本实施方式与第一实施方式只是膜面形状不同，其他结构都相同。即，如图2所示，包括：下部电极2a、反强磁性层2b、作为基准层的强磁性层2c、作为隧道阻挡层的绝缘层2d、作为存储层的强磁性层2e、以及上部电极2f。
关于该实施方式的磁电阻效应元件2的磁滞，图7中示出了模拟计算结果。在图7中，横轴表示外部磁场，纵轴表示利用饱和磁化Ms使磁化M归一化的值。图7中用实线表示的曲线g1表示记录层2e的易磁化轴方向的磁化曲线，用虚线表示的曲线g2是残余磁化曲线，即，表示使施加了外部磁场后的外部磁场为零时的磁化状态的曲线。从该图7可知，求得易磁化轴方向的矫顽力为110Oe。因此，易磁化轴方向的矫顽力比第一实施方式的矫顽力提高了，热稳定性也比第一实施方式好。
另外，从图7可知，在本实施方式的磁电阻效应元件中，残余的磁化状态以0.927较高地保持着，在边界处使切换磁场尖锐地变化。即，表示尖锐地进行开关，表示不取“1”、“0”以外的中间的磁化状态。这意味着在磁化反转过程中，不以复杂的形态产生微小磁畴。
其次，图8A中示出了通过模拟计算求得了本实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的情况。另外，图8B表示用易磁化轴方向的矫顽力归一化的星形曲线。在图8A、8B中，横轴表示易磁化轴方向的磁场，纵轴表示难磁化轴方向的磁场。另外，图8B所示的实线表示切换磁场的理想的星形曲线。
从这些图8A、8B可知，通过采用本实施方式的单元形状，在几乎全部范围内模拟计算结果存在于靠近理想的星形曲线内侧。因此，本实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场比第一实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场小，能用小的切换磁场进行反转。因此，能减少写入信息时所需要的电流。另外，本实施方式的易磁化轴方向的矫顽力比第一实施方式的矫顽力大，热稳定性比第一实施方式有所提高。
另外，在本实施方式中，与现有技术不同，不使边缘磁畴的区域缩小，不如将某一大的区域给予边缘磁畴，将偏磁场加在端部，不使边缘磁畴固定，使其作为磁化反转的核起作用。
如上所述，如果采用本实施方式，则有热稳定的磁性结构，同时能降低写入信息时所需要的切换磁场。
在本实施方式中，存储层2e1的膜面内的形状，虽然在本体部3和突起部4的结合部分不设置圆形，但如图9所示，也可以在结合部6上设置圆形。在此情况下，与第一实施方式相比，易磁化轴方向的矫顽力能更大，同时能使切换磁场小。
另外，在本实施方式中，最大宽度最好小于1μm左右，长度最好在最大宽度的约1.3倍以上、10倍以内。
(第三实施方式)
其次，参照图15至图17说明本发明的第三实施方式的磁电阻效应元件。图15是表示本实施方式的磁电阻效应元件的存储层2e的膜面形状的图。从图15可知，本实施方式的存储层2e是将图14所示的现有的磁电阻效应元件的存储层的长方形的4个角部削掉而呈8角形，与成为易磁化轴的长轴方向大致正交的一组对边和与该对边相邻的边构成的内角θ为135度以下。
图16及图17中示出了通过模拟计算求得了本实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场的星形曲线的情况。图16表示端部的角度为135度的情况，图17表示端部的角度为120度的情况。另外，这些曲线表示用易磁化轴方向的矫顽力归一化的星形曲线。另外，实线表示切换磁场的理想的星形曲线。
从这些图可知，通过采用本实施方式的单元形状，端部的角度为135度的情况呈现出良好的开关特性。另外，还看得出端部的角度为120度者比135度的情况更接近于理想的星形曲线。因此，本实施方式的磁电阻效应元件的切换磁场变小，能用小的磁场写入。
本实施方式的磁电阻效应元件与第一实施方式的情况相比，虽然开关特性不好，但容易加工。另外，与第一实施方式的情况相比，由于膜面的面积大，所以在有效地使用面积的情况下有利。另外，由于存储层的膜面形状呈突状，所以与第一实施方式相比，在与其他元件集成的情况下有利。
另外，本实施方式的存储层2e与第二实施方式的情况相同，各边最好在外侧呈凸状地带有圆形。
另外，在本实施方式中，最大宽度最好小于1μm左右，长度最好为最大宽度的约1倍、或比1倍大而在10倍以内。
另外，在上述第一至第三实施方式中，磁电阻效应元件虽然是强磁性隧道结为一重的元件，但也可以是包括双重强磁性隧道结的元件，即，也可以是强磁性层/隧道阻挡层/强磁性层/隧道阻挡层/强磁性层这样的5层结构。另外，即使是通过非磁性层至少层叠两层强磁性层，使一层的强磁性层的磁化方向固定，使另一强磁性层的磁化方向随着外部磁场的变化而变化的磁电阻效应元件，也能获得同样的效果。
另外，在上述第一至第三实施方式中，构成磁电阻效应元件的存储层或构成基准层的强磁性层是单层的，但即使采用通过非磁性层至少层叠了两层强磁性层的层叠膜，也能获得同样的效果。这里，磁性材料Fe、Co、Ni或它们的层叠膜、合金等也可以是通常使用的磁性材料。另外，作为非磁性金属材料，也可以是Cu、Au、Ru、Al等通常使用的材料。另外，在这些层叠膜中，在将非磁性层夹在两个强磁性层之间也可以存在磁耦合。
以下，说明用来制作在上述的第一至第三实施方式中说明的形状的磁电阻效应元件的制造方法。
一般说来，经过下述的工序进行这样的元件形成：形成磁电阻效应膜之后，涂敷抗蚀剂，利用光、电子束、X射线中的任意一种，在抗蚀剂上描绘图形，进行显影，形成抗蚀剂图形，以该抗蚀剂图形作为掩模，进行离子切削或蚀刻，在磁电阻效应膜上形成图形后，将抗蚀剂剥离。
在制作尺寸比较大的、例如微米级的磁电阻效应元件的情况下，溅射TMR膜后，制作氧化硅、氮化硅等硬掩模，采用反应性离子蚀刻(RIE)法，形成例如图1、图6、图9所示的磁电阻效应元件的图形。通过对该试料进行离子切削，能制作磁性元件。
制作更小的磁性元件、例如从2μm～3μm左右至0.1μm左右的亚微米尺寸的元件时，能采用光刻法。在此情况下，预先制作具有上述实施方式的磁电阻效应元件的形状图形的硬掩模，通过形成图形来制作。
另外，关于小尺寸、例如0.5μm左右以下的磁电阻效应元件的制作，能采用电子束曝光。可是，在此情况下由于磁电阻效应元件本身小，所以扩大边缘磁畴区域用的形状部分变得更小，制作起来困难很大。这里，为了制作上述实施方式的形状，能利用电子束的趋近效应补偿。通常，趋近效应补偿是为了形成正确的图形，对电子束的由来自基板后方的散射产生的图形内趋近效应进行修正时所采用的方法。例如，在形成长方形图形的情况下，在顶点附近电荷量蓄积不足，被看作长方形顶点呈圆形的现象。为了使顶点清楚，顶点附近特别是在0.5μm左右以下的磁电阻效应元件的情况下，通过使修正点射束射入磁电阻效应元件的图形的外侧，增加蓄积电荷量，能获得正常的图形。采用该方法能形成元件端部的宽度宽的形状。例如，在形成上述实施方式的图1、图6、图9所示的形状的情况下，以长方形为基本图形，通过在相对的两个顶点附近分别射入修正点射束，能形成端部的宽度宽的形状。这时，与通常的趋近效应修正的情况相比，采用使射入的电荷量多、或适当地调节修正点射束的射入位置、或采用该两种方法，能将形状修正得至少使顶点恢复，其结果，能形成上述实施方式的形状。另外，为了形成例如图1中的第一实施方式的元件形状，也可以照射多个点的修正点射束。
其次，说明将上述实施方式的磁电阻效应元件作为磁随机存取存储器(磁存储器)的单元应用的情况。
一般说来，在随机存取存储器中，要求芯片尺寸小、容量大。因此，不用说布线宽度、连同各单元的面积也不得不缩小。可是，通过采用上述实施方式的磁电阻效应元件，能降低切换磁场，所以存储位的写入时必要的写入电流小也可以，能抑制功耗，而且高速开关成为可能。因此，本发明的磁电阻效应元件适合用于磁随机存取存储器的单元。
下面，参照图10至图13说明本发明的磁随机存取存储器的具体例。
图10是表示磁随机存取存储器的第一具体例的结构的模式图。即，该图表示存储器阵列的剖面结构，在该结构中，多个磁电阻效应元件C并联连接在读出/写入用位线B上。读出/写入用字线WL通过二极管D连接在各自的磁电阻效应元件C的另一端上。另外，各字线WL呈通过选择各字线WL的选择晶体管STw连接在读出放大器SA上的结构。另外，读出/写入用位线BL呈通过选择该位线BL用的选择晶体管STB接地的结构。
在该图10所示的第一具体例的磁存储器中，读出时，利用选择晶体管STB、STw分别选择连接在作为目标的磁电阻效应元件C上的位线SL和字线WL，利用读出放大器SA检测电流。另外，写入时，仍然利用选择晶体管STB、STw分别选择连接在作为目标的磁电阻效应元件C上的位线SL和字线WL，使写入电流流过。这时，将在位线SL和字线WL中分别发生的磁场合成后的写入磁场使磁电阻效应元件C的存储层的磁化朝向规定的方向，可以进行写入。
在这些读出时或写入时，二极管D具有阻断通过呈矩阵状配置的另一磁电阻效应元件C流过的迂回电流的作用。
其次，参照图11说明磁随机存取存储器的结构的第二具体例。
图11是表示能使存储器阵列层叠化的结构的第二具体例的模式图。即，该图表示存储器阵列的剖面结构。
在该结构中，构成多个磁电阻效应元件C并联连接在读出/写入用位线BLw和读出用位线BLr之间的“梯形”结构。另外，写入用字线WL沿着与位线BLw交叉的方向、接近各自的磁电阻效应元件C而布线。
通过将使写入电流流过读出/写入用位线BLw而发生的磁场、以及使写入电流流过写入字线WL而发生的磁场的合成磁场作用于磁电阻效应元件的存储层上，能进行对磁电阻效应元件的写入。
另一方面，读出时，将电压加在位线BLw及BLr之间。于是，电流流过并联连接在它们之间的全部磁电阻效应元件。一边由读出放大器SA检测该电流的合计大小，一边将写入电流加在接近作为目标的磁电阻效应元件的字线WL上，沿着规定的方向改写作为目的的磁电阻效应元件的存储层的磁化。通过检测这时的电流变化，能进行作为目标的磁电阻效应元件的读出。
即，如果改写前的存储层的磁化方向与改写后的磁化方向相同，则由读出放大器SA检测的电流无变化。可是，在改写前后存储层的磁化方向反转的情况下，由读出放大器SA检测的电流由于磁电阻效应而变化。这样就能读出改写前的存储层的磁化方向、即存储数据。该方法对应于读出时使存储数据变化的所谓“破坏读出”。
与此不同，在将磁电阻效应元件的结构作成自由磁化层/隧道阻挡层/磁记录层这样的结构的情况下，可以进行“非破坏读出”。即，若采用该结构的磁电阻效应元件，在记录层上记录、读出磁化方向时，通过使自由磁化层的磁化方向适当地变化，对读出电流进行比较，能读出存储层的磁化方向。但在该情况下，有必要设计得使自由磁化层的磁化反转磁场比存储层的磁化反转磁场小。
图12是表示磁随机存取存储器的结构的第三具体例的模式图。即，该图表示存储器阵列的剖面结构。
在该结构中，多个磁电阻效应元件C并联连接在读出/写入用位线BLw上，各个读出用位线BLr呈矩阵状地连接在这些磁电阻效应元件C的另一端上。另外，写入用字线WL接近这些读出用位线BLr、沿着与其平行的方向布线。
通过将使写入电流流过读出/写入用位线BLw而发生的磁场、以及使写入电流流过写入字线WL而发生的磁场的合成磁场作用于磁电阻效应元件的存储层上，能进行对磁电阻效应元件C的写入。
另一方面，读出时，通过利用选择晶体管ST选择写入位线BLw和读出位线BLr，使读出电流流过作为目标的磁电阻效应元件，能利用读出放大器SA进行检测。
下面，参照图13说明磁随机存取存储器的结构的第四具体例。
图13是表示磁随机存取存储器的结构的第四具体例的模式图。即，该图表示存储器阵列的剖面结构。读出用位线BLr通过引线L连接在磁电阻效应元件C上，写入用字线WL配置的磁电阻效应元件C的正下方，这一点不同。如果这样做，则能使磁电阻效应元件C和写入字线WL比图12中的结构更接近。其结果，能使来自字线WL的写入磁场更有效地作用于磁电阻效应元件上。
如上所述，如果采用本发明，则有热稳定的磁结构，同时能降低写入信息时所必要的切换磁场。

Claims (22)

1.一种磁电阻效应元件，其特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及磁化方向随着外部磁场的变化而变化的存储层，该存储层具有易磁化轴方向比难磁化轴方向长的本体部、和沿该本体部的中央部的难磁化轴方向设置的突出部。
2.根据权利要求1所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述本体部和上述突出部的结合部分带有圆形。
3.根据权利要求1所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述存储层的端部带有圆形。
4.根据权利要求1所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述第一基准层至少有一层强磁性层，上述存储层至少有一层强磁性层，在上述第一基准层和上述存储层之间设置作为第一隧道阻挡层的绝缘层。
5.根据权利要求4所述的磁电阻效应元件，其特征在于：包括至少有一层强磁性层的第二基准层，上述存储层设置在该第二基准层和上述第一基准层之间，在上述第二基准层和上述存储层之间设置作为第二隧道阻挡层的绝缘层。
6.根据权利要求4所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述基准层及上述存储层中至少一者包括夹着非磁性层层叠的至少两层的强磁性层。
7.一种磁电阻效应元件，其特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及存储层，该存储层的磁化方向随着外部磁场的变化而变化，且具有中央部分的幅度比端部的幅度宽的膜面形状，在上述端部和上述中央部分之间、内侧具有中间细的曲线轮廓。
8.根据权利要求7所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述存储层的端部带有圆形。
9.根据权利要求7所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述第一基准层至少有一层强磁性层，上述存储层至少有一层强磁性层，在上述第一基准层和上述存储层之间设置作为第一隧道阻挡层的绝缘层。
10.根据权利要求9所述的磁电阻效应元件，其特征在于：包括至少有一层强磁性层的第二基准层，上述存储层设置在该第二基准层和上述第一基准层之间，在上述第二基准层和上述存储层之间设置作为第二隧道阻挡层的绝缘层。
11.根据权利要求9所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述基准层及上述存储层中至少一者包括夹着非磁性层层叠的至少两层的强磁性层。
12.一种磁电阻效应元件，其特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及存储层，该存储层具有易磁化轴方向比难磁化轴方向长的十字形状，且磁化方向随着外部磁场的变化而变化。
13.根据权利要求12所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述存储层的端部带有圆形。
14.根据权利要求12所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述第一基准层至少有一层强磁性层，上述存储层至少有一层强磁性层，在上述第一基准层和上述存储层之间设置作为第一隧道阻挡层的绝缘层。
15.根据权利要求14所述的磁电阻效应元件，其特征在于：包括至少有一层强磁性层的第二基准层，上述存储层设置在该第二基准层和上述第一基准层之间，在上述第二基准层和上述存储层之间设置作为第二隧道阻挡层的绝缘层。
16.根据权利要求14所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述基准层及上述存储层中至少一者包括夹着非磁性层层叠的至少两层的强磁性层。
17.一种磁电阻效应元件，其特征在于包括：磁化方向被固定的第一基准层；以及存储层，该存储层的膜面形状呈八角形，其一组对边垂直于易磁化轴，该一组对边中的各边和与该各边相邻的边构成的内角为135度以下，且其磁化方向随着外部磁场的变化而变化。
18.根据权利要求17所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述存储层的端部带有圆形。
19.根据权利要求17所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述第一基准层至少有一层强磁性层，上述存储层至少有一层强磁性层，在上述第一基准层和上述存储层之间设置作为第一隧道阻挡层的绝缘层。
20.根据权利要求19所述的磁电阻效应元件，其特征在于：包括至少有一层强磁性层的第二基准层，上述存储层设置在该第二基准层和上述第一基准层之间，在上述第二基准层和上述存储层之间设置作为第二隧道阻挡层的绝缘层。
21.根据权利要求19所述的磁电阻效应元件，其特征在于：上述基准层及上述存储层中至少一者包括夹着非磁性层层叠的至少两层的强磁性层。
22.一种磁存储器，其特征在于包括：第一布线；与该第一布线交叉的第二布线；以及设置在上述第一及第二布线的交叉区域中的权利要求1所述的磁电阻效应元件。
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