專利名稱：環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)微小磁體及其制造方法以及采用該磁體的磁記錄元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可控制磁化的環(huán)線方向且具有靜態(tài)環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體，以及將該微小磁體配置在襯底上的磁記錄元件及其制造方法，特別是涉及采用該磁記錄元件的磁隨機(jī)存取存儲器。
背景技術(shù)：
作為下一代主存儲用存儲器，要求具有接近SRAM的高速性、接近DRAM的集成度以及可無限改寫且非易失，基于這些理由，MRAM倍受關(guān)注。
MRAM指的是磁隨機(jī)存取存儲器(magnetic random accessmemory)，是組合磁阻元件與標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù)的存儲器，具有非易失性、低壓工作、無限次讀出/寫入、高速的讀出/寫入速度及優(yōu)秀的耐輻射性等特征。
這里，磁阻元件指的是根據(jù)磁化的狀態(tài)具有高的阻抗值與低的阻抗值的狀態(tài)的元件，通過檢出該阻抗值來判定磁化的狀態(tài)。該阻抗值的檢出方法，可考慮例如測量夾著薄的非磁性層的兩個強(qiáng)磁層間的隧道電流的方式(TMR(隧道磁阻)tunneling magneto resistive)等。
不久的將來現(xiàn)在的MRAM方式也能實(shí)現(xiàn)與該SRAM同等以下的單元面積和存取時間，此外通過非易失性的特性，至少用作SRAM的代替而得以實(shí)用。另外，設(shè)想用于閃速EEPROM的利用領(lǐng)域。
另一方面，超高密度磁記錄時的記錄區(qū)已經(jīng)進(jìn)入納米級的領(lǐng)域。還有，已知納米級磁體的磁疇結(jié)構(gòu)、磁化反轉(zhuǎn)過程等的動作完全不同于所謂空間磁性。已知在例如微米、超微尺寸的磁盤中，中心部采用渦旋狀的渦旋(vortex)磁疇結(jié)構(gòu)。
這是由于在納米領(lǐng)域形成磁疇壁反而不利于能量轉(zhuǎn)換，在納米級磁體中，其中心部采用同心圓狀的渦旋結(jié)構(gòu)來消除磁疇壁，并實(shí)現(xiàn)減少靜磁能量。特別是，在納米級的圓形狀或環(huán)狀的強(qiáng)磁體具有封閉的磁疇結(jié)構(gòu)，報告觀測到同心圓狀的渦旋結(jié)構(gòu)。(參照非專利文獻(xiàn)1)但是，這種納米級的圓盤狀強(qiáng)磁體中撤消外部磁場時的磁化方向有時為順時針方向有時為逆時針方向，因此不能進(jìn)行穩(wěn)定的控制。(參照非專利文獻(xiàn)2、3)另外，已知在納米級的環(huán)狀強(qiáng)磁體中，通過施加或撤消外部磁場，經(jīng)過局部的渦旋結(jié)構(gòu)的發(fā)生、生長，整個環(huán)區(qū)域由一方向磁化的狀態(tài)變化到渦旋結(jié)構(gòu)，以及其逆現(xiàn)象。(參照非專利文獻(xiàn)4)還有，在過渡性發(fā)生的局部的磁化歪曲有C型模式和S型模式，已知C型模式在更小尺寸時有優(yōu)勢。(參照非專利文獻(xiàn)5)非專利文獻(xiàn)1“日本應(yīng)用物理學(xué)會雜志”，Vol.26，No.12(2002)pp.1168-1173非專利文獻(xiàn)2“APPLIED PHYSICS LETTERS”，Vol.77，No.18(2000)，pp.2909-2911非專利文獻(xiàn)3“PHYSICAL REVIEW LETTERS”，Vol.88，No.15(2002)，pp.157203-1～157203-4非專利文獻(xiàn)4“JOURNAL OF APPLIED PHYSICS”，Vol.92，No.12(2002)，pp.7397-7403非專利文獻(xiàn)5“JOURNAL OF APPLIED PHYSICS”，Vol.92，No.3(2002)，PP.1466-1472在考慮擴(kuò)展這種MRAM的用途時，成為最大障礙的就是單元面積的問題。特別是，在考慮與DRAM混裝時，MRAM的單元面積會達(dá)到DRAM的數(shù)倍，存在不能采用同一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的問題。
至少，現(xiàn)在的MRAM原理上在寫入時利用感應(yīng)磁場，因此不僅難以降低寫入電流，而且難以減小布線寬度或外圍電路面積，以避免來自其它感應(yīng)磁場的影響。于是，需要在小的寫入電流下可穩(wěn)定控制磁化的元件。
另一方面，以單元面積的小型化為目標(biāo)采用納米級強(qiáng)磁體時，可預(yù)測其磁化的狀態(tài)采用渦旋結(jié)構(gòu)，但這時的磁化方向控制極為困難，根據(jù)過渡狀態(tài)中發(fā)生的磁化分布的歪曲狀況，有時成為順時針方向有時成為逆時針方向。
這樣，由于不能控制磁化方向，不能利用例如磁阻效應(yīng)，由阻抗值的高低讀出磁化的狀態(tài)。因而，采用該數(shù)量級的單元時，將不能用作存儲器。
這樣看來，MRAM的實(shí)用化中單元面積的納米級化是不可缺少的，但這時通常的磁化方式存在不能控制單元的磁化狀態(tài)即磁化的旋轉(zhuǎn)方向的問題。因而，現(xiàn)在方式的MRAM雖然可取代SRAM或閃速EEPROM，但不適合與DRAM混裝，而且難以取代DRAM。
本發(fā)明的目的在于解決上述技術(shù)上的課題，提供可與DRAM混裝并取代DRAM用于主存儲的磁存儲元件。其由以下技術(shù)項(xiàng)目構(gòu)成。
發(fā)明的公開本發(fā)明為了達(dá)成上述目的而采用以下解決手段。
解決課題的手段本發(fā)明(1)是一種微小磁體，其特征在于由平板狀強(qiáng)磁體構(gòu)成，其平面部形狀具有線對稱軸的同時在與該線對稱軸垂直的方向上非對稱，在平行外部磁場堙沒時顯示環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明(2)是一種微小磁體，其特征在于由強(qiáng)磁材料構(gòu)成，并具有與可導(dǎo)通、截止及反轉(zhuǎn)控制的平行外部磁場平行的平面部；該平面部形狀相對于所述平行外部磁場非對稱，并具有在與所述平行外部磁場垂直的方向上左右對稱的線對稱軸；
在施加所述平行外部磁場后撤消時顯示環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明(3)是本發(fā)明(1)或本發(fā)明(2)任一發(fā)明的微小磁體，其特征在于所述平面部形狀在其具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀中，在外周部設(shè)有相對于一個線對稱軸左右對稱且相對于另一線對稱軸左右非對稱的切口；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁通方位顯示包含磁通方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
本發(fā)明(4)是本發(fā)明(1)或本發(fā)明(2)任一發(fā)明的微小磁體，其特征在于所述平面部形狀是具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀和將一個線對稱軸作為長邊并將另一線對稱軸的小于一半的長度作為短邊的長方形被投影時的外緣形狀；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁化方位顯示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
本發(fā)明(5)是本發(fā)明(1)～(4)中任一發(fā)明的微小磁體，其特征在于所述平面部形狀的最大寬度為10nm以下。
本發(fā)明(6)是一種磁記錄元件，其特征在于在非強(qiáng)磁體襯底上設(shè)有至少一個以上的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)?，并設(shè)有可對該強(qiáng)磁區(qū)域?qū)邮┘涌蓪?dǎo)通、截止及反轉(zhuǎn)控制的平行磁場的外部磁場發(fā)生部件；所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫嫘螤钕鄬λ鐾獠看艌霭l(fā)生部件的平行磁場為左右非對稱，并具有相對與該平行磁場垂直的方向成為左右對稱的線對稱軸，通過所述外部磁場發(fā)生部件，在施加外部磁場后使該外部磁場堙沒，從而使所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)映蔀榄h(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)，而在反轉(zhuǎn)所述外部磁場后施加，然后使該外部磁場堙沒，從而使所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)映蔀榫哂蟹聪虻拇呕较虻沫h(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明(7)是一種磁記錄元件，其特征在于在非強(qiáng)磁體襯底上設(shè)有至少一個以上的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)樱⒃O(shè)有可對該強(qiáng)磁區(qū)域?qū)邮┘涌蓪?dǎo)通、截止及反轉(zhuǎn)控制的平行磁場的外部磁場發(fā)生部件；
所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫嫘螤钕鄬λ鐾獠看艌霭l(fā)生部件的平行磁場為左右非對稱，并具有相對與該平行磁場垂直的方向成為左右對稱的線對稱軸，通過所述外部磁場發(fā)生部件施加的磁場方向，并不與所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥淖笥曳菍ΨQ軸平行時，所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥沫h(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)在磁場堙沒后不變化。
本發(fā)明(8)是本發(fā)明(6)或(7)任一發(fā)明的磁記錄元件，其特征在于所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)訆A著非磁性層在上下方向成為層疊結(jié)構(gòu)，通過至少使上下任一方的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥拈L寬比大于另一方強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥匦纬?，使長寬比小的強(qiáng)磁體區(qū)域的磁化方向相對長寬比大的強(qiáng)磁體區(qū)域的磁化方向可獨(dú)立控制地構(gòu)成，基于所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)娱g的阻抗值，檢出所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥拇呕较颉?br> 本發(fā)明(9)是本發(fā)明(8)的磁記錄元件，其特征在于所述長寬比取決于同一平面形狀的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)雍穸鹊牟町悺?br> 本發(fā)明(10)是本發(fā)明(8)的磁記錄元件，其特征在于所述長寬比取決于強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫娌棵娣e的差異。
本發(fā)明(11)是本發(fā)明(6)～(10)中任一發(fā)明的磁記錄元件，其特征在于所述平面部形狀在其具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀中，在外周部設(shè)有相對于一個線對稱軸左右對稱且相對于另一線對稱軸左右非對稱的切口；在施加所述平行外部磁場時，所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥倪吘壊可系拇呕轿伙@示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
本發(fā)明(12)是本發(fā)明(6)～(10)中任一發(fā)明的磁記錄元件，其特征在于所述平面部形狀是具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀和將一個線對稱軸作為長邊并將另一線對稱軸的小于一半的長度作為短邊的長方形被投影時的外緣形狀；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁化方位顯示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
本發(fā)明(13)是本發(fā)明(6)～(12)中任一發(fā)明的磁記錄元件，其特征在于所述平面部形狀中最大部分寬度是10nm以下。
本發(fā)明(14)是本發(fā)明(6)～(14)中任一發(fā)明的磁記錄元件，其特征在于在所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥纳舷旅孢€分別布置寫入用位線與寫入用字線，配置所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥木€對稱軸，使得通過向這些布線通電來產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場作為所述平行外部磁場起作用。
本發(fā)明(15)是本發(fā)明(6)～(14)中任一發(fā)明的磁記錄元件，其特征在于將所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)釉诖怪狈较蚨鄬訉盈B，使各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥钠矫娌科叫星沂垢鲝?qiáng)磁體區(qū)域?qū)娱g夾著非磁性層，各平面部的線對稱軸的方位沿垂直方向配置成彼此間具有相位差，根據(jù)由寫入位線和寫入用字線產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場的方向，可獨(dú)立控制除最下層和/或最上層的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥娜魏我粚右陨现虚g的各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥拇呕较颉?br> 本發(fā)明(16)是一種磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置多個本發(fā)明(14)或(15)任一發(fā)明的磁記錄元件，可獨(dú)立選擇各磁記錄元件。
本發(fā)明(17)是本發(fā)明(16)的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置的多個所述磁記錄元件配置成使相鄰的磁記錄元件的同一高度的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥母髌矫娌烤€對稱軸彼此不在同一方位。
本發(fā)明(18)是一種環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體的制造方法，其特征在于至少包含平板狀的強(qiáng)磁體是其平面部形狀具有線對稱軸且在與該線對稱軸垂直的方向上非對稱的微小磁體，將該微小磁體在可施加平行外部磁場的區(qū)域內(nèi)，使所述線對稱軸與該平行外部磁場的施加方向垂直地配置的工序；以及配置向所述微小磁體施加所述平行外部磁場的外部磁場形成部件的工序。
本發(fā)明(19)是本發(fā)明(18)的環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體的制造方法，其特征在于所述平行外部磁場形成部件可使施加的磁場方向反轉(zhuǎn)并可導(dǎo)通、截止。
本發(fā)明(20)是本發(fā)明(18)或(19)任一發(fā)明的環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體的制造方法，其特征在于所述微小磁體通過濺鍍法、電子束蒸鍍法、分子束外延法中任一種或其組合，形成圖案。
本發(fā)明(21)是由環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體構(gòu)成的磁記錄元件的制造方法，其特征在于在至少包含非磁體襯底上至少描繪寫入用字線的工序、描繪磁阻效應(yīng)元件的工序和描繪寫入用位線的工序的微小磁記錄元件的制造方法中，描繪所述磁阻效應(yīng)元件的工序至少還包括平板狀的強(qiáng)磁體是其平面部形狀具有線對稱軸且在與該線對稱軸垂直的方向上為非對稱的第一微小磁體，將該第一微小磁體配置成使所述線對稱軸與因在所述寫入用字線和寫入用位線上通電而產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場的方向垂直的工序；覆蓋所述平板狀強(qiáng)磁體頂面地沉積非磁性層的工序；以及在所述第一微小磁體垂直上方的所述非磁性層上，將與所述第一微小磁體相同材料且長寬比不同的形狀的第二微小磁體配置成使其界面平行的工序，通過所述合成感應(yīng)磁場的控制，至少可控制長寬比小的微小磁體的感應(yīng)磁場堙沒時的磁化方向。
本發(fā)明(22)是本發(fā)明(21)的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述長寬比取決于同一平面形狀的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)雍穸鹊牟町悺?br> 本發(fā)明(23)是本發(fā)明(21)的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述長寬比取決于強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫娌棵娣e的差異。
本發(fā)明(24)是本發(fā)明(18)～(23)中任一發(fā)明的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述平面部形狀在其具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀中，在外周部設(shè)有相對于一個線對稱軸左右對稱且相對于另一線對稱軸左右非對稱的切口；
在施加所述平行外部磁場時，所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥倪吘壊可系拇呕轿伙@示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
本發(fā)明(25)是本發(fā)明(18)～(23)中任一發(fā)明的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述平面部形狀是具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀和將一個線對稱軸作為長邊并將另一線對稱軸的小于一半的長度作為短邊的長方形被投影時的外緣形狀；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁化方位顯示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
本發(fā)明(26)是本發(fā)明(18)～(25)中任一發(fā)明的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述平面部形狀的最大部分寬度為10nm以下。
本發(fā)明(27)是本發(fā)明(18)～(26)中任一發(fā)明的磁記錄元件，其特征在于在所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥纳舷旅孢€分別布置寫入用位線與寫入用字線，配置所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥木€對稱軸，使得通過向這些布線通電產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場作為所述平行外部磁場起作用。
本發(fā)明(28)是本發(fā)明(18)～(27)中任一發(fā)明的磁記錄元件的制造方法，其特征在于將所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)釉诖怪狈较蚨鄬訉盈B使各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥钠矫娌科叫星沂垢鲝?qiáng)磁體區(qū)域?qū)娱g夾著非磁性層，各平面部的線對稱軸的方位沿垂直方向配置成彼此間具有相位差，根據(jù)由寫入位線和寫入用字線產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場的方向，可獨(dú)立控制除最下層和/或最上層的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥娜魏我粚右陨现虚g的各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥拇呕较颉?br> 本發(fā)明(29)是一種磁隨機(jī)存取存儲器的制造方法，其特征在于利用本發(fā)明(27)或(28)任一發(fā)明的磁記錄元件的制造方法，在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置多個該磁記錄元件，可獨(dú)立選擇各磁記錄元件。
本發(fā)明(30)是本發(fā)明(29)的磁隨機(jī)存取存儲器的制造方法，其特征在于在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置的多個所述磁記錄元件配置成使相鄰的磁記錄元件的同一高度的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥母髌矫娌烤€對稱軸彼此不在同一方位。
這里，根據(jù)強(qiáng)磁體區(qū)域的形狀各向異性的效果，局部區(qū)域的磁化方向(極化方向)即便在外部磁場的下方，也未必與外部磁場平行，沿著強(qiáng)磁體區(qū)域的外緣形狀發(fā)生磁化方位分布的不連續(xù)。認(rèn)為由于該磁化方位分布上的不連續(xù)，在撤消外部磁場時，局部的C型渦旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)入強(qiáng)磁體區(qū)域，并在整個強(qiáng)磁體區(qū)域傳播，從而產(chǎn)生渦旋結(jié)構(gòu)的環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)。
附圖的簡單說明

圖1是關(guān)于本發(fā)明的微小磁體的平面部形狀的說明圖。
圖2是本發(fā)明的微小磁體對應(yīng)于外部磁場的磁化履歷的示圖。
圖3是關(guān)于本發(fā)明的微小磁體的磁記錄方式的說明圖。
圖4是渦旋堙沒磁場的磁體厚度依存性的示圖。
圖5是渦旋堙沒磁場的磁體直徑依存性的示圖。
圖6是用本發(fā)明的微小磁體構(gòu)成MRAM時的元件剖視圖。
圖7是用本發(fā)明的微小磁體構(gòu)成MRAM時單元配置的一形態(tài)的示圖。
圖8是本發(fā)明的多值記錄元件的元件結(jié)構(gòu)的示圖。
實(shí)施本發(fā)明的最佳方式圖1表示一例采用本發(fā)明的強(qiáng)磁體的平面部形狀。該平面部形狀是由圓形切去一部分或在一部分上設(shè)置凸部的形狀，基本上具有在外部磁場的方向上左右非對稱，而在其垂直方向上左右對稱的形狀。
圖1中，采用直徑(D)1μm的圓上，將該圓直徑D為長邊并其0.25×D為短邊的長方形，使長邊通過圓中心地重疊時的投影形狀作為平面形狀。另外，其厚度為50nm。還有，本發(fā)明并不限于該圖1的形狀。
實(shí)施例1
對該圖1所示的強(qiáng)磁體施加1000Oe的外部磁場時模擬試驗(yàn)的磁化方向的樣子如圖2所示。本例中，將外部磁場的施加方向與所述長方形的長邊平行地配置，設(shè)成對外部磁場非對稱且與外部磁場的垂直方向左右對稱。
首先，將1000Oe的外部磁場按圖中由左到右方向施加時磁化的樣子顯示在右側(cè)的方塊。外部磁場貫通強(qiáng)磁體內(nèi)，從而強(qiáng)磁體內(nèi)的磁化也大致與外部磁場平行。這里，由圓的外周突出的長方形部分的磁化方向并不與外部磁場完全平行，判斷在強(qiáng)磁體的外周部的磁化方向的變化上發(fā)生了不連續(xù)。認(rèn)為是由端面效應(yīng)引起的。
接著，由該狀態(tài)撤消外部磁場時的磁化的樣子顯示在圖中央上側(cè)的方塊中。其結(jié)果，形成順時針方向渦旋結(jié)構(gòu)的封閉單磁疇。
另外，對成為該渦旋結(jié)構(gòu)的試料反向施加1000Oe的外部磁場時的樣子顯示在圖中左側(cè)的方塊中。觀察到與外部磁場平行地箭頭方向(磁化方向)大致左方向?qū)R。
然后，由該左方向?qū)R的狀態(tài)一旦撤消外部磁場(成為0Oe)，則如圖中央下側(cè)的方塊所示，觀察到逆時針方向的磁化。
還有，對該逆時針卷繞的磁體，又施加右方向或左方向的外部磁場時，也同樣能按外部磁場相同的方向磁化，表示具有再現(xiàn)性。同樣地，根據(jù)由圖中央上側(cè)的狀態(tài)施加外部磁場的方向，能夠自由地將磁化方向向一方對齊。
由這結(jié)果可確認(rèn)通過切換外部磁場的磁場方向，能夠自由控制強(qiáng)磁體區(qū)域內(nèi)的磁化方向分布，尤其能夠控制渦旋結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向。并且，判斷該磁化方向的控制為可逆且可無限次重復(fù)進(jìn)行。
通過比較實(shí)施例，明確了沿著上述磁化方向變化時不連續(xù)的部位的磁化方向，渦旋卷繞。認(rèn)為該磁化方向上的不連續(xù)是因?qū)?yīng)于外部磁場伴隨形狀各向異性的端面效應(yīng)而產(chǎn)生，在該外部磁場的方向上不左右對稱的磁化分量，在撤消外部磁場時殘留，由于該局部的磁化歪曲，確定在整個磁體上擴(kuò)散的渦旋方向。
實(shí)施例2圖3是利用本發(fā)明的微小磁體構(gòu)成磁記錄元件時的原理說明圖。在中間夾著薄的非磁性層(2)地將本發(fā)明的磁體上下兩層配置，并將這種結(jié)構(gòu)在平面上配置多個。使下側(cè)磁體的層厚較大并作為固定層(3)，并將上側(cè)較薄的磁性層作為自由層(1)。
這里，兩個強(qiáng)磁體的磁化方向相同時，兩個強(qiáng)磁體層間的阻抗值較小，而在磁化方向相反時阻抗值較大，這種效應(yīng)作為磁阻效應(yīng)眾所周知。因而，本發(fā)明的磁記錄元件，根據(jù)外部磁場控制自由層的渦旋磁場方向，從而進(jìn)行寫入，且利用磁阻效應(yīng)，通過判定該磁化方向來進(jìn)行讀出。
這里，關(guān)于渦旋磁場的形狀依存性，在圖4和圖5中示出其測定結(jié)果。圖4是使直徑1微米的強(qiáng)磁體的厚度進(jìn)行各種變化，測定渦旋磁場堙沒的外部磁場大小的結(jié)果。另一方面，圖5是使厚度50nm的強(qiáng)磁體的直徑進(jìn)行各種變化，同樣測定渦旋磁場堙沒的外部磁場大小的結(jié)果。
由這些結(jié)果判斷出能夠通過使夾著非磁性層的兩個強(qiáng)磁體形狀的長寬比不同，使渦旋磁場的堙沒磁場上存在差異。因而，將強(qiáng)磁體形狀中長寬比大的一方作為固定了磁化方向的固定層，并通過施加兩個強(qiáng)磁體的渦旋堙沒磁場之間的磁場來控制另一方的自由層的磁化方位。從而，本發(fā)明需要用以固定一方的磁化方向的定位層。
實(shí)施例3本發(fā)明的微小磁體中，與磁體的左右對稱軸垂直的方向配置成與寫入用位線和寫入用字線(ww1，ww2)發(fā)生的合成磁場方向平行，構(gòu)成磁隨機(jī)存取存儲器。該元件剖視圖如圖6所示。另外敷設(shè)了讀出位線及讀出用的字線(rw1，rw2)。這些讀出用線的電流量小于寫入用線，因此不影響磁阻效應(yīng)元件的磁化方向。
這里，寫入用位線與寫入用字線(ww1，ww2)交叉點(diǎn)單元以外的單元上，不與感應(yīng)磁場合成，因此寫入用字線與寫入用位線的電流量設(shè)定為感應(yīng)磁場不超過自由層的渦旋堙沒磁場。
磁阻效應(yīng)元件上下的強(qiáng)磁層上的磁化方向相同時，兩個強(qiáng)磁層間的阻抗值變小，相反地在反向時阻抗值變大，因此如果通過讀出用的位線和讀出用的字線選擇所需單元并檢出隧道電流大小，就能讀出該單元的自由層(1)的磁化方向。
還有，如果如圖7那樣在相鄰的單元間使自由層(1)的線對稱軸方位彼此差異地配置，就不易受選擇相鄰單元時的感應(yīng)磁場的影響，因此緩和單元分離的問題，并能進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)單元配置的高密度化。
實(shí)施例4圖8概略表示在一個單元上記錄多值的單元結(jié)構(gòu)?；旧蠌?qiáng)磁體區(qū)域沿垂直方向配置多層。首先，固定層(fx1，fx2)構(gòu)成為不具有與自由層(fr1～fr)相同的平面形狀。從而，能夠取較大的長寬比，能夠?qū)⒁蛐螤罡飨虍愋缘淖杂蓪又苓叢可洗呕轿簧y而產(chǎn)生的對磁阻的影響抑制為最小。
在層間插入隧道勢壘層(tb1～tb5)，并使各自由層(fr1～fr4)的平面部線對稱軸每90度移相地沿垂直方向?qū)盈B配置。還有，各自由層間的相位差并不限于90度，但考慮寫入用字線和寫入用位線的布線設(shè)計，在90度的場合容易多層化。
還有，對寫入用字線和寫入用位線施加電流時，該電流大小能夠發(fā)生使一個自由層的線對稱軸和垂直方向的磁場成為渦旋堙沒磁場以上，且其它自由層的線對稱軸和垂直方向的磁場分量成為自由層的渦旋堙沒磁場以下以及固定相的渦旋堙沒磁場以下的強(qiáng)度的感應(yīng)磁場，能夠只控制所要的自由層的磁化方位。
但是，由于讀出時檢出固定層(rb1，rb2)間的阻抗值，本實(shí)施例中，每一單元上不能記錄2的4(自由層數(shù))次方的信息量。但是，在自由層為一層時，與只有0，1的2值的情況相比，能夠在一個單元上存儲3值，而且該值也成為0，2，4的強(qiáng)度，因此取得較大的S/N比，即便將單元小型化，也可期待足夠大小的阻抗值變化。
發(fā)明的效果依據(jù)本發(fā)明，即使是納米級的微小磁體，也能控制其渦旋結(jié)構(gòu)上的磁化方向。因而，能夠進(jìn)一步減小單元面積，因此也能實(shí)現(xiàn)與DRAM的混裝或取代DRAM等技術(shù)目標(biāo)。
還有，在本發(fā)明的磁體的場合，由于具有形狀各向異性，如果將各磁阻效應(yīng)元件的形狀各向異性的對稱軸移相后沿垂直方向配置，能夠?qū)⒂善渌鼘拥膶懭胗米志€施加的感應(yīng)磁場的影響抑制得較小，因此可多層配置，并可期待更高的高集成化。另外，本發(fā)明中，不需要用以固定一方的磁化方向的定位層，因此能簡化MRAM等器件制造的步驟，并可減小相對集成密度的制造成本。
權(quán)利要求
1.一種微小磁體，其特征在于由平板狀強(qiáng)磁體構(gòu)成，其平面部形狀具有線對稱軸的同時在與該線對稱軸垂直的方向上非對稱，在平行外部磁場堙沒時顯示環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)。
2.一種微小磁體，其特征在于由強(qiáng)磁材料構(gòu)成，并具有與可導(dǎo)通、截止及反轉(zhuǎn)控制的平行外部磁場平行的平面部；該平面部形狀相對于所述平行外部磁場非對稱，并具有在與所述平行外部磁場垂直的方向上左右對稱的線對稱軸；在施加所述平行外部磁場后撤消時顯示環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的微小磁體，其特征在于所述平面部形狀在其具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀中，在外周部設(shè)有相對于一個線對稱軸左右對稱且相對于另一線對稱軸左右非對稱的切口；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁通方位顯示包含磁通方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
4.如權(quán)利要求1或2所述的微小磁體，其特征在于所述平面部形狀是具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀和將一個線對稱軸作為長邊并將另一線對稱軸的小于一半的長度作為短邊的長方形被投影時的外緣形狀；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁化方位顯示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
5.如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的微小磁體，其特征在于所述平面部形狀的最大寬度為10nm以下。
6.一種磁記錄元件，其特征在于在非強(qiáng)磁體襯底上設(shè)有至少一個以上的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)?，并設(shè)有可對該強(qiáng)磁區(qū)域?qū)邮┘涌蓪?dǎo)通、截止及反轉(zhuǎn)控制的平行磁場的外部磁場發(fā)生部件；所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫嫘螤钕鄬λ鐾獠看艌霭l(fā)生部件的平行磁場為左右非對稱，并具有相對與該平行磁場垂直的方向成為左右對稱的線對稱軸，通過所述外部磁場發(fā)生部件，在施加外部磁場后使該外部磁場堙沒，從而使所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)映蔀榄h(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)，而在反轉(zhuǎn)所述外部磁場后施加，然后使該外部磁場堙沒，從而使所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)映蔀榫哂蟹聪虻拇呕较虻沫h(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)。
7.一種磁記錄元件，其特征在于在非強(qiáng)磁體襯底上設(shè)有至少一個以上的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)?，并設(shè)有可對該強(qiáng)磁區(qū)域?qū)邮┘涌蓪?dǎo)通、截止及反轉(zhuǎn)控制的平行磁場的外部磁場發(fā)生部件；所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫嫘螤钕鄬λ鐾獠看艌霭l(fā)生部件的平行磁場為左右非對稱，并具有相對與該平行磁場垂直的方向成為左右對稱的線對稱軸，通過所述外部磁場發(fā)生部件施加的磁場方向，并不與所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥淖笥曳菍ΨQ軸平行時，所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥沫h(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)在磁場堙沒后不變化。
8.如權(quán)利要求6或7所述的磁記錄元件，其特征在于所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)訆A著非磁性層在上下方向成為層疊結(jié)構(gòu)，通過至少使上下任一方的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥拈L寬比大于另一方強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥匦纬?，使長寬比小的強(qiáng)磁體區(qū)域的磁化方向相對長寬比大的強(qiáng)磁體區(qū)域的磁化方向可獨(dú)立控制地構(gòu)成，基于所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)娱g的阻抗值，檢出所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥拇呕较颉?br> 9.如權(quán)利要求8所述的磁記錄元件，其特征在于所述長寬比取決于同一平面形狀的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)雍穸鹊牟町悺?br> 10.如權(quán)利要求8所述的磁記錄元件，其特征在于所述長寬比取決于強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫娌棵娣e的差異。
11.如權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件，其特征在于所述平面部形狀在其具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀中，在外周部設(shè)有相對于一個線對稱軸左右對稱且相對于另一線對稱軸左右非對稱的切口；在施加所述平行外部磁場時，所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥倪吘壊可系拇呕轿伙@示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
12.如權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件，其特征在于所述平面部形狀是具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀和將一個線對稱軸作為長邊并將另一線對稱軸的小于一半的長度作為短邊的長方形被投影時的外緣形狀；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁化方位顯示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
13.如權(quán)利要求6至12中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件，其特征在于所述平面部形狀中最大部分寬度是10nm以下。
14.如權(quán)利要求6至14中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件，其特征在于在所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥纳舷旅孢€分別布置寫入用位線與寫入用字線，配置所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥木€對稱軸，使得通過向這些布線通電產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場作為所述平行外部磁場起作用。
15.如權(quán)利要求6至14中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件，其特征在于將所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)釉诖怪狈较蚨鄬訉盈B使各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥钠矫娌科叫星沂垢鲝?qiáng)磁體區(qū)域?qū)娱g夾著非磁性層，各平面部的線對稱軸的方位沿垂直方向配置成彼此間具有相位差，根據(jù)由寫入位線和寫入用字線產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場的方向，可獨(dú)立控制除最下層和/或最上層的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥娜魏我粚右陨现虚g的各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥拇呕较颉?br> 16.一種磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置多個權(quán)利要求14或15所述的磁記錄元件，可獨(dú)立選擇各磁記錄元件。
17.如權(quán)利要求16所述的磁隨機(jī)存取存儲器，其特征在于在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置的多個所述磁記錄元件配置成使相鄰的磁記錄元件的同一高度的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥母髌矫娌烤€對稱軸彼此不在同一方位。
18.一種環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體的制造方法，其特征在于至少包含平板狀的強(qiáng)磁體是其平面部形狀具有線對稱軸且在與該線對稱軸垂直的方向上非對稱的微小磁體，將該微小磁體在可施加平行外部磁場的區(qū)域內(nèi)，使所述線對稱軸與該平行外部磁場的施加方向垂直地配置的工序；以及配置向所述微小磁體施加所述平行外部磁場的外部磁場形成部件的工序。
19.如權(quán)利要求18所述的環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體的制造方法，其特征在于所述平行外部磁場形成部件可使施加的磁場方向反轉(zhuǎn)并可導(dǎo)通、截止。
20.如權(quán)利要求18或19所述的環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體的制造方法，其特征在于所述微小磁體通過濺鍍法、電子束蒸鍍法、分子束外延法中任一種或其組合，形成圖案。
21.一種由環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)的微小磁體構(gòu)成的磁記錄元件的制造方法，其特征在于在至少包含非磁體襯底上至少描繪寫入用字線的工序、描繪磁阻效應(yīng)元件的工序和描繪寫入用位線的工序的微小磁記錄元件的制造方法中，描繪所述磁阻效應(yīng)元件的工序至少還包括平板狀的強(qiáng)磁體是其平面部形狀具有線對稱軸且在與該線對稱軸垂直的方向上為非對稱的第一微小磁體，將該第一微小磁體配置成使所述線對稱軸與因在所述寫入用字線和寫入用位線上通電而產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場的方向垂直的工序；覆蓋所述平板狀強(qiáng)磁體頂面地沉積非磁性層的工序；以及在所述第一微小磁體垂直上方的所述非磁性層上，將與所述第一微小磁體相同材料且長寬比不同的形狀的第二微小磁體配置成使其界面平行的工序，通過所述合成感應(yīng)磁場的控制，至少可控制長寬比小的微小磁體的感應(yīng)磁場堙沒時的磁化方向。
22.如權(quán)利要求21所述的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述長寬比取決于同一平面形狀的強(qiáng)磁區(qū)域?qū)雍穸鹊牟町悺?br> 23.如權(quán)利要求21所述的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述長寬比取決于強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥钠矫娌棵娣e的差異。
24.如權(quán)利要求18至23中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述平面部形狀在其具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀中，在外周部設(shè)有相對于一個線對稱軸左右對稱且相對于另一線對稱軸左右非對稱的切口；在施加所述平行外部磁場時，所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥倪吘壊可系拇呕轿伙@示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
25.如權(quán)利要求18至23中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述平面部形狀是具有互相垂直的兩個線對稱軸的形狀和將一個線對稱軸作為長邊并將另一線對稱軸的小于一半的長度作為短邊的長方形被投影時的外緣形狀；在施加所述平行外部磁場時，所述磁性材料的邊緣部上的磁化方位顯示包含磁化方位不連續(xù)變化的部位的圓周方向分布。
26.如權(quán)利要求18至25中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件的制造方法，其特征在于所述平面部形狀的最大部分寬度為10nm以下。
27.如權(quán)利要求18至26中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件，其特征在于在所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥纳舷旅孢€分別布置寫入用位線與寫入用字線，配置所述強(qiáng)磁區(qū)域?qū)拥木€對稱軸，使得通過向這些布線通電產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場作為所述平行外部磁場起作用。
28.如權(quán)利要求18至27中任一項(xiàng)所述的磁記錄元件的制造方法，其特征在于將所述強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)釉诖怪狈较蚨鄬訉盈B使各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥钠矫娌科叫星沂垢鲝?qiáng)磁體區(qū)域?qū)娱g夾著非磁性層，各平面部的線對稱軸的方位沿垂直方向配置成彼此間具有相位差，根據(jù)由寫入位線和寫入用字線產(chǎn)生的合成感應(yīng)磁場的方向，可獨(dú)立控制除最下層和/或最上層的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥娜魏我粚右陨现虚g的各強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥拇呕较颉?br> 29.一種磁隨機(jī)存取存儲器的制造方法，其特征在于利用權(quán)利要求27或28所述的磁記錄元件的制造方法，在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置多個該磁記錄元件，可獨(dú)立選擇各磁記錄元件。
30.如權(quán)利要求29所述的磁隨機(jī)存取存儲器的制造方法，其特征在于在所述非強(qiáng)磁體襯底上配置的多個所述磁記錄元件配置成使相鄰的磁記錄元件的同一高度的強(qiáng)磁體區(qū)域?qū)拥母髌矫娌烤€對稱軸彼此不在同一方位。
全文摘要
由平板狀強(qiáng)磁體構(gòu)成，其平面部形狀具有線對稱軸的同時在與該線對稱軸垂直的方向上非對稱，在平行外部磁場堙沒時顯示環(huán)狀單磁疇結(jié)構(gòu)，通過這種結(jié)構(gòu)的微小磁體和采用該微小磁體的MRAM或它們的制造方法，能夠在納米級的微小磁體上控制磁化方向，并可消除改寫及寫入次數(shù)的限制。
文檔編號H01L43/08GK1833320SQ20048002250
公開日2006年9月13日 申請日期2004年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
發(fā)明者秋永廣幸, 小野寬太, 尾島正治, 谷內(nèi)敏之 申請人:獨(dú)立行政法人產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所