磁存储单元以及使用了该单元的磁存储器件.pdf

本发明提供磁存储单元以及使用了该单元的磁存储器件。磁存储单元通过使用2个磁阻效应元件构成1个磁存储单元，去除该出输出的同相噪声，而且减少信息写入时的电流磁场的损失有效地进行磁化翻转，而且，抑制磁存储单元的占有面积谋求大存储容量的同时，使构造简单，易于制造，上述磁存储单元具备2个TMR元件和对于TMR元件共同设置的1个环形磁性层，TMR元件对于双方配置在沿着叠层面的方向，对于2个TMR元件共同设置写入位线以及写入字线，环形磁性层进行沿着叠层面的方向为轴方向的配置，同时具有由上述线贯穿的构成。

1.  一种磁存储单元，其特征在于包括：
分别用叠层体构成，对于双方都配置在沿着叠层面的方向的第1以及第2磁阻效应元件；以及
为了使上述第1以及第2磁阻效应元件成为共同，设置在分别构成上述第1以及第2磁阻效应元件的上述叠层体的一方的表面一侧，对于上述第1以及第2磁阻效应元件共同设置的形成多条导线发生的电流磁场的磁路的第1磁性层，
基于通过上述第1磁性层的上述电流磁场，上述第1以及第2磁阻效应元件的电阻的高低状态同时发生变化。

2.  根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1磁性层是构成为以沿着上述叠层面的方向为轴方向被配置的同时，由上述多条导线贯穿的环形磁性层。

3.  根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别电连接到上述第1磁性层上。

4.  根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于：
上述多条导线在贯穿上述环形磁性层的区域中相互平行地延伸。

5.  根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别构成为使电流沿着垂直于上述叠层面的方向流过。

6.  根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于：
采用上述第1磁阻效应元件的电阻相对低而且上述第2磁阻效应元件的电阻相对高的第1状态，以及上述第1磁阻效应元件的电阻相对高而且上述第2磁阻效应元件的电阻相对低的第2状态中的某一种，
与上述第1以及第2状态相对应存储信息。

7.  根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别以相同的叠层顺序包括固定了磁化方向的第2磁性层以及根据外部磁场磁化方向变化的第3磁性层，
上述第1以及第2磁阻效应元件的各个电阻的高低状态根据该磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向的相对关系确定，
基于上述电流磁场，上述第1以及第2磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向的朝向同时变化。

8.  根据权利要求7所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别在上述第2以及第3磁性层之间具有隧道阻挡层。

9.  根据权利要求7所述的磁存储单元，其特征在于：
采用上述第1磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互平行而且上述第2磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互反平行的第1状态，以及上述第1磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互反平行而且上述第2磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互平行的第2状态中的某一种，
与上述第1以及第2状态相对应存储信息。

10.  根据权利要求7所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件中的至少一个磁阻效应元件的上述第3磁性层构成上述第1磁性层的一部分。

11.  根据权利要求7所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1磁阻效应元件的上述第2磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的第2磁性层的磁化方向设定为实质上相互反平行，
上述第1磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向基于上述电流磁场，变化成实质上相互平行。

12.  根据权利要求11所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的与上述第3磁性层相反的一侧叠层了的反铁磁性层，
上述第1以及第2磁阻效应元件中的一个磁阻效应元件的上述反铁磁性层叠层在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的面上，与该第2磁性层交换耦合，
上述第1以及第2磁阻效应元件中的另一个磁阻效应元件包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间顺序叠层的大于等于1个的两层膜，
上述另一个磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜分别由该磁阻效应元件的上述第2磁性层一侧的非磁性导电层以及其相反一侧的铁磁性层构成，
上述另一方磁阻效应元件的上述反铁磁性层，与在构成该磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜的上述铁磁性层中的在叠层方向上与磁阻效应元件的上述反铁磁性层邻接的铁磁性层交换耦合，
上述大于等于1个的两层膜中的至少1个两层膜的上述非磁性导电层对于该非磁性导电层使叠层方向的两侧邻接的2个层之间进行反铁磁性耦合，
在上述另一个磁阻效应元件中的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数是奇数。

13.  根据权利要求11所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的与上述第3磁性层相反一侧叠层了的反铁磁性层，
上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间顺序叠层了的大于等于1个的两层膜，
上述第1以及第2磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜分别由该磁阻效应元件的上述第2磁性层一侧的非磁性导电层以及其相反一侧的反铁磁性层构成，
上述第1以及第2磁阻效应元件的上述反铁磁性层分别与构成该磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜的上述铁磁性层中的与该磁阻效应元件的上述反铁磁性层在叠层方向邻接的铁磁性层交换耦合，
上述第1磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜中至少1个两层膜的上述非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层间反铁磁性耦合，
上述第2磁阻效应元件的上述1个以上的两层膜中至少1个两层膜的上述非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层间进行反铁磁性耦合，
在上述第1磁阻效应元件中的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数，以及在上述第2磁阻效应元件中的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间发生上述反铁磁性耦合的次数中，一方的次数是奇数，另一方的次数是偶数。

14.  根据权利要求11所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的与上述第3磁性层相反一侧的面上叠层的与该磁阻效应元件的上述第2磁性层交换耦合的反铁磁性层，
上述第1磁阻效应元件的上述反铁磁性层以及上述第2磁阻效应元件的上述反铁磁性层由结块温度相互不同的反铁磁性材料构成。

15.  根据权利要求7所述的磁存储单元，其特征在于：
设定上述第1磁阻效应元件的上述第2磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的上述第2磁性层的磁化方向实质上相互平行，
上述第1磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向基于上述电流磁场，变化成实质上相互反平行。

16.  根据权利要求15所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件中的一个磁阻效应元件的上述第3磁性层构成上述第1磁性层的一部分或者与上述第1磁性层直接接触，
上述第1以及第2磁阻效应元件中的另一个磁阻效应元件包括在该磁阻效应元件的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间进行叠层并且使它们之间反铁磁性耦合的非磁性导电层。

17.  根据权利要求15所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件中的一个磁阻效应元件的上述第3磁性层构成上述第1磁性层的一部分或者直接与上述第1磁性层接触，
上述第1以及第2磁阻效应元件中的另一个磁阻效应元件包括在该磁阻效应元件的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间进行叠层的大于等于2层的非磁性导电层以及大于等于1层的铁磁性层，
上述大于等于2层的非磁性导电层的层数比上述大于等于1层的铁磁性层的层数多1层，而且，上述大于等于2层的非磁性导电层的各个层与上述大于等于1层的铁磁性层的各个层交互叠层，
上述大于等于2层的非磁性导电层中的至少1层的非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层间进行反铁磁性耦合，
上述另一个磁阻效应元件中的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数是奇数。

18.  根据权利要求15所述的磁存储单元，其特征在于：
上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间叠层了大于等于2层的非磁性导电层以及大于等于1层的铁磁性层，
在上述第1磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层的层数比上述大于等于1层的铁磁性层的层数多1层，而且，上述大于等于2层的非磁性导电层的各个层与上述大于等于1层的铁磁性层的各个层交互叠层，
在上述第2磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层的层数比上述大于等于1层的铁磁性层的层数多1层，而且，上述大于等于2层的非磁性导电层的各个层与上述大于等于1层的铁磁性层的各个层交互叠层，
在上述第1磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层中的至少1层的非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层之间进行反铁磁性耦合，
在上述第2磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层中的至少1层非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层之间进行反铁磁性耦合，
在上述第1磁阻效应元件中的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数，以及在上述第2磁阻效应元件中的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数中，一方的次数是奇数，另一方的次数是偶数。

19.  根据权利要求1所述的磁存储单元，其特征在于：
基于上述第1以及第2磁阻效应元件中流过的电流读出信息。

20.  一种磁存储器件，其特征在于包括：
存储信息的多个磁存储单元，
上述各磁存储单元是权利要求1的磁存储单元。

磁存储单元以及使用了该单元的磁存储器件
技术领域
本发明涉及磁存储单元以及使用了该单元的磁存储器件。
背景技术
以往，在MRAM(磁随机存取存储器)等磁存储器件中，作为磁存储单元，使用TMR元件(隧道磁阻效应元件)等磁阻效应元件(JP-A-2001-236781(特开2001-236781号公报)以及JP-A-2001-266567(特开2001-266567号公报)(这些与美国专利公开第2002/0006058号公报(U.S.patent application Publication 2002/0006058)相对应。)等)。
作为这样的磁存储器件，在JP-A-2001-236781以及JP-A-2001-266567中，公开了多种用一对TMR元件构成磁存储单元(存储单元)，把成对的2个TMR元件的输出进行差分放大，得到读出输出的磁存储器件。在这些磁阻磁存储器件中，始终进行互补的写入，使得在某一方的TMR元件中自由层(根据外部磁场磁化方向变化的磁性层)与钉扎层(固定了磁化方向的磁性层)的磁化方向相互平行(即，该TMR元件的电阻为低状态)，同时，在另一方的TMR元件中自由层与钉扎层的磁化方向反平行(即，该TMR元件的电阻为高状态)。而且，通过差分放大并读出2个TMR元件的输出，去除读出输出的同相噪声提高S/N。
在JP-A-2001-236781的图6中公开的磁存储器件(以下，称为「第1以往例」。)中，构成磁存储单元的一对TMR元件，对于双方配置在沿着叠层面的方向。在该第1以往例中，设定成上述一对TMR元件的钉扎层的磁化方向相互平行(同向)。另外，在该第1以往例中，上述一对TMR元件中的自由层和钉扎层的叠层顺序相互相同。进而，构成了对于一对TMR元件中的一方的TMR元件设置2条写入线，根据这2条写入线产生的电流磁场(通过流过电流感应的磁场)，使得该一方TMR元件的自由层的磁化方向变化。这2条写入线对于上述一方TMR元件配置在其叠层方向的两侧，把上述另一方TMR元件夹在中间。另外，对于上述一对TMR元件中的另一方TMR元件，设置与上述2条写入线不同的另外2条写入线，构成为根据这2条写入线产生的电流磁场，使得该另一方TMR元件的自由层的磁化方向变化。这2条写入线对于上述另一方TMR元件配置在其叠层方向的两侧，把上述另一方TMR元件夹在中间。而且，在该第1以往例中，通过分别设定对于一方TMR元件设置的2条写入线和对于另一方TMR元件设置的2条写入线总计4条写入线的电流的方向，独立地控制一对TMR元件的自由层的磁化方向，由此对于1个磁存储单元实现上述的互补写入。
另外，在JP-A-2001-236781的图10中所公开的磁存储器件(以下，称为「第2以往例」。)中，构成磁存储单元的一对TMR元件相互配置在叠层方向。在该第2以往例中，也与上述第1以往例相同，设定成使得上述一对TMR元件的钉扎层的磁化方向相互平行(同向)。另外，在该第2以往例中，也与上述第1以往的相同，上述一对TMR元件中的自由层与钉扎层的叠层顺序相互相同。进而，在该第2以往例中，对于上述一对TMR元件的双方共同设置一条写入线，对于上述一对TMR元件的一方的TMR元件设置另外一条写入线，对于上述一对TMR元件中的另一方TMR元件进而设置另一条写入线。而且，构成为根据在上述一对TMR元件的双方中共同设置的一条写入线和对于上述一方TMR元件设置的一条写入线产生的电流磁场，使得该一方TMR元件的自由层的磁化方向变化。构成为根据在上述一对TMR元件的双方中共同设置的一条写入线和对于上述另一方TMR元件设置的一条写入线产生的电流磁场，使得该另一方TMR元件的自由层的磁化方向变化。在上述一对TMR元件的双方中共同设置的一条写入线配置在上述一对TMR元件之间，对于上述一方TMR元件设置的一条写入线配置在与该一方TMR元件的上述另一方TMR元件相反的一侧，对于上述另一方TMR元件设置的一条写入线配置在与该另一方TMR元件的上述一方TMR元件相反的一侧。而且，在该第2以往例中，通过分别设定上述总计3条写入线的电流的方向，独立地控制一对TMR元件地自由层的磁化方向，由此对于1个磁存储单元实现上述的互补写入。
另外，在JP-A-2001-266567的图2中公开的磁存储器件(以下，称为「第3以往例」。)中，构成磁存储单元的一对TMR元件与上述第2以往例相同，对于双方配置在叠层方向。在该第3以往例中，也与上述第1以往例相同，设定成使得上述一对TMR元件的钉扎层的磁化方向相互平行(同向)。另外，在该第3以往例中，上述一对TMR元件中的自由层与钉扎层的叠层顺序相互相反，叠层成使得上述一对TMR元件的自由层相互接近，这些自由层之间通过叠层在它们之间的非磁性导电层进行反铁磁性耦合。进而，在该第3以往例中，对于上述一对TMR元件的双方共同设置2条写入线，由这2条写入线从叠层方向的两侧夹住上述一对TMR元件的整体，构成为根据这2条写入线产生的电流磁场，一对TMR元件的自由层的磁化方向变化。而且，在该第3以往例中，通过设定总计2条写入线的电流的方向，同时控制一对TMR元件的自由层的磁化方向，由此对于1个磁存储单元实现上述的互补写入。
但是，在上述第1至第3以往例中，虽然根据多条写入线发生的电流磁场，使构成1个磁存储单元的一对TMR元件的自由层的磁化方向变化，由此使信息存储在该磁存储单元中，但是并没有形成有效地引导该电流磁场的磁路。从而，上述第1至第3以往例那样的用一对TMR元件构成磁存储单元的以往的磁存储器件中，电流磁场的损失大，不能够有效地进行各自由层的磁化翻转。
另外，在磁存储器件中，一般能够抑制磁存储单元的占有面积谋求大存储容量，或者构造简单制造容易等，这些都是基本要求。
发明内容
本发明的目的在于提供通过使用2个磁阻效应元件构成1个磁存储单元，可以去除读出输出的图像噪声的同时能够减少信息写入时的电流磁场的损失，有效地进行磁化翻转，而且，能够抑制磁存储单元的占有面积谋求大存储容量的同时构造简单制造容易的磁存储单元以及使用了该单元的磁存储器件。
本发明第1方案的磁存储单元具备分别用叠层体构成，对于双方都配置在沿着叠层面的方向的第1以及第2磁阻效应元件；为了使上述第1以及第2磁阻效应元件成为共同那样，设置在分别构成上述第1以及第2磁阻效应元件的上述叠层体的一方的表面一侧，对于上述第1以及第2磁阻效应元件共同设置的形成多条导线发生的电流磁场的磁路的第1磁性层，基于通过上述第1磁性层的上述电流磁场，上述第1以及第2磁阻效应元件的电阻的高低状态同时发生变化。
如果依据该第1方案，则与上述第1至第3以往例相同，由于用2个磁阻效应元件构成磁存储单元，因此通过把2个磁阻效应元件的输出差分放大后读出，去除读出输出的图像噪声提高S/N。
另外，由于在上述第1方案中，具备形成上述多条导线发生的电流磁场的磁路的第1磁性层，根据通过该第1磁性层的电流磁场，2个磁阻效应元件的电阻的高低状态发生变化，因此能够由第1磁性层减少上述电流磁场的损失，由此，能够有效地进行信息写入时的磁化翻转。
进而，由于在上述第1方案中，对于2个磁阻效应元件共同设置发生上述电流磁场的上述多条导线，根据上述电流磁场，2个磁阻效应元件的电阻的高低的状态同时变化，因此减少对于1个磁存储单元的导线数。从而，构造简单而且制造工序容易，同时，能够抑制磁存储单元的占有面积谋求大存储总量。
进而，在上述第1方案中，由于2个磁阻效应元件相互相对配置在沿着叠层面的方向，第1磁性层对于2个磁阻效应元件成为共同那样对于构成这些磁阻效应元件的叠层体配置在相同的一侧，因此与对于2个磁阻效应元件分别设置第1磁性层的情况相比较，上述第1磁性层的构造简单而且制造工序容易，同时，能够抑制磁存储单元的占有面积谋求大存储容量。
本发明第2方案的磁存储单元在上述第1方案中，上述第1磁性层是构成为以沿着上述叠层面的方向作为轴方向被配置的同时，由上述多条导线贯穿的环形磁性层。这里，所谓「环形磁性层」的「环形」示出当从贯穿内部的导线观看时，磁电连续地完全笼罩周围，横穿多条导线的方向的剖面封闭的状态。从而，环形磁性层只要是磁而且电连续，则允许含有绝缘体。即，环形磁性层例如也可以包括在制造工序中发生的某种程度的氧化膜。另外，所谓「轴方向」示出着眼于该环形磁性层单体时的开口方向，即贯通内部的多条导线的延伸方向。
如果依据该第2方案，则由于上述的磁性层是上述环形磁性层，因此通过上述第1磁性层形成上述多条导线发生的电流磁场的闭合磁路。从而，能够进一步减少上述电流磁场的损失，由此，能够更有效地进行信息写入时的磁化翻转。另外，由于根据上述第1磁性层形成上述多条导线发生的电流磁场的闭合磁路，减少对于该磁存储单元设置的多条导线发生的电流磁场对于邻接磁存储单元产生的影响，由此，防止信息的错误写入。特别是，在上述第1方案中，上述第1磁性层也不一定必须是环形磁性层，也可以构成为使得对于上述多条导线发生的电流磁场形成例如闭合磁路缺欠一部分的磁路。
本发明第3方案的磁存储单元在上述第1或者第2方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件分别电连接到上述第1磁性层上。
如果依据该方案，则由于上述第1磁性层兼用为布线层，因此能够使布线构造简单。
本发明第4方案的磁存储单元在上述第1至第3的任一个方案中，上述多条导线在贯穿上述环形磁性层的区域中相互平行地延伸。
如果依据该第4方案，则与在多条导线贯穿上述环形磁性层的区域中相互交叉的情况相比较，能够加大通过在上述多条导线中流过电流产生的合成磁场，能够更有效地进行信息写入时的磁化翻转。
本发明第5方案的磁存储单元在上述第1至第4的任一个方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件分别构成为使电流沿着垂直于上述叠层面的方向流过。
该第5方案作为第1以及第2磁阻效应元件的构造，是采用了所谓的CPP(Current Perpendicular to Plane)构造(对于膜面垂直地流过读出电路的构造)的例子，而在上述第1至第4形态中，也可以采用所谓CIP(Current In Plane)构造(对于膜面平行地流过读出电流的构造)。
本发明第6方案的磁存储单元在上述第1至第5的任一个方案中，采用上述第1磁阻效应元件的电阻相对低而且上述第2磁阻效应元件的电阻相对高的第1状态，上述第1磁阻效应元件的电阻相对高而且上述第2磁阻效应元件的电阻相对低的第2状态中的某一种，与上述第1以及第2状态相对应存储信息。
如第6方案这样，最好根据第1以及第2磁阻效应元件的电阻的高低状态的互补关系，存储信息(例如「1」和「0」这样的2值信息)。
本发明第7方案的磁存储单元在上述第1至第6的任一个方案中，(a)上述第1以及第2磁阻效应元件分别以相同的叠层顺序包括固定了磁化方向的第2磁性层以及根据外部磁场磁化方向变化的第3磁性层，(b)上述第1以及第2磁阻效应元件的各个电阻的高低状态根据该磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向的相对关系确定，(C)根据上述电流磁场，上述第1以及第2磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向的朝向同时变化。
该第7方案举出了第1以及第2磁阻效应元件的主要结构的例子。
本发明第8方案的磁存储单元在上述第7方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件分别在上述第2以及第3磁性层之间具有隧道阻挡层。
该第8方案是举出作为第1以及第2磁阻效应元件采用了TMR元件的例子。特别是，在上述第1至第7方案中，例如，在上述第2以及第3磁性层之间设置非磁性金属层，作为上述第1以及第2磁阻效应元件也可以采用具有CPP构造的GMR元件。
本发明第9方案的磁存储单元在上述第7或者第8方案中，采用上述第1磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互平行而且上述第2磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互反平行的状态，以及上述第1磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互反平行而且上述第2磁阻效应元件的上述第2以及第3磁性层的磁化方向实质上相互平行的第2状态中的某一种，与上述第1以及第2状态相对应存储信息。
如该第9方案这样，最好根据第1以及第2磁阻效应元件中的第2以及第3磁性层的磁化方向的平行·反平行的互补关系，存储信息(例如「1」和「0」这样的2值信息)。
本发明第10方案的磁存储单元在上述第7至第9的任一个方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件中的至少一个磁阻效应元件的上述第3磁性层构成上述第1磁性层的一部分。如果依据该第10方案，则由于层构造简化，因此很理想。
本发明第11方案的磁存储单元在上述第7至第10的任一个方案中，(a)上述第1磁阻效应元件的上述第2磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的第2磁性层的磁化方向设定为实质上相互反平行，(b)上述第1磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向基于上述电流磁场，变化成实质上相互平行。
该第11方案是通过把第1以及第2磁阻效应元件的第2磁性层的磁化方向取为实质上相反(反平行)，实现第1以及第2磁阻效应元件的第2以及第3磁性层的平行·反平行的磁化方向的互补关系的例子。
本发明第12方案的磁存储单元在上述第11方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的与上述第3磁性层相反的一侧叠层了的反铁磁性层，上述第1以及第2磁阻效应元件中的一个磁阻效应元件的上述反铁磁性层叠层在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的面上，与该第2磁性层交换耦合，上述第1以及第2磁阻效应元件中的另一个磁阻效应元件包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间顺序叠层的大于等于1个的两层膜，上述另一个磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜分别由该磁阻效应元件的上述第2磁性层一侧的非磁性导电层以及其相反一侧的铁磁性层构成，上述另一方磁阻效应元件的上述反铁磁性层，与在构成该磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜的上述铁磁性层中的在叠层方向上与磁阻效应元件的上述反铁磁性层邻接的铁磁性层交换耦合，上述大于等于1个的两层膜中的至少1个两层膜的上述非磁性导电层对于该非磁性导电层使叠层方向的两侧邻接的2个层之间进行反铁磁性耦合，在上述另一个磁阻效应元件中的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数是奇数。
本发明第13方案的磁存储单元在上述第11方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的上述第3磁性层相反一侧叠层了的反铁磁性层，上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间顺序叠层了的大于等于1个的两层膜，上述第1以及第2磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜分别由该磁阻效应元件的上述第2磁性层一侧的非磁性导电层以及其相反一侧的反铁磁性层构成，上述第1以及第2磁阻效应元件的上述反铁磁性层分别与构成该磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜的上述铁磁性层中的与该磁阻效应元件的上述反铁磁性层在叠层方向邻接的铁磁性层交换耦合，上述第1磁阻效应元件的上述大于等于1个的两层膜中至少1个两层膜的上述非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层间反铁磁性耦合，上述第2磁阻效应元件的上述1个以上的两层膜中至少1个两层膜的上述非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层间进行反铁磁性耦合，在上述第1磁阻效应元件中的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数，以及在上述第2磁阻效应元件中的上述第2磁性层与上述反铁磁性层之间发生上述反铁磁性耦合的次数中，一方的次数是奇数，另一方的次数是偶数。
本发明第14方案的磁存储单元在上述第11方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第2磁性层的上述第3磁性层相反一侧的面上叠层的与该磁阻效应元件的上述第2磁性层交换耦合的反铁磁性层，上述第1磁阻效应元件的上述反铁磁性层以及上述第2磁阻效应元件的上述反铁磁性层由结块温度相互不同的反铁磁性材料构成。
上述第12至第14方案是分别举出了上述第11方案的具体例子，而上述第11方案并不限定于上述第12至第14方案。
本发明第15方案的磁存储单元在上述第7至第10的任一个方案中，设定上述第1磁阻效应元件的上述第2磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的上述第2磁性层的磁化方向实质上相互平行，上述第1磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向以及上述第2磁阻效应元件的上述第3磁性层的磁化方向基于上述电流磁场，变化成实质上相互反平行。
该第15方案是通过使第1以及第2磁阻效应元件的第3磁性层的磁化方向实质上相反(反平行)，实现第1以及第2磁阻效应元件的第2以及第3磁性层的平行/反平行的磁化方向的互补关系的例子。
本发明第16方案的磁存储单元在上述第15方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件中的一个磁阻效应元件的上述第3磁性层构成上述第1磁性层的一部分或者与上述第1磁性层直接接触，上述第1以及第2磁阻效应元件中的另一个磁阻效应元件包括在该磁阻效应元件的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间进行叠层并且使它们之间反铁磁性耦合的非磁性导电层。
本发明第17方案的磁存储单元在上述第15方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件中的一个磁阻效应元件的上述第3磁性层构成上述第1磁性层的一部分或者直接与上述第1磁性层接触，上述第1以及第2磁阻效应元件中的另一个磁阻效应元件包括在该磁阻效应元件的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间进行叠层的大于等于2层的非磁性导电层以及大于等于1层的铁磁性层，上述大于等于2层的非磁性导电层的层数比上述大于等于1层的铁磁性层的层数多1层，而且，上述大于等于2层的非磁性导电层的各个层与上述大于等于1层的铁磁性层的各个层交互叠层，上述大于等于2层的非磁性导电层中的至少1层的非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层间进行反铁磁性耦合，上述另一个磁阻效应元件中的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数是奇数。
本发明第18方案的磁存储单元在上述第15方案中，上述第1以及第2磁阻效应元件分别包括在该磁阻效应元件的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间叠层了大于等于2层的非磁性导电层以及大于等于1层的铁磁性层，在上述第1磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层的层数比上述大于等于1层的铁磁性层的层数多1层，而且，上述大于等于2层的非磁性导电层的各个层与上述大于等于1层的铁磁性层的各个层交互叠层，在上述第2磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层的层数比上述大于等于1层的铁磁性层的层数多1层，而且，上述大于等于2层的非磁性导电层的各个层与上述大于等于1层的铁磁性层的各个层交互叠层，在上述第1磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层中的至少1层的非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层之间进行反铁磁性耦合，在上述第2磁阻效应元件中，上述大于等于2层的非磁性导电层中的至少1层非磁性导电层对于该非磁性导电层使在叠层方向的两侧邻接的2个层之间进行反铁磁性耦合，在上述第1磁阻效应元件中的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数，以及在上述第2磁阻效应元件中的上述第3磁性层与上述第1磁性层之间发生的上述反铁磁性耦合的次数中，一方的次数是奇数，另一方的次数是偶数。
上述第16至第18的方案分别举出了上述第15方案的具体例子，但是上述第15方案并不限于上述第16至第18方案。
本发明第19方案的磁存储单元在上述第1至第18的任一个方案中，基于上述第1以及第2磁阻效应元件中流过的电流读出信息。
本发明第20方案的磁存储器件具备存储信息的多个磁存储单元，上述各磁存储单元是上述第1至第19的任一个方案中的磁存储单元。
如果依据该第20方案的磁存储器件，则由于使用上述第1至第19的任一个方案的磁存储单元，因此通过使用2个磁阻效应元件构成1个磁存储单元，能够去除读出输出的同相噪声，同时，能够减少信息写入时的电流磁场的损失有效地进行磁化翻转，而且，能够抑制磁存储单元的占有面积谋求大存储容量的同时，构造简单而且制造容易。
附图说明
图1是模式地示出本发明第1实施例的磁存储器件的总体结构的概略结构图。
图2模式地示出图1所示的磁存储器件的写入线与存储单元的关系。
图3是示出图1所示的磁存储器件的存储单元群的主要部分结构的平面图。
图4A、图4B是图3中的箭头A-A’方向概略剖面图。
图5是示出图1所示的磁存储器件的存储单元群的主要结构其它部分平面图。
图6A、图6B是示出图1所示的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图7是示出图1所示的磁存储器件的电路结构的电路图。
图8A、图8B是图7所示的电路结构中的部分放大图。
图9A～图9C是示出图1所示的磁存储器件的制造方法中的1个工序的部分放大图。
图10A～图10C是示出接在图9A～图9C后面的1个工序的部分放大图。
图11是示出接在图10A～图10C后面的1个工序的部分放大图。
图12是示出接在图11后面的1个工序的部分放大图。
图13是示出接在图12后面的1个工序的部分放大图。
图14是示出接在图13后面的1个工序的部分放大图。
图15是示出接在图14后面的1个工序的部分放大图。
图16是示出接在图15后面的1个工序的部分放大图。
图17是示出接在图16后面的1个工序的部分放大图。
图18是示出接在图17后面的1个工序的部分放大图。
图19是示出接在图18后面的1个工序的部分放大图。
图20是示出接在图19后面的1个工序的部分放大图。
图21是示出接在图20后面的1个工序的部分放大图。
图22是示出接在图21后面的1个工序的部分放大图。
图23是示出接在图22后面的1个工序的部分放大图。
图24是示出接在图23后面的1个工序的部分放大图。
图25是示出接在图24后面的1个工序的部分放大图。
图26是示出与图34相同工序的其它的部分放大图。
图27是示出接在图25后面的1个工序的部分放大图。
图28是示出接在图27后面的1个工序的部分放大图。
图29是示出接在图28后面的1个工序的部分放大图。
图30是示出接在图29后面的1个工序的部分放大图。
图31是示出接在图30后面的1个工序的部分放大图。
图32是示出接在图31后面的1个工序的部分放大图。
图33是示出接在图32后面的1个工序的部分放大图。
图34是示出接在图33后面的1个工序的部分放大图。
图35是示出接在图34后面的1个工序的部分放大图。
图36是示出接在图35后面的1个工序的部分放大图。
图37A、图37B是概略地示出本发明第2实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图38A、图38B是概略地示出本发明第3实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图39A、图39B是概略地示出本发明第4实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图40A、图40B是概略地示出本发明第5实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图41A、图41B是概略地示出本发明第6实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图42是示出本发明第6实施例的磁存储器件的制造方法的1个工序的部分放大图。
图43是示出接在图42后面的1个工序的部分放大图。
图44是示出接在图43后面的1个工序的部分放大图。
图45是示出接在图44后面的1个工序的部分放大图。
图46是示出接在图45后面的1个工序的部分放大图。
图47是示出接在图46后面的1个工序的部分放大图。
图48是示出接在图47后面的1个工序的部分放大图。
图49A、图49B是概略地示出本发明第7实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图50A、图50B是概略地示出本发明第8实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图51A、图51B是概略地示出本发明第9实施例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图52是模式地示出本发明变形例的磁存储器件的主要部分的概略剖面图。
图53是模式地示出比较例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
图54是模式地示出其它比较例的磁存储器件的存储单元的概略剖面图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的磁存储单元以及使用了该单元的磁存储器件。
首先，参照图1等说明本发明第1实施例的磁存储器件。
图1是示出本发明第1实施例的磁存储器件的整体结构的概略结构图。第1实施例的磁存储器件构成为在半导体芯片上搭载图1所示的概略要素等的磁存储器件，构成为MRAM。
第1实施例的磁存储器件具备地址缓冲器51、数据缓冲器52、控制逻辑单元53、存储单元群54、第1驱动控制电路单元56、第2驱动控制电路单元58、外部地址输入端子A0～A20、外部数据端子D0～D7。
存储单元群54具有沿着相互正交的字线方向(X方向)以及位线方向(Y方向)排列着多个具备2个TMR元件(隧道磁阻效应元件)的存储单元1的矩阵构造。存储单元1在磁存储器件中是存储信息(数据)的最小单位，是本发明一实施例的磁存储单元。关于存储单元在后面详细叙述。
第1驱动控制电路单元56具有Y方向中的地址译码电路56A，读出放大电路56B以及电流驱动电路56C，第2驱动控制电路单元58具有X方向中的地址译码电路58A、恒流电路58B以及电流驱动电路58C。
地址译码电路56A、58B选择与输入的地址信号相对应的后述的字译码线72以及位译码线71。读出放大电路56B以及恒流电路58B是进行读出动作时驱动的电路，电流驱动电路56C、58C是进行写入动作时驱动的电路。
读出放大电路56B与存储单元群54由读出动作时流过读出电流的多条位译码线71(后述)连接。同样，恒流电路58B与存储单元群54由读出动作时流过读出电流的多条字译码线72(后述)连接。
电流驱动电路56C与磁存储单元群54经过在写入动作时所需要的写入位线5(后述)连接。同样，电流驱动电路58C与存储单元群54经过在写入动作时所需要的写入字线6连接。
地址缓冲器51具备外部地址输入端子A0～A20的同时，经过Y方向地址线57、X方向地址线55连接到第1控制驱动电路单元56内的Y方向地址译码电路56A、第2驱动控制电路单元58内的X方向地址译码电路58A。该地址缓冲器51从外部地址输入端子A0～A20取入来自外部的地址信号，由内部具备的缓冲放大器(未图示)放大到Y方向地址译码电路56A，X方向地址译码电路58A中所需要的电压电平。进而，地址译码器51把其放大了的地址信号分为2个，发挥着经过Y方向地址线57输出到Y方向地址译码电路56A中的同时，经过X方向地址线55输出到X方向地址译码电路58A的作用。
数据缓冲器52由输入缓冲器52A以及输出缓冲器52B构成，具备外部数据端子D0～D7的同时与控制逻辑单元53连接，根据来自控制逻辑单元53的输出控制信号53A进行动作。输入缓冲器52A发挥着使其经过Y方向以及X方向写入用数据总线61、60，分别连接到第1驱动控制电路单元56内的Y方向电流驱动电路56C、第2驱动控制电路单元58内的X方向电流驱动电路58C，在进行向存储单元群54的写入动作时，读入外部数据端子D0～D7的信号电压，由内部缓冲放大器(未图示)放大到所需要的电压电平以后，经过X方向写入用数据总线60以及Y方向写入用数据总线61，传送到X方向电流驱动电路58C和Y方向电流驱动电路56C的作用。输出缓冲器52B起到在经过Y方向读出用数据总线62连接到读出放大电路56B，读出存储在存储单元群54中的信息信号时，由内部具备的缓冲放大器(未图示)把从读出放大电路56B输入的进行信号放大了以后，以低阻抗输出到外部数据端子D0～D7的作用。
控制逻辑单元53具备芯片选择端子CS以及写允许端子WE，连接到数据缓冲器52。该控制逻辑单元53发挥着读取来自从多个磁存储单元群54中选择读出以及写入对象的存储单元的芯片选择端子CS的信号电压，以及使输出写入允许信号产生功能的来自写允许端子WE的信号电压，把输出控制信号53A输出到数据缓冲器52的作用。
其次说明涉及第1实施例的磁存储器件中的信息写入动作的结构。
图2是表示存储单元群54中的与写入动作有关的主要部分平面结构的概念图。如图2所示，第1实施例的磁存储器件包括多条写入位线(导线)5、以及分别与这些多条写入位线5交叉的多条写入字线6。构成为使得在写入位线5以及写入字线(导线)6交叉的各个区域中，这些写入位线5以及写入字线6具有相互平行延伸的平行部分10。具体地讲，如图2所示，写入字线6矩形波形地沿着X方向延伸，另一方面，写入位线5直线形地沿着Y方向延伸。写入字线6中的矩形波的下降沿部分与写入位线5一起形成多个平行部分10。存储单元1分别设置在各个平行部分10的附近。
各存储单元1具有2个TMR元件2a、2b以及环形磁性层4。1个存储单元1中的2个TMR元件2a、2b分别由叠层体构成，对于双方配置在沿着叠层面的方向(在第1实施例中是X方向)。对于1个存储单元1中的2个TMR元件2a、2b共同设置一条写入位线5以及一条写入字线6总计2条导线(特别是其平行部分10)。环形磁性层4配置在分别构成2个TMR元件2a、2b的叠层体的一方的面一侧(在第1实施例中，是下面一侧(-Z方向一侧)。在第1实施例中，环形磁性层4构成形成对于1个存储单元1中的2个TMR元件2a、2b共同设置的一条写入位线5以及一条写入字线6发生的电流磁场的磁路的第1磁性层。而在本发明中，这样的磁性层并不限于环形磁性层4，例如，也可以构成为形成闭合磁路缺欠一部分的磁路。
在写入位线5以及写入字线6中，分别流过来自Y方向电流驱动电路56C，X方向电流驱动电路58C的电流。用图2中的箭头示出在写入位线5以及写入字线6中流过的电流方向的例子。
图3更具体地示出存储单元群54的主要部分的平面结构。在图3中，在与图1中的要素相同的要素上标注相同的符号。存储单元1如上所述，配置在写入位线5与写入字线6的平行部分10的附近。由流过平行部分10中的写入位线5和写入字线6双方中的电流产生的磁场(电流磁场)通过环形磁性层4，根据该电流磁场变化环形磁性层4的磁化方向。在这种情况下，平行部分10中的写入位线5和写入字线6在XY平面中设置在几乎一致的位置，而在Z方向中配置成具有预定的间隔，相互电绝缘。
在各条写入位线5的两端，分别设置写入位线引出电极42。各写入位线引出电极42分别连接成使得一方连接Y方向电流驱动电路56C，另一方最终接地。同样，在各条写入位线字线6的两端，分别设置写入字线引出电极41。各写入字线引出电极41分别连接成使得一方连接X方向电流驱动电路58C，另一方最终接地。
图4表示图3所示的存储单元1的该图中的A-A’切割线的箭头方向的剖面结构。图4(A)还示出在写入位线5以及写入字线6中向-Y方向流过写入电流时的各部分的磁化方向。图4(B)还示出在写入位线5以及写入字线6中向+Y方向流过写入电流时的各部分的磁化方向。
如图4所示，存储单元1具有2个TMR元件2a、2b以及对于这些TMR元件2a、2b共同设置的环形磁性层4。在第1实施例中，TMR元件2a由在环形磁性层4的上面(+Z方向的面)叠层了的叠层部分20a组成的叠成体构成。TMR元件2b由在环形磁性层4的上面(+Z方向的面)叠层了的叠层部分20b组成的叠成体构成。这样，环形磁性层4设置在分别构成TMR元件2a、2b的叠层体的下面一侧(-Z方向一侧)使得对于TMR元件2a、2d成为共同的。环形磁性层4构成为使得配置成把沿着叠层面的方向作为轴方向(在第1实施例中是Y方向)的同时，由对于2个TMR元件2a、2b共同设置的一条写入位线5以及一条写入字线6总计2条导线(在第1实施例中是写入线)形成贯穿。由此，环形磁性层4形成写入位线5以及写入字线6中发生的电流磁场的磁路。TMR元件2a、2b的电阻的高低状态基于通过环形磁性层4的电流磁场同时变化。另外，环形磁性层4、写入位线5以及写入字线6之间用绝缘层7电绝缘。另外，图4中，为了明确叠层部分20a、20b的膜结构，与周围相比较相对放大夸张地示出叠层部分20a、20b的尺寸。
分别构成TMR元件2a、2b的由叠层部分20a、20b构成的叠层体对于双方配置在沿着叠层面的方向(在第1实施例中是X方向)，构成为使得分别在垂直于叠层面的方向流过电流。
在第1实施例中，叠层部分20a由从环形磁性层4的一侧顺序地叠层了的根据外部磁场磁化方向变化的磁性层(第3磁性层)21a、隧道阻挡层(tunnel barrier)22a、磁化方向固定为+X方向的磁性层(第2磁性层)23a、由交换耦合偏置磁场把其正下方的磁性层23a的磁化方向固定为+X方向的反铁磁性层24a构成。作为磁性层21a、23a分别使用铁磁性层。TMR元件2a的电阻如图4(a)所示，在磁性层21a、23a的磁化方向相互反平行时成为高状态，如图4(b)所示，在磁性层21a、23a的磁化方向相互平行时成为低状态。
叠层部分20b由从环形磁性层4的一侧顺序叠层了的根据外部磁场磁化方向变化的磁性层(第3磁性层)21b、隧道阻挡层22b、磁化方向固定为-X方向的磁性层(第2磁性层)23b、由下侧的非磁性导电层24b和上侧的铁磁性层25b构成的两层膜、由交换耦合偏置磁场把其正下方的磁性层25b的磁化方向固定为+X方向的反铁磁性层26b构成。作为磁性层21b、23b分别使用铁磁性层。TMR元件21b的电阻如图4(a)所示，在磁性层21b、23b的磁化方向相互平行时成为低状态，如图4(b)所示，在磁性层21b、23b的磁化方向相互反平行时成为高状态。非磁性导电层24b选择其材料或者膜厚等，使得把其叠层方向两侧的层23b、25b之间进行反铁磁性耦合。从而，反铁磁性层26b尽管把其正下方的铁磁性层25b的磁化方向固定为+X方向(与反铁磁性层24a使其正下方的铁磁性层23a的磁化方向固定的方向相同的方向)，通过在磁性层23b与反铁磁性层26b之间存在由层24b、25b构成的2层，在其之间进行奇数次(在本例中是1次)反铁磁性耦合，把磁性层23b的磁化方向固定为-X方向。
在第1实施例中，通过采用这样的层构造，对TMR元件2a、2b的电阻的高低状态中分别产生影响的磁性层23a、23b的磁化方向固定为相互反平行(反向)。
磁性层21a、21b与它们分别直接接触的作为环形磁性层4一部分的连接部分4a、4b分别进行磁交换耦合。从而，磁性层21a、21b的磁化方向成为与环形磁性层4的连接部分4a、4b的磁化方向相同。因此，磁性层21a、21b的磁化方向如图4(a)(b)所示，根据通过由写入位线5以及写入字线6的电流流向确定的连接部分4a、4b的磁场的朝向，变化成相互平行(相同朝向)。
环形磁性层4例如由NiFe等材料构成。磁性层21a、23a、21b、23b、25b例如由Fe，Co，Ni，FeCo，NiFe，CoZrNb或者FeCoNi等材料构成。隧道阻挡层22a、22b由Al₂O₃，Ni₃，GdO，MgO，Ta₂O₃，MoO₂，TiO₂或者WO₂等材料构成。反铁磁性层24a、26b例如由PtMn，IrMn，RuRhMn，FeMn，NiMn，PdPtMn，RhMn或者CrMnPt等材料构成。非磁性导电层24b例如由Ru或者Cu等材料构成。另外，磁性层21a、21b以及磁性层23a、23b的易磁化轴最好是平行以使得在磁性层21a、21b与磁性层23a、23b的磁化方向相互平行或者反平行的状态下稳定。
如图4(a)所示，如果在写入位线5以及写入字线6中都沿着-Y方向流过写入电流，则写入位线5以及写入字线6的电流磁场在环形磁性层4的内部为反时针旋转，由此，磁性层21a、21b的磁化方向都成为-X方向。从而，由于磁性层23a、23b的磁化方向分别固定为+X方向以及-X方向，因此TMR元件2a的磁性层21a、23a的磁化方向成为相互反平行，TMR元件2a的电阻变高，同时，TMR元件2b的磁性层21b、23b的磁化方向成为相互平行，TMR元件2b的电阻变低。
另外，如图4(b)所示，如果在写入位线5以及写入字线6中都沿着+Y方向流过写入电流，则写入位线5以及写入字线6的电流磁场在环形磁性层4的内部为顺时针旋转，由此，磁性层21a、21b的磁化方向都成为+X方向。从而，由于磁性层23a、23b的磁化方向分别固定为+X方向以及-X方向，因此TMR元件2a的磁性层21a、23a的磁化方向成为相互平行，TMR元件2a的电阻变低，同时，TMR元件2b的磁性层21b、23b的磁化方向成为相互反平行，TMR元件2b的电阻变高。
根据TMR元件2a、2b这种电阻的高低状态的互补关系，能够存储信息(例如「1」和「0」这样的2值信息)。例如，使图4(a)的状态与「1」相对应，使图4(b)的状态与「0」相对应，能够在存储单元1中存储信息。
另外，在写入位线5和写入字线6中沿着相互相反的方向流过了写入电流时，或者，仅在某一方中流过了写入电流时，各磁性层21a、21b的磁化方向翻转，不能够进行数据的改写。
其次，说明与第1实施例的磁存储器件中的信息读出动作有关的结构。
图5表示与存储单元群54中的读出动作有关的主要部分的平面结构，是与图示3相对应的。对于各存储单元1，在XY平面中，以图5所示的位置关系，设置多条读出字线12和多条读出位线13。这里，存储单元1的TMR元件2 a、2b的叠层部分20a、20b的上面一侧(+Z方向一侧)经过一对肖特基二极管75a、75b与一对读出位线13a、13b电连接，TMR元件2a、2b的叠层部分20a、20b的下面一侧(-Z方向一侧)经过环形磁性层4与读出线字线12电连接。读出位线13a、13b向各存储单元1中的2个TMR元件2a、2b的每一个供给读出电流，一方的读出字线12把在TMR元件2a、2b的每一个中流过的读出电流导向接地。在各位线13的两端分别设置读出位线引出电极44。另一方面，在各读出字线12的两端分别设置读出字线引出电极43。
图6(a)表示图4所示的B-B’切割线的箭头方向的剖面结构。图6(b)表示图5所示的C-C’切割线的箭头方向的剖面结构。如图6(a)、(b)所示，第1实施例的磁存储器件在磁存储单元1附近的区域中，在设置了作为整流元件发挥功能的一对肖特基二极管75a、75b(以下简称为「二极管75a、75b」)的基板11上，构成为顺序形成环形磁性层4和2个叠层部分20a、20b。
一对二极管75a、75b从环形磁性层4一侧开始顺序地具有导电层124a、124b和外延层125以及基板126，在这些导电层124a、124b与外延层125之间形成肖特基势垒。二极管75a和二极管75b除去经过层间绝缘层18T以及连接层18a、18b以及叠层部分20a、20b与环形磁性层4连接以外，构成为相互没有电连接。基板126是n型硅晶片。一般，在n型晶片上实施磷(P)杂质扩散，作为基板126使用通过磷的高浓度扩散成为n⁺⁺型的材料。与此不同，外延层125低浓度扩散磷成为n^-型。通过使作为该n-型半导体的外延层125与由金属构成的导电层24a、24b接触，发生禁带(band gap)，形成肖特基势垒。进而，一对二极管75a、75b分别经过层间连接层13T与读出位线13a、13b连接。另外，在图6(a)、(b)中，14～17是绝缘层。
其次，参照图7，说明与第1实施形态例的磁存储器件中的读出动作有关的电路结构。
图7是由磁存储单元群54和其读出电路构成的电路系统的结构图。该读出电路系统是磁存储单元1由2个TMR元件极2a、2b构成的差分放大型。这里，以在TMR元件2a、2b的每一个中流过的读出电流(从读出位线13a、13b流入到TMR元件2a、2b的每一个中，从共同的读出字线12流出的电流)的差分值作为输出，进行各存储单元1的信息读出。
图7中，存储单元群54的每个位列的磁存储单元1和包括读出放大电路56B的读出电路的一部分构成作为读出电路的重复单位的单位读出电路80(……、80n、80n+1、……)，沿着位列方向并列配置。单位读出电路80n的每一个经位译码线71(……、71n、71n-1、……)连接到Y方向地址译码电路56A，经Y方向读出用数据总线62连接到输出缓冲器52B。
在存储单元群54中，通过沿着X方向排列的读出字线12(……、12m、12m+1、……)和沿着Y方向排列的一对读出位线13a、13b完成矩阵形的布线。各磁存储单元1设置在夹在一对读出位线13a、13b的区域中的与读出字线12交叉的位置。各磁存储单元1中的TMR元件2a、2b的各个一端经过一对二极管75a、75b连接到读出位线13a、13b，每一个的另一端连接到共同的读出字线12。
各读出字线12的一端分别经过读出字线引出电极43与各读出开关83(……、83m、83m+1、……)连接，进而连接到共同的恒流电路58B。各读出开关83经过各条字译码线72(……、72m、72m+1、……)连接到X方向地址译码电路58A，构成为使得一旦输入来自X方向地址译码电路58A的选择信号则导通。恒流电路58B具有使流过读出字线12的电流成为恒定的功能。
各位线13a、13b的一端经过读出位线引出电极44分别连接到读出放大电路56B，另一端最终分别接地。读出放大电路56B在每一个单位读出电路80中设置1个，在各单位读出电路80具有取入一对读出位线13a、13b之间的电位差，放大该电位差的功能。各读出放大电路56B分别连接到输出线(……、82n、82n+1、……)。
其次，参照图1、图7以及图8，说明第1实施例的磁存储器件中的读出动作。
首先，由第1驱动控制电路单元5G中的Y方向地址译码电路56A选择多条位译码线71中的一条，向相对应的读出放大电路56B传送控制信号。其结果，在读出位线13a、13b中流过读出电流，在TMR元件2a、2b的+Z方向一侧提供正的电位。同样，由第2驱动控制电路单元58中的X方向地址译码电路58A，选择多条字译码线72中的一条，驱动相对应位置的读出开关83。所选择的读出开关83成为导电状态，在相对应的读出字线12中流过读出电流，在TMR元件2a、2b的-Z方向一侧提供负的电位。从而，对于由Y方向地址译码电路56A以及X方向地址译码电路58A选择的1个存储单元1，能够流过读出所必需读出电流。根据该读出电流，检测磁性层21a、21b的磁化方向，能够读出所存储的信息。这里，使在来自读出字位线13a、13b的读出电流通过了二极管75a、75b以后，流入磁存储单元1中。由此，由供给到2个TMR元件2a、2b的读出电流的各电流路径上的位于一对读出位线13a、13b与一对TMR元件2a、2b之间的一对二极管75a、75b，切断来自不是读出对象的磁存储单元1的不需要的电流的回流。代替各肖特基二极管75a、75b，即使使用PN结型二极管，双极型晶体管或者MOS晶体管等其它的整流元件也能够得到同样的优点。但在本发明中不一定必须设置这样的整流元件。
图8(a)、(b)用电路图表示了磁存储单元1的周边部分。用白箭头示出TMR元件2a、2b的各个磁性层21a、21b的磁化方向，用黑箭头示出磁性层23a、23b的磁化方向。在图8(a)以及图8(b)的某一种状态下，磁性层23a的磁化方向固定为右方向的同时，磁性层23b的磁化方向固定为左方向。在图8(a)中，在TMR元件2a中磁性层21a、23a的磁化方向成为相互反平行，在TMR元件2b中磁性层21b、23b的磁化方向成为相互平行。这种情况下，TMR元件2a成为高阻状态，TMR元件2b成为低阻状态。例如，与信息「1」相对应。另一方面，在图8(b)的情况下，与图8(a)的情况相反，TMR元件2a成为低阻状态，TMR元件2b成为高阻状态，例如与信息「0」相对应。这样的2值信息能够利用TMR元件2a与TMR元件2b的电阻值的大小，通过检测在每一个中流过的电流值的差分读出。
其次，参照图9至图36说明第1实施例的磁存储器件中的存储单元1的主要制造方法的一例。图9至图36是示出其形成过程的剖面图。图9(a)、图10(a)以及图11至图36与图6(a)相对应，图9(b)以及图10(b)与图6(b)相对应。其中，图27至图35放大了主要部分。图9(c)是沿着图9(a)中的D-D’线的剖面图。图10(c)是沿着图10(a)中的E-E’线的剖面图，与图9(c)相对应。
另外，在以下的说明中，省略对于图6中的层间连接层13T、18T或者读出位线13a、13b等的形成工序。
首先，准备埋设了肖特基二极管75a、75b的基体11(图9)。接着，在该基体11上选择性地形成读出字线12的同时，在其周围形成绝缘层15(图10)。具体地讲，通过去除(lift-off)法等选择性地形成由Ti等构成的金属层，形成读出字线12。接着，使用CVD装置，形成SiO₂等的绝缘层15使得覆盖其整体。然后，由CMP装置把其表面研磨进行平坦化，使读出字线12的表面露出。
接着，在图10所示状态的基体11上，选择性地形成下部磁性层4B(图11)。在这种情况下，使用光刻等选择性地形成了保护膜框(未图示)以后，在被保护区域中形成应该成为下层磁性层4B的例如NiFe层，进而，去除保护膜框。在下部磁性层4B形成以后，使用CVD装置形成例如由SiO₂构成的绝缘层7A，使得覆盖整体(图12)。
接着，通过溅射等在绝缘层7A上，形成例如有Ti构成的金属层。然后，在该金属层上，选择性地形成写入位线5(图13)。具体地讲，在绝缘层7A上形成了预定形状的抗蚀剂图形(未图示)以后，浸渍在电镀槽中，进行把金属层利用为电极的电镀处理，例如形成Cu镀层。在去除了抗蚀剂图形以后，通过离子蚀刻去除不需要的金属层。
接着，用CVD装置形成例如由SiO₂构成的绝缘膜7B来覆盖整体(图14)。然后，由CMP装置进行绝缘膜7B的平坦化。
接着，通过溅射等在绝缘膜7B上形成例如由Ti构成的金属层。然后，选择性地形成写入字线6使得覆盖该金属层的与写入位线5相对应的区域(图15)。具体地讲，在绝缘膜7B上形成了预定形状的保护膜图形(未图示)以后，浸渍在电镀槽中，进行把金属层作为电极的电镀处理，形成例如Cu镀层。在去除了保护膜图形以后，通过离子蚀刻去除不需要的金属层。
接着，以该写入字线6为掩模，自匹配地形成叠层图形19(图16)。具体地讲，通过作为反应气体使用了C₄F₈的RIE以及离子蚀刻，去除没有由写入字线6保护的区域的绝缘膜7B、绝缘层7A以及写入位线5，由此形成叠层图形19。这里，去除绝缘层7A使得下部磁性层4B露出。
这样，以写入字线6为掩模，通过自匹配地形成叠层图形19，能够高精度地形成具有与写入字线6相同宽度的写入位线5。进而，能够省略保护膜图形的形成工序及其去除工序，能够谋求制造工序的简化。
在形成了写入位线5以及写入字线6的平行部分10中的叠层图形19以后，用CVD装置等形成例如由SiO₂构成的绝缘层7C来覆盖整体。
接着，通过离子蚀刻等，完全地去除了形成在叠层图形19侧面部分的绝缘层7C以外的绝缘层7C(图18)以后，在整个面上，通过溅射等很薄地形成例如由NiFe构成的金属层。然后，在没有形成下部磁性层4B的区域的金属层上，通过光刻等形成光刻胶层31A(图19)。
在形成了光刻胶层31A以后，浸渍在电镀槽中，进行把金属层利用为电极的电镀处理，形成例如由NiFe构成的中间磁性层4S(图20)。然后，用CVD装置等形成例如由SiO₂构成的绝缘层16使得覆盖整体(图21)。
接着，使用CMP装置，进行研磨直到写入字线6最终地露出(图22)。然后，通过光刻等，选择性地形成绝缘层7D使得覆盖写入字线6的露出面(图23)。进而，通过溅射等很薄地形成例如由NiFe构成的金属层。接着，在与绝缘层16相对应的区域的金属面上，通过光刻等形成光刻胶层31B。然后，浸渍在电镀槽中进行把金属层利用为电极的电镀处理，形成例如由NiFe构成的上部磁性层4U(图24)由此，完成由下部磁性层4B、中间磁性层4S和上部磁性层4U构成的环形磁性层4的形成。接着，去除光刻胶层31B(图25)。由此，上部磁性层4U露出。
接着，形成构成TMR元件2a、2b的叠层部分20a、20b，进而在其周围形成绝缘层17(图26)。参照图27至图34说明该工序。
首先，在虽然包括叠层部分20a的形成预定区域但是不包括叠层部分20b的形成预定区域中，通过光刻等，选择性地形成光刻胶层31C。然后，在整个面上，顺序地形成应该成为叠层部分20b的各层21b、22b、23b、24b、25b、26b(图27)。具体地讲，首先，通过溅射等，顺序地形成例如由CoFe层构成的磁性层21b和Al层。通过把该Al层进行氧化处理得到隧道阻挡层22b。然后，在该隧道阻挡层22b的上面，通过溅射等顺序形成例如由CoFe层构成的磁性层23b，例如由Ru层构成的非磁性导电层24b，例如由CoFe层构成的铁磁性层25b以及例如由PtMn层构成的反铁磁性层26b。进而，为了防止这些层的加工中的恶化，还可以设置由Ta等构成的管底(cap)层(保护层)。
然后，通过去除(lift-off)，从包括叠层部分20a的形成预定区域去除光刻胶层31C以及层21b～26b(图28)。
接着，通过光刻等，形成光刻胶层31D。然后，在整个面上，顺序地形成应该成为叠层部分20a的各层21a、22a、23a、24a(图29)。具体地讲，首先，通过溅射等，顺序地形成例如由CoFe层构成的磁性层21a和Al层。通过把该Al层进行氧化处理得到隧道阻挡层22a。然后，在该隧道阻挡层22a的上面，通过溅射等顺序形成例如由CoFe层构成的磁性层23a、以及例如由PtMn层构成的反铁磁性层24a。进而，为了防止在这些层的加工中的恶化，还可以设置由Ta等构成的管底层(保护层)。
然后，通过去除(lift-off)，从层21b～26b上去除光刻胶层31D以及层21a～24a(图30)。然后，通过在预定磁场中，以超过反铁磁性层24a、26b的材料的结块(blocking)温度的预定温度进行热处理，把层23a、25b的磁化方向固定为上述的方向。
然后，在与叠层部分20a、20b对应的区域中，通过光刻等选择性地形成光刻胶层31E(图31)。接着，把光刻胶层31E作为掩模进行离子蚀刻，把层21a～24a以及层21b～26b构图分别做成叠层部分20a、20b(图32)。
接着，通过离子束沉积等形成例如由SiO₂构成的绝缘层17来覆盖整体(图33)。然后，通过去除(lift-off)，从叠层部分20a、20b上去除光刻胶层31E以及绝缘层17(图34)。图34示出与图26相同的状态。
然后，通过溅射等形成应该成为连接层18a、18b的例如Al层，通过光刻腐蚀法等构图成连接层18a、18b的形状(图35)。
接着，用CVD装置等在整个面上形成了由SiO₂等构成的绝缘层16A以后，进行由CMP装置等实施的绝缘层16A的表面研磨，以谋求平坦(图36)。
接着，在写入字线6的各2个终端形成写入字线引出电极41，在写入位线5的各2个末端形成写入位线引出电极42，在读出字线12的各2个终端形成读出字线引出电极43，进而在读出位线13的各2个终端形成读出位线引出电极44。
通过以上的过程，大致完成包括磁存储单元1的存储单元群54的形成。
然后，进而，经过由溅射装置或者CVD装置等形成SiO₂或者Al₂O₃等保护膜的工序，以及研磨该保护膜使各引出电极41～44露出的工序，由此完成第1实施例的磁存储器件的制造。
在第1实施例的磁存储器件中，由于用2个TMR元件2a、2b构成存储单元1，因此通过把TMR元件2a、2b的输出差分放大后读出，去除读出输出的同相噪声提高S/N。
另外，在第1实施例中，具备形成写入位线5以及写入字线6发生的电流磁场的磁路的环形磁性层4，由于基于通过该环形磁性层4的电流磁场2个TMR元件2a、2b的电阻的高低状态发生变化，因此能够由环形磁性层4减少上述电流磁场的损失，由此，能够有效地进行信息写入时的磁化翻转。
进而，在第1实施例中，由于对于2个TMR元件2a、2b共同设置发生电流磁场的写入位线5以及写入字线6，基于上述电流磁场2个TMR元件2a、2b的电阻的高低状态同时发生变化，因此减少对于1个存储单元的写入线的数量。从而，构造变得简单，其制造工序变得容易，同时，能够抑制存储单元1的占有面积，谋求大存储容量。
进而，在第1实施例中，由于2个TMR元件2a、2b对于双方配置在沿着叠层面的方向，对于这些TMR元件2a、2b环形磁性层4配置在相同一侧(在第1实施例中，是-Z方向一侧)使得其对于2个TMR元件2a、2b成为共同的，因此与对于2个TMR元件2a、2b分别设置环形磁性层4的情况相比较，环形磁性层4的构造变得简单，其制造工序变得容易，同时，能够抑制存储单元1的占有面积，谋求大存储容量。
这里把第1实施例与比较例进行对比。图53以及图54是分别示出各比较例的作为磁存储器件的构成要素的存储单元201、301的概略剖面图，与图4相对应。在图53以及图54中，在与图4的要素相同或者相对应的要素上标注相同的符号，省略其重复的说明。
在图53所示的磁存储单元201中，2个TMR元件202a、202b具有相互完全相同的结构。即，TMR元件202a具有与图4中的TMR元件2a相同的结构，TMR元件202b构成从图4中的TMR元件2b去除了非磁性导电层23b以及铁磁性层24b的结构。图53中的7a、203是绝缘层(非磁性层)。
在存储单元201中，对于各TMR元件202a、202b分别各设置2条写入线。即，对于TMR元件202a设置写入位线5a以及写入字线6a，对于TMR元件202b设置写入位线5b以及写入字线6b。写入位线5a、5b虽然也进行电分离，但是写入字线6a、6b在图中纸面的背面一侧等连接形成一条线。另外，在存储单元201中，没有设置形成写入线5a、5b、6a、6b发生的电流磁场的磁路的环形磁性层。
在该存储单元201中，由于像上述第1至第3以往例那样没有设置与图4中的环形磁性层4相当的部分，因此在写入线5a、5b、6a、6b中发生的电流磁场的损失大，不能够有效地进行磁性层21a、21b的磁化翻转。另外，在存储单元201中，在写入线5a、5b、6a、6b中发生的磁场有可能对于邻接的存储单元产生影响，从而，有可能发生信息的错误写入。进而，在存储单元201中，由于对于各TMR元件202a、202b分别设置2条写入线，因此写入线的数量增大，如果要提高谋求大存储容量的图53中的左右方向的密度，则写入线的形成工序变得困难。
对此，在存储单元1具有环形磁性层4的第1实施例的磁存储器件中，能够有效地进行磁性层2a、2b的磁化翻转的同时，由于能够由环形磁性层4把从写入线发生的电流磁场进行磁屏蔽，因此不会对于邻接的磁存储单元产生影响。另外，在第1实施例中，由于对于2个TMR元件2a、2b共同设置写入位线5以及写入字线6，因此减少写入线的数量。由此，如果依据第1实施例，能够谋求大存储容量的同时使制造工序变得容易。
在图54所示的磁存储单元301中，2个TMR元件302a、302b具有相互完全相同的结构。即，TMR元件302a具有与图4中的TMR元件2a相同的结构，TMR元件302b构成从图4中的TMR元件2b去除了非磁性导电层23b以及铁磁性层24b的结构。图54中的7a、203是绝缘层(非磁性层)。
在存储单元301中，对于各TMR元件302a、302b分别各设置2条写入线，对于各TMR元件302a、302b各设置1个环形磁性层304a、304b。即，对于TMR元件302a设置写入位线5a和写入字线6a以及包围它们的环形磁性层304a，对于TMR元件302b设置写入位线5b和写入字线6b以及包围它们的环形磁性层304b。写入位线5a、5b虽然也进行电分离，但是写入字线6a、6b在图中纸面的背面一侧等连接形成一条线。
在该存储单元301中，由于对于各TMR元件302a、302b分别设置2条写位线以及1个环形磁性层的组，因此写入线的数量以及环形磁性层的数量增大，如果要提高谋求大存储容量的图54中的左右方向的密度，则写入线的形成工序或者环形磁性层的形成工序变得十分困难。
对此，在第1实施例中，由于对于2个TMR元件2a、2b共同设置写入位线5和写入字线6以及环形磁性层4，因此减少写入线的数量以及环形磁性层的数量。由此，如果依据该第1实施例，则能够谋求大存储容量的同时使制造工序变得容易。
其次，参照图37A、37B说明本发明第2实施例的磁存储器件。
图37是模式地示出本发明第2实施例的磁存储器件的存储单元401的概略剖面图，与图4相对应。在图37中，在与图4中的要素相同或者相对应的要素上标注相同的符号，省略其重复的说明。这一点对于后述的图38～图41也相同。
第2实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图37所示的存储单元401。
存储单元401与存储单元1的不同之处仅在于从叠层部分20a、20b分别去除磁性层21a、21b，作为环形磁性层4的一部分的连接部分4a、4b用作为与磁性层21a、21b相当的部分(所谓实效的自由层)。即，在第2实施例中，用由连接部分4a以及叠层部分20a组成的叠层体构成TMR元件2a，用由连接部分4b以及叠层部分20b组成的叠层体构成TMR元件2b。
第2实施例的磁存储器件还能够用与第1实施例的磁存储器件相同的制造方法制造。
如果依据第2实施例，则可以得到与上述第1实施例相同的优点。另外，如果依据第2实施例，则由于没有磁性层21a、21b，因此与第1实施例相比较还能够得到层构造简单的优点。
其次，参照图38A、38B说明本发明第3实施例的磁存储器件。
图38是模式地示出本发明第3实施例的磁存储器件的存储单元411的概略剖面图，与图4相对应。
第3实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图38所示的存储单元411。
存储单元411与磁存储单元1的不同之处仅在于在TMR元件2b中，在铁磁性层25b与反铁磁性层26b之间，添加由下侧的非磁性导电层412b和上侧的铁磁性层413b组成的两层膜。非磁性导电层412b能够用与非磁性导电层24b相同的材料构成，铁磁性层413b能够用与铁磁性层23b相同的材料构成。在第3实施例中，非磁性导电层24b选择膜厚或者材料等使得其叠层方向两侧的层23b、25b之间进行反铁磁性耦合，而非磁性导电层412b选择膜厚或者材料等使得其叠层方向两侧的层25b、413b之间不进行反铁磁性耦合，而进行铁磁性耦合。
从而，在第3实施例中，在磁性层23b与反铁磁性层26b之间形成2个两层膜(由下侧的非磁性导电层和上侧的铁磁性层构成的两层膜)，在磁性层23b与反铁磁性层26b之间发生的反铁磁性耦合的次数是奇数(在本例中是一次)。由此，在第3实施例中，也与第1实施例相同，把磁性层23b的磁化方向设定为-X方向。
如果依据第3实施例，则能够得到与上述第1实施例同样的优点。另外，第3实施例的磁存储器件也能够用与第1实施例的磁存储器件相同的制造方法制造。
其次，参照图39A、39B说明本发明第4实施例的磁存储器件。
图39是模式地示出本发明第4实施例的磁存储器件的存储单元421的概略剖面图，与图4相对应。
第4实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图39所示的存储单元421。
存储单元421与磁存储单元1的不同之处仅在于在TMR元件2a中，在磁性层23a与反铁磁性层24a之间，添加由下侧的非磁性导电层422a和上侧的铁磁性层423a组成的两层膜以及由下侧的非磁性导电层424a和上侧的铁磁性层425a组成的两层膜。非磁性导电层422a、424a能够用与非磁性导电层24b相同的材料构成，铁磁性层423a、425a能够用与铁磁性层23b相同。在第4实施例中，非磁性导电层422a、424a选择膜厚或者材料等使得其叠层方向两侧的层间进行反铁磁性耦合。
从而，在第4实施例中，在磁性层23a与反铁磁性层24a之间形成2个两层膜(由下侧的非磁性导电层和上侧的铁磁性层构成的两层膜)，在磁性层23a与反铁磁性层24a之间发生的反铁磁性耦合的次数是偶数(在本例中是2次)。由此，在第4实施例中，也与第1实施例相同，把磁性层23a的磁化方向设定为+X方向。
如果依据第4实施例，则能够得到与上述第1实施例同样的优点。另外，第4实施例的磁存储器件也能够用与第1实施例的磁存储器件相同的制造方法制造。
其次，参照图40A、40B说明本发明第5实施例的磁存储器件。
图40是模式地示出本发明第5实施例的磁存储器件的存储单元431的概略剖面图，与图4相对应。
第5实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图40所示的存储单元431。
存储单元431与存储单元1的不同之处仅在于以下各点，第1点，在TMR元件2b中去除铁磁性层23b与反铁磁性层26b之间的非磁性导电层24b以及铁磁性层25b，在TMR元件2a和TMR元件2b中层数以及构成的种类取为相同，第2点，反铁磁性层24a、26b用结块温度相互不同的反铁磁性材料构成，第3点，把用于设定基于反铁磁性层24a、26b的磁性层23a、23b的磁化方向的热处理分为2个阶段进行，设定成使得这些磁性层23a、23b的磁化方向相互反平行。例如，反铁磁性层24a、26b中的一方用PtMn构成，另一方利用IrMn构成。PtMn的结块温度比IrMn的结块温度高。
第5实施例的磁存储器件基本上能够用与第1实施例的磁存储器件相同的制造方法制造。其中，把与图3所示的工序相当的工序之后的热处理工序分为2次进行。即，例如，反铁磁性层24a的材料的结块温度是T1，反铁磁性层26b的材料的结块温度是T2，如果取为T1＞T2，则首先，在用于把磁性层23a的磁化方向设定为+X方向的磁场中用比T1高的温度进行第1次热处理。接着，在用于把磁性层23b的磁化方向设定为-X方向的磁场中用比T1低而且比T2高的温度进行第2次热处理。通过这样做，能够把磁性层23a的磁化方向固定为+X方向的同时，把磁性层23b的磁化方向固定为-X方向。
如果依据第5实施例则能够得到与第1实施例相同的优点。
其次，参照图41A、41B说明本发明第6实施例的磁存储器件。
图41是模式地示出本发明第6实施例的磁存储器件的存储单元441的概略剖面图，与图4相对应。
第6实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图40所示的存储单元441。
存储单元441与存储单元1的不同之处仅在于在TMR元件2b中，去除铁磁性层23b与反铁磁性层26b之间的非磁性导电层24b以及铁磁性层25b，在磁性层21b与环形磁性层4之间添加非磁性导电层442b。非磁性导电层442b选择膜厚或者材料等使得其叠层方向两侧的层21b、4b之间进行反铁磁性耦合。
在第6实施例中，在TMR元件2b中的层21b～层26b的叠层部分20b’与TMR元件2b的叠层部分20a的层数、种类以及材料相同。但在用与上述第1实施例的磁存储器件的制造方法相同的制造方法制造时，叠层部分20b’与叠层部分20a相对应层的材料不一定需要相同。
上述第1至第5实施例的磁存储单元1，401、411、421、431是具有变化的构造的存储单元的例子使对TMR元件2a、2b的电阻的高低状态分别产生影响的磁性层(固定了磁化的层：钉扎层)23a、23b的磁化方向设定为相互反平行(反向)，使对TMR元件2a、2b的电阻的高低状态分别产生影响的磁性层(能够变化磁化的层：自由层)21a、21b的磁化方向成为相互平行。
对此，第6实施例以及后述的第7至第9实施例的磁存储单元441、451、461、471是具有变化的构造的存储单元的例子使磁性层(固定了磁化的层：钉扎层)23a、23b的磁化方向设定为相互平行(同向)，使磁性层(可以变化磁化的层：自由层)21a、21b的磁化方向成为相互反平行(反向)。
如果依据第6实施例，则能够得到与第1实施例相同的优点。
这里，参照图42至图48主要说明第6实施例的磁存储器件中的存储单元41的制造方法的一例。图42至图48是示出其形成过程的剖面图，与图6(a)相对应。其中，图42至图48与图27至图35相同，放大了主要部分。
首先，进行对于第1实施例说明过的图9到图25的工序。
接着，在虽然包括叠层部分20a的形成预定区域但是不包括叠层部分20b的形成区域的区域中，通过光刻等，选择性地形成光刻胶层131A。接着，在整个面上，通过溅射等形成由例如Ru层构成的非磁性导电层442b(图42)。
接着，通过去除(lift-off)，从包括叠层部分20a的形成预定区域去除光刻胶层131A以及非磁性导电层442b(图43)。
接着，在整个面上，顺序形成应该成为叠层部分20a以及20b’的磁性层501(最终成为层21a、21b的层)，隧道阻挡层502(最终成为层22a、22b的层)，磁性层503(最终成为层23a、23b的层)以及反铁磁性层504(最终地成为层24a、26b的层)(图44)。具体地讲，首先，通过溅射等，顺序形成例如由CoFe层构成的磁性层501和Al层。通过把Al层进行氧化处理，得到隧道阻挡层502。然后，在该隧道阻挡层502的上面，通过溅射等顺序形成例如由CoFe层构成的磁性层503以及例如由PtMn层构成的反铁磁性层504。进而，为了抑制这些层的加工过程中的恶化，也可以设置由Ta等构成的管底层(保护层)。
然后，在与叠层部分20a、20b相对应的区域中，通过光刻等，选择性地形成光刻胶层131B(图45)。接着，把光刻胶层131B作为掩模进行离子蚀刻，把层501～504以及非磁性导电层442b进行构图，分别做成叠层部分20a、20b(图46)。该离子蚀刻可以进行到保留非磁性导电层442B的程度为止，最终地保留非磁性导电层442B。
接着，用CVD装置等，形成例如由SiO2构成的绝缘层17来覆盖整体(图47)。接着，通过去除(lift-off)，从叠层部分20a、20b上去除光刻胶层131B以及绝缘层17(图48)。图47示出与图26相同的状态。
然后，通过进行与对于上述第1实施例说明过的制造方法相同的工序，完成第6实施例的磁存储器件的制造。
如果依据该制造方法，则由于能够把构成TMR元件2a、2b的叠成体的大部分(在上述的例子中是叠层部分20a和叠层部分20b’)用同一个工序成膜的层501～504构成，因此几乎不存在1个存储单元441的TMR元件2a与TMR元件2b的特性差。从而，在差分放大读出2个TMR元件2a、2b的输出的情况下非常理想。
其次，参照图49A、49B说明本发明第7实施例的磁存储器件。
图49是模式地示出本发明第7实施例的磁存储器件的存储单元451的概略剖面图，与图4以及图41相对应。图49中，在与图4以及图41中的要素相同或者相对应的要素上标注相同的符号，省略其重复的说明。这一点对后述的图50以及图51也相同。
第7实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图49所示的存储单元451。
存储单元451与图41所示的存储单元441的不同之处仅在于从叠层部分20a去除磁性层21a，作为环形磁性层4的一部分的连接部分4a用作为与磁性层21a相当的部分(所谓实效的自由层)。即，在第7实施例中，TMR元件2a用由连接部分4a以及叠层部分20b组成的叠成体构成。
第7实施例的磁存储器件也能够用与第6实施例的磁存储器件相同的制造方法制造。
如果依据第7实施例则能够得到与上述第6实施例相同的优点。另外，如果依据第7实施例，则由于没有磁性层21a，因此与第6实施例相比较，还能够得到层构造简单的优点。
其次，参照图50A、50B说明本发明第8实施例的磁存储器件。
图50是模式地示出本发明第8实施例的磁存储器件的存储单元461的概略剖面图，与图4以及图41相对应。
第8实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图50所示的存储单元461。
存储单元461与图41所示的磁存储单元441的不同之处仅在于在TMR元件2b中，在非磁性导电层442b与磁性层21b之间添加下侧的铁磁性层462b和上侧的非磁性导电层463b。非磁性导电层463b能够用与图4中的非磁性导电层24b相同的材料构成，铁磁性层463b能够用与铁磁性层23b相同的材料构成。在第8实施例中，非磁性导电层442b选择膜厚或者材料使得其叠层方向两侧的层4b、462b之间进行反铁磁性耦合，而非磁性导电层463b选择膜厚或者材料使得其叠层方向两侧的层462b、21b之间不进行反铁磁性耦合，而进行基于RKKY作用的交换耦合。
从而，在第8实施例中，在环形磁性层4的连接部分4b与磁性层21b之间形成2层的非磁性导电层442b、463b，在连接部分4a与磁性层21b之间发生的反铁磁性耦合的次数是奇数(在本例中是1次)。由此，即使在第8实施例中，也与第6实施例相同，磁性层21a、21b的磁化方向变化成为相互反平行(反向)。
如果依据第8实施例，则能够得到与上述第6实施例相同的优点。另外，第8实施例的磁存储器件也能够用与第6实施例的磁存储器件相同的制造方法制造。
其次，参照图51A、51B说明本发明第9实施例的磁存储器件。
图51是模式地示出本发明第9实施例的磁存储器件的存储单元471的概略剖面图，与图4以及图41相对应。
第9实施例的磁存储器件与上述第1实施例的磁存储器件的不同之处仅在于代替图4所示的存储单元1，使用图51所示的存储单元471。
存储单元471与图41所示的存储单元441的不同之处仅在于以下说明的各点。在存储单元471中，在TMR元件2a中，在环形磁性层4的连接部分4a与磁性层21a之间，从下侧开始顺序地添加非磁性导电层472a，铁磁性层473a以及非磁性导电层474a。另外，在存储单元471中，在TMR元件2b中，在环形磁性层4的连接部分4b与非磁性导电层442b之间，从下侧开始顺序地添加非磁性导电层472b、铁磁性层473b、非磁性导电层474b以及铁磁性层475b。非磁性导电层472a、474a、472b、474b、442b的每一个都选择膜厚或者材料等使得其叠层方向两侧的层间进行反铁磁性耦合。
从而，在TMR元件2a中，在磁性层21a与环形磁性层4之间产生的反铁磁性耦合的次数是偶数(在本例中是2次)，另一方面，在TMR元件2b中，在磁性层21b与环形磁性层4之间产生的反铁磁性耦合的次数是奇数(在本例中是3次)。由此，在第9实施例中也与第6实施例相同，磁性层21a、21b的磁化方向变化成相互反平行(反向)。
如果依据第9实施例，则能够得到与上述第6实施例相同的优点。另外，第9实施例的磁存储器件也能够用与第6实施例的磁存储器件相同的制造方法制造。
在上述第1至第9实施例的磁存储器件中，存储单元的TMR元件2a、2b(从而，叠层部分20a、20b)配置在与环形磁性层4的基板126相反的一侧(上侧)。但是，在本发明中，也可以把这些实施例变形为TMR元件2a、2b配置在环形磁性层4的基板162一侧(下侧)。
图52示出其变形例。图52是模式地示出本发明变形例的磁存储器件的主要部分的概略剖面图，与图6(a)相对应。图52中，在与图6中的要素相同或者相对应的要素上标注相同的符号，省略其重复的说明。在本例中，读出字线12配置在环形磁性层4的上侧，去除层间连接层18T以及连接层18a、18b，叠层部分20a、20b分别直接与导电层124a、124b连接，布线构造变得简单。另外，叠层部分20a、20b中各层的叠层顺序与上述各实施例的情况相反。
以上说明了本发明的各实施例以及变形例，但是本发明并不限于这些实施例或者变形例。
例如，在上述的各实施例中，在TMR元件2a、2b中，为了固定磁性层23a、23b的磁化方向使用反铁磁性层24a、26b，采用称为交换偏置型的构造。但是本发明并不限于交换偏置型，也可以采用具备比自由层大的矫顽力的钉扎层的被称为矫顽力差型的构造。这种情况下，例如在上述第6至第9实施例中，去除反铁磁性层24a、24b，可以用具有比磁性层21a、21b的材料大的矫顽力的材料构成磁性层23a、23b。
另外，在上述的各实施例中，作为磁阻效应元件使用了TMR元件，而在本发明中，作为磁阻效应元件也可以采用具有CPP-GMR等CPP构造的磁阻效应元件或者其它的磁阻效应元件。
如以上说明的那样，如果依据本发明，则可以提供通过用2个磁阻效应元件构成1个磁存储单元，能够去除读出输出的同相噪声的同时，能够降低信息写入时的电流磁场的损失并有效地进行磁化翻转，而且，能够抑制磁存储单元的占有面积谋求大存储容量的同时，构造简单并且制造容易的磁存储单元以及使用了该单元的磁存储器件。