磁性存储装置的制作方法

磁性存储装置
1.[相关申请的交叉参考]
[0002]
本技术案享有以日本专利申请2020-157517号(申请日：2020年9月18日)作为基础申请的优先权。本技术通过参照该基础申请而包含基础申请的所有内容。
技术领域
[0003]
本发明的实施方式涉及一种磁性存储装置。


背景技术：

[0004]
提出了一种使磁阻效应元件在半导体衬底上集成化的非易失性磁性存储装置。


技术实现要素：

[0005]
本发明的实施方式提供一种能够实现稳定的信息存储的磁性存储装置。
[0006]
本发明的实施方式的磁性存储装置具备积层结构，该积层结构包含：第1磁性层，具有可变的磁化方向；第2磁性层，具有固定的磁化方向；第3磁性层，具有相对于第2磁性层的磁化方向反平行(antiparallel)的固定的磁化方向；第1非磁性层；第2非磁性层；以及第3非磁性层。第1非磁性层设置在第1磁性层与所述第2磁性层之间，第2磁性层设置在第1非磁性层与第3磁性层之间，第3磁性层设置在第2磁性层与第2非磁性层之间，第3非磁性层设置在第2磁性层与所述第3磁性层之间。第3磁性层含有钴(co)及铂(pt)，第2非磁性层含有钼(mo)及钨(w)中的至少一者。
附图说明
[0007]
图1是示意性地表示第1实施方式的磁性存储装置的构成的一例的剖视图。
[0008]
图2是示意性地表示第1实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件中所包含的第3磁性层的构成的一例的剖视图。
[0009]
图3是示意性地表示第2实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件中所包含的第3磁性层的构成的一例的剖视图。
[0010]
图4是示意性地表示第2实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件中所包含的第3磁性层的构成的另一例的剖视图。
[0011]
图5是示意性地表示第2实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件中所包含的第3磁性层的构成的又一例的剖视图。
[0012]
图6是示意性地表示第3实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件中所包含的第2磁性层的构成的一例的剖视图。
[0013]
图7是示意性地表示使用了第1、第2及第3实施方式的磁阻效应元件的磁性存储装置的构成的一例的立体图。
具体实施方式
[0014]
以下，参照图式，对实施方式进行说明。
[0015]
(实施方式1)
[0016]
图1是示意性地表示第1实施方式的非易失性磁性存储装置的构成的剖视图。更具体来说，是示意性地表示非易失性磁阻效应元件的构成的剖视图。另外，在本实施方式及下述的实施方式中，在应用mtj(magnetic tunnel junction，磁性隧道结)元件作为磁阻效应元件的情况下进行说明。
[0017]
图1所示的磁阻效应元件100设置在包含半导体衬底10等的下部结构上。也就是说，多个磁阻效应元件100在半导体衬底10上集成化。
[0018]
磁阻效应元件100包含积层结构，该积层结构包含：磁性层(第1磁性层)11、磁性层(第2磁性层)12、磁性层(第3磁性层)13、隧道势垒层(第1非磁性层)14、上部缓冲层(第2非磁性层)15、下部缓冲层(第3非磁性层)16、间隔层17、盖层18、上部电极层19及硬质掩模层20。
[0019]
具体来说，隧道势垒层14设置在磁性层11与磁性层12之间，磁性层12设置在隧道势垒层14与磁性层13之间，磁性层13设置在磁性层12与上部缓冲层15之间，上部缓冲层15设置在磁性层13与下部缓冲层16之间，间隔层17设置在磁性层12与磁性层13之间。
[0020]
所述各层的积层顺序如图1所示，从下层侧(包含半导体衬底10等的下部结构侧)起依次积层了下部缓冲层16、上部缓冲层15、磁性层13、间隔层17、磁性层12、隧道势垒层14、磁性层11、盖层18、上部电极层19及硬质掩模层20。
[0021]
磁性层(第1磁性层)11是具有可变的磁化方向的铁磁性层，作为磁阻效应元件100的存储层发挥作用。另外，可变的磁化方向是指相对于规定的写入电流，磁化方向改变。磁性层11由含有铁(fe)、钴(co)及硼(b)的fecob层形成。磁性层11的厚度为1.6nm左右。
[0022]
磁性层(第2磁性层)12是具有固定的磁化方向的铁磁性层，作为磁阻效应元件100的参照层发挥作用。另外，固定的磁化方向是指相对于规定的写入电流，磁化方向不变。磁性层12包含：设置在隧道势垒层14侧(离隧道势垒层14近的一侧)的第1层部分12a、设置在磁性层13侧(离隧道势垒层14远的一侧)的第2层部分12b、及设置在第1层部分12a与第2层部分12b之间的第3层部分12c。
[0023]
第1层部分12a由含有铁(fe)、钴(co)及硼(b)的fecob层形成。第1层部分12a的厚度为0.8nm左右。
[0024]
第2层部分12b由钴(co)层形成。第2层部分12b的厚度为0.5nm左右。
[0025]
第3层部分12c由钼(mo)层形成。第3层部分12c的厚度为0.16nm左右。
[0026]
磁性层(第3磁性层)13是具有相对于磁性层12的磁化方向反平行的固定的磁化方向的铁磁性层，作为磁阻效应元件100的偏移消除层发挥作用。也就是说，磁性层13具有消除由磁性层12施加到磁性层11的磁场的功能。
[0027]
磁性层13由沿磁阻效应元件100的积层结构的积层方向交替地设置有钴(co)层与铂(pt)层的多层膜形成。也就是说，磁性层13具有交替地积层有co层与pt层的超晶格结构。
[0028]
图2是示意性地表示磁性层13的构成的剖视图。在图2所示的例子中，磁性层13具有交替地积层有5层pt层13a与5层co层13b的结构。各pt层13a及各co层13b的厚度小于1nm。例如，磁性层13具有从下层侧到上层侧依序积层有pt层(0.5nm)、co层(0.4nm)、pt层
(0.15nm)、co层(0.4nm)、pt层(0.15nm)、co层(0.4nm)、pt层(0.15nm)、co层(0.4nm)、pt层(0.15nm)及co层(0.7nm)的结构，总厚度为3.4nm。
[0029]
通过使用这种结构，co层能够以相对于pt层的膜厚比为1.2倍以上的方式含有，能够实现薄膜化。
[0030]
此外，磁性层13具有hcp(hexagonal close-packed，密排六方)结构，hcp结构的(0001)面在相对于磁阻效应元件100的积层结构的膜面垂直的方向上配向。也就是说，磁性层13的下表面及上表面为(0001)面。
[0031]
隧道势垒层(第1非磁性层)14为绝缘层，由含有镁(mg)及氧(o)的mgo层形成。隧道势垒层14的厚度为1.0nm左右。
[0032]
上部缓冲层(第2非磁性层)15由钼(mo)层形成。上部缓冲层15具有bcc(body centered cubic，体心立方)晶体结构，bcc晶体结构的(110)面在相对于积层结构的膜面垂直的方向配向。也就是说，上部缓冲层15的下表面及上表面为(110)面。该上部缓冲层15作为用来提高磁性层13的结晶性的晶向核发挥作用。上部缓冲层15的厚度为0.5nm左右。
[0033]
另外，磁性层13具有hcp晶体结构或者fcc(face centered cubic，面心立方)晶体结构。hcp晶体结构或者fcc晶体结构的平均晶格间隔以d1表示。在相对于磁性层13的膜面平行的方向上构成磁性层13的原子间的距离的平均以平均晶格间隔d1表示。上部缓冲层15具有bcc晶体结构。bcc晶体结构的平均晶格间隔以d2表示。在相对于上部缓冲层15的膜面平行的方向上构成磁性层13的原子间的距离的平均以平均晶格间隔d2表示。
[0034]
优选d1与d2满足以下关系：
[0035]
0.95＜d2/d1＜1.0。
[0036]
彼此相接的表面部分最低限度要具有所述关系。
[0037]
下部缓冲层(第3非磁性层)16具有非晶结构，不具有特定的晶体结构。例如，由含有铪(hf)的层形成的该下部缓冲层16具有提高下部缓冲层16上所形成的层的平坦性的功能、以及使具有下部缓冲层16上所形成的上部缓冲层15的结晶性初始化的功能。所述初始化是指在相对于上部缓冲层15的膜面平行的方向上形成特定的配向面。也就是说，上部缓冲层15通过形成在这种下部缓冲层16之上而形成结晶核。下部缓冲层16的厚度为1.0nm左右。另外，在下部缓冲层16连接了磁阻效应元件100的下部电极(未图示)。
[0038]
间隔层17由铱(ir)、钌(ru)等金属材料形成，作为用来使磁性层12与磁性层13反铁磁性耦合的syafc(synthetic antiferromagnetic coupling，合成反铁磁性耦合)层发挥作用。间隔层17的厚度为0.5nm左右。
[0039]
盖层18设置在磁性层11上，由贱金属氧化物层、稀土类氧化物层或者碱土类金属氧化物层形成。盖层18的厚度为1.0nm左右。
[0040]
上部电极层19设置在盖层18上，作为磁阻效应元件100的上部电极发挥作用。上部电极层19由包含铪硼(hf)、钽(ta)、钨(w)、锆(zr)、铌(nb)、钼(mo)等金属材料的单层或者使多个材料积层的层形成。上部电极层19的厚度小于5nm。
[0041]
硬质掩模层20设置在上部电极层19上，由厚度小于10nm的钌(ru)层形成。
[0042]
所述磁阻效应元件100是具有垂直磁化的stt(spin transfer torque，自旋转移矩)型磁阻效应元件。也就是说，磁性层11、磁性层12及磁性层13的磁化方向是相对于各个膜面垂直的方向。
[0043]
所述磁阻效应元件100在磁性层11的磁化方向相对于磁性层12的磁化方向平行的情况下是相对性的低电阻状态，在磁性层11的磁化方向相对于磁性层12的磁化方向反平行的情况下是相对性的高电阻状态。因此，磁阻效应元件100根据磁阻效应元件100的电阻状态(低电阻状态或者高电阻状态)能够存储二进制数据。此外，对磁阻效应元件100来说，根据磁阻效应元件100中流动的电流的方向能够设定电阻状态(低电阻状态或者高电阻状态)。
[0044]
如上所述，在本实施方式的磁阻效应元件100中，上部缓冲层15由具有在(110)面上配向的bcc晶体结构的钼(mo)层形成。通过使用这种上部缓冲层15，能够获得优异的磁阻效应元件100。
[0045]
一般来说，当磁性层(偏移消除层)13由在hcp(0001)面或者fcc(111)面上配向的co/pt多层膜形成时，将在fcc(111)面或hcp(0001)面上配向的层用于缓冲层的最上层，该缓冲层作为晶向核发挥作用。
[0046]
另一方面，新明确的是，如本实施方式所述，在将在bcc(110)面上配向的mo层用作上部缓冲层15的情况下，也会获得在hcp(0001)面或者fcc(111)面上良好地配向的co/pt多层膜。通过将这种在bcc(110)面上配向的mo层用作上部缓冲层15，能够获得如下所述的优异的磁阻效应元件100。
[0047]
通常，将具有1nm以上的厚度的厚铂(pt)层、钌(ru)层或者铱(ir)层用于缓冲层的最上层。这些材料是容易扩散到磁性层(参照层)12的第1层部分(fecob层)12a而降低磁阻效应元件的mr(magnetic resistance，磁阻)比的因素。
[0048]
在本实施方式中，通过使用在bcc(110)面上配向的mo层作为上部缓冲层15，能够抑制上部缓冲层(mo层)15与磁性层12的第1层部分(fecob层)12a之间的相互扩散，能够抑制mr比的降低。
[0049]
此外，在本实施方式中，通过将在bcc(110)面上配向的mo层用于上部缓冲层15，能够获得在hcp(0001)面或者fcc(111)面上良好地配向的co/pt多层膜(磁性层13)，因此co/pt多层膜的结晶性能够提高，能够使co/pt多层膜的垂直磁各向异性提高。此外，能够提高经由间隔层(ir层)17的磁性层12与磁性层13之间的反铁磁性耦合。
[0050]
此外，在本实施方式中，通过使用在bcc(110)面上配向的mo层，能够减少包含缓冲层(上部缓冲层15及下部缓冲层15)的磁阻效应元件100的厚度。因此，能够使相邻的磁阻效应元件100间的间隔变窄，如下所述，能够获得高集成化的磁性存储装置。
[0051]
一般来说，在由在hcp(0001)面或者fcc(111)面上配向的co/pt多层膜形成磁性层(偏移消除层)13的情况下，为了抑制蚀刻产物在积层结构的侧壁上再沉积，从相对于积层结构倾斜的方向照射离子束。然而，当积层结构的高度较高时(也就是说，当构成积层结构的层整体的厚度较厚时)，离子束因相邻的积层结构而被遮挡，积层结构的下部分有可能无法切实地进行蚀刻。因此，为了抑制蚀刻产物的再沉积并切实地对积层结构的下部分进行蚀刻，需要使相邻的磁阻效应元件间的间隔变大。因此，产生磁阻效应元件的高集成化受到限制的问题。
[0052]
在本实施方式中，能够使积层结构的高度变低(也就是说，能够使构成积层结构的层整体的厚度变薄)，因此能够使相邻的磁阻效应元件100间的间隔变窄，能够达成磁阻效应元件的高集成化。
[0053]
此外，如上文所述，磁性层13具有hcp晶体结构或者fcc晶体结构。hcp晶体结构或者fcc晶体结构的平均晶格间隔以d1表示。在相对于磁性层13的膜面平行的方向上构成磁性层13的原子间的距离的平均以平均晶格间隔d1表示。上部缓冲层15具有bcc晶体结构。bcc晶体结构的平均晶格间隔以d2表示。在相对于上部缓冲层15的膜面平行的方向上构成磁性层13的原子间的距离的平均以平均晶格间隔d2表示。
[0054]
优选d1与d2满足以下关系：
[0055]
0.95＜d2/d1＜1.0。
[0056]
通过满足这种关系，能够抑制磁性层13的fcc晶体结构的晶格与上部缓冲层15的bcc晶体结构的晶格的失配(misfit)，能够有效果地促进结晶化。
[0057]
另外，在所述实施方式中，是使用钼(mo)层作为上部缓冲层15，但也可使用钨(w)层作为上部缓冲层15。此外，也可使用mo及w的合金层(mow合金层)作为上部缓冲层15。或者，也可使用将钼(mo)及钨(w)与铂(pt)、钌(ru)及铱(ir)组合的合金层(mopt、wpt、moir、wir、moru、wru合金层)。也就是说，对上部缓冲层15来说，能够使用含有钼(mo)及钨(w)中的至少一者且具有bcc晶体结构的层，所述bcc晶体结构具有相对于磁阻效应元件100的积层结构的积层方向垂直的(110)面。
[0058]
此外，在所述实施方式中，是使用钼(mo)层作为第2磁性层12的第3层部分12c，但也可使用钨(w)层作为第3层部分12c。此外，也可使用mo及w的合金层(mow合金层)作为第3层部分12c。也就是说，对第3层部分12c来说，能够使用含有钼(mo)及钨(w)中的至少一者且具有bcc晶体结构的层，所述bcc晶体结构在相对于积层结构的积层方向垂直的方向上具有(110)面。或者，出于调整平均晶格间隔的目的，也可使用将钼(mo)及钨(w)与铂(pt)、钌(ru)及铱(ir)组合的合金层(mopt、wpt、moir、wir、moru、wru合金层)。
[0059]
(实施方式2)
[0060]
其次，对第2实施方式进行说明。另外，基本事项与所述第1实施方式相同，省略第1实施方式中已说明的事项的说明。
[0061]
图3是示意性地表示本实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件100中所包含的磁性层(第3磁性层)13的构成的剖视图。另外，除磁性层13外的基本构成与第1实施方式的构成相同。
[0062]
在本实施方式中，含有硅(si)及硼(b)的sib层21设置在磁性层13内。具体来说，与第1实施方式同样，磁性层13具有交替地积层有pt层13a与co层13b的结构，在pt层13a与co层13b之间设置着sib层21。sib层21的厚度优选0.3nm以下(例如0.1nm左右)。
[0063]
另外，含有硅(si)及硼(b)的sib层21是构成磁性层13的层，也可设置在磁性层13的表面(下表面或者上表面)。也就是说，可如图4所示，sib层21设置在磁性层13的上部缓冲层15侧，也可如图5所示，设置在磁性层13的间隔层17侧。
[0064]
此外，也可设置有2层以上的sib层21。也就是说，也可为，2层以上的sib层21设置在磁性层13内。此外，也可在磁性层13的下表面及上表面两者设置sib层21。进而，也可为，1层以上的sib层21设置在磁性层13内，且在磁性层13的下表面及上表面的至少一者设置有sib层21。
[0065]
像这样，在本实施方式中，通过在磁性层13内或者磁性层13的表面设置sib层21，能够提高co/pt多层膜的垂直磁各向异性等。通过设置sib层21，能够抑制热处理所致的
copt的扩散，抑制垂直磁各向异性等的降低。尤其是能够抑制pt从磁性层13向其他层(磁性层11、磁性层12、隧道势垒层14及间隔层17等)扩散，抑制垂直磁各向异性等的降低。此外，也能够提高经由间隔层(ir层)17的磁性层12与磁性层13之间的反铁磁性耦合。
[0066]
(实施方式3)
[0067]
其次，对第3实施方式进行说明。另外，基本事项与所述第1实施方式相同，省略第1实施方式中已说明的事项的说明。
[0068]
图6是示意性地表示本实施方式的磁性存储装置的磁阻效应元件100中所包含的磁性层(第2磁性层)12的构成的剖视图。另外，除磁性层12以外的基本构成与第1实施方式的构成相同。
[0069]
在本实施方式中，磁性层12的第3层部分12c包含第1子层12c1及第2子层12c2，所述第2子层12c2设置于在磁阻效应元件100的积层结构的积层方向上相邻的第1子层12c1间。
[0070]
各第1子层12c1由钼(mo)层形成。此外，各第1子层12c1具有bcc晶体结构，bcc晶体结构的(110)面相对于积层结构的积层方向垂直。第2子层12c2由钴(co)层形成。
[0071]
具体来说，磁性层12由第1层部分12a(fecob层，厚度0.8nm)、第2层部分12b(co层，厚度0.4nm)、下层侧第1子层12c1(mo层，厚度0.08nm)、上层侧第1子层12c1(mo层，厚度0.08nm)及第2子层12c2(co层，厚度0.10nm)形成。
[0072]
另外，第2层部分12b(co层)具有hcp(hexagonal close-packed)晶体结构或fcc晶体结构。此外，第2子层12c2(co层)具有hcp晶体结构或bcc晶体结构。
[0073]
像这样，在本实施方式中，磁性层12的第2层部分12c具有第2子层12c2(co层)介于第1子层12c1(mo层)间的结构。通过这种结构，能够提高磁性层12与磁性层13之间的反铁磁性耦合，也能够提高磁阻效应元件100的mr比。
[0074]
另外，在所述实施方式中，由2层第1子层12c1(mo层)与1层第2子层12c2(co层)构成了磁性层12的第3层部分12c，但也可由3层以上的第1子层12c1与2层以上的第2子层12c2构成第3层部分12c。具体来说，也可为，交替地积层3层以上的第1子层12c1与2层以上的第2子层12c2，由第1子层12c1构成第3层部分12c的最下层及最上层。
[0075]
此外，在所述实施方式中，是使用钼(mo)层作为第1子层12c1，但也可使用钨(w)层作为第1子层12c1。此外，也可使用mo及w的合金层(mow合金层)作为第1子层12c1。也就是说，对第1子层12c1来说，能够使用含有钼(mo)及钨(w)中的至少一者且具有bcc晶体结构的层，所述bcc晶体结构具有相对于磁阻效应元件100的积层结构的积层方向垂直的(110)面。在这种情况下，第2子层12c2能够使用不含有钼(mo)及钨(w)中的任一者的层(代表性的是所述co层)。
[0076]
另外，在所述第2及第3实施方式中，也可将从磁性层13到磁性层11的积层顺序反过来。
[0077]
图7是示意性地表示使用了所述第1、第2及第3实施方式中所说明的磁阻效应元件100的磁性存储装置的构成的一例的立体图。
[0078]
图7所示的磁性存储装置包含：多个第1配线410，沿x方向延伸；多个第2配线420，沿y方向延伸；以及多个存储单元300，连接于第1配线410与第2配线420之间。第1配线410及第2配线420中的一者与字线对应，另一者与位线对应。各存储单元300由磁阻效应元件100
及与磁阻效应元件100串联的选择器(开关元件)200构成。
[0079]
磁阻效应元件100使用所述第1、第2及第3实施方式中所说明的磁阻效应元件。
[0080]
选择器200例如使用两端子型开关元件。在施加于两端子间的电压小于阈值的情况下，该开关元件为“高电阻状态”，例如电性非导通状态。在施加于两端子间的电压为阈值以上的情况下，该开关元件成为“低电阻状态”，例如电性导通状态。
[0081]
通过向连接于所需存储单元300的第1配线410与第2配线420之间施加规定的电压，所需存储单元300中所包含的选择器200成为接通状态(导通状态)，能够对所需存储单元300中所包含的磁阻效应元件100进行写入或者读出。
[0082]
另外，在图7所示的例子中，磁阻效应元件100位于上层侧且选择器200位于下层侧，但也可为，磁阻效应元件100位于下层侧且选择器200位于上层侧。
[0083]
通过将本实施方式的磁阻效应元件100用于如图7所示的磁性存储装置，能够获得优异的磁性存储装置。
[0084]
对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子提出的，并不意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够以其它各种形态实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变化包含在发明的范围或主旨中，也包含在权利要求书中所记载的发明及其均等的范围内。
[0085]
[符号的说明]
[0086]
10
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半导体衬底
[0087]
11
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磁性层(第1磁性层)
[0088]
12
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磁性层(第2磁性层)
[0089]
12a
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第1层部分
[0090]
12b
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第2层部分
[0091]
12c
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第3层部分
[0092]
12c1
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第1子层
[0093]
12c2
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第2子层
[0094]
13
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磁性层(第3磁性层)
[0095]
13a
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pt层
[0096]
13b
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co层
[0097]
14
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
隧道势垒层(第1非磁性层)
[0098]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
上部缓冲层(第2非磁性层)
[0099]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
下部缓冲层(第3非磁性层)
[0100]
17
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
间隔层
[0101]
18
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
盖层
[0102]
19
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
上部电极层
[0103]
20
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
硬质掩模层
[0104]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
sib层
[0105]
100
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
磁阻效应元件
[0106]
200
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
选择器(开关元件)
[0107]
300
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
存储单元
[0108]
410
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第1配线
[0109]
420
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第2配线。