JP2001510613A - 整合された磁気ベクトルを有するｍｒａｍ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁気ベクトルがセルの長さに沿って整合される状態で、多層磁気記憶セルが提供される。磁気端部ベクトルを整合させるため、楕円形状が、記憶セルの両端部に形成される。長さに沿って整合される磁気ベクトルは、不連続部分または層の両端部において、高い磁界および磁極が形成されるのを阻止する。楕円形状を有する記憶セルは、磁界がセルに加えられるときに、磁気セルの磁気抵抗が一定を示し、記憶セルの電力消費量を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】 整合された磁気ベクトルを有するＭＲＡＭ 発明の分野 本発明は、磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）に関し、より詳しく は整合された磁気ベクトルを有するＭＲＡＭセルに関する。 発明の背景 ある種の磁気記憶セルは、多層の巨大磁気抵抗材料（ＧＭＲ：Giant Magnetor esistive Material）を使用し、密度を高めるのにミクロン以下の幅を利用する 。導電層が、この巨大磁気抵抗材料の複数の層の間に配置される。このような構 造では、磁化ベクトルは、幅ではなく、磁気材料の長さに対して平行である。一 つの実施例では、１つの磁気材料層の磁化ベクトルが常に、一方向に保たれる一 方、もう一つの磁気層の磁化ベクトルは、第１のベクトルに対して平行と非平行 との間で切り替わって、論理「０」と「１」の両方の状態を表す。この材料を利 用して記憶セルの論理状態を決定するため、記憶セルは、 基準セルとアクティブ・セルとを有する。基準セルは常に、１つの状態（常に「 １」か、または常に「０」）に対応する電圧を供給する。記憶セルの状態を判断 するため、基準セルの出力は、アクティブ・セルの出力と比較される。アクティ ブ・セルと基準セルとが必要なことから、これらの素子を使用するメモリの密度 は低くなる。また、各記憶セルは、セルを読み出すために、適切な時に、アクテ ィブ・セルと基準セルとを切り換えるのにトランジスタを必要とする。このため 、メモリのコストが一層高くなる。 不揮発性メモリでは、もう一つの磁気記憶セルが使用され、このセルは基本的 に、ジャイアント磁気抵抗（ＧＭＲ）材料の有限寸法（finite dimension）素子 ，読み出し線およびワード線を含む。ＭＲＡＭは、メモリの動作のためにＧＭＲ 効果を使用する。ＧＭＲ材料層の１つまたはすべてにおいて、磁界が、ＧＭＲの 材料に対して、ある一定のしきい値を超えて印加されると、磁化ベクトルは、一 つの方向から反対の方向へと急速に切り替わる。ＧＭＲ材料の磁気ベクトルの方 向に応じて、状態が格納され、例えば、一つの方向は、論理「０」として定義で き、もう一つの方向は、論理「１」として定義できる。ＧＭＲ材料は、磁界をか けない状態でも、上記の状態を維持する。この種の装置では、センス電流が、長 手軸に沿ってセルを通って流れ、格納された状態を読み取る。 しかしながら、磁気材料の層の両端部は、磁化分布の不連続部分を形成するの で、極めて高い磁界および磁極が、この不連続部分、すなわち層の両端部におい て形成される。このように高い磁界は、両端部に隣接する磁気ベクトルを、不連 続部分または両端部にほぼ平行になるように整合させる。このような端部効果に より、セルの抵抗およびスイッチング特性は、両端部に隣接する磁気ベクトルの 詳細分布に応じて変化する。抵抗およびスイッチング特性のこのような変化は、 セル内に格納された状態の読み出すまたはセンシングする際に問題を生じるほど 大きくなる可能性がある。 したがって、変化しない磁気端部ベクトルを有する磁気材料の層と、これらの 層を利用する記憶セルを提供することがきわめて望ましい。 本発明の目的は、多状態（multi-state）多層磁気記憶セルで使用されること を目的とする新規かつ改良された磁気材料層を提供することである。 本発明の別の目的は、反復可能なスイッチング挙動を有する、新規かつ改良さ れた多状態多層磁気記憶セルを提供することである。 本発明のさらなる目的は、反復可能な磁界によっ て、種々の状態に切換可能な、新規かつ改良された多状態多層磁気記憶セルを提 供することである。 本発明のさらに別の目的は、種々の状態で反復可能な抵抗を有する、新規かつ 改良された多状態多層磁気記憶セルを提供することである。 本発明のもう一つの目的は、新規かつ改良された低い動作電力の多状態多層磁気 記憶セルを提供することである。 発明の開示 上記およびその他の問題ならびに目的は、ある幅と、層の幅より長い長さを有 する磁気材料の一つの層であって、この層の磁気ベクトルが、磁気材料層の長さ に沿った方向を指す層において少なくとも一部は解決され、実現される。 図面の簡単な説明 第１図から第４図は、磁気端部ベクトルがとり得る種々の方向性を示す磁気材 料の一つの層の上面図である。 第５図は、楕円形の両端部を有する多層磁気記憶セルの上面図である。 第６図は、第５図に示される多層磁気記憶セルの断面図である。 第７図から第９図は、多層磁気記憶セルが形成される際に用いられるマスクの 上面図である。 第１０図は、両端部の形状が楕円形の多層磁気記憶セルを用いるＭＲＡＭの上 面図である。 第１１図は、第１０図に示される多層磁気記憶セルの断面図である。 好適な実施例の詳細な説明 ここで図面を参照して、第１図から第４図は、磁気材料層１０の上面図で、磁 気ベクトルがとり得る種々の方向性を示す。特に第１図を参照して、層１０は、 磁気材料層内の磁壁の幅よりも小さい幅「Ｗ」を有し、層１０内の磁気ベクトル １１が、磁気材料層１０の長さに実質的に沿った方向を指すように制限する。磁 気ベクトル１１は、層１０内の磁区の主要部分を占める。しかしながら、層１０ の両端部は磁区の不連続部分を形成するので、極めて高い磁界および磁極が、不 連続部分すなわち層の両端部に形成される。磁気ベクトル１１は、層の側面に対 して実質的に平行なので、不連続部分は、層１０の側面に沿っては存在しない。 層１０の両端部における高 い磁界は、両端部に隣接して磁気ベクトル（短い磁気端部ベクトルとして定義さ れる）を生じ、両端部に磁気閉ループを形成しようとする。このような短い磁気 端部ベクトルをこの図では分かりやすいように、左端部に在る１つの磁気端部ベ クトル１２、および右端部に在る１つの磁気端部ベクトルとして示されるが、そ れぞれ、異なる方向を示す一つまたは複数のより小さな磁気端部ベクトルによっ て構成されることを理解されたい。また、本発明の開示においては、「端部」と いう語は一般に、層１０の幅Ｗで、長さが、第１図に示されるような、物理的端 部からの距離「Ｗ」（層１０の幅）より小さい領域を意味するように定義される 。 短い磁気端部ベクトル１２，１３が存在するという問題は、それらが、でたら めに配置され、一般に、不連続部分または層１０の両端部とほぼ平行しているこ とである。例えば、第１図に示されるように、磁気端部ベクトル１２，１３はと もに上向きである。第２図では、端部ベクトル１２が上向きであるのに対し、ベ クトル１３は下向きである。また、第３図では、端部ベクトル１２は下向きであ るのに対して、端部ベクトル１３は上向きである。また、第４図では、端部ベク トル１２，１３はともに下向きである。実際には、端部ベクトル１２，１３の各 端部は、複 数の短い磁気端部ベクトルを表す場合があるので、とり得る方向は極めて多く存 在し得る。 磁気ベクトル１１が切り替わるたびに、磁気端部ベクトル１２，１３は、加え られる磁界，材料，以前の位置などに応じて、位置が変化したり、または変化し ない可能性がある。問題は、端部ベクトル１２，１３が様々な位置をとり得るた めに、磁気記憶セルで使用される場合、層１０の抵抗が変化し、層１０でスイッ チングを生じるのに種々のスイッチング磁界を必要とすることである。すなわち 、磁気ベクトル１１，１２，１３のそれぞれの組は、方向を切り換えるのにある 一定の大きさの磁界を必要とするので、また、磁気端部ベクトル１２，１３の一 方または両方が、磁気ベクトル１１の方向を切り換えることができるので、磁気 ベクトル１１を切り換えるのに必要な磁界の大きさが、切り換えられるたびに変 化する可能性がある。抵抗の変化は、磁気記憶セル内に格納された状態を読み出 すまたはセンシングする際に問題を生じるほど大きくなる可能性があり、また、 セル内の状態を切り換えるのに必要な磁界の大きさが変化することによって、特 に大型アレイの場合、スイッチングする際に問題を生じる可能性があって、さら に電力を消費することは確実となり、これが大型アレイでは相当の量になる可能 性が ある。 今度は、第５図および第６図を見ると、それぞれ、強磁性結合された多層磁気 材料を有する多層磁気メモリ材料セル２０の拡大上面図と断面図が示される。セ ル２０は、第１磁気層２１と第２磁気層２３とを含む。層２１，２３は、第１ス ペーサ層２２によって分離される。層２２は、導電層または絶縁層とすることが できる。磁気層２１，２３はそれぞれ、ニッケル，鉄，コバルトまたはその合金 から成る層のような磁気材料の単一層とすることができる。層２１，２３はいず れも交互に、コバルト-鉄層を被覆するニッケル-鉄-コバルト層のような、複合 磁気層とすることができる。層２２に適する材料は、銅，銅合金，クローム，ク ローム合金を含むほとんどの導電材料、ならびに酸化アルミニウムと窒化アルミ ニウムおよび高エネルギー帯半導体を含む絶縁材料を含む。また、セル２０は、 ２つの磁気層を有する形で示されるが、通常、層２１，２３と似通った第３およ び第４の磁気層を含み、層２２と似通った第２および第３のスペーサ層によって 分離される２つ以上の磁気層を有することができる。 好適な実施例において、層２１，２３は楕円形であり、セル２０の幅Ｗではな く、セル２０の長さＬに沿った磁化容易軸を有する形で形成される。他の 実施例では、容易軸を、幅Ｗに沿ったものとすることもできる。層２１，２３は それぞれ、長い磁化もしくは磁気ベクトル２５，２６を有し、これらは、層２１ ，２３の長さＬに実質的に沿っており、すなわち、層２１，２３それぞれの長さ Ｌに実質的に平行である。層２１，２３は、強磁性結合によって結合され、外部 磁界がない状態で、磁気ベクトル２５，２６を同じ方向（第６図で左または右） に整合することができる。この強磁性結合は、層２２の材料と厚さの変化に応じ て変化する。 また、幅Ｗは、磁壁の幅、または層２１もしくは２３内の遷移（transition） 幅よりも小さく形成される。そのため、磁気ベクトル２５，２６は、幅Ｗに対し て平行になることができない。一般に、１．０から１．２ミクロン未満の幅はこ うした制約を生じる。好適な実施例では、Ｗは１ミクロン未満であり、製造技術 によりできるだけ小さくなっており、長さＬは、少なくとも幅Ｗのほぼ２倍であ る。一般に、長さの値が大きくなるほど、セル２０の出力電圧は高くなる。また 、好適な実施例では、層２３は、ほぼ３から６ナノメータの厚さを有し、層２１ は、ほぼ４から１０ナノメータの厚さを有する。層２１と２３の厚さの差は、層 ２１，２３のスイッチング・ポイントに影響を与え、センシングまたは読み出し 機能を提供する。具体的な例では、層２１，２３はそれぞれ、コバルト-鉄層と ニッケル-鉄-コバルト層を含む２層構造であり、コバルト-鉄は、導電層２２と 接合される。 第５図および第６図に示される好適な実施例において、層２１，２３は楕円形 の両端部を有する。層２１，２３を作るには、第７図から第９図に示されるフォ トリソグラフィ・マスクが使用され、楕円形状が、フォトリソグラフィの露光後 、形成される。楕円形の両端部を有する層２１，２３は、セル２０全体にわたり 、磁気ベクトル２６を均一に分布させる。具体的には、長さＬに沿って整合され た層２１，２３の両端部における磁気ベクトル２５，２６は、不連続部分または 層の両端部において、高い磁界および磁極が形成されるのを防ぐ。この均一の磁 化分布によって、外部の磁界がセル２０に加えられるときに、セル２０の抵抗を ほぼ一定にすることができ、これにより、セル２０内の状態の読み出しと書き込 みが着実に実施される。さらに、セル２０の抵抗が一定であるので、セル２０内 の状態を切り換えるのに、外部の磁界が不要である。この結果、追加の電力供給 を節減できる。このような結果は、セル２０の両端部が滑らかな曲線を描くこと で実現され、両端部は、具体的な例では、楕円形状である。 今度は第１０図および第１１図を見ると、楕円形状を有する導電スペーサ層の 多層磁気記憶セルを用いるＭＲＡＭについて、それぞれ、上面図と、第１０図の 線Ｘ-Ｘから見た断面図が示される。任意の適切な材料から成る半導体基板３０ が設けられ、この基板上に、多層磁気メモリ材料セル３１から３３が形成される 。セル３１は、第５図および第６図に示されるセル２０と同じ構造を有し、層３ ４から３６の両端部において、楕円形状を有する。セル３２，３３も、セル３１ と同じ構造を有する。ワード線３７から３９は、誘電層４０から４２の上に形成 され、誘電層はそれぞれセル３１から３３の上に堆積される。読み出し線４３は 、基板３０の上に形成され、セル３１と３２の間およびセル３１と３３の間のそ れぞれにおいて、オーム接触により電気的に結合される。セル３１から３３と読 み出し線４３は、直列に配列され、これにセンス電流が通されて、セル内の状態 を検出する。書き込み動作の場合、実線の矢印で示されるワード電流４４が、ワ ード線３７内に供給され、破線の矢印で示されるセンス電流４５が、読み出し線 ４３内に供給されて、セル３１を選択する。ワード電流４４およびセンス電流４ ５によって生じる全体の磁界は、しきい値を超えており、セル３１の長さに沿っ て、セル３１に加えられ、こ れにより、層３４，３６内の磁気ベクトルは、セル３１の長さに沿って整合され る。 読み出し動作の場合、ワード電流４４およびセンス電流４５は、ワード線３７ および読み出し線４３内にそれぞれ供給される。センス電流４５の値は、セル３ １に含まれる磁気ベクトルの方向によって影響を受ける。電流値の変化は、外部 の検出回路（図示せず）によって検出され、セル３１内の状態を判断する。 本発明の具体的実施例を示して説明してきたが、当業者は、さらなる変形およ び改良を考えつこう。そのため、本発明は、ここに示される特定の形状には限定 されないことを理解されたい。また、添付請求の範囲は、本発明の意図および範 囲を逸脱しないすべての変形を包含することを意図するものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．磁気記憶セル内において、ある幅を有する磁気材料層であって、前記層の 前記幅よりも長い長さを有する磁気材料層であって、前記磁気記憶セルは： 不連続部分において、高い磁界と磁極の形成を阻止する滑らかな曲線を描く両 端部；および、 前記層の前記幅は、前記磁気材料層内の磁壁の幅より小さく、前記磁気ベクト ルは前記幅に沿った方向を指すことができない前記幅； によって構成され、 前記層内の磁気ベクトルが、前記磁気材料層の前記長さに沿った方向を指すこ とを特徴とする記憶セル。 ２．磁気記憶セル内において、前記層の前記長さは、前記磁気材料層の前記幅 の少なくとも２倍であることを特徴とする、請求項１記載の磁気材料層。 ３．磁気記憶セル内において、前記磁気材料層の前記両端部が楕円形であるこ とを特徴とする、請求項１記載の磁気材料層。 ４．多層磁気記憶セルであって： 滑らかな曲線を描く両端部を有する磁気材料の第１層； 前記第１磁気材料層の上に配置される非磁気材料層； 前記非磁気材料層の上に配置されて、磁気記憶セルを形成する、滑らかな曲線 を描く両端部を有する第２磁気材料層； によって構成され、 前記磁気記憶セルは、ある幅とある長さを有し、前記幅は、前記磁気材料層内 の磁壁の幅より小さく、前記磁気材料層内の長い磁気ベクトルを、前記磁気材料 層の前記長さに実質的に沿った方向を指すように制限する磁気記憶セルであって ； 前記層内の磁気ベクトルが、前記磁気材料層の前記長さに沿った方向を指すこ とを特徴とする記憶セル。 ５．前記第１層および第２層の前記幅が、磁壁の幅より小さいことを特徴とす る、請求項６記載の多層磁気記憶セル。 ６．前記第１層および第２層の前記長さが、磁気材料の前記第１層および前記 第２層の幅の少なくとも２倍であることを特徴する、請求項６記載の多層磁気記 憶セル。 ７．磁気材料の前記第１層と第２層の両端部が楕円形であることを特徴とする 、請求項６記載の多層磁気記憶セル。