JP2002056665A - 磁気的に安定な磁気抵抗メモリ素子 - Google Patents
磁気的に安定な磁気抵抗メモリ素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】磁気メモリセルのセルの状態を磁気的に安定に
する手段を提供する。 【解決手段】磁気抵抗メモリセル(100)は、第１(110)及
び第２(130)の導電性磁気層を備える。第１及び第２の
層の一方は実質的に「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなして
いる。第１の層と第２の層の間に分離層(120)が配置さ
れる。種々の実施態様において、分離層は、導電性かま
たは非導電性である。種々の実施態様において、第１の
層及び第２の層の少なくとも一方が、ニッケル-鉄(NiFe)、コ
ハ゛ルト-鉄(CoFe)、またはニッケル-鉄-コハ゛ルト(NiFeCo)合金のう
ちの１つからなる。１実施態様では、メモリセル装置
は、導電性の磁気基準層及びデータ層を有する。データ
層(400)の形状は実質的に「Ｈ」または「Ｉ」形状であ
る。基準層とデータ層の間に分離層が配置される。セル
は、トンネル磁気抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとす
ることができる。
する手段を提供する。 【解決手段】磁気抵抗メモリセル(100)は、第１(110)及
び第２(130)の導電性磁気層を備える。第１及び第２の
層の一方は実質的に「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなして
いる。第１の層と第２の層の間に分離層(120)が配置さ
れる。種々の実施態様において、分離層は、導電性かま
たは非導電性である。種々の実施態様において、第１の
層及び第２の層の少なくとも一方が、ニッケル-鉄(NiFe)、コ
ハ゛ルト-鉄(CoFe)、またはニッケル-鉄-コハ゛ルト(NiFeCo)合金のう
ちの１つからなる。１実施態様では、メモリセル装置
は、導電性の磁気基準層及びデータ層を有する。データ
層(400)の形状は実質的に「Ｈ」または「Ｉ」形状であ
る。基準層とデータ層の間に分離層が配置される。セル
は、トンネル磁気抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとす
ることができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、不揮発性メモリの
分野に関する。特に、本発明は磁気メモリセルに関す
る。
分野に関する。特に、本発明は磁気メモリセルに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】不揮発性メモリのタイプの１つは、巨大
磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と呼ばれる磁気抵抗効果を利用
する。ＧＭＲをベースとした磁気メモリセルは、導電性
磁性体層によって挟持された非磁性体層からなる多層構
造をなしている。セルの磁性状態は、１つの磁性体層に
おける磁気ベクトルの他の磁性体層における磁気ベクト
ルに対する相対的配向（例えば、平行または逆平行）に
よって決まる。セルの抵抗は、磁気ベクトルの相対的配
向によって異なる。従って、セルに電圧を印加して、得
られるセンス電流を測定することによってセルの状態を
決定することができる。
磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と呼ばれる磁気抵抗効果を利用
する。ＧＭＲをベースとした磁気メモリセルは、導電性
磁性体層によって挟持された非磁性体層からなる多層構
造をなしている。セルの磁性状態は、１つの磁性体層に
おける磁気ベクトルの他の磁性体層における磁気ベクト
ルに対する相対的配向（例えば、平行または逆平行）に
よって決まる。セルの抵抗は、磁気ベクトルの相対的配
向によって異なる。従って、セルに電圧を印加して、得
られるセンス電流を測定することによってセルの状態を
決定することができる。
【０００３】磁気材料の層は、通常、正方形や長方形な
どの幾何学的にパターン成形された膜として形成され
る。パターン成形された磁性体層記憶構造の１つの欠点
として、多数の磁気ドメイン（磁区）が磁性体層内に形
成され、読出し動作中のセルの状態が不確定になる場合
があるということが挙げられる。セルの磁気ドメイン構
成が変化すると、セルの切り換え磁界（即ち、保磁力）
も変動する場合がある。
どの幾何学的にパターン成形された膜として形成され
る。パターン成形された磁性体層記憶構造の１つの欠点
として、多数の磁気ドメイン（磁区）が磁性体層内に形
成され、読出し動作中のセルの状態が不確定になる場合
があるということが挙げられる。セルの磁気ドメイン構
成が変化すると、セルの切り換え磁界（即ち、保磁力）
も変動する場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】磁気ドメインによって
導入されるあいまいさ（不確定性）を低減するために、
ある層の１つの寸法（例えば、長さ）をその層の他の寸
法（例えば、幅）に対して増加させてドメイン状態の数
を少なくすることにより、形状異方性を導入することが
よく行われる。しかし、長方形の形状を採用すること
は、正方形の形状を採用することに対して、メモリ密度
が大幅に減少するという欠点を有する。
導入されるあいまいさ（不確定性）を低減するために、
ある層の１つの寸法（例えば、長さ）をその層の他の寸
法（例えば、幅）に対して増加させてドメイン状態の数
を少なくすることにより、形状異方性を導入することが
よく行われる。しかし、長方形の形状を採用すること
は、正方形の形状を採用することに対して、メモリ密度
が大幅に減少するという欠点を有する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】既知のシステムおよび方
法の問題点に鑑み、本発明の磁気抵抗メモリセルの一実
施形態は、第１および第２の導電性磁性体層を有する。
第１および第２の層の一方は、ほぼ「Ｈ」または「Ｉ」
の形状をしている。分離層が、第１の層と第２の層との
間に配置されている。種々の実施形態において、分離層
は導電性または非導電性である。種々の実施形態におい
て、第１および第２の層の少なくとも一方は、ニッケル
−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）合
金、またはニッケル−鉄−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）合
金のうちの１つからなる。
法の問題点に鑑み、本発明の磁気抵抗メモリセルの一実
施形態は、第１および第２の導電性磁性体層を有する。
第１および第２の層の一方は、ほぼ「Ｈ」または「Ｉ」
の形状をしている。分離層が、第１の層と第２の層との
間に配置されている。種々の実施形態において、分離層
は導電性または非導電性である。種々の実施形態におい
て、第１および第２の層の少なくとも一方は、ニッケル
−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）合
金、またはニッケル−鉄−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）合
金のうちの１つからなる。
【０００６】一実施形態では、メモリセル装置は、導電
性磁気基準層およびデータ層を有する。データ層は、実
質的に「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなしている。「Ｈ」
または「Ｉ」の形状をなす幾何学的構成より、安定化単
軸形状の異方性がメモリセルのデータ層に与えられる。
分離層は、基準層とデータ層との間に配置される。セル
は、トンネル磁気抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとす
ることができる。分離層は、ある実施形態では非導電性
であり、他の実施形態では導電性である。種々の実施形
態において、基準層およびデータ層の一方は、ニッケル
−鉄合金、コバルト−鉄合金またはニッケル−鉄−コバ
ルト合金の１つを含む。
性磁気基準層およびデータ層を有する。データ層は、実
質的に「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなしている。「Ｈ」
または「Ｉ」の形状をなす幾何学的構成より、安定化単
軸形状の異方性がメモリセルのデータ層に与えられる。
分離層は、基準層とデータ層との間に配置される。セル
は、トンネル磁気抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとす
ることができる。分離層は、ある実施形態では非導電性
であり、他の実施形態では導電性である。種々の実施形
態において、基準層およびデータ層の一方は、ニッケル
−鉄合金、コバルト−鉄合金またはニッケル−鉄−コバ
ルト合金の１つを含む。
【０００７】本発明の他の特徴および利点は、添付図面
および以下の詳細な説明から明らかになろう。
および以下の詳細な説明から明らかになろう。
【０００８】本発明を実施例により説明するが、本発明
は図面に示す構成に限定されるものではない。図面にお
いて、同じ参照符号は同じ要素を示している。
は図面に示す構成に限定されるものではない。図面にお
いて、同じ参照符号は同じ要素を示している。
【０００９】
【発明の実施例】巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果は、交互
に形成された磁性体層における磁気ベクトルの相対的な
配向が印加電界の関数として変化するときに、多層強磁
性／非磁性体構造において認められる抵抗の変化によっ
て生じる。構造の抵抗は、隣接する磁性体層における磁
気ベクトル間の角度の関数である。配向が同じ磁気ベク
トルは、「平行である」と呼ばれる。配向が逆の磁気ベ
クトルは、「逆平行である」と呼ばれる。
に形成された磁性体層における磁気ベクトルの相対的な
配向が印加電界の関数として変化するときに、多層強磁
性／非磁性体構造において認められる抵抗の変化によっ
て生じる。構造の抵抗は、隣接する磁性体層における磁
気ベクトル間の角度の関数である。配向が同じ磁気ベク
トルは、「平行である」と呼ばれる。配向が逆の磁気ベ
クトルは、「逆平行である」と呼ばれる。
【００１０】従って、多層強磁性／非磁性構造の電気抵
抗率は、異なる磁性体層の磁気ベクトルの相対的配向に
依存する。一般に、磁気ベクトルが平行に整列している
場合は、抵抗率が低い状態である。磁性体層のベクトル
が逆平行の場合に、多層構造の抵抗率は最大となる。磁
気ベクトルの相対的配向がこれら以外の場合には、中間
の抵抗率が観察される。
抗率は、異なる磁性体層の磁気ベクトルの相対的配向に
依存する。一般に、磁気ベクトルが平行に整列している
場合は、抵抗率が低い状態である。磁性体層のベクトル
が逆平行の場合に、多層構造の抵抗率は最大となる。磁
気ベクトルの相対的配向がこれら以外の場合には、中間
の抵抗率が観察される。
【００１１】図１に、２つの磁性膜層（または磁性体
層）１１０と１３０の間に挟持された非磁性分離層１２
０を有する磁気メモリセル１００の一実施形態を示す。
磁性体層はそれぞれ、磁気ベクトル１１２と１３２を有
する。図示の磁気ベクトル１１２および１３２は逆平行
である。磁気ベクトルが同じ配向を有するとき、それら
は平行であると呼ばれる。磁性体層１１０および１３０
は導電性金属層である。典型的には、磁性体層１１０お
よび１３０は、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバル
ト−鉄（ＣｏＦｅ）合金、またはニッケル−鉄−コバル
ト（ＮｉＦｅＣｏ）合金からなる。層１１０と１３０の
間の抵抗は、磁気ベクトル１１２と１３２が平行である
ときはＲ１である。磁気ベクトル１１２と１３２が逆平
行のときは、抵抗はｄＲ１だけ増加する。一般に、磁性
体層１１０と１３０の保磁力は異なる。
層）１１０と１３０の間に挟持された非磁性分離層１２
０を有する磁気メモリセル１００の一実施形態を示す。
磁性体層はそれぞれ、磁気ベクトル１１２と１３２を有
する。図示の磁気ベクトル１１２および１３２は逆平行
である。磁気ベクトルが同じ配向を有するとき、それら
は平行であると呼ばれる。磁性体層１１０および１３０
は導電性金属層である。典型的には、磁性体層１１０お
よび１３０は、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバル
ト−鉄（ＣｏＦｅ）合金、またはニッケル−鉄−コバル
ト（ＮｉＦｅＣｏ）合金からなる。層１１０と１３０の
間の抵抗は、磁気ベクトル１１２と１３２が平行である
ときはＲ１である。磁気ベクトル１１２と１３２が逆平
行のときは、抵抗はｄＲ１だけ増加する。一般に、磁性
体層１１０と１３０の保磁力は異なる。
【００１２】磁気メモリセルの１つのタイプでは、分離
層１２０は、導電性金属層である。このようなセルは
「ＧＭＲ」セルと呼ばれ、分離層を介する金属性導電
が、２つの磁性体層の間の電流の流れに対する主要な搬
送メカニズムである。分離層１２０が誘電体または非導
電性のバリアであるとき、そのバリアが十分に薄けれ
ば、電流は、磁性体層１１０と１３０の間の機械的量子
トンネル効果によって流れることができる。このような
セルは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）セルと呼ばれる。
層１２０は、導電性金属層である。このようなセルは
「ＧＭＲ」セルと呼ばれ、分離層を介する金属性導電
が、２つの磁性体層の間の電流の流れに対する主要な搬
送メカニズムである。分離層１２０が誘電体または非導
電性のバリアであるとき、そのバリアが十分に薄けれ
ば、電流は、磁性体層１１０と１３０の間の機械的量子
トンネル効果によって流れることができる。このような
セルは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）セルと呼ばれる。
【００１３】磁気抵抗メモリセルは、層の１つにおける
磁気ベクトルを「固定」して、それが変化しないように
構成することができる。このようなセルは、スピンバル
ブセルと呼ばれる。層１３０を固定した場合は、層１１
０がデータ層またはセンス層と呼ばれ、層１３０が基準
層と呼ばれる。セルの状態は、データ層と基準層との間
の磁気ベクトルの相対的配向によって決まる。基準層が
固定磁気ベクトル１３２を有する場合、セル１００は、
単一ビットの情報に対応する２つ状態を表すことが可能
である。
磁気ベクトルを「固定」して、それが変化しないように
構成することができる。このようなセルは、スピンバル
ブセルと呼ばれる。層１３０を固定した場合は、層１１
０がデータ層またはセンス層と呼ばれ、層１３０が基準
層と呼ばれる。セルの状態は、データ層と基準層との間
の磁気ベクトルの相対的配向によって決まる。基準層が
固定磁気ベクトル１３２を有する場合、セル１００は、
単一ビットの情報に対応する２つ状態を表すことが可能
である。
【００１４】磁気セル構造はまた、スタックと呼ばれ、
基準層、分離層、およびデータ層に加えて、他の層を含
むことができる。具体的には、基準層およびデータ層の
各々を、セルの状態を容易に検知するために導電体（図
示せず）に結合することができる。層の数またはタイプ
に関係なく、用語「ＧＭＲ」を、基準層とデータ層の間
の主要な電流搬送メカニズムとして金属性導電を有する
磁気抵抗セルを指すために用いる。同様に、用語「ＴＭ
Ｒ」を、層の数またはタイプに関係なく、基準層とデー
タ層の間の主要な電流搬送メカニズムとして機械的量子
トンネル効果を有する磁気抵抗セルを指すために用い
る。
基準層、分離層、およびデータ層に加えて、他の層を含
むことができる。具体的には、基準層およびデータ層の
各々を、セルの状態を容易に検知するために導電体（図
示せず）に結合することができる。層の数またはタイプ
に関係なく、用語「ＧＭＲ」を、基準層とデータ層の間
の主要な電流搬送メカニズムとして金属性導電を有する
磁気抵抗セルを指すために用いる。同様に、用語「ＴＭ
Ｒ」を、層の数またはタイプに関係なく、基準層とデー
タ層の間の主要な電流搬送メカニズムとして機械的量子
トンネル効果を有する磁気抵抗セルを指すために用い
る。
【００１５】パターン形成された磁性体層は、層を消磁
する傾向がある静磁界を生成する。一般に、この消磁界
は、パターン成形膜の縁部では、その縁部に垂直な磁化
を維持する任意の異方性によるものよりも大きい。この
結果、静磁界は、縁部付近のパターン成形膜の磁気ベク
トルを回転させる傾向がある。縁部付近の磁化の回転に
より、磁性膜内にドメイン壁が形成されて、磁気ベクト
ルの多数のドメインが生成される。この場合、ドメイン
の磁気ベクトルは全く整列していない。磁気メモリ素子
を読み取る場合、多数のドメインにより、セルの抵抗を
変化させるノイズまたは領域が生じ、書き込まれたセル
の状態の決定が困難または不可能になる傾向がある。さ
らに、ドメイン状態の変化により、切り換え磁界に変動
が生じて、書き込みプロセスを予測できなくなる場合が
ある。
する傾向がある静磁界を生成する。一般に、この消磁界
は、パターン成形膜の縁部では、その縁部に垂直な磁化
を維持する任意の異方性によるものよりも大きい。この
結果、静磁界は、縁部付近のパターン成形膜の磁気ベク
トルを回転させる傾向がある。縁部付近の磁化の回転に
より、磁性膜内にドメイン壁が形成されて、磁気ベクト
ルの多数のドメインが生成される。この場合、ドメイン
の磁気ベクトルは全く整列していない。磁気メモリ素子
を読み取る場合、多数のドメインにより、セルの抵抗を
変化させるノイズまたは領域が生じ、書き込まれたセル
の状態の決定が困難または不可能になる傾向がある。さ
らに、ドメイン状態の変化により、切り換え磁界に変動
が生じて、書き込みプロセスを予測できなくなる場合が
ある。
【００１６】図２に、長方形形状にパターン形成された
磁気等方性薄膜における磁気ドメインパターンを示す。
メモリアプリケーションにおいて、理想的には、薄膜は
単一の磁気ベクトルを有していなければならない。しか
し、図示のように、磁気ベクトル配向が異なるドメイン
が形成される傾向がある。この例では、それぞれが異な
る磁気ベクトルを有する４つのドメイン（２１０、２２
０、２３０および２４０）が生じる。データ層における
このような磁化状態は、メモリセルでは機能しない。な
ぜなら、好ましい磁化方向がないからである。
磁気等方性薄膜における磁気ドメインパターンを示す。
メモリアプリケーションにおいて、理想的には、薄膜は
単一の磁気ベクトルを有していなければならない。しか
し、図示のように、磁気ベクトル配向が異なるドメイン
が形成される傾向がある。この例では、それぞれが異な
る磁気ベクトルを有する４つのドメイン（２１０、２２
０、２３０および２４０）が生じる。データ層における
このような磁化状態は、メモリセルでは機能しない。な
ぜなら、好ましい磁化方向がないからである。
【００１７】一般に、磁気異方性は、磁性体内の好まし
い磁化方向の表示に関連する。異方性を導入することに
より、消磁界の効果を大幅に改善することができる。例
えば、組成または形状を変化させることにより、観察さ
れる磁気異方性に影響を与えることができる。磁気結晶
異方性は、磁界中で試料を磁化する能力の方向依存性に
対する材料組成および結晶の配向の影響に関連する。不
揮発性磁気メモリのアプリケーションで使用するために
一般に選択される膜は、単軸磁気結晶異方性を呈する。
その材料は、特定の軸に沿って容易に磁化される。この
軸は、一般に、膜の「磁化容易軸」と呼ばれる。
い磁化方向の表示に関連する。異方性を導入することに
より、消磁界の効果を大幅に改善することができる。例
えば、組成または形状を変化させることにより、観察さ
れる磁気異方性に影響を与えることができる。磁気結晶
異方性は、磁界中で試料を磁化する能力の方向依存性に
対する材料組成および結晶の配向の影響に関連する。不
揮発性磁気メモリのアプリケーションで使用するために
一般に選択される膜は、単軸磁気結晶異方性を呈する。
その材料は、特定の軸に沿って容易に磁化される。この
軸は、一般に、膜の「磁化容易軸」と呼ばれる。
【００１８】図３に、ｙ方向（即ち、ｙ軸は磁化容易軸
である）における単軸異方性を有するパターン形成され
た長方形セルにおけるドメインを示す。このドメイン構
成は図２のものよりも改善されているが、水平に配向さ
れた縁部ドメイン３０２、３０６および３５２、３５６
の磁気ベクトルは、４つの可能な配向のそれぞれを同様
の確率で取りうる。このドメイン構成では、値をセルに
書き込む際のドメイン状態を保証することができない。
さらに、この構成では、メモリセルの内容を読み出そう
とするときのノイズレベル、および、書込みに必要な磁
界の不確定性が増すことになる。
である）における単軸異方性を有するパターン形成され
た長方形セルにおけるドメインを示す。このドメイン構
成は図２のものよりも改善されているが、水平に配向さ
れた縁部ドメイン３０２、３０６および３５２、３５６
の磁気ベクトルは、４つの可能な配向のそれぞれを同様
の確率で取りうる。このドメイン構成では、値をセルに
書き込む際のドメイン状態を保証することができない。
さらに、この構成では、メモリセルの内容を読み出そう
とするときのノイズレベル、および、書込みに必要な磁
界の不確定性が増すことになる。
【００１９】図４に、磁性膜に単軸の形状異方性を加え
る「Ｈ」または「Ｉ」形状の膜構成を示す。形状異方性
は、印加磁界中で別の磁気等方性試料を磁化する能力の
方向依存性に形状が与える影響を表す。一般に、最も短
い寸法に沿った膜の磁化はより困難である。なぜなら、
消磁界がその方向で最大になるからである。厚さＴおよ
び幅Ｗの長方形磁性素子の場合、形状異方性Ｈ
shapeは、Ｈshape＝４πＭSＴ／Ｗ（ＭSは、素子の飽和
磁化）として求められる。延伸部すなわちタブ（例え
ば、４０８、４１０、４１２、４１４）により、正方形
の形状がＨ形状の層に変更され、これにより、ドメイン
の大部分がＨ形状の構成要素４０２、４０４、４０６に
対応することになる。磁化は、形状異方性により、タブ
の長い寸法に平行になるように制約される。この形状異
方性は、磁気メモリセルに使用するものとして一般的に
想定される材料の場合、数百エルステッドのオーダーで
ある。本明細書では、用語「Ｈ」および「Ｉ」を、図４
に示す構造の形状を指すものとして区別することなく用
いることとする。
る「Ｈ」または「Ｉ」形状の膜構成を示す。形状異方性
は、印加磁界中で別の磁気等方性試料を磁化する能力の
方向依存性に形状が与える影響を表す。一般に、最も短
い寸法に沿った膜の磁化はより困難である。なぜなら、
消磁界がその方向で最大になるからである。厚さＴおよ
び幅Ｗの長方形磁性素子の場合、形状異方性Ｈ
shapeは、Ｈshape＝４πＭSＴ／Ｗ（ＭSは、素子の飽和
磁化）として求められる。延伸部すなわちタブ（例え
ば、４０８、４１０、４１２、４１４）により、正方形
の形状がＨ形状の層に変更され、これにより、ドメイン
の大部分がＨ形状の構成要素４０２、４０４、４０６に
対応することになる。磁化は、形状異方性により、タブ
の長い寸法に平行になるように制約される。この形状異
方性は、磁気メモリセルに使用するものとして一般的に
想定される材料の場合、数百エルステッドのオーダーで
ある。本明細書では、用語「Ｈ」および「Ｉ」を、図４
に示す構造の形状を指すものとして区別することなく用
いることとする。
【００２０】ドメイン４０２および４０６は縁部付近に
形成されるが、形状異方性を利用することによって、縁
部のドメイン４０２および４０６内のベクトルの配向に
関する予測精度を確保することが可能になる。従って、
形状異方性は、ｘ軸に沿って印加された初期化磁界と組
み合わされて、再現可能な状態でドメイン構造を生成す
る。図４は、ｘの正方向に磁界を印加した後の磁化の向
きを示している。詳しくは、Ｈ形状の構成により、ドメ
イン状態の数が減少し、これにより、潜在する読み書き
の不確定さが除去される傾向がある。
形成されるが、形状異方性を利用することによって、縁
部のドメイン４０２および４０６内のベクトルの配向に
関する予測精度を確保することが可能になる。従って、
形状異方性は、ｘ軸に沿って印加された初期化磁界と組
み合わされて、再現可能な状態でドメイン構造を生成す
る。図４は、ｘの正方向に磁界を印加した後の磁化の向
きを示している。詳しくは、Ｈ形状の構成により、ドメ
イン状態の数が減少し、これにより、潜在する読み書き
の不確定さが除去される傾向がある。
【００２１】データ層４００を有するセルへの書込み
は、ドメイン４０４内のベクトルの配向のみを主に変化
させる。一旦設定されると、縁部の領域４０２および４
０６の磁化の配向は、タブの大きな形状異方性によって
固定される。従って、図３および図４の層形状では共に
ドメインは３つになるが、図４の形状では、同じ記憶値
を実現するために取りうる状態はより少ないものになる
傾向がある。これにより、セルを読み書きする際の不確
定さが減少する。
は、ドメイン４０４内のベクトルの配向のみを主に変化
させる。一旦設定されると、縁部の領域４０２および４
０６の磁化の配向は、タブの大きな形状異方性によって
固定される。従って、図３および図４の層形状では共に
ドメインは３つになるが、図４の形状では、同じ記憶値
を実現するために取りうる状態はより少ないものになる
傾向がある。これにより、セルを読み書きする際の不確
定さが減少する。
【００２２】図５に、アレイ５００を形成する複数のメ
モリセルのＨ形状のセンス層５１０、５２０、５３０お
よび５４０を示す。Ｈ形状のセンス層の場合、セルを、
ｘおよびｙの両方向において単一の最小ライン幅だけ間
隔をおいて近接して配置することができるが、この場合
でも各メモリセルにおいて予測可能な磁化状態を維持す
ることができる。従って、最小ピッチが２λの場合は、
λだけ間隔を置いてセルを配置することができる。セル
の各辺の大きさは２λ（セル間の空間を含む）であり、
その面積は４λ2になる。
モリセルのＨ形状のセンス層５１０、５２０、５３０お
よび５４０を示す。Ｈ形状のセンス層の場合、セルを、
ｘおよびｙの両方向において単一の最小ライン幅だけ間
隔をおいて近接して配置することができるが、この場合
でも各メモリセルにおいて予測可能な磁化状態を維持す
ることができる。従って、最小ピッチが２λの場合は、
λだけ間隔を置いてセルを配置することができる。セル
の各辺の大きさは２λ（セル間の空間を含む）であり、
その面積は４λ2になる。
【００２３】一実施形態では、タブの高さ（Δ）はλの
１０％〜２５％である。一般的に、エッチングプロセス
は、フォトリソグラフィにより画定された構造を修正し
て、フォトリソグラフィによる最小の解像度λより小さ
い寸法を生成することが可能である。従って、２λは、
ラインピッチ（即ち、ラインの寸法と空間の寸法の合
計）のフォトリソグラフィによる限界値を表している
が、リアクティブイオンエッチングなどのエッチングプ
ロセスを使用して、ライン幅を２Δだけ小さくし、同時
にライン間の空間を２Δだけ増加させることができる。
このようなリアクティブイオンエッチングプロセスを、
当業者に知られている従来の他の処理技術と組み合わせ
て使用することにより、図５に示すように、幅Δのタブ
領域を形成することができる。
１０％〜２５％である。一般的に、エッチングプロセス
は、フォトリソグラフィにより画定された構造を修正し
て、フォトリソグラフィによる最小の解像度λより小さ
い寸法を生成することが可能である。従って、２λは、
ラインピッチ（即ち、ラインの寸法と空間の寸法の合
計）のフォトリソグラフィによる限界値を表している
が、リアクティブイオンエッチングなどのエッチングプ
ロセスを使用して、ライン幅を２Δだけ小さくし、同時
にライン間の空間を２Δだけ増加させることができる。
このようなリアクティブイオンエッチングプロセスを、
当業者に知られている従来の他の処理技術と組み合わせ
て使用することにより、図５に示すように、幅Δのタブ
領域を形成することができる。
【００２４】Ｈ形状を使用して形状異方性を導入するこ
とにより、書込みに必要な磁界の範囲も減少する。図３
に示すように、例えば、書込みは、２つの軸３２０に沿
って磁界を加えることによって行なわれる。セルの上方
または下方に配置された直交導電体に電流を流すことに
より、これらの磁界を生成することができる。ドメイン
３５２および３５６における磁気ベクトルの配向は、セ
ル３５０に対する磁界Ｈｘの配向と同じである。しか
し、セル３００のドメイン３０６における磁気ベクトル
の配向は、磁界Ｈｘの配向とは逆である。従って、セル
３００および３５０は、Ｈｙの異なる値で切り換わり、
このことは、現在の状態には関係なく、所与の状態に書
き込むためにより広い範囲の電流が必要であることを示
唆している。これとは対照的に、縁部のドメインにおけ
る磁気ベクトルの配向は、アレイ５００のすべてのセル
に対してほぼ同じである。従って、Ｈ形状のデータ層を
有するセルをプログラムするために必要な書き込み電流
は、より狭い範囲のものでよい。
とにより、書込みに必要な磁界の範囲も減少する。図３
に示すように、例えば、書込みは、２つの軸３２０に沿
って磁界を加えることによって行なわれる。セルの上方
または下方に配置された直交導電体に電流を流すことに
より、これらの磁界を生成することができる。ドメイン
３５２および３５６における磁気ベクトルの配向は、セ
ル３５０に対する磁界Ｈｘの配向と同じである。しか
し、セル３００のドメイン３０６における磁気ベクトル
の配向は、磁界Ｈｘの配向とは逆である。従って、セル
３００および３５０は、Ｈｙの異なる値で切り換わり、
このことは、現在の状態には関係なく、所与の状態に書
き込むためにより広い範囲の電流が必要であることを示
唆している。これとは対照的に、縁部のドメインにおけ
る磁気ベクトルの配向は、アレイ５００のすべてのセル
に対してほぼ同じである。従って、Ｈ形状のデータ層を
有するセルをプログラムするために必要な書き込み電流
は、より狭い範囲のものでよい。
【００２５】上記の詳細な説明は、本発明の特定の典型
的な実施形態に関して行ったものであるが、特許請求の
範囲に記載した本発明のさらに広い思想および範囲から
逸脱することなく種々の修正及び変更をそれらに施すこ
とが可能である。従って、明細書および図面は、本発明
を限定するためではなく例示するためのものとして記載
されたものである。
的な実施形態に関して行ったものであるが、特許請求の
範囲に記載した本発明のさらに広い思想および範囲から
逸脱することなく種々の修正及び変更をそれらに施すこ
とが可能である。従って、明細書および図面は、本発明
を限定するためではなく例示するためのものとして記載
されたものである。
【００２６】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．第１および第２の磁性体層であって、それらの少な
くとも一方が実質的に「Ｈ」形状である、第１および第
２の磁性体層と、前記第１の磁性体層と前記第２の磁性
体層との間に配置された分離層の対からなる、メモリセ
ル装置。 ２．基準層としての第１の磁性体層と、実質的に「Ｈ」
形状であるデータ層としての第２の磁性体層と、前記基
準層と前記データ層との間に配置された分離層からな
る、メモリセル装置。 ３．前記分離層は導電性である、上項１または２の装
置。 ４．前記分離層は非導電性である、上項１または２の装
置。 ５．前記装置は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）メモリセルを
構成する、上項１または２の装置。 ６．前記装置は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）セルを構
成する、上項１または２の装置。 ７．前記第１および第２の磁性体層は、異なる保磁力を
有する、上項１または２の装置。 ８．前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層の一方
（の磁気ベクトル）が固定される、上項１または２の装
置。 ９．前記第１および第２の磁性体層の少なくとも一方
が、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト−鉄（Ｃ
ｏＦｅ）合金、またはニッケル−鉄−コバルト（ＮｉＦ
ｅＣｏ）合金のうちの１つを含む、上項１または２の装
置。 １０．複数の磁気抵抗メモリセルであって、各セルが
「Ｈ」形状のデータ層を有するところの複数の磁気抵抗
メモリセルからなるメモリ装置。
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．第１および第２の磁性体層であって、それらの少な
くとも一方が実質的に「Ｈ」形状である、第１および第
２の磁性体層と、前記第１の磁性体層と前記第２の磁性
体層との間に配置された分離層の対からなる、メモリセ
ル装置。 ２．基準層としての第１の磁性体層と、実質的に「Ｈ」
形状であるデータ層としての第２の磁性体層と、前記基
準層と前記データ層との間に配置された分離層からな
る、メモリセル装置。 ３．前記分離層は導電性である、上項１または２の装
置。 ４．前記分離層は非導電性である、上項１または２の装
置。 ５．前記装置は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）メモリセルを
構成する、上項１または２の装置。 ６．前記装置は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）セルを構
成する、上項１または２の装置。 ７．前記第１および第２の磁性体層は、異なる保磁力を
有する、上項１または２の装置。 ８．前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層の一方
（の磁気ベクトル）が固定される、上項１または２の装
置。 ９．前記第１および第２の磁性体層の少なくとも一方
が、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト−鉄（Ｃ
ｏＦｅ）合金、またはニッケル−鉄−コバルト（ＮｉＦ
ｅＣｏ）合金のうちの１つを含む、上項１または２の装
置。 １０．複数の磁気抵抗メモリセルであって、各セルが
「Ｈ」形状のデータ層を有するところの複数の磁気抵抗
メモリセルからなるメモリ装置。
【００２７】本発明の概要は次の様である。磁気抵抗メ
モリセル(100)は、第１(110)及び第２(130)の導電性磁
気層を備える。第１及び第２の層の一方は実質的に
「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなしている。第１の層と第
２の層の間に分離層(120)が配置される。種々の実施態
様において、分離層は、導電性かまたは非導電性であ
る。種々の実施態様において、第１の層及び第２の層の
少なくとも一方が、ニッケル-鉄(NiFe)、コハ゛ルト-鉄(CoFe)、
またはニッケル-鉄-コハ゛ルト(NiFeCo)合金のうちの１つからな
る。１実施態様では、メモリセル装置は、導電性の磁気
基準層及びデータ層を有する。データ層(400)の形状は
実質的に「Ｈ」または「Ｉ」形状である。基準層とデー
タ層の間に分離層が配置される。セルは、トンネル磁気
抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとすることができる。
分離層は、１実施態様では非導電性であり、別の実施態
様では導電性である。種々の実施態様において、基準層
とデータ層の一方が、ニッケル-鉄、コハ゛ルト-鉄、またはニッケル-
鉄-コハ゛ルト合金の１つからなる。
モリセル(100)は、第１(110)及び第２(130)の導電性磁
気層を備える。第１及び第２の層の一方は実質的に
「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなしている。第１の層と第
２の層の間に分離層(120)が配置される。種々の実施態
様において、分離層は、導電性かまたは非導電性であ
る。種々の実施態様において、第１の層及び第２の層の
少なくとも一方が、ニッケル-鉄(NiFe)、コハ゛ルト-鉄(CoFe)、
またはニッケル-鉄-コハ゛ルト(NiFeCo)合金のうちの１つからな
る。１実施態様では、メモリセル装置は、導電性の磁気
基準層及びデータ層を有する。データ層(400)の形状は
実質的に「Ｈ」または「Ｉ」形状である。基準層とデー
タ層の間に分離層が配置される。セルは、トンネル磁気
抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとすることができる。
分離層は、１実施態様では非導電性であり、別の実施態
様では導電性である。種々の実施態様において、基準層
とデータ層の一方が、ニッケル-鉄、コハ゛ルト-鉄、またはニッケル-
鉄-コハ゛ルト合金の１つからなる。
【００２８】
【発明の効果】本発明によれば、ドメイン状態の数を少
なくすることにより、メモリ密度を大幅に低下させるこ
となく、磁気ドメインによって導入されるメモリセルへ
の読み出し及び書き込みの際の不確実性を低減すること
ができる。
なくすることにより、メモリ密度を大幅に低下させるこ
となく、磁気ドメインによって導入されるメモリセルへ
の読み出し及び書き込みの際の不確実性を低減すること
ができる。
【図１】スピン依存型磁気抵抗メモリセルの１実施形態
を示す。
を示す。
【図２】等方性磁性膜における磁気ドメインのパターン
を示す。
を示す。
【図３】ｙ軸の単軸異方性を有する磁性膜における磁気
ドメインのパターンを示す。
ドメインのパターンを示す。
【図４】ｙ軸の単軸異方性を有するＨ形状の磁性膜にお
ける磁気ドメインのパターンを示す。
ける磁気ドメインのパターンを示す。
【図５】アレイをなす複数のメモリセルのＨ形状センス
層を示す。
層を示す。
１００ 磁気メモリセル １１０、１３０ 磁性膜層 １１２、１３２ 磁気ベクトル １２０ 分離層 ４００ データ層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｈ０１Ｌ 43/08 Ｈ０１Ｌ 27/10 ４４７ Ｆターム(参考） 5E049 AA01 AA04 AA07 AC05 BA06 CB02 DB12 5F083 FZ10 GA09 GA11
Claims (1)
- 【請求項１】第１および第２の磁性体層であって、それ
らの少なくとも一方が実質的に「Ｈ」形状である、第１
および第２の磁性体層と、 前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層との間に配置
された分離層の対からなる、メモリセル装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/597,958 US6205053B1 (en) | 2000-06-20 | 2000-06-20 | Magnetically stable magnetoresistive memory element |
| US09/597958 | 2000-06-20 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002056665A true JP2002056665A (ja) | 2002-02-22 |
| JP4708602B2 JP4708602B2 (ja) | 2011-06-22 |
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ID=24393659
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001157177A Expired - Lifetime JP4708602B2 (ja) | 2000-06-20 | 2001-05-25 | 磁気的に安定な磁気抵抗メモリ素子 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6205053B1 (ja) |
| EP (1) | EP1168354A1 (ja) |
| JP (1) | JP4708602B2 (ja) |
| KR (1) | KR20020000119A (ja) |
| CN (1) | CN1150557C (ja) |
| TW (1) | TW512335B (ja) |
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