JP2003503835A

JP2003503835A - 低スイッチング磁界で動作するｍｒａｍセル

Info

Publication number: JP2003503835A
Application number: JP2001506554A
Authority: JP
Inventors: ユージーン・チェン; サイード・エヌ・テラーニ
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-06-25
Filing date: 1999-06-25
Publication date: 2003-01-28
Also published as: EP1108257B1; DE69935148D1; DE69935148T2; EP1108257A1

Abstract

(57)【要約】重なり合うような関係を有して平行に積み重ねられ、多層磁気メモリ・セルの一部を形成するように非磁気材料の層（１２）によって分離された磁気材料の２つの層（２３，２４）を含む低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セルである。磁気材料の２つの層の幅が長さよりも短く、かつ、磁気材料の２つの層内にある磁壁の幅よりも狭く、長さに沿って形状異方性容易軸が設定される。少なくとも磁気材料の２つの層の一方が、磁気材料の２つの層の幅に対してほぼ平行である磁気異方性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、磁気メモリ・セルに関し、さらに詳しくは、状態を検出するための
巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）比を利用する磁気メモリ・セルに関する。

【０００２】

【発明の背景】

過去において、多種多様の磁気材料および構造が、不揮発性メモリ・エレメン
ト、ディスク・ドライブの読み／書き用ヘッド、およびその他の磁気型装置のた
めの磁気抵抗材料を形成するために使用された。ある従来の磁気抵抗材料に使用
される磁気抵抗要素は、導体層によって分離された２つの磁気層を有する。２つ
の磁気層の磁化ベクトルは、典型的には、磁界が無ければ互いに反平行である。
１つの層の磁化ベクトルが一方向を指すと、他の層の磁化ベクトルは常に逆方向
を指す。かかる磁気材料の磁気特性は、典型的には、セルの幅に沿って磁化ベク
トルの方向を維持するために、１ミクロンよりも広い幅を要する。広い幅が必要
であることにより、かかる材料を使用するメモリの密度が制限される。

【０００３】他のタイプのメモリ・セルは、多層巨大磁気抵抗材料（ＧＭＲ）を用い、密度
を高めるために約１ミクロンの大きさで使用する。ここでも導体層は、磁気材料
の多層間に配置される。この構造において、磁化ベクトルは、磁気材料の幅では
なく長さに対して平行である。ある実施例において、１つの磁気層の磁化ベクト
ルは常に一方向に保たれ、その間に第２の磁気層の磁化ベクトルは、論理「０」
および「１」の状態の両方を表すために、第１のベクトルに対して平行および反
平行の間で切り替わる。この構造は、一般にスピン・バルブ構造(spin valve st
ructure)と呼ばれる。他の実施例では、両方の磁気材料層の磁化ベクトルが常に
同一方向に保たれ、反対のベクトル方向で論理「０」および「１」の状態を表す
。

【０００４】さらに、他のタイプのメモリ・セルが多層巨大磁気抵抗材料（ＧＭＲ）を用い
、密度を高めるために約１ミクロンの大きさで使用する。このタイプのセルでは
、非導電層が磁気材料の多層間に配置される。ここでも磁化ベクトルは、磁気材
料の幅ではなく長さに対して平行であるが、縦に導電されるというよりも、セン
ス電流が磁気材料の１つの層から他の層へと非導電層を通り抜ける。この構造は
、一般にトンネルＧＭＲセル(tunneling GMR cell)と呼ばれる。

【０００５】磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は、基本的にはＧＭＲセルとセ
ンス線とワード線とを含む不揮発性メモリである。ＭＲＡＭは、ＧＭＲのメモリ
状態を格納するために用いる。ＧＭＲ材料の１つまたは全ての層内の磁化ベクト
ルは、磁界がある閾値上のＧＭＲセルに与えられるときに、一方向から逆方向へ
と非常に素早く切り替わる。ＧＭＲセル内の磁化ベクトルの方向に従って、状態
が格納され、磁界が与えられなくてもＧＭＲセルがこれらの状態に維持される。
ＧＭＲセル内に格納された状態は、一方または両方の磁化ベクトルが切り替わる
時に、センス線内のセルをセンス電流が通過すること、および、抵抗間の相違（
ＧＭＲ比）を検出することによって読み出すことができる。問題点は、ほどんど
のＧＭＲセルにおいて、セルの状態の切換えに必要とされる磁界が比較的高いこ
とであり、これは比較的高い切り替え電流が必要とされること、および、かなり
の電力が消費されることを意味する。電流または磁界におけるこの増大によって
、特にＧＭＲセルの大きなアレイ内では、かなりの動作電力が増大することにな
る。

【０００６】したがって、スイッチング磁界の要件を満たし、かつ、実質的にＧＭＲ比また
は他の特性を変えることのない磁気ランダム・アクセス・メモリおよびメモリ・
セルの提供が強く望まれる。

【０００７】本発明の１つの目的は、低減されたスイッチング磁界を有する、新しい改善さ
れた磁気メモリ・セルを提供することである。

【０００８】本発明の他の目的は、読み出しおよび書き込み動作をより小さな電力消費で行
うことができる、新しい改善された磁気メモリを提供することである。

【０００９】

【発明の要旨】

上記および他の問題点は、少なくとも部分的には解決されており、上記および
他の目的は、重なり合うような関係を有して平行に積み重ねられ、、多層磁気メ
モリ・セルの一部を形成するように非磁気材料の層によって分離された磁気材料
の２つの層で含む多層磁気メモリ・セルにあると認識される。磁気材料の２つの
層は、幅が長さよりも短く、かつ、磁気材料の２つの層内にある磁壁の幅よりも
狭くなるように形成され、それらの長さに沿って形状異方性容易軸が設定される
。さらに、２つの層の少なくとも一方が、磁気材料の２つの層の幅に対してほぼ
平行である磁気異方性を有する。

【００１０】低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セルにおいて、セルは、一般に式K_D sin²θで表される形状異方性、および、一般に式 -K_msin²θで表される磁気異方
性で形成される。ここで、K_mは磁気異方性エネルギー密度、K_Dは減磁エネルギー
密度、θは形状異方性容易軸と磁化ベクトルとの間の角度である。磁気異方性容
易軸を形状異方性容易軸に対してほぼ直角に方向づけることによって、それらが
実質的に引き算されて、スイッチング磁界を低減する。

【００１１】

【好適な実施例の説明】

図１は、本発明に従って、低減されたスイッチング磁界を有する磁気材料の１
つの層５を単純化して拡大した斜視図である。層５は、一般に説明の便宜上長方
形に形造られ、幅Ｗに沿ってではなく長さＬに沿って、磁化ベクトル６によって
表される磁化の容易軸が形成される。すなわち、形状異方性容易軸は長さＬに沿
っているが、この特性は、幅Ｗを、長さＬよりも小さく、また、層５内の磁壁幅
または遷移幅よりも小さく形成することによって達成される。したがって、磁化
ベクトル６は、幅Ｗと平行になり得ない。典型的には、幅が１．０から１．２ミ
クロンより小さい場合は、かかる状態になる。幅Ｗは一般に１ミクロンよりも小
さく、製造技術によってできるだけ小さく造られ、長さＬは一般に幅Ｗよりも大
きく、一般的には５倍またはそれ以上である。

【００１２】磁化ベクトル６で示される層５の形状異方性は、一般に式K_Dsin²θによって表
され、ベクトルＭで示される磁気異方性は、一般に式 -K_msin²θによって表され
る。これらの式において、K_mは磁気異方性エネルギー密度であり、K_Dは減磁エネ
ルギー密度であり、θは形状異方性容易軸と磁化ベクトルとの間の角度である。
K_m とK_Dは一定であり、層５内で使用される材料のタイプにより決定されること
が知られている。さらに、図示の位置から１８０°回転した位置まで磁気ベクト
ル６をスイッチするために必要な磁界は、一般にK_Dsin²θ−K_msin²θで表される
エネルギー障壁に比例する。磁気異方性の容易軸を形状異方性の容易軸に対して
ほぼ直角にすることにより、磁気異方性を形状異方性から減じて、セルのスイッ
チング磁界が低減する。磁気異方性に対してほぼ直角に方向づけられた形状異方
性を有する層５を形成することにより、図示の位置から１８０°回転した位置ま
で磁気ベクトル６をスイッチするために必要なスイッチング磁界は、少なくとも
５から５０エルステッド低減する。

【００１３】層５の磁気異方性の方向は様々な方法で検出可能であるが、最も簡単な方法は
、形成中に層５に磁界を与える方法である。一般に層５は、現在半導体技術で一
般に行われている多くの蒸発技術のいくつかによって、堆積により支持層または
基盤上に形成される。すなわち、磁気材料のブランケット層（図示せず）が、選
択された方向に向けて与えられた磁界に直角に堆積されるが、それは本実施例で
は幅Ｗに平行である。標準的なパターニングおよびエッチング技術によって、磁
気層５が、磁気異方性に対してほぼ直角に方向づけられた形状異方性を有するブ
ランケット層から形成される。エネルギー密度式は正弦波を含むので、θの数度
の小さな変化によって、さらにセル・スイッチング磁界が低減されるであろう。

【００１４】図２は、強磁性結合された多層を有する磁気メモリ・セル１０の拡大して単純
化した側面図を示す。セル１０は、第１磁気層１１および第２磁気層１３を含み
、これらが第１非磁気スペーサ層１２によって分離される。本実施例において、
層１１，１３のそれぞれは、層５に関して前述したように、磁気異方性に対して
ほぼ直角に方向づけられた形状異方性で形成される。さらに、層１１は厚さ２３
を有し、層１３は厚さ２３と等しいか、またはそれより厚い厚さ２４を有する。

【００１５】図３に関し、セル１０の拡大した分解図が示される。図２と同じ参照番号を有
する図３の部分は、対応する図２の要素と同じものである。層１１，１３は一般
に長方形であり、長さ２６に沿ってではなく長さ２７に沿った磁化の容易軸で形
成され、すなわち、形状異方性容易軸は長さ２７に沿っている。また、層１１，
１３のそれぞれが幅２６にほぼ平行な磁化異方性を有する。層１１，１３の形状
異方性は、実質上長さ２７に沿っている、すなわち、実質上長さ２７に平行であ
る磁化ベクトル２１によって表され、この特性は、幅２６を、層１１，１３内の
磁壁幅または遷移幅よりも小さく形成することによって達成される。本実施例で
は層１１，１３のそれぞれにおいて、形状異方性が磁気異方性に対してほぼ直角
に方向づけられるが、層１１または層１３の一方が、形状異方性に対してほぼ直
角に方向づけられる磁気異方性で形成されていれば、スイッチング磁界の改善が
実現されるであろうことが理解されるべきである。

【００１６】図２に示すように、層１１，１３内のベクトル２１，２２は、セル１０内の磁
化の２つの異なった状態を表す。これらは同一のベクトルであるが、異なった状
態を示すためにのみ異なる番号を付与されていると理解すべきである。一方の状
態が論理「０」であるときは、他方の状態は論理「１」である。あらゆる論理の
定義がいずれかの状態に付与され得ることは当業者に理解されるであろうが、本
説明では、図２において層１１，１３の両方のベクトル２１が左を指すときは、
セル１０は論理「０」の状態であり、層１１，１３の両方のベクトル２２が逆方
向であるときは、セル１０は論理「１」の状態である。したがって、層１１，１
３双方の第１状態の磁化ベクトルが第１方向を指し、層１１，１３双方の第２状
態の磁化ベクトルは逆方向を指す。さらに、（本実施例では）層１１と１３とが
強磁性結合されるので、無磁界（または非常に小さい磁界）がセル１０に与えら
れるときは、層１１，１３の磁化ベクトルは常に同一方向（平行）を指す。一定
の磁界がセル１０に与えられるとき、磁化ベクトルは逆方向（反平行）のみを指
すが、このことは追ってより詳細に説明する。

【００１７】ここでは強磁性体モードが説明目的のためにのみ使用されるが、本発明の構造
は強磁性体モード以外のモードでも動作可能であることを当業者は理解すべきで
ある。２つの例は、反強磁性体モードとスピン・バルブ・モードである。反強磁
性体モードでは、２つの磁気層１１，１３の静止状態は、ベクトル２１，２２の
時計方向か反時計方向の反平行方向である。これらの２つの状態は、論理「０」
および論理「１」として用いることができる。スピン・バルブ・モードでは、層
１１，１３の一方が通常固定され、他の層を固定された層に対して平行または反
平行に切り換えることができる。ベクトル２１，２２の平行および反平行状態は
、論理「０」および論理「１」の状態として用いることができる。

【００１８】ある例において、セル１０は層１３が層１１よりも薄く設計されているので、
層１１の磁化ベクトルの切り替えに必要な磁界よりもより小さい磁界で、層１３
の磁化ベクトルが切り換わるであろう。この設計を達成する他の方法は、磁化ベ
クトルを切り換えるためにより高い磁界を必要とする磁気材料の外に、層１１を
形成することである。

【００１９】強磁性体層１１と強磁性体層１３との間の電気的に絶縁している非磁気層１２
を設けることにより、トンネル接合を生成し、これによって電流が、層１１から
層１３へ（またはその逆に）層１２を通って垂直に流れる。本来、セル１０は、
比較的高インピーダンス（ここでは抵抗Ｒとして引用）として現れ、一般には数
千オーム、例えば５〜６キロオームである。層１１，１３内の磁化ベクトルが反
平行であるときは、セル１０の抵抗Ｒは非常に高いままである。層１１，１３内
の磁化ベクトルが平行であるときは、セル１０の抵抗Ｒは鋭く下降する。ベクト
ルが反平行であるときの高抵抗と、ベクトルが平行であるときの低抵抗との比は
、ＧＭＲ比として知られている。ＧＭＲ比は、一般にセルの状態を検出するため
に用いられ、ＧＭＲ比が高いほど、格納た状態の検出がより容易である。トンネ
ル接合は、ここでは説明目的のためにのみ述べられているのであり、本発明には
多様なタイプのセルのいずれでも用いることができることを理解すべきである。

【００２０】特に図４に関し、グラフは、セル１０の抵抗に対する、層１１，１３内の磁化
ベクトルの方向が異なる場合について示した図である。また、多様なベクトルの
方向を生成するために必要な、与えられた磁界の方向と強さを示す。グラフの横
軸は磁界の方向および強さを示し、縦軸はセル１０の抵抗を表す。さらに、第１
カーブ３２は、第１方向内のさまざまな強さの磁界を与えるために生成され得る
セル抵抗を示し、カーブ３３は、第２方向内のさまざまな強さの磁界を与えるた
めに生成され得るセル抵抗を示す。ベクトル３４，３５はカーブ３２で示され、
それぞれが、横軸に沿って正方向で値Ｈ₁と値Ｈ₂との間の磁界を与えるための層
１１，１３内の磁化ベクトルを表す。同様に、ベクトル３６，３７はカーブ３３
で示され、それぞれが、横軸に沿って負方向で値Ｈ₃と値Ｈ₄との間の磁界を与え
るための層１１，１３内の磁化ベクトルを表す。

【００２１】典型的なサブミクロン・セル（例えばセル１０）において、形状異方性は、セ
ル内の各磁気層について５０エルステッドまたはその程度の磁界で、セルを切り
換えることができる。磁気異方性磁界は、磁気層毎に６〜４０エルステッドの範
囲内で変化するが、それは磁気材料の組成によって決まる。したがって、磁気異
方性容易軸を形状異方性容易軸に対してほぼ直角に方向づけることによって、そ
れらが実質的に引き算されて、スイッチング磁界の実質的な低減をもたらす。こ
こで、上述のように、すなわち形状異方性容易軸に対してほぼ直角に方向づけら
れた磁気異方性容易軸を有する層１１，１３を形成することは、図４にされたカ
ーブの横軸に沿った値は、少なくとも５〜５０エルステッドまで直交軸（すなわ
ち縦軸）に向かってシフトされ、一方、横軸で表される抵抗値は、ほぼ一定のま
まである。形状異方性および磁気異方性を説明する式は正弦波を含むので、θの
数度の小さな変化によって、さらにセル・スイッチング磁界が実質的に低減され
るであろう。

【００２２】セル１０が、内部のベクトル２１が両方とも左を指し、横軸に沿って右へ動い
ている状態にあると仮定すると、磁界は値Ｈ₁まで増大する。値Ｈ₁に達する前に
、磁気ベクトル２１は、論理「１」を示す同方向に向けられ、セル１０の抵抗は
低い。ここでは値Ｈ₁で示される十分な磁界をセル１０に加えることにより、ベ
クトル３５が逆方向（図示のように）切り換わり、セル１０の抵抗は急激に増加
する。この増加量は、ＧＭＲ比に等しい。磁界が値Ｈ₂を超えて増大したとたん
に、ベクトル３４が逆方向に切り換わり、セル１０の抵抗は再び低値まで減少す
るが、このときの磁化ベクトルはベクトル２２で示される。同様に、磁界が逆方
向に加えられると、カーブ３３が加わり、層１３の磁化ベクトル３７が値Ｈ₃で
切り換わり、そして層１１の磁化ベクトル３６がＨ₄で切り換わるが、このとき
の磁気ベクトルはベクトル２１で示される。本実施例において、一旦、層１１，
１３のベクトルがベクトル２１，２２で示される方向に設定されると、加えられ
た磁界が消去された後も，それらを切り換えるために十分強い磁界が加えられる
までは、その方向を保持し続ける。

【００２３】それゆえ、本例における、層１１の磁化ベクトルがカーブ３２（ベクトル３４
）によって示される方向に設定されるとする仮定に基づいて、Ｈ₂よりも大きな
強さの磁界を加えることによって、セルを論理「０」（図３で右を指す平行な磁
化ベクトル）に設定することができる。また、Ｈ₄よりも大きな強さの磁界を加
えることによって、セルを論理「１」（図３で左を指す平行な磁化ベクトル）に
設定することができる。したがって、Ｈ₂およびＨ₄の磁界の強さを低減すること
により、セル１０内に値を書き込むために要するエネルギーが実質的に低減され
る。

【００２４】以下の手続が、磁気メモリ・セル１０内に格納された状態を読み出すために用
いられる。層１１，１３のベクトルが、カーブ３３（ベクトル２２）によって示
された方向に設定されていると仮定した場合、正磁界をセル１０（Ｈ₁またはＨ₂ のいずれか）に加えても効果が現れないときは、セル内に論理「０」が格納さ
れていることを示す。反対に、値Ｈ₄と値Ｈ₃との間の負磁界をセル１０に加えた
ときは、層１３内の磁化ベクトルが反平行方向に切り換わり（ベクトル３６，３
７）、上述したように、セルの抵抗の実質的な変化（一般にＧＭＲに等しい）を
検出することができる。同様な方法で、層１１，１３のベクトルが、カーブ３２
（ベクトル２１）によって示された方向に設定されている場合、負磁界をセル１
０（Ｈ₃またはＨ₄のいずれか）に加えても効果が現れないときは、セル内に論理
「１」が格納されていることを示す。反対に、値Ｈ₁と値Ｈ₂との間の正磁界をセ
ル１０に加えたときは、層１３内の磁化ベクトルが反平行方向に切り換わり（ベ
クトル３４，３５）、セルの抵抗の実質的な変化を容易に検出することができる
。

【００２５】したがって、Ｈ₂およびＨ₄の磁界の強さを低減することにより、セル１０内に
値を書き込むために要するエネルギーが実質的に低減される。さらに、Ｈ₁とＨ₂ およびＨ₃とＨ₄の磁界の強さを低減することにより、セル１０内に格納された値
を読み出すために要するエネルギーが実質的に低減される。切り替えおよび／ま
たは読み出しのために要する磁界が実質的に低減されるので、セルはより小さな
電力しか消費しないであろう。節約される電力は、例えば大きなＭＲＡＭデバイ
スにおける、特に大きなアレイほど大きい。

【００２６】本発明について具体的な実施例を示して説明したが、さらなる変形や改善が当
業者によってなされるであろう。それゆえに、本発明はここに示された特定の形
に限定されるものではなく、本発明の目的および範囲から逸脱しないような全て
の変形が、特許請求の範囲に含まれていることを我々が意図しているということ
が理解されることを望む。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従った、低減されたスイッチング磁界を有する磁気材料の１
つの層を単純化して拡大した斜視図である。

【図２】図１に示すものに類似する磁気材料の２つの層を含む多層磁気メモリ
・セルを単純化した側面図である。

【図３】図２に示す多層磁気メモリ・セルを単純化した分解図である。

【図４】図２のセルの特性を示したグラフである。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】重なり合うような関係を有して平行に積み重ねられ、、多層磁気
メモリ・セルの一部を形成するように非磁気材料の層によって分離された磁気材
料の２つの層であって、前記磁気材料の２つの層が長さおよび幅を有し、前記磁気材料の２つの層の前記幅が前記長さよりも短く、かつ、前記磁気材料
の２つの層内にある磁壁の幅よりも狭く、前記長さに沿って形状異方性容易軸が
設定され、前記磁気材料の２つの層の少なくとも一方が、前記磁気材料の２つの層の前記
幅に対してほぼ平行である磁気異方性を有する、ことを特徴とする低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セル。
【請求項２】前記磁気材料の２つの層が、電気的に導電性を有する非磁気材料
の層によって分離されることを特徴とする請求項１記載の低スイッチング磁界多
値多層磁気メモリ・セル。
【請求項３】前記磁気材料の２つの層が、電気的に絶縁である非磁気材料の層
によって分離されることを特徴とする請求項１記載の低スイッチング磁界多値多
層磁気メモリ・セル。
【請求項４】前記セルが、面内型およびトンネル型の磁気ランダム・アクセス
・メモリの１つであることを特徴とする請求項１記載の低スイッチング磁界多値
多層磁気メモリ・セル。
【請求項５】磁気材料の第１層および第２層とそれらの間に挟まれた非磁気材
料の層とを含む低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セルであって、前記第
１層および第２層の少なくとも一方が、一般に式K_Dsin²θによって表される形状
異方性、および、一般に式 -K_msin²θによって表される磁気異方性を有し、ここ
で、K_mは磁気異方性エネルギー密度であり、K_Dは減磁エネルギー密度であり、θ
は前記形状異方性容易軸と前記磁化ベクトルとの間の角度である、ことを特徴とする低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セル。
【請求項６】重なり合うような関係を有して平行に積み重ねられ、、長さおよ
び幅を有する多層磁気メモリ・セルを形成するように非磁気材料の層によって分
離された磁気材料の複数の層であって、前記多層磁気メモリ・セルの前記幅が、前記長さよりも短く、かつ、前記磁気
材料の層内にある磁壁の幅よりも狭く、前記多層磁気メモリ・セルの前記長さに
沿って形状異方性容易軸が設定され、前記磁気材料の複数の層の少なくとも１層が、前記前記多層磁気メモリ・セル
の前記幅に対してほぼ平行である磁気異方性の容易軸を有する、ことを特徴とする低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セル。
【請求項７】前記磁気材料の複数の層の少なくとも２つの層が、電気的に導電
性を有する非磁気材料の層によって分離されることを特徴とする請求項６記載の
低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セル。
【請求項８】前記磁気材料の複数の層の少なくとも２つの層が、電気的に絶縁
である非磁気材料の層によって分離されることを特徴とする請求項６記載の低ス
イッチング磁界多値多層磁気メモリ・セル。
【請求項９】前記セルが、一般に式K_Dsin²θによって表される形状異方性、お
よび、一般に式 -K_msin²θによって表される磁気異方性を有し、ここで、K_mは磁
気異方性エネルギー密度であり、K_Dは減磁エネルギー密度であり、θは前記形状
異方性容易軸と前記磁化ベクトルとの間の角度であることを特徴とする請求項６
記載の低スイッチング磁界多値多層磁気メモリ・セル。
【請求項１０】前記セルが、面内型およびトンネル型の磁気ランダム・アクセ
ス・メモリであることを特徴とする請求項６記載の低スイッチング磁界多値多層
磁気メモリ・セル。