JP2005109493A - 非対称にパターニングされた磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】磁気メモリにデータを記憶する際の切替え磁界のオフセットを小さくする。
【解決手段】本発明は、非対称にパターン形成された磁気メモリ記憶デバイスを提供する。特定の実施形態では、少なくとも１つの磁気メモリセル(302)が提供される。各磁気メモリセル(302)は、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層(304)と、データ層(304)に接触する中間層(306)と、第２のサイズの少なくとも１つの強磁性基準層(308)を提供する。強磁性データ層(304)は、変更可能な磁化の配向によって特徴付けられ、強磁性基準層(308)は、基準磁界によって特徴付けられる。基準層(308)は、データ層(304)と対向し、かつデータ層(304)と非対称をなすように中間層(306)と接触する。磁気メモリセル(302)は、「１つの端部の関与」だけを有するものとして特徴付けられる。より具体的には、非対称な位置合わせにより、磁極の一方の組のみが、ほぼ垂直に位置合わせされ、互いに影響を強く受け合う。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明は包括的には磁気メモリデバイスに関し、詳細には超高密度で非対称な磁気ランダムアクセスメモリ（一般的に「ＭＲＡＭ」と呼ばれる）に関する。

今日のコンピュータシステムは益々複雑になっており、ユーザは、絶えず増加する様々なコンピューティングタスクをさらに高速に実行できるようになっている。メモリのサイズおよびメモリがアクセスされることができる速さが、コンピュータシステム全体の速さに大きな影響を及ぼす。

一般的に、磁気媒体へのデータ記憶（主記憶あるいは大容量記憶）の根底にある原理は、記憶データビットの磁化の相対的な向き（すなわち、「０」あるいは「１」の論理状態）を変更および／または反転できることである。材料の保磁力は、磁性粒子の磁化を減少させる、かつ／または反転させるために、その磁性粒子に加えられなければならない減磁力のレベルである。一般的には、磁性粒子が小さいほど、その保磁力は高くなる。

従来技術の磁気メモリセルには、トンネル磁気抵抗メモリセル（ＴＭＲ）、巨大磁気抵抗メモリセル（ＧＭＲ）あるいはコロッサル磁気抵抗メモリセル（ＣＭＲ）を用いることができる。これらのタイプの磁気メモリは一般的に、磁気トンネル接合メモリ（ＭＴＪ）と呼ばれる。従来技術の図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、磁気トンネル接合メモリ１００は一般的に、データ層１０１（記憶層あるいはビット層とも呼ばれる）と、基準層１０３と、データ層１０１と基準層１０３との間にある中間層１０５とを備える。データ層１０１、基準層１０３および中間層１０５は、１つあるいは複数の材料層から形成されることができる。

データ層１０１は通常、外部から１つあるいは複数の磁界が加えられるのに応答して変更されることができる磁化の向きＭ２として１ビットのデータを格納する磁性材料の層である。より具体的には、論理状態を表すデータ層１０１の磁化の向きＭ２は、「０」の論理状態を表す第１の向きから、「１」の論理状態を表す第２の向きに、および／またはその逆に回転する（切り替えられる）ことができる。

基準層１０３は通常、磁化の向きＭ１が所定の方向に固定されるように「ピン止め」された磁性材料層である。いくつかの磁性材料層が必要とされる場合が多く、安定してピン止めされた基準層１０３を達成するための磁性材料層としての役割を果たす。その方向は予め決定されており、磁気メモリセルの製造時に用いられるマイクロエレクトロニクス処理ステップによって設定される。

データ層１０１および基準層１０３は、それぞれＸ軸１０７において長く、Ｙ軸１０９において短い、積重された棒磁石と見なすことができる。各層の磁化は強い選択性を有しており、容易軸（一般的には長いＸ軸１０７）に沿って整列する。短いＹ軸１０９は困難軸である。従来の棒磁石と同様に、データ層および基準層はそれぞれ、容易軸の端部に１つずつの磁極を有する。

棒磁石を包囲する磁力線は３次元であり、Ｎ極からＳ極に流れる。図２Ａは、一般的な棒磁石２００、その磁気的な向きＭおよび力線とも呼ばれる包囲する磁界（矢印２０１によって表される）の簡略化された側面図である。図２Ｂおよび図２Ｃに示されるように、一般的に同じ極は反発し合い、異なる極は引き寄せ合う。２つの棒磁石（２０３および２０３’）の反対の極が近づけられるとき、図２Ｂに示されるように、力線２０１が繋がり、磁石を互いに引き寄せる。２つの棒磁石（２０５および２０５’）の同じ極が近づけられるとき、図２Ｃに示されるように、力線２０１は互いから押しのけられ、磁石は反発し合う。

これらの力はいずれかの極において最も顕著である。結果として、概ね等しい長さの２つの棒磁石が縦方向に水平に重ねられるとき、両方の極は、互いに隣接する際に、同時に引き寄せ合うか、同時に反発し合うかのいずれかである。

通常、磁気メモリセルの論理状態（「０」あるいは「１」）は、データ層１０１および基準層１０３の磁化の相対的な向きに依存する。たとえば、ＭＴＪ１００内のデータ層１０１および基準層１０３にわたって電位によってバイアスがかけられるとき、中間層１０５を通って、電子がデータ層１０１と基準層１０３との間で移動する。中間層１０５は通常、一般的にトンネル障壁層と呼ばれる薄い誘電体層である。障壁層を通って電子が移動できるようになる現象は、量子力学的トンネル現象またはスピントンネル現象と呼ばれる場合がある。

単純な棒磁石のモデルで続けると、データ層１０１の磁化は自由に回転するが、データ層１０１の容易軸１０７に沿っていずれかの方向に整列するような強い選択性を有する。同様に、基準層１０３も基準層１０３の容易軸１０７に沿って整列するが、固定された位置関係にピン止めされる。論理状態は、メモリセルの抵抗を測定することより判定されることができる。たとえば、データ層１０１内の磁化の全体的な向きが、基準層１０３内の磁化のピン止めされた向きに対して平行である場合には、その磁気メモリセルは、低抵抗の状態になるであろう。データ層１０１内の磁化の全体的な向きが、基準層１０３内の磁化のピン止めされた向きに対して反平行（逆）である場合には、その磁気メモリセルは、高抵抗の状態になるであろう。

データ層１０１および基準層１０３の長さが概ね等しく、かつデータ層１０１および基準層１０３の物理的な端部が対称に位置合わせされるとき、各層の極も互いに対して隣接する。図１Ａの場合のように、磁界Ｍ１とＭ２が反平行であるとき、繋がれた磁力線１１１および１１３によって示されるように、両方の端部間に強い磁気的な引力が生じる。図１Ｂの場合のように、磁界Ｍ１とＭ２が平行であるとき、磁力線１１５および１１７によって示されるように、極から出る磁界は斥け合う。極は引き寄せ合う傾向があるので、データ層１０１の両方の極は、矢印１１９によって表されるように、基準層１０３内の対応する極から離れるように強く回転しようとする。データ層１０１および基準層１０３の両端に概ね同時に作用するこの１組の対称な力は、「２つの端部の関与」として簡易に記述される場合がある。

データ層１０１にバイナリ１または０を格納するには、データ層１０１の向きを回転させる必要があり、それにより同じ極が強制的に位置合わせされるようになり、斥け合う状態になるか、あるいは異なる極が位置合わせされるようになり、引き寄せ合う状態になる。いずれの場合でも、データ層１０１および基準層１０３の両方の極が関与し、新たな向きを強制的に受け入れるようにしなければならない。極間の引力が、その向きを反平行にシフトするのに必要とされる磁界を低減するのに対して、両端の斥力は、その向きを平行にシフトするのに、より大きな磁界を必要とする。

ある理想的な設定では、データ層１０１内の変更可能な磁界の向きは、基準層１０３の磁界に対して平行か、反平行かのいずれかになるであろう。データ層１０１および基準層１０３は一般的に強磁性材料から形成され、互いに対して永続的にきわめて近接して配置されるので、一般的に、より強い基準層１０３がデータ層１０１の向きに影響を及ぼす可能性がある。より具体的には、基準層１０３の磁化が、基準層１０３からデータ層１０１の中まで延びる減磁界を生成する可能性がある。

この基準層１０３からの減磁界の結果として、強制的な切替え磁界（または、切替え保持力場）がオフセットされる。このオフセットの結果として、ビットの切替え特性が非対称になる可能性がある。すなわち、ビットを平行状態から反平行状態に切り替えるために必要とされる切替え磁界の大きさは、ビットを反平行状態から平行状態に切り替えるために必要とされる切替え磁界の大きさとは異なる。信頼性のある切替え特性を有し、読出し／書込み回路を簡単にするために、このオフセットをできる限り０付近まで小さくすることが望ましい。

磁気抵抗ΔＲ／Ｒは、信号対雑音比Ｓ／Ｎと同じように記述されることができる。Ｓ／Ｎが高くなる結果として、データ層１０１内のビットの状態を判定するために検出することができる信号が強くなる。したがって、データ層１０１に対して極めて近接し、かつ固定されるピン止めされた基準層１０３を有するトンネル接合メモリセルの少なくとも１つの欠点は、角変位から生じる磁気抵抗ΔＲ／Ｒを小さくする可能性があることである。

製造中に基準層１０３をピン止めするために、基準層１０３は、アニール（焼きなまし）ステップにおいて高温まで加熱されなければならない。アニールステップは通常、時間を要し、おそらく１時間以上かかるであろう。ところが、基準層１０３は製造されているメモリの一部であるので、メモリ全体が、一定かつ集束された磁界の影響下で、約２００〜３００℃の範囲の温度に晒されなければならない。メモリが後に高温に晒される場合には、そのような製造時のストレスによって基準層１０３がピン止めされなくなり、その設定された向きを失うようになる場合がある。さらに、データ層１０１の特性が、いくつかの製造工程における熱によって、知らず知らずのうちに影響を及ぼされる場合がある。

ピン止めされた基準層１０３を確立するのを容易にするために、基準層１０３が複数の材料層を含むことは珍しいことではない。複数の層を用いることにより、基準層１０３が確実にピン止めされたままになるようにするのに役立つ場合があるが、磁気メモリ内に存在するどのメモリセルを製造するのも複雑になる。

ＭＲＡＭのようなメインメモリデバイスは多くの場合に、導電性の行および列が交差する場所に配置されるトンネル接合磁気メモリセルを利用する。そのような構成はクロスポイントメモリアレイとして知られている。

一般的なクロスポイントメモリアレイでは、任意の所与の行（行Ａ、Ｂ、Ｃ．．．）が全ての列（列１、２、３．．．）を、および任意の所与の列が全ての行を横切ることができるが、列および行アレイの従来の原理は、任意の所与の行が任意の所与の列を一度しか横切らないとするものである。それゆえ、特定の行（Ｂ）および特定の列（３）にアクセスすることにより、その交差する場所（Ｂ、３）に配置されるいずれか１つのメモリセルをアレイ内の任意の他のメモリセルから分離することができる。そのような個々の索引方式は、それ相応に複雑である。

記憶ビット上で実行されることができる２つの基本的な動作（「書込み」あるいは「読出し」）の間では、一般的に書込み動作のほうが複雑である。従来のクロスポイントメモリアレイに関して、所望のセルのデータ層１０１の磁界は変更されることができるが、隣接するセルのデータ層１０１に悪影響を及ぼさないように、あるいはそれを変更しないようにすることが望ましい。書込み動作は一般的に、より大きな電流および磁界を必要とし、電源、行および列導線においてより頑強な特性と、適切なバッファリング空間とを必要とする。それゆえ、一般的に、設計および製造上の課題は、書込み動作によって課せられる要件に集中する。

磁気メモリ構成要素に関して、サイズが減少するのに応じて、保磁力が大きくなることがよく知られている。保磁力が大きいことは、より大きな磁界が切り替えられる必要があり、そのため、より大きな電源を必要とし、より大きな切替えトランジスタ（スイッチングトランジスタ）を必要とする可能性があるので、一般的には望ましくない。大きな電源および大きな切替えトランジスタを設けることは一般的に、構成要素の必要なサイズを小さくするためのナノテクノロジーの焦点と相反する。さらに、隣接するメモリセルを誤って切り替える可能性を減らすために、ナノメートルスケールのメモリセルは一般的に、ナノメートルスケールでないサイズのメモリセルよりも、そのサイズ全体に対して広い間隔で配置される。さらに、磁気メモリのサイズが小さくなると、個々のメモリセル間の未使用の空間が増加する傾向がある。

磁気メモリセルのこれらの課題および現在の設計は、ハードドライブ読出しセルおよび読取りヘッドにおいて一般的に用いられるような磁界センサの設計および使用にもそのまま当てはまる。そのような実施では、データ層１０１はセンス層と呼ばれ、読取りヘッドに隣接する記憶ビットから出る磁界によって向きを定められる。２つの端部の関与が存在するので、ハードドライブ上の機能低下あるいは劣化したデータ記憶ビットは、センス層を適正に配向させるための十分な磁界を持たない場合がある。

それゆえ、一般的なＭＲＡＭアレイでは、空間全体のうちのかなりの量が、セル間に物理的なバッファを単に設けるために用いられる場合がある。このバッファリング空間が存在しない場合、あるいは存在してもその割合を小さくする場合、同じ物理的な空間において、より大きな記憶容量を得ることができるであろう。

それゆえ、これまでに確認された欠点のうちの１つあるいは複数を克服する超高密度の熱によって支援されるメモリアレイが必要とされている。本発明は、これらの必要性のうちの１つまたは複数を満たす。

本発明は、非対称にパターニングされた磁気メモリ記憶デバイスを提供する。

具体的には、例示として、本発明の実施形態によれば、本発明は非対称にパターニング（またはパターン形成）された磁気デバイスを提供し、そのデバイスは第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層であって、そのデータ層が変更可能な磁化の向きによって特徴付けられる、少なくとも１つの強磁性データ層と、該データ層と接触する中間層と、第２のサイズの少なくとも１つの強磁性基準層であって、その基準層は基準磁界によって特徴付けられ、またその基準層は前記中間層と接触するが、前記データ層の反対側にあり、前記データ層に対して非対称である、少なくとも１つの強磁性基準層とを含む。

さらに、本発明の１実施形態によれば、本発明は少なくとも１つの磁気メモリセルを含む非対称にパターニングされた磁気メモリ記憶デバイスを提供することができ、各セルは、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層であって、そのデータ層は変更可能な磁化の向きによって特徴付けられる、少なくとも１つの強磁性データ層と、該データ層と接触する中間層と、第２のサイズの少なくとも１つの強磁性基準層であって、その基準層は基準磁界によって特徴付けられ、またその基準層はデータ層の反対側で、かつそれに非対称に中間層と接触する、少なくとも１つの強磁性基準層とによって特徴付けられる。

さらに、本発明の１実施形態によれば、本発明は少なくとも１つの磁気メモリセルを備える、非対称にパターニングされた磁気メモリ記憶デバイスを提供することができ、各セルは、第１の端部と、第２の端部と、その間の長手方向軸に沿ったある長さとを有し、前記長手方向軸に沿った変更可能な磁化の向きによってさらに特徴付けられる、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層であって、前記変更可能な磁化はデータ層の各端部に整列するＮ極およびＳ極を有することからなる、少なくとも１つの強磁性データ層と、該データ層と接触する中間層と、該中間層と接触し、前記データ層の反対側にあり、かつ前記データ層とは非対称である、第２のサイズの強磁性基準層であって、その基準層は第１の端部と、第２の端部と、その間の長手方向軸に沿ったある長さとを有し、前記長手方向軸に沿った基準磁界によってさらに特徴付けられ、その基準磁界は、基準層の各端部に整列するＮ極およびＳ極を有することからなる、強磁性基準層とによって特徴付けられる。

さらに別の実施形態では、本発明は、複数の平行な導電性の行と、行を横切る複数の平行な導電性の列であって、それにより列と行が複数の交差する場所（交差部）を有するクロスポイントアレイを形成することからなる、複数の平行な導電性の列と、複数の磁気メモリセルであって、各メモリセルは１つの行と１つの列とが交差する場所に配置されることからなる、複数の磁気メモリセルとを含む非対称にパターニングされた磁気メモリ記憶デバイスを提供することができ、各セルは、第１の端部と、第２の端部と、その間の長手方向軸に沿ったある長さとを有し、その長手方向軸に沿った変更可能な磁化の向きによってさらに特徴付けられる、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層であって、その変更可能な磁化はデータ層の各端部に整列するＮ極およびＳ極を有する、少なくとも１つの強磁性データ層と、データ層と接触する中間層と、中間層と接触し、データ層の反対側にあり、かつデータ層とは非対称である、第２のサイズの強磁性基準層であって、その基準層は第１の端部と、第２の端部と、その間の長手方向軸に沿ったある長さとを有し、その長手方向軸に沿った基準磁界によってさらに特徴付けられ、その基準磁界は基準層の各端部に整列するＮ極およびＳ極を有することからなる、強磁性基準層とによって特徴付けられる。

さらに別の実施形態では、本発明は、メインボードと、メインボードに接続される少なくとも１つの中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、メインボードによってＣＰＵに接続される少なくとも１つのメモリ記憶装置とを備えるコンピュータシステムを提供することができ、メモリ記憶装置は少なくとも１つのメモリセルを有し、各メモリセルは、第１の端部と、第２の端部と、その間の長手方向軸に沿った長さとを有し、その長手方向軸に沿った変更可能な磁化の向きによってさらに特徴付けられる、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層と、データ層と接触する中間層と、中間層と接触し、データ層の反対側にあり、かつデータ層とは非対称である、第２のサイズの強磁性基準層であって、基準層は第１の端部と、第２の端部と、その間の長手方向軸に沿った長さとを有し、その長手方向軸に沿った磁化の向きに沿った基準磁界によってさらに特徴付けられる、強磁性基準層とを含む。

好ましい方法および装置のこれらの目的、特徴および利点および他の目的、特徴および利点については、本発明の原理を例示する添付の図面と共に以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

詳細な説明を始める前に、本発明がある特定のタイプの磁気メモリでの用途あるいは応用形態には限定されないことは理解されたい。したがって、本発明は、説明の便宜上、典型的かつ例示的な実施形態に関して図示および説明されるが、本発明が他のタイプの磁気メモリにも適用されることができることは理解されよう。

ここで図面を、より詳細には図３Ａを参照すると、本発明の一実施形態による、少なくとも１つの磁気トンネル接合メモリセル３０２（ＭＴＪ）を含む非対称にパターニングされた磁気メモリ３００の一部が示される。より具体的には、ＭＴＪ３０２は、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層３０４と、データ層３０４と接触する中間層３０６と、磁化Ｍ１の向きを有する第２のサイズの強磁性基準層３０８とを有する。ＭＲＡＭのような磁気メモリ記憶デバイスを実現するために、ＭＴＪ３０２を、導電性の列３１２を横切る導電性の行３１０と電気的に接触して配置することができる。図５は、ＭＲＡＭ構成において用いることができるようなクロスポイントアレイの一部を示す。

図３Ａに関して、強磁性データ層３０４によって、１ビットのデータを、変更可能な磁化Ｍ２の向きとして格納できるようになる。中間層３０６は対向する面（側部）を有し、一方の面に接触しているデータ層３０４が、中間層３０６の第２の面に接触している基準層３０８と非対称に垂直に位置合わせされ、かつ基準層３０８から概ね均等な間隔で配置されるようにする。

第１のサイズのデータ層３０４は、第１の端部３１４と、第２の端部３１６と、その間の長手方向軸３２０に沿った長さ３１８とを有する。変更可能な磁化Ｍ２の向きは、容易軸としても知られている長手方向軸３２０に対して概ね平行である。より具体的には、少なくとも１つの実施形態では、磁界Ｍ２はデータ層３０４の長手方向軸３２０を中心にして概ね対称である。さらに、少なくとも１つの実施形態では、データ層３０４は直角の角度を有する概ね平坦な平行四辺形形状をなす。

Ｍ２の磁界は正極（Ｎ極３２２とも呼ばれる）と負極（Ｓ極３２４とも呼ばれる）とを有する。Ｎ極３２２およびＳ極３２４は互いに対して逆の極性である。Ｎ極３２２が第２の端部３１６と位置合わせされるとき、Ｓ極３２４は第１の端部３１４と位置合わせされ、Ｍ２が逆にされるときには反対になる。

第２のサイズの基準層３０８は、第１の端部３５０と、第２の端部３５２と、その間の長手方向軸３５６に沿った長さ３５４とを有する。磁化Ｍ１の基準磁界は、容易軸としても知られている長さ３５４に対して概ね平行である。より具体的には、少なくとも１つの実施形態では、磁界Ｍ１は、基準層３０８の長手方向軸３５６を中心にして概ね対称である。さらに、少なくとも１つの実施形態では、基準層３０８は直角の角度を有する概ね平坦な平行四辺形である。

Ｍ１の磁界は正極（Ｎ極３５８とも呼ばれる）と負極（Ｓ極３６０とも呼ばれる）とを有する。Ｎ極３５８およびＳ極３６０は互いに対して逆の極性である。Ｎ極３５８が第１の端部３５０に位置合わせされるとき、Ｓ極３６０は第２の端部３５２に位置合わせされる。この位置合わせは、基準磁界Ｍ１が逆にされる場合には逆にされる。

図３Ｂの斜視図にさらに完全に示されるように、データ層３０４は基準層３０８よりも小さい。その図は、長さが異なることに起因してサイズが小さくなる（データ層３０４の長さ３１８は基準層３０８の長さ３５４よりも短い）ことを示すが、適切な状況下では、幅および／または高さの他の寸法を同様に短くすることもできる。これについては、図３Ｃを参照されたい。データ層３０４の長さ３１８が短くなると、データ層３０４および基準層３０８が非対称に積み重ねられるので、データ層３０４のただ１つの極と基準層３０８のただ１つの極（１組の極）が概ね互いに近接することができる。さらに、データ層３０４の第１の端部３１４が、基準層３０８の第１の端部３５０と概ね垂直に位置合わせされる。より具体的には、少なくとも１つの実施形態では、データ層３０４の第１の端部３１４は基準層３０８の第１の端部３５０と同一平面上にある。図３Ｃに示されるような別の実施形態では、データ層３０４の第１の端部３１４は、基準層３０８の第１の端部３５０に近接するが、同一平面上にはない。

非対称な位置合わせの有利な結果が図４Ａ〜図４Ｃに概念的に示されている。図に示されるように、非対称な位置合わせがＭＴＪ３０２を実現し、データ層３０４の１つの極および基準層３０８の１つの極のみが概ね垂直に近接して位置合わせされる。その場合に、これらの垂直に近接し、概ね位置合わせされた極が、互いに大きく影響を及ぼすのに対して、垂直に位置合わせされない極は互いに大きくは影響を及ぼさない。ＭＴＪ３０２内のこの構成は、「１つの端部の関与」として簡易に記述される場合がある。

図４Ａに示される事例では、Ｍ２とＭ１は反平行である。この構成では、データ層３０４のＳ極３２４はデータ層３０４の第１の端部３１４と位置合わせされる。それゆえ、Ｓ極３２４は、基準層３０８のＮ極３５８と概ね位置合わせされ、かつそれに近接する。矢印４００によって表されるような強い磁気引力が、データ層３０４および基準層３０８の第１の端部（３１４と３５０の）間に存在する。第２の端部（３１６と３５２）は実質的には位置合わせされないので、第１の端部（３１４および３５０）に比べて、矢印４０２によって表される引力は小さくなる。

図４Ｂに示される事例では、Ｍ２とＭ１は平行である。この構成では、データ層３０４のＮ極３２２はデータ層３０４の第１の端部３１４に位置合わせされる。それゆえ、Ｎ極３２２は基準層３０８のＮ極３５８に概ね位置合わせされ、かつそれに近接する。矢印４０４によって表されるような強い磁気斥力が、データ層３０４および基準層３０８の第１の端部（３１４と３５０の）間に存在する。第２の端部（３１６と３５２）は実質的には位置合わせされないので、第１の端部（３１４と３５０）に比べて、矢印４０６によって表される斥力は小さくなる。図４Ｃの斜視図に示されるように、従来技術よりも優れた利点は、データ層３０４の位置合わせされたＮ極３２２が強い斥力を示し、位置合わせから外れるように回転しようとする（矢印４０８によって表される）のに対して、データ層３０４のＳ極３２４はそれぞれ何の作用もしないままである（すなわち、そのような強い斥力を及ぼし合わない）。

ＭＴＪ３０２のデータ層３０４上での書込み動作を実行するために、データ層３０４の保磁力に打ち勝つだけの十分な磁界がかけられる。従来技術では、かけられる磁界が、２組の磁極がＭ２の向きを変更しようとするか、それに逆らうことを満たす必要があったのに対して、図４Ａ〜図４Ｃに示される非対称なパターニングのもとでは、書込み磁界は、データ層３０４内のＭ２の保持力に打ち勝ち、１組の極を位置合わせするのに十分であることのみが必要とされる。より具体的には、書込み動作がＭ１とＭ２との間の平行な位置合わせを生み出す場合、磁界がかけられて、データ層３０４の保磁力に打ち勝ち、データ層の第１の端部３１４にあるデータ層のＮ極３２２を、基準層の第１の端部３５０にある基準層のＮ極３５８と位置合わせする。別の実施形態は、書込み動作がＭ１とＭ２との間の平行な位置合わせを生み出す場合、磁界がかけられて、データ層３０４の保磁力に打ち勝ち、データ層の第１の端部３１４にあるデータ層のＳ極３２４を、基準層の第１の端部３５０にある基準層のＳ極３６０と位置合わせする。

データ層３０４と基準層３０８の非対称の位置合わせの「１つの端部の関与」により、反平行から平行にＭ２をシフトするために必要とされる書込み磁界強度の閾値と、平行から反平行にＭ２をシフトするために必要とされる書込み磁界強度の閾値とを変えることが可能になる。そのように閾値に差があることにより、ＭＴＪ３０２は、多状態セルとして有利に動作できるようになる。

非対称にパターニングされた磁気メモリ３００がデータを格納する能力が図５に例示されている。所定の大きさおよび方向の外部から供給される書込み電流Ｉ_ＷＲを導線行３１０の中に流し、それにより磁界（曲線の矢印５００によって表される）を生成することにより、書込み磁界を実現することができる。さらに、所定の大きさおよび方向の外部から供給される書込み電流Ｉ_ＷＣが列３１２の中に供給され、それにより、磁界（曲線の矢印５０２によって表される）が生成される。

図に示されるように、行３１０の書込み電流Ｉ_ＷＲは、「＋」記号によって指示される、紙面の中に流れており、これにより、磁界５００が、右手の法則に従って時計回りの向きのベクトルを有するようになる。列３１２の書込み電流Ｉ_ＷＣは紙面に沿って流れており、これにより、列３１２の磁界５０２が行３１０の磁界５００と協働的に相互作用するようになる。磁界５００および５０２は、片方だけでは、行３１０と列３１２が交差する場所（クロスポイント）に配置されないＭＴＪ３０２のデータ層３０４の保磁力に打ち勝つには十分ではない。

基準層３０８には、ピン止めされた基準層あるいは軟らかい基準層を用いることができる。少なくとも１つの実施形態では、基準層３０８は軟らかい基準層である。これは、磁化Ｍ１の向きを既知の方向に動的に設定することができるのでそのように呼ばれる。そのような動的な設定は、ＭＴＪ３０２において交差する行３０１と列３１２の中に流れる、外部から供給される電流によって与えられる磁界によって実現することができる。この事例では、軟らかい基準層３０８の磁化Ｍ１を既知の方向に設定するために行３１０および列３１２に加えられる電流の大きさは比較的小さい。この電流は、データ層３０４あるいは他の選択されないメモリセルの磁化状態Ｍ２を変更しないであろう。

一般的に、このイベント（事象）は、基準層３０８の磁化Ｍ１が既知の方向に設定され、その後、データ層３０４のＭ２の方向と比較されて、メモリビットセルの「０」あるいは「１」状態を判定する際の読出しサイクル中に生じる。基準層は一般的に磁気的に軟らかい材料を含み、従来の多くのピン止めされた基準層の場合に用いられる通常の硬くピン止めされた材料から形成されないので、「軟らかい」と呼ばれる。軟らかい基準層を用いるとき、一般的には、Ｍ１が向けられることになる方向に関して１つの取り決めが採用される。

軟らかい基準層を用いることは、ＭＴＪ３０２においていくつかの利点を有する場合がある。軟らかい基準層は向きが実質的に固定されないので、固定された基準層を確立するために多くの場合に必要とされるような製造中の高温にＭＴＪ３０２を晒す必要がないであろう。さらに、基準層内に十分かつ一定の磁界が存在しないことにより、基準層からの減磁界がデータ層に作用する可能性が小さくなり、それにより強制的な切替え磁界のオフセット（例えば、切替え磁界の大きさの差）が小さくなる。

強磁性データ層３０４は、基準層３０８よりも低い保磁力を有し、限定はしないが、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、ニッケル鉄コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）およびそのような材料の合金を含む材料（またはこれらのいずれか）から形成されることができる。さらに、基準層３０８およびデータ層３０４はいずれも複数の材料層から形成されることができる。しかしながら、概念的に簡単にし、かつ説明を容易にするために、本明細書では、各層の構成要素は単一の層として説明される。

ＭＴＪ３０２内に抵抗を生じさせる現象は磁気メモリの分野ではよく理解されており、ＴＭＲメモリセルの場合によく理解されている。ＧＭＲおよびＣＭＲメモリセルは類似の磁気的な挙動を有するが、電気伝導の仕組みが異なるので、それらの磁気抵抗は異なる物理的な効果から生じる。たとえば、ＴＭＲベースのメモリセルでは、その現象は量子力学的トンネル現象あるいはスピン依存トンネル現象と呼ばれる。ＴＭＲメモリセルでは、中間層３０６は、データ層３０４と基準層３０８との間で電子が量子力学的に突き抜ける、誘電体材料からなる薄い障壁である。

ＧＭＲメモリセルでは、中間層３０６は、非磁性であるが、伝導性の材料からなる薄いスペーサ層である。ここでは、伝導は、中間層３０６を通ってデータ層３０４と基準層３０８との間で電子の通過がスピンに依存して散乱することである。いずれの場合でも、データ層３０４と基準層３０８との間の抵抗は、磁界Ｍ１およびＭ２の相対的な向きに応じて増減するであろう。データ層３０４が「０」の論理状態を格納しているか、「１」の論理状態を格納しているかを判定するために、その抵抗の差が検出される。

少なくとも１つの実施形態では、中間層３０６は、データ層３０４を基準層３０８から離隔し、電気的に分離する絶縁性材料（誘電体）から形成されるトンネル層である。誘電体中間層３０６のために適した誘電体材料は、限定はしないが、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）およびタンタル酸化物（ＴａＯｘ）（またはこれらの材料のいずれか）を含むことができる。

少なくとも１つの他の実施形態では、中間層３０６は、元素の周期表に記載されている３ｄ、４ｄ、または５ｄ遷移金属のような非磁性の材料から形成されるトンネル層である。非磁性の中間層３０６のために適した非磁性材料は、限定はしないが、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）（またはこれらの物質のいずれか）を含むことができる。中間層３０６の実際の厚みは、中間層３０６を形成するために選択される材料、および所望のトンネルメモリセルのタイプによるが、一般的に、中間層３０６は約０．５ｎｍ〜約５．０ｎｍの厚みを有することができる。

上記の説明は全般に磁気メモリセル３０２に関連しているが、その構造に関連する説明はハードドライブのための読取りヘッド、あるいは任意の他の磁界読取りセンサのような磁気的な読取りデバイスにも当てはまる。そのような状況では、データ層３０４はセンス層と呼ばれ、たとえば行３１０および列３１２によって与えられる磁界からではなく、記憶ビットから出る磁界によって向きを定められる。実際には、非対称のパターニングの「１つの端部の関与」によって、センス層（別の状況ではデータ層３０４として知られている）が、より小さな磁界および／または弱められた磁界に応答できるようになる点で有利である。

別の実施形態として考えられるのは、非対称にパターニングされた磁気メモリ３００を組み込んだコンピュータシステムである。メインボード、ＣＰＵおよび上記の非対称にパターニングされた磁気メモリ３００の一実施形態から構成される少なくとも１つのメモリ記憶装置とを備えるコンピュータは、改善されたＭＴＪ３０２の利点を、システムレベルで実現する。

本発明は、非対称にパターン形成された磁気メモリ記憶デバイスを提供する。特定の実施形態では、少なくとも１つの磁気メモリセル(302)が提供される。各磁気メモリセル(302)は、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層(304)と、データ層(304)に接触する中間層(306)と、第２のサイズの少なくとも１つの強磁性基準層(308)を提供する。強磁性データ層(304)は、変更可能な磁化の配向によって特徴付けられ、強磁性基準層(308)は、基準磁界によって特徴付けられる。基準層(308)は、データ層(304)と対向し、かつデータ層(304)と非対称をなすように中間層(306)と接触する。磁気メモリセル(302)は、「１つの端部の関与」だけを有するものとして特徴付けられる。より具体的には、非対称な位置合わせにより、磁極の一方の組のみが、ほぼ垂直に位置合わせされ、互いに影響を強く受け合う。

本発明を好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の修正、変形および改良をなすことができ、それらの実施形態の構成要素およびステップの代わりに同等のものを用いることができることは当業者には理解されよう。さらに、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の教示に対して特定の状況または特定の材料を適合させるために多くの変更をなすことができる。そのような修正、変形、変更および改良は、明示されてはいないものの、本発明の範囲および思想の中にあることが意図されており、示唆されている。それゆえ、本発明は、本発明を実施するために考えられる最良の形態として開示された特定の実施形態には限定されず、本発明は特許請求の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図されている。

反平行および平行な磁界を有する対称な層を有する従来の磁気メモリセルの斜視図である。 反平行および平行な磁界を有する対称な層を有する従来の磁気メモリセルの斜視図である。 棒磁石を囲む磁界を示す概念図である。 棒磁石を囲む磁界を示す概念図である。 棒磁石を囲む磁界を示す概念図である。 本発明の好ましい１実施形態による非対称にパターニングされた磁気メモリの概略図である。 図３Ａの非対称にパターニングされたメモリセルの斜視図である。 図３Ａの非対称にパターニングされた磁気メモリセルの別の実施形態の図である。 図３Ａの非対称にパターニングされたメモリにおける反平行な磁界の概略図である。 図３Ａの非対称にパターニングされたメモリにおける平行な磁界の概略図である。 図３Ａの非対称にパターニングされたメモリセルにおける反平行な磁界の斜視図である。 図３Ａの非対称にパターニングされたメモリからなるクロスポイントメモリアレイの一部を示す斜視図である。

符号の説明

３００ 磁気メモリ
３０２ 磁気メモリセル
３０４ データ層
３０６ 中間層
３０８ 基準層

Claims (16)

1. 非対称にパターニングされた磁気メモリ（３００）記憶デバイスであって、
   少なくとも１つの磁気メモリセル（３０２）を備え、
   該セルの各々は、
   第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層（３０４）であって、該データ層（３０４）は変更可能な磁化の向きによって特徴付けられることからなる、少なくとも１つの強磁性データ層と、
   該データ層（３０４）と接触する中間層（３０６）と、
   第２のサイズの少なくとも１つの強磁性基準層（３０８）であって、該基準層（３０８）は基準磁界によって特徴付けられ、該基準層（３０８）は前記中間層（３０６）と接触するが、前記データ層（３０４）とは逆の側にあり、前記データ層（３０４）と非対称であることからなる、少なくとも１つの強磁性基準層
   とによって特徴付けられることからなる、磁気メモリ記憶デバイス。
2. 前記データ層（３０４）は前記基準層（３０８）よりも小さい、請求項１に記載の磁気メモリ。
3. 前記データ層（３０４）はさらに、第１の端部（３１４）と、第２の端部（３１６）と、それらの間の長手方向軸（３２０）に沿ったある長さ（３１８）とを有することを特徴とし、前記変更可能な磁化は前記データ層（３０４）の各端部（３１４、３１６）に整列するＮ極（３２２）およびＳ極（３２４）を有し、
   前記基準層（３０８）は、第１の端部（３５０）と、第２の端部（３４２）と、それらの間の長手方向軸（３５６）に沿ったある長さ（３５４）とを有することを特徴とし、前記基準磁界は前記基準層（３０８）の各端部（３５０、３５２）に整列するＮ極（３５８）およびＳ極（３６０）を有し、前記データ層（３０４）の前記長さ（３５４）は前記基準層（３０８）の前記長さ（３１８）とは異なる、請求項１に記載の磁気メモリ。
4. 前記データ層（３０４）の前記第１の端部（３１４）は前記基準層（３０８）の前記第１の端部（３５０）に概ね垂直に位置合わせされる、請求項３に記載の磁気メモリ。
5. 前記データ層（３０４）の前記極と前記基準層（３０８）の前記極との間の相互作用は１つの端部の関与として特徴付けることができる、請求項４に記載の磁気メモリ。
6. 前記データ層（３０４）の磁界は前記長手方向軸（３２０）を中心にして概ね対称である、請求項３に記載の磁気メモリ。
7. 前記データ層（３０４）は直角の角度を有する概ね平坦な平行四辺形である、請求項６に記載の磁気メモリ。
8. 前記中間層（３０６）はトンネル層である、請求項１に記載の磁気メモリ。
9. 非対称にパターニングされた磁気メモリ記憶デバイスであって、
   少なくとも１つの磁気メモリセル（３０２）を備え、
   該セル（３０２）の各々は、
   第１の端部（３１４）と、第２の端部（３１６）と、それらの間の長手方向軸（３２０）に沿ったある長さ（３１８）とを有し、前記長手方向軸（３２０）に沿った変更可能な磁化の向きによってさらに特徴付けられる、第１のサイズの少なくとも１つの強磁性データ層（３０４）であって、前記変更可能な磁化は該データ層（３０４）の各端部（３１４、３１６）に整列するＮ極（３２２）およびＳ極（３２４）を有することからなる、少なくとも１つの強磁性データ層と、
   該データ層（３０４）と接触する中間層（３０６）と、
   該中間層（３０６）と接触し、前記データ層（３０４）とは逆の側にあり、かつ前記データ層（３０４）と非対称である、第２のサイズの強磁性基準層（３０８）であって、該基準層（３０８）は第１の端部（３５０）と、第２の端部（３５２）と、それらの間の長手方向軸（３５６）に沿ったある長さ（３５４）とを有し、該基準層は、さらに、前記長手方向軸（３５６）に沿った基準磁界によって特徴付けられ、該基準磁界は、前記基準層（３０８）の各端部に整列するＮ極（３５８）およびＳ極（３６０）を有することからなる、強磁性基準層
   とによって特徴付けられることからなる、磁気メモリ記憶デバイス。
10. 前記データ層（３０４）の磁界は前記長手方向軸（３２０）を中心にして概ね対称である、請求項９に記載の磁気メモリ。
11. 前記データ層（３０４）は直角の角度を有する概ね平坦な平行四辺形である、請求項１０に記載の磁気メモリ。
12. 前記データ層（３０４）は前記基準層（３０８）よりも小さい、請求項９に記載の磁気メモリ。
13. 前記データ層（３０４）の前記極と前記基準層（３０８）の前記極との間の相互作用は１つの端部の関与として特徴付けることができる、請求項９に記載の磁気メモリ。
14. 前記データ層（３０４）の前記第１の端部（３１４）は前記基準層（３０８）の前記第１の端部（３５０）と概ね垂直に位置合わせされる、請求項１２に記載の磁気メモリ。
15. 磁気メモリ（３００）であって、
    複数の平行な導電性の行（３１０）と、
    該行（３１０）を横切る複数の平行な導電性の列（３１２）であって、それにより前記列（３１２）および前記行（３１０）は複数の交差部を有するクロスポイントアレイを形成することからなる、複数の平行な導電性の列
    とをさらに備え、
    前記メモリセル（３０２）はそれぞれ１つの行（３１０）と１つの列（３１２）との交差部に配置される、請求項９に記載の磁気メモリ。
16. 前記中間層（３０６）はトンネル層である、請求項９に記載の磁気メモリ。
    

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