JP2006511957A - 磁気エレクトロニクス装置の反平行結合膜構造 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2001年10月16日出願であり、本出願と同じ譲受人に譲渡された同時係属中の「縮小可能な磁気抵抗ランダムアクセスメモリ素子の書き込み方法(A Method Of
Writing To A Scalable Magnetoresistance Random Access To Memory Element) 」と題する米国特許出願番号09/978859に関するものである。
切り替えに大きな電流が必要となる。以下に更に詳細に議論するように、データは磁性素子の自由層の磁化状態として記憶される。
この技術分野に精通する当業者であれば、図中の構成要素が簡単化及び明確化のために示されるものであり、必ずしも寸法通りには描かれていないことがわかるであろう。例えば、図中の構成要素の或るものの寸法は他の構成要素に比べて誇張して描いて本発明の実施形態の理解を深められるようにしている。
特性である。トンネル障壁に直接隣接する領域15または領域17の磁性材料及び磁化方向の相対角度がハイ状態(high state)またはロー状態(low state) を決定する。本明細書に記載する実施形態では、ビット磁性領域は、自由強磁性領域であり、ビット磁気モーメントが磁界印加状態で自由に回転することができることを意味する。ビット磁気モーメントは、磁化軸に沿った印加磁界が全く無い状態において、本願では「ビット磁化容易軸(bit easy axis) 」として知らる、2つの安定な極性(状態)を有する。この2つの安定な極性は、磁性材料の堆積及びMRAMアレイ3の磁化領域15の形成の際に決定される。ビット磁化容易軸に直交する軸は「磁化困難軸(hard axis) 」として知られる。
できる。強磁性層の数はNとして指定することができる。記述を簡単にするために、以後、Nが2に等しく、MRAM装置72が、磁気モーメント53,58だけでなく正味磁気モーメント40を有するビット磁性領域15に一つの3層構造を含むものと仮定する。また、ビット磁性領域15の磁気モーメントのみが示される。
について好適な異方性軸が形成される。ビット磁化容易軸59は、ワードライン20とデジットライン30との間において45°の角度になるように選択される。しかしながら、45°以外の角度を使用することができることが理解されよう。
である。書き込み状態をいずれにするかはワードライン20及びデジットライン30の双方における電流の方向により決定される。例えば、「1」を書き込みたい場合、双方のラインの電流の方向を正とする。「1」が既に素子に記憶されていて、「1」を書き込もうとする場合、MRAM装置の最終状態は「1」を維持し続けることになる。また、「0」が記憶されていて、「1」を正の電流によって書き込もうとする場合、MRAM装置の最終状態は「1」になる。ワードライン及びデジットラインの双方に流れる負の電流を使用することにより「0」を書き込む場合にも同様な結果が得られる。従って、いずれの状態もその初期状態に関係無く、適切な極性の電流パルスによって所望の「1」または「0」に書き込むことが出来る。本開示全体を通じて、磁界領域95における動作を「直接書き込みモード(direct write mode) 」と定義する。
である図13を参照すると良く分かる。磁界がゼロ磁界から大きくなると、最初はモーメントに変化が見られないことが分かる。これは、サンプルの磁化状態がこの磁界範囲に渡っては変化しないことを物語っている。磁界が、この場合には約35Oeの磁界の値1435に達すると、サンプルの正味モーメントが急激に変化する。これは、前に記載したSAFに生じるフロップ現象に対応しており、この点における磁界の値Hflop1はフロップ磁界と呼ぶ。2つの層のモーメントはほぼ反平行であるが、印加磁界の向きに対して90度の角度をなして配向する。印加磁界が更に大きくなると線形領域が生じ、この線形領域は2つの層の磁気モーメントの間の角度に対応し、この角度は各モーメントが印加磁界の方向により近づいた方向を指すにつれて小さくなる。印加磁界が印加磁界の値1425に達すると、双方の磁気モーメントは印加磁界の方向に指向され、サンプルのモーメントは飽和する。この値はこのサンプルの場合、約255 Oeである。Hk(5 Oe)、Hsat(255 Oe)に関するこれらの値及びフロップ磁界Hflop1(35 Oe)は、上述したモデルに良好に合致する関係が見られる、すなわち35は、5×255の平方根(sqrt(5*255))にほぼ等しいことが分かるであろう。更に図12及び図13には、ゼロ磁界に戻る磁界に対するモーメントの線形応答の外挿1415が示されている。従来のSAF1405の場合、外挿のゼロ磁界での値はゼロである。
メントが相対的に大きくなることによって立証される。これらのWCRのモーメントが飽和するこの磁界は、SAFの低下フロップ磁界に対応する。これらのWCRにおける磁化状態の変化によってサンプル全体のフロップ磁界が低下すると考えられる。WCRのモーメントが飽和していることは、WCRを含むSAFとWCRを含まないSAFとの間で残りのヒステリシスループにおけるモーメントと印加磁界との間の線形関係が同じになっていることから推定される。この理論により、WCRのモーメントが、フロップ現象が完了(飽和)するまでモーメントに加算され、続いて、依然として反強磁性結合しているサンプルの残りの部分が(モーメントの)飽和状態に達するまで磁界に対して同様な応答を示す。この線形領域をゼロ磁界に戻る方向に外挿することにより、これらのWCRの内部に含まれるサンプルのモーメントの大きさを定量化することができ、かつ上述の外挿残留磁気を定義することができる。このサンプルの場合、これらの領域(WCR)は合計面積の約12%を占める。従来のSAFはこれらの容易に飽和するWCRを全く含まないため、そのようなSAFはゼロの外挿残留磁気を有する。X線回折による解析は、これらの領域は構造の重大な構造欠陥の結果ではなく、2つの強磁性層の間に弱結合を生じさせる弱結合ポイント(thin point)であるという考えを裏付ける。フロップ後の線形領域の同様な挙動は、WCRを含むSAFをWCRを含まないSAFと比較すると、サンプルの主要部分に大きな変化が生じていないという考えも支持する。この線形領域は同じ挙動を示すので、差がフロップ中の追加モーメントにあるという理論を裏付ける。これらの領域(WCR)がSAFに大きな実残留磁気を生じさせること無く形成される面積の、サンプルの面積に占める割合の上限は、実験に基づくと、約20%である。SAF構造は、本発明の好適な一実施形態に従って使用するSAF構造よりも高い温度でアニールされるとすると、これらの領域(WCR)は拡大し、ゼロ磁界でも強磁性結合したままの状態を維持する。このような高温アニールを行なうと、物理的なブリッジが強磁性層の間に形成されて、接触点を取り囲む領域の反平行結合よりも強くなり、実(外挿によるものではない)残留磁気を生じさせる。
うに堆積させる。材料及び堆積パラメータは所望の結果が最適化されるように選択される。
Claims (5)
- ほぼ平衡な反平行結合膜(synthetic antiferromagnetic :SAF)構造であって、
2つの強磁性層と、
2つの強磁性層を分離し、かつ弱結合領域(weakly coupled regions:WCR)を内部に有する反平行結合層とを含む、ほぼ平衡な反平行結合膜構造と、
前記ほぼ平衡なSAF構造に印加磁界を生じさせる手段とを備える磁気エレクトロニクスメモリ装置。 - ほぼ平衡な反平行結合膜(SAF)構造であるビット磁性領域を有する、ほぼ平衡なSAF構造を形成するプロセスであって、
第1強磁性層を堆積させる工程と、
第1強磁性層上に反平行結合層を堆積させる工程と、
反平行結合層上に第2強磁性層を堆積させる工程と、
反平行結合層の内部に弱結合領域(WCR)を形成する工程とを備える、プロセス。 - 少なくとも一つの書き込みラインと、
ほぼ平衡な反平行結合膜構造であって、
2つの強磁性層と、
2つの強磁性層を分離し、かつ弱結合領域(WCR)を内部に有する反平行結合層とを含むSAF構造とを備える磁気エレクトロニクス装置。 - ほぼ平衡な反平行結合膜(SAF)構造であって、
2つの強磁性層と、
2つの強磁性層を分離し、かつ弱結合領域(WCR)を内部に有する反平行結合層とを含むSAF構造と、
ほぼ平衡なSAF構造に印加磁界を生じさせる手段とを備える磁気抵抗メモリセル。 - 2つの強磁性層と、
2つの強磁性層を分離し、かつ弱結合領域(WCR)を内部に有する反平行結合層とを含み、2つの強磁性層の磁気モーメントの正味のモーメント差が15パーセント以下である、反平行結合膜(SAF)構造。
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