JP2006511957A - 磁気エレクトロニクス装置の反平行結合膜構造 - Google Patents

Abstract

磁気メモリセルのような磁気エレクトロニクス装置（５）に便利な形で使用することができる、ほぼ平衡な反平行結合膜（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ：ＳＡＦ）構造は、２つの強磁性層（４５，５５）と、そして２つの強磁性層を分離する反強磁性結合層（６５）と、を含む。ＳＡＦ自由層（１５）は反強磁性結合層内に形成される弱結合領域を有し、この弱結合領域は、反強磁性結合層をアニールする、反強磁性結合層を層状に堆積させる、または反強磁性結合層を強磁性層の粗面化された表面を覆って形成する、といった処理を施すことにより形成される。弱結合領域によって、ＳＡＦ自由層のフロップ磁界が、処理を施さないＳＡＦ自由層に比べて小さくなる。ＳＡＦのフロップ現象は、このような構造における書き込み動作の間に利用され、そしてフロップ磁界の低下によって、書き込み動作中の消費電力が小さくなり、それに応じて装置性能が向上する。

Description

（関連出願）
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。

本発明は半導体磁気エレクトロニクス装置に関し、特に本発明は磁気状態を記憶する装置において有用な半導体構造に関する。

磁気エレクトロニクス装置に分類される装置は、モーター、ディスクドライブ、及び磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(magnetresistive random access memories:ＭＲＡＭ) のような一定の半導体メモリ装置を含む広範な種類の装置であり、更にＭＲＡＭ、及びＭＲＡＭ以外の無線回路及び処理回路のような論理機能を含む集積回路である。全てのタイプのメモリ装置は電子システムにおいて極めて重要な構成要素である。最も広く利用されている３つのメモリ技術は、ＳＲＡＭ（スタティックランダムアクセスメモリ：static random access memory ）、ＤＲＡＭ（ダイナミックランダムアクセスメモリ：dynamic random access memory）、及びＦＬＡＳＨ（不揮発性ランダムアクセスメモリの一形式）であり、これらの装置は基本的に磁気エレクトロニクス装置ではない。これらのメモリ装置の各々は、情報を記憶するために電荷を使用し、そしてそれぞれ固有の利点を有する。ＳＲＡＭは大きな読み出し及び書き込み速度を有するが、揮発性であるので大きなセル面積を必要とする。ＤＲＡＭは高密度であるが、これもまた揮発性であるので数ミリ秒ごとにストレージキャパシタをリフレッシュする必要がある。これらの要件によって制御電子機器が複雑になる。

ＦＬＡＳＨは今日使用されている主要な不揮発性メモリ装置である。ＦＬＡＳＨは浮遊酸化物層に捕捉される電荷を利用して情報を記憶する。ＦＬＡＳＨの不具合として、高い電圧が必要であることと、書き込み及び消去時間が長いことが挙げられる。またＦＬＡＳＨメモリは、メモリ不良に至るまでの書き込み可能回数が１０^４〜１０^６サイクルと少ない。さらに、データを使用可能な程度に保持するためには、ゲート酸化膜の厚さは、電子がトンネリングするしきい値厚さよりも厚くする必要があり、従ってＦＬＡＳＨの縮小化が制約を受けることになる。

これらの不具合を解決するために、新規の磁気メモリ装置が検討されている。このような装置の一つがＭＲＡＭであり、このＭＲＡＭは、ビットを磁気状態として記憶する。ＭＲＡＭはＤＲＡＭと同様な速度性能を有する可能性を秘めている。しかしながら実用レベルになるためには、ＭＲＡＭは現在のメモリ技術に匹敵するメモリ密度を有する必要があり、次世代メモリに対して拡張可能でなければならず、また、低電圧で動作可能であり、消費電力が低く、さらに現在のメモリ技術と競合し得る程度の読み出し／書き込み速度を示す必要がある。

セルアレイを含むＭＲＡＭ装置において、ＭＲＡＭセルの書き込み動作中に、非常に大きな電力が消費される。書き込み動作は、ＭＲＡＭ磁性素子の外部にあって同素子に近接する位置の導電ラインに電流を流すことからなる。これらの電流によって生じる磁界は十分に大きく、磁性素子の自由層の磁気状態を切り替えることができる。更に、ビット寸法が小さくなるにつれて、スイッチング磁界は、所与の形状及び膜厚に対して大きくなり、
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。

従って、ＭＲＡＭ装置を実用化するために解決すべき重大な課題は、磁気状態を可能な限り最小限の磁界を使用して切り替えて、素子アレイ全体におけるデータの完全性を維持しつつ、可能な限り最小限の書き込み電流を実現するＭＲＡＭセルを構成することである。

従って、先行技術におけるこれまでに記載した不具合及び他の不具合を解決すると非常に多くの利点が得られる。

本発明は例を通して示され、かつ添付の図面に制限されない。これらの図面においては、同様の参照番号は同様の構成要素を指す。
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。

図１を参照すると、本発明による概略のＭＲＡＭアレイ３のリ概略断面図が示されている。この図では、単一の磁気抵抗メモリ装置（またはセル）１０が示されているが、ＭＲＡＭアレイ３は多くのＭＲＡＭ装置１０から構成され、読み出し方法の説明を簡単にするためにこのように装置を一つのみ示していることを理解されたい。

ＭＲＡＭ装置１０は、ワードライン２０及びデジットライン３０である書き込み導電体の間に挟まれた材料層を含む、磁気抵抗トンネル接合メモリセル、すなわち磁気抵抗トンネル接合装置（magnetoresistive tunneling junction device：ＭＴＤＪ）である。ワードライン２０及びデジットライン３０は導電材料を含み、この導電材料をと追っ手電流が流れることによって、ＭＲＡＭ装置１０の内部に磁界を生じさせることができる。この図では、ワードライン２０はＭＲＡＭ装置１０の頂部に配置されており、デジットライン３０はＭＲＡＭ装置１０の底部に配置されて、さらにワードライン２０に対して９０°の角度をなす方向に向いている（図３参照）。ここで、ワードライン２０及びデジットライン３０のような導電体は、効率的に読み出し及び書き込み動作を行なうためにＭＲＡＭ装置１０の他の層と物理的に接触する必要があるということは無く、これらの導電体は単に、磁界が印加される領域に十分に近くに位置して磁界が有効に作用するようにする必要があるだけであることが分かるであろう。

ＭＲＡＭ装置１０はビット磁性領域１５、基準磁性領域１７、及びトンネル障壁１６として機能する層を形成する電気絶縁材料に加えて、電流を流すワードライン２０及びデジットライン３０のうちのＭＲＡＭ装置１０の動作に影響を及ぼす部分を含む。ビット磁性領域１５及び基準磁性領域１７は各々、一つよりも多くの層を含むことができ、これらの層の内の幾つかの層は、層に関連する磁気モーメント（全ての磁気モーメントは本明細書においてはベクトルとして表わす）を有することができる。例えば、幾つかの従来のＭＲＡＭは、単一の強磁性層、または多層構造の非平衡な反平行結合性領域（multilayered unbalanced synthetic antiferromagnetic region) であるビット磁性領域１５を有する。本発明のビット磁性領域１５は、以下に記載するように、ほぼ平衡な多層の反平行結合性（nearly balanced multilayer synthetic antiferromagnetic) である。ビット磁性領域１５及び基準磁性領域１７は、トンネル障壁１６の対向する両側において同障壁に隣接して位置する。ＭＴＪＤの抵抗は、トンネル障壁に直接接触するビット磁気モーメント及び基準磁気モーメントの相対磁化方向によって決まる。磁気モーメントは強磁性材料の物理
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。

図２を参照すると、本発明の実施形態によるＭＲＡＭ装置７２を含むＭＲＡＭアレイ５の一部の断面図が示されている。ＭＲＡＭアレイ５は、本明細書において図２〜図１１を参照しながらかなり詳細に説明するサフチェンカ(Savtchenko)書き込み技術を利用する。ＭＲＡＭ装置７２は図１を参照して説明した構造を有し、詳細に説明すると、ビット磁性領域１５は少なくとも３層を含み、かつ図２〜図１１を参照して説明されるように提供される磁気モーメントを有する。この例におけるビット磁性領域１５は、２つの強磁性層４５と強磁性総５５との間に反平行結合層(antiparallel coupling layer) ６５が挟持される３層構造を有し、所謂、反平行結合膜（以後、「synthetic anti-ferromagnetic：ＳＡＦ」と呼ぶ）層として知られる構造を形成する。強磁性層４５，５５の公称厚さ４２，５１は５〜１５０オングストロームの範囲であり、反平行結合層６５の公称厚さ４６は３〜３０オングストロームの範囲である。ここで使用する「公称」とは、材料の種類及び材料を堆積させるために使用するプロセスに関する通常の製造における許容精度内の平均厚さをほぼ指す。

強磁性層４５，５５はそれぞれ磁気モーメント５８，５３を有し（図３参照）、これらのモーメントはそれぞれベクトル値Ｍ_１，Ｍ_２を有する。さらに、強磁性層４５，５５は、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、およびマンガン（Ｍｎ）元素の内の少なくとも一つ、またはそれらの組み合わせを含む。反平行結合層６５は、強磁性層４５，５５の間に反強磁性交換結合を生じさせる材料（本明細書では反強磁性交換材料とも呼ぶ）、または強磁性層４５，５５の間の交換結合を防止する材料（本明細書ではスペーシング材とも称される）を含むか、或いはこれら双方の材料を含む。反強磁性交換材料は、元素群、すなわちルテニウム（Ｒｕ），オスミウム（Ｏｓ），レニウム（Ｒｅ），クロム（Ｃｒ），ロジウム（Ｒｈ），銅（Ｃｕ），ニオビウム（Ｎｂ），モリブデン（Ｍｏ），タングステン（Ｗ），イリジウム（Ｉｒ），バナジウム（Ｖ）の内の少なくとも一つ、またはそれらの組み合わせを含む。反強磁性交換材料は、それ自体が反強磁性材料であるのではなく、ＳＡＦ層に反強磁性のような特性を生じさせるために重要な結合層である。スペーシング材は絶縁体または導電体である。絶縁体の一例として、Ａｌ_２Ｏ_３が挙げられ、導電体の幾つかの例として、Ｔａ及びＡｌが挙げられる。反平行結合層６５は２つ以上の層を含むことができ、これらの層の各々は反強磁性交換層または反強磁性スペーシング層であり得る。磁気モーメント５８，５３は通常は、反平行結合層６５の結合によって反平行に配向する。前記結合は、反平行結合層６５として反強磁性交換材料を使用する場合に生じさせることができ、或いは反平行結合は、ＭＲＡＭ装置７２の複数の強磁性層の静磁場によっても生じる。従って、反平行結合層６５は必ずしも、２つの強磁性層４５，５５の間の強磁性結合をほぼ打ち消す以上の余分の結合を生じさせる必要は無いので、例えばＡｌＯのような絶縁体またはＴａ或いはＡｌのような導電体などのスペーシング材とすることができる。サフチェンカの書き込み技術を説明するために正味磁気モーメント４０を定義するが、このモーメントは、磁気モーメント５８及び５３を合計して得られるベクトルである。また、ビット磁性領域１５は、３層構造以外の反平行結合膜層材料構造を含むことができ、そして３層構造を本実施形態において使用するのは例示のために過ぎないことを理解されたい。例えば、このような一つの反平行結合膜層材料構造は、強磁性層／反平行結合層／強磁性層／反平行結合層／強磁性層から成る５層積層構造を含むことが
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。

ＭＲＡＭ装置７２において、異なる厚さまたは材料を有し得る２つの強磁性層４５，５５の磁気モーメント５８，５３は、ΔＭ＝（Ｍ_２−Ｍ_１）で表わされる正味磁気モーメント４０を与えることができる。サフチェンカの書き込み技術の場合、この３層構造がほぼ平衡な状態にある。すなわち、ΔＭはＭ_２及びＭ_１の平均の１５パーセント未満であり（または単に、「インバランス（非平衡）が１５パーセント未満である」のように記載する）、生産ロットにおいて経済的に製造することが可能となるようにできる限りゼロに近いことが好ましい。ビット磁性領域１５の３層構造の磁気モーメントは印加磁界に対して自由に回転する。ゼロ磁界では、トンネル障壁１６に隣接する磁気モーメントであるビット磁気モーメント５８は磁化容易軸に沿った２つの分極方向の内の一つの方向に安定する。

ビット磁気モーメント５８の極性を読み取るために使用する、ＭＲＡＭ装置７２を流れる測定電流は、トンネル磁気抵抗に依存し、この磁気抵抗はビット磁気モーメント５８及び基準磁性領域１７の基準磁気モーメントの向き及び大きさにより主として決定される。これらの２つの磁気モーメントが平行である場合、ＭＲＡＭ装置の抵抗は低くなり、電圧バイアスによってＭＲＡＭ装置７２に相対的に大きな測定電流が流れることになる。この状態が「１」と定義される。これらの２つの磁気モーメントが反平行である場合、ＭＲＡＭ装置の抵抗は高くなり、印加電圧バイアスによって該装置に相対的に小さな測定電流が流れることになる。この状態が「０」と定義される。ここで、これらの定義は任意であって、逆にすることも可能であるが、この例では例示のために使用していることを理解されたい。従って磁気抵抗メモリでは、データの記憶は、領域１７に対する領域１５の磁気モーメントを、ビット磁化容易軸５９に沿った平行方向及び反平行方向の内のいずれか一つの方向に配向させる磁界を印加することにより行ない、書き込み状態の読み取りは、基準磁気モーメントに対するビット磁気モーメントの方向によって変化する抵抗測定値を利用する（この同じ動作は本明細書に記載するＭＲＡＭ装置の全てに対して当てはまる）。

ＭＲＡＭ装置７２への書き込み方法は、この技術分野の当業者には公知のほぼ平衡なＳＡＦ３層構造の「スピンフロップ(spin-flop) 」現象を利用する。ここで、「ほぼ平衡(nearly balanced) 」という表現は、Ｍ１とＭ２とが互いの大きさに対して１５％以内の精度に収まる様子を指し、かつＭ１とＭ２とがほぼ等しい場合を含む。「スピンフロップ」現象によって印加磁界における合計磁気エネルギーが小さくなるが、これは複数の強磁性層の磁気モーメントを、これらのモーメントが印加磁界方向に理論的には直交し、かつ依然としてほぼ互いに反平行となるように回転させることにより生じる。印加磁界の方向への各強磁性磁気モーメントの小さな偏向と組み合わされた回転すなわち「フロップ(flop)」が、総磁気エネルギーの減少の原因となる。

ＭＲＡＭ装置７２は、１〜５の範囲にある長さ／幅の比によって特徴付けられる非円形の形状を有する３層構造を有することが好ましい。ここで、ＭＲＡＭ装置７２のビット磁性領域１５は正方形、楕円形、矩形または菱形のような他の形状を有することができるが、簡略化するために円形の場合を示していることを理解されたい。

またＭＲＡＭアレイ５の製造中において、連続した各層（すなわち３０，５５，６５など）は連続して堆積されるか、または形成され、各ＭＲＡＭ装置７２は、この半導体分野において公知の技術のいずれかにおける選択的な成膜、フォトリソグラフィ処理、エッチングなどにより区画形成され得る。少なくとも強磁性層４５，５５の堆積中に、磁界を印加してビット磁化容易軸を設定する。この印加磁界によって、磁気モーメント５３，５８
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。

図３を参照すると、本発明の実施形態によるＭＲＡＭアレイ５の各部分の簡易平面図が示されている。ビット磁性領域１５は、図２のＭＲＡＭ装置７２においてほぼ円形の構造を有するものとして示しているが、別の構成として、１よりもかなり大きいアスペクト比を有する楕円形のような別の形状を有することができる。ビット磁気モーメント４０は異方性磁化容易軸５９に沿って、この例ではワードライン２０である書き込み導電体に対してほぼ４５°の角度をなす方向に配向されている。別の書き込み導電体であるデータライン３０はワードライン２０に直交する。ＭＲＡＭ装置７２に関する記述を簡単にするために、全ての方向は図示のようにｘ−ｙ座標系１００と、時計回り回転方向９４及び反時計回り回転方向９６を基準とする。ＭＲＡＭアレイ５では、ワード電流６０は正のｘ方向に流れる場合に正と定義され、そしてデジット電流７０は正のｙ方向に流れる場合に正と定義される。ワードライン２０及びデジットライン３０を設ける目的は、印加磁界をＭＲＡＭ装置１０内に生成するためである。正のワード電流６０は、周囲ワード磁界Ｈ_Ｗ８０を誘起し、そして正のデジット電流７０は、周囲デジット磁界Ｈ_Ｄ９０を誘起する。ワードライン２０は素子の平面内でＭＲＡＭ装置１０の上方に位置するので、正のワード電流６０に対応して磁界Ｈ_Ｗ８０はＭＲＡＭ装置１０に対して正のｙ方向に印加される。同様に、デジットライン３０は素子の平面内でＭＲＡＭ装置１０の下方に位置するので、正のデジット電流７０に対応して磁界Ｈ_Ｄ９０はＭＲＡＭ装置１０に対して正のｘ方向に印加される。ここで、正の電流の流れ及び負の電流の流れの定義は任意であり、本明細書では例示として定義していることを理解されたい。電流の流れを反転させることによって、ＭＲＡＭ装置１０内に誘起される磁界の方向を変える作用がある。電流によって誘起される磁界の作用はこの技術分野の当業者には公知であるので、ここではこれ以上説明しないこととする。

ＭＲＡＭアレイ５に対する書き込み方法がどのように行なわれるかについて示すために、磁気モーメント５３，５８の好適な異方性軸が負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の角度、および正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度をなして指向されていると仮定する。一例として、図３は、磁気モーメント５３が負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の角度をなす方向に指向していることを示している。磁気モーメント５８は磁気モーメント５３に対してほぼ反平行に配向しているので、磁気モーメント５８は正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度をなす方向に指向している。この初期配向を使用して書き込み方法の例を示すこととし、これについて議論する。

図４を参照すると、ビット磁性領域１５のＳＡＦ３層構造のスイッチング動作をシミュレートした結果を示すグラフが示されている。シミュレーションでは、２つの単一磁区の磁性層を使用し、これらの層は、固有の異方性を示すほぼ同じモーメントを有して（ほぼ平衡なＳＡＦ）、反強磁性結合する。また、これらの層の磁化回転の動力学的な性質は良く知られているＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ方程式により表わされる。ｘ軸はワードライン磁界振幅をエルステッド(Oersteds)で表わし、ｙ軸はデジットライン磁界振幅をエルステッドで表わす。磁界は図５のタイミング図に示すパルスシーケンス６００に従って印加される。このパルスシーケンス６００はワード電流６０及びデジット電流７０を時間の関数として含む。

図４に示す３つの動作磁界領域が存在する。磁界領域９２ではスイッチングは生じない。ＭＲＡＭが磁界領域９５で動作する場合、直接書き込み方式が実施される。直接書き込み方式を使用すると、ＭＲＡＭ装置の初期状態を判定する必要はない。これは、書き込まれる状態が、記憶されている状態と異なるときにのみ、装置の状態が切り替えられるため
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。

ＭＲＡＭが磁界領域９７で動作する場合、トグル書き込み方式(toggle writing method) が実施される。トグル書き込み方式を使用する場合、書き込み前のＭＲＡＭ装置の初期状態を判定する必要がある。これは、同じ極性の電流パルスがワードライン２０及びデジットライン３０の双方に対して選択される限り、電流の方向に関係なく、ＭＲＡＭ装置に対する書き込みが行われる度に、状態が切り替えられるためである。例えば、「１」が最初に記憶されている場合、装置の状態は、一つの正の電流パルスシーケンスがワードライン及びデジットラインを通って流れた後に「０」に切り替わる。記憶されている「０」状態に対して正の電流パルスシーケンスを繰り返すと記憶状態を「１」に戻すことができる。従って、メモリ素子に対する書き込みを行なってこの素子を所望の状態にすることを可能にするために、ＭＲＡＭ装置７２の初期状態をまず読み出して、書き込もうとする状態と比較する必要がある。読み出し操作及び比較操作には、情報を記憶するバッファ及びメモリ状態を比較する比較器を含む更に別の論理回路が必要となる。次に、記憶されている状態と書き込もうとする状態とが異なる場合にのみＭＲＡＭ装置７２に対して書込みを行なう。この方式（トグル書き込み方式）の利点の一つは、異なる状態のビットのみが切り替わるため、消費電力が低くなることである。トグル書き込み方式を使用する別の利点としては、単極性の電圧のみが必要であり、その結果、相対的に小さなサイズのトランジスタを使用してＭＲＡＭ装置を駆動できることがある。本開示全体を通じて、磁界領域９７における動作を「トグル書き込みモード(toggle write mode) 」と定義する。

双方の書き込み方式においては、ワードライン２０及びデジットライン３０に電流を流すことにより、磁気モーメント５３，５８が前に議論した２つの好適な方向の内の一つの方向に配向させることができる。２つの切り替えモードを完全に明らかにするために、磁気モーメント５３，５８，４０の時間発展に関して記述した特定の例を挙げる。

図６を参照すると、ベクトル図が、ＭＲＡＭ装置７２において、パルスシーケンス６００を使用して、「１」を「０」に書き込むトグル書き込みモードを示していることがわかる。この図では、時間ｔ_０で、磁気モーメント５３，５８が図３に示す好適な方向に配向している。この配向状態を「１」と定義する。

時間ｔ_１では、正のワード電流６０が流れ、これによりＨ_Ｗ８０が正のｙ方向に指向するように生じる。Ｈ_Ｗ８０が正の方向に生じることにより、ほぼ平衡な非整合ＭＲＡＭの３層(nearly balanced anti-aligned MRAM tri-layer) が「フロップ（ｆｌｏｐ）」し、印加電界方向に対してほぼ９０°の方向に配向する。強磁性層４５と強磁性層５５との間の有限の反強磁性交換相互作用によって磁気モーメント５３，５８が磁界方向に向かって僅かな角度だけ偏向し、正味磁気モーメント４０が磁気モーメント５３と磁気モーメント５８との間の角度内に位置して、Ｈ_Ｗ８０の向きに整合する。従って、磁気モーメント５３は時計方向９４に回転する。正味磁気モーメント４０は磁気モーメント５３，５８のベクトル合計であるので、磁気モーメント５８も時計方向９４に回転する。

時間ｔ_２では、正のデジット電流７０が流れ、これにより正のＨ_Ｄ９０が生じる。この結果、正味磁気モーメント４０は、Ｈ_Ｗ８０によって正のｙ方向へ、Ｈ_Ｄ９０によって正のｘ方向へ同時に指向されることになり、その結果、正味磁気モーメント４０はさらに時計方向９４に、モーメント４０が正のｘ方向と正のｙ方向との間でほぼ４５°の角度をなして配向するまで回転する。従って、磁気モーメント５３，５８もさらに時計方向９４に回転する。

時間ｔ_３では、ワード電流６０が遮断され、これによりＨ_Ｄ９０のみが正味磁気モーメント４０を指向させ、このモーメント４０は正のｘ方向に指向される。従って磁気モーメント５３，５８の双方は、これらのモーメントの異方性の磁化困難軸の不安定点を通過する角度に指向される。

時間ｔ_４では、デジット電流７０が遮断され、これにより磁界力が正味磁気モーメント４０に作用しなくなる。その結果、磁気モーメント５３，５８は、異方性エネルギーを最小化するようにこれらのモーメントのほぼ最も好ましい方向に配向する。この場合、磁気モーメント５３の好適な方向は正のｙ方向及び正のｘ方向に対して４５°の角度をなす。この好適な方向はまた、時間ｔ_０での磁気モーメント５３の初期方向から１８０°の方向であり、「０」と定義される。従って、ＭＲＡＭ装置７２は「０」に切り替えられたのである。ここで、ＭＲＡＭ装置７２は、ワードライン２０及びデジットライン３０の双方に流れる負の電流を使用して，磁気モーメント５３，５８，４０を反時計方向９６に回転させることによって切り替えられることもできるが、例示として、そうではない場合を示していることを理解されたい。

図７を参照すると、ベクトル図が、ＭＲＡＭ装置７２においてパルスシーケンス６００を使用して「０」を「１」に書き込むトグル書き込みモードを示していることがわかる。磁気モーメント５３，５８に加えて正味磁気モーメント４０を図示している。これらのモーメントは上述した時間ｔ_０，ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３及びｔ_４の各時間におけるものであり、同じ電流方向及び磁界方向を用いてＭＲＡＭ装置１０の状態を「０」から「１」に切り替える機能を示している。従って、ＭＲＡＭ装置７２の状態に対して、図４の磁界領域９７に対応するトグル書き込みモードで書き込みが行なわれる。

直接書き込みモードの場合、磁気モーメント５３は磁気モーメント５８よりもその大きさが大きいものと仮定されるので、磁気モーメント４０は、ゼロ磁界において、磁気モーメント５３と同じ方向を指すが、より小さい大きさを有する。このようにモーメントが非平衡であることにより、合計モーメントを印加磁界の向きに整合させようとする双極子エネルギーが、ほぼ平衡状態にあるＳＡＦの対称性を崩すことを可能にする。従って、スイッチングが所定極性の電流に対応して一の方向にのみ生じる。

図８を参照すると、ベクトル図が、ＭＲＡＭ装置７２においてパルスシーケンス６００を使用する直接書き込みモードを使用して「１」を「０」に書き込む例を示していることがわかる。ここでは再度、メモリ状態が最初は「１」であり、磁気モーメント５３は負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の方向に指向されており、磁気モーメント５８が正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の方向に指向されている。正のワード電流６０及び正のデジット電流７０を用いる上述のパルスシーケンスに従って、前に記載したトグル書き込みモードと同じ方式で書き込みが行なわれる。ここで、これらのモーメントが再度、時間ｔ_１で「フロップ(FLOP)」するが、結果として生じる角度は、非平衡なモーメントと異方性に起因して９０°から傾くことに注目されたい。時間ｔ_４の後、ＭＲＡＭ装置１０は「０」状態に切り替えられ、正味磁気モーメント４０は所望通りに正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度をなして配向する。同様の結果が、「０」を「１」に負のワード電流６０及び負のデジット電流７０のみで書き込む場合に得られる。

図９を参照すると、ベクトル図が、既に記憶されている状態と新規の状態が同じ場合に直接書き込みモードを使用して書き込みを行なう例に関して、ＭＲＡＭ装置７２において磁気モーメントが回転する様子を示していることがわかる。この例では、「０」が既にＭＲＡＭ装置７２に記憶されており、次に電流パルスシーケンス６００を繰り返して「０」を記憶する。磁気モーメント５３，５８は時間ｔ_１で「フロップ」しようとするが、非平衡な磁気モーメントが印加磁界に逆らうように作用するはずなので、回転が弱められる。従って、反対の状態から回転して脱するために付加的なエネルギー障壁が生じる。時間ｔ_２では、支配的なモーメント５３はほぼ正のｘ軸に整合し、かつその初期の異方性方向から４５°未満の角度をなす。時間ｔ_３では、磁界は正のｘ軸に沿って指向される。更に時計回りに回転するのではなく、系は次に、印加磁界に対してＳＡＦモーメントの対象性を変えることによりそのエネルギーを低くする。受動的なモーメント５８はｘ軸を通り過ぎ、そして系は、受動的なモーメント５３がほぼその初期方向に戻った状態で安定する。従って、時間ｔ_４で磁界が無くなると、ＭＲＡＭ装置７２に記憶される状態は「０」を維持することになる。このシーケンスは図４の磁界領域９５として示される直接書き込みモードのメカニズムを示している。従ってこの例では、「０」を書き込むにはワードライン２０及びデジットライン３０の双方に正の電流を流す必要があり、逆に、「１」を書き込むにはワードライン２０及びデジットライン３０の双方に負の電流を流す必要がある。

より大きな磁界が印加される場合には、最終的には、フロップに関連するエネルギー低下が、切り替え（トグル）現象を生じなくしている、非平衡なモーメントの双極子エネルギーによって生じる付加的なエネルギー障壁を超える。この時点で、切り替え現象が生じ、このスイッチングは磁界領域９７によって表わすことができる。

時間ｔ_３及びｔ_４が等しいか、またはできるだけ等しくされる場合に、直接書き込みモードが適用される磁界領域９５を拡大することができる、すなわちトグルモード磁界領域９７を高磁界側に移動させることができる。この場合、ワード電流６０が流れると磁界方向はビット異方性軸に対して４５°の角度から始まり、次にデジット電流７０が流れると磁界方向はビット異方性軸に平行になるように動く。この例は典型的な磁界印加シーケンスと同様である。しかしながら次には、ワード電流６０及びデジット電流７０がほぼ同時に流れなくなるので、磁界方向はこれ以上回転しない。従って、ワード電流６０及びデジット電流７０の双方が流れることにより、正味磁気モーメント４０が既にその磁化困難軸不安定点を通過してしまうように、印加される磁界は十分に大きくなければならない。このとき、磁界方向が前のように９０°ではなく４５°しか回転しないため、トグル書き込みモード現象は生じ難くなる。磁界印加の停止時間ｔ_３及びｔ_４をほぼ一致させる利点としては、磁界の印加時間ｔ_１及びｔ_２の順番に関して付加的な制約を生じないことがある。従って、複数の磁界を任意の順番で発生させたり、またはほぼ同時に発生させたりすることができる。

図４〜図１３を参照しながら記載した、本明細書ではサフチェンカの書き込み技術と呼ぶ書き込み方法は、時間ｔ_２と時間ｔ_３との間にワード電流６０及びデジット電流７０の双方が流れるＭＲＡＭ装置のみが状態を切り替えることから、高い選択性を示す。この特徴を図１２及び図１３に示す。図１０は、ワード電流６０が流れず、かつデジット電流７０が流れる時のＭＲＡＭ装置７２において使用されるパルスシーケンス６００を示すタイミング図である。図１１は、ＭＲＡＭ装置７２の状態の該当する動作を示すベクトル図である。時間ｔ_０では、磁気モーメント５３，５８に加えて正味磁気モーメント４０が図３に示すように配向する。パルスシーケンス６００では、デジット電流７０が時間ｔ_１で流れる。この時間の間、Ｈ_Ｄ９０によって、正味磁気モーメント４０が正のｘ方向に指向される。

ワード電流６０は全く流されないので、磁気モーメント５３，５８は、これらのモーメントの異方性の磁化困難軸不安定点を通過する回転を行なうことは無い。その結果、磁気モーメント５３，５８は、デジット電流７０が時間ｔ_３で流れなくなるとほぼ最も好適な方向、すなわちこの場合は時間ｔ_０での初期方向に再配向する。従って、ＭＲＡＭ装置７２の状態は切り替わらない。ここで、ワード電流６０が上に記載した時間と同様な時間に流れ、かつデジット電流７０が流れない場合には、同じ結果が生じることを理解されたい。さらに、ワード電流６０及びデジット電流７０の双方が同じ大きさで同時に流れる場合でも、同じ結果が生じることを理解されたい。この特徴によって、アレイの中の一つのＭＲＡＭ装置のみが切り替わり、同時に他の装置はその初期状態を維持することになる。この結果、不所望のスイッチングを防止することができ、かつビットエラーレートを最小化することができる。従って、図２及び図３を参照しながら記載したＭＲＡＭ装置７１に対して使用した手法と同様な手法において、ビット磁気モーメントがビット磁化容易軸５９の１つの安定な極性からもう１つの安定な極性に回転しないことが保証される印加磁界の値から成る領域が存在する。これらの値から成るこの領域は図４を参照しながら記載した磁界領域９２に対応するが、商業的に流通するＭＲＡＭの非スイッチング磁界領域のサイズは、製造にばらつきが生じることを考えると、一つの装置に関してシミュレートした磁界領域の例示として示したサイズよりも若干小さくなることを理解されたい。

ＭＲＡＭ装置７２の一つの強力な性能特性は、情報を装置に書き込むために使用される電力である。この電力はスイッチングに必要な磁界強度（本明細書においては「フロップ磁界(flop field)」とも呼ぶ）に直接関係する。ここで、ほぼ平衡なＳＡＦの磁性材料にスピンフロップ現象を発現させるために必要な印加磁界強度は、ＳＡＦ構造（ビット磁性領域１５）の異方性磁界及びＳＡＦ構造の飽和磁界（図４には示さず）によって決まることを理解されたい。これらのパラメータは、ＭＲＡＭ製造及びＭＲＡＭ性能の多くの局面を最適化するためにＭＲＡＭ装置７２の設計中に行なわれる技術的決定の結果である。磁界成分が特定の関係（Ｈ_Ｗ＝Ｈ_Ｄのような）を有する場合、磁気モーメントのスピンフロップを発現させるために必要なフロップ磁界は従来からＨ_ｆｌｏｐ＝ｓｑｒｔ（Ｈ_ｋ ^＊Ｈ_ｓａｔ）によってモデル化されており、この場合、Ｈ_ｆｌｏｐはトグル書き込みモードにおけるスイッチングに必要な磁界強度であり、Ｈ_ｋは異方性磁界であり、Ｈ_ｓａｔは構造のＳＡＦ飽和磁界である。しかしながら、本発明の好適な実施形態によれば、本明細書において「弱結合領域（ｗｅａｋｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｒｅｇｉｏｎｓ：ＷＣＲ）」と呼ぶ、ＭＲＡＭ装置７２の製造中に形成され、ＭＲＡＭ装置７２内に分散する小領域群は、サンプルの残りの部分に存在する反強磁性結合に打ち勝ち、Ｈ_ｓａｔよりもずっと小さい磁界でモーメントが飽和し、強磁性的に整合される。これらの領域によって、Ｈ_ｆｌｏｐは幾つかの実験において測定される量だけ減少して、上式によって与えられる値の約５０％の値となる。ここで、この減少によってＭＲＡＭアレイの消費電力が大きく減少するので、非常に望ましい利点が得られることを理解されたい。測定できるほどにフロップ磁界を低減する（従来のモデルと比較した場合）ことに加えて、ＷＣＲは、外挿による残留磁気によって特徴付けられる。そのような外挿による残留磁気は本明細書において以下に記載するように形成されていないほぼ平衡なＳＡＦ構造には存在しない。

図１２を参照すると、ほぼ平衡な反平行結合膜構造を有する２つのサンプルに関して、磁化容易軸に沿って印加される磁界に対する正規化磁気モーメントをプロットしたグラフが示されている。この場合、一方のサンプルは従来の方法により形成されており、本明細書において従来型ＳＡＦと呼ぶものであり、他方のサンプルは、本発明の好適な実施形態に従って形成されている。これらのサンプルはバルクサンプルであり、このバルクサンプルでは、ＳＡＦはＮｉＦｅから成る複数の強磁性層及びＲｕから成る反強磁性交換結合材料から構成される。この構造の異方性磁界は５Ｏｅである。プロット１４０５は、従来の方法によって形成されたサンプルに関して、印加磁界に対する正規化磁気モーメントをプロットしたものである。プロット１４０５の低磁界側の挙動は、図１２の中央部の拡大図
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Ｈ_{ｆｌｏｐ１}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。Ｈ_ｋ（５ Ｏｅ）、Ｈ_ｓａｔ（２５５ Ｏｅ）に関するこれらの値及びフロップ磁界Ｈ_{ｆｌｏｐ１}（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。

図１２及び図１３に示すプロット１４１０は、本発明の好適な実施形態に従って形成されるＳＡＦサンプルに関する、印加磁界対正規化磁気モーメントの関係を表わすプロットである。このサンプルはアニール後の上述したサンプルと同じである。図１３を参照すると、プロット１４１０は、印加磁界がゼロに近いプロットの低磁界部分における挙動と同様な挙動を有することが分かる。本発明の好適な実施形態に従って形成されるＳＡＦ構造のゼロ磁界における挙動は、従来方法により形成されるＳＡＦの挙動と同じであり、ゼロ磁界ではサンプルは完全に反強磁性結合する。読み取りはゼロ磁界において行なわれるので、本発明の好適な実施形態に従って形成されるＳＡＦ構造が、従来方法により形成されるＳＡＦのゼロ磁界における挙動と同一のゼロ磁界における挙動を有することは非常に都合が良い。しかしながら、磁気モーメントのフロップ現象が生じる印加磁界Ｈ_{ｆｌｏｐ２}の値（強度）１４４０は、従来方法により形成されるＳＡＦサンプルのフロップ磁界１４３５（約３５ Ｏｅ）Ｈ_{ｆｌｏｐ１}のほぼ半分（約１８ Ｏｅ）であることが分かるであろう。更に、本発明の好適な実施形態に従って形成される本ＳＡＦサンプルの場合、プロット１４１０は、磁気モーメントが約２０８ Ｏｅの印加磁界強度１４３０Ｈ_ｓａｔ２で飽和することを示している。上述の従来法によるＳＡＦとは異なり、これらの値、すなわちＨ_ｋ（５ Ｏｅ）、Ｈ_ｓａｔ（２０８ Ｏｅ）及びフロップ磁界Ｈ_{ｆｌｏｐ１}（１８ Ｏｅ）の間にはモデルに当てはまる関係が見られない、すなわち１８は、５×２０８の平方根（ｓｑｒｔ（５^＊２０８））に等しくならない。本発明の好適な実施形態に従って形成されるサンプルのフロップ磁界は、同様な異方性磁界及びＳＡＦ飽和磁界を有するＳＡＦに関するフロップ磁界よりも小さいので、情報を書き込むために使用する電力を小さくすることができる。

また図１２及び図１３には、プロット１４１０の線形部分の外挿１４２０が、印加磁界がゼロの場合に対応する縦軸の正規化モーメント軸と約０．１２において交わる様子が示されている。この交点は本明細書においては外挿残留磁気(extrapolated remanence)と呼ぶ。ＷＣＲ（弱結合領域）によって、本発明の好適な実施形態に従って形成されるほぼ平衡な（ＳＡＦ）構造を有するサンプルが示す外挿残留磁気が生じる。理論付けされているわけではないが、ＳＡＦのこれらの弱結合領域はゼロ磁界での強磁性層間の反平行配向を維持するように作用するので、従来のＳＡＦと同様な態様で動作するものと考えられる。これは、主に、これらの領域とこれらの領域を取り囲み、かつ依然として強い反平行結合に遭遇している強磁性材料との間の交換結合に起因するものと考えられる。しかしながら、従来のフロップ磁界よりも小さい磁界では、ＷＣＲのモーメントが飽和して強磁性配向する。これは、ＷＣＲを含まないＳＡＦよりも含むＳＡＦに関するフロップ遷移後のモー
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。

図１４を参照すると、本発明に従って形成された後のＳＡＦ構造１５の一部の斜視図が示されている。上述したように、分散した領域１６１０は本明細書においては弱結合領域（ｗｅａｋｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｒｅｇｉｏｎｓ：ＷＣＲ）と呼ぶ。外挿により求められるゼロではない残留磁気を示すＳＡＦ構造は全て、本発明に従って形成されたＷＣＲを有するＳＡＦである。更に、上に記載したモデルから推測される値から大きく低下したフロップ磁界を示すＳＡＦは、本発明に従って形成されたＷＣＲを有するＳＡＦである。

分散した領域１６１０は本発明の好適な実施形態に従って、従来の堆積技術を使用して形成されたほぼ平衡なＳＡＦ構造をアニールすることにより形成される。この場合、強磁性層及び反平行結合層はほぼ均一な（等しい必要は無い）厚さを有する。このプロセスでは、ほぼ平衡なＳＡＦの層４５，５５，６５の公称厚さを大きく変更するということはない。アニールは、ＳＡＦ構造の特定組の材料及びサイズパラメータに関して実験により決定される温度で、かつ時間に渡って行なって、永久的な残留磁気が生じるのを防止しながらフロップ磁界を小さくすることによりＷＣＲの利点を最適化する。

本発明の別の実施形態によれば、ＷＣＲを形成する方法では、反平行結合層を複数の層として形成する。これらの層は異なる材料とすることができ、かつ上述のように、反強磁性交換結合材料及びスペーシング材の一方または双方を含むことができる。これらの層を実験により決定される方法により堆積させて、永久的な残留磁気が生じるのを防止しながらフロップ磁界を小さくすることによりＷＣＲの利点を最適化する。

本発明の別の実施形態によれば、非常に薄く均一な反強磁性交換結合材料層を堆積し、その後別の反強磁性交換結合材料層を堆積させるが、この別の材料層は選択された材料を使用し、かつ最適な結果が得られるように実験により決定される厚さばらつきに収まるよ
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。

本発明の別の実施形態によれば、ＷＣＲは、スペーサ材料を反強磁性交換材料と一緒に堆積させて弱結合領域がサンプル全体に分散するようにすることにより形成される。このスペーサ材料は、大きな弱結合領域がサンプル全体に分散するように、使用する交換層とは混合することができない材料とすることができる。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。

本発明の更に別の実施形態によれば、ＷＣＲを形成する方法では、第１強磁性層を堆積させ、次に粗面を形成するいずれかの公知の技術を使用して、例えば層をエッチングまたは研磨することにより強磁性層の表面を粗面にし、次に反平行結合層を堆積させ、その後第２強磁性層を堆積させる。第１強磁性層を処理して３次元のアイランド状の成長が反強磁性結合層に生じるようにすることもできる。

本明細書において記載するメモリシステム４５０，５５０は、例えばほぼ全てのセルラー方式無線システムを含む複雑な構造のシステムオンチップに設けることができる、または非常に多岐に渡る電子装置に使用するマイクロプロセッサに設けることができ、これらの電子装置としては、携帯音楽プレイヤから自動車に渡る範囲の消費財、無線通信機器及び通信制御システムのような軍事製品、及び非常に複雑なコンピュータからロボット、更には或るタイプ及び種類の電子機器などの簡単な検査機器片に渡る商用機器が挙げられる。

次に図１５を参照すると、フローチャートは、トンネル接合メモリセルに使用することができるＳＡＦ構造を、本開示において記載した技術を使用して形成するプロセスの幾つかのステップを示している。本明細書において上に記載してきた、この技術分野の当業者には明らかな幾つかのステップはフローチャートには示さないが、これらの幾つかのステップを使用してＳＡＦ構造を形成する。ステップ１７１０では、第１強磁性層５５（図２）を基板の上に堆積させる。この基板は、例えば複数の集積回路のための基板であって、各集積回路は磁気抵抗トンネル接合メモリセルのアレイを含み、該アレイは読み出し及び書き込みのために、電気的にアドレス指定可能な導電体マトリクスによってアクセスされる基板、またはディスクドライブのような可動式のリード／ライトヘッドによって読み出し及び書き込みのためにアクセスされるメモリのための基板である。前記基板は、ステップ１７１０の前に、基板の上に形成される複数のパターニングされた層を有することができる。ステップ１７１５では、反平行結合層６５（図２参照）を第１強磁性層上に堆積させる。ステップ１７２０において、第２強磁性層４５（図２）を反平行結合層６５上に堆積させ、ステップ１７２５では、ＷＣＲ１６１０（図１４）を反強磁性交換結合層の中に形成する。ＷＣＲ１６１０の形成は、ステップ１７３０に示すように、アニールする、またはステップ１７３５に示すように、粗面を有するように形成された第１強磁性層の上に反平行結合層を堆積させる、或いはステップ１７４０に示すように、複数層の反平行結合層を第１強磁性層の上に堆積させる、或いは例えばステップ１７４５に示すように、反平行結合層をスペーサ材料及び交換結合材料の合金として、スペーサ材料及び交換結合材料を第１強磁性層の上に同時に堆積させることによって行われる。ＷＣＲのアニールによる形成は、これらの層を堆積させた後であればどの時点でも行なうことができる。ＷＣＲは、ステップを参照しながら記載した複数の方法の組み合わせを使用することにより形成することもできる。磁気抵抗トンネル接合メモリセルのＳＡＦは、ブロック１８３０に示すように、構造の異方性磁界及びＳＡＦ飽和磁界の積の平方根を大きく下回るフロップ磁界の値による特性化、またはブロック１８３５に示すように、ゼロよりも大きい正規化外挿残留磁気による特性化を含む幾つかの方法により特性化することができる。

ここで、本明細書において記載する新規なＳＡＦ構造が、サフチェンカの書き込み技術を使用するメモリセル（トンネリングタイプまたは非トンネリングタイプのいずれかのメモリセル）において有利であり、かつ本明細書において記載するＳＡＦ構造を、小さいスイッチング磁界が重要となる他の磁気エレクトロニクス装置においても使用することができることを理解されたい。

これまでの明細書においては、本発明及びその効果及び利点について特定の実施形態を参照しながら記載してきた。しかしながら、この技術分野の当業者であれば、種々の変形及び変更を本発明に、以下の請求項に示される本発明の技術範囲から逸脱しない範囲において加え得ることが分かるであろう。従って、明細書及び図は制限的な意味ではなく例示として捉えられるべきであり、このような変形は全て本発明の技術範囲に含まれる。効果、利点、問題解決法、及びこのような効果、利点、または問題解決法をもたらし、またはさらに顕著にさせるすべての要素（群）が、いずれかの請求項または全ての請求項の必須の、必要な、または基本的な特徴、或いは要素であると考えられるべきではない。

本明細書で使用される「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語、または他のすべてのこれらの変形は包括的な意味で用いられるものであり、一連の要素を備えるプロセス、方法、製品、または装置がこれらの要素のみを含む、ということではなく、明らかには挙げられていない、またはそのようなプロセス、方法、製品、または装置に固有の他の要素を含むことができる。

本発明による磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）装置の概略断面図。 サフチェンカの書き込み技術を使用する本発明の実施形態によるＭＲＡＭ装置の概略断面図。 ワードライン及びデジットラインを示す、図２を参照して記載されるＭＲＡＭ装置部分の概略平面図。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置の直接書き込みモードまたはトグル書き込みモードを生じさせる磁界振幅の組み合わせをシミュレートした結果を示すグラフ。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置のワード電流及びデジット電流を示すタイミング図。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置において、「１」を「０」に書き込むときのトグル書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置に関する磁気モーメントの回転を示すベクトル図。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置において、「０」を「１」に書き込むときのトグル書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置に関する磁気モーメントの回転を示すベクトル図。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置において、「１」を「０」に書き込むときの直接書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置に関する磁気モーメントの回転を示すベクトル図。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置において、「０」を既に「０」となっている状態に書き込むときの直接書き込みモードの磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置に関する磁気モーメントの回転を示すベクトル図。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置において、デジット電流のみが流れるときのワード電流及びデジット電流のタイミング図。 図２を参照しながら記載されるＭＲＡＭ装置において、デジット電流のみが流れるときの磁気抵抗ランダムアクセスメモリ装置に関する磁気モーメントの回転を示すベクトル図。 ほぼ平衡な反平行結合膜構造を有する２つのサンプルに関して、印加磁界対正規化磁気モーメントをプロットしたグラフ。 図１２の中央部の拡大図。 本発明に従って形成される反平行結合膜構造の部分斜視図。 本発明の実施形態による磁気抵抗トンネル接合メモリセルを形成するプロセスのフローチャート。 本発明の実施形態による磁気抵抗トンネル接合メモリセルを形成するプロセスのフローチャート。

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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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