JP4347065B2

JP4347065B2 - 基準層の製造方法、および、その製造方法によって製造された基準層を備えたｍｒａｍメモリーセル

Info

Publication number: JP4347065B2
Application number: JP2003581204A
Authority: JP
Inventors: クロースターマン，ウルリッヒ; リューリッヒ，マンフレート
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: WO2003083873A1; KR20040101341A; CN1643615A; KR100626480B1; US7309617B2; EP1488426A1; DE10214159A1; DE50301502D1; TW200304700A; DE10214159B4; EP1488426B1; JP2005527970A; US20050208680A1

Description

発明の詳細な説明

本発明は、ＭＲＡＭメモリーセルに適用できる基準層の製造方法、および、その製造方法により製造された基準層を備えたＭＲＡＭメモリーセルに関するものである。

ＭＲＡＭ構造とは、周知のように、ＴＭＲ効果（ＴＭＲ＝トンネル磁気抵抗）を用いた強磁性体による記憶に基づくものである。図１は、このＴＭＲ効果を利用した公知のＭＲＡＭメモリーセルの概略断面図を示している。ビット線５とワード線４とが交差している箇所に、ＴＭＲメモリーセルが配置されている。このＴＭＲメモリーセルは、軟磁性層２と、トンネル酸化被膜３と、硬磁性層または基準層とを含んだ積層体から構成されている。硬磁性層１の磁化方向は、図中に矢印で示したように、予め決められている。一方、軟磁性層２の磁化方向（両方向の矢印）は、ワード線４とビット線５との間に、異なる方向の対応する電流Ｉ、Ｉ´を流すことによって調整することができる。これらの電流を用いることによって、硬磁性層１の磁化方向に対して平行または反平行となるように、軟磁性層２の磁化を分極させることができる。上記した積層体の抵抗値は、これら硬磁性層１・軟磁性層２が平行に磁化されている場合のほうが、これらが反平行に磁化されている場合よりも低く、このような状態をそれぞれ、“０”状態および“１”状態、または、“１”状態および“０”状態と表すことができる。

基準層の正味の磁化（Nettomagnetisierung）がＭＲＡＭメモリーセルの全挙動を規定するため、ＭＲＡＭメモリーセルを製造する際に、目標とするＭＲＡＭメモリーセルの挙動が得られるようにこの正味の磁化を調整することが望まれる。

そこで、本発明は、ＭＲＡＭメモリーセル用の基準層の製造方法、および、この製造方法によって製造された基準層を備えたＭＲＡＭメモリーセルを提供することを目的とするものであり、基準層の正味の磁化および、ＭＲＡＭメモリーセルの全挙動が適切に調整されることを目的としている。

この目的を達成するための、本発明に係るＭＲＡＭメモリーセル用の基準層の製造方法は、以下の工程（Ａ）〜（Ｄ）を含むことを特徴としている。
工程（Ａ）：第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１の物質からなる第１層と、第２キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２の物質からなる第２層とを備えた層システムを基準層として形成する。なお、第１層は、外部磁界によって永久磁化することができ、第２層は、第１層との反強磁性結合によって磁化できるものである。また、第２キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２は、第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１よりも著しく低くなっている。
工程（Ｂ）：外部磁界を形成する。
工程（Ｃ）：外部磁界の作用によって、第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１より高い温度から第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１を下回るまで、層システムを冷却する。このとき、外部磁界の磁界強度が第１層の飽和磁界強度よりも大きいため、第１層の磁化は、二次相転移により、外部磁界の方向に向けられる。
工程（Ｄ）：続いて、第２キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２を下回るまで層システムを冷却する。このとき、第２層の磁化は、第１層と第２層との間の反強磁性結合によって、第１層の磁化に対して反平行に向けられる。

基準層としては、例えば、対称的で人工的な反強磁性物質（symmetrischer, kuenstlicher Antiferromagnet）（ＡＡＦ）を用いることができる。この対称的で人工的な反強磁性物質は、キュリー温度が異なる反強磁性結合した２つの層を有したものである。外部から供給された磁界内にて第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１より高い温度から上記層システムを冷却すると、層システムの第１層の磁化は、二次相転移によって外部磁界の方向に沿って方向付けられる。なお、この外部磁界は、第１層の飽和磁界よりも大きなものである。さらに、上記層システムを第２キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２よりも温度が低くなるまで冷却すると、第２層の磁化は、２つの層間の反強磁性結合によって、第１層の磁化方向に対して反平行に方向付けられる。これにより、２つの層（つまり、第１層および第２層）は、人工的な反強磁性物質（ＡＡＦ）となる。

キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２よりも低い場合において、二次相転移により、第２層に磁化分布が生じることが、極めて重要なことである。第１層における磁化分布は、反強磁性結合による（反平行な）結合によって、第２層へ転移される。

第１層および第２層の正味の磁化（飽和磁束＝飽和磁化×層厚）を、適切に選択できれば、層システムの正味の磁化をゼロに設定することができる。このようにして生成された人工的な反強磁性物質内の磁化は、各層間の磁気結合が十分強く、外部磁界に対して十分に安定している。

さらに、例えば、第２層の飽和磁化または層厚を、第１層の飽和磁化または層厚よりも小さく選択することによって、層システムの正味の磁化を目標とする挙動に合わせて制御することもできる。そこで、２つの層に同じ飽和磁束が存在している場合における対称的で人工的な反強磁性物質（ＡＡＦ）の利点を用いない場合は、この層構造を、逆の人工的な反強磁性物質を製造するために使用することができる。本発明に係るＴＭＲメモリーセルでは、厚みの薄い方の層がトンネル障壁と接触している。通常の構造に見られる、残余する３６０°磁壁（zurueckbleibende 360°-Waende）が信号を減衰させるという問題は、本発明では、各層が固有に飽和され、それにより３６０°磁壁が存在しなくなるので解消される。

また、工程（Ｃ）で得られる第１層の均一の磁化を、中間層を介して接続することにより、第２層に転移してもよい。そのためには、工程（Ａ）において、第１層と第２層との間に非常に薄い中間接続層を備えた新たな層システムが形成される。この利点は、特に、第１層が飽和された場合に、第２層に３６０°磁壁が生じないという点にある。

この層システムの第１層および第２層には、特に次の物質の組み合わせを用いることが好ましい。
（ａ）第１層に、キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１＝４８５℃を有した（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ）_８０（Ｓｉ、Ｂ）_２０を用い、第２層に、キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２＝２１０℃を有した（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ）_７３（Ｓｉ、Ｂ）_２７を用いる。これらの物質の組み合わせによって、全体として軟／軟磁化挙動を獲得することができる。
（ｂ）第１層に、キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１＝４１５℃を有した（Ｃｏ、Ｆｅ）_８３（Ｓｉ、Ｂ）_１７を用い、第２層に、キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２＝２６０℃を有した（Ｎｉ、Ｆｅ）_７８（Ｓｉ、Ｂ、Ｃ）_２２を用いる。これらの物質の組み合わせによって、層システムの磁気ひずみ挙動を獲得することができる。
（ｃ）第１層に、キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１＝４００℃のＴｂ_２０Ｆｅ_４０Ｃｏ_４０を用い、第２層に、キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２＝１５０℃のＴｂ_２０Ｆｅ_８０を用いる。これにより、層システムのフェリ磁性特性が可能になる。

また、中間層の物質は、ルテニウム、銅、または、金を用いることができる。

第１層と第２層との間の電磁結合は、反強磁性結合が起こるように選択する必要のある中間層（中間接続層）の厚さに依存している。

この方法によって形成された基準層、および、このような基準層を備えたＭＲＡＭメモリーセルには、特に、以下の利点がある。

各層における磁化分布の目的に合わせて設定することができる。
・正味の磁化は極わずかであり、層システムの正味の磁化を、飽和磁化と、第１・第２層の厚さとの選択によって制御することができる。
・第１層が凍結している間、第２層の磁化は不活性である（Ｔ_Ｃ ^２以上）。
・上記中間（接続）層を介して接続することによって、第１層から第２層に均一な磁化を転移させることができる。特に、この利点は、第１層が飽和しても、３６０°磁壁が第２層に生じない点にある。
・２つの層の飽和磁束が同じである場合の対称的で人工的な反強磁性物質の利点を用いない場合、本発明で提案したこの層構造を逆の人工的な反強磁性物質を製造するために利用することができる。この構造では、通常の構造ＭＲＡＭメモリーセルにおいて生じる問題、つまり、残余する３６０°磁壁が信号を減衰させるという問題がなくなる。なぜなら、どの層も固有に飽和しており、したがって、３６０°磁壁が存在しないからである。

以下に、図面を参照しながら、本発明の製造方法および、このような基準層を備えたＭＲＡＭメモリーセルの実施形態について詳細に説明する。図１は、上述した公知のＭＲＡＭメモリーセルの構造を示す概略断面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）は、本発明にしたがって製造された基準層を備えたＭＲＡＭメモリーセルの第１および第２実施形態を示す概略断面図である。図３は、本発明にしたがった他の基準層を備えた他のＭＲＡＭメモリーセルである第３実施形態を示す概略断面図である。図４は、本発明にしたがった基準層の製造方法を説明するための概略図を示している。

図２（ａ）および図２（ｂ）に概略的に説明した本発明のＭＲＡＭメモリーセルは、２つの層１０・１１と、トンネル障壁１３と、軟磁性層１２とからなる積層体が、ワード線１４とビット線１５との間に備えられている。なお、２つの層１０・１１が本発明に係る基準層システムＲを形成している。図２（ａ）では、その層システムＲの第１層１０および第２層１１の飽和磁化は同じであり、それらの層厚も同じである。したがって、層システムＲの正味の磁化はゼロである。

それに対して、図２（ｂ）では、第２層１１の層厚が第１層１０の層厚よりも小さく選択されているので、基準層の層システムＲの第１層１０と第２層１１との正味の磁化は異なっている。この薄い方の第２層１１は、トンネル障壁１３に接触している。各層（つまり第１層１０および第２層１１）が飽和状態にあり、よって、３６０°磁壁が存在しない。よって、本発明の構成では、残余する３６０°磁壁が信号を減衰するという公知の構造のＭＲＡＭメモリーセルにおいて存在する問題は生じることはない。

また、図３に概略断面図として示した第３実施形態では、基準層の層システムＲ´は、第１層１００と、薄い中間接続層１０２と、第２層１０１とから構成されている。この中間接続層１０２があることによって、第１層１００の均一の磁化が、これら２つの層に接触した中間接続層１０２を介して、第２層１０１に転移される。これにより、第１層が飽和した場合であっても、第２層に３６０°壁が生じない。その他の点については、図３に示した本発明のＭＲＡＭメモリーセルの第３実施形態に適した構造は、図２（ａ）に示した第１実施形態と同じである。

図４に、本発明に係るＭＲＡＭメモリーセルに適用できる基準層の製造方法を示す。

層システムは、基準層ＲまたはＲ´として備えられている。この層システムは、外部磁界によって磁化でき、かつ、第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１の物質からなる第１層と、上記第１層との反強磁性結合によって磁化でき、かつ、第２キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２の物質からなる第２層とを備えている。なお、第２キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２は、第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１よりも著しく低い。温度軸Ｔには、これら２つのキュリー温度Ｔ_Ｃ ^１およびＴ_Ｃ ^２を示している。ｔ１の時点で、層システムＲ・Ｒ´は、第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１よりも高い温度Ｔ０から、第１キュリー温度Ｔ_Ｃ ^１よりも低い温度になるまで冷却される。このとき、層システムＲ・Ｒ´は、外部磁界Ｂ１（矢印）内に存在している。この場合、第１層１０の磁化は、二次相転移によって、外部磁界Ｂ１の磁界方向に沿って方向付けられる。なおこれは、Ｂ１の磁界強度が、第１層１０の飽和磁界強度よりも大きい場合を前提としている。

この層システムをさらに冷却すると、磁界Ｂ１をＯＦＦ状態にすることができ、温度Ｔが第２層１１のキュリー温度Ｔ_Ｃ ^２を下回るとすぐ、すなわち、ｔ２の時点で、第２層１１の磁化が、２層間の反強磁性結合により、第１層１０に対して反平行に方向付けられる。これにより、人工的な反強磁性物質ＡＡＦが形成される。上述したように、また、図３に基づいて記載したように、第１層の第２層への反強磁性結合を、さらに中間接続層を備えることによって媒介してもよい。

図４のｔ２の時点において点線の矢印で示したように、Ｔ_Ｃ ^２を通過する間に第２層１１の磁化分布を均一にするためには、磁界方向が第１層１０の磁化方向とは逆であって、かつ、第１層１０に与えられている磁化を反転するには不十分である磁界Ｂ２を、供給してもよい。このためには、第１層の保磁力が十分であるか、または、第１層１０における「長方形」スイッチング挙動（“rechteckiges“ Schaltverhalten）が十分である必要がある。こうなるためには、第１層１０の磁化の安定性は、第１層１０を、低いほうの第２キュリー温度Ｔ_Ｃ ^２よりも高いネール温度を示す通常の（natuerlichen）反強磁性物質と接続することによって、安定化することができる。

第１層および第２層の実現可能な層の組み合わせを、以下の表に示す。

なお、図３に示した上述の中間接続層１０２は、ルテニウム、銅、金を含んでいてもよい。

公知のＭＲＡＭメモリーセルの構造を示す概略断面図である。（ａ）は、本発明にしたがって形成された基準層を備えたＭＲＡＭメモリーセルの第１実施形態を示す概略断面図であり、（ｂ）は、本発明にしたがって形成された基準層を備えたＭＲＡＭメモリーセルの第２実施形態を示す概略断面図である。本発明にしたがった他の基準層を備えた他のＭＲＡＭメモリーセルを示す第３実施形態である。本発明にしたがった基準層の製造方法を説明するための概略図を示している。

符号の説明

１；Ｒ；Ｒ’ 基準層
２；１２軟磁性層
３；１３トンネル障壁
１０；１００第１層
１１；１０１第２層
１０２中間接続層
１４ワード線
１５ビット線
Ｔ_Ｃ ^１、Ｔ_Ｃ ^２キュリー温度
Ｂ１、Ｂ２磁界
ｔ１、ｔ２時間

Claims

ＭＲＡＭメモリーセルに適用できる基準層の製造方法であって、
工程（Ａ）：外部磁界によって永久磁化することができ、かつ、第１キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^１）の物質からなる第１層（１０；１００）と、第１キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^１）よりも低い第２キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^２）の物質からなり、かつ、第１層との反強磁性結合により磁化できる第２層（１１；１０１）とを備えた層システム（Ｒ；Ｒ´）を基準層として形成する、
工程（Ｂ）：上記層システム（Ｒ；Ｒ´）を第１の外部磁界（Ｂ１）内に存在させることによって、上記第１層（１０；１００）を磁化する、
工程（Ｃ）：第１層（１０；１００）の飽和磁界強度よりも大きい磁界強度である上記第１の外部磁界（Ｂ１）内にて、層システム（Ｒ；Ｒ´）を、第１キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^１）より高い温度からより低い温度に冷却することで、第１層（１０；１００）の磁化を、二次相転移によって第１の外部磁界（Ｂ１）の方向に向ける、
工程（Ｄ）：さらに、第１層（１０；１００）と第２層（１１；１０１）との間の反強磁性結合によって、第２層の磁化が、第１層の磁化と反平行となるように、層システム（Ｒ；Ｒ´）を第２キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^２）よりも低い温度に冷却する、
という工程（Ａ）〜（Ｄ）を含むことを特徴とする基準層の製造方法。
上記層システム（Ｒ；Ｒ´）の正味の磁化を、第１層（１０；１００）および第２層（１１；１０１）それぞれの飽和磁束の選択を通じて設定することを特徴とする、請求項１に記載の基準層の製造方法。
第１層（１０；１００）と第２層（１１；１０１）とを飽和磁化を互いに同じにするとともに、層厚を互いに同じにすることによって、上記層システム（Ｒ；Ｒ´）の正味の磁化をゼロに設定することを特徴とする請求項１または２に記載の基準層の製造方法。
第１層（１０；１００）よりも第２層（１１）の厚さが薄くなるように選択することによって、上記層システム（Ｒ；Ｒ´）の正味の磁化をゼロにならないように設定することを特徴とする請求項１または２に記載の基準層の製造方法。
工程（Ｄ）では、層システムの温度が第２キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^２）を通過する際、第１層（１０；１００）の磁化方向とは逆の磁化方向を有する第２の外部磁界（Ｂ２）が印加されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の基準層の製造方法。
工程（Ａ）にて、第１層（１００）と第２層（１０１）との間に非常に薄い中間接続層（１０２）を有する層システム（Ｒ´）を形成し、
工程（Ｄ）における反強磁性結合は、上記中間接続層（１０２）によって媒介されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の基準層の製造方法。
上記第１層（１０；１００）の物質は、（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ）_８０（Ｓｉ、Ｂ）２０）；（Ｃｏ、Ｆｅ）_８３（Ｓｉ、Ｂ）_１７；Ｔｂ_２０Ｆｅ_４０Ｃｏ_４０からなる群から選択され、
上記第２層の物質は、（Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｏ）_７３（Ｓｉ、Ｂ）_２７；（Ｎｉ、Ｆｅ）_７８（Ｓｉ、Ｂ、Ｃ）_２２；Ｔｂ_２０Ｆｅ_８０からなる群から選択されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の基準層の製造方法。
上記中間接続層（１０２）の物質は、ルテニウム、銅、金からなる群から選択されることを特徴とする請求項６に記載の基準層の製造方法。
第１キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^１）の物質を有する第１層（１０；１００）と、第１キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^１）よりも低い第２キュリー温度（Ｔ_Ｃ ^２）の物質を有する第２層（１１；１０１）とを有した層システム（Ｒ；Ｒ´）を有する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の製造方法によって製造される基準層を備えていることを特徴とするＭＲＡＭメモリーセル。