JP4580211B2 - 軟らかい基準層を有する磁気メモリセル、不揮発性メモリアレイ、および、磁気メモリセルを形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は磁気メモリセルに関し、詳しくは磁気的に的に軟らかい基準層を有する磁気メモリセルに関する。

関連特許出願
本出願は、既に米国特許第６，５７６，９６９号Ｂ２として発行されている米国特許出願第０９／９６３，１７１号の分割出願である、同時係属の米国特許出願第１０／３５１，０１３号の一部継続出願であり、その特許出願への優先権を主張する。

メモリチップは通常、シリコンウェーハ上に堆積された複数のメモリセルを含む。メモリセルは、列導電性リード（ビット線）および行導電性リード（ワード線）のアレイを介してアドレス指定される。メモリセルは通常、ビット線とワード線の交点に位置する。メモリセルは、データの読み出し位置やデータの書き込み位置を指定する機能などを有する特別な回路によって制御される。各メモリセルは、１ビットのデータを「１」または「０」の形で格納する。

磁気メモリセルのアレイは、磁気ランダムアクセスメモリまたはＭＲＡＭと呼ばれることもある。ＭＲＡＭは一般に、不揮発性メモリ（すなわち、電源をオフにしたときでもデータを保持する固体チップ）である。磁気メモリセルによっては、少なくとも１つの中間層によって互いに分離されたデータ層および基準層を有するものがある。データ層は、ビット層、記憶層、またはセンス層と呼ばれることもある。磁気メモリセルは、１以上の導電性リード（たとえばビット線とワード線）を介してデータ層に「書き込み」を行うことにより、１ビット（たとえば「１」または「０」）のデータを記憶することができる。データ層は通常、１以上の強磁性材料を含む。書き込み処理は通常、データ層の磁気モーメントの向き（以後「磁気的向き」と呼ぶ）を所定の向きに設定するための、書き込み電流によって行われる。

書き込みが済むと、１以上の導電性リード（たとえば、読み出し線）を介して読み出し電流を磁気メモリセルに供給することにより、記憶したデータビットを読み出すことができる。各メモリセルにおいて、データ層の磁気モーメントの向きと基準層の磁気モーメントの向きは、互いに平行（同じ向き）または反平行（異なる向き）になっている。平行の度合いは、セルの抵抗値に影響を与える。セルの抵抗値は、読み出し電流に応じてメモリセルにより生成された出力電流または出力電圧を検出することによって（たとえばセンス増幅器を用いて）、判定することができる。

具体的には、磁気的向きが平行である場合、出力電流から判定された抵抗値は第１の相対値（たとえば相対的に低い値）を有する。磁気的向きが反平行である場合、判定された抵抗値は第２の相対値（たとえば相対的に高い値）を有する。２つの状態（すなわち平行および反平行）における相対値は通常、はっきりと検出されるくらい大きく異なる。各相対抵抗値について「１」または「０」が、設計仕様に応じて割り当てられる。

中間層（スペーサ層と呼ばれることもある）は、絶縁性材料（たとえば誘電体など）、非磁性体の導電性材料、および／または、その他既知の材料を含む。メモリセルのアドレス指定や、メモリセルに対するデータの書き込みまたは読み出しの際の、データ層および基準層に対する電流の供給などに使用される種々の導電性リード（例えばビット線、ワード線、読み出し線など）は、導電層と呼ばれる１以上のさらに別の層に形成される。

上記のような種々の層およびその特性が、当該技術分野において既知のトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を利用した磁気メモリセルの一般的特徴である。ＴＭＲ効果を利用した磁気メモリセルは、層および特性の他の組み合わせを用いて形成することもできる。

磁気メモリセルのさらに他の構成としては、他のよく知られた物理的効果（たとえば、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、コロッサル磁気抵抗（ＣＭＲ）などの効果、および／または、他の物理的効果など）を利用したものがある。

本明細書では、種々の実施形態をすべて上で最初に説明したようなＴＭＲメモリセルに関するものとして説明する。それらの実施形態が、当該技術分野で既知の他のタイプのメモリセル（たとえば、他のタイプのＴＭＲメモリセル、ＧＭＲメモリセル、ＡＭＲメモリセル、ＣＭＲメモリセルなど）を用いて、その実施形態の要件に従って実施される場合もあるということは、当業者にとって明らかであろう。

基準層の磁気的向きを「オン・ザ・フライでピン止めする」（すなわち、ビットを読み出したいときに、電流を流して基準層を既知の磁気的向きにピン止めする）ことができれば、磁気メモリセルの基準層とデータ層の間の相対抵抗値を、もっと効率的かつ確実に判定することが可能になる。オン・ザ・フライでピン止めされる基準層の種々の実施形態については、特許文献１に記載されている。オン・ザ・フライでピン止めすることが可能な基準層を有する磁気メモリセルを作成する１つの方法は、基準層を磁気的に軟らかいもの（すなわち、その磁気的向きを容易に切り替えることができるもの）にすることである。
米国特許第６，４０４，６７４号明細書

したがって、基準層の磁気的向きを容易に切り替えることが可能な磁気メモリセルが必要とされている。

例示的磁気メモリセルは、データ層と、平面部の面積が前記データ層よりも小さく前記データ層よりも低い磁気エネルギーを有する軟らかい基準層と、前記データ層と前記軟らかい基準層の間に配置されたスペーサ層と、からなり、少なくとも前記基準層の平面形状が、円形、卵形、楕円形、および他の丸みを帯びた形状のいずれかであって長さを幅で割った値として定義されるアスペクト比が２未満となる形状である。

軟らかい基準層を有する磁気メモリセルを形成するための例示的方法は、データ層を形成すること、平面部の面積が前記データ層よりも小さく前記データ層よりも低い磁気エネルギーを有する軟らかい基準層を形成すること、および前記データ層と前記軟らかい基準層の間にスペーサ層を形成することからなり、少なくとも前記基準層の平面形状が、円形、卵形、楕円形、および他の丸みを帯びた形状のいずれかであって長さを幅で割った値として定義されるアスペクト比が２未満となる形状に形成することを含む。

他の実施形態および実施態様に関しても以下で説明する。

Ｉ・概要
本明細書では、軟らかい基準層を有する例示的磁気メモリセルと、その磁気メモリセルを形成するための製造プロセスについて説明する。

セクションＩＩでは、磁気メモリセルにおける軟らかい基準層の使用を概略的に説明する。

セクションＩＩＩでは、第１の例示的な磁気メモリセルについて説明する。

セクションＩＶでは、第２の例示的な磁気メモリセルについて説明する。

セクションＶでは、第３の例示的な磁気メモリセルについて説明する。

セクションＶＩでは、第１の例示的な改善された磁気メモリセルを形成するための製造プロセスの例について説明する。

セクションＶＩＩでは、第２の例示的な改善された磁気メモリセルを形成するための製造プロセスの例について説明する。

セクションＶＩＩＩでは、第３の例示的な改善された磁気メモリセルを形成するための製造プロセスの例について説明する。

セクションＩＸでは、磁気メモリセルに関する様々な他の考慮事項について説明する。

ＩＩ．軟らかい基準層を有する磁気メモリセル
Ａ．磁気的に軟らかい挙動に関する概説
磁性材料の層は、その磁気的向きを小さな磁界をかけることによって双方向に切り替えることが可能である場合に、磁気的に「軟らかい」挙動を示すと言われる。磁性材料の層は、その化学的な組成、大きさ、形状によっても、さらには測定中の材料の温度によっても、軟らかくなることがある。

超常磁性材料は、「極端に軟らかく」することができる磁性材料の一例である。極端に軟らかい材料は一般に、磁界がかけられていないときに、所定の磁気的向きを持たない。極端に軟らかい材料は、その保磁力が非常に小さいので、その磁気的向きを切り替える際にわずかな量の磁界しか必要としない。

Ｂ．磁気メモリセルに対する軟らかい磁性材料の使用
軟らかい磁性材料は、磁気メモリセルにおいてメモリセルの切り替え特性を改善するのに有用である。たとえば、軟らかいデータ層は一般に、書込み処理の際に、硬いデータ層の場合よりも少ない低い切り替え電流しか必要としない。しかしながら、データ層は軟らかくしすぎてはならない。データ層は、データ層に「書き込まれた」磁気的向きを維持できるくらい十分に硬いものにするのが望ましい。磁気メモリセルにおける軟らかい磁性材料の多数の使用例が、米国特許第６，４０４，６７４号（Anthony他に対して発行）および第６，５３８，９１７号（Tran他に対して発行）に開示されている。

Ｃ．磁気メモリセルの基準層に対する軟らかい磁性材料の使用
軟らかい基準層（ピン止めされた、あるいは硬い基準層に対して）を有する磁気メモリセルの場合、一般に、基準層の保磁力はデータ層の保磁力よりも遥かに小さい。たとえば、多くの磁気メモリセルにおいて、データ層の保磁力は基準層の保磁力よりも２〜５倍だけ大きくなる。磁気メモリセルにおいて軟らかい基準層を実施する場合、基準層の磁気的向きは、その磁気メモリセルに隣接する導体によって供給される電流によって生成される小さな磁界により、既知の磁気的向きに設定することができる。そのような電流は、データ層にビットを書き込むのに必要とされる切り替え電流よりも小さい。消費電流が少ないため、動作電力が低減される。

Ｄ．その磁気エネルギーを低減することにより基準層を「軟らかく」する
磁気的に軟らかい層は、非常に小さな磁界（あるいは電流）を用いて、その層の磁気的向きを変えることができる。適切に利用すれば、この特性は、基準層に望ましい場合がある。一般に、磁性材料は、その磁気エネルギーを減らすことにより「軟らかく」なる。磁気エネルギーはＫに、すなわち磁性層の全ての異方性の和に比例する（限定はしないが、異方性には、形状異方性、結晶磁気異方性、および磁気弾性異方性などがある）。磁性素子を１マイクロメートル未満の寸法にパターニングした場合、形状異方性が強く現れることが多いため、形状異方性を制御することが、パターニングされた軟らかい磁性素子を作成する上で重要となる。

１．形状異方性の低減による基準層の磁気エネルギーの低減
軟らかい基準層を設計する場合、形状異方性の小さい層を形成することを考慮に入れるであろう。一般に、平面形状における長径と短径の差が小さくなると、形状異方性は小さくなる。たとえば、長径および短径が直径ｄに等しい円は、形状異方性をもたない。幅ｄの正方形は、幅ｄの長方形よりも形状異方性が小さい。層の寸法を小さくするほど、細長い形状の形状異方性（Ｋｓ）は急激に増加する。したがって、形状異方性の低減（たとえば、円形にすることによる）は、小さなパターンの層に対して特に有効である。

２．結晶磁気異方性の低減による基準層の磁気エネルギーの低減
強磁性合金の選択も、軟らかい基準層を形成する上での重要な考慮事項である。加えられた磁界の方向に沿って磁化を飽和させるために必要となる磁界は一般に、磁気異方性に比例する。従って、軟らかい基準層の結晶磁気異方性を小さくすることにより、軟らかい基準層の磁化は、より小さな磁界に反応できるようになる。材料の異方性を高くすればするほど、大きな磁界が材料の磁化の向きを変更するのに必要になる。結晶磁気異方性が低い材料の例としては、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅおよびアモルファス強磁性合金（たとえば、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＮｂ）がある。

３．体積の縮小による基準層の磁気エネルギーの低減
パターニングされる磁性層の体積Ｖを小さくすると、その層の全磁気エネルギーＫＶは減少し、最終的には、その層の熱エネルギーｋ_ＢＴに近づく。ただし、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔは絶対温度である。材料層における磁気エネルギーと熱エネルギーの比（ＫＶ／ｋ_ＢＴ）を閾値（たとえば５０）よりも小さくすると、その材料層は熱的な安定性が低下し、その層の磁気的向きは、熱のゆらぎの影響を受けて変更されやすくなる。熱的不安定性の発生の１つの徴候は、保磁力の減少である。保磁力の減少は、基準層においては利点となりうる。層の体積をさらに縮小する（たとえば、ＫＶとｋ_ＢＴの比を約５まで小さくする）と、その層は超常磁性の、非常に軟らかい状態になる。超常磁性状態に達する前に、熱エネルギーによって磁気的向きの切り替えが容易になり、層がさらに軟らかくなる。

上記のような理由から、軟らかい基準層を設計する際には、層の体積の縮小（たとえば、面積および／または厚さを減らす）を考慮する場合がある。軟らかい基準層を薄い層にパターニングすることで（特に小さな円形に）、基準層を非常に軟らかいものにすることができる。

当然ながら、軟らかい基準層を形成する際に、上記の技術は、特定の実施形態に関する具体的な要件に応じて、どのような組み合わせで使用してもよい。以下のセクションＩＩＩ〜Ｖでは、上記技術のうちの１または複数を用いて、基準層の磁気エネルギーを低減し、基準層を磁気的に軟らかいものにした磁気メモリセルの例を示す。以下のセクションＶＩ〜ＶＩＩＩでは、それらの磁気メモリセルを形成するための製造プロセスについて説明する。

Ｅ．データ層についてはどうか？
データ層は、その磁気的な硬さを維持できるように、基準層とは異なるパターニングが施される。たとえば、形状異方性や体積がもっと大きくなるようにパターニングされる。データ層は、いったん書き込みが済むとその磁気的向きを維持するのが望ましいからである。

ＩＩＩ．第１の例示的な磁気メモリセル
図１は、軟らかい基準層を有する第１の例示的な磁気メモリセル１００を示す立面図である。メモリセルは一般に、上側ピン止め構成（基準層をデータ層の上に配置する構成）または下側ピン止め構成（基準層をデータ層の下に配置する構成）で形成される。説明を簡単にするために、図１には上側ピン止め構成だけしか図示していないが、図１は本明細書の種々の実施形態の説明において参照される。しかしながら、この構成は単なる例にすぎない。したがって、本明細書に開示したプロセスの例を用い、任意の具体的な設計要件に従って他の構成（例えば下側ピン止め構成など）を実現することも可能であることは、当業者にとって明らかであろう。

メモリ構造１００は、データ層１１０、スペーサ層１２０、および基準層１３０を含む。基準層１３０のは、データ層１１０よりも低い磁気エネルギーを有する。データ層および基準層は通常、互いに直交する一対の導体（図示せず）に接触する。それらの導体は一緒に使用され、書き込み動作と読み出し動作の両方に使用される。一実施形態において、１または複数の導体は、磁気メモリセル１００の一部と見なされる場合がある。

当業者であれば、図１に示すメモリセル構成が単なる例に過ぎないことが分かるであろう。当該技術分野では、他の構成、たとえば、補助的な層をさらに有する構成も知られている。たとえば、他の磁気メモリ構造では、シード層、保護キャップ層、および／または、他の層をさらに含む場合がある。シード層は一般に、近くの強磁性層の結晶配列を改善する。シード層の材料としては、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、ＮｉＦｅ、Ｃｕ、またはそれらの材料の組み合わせなどがある。保護キャップ層は、データ層１１０を外部環境から保護するためのものであり（たとえば、データ層１１０の酸化を低減することにより）、例えば、Ｔａ、ＴａＮ、Ｃｒ、ＡｌまたはＴｉなどのような、当該技術分野で既知の任意の適当な材料を用いて形成される。説明を簡単にするために、それらの補助的な層は図面に描いていない。しかしながら、それらの補助的な層のうちの１または複数を有する磁気メモリセルも、設計上の選択によっては、本明細書に記載する様々な実施形態で実施することが可能である。

データ層１１０は１または複数の強磁性材料を含む。一実施形態において、データ層１１０に適した強磁性材料としては、限定はしないが、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、アモルファス強磁性合金（たとえばＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＮｂ）、およびその他の材料がある。データ層は、強磁性材料からなる単一の層であってもよいし、非磁性材料の層によって分離された複数の層であってもよい。

一実施形態において、スペーサ層１２０はトンネル障壁層である（たとえば、メモリセル１００がＴＭＲメモリセルである場合）。この実施形態の場合、スペーサ層１２０は、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＭｇＯ、ＡｌＯ_ｘ、ＡｌＮ_ｘ、ＴａＯ_ｘおよび／または他の絶縁性材料から形成することができる。

他の実施形態において、スペーサ層１２０は非磁性体の導電層である（たとえば、メモリセル１００がＧＭＲメモリセルである場合）。この実施形態の場合、スペーサ層１２０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇおよび／または他の非磁性体の導電性材料から形成することができる。

基準層１３０は、単一の材料層または複数の材料層を含む。たとえば、基準層１３０は、１または複数の強磁性材料を含む場合がある。一実施形態において、基準層１３０に適した強磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、アモルファス強磁性合金（たとえばＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＮｂ）、およびその他の材料がある。基準層は、強磁性材料からなる単一の層であってもよいし、非磁性材料の層によって分離された複数の層であってもよい。

一実施形態において、データ層１１０の厚さは、基準層１３０の厚さよりも厚くする場合がある（つまり、体積が大きくなる）。そのようなデータ層１１０の磁化の状態は、同じ断面積を有し、同じ材料から形成される基準層１３０よりも、熱的に安定したものになる。一般に、データ層と基準層の材料およびサイズは、同じであってもよいし、異なるものであってもよい。

一実施形態において、データ層１１０、スペーサ層１２０および基準層１３０は、円形、アスペクト比の小さい卵形、楕円形、または、基準層１３０やデータ層１１０の形状異方性が比較的小さくなるような他の丸みを帯びた形状にパターニングされる。この実施形態では、長さを幅で割った値として定義されるアスペクト比を２未満にすることができる。平面部面積の縮小と膜厚の低減の組み合わせにより、基準層の体積を十分に小さくすると、基準層を超常磁性にすることができる。その場合、基準層の磁化の向きは、非常に小さな磁界によって定めることができる。

一実施形態において、データ層１１０は基準層１３０よりも結晶磁気異方性が大きいので、データ層１１０は磁気的に硬いものになる。従って、あるレベルの磁界が基準層の磁化の向きを定め、それよりも高いレベルの他の磁界がデータ層の磁化の向きを定める。

メモリセル１００を形成するプロセスの例については、以下のセクションＶＩで説明する。

ＩＶ．第２の例示的な磁気メモリセル
図２は、例示的な磁気メモリセル２００を示す立面図である。磁気メモリセル２００は、軟らかい基準層２３０よりも体積が大きい（たとえば、幅が広く、厚さが厚い）データ層２１０を含む。この構成によると、データ層２１０の磁気的安定性が向上するとともに、データ層２１０の縁部から生じるフリンジ消磁界が基準層２３０の切り替え磁界に与える影響を低減することができる。一般に、ある層から生じるフリンジ消磁界は、他の層における必要な切り替え磁界を増加させる。しかしながら、層の縁部を層間でずらす（たとえば、一方の層を他方の層よりもわずかに小さくする）ことにより、大きい方の層が小さい方の層に与える消磁界の影響を低減することができる。説明を簡単にするために、図２には上側ピン止め構成だけしか図示していないが、図２は本明細書の種々の実施形態の説明において参照される。

当業者であれば、図２に示すメモリセル構成が単なる例に過ぎないことが分かるであろう。当該技術分野では、他の構成、たとえば、補助的な導体をさらに有する構成や、補助的な層をさらに有する構成も知られている。説明を簡単にするために、それらの補助的な層は図面に描いていない。しかしながら、１または複数の補助的な層を有する磁気メモリセルも、設計上の選択によっては、本明細書に記載する様々な実施形態で実施すること可能である。また、当業者であれば、メモリセルの各層２１０〜２３０の形状が単なる例にすぎないことも、容易に分かるであろう。層をパターニングするときの形状は、マスキングプロセスによって決まる。したがって、マスキング処理の際にエッチング工程（例えばプラズマエッチングやウェットエッチングなど）をさらに用いてメモリセル中の１以上の層をエッチングしたり、それらの１以上の層のエッチングを再開する前に加熱工程によってマスク層の形状を変更（例えばマスク層の材料を溶解することにより）したりすることで、メモリセル中の１以上の層を他の層とは異なる形状に作成することもできる。

ここで図２に戻ると、メモリセル２００は、データ層２１０、スペーサ層２２０、および基準層２３０を含む。基準層２３０はデータ層２１０よりも低い磁気エネルギーを有する。データ層および基準層は通常、互いに直交する一対の導体（図示せず）に接触する。それらの導体は一緒に使用され、書き込み動作と読み出し動作の両方に使用される。

データ層２１０は１または複数の強磁性材料を含む。一実施形態において、データ層２１０に適した強磁性材料としては、限定はしないが、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、アモルファス強磁性合金（たとえばＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＮｂ）、およびその他の材料がある。データ層は、強磁性材料からなる単一の層であってもよいし、非磁性材料の層によって分離された複数の層であってもよい。

一実施形態において、スペーサ層２２０はトンネル障壁層である（たとえば、メモリセル２００がＴＭＲメモリセルである場合）。この実施形態の場合、スペーサ層２２０は、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＭｇＯ、ＡｌＯ_ｘ、ＡｌＮ_ｘ、ＴａＯ_ｘおよび／または他の絶縁性材料から形成することができる。

他の実施形態において、スペーサ層２２０は非磁性体の導電層である（たとえば、メモリセル２００がＧＭＲメモリセルである場合）。この実施形態の場合、スペーサ層２２０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇおよび／または他の非磁性体の導電性材料から形成することができる。

基準層２３０は、単一の材料層または複数の材料層を含む。たとえば、基準層２３０は、１または複数の強磁性材料を含む場合がある。一実施形態において、基準層２３０に適した強磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、アモルファス強磁性合金（たとえばＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＮｂ）、およびその他の材料がある。基準層は、強磁性材料からなる単一の層であってもよいし、非磁性材料の層によって分離された複数の層であってもよい。

一実施形態において、データ層２１０の平面部の面積は、基準層２３０よりも広くする場合がある。そのようなデータ層２１０の磁化の状態は、同じ厚さを持ち、同じ材料から形成される基準層２３０よりも、熱的に安定したものになる。図２には、スペーサ層２２０と基準層２３０が同じ形状で描かれているが、メモリセルの設計においてそれが必須であるという訳ではない。スペーサ層２２０と基準層２３０のサイズおよび形状が、設計上の選択に応じて変更可能であることは、当業者にとって明らかであろう。

一実施形態において、スペーサ層２２０および基準層２３０は、円形、アスペクト比の小さい（例えば２未満の）卵形、楕円形、または、基準層２３０の形状異方性が比較的小さくなるような他の丸みを帯びた形状にパターニングされる。データ層２１０は、卵形、楕円形、長方形、または基準層２３０よりも大きな平面部面積を有する他の形状にパターニングされる。平面部面積の縮小と膜厚の低減の組み合わせにより、基準層の体積を十分に小さくすると、基準層を超常磁性にすることができる。その場合、基準層の磁化の向きは、非常に小さな磁界によって定めることができる。

一実施形態において、データ層２１０は基準層２３０よりも結晶磁気異方性が大きいので、データ層２１０は磁気的に硬いものになる。従って、あるレベルの磁界が基準層の磁化の向きを定め、それよりも高いレベルの他の磁界がデータ層の磁化の向きを定める。

メモリセル２００を形成するプロセスの例については、以下のセクションＶＩＩで説明する。

Ｖ．第３の例示的な磁気メモリセル
図３は、例示的な磁気メモリセル３００を示す立面図である。磁気メモリセル３００は、軟らかい基準層３３０よりも体積が大きい（たとえば、大きな平面部の面積が大きい）データ層３１０を含む。この構成によると、データ層３１０の磁気的安定性が向上するとともに、データ層３１０の縁部から生じるフリンジ消磁界が基準層３３０の切り替え磁界に与える影響を低減することができる。説明を簡単にするために、図３には上側ピン止め構成しか図示していないが、図３は本明細書の種々の実施形態の説明において参照される。

当業者であれば、図３に示すメモリセル構成が単なる例にすぎないことが分かるであろう。当該技術分野では、他の構成、たとえば、補助的な導体をさらに有する構成や、補助的な層をさらに有する構成も知られている。説明を簡単にするために、それらの補助的な層は図面に描いていない。しかしながら、１または複数の補助的な層を有する磁気メモリセルも、設計上の選択によっては、本明細書に記載する様々な実施形態で実施すること可能である。

ここで図３に戻ると、メモリセル３００は、データ層３１０、スペーサ層３２０、および基準層３３０を含む。基準層３３０はデータ層３１０よりも低い磁気エネルギーを有する。データ層および基準層は通常、互いに直交する一対の導体（図示せず）に接触する。それらの導体は一緒に使用され、書き込み動作と読み出し動作の両方に使用される。

データ層３１０は１または複数の強磁性材料を含む。一実施形態において、データ層３１０に適した強磁性材料としては、限定はしないが、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、アモルファス強磁性合金（たとえばＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＮｂ）、およびその他の材料がある。データ層は、強磁性材料からなる単一の層であってもよいし、非磁性材料の層によって分離された複数の層であってもよい。

一実施形態において、スペーサ層３２０はトンネル障壁層である（たとえば、メモリセル３００がＴＭＲメモリセルである場合）。この実施形態の場合、スペーサ層３２０は、ＳｉＯ_ｘ、ＳｉＮ_ｘ、ＭｇＯ、ＡｌＯ_ｘ、ＡｌＮ_ｘ、ＴａＯ_ｘおよび／または他の絶縁性材料から形成することができる。

他の実施形態において、スペーサ層３２０は非磁性体の導電層である（たとえば、メモリセル３００がＧＭＲメモリセルである場合）。この実施形態の場合、スペーサ層３２０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇおよび／または他の非磁性体の導電性材料から形成することができる。

各基準層３３０は、単一の材料層または多数の材料層を含む。たとえば、基準層３３０は、１または複数の強磁性材料を含む場合がある。一実施形態において、基準層３３０に適した強磁性材料としては、ＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ、ＣｏＦｅ、アモルファス強磁性合金（たとえばＣｏＦｅＢ、ＣｏＺｒＮｂ）、およびその他の材料がある。基準層は、強磁性材料からなる単一の層であってもよいし、非磁性材料の層によって分離された複数の層であってもよい。

一実施形態において、データ層３１０の平面部の面積は、基準層３３０よりも大きくする場合がある。そのようなデータ層３１０の磁化の状態は、同じ厚さを持ち、同じ材料から形成される軟らかい基準層３３０よりも、熱的に安定したものになる。一般に、データ層と基準層の材料およびサイズは、同じであってもよいし、異なるものであってもよい。図３には、スペーサ層３２０とデータ層３１０が同じ形状で描かれているが、メモリセルの設計においてそれが必須であるという訳ではない。スペーサ層３２０と基準層３３０のサイズおよび形状が、設計上の選択に応じて変更可能であることは、当業者にとって明らかであろう。

一実施形態において、基準層３３０は、複数の小さな円形、アスペクト比の小さい（例えば２未満の）卵形、楕円形、または、スペーサ層３２０の上に小さな島状部分を点在して形成する他の形状にパターニングされる。それらの点状部分の形状異方性は、図１および図２に示すような基準層と比べて小さい。スペーサ層３２０およびデータ層３１０は、卵形、楕円形、長方形、またはデータ層３１０の形状異方性が基準層３３０よりも大きくなるような他の形状にパターニングされる。基準層の体積を十分に小さくすれば（たとえば、平面部面積の縮小と膜厚の低減の組み合わせにより）、基準層を超常磁性にすることができる。その場合、基準層の磁化の向きは、非常に小さな磁界によって定めることができる。

メモリセル３００を形成するプロセスの例については、以下のセクションＶＩＩＩで説明する。

ＶＩ．第１の磁気メモリセルを形成するプロセスの例
図４Ａ〜図４Ｃは、図１に示すような磁気メモリセル１００を製造するプロセスの例を示す図である。

図４Ａでは、当該技術分野で既知の堆積および／または他の技法（たとえば、スパッタリング、蒸着、化学気相成長、原子層堆積（ＡＬＤ）および／または他の既知の技法）により、データ層１１０、スペーサ層１２０、および基準層１３０（すなわち図１の磁気メモリセル１００）を形成する。さらに、基準層１３０の上にマスク層４１０を形成する。一実施形態において、マスク層４１０はフォトレジスト材料を含む。

図４Ｂでは、当該技術分野で既知の技法によってマスク層４１０をパターニングする。そして、パターニングされたマスク層４１０を用いて、データ層１１０、スペーサ層１２０および基準層１３０をエッチングする。イオンミリング、反応性イオンエッチング、ウエット化学エッチング、および／または他の既知の処理のような処理を用いて、メモリセルの層をエッチングすることができる。一実施形態において、マスク層４１０は、形状異方性が比較的小さくなるような円形その他の形状にパターニングされる。

図４Ｃでは、パターニングされたマスク層４１０をドライエッチングまたはウエットエッチングあるいは当該技術分野で既知の他の技法によって除去する。

磁気メモリセルの近く、上または下に１または複数の導体を形成するために、導電層（図示せず）がさらに形成され、パターニングされる場合があることも、当業者には明らかであろう。たとえば、電気めっきその他の適当な堆積処理によってデータ層１１０の下に導体を形成した後、それを化学機械平坦化（ＣＭＰ）などの平坦化処理によって平坦化する場合がある。それらの導体は、当該技術分野で既知の構成にしたがって磁気メモリセルと電気的に接触し、読み出し動作や書き込み動作の際に電流を供給する働きをする。

上記の製造工程は単なる例にすぎない。個々の実施形態の要件に従って他の製造工程を採用してもよいことは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、図４Ａ〜図４Ｃに示すような様々な層は、他の製造手順で形成することもでき（たとえば、下側ピン止め構成のメモリセルの場合、基準層１３０を最初に形成してもよい）、幾つかの層を一つの工程で形成することもでき、材料の異なる１以上の層を組み合わせて一つの層（たとえばデータ層）を形成することもできる。

さらに、上記のＴＭＲメモリセルも単なる例にすぎない。個々の実施形態の要件に従って、他のタイプのメモリセル（たとえば、ＧＭＲメモリセルなど）を構成することも可能であることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、ＧＭＲメモリセルを構成する場合、スペーサ層１２０は非磁性体の導電体層にする場合がある。

ＶＩＩ．第２の磁気メモリセルを形成するプロセスの例
図５Ａ〜図５Ｆは、図２に示すような磁気メモリセル２００を製造するプロセスの例を示す図である。

図５Ａでは、当該技術分野で既知の堆積および／または他の技法（たとえば、スパッタリング、蒸着、化学気相成長、原子層堆積（ＡＬＤ）および／または他の既知の技法）により、データ層２１０を形成する。さらに、データ層２１０の上にマスク層５１０を形成する。一実施形態において、マスク層５１０はフォトレジスト材料を含む。

図５Ｂでは、当該技術分野で既知の技法によってマスク層５１０をパターニングした後、そのパターニングされたマスク層５１０を用いてデータ層２１０をエッチングする。一実施形態において、マスク層５１０は、楕円形、長方形および／または、基準層２３０（後に形成されることになる）よりも平面部の面積が大きい他の形状にパターニングされる。

図５Ｃでは、パターニングされたマスク層５１０をドライエッチングまたはウエットエッチングあるいは当該技術分野で既知の他の技法によって除去する。

図５Ｄでは、当該技術分野で既知の堆積および／または他の技法（たとえば、スパッタリング、蒸着、化学気相成長、原子層堆積（ＡＬＤ）および／または他の既知の技法）により、パターニングしたデータ層２１０の上にスペーサ層２２０および基準層２３０を形成する。さらに、基準層２３０の上にマスク層５２０を形成する。一実施形態において、マスク層５２０はフォトレジスト材料を含む。

図５Ｅでは、当該技術分野で既知の技法により、マスク層５２０をデータ層２１０よりも小さな寸法にパターニングする。次に、そのパターニングされたマスク層５２０を用いて、スペーサ層２２０および基準層２３０をエッチングする。一実施形態において、マスク層５２０は、円形、または形状異方性が比較的小さくなるようなアスペクト比の小さい形状にパターニングされる。

図５Ｆでは、パターニングされたマスク層５２０をドライエッチングまたはウエットエッチングあるいは当該技術分野で既知の他の技法によって除去する。

磁気メモリセルの近く、上または下に１または複数の導体を形成するために、導電層（図示せず）がさらに形成され、パターニングされる場合があることも、当業者には明らかであろう。たとえば、電気めっきその他の適当な堆積処理によってデータ層２１０の下に導体を形成した後、それを化学機械平坦化（ＣＭＰ）などの平坦化処理によって平坦化する場合がある。それらの１または複数の導体は、当該技術分野で既知の構成にしたがって磁気メモリセルと電気的に接触し、読み出し処理や書き込み処理の際に電流を供給する働きをする。

上記の製造工程は単なる例にすぎない。個々の実施形態の要件に従って他の製造工程を採用してもよいことは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、図５Ａ〜図５Ｆに示すような種々の層は、他の製造手順で形成することもでき、幾つかの層を一つの工程で形成することもでき、材料の異なる１以上の層を組み合わせて一つの層（たとえばデータ層）を形成することもできる。

さらに、上記のＴＭＲメモリセルも単なる例にすぎない。個々の実施形態の要件に従って、他のタイプのメモリセル（たとえば、ＧＭＲメモリセルなど）を構成することも可能であることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、ＧＭＲメモリセルを構成する場合、スペーサ層２２０は非磁性体の導電体層にする場合がある。

ＶＩＩＩ．第３の磁気メモリセルを形成するプロセスの例
図６Ａ〜図６Ｆは、図３に示すような磁気メモリセル３００を製造するプロセスの例を示す図である。

図６Ａでは、当該技術分野で既知の堆積および／または他の技法（たとえば、スパッタリング、蒸着、化学気相成長、原子層堆積（ＡＬＤ）および／または他の既知の技法）により、データ層３１０およびスペーサ層３２０を形成する。さらに、当該技術分野で既知の技法により、スペーサ層３２０の上にマスク層６１０を形成する。一実施形態において、マスク層６１０はフォトレジスト材料を含む。

図６Ｂでは、マスク層６１０を当該技術分野で既知の技法によってパターニングした後、そのパターニングされたマスク層６１０を用いてデータ層３１０およびスペーサ層３２０をエッチングする。一実施形態において、マスク層６１０は、楕円形、長方形および／または、基準層３３０（後に形成されることになる）よりも平面部の面積が大きい他の形状にパターニングされる。

図６Ｃでは、パターニングされたマスク層６１０をウエットエッチングまたは当該技術分野で既知の他の技法によって除去する。

図６Ｄでは、当該技術分野で既知の堆積および／または他の技法（たとえば、スパッタリング、蒸着、化学気相成長、原子層堆積（ＡＬＤ）および／または他の既知の技法）により、パターニングしたスペーサ層３２０の上に基準層３３０を形成する。さらに、当該技術分野で既知の技法により、基準層３３０の上にマスク層６２０を形成する。一実施形態において、マスク層６２０は、当該技術分野で既知の電子ビームリソグラフィに適したレジスト材料を含む。

図６Ｅでは、マスク層６２０をパターニングし、データ層３１０よりも小さな斑点を形成する。次に、パターニングしたマスク層６２０を用いて、基準層３３０をエッチングする。マスク層６２０は、円形、楕円形、卵形、長方形、正方形、三角形、不規則な形／不定形および／または他の形状の斑点にパターニングすることができる。一実施形態において、マスク層６２０は電子ビームリソグラフィによってパターニングされ、電子ビームによって小さな斑点がマスク層６２０上に描かれる。その後、パターニングしたマスク層６２０を用いて基準層３３０をエッチングし、スペーサ層３２０の上に小さな斑点を形成する。

図６Ｆでは、パターニングされたマスク層６２０をウエットエッチングまたは当該技術分野で既知の技法によって除去する。

他の実施形態において、小さな斑点は、基準層を制御しながら成長させた後、堆積後の処理を行なうことによって形成することもできる。多くの磁気メモリセルにおける基準層の材料は多結晶である。多結晶材料の粒界は一般に無秩序であるため、その特性が塊状の粒子とは異なる場合がある（その結果、例えばエッチング速度や反応速度が塊状の粒子の場合とは異なるものになる）。多結晶の基準層をエッチャントまたは反応液にさらすと、粒界を除去または磁気的に無効にすることができ、従って、互いに離隔された小さな点が基準層に形成される。この分離方法は、ドーム形（たとえば、粒子境界部よりも粒子中央部の方が厚い形）の多結晶粒子を堆積することにより、さらに容易になる。その場合、粒子境界が粒子の塊よりも狭くなり、粒子境界材料の選択的除去または反応が容易になる。

磁気メモリセルの近く、上または下に１または複数の導体を形成するために、導電層（図示せず）がさらに形成され、パターニングされる場合があることも、当業者には明らかであろう。たとえば、電気めっきその他の適当な堆積処理によってデータ層３１０の下に導体を形成した後、化学機械平坦化（ＣＭＰ）などの平坦化工程によって平坦化する場合がある。それらの１または複数の導体は、当該技術分野で既知の構成にしたがって磁気メモリセルと電気的に接触し、読み出し処理や書き込み処理の際に電流を供給する働きをする。

上記の製造工程は単なる例にすぎない。個々の実施形態の要件に従って他の製造工程を採用してもよいことは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、図６Ａ〜図６Ｆに示すような種々の層は、他の製造手順で形成することもでき、幾つかの層を一つの工程で形成することもでき、材料の異なる１以上の層を組み合わせて一つの層（たとえばデータ層）を形成することもできる。

さらに、上記のＴＭＲメモリセルも単なる例にすぎない。個々の実施形態の要件に従って、他のタイプのメモリセル（たとえば、ＧＭＲメモリセルなど）を構成することも可能であることは、当業者にとって明らかであろう。たとえば、ＧＭＲメモリセルを構成する場合、スペーサ層３２０は非磁性体の導電体層にする場合がある。

ＩＸ．他の考慮事項
磁気的に軟らかい層の特徴は、その磁気的な向きの切り替えが比較的容易なことである。たとえば、他の磁性層から分離された（すなわち、それらの他の磁性層からのフリンジ消磁界の影響を受けない）、薄く、小さく軟らかい基準層の磁気的な向きは、小さな磁界を加えることによって、簡単に切り替えることができる。しかしながら、実際には、他の近くの磁性層（たとえばデータ層）からの消磁界の作用が原因で、薄く、小さく軟らかい基準層は、その磁気的な向きを切り替えるのに、比較的大きな磁界を必要とする。したがって、磁気メモリセルの種々の層を設計する場合には、動作時に近くの磁性層によって生成されるフリンジ消磁界を考慮に入れなければならない。

近くの磁性層（たとえばデータ層）からのフリンジ消磁界を低減するため、設計上の選択に応じて、次のような方法（またはそれらの組み合わせ）をとることができる。
（１）近くにさらに磁性層を設けて、その磁性層によって、磁界に対する磁束ガイドを生成する（たとえば、導体の周囲に強磁性クラッディングを設ける）。
（２）図２および図３に示すように、軟らかい基準層を近くの磁性層のエッジから少なくとも小さなマージンだけずらす。
（３）近くの磁性層を複数層の磁性層で形成し、自らが発生するフリンジ消磁界を捕捉できるようにする。
（４）個々の実施形態の要件または設計上の選択にしたがって、他の既知の方法を用いる。

Ｘ．結び
上記の例は特定の実施形態に関するものであるが、それら特定の実施形態から、当業者であれば他の実施形態、変形形態、および変更形態も明らかであろう。従って、本発明が上で説明した特定の実施形態に限定されることはなく、本発明は、特許請求の範囲によって規定される。

軟らかい基準層を有する第１の例示的な磁気メモリセルを示す図である。 軟らかい基準層を有する第２の例示的な磁気メモリセルを示す図である。 軟らかい基準層を有する第３の例示的な磁気メモリセルを示す図である。 図１の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図１の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図１の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図２の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図２の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図２の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図２の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図２の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図２の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図３の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図３の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図３の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図３の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図３の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。 図３の磁気メモリセルを形成するプロセスの一工程を示す図である。

Claims (3)

1. データ層と、
   平面部の面積が前記データ層よりも小さく前記データ層よりも低い磁気エネルギーを有する軟らかい基準層と、
   前記データ層と前記軟らかい基準層の間に配置されたスペーサ層と、
   からなり、
   少なくとも前記基準層の平面形状が、円形、卵形、楕円形、および他の丸みを帯びた形状のいずれかであって長さを幅で割った値として定義されるアスペクト比が２未満となる形状である、磁気メモリセル。
2. 軟らかい基準層を有する磁気メモリセルを形成する方法であって、
   データ層を形成するステップと、
   平面部の面積が前記データ層よりも小さく前記データ層よりも低い磁気エネルギーを有する軟らかい基準層を形成するステップと、
   前記データ層と前記軟らかい基準層の間にスペーサ層を形成するステップとからなり、
   少なくとも前記基準層の平面形状が、円形、卵形、楕円形、および他の丸みを帯びた形状のいずれかであって長さを幅で割った値として定義されるアスペクト比が２未満となる形状に形成する、方法。
3. 請求項１に記載の磁気メモリセルを複数含む、不揮発性メモリアレイ。

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