JP4708602B2 - 磁気的に安定な磁気抵抗メモリ素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、不揮発性メモリの分野に関する。特に、本発明は磁気メモリセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
不揮発性メモリのタイプの１つは、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と呼ばれる磁気抵抗効果を利用する。ＧＭＲをベースとした磁気メモリセルは、導電性磁性体層によって挟持された非磁性体層からなる多層構造をなしている。セルの磁性状態は、１つの磁性体層における磁気ベクトルの他の磁性体層における磁気ベクトルに対する相対的配向（例えば、平行または逆平行）によって決まる。セルの抵抗は、磁気ベクトルの相対的配向によって異なる。従って、セルに電圧を印加して、得られるセンス電流を測定することによってセルの状態を決定することができる。
【０００３】
磁気材料の層は、通常、正方形や長方形などの幾何学的にパターン成形された膜として形成される。パターン成形された磁性体層記憶構造の１つの欠点として、多数の磁気ドメイン（磁区）が磁性体層内に形成され、読出し動作中のセルの状態が不確定になる場合があるということが挙げられる。セルの磁気ドメイン構成が変化すると、セルの切り換え磁界（即ち、保磁力）も変動する場合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
磁気ドメインによって導入されるあいまいさ（不確定性）を低減するために、ある層の１つの寸法（例えば、長さ）をその層の他の寸法（例えば、幅）に対して増加させてドメイン状態の数を少なくすることにより、形状異方性を導入することがよく行われる。しかし、長方形の形状を採用することは、正方形の形状を採用することに対して、メモリ密度が大幅に減少するという欠点を有する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
既知のシステムおよび方法の問題点に鑑み、本発明の磁気抵抗メモリセルの一実施形態は、第１および第２の導電性磁性体層を有する。第１および第２の層の一方は、ほぼ「Ｈ」または「Ｉ」の形状をしている。分離層が、第１の層と第２の層との間に配置されている。種々の実施形態において、分離層は導電性または非導電性である。種々の実施形態において、第１および第２の層の少なくとも一方は、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）合金、またはニッケル−鉄−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）合金のうちの１つからなる。
【０００６】
一実施形態では、メモリセル装置は、導電性磁気基準層およびデータ層を有する。データ層は、実質的に「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなしている。「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなす幾何学的構成より、安定化単軸形状の異方性がメモリセルのデータ層に与えられる。分離層は、基準層とデータ層との間に配置される。セルは、トンネル磁気抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとすることができる。分離層は、ある実施形態では非導電性であり、他の実施形態では導電性である。種々の実施形態において、基準層およびデータ層の一方は、ニッケル−鉄合金、コバルト−鉄合金またはニッケル−鉄−コバルト合金の１つを含む。
【０００７】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面および以下の詳細な説明から明らかになろう。
【０００８】
本発明を実施例により説明するが、本発明は図面に示す構成に限定されるものではない。図面において、同じ参照符号は同じ要素を示している。
【０００９】
【発明の実施例】
巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果は、交互に形成された磁性体層における磁気ベクトルの相対的な配向が印加電界の関数として変化するときに、多層強磁性／非磁性体構造において認められる抵抗の変化によって生じる。構造の抵抗は、隣接する磁性体層における磁気ベクトル間の角度の関数である。配向が同じ磁気ベクトルは、「平行である」と呼ばれる。配向が逆の磁気ベクトルは、「逆平行である」と呼ばれる。
【００１０】
従って、多層強磁性／非磁性構造の電気抵抗率は、異なる磁性体層の磁気ベクトルの相対的配向に依存する。一般に、磁気ベクトルが平行に整列している場合は、抵抗率が低い状態である。磁性体層のベクトルが逆平行の場合に、多層構造の抵抗率は最大となる。磁気ベクトルの相対的配向がこれら以外の場合には、中間の抵抗率が観察される。
【００１１】
図１に、２つの磁性膜層（または磁性体層）１１０と１３０の間に挟持された非磁性分離層１２０を有する磁気メモリセル１００の一実施形態を示す。磁性体層はそれぞれ、磁気ベクトル１１２と１３２を有する。図示の磁気ベクトル１１２および１３２は逆平行である。磁気ベクトルが同じ配向を有するとき、それらは平行であると呼ばれる。磁性体層１１０および１３０は導電性金属層である。典型的には、磁性体層１１０および１３０は、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）合金、またはニッケル−鉄−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）合金からなる。層１１０と１３０の間の抵抗は、磁気ベクトル１１２と１３２が平行であるときはＲ１である。磁気ベクトル１１２と１３２が逆平行のときは、抵抗はｄＲ１だけ増加する。一般に、磁性体層１１０と１３０の保磁力は異なる。
【００１２】
磁気メモリセルの１つのタイプでは、分離層１２０は、導電性金属層である。このようなセルは「ＧＭＲ」セルと呼ばれ、分離層を介する金属性導電が、２つの磁性体層の間の電流の流れに対する主要な搬送メカニズムである。分離層１２０が誘電体または非導電性のバリアであるとき、そのバリアが十分に薄ければ、電流は、磁性体層１１０と１３０の間の機械的量子トンネル効果によって流れることができる。このようなセルは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）セルと呼ばれる。
【００１３】
磁気抵抗メモリセルは、層の１つにおける磁気ベクトルを「固定」して、それが変化しないように構成することができる。このようなセルは、スピンバルブセルと呼ばれる。層１３０を固定した場合は、層１１０がデータ層またはセンス層と呼ばれ、層１３０が基準層と呼ばれる。セルの状態は、データ層と基準層との間の磁気ベクトルの相対的配向によって決まる。基準層が固定磁気ベクトル１３２を有する場合、セル１００は、単一ビットの情報に対応する２つ状態を表すことが可能である。
【００１４】
磁気セル構造はまた、スタックと呼ばれ、基準層、分離層、およびデータ層に加えて、他の層を含むことができる。具体的には、基準層およびデータ層の各々を、セルの状態を容易に検知するために導電体（図示せず）に結合することができる。層の数またはタイプに関係なく、用語「ＧＭＲ」を、基準層とデータ層の間の主要な電流搬送メカニズムとして金属性導電を有する磁気抵抗セルを指すために用いる。同様に、用語「ＴＭＲ」を、層の数またはタイプに関係なく、基準層とデータ層の間の主要な電流搬送メカニズムとして機械的量子トンネル効果を有する磁気抵抗セルを指すために用いる。
【００１５】
パターン形成された磁性体層は、層を消磁する傾向がある静磁界を生成する。一般に、この消磁界は、パターン成形膜の縁部では、その縁部に垂直な磁化を維持する任意の異方性によるものよりも大きい。この結果、静磁界は、縁部付近のパターン成形膜の磁気ベクトルを回転させる傾向がある。縁部付近の磁化の回転により、磁性膜内にドメイン壁が形成されて、磁気ベクトルの多数のドメインが生成される。この場合、ドメインの磁気ベクトルは全く整列していない。磁気メモリ素子を読み取る場合、多数のドメインにより、セルの抵抗を変化させるノイズまたは領域が生じ、書き込まれたセルの状態の決定が困難または不可能になる傾向がある。さらに、ドメイン状態の変化により、切り換え磁界に変動が生じて、書き込みプロセスを予測できなくなる場合がある。
【００１６】
図２に、長方形形状にパターン形成された磁気等方性薄膜における磁気ドメインパターンを示す。メモリアプリケーションにおいて、理想的には、薄膜は単一の磁気ベクトルを有していなければならない。しかし、図示のように、磁気ベクトル配向が異なるドメインが形成される傾向がある。この例では、それぞれが異なる磁気ベクトルを有する４つのドメイン（２１０、２２０、２３０および２４０）が生じる。データ層におけるこのような磁化状態は、メモリセルでは機能しない。なぜなら、好ましい磁化方向がないからである。
【００１７】
一般に、磁気異方性は、磁性体内の好ましい磁化方向の表示に関連する。異方性を導入することにより、消磁界の効果を大幅に改善することができる。例えば、組成または形状を変化させることにより、観察される磁気異方性に影響を与えることができる。磁気結晶異方性は、磁界中で試料を磁化する能力の方向依存性に対する材料組成および結晶の配向の影響に関連する。不揮発性磁気メモリのアプリケーションで使用するために一般に選択される膜は、単軸磁気結晶異方性を呈する。その材料は、特定の軸に沿って容易に磁化される。この軸は、一般に、膜の「磁化容易軸」と呼ばれる。
【００１８】
図３に、ｙ方向（即ち、ｙ軸は磁化容易軸である）における単軸異方性を有するパターン形成された長方形セルにおけるドメインを示す。このドメイン構成は図２のものよりも改善されているが、水平に配向された縁部ドメイン３０２、３０６および３５２、３５６の磁気ベクトルは、４つの可能な配向のそれぞれを同様の確率で取りうる。このドメイン構成では、値をセルに書き込む際のドメイン状態を保証することができない。さらに、この構成では、メモリセルの内容を読み出そうとするときのノイズレベル、および、書込みに必要な磁界の不確定性が増すことになる。
【００１９】
図４に、磁性膜に単軸の形状異方性を加える「Ｈ」または「Ｉ」形状の膜構成を示す。形状異方性は、印加磁界中で別の磁気等方性試料を磁化する能力の方向依存性に形状が与える影響を表す。一般に、最も短い寸法に沿った膜の磁化はより困難である。なぜなら、消磁界がその方向で最大になるからである。厚さＴおよび幅Ｗの長方形磁性素子の場合、形状異方性Ｈ_shapeは、Ｈ_shape＝４πＭ_SＴ／Ｗ（Ｍ_Sは、素子の飽和磁化）として求められる。延伸部すなわちタブ（例えば、４０８、４１０、４１２、４１４）により、正方形の形状がＨ形状の層に変更され、これにより、ドメインの大部分がＨ形状の構成要素４０２、４０４、４０６に対応することになる。磁化は、形状異方性により、タブの長い寸法に平行になるように制約される。この形状異方性は、磁気メモリセルに使用するものとして一般的に想定される材料の場合、数百エルステッドのオーダーである。本明細書では、用語「Ｈ」および「Ｉ」を、図４に示す構造の形状を指すものとして区別することなく用いることとする。
【００２０】
ドメイン４０２および４０６は縁部付近に形成されるが、形状異方性を利用することによって、縁部のドメイン４０２および４０６内のベクトルの配向に関する予測精度を確保することが可能になる。従って、形状異方性は、ｘ軸に沿って印加された初期化磁界と組み合わされて、再現可能な状態でドメイン構造を生成する。図４は、ｘの正方向に磁界を印加した後の磁化の向きを示している。詳しくは、Ｈ形状の構成により、ドメイン状態の数が減少し、これにより、潜在する読み書きの不確定さが除去される傾向がある。
【００２１】
データ層４００を有するセルへの書込みは、ドメイン４０４内のベクトルの配向のみを主に変化させる。一旦設定されると、縁部の領域４０２および４０６の磁化の配向は、タブの大きな形状異方性によって固定される。従って、図３および図４の層形状では共にドメインは３つになるが、図４の形状では、同じ記憶値を実現するために取りうる状態はより少ないものになる傾向がある。これにより、セルを読み書きする際の不確定さが減少する。
【００２２】
図５に、アレイ５００を形成する複数のメモリセルのＨ形状のセンス層５１０、５２０、５３０および５４０を示す。Ｈ形状のセンス層の場合、セルを、ｘおよびｙの両方向において単一の最小ライン幅だけ間隔をおいて近接して配置することができるが、この場合でも各メモリセルにおいて予測可能な磁化状態を維持することができる。従って、最小ピッチが２λの場合は、λだけ間隔を置いてセルを配置することができる。セルの各辺の大きさは２λ（セル間の空間を含む）であり、その面積は４λ²になる。
【００２３】
一実施形態では、タブの高さ（Δ）はλの１０％〜２５％である。一般的に、エッチングプロセスは、フォトリソグラフィにより画定された構造を修正して、フォトリソグラフィによる最小の解像度λより小さい寸法を生成することが可能である。従って、２λは、ラインピッチ（即ち、ラインの寸法と空間の寸法の合計）のフォトリソグラフィによる限界値を表しているが、リアクティブイオンエッチングなどのエッチングプロセスを使用して、ライン幅を２Δだけ小さくし、同時にライン間の空間を２Δだけ増加させることができる。このようなリアクティブイオンエッチングプロセスを、当業者に知られている従来の他の処理技術と組み合わせて使用することにより、図５に示すように、幅Δのタブ領域を形成することができる。
【００２４】
Ｈ形状を使用して形状異方性を導入することにより、書込みに必要な磁界の範囲も減少する。図３に示すように、例えば、書込みは、２つの軸３２０に沿って磁界を加えることによって行なわれる。セルの上方または下方に配置された直交導電体に電流を流すことにより、これらの磁界を生成することができる。ドメイン３５２および３５６における磁気ベクトルの配向は、セル３５０に対する磁界Ｈｘの配向と同じである。しかし、セル３００のドメイン３０６における磁気ベクトルの配向は、磁界Ｈｘの配向とは逆である。従って、セル３００および３５０は、Ｈｙの異なる値で切り換わり、このことは、現在の状態には関係なく、所与の状態に書き込むためにより広い範囲の電流が必要であることを示唆している。これとは対照的に、縁部のドメインにおける磁気ベクトルの配向は、アレイ５００のすべてのセルに対してほぼ同じである。従って、Ｈ形状のデータ層を有するセルをプログラムするために必要な書き込み電流は、より狭い範囲のものでよい。
【００２５】
上記の詳細な説明は、本発明の特定の典型的な実施形態に関して行ったものであるが、特許請求の範囲に記載した本発明のさらに広い思想および範囲から逸脱することなく種々の修正及び変更をそれらに施すことが可能である。従って、明細書および図面は、本発明を限定するためではなく例示するためのものとして記載されたものである。
【００２６】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．第１および第２の磁性体層であって、それらの少なくとも一方が実質的に「Ｈ」形状である、第１および第２の磁性体層と、
前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層との間に配置された分離層の対からなる、メモリセル装置。
２．基準層としての第１の磁性体層と、
実質的に「Ｈ」形状であるデータ層としての第２の磁性体層と、
前記基準層と前記データ層との間に配置された分離層
からなる、メモリセル装置。
３．前記分離層は導電性である、上項１または２の装置。
４．前記分離層は非導電性である、上項１または２の装置。
５．前記装置は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）メモリセルを構成する、上項１または２の装置。
６．前記装置は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）セルを構成する、上項１または２の装置。
７．前記第１および第２の磁性体層は、異なる保磁力を有する、上項１または２の装置。
８．前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層の一方（の磁気ベクトル）が固定される、上項１または２の装置。
９．前記第１および第２の磁性体層の少なくとも一方が、ニッケル−鉄（ＮｉＦｅ）合金、コバルト−鉄（ＣｏＦｅ）合金、またはニッケル−鉄−コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）合金のうちの１つを含む、上項１または２の装置。
１０．複数の磁気抵抗メモリセルであって、各セルが「Ｈ」形状のデータ層を有するところの複数の磁気抵抗メモリセルからなるメモリ装置。
【００２７】
本発明の概要は次の様である。磁気抵抗メモリセル(100)は、第１(110)及び第２(130)の導電性磁気層を備える。第１及び第２の層の一方は実質的に「Ｈ」または「Ｉ」の形状をなしている。第１の層と第２の層の間に分離層(120)が配置される。種々の実施態様において、分離層は、導電性かまたは非導電性である。種々の実施態様において、第１の層及び第２の層の少なくとも一方が、ニッケル-鉄(NiFe)、コバルト-鉄(CoFe)、またはニッケル-鉄-コバルト(NiFeCo)合金のうちの１つからなる。１実施態様では、メモリセル装置は、導電性の磁気基準層及びデータ層を有する。データ層(400)の形状は実質的に「Ｈ」または「Ｉ」形状である。基準層とデータ層の間に分離層が配置される。セルは、トンネル磁気抵抗セルまたは巨大磁気抵抗セルとすることができる。分離層は、１実施態様では非導電性であり、別の実施態様では導電性である。種々の実施態様において、基準層とデータ層の一方が、ニッケル-鉄、コバルト-鉄、またはニッケル-鉄-コバルト合金の１つからなる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、ドメイン状態の数を少なくすることにより、メモリ密度を大幅に低下させることなく、磁気ドメインによって導入されるメモリセルへの読み出し及び書き込みの際の不確実性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スピン依存型磁気抵抗メモリセルの１実施形態を示す。
【図２】等方性磁性膜における磁気ドメインのパターンを示す。
【図３】ｙ軸の単軸異方性を有する磁性膜における磁気ドメインのパターンを示す。
【図４】ｙ軸の単軸異方性を有するＨ形状の磁性膜における磁気ドメインのパターンを示す。
【図５】アレイをなす複数のメモリセルのＨ形状センス層を示す。
【符号の説明】
１００ 磁気メモリセル
１１０、１３０ 磁性膜層
１１２、１３２ 磁気ベクトル
１２０ 分離層
４００ データ層

Claims (1)

1. 第１および第２の磁性体層であって、それらの少なくとも一方が実質的に「Ｈ」形状である、第１および第２の磁性体層と、
   前記第１の磁性体層と前記第２の磁性体層との間に配置された分離層の対からなる、メモリセル装置。

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