JP4834404B2

JP4834404B2 - 端部領域において磁気状態が安定している磁性書込み線を有するｍｒａｍセル

Info

Publication number: JP4834404B2
Application number: JP2005518866A
Authority: JP
Inventors: ツァン、デイビッド
Original assignee: Applied Spintronics Technology Inc
Current assignee: Applied Spintronics Technology Inc
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2024-02-03
Also published as: EP1590836A4; WO2004072979A3; US6812538B2; WO2004072979A2; JP2006516808A; US20040150017A1; EP1590836A2

Description

本発明は磁気メモリに関し、より詳細には、書込み効率が改善され、製造するのが容易であり、エレクトロマイグレーションに対する信頼性が高い書込み線を組み込む、好適には高密度で、不揮発性である磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を提供するための方法及びシステムに関する。

［関連出願の相互参照］
本特許出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、２００３年２月５日に出願された仮特許出願第６０／４４４，８８６号の利益を主張する。

本特許出願は、２００３年６月１１日に出願され、「MRAM MEMORIES UTILIZING MAGNETIC WRITE LINES」という名称の同時係属の米国特許出願第１０／４５９，１３３号に関連し、当該特許出願は、本特許出願の譲受人に譲渡される２００２年１２月９日に出願された仮特許出願第６０／４３１，７４２号の利益を主張する。

最近、ＭＲＡＭを不揮発性及び揮発性両方のメモリに適用できる可能性があることによって、薄膜磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）への関心が再び高まっている。図１は、従来のＭＲＡＭ１の一部を示す。従来のＭＲＡＭは、従来の直交する導線１０及び１２と、従来の磁気記憶セル１１と、従来のトランジスタ１３とを備える。従来のＭＲＡＭ１は、従来の磁気トンネル接合（ＭＴＪ）スタック１１をメモリセルとして利用する。従来のＭＴＪスタック１１を利用することにより、集積密度が高く、高速で、読出し電力が低く、ソフトエラーレート（ＳＥＲ）に耐えるＭＲＡＭセルを設計できるようになる。導線１０及び１２は、磁気記憶デバイス１１にデータを書き込むために用いられる。ＭＴＪスタック１１は１０と１２とが交差する場所でその間に配置される。従来の導線１０及び１２はそれぞれ従来のワード線１０及び従来のビット線１２と呼ばれる。しかしながら、その名称は入れ替えることができる。行線、列線、ディジット線及びデータ線のような他の名称が用いられる場合もある。

従来のＭＴＪスタック１１は主に、変更可能な磁気ベクトル（明示されない）を有する自由層１１０４と、固定された磁気ベクトル（明示されない）を有するピン止め層１１０２と、２つの磁性層１１０４と１１０２との間にある絶縁体１１０３とを備える。絶縁体１１０３は典型的には、磁性層１１０２と１１０４との間で電荷キャリアが突き抜けられるほど十分に薄い厚みを有する。層１１０１は通常、シード層及び、ピン止めされた磁性層に強く結合される反強磁性層からなる複合層である。

従来のＭＴＪスタック１１に磁界をかけることにより、従来のＭＴＪスタック１１にデータが記憶される。かけられる磁界は、自由層１１０４の変更可能な磁気ベクトルを選択された向きに動かすように選択された方向を有する。書込み中に、従来のビット線１２の中に流れる電流Ｉ１及び従来のワード線１０に中に流れる電流Ｉ２によって、自由層１１０４において２つの磁界が生成される。電流Ｉ１及びＩ２によって生成される磁界に応答して、自由層１１０４の磁気ベクトルが、或る特定の安定した方向に向けられる。この方向は、Ｉ１及びＩ２の方向及び大きさ、ならびに自由層１１０４の特性及び形状による。一般的に、０を書き込むには、Ｉ１あるいはＩ２のいずれかを、１を書き込むときとは異なる方向に向ける必要がある。典型的には、向きを揃えられた場合には、論理１あるいは論理０を表すことができ、一方、向きを揃えられていない場合にはその反対、すなわち、
それぞれ論理０あるいは論理１である。

記憶されたデータは、従来のＭＴＪセルを通して、一方の磁性層から他方の磁性層に電流を流すことにより読み出される、あるいは読み取られる。読出し中に、従来のトランジスタ１３がオンされ、従来のＭＴＪセルの中に小さなトンネル電流が流れる。従来のＭＴＪセル１１の中に流れる電流の量あるいは従来のＭＴＪセル１１の両端での電圧降下を測定して、メモリセルの状態を判定する。設計によっては、従来のトランジスタ１３はダイオードによって置き換えられるか、あるいは完全に省かれる場合もあり、その場合には従来のＭＴＪセル１１が従来のワード線１０と直に接触する。

上記の従来のＭＴＪセル１１は従来のワード線１０及び従来のビット線１２を用いて書き込まれることができるが、Ｉ１及びＩ２の振幅が大部分の設計の場合に数ミリアンペア程度であることは当業者には容易に理解されよう。それゆえ、多くのメモリの応用形態の場合に、書込み電流が小さいほど望ましいことも当業者には理解されよう。

図２は、さらに小さな書込み電流を有する従来の磁気メモリ１’の一部を示す。類似のシステムが米国特許第５，６５９，４９９号、米国特許第５，９４０，３１９号、米国特許第６，２１１，０９０号、米国特許第６，１５３，４４３号及び米国特許出願第２００２／０１２７７４３号に記載される。これらの参考文献に開示される従来のシステム、及び従来のシステムを製造するための従来の方法は、ビット線及びワード線を、ＭＴＪセル１１’に面していない３つの表面において軟磁性被覆層で覆う。図２に示される従来のメモリの大部分は図１に示される該当部分に類似であり、それゆえ類似の番号を付される。図２に示されるシステムは、従来のＭＴＪセル１１’、従来のワード線１０’及びビット線１２’を含む。従来のワード線１０’は２つの部分、すなわち銅コア１００１及び軟磁性被覆層１００２から構成される。同様に、従来のビット線１２’も２つの部分、すなわち銅コア１２０１及び軟磁性被覆層１２０２から構成される。

図１の設計に対して、軟磁性被覆層１００２及び１２０２は、Ｉ１及びＩ２に関連付けられる、ＭＴＪセル１１’への磁束を集中させることができ、ＭＴＪセル１１’に面していない表面上の磁界を減らすことができる。それゆえ、軟磁性被覆層１００２及び１２０２は、ＭＴＪセル１１’を構成するＭＴＪ上に磁束を集中させて、自由層１１０４のプログラミングをさらに容易にする。

この手法は理論的には良好に機能するが、それぞれ従来の線１０’及び１２’の垂直な側壁上にある軟磁性被覆層１００２及び１２０２の部分の磁気特性を制御するのが難しいことは当業者には容易に理解されよう。また、従来のワード線１０’及び従来のビット線１２’を形成する工程が複雑であることも当業者には理解されよう。被覆層１００２及び１２００２をそれぞれ含む従来のワード線１０’及び従来のビット線１２’を形成するには、約９回の薄膜堆積ステップ、５回のフォトリソグラフィステップ、６回のエッチングステップ及び１回の化学機械研磨（ＣＭＰ）ステップが必要になる。さらに、それらの工程はいずれも、他のＣＭＯＳ工程と共用することができない。ＣＭＰ工程、ならびにいくつかの薄膜堆積及びエッチング工程のような、工程のうちのいくつかは、所望の性能を達成するために厳密に制御される必要がある。それらのデバイスが製造されるウェーハ面は平坦ではなく、除去されることになる部分がトレンチ内の深いところにあるので、書込み線１０’及び１２’は、フォトリソグラフィ工程を適応させるために、かなり間隔をあけて配置される必要がある。結果として、線１０’及び１２’に軟磁性被覆層１２０２及び１００２が用いられる場合には、チップ上のメモリデバイスの密度及び容量が犠牲にされるであろう。この複雑な製造方法は、密度を高めるために縮小すること（scaling ）を非常に難しくする。したがって、縮小することができ、製造するのが容易であり、かつ高い書込み効率を提供する、ＭＲＡＭアーキテクチャを提供することが非常に望ましいであろ
う。

図１及び図２の両方に示される従来の設計の従来の書込み線１０、１０’、１２及び１２’の他の側面も縮小可能性を制限する。これらの従来の設計では、従来の書込み線１０、１０’、１２及び１２’は大抵の場合にアルミニウムあるいは銅のいずれかから形成される。アルミニウム及び銅の場合の電流密度の限界は概ね１×１０６Ａ／ｃｍ２以下である。線幅を狭くしてメモリ密度を高めると、エレクトロマイグレーションによって電流密度が制限されるので、縮小することが極めて難しくなる。

他の従来のシステムが種々の解決策を提案しようとしているが、それぞれ短所がある。一例として、米国特許出願第２００２／００８０６４３号は、書込み動作後に、書込み線に逆方向電流を加えて、エレクトロマイグレーションを防ぐことを提案した。しかしながら、そのような従来の方法では、メモリの速度が低下し、さらに複雑になるので、性能が劣化する。したがって、書込み線を、エレクトロマイグレーションに関して信頼性が高い材料から形成し、それにより、メモリアレイの密度を高めるために容易に縮小できるようにすることも非常に望ましい。

より小さい、あるいはさらに効率が高いメモリにするために用いられる場合がある従来の細いビット線には短所がある。従来のビット線を細くすると、抵抗が高くなる。これは、メモリアレイ全体の性能に悪影響を及ぼす。しかしながら、数多くの従来の方法がこの問題を解決している。１つの一般的な方法は、メモリアレイ内の長いビット線を分割して、太い金属から形成されるグローバルビット線にし、これらのグローバルビット線を、細い金属から形成され、それゆえ高い抵抗を有するローカルビット線に接続することである。そのような設計の例は、特許文献１及び特許文献２に示されている。しかしながら、エレクトロマイグレーションのような、先に記載された他の問題は依然として解決されない。
米国特許第６，３３５，８９０号米国特許出願第２００２／００３４１１７号

本発明は磁気メモリを提供し、使用するための方法及びシステムを提供する。

その磁気メモリは複数の磁気メモリセルと、複数の磁性書込み線と、複数の磁性バイアス構造とを備える。複数の磁性書込み線は複数の端部領域を有する。複数の磁性バイアス構造は複数の磁性書込み線の複数の端部領域に結合される。

本明細書に開示されるシステム及び方法によれば、本発明は、効率が改善され、エレクトロマイグレーションに対する信頼性が改善され、磁気的な安定性が改善され、しかも製造するのが簡単である磁気メモリを提供する。

本発明は磁気メモリの改善に関する。以下の説明は、当業者が本発明を実施及び使用できるようにするために提供され、特許出願及びその要件に即して提供される。好ましい実施形態に対する種々の変更は当業者には容易に明らかになり、本明細書の一般原理は他の実施形態にも適用することができる。したがって、本発明は図示される実施形態に限定されることを意図するわけではなく、本明細書に記載される原理及び特徴と矛盾しない最も広い範囲を与えられるべきである。

本特許出願の譲受人に譲渡された、「MRAM MEMORIES UTILIZING MAGNETIC WRITE LINES」という名称の同時係属の米国特許出願第１０／４５９，１３３号は、従来のＭＲＡＭデバイスにおいて直面する問題の多くに対処するＭＲＡＭアーキテクチャを記載する。本出願人は、先に記した同時係属の特許出願を参照して本明細書に援用する。図３は、先に記した同時係属の特許出願に記載される基本的な構造を含むＭＲＡＭ７０の一部の一実施形態を示す。図３に示されるＭＲＡＭ７０は、好適にはＭＴＪスタック９０である磁性素子９０を有する磁性セル７１を含む。ＭＲＡＭ７０は、基板８０内に形成される選択デバイス８１と、磁気書込み線８２と、ビット線８３と、導電性スタッド８７と、接続用スタッド９６と、グランド線９７とを含む。選択デバイス８１は、ゲート８４、ソース８５及びドレイン８６を含むＦＥＴトランジスタであることが好ましい。ＭＴＪスタックはさらに、固定された磁気ベクトル（図示せず）を有するピン止め層９２と、トンネル層９３と、変更可能な磁気ベクトル（図示せず）を有する自由層９４と、導電性キャッピング層９５とを備える。導電性キャッピング層９５は非磁性のスペーサ層９５であることが好ましい。ＭＴＪスタックは、シード層、及び好適には反強磁性層を含む複数の層（明示されない）を含む。

磁気書込み線８２は軟磁性材料を含み、非磁性スペーサ層９５によってＭＴＪスタック９０の自由層９４から分離される。一実施形態では、磁性ビット線などの複数の磁性書込み線８２は３００オングストローム以下だけ自由層から分離される。一実施形態では、書込み線８３も磁性である。磁気書込み線８２は概ね、あるいは完全に軟磁性材料から構成されることが好ましい。さらに、少なくとも１つのコアは、被覆層とは対照的に、軟磁性層を含む。軟磁性層は、コバルト、ニッケル、鉄、及び／又はその合金を含むことが好ましい。磁気書込み線８２と自由層９４との間の間隔が狭いことに起因して、自由層９４の磁気ベクトルは、磁気書込み線８２の磁気ベクトルに静磁気的に強く結合される。そのような静磁気結合は、自由層磁気ベクトルのための回転振幅を促進する。それゆえ、書込み効率が改善される。

先に記した同時係属の特許出願に記載されるＭＲＡＭアーキテクチャは、その意図された目的を果たすために良好に機能するが、磁性書込み線８２の端部領域が磁気的に不安定となる場合があることは当業者には容易に理解されよう。磁性書込み線８２の端面に関連付けられる反磁界に起因して、磁性書込み線８２の端部領域の磁気的な状態は、その中央部分の磁気的な状態と同じではない。さらに、磁性書込み線８２の端部領域の磁気的な状態が安定していない場合もある。結果として、磁性書込み線８２の端部領域の書込み効率及び中央部分の書込み効率は同じではなく、端部領域の書込み効率は書込み動作毎に変化する可能性があり、ＭＲＡＭデバイスの設計及び動作にとって大きな問題である。それゆえ、書込み効率を高めるために磁性書込み線構造を利用するが、磁気的に不安定であることに関連する問題を生じないＭＲＡＭアーキテクチャを手に入れることが望ましい。

したがって、書込み効率を改善するために磁性書込み線を利用するが、より磁気的に安定しているＭＲＡＭアーキテクチャを提供することが非常に望ましい。
本発明は、磁気メモリを提供し、使用するための方法及びシステムを提供する。その磁気メモリは複数の磁気メモリセルと、複数の磁性書込み線と、複数の磁性バイアス構造とを備える。複数の磁性書込み線は複数の端部領域を有する。複数の磁性バイアス構造は複数の磁性書込み線の複数の端部領域に結合される。バイアス構造（複数の場合もあり）の場所及び形状は、バイアス構造を形成する際に用いられる材料による。たとえば、バイアス構造が硬磁性材料を含む場合には、バイアス構造は磁性書込み線の端部にあることが好ましい。バイアス構造が反強磁性交換バイアスタブである場合には、バイアス構造は磁性書込み線の端部の上あるいは下に配置することができる。バイアス構造がワード線の端部を成形することにより形成される場合には、バイアス構造は磁性書込み線の端部にあることが好ましい。

本発明は特定のタイプの磁気メモリセル、特定の材料及び特定の素子構成に関して説明
されるであろう。しかしながら、本発明の方法及びシステムが、本発明と矛盾しない他の磁気メモリセル、他の材料及び構成の場合にも有効に機能することは当業者には容易に理解されよう。また、本発明は磁性ビット線に関して説明されるが、本発明の方法及びシステムが磁性書込み線、ディジット線あるいは単なる書込み線でも矛盾しないことは当業者には容易に理解されよう。同様に、本発明はＭＲＡＭセルとの関連で説明される。しかしながら、本発明を、本発明と矛盾することのない他の磁気デバイスとともに用いることができることは当業者には理解されよう。さらに、本発明は、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）デバイス及び磁気トンネル接合（ＭＴＪ）デバイスとの関連で説明される。しかしながら、本発明がそのようなデバイスに限定されないことは当業者には容易に理解されよう。代わりに、本発明のメモリアーキテクチャを変更して、あるいは変更することなく、たとえばバイポーラ接合トランジスタデバイス及びスピンバルブ巨大磁気抵抗メモリ素子のような他の適当なデバイスを用いることができる。したがって、本発明による方法及びシステムは、さらに一般的には、磁気的な安定性を改善することが望ましい磁気デバイスに適用することができる。さらに、本発明はある特定のバイアス構造との関連で説明される。しかしながら、本発明と矛盾しないさらに付加的な、及び／又は他のバイアス構造、ならびに本明細書に記載されるバイアス構造の組み合わせを用いることができることは当業者には容易に理解されよう。

図４は、本発明による、磁気的な安定性を改善されたＭＲＡＭ１００の一部の一実施形態を示す。ＭＲＡＭ１００の素子のうちの多くは図３に示されるＭＲＡＭ７０に類似である。したがって、それらの素子は同じように番号を付される。たとえば、ＭＲＡＭ１００は、磁性書込み線８２に類似であり、ワード線であることが好ましい磁性書込み線８２’を含む。また図４には、１つの磁性書込み線８２’を有する４つのＭＲＡＭセル７１’も示される。２つのＭＲＡＭセル７１’が１つのソース８３’を共有し、ゲート８８が追加される。こうして、一対のセル７１’毎に２つの選択デバイス８１Ａ及び８１Ｂが存在する。さらに、セル７１’の対は分離構造９８によって分離される。さらに、ＭＲＡＭ１００は、硬磁性材料（複数の場合もあり）を含む、バイアス構造１１０及び１２０を含む。こうして、磁性書込み線８２’は、各端部おいて、硬磁性材料のバイアス構造１１０及び１２０と結合される。

図示される実施形態では、磁性書込み線８２’は４つのＭＴＪセル７１’に関連付けられる。しかしながら、別の実施形態では、磁性書込み線８２’は別の数の磁性セルに関連付けることができる。硬磁性材料のバイアス構造１１０及び１２０が書込み線の両端に形成される。硬磁性バイアス材料のバイアス構造１１０及び１２０は、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔあるいはＣｏＣｒＰｔのような単一の冶金層（a single layer of metallurgy）を含むことができる。別の実施形態では、Ｃｒ、Ｗ、Ｔｉあるいはこれらの元素の合金のようなアンダーコート及び／又はオーバーコート層を用いて、ＣｏＣｒ、ＣｏＰｔあるいはＣｏＣｒＰｔ薄膜の特性を改善することができる。

硬磁性材料のバイアス構造１１０及び１２０それぞれにおいて、「Ｍｒ」、すなわちバイアス構造１１０及び１２０を形成する硬磁性材料の残留磁化と、「ｔ」、すなわち硬磁性材料１１０及び１２０の厚みとの積は、「Ｍｓ」、すなわち書込み線８２’の飽和磁化と、「ｄ」、すなわち書込み線８２’の厚みとの積以上にすべきである。これらの条件により、書込み線８２の端部領域の磁気ベクトルは、その端部領域に当接する硬磁性材料のバイアス構造１１０及び１２０によって安定化される。硬磁性バイアス材料のバイアス構造１１０及び１２０の磁化の方向は、外部からかけられる磁界によって、磁性書込み線８２’の好ましい磁化方向に揃えられる。硬磁性材料のバイアス構造１１０及び１２０はそれぞれ硬磁性材料を含むので、その磁気ベクトルは変更するのが非常に難しい。好ましい実施形態では、その磁気ベクトルは２０００エルステッド未満の磁界では変化しない。硬磁性材料バイアス構造１１０及び１２０の磁気ベクトルは磁性書込み線８２’の磁気ベク
トルと揃えられることが好ましい。

こうして、硬磁性材料バイアス構造１１０及び１２０を用いて、磁性書込み線８２’の磁化を安定化することができる。詳細には、磁性書込み線８２’及びその両端の磁化は、磁性書込み線の残りの部分と同じ方向に向けられる。結果として、磁性書込み線８２の磁化が不安定になることが少なくなり、性能が改善される。

図５Ａは、本発明による、磁気的な安定性が改善されたＭＲＡＭ２００の一部の別の実施形態を示す。ＭＲＡＭ２００の素子の多くは図３に示されるＭＲＡＭ７０に類似である。したがって、それらの素子は同じように番号を付される。たとえば、ＭＲＡＭ２００は、磁性書込み線８２に類似であり、ワード線であることが好ましい磁性書込み線８２’’を含む。また図５Ａには、１つの磁性書込み線８２’’を有する４つのＭＲＡＭセル７１’’が示される。図示される実施形態では、磁性書込み線８２’’は４つのＭＴＪセル７１’’に関連付けられる。しかしながら、別の実施形態では、磁性書込み線８２’’は別の数の磁性セルに関連付けられる場合がある。磁性書込み線８２’’はバイアス構造２１０及び２２０と結合される。こうして、磁性書込み線８２’’は、各端部において、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０と結合される。

ＭＲＡＭ２００は、本発明に従って、その両端の上側表面上に反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０を形成された磁性書込み線８２’’に結合される磁性セル７１’’を含む。交換バイアスタブ２１０及び２２０は、１つあるいは複数の反強磁性層をパターニングし、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０を残すことにより形成されることが好ましい。結果として、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０は、磁性書込み線８２’’の端部領域だけを覆う。反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０は、界面交換相互作用を生み出し、結果として、端部領域においてワード線８２’’上に実効的なバイアス磁界を生成する。この実効的なバイアス磁界は、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０のための反強磁性材料（複数の場合もあり）の向きを定めることによって、磁性書込み線８２’’の長軸に沿って向けられる。一実施形態では、反強磁性材料（複数の場合もあり）の向きは堆積工程を通して与えられる。別の実施形態では、反強磁性材料（複数の場合もあり）の向きは、磁性書込み線８２’’及び反強磁性材料（複数の場合もあり）を反強磁性材料（複数の場合もあり）の秩序化温度よりも高い温度まで加熱することにより与えられる。その後、反強磁性材料（複数の場合もあり）及び磁性書込み線８２’’は、外部からかけられる単方向の磁界の中で冷却される。そのような実施形態の場合、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０のために用いられる反強磁性材料（複数の場合もあり）は、ＭＲＡＭ２００の動作温度よりも高いネール温度を有する。

図５Ａに示されるＭＲＡＭ２００は、磁性書込み線８２の上側表面上に反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０を有する。しかしながら、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０が磁性書込み線８２の下側表面に交換結合されることができることは当業者には容易に理解されよう。そのような実施形態では、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０を形成する際に用いられる反強磁性材料（複数の場合もあり）は磁性書込み線８２’’の前に配設される。こうして、磁性書込み線８２’’の下側表面が反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０に交換結合され、所望のバイアス効果が生成されるであろう。さらに、いくつかの実施形態では、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０に起因する磁性書込み線８２’’の端部における交換バイアスは、ＭＴＪスタック９０’’のピン止め層９２’’の磁化をピン止めするために用いられる交換バイアスとは異なる方向に向けることができる。そのような実施形態では、反強磁性交換バイアスタブ２１０及び２２０、ならびにピン止め層９２’’の磁化をピン止めする反強磁性層（図示せず）に、ブロッキング温度の異なる反強磁性材料を用いることができる。反強磁性材料毎に異なる温度における磁気アニーリングを用いて、交換バイアスを好ましい方向に固定することができ
る。

図５Ｂは、反強磁性材料を用いてＭＲＡＭ２００’の磁気的な安定性を改善する、ＭＲＡＭ２００’の別の実施形態を示す。ＭＲＡＭ２００’の素子の多くは図５Ａに示されるＭＲＡＭ２００に類似である。したがって、それらの素子は同じように番号を付される。たとえば、ＭＲＡＭ２００’は磁性書込み線８２’’’及び反強磁性層２１０’を含む。ＭＲＡＭ２００’では、反強磁性交換材料２１０’の層は、磁性書込み線８２’’’と同じ寸法を有し、磁性書込み線８２’’’上に配置されることが好ましい。しかしながら、この実施形態では、反強磁性材料（複数の場合もあり）を含むバイアス構造は、磁性書込み線８２’’’の下に存在することもできる。反強磁性材料２１０’はワード線を覆い、所望のように安定性が改善される。この実施形態では、反強磁性層２１０’は、磁性書込み線８２’’’を形成するのと同じフォトリソグラフィ工程を用いてパターニングすることができる。しかしながら、反強磁性交換タブ２１０及び２２０が端部領域のみに限定される場合よりも、交換強度を減少させることが必要となる場合がある。

交換バイアスタブ２１０、２２０及び２１０’を用いるとき、交換バイアス磁界を用いて、それぞれ磁性書込み線８２’’及び８２’’’の端部の磁気ベクトルの向きを定めることができる。結果として、磁性書込み線８２’’及び８２’’’の端部の磁気モーメントは、磁性書込み線８２’’及び８２’’’の残りの部分の磁気ベクトルと同じ方向において安定化される。結果として、ＭＲＡＭ２００及び２００’の性能が改善される。

図６Ａは本発明によるＭＲＡＭ３００の別の実施形態を示す。図６Ｂ〜図６Ｅは、異なる形状を有するバイアス構造のための磁性書込み線８２’’’’の端部領域の平面図を示す。ＭＲＡＭ３００の素子の多くは図３に示されるＭＲＡＭ７０と類似である。したがって、それらの素子は同じように番号を付される。たとえば、ＭＲＡＭ３００は磁性書込み線８２’’’’を備える。ＭＲＡＭ３００は、実際には磁性書込み線８２’’’’の端部領域を成形することにより形成されるバイアス構造３０２及び３０４を含む。したがって、端部領域３２０及び３２２、３３０及び３３２、３４０及び３４２は図６Ａに示される端部領域３０２及び３０４のいくつかの実施形態である。それゆえ、端部領域３２０及び３２２、３３０及び３３２、３４０及び３４２は、磁性書込み線８２’’’’の残りの部分と同じ磁性材料から形成されることが好ましい。図示される実施形態では、磁性書込み線８２’’’’は４つのＭＴＪセル７１’’’’に関連付けられる。しかしながら、別の実施形態では、磁性書込み線８２’’’’は別の数の磁性セルに関連付けることができる。

図６Ｂに示される実施形態では、磁性書込み線８２’’’’の端部は先細りにされ、線８２の長軸を中心にして対称である。そのような構成では、磁性書込み線８２’’’の磁化は、磁性書込み線８２’’’’の端面３１０及び３１２と直角ではない。結果として、端面３１０及び３１２上の磁荷の密度が減少する。さらに、不安定を引き起こす反磁界が減少する。

同様に、図６Ｃ、図６Ｄ及び図６Ｅは、それぞれ端部領域３２０及び３２２、３３０及び３３２、３４０及び３４２によって形成される磁性バイアス構造を有する。端部領域３２０及び３２２、３３０及び３３２、３４０及び３４２の形状はそれぞれ、磁性書込み線８２’’’の端部領域３２０及び３２２、３３０及び３３２、３４０及び３４２に関連付けられる反磁界を減少させる。しかしながら、図６Ｄ及び図６Ｅに示される実施形態を用いると、端部３３０、３３２、３４０及び３４１付近で、磁性セルのための書込み工程の性能がいくらか非対称性になる場合がある。さらに、磁性書込み線８２’’’’の幅のために最小のフィーチャサイズが用いられる場合には、図６Ｂに示される端部領域３１０及び３１２は、図６Ｃに示される端部領域３２０及び３２２よりも製造するのが容易である
。

こうして、ＭＲＡＭ１００、２００、２００’及び３００では、磁気的な安定性が改善される。ＭＲＡＭ１００、２００、２００’及び３００は付加的なバイアス構造を用いて、磁性書込み線の端部において磁気モーメントにバイアスをかける。ＭＲＡＭ１００、２００及び２００’のバイアス構造は硬磁性材料及び反強磁性材料である。同様に、ＭＲＡＭ３００は磁性書込み線の端部領域を成形することにより形成されるバイアス構造を用いる。結果として、磁性書込み線の磁化が安定化される。それゆえ、ＭＲＡＭ１００、２００、２００’及び３００の性能が改善される。

書込み効率が改善され、信頼性が高く、製造するのが簡単で、しかも磁気的な安定性が改善された磁気メモリを提供するための方法及びシステムが開示されてきた。本発明は図示される実施形態に従って説明されてきたが、それらの実施形態に対して変更を行うことができ、それらの変更も本発明の精神及び範囲内に入ることは当業者には容易に理解されよう。したがって、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲から逸脱することなく、当業者は数多くの変更を行うことができる。

ビット線とワード線が交差する場所に配置されるＭＴＪセルを含む従来の磁気メモリの一部を立体的に示す斜視図。ビット線とワード線が交差する場所に配置されるＭＴＪセルを含み、ビット線及びワード線が書込み効率を改善するための磁性被覆を有する、従来の磁気メモリの一部を立体的に示す斜視図。ＭＴＪＭＲＡＭセル及び磁性書込み線を含むアーキテクチャの断面図。本発明による、磁気的な安定性が改善されたＭＲＡＭの一実施形態を示す断面図。本発明による、磁気的な安定性が改善されたＭＲＡＭの第２の実施形態を示す断面図。本発明による、磁気的な安定性が改善されたＭＲＡＭの別の実施形態を示す断面図。本発明によるＭＲＡＭの別の実施形態を示す断面図。異なる形状を有するバイアス構造のための磁性書込み線の端部領域を示す模式図。異なる形状を有するバイアス構造のための磁性書込み線の端部領域を示す模式図。異なる形状を有するバイアス構造のための磁性書込み線の端部領域を示す模式図。異なる形状を有するバイアス構造のための磁性書込み線の端部領域を示す模式図。

Claims

複数の磁気メモリセルと、
前記複数の磁気メモリセルと結合される複数の磁性書込み線であって、
前記磁性書き込み線の各々は、
前記磁性書込み線の長手方向の異なる端部に設けられる２つの前記端部領域、および
前記磁性書込み線の端部領域の間にて延伸する、前記磁性書込み線の中央部分からなる、複数の磁性書込み線と、
前記複数の端部領域に結合される複数の磁性バイアス構造とを備え、
前記複数の磁性バイアス構造は、前記磁性書込み線の端部領域の磁化方向を当該磁性書込み線の中央部分の磁化方向とそろえ、および、
前記複数の磁性バイアス構造は、複数の硬磁性バイアス構造からなり、前記硬磁性バイアス構造のそれぞれは前記磁性書込み線の各々の異なる端部領域に結合され、前記磁性書込み線の中央部分には接触しない、磁気メモリ。
前記複数の磁性書込み線は前記複数の磁気メモリセルに電気的に接続される複数の磁性ビット線を含む、請求項１に記載の磁気メモリ。
前記複数の磁気メモリセルは複数の磁気トンネル接合スタックを含み、該複数の磁気トンネル接合スタックはそれぞれ、自由層と、絶縁層と、ピン止め層とを含み、前記自由層及び前記ピン止め層は強磁性であり、前記絶縁層は前記自由層と前記ピン止め層との間に存在し、かつ該自由層と該ピン止め層との間で電荷キャリアが突き抜けられるようにする厚みを有する、請求項２に記載の磁気メモリ。
前記複数の磁性ビット線は３００オングストローム以下だけ前記自由層から分離される、請求項３に記載の磁気メモリ。
前記複数の磁気トンネル接合スタックはそれぞれ、前記自由層と対応する磁性ビット線との間に非磁性スペーサ層を含み、該非磁性スペーサ層は導電性である、請求項４に記載の磁気メモリ。
磁気メモリを使用するための方法であって、
（ａ）複数の磁気メモリセルのうちの少なくとも１つに書き込むための電流を流す磁性書込み線において、前記磁性書込み線の長手方向の異なる端部には２つの前記端部領域が設けられるとともに、前記磁性書込み線の端部領域の間にて延伸する前記磁性書込み線の中央部分を備え、複数の磁性バイアス構造が前記複数の端部領域に結合され、前記複数の磁性バイアス構造は、前記磁性書き込み線の端部領域の磁化方向を当該磁性書き込み線の中央部分の磁化方向とそろえているとともに、前記複数の磁性バイアス構造は、複数の硬磁性バイアス構造からなり、前記硬磁性バイアス構造のそれぞれは前記磁性書込み線の各々の異なる端部領域に結合され、前記磁性書込み線の中央部分には接触しない、前記複数の磁性書込み線に結合された、前記磁気メモリセルの書込みモードにおいて、書込みを行うべく選択された複数のメモリセルに書き込むステップと、
（ｂ）読出しモードにおいて、読出しを行うべく選択された複数のメモリセルから読み出すステップとを含む、磁気メモリを使用するための方法。
磁気メモリを提供するための方法であって、
（ａ）複数の磁気メモリセルを配設するステップと、
（ｂ）前記複数の磁気メモリセルに結合される複数の磁性書込み線を配設するステップであって、前記磁性書き込み線の各々は、前記磁性書込み線の長手方向の異なる端部に設けられる２つの前記端部領域、および前記磁性書込み線の端部領域の間にて延伸する、前記磁性書込み線の中央部分からなる、複数の磁性書込み線を配設するステップと
（ｃ）前記複数の端部領域に結合される複数の磁性バイアス構造であって、反強磁性交換バイアスタブからなるとともに前記端部領域のうちの１つの表面に接触し、前記磁性書込み線の中央部分には接触しない、複数の磁性バイアス構造を配設するステップとを備え、
前記複数の磁性バイアス構造は、前記磁性書き込み線の端部領域の磁化方向を当該磁性書き込み線の中央部分の磁化方向とそろえる、
磁気メモリを提供するための方法。
前記磁性書込み線を配設するステップ（ｂ）はさらに、
（ｂ１）前記複数の磁気メモリセルに電気的に接続される複数の磁性ビット線を配設するステップを含む、請求項７に記載の磁気メモリを提供するための方法。
前記磁気メモリセルを配設するステップ（ａ）はさらに、
（ａ１）複数の磁気トンネル接合スタックを配設するステップを含み、該複数の磁気トンネル接合スタックはそれぞれ、自由層と、絶縁層と、ピン止め層とを含み、前記自由層及び前記ピン止め層は強磁性であり、前記絶縁層は前記自由層と前記ピン止め層との間に存在し、かつ該自由層と該ピン止め層との間で電荷キャリアが突き抜けられるようにする厚みを有する、請求項８に記載の磁気メモリを提供するための方法。
前記複数の磁性ビット線は３００オングストローム以下だけ前記自由層から分離される、請求項９に記載の磁気メモリを提供するための方法。
前記複数の磁気トンネル接合スタックはそれぞれ、前記自由層と対応する磁性ビット線との間に非磁性スペーサ層を含み、該非磁性スペーサ層は導電性である、請求項１０に記載の磁気メモリを提供するための方法。