JPH11238377A - 不揮発性磁気抵抗メモリのための浮遊磁気遮へい - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 メモリの実質的なコストの付加なしに、浮遊
磁場から遮へいする不揮発性磁気抵抗メモリを提供す
る。 【解決手段】 半導体基板上に位置づけられる不揮発性
磁気抵抗メモリ（１０）が、不揮発性磁気抵抗メモリ
（１０）を部分的に、または完全に囲むパッシベーショ
ン層（１８）によって浮遊磁場から遮へいせられる。そ
のパッシベーション層（１８）は、非導電性フェライト
材料（例えば、Mn-Zn-Ferrite,Ni-Zn-Ferrte,MnFeO,CuF
eO,FeOまたはNiFeO）を含み、それによって、不揮発性
磁気抵抗メモリ（１０）を浮遊磁場から遮へいする。非
導電性フェライト材料はまた、電力要求を減少させるた
めに、不揮発性磁気抵抗メモリ（１０）上に内部で発生
する磁場を集束させる層（１８）の形態でもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は一般に不揮発性磁気抵抗
メモリに関し、特に不揮発性磁気抵抗型メモリのパッシ
ベーションに関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】CMOS
デバイスまたは回路を用いて集積したメモリ要素として
の大規模磁気抵抗（Giant Magneto-Resistive）（GMR）
材料を利用した、超高密度不揮発性メモリが提案されて
きた。これらのメモリは、GMRメモリ要素に磁化ベクト
ル（magnetization vectors）の配向（orientation）と
して保存される情報によって動作する。その磁化ベクト
ルは、適用される磁場（H）によって、配向される。磁
化ベクトルの配向を読出しおよび書込みのために使用さ
れるその磁場は、集積CMOS回路によって生成される。十
分な大きさの浮遊磁場（stray magnetic field）（メモ
リの外部で生成される）が、メモリの保持にエラーを引
き起こす原因になり得る。

【０００３】浮遊または外部的に生成される磁場は、ほ
とんど無限に近い数の源から発生する。十分な大きさの
浮遊磁場は、制御不能なチャージをするような、磁気メ
モリに保存される磁化ベクトルを生じさせる原因にな
る。高密度不揮発性磁気抵抗メモリ（high density non
-valatile magneto-resistive memory）は、そのセルが
非常に小さくできるので、浮遊磁場に、特に敏感であ
る。したがって、読出しおよび書込み（磁気ベクトルの
スイッチングまたはセンシング）のために比較的低い磁
場しか必要としない。また、高密度化によってその隣り
合うセル間の距離が減小するに従い、隣り合うセルから
の浮遊磁場が大きくなる。

【０００４】浮遊磁場の敏感性を防止する方法の一つと
しては、民間または軍事での使用において遭遇するであ
ろう浮遊磁場よりも高いスイッチング磁場を必要とする
ようなメモリ要素またはメモリセルを設計することであ
る。この方法は、これらの適用において遭遇するであろ
う浮遊磁場の徹底的な特徴化（characterization）を必
要とする。この方法は、また、高い内部電力がより多く
の電力を必要とし、高い内部磁場を生成し、それによっ
て高電力デバイスにするため望ましくないので、メモリ
を動作させるために要求される内部電力に、上限を設定
する。高密度メモリの市場は極端に競争が激しい。ビッ
トあたりミリセント（milli-cents perbit）の間でのコ
スト格差が、市場では勝敗を意味する。製造工程の追加
またはパッケージングの複雑さの高度化が、市場におけ
る製品の競争力を決定するであろう製造コストを増加さ
せる。

【０００５】したがって、メモリの実質的なコストの付
加なしに、浮遊磁場から遮へいする不揮発性磁気抵抗メ
モリを提供することが、非常に望まれる。

【０００６】浮遊磁気遮へい構造を有する新規であり、
改善された不揮発性磁気抵抗メモリを提供することが、
本発明の目的の１つである。

【０００７】メモリの実質的なコストの付加なしに、浮
遊磁気遮へい構造を有する新規であり、改善された不揮
発性磁気抵抗メモリを提供することも、本発明の目的の
１つである。

【０００８】標準的なパッシベーション技術に組み込ま
れる、浮遊磁気遮へい構造を有する新規であり、改善さ
れた不揮発性磁気抵抗メモリを提供することも、本発明
の目的の１つである。

【０００９】内部で発生する磁場を集束（focus）させ
る、浮遊磁気遮へい構造を有する新規であり、改善され
た不揮発性磁気抵抗メモリを提供することも、本発明の
目的の１つである。

【００１０】内部で発生する磁場を集束させ、それによ
って、そのメモリを動作させるのに必要とされる電力量
を削減する、浮遊磁気遮へい構造を有する新規であり、
改善された不揮発性磁気抵抗メモリを提供することも、
本発明の目的の１つである。

【００１１】内部で発生する磁場を集束させる、新規で
あり、改善された不揮発性磁気抵抗メモリを提供するこ
とも、本発明の目的の１つである。

【００１２】

【好適実施例の詳細な説明】上記問題等は少なくとも部
分的に解決され、上記の目的等は、基板上に、および少
なくとも部分的に不揮発性磁気メモリを囲むパッシベー
ション層上に、位置づけられる不揮発性磁気抵抗メモリ
を含む浮遊磁場を有する不揮発性磁気抵抗メモリ内で実
現される。そのパッシベーション層は、浮遊磁場から不
揮発性磁気メモリを遮へいするためにフェライト材料を
含み、フェライト材料の例としては：Mn-Zn-Ferrite,Ni
-Zn-Ferrite,MnFeO,CuFeO,FeOおよびNiFeOを含む。

【００１３】フェライト遮へいの様々な詳細な適用が、
パッシベーション材料の層内に混合した粉状フェライト
を含み、それによって浮遊磁場に対して遮へいを提供
し、並びに不揮発性磁気抵抗メモリの上に亘って、フェ
ライト材料の層を形成し、それによって、浮遊磁場に対
する不揮発性磁気抵抗メモリを遮へいすることと同様
に、内部で発生する磁場を集束させる。内部で発生する
磁場を集束させることは、スイッチングおよびセンシン
グに必要とされる内部で発生する磁場の量を減少させ、
次いで、その不揮発性磁気抵抗メモリによって使用され
る動作電力の量を減少させる。

【００１４】図１は、強磁性的に結合される複数の層を
有する大規模磁気抵抗GMRセル１０の例の拡大断面図で
ある。不揮発性磁気抵抗メモリセル１０は、単に例とし
て本明細書に使用され、様々な任意の不揮発性磁気抵抗
メモリセルがその構造と関連して使用され得ることが、
当業者には理解されるであろう。セル１０が、第１磁性
体層１１および第２磁性体層１３を含む複数の磁性体層
を有する。層１１、１３は、第１導電スペーサ層１２に
よって離間せられる。磁性体層１１、１３のそれぞれ
は、磁性体材料の単一層であり得る、または、替りに合
成磁性体層でもあり得る。さらに、層１１は、第１の厚
さまたは厚さ２３を有し、並びに層１３は、厚さ２３よ
りの厚い第２の厚さまたは厚さ２４を有する。

【００１５】この実施例においては、層１１、１３は、
長方形であり、幅２６の方向ではなく、長手方向２７に
沿って、磁化容易軸を有するように、形成される。デバ
イスの他の形態においては、磁化容易軸は、幅２６の方
向に沿うようにもし得る。層１１、１３のそれぞれは、
実質的に長さ２７の方向に沿った、すなわち、実質的に
長さ２７の方向に平行である、磁化ベクトル２１、２２
を有する。ここで、ベクトル２１、２２の１セットがセ
ル１０に存在するが、２つの異なる状態が、便利のため
に、図１において同時に図示されていることを理解され
たい。ベクトル２１、２２が、外部磁場の無い状態にお
いて、同一方向に並べることを可能にする強磁性カップ
リングによって、層１１、１３が結合せられる。このカ
ップリングは、材料の機能であり、層１２の厚さであ
る。

【００１６】さらに、幅２６が、磁壁の幅または層１
１、１３内の移動幅（transition width）よりも小さく
なるように、形成される。その結果として、ベクトル２
１、２２は、その幅２６の方向と平行にすることができ
ない。典型的に、1.0〜1.2ミクロン未満の幅が、結果的
には、拘束になる。この実施例においては、幅２６は、
1ミクロンより小さく、製造技術によって製造可能なか
ぎりの小ささであり、長さ２７は幅２６の約５倍であ
る。また、この実施例においては、厚さ２３は、約3〜6
nmであり、厚さ２４は約4〜10nmである。これから示す
とおり、厚さ２３と２４との違いは、層１１、１３のス
イッチング部分に影響する。ベクトル２１、２２は、セ
ル１０内の磁化ベクトルの２つの異なる状態を示してい
る。１の状態は、論理”０”を呼ばれ、他の状態は、論
理”１”である。層１１、１３の両層における各状態ベ
クトルは第１方向に方向付けられ、層１１、１３の両層
における他の状態ベクトルは、逆方向または第２方向に
方向付けられる。

【００１７】セル１０の状態を書込むまたはチャージす
るために、長さ２７の方向に沿った１方向から長さ２７
の方向に沿った逆の方向へ層１１、１３の両層の磁化ベ
クトルの方向を完全に切り換えるのに、すなわち、ベク
トル２１によって示されている状態からベクトル２２に
よって示される状態へ（またはその逆も同様）の切り換
えるのに、十分なトータル磁場が、印加される。トータ
ル磁場を印加するために、横方向導電体またはワードラ
イン１６が、メモリセル１０の上に存在する誘電体層１
４の表面上に形成され、第２導電体（図示せず）が、個
別の横列状にセル１０の反対側の端に接続される。セン
スラインおよびワードライン１６の結合もまた、セル１
０も保存される状態を読み出す（またはセンス）ために
使用される。いくつかの場合においては、ワードライン
１６に垂直方向である付加的なデジタルライン（digit
line）（図示せず）が、トータル磁場の大きさがその磁
化ベクトルが確実に転換かまたは切換えを引き起こすの
に十分であることが要求される。トータル磁場の大きさ
は、センス、ワードおよびデジタルサイン電流からの結
果の磁場の和である。

【００１８】図２は、印加される磁場またはトータル磁
場に対するセル１０（図１）の抵抗値または出力電圧を
図示したグラフ３１である。その横座表は、磁場方向お
よびその強度、すなわち、そのセル１０の磁化ベクトル
を保持（support）するまたは逆向（oppose）する強
度、を示す。その縦軸は、セル１０の出力電圧を示す。
曲線３２が、出力電圧を介した、磁化ベクトル（例えば
ベクトル２１）の１方向の様々な磁場強度の、磁場抵抗
特性を示す。曲線３３が、出力電圧を介した、磁化ベク
トル（例えばベクトル２２）の他の方向の同様な磁場強
度の、磁場抵抗特性を示す。０の右側への磁場では、曲
線３２、３３は、曲線３２のベクトルを保持し、かつ曲
線３３のベクトルに逆向する磁場の出力電圧を示し、０
の左側への磁場は、曲線３３のベクトルを保持し、かつ
曲線３２のベクトルに逆向する。典型的に、曲線３２、
３３は、電圧軸の同一ポイントで交差し、同一の最小値
を有する。説明のために、曲線３３は、少しだけ垂直方
向に移動させており、その曲線間の相違を示している。

【００１９】印加磁場の０においては、セル１０の出力
電圧は、その磁化ベクトルの方向とほぼ同様に関係な
い。０からＨ１まで磁場が増加するに従って、曲線３３
は、トータル磁場によって逆に方向付けられるベクトル
を有するセル１０の出力電圧を示し、曲線３２はその磁
場によって保持方向ににされるベクトルを有するセル１
０の電圧を示す。磁場強度Ｈ１において、層１１のベク
トルは、出力電圧を転向し、並びに上昇させる。トータ
ル磁場強度がＨ１とＨ３との間で増加するにつれ、層１
１の磁化ベクトルが、Ｈ３の磁場強度付近で他の方向に
転向、すばやく切り換わるように持続される。Ｈ４付近
では、より厚い層１３のベクトルが、逆方向に切り換わ
り、ならびにその抵抗はＨ４の値およびそれより大きい
値では、抵抗値が減少する。同様に、逆方向トータル磁
場での出力電圧が、０とＨ５〜Ｈ８との間に示される。

【００２０】その抵抗値は、通常、セル１０の出力電圧
をセンシングすることによって決定される。その出力電
圧は、セル１０の長さの方向に沿って印加される定電圧
をセル１０の長さ方向に亘っての電圧降下であり、一方
で磁場が印加される。セル１０の状態を決定する方法の
１つは、層１１の切換えしきい値よりも高く（すなわち
Ｈ３）であって、しかし層１３の切換えしきい値と同じ
高さ（すなわちＨ４）ではないトータル磁場を印加する
ことである。トータル磁場が、その磁気ベクトルを保持
する方向、すなわち磁化ベクトルと同じ長さ２７の方向
である場合、その磁気ベクトルは、実質的に転向しない
ので、セル１０の抵抗は実質的に変化しない。それに対
応して、その出力電圧のまた実質的に変化しない。

【００２１】しかし、トータル磁場がベクトルを逆方向
にする場合、磁気ベクトルは転向する。磁場が上昇する
につれ、層１１のベクトルは、層１１の反対側の端に向
かって転向し始める（層１３のベクトルはわずかに転向
する）。さらに磁場が増加するにつれ、層１１のベクト
ルは、転向し続け、抵抗値は、そのベクトルが逆方向に
切り換わるまで上昇する。されに磁場が上昇すると、層
１３のベクトルも切り換わるまで、抵抗値は実質的に一
定になり、それが保存されている情報における変化をも
たらす。それから、その抵抗値は磁場の上昇とともに減
小する。

【００２２】トータル磁場の値が、センス、ワードおよ
びデジタルラインの電流から結果として生ずる磁場の和
であるという前提のもとセル１０が動作するので、トー
タル磁場と結合する浮遊磁場が、通常の保存の間にセル
１０に影響するのと同様に、書込みまたは読出し動作の
いずれかにおける実質的なエラーを生じ得るこたがわか
る。例えば、読出し動作の間、トータル磁場が層１１の
切換えしきい値よりも高く、かつ層１３の磁気ベクトル
を切換えるには十分でない場合、浮遊磁場は、Ｈ８をじ
のぎ、実質的にそのセル内の情報を切換えるような、十
分なトータル磁場を簡単に印加することができる。さら
に、メモリセルの多くが非常に小さく、互いに非常に接
近して詰め込まれているので、特に大規模アレイにおい
ては、比較的小さい量の浮遊磁場がメモリセルに実質的
に影響し得る。浮遊磁場の問題を緩和するために、パッ
シベーション層１８が、メモリセル１０を少なくとも部
分的に囲むように形成される。好適には、層１８は、フ
ェライト材料のような不揮発性高透磁率（permeabilit
y）材料の層から形成される。前期目的に適するいくつ
かのフェライト材料は少なくとも：Mn-Zn-Ferrite,Ni-Z
n-Frrite,MnFeO,CuFeO,FeOおよびNiFeO のうちの１つ
である。層１８は非導電性であるので、セル１０の表面
上に直接にデポジションすることができ、若しくは層１
８が動作に影響を与えるほど十分に導電的である場合、
誘電体材料の薄膜１７がセル１０と層１８との間に使用
され得る。層１８が高透磁率材料から形成されるので、
任意の浮遊磁場は、セル１０から遮へいされる。さら
に、ワードライン１６に供給される電流によって生成さ
れる任意の磁場が、層１８によってセル１０上に向かっ
て方向付けられて、若しくは集束し、それによって、電
流のより少ない量が、読出しおよび／または書込みに必
要とされるのと同じ量のトータル磁場を達成するため
に、ワードライン１６に供給され得る。

【００２３】このように、層１８は、浮遊磁場に対する
セル１０を遮へいすること、並びにセル１０内に内部で
発生する磁場を集束することの２つの機能を実行する。
遮へい機能のみが所望される場合、層１８は、混合され
た多量の高透磁率材料を有する典型的なパッシベーショ
ン材料（外部の湿気からの良い障壁を提供する任意の便
利な誘電体材料など）から形成される。一般に、高透磁
率材料は、粉末状態にされ、液状態または準液状態のパ
ッシベーション材料と混合せられ得る。そして次に、高
透磁率材料は、そのセルまたはアレイに適用され、若し
くはセルの周りにモールドさられる。また、高透磁率材
料は、パッシベーション材料に沿ってスパッタリングさ
れるか、若しくはスピンオンされ得る。他の適用技術に
おいては、非常に低コストのデポジション方法として、
フェライト材料のパウダが、パッシベーション層上に、
または基板の裏面上に、またはパッケージに、スプレイ
コーティングされ得る。

【００２４】図３において、セル１０に類似するセルの
アレイ５０の簡単化した拡大断面図が示されている。ア
レイ５０のほんの一部分が、便利のために図示され、セ
ル５１、５２を含む。代表的には、セル１０に類似した
複数のセル（例えば５１、５２）が、各個別のセル５
１、５２などの間にスペースを有する共通の基板５５上
に形成される。次に、導電体５６が、個別の横列（セン
スライン）の相互接続セル５１、５２などに適用され
る。複数の横方向導電体またはワードライン５７が、メ
モリセルの各縦列とその１つ１つが関係して、そのメモ
リセルの上に重畳する。

【００２５】パッシベーション層６０が、アレイ全体の
上に亘って形成され、それによって、完全に、そのアレ
イ全体およびそのアレイに伴う集積回路（６１でブロッ
クの形態として示される）を不活性化する。好適には、
パッシベーション層６０は、任意の従来技術を使用した
スピンオンまたはスパッタリングされるフェライト材料
の層から形成される。一旦、パッシベーション層６０の
全体が形成されると、開口６５が、パッシベーション層
６０を介して形成され、それによってボンディングパッ
ドなどへの接続を可能にする。この好適実施例において
は、パッシベーション層６０は、アレイの遮へいおよび
不活性化のみならず、関連するセル上に、内部で発生す
る磁場（すなわち、ワードライン５７内の電流によって
発生する磁場）を集束し、方向付ける。前記の様に、遮
へいおよび不活性化の機能のみが所望されているなら
ば、パッシベーション層６０は、混合せられる高透磁率
材料の粉状態物または小さいパーティクルから形成され
る。

【００２６】このように、新規であり、改善された浮遊
磁気遮へい構造を有する不揮発性磁気抵抗メモリが、開
示された。この浮遊磁気遮へい構造は、提供するのが、
単純かつ簡単であり、一般に、例えば標準的なパッシベ
ーション技術として既に位置づけられている手法に組み
込まれるので、実質的にメモリのコストを増加させな
い。好適には、新規であり、改善された不揮発性磁気抵
抗メモリもための浮遊磁気遮へい構造もまた、そのメモ
リの内部で発生する磁場を集束する。浮遊磁気の除去に
伴う、磁場の集束は、内部で発生する磁場が、実質的に
減少することを可能にし、そのことは、メモリを起動さ
せるのに必要な量の電力を削減する。さらに、その集束
は、セルの消費電力を削減し、金属電流密度を減少さ
せ、関連する金属の信頼性を改善する。その集束はま
た、駆動トランジスタのサイズを削減し、それによっ
て、セルの実体占有効率（real estate efficiency）を
向上させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従った、不揮発性磁気抵抗メモリの一
部分の簡単化した拡大断面図。

【図２】図１の不揮発性磁気抵抗メモリにおけるスイッ
チング状態に必要とされる磁場をグラフに表した図。

【図３】本発明に従った、高密度不揮発性磁気抵抗メモ
リの簡単化した断面図。

【符号の説明】

１０、５０ 不揮発性磁気抵抗メモリセル １１、１３ 磁気抵抗材料層 １２ 非磁性材料層 １４ 誘電体層 １６ ワードライン １７ 誘電体材料の薄膜 １８ パッシベーション層 ２１、２２ ベクトル ２３、２４ 厚さ ２６ 幅 ２７ 長さ ３１ グラフ ３２、３３ 曲線 ５１、５２ セル ５５ 基板 ５６ 導電体 ５７ ワードライン ６０ パッシベーション層 ６１ 集積回路 ６５ 開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・ダーラム アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、 ウエスト・オーチャイド・レーン4076 (72)発明者 セオドア・ズ アメリカ合衆国アリゾナ州チャンドラー、 ノース・コングレス・ドライブ1351 (72)発明者 サイード・エヌ・テラニ アメリカ合衆国アリゾナ州テンピ、イース ト・パロミノ・ドライブ1917

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 不揮発性磁気抵抗メモリのための浮遊磁
   気遮へい構造であって：基板上に位置づけられ、上側表
   面を決定する不揮発性磁気抵抗メモリ（１０、５０）；
   および前記不揮発性磁気抵抗メモリ（１０、５０）を少
   なくとも部分的に囲むパッシベーション層（１８、６
   ０）であって、当該パッシベーション層（１８、６０）
   は、フェライト材料を含み、それによって、前記不揮発
   性磁気抵抗メモリ（１０、５０）を浮遊磁気から遮へい
   する、ところのパッシベーション層；から構成されるこ
   とを特徴とする浮遊磁気遮へい構造。
2. 【請求項２】 不揮発性磁気抵抗メモリのための浮遊磁
   気遮へい構造であって：基板上に位置づけられ、上側表
   面を決定する不揮発性磁気抵抗メモリ（１０）であっ
   て、当該不揮発性磁気抵抗メモリ（１０）は、非磁性材
   料の層（１２）によって離間せられる磁気抵抗材料の少
   なくとも第１および第２層（１１、１３）を含む、とこ
   ろの不揮発性磁気抵抗メモリ（１０）；高透磁率材料で
   あり、かつ非導電性磁気材料の層（１８）であって、当
   該層（１８）は、前記不揮発性磁気抵抗メモリ（１０）
   の上側表面の近くに位置づけられ、それによって、内部
   で発生する磁場を前記磁気抵抗材料の第１および第２層
   （１１、１３）のうち少なくとも１つの層に集束し、か
   つ浮遊磁気から前記不揮発性磁気抵抗メモリ（１０）を
   遮へいする、ところの層（１８）；および高透磁率であ
   り、かつ非導電性磁気材料（１８）および前記不揮発性
   磁気抵抗メモリ（１０）から成る前記層を少なくとも部
   分的に囲むパッシベーション層（１８）；から構成され
   ることを特徴とする浮遊磁気遮へい構造。
3. 【請求項３】 不揮発性磁気抵抗メモリのための浮遊磁
   気遮へい構造であって：半導体基板（５５）上に位置づ
   けられる不揮発性磁気抵抗メモリ（５０）であって、当
   該不揮発性磁気抵抗メモリ（５０）は、非磁性材料の層
   によって離間せられる磁気抵抗材料の少なくとも第１層
   および第２層を含む各セルを有する個別セル（５１、５
   ２）のアレイを含み、さらに、当該不揮発性磁気抵抗メ
   モリ（５０）は、入力／出力端子を有する個別セル（５
   １、５２）を指定し制御する集積回路（６１）を含む、
   ところの不揮発性磁気抵抗メモリ（５０）；および高透
   磁率であり、かつ非導電性磁気材料の層（６０）であっ
   て、当該層（６０）は、前記不揮発性磁気抵抗メモリ
   （５０）の少なくとも上側表面をコーティングし、それ
   によって、内部で発生する磁場を、各個別のセル（５
   １、５２）内の磁気抵抗材料の第１および第２層の少な
   くとも１つの層上に集束させる、ところの層（６０）；
   から構成されることを特徴とする浮遊磁気遮へい構造。
4. 【請求項４】 浮遊磁場から不揮発性磁気抵抗メモリを
   遮へいする方法であって：基板上に位置づけられ、上側
   表面を決定する不揮発性磁気抵抗メモリを準備する段
   階；およびフェライト材料を含むパッシベーション材料
   の層を有する前記不揮発性磁気抵抗メモリの少なくとも
   部分的に囲むことによって、前記不揮発性磁気抵抗メモ
   リを、浮遊磁場から、遮へいし、かつ不活性化する段
   階；から構成されることを特徴とする方法。