(57)【要約】【課題】  反転に必要な磁場を低下させる磁気抵抗メモリは、強磁性自由層の反転磁場を降下させる利点を有すると共に、データを書き込む際の電流を低下させる。【解決手段】  本発明に係る、反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリは、第一反強磁性層と、第一反強磁性層上に形成される固定層と、固定層上に形成されるトンネルバリア層と、トンネルバリア層上に形成される強磁性自由層及び、強磁性自由層上に形成される多層構造金属層とを含む。多層構造金属層は一層以上の金属により積層され、多層構造金属層に位置する強磁性層、反強磁性層の磁化容易軸方向及び強磁性自由層の磁化容易軸方向が直交するように形成させる。【選択図】  図１
2006148053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一反強磁性層と、
前記第一反強磁性層上に形成される固定層と、
前記固定層上に形成されるトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成される強磁性自由層及び、
前記強磁性自由層上に形成される多層構造金属層と、を含むことを特徴とする反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【請求項２】
前記多層構造金属層は少なくとも一つの強磁性層と反強磁性層を含み、前記強磁性層の磁化容易軸方向と前記強磁性自由層の磁化容易軸方向が直交するように形成されていることを特徴とする請求項1に記載する反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【請求項３】
前記多層構造金属層は一層以上の金属により積層されていることを特徴とする請求項1に記載する反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【請求項４】
前記多層構造金属層は更に非磁性金属層と、
前記非磁性金属層上に形成される強磁性層と、
前記強磁性層上に形成される第二反強磁性層と、を含むことを特徴とする請求項２に記載する反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【請求項５】
前記強磁性層、前記第二反強磁性層の磁化容易軸方向及び前記強磁性自由層の磁化容易軸方向が直交するように形成させることを特徴とする請求項４に記載する反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【請求項６】
前記非磁性金属層が非磁性導電材により構成されることを特徴とする請求項４に記載する反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【請求項７】
前記強磁性層が強磁性体により構成されることを特徴とする請求項４に記載する反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【請求項８】
第二反強磁性層が反強磁性体により構成されることを特徴とする請求項４に記載する反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気抵抗メモリに関するものであり、特に強磁性自由層に低い反転磁場と低消費電力を有する磁気抵抗メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗メモリ（Magnetic Random
Access Memory：MRAM）は不揮発性メモリに属し、磁気抵抗効果を利用して、情報を記録させ、それは不揮発性、高集積性、高速な読み書きと、耐放射線などの利点がある。データを書き込む時、一般的に用いられる方法は２本の電流線、即ちビット線（bit line）とワード線（write
word line）を選択して、電流を流し誘起される合成磁場によって、任意のセルの上層である強磁性自由層の磁化方向を変えることにより、抵抗値を変化させることである。MRAMが記録データを読み出す場合は、電流を、選択した磁気メモリセルに流すことが必要となり、その際、読み出す抵抗値の変化によりデータのデジタル値を決める。
【０００３】
ビット線とワード線の交点に作成される磁気メモリセルは複数層の磁性金属材料の積層構造であり、その構造は、ソフト強磁性材層（soft ferromagnetic layer）、トンネルバリア層（tunnel barrier layer）、ハード強磁性材層（hard ferromagnetic layer）、反強磁性材層（anti ferromagnetic layer）及び非磁気導電層（nonmagnetic conductor）から集積構成される。トンネルバリア層が隔てられた上下２層の強磁性層の磁化方向を平行か反平行であるかにより“０”か“１”のデータ状態を記憶する。
【０００４】
そこで、磁気メモリを高集積化設計することにつれ、メモリセルのサイズが微細化され、強磁性自由層の磁場反転が大きくなるので、書き込み電流を増大させることとなる。しかし、増大電流は回路設計の上で、多くな問題点を提起し、且つ回路設計あるいは、駆動回路の設計にも難しさが増える。
【０００５】
前記の大きな電流の問題を解決するために、一般的には、磁気メモリセルを変更する手段を採り、磁気抵抗メモリの形状を円形に近づけさせる。この手段は強磁性自由層の反転磁場を降下させるが、強磁性自由層の磁化ベクトルの反転行為が複雑になる可能性がある。
【０００６】
アメリカ特許第６７２８１３２号に開示されている解決方法は、主に強磁性自由層の磁化ベクトルが反転する際に、不連続の反転を生じさせることを解決するものである。それは、非磁性金属層と強磁性層を強磁性自由層に覆い、金属層の厚みを調整することにより、強磁性自由層と強磁性層を覆う層の磁化ベクトル方向を反平行に配列させ、密閉な磁力線を形成する。しかし、強磁性自由層の反転磁場を低下させる効果に限界がある。
【０００７】
メモリの大容量化と高密度化に従い、磁気メモリセルが小さくなり、磁気メモリに書き込む電流を増大させ、回路設計の困難さも増え、いかに小さいな電流で書き込めるように工夫するかが、新規な磁気メモリセル構造を開発する最大の課題となる。
【特許文献１】アメリカ特許第６７２８１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記の問題を鑑みて本発明の主な目的は、反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリを提供することにより、前記技術が抱えている課題を解決する。
【０００９】
本発明の目的に基づいて、本発明に係る反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリは強磁性自由層の反転磁場を降下させる。
【００１０】
本発明の目的に基づいて、本発明に係る反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリはデータを書き込む際の電流を低下させる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記の目的を達成するために、本発明の磁気抵抗メモリは第一反強磁性層と、第一反強磁性層上に形成される固定層と、固定層上に形成されるトンネルバリア層と、トンネルバリア層上に形成される強磁性自由層及び、強磁性自由層上に形成される多層構造金属層とを含む。
【００１２】
本発明の原理に基づいて、多層構造金属層は一層以上の金属により積層される。
【００１３】
本発明の原理に基づいて、多層構造金属層における、強磁性層と、反強磁性層の磁化容易軸方向と強磁性自由層の磁化容易軸方向を直交させる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の主な目的に基づいて、本発明に係る反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリは、強磁性自由層の反転磁場を降下させる利点を有する。
【００１５】
本発明の主な目的に基づいて、本発明に係る反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリは、データを書き込む際の電流を低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の目的、構造、特徴及び効果を更に明瞭にするために、実施例を合わせて以下に詳しく説明する。実施例に記載されている本発明の詳細な特徴と利点について、この分野を熟知する者が本発明の技術内容を理解し実行でき、かつこの明細書が示す内容、特許請求の範囲及び添付図面によりこの分野を熟知する者は本発明に関する目的と利点を容易に理解できるであろう。前記本発明の内容の説明と以下の実施形態の説明によって本発明の原理を示し、本発明の特許請求の範囲についてより詳細に説明を行う。
【００１７】
図１は本発明の一般的な磁気抵抗メモリの概略断面図である。図１において、単に単一の磁気抵抗メモリ（又はメモリセル）のみを示す。実際は磁気抵抗メモリセルは複数の図１のような磁気抵抗メモリにより構成される。
【００１８】
本発明の磁気抵抗メモリにおける磁気メモリセルは第一反強磁性層１０と、第一反強磁性層１０上に形成される固定層２０と、固定層２０上に形成されるトンネルバリア層３０と、トンネルバリア層３０上に形成される強磁性自由層４０及び、強磁性自由層４０上に形成される多層構造金属層５０により構成される。
【００１９】
第一反強磁性層１０は反強磁性材から構成され、例えば、PtMnか MnIr材料である。
【００２０】
第一反強磁性層１０上に形成される固定層２０は一層以上の強磁性層か三層構造で形成された人造反強磁性層を用いることができる、人造反強磁性層は強磁性材、非磁性金属及び強磁性材の順に積層して形成させ、二つの強磁性層の磁化方向を反平行に配列させる。例えば、CoFe/Ru/CoFe かCoFe/Cu/ CoFeである。
【００２１】
固定層２０上に形成されるトンネルバリア層３０の材料、例えばALOxを選択することが出来る。
【００２２】
トンネルバリア層３０上に形成される強磁性自由層４０は一層以上の強磁性層か三層構造で形成された人造反強磁性自由層を選択することができ、強磁性層材は例えば、NiFe、CoFe、 CoFeB選択し、人造反強磁性自由層は、例えばCoFe/Ru /CoFe あるいは、CoFeＢ/Cu/ CoFeＢを選択することができる。
【００２３】
前記の材料例は説明をする目的のためであり、この分野を熟知する通常知識者は理解できるであろう。勿論同じ効果を得られる磁性材料を使用してもよい。
多層構造金属層５０は一層以上の金属層により積層される。例えば、非強磁性金属層５１、非強磁性金属層５１上に形成される強磁性層５２と、強磁性層５２上に形成される第二反強磁性層５３により構成される。
【００２４】
非強磁性金属層５１は非磁性伝導材料で、例えば、Cu、 Ru、 Agなどを選択する。強磁性層５２は強磁性材で、例えばFe、Co、Ni、CoFe、 CoFeＢなどを選択する。第二反強磁性層５３は反強磁性材で、例えば、RtMn、MnIr、CoOなどを選択する。上記のように、挙られた材料は説明をする目的のものであり、この分野を熟知する通常知識者が同じ効果を得られる他の磁性材を選択してもよい。
【００２５】
図２は本発明に係る磁気抵抗メモリの磁化容易軸方向を示す概略図である。各層の形状と厚さは説明のために用いたものであり、本発明の実施例に限定する趣旨ではない。図示のように、多層構造金属層５０における、強磁性層５２と第二反強磁性層５３の磁化容易軸方向と強磁性自由層４０の磁化容易軸方向が直交するように配置する、即ち、垂直関係である。
【００２６】
製作工程において、本発明に係る反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリは、一般の半導体のプロセスでも作成される。特に説明するのは、製作過程で、強磁性自由層４０上に覆われる強磁性層５２、第二反強磁性層５３の磁化容易軸方向と、強磁性自由層４０の磁化容易軸方向を直交するように配置させること（即ち、垂直関係）が必要である。
【００２７】
実際の製作過程において、２回アニール処理で完成させる。始めのアニール処理の際、大きな磁場に磁気メモリセルの磁化容易軸方向を加え、２回目のアニール処理の際には、それよりも小さい磁場を磁気メモリセルの磁化困難軸方向を加える。第一反強磁性層１０と金属層５０における第二反強磁性層５３は異なる材料か同じ材料で異なる膜厚さのものを使用することで、前記した、反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリを作成できる。
【００２８】
次は本発明の原理を説明する。普通は強磁性自由層４０が一層以上の強磁性材により形成され、本発明は多層構造金属層５０中の強磁性層５２と、第二反強磁性層の磁化容易軸方向が、強磁性自由層４０の磁化容易軸方向と直交するように配置させ、即ち、９０度の垂直になり、図２に示すとおりである。また、多層構造金属層５０の非強磁性金属層５１の厚さが調整でき、層間の接合の相互作用により強磁性自由層４０の磁化困難軸方向が適当な強度の磁場を生じさせることで、強磁性自由層４０の磁化ベクトルが反転する際の磁場を降下させる。つまり、書き込み電流を低下させることができる。
【００２９】
ヒステリシス曲線の変化は図３に示すように、Aは、多層構造金属層が強磁性自由層を覆わない場合のヒステリシス曲線であり、Bは、多層構造金属層が強磁性自由層を覆った場合のヒステリシス曲線である。AとBとを比べると、多層構造金属層が覆うと、強磁性自由層の反転磁場を低下させることが分かる。従って、図３の仮説と実験結果とは、（図４に示すように）一致する。
【００３０】
０.６×０.３６um2の磁気セルを用いてマイクロマグネティックスシミュレーションを行う。多層構造金属層が強磁性自由層を覆わない場合のヒステリシス曲線は図５に如く、多層構造金属層が強磁性自由層を覆う場合のヒステリシス曲線は図６に示すように、磁場が小さくなることが分かる。
【００３１】
前記したように、本発明に係る反転磁場を降下させる磁気抵抗メモリは、強磁性自由層の反転磁場を降下させる利点を有すると共に、データを書き込む際の電流を低下させることができる。
【００３２】
本発明の説明では前記した実施例を例示したが、前記記載は本発明を限定するものではない。本発明の要旨と範囲を逸脱することなく種々の変更を実施すれば、本発明の特許保護範囲に含まれる。本発明の保護範囲は添付の請求項を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る磁気抵抗メモリを示す図。
【図２】本発明に係る磁気抵抗メモリの磁化容易軸方向を示す概略図。
【図３】本発明に係る磁気抵抗メモリのヒステリシス曲線変化を示す概略図。
【図４】本発明に係る磁気抵抗メモリのヒステリシス曲線変化を示す実験結果を示す図。
【図５】多層構造金属層が強磁性自由層を覆わない場合のヒステリシス曲線のシミュレーション結果を示す図。
【図６】多層構造金属層が強磁性自由層を覆う場合のヒステリシス曲線のシミュレーション結果を示す図。
【符号の説明】
【００３４】
１０……………………………第一反強磁性層
２０………………………固定層
３０………………………トンネルバリア層
４０……………………………強磁性自由層
５０……………………………多層構造金属層
５２……………………………強磁性層
５３……………………………第二反強磁性層
A、B……………………………ヒステリシス曲線
【図１】
2006148053.tif 000003
【図２】
2006148053.tif 000004
【図３】
2006148053.tif 000005
【図４】
2006148053.tif 000006
【図５】
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【図６】
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