(57)【要約】  縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル（５）は、磁界が印加されていない状態で好適な方向に固定される磁気モーメントベクトルを有する強磁性固定領域（５５）と、強磁性固定領域の上に配置されて磁気抵抗トンネル接合を形成する電気絶縁材料（７０）と、そして強磁性固定領域のベクトルと平行になる、または反平行になる関係に配向される磁気モーメントベクトルを有する強磁性自由領域（１３５）と、を備える。強磁性自由領域は、反強磁性結合するＮ個の強磁性層（８０，１００）を含み、この場合Ｎは２以上の整数である。強磁性層の数Ｎを調整してＭＲＡＭデバイスの有効磁化反転体積を大きくすることができる。
2005510048.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗トンネル障壁を形成するように設計された電気絶縁材料と、
前記電気絶縁材料の片側に位置し、前記電気絶縁材料に隣接する磁気モーメントベクトルを有する第１磁化領域と、
前記電気絶縁材料の反対側に位置し、前記絶縁材料に隣接する磁気モーメントベクトルを有するとともに、前記第１磁化領域の前記磁気モーメントベクトルと平行、又は反平行になる関係に配向される第２磁化領域と、前記電気絶縁材料及び前記第１磁化領域及び第２磁化領域は磁気抵抗トンネル接合デバイスを形成することと、
前記第１磁化領域及び第２磁化領域の内の少なくとも一つが磁化反転体積を有する複合反強磁性層材料を有することと、前記複合反強磁性層材料は反強磁性結合するＮ個の強磁性層を備え、この場合Ｎは２以上の整数であることと、前記磁化反転体積は、磁気抵抗メモリ素子が横方向に寸法が縮小されても、Ｎを変化させて不揮発性メモリ動作の反転に十分なエネルギー障壁を維持することにより調整可能となることとを備える、縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル。
【請求項２】
磁気抵抗トンネル障壁を形成するように設計される電気絶縁材料と、
前記電気絶縁材料の片側に位置し、前記電気絶縁材料に隣接する磁気モーメントベクトルを有する第１磁化領域と、
前記電気絶縁材料の反対側に位置し、前記絶縁材料に隣接する磁気モーメントベクトルを有するとともに、前記第１磁化領域の前記磁気モーメントベクトルと平行になる、または反平行になる関係に配向される第２磁化領域と、前記電気絶縁材料及び前記第１及び第２磁化領域は磁気抵抗トンネル接合デバイスを形成することと、
前記第１磁化領域及び第２磁化領域の内の少なくとも一つが、反強磁性結合する２以上の整数Ｎ個の強磁性層を有することと、サブ層磁気モーメント部分バランス比を有することと、及び前記第１磁化領域及び第２磁化領域の内の少なくとも一つのスイッチング磁場は、磁気抵抗メモリ素子が横方向に寸法が縮小可能となるように前記サブ層磁気モーメント部分バランス比を変化させることにより調整可能となることとを備える、縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル。
【請求項３】
磁界が印加されていない状態で好適な方向に固定されるベクトルであって、結果として生じる磁気モーメントベクトルを有する第１磁化領域と、
磁気抵抗トンネル障壁を形成するために前記第１磁化領域の上に配置される電気絶縁材料と、
前記絶縁材料の上に位置し、前記第１磁化領域の前記結果として生じる磁気モーメントベクトルと平行になる関係と反平行になる関係との間で反転し得るベクトルであって、結果として生じる磁気モーメントベクトルを有する第２磁化領域と、前記電気絶縁材料及び前記第１及び第２磁化領域は磁気抵抗トンネル接合デバイスを形成することと、
前記第１磁化領域及び第２磁化領域の内の少なくとも一つが反強磁性結合するＮ個の強磁性層を含み、この場合Ｎは２以上の整数であることと、前記第１磁化領域及び第２磁化領域の内の前記少なくとも一つは、スイッチング磁場を設定するように構成されるサブ層磁気モーメント部分バランス比を有することとからなる、縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル。
【請求項４】
基板と、
前記基板の上に支持される反強磁性材料と、
複合反強磁性層材料を含む前記反強磁性材料の上に配置されるとともに、磁界が印加されていない状態で好適な方向に固定された結果生じる磁気モーメントベクトルを有する磁化固定領域と、
前記磁化固定領域の上に配置される電気絶縁材料と、
前記電気絶縁材料の上に配置されて前記電気絶縁材料及び前記磁化固定領域と協働して磁気抵抗トンネル接合デバイスを形成する磁化自由領域と、前記磁化自由領域は強磁性材料のＮ個の層を含む複合反強磁性層材料を有し、この場合Ｎは２以上の整数であることと、前記強磁性材料の前記Ｎ個の層の各々は、前記強磁性材料の前記Ｎ個の層の各隣接層の磁気モーメントベクトルが反強磁性結合するように反平行に配向されることと、前記磁化自由領域の磁化反転体積は、前記体積が実質的に一定に維持される、または増大して不揮発性メモリ動作の反転に十分なエネルギー障壁が維持されるようにＮを増大させることにより調整可能となることと、前記磁化自由領域のモーメント部分バランス比は、縮小可能な磁気抵抗メモリ素子が横方向に寸法が縮小されても実質的に一定に維持されることとを備える、縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル。
【請求項５】
縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセルの製造方法において、
表面を画定する基板を設ける工程と、
前記基板の上に磁化反転体積を有した結果生じる、好適な方向に配向された磁気モーメントベクトルを有する磁化固定領域を支持する工程と、
前記磁化固定領域の上に電気絶縁トンネル接合層を配置する工程と、
前記電気絶縁トンネル接合層の上に、結果として生じる磁気モーメントベクトル及び磁化反転体積を有する磁化自由領域を配置する工程と、前記結果として生じる磁気モーメントベクトルは、前記磁化固定領域の前記結果として生じる磁気モーメントベクトルに対して平行及び反平行の内の一つに配向され、前記磁化自由領域は、反強磁性結合する２以上の整数Ｎ個の強磁性層を含む複合反強磁性層材料を含み、この場合、Ｎ個の強磁性層の各々は磁気モーメントベクトルを有し、強磁性材料からなるＮ層の各隣接層の磁気モーメントベクトルは反平行に配向されることと、
デバイスの横方向寸法を変化させ、そして前記磁化自由領域のサブ層磁気モーメント部分バランス比を選択して前記デバイスが横方向に異なる寸法に縮小されても反転に対する十分なエネルギー障壁が不揮発性メモリ動作に対して維持されるように磁化反転磁界を供給する際に、Ｎ個の強磁性層の数及びそれらの層の磁気モーメントを調整して磁化反転体積を最適化する工程と、を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体メモリデバイスに関する。より詳細には本発明は磁界を利用する磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリデバイスは電子システムにおいて極めて重要な構成要素である。３つの最も重要な実用高密度メモリ技術はＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ及びフラッシュである。これらのメモリデバイスの各々は電荷を使用して情報を記憶し、そして各々はそれ固有の利点を有している。ＳＲＡＭは大きな読出し及び書込み速度を有するが、それは揮発性であり、大きなセル面積を必要とする。ＤＲＡＭは高密度であるが、これもまた揮発性であり、数ミリ秒毎に蓄積容量をリフレッシュする必要がある。この要件により制御電子機器の複雑さが増大する。
【０００３】
フラッシュは今日使用されている主要な不揮発性メモリデバイスである。通常の不揮発性メモリデバイスは浮遊酸化膜層に捕獲される電荷を使用して情報を記憶する。フラッシュの欠点として、高電圧が必要であることと、書込み及び消去時間が長いことが挙げられる。またフラッシュメモリはメモリ不良に至るまでの書込み可能回数が１０４〜１０５サイクルと少ない。さらに、データを使用可能な程度に保持するために、ゲート酸化膜の厚さは電子トンネリングが生じ得るしきい値よりも厚くなければならず、従ってフラッシュを小型化する時流に逆らうことになる。
【０００４】
これらの欠点を克服するために、新規の磁気メモリデバイスが検討されている。このようなデバイスの一つに磁気抵抗ＲＡＭ（以降、「ＭＲＡＭ」と記載する）がある。ＭＲＡＭはＤＲＡＭと同じような速度性能を示す可能性を有する。しかしながら実用レベルになるためには、ＭＲＡＭは現在のメモリ技術に匹敵するメモリ密度を有する必要があり、次世代のために小型化可能でなければならず、低電圧で動作可能でなければならず、低消費電力でなければならず、そして現在のメモリ技術と競合し得る程度の読出し／書込み速度を示す必要がある。
【０００５】
ＭＲＡＭデバイスの場合、メモリ状態の安定性、読出し／書込みサイクルの繰り返し性、及びメモリ素子間のスイッチング磁場の均一性がその構成性能の３つの最も重要な側面である。ＭＲＡＭのメモリ状態は電力により維持されるのではなく、むしろ磁気モーメントベクトルの方向により維持される。データの記憶は、磁界を印加し、そしてセルの磁性材料を磁化して２つの可能なメモリ状態の内のいずれかの状態にすることにより行なわれる。データの読出しは、２つの状態に対応する、異なった電気抵抗を検知することによって行われる。書込みを行うための磁界は、磁気構造の外部の導電ラインに、または磁気構造自体に電流を流すことにより生成される。
【０００６】
従来のＭＲＡＭデバイスはスイッチング磁場を供給する形状異方性を生じさせるアスペクト比のビット形状に依存する。ビット寸法が縮小すると３つの問題が生じる。まず、所定の形状及び膜厚に対してスイッチング磁場が増えると、スイッチするための電流がより多く必要になる。次に、合計のスイッチングボリューム（磁化反転体積）を削減すると体積及びスイッチング磁場に比例する反転エネルギー障壁も減少する。このエネルギー障壁は磁気エネルギーモーメントベクトルをオン状態から他の状態に切り替えるために必要なエネルギー量を指す。エネルギー障壁によりＭＲＡＭデバイスのデータ保持及びエラーレートが決まり、そして障壁が余りにも小さい場合には熱変化によって意図しない反転が生じることがある。最後に、スイッチング磁場は形状により生成されるので、スイッチング
磁場はビットサイズが小さくなるにつれて形状ばらつきに一層敏感になる。寸法が小さくなるにつれてフォトリソグラフィの縮小が一層困難になると、ＭＲＡＭデバイスが正確なスイッチング分布を維持することは困難になると考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、先行技術に固有の前述の他の不足点を改善すればより大きな利点がもたらされると考えられる。
従って、本発明の目的は新規の改良された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。
【０００８】
本発明の目的は、スイッチング磁場をほぼ一定に維持しつつ縮小可能な新規の改良された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。
本発明の別の目的は、制御可能な磁化反転体積を有する新規の改良された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに別の目的は、デバイスのビットエラーレートを最小化する制御可能なエネルギー障壁を有する新規の改良された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。
【００１０】
本発明の目的は、従来のフォトリソグラフィ処理技術を使用して形成することができる新規の改良された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。
本発明の別の目的は、形状依存性の小さいスイッチング磁場を有する新規の改良された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上に特定した目的及び利点、さらに他の目的及び利点を達成するために、縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリ（以後、「ＭＲＡＭ」と記載する）デバイスを開示する。ＭＲＡＭデバイスは基板を備え、その上には磁化固定領域が配置される。次に電子トンネル障壁として機能するために十分な厚さを有する電気絶縁材料を磁化固定領域の上に配置し、そして磁化自由領域を電気絶縁材料の上に配置する。トンネル障壁に隣接する磁化固定領域は結果として生じる磁気モーメントベクトルを有し、このベクトルは好適な方向に固定される。
【００１２】
好適な実施形態においては、磁化自由領域は複合反強磁性（以後、「ＳＡＦ」と記載する）層材料を含む。複合反強磁性層材料はＮ個の強磁性材料からなる反強磁性結合層を含み、この場合Ｎは２以上の整数である。Ｎ個の層は磁化反転体積を画定し、この体積はＮを変化させることにより調節することができる。好適な実施形態においては、Ｎ個の強磁性層は、反強磁性結合スペーサ層を各隣接強磁性層の間に挟むことにより反強磁性結合する。
【００１３】
好適な実施形態においては、合計の正味磁気モーメントベクトルは各Ｎ個のサブ層磁気モーメントベクトルのベクトル和からなる。各サブ層はその隣接層と反強磁性結合するので、ゼロ磁界にはこれらのサブ層モーメントが向き得る２つの反平行方向が在る。従って合計モーメントはＭ１とＭ２との差により求められ、この場合Ｍ１及びＭ２はそれぞれ、各方向における合計サブ層モーメントである。磁気モーメントベクトルは普通、反強磁性結合スペーサ層が結合することにより反平行に配向される。反強磁性結合はまた、ＭＲＡＭ構造の複数の層の静磁界により生じる。従って、スペーサ層は２つの磁性層間の強磁性結合を打ち消す分を超えれば、必ずしもそれ以上余分に反強磁性結合を供給する必要はない。
【００１４】
複数の強磁性層の磁気モーメントベクトルは異なる大きさを有することにより、結果として生じるΔＭ＝（Ｍ２−Ｍ１）で与えられる磁気モーメントベクトルと、サブ層磁気モーメント部分バランス比、
【００１５】
【数１】
2005510048.tif 000003
を供給することができる。この場合、Ｍｔｏｔａｌ＝Ｍ１＋Ｍ２はＮ層の合計モーメントである。Ｎ層構造が有する、結果として生じる磁気モーメントベクトルは印加磁界により自由に回転する。ゼロ磁界では、結果として生じる磁気モーメントベクトルは磁気異方性により決まる方向に安定であり、この方向は、磁化固定領域のベクトルであって結果として生じる磁気モーメントベクトルに対して平行、または反平行のいずれかである。
【００１６】
ＭＲＡＭデバイスを流れる電流はトンネル磁気抵抗に依存し、この磁気抵抗はトンネル障壁に直接隣接する磁化自由領域と磁化固定領域の磁気モーメントベクトルの相対的配向により主として決定される。磁気モーメントベクトルが平行であると、ＭＲＡＭデバイス抵抗が小さくなり、そして電圧バイアスにより大きな電流が誘起されてデバイスを流れることになる。この状態が「１」として定義される。磁気モーメントベクトルが反平行であると、ＭＲＡＭデバイス抵抗が大きくなり、そして電圧バイアスの印加により小さな電流が誘起されてデバイスを流れることになる。この状態が「０」として定義される。これらの定義は任意であり、反対にすることができるが、この例では例示目的で使用しているに過ぎない。このようにして磁気抵抗メモリにおいては、データ記憶は、ＭＲＡＭデバイスの磁気モーメントベクトルを基準固定層の磁気モーメントベクトルに対して平行及び反平行の内のいずれかに配向させる磁界を印加することにより行なわれる。
【００１７】
強磁性層の数Ｎを調整して磁化自由領域の磁化反転体積を増大させることができる。磁化反転体積を増大させることにより、磁気モーメントベクトルの不意の反転を生じさせるエネルギー障壁を大きくする。大きくなったエネルギー障壁により、熱変動により生じる不意の反転に起因するデータ保持エラーレートを減らす効果が得られる。この結果、メモリ状態の安定性が向上する。複数の強磁性層を付加することにより、サブ層磁気モーメントバランス比Ｍｂｒにばらつきが無く、そしてスイッチング磁場が円形ビット形状に対して一定に維持される。このように、各反強磁性結合強磁性層が反転するにはその固有の異方性に打ち勝つ必要があるので合計エネルギー障壁が大きくなり、必要反転電流を増やすことなく磁化反転体積を大きくすることができる。従って、ＭＲＡＭデバイスを横方向にその寸法を縮小することができ、そして磁化反転体積を一定に維持する、または、さらに反強磁性結合強磁性層を付加するとともに一定のサブ層モーメントバランス比を維持することにより所望の値に調整することができる。
【００１８】
好適な実施形態においては、ＭＲＡＭデバイスは円形状としているので形状異方性がスイッチング磁場に影響することは無い。この構成では、スイッチング磁場を支配的に決定するパラメータは材料により誘起される磁気異方性Ｈｋである。ＮｉＦｅＣｏのような通
常の材料の場合、Ｈｋは約２０エルステッドに過ぎず、この値はＭＲＡＭデバイス動作には望ましくない。ＳＡＦのＮ層構造が自由領域に含まれる場合、異方性のスイッチング磁場Ｈｓｗは次式で表されるサブ磁気モーメント部分バランス比Ｍｂｒに依存する形で増幅される。
【００１９】
【数２】
2005510048.tif 000004
この式において、Ｍ１、Ｍ２はそれぞれＮ層構造の各方向の合計サブ層磁気モーメントである。スイッチング磁場の増大は、結果として生じる小さな磁気モーメントベクトルが外部磁界の小さなハンドルとなってＮ個の強磁性層のスピンの全てを回転させる結果である。従って、相反する磁気モーメントの大きさが相互に近接すればするほど、有効スイッチング磁場が大きくなる。このようにして、スイッチング磁場を、誘起Ｈｋ及びサブ層磁気モーメントバランス比Ｍｂｒを制御することにより調整して所望の値とすることができる。形状感度は、円形がスイッチング磁場の主要ソースではないので小さくなる。また、形状端の有効磁荷は同程度の厚さの単一層膜の場合よりもはるかに小さいので、結果として生じる磁気モーメントベクトルが小さくなると、形状ばらつきの影響がさらに小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１を参照すると、本発明による縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル５の模式図が示されている。縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル５は支持基板１０を含み、その上にはシード層２０が配置される。支持基板１０は、例えば半導体基板またはウェハとすることができ、そして半導体制御素子群がその上に形成される。シード層２０は支持基板１０の上に形成されて残りの材料層の形成及び動作に寄与する。次に反強磁性層３０がシード層２０の上に配置され、そして反強磁性層３０は例えばＮｉ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｃｏまたはそれらの組み合わせを含む。シード層２０の形成は任意であり、この層がこの好適な実施形態に例示のために含まれていることを理解されたい。また、反強磁性層３０を配置するのは多くの他の構成を可能とするための製造上の都合である。
【００２１】
結果的に生じる磁気モーメントベクトル５７を有する第１磁化領域５５を反強磁性層３０の上に配置する。電気絶縁層７０を第１磁化領域５５の上に配置し、そして結果的に生じる磁気モーメントベクトル８７を有する第２磁化領域１３５を電気絶縁層７０の上に配置する。電気絶縁層７０はトンネル障壁接合として機能する。電気絶縁層７０は複数の絶縁層を含むことができるが、例示のために一の層のみを示していることを理解されたい。
【００２２】
反強磁性層３０は、十分な磁界が供給されて層３０のピン止め作用を解消しない限り、結果として生じる磁気モーメントベクトル５７を好適な磁化軸に沿って単一方向に固定する。一般的に反強磁性層３０は、偽信号及び正常なセル書込み信号が結果として生じる磁気モーメントベクトル５７を反転させないことを確実にするために十分に厚い。
【００２３】
好適な実施形態においては、磁化固定層５５は複合反強磁性層材料を含み、この材料は
強磁性層６０と強磁性層４０との間に反強磁性結合スペーサ層５０が挟まれる構成の３層構造を含む。しかしながら、磁化領域５５は３層構造以外の複合反強磁性層材料を含むことができ、そして３層構造を本実施形態に使用しているのは単に例示のために過ぎない。さらに磁化領域５５は磁化固定領域であるので、結果として生じる磁気モーメントベクトル５７は中程度の磁界が印加されて回転するほど自由ではなく、基準層として使用されるということになる。
【００２４】
磁化自由領域１３５は複合反強磁性層材料を含み、この材料は反強磁性的に結合するＮ個の強磁性層を含み、この場合Ｎは２以上の整数である。ここに簡単のために示す実施形態においては、Ｎは、磁化領域が強磁性層８０と強磁性層１００との間に反強磁性結合スペーサ層９０が挟まれる構成の３層構造を含むように２以上に選択される。強磁性層８０及び１００はそれぞれ厚さ８１及び１０１を有する。さらに反強磁性結合スペーサ層９０は厚さ８６を有する。磁化領域１３５の複合反強磁性層材料は異なる数の強磁性層を有する他の構造を含むことができ、そして３層構造を本実施形態に使用しているのは単に例示のために過ぎない。例えば、強磁性層／反強磁性結合スペーサ層／強磁性層／反強磁性結合スペーサ層／強磁性層の５層積層構造を用いることができ、この場合Ｎは３となる。
【００２５】
一般的に反強磁性結合スペーサ層５０及び９０は、元素群ルテニウム（Ｒｕ），オスミウム（Ｏｓ），レニウム（Ｒｅ），クロム（Ｃｒ），ロジウム（Ｒｈ），及び銅（Ｃｕ）またはそれらの組み合わせを含む。さらに、強磁性層４０，５０，８０及び１００は一般的にニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），マンガン（Ｍｎ），コバルト（Ｃｏ）からなる合金、またはそれらの組み合わせを含む。強磁性層８０及び１００はそれぞれ磁気モーメントベクトル８５及び１０５を有し、これらのベクトルは普通、反強磁性結合スペーサ層９０が結合することにより反平行に保持される。また磁化領域１３５は結果として生じる磁気モーメントベクトル８７を有する。結果として生じる磁気モーメントベクトル５７及び８７は、異方性の磁化容易軸に沿って好適な方向に配向する。さらに、磁化領域１３５は自由層としての強磁性領域であるので、結果として生じる磁気モーメントベクトル８７は磁界が印加されて回転するほど自由ということになる。
【００２６】
反強磁性結合層が磁化領域５５及び１３５の強磁性層の間に設けられる例を示したが、強磁性層は、静磁場または他の機構のような他の手段を通して反強磁性的に結合することができることを理解されたい。例えば、セルのアスペクト比が５以下になると、強磁性層は磁区構造が閉じる静磁フラックスクロージャにより反平行結合する。この場合、層間の強磁性交換相互作用を破壊する全ての非磁気スペーサ層で十分足りる。しかしながら好適な実施形態においては、隣接する強磁性層は反強磁性結合材料を各隣接強磁性層の間に挟むことにより反強磁性結合する。複合反強磁性層材料を使用すると得られる利点の一つは、磁気モーメントベクトルの反平行結合により、単一層を使用する場合に渦が発生する所定の厚さで渦が発生しないことである。
【００２７】
縮小可能な磁気抵抗トンネル接合メモリセル５の形成工程の間、各連続層（すなわち、２０，３０，４０など）を連続して成膜する、或いはそうでなければ続けて形成し、そして各セルは半導体業界では公知の技術である選択成長、リソグラフィ処理、エッチング等により画定される。少なくとも強磁性層８０及び１００を堆積させる成膜工程の間、磁界を供給してこれらの層の磁化容易軸を設定する（誘起異方性）。この異方性軸は、成膜に続いて磁界を印加しながらアニールすることにより設定することもできる。
【００２８】
自由領域１３５の強磁性層の数Ｎは、デバイスが横方向にさらに小さい寸法に縮小されても自由領域１３５の磁化反転体積が実質的に一定に維持される、または大きくなるように調整することができる。このようにして、ＭＲＡＭデバイス５の磁化反転体積を制御することができ、そしてその結果、ビットエラーレートを最小化することができる。これら
の層の厚さ８１及び１０１及び／又は材料は、磁気モーメント８５及び１０５を反転させるのに必要な磁界が、デバイスが横方向に縮小されても実質的に一定（「実質的に一定」という用語は中程度の増大を含むものとする）に維持されるように選択される。Ｎ個の強磁性層は磁気モーメントバランス比Ｍｂｒに変化が生じないように選択することができるので、スイッチング磁場Ｈｓｗは円形平面で一定に維持される。各強磁性層はその誘起異方性に打ち勝って反転することにより、Ｈｓｗを増やさないで有効体積を増やす必要があるので、磁気モーメントベクトル反転の合計エネルギー障壁は増大する。１よりも大きいアスペクト比を有するビット形状の場合、隣接強磁性層のモーメントバランスを適切に選択することによってスイッチング磁場の増大を最小化しながら有効体積を増やすことができる。
【００２９】
別の実施形態においては、磁気抵抗トンネル接合メモリセル５は磁化領域５５及び１３５を有し、これらの磁化領域の各々は非円形平面で１〜５の範囲の長さ／幅比を有する。自由及び固定領域１３５及び５５のアスペクト比が５よりも小さい場合、磁化領域１３５の磁気モーメントベクトル８５及び１０５はフリンジ静磁場のみによって反平行に揃う傾向が強い。従ってこの静磁結合により、反強磁性結合層を層間交換相互作用を防止するスペーサ層に置き換えることができる。好適な実施形態においては、ＭＲＡＭデバイス５は円形（通常、基板１０に平行な断面において）であるので、形状異方性がスイッチング磁場に影響を及ぼすことが無く、またフォトリソグラフィ処理を使用してデバイスの横方向寸法を縮小することが一層容易になる。しかしながら、ＭＲＡＭデバイス５は正方形、矩形、楕円形、または菱形のような他の形状とすることができるが、簡単のために円形の場合を示している。
【００３０】
円形平面において、スイッチング磁場を支配的に決定するパラメータは材料の誘起磁気異方性Ｈｋである。ＮｉＦｅＣｏのような通常の材料の場合、Ｈｋは約２０エルステッドに過ぎず、ＭＲＡＭデバイスの動作には望ましくない。Ｎ層構造が磁化自由領域に含まれると、有効異方性スイッチング磁場Ｈｓｗは個々のサブ層モーメントの次の式で表されるサブ層磁気モーメントバランス比に依存する形で増幅される。
【００３１】
【数３】
2005510048.tif 000005
ここで、Ｍ８５，Ｍ１０５はそれぞれ強磁性層８０及び１００の磁気モーメントベクトルの大きさである。
【００３２】
次に図２を参照すると、強磁性層１００の厚さ１０１対３層構造の有効スイッチング磁場Ｈｓｗを示すグラフが示されている。データを示す図２のグラフはパターニングされていないバルク材料膜から作成されたものであるので、円形ビットパターンのＨｓｗの傾向を表すことになる。従って図２は、バランスしていない複合反強磁性構造の増幅効果を直接証明するものとなる。
【００３３】
この特定の例においては、反強磁性結合スペーサ層９０の厚さ８６は７オングストロー
ムに選択され、そして強磁性層８０の厚さ８１は４０オングストロームに選択される。またこの例においては、反強磁性結合スペーサ層９０はＲｕを含み、そして強磁性層８０及び１００はＮｉＦｅＣｏを含む。強磁性層１００の厚さ１０１は約３０オングストロームから７５オングストロームの範囲で変化すると、Ｈｓｗは約３５オングストロームから４５オングストロームの範囲で急峻に変化する。最適なＭＲＡＭデバイス動作を得るには、Ｈｓｗは５０エルステッドから１５０エルステッドの範囲にほぼ収まるようにする必要がある。Ｈｓｗは図示のように厚さ１０１を変化させることによりこの範囲に収めることができる。厚さ１０１を４０オングストロームに設定すると、Ｈｓｗは約２２５エルステッドとなり、この値は恐らく高すぎる。厚さ１０１を４３オングストロームに設定すると、Ｈｓｗは約７５エルステッドとなり、この値はより理想的な値である。重要なことは、厚さ８１，８６及び１０１を調整することにより、Ｈｓｗを所望の値に調整することができることである。
【００３４】
このようにして、縮小可能な磁気抵抗メモリデバイスは、Ｎを変化させることにより制御可能な磁化反転体積を有する。Ｎを変化させることにより、ＭＲＡＭデバイスが横方向に寸法が縮小されても磁化反転体積を大きくすることができる。その結果、熱変動によるビットエラーレートが低くなる。また、強磁性層の厚さ及び／又は材料を変化させることにより、Ｈｓｗを制御することができる。Ｈｓｗを制御することにより、ＭＲＡＭデバイスが横方向に寸法が縮小されてもスイッチング磁場をＭＲＡＭデバイスの動作に十分な所望の値に調整することができる。
【００３５】
この技術分野の当業者であれば、本明細書において例示の目的で選択した実施形態に種々の変更及び変形を容易に加え得るであろう。このような変形及び変更は、以下に示す請求項を公正に解釈することによってのみ評価される本発明の技術範囲に本発明の技術思想から逸脱しない範囲で含まれるものである。
【００３６】
本発明の全てについて、この技術分野の当業者が本発明を理解し、そして実施できるように明瞭に、かつ正確に記載してきたが、この記載により本発明が請求するところは以下のようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】縮小可能性が改良された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを示す断面図。
【図２】他の層を有するＮ層構造の内、４０オングストロームの一定厚さに維持される一の強磁性層の厚さに対するバルク自由層膜の保磁力を示すグラフ。
【図１】
2005510048.tif 000006
【図２】
2005510048.tif 000007
【国際調査報告】
2005510048.tif 000008
2005510048.tif 000009
2005510048.tif 000010