(57)【要約】本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）における磁気メモリセルの切り替えの信頼性を向上させることに関する。本発明に係る実施の形態では、磁気メモリセルに、反強磁性層４１４が追加される。反強磁性層４１４は、ＭＲＡＭにおける硬磁性層４０４側とは反対側の軟磁性層４１２側に隣接して形成される。一実施の形態では、反強磁性層４１４と軟磁性層４１２との間に、さらに、非反強磁性材料の中間層を備えている。
2005517294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）における反強磁性的に固定されたシュードスピンバルブ（ＡＳＰＳＶ）であって、
強磁性材料の硬磁性層と、
強磁性材料の軟磁性層と、
前記硬磁性層と前記軟磁性層との間に配置された非強磁性材料のスぺーサ層と、
前記軟磁性層に隣接して配置された反強磁性層とを備え、該反強磁性層が、前記硬磁性層側とは反対側の軟磁性層上に配置されていることを特徴とするシュードスピンバルブ。
【請求項２】
前記反強磁性層が、マンガンの少なくとも１つの合金で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項３】
前記反強磁性層が、鉄−マンガン合金（ＦｅＭｎ）で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項４】
前記反強磁性層の厚さが、約１０オングストローム（Å）〜７０Åの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項５】
前記硬磁性層及び前記軟磁性層に用いられる強磁性材料が同じで、前記軟磁性層の厚さが、前記硬磁性層の厚さの約２０％〜約８０％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項６】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）における反強磁性的に固定されたシュードスピンバルブ（ＡＳＰＳＶ）であって、
磁気配向によってデータを記録するのに適合した強磁性材料の硬磁性層と、
データが前記硬磁性層から読み出されるようにするために、配向を切り替えるのに適合した強磁性材料の軟磁性層と、
前記硬磁性層と前記軟磁性層との間に配置された非強磁性材料のスぺーサ層と、
前記硬磁性層側とは反対側の軟磁性層上に配置された反強磁性層と、
前記軟磁性層と前記反強磁性層との間に配置され、反強磁性材料で形成されていないＡＦＭ中間層と
を備えていることを特徴とするシュードスピンバルブ。
【請求項７】
前記ＡＦＭ中間層の厚さが、約１Å〜約５Åの範囲であることを特徴とする請求項６に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項８】
前記ＡＦＭ中間層の厚さが、約１分子層であることを特徴とする請求項６に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項９】
前記ＡＦＭ中間層の厚さが、１分子層未満であることを特徴とする請求項６に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項１０】
前記反強磁性層が、マンガン合金で構成されていることを特徴とする請求項６に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項１１】
前記反強磁性層が、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）及びニッケルコバルト酸化物（ＮｉＣｏＯ）のうちの少なくとも１つで構成されていることを特徴とする請求項６に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項１２】
前記ＡＦＭ中間層が、イリジウム（Ｉｒ）で構成されていることを特徴とする請求項６に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項１３】
前記ＡＦＭ中間層が、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）のうちの少なくとも１つで構成されていることを特徴とする請求項６に記載のシュードスピンバルブ。
【請求項１４】
シュードスピンバルブ（ＰＳＶ）の固定方法であって、
軟磁性層及び硬磁性層を含む磁気抵抗サンドイッチを準備するステップと、
前記軟磁性層に近接する前記サンドイッチ上で、前記硬磁性層側とは反対側の前記軟磁性層上に反強磁性層を形成するステップと
を含むことを特徴とするシュードスピンバルブの固定方法。
【請求項１５】
前記軟磁性層に隣接する反強磁性層を形成するステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のシュードスピンバルブの固定方法。
【請求項１６】
前記反強磁性層と前記軟磁性層との間に、ＡＦＭ中間層を形成するステップを、さらに含むことを特徴とする請求項１４に記載のシュードスピンバルブの固定方法。
【請求項１７】
前記反強磁性層をマンガン合金で形成し、前記ＡＦＭ中間層をイリジウム（Ｉｒ）で形成することを特徴とする請求項１６に記載のシュードスピンバルブの固定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は全体的にはメモリ技術に関し、特に、不揮発性磁気メモリに関する。なお、本発明は、ＤＡＲＰＡによって与えられた契約番号ＭＤＡ９７２−９８−Ｃ−００２１の下で、政府の支援により行なわれたものである。政府は、本発明に一定の権利を有している。
【０００２】
コンピュータやその他のディジタルシステムでは、プログラム及びデータを記録するためにメモリ素子が使用される。代表的なメモリ素子は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）である。ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）やスタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）などの多くのメモリ素子は、揮発性メモリ素子である。この揮発性メモリ素子の場合、電力の供給が絶たれるとそのデータが消失する。例えば、従来のパーソナルコンピュータでは電源が遮断されると、揮発性メモリ素子はブートアッププロセスによって再ロードされる。さらに、ＤＲＡＭなどのいくつかの揮発性メモリ素子では、電力が連続的に供給されているときであっても、それらのデータを保持するために、周期的なリフレッシュサイクルを実行する必要がある。
【０００３】
揮発性メモリ素子ではデータの潜在的損失(potential loss)が起こるのに対して、不揮発性メモリ素子では、電力の供給が絶たれても、長期間データがそのまま維持される。不揮発性メモリ素子の例としては、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラムの書き込み可能な読み出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能なＰＲＯＭ（ＥＰＲＯＭ）、電気的に消去可能なＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリなどが挙げられる。これらの従来の不揮発性メモリ素子には、比較的形状が大きく、速度が遅く、価格が高いという欠点がある。さらに、従来の不揮発性メモリ素子は、書き込みサイクル性能が比較的限定されており、例えば、特定の記録域では、およそ１万回データを記録するようにプログラムすることができるにすぎない。このことは、フラッシュメモリなどの従来の不揮発性メモリ素子を、汎用のメモリ素子として使用する上での障害となっている。
【０００４】
それに代わるメモリ素子として、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）が知られている。ＭＲＡＭは、磁気配向を利用して、メモリセルにデータを記録するようになっている。このＭＲＡＭには、速度が比較的速く、不揮発性であり、消費電力が比較的少なく、書き込みサイクルの制限を受けないという長所がある。シュードスピンバルブ（ＰＳＶ）ＭＲＡＭでは、メモリセルとして強磁性層と金属層との非対称のサンドイッチ構造が採用されており、強磁性層は同時に切り替わらないようになっている。
【０００５】
ＰＳＶＭＲＡＭにおける非対称のサンドイッチ構造は、データを記録する「硬磁性層」と、その硬磁性層にデータが記録されるようにし、読み込まれるようにするために切り替わり又は反転される「軟磁性層」とを備えている。意図されるように動作するときには、軟磁性層は硬磁性層が切り替わる前に切り替わる。軟磁性層の方が早く切り替わると、硬磁性層が切り替わるのを妨げるという利点がある。そのために、書き込みしきい値は、スピンバルブＭＲＡＭよりＰＳＶＭＲＡＭの方が、より高くなっている。
【０００６】
従来のＰＳＶＭＲＡＭに関する１つの問題点は、軟磁性層の磁化が十分に制御されないということである。軟磁性層は印加される磁界が比較的低い場合には切り替わらないので、ＰＳＶとしてではなくスピンバルブとして動作するという欠点のあるＰＳＶＭＲＡＭになる。その結果、書き込みしきい値が低下し、書き込み動作の間に、記録されたデータが破壊されることになる。データの破壊からＰＳＶＭＲＡＭを保護するために、読出操作の間、生成される磁界は比較的低いレベルに維持され、その結果、メモリセルへの書き込み、メモリセルからの読み出しの再現性及び周期性(cyclability)が比較的低くなってしまう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施の形態に係るスピンバルブは、シュードスピンバルブ（ＰＳＶ）の軟磁性層を固定することによって、上記の問題及びその他の問題を解決するものである。また、本発明の実施の形態に係るスピンバルブは、磁化を固定させる薄い層の反強磁性（ＡＦＭ）層を備えている。ＰＳＶの軟磁性層が固定されると、再現性と周期性が比較的良好なＰＳＶＭＲＡＭが得られる。
【０００８】
また、本発明の実施の形態では、磁気メモリセルに反強磁性層を含んでいる。反強磁性層は、ＭＲＡＭの軟磁性層に隣接して、すなわちＭＲＡＭの硬磁性層側とは反対側の軟磁性層上に形成される。１つの構成の場合には、さらに、反強磁性層と軟磁性層との間に非反強磁性の別の中間層を備えている。
【０００９】
反強磁性（ＡＦＭ）材料は、ＰＳＶの軟磁性層に隣接するか、又はその近傍に設けられる。ＡＦＭ層は、ＰＳＶの硬磁性層が位置する側とは反対側の軟磁性層上に形成される必要がある。さらに、軟磁性層とＡＦＭ層との間の結合量は、軟磁性層が硬磁性層よりも低い磁界で切り替わるように十分低く設定される必要がある。それによって、読み出し操作に使用される磁界の強さと、書き込み操作に使用される磁界の強さとの間が、比較的大きな広がりに維持される。
【００１０】
また、本発明に係る一実施の形態は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に、反強磁性的に固定されたシュードスピンバルブ（ＡＳＰＳＶ）が設けられている。このＡＳＰＳＶは、強磁性材料の硬磁性層、強磁性材料の軟磁性層、硬磁性層と軟磁性層との間に配置された非強磁性材料のスペーサ層及び軟磁性層に隣接して配置された反強磁性層を備えている。また、この反強磁性層は、硬磁性層が位置する側とは反対側の軟磁性層上に配置される必要がある。また、反強磁性層は、鉄−マンガン（ＦｅＭｎ）などのマンガン合金で形成することができる。
【００１１】
また、本発明に係る別の実施の形態は、ＡＦＭ中間層を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に、反強磁性的に固定されたシュードスピンバルブ（ＡＳＰＳＶ）を含んでいる。このＡＳＰＳＶは、磁気配向によってデータを記録するのに適合した強磁性材料の硬磁性層、データが硬磁性層から読み出されるように配向を切り替えるのに適合した強磁性材料の軟磁性層、硬磁性層と軟磁性層との間に配置された非強磁性材料のスペーサ層、硬磁性層側とは反対側の軟磁性層上に配置された反強磁性層及びＡＦＭ中間層で構成されている。ＡＦＭ中間層は、軟磁性層と反強磁性層との間に配置される。このＡＦＭ中間層は、様々な材料で形成することができるが、反強磁性材料で形成してはならない。ＡＦＭ中間層に好適な材料には、イリジウム（Ｉｒ）、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）及びアルミニウム（Ａｌ）がある。また、ＡＦＭ中間層は、厚さがおよそ単分子層程度の比較的薄い層とすることができる。
【００１２】
本発明の実施の形態に係る方法は、シュードスピンバルブ（ＰＳＶ）を固定する方法を含んでいる。その方法は、軟磁性層と硬磁性層とを含む磁気抵抗サンドイッチを準備するステップと、軟磁性層に近接する磁気抵抗サンドイッチ上で、硬磁性層側とは反対側の軟磁性層上に反強磁性層を形成するステップとを含んでいる。この反強磁性層は、軟磁性層に隣接して形成することができる。または、軟磁性層と反強磁性層との間に、ＡＦＭ中間層を形成しもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、図面を参照して本発明に関する特徴を説明する。それらの図及びそれに関連する説明は、本発明の好ましい実施の形態を示すために提示されるものであり、本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。
【００１４】
本発明は、ある好ましい実施の形態によって説明されるが、本明細書で説明される利点及び特徴すべては備えていない実施の形態など、当業者にとっては明らかな別の実施の形態も、本発明の技術的範囲に含まれる。したがって、本発明の技術的範囲は、添付された特許請求の範囲における請求項に記載された事項を参照することによってのみ定義される。
【００１５】
磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、そのメモリセルの磁気の状態でデータを記録する。そのセルの電気抵抗値は、セルに記録された磁気の状態に応じて変化する。セルに記録された磁気の状態は、抵抗値の相違を感知することによって検出される。
【００１６】
図１は、スピンバルブ型のＧＭＲ(giant magneto-resistance:巨大磁気抵抗効果)セル１００を示す斜視図である。ＧＭＲセル１００は、ワード線１０２及びビット線１０４を備えている。また、ＧＭＲセルでは、ビット線１０４は、読み出し線としても知られている。ビット線１０４は磁性層を含んでいる。データは、ワード線１０２とビット線１０４とを介して、同時に電流を供給することによって、ビット線１０４のセルボディ部に記録される。ワード線１０２とビット線１０４の電流（結果として生じる磁界）の方向は、データの論理的な状態を記録する磁気配向の偏り(polarization)を決定する。例えば、ビット線１０４の電流から印加される磁界の成分は、第１の電流の方向に対してはビット線１０４の周りで時計回りであり、第２の電流の方向に対してはビット線１０４の周りで反時計回りである。また、ワード線に関しても同様である。２つ（又はそれ以上）の導電ラインから印加される磁界のベクトルの和は、セルの磁化の状態を決定する。
【００１７】
ＧＭＲセル１００からデータを読み出すために、ＧＭＲセル１００に対応するワード線１０２及びビット線１０４に、再び電流が流される。ビット線１０４に流される電流が受ける抵抗値は、磁性層に記録された論理的な状態に応じて変化する。より大きな抵抗値を有するセルは、より小さな抵抗値を有するセルよりも、その電流によってより大きな電圧降下を示す。
【００１８】
図２は、ＧＭＲセルのアレー２００を示す模式的平面図である。複数のセルが、メモリ素子のアレー２００に配列されている。セルが配列されたアレー２００は、複数のワード線２０２及び複数のビット線２０４を備えている。アレー２００内の個々のセルは、対応するワード線２０２と対応するビット線２０４を介して流される電流によって選択される。電流がセルのワード線２０２又はビット線２０４の一方だけを流れるセルでは、データが記録されることも、読み出されることもない。
【００１９】
図３は、シュードスピンバルブ（ＰＳＶ）型のＧＭＲセル３００を示す斜視図である。ＧＭＲセル３００は、ワード線３０２及びビット線３０４を備えている。センス線としても知られているＧＭＲセル３００のビット線３０４は、さらに、第１磁性層３０６、導電層３０８及び第２磁性層３１０を含むＧＭＲスタックを含んでいる。第１磁性層３０６と第２磁性層３１０とは、第１磁性層３０６が第２磁性層３１０より、磁気的によりソフト（軟磁性）であるように、ミスマッチされている。磁気特性のミスマッチは、第２磁性層３１０に比べて第１磁性層３０６を相対的に薄くすること、第１磁性層３０６に対して相対的にソフトな磁性材料を選択するとともに第２磁性層３１０に対して相対的にハードな（硬磁性の）磁性材料を選択すること、又はそれらの両者によって達成される。本明細書では、「硬磁性層」を表記するための用語として、「ピン止め層(pinned layer)」及び「固定層(fixed layer)」が用いられることがある。なお、当業者であれば、硬磁性層に記録される磁気配向は、記録されるデータの論理的な状態に従って変化し得ることが理解されるであろう。「軟磁性層」を表記するための用語として、「バリアブル層(variable layer)」及び「フリップト層(flipped layer)」が用いられることがある。しかし、当業者であれば、ＧＭＲスタックは、この他に強磁性材料とスペーサとの多くの層を含み得ることが理解されるであろう。
【００２０】
ＧＭＲセル３００は、第２磁性層３１０に磁気配向の形でデータを記録する。第２磁性層３１０の磁化を切り替えるためには、比較的高い磁界が必要であるので、動作時に磁化は固定されたまま維持される。ＧＭＲセル３００の磁化の状態は、第１磁性層３０６の磁化を切り替えることによって切り替えられる。ここで、磁化は、対応するワード線３０２と対応するビット線３０４に流される電流によって生成される相対的に低い磁界で切り替えられる。その結果生じる第１磁性層３０６の磁化は、第２磁性層３１０の磁化と平行又は反平行のどちらかである。第１磁性層３０６の磁化が第２磁性層３１０の磁化と平行である場合には、ＧＭＲセル３００の電気抵抗値は、磁化が反平行の場合より比較的小さい。ワード線３０２及び／又はビット線３０４の電流は、第１磁性層３０６、すなわち磁気的にソフトな磁性層の磁化を、平行と反平行状態との間で、対応するように切り替えるために、両方の方向に切り替えられる。次に、ビット線３０４の電気抵抗値の相違が感知され、その結果、ＧＭＲセル３００に記録された論理的な状態を検索することができるようになる。
【００２１】
図４は、本発明の実施の形態に係る反強磁性的に固定されたＰＳＶセル用の磁気抵抗スタック４００を示す断面図である。磁気抵抗スタック４００に関する試験結果については、後に図６〜１０を参照して説明する。図４に示した磁気抵抗スタック４００は、バリア層又はキャップ層及び必要に応じて設けられる中間層を備えている。しかし、当業者であれば、本発明に係る実施の形態には、本明細書に記載された層すべては備えていないスタックも含まれることが理解されるであろう。例えば、バリア層の要否は、採用される製造プロセスに応じて選択され、また、基板アセンブリ、絶縁層、導体及び磁気抵抗材料自体の組成に応じて選択される。
【００２２】
図４に示した磁気抵抗スタック４００は、下地層４０２、硬磁性層４０４、第１中間層４０６、スペーサ層４０８、第２中間層４１０、軟磁性層４１２、反強磁性（ＡＦＭ）層４１４、第１キャップ層４１６及び第２キャップ層４１８で構成されている。下地層４０２又はシーディング層は、磁気抵抗スタック４００にテクスチャを提供することによって、基板の基礎となる層と硬磁性層４０４との間の接合性を向上させる。また、下地層４０２は、硬磁性層４０４からシリコン基板などの基層への望ましくない原子の拡散を保護する作用も有している。下地層４０２には、さまざまな材料を用いることができる。一実施の形態では、下地層４０２はタンタル（Ｔａ）によって形成される。下地層４０２に使用することができる他の材料には、チタニウム（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ニッケル−鉄−クロム合金（ＮｉＦｅＣｒ）及び窒化タンタル（ＴａＮ）がある。また、下地層４０２は広範囲の厚さに形成することができる。一実施の形態では、下地層４０２の厚さは、約１０Å〜約１００Åの範囲である。本明細書に示される様々な層の形成には、物理気相成長法（ＰＶＤ法）、化学気相成長法（ＣＶＤ法）などのいくつかの処理方法を用いることができる。
【００２３】
硬磁性層４０４（又は厚い層）は、反強磁性的に固定されたＰＳＶセルのデータを記録する。比較的多いワード線電流は、比較的大きな磁界を生成し、データを記録するために硬磁性層４０４に記録された磁気モーメントの配向を切り替える。硬磁性層４０４は、パーマロイ（Ｎｉ80Ｆｅ20）、コバルト−鉄合金（Ｃｏ90Ｆｅ10）などの様々な強磁性材料で形成することができる。一実施の形態では、硬磁性層４０４の厚さは、約２０Å〜約１００Åの範囲である。
【００２４】
第１中間層４０６は、必要に応じて設けられる層である。磁気抵抗スタック４００が第１中間層４０６を備える場合には、磁気抵抗スタック４００からの信号、すなわち、抵抗の変化を増幅することができる。一実施の形態では、硬磁性層４０４がパーマロイで形成されている場合には、第１中間層４０６はコバルト（Ｃｏ）で形成されるか、又はＣｏ90Ｆｅ10、Ｃｏ80Ｆｅ20などのコバルトを含む合金で形成される。１つの例では、第１中間層４０６の厚さは、約２Å〜約１５Åの範囲である。
【００２５】
スペーサ層４０８は磁性層を分離する非磁性層である。スペーサ層４０８は、広範囲の非強磁性材料で形成することができる。一実施の形態では、スペーサ層４０８は銅（Ｃｕ）で形成される。また、銅−銀（ＣｕＡｇ）や、銅−金−銀（ＣｕＡｕＡｇ）などの銅合金も適切な材料である。１つの例では、スペーサ層４０８の厚さは、約１８Å〜約４５Åの範囲である。
【００２６】
第２中間層４１０は、必要に応じて設けられる層である。第２中間層４１０を備える場合には、磁気抵抗スタック４００からの信号を増幅することができる。一実施の形態では、軟磁性層４１２がパーマロイで形成される場合には、第２中間層４１０はコバルト（Ｃｏ）で形成されるか、又はＣｏ90Ｆｅ10、Ｃｏ80Ｆｅ20などのコバルトを含む合金で形成される。第２中間層４１０の厚さは、約２Å〜約１５Åの範囲である。
【００２７】
軟磁性層４１２（又は薄い層）の磁気モーメントは、比較的少ないワード電流及び比較的低い磁界で切り替え又は反転される。軟磁性層４１２と硬磁性層４０４の磁気モーメントが平行の場合には、ＰＳＶセルの抵抗値は比較的低い。軟磁性層４１２と硬磁性層４０４の磁気モーメントが反平行の場合には、ＰＳＶセルの抵抗値は比較的高い。軟磁性層４１２は、パーマロイ（Ｎｉ80Ｆｅ20）、コバルト−鉄（Ｃｏ90Ｆｅ10）などの様々な材料で形成することができる。一実施の形態では、軟磁性層４１２の厚さは硬磁性層４０４の厚さより薄く、硬磁性層の約２０％〜約８０％である。
【００２８】
ＡＦＭ層４１４は、反強磁性材料の層である。反強磁性材料は、印加された磁界に対応して、電子スピンの反平行配列を生成し、ネット状の磁気モーメントをまったく持っていない。このＡＦＭ層４１４は、軟磁性層４１２の磁化の制御をアシストするので、軟磁性層４１２は、印加された比較的低い磁界で、より一貫して磁気モーメントの切り替えを行う。その結果、反強磁性的に固定されたＰＳＶＭＲＡＭが、比較的安全でロバストな高い書き込みしきい値に維持されるようになる。すなわち、その薄い層による切り替えの信頼性が向上する。ＡＦＭ層４１４は、軟磁性層４１２と電気的に並列である。そのために、硬磁性層４０４に記録されたメモリ状態の検出に用いられる抵抗値、すなわち軟磁性層４１２からの可変抵抗値の検出が妨げられる。メモリ状態の検出に対する妨害を抑制するために、ＡＦＭ層４１４は、比較的高い抵抗率を有する材料で形成されるか、比較的薄く形成されるかのいずれか、又はその両者の条件とする必要がある。
【００２９】
ＡＦＭ層４１４は、Ｆｅ50Ｍｎ50を含む鉄−マンガン系の反強磁性合金など、マンガン合金で形成されることが好ましい。その他の好適なマンガン合金には、イリジウム−マンガン（Ｉｒ20Ｍｎ80）、白金−マンガン（ＰｔＭｎ）及びニッケル−マンガン（Ｎｉ45Ｍｎ55）がある。また、ＡＦＭ層４１４は、ニッケル酸化物（ＮｉＯ）、ニッケルコバルト酸化物（ＮｉＣｏＯ）などの強磁性材料の酸化物で形成されてもよいが、そのような酸化物は、温度に対して比較的不安定である。このＡＦＭ層４１４は、硬磁性層４０４側とは反対側の軟磁性層４１２上に配置される必要がある。さらに、ＡＦＭ層４１４は、軟磁性層のピン止めが起こるような厚さであってはならない。ピン止めによって、シュードスピンバルブのスピンバルブの特性に有害な結果が生じる。一実施の形態では、ＡＦＭ層４１４の厚さは、約１０Å〜約７０Åの範囲である。ＡＦＭ層４１４の厚さは、硬磁性層４０４と軟磁性層４１２の厚さ及び切り替え磁界に従って変化する。
【００３０】
第１キャップ層（又は保護的キャップ層）４１６は、ＡＦＭ層４１４の接合性を向上させるとともに、基板のアセンブリの際に、ＡＦＭ層４１４から他の層への望ましくない原子の拡散に対するバリアの役割をする。一実施の形態では、第１キャップ層４１６はタンタル（Ｔａ）で形成される。第１キャップ層４１６に使用することができる他の材料には、銅（Ｃｕ）、チタン窒化物（ＴｉＮ）などがある。第１キャップ層４１６の厚さは、広範囲に変化させることができる。一実施の形態では、第１キャップ層４１６の厚さは、約５０Å〜約５００Åの範囲である。
【００３１】
第２キャップ層（又は拡散バリアキャップ層）４１８は、必要に応じて設けられる層である。いくつかのエッチングプロセスに関しては、第２キャップ層４１８は、比較的良好な停止層の役割をする。一実施の形態では、第２キャップ層４１８は、クロム−シリコン（ＣｒＳｉ）の層である。第２キャップ層４１８に使用することができる他の材料には、銅（Ｃｕ）、タンタル（Ｔａ）、チタン窒化物（ＴｉＮ）などがある。一実施の形態では、第２キャップ層４１８の厚さは、約１００Å〜約２００Åの範囲である。しかし、当業者であれば、その厚さは広範囲に変化させられることが理解されるであろう。
【００３２】
図５は、本発明の別の実施の形態に係る反強磁性的に固定されたシュードスピンバルブ用の磁気抵抗スタック５００を示す断面図である。磁気抵抗スタック５００は、図４を参照してすでに説明したように、下地層４０２、硬磁性層４０４、第１中間層４０６、スペーサ層４０８、第２中間層４１０、軟磁性層４１２、第１キャップ層４１６及び第２キャップ層４１８を備えている。磁気抵抗スタック５００は、それらの層のほかに、さらに、ＡＦＭ中間層５０２及びＡＦＭ層５０４を備えている。これらの層は、軟磁性層４１２と第１キャップ層４１６との間に配置される。ＡＦＭ層５０４とは異なって、ＡＦＭ中間層５０２は反強磁性材料では形成されない。一実施の形態では、ＡＦＭ中間層５０２は、イリジウム（Ｉｒ）の比較的薄い層で形成される。ＡＦＭ中間層５０２として他の好適な材料には、銅（Ｃｕ）、ルテニウム（Ｒｕ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）などがある。
【００３３】
ＡＦＭ層５０４は、鉄−マンガン合金（ＦｅＭｎ）などの反強磁性材料で形成される。ＡＦＭ層５０４に適した他の材料には、図４に関連して説明したような様々な酸化物や、その他のマンガン系の様々な合金がある。ＡＦＭ層５０４は、硬磁性層４０４側とは反対側の軟磁性層４１２上に配置される必要がある。一実施の形態では、ＡＦＭ層５０４の厚さは、約７０Å〜約２００Åの範囲である。このＡＦＭ層５０４の厚さ（ＡＦＭ層４１４に対する厚さ）が増加すると、交換結合が増加するので、ＡＦＭ中間層５０２の別の側の磁性フィルムが影響を受ける。
【００３４】
ＡＦＭ中間層５０２は、ＡＦＭ層５０４と軟磁性層４１２との間に配置される。１つの例では、ＡＦＭ中間層５０２の厚さの範囲は、約１Å〜約５Åの範囲である。ＡＦＭ中間層５０２の厚さは、およそ１分子層の厚さ、すなわち約１原子層の厚さであることが好ましい。一実施の形態では、ＡＦＭ中間層５０２の厚さは、単分子層未満である。このＡＦＭ中間層５０２は、ＡＦＭ層５０４と軟磁性層４１２との間のスペーサ層としての役割をする。
【００３５】
ＡＦＭ中間層５０２は、ＡＦＭ層５０４と硬磁性層４０４及び／又は軟磁性層４１２との間の結合強さを低下させることにより、ＡＦＭ層５０４と軟磁性層４１２との間の結合量の調整及び選択に用いられることが好ましい。しかし、ＡＦＭ中間層５０２は、ＡＦＭ層５０４と軟磁性層４１２との間の結合が失われるほど、厚くてはならない。また、さらに、ＡＦＭ中間層５０２には、ＡＦＭ中間層５０２と軟磁性層４１２との間の結合の均一性を高めることができるという利点がある。
【００３６】
図６〜１０は、すでに図４を参照して説明した、反強磁性的に固定されたシュードスピンバルブ（ＡＳＰＳＶ）に関するＲ−Ｈ試験結果のプロットを示すグラフである。当業者であれば、これらの試験結果が、材料、層の厚さ及びセルの幾何学形状の選択によって実質的に変わることが理解されるであろう。図６〜１０では、垂直軸（すなわち、Ｙ軸）は抵抗値に対応し、図６〜１０の右端のＹ軸に示されているように、その単位はオーム（Ｏｈｍ）となっている。また、図６〜１０の左端には、抵抗値が、それぞれのプロットに対して示された抵抗値の最低値を基準とするパーセンテージの変化としても示されている。水平軸（すなわち、Ｘ軸）は、磁界の強度を示しており、その単位はエルステッドとなっている。
【００３７】
図６は、すでに図４を参照して説明した磁気抵抗スタック４００の例から得られたＲ−Ｈプロットを示している。図６に示したＲ−Ｈプロットは、磁気抵抗スタック４００の抵抗値と、磁気抵抗スタック４００の１つの軸に沿ってスイープされた第１磁界（Ｈ磁界）との関係を示している。印加されたＨ磁界は、図６の横軸又はＸ軸として表されている。その他のＨ磁界は、磁気抵抗スタック４００に対して全く印加されていないので、図６に示されているデータは、対応するＡＳＰＳＶセルが選択されない場合、磁気抵抗スタック４００が、動作する際に受ける条件を示している。太いデータ曲線は、順方向と呼ばれる一方向にスイープされた第１Ｈ磁界で取得されたデータに対応している。また、細いデータ曲線は、逆方向と呼ばれる逆方向にスイープされた第１Ｈ磁界で取得されたデータに対応している。
【００３８】
図６に示したように、磁気抵抗スタック４００は、第１Ｈ磁界の強度が比較的高い値である約７５−８０エルスタッドに到達するまで切り替わらないという特長を有している。この特長は、選択されないＡＳＰＳＶセルがデータを失うことなく、比較的高いＨ磁界に耐え得ることを示している。
【００３９】
図７は、すでに図４及び図６に関連して説明された磁気抵抗スタック４００を対象とした試験結果に関するＲ−Ｈプロットの例を示すグラフである。図７に示したＲ−Ｈプロットも、磁気抵抗スタック４００の抵抗値と第１Ｈ磁界との関係を示している。しかし、図７に示されたデータに関しては、磁気抵抗スタック４００に対して、第１Ｈ磁界とほぼ直交する第２Ｈ磁界も印加されている。第２Ｈ磁界は、ＭＲＡＭのＡＳＰＳＶセルのアレーから、磁気抵抗スタック４００を備えたＡＳＰＳＶセルを選択するのに用いられる、導体を介して流れる電流によって生成されるＨ磁界に近似している。なお、この第２Ｈ磁界は、本技術分野では、しばしば「ディジタル」磁界と呼ばれる。
【００４０】
横軸又はＸ軸は、磁気抵抗スタック４００の１つの軸に沿ってスイープされた第１Ｈ磁界を表している。磁気抵抗スタック４００に第２Ｈ磁界が印加された場合、磁気抵抗スタック４００は、第１Ｈ磁界の強度がおよそ５３エルステッドの時に、書き込みのために切り替わる。この値は、図６に関連して説明された約７５−８０エルステッドより低い。そのために、選択されたＡＳＰＳＶセルへの書き込みが行われ、選択されなかったＡＳＰＳＶセルの内容に対して上書きされるというような望ましくない事態が起こらないことを示している。
【００４１】
図８は、すでに図４、６及び７に関連して説明された磁気抵抗スタック４００を対象とした試験結果に関するＲ−Ｈプロットの例を示すグラフである。図８に示したＲ−Ｈプロットは、磁気抵抗スタック４００の抵抗値と第１Ｈ磁界との関係を示している。磁気抵抗スタック４００には、第３Ｈ磁界と呼ばれる別のＨ磁界も印加されている。第３Ｈ磁界は、ワード線やビット線などの選択ラインを介して電流を流すことによって発生される。この選択ラインは、磁気抵抗スタック４００に対応するＡＳＰＳＶセルを選択するのに使用される。上記の第３Ｈ磁界によって、個々のＡＳＰＳＹセルがＭＲＡＭでＡＳＰＳＶセルのアレーから選択されるようになる。選択ラインを流れる電流を用いて、磁気抵抗スタック４００は、第１Ｈ磁界の強度がおよそ５０エルステッドの時に、書き込みのために切り替わる。したがって、図６及び図８は、磁気抵抗スタック４００は、第１Ｈ磁界の強度約５０エルステッドだけで選択された時にデータを記録し、第１Ｈ磁界の強度が７５−８０エルステッドに到達するまで、選択されない時のデータを記録していることを示している。それによって、データの安全な書き込みに関するマージンが提供される。
【００４２】
図９は、すでに図４、６、７及び８に関連して説明された磁気抵抗スタック４００を対象とした試験結果に関するＲ−Ｈプロットの例を示すグラフである。図９に示したＲ−Ｈプロットは、磁気抵抗スタック４００の抵抗値と、磁気抵抗スタック４００の１つの軸に沿ってスイープされたＨ磁界との関係を示している。図９では、磁気抵抗スタック４００に対して、他のＨ磁界は全く印加されていない。そのために、図９にプロットされたデータは、磁気抵抗スタック４００が選択されない場合、すなわち、電流を流すビット線やワード線などの活性化された選択ラインのＨ磁界の影響を受けない場合、磁気抵抗スタック４００から読み出しが許可されるＨ磁界の強度を示している。図９に示した例では、磁気抵抗スタック４００は、磁気抵抗スタック４００抵抗値が不安定になり、変化するまで、約７０エルステッドという比較的高い値のＨ磁界に耐えることを示している。選択されていないＡＳＰＳＶセルは抵抗値が変化してはならないので、比較的低いＨ磁界で抵抗値が変化することは望ましくない。意図されない抵抗値の変化は、意図されたか又は選択されたＡＳＰＳＶセルの抵抗値の読み出しに悪影響を及ぼすので好ましくない。
【００４３】
図１０は、すでに図４、６、７、８及び９に関連して説明された磁気抵抗スタック４００を対象とした試験結果に関するＲ−Ｈプロットを示すグラフである。図１０に示したＲ−Ｈプロットは、磁気抵抗スタック４００の抵抗値と、磁気抵抗スタック４００の１つの軸に沿ってスイープされたＨ磁界との関係を示している。ワード線又はセンス線それぞれのワード電流又はビット電流などの電流を流す選択ラインによって発生される別のＨ磁界も、磁気抵抗スタック４００に印加される。図１０に示したＲ−ＨプロットのＸ軸の目盛りが、図６、７、８及び９に関連して説明されたＲ−Ｈプロットとは異なることが明らかであろう。
【００４４】
磁気抵抗スタック４００の軟磁性層４１２の磁気配向は、両方向に切り替えられ、反転される。また、抵抗値の相違が、磁気抵抗スタック４００に記録されたデータ値を読み出すために問い合わされる。図１０に示したＲ−Ｈプロットは、磁気抵抗スタック４００の軟磁性層４１２が、約３５エルステッドという低いＨ磁界の強度で読み出しのために切り替えられ、反転されるという特長を有していることを示している。選択された時の磁気抵抗スタック４００と、選択されなかった時の磁気抵抗スタック４００との間の読み出しを区別するＨ磁界は、約３５エルステッドである。したがって、読み出しの間にデータが破壊するというリスクなしに、対応するＭＲＡＭが、それぞれのセルからの読み出しに、比較的広範囲のＨ磁界強度を用いることができるようになるという長所がある。
【００４５】
以上、本発明に係る様々な実施の形態を説明した。本発明はこれらの特定の実施の形態を参照して説明されたが、上記の説明は本発明を説明することを意図したものであり、本発明を限定することを意図したものではない。当業者であれば、添付された特許請求の範囲における各請求項で定義された発明の技術的思想とその範囲を逸脱することなく、様々な改良、応用を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】スピンバルブ型の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ）セルを示す斜視図である。
【図２】ＧＭＲセルのアレーを示す模式的な平面図である。
【図３】シュードスピンバルブ（ＰＳＶ）型のＧＭＲセルを示す斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る反強磁性的に固定されたシュードスピンバルブ（ＡＳＰＳＶ）用の磁気抵抗スタックを示す断面図である。
【図５】本発明の別の実施の形態に係るＡＳＰＳＶ用の磁気抵抗スタックを示す断面図である。
【図６】ＡＳＰＳＶが選択されない場合に、データを書き込むためのしきい値を示すＡＳＰＳＶのＲ−Ｈプロットのグラフである。
【図７】ディジタル磁界が印加された条件における、書き込み操作に関するＡＳＰＳＶのＲ−Ｈプロットのグラフである。
【図８】ＡＳＰＳＶが選択される場合に、データを書き込むためのしきい値を示すＡＳＰＳＶのＲ−Ｈプロットのグラフである。
【図９】ＡＳＰＳＶが選択されない場合に、データを読み込むためのしきい値を示すＡＳＰＳＶのＲ−Ｈプロットのグラフである。
【図１０】ＡＳＰＳＶが選択される場合、データを読み込むためのしきい値を示すＡＳＰＳＶのＲ−Ｈプロットのグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１００、３００    ＧＭＲセル
１０２、２０２、３０２    ワード線
１０４、２０４、３０４    ビット線
２００      アレー
４００、５００    磁気抵抗スタック
４０４      硬磁性層
４１２      軟磁性層
４１４、５０４    ＡＦＭ層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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