(57)【要約】本発明は、半導体装置（７）に備えられた磁気抵抗記憶セル（６）の記憶層（１）における磁気バイアスの磁界を補償するための構造体に関するものである。さらに、本発明は、そのようなバイアスの磁界の補償方法に関するものである。
2005503034.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置（７）に備えられた少なくとも１つの磁気抵抗記憶セル（６）の記憶層（１）における磁気バイアスの磁界を補償するための構造体において、
少なくとも１つの補償層（９／１０）が上記記憶層（１）における上記バイアスの磁界を補償する磁化を有することを特徴とする構造体。
【請求項２】
上記補償層（９）が、半導体装置（７）の内部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
上記補償層（１０）が、半導体装置（７）の外部に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の構造体。
【請求項４】
上記補償層（９）が、少なくとも１つの絶縁層（１１）によって上記記憶層から絶縁されていることを特徴とする、請求項２に記載の構造体。
【請求項５】
上記補償層（９／１０）によって生じる磁界が、記憶層（１）に対して平行に延びている」とともに、半導体装置（７）の少なくとも全断面領域を覆うように広がっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項６】
上記補償層（９／１０）が、微調整を行うためにパターン化されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項７】
半導体装置（７）に備えられた磁気抵抗記憶セル（６）の記憶層（１）における、磁気バイアスの磁界の補償方法であって、
強磁性補償層（９／１０）を形成するステップと、
上記バイアス磁界を大きさおよび方向について測定するステップと、
上記バイアスの磁界を、補償層（９／１０）の磁化によって補償するステップとを含む方法。
【請求項８】
上記バイアスの磁界の測定および補償を、少なくとも１回は繰り返すことにより、補償層（９／１０）を予め磁化することによる、誤りのある補償を防止するステップを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
上記補償層（９）を、半導体装置（７）の内部に形成するステップを含むことを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
上記補償層（９）を、半導体装置（７）の外部に形成するステップを含むことを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１１】
上記補償層（９／１０）をパターン化するステップを含むことを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
半導体装置（７）に備えられた磁気抵抗記憶セル（６）の記憶層（３）における磁気バイアスの磁界の補償方法であって、
上記バイアスの磁界を大きさおよび方向について測定するステップと、
上記記憶層（３）における上記バイアスの磁界を補償する磁化を有する補償層（１０）を形成することにより、上記バイアス磁界を補償するステップとを含む方法。
【請求項１３】
上記磁気バイアスの磁界の大きさおよび方向の特徴を示す測定変数の測定値を、半導体装置（７）のテストモードで、測定装置によって算出し、検査装置に送信するステップを含むことを特徴とする、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
上記測定装置が、記憶層に対して平行な、互いに直交した２つの測定電流を制御し、この測定電流が、互いに直交する２つの磁気測定領域を形成しており、
上記測定領域の異なる対の値に関して、磁気依存性のある記憶セルの特徴変数を、測定装置を用いて個々に検出するステップを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
上記測定装置を、半導体装置（７）の内部に少なくとも部分的に配置するステップを含むことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
上記補償層（１０）を、半導体装置（７）を記号表示する薄膜として形成するステップを含むことを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、半導体装置に備えられた磁気抵抗記憶セルの記憶層における磁気バイアスの磁界（magnetischen Biasfeldes）を補償するための構造体（Anordnung）に関するものである。さらに、本発明は、そのようなバイアスの磁界（Biasfeldes）の補償方法に関するものである。
【０００２】
磁気抵抗効果に基づいた（basierende）記憶セルは、通常、２つの強磁性薄膜と、それらの間に位置する複数の原子層の厚さを有する不揮発性絶縁層とを含んだ堆積物によって形成されている。
【０００３】
２つの強磁性層のうちの１つは、硬磁性材料（一般的にはコバルト−鉄合金）から構成される。この層は、その大きさおよび方向に関して磁化（Magnetisierung）が一定不変であるため、基準層として機能する。
【０００４】
軟磁性材料（一般的にはニッケル−鉄合金）から構成される第２強磁性層は、記憶層を形成している。そして、この層の磁化は、記憶セルのデータ内容に応じて、基準層の磁化に対して定方向または逆方向となるように向けられる。
【０００５】
データを記憶セルに書き込む場合、記憶セルのアドレス線に位置する（in）書き込み電流の方向は、基準層の磁化に基づいて記憶層の磁化の方向が決定される。
【０００６】
また、トンネル効果（ＭＴＪ、磁気トンネル接合）に基づいて（beruhenden）記憶セルを配置する場合、上記絶縁層の材料は誘電体である。この場合、記憶セルからデータを読み出すことによって、絶縁層（トンネル障壁）を電子が通過する頻度は、２つの強磁性層の磁化が同じ方向である場合の方が、それらの磁化が逆の方向である場合よりも高くなる。
【０００７】
したがって、記憶セルからのデータの読み出しによる上記効果は、磁化した強磁性層の内部特性によって生じており、２つの層から生じた磁界の直接的な相互作用（Wechselwirkung）によって生じるものではない。なお、この相互作用（つまり、強磁性・反強磁性結合（ferro- und antiferromagnetische Kopplung））は、記憶セルの駆動状態に影響を与えるものである。
【０００８】
また、この強磁性結合とは、ここでは、記憶層の磁化方向を基準層の磁化方向に対して平行とし、記憶層の磁化を基準層の磁化と逆方向に切り替えることを抑制する、相互作用の割合（Anteil）を表している。
【０００９】
これに対して、反強磁性結合は、記憶層の方向を基準層の磁化方向に対して平行とすることを抑制し、記憶層の磁化を基準層の磁界と逆方向に切り替える、相互作用の割合を表している。
【００１０】
１つの特定の記憶セルの場合のみならず、隣接する記録セル同士の場合の基準層と記憶層との間における強磁性・反強磁性結合は、磁気抵抗記憶セルを備えた半導体装置の内部および外部の磁気バイアスに影響を与える。このようなバイアスの磁界が行き渡った記憶層では、磁気バイアスの磁界が、磁化反転に必要な磁界の強さ（いわゆる保磁力（Koerzitiv-Feldstaerken））の変化（Verschiebung）に影響を与える。また、この変化においては、書き込みに必要な磁界にひずみが必要となり、それゆえに書き込み電流にもひずみが必要となる。
【００１１】
この影響は、図２における２つの図によって明確に示されており、ここでは簡略化するために、記憶層の一次元的な（eindimensionales）切り替えに限定する。なお、この図では、ＨC1およびＨC2は、バイアスの磁界が存在していない場合において、状態Ｍ0とＭ1との間の磁化を切り替えるために必要な保磁力の大きさを示している。そして、ＨBは、磁気バイアスの磁界の大きさを示している。
【００１２】
図２の上部部分では、バイアスの磁界が存在していない場合の記憶層の磁化反転曲線を示している。なお特定の（spezifischen）保磁力ＨC1および−ＨC1は、磁化軸に対して対称となる。
【００１３】
図２の下部部分には、磁界軸とは逆方向に作用するバイアスの磁界と重なり合う場合における、書き込み電流Ｉによって生じた磁界Ｈ（Ｉ）に関する磁化曲線を示している。このような磁界に関して（Fuer）、磁化曲線は、ＨBの方向とは逆方向に大きさＨBだけずれている。
【００１４】
バイアスの磁界および記憶層の磁化が同じ方向である場合、磁化の切り替えには磁界が必要であり、この磁界の大きさは、記憶層の特定の保磁力と、バイアス磁界の磁界の強さとの合計となる。
【００１５】
この場合において、予め決められた、最大の書き込み電流が供給される際（vorgegebenem）、記憶セルの記憶層における磁化を確実に切り替えるために、バイアスの磁界の供給（Reserven）を低減させる。
【００１６】
また、バイアス磁界が記憶層の磁化とは逆方向を向いている場合、磁界の大きさは、バイアスの磁界の大きさだけ低減された、記憶層の特定の保磁力の大きさに相当し、この大きさを有する磁界は、磁化の切り替えを十分に行うことができる。
【００１７】
この場合では、より小さな磁界によってさえ、磁化は切り替わってしまう。したがって、磁化の切り替えが不要な場合よりも、磁界の供給が低減されている。このような磁界は、一方では、半導体装置の外部の供給源（Quelle）による、過度の干渉領域（extreme Stoerfeldern）に生じる。なお、このような磁界の第２供給源は、例えば、半導体装置の内の隣り合う記憶セルの書き込み電流によって生じる磁界である。
【００１８】
また、記憶層のバイアスの磁界に基づいた強磁性結合を、２つの強磁性層間の間隔と、記憶層の厚さと、記憶セルを形成している層の粗さ（Rauigkeit）とによって規定する。
【００１９】
これに関しては、L．ニール（L. Neel）、「エス・シー・アイ  アカデミー報告書（Comptes Rendus Acad. Sci.） ２５５、１６７６、１９６２年」、あるいは特に、エー．アングェロッシュ（A. Anguelouch）他、「磁気トンネル接合のミクロンサイズの薄膜の二次元の磁気スイッチング（Two-dimensional magnetic switching of micronsize films in magnetic tunnel junctions）」（応用物理学レター（Applied Physics Letters）７６巻、５号、２０００年）の式（１）に開示されている。
【００２０】
また、この場合、バイアスの磁界の方向は、書き込み電流によって生じた磁界の方向に対して平行となる必要はなく、むしろこの磁界の方向に対して直交し、記憶層に対して平行となる成分（Komponente）であってもよい。この点に関しては、特に図２ａについて、エー．アングェロッシュ（A. Anguelouch）他、「磁気トンネル接合のミクロンサイズの薄膜の二次元の磁気スイッチング（Two-dimensional magnetic switching of micron-size films in magnetic tunnel junctions）」（応用物理学レター（Applied Physics Letters）７６巻、５２０００号）に開示されている。また、この影響の物理的原因は、完全には判明していないが、このバイアスの磁界は、記憶セルが寿命となる間において、大きさと方向との点については変化しない。
【００２１】
また、特には、層の粗さによって、バイアスの磁界に対して可変的であるとともに予測困難な部分（Anteile）が生じる。つまり、この粗さの効果（Beitrag）は、例え設計が同じであっても、異なるウェハーから形成された半導体装置間では異なっている。一方、この影響は、半導体装置が同じウェハーから形成されている場合には類似する。
【００２２】
ここで図３に、磁気抵抗記憶セルの概略的な断面図を示す。ここでは基準層３と記憶層１との間には、絶縁層２を配置する。そして、基準層３を、下部および上部基準部分層（eine untere und eine obere Referenzteilschicht）３a・３ｃと、磁気を帯びていない中間層３ｂとに分割することにより、磁気漏れの磁界（magnetisches Streufeld）を生成する。この磁気漏れの磁界は、矢印５で示した反強磁性結合を生成できるものである。また、強磁性結合の原因（つまり層の粗さあるいは、絶縁層と記憶層とからなる層厚）を、矢印４で示す。
【００２３】
バイアスの磁界を縮小するために、今日、一方では、強磁性結合を低減するように試みられている。また他方では、バイアス磁界の補償のために、反強磁性結合を調整する試みが行われている。
【００２４】
ところで、磁化の切り替えのために必要とする、より大きなスイッチング電流が、より厚い記憶層を用いた強磁性結合を低減することを阻害する。同様に、記憶セルの電気抵抗から生じる（an）要件と、熱力学的な要件とによって、強磁性層の間隔が予め決定される。
【００２５】
また、反強磁性結合による補償には限界がある。なぜなら、この反強磁性結合（letztere）が、実質的なモーメント（Nettomomenten）が低い場合にのみ、安定した性質を示すからである。したがって、効果を最大にするには、基準部分層のうちの１つを省略する必要があり、さもなければ、基準層の安定性をも阻害することになる。さらにまた、それは、強磁性結合の補償を達成するものとはなり得ないのである。なお、この強磁性結合とは、例えば記憶セルのパターン化工程間、あるいは半導体装置におけるパターン化工程間の磁気圧縮（Magnetostriktion）によって生じるものであって、記憶層の磁化方向に対して回転されるものである。さらに、半導体装置が異なるウェハーから形成されている場合、強磁性結合の影響を補償するために反強磁性結合を用いることは不適切である。これは、層の粗さによって生じる強磁性結合の影響が、互に規則的にそれているからである。
【００２６】
したがって、本発明の目的は、半導体装置に備えられた磁気抵抗記憶セルの記憶層において、バイアス磁界を補償でき、かつ、記憶セルの形状が変わらない構造体を提供することにある。さらに、本発明の目的は、この補償を実行できる方法を提供することにある。
【００２７】
上記した導入部で言及した構造体の場合、この目的を、本発明の請求項１の特徴部分に示した特徴によって達成する。また、この目的の達成方法を、請求項７および１２に提示する。本発明の有効な発展した形態（Weiterwildungen）については、従属請求項に記載している。
【００２８】
本発明のような構造体の場合、半導体装置に位置する磁気抵抗記憶セルの記憶層の中で効果的に機能するバイアスの磁界を、少なくとも１つの適切に磁化された補償層の磁気漏れの磁界（以下では補償磁界）によって補償する。
【００２９】
なお、この補償層を、半導体装置の外側および／または内側に形成してもよい。
【００３０】
補償層を半導体装置の内側に形成した場合、この補償層を、ウェハーを加工するための一般的な技術を用いて、記憶セルの製造に用いる材料によって、ウェハー平面に形成することが好ましい。なお、このような補償層の磁気特性は、補償層のパターン化によって影響を受ける。
【００３１】
また、半導体装置の内側では、例えばＳｉＯ2層によって絶縁された補償層を、記憶セルを備えた記憶セル層の下に形成してもよい。
【００３２】
複数の記憶セル層を備えた半導体装置では、各記憶セル層に、それぞれ少なくとも１つの補償層を割り当ててもよい。なお、この補償層は、各記憶セル層の特定の要件に応じて磁化するものである。そして、この場合、記憶セル層と補償層とは半導体装置の層構造の中で入れ替わる。
【００３３】
また、好適な方法としては、半導体装置内においてこの補償層を、記憶セル層に続く第１不動体層（Passivierung）の上に接してに形成する。
【００３４】
また、補償層を、半導体装置のハウジング工程の間、あるいはその後に形成する場合、この場合においては、この層は半導体装置の外側に位置する補償層を意味するものとする。
【００３５】
このような場合の解決策としては、強磁性材料から成るハウジングを使用するか、または、適切な担体に半導体装置を配置することが挙げられる。
【００３６】
半導体装置の外側に形成された補償層に関する、本発明に係る構造体の好ましい実施形態としては、磁化可能な薄層（Plaettchen）またはそのような薄膜（Folie）である。そしてこの薄層または薄膜を、記憶層に対して平行な半導体装置の少なくとも一方の面に形成することが好ましい。この場合において非常に重要な点は、磁界の少なくとも１つの成分が記憶層に対して平行に延びていることである。
【００３７】
いずれにせよ、外部の磁界から半導体装置を遮蔽するために備えられた構造体を、補償層として使用してもよいし、この補償層を、半導体装置の遮蔽に使用してもよい。
【００３８】
全ての記憶セルに対して同質の補償磁界（Kompensationsfeld）を生成するために、記憶層に対して平行な、半導体装置の全断面にわたって、補償層を形成することが好ましい。
【００３９】
補償層の次のパターン化では、補償磁界を微調整することができる。ただし、この補償磁界を調整する前に、この領域を決定する必要がある。
【００４０】
また、バイアスの磁界は、測定装置によって、半導体装置のテストモードにおいて計測されることが好ましい。なお、この場合、この測定装置は、記憶層に対して平行であり、互いが直交している変動する力の２つの磁気測定領域を制御する。これらの測定領域に応じて、磁気依存性の典型的な記憶セルの特徴値（Kennwert）（以下では測定変数）である、例えば記憶セルの電気抵抗を算出し、この値を外部の試験装置に送信する。この場合本目的のために特に形成された半導体装置の配線（Leitbahnen）の電流によって、または、存在している記憶セルの接続線（Anschlussleitungen）を用いて、この測定領域を適切な方法で形成する。
【００４１】
当該の配線は、測定変数を半導体装置で測定するための測定経路と同様に、端子を介して外部に通じていてもよい。この場合、測定領域の制御および／または測定変数の算出を、半導体装置の外側の測定装置を用いて行う。
【００４２】
また、好適な方法では、この測定装置は、半導体装置に少なくとも部分的に組み込まれ、それぞれ少なくとも１つの制御可能な電流源と、２つの三角波形生成部（Dreieck-Generatoren）と、測定変数に適した測定装置とを備えている。そして、外部から測定工程のみを開始し、その後、測定変数に対する測定値を外部に送信する。
【００４３】
この場合では、この測定された記憶セルが、半導体装置の機能的（funktionellen）な記憶セルのうちの１つ、基準記憶セル、または、この方法のために特別に備えられた記憶セルであってもよい。そして、得られたデータから、補償磁界の大きさおよび方向を計算する。
【００４４】
また、本発明の第１方法では、バイアス磁界の補償は、次に、バイアスの磁界について測定された測定値に依存して磁化された、半導体装置の中またはその上に接して形成されている補償層によって影響を受ける。
【００４５】
そして、この補償層は、外部の磁界で磁化される。なお、この外部の磁界の強さは、補償層の材料の初期磁化曲線（初期曲線（Neukurve））に応じて規定の方向にかつ、バイアスの磁界に対して決められた値に調整される。
【００４６】
また、この補償層は、硬磁性の材料を、少なくとも部分的に含んでおり、予め磁化され（Vormagnetisierung）ていてもよい。そして、この予め磁化されたものの磁界が、補償されるバイアスの磁界に重なる。さらに、補償層の磁化作用（Verhalten）は、材料の初期曲線には従わない。
【００４７】
ただし、補償層がすでに予め磁化されている場合、ある条件下では、補償層を磁化する外部磁界の磁界の強さに関して間違った値が測定される。この場合、バイアスの磁界の補償が不完全に行われてしまう。
【００４８】
したがって、バイアスの磁界を、補償層の、第１の制御された磁化の後に、再度測定することが好ましい。こうして得られた測定値から、予め磁化されている補償層の磁化の方向および大きさを推測できる。そのために、補償層の磁化を制御する外部の磁界の強さおよび方向に関する新たな値を算出し、このような磁界によって補償層を再び磁化する。
【００４９】
また、本発明のこの第１の方法の場合では、補償層を、半導体装置の内部または半導体装置の外部に備えてもよい。また、この補償層を、必要に応じて微調整するためにパターン化してもよい。さらに、本発明の第２の方法の場合では、初めに、バイアスの磁界を測定し、その後、すでに適切に磁化されている補償層を形成する。
【００５０】
つまり、補償層が存在しない場合、および、このような補償層によって、バイアス磁界を誤りなく測定することにより、バイアス磁界の補償方法を簡単にすることができる。さらに、この補償が、半導体装置の磁化状態を変える、重要性を失った（kein wesentlicher）加熱工程に続いて、半導体装置の製造プロセスの１段階において行われることが好ましい。
【００５１】
また、送信された測定値に基づいて、バイアス磁界の大きさおよび方向の点で適した、準備された補償層、好ましくは硬磁性の部分のある調整された金属薄片を、半導体装置に形成する。
【００５２】
この場合、この調整された金属薄片は、第１変形例では、磁化の大きさおよび方向にしたがって分類された第１コレクション（Kollektion）の形状で存在しており、均一な方向に形成される。
【００５３】
第２変型例では、準備された金属薄片は、主に磁化の大きさにしたがって分類された第２コレクションとして存在しており、バイアス磁界の方向によって予め与えられた方向で半導体装置に形成される。
【００５４】
準備された補償層（つまり調整された薄膜）は、半導体装置を識別する記号表示（Beschriftung）を有していることが特に好ましい。
【００５５】
次に、本発明を、以下の図面に基づいて詳述する。そして、同じ構成部材には、同じ参照符号を用いている。
図１は、本発明の第１および第２実施例に関する構造体を示す概略図である。
図２は、バイアス磁界の少ない場合の記憶層の磁化反転曲線と、効果的なバイアス磁界を有する記憶層の磁化反転曲線とを簡単に示す図である。
図３は、磁気抵抗記憶セルを概略的に示す図である。
【００５６】
導入部において図２および図３については、すでに説明した。
【００５７】
図１は、磁気抵抗記憶セル６を備えた半導体装置７の簡略的な断面図を示している。そして、この断面図は、本発明の基本的特徴に限定して示した図であり、簡略化されており、縮尺どおりではない。
【００５８】
これらの記憶セル６は、それぞれ、記憶層１、絶縁層２、基準層３から構成されており、図示した例では、半導体装置７の単一の層の中に配置されている。また、記憶セル６から形成された記憶セル層に対して平行に、不動体層１１が形成されている。
【００５９】
そして、この記憶セル６の基準層３と記憶層１との間の強磁性結合によって、バイアス磁界が生じる。
【００６０】
破線によって示される構成部材は、半導体装置７内に備えられた補償層９を用いる第１実施例では、省略される。この補償層９は、第１実施例では、不動体層１１によって記憶セル６から絶縁されており、記憶層１に対して平行に形成されている。また、この補償層を、記憶層１における磁気バイアスの磁界を、磁化の磁界が補償するように磁化してもよい。また、補償層９の磁化によって生じ、半導体装置７の全ての記憶層１において大きさと方向に関して、できうる限り一致する磁界を得るために、この補償層９が半導体装置７の全断面領域を覆うことが好ましい。
【００６１】
第２実施例では、破線で示した構成部材が含まれており、この第２実施例では半導体装置７の外側に備えられた補償層１０と、半導体装置７を少なくとも部分的に取り囲むハウジング８とが備えられている。ここでは、半導体装置７内に備えられる補償層９は不要である。
【００６２】
さらに、半導体装置の外側に形成された補償層１０を、上述の理由から、記憶層１に対して平行に形成することが好ましく、この補償層が、記憶層１に対して平行な少なくとも全面を覆っていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１および第２実施例に関する構造体を示す概略図である。
【図２】バイアス磁界の少ない場合の記憶層の磁化反転曲線と、効果的なバイアス磁界を有する記憶層の磁化反転曲線とを簡単に示す図である。
【図３】磁気抵抗記憶セルを概略的に示す図である。
【符号の説明】
【００６４】
Ｍ          磁化
Ｈ（Ｉ）    書き込み電流Ｉによって生じる磁界の強さ
ＨC1       特定の保磁力の大きさ
Ｍ0        第１磁化
Ｍ1        第２磁化
ＨB        バイアス磁界の磁界の強さの大きさ
１          記憶層
２          絶縁層
３          基準層
３ａ        上部基準部分層
３ｂ        中間層
３ｃ        下部基準部分層
４          強磁性結合の表示
５          反強磁性結合の表示
６          記憶セル
７          半導体装置
８          ハウジング
９          半導体装置内の補償層
１０        半導体装置外の補償層
１１        不動態層
【国際公開パンフレット】
2005503034.tif 000003
2005503034.tif 000004
2005503034.tif 000005
2005503034.tif 000006
2005503034.tif 000007
2005503034.tif 000008
2005503034.tif 000009
2005503034.tif 000010
2005503034.tif 000011
2005503034.tif 000012
2005503034.tif 000013
2005503034.tif 000014
2005503034.tif 000015
2005503034.tif 000016
2005503034.tif 000017
2005503034.tif 000018
2005503034.tif 000019
2005503034.tif 000020
2005503034.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005503034.tif 000022
【国際調査報告】
2005503034.tif 000023
2005503034.tif 000024
2005503034.tif 000025
2005503034.tif 000026