(57)【要約】      （修正有）【課題】活性層中の磁化の混乱を最小にする製造方法の提供。【解決手段】活性層５０中の磁化への混乱を最小にするように構成された基準層５４を含む。基準層５４は、１対の両側の縁部が活性層５０の１対の対応する縁部よりはみ出すように構成される。さらに、基準層５４の両側の縁部を薄くして、活性層５０への結合磁界の影響を制御し、減磁界の平衡をとる。反強磁性ピン止め層、基準層を提供する強磁性体層、トンネル障壁を提供するトンネル障壁層、および活性層を提供する強磁性体層を含む材料スタックを、長さＬ１のマスクによりエッチングし、前記マスクをエッチングにより長さＬ２に縮小し、該マスクから距離ｃだけ外側の材料スタックの領域を、前記基準層に達し、かつ、距離ｄだけ基準層が薄くなるまでエッチングする。これにより、基準層の両側を、活性層の両側縁部より距離ｃだけはみ出させ、距離ｄだけ内側領域よりも薄い両側の縁部とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反強磁性ピン止め層、基準層を提供する強磁性体層、トンネル障壁を提供するトンネル障壁層、および活性層を提供する強磁性体層を含む材料スタックを用意するステップと、
前記材料スタックの上に長さＬ１のサイズのマスクを置き、その外側の材料スタックの領域をエッチングすることにより、積層方向と直交する方向の長さがＬ１である材料スタックとするステップと、
前記マスクをエッチングして、そのサイズを前記長さＬ１からＬ２に縮小するステップと、
前記サイズを縮小したマスクを用いて、該マスクから距離ｃだけ外側の材料スタックの領域を、前記材料スタックの前記基準層に達し、かつ、距離ｄだけ基準層が薄くなるまでエッチングするステップと、
前記エッチング後に、前記マスク層を取り除くステップと、を含み、
上記ステップにより、前記基準層の両側を、前記活性層の１対の両側の縁部より前記距離ｃだけはみ出る１対の両側の縁部であって、その厚さが前記距離ｄだけ内側領域の厚さよりも薄い両側の縁部として形成し、その際、前記距離ｃとｄは、活性層に作用する減磁界と結合磁界を平衡させるように選択する、
ことを特徴とする磁気記憶セルの製造方法。
【請求項２】
前記マスクは反応性イオンエッチングによってエッチングされ、前記材料スタックはイオンエッチングによってエッチングされることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶セルの製造方法。
【請求項３】
前記材料スタックが、導電層、強磁性種子層、反強磁性ピン止め層、基準層を提供する強磁性体層、トンネル障壁を提供するトンネル障壁層、および活性層を提供する強磁性体層を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶セルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリの分野に関する。より詳細には、本発明は、磁気記憶セルにおける改良された基準層構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）などの磁気メモリは、一般に、１つまたは複数の磁気記憶セルを含む。各磁気記憶セルは、通常、活性層と基準層を含む。活性層は、通常、切換磁界（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｆｉｅｌｄ）を印加することによって変更できる向きで磁化パターンを記憶する磁性材料の層である。基準層は、通常、磁化が特定の方向に固定または「ピン留め」された磁性材料層である。
【０００３】
そのような磁気記憶セルの論理状態は、一般に、電流の流れに対する抵抗によって決まる。抵抗は、通常、その活性層と基準層における磁化の相対的な向きによって決まる。磁気記憶セルは、一般に、その活性層の全体的な磁化の向きがその基準層の磁化の向きと平行な場合に低抵抗状態にある。これと対照的に、磁気記憶セルは、一般に、その活性層の全体的な磁化の向きがその基準層の磁化の向きと逆平行な場合に高抵抗状態にある。
【０００４】
そのような磁気記憶セルは、通常、その活性層の磁化の向きを回転させる切換磁界を印加することによって所望の論理状態に書き込まれる。通常、ある方向の予測可能な大きさの切換磁界により、磁気記憶セルがその低抵抗状態に切り換わり、その反対の方向の同じ予測可能な大きさの切換磁界により、磁気記憶セルがその高抵抗状態に切り換わることが望ましい。そのような切換え挙動は、対称的切換特性と呼ばれることがある。残念ながら、従来の磁気記憶セルに共通に見られる様々な効果は、活性層の磁化を混乱させ、非対称的な切換え特性を引き起こすことがある。
【０００５】
たとえば、典型的な従来の磁気記憶セルの基準層は、活性層の磁化を逆平行の向きに強制する減磁界（ｄｅｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  ｆｉｅｌｄ）を生成する。そのような減磁界は、通常、活性層を低抵抗状態に変化させるために必要な切換磁界のしきい値の大きさを増大させ、活性層を高抵抗状態に変化させるために必要な切換磁界のしきい値の大きさを減少させる。これにより、一般に、磁気記憶セルを低抵抗状態に書き込むために必要な電力が大きくなり、高抵抗状態への偶発的な書き込みが生じることがある。極端な場合、そのような減磁界により、印加された切換磁界の履歴に関係なく磁気記憶セルが高抵抗状態のままになることがある。
【０００６】
さらに、従来技術の磁気記憶セルの基準層と活性層の間の結合磁界（ｃｏｕｐｌｉｎｇｆｉｅｌｄ）が、通常、活性層の磁化を強制的に平行な向きにする。そのような結合磁界により、通常、磁気記憶セルを高抵抗状態に書き込むために必要な電力が増大し、低抵抗状態への偶発的な書込みが生じることがある。極端な場合、結合磁界により、印加された切換磁界の履歴に関係なく磁気記憶セルが低抵抗状態のままになることがある。
【０００７】
さらに、減磁と結合磁界によって生じた活性層の磁化の混乱の程度は、ＭＲＡＭアレイ内の磁気記憶セル間で異なることがある。さらに、そのような混乱は、装置製造におけるパターン形成ステップおよび／または付着工程のばらつきよってＭＲＡＭアレイ間で異なることがある。そのようなばらつきにより、一般に、書込み操作中の個々の磁気記憶セルの挙動に不確実性が生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は上記の問題点を解決することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記課題は、下記の手段によって達成される。
【００１０】
（１）反強磁性ピン止め層、基準層を提供する強磁性体層、トンネル障壁を提供するトンネル障壁層、および活性層を提供する強磁性体層を含む材料スタックを用意するステップと、
前記材料スタックの上に長さＬ１のサイズのマスクを置き、その外側の材料スタックの領域をエッチングすることにより、積層方向と直交する方向の長さがＬ１である材料スタックとするステップと、
前記マスクをエッチングして、そのサイズを前記長さＬ１からＬ２に縮小するステップと、
前記サイズを縮小したマスクを用いて、該マスクから距離ｃだけ外側の材料スタックの領域を、前記材料スタックの前記基準層に達し、かつ、距離ｄだけ基準層が薄くなるまでエッチングするステップと、
前記エッチング後に、前記マスク層を取り除くステップと、を含み、
上記ステップにより、前記基準層の両側を、前記活性層の１対の両側の縁部より前記距離ｃだけはみ出る１対の両側の縁部であって、その厚さが前記距離ｄだけ内側領域の厚さよりも薄い両側の縁部として形成し、その際、前記距離ｃとｄは、活性層に作用する減磁界と結合磁界を平衡させるように選択する、
ことを特徴とする磁気記憶セルの製造方法。
【００１１】
（２）前記マスクは反応性イオンエッチングによってエッチングされ、前記材料スタックはイオンエッチングによってエッチングされることを特徴とする上記（１）に記載の磁気記憶セルの製造方法。
【００１２】
（３）前記材料スタックが、導電層、強磁性種子層、反強磁性ピン止め層、基準層を提供する強磁性体層、トンネル障壁を提供するトンネル障壁層、および活性層を提供する強磁性体層を含むことを特徴とする上記（１）に記載の磁気記憶セルの製造方法。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、活性層と、活性層中の磁化への混乱を最小にするように構成された基準層とを含む磁気記憶セルである。基準層は、１対の両側の縁部が活性層の１対の対応する縁部よりはみ出すように構成される。この構造を使用して、活性層への減磁界の影響を最小にすることができる。さらに、基準層のその両側の縁部を薄くして、活性層への結合磁界の影響を制御し、減磁界の平衡をとることができる。
【００１４】
本発明のその他の利点および特徴は、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を、その特定の実施例に関して添付図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１と図２は、基準層５４からの減磁界による活性層５０の磁化の混乱を最小にするように構成された活性層５０と基準層５４を有する磁気記憶セル４０の構成を示す。図１は、側面図を示し、図２は、平面図を示す。
【００１７】
活性層５０は、変更可能な磁化状態（Ｍ２）を有し、基準層５４は、ピン留めされた磁化の向き（Ｍ１）を有する。基準層５４のｘ方向の長さは、活性層５０のｘ方向の長さより大きく、基準層５４の１対の両側の縁部６０および６２は、活性層５０の対応する縁部から外にはみ出る。縁部６０および６２のはみ出し距離は、実質的にｃと等しい。はみ出し距離ｃは、活性層５０の磁化に基づいて縁部６０および６２の近くの領域から出る減磁界の影響を最小にするようにあらかじめ選択される。
【００１８】
この実施形態において、磁気記憶セル４０は、活性層５０と基準層５４の間にトンネル障壁５２を含む。この実施形態における磁気記憶セル４０は、読取り操作中に電荷がトンネル障壁５２を通って移動するスピン・トンネル効果装置である。トンネル障壁５２を介した電荷の移動は、磁気記憶セル４０に読取り電圧が印加されるときに生じる。
【００１９】
基準層５４は、いくつかの例を挙げるとニッケル鉄やニッケル鉄コバルトなどの強磁性体でよい。トンネル障壁５２は、厚さ約１０〜約２０オングストロームの酸化アルミニウムなどの絶縁材料でよい。活性層５０は、いくつかの例を挙げるとニッケル鉄やニッケル鉄コバルトなどの強磁性体でよい。基準層５４は、いくつかの例を挙げると鉄マンガンやイリジウム・マンガンなどの反強磁性材料によってピン留めすることができる。
【００２０】
図３は、基準層５４の表面よりもわずかな垂直距離だけ上での基準層５４からの減磁界と結合磁界を示すグラフである。グラフにおいて、−０．４と＋０．４の近くのｘの値は、基準層５４の縁部６０および６２の近くの領域に対応し、０の近くのｘの値は、基準層５４の内部領域に対応する。グラフは、減磁界が基準層５４の縁部６０と６２の近くで最も強いことを示す。はみ出し距離ｃは、活性層と基準層が実質的に同じ長さを有する従来の記憶セルに比べて縁部６０および６２の近くの強い減磁界が活性層５０に及ぼす影響が小さくなるように選択される。
【００２１】
図４は、活性層５０に作用する基準層５４からの結合磁界と減磁界の影響を平衡させるように基準層５４が構成された磁気記憶セル４０の構成を示す。基準層５４の縁部６０および６２は、実質的にｃと等しい距離だけ活性層５０の対応する縁部よりもはみ出る。さらに、  基準層５４は、基準層５４の活性層５０の外側よりもはみ出る領域において実質的にｄと等しいｙ方向の距離だけ薄くされる。
【００２２】
活性層５０に作用する基準層５４からの結合磁界の大きさは、トンネル障壁５２の厚さの関数であることが多い。この構成において、距離ｃとｄは、活性層５０に作用する減磁界と結合磁界を平衡させるように選択される。ｃの値がもっと大きい場合は、この平衡をとるためにもっと大きいｄの値が適切であり、それに対してｃの値がもっと小さい場合は、この平衡をとるためにもっと小さいｄの値が適切である。換言すると、平衡のとれたデータ薄膜を得るために制御可能な特別なパラメータが２つある。これは、データ薄膜と基準薄膜が同じ幅であり、距離ｄが常に基準薄膜全体の厚さと同じ従来のセルと対照的である。
【００２３】
減磁界と結合磁界の影響を制御するこの性能により、設計者は、磁気記憶セル４０で比較的高い磁気抵抗効果を得るように層５０と５４の厚さを自由に選択することができる。設計者は、従来技術において活性層の混乱を減少させるために一般的なような磁気抵抗効果を減少させる基準層の厚さを減少させる必要がない。磁気記憶セル４０からの読取り信号を増大させるためには大きい磁気抵抗が望ましい。
【００２４】
実施例において、活性層５０と基準層５４の厚さは、約２〜約２０ナノメートルの範囲でよい。距離ｃは、０．０１〜０．５μの範囲であり、距離ｄは、０〜約２０ナノメートルの範囲でよい。
【００２５】
図５は、この教示を具体化する磁気メモリ１０（ＭＲＡＭ）の平面図である。磁気メモリ１０は、磁気記憶セル４１〜４３の活性層の混乱（ｄｉｓｒｕｐｔｉｏｎ）を最小にする前述の構造でそれぞれ形成された追加の磁気記憶セル４１〜４３と共に磁気記憶セル４０を含む磁気記憶セルのアレイを含む。磁気メモリ１０は、磁気記憶セル４０〜４３へ読み書きアクセスを可能にする導体２０〜２１および３０〜３１の構成を含む。
【００２６】
１つの実施形態において、磁気記憶セル４０〜４３の寸法ｄｘおよびｄｙは、実質的に等しく、正方形を構成するように選択される。正方形は、ＭＲＡＭ内に得られる密度を、長方形の記憶セルを使用したときに得られる密度よりも高める。これは、所定の最小形状サイズの場合、正方形の磁気記憶セルを所定の基板領域上に長方形の磁気記憶セルよりも多く形成することができるためである。他の実施形態では、長方形を使用することができる。
【００２７】
図６ａ〜図６ｄは、この教示による記憶セルの形成に伴う工程ステップの例を示す。図６ａは、基板１００上に付着され、パターン・マスク１２０とイオンエッチングステップを使用してパターン形成された材料スタックを示す。材料のイオンエッチングステップでは、パターン・マスク１２０の外側の材料スタックの領域が基板１００まで除去される。材料スタックは、一般に、スピン・トンネル効果記憶セルを形成するために使用されるものであり、導体層１０２、強磁性種子層（ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｓｅｅｄ  ｌａｙｅｒ）１０４、反強磁性ピン止め層１０６、基準層５４を提供する最も下の強磁性体層、トンネル障壁５２を提供するトンネル障壁層、活性層５０を提供する最も上の強磁性体層、およびキャップ層１１４を含む。
【００２８】
イオンエッチング後の材料スタックのｘ方向の長さはＬ１である。次に、パターン・マスク１２０は、図６ｂに示したように長さＬ２＝Ｌ１−２ｃに縮小される。パターン・マスク１２０は、パターン・マスク１２０中の炭素と酸素反応する反応性イオンエッチングを使用して縮小され、除去されるＣＯ２が形成される。すなわち、反応性イオンエッチングに費やされる時間は、たとえば距離ｃを制御するために、パターン・マスク１２０を縮小させる量を制御するように選択される。
【００２９】
次に、材料スタックは、イオンエッチングステップにかけられ、基準層５４の材料が除去され、基準層５４の縁部領域において距離ｄだけ基準層５４が薄くされる。図６ｃは、イオンエッチング工程の結果を示す。イオンエッチングで費やされる時間は、基準層５４の縁部領域を薄くする距離ｄを制御するように選択される。
【００３０】
次に、パターン・マスク１２０は、磁気記憶セル４０に関して図６ｄに示した構造になるように除去される。このとき、最も上の導体が形成される。
【００３１】
本発明の以上の詳細な説明は、例示のために提供され、網羅的なものではなく、本発明を開示した厳密な実施形態に制限するものでもない。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】基準層からの減磁界によって生じる活性層の磁化の混乱を最小にするように構成れた磁気記憶セルを示す図である。
【図２】基準層からの減磁界によって生じる活性層の磁化の混乱を最小にするように構成れた磁気記憶セルを示す図である。
【図３】基準層からの減磁界と結合磁界を示すグラフである。
【図４】活性層に作用する基準層からの結合磁界と減磁界の影響を平衡させるように構成された磁気記憶セルの図である。
【図５】この教示を具体化する磁気メモリの平面図である。
【図６】ａ〜ｄは、この教示による記憶セルの形成に伴う工程ステップの例を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
５０  活性層、
５４  基準層、
４０  磁気記憶セル、
６０，６２  縁部。
【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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