(57)【要約】　　　（修正有）【課題】反強磁性材料を用いない磁気メモリデバイスの実現。【解決手段】磁気メモリデバイスは、複数の書込み線（１４，１６）と、複数のメモリセル（１２´）とを有する。複数のメモリセル（１２´）はそれぞれ、複数の書込み線（１４，１６）のうちの対応する対の間に関連して動作するように配置される。複数のメモリセル（１２´）はそれぞれ、絶縁層（２２）によって分離されるセンス層（１８）と基準層（４０）とを有する。複数のメモリセル（１２´）それぞれの基準層（４０）は、高保磁力の永久磁石を含む。【選択図】図４
2004104083.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気メモリデバイス（１０）であって、
複数の書込み線（１４、１６）と、および
それぞれが、絶縁層（２２）によって分離されるセンス層（１８）と基準層（４０）とを有し、前記複数の書込み線（１４、１６）の対応する対の間に関連して動作するように配置された、複数のメモリセル（１２’、１２”）とを備え、
前記複数のメモリセルそれぞれの基準層（４０）が、高保磁力の永久磁石を含む、磁気メモリデバイス（１０）。
【請求項２】
前記永久磁石が、１１．９×１０３Ａ／ｍ（１５０エルステッド）より高い保磁力を有する、請求項１の磁気メモリデバイス（１０）。
【請求項３】
前記永久磁石が、前記センス層（１８）の保磁力の２倍より高い保磁力を有する、請求項１の磁気メモリデバイス（１０）。
【請求項４】
前記高保磁力の永久磁石の基準層（４０）と前記絶縁層（２２）との間に配置された第２の強磁性層（４２）をさらに含む、請求項１の磁気メモリデバイス（１０）。
【請求項５】
前記第２の強磁性層（４２）が、ニッケル、鉄、コバルト、ニッケルの合金、鉄の合金およびコバルトの合金からなるグループから選択された材料である、請求項４の磁気メモリデバイス（１０）。
【請求項６】
前記永久磁石がコバルトの合金である、請求項１の磁気メモリデバイス（１０）。
【請求項７】
磁気メモリセル（１２’、１２”）であって、
ベース層（３０）と、
前記ベース層上のシード層（３２）と、
前記シード層（３２）上の永久磁石層（４０）と、
前記永久磁石層（４０）を覆う絶縁層（２２）と、および
前記絶縁層（２２）上のセンス層（１８）とを備える、磁気メモリセル（１２’、１２”）。
【請求項８】
前記シード層（３２）がクロムからなり、前記永久磁石層（４０）がコバルト、クロムおよびプラチナの合金からなる、請求項７のメモリセル（１２’、１２”）。
【請求項９】
前記永久磁石層（４０）の保磁力が、前記センス層（１８）の保磁力の少なくとも２倍の大きさである、請求項７のメモリセル（１２’、１２”）。
【請求項１０】
前記永久磁石層（４０）と前記絶縁層（２２）との間に配置された第２の強磁性層（４２）をさらに含む、請求項７のメモリセル（１２’、１２”）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は概して不揮発性メモリデバイスに関する。より詳細には、本発明は不揮発性メモリデバイスにおいて用いるための磁気メモリセル構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
当該技術分野において知られている１つのタイプの不揮発性メモリデバイスは、磁気メモリセルに基づく。磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスとして知られているこれらのデバイスは、磁気メモリセルのアレイを含む。磁気メモリセルは異なるタイプ、たとえば、トンネル磁気接合（ＴＭＪ）メモリセルまたは巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）メモリセルからなることができる。
【０００３】
通常の磁気メモリセルは、磁化が変更可能である磁性薄膜の層と、磁化が特定の方向に固定または「ピン止め（ｐｉｎｎｅｄ）」された磁性薄膜の層とを含む。変更可能な磁化を有する磁性薄膜は、データ記憶層と呼ばれる場合があり、ピン止めされた磁性薄膜は、基準層と呼ばれる場合がある。データ記憶層および基準層は、絶縁性材料の層によって分離される。
【０００４】
導電性トレース（一般的にワード線およびビット線と呼ばれ、またはまとめて書込み線と呼ばれる）が、メモリセルのアレイにわたってルーティングされる。ワード線はメモリセルの行に沿って延在し、ビット線はメモリセルの列に沿って延在する。各メモリセルは、ワード線およびビット線の各交点に配置され、１ビットの情報を磁化の向きとして格納する。通常は、データ記憶層内の磁化の向きは、一般にその磁化容易軸と呼ばれる、データ記憶層の軸に沿って整列する。所望の論理状態に応じて、データ記憶層内の磁化の向きをその磁化容易軸に沿って、基準層内の磁化の向きに対して平行な向きか、または反平行な向きかのいずれかに反転させるために外部磁界が印加される。
【０００５】
各メモリセルの磁化の向きは、常に２つの安定した向きの一方を示す。これら２つの安定した向き、すなわち平行および反平行な向きは、「１」および「０」の論理値を表す。選択されたメモリセルの磁化の向きは、選択されたメモリセルを横切るワード線およびビット線に電流を供給することにより変更され得る。これらの電流は磁界を生成し、それらが合成されるとき、選択されたメモリセルの磁化の向きを平行から反平行に、またはその逆に切り替えることができる。さらに、書込み線を用いて、メモリセルに格納される論理値を読み出すことができる。
【０００６】
メモリセル内の磁性材料の層は一般に、他の形状が用いられることも知られているが、正方形または長方形のような幾何学的にパターニングされた薄膜として形成される。パターニングされた磁性層記憶構造の１つの欠点は、多数の磁区が磁性層に形成される場合があり、読出し動作中にメモリセルの状態が不確定になる場合があることである。具体的には、パターニングされた磁性層は静磁界を生成し、それがその層を減磁する傾向がある。パターニングされた薄膜の縁部では、この減磁作用を生じる磁界は通常、パターニングされた縁部に対して垂直な磁化を保持するいかなる異方性成分よりも大きい。結果として、その静磁界は、パターニングされた縁部付近の薄膜の磁気ベクトルを回転させる傾向がある。
【０００７】
パターニングされた層の縁部付近の磁化の回転は、磁性薄膜内に磁壁を形成し、それにより磁気ベクトルの多数の磁区が生成されるが、それらの磁区の磁気ベクトルは全て整列するとは限らない。磁気メモリ素子を読み出すとき、多数の磁区により、雑音、すなわちメモリセルの両端の抵抗が変動する領域が生成され、メモリセルの状態を判定することが困難になるか、または不可能になる傾向がある。さらに、磁区状態の変動は切替え磁界の揺らぎを生み出し、それによりメモリセルへの書込みプロセスが予測不可能になることがある。
【０００８】
上述のことから、磁性層において磁化作用を生じる磁界の方向を保持することが重要であることは理解されよう。それゆえ、基準層の固定またはピン止めされた磁化作用を生じる磁界の場合には、多数の磁区が存在するのを最小限に抑えるように磁界を固定することが望ましい。１つの一般的なメモリセル構造では、ピン止めされた基準層の磁界は、隣接する反強磁性層との界面交換結合によって固定され得る。反強磁性層を用いる一例が、Ｇａｌｌａｇｈｅｒ等に付与された特許文献１に示される。反強磁性材料を用いることには、磁界内で材料をアニールする必要があること、通常の反強磁性材料には腐食性があること、および反強磁性層の存在により製造がさらに複雑になることを含むいくつかの欠点がある。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第５，６５０，９５８号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、反強磁性材料を用いることに関連する欠点を低減するか、または排除するために、磁気メモリセルの構造において反強磁性材料を用いないようにすることが望ましい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
磁気メモリデバイスは、複数の書込み線と、複数のメモリセルとを有する。複数のメモリセルはそれぞれ、複数の書込み線のうちの対応する対の間に関連して動作するように配置される。複数のメモリセルはそれぞれ、絶縁層によって分離されるセンス層と基準層とを有する。本発明による一実施形態では、複数のメモリセルそれぞれの基準層は、反強磁性ピンニング層に依存することなく、永久的に向きを定められた磁界を与える高保磁力の永久磁石を含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
好ましい実施形態の以下の詳細な説明では、その一部を形成し、本発明が実施され得る特定の実施形態を例示のために示す添付図面が参照される。他の実施形態を利用することもでき、本発明の範囲から逸脱することなく、構造的または論理的な変更がなされ得ることは理解されたい。したがって、以下の詳細な説明は、限定の意味にとられるべきではなく、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定される。
【００１３】
図１ａおよび図１ｂは、簡略化された従来技術のＭＲＡＭアレイ１０を示す。アレイ１０は、メモリセル１２と、導電性ワード線１４と、導電性ビット線１６とを含む。本明細書では、ワード線１４およびビット線１６はまとめて書込み線と呼ばれる。メモリセル１２は、ワード線１４とビット線１６との各交点に配置され、書込み線１４、１６の間に配置される。それは図１ｂにおいてより明らかに示される。
【００１４】
図２は、図１ａおよび図１ｂからの１つのメモリセル１２をより簡略化して示しており、１ビットのデータがメモリセル１２にいかに格納されるかを示す。従来技術のメモリセル１２のさらに詳細な図が、図３に示されており、それについては以下に説明される。図２において明らかなように、メモリセル１２は絶縁層２２によって分離された、アクティブ磁性データ薄膜１８（データ記憶層）と、ピン止めされた磁性薄膜２０（基準層）とを含む。アクティブ磁性データ薄膜１８の磁化の向きは固定されず、矢印Ｍ１によって示されるように、２つの安定した向きのいずれかをとることができる。一方、ピン止めされた磁性薄膜２０は、矢印Ｍ２によって示される固定された磁化の向きを有する。アクティブ磁性データ薄膜１８は、メモリセル１２への書込み動作中に、書込み線１４、１６（図２には示されない）に加えられる電流に応じて、その磁化の向きを回転する。メモリセル１２に格納されるデータビットの第１の論理状態は、磁化の向きＭ１およびＭ２が互いに平行である際に示される。たとえば、磁化の向きＭ１およびＭ２が平行であるとき、メモリセル１２に論理「１」の状態が格納される。逆に、磁化の向きＭ１およびＭ２が互いに反平行であるとき、第２の論理状態が示される。したがって、磁化の向きＭ１およびＭ２が反平行であるとき、メモリセル１２に論理「０」の状態が格納される。図２はピン止めされた磁性薄膜２０上に配置されたアクティブ磁性データ薄膜１８を示すが、ピン止めされた磁性薄膜２０がアクティブ磁性データ薄膜１８上に配置され得ることに留意されたい。
【００１５】
メモリセル１２の抵抗は、Ｍ１およびＭ２の相対的な向きによって異なる。磁化の向きＭ１およびＭ２が反平行、すなわち論理「０」状態であるとき、メモリセル１２の抵抗は最も高くなる。一方、磁化の向きＭ１およびＭ２が平行、すなわち論理「１」状態であるとき、メモリセル１２の抵抗は最も低くなる。結果として、メモリセル１２に格納されたデータビットの論理状態は、書込み線１４、１６を用いてその抵抗を測定することにより判定され得る。
【００１６】
典型的な従来技術のメモリセル１２の構造が図３に示される。上述のように、メモリセル１２は、多数の材料層から形成される。例示された実施形態では、ベース層３０が設けられ、そのベース層上にシード層３２が堆積される。その後、シード層３２上に反強磁性材料層３４が堆積される。次に、反強磁性層３４上にピン止め磁性層または基準磁性層２０が堆積される。その後、絶縁層２２および磁性センス層１８が堆積され、メモリセル１２が完成する。反強磁性層３４の磁界の向きを固定するために、メモリセル１２の構造体が磁界内でアニーリングされる。こうして、隣接する反強磁性層３４との界面交換結合によって、ピン止めされた基準層２０の磁界の向きが固定される。
【００１７】
図３に示されるような従来技術のメモリセル１２において用いられる材料は、一般に当業者に知られている。ベース層３０は、たとえばタンタルまたはクロムを含むことができる。シード層３２は、たとえば、ニッケル鉄合金、ニッケル鉄クロム合金、またはルテニウムのような非磁性金属とすることができる。適切な反強磁性材料は、鉄およびマンガンの合金、ニッケルおよびマンガンの合金、プラチナおよびマンガンの合金、およびイリジウムおよびマンガンの合金、ならびに酸化ニッケル、またはテルビウムおよびコバルトの合金のような材料を含む。基準層２０およびセンス層１８は、ニッケル、鉄またはコバルト、およびニッケル、鉄またはコバルトの合金を含む、任意の強磁性金属からなる単層とすることができる。代案として、層２０および１８は、ニッケル、鉄、コバルト、またはニッケル、鉄またはコバルトの合金の１つまたは複数の層からなる複合層とすることができる。たとえば、ニッケル鉄合金およびニッケル鉄コバルト層からなる複合層が形成され得る。絶縁層２２の材料は、酸化物、窒化物、誘電体等のような大部分の非導電性材料を含むことができる。磁気トンネル接合のための絶縁性材料の具体的な一例は、Ａｌ２Ｏ３である。
【００１８】
本発明による磁気メモリセル１２’の一実施形態が図４に示される。メモリセル１２’は、ベース層３０と、必要に応じて含まれるシード層３２と、高保磁力の永久磁石基準層４０と、絶縁層２２と、センス層１８とからなる。図３および図４の構造を比較することから明らかになるように、図３の反強磁性層３４およびピン止めされた基準層２０が、メモリセル１２’において基準層として機能する高保磁力の永久磁石で置き換えられる。本明細書において用いられるような高保磁力は、センス層の保磁力より少なくとも大きい保磁力のことを意味する。
【００１９】
本発明による一実施形態では、基準層４０は、センス層１８の保磁力より少なくとも２〜３倍大きい保磁力を有する。本発明による別の実施形態では、基準層４０の保磁力は約１１．９×１０３Ａ／ｍ（１５０エルステッド）である。本発明によるさらに別の実施形態では、永久磁石基準層４０の保磁力は、２３．７×１０３Ａ／ｍ（３００エルステッド）より大きい。適切な高保磁力の永久磁石材料は、たとえば、コバルト、クロムおよびプラチナの合金、およびコバルト、クロムおよびタンタルの合金である。コバルト、プラチナおよびニッケルの合金、コバルト、タンタルおよびニッケルの合金、コバルト、クロム、プラチナおよびタンタルの合金が用いられる場合もある。
【００２０】
ＣｏＣｒＰｔのような薄膜の強磁性合金の保磁力は一般に、材料の組成、薄膜の厚み、および場合によってはシード層材料をも含むいくつかの要因に大きく影響されやすい。一般的に、薄膜が薄くなると、保磁力も減少する。しかしながら、保磁力が最大になる薄膜の厚みがある。たとえば、ＣｒＶの下層上に約２０ｎｍのＣｏＣｒＰｔを堆積する場合に、１５．８×１０４Ａ／ｍ（２０００エルステッド）またはそれより多い保磁力を達成することができる。
【００２１】
どの特定の永久磁石材料が用いられるかによって、最適なシード層３２が存在するであろう。たとえば、Ｃｒをシード層として用いて、ＣｏＣｒＰｔを約５ｎｍ厚（磁気トンネル接合基準層の通常の膜厚である）の永久磁石層として用いることにより、結果として約３１．６×１０３Ａ／ｍ（４００エルステッド）の保磁力が生成されるはずである。一般的には、シード層材料および層の厚みを最適化することにより、上述した任意の材料の場合に、１５．８×１０３〜３１．６×１０３Ａ／ｍ（２００〜４００エルステッド）の保磁力を得ることができるであろう。
【００２２】
こうして、上述のような高保磁力の永久磁石を用いることにより、反強磁性ピンニング層に依存することなく、永久的に向きを定められた磁界が与えられる。メモリセル１２’の他の層材料は、図３に示された従来技術のデバイスに関して説明された材料と同じである。
【００２３】
本発明による磁気メモリセル１２”の別の実施形態が図５に示される。図５に示される実施形態では、高保磁力の永久磁石層４０が薄い強磁性薄膜４２のための基板としての役割を果たす。薄い強磁性薄膜４２は、たとえば、永久磁石層４０が高いトンネル磁気抵抗効果を生成するのに十分に高いスピン分極を持たない場合に使用され得る。したがって、「良好な」センス（または従来の基準）層として選択される材料のうちの任意の材料、たとえばＮｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅＣｏ等からなる非常に薄い（〜１ｎｍ）インターフェース層が使用される場合がある。
【００２４】
図４および図５に示されるメモリセルの実施形態１２’、１２”は、メモリセルから反強磁性材料を除去し、メモリセル内の材料層の数を減らし、メモリセル１２’、１２”の基準層において永久的に向きを定められた磁界を与える点で有利である。反強磁性材料を除去し、メモリセル１２’、１２”内の層の数を減らすことはいくつかの理由により有利である。具体的には、デバイスを形成するために必要とされる製造ステップが少なくなるので、デバイスの製造が簡単になる。また、反強磁性材料は多くの場合に腐食性があるので、メモリセルからそれを除去することにより、材料の選択および取扱いが簡単になる。さらに、メモリセル１２’、１２”内の層の数を減らすことにより、メモリセル１２’、１２”（ひいてはＭＲＡＭデバイス全体）を薄くできるようになり、それはサイズに制約がある多くの用途において重要である。
【００２５】
好ましい実施形態を説明するために、本明細書において特定の実施形態が図示されて説明されてきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の代替および／または同等の実施形態が、図示および説明されたその特定の実施形態の代わりに用いられ得ることは当業者には理解されよう。機械、電気機械および電気分野の熟練者であれば、本発明が非常に広範な実施形態において実施され得ることは容易に理解されよう。本特許出願は、本明細書において説明された好ましい実施形態の任意の適応形態または変形形態を網羅することを意図している。したがって、本発明が、特許請求の範囲およびその等価物によってのみ制限されることが明らかに意図されている。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、反強磁性材料を用いない磁気メモリデバイスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】従来技術の磁気ランダムアクセスメモリアレイの平面図である。
【図１ｂ】従来技術の磁気ランダムアクセスメモリアレイの斜視図である。
【図２】アクティブ磁性薄膜層および基準磁性薄膜層の磁化の向きを示す、従来技術の磁気ランダムアクセスメモリセルの斜視図である。
【図３】メモリセルスタックを形成する材料の層を示す従来技術の磁気ランダムアクセスメモリセルの側面図である。
【図４】メモリセルスタックを形成する材料の層を示す、本発明による磁気ランダムアクセスメモリセルの一実施形態の側面図である。
【図５】メモリセルスタックを形成する材料の層を示す、本発明による磁気ランダムアクセスメモリセルの別の実施形態の側面図である。
【符号の説明】
１０　磁気メモリデバイス
１４　ワード線
１６　ビット線
１２、１２’、１２”　メモリセル
１８　アクティブ磁性データ薄膜（データ記憶層または磁性センス層）
２０　基準層
２２　絶縁層
３２　シード層
４０　永久磁石基準層
４２　強磁性薄膜
【図１ａ】
2004104083.tif 000003
【図１ｂ】
2004104083.tif 000004
【図２】
2004104083.tif 000005
【図３】
2004104083.tif 000006
【図４】
2004104083.tif 000007
【図５】
2004104083.tif 000008