(57)【要約】【課題】  高選択性を有する磁気抵抗メモリを提供すること。【解決手段】  本発明は、磁気ベクトルの方向が固定された第１磁性層と、第１磁性層と平行に位置し、磁気ベクトルの方向が反転可能な第２磁性層及び、第１磁性層及び第２磁性層の間に介在される非磁性層を具備し、第２磁性層は長軸対短軸の比が２以下であり、厚さが５ｎｍ以下であり、飽和磁化量が８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であることを特徴とする磁気抵抗メモリである。本発明によると、キンクのない磁気−抵抗特性を有することで、工程能力に関係なく高選択性を有する磁気抵抗メモリを具現できる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ベクトルの方向が固定された第１磁性層と、
前記第１磁性層と平行に位置し、磁気ベクトルの方向が反転可能な第２磁性層と、
前記第１磁性層及び前記第２磁性層の間に介在される非磁性層とを具備し、
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が２以下であり、厚さが５ｎｍ以下であり、飽和磁化量が８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であること、
を特徴とする磁気抵抗メモリ。
【請求項２】
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が１.５以下であること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項３】
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が１.４以下であること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項４】
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が１.３以下であること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項５】
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が１.２以下であること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項６】
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が１.１以下であること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項７】
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が１.０以下であること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項８】
前記第２磁性層は、厚さが４ｎｍ以下であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項９】
前記第２磁性層は、厚さが３ｎｍ以下であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１０】
前記第２磁性層は、飽和磁化量が７００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１１】
前記第２磁性層は、飽和磁化量が７００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であること、
を特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１２】
前記第２磁性層は、飽和磁化量が７００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であること、
を特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１３】
前記第２磁性層は、飽和磁化量が６００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であること、
を特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１４】
前記第２磁性層は、飽和磁化量が６００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であること、
を特徴とする請求項８に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１５】
前記第２磁性層は、飽和磁化量が６００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であること、
を特徴とする請求項９に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１６】
前記第１磁性層及び第２磁性層は、多重層で形成されること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１７】
前記非磁性層は、多重層で形成されること、
を特徴とする請求項１に記載の磁気抵抗メモリ。
【請求項１８】
前記非磁性層は、導電性物質で形成されること、
を特徴とする請求項１または請求項１７に記載の磁気抵抗メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗メモリに係り、殊に高い選択性を有する磁気抵抗メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗メモリ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）は、電気を供給し続けなければ、記録されているデータが消去される従来のＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の短所およびデータ記録速度がＤＲＡＭより約１０００倍遅いフラッシュメモリの短所を補完する次世代メモリ素子として開発されているスピン電子素子である。ＭＲＡＭは、強磁性体／絶縁体／強磁性体の多層薄膜構造を有し、電子スピントンネリングを制御することで、磁性体の磁化方向に応じてデータを貯蔵することができる。
【０００３】
ここで、図１は、従来のＭＲＡＭセルの模式的な構成図である。磁気抵抗メモリのビットに磁気情報を記録するために、ビットライン１１とワードライン１３とに同時に電流を印加することで、ビットライン１１とワードライン１３とが交差する点に位置する第１セル１５の自由層の磁化方向が逆転されて記録が行われる。このとき、ＭＲＡＭアレイ上では不可避的に、電流が印加されるビットライン１１とワードライン１３上に存在する他の第２セル１７及び第３セル１９にも磁場が印加される。
【０００４】
また、図２は、記録のために選択された第１セル１５および第１セル１５の周辺に位置する選択されていないが磁場が印加される第２セル１７及び第３セル１９の抵抗−磁場（Ｒ−Ｈ）の関係を示したグラフである。
【０００５】
図２において、ｆ１は、第１セル１５の抵抗Ｒと磁場Ｈとの関係を示したグラフであり、ｆ２は、第３セル１９の抵抗Ｒと磁場Ｈとの特性を示したグラフであり、ｆ３は、第２セル１７の抵抗Ｒと磁場Ｈとの特性を示したグラフである。ｆ１、ｆ２及びｆ３から従来のＭＲＡＭセルでは、抵抗−磁場の曲線が、階段状に２つの状態に区分されていることが分かる。これは、ｆ１の符号Ａおよび符号Ａ’、ｆ２の符号Ｂ並びにｆ３の符号Ｃに、磁場に対して抵抗値が中間状態を示す領域であるキンク（ｋｉｎｋ）が生じているためである。このキンクは、ＭＲＡＭセルにおける選択性を阻害する主要要因の１つである。
【０００６】
さらに詳しく説明すると、第１セル１５は、垂直に交差するビットライン１１とワードライン１３とから印加される電場によって周辺のセルに比べて低い反転磁場Ｈ０を有している。ｆ１のグラフで、完全な反転が起きる磁場Ｈ０は、符号ｆ１ｓｗで示される。２８Ｏｅ程度の反転磁場Ｈ０が印加されると、第１セル１５の自由層の磁気ベクトルの方向の反転が起きるが、ワードライン１３上の第２セル１７の自由層の磁気ベクトルは方向が反転されない。ｆ３を参照すると、符号Ｃで示したキンクは、Ｈ０より大きいＨｃ２の磁場で発生するので、第２セル１７の磁化反転には影響を及ぼさない。しかし、ｆ２を参照すると、ビットライン１１上の第３セル１９はＨ０より小さい磁場で、符号Ｂで示したキンクが発生するので、Ｈ０の磁場が印加された場合、ビットライン１１上の第３セル１９の磁区の磁気ベクトルが部分的に反転されてエラーが発生する。
【０００７】
したがって、ＭＲＡＭの選択性を高めるためには、キンクがないかキンクが存在しても選択性に影響を及ぼさない新しいデザインのＭＲＡＭセルが要求される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明が解決しようとする技術的課題は、前記した従来技術の問題点を改善し、キンクを除去した高選択性を有する磁気抵抗メモリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記技術的課題を達成するために、本発明は、磁気ベクトルの方向が固定された第１磁性層と、前記第１磁性層と平行に位置し、磁気ベクトルの方向が反転可能な第２磁性層と、前記第１磁性層及び第２磁性層の間に介在される非磁性層とを具備し、前記第２磁性層は、長軸対短縮の比が２以下であり、厚さが５ｎｍ以下であり、飽和磁化量が８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であることを特徴とする磁気抵抗メモリを提供する。
【００１０】
前記第２磁性層は、長軸対短軸の比が１.５以下、望ましくは、１.４以下、より望ましくは１.３以下、より望ましくは１.２以下、より望ましくは１.１以下、最も望ましくは１.０以下で形成することが好ましい。
【００１１】
この場合、前記第２磁性層は厚さが４ｎｍ以下、望ましくは３ｎｍ以下を有するように形成することが好ましい。
【００１２】
また、前記したあらゆる場合に、前記第２磁性層は、飽和磁化量が７００ｅｍｕ／ｃｍ3以下、望ましくは、６００ｅｍｕ／ｃｍ3以下を有するように形成することが好ましい。
【００１３】
前記第１磁性層及び前記第２磁性層または非磁性層は多重層で形成され、前記非磁性層は電気的に導電物質で形成してもよい。
【００１４】
本発明は、磁気抵抗メモリを、自由層を長軸対短軸の比が２以下、厚さを５ｎｍ以下及び磁性物質の平均飽和磁化量を８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の仕様で製造することで、キンクのない、高選択性を有する磁性抵抗メモリを具現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によると、キンクのない磁気−抵抗特性が得られるため、工程能力に関係なく高選択性を有する磁気抵抗メモリを具現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例に係る磁気抵抗メモリ（以下、ＭＲＡＭという）を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
本実施例では、キンクを数値的に表現するために、前記した図２に示した、選択されていない所定セルの完全な反転のために必要な磁場をＨｃ１（ｆ３ｓｗで発生）として定義し、キンクが生じる磁場のうち最初の磁場をＨｃ２と定義してＨｃ２／Ｈｃ１をキンクの定量的な変数として使用する。ここで、Ｈｃ２／Ｈｃ１が１であれば、ＭＲＡＭセルの抵抗Ｒ−磁場Ｈ曲線にはキンクが存在しないことになる。
【００１８】
図３は、本実施例に係るＭＲＡＭセルを模式的に示した構造図である。
【００１９】
図３を参照すると、本実施例に係るＭＲＡＭセル３０は、磁性物質よりなる第１磁性層３１と第２磁性層３５との間に非磁性層３３が介在された構造を有している。第１磁性層３１及び第２磁性層３５のうち、一方の磁性層が、磁区の磁気ベクトルの方向が固定された固定層となる場合には、他方の磁性層は、磁区の磁気ベクトル方向が印加される磁場によって反転される自由層になる。例えば、第１磁性層３１が固定層であれば、第２磁性層３５は自由層になる。このような場合、本実施例に係るＭＲＡＭセル３０はビットライン方向の長軸の長さｌとワードライン方向の短軸の長さｓとの比（Ａｓｐｅｃｔ  ｒａｔｉｏ：ＡＲ）が２以下の値を有し、自由層である第２磁性層３５の厚さｔが５ｎｍ以下の値を有し、飽和磁化量（Ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ  ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ：Ｍｓ）が８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の値を有するように形成される。
【００２０】
本実施例に係るＭＲＡＭセルは、２以上の磁性層から製作でき、このような場合にも自由層を２以下の比ＡＲ、５ｎｍ以下の厚さｔ、８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の飽和磁化量Ｍｓからなる仕様で形成することで、キンクのない高選択性のＭＲＡＭセルが具現できる。
【００２１】
（実験例）
図４Ａないし図４Ｅは、多様な長軸対短軸の比ＡＲ、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するキンクを示す定量的な変数ＨＲ（ＨＲ＝Ｈｃ２／Ｈｃ１）の分布を示すダイヤグラムである。ここで、ＨＲが０.７以上であれば、キンクがほとんど含まないＭＲＡＭセルが得られる。
【００２２】
はじめに、ＡＲ＝１である図４Ａを参照すると、厚さｔが４〜５ｎｍであれば、ＨＲが０.８以上になるためには、Ｍｓが約９００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の値でなくてはならない。厚さｔが４ｎｍより小さければ、ＨＲが０.８以上になるためのＭｓの限界値がさらに増加することが分かる。例えば、厚さｔが２.５ｎｍ程度でＭｓが１２００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の値であれば、Ｍｓは０.８以上の値を示すことが分かる。
【００２３】
次に、ＡＲ＝１.５である図４Ｂを参照すると、厚さｔが５ｎｍであれば、Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の値のとき、ＨＲが０.８以上を示し、厚さｔの値が小さくなるにつれ、ＨＲが０.８以上になるためのＭｓの限界値も順次増加することが分かる。
【００２４】
次に、ＡＲ＝２である図４Ｃを参照すると、ＨＲが０.８以上になるためには、厚さｔが５ｎｍである場合、Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の値でなくてはならない。また、厚さｔが５ｎｍより小さくなるにつれ、ＨＲが０.８以上になるためのＭｓの限界値が順次増加することがわかる。
【００２５】
次に、ＡＲ＝２．５である図４Ｄを参照すると、ＨＲが０.８以上を示す領域は、厚さｔが２.８ｎｍ以下である場合、Ｍｓが６００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の値を有する範囲であるが、その他の領域ではＨＲが０.８以上である領域が複雑な形態で現れているので、ＭＲＡＭセルの仕様を適切に定めることがむずかしい。
【００２６】
そして、ＡＲ＝３である図４Ｅを参照すると、ＨＲが０.８以上の範囲が島状で局所的に現れているので、やはりＭＲＡＭセルの仕様を適切に定めることは難しい。
【００２７】
図４Ａないし図４Ｅの結果から、ＭＲＡＭセルのＨＲを０.７以上、望ましくは０.８以上にするためには長軸対短軸の比ＡＲが２以下であり、厚さｔが５ｎｍ以下であり、飽和磁化量Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の値を有するように形成すればよいことが分かる。
【００２８】
次に、図５Ａないし図５Ｅは、多様な長軸対短軸の比ＡＲ、厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓにおける磁気ベクトルの完全な反転（ｆｕｌｌ  ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）のための磁場（Ｈｓｗ）の分布を示している。Ｈｓｗの基準値は１５０Ｏｅであり、１５０Ｏｅ以下のＨｓｗを有するＭＲＡＭは低い駆動電圧でも反転可能なことを意味する。
【００２９】
図５Ａないし図５Ｅを参照すると、図４Ａないし図４Ｅと同様にＡＲ＝２.５とＡＲ＝３の場合、磁場は大部分の領域が厚さｔと飽和磁化量Ｍｓとに関係なく１５０Ｏｅより大きい値を示している。一方、ＡＲ＝２以下で形成されるＭＲＡＭセルの場合、厚さｔは５ｎｍ以下であり、飽和磁化量Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下の範囲で安定的に１５０Ｏｅ以下のＨｓｗを有することが分かる。すなわち、ＡＲの値が小さいほどＨｓｗが小さくなり、低い駆動電圧でも駆動可能なことが分かる。
【００３０】
図４Ｅ及び図５Ｅから、ＡＲ＝３である場合、厚さｔが５ｎｍ以上で、飽和磁化量Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3以上の値をとるとき（ダイヤグラムの右上部）、ＨＲが０.６以下の値を示し、Ｈｓｗは１５０Ｏｅ以上の値を有することが分かる。
これは図７Ｂに示すように、ＭＲＡＭセルに符号Ｅで示した磁気ボルテックスにより、局所的なキンクが発生するためであると解釈できる。
一方、ＡＲ＝３またはＡＲ＝２.５のような大きい値であり、厚さｔと飽和磁化量Ｍｓとが小さい場合（ダイヤグラムの左下部）、図７Ａに示すように一部の磁区に３６０゜ドメインウォールＤが発生してウォールピニングによってキンクが発生し、これによってＨＲの値が小さくなる。
【００３１】
また、図４Ａないし図４Ｃ及び図５Ａないし図５ｃを参照すると、ＡＲが２以下、厚さｔが５ｎｍ以下及び飽和磁化量Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下であれば、ダイヤグラムの左下部に非常に広いキンクのない領域が現れることが分かる。ＡＲが２以下、厚さｔが５ｎｍ以下及び飽和磁化量Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3以下のＭＲＡＭセルの場合、３６０゜ドメインウォールが原因になるキンクは存在しない。これは、キンクのない領域には、磁気ボルテックスのようなキンクの原因因子が発生するために必要な所定の磁化質量（Ｍｓ×ｔ）が存在しないためと解釈できる。
【００３２】
次に、図６は、本実施例に係るＭＲＡＭセルの製作時、工程能力及びＨＲに対する選択性の変化を示したグラフである。図６において、２σは最低の工程能力を示し、６σは最高の工程能力を示している。図６から、工程能力が２σと低い場合にもＨＲ（＝Ｈｃ２／Ｈｃ１）が０.７より大きければ、選択性は１を示すことが分かる。
【００３３】
本実施例の仕様（ＡＲ≦２、ｔ≦５ｎｍ、Ｍｓ≦８００ｅｍｕ／ｃｍ3）を有するＭＲＡＭセルは、図４Ａないし図４Ｃに示したように、ＨＲが０.７より大きい値を示すので、工程能力に関係なく高選択性を有することが分かる。
【００３４】
図７Ａは前記したように磁区の３６０゜ドメインウォールＤを示し、図７Ｂは、磁区の磁気ボルテックスＥを示している。一般的に、ＭＲＡＭセルにおけるドメインウォールや磁気ボルテックスにより、抵抗−磁場曲線でキンクが発生すると推測されている。
【００３５】
本実施例に係るＭＲＡＭセルは、ＡＲ≦２、ｔ≦５ｎｍ、Ｍｓ≦８００ｅｍｕ／ｃｍ3という仕様で製作されることで、このような磁区のドメインウォールや磁気ボルテックスを抑制することによって、磁気−抵抗特性におけるキンクの発生を抑制することができる。
【００３６】
図８は、ＡＲ＝１.５、ｔ＝３ｎｍ、Ｍｓ＝６００ｅｍｕ／ｃｍ3の仕様で製作された本実施例に係るＭＲＡＭセルの抵抗−磁場曲線のシミュレーショングラフを示している。図８を参照すると、図２に示したような従来のＭＲＡＭセルの抵抗−磁場曲線で現れたキンクが全く現れていないことが分かる。すなわち、本実施例に係るＭＲＡＭセルはキンクのない抵抗−磁場特性を有するので、工程能力に依存せずに高選択性を示すことが分かる。
【００３７】
以上の説明において、多くの事項が具体的に記載されているが、これらは本発明の範囲を限定するものではなく、望ましい一実施形態の例示として解釈されなければならない。
【００３８】
例えば、本発明が属する技術分野の当業者であれば、本発明の技術的思想によってキンクが除去された多様な磁気抵抗素子を製造できる。それゆえに本発明の範囲は説明された実施例によって定められるのではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想によって定められる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、磁気抵抗メモリ素子に係り、キンクが抑制された磁気―抵抗特性を有することで、工程能力に関係なく高選択性の磁気抵抗メモリを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】従来のＭＲＡＭセルの模式的な構成図である。
【図２】従来のＭＲＡＭセルにおいて、記録のために選択された第１セルと第１セル周辺に位置する第２セル及び第３セルの抵抗−磁場の関係を示したグラフである。
【図３】本実施例に係るＭＲＡＭセルを模式的に示した構成図である。
【図４Ａ】長軸対短軸の比ＡＲ＝１の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨＲ（＝Ｈｃ２／Ｈｃ１）の分布を示すダイヤグラムである。
【図４Ｂ】長軸対短軸の比ＡＲ＝１．５の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨＲ（＝Ｈｃ２／Ｈｃ１）の分布を示すダイヤグラムである。
【図４Ｃ】長軸対短軸の比ＡＲ＝２の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨＲ（＝Ｈｃ２／Ｈｃ１）の分布を示すダイヤグラムである。
【図４Ｄ】長軸対短軸の比ＡＲ＝２．５の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨＲ（＝Ｈｃ２／Ｈｃ１）の分布を示すダイヤグラムである。
【図４Ｅ】長軸対短軸の比ＡＲ＝３の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨＲ（＝Ｈｃ２／Ｈｃ１）の分布を示すダイヤグラムである。
【図５Ａ】長軸対短軸の比ＡＲ＝１の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨｓｗの分布を示すダイヤグラムである。
【図５Ｂ】長軸対短軸の比ＡＲ＝１．５の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨｓｗの分布を示すダイヤグラムである。
【図５Ｃ】長軸対短軸の比ＡＲ＝２の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨｓｗの分布を示すダイヤグラムである。
【図５Ｄ】長軸対短軸の比ＡＲ＝２．５の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨｓｗの分布を示すダイヤグラムである。
【図５Ｅ】長軸対短軸の比ＡＲ＝３の場合の、自由層の厚さｔ、飽和磁化量Ｍｓに対するＨｓｗの分布を示すダイヤグラムである。
【図６】本実施例に係るＭＲＡＭセルの製作時の工程能力及びＨＲに対する選択性の変化を示したグラフである。
【図７Ａ】磁区の３６０゜ドメインウォールを簡単に示した図面である。
【図７Ｂ】磁区の磁気ボルテックスを簡単に示した図面である。
【図８】ＡＲ＝１.５、ｔ＝３ｎｍ、Ｍｓ＝６００ｅｍｕ／ｃｍ3の仕様で製作されたＭＲＡＭセルの抵抗−磁場曲線のシミュレーショングラフである。
【符号の説明】
【００４１】
３０    ＭＲＡＭセル
３１    第１磁性層
３３    非磁性層
３５    第２磁性層
ｌ      ビットライン方向の長軸の長さ
ｓ      ワードライン方向の短縮の長さ
ｔ      厚さ
【図１】
2004214687.tif 000003
【図２】
2004214687.tif 000004
【図３】
2004214687.tif 000005
【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2004214687.tif 000017
【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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