(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気メモリであって、
磁気トンネリング接合スタックをそれぞれ含む複数の磁気メモリ・セルであって、該複数の磁気トンネリング接合スタックの各々は、変更可能な磁気ベクトルを有する自由層と、絶縁層と、固着層とを含み、前記自由層および前記固着層は強磁性体であり、前記絶縁層は、前記自由層と前記固着層との間に位置する、前記複数の磁気メモリ・セルと、
前記複数の磁気メモリ・セルのうちの一つの対応する磁気メモリ・セルに接続された第１の複数の書き込み線であって、該第１の複数の書き込み線は、複数の磁気ビット線であり、該第１の複数の書き込み線の各々は、磁性体を含む中心部分を含み、前記複数の磁気ビット線の各々は、対応する前記自由層の変更可能な磁気ベクトルに磁気結合されるビット線の磁気ベクトルを有し、前記複数の磁気ビット線の各々は、以下の１）及び２）の少なくとも一方、
１）対応する前記自由層からの３００オングストローム以下の離間、
２）少なくとも３００オングストロームであり、且つ前記自由層の厚さより大きな厚さ
を有し、
これにより、前記磁気メモリ・セルの書き込み処理中に、前記磁気ビット線の各々の前記磁気ベクトルと、対応する前記自由層の前記磁気ベクトルとの間の改良された磁束の閉鎖を提供する第１の複数の書き込み線と、
第２の複数の書き込み線とを備え、
前記複数の磁気ビット線のうちの少なくとも１つおよび前記第２の複数の書き込み線のうちの少なくとも１つは、各々、前記複数の磁気メモリ・セルのうちの少なくとも１つに書き込みを行うための電流を搬送する、磁気メモリ。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、前記複数の磁気メモリ・セルは、複数の磁気ビット線に電気的に接続されている、磁気メモリ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、前記絶縁層は、前記自由層と前記固着層との間の電荷キャリアのトンネリングを許容する厚さを有する、磁気メモリ。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気メモリにおいて、前記複数の磁気ビット線の前記自由層からの分離は３００オングストローム以下である、磁気メモリ。
【請求項５】
請求項４に記載の磁気メモリにおいて、前記複数の磁気トンネリング接合スタックの各々は、前記自由層と対応する磁気ビット線との間に非磁性キャッピング層を含み、該非磁性キャッピング層は導電性である、磁気メモリ。
【請求項６】
請求項５に記載の磁気メモリにおいて、前記非磁性キャッピング層は高導電性金属である、磁気メモリ。
【請求項７】
請求項６に記載の磁気メモリにおいて、前記高導電性金属は、金、銅、アルミニウム、ロジウム、ルテニウム、タンタル、および／またはその合金を含む、磁気メモリ。
【請求項８】
請求項５に記載の磁気メモリにおいて、前記非磁性キャッピング層は銅を含み、前記対応する磁気ビット線は、前記銅と前記対応する書き込み線の残り部分との間に、拡散バリアを含む、磁気メモリ。
【請求項９】
請求項８に記載の磁気メモリにおいて、前記自由層は、前記銅と前記自由層との間に第２拡散バリアを含む、磁気メモリ。
【請求項１０】
請求項９に記載の磁気メモリにおいて、前記拡散バリアおよび前記第２拡散バリアはコバルト−鉄を含む、磁気メモリ。
【請求項１１】
請求項３に記載の磁気メモリにおいて、前記磁気ビット線は第１の厚さを有し、該第１の厚さは、前記自由層の第２の厚さよりも大きい、磁気メモリ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の磁気メモリにおいて、前記第１の厚さは前記第２の厚さの１０倍である、磁気メモリ。
【請求項１３】
請求項１１に記載の磁気メモリにおいて、前記第１の厚さは少なくとも３００オングストロームである、磁気メモリ。
【請求項１４】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、前記複数の書き込み線は軟磁性材料を含む、磁気メモリ。
【請求項１５】
請求項１４に記載の磁気メモリにおいて、前記軟磁性材料は、コバルト、ニッケル、鉄、および／またはその合金を含む、磁気メモリ。
【請求項１６】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、前記複数の書き込み線は複数の磁性層の複合体を含む、磁気メモリ。
【請求項１７】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、前記複数の書き込み線の各々は、前記複数の書き込み線の各々の長さ方向に対して実質的に平行に配向されている容易軸を有する、磁気メモリ。
【請求項１８】
請求項５に記載の磁気メモリにおいて、前記非磁性キャッピング層および前記対応する磁気ビット線は、前記磁気トンネリング接合スタックの上方に配置されており、前記第２の複数の書き込み線は、前記複数の磁気ビット線の上方に配置され、前記複数の磁気ビット線に対して実質的に直交するように配向されている、磁気メモリ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の磁気メモリにおいて、前記複数の磁気ビット線は、３００オングストロームと３０００オングストロームとの間の厚さを有することにより、前記第２の複数の書き込み線と前記自由層との間の分離を最小限とする、磁気メモリ。
【請求項２０】
請求項５に記載の磁気メモリにおいて、前記磁気トンネリング接合スタックは、更に、第２絶縁層と第２固着層とを含み、前記自由層は、前記絶縁層と前記第２絶縁層との間に挟持され、前記第２絶縁層は前記自由層と前記第２固着層との間に位置する、磁気メモリ。
【請求項２１】
請求項１に記載の磁気メモリであって、更に、複数の選択素子を備えており、該複数の選択素子の１つは前記複数の磁気メモリ・セルの各々に対応し、前記複数の選択素子の各々はゲートを含むＦＥＴであり、前記ゲートが追加の読み出しワード線に接続されている、磁気メモリ。
【請求項２２】
請求項１に記載の磁気メモリであって、更に、複数の選択素子を備えており、該複数の選択素子の各々は前記複数の磁気メモリ・セルの各々に対応し、前記複数の選択素子の各々はダイオードである、磁気メモリ。
【請求項２３】
請求項１に記載の磁気メモリにおいて、前記第２の複数の書き込み線は、第２の複数の磁気ビット線である、磁気メモリ。
【請求項２４】
磁気メモリの利用方法であって、
（ａ）書き込みモードにおいて、複数のメモリ・セルに書き込みを行うステップであって、複数の磁気メモリ・セルの各々は、磁気トンネリング接合スタックを含み、該複数の磁気トンネリング接合スタックの各々は、変更可能な磁気ベクトルを有する自由層と、絶縁層と、固着層とを含み、前記自由層および前記固着層は強磁性体であり、前記絶縁層は、前記自由層と前記固着層との間に位置し、前記複数のメモリ・セルは、第１の複数の書き込み線と第２の複数の書き込み線とに連結され、前記第１の複数の書き込み線の各々は、磁性体を含む中心部分を含む磁気ビット線であり、該複数の磁気ビット線のうちの少なくとも１つおよび前記第２の複数の書き込み線のうちの少なくとも１つは、各々、前記複数の磁気メモリ・セルのうちの少なくとも１つに書き込みを行うための電流を搬送し、
前記複数の磁気ビット線の各々は、対応する前記自由層の変更可能な磁気ベクトルに磁気結合されるビット線の磁気ベクトルを有し、前記複数の磁気ビット線の各々は、以下の１）及び２）の少なくとも一方、
１）対応する前記自由層からの３００オングストローム以下の離間
２）少なくとも３００オングストロームであり、且つ前記自由層の厚さより大きな厚さ
を有し、
これにより、前記磁気メモリ・セルの書き込み処理中に、前記磁気ビット線の各々の前記磁気ベクトルと、対応する前記自由層の前記磁気ベクトルとの間の改良された磁束の閉鎖を提供する、前記書き込みを行うステップと、
（ｂ）読み出しモードにおいて、前記複数のメモリ・セルから読み出しを行うステップと、
を備える方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の方法において、前記複数の磁気メモリ・セルは、複数の磁気ビット線に電気的に接続されている、方法。
【請求項２６】
請求項２５に記載の方法において、前記絶縁層は、前記自由層と前記固着層との間の電荷キャリアのトンネリングを許容する厚さを有する、方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法において、前記複数の磁気ビット線の前記自由層からの分離は３００オングストローム以下である、方法。
【請求項２８】
請求項２７に記載の方法において、前記複数の磁気トンネリング接合スタックの各々は、前記自由層と対応する磁気ビット線との間に非磁性キャッピング層を含み、該非磁性キャッピング層は導電性である、方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法において、前記非磁性キャッピング層は高導電性金属である、方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の方法において、前記非磁性キャッピング層は銅を含み、前記対応する磁気ビット線は、前記銅と前記対応する書き込み線の残り部分との間に、拡散バリアを含む、方法。
【請求項３１】
請求項３０に記載の方法において、前記自由層は前記銅と前記自由層との間に第２拡散バリアを含む、方法。
【請求項３２】
請求項２６に記載の方法において、前記磁気ビット線は第１の厚さを有し、該厚さは対応する前記自由層の第２の厚さよりも大きい、方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法において、前記第１の厚さは少なくとも３００オングストロームである、方法。
【請求項３４】
請求項２４に記載の方法において、前記複数の書き込み線は軟磁性材料を含む、方法。
【請求項３５】
請求項２４に記載の方法において、前記複数の書き込み線は複数の磁性層の複合体を含む、方法。
【請求項３６】
請求項２４に記載の方法において、前記複数の書き込み線の各々は、前記複数の書き込み線の各々の長さ方向に対して実質的に平行に配向されている容易軸を有する、方法。
【請求項３７】
請求項２４に記載の方法において、前記第２の複数の書き込み線は、第２の複数の磁気ビット線である、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気メモリに関し、更に特定すれば、好ましくは高密度であり、不揮発性であり、書き込み効率を高めた書き込み線を内蔵し、製造が容易であり、エレクトロマイグレーションに対する信頼性を向上させた磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ：Magnetic Random Access Memory ）を提供する方法およびシステムに関する。
【０００２】
本願は、３５ＵＳＣ１１９（ｅ）に基づいて、２００２年１２月９日に出願された仮特許出願第６０／４３１，７４２号の優先権を主張する。
本願は、２００３年２月５日に出願され、高密度および高プログラミング効率のＭＲＡＭ設計(HIGH DENSITY AND HIGH PROGRAMING EFFICIENCY MRAM DESIGN) と題された同時係属中の米国特許出願第６０／４４４，８８１号（２８１７Ｐ）に関連する。この出願は本願の譲受人に譲渡されている。本願は、ＭＲＡＭアーキテクチャならびに該アーキテクチャを利用してＭＲＡＭメモリを製造する方法およびシステム(MRAM ARCHITECTURE AND A METHOD AND SYSTEM FOR FABRICATING MRAM MEMORIES UTILISING THE ARCHITECTURE)と題された同時係属中の米国特許出願に関連する。この出願は本願の譲受人に譲渡されている。本発明は、磁気書き込み線を有するＭＲＡＭアレイ(MRAM ARRAY WITH MAGNETIC WRITE LINES)と題された同時係属中の米国特許出願に関連する。この出願は本願の譲受人に譲渡されている。
【背景技術】
【０００３】
ＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ、およびＳＲＡＭは、市場において主要な３種類の半導体メモリである。ＤＲＡＭの製造コストは最も低いが、ＤＲＡＭにはいくつかの欠点がある。ＤＲＡＭは、揮発性であり、したがって、電源を切るとデータが失われる。更に、ＤＲＡＭはリフレッシュを必要とし、比較的速度が遅く、消費電力が多い。ＦＬＡＳＨメモリは、不揮発性であるが、その速度は非常に遅い。加えて、ＦＬＡＳＨメモリの書き込みサイクルの耐久性は、通例１０００，０００サイクル未満である。これらの欠点のために、ＦＬＡＳＨメモリの用途は一部の高データ・レート市場に限定されている。ＳＲＡＭは高速メモリであるが、揮発性であり、セル当たり占有するシリコン面積量が比較的大きい。高速、不揮発性、小セル面積、および高い耐久性が得られる万能のランダム・アクセス・メモリの研究において、薄膜磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）が開発された。
【０００４】
従来の薄膜磁気ランダム・アクセス・メモリは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：Anisotropic Magnetoresistance ）セル、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance ）セル、および磁気トンネリング接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunneling Junction ）セルを含む種々の従来のメモリ・セル形式を用いて製造可能である。従来のＭＴＪセルは製造および使用が最も簡単であるので、本開示全体において、これを主な例として用いることとする。しかしながら、これらの概念が他のＭＲＡＭセルやアレイにも適用されることは、当業者には容易に理解できよう。従来のＭＴＪセルは、基本的にＭＴＪスタックを含む。ＭＴＪスタックは、一対の磁性層と、それらの間に挟持された絶縁層とを含む。磁性層の一方、固着層の磁気ベクトルは固定されている（固定磁化）。他方の磁性層（自由層）は変更可能な磁気ベクトル（可変磁化）を有する。可変磁気ベクトルは、固着層における固定磁気ベクトルに対して平行、あるいは実質的に反平行のいずれかに位置合わせされ安定している。磁気ベクトルがそろっているとき、従来のＭＴＪスタック、したがって、従来のＭＴＪセルの抵抗、即ち、磁性層間の電流に対する抵抗は最少となる。磁気ベクトルが対向する、即ち、そろっていないとき、従来のＭＴＪセルの抵抗は最大となる。
【０００５】
従来のＭＴＪセルにデータを記憶するために、従来のＭＴＪセルに磁界が印加される。印加された磁界の方向は、自由層の可変磁気ベクトルが選択された方位を向くように選択される。別の言い方をすれば、従来のＭＴＪセルに書き込みを行うには、自由層の磁気ベクトルの方向を変化させることが可能な磁界を印加するのが通常である。一般に、整列方位(aligned orientation) は論理１または０で示すことができ、一方不整列方位は逆、即ち、０または１となる。記憶したデータを読み出す、即ち、検知するには、一方の磁性層から他方の磁性層へ従来のＭＴＪセルを通過するように電流を流す。従来のＭＴＪセルを通過する電流量、即ち、従来のＭＴＪセル間の電圧降下は、可変磁気ベクトルの方位に応じて変化する。
【０００６】
可変磁気ベクトルの方位を変化させるための磁界は、大抵の場合、実質的に違いに直交する２本の導線によって供給される。電流が２本の導線を同時に通過すると、２本の導線における電流に伴って２つの磁界が発生する。これら２つの磁界は、自由層の可変磁気ベクトルに作用し、可変磁気ベクトルの方向を所定の方位に向けさせる。
【０００７】
図１は、従来の直交導線１０および１２、従来の磁気記憶セル１１、および従来のトランジスタ１３を含む従来の磁気メモリの一部を示す。従来の磁気記憶セル１１は、従来の導線１０と１２との間にあり、その交点に位置する。図１に示す磁気記憶セル１１は、従来のＭＴＪスタックから成る従来のＭＴＪセルである。従来の線１０および従来の線１２は、多くの場合、それぞれ、ワード線およびビット線と呼ばれている。これらの名称は、しかしながら、相互交換可能である。行線、列線、ディジット線、およびデータ線のような他の名称も用いてもよい。
【０００８】
従来のＭＴＪ１１のスタックは、主に、可変磁気ベクトル（明示せず）を備えた自由層１１０４、固定磁気ベクトル（明示せず）を備えた固着層１１０２、および２つの磁性層１１０４と１１０２との間にある絶縁体１１０３を含む。絶縁体１１０３の厚さは、磁性層１１０２と１１０４との間で電荷キャリアのトンネリングを可能にする程度に薄いのが通常である。層１１０１は、大抵の場合、シード層と、固着磁性層に強力に結合されている反強磁性層との複合体である。
【０００９】
書き込みの間、従来のビット線１２を流れる電流Ｉ１、および従来のワード線１０を流れる電流Ｉ２は、自由層１１０４上に２つの磁界を形成する。この磁界に応答して、自由層１１０４の磁気ベクトルは、Ｉ１およびＩ２の方向および振幅、ならびに自由層１１０４の特性および形状に応じた方向に向き付けられる。一般に、ゼロ（０）を書き込むには、Ｉ１またはＩ２のいずれかの方向を、１を書き込むときとは異ならせる必要がある。読み出しの間、従来のトランジスタ１３をオンにすると、微小なトンネリング電流が従来のＭＴＪセルを通過する。従来のＭＴＪセル１１を通過して流れる電流の量、即ち、従来のＭＴＪセル１１間の電圧降下を測定し、メモリ・セルの状態を判定する。構成によっては、従来のトランジスタ１３をダイオードで置き換えたり、あるいは完全に省略して、従来のＭＴＪセル１１を直接に従来のワード線１０に接触させたりする場合もある。
【００１０】
従来のワード線１０および従来のビット線１２を用いて、上記従来のＭＴＪセル１１に書き込みを行うことができるが、Ｉ１またはＩ２の振幅が、殆どの構成では、数ミリアンペア程度であることは当業者には理解されよう。したがって、多くのメモリ用途では更に微小な書き込み電流が望まれていることも、当業者には理解されよう。
【００１１】
図２は、書き込み電流を小さくした従来の磁気メモリの一部を示す。同様のシステムが、米国特許第５，６５９，４９９号、第５，９４０，３１９号、第６，２１１，０９０号、第６，１５３，４４３号、および米国特許出願公開第２００２／０１２７７４３号に記載されている。これらの引例に開示されている従来のシステムおよび従来のシステムを製造するための従来の方法では、ＭＴＪセル１１’に面していない３つの表面において軟磁性被覆層によってビット線およびワード線を被覆する。図２に示す従来のメモリの部分の多くは、図１に示したものに類似しており、そのため同様に付番してある。
【００１２】
図２に示すシステムは、従来のＭＴＪセル１１’、従来のワード線１０’、およびビット線１２’を含む。従来のワード線１０’は、２つの部分、即ち、銅製コア１００１および軟磁性被覆層１００２で構成されている。同様に、従来のビット線１２’は、２つの部分、銅製コア１２０１および軟磁性被覆層１２０２で構成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
図１の構成に関連して、軟磁性被覆層１００２および１２０２は、Ｉ１およびＩ２に伴う磁束をＭＴＪセル１１’上に集中させ、ＭＴＪセル１１’に面していない表面上の磁界を減少させることができる。このように、軟磁性被覆層１００２および１２０２は、ＭＴＪセル１１’を構成するＭＴＪ上に磁束を集中させ、自由層１１０４の調整を一層容易にしている。この手法は理論的には十分に機能するが、軟磁性被覆層１００２および１２０２における従来の線１０’および１２’の垂直側壁に接する部分の磁気特性の制御が困難であることは、当業者には理解されよう。従来のワード線１０’および従来のビット線１０’を製造するプロセスが複雑であることも、当業者には理解されよう。製造方法が複雑であると、高密度化に向けた縮小化(scaling) に大きな課題を残すことになる。したがって、縮小可能であり、製造が容易であり、高い書き込み効率を実現するＭＲＡＭアーキテクチャを提供するのは非常に望ましい。
【００１４】
更に、図１および図２に示した従来の構成では、従来の書き込み線１０，１０’，１２，１２’の縮小可能性には限界がある。これらの従来の構成では、従来の書き込み線１０，１０’，１２，１２’が殆どの場合アルミニウムまたは銅のいずれかにより製造されている。アルミニウムおよび銅の現在における密度の限界は、１×１０６Ａ／ｃｍ２以下の程度である。メモリ密度を高めるために線幅を狭めるに連れて、エレクトロマイグレーション電流密度の限界から、縮小化には難題が課される。
【００１５】
他の従来のシステムによっては、異なる解決策を提案しようとするものもあるが、その各々にはそれ自体の欠点がある。一例として、米国特許出願公開第２００２／００８０６４３号では、書き込み動作の後に逆電流を書き込み線に印加して、エレクトロマイグレーションを防止することが提案されている。しかし、かかる従来の方法では、メモリの速度を低下させ、更に複雑化にすることにより、性能が低下することが伴う。したがって、高密度メモリ・アレイに容易に縮小可能であり、エレクトロマイグレーションに対する信頼性が高い材料により製造された書き込み線を有することも非常に望ましい。
【００１６】
従来の細いビット線は、メモリの小型化または高効率化のために用いられることもあるが、欠点がある。従来の細いビット線は、高い抵抗を有する。これは、メモリ・アレイ全体の性能に悪影響を及ぼす。しかしながら、この難点を克服する従来の方法が数多く存在する。１つの一般的な方法は、メモリ・アレイ内の長いビット線を、太い金属により製造されたグローバル・ビット線にまとめ、そのグローバル・ビット線を、これらよりも細く、したがって抵抗が大きい金属により製造されたローカル・ビット線に接続することである。かかる構成の例は、米国特許第６，３３５，８９０号および米国特許出願公開第２００２／００３４１１７号によって教示されている。しかしながら、エレクトロマイグレーションのような、先に記載した他の問題は克服されないままである。
【００１７】
したがって、縮小可能で、効率的な低電流磁気メモリを提供するシステムおよび方法が求められている。本発明は、この要望に取り組むものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
磁気ランダム・アクセス・メモリを提供して使用する方法およびシステムが開示される。この方法およびシステムは、複数の磁気メモリ・セル、第１の複数の書き込み線、および第２の複数の書き込み線を設けることを含む。第１の複数の書き込み線は、複数の磁気書き込み線である。複数の磁気線のうちの少なくとも１つ、および第２の複数の書き込み線のうちの少なくとも１つは、各々、複数の磁気メモリ・セルのうちの少なくとも１つに書き込むための電流を搬送する。好ましくは、複数の磁気書き込み線は、軟磁性の特性を有する磁気ビット線である。磁気メモリ・セル内の磁気トンネリング接合スタックでは、磁気ビット線は、磁気メモリ・セルの自由層よりも遥かに厚く、これに近接して配置されていることが好ましい。
【００１９】
本明細書に開示するシステムおよび方法によれば、本発明は、効率を高め、エレクトロマイグレーションに対する信頼性を高めつつ、製造を一層容易にする磁気メモリを提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、磁気メモリにおける改良に関する。以下の説明は、当業者が本発明を実施し使用することを可能にするために提示され、特許出願およびその要件に合わせて用意されている。好適な実施形態に対する種々の変更は、当業者には容易に想起され、この中の包括的な原理は他の実施形態にも適用可能である。したがって、本発明は、図示の実施形態に限定されることは意図しておらず、この中に記載されている原理および特徴に沿った最も広い範囲に合致するものとする。
【００２１】
磁気ランダム・アクセス・メモリを提供して使用する方法およびシステムが開示される。この方法およびシステムは、複数の磁気メモリ・セル、第１の複数の書き込み線、および第２の複数の書き込み線を設けることを含む。第１の複数の書き込み線は、複数の磁気書き込み線である。複数の磁気線のうちの少なくとも１つ、および第２の複数の書き込み線のうちの少なくとも１つは、各々、複数の磁気メモリ・セルのうちの少なくとも１つに書き込むための電流を搬送する。好ましくは、複数の磁気書き込み線は、軟磁性の特性を有する磁気ビット線である。磁気メモリ・セル内の磁気トンネリング接合スタックでは、磁気ビット線は、磁気メモリ・セルの自由層よりもはるかに厚く、これに近接して配置されていることが好ましい。
【００２２】
本発明は、特定の種類の磁気メモリ、特定の材料、および特定の構成要素による構成を用いて説明される。しかしながら、この方法およびシステムが、本発明とは矛盾しない他の磁気メモリ・セルや、他の材料および構成によっても事実上動作することは、当業者は容易に理解されよう。例えば、ＭＴＪスタックは、単一の磁性層を含むものとして説明するが、これは、他の材料、他の合金、および合成層の使用を妨げるものはない。また、本発明は磁気ビット線を用いて説明されるが、本方法およびシステムが磁気ワード線、ディジット線、または単に書き込み線についても整合することは、当業者は容易に理解されよう。
【００２３】
本発明による方法およびシステムを更に詳細に例示するために、以下に、図３ａ、図３ｂ、および図３ｃを参照すると、本発明によるＭＲＡＭのような、磁気メモリの一つの実施形態の一部が示されている。図３ａは、本発明による磁気メモリの一部の側面図である。ＭＲＡＭは、ワード線（図示せず）、磁気ビット線３２のようなビット線、および複数のＭＲＡＭセルを含み、複数のＭＲＡＭセルのうちの１つが図示されている。図示のＭＲＡＭセル３１は、ＭＴＪスタック３１を含む。ＭＴＪスタック３１は、２つの磁性層、即ち、固着層３１０１および自由層３１０３を含む。自由層３１０３は、可変磁気ベクトルを有し、一方、固着層３１０１は、固定磁気ベクトルを有する。磁性層３１０１および３１０３は、ニッケル、コバルト、鉄、またはその合金のような磁性体により製造されることが好ましい。硼素や窒素のようなその他の元素も、所望の磁気特性を得るために添加することができる。図では自由層３１０３および固着層３１０１は各々単一層として示されているが、各層を数種類の磁性層の複合体とすることもできることは、当業者には明白であろう。固着層３１０１は、ここには示さないが、３１０１の直下にある反強磁性層、または当業者にはなじみのあるその他の手段によって固定されていることが多い。
【００２４】
絶縁層３１０２がこれら２つの磁性層を分離している。絶縁層３１０２は、好ましくは、酸化アルミニウム、その他の酸化物、または２つ以上の酸化物層の複合体である。また、絶縁層３１０２は、磁性層３１０１と３１０３との間での電荷キャリアのトンネリングを可能にする程度の薄さであることが好ましい。自由層３１０３は、金属層３１０４によって覆われていることが好ましい。図中のキャッピング層は、銅、金、銀、ロジウム、ルテニウム、アルミニウム、およびタンタルのような、高導電性金属により製造されることが好ましい。銅をキャッピング層として用いる場合、大抵の場合コバルト−鉄（図示せず）を拡散バリアとしても用いる。かかる場合、自由層３１０３は、少なくとも数オングストロームの薄いコバルト−鉄層をその上に含み、キャッピング層３１０４から自由層３１０３への銅の拡散を防止するようにするとよい。この拡散バリアは、ニッケル−鉄が自由層３１０３の一部である場合に、特に有用性がある。
【００２５】
磁気ビット線３２は、ＭＴＪスタック３１と交差し、金属キャッピング層３１０４と接触することが好ましい。本発明では、ビット線３２は磁気性である。磁気ビット線３２の大部分、好ましくは全ては、ニッケル、コバルト、鉄、またはＮｉＦｅのようなこれらの合金といった磁性体により製造されている。磁気ビット線３２を構成する磁性体は、軟磁性体である。一つの実施形態では、磁気ビット線３２のコア（中心部分）は磁気性である。好適な実施形態では、シード層のような層を除いて、磁気ビット線３２の大部分または全ては磁気性である。磁気ビット線３２を、更に、数種類の磁性層の複合体とすることもできる。銅を金属キャッピング層３１０４として用いる場合、磁気ビット線３２は、銅製金属キャッピング層３１０４と磁気ビット線３２との間の拡散バリアとして、コバルト鉄層（別個には示されていない）を少なくとも含むべきである。磁気ビット線３２の殆どを磁性体から製造することが好ましいが、磁気ビット線３２は非磁性金属シード層を有することもできる。しかしながら、以下で説明する理由のために、磁気ビット線３２の磁気部分と自由層３１０３との間には、約３００オングストローム以下の間隔があることが更に好ましい。好適な実施形態では、ＭＴＪスタック３４の金属シード層（図示せず）および非磁性キャッピング層３１０４を組み合わせた厚さは、依然として３００オングストローム程度以下である。
【００２６】
図３ｂは、本発明による磁気ビット線３２およびＭＴＪスタック３１の構造の断面図を示す。磁気ビット線３２は幅Ｗ３２を有する。ＭＴＪスタック３１は幅Ｗ３１を有する。本発明では、磁気ビット線の幅Ｗ３２は、ＭＴＪスタックの幅Ｗ３１以上であることが好ましい。図３ｂでは、磁気ビット線の幅Ｗ３２は、ＭＴＪスタックの幅Ｗ３１よりも広い。しかしながら、自己整合パターニング・プロセスを用いれば、幅が実質的に等しい磁気ビット線３２およびＭＴＪスタック３１を生成することができ、これら２つの間で実質的に完全な整合を得ることができる。かかるプロセスでは、磁気ビット線の幅Ｗ３２およびＭＴＪスタックの幅Ｗ３１は、イオン・ミリングのような１回のエッチング・プロセスによって決定される。
【００２７】
図３ｃは、本発明による磁気ビット線３２およびＭＴＪスタック３１の実施形態の平面図である。図３ｃにおいて、ＭＴＪスタック３１は、長方形の形状を有し、その長軸が磁気ビット線３２と実質的に一致するように示されている。このように、ＭＴＪスタック３１は、自由層３１０３の磁気ベクトルが実質的に磁気ビット線３２に沿って長さ方向に向くような形状異方性を有する。以下の説明では、この形状異方性を仮定して説明を続けることとする。しかしながら、自由層３１０３の他の形状や磁気ベクトルの他の方位も、本発明と整合することを注記しておく。例えば、自由層の容易軸がビット線の長さ方向に直交して配向されていたとしても、本発明は機能することを注記しておく。
【００２８】
図４は、図３ａ、図３ｂ、および図３ｃに記載した自由層３１０３および磁気ビット線３２のＭＲＡＭの部分の実施形態の平面図である。図４では、磁気ビット線３２の磁気ベクトルＭ３２１、Ｍ３２２、およびＭ３２３の表示が示されている。本発明によれば、磁気ベクトルは、ビット線に実質的に平行に長さ方向に配向されることになっている。また、図４には、自由層３１０３の磁気ベクトルＭ３１１／Ｍ３１２も示されている。静止状態では、自由層の磁気ベクトルＭ３１１／Ｍ３１２は容易軸方向を向くはずである。したがって、例示の目的で、自由層のベクトルは、Ｍ３１１またはＭ３１２のいずれかとして示されており、メモリ・セル３１の２つの論理状態を表している。加えて、図４は、ＭＴＪスタック３１の形状のために、磁気ビット線３２と実質的に一致する長軸と平行な、ＭＴＪスタック３１の自由層３１０３の容易軸も示す。しかしながら、自由層３１０３の容易軸を、固有異方性および／または応力異方性による等、別の方法で誘導することもできる。好適な実施形態では、自由層の容易軸は、形状、固有異方性、および応力誘導異方性の組み合わせによって誘導されている。
【００２９】
図５は、書き込みの間の磁気メモリの一部の一つの実施形態を示す。図５は、磁気ビット線３２を流れる書き込み電流Ｉ３２が存在する場合における、図４に表したような、磁気ビット線３２および自由層３１０３の磁気ベクトルを示す。尚、論理状態は、自由層の磁気ベクトルＭ３１２に対応すると仮定する。電流Ｉ３２が誘導する磁界が、右手の法則にしたがって、自由層の磁気ベクトルＭ３１２を回転させる。したがって、自由層３１０３の磁気ベクトル３１２は、図５に示すように下に回転する。磁気ビット線３２の磁気ベクトルＭ３２２が自由層３１０３に近接しているので、Ｍ３２２は、自由層磁気ベクトルＭ３１２と強い静磁気結合を有する。その結果、Ｍ３２２も、図５に示すように、上に回転し、磁気ビット線３２に垂直な方向に磁束の閉鎖（flux closure）を形成する。
【００３０】
好適な実施形態では、磁気ビット線３２の磁気モーメントは、自由層３１０３の磁気モーメントよりも遥かに大きい。好ましくは、磁気ビット線３２の厚さを自由層３１０３のそれよりも遥かに大きくすることによって、これを確保する。磁気ビット線３２のモーメントは、自由層３１０３のそれよりも遥かに大きいので、ビット線磁気ベクトルＭ３２２の回転角度θ３２２は、自由層磁気ベクトルＭ３１２の回転角度θ３１２よりも遥かに小さい。好適な実施形態では、磁気ビット線３２の磁気ベクトルＭ３２２は、したがって、書き込み動作の間中、実質的に磁気ビット線３２の長さ方向を向き続ける。言い換えると、自由層磁気ベクトルの逆転の間、磁気ビット線３２の磁気ベクトルＭ３２２は、極めて微小な角度だけビット線の長さ方向から逸れるに過ぎない。好適な実施形態では、ビット線磁気ベクトルＭ３２２の回転角度θ３２２の正弦の自由層磁気ベクトルＭ３１２の回転角度θ３１２の正弦に対する比率は、大まかに次の通りである。
ｓｉｎ（θ３２２）／ｓｉｎ（θ３１２）〜（自由層３１０３の総モーメント）／（磁気ビット線３２の総モーメント）
磁気ビット線３２の磁気モーメントが少なくとも自由層３１０３の磁気モーメントの１０倍であることを確保することによって、ビット線磁気ベクトルに対する微小回転角度が得られる。実際には、少なくとも３００オングストローム以上の線の厚さをビット線３２に与えることによって、この磁気モーメントの差を得ることが好ましい。
【００３１】
ワード線３０の書き込み効率を悪化させることなく磁気ビット線３２の書き込み効率を高めるためには、磁気ビット線３２のビット線磁気ベクトルＭ３２２にとって、微小回転角度θ３２２が望ましい。図５に示すように、磁気メモリはワード線３０も含み、好適な実施形態では、ワード線３０は磁気ビット線３２に実質的に直交して引かれている。書き込みの間、電流Ｉ３０がワード線３０を流れ、一方、電流Ｉ３２が磁気ビット線３２を流れる。２つの電流（Ｉ３０およびＩ３２）およびワード線電流Ｉ３０の極性の組み合わせによって、自由層３１０３の磁気ベクトル（Ｍ３１１／Ｍ３１２）の最終的な方向が決定される。別の言い方をすれば、２つの電流Ｉ３０およびＩ３２を組み合わせてＭＴＪスタック３１に書き込みを行う。書き込みの間、Ｉ３０が生成する磁界Ｆ３０は、磁気ビット線３２に沿って実質的に長さ方向を向く。磁界Ｆ３０の極性は、図５に示すように左または右であるが、Ｉ３０の極性によって決定される。磁界Ｆ３０の極性は、ＭＴＪセル３１に書き込まれる論理状態を決定する。
【００３２】
磁界Ｆ３０は、ビット線磁気ベクトルＭ３２２および自由層磁気ベクトルＭ３１２双方にトルクを生成する。θ３１２がθ３２２よりも遥かに大きいと、磁界Ｆ３０によって自由層磁気ベクトルＭ３１２に関して生成されるトルクは、ビット線磁気ベクトルＭ３２２に関するトルクよりも遥かに大きくなる。更に、θ３２２が無視できる程小さい場合、Ｍ３２２に関するトルクも無視できる。その結果、ビット線磁気ベクトルＭ３２２は、磁気ビット線３２に沿って、実質的に長さ方向を向き続け、磁束の閉鎖が維持される。このように、ワード線３０の書き込み効率が悪化することなく、磁気ビット線３２の書き込み効率は、磁束の閉鎖によって大幅に向上する。
【００３３】
磁気ビット線３２の厚さが自由層３１０３よりも遥かに大きいことに加えて、磁気ビット線の磁気ベクトルＭ３２２と自由層の磁気ベクトルＭ３１１／Ｍ３１２との間に一層効率的な磁束の閉鎖を得るためには、磁気ビット線３２と自由層３１０３との間の間隔を十分小さくする。したがって、好適な実施形態では、磁気ビット線３２の厚さは、自由層３１０３の厚さよりも遥かに大きくなり、自由層３１０３と磁気ビット線３２との間の間隔は十分小さくなる。しかしながら、代替実施形態では、これらの構造の１つ以上を省略してもよい。例えば、磁気ビット線３２と自由層３１０３との間の間隔を十分に小さくして、磁気ビット線３２および自由層３１０３間の厚さの差を小さくてもよい。所望の間隔の推定は、２つの磁性層の磁束の閉鎖のための従来の特徴的長さを用いて行うことができる。磁気ビット線３２は自由層３１０３よりも遥かに厚いことが好ましいので、その特徴的長さは大まかに（μｇｔ／２）０．５である。ここで、μは自由層３１０３の透磁率、ｇは磁気ビット線３２と自由層３１０３との間の間隔、ｔは自由層３１０３の厚さである。ＭＴＪスタック３１の幅Ｗ３１は、大きく縁端が丸まった壁を避けるためには、特徴的長さよりも遥かに大きいことが好ましい。その結果、所望の間隔は、以下の関係から決定することができる。
（μｇｔ／２）０．５＜Ｗ３１
今日の用途では、この関係は、間隔を所望通りに狭くするには、間隔は３００オングストローム程度以下にするとよいことを意味する。したがって、好適な実施形態では、自由層３１０３と磁気ビット線３２との間の間隔は３００オングストローム未満であり、一方、磁気ビット線３２の厚さは、３００オングストロームよりも大きい。
【００３４】
図６は、図３ｂに示した磁気ビット線３２およびＭＴＪスタック３１の一つの実施形態の断面図を示す。書き込みの間、磁気ビット線３２の電流Ｉ３２の一部が、金属キャッピング層３１０４によって分路される。金属キャッピング層の電流Ｉ６１は、磁気ビット線３２および自由層３１０３に、それぞれ、磁界Ｆ６１およびＦ６２を生成する。これら２つの磁界Ｆ６１およびＦ６２は、方向が逆であり、磁気ビット線３２と自由層３１０３との間の磁束の閉鎖を更に強化する。したがって、自由層３１０３と磁気ビット線３２との間の磁束の閉鎖を強化するためには、高導電性金属をキャッピング層３１０４として有することが望ましい。好適な実施形態では、キャッピング層３１０４は、金、銅、銀、ルテニウム、ロジウム、アルミニウム、その他の周知の高導電体、およびその合金を含む。
【００３５】
銅をキャッピング層３１０４として用いる場合、キャッピング層３１０４と自由層３１０３との間の拡散バリアとして、コバルト−鉄（図示せず）または他の適切な物質を大抵の場合用いる。かかる実施形態では、自由層３１０３は、銅の自由層３１０３への拡散を防止するために、その上面に少なくとも数オングストロームの薄いコバルト−銅層（図示せず）を含むことが好ましい。この拡散バリアは、ニッケル−鉄が自由層３１０３の一部である場合に特に有用と考えられる。同様の理由により、特にニッケル−鉄を磁気ビット線３２の一部として用いる場合には、銅製キャッピング層３１０４と磁気ビット線３２との間にコバルト−鉄層（図示せず）を配するとよい。
【００３６】
磁気ビット線３２の抵抗を低下させるために、高導電性非磁性金属（図示せず）の薄膜を、磁気ビット線３２のシード層（図示せず）として配することができる。しかしながら、このシード層の厚さは、十分に小さく、非磁性シード層とキャッピング層３１０４を組み合わせた厚さが約３００オングストローム以下となるようにすることが好ましい。
【００３７】
本発明による方法およびシステムについて、自由層３１０３を薄い絶縁層３１０２の上に有するＭＴＪスタック３１を用いて説明したが、本方法およびシステムは、他の磁気構造でも機能することを当業者は容易に理解されよう。かかる磁気構造は、絶縁トンネリング層の直下に自由層を有するＭＴＪスタック（図示せず）、ならびに２つの絶縁トンネリング層および２つの絶縁層間に挟持された自由層を有するＭＴＪスタック（図示せず）を含むが、これらに限定される訳ではない。各構成において、磁気ビット線と自由層との間の間隔は、３００オングストローム程度以下であることが好ましい。別の構成では、この好ましい厚さは、キャッピング層、固着層、またはその他の層のような、磁気ビット線３２と自由層３１０３との間にあるいずれの層も考慮する。
【００３８】
更に、磁気ビット線をＭＴＪスタック３１の上に配する必要はないことを当業者には容易に理解されよう。例えば、磁気ビット線３２は、ＭＴＪ構造の直下に位置することもできる。磁気ビット線３２とＭＴＪスタック３１との間の電気的接続も必要ない。かかる実施形態では、磁気線は書き込み線と呼ばれ得る。さらに、別の実施形態では、書き込み線およびビット線は双方とも磁気性でもよい。しかしながら、全ての実施形態において、磁気書き込み線がある場合はこれと、可変磁気ベクトルを有する自由層との間の間隔は、約３００オングストローム以下であり、磁気書き込み線の厚さは、３００オングストロームよりも大きいことが好ましい。
【００３９】
図７は、本発明によるＭＲＡＭメモリの一部の好適な実施形態の１つを示す。構成要素の多くは、図３ａ〜図３ｃ、図４、図５、および図６に示した磁気ビット線３２、メモリ・セル／ＭＴＪスタック３１、およびワード線３０に類似している。したがって、多くの構成要素には同様に付番している。例えば、図７におけるＭＴＪスタック３１’は、図３ａ〜図３ｃ、図４、図５、および図６に示したＭＴＪスタック３１に対応する。図７を参照すると、前述のような磁気ビット線３２’およびＭＴＪスタック３１’に加えて、ワード線３０’、バイパス接続７８、導電層７９、接地線７７、およびトランジスタ８１が基板７２内に示されている。ワード線３０’は、実質的に磁気ビット線３２’に直交して引かれていることが示されている。ＭＴＪスタック３１’は、導電層７９およびバイパス接続７８を介して、トランジスタ８１のソース７４に接続されている。トランジスタ８１は好ましくはＦＥＴトランジスタである。ＦＥＴトランジスタ８１のドレイン７３は、接点７５を介して接地線７７に接続されている。ＦＥＴトランジスタ８１のゲート７６は、読み出しワード線（図示せず）に接続されている。図示の構成は好ましいが、本発明による磁気ビット線を組み込んだ他の多くの異なる構成も可能であることは、当業者には容易に理解されよう。例えば、トランジスタ８１の代わりにダイオード（図示せず）を用いることができる。トランジスタもダイオードもないＭＲＡＭセル（図示せず）もまた可能である。
【００４０】
図８は、本発明によるＭＲＡＭの一部の別の好適な実施形態を示す。構成要素の多くは、図３ａ〜図３ｃ、図４、図５、図６および図７に示した磁気ビット線３２”、メモリ・セル／ＭＴＪスタック３１および３１’、ならびにワード線３０および３０”に類似している。したがって、多くの構成要素には同様に付番している。例えば、図８におけるＭＴＪスタック３１”は、図３ａ〜図３ｃ、図４、図５、図６および図７に示したＭＴＪスタック３１および３１’に対応する。同様に、トランジスタ８１’は、図７のトランジスタ８１に対応する。ワード線８０は、図３ａ〜図３ｃ、図４、図５、図６および図７におけるワード線３０および３０’に対応する。図８を参照すると、ＭＲＡＭは、磁気ビット線３２”、ＭＴＪスタック３１”、バイパス接続７８’、接地線７７’、およびＦＥＴ８１’を基板７２’内に含む。ビット線３２”、ＭＴＪ３１”、ＦＥＴ８１’、およびワード読み出し線８０は、実質的に図７に関連して説明したものと同一である。しかしながら、図７のワード線３０とは異なり、図８のワード線８０’は、磁気ビット線３２”の上方に配置されている。ワード線８０’の書き込み効率を維持するために、磁気ビット線３２”の厚さは、できるだけ小さい方が好ましく、例えば、３００オングストロームと３０００オングストロームとの間であり、これにより、ワード線８０’と自由層３１０３”との間の分離を最小限とする。従来のビット線をこの細さにすることは、通常の構成では、ビット線がアルミニウムまたは銅で製造されているので、困難である。しかしながら、かかる小さな厚さは本発明では実用的である。
【００４１】
前述したように、従来の細いビット線には２つの欠点がある。第１に、従来の細いビット線は大きな抵抗を有する。これは、メモリ・アレイ全体の性能に悪影響を及ぼす。しかしながら、この難点を克服する従来の方法が数多くある。１つの一般的な方法は、メモリ・アレイ内の長いビット線を、太い金属により製造されたグローバル・ビット線にまとめ、グローバル・ビット線を、これらよりも細く、したがって抵抗が大きい金属により製造されたローカル・ビット線に接続することである。しかしながら、かかる従来の方法は磁気ビット線を用いない。加えて、かかる従来の方法には、以下で説明するエレクトロマイグレーションのような、他の欠点がある。
【００４２】
第２に、従来の細い金属線のエレクトロマイグレーションが信頼性に悪影響を及ぼす。例えば、銅は、約１×１０６Ａ／ｃｍ２以下の電流密度に対して、エレクトロマイグレーションの限度が比較的低い。アルミニウム線は、エレクトロマイグレーションによる悪影響を受けずに電流を搬送する能力は更に低い。比較のために、ニッケル−鉄のような磁性体は、エレクトロマイグレーションによる悪影響を受けずに電流を搬送する能力は遥かに高い。例えば、ニッケル−鉄膜は、ハード・ドライブにおいて磁気抵抗読み出しセンサに用いられており、１０８Ａ／ｃｍ２を上回る電流の搬送能力を有することが示されている。これは、アルミニウムや銅のそれよりも遥かに大きく、したがってかなり薄くかつ／または細い線が可能となる。
【００４３】
ニッケル−鉄のような軟磁性膜の優れたエレクトロマイグレーション特性のため、数百オングストローム程度の細いビット線を有することは現実的である。これはワード線８０の効率を大幅に高める。ワード線８０は、図８では単一線として示されているが、本発明が、ワード線８０のための被覆層の使用というような、一層効率的なワード線の構造も含むことは、当業者には理解されてしかるべきである。
【００４４】
以上、書き込み効率を向上させ、信頼性を高め、製造を一層簡単にした磁気メモリを提供する方法およびシステムが開示された。図示の実施形態にしたがって本発明の説明を行ったが、実施形態には変形もあり得ること、更に、これらの変形は本発明の主旨および範囲に該当することは当業者には容易に認められよう。したがって、多くの変更を、本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、当業者は行うことができよう。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】ビット線とワード線との交点に位置するＭＴＪセルを含む従来の磁気メモリの一部の三次元図。
【図２】書き込み効率を高めるための磁気被覆を有するビット線とワード線との交点に位置するＭＴＪセルを含む従来の磁気メモリの一部の三次元図。
【図３ａ】磁気ビット線を備えたＭＲＡＭセル内にＭＴＪスタックを含む、本発明による磁気メモリの一つの実施形態の一部の側面図。
【図３ｂ】磁気ビット線を備えたＭＲＡＭセル内にＭＴＪスタックを含む、本発明による磁気メモリの一つの実施形態の一部の断面図。
【図３ｃ】磁気ビット線を備えたＭＲＡＭセル内にＭＴＪスタックを含む、本発明による磁気メモリの一つの実施形態の一部の平面図。
【図４】本発明による磁気メモリの一つの実施形態について、静止状態におけるＭＴＪセルの自由層および磁気ビット線の磁気ベクトルの表示を含むＭＴＪセルおよびビット線の平面図。
【図５】本発明による磁気メモリの一つの実施形態について、書き込み電流がビット線を流れているときのＭＴＪセルの自由層および磁気ビットの磁気ベクトルの表示を含むＭＴＪセルおよびビット線の平面図。
【図６】本発明による磁気メモリの一つの実施形態について、金属スペーサ内における電流の一部によって生成された磁界を示す、ＭＴＪセルおよびビット線の断面図。
【図７】メモリ・セルを含む、本発明によるＭＲＡＭの一つの実施形態の一部の断面図。
【図８】メモリ・セルを含む、本発明によるＭＲＡＭの別の実施形態の一部の断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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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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