(57)【要約】本発明は、軟磁性読み出しおよび／または書き込み層システムと、少なくとも１つの硬磁性基準層システムとを備える、読み出しおよび／または書き込み操作のためのデジタル磁気メモリーセル装置に関するものである。上記基準層システムは、ＡＡＦシステムとして構成されており、ＡＡＦ層構造体と少なくとも１つの基準層とを含んでいる。上記基準層システムは、少なくとも１つの強磁性層を備え、上記強磁性層は、ＡＦＦ層構造体の磁気層に隣接するように配置されており、反強磁性層（１０）は、一軸性の異方性を有するように層厚のサイズが設定されている。
2004532530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
読み出しおよび／または書き込み操作用のデジタル磁気メモリーセル装置であって、
軟磁性読み出しおよび／または書き込み層システムと、ＡＦＦシステムとして構成されている少なくとも一つの硬磁性基準層システムとを備え、
上記硬磁性基準層システムは、ＡＦＦ層構造体と少なくとも一つの基準層とを備え、
上記基準層システムは、ＡＦＦ層構造体の磁気層に隣接して配置されている少なくとも一つの強磁性層を備えており、
反強磁性層（１０）は、一軸性の異方性を有するようにその厚さが決定されていることを特徴とするデジタル磁気メモリーセル装置。
【請求項２】
上記反強磁性層（１０）は、読み出しおよび／または書き込み層システム（４）から離れたＡＦＦ層構造体（６）側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のメモリーセル装置。
【請求項３】
上記反強磁性層（１０）の厚さは、使用される層の材料に応じて選択されているとともに、常に１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のメモリーセル装置。
【請求項４】
上記反強磁性層（１０）の材料は、ＮｉＯ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＣｒＰｔＭｎ，ＲｈＭｎおよびＰｄＭｎからなる群から選択されることを特徴とする、上記請求項のいずれかに記載のメモリーセル装置。
【請求項５】
巨大耐磁性システム、磁気トンネル結合システムまたはスピンバルブトランジスタシステムであることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のメモリーセル装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のメモリーセル装置を複数個有するデジタルメモリー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、読み出しおよび／または書き込み操作のためのデジタル磁気メモリーセル装置（digitale magnetische Speicherzelleneinrichtung）に関するものである。上記デジタル磁気メモリーセル装置は、軟磁性読み出しおよび／または書き込み層システム(weichmagnetischen Lese-und/oder Schreibschichtsystem)と、ＡＡＦシステムとして構成されている硬磁性基準層システム（hartmagnetischen Referenzschichtsystem）とを備えている。上記硬磁性基準層システムは、ＡＡＦ層構造体(AAF-Schichtverbund)と少なくとも１つの基準層とを備えている。上記基準層システムは、ＡＡＦ層構造体の磁気層に隣接するように配置されている少なくとも１つの反強磁性層(antimagnetische Schicht)を備えている。
【０００２】
この種のデジタルメモリーセル装置は、磁性を有する基板(magnetischer Basis)上に情報を蓄積する役割を果たす。個々のメモリーセル装置は、通常、メモリー装置の一部であり、しばしばＭＲＡＭ（磁性ランダムアクセスメモリ：magnetic random access memory）とも呼ばれる。このようなメモリーにより、読み出しおよび／または書き込み操作を実行できる。個々のメモリーセル装置は、軟磁性読み出しおよび／または書き込み層システムを備えている。軟磁性読み出しおよび／または書き込み層システムは、中間層（Zwischenschicht）によって、硬磁性基準層システムから分離されている。なお、上記硬磁性基準層システムは、この型（vorliegenden Typ）の記憶セル装置の場合にはＡＡＦシステムとして構成されている。基準層システムの基準層の磁化（Magnetisierung）は、安定しており、形成される磁場(anliegenden Feld)において変化しない。一方、軟磁性読み出しおよび／または書き込み層システムの磁化は、磁場を形成することにより切替えられる。２つの磁気層システムは、相互に平行または反平行に磁化されていてもよい。上記の２つの状態は、情報の各ビット、すなわち、論理値零（「０」）または論理値一（「１」）を示している。２つの層の磁化の相対的な方向が、平行から反平行に、または、その逆に変化すると、この層構造上の磁気抵抗が、数パーセントだけ変化する。この抵抗の変化を使用して、メモリーセルに蓄積されたデジタル情報を読み出すことができる。セル抵抗の変化は、電圧変化により認識できる。例えば、電圧が上昇する（Spannungszunahme）場合、セルは論理値零（「０」）の状態となって（belegt）おり、電圧が減少する（Spannungsabnahme）場合、セルは論理値（「１」）の状態となっている。ＧＭＲ型（巨大磁気抵抗；giant magneto resistance）またはＴＭＲ型（トンネル磁気抵抗；tunnel magneto resistance）のセル構造では、磁化方向が、平行から反平行に、または、その逆に変化する際に、数パーセントの範囲において特に大きな抵抗変化が観察される。
【０００３】
上記のような磁性メモリーセルの重要な利点は、公知の従来の半導体メモリーとは異なり、上記のような方法で永続的に（persistent）情報が記憶されることであり、なんらかの基本供給（Grundversorgung）が維持（Aufrechterhaltung）されておらず装置がスイッチオフされている場合でも情報は記憶され、装置をスイッチオンした後すぐに情報を利用できることである。
【０００４】
この場合、主な構成部分は、ＡＡＦ（ＡＡＦ＝artificial anti ferromagnetic）システムとして構成されている基準層システムである。このようなＡＡＦシステムの利点は、いわゆるオレンジピール効果（Orange-Peel-Effekt）および／または巨視的な静磁性結合領域（magnetostatische Kopplungsfelder）により、その磁性の剛性（Steifigkeit）が高く（磁性の変動が少なく）、読み出しおよび／または書き込み層システムと比較的弱く結合（Kopplung）していることである。ＡＡＦシステムは、通常、第１磁気層または第１磁気層システムと、反強磁性結合層と、第２磁気層または第２磁気層システムとを含み、上記第２磁気層または第２磁気層システムは、その磁化により、反強磁性結合層を介して、下部磁気層の磁化とは逆に結合されている。このようなＡＡＦシステムは、例えば、２つの磁気Ｃｏ層（magnetischen Co-Schichten）と、Ｃｕを含む反強磁性結合層とにより形成できる。
【０００５】
ＡＡＦシステムの強度（安定性）（Steifigkeit）、つまり、外部の外側磁場（aeussere Felder）に対するその耐性（Resistenz）を向上させるために、読み出しおよび／または書き込み層システムから離れた（abgewandten）ＡＡＦシステムの磁気層に、反強磁性層を配置することが一般的である。この反強磁性層によって、直接隣接する磁気層はその磁化内に付加的にピン止め（gepinnt）されて固定される。その結果、ＡＡＦシステムは全体としていっそう強固なものとなる（交換ピン止め（exchange pinning）、または、交換バイアス(exchange biasing)）。
【０００６】
ＡＡＦシステムの磁性の強度は、印加された外部磁場（angelegten externen Feldes）の振幅に一致している。上記印加された外部磁場は、２つの強磁性層の磁化を同じ方向に転換させるために、すなわち、平行設定（Parallelstellung）のために必要なものである。さらに、このようなメモリーセル装置の読み出しおよび書き込みアプリケーションのための磁性窓（magnetische Fenster）は、制限されている。
【０００７】
本発明の目的は、磁性窓または操作窓（Operationsfenster）がより大きなメモリーセル装置を提供することである。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、冒頭部分で説明したメモリーセル装置の場合、一軸性の異方性（uniaxiale Anisotropie）を有するように反強磁性層の厚さをサイズ決定する（bemessen）。
【０００９】
公知のメモリーセル装置の場合、反強磁性層上に位置している強磁性層の磁化を、交換バイアスによりピン止め固定する反強磁性層は非常に厚い。その結果、一方向の異方性（unidirektionale Anisotropie）が生じる。しかし、一方向の異方性により、履歴現象曲線（ヒステリシス曲線：Hysteresekurven）が非対称となり、同じく、この非対称なヒステリシス曲線により、磁性窓、または、操作窓が狭くなってしまう。
【００１０】
さて、本発明は、反強磁性層が一軸性の異方性のみを有するように薄い場合に、可能な最大幅の対称ヒステリシス曲線が得られるという認識に基づいている。このことにより、メモリーセル装置を構成するために同じ素材を使用することで、磁性窓を非常に拡大することが可能となる。さらに、装置の熱安定性（thermische Stabilitaet）が上昇する。なぜなら、遮断温度（blocking-Temperatur）、すなわち、これを上回ると反強磁性層の異方性が失われるという温度が、上昇するからである。このことは、全システムの温度安定性に関して利点である。
【００１１】
この場合、読み出しおよび／または書き込み層システムから離れたＡＡＦ層構造体（AAF-Schichtverbundes）側に、反強磁性層が配置されていることが好ましい。反強磁性層の厚さは、使用される層の材料に応じて適宜選択され、必ず１０ｎｍ以下であることが好ましい。反強磁性層は、このようなメモリーセル装置を構成するために一般的に使用される任意の物質により構成できる。なお、任意の物質とは、例えば、ＮｉＯ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＣｒＰｔＭｎ，ＲｈＭｎまたはＰｄＭｎなどである。
【００１２】
メモリーセル装置自体は、巨大耐磁性（giant-magnetoresistive-）装置（システム）、磁石トンネル接合(magnetic-tunnel-junction-)装置（システム）、または、スピンバルブトランジスタ(spin-valve-transistor-)装置（システム）でもよい。
【００１３】
本発明は、メモリーセル装置自体のほかに、さらに、上記のような構造のメモリーセル装置を複数個備えるデジタルメモリー装置に関するものである。
【００１４】
本発明のほかの利点、特徴、および、詳細を、以下に記載の実施例および図面を参考にして説明する。図１は、本発明のメモリーセル装置の基本構造を示す模式図（Prinzipsskizze）である。図２は、一軸性および一方向の異方性の場合に生じるヒステリシス曲線を示す図である。
【００１５】
図１には、本発明の第１の実施形態にかかるメモリーセル装置１を示す。メモリーセル装置１は、基準層システム２により構成されている。基準層システム２は、分離層（Entkopplungsschicht）３を介して軟磁性（weichmagnetischen）の読み出しおよび／または書き込み層システム４から分離されている。図１では、上側および下側において相互に直角に延びるワード線およびビット線５ａ，５ｂをさらに示す。基準層システム２自体は、基板（Subsrat）５上に配置されている。基準層システム２は、ＡＡＦ層構造体６により構成されている。ＡＡＦ層構造体６は、下部強磁性層７と、上部強磁性層８と、これらの間に配置されている反平行に結合された結合層９とによって構成されている。強磁性層は、例えばＣｏで構成されてもよい。また、反平行に結合されている結合層は、Ｃｕで構成されてもよい。このようなＡＡＦ層構造体の構成は、十分に知られている。
【００１６】
さらに、基準層システム２は、下部強磁性層７の下側に配置されている反強磁性層１０を備えている。反強磁性層１０は、例えば、ＮｉＯ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＣｒＰｔＭｎ，ＲｈＭｎまたはＰｄＭｎでもよい。反強磁性層１０は、その上に位置している下部強磁性層７の磁化を結合する。すなわち、下部強磁性層７は、界面領域において、反強磁性層の磁気モーメント（magnetischen Momenten）と平行に配向される。このように、強磁性層７の磁化が、交換バイアスによってピン止め固定される。
【００１７】
さて、反強磁性層１０は、一軸性の異方性のみを有するように層厚の決定がなされる。あるいは、反強磁性層１０は、一軸性の異方性を有するような薄さに積層される。上記層の厚さは、交換バイアスによって結合される反強磁性結合層の一般的な厚さの値（Dickenwerte）よりもかなり薄い。例えば、ＩｒＭｎ製の反強磁性層の場合、一般的な層厚は、約８〜１０ｎｍである。層厚がこのように厚い場合、一方向の異方性が生じてしまう。一方向の異方性は、メモリーセル装置の磁性窓またはヒステリシス曲線および温度安定性に不利な影響を与える。
【００１８】
本発明において、反強磁性層１０の層厚は、かなり薄く、例えばＩｒＭｎ製の層の実施例の場合、たった２〜３ｎｍである。その結果、一方向の異方性ではなく、一軸性の異方性が生じる。このように、図２に明瞭に示すような、対称なヒステリシス曲線が得られる。この対称なヒステリシス曲線は、明らかに幅の広い磁性窓を示すものである。図２において、実線の（ausgezogene）曲線Ｉは、外部磁場の曲線形状である。外部磁場は、非常に薄い一軸性の異方性のみを有する反強磁性層１０の場合に、磁化を転換するためにメモリーセル装置に形成されるものである。曲線Ｉは対称であり、磁性窓はかなり幅広い。これとは対照的に、破線曲線ＩＩは、一方向の異方性の場合の磁化曲線の形状の例を示す。曲線は、明らかに対称ではなく、磁性窓は、明らかに狭い。
【００１９】
磁性窓がより拡大されるとともに、非常に薄い反強磁性層１０を使用することにより、装置の温度安定性が上昇するという利点がさらにある。ＩｒＭｎ製の反強磁性層の遮断温度、すなわち、これを上回ると層の異方性が失われる温度を、層厚の範囲が上述のように比較的厚い場合における約２５０℃から、かなり薄い層の場合には、約４００℃にまで上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明のメモリーセル装置の基本構造を示す模式図である。
【図２】一軸性および一方向の異方性の場合に生じるヒステリシス曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１      メモリーセル装置
２      基準層システム
３      分離層
４      読み出しおよび／または書き込み層システム
５ａ    ワードおよびビット線
５ａ    ワードおよびビット線
６      ＡＡＦ層構造体
７      下部強磁性層
８      上部強磁性層
９      結合層
１０    反強磁性層
【国際公開パンフレット】
2004532530.tif 000003
2004532530.tif 000004
2004532530.tif 000005
2004532530.tif 000006
2004532530.tif 000007
2004532530.tif 000008
2004532530.tif 000009
2004532530.tif 000010
2004532530.tif 000011
2004532530.tif 000012
2004532530.tif 000013
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004532530.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成15年7月23日(2003.7.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
読み出しおよび／または書き込み操作用のデジタル磁気メモリーセル装置（１）であって、
軟磁性読み出しおよび／または書き込み層システム（４）と、ＡＦＦシステムとして構成されている少なくとも一つの硬磁性基準層システム（２）とを備え、
上記硬磁性基準層システムは、ＡＦＦ層構造体（６）と少なくとも一つの基準層とを備え、
上記基準層システム（２）は、ＡＦＦ層構造体（６）の磁気層（７）に隣接して配置されている少なくとも一つの反強磁性層（１０）を備えており、
上記反強磁性層（１０）は、一軸性の異方性を有するようにその厚さが決定されていることを特徴とするデジタル磁気メモリーセル装置。
【請求項２】
上記反強磁性層（１０）は、読み出しおよび／または書き込み層システム（４）から離れたＡＦＦ層構造体（６）側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のメモリーセル装置。
【請求項３】
上記反強磁性層（１０）の厚さは、使用される層の材料に応じて選択されているとともに、常に１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のメモリーセル装置。
【請求項４】
上記反強磁性層（１０）の材料は、ＮｉＯ，ＦｅＭｎ，ＩｒＭｎ，ＮｉＭｎ，ＰｔＭｎ，ＣｒＰｔＭｎ，ＲｈＭｎおよびＰｄＭｎかななる群から選択されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のメモリーセル装置。
【請求項５】
巨大耐磁性システム、磁気トンネル結合システムまたはスピンバルブトランジスタシステムであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のメモリーセル装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のメモリーセル装置を複数個有するデジタルメモリー装置。
【国際調査報告】
2004532530.tif 000015
2004532530.tif 000016
2004532530.tif 000017
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