(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トンネル接合メモリセルであって、
変更可能な磁化の向き（Ｍ２）としてデータのビットを格納するためのデータ層（11）と、
前記データ層（11）と接触している障壁層（13）と、
前記障壁層（13）と接触しているキャップ層（15）と、及び
前記キャップ層（15）と接触し、ピン留めされない磁化の向き（Ｍ１）を有し、読出し導体（19）、及びその読出し導体（19）を完全に包囲するクラッディング（21）を含む軟らかいリファレンス層（17）とからなり、
前記読出し導体（19）が、外部から供給される電流に応答して、磁界を生成するように機能し、
前記クラッディング（21）は、前記変更可能な磁化の向き（Ｍ２）が、前記クラッディング（21）内に閉じ込められない磁界の任意の部分によって影響を受けないように、前記クラッディング（21）内に前記磁界を概ね閉じ込めるように機能し、
前記軟らかいリファレンス層（17）の前記磁化の向き（Ｍ１）が、前記読出し導体（19）に所定の大きさおよび方向の電流を流すことにより、所望の向きにオンザフライでピン留めされ、前記ビットが、前記軟らかいリファレンス層（17）と前記データ層（11）との間の電圧を測定することにより読み出される、トンネル接合メモリセル。
【請求項２】
前記データ層（11）、前記キャップ層（15）、および前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、高透磁率の軟らかい磁性材料からなる、請求項１に記載のトンネル接合メモリセル。
【請求項３】
前記高透磁率の軟らかい磁性材料が、ニッケル鉄、ニッケル鉄の合金、ニッケル鉄コバルト、ニッケル鉄コバルトの合金、コバルト鉄、コバルト鉄の合金、およびパーマロイ（Ｒ）からなるグループから選択された材料である、請求項２に記載のトンネル接合メモリセル。
【請求項４】
前記データ層（11）、前記キャップ層（15）および前記クラッディング（21）が、同じ高透磁率の軟らかい磁性材料から形成される、請求項１に記載のトンネル接合メモリセル。
【請求項５】
前記データ層（11）、前記キャップ層（15）および前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、約１０００より大きい比透磁率を有する、請求項１に記載のトンネル接合メモリセル。
【請求項６】
前記データ層（11）、前記キャップ層（15）および前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、約１０００Ａ／ｍまたはそれより小さい飽和保磁力を有する、請求項１に記載のトンネル接合メモリセル。
【請求項７】
前記障壁層（13）が、酸化シリコン、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルおよび窒化アルミニウムからなるグループから選択された誘電体材料である、請求項１に記載のトンネル接合メモリセル。
【請求項８】
前記読出し導体（１９）が、銅、銅の合金、アルミニウム、アルミニウムの合金、アルミニウム銅、アルミニウム銅の合金、タンタル、タンタルの合金、金、金の合金、銀および銀の合金からなるグループから選択された導電性材料であり、
第１の導体（29）が、外部から供給される第１の電流に応答して、第１の書込み磁界を生成するように機能し、
第２の導体（41）が、外部から供給される第２の電流に応答して、第２の書込み磁界を生成するように機能し、
前記第１および前記第２の書込み磁界が、前記データ層（11）と協働して、前記データ層（11）の磁化の向き（Ｍ２）を所望の向きに回転させる、請求項１に記載のトンネル接合メモリセル。
【請求項９】
変更可能な磁化の向きとしてデータのビットを格納するためのデータ層と、前記データ層と接触している第１の導体と、既知の方向にピン留めされる磁化の向きを有するリファレンス層と、前記リファレンス層と接触している読出し導体と、前記データ層と前記リファレンス層との間のトンネル障壁層とを含み、前記ビットが、前記第１の導体および前記読出し導体に第１および第２の電流を流し、前記第１の導体と前記読出し導体との間の電圧を測定することにより読み出される、トンネル接合メモリセルにおいて、
ピン留めされない磁化の向き（Ｍ１）を有し、読出し導体（19）、及びその読出し導体（19）を完全に包囲するクラッディング（21）を含む軟らかいリファレンス層（17）と、
前記トンネル障壁層と前記軟らかいリファレンス層（17）との間のキャップ層（15）とを含み、
前記読出し導体（19）が、外部から供給される電流に応答して、磁界を生成するように機能し、
前記クラッディング（21）は、前記変更可能な磁化の向き（Ｍ２）が、前記クラッディング（21）内に閉じ込められない磁界の任意の部分によって影響を受けないように、前記クラッディング（21）内に前記磁界を概ね閉じ込めるように機能し、
前記軟らかいリファレンス層（17）の前記磁化の向き（Ｍ１）が、前記読出し導体（19）に所定の大きさおよび方向の電流を流すことによってのみ、所望の向きにオンザフライでピン留めされ、前記ビットが、前記軟らかいリファレンス層（17）と前記第１の導体との間の電圧を測定することにより読み出されるように改善されている、トンネル接合メモリセル。
【請求項１０】
前記データ層（11）、前記キャップ層（15）、および前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、高透磁率の軟らかい磁性材料からなる、請求項９に記載のトンネル接合メモリセル。
【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、ピン留めされない磁化の向きを有する軟らかい強磁性リファレンス層（soft ferromagnetic reference layer）を備える磁気メモリセルに関する。より具体的には、本発明は、読出し導体を流れる電流によって生成される読出し磁界が強磁性クラッディング（ferromagnetic cladding）を飽和させず、強磁性クラッディング内に概ね閉じこめられ、また軟らかい強磁性リファレンス層の磁化の向きが読出し磁界によって、所望の向きに動的にオンザフライでピン留め（pinned-on-the-fly）されるように、ピン留めされない磁化の向きを有し、強磁性クラッデインングによって完全に包囲される読出し導体を含む軟らかい強磁性リファレンス層を備える磁気メモリセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のような磁気メモリは、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、フラッシュメモリおよびハードディスクドライブのような従来のデータ記憶装置が用いられている応用形態において、代替のデータ記憶デバイスと見なされている不揮発性タイプのメモリである。ＭＲＡＭは典型的には、磁気メモリセルのアレイを含む。たとえば、従来の磁気メモリセルは、データ層（記憶層あるいはビット層とも呼ばれる）と、リファレンス層と、データ層とリファレンス層との間の中間層とを含む、トンネリング磁気抵抗メモリセル（ＴＭＲ）、巨大磁気抵抗メモリセル（ＧＭＲ）、あるいは超巨大磁気抵抗メモリセル（colossal magnetoresistance：ＣＭＲ）とすることができる。データ層、リファレンス層および中間層は、材料の１つあるいは複数の層から形成されることができる。データ層は通常、データのビットを、外部磁界を加えるのに応じて変更され得るある磁化の向きとして格納する、磁性材料からなる層あるいは薄膜である。したがって、データ層の磁化の向き（すなわち、その論理状態）は、論理「０」を表すことができる第１の磁化の向きから、論理「１」を表すことができる第２の磁化の向きに、あるいはその逆に回転する（すなわち、切り替える）ことができる。一方、リファレンス層は通常、磁化の向きが所定の方向に「ピン留め」（すなわち、固定）された、磁性材料からなる層である。所定の向きは、磁気メモリセルを製造するために用いられるマイクロエレクトロニクス処理ステップによって決定される。
【０００３】
典型的には、磁気メモリセルの論理状態（すなわち、「０」あるいは「１」）は、データ層およびリファレンス層内の磁化の相対的な向きに依存する。たとえば、トンネリング磁気抵抗メモリセル（トンネル接合メモリセル）では、データ層とリファレンス層との間に電位バイアスが印加されるとき、電子は、中間層（通常、トンネル障壁層と呼ばれる薄い誘電体層）を介して、データ層とリファレンス層との間を移動する。障壁層を介した電子の移動を生じる現象は、量子力学的トンネル効果あるいはスピントンネル効果と呼ばれる場合がある。論理状態は、メモリセルの抵抗を測定することにより判定することができる。たとえば、データ記憶層内の全体的な磁化の向きがリファレンス層のピン留めされた磁化の向きに平行である場合には、磁気メモリセルは低抵抗の状態にある。逆に、データ記憶層内の全体的な磁化の向きがリファレンス層のピン留めされた磁化の向きに逆平行である場合には、トンネル接合メモリセルは高抵抗の状態にある。上記のように、磁気メモリセルに格納されるビットの論理状態は、データ層の全体的な磁化の向きを変更する外部磁界をかけることにより書き込まれる。その外部磁界は、高抵抗状態と低抵抗状態との間で磁気メモリセルを切り替える、切替え磁界と呼ばれる場合がある。
【０００４】
図１は、データ層１１０と、リファレンス層１１２と、データ層１１０とリファレンス層１１２との間に配置される絶縁障壁層１１４とを備える従来のトンネル接合メモリセル１００を示す。さらに、メモリセル１００は、データ層１１０と接続される第１の導電ノード１１６と、リファレンス層１１２と接続される第２の導電ノード１１８とを備えることができる。外部から供給される電流は、第１および第２の導電ノード（１１６、１１８）を通って流れ、上記の外部磁界を生成することができる。第１および第２の導電ノード（１１６、１１８）は、図４ａおよび図４ｂに関して以下に説明されるように、複数のメモリセル１００を含むメモリアレイ内の行導体および列導体とすることができる。また、そのノードを用いて、メモリセル１００の抵抗を測定し、その論理状態を判定することもできる。リファレンス層１１２は、左向きの矢印によって示されるような所定の方向にピン留めされる磁化の向きＭ１を有する。データ層１１０は、両方向に向いた矢印によって示されるように、変更可能な磁化の向きＭ２を有する。
【０００５】
図２ａでは、データ層１１０の磁化の向きＭ２は、リファレンス層１１２の磁化の向きＭ１に平行であり（すなわち、矢印が同じ向きを指し）、結果として、メモリセル１００が低抵抗状態になる。一方、図２ｂでは、データ層１１０の磁化の向きＭ２は、リファレンス層１１２の磁化の向きＭ１に逆平行であり（すなわち、矢印が反対方向を指し）、結果としてメモリセル１００は高抵抗状態になる。
【０００６】
データ層１１０およびリファレンス層１１２は、互いに非常に接近して配置される強磁性材料から形成されるので、リファレンス層１１２のピン留めされた磁化の向きＭ１は、図２ｃに示されるように、リファレンス層１１２のエッジ領域からデータ層１１０まで延びる消磁界Ｄを生成する。図２ｄは、データ層１１０の磁化の向きＭ２に対する消磁界Ｄの影響を示す。理想的には、データ層１１０の磁化の向きは、ピン留めされた磁化の向きＭ１に対して平行か、または逆平行かのいずれかである配向を有する。しかしながら、消磁界Ｄのため、理想的な磁化の向きＭ２’（破線矢印で示される）と、実際の磁化の向きＭ２（実線矢印で示される）との間に小さな角変位θが存在する。角変位θに起因して、高状態と低状態（すなわち、平行か、あるいは逆平行）との間の磁気抵抗の変化の大きさΔＲ／Ｒの減少となる。データ層１１０内のビットの状態を容易に検出できるように、磁気抵抗の変化の大きさΔＲ／Ｒはできる限り大きいことが望ましい。基本的には、ΔＲ／Ｒは、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）のようなものである。読出し動作中に、Ｓ／Ｎがより高ければ、データ層１１０内のビットの状態を判定するために、より強い信号を検出することができることになる。したがって、従来のトンネル接合メモリセル１００の１つの短所は、角変位θに起因する、磁気抵抗の変化の大きさΔＲ／Ｒの減少（すなわち、読出し動作中の低いＳ／Ｎ）である。
【０００７】
従来のトンネル接合メモリセル１００の別の短所は、リファレンス層１１２の磁化の向きＭ１をピン留めすることが、多くの場合に、そのピン留めを達成するために材料の２つ以上の層を必要とすることである。たとえば、図３ａでは、従来のトンネル接合メモリセル２００が、上記のデータ層２１０と、第１および第２の導電ノード（２１６、２１８）とを含み、さらに、異なる材料のサンドイッチ状の構造である複合リファレンス層２１２、２１２ａおよび２１２ｂも含む。層２１２は、反強磁性体層（ピン留め層（pinning layer））と呼ばれ、層２１２ａはピン留めされたリファレンス層と呼ばれる。ピン留め層２１２は、リファレンス層２１２ａの磁化の向きＭ１を所望の方向に磁化する。層２１２ｂはシード（seed）層である。ピン留め層２１２、リファレンス層２１２ａおよびシード層２１２ｂのために用いられる材料の例には、ピン留め層２１２の場合にはＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎあるいはＰｔＭｎがあり、リファレンス層２１２ａの場合にはＮｉＦｅ、ＮｉＦｅＣｏあるいはＣｏＦｅがあり、シード層２１２ｂの場合にはＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏがある。
【０００８】
代案として、図３ａに示されるものより複雑なピン留め層３１２を有する従来のトンネル接合メモリセル３００が図３ｂに示される。従来のトンネル接合メモリセル３００は、上記のデータ層３１０と、第１および第２の導電ノード（３１６、３１８）とを含み、さらに、異なる材料からなる複雑なサンドイッチ状の構造である複合リファレンス層３１２、３１２ａ、３１２ｂおよび３１２ｃも含む。ピン留め層３１２は、図３ａの反強磁性体層２１２よりさらに複雑な構造を有する人工反強磁性体３１２ｃの磁化の向きを設定する。人工反強磁性体３１２ｃは、たとえばＣｏ／Ｒｕ／ＣｏあるいはＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅのような材料のサンドイッチ状の構造とすることができる。図３ｂでは、層３１２ａはピン留めされた（pinned）リファレンス層であり、層３１２ｂはシード層であり、層３１２は反強磁性体層（ピン留め層）である。
【０００９】
したがって、従来のトンネル接合メモリの１つの短所は、リファレンス層を形成するために、その構造内に複数の層を必要とすることである。それらの層を形成するために必要とされる余分な材料のため、従来のトンネル接合メモリセル２００および３００を製造するために、余分なマイクロエレクトロニクス処理ステップが必要とされる。それらの余分なステップの結果として、メモリが製造時に欠陥を生じる、またはそのメモリを組み込んだ製品において後に故障するかもしれない、欠陥の可能性がトンネル接合メモリに導入されることになる。欠陥を低減し、歩留まりを向上させるために、複雑な構造、それゆえメモリを製造するために必要とされる処理ステップの数を最小にすることが望ましい。さらに、リファレンス層を形成するために必要な材料自体が、製造の難しい材料である。磁気メモリを量産する場合、製造プロセスが簡略化され、製造コストが削減されるように、容易に形成できる材料を用いることが望ましい。
【００１０】
従来のトンネル接合メモリのさらなる短所は、リファレンス層が、アニーリングステップの高い温度で加熱されなければならないことである。アニーリングには時間がかかり（１時間以上）、一定の磁界の下で、磁気メモリが２００〜３００℃の範囲の温度にさらされる必要がある。磁化の向きを設定することは、磁界内でアニーリングすることを必要とするので、磁気メモリが後に高温にさらされる場合には、リファレンス層のピン留めが「安定しなく」なり、その磁化の向きを保持できなくなる可能性がある。磁化の向きを再設定するために、別のアニーリングステップが必要とされるであろう。
【００１１】
従来のトンネル接合メモリセル１００の別の短所が、図４ａおよび図４ｂに示される。図４ａでは、磁気メモリ１５０は、交点のアレイで構成される複数のメモリセル１００を含む。第１の導電ノード１１６は、メモリセル１００を横切る行導体（行１および行２）を形成するために複製され（replicated）、第２の導電ノード１１８は、同様にメモリセル１００を横切る列導体（列１、列２および列３）を形成するために複製される（すなわち、メモリセル１００は、行導体と列導体との交差点に配置される）。行２および列３の交差点に配置されたメモリセル１００ａは、読出し動作のために電源Ｖを行２に接続することにより選択され、行１は浮動状態のままである。列１および列２はグランドに接続され、列３は、仮想グランドに接続されるセンス増幅器Ｓに接続される。結果として、電流経路が形成され、電流Ｉが行２の導電ノード１１６に流れ込む。電流Ｉの一部は、ＩGによって示されるように、グランドに流れる。しかしながら、電流Ｉの別の部分は、センス増幅器Ｓによって検出される読出し電流ＩRを構成する。ＩRの大きさは、メモリセル１００ａに格納されるデータのビットの磁化の向きを示すが、ＩRの大きさは、読出し動作中にデータ層の磁化の向きを回転させるには不十分である。
【００１２】
図４ｂには、選択されたメモリセル１００ａがさらに詳細に示される。電流ＩRは、右手の法則にしたがって磁界ＨRを生成する。各導体から外側に放射状に延び（すなわち、フリンジ磁界）、アレイ内の隣接するメモリセル１００と相互作用する磁界ＨRから不都合が生じる。メモリセル１００の互いに対する近さ、および電流ＩRの大きさに応じて、そのフリンジ磁界は、読出し動作のために選択されていない近くのメモリセル１００のデータ層１１０に格納されるデータビットを破損する可能性がある。
【００１３】
さらに、従来のトンネル接合メモリセル１００の別の短所は、選択されたメモリセル１００からデータを読み出すために必要な電流ＩRの大きさがかなり大きくなる可能性があることである。図４ａおよび図４ｂには示されないが、データ層１００の磁化の向きを反転させるために必要な書込み電流の大きさも非常に大きくなる可能性があり、典型的には、電流ＩRよりも大きくなる。電流ＩRの結果として、不要な廃熱が生じ、その廃熱を除去するために、冷却ファン等のような熱管理システムが必要になる可能性がある。熱管理システムは、メモリ１５０を組み込む電子システムのコスト、サイズ、重量および雑音を増加させる可能性がある。電源としてバッテリに依存するポータブル電子システムの場合、あるいはエネルギーを効率的にするように設計された電子システムの場合、上記の電流は電力消費を増加させ、それによりバッテリの使用時間を減少させ、あるいは電力負担を増加させ、それによりエネルギー効率を低下させる可能性がある。
【００１４】
上記の短所は、トンネル接合メモリセル（すなわち、ＴＭＲメモリセル）に集中しているが、それらの短所は前述のＧＭＲおよびＣＭＲメモリセルのような他のタイプの磁気メモリセルにも当てはまる。たとえば、当業者にはよく理解されているように、ＧＭＲメモリアレイ（図示せず）の場合、交差点アレイは、ＧＭＲメモリセルを電気的に絶縁するゲートトランジスタ（すなわちＦＥＴ）と置き換えられる。ＦＥＴは、読出し動作のための特定のＧＭＲセルを選択するために、電気的にオンあるいはオフに切り替えられる。選択されたメモリセルを流れる読出し電流は、センス増幅器等によって検出され得る。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、データ層に格納されたデータのビットを読み出すために、ピン留めされた磁化の向きを必要としないリファレンス層を有する磁気メモリセルが必要とされている。また、リファレンス層を形成するために必要とされる材料の層の数を低減することも必要とされている。さらに、近くのメモリセルとの干渉を十分に低減するように、読出し動作中に生成されるフリンジ磁界が、リファレンス層に概ね閉じ込められる磁気メモリセルが必要とされている。最後に、読出し動作中の磁気抵抗の変化が大きくなるように、データ層の磁化の向きの角変位が十分に低減または除去される磁気メモリセルが必要とされている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、トンネリング磁気抵抗メモリセル（ＴＭＲ）、巨大磁気抵抗メモリセル（ＧＭＲ）、およびそれらのタイプの磁気メモリセルを組み込むメモリのような磁気メモリセルの設計における改善である。さらに、本発明は、磁気メモリセルのリファレンス層に用いられる材料、および磁気メモリセルの読出し導体に用いられる構造の改善を含む。
【００１７】
概して、本発明は、変更可能な磁化の向きとしてデータのビットを格納するための強磁性データ層と、強磁性データ層と接続される中間層と、軟らかい強磁性リファレンス層とを含む磁気メモリセルにおいて具現化され、その軟らかい強磁性リファレンス層は、中間層と接続され、クラッディングされた読出し導体を形成するために、読出し導体と、読出し導体を完全に包囲する強磁性クラッディングとを含む。軟らかい強磁性リファレンス層は、ピン留めされない磁化の向きを有する（すなわち、磁化の向きは所定の向きに設定されない）。外部から供給される電流が読出し導体を流れるとき、読出し導体は磁界を生成する。強磁性クラッディングは、その磁界によって飽和されず、磁界はその強磁性クラッディング内に概ね閉じ込められる。読出し動作中、軟らかい強磁性リファレンス層の磁化の向きが所望の方向にオンザフライでピン留めされ、データ層に格納されたデータのビットが、データ層と軟らかい強磁性リファレンス層との間の抵抗を測定することにより読み出されるように、外部から供給される電流が読出し導体を流れる。
【００１８】
本発明のクラッディングされた読出し導体のさらなる利点は、読出し導体からの磁界が強磁性クラッデインング内に概ね閉じ込められるので、フリンジ磁界が十分に低減されることである。
【００１９】
読出し動作中、本発明の強磁性クラッデインングは、読出し磁界のための閉じた磁束通路（磁束閉じ込め構造（flux closure））を提供する。結果として、従来の磁気メモリセルの消磁界が十分に低減され、または除去され、読出し動作中の角変位が最小にされ、磁気抵抗の変化の大きさがより大きくなる。
【００２０】
従来のピン留めされたリファレンス層の短所は、本発明の軟らかい強磁性リファレンス層によって解決される。なぜなら、読出し動作が、軟らかい強磁性リファレンス層の磁化の向きがピン留めされることを必要としないためである。代わりに、読出し動作を達成するために、本発明の軟らかい強磁性リファレンス層の磁化の向きは、読出し導体に所定の大きさおよび方向の電流を流すことにより、所望の方向に動的にピン留めされる（すなわち、オンザフライでピン留めされる）。結果として、前述の付加的な材料層、それらの材料層の複雑性、およびそれらの層を形成するために必要なマイクロエレクトロニクス処理ステップが低減される。本発明の軟らかい強磁性リファレンス層によって、磁界内でリファレンス層をアニーリングする必要はなくなる。さらに、メモリが熱にさらされる場合に、リファレンス層の磁化の向きを「再設定」しなければならない可能性は、その磁化の向きがオンザフライでピン留めされるので、本発明の軟らかい強磁性リファレンス層によって実際的な意味を失う。
【００２１】
本発明の磁気メモリセルの別の利点は、電力損失（廃熱）および電力消費が低減されるように、読出し動作を達成するために必要な読出し電流の大きさが低減されることである。読出しまたは書込み動作のための電流は、静的なＤＣ電流、あるいは動的な電流パルスとすることができる。先に言及したように、特にポータブルバッテリ駆動式のシステムおよびエネルギー効率のよいシステムでは、電力消費および廃熱の発生を最小にすることが望ましい。
【００２２】
読出し動作中、本発明の強磁性クラッディングは、読出し磁界のための閉じた磁束通路（磁束閉じ込め構造）を提供する。結果として、従来の磁気メモリセルの消磁界が十分に低減され、または除去され、読出し動作中の角変位が最小にされ、磁気抵抗の変化の大きさがより大きくなる。
【００２３】
本発明の一実施形態では、磁気メモリセルは、強磁性クラッディングと中間層との間に配置され、強磁性クラッディングと磁気的に結合される強磁性キャップ層を含む。読出し動作中、磁界は強磁性クラッディングと強磁性キャップ層とを飽和させず、強磁性クラッディングと強磁性キャップ層との中に概ね閉じ込められる。
【００２４】
本発明の別の実施形態では、データ層、強磁性キャップ層および強磁性クラッディングは、高透磁率の軟らかい磁性材料から形成されることができる。本発明の別の実施形態では、データ層、強磁性キャップ層および強磁性クラッディングは、同じ高透磁率の軟らかい磁性材料から形成される。
【００２５】
本発明のさらに別の実施形態では、データ層、強磁性キャップ層および強磁性クラッディングは、低い飽和保磁力の材料から形成されることができる。
【００２６】
本発明の一実施形態では、データ層は、データ層を横切る第１の導体と電気的に通じる。読出し動作中、そのビットは、軟らかい強磁性リファレンス層と第１の導体との間の抵抗を測定することにより読み出される。
【００２７】
本発明の別の実施形態では、第２の導体がデータ層を横切り、第１および第２の導体が、外部から供給される電流に応答して、それぞれ第１の書込み磁界および第２の書込み磁界を生成する。第１および第２の書込み磁界は、データ層と協働し、データ層の変更可能な磁化の向きを所望の方向に回転し、それにより強磁性データ層に新しいデータのビットを書き込む。
【００２８】
本発明の代替の実施形態では、磁気メモリセルは、トンネリング磁気抵抗メモリセルおよび巨大磁気抵抗メモリセルとすることができる。
【００２９】
本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を一例として示す、添付の図面に関連してなされる、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下の詳細な説明、および図面のうちのいくつかにおいて、同様の要素は、同様の参照番号で識別される。
【００３１】
例示の目的で図面に示されるように、本発明は、変更可能な磁化の向きとしてデータのビットを格納するための強磁性データ層と、データ層と接触する中間層と、軟らかい強磁性リファレンス層とを備える磁気メモリセルにおいて具現化され、その軟らかい強磁性リファレンス層は、中間層と接触し、読出し導体と、クラッディングされた読出し導体を形成するために読出し導体を完全に包囲する強磁性クラッディングとを含む。軟らかい強磁性リファレンス層は、所定の向きにピン留めされない磁化の向きを有する。これ以降、軟らかい強磁性リファレンス層のその特徴を、「ピン留めされない磁化の向き」と呼ぶことにする。
【００３２】
読出し導体は、外部から供給される読出し電流に応答して読出し磁界を生成し、強磁性クラッディングは、その強磁性クラッディング内に読出し磁界を概ね閉じ込める。基本的に、強磁性クラッディングは、読出し導体の周囲に閉じた磁気通路（磁束閉じ込め構造）を提供する。読出し導体に所定の大きさおよび方向の電流を流すことにより、結果として生成される読出し磁界は、軟らかい強磁性リファレンス層において既知の方向に磁化の向きを確立し、磁化の向きが動的にピン留めされる（すなわち、磁化の向きがオンザフライでピン留めされる）ようにするだけの十分な強さである。しかしながら、読出し磁界は、軟らかい強磁性リファレンス層の強磁性クラッデインングを飽和させ、その読出し磁界が強磁性クラッディングの概ね外側に延在し、データ層に格納されたデータのビットと潜在的に干渉するか、またはそのデータのビットを上書きするほど強くはない。また、強磁性クラッディングは、近くのメモリセルのデータ層に格納されたデータと干渉するか、またはそのデータを破損する可能性があるフリンジ磁界を十分に減衰させる。データのビットは、データ層と軟らかい強磁性リファレンス層との間の抵抗を測定することにより読み出され得る。強磁性クラッディングおよびデータ層は、高い透磁率の軟らかい磁性材料から形成されることができる。強磁性クラッディングは、読出し導体によって生成される読出し磁界が、強磁性クラッディング内に概ね閉じ込められることを確実にするように設計される、所定の最小厚を有する。
【００３３】
必要に応じて、本発明の磁気メモリセルは、中間層と強磁性クラッディングとの間に配置される強磁性キャップ層を含むことができる。強磁性キャップ層は、読出し動作中に、読出し磁界が強磁性クラッディングおよび強磁性キャップ層内に概ね閉じ込められるように、強磁性クラッディングと磁気的に結合される。基本的に、強磁性クラッディングおよび強磁性キャップ層は磁気的に１つのものとしてなり、強磁性クラッディングおよび強磁性キャップ層はともに、読出し導体の周囲に閉じた磁気通路（磁束閉じ込め構造）を提供する。
【００３４】
本発明の軟らかい強磁性リファレンス層は、磁化の向きの方向が、外部から供給される電流によって既知の方向に動的に設定される（すなわち、動的にピン留めされる）ことができるので、「リファレンス層」と呼ばれる。用いられる磁性材料は磁気的に軟らかく、通常の硬くピン留めされる材料（たとえば、ＮｉＦｅ／ＩｒＭｎ等のような反強磁性系）ではないので、「軟らかい」と呼ばれる。
【００３５】
本発明の磁気メモリセルの利点は、読出し動作中に、軟らかい強磁性リファレンス層の強磁性クラッディング内に、読出し導体によって生成される読出し磁界を概ね閉じ込めることにより、フリンジ磁界の問題を解決するクラッディングされた読出し導体を含み、それにより、近くの磁気メモリセルに格納されたデータが浮遊磁界によって破損されないようにし、軟らかい強磁性リファレンス層によって、歩留まりを低下させ、かつ製造コストを上昇させることになる付随する複雑な材料の層、及び付加的な製造ステップを用いてピン留めされたリファレンス層を形成する必要性が排除され、磁気メモリセルをアニールする必要性が排除され、さらに、データのビットの読出し、または書込みのために必要な電流（すなわち、ＤＣ電流、またはパルス電流）の大きさが低減され、それに伴って電力損失および電力消費も低減される。
【００３６】
本発明の磁気メモリセルのさらに別の利点は、強磁性クラッディングが読出し動作中に磁束閉じ込め構造を提供し、それにより、強磁性データ層において磁化の向きの角変位を生じる消磁界が十分に低減され、または排除されるようになることである。結果として、読出し動作中、磁気抵抗の変化が大きくなり、それにより論理状態（すなわち、論理「０」または論理「１」）との間の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が高くなり、それらの論理状態が検出しやすくなる。
【００３７】
本発明の磁気メモリセルのために本明細書に記載される構造は、限定はしないが、ＴＭＲまたはＧＭＲを用いる磁気メモリセルを含むいくつかの形態の磁気メモリに有効である。それらの形態の磁気メモリに用いられる材料および構造は異なり、かつリファレンス層およびデータ層の種々の状態（すなわち、平行または逆平行）を検出するために用いられる物理的な作用も異なるが、それらの形態の磁気メモリの磁気設計は同じである。データ層の磁化の向きを回転させるために、少なくとも１対の導体が必要とされ、データ層とリファレンス層との間の抵抗を測定するために読出し導体が必要とされる限り、本発明の磁気メモリセルは、先に列挙されたものを含む種々の磁気メモリに関して、まさに同じように動作するであろう。本発明の磁気メモリセルが、ＭＲＡＭのようなデータ記憶デバイス（すなわち、メモリ）を形成するために、磁気メモリセルのアレイで実施できることは磁気メモリ技術の当業者によって明らかに理解されるであろう。そのメモリアレイの構造は、メモリセルのタイプに依存する。たとえば、交差点メモリ構造は、ＴＭＲメモリセルのアレイに非常に適している。
【００３８】
図５では、磁気メモリセル１０は、変更可能な磁化の向きＭ２としてデータのビットを格納するためのデータ層１１（磁気メモリセル技術では、データ層１１は記憶層またはビット層とも呼ばれる）と、データ層１１と接触する中間層１３と、中間層１３と接触する強磁性キャップ層１５と、軟らかい強磁性リファレンス層１７とを含み、その軟らかい強磁性リファレンス層１７は、強磁性キャップ層１５と接触し、ピン留めされない磁化の向きを有し、クラッディングされた読出し導体を形成するために、読出し導体１９と、読出し導体１９を完全に包囲する強磁性クラッディング２１（すなわち、読出し導体１９は、強磁性クラッディング２１によってその側面の全てに対して完全にクラッディング（被覆）される）とを備える軟らかい強磁性リファレンス層１７とを含む。軟らかい強磁性リファレンス層１７は、破線矢印１６によって示されるように、クラッディング２１の一部に沿って強磁性キャップ層１５と接触している（これ以降、強磁性クラッディング２１を、クラッディング２１と呼び、強磁性キャップ層１５をキャップ層１５と呼ぶことにする）。クラッディング２１およびキャップ層１５は、図５に示されるように、それらのエッジが互いに同一平面にある必要はない。たとえば、一方のエッジが他方のエッジと重なり合う場合や、他方のエッジから差し込まれる場合がある。軟らかい強磁性リファレンス層１７の磁化の向きはピン留めされない。すなわち、軟らかい強磁性リファレンス層１７は、たとえば、磁界内でのアニーリングのような従来のプロセスを用いて、磁気メモリセル１０の製造中に設定される所定の磁化の向きを持たない。
【００３９】
代わりに、図６では、所定の大きさおよび方向の、外部から供給される読出し電流ＩRが読出し導体１９に流れ、その結果、読出し磁界Ｈが生成される。図６では、読出し電流ＩRは、「＋」記号によって示されるように紙面の中に流れ込んでおり、読出し磁界Ｈは、右手の法則にしたがって時計方向のベクトルを有する。読出し磁界Ｈはクラッディング２１内に概ね閉じ込められる。読出し磁界Ｈの結果として、軟らかい強磁性リファレンス層１７は、動的にピン留めされ（すなわち、オンザフライでピン留めされ）、左側を指す磁化の向きＭ１を有する。磁化の向きＭ１は、電流ＩRが読出し導体１９を流れ続ける限り、動的にピン留めされたままである。読出し電流ＩRが流れている間に、中間層１３を介して、データ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間を流れる電子に起因して、強磁性データ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間に抵抗が存在する。データ層１１に格納されるデータのビットの状態は、その抵抗の大きさ、および／または変化を測定することにより判定することができる。たとえば、その抵抗は、軟らかい強磁性リファレンス層１７と強磁性データ層１１との間で測定され得る。
【００４０】
図６では、磁気メモリセル１０は、図５に示されるようなキャップ層１５を含まない。しかしながら、図８ａ〜図９ｂに関して説明されるように、本発明の軟らかい強磁性リファレンス層１７に関して図６において上述された原理は、磁気メモリセル１０がキャップ層１５を含むか、含まないかにかかわらず当てはまる。キャップ層１５は任意である。キャップ層１５が存在するとき（図８ａ〜図９ｂ参照）、読出し磁界Ｈは、クラッディング２１およびキャップ層１５内に概ね閉じ込められる。なぜなら、クラッディング２１およびキャップ層１５はいずれも強磁性材料から形成されており、互いに接触する際に、磁気的に１つのものとしてなるためである。
【００４１】
抵抗を生じる現象は、磁気メモリの分野においてよく理解されており、ＴＭＲ、ＧＭＲおよびＣＭＲメモリセルに関してもよく理解されている。たとえば、ＴＭＲを用いるメモリセルでは、その現象は、量子力学トンネル効果またはスピン依存トンネル効果と呼ばれる。ＴＭＲメモリセルでは、中間層１３は、データ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間で電子が量子力学的に突き抜ける（すなわち、移動する）、誘電体材料からなる薄いトンネル障壁層である。一方、ＧＭＲを用いるメモリセルでは、その現象は、電子のスピン依存散乱であり、中間層１３は、非磁性材料からなる薄いスペーサ層である。どちらにしても、データ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗は、Ｍ１およびＭ２の相対的な向きに応じて変化し、それは、データ層１１に格納されるデータのビットが論理「０」であるか、または論理「１」であるかを判定するために検出され得る、抵抗の変化である。
【００４２】
したがって、データ層１１に格納されるデータのビットは、上述のように読出し導体１９に読出し電流ＩRを流し、その後、データ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗を測定することにより、磁気メモリセル１０に対する読出し動作中に読み出され得る。そのビットの論理状態（すなわち、論理「０」または論理「１」）は、抵抗の大きさを検出することにより判定され得る。ここで、ビットの論理状態をＭ１およびＭ２の相対的な向きから如何にして判定できるかという一例が、図８ａ〜図８ｂおよび図９ａ〜図９ｂに関して説明される。
【００４３】
図８ａでは、読出し磁界Ｈが時計方向のベクトルを有し、かつ軟らかい強磁性リファレンス層１７のオンザフライでピン留めされる磁化の向きＭ１が、データ層１１の変更可能な磁化の向きＭ２に平行である、すなわちＭ１およびＭ２が同じ方向を指すように、読出し電流ＩRが、「＋」記号によって示されるように紙面に流れ込んでいる。Ｍ１およびＭ２のその構成は、論理「０」を表すために予め決定され得るデータ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗という結果になる。
【００４４】
一方、図８ｂでは、データ層１１の変更可能な磁化の向きＭ２は、軟らかい強磁性リファレンス層１７のオンザフライでピン留めされる磁化の向きＭ１に逆平行である、すなわちＭ１およびＭ２が反対方向を指している。結果として、Ｍ１およびＭ２のその構成は、論理「１」を表すために予め決定され得るデータ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗という結果となる。
【００４５】
さらに別の例として、図９ａでは、読出し電流ＩRが「●」記号によって示されるように紙面から流れ出しており、軟らかい強磁性リファレンス層１７のオンザフライでピン留めされる磁化の向きＭ１は、データ層１１の変更可能な磁化の向きＭ２に逆平行である。さらに、読出し磁界Ｈは、Ｍ１が右側を指すように、反時計方向のベクトルを有する。Ｍ１およびＭ２のその構成は、論理「１」を表すために予め決定され得るデータ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗という結果となる。
【００４６】
逆に、図９ｂでは、データ層１１の変更可能な磁化の向きＭ２は、軟らかい強磁性リファレンス層１７のオンザフライでピン留めされる磁化の向きＭ１に平行である。結果として、Ｍ１およびＭ２のその構成は、論理「０」を表すために予め決定され得るデータ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗という結果となる。
【００４７】
先に言及したように、図８ａ〜図８ｂおよび図９ａ〜図９ｂに示される読出し動作の原理は、キャップ層１５が存在するか否かにかかわらず当てはまる。キャップ層１５を含むこと、または含まないことは、本発明のメモリセル１０を形成するための方法に関連して、以下に説明される。さらに、キャップ層１５が存在するとき、キャップ層１５は、図８ａ〜図８ｂおよび図９ａ〜図９ｂに示されるように、読出し磁界Ｈがキャップ層１５内に延在するように、クラッディング２１と磁気的に１つのようである（すなわち、磁気的に結合される）。したがって、図８ａ〜図９ｂに示されるようなキャップ層１５は任意である。キャップ層１５を含まないことができるが、その場合でも図８ａ〜図９ｂに関して説明された読出し動作の原理は依然として当てはまる。
【００４８】
論理状態が、Ｍ１とＭ２との間で平行な関係および逆平行な関係のどちらに割り当てられるかの決定は、応用例に依存する、またはその決定は所定の規約を介して行われることができる。たとえば、その規約として、図８ａおよび図８ｂに示される構成が採用され、それにより、読出し電流ＩRは紙面の「＋」内に流れ込み、Ｍ１は、所望の向きにオンザフライでピン留めされ（すなわち、左側を指し）、論理「０」のための規約はＭ１およびＭ２が平行であり、論理「１」のための規約はＭ１およびＭ２が逆平行であるようにすることができる。
【００４９】
本明細書に記載される本発明の実施形態では、強磁性データ層１１、キャップ層１５およびクラッディング２１は、高い透磁率の軟らかい磁性材料から形成されることができる。「軟らかい磁性材料」は、約１０００以上の高い比透磁率μR（すなわち、透磁率μはμ＝μ0＊μRであり、ここでμ0＝４π＊１０-7Ｈ／ｍ、μ＝（４π＊１０-7）＊１０００＝１．２５７＊１０-3Ｈ／ｍ以上）と、約１０００Ａ／ｍ以下の低い保磁力（飽和保磁力）とを有し、ヒステリシス損失が小さい材料を意味する。
【００５０】
クラッディング２１のための高透磁率の軟らかい磁性材料によって、Ｍ１の磁化の向きは、読出し磁界Ｈがクラッディング２１内に概ね閉じ込められるように、クラッディング２１を飽和させない読出し磁界Ｈの大きさでオンザフライでピン留めされることが可能になる。さらに、クラッディング２１から外側に延在する読出し磁界Ｈの全ての（すなわち、クラッディング２１に閉じ込められない）部分は、データ層１１内の変更可能な磁化の向きＭ２を回転させることはない（すなわち、読み出し磁界ＨはＭ２をその現在の向きから切り替えない。）。結果として、読出し磁界Ｈを生成するために必要とされる読出し電流ＩRの大きさは、従来の磁気メモリセルに比べて低減される。同様に、軟らかい強磁性リファレンス層１７がキャップ層１５を含む場合、クラッディング２１およびキャップ層１５の両方のための高透磁率の軟らかい磁性材料によって、磁化の向きＭ１は、読出し磁界Ｈがクラッディング２１およびキャップ層１５内に概ね閉じ込められ、クラッディング２１およびキャップ層１５から外側に延在する読出し磁界Ｈの任意の部分がデータ層１１内の変更可能な磁化の向きＭ２を回転させないように、クラッディング２１およびキャップ層１５を飽和させない読出し磁界Ｈの大きさでオンザフライでピン留めされることが可能になる。
【００５１】
本発明の一実施形態では、データ層１１、キャップ層１５およびクラッディング２１のうちの任意の選択される１つあるいは複数の層のための高透磁率の軟らかい磁性材料は、限定はしないが、以下の表１に列挙された材料を含む材料から形成されることができる。
【００５２】
【表１】
0003942930.tif 000002
【００５３】
本発明の別の実施形態では、データ層１１、キャップ層１５およびクラッディング２１は、同じ高透磁率の軟らかい磁性材料から形成されることができる。同じ高透磁率の軟らかい磁性材料は、限定はしないが、上記の表１に記載される材料を含む。たとえば、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）またはパーマロイ（PERMALLOY）（登録商標）を用いて、データ層１１、キャップ層１５およびクラッディング２１を形成することができる。
【００５４】
本発明の一実施形態では、データ層１１、キャップ層１５およびクラッディング２１のうちの任意の選択される１つあるいは複数の層は、約１０００より大きい比透磁率を有する。
【００５５】
本発明のさらに別の実施形態では、データ層１１、キャップ層１５およびクラッディング２１のうちの任意の選択される１つあるいは複数の層は、約１０００Ａ／ｍ以下の飽和保磁力を有する。
【００５６】
読出し導体１９は、導電性材料から形成されることができる。読出し導体１９に適した材料は、限定はしないが、以下の表２に列挙される材料を含む。
【００５７】
【表２】
0003942930.tif 000003
【００５８】
本発明の一実施形態では、中間層１３は、軟らかい強磁性リファレンス層１７からデータ層１１を分離し、かつ電気的に絶縁する絶縁材料（すなわち、導電性ではない）材料から形成されるトンネル障壁層である。限定はしないが、以下の表３に列挙される材料を含む誘電体材料を、トンネル障壁層に用いることができる。トンネル障壁層は、約０．５ｎｍ〜約５．０ｎｍの厚み（図１３のＴ3参照）を有することができる。
【００５９】
【表３】
0003942930.tif 000004
【００６０】
本発明の別の実施形態では、中間層１３は非磁性材料から形成されるスペーサ層である。スペーサ層のための非磁性材料は、３ｄ、４ｄまたは５ｄの遷移金属（元素の周期表から）とすることができる。限定はしないが、以下の表４に列挙される材料を含む非磁性材料を、スペーサ層に用いることができる。スペーサ層は、約０．５ｎｍ〜約５．０ｎｍの厚み（図１３のＴ3参照）を有することができる。
【００６１】
【表４】
0003942930.tif 000005
【００６２】
図１１では、本発明の磁気メモリセル１０は、データ層１１を横切り、データ層１１と電気的に通じる第１の導体２９を含むことができる。データ層１１と第１の導体２９との間の導通は、第１の導体２９とデータ層１１とが、互いに接触することにより、またはバイア、導電性プラグ等（図示せず）のような相互接続構造体によって達成され得る。好適には、構成がコンパクトであり、相互接続構造体よりも複雑ではないため、第１の導体２９は強磁性データ層１１と接触する。データのビットは、第１の導体２９と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗を測定することにより、上述のように読み出され得る。第１の導体２９は、概ね直交する方向にデータ層１１を横切ることができ、または直交しない方向にデータ層１１を横切ることができる。マイクロエレクトロニクスのレイアウトおよび配線ツールは、マイクロエレクトロニクスデバイスの直交レイアウトに対して修正でき、ツールによっては直交しないレイアウトを許容しないため、典型的には、第１の導体２９はデータ層１１を直交する方向に横切る。第１の導体２９は、限定はしないが、上記の表２に記載された材料を含む導電性材料から形成されることができる。
【００６３】
図７において、本発明の複数（ここでは３つが示される）の磁気メモリセル１０によってメモリ５０が形成される。各磁気メモリセル１０は、共通の軟らかい強磁性リファレンス層１７と接触する、その各キャップ層１５（キャップ層１５は任意である）を有し、各磁気メモリセル１０は、その各データ層１１にデータのビットを格納する。そのデータのビットは、データ層１１と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗を測定することにより読み出され得る。さらに、図１１に関して先に説明されたように、各磁気メモリセル１０は、その各データ層１１と電気的に通じる第１の導体２９を含むことができる。同様に、データのビットは、第１の導体２９と軟らかい強磁性リファレンス層１７との間の抵抗を測定することにより読み出され得る。したがって、軟らかい強磁性リファレンス層１７および第１の導体２９は、それぞれ行導体および列導体、または列導体および行導体のような１対の導体とすることができる。その１対の導体は互いに交差し、磁気メモリセル１０は、図７に示されるように、その１対の導体間の交差領域に配置され得る。その１対の導体は、互いに直交する方向に交差する必要はない。
【００６４】
図１１において、本発明の磁気メモリセル１０は、データ層１１を横切る第２の導体４１を含むことができる。第２の導体４１はデータ層１１、第１の導体２９および軟らかい強磁性リファレンス層１７から電気的に絶縁される。たとえば、誘電体層４３を用いて、第２の導体４１を電気的に絶縁することができる。誘電体層４３は、限定しないが、上記の表３に記載された材料を含む電気的絶縁材料とすることができる。第２の導体４１は、限定しないが、上記の表２に記載された材料を含む導電性材料から形成され得る。
【００６５】
当分野においてよく理解されているように、データ層１１にデータのビットが書き込まれる書込み動作は、第１の導体２９に第１の外部供給電流を流して、第１の書込み磁界を生成し、かつ第２の導体４１に第２の外部供給電流を流して、第２の書込み磁界を生成することにより達成され得る。第１および第２の書込み磁界は、変更可能な磁化の向きＭ２を所望の向きに回転させるために、データ層１１と協働する。たとえば、データ層１１が現時点で論理「０」であり、Ｍ２が「左」を指している場合、第１および第２の書込み磁界は、データ層１１と協働して、Ｍ２を「右」に回転させ（すなわち、反転させ）、データ層１１に論理「１」が書き込まれるようにすることができる。
【００６６】
図１２において、本発明の複数（ここでは３つが示される）の磁気メモリセル１０によってメモリ７０が形成される。各磁気メモリセル１０は、共通の軟らかい強磁性リファレンス層１７と接触する、その各キャップ層１５（キャップ層１５は任意である）を有し、その各データ層１１は、データ層１１を横切る第１の導体２９と電気的に通じる。共通の第２の導体４１は、各データ層１１を横切り、誘電体層４３によってデータ層１１から電気的に絶縁される。
【００６７】
磁気メモリセル１０のうちの選択された磁気メモリセルに対する書込み動作は、以下のように達成され得る。１１ａとして示されるデータ層を有する磁気メモリセル１０は、データ層１１ａと接触する第１の導体２９に第１の書込み電流ＩW1を流し、第２の導体４１に第２の書込み電流ＩW2を流すことにより、書込み動作に対して選択される。他の磁気メモリセル１０は書込み動作に対して選択されない。なぜなら、それらの各第１の導体２９に書込み電流が流れないためである。第１の書込み電流ＩW1は第１の書込み磁界ＨW1を生成し、第２の書込み電流ＩW2は第２の書込み磁界ＨW2を生成する。第１および第２の書込み磁界（ＨW1、ＨW2）は協働して、データ層１１ａの変更可能な磁化の向きＭ２を所望の向きに回転させる。
【００６８】
さらに別の例として、データ１１ａの読出し動作は、軟らかい強磁性リファレンス層１７の読出し導体１９に、所定の大きさおよび方向の読出し電流ＩRを流すことにより達成され得る。読出し電流ＩRは、クラッディング２１内に概ね閉じ込められる読出し磁界ＨRを生成し、読出し磁界ＨRは、磁化の向きＭ１をオンザフライでピン留めするように作用する。データ層１１ａに格納されるデータのビットは、軟らかい強磁性リファレンス層１７と、データ層１１ａの第１の導体２９との間の抵抗を測定することにより読み出され得る。
【００６９】
本発明のクラッディングされた読出し導体を形成するためのプロセスが、図１０ａ〜図１０ｆに示される。以下に記載される処理ステップの順序は例示にすぎず、処理ステップの実際の順序は、以下に記載されるのと同じ順序である必要はない。さらに、マイクロエレクトロニクスの分野の当業者によく知られている他のプロセスを、ここに記載される処理ステップの代わりに用いることができる。
【００７０】
最初に、図１０ａでは、誘電体層３１が形成され、たとえば、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）のようなプロセスによって平坦化される。クラッディング２１の一部を形成することになる高透磁率の軟らかい磁性材料を堆積させる前に、誘電体層３１においてトレンチ３３がエッチングされる。誘電体層３１の一部のみが図１０ａに示されているが、誘電体層３１は、その中に形成された複数のトレンチ３３を有する誘電体層とすることができ、破線矢印ｅによって示されるように、図示される範囲を越えて延びることができる。
【００７１】
第２に、図１０ｂでは、等方性プロセスを用いて、クラッディング２１ａの一部がトレンチ３３内に堆積される（結果として、トレンチ３３の側壁Ｓが、トレンチ３３の底面ｂと概ね同じ厚みにコーティングされる）。クラッディング２１ａに用いられる材料は、磁気的に軟らかい材料であり、すなわちその材料は、磁気コアとして作用するだけの十分な透磁性を有し、とぎれることなく、またはあまりに多くの空隙を生じることなく、その断面を通して連続している。クラッディング２１ａの等方性堆積の結果として、トレンチ３５が形成される。
【００７２】
第３に、図１０ｃでは、電気めっき、または他の適切な堆積プロセスを用いて読出し導体１９を形成するために、トレンチ３５は銅（Ｃｕ）のような導電性材料を充填される。その後、図１０ｃに示される構造体を得るために、（たとえば、ＣＭＰを用いて）全構造体が平坦化される。図１０ｃでは、読出し導体１９は、未だ完全にクラッディングされていないことに留意されたい。
【００７３】
第４に、図１０ｄでは、磁束通路を閉じるために、別の高透磁率の軟らかい磁性材料２１ｂが堆積され、それにより完全にクラッディングされた読出し−書込み導体１９が形成される（すなわち、部分２１ａおよび２１ｂをクラッディングすることにより完全に包囲される）。高透磁率の軟らかい磁性材料２１ｂの厚みは、クラッディング２１ａの底面ｂまたは側壁Ｓの厚みとは異なるように形成され得る。しかしながら、２１ａおよび２１ｂの厚みは、読出し磁界ＨRがクラッディング２１内に概ね閉じ込められるように選択されるべきである。２１ｂの材料は、クラッディング２１ａの材料と同じ材料、または異なる材料とすることができる。その後、クラッディング２１ｂはパターン形成およびエッチングされ、次いで、磁気メモリセル１０の残りの部分が図１０ｄの構造体の上側に形成される。さらに、図１０ｄは、クラッディング２１ａの最も外側のエッジを越えて延びる高透磁率の軟らかい磁性材料２１ｂを示すが、高透磁率の軟らかい磁性材料２１ｂはそれらのエッジと同一平面に存在し得る、または破線ｉによって示されるようにそれらのエッジから挿入され得ることに留意されたい。高透磁率の軟らかい磁性材料２１ｂは、もはやクラッディング２１ａとの閉じた磁束通路を形成しなくなるほどまでｉを挿入させるべきではない。
【００７４】
必要に応じて、図１０ｅでは、キャップ層１５を形成するために、別の高透磁率の軟らかい磁性材料がクラッディング２１（先に２１ａおよび２１ｂとして示された）上に堆積され得る。その後、中間層１３がキャップ層１５上に堆積される。キャップ層１５の包含は、製造上の選択の問題である。たとえば、先に言及したように、その処理ステップは、ここに記載される順序に従う必要はない。そのため、磁気メモリセル１０は、強磁性データ層１１で開始して、その後中間層１３が形成されるなどにより製造されてもよい。中間層１３に用いられる材料によっては、中間層が堆積された後に、中間層がさらされる環境と化学的に反応するのを防ぐように、中間層１３を仕上げる（すなわち、不動態化する）ことが必要な場合がある。たとえば、中間層１３が誘電体トンネル障壁層である場合、クラッディング２１の高透磁率の軟らかい磁性材料と磁気的に適合することになる高透磁率の軟らかい磁性材料から形成されるキャップ層１５を堆積させることが望ましいかもしれない。キャップ層１５は、誘電体トンネル障壁層のための保護キャップとして機能する。キャップ層１５は、クラッディング２１と同じ材料から、またはクラッディング２１と異なる材料から形成され得る。
【００７５】
最後に、図１０ｆでは、中間層１３上にデータ層１１が形成される。さらに、第１の導体２９を形成するために、データ層１１上に導電性材料を堆積させることができる。
【００７６】
さらに、第１の導体２９上に別の誘電体層４３（図示せず）を堆積した後に、第２の導体４１（図示せず）を形成するために、別の導電性材料を堆積することができる。
【００７７】
上記のプロセスは、本発明の完全にクラッディングされた読出し導体（すなわち、１９、２１ａおよび２１ｂ）を形成するために用いられるＣｕのダマクス象眼加工（Cu-damascene）プロセスの中のプロセスを真似ている。そのようなプロセスによって製造される平坦な構造体は、図１０ｄの構造体を製造する際に有用である（ただし、絶対的に不可欠ではない）。しかしながら、マイクロエレクトロニクスの分野において理解されている他のプロセスを用いて、図１０ｄの構造体を製造することもできる。さらに、図１０ａ〜図１０ｆは、本発明の完全にクラッディングされた読出し導体を製造するための１つの実現可能な方法を示している。たとえば、図１０ａ〜図１０ｆに示されるものと逆の順序で製造することができる。製造は、強磁性データ層１１から開始し、中間層１３、必要に応じてキャップ層１５と続けられ、その後、クラッディングされた読出し導体を形成することができる。
【００７８】
上記のプロセスでは、クラッディング２１、キャップ層１５、強磁性データ層１１、読出し導体１９および中間層１３の材料は、限定しないが、表１、表２、表３および表４において先に記載された材料を含むことができる。
【００７９】
図１３ａでは、クラッディング２１、中間層１３およびデータ層１１の間の寸法の関係が示される。先に言及したように、クラッディング２１の軟らかい磁性材料は、読出し導体１９を流れる読出し電流ＩRによって生成される読出し磁界Ｈが、軟らかい強磁性リファレンス層１７の磁化の向きＭ１をオンザフライでピン留めするように選択される。さらに、読出し磁界Ｈがクラッディング２１内に概ね閉じ込められるように、結果として生じる読出し磁界Ｈは、クラッディング２１を飽和させることはない。クラッディング２１を越えて延びる読出し磁界Ｈの任意の部分が、データ層１１の変更可能な磁化の向きＭ２を回転させることはない。そのため、クラッディング２１の相対的な厚みは、読出し磁界Ｈがその中に概ね閉じ込められるように、予め決定されなければならない。
【００８０】
図１３ａにおいて、中間層１３に隣接するクラッディング２１の部分（破線矢印１８を参照）は、クラッディング２１内に読出し磁界Ｈを概ね閉じ込めるのに十分な最小厚Ｄ1を有するべきである。クラッディング２１の残りの部分は、最小厚Ｄ1以上の厚みＤ2、Ｄ3およびＤ4を有することができる。それゆえ、Ｄ2、Ｄ3およびＤ4≧Ｄ1である。Ｄ2、Ｄ3およびＤ4は、Ｄ1より厚いことが好ましい。
【００８１】
同様に、図１３ｂでは、クラッディング２１、キャップ層１５、中間層１３およびデータ層１１の間の寸法の関係が示される。先に言及したように、クラッディング２１およびキャップ層１５のための軟らかい磁性材料は、読出し導体１９を流れる読出し電流ＩRによって生成される読出し磁界Ｈが、軟らかい強磁性リファレンス層１７の磁化の向きＭ１をオンザフライでピン留めするように選択される。さらに、結果として生じる読出し磁界Ｈは、クラッディング２１およびキャップ層１５を飽和させず、読出し磁界Ｈがクラッディング２１およびキャップ層１５内に概ね閉じ込められるようにする（すなわち、クラッディング２１およびキャップ層１５が磁束閉じ込め構造を提供する）。クラッディング２１およびキャップ層１５を越えて延びる読出し磁界Ｈの任意の部分が、データ層１１の変更可能な磁化の向きＭ２を回転させることはない。そのため、クラッディング２１およびキャップ層１５の相対的な厚みは、読出し磁界Ｈがその中に概ね閉じ込められるように、予め決定されなければならない。
【００８２】
図１３ｂでは、キャップ層１５に隣接するクラッディング２１の部分（破線矢印１９を参照）は、クラッディング２１およびキャップ層１５内に読出し磁界Ｈを概ね閉じ込めるのに十分な最小の組み合わせた厚み（Ｄ1＋Ｔ1）を有するべきである。クラッディング２１の残りの部分は、最小の組み合わせた厚み（Ｄ1＋Ｔ1）以上の厚みＤ2、Ｄ3およびＤ4を有することができる。それゆえ、Ｄ2、Ｄ3およびＤ4≧（Ｄ1＋Ｔ1）である。Ｄ2、Ｄ3およびＤ4は、（Ｄ1＋Ｔ1）より厚いことが好ましい。
【００８３】
クラッディング２１、キャップ層１５、中間層１３およびデータ層１１の厚みとその範囲は、限定しないが、以下に記載される寸法を含む。
【００８４】
クラッディング２１は、約３．０ｎｍ〜約５００．０ｎｍの厚みＤ1を有し、キャップ層１５は、約１．０ｎｍより大きい厚みＴ1を有することができる。Ｄ1およびＴ1の実際の厚みは、クラッディング２１およびキャップ層１５のために選択される材料に依存するであろう。
【００８５】
中間層１３は、約０．５ｎｍ〜約５．０ｎｍの厚みＴ3を有することができる。Ｔ3の実際の厚みは、中間層１３のために選択される材料、およびたとえば、ＴＭＲメモリセルまたはＧＭＲメモリセルのようなメモリセルのタイプに部分的に依存するであろう。
【００８６】
データ層１１は、約１．０ｎｍより大きい厚みＴ5を有することができる。Ｔ5の実際の厚みは、メモリセルのタイプおよび応用形態に依存するであろう。
【００８７】
軟らかい強磁性リファレンス層１７は、読出し導体１９のために選択される寸法、およびクラッディング２１の厚みＤ1、Ｄ2、Ｄ3およびＤ4に部分的に依存する幅Ｗおよび高さＨを有することができる。したがって、ＷおよびＨは、その最終的な寸法が、クラッディング２１および読出し導体１９の寸法を含む多くの変数に基づくことになるので、応用形態への依存性が高い。
【００８８】
本発明のいくつかの実施形態が開示され、説明されてきたが、本発明は、そのように記載および図示される特定の形態または部品の構成に限定されない。本発明は特許請求の範囲によってのみ制限される。
【００８９】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。
１．トンネル接合であって、
変更可能な磁化の向き（Ｍ２）としてデータのビットを格納するためのデータ層（11）と、
前記データ層（11）と接触している障壁層（13）と、
前記障壁層（13）と接触しているキャップ層（15）と、及び
前記キャップ層（15）と接触し、ピン留めされない磁化の向き（Ｍ１）を有し、読出し導体（19）、及びその読出し導体（19）を完全に包囲するクラッディング（21）を含む軟らかいリファレンス層（17）とからなり、
前記読出し導体（19）が、外部から供給される電流に応答して、磁界を生成するように機能し、
前記クラッディング（21）は、前記変更可能な磁化の向き（Ｍ２）が、前記クラッディング（21）内に閉じ込められない磁界の任意の部分によって影響を受けないように、前記クラッディング（21）内に前記磁界を概ね閉じ込めるように機能し、
前記軟らかいリファレンス層（17）の前記磁化の向き（Ｍ１）が、前記読出し導体（19）に所定の大きさおよび方向の電流を流すことにより、所望の向きにオンザフライでピン留めされ、前記ビットが、前記軟らかいリファレンス層（17）と前記データ層（11）との間の電圧を測定することにより読み出される、トンネル接合。
２.前記データ層（11）、前記キャップ層（15）、前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、高透磁率の軟らかい磁性材料からなる、上記１に記載のトンネル接合。
３.前記高透磁率の軟らかい磁性材料が、ニッケル鉄、ニッケル鉄の合金、ニッケル鉄コバルト、ニッケル鉄コバルトの合金、コバルト鉄、コバルト鉄の合金、およびパーマロイ（Ｒ）からなるグループから選択された材料である、上記２に記載のトンネル接合。
４.前記データ層（11）、前記キャップ層（15）および前記クラッディング（21）が、同じ高透磁率の軟らかい磁性材料から形成される、上記１に記載のトンネル接合。
５.前記データ層（11）、前記キャップ層（15）および前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、約１０００より大きい比透磁率を有する、上記１に記載のトンネル接合。
６.前記データ層（11）、前記キャップ層（15）および前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、約１０００Ａ／ｍ以下の飽和保磁力を有する、上記１に記載のトンネル接合。
７.前記障壁層（13）が、酸化シリコン、酸化マグネシウム、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルおよび窒化アルミニウムからなるグループから選択された誘電体材料である、上記１に記載のトンネル接合。
８.前記読出し導体（１９）が、銅、銅の合金、アルミニウム、アルミニウムの合金、アルミニウム銅、アルミニウム銅の合金、タンタル、タンタルの合金、金、金の合金、銀および銀の合金からなるグループから選択された導電性材料であり、
前記第１の導体（29）が、外部から供給される第１の電流に応答して、第１の書込み磁界を生成するように機能し、
前記第２の導体（41）が、外部から供給される第２の電流に応答して、第２の書込み磁界を生成するように機能し、
前記第１および前記第２の書込み磁界が、前記データ層（11）と協働して、前記データ層（11）の磁化の向き（Ｍ２）を所望の向きに回転させる、上記１に記載のトンネル接合。
９.変更可能な磁化の向きとしてデータのビットを格納するためのデータ層と、前記データ層と接触している第１の導体と、既知の方向にピン留めされる磁化の向きを有するリファレンス層と、前記リファレンス層と接触している第２の導体と、前記データ層と前記リファレンス層との間のトンネル障壁層とを含み、前記ビットが、前記第１および前記第２の導体に第１および第２の電流を流し、前記第１の導体と前記第２の導体との間の電圧を測定することにより読み出される、トンネル接合メモリセルにおいて、
ピン留めされない磁化の向き（Ｍ１）を有し、読出し導体（19）、及びその読出し導体（19）を完全に包囲するクラッディング（21）を含む軟らかいリファレンス層（17）と、
前記トンネル障壁層と前記軟らかいリファレンス層（17）との間のキャップ層（15）とを含み、
前記読出し導体（19）が、外部から供給される電流に応答して、磁界を生成するように機能し、
前記クラッディング（21）は、前記変更可能な磁化の向き（Ｍ２）が、前記クラッディング（21）内に閉じ込められない磁界の任意の部分によって影響を受けないように、前記クラッディング（21）内に前記磁界を概ね閉じ込めるように機能し、
前記軟らかいリファレンス層（17）の前記磁化の向き（Ｍ１）が、前記読出し導体（19）に所定の大きさおよび方向の電流を流すことによってのみ、所望の向きにオンザフライでピン留めされ、前記ビットが、前記軟らかいリファレンス層（17）と前記第１の導体との間の電圧を測定することにより読み出される、トンネル接合メモリセル。
１０.前記データ層（11）、前記キャップ層（15）、前記クラッディング（21）のうちの任意の選択された１つあるいは複数の層が、高透磁率の軟らかい磁性材料からなる、上記９に記載のトンネル接合メモリセル。
【００９０】
【発明の効果】
上記のように、本発明によれば、データ層に格納されたデータのビットを読み出すために、ピン留めされた磁化の向きを必要としないリファレンス層を有する磁気メモリセルを実現することができる。また、リファレンス層を形成するために必要とされる材料の層の数を低減することもできる。さらに、近くのメモリセルとの干渉を十分に低減するように、読出し動作中に生成されるフリンジ磁界が、リファレンス層に概ね閉じ込められる磁気メモリセルを実現することができる。さらに、読出し動作中の磁気抵抗の変化が大きくなるように、データ層の磁化の向きの角変位が著しく低減あるいは排除される磁気メモリセルを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ピン留めされた磁化の向きを有するリファレンス層を用いる従来の磁気メモリセルを示す図である。
【図２ａ】図１の従来の磁気メモリセルのリファレンス層とデータ層との間の全体的に平行な磁化の向きを示す図である。
【図２ｂ】図１の従来の磁気メモリのリファレンス層とデータ層との間の全体的に逆平行の磁化の向きを示す図である。
【図２ｃ】従来の磁気メモリセルにおけるデータ層の磁化の向きに対する消磁界の作用を示す図である。
【図２ｄ】従来の磁気メモリセルにおけるデータ層の磁化の向きに対する消磁界の作用を示す図である。
【図３ａ】ピン留め層とピン留めされる層とを含む多層リファレンス層を用いる従来の磁気メモリセルを示す図である。
【図３ｂ】ピン留め層とピン留めされる層とを含む多層リファレンス層を用いる従来の磁気メモリセルを示す図である。
【図４ａ】従来の磁気メモリセルのアレイと、行および列導体とを含む従来の磁気メモリセルの読出し動作を示す図である。
【図４ｂ】選択された従来の磁気メモリセルに対する読出し動作と、行および列導体に流れる読出し電流によって生成される磁界とを示す図である。
【図５】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層と、全体的にクラッディングされた読出し導体とを有する磁気メモリセルの図である。
【図６】本発明による、読出し動作中に強磁性クラッディング内に概ね閉じ込められる磁界の図である。
【図７】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層を有する磁気メモリセルのアレイを含むメモリの図である。
【図８ａ】本発明による、読出し動作中にオンザフライでピン留めされる軟らかい強磁性リファレンス層の図である。
【図８ｂ】本発明による、読出し動作中にオンザフライでピン留めされる軟らかい強磁性リファレンス層の図である。
【図９ａ】本発明による、読出し動作中にオンザフライでピン留めされる軟らかい強磁性リファレンス層の図である。
【図９ｂ】本発明による、読出し動作中にオンザフライでピン留めされる軟らかい強磁性リファレンス層の図である。
【図１０ａ】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層と全体的にクラッディングされた読出し導体とを有する磁気メモリセルを形成する方法を示す図である。
【図１０ｂ】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層と全体的にクラッディングされた読出し導体とを有する磁気メモリセルを形成する方法を示す図である。
【図１０ｃ】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層と全体的にクラッディングされた読出し導体とを有する磁気メモリセルを形成する方法を示す図である。
【図１０ｄ】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層と全体的にクラッディングされた読出し導体とを有する磁気メモリセルを形成する方法を示す図である。
【図１０ｅ】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層と全体的にクラッディングされた読出し導体とを有する磁気メモリセルを形成する方法を示す図である。
【図１０ｆ】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層と全体的にクラッディングされた読出し導体とを有する磁気メモリセルを形成する方法を示す図である。
【図１１】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層を有し、データ層にデータのビットを書き込むための第１および第２の導体を含む磁気メモリセルの図である。
【図１２】本発明による、軟らかい強磁性リファレンス層を有し、選択された磁気メモリセルのデータ層にデータのビットを書き込むための第１および第２の導体を含む磁気メモリセルのアレイを含むメモリの図である。
【図１３ａ】強磁性クラッディングを有する軟らかい強磁性リファレンス層の相対的寸法を示す図である。
【図１３ｂ】強磁性クラッディングと強磁性キャップ層とを有する軟らかい強磁性リファレンス層の相対的寸法を示す図である。
【符号の説明】
11  データ層
13  中間層
15  キャップ層
17  軟らかい強磁性リファレンス層
19  読出し導体
21  クラッディング
29  第１の導体
41  第２の導体
【図１】
0003942930.tif 000006
【図２ａ】
0003942930.tif 000007
【図２ｂ】
0003942930.tif 000008
【図２ｃ】
0003942930.tif 000009
【図２ｄ】
0003942930.tif 000010
【図３ａ】
0003942930.tif 000011
【図３ｂ】
0003942930.tif 000012
【図４ａ】
0003942930.tif 000013
【図４ｂ】
0003942930.tif 000014
【図５】
0003942930.tif 000015
【図６】
0003942930.tif 000016
【図７】
0003942930.tif 000017
【図８ａ】
0003942930.tif 000018
【図８ｂ】
0003942930.tif 000019
【図９ａ】
0003942930.tif 000020
【図９ｂ】
0003942930.tif 000021
【図１０ａ】
0003942930.tif 000022
【図１０ｂ】
0003942930.tif 000023
【図１０ｃ】
0003942930.tif 000024
【図１０ｄ】
0003942930.tif 000025
【図１０ｅ】
0003942930.tif 000026
【図１０ｆ】
0003942930.tif 000027
【図１１】
0003942930.tif 000028
【図１２】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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