JP2005510052A - デジタル磁気メモリセルユニットにおける交換結合している層システムを均一に磁化する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＡＡＦ（artificialantiferromagnetic）層システムと、このＡＡＦ層システムの層と交換結合する反強磁性層と、を用いたデジタル磁気記憶域ユニット（digitalmagneticmemorylocationdevice）において、交換結合している層システムを均一に磁化する方法に関するものである。反強磁性層の磁化方向が決まると、ＡＡＦ層の磁性層を磁界中で飽和し、その後、反強磁性層の磁化方向および飽和磁界の方向を互いに角度αを０°＜α＜１８０°で変え、飽和磁界を遮断する。

Description

発明の詳細の説明

本発明は、ＡＡＦ層システムと、このＡＡＦ層システムの層と交換結合する（austauschkoppelnden）反強磁性層とを含んだデジタル磁気メモリセルユニットにおいて、交換結合している層システムを均一に磁化する方法に関するものである。

このようなデジタルメモリセルユニットは、磁気の原理で情報を格納するために用いられる。各メモリセルユニットは、通常、メモリユニットの一部であり、しばしばＭＲＡＭ（magnetic random access memory）とも呼ばれている。このようなメモリを用いて、読み出しおよび／または書き込み操作を行うことができる。各メモリセルユニットには、それぞれ、中間層によって硬磁気基準層システムから分離された軟磁気読み出しおよび／または書き込み層システムが含まれている。この硬磁気基準層は、メモリセルユニットのこの型の場合には、ＡＡＦシステムとして形成される。この基準層システムの基準層の磁化は安定しており、存在している磁界の影響を受けない。一方、軟磁気読み出しおよび／または書き込み層システムの磁化は、存在する磁界によって切り替えられる。これら両方の磁性層システムは、互いに平行にまたは反平行に磁化されている。上述の両方の状態は、それぞれ、１ビットの情報を示している。つまり、論理値ゼロ（「０」）状態または一（「１」）状態を示している。両方の層の磁化の相対的な向きが、平行から反平行に、またはその逆に変わると、磁気抵抗は、この層構造を介して数パーセントだけ変化する。この抵抗の変化は、メモリセルに格納された情報を読み出すために用いられ、電圧の変化によって認識される。例えば、電圧が上昇した場合、セルは論理値ゼロ（「０」）であり、電圧が低下した場合、セルは論理値一（「１」）である。また、ＧＭＲ型（巨大磁気抵抗）またはＴＭＲ型（トンネル磁気抵抗）のセル構造において磁化方向を平行から反平行にまたはその逆に変える場合、数パーセントの範囲で特に大きな抵抗の変化が見られる。

このような磁気メモリセルの利点は、特に、このように情報が永続的に格納されており、公知の従来の半導体メモリとは違って、器機がスイッチＯＦＦ状態にあって、なんの基本的な供給がなくても情報が格納されており、器機をスイッチＯＮ状態にした後で再びすぐに使用できるという点にある。

ここでは、ＡＡＦシステム（ＡＡＦ＝artifical anti ferromagnetic）として形成されている基準層システムが、中心的な構成要素である。このようなＡＡＦシステムの利点は、その高い磁気剛性にあり、また、いわゆるオレンジピール効果および／または巨視的な静磁気結合磁界によって、読み出しおよび／または書き込み層システムと比較的弱い結合をしていることにある。ＡＡＦシステムが、通常、第１磁性層または磁性層システム、反強磁性結合層、および、磁化が反強磁性結合層を介して下部磁性層の磁化とは逆の磁化をした、第２磁性層または、磁性層システムからなる。このようなＡＡＦシステムを、例えば、２つの磁気Ｃｏ層およびＣｕからなる反強磁性結合層から形成できる。

ＡＡＦシステムの剛性（つまり、外部磁界に対するこのシステムの耐性）を改善するために、通常、読み出しおよび／または書き込み層システムから分離されたＡＡＦシステムの磁性層に沿って、反強磁性層を配置する。さらに、この反強磁性層は直接隣接した磁性層の磁化方向を固定している。これにより、ＡＡＦシステムは、全体的により硬性を増す。（交換固定（exchange pinning）または交換バイアス（exchenge biasing））
ＡＡＦシステムの磁気剛性は、両方の強磁性層の磁化を同じ方向に回転させるために（つまり、平行に配置するために）必要な、印加外部電界の振幅に対応している。そのことが、このようなメモリセルユニットの読み出しおよび書き込みに使用するための磁気窓（magnetische Fenster）を、制限する。

この場合、ＡＡＦ層システムの磁性層、例えば冒頭部で述べた材料の組み合わせに加えて、２つの強磁性ＣｏＦｅ層とそれらの間に挿入されたＲｕ層をも含むもの、の目標は、常に、可能な限り均一に磁化すること、理想的には単一の均一な磁化方向にすることである。ＡＡＦ層システムと、付加的な交換結合をしている、または固定している、反強磁性結合層（例えばＩｒＭｎからなる）と、を備えた上記メモリ素子での磁化は、積層の形成後に反強磁性層（つまり例えばＩｒＭｎ）の遮断温度（blocking-Temperatur）よりも高い温度に積層を加熱することで、行われる。その間、ＡＡＦ層システムの両方の磁性層を飽和させる強い磁界が、存在している。これにより、磁性層の磁化を方向づけ、また、この磁性層と反強磁性層とが結合しているので反強磁性層の磁化にもなる。続いて、温度を下げる。同様に外部設定磁界を弱くすると、反強磁性層に結合していない磁性層の磁化は、ＡＡＦシステム結合のゆえに回転する。

しかし、この場合、複数のいわゆる３６０°壁（360°-Waenden）が、層の磁化によって形成される。領域観測（Domaenen Beobachtung）を実行した場合に、曲がりくねった波状の線として示されるこの３６０°壁は、必然的に一連の不都合を伴う。つまり、例えば、メモリ素子を介して出力された信号（例えばＴＭＲメモリ素子（ＴＭＲ＝トンネル磁気抵抗）の場合、ＴＭＲ信号）は、低減されている。さらに、（例えばＡｌ_２Ｏ_３からなる分離層（entkoppelnde Schicht）によってＡＡＦ層システムから分離した（例えばパーマロイからなる）測定層の磁化反転動作も、磁化が一度３６０°回転する３６０°壁を介した漏れ磁界のゆえに、うまく機能しない（unguenstiger）。

本発明の目的は、不都合な３６０°壁をできる限り回避して磁化を均一にする方法を提示することにある。

この目的を達成するために、冒頭部で述べたような方法の場合、本発明にしたがって以下のことを提示する。つまり、反強磁性層の磁化方向が規定されている場合に、ＡＡＦ層システムの磁性層を磁界中で飽和させ、次に、反強磁性層の磁化方向と飽和した磁界の方向との位置を互いに相対的に変える。これにより、これらの位置は、互いに角度α（０°＜α＜１８０°）になる。その後、飽和した磁界をＯＦＦ状態にする。

本発明の利点は、特に、反強磁性ピン層（antiferromagnetischen Pin-Schicht）を磁化し、磁界の方向を角度＜１８０°および＞０°とし、次に、磁界をＯＦＦ状態にする点にある。この反強磁性ピン層は、この層に隣接しているＡＡＦ層システムの磁性層との交換結合が非常に強いので、この磁性層の磁化を固定するものである。反強磁性層の磁化方向がすでに固定されているので、隣接しているＡＡＦシステムに磁性層の磁化は、自動的に、同じ方向に回転する。ＡＡＦシステムの第２磁性層が、この層と上記ＡＡＦシステムに隣接している磁性層との間に配列された結合層を介して結合されているので、第２磁性層の磁化は逆方向に回転する。しかし、反強磁性層の磁化方向と、飽和した磁界の方向との互いに対する設定が以前からなおも存在するので、１８０°回転する必要はなく、これより非常に小さな角度だけ回転する必要がある。なぜなら、以前からなおも存在している角度設定および飽和した磁界のゆえに、なおも飽和状態にある両方の磁性ＡＡＦ層の磁化は、反強磁性層の磁化に対して０°または１８０°の角度を持っているのではなく、その中間の角度を持っているのである。第２磁性ＡＡＦ層の磁化は、この中間の角度だけ回転させればよい。この磁化は、もっぱら回転経路が短く、それゆえにエネルギー面からより好都合に回転できる一方向にのみ、回転させることが好ましい。その結果、主に磁化が１８０°回転する必要がある場合に形成される３６０°壁、または、磁化の分解が、防止される。なぜなら、この場合、壁が形成される、２つの方向（つまり１８０°から０°へ、または、１８０°から３６０°へ（つまりは「左」および「右」へ））への回転が可能となるからである。これらの磁化方向を設定することによって、層の磁化が回転するときの好ましい回転方向が規定される。このようにして、３６０°壁が好ましく防止される。

便宜的に、角度αを６０°〜１２０°、特に９０°に設定するのがよい。角度が９０°の場合、反強磁性層によって固定された隣接したＡＡＦ層の磁化を、９０°回転させる必要がある。また、第２磁性層の磁化を同様に９０°、他の方向に回転させる必要がある。この経路は全体的に両方の磁化に対して比較的短いので、均一な磁化が生じる。

角度の設定に関して、磁化という面から複数の可能性が考えられる。一つには、固定されている磁界に対して、メモリ素子を回転させてもよい。他には、固定されているメモリ素子に対して、磁界が移動してもよい。最後に、メモリ素子も磁界も、互いに対して動いてもよい。

本発明の方法によって、メモリ素子の初めの磁化の間に、すでに３６０°壁の形成を防止できる。このために、反強磁性層の磁化を設定するために、温度を層の遮断温度よりも上げる。この、温度を遮断温度より高くしている間、飽和した磁界を印加する。その後、温度を下げ、層システムの磁化の設定を行う。ここでは、ＡＡＦシステムの磁性層の飽和と反強磁性層の磁化の設定とが、同時に行われる。このときの温度が遮断温度よりも高いので、隣接したＡＡＦシステムの磁性層の磁化方向に順応される。続いて、温度を下げることにより、温度が遮断温度を下回った後に反強磁性層の磁化をいわば凍結する。次に、磁界が依然として存在している場合の角度αを設定するために、メモリ素子および／または磁界を回転させる。その後、磁界をＯＦＦ状態にし、ＡＡＦシステムの両方の磁性層の磁化を２つの異なる方向に回転させる。

しかし、本発明の方法によって、同様に、すでに磁化されており３６０°壁を備えている（つまり不均一に磁化された）メモリ素子を、後に均一化することもできる。このために、ＡＡＦ層システムの磁化を、あらかじめ温度を上げずに、十分に高い電界中で飽和させる。飽和後、システムを磁界に対して回転させる。つまり、反強磁性層のもとの飽和方向に対して９０°だけ回転させる。この飽和方向は、便宜的に、以前の外部飽和磁界に対して平行に調整されているか、または、メモリ素子が、これに応じて位置決めされている。回転後、外部磁界は元に戻り、その結果、回転させたにもかかわらず飽和のゆえに外部磁界の方向にある層の磁化が、その角度分だけ回転して戻る（zurueckzudrehen）。

この方法に加えて、本発明は、さらに、この方法にしたがって磁化された磁気抵抗メモリセルユニットに関するものである。さらに、本発明は、複数の本発明のメモリセルユニットを含んだ磁気抵抗メモリユニットに関するものである。

さらに、本発明は、少なくとも１つのメモリ素子を有する基板のための容器および磁界形成ユニットを含んだ、この方法を行うための装置に関するものである。この装置の特徴は、容器および磁界形成ユニットが互いに対して回転可能であるということにある。本発明の第１形態にしたがって、容器は回転盤で、磁界形成ユニットは固定されていてもよい。つまり、ここでは、必然的に、複数のメモリ素子を備えた基板が、静止している磁界に対して回転する。また、逆に、容器が固定され、磁界形成ユニットが回転するものであってもよい。

必要であれば、基板をできるかぎり速く遮断温度よりも高い温度に暖めるために、容器（場合によっては回転盤）を加熱できることが特に好ましい。

本発明のさらなる利点、特徴、および、詳細は、以下に記載する実施例から、および、図面に基づいて明らかになる。図１は、飽和磁界が存在しており、遮断温度より高い温度に磁化している間の本発明のメモリセルユニットを示す原理略図である。図２は、図１のメモリセルユニットを回転させた後の、磁界が定常飽和しており、温度が事前に低下している状態で回転させたメモリセルユニットを示す図である。図３は、磁界をＯＦＦ状態にした後の図２からなるメモリセルユニットを示す図である。図４は、本発明の第１実施形態の装置を示す原理略図である。図５は、本発明の第２実施形態の装置を示す原理略図である。

図１に、本発明のメモリセルユニット１を示す。このユニットは、いわゆる基準層システム２を含んでおり、このシステムは、分離層３（例えばＡｌ_２Ｏ_３）によって軟磁気測定層システム４から隔てられている。さらに、上方および下方に互いに直交して延びるワード線５ａおよびビット線５ｂを示す。基準層システム２は、下部強磁性層７、上部強磁性層８、および、これらの間に配置され反平行に結合された結合層９を含んだ、ＡＡＦ層システム６を備えている。これらの強磁性層は、例えば、ＣｏまたはＣｏＦｅであってもよい。また、反平行に結合された結合層は、ＣｕまたはＲｕであってもよい。このようなＡＡＦ層システムの構造は、十分に知られている。

さらに、基準層システム２は、下部強磁性層７の下に、例えば、Ｎｉ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｔＭｎ、ＣｒＰｔＭｎ、ＲｈＭｎ、または、ＰｄＭｎからなる反強磁性層１０を備えている。反強磁性層１０は、その上に位置する下部強磁性層７の磁化を結合させている。つまり、この下部強磁性層は、反強磁性層との界面領域における反強磁性層の磁気モーメントに対して平行に配置されている。これにより、交換バイアスにより、強磁性層７の磁化を固定する。この機能またはこの構造も、十分に知られている。

磁性層７・８の磁化および反磁性層１０の磁化を設定するために、通常は、複数の他のメモリ素子を備えた面積の広いウェハーに沿って形成されたメモリセルユニット（ここでは原理略図の形態でのみ詳細に示す）を、反強磁性層１０の遮断温度Ｔ_{ｂｌｏｃｋｉｎｇ}より高い温度Ｔに加熱する。遮断温度より高い温度では、反強磁性層は、反強磁性特性を失う。この層の磁気モーメントは、外部磁界によって調節できる。このような外部磁界Ｈとして、磁性層７・８の磁化を飽和するために必要な飽和磁界Ｈ_Ｓよりも大きい磁界を供給する。長い矢印で示した層７・８の磁化は、外部磁界に対して平行に調節されていることが分かる。さらに、反強磁性層１０の磁気モーメントも、外部磁界に応じて調節されている。ここで、磁性層７との界面領域に位置する界面近傍のモーメントは、外部磁界に対して平行に結合している。

次に、温度を下げる。これにより、温度は、遮断温度Ｔ_{ｂｌｏｃｋｉｎｇ}より低くなる。このように遮断温度を下回る温度の場合、反強磁性層１０は、再び、反強磁性状態に移行し、磁化は「凍結される」。しかし、外部磁界は依然として飽和状態にある。

続いて、図２に示したように、角度αだけ回転させる。この場合、αは９０°である。反強磁性層１０の磁化は、以前に設定された方向のままであることが分かる。つまり、この磁化は、外部飽和磁界Ｈが依然として存在しているにもかかわらず、変わらない。この角度αは、図２に示したように、層１０の磁化方向が外部磁界Ｈに影響を受ける（einnimmt）角度である。

固定された反強磁性層１０の磁化とは異なって、固定されている外部磁界に対してメモリセルユニットが回転する場合には、磁性層７・８の磁化は、メモリセルユニットが回転している間に回転する。つまり、図２に明示したように、これらの層の磁化は、依然として外部磁界Ｈに対して平行なままである。したがって、これらの磁化は、反強磁性層１０の磁化方向に対してある角度にある。ここでも、角度はα＝９０°である。

次に、外部磁界を遮断する（図３参照）。これにより、両方の磁性層７・８では、異なる方向を向いた回転プロセスが起こる。つまり、反強磁性層１０に対して隣接している下部磁性層７の磁化が、図示した例では、右に、つまり、反強磁性層１０の界面近傍のモーメントに対して平行に設定される（このことは、２つの層の間の強い交換結合によって規定されている）一方で、磁性層８の磁化は、結合層９の結合特性のゆえに、逆方向に回転する。図３に、それぞれ、図２からわかる磁化する前の位置を点線で示す。実線矢印は回転した後の各最終位置を示す。両方の磁化は、比較的小さな角度を介してのみ（つまり９０°）回転することが分かる。この角度は、図２に示したように、外部磁界からすでに影響を受けたメモリセルユニットの設置位置によって規定されている。層７・８の各磁化に対して、結合に決定される様式で規定された、設置位置に回転する、優れた（ausgezeichneter）最も短い回転経路がある。異なる磁化領域への磁化の分解、または、望ましくない３６０°壁の形成は、この好ましい回転方向のゆえに防止される。

図４に、図１〜３に示した方法を行うために用いられる、第１実施形態の装置１１を示す。この装置は、回転盤１３の形状をした容器１２を含んでいる。この回転盤は、図示した矢印Ｐのように回転できる。この回転盤には、基板１４が配置されている。この基板１４に、冒頭部に記載した層システムを備えた（１つのメモリユニットを形成する）複数のメモリセルユニットが形成されている。回転盤１３自体は、便宜的に加熱され得る。また、この回転盤に、両方の磁極Ｎ・Ｓで示した磁界形成ユニット１５が割り当てられている。この方法を実行するために、基板１４を回転盤１３に配置し、次に、強く加熱し、外部飽和磁界を供給する。その後、冷却し、回転し、最後に外部磁界を遮断する。これについては、図１〜３に詳しく示している。

図５に、本発明の他の装置１６を示す。この装置では、容器１７は、加熱可能であるが回転できない台として形成されている。この容器１７にも、基板１８を配置する必要がある。これに対して、ここでもまた、例えば回転盤の形状で、同様に矢印Ｐで示すように回転可能に実装された適切な回転ユニット２０に、両方の極Ｎ・Ｓで示した磁界形成ユニット１９が、実装されている。この装置では、磁化を均一に形成するために、上記方法を一部変更することができる。図２に記載した方式で固定されている磁界に対してメモリセルユニットを回転させるることに代えて、ここでは、メモリセルユニットは静止したままで、他方、角度αを設定するために磁界が回転する。

全体として、本発明は、時間またはコストのかかる他の方法工程を必要とせずに簡単に実行できる方法、および、メモリセルユニットまたはメモリシステムに適した層を均一に磁化できる方法を、提示している。

飽和磁界が存在しており、遮断温度より高い温度で磁化している間の本発明のメモリセルユニットを示す原理略図である。 図１のメモリセルユニットを回転させた後の、磁界が定常飽和しており、かつ温度が事前に低下しているメモリセルユニットを示す図である。 図２のメモリセルユニットにおいて、磁界をＯＦＦ状態にした後のメモリセルユニットを示す図である。 本発明の第１実施形態の装置を示す原理略図である。 本発明の第２実施形態の装置を示す原理略図である。

符号の説明

１ メモリセルユニット
２ 基準層システム
３ 結合層
４ 軟磁性測定層システム
５ａ、５ｂ ワード線およびビット線
６ ＡＡＦ層システム
７ 下部強磁性層
８ 上部強磁性層
９ 結合層
１０ 反強磁性層
１１ 装置
１２ 容器
１３ 回転盤
１４ 基板
１５ 磁界形成ユニット
１６ 装置
１７ 容器
１８ 基板
１９ 磁気形成ユニット
２０ 回転ユニット

Ｔ 温度
Ｈ 磁界
Ｐ 矢印
Ｎ 電極
Ｓ 電極

Claims (12)

1. デジタル磁気メモリセルユニットにおける交換結合している層システムを均一に磁化する方法において、
   上記のユニットは、ＡＡＦ層システム、および、このシステムの層と交換結合する反強磁性層を含んでおり、
   上記反強磁性層の磁化方向が規定されている場合に、ＡＡＦ層システムの磁性層を磁界中で飽和させ、
   次に、反強磁性層の磁化方向と飽和磁界の方向との互いの相対的位置を、互いの角度がα（０°＜α＜１８０°）となるように変え、
   その後、飽和磁界をＯＦＦ状態にすることを特徴とする方法。
2. 角度αを、６０°から１２０°の間、特に９０°に設定することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 上記角度を設定するために、メモリセルユニットを、固定されている磁界に対して回転させることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 上記角度を設定するために、磁界を、固定されているメモリセルユニットに対して移動させることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
5. 上記角度を設定するために、磁界およびメモリセルユニットを移動させることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
6. 上記反強磁性層の磁化を設定するために、温度を上記層の遮断温度よりも上げ、温度を遮断温度よりも高くしている間、飽和磁界を印加しておき、
   その後、温度を下げ、上記層システムの磁化の設定を行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法にしたがって設定された磁化を有する、磁気抵抗メモリセルユニット。
8. 複数の請求項７に記載のメモリセルユニットを含んだ、磁気抵抗メモリセルユニット。
9. 少なくとも１つのメモリセルユニットを有する基板のための容器と、磁界形成ユニットとを含んだ、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置において、
   上記容器および磁界形成ユニットが、互いに対して回転できることを特徴とする装置。
10. 上記容器が回転盤であり、磁界形成ユニットが固定されていることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 上記容器が固定されており、磁界ユニットが回転可能であることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
12. 上記容器、場合によっては回転盤が、加熱可能であることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の装置。

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