バイアス層を有する磁気抵抗素子
【課題】磁気ランダムアクセスメモリのセルとして用いられる磁気抵抗素子の自由磁気構造の動作窓を最大化する。書き込み誤りを防止する。
【解決手段】磁気抵抗素子１０６は、ピン磁気構造１０２と、自由磁気構造１０６と、ピン磁気構造と自由磁気構造との間に結合されているスペーサ層１０４とを含み、自由磁気構造は、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層を含む合成反強磁性構造（ＳＡＦ）１０８と、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層のデカップリングを妨げる、ＳＡＦに結合されている第１のバイアス層１１０とを含む。第１のバイアス層は反強磁性層であり、ＳＡＦに弱結合される。自由磁気構造は、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層のデカップリングをさらに妨げるための、ＳＡＦに結合されている第２のバイアス層と、第１のバイアス層とＳＡＦとの間の結合強度を制御する、第１のバイアス層とＳＡＦとの間に結合されている非磁性層を含むことができる。
【解決手段】磁気抵抗素子１０６は、ピン磁気構造１０２と、自由磁気構造１０６と、ピン磁気構造と自由磁気構造との間に結合されているスペーサ層１０４とを含み、自由磁気構造は、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層を含む合成反強磁性構造（ＳＡＦ）１０８と、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層のデカップリングを妨げる、ＳＡＦに結合されている第１のバイアス層１１０とを含む。第１のバイアス層は反強磁性層であり、ＳＡＦに弱結合される。自由磁気構造は、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層のデカップリングをさらに妨げるための、ＳＡＦに結合されている第２のバイアス層と、第１のバイアス層とＳＡＦとの間の結合強度を制御する、第１のバイアス層とＳＡＦとの間に結合されている非磁性層を含むことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子に関し、より詳細には、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に使用される磁気抵抗素子に関する。
なお、米国政府は、米国海軍戦略システム計画／トライデント（United States Navy Strategic Systems Program/Trident）により認められた契約番号Ｎ０００３０−０６−Ｃ−００３／ＳＣ００１−００００００００６４／Ｄ５０４９７に基づき、本発明における一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭは、コンピュータ市場において人気を得ている不揮発性メモリ技術である。データを電荷または電流として格納する他のメモリ技術（例えば、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ等）とは異なり、ＭＲＡＭは、データを磁気抵抗記憶素子（すなわち、ＭＲＡＭセル）における磁性状態として格納する。通常、ＭＲＡＭセルは２つの磁気構造を含み、そのそれぞれは、２つのあり得る極性のうちの１つを有する磁界を保持することができる。ＭＲＡＭセルの一例は、磁気トンネル接合（ＭＪＴ）であり、それは、非磁性絶縁障壁層によって分離される、データ格納のための自由磁気構造と、基準のためのピン（pinned）磁気構造とを含む。
【０００３】
好ましくは、ＭＲＡＭセルにおける磁気構造の極性として可能な極性は、ＭＲＡＭセルの容易軸に対して平行か又は反平行に走る。そして、ＭＲＡＭセルの論理状態は、磁気構造の極性によって決めることができる。たとえば、磁気構造が同じ極性を有する場合、ＭＲＡＭセルは「０」を格納している。一方、磁気構造が反対の極性を有する場合、ＭＲＡＭセルは「１」を格納している。デバイスは、ＭＲＡＭセルに検知電流を通した後、磁気構造の極性に関連するセルの電気抵抗を測定することによって、ＭＲＡＭセルの論理状態を確定することができる。これに関して、高い方の抵抗Ｒmaxは、通常、磁気構造が反対の極性を有することを示し、低い方の抵抗Ｒminは、通常、磁気構造が同じ極性を有することを示す。
【０００４】
デバイスは、自由磁気構造の極性を変化させることができ、そのため、ＭＲＡＭセルの自由磁気構造に結合する磁界を印加することによって、ＭＲＡＭセルにデータを書き込むことができる。この書込みプロセスは、（ｉ）印加磁界の大きさ及び方向、及び（ｉｉ）自由磁気構造を切り換えるために必要な磁界（すなわち、自由磁気構造の「スイッチング磁界」）の大きさとに依拠する可能性がある。たとえば、デバイスは、印加磁界の大きさが自由磁気構造のスイッチング磁界を越えない場合、自由磁気構造の極性を変化させることができない。別の例として、デバイスは、印加磁界の方向が自由磁気構造の極性に一致する場合、自由磁気構造の極性を変化させることができない。したがって、デバイスは、印加磁界の方向が自由磁気構造の極性に対して反対であり、且つ印加磁界の大きさが自由磁気構造のスイッチング磁界を超過する場合にのみ、自由磁気構造の極性を変化させることができ、それによってＭＲＡＭセルにデータを書き込むことができる。
【０００５】
上述した磁界を、ＭＲＡＭセルに隣接して配置される電流線を流れる双方向電流又は単方向電流によって生成することができる。たとえば、ＭＲＡＭは、一方向に配置されるワード線と、第１の方向に対して垂直な第２の方向に配置されるビット線とを含む。この構成を使用して、ＭＲＡＭは、１つのワード線及び１つのビット線を活性化し、それによってワード線及びビット線の交差部分に位置するＭＲＡＭセルにおいて合成磁界を生成することによって、単一のＭＲＡＭセルに選択的にデータを書き込むことができる。
【０００６】
近年、上述したＭＲＡＭセル及びＭＲＡＭセルに関連する書込みプロセスに対する改良もまた現れてきた。新たなＭＲＡＭセルは、自由磁気構造として合成反強磁性体（ＳＡＦ）を使用することができ、それは、反（アンチ）強磁性的に結合される複数の強磁性自由層を含む。たとえば、米国特許第６，５３１，７２３号を参照されたい。この構成によれば、印加磁界がない状態で、各強磁性自由層は、隣接する強磁性自由層の磁気モーメントベクトルから反平行である磁気モーメントベクトルを有することができる。そして、ＳＡＦ自由磁気構造を有するＭＲＡＭセルに対して、米国特許第６，５４５，９０６号に記載されているような「トグル書込み」方法を用いて書き込みを行うことができる。有利には、新たなＭＲＡＭセル及び書込み方法は、ＭＲＡＭセルがワード線電流又はビット線電流のいずれかで切り換わる可能性を低減することにより、ＭＲＡＭの選択性を向上させることができる。
【０００７】
トグル書込み方法は、「スイッチング」現象に依存し、ワード線及び／又はビット線からの印加磁界のタイミングがとられたスイッチングパルスシーケンスを使用して、ＳＡＦ自由磁気構造の極性を変化させる。たとえば、時点ｔ０において、トグル書込み方法は、ワード線磁気電流またはビット線電流を印加せず、そのため、自由磁気構造にゼロ合成磁界がもたらされる。時点ｔ１において、トグル書込み方法は、ワード線電流を活性化することができ、それによって、強磁性自由層の磁気モーメントベクトルが、ワード線電流によって生成された磁界の方向に回転し始めることができる。この時点で、強磁性自由層の反強磁性結合は分離し始めることができる。
【０００８】
時点ｔ２において、その後、トグル書込み方法は、ビット線電流を活性化することができ、それによって、ワード線及びビット線に対して４５度で合成磁界を生成することができる。そして、その合成磁界により、強磁性自由層の磁気モーメントベクトルが、時点ｔ１における回転と同じ方向に回転を続けることができ、その結果、磁気モーメントベクトルは合成磁界に対して名目上直交する。
【０００９】
時点ｔ３において、トグル書込み方法は、ワード線電流を不活性化することができ、それによって、結果的に強磁性自由層の磁気モーメントベクトルはビット線磁界によってのみ回転することができる。この時点で、トグル書込み方法によって、磁気モーメントベクトルはすでにそれらのハード軸不安定点を過ぎて回転している可能性がある。最後に、時点ｔ４において、トグル書込み方法は、ビット線電流を不活性化することができ、それによって、ゼロ合成磁界がもたらされる。この時点で、強磁性自由層の磁気モーメントベクトルは、初期状態と比較して１８０度回転した状態において好ましい異方性軸（容易軸）に沿って整合することができる。したがって、トグル書込み方法は、自由磁気構造の極性を変化させており、このため、ＭＲＡＭセルにデータを書き込んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＳＡＦ自由磁気構造を有するＭＲＡＭセルを適切に切り換えるために、電流線によって生成される磁界は、強磁性自由層間の反強磁性結合が分離を開始し、且つ強磁性自由層の磁化が切り換えを開始する磁界である、スイッチング磁界より大きくなければならない。これに関して、磁界がスイッチング磁界に達しない場合、ＳＡＦ自由磁気構造は極性を変化させない可能性がある。さらに、電流線によって生成される磁界は、強磁性自由層間の反強磁性結合が完全に無効になると共に強磁性層の磁化が平行になる磁界である、飽和磁界より小さくなければならない。これに関して、磁界が飽和磁界を超え、且つ強磁性層の磁化が平行になる場合、ＳＡＦ自由磁気構造が不安定になり、書き込み誤りが発生する可能性がある。したがって、スイッチング磁界及び飽和磁界は、磁気抵抗素子におけるＳＡＦ自由磁気構造に対する動作窓を画定し、この動作窓を最大化することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ＭＲＡＭセルとして使用され得る改良された磁気抵抗素子について説明する。
本発明の一例は、改良された磁気抵抗素子の形態をとることができる。磁気抵抗素子は、（Ａ）ピン磁気構造と、（Ｂ）自由磁気構造と、（Ｃ）ピン磁気構造と自由磁気構造との間に結合されているスペーサ層とを含むことができ、自由磁気構造は、（１）２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層を含む合成反強磁性構造（ＳＡＦ）と、（２）ＳＡＦの２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層の分離（デカップリング）を妨げる、ＳＡＦに結合されている第１のバイアス層とを含む。
【００１２】
第１のバイアス層は、鉄・マンガン層、ニッケル・マンガン層又はプラチナ・マンガン層等の反強磁性層とすることができる。さらに、第１のバイアス層を、ＳＡＦに弱く結合することができる。たとえば、第１のバイアス層とＳＡＦとの間の結合強度は、ＳＡＦの反強磁性結合強度を下回ることができる。
自由磁気構造はまた、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層の分離をさらに妨げる、ＳＡＦに結合されている第２のバイアス層を含むことができる。さらに、自由磁気構造は、第１のバイアス層とＳＡＦとの間の結合強度を制御する、第１のバイアス層とＳＡＦとの間に結合されている非磁性層を含むことができる。
【００１３】
自由磁気構造のＳＡＦは、（ａ）第１の磁気モーメントベクトルを有する第１の自由強磁性層と、（ｂ）第２の磁気モーメントベクトルを有する第２の自由強磁性層と、（ｃ）第１の自由強磁性層と第２の自由強磁性層との間に結合されている交換層とを含むことができ、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、交換層を通じて反強磁性結合される。この例では、第１のバイアス層を第１の自由強磁性層に結合することができ、さらに第１のバイアス層は、第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。さらに、自由磁気構造は、第２の磁気モーメントベクトルの回転を妨げる第２の自由強磁性層に結合されている第２のバイアス層を含むことができる。またさらに、自由磁気構造は、第１のバイアス層と第１の自由強磁性層との間の結合強度を制御する、第１のバイアス層と第１の自由強磁性層との間に結合される非磁性層を含むことができる。
【００１４】
磁気抵抗素子のスペーサ層は、ピン磁気構造と自由磁気構造との間に磁気抵抗トンネル結合を形成する絶縁障壁とすることができる。さらに、磁気抵抗素子のピン磁気構造は、（１）磁気モーメントベクトルを有する強磁性構造と、（２）磁気モーメントベクトルをピン留めする（pin）反強磁性構造とを含むことができる。これに関して、強磁性構造はＳＡＦとすることができる。
本発明の別の例は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の形態をとることができる。ＭＲＡＭは、（Ａ）第１の方向に配置されるワード線と、（Ｂ）第１の方向に対して垂直な第２の方向に配置されるビット線と、（Ｃ）ワード線及びビット線の交差部分に配置されるＭＲＡＭセルとを含むことができ、ＭＲＡＭセルは、上述した磁気抵抗素子である。この例では、ワード線を、ＭＲＡＭセルに隣接して且つＭＲＡＭセルの上方に配置することができ、ビット線を、ＭＲＡＭセルに隣接して且つＭＲＡＭセルの下方に配置することができる。さらに、ＭＲＡＭセルは、ワード線とＭＲＡＭセルとの間の第１の絶縁空間と、ビット線とＭＲＡＭセルとの間の第２の絶縁スペーサとを含むことができる。
【００１５】
これらの態様及び利点並びに他の態様及び利点は、当業者には、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより明らかとなろう。さらに、この要約は単に一例であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面を参照すると、図１は、本発明の一例による磁気抵抗素子１００の断面図である。図示するように、磁気抵抗素子１００は、ピン磁気構造１０２、スペーサ層１０４及び自由磁気構造１０６を含む。図示するように、ピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６との間にスペーサ層１０４を結合することができ、その際、ピン磁気構造１０２はスペーサ層１０４の第１の側に結合され、自由磁気構造１０６はスペーサ層１０４の第２の側に結合される。
【００１７】
ピン磁気構造１０２は、磁気モーメントベクトルを有する強磁性構造と、磁気モーメントベクトルを既知の極性に固定する反強磁性構造とを含むことができる。一例として、ピン磁気構造１０２は、厚さが約２ｎｍのニッケル・鉄・コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）の強磁性層と、厚さが約５〜１０ｎｍの鉄・マンガン（ＦｅＭｎ）の反強磁性層とを含むことができる。さらに、ピン磁気構造１０２の強磁性構造及び／又は反強磁性構造は、単層構造とは対照的に多層構造とすることができる。たとえば、ピン磁気構造１０２の強磁性構造は、自由磁気構造１０６に関して後述するもの等の多層合成反強磁性構造（ＳＡＦ）とすることができる。同様に他の例も採用することができる。
【００１８】
スペーサ層１０４は、ピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６とを分離する非磁性層とすることができる。たとえば、スペーサ層１０４は、ピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６との間の電荷キャリアのトンネリングを可能にし、それによってピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６との間に磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成するために十分に薄い、電気的絶縁層とすることができる。これに関して、スペーサ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏｘ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮｉ）等の誘電体材料の層とすることができる。このようにする代わりに、スペーサ層１０４は、スピンバルブ構造を形成する導電層であってもよい。これに関して、スペーサ層１０４は、銅（Ｃｕ）の層であってもよい。他の例も採用可能である。
【００１９】
図示のように、自由層構造１０６は、反強磁性結合される２つ以上の強磁性層を含むことができるＳＡＦ１０８を含むことが好ましい。さらに、自由層構造１０６は、ＳＡＦ１０８のいずれの側に位置することができる、ＳＡＦ１０８に結合されている少なくとも１つのバイアス層１１０を含むことが好ましい。少なくとも１つのバイアス層１１０は、ＳＡＦ１０８の少なくとも１つの強磁性層の磁気回転を妨げること等により、ＳＡＦ１０８の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができる。さらに、少なくとも１つのバイアス層１１０をＳＡＦ１０８に弱く結合することができ、それによって、バイアス層１１０はＳＡＦ１０８のスイッチング磁界を大幅に変化させない。たとえば、バイアス層１１０とＳＡＦ１０８との間の結合強度は、ＳＡＦ１０８の反強磁性結合強度を下回ることができる。これに関して、バイアス層１１０とＳＡＦ１０８との間の結合強度は、ＳＡＦ１０８の反強磁性結合強度の１／１０とすることができる。この結合強度を、バイアス層１１０及びＳＡＦ１０８の材料、処理及び／又は寸法によって制御することができる。
【００２０】
たとえば、バイアス層１１０は、ＦｅＭｎ層、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）層及び／又はプラチナ・マンガン（ＰｔＭｎ）層等の反強磁性層とすることができる。別の例として、バイアス層１１０は、酸化鉄（ＦｅＯ）層等の反強磁性層であってもよい。さらに、少なくとも１つのバイアス層１１０は、厚さを１０Å〜５００Åの範囲とすることができる。このように、多くの例の１つとして、少なくとも１つのバイアス層１１０は、厚さが５０ÅのＦｅＭｎ層とすることができる。
【００２１】
自由磁気構造１０６に少なくとも１つのバイアス層１１０を追加することにより、ＳＡＦ１０８の飽和磁界が増大することができ、このため、自由磁気構造１０６の動作窓が拡大する。さらに、自由磁気構造１０６にバイアス層１１０を追加することにより、トグル書込みプロセス中の温度係数の影響を補償することによって自由磁気構造１０６の温度範囲を増大させることができる。いずれの場合も、バイアス層１１０を有する自由磁気構造１０６は、極度（最大）の電流及び／又は温度において書込みプロセス安定性を向上させることができる。他の利点も生じる。
【００２２】
図２は、図１の磁気抵抗素子１００の自由層構造１０６の第１の例示的な実施形態の断面図である。図示のように、第１の例示的な自由層構造１０６は、第１の自由強磁性層２０４、交換層２０６及び第２の自由強磁性層２０８からなる３層ＳＡＦ２０２を含む。図示のように、交換層２０６を、第１の自由強磁性層と第２の自由強磁性層との間に結合し、その際、第１の自由強磁性層２０４は交換層２０６の第１の側に結合され、第２の自由強磁性層２０８は交換層２０８の第２の側に結合される。
【００２３】
第１の自由強磁性層２０４及び第２の自由強磁性層２０８は、コバルト（Ｃｏ）合金、鉄（Ｆｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）合金及び／又はそれらの組合せを含むさまざまな強磁性材料から形成することができる。さらに、第１の自由強磁性層２０４及び第２の自由強磁性層２０８は、ＳＡＦ２０２の設計に応じてさまざまな寸法を有することができる。一例として、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、厚さが約１ｎｍのニッケル・鉄・コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）層とすることができる。第１の自由強磁性層２０４は第１の磁気モーメントベクトルを有することができ、第２の自由強磁性層２０８は第２の磁気モーメントベクトルを有することができ、そのそれぞれは磁界の印加の下で自由に回転することができる。そして、ＳＡＦ２０２は、第１の磁気モーメントベクトルと第２の磁気モーメントベクトルとの間の差に基づく結果としての磁気モーメントベクトルを有することができる。
【００２４】
交換層２０６は、第１の自由強磁性層２０４と第２の自由強磁性層２０８とを反強磁性結合することにより、印加磁界がない状態でＳＡＦ２０２の自由強磁性層間に反平行配向をもたらす、あらゆる非磁性層である。したがって、交換層２０６は、ルテニウム、オスミウム、レニウム、クロム、ロジウム、銅及び／又はそれらの組合せを含むさまざまな材料から構成されることができる。さらに、交換層２０６は、ＳＡＦ２０２の設計に応じてさまざまな寸法を有することができる。一例として、交換層は、厚さが１ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）の層とすることができる。
【００２５】
そして、第１の例示的な自由層構造１０６は、実質的にバイアス層１１０と同様のバイアス層２１０を含む。図示のように、バイアス層２１０は、ＳＡＦ２０２の第１の自由強磁性層２０４に結合される。しかしながら、代替的に、バイアス層２１０を、ＳＡＦ２０２の第２の自由強磁性層２０８に結合してもよい。バイアス層２１０は、第１の自由強磁性層２０４の第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。そして、バイアス層２１０は、ＳＡＦ２０２の自由強磁性層間の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができ、それによって、第１の例示的な自由磁気構造１０６の飽和磁界が拡大する。
【００２６】
さらに、バイアス層２１０は、第１の自由強磁性層２０４のスイッチング磁界、したがってＳＡＦ２０２のスイッチング磁界を大幅に変化させないように、第１の自由強磁性層２０４に弱く結合されることが好ましい。好ましい例では、バイアス層２１０と第１の自由強磁性層２０４との間の結合強度は、ＳＡＦ２０２の第１の自由強磁性層２０４と第２の自由強磁性層２０８との間の反強磁性結合強度を下回る。この結合強度を、バイアス層２１０及びＳＡＦ２０２の材料、処理及び／又は寸法によって制御することができる。
【００２７】
図３は、図１の自由層構造１０６の第２の例示的な実施形態の断面図である。図示のように、第２の例示的な自由層構造１０６は、図２の３層ＳＡＦ２０２と実質的に同様の３層ＳＡＦ３０２を含む。したがって、ＳＡＦ３０２は、第１の自由強磁性層３０４と第２の自由強磁性層３０８との間に結合される交換層３０６からなり、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、交換層３０６を通じて反強磁性結合される。この構成では、第１の自由強磁性層３０４は第１の磁気モーメントベクトルを有することができ、第２の自由強磁性層３０８は第２の磁気モーメントベクトルを有することができ、ＳＡＦ３０２は、第１の磁気モーメントベクトルと第２の磁気モーメントベクトルとの間の差に基づく結果としての磁気モーメントベクトルを有することができる。
【００２８】
そして、第２の例示的な自由層構造１０６は、第１のバイアス層３１０及び第２のバイアス層３１２を含み、それらは共にバイアス層１１０及びバイアス層２１０と実質的に同様である。図示のように、第１のバイアス層３１０は、ＳＡＦ３０２の第１の自由強磁性層３０４に結合され、第２のバイアス層３１２は、ＳＡＦ３０２の第２の自由強磁性層３０８に結合される。したがって、第１のバイアス層３１０は、第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができ、第２のバイアス層３１２は、第２の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。そして、第１のバイアス層及び第２のバイアス層は、ＳＡＦ３０２の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができ、それによって第２の例示的な自由磁気構造１０６の飽和磁界が拡大する。
【００２９】
第１のバイアス層３１０は、第１の自由強磁性層３０４に弱く結合されることが好ましく、第２のバイアス層３１２は、第２の自由強磁性層３０８に弱く結合されることが好ましく、それによって、第１のバイアス層及び第２のバイアス層は、自由強磁性層のスイッチング磁界、したがってＳＡＦ３０２のスイッチング磁界を大幅に変化させない。好ましい例では、第１のバイアス層３１０と第１の自由強磁性層３０４との間の結合強度と、第２のバイアス層３１２と第２の自由強磁性層３０８との間の結合強度とは、第１の自由強磁性層３０４と第２の自由強磁性層３０８との間のＳＡＦ３０２の反強磁性結合強度を下回る。上述したように、これら結合強度を、バイアス層３１０及びバイアス層３１２並びにＳＡＦ３０２の材料、処理及び／又は寸法によって制御することができる。
【００３０】
図４は、図１の自由層構造１０６の第３の例示的な実施形態の断面図である。図示のように、第３の例示的な自由層構造１０６は、図２の３層ＳＡＦ２０２及び図３の３層ＳＡＦ３０２と実質的に同様の３層ＳＡＦ４０２を含む。したがって、ＳＡＦ４０２は、第１の自由強磁性層４０４と第２の自由強磁性層４０８との間に結合されている交換層４０６からなり、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、交換層４０６を通じて反強磁性結合される。この構成では、第１の自由強磁性層４０４は第１の磁気モーメントベクトルを有することができ、第２の自由強磁性層４０８は第２の磁気モーメントベクトルを有することができ、ＳＡＦ４０２は、第１の磁気モーメントベクトルと第２の磁気モーメントベクトルとの間の差に基づく結果としての磁気モーメントベクトルを有することができる。
【００３１】
そして、第３の例示的な自由層構造１０６は、バイアス層１１０、２１０、３１０及び３１２と実質的に同様のバイアス層４１０を含む。さらに、第３の例示的な自由層構造１０６は非磁性層４１２を含み、それを通じてバイアス層４１０はＳＡＦ４０２に結合される。このため、図示のように、バイアス層４１０を、非磁性層４１２を通じてＳＡＦ４０２の第１の自由強磁性層４０４に結合する。しかしながら、代替的に、バイアス層４１０を、非磁性層４１２を通じてＳＡＦ４０２の第２の自由強磁性層４０８に結合してもよい。上述したように、バイアス層４１０は、第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。そして、バイアス層４１０は、ＳＡＦ４０２の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができ、そのため、第３の例示的な自由磁気構造１０６の飽和磁界が拡大される。
【００３２】
さらに、上述したように、バイアス層４１０は、第１の自由強磁性層４０４のスイッチング磁界、したがってＳＡＦ４０２のスイッチング磁界を大幅に変化させないように、第１の自由強磁性層４０４に弱く結合されることが好ましい。これに関して、非磁性層４１２は、バイアス層４１０と第１の自由強磁性層４０４との間の結合強度を制御し、これにより結合強度を弱めることができる。
【００３３】
非磁性層４１２は、タンタル、ルテニウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、プラチナ、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム及び／又はレニウムを含む、ほぼ任意の非磁性材料で構成することができる。実際の使用では、結合を安定して弱めるためには、上に列挙した非磁性素子の酸化物、窒化物又は炭化物の使用がより好ましい。さらに、非磁性層の厚さは、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの間とすることができる。ＳＡＦ４０２、バイアス層４１０及び非磁性層４１２は、バイアス層４１０と第１の自由強磁性層４０４との間の結合強度がＳＡＦ４０２の反強磁性結合強度を下回るように設計されることが好ましい。
【００３４】
図５は、本発明の一例による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）５００の断面図である。図示のように、ＭＲＡＭ５００は、少なくとも１つのワード線５０２、少なくとも１つのビット線５０４及び少なくとも１つのＭＲＡＭセル５０６を含む。
【００３５】
図示するように、ワード線５０２を、ＭＲＡＭセル５０６に隣接して且つその上方に配置し、ビット線５０４を、ＭＲＡＭセル５０６に隣接して且つその下方に配置する。これに関して、ワード線５０２及びビット線５０４を、絶縁スペーサ（図示せず）によってＭＲＡＭセル５０６から分離する。さらに、ワード線５０４を第１の方向に配置し、ビット線５０６を第２の方向に配置する。第１の方向と第２の方向とは直交している。そして、ＭＲＡＭセル５０６が、ワード線５０２及びビット線５０４の交差部分に配置される。この構成では、ワード線５０２及び／又はビット線５０６を流れる電流は、ＭＲＡＭセル５０６に作用する可能性のある印加電界を生成し、上述したトグル書込み方法に従って、データをＭＲＡＭセル５０６に書き込むことができる。
【００３６】
ＭＲＡＭセル５０６は、図１の磁気抵抗素子１００であることが好ましい。したがって、ＭＲＡＭセル５０６は、第１の例示的な自由磁気構造、第２の例示的な自由磁気構造及び第３の例示的な自由磁気構造を含む、本明細書で説明した自由磁気構造１０６のうちのいずれを含むことができる。これに関して、ＭＲＡＭ５００は、自由磁気構造１０６の動作窓が改良されるため、誤り率を低減して動作することができる。
【００３７】
例示した実施形態は、単なる例であり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことが理解されるべきである。特許請求の範囲は、特に効果が明示されない限り、説明した順序又は要素に限定されるものとして読まれるべきではない。したがって、特許請求の範囲及びその均等の範囲の技術的思想内にあるすべての実施形態が本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一例による磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】図１の磁気抵抗素子の自由層構造の第１の例示的な実施形態の断面図である。
【図３】図１の磁気抵抗素子の自由層構造の第２の例示的な実施形態の断面図である。
【図４】図１の磁気抵抗素子の自由層構造の第３の例示的な実施形態の断面図である。
【図５】本発明の一例による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の断面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子に関し、より詳細には、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）に使用される磁気抵抗素子に関する。
なお、米国政府は、米国海軍戦略システム計画／トライデント（United States Navy Strategic Systems Program/Trident）により認められた契約番号Ｎ０００３０−０６−Ｃ−００３／ＳＣ００１−００００００００６４／Ｄ５０４９７に基づき、本発明における一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲＡＭは、コンピュータ市場において人気を得ている不揮発性メモリ技術である。データを電荷または電流として格納する他のメモリ技術（例えば、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ等）とは異なり、ＭＲＡＭは、データを磁気抵抗記憶素子（すなわち、ＭＲＡＭセル）における磁性状態として格納する。通常、ＭＲＡＭセルは２つの磁気構造を含み、そのそれぞれは、２つのあり得る極性のうちの１つを有する磁界を保持することができる。ＭＲＡＭセルの一例は、磁気トンネル接合（ＭＪＴ）であり、それは、非磁性絶縁障壁層によって分離される、データ格納のための自由磁気構造と、基準のためのピン（pinned）磁気構造とを含む。
【０００３】
好ましくは、ＭＲＡＭセルにおける磁気構造の極性として可能な極性は、ＭＲＡＭセルの容易軸に対して平行か又は反平行に走る。そして、ＭＲＡＭセルの論理状態は、磁気構造の極性によって決めることができる。たとえば、磁気構造が同じ極性を有する場合、ＭＲＡＭセルは「０」を格納している。一方、磁気構造が反対の極性を有する場合、ＭＲＡＭセルは「１」を格納している。デバイスは、ＭＲＡＭセルに検知電流を通した後、磁気構造の極性に関連するセルの電気抵抗を測定することによって、ＭＲＡＭセルの論理状態を確定することができる。これに関して、高い方の抵抗Ｒmaxは、通常、磁気構造が反対の極性を有することを示し、低い方の抵抗Ｒminは、通常、磁気構造が同じ極性を有することを示す。
【０００４】
デバイスは、自由磁気構造の極性を変化させることができ、そのため、ＭＲＡＭセルの自由磁気構造に結合する磁界を印加することによって、ＭＲＡＭセルにデータを書き込むことができる。この書込みプロセスは、（ｉ）印加磁界の大きさ及び方向、及び（ｉｉ）自由磁気構造を切り換えるために必要な磁界（すなわち、自由磁気構造の「スイッチング磁界」）の大きさとに依拠する可能性がある。たとえば、デバイスは、印加磁界の大きさが自由磁気構造のスイッチング磁界を越えない場合、自由磁気構造の極性を変化させることができない。別の例として、デバイスは、印加磁界の方向が自由磁気構造の極性に一致する場合、自由磁気構造の極性を変化させることができない。したがって、デバイスは、印加磁界の方向が自由磁気構造の極性に対して反対であり、且つ印加磁界の大きさが自由磁気構造のスイッチング磁界を超過する場合にのみ、自由磁気構造の極性を変化させることができ、それによってＭＲＡＭセルにデータを書き込むことができる。
【０００５】
上述した磁界を、ＭＲＡＭセルに隣接して配置される電流線を流れる双方向電流又は単方向電流によって生成することができる。たとえば、ＭＲＡＭは、一方向に配置されるワード線と、第１の方向に対して垂直な第２の方向に配置されるビット線とを含む。この構成を使用して、ＭＲＡＭは、１つのワード線及び１つのビット線を活性化し、それによってワード線及びビット線の交差部分に位置するＭＲＡＭセルにおいて合成磁界を生成することによって、単一のＭＲＡＭセルに選択的にデータを書き込むことができる。
【０００６】
近年、上述したＭＲＡＭセル及びＭＲＡＭセルに関連する書込みプロセスに対する改良もまた現れてきた。新たなＭＲＡＭセルは、自由磁気構造として合成反強磁性体（ＳＡＦ）を使用することができ、それは、反（アンチ）強磁性的に結合される複数の強磁性自由層を含む。たとえば、米国特許第６，５３１，７２３号を参照されたい。この構成によれば、印加磁界がない状態で、各強磁性自由層は、隣接する強磁性自由層の磁気モーメントベクトルから反平行である磁気モーメントベクトルを有することができる。そして、ＳＡＦ自由磁気構造を有するＭＲＡＭセルに対して、米国特許第６，５４５，９０６号に記載されているような「トグル書込み」方法を用いて書き込みを行うことができる。有利には、新たなＭＲＡＭセル及び書込み方法は、ＭＲＡＭセルがワード線電流又はビット線電流のいずれかで切り換わる可能性を低減することにより、ＭＲＡＭの選択性を向上させることができる。
【０００７】
トグル書込み方法は、「スイッチング」現象に依存し、ワード線及び／又はビット線からの印加磁界のタイミングがとられたスイッチングパルスシーケンスを使用して、ＳＡＦ自由磁気構造の極性を変化させる。たとえば、時点ｔ０において、トグル書込み方法は、ワード線磁気電流またはビット線電流を印加せず、そのため、自由磁気構造にゼロ合成磁界がもたらされる。時点ｔ１において、トグル書込み方法は、ワード線電流を活性化することができ、それによって、強磁性自由層の磁気モーメントベクトルが、ワード線電流によって生成された磁界の方向に回転し始めることができる。この時点で、強磁性自由層の反強磁性結合は分離し始めることができる。
【０００８】
時点ｔ２において、その後、トグル書込み方法は、ビット線電流を活性化することができ、それによって、ワード線及びビット線に対して４５度で合成磁界を生成することができる。そして、その合成磁界により、強磁性自由層の磁気モーメントベクトルが、時点ｔ１における回転と同じ方向に回転を続けることができ、その結果、磁気モーメントベクトルは合成磁界に対して名目上直交する。
【０００９】
時点ｔ３において、トグル書込み方法は、ワード線電流を不活性化することができ、それによって、結果的に強磁性自由層の磁気モーメントベクトルはビット線磁界によってのみ回転することができる。この時点で、トグル書込み方法によって、磁気モーメントベクトルはすでにそれらのハード軸不安定点を過ぎて回転している可能性がある。最後に、時点ｔ４において、トグル書込み方法は、ビット線電流を不活性化することができ、それによって、ゼロ合成磁界がもたらされる。この時点で、強磁性自由層の磁気モーメントベクトルは、初期状態と比較して１８０度回転した状態において好ましい異方性軸（容易軸）に沿って整合することができる。したがって、トグル書込み方法は、自由磁気構造の極性を変化させており、このため、ＭＲＡＭセルにデータを書き込んでいる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＳＡＦ自由磁気構造を有するＭＲＡＭセルを適切に切り換えるために、電流線によって生成される磁界は、強磁性自由層間の反強磁性結合が分離を開始し、且つ強磁性自由層の磁化が切り換えを開始する磁界である、スイッチング磁界より大きくなければならない。これに関して、磁界がスイッチング磁界に達しない場合、ＳＡＦ自由磁気構造は極性を変化させない可能性がある。さらに、電流線によって生成される磁界は、強磁性自由層間の反強磁性結合が完全に無効になると共に強磁性層の磁化が平行になる磁界である、飽和磁界より小さくなければならない。これに関して、磁界が飽和磁界を超え、且つ強磁性層の磁化が平行になる場合、ＳＡＦ自由磁気構造が不安定になり、書き込み誤りが発生する可能性がある。したがって、スイッチング磁界及び飽和磁界は、磁気抵抗素子におけるＳＡＦ自由磁気構造に対する動作窓を画定し、この動作窓を最大化することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ＭＲＡＭセルとして使用され得る改良された磁気抵抗素子について説明する。
本発明の一例は、改良された磁気抵抗素子の形態をとることができる。磁気抵抗素子は、（Ａ）ピン磁気構造と、（Ｂ）自由磁気構造と、（Ｃ）ピン磁気構造と自由磁気構造との間に結合されているスペーサ層とを含むことができ、自由磁気構造は、（１）２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層を含む合成反強磁性構造（ＳＡＦ）と、（２）ＳＡＦの２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層の分離（デカップリング）を妨げる、ＳＡＦに結合されている第１のバイアス層とを含む。
【００１２】
第１のバイアス層は、鉄・マンガン層、ニッケル・マンガン層又はプラチナ・マンガン層等の反強磁性層とすることができる。さらに、第１のバイアス層を、ＳＡＦに弱く結合することができる。たとえば、第１のバイアス層とＳＡＦとの間の結合強度は、ＳＡＦの反強磁性結合強度を下回ることができる。
自由磁気構造はまた、２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層の分離をさらに妨げる、ＳＡＦに結合されている第２のバイアス層を含むことができる。さらに、自由磁気構造は、第１のバイアス層とＳＡＦとの間の結合強度を制御する、第１のバイアス層とＳＡＦとの間に結合されている非磁性層を含むことができる。
【００１３】
自由磁気構造のＳＡＦは、（ａ）第１の磁気モーメントベクトルを有する第１の自由強磁性層と、（ｂ）第２の磁気モーメントベクトルを有する第２の自由強磁性層と、（ｃ）第１の自由強磁性層と第２の自由強磁性層との間に結合されている交換層とを含むことができ、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、交換層を通じて反強磁性結合される。この例では、第１のバイアス層を第１の自由強磁性層に結合することができ、さらに第１のバイアス層は、第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。さらに、自由磁気構造は、第２の磁気モーメントベクトルの回転を妨げる第２の自由強磁性層に結合されている第２のバイアス層を含むことができる。またさらに、自由磁気構造は、第１のバイアス層と第１の自由強磁性層との間の結合強度を制御する、第１のバイアス層と第１の自由強磁性層との間に結合される非磁性層を含むことができる。
【００１４】
磁気抵抗素子のスペーサ層は、ピン磁気構造と自由磁気構造との間に磁気抵抗トンネル結合を形成する絶縁障壁とすることができる。さらに、磁気抵抗素子のピン磁気構造は、（１）磁気モーメントベクトルを有する強磁性構造と、（２）磁気モーメントベクトルをピン留めする（pin）反強磁性構造とを含むことができる。これに関して、強磁性構造はＳＡＦとすることができる。
本発明の別の例は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の形態をとることができる。ＭＲＡＭは、（Ａ）第１の方向に配置されるワード線と、（Ｂ）第１の方向に対して垂直な第２の方向に配置されるビット線と、（Ｃ）ワード線及びビット線の交差部分に配置されるＭＲＡＭセルとを含むことができ、ＭＲＡＭセルは、上述した磁気抵抗素子である。この例では、ワード線を、ＭＲＡＭセルに隣接して且つＭＲＡＭセルの上方に配置することができ、ビット線を、ＭＲＡＭセルに隣接して且つＭＲＡＭセルの下方に配置することができる。さらに、ＭＲＡＭセルは、ワード線とＭＲＡＭセルとの間の第１の絶縁空間と、ビット線とＭＲＡＭセルとの間の第２の絶縁スペーサとを含むことができる。
【００１５】
これらの態様及び利点並びに他の態様及び利点は、当業者には、添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより明らかとなろう。さらに、この要約は単に一例であり、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図面を参照すると、図１は、本発明の一例による磁気抵抗素子１００の断面図である。図示するように、磁気抵抗素子１００は、ピン磁気構造１０２、スペーサ層１０４及び自由磁気構造１０６を含む。図示するように、ピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６との間にスペーサ層１０４を結合することができ、その際、ピン磁気構造１０２はスペーサ層１０４の第１の側に結合され、自由磁気構造１０６はスペーサ層１０４の第２の側に結合される。
【００１７】
ピン磁気構造１０２は、磁気モーメントベクトルを有する強磁性構造と、磁気モーメントベクトルを既知の極性に固定する反強磁性構造とを含むことができる。一例として、ピン磁気構造１０２は、厚さが約２ｎｍのニッケル・鉄・コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）の強磁性層と、厚さが約５〜１０ｎｍの鉄・マンガン（ＦｅＭｎ）の反強磁性層とを含むことができる。さらに、ピン磁気構造１０２の強磁性構造及び／又は反強磁性構造は、単層構造とは対照的に多層構造とすることができる。たとえば、ピン磁気構造１０２の強磁性構造は、自由磁気構造１０６に関して後述するもの等の多層合成反強磁性構造（ＳＡＦ）とすることができる。同様に他の例も採用することができる。
【００１８】
スペーサ層１０４は、ピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６とを分離する非磁性層とすることができる。たとえば、スペーサ層１０４は、ピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６との間の電荷キャリアのトンネリングを可能にし、それによってピン磁気構造１０２と自由磁気構造１０６との間に磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を形成するために十分に薄い、電気的絶縁層とすることができる。これに関して、スペーサ層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏｘ３）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮｉ）等の誘電体材料の層とすることができる。このようにする代わりに、スペーサ層１０４は、スピンバルブ構造を形成する導電層であってもよい。これに関して、スペーサ層１０４は、銅（Ｃｕ）の層であってもよい。他の例も採用可能である。
【００１９】
図示のように、自由層構造１０６は、反強磁性結合される２つ以上の強磁性層を含むことができるＳＡＦ１０８を含むことが好ましい。さらに、自由層構造１０６は、ＳＡＦ１０８のいずれの側に位置することができる、ＳＡＦ１０８に結合されている少なくとも１つのバイアス層１１０を含むことが好ましい。少なくとも１つのバイアス層１１０は、ＳＡＦ１０８の少なくとも１つの強磁性層の磁気回転を妨げること等により、ＳＡＦ１０８の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができる。さらに、少なくとも１つのバイアス層１１０をＳＡＦ１０８に弱く結合することができ、それによって、バイアス層１１０はＳＡＦ１０８のスイッチング磁界を大幅に変化させない。たとえば、バイアス層１１０とＳＡＦ１０８との間の結合強度は、ＳＡＦ１０８の反強磁性結合強度を下回ることができる。これに関して、バイアス層１１０とＳＡＦ１０８との間の結合強度は、ＳＡＦ１０８の反強磁性結合強度の１／１０とすることができる。この結合強度を、バイアス層１１０及びＳＡＦ１０８の材料、処理及び／又は寸法によって制御することができる。
【００２０】
たとえば、バイアス層１１０は、ＦｅＭｎ層、ニッケル・マンガン（ＮｉＭｎ）層及び／又はプラチナ・マンガン（ＰｔＭｎ）層等の反強磁性層とすることができる。別の例として、バイアス層１１０は、酸化鉄（ＦｅＯ）層等の反強磁性層であってもよい。さらに、少なくとも１つのバイアス層１１０は、厚さを１０Å〜５００Åの範囲とすることができる。このように、多くの例の１つとして、少なくとも１つのバイアス層１１０は、厚さが５０ÅのＦｅＭｎ層とすることができる。
【００２１】
自由磁気構造１０６に少なくとも１つのバイアス層１１０を追加することにより、ＳＡＦ１０８の飽和磁界が増大することができ、このため、自由磁気構造１０６の動作窓が拡大する。さらに、自由磁気構造１０６にバイアス層１１０を追加することにより、トグル書込みプロセス中の温度係数の影響を補償することによって自由磁気構造１０６の温度範囲を増大させることができる。いずれの場合も、バイアス層１１０を有する自由磁気構造１０６は、極度（最大）の電流及び／又は温度において書込みプロセス安定性を向上させることができる。他の利点も生じる。
【００２２】
図２は、図１の磁気抵抗素子１００の自由層構造１０６の第１の例示的な実施形態の断面図である。図示のように、第１の例示的な自由層構造１０６は、第１の自由強磁性層２０４、交換層２０６及び第２の自由強磁性層２０８からなる３層ＳＡＦ２０２を含む。図示のように、交換層２０６を、第１の自由強磁性層と第２の自由強磁性層との間に結合し、その際、第１の自由強磁性層２０４は交換層２０６の第１の側に結合され、第２の自由強磁性層２０８は交換層２０８の第２の側に結合される。
【００２３】
第１の自由強磁性層２０４及び第２の自由強磁性層２０８は、コバルト（Ｃｏ）合金、鉄（Ｆｅ）合金、ニッケル（Ｎｉ）合金及び／又はそれらの組合せを含むさまざまな強磁性材料から形成することができる。さらに、第１の自由強磁性層２０４及び第２の自由強磁性層２０８は、ＳＡＦ２０２の設計に応じてさまざまな寸法を有することができる。一例として、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、厚さが約１ｎｍのニッケル・鉄・コバルト（ＮｉＦｅＣｏ）層とすることができる。第１の自由強磁性層２０４は第１の磁気モーメントベクトルを有することができ、第２の自由強磁性層２０８は第２の磁気モーメントベクトルを有することができ、そのそれぞれは磁界の印加の下で自由に回転することができる。そして、ＳＡＦ２０２は、第１の磁気モーメントベクトルと第２の磁気モーメントベクトルとの間の差に基づく結果としての磁気モーメントベクトルを有することができる。
【００２４】
交換層２０６は、第１の自由強磁性層２０４と第２の自由強磁性層２０８とを反強磁性結合することにより、印加磁界がない状態でＳＡＦ２０２の自由強磁性層間に反平行配向をもたらす、あらゆる非磁性層である。したがって、交換層２０６は、ルテニウム、オスミウム、レニウム、クロム、ロジウム、銅及び／又はそれらの組合せを含むさまざまな材料から構成されることができる。さらに、交換層２０６は、ＳＡＦ２０２の設計に応じてさまざまな寸法を有することができる。一例として、交換層は、厚さが１ｎｍのルテニウム（Ｒｕ）の層とすることができる。
【００２５】
そして、第１の例示的な自由層構造１０６は、実質的にバイアス層１１０と同様のバイアス層２１０を含む。図示のように、バイアス層２１０は、ＳＡＦ２０２の第１の自由強磁性層２０４に結合される。しかしながら、代替的に、バイアス層２１０を、ＳＡＦ２０２の第２の自由強磁性層２０８に結合してもよい。バイアス層２１０は、第１の自由強磁性層２０４の第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。そして、バイアス層２１０は、ＳＡＦ２０２の自由強磁性層間の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができ、それによって、第１の例示的な自由磁気構造１０６の飽和磁界が拡大する。
【００２６】
さらに、バイアス層２１０は、第１の自由強磁性層２０４のスイッチング磁界、したがってＳＡＦ２０２のスイッチング磁界を大幅に変化させないように、第１の自由強磁性層２０４に弱く結合されることが好ましい。好ましい例では、バイアス層２１０と第１の自由強磁性層２０４との間の結合強度は、ＳＡＦ２０２の第１の自由強磁性層２０４と第２の自由強磁性層２０８との間の反強磁性結合強度を下回る。この結合強度を、バイアス層２１０及びＳＡＦ２０２の材料、処理及び／又は寸法によって制御することができる。
【００２７】
図３は、図１の自由層構造１０６の第２の例示的な実施形態の断面図である。図示のように、第２の例示的な自由層構造１０６は、図２の３層ＳＡＦ２０２と実質的に同様の３層ＳＡＦ３０２を含む。したがって、ＳＡＦ３０２は、第１の自由強磁性層３０４と第２の自由強磁性層３０８との間に結合される交換層３０６からなり、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、交換層３０６を通じて反強磁性結合される。この構成では、第１の自由強磁性層３０４は第１の磁気モーメントベクトルを有することができ、第２の自由強磁性層３０８は第２の磁気モーメントベクトルを有することができ、ＳＡＦ３０２は、第１の磁気モーメントベクトルと第２の磁気モーメントベクトルとの間の差に基づく結果としての磁気モーメントベクトルを有することができる。
【００２８】
そして、第２の例示的な自由層構造１０６は、第１のバイアス層３１０及び第２のバイアス層３１２を含み、それらは共にバイアス層１１０及びバイアス層２１０と実質的に同様である。図示のように、第１のバイアス層３１０は、ＳＡＦ３０２の第１の自由強磁性層３０４に結合され、第２のバイアス層３１２は、ＳＡＦ３０２の第２の自由強磁性層３０８に結合される。したがって、第１のバイアス層３１０は、第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができ、第２のバイアス層３１２は、第２の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。そして、第１のバイアス層及び第２のバイアス層は、ＳＡＦ３０２の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができ、それによって第２の例示的な自由磁気構造１０６の飽和磁界が拡大する。
【００２９】
第１のバイアス層３１０は、第１の自由強磁性層３０４に弱く結合されることが好ましく、第２のバイアス層３１２は、第２の自由強磁性層３０８に弱く結合されることが好ましく、それによって、第１のバイアス層及び第２のバイアス層は、自由強磁性層のスイッチング磁界、したがってＳＡＦ３０２のスイッチング磁界を大幅に変化させない。好ましい例では、第１のバイアス層３１０と第１の自由強磁性層３０４との間の結合強度と、第２のバイアス層３１２と第２の自由強磁性層３０８との間の結合強度とは、第１の自由強磁性層３０４と第２の自由強磁性層３０８との間のＳＡＦ３０２の反強磁性結合強度を下回る。上述したように、これら結合強度を、バイアス層３１０及びバイアス層３１２並びにＳＡＦ３０２の材料、処理及び／又は寸法によって制御することができる。
【００３０】
図４は、図１の自由層構造１０６の第３の例示的な実施形態の断面図である。図示のように、第３の例示的な自由層構造１０６は、図２の３層ＳＡＦ２０２及び図３の３層ＳＡＦ３０２と実質的に同様の３層ＳＡＦ４０２を含む。したがって、ＳＡＦ４０２は、第１の自由強磁性層４０４と第２の自由強磁性層４０８との間に結合されている交換層４０６からなり、第１の自由強磁性層及び第２の自由強磁性層は、交換層４０６を通じて反強磁性結合される。この構成では、第１の自由強磁性層４０４は第１の磁気モーメントベクトルを有することができ、第２の自由強磁性層４０８は第２の磁気モーメントベクトルを有することができ、ＳＡＦ４０２は、第１の磁気モーメントベクトルと第２の磁気モーメントベクトルとの間の差に基づく結果としての磁気モーメントベクトルを有することができる。
【００３１】
そして、第３の例示的な自由層構造１０６は、バイアス層１１０、２１０、３１０及び３１２と実質的に同様のバイアス層４１０を含む。さらに、第３の例示的な自由層構造１０６は非磁性層４１２を含み、それを通じてバイアス層４１０はＳＡＦ４０２に結合される。このため、図示のように、バイアス層４１０を、非磁性層４１２を通じてＳＡＦ４０２の第１の自由強磁性層４０４に結合する。しかしながら、代替的に、バイアス層４１０を、非磁性層４１２を通じてＳＡＦ４０２の第２の自由強磁性層４０８に結合してもよい。上述したように、バイアス層４１０は、第１の磁気モーメントベクトルの回転を妨げることができる。そして、バイアス層４１０は、ＳＡＦ４０２の反強磁性結合のデカップリングを妨げることができ、そのため、第３の例示的な自由磁気構造１０６の飽和磁界が拡大される。
【００３２】
さらに、上述したように、バイアス層４１０は、第１の自由強磁性層４０４のスイッチング磁界、したがってＳＡＦ４０２のスイッチング磁界を大幅に変化させないように、第１の自由強磁性層４０４に弱く結合されることが好ましい。これに関して、非磁性層４１２は、バイアス層４１０と第１の自由強磁性層４０４との間の結合強度を制御し、これにより結合強度を弱めることができる。
【００３３】
非磁性層４１２は、タンタル、ルテニウム、ニオブ、バナジウム、オスミウム、ロジウム、イリジウム、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、銅、銀、金、プラチナ、クロム、モリブデン、タングステン、アルミニウム、マグネシウム、シリコン、イットリウム、セリウム、パラジウム及び／又はレニウムを含む、ほぼ任意の非磁性材料で構成することができる。実際の使用では、結合を安定して弱めるためには、上に列挙した非磁性素子の酸化物、窒化物又は炭化物の使用がより好ましい。さらに、非磁性層の厚さは、０．５ｎｍ〜１．５ｎｍの間とすることができる。ＳＡＦ４０２、バイアス層４１０及び非磁性層４１２は、バイアス層４１０と第１の自由強磁性層４０４との間の結合強度がＳＡＦ４０２の反強磁性結合強度を下回るように設計されることが好ましい。
【００３４】
図５は、本発明の一例による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）５００の断面図である。図示のように、ＭＲＡＭ５００は、少なくとも１つのワード線５０２、少なくとも１つのビット線５０４及び少なくとも１つのＭＲＡＭセル５０６を含む。
【００３５】
図示するように、ワード線５０２を、ＭＲＡＭセル５０６に隣接して且つその上方に配置し、ビット線５０４を、ＭＲＡＭセル５０６に隣接して且つその下方に配置する。これに関して、ワード線５０２及びビット線５０４を、絶縁スペーサ（図示せず）によってＭＲＡＭセル５０６から分離する。さらに、ワード線５０４を第１の方向に配置し、ビット線５０６を第２の方向に配置する。第１の方向と第２の方向とは直交している。そして、ＭＲＡＭセル５０６が、ワード線５０２及びビット線５０４の交差部分に配置される。この構成では、ワード線５０２及び／又はビット線５０６を流れる電流は、ＭＲＡＭセル５０６に作用する可能性のある印加電界を生成し、上述したトグル書込み方法に従って、データをＭＲＡＭセル５０６に書き込むことができる。
【００３６】
ＭＲＡＭセル５０６は、図１の磁気抵抗素子１００であることが好ましい。したがって、ＭＲＡＭセル５０６は、第１の例示的な自由磁気構造、第２の例示的な自由磁気構造及び第３の例示的な自由磁気構造を含む、本明細書で説明した自由磁気構造１０６のうちのいずれを含むことができる。これに関して、ＭＲＡＭ５００は、自由磁気構造１０６の動作窓が改良されるため、誤り率を低減して動作することができる。
【００３７】
例示した実施形態は、単なる例であり、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことが理解されるべきである。特許請求の範囲は、特に効果が明示されない限り、説明した順序又は要素に限定されるものとして読まれるべきではない。したがって、特許請求の範囲及びその均等の範囲の技術的思想内にあるすべての実施形態が本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一例による磁気抵抗素子の断面図である。
【図２】図１の磁気抵抗素子の自由層構造の第１の例示的な実施形態の断面図である。
【図３】図１の磁気抵抗素子の自由層構造の第２の例示的な実施形態の断面図である。
【図４】図１の磁気抵抗素子の自由層構造の第３の例示的な実施形態の断面図である。
【図５】本発明の一例による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子であって、
ピン磁気構造と、
自由磁気構造と、
前記ピン磁気構造と前記自由磁気構造との間に結合されているスペーサ層と
を備え、
前記自由磁気構造は、
２つ以上の反強磁気結合されている強磁性層を含む合成反強磁性構造と、
前記合成反強磁性構造に結合されている第１のバイアス層であって、前記２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層のデカップリングを妨げる第１のバイアス層と
を備える
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第１のバイアス層は反強磁性層を含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項３】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第１のバイアス層と前記合成反強磁性構造との間の結合強度は、前記合成反強磁性構造の反強磁性結合強度を下回ることを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項１】
磁気抵抗素子であって、
ピン磁気構造と、
自由磁気構造と、
前記ピン磁気構造と前記自由磁気構造との間に結合されているスペーサ層と
を備え、
前記自由磁気構造は、
２つ以上の反強磁気結合されている強磁性層を含む合成反強磁性構造と、
前記合成反強磁性構造に結合されている第１のバイアス層であって、前記２つ以上の反強磁性結合されている強磁性層のデカップリングを妨げる第１のバイアス層と
を備える
ことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項２】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第１のバイアス層は反強磁性層を含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
【請求項３】
請求項１記載の磁気抵抗素子において、前記第１のバイアス層と前記合成反強磁性構造との間の結合強度は、前記合成反強磁性構造の反強磁性結合強度を下回ることを特徴とする磁気抵抗素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−３８３４３（Ｐ２００９−３８３４３Ａ）
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−１４４６２７（Ｐ２００８−１４４６２７）
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１９日（２００９．２．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４４６２７（Ｐ２００８−１４４６２７）
【出願日】平成２０年６月２日（２００８．６．２）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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