JP3673347B2 - 強磁性ｇｍｒ材料 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に磁性体に関し、更に特定すれば、新規な磁気抵抗材料(magnetoresistive material) に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、種々の磁性体および構造を利用して、不揮発性メモリ素子、ディスク駆動装置用リード／ライト・ヘッド、およびその他の磁気特性を利用した用途のための磁気抵抗材料を形成してきた。従来の磁気抵抗素子の１つに、導電層で分離された２枚の磁性体層を有する磁気抵抗材料を利用したものがある。２枚の磁性体層の磁化ベクトル(magnetization vector)は、通常、磁場がない場合は互いに非平行となる。これらの層の一方の磁化ベクトルは一方向を指し、他方の層の磁化ベクトルは常にその反対方向を指す。かかる磁性体の磁気特性は、通常、セルの幅に沿った磁化ベクトルの方位を維持するには、１ミクロン以上の幅を必要とする。このように広い幅を必要とするために、かかる材料を利用するメモリは密度を高めることができない。加えて、かかるメモリの状態を読み取るには、通常、２段階のリード動作が必要であり、その結果リード・サイクルが非常に長くなる。また、２段階リード動作は、メモリの状態を判定するために余分な回路も必要なために、かかるメモリのコストを上昇させることになる。かかる磁性体およびメモリの一例は、１９８８年１０月２５日にDaughton et al. に特許された、米国特許番号第４，７８０，８４８号に開示されている。
【０００３】
別の従来の材料に、多層巨大磁気抵抗物質（ＧＭＲ:giant magnetoresistive material）を用い、サブミクロン幅を利用して密度を高めたものがある。この構造では、磁化ベクトルは、磁性体の幅ではなく、長さに平行となる。一方の磁性体層の磁化ベクトルは常に一方向に維持され、第２磁性体層の磁化ベクトルは、第１ベクトルに対して平行および非平行の間で切り替わることにより、論理「０」および論理「１」状態の双方を表わす。この材料を用いてメモリ・セルの論理状態を判定するために、メモリ・セルは基準セルと活性セルとを有する。基準セルは常に一方の状態（常に「１」または常に「０」）に対応する電圧を与える。基準セルの出力を活性セルの出力と比較して、メモリ・セルの状態を判定する。活性セルおよび基準セルが必要なことにより、かかる素子を利用するメモリの密度が低下することになる。加えて、各メモリ・セルは、適切な時点で活性および基準セルを切り換えてセルを読み取るために、トランジスタが必要となる。これによって、メモリのコストが更に上昇することになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、サブミクロン幅を有し、メモリ・セルの論理状態を判定するために多数のリード動作を必要とせず、その結果高密度のメモリ・アレイが得られ、しかも利用することによってメモリのコストを低減させる、ＧＭＲ材料を有することができれば望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、強磁性的に結合されたＧＭＲ材料によって前記課題は解決される。このＧＭＲ材料は、幅と長さとを有する複数の磁性体層を含み、この幅は遷移幅より小さく、各磁性体層は隣接する磁性体層に強磁性的に(ferromagnetically) 結合されている。数の磁性体層の各層におけるほぼ全ての磁気ベクトルは、ほぼ長さに沿って整合されている。複数の磁性体層を分離する複数の導電性スペーサが設けられている。ＧＭＲ材料は、その長さに沿った方向を指す磁気ベクトルを有する。対向する磁場を加えると、ベクトルは垂直位置を過ぎて急激に変化し、材料の抵抗が急変する。このＧＭＲ材料はメモリのメモリ・セルとして用いられる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、強磁性的に結合された多数の層を有する巨大磁気抵抗ＧＭＲ材料１０の拡大断面図を示す。材料１０は、第１磁性体層１１と第２磁性体層１３とを含む、複数の磁性体層から成る。層１１，１３は第１導電性スペーサ層１２によって分離されている。磁性体層１１，１３は各々、ニッケルまたは鉄またはコバルトの層、あるいはパラジウムまたはプラチナを含むこれらの合金の層のような、単一の磁性体層とすることができる。あるいは、層１１，１３はいずれも、コバルト−鉄層を被覆するニッケル−鉄−コバルト層、またはコバルト−鉄、ニッケル−鉄−コバルト、およびコバルト−鉄の層を含み、隣接する層の界面にコバルト−鉄を有する三層構造のような、複合磁性体層とすることもできる。層１２に適した材料は、銅、銅合金、クローム、およびクローム合金を含む殆どの導電体を含む。加えて、層１１は、第１の厚さ即ち厚さ２３を有し、層１３は、厚さ２３よりも大きい、第２厚さ即ち厚さ２４を有する。異なる厚さとしたことについて、図２および図３の検討の際に以下で説明する。
【０００７】
図では２枚の磁性体層を有するものとして示しているが、材料１０は２枚以上の磁気層を有することもできる。この場合、第３磁性体層１６および第４磁性体層１８を含み、これらは通常層１１，１３と同様であるが、異なる厚さを有し、第２導電性スペーサ層１４と第３導電性スペーサ層１７とによって分離される。これらのスペーサ層は層１２と同様である。以下の説明を簡略化するために、層１４，１６，１７，１８を省略し、そのために図ではこれらを破線で示すことにする。
【０００８】
図２および図３は、図１に示した材料１０の拡大分解図である。図１と同一参照番号を有する図２および図３の部分は、対応する図１の素子と同一である。好適実施例では、層１１，１３は矩形状であり、磁化容易軸(easy axis) が幅２６に沿ってではなく、長さ２７に沿って形成されている。他の実施例では、容易軸は幅２６に沿うことも可能である。層１１，１３は各々、ほぼ長さ２７に沿った、即ち、長さ２７にほぼ平行な磁化ベクトル２１，２２を有する。層１１，１３は強磁性結合によって結合されており、これによって、外部磁場がない場合は、ベクトル２１，２２は同一方向に整合することができる。この結合は、層１２の材料および厚さの関数である。
【０００９】
加えて、幅２６は磁区壁(magnetic domain wall)の幅、即ち、層１１，１３内の遷移幅(transition width)よりも小さく形成されている。その結果、ベクトル２１，２２は幅２６に平行となることができない。通常、幅を１．０未満ないし１．２ミクロンとすれば、かかる制約が得られる。好適実施例では、幅２６は１ミクロン未満であり、製造技術によってできるだけ小さくしてある。また、長さ２７は幅２６の約５倍である。長さ２７の値が大きい程、材料１０の出力電圧は高くなる。また、好適実施例では、厚さ２３は約３ないし６ナノメートルであり、厚さ２４は約４ないし１０ナノメ−トルである。以下でわかるであろうが、厚さ２３，２４の差は、層１１，１３の切り換え点に影響を与える。好適実施例では、層１１，１３は各々、コバルト−鉄およびニッケル−鉄−コバルトの層を含む二層構造であり、コバルト−鉄が導電層との界面に位置する。
【００１０】
ベクトル２１，２２は、材料１０内の磁化ベクトルの２つの異なる状態を示す。一方の状態を論理「０」と呼び、他方の状態を論理「１」と呼ぶ。各状態では、層１１，１３双方における全ベクトルは第１方向を指し、他方の状態では、層１１，１３双方における全ベクトルは反対方向即ち第２方向を指す。
【００１１】
厚さ２４は厚さ２３よりも大きいので、材料１０は広い動作領域を有する磁気抵抗特性曲線を有する。抵抗は、材料１０の電圧出力を検出することによって判定することができる。電圧出力は、磁場を印加している間に材料１０の長さに沿って一定電流を印加した場合に生じる、材料１０の長さによる電圧降下である。材料１０の状態を判定する１つの方法は、層１１または１３のいずれかの磁気ベクトルを切り換えるには十分ではない全磁場(total magnetic field)を印加するというものである。全磁場が磁気ベクトルを支持する方向、即ち、磁化ベクトルと同じ長さ２７に沿った方向である場合、磁気ベクトルはほぼ回転しないので、材料１０の抵抗もほぼ変化しない。これに対応して、出力電圧も殆ど変化しない。
【００１２】
しかしながら、全磁場がベクトルと逆の場合、磁気ベクトルは回転する。磁場が大きくなるに連れて、層１１のベクトルは、層１１の対向端に向かって回転し始める（層１３のベクトルが多少回転することがある）。更に磁場が大きくなると、ベクトルが反対方向に急激に変化する(snap)まで、層１１のベクトルは回転し続け、抵抗は増加する。更に磁場が大きくなると、層１３のベクトルも急激に変化するまで、抵抗はほぼ一定のままとなる。その後、磁場が大きくなるにしたがって、抵抗は減少する。
【００１３】
材料１０に書き込みを行う、即ち、状態を変化させるには、層１１，１３双方の磁気ベクトルが沿う方向を、長さ２７の一方の方向からこの長さとは逆の方向に完全に切り換えるのに十分な全磁場を印加する。即ち、ベクトル２１の状態からベクトル２２の状態、またはその逆に切り換える。
【００１４】
図４は、材料１０（図１）の抵抗または電圧出力対印加磁場即ち全磁場の関係を示すグラフ３１である。横軸は磁場方向および強度、即ち、強度が材料１０の磁気ベクトルを支持するのか、あるいは対向するのかを表わす。縦軸は材料１０の電圧出力を表わす。曲線３２は、磁化ベクトルの一方向について、種々の磁場強度の場合の磁気抵抗特性を出力電圧によって表わしたものである。曲線３３は、磁化ベクトルの逆方向について、同一磁場強度の場合の磁気抵抗特性を出力電圧で表わしたものである。ゼロの右側では、曲線３２，３３は、曲線３２のベクトルを支持し(support) 、曲線３３のベクトルに対向する磁場に対する出力電圧を表わし、ゼロの左側の磁場は、曲線３３のベクトルを支持し、曲線３２のベクトルに対向する。通常、曲線３２，３３は同一点で電圧軸と交差し、同一の最少値を有する。説明のために、曲線３３を多少垂直方向にずらし、曲線間の相違が見られるようにした。
【００１５】
印加される磁場がゼロの場合、材料１０の電圧出力は、磁化ベクトルの方向には無関係に、ほぼ同一である。磁場がゼロからＨ1 に増大するに連れて、曲線３３は、全磁場によって対向されるベクトルを有する材料１０の電圧出力を示し、曲線３２は、磁場によって支持されるベクトルを有する材料１０の電圧出力を示す。磁場強度がＨ1 になると、層１１のベクトルが回転し始め、出力電圧が上昇する。全磁場強度がＨ1 からＨ3 まで増大する間、層１１の磁気ベクトルは回転し続け、磁場強度がＨ3 付近になったときに、急激に他方向に変化する。Ｈ4 付近では、より厚い層１３のベクトルが逆方向に急激に変化し、値がＨ4 以上になると、抵抗が小さくなる。同様に、逆方向の全磁場に対する出力電圧を、ゼロとＨ5 ないしＨ8 との間に示す。
【００１６】
層１１，１３（図１）が異なる厚さを有するので、磁気ベクトルは、全磁場の異なる強度で回転する。この特性の結果、広い動作範囲を有する曲線３２，３３が得られる。即ち、出力電圧に大幅な変化を起こすことなく、印加磁場をＨ2 ないしＨ4 、またはＨ6 ないしＨ8 に変更することができる。これによって、全磁場のばらつきまたはドリフト(drift) が許され、磁場強度に対する厳格な制御の必要性が緩和されるので、磁場制御に必要な回路の簡略化、およびメモリや材料１０を用いる他の装置のコスト低減を図ることができる。
【００１７】
材料１０の磁気抵抗特性を用いることにより、単一の磁場方向および強度を印加して、材料１０（図１）の状態および出力電圧を判定することができる。磁場に方向およびほぼＨ2 の値、またはＨ3 ないしＨ4 の間の値を加えることができる。高出力電圧が検出された場合、材料１０は第１状態即ち「０」状態に磁化されている。一方、低電圧出力が検出された場合、材料１０は第２状態即ち「１」状態にある。あるいは、材料１０が点Ｈ6 付近または点Ｈ7 ないしＨ8 間で動作するように、方向が逆で値が同等の磁場を加えることもできる。この場合、高出力電圧が検出された場合、材料１０は「１」状態にあり、低電圧が検出された場合、材料１０は「０」状態にある。
【００１８】
図５は、メモリ３６の個々のメモリ・セル各々に材料１０（図１）を用いた、メモリ・アレイ即ちメモリ３６の一部を示す拡大斜視図である。図１と同一の参照番号を有する図５の素子は、対応する図１の素子と同一である。メモリ３６は、破線ボックスで示す、第１セル３７、第２セル３８、第３セル３９、および第４セル４１を含む複数のメモリ・セルから成る。また、メモリ３６は、例えば、半導体基板である基板４２も含み、この上に複数の材料１０（図１）の素子、即ち、セル３７，３８，３９，４１を表わす磁性体が形成されている。更に、基板４２は、センス・アンプやデジタル回路を含む他の回路を備えることもできる。誘電体４３を被着して、基板４２の露出部分および基板４２上に形成されている各材料１０を被覆する。通常、材料１０の素子を基板４２上に形成する際には、個々の材料１０の各素子間に空間を開ける。次に、個々の列内の材料１０の素子を相互接続するために、導体を被着する。例えば、セル３７，３８間に導体を被着して、第１行即ちセンス・ラインを形成し、セル４１，３９間に別の導体を被着して、第２行即ちセンス・ラインを形成する。メモリ・セルを覆う誘電体４３の表面上に、複数の横断導体即ちワード・ラインを被着する。第１導体即ち第１ワード・ライン４４はセル３７，４１の材料１０を覆い、第２導体即ち第２ワード・ライン４６は、セル３８，３９の材料１０を覆う。
【００１９】
セル３７，３８，３９または４１のステータスを読み取るために、ワード電流をワード・ラインに印加し、センス・ラインから電圧を検出する。例えば、第１ワード電流４７をワード・ライン４４に印加し、第１方向の第１全磁場４９をセル３７に加えることができる。磁場４９の大きさは、セル３７の状態を切り換えるには十分でない。通常、この磁場は図４の点Ｈ1 およびＨ3 の間である。次に、図４における点Ｈ2 またはＨ6 の説明で示したように、電圧の大きさによって、セル３７を含むセンス・ラインの電圧を判定することができる。例えば、センス・ラインを、図示しない、センス・アンプの入力に接続し、セル３７の電圧出力を判定することができる。ワード電流を印加し電圧出力を検出するだけでよいので、セル３７の状態を判定するために必要な時間は短縮される。また、１回のリード動作のみで済むので、セル３７の状態を判定するために用いる電子回路も簡略化することができる。更に、基準セルが不要となり、各メモリにトランジスタを用いて、メモリ・セルをセンス・ラインに対して接続したり切断したりする必要性もなくなる。 あるいは、２つの電圧値間で比較動作を行い、メモリの状態を読み取ることも可能である。ワード電流４７と検出電流５３とを印加することによって、第１電圧出力を判定即ち検出することができる。この第１電圧出力を記憶しておく。全磁場は、層１１または１３を切り換えるには十分ではない。次に、第１ワード電流とは逆方向の第２ワード電流を印加することによって、第２電圧出力を判定即ち検出する。例えば、破線の矢印で示す第２ワード電流４８は、破線の円で示す磁場５１を形成する。磁場５１は磁場４９とは方向が逆である。検出電流５３を再び印加し、電圧出力を判定する。セル３７が「０」状態にあった場合、第１電圧は大電圧であり、第２電圧は小電圧である。また、セル３７が「１」状態にあった場合、その逆となる。これは、図４の説明において示した磁気抵抗特性のためである。
【００２０】
また、電圧出力の大きさが小さい場合、部分的に切り換えるリード動作を行うことができる。層１１は層１３よりも薄いので、層１１の磁気ベクトルの状態を完全に切り換えるために必要な磁場強度は、層１３の磁気ベクトルの状態を完全に切り換えるために必要な磁場強度よりも低い。これを利用して、メモリ・セルの状態を検出することができる。材料１０（図１）の層１１における磁気ベクトルの状態を完全に切り換えるには十分に大きいが、層１３の磁気ベクトルの状態を切り換えるには十分ではない値の電流５３，４７を印加する。全磁場がセル３７の磁気ベクトルを支持する場合、層１１，１３の磁気ベクトルはほぼ回転せず、出力電圧は低い。全磁場がセル３７の磁気ベクトルに対向する場合、層１３の磁気ベクトルは逆方向に回転するが、層１１の磁気ベクトルは完全に切り替わるので、出力電圧値が大きくなる。リードが完了した後、電流４８によって以前の磁場とは逆である他の全磁場を印加し、層１１の磁気ベクトルを元の状態に復元する。通常、その大きさは、少なくとも以前の磁場の大きさである。
【００２１】
尚、場合によっては、全磁場の値が磁気ベクトルの回転または切り換えのいずれかを誘発するのに十分であることを保証するために、ワード・ラインに垂直なディジット・ラインを付加的に必要とする場合もあることを注記しておく。この場合、全磁場の値は、センス、ワード、およびディジット・ラインから得られる磁場の合計となる。
【００２２】
以上の説明から、新規なＧＭＲ材料と、このＧＭＲ材料を用いる新規な方法が提供されたことが認められよう。材料の幅を磁区壁のサイズよりも小さく形成することにより、磁気ベクトルが材料の長さに対して垂直とならないことを保証する。厚さが交互に変わる磁性体層を有するように材料を形成することによって、動作範囲が広い新規な磁気抵抗特性が得られ、材料１０を使用するメモリのような装置のコストを低減することができる。また、この動作範囲が広い新規な磁気抵抗特性にために、１回のリード動作によって、ＧＭＲ材料を用いたメモリ・アレイの状態が容易に判定可能となる。材料１０を用いてメモリ・アレイを形成することにより、サブミクロン幅が得られ、基準セルが不要となることから、密度の高いセルを得ることができる。リード動作が１回で済むので、メモリ・アレイの各セルの状態を判定するために用いられる外部回路量を最少にすることができ、これによって、この材料を利用するメモリの密度を高め、コストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＧＭＲ材料の拡大断面図。
【図２】図１に示した本発明によるＧＭＲ材料の拡大分解図。
【図３】図１に示した本発明によるＧＭＲ材料の別の拡大断面図。
【図４】図１に示した本発明によるＧＭＲ材料の特性を示すグラフ。
【図５】図１に示した本発明によるＧＲＭ材料を利用したメモリの一部を示す拡大斜視図。
【符号の説明】
１０ 巨大磁気抵抗ＧＭＲ材料
１１ 第１磁性体層
１２ 第１導電性スペーサ層
１３ 第２磁性体層
１４ 第２導電性スペーサ層
１６ 第３磁性体層
１７ 第３導電性スペーサ層
１８ 第４磁性体層
２１，２２ 磁化ベクトル
２３，２４ 厚さ
２６ 幅
２７ 長さ
３６ メモリ
３７，３８，３９，４１ セル
４２ 基板
４３ 誘電体
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に磁性体に関し、更に特定すれば、新規な磁気抵抗材料(magnetoresistive material) に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、種々の磁性体および構造を利用して、不揮発性メモリ素子、ディスク駆動装置用リード／ライト・ヘッド、およびその他の磁気特性を利用した用途のための磁気抵抗材料を形成してきた。従来の磁気抵抗素子の１つに、導電層で分離された２枚の磁性体層を有する磁気抵抗材料を利用したものがある。２枚の磁性体層の磁化ベクトル(magnetization vector)は、通常、磁場がない場合は互いに非平行となる。これらの層の一方の磁化ベクトルは一方向を指し、他方の層の磁化ベクトルは常にその反対方向を指す。かかる磁性体の磁気特性は、通常、セルの幅に沿った磁化ベクトルの方位を維持するには、１ミクロン以上の幅を必要とする。このように広い幅を必要とするために、かかる材料を利用するメモリは密度を高めることができない。加えて、かかるメモリの状態を読み取るには、通常、２段階のリード動作が必要であり、その結果リード・サイクルが非常に長くなる。また、２段階リード動作は、メモリの状態を判定するために余分な回路も必要なために、かかるメモリのコストを上昇させることになる。かかる磁性体およびメモリの一例は、１９８８年１０月２５日にDaughton et al. に特許された、米国特許番号第４，７８０，８４８号に開示されている。
【０００３】
別の従来の材料に、多層巨大磁気抵抗物質（ＧＭＲ:giant magnetoresistive material）を用い、サブミクロン幅を利用して密度を高めたものがある。この構造では、磁化ベクトルは、磁性体の幅ではなく、長さに平行となる。一方の磁性体層の磁化ベクトルは常に一方向に維持され、第２磁性体層の磁化ベクトルは、第１ベクトルに対して平行および非平行の間で切り替わることにより、論理「０」および論理「１」状態の双方を表わす。この材料を用いてメモリ・セルの論理状態を判定するために、メモリ・セルは基準セルと活性セルとを有する。基準セルは常に一方の状態（常に「１」または常に「０」）に対応する電圧を与える。基準セルの出力を活性セルの出力と比較して、メモリ・セルの状態を判定する。活性セルおよび基準セルが必要なことにより、かかる素子を利用するメモリの密度が低下することになる。加えて、各メモリ・セルは、適切な時点で活性および基準セルを切り換えてセルを読み取るために、トランジスタが必要となる。これによって、メモリのコストが更に上昇することになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、サブミクロン幅を有し、メモリ・セルの論理状態を判定するために多数のリード動作を必要とせず、その結果高密度のメモリ・アレイが得られ、しかも利用することによってメモリのコストを低減させる、ＧＭＲ材料を有することができれば望ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、強磁性的に結合されたＧＭＲ材料によって前記課題は解決される。このＧＭＲ材料は、幅と長さとを有する複数の磁性体層を含み、この幅は遷移幅より小さく、各磁性体層は隣接する磁性体層に強磁性的に(ferromagnetically) 結合されている。数の磁性体層の各層におけるほぼ全ての磁気ベクトルは、ほぼ長さに沿って整合されている。複数の磁性体層を分離する複数の導電性スペーサが設けられている。ＧＭＲ材料は、その長さに沿った方向を指す磁気ベクトルを有する。対向する磁場を加えると、ベクトルは垂直位置を過ぎて急激に変化し、材料の抵抗が急変する。このＧＭＲ材料はメモリのメモリ・セルとして用いられる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は、強磁性的に結合された多数の層を有する巨大磁気抵抗ＧＭＲ材料１０の拡大断面図を示す。材料１０は、第１磁性体層１１と第２磁性体層１３とを含む、複数の磁性体層から成る。層１１，１３は第１導電性スペーサ層１２によって分離されている。磁性体層１１，１３は各々、ニッケルまたは鉄またはコバルトの層、あるいはパラジウムまたはプラチナを含むこれらの合金の層のような、単一の磁性体層とすることができる。あるいは、層１１，１３はいずれも、コバルト−鉄層を被覆するニッケル−鉄−コバルト層、またはコバルト−鉄、ニッケル−鉄−コバルト、およびコバルト−鉄の層を含み、隣接する層の界面にコバルト−鉄を有する三層構造のような、複合磁性体層とすることもできる。層１２に適した材料は、銅、銅合金、クローム、およびクローム合金を含む殆どの導電体を含む。加えて、層１１は、第１の厚さ即ち厚さ２３を有し、層１３は、厚さ２３よりも大きい、第２厚さ即ち厚さ２４を有する。異なる厚さとしたことについて、図２および図３の検討の際に以下で説明する。
【０００７】
図では２枚の磁性体層を有するものとして示しているが、材料１０は２枚以上の磁気層を有することもできる。この場合、第３磁性体層１６および第４磁性体層１８を含み、これらは通常層１１，１３と同様であるが、異なる厚さを有し、第２導電性スペーサ層１４と第３導電性スペーサ層１７とによって分離される。これらのスペーサ層は層１２と同様である。以下の説明を簡略化するために、層１４，１６，１７，１８を省略し、そのために図ではこれらを破線で示すことにする。
【０００８】
図２および図３は、図１に示した材料１０の拡大分解図である。図１と同一参照番号を有する図２および図３の部分は、対応する図１の素子と同一である。好適実施例では、層１１，１３は矩形状であり、磁化容易軸(easy axis) が幅２６に沿ってではなく、長さ２７に沿って形成されている。他の実施例では、容易軸は幅２６に沿うことも可能である。層１１，１３は各々、ほぼ長さ２７に沿った、即ち、長さ２７にほぼ平行な磁化ベクトル２１，２２を有する。層１１，１３は強磁性結合によって結合されており、これによって、外部磁場がない場合は、ベクトル２１，２２は同一方向に整合することができる。この結合は、層１２の材料および厚さの関数である。
【０００９】
加えて、幅２６は磁区壁(magnetic domain wall)の幅、即ち、層１１，１３内の遷移幅(transition width)よりも小さく形成されている。その結果、ベクトル２１，２２は幅２６に平行となることができない。通常、幅を１．０未満ないし１．２ミクロンとすれば、かかる制約が得られる。好適実施例では、幅２６は１ミクロン未満であり、製造技術によってできるだけ小さくしてある。また、長さ２７は幅２６の約５倍である。長さ２７の値が大きい程、材料１０の出力電圧は高くなる。また、好適実施例では、厚さ２３は約３ないし６ナノメートルであり、厚さ２４は約４ないし１０ナノメ−トルである。以下でわかるであろうが、厚さ２３，２４の差は、層１１，１３の切り換え点に影響を与える。好適実施例では、層１１，１３は各々、コバルト−鉄およびニッケル−鉄−コバルトの層を含む二層構造であり、コバルト−鉄が導電層との界面に位置する。
【００１０】
ベクトル２１，２２は、材料１０内の磁化ベクトルの２つの異なる状態を示す。一方の状態を論理「０」と呼び、他方の状態を論理「１」と呼ぶ。各状態では、層１１，１３双方における全ベクトルは第１方向を指し、他方の状態では、層１１，１３双方における全ベクトルは反対方向即ち第２方向を指す。
【００１１】
厚さ２４は厚さ２３よりも大きいので、材料１０は広い動作領域を有する磁気抵抗特性曲線を有する。抵抗は、材料１０の電圧出力を検出することによって判定することができる。電圧出力は、磁場を印加している間に材料１０の長さに沿って一定電流を印加した場合に生じる、材料１０の長さによる電圧降下である。材料１０の状態を判定する１つの方法は、層１１または１３のいずれかの磁気ベクトルを切り換えるには十分ではない全磁場(total magnetic field)を印加するというものである。全磁場が磁気ベクトルを支持する方向、即ち、磁化ベクトルと同じ長さ２７に沿った方向である場合、磁気ベクトルはほぼ回転しないので、材料１０の抵抗もほぼ変化しない。これに対応して、出力電圧も殆ど変化しない。
【００１２】
しかしながら、全磁場がベクトルと逆の場合、磁気ベクトルは回転する。磁場が大きくなるに連れて、層１１のベクトルは、層１１の対向端に向かって回転し始める（層１３のベクトルが多少回転することがある）。更に磁場が大きくなると、ベクトルが反対方向に急激に変化する(snap)まで、層１１のベクトルは回転し続け、抵抗は増加する。更に磁場が大きくなると、層１３のベクトルも急激に変化するまで、抵抗はほぼ一定のままとなる。その後、磁場が大きくなるにしたがって、抵抗は減少する。
【００１３】
材料１０に書き込みを行う、即ち、状態を変化させるには、層１１，１３双方の磁気ベクトルが沿う方向を、長さ２７の一方の方向からこの長さとは逆の方向に完全に切り換えるのに十分な全磁場を印加する。即ち、ベクトル２１の状態からベクトル２２の状態、またはその逆に切り換える。
【００１４】
図４は、材料１０（図１）の抵抗または電圧出力対印加磁場即ち全磁場の関係を示すグラフ３１である。横軸は磁場方向および強度、即ち、強度が材料１０の磁気ベクトルを支持するのか、あるいは対向するのかを表わす。縦軸は材料１０の電圧出力を表わす。曲線３２は、磁化ベクトルの一方向について、種々の磁場強度の場合の磁気抵抗特性を出力電圧によって表わしたものである。曲線３３は、磁化ベクトルの逆方向について、同一磁場強度の場合の磁気抵抗特性を出力電圧で表わしたものである。ゼロの右側では、曲線３２，３３は、曲線３２のベクトルを支持し(support) 、曲線３３のベクトルに対向する磁場に対する出力電圧を表わし、ゼロの左側の磁場は、曲線３３のベクトルを支持し、曲線３２のベクトルに対向する。通常、曲線３２，３３は同一点で電圧軸と交差し、同一の最少値を有する。説明のために、曲線３３を多少垂直方向にずらし、曲線間の相違が見られるようにした。
【００１５】
印加される磁場がゼロの場合、材料１０の電圧出力は、磁化ベクトルの方向には無関係に、ほぼ同一である。磁場がゼロからＨ1 に増大するに連れて、曲線３３は、全磁場によって対向されるベクトルを有する材料１０の電圧出力を示し、曲線３２は、磁場によって支持されるベクトルを有する材料１０の電圧出力を示す。磁場強度がＨ1 になると、層１１のベクトルが回転し始め、出力電圧が上昇する。全磁場強度がＨ1 からＨ3 まで増大する間、層１１の磁気ベクトルは回転し続け、磁場強度がＨ3 付近になったときに、急激に他方向に変化する。Ｈ4 付近では、より厚い層１３のベクトルが逆方向に急激に変化し、値がＨ4 以上になると、抵抗が小さくなる。同様に、逆方向の全磁場に対する出力電圧を、ゼロとＨ5 ないしＨ8 との間に示す。
【００１６】
層１１，１３（図１）が異なる厚さを有するので、磁気ベクトルは、全磁場の異なる強度で回転する。この特性の結果、広い動作範囲を有する曲線３２，３３が得られる。即ち、出力電圧に大幅な変化を起こすことなく、印加磁場をＨ2 ないしＨ4 、またはＨ6 ないしＨ8 に変更することができる。これによって、全磁場のばらつきまたはドリフト(drift) が許され、磁場強度に対する厳格な制御の必要性が緩和されるので、磁場制御に必要な回路の簡略化、およびメモリや材料１０を用いる他の装置のコスト低減を図ることができる。
【００１７】
材料１０の磁気抵抗特性を用いることにより、単一の磁場方向および強度を印加して、材料１０（図１）の状態および出力電圧を判定することができる。磁場に方向およびほぼＨ2 の値、またはＨ3 ないしＨ4 の間の値を加えることができる。高出力電圧が検出された場合、材料１０は第１状態即ち「０」状態に磁化されている。一方、低電圧出力が検出された場合、材料１０は第２状態即ち「１」状態にある。あるいは、材料１０が点Ｈ6 付近または点Ｈ7 ないしＨ8 間で動作するように、方向が逆で値が同等の磁場を加えることもできる。この場合、高出力電圧が検出された場合、材料１０は「１」状態にあり、低電圧が検出された場合、材料１０は「０」状態にある。
【００１８】
図５は、メモリ３６の個々のメモリ・セル各々に材料１０（図１）を用いた、メモリ・アレイ即ちメモリ３６の一部を示す拡大斜視図である。図１と同一の参照番号を有する図５の素子は、対応する図１の素子と同一である。メモリ３６は、破線ボックスで示す、第１セル３７、第２セル３８、第３セル３９、および第４セル４１を含む複数のメモリ・セルから成る。また、メモリ３６は、例えば、半導体基板である基板４２も含み、この上に複数の材料１０（図１）の素子、即ち、セル３７，３８，３９，４１を表わす磁性体が形成されている。更に、基板４２は、センス・アンプやデジタル回路を含む他の回路を備えることもできる。誘電体４３を被着して、基板４２の露出部分および基板４２上に形成されている各材料１０を被覆する。通常、材料１０の素子を基板４２上に形成する際には、個々の材料１０の各素子間に空間を開ける。次に、個々の列内の材料１０の素子を相互接続するために、導体を被着する。例えば、セル３７，３８間に導体を被着して、第１行即ちセンス・ラインを形成し、セル４１，３９間に別の導体を被着して、第２行即ちセンス・ラインを形成する。メモリ・セルを覆う誘電体４３の表面上に、複数の横断導体即ちワード・ラインを被着する。第１導体即ち第１ワード・ライン４４はセル３７，４１の材料１０を覆い、第２導体即ち第２ワード・ライン４６は、セル３８，３９の材料１０を覆う。
【００１９】
セル３７，３８，３９または４１のステータスを読み取るために、ワード電流をワード・ラインに印加し、センス・ラインから電圧を検出する。例えば、第１ワード電流４７をワード・ライン４４に印加し、第１方向の第１全磁場４９をセル３７に加えることができる。磁場４９の大きさは、セル３７の状態を切り換えるには十分でない。通常、この磁場は図４の点Ｈ1 およびＨ3 の間である。次に、図４における点Ｈ2 またはＨ6 の説明で示したように、電圧の大きさによって、セル３７を含むセンス・ラインの電圧を判定することができる。例えば、センス・ラインを、図示しない、センス・アンプの入力に接続し、セル３７の電圧出力を判定することができる。ワード電流を印加し電圧出力を検出するだけでよいので、セル３７の状態を判定するために必要な時間は短縮される。また、１回のリード動作のみで済むので、セル３７の状態を判定するために用いる電子回路も簡略化することができる。更に、基準セルが不要となり、各メモリにトランジスタを用いて、メモリ・セルをセンス・ラインに対して接続したり切断したりする必要性もなくなる。 あるいは、２つの電圧値間で比較動作を行い、メモリの状態を読み取ることも可能である。ワード電流４７と検出電流５３とを印加することによって、第１電圧出力を判定即ち検出することができる。この第１電圧出力を記憶しておく。全磁場は、層１１または１３を切り換えるには十分ではない。次に、第１ワード電流とは逆方向の第２ワード電流を印加することによって、第２電圧出力を判定即ち検出する。例えば、破線の矢印で示す第２ワード電流４８は、破線の円で示す磁場５１を形成する。磁場５１は磁場４９とは方向が逆である。検出電流５３を再び印加し、電圧出力を判定する。セル３７が「０」状態にあった場合、第１電圧は大電圧であり、第２電圧は小電圧である。また、セル３７が「１」状態にあった場合、その逆となる。これは、図４の説明において示した磁気抵抗特性のためである。
【００２０】
また、電圧出力の大きさが小さい場合、部分的に切り換えるリード動作を行うことができる。層１１は層１３よりも薄いので、層１１の磁気ベクトルの状態を完全に切り換えるために必要な磁場強度は、層１３の磁気ベクトルの状態を完全に切り換えるために必要な磁場強度よりも低い。これを利用して、メモリ・セルの状態を検出することができる。材料１０（図１）の層１１における磁気ベクトルの状態を完全に切り換えるには十分に大きいが、層１３の磁気ベクトルの状態を切り換えるには十分ではない値の電流５３，４７を印加する。全磁場がセル３７の磁気ベクトルを支持する場合、層１１，１３の磁気ベクトルはほぼ回転せず、出力電圧は低い。全磁場がセル３７の磁気ベクトルに対向する場合、層１３の磁気ベクトルは逆方向に回転するが、層１１の磁気ベクトルは完全に切り替わるので、出力電圧値が大きくなる。リードが完了した後、電流４８によって以前の磁場とは逆である他の全磁場を印加し、層１１の磁気ベクトルを元の状態に復元する。通常、その大きさは、少なくとも以前の磁場の大きさである。
【００２１】
尚、場合によっては、全磁場の値が磁気ベクトルの回転または切り換えのいずれかを誘発するのに十分であることを保証するために、ワード・ラインに垂直なディジット・ラインを付加的に必要とする場合もあることを注記しておく。この場合、全磁場の値は、センス、ワード、およびディジット・ラインから得られる磁場の合計となる。
【００２２】
以上の説明から、新規なＧＭＲ材料と、このＧＭＲ材料を用いる新規な方法が提供されたことが認められよう。材料の幅を磁区壁のサイズよりも小さく形成することにより、磁気ベクトルが材料の長さに対して垂直とならないことを保証する。厚さが交互に変わる磁性体層を有するように材料を形成することによって、動作範囲が広い新規な磁気抵抗特性が得られ、材料１０を使用するメモリのような装置のコストを低減することができる。また、この動作範囲が広い新規な磁気抵抗特性にために、１回のリード動作によって、ＧＭＲ材料を用いたメモリ・アレイの状態が容易に判定可能となる。材料１０を用いてメモリ・アレイを形成することにより、サブミクロン幅が得られ、基準セルが不要となることから、密度の高いセルを得ることができる。リード動作が１回で済むので、メモリ・アレイの各セルの状態を判定するために用いられる外部回路量を最少にすることができ、これによって、この材料を利用するメモリの密度を高め、コストを低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＧＭＲ材料の拡大断面図。
【図２】図１に示した本発明によるＧＭＲ材料の拡大分解図。
【図３】図１に示した本発明によるＧＭＲ材料の別の拡大断面図。
【図４】図１に示した本発明によるＧＭＲ材料の特性を示すグラフ。
【図５】図１に示した本発明によるＧＲＭ材料を利用したメモリの一部を示す拡大斜視図。
【符号の説明】
１０ 巨大磁気抵抗ＧＭＲ材料
１１ 第１磁性体層
１２ 第１導電性スペーサ層
１３ 第２磁性体層
１４ 第２導電性スペーサ層
１６ 第３磁性体層
１７ 第３導電性スペーサ層
１８ 第４磁性体層
２１，２２ 磁化ベクトル
２３，２４ 厚さ
２６ 幅
２７ 長さ
３６ メモリ
３７，３８，３９，４１ セル
４２ 基板
４３ 誘電体
Claims (6)
- ＧＭＲ材料（１０）を形成する方法であって：
複数の磁性体層（１１，１３，１６，１８）を形成する段階から成り；
各磁性体層は隣接する磁性体層と強磁性的に結合され、各磁性体層内の磁気ベクトルは、ほぼ前記ＧＭＲ材料の長さに沿った方向を指し、前記長さにほぼ垂直な前記ＧＭＲ材料の幅に沿った方向を指さない、
ことを特徴とする方法。 - 強磁性的に結合されたＧＭＲ材料（１０）であって：
幅と長さとを有する複数の磁性体層（１１，１３，１６，１８）であって、各磁性体層は隣接する磁性体層に強磁性的に結合され、前記複数の磁性体層の各層におけるほぼ全ての磁気ベクトルは、前記長さに沿って実質的に整合され、前記長さにほぼ垂直な前記幅に沿って整合されない、前記磁性体層（１１，１３，１６，１８）；および
前記複数の磁性体層（１１，１３，１６，１８）を分離する複数の導電性スペーサ（１２，１４，１７）；
から成ることを特徴とするＧＭＲ材料（１０）。 - 強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）であって：
第１の幅と、第１の厚さと、第１の長さとを有する第１複合磁性体層（１１）；
第１導電性スペーサ層（１２）；および
第２の幅と、前記第１の厚さよりも大きい第２の厚さと、第２の長さとを有する第２複合磁性体層（１３）；
から成り、
前記第１導電性スペーサ層（１２）は前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）間にあり、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）は強磁性的に結合され、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）における磁気ベクトルは、前記第１および第２の長さにほぼ平行な方向を指し、前記第１および第２の長さにそれぞれほぼ垂直な前記第１および第２の幅に沿った方向を指さない、
ことを特徴とするＧＭＲ材料（１０）。 - 強磁性的に結合された磁気メモリ（３６）であって：
強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）であって、
第１の幅と、第１の厚さと、第１の長さとを有する第１複合磁性体層（１１）、
第１導電性スペーサ層（１２）、および
第２の幅と、前記第１の厚さよりも大きい第２の厚さと、第２の長さとを有する第２複合磁性体層（１３）、
から成り、
前記第１導電性スペーサ層（１２）は前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）間にあり、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）は強磁性的に結合され、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）における磁気ベクトルは、前記第１および第２の長さにほぼ平行な方向を指し、前記第１および第２の長さにそれぞれほぼ垂直な前記第１および第２の幅に沿った方向を指さない、強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）；
前記強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料を覆う絶縁体（４３）；および
前記絶縁体（４３）を覆う第１導電体（４４）であって、第１導電体（４４）の長さに沿った方向は、前記強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）の前記第１および第２の長さに沿った方向にほぼ垂直である、前記第１導電体（４４）；
から成ることを特徴とする磁気メモリ（３６）。 - 強磁性的に結合された磁気メモリ（３６）を使用する方法であって、前記磁気メモリ（３６）は、
強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）であって、
第１の幅と、第１の厚さと、第１の長さとを有する第１複合磁性体層（１１）、
第１導電性スペーサ層（１２）、および
第２の幅と、前記第１の厚さよりも大きい第２の厚さと、第２の長さとを有する第２複合磁性体層（１３）、
から成り、
前記第１導電性スペーサ層（１２）は前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）間にあり、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）は強磁性的に結合され、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）における磁気ベクトルは、前記第１および第２の長さにほぼ平行な方向を指し、前記第１および第２の長さにそれぞれほぼ垂直な前記第１および第２の幅に沿った方向を指さない、強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）、
前記強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料を覆う絶縁体（４３）、および
前記絶縁体（４３）を覆う第１導電体（４４）であって、第１導電体（４４）の長さに沿った方向は、前記強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）の前記第１および第２の長さに沿った方向にほぼ垂直である、前記第１導電体（４４）、
から成り、
該方法は：
第１ワード電流を前記第１導電体（４４）に印加して、前記多層ＧＭＲ材料（１０）に、第１方向で、かつ前記多層ＧＭＲ材料の前記磁気ベクトルの状態を切り換えるには十分でない第１の大きさを有する第１の磁場（４９）を全体に加える段階；
検出電流を前記多層ＧＭＲ材料（１０）に印加して、前記多層ＧＭＲ材料（１０）の第１電圧出力を判定する段階；
前記第１ワード電流を第２ワード電流に変更し、前記多層ＧＭＲ材料（１０）に、第２方向で、かつ前記多層ＧＭＲ材料の前記磁気ベクトルの状態を切り換えるには十分でない第２の大きさを有する第２の磁場（５１）を全体に加える段階；
前記多層ＧＭＲ材料（１０）の第２電圧出力を判定する段階；および
前記第１電圧出力を前記第２電圧出力と比較する段階；
から成ることを特徴とする方法。 - 強磁性的に結合された磁気メモリ（３６）を使用する方法であって、前記磁気メモリ（３６）は、
強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）であって、
第１の幅と、第１の厚さと、第１の長さとを有する第１複合磁性体層（１１）、
第１導電性スペーサ層（１２）、および
第２の幅と、前記第１の厚さよりも大きい第２の厚さと、第２の長さとを有する第２複合磁性体層（１３）、
から成り、
前記第１導電性スペーサ層（１２）は前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）間にあり、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）は強磁性的に結合され、前記第１および第２複合磁性体層（１１，１３）における磁気ベクトルは、前記第１および第２の長さにほぼ平行な方向を指し、前記第１および第２の長さにそれぞれほぼ垂直な前記第１および第２の幅に沿った方向を指さない、強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）、
前記強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料を覆う絶縁体（４３）、および
前記絶縁体（４３）を覆う第１導電体（４４）であって、第１導電体（４４）の長さに沿った方向は、前記強磁性的に結合された多層ＧＭＲ材料（１０）の前記第１および第２の長さに沿った方向にほぼ垂直である、前記第１導電体（４４）、
から成り、
該方法は：
第１ワード電流を前記第１導電体（４４）に印加して、前記多層ＧＭＲ材料（１０）に、第１方向で、かつ前記多層ＧＭＲ材料の前記磁気ベクトルの状態を切り換えるには十分でない第１の大きさを有する第１の磁場（４９）を全体に加える段階；および
検出電流を多層ＧＭＲ材料（１０）に印加して、前記多層ＧＭＲ材料（１０）の第１電圧出力を判定する段階；
から成ることを特徴とする方法。
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