JP2003518699A - Ｍｒａｍアレイの読み取り／書き込み方法 - Google Patents

Ｍｒａｍアレイの読み取り／書き込み方法

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JP2003518699A JP2000562907A JP2000562907A JP2003518699A JP 2003518699 A JP2003518699 A JP 2003518699A JP 2000562907 A JP2000562907 A JP 2000562907A JP 2000562907 A JP2000562907 A JP 2000562907A JP 2003518699 A JP2003518699 A JP 2003518699A
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Abstract

(57)【要約】 電流が印加されるとアレイ中の各磁気セルは容易軸磁界を発生させる第１電流線および困難軸磁界を発生させる第２直角電流線（１２）を具備する磁気抵抗セルのアレイの書き込み／読み取り方法を提供する。この方法は、アレイ中の全セルの終端磁区を固定方向にスイッチするために最初に電流を供給する段階、および選択されたセルと関連する第１電流線に半選択電流を供給して半選択容易軸磁界を生成し、同時に選択されたセルと関連する第２電流線に第１方向の半選択電流を供給して半選択困難軸磁界を生成する段階を含む半選択法を用いて書き込み／読み取りのためにアレイ中のセルを選択する段階を含む。

Description

【発明の詳細な説明】
（発明の属する技術分野） 本発明は、磁気抵抗メモリ・セルのアレイに関し、さらに詳しくは、高密度メ
モリ・セルのアレイへの書き込み／読み込みの改良された方法に関する。
【０００１】 （従来の技術） 磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）は非揮発性メモリで、基本的に
磁気抵抗（ＭＲ）材料、センス線、およびワード線を含む。ＭＲＡＭはメモリ状
態を格納するためにＭＲ効果を利用する。ＭＲ材料の１つまたは全ての層におけ
る磁気ベクトルは、ＭＲ材料に印加される磁界がある閾値を越えると、ある方向
から反対の方向へ非常に素早く切り換えられる。ＭＲ材料中の磁気ベクトルの方
向にしたがって、状態が格納され、例えば、ある方向は論理「１」と定義され、
他の方向は論理「０」と定義される。ＭＲ材料は、印加される磁界なくても、こ
れらの状態を保持することができる。ＭＲ材料中に格納された状態は、セル中の
センス線にセンス電流を流すことにより、２つの状態における磁気抵抗の差とし
て読み取ることが可能である。
【０００２】 今日の電子装置を有用にするために、磁気メモリ・セルの非常に高密度のアレ
イが磁気ランダム・アクセス・メモリに用いられる。これらの高密度アレイでは
、セルは一般に行列状に配置され、個々のセルは所望のセルを含む適切な行およ
び列を選択することにより読み取りおよび書き込み動作のためにアドレス指定さ
れる。また、直角の電流線が設けられ、１つは各行に、１つは各列のためであり
、その結果、適切な行の電流線および適切な列の電流線に電流を与えることによ
り、選択されたセルに書き込みが行われる。惹起する問題は、選択されたセルの
書き込みおよび／または読み取りのために行および列に電流線に加えられた電流
が交差する点ではない他のセルに格納されたデータに影響を与えることである。
【０００３】 したがって、メモリ中の他のセルに影響を与えない磁気ランダム・アクセス・
メモリの書き込み／読み取り方法を提供することが非常に望まれている。
【０００４】 本発明の目的は、メモリあるいはアレイ中の他のセルに悪い影響をを与えない
、磁気ランダム・アクセス・メモリまたは磁気メモリのアレイへの書き込み／読
み取りの新規で改良された方法を提供することである。
【０００５】 本発明の別の目的は、より良い選択性と再生産性を有する、磁気ランダム・ア
クセス・メモリまたは磁気メモリのアレイへの書き込み／読み取りの新規で改良
された方法を提供することである。
【０００６】 本発明のさらに別の目的は、より安定したスイッチングを行う、磁気ランダム
・アクセス・メモリまたは磁気メモリのアレイへの書き込み／読み取りの新規で
改良された方法を提供することである。
【０００７】 （発明の要約） 上記および他の問題は少なくとも部分的には解決され、また上記および他の目
的は磁気抵抗セルのアレイの書き込み／読み取り方法で実現され、各セルは磁化
容易軸および困難軸を有し、アレイ中の各セルはそれとの関連で、電流が与えら
れると磁化容易軸磁界を発生する第１電流線と磁化困難軸磁界を発生する第２直
角電流線とを具備する。本方法は、第１方向の第２直角電流線に電流を加えるこ
とを含み、その電流は固定方向の第２直角電流線の下にある全てのセルの終端領
域を保持するために磁化困難軸磁界を生成する。アレイ中の全セルの終端領域は
、最初所定の方向に設定される。その後アレイ中の特定のセルが書き込み／読み
取りのために２つの直角線によって生成された磁界を用いてアレイ中のセルを選
択することよってアドレス指定され、その２つの線には選択されたセルと関連す
る第１電流線に電流を供給し磁化容易軸磁界を発生させることを含み、好ましく
は、磁気層をスイッチするのに必要な全磁界の約半分と、同時に選択されたセル
と関連する第２電流線に第１方向に電流を供給し、好ましくは、ビットを書くた
めに要求される全磁界の半分の磁化困難軸磁界を発生させる。
【０００８】 （好適な実施例の詳細な説明） 図面を参照して、図１は磁気メモリ・セル１１のアレイ１０の簡略化された平
面図である。一般に、セル１１は基板上に形成、支持され、それは、例えば半導
体基板、あるいはそれに類似するものであってよい。また、セル１１は一般に行
列状あるいはそれに類似する状態に配置され、それと関連する電流線１２を有す
る各行と、それと関連する電流線１４を有する各列を具備する。さらに、セル１
１の長軸は行に平行に延び、横軸は列に平行に延びて配置される。以下さらに詳
細に説明されるように、各セル１１はセルの長軸（長さ）と平行に向けられた磁
化容易軸の磁界方向１９およびセルの短軸（幅）と平行に向けられた磁化困難軸
の磁界方向２０を有する。このようにアレイ１０の各セル１１は、電流が印加さ
れる場合、磁化容易軸磁界を発生する電流軸１４と磁化困難軸磁界を発生する直
角電流線１２とが結合付けられる。
【０００９】 図２を参照して、アレイ１０における単一のメモリ・セル１１の拡大等角図が
示され、それは複数の磁気抵抗材料層を具備する。例えば、セル１１は第１磁気
層１６および第２磁気層１７を有し、それらは第１導電層あるいは絶縁スペーサ
層１８によって分離される。磁気層１６，１７はそれぞれニッケル、鉄、コバル
ト、あるいはそれらの合金層のような単一の強磁性体材料層である。代わって、
層１６，１７のいずれかは、コバルト−鉄層、または隣接層との中間にコバルト
−鉄を有しコバルト−鉄，ニッケル−鉄−コバルト，コバルト−鉄の層を含む３
層構造を覆うニッケル−鉄−コバルト層のような複合強磁性体層であってもよい
。層１８に適する材料は銅、銀、金、クロムおよびそれらの合金のようなほとん
どの導電性材料あるいは酸化物、窒化物、誘電体等のような非導電性材料を含む
。この実施例では２つの磁気層を有することが示されているが、実施例の適用お
よび仕様に依存して、セル１１は２つを越える磁気層を有することができる。
【００１０】 一般に、層１６，１７は長方形であり、それぞれはセルの長さに沿って実質的
に位置し、物理的な異方性によって長さに平行に保持された磁気ベクトル２１を
有する。ここに用語「長方形」は全ての形を含むとして定義され、磁化困難軸ル
ープは理想ではなく、即ち、終端領域はスイッチングの役割を担う。磁化ベクト
ルを長さに沿って位置付ける１つの方法は、幅を磁区または層１６，１７内の遷
移幅より小さく形成することである。典型的には、1.0から1.2ミクロンより狭い
幅がこのような制約を課す。一般に、高密度を達成するために、幅は１ミクロン
より狭く、製造技術が許す程度に小さく、そして長さは幅より長くする。また、
層１６，１７の厚みは、おおよそ３ないし１０ナノメータで、その厚みは幾つか
の実施例では異なっていてもよい。層１６，１７の層厚の違いはスイッチング点
に影響を与え、これはセルの読み取りおよび書き込みにための幾つかの構造に利
用される。
【００１１】 図２に示されるように、ベクトル２１は、各終端に矢印をもって描かれている
が、セル１１内の２つの異なった磁化状態を示す。当業者によって理解されるよ
うに、層１６，１７の１層の磁化は一般に固定されており、他層はベクトル２１
によって示される２つの位置のいずれかへ自由に回転する。１つの状態は論理「
０」に関連し、他は論理「１」である。当業者によって理解されるように、どの
ような論理定義もいずれの状態に割り当てることができ、例えば、ベクトル２１
が図１の左を指している場合、セル１１は論理「０」の状態にあり、ベクトル２
１が反対の方向にある場合、セル１１は論理「１」状態にある。
【００１２】 トンネル結合の磁気セルのタイプでは、層１８は絶縁層であり、強磁性体層１
６，１７の間にその層を設けることによりトンネル結合を形成し、電流の流れが
層１６から層１７へ（あるいはその逆）、層１８を直角に通って通過する。本質
的に、セル１１は比較的高い抵抗（ここでは抵抗Ｒとして参照される）が現れる
。層１６，１７の磁化ベクトルが逆向きである逆平行（antiparallel）である場
合、セル１１の抵抗Ｒは高い。層１６，１７の磁化ベクトルが同方向を向く平行
（parallel）である場合、セル１１の抵抗Ｒはかなり低下する。図２に示すトン
ネル結合のセル・ベクトルのタイプでは、左を指し示すとき平行および逆平行の
位置の1つを示し、右を指し示す場合平行および逆平行の他の位置を示す。
【００１３】 磁気ベクトル２１は、セル１１の磁区の主要部を示す。しかしながら、層１６
，１７の終端は磁区が不連続を形成するので、非常に高い磁界あるいは磁極が不
連続点あるいは層１６，１７の終端に形成される。磁気ベクトル２１は実質的に
側辺に平行であるので、不連続性は層１６，１７の側辺に沿っては現れない。層
１６，１７の終端における高磁界は終端近傍に磁気ベクトルを励起し、マイナー
終端磁区（minor magnetic end domains）を形成しようとする。これらのマイナ
ー終端磁区は、左端の単一の磁気終端ベクトル２２、および右端の単一の磁気終
端ベクトル２３として簡単に描かれるが、各々は異なった方向を指し示す１つあ
るいはより小さな終端磁気ベクトルから構成される。また、この明細書の目的の
ために、用語「終端」は、層１６，１７の幅「Ｗ」および層１６，１７の物理的
終端から距離「Ｗ」と等しいかそれより小さい距離を有する領域を意味すると定
義される。
【００１４】 マイナー磁気終端ベクトル２２，２３が存在する問題は、それらがでたらめに
方向付けを示し、一般に層１６，１７の不連続点あるいは終端に平行であるとい
うことである。例えば、磁気終端ベクトル２２，２３の双方が上を向き、終端ベ
クトル２２が上を向く一方終端ベクトル２３が下を向き、終端ベクトル２２が下
を向く一方終端ベクトル２３が上を向き、終端ベクトル２２，２３の双方が下を
向く等である。実際には、終端ベクトルの各々は、幾つかのマイナー磁気終端ベ
クトルを示すので、そこにはより多くの方向付けが可能である。
【００１５】 磁気ベクトル２１がスイッチされる度に、磁気終端ベクトル２２，２３は変化
したりしなかったりするが、それは印加磁界、材料、前の位置等に依存する。問
題は、磁気メモリ・セルに利用する場合、終端ベクトル２２，２３の様々な位置
の各々が層１６，１７の抵抗の変化を来たすとともに、セル１１にスイッチング
を起こすために異なるスイッチング磁界を必要とすることである。即ち、磁気ベ
クトル２１，２２，２３の各組は方向をスイッチするためにある磁界の大きさを
必要とし、また磁気終端ベクトル２２，２３のいずれかあるいは双方は磁気ベク
トル２１と方向をスイッチするので、磁気ベクトル２１をスイッチするために要
求される磁界の大きさはそれをスイッチする各時間を変化させることになる。抵
抗の変動は磁気メモリ・セル中に格納された状態を読み取るまたは検出する際に
問題を起こさせるのに十分であり、かつセル中の状態をスイッチするために要求
される磁界の大きさに変動はスイッチング障害を起こさせ、特に大きなアレイで
は、付加的な電力を使用し、それは大きなアレイでは支配的となるであろう。
【００１６】 特に図３を参照して、図２に示されたセルの書き込み／読み取りの半選択法（
half-select technique）を描くグラフが示される。用語「半選択」は、一般に
、セルをスイッチするのに要求されるほぼ半分の磁界が電流線１２／１４の一方
に供給される電流によって生成され、かつ半分の磁界が電流線１２／１４の他方
に供給される電流によって生成されることを意味する。このように、アドレス指
定されたセルのみがスイッチングの全磁界が印加され、励起された行および列の
残りのセルがスイッチングに必要とされる磁界の半分のみが与えられる。図３に
示されるように、セル１１のベクトル２１をスイッチするために要求される総磁
界はＨ0で指定されている。しかしながら、Ｈｘ（容易）軸上の点２５で指定さ
れているように、ほぼ半分の磁界を生成するために十分なだけの電流を適切な電
流線１４に与えることにより、またＨｙ（困難）軸上の点２６で指定されている
ように、ほぼ半分別の磁界を生成するために十分なだけの電流を適切な電流線１
２に与えることにより、ベクトル２１（セル１１）はアレイ中の他のセルをスイ
ッチすることなく都合よくスイッチされる。当業者によって理解されるように、
用語「半分」は一般領域を示すために用いられ、また他のセルをスイッチするこ
となく選択されたセルをスイッチする容易および困難軸の如何なる結合も本発明
の範囲内であると考えられる。
【００１７】 半選択法は、セルは単一の磁区であるという仮定に基づく。即ち、図４に見ら
れるように、困難軸のループは単純に磁気の回転によるもので、可逆的である。
したがって、困難軸のみの下にあるセル（同じ行のセル）は、磁界が除かれた後
は元の状態に戻るであろう（電流はもはや選択電流線１２には印加されていない
）。また、容易軸磁界のみの下にある他のセル（同じ行のセル）は、図５に示さ
れているように、容易軸磁界が容易軸上の指定点２７に磁化を移動するのみであ
るので、同様に元の状態に戻るであろう。
【００１８】 しかしながら、実際の構造は完全な単一の磁区（domains）ではない。容易お
よび困難軸は理想的ではない。より現実的な困難軸が図６に描かれている。困難
軸磁界がセル１１に印加されると、磁区２２，２３の一方または双方がスイッチ
される可能性がある。それ故、困難軸磁界の下にあるセル（選択されたセルと同
じ行のセル）は元の状態に戻れないであろう。図５に示される容易軸ループに対
し、全セル１１（ベクトル２１）のスイッチングによる遷移が起こる。容易軸磁
界ループは比較的鋭いので、スイッチング磁界の下で容易軸に半磁界を設定して
も非選択セルに障害を起こさせることはない。
【００１９】 上記記述から、困難軸磁界がアレイの様々なセル中に不必要な障害を生じさせ
ることは明らかである。この問題を克服するために、アレイ１０の全セル１１中
の全ての終端磁区あるいはベクトル２２，２３を固定方向へスイッチする困難軸
磁界が印加される。この初期化は各スイッチング動作に先立って印加され、終端
磁区が動作の簡素化のために最初だけスイッチされるのが好ましい。また、選択
された方向にかつアレイ１０を用いるあらゆる動作の前に初期化電流を各電流線
１２に与えることにより初期化を達成することが好ましい。初期化電流は、全て
の終端磁区あるいはベクトル２２，２３を共通の方向へスイッチするのに十分大
きな困難軸磁界を生成すべきである。もちろん、初期化困難軸磁界はまたアレイ
１０に印加する外部磁界によって固定方向へ生成され、かつ全ての終端磁区ある
いはベクトル２２，２３を共通の方向へスイッチするのに十分大きな困難軸磁界
であることが理解されるであろう。
【００２０】 アレイ１０の初期化あるいは少なくとも選択されたセルを含む行の初期化に続
いて、アレイ１０のセル１１が半選択法を用いて書き込み／読み取りのために選
択される、即ち選択セルに関連する電流線１４に半選択電流を供給して半選択の
容易軸磁界を生成し、同時に選択セルに関連する電流線１２に半選択電流を供給
して半選択の困難軸磁界を生成する。選択された電流線１２の下にある初期化さ
れたセルが乱されない、即ち初期状態に戻ることを確保する特徴は、直角電流線
１２に供給される半選択電流が初期化電流と同じ方向で供給されることである。
さらに、続く各スイッチング動作では、困難軸磁界を生成するために電流線１２
に供給された電流は、初期化電流と同じ方向にいつも印加される。このように、
困難軸磁界は、元の（初期化された）位置に終端磁区をいつも保持する傾向にあ
り、終端磁区のスイッチングは生じない。
【００２１】 このように、高密度磁気ランダム・アクセス・メモリへの書き込み／読み込み
を行う新規かつ改良された方法が開示され、メモリまたはアレイ中の他のセルに
好ましくない影響を与えない。また、磁気ランダム・アクセス・メモリあるいは
磁気メモリのアレイへの書き込み／読み込みを行う新規かつ改良された方法は良
好な選択性および再生産性を有するとともにこの方法またはセルのいずれにも複
雑さを増さないでより安定したスイッチングを与える。
【００２２】 本発明の特定の実施例を示しかつ述べる一方、さらなる修正および改良が当業
者によって行われるであろう。従って、本発明は提示された特定の形式に限定さ
れるものではなく、添付の請求項が本発明の精神および範囲から逸脱せず全ての
変更を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 磁気メモリ・セルのアレイの簡略化された平面図である。
【図２】 図１におけるアレイの単一磁気メモリ・セルの磁化および磁化軸を示す簡略図
である
【図３】 図２に示されたセルに対する書き込み／読み込みの半選択法を示すグラフであ
る。
【図４】 図２のセルの理論的な磁化困難軸の磁化ループを示すグラフである。
【図５】 図２のセルの理論的な磁化容易軸の磁化ループを示すグラフである。
【図６】 図２のセルの実際の磁化困難軸の磁化ループを示すグラフである。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 磁気メモリのアレイに書き込みおよび／または読み取りを行う方
    法において、 磁気セルのアレイを提供する段階であって、各磁気セルは磁化容易軸および磁
    化困難軸、および終端磁区磁界を有し、電流が印加されると前記アレイ中の各セ
    ルは容易軸磁界を発生させる第１電流線および困難軸磁界を発生させる第２直角
    電流線（１２）を具備する、前記アレイを提供する段階と、 固定方向の全てのセル中の終端磁区磁界をスイッチするかまたは保持する初期
    化困難軸磁界を前記アレイの第１方向に印加する段階と、 選択されたセルと関連する前記第１電流線に電流を供給して容易軸磁界を生成
    し、同時に選択されたセルと関連する前記第２電流線に電流を供給して困難軸磁
    界を生成し、前記電流は困難軸磁界を前記第１方向に生成する前記第２電流線に
    供給されることを含む、書き込みのためにアレイ中のセルを選択する段階と、 から構成されることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記書き込みのためにアレイ中のセルを選択する段階は、半選択
    電流が前記第１および第２電流線に印加される半選択電流法を用いる段階を含む
    ことを特徴とする請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 磁気メモリのアレイに書き込みおよび／または読み取りを行う方
    法において、 磁気セルのアレイを提供する段階であって、各磁気セルは磁化容易軸および磁
    化困難軸を有し、電流が印加されると前記アレイ中の各セルは容易軸磁界を発生
    させる第１電流線および困難軸磁界を発生させる第２直角電流線を具備する、前
    記アレイを提供する段階と、 困難軸磁界を生成する第１方向の前記第２直角電流線に電流を印加し、固定方
    向の前記第２直角電流線の下にある終端磁区磁界を保持する段階と、 選択されたセルと関連する前記第１電流線に電流を供給して容易軸磁界を生成
    し、同時に選択されたセルと関連する前記第２電流線に電流を供給して困難軸磁
    界を生成し、前記電流は前記第１方向の前記第２直角電流線に供給されることを
    含む、書き込みのためにアレイ中のセルを選択する段階と、 から構成されることを特徴とする方法。
  4. 【請求項４】 磁気メモリのアレイに書き込みおよび／または読み取りを行う方
    法において、 磁気抵抗セルのアレイを提供する段階であって、各セルは終端に磁区を有する
    複数の長方形の形状をした磁気抵抗材料層を含み、各セルは前記セルの長さに沿
    って方向付けられた磁化容易軸（１９）および前記セルの長さの横向きに方向付
    けられた磁化困難軸を有し、電流が印加される場合前記アレイ中の各セルは容易
    軸磁界を生成する第１電流線および困難軸磁界を生成する第２直角電流線を有す
    る、前記アレイを提供する段階と、 前記アレイ中の全セルの前記終端磁区を固定方向に保持するために困難軸磁界
    を生成する第１方向の前記第２直角電流線に電流を初期印加する段階と、 選択されたセルと関連する前記第１電流線に電流を供給して容易軸磁界を生成
    し、同時に選択されたセルと関連する前記第２電流線に電流を供給して困難軸磁
    界を生成し、前記電流は前記第１方向の前記第２電流線に供給されることを含む
    、書き込みのために前記アレイ中のセルを順次的に選択する段階と、 から構成されることを特徴とする方法。
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