JP2005530340A

JP2005530340A - スイッチング磁界が低減された磁気抵抗ランダムアクセスメモリ

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Publication number: JP2005530340A
Application number: JP2004514080A
Authority: JP
Inventors: エヌ．エンゲル、ブラッドレー; アレンジェーンスキー、ジェイソン; ディ．リゾ、ニコラス
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 2002-06-18
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2005-10-06
Also published as: KR20050013215A; WO2003107350B1; EP1527455A2; WO2003107350A3; AU2003240521A1; CN1729537A; WO2003107350A2; US6633498B1; CN1729537B

Abstract

磁気抵抗トンネル接合メモリセル（１０）は、印加磁界の無い状態で好適な方向に固定される磁気モーメント・ベクトル（４７）を有するとともに、フリンジ磁界（９６）を有する磁化固定領域（１７）と、磁気抵抗トンネル接合（１６）を形成すべく磁化固定領域上に配置された電気絶縁材料と、磁化自由領域（１５）とを備える。磁化自由領域は、磁化固定領域の磁気モーメント・ベクトルに対して平行、又は反平行に配向される磁気モーメント・ベクトル（５３）を有する。フリンジ磁界は、所望のスイッチング磁界が得られるように選択される。

Description

本発明は半導体メモリデバイスに関する。特に、本発明は磁界を利用する半導体ランダムアクセスメモリデバイスに関する。

メモリデバイスは電子システムにおいて極めて重要な構成要素である。３つの最も重要な実用的な高密度メモリ技術はＳＲＡＭ，ＤＲＡＭ及びフラッシュ（ＦＬＡＳＨ）である。これらのメモリデバイスの各々は電荷を使用して情報を記憶し、かつ、各々は、固有の利点を有している。ＳＲＡＭは、高速の読出し及び書込み速度を有するが、それは揮発性であり、大きなセル面積を必要とする。ＤＲＡＭは、高密度であるが、これもまた揮発性であり、数ミリ秒毎に蓄積容量をリフレッシュする必要がある。この要件により制御電子機器の複雑さが増大する。

フラッシュは、今日使用されている主要な不揮発性メモリデバイスである。通常の不揮発性メモリデバイスは浮遊酸化膜層に捕獲される電荷を使用して情報を記憶する。フラッシュの不具合として、高電圧が必要であることと、書込み及び消去時間が長いことが挙げられる。またフラッシュメモリは、メモリ不良に至るまでの書込み可能回数が１０⁴〜１０⁵サイクルと少ない。さらに、データを使用可能な程度に保持するために、ゲート酸化膜の厚さは電子トンネリングが生じ得るしきい値よりも厚くなければならず、従ってフラッシュ縮小の流れに逆らうことになる。

これらの不具合を解決するために、磁気メモリデバイスが検討されている。このようなデバイスの一つに磁気抵抗ＲＡＭ（以降、「ＭＲＡＭ」と記載する）がある。ＭＲＡＭはＤＲＡＭと同じような速度性能を示す可能性を有する。しかしながら、実用レベルになるためには、ＭＲＡＭは現在のメモリ技術に匹敵するメモリ密度を有する必要があり、次世代用に縮小可能で、低電圧で動作可能で、かつ、低消費電力でなければならず、現メモリ技術と競合し得る程度の読出し／書込み速度を示す必要がある。

ＭＲＡＭデバイスの場合、メモリ状態の安定性、読出し／書込みサイクルの繰り返し性、及び消費電力が、その構成性能の３つの最も重要な側面である。ＭＲＡＭのメモリ状態は電力により維持されるのではなく、むしろ磁気モーメント・ベクトルの方向により維持される。データの記憶は、磁界を印加し、セルの磁性材料を磁化して２つの可能なメモリ状態のうちのいずれかの状態にすることにより、行なわれる。データの読出しは、磁界を印加したときにセルに現れる抵抗変化を検知することにより行なわれる。磁界は、電流を磁気構造の外部の配線に、又は磁気構造自体に流すことにより生成される。

従来のＭＲＡＭデバイスは、アスペクト比を有するビット形状に依存して、スイッチング磁界を供給する異方性形状を生じさせるようにしている。ビット寸法が縮小すると、３つの問題が生じる。まず、任意の形状及び膜厚に対してスイッチング磁界が増大して、スイッチするための電流がより多く必要になる。次に、合計のスイッチング容量が低減されるので、容量及びスイッチング磁界に比例する反転エネルギー障壁が低下する。このエネルギー障壁は、磁気モーメント・ベクトルを一方の状態から他方の状態に切り替えるために必要なエネルギー量を指す。

スイッチング磁界は材料特性にも依存するので、通常の材料に関しては縮小するにも下限がある。スイッチング磁界が大きくなると、ＭＲＡＭビットの状態を変えるために必要な電流が大きくなり、従って、大きな電力が消費される。従って、スイッチング磁界を低減し、かつＭＲＡＭデバイスの消費電力を低減する必要がある。

本発明の目的は、スイッチング磁界が低減され、新規で改善された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。

上記の特定した目的及び利点、及び他の目的及び利点を実現するために、スイッチング磁界及び磁化容易軸を有する磁気抵抗トンネル接合メモリセルを開示する。ＭＲＡＭセルは第１磁化領域を含み、第１磁化領域は、合成磁気モーメント・ベクトルであって、印加磁界の無い状態で好適な方向に固定される磁気モーメント・ベクトルを含み、さらに第１磁化領域はフリンジ磁界を有する。電気絶縁材料は、磁気抵抗トンネル接合を形成すべく第１磁化領域上に配置される。

第２磁化領域は電気絶縁材料上に配置され、トンネル障壁に隣接し、かつ第１磁化領域の磁気モーメント・ベクトルに対して平行、又は反平行の方向に配向する磁気モーメント・ベクトルを有する。好適な実施形態では、第１及び第２磁化領域のうちの少なくとも一つの磁化領域は、反強磁性結合するＮ個の強磁性層を含み、Ｎは２以上の整数である。また、メモリセルはトグル書き込みモードで動作し、フリンジ磁界は、第２磁化領域内で磁化容易軸に沿ったバイアス磁界を生成し、その結果、磁気抵抗トンネル接合メモリセルのスイッチング磁界を変更する。

本発明について上記の特定の目的及び利点、更に多くの特定の目的及び利点は、この技術分野の当業者には本発明の好適な実施形態に関する次の詳細な説明を図面と共に参照することにより容易に理解できるものと考える。

図１を参照すると、本発明によるＭＲＡＭアレイ３の簡易断面図が示されている。この図には、単一のＭＲＡＭデバイス１０のみを示すが、ＭＲＡＭアレイ３は通常、多くのＭＲＡＭデバイス１０を含み、説明を簡単にするために、このようなデバイスを一つのみ示して、ＭＲＡＭアレイ３の動作をトグル書き込み方式を使用して例示していることを理解されたい。また、本実施形態で使用するトグル書き込み方式についての更に詳細な情報は、２００１年１０月１６日出願の「縮小可能な磁気抵抗ランダムアクセスメモリ素子への書き込み方法」と題する米国特許出願第０９／９７８，８５９号に記載されており、この文献を本明細書において参照することにより、この文献の内容が本発明の開示に含まれる。

ＭＲＡＭデバイス１０は、ワードライン２０とデジットライン３０との間に挟まれる。ワードライン２０及びデジットライン３０は導電材料を含み、電流は、この導電材料を通過することができる。この図では、ワードライン２０は、ＭＲＡＭデバイス１０の表面３６上に位置し、デジットライン３０はＭＲＡＭデバイス１０の表面３４上に位置し、デジットライン３０は、ワードライン２０に対してほぼ９０度の角度に向いている（図２参照）。しかしながら、ワードライン２０及びデジットライン３０の配置は、単に例示のためのものであり、他の多くの構成があり得ることを理解されたい。

図２を参照すると、本発明によるＭＲＡＭアレイ３の簡易平面図が示されている。ＭＲＡＭデバイス１０の説明を簡単にするために、図示のように全ての方向はｘ及びｙ座標系１００を基準とするものとする。ワードライン２０及びデジットライン３０の目的は、ＭＲＡＭデバイス１０内に磁界を生成することである。正のワード電流（すなわち、正のｘ方向に流れるワード電流）Ｉ_Wは周回ワード磁界Ｈ_Wを生成し、正のデジット電流（すなわち、正のｙ方向に流れるデジット電流）Ｉ_Dは周回デジット磁界Ｈ_Dを生成する。ワードライン２０は、ＭＲＡＭデバイス１０の上方に位置するので、正電流Ｉ_Wが流れる場合に、Ｈ_Wが素子の平面内でＭＲＡＭデバイス１０に正のｙ方向に印加される。同様に、デジットライン３０は、ＭＲＡＭデバイス１０の下方に位置するので、正電流Ｉ_Dが流れる場合に、Ｈ_Dが素子の平面内でＭＲＡＭデバイス１０に正のｘ方向に印加される。電流によって発生する磁界の挙動は、この技術分野の当業者には公知であるので、本明細書では、これ以上、説明しないこととする。

図１に戻ると、ＭＲＡＭデバイス１０は、磁化領域１５、トンネル障壁１６、及び磁化領域１７を含み、トンネル障壁１６は磁化領域１５と磁化領域１７との間に挟まれる。好適な実施形態では、トンネル障壁１６は、トンネル接合を形成すべく、酸化アルミニウム等の電気絶縁材料を含むことができる。好適な実施形態では、また、磁化領域１５は、強磁性層４５と強磁性層５５との間に反強磁性結合スペーサ層６５が挟まれた３層構造を含む。

反強磁性結合スペーサ層６５は膜厚８６を有し、強磁性層４５及び５５は膜厚４１及び５１をそれぞれ有する。また、好適な実施形態では、磁化領域１７は、強磁性層４６と強磁性層５６との間に反強磁性結合スペーサ層６６が挟まれた３層構造を有する。反強磁性結合スペーサ層６６は膜厚８７を有し、強磁性層４６及び５６は膜厚４２及び５２をそれぞれ有する。

ここで、磁化領域１５及び１７は、２以上の整数であるＮ個の強磁性層を含むことを理解されたい。しかしながら、好適な実施形態においては、Ｎは、磁化領域１５及び１７の各々が一つの３層構造を含むように、２に等しい。この３層構造は、複合反強磁性(以下、「ＳＡＦ（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｎｔｉ−ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）」と記載する)構造と呼ばれることが多い。

一般的に反強磁性結合スペーサ層６５及び６６は、元素群、すなわちルテニウム（Ｒｕ），オスミウム（Ｏｓ），チタン（Ｔｉ），クロム（Ｃｒ），ロジウム（Ｒｈ），白金（Ｐｔ），銅（Ｃｕ），パラジウム（Ｐｄ）のうちの少なくとも一つ、又はそれらの組み合わせを含む。さらに、強磁性層４５，５５，４６及び５６は、元素群、すなわちニッケル（Ｎｉ），鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ）のうちの少なくとも一つ、又はそれらの組み合わせを含む。ここで、磁化領域１５及び１７が３層構造以外のＳＡＦ層材料構造を含むことができ、本実施形態において３層構造を使用することが単に例示目的であることを理解されたい。例えば、このような一つのＳＡＦ層材料構造は、強磁性層／反強磁性結合スペーサ層／強磁性層／反強磁性結合スペーサ層／強磁性層から成る５層積層構造を含むことができる。また、磁化領域１７は、磁気モーメント・ベクトルを生成する他の磁性材料構造を含むことができ、この構造には、単一の磁化固定層、又は高保磁力を有する永久磁性層などが含まれる。さらに、バイアス磁界は他の磁性層又は外部磁石から供給することができる。

強磁性層４５及び５５は、磁気モーメント・ベクトル５７及び５３をそれぞれ有し、これらのベクトルは通常、反強磁性結合スペーサ層６５を結合させることにより反平行に保持される。強磁性層４６及び５６は、磁気モーメント・ベクトル４７及び４３をそれぞれ有し、これらのベクトルは通常、反強磁性結合スペーサ層６６を結合させることにより反平行に保持される。また、磁化領域１５は、合成磁気モーメント・ベクトル４０を有し、磁化領域１７は、合成磁気モーメント・ベクトル５０を有する。

合成磁気モーメント・ベクトル４０は、磁気モーメント・ベクトル５３及び５７を合計したベクトルであり、合成磁気モーメント・ベクトル５０は、磁気モーメント・ベクトル４３及び４７を合計したベクトルである。磁性層４５と５５の間の磁気モーメントがバランスする場合、合成磁気モーメント・ベクトル４０は、ほぼゼロとなる。しかしながら、この場合でも、好適な方向は、トンネル障壁１６に隣接する磁気モーメント・ベクトル（すなわち、磁気モーメント・ベクトル４７及び５３）により、決定される。

好適な実施形態では、合成磁気モーメント・ベクトル４０及び５０は、ワードライン２０及びデジットライン３０から好適には４５度の角度の方向の異方性の磁化容易軸１２（図２参照）に沿って配向する（図２参照）。磁化容易軸１２は、また、異方性の磁化困難軸１４（図２参照）からほぼ９０度の角度に配向する（図２参照）。また、磁化領域１５は、磁化自由領域であるので、合成磁気モーメント・ベクトル４０は磁界が印加されている状態で自由に回転することを意味する。磁化領域１７は磁化固定領域であるので、合成磁気モーメント・ベクトル５０は、通常、磁界が印加されている状態で自由に回転することはなく、基準として使用されるということを意味する。好適な実施形態では、合成磁気モーメント・ベクトル５０は、磁化領域１７と反強磁性層３２との間の反強磁性結合によって固定される。

好適な実施形態では、合成磁気モーメント・ベクトル５０の大きさは、フリンジ磁界９６が得られるように調整され、このフリンジ磁界は、異方性の磁化容易軸１２に沿って配向し、磁化領域１５に入射する。フリンジ磁界９６の大きさ及び方向は、磁化領域１７の構造及び特性によって実質的に決まり、この点については別途説明する。

ＭＲＡＭデバイス１０は、トンネル電流がトンネル障壁１６を通過するようにトンネル電流を流す機能を備える。トンネル電流は実質的に、ＭＲＡＭデバイス１０のトンネル磁気抵抗に依存し、この磁気抵抗は主として、トンネル障壁１６に隣接する磁気モーメント・ベクトル５３及び４７の相対的な配向により決定される。磁気モーメント・ベクトル５３及び４７が平行である場合、ＭＲＡＭデバイス１０は低い磁気抵抗を示し、ワードライン２０とデジットライン３０との間の電圧バイアスによってＭＲＡＭデバイス１０を貫通する大きなトンネル電流が生成されることになる。この状態が「１」として定義される。磁気モーメント・ベクトル５３及び４７が反平行である場合、ＭＲＡＭデバイス１０は高い磁気抵抗を示し、ワードライン２０とデジットライン３０との間に印加される電圧バイアスによってＭＲＡＭデバイス１０を貫通する小さな電流が生成されることになる。この状態が「０」として定義される。ここで、これらの定義は任意であり、逆にすることも可能であるが、本例では例示として使用している。従って、磁気抵抗メモリでは、データ記憶は、磁界を印加し、この磁界によって磁化自由領域の磁気モーメント・ベクトルが、磁化固定領域の磁気モーメント・ベクトルに対して平行方向又は反平行方向のいずれかの方向に配向することにより、行われる。

反強磁性結合層６５が３層構造１５の強磁性層４５と５５との間に設けられる例を示しているが、強磁性層４５及び５５は、静磁場又は他の特性等の他の手段を通して反強磁性結合することができることを理解されたい。例えば、ＭＲＡＭセルのアスペクト比を小さくして５以下にする場合、これらの強磁性層は、磁区閉鎖により反平行結合する。

好適な実施形態では、ＭＲＡＭデバイス１０は３層構造１５及び１７を有し、これらの構造は非円形平面形状を有する場合に１〜５の範囲の長さ／幅比を有する。
本明細書では、アスペクト比が２に等しい場合の平面形状が示されている（図２参照）。ＭＲＡＭデバイス１０は、好適な実施形態では楕円形であり、この形状によって形状異方性がスイッチング磁界変動に及ぼす効果を最小化することができ、さらに、フォトリソグラフィ処理を使用して素子の横方向寸法を縮小することが一層容易になる。しかしながら、ＭＲＡＭデバイス１０は円形、正方形、矩形、又は菱形のような他の形状とすることができるが、説明を簡単にし、性能改善のために楕円形の場合を示している。

また、ＭＲＡＭアレイ３の製造中において、各連続層（すなわち、３０，３２，５６等）は連続して堆積されるか、又は形成され、各ＭＲＡＭデバイス１０は、この技術分野の当業者に公知の技術における選択成長、フォトリソグラフィ処理、エッチング等により形成することができる。少なくとも強磁性層４５及び５５の堆積中に、磁界を印加して、このペアに対して異方性の磁化容易軸１２（図２参照）を設定する（誘起異方性）。この印加磁界によって、磁気モーメント・ベクトル５３及び５７に対する好適な異方性軸が生成される。好適な実施形態では、異方性の磁化容易軸１２は、ワードライン２０とデジットライン３０との間で４５°の角度になるように選択され、これについては、以下に説明することとする。

図２に戻るが、この図は本発明によるＭＲＡＭアレイ３の簡易平面図を示している。ＭＲＡＭデバイス１０に関する説明を簡単にするために、全ての方向は図示のｘ及びｙ座標系１００を基準とする。さらに説明を簡単にするために、再度、以下の状態を仮定する。すなわち、Ｎが２に等しいとし、ＭＲＡＭデバイス１０が一つの３層構造を磁化領域１７に含み、この磁化領域１７が磁気モーメント・ベクトル４３及び４７と、これらに加えて合成磁気モーメント・ベクトル５０を有するものとする。また、領域１７の磁気モーメント・ベクトルのみを単に示している。

例示のために、磁気モーメント・ベクトル４３及び４７の異方性の磁化容易軸１２が、負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の角度に、正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度に向いていると仮定する。例として、図２は、磁気モーメント・ベクトル４３が、負のｘ方向及び負のｙ方向に対して４５°の角度に向いていることを示している。磁気モーメント・ベクトル４７は、磁気モーメント・ベクトル４３に対してほぼ反平行に配向しているので、磁気モーメント・ベクトル４７は、正のｘ方向及び正のｙ方向に対して４５°の角度に向いている。前に説明したように、合成磁気モーメント・ベクトル５０は、異方性の磁化容易軸１２に沿って配向し、かつ磁化領域１５に入射するフリンジ磁界９６が得られるように調整される。

次に図３を参照すると、この図には３層構造１５及び１７と同様なＳＡＦ３層構造のスイッチング動作が模式的に示されており、このスイッチング動作は、米国特許出願第０９／９７８，８５９号に記載される特定のパルスシーケンスに従うものであり、この文献を参照することにより、その内容が本発明の開示に含まれる。ｘ軸はワードライン磁界振幅Ｈ_Wに対応し、ｙ軸はデジットライン磁界振幅Ｈ_Dに対応する。図３には、３つの動作モード又は動作領域が示されている。領域９２ではスイッチングは生じない。ＭＲＡＭが領域９５で動作する場合、直接書き込み方式が実施される。直接書き込み方式を使用すると、ＭＲＡＭデバイスの初期状態を判定する必要はない。その理由は、この状態は、書き込まれている状態が保存されている状態と異なるときにのみ切り換わるからである。

ＭＲＡＭが領域９７で動作する場合、トグル書き込み方式（ｔｏｇｇｌｅｗｒｉｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄ）が実施される。トグル書き込み方式を使用すると、書き込み前にＭＲＡＭデバイス１０の初期状態を判定する必要がある。その理由は、同じ極性電流パルスがワードライン２０及びデジットライン３０の両方に対して選択される限り、電流の方向に関係なく、ＭＲＡＭデバイス１０に対する書き込みが行われる度に、初期状態が切り替わるからである。例えば、「１」が最初に記憶されている場合、ＭＲＡＭデバイス１０の状態は、一つの正の電流パルスシーケンスがワードライン２０及びデジットライン３０を通過した後に「０」に切り替わる。記憶されている「０」状態に対して正の電流パルスシーケンスを繰り返すことにより、記憶状態を「１」に戻すことができる。

従って、ＭＲＡＭデバイス１０に対する書き込みを行なってＭＲＡＭデバイスを所望の状態にすることを可能にするために、ＭＲＡＭデバイス１０の初期状態を読み取り、書き込もうとする状態と比較する。読取り及び比較には、情報を記憶するバッファ及びメモリ状態を比較する比較器を含む更に別の論理回路が必要となる。次に、記憶状態及び書き込もうとする状態が異なる場合にのみ、ＭＲＡＭデバイス１０に対して書込みを行なう。

トグル書き込み方式の利点の一つは、消費電力が低減されることである。その理由は、異なる状態のビットのみが切り替わるからである。トグル書き込み方式を使用する別の利点は、単極性の電圧のみが必要であり、その結果、小さなサイズのＮチャネルトランジスタを使用してＭＲＡＭデバイス１０を駆動できることである。トグル書き込み方式の更に別の利点は、フリンジ磁界９６を使用してフリンジ磁界を積極的に印加磁界に付加して、Ｈ_Sw ^EffがＨ_Sw ^Oよりも小さくなるように実効スイッチング磁界を低減することができることであり、これについては以下に説明する。Ｈ_Sw ^Oは、バイアス磁界Ｈ_BiasがゼロのときにＭＲＡＭデバイス１０を切り替えるために必要な印加磁界に対応する（図２参照）。

前に説明したように、合成磁気モーメント・ベクトル５０はフリンジ磁界９６が得られるように調整される。磁化領域１７の構造及び特性は、フリンジ磁界９６がＨ_BiasをＭＲＡＭデバイス１０の異方性の磁化容易軸１２に沿って生成して、このフリンジ磁界が磁化領域１５に入射するように選択される。Ｈ_Biasの効果によって、ＭＲＡＭデバイス１０の状態を変えるのに必要なＨ_Sw ^Effの大きさを小さくすることができる。その結果、ＭＲＡＭデバイス１０を動作させるのに必要な電流（すなわちＩ_D及びＩ_W）だけでなく、消費電力も低減される。Ｈ_Biasの効果については、次の例で説明することとする。

次に図４を参照すると、この図ではグラフ４２が、Ｈ_Biasがゼロに等しいときの３層ＳＡＦ構造の領域９７に対応する実効スイッチング磁界Ｈ_Sw ^Effを模式的に示している。この図においては、直接書込み方式に対応する領域９５はモーメントがほぼバランスすることにより最小となるので、単に図示していない。Ｈ_Biasがゼロに等しい場合（すなわち、ＳＡＦがほぼバランスする場合）、領域９７はグラフ４２の原点に対して対称になり、この場合、Ｈ_Dはゼロ・エルステッドに等しく、かつＨ_Wはゼロ・エルステッドに等しい。ＳＡＦがほぼバランスするのは、例えば磁気モーメント・ベクトル４７及び４３がほぼ同じ大きさを有し、その合成磁気モーメント・ベクトル５０がほぼゼロになる場合である。この例の場合、ＭＲＡＭデバイス１０の状態を変えるのに必要なＨ_Sw ^Effの大きさは次式で与えられる。

次に図５を参照すると、この図ではグラフ４４が、Ｈ_Biasがゼロではないとき（すなわち、ＳＡＦがバランスしない場合）の３層構造１５の領域９７に対応する実効スイッチング磁界Ｈ_Sw ^Effを模式的に示している。この図においては、直接書込み方式に対応する領域９５はモーメントがほぼバランスすることにより最小となるので、単に図示していない。この例では、反強磁性結合スペーサ層６６の厚さ８７、及び厚さ４２及び５２は所望のＨ_Biasが得られるように選択される。重要なことは、厚さ８７，４２及び５２を選択して所望のフリンジ磁界９６を得ることによって、Ｈ_Swを所望の値に選択することができることである。

ＳＡＦがバランスしないのは、例えば磁気モーメント・ベクトル４７及び４３が大きく異なる大きさを有し、その合成磁気モーメント・ベクトル５０がゼロにならない場合である。この特殊な例の場合、反強磁性結合スペーサ層６６の厚さ８７、及び厚さ４２及び５２は、ゼロではない所望のＨ_Biasが得られるように選択され、このとき、厚さ４２は、厚さ５２とは大きく異なるように選択して、磁気モーメント・ベクトル４７の大きさが磁気モーメント・ベクトル４３の大きさとは不等となるようにする。

Ｈ_Swがゼロではない場合、ＭＲＡＭデバイス１０の状態を変えるのに必要なスイッチング磁界は次式で与えられ、

この式は、Ｈ^O _SwがＨ_Biasに等しい大きさだけ小さくなり、実効スイッチング磁界Ｈ_Sw ^EffがＨ^O _Sw未満の値に小さくなることを示している。この様子は図５にも示され、この図では、領域９７が原点に対して対称ではなくなっている。Ｈ_Biasの効果によって、Ｈ_D及びＨ_Wが共に正の場合（すなわち象限Ｉに位置する場合）、領域９７は原点に近づくようにシフトする。しかしながら、同じ結果がＨ_Biasの方向が反転する場合に得られ、この場合、Ｈ_D及びＨ_Wが負であって領域９７が原点に近づくようにシフトする（図示せず）ことが分かるであろう。従って、トグル書き込み方式は単一極性の電流パルスのみを必要とするので、トグル領域９７の非対称シフトを利用して、ＭＲＡＭデバイス１０の両方の状態に対するスイッチングしきい値を低減することができる。

従って、トグル書き込み方式を使用すると、ＭＲＡＭデバイスの実効スイッチング磁界は、フリンジ磁界を磁化固定領域によって生成することにより得られ、この場合、フリンジ磁界によって、磁化自由領域内において異方性の磁化容易軸に沿ったバイアス磁界が生成される。バイアス磁界によってＭＲＡＭデバイスの状態を切り替えるのに必要な電力を低減することができる。

例示のために選択した本明細書における実施形態に対する種々の変更及び改良は、この技術分野の当業者であれば容易に想到し得るであろう。このような変更及び改良が本発明の技術思想から逸脱しない限り、このような変更及び改良は本発明の技術範囲に含まれるものであり、本発明の技術範囲は次の請求項を公正に解釈することによってのみ評価される。

本発明をこのように明確で、かつ簡潔な表現で記載したので、この技術分野の当業者は本発明を理解し、かつ実施することができるものと考える。

本発明による、スイッチング磁界が低減された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスの断面図である。本発明による、スイッチング磁界が低減された磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスの簡易平面図である。磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスにおいて直接書き込みモード又はトグル書き込みモードを生成する磁界振幅組合せを模式的に示したものである。トグル書き込み動作におけるスイッチング磁界を模式的に示すグラフである。フリンジ磁界を伴うトグル書き込み動作におけるスイッチング磁界を模式的に示すグラフである。

Claims

スイッチング磁界を有する磁気抵抗トンネル接合メモリセルであって、
印加磁界の無い状態で好適な方向に固定される合成磁気モーメント・ベクトルを有する第１磁化領域と、
磁気抵抗トンネル接合を形成すべく前記第１磁化領域上に配置された電気絶縁材料と、
前記電気絶縁材料上に配置され、異方性の磁化容易軸を有し、かつ、前記第１磁化領域の磁気モーメント・ベクトルに対して平行、又は反平行に配向された合成磁気モーメント・ベクトルを有する第２磁化領域とを備え、
前記磁気抵抗トンネル接合メモリセルはトグル書き込みモードで動作し、
前記第２磁化領域内において前記異方性の磁化容易軸に沿ったバイアス磁界が印加磁界によって生成されて前記スイッチング磁界が変更される、磁気抵抗トンネル接合メモリセル。
スイッチング磁界を有する磁気抵抗トンネル接合メモリセルであって、
印加磁界の無い状態で好適な方向に固定される合成磁気モーメント・ベクトルを有し、かつ、厚さ及びフリンジ磁界を有する第１磁化領域と、
磁気抵抗トンネル接合を形成すべく前記第１磁化領域上に配置された電気絶縁材料と、
前記電気絶縁材料上に配置され、異方性の磁化容易軸を有し、かつ、前記第１磁化領域の磁気モーメント・ベクトルに対して平行、又は反平行に配向された合成磁気モーメント・ベクトルを有する第２磁化領域とを備え、
前記磁気抵抗トンネル接合メモリセルはトグル書き込みモードで動作し、
前記フリンジ磁界は、前記第２磁化領域内において前記異方性の磁化容易軸に沿ったバイアス磁界を生成する、磁気抵抗トンネル接合メモリセル。
スイッチング磁界を有する磁気抵抗トンネル接合メモリセルであって、
印加磁界の無い状態で好適な方向に固定される合成磁気モーメント・ベクトルを有し、かつ、フリンジ磁界を有する、ある厚さの第１磁化領域と、
磁気抵抗トンネル接合を形成すべく前記第１磁化領域上に配置された電気絶縁材料と、
前記電気絶縁材料上に配置され、異方性の磁化容易軸を有し、かつ、前記第１磁化領域の磁気モーメント・ベクトルに対して平行、又は反平行に配向された合成磁気モーメント・ベクトルを有する第２磁化領域とを備え、
前記第１及び第２磁化領域のうちの少なくとも一つの磁化領域は、反強磁性結合されたＮ個の強磁性層を含み、Ｎは２以上の整数であり、
前記磁気抵抗トンネル接合メモリセルは、トグル書き込みモードで動作するように構成され、
前記フリンジ磁界は、前記第２磁化領域内において前記異方性の磁化容易軸に沿ったバイアス磁界を生成する、磁気抵抗トンネル接合メモリセル。
磁気抵抗トンネル接合メモリセルのスイッチング磁界を低減する方法であって、
表面を形成する基板を提供する工程と、
厚さ、磁化反転容量、及び合成磁気モーメント・ベクトルを有する磁化固定領域を支持する工程であって、前記合成磁気モーメント・ベクトルは印加磁界が有る状態及び無い状態の両方の状態において好適な方向に配向し、前記磁化固定領域はフリンジ磁界を有する、前記磁化固定領域を支持する工程と、
電気絶縁材料を前記磁化固定領域上に配置させる工程と、
磁化容易軸、合成磁気モーメント・ベクトル、及び磁化反転容量を有する磁化自由領域を前記電気絶縁材料上に配置する工程であって、前記合成磁気モーメント・ベクトルは、前記磁化固定領域の前記合成磁気モーメント・ベクトルに対して平行及び反平行のいずれかに配向可能であり、前記磁化自由領域は、反強磁性結合するＮ個の強磁性層を含む複合反強磁性層材料を含み、Ｎは２以上の整数であり、Ｎ個の強磁性層の各々は磁気モーメント・ベクトルを有し、隣接するＮ個の強磁性材料層の各々の磁気モーメント・ベクトルは反平行に配向され、前記フリンジ磁界は前記磁化自由領域内でバイアス磁界を生成する、前記磁化自由領域を配置する工程と、
前記磁気抵抗トンネル接合メモリセルをトグル書き込みモードで動作させる工程とを備える方法。