JP2007525840A - 熱アシスト方式で書き込まれ、磁気トンネル接合を有する磁気メモリ、及びその書き込み方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱アシスト方式で書き込まれる磁気メモリに関し、本磁気メモリにおいてはメモリ点（４０）の各々が磁気トンネル接合から構成されており、メモリの、トンネル接合を形成する層の平面に平行な断面が円形又はほぼ円形である。前記トンネル接合は、少なくとも、磁化方向が固定のトラップ層（４４）、磁化方向が可変の自由層（４２）、及び自由層（４２）とトラップ層（４４）の間に配置された絶縁層（４３）を備える。本発明によれば、自由層（４２）は、接触により磁気的に結合された少なくとも１つの軟質磁性層と１つのトラップ層とから形成され、読み込みメモリ又は休止メモリの動作温度は自由層及びトラップ層それぞれのブロック温度より低く選択される。

Description

技術分野
本発明は、磁気メモリの分野に関し、特に、電子システムにおけるデータの記憶及び読み出しを可能にする不揮発性ランダムアクセス磁気メモリに関する。詳細には、本発明は、磁気トンネル接合からなる、Ｍ−ＲＡＭとして知られるランダムアクセス磁気メモリに関する。
本発明は、そのようなメモリに書き込みをする熱磁気的方法にも関する。

背景技術
Ｍ−ＲＡＭ磁気メモリは、周囲温度で高い磁気抵抗を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の開発に対する関心を新たにさせた。このようなランダムアクセス磁気メモリによって、以下のような多数の利点が得られる。
−速度（書き込み及び読み出しにかかる時間がわずか数ナノ秒である）、
−不揮発性、
−読み出し及び書き込み中に疲労がないこと、
−電離放射線に対する非感受性。
よって、Ｍ−ＲＡＭ磁気メモリは、容量の電荷状態に基づいた従来の技術を用いるメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ）に代わり、一般的なメモリとなる可能性が大きい。

製造された最初の磁気メモリでは、メモリ点は、複数の磁気金属層と非磁気金属層が交互に積み重なった積層体からなる「巨大磁気抵抗」を有する素子から構成されていた。この種の構造に関する詳細な説明は、例えば、基礎的構造についてはＵＳ−Ａ−４９４９０３９及びＵＳ−Ａ−５１５９５１３に、そのような基礎的な構造からのＲＡＭメモリの製造についてはＵＳ−Ａ−５３４３４２２に見出すことができる。
その構造により、上記技術は、単純な技術による不揮発性メモリの製造を可能にするが、このメモリ容量には限界がある。素子の数が増えるにつれ信号は徐々に弱くなるので、メモリ素子が各線に沿って直列に接続されていることによって、集積可能性が制限される。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ）メモリ点の開発は、このようなメモリの動作の性能及びモードを著しく増大させた。磁気トンネル接合を備えたこのような磁気メモリは、例えばＵＳ−Ａ−５６４０３４３に記載されている。その最も単純な形態では、上記メモリは、薄い絶縁層によって分離された、保磁力の異なる２つの磁性層からなっている。
このような磁気トンネル接合ＭＲＡＭには、ＵＳ−Ａ−６０２１０６５、及び刊行物「Journal of Applied Physics」Vol. 81、1997、3758頁に記載されているような改良がなされており、これを図１に示す。図１に見られるように、各メモリ素子（１０）は、ＣＭＯＳトランジスタ（１２）及びＭＴＪトンネル接合（１１）の組合せからなっている。このトンネル接合（１１）は、少なくとも、「記憶層」と呼ばれる磁性層（２０）、薄い絶縁層（２１）、及び「基準層」と呼ばれる磁性層（２２）を備えている。

限定的なものではないが、３ｄ金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）及びこれらの合金からなる２つの磁性層を形成することが好ましい。絶縁層は、従来通りアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）からなっている。磁性層（２２）は、好ましくは、反強磁性層（２３）に結合しており、この反強磁性層の働きが層（２２）をトラップすることにより、その磁化が、外部磁界の作用下でいずれの方向にも切り替わらない。好ましくは例えばＵＳ−Ａ−５５８３７２５に記載されているように、基準層（２２）自体が複数層から構成されることにより、合成反強磁性層が形成される。
刊行物、Y. Saitoらによる「Journal of Magnetism and Magnetic Materials vol.223」(2001)、293頁に記載されているように、単一のトンネル接合を二重のトンネル接合に置換することが可能である。この場合、記憶層は２つの薄い絶縁層に挟まれており、この絶縁層の逆の側には２つの基準層が配置されている。

記憶磁性層及び基準磁性層の磁化が反平行である時、接合の抵抗は高い。これに対し、これらの磁化が平行である時には抵抗は弱くなる。上記２つの状態間の抵抗の相対的な変動は、通常、積層体の層を構成する材料を適切に選択することによって及び／又は材料の熱処理を行うことによって、４０％に達し得る。既に明記したように、接合（１１）は、切り替えトランジスタ（１２）と上部導電線を形成する電力供給線（１４）（ワード線）との間に配置される。この上部導電線を通る電流によって第１の磁界が得られる。また、一般に、線（１４）（ワード線）に対して垂直に配置されている下部導電線（１５）（ビット線）によって、電流がその線を通る時に第２の磁界が形成される。
書き込みモードでは、トランジスタ（１２）がブロックされるので、そのトランジスタには電流が流れない。電流パルスは、電力供給線（１４）及び線（１５）を通る。よって、接合（１１）は、互いに垂直な２つの磁界の作用を受ける。一方の磁界は、「自由層」（２２）とも呼ばれる記憶層の磁化困難軸に従って印加されて反転磁界を減少させ、他方の磁界は磁化容易軸に従って印加されて磁化を反転させ、これによりメモリ点における書き込みが起こる。

読み出しモードでは、トランジスタのゲート電極に正の電流パルスを送ることによって、トランジスタ（１２）を飽和モードに置く。つまり、このトランジスタに流れる電流を最大にする。線（１４）に送られた電流は、そのトランジスタが飽和モードに置かれているメモリ点のみを流れる。この電流によって、このメモリ点の接合の抵抗を測定することができる。ここで基準メモリ点と比較することによって、記憶層（２２）の磁化が、基準層（２０）の磁化と平行か反平行であるかが分かる。これにより、対象のメモリ点の状態（「０」又は「１」）を決定することができる。
当然、２つの線（１４、１５）により生成された磁界パルスにより、書き込みプロセス中に記憶層（２０）の磁化を切り替えることができる。これらの磁界パルスは、弱く（通常１０ミリアンペア未満）短い（通常２〜５ナノ秒）電流パルスを電流線（１４、１５）に沿って送ることによって生成される。このようなパルスの強さ及びそれらの同期化を調節することにより、上記２つの電流線が交差する地点（選択ポイント）に位置するメモリ点の磁化のみが、２つの導体によって発生する磁界の影響下で切り替えできる。同じ行又は同じ列上に配置されている他のメモリ点（半選択ポイント）は、実際、導体（１４、１５）の一方のみによって生成される磁界の影響しか受けないので、反転しない。

書き込みプロセス中、このような構造を確実に十分に機能させるために、異方性形状のメモリ点、一般には、幅に対する長さの比が大きく、典型的には１．５以上であるような、楕円形、三日月形、半楕円形、ダイヤモンド形等のメモリ点（図２を参照）を使用することが必要である。このような形状は、
−第１に、双安定性の機能、つまり、状態「１」及び状態「０」に相当する、メモリ点に明確に規定された２つの状態、
−第２に、同じ行又は同じ列に位置する選択メモリ点と半選択メモリ点との間での書き込み選択性が良いこと、及び
−熱安定性及び時間的安定性が良いこと
を得るために必要である。
このアーキテクチャの限界は、上記メモリ点の構造的機構から明らかにすることができる。

書き込みは外部の磁界によって形成されるので、各メモリ点の個々の反転磁界の値の影響を受ける。全てのメモリ点に対する反転磁界の分布関数が広い（製造上の制限及び固有の統計学的変動のために均一ではない）場合、選択されたメモリ点の磁界が、分布の最も高い反転磁界よりも大きくなることが必要であり、対応する行又は列上に位置する特定のメモリ点が偶発的に反転する危険を伴い、そのメモリ点の反転磁界は、分布の低い部分に位置し、行のみ又は列のみによって発生した磁界より弱い。これとは逆に、行又は列によって書き込まれるメモリ点を確実に無くしたい場合には、これらのメモリ点に対し、分布の低い部分に対応する磁界を超えないように書き込み電流を制限しなくてはならず、反転磁界が分布の高い部分に位置する場合、前記行と前記列の交差する位置にある選択メモリ点が書き込まれないという危険を伴う。
言い換えれば、行及び列を利用した磁界又は導体による上記の選択アーキテクチャは、書き込みの際にアドレッシングエラーを起こしやすい。磁化反転機構を決定づけるのはメモリ点のジオメトリ（形状、ばらつき、欠陥）であるので、メモリ点の寸法が小さくなるにつれ、その反転磁界の分布関数が広くなることが予測されることから、将来的な製品世代においてこの影響は悪化するだけである。

ＵＳ−Ａ−５９５９８８０に記載されている改良によれば、記憶層を形成する材料の固有の異方性（磁気結晶異方性という用語で当業者に知られている）を利用してシステムの２つの安定状態を規定することにより、メモリ点のアスペクト比を低下させることができる。しかし、この手法では、書き込みプロセスと熱的安定性を支配するのが同じ物理的パラメータであるので、システムの時間的又は熱的安定性がもはや保証されない。つまり、
−磁気結晶異方性が大きい場合システムは安定し（時間及び温度に関して）、メモリ点の両状態は明確に規定される。一方、前記メモリ点の磁化を一方の安定状態から他方の安定状態へと反転させるために必要な磁界（書き込み磁界）は極めて大きく、よって書き込みプロセス中に消費される電力が大きい。
−これとは逆に、磁気結晶異方性が小さい場合、書き込みの際に消費される電力は小さいが、熱的及び時間的安定性は保証されない。更に、メモリ点内の磁気構造は磁界におけるサイクルによって複雑且つ多重であるので、メモリ点の２つの安定状態が明確に規定されない。
言い換えれば、低消費電力と熱的及び時間的安定性とを同時に保証することは不可能である。

例えば、ＵＳ−Ａ−６３８５０８２に記載の改良によれば、前記メモリ点の著しい加熱を誘導することを目的として、書き込みプロセス中、トランジスタ（１２）を開くことによってメモリ点を通して電流パルスを送る。メモリ点の加熱によって、書き込みに必要とされる磁界が小さくなる。アドレス指定された点の温度が他のメモリ点より有意に高くなるこの期間中に、電流パルスを線（１４、１５）に送って２つの直交する磁界を形成し、これにより、対象とする接合の記憶層の磁化の切り替えを可能にする。このような熱アシストによる書き込みによって、選択されたメモリ点のみが加熱され、同じ行又は列に位置する他の半選択メモリ点は周囲温度に留まるので、書き込みの選択性を改善することができる。言い換えれば、この文献に記載された改良は、直交する磁界の２つのパルスを送ることによる書き込みの基本概念を保ちながら、アドレス指定された接合を加熱することによって書き込みの選択性を増大させることを目指している。
やはりメモリ点の温度を上げることに基づくが、記憶層にスピン偏極した電流を注入することによって単一の磁界又は磁化の切り替えを利用する別のアドレス指定方法が、仏国特許第２８２９８６７号明細書及び同第２８２９８６８号明細書に記載されている。

このような選択メモリ点の加熱を実施することによって様々な利点が得られ、その中でも、
−書き込みを行うメモリ点のみを加熱することによる、書き込みの選択性の実質的な改善、
−周囲温度での強い書き込み磁界を有する材料を利用することによる、書き込み選択性の実質的な改善、
−周囲温度で磁気異方性の高い材料（固有の、又はメモリ点の形状による）を利用することによる、ゼロ磁界での安定性（保磁力）の向上、及び
−周囲温度で高い磁気異方性を有する材料を利用することによる、安定性の限界に影響することなくメモリ点を著しく縮小できること
が挙げられる。

発明の簡単な説明
本発明の目的は、メモリ点の特定のジオメトリを選択すること、特に円形のジオメトリを実施することにより、メモリ点の反転磁界を低減して、上述の利点を更に最適化することである。実際、メモリ点をそのような円形のジオメトリとすることに関し、反転磁界を増大させるメモリ点の形状の異方性がゼロであることが示されており、これが本発明の主旨である。結果として、メモリ点の書き込みを生じさせるのに必要な電力を、熱アシスト型書き込み手法により著しく低減することができる。この結果は、特に、可搬式の用途及びＳＯＩ技術（シリコンオンインシュレータ）での用途に関して決定的な利点である。
この点に関し、本発明に記載の熱アシスト型書き込み手法又は最適化のいずれも利用せずに、前記ＵＳ−Ａ−５９５９８８０に記載されているような円形のジオメトリを単に利用するだけでは、上述の理由から、低電力消費と熱的及び時間的安定性とを同時に保証できないため、所望の機能を得ることはできない。

従って、本発明は、熱アシスト型の書き込みを行う磁気メモリに関し、この磁気メモリでは、各メモリ点は磁気トンネル接合からなっており、磁気トンネル接合の、このトンネル接合を形成する層の平面に平行な断面が、円形又は実質的に円形であり、前記トンネル接合が、少なくとも、
−固定された方向の磁化を有する、「トラップ層」と呼ばれる基準磁性層、
−可変の磁化方向を有する、「自由層」と呼ばれる記憶磁性層、及び
−前記自由層と前記トラップ層との間に配置される絶縁層
を備え、
前記記憶層が、少なくとも、軟質磁性層、つまり磁気異方性が小さく、好ましくは１０エルステッド未満、典型的には１〜３エルステッドである層と、トラップ層とから形成されており、前記２つの層が接触により磁気的に結合しており、且つ
読み出し又は静止状態にある時のメモリの動作温度が、自由層及びトラップ層のブロック温度、つまり磁気トラップが消失する温度より小さい値からそれぞれ選択される。

本発明の有利な態様によれば、記憶層の軟質磁性層は、ニッケル、コバルト及び鉄を主成分とする合金から形成され、トラップ層は、鉄及びコバルトを主成分とする合金、又はマンガンを主成分とする反強磁性合金、又はアモルファスの希土類及び遷移金属を主成分とする合金から形成されている。
本発明によれば更に、基準層又はトラップ層は、好ましくは、非磁性層によって分離された、ニッケル、コバルト及び鉄を主成分とする合金からなる２つの強磁性層で構成される人工的反強磁性合成層により形成され、このとき、前記２つの強磁性層の磁化は反平行である。

当業者に公知であるように、記憶層及び基準層は更に、トンネルバリアとの境界付近に、トンネル電子の偏極、ひいては磁気抵抗の強さを増大させることを意図して、コバルト又はコバルト含有量の多い合金からなる追加的な層を有する。
本発明によれば、メモリ点はネットワークとして構成され、各メモリ点の上部は導電線と、底部は選択トランジスタと接続されており、書き込みは、前記導体への電流パルスと、前記トランジスタを開くことによる加熱電流とを同時に送ることによって、対象のメモリ点のレベルで行われる。

本発明の有利な特徴によれば、制御トランジスタ及びそれに対応する制御線は、対象のメモリ点の下方に配置される。
本発明を実施する方法、及び結果として得られる利点は、添付図面を参照し、説明のみを目的として提示される以下の非限定的実施態様から明らかになるであろう。

発明の詳細な説明
図３に、特に従来の、メモリ点を形成する異なる層の磁化方向を示す。従来技術によれば、記憶層（３０）は、少なくとも１つの強磁性層（３２）と１つの反強磁性層（３１）とからなる積層体によって構成される。これらの２つの層は、この２層間に磁気交換結合が構築されるように堆積されている。完成したメモリ点の積層体は、少なくとも１つの絶縁層（３３）及び１つの基準層（３４）からなり、有利にはトラップ層（３５）と組み合わされている。このアーキテクチャは、トラップ記憶層という用語で記述される。このようなアーキテクチャによって、以下のような複数の利点、すなわち、
−メモリ点の安定限界の拡大、
−外部磁界に対する非感受性、及び
−効果的な多重記憶の実現
が得られる。
本発明によれば、トラップ記憶層を利用したメモリ点は、細長い形状ではなく円形であり、具体的には、メモリ点が形成されている層の平面に平行な断面が円形である。言い換えれば、メモリ点は、円筒形又は円錐形の形状を有しており、したがって回転対称である。

本発明によれば、メモリ点は、そのアスペクト比が、１．２（長さと幅との違いが２０％）未満にとどまるのであれば、非円形のジオメトリであってもよい。
よって、上述したように、メモリ点の形状異方性が最小となり、これにより書き込みプロセスにおけるメモリ点の反転磁界が著しく減少し、結果として所要電力が低減する。書き込み磁界の、異なる形状因子との関係を図７に例示する。この図から、メモリ点が円形のジオメトリを有しない場合、書き込み磁界（ここでは、磁界を発生させるのに使用される導体中の電流として表現されている）が、メモリ点の寸法を２００ｎｍ未満に低下させた時に著しく増大し、アスペクト比（長さを幅で割った商）が増大するとますます急激に増大することが分かる。逆に、メモリ点が円形のジオメトリ（アスペクト比＝１）を有する場合、メモリ点の寸法の減少に伴う磁界の減少は、２００ｎｍ未満においてさえも単調である。

記憶層（３０）又は自由層が軟質材料から形成されると、つまりその反転磁界（保磁磁界）が極めて弱いと、有利である。このような材料は、好ましくは、ニッケル、鉄又はコバルトを含む合金であって、特に、パーマロイ、Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０、ＮｉＦｅＣｏ又はＦｅＣｏＢである。軟質性の高い材料を使用することによって、書き込みに必要な磁界、ひいては電力消費を低下させることができる。
トラップ層（３１）及び（３５）は、有利には、反強磁性材料、特に、Ｐｔ_５０Ｍｎ_５０、Ｉｒ_２０Ｍｎ_８０又はＮｉ_５０Ｍｎ_５０の種のマンガンを主成分とする合金によって形成される。トラップ層（３１）及び（３５）の厚み、化学的性質又は微細構造を相違させることにより、そのブロック温度（隣接する強磁性層、又は適用可能であれば記憶層（３０）及び基準層（３４）との交換結合が起こる温度）が適切に相違するように特定することが重要である。更に詳細には、層（３１）のブロック温度は、書き込み中に、同じメモリ点の基準層（３４）の磁化の方向に悪影響を与えることなく、書き込みのための記憶層（３０）の磁化を解放することが可能であるように、層（３５）のブロック温度よりも低くなくてはならない。

基準層（３４）が、非磁性層によって分離された、ニッケル、コバルト及び鉄を主成分とする合金からなる２つの強磁性層と１つの反強磁性合成層とからなる合成構造であることにより、前記２つの強磁性層の磁化がそれらの磁化の反平行の配向と結合されて、記憶層（３０）に作用する静磁界が最小限になっていると有利である。
更に、基準記憶層は、有利には、トンネルバリアとの境界付近に、トンネル電子の偏極、ひいては磁気抵抗の強さを増大させることを意図した、コバルト又はコバルト含有量の多い合金からなる追加的な層を有する。

図４Ａ及び４Ｂは、本発明によるメモリ点の構造の概略図である。メモリ点は、上述のように円筒形状の磁気トンネル接合、制御線（４７）及び導体（４８）を備えたアドレッシングトランジスタ（４６）を備えており、よって、記憶層（４１）の磁化容易軸に平行な磁界を生成することが可能である。磁性層の磁化は、本質的には層の平面内で起こる。
上述のように、単一のトンネルバリアを有するこの構造は、有利には、二重のトンネルバリア構造に置き換えることができる。その場合、記憶層（４１）は、２つの単純又は複合強磁性層（例えばＮｉ_８ＯＦｅ_２０／Ｃｏ_９０Ｆｅ_ｌ０）に挟まれた反強磁性三重層（例えばＩｒ_２ＯＭｎ_８０）から構成される。この記憶「三重層」は、２つのトンネルバリア間に挿入されており、その反対側には、上記従来技術で説明したものと同様の２つの基準層が配置されている。

このような構造の動作について以下のように説明する。
すなわち、記憶層及び基準層のブロック温度は、加熱していないメモリの動作温度より高くなくてはならず、情報を安定的に記憶することが必要になったらなるべく早く、その動作温度よりも著しく高くしなくてはならない。記憶層のブロック温度は、基準層のブロック温度よりも低くなくてはならない。

このように、書き込み段階で、メモリ点（４０）に結合しているトランジスタ（４６）は、線（４７）の電圧パルスによってブロックモードに切り替えられる。同時に、線（４８）を通して電圧パルスがメモリ点（４０）に印加され、よってトランジスタ（４６）を介して電流がトンネル接合（４０）を流れる。電圧レベルは、接合に関連して生成された電力密度により、トンネル接合（４０）の温度が反強磁性層（４２）のブロック温度より高く且つトラップ層（４５）のブロック温度よりも低い温度に上昇するように規定される。この温度では、記憶層（４１）の磁化は層（４２）によってトラップされておらず、したがって書き込み磁界の作用下で反転することができる。一方、磁気結晶異方性の高い材料からなり、且つ絶縁層（４３）によって記憶層（４１）から分離されている基準層（４４）の磁化は、ブロック温度が層（４２）よりも高い層（４５）によってトラップされたままであるので、書き込み磁界の作用下で切り替わらない。
制御トランジスタ（４６）の寸法を制限するための１０ｍＡ／μｍ^２の最大電流密度、及び単一バリア及び二重バリア接合のためのそれぞれ１００及び２００オーム／μｍ^２のトンネル接合（４０）の製品Ｒ×Ａ（抵抗×表面積）を考慮する際、印加する電圧は１〜２ボルトのオーダーであることに留意されたい。この値は、力学レジームで完全に許容可能である（短期間の電気パルス）。

メモリ点を反強磁性層（４２）の上記ブロック温度まで加熱したら、トランジスタ（４６）を閉鎖することによって加熱を停止し、これにより、トンネル接合（４０）に流れる加熱電流を切る。励起導電体（４８）の電流パルスは、もはやトンネル接合（４０）を流れず、生成される磁界により記憶層（４１）の磁化の所望の方向への反転が可能となるような符号及び強さに保持される。パルスの同調及び期間は、反強磁性層（４２）のブロック温度よりも低い温度までメモリ点（４０）を冷却する間、記憶層（４１）の磁化が所望の方向に配向するように調節しなくてはならない。ここで、線（４８）の電流を切ることが可能となる。次いで、メモリ点（４０）は、非書き込み動作温度までの再低下を終了し、記憶層（４１）の磁化は、所望の方向への固定を終了する。これでメモリ点に書き込みがなされる。
本発明に記載しているような、円筒形のメモリ点を実施することにより得られる特別の利点をより深く理解するためには、メモリ点が状態「０」から状態「１」に動かすのに最低必要な潜在的なバリア高さのエネルギーを表現することが適切である。この潜在的なバリア高さは、一方では、メモリ点に書き込むために印加されなくてはならない磁界の値と、ひいては電力消費と関連しており、他方では、書き込まれたデータの熱的及び時間的安定性と関係している。

記憶層が交換相互作用によってトラップ層（４２）にトラップされていない従来技術では、メモリの熱的安定性は、メモリ点の形状異方性によって保証され、その異方性は、メモリ点の長さと幅とのアスペクト比に直接的に関係している。そこで、体積単位当たりのバリアのエネルギーは次式のように表される。

ここで、第１項（Ｋ）は磁気結晶異方性であり、第２項は形状異方性である。この第２項ＡＲは、メモリ点のアスペクト比（長さ／幅）であり、Ｌは幅、ｔは記憶層（４１）の厚み、Ｍｓはその飽和磁化である。ＡＲ＝１．５（従来技術での典型的な値）という値に対し、Ｅｂは次式のように表される。

従来技術の限界が直ちに検出できる。実際に、
−メモリ点が小さいほど（Ｌが減少、ＡＲが一定）バリアエネルギーが増大し、これにより電力消費が著しく増大する。
−アスペクト比が弱いほど（ＡＲが減少、Ｌが一定）バリアエネルギーが増大し、これにより、熱的及び時間的データ安定性が損なわれ、この損失は、メモリ点が小さいほど増大する。唯一の改善措置は、メモリ点の材料を適応させることにより磁気結晶異方性Ｋを増大させることであるが、これには電力消費が著しく増大するという不利益が伴う。

本発明では、記憶層（４１）は層（４２）との交換によってトラップされており、メモリ点の熱的及び時間的安定性を保証するために形状異方性を使用する必要はない。円形又はほぼ円形のジオメトリ（ＡＲ＝１）を選択することによって、形状異方性の項は削除されるので、バリアエネルギーは次式のように表される。

式中、第２項は、記憶層（４１）とトラップ層（４２）との間の交換エネルギーに対応する。ここで、従来技術に対する本発明の利点が明らかとなる。これは、以下の理由による。すなわち、
−休止状態では、バリアエネルギーが材料（４２）（交換定数Ｊ_ｅｘ）及び（４１）（厚みｔ及び磁化Ｍｓ）の選択によって適応されることにより、熱的及び時間的安定性が十分得られる。
−書き込み中、メモリ点を流れる電流によって、層（４２）のブロック温度Ｔ_Ｂまで又はそれを超える温度まで温度が上昇し、よって記憶層（４１）はトラップされない。言い換えれば、上式の第２項は削除され、バリアエネルギーは単純にＥ_ｂ＝Ｋとなり、これは、磁気メモリ点に可能な最小値である。記憶層（４１）の材料を有利に選択することによって、書き込みプロセス中に必要な磁界、及びひいては電力消費を最小限にするために、バリアを十分に低下させる（Ｋ＝０）ことができる。

本発明の利点は、上記の説明から、記憶機能（熱的及び時間的安定性）及び書き込み機能（電力消費の最小限化）を別々に最適化することが可能なので明らかである。このことは、これら２つの機能が混ざり合い、よって必要とされる両立が困難であった従来技術に対する主たる改善点である。
したがって、本発明によれば、従来のデバイスとは反対に、書き込み磁界生成の線が１つのみとなっていることが分かる。このように、単一の線によって、制御トランジスタ（４６）及びそれに対応する制御線（４７）はメモリ点（４０）で重なることができ、これにより素子メモリセルの最小化が達成されるので、集積可能性が増大する。更に、メモリがメモリ点の単一線から形成されることにより、製造プロセスが更に合理化されるため、メモリ点の正方形のネットワークの構造が非常に単純なものとなる。
加熱パルスを発生させるために使用される導電線は、有利には、磁界パルスを発生させるために使用される導電線から分離することができ、これにより、２つの機能のためのそれぞれの電流密度を最適化することができる。

図６Ａに示すように、磁界パルスを生成するために使用され、メモリ点（６０）及び導電体（６８）から電気的に絶縁されているこの追加的な電流線（６９）は、有利にはメモリ点（６０）の上方に配置されることにより、制御トランジスタ（６６）がその制御線（６７）上でメモリ点（６０）と重なることができ、これによりメモリを小型に保つことができる。
線（６８）及び線（６９）の電流パルスは、電流の強さの観点から、並びに電流パルスの期間及びそれらの同調の観点から、独立して制御することが可能である。
更に、反強磁性層によってトラップされた記憶層を使用することによって、この書き込み技術によって、メモリ点（４０）に３つ以上の磁気状態を形成できる。そのようにするためには、書き込み磁界を発生させるために単一の導電線ではなく、図５Ａに示すように２本の直交する線（４８）及び（４９）を有することが必要となる。これらの２本の直交する磁界の組合せによって、試料の平面における磁界を任意の方向に形成することが可能となる。ブロック温度により記憶層を冷却する際この磁界に所望の方向を与えることにより、中間の抵抗レベルに対応する、平行整合と反平行整合との間の別の中間磁気構造を安定化することができる。このようにして、メモリ点において複数の磁気状態を同時に得ることができ、よっていわゆる「多重レベル」記憶が可能となり、その一方で本発明により得られる極めて低い電力消費という利点が維持される。

本発明の別の実施形態によれば、スピン偏極された電流の導入による磁気切り替えの現象を利用することにより、メモリ点の冷却中に記憶層の磁化を切り替えることが可能である。この現象の物理的原因は、J. SLONCZEWSKIによる、「Journal of Magnetism and Magnetic Materials」 vol.159 (1996)、Ll頁、及びL. BERGERによる「Physical Review」 vol. B54 (1996)、9353頁に記載されている。
この原理は、接合を通るトンネル電流からなる。トンネル効果によって基準層から記憶層へ電子が流れる場合、つまり記憶層から基準層へ向かって電流が流れる場合、バリアがやはり低い電気抵抗を有することを前提として十分な電流強さがあれば、記憶層の磁化は、導入されたスピンの方向に対して平行に配向される。反対に、トンネル効果によって記憶層から基準層へ電子が流れる場合、記憶層の磁化は基準層の磁化に反平行に配向される。
利用される磁気切り替えのモードが何であれ、読み出しプロセスは従来技術に開示されたものと同一である。読み出しは、制御トランジスタ（４６）を開放することによって制御される弱い電流によって、メモリ点（４０）の抵抗から行われる。抵抗は通常、図４〜６に示されていない比較セルの抵抗と比較される。

このアーキテクチャの全ての利点は、以下の範囲と理解することができる。
−書き込みプロセス中、記憶層の磁化が反強磁性層（４２）によってトラップされないので、記憶層（４１）の反転磁界は前記記憶層（４１）の真性的性質のみによって規定され、よって極めて低くなる。
−一つには、極めて弱い磁気異方性を有する（磁気的に極めて軟質の）材料を使用することにより、他方ではメモリ点（４０）に円筒形のジオメトリ（反磁界のない）を使用することにより、極めて低い磁気異方性が得られ、よって記憶層（４１）の反転が極めて弱い磁界において起こる。
−記憶層（４１）とトラップ層（４２）との結合により、メモリ点に書き込まれたデータの熱的及び時間的安定性が極めて良好である。
−メモリ点の円形のジオメトリによって、寸法の変動が、個々のメモリ点の反転磁界の値に与える影響がなくなる。その結果、書き込みプロセス中に発生するアドレッシングエラーが大きく減少し、製造プロセスが単純となる。
これらを考慮することにより、書き込まれたデータの熱的及び時間的安定性を損なうことなく、選択メモリ点（４０）の書き込み電流を、従来のデバイスが必要とするより十分に低い値にまで低下させることができる。

このような電力消費低減の効果は、メモリ点が小さくなるにつれて増大する。従来技術では、メモリ点が小さくなるにつれて書き込み中の電力消費が増大するのに対し、本発明では逆に、メモリ点を小さくすると電力消費を低減することができる。言い換えれば、メモリ点が小さくなるほど本発明の競合的利点は増大する。
更に、同じ行又は同じ列上に位置する他のメモリ点は書き込みプロセス中に加熱されないので、書き込みの選択性が保護され、前記非選択メモリ点の対応する記憶層（４１）は、印加される磁界に対して非感受性であることから、対応する反強磁性層（４２）と結合したままとなる。

更に、静磁気エネルギーが全ての空間方向で同じであるので、多重記憶が容易になる。その結果、基準の方向に関連する磁化にいかなる方向が付与されようとも、書き込み磁界は同じである。このアーキテクチャによって、図４及び５には示さない外部加熱素子によって加熱することができることも指摘する。この加熱素子は、層（４２）又は（４５）の上又は下にそれぞれ配置された電気抵抗の高い層とすることができる。
本発明の有利な特徴によれば、基準層（４４）が合成反強磁性のタイプであることにより、静磁界を減少させることにより書き込みの識別が向上する。

有利な特徴によれば、メモリ点の記憶層は、フェリ磁性アモルファス合金（ＦＡＡ）タイプの１つ以上の強磁性層から構成することができる。この場合、書き込みプロセス中に得られる温度は、反強磁性層（４２）のブロック温度ではなく、ＦＡＡからなるトラップ層（４２）のキュリー温度である。ＦＡＡのこのような層は、具体的には、コバルト及び希土類、例えばサマリウム（Ｓｍ）、テルビウム（Ｔｂ）又はやはり本発明の範囲を限定することはなく、ガドリニウム（Ｇｄ）の合金である。
更に、本発明によるアドレス指定技術によって、複数のメモリ点の同時加熱を選択することにより、複数のメモリ点の同時書き込みが可能となる。この手法により、メモリの全体的な書き込み速度を上昇させることができる。

従来技術による磁気メモリのアーキテクチャの概略図であり、そのメモリ点は磁気トンネル接合によって形成されている。 従来技術によるメモリ点の概略図である。 メモリ点を形成する層の磁化状態を示す概略図であり、それぞれ状態「１」及び状態「２」を示す。 Ａは、本発明の第１の実施形態によるメモリ点の概略図であり、Ｂは、Ａの概略上面図である。 Ａは、本発明の変形例によるメモリ点の概略図であり、Ｂは、Ａの概略上面図である。 Ａは、本発明による別の変形例によるメモリ点の概略図であり、Ｂは、Ａの概略上面図である。 Ｎｉ_８０Ｆｅ_２Ｏ／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０を主成分とした楕円形のメモリ点（それぞれ厚み３０及び１５オングストローム）に必要な書き込み磁界の計算上の変動を、異なる形状因子ＡＲ＝長さ／幅ごとに、メモリ点の長さの関数として示す。

Claims (16)

1. 熱アシスト方式で書き込まれる磁気メモリであって、磁気メモリ（４０、６０）の各メモリ点が磁気トンネル接合により形成されており、磁気トンネル接合の、トンネル接合を形成する層の平面に平行な断面が、円形又は実質的に円形であり、前記トンネル接合が、少なくとも、
   −磁化の方向が固定の「トラップ層」と呼ばれる基準磁性層（４４、６４）、
   −磁化の方向が可変の「自由層」と呼ばれる記憶磁性層（４２、６２）、及び
   −自由層（４２、６２）とトラップ層（４４、６４）との間に配置された絶縁層
   を備え、
   記憶層（４２、６２）が、少なくとも１の軟質の、つまり磁気異方性の低い磁性層と、トラップ層（４１、６１）とから形成されており、これら２つの層が接触により磁気的に結合しており、
   読み出し又は静止状態にある時のメモリの動作温度が、それぞれ自由層及びトラップ層のブロック温度未満に選択されている、磁気メモリ。
2. 軟質磁性層の磁気異方性が１０エルステッド未満、好ましくは１〜３エルステッドであることを特徴とする、請求項１に記載の磁気メモリ。
3. 記憶層（４２、６２）の軟質磁性層が、ニッケル、コバルト及び鉄を主成分とする合金により形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の磁気メモリ。
4. トラップ層（４１、６１）が、鉄及びコバルトを主成分とする合金、マンガンを主成分とする反強磁性合金、及びアモルファスの希土類及び遷移金属を主成分とする合金からなる群より選択される材料から形成されていることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の磁気メモリ。
5. 基準層又はトラップ層（４４、６４）が、非磁性層によって分離された２つの強磁性層からなる人工の反強磁性合成層により形成されており、２つの強磁性層の磁化が反平行であることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の磁気メモリ。
6. 基準層又はトラップ層（４４、６４）が、磁気結晶異方性の高い材料により形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の磁気メモリ。
7. メモリ点（４０、６０）がネットワークとして構成されており、各メモリ点の、上部は導電線（４８６８、６９）に結合して反転磁界を発生させ、且つメモリ点を加熱し、底部は選択トランジスタ（４６、６６）に結合しており、対象のメモリ点に対する書き込みが、次の２段階、すなわち、
   −前記導電線（４８、６８、６９）への電流パルス及び前記トランジスタ（４６、６６）を開く電流を同時に送ること、及び
   −トランジスタ（４６、６６）に閉鎖コマンドを送ることにより、線（４８、６８、６９）からメモリ点（４０、６０）へ流れる電流を止め、電流が前記メモリ点の冷却中に書き込み磁界を生成する役割を果たすようにすること、
   により行われることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の磁気メモリ。
8. 制御トランジスタ（４６、６６）及びそれに対応する制御線（４７、６７）が、対象のメモリ点の下方に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の磁気メモリ。
9. 導電線（６８）が、メモリ点（６０）の加熱専用の導電体（６８）、及び反転磁界の生成専用の、導電体（６８）から独立し且つ導電体（６８）から電気的に絶縁された導電体（６９）として二重に機能することを特徴とする、請求項７に記載の磁気メモリ。
10. 線（６８）及び（６９）に流れる電流パルスが独立に制御されることを特徴とする、請求項９に記載の磁気メモリ。
11. 線（６８）及び（６９）に流れる電流パルスが同期していることを特徴とする、請求項１０に記載の磁気メモリ。
12. 追加的な導電体（６９）が加熱導電体（６８）上に重なっていることを特徴とする、請求項９に記載の磁気メモリ。
13. メモリ点（６０）、制御トランジスタ（６６）及び導電体（６８、６９）が重なっていることを特徴とする、請求項９ないし１２のいずれか１項に記載の磁気メモリ。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に従って形成されることを特徴とする、ランダムアクセス磁気メモリ。
15. 熱アシスト方式で書き込まれる磁気メモリに書き込みを行う方法において、磁気メモリが、メモリ点のネットワークにより形成されており、メモリ点の各々が磁気トンネル接合（４０、６０）により形成され、磁気トンネル接合の、トンネル接合を形成する層の平面に平行な断面が、円形又は実質的に円形であり、前記トンネル接合が、少なくとも、
    −磁化の方向が固定の「トラップ層」と呼ばれる基準磁性層（４４、６４）、
    −磁化の方向が可変の「自由層」と呼ばれる記憶磁性層（４２、６２）、及び
    −自由層（４２、６２）とトラップ層（４４、６４）との間に配置された絶縁層
    を備え、
    読み出し又は静止状態にある時のメモリの動作温度が、それぞれ自由層及びトラップ層のブロック温度未満に選択されており、
    −まず、書き込みを行うメモリ点に導電体（４８、６８）によって電気パルスを送ることにより、記憶層（４２、６２）のブロック温度より高いが、基準層（４４、６４）のブロック温度より低い温度に到達するまでメモリ点の加熱を誘導し、
    −次いで、加熱後に行うメモリ点の冷却中に、導電体（４８、６８）、又は導電体（６８）から独立し、且つ導電体（６８）から電気的に絶縁されている追加的な導電体（６９）によって電気パルスを送ることにより、記憶層（４２、６２）の磁化を変化させることのできる反転磁界を発生させる、方法。
16. 各々が磁気トンネル接合（４０、６０）により形成されたメモリ点のネットワークによって形成される磁気メモリに書き込みを行う方法において、対象のメモリ点を加熱することにより書き込みを行うメモリ点を選択することによって、複数のメモリ点に対して同時に書き込みを行うことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。

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