JP2008546129A - スピン転移を利用する高速磁気メモリ装置及びそれに用いられる磁気素子 - Google Patents
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Abstract
磁気メモリを提供するための方法及びシステム。本方法及びシステムは、複数の磁気記憶セル、複数のワードライン及び複数のビットラインを設けることを含む。複数の磁気記憶セルの各々は、複数の磁気素子及び少なくとも1つの選択トランジスタを含む。各磁気素子は、該磁気素子を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能である。各磁気素子は、第1端及び第2端を有する。各磁気素子の第1端には、少なくとも1つの選択トランジスタが接続される。複数のワードラインは、複数の選択トランジスタに結合され、複数の選択トランジスタの一部を選択的にイネーブル状態にする。
Description
本発明は、磁気メモリシステムに関し、特に、スピン転移効果を用いて切換え得るセルを有する磁気メモリ用のメモリセル及び回路を提供するための方法及びシステムに関する。
図1は、従来の磁気ランダムアクセスメモリ(MRAM)10の一部を示す。従来のMRAM10は、従来の磁気記憶セル20、従来のワードライン30−1〜30−n、従来のワード選択ライン40,42、従来のデータライン50,52、従来のワード選択トランジスタ54,56、従来のデータ選択ライン60、従来のデータ選択トランジスタ62、及び従来のセンス増幅器70を含む。従来の磁気記憶セル20の各々は、単一の従来の選択トランジスタ22及び単一の従来の磁気素子24を含む。従来の磁気素子24は、従来のスピンバルブ又は従来のトンネル磁気抵抗(TMR)接合であってよい。ワード選択ライン42は、ワード選択ライン40によって搬送される信号の反転信号を搬送する。同様に、データライン50は、データライン52上で搬送される信号の反転信号を搬送する。従来のMRAM10は、スピン転移効果を用いてプログラムされる。
スピン転移効果は、強磁性・通常金属多層のスピン依存電子輸送特性から生じる。スピン偏極電流が、CPP構成において、従来の磁気素子24等の磁性多層を横断する場合、強磁性層に入射する電子のスピン角運動量は、強磁性層と通常金属層との間の界面付近の強磁性層の磁気モーメントと相互作用する。この相互作用を介して、電子は、それらの角運動量の一部を強磁性層に転移する。その結果、スピン偏極電流は、その電流密度が充分に高い場合(約106〜108A/cm2)、強磁性層の磁化方向を切換え得る。
スピン転移の現象は、CPP構成において、外部スイッチング場を用いることに対する他の選択肢として又はそれに加えて用いられ、従来のスピンバルブ又はTMR接合24等の磁気素子の自由層の磁化方向を切換え得る。
従来の磁気素子24を論理“1”等の第1状態にプログラムする場合、電流が、従来の磁気素子24を介して第1方向に駆動される。従来の磁気素子24を論理“0”等の第2状態にプログラムする場合、従来の磁気素子24を介して電流が逆方向に駆動される。例えば、従来の磁気素子24をプログラムするには、従来のワードライン30−1を活性化することによって従来の選択トランジスタ22が活性化される。更に、ワード選択トランジスタ54,56が、適切な電圧をそれぞれワード選択ライン40,42に印加することによって活性化される。従来のデータ選択トランジスタ62は、適切な電圧をデータ選択ライン60に印加することによってディスエーブル状態にされる。データライン50,52をバイアスする電圧に依存して、電流は、従来の磁気素子24を第1方向又は第2方向に流れる。その結果、従来の磁気素子24の状態は、それぞれ論理“1”又は論理“0”に切換えられる。
従来の磁気素子24を読み出す場合、従来の選択トランジスタ22及び従来のデータ選択トランジスタ62は、それぞれライン30−1,60を用いて活性化される。更に、ワード選択トランジスタ56のうちの1つがワード選択ライン42を用いて活性化される。他方、残りのワード選択トランジスタ54はワード選択ライン40を用いてディスエーブル状態にされる。従って、センス電流は、従来の磁気素子24を通じて駆動され、センス増幅器70に流れ得る。出力電圧の大きさに依存して、センス電流を基準電流と比較することによって、従来の磁気素子24、すなわち従来の磁気記憶セル20に、論理“0”が記憶されているか論理“1”が記憶されているかが判断される。
スピン転移をプログラミングメカニズムとして利用する磁気素子を原則として用い得る場合、欠点があることを当業者は容易に認識し得る。特に、トランジスタ22、54、56,62、データライン50,52、及び残りの周辺装置回路からの雑音によって、信号対雑音比が減少し得る。その結果、特に、より高い装置密度で従来のMRAM10を正確に読み出すことが困難な場合が生じ得る。
従って、性能が改善された磁気メモリであって、スピン転移等の局所化された現象を利用して書き込みを行い、また、関連する回路を利用して、強化された信号対雑音比及び高速度で読み出しを行うことができる磁気メモリが必要とされている。本発明は、そのようなニーズに対処する。
本発明は、磁気メモリを提供するための方法及びシステムを提供する。本方法及びシステムは、複数の磁気記憶セル、複数のワードライン及び複数のビットラインを設けることを含む。各磁気記憶セルは、複数の磁気素子及び少なくとも1つの選択トランジスタを含む。各磁気素子は、該磁気素子を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能である。各磁気素子は第1端及び第2端を有する。少なくとも1つの選択トランジスタは、各磁気素子の第1端に接続される。複数のワードラインは、複数の選択トランジスタに結合され、複数の選択トランジスタの一部を選択的にイネーブル状態にする。
本発明は、例えば、スピン転移現象を通じて駆動される書込み電流によってプログラム可能な磁気素子を含む磁気メモリを磁気素子を介してプログラミングし、また、読み出すためのメカニズムを提供する。
本発明は、磁気メモリに関する。以下の説明は、当業者が本発明を実現し用いるために行われる。好適な実施形態に対する種々の変更及び本明細書で説明する全般的な原理及び特徴は、当業者であれば容易に理解し得る。従って、本発明は、例示した実施形態に限定することを意図するものではなく、本明細書に説明する原理及び特徴と合致する最も広い範囲に適合するものである。
本発明は、磁気メモリを提供するための方法及びシステムを提供する。本方法及びシステムは、複数の磁気記憶セル、複数のワードライン及び複数のビットラインを設けることを含む。複数の磁気記憶セルの各々は、複数の磁気素子及び少なくとも1つの選択トランジスタを含む。複数の磁気素子の各々は、磁気素子を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能である。各磁気素子は、第1端及び第2端を有する。少なくとも1つの選択トランジスタは、各磁気素子の第1端に接続される。複数のワードラインは、複数の選択トランジスタに結合され、複数の選択トランジスタの一部を選択的にイネーブル状態にする。
本発明を、或る構成要素を有する特定の磁気メモリとして観点で説明する。本発明は、他の及び/又は追加の構成要素を有する磁気メモリの用途と整合性があることを当業者であれば容易に認識し得る。更に、本発明を、メモリの或る一部に対応する構成要素という観点で説明する。例えば、補助ラインを、或る数の磁気記憶セルに対応するものとして説明する。しかしながら、構成要素が他の数の要素にも対応し得ること、例えば補助ラインが他の数の磁気記憶セルに対応し得ることは、当業者であれば容易に認識し得る。また、本発明に基づく方法及びシステムを、単一の磁気記憶セルからの読み出し又はそれへの書き込みという観点で説明する。しかしながら、本方法及びシステムは、実質的に並列に多数の磁気記憶セルからの読み出し又はそれへの書き込みにも拡張し得ることを、当業者は容易に認識し得る。本発明を、或るメモリという観点で説明する。しかしながら、本発明は、本発明と整合性のあるメモリと互換性があることを当業者は容易に認識し得る。
また、本発明をスピン転移現象に関する現在の理解に関して説明する。従って、本方法及びシステムの動作の理論的な説明は、スピン転移の現在の理解に基づいて行われることを当業者は容易に認識し得る。また、本方法及びシステムが基板との特定の関係を有する構造に関して説明されていることを当業者は容易に認識し得る。例えば、図面に示すように、構造の底部は、通常、構造の頂部と比較して、下側にある基板に近い。しかしながら、本方法及びシステムは、基板に対して異なる関係を有する他の構造とも整合性があることを当業者は容易に認識し得る。更に、本方法及びシステムを、或る層が合成及び/又は単一であるという観点で説明する。しかしながら、これらの層は他の構造も有し得ることを当業者は容易に認識し得る。更に、本発明を、特定の層を有する磁気素子の観点で説明する。しかしながら、本発明と整合性のある追加の及び/又は異なる層を有する磁気素子も用い得ることを当業者は容易に認識し得る。更に、或る構成要素が強磁性であるものとして説明する。しかしながら、本明細書に用いる用語「強磁性」は、フェリ磁性又は同様な構造を含み得る。従って、本明細書に用いる用語「強磁性」は、これらに限定されないが、強磁性体及びフェリ磁性体を含む。
図2は、本発明に基づく一実施形態の磁気記憶セル100の一部を示す図である。磁気記憶セル100は、磁気素子102,104と、磁気素子102,104によって共有される選択トランジスタ106とを含む。選択トランジスタ106は、磁気記憶セル100を選択するためにイネーブル状態になる。磁気素子102,104は、磁気素子102,104を通じた書込み電流を駆動することによってプログラムされる。従って、磁気素子102,104は、スピン転移を用いてプログラムされる。磁気素子102,104は、磁気抵抗を介して信号を提供する。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の磁気抵抗の大きさは、実質的に等しい。磁気素子102,104のデータ記憶層(好適には、少なくとも1つの自由層)の磁化は、好適には、反平行に配向されている。一実施形態において、磁気素子102,104は、TMR接合、二重TMR接合、又はスピン転移を用いてプログラム可能である。なお、磁気素子102,104は、磁気抵抗を用いて読み出し信号を提供する以下に述べる他の磁気素子であってよい。選択トランジスタ106は、好適には、CMOSトランジスタである。
上述したように、磁気素子102,104用のデータ記憶層の磁化は反平行に配向される。磁気素子102,104は、少なくとも1つのデータ記憶層(例えば、自由層)及び少なくとも1つの基準(例えば、固定)層を有する。書き込み動作に基づいて、磁気素子102の記録層の磁化は、基準(固定)層のそれに対して平行に向けられる。更に、磁気素子104のデータ記憶層(例えば、自由層)の磁化は、スイッチング電流の方向において、基準層(例えば、固定層)のそれに対して反平行に向けられる。この磁化構成は、論理“1”を表す。スイッチング電流が逆方向に駆動されると、磁気素子102,104の記憶層の磁化は反転される。その結果、TMR素子102のデータ記憶層の磁化は、基準(固定)層のそれに対して反平行に向けられ、一方、磁気素子104の記録層の磁化は、基準層のそれに対して平行に向けられる。この構成は、論理“0”を表す。
読み出し中、電位差が各磁気素子102,104の両端間に印加される。出力は、差動信号である。磁気素子102,104の両端に結合されたラインを流れる電流差異の大きさは、磁気記憶セル100に記憶されたデータを示す。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の抵抗は、上述した論理“1”の場合、それぞれR(1−MR/2),R(1+MR/2)である。従って、抵抗は異なるが、磁気抵抗は、好適には同じである。特定のバイアス電圧Vbiasの場合、電流I102,I104がそれぞれ磁気素子102,104を流れる。従って、論理“1”の場合、I102は、Vbias/[R(1−MR/2)]であり、他方、I104は、Vbias/[R(1+MR/2)]である。従って、論理“1”の場合、I102はI104より大きい。同様に、論理“0”が記憶される場合、I102はI104より小さい。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の磁気抵抗が同じである場合、電流I102,I104の差異は、Vbias/R×MRである。従って、磁気記憶セルは、従来の磁気メモリの場合より大きな信号を提供し得る。更に、磁気素子102,104が1つの選択トランジスタ106を共有することから、トランジスタ106の特性変動による雑音は低減又は解消し得る。その結果、性能を改善し得る。
図3は、本発明に基づく一実施形態の磁気メモリ110の一部を示す図である。磁気メモリ110は、磁気記憶セル100を利用する。磁気メモリ110は、ワードライン112−1〜112−n、ビットライン114、ビット選択ライン116、ビット選択トランジスタ118、データライン120、データライン120上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータライン122、ワード選択ライン124、ワード選択トランジスタ126,128、データ選択ライン130、データ選択トランジスタ132,134、センス増幅器136、及びビットラインセグメント138−1〜138−nを含む。ビットラインセグメント138−1〜138−nは、記憶セル100をビットライン114に結合する。ワード選択ライン124は、ワード選択トランジスタ126,128をイネーブル状態にするために用いられる。データ選択ライン130は、データ選択トランジスタ132,134をイネーブル状態にするために用いられる。各磁気素子102,104の一端は、選択トランジスタ106に接続される。磁気素子102,104の他端は、それぞれデータライン120,122に接続される。バイアス電圧クランプ回路(図示せず)が、プログラミング動作のためにデータライン120,122に結合されるとともに、読み出し動作のためにビットライン114に結合される。トランジスタ118、126、128、132、134は、CMOSトランジスタであってよい。磁気メモリ110において、磁気記憶セル100は、図2に示す磁気記憶セル100と同様に動作する。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の双方は、抵抗が異なり、磁気抵抗が同じである。
動作中、磁気メモリ110は、磁気素子102,104を通じて書込み電流を駆動することによって、スピン転移効果を用いてデータ記憶層の磁化を切換えるようにプログラムされる。ワードライン112−1が結合されたセル等のセルをプログラムする場合、ワードライン112−1を用いて選択トランジスタ106を活性化することによって、セルが活性化される。更に、ビット選択トランジスタ118及びワード選択トランジスタ126,128が、それぞれビット選択ライン116及びワード選択ライン124を用いて活性化される。データ選択トランジスタ132,134は、データ選択ライン130を用いてディスエーブル状態にされる。高電圧(例えば、VDD)をデータライン120,122に設定し、低電圧(例えば、0)をビットライン114に設定することによって又はその逆に設定することによって、電流を適切な方向に磁気素子102,104に流すことにより、磁気素子102,104にデータをプログラムし得る。
上述したように、磁気素子102,104のデータ記憶層の磁化は、反平行に配向される。電流が第1方向に駆動される際のプログラミング動作中、磁気素子102,104のデータ記憶層の磁化は、好適には、それらの基準層のそれに対して、それぞれ平行及び反平行に配向される。この構成は、論理“1”を表す。スイッチング電流が反転され、磁気素子102,104の記憶層の双方の磁化が反転される場合、論理“0”の構成が実現される。
磁気記憶セル100は、ワードライン112−1を用いて選択トランジスタ106を活性化することによって読み出される。更に、データ選択トランジスタ132,134並びにビット選択トランジスタ118が、それぞれライン130,116を用いて活性化される。ワード選択トランジスタ126,128はオフになる。更に、バイアス電圧が、データライン120,122とビットライン114との間に印加される。上述したように、データライン120を通る電流が、データライン122を通る電流より大きい場合、論理“1”が磁気記憶セル100に記憶されている。同様に、データライン120を通る電流が、データライン122を通る電流より小さい場合、論理“0”が磁気記憶セル100に記憶されている。上述したように、同じ磁気抵抗を有する磁気素子102,104の電流差異は、Vbias/R×MRである。ここで、Vbiasは、バイアス電圧であり、R(1−MR/2),R(1+MR/2)は、磁気素子102,104の抵抗であり、MRは、磁気素子102,104の磁気抵抗である。
従って、磁気メモリ110は、より大きな信号を提供する。これは、メモリを読み出す場合に望ましい。磁気素子102,104の双方が単一の選択トランジスタ106を共有することから、追加の選択トランジスタ(図示せず)の特性変動による全ての雑音を低減又は解消し得る。更に、データライン120又は122の浮遊容量による時間遅延は、好適には、1ナノ秒未満のオーダーである。その結果、磁気メモリ110の速さが改善される。ここで、列中の残りの未選択のセルは、データライン120,122間の分路としての役割を果たし得る。そのような場合、電流の差異、すなわち差異信号は、データラインの配線抵抗に大幅に依存して減少し得る。例えば、ある実施形態においては、数千の磁気記憶セル100が、性能に過度に影響を及ぼすことなく、セルブロックに結合し得ることが期待される。
図4は、本発明に基づく他の実施形態の磁気メモリ140の一部を示す図である。磁気メモリ140は、磁気記憶セル100を利用する。磁気メモリ140は、ワードライン142−1〜142−n、ビットライン144、ビット選択ライン146、ビット選択トランジスタ148、データライン150、データライン150上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータライン152、ワード選択ライン154、ワード選択トランジスタ156,158、データ選択ライン160、データ選択トランジスタ162,164、センス増幅器166、及びビットラインセグメント168−1,2〜168−n−1,nを含む。ビットラインセグメント168−1,2〜168−n−1,nは、記憶セル100をビットライン144に結合する。ワード選択ライン154は、ワード選択トランジスタ156,158をイネーブル状態にするために用いられる。データ選択ライン160は、データ選択トランジスタ162,164をイネーブル状態にするために用いられる。各磁気素子102,104の一端は、選択トランジスタ106に接続される。磁気素子102,104の他端は、それぞれデータライン150,152に接続される。バイアス電圧クランプ回路(図示せず)が、プログラミング動作のためにデータライン150,152に結合されるとともに、読み出し動作のためにビットライン144に結合される。トランジスタ148、156、158、162、164は、CMOSトランジスタであってよい。
磁気メモリ140は、図3に示す磁気メモリ110に類似している。図4の磁気メモリ140も、図3に示す磁気メモリ110と同様に動作する。磁気メモリ140において、磁気記憶セル100は、図2に示す磁気記憶セル100と同様に動作する。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の双方は、抵抗が異なり、磁気抵抗が同じである。その結果、磁気メモリ140は、磁気メモリ110の多くの利点を共有する。更に、磁気メモリ140において、磁気記憶セル100は、グループ化されて対になっている。一対の磁気記憶セル100は、対中の選択トランジスタ106が、ドレインと、磁気記憶セル100をビットライン144に接続するセグメント168−i,jと、を共有するようにグループ化される。例えば、セグメント168−1,2は、最初の2つの磁気記憶セルの選択トランジスタ106のドレインに接続される。従って、セグメント168−i,jの数はn/2である。その結果、磁気記憶セルをビットライン144に結合するセグメント168−i,jの数が半分に低減される。それゆえ、磁気メモリ140の密度が、大幅に増大し得る。
図5は、本発明に基づく他の実施形態の磁気メモリ170の一部を示す図である。磁気メモリ170は、磁気記憶セル100を利用する。磁気メモリ170は、ワードライン172−1〜172−n、ビットライン174、補助ビット選択ライン176、補助ビット選択トランジスタ178、データライン180、データライン180上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータライン182、補助データライン181、補助データライン181上で搬送される信号の反転信号を搬送する補助データライン183、ワード選択ライン184、ワード選択トランジスタ186,188、データ選択ライン190、データ選択トランジスタ192,194、センス増幅器196、及びビットラインセグメント198−1〜198−nを含む。ビットラインセグメント198−1〜198−nは、記憶セル100をビットライン174に結合する。ワード選択ライン184は、ワード選択トランジスタ186,188をイネーブル状態にするために用いられる。データ選択ライン190は、データ選択トランジスタ192,194をイネーブル状態にするために用いられる。各磁気素子102,104の一端は、選択トランジスタ106に接続される。磁気素子102,104の他端は、それぞれデータライン180,182に接続される。バイアス電圧クランプ回路(図示せず)が、プログラミング動作のためにデータライン180,182に結合されるとともに、読み出し動作のためにビットライン174に結合される。トランジスタ178、186、188、192、194は、CMOSトランジスタであってよい。磁気メモリ170において、磁気記憶セル100は、図2に示す磁気記憶セル100と同様に動作する。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の双方は、抵抗が異なり、磁気抵抗が同じである。
磁気メモリ170は、図3に示す磁気メモリ110に類似している。また、図5の磁気メモリ170は、図3に示す磁気メモリ110と同様に動作する。その結果、磁気メモリ170は、磁気メモリ110の多くの利点を共有する。更に、補助ビットライン176及び補助データライン181,183が用いられる。補助データライン181,183は、それぞれ選択トランジスタ186,188を介してデータライン180,182に接続されている。同様に、補助ビット選択ライン176は、選択トランジスタ176を介してビットライン174に接続されている。磁気素子102,104の一端は、データラインの代わりに、補助データライン181,183に接続されている。磁気素子102,104の他端は、依然として選択トランジスタ106に接続されている。補助データライン181,183は、磁気メモリ100によって占有される総面積を大きく増加させることなく、低減された数の磁気記憶セル100を有する補助アレイを形成するために用いられる。補助アレイ、補助データライン181,183、補助ビットライン176、並びに補助アレイ中の磁気記憶セル100の数が結果的に減少したことを利用して、メモリセルの数の増大による出力信号の減少を回避し得る。
図6は、本発明に基づく他の実施形態の磁気メモリ200の一部を示す図である。磁気メモリ200は、磁気記憶セル100を利用する。磁気メモリ200は、ワードライン202−1〜202−n、ビットライン204−1〜204−n、データライン210、データライン210上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータライン212、ワード選択ライン214、ワード選択トランジスタ216,218、データ選択ライン220、データ選択ライン220上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータ選択ライン224、データ選択トランジスタ222,226、センス増幅器228−1〜228−n、及びデータ選択ライン220上で搬送される信号の反転信号を搬送する追加のデータライン229を含む。ワード選択ライン214は、ワード選択トランジスタ216又は218をイネーブル状態にするために用いられる。データ選択ライン220,224は、それぞれデータ選択トランジスタ222,226をイネーブル状態にするために用いられる。各磁気素子102,104の一端は、選択トランジスタ106に接続される。磁気素子102,104の他端は、それぞれデータライン210,212に接続される。バイアス電圧クランプ回路(図示せず)が、プログラミング動作のためにデータライン210,212に結合される。トランジスタ216、218、222、226は、CMOSトランジスタであってよい。
磁気メモリ200は、図3に示す磁気メモリ110に類似している。プログラミングの場合、図6の磁気メモリ200も図3に示す磁気メモリ110と同様に動作する。その結果、磁気メモリ200は、磁気メモリ110の多くの利点を共有する。更に、磁気メモリ200において、データライン210は接地されている。個々のビットライン204−1〜204−nは、別個の差動センス増幅器228−1〜228−nに個別に結合されている。読み出し時、選択トランジスタ106は、ワードライン202−1を用いてイネーブル状態になる。更に、データ選択トランジスタ222,226が、それぞれデータ選択ライン220,224を用いてイネーブル状態になる。更に、ワード選択トランジスタ216,218が、ディスエーブル状態にされる。バイアス電圧が、データライン229を介して磁気記憶セル100に印加される。
磁気メモリ200において、磁気記憶セル200は、図2に示す磁気記憶セル100と同様に動作する。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の双方は、抵抗が異なり、磁気抵抗が同じである。図6に戻ると、論理“1”が磁気記憶セル100に記憶された場合、磁気素子102の抵抗はR(1−MR/2)であり、磁気素子104の抵抗はR(1+MR/2)である。その結果、ビットライン204−1上で誘起された電圧は、Vbias/2x(1−MR/2)である。このような実施形態の場合、ビットライン204−1に対して誘起された電圧は、論理“0”の場合、Vbias/2x(1+MR/2)である。一実施形態において、基準電圧は、VREF=Vbais/2に設定される。そのような実施形態において、論理“0”及び論理“1”は、信号電圧を基準電圧と比較することによって区別し得る。従って、磁気メモリ110によって提供される恩典に加えて、出力信号は、磁気素子102,104を通る電流に依存しない。従って、出力信号は、セルアレイ中のセルの数により変動する電流に依存しない。その結果、バイアス電圧に依存する磁気抵抗比の減少は、緩和し得る。更に、選択トランジスタ106の特性変動は、磁気メモリ200の性能に悪影響を及ぼし得ない。
図7は、本発明に基づく他の実施形態の磁気メモリ240の一部を示す図である。磁気メモリ240は、磁気記憶セル100を利用する。磁気メモリ240は、ワードライン242−1〜242−n、ビットライン244−1〜244−n、電流変換回路245、ビット選択ライン246−1〜246−n(簡単にするために、246−1及び246−2のみを示す)、ビット選択トランジスタ248−1〜248−n(簡単にするために、248−1及び248−2のみを示す)、データライン250、データライン250上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータライン252、ワード選択ライン254、ワード選択トランジスタ256,258、データ選択ライン260、データ選択ライン260上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータ選択ライン264、データ選択トランジスタ262,266、データ選択ライン250上で搬送される信号の反転信号を搬送する追加のデータライン268、センス増幅器270、及び電流変換回路245を含む。電流変換回路245は、抵抗器273、トランジスタ272,274、並びにコンデンサ276を含む。ワード選択ライン254は、ワード選択トランジスタ256,258をイネーブル状態にするために用いられる。データ選択ライン260,264は、それぞれデータ選択トランジスタ262,266をイネーブル状態にするために用いられる。各磁気素子102,104の一端は、選択トランジスタ106に接続される。磁気素子102,104の他端は、それぞれデータライン250及びデータライン252,268に接続される。バイアス電圧クランプ回路(図示せず)には、プログラミング動作のためにデータライン250,252が結合されるとともに、読み出しのためにデータライン268が結合される。トランジスタ248−1〜248−n、256、258、262、266、272、274は、CMOSトランジスタであってよい。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の双方は、抵抗が異なり、磁気抵抗が同じである。
磁気メモリ240は、図3に示す磁気メモリ110並びに図6に示す磁気メモリ200に類似している。プログラミングの場合、図7の磁気メモリ240も、図3に示す磁気メモリ110と同様に動作する。読み出しの場合、磁気メモリ240は、図6に示す磁気メモリ200と同様に動作する。従って、図7に戻ると、磁気メモリ240は、磁気メモリ110,200の多くの利点を共有する。更に、ビットライン244−1〜244−nは、少なくとも1つの電流変換回路245に接続される。読み出し動作の電圧変動は、電流変換回路245の電流差異に変換され、対応する磁気記憶セル100用のビットライン244−1〜244−nを介して増幅器270に提供される。更に、ビットライン244−1〜244−nによる遅延は、ビットライン244−1〜244−nを短縮することによって低減し得る。その結果、浮遊容量及び配線抵抗は低減される。その結果、磁気メモリ240の速さを改善し得る。
図8は、本発明に基づく他の実施形態の磁気メモリ280の一部を示す図である。磁気メモリ280は、磁気記憶セル100を利用する。磁気メモリ280は、ワードライン282−1〜282−n、ビットライン284、ビット選択ライン286、ビット選択トランジスタ288、データライン290−1〜290−n、データライン290−1〜290−n上で搬送される信号の反転信号を搬送するデータライン292、追加のデータライン292、データ選択ライン296、及びデータ選択ライン296を用いてイネーブル状態になるトランジスタ294、298、300、302等を含む。各磁気素子102,104の一端は、選択トランジスタ106に接続される。磁気素子102,104の他端は、それぞれデータライン290−1〜290−n,292に接続される。バイアス電圧クランプ回路(図示せず)には、プログラミング動作のためにデータライン290−1〜290−n及び292が結合されるとともに、読み出しのためにデータライン284が結合される。トランジスタ288、294、298、300、302等のトランジスタは、CMOSトランジスタであってよい。好適な一実施形態において、磁気素子102,104の双方は、抵抗が異なるが、磁気抵抗が同じである。
磁気メモリ280は、図3に示す磁気メモリ110に類似している。従って、図7に戻ると、磁気メモリ280は、磁気メモリ110,200の多くの利点を共有する。更に、磁気メモリ280において、磁気素子102の一端は、別個のデータライン290−1〜290−nに接続される。磁気素子104の他端は、共通のデータライン292に接続される。全てのデータライン290−1〜290−nは、対応するものをプログラミングする間にのみ活性化される選択トランジスタ298、300、302等の対応する選択トランジスタに接続される。同様に、共通のデータライン292は、情報書き込み動作の間にのみ活性化される選択トランジスタ294に接続される。各記憶セル100用のトランジスタ298、300、302等の1つの余分なトランジスタは、デバイス密度を犠牲にしてメモリセルを互いに分離するために用いられる。情報の読み出し中、データライン290−1〜290−n及び292は、未選択のセルによって短絡されない。従って、安定性及び高い消費電力効率での動作を期待し得る。
図9〜16は、磁気メモリ110、140、170、200、240、280に用い得る磁気記憶セル100の様々な実施形態を示す。しかしながら、他の磁気記憶セル及び特に他の磁気素子も用い得る。
図9〜11は、本発明に基づく一実施形態の磁気記憶セル100’の一部を示す図である。図9は、磁気記憶セル100’の平面図を示す。図10は、本発明に基づく一実施形態の磁気記憶セル100の一部における線A−A’に沿う横断面図である。図11は、本発明に基づく一実施形態の磁気記憶セルの一部における線B−B’に沿う横断面図である。磁気素子102’及び104’並びに選択トランジスタ106’を図示する。特に、選択トランジスタ106’のソース322、ドレイン318及びゲート320、磁気素子102’の強磁性層310,312、ならびに磁気素子104’の強磁性層314,316を示す。更に、磁気素子102’及び104’用のセル板313及び317をそれぞれ示す。更に、磁気素子102’及び104’の記憶層の磁化は、反平行に配向されることが図9〜11から分かる。理解しやすいように、磁気記憶セル100’は、磁気メモリ110について示す。その結果、データライン120’及び122’も図示する。
図9〜11から分かるように、磁気素子は、好適には、Si基板上において半導体回路の頂部層上に形成される。更に、セル板313及び317は、それぞれ磁気素子102’及び104’の底部に存在する。セル板313及び317は、コンタクト324を介してドレイン領域318に接続される。ソース領域322は、隣接メモリセルアレイのメモリセルと共有されるとともに、ビットラインに接続される。2つの磁気素子102’及び104’が、1つの選択トランジスタ106’を共有することから、1つの磁気素子102’/104’を他の磁気素子104’/102’の上に組み立てることによって、磁気記憶セル100’によって占有される領域を低減することが可能である。この低減は、2つの磁気素子がそれら自体のトランジスタを有し得る磁気記憶セル(図示せず)と比較して、約2分の1である。
図12は、本発明に基づく他の実施形態の磁気記憶セル100’’の一部を示す横断面図である。磁気記憶セル100’’は、磁気素子102’’及び104’’を含む。図示した磁気素子102’’及び104’’は、TMR接合である。従って、磁気記憶セル102’’は、シード層350、反強磁性(AFM)層352、基準(固定)層354、トンネル障壁層362、データ記憶(自由)層364及びキャップ層366を含む。基準層354は、合成固定層であり、非磁性スペーサ層358によって分離された強磁性層356,360を含む。図示した本実施形態において、強磁性層356,360の磁化は、反平行に配向される。同様に、磁気記憶セル104’’は、シード層368、データ記憶(自由)層370、トンネル障壁層372、基準(固定)層374、AFM層382、及びキャップ層384を含む。基準層374は、合成固定層であり、非磁性スペーサ層378によって分離された強磁性層376及び380を含む。図示した本実施形態において、強磁性層376及び380の磁化は、反平行に配向される。更に、図12において横に並べて示しているが、磁気素子102’’及び104’’は、垂直に配置してよく、好適には、磁気素子102’’が磁気素子104’’の上方に存在し得る。
図12で分かるように、磁気素子102’’は、底部固着され(基準層354が下方に基板に近接して存在)、他方、磁気素子104’’は、頂部固着される。その結果、データ記憶層364及び370の磁化は、スピン転移電流誘起スイッチングを利用する書き込み動作中、それぞれ基準層354及び374の磁化に平行又は反平行である。
図13及び14は、本発明に基づく他の実施形態の磁気記憶セル100’’’の一部を示す横断面図である。磁気素子102’’及び104’’並びにトランジスタ106’’及びコンタクト436を示す。磁気素子104’’は、シード層400、AFM層402、基準(固定)層404、トンネル障壁層412、データ記憶(自由)層414、及びキャップ層416を含む。基準層404は、合成固定層であり、非磁性スペーサ層408によって分離された強磁性層406及び410を含む。図示した本実施形態において、強磁性層406及び410の磁化は、反平行に配向される。同様に、磁気記憶セル102’’は、シード層418、AFM層420、基準(固定)層422、トンネル障壁層430、データ記憶(自由)層432、及びキャップ層434を含む。基準層422は、合成固定層であり、非磁性スペーサ層426によって分離された強磁性層424及び428を含む。図示した本実施形態において、強磁性層424及び428の磁化は、反平行に配向される。理解しやすいように、磁気記憶セル100’’’は、磁気メモリ110に関して示し、これにより、データライン120及び122を示す。
図示した磁気記憶セル100’’’において、磁気素子102’’’及び104’’’は、層416及び418によって形成された単一のセル板を共有する。その結果、セル100’’は、更に簡単に製造し得る。更に、磁気素子102’及び104’の特性変動を低減し得る。
図15は、本発明に基づく他の実施形態の磁気素子440の一部を示す横断面図である。磁気素子440は、磁気素子102又は磁気素子104の代わりに用い得る。磁気素子440は、シード層442、AFM層444、基準層446、トンネル障壁層454、データ記憶(自由)層456、トンネル障壁層又は非磁性導電性スペーサ層のいずれかである追加のスペーサ層458、他の基準(固定)層460、AFM層462、及びキャップ層464を含む。基準層446は、導電性非磁性スペーサ層450によって分離された強磁性層448及び453を含む合成層である。
磁気素子440は、比較的簡単に製造し得る。また、磁気素子440のスピン転移誘起スイッチング電流が低減される。その結果、磁気素子440に書き込むために必要な書込み電流が、大幅に低減される。その結果、磁気素子440を利用する磁気メモリの密度は、部分的には、選択トランジスタ106によって小さくなった縮小寸法により増大させ得る。更に、磁気記憶セル100を用いる磁気メモリの消費電力は、大幅に低減し得る。
図16は、本発明に基づく他の実施形態の磁気素子470の一部を示す横断面図である。磁気素子470は、磁気素子102又は磁気素子104の代わりに用い得る。磁気素子470は、シード層472、AFM層474、基準層476、トンネル障壁層488、データ記憶(自由)層490、スペーサ層492、追加の自由層494、トンネル障壁層又は非磁性導電性スペーサ層のいずれかである層496、他の基準(固定)層498、AFM層500、及びキャップ層502を含む。基準層476は、導電性非磁性スペーサ層450によって分離された強磁性層478、482、及び486を含む合成層である。
磁気素子470は、比較的簡単に製造し得る。また、磁気素子470のスピン転移誘起スイッチング電流が低減される。その結果、磁気素子470に書き込むために必要な書込み電流が大幅に低減される。その結果、磁気素子470を利用する磁気メモリの密度は、部分的には、選択トランジスタ106によって小さくなった縮小寸法により増大され、また、磁気メモリの消費電力は、大幅に低減し得る。
磁気素子102、102’、102’’、102’’’、104、104’、104’’、及び104’’’では、様々な材料を様々な層に用い得る。データ記憶層、即ち自由層414、432、456、490、及び/又は494は、好適には、Co、Fe、及びNiのうちの少なくとも1つを含む。幾つかの実施形態において、自由層414、432、456、490、及び/又は494は、好適には、少なくとも1つのアモルファス形成元素を30原子パーセント以下の濃度で含み得る。一実施形態において、アモルファス形成元素はホウ素を含む。アモルファス形成元素の濃度を利用して、自由層414、432、456、490、及び/又は494の飽和磁化は、400と1500emu/cm3との間に存在するように設計し得る。更に、自由層414、432、456、490、及び/又は494は、例えば、強磁性又はフェリ磁性材料の単一層であってよい。そのような強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含み得る。フェリ磁性材料は、15〜30原子パーセントのGdを含むCoGdか、10〜40原子パーセントのGdを含むFeGdのうちの少なくとも1つを含み得る。
自由層414、432、456、490、及び/又は494も多層構造であってよい。そのような多層は、強磁性層のみ、又は強磁性層及び非磁性層の組合せから作製し得る。そのような強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含み得る。一実施形態において、自由層414、432、456、490、及び/又は494は、強磁性層と、複数の強磁性層の一部の各々を分離する少なくとも1つの非磁性層と、を含む多層構造である。そのような実施形態において、非磁性層は、Ru、Rh、Re、Cr、及びCuのうちの少なくとも1つを含む。また、そのような実施形態において、交互に並ぶ強磁性層の磁化は、反平行に配向される。しかしながら、他の配向の磁化も用い得る。
基準層即ち固定層404、422、446、476、及び/又は498は、好適には、Co、Fe、及びNiのうちの少なくとも1つを含む。幾つかの実施形態において、固定層404、422、446、476、及び/又は498は、好適には、少なくとも1つのアモルファス形成元素を30原子パーセント以下の濃度で含み得る。一実施形態において、アモルファス形成元素はホウ素を含む。更に、固定層404、422、446、476、及び/又は498は、例えば、強磁性又はフェリ磁性材料の単一層であってよい。そのような強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含み得る。フェリ磁性材料は、15〜30原子パーセントのGdを含むCoGdか、10〜40原子パーセントのGdを含むFeGdのうちの少なくとも1つを含み得る。
固定層404、422、446、476、及び/又は498も多層構造であってよい。そのような多層は、強磁性層のみ又は強磁性層及び非磁性層の組合せから作製し得る。そのような強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含み得る。一実施形態において、固定層404、422、446、476、及び/又は498は、強磁性層と、複数の強磁性層の一部の各々を分離する少なくとも1つの非磁性層と、を含む多層構造である。そのような実施形態において、非磁性層は、Ru、Rh、Re、Cr、及びCuのうちの少なくとも1つを含む。また、そのような実施形態において、交互に並ぶ強磁性層の磁化は反平行に配向される。しかしながら、他の配向の磁化も用い得る。
磁気素子102、102’、102’’、102’’’、104、104’、104’’、及び104’’’は、更に、1つ又は複数のトンネル障壁層362、372、412、430、454、458、488、及び/又は496を含み得る。トンネル障壁層362、372、412、430、454、458、488、及び/又は496は、40〜70原子パーセントのOを含むAlOか、30〜60原子パーセントのOを含むMgOか、40〜70原子パーセントのOと2〜30原子パーセントのNとを含むAlONか、30〜60原子パーセントのNを含むAlNか、AlZrOか、AlHfOか、AlTiOか、AlTaOのうちの少なくとも1つを含み得る。幾つかの実施形態において、トンネル障壁層362、372、412、430、454、458、488、及び/又は496は、単層又は多層から構成し得る。トンネル障壁層362、372、412、430、454、458、488、及び/又は496は、好適には、少なくとも5オングストローム且つ40オングストローム以下の厚さを有する。更に、トンネル障壁層362、372、412、430、454、458、488、及び/又は496は、好適には、小さい抵抗と面積との積を有する。好適な一実施形態において、この抵抗と面積との積は、10と100Ω・μm2との間である。スペーサ層496は、導電性であってよく、Cu、Ag、Pt、Al、Ru、Re、Rh、Ta、及びTi又はそれらの合金のうちの少なくとも1つを含み得る。スペーサ層496は、更に、後述するナノ酸化物層(NOL)を含み得る。
NOLが、スペーサ層496に用いられる場合、NOLは、元の金属開始材料を成膜し、そして、自然酸化及び/又はプラズマ酸化を用いて、成膜された膜を酸化することによって形成し得る。他の実施形態において、NOLは、元の酸化開始材料の高周波スパッタリングを用いて形成し得る。他の実施形態において、NOLは、少なくとも部分的にどちらの磁性であってもよい。開始金属材料は、磁性材料CoFe、CoFeB、及び非磁性材料Al、Ta、Ru、Ti等の固着又は自由層に用いられるものと同様なものであってよい。NOLは、また、例えば、構造的に、Cu/CoFe、FeSi、Al、Ta、Ru又はTi/NOL/Cuであってよい。
幾つかの実施形態において、磁気素子102、102’、120’’、102’’’、104、104’、104’’及び/又は104’’’は、更に、少なくとも1つのスペーサ層492を含む。スペーサ層492は、好適には、Cu、Ag、Pt、Al、Ru、Re、Rh、Ta、及びTi又はそれらの合金のうちの少なくとも1つを含む。
磁気素子102、102’、102’’、102’’’、104、104’、104’’、及び104’’’も、AFM層352、382、402、420、444、462、474、及び500を含む。好適な一実施形態において、AFM層352、382、402、420、444、462、474、及び500のうちの少なくとも1つは、PtMn、IrMn等を含む。
図17は、磁気メモリを提供するための本発明による実施形態の方法550を示すフローチャートである。複数の磁気記憶セル100が、ステップ552によって提供される。磁気記憶セル100を提供する段階は、磁気素子を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能な複数の磁気素子102及び104を提供する段階を含む。各磁気素子102及び104は、第1端及び第2端を有する。各磁気素子の第1端には、少なくとも1つの選択トランジスタが結合される。複数のワードラインは、ワードラインに選択トランジスタが結合されるように、また、ステップ554を介して、複数の選択トランジスタの一部を選択的にイネーブル状態にするために提供される。複数のビットラインが、ステップ556を介して提供される。そして、装置は、ステップ558を介して完成される。
方法550を用いて、磁気メモリセル100並びにメモリ110、140、170、200、240、及び280を提供し得る。その結果、スイッチングのために局所化現象(スピン転移)を利用する磁気メモリを提供し得る。データ記憶層の磁化の電流誘起スイッチングに必要な書込み電流は、半導体又はCMOS技術の発展に適合した比例縮小規則に従って装置密度が大きくなるにつれて減少する。その結果、方法550を用いて形成された磁気メモリ110、140、170、200、240、及び280は、消費電力が減少し、従って、トランジスタ106の寸法を小さくし得る。更に、より速い書き込み及び読み出し時間並びに上述した他の利点が、磁気メモリ110、140、170、200、240、及び280では実現し得る。
図18は、磁気メモリ110、140、170、200、240、又は280等の磁気メモリを利用するための本発明に基づく実施形態の方法560を示すフローチャートである。プログラミング動作の場合、ステップ562を介して、書込み電流が、複数の磁気記憶セル100の一部を介して駆動される。各磁気記憶セルは、磁気素子102,104等の複数の磁気素子及び少なくとも1つの選択トランジスタ106を含む。磁気素子102,104は、磁気素子102,104を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能である。更に、各磁気素子102,104は、第1端及び第2端を有する。選択トランジスタ106は、各磁気素子102,104の第1端に接続される。ステップ562の詳細は、プログラムされる磁気メモリ110、140、170、200、240、又は280に依存し得る。例えば、ステップ562において、所望の磁気素子102,104を通じて書込み電流を駆動するために活性化又はディスエーブル状態にされるライン及びトランジスタの組合せは、プログラムされるメモリ110、140、170、200、240、又は280に依存し得る。
読み出し動作の場合、ステップ564を介して、読出し電流が、少なくとも1つの磁気記憶セル100の磁気素子102,104を介して駆動され、そして、読出し信号に基づき差動信号を求めることによって又は読出し信号を基準信号と比較することによって、データが読み出される。好適には、差動信号は、メモリ110、140、170、及び280の場合、ステップ564において得られる。差動信号は、与えられたセル用の磁気素子102,104の抵抗の差異を示す。ステップ564の詳細は、読み出される磁気メモリ110、140、170、又は280に依存し得る。例えば、ステップ564において、所望の磁気素子102,104を通じて読み出し電流を駆動し差動信号を出力するために活性化又はディスエーブル状態にされるライン及びトランジスタの組合せは、読み出されるメモリ110、140、170又は280に依存し得る。
磁気メモリ200,240の場合、データは、ステップ564において、読み出し信号を基準信号と比較することによって読み出される。電圧信号は、与えられたセル用の磁気素子102,104の抵抗の差異を示す。ステップ564の詳細は、読み出される磁気メモリ200,240に依存し得る。例えば、ステップ564において、所望の磁気素子102,104を介して読み出し電圧を確立し電圧信号を出力するために活性化又はディスエーブル状態にされるライン及びトランジスタの組合せは、読み出されるメモリ200,240に依存し得る。
従って、方法560を用いて、メモリ110、140、170、200、240及び280は、プログラム又は読み出し得る。方法560は、幾つかのメモリからのデータを読み出すために差動方式を利用し、読出し信号を他のメモリ用の基準信号と比較する。磁気素子102,104の双方が1つの選択トランジスタ106を共有することから、トランジスタの特性変動による雑音は低減又は解消し得る。更に、データラインの浮遊容量による時間遅延は1ナノ秒未満であり、本メモリ装置の高速読み出し特性の利点を提供する。
磁気メモリを提供するための及び用いるための方法及びシステムを開示した。本発明について、例示した実施形態に基づき説明したが、当業者は、実施形態に対する変形が存在し得ること、また、いかなる変形も本発明の思想及び範囲内にあることを認識し得る。従って、種々の変更が、添付の特許請求の範囲の思想及び範囲から逸脱することなく、当業者によって行い得る。
Claims (85)
- 磁気メモリであって、
各々が複数の磁気素子を含む複数の磁気記憶セルであって、前記複数の磁気素子が、該磁気素子を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能であり、前記複数の磁気素子の各々が、第1端及び第2端を有し、各磁気素子の第1端に少なくとも1つの選択トランジスタが結合されている、複数の磁気記憶セルと、
前記複数の選択トランジスタと結合され、前記複数の選択トランジスタの一部を選択的にイネーブル状態にするための複数のワードラインと、
複数のビットラインと、
を備える磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子は、第1磁気素子及び第2磁気素子を含み、前記少なくとも1つの選択トランジスタは単一の選択トランジスタを含む、磁気メモリ。 - 請求項2に記載の磁気メモリは更に、
前記複数のビットラインと結合され、前記複数のビットラインの一部を選択的にイネーブル状態にするための複数のビットライン選択トランジスタと、
前記複数の磁気記憶セルの各々に対する複数のデータラインであって、前記複数のデータラインの第1データラインは前記第1磁気素子の第2端に結合され、前記複数のデータラインの第2データラインは前記第2磁気素子の第2端に結合され、前記複数のデータラインは、前記複数の磁気記憶セルの書き込み時に書込み電流を供給し、読み出し時にセンス電流を供給する、複数のデータラインと、
を備える、磁気メモリ。 - 請求項3に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気記憶セルは、第1磁気記憶セルと第2磁気記憶セルとを含む対にまとめられ、前記第1磁気記憶セルの前記選択トランジスタと前記第2磁気記憶セルの前記選択トランジスタとは、ドレインを共有する、磁気メモリ。 - 請求項3に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数のビットラインは、複数の補助ビットラインを含み、前記複数の補助ビットラインの各々は、前記複数の磁気素子の一部と結合され、前記複数のビットライン選択トランジスタは前記複数の補助ビットラインに対応する、磁気メモリ。 - 請求項5に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数のデータラインは、複数の補助データラインを含み、前記複数の補助データラインは、前記複数の磁気記憶セルの一部のための前記第1データライン及び前記第2データラインを含む、磁気メモリ。 - 請求項3に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1データラインは接地に接続されている、磁気メモリ。 - 請求項7に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数のビットラインは複数の差動センス増幅器に接続されている、磁気メモリ。 - 請求項7に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数のビットラインの各々は、複数の差動センス増幅器の各々に接続されている、磁気メモリ。 - 請求項3に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数のビットラインは少なくとも1つの電流変換回路に結合されている、磁気メモリ。 - 請求項3に記載の磁気素子において、
前記第1データラインは、前記複数の磁気記憶セルの各々に対し別個のデータラインであり、前記第2データラインは、前記複数の磁気記憶セルの一部に対し共通のデータラインである、磁気素子。 - 請求項2に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1磁気素子は、第1磁化を有する第1記憶層を含み、前記第2磁気素子は、第2記憶層を有する第2記憶層を含み、前記第1磁化は、前記第2磁化と実質的に反平行に配向されている、磁気メモリ。 - 請求項2に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1磁気素子は第1磁気抵抗を有し、前記第2磁気素子は第2磁気抵抗を有し、前記第1磁気抵抗と前記第2磁気抵抗とは実質的に等しい大きさを有する、磁気メモリ。 - 請求項2に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1磁気素子は第1抵抗を有し、前記第2磁気素子は第2抵抗を有し、前記第1抵抗と前記第2抵抗とは異なる、磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の第1磁気素子は、前記複数の磁気素子の第2磁気素子の実質的に直上に配置される、磁気メモリ。 - 請求項15に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1磁気素子及び前記第2磁気素子の各々はトンネル磁気抵抗接合を含む、磁気メモリ。 - 請求項16に記載の磁気メモリにおいて、
前記トンネル磁気抵抗接合は、固定層と、トンネル障壁層と、自由層と、を含み、前記トンネル障壁層は、前記固定層と前記自由層との間に存在する、磁気メモリ。 - 請求項17に記載の磁気メモリにおいて、
前記固定層は合成固定層であり、前記合成固定層は、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層及び前記第2磁性層間の非磁性層と、を含む、磁気メモリ。 - 請求項17に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1磁気抵抗記憶素子の前記固定層は、前記第1磁気抵抗記憶素子の前記自由層の上方に存在し、前記第2磁気抵抗記憶素子の前記固定層は、前記第2磁気抵抗記憶素子の前記自由層の下方に存在する、磁気メモリ。 - 請求項15に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1磁気抵抗記憶素子及び前記第2磁気抵抗記憶素子の各々は、個別のセル板を含み、かつ、絶縁層によって分離されている、磁気メモリ。 - 請求項15に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1磁気抵抗記憶素子及び前記第2磁気抵抗記憶素子の各々は、セル板を共有している、磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子は、複数の二重トンネル磁気抵抗接合を含む、磁気メモリ。 - 請求項22に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の二重トンネル磁気抵抗接合の各々は合成固定層を含み、前記合成固定層は、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層及び前記第2磁性層間の非磁性スペーサ層と、を含む、磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の各々は、第1固定層と、トンネル障壁層と、自由層と、非磁性スペーサ層と、第2固定層と、を含み、前記トンネル障壁層は、前記自由層と前記第1固定層との間に存在し、前記非磁性スペーサ層は、前記第2固定層と前記自由層との間に存在する、磁気メモリ。 - 請求項24に記載の磁気メモリにおいて、
前記第1固定層は合成固定層であり、前記合成固定層は、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層及び前記第2磁性層間の非磁性層と、を含む、磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の各々は、複数のトンネル磁気抵抗接合を含み、該複数のトンネル磁気抵抗接合の各々は非磁性層によって分離されている、磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の各々は、少なくとも1つのトンネル磁気抵抗接合と、少なくとも1つのスピンバルブとを含み、前記少なくとも1つのトンネル磁気抵抗接合及び前記少なくとも1つのスピンバルブの各々は非磁性スペーサ層によって分離されている、磁気メモリ。 - 請求項1に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の各々は自由層を含み、前記自由層は、Co、Fe、及びNiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項28に記載の磁気メモリにおいて、
前記自由層は、少なくとも1つのアモルファス形成元素を含む、磁気メモリ。 - 請求項29に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも1つのアモルファス形成元素は、30原子パーセント以下の濃度を有する、磁気メモリ。 - 請求項29に記載の磁気メモリにおいて、
前記アモルファス形成元素はホウ素を含む、磁気メモリ。 - 請求項29に記載の磁気メモリにおいて、
前記自由層は、400と1500emu/cm3との間の飽和磁化を有する、磁気メモリ。 - 請求項28に記載の磁気メモリにおいて、
前記自由層は、強磁性材料又はフェリ磁性材料を含む単一層である、磁気メモリ。 - 請求項33に記載の磁気メモリにおいて、
前記強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項33に記載の磁気メモリにおいて、
前記フェリ磁性材料は、15〜30原子パーセントのGdを含むCoGdか、10〜40原子パーセントのGdを含むFeGdのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項28に記載の磁気メモリにおいて、
前記自由層は、複数の層を含む多層である、磁気メモリ。 - 請求項36に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の層は、複数の強磁性層を含む、磁気メモリ。 - 請求項37に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の強磁性層は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項37に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の層は、前記複数の強磁性層の一部を分離する少なくとも1つの非磁性層を含む、磁気メモリ。 - 請求項39に記載の磁気メモリにおいて、
前記強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項39に記載の磁気メモリにおいて、
前記非磁性層は、Ru、Rh、Re、Cr、及びCuのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項28に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の各々は、Co、Fi、及びNiのうちの少なくとも1つを含む固定層を含む、磁気メモリ。 - 請求項42に記載の磁気メモリにおいて、
前記固定層は、強磁性材料又はフェリ磁性材料を含む単一層である、磁気メモリ。 - 請求項43に記載の磁気メモリにおいて、
前記強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項43に記載の磁気メモリにおいて、
前記フェリ磁性材料は、15〜30原子パーセントのGdを含むCoGdか、10〜40原子パーセントのGdを含むFeGdのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項42に記載の磁気メモリにおいて、
前記固定層は、複数の層を含む多層である、磁気メモリ。 - 請求項46に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の層は、複数の強磁性層を含む、磁気メモリ。 - 請求項47に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の強磁性層は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項47に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の層は、前記複数の強磁性層の一部を分離する少なくとも1つの非磁性層を含む、磁気メモリ。 - 請求項49に記載の磁気メモリにおいて、
前記強磁性材料は、Coか、5〜40原子パーセントのFeを含むCoFeか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのBとを含むCoFeBか、5〜40原子パーセントのFeと5〜30原子パーセントのTaとを含むCoFeTaか、約20原子パーセントのFeを含むNiFeか、5〜40原子パーセントのPtを含むCoPtか、5〜40原子パーセントのPdを含むCoPdか、5〜40原子パーセントのPtを含むFePtか、Co2MnAlか、Co2MnSiか、Co2CrAlか、Co2CrSiか、Co2FeAlか、Co2FeSiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項49に記載の磁気メモリにおいて、
前記非磁性層は、Ru、Re、及びCuのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項42に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の各々は、少なくとも1つのトンネル障壁層を含む、磁気メモリ。 - 請求項52に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも1つのトンネル障壁層は、40〜70原子パーセントのOを含むAlOか、30〜60原子パーセントのOを含むMgOか、40〜70原子パーセントのOと2〜30原子パーセントのNとを含むAlONか、30〜60原子パーセントのNを含むAlNか、AlZrOか、AlHfOか、AlTiOか、AlTaOのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項52に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも1つのトンネル障壁層は、複数の層を含む、磁気メモリ。 - 請求項52に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも1つのトンネル障壁層は、少なくとも5オングストローム且つ40オングストローム以下の厚さを有する、磁気メモリ。 - 請求項52に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも1つのトンネル障壁層における抵抗と面積との積が、10と100Ω・μm2との間である、磁気メモリ。 - 請求項42に記載の磁気メモリにおいて、
前記複数の磁気素子の各々は、少なくとも1つの非磁性スペーサ層を含む、磁気メモリ。 - 請求項57に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも1つの非磁性スペーサ層は、Cu、Ag、Pt、Al、Ru、Re、Rh、Ta、及びTiのうちの少なくとも1つを含む、磁気メモリ。 - 請求項57に記載の磁気メモリにおいて、
前記少なくとも1つの非磁性スペーサ層は、少なくとも1つのナノ酸化物層を含む、磁気メモリ。 - 磁気メモリを提供するための方法であって、
各々が複数の磁気素子を含む複数の磁気記憶セルを設けることであって、前記複数の磁気素子が、該磁気素子を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能であり、前記複数の磁気素子の各々が、第1端及び第2端を有し、各磁気素子の第1端に少なくとも1つの選択トランジスタが結合されている、複数の磁気記憶セルを設けること、
前記複数の選択トランジスタと結合され、前記複数の選択トランジスタの一部を選択的にイネーブル状態にするための複数のワードラインを設けること、
複数のビットラインを設けること、
を備える方法。 - 請求項60に記載の方法において、
複数の磁気素子を設けることは、第1磁気素子及び第2磁気素子を設けることを含み、前記少なくとも1つの選択トランジスタは単一の選択トランジスタを含む、方法。 - 請求項61に記載の方法は更に、
前記複数のビットラインと結合され、前記複数のビットラインの一部を選択的にイネーブル状態にするための複数のビットライン選択トランジスタを設けること、
前記複数の磁気記憶セルの各々に対する複数のデータラインを設けることであって、前記複数のデータラインの第1データラインは前記第1磁気素子の第2端に結合され、前記複数のデータラインの第2データラインは前記第2磁気素子の第2端に結合され、前記複数のデータラインは、前記複数の磁気記憶セルの書き込み時に書込み電流を供給し、読み出し時にセンス電流を供給する、複数のデータラインを設けること、
を備える、方法。 - 請求項62に記載の方法において、
前記複数の磁気記憶セルを設けることは、前記複数の磁気記憶セルを第1磁気記憶セル及び第2磁気記憶セルを含む対にまとめることを含み、前記第1磁気記憶セルの前記選択トランジスタと前記第2磁気記憶セルの前記選択トランジスタとはドレインを共有する、方法。 - 請求項62に記載の方法において、
前記複数のビットラインを設けることは、複数の補助ビットラインを設けることを含み、前記複数の補助ビットラインの各々は、前記複数の磁気素子の一部と結合され、前記複数のビットライン選択トランジスタは前記複数の補助ビットラインに対応する、方法。 - 請求項62に記載の方法において、
前記複数のデータラインを設けることは更に、複数の補助データラインを設けることを含み、前記複数の補助データラインは、前記複数の磁気記憶セルの一部のための前記第1データライン及び前記第2データラインを含む、方法。 - 請求項2に記載の方法において、
前記複数のデータラインを設けることは、前記第1データラインを接地に接続することを含む、方法。 - 請求項66に記載の方法において、
前記複数のビットラインを設けることは更に、前記複数のビットラインを複数の差動センス増幅器に結合することを含む、方法。 - 請求項66に記載の方法において、
前記複数のビットラインの各々は、複数の差動センス増幅器の各々に接続されている、方法。 - 請求項62に記載の方法は更に、
前記複数のビットラインに少なくとも1つの電流変換回路を結合することを備える、方法。 - 請求項62に記載の方法要素において、
前記第1データラインは、前記複数の磁気記憶セルの各々に対し別個のデータラインであり、前記第2データラインは、前記複数の磁気記憶セルの一部に対し共通のデータラインである、方法要素。 - 請求項61に記載の方法において、
前記複数の磁気記憶セルを設けることは更に、
第1磁化を有する第1記憶層を含む前記第1磁気素子を設けること、
第2記憶層を有する第2記憶層を含む前記第2磁気素子を設けることであって、前記第1磁化が前記第2磁化と実質的に反平行に配向されている、前記第2磁気素子を設けること、
を備える、方法。 - 請求項61に記載の方法において、
前記第1磁気素子は第1磁気抵抗を有し、前記第2磁気素子は第2磁気抵抗を有し、前記第1磁気抵抗と前記第2磁気抵抗とは実質的に等しい大きさを有する、方法。 - 請求項61に記載の方法において、
前記第1磁気素子は第1抵抗を有し、前記第2磁気素子は第2抵抗を有し、前記第1抵抗と前記第2抵抗とは異なる、方法。 - 請求項60に記載の方法において、
前記複数の磁気記憶セルを設けることは、前記複数の磁気素子の第2磁気素子の実質的に直上に前記複数の磁気素子の第1磁気素子を配置することを含む、方法。 - 請求項74に記載の方法において、
前記第1磁気素子及び前記第2磁気素子の各々はトンネル磁気抵抗接合を含む、方法。 - 請求項75に記載の方法において、
前記トンネル磁気抵抗接合は、固定層と、トンネル障壁層と、自由層と、を含み、前記トンネル障壁層は、前記固定層と前記自由層との間に存在する、方法。 - 請求項76に記載の方法において、
前記固定層は合成固定層であり、前記合成固定層は、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層及び前記第2磁性層間の非磁性層と、を含む、方法。 - 請求項77に記載の方法において、
前記第1磁気抵抗記憶素子の前記固定層は、前記第1磁気抵抗記憶素子の前記自由層の上方に存在し、前記第2磁気抵抗記憶素子の前記固定層は、前記第2磁気抵抗記憶素子の前記自由層の下方に存在する、方法。 - 請求項74に記載の方法において、
前記第1磁気抵抗記憶素子及び前記第2磁気抵抗記憶素子の各々は、個別のセル板を含み、かつ、絶縁層によって分離されている、方法。 - 請求項74に記載の方法において、
前記第1磁気抵抗記憶素子及び前記第2磁気抵抗記憶素子の各々は、セル板を共有している、方法。 - 請求項60に記載の方法において、
前記複数の磁気素子を設けることは、複数の二重トンネル磁気抵抗接合を設けることを含む、方法。 - 請求項60に記載の方法において、
前記複数の磁気素子を設けることは、第1固定層、トンネル障壁層、自由層、非磁性スペーサ層、及び第2固定層を前記複数の磁気素子の各々に設けることを含み、前記トンネル障壁層が、前記自由層と前記第1固定層との間に存在し、前記非磁性スペーサ層が、前記第2固定層と前記自由層との間に存在する、方法。 - 請求項60に記載の方法において、
前記複数の磁気素子を設けることは、前記複数の磁気記憶セル又はそれらの各々に複数のトンネル磁気抵抗接合を設けることを含み、前記複数のトンネル磁気抵抗接合の各々は非磁性層によって分離されている、方法。 - 請求項60に記載の方法において、
前記複数の磁気素子の各々は、少なくとも1つのトンネル磁気抵抗接合と、少なくとも1つのスピンバルブとを含み、前記少なくとも1つのトンネル磁気抵抗接合及び前記少なくとも1つのスピンバルブの各々は非磁性スペーサ層によって分離されている、方法。 - 複数の磁気記憶セルを含む磁気メモリを利用するための方法であって、
前記複数の磁気記憶セルの一部を通じて書込み電流を駆動することであって、前記複数の磁気記憶セルの各々が、複数の磁気素子を含み、前記複数の磁気素子が、該磁気素子を通じて駆動される書込み電流によって、スピン転移誘起スイッチングを用いてプログラム可能であり、前記複数の磁気素子の各々が、第1端及び第2端を有し、各磁気素子の第1端に少なくとも1つの選択トランジスタが結合される、書込み電流を駆動すること、
前記複数の磁気素子を通じて読出し電流を駆動することによって、前記複数の磁気記憶セルのうちの少なくとも1つを読み出し、前記読出し信号に基づいて差動信号を求めるか又は前記読出し信号を基準信号と比較すること、
を備える方法。
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