JP2010192101A - 交換バイアス(exchange−bias)に基づく多状態(multi−state)磁気メモリおよび論理装置、および磁気的に安定な磁気記憶 - Google Patents
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Abstract
磁気結合された強磁性体と反強磁性体との結合および交換バイアスを使用して2進および多状態の磁気メモリ装置を提供する磁気材料および方法。
【解決手段】
本出願では、強磁性層とこれに隣接する反強磁性層との磁気結合によって発生する磁気交換バイアスに基づいて高密度の磁気記憶を実現するための技術、材料、装置を開示する。この磁気結合を使用すると、2進の磁気メモリ装置を安定させ、多状態の磁気メモリ装置を構成することができる。
【選択図】図2
Description
本発明は、FA9550−04−1−0160およびDE−FG03−−87ER−45332に基づく米国政府支援の一環として作成されたものである。米国政府は本発明における一定の権利を有する。
F層とAF層の磁気結合による交換バイアスは、F層とAF層の両方で磁気異方性が変化する原因となる。交換バイアスを説明するための1つの理論上のモデルは、水平長さスケール(lateral length scales)モデルである。2005年6月17日にhttp:/www.edpsciences.org/eplにオンライン出版されEurophysic Letters、Vol.71(2005年7月)に掲載を予定され、参照によってその全開示を本明細書に組み込まれているIgor Roshschin et al.「Lateral length scales in exchange bias」を参照されたい。他にも説明されている可能性がある。交換バイアスの局所的な型(regime)を説明する試験結果は、本明細書で単に安定化技術および多状態メモリ技術の背後にある交換バイアスに関する理解を助けるために使用されており、本出願で説明するさまざまな実装を限定するものと解釈してはならない。
前述の領域のインプリントによってAFからFに導入された追加の単方向の異方性の方向を局所的に制御できる。この追加の単方向の異方性によって、磁気スイッチ(magnetic switching)の効果的なエネルギー障壁が強化されるため、FビットまたはFナノ構造の磁気的な安定性が向上する。
前述のF層からAF層へのインプリントを使用することによって、交換バイアスの方向を正または負のいずれかに局所的に設定できる。したがって、2つの領域の磁性状態は、2つの領域が反対方向に交換バイアスされる場合に作成される。2つの領域のサイズの比率によって、データを記憶するための磁気「ビット」として使用する磁気領域の残留磁化が決定する。こうした1つのビット位置での2つの領域の使用により、広範囲に及ぶ磁場で明確に定義された安定な多状態磁気「ビット」を備える磁気メモリを作成できる。状態は、Mri=Ms/n(ただし、2n+1は状態の総数、iは−nから+nまでの任意の値)となるよう正と負の飽和磁化(saturated magnetization)の値Msの間にある残留磁化の値Mrに対応する。多状態の最大数は、装置の磁気感知限界によって設定される。
1.選択された磁気ビットは、ブロッキング温度TB、すなわち交換バイアスの方向が設定される温度を超えるまで加熱される。
2.選択された残留磁化Mr0は、小さなループを使用することによって実現される。考えられる手順の1つは、Mr0の方向と逆の方向に大きな磁場かけ、さらにMr0の方向に小さな磁場をかけることによってこの印加磁場を除去したときのMr0に等しい大きさの残留磁化を生成し、磁気ビットの磁化を飽和させることである。ここで磁場が除去される。
3.印加磁場がない状態で、ビットはTBより低温に冷却される。
4.残留磁化の値はこのAF−Fビットにインプリントされ、特定のビットがTBより低温に維持される限り、隣接する磁気ビットの書き込みに使用する磁場によっても、隣接する磁気ビットからの浮遊磁場によっても影響されない。
1.選択された磁気ビットは、ブロッキング温度TB、すなわち交換バイアスの方向が設定される温度を超えるまで加熱される。
2.特定の大きさの磁場がかけられる。
3.印加磁場でビットがTBより低温に冷却される。
4.特定の大きさの磁場でビットを冷却すると、選択された値の残留磁化によるダブル磁気ヒステリシス・ループを示す2つの領域による構造を設定できる。残留磁化の値はこのAF−Fビットにインプリントされ、特定のビットがTBより低温に維持される限り、隣接する磁気ビットへの書き込みに使用する磁場によっても、隣接する磁気ビットからの浮遊磁場によっても影響されない。
Claims (31)
- 互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えることによって、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料と、
データが選択された磁気ビットに書き込まれる際、前記選択された磁気ビットと磁気記憶材料の領域における温度と磁場を局所的に制御する制御メカニズムとを備える装置であって、
前記ブロッキング温度は、強磁性材料のキュリー温度を下回り、
3つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために、前記磁気記憶材料の各磁気ビットは、2つ又はそれ以上の領域の反対方向の交換バイアスを有するように構成されることを特徴とする装置。 - 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、レーザーを含み、書き込みの間、前記レーザーからのレーザー・ビームを選択された磁気ビットへ集中させることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、前記レーザー・ビームを集中させるために、近接場光学をさらに含むことを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、選択された磁気ビットを加熱する導電性走査プローブ顕微鏡を含むことを特徴とする請求項2に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、各磁気ビットの一部として抵抗(オーム)加熱メカニズムを含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、前記選択された磁気ビットに接触する抵抗(オーム)加熱素子を含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第1の部分は、磁場を制御するように構成され、前記磁気記憶材料へ書き込むための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第1の部分は、磁場を制御するように構成され、前記選択された磁気ビット領域において、2つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記配線アレイは、前記磁気記憶材料へ書き込むために操作されることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記選択された磁気ビットの残留磁化の値を読むための読み出しメカニズムをさらに含み、
前記選択された磁気ビットの残留磁化の値は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセットの一つを含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。 - 前記読み出しメカニズムは、前記選択された磁気ビットから読み出すための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項9に記載の装置。
- 前記読み出しメカニズムは、前記選択された磁気ビット領域において、2つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記2つ又はそれ以上の配線の抵抗と前記2つ又はそれ以上の配線のジャンクションは、前記選択された磁気ビットの残留磁化の値に一致することを特徴とする請求項9に記載の装置。 - 前記2つの領域の反対方向の交換バイアスを有する磁気ビットの各々は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセットから選択された値の残留磁化を含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記2つの領域の反対方向の交換バイアスを有する磁気ビットの各々における記憶情報量は、前記多状態記憶媒体の残留磁化の所定のセット内のレベルの数に等しいことを特徴とする請求項12に記載の装置。
- 磁気記憶材料内の各磁気ビットの3つ以上の磁性状態を提供するための方法であって、
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を提供する工程で、ここで、前記ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回り、そして前記磁気記憶材料内の各磁気ビットが、3つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために2つの領域の反対方向の交換バイアスによって形成され、
局所的な加熱を実行することによって前記磁気記憶材料内の2つの領域の反対方向の前記交換バイアスを有する選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より高温に上昇させる工程と、
前記ブロッキング温度を上回る温度で、前記選択された磁気ビットに磁化プロセスを適用することによって、残留磁化をあらかじめ指定された多状態記憶媒体の残留磁化のセットの選択された値に設定し、ビットを書き込む工程と、
前記選択された磁気ビットで外部磁場を除去する工程、及び
ゼロ磁場で前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に下降させて前記残留磁化を前記選択された磁気ビットに記憶する工程とを備える方法。 - 読み出しを行う前記選択された磁気ビットを感知する際に、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に維持する工程をさらに備える請求項14に記載の方法。
- 前記残留磁化を作り出すために適用された磁化プロセスは、
前記選択された磁気ビットへ第1の磁場を適用する工程と、
前記選択された磁気ビットから前記第1の磁場を取り除く工程と、
その後、前記第1の磁場と反対の方向において、前記選択された磁気ビットへ第2の磁場を適用する工程とを含むことを特徴とする請求項14に記載の方法。 - 前記磁気記憶材料の磁気ビットの各々は、多状態記憶媒体を構成するために、特定の方向に沿って前記交換バイアスの反対の方向又は反対の成分を有する2つ又は複数の領域により形成されることを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 磁気記憶材料内の各磁気ビットの3つ以上の磁性状態を提供するための方法であって、
互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えており、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料を提供する工程で、ここで、前記ブロッキング温度は強磁性材料のキュリー温度を下回り、そして前記磁気記憶材料内の各磁気ビットが、3つ以上の磁性状態を有する多状態記憶媒体を構成するために2つの領域の反対方向の交換バイアスによって形成され、
局所的な加熱を実行することによって前記磁気記憶材料内の選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より高温に上昇させる工程と、
前記ブロッキング温度を上回る温度で、2つの領域の反対方向の前記交換バイアスを有する前記選択された磁気ビットに磁化プロセスを適用することによって、残留磁化をあらかじめ指定された多状態記憶媒体の残留磁化のセットの選択された値に設定し、ビットを書き込む工程と、
前記磁化プロセスの磁場を維持する間に、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に下降させて前記残留磁化を前記選択された磁気ビットに記憶する工程とを備える方法。 - 読み出しを行う前記選択された磁気ビットを感知するときに、前記選択された磁気ビットの温度を前記ブロッキング温度より低温に維持する工程をさらに備える請求項18に記載の方法。
- 前記残留磁化を作り出すために適用された磁化プロセスは、
前記選択された磁気ビットへ第1の磁場を適用する工程と、
前記選択された磁気ビットから前記第1の磁場を取り除く工程と、
その後、前記第1の磁場と反対の方向において、前記選択された磁気ビットへ第2の磁場を適用する工程とを含むことを特徴とする請求項18に記載の方法。 - 前記磁気記憶材料の磁気ビットの各々は、多状態記憶媒体を構成するために、特定の方向に沿って前記交換バイアスの反対の方向又は反対の成分を有する2つ又は複数の領域により形成されることを特徴とする請求項14に記載の方法。
- 互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備えることによって、前記反強磁性層のブロッキング温度を下回る動作温度でデータを記憶する磁気記憶材料と、
データが選択された磁区に書き込まれる際、前記選択された磁区と磁気記憶材料の領域における温度と磁場を局所的に制御する制御メカニズムとを備える装置であって、
前記ブロッキング温度は、強磁性材料のキュリー温度を下回り、
前記強磁性層と反強磁性層は、前記装置において、ゼロ磁場から離れて浮遊磁場より大きい磁場へ、前記磁気記憶材料の磁気ヒステリシス・ループをオフセットするように選択されることを特徴とする装置。 - 前記制御メカニズムの第1の部分は、磁場を制御するように構成され、前記磁気記憶材料へ書き込むため及び前記磁気記憶材料から読み出すための磁気ヘッド又は磁気光学ヘッドを含むことを特徴とする請求項22に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、レーザーを含み、書き込みの間、前記レーザーからのレーザー・ビームを選択された磁区へ集中させることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、前記レーザー・ビームを集中させるために、近接場光学をさらに含むことを特徴とする請求項24に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、選択された磁区を加熱する導電性走査プローブ顕微鏡を含むことを特徴とする請求項22に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、各磁区の一部として抵抗(オーム)加熱メカニズムを含むことを特徴とする請求項22に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第2の部分は、温度を制御するように構成され、前記選択された磁区に接触する抵抗(オーム)加熱素子を含むことを特徴とする請求項22に記載の装置。
- 前記制御メカニズムの第1の部分は、磁場を制御するように構成され、前記選択された磁区の領域において、2つ又はそれ以上の配線アレイが交差するように配置された配線アレイを含み、
前記配線アレイは、前記磁気記憶材料へ書き込むため及び前記磁気記憶材料から読み出すために操作されることを特徴とする請求項22に記載の装置。 - 互いに磁気結合された強磁性層とこれに隣接する反強磁性層とを備える磁気記憶材料を提供することによって、2進の磁気記憶媒体として磁気ヒステリシス・ループを提供する工程と、
前記磁気記憶材料の強磁性層へ情報を記録する工程と、
前記強磁性層と前記隣接する反強磁性層とは、横軸が磁場及び縦軸が磁化で形成された座標内の前記磁気ヒステリシス・ループの中心を、浮遊磁場より大きい量だけ前記横軸に沿って前記磁場が0(H=0)から離してセットするように構成する工程によって、前記浮遊磁場によってもたらされる磁化の変化に対して各2進の状態を安定させる、工程とを備える方法。 - 前記構成する工程は、さらに熱振動により生じる磁化の変化に対する各2進の状態を安定させることを特徴とする請求項30に記載の方法。
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