JP2013093558A - 自己参照読み出し操作を使用してｍｒａｍセルに書き込み及びｍｒａｍセルを読み出すための磁気ランダムアクセスメモリ（ｍｒａｍ）セル及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気トンネル接合を有する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを提供する。
【解決手段】磁気トンネル接合２は、シンセティック記憶層２３、可逆性であるセンス磁化方向２１１を呈するセンス層２１、及びこのセンス層とこの記憶層との間のトンネル障壁層２２から構成される。正味の漂遊局所磁界が、前記記憶層を前記センス層に結合させる。前記正味の漂遊局所磁界は、センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が５０エルステッド未満であるような漂遊局所磁界である。また、ＭＲＡＭセルに書き込み、ＭＲＡＭセルを読み出すための方法に関する。当該開示されたＭＲＡＭセルは、従来のＭＲＡＭセルに比べてより低い消費電力で書き込まれ且つ読み出され得る。
【選択図】図１

Description

技術分野
本発明は、低消費電力を可能にする自己参照読み出し操作を使用して磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを読み出す方法及びこの方法を実施するためのＭＲＡＭセルに関する。

関連技術の説明
最も簡単な実施の形態では、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルが、薄い絶縁層によって分離された２つの磁気層から構成された少なくとも１つの磁気トンネル接合を有する。この磁気トンネル接合では、一方の層、いわゆる参照層が、固定された磁化方向を特徴とし、第２層、いわゆる記憶層が、その方向がメモリの書き込み時に変更され得る磁化方向を特徴とする。参照層と記憶層とのそれぞれの磁化方向が、反平行であるときは、磁気トンネル接合の抵抗が、高く（Ｒ_ｍａｘ）、低論理状態「０」に相当する。他方で、当該それぞれの磁化方向が、平行であるときは、磁気トンネル接合の抵抗が、低く（Ｒ_ｍｉｎ）、高論理状態「１」に相当する。ＭＲＡＭセルの当該抵抗状態が、好ましくは１つの参照セル又は複数の参照セルのアレイに由来する参照抵抗Ｒ_ｒｅｆに対するこのＭＲＡＭセルの抵抗状態を、高論理状態「１」の磁気トンネル接合抵抗と低論理状態「０」の当該抵抗との中間に結合された一般にＲ_ｒｅｆ＝（Ｒ_ｍｉｎ＋Ｒ_ｍａｘ）／２の参照抵抗と比較することによって読み出される。

従来の実用的な実施の形態では、参照層が、反強磁性参照層のブロッキング温度Ｔ_ＢＲとして知られた臨界温度（この臨界温度の上では、交換バイアスが消滅する）を特徴とする隣接した反強磁性参照層に対して「交換バイアス」される。

例えば米国特許第６，９５０，３３５号明細書中で説明されたように、熱アシストされた切り替え（ＴＡＳ）手続きを使用するＭＲＡＭセルの実施の形態では、記憶層も、隣接した反強磁性記憶層に対して交換バイアスされる。この反強磁性記憶層のブロッキング温度Ｔ_ＢＳ（反強磁性記憶層の交換バイアスが、当該温度で消滅する）が、参照層をピン止めする反強磁性参照層のブロッキング温度Ｔ_ＢＲより低い。当該ブロッキング温度Ｔ_ＢＳより下では、記憶層に書き込みすることが、困難であるか及び／又は不可能である。すなわち、記憶層の磁化方向を自由にする一方で、同時にこの記憶層の磁化方向を切り替える手段を適用するため、書き込みが、好ましくは加熱電流を磁気トンネル接合に通電することに限定されないものの、Ｔ_ＢＳより上であるがＴ_ＢＲより下で磁気トンネル接合を加熱することによって実行される。後者の磁化方向を切り替える手段は、磁界電流によって発生された磁界を通じて実行され得る。次いで、当該磁気トンネル接合が、ブロッキング温度Ｔ_ＢＳの下に冷却される。当該記憶層の磁化方向が、書き込み方向に「固定」される。

記憶層の磁化方向を切り替えるために要求される磁界の大きさが、この記憶層の保持力に比例する。当該保持力は、小さい形体サイズで大きく、交換バイアスされた膜中で増大され得る。

ヨーロッパ特許第２２７６０３４号明細書では、当該特許が、記憶層と絶縁層と方向が磁界に自由に整合され得る磁化方向を有するセンス層とを備えるＭＲＡＭセルを開示する。開示された当該ＭＲＡＭセルが、データを当該記憶層に書き込むためのこの記憶層の磁化方向を切り替えることによって書き込まれ得る。読み出し操作が、センス層の磁化方向を第１整合方向に整合させることと、ＭＲＡＭセルの第１抵抗値を測定することによって当該書き込みデータを当該第１整合方向と比較することとを有する第１読み出しサイクルから成り得る。さらに、当該読み出し操作が、センス層の磁化方向を第２整合方向に整合させることと、ＭＲＡＭセルの第２抵抗値を測定することによって当該書き込みデータを当該第２整合方向と比較することと、当該第１抵抗値と当該第２抵抗値との差を決定することとを有する第２読み出しサイクルから成り得る。従来の参照セルが必要とされないので、当該読み出し操作は、「自己参照読み出し操作」とも呼ばれる。

米国特許第６，９５０，３３５号明細書 ヨーロッパ特許第２２７６０３４号明細書

開示された当該メモリセル及び書き込み・読み出し操作は、当該書き込み・読み出し操作を低消費電力で且つ向上された速さで実行することを可能にする。しかしながら、自己参照読み出し操作中に、記憶層の磁化方向とセンス層の磁化方向とを閉じられた磁束線で結合する漂遊局所磁界に起因して、記憶層とセンス層との間の双極子カップリングが発生する。記憶層の磁化方向が、読み出し操作中に反強磁性層によってピン止めされるので、センス層の磁化方向も、当該双極子カップリングを通じてピン止めされる。すなわち、自己参照読み出し操作中にセンス層の磁化方向を切り替えることが、当該双極子カップリングに打ち勝つために十分に高い磁界を印加することを必要とする。当該双極子カップリングは、センス層のヒステリシスループを測定するために磁界サイクルを印加するときに、当該ヒステリシスループをシフト（バイアス）させることになる。

この双極子カップリングは、記憶層とセンス層との厚さ及び磁化方向に依存し、そして磁気トンネル接合のサイズに依存する。特に双極子カップリングが、磁気トンネル接合の直径を減少させるに連れて増大し、したがってＭＲＡＭセルをより小さくするときに、主要問題になりうる。

概要
本発明は、磁気トンネル接合を有する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに関する。

当該磁気トンネル接合が、第１記憶磁化方向を呈する第１強磁性層、第２記憶磁化方向を呈する第２強磁性層及びこの第１強磁性層とこの第２強磁性層との間のスペーサー層から形成されたシンセティック記憶層、可逆性であるセンス磁化方向を呈するセンス層並びに当該センス層と当該記憶層との間のトンネル障壁層を有する。

第１記憶磁化方向が、第２記憶磁化方向とほぼ反平行に配向されるように、当該スペーサー層が、当該第１強磁性層と当該第２強磁性層とを機械的に結合する。

当該第１記憶磁化方向が、第１漂遊局所磁界を誘導し、当該第２記憶磁化方向が、第２漂遊局所磁界を誘導する。当該第１漂遊局所磁界と当該第２漂遊局所磁界との差が、当該記憶層を当該センス層に結合する正味の漂遊局所磁界に相当する。

当該センス層に結合する当該正味の漂遊局所磁界が、約５０エルステッド未満であるように、当該第１強磁性層の厚さと当該第２強磁性層の厚さとが選択される。

一実施の形態では、当該センス層に結合する当該正味の漂遊局所磁界が、ほぼ零であるように、当該第１強磁性層の厚さと当該第２強磁性層の厚さとが選択される。

別の実施の形態では、当該センス層に結合する当該正味の漂遊局所磁界が、約４０エルステッド〜約５０エルステッドであるように、当該第１強磁性層の厚さと当該第２強磁性層の厚さとが選択される。

さらに別の実施の形態では、当該センス層が、ほぼ円形を成す。

また、本発明は、複数のＭＲＡＭセルから構成された磁気記憶装置に関する。

さらに、本発明は、ＭＲＡＭセルに書き込むための方法に関する。

当該方法は、磁気トンネル接合を高温閾値に加熱することから成る。この磁気トンネル接合が、当該高温閾値に達すると、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とを、データを当該記憶層に書き込む向きに切り替える。この場合、当該第１記憶磁化方向と当該第２記憶磁化方向との磁化の向きを切り替えることは、外部の書き込み磁界を印加することから成る。

一実施の形態では、当該書き込み磁界が、約１３０エルステッド〜約１６０エルステッドである大きさで印加される。

別の実施の形態では、当該第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とを切り替えることが、外部の書き込み磁界の方向に応じてセンス磁化方向を一方向に飽和させるような大きさを有する当該書き込み磁界を印加することから成る。当該第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とが、当該飽和されたセンス磁化方向によって誘導されたセンス漂遊局所磁界に応じて切り替えられる。

さらに別の実施の形態では、当該センス層の厚さは、当該センス磁化方向が当該第１記憶磁化方向と当該第２記憶磁化方向との和より大きいような厚さである。

さらに別の実施の形態では、当該センス層の厚さは、当該センス磁化方向を飽和させるために要求される書き込み磁界の大きさが約８０エルステッド未満であるような厚さである。

さらに、本発明は、ＭＲＡＭセルを読み出すための方法に関する。

当該方法は、センス磁化方向を第１読み出し磁界を印加することによって第１方向に整合し、切り替えられた記憶磁化方向の向きに対する当該センス磁化方向の当該第１方向によって決定される当該磁気トンネル接合の第１抵抗を測定し、当該センス磁化方向を第２方向に整合し、切り替えられた記憶磁化方向の向きに対する当該センス磁化方向の当該第２方向によって決定される当該磁気トンネル接合の第２抵抗を測定し、当該第１抵抗値と当該第２抵抗値との差を測定することから成る。

当該センス磁化方向を第２方向に整合することは、約５０エルステッド以下の大きさを有する第２読み出し磁界を印加することから成る。

一実施の形態では、当該センス層に結合する当該正味の漂遊局所磁界が、ほぼ零であるように、当該第１強磁性層の厚さと当該第２強磁性層の厚さとが選択される。

別の実施の形態では、当該第１読み出し磁界と当該第２読み出し磁界との大きさが、約２０エルステッドである。

さらに別の実施の形態では、当該センス層に結合する当該正味の漂遊局所磁界が、約４０エルステッド〜約５０エルステッドであるように、当該第１強磁性層の厚さと当該第２強磁性層の厚さとが選択される。

さらに別の実施の形態では、当該第２読み出し磁界が、ほぼ零である。

当該開示されたＭＲＡＭセルは、従来のＭＲＡＭセルに比べて低い消費電力で書き込まれ読み出され得る。

図面の簡単な説明
当該開示は、例示され且つ図示された実施の形態の説明を用いてより良好に理解される。

一実施の形態による、第１強磁性層及び第２強磁性層を含むシンセティック記憶層並びにセンス層を有するランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを示す。 一実施の形態による、センス層に結合している第１強磁性層と第２強磁性層とによって生成された漂遊局所磁界を示す。 一実施の形態による、ほぼ円形を成す記憶層の上面図である。 ＭＲＡＭセルの構成を示す。この場合、第２強磁性層の厚さが、第１強磁性層の厚さより大きい。 ＭＲＡＭセルの構成を示す。この場合、ＭＲＡＭセルの構成を示す。この場合、第１強磁性層の厚さが、第２強磁性層の厚さより大きい。

本発明の可能な実施の形態の詳細な説明
図１中に示された実施の形態では、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１が、磁気トンネル接合２を有する。この磁気トンネル接合２が、シンセティック強磁性多層膜から形成された、第１記憶磁化方向２３４を呈する第１強磁性層２３１と第２磁化方向２３５を呈する第２強磁性層２３２とを有するシンセティック記憶層２３を備える。この第１強磁性層２３１とこの第２強磁性層２３２とが、スペーサー層２３３によって分離されている。これらの強磁性層２３１，２３２が、例えば鉄−コバルト（ＣｏＦｅ）、鉄−コバルト−ホウ素（ＣｏＦｅＢ）、鉄−ニッケル（ＮｉＦｅ）、コバルト（Ｃｏ）のような金属から製作されてもよい。第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２との厚さは、例えば１ｎｍ〜１０ｎｍである。スペーサー層２３３の寸法（例えば、厚さ）は、第１記憶磁化方向２３４が第２磁化方向２３５と反平行に配向されるように、第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２とを磁気結合させるために選択され得る。当該厚さは、スペーサー層２３３が製作される材料に依存し得る。例えば、スペーサー層２３３は、例えばルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、テルル（Ｔｅ）、イットリウム（Ｙ）、クロム（Ｃｒ）、イリジウム（Ｉｒ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）等から成るグループから選択された非磁性体から製作されてもよい。一実施の形態では、当該厚さは、約０．２ｎｍ〜３ｎｍでもよい。しかしながら、その他の厚さが、当該２つの強磁性層２３１及び２３２を結合させるために適し得る。

図１の代表的な構成では、第１強磁性層２３１の第１記憶磁化方向２３４を低温閾値でピン止めし、当該第１記憶磁化方向２３４を第２高温閾値で自由にするように、シンセティック記憶層２３が、反強磁性層２４に交換結合される。この反強磁性層２４は、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ又はＦｅＭｎその他の任意の適切な材料のようなマンガンを母材とした合金から製作され得る。

磁気トンネル接合２が、可逆性であるセンス磁化方向２１１を呈するセンサ層２１と、センス層２１を記憶層２３から分離するトンネル障壁層２２とをさらに有する。より小さいスイッチング磁界を得るため、センス層２１が、ＣｏＢｅＦを母材とした合金の代わりにＮｉＦｅを母材とした合金から製作されてもよい。このセンス層２１は、交換バイアスされず、その磁化方向が、例えば熱運動に起因して自由に変更され得る方向を有する。したがって、センス層２１の磁化方向が、磁界方向に自由に整合され得る。トンネル障壁層２２は、薄い層であり、一般にナノメートルの範囲内にあり、例えばアルミナ又は酸化マグネシウムのような任意の適切な絶縁材料から形成され得る。図１中には、層２５は、電極を示す。

一実施の形態では、シンセティック記憶層２３又は第１強磁性層２３１及び第２強磁性層２３２が、センス層２１の結晶磁気異方性に対してほぼ平行に配向される結晶磁気異方性を有する。さらに、このシンセティック記憶層２３の結晶磁気異方性が、第１読み出し磁界電流５１の方向に対してほぼ平行でもよい。

双極子カップリングが、記憶層２３とセンス層２１との間で発生する。当該双極子カップリングは、第１記憶磁化方向２３４によって誘導される第１漂遊局所磁界５５と、第２記憶磁化方向２３５によって誘導される第２漂遊局所磁界５６とによって引き起こされる。図２は、第１記憶磁化方向２３４及び第２記憶磁化方向２３５をセンス層２１のセンス磁化方向２１１に結合する第１漂遊局所磁界５５及び第２漂遊局所磁界５６を閉じられた磁束線で示す。双極子カップリング又は正味の漂遊局所磁界の大きさが、第１漂遊局所磁界５５と第２漂遊局所磁界５６との和に一致する。同様に、第１漂遊局所磁界５５の大きさが、第１記憶磁化方向２３４に依存し、第２漂遊局所磁界５６の大きさが、第２記憶磁化方向２３５に依存する。第１記憶磁化方向２３４が、第１強磁性層２３１の厚さｔ１によって変化し、第２記憶磁化方向２３５が、第２強磁性層２３２の厚さｔ２によって変化する。第１記憶磁化方向２３４及び第２記憶磁化方向２３５は、限定されないものの、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、並びにＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＮｉ又はＦｅＣｏＣｒのような当該Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの合金のような、様々な自発磁化を有する磁気材料を選択することによって変更されてもよい。第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２との間の反平行結合に起因して、第１記憶磁化方向２３４と第２記憶磁化方向２３５とが、反対方向に配向される。このとき、センス層２１に結合する正味の漂遊局所磁界が、２つの漂遊局所磁界５５，５６間の差に一致する。

一実施の形態によれば、熱アシストされたスイッチング（ＴＡＳ）書き込み操作が：
磁気トンネル接合２を高温閾値に加熱すること、
磁気トンネル接合２が、当該高温閾値に達したときに、第１記憶磁化方向２３４と第２記憶磁化方向２３５とを書き込み状態（書き込みデータ）に切り替えること、そして
当該第１記憶磁化方向２３４と当該第２記憶磁化方向２３５とを書き込み状態に固定するため、当該磁気トンネル接合２を低温閾値に冷却することから成る。

さらに特に、磁気トンネル接合２が、電流線５によって加熱電流を磁気トンネル接合２に通電することによって加熱され得る。この磁気トンネル接合２が、臨界温度Ｔ_Ｃの上にある高温閾値に加熱され得る。反強磁性層２４と第１強磁性層２３１との間の交換結合が、当該高温閾値で消滅し、第１記憶磁化方向２３４がもはやピン止めされない。磁気トンネル接合２が、当該高温閾値に達したと同時に又は短時間の遅延後に、外部の書き込み磁界４２に応じて第１記憶磁化方向２３４及び第２記憶磁化方向２３５を切り替えるため、当該外部の書き込み磁界４２が印加される。特に、大部分の第１記憶磁化方向２３４及び第２記憶磁化方向２３５が、書き込み磁界４２によって整合される。当該高温閾値では、第１強磁性層２３１及び第２強磁性層２３２が、スペーサー層２３３に起因して磁気結合されたままであり、第２記憶磁化方向２３５が、第１記憶磁化方向２３４に対して反平行のままである。第１記憶磁化方向２３４及び第２記憶磁化方向２３５の切り替えが、一般に約１３０エルステッド〜１６０エルステッドの大きさの書き込み磁界４２によって実行され得る。

磁気トンネル接合２の温度が、高温閾値に達した後に、加熱電流３１が、磁気トンネル接合２を冷却するために阻止され得る。書き込み磁界４２が、磁気トンネル接合２の冷却中に維持され得る。この磁気トンネル接合２が、反強磁性層２４の臨界温度Ｔ_Ｃの下にある低温閾値に達すると、当該書き込み磁界４２が遮断される。第１記憶磁化方向２３４が、当該低温閾値で書き込み（又は切り替えられた）状態に固定される。スペーサー層２３３との磁気結合に起因して、第２記憶磁化方向２３５が、第１記憶磁化方向２３４に対して反平行に配向される。書き込み磁界４２が、書き込み電流４１を磁気トンネル接合２とやりとりする磁界線４中に通電することによって印加され得る。この磁界線は、通常は磁気トンネル接合２の上又は下に配置されている。

この代わりに、記憶磁化方向２３１を切り替えることが、スピン偏極電流（図示せず）を磁気トンネル接合２中に通電することから成り得る。このとき、記憶磁化方向２３１が、当該スピン偏極電流の極性に応じて切り替えられる。

したがって、ＭＲＡＭセル１でのデータ書き込みが、記憶層の切り替えられた磁化方向の向きによって決定される、ここではセンス磁化方向２１１の向きに対する第２強磁性層２３２の切り替えられた第２記憶磁化方向２３５の向きによって決定される。上述したように、低論理状態「０」データが、磁気トンネル接合２の低抵抗（Ｒ_ｍｉｎ）に相当し、高論理状態「１」データが、磁気トンネル接合２の高抵抗（Ｒ_ｍａｘ）に相当する。

別の実施の形態では、第１記憶磁化方向２３４を切り替えることが、書き込み磁界４２の方向に応じた方向にセンス磁化２１１を飽和させるような大きさを有する外部の書き込み磁界４２を印加することによって実行される。同様に、当該飽和されたセンス層２１が、センス磁化方向２１１と第１記憶磁化方向２３４及び第２記憶磁化方向２３５との間の結合を閉じられた磁束線状に引き起こすセンス漂遊局所磁界６０を誘導する（図２参照）。さらに特に、第２記憶磁化方向２３５が、第１記憶磁化方向２３４より大きい場合には、例えば、第２強磁性層２３２の厚さｔ２が、第１強磁性層２３１の厚さｔ１より大きいときに（図４（ａ）参照）、第２記憶磁化方向２３５が、センス漂遊局所磁界６０に応じて切り替えられる。スペーサー層２３３との磁気結合に起因して、第１記憶磁化方向２３４が、第２記憶磁化方向２３５と反平行に配向される（又は切り替えられる）。この代わりに、第１記憶磁化方向２３４が、第２記憶磁化方向２３５より大きい場合には、例えば、第１強磁性層２３１の厚さｔ１が、第２強磁性層２３２の厚さｔ２より大きいときに（図４（ｂ）参照）、第１記憶磁化方向２３４が、センス漂遊局所磁界６０に応じて切り替えられる。同様に、スペーサー層２３３との磁気結合に起因して、第２記憶磁化方向２３５が、第１記憶磁化方向２３４と反平行に配向される。第１強磁性層２３１及び第２強磁性層２３２とセンサ層２１との間の距離が、小さく、一般にナノメートルの範囲内にあるので、第１強磁性層２３１及び第２強磁性層２３２は、磁界線４によって発生された書き込み磁界４２よりもセンス磁化方向２１１により効果的に結合される。

センス磁化方向２１１、したがってセンス漂遊局所磁界６０の大きさが、センス層２１の厚さｔ_Ｓによって変更されてもよい。例えば、センス磁化２１１が、センス層２１の厚さｔ_Ｓを増大させることによって増大され得る。一実施の形態では、センス層２１の厚さｔ_Ｓは、センス磁化２１１が第１記憶磁化２３４と第２記憶磁化２３５との和又は正味の記憶磁化より大きいような厚さである。好ましくは、センス層２１の厚さｔ_Ｓは、センス磁化２１１を飽和させるために要求される書き込み磁界４２の大きさが約８０エルステッドより下にあり得る厚さである。センス漂遊局所磁界６０の大きさが、大きい自発磁化を呈する材料を有するセンス層２１を提供することによってさらに増大され得る。さらに、センス磁化２１１を飽和させるために要求される書き込み磁界４２の大きさが、小さい異方性を有するセンス層２１を提供することによってさらに減少され得る。小さい異方性を有するセンス層２１が、このセンス層２１中の最小の異方性を可能にする条件下でこのセンス層２１を薄膜に被覆することによって達成され得る。このような最小の異方性は、図３中に示されたように、ほぼ円形（円形パターン形成）を成すセンス層２１を被覆することによっても達成され得る。さらに特に、図３は、第２記憶磁化方向２３５に対して反平行に配向された第１記憶磁化方向２３４と、第１強磁性層２３１及び第２強磁性層２３２の磁化容易軸に相当する異方性軸７０とを表しているシンセティック記憶層２３の上面図を示す。

ＭＲＡＭセル１の読み出し操作が、第１読み出し磁界５２の第１方向に応じて、センス磁化方向２１１をこの第１方向に整合させるために適合された当該第１読み出し磁界５２を印加することから成る第１読み出しサイクルを有する。当該第１読み出し磁界５２が、第１極性を有する第１読み出し磁界電流５１を磁界線４中に通電することによって印加され得る。次いで、当該センス磁化方向２１１の第１方向が、センス電流３２を磁気トンネル接合２に通電することによって第２記憶磁化方向２３５と比較される。この磁気トンネル接合２に対応する第１抵抗値Ｒ_１が、この磁気トンネル接合２にわたって測定される電圧を発生させる。センス磁化方向２１１が、第１記憶磁化方向２３４に対してほぼ平行に整合されている場合は、第１抵抗値Ｒ_１は小さい（Ｒ_１＝Ｒ_ｍｉｎ）。他方で、センス磁化方向２１１が、第２記憶磁化方向２３５に対してほぼ平行に整合されている場合は、当該測定された第１抵抗値は大きい（Ｒ_１＝Ｒ_ｍａｘ）。ヨーロッパ特許第２２７６０３４号明細書中に記されているように、第１抵抗値Ｒ_１が、一般にＲ_ｍｉｎとＲ_ｍａｘとの中間にある参照抵抗と比較され得る。

好ましくは、ＭＲＡＭに基づくセル１の読み出し操作が、第２読み出し磁界５４の第２方向に応じて、センス磁化方向２１１をこの第２方向に整合させるために適合された当該第２読み出し磁界５４を印加することから成る第２読み出しサイクルをさらに有する。当該第２読み出し磁界５４が、第２極性を有する第２読み出し磁界電流５３を磁界線４中に通電することによって印加され得る。次いで、当該センス磁化方向２１１の第２方向が、センス電流３２を磁気トンネル接合２に通電することによって第２記憶磁化方向２３５と比較される。当該センス電流３２が、この磁気トンネル接合２に通電するときに、この磁気トンネル接合２に対応する第２抵抗値Ｒ_２が、この磁気トンネル接合２にわたって測定される電圧を発生させる。

このとき、ＭＲＡＭセル１内に書き込まれた書き込みデータが、第２抵抗値Ｒ_２と第１読み出しサイクル中に測定された第１抵抗値Ｒ_１との差によって決定され得る。当該第２抵抗値Ｒ_２と第１抵抗値Ｒ_１との差は、磁気トンネルの磁気抵抗又は磁気抵抗ΔＲとも呼ばれる。当該記憶された第２抵抗値Ｒ_２と第１抵抗値Ｒ_１との差が、負又は正の磁気抵抗ΔＲになり得る。

一実施の形態では、記憶層２３をセンス層２１に結合する正味の漂遊局所磁界（又は以下の明細書中では、センス層２１に結合する正味の漂遊局所磁界と略記する）が、約５０エルステッド以下であるように、第１強磁性層２３１の厚さｔ１及び第２強磁性層２３２の厚さｔ２が選択される。

別の実施の形態では、第１漂遊局所磁界５５が、第２漂遊局所磁界とほぼ同じ大きさであるように、第１強磁性層２３１の厚さｔ１及び第２強磁性層２３２の厚さｔ２が選択される。この場合、センス層２１に結合する正味の漂遊局所磁界は、ほぼ零である。当該正味の漂遊局所磁界のその不在中には、センス層２１のスイッチング磁界、つまりセンス磁化方向２１１を切り替えるために要求される第１読み出し磁界５２及び第２読み出し磁界５４が減少される。例えば、当該第１読み出し磁界５２及び第２読み出し磁界５４の大きさが、約２０エルステッドになりうる。当該第１読み出し磁界５２及び第２読み出し磁界５４の大きさが、磁気的に軟質の材料又は低い保持力を呈する材料を使用することによってさらに減少され得る。さらに、当該第１読み出し磁界５２及び第２読み出し磁界５４の大きさが、小さい異方性を有するセンス層２１、例えばほぼ円形を成すセンス層２１を設けることによってさらに減少され得る。しかしながら、センス層２１のスイッチング磁界が減少すると、第１記憶層２３１が、その第１記憶磁化方向２３４に切り替えるために書き込み磁界４２の大きさを増大させることを要求することになる。

さらに別の実施の形態では、センス層２１に結合する正味の漂遊局所磁界が、小さいものの零でないように、第１強磁性層２３１の厚さｔ１及び第２強磁性層２３２の厚さｔ２が選択される。例えば、当該センス層２１に結合する正味の漂遊局所磁界が、約４０エルステッド〜約５０エルステッドでもよい。第１漂遊局所磁界５５と第２漂遊局所磁界５６との大きさがそれぞれ、第１強磁性層２３１の厚さｔ１と第２強磁性層２３２の厚さｔ２とに依存するので、結果として生じる漂遊局所磁界の方向が、当該第１強磁性層２３１の厚さｔ１と第２強磁性層２３２の厚さｔ２とを適切に選択することによって制御され得る。図４（ａ）は、磁気トンネル接合２の構成を示す。この場合、第２強磁性層２３２の厚さｔ２が、第１強磁性層２３１の厚さｔ１より大きい結果、より大きい第２記憶磁化方向２３５及びより大きい第２漂遊局所磁界５６になる。図４（ｂ）は、別の構成を示す。この場合、第１強磁性層２３１の厚さｔ１が、第２強磁性層２３２の厚さｔ２より大きい結果、より大きい第１記憶磁化方向２３４及びより大きい第１漂遊局所磁界５５になる。

この場合、第２読み出しサイクルが、第１読み出しサイクル中に測定された第１抵抗値Ｒ_１を、印加される読み出し磁界の不在中に、例えば第２読み出し磁界５４がほぼ零であるときの磁気トンネル接合２の第２抵抗値Ｒ_２と比較することから成る。換言すれば、当該第２読み出しサイクルが、第１漂遊局所磁界５５と第２漂遊局所磁界５６とから生じる正味の漂遊局所磁界に応じてセンス磁化方向２１１を切り替えることから成る。このセンス磁化方向２１１が、結果として生じる当該正味の漂遊局所磁界に応じて又は最高の大きさを有する第１漂遊局所磁界５５と第２漂遊局所磁界５６とに応じてほぼ平行に配向される。このとき、センス磁化方向２１１の方向が、上述したように第１強磁性層２３１の厚さｔ１と第２強磁性層２３２の厚さｔ２と選択することによって決定され得る。当該センス磁化方向２１１の方向に依存して、第２抵抗値Ｒ_２が、第２記憶磁化方向２３５と平行又は反平行にそれぞれ最小又は最大になる。第２読み出し磁界５４の不在中に実行される当該読み出し操作は、低消費電力を可能にし、また参照抵抗を必要としない。

図示されなかった別の実施の形態では、記憶層２３が、第１強磁性層２３１だけを有する。この第１強磁性層２３１が、読み出し操作中にこの第１強磁性層２３１をセンス層２１に結合する第１漂遊局所磁界５５を誘導し得る。当該第１漂遊局所磁界５５の大きさが、第１記憶磁化方向２３４と第１強磁性層２３１（又は記憶層２３）の厚さとに依存する。一実施の形態では、当該第２読み出しサイクルが、印加される読み出し磁界の不在中に第２抵抗値Ｒ_２を測定することから成る。換言すれば、当該第２読み出しサイクルが、第１強磁性層２３１によって誘導された第１漂遊局所磁界５５によってセンス磁化方向２１１を第２方向に整合させることから成る。このとき、当該センス磁化方向２１１が、第１漂遊局所磁界５５の方向に平行に配向される。

（図示されなかった）磁気記憶装置が、行列状に配置された複数のＭＲＡＭセル１から構成され得る。さらに、この磁気記憶装置は、これらのＭＲＡＭセル１を横列に沿って接続する１つ又は複数の磁界線４と、縦列に沿ってこれらのＭＲＡＭセル１に結合された１つ又は複数の電流線５とを有し得る。さらに、この磁気記憶装置は、デバイスパッケージを有し得る。当該複数のＭＲＡＭセル１が、このデバイスパッケージ内に配置されている。

１ 磁気ランダムアクセスメモリ
２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２１１ センス磁化（方向）
２２ トンネル障壁層
２３ シンセティック記憶層
２３１ 第１強磁性層
２３２ 第２強磁性層
２３３ スペーサー層
２３４ 第１記憶磁化（方向）
２３５ 第２記憶磁化（方向）
２４ 反強磁性層
２５ 電極
３１ 加熱電流
３２ センス電流
４ 磁界線
４１ 書き込み電流
４２ 書き込み磁界
５ 電流線
５１ 第１読み出し磁界電流
５２ 第１読み出し磁界
５３ 第２読み出し磁界電流
５４ 第２読み出し磁界
５５ 第１漂遊局所磁界
５６ 第２漂遊局所磁界
６０ センス漂遊局所磁界
７０ 異方性軸
Ｒ_１ 第１抵抗値
Ｒ_２ 第２抵抗値
Ｔ_Ｃ 臨界温度
ｔ１ 第１強磁性層の厚さ
ｔ２ 第２強磁性層の厚さ
ｔ_Ｓ センス層の厚さ

Claims (10)

1. 磁気トンネル接合を有する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルにおいて、
   当該磁気トンネル接合が、第１記憶磁化方向を呈する第１強磁性層、第２記憶磁化方向を呈する第２強磁性層及びこの第１強磁性層とこの第２強磁性層との間のスペーサー層から形成されたシンセティック記憶層、可逆性であるセンス磁化方向を呈するセンス層並びに前記センス層と前記記憶層との間のトンネル障壁層から構成され、
   前記第１記憶磁化方向が、前記第２記憶磁化方向とほぼ反平行に配向されるように、前記スペーサー層が、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とを機械的に結合し、
   前記第１記憶磁化方向が、第１漂遊局所磁界を誘導し、前記第２記憶磁化方向が、第２漂遊局所磁界を誘導し、前記第１漂遊局所磁界と前記第２漂遊局所磁界との差が、前記センス層に結合する正味の漂遊局所磁界に相当し、
   前記センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が、約５０エルステッド未満であるように、前記第１強磁性層の厚さと前記第２強磁性層の厚さとが選択される当該磁気ランダムアクセスメモリセル。
2. 前記センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が、ほぼ零であるように、前記第１強磁性層の厚さと前記第２強磁性層の厚さとが選択される請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリセル。
3. 前記センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が、約４０エルステッド〜約５０エルステッドであるように、前記第１強磁性層の厚さと前記第２強磁性層の厚さとが選択される請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリセル。
4. 複数の磁気ランダムアクセスメモリセルから構成された磁気記憶装置において、
   各磁気ランダムアクセスメモリセルが、磁気トンネル接合を有し、
   当該磁気トンネル接合が、第１記憶磁化方向を呈する第１強磁性層、第２記憶磁化方向を呈する第２強磁性層及びこの第１強磁性層とこの第２強磁性層との間のスペーサー層から形成されたシンセティック記憶層、可逆性であるセンス磁化方向を呈するセンス層並びに前記センス層と前記記憶層との間のトンネル障壁層から構成され、
   前記第１記憶磁化方向が、前記第２記憶磁化方向とほぼ反平行に配向されるように、前記スペーサー層が、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とを機械的に結合し、
   前記第１記憶磁化方向が、第１漂遊局所磁界を誘導し、前記第２記憶磁化方向が、第２漂遊局所磁界を誘導し、前記第１漂遊局所磁界と前記第２漂遊局所磁界との差が、前記センス層に結合する正味の漂遊局所磁界に相当し、
   前記センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が、約５０エルステッド未満であるように、前記第１強磁性層の厚さと前記第２強磁性層の厚さとが選択される当該磁気記憶装置。
5. 磁気トンネル接合を有する磁気ランダムアクセスメモリセルに書き込むための方法において、
   当該磁気トンネル接合が、第１記憶磁化方向を呈する第１強磁性層、第２記憶磁化方向を呈する第２強磁性層及びこの第１強磁性層とこの第２強磁性層との間のスペーサー層から形成されたシンセティック記憶層、可逆性であるセンス磁化方向を呈するセンス層並びに前記センス層と前記記憶層との間のトンネル障壁層から構成され、
   前記第１記憶磁化方向が、前記第２記憶磁化方向とほぼ反平行に配向されるように、前記スペーサー層が、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とを機械的に結合し、
   前記第１記憶磁化方向が、第１漂遊局所磁界を誘導し、前記第２記憶磁化方向が、第２漂遊局所磁界を誘導し、前記第１漂遊局所磁界と前記第２漂遊局所磁界との差が、前記センス層に結合する正味の漂遊局所磁界に相当し、
   前記センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が、約５０エルステッド未満であるように、前記第１強磁性層の厚さと前記第２強磁性層の厚さとが選択され、
   当該方法は、前記磁気トンネル接合を高温閾値に加熱すること、及び
   この磁気トンネル接合が、前記高温閾値に達すると、前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とを、データを前記記憶層に書き込む向きに切り替えることから成り、
   前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向との磁化の向きを切り替えることは、外部の書き込み磁界を印加することから成る当該方法。
6. 当該書き込み磁界は、約１３０エルステッド〜約１６０エルステッドである大きさで印加される請求項５に記載の方法。
7. 当該第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とを切り替えることが、外部の前記書き込み磁界の方向に応じて前記センス磁化方向を一方向に飽和させるような大きさを有する前記書き込み磁界を印加することから成り、前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とが、当該飽和されたセンス磁化方向によって誘導されたセンス漂遊局所磁界に応じて切り替えられる請求項５に記載の方法。
8. 前記センス層の厚さは、前記センス磁化方向が前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向との和より大きいような厚さである請求項７に記載の方法。
9. 磁気トンネル接合を有する磁気ランダムアクセスメモリセルを読み出すための方法において、
   当該磁気トンネル接合が、第１記憶磁化方向を呈する第１強磁性層、第２記憶磁化方向を呈する第２強磁性層及びこの第１強磁性層とこの第２強磁性層との間のスペーサー層から形成されたシンセティック記憶層、可逆性であるセンス磁化方向を呈するセンス層並びに前記センス層と前記記憶層との間のトンネル障壁層から構成され、
   前記第１記憶磁化方向が、前記第２記憶磁化方向とほぼ反平行に配向されるように、前記スペーサー層が、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とを機械的に結合し、
   前記第１記憶磁化方向が、第１漂遊局所磁界を誘導し、前記第２記憶磁化方向が、第２漂遊局所磁界を誘導し、前記第１漂遊局所磁界と前記第２漂遊局所磁界との差が、前記センス層に結合する正味の漂遊局所磁界に相当し、
   前記センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が、約５０エルステッド未満であるように、前記第１強磁性層の厚さと前記第２強磁性層の厚さとが選択され、
   当該方法は、前記センス磁化方向を第１読み出し磁界を印加することによって第１方向に整合し、
   前記記憶磁化方向の向きに対する前記センス磁化方向の前記第１方向によって決定された前記磁気トンネル接合の第１抵抗を測定し、
   前記センス磁化方向を第２方向に整合し、
   前記記憶磁化方向の向きに対する前記センス磁化方向の前記第２方向によって決定された前記磁気トンネル接合の第２抵抗を測定し、
   前記第１抵抗値と前記第２抵抗値との差を測定することから成り、
   当該センス磁化方向を第２方向に整合することは、約５０エルステッド以下の大きさを有する第２読み出し磁界を印加することから成る当該方法。
10. 前記センス層に結合する前記正味の漂遊局所磁界が、ほぼ零であるか又は約４０エルステッド〜約５０エルステッドであるように、前記第１強磁性層の厚さと前記第２強磁性層の厚さとが選択される請求項９に記載の方法。

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