JP2013110417A

JP2013110417A - 最適化された信頼性を有する自己参照ｍｒａｍセル

Info

Publication number: JP2013110417A
Application number: JP2012256066A
Authority: JP
Inventors: Lucian Prejbeanu Ioan; ヨアン・リュスィアン・プルジブアニュ
Original assignee: Crocus Technology SA
Current assignee: Crocus Technology SA
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2013-06-06
Also published as: KR20130056840A; RU2012150042A; EP2597692A1; CN103137856A; TW201342677A; US20130128659A1; RU2591643C2; CN103137856B; TWI529986B; EP2597693B1; US8885397B2; EP2597693A1

Abstract

【課題】ＭＲＡＭセルに比べてより高い温度で確実に書き込まれ得る熱アシストされた書き込み操作と自己参照読み出し操作とに適した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】メモリセルは、第１部分２’と第２部分２”とを有する磁気トンネル接合部分から構成され、各部分が、記憶層２３，２４とセンス層２１，２２とトンネル障壁層２５，２６とから構成され、この磁気トンネル接合が、当該２つの記憶層との間に反強磁性層２０をさらに有し、これらの記憶層の各々の記憶磁化方向を臨界温度未満でピン止めし、これらの記憶磁化方向を臨界温度以上で自由にする。
【選択図】図１

Description

分野
本発明は、従来のＭＲＡＭセルに比べてより高い温度で確実に書き込まれ得る熱アシストされた書き込み操作と自己参照読み出し操作とに適した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに関する。

背景
一般に、いわゆる自己参照読み出し操作を使用する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、第１安定方向から第２安定方向に変更され得る磁化方向を呈する磁気記憶層と、薄い絶縁層と、可逆な磁化方向を呈するセンス層とから形成された磁気トンネル接合を有する。自己参照ＭＲＡＭセルは、書き込み読み出し操作を低い電力消費と向上された速度とで実施可能にする。当該自己参照読み出し操作は、同出願人によるヨーロッパ特許出願公開第２２７６０３４号明細書中に記されている。一般に、当該自己参照読み出し操作は、二重サンプリングとして構成される。この場合、センス層の磁化方向が、第１磁化方向と第２磁化方向とに合わせられ、磁気トンネル接合の当該それぞれの抵抗が、各方向に対して測定される。

自己参照ＭＲＡＭセルは、ユーザー権限若しくはセキュリティ用の、又は、ハイパフォーマンス・データスイッチ、ファイヤーウォール、ブリッジ及びルーターのためのパケット・バイ・パケット・ベースに関する暗号情報を含むセキュリティアプリケーション用の、ＭＲＡＭに基づいた不揮発性の連想メモリセルで有益に使用され得る。自己参照ＭＲＡＭセルは、減少された歩留りで機能メモリを製作するためにも高温アプリケーションのためにも有益である。

ヨーロッパ特許第２２７６０３４号明細書

高温アプリケーションの場合には、ＭＲＡＭセルを高温に加熱するため、電流パルスが、磁気トンネル接合に通電される。この電流パルスは、薄い絶縁層を相当な電気応力に曝しやすい。磁気トンネル接合にわたって印加された電圧が、当該絶縁層の破壊電圧に達しうるか又はこの破壊電圧を超えうる。当該絶縁層にわたって印加された電圧が、その破壊電圧より低いときでも、電流パルスに関連された電気応力が、長期間に、特に何回もの電圧サイクル後に、例えば複数の書き込みサイクル中に相当な老化効果をもたらしうる。

概要
本発明は、熱アシスト（ＴＡ）された書き込み操作と自己参照読み出し操作とに適した磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに関する。当該磁気ランダムアクセスメモリセルは、磁気トンネル接合部分から構成される。この磁気トンネル接合部分は、第１部分と第２部分とを有する。この第１部分は、第１記憶磁化方向を呈する第１記憶層と、第１自由磁化方向を呈する第１センス層と、この第１記憶層とこの第１センス層との間の第１トンネル障壁層とから構成される。この第２部分は、第２記憶磁化方向を呈する第２記憶層と、第２自由磁化方向を呈する第２センス層と、この第２記憶層とこの第２センス層との間の第２トンネル障壁層とから構成される。この磁気トンネル接合部分は、この第１記憶層とこの第２記憶層との間に構成された反強磁性層をさらに有し、低温閾値でこの第１記憶磁化方向とこの第２記憶磁化方向とをピン止めし、高温閾値でこの第１記憶磁化方向とこの第２記憶磁化方向とを自由にする。この場合、書き込み操作中は、書き込み磁界が印加されるときに、第１自由磁化方向及び第２自由磁化方向が、この書き込み磁界の方向に応じて磁気飽和可能である。この場合、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とが、一方向にほぼ平行にあり且つ飽和した第１自由磁化方向及び第２自由磁化方向に一致して切り替え可能である。

一実施の形態では、第１磁気トンネル接合部分が、第２磁気トンネル接合部分の第２抵抗面積にほぼ等しい第１抵抗面積を有するように、ＭＲＡＭセルがさらに構成され得る結果、このＲＡＭセルの磁気抵抗比が、書き込み操作中にほとんど変更されないままである。

さらに、本発明は、熱アシストされた書き込み操作を使用して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で加熱し、
第１記憶磁化方向及び第２記憶磁化方向を切り替え、
この第１記憶磁化方向及びこの第２記憶磁化方向を当該書き込み状態に固定するため、ＭＲＡＭセルを臨界温度未満に冷却することから成る。この場合、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とが、ほぼ同時に一方向に互いにほぼ平行に切り替えられる。当該切り替えは、書き込み磁界の方向にしたがって第１自由磁化方向及び第２自由磁化方向を磁気飽和させるように、この書き込み磁界を印加することから成り、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とが、ほぼ同時に一方向に互いにほぼ平行に切り替えられ得る。

第１トンネル障壁層と第２トンネル障壁層とから構成されている磁気トンネル接合を有する開示されたＭＲＡＭセルの構成は、当該磁気トンネル接合が高温閾値に加熱されるときに、ただ１つの障壁層を有する磁気トンネル接合に比べて、この第１トンネル障壁層とこの第２トンネル障壁層とに印加される電圧を下げることを可能にする。したがって、当該開示されたＭＲＡＭセルの磁気トンネル接合は、これらのトンネル障壁層の絶縁破壊及び老化の危険を最小限にしつつ効果的に加熱され得る。
可能な実施の形態の詳細な説明

一実施の形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１を示す。

可能な実施の形態の詳細な説明
本発明は、一実施の形態による磁気ランダムアクセスメモリを示す例によって与えられ且つ図１によって示された一実施の形態の説明を用いてより良好に理解される。

図１は、一実施の形態によるランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１を示す。このＭＲＡＭセル１は、第１記憶磁化方向２３１を呈する第１記憶層２３と、第１自由磁化方向２１１を呈する第１センス層２１と、この第１記憶層２３とこの第１センス層２１との間の第１トンネル障壁層２５とを有する第１部分２′を備える磁気トンネル接合２から構成される。さらにこの磁気トンネル接合２は、第２記憶磁化方向２３２を呈する第２記憶層２４と、第２自由磁化方向２１２を呈する第２センス層２２と、この第２記憶層２４とこの第２センス層２２との間の第２トンネル障壁層２６とを有する第２部分２″を備える。さらにこの磁気トンネル接合２は、この第１記憶層２３とこの第２記憶層２４との間に構成され、この反強磁性層２０の臨界温度より低い低温閾値でこの第１記憶磁化方向２３１とこの第２記憶磁化方向２３２とをピン止めし、この臨界温度以上の高温閾値でこの第１記憶磁化方向２３１とこの第２記憶磁化方向２３２とを自由にする反強磁性層２０を有する。

一実施の形態では、ＭＲＡＭセル１の熱アシスト（ＴＡ）された書き込み操作が：
磁気トンネル２を高温閾値まで加熱し、
第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２とを切り替え、
この第１記憶磁化方向２３１とこの第２記憶磁化方向２３２とをこれらの磁化方向の書き込み状態中に固定するため、この磁気トンネル接合２を低温閾値で冷却するステップから成り得る。

第１記憶層２３と第２記憶層２４とが反強磁性層２０の各側に対称に配置されている磁気トンエル接合２の構成は、第２記憶磁化方向２３２に対してほぼ同時に且つほぼ平行な方向に第１記憶磁化方向３２１を切り替える。

一実施の形態では、ＭＲＡＭセル１が、磁気トンネル接合２とやりとりする界磁線５をさらに有する。この界磁線５が、この界磁線５とほぼ垂直にある方向に沿って第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２とを切り替えできる書き込み磁界５２を発生させるために適合された界磁電流５１を通電するために配置されている。ＭＲＡＭセル１を加熱することが、磁気トンネル接合２に電気接続している電流線４を通じてこの磁気トンネル接合２中に加熱電流３１を通電することによって実施され得る（図１参照）。この代わりに、この電流線４は、書き込み磁界５２を発生するように意図された界磁電流５１を通電するために使用されてもよい。磁気トンネル接合２が、低温閾値まで冷却されると、第１記憶磁化方向２３１が、書き込み磁界５２の方向にしたがって切り換えられた方向にピン止めされる、つまり書き込まれた方向にピン止めされる。

磁気異方性を界磁線５とほぼ垂直にある方向に配向させるように、第１記憶層２３と第２記憶層２４とが構成されている結果、第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２とが、書き込み磁界５２を印加することによってほぼ同時に且つほぼ同じ方向に切り替えられる。

別の実施の形態では、第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２とを切り替えることが、書き込み磁界５２の方向にしたがって第１自由磁化方向２１１を一方向に飽和させる大きさを有するこの書き込み磁界５２を印加することによって実施される。同様に、第１記憶磁化方向２３１を飽和された第１自由磁化方向２１１の方向に配向させるように、当該飽和された第１自由磁化方向２１１が、第１記憶磁化方向２３１に閉じられた磁束構造で電磁結合する第１漂遊局所磁界６０を誘導する。この書き込み磁界５２は、第２自由磁化方向２１２をこの書き込み磁界５２の方向に飽和させるようにも配置されている。第２記憶磁化方向２３２を飽和された第２自由磁化方向２１２の方向に配向させるように、当該飽和された第２自由磁化方向２１２が、この第２自由磁化方向２１２を第２記憶磁化方向２３２に閉じられた磁束構造で電磁結合する第２漂遊局所磁界６１を誘導する。第１漂遊局所磁界６０及び第２漂遊局所磁界６１の双方が、同じ方向に配向されるので、この第１漂遊局所磁界６０が、第２記憶磁化方向２３２も飽和された第１自由磁化方向２１１の方向に配向させ、この第２漂遊局所磁界６１が、第１記憶磁化方向２３１を飽和された第２自由磁化方向２１２の方向に配向させる。すなわち、第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２とが、第１漂遊局所磁界６０と第２漂遊局所磁界６１との和に一致する正味の漂遊磁界にしたがって切り替えられる。

第１自由磁化方向２１１及び第２自由磁化方向２１２、すなわち第１漂遊局所磁界６０及び第２漂遊局所磁界６１の大きさが、第１センス層２１及び第２センス層２２の厚さを変えることによって変更され得る。一実施の形態では、第１センス層２１及び第２センス層２２の厚さは、第１自由磁化方向２１１と第２自由磁化方向２１２との各々が第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２との和より大きいような厚さである。好ましくは、好ましくは、第１センス層２１の厚さは、当該自由磁化層２１１，２１２を飽和させるために要求される書き込み磁界５２の大きさが約８０エルステッド未満であり得るような厚さである。第１漂遊局所磁界６０及び第２漂遊局所磁界６１の大きさは、大きい自発磁化を呈する材料を有する当該センス層２１，２２を提供することによってさらに増大され得る。さらに、当該自由磁化方向２１１，２１２を飽和させるために要求される書き込み磁界５２の大きさが、小さい異方性を呈する当該センス層２１，２２を提供することによってさらに減少され得る。

第１記憶層２３と第１センス層２１との間の距離並びに第２記憶層２４と第２センス層２２との間の距離が小さく、一般にナノメートルのレンジ内にあるので、第１記憶磁化方向２３１及び第２記憶磁化方向２３２は、界磁線５（又は電流線４）によって生成された書き込み磁界５２に電磁結合されるよりも、第１自由磁化方向２１１及び第２自由磁化方向２１２に電磁結合されるほうがより効果的に電磁結合される。

別の実施の形態では、ＭＲＡＭセル１を読み出すための自己参照方法が：
第１自由磁化方向２１１及び第２自由磁化方向２１２を第１読み出し方向に調整し、
第１接合抵抗値Ｒ_１を測定し、
この第１自由磁化方向２１１及びこの第２自由磁化方向２１２を第２読み出し方向に調整し、
第２接合抵抗値Ｒ_２を測定することから成る。

一実施の形態では、第１自由磁化方向２１１及び第２自由磁化方向２１２を第１読み出し方向に調整することが、界磁線５中に第１極性を有する読み出し界磁電流５３を通電することによって第１方向を呈する読み出し磁界５４を印加することから成る。第１自由磁化方向２１１及び第２自由磁化方向２１２を第２読み出し方向に調整することが、界磁線５中に第２極性を有する読み出し界磁電流５３を通電することによって第２方向を呈する読み出し磁界５４を印加することから成る。磁気異方性を界磁線５とほぼ垂直にある方向に配向させるように、第１センス層２１と第２センス層２２とが構成されている結果、読み出し磁界５４を第１自由磁化方向と第２自由磁化方向とのそれぞれ印加するときに、この第１自由磁化方向２１１とこの第２自由磁化方向２１２とが、ほぼ同時に且つほぼ同じ第１自由磁化方向と第２自由磁化方向とに調整される。第１接合抵抗値Ｒ_１と第２接合抵抗値Ｒ_２とを測定することが、電流線４を通じて磁気トンネル接合２中に読み出し電流３２を通電することによって実施され得る。

磁気トンネル接合２の第１部分２′が、磁気トンネル接合２の第２部分２″の第２抵抗面積ＲＡ_２にほぼ等しい第１抵抗面積ＲＡ_１を有するように、ＭＲＡＭセル１がさらに構成されている。書き込み操作中は、第１記憶磁化方向２３１が、第２記憶磁化方向２３２に対してほぼ平行に切り替えられるので、ＭＲＡＭセル１の磁気抵抗比ＭＲが、この書き込み操作によってほとんど変更されないままである。ここでは、当該磁気抵抗比ＭＲは：

ＭＲ＝（Ｒ_２−Ｒ_１）／Ｒ_１（方程式１）

によって定義される。

この場合、Ｒ_１は、第１自由磁化方向２１１と第２自由磁化方向２１２とが第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２とに対してほぼ平行に調整されているときに測定された磁気トンネル接合２の低い抵抗であり、Ｒ_２は、第１自由磁化方向２１１と第２自由磁化方向２１２とが第１記憶磁化方向２３１と第２記憶磁化方向２３２とに対してほぼ反平行に調整されているときに測定された磁気トンネル接合２の高い抵抗である。

一実施の形態では、第１トンネル障壁層２５及び第２トンネル障壁層２６が、Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＯから成る。この第１トンネル障壁層２５とこの第２トンネル障壁層２６とは、ほぼ同じ厚さを有してもよい。第１センス層２１と第２センス層２２とも、ほぼ同じ厚さを有してもよい。

１磁気ランダムアクセスメモリセル
２磁気トンネル接合
２′ 第１部分
２″ 第２部分
２０反強磁性層
２１第１センス層
２２第２センス層
２３第１記憶層
２４第２記憶層
２５第１トンネル障壁層
２６第２トンネル障壁層
２１１第１自由磁化方向
２１２第２自由磁化方向
２３１第１記憶磁化方向
２３２第２記憶磁化方向
２４第１反強磁性層
３１加熱電流
３２読み出し電流
４電流線
５界磁線
５１書き込み電流
５２書き込み磁界
５３読み出し界磁電流
５４読み出し磁界
６０第１漂遊局所磁界
６１第２漂遊局所磁界
ＭＲ磁気抵抗比
Ｒ_１低い抵抗
Ｒ_２高い抵抗
ＲＡ_１第１抵抗面積
ＲＡ_２第２抵抗面積

Claims

熱アシストされた書き込み操作と自己参照読み出し操作とに適し、或る磁気抵抗比を有する磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルにおいて、
前記磁気ランダムアクセスメモリセルが、磁気トンネル接合部分を有し、
この磁気トンネル接合部分が、第１部分と第２部分とを有し、
この第１部分が、第１記憶磁化方向を呈する第１記憶層と、第１自由磁化方向を呈する第１センス層と、この第１記憶層とこの第１センス層との間の第１トンネル障壁層とから構成され、
前記第２部分が、第２記憶磁化方向を呈する第２記憶層と、第２自由磁化方向を呈する第２センス層と、この第２記憶層とこの第２センス層との間の第２トンネル障壁層とから構成され、
前記磁気トンネル接合部分が、前記第１記憶層と前記第２記憶層との間に構成された反強磁性層をさらに有し、低温閾値で前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とをピン止めし、高温閾値でこの第１記憶磁化方向とこの第２記憶磁化方向とを自由にし、
書き込み操作中は、書き込み磁界が印加されるときに、前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向が、この書き込み磁界の方向に応じて磁気飽和可能であり、
前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とが、一方向にほぼ平行にあり且つ飽和した前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向に一致して切り替え可能である当該磁気ランダムアクセスメモリセル。
前記第１自由磁化方向と前記第２自由磁化方向とが、読み出し操作中にほぼ同時に且つ一方向にほぼ平行に調整されるように、前記磁気ランダムアクセスメモリセルが構成れている請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリセル。
前記第１磁気トンネル接合部分が、前記第２磁気トンネル接合部分の第２抵抗面積にほぼ等しい第１抵抗面積を有するように、前記磁気ランダムアクセスメモリセルがさらに構成されている結果、この磁気ランダムアクセスメモリセルの前記磁気抵抗比が、前記書き込み操作中にほとんど変更されないままである請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリセル。
前記第１トンネル障壁層及び前記第２トンネル障壁層は、Ａｌ_２Ｏ_３又はＭｇＯから成る請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリセル。
前記第１トンネル障壁層及び前記第２トンネル障壁層は、ほぼ同じ厚さを有する請求項１に記載の磁気ランダムアクセスメモリセル。
或る磁気抵抗比を有し且つ磁気トンネル接合部分から構成されてい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、
前記磁気ランダムアクセスメモリセルが、磁気トンネル接合部分を有し、
この磁気トンネル接合部分が、第１部分と第２部分とを有し、
この第１部分が、第１記憶磁化方向を呈する第１記憶層と、第１自由磁化方向を呈する第１センス層と、この第１記憶層とこの第１センス層との間の第１トンネル障壁層とから構成され、
前記第２部分が、第２記憶磁化方向を呈する第２記憶層と、第２自由磁化方向を呈する第２センス層と、この第２記憶層とこの第２センス層との間の第２トンネル障壁層とから構成され、
前記磁気トンネル接合部分が、前記第１記憶層と前記第２記憶層との間に構成された反強磁性層をさらに有し、低温閾値で前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とをピン止めし、高温閾値でこの第１記憶磁化方向とこの第２記憶磁化方向とを自由にし、
書き込み操作中は、書き込み磁界が印加されるときに、前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向が、この書き込み磁界の方向に応じて磁気飽和可能であり、
前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とが、一方向にほぼ平行にあり且つ飽和した前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向に一致して切り替え可能であり、
当該方法は、前記磁気トンネル接合を高温閾値で加熱し、前記第１記憶磁化方向及び前記第２記憶磁化方向を切り替え、この第１記憶磁化方向及びこの第２記憶磁化方向を当該書き込み状態に固定するため、前記磁気ランダムアクセスメモリセルを前記低温閾値に冷却することから成り、
当該切り替えが、前記書き込み磁界の方向にしたがって前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向を磁気飽和させるように、この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、ほぼ同時に一方向に互いにほぼ平行に切り替えられる当該書き込むための方法。
前記磁気ランダムアクセスメモリセルは、前記第１磁気トンネル接合部分及び前記第２磁気トンネル接合とやりとりする界磁線をさらに有し、
前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向との当該切り替えが、界磁電流を前記界磁線に通電することで発生された磁界によって実施される請求項６に記載の書き込むための方法。
或る磁気抵抗比を有し且つ磁気トンネル接合部分から構成されてい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、
前記磁気ランダムアクセスメモリセルが、磁気トンネル接合部分を有し、
この磁気トンネル接合部分が、第１部分と第２部分とを有し、
この第１部分が、第１記憶磁化方向を呈する第１記憶層と、第１自由磁化方向を呈する第１センス層と、この第１記憶層とこの第１センス層との間の第１トンネル障壁層とから構成され、
前記第２部分が、第２記憶磁化方向を呈する第２記憶層と、第２自由磁化方向を呈する第２センス層と、この第２記憶層とこの第２センス層との間の第２トンネル障壁層とから構成され、
前記磁気トンネル接合部分が、前記第１記憶層と前記第２記憶層との間に構成された反強磁性層をさらに有し、低温閾値で前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とをピン止めし、高温閾値でこの第１記憶磁化方向とこの第２記憶磁化方向とを自由にし、
書き込み操作中は、書き込み磁界が印加されるときに、前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向が、この書き込み磁界の方向に応じて磁気飽和可能であり、
前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とが、一方向にほぼ平行にあり且つ飽和した前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向に一致して切り替え可能であり、
当該方法は、前記第１自由磁化方向及び前記第２自由磁化方向を第１読み出し方向に調整し、第１接合抵抗値を測定し、この第１自由磁化方向及びこの第２自由磁化方向を第２読み出し方向に調整し、第２接合抵抗値を測定することから成り、
前記第１自由磁化方向と前記第２自由磁化方向とに調整することは、同時に実施される当該読み出すための方法。
前記磁気ランダムアクセスメモリセルは、前記第１磁気トンネル接合部分及び前記第２磁気トンネル接合とやりとりする界磁線をさらに有し、
前記第１自由磁化方向と前記第２自由磁化方向とを第１読み出し方向と第２読み出し方向とに調整することは、読み出し電流を前記界磁線中に通電することによって読み出し磁界を印加することから成り、この読み出し磁界が、第１方向とこの第１方向とは反対の第２方向とをそれぞれ有する請求項８に記載の読み出すための方法。