JP2013138202A - スピン注入書き込み操作を使用してセルに書き込むための自己参照磁気ランダムアクセスメモリセル及び方法 - Google Patents

スピン注入書き込み操作を使用してセルに書き込むための自己参照磁気ランダムアクセスメモリセル及び方法 Download PDF

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Abstract

【課題】磁気トンネル接合を有する自己参照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を提供する。
【解決手段】磁気トンネル接合２が、第１記憶磁化方向２３４を呈する第１強磁性層２３１と第２記憶磁化方向２３５を呈する第２強磁性層２３２とを有する記憶層２３、第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２とを分離する非磁性の接合層２３３、自由なセンス磁化方向を呈するセンス層２１、及びこのセンス層とこの記憶層との間に挿入されたトンネル障壁層２２から構成されていて、記憶層２３とセンス層２１との間の双極子カップリングが、ほぼ零であるように、第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２とが配置されている。スピン分極電流を磁気トンネル接合２中に通電することによって第２強磁性磁化方向２３５を切り替えることから成り、スピン分極電流３１が、センス層２１中に通電するときに、センス磁化方向の方向に応じて分極される。
【選択図】図１

Description

分野
本発明は、スピン注入書き込み操作を使用して低消費電力で磁気参照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ＭＲＡＭセルは、磁化方向が第１安定方向から第２安定方向に変更され得る当該磁化方向を呈する磁気記憶層と薄い絶縁層と双方向の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、書き込み操作及び読み出し操作を低い消費電力及び向上された速度で実行することを可能にする。さらに、自己参照ＭＲＡＭセルは、歩留りの少ない機能メモリを製作するために有益であり且つ高温及びセキュリティーアプリケーションに対して有益である。
しかしながら、閉じられた磁束の形態でセンス層の磁化方向を記憶層の磁化方向に結合させる局所漂遊磁界に起因して、双極子カップリングが、この記憶層とこのセンス層との間で発生する。したがって、センス層の磁化方向を切り替えることは、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の循環磁界を印加するときに、ヒステリシスループをシフト（又はバイアス）させる。当該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よって決まり、且つ磁気トンネル接合のサイズによって決まる。特に、双極子カップリングは、磁気トンネル接合の直径が減少すると共に増大し、したがってＭＲＡＭセルをより小さくするときに重大な問題になりうる。
センス層の上の記憶層によって発生された漂遊磁界が、特にＭＲＡＭセルの読み出し操作中に電力消費を増大させる。さらに、例えば合成記憶層を使用して当該漂遊磁界を減少させると、センス層の磁化方向を切り替える磁界が強くなりうる。
概要
本発明は、磁気トンネル接合を有する自己参照ＭＲＡＭセルに書き込むための方法に関する。この磁気トンネル接合は、第１記憶磁化方向を呈する第１強磁性層と第２記憶磁化方向を呈する第２強磁性層とを有する記憶層、この第１強磁性層とこの第２強磁性層とを分離する非磁性の接合層、自由なセンス磁化方向を呈するセンス層、及びこのセンス層とこの記憶層との間に挿入されたトンネル障壁層から構成される。前記記憶層と前記センス層との間の双極子カップリングが、ほぼ零であるように、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とが配置される。当該方法は、スピン分極電流を前記磁気トンネル接合中に通電することによって当該第２強磁性磁化方向を切り替えることから成り得る。この場合、当該スピン分極電流が、前記センス層中に通電するときに、前記センス磁化方向の方向に応じて分極される。
一実施の形態では、前記センス磁化方向の方向は、前記第２強磁性磁化方向を切り替える前に、磁界を印加することによって決定され得る。
別の実施の形態では、前記センス層は、前記センス磁化方向の方向を安定化するために形状異方性又は結晶磁気異方性を有し得る。
さらに別の実施の形態では、前記第２強磁性磁化方向の切り替え方向は、前記スピン分極電流の極性によって決定され得る。
さらに別の実施の形態では、前記センス磁化方向の方向は、前記第２強磁性磁化方向の切り替え中に磁界を印加することによって決定され得る。
さらに別の実施の形態では、前記センス磁化方向の方向は、印加された前記磁界の方向によって決定され得る。
ここで開示された方法は、低い消費電力でＭＲＡＭセルに書き込むことを可能にする。
一実施の形態による自己参照磁気ランダムアクセスメモリセル１を示す。 一実施の形態によるスピン注入（ＳＴＴ）に基づく書き込み操作を示す。 一実施の形態によるスピン注入（ＳＴＴ）に基づく書き込み操作を示す。 別の実施の形態によるスピン注入（ＳＴＴ）に基づく書き込み操作を示す。 別の実施の形態によるスピン注入（ＳＴＴ）に基づく書き込み操作を示す。
可能な実施の形態の詳細な説明
本発明は、例によって与えられ且つ図面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自己参照磁気ランダムアクセスメモリセル１を示す。このＭＲＡＭセル１は、記憶層２３と、第１センス磁化方向２１１を呈するセンス層２１と、この記憶層２３とこのセンス層２１との間に挿入されたトンネル障壁層２２とから成る磁気トンネル接合２を有する。記憶層２３は、好ましくは、第１記憶磁化方向２３４を呈する第１強磁性層２３１と、第２記憶磁化方向２３５を呈する第２強磁性層２３２と、この第１強磁性層２３１とこの第２強磁性層２３２とを分離する非磁性の結合層２３３とを有する合成記憶層から成る。
第１強磁性磁化方向２３４が、第２強磁性磁化方向２３５と反平行に配向されるように、スペーサー層２３３の寸法（例えば、厚さ）が、第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２とをＲＫＫＹ結合を通じて磁気結合させるために選択されてもよい。当該厚さは、スペーサー層２３３から作られる材料で決定されてもよい。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）等を含むグループから選択された非磁性の材料から構成され得る。一実施の形態では、当該厚さは、約０．２ｎｍ〜３ｎｍに構成されてもよい。しかしながら、２つの強磁性層２３１及び２３２を結合させるためには、その他の厚さも適し得る。好適な実施の形態では、スペーサー層２３３が、ルテニウム（Ｒｕ）から構成され、０．７ｎｍ〜０．９ｎｍに構成される厚さを有する。
図１の代表的な構成では、第２強磁性層２３２の第２強磁性磁化方向２３５を臨界温度未満の低温閾値でピン止めし、臨界温度以上の第２高温閾値でこの第２強磁性磁化方向２３５を自由にするように、合成記憶層２３が、反強磁性層２４と交換結合される。反強磁性層２４が、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ若しくはＦｅＭｎ又は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作られ得る。
双極子カップリングが、記憶層２３とセンス層２１との間に発生しうる。当該層双極子カップリングは、第１強磁性磁化方向２３４と第２強磁性磁化方向２３５とによって誘導される局所漂遊磁界（図示せず）によって引き起こされる。当該双極子カップリングの大きさが、第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２とのそれぞれの厚さによって決定される。当該双極子カップリングの大きさは、様々な任意の磁化方向を呈する第１強磁性層２３１及び第２強磁性層２３２の、排他的でないものの、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＦｅＣｏ、ＮｉＦｅ、ＦｅＣｏＢ、ＦｅＣｏＮｉ又はＦｅＣｏＣｒのようなこれらの合金のような磁気材料を選択することによっても変更され得る。
一実施の形態では、双極子カップリング、すなわち漂遊磁界がほぼ零であるように、第１強磁性層２３１と第２強磁性層２３２との厚さが選択される。この構成では、合成記憶層２３が、完全に補正されていると言える。
一実施の形態によれば、熱アシストされた切り替え（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、この磁気トンネル接合２が、高温閾値に達したときに、第２強磁性磁化方向２３５を書き込み状態に切り替えること、そしてこの第２強磁性層２３５を当該書き込み状態に固定するように、前記磁気トンネル接合２を低温閾値に冷却することから成る。
磁気トンネル接合２を加熱することが、この磁気トンネル接合２に電気接続している電流線５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。
一実施の形態では、書き込まれたＭＲＡＭセル１が、センス磁化方向２１１を第１読み出し方向に調整すること、第１接合抵抗値Ｒ１を測定すること、このセンス磁化方向２１１を第２読み出し方向に調整すること、そして第２接合抵抗値Ｒ２を測定することから成る自己参照読み出し操作を使用して読み出され得る。
センス磁化方向２１１を第１読み出し方向に調整することが、第１極性を呈する界磁電流４１を界磁線４中に通電することによって第１極性を呈する磁界４２を印加することから成り得る。センス磁化方向２１１を第２読み出し方向に調整することは、第１極性と反対の第２極性を呈する界磁電流４１を界磁線４中に通電することによって第１極性とは反対の第２極性を呈する読み出し磁界４２を印加することから成り得る。当該磁界４２は、第１臨界温度未満にある、例えば低温閾値に一致し得る読み出し温度で印加される。この場合、記憶磁化方向２３５が、第１反強磁性層２４によってピン止めされる。第１接合抵抗値Ｒ１と第２接合抵抗値Ｒ２とを測定することが、電流線５を通じて磁気トンネル接合２中にセンス電流３２を通電することによって実施され得る。この代わりに、界磁電流４１が、電流線５中に通電されてもよい。
図２及び３は、一実施の形態によるスピン注入（ＳＴＴ）に基づく書き込み操作を示す。この実施の形態では、センス層２１が、分極層として使用される。ＳＴＴに基づく書き込み操作中に第２強磁性磁化方向２３５を切り替えることが、例えば電流線５を通じて磁気トンネル接合２中にスピン分極電流３１を注入することから成る。スピン分極電流３１の複数のスピンが、センス磁化方向２１１の磁化方向にほぼ沿って配向されるようになる。当該スピン分極電流３１が、第２強磁性磁化方向２３５をセンス磁化方向２１１の方向に一致する方向に切り替えるトルクをこの第２強磁性磁化方向２３５に対して印加する。好適な一実施の形態では、センス層２１が、トンネル障壁層２２に接触している第１強磁性層２３１の厚さより大きい厚さを有する。
さらに、特に図２（ａ）は、初期状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第１強磁性磁化方向２３４と第２強磁性磁化方向２３５とが、反平行に配向されていて、センス磁化方向２１１が、この図の左に向かって配向されている。センス磁化方向２１１の方向は、例えば書き込み操作前の読み出し操作中に印加される磁界４２によって決定され得る。センス磁化方向２１１の方向は、センス層２１、例えば楕円形を呈するセンス層２１の形状異方性によって又は結晶磁気異方性によって安定にされ得る。
図２（ｂ）は、ＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第１極性を呈するスピン分極電流３１が、磁気トンネル接合２中に注入される。当該スピン分極電流３１が、センス層２１に通電するときに、当該スピン分極電流３１の第１極性に応じて分極されるようになる。この構成では、スピン分極電流３１が、第２強磁性磁化方向２３５をセンス磁化方向２１１の方向に一致する方向に切り替える。
図２（ｃ）は、第１書き込み状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第２強磁性磁化方向２３５が、センス磁化方向２１１の方向に合わせて切り替えられる。第１強磁性磁化方向２３４も、ＲＫＫＹ結合によって第２強磁性磁化方向２３５と反平行を維持するように切り替えられる。書き込み後は、第１反強磁性層２４が、強磁性層２３２の磁化方向２３５に対してほぼ平行に配向されるようになる。
図３（ａ）は、図２（ｃ）の書き込み状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第２極性を呈するスピン分極電流３１が、磁気トンネル接合２にわたって注入される。当該スピン分極電流３１が、センス層２１に通電するときに、当該スピン分極電流３１の第２極性に応じて分極されるようになる。この構成では、スピン分極電流３１が、第２強磁性磁化方向２３５を第１書き込み方向とは反対の方向に切り替えるか又はセンス磁化方向２１１の方向に切り替える。
図３（ｂ）は、第２書き込み状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第２強磁性磁化方向２３５が、第２極性を呈するスピン分極電流３１に合わせて切り替えられた。同様に、第１強磁性磁化方向２３４も、ＲＫＫＹ結合によって第２強磁性磁化方向２３５と反平行を維持するように切り替えられる。
当該実施の形態によるＳＴＴに基づく書き込み操作の利点は、書き込み操作が磁界の不在中に実行され得ることである。しかしながら、当該実施の形態によるＳＴＴに基づく書き込み操作は、双方向のスピン分極電流３１を注入するためのバイポーラトランジスタを使用することを必要とする。センス層２１の形状異方性及び／又は結晶磁気異方性によっては、読み出し操作が、より大きい強力な磁界４２も必要としてよい。
図４及び５は、別の実施の形態によるＳＴＴに基づく書き込み操作を示す。さらに、特に図４（ａ）は、初期状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第１強磁性磁化方向２３４と第２強磁性磁化方向２３５とが、反平行に配向されていて、センス磁化方向２１１が、この図の左に向かって配向されている。
図４（ｂ）は、ＭＲＡＭセル１を示す。この場合、磁界４２が、磁界４２に合わせてセンス磁化方向２１１を配向させるように印加される。スピン分極電流３１が、磁界４２を印加しているときに磁気トンネル接合２を通じて注入される。スピン分極電流３１が、磁界４２によって決定されたセンス磁化方向２１１の方向に応じてセンス層２１に通電するときに分極されるようになる。当該スピン分極電流が、第２強磁性磁化方向２３５をセンス磁化方向２１１の方向に一致する方向に切り替えるトルクをこの第２強磁性磁化方向２３５に対して印加する。当該磁界４２は、センス磁化方向２１１だけを切り替えることを許容し、第２強磁性層２３５を切り替えることを許さない程度に小さい。図４（ｂ）の例では、図１中に示されたように、当該磁界が、紙面に流入する界磁電流４１を界磁線４中に通電することによって右に向かって配向されるように印加され得る。
図４（ｃ）は、書き込み状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第２強磁性磁化方向２３５が、センス磁化方向２１１の方向に応じて切り替えられた。第１強磁性磁化方向２３４も、ＲＫＫＹ結合によって第２強磁性磁化方向２３５と反平行を維持するように切り替えられる。
図５（ａ）は、図４（ｃ）の書き込み状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、磁気トンネル接合２中に注入されたスピン分極電流３１が、図４（ｂ）中のスピン分極電流３１と同じ極性を呈する。図５（ａ）では、センス磁化方向が、図４（ｂ）のセンス磁化方向に対して反対の方向に配向されるように、磁界４２が、図４（ｂ）の磁界に対して反対の方向で印加される。センス磁化方向２１１の方向に応じて分極されるスピン分極電流３１が、第２強磁性磁化方向２３５を、図５（ａ）の第１書き込み状態にあるこの第２強磁性磁化方向２３５の方向に対して反対の方向に切り替える。
図５（ｂ）は、第２書き込み状態にあるＭＲＡＭセル１を示す。この場合、第２強磁性磁化方向２３５が、スピン分極電流３１と印加された磁界４２とに応じて切り替えられた。第１強磁性磁化方向２３４も、ＲＫＫＹ結合によって第２強磁性磁化方向２３５と反平行を維持するように切り替えられる。
当該実施の形態によるＳＴＴに基づく書き込み操作の利点は、双方向のスピン分極電流３１を注入することが、バイポーラトランジスタより小さく且つより低い電力消費を呈するユニポーラトランジスタを使用して実行され得ることである。読み出し操作も、より小さい大きさを呈する磁界４２を使用することを必要とする。しかしながら、書き込み操作は、磁界４２を使用することを必要とする。
１ 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル
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 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強磁性磁化方向
２３５ 第２強磁性磁化方向
２４ 反強磁性記憶層
３１ スピン分極電流
３２ センス電流
４ 界磁線
４１ 界磁電流
４２ 磁界
５ 電流線

Claims (6)

  1. 磁気トンネル接合を有する自己参照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であって、
    前記磁気トンネル接合が、第１記憶磁化方向を呈する第１強磁性層と第２記憶磁化方向を呈する第２強磁性層とを有する記憶層、この第１強磁性層とこの第２強磁性層とを分離する非磁性の接合層、自由なセンス磁化方向を呈するセンス層、及びこのセンス層とこの記憶層との間に挿入されたトンネル障壁層から構成されていて、
    前記記憶層と前記センス層との間の双極子カップリングが、ほぼ零であるように、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とが配置されている当該方法において、
    当該方法は、スピン分極電流を前記磁気トンネル接合中に通電することによって当該第２強磁性磁化方向を切り替えることから成り、
    当該スピン分極電流が、前記センス層中に通電するときに、前記センス磁化方向の方向に応じて分極される当該方法。
  2. 前記センス磁化方向の方向は、前記第２強磁性磁化方向を切り替える前に、磁界を印加することによって決定される請求項１に記載の方法。
  3. 前記センス層は、前記センス磁化方向の方向を安定化するために形状異方性又は結晶磁気異方性を有する請求項２に記載の方法。
  4. 前記第２強磁性磁化方向の切り替え方向は、前記スピン分極電流の極性によって決定される請求項１に記載の方法。
  5. 前記センス磁化方向の方向は、前記第２強磁性磁化方向の切り替え中に磁界を印加することによって決定される請求項１に記載の方法。
  6. 前記センス磁化方向の方向は、印加された前記磁界の方向によって決定される請求項５に記載の方法。
JP2012279040A 2011-12-22 2012-12-21 スピン注入書き込み操作を使用してセルに書き込むための自己参照磁気ランダムアクセスメモリセル及び方法 Pending JP2013138202A (ja)

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