JP2013145626A - 低減した界磁電流による熱アシスト書込オペレーションを用いたｍｒａｍセル及びｍｒａｍセルの書込方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、記録磁化を有する記録層と、基準磁化を有する基準層と、基準層と記録層の間に配備されたトンネル障壁層とから成る磁気トンネル接合部と、この磁気トンネル接合部と電気的に接続された電流線とを備えたＭＲＡＭセルの書込方法であって、この方法が、磁気トンネル接合部を加熱するために、磁気トンネル接合部に加熱電流を流す工程と、フィールド電流を流して、そのフィールド電流の極性に応じて、記録磁化を書込方向に切り換える工程とを有する方法に関する。
【解決手段】
この加熱電流の大きさが、加熱電流がスピン偏極電流として作用して、記録磁化を調整できる程の大きさであり、この加熱電流の極性は、記録磁化をほぼ前記の書込方向に調整できる極性である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低減した界磁電流による熱アシスト書込オペレーションを用いたランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル及びＭＲＡＭセルの書込方法に関する。

熱アシスト書込オペレーションを用いたランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、通常固定磁化を有する基準層と、切換可能な磁化を有する記録層と、これらの基準層と記録層の間のトンネル障壁とから成る磁気トンネル接合部を備えている。そのようなＭＲＡＭセルは、更に、記録層の磁化と交換結合する反強磁性層を備えている。そのようなＭＲＡＭセルは、反強磁性層の交換結合のために、記録層の熱的安定性が著しく改善されることを特徴としている。そのようなＭＲＡＭセルの改善された書込選択特性も、周囲環境温度に留まっている隣接するメモリセルに対してメモリセルを選択的に加熱して書き込むことによって達成されている。ＭＲＡＭセルは、メモリセルが加熱された時に記録層の磁化を切り換えるのに適した磁界を発生させる、フィールド線を流れるフィールド電流を用いて書き込まれている。しかし、フィールド電流の大きさが低電力用途に関して大き過ぎる場合が有る。

特開２０１０−１９２９０２号公報

本発明の課題は、磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値にまで加熱した時に調整することが可能であり、磁気トンネル接合部を低い方の温度閾値にまで冷却した時に固定することが可能である記録磁化を有する記録層と、固定の基準磁化を有する基準層と、これらの基準層と記録層の間に配備されたトンネル障壁層とから成る磁気トンネル接合部と、この磁気トンネル接合部と電気的に接続された電流線とを備えたＭＲＡＭセルの書込方法を提供することである。

本発明による方法は、
磁気トンネル接合部を加熱するために、電流線を介して磁気トンネル接合部に加熱電流を流す工程と、
磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値に到達したら、フィールド電流を流して、そのフィールド電流の極性に応じて、基準磁化に対してほぼ平行又は逆平行な書込方向に記録磁化を切り換える工程と、
を有し、
この加熱電流の大きさが、加熱電流がスピン偏極電流として作用して、記録磁化におけるスピン移行を調整できる程の大きさであり、
この加熱電流の極性が、記録磁化をほぼ書込方向に調整できる極性である。

一つの実施形態では、このＭＲＡＭセルは、更に、磁気トンネル接合部の一方の端部と電気的に接続されたバイポーラトランジスタを備えており、このバイポーラトランジスタは、磁気トンネル接合部における加熱電流の流れと加熱電流の極性とを制御するために配備されている。

別の実施形態では、フィールド電流を電流線に流すことができる。それに代わって、ＭＲＡＭセルは、フィールド線を備えることができ、そのフィールド線にフィールド電流を流すことができる。

更に別の実施形態では、ＭＲＡＭセルは、更に、記録層と交換結合するとともに、磁気トンネル接合部が低い方の温度閾値となった時に記録磁化をピニングし、磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値となった時に記録磁化を解消するための反強磁性記録層を備えることができる。

ここで開示したＭＲＡＭセル及びＭＲＡＭセルの書込方法によって、高い電流閾値においてスピン偏極電流として作用する加熱電流と、記録磁化を切り換えるためのフィールド電流とを組み合わせることが可能となる。従来のＭＲＡＭセルと比べて、記録磁化を切り換えるために使用されるフィールド電流を低減することができる。

本発明は、図面に図示して例示した実施形態の記載により、より良く理解される。

磁気トンネル接合部、選択用トランジスタ、加熱電流を流すための電流線及びフィールド電流を流すためのフィールド線を備えたランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルの一つの実施形態の構成図 ＭＲＡＭセルの別の実施形態の構成図 加熱電流とフィールド電流が電流線を流れる、ＭＲＡＭセルの別の実施形態の構成図 合成記録層を備えた磁気トンネル接合部の構成図

図１は、ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１の一つの実施形態を図示している。このＭＲＡＭセル１は、記録磁化２３０を有する記録層２３を備えており、その記録磁化は、磁気トンネル接合部２を高い方の温度閾値にまで加熱した時に調整することが可能であり、磁気トンネル接合部２を低い方の温度閾値にまで冷却した時に固定することが可能である。磁気トンネル接合部２は、更に、固定の基準磁化２１０を有する基準層２１と、基準層２１と記録層２３の間に配備されたトンネル障壁層２２とを備えている。このＭＲＡＭは、更に、磁気トンネル接合部２の一方の端部と電気的に接続された、加熱電流３１を流すために配備された電流線３を備えている。このＭＲＡＭは、更に、磁気トンネル接合部２の他方の端部と電気的に接続された選択用トランジスタ８を備えている。制御用の電流線又は（図示されていない）ワード線を使用して、選択用トランジスタ８の開閉を制御して、ＭＲＡＭセル１を個々にアドレス指定することができる。この選択用トランジスタ８は、例えば、ＣＭＯＳトランジスタで構成することができる。図１の例では、ＭＲＡＭセル１は、更に、磁気トンネル接合部２の前記の一方の端部に面して配置された、フィールド電流４１を流すために配備された、電流線３に対してほぼ垂直なフィールド線４を備えている。図１には、フィールド線とフィールド電流４１が図面に対して垂直の方向を向く形で図示されている。

一つの実施形態では、ＭＲＡＭセル１に書き込みための書込オペレーションは、
磁気トンネル接合部２を加熱するために、電流線３を介して磁気トンネル接合部２に加熱電流３１を流す工程と、
磁気トンネル接合部２が高い方の温度閾値に到達したら、フィールド電流４１を流して、記録磁化２３０を書込方向に切り換える工程と、
磁気トンネル接合部２を低い方の温度閾値にまで冷却して、記録磁化２３０を書込方向にピニングする工程と、
を有する。

読出又はフィールド電流４１の極性に応じた方向を有する書込磁界４２を発生させるために、フィールド電流４１をフィールド線４に流すことができる。図１（ａ）では、フィールド電流４１は、書込磁界４２が記録磁化２３０を基準磁化２１０に対してほぼ平行な書込方向に切り換えるフィールド電流の第一の極性、ここでは図面から出て来る方向で図示されている。この記録磁化２３０と基準磁化２１０の間の平行な配置は、低い方の接合抵抗Ｒ（又はレベル状態「０」）を生じさせる。図１（ｂ）では、フィールド電流４１は、書込磁界４２が記録磁化２３０を基準磁化２１０に対してほぼ逆平行な書込方向に切り換えるフィールド電流の第二の極性、ここでは図面に入って行く方向で図示されている。この記録磁化２３０と基準磁化２１０の間の逆平行な配置は、高い方の接合抵抗Ｒ（又はレベル状態「１」）を生じさせる。

磁気トンネル接合部２に加熱電流３１を流すことは、選択用トランジスタ８を導通モード（ＯＮ）に設定することによって実現できる。磁気トンネル接合部２が高い方の温度閾値に到達した場合、記録磁化２３０を自由な方向に向けることができ、従って、書込磁界４２を切り換えることができる。そして、加熱電流３１は、選択用トランジスタ８を遮断モード（ＯＦＦ）に設定するか、或いはそのトランジスタのソース・ドレインバイアスを除去することによって停止することができる。フィールド電流４１は、磁気トンネル接合部２を冷却している間維持することができ、そして、磁気トンネル接合部２が低い方の温度閾値に到達した場合に停止することができ、それにより、記録磁化２３０が書込状態に固定される。

一つの実施形態では、磁気トンネル接合部２は、反強磁性基準層２４の基準臨界温度Ｔ_Ｃ１以下において基準磁化２１０をピニングするために、基準層２１と交換結合する反強磁性基準層２４を備えている。磁気トンネル接合部２は、更に、記録臨界温度Ｔ_Ｃ２を有する、記録層２３と交換結合する（図１において符号２５で表示された）反強磁性記録層を備えることができる。この反強磁性記録層２５は、記録臨界温度Ｔ_Ｃ２以下の低い方の温度閾値で記録磁化２３０をピニングするとともに、記録臨界温度Ｔ_Ｃ２以上の高い方の温度閾値で記録磁化２３０を解消するために配置されている。高い方の温度閾値において、基準磁化２１０が反強磁性基準層２４によってピニングされたままとなるように、この記録臨界温度Ｔ_Ｃ２は、基準臨界温度Ｔ_Ｃ１よりも低くすべきである。

磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値にまで加熱するのに必要な加熱電流３１の大きさは、典型的には、スピン移行トルク（ＳＴＴ）効果を得るのに必要な大きさを下回る。反強磁性基準層２４の基準臨界温度Ｔ_Ｃ１が充分に高い場合、磁気トンネル接合部を高い方の温度閾値に加熱するのに必要な加熱電流３１の大きさは、加熱電流３１がＳＴＴ効果を発生させる程の大きさとすることができる。そのようなＳＴＴ効果は、記録磁化２３０が書込オペレーションの間の書込磁界４２の方向と異なる方向を向くように発生させることができる。従って、ＳＴＴ効果は、書込磁界の非対称化、書込磁界の分布の拡大、書込エラーなどの印加される書込磁界４２に望ましくない効果を生じさせる可能性が有る。

一つの実施形態では、加熱電流３１は、加熱電流３１がスピン偏極電流として作用するのに充分に高い電流閾値に対応する大きさで流される。加熱電流３１の極性は、基準層２１又は（図示されていない）配備可能な偏極層を通して流される場合に、加熱電流のフロー方向又は極性に応じて設定される。そして、そのような電流閾値では、加熱電流３１と記録磁化２３０のスピン偏極担体（電子）の間でスピン角運動量を移行させることによって、記録磁化２３０を調整することができる。このような角スピンの移行は、「スピン移行トルク（ＳＴＴ）」との用語でも周知である。

加熱電流３１の極性の応じて、記録層２３に浸入する電子のスピンの大半は、基準磁化２１０又は配備可能な偏極層の磁化に沿った方向を向く。より詳しくは、加熱電流３１の極性は、記録磁化２３０におけるスピン移行をほぼ書込方向に調整できるように、即ち、書込磁界４２が記録磁化２３０を切り換える方向とほぼ同じ方向に加熱電流３１が記録磁化２３０を調整できるように選択することができる。そのことが図１に図示されており、図１（ａ）では、そこでは電流線３から選択用トランジスタ８に流れる加熱電流の第一の極性を有する加熱電流３１を図示しており、界磁電流の第一の極性を有する界磁電流４１が生成する書込磁界４２によって生じる方向と同じ方向（書込方向）に記録磁化２３０が向いている。図１（ｂ）では、そこでは選択用トランジスタ８から電流線３に流れる加熱電流の第二の極性を有する加熱電流３１が図示されており、界磁電流の第二の極性を有する界磁電流４１が生成する書込磁界４２によって生じる方向と同じ方向（書込方向）に記録磁化２３０が向いている。モノポーラ選択用トランジスタを使用する従来のＭＲＡＭセルに対して、この選択用トランジスタ８は、加熱電流３１の極性を変化させることが可能なバイポーラタイプである。

更に別の実施形態では、記録層２３は、トンネル障壁層２２の側に有る第一の強磁性磁化２３２を有する第一の強磁性層２３１と、第二の強磁性磁化２３４を有する第二の強磁性層２３３と、第一と第二の強磁性層２３１，２３３を分離する非磁性結合層２３５とから成る合成記録層とすることができる。そのような合成記録層２３を備えた磁気トンネル接合部２が図４に図示されている。界磁電流４１を流すことにより、第一の記録磁化２３２が書込方向となるように、基準磁化２１０に対して相対的に第一と第二の強磁性磁化２３２，２３４を切り換えている。（図４には図示されていない）記録磁化は、第一と第二の強磁性磁化２３２，２３４のベクトル和に等しい。

図２は、別の実施形態によるＭＲＡＭセル１を図示している。図２のＭＲＡＭセル１は、図１に図示されたセルとほぼ同じであるが、フィールド線４が磁気トンネル接合部２の前記の他方の側、即ち、選択用トランジスタ８の側に配置されている。図２には図示されていないが、磁気トンネル接合部２は、図１の例で述べた反強磁性記録層を備えることもできる。図２の構成では、選択用トランジスタ８は、導電性ストラップ７を介して磁気トンネル接合部２の他方の端部と電気的に接続されている。図２（ａ）は、フィールド電流の第一の極性を有する、フィールド線４を流れるフィールド電流４１と、加熱電流の第一の極性を有する加熱電流３１とを図示している。これらのフィールド電流４１と加熱電流３１の両方は、記録磁化２３０を書込方向に、ここでは書込レベル状態「０」の方向に向けている。図２（ｂ）は、フィールド電流の第二の極性を有する、フィールド線４を流れるフィールド電流４１と、加熱電流の第二の極性を有する加熱電流３１とを図示している。これらのフィールド電流４１と加熱電流３１の両方は、記録磁化２３０を書込方向に、ここでは書込レベル状態「１」の方向に向けている。

図３は、更に別の実施形態によるＭＲＡＭセル１を図示しており、このＭＲＡＭセル１は、加熱電流３１とフィールド電流４１を流すために、電流線３だけを備えている。図３には図示されていないが、この磁気トンネル接合部２は、図１の例で述べた反強磁性記録層を備えることもできる。図３（ａ）と図３（ｂ）は、フィールド電流４１と加熱電流３１の両方が電流線３を流れることを図示している。図３（ａ）では、フィールド電流４１がフィールド電流の第一の極性の方向に流れ、加熱電流３１が加熱電流の第一の極性の方向に流れて、記録磁化２３０を書込方向に、ここでは書込レベル状態「０」の方向に向けている。図３（ｂ）では、フィールド電流４１がフィールド電流の第二の極性の方向に流れ、加熱電流３１が加熱電流の第二の極性の方向に流れて、記録磁化２３０を書込方向に、ここでは書込レベル状態「１」の方向に向けている。図３の構成では、電流線３が、加熱電流３１を流すことによるビット線の機能と、フィールド電流４１を流すことによるフィールド線の機能とを果たしている。

ここで開示した方法により、高い電流閾値においてスピン偏極電流として作用する加熱電流と、記録磁化２３０を切り換えるためのフィールド電流４１とを組み合わせることが可能となる。言い換えると、高い電流閾値において、好適な極性で加熱電流を流した場合に、それによって、フィールド電流４１により生成される磁界４２が記録磁化２３０を切り換えることを支援することができる。高い電流閾値において作用する加熱電流を流す利点は、従来のＭＲＡＭセルと比べて、書込磁界４２を、そのためフィールド電流４１を低減できることである。

複数のＭＲＡＭセル１から成るアレーを組み立てることによって、（図示されていない）磁気メモリデバイスを構成することができる。そのようなＭＲＡＭセル１のアレーは、（図示されていない）デバイスパッケージ内に配置することができる。そのような磁気メモリデバイスを構成する場合、各ＭＲＡＭセル１の磁気トンネル接合部２は、記録層２３の電流線３に面した側と（図示されていない）ワード線に面した逆側とに接続することができる。このワード線は、好ましくは、電流線３に対して垂直に配置される。

１ 磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル
２ 磁気トンネル接合部
２１ 基準層
２１０ 基準磁化
２２ トンネル障壁層
２３ 記録層
２３０ 記録磁化
２３１ 第一の強磁性層
２３２ 第一の強磁性磁化
２３３ 第二の強磁性層
２３４ 第二の強磁性磁化
２３５ 非磁性結合層
２４ 反強磁性基準層
２５ 反強磁性記録層
３ 電流線
３１ 加熱電流
４ フィールド線
４１ フィールド電流
４２ 書込磁界
７ ストラップ
８ 選択用トランジスタ

Claims (6)

1. 熱アシスト書込オペレーションを用いたランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルの書込方法であって、
   このＭＲＡＭセルは、磁気トンネル接合部と、この磁気トンネル接合部と電気的に接続された電流線とを備えており、
   この磁気トンネル接合部は、この磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値にまで加熱された時に調整することが可能であるとともに、この磁気トンネル接合部が低い方の温度閾値にまで冷却された時に固定することが可能である記録磁化を有する記録層と、固定の基準磁化を有する基準層と、これらの基準層と記録層の間に配備されたトンネル障壁層とを備えており、
   この方法が、
   磁気トンネル接合部を加熱するために、電流線を介して磁気トンネル接合部に加熱電流を流す工程と、
   磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値に到達したら、フィールド電流を流して、フィールド電流の極性に応じて、基準磁化に対してほぼ平行又は逆平行な書込方向に記録磁化を切り換えるための書込磁界を発生させる工程と、
   を有し、
   この加熱電流の大きさは、加熱電流がスピン偏極電流として作用して、記録磁化におけるスピン移行を調整できる程の大きさであり、
   この加熱電流の極性は、記録磁化におけるスピン移行をほぼ前記の書込方向に調整できる極性である、
   方法。
2. 当該のＭＲＡＭセルが、更に、磁気トンネル接合部の一方の端部と電気的に接続されたバイポーラトランジスタを備えており、このバイポーラトランジスタが、磁気トンネル接合部における加熱電流の流れと、加熱電流の極性とを制御するために配備されている請求項１に記載の方法。
3. 当該のフィールド電流が電流線に流れる請求項１に記載の方法。
4. 当該のＭＲＡＭセルが、更に、フィールド線を備えており、当該のフィールド電流が、このフィールド線に流れる請求項１に記載の方法。
5. 当該のＭＲＡＭセルが、更に、当該の記録層と交換結合するとともに、磁気トンネル接合部が低い方の温度閾値になった時に記録磁化をピニングさせ、磁気トンネル接合部が高い方の温度閾値になった時に記録磁化を解消させるための反強磁性記録層を備えている請求項１に記載の方法。
6. 当該の記録層が、当該のトンネル障壁層の側に有る、第一の強磁性磁化を有する第一の強磁性層と、第二の強磁性磁化を有する第二の強磁性層と、これらの第一と第二の強磁性層を分離する非磁性結合層とを備えており、
   当該のフィールド電流を流すことによって、第一の記録磁化が書込方向となるように、基準磁化に対して相対的に第一と第二の強磁性磁化を切り換える、
   請求項１に記載の方法。

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