JP2018504782A - 改善されたプログラミング性及び低い読取り消費電力で磁場を検出するマグネティック・ロジック・ユニット（ｍｌｕ）セル - Google Patents
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Abstract
磁場を検出するマグネティック・ロジック・ユニット（ＭＬＵ）セル１であって、記憶磁化２３０、２３４、２３５を有する記憶層２３と、センス磁化を有するセンス層２１と、記憶層２３とセンス層２１の間のトンネル障壁層２２と、低閾値温度で記憶磁化２３０、２３４、２３５をピン止めするとともに高閾値温度ＴＨで記憶磁化を自由にするピン止め層２４とを含む磁気トンネル接合２を備え、センス磁化２１０は、低閾値温度及び高閾値温度で自由に整列させることが可能であり、記憶層２３は、センス磁化２１０が記憶磁化２３０、２３４、２３５と逆平行又は平行に整列される傾向があるようにセンス層２１と磁気的に結合する交換バイアス場６０を誘導し、トンネル障壁層２２は、追加交換バイアス場７１を与えるトンネル障壁層２２とセンス層２１の間の間接的交換結合７０を発生させるように構成されている、ＭＬＵセルを記載している。
Description
本開示は、容易にプログラムすることができ、低い読取り消費電力（ｒｅａｄｉｎｇ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を有する磁場検出用のマグネティック・ロジック・ユニット（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｌｏｇｉｃ Ｕｎｉｔ）（以下、ＭＬＵ）セルに関する。更に、本開示は、ＭＬＵセルを動作させる方法に関する。
ＭＬＵセルは、磁気センサ又はコンパス内で磁場を検出するために使用され得る。典型的には、ＭＬＵセル（図１参照）は、記憶磁化（ｓｔｏｒａｇｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）２３０を有する記憶層２３と、自由センス磁化（ｆｒｅｅ ｓｅｎｓｅ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）２１０を有するセンス層（ｓｅｎｓｅ ｌａｙｅｒ）２１と、記憶層とセンス層の間のトンネル障壁層２２とを含む磁気トンネル接合２を備える。センス磁化２１０は、外部磁場の存在下で方向付けることが可能である一方、記憶磁化２３０は、外部磁場によってほぼ乱されないままである。従って、外部磁場は、外部磁場により方向付けられたセンス磁化と記憶磁化との相対的な向きに依存する磁気トンネル接合の抵抗を測定することによって検出することができる。
理想的には、センス層は、外部磁場の小さい変動を測定するのを助けるために、外部磁場によって方向付けられるときに線形で非ヒステリシスな挙動を有する。それは、０．５エルステッド（Ｏｅ）程度の平均値を有する（地球の磁場などの）外部磁場を検出するときに関連する。
そのような線形で非ヒステリシスな挙動は、センス磁化異方性軸が記憶磁化にほぼ直角に向けられている磁気トンネル接合を用意することによって実現することができる。これは、センス層の異方性軸と直角に記憶磁化をピン止めすることによって通常実現することができる。センス層の異方性軸の向きは、スパッタリング条件によって、例えば、磁気トンネル接合の製造中に磁場を印加することによって定めることができる。
熱アシスト・スイッチング（以下、ＴＡＳ：Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇと称する）手法を用いたＭＬＵセルの実現時において、記憶層は、ピン止め層２４内又はその近傍における温度が低閾値温度ＴＬであるときに特定の方向に沿って記憶磁化２３０をピン止めするために、隣接した反強磁性記憶層又はピン止め層２４（図１参照）に交換バイアスを印加することができる。この低閾値温度ＴＬは、ブロッキング温度、ネール温度、又は別の閾値温度未満である温度に対応し得る。ピン止め層２４は、温度が高閾値温度ＴＨ、即ち、ブロッキング温度を上回る温度にあるときに記憶磁化２３０とのピン止め又は結合を解除し、それによって記憶磁化２３０が別の方向に切り替えられることを可能にする。
ＭＬＵセル１は、記憶磁化２３０を自由にして記憶磁化２３０を整列させるように、高閾値温度ＴＨで磁気トンネル接合２を加熱することによってＴＡＳ手法を用いてプログラムすることができる。高閾値温度ＴＨでの磁気トンネル接合２の加熱は、ＭＬＵセル１と電気的に結合された電流線３に加熱用電流３１を通すことによって実行することができる（図１参照）。記憶磁化２３０をプログラムされた方向に整列させることは、プログラミング磁場４２を発生させるように界磁線（ｆｉｅｌｄ ｌｉｎｅ）４にプログラミング電流４１を通すことによって実行することができる。
記憶磁化２３０がプログラムされた方向に整列されたら、磁気トンネル接合２の抵抗Ｒを測定することによって外部磁場を検出することができる。実際に、抵抗Ｒは、センス磁化２１０と記憶磁化２３０の相対的な向きに依存する。例えば、センス磁化が記憶磁化と逆平行であるとき、磁気トンネル接合の抵抗Ｒは高い。一方、センス磁化が記憶磁化と平行であるとき、磁気トンネル接合の抵抗Ｒは低くなる。
そのような構成の欠点は、記憶磁化２３０をプログラムするために大きなプログラミング磁場４２を用いることが必要となる高い保磁力を記憶層が有し得ることである。別の欠点は、記憶層２３がセンス層２１にバイアス磁場を発生させ得ることである。バイアス磁場は、測定される外部磁場に加えられる。従って、バイアス磁場は、界磁線４によって発生させるセンス磁場４４を用いてキャンセルされなければならない。これによって、外部磁場を検出するときに消費電力が高くなる結果となる。
図２に図示された構成では、記憶層は、第１の記憶磁化２３４を有する第１の記憶強磁性層２３１と、第２の記憶磁化２３５を有する第２の記憶強磁性層２３２と、第１の記憶強磁性層２３１と第２の記憶強磁性層２３２の間に含まれる記憶結合層２３３とを備えた合成記憶層又は合成反強磁性体（以下、ＳＡＦと称する）を備えることができる。記憶結合層２３３は、第２の記憶磁化２３５が第１の記憶磁化２３４と逆平行のままであるように、第１の記憶層２３１と第２の記憶層２３２の間にＲＫＫＹ結合をもたらす。そのような構成は、欠点がないわけではない。
実際、記憶層２３１、２３２の保磁力、従って記憶磁化２３４、２３５を整列させるのに必要なプログラミング磁場４２の大きさを最小にするために、ＳＡＦ記憶層は、補償されていないことが好ましい。図３は、ＳＡＦ記憶層が補償されていない、即ち、第２の記憶磁化２３５が第１の記憶磁化２３４よりも大きい（又は低い）磁気モーメントを有する、磁気トンネル接合２を図示する。第２の記憶磁化２３５の高い磁気モーメントは、第２の記憶磁化２３５の方向と逆平行（又は平行）な方向にセンス磁化２１０を整列させる傾向がある交換バイアス場６０を誘導し、従って交換バイアス場６０がない反転に対してセンス磁化２１０の反転をずらす。図４は、磁気トンネル接合２の抵抗Ｒが外部磁場Ｈによって線形に変化する、図３の磁気トンネル接合構成に対応する磁化曲線を図示する。この磁化曲線は、（図４のＨｂｉａｓ１として表された）交換バイアス場に対応する値だけずれている。この構成では、記憶磁化２３４、２３５は、プログラムされた方向に容易に整列させることができる。しかしながら、外部磁場の検出は、交換バイアス場６０がない場合よりも高い消費電力を必要とする。実際、界磁線４にセンス磁場電流（ｓｅｎｓｅ ｆｉｅｌｄ ｃｕｒｒｅｎｔ）４３を導入することによって発生させたセンス磁場４１が、交換バイアス場６０を補償するために必要とされる。
図５では、ＳＡＦ記憶層が補償されている、即ち、第１の記憶磁化２３４が第２の記憶磁化２３５の磁気モーメントとほぼ同じである磁気モーメントを有する、磁気トンネル接合２の構成を図示する。図６は、図５の磁気トンネル接合構成に対応する磁化曲線を図示する。ここで、この磁化曲線はずれておらず、外部磁場の検出は、低消費電力かつ高感度で実行することができる。しかしながら、記憶磁化２３４、２３５は、補償されていないＳＡＦ記憶層と比較して、プログラムされた方向に整列させるのに高消費電力を必要とする。
従って、検出ステップ中に低消費電力で外部磁場を検出すると同時に書き込みステップ中に低消費電力を有するようにＭＬＵセルを動作させることは可能でない。
特許文献１は、自己参照磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルであって、センス層と、記憶磁化を有する記憶層と、センス層と記憶層の間に配備されたトンネル障壁層と、反強磁性層が臨界温度未満であるときに記憶磁化をピン止めできるとともに、反強磁性層が臨界温度以上で加熱されるときに記憶磁化を自由に変化させることができるように、記憶層と交換結合する反強磁性層とを含む磁気トンネル接合を備え、前記センス層は、第１のセンス磁化を有する第１のセンス層と、第２のセンス磁化を有する第２のセンス層と、第１のセンス層と第２のセンス層の間のスペーサ層とを備える、ＭＲＡＭセルを開示する。
特許文献２は、ＭｇＯ又はＭｇ−ＺｎＯトンネル障壁とこのトンネル障壁の近傍のアモルファス磁気層とから構築された磁気トンネル素子を開示する。このアモルファス磁気層は、その層をアモルファスにするように選択されたＣｏと少なくとも１つの更なる元素とを含有する。アモルファス磁気層、トンネル障壁、及び更なる強磁性層から形成された磁気トンネル接合は、最大２００％以上のトンネル磁気抵抗値を有する。
特許文献３は、（ＳＡＦ自由層について）オフセット磁場を減少させ、垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ）を増大させ、少なくとも４００℃までのより高い熱安定性を与える合成反強磁性（ＳＡＦ）自由層構造及び合成フェリ磁性（ＳｙＦ）自由層構造を開示する。ＳＡＦ構造及びＳｙＦ構造は、ＦＬ１／ＤＬ１／スペーサ／ＤＬ２／ＦＬ２の構成を有し、ＦＬ１及びＦＬ２はＰＭＡを備えた自由層であり、結合層は、厚さに応じてＦＬ１とＦＬ２の間に反強磁性又はフェリ磁性の結合を誘導し、ＤＬ１及びＤＬ２は、ＦＬ１とＦＬ２の間の結合を強化するダスティング層である。ＳＡＦ自由層は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭメモリ素子内又はスピン・トランスファ発振器を含むスピントロニクス・デバイス内でＳＡＦ基準層とともに使用することができる。更に、Ｈｏ、ＰＭＡ、及び熱安定性の観点で更なる利点をもたらし得るデュアルＳＡＦ構造が記載されている。
本開示は、磁場を検出するためのＭＬＵセルであって、記憶磁化を有する記憶層と、センス磁化を有するセンス層と、記憶層とセンス層の間のトンネル障壁層と、低閾値温度で記憶磁化をピン止めすると共に高閾値温度で記憶磁化を自由にするピン止め層とを含む磁気トンネル接合を備え、センス磁化は、低閾値温度及び高閾値温度で自由に整列させることが可能であり、記憶層は、センス磁化が記憶磁化と逆平行又は平行に整列する傾向があるように、センス層と磁気的に結合する交換バイアス場を誘導し、トンネル障壁層は、追加交換バイアス場を与えるようにトンネル障壁層とセンス層の間に間接的交換結合を発生させるように構成されている、ＭＬＵセルに関する。
一実施形態では、トンネル障壁層は、追加交換バイアス場が交換バイアス場の大きさとほぼ同じ大きさであるとともに反対方向であるように構成されている。
本開示は、
プログラミング動作中に、記憶磁化をプログラムされた方向に整列させるステップと、
検出動作中に、プログラムされた方向の記憶磁化を有するＭＬＵセルの抵抗を測定するステップと
を含み、
トンネル障壁層は、追加交換バイアス場の大きさが交換バイアス場の大きさとほぼ同じ大きさであるとともに反対方向であり、交換バイアス場を補償するために、追加電流を界磁線に通す必要がないように構成されている、ＭＬＵセルを動作させる方法に更に関する。
プログラミング動作中に、記憶磁化をプログラムされた方向に整列させるステップと、
検出動作中に、プログラムされた方向の記憶磁化を有するＭＬＵセルの抵抗を測定するステップと
を含み、
トンネル障壁層は、追加交換バイアス場の大きさが交換バイアス場の大きさとほぼ同じ大きさであるとともに反対方向であり、交換バイアス場を補償するために、追加電流を界磁線に通す必要がないように構成されている、ＭＬＵセルを動作させる方法に更に関する。
一実施形態では、抵抗を測定するステップは、センス磁化を整列させることができるセンス磁場を発生させるようにＭＬＵセルと磁気的に連通する界磁線にセンス磁場電流を通すステップを含むことができる。
本発明は、例として与えられるとともに図面に図示された一実施形態の説明の助けを借りてより良く理解されよう。
図７は、一実施形態によるＭＬＵセル１の磁気トンネル接合２を図示する。磁気トンネル接合２は、第１の記憶磁化２３４を有する第１の記憶強磁性層２３１と、第２の記憶磁化２３５を有する第２の記憶強磁性層２３２と、第１の記憶強磁性層２３１と第２の記憶強磁性層２３２の間に含まれる記憶結合層２３３とを備えたＳＡＦ記憶層を含む。記憶結合層２３３は、第２の記憶磁化２３５が第１の記憶磁化２３４と逆平行のままであるように、第１の記憶層２３１と第２の記憶層２３２の間にＲＫＫＹ結合をもたらす。
センス層２１と第１及び第２の記憶層２３１、２３２のそれぞれは、磁性材料、特に強磁性タイプの磁性材料を含むか、或いはそれらで形成することができる。強磁性材料は、特別な保磁力を有するほぼ平坦な磁化によって特徴付けることができ、この保磁力は、磁化が飽和状態へ一方向に動かされた後に磁化を逆にするのに必要な磁場の大きさを示す。概して、センス層２１及び記憶層２３１、２３２は、同じ強磁性材料又は異なる強磁性材料を含み得る。記憶層２３１、２３２は、硬質の強磁性材料、即ち、約５０エールステッドよりも大きいような比較的高い異方性磁化を有する強磁性材料を含むことができる。センス層２１は、軟質の強磁性材料、即ち、約３０エールステッド以下であるような比較的低い保磁力を有する強磁性材料を含むことができる。そのようにして、センス層２１又はセンス磁化２１０の磁化は、第１及び第２の記憶磁化２３４、２３５が安定している間に、読取り動作中に低強度の磁場の下で容易に変更することができる。好適な強磁性材料は、主族元素とともに又は主族元素なしで、遷移金属、希土類元素、及びそれらの合金を含む。例えば、好適な強磁性材料は、鉄（「Ｆｅ」）、コバルト（「Ｃｏ」）、ニッケル（「Ｎｉ」）、及びそれらの合金、例えば、パーマロイ（又はＮｉ８０Ｆｅ２０）；Ｎｉ、Ｆｅ、及びホウ素（「Ｂ」）に基づく合金、Ｃｏ９０Ｆｅ１０；並びにＣｏ、Ｆｅ、及びＢに基づく合金などを含む。いくつかの例では、Ｎｉ及びＦｅ（並びに任意選択によりＢ）に基づく合金は、Ｃｏ及びＦｅ（並びに任意選択によりＢ）に基づく合金よりも小さい保磁力を有することができる。センス層２１及び記憶層２３１、２３２のそれぞれの厚さは、約０．３ｎｍから約２０ｎｍまで、又は約１ｎｍから約１０ｎｍまで、好ましくは約０．５ｎｍから約４ｎｍの間などのナノメートル（「ｎｍ」）の範囲内とすることができる。好ましくは、センス層２１の厚さは、約０．３ｎｍから約５ｎｍまでである。記憶結合層２３３は、ルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅、及びイットリウムの中の少なくとも１つを含む群から選択された非磁性材料を含有することができる。好ましくは、記憶結合層２３３は、ルテニウムを含有し、典型的には、約０．４ｎｍから３ｎｍの間、好ましくは０．６ｎｍから約０．９ｎｍの間、又は約１．６ｎｍから約２ｎｍの間に含まれる厚さを有する。
磁気トンネル接合２は、第２の記憶層２３２に隣接し、ピン止め層２４内又はその近傍における温度が低閾値温度ＴＬであるときに特定の方向に沿って第２の記憶磁化２３５をピン止めするピン止め層２４を更に備えることができる。ピン止め層２４は、温度が高閾値温度ＴＨであるときに記憶磁化２３０のピン止め又は結合を解除し、それによって記憶磁化２３０が別の方向に切り替えられることを可能にする。ピン止め層２４は、磁性材料、特に、反強磁性タイプの磁性材料を含むことができるか、或いはそれらで形成することができる。好適な反強磁性材料は、遷移金属及びそれらの合金を含む。例えば、好適な反強磁性材料は、マンガン（「Ｍｎ」）ベースの合金、例えば、イリジウム（「Ｉｒ」）及びＭｎベースの合金（例えば、ＩｒＭｎ）など、Ｆｅ及びＭｎベースの合金（例えば、ＦｅＭｎ）、白金（「Ｐｔ」）及びＭｎベースの合金（例えば、ＰｔＭｎ）、並びにＮｉ及びＭｎベースの合金（例えば、ＮｉＭｎ）を含む。
一実施形態では、ＭＬＵセル１の磁気トンネル接合２は、トンネル障壁層２２とセンス層２１の間に（矢印７０によって表される）間接的交換結合を誘導するように構成されているトンネル障壁層２２を備える。間接的交換結合７０は、記憶層２３の記憶磁化２３４、２３５によって誘導される交換バイアス場６０に加わる追加交換バイアス場７１を与える。トンネル障壁層２２は、絶縁材料を含むか、或いはそれらで形成することができる。好適な絶縁材料は、酸化物、窒化物又は酸窒化物を含有する。例えば、トンネル障壁層２２は、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ２Ｏ３）及び／又は酸化マグネシウム（例えば、ＭｇＯ）を含有するか、或いはそれらで形成することができる。トンネル障壁層２２の厚さは、約０．５ｎｍから約１０ｎｍまで、好ましくは約０．５ｎｍから約３ｎｍまでなどのｎｍの範囲内とすることができる。
トンネル障壁層２２は、酸化物ターゲットからの適切な酸化物を堆積させることによって、或いは金属層を酸化（自然酸化、プラズマ酸化、又はラジカル酸化）させることによって作製することができる。
図７の例では、ＳＡＦ記憶層は、第１の記憶磁化２３４が第２の記憶磁化２３５の磁気モーメントとほぼ同じである磁気モーメントを有するように補償されている。従って、第１及び第２の記憶磁化２３４、２３５によって誘導される交換バイアス場６０は、ほぼゼロである。この例では、追加交換バイアス場７１は、第１の記憶磁化２３４の方向と逆平行な方向にセンス磁化２１０を整列させる傾向がある。従って、追加交換バイアス場７１は、追加交換バイアス場７１がない反転に対してセンス磁化２１０の反転をずらす。
図８は、磁気トンネル接合２の抵抗Ｒが外部磁場Ｈによって線形に変化することを示す、図７の磁気トンネル接合構成に対応する磁化曲線を図示する。この磁化曲線は、（図８のＨｂｉａｓ３として表された）追加交換バイアス場に対応する値だけ（図８中の右に向かって）ずれている。この構成では、補償されていないＳＡＦ記憶層の記憶磁化２３４、２３５は、それがプログラムされた方向に整列されるためにより大きい電力消費を必要とするので、整列させることが困難である。また、Ｈｂｉａｓ３はゼロでないので、外部磁場の検出は、高い消費電力を必要とする。実際、電流を界磁線４の中に導入することによって発生させるセンス磁場４３は、追加交換バイアス場７１を補償するために必要である。
図９の変形例では、ＳＡＦ記憶層は、補償されていない。本例では、第２の記憶磁化２３５は、第１の記憶磁化２３４の磁気モーメントよりもかなり大きい磁気モーメントを有する。この特定の例では、トンネル障壁層２２は、追加交換バイアス場７１がほぼゼロであるようにトンネル障壁層２２とセンス層２１の間に間接的交換結合を実質的に誘導しないように構成されている。この構成では、第２の記憶磁化２３５の高い磁気モーメントは、交換バイアス場６０の方向と逆平行の方向にセンス磁化２１０を整列させる傾向がある交換バイアス場６０を誘導する。従って、交換バイアス場６０は、交換バイアス場６０がない反転に対してセンス磁化２１０の反転をずらす。
図１０は、磁気トンネル接合２の抵抗Ｒが外部磁場Ｈによって線形に変化する、図９の磁気トンネル接合構成に対応する磁化曲線を図示する。この磁化曲線は、（図１０にＨｂｉａｓ１として表された）交換バイアス場６０に対応する値だけ（図１０の左に向かって）ずれている。この構成では、記憶磁化２３４、２３５は、プログラムされた方向に容易に整列させることができるが、外部磁場の検出は、交換バイアス場６０を補償するために高い消費電力を必要とする。図９に示された磁気トンネル接合２及び図１０の対応する磁化曲線の構成は、上記図３及び図４に図示された例と同様である。
図１１の別の変形例では、ＳＡＦ記憶層は、補償されていない。本例では、第２の記憶磁化２３５は、第１の記憶磁化２３４の磁気モーメントよりもかなり大きい磁気モーメントを有する。トンネル障壁層２２は、トンネル障壁層２２とセンス層２１の間に（矢印７０によって表される）間接的交換結合を誘導するように構成されている。間接的交換結合７０は、交換バイアス場６０に加わる追加交換バイアス場７１を与える。
間接的交換結合７０は、追加交換バイアス場７１が交換バイアス場６０の大きさとほぼ同じ大きさであるとともに反対方向であるように調整することができる。その場合には、センス磁化が外部磁場によってのみ影響を受けるように、バイアス磁場は実質的にセンス層２１に印加されない。従って、センス磁化２１０の反転は、実質的にずれない（２０エールステッドより小さいずれ）。
図１２は、磁気トンネル接合２の抵抗Ｒが外部磁場Ｈによって線形に変化する、図１１の磁気トンネル接合構成に対応する磁化曲線を図示する。この磁化曲線は、実質的にずれておらず、結果として生じる残留ずれは、交換バイアス場６０及び追加交換バイアス場７１の代数的な合計である。この構成では、記憶磁化２３４、２３５は、プログラムされた方向に容易に整列させることができ、外部磁場の検出は、低い消費電力を必要とするか、或いは消費電力を必要としない。
本開示は、上記の例示的な実施形態に限定されず、他の実施例も、特許請求の範囲内で可能であることを理解されたい。
例えば、間接的交換結合７０を誘導するように構成された本発明のトンネル障壁層２２を備えた磁気トンネル接合２は、記憶磁化２３０を有する単一の強磁性層２３を含む記憶層を備えることができる（図１３参照）。単一の強磁性層２３は、センス層２１と交換結合し、記憶磁化２３０の方向と逆平行の方向にセンス磁化２１０を整列させる傾向がある交換バイアス場６０を誘導する。間接的交換結合７０は、追加交換バイアス場７１が交換バイアス場６０とほぼ同じ大きさであるとともに反対方向であるように調整することができる。その場合には、センス磁化が交換バイアス場６０と間接的交換結合７０の和によって任意の特定の方向に整列させられないように、バイアス磁場はセンス層２１に実質的に印加されない。従って、センス磁化２１０の反転はずらされず、外部磁場の検出は低い消費電力を必要とするにすぎない。
上記の例では、センス磁化２１０は、センス層２１の平面内（面内）で整列可能である。しかしながら、センス磁化２１０は、センス層２１とほぼ直角に整列可能でもあり得る（面外）。同様に、記憶磁化２３０、並びに第１及び第２の記憶磁化２３４、２３５は、面外で整列させることができる。
一実施形態では、追加交換バイアス場７１の方向及び大きさを調整するために間接的交換結合７０を調整することは、トンネル障壁層材料の酸化又は窒化状態を制御するステップを含むことができる。間接的交換結合７０を調整することは、トンネル障壁層２２の厚さを調整することを更に含むことができる。それに代わって、或いはそれと組み合わせて、間接的交換結合７０を調整することは、トンネル障壁層２２の組成及び／又はトンネル障壁層２２の粗さを調整することを含むことができる。
図示されていない一実施形態によれば、磁場を検出する磁気センサ・デバイス１００は、電流線３と直列に電気的に接続されるとともに界磁線４と磁気的に連通する複数のＭＬＵセルを含むことができる。複数のＭＬＵセル１は、ＭＬＵセル１のサブセットをそれぞれ含むブランチの形態で構成することができる。例えば、これらのブランチは、軸ｘに対して約０°、約４５°、約９０°の角度に向けることができる。界磁線４は、複数の部分を含むことができ、各部分は、ＭＬＵセルのブランチの中の対応する１つのブランチに隣接して配設される。
磁気センサ・デバイス１００のプログラミング動作は、プログラムされた方向に前記の複数のＭＬＵセル１の記憶磁化２３０、２３４、２３５を整列させるステップを含むことができる。詳細には、プログラミング動作は、各サブセットにおいて、記憶磁化２３０、２３４、２３５をプログラムされた方向に整列させるように界磁線４にプログラミング磁場４２を印加することによって、プログラムされた方向にＭＬＵセル１の記憶磁化２３０、２３４、２３５を整列させることを含むことができる。ＴＡＳベースのプログラミング動作の場合には、この方法は、対応するサブセットにおいて、高閾値温度ＴＨでＭＬＵセル１を加熱し、ＭＬＵセル１の記憶磁化２３０、２３４、２３５のピン止めを解除するように電流線３に加熱用電流３１を通すステップを更に含むことができる。プログラムされた方向に記憶磁化２３０、２３４、２３５を整列させるステップの後又はそれと同時に、この方法は、対応するサブセットにおいて、プログラムされた方向に記憶磁化２３０、２３４、２３５の切り替えをピン止めするために低閾値温度ＴＬにＭＬＵセル１を冷却するステップを含むことができる。
磁気センサ・デバイス１００のセンシング動作は、平均抵抗Ｒａを測定するために電流ブランチにセンシング電流３２を通すステップを含むことができる。ここで、平均抵抗Ｒａは、ブランチに含まれるＭＬＵセル１に対して直列に測定される抵抗に対応する。各ＭＬＵセルの抵抗は、記憶磁化２３０、２３４、２３５に対するセンス磁化２１０の相対的な向きによって決定される。センス磁化２１０は、センス磁場４４を発生させるために界磁線部分４にセンス磁場電流４３を通すことによって変化させることができる。センス磁場電流４３は、センス磁場電流４３の極性に従ってセンス磁場４４及び平均抵抗Ｒａを変調させるために、交番させることができる。当初、センス磁化２１０の異方性軸は、記憶磁化２３０、２３４、２３５とほぼ直角であるので、応答は、線形である。
従来のＭＬＵセルとは対照的に、このセンシング動作は、交換バイアス場６０を補償するために、界磁線４内に電流を導入することなく実行することができる。
１ ＭＬＵセル
１００ 磁気センサ・デバイス
２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２２ トンネル障壁層
２３ 記憶層
２１０ センス磁化
２３０ 記憶磁化
２３１ 第１の記憶強磁性層
２３２ 第２の記憶強磁性層
２３３ 記憶結合層
２３４ 第１の記憶磁化
２３５ 第２の記憶磁化
２４ 反強磁性記憶層、ピン止め層
３ 電流線
３１ 加熱用電流
３２ センシング電流
４ 界磁線
４１ プログラミング電流
４２ プログラミング磁場
４３ センス磁場電流
４４ センス磁場
６０ 交換バイアス場
７０ 間接的交換結合
７１ 追加交換バイアス場
Ｈ 外部磁場
Ｈｂｉａｓ ヒステリシス・ループのずれ
Ｒ 磁気トンネル接合の抵抗
Ｒａ 平均抵抗
ＴＨ 高閾値温度
ＴＬ 低閾値温度
１００ 磁気センサ・デバイス
２ 磁気トンネル接合
２１ センス層
２２ トンネル障壁層
２３ 記憶層
２１０ センス磁化
２３０ 記憶磁化
２３１ 第１の記憶強磁性層
２３２ 第２の記憶強磁性層
２３３ 記憶結合層
２３４ 第１の記憶磁化
２３５ 第２の記憶磁化
２４ 反強磁性記憶層、ピン止め層
３ 電流線
３１ 加熱用電流
３２ センシング電流
４ 界磁線
４１ プログラミング電流
４２ プログラミング磁場
４３ センス磁場電流
４４ センス磁場
６０ 交換バイアス場
７０ 間接的交換結合
７１ 追加交換バイアス場
Ｈ 外部磁場
Ｈｂｉａｓ ヒステリシス・ループのずれ
Ｒ 磁気トンネル接合の抵抗
Ｒａ 平均抵抗
ＴＨ 高閾値温度
ＴＬ 低閾値温度
Claims (16)
- 磁場を検出するマグネティック・ロジック・ユニット（ＭＬＵ）セル（１）であって、
記憶磁化（２３０、２３４、２３５）を有する記憶層（２３）と、センス磁化を有するセンス層（２１）と、前記記憶層（２３）と前記センス層（２１）の間のトンネル障壁層（２２）と、低閾値温度（ＴＬ）で前記記憶磁化（２３０、２３４、２３５）をピン止めするとともに高閾値温度（ＴＨ）で前記記憶磁化を自由にするピン止め層（２４）とを含む磁気トンネル接合（２）を備え、前記センス磁化（２１０）は、前記低閾値温度及び前記高閾値温度で自由に整列させることが可能であり、
前記記憶層（２３）は、前記センス磁化（２１０）が前記記憶磁化（２３０、２３４）と逆平行又は平行に整列される傾向にあるように、前記センス層（２１）と磁気的に結合する交換バイアス場（６０）を誘導するＭＬＵセル（１）において、
前記トンネル障壁層（２２）は、追加交換バイアス場（７１）を与えるように前記トンネル障壁層（２２）と前記センス層（２１）の間に間接的交換結合（７０）を発生させるように構成されていることを特徴とするＭＬＵセル（１）。 - 前記記憶層は、前記交換バイアス場（６０）を誘導する記憶磁化（２３０）を有する単一の強磁性層（２３）を備える、
請求項１に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記記憶層（２３）は、第１の記憶磁化（２３４）を有する第１の強磁性層（２３１）と、第２の記憶磁化（２３５）を有する第２の記憶強磁性層（２３２）と、前記第１の強磁性層と前記第２の強磁性層（２３１、２３２）の間にＲＫＫＹ結合をもたらす逆平行記憶結合層（２３３）とを含む合成反強磁性体を備え、
前記第１及び第２の記憶磁化（２３４、２３５）の一方のモーメントは、他方のモーメントよりも大きく、より大きいモーメントを有する前記記憶磁化（２３４、２３５）が、前記交換バイアス場（６０）を誘導する、
請求項１に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記トンネル障壁層（２２）は、前記追加交換バイアス場（７１）が前記交換バイアス場（６０）とほぼ同じ大きさであるとともに反対方向であるように構成されている、
請求項１〜３のいずれか一つに記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記間接的交換結合（７０）は、前記センス磁化（２１０）の反転が約３００ｎｍ未満のサイズを有する前記磁気トンネル接合（２）に対して約１００エールステッド未満だけずれるような交換結合である、
請求項４に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記記憶磁化（２３０、２３４、２３５）の方向は、前記磁気トンネル接合（２）が前記高閾値温度（ＴＨ）であるときに、約４００エールステッド未満の磁場を用いて切り替えることができる、
請求項５に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記トンネル障壁層（２２）は、酸化物、窒化物又は酸窒化物を含有し、約０．５ｎｍから約３ｎｍの厚さを有する、
請求項１〜６のいずれか一つに記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記トンネル障壁層（２２）は、酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムを含有するか、或いは酸化アルミニウム又は酸化マグネシウムから形成される、
請求項７に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記トンネル障壁層（２２）は、酸化物ターゲットからの酸化物を堆積させることによって得られる、
請求項７又は８に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記トンネル障壁層（２２）は、金属層を酸化させることによって得られる、
請求項７又は８に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記トンネル障壁層（２２）は、金属層の自然酸化又はラジカル酸化によって得られる、
請求項１０に記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記追加交換バイアス場（７１）の方向及び大きさは、前記トンネル障壁層（２２）に含まれる材料又は前記トンネル障壁層（２２）を形成する材料の酸化状態又は窒化状態を調整することによって調整可能である、
請求項１〜１１のいずれか一つに記載のＭＬＵセル（１）。 - 前記追加交換バイアス場（７１）の方向及び大きさは、前記トンネル障壁層（２２）の厚さ、粗さ及び組成の中の一つ以上を調整することによって更に調整可能である、
請求項１２に記載のＭＬＵセル（１）。 - 請求項１〜１２のいずれか一つに記載のＭＬＵセル（１）を動作させる方法であって、
プログラミング動作中に、前記記憶磁化（２３０、２３４、２３５）をプログラムされた方向に整列させるステップと、
検出動作中に、前記プログラムされた方向の前記記憶磁化（２３０、２３４、２３５）を有する前記ＭＬＵセル（１）の抵抗（Ｒ）を測定するステップと、
を含み、
前記トンネル障壁層（２２）は、前記追加交換バイアス場（７１）が前記交換バイアス場（６０）とほぼ同じ大きさであるとともに反対方向であり、前記交換バイアス場（６０）を補償するために、追加電流を界磁線（４）に通す必要がないように構成されている、
方法。 - 前記抵抗（Ｒ）を測定する前記ステップは、前記センス磁化（２１０）を整列させることができるセンス磁場（４４）を発生させるように、前記ＭＬＵセル（１）と磁気的に連通する界磁線（４）にセンス磁場電流（４３）を通すステップを含むことができる、
請求項１４に記載の方法。 - 前記抵抗（Ｒ）を測定する前記ステップは、電流線（３）及び前記磁気トンネル接合（２）にセンシング電流（３２）を通すステップを更に含む、
請求項１４又は１５に記載の方法。
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