JP2784439B2 - 磁気抵抗記憶素子、アレイおよび装置 - Google Patents

磁気抵抗記憶素子、アレイおよび装置

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JP2784439B2 JP6022669A JP2266994A JP2784439B2 JP 2784439 B2 JP2784439 B2 JP 2784439B2 JP 6022669 A JP6022669 A JP 6022669A JP 2266994 A JP2266994 A JP 2266994A JP 2784439 B2 JP2784439 B2 JP 2784439B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高性能非揮発性記憶装
置に関し、より詳しくは、スピン・バルブ構成を持つ磁
気抵抗記憶素子を使用する非揮発性磁気ランダム・アク
セス記憶装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明者等は、以下の参照文献を本発明
に関連が最も深いと考える。
【０００３】［Ａ］米国特許第５１５９５１３号は、ス
ピン・バルブ効果を利用した磁気抵抗（ＭＲ）センサを
開示している。このセンサは、ガラスまたはその他の適
切な基板上に付着された長方形の多層構造を備えてい
る。第１および第２の強磁性層が、薄い銅製のスペーサ
層によって分離されている。第１の層の磁化は、硬磁気
材料を第１の層として使用することによって、あるい
は、それが好ましいなら反強磁性層を使用して交換結合
により第１の層を固定することによって、センサの幅に
直交する方向に固定されている。第２の層の磁化は、通
常センサの長さに沿った方向であるが、感知される磁界
の大きさによって決定される角度で自由に回転すること
ができる。したがって、このセンサはアナログ型装置で
ある。
【０００４】［Ｂ］American Physical Society、Vol.3
9、 No.7、 p.4828(1989年)に発表された"Enhanced Magne
toresistance in Layered Magnetic Structures With A
ntiferromagnetic Interlayer Exchange"と題する論文
では、これらの層の間の反強磁性結合によって、強磁性
膜層中で磁化が反平行に整列するため、磁気抵抗効果が
大幅に増大するので、ＭＲ磁界センサなどの応用例にと
って魅力的であると指摘している。
【０００５】［Ｃ］J. Appl. Physics、69(8)、(1991年4
月15日、 p.5760以降)に発表された"Memory Implication
s of the Spin-Valve Effect in Soft Multilayers"と
題する論文は、以下でさらに詳細に説明するいくつかの
欠陥も持つＭＲ記憶素子を記載している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はこれら
の欠陥を解決する次のような非揮発性磁気記憶装置を提
供することにある。 （１）状態照会（state interrogation）を必要とせず
に直流読取りを実行する。状態照会は読取り信号と同義
であり、その状態が"１"か"０"を決定する。 （２）磁気層の全（full）δＲ／Ｒ（すなわち、利用可
能なδＲ／Ｒ）を使用して、高感度を実現する。 （３）ロックイン検出を不要にすることによって読取り
アクセス時間を改善する。ロックイン検出は長期間にわ
たり平均化する反復信号である。（この信号が小さいと
きは、ノイズにより検出が困難であるので、多数回にわ
たり読取りが行なわれるとともに、"それをロックイン"
して平均化がなされる。） （４）主として、ＭＲ記憶素子の幅を短縮することによ
ってスピン・バルブ・セルのサイズを縮小できるように
し、信号レベルを上げる。 （５）高速の書込み動作および消去動作を可能にする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】基板と、非磁性金属材料
層によって分離された２つの強磁性材料層を含む、基板
に付着された長方形の多層構造とを備えた非揮発性磁気
抵抗記憶素子が記述される。両方の強磁性層の磁化容易
軸は、記憶素子のほぼ長さ方向に配向している。一方の
強磁性層の磁化は、記憶素子のほぼ長さ方向である１つ
の方向に固定され、他方の強磁性層の磁化は、印加され
る磁界に応じて、固定方向に対してほぼ平行な方向とほ
ぼ反平行な方向との間で自由に変化する。
【０００８】記憶素子の幅は、多層構造の層の磁壁の幅
より短い。
【０００９】印加される磁界は、強磁性層の磁化方向が
平行であるか反平行であるかによって、記憶素子をそれ
ぞれ論理"１"または論理"０"を表す２つの状態の間で切
り替える。一方の強磁性層の磁化方向は、反強磁性層と
の交換結合によって固定することができる。あるいは、
それが好ましければ、前記他方の層の保磁力よりも大き
な保磁力または十分に大きな異方性を持つ硬磁性材料を
一方の層に使用して、状態切替え動作時にその磁化を保
持することもできる。
【００１０】
【実施例】図１および２は、参照文献［Ｃ］に記載され
た種類のＭＲ記憶素子を示す。このＭＲ記憶素子は、薄
い非磁性スペーサ層１４によって分離された２つの強磁
性層１１、１２を備えている。強磁性層１１、１２の磁
化方向は矢印１５、１６（図１）で示すように反平行で
あり、これらの磁化方向がどちらも、矢印１７、１８
（図２）で示すように書込み電流に応じてほぼ１８０°
変化し、磁化容易軸異方性は矢印１９で示すセンス電流
の方向に対して垂直であることに留意されたい。
【００１１】この２つの磁気状態は同じ直流出力を与え
るので、ＭＲ記憶装置に動的に照会して既存の状態を決
定するためには、書込み／照会電流１３によって提供さ
れる縦方向磁界が必要である。読取り時の状態の切替え
の結果、記憶された情報が破壊されるのを防止するため
に、磁化の回転は小さな量しか許されない。このため、
磁気センサ層のδＲ／Ｒが十分に利用できない。
【００１２】たとえば、１メガビット・アレイにおい
て、読取り動作中の２つの状態間の回転の差は、０．２
２％のδＲ／Ｒに対応する。この値は、多層構造の２．
５％という総δＲ／Ｒ（すなわち、利用可能なδＲ／
Ｒ）の１０分の１より小さい。また、状態が変化しない
ように、センス電流の大きさを制限する必要がある。
【００１３】δＲ／Ｒの利用が不十分であり、かつセン
ス電流が低いため、感度が低いので、低速の「ロックイ
ン」検出が必要となり、したがって低速の読取りアクセ
ス時間が必要となる。
【００１４】この構成は、超高密度記憶装置には拡張で
きない。というのは、形状の異方性と磁壁の縁反りのた
めに、磁化の横配向が妨げられるからである。その結
果、記憶素子の幅をあまり狭くすることはできない。ス
ピン・バルブ・セルのサイズを小さくして幅を縮める
と、記憶素子の長さが短くなり、すでに低い信号レベル
がさらに下がる。
【００１５】これらの欠陥は、本発明者等の新規のスピ
ン・バルブ・セル構成によって解決される。図３および
４に示すように、本発明を実施する記憶素子２０は、ガ
ラス、セラミック、半導体などの適切な基板２２を備え
ており、この基板の上に、第１の軟強磁性材料の薄膜層
２４、銅などの非磁性金属材料の薄膜層２６、および第
２の強磁性材料の薄膜層２８が付着される。
【００１６】記憶素子２０が長方形であり、磁化容易軸
が記憶素子の長さに沿っていることに留意されたい。第
２の強磁性層２８の磁化方向は、反強磁性層３０との交
換結合などによって、記憶素子の長さ方向に平行になる
ように固定される（矢印２９を参照）。しかし、第２の
強磁性層２８が状態切替え動作中に磁化を保持するのに
十分な硬磁気材料であるか、または十分な異方性を持つ
場合に限り、それが好ましければ、反強磁性層３０を除
去することができる。
【００１７】第１の軟強磁性層２４の磁化は、一軸異方
性および幾何形状によって、記憶素子２０の長さ方向、
すなわち第２の強磁性層２８の固定磁化方向に平行（図
３の矢印３１を参照）または反平行（図４の矢印３３を
参照）になるように拘束される。記憶素子２０の"１"状
態（図３）と"０"状態（図４）の間での切替えは、記憶
素子２０に横磁界と縦磁界を同時に印加することによっ
て行う。縦磁界は、記憶素子２０の長さ方向に直交して
延びる導体によって提供される書込み線３４中の縦方向
書込み電流３２によって誘導される。横磁界は、記憶素
子２０を通ってその長さ方向に流れる横書込み／センス
電流３６によって誘導される。横磁界を強化することに
よって安定性を増したい場合は、記憶素子２０を通って
その長さ方向に延び、基板２２と第１の軟強磁性層２４
に接触する絶縁層３３との間に挿入される、任意選択の
別個の導体３７によって追加の横書込み／センス電流を
提供することができる。導体３７は、図３だけに示して
ある。
【００１８】記憶素子２０が２つの２進状態だけを示す
ようにするため、記憶素子２０の短寸法（図３及び図４
の幅Ｗ）を磁壁の幅よりも小さくする必要がある。５０
〜９０Åの典型的なスピン・バルブ厚さでは、ネール壁
の幅が約１．２μｍである。ネール壁は、薄強磁性材料
において２磁区を分ける領域である。ネール壁の幅とは
強磁性薄膜における磁壁の幅となる。これは、記憶素子
２０の幅を１μｍ以下にすれば、状態間の遷移が確実に
なるはずであることを示している。実際の試験で、幅
０．７５μｍの記憶素子では、平行状態と反平行状態の
間で一回の鋭い遷移がもたらされることが分かった。電
気抵抗は、第１の軟強磁性層２４の磁化が固定された第
２の強磁性層２８の磁化に平行であるとき最小となり、
第１の軟強磁性層２４の磁化が固定された第２の強磁性
層２８の磁化と反平行であるとき最大となる。
【００１９】記憶素子２０のスピン・バルブ・セル構成
が、前述の諸目標を達成することが今や理解できよう。
２つの状態がスピン・バルブ効果による最大および最小
の直流抵抗に対応するので、直流抵抗を検出し、それを
直接読出しに使用することができる。状態の照会は必要
でなく、非破壊読出しが保証される。
【００２０】磁気層２４、２８の総δＲ／Ｒが使用され
る。たとえば、ＮｉＦｅ（９０Å）／Ｃｕ（２０Å）／
ＮｉＦｅ（７０Å）／ＭｎＦｅ（１２０Å）から成り、
δＲ／Ｒが３．６％、Ｒが２０Ω／ｃｍ2である典型的
なスピン・バルブ構造を仮定する。幅１μｍ、長さ５μ
ｍ、センス電流５ｍＡの記憶素子では、信号レベルは約
１８ｍＶである。この値は、高速実時間検出を実行し、
かつ１メガビットの記憶装置で使用するのに十分な程度
である。セル・サイズをさらに縮小すると、さらに改善
が達成できる。
【００２１】本発明では、バルクハウゼン雑音の問題や
線形性の要件はない。高い異方性／保磁力をもつＣｏや
他のＣｏ合金などの材料により、記憶素子の安定性を強
化すると共に、感度を２倍または３倍に増大することが
できる。
【００２２】図５は、本発明を実施する２×２記憶アレ
イ４０で読取りおよび書込み動作を実施するための記憶
セル選択回路を示す。図のように、アレイ４０は、４つ
の同じ記憶セル５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄと、２
つのセンス増幅器５１Ｘ、５１Ｙを備えている。各記憶
セル５０ＡないしＤは、活動ＭＲ記憶素子５２と参照Ｍ
Ｒ記憶素子５３を備えており、差分出力を生成する。ア
レイにおける信号の分岐を防ぐために、各記憶素子５
２、５３は２組のスイッチで付勢される。たとえば、記
憶セル５０Ａに書き込むには、記憶セル５０Ａのスイッ
チ５５とスイッチ５７を閉じて線Ｂ１と線Ｗ１を接続す
ると、ＭＲ記憶素子５２中を流れる書込み電流（図３の
３２）が横磁界を誘導することができる。また、書込み
線Ｗ１Sを大地に接続すると、流れる電流が縦磁界を誘
導することができる。記憶セル５０Ａの内容を読み出す
には、記憶セル５０Ａのスイッチ５５とスイッチ５７を
閉じて線Ｂ１と線Ｗ１を接続し、さらに記憶セル５０Ａ
のスイッチ５４とスイッチ５６を閉じて線Ｂ１'と線Ｗ
１'を接続すると、記憶セル５０Ａの活動ＭＲ記憶素子
５２と参照ＭＲ記憶素子５３の両方にセンス電流が流入
することができる。これらの記憶素子の差分出力が、セ
ンス増幅器５１Ｘによって差分出力電圧として感知され
る。
【００２３】したがって、記憶セル５０Ｂに書き込むに
は、記憶セル５０Ｂのスイッチ５５とスイッチ５４を閉
じてＷ２Sの書込み電流を活動化し、記憶セル５０Ｃに
書き込むには、記憶セル５０Ｃのスイッチ５５とスイッ
チ５９を閉じてＷ１Sの書込み電流を活動化することは
明らかであろう。他の場合についても同様である。記憶
セル５０Ｂの内容をセンス増幅器５１Ｙに読み出すに
は、記憶セル５０Ｂのスイッチ５５とスイッチ５７を閉
じて線Ｂ１と線Ｗ２を接続し、記憶セル５０Ｂのスイッ
チ５４とスイッチ５６を閉じて線Ｂ１'と線Ｗ２'を接続
する。記憶セル５０Ｃの内容をセンス増幅器５１Ｘに読
み出すには、記憶セル５０Ｃのスイッチ５５とスイッチ
５９を閉じて線Ｂ２と線Ｗ１を接続し、記憶セル５０Ｃ
のスイッチ５４とスイッチ５８を閉じて線Ｂ２'と線Ｗ
１'を接続する。このように、記憶セル５０ＡないしＤ
のうちの選択可能な１つに向けられる２つの磁界の組合
せによって、選択されたセルだけで切替えが誘導され
る。
【００２４】図６は、図５に示したアレイ４０を実施す
る記憶装置６０を示す。アドレス・バス６４がアドレス
・デコーダ６２にアドレスを供給すると、アドレス・デ
コーダ６２は、選択されたワード線およびビット線のス
イッチを活動化し、アレイ４０中の記憶セル５０Ａない
しＤのうちの特定の１つが選択されるようになる。読取
り信号が読取り／書込み選択線６６を介して送られると
き、選択されたセルの内容が照会され、データ入出力装
置６８に移動され、後でデータ・バス７０に送られる。
読取り／書込み選択線６６を介して書込みコマンドを受
け取るとき、アドレス・デコーダ６２はスイッチを活動
化し、データ入出力６８の情報に従って選択された特定
のセルにデータを書き込むために、該セルに適切な書込
み電流を送る。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
【図１】最後に引用した従来技術のＭＲ記憶素子の"１"
および"０"情報状態を示す分解斜視図である。
【図２】最後に引用した従来技術のＭＲ記憶素子の"１"
および"０"情報状態を示す分解斜視図である。
【図３】本発明を実施するＭＲ記憶素子の"１"および"
０"情報状態を示す分解斜視図である。
【図４】本発明を実施するＭＲ記憶素子の"１"および"
０"情報状態を示す分解斜視図である。
【図５】本発明の１つの実施態様を示す２ｘ２ＭＲ記憶
アレイの概略図である。
【図６】図５に示した記憶アレイを実施する記憶装置の
概略図である。
【符号の説明】
２０ 記憶素子 ２２ 基板 ２４ 第１の軟強磁性材料薄膜層 ２６ 非磁性金属材料薄膜層 ２８ 第２の強磁性材料薄膜層 ３０ 反強磁性層 ３２ 縦書込み電流 ３４ 書込み線 ３６ 横書込み／センス電流 ４０ アレイ ５０ 記憶セル ５１ センス増幅器 ５２ ＭＲ記憶素子 ５５ スイッチ ６２ アドレス・デコーダ ６４ アドレス・バス ６６ 読取り／書込み選択線 ６８ データ入出力装置 ７０ データ・バス
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デニー・ドゥアン＝リー・タン アメリカ合衆国95070 カリフォルニア 州サラトガ カニンガム・プレース 20407 (72)発明者 ワン・ポー・カン アメリカ合衆国95120 カリフォルニア 州サンノゼ シャドウ・ブルック・ドラ イブ 1007 (56)参考文献 特開 平６−84347（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−266651（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一の基板と、一の非磁性金属層によって分
    離された２つの強磁性層を含む、前記基板上に付着され
    た長方形の多層構造とを備えた非揮発性磁気抵抗記憶素
    子であって、前記２つの強磁性層の磁化容易軸が前記記
    憶素子のほぼ長さ方向にそれぞれ配向され、前記２つの
    強磁性層のうち一方の強磁性層の磁化が前記記憶素子の
    ほぼ長さ方向である１つの方向に固定され、前記２つの
    強磁性層のうち他方の強磁性層の磁化が、印加される磁
    界に応じて、前記固定された１つの方向に対してほぼ平
    行な方向とほぼ反平行な方向との間で自由に切り替わ
    り、さらに交換結合によって、前記一方の強磁性層を前
    記固定された１つの方向に磁化させる反強磁性層を含む
    ことを特徴とする、前記記憶素子。
  2. 【請求項２】各々が請求項１で定義される種類の一の活
    動記憶素子をそれぞれ備える複数のスピン・バルブ・セ
    ルと、前記複数のセルのうち選択された１つのセル内に
    ある活動記憶素子に横書込み電流を供給して横磁界を誘
    導するのと同時に、前記選択されたセルに縦書込み電流
    を供給して縦磁界を誘導することによって、前記活動記
    憶素子の前記２つの強磁性層の磁化方向がほぼ平行であ
    るかまたはほぼ反平行であるかに応じて、前記選択され
    たセルに「１」または「０」を書き込む手段とを備える
    ことを特徴とする、非揮発性磁気抵抗記憶アレイ。
  3. 【請求項３】前記選択されたセル内にある活動記憶素子
    に追加の横書込み電流を供給して安定性を増すため、前
    記基板と他の層との間に挿入され且つ前記記憶素子を通
    して当該記憶素子の長さ方向に延びる、別個の導体を含
    むことを特徴とする、請求項２に記載の非揮発性磁気抵
    抗記憶アレイ。
  4. 【請求項４】各々が請求項１で定義される種類の一の活
    動記憶素子と一の参照記憶素子をそれぞれ備える複数の
    スピン・バルブ・セルと、 少なくとも１つの差分増幅器と、 前記複数のセルのうち選択された１つのセル内にある活
    動記憶素子および参照記憶素子を介して関連する差分増
    幅器にセンス電流を供給して、前記選択されたセルのそ
    の時点の磁気状態を示す大きさの差分出力電圧を提供す
    る手段とを備えることを特徴とする、非揮発性磁気抵抗
    記憶アレイ。
  5. 【請求項５】所望の１つのセルにデータを記憶するた
    め、前記センス電流の方向に直交する方向に流れる書込
    み電流を前記所望の１つのセルに印加するのと同時に、
    前記所望のセル内にある活動記憶素子だけに前記センス
    電流を供給する手段を含むことを特徴とする、請求項４
    に記載の非揮発性磁気抵抗記憶アレイ。
  6. 【請求項６】前記センス電流で横磁界を誘導し、前記書
    込み電流で縦磁界を誘導することによって、前記選択さ
    れたセル内にある活動記憶素子の前記２つの強磁性層の
    磁化方向がほぼ平行であるかまたはほぼ反平行であるか
    に応じて、前記選択されたセルに「１」または「０」を
    書き込むことを特徴とする、請求項４に記載の非揮発性
    磁気抵抗記憶アレイ。
  7. 【請求項７】各々が一の基板と、一の非磁性金属層によ
    って分離された２つの強磁性層を含む多層構造とをそれ
    ぞれ備える複数の磁気抵抗記憶素子であって、各記憶素
    子内にある前記２つの強磁性層の磁化容易軸が、前記記
    憶素子のほぼ長さ方向で且つ印加されるセンス電流の方
    向にほぼ平行に配向され、前記２つの強磁性層のうち一
    方の強磁性層の磁化方向が記憶素子のほぼ長さ方向であ
    る方向に固定され、前記２つの強磁性層のうち他方の強
    磁性層の磁化方向が、前記一方の強磁性層の磁化方向に
    対してほぼ平行またはほぼ反平行である２つのディジタ
    ル状態の間で自由に切り替わり、さらに交換結合によっ
    て、前記一方の強磁性層を前記固定された１つの方向に
    磁化させる反強磁性層を含み、各記憶素子の幅がその長
    さよりも、前記他方の強磁性層を前記２つのディジタル
    状態のうち選択された１つの状態のままにしておく量だ
    け短い、前記複数の磁気抵抗記憶素子と、データを書き
    込むために、書込み電流を生成して、前記複数の磁気抵
    抗記憶素子のうち選択された１つの記憶素子を前記２つ
    のディジタル状態の一方から反対の状態に切り替える手
    段と、 前記選択された記憶素子内のデータを読み取るために、
    前記センス電流を印加して、前記選択された記憶素子内
    にその時点で存在する状態を感知する手段とを備えるこ
    とを特徴とする、非揮発性磁気抵抗記憶装置。
JP6022669A 1993-02-23 1994-02-21 磁気抵抗記憶素子、アレイおよび装置 Expired - Fee Related JP2784439B2 (ja)

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