JP4292239B2 - スケーラブルな磁気抵抗ランダム・アクセス記憶素子に書き込むための方法 - Google Patents

スケーラブルな磁気抵抗ランダム・アクセス記憶素子に書き込むための方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体記憶装置に関し、より詳細には、磁界を使用する半導体ランダム・アクセス記憶装置に関する。
不揮発性記憶装置は、電子システムでの非常に重要な構成部品である。フラッシュ・メモリは、現在使用されている主要な不揮発性記憶装置である。典型的な不揮発性記憶装置は、情報を記憶するために浮動酸化物層内に捕捉した電荷を利用する。フラッシュ・メモリの問題点としては、高電圧を必要とすることと、プログラミングおよび消去に時間がかかることなどがある。また、フラッシュ・メモリは、メモリが故障するまでの書き込み耐久性が10〜10サイクルと短い。さらに、妥当なデータ保持を維持するためには、ゲート酸化膜のスケーリング(scaling)が、電子から見たトンネル障壁により制限される。それ故、フラッシュ・メモリは、スケーリングすることができる寸法が制限される。
これらの問題点を克服するために、磁気記憶装置が現在評価されている。このようなデバイスの1つとしては、磁気抵抗RAM(以下「MRAM」と呼ぶ)がある。しかし、商業的に実用化するためには、MRAMは、現在のメモリ技術に匹敵するメモリ密度を持たなければならないし、将来世代のためにスケーラブルで、低電圧動作で、低消費電力で、競合できる読取/書込速度を有するものでなければならない。
MRAMデバイスの場合には、不揮発性メモリ状態の安定性、読取/書込サイクルの反復性、および記憶素子間のスイッチング磁界の均一性が、その設計特性の最も重要な3つの態様である。MRAM内のメモリ状態は電力により維持されるのではなく、磁気モーメント・ベクトルの方向により維持される。データの記憶は、磁界を加えてMRAMデバイス内の磁気材料を2つの可能なメモリ状態のうちの一方に磁化することにより行われる。データの呼出し(recall)は、2つの状態によるMRAMデバイス内の抵抗の違いを感知することにより行われる。書込みを行うための磁界は、磁気構造体外部のストリップ線路を介して、または磁気構造体自身を介して電流を流すことにより生成される。
MRAMデバイスの横寸法が小さくなるにつれて、3つの問題が発生する。第1の問題は、所与の形状および膜の厚さに対してスイッチング磁界が増大して、スイッチングを行うために強い磁界が必要になることである。第2の問題は、全体のスイッチング容積が小さくなるために、反転のためのエネルギー障壁が低減することである。エネルギー障壁という用語は、磁気モーメント・ベクトルを、ある状態から他の状態にスイッチングされるのに必要なエネルギーの量を意味する。エネルギー障壁は、MRAMデバイスのデータ保持および誤り率を決定し、障壁が非常に小さい場合には、熱変動(超常磁性)により予期しない反転が起こる恐れがある。エネルギー障壁が小さい場合の大きな問題は、アレイ内のあるMRAMデバイスを選択的にスイッチングするのが非常に困難になることである。選択性により、他のMRAMデバイスをうっかりしてスイッチングすることなく、スイッチングを行うことができる。最後に、スイッチング磁界は形状により生成されるので、MRAMデバイスのサイズが小さくなるにつれて、形状の変化にさらに敏感になる。寸法が小さくなるとフォトリソグラフィのスケーリングがさらに困難になるので、MRAMデバイスは、厳しいスイッチング分配を維持するのが難しくなる。
それ故、従来技術に固有の上記および他の問題点を克服できれば非常に有利である。
それ故、本発明の1つの目的は、磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
本発明の1つの目的は、非常に選択性の高い磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
本発明のもう1つの目的は、誤り率が改善された磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
本発明のもう1つの目的は、形状への依存性が少ないスイッチング磁界を有する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置へ書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
上記および他の目的および利点を達成するための、スケーラブルな磁気抵抗メモリ・アレイに書き込むための方法を開示する。メモリ・アレイは、多数のスケーラブルな磁気抵抗記憶装置からなる。説明を簡単にするために、1つのMRAMデバイスへの上記書込み方法の適用方法について説明するが、この書込み方法は、任意の数のMRAMデバイスにも適用できることを理解することができるだろう。
上記書込み方法を説明するために使用するMRAMデバイスは、磁気抵抗記憶素子に隣接して位置するワード線およびディジット線を含む。磁気抵抗記憶素子は、ディジット線に隣接して位置するピン留めされた磁気領域を含む。トンネル障壁は、ピン留めされた磁気領域上に位置する。次に自由磁気領域は、トンネル障壁上に位置していてワード線に隣接している。好ましい実施形態では、ピン留めされている磁気領域は、好適な方向に固定されたことによって発生する磁気モーメント・ベクトルを有する。また、好ましい実施形態では、自由磁気領域は合成反強磁性(以下「SAF」と呼ぶ)層材料を含む。合成反強磁性層材料は、強磁性体のN個の反強磁性結合層を含む。ここで、Nは2以上の整数である。N個の層は、Nを変化させることにより調整することができる磁気スイッチング容積を画定する。好ましい実施形態の場合には、N個の強磁性層は、反強磁性結合スペーサ層を、隣接する各強磁性層間にサンドイッチ状に挟むことにより反強磁性結合している。さらに、各N層は、最適化した書込モードを提供するように調整されたモーメントを有する。
好ましい実施形態では、Nは2に等しいので、合成反強磁性層材料は、強磁性層/反強磁性結合スペーサ層/強磁性層からなる3層構造である。3層構造の2つの強磁性層は、それぞれ磁気モーメント・ベクトルMおよびMを有し、磁気モーメント・ベクトルは、通常、反強磁性結合スペーサ層の結合により逆平行方向を向いている。反強磁性結合も、MRAM構造内の層の静磁界により生成される。それ故、スペーサ層は、2つの磁気層間の強磁性結合を除去する以上の追加の反強磁性結合を必ずしも提供する必要はない。本発明の書込み方法を説明するために使用するMRAMデバイスについてのもっと詳細な情報については、同じ日付の「改善されたスケーラビリティのための磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ」(Magnetoresistance Random Access
Memory for Improved Scalability)という名称の同時係属米国特許出願を参照されたい。上記出願は引用によって本明細書の記載に援用する。
MRAMデバイス内の2つの強磁性層内の磁気モーメント・ベクトルは、ΔM=(M−M)で表される合成磁気モーメント・ベクトル、およびサブ層モーメント分数バラン
ス比、Mbr=(M−M)/(M+M)=ΔM/Mtotalを提供するために、異なる厚さまたは材料を有することができる。3層構造による合成磁気モーメント・ベクトルは、印加された磁界により自由に回転することができる。磁界がゼロの場合には、合成磁気モーメント・ベクトルは、ピン留めされている基準層の合成磁気モーメント・ベクトルに対して平行または逆平行である磁気異方性により決まるある方向で安定する。「合成磁気モーメント・ベクトル」という用語は、この説明のためだけに、また全体的にバランスがとれたモーメントの場合に対してだけ使用され、合成磁気モーメント・ベクトルは、磁界が存在しない場合にはゼロである。以下に説明するように、トンネル障壁に隣接するサブ層磁気モーメント・ベクトルだけがメモリの状態を決定する。
MRAMデバイスを流れる電流は、トンネル障壁に直接隣接している自由およびピン留め層の磁気モーメント・ベクトルの相対的向きにより支配されるトンネル磁気抵抗により異なる。磁気モーメント・ベクトルが平行である場合には、MRAMデバイスの抵抗は低く、電圧バイアスがデバイスを通るより大きな電流を誘起する。この状態を「1」と定義する。磁気モーメント・ベクトルが逆平行である場合には、MRAMデバイス抵抗は高く、印加電圧バイアスはデバイスを通るより小さな電流を誘起する。この状態を「0」と定義する。これらの定義は任意のもので逆にすることもできるが、この例の場合には、説明のためにこれらの定義を使用することが理解できるだろう。それ故、磁気抵抗メモリにおいては、データの記憶は、MRAMデバイス内の磁気モーメント・ベクトルを、ピン留めされている基準層内の磁気モーメント・ベクトルに対して平行な方向および逆平行の方向のうちのいずれかに向けさせる磁界を与えることにより行われる。
スケーラブルなMRAMデバイスに書込みを行うための方法は、ほぼバランスのとれたSAF3層構造に対する「スピン・フロップ」現象によるものである。この場合、「ほとんどバランスがとれている」という用語の意味は、サブ層モーメント分数バランス比の大きさが、0≦|Mbr|≦0.1の範囲内にあると定義される。スピン・フロップ現象は、強磁性層の磁気モーメント・ベクトルを回転することにより印加された磁界内の全磁気エネルギーを低減し、その結果、上記磁気モーメント・ベクトルは、印加された磁界の方向とほぼ直角になるが、依然として相互への逆平行のほうが優勢である。全磁気エネルギーの低減は、印加された磁界の方向での各強磁性磁気モーメント・ベクトルの僅かな振れと結合した回転またはフロップによるものである。
通常、フロップ現象およびタイミングのとれたパルス・シーケンスを使用して、MRAMデバイスに対して2つの異なるモード、すなわち、直接書込モードまたはトグル書込モードにより書込みを行うことができる。これらのモードは、以下に説明するように、同じタイミングのとれたパルス・シーケンスにより達成することができるが、印加された磁界の磁気サブ層モーメントおよび極性および大きさの選択の点で異なる。
各書込み方法はそれぞれの利点を有する。例えば、直接書込モードを使用する場合には、MRAMデバイスの最初の段階を決定する必要はない。何故なら、書込み中の状態が記憶している状態とは異なる場合だけ、状態がスイッチングされるからである。直接書込み方法は、書込シーケンスがスタートする前に、MRAMデバイスの状態を知る必要はないが、この方法の場合には、どちらの状態が必要なのかにより、ワード線およびディジット線の両方の極性を変更する必要がある。
トグル書込み方法を使用する場合には、書込みを行う前にMRAMデバイスの最初の状態を決定しなければならない。何故なら、同じ極性のパルス・シーケンスがワード線およびディジット線の両方から発生する度に、状態がスイッチングされるからである。それ故、トグル書込モードは、記憶しているメモリ状態を読み取り、この状態を、書き込む新しい状態と比較することにより動作する。比較の後で、記憶している状態と新しい状態が異
なる場合だけ、MRAMデバイスに書込みが行われる。
MRAMデバイスは、磁気異方性軸が、理想的には、ワード線およびディジット線に対して45度になるように構成することが望ましい。それ故、磁気モーメント・ベクトルMおよびMは、tの時点でワード線およびディジット線の方向に対して45度の好適な方向を向いている。書込み方法の一例について説明すると、直接書込みまたはトグル書込みを使用して、MRAMデバイスの状態をスイッチングするためには、下記の電流パルス・シーケンスが使用される。tの時点で、ワード電流が増大し、MおよびMが、スピン・フロップ効果により自分自身を磁界の方向にほぼ直角に整合するために、ワード電流の方向により時計方向または反時計方向に回転を開始する。tの時点で、ディジット電流がオンになる。ディジット電流は、ディジット線磁界による回転と同じ方向にMおよびMがさらに回転するようにある方向に流れる。この時点において、ワード線電流およびディジット線電流の両方がオンになり、その場合、MおよびMが、電流線に対して45度である正味の磁界の方向にほぼ直角になる。
一方の電流だけがオンになった場合に、磁界が、MおよびMを、ワード線またはディジット線に平行な方向にほぼ整合させることを理解することが重要である。しかし、両方の電流がオンになった場合には、MおよびMは、ワード線およびディジット線に対して45度の角度にほぼ直角に整合する。
の時点で、ワード線電流はオフになり、そのためMおよびMは、ディジット線の磁界だけにより回転するだけである。この時点において、MおよびMは、そのハード軸の不安定な点を過ぎてほぼ回転を終る。tの時点で、ディジット線電流はオフになり、MおよびMは好適な異方性軸に沿って整合する。この時点において、MおよびMは180度回転し、MRAMデバイスはすでに切り替えられている。それ故、ワード電流およびディジット電流を順次オンおよびオフすることにより、MRAMデバイスのMおよびMを180度回転することができ、その結果、デバイスの状態が切り替わる。
添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態の下記の詳細な説明を読めば、当業者であれば、本発明の上記および他のより特定の目的および利点を容易に理解することができるだろう。
図1は、本発明によるMRAMアレイ3の概略断面図である。この図は、1つの磁気抵抗記憶装置10しか示していないが、MRAMアレイ3は、多数のMRAMデバイス10を含むことを理解することができるだろう。1つのデバイスしか図示していないのは、本発明の書込み方法の説明を簡単にするためである。
MRAMデバイス10は、ワード線20およびディジット線30によりサンドイッチ状に挟まれている。ワード線20およびディジット線30は、電流がそこを通して流れることができるように導電性材料からなる。この図の場合、ワード線20は、MRAMデバイス10の上に位置していて、ディジット線30はMRAMデバイス10の下に位置していて、ワード線20に対して90度の角度の方向を向いている(図2参照)。
MRAMデバイス10は、第1の磁気領域15、トンネル障壁16、および第2の磁気領域17からなる。この場合、トンネル障壁16は、第1の磁気領域15と第2の磁気領域17の間にサンドイッチ状に挟まれている。好ましい実施形態の場合には、磁気領域15は、2つの強磁性層45および55の間にサンドイッチ状に挟まれている反強磁性結合スペーサ層65を有する3層構造18からなる。反強磁性結合スペーサ層65は厚さ86を有し、強磁性層45および55は、それぞれ厚さ41および51を有する。さらに、磁
気領域17は、2つの強磁性層46および56の間にサンドイッチ状に挟まれている反強磁性結合スペーサ層66を有する3層構造19を有する。反強磁性結合スペーサ層66は厚さ87を有し、強磁性層46および56は、それぞれ厚さ42および52を有する。
一般的に、反強磁性結合スペーサ層65および66は、元素Ru、Os、Re、Cr、Rh、Cuまたはこれらの組合せのうちの少なくとも1つを含む。さらに、強磁性層45、55、46および56は、元素Ni、Fe、Mn、Co、またはこれらの組合せのうちの少なくとも1つを含む。また、磁気領域15および17は、3層構造以外の合成反強磁性層材料構造を含むことができ、この実施形態で3層構造を使用しているのは単に説明のために過ぎないことを理解されたい。例えば、このような1つの合成反強磁性層材料構造は、強磁性層/反強磁性結合スペーサ層/強磁性層/反強磁性結合スペーサ層/強磁性層構造の5層構造からなる。
強磁性層45および55は、それぞれ、通常は反強磁性結合スペーサ層65の結合により逆平行に保持されている磁気モーメント・ベクトル57および53を有する。また、磁気領域15は、合成磁気モーメント・ベクトル40を有し、磁気領域17は、合成磁気モーメント・ベクトル50を有する。合成磁気モーメント・ベクトル40および50は、異方性磁化容易軸に沿って、ワード線20およびディジット線30から好適には45度の角度を有することが好ましい、ある角度方向を向いている(図2参照)。さらに、磁気領域15は自由強磁性領域であるが、このことは、合成磁気モーメント・ベクトル40が、印加された磁界の存在下で自由に回転することができることを意味する。磁気領域17は、ピン留めされている強磁性領域であるが、このことは、合成磁気モーメント・ベクトル50が、中程度の印加された磁界の存在下で自由に回転できないで、基準層として使用されることを意味する。
反強磁性結合層は、各3層構造18内の2つの強磁性層間に位置しているが、強磁性層は、静磁界または他の機能のような他の手段により、反強磁性結合することができることを理解することができるだろう。例えば、セルのアスペクト比が5またはそれ以下に低減すると、強磁性層は静磁束閉鎖から逆平行に結合される。
好ましい実施形態の場合には、MRAMデバイス10は、非円形平面に対して1〜5の範囲の長さ/幅比を有する3層構造18を有する。しかし、この実施形態の場合には、平面は円形になっている(図2参照)。好ましい実施形態の場合には、MRAMデバイス10は円形をしているが、それは形状の異方性によるスイッチング磁界への影響を最低限度に低減するためであり、デバイスをもっと小さい横方向の寸法にスケールするために、フォトリソグラフィ処理をもっと使用し易くするためである。しかし、MRAMデバイスを、正方形、楕円形、長方形または菱形のような他の形にすることもできるが、円形にしたのは説明を簡単にするためであり、性能を改善するためであることを理解することができるだろう。
さらに、MRAMアレイ3の製造中、後続の各層(すなわち、30、55、65等)は、順次デポジトまたは他の方法で形成され、各MRAMデバイス10は、半導体業界では周知の技術のうちの任意のものの選択的デポジト、フォトリソグラフィ処理、エッチング等により形成することができる。少なくとも強磁性層45および55のデポジト中、磁界は、このペア(誘起された異方性)に対して好適な容易磁気軸を設定するために与えられる。印加された磁界は、磁気モーメント・ベクトル53および57に対して好適な異方性軸を生成する。好適な軸は、以下にすぐに説明するように、ワード線20とディジット線30の間に45度の角度を有するように選択される。
図2について説明すると、この図は、本発明によるMRAMアレイ3の概略平面図であ
る。MRAMデバイス10の説明を簡単にするために、すべての方向は、図に示すように、x、y座標システム100で表し、また時計方向の回転94および反時計方向の回転96で表す。説明をさらに簡単にするために、ここでも、Nは2に等しいと仮定する。そのためMRAMデバイス10は、磁気モーメント・ベクトル53および57、および合成磁気モーメント・ベクトル40を含む領域15内に1つの3層構造を含む。また、領域15の磁気モーメント・ベクトルだけを示してあるが、それはこれらの磁気モーメント・ベクトルが切り替えられるからである。
本発明の書込み方法の動作を説明するために、磁気モーメント・ベクトルに対する好適な異方性軸53および57は、負のx方向および負のy方向に対して45度の角度を有し、正のx方向および正のy方向に対して45度の角度を有するものと仮定する。一例を挙げて説明すると、図2は、磁気モーメント・ベクトル53が負のx方向および負のy方向に対して45度の角度を有することを示す。磁気モーメント・ベクトル57は、通常、磁気モーメント・ベクトル53に対して逆平行になっているので、磁気モーメント・ベクトル57は、正のx方向および正のy方向に対して45度の角度を有する。この最初の向きは、以下にすぐに説明するように、書込み方法のいくつかの例を示すために使用される。
好ましい実施形態の場合には、ワード電流60は、正のx方向に流れている場合は正であると定義され、ディジット電流70は、正のy方向に流れている場合は正であると定義される。ワード線20およびディジット線30の目的は、MRAMデバイス10内に磁界を生成することである。正のワード電流60は、円周方向にワード磁界H80を誘起し、正のディジット電流70は、円周方向にディジット磁界H90を誘起する。ワード線20は、素子の面内で、MRAMデバイス10の上に位置しているので、H80は、正のワード電流60に対して正のy方向に、MRAMデバイス10に対して供給される。同様に、ディジット線30は、素子の面内で、MRAMデバイス10の下に位置しているので、H90は、正のディジット電流70に対して正のx方向に、MRAMデバイス10に対して供給される。正および負の電流の流れの定義は任意なもので、本明細書においては説明のためにこのように定義したことを理解することができるだろう。電流の流れの方向を逆にすると、MRAMデバイス10内に誘起される磁界の向きが変化する。電流が誘起した磁界の行動は、当業者にとって周知のものであるので、ここではこれ以上の説明は省略する。
図3について説明すると、この図は、SAF3層構造のスイッチング行動のシミュレーションを示す。シミュレーションは、真性異方性を有するほぼ同じモーメント(ほぼバランスのとれたSAF)を有し、反強磁性結合しているその磁化ダイナミックスがLandau−Lifshitzの方程式で表される2つの単一領域磁気層からなる。x軸は、エルステッド単位のワード線磁界の大きさであり、y軸は、エルステッド単位のディジット線磁界の大きさである。磁界は、図4に示すように、パルス・シーケンス100により与えられる。この場合、パルス・シーケンス100は、時間の関数としてのワード電流60およびディジット電流70を含む。
図3は3つの動作領域を示す。領域92においては、スイッチングは行われない。領域95内のMRAM動作の場合には、直接書込み方法が使用される。直接書込み方法を使用する場合には、MRAMデバイスの最初の状態を決定する必要はない。何故なら、この状態は、書き込み中の状態が記憶している状態と異なる場合だけ切り替えられるからである。書き込まれた状態の選択は、ワード線20およびディジット線30の両方の電流の方向により決定される。例えば、「1」を書き込みたい場合には、両方の線内の電流の向きを正とする。「1」が素子内にすでに記憶されていて、「1」を書き込んでいる場合には、MRAMデバイスの最後の状態は依然として「1」である。さらに、「0」を記憶していて、正の電流で「1」を書き込んでいる場合には、MRAMデバイスの最後の状態は「1
」である。ワード線およびディジット線の両方に負の電流を流すことにより「0」を書き込む場合にも、類似の結果が得られる。それ故、最初の状態が何であろうと、電流パルスの正しい極性により、いずれの状態も所望する「1」または「0」にプログラムすることができる。本明細書全体を通して、領域95内の動作は、「直接書込モード」と定義される。
領域97内のMRAM動作の場合には、トグル書込み方法を使用する。トグル書込み方法を使用する場合には、書込みを行う前にMRAMデバイスの最初の状態を決定する必要がある。何故なら、ワード線20およびディジット線30の両方に対して同じ極性の電流パルスを選択している限りは、電流がどちらの方向を向いていようとも、MRAMデバイスに書込みを行う度に状態が切り替わるからである。例えば、「1」を最初に記憶している場合には、ワード線およびディジット線を通して1つの正の電流パルス・シーケンスが流れると、デバイスの状態は「0」に切り替わる。記憶している「0」の状態に対して正の電流パルス・シーケンスを反復して供給すると、「0」の状態は「1」に戻る。それ故、記憶素子を所望する状態に書き込むことができるようにするためには、MRAMデバイス10の最初の状態を最初に読み取り、書き込む状態と比較しなければならない。この読取りおよび比較を行うには、情報を記憶するためのバッファおよびメモリ状態を比較するためのコンパレータを含む追加の論理回路を必要とする場合がある。記憶している状態および書き込まれる状態が異なる場合だけ、MRAMデバイス10に対して書込みが行われる。この方法の1つの利点は、異なるビットだけがスイッチングされるだけなので、消費電力が少なくてすむことである。トグル書込み方法を使用する場合のもう1つの利点は、単一極性の電圧しか必要としないので、MRAMデバイスを駆動するのにもっと小さなNチャネル・トランジスタを使用することができることである。本明細書全体を通して、領域97内の動作を「トグル書込モード」と定義する。
両方の書込み方法は、磁気モーメント・ベクトル53および57を、すでに説明した2つの好適な方向のうちの一方に向けることができるように、ワード線20およびディジット線30内に電流を供給する工程を含む。2つのスイッチング・モードを完全に解明するために、磁気モーメント・ベクトル53、57および40の時間的展開を示す特定の例について以下に説明する。
図5について説明すると、この図は、パルス・シーケンス100により、「1」を「0」に書き換えるためのトグル書込モードを示す。この図の場合、tの時点において、磁気モーメント・ベクトル53および57は、図2に示す好適な方向を向いている。この方向を「1」と定義する。
の時点で、正のワード電流60がオンになり、この電流は正のy方向を向くH80を誘起する。正のH80は、ほぼバランスのとれた反整合MRAM3層を「フロップ」させ、印加された磁界の方向に対してほぼ90度の方向に向ける。強磁性層45および55間の有限の反強磁性交換相互作用により、磁気モーメント・ベクトル53および57は、磁界方向に小さな角度で傾くことができ、合成磁気モーメント・ベクトル40は、磁気モーメント・ベクトル53と57の間で上記角度の範囲を定め、H80と整合する。それ故、磁気モーメント・ベクトル53は、時計方向94の方向に回転する。合成磁気モーメント・ベクトル40は、磁気モーメント・ベクトル53および57のベクトル追加であるので、磁気モーメント・ベクトル57も、時計方向94に回転する。
の時点で、正のディジット電流70がオンになり、この電流は正のH90を誘起する。それ故、合成磁気モーメント・ベクトル40は、同時にH80により正のy方向およびH90により正のx方向に向き、これにより有効な磁気モーメント・ベクトル40が、正のx方向および正のy方向の間でほぼ45度の方向を向くまで、時計方向94に
さらに回転する。それ故、磁気モーメント・ベクトル53および57も、時計方向94にさらに回転する。
の時点で、ワード電流60がオフになり、その結果、H90だけが、現在正のx方向を向いている合成磁気モーメント・ベクトル40の方向を決める。両方の磁気モーメント・ベクトル53および57は、現在、その異方性ハード軸不安定点を越えた角度の方向をほぼ向いている。
の時点で、ディジット電流70がオフになり、その結果、磁界の力は合成磁気モーメント・ベクトル40に対して働いていない。それ故、磁気モーメント・ベクトル53および57は、異方性エネルギーを最低限度に低減するために、その最も近い好適な方向を向いている。この場合、磁気モーメント・ベクトル53に対する好適な方向は、正のy方向および正のx方向に対して45度の角度を有する。この好適な方向は、またtの時点の磁気モーメント・ベクトル53の最初の方向から180度の角度を有し、「0」と定義する。それ故、MRAMデバイス10は、すでに「0」に切り替えられている。MRAMデバイス10は、ワード線20およびディジット線30の両方の負の電流によって、磁気モーメント・ベクトル53、57および40を反時計方向96に回転することにより、スイッチングすることができることを理解することができるだろう。しかし、図に示すものは単に説明のためだけのものである。
図6について説明すると、この図は、パルス・シーケンス100により、「0」を「1」に書き換えるためのトグル書込モードを示す。この図は、同じ電流および磁界方向により、MRAMデバイス10の状態を「0」から「1」にスイッチングする機能を示す、すでに説明した各時点t、t、t、tおよびtにおける、磁気モーメント・ベクトル53および57、および合成磁気モーメント・ベクトル40を示す。それ故、MRAMデバイス10の状態が、図3の領域97に対応するトグル書込モードにより書き込まれる。
直接書込モードの場合には、磁気モーメント・ベクトル53の大きさが、磁気モーメント・ベクトル57より大きく、そのため磁気モーメント・ベクトル40が磁気モーメント・ベクトル53と同じ方向を向いているが、ゼロ・フィールドにおいてはもっと小さい大きさを有するものと仮定する。このアンバランスなモーメントにより、全モーメントを印加された磁界と整合する傾向を有するダイポール・エネルギーは、ほぼバランスがとれているSAFの対称を対称でない状態にすることができる。それ故、所与の極性の電流の1つの方向だけでスイッチングが行われる。
図7について説明すると、この図は、パルス・シーケンス100による直接書込モードにより、「1」を「0」に書き換える一例を示す。この場合も、メモリの状態は、最初は、負のx方向および負のy方向に対して45度の方向を向いている磁気モーメント・ベクトル53、正のx方向および正のy方向に対して45度の方向を向いている磁気モーメント・ベクトル57を含む「1」である。上記パルス・シーケンスの後で、正のワード電流60および正のディジット電流70により、すでに説明したトグル書込モードと類似の方法で書込みが行われる。この場合もモーメントがtの時点で「フロップ」するが、結果としての角度は、アンバランスなモーメントおよび異方性のために、90度から傾いていることに留意されたい。tの時点の後で、MRAMデバイス10は、必要に応じて、正のx方向および正のy方向に45度の方向を向いている合成磁気モーメント40により、「0」状態に切り替えられている。負のワード電流60および負のディジット電流70により、「0」を「1」に書き込む場合だけ類似の結果が得られる。
図8について説明すると、この図は、新しい状態が、すでに記憶している状態と同じ場
合に、直接書込モードによる書込みの一例を示す。この例の場合には、「0」がすでにMRAMデバイス10内に記憶されていて、「0」を記憶するために電流パルス・シーケンス100が反復して供給される。磁気モーメント・ベクトル53および57は、tの時点で「フロップ」しようとするが、アンバランスな磁気モーメントが、印加された磁界に対向して動作するために回転が小さくなる。それ故、逆状態から回転させるための追加のエネルギー障壁が存在する。tの時点で、優勢なモーメント53は、正のx軸をほぼ整合し、その最初の異方性の方向から45度より小さくなる。tの時点で、磁界は正のx軸に沿った方向を向く。時計方向にさらに回転するのではなく、システムは、現在、印加された磁界に対するSAFモーメント対称を変更することによりそのエネルギーを低減する。受動モーメント57はx軸を横切り、システムはその元の方向近くに戻った優勢なモーメント53により安定になる。それ故、tの時点で磁界が除去されると、MRAMデバイス10内に記憶している状態は、「0」のままである。このシーケンスは、図3内の領域95として示した直接書込モードの機構を示す。それ故、この慣例の場合、「0」を書き込むには、ワード線60およびディジット線70に正の電流を必要とし、逆に「1」を書き込むには、ワード線60およびディジット線70に負の電流を必要とする。
もっと強力な磁界が与えられた場合には、最終的には、フロップに関連してエネルギーが低減し、はさみ状部分は、トグル・イベントを防止しているアンバランスなモーメントのダイポール・エネルギーが生成した追加のエネルギー障壁を越える。この時点で、トグル・イベントが起こり、スッチングが領域97内で行われる。
直接書込モードが使用される領域95は拡張することができる。すなわち、トグル・モード領域97を、時点tおよびtが等しいか、できるだけ等しい場合には、もっと強力な磁界に移動させることができる。この場合、ディジット電流70がオンになった場合に、ワード電流60がオンになり、次にビット異方性軸と平行に移動した場合には、磁界の方向はビット異方性軸に対して45度の角度からスタートする。この例は、典型的な磁界供給シーケンスに類似している。しかし、この場合、ワード電流60およびディジット電流70は、ほぼ同時にオフになり、その結果、磁界の方向はもはや回転しない。それ故、印加された磁界は、ワード電流60およびディジット電流70がオンになった場合、合成磁気モーメント・ベクトル40がそのハード軸の不安定な点をすでに通過しているような十分大きなものでなければならない。この時点で、トグル書込モード・イベントが発生する可能性は低い。何故なら、この場合には、磁界の方向が以前のように90度ではなく、45度に過ぎないからである。立ち下がり時間tおよびtがほぼ同時であることの1つの利点は、磁界の立ち上がり時間tおよびtの順序に追加の制約がないことである。それ故、磁界は任意の順序で、またはほぼ同時にオンにすることができる。
上記書込み方法は、選択性が非常に高い。何故なら、tの時点とtの時点の間でオンになったワード電流60およびディジット電流70の両方を有するMRAMデバイスだけが状態をスイッチングするからである。図9および図10は、この機能を示す。図9は、ワード電流60がオンにならないで、ディジット電流70がオンになった場合のパルス・シーケンス100を示す。図10は、MRAMデバイス10の状態の対応する行動を示す。tの時点で、磁気モーメント・ベクトル53および57、および合成磁気モーメント・ベクトル40は、図2に示す方向を向いている。パルス・シーケンス100においては、ディジット電流70がtの時点でオンになる。この時間の間、H90は、合成磁気モーメント・ベクトル40を正のx方向に向ける。
ワード電流60は決してオンにならないので、合成磁気モーメント・ベクトル53および57は、決してその異方性ハード軸の不安定な点を通って回転しない。その結果、磁気モーメント・ベクトル53および57は、ディジット電流70がtの時点でオフになった場合は、tの時点における最初の方向である最も近い好適な方向に再度向く。それ故
、MRAMデバイス10の状態は切り替わらない。上記類似の時点でワード電流60がオンになり、ディジット電流70がオンにならない場合には、同じ結果となることを理解することができるだろう。この機能により、確実にアレイ内の1つのMRAMデバイスだけが切り替わり、一方、他のデバイスはその最初の状態のまま変わらない。その結果、意図しない切替えを避けることができ、ビットの誤り率が最低限度に低減する。
当業者であれば、説明のために選択し本明細書に記載した実施形態に対する種々の変更および修正を容易に思い付くことができるだろう。このような修正および変更が本発明の精神から逸脱しない限りは、これらの修正および変更は、特許請求の範囲の公平な解釈によってだけ査定される本発明の範囲内に含まれる。
当業者が本発明を理解し、実行することができるような明確で簡潔な用語で本発明を詳細に説明してきた。本発明の特許請求の範囲は添付の通りである。
磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置の概略断面図。 ワード線およびディジット線を含む磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置の概略平面図。 磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置で、直接書込モードまたはトグル書込モードを生成する磁界振幅組合わせのシミュレーションを示すグラフ。 ワード電流およびディジット電流の両方がオンになった場合の、これら両電流のタイミング図を示すグラフ。 「0」に「1」を書き込む際のトグル書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示す図。 「1」に「0」を書き込む際のトグル書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示す図。 「0」に「1」を書き込む際の直接書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示すグラフ。 すでに「0」である状態に「0」を書き込む際の直接書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示すグラフ。 ディジット電流だけがオンになった際のワード電流およびディジット電流のタイミング図を示すグラフ。 ディジット電流だけがオンになった際の磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示すグラフ。

Claims (5)

  1. 磁気抵抗記憶装置をスイッチングするための方法であって、
    磁気抵抗記憶素子を第1の導体および第2の導体に隣接して設置する工程であって、前記磁気抵抗記憶素子が、トンネル障壁により分離されている自由磁気領域とピン留め磁気領域からなり、前記自由磁気領域は反強磁性結合しているN個の強磁性体層を含み、ここで、Nが少なくとも2に等しい整数であり、各強磁性体層が書込モードを提供すべく調整された磁気モーメントを有し、また、前記自由磁気領域およびピン留め磁気領域がそれぞれ、tの時点で最初の好適な方向を向いているトンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを有する工程であって、
    最初の好適な方向は、第1と第2の導電体それぞれに対して45°の角度に向いており
    の時点で前記第1の導体を通る第1の電流の流れをオンにする工程と、
    の時点で前記第2の導体を通る第2の電流の流れをオンにする工程と、
    の時点で前記第1の導体を通る第1の電流の流れをオフにする工程と、
    の時点で前記第2の導体を通る第2の電流の流れをオフにする工程であり、
    その結果、トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルの一方が、tの時点で、最初の好適な方向とは異なる方向に向いており、ここで、t <t <t <t <t であり、第1の導体および第2の導体中の電流はそれぞれ、書き込み状態に対しては同じ極性のパルスであって、状態を反転させるにも同じ極性のパルスである、方法。
  2. 磁気抵抗記憶装置をスイッチングするための方法であって、
    第1の導体および第2の導体に隣接して磁気抵抗記憶素子を設置する工程であって、前記磁気抵抗記憶素子が、トンネル障壁により分離されている、ピン留めさ磁気領域と自由磁気領域を含み、前記自由磁気領域が、強磁性体のN個の反強磁性結合層を含み、ここで、Nが2以上の整数であり、前記N個の層が、ある容積を画定し、前記N個の層の各層が書込モードを提供すべく調整されたモーメントを有し、前記第1および第2の磁気領域のうちの一方のサブ層磁気モーメント分数バランス比が、0≦|Mbr|≦0.1の範囲内にあり、tの時点で、前記自由磁気領域が、最初の好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを有する工程であって、
    最初の好適な方向は、第1と第2の導電体それぞれに対して45°の角度に向いており
    の時点で前記第1および第2の導体のうちの一方にワード電流パルスを印加し、tの時点で前記ワード電流パルスをオフにし、一方、tの時点で前記第1および第2の導体のうちの他の一方にディジット線電流パルスをさらに印加し、tの時点で前記ディジット線電流パルスをオフにし、ここで、t<t<t<t<tであり、その結果、前記tの時点で前記トンネル障壁に隣接する前記自由磁気領域の前記磁気モーメント・ベクトルが、tの時点の前記最初の好適な方向とは異なる方向を向く工程であって、
    、第1の導体および第2の導体中の電流はそれぞれ、書き込み状態に対しては同じ極性のパルスであって、状態を反転させるにも同じ極性のパルスである、方法。
  3. 磁気抵抗素子をスイッチングするための方法であって、
    第1の導体および第2の導体に隣接して磁気抵抗記憶素子を設置する工程であって、前記磁気抵抗記憶素子が、トンネル障壁により分離されている自由磁気領域と固定磁気領域とを含み、前記自由磁気領域が、ある容積を画定するN個の層の合成反強磁性構造を含み、ここで、Nが2以上の整数であり、前記N個の層の合成反強磁性構造が、tの時点で最初の好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを含む反強磁性結合している強磁性層を含み、最初の好適な方向は、第1と第2の導電体それぞれに対して45°の角度に向いており、前記N個の層の合成反強磁性構造がトグル書込モードを提供すべく調整される工程と、
    前記磁気抵抗記憶装置の最初の状態を読み取り、前記最初の状態を前記磁気抵抗記憶装置に記憶する新しい状態と比較する工程と、
    前記最初の状態と前記記憶する新しい状態が異なる場合のみ、tの時点で前記第1および第2の導体のうちの一方にワード電流パルスを印加し、tの時点で前記ワード電流パルスをオフにし、一方、tの時点で前記第1および第2の導体の他の一方にさらにディジット線電流パルスを印加し、tの時点で前記ディジット線電流パルスをオフにする工程であって、
    ここで、t <t <t <t <t であり、第1の導体および第2の導体中の電流はそれぞれ、書き込み状態に対しては同じ極性のパルスであって、状態を反転させるにも同じ極性のパルスである、方法。
  4. 磁気抵抗メモリ・アレイであって、
    第1の導体と、
    第2の導体と、
    前記第1の導体および第2の導体に隣接する磁気抵抗記憶装置と、を備え、同磁気抵抗記憶装置が、
    ピン留め磁気領域と、
    トンネル障壁と、
    同トンネル障壁により該ピン留めされている磁気領域から分離している自由磁気領域と、を含み、同自由磁気領域が、
    反強磁性結合しているN個の強磁性層を含み、ここで、Nが2以上の整数であり、前記N個の強磁性層がある容積を画定し、前記N個の強磁性層の各層が書込モードを提供すべく調整されたモーメントを有し、前記自由な磁気領域およびピン留めさ磁気領域のうちの一方のサブ層磁気モーメント分数バランス比が、0≦|Mbr|≦0.1の範囲内にあり、前記自由磁気領域が、tの時点で、最初の好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを有する工程であって、最初の好適な方向は、第1と第2の導電体それぞれに対して45°の角度に向いており、
    の時点で前記第1および第2の導体のうちの一方にワード電流パルスを印加し、tの時点で前記ワード電流パルスをオフにし、一方、tの時点で前記第1および第2の導体のうちの他の一方にディジット線電流パルスをさらに印加し、tの時点で前記ディジット線電流パルスをオフにし、ここで、t<t<t<t<tであり、その結果、前記tの時点で前記トンネル障壁に隣接する前記自由磁気領域の磁気モーメント・ベクトルが、tの時点の前記最初の好適な方向とは異なる方向を向く工程であって、
    第1の導体および第2の導体中の電流はそれぞれ、書き込み状態に対しては同じ極性のパルスであって、状態を反転させるにも同じ極性のパルスである、方法。
    を含む方法。
  5. 磁気抵抗アレイであって、
    第1の導体と、
    第2の導体と、
    前記第1および第2の導体に隣接する磁気抵抗記憶素子と、を備え、同磁気抵抗記憶素子が、
    固定磁気領域と、
    トンネル障壁と、
    前記トンネル障壁により前記固定磁気領域から分離している自由磁気領域と、を含み、同自由磁気領域が、ある容積を画定するN個の層の合成反強磁性構造を含み、ここで、Nが2以上の整数であり、該N個の層の合成反強磁性構造が、tの時点で最初の好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを含む反強磁性結合している強磁性層を含み、
    最初の好適な方向は、第1と第2の導電体それぞれに対して45°の角度に向いており、
    該N個の層の合成反強磁性構造がトグル書込モードを提供すべく調整され、さらに、
    前記磁気抵抗記憶装置の最初の状態を読み取り、前記最初の状態を前記磁気抵抗記憶装置に記憶する新しい状態と比較し、前記新しい状態が前記最初の状態と異なる場合のみ、前記磁気抵抗記憶素子をプログラムする回路であって、同回路は、第1と第2の導電体のうちの一方にワード線電流パルスを、t の時間に印加し、t の時間にオフし、一方、第1と第2の導電体のうちの他方にディジット線電流パルスを、t の時間に印加し、t の時間にオフし、
    ここで、t <t <t <t <t であり、第1の導体および第2の導体中の電流はそれぞれ、状態の書き込みに対しては同じ極性のパルスであって、状態を反転させるにも同じ極性のパルスである、
    磁気抵抗アレイ。
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