JP4477829B2 - 磁気記憶デバイスを動作させる方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気記憶デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭおよびフラッシュメモリのような短期メモリに比べて消費電力の小さい不揮発性メモリである。ＭＲＡＭは、ハードドライブのような従来の長期記憶デバイスよりも非常に（数桁の大きさだけ）高速に読出しおよび書込み動作を実行することができる。さらに、ＭＲＡＭは、ハードドライブに比べてコンパクトであり、消費電力が小さい。
【０００３】
典型的なＭＲＡＭデバイスは、メモリセルのアレイと、メモリセルの行に沿って延在するワード線と、メモリセルの列に沿って延在するビット線とを含む。各メモリセルは、ワード線とビット線との交点に配置される。
【０００４】
メモリセルは、スピン依存トンネル接合（ＳＤＴ）のようなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスに基づくことができる。典型的なＳＤＴ接合は、ピン止め層（pinned layer）と、センス層と、ピン止め層とセンス層との間に挟まれた絶縁性トンネル障壁とを含む。ピン止め層は、対象の範囲内に磁界がかけられる際に回転しないように固定された磁化の向きを有する。センス層は、２つの向き、すなわちピン止め層の磁化と同じ方向か、またはピン止め層の磁化の向きと逆の方向のいずれかに向けられ得る磁化を有する。ピン止め層とセンス層の磁化が同じ方向である場合には、ＳＤＴ接合の向きは「平行」であると言われる。ピン止め層とセンス層の磁化が逆方向である場合には、ＳＤＴ接合の向きは「反平行」であると言われる。これら２つの安定した向き、すなわち平行および反平行は、「０」および「１」の論理値に対応することができる。
【０００５】
ピン止め層の磁化の向きは、下側にある反強磁性（ＡＦ）ピンニング層（pinning layer）によって固定され得る。ＡＦピンニング層は大きな交換磁界を与え、それによりピン止め層の磁化が１つの方向に保持される。ＡＦ層の下側には通常、第１および第２のシード層(seed layer)が存在する。第１のシード層によって、第２のシード層が、ある結晶構造方位で成長することが可能になる。第２のシード層は、ＡＦピンニング層のための結晶構造方位を確立する。
【０００６】
いくつかの従来技術の磁気抵抗メモリデバイスのピン止め層は、ある正味の磁気モーメントを有する可能性があり、それが望ましくない作用を引き起こす。１つのそのような作用は、減磁界の作用である。たとえば、ピン止め層の磁性層がセンス層に達し、センス層と相互作用する。センス層はその磁化の向きによって情報を格納するので、その磁化の向きは保持されなければならないのは明らかである。こうして、この磁界があまりにも強くなる場合には、ピン止め層からの磁界の相互作用によってデータ損失をまねく可能性がある。第２の問題は、ピン止め層からの磁界の存在により、非対称な磁界を用いて、データ層の状態を切り替える必要があり、書込みプロセスの複雑性が増すことである。さらに別の問題は、書込み中の漂遊磁界に対する許容範囲が小さくなることである。
【０００７】
大容量のメモリを製造することが望ましいので、そのようなメモリセルのアレイをできる限り高密度に製造することが望ましい。残念ながら、基準層の全ての累積的な減磁作用によって、メモリセルを如何にして高密度に詰め込むことができるかということに関して制約が加えられる可能性がある。
【０００８】
ピン止め構造の別の欠点は、ピン止めを達成するために必要な材料（たとえば、ＡＦピンニング層およびシード層）が、いずれも複雑になり、製造するのに費用がかかることである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、磁気抵抗メモリセルを用いる情報記憶デバイスが必要とされている。また、従来の磁気記憶デバイスにおいて存在する可能性がある減磁界を最小限に抑える、係るデバイスが必要とされている。さらに、従来の磁気記憶デバイスよりも低コストで、少ない数の簡単な材料を用いて製造することができる、デバイスも必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の実施形態は、磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層を提供する。本発明の実施形態は、従来の磁気記憶デバイスにおいて存在する可能性がある減磁界を最小限に抑えるデバイスを提供する。磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層が開示される。その基準層は、第１および第２の層を有し、磁界を印加することによって、同じ保磁力を有する第１と第２の層とが互いに反対の向きに磁気的な結合が保持された状態のまま前記第１の層および前記第２の層の磁化の向きが、前記印加される磁界の向きに対して垂直方向±２度の範囲内に設定され、前記磁気記憶デバイスのピン止め層として用いられる。
【００１１】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するために使用される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の以下の詳細な説明では、本発明を完全に理解できるようにするために、種々の具体的な細部が説明される。しかしながら、これらの具体的な細部を用いることなく、または代替の要素または方法を用いることにより、本発明が実施され得ることは当業者には明らかであろう。また、本発明の態様をいたずらに不明瞭にしないように、よく知られている方法、手順、構成要素および回路は、詳細に説明されていない。
【００１３】
図１を参照すると、磁気メモリデバイス１０は、データ層１２と、基準層１４と、データ層１２と基準層１４との間のトンネル障壁１６とを有する磁気トンネル接合１１を含む。層１２と層１４の双方は、強磁性材料から形成され得る。データ層１２は、２つの方向のいずれか一方、典型的にはデータ層１２の磁化容易軸（ＥＡ１）に沿って向けられることができる磁化（ベクトルＭ１によって表される）を有する。
【００１４】
基準層１４は、正味の磁気モーメントが実質的に０になるように構成され得る。それゆえ、基準層１４の正味の磁化ベクトルは実質的に０であると述べられる場合がある。しかしながら、基準層１４は、たとえば、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂのような複数の磁化ベクトルを有することができる。これらの２つの磁化ベクトルは大きさが等しく、向きが反対であり、それゆえ、ある距離において互いに打ち消し合うことができる。しかしながら、磁化ベクトルＭ２Ａは、磁化ベクトルＭ２Ｂよりもトンネル障壁１６の近くに位置することができる。２つの磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂは、２つの方向のいずれかに、典型的にはｙ軸に沿って配向され得る。しかしながら、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂは、基準層１４の磁化容易軸（ＥＡ２）と必ずしも直交しない。
【００１５】
データ層１２および基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）が同じ方向を指す場合には、磁気トンネル接合１１の向きは「平行」であると呼ぶことができる。データ層１２および基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）が互いに反対の方向を指す場合には、磁気トンネル接合１１の向きは「反平行」であると呼ぶことができる。これら２つの向き、すなわち平行および反平行は、「０」および「１」の論理値に対応することができる。その論理値がどの向きによって表されるかは任意である。
【００１６】
絶縁性トンネル障壁１６によって、データ層１２と基準層１４との間に量子力学的トンネル効果が生じるようになる。このトンネル現象は電子スピン依存であり、磁気トンネル接合１１の抵抗がデータ層１２および基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）の相対的な向きの関数になる。こうして、データ層１２と基準層１４の磁化の向きを異なるように確立することにより、１ビットを格納することができる。たとえば、磁気トンネル接合１１の抵抗は、磁気トンネル接合１１の磁化の向きが平行である場合には、第１の値（Ｒ）であり、磁化の向きが反平行である場合には、第２の値（Ｒ＋ΔＲ）である。しかしながら、本発明は、２つの層の磁化の向きが互いに平行であるか、または反平行であるかに限定されない。より一般的には、各層の磁化の向きは、層間で測定される抵抗が２つの異なる状態に関して異なるように選択され得る。２つの安定した向きは、データ層１２および基準層１４の磁化の向きの磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）間の第１の角度範囲と第２の角度範囲とを含む可能性があり、トンネル層の両端の電気抵抗は、２つの安定した向きに対応する第１および第２の抵抗を有する。
【００１７】
絶縁性トンネル障壁１６は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（ＳｉＮ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から形成され得る。絶縁性トンネル障壁１６のために、他の誘電体およびある特定の半導体材料が使用され得る。絶縁性トンネル障壁１６の厚みは、約０．５ｎｍ〜約３ｎｍの範囲とすることができる。しかしながら、本発明はこの範囲に限定されない。
【００１８】
データ層１２は強磁性材料から形成され得る。基準層１４は、人工反強磁性体としても知られる、合成フェリ磁性体（ＳＦ）として実施され得る。
【００１９】
ｙ軸に沿って延在する第１の導体１８が、データ層１２と接触している。ｘ軸に沿って延在する第２の導体２０が、基準層１４と接触している。第１の導体１８および第２の導体２０は、直交するように示される。しかしながら、本発明は直交する向きに限定されない。第２の導体２０の下には第３の導体２２（以下、外部の導電要素と称する）が存在し、それもｘ軸に沿って延在する。絶縁体２４（たとえば、誘電体材料の層）が第２の導体２０と外部の導電要素２２とを分離する。導体１８、２０、２２は、アルミニウム、銅、金または銀のような導電性材料から形成され得る。
【００２０】
ここで図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、合成フェリ磁性体基準層１４は、スペーサ層５４（たとえば、スペーサ層５４は金属とすることができる）によって分離されている第１の強磁性層５０と第２の強磁性層５２とを含む。強磁性層５０および５２は、たとえば、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、コバルト（Ｃｏ）などのような材料から形成されることができ、スペーサ層５４は、たとえば、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、テルル（Ｔｅ）、クロム（Ｃｒ）などのような導電性で、磁気的に非伝導性の材料から形成され得る。
【００２１】
スペーサ層５４の寸法（たとえば、厚み）は、第１の強磁性層５０および第２の強磁性層５２が結合され、それらの磁化の向きが、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように反平行になるように選択され得る。その厚みは、スペーサ層５４が形成される材料に依存する。一実施形態では、その厚みは、約０．２ｎｍ〜２ｎｍの範囲内であり得る。しかしながら、他の厚みが２つの強磁性層５０および５２を結合するのに適している場合もある。
【００２２】
たとえば、図２Ａにおいて、上側の強磁性層５２の磁化ベクトル（Ｍ２Ａ）は、負のｙ軸に沿って示される。下側の強磁性層５０の磁化ベクトル（Ｍ２Ｂ）は、正のｙ軸に沿って示される。
【００２３】
非常に小さな保磁力によって、ＳＦ基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）が、図２Ａおよび図２Ｂに示される向きの間で容易に切り替えられることが可能である。実際には、強磁性層５０および５２に関する磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂの向きは、磁界がかけられる直前では任意の方向であってよい。いったん、磁界が印加されたなら、それらの向きは既知の方向を向く。磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂを図２Ａまたは図２Ｂに示される既知の位置（たとえば、印加される磁界に直交する）に強制的に向けるために、強磁性層５０および５２に印加される必要がある磁界は非常に小さい。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態では、合成フェリ磁性体基準層１４は、３つ以上の強磁性層を含む。これらの実施形態では、隣接する強磁性層は、スペーサ層５４によって接合されることができ、互いに反対向きの磁化の向きを有することができる。合成フェリ磁性体基準層１４の正味の磁気モーメントは、実質的に０である。実施形態によっては、合成フェリ磁性体基準層１４内に偶数および奇数の強磁性層が設けられてもよい。
【００２５】
図３Ａは、ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ｒｕ ０．７５ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍの典型的な寸法および材料を有する合成フェリ磁性体基準層１４のための典型的なヒステリシスループを示す。個々の強磁性層５０、５２はたとえば、約８００〜８０００Ａ／ｍ（約１０〜１００エルステッド）の保磁力を有する可能性があり、類似のヒステリシスループを有する可能性がある。しかしながら、本発明はこの範囲の保磁力に限定されない。２つの強磁性層５０および５２の保磁力は、概ね同じにすることができる。これは、同じ厚みの同じ材料を用いることにより達成され得る。しかしながら、本発明は、概ね同じ保磁力を達成するこの態様に限定されない。さらに、各強磁性層が同じ保持力を有することは必要ではない。３つ以上の強磁性層を有する実施形態の場合、強磁性層の合成された保磁力によって、基準層１４の正味の磁気モーメントを実質的に０にできる。
【００２６】
図示のように、結合された強磁性層５０および５２のためのヒステリシスループは、正味の磁気モーメントが０である原点を通過できる。３つ以上の強磁性層を有する実施形態の場合、強磁性層の合成されたモーメントによって、基準層１４の正味の磁気モーメントは、実質的に０になる。したがって、いくつかの実施形態では、強磁性層は同じモーメントを持たない。
【００２７】
２つの強磁性層５０および５２の磁化ベクトルＭ２Ａ、Ｍ２Ｂ間の交換結合は、非常に強い可能性がある。結果として、強磁性層５０および５２の磁化ベクトルＭ２Ａ、Ｍ２Ｂを飽和させるために、非常に大きな磁界が必要とされる可能性がある。たとえば、強磁性層５０および５２の両方を完全に同じ方向に回転させるために、３．２×１０５Ａ／ｍ（４０００エルステッド）の磁界が必要とされる場合がある。スペーサ層５４のために適切な厚みと材料を選択することにより、標準的な動作条件において、わずかな回転が生じ、強磁性層５０および５２が１８０°異なる方向を指すように、交換結合を適切な強さにすることができる。
【００２８】
さらに図３Ａを参照すると、比較的高い磁界にさらされるとき、強磁性層５０および５２は回転し、印可された磁界の方向に向くことができる。これは、Ｈｓが大きな値（正または負）をとる点のヒステリシスループの下側にある平行な２本の矢印によって示される。これは、図４Ａおよび図４Ｂにも示されており、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂが、印可された磁界（Ｈ）に平行であるように示される。強磁性層５０および５２を飽和させるために必要な磁界は、磁気抵抗デバイスを読み出すために標準的に用いられる磁界よりも著しく大きい。
【００２９】
より低い磁界の場合には、２つの安定した磁化の向きが存在することができ、これらは印加された磁界に直交することができる。再び図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、ｙ軸の近くにあるとき、それらの矢印は、強磁性層５０および５２の磁化ベクトルが印加された磁界に直交することを示すために、上下を指すように示される。
【００３０】
図３Ｂは、印加された磁界が低い場合の図３Ａのヒステリシスループの詳細を示す。磁気抵抗デバイスにおいて読出しおよび書込み動作を行うための典型的な磁界のもとでは、磁化ベクトルＭ２ＡとＭ２Ｂとの間を１８０°異なる方向に回転させる量は、非常に小さくできる。たとえば、かけられる磁界が約８０００Ａ／ｍ（１００エルステッド）であるとき、角度θは約２°になることができる。θは、印加された磁界に直交する状態から磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂが逸脱する角度である。したがって、標準的な動作条件下では、それらの磁化ベクトルは印加される磁界に概ね直交する。この状態は、図２Ａおよび図２Ｂにも示される。
【００３１】
ここで図５の流れ図を参照すると、磁気記憶デバイスを動作させる方法のための一実施形態が提供される。そのプロセスのステップ５１０は、データ層１２に情報のビットを格納している。これは、選択されたワード線１８および／またはビット線２０に１つまたは複数の電流を加えて、データ層１２内の磁化ベクトルＭ１を設定することにより達成され得る。強磁性層５０および５２の磁化の向きＭ２Ａ、Ｍ２Ｂは、この時点では重要ではなく、それらは後に確立されることができる。
【００３２】
たとえば、一実施形態では、第１および第２の導体１８および２０に書込み電流を供給することにより、データが磁気トンネル接合１１に書き込まれ得る。第１の導体１８に供給される電流は、第１の導体１８の周囲に磁界を生成し、第２の導体２０に供給される電流は、第２の導体２０の周囲に磁界を生成する。２つの磁界は、合成される際に、データ層１２の保磁力を超え、それゆえ、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）が所望の向きに設定される（その向きは、第１の導体１８および第２の導体２０に供給される電流の方向に依存する）。その磁化は、論理「１」に対応する向きか、または論理「０」に対応する向きかのいずれかに設定される。
【００３３】
書込み電流が導体１８および２０から除去された後、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）はその向きを保持する。強磁性層５０および５２の磁化ベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）は、書込みプロセスによって影響を及ぼされる可能性があり、その向きを保持する場合も保持しない場合もある。基準層１４が「（磁気的に）非常に軟らかい」場合には、書込み電流が第１の導体１８および第２の導体２０から除去されるときに、磁化ベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）はそれらの磁化の向きを失う可能性がある。
【００３４】
一実施形態では、外部の導電要素２２を用いて書込み動作を補助することができる。書込み動作中に外部の導電要素２２に電流を供給することにより、外部の導電要素２２の周囲の結果としての磁界は、他の２つの磁界と結合し、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）を所望の向きに設定するのを助けることができる。
【００３５】
ステップ５２０では、磁界が基準層１４にかけられ、磁界に概ね直交する基準層１４の１つの層（たとえば、強磁性層５２）において磁化の向き（たとえば、Ｍ２Ａ）が確立される。基準層１４自体は、実質的に同じ保磁力を有し、かつ磁気的に互いに反対方向に結合される第１および第２の層を有する。基準層１４の第１の強磁性層５２の磁化の向きは、データ層１２内の磁化の向きＭ１に概ね平行であるか、または概ね反平行である。
【００３６】
たとえば、外部の導電要素２２に電流が供給されることができ、結果として生じた磁界によって、強磁性層５０および５２の磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂは、特定の向きを有するようになる。外部の導電要素２２は他の導体よりも１つの強磁性層５０または５２から離れているので、各強磁性層５０、５２において１つの方向を助けるためのその優先性によって磁化の向きを知ることができ、その方向は外部の導電要素２２を流れる電流の方向に部分的に依存する。結果として生じた磁界は、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）に影響しない。さらに、基準層１４の保磁力は非常に小さいので、外部の導電要素の電流の大きさは、小さくできる。たとえば、平衡状態の合成フェリ磁性体基準層１４の保磁力は、わずか数百Ａ／ｍ（数エルステッド）である。
【００３７】
ステップ５３０では、データ層１２の磁化の向きＭ１を判定するために、第１の強磁性層５２とデータ層１２との間の抵抗が測定される。このようにして、記憶デバイスに格納されたビットが判定される。このステップは、第３の導体２２に電流が供給される際に、磁気トンネル接合１１の両端に電圧を印加することにより達成され得る。第１の導体１８および第２の導体２０を用いて、磁気トンネル接合１１の両端に電圧を印加することができる。その電圧によって、磁気トンネル接合１１にセンス電流が流れる。センシングされる電流（Ｉｓ）は、磁気トンネル接合１１の抵抗に反比例する。したがって、Ｉｓ＝Ｖ／ＲまたはＩｓ＝Ｖ／（Ｒ＋ΔＲ）である。ただし、Ｖは印加される電圧であり、Ｉｓはセンシングされる電流であり、Ｒはデバイス１０の標準的な抵抗であり、ΔＲは平行な磁化の向きと反平行の磁化の向きとの間の抵抗の差である。
【００３８】
ここで図６を参照すると、磁気トンネル接合１１のアレイ６１２を含むＭＲＡＭデバイス６１０が示される。磁気トンネル接合１１は、行および列に配列され、行はｙ方向に沿って延在し、列はｘ方向に沿って延在する。ＭＲＡＭデバイス６１０の図を簡略化するために、比較的少数の磁気トンネル接合１１のみが示される。実際には、任意のサイズのアレイが使用され得る。
【００３９】
ワード線１８として機能する導電要素は、アレイ６１２の一方の面にｘ方向に沿って延在する。ワード線１８は磁気トンネル接合１１のデータ層１２と接触する。ビット線２０として機能する導電要素は、アレイ６１２の隣接する側の面にｙ方向に沿って延在する。ビット線２０は磁気トンネル接合１１の基準層１４と接触している。アレイ６１２の各行に対して１つのワード線１８が存在し、アレイ６１２の各列に対して１つのビット線２０が存在することができる。各磁気メモリトンネル接合１１は、ワード線１８とビット線２０との交点に配置される。
【００４０】
読出し線２２として機能する導電要素もｙ方向に沿って延在する。読出し線２２は、ビット線２０よりもトンネル接合から離れて存在することができ、ビット線２０から絶縁され得る。また、ＭＲＡＭデバイス６１０は、第１の行デコーダ６１４ａおよび第２の行デコーダ６１４ｂと、第１の列デコーダ６１６ａおよび第２の列デコーダ６１６ｂと、読出し／書込み回路６１８とを含む。読出し／書込み回路６１８は、センス増幅器６２０と、グランド接続６２２と、行電流源６２４と、電圧源６２６と、列電流源６２８とを含む。
【００４１】
選択された磁気トンネル接合１１における書込み動作中に、第１の行デコーダ６１４ａは選択されたワード線１８の一端を行電流源６２４に接続し、第２の行デコーダ６１４ｂは選択されたワード線１８の他端をグランドに接続し、第１の列デコーダ６１６ａは選択されたビット線２０の一端をグランドに接続し、第２の列デコーダ６１６ｂは選択されたビット線２０の他端を列電流源６２８に接続する。結果として、選択されたワード線１８およびビット線２０に書込み電流が流れる。書込み電流は磁界を生成し、その磁界によって、磁気トンネル接合１１が切り替わる。また、列デコーダ６１６ａおよび６１６ｂによって、選択された磁気トンネル接合１１を横切る読出し線２２にも書込み電流が流れることができる。この第３の書込み電流は、選択された磁気トンネル接合１１の切り替えを補助する追加の磁界を生成する。
【００４２】
データ層１２の磁化容易軸は、ｙ方向に配向され得る。したがって、データ層１２は、ｙ方向にそれらの磁化ベクトルを有することができる。
【００４３】
選択された磁気トンネル接合１１における読出し動作中に、第１の列デコーダ６１６ａおよび第２の列デコーダ６１６ｂによって、選択された磁気トンネル接合１１を横切る読出し線２２に安定した読出し（基準）電流が流れることができる。読出し電流は磁界を生成し、その磁界によって、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂがワード線１８に平行に向けられることになる。
【００４４】
読出し電流がなおも加えられている間に、第１の行デコーダ６１４ａは電圧源６２６を選択されたワード線１８に接続し、第１の列デコーダ６１６ａは選択されたビット線２０を、センス増幅器６２０の仮想グランド入力に接続する。結果として、選択された磁気トンネル接合１１を通ってセンス増幅器６２０の入力までセンス電流が流れる。このようにして、選択された磁気トンネル接合１１の抵抗が判定され得る。しかしながら、本発明は、磁気トンネル接合１１の抵抗を判定するこの方法には限定されない。
【００４５】
これまで説明されてきた磁気トンネル接合１１は、個別の基準層１４を含み、各基準層１４は、その対応するデータ層１２およびトンネル障壁１６と同じ幾何学的形状を有している。しかしながら、本発明は、データ層およびトンネル障壁と同じ幾何学的形状を有する基準層１４に限定されない。代わりに、基準層１４は、ワード線１８およびビット線２０、または他のものと同じ形状を有することができる。
【００４６】
本発明は特定の実施形態において説明されてきたが、本発明は、そのような実施形態によって限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろ特許請求の範囲に従って解釈されるべきであることは理解されたい。
【００４７】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。
１．磁気記憶デバイスのための基準層であって、その基準層が、
第１および第２の磁化の向きに磁化されるように操作可能な磁性材料の第１の層（50）と、
第１および第２の磁化の向きに磁化されるように操作可能な磁性材料の第２の層（52）と、
前記第１の層（50）および前記第２の層（52）が概ね同じ保磁力を有することと、および
前記第１の層（50）と前記第２の層（52）との間にあるスペーサ層（54）とからなり、前記スペーサ層（54）が、前記第１の層（50）と前記第２の層（52）とを互いに反対方向に磁気的に結合するのに適した寸法を有する、基準層。
２．前記第１の層（50）および前記第２の層（52）は、印可される磁界の方向に対してそれらの磁化の向きが概ね直交する傾向があるように構成される、上記１に記載の基準層。
３．前記第１の層（50）および前記第２の層（52）が、強磁性層である、上記１に記載の基準層。
４．前記スペーサ層（54）が導電性であり、磁気的に非伝導性である、上記１に記載の基準層。
５．前記第１の層（50）および前記第２の層（52）が、概ね同じ厚みである、上記１に記載の基準層。
６．磁気記憶デバイスであって、
合成フェリ磁性体基準層（14）と、
第１の磁化の向きおよび第２の磁化の向きを有するデータ層（12）と、
前記基準層（14）と前記データ層（12）との間のトンネル層（16）とからなり、
前記基準層（14）が、
磁性材料の第１の層（50）と、
磁性材料の第２の層（52）と、
前記第１の層（50）および前記第２の層（52）は、前記基準層（14）の正味の磁気モーメントが実質的に０になるように磁化されるように操作可能であることと、
前記第１の層（50）と前記第２の層（52）との間のスペーサ層（54）であって、そのスペーサ層（54）が、前記第１の層（50）と前記第２の層（52）とを互いに反対方向に磁気的に結合するための寸法を有する、スペーサ層とからなり、
前記基準層（14）が２つの安定した磁化の向きを有し、第１の安定した状態では、前記第１の層（50）が第１の方向であり、前記第２の層（52）が逆の方向であり、第２の安定した状態では、前記第１の層（50）が前記逆の方向であり、前記第２の層（52）が前記第１の方向であり、前記方向が印可される磁界に概ね直交する、磁気記憶デバイス。
７．前記データ層（12）の前記磁化の向きに概ね平行であるか、または反平行である、前記第２の層（52）の磁化の向きを生成するための手段をさらに含む、上記８に記載のデバイス。
８．前記第２の層（52）は、前記２つの安定した磁化の向きが前記データ層（12）の前記磁化の向きに対する第１の角度範囲と第２の角度範囲とを含むように、前記データ層（12）に対して配置され、前記トンネル層（16）の両端の電気抵抗が、前記２つの安定した向きに対応する第１および第２の抵抗を有する、上記８に記載のデバイス。
９．磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層であって、その基準層が、
第１および第２の磁化の向きを有する磁性材料の複数の層（50、52）と、
前記複数の層（50、52）のうちの隣接する層間にある少なくとも１つのスペーサ層（54）であって、その少なくとも１つのスペーサ層（54）が、前記隣接する層を互いに反対方向に磁気的に結合するのに適した寸法を有する、少なくとも１つのスペーサ層（54）とからなり、
前記磁性材料の複数の層（50、52）は、前記基準層（14）の正味の磁気モーメントが実質的に０になるように磁化されるように操作可能である、合成フェリ磁性体基準層。
１０．前記磁性材料の複数の層（50、52）は、印可される磁界の方向に対してそれらの磁化の向きが概ね直交する傾向があるように構成される、上記９に記載の基準層。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の磁気記憶デバイスにおいて存在する可能性がある減磁界を最小限に抑えることができ、従来の磁気記憶デバイスよりも低コストで、少ない数の簡単な材料を用いて製造することができる、磁気抵抗メモリセルを用いた情報記憶デバイスを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による磁気メモリデバイスの図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による基準層のためのヒステリシスループの図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による基準層のための図３Ａのヒステリシスループの拡大された図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図５】本発明の実施形態による磁気メモリデバイスにおいてビットを読み出すプロセスのステップの流れ図である。
【図６】本発明の実施形態による磁気記憶デバイスの図である。
【符号の説明】
12 データ層
14 合成フェリ磁性体基準層
16 トンネル障壁
50、52 強磁性層
54 スペーサ層
【発明の属する技術分野】
本発明は磁気記憶デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭおよびフラッシュメモリのような短期メモリに比べて消費電力の小さい不揮発性メモリである。ＭＲＡＭは、ハードドライブのような従来の長期記憶デバイスよりも非常に（数桁の大きさだけ）高速に読出しおよび書込み動作を実行することができる。さらに、ＭＲＡＭは、ハードドライブに比べてコンパクトであり、消費電力が小さい。
【０００３】
典型的なＭＲＡＭデバイスは、メモリセルのアレイと、メモリセルの行に沿って延在するワード線と、メモリセルの列に沿って延在するビット線とを含む。各メモリセルは、ワード線とビット線との交点に配置される。
【０００４】
メモリセルは、スピン依存トンネル接合（ＳＤＴ）のようなトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）デバイスに基づくことができる。典型的なＳＤＴ接合は、ピン止め層（pinned layer）と、センス層と、ピン止め層とセンス層との間に挟まれた絶縁性トンネル障壁とを含む。ピン止め層は、対象の範囲内に磁界がかけられる際に回転しないように固定された磁化の向きを有する。センス層は、２つの向き、すなわちピン止め層の磁化と同じ方向か、またはピン止め層の磁化の向きと逆の方向のいずれかに向けられ得る磁化を有する。ピン止め層とセンス層の磁化が同じ方向である場合には、ＳＤＴ接合の向きは「平行」であると言われる。ピン止め層とセンス層の磁化が逆方向である場合には、ＳＤＴ接合の向きは「反平行」であると言われる。これら２つの安定した向き、すなわち平行および反平行は、「０」および「１」の論理値に対応することができる。
【０００５】
ピン止め層の磁化の向きは、下側にある反強磁性（ＡＦ）ピンニング層（pinning layer）によって固定され得る。ＡＦピンニング層は大きな交換磁界を与え、それによりピン止め層の磁化が１つの方向に保持される。ＡＦ層の下側には通常、第１および第２のシード層(seed layer)が存在する。第１のシード層によって、第２のシード層が、ある結晶構造方位で成長することが可能になる。第２のシード層は、ＡＦピンニング層のための結晶構造方位を確立する。
【０００６】
いくつかの従来技術の磁気抵抗メモリデバイスのピン止め層は、ある正味の磁気モーメントを有する可能性があり、それが望ましくない作用を引き起こす。１つのそのような作用は、減磁界の作用である。たとえば、ピン止め層の磁性層がセンス層に達し、センス層と相互作用する。センス層はその磁化の向きによって情報を格納するので、その磁化の向きは保持されなければならないのは明らかである。こうして、この磁界があまりにも強くなる場合には、ピン止め層からの磁界の相互作用によってデータ損失をまねく可能性がある。第２の問題は、ピン止め層からの磁界の存在により、非対称な磁界を用いて、データ層の状態を切り替える必要があり、書込みプロセスの複雑性が増すことである。さらに別の問題は、書込み中の漂遊磁界に対する許容範囲が小さくなることである。
【０００７】
大容量のメモリを製造することが望ましいので、そのようなメモリセルのアレイをできる限り高密度に製造することが望ましい。残念ながら、基準層の全ての累積的な減磁作用によって、メモリセルを如何にして高密度に詰め込むことができるかということに関して制約が加えられる可能性がある。
【０００８】
ピン止め構造の別の欠点は、ピン止めを達成するために必要な材料（たとえば、ＡＦピンニング層およびシード層）が、いずれも複雑になり、製造するのに費用がかかることである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、磁気抵抗メモリセルを用いる情報記憶デバイスが必要とされている。また、従来の磁気記憶デバイスにおいて存在する可能性がある減磁界を最小限に抑える、係るデバイスが必要とされている。さらに、従来の磁気記憶デバイスよりも低コストで、少ない数の簡単な材料を用いて製造することができる、デバイスも必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の実施形態は、磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層を提供する。本発明の実施形態は、従来の磁気記憶デバイスにおいて存在する可能性がある減磁界を最小限に抑えるデバイスを提供する。磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層が開示される。その基準層は、第１および第２の層を有し、磁界を印加することによって、同じ保磁力を有する第１と第２の層とが互いに反対の向きに磁気的な結合が保持された状態のまま前記第１の層および前記第２の層の磁化の向きが、前記印加される磁界の向きに対して垂直方向±２度の範囲内に設定され、前記磁気記憶デバイスのピン止め層として用いられる。
【００１１】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、本発明の実施形態を示し、詳細な説明とともに、本発明の原理を説明するために使用される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の以下の詳細な説明では、本発明を完全に理解できるようにするために、種々の具体的な細部が説明される。しかしながら、これらの具体的な細部を用いることなく、または代替の要素または方法を用いることにより、本発明が実施され得ることは当業者には明らかであろう。また、本発明の態様をいたずらに不明瞭にしないように、よく知られている方法、手順、構成要素および回路は、詳細に説明されていない。
【００１３】
図１を参照すると、磁気メモリデバイス１０は、データ層１２と、基準層１４と、データ層１２と基準層１４との間のトンネル障壁１６とを有する磁気トンネル接合１１を含む。層１２と層１４の双方は、強磁性材料から形成され得る。データ層１２は、２つの方向のいずれか一方、典型的にはデータ層１２の磁化容易軸（ＥＡ１）に沿って向けられることができる磁化（ベクトルＭ１によって表される）を有する。
【００１４】
基準層１４は、正味の磁気モーメントが実質的に０になるように構成され得る。それゆえ、基準層１４の正味の磁化ベクトルは実質的に０であると述べられる場合がある。しかしながら、基準層１４は、たとえば、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂのような複数の磁化ベクトルを有することができる。これらの２つの磁化ベクトルは大きさが等しく、向きが反対であり、それゆえ、ある距離において互いに打ち消し合うことができる。しかしながら、磁化ベクトルＭ２Ａは、磁化ベクトルＭ２Ｂよりもトンネル障壁１６の近くに位置することができる。２つの磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂは、２つの方向のいずれかに、典型的にはｙ軸に沿って配向され得る。しかしながら、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂは、基準層１４の磁化容易軸（ＥＡ２）と必ずしも直交しない。
【００１５】
データ層１２および基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）が同じ方向を指す場合には、磁気トンネル接合１１の向きは「平行」であると呼ぶことができる。データ層１２および基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）が互いに反対の方向を指す場合には、磁気トンネル接合１１の向きは「反平行」であると呼ぶことができる。これら２つの向き、すなわち平行および反平行は、「０」および「１」の論理値に対応することができる。その論理値がどの向きによって表されるかは任意である。
【００１６】
絶縁性トンネル障壁１６によって、データ層１２と基準層１４との間に量子力学的トンネル効果が生じるようになる。このトンネル現象は電子スピン依存であり、磁気トンネル接合１１の抵抗がデータ層１２および基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）の相対的な向きの関数になる。こうして、データ層１２と基準層１４の磁化の向きを異なるように確立することにより、１ビットを格納することができる。たとえば、磁気トンネル接合１１の抵抗は、磁気トンネル接合１１の磁化の向きが平行である場合には、第１の値（Ｒ）であり、磁化の向きが反平行である場合には、第２の値（Ｒ＋ΔＲ）である。しかしながら、本発明は、２つの層の磁化の向きが互いに平行であるか、または反平行であるかに限定されない。より一般的には、各層の磁化の向きは、層間で測定される抵抗が２つの異なる状態に関して異なるように選択され得る。２つの安定した向きは、データ層１２および基準層１４の磁化の向きの磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２Ａ）間の第１の角度範囲と第２の角度範囲とを含む可能性があり、トンネル層の両端の電気抵抗は、２つの安定した向きに対応する第１および第２の抵抗を有する。
【００１７】
絶縁性トンネル障壁１６は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（ＳｉＮ４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮｘ）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から形成され得る。絶縁性トンネル障壁１６のために、他の誘電体およびある特定の半導体材料が使用され得る。絶縁性トンネル障壁１６の厚みは、約０．５ｎｍ〜約３ｎｍの範囲とすることができる。しかしながら、本発明はこの範囲に限定されない。
【００１８】
データ層１２は強磁性材料から形成され得る。基準層１４は、人工反強磁性体としても知られる、合成フェリ磁性体（ＳＦ）として実施され得る。
【００１９】
ｙ軸に沿って延在する第１の導体１８が、データ層１２と接触している。ｘ軸に沿って延在する第２の導体２０が、基準層１４と接触している。第１の導体１８および第２の導体２０は、直交するように示される。しかしながら、本発明は直交する向きに限定されない。第２の導体２０の下には第３の導体２２（以下、外部の導電要素と称する）が存在し、それもｘ軸に沿って延在する。絶縁体２４（たとえば、誘電体材料の層）が第２の導体２０と外部の導電要素２２とを分離する。導体１８、２０、２２は、アルミニウム、銅、金または銀のような導電性材料から形成され得る。
【００２０】
ここで図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、合成フェリ磁性体基準層１４は、スペーサ層５４（たとえば、スペーサ層５４は金属とすることができる）によって分離されている第１の強磁性層５０と第２の強磁性層５２とを含む。強磁性層５０および５２は、たとえば、コバルト鉄（ＣｏＦｅ）、ニッケル鉄（ＮｉＦｅ）、コバルト（Ｃｏ）などのような材料から形成されることができ、スペーサ層５４は、たとえば、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、ロジウム（Ｒｈ）、銅（Ｃｕ）、テルル（Ｔｅ）、クロム（Ｃｒ）などのような導電性で、磁気的に非伝導性の材料から形成され得る。
【００２１】
スペーサ層５４の寸法（たとえば、厚み）は、第１の強磁性層５０および第２の強磁性層５２が結合され、それらの磁化の向きが、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように反平行になるように選択され得る。その厚みは、スペーサ層５４が形成される材料に依存する。一実施形態では、その厚みは、約０．２ｎｍ〜２ｎｍの範囲内であり得る。しかしながら、他の厚みが２つの強磁性層５０および５２を結合するのに適している場合もある。
【００２２】
たとえば、図２Ａにおいて、上側の強磁性層５２の磁化ベクトル（Ｍ２Ａ）は、負のｙ軸に沿って示される。下側の強磁性層５０の磁化ベクトル（Ｍ２Ｂ）は、正のｙ軸に沿って示される。
【００２３】
非常に小さな保磁力によって、ＳＦ基準層１４の磁化ベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）が、図２Ａおよび図２Ｂに示される向きの間で容易に切り替えられることが可能である。実際には、強磁性層５０および５２に関する磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂの向きは、磁界がかけられる直前では任意の方向であってよい。いったん、磁界が印加されたなら、それらの向きは既知の方向を向く。磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂを図２Ａまたは図２Ｂに示される既知の位置（たとえば、印加される磁界に直交する）に強制的に向けるために、強磁性層５０および５２に印加される必要がある磁界は非常に小さい。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態では、合成フェリ磁性体基準層１４は、３つ以上の強磁性層を含む。これらの実施形態では、隣接する強磁性層は、スペーサ層５４によって接合されることができ、互いに反対向きの磁化の向きを有することができる。合成フェリ磁性体基準層１４の正味の磁気モーメントは、実質的に０である。実施形態によっては、合成フェリ磁性体基準層１４内に偶数および奇数の強磁性層が設けられてもよい。
【００２５】
図３Ａは、ＣｏＦｅ ３ｎｍ／Ｒｕ ０．７５ｎｍ／ＣｏＦｅ ３ｎｍの典型的な寸法および材料を有する合成フェリ磁性体基準層１４のための典型的なヒステリシスループを示す。個々の強磁性層５０、５２はたとえば、約８００〜８０００Ａ／ｍ（約１０〜１００エルステッド）の保磁力を有する可能性があり、類似のヒステリシスループを有する可能性がある。しかしながら、本発明はこの範囲の保磁力に限定されない。２つの強磁性層５０および５２の保磁力は、概ね同じにすることができる。これは、同じ厚みの同じ材料を用いることにより達成され得る。しかしながら、本発明は、概ね同じ保磁力を達成するこの態様に限定されない。さらに、各強磁性層が同じ保持力を有することは必要ではない。３つ以上の強磁性層を有する実施形態の場合、強磁性層の合成された保磁力によって、基準層１４の正味の磁気モーメントを実質的に０にできる。
【００２６】
図示のように、結合された強磁性層５０および５２のためのヒステリシスループは、正味の磁気モーメントが０である原点を通過できる。３つ以上の強磁性層を有する実施形態の場合、強磁性層の合成されたモーメントによって、基準層１４の正味の磁気モーメントは、実質的に０になる。したがって、いくつかの実施形態では、強磁性層は同じモーメントを持たない。
【００２７】
２つの強磁性層５０および５２の磁化ベクトルＭ２Ａ、Ｍ２Ｂ間の交換結合は、非常に強い可能性がある。結果として、強磁性層５０および５２の磁化ベクトルＭ２Ａ、Ｍ２Ｂを飽和させるために、非常に大きな磁界が必要とされる可能性がある。たとえば、強磁性層５０および５２の両方を完全に同じ方向に回転させるために、３．２×１０５Ａ／ｍ（４０００エルステッド）の磁界が必要とされる場合がある。スペーサ層５４のために適切な厚みと材料を選択することにより、標準的な動作条件において、わずかな回転が生じ、強磁性層５０および５２が１８０°異なる方向を指すように、交換結合を適切な強さにすることができる。
【００２８】
さらに図３Ａを参照すると、比較的高い磁界にさらされるとき、強磁性層５０および５２は回転し、印可された磁界の方向に向くことができる。これは、Ｈｓが大きな値（正または負）をとる点のヒステリシスループの下側にある平行な２本の矢印によって示される。これは、図４Ａおよび図４Ｂにも示されており、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂが、印可された磁界（Ｈ）に平行であるように示される。強磁性層５０および５２を飽和させるために必要な磁界は、磁気抵抗デバイスを読み出すために標準的に用いられる磁界よりも著しく大きい。
【００２９】
より低い磁界の場合には、２つの安定した磁化の向きが存在することができ、これらは印加された磁界に直交することができる。再び図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、ｙ軸の近くにあるとき、それらの矢印は、強磁性層５０および５２の磁化ベクトルが印加された磁界に直交することを示すために、上下を指すように示される。
【００３０】
図３Ｂは、印加された磁界が低い場合の図３Ａのヒステリシスループの詳細を示す。磁気抵抗デバイスにおいて読出しおよび書込み動作を行うための典型的な磁界のもとでは、磁化ベクトルＭ２ＡとＭ２Ｂとの間を１８０°異なる方向に回転させる量は、非常に小さくできる。たとえば、かけられる磁界が約８０００Ａ／ｍ（１００エルステッド）であるとき、角度θは約２°になることができる。θは、印加された磁界に直交する状態から磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂが逸脱する角度である。したがって、標準的な動作条件下では、それらの磁化ベクトルは印加される磁界に概ね直交する。この状態は、図２Ａおよび図２Ｂにも示される。
【００３１】
ここで図５の流れ図を参照すると、磁気記憶デバイスを動作させる方法のための一実施形態が提供される。そのプロセスのステップ５１０は、データ層１２に情報のビットを格納している。これは、選択されたワード線１８および／またはビット線２０に１つまたは複数の電流を加えて、データ層１２内の磁化ベクトルＭ１を設定することにより達成され得る。強磁性層５０および５２の磁化の向きＭ２Ａ、Ｍ２Ｂは、この時点では重要ではなく、それらは後に確立されることができる。
【００３２】
たとえば、一実施形態では、第１および第２の導体１８および２０に書込み電流を供給することにより、データが磁気トンネル接合１１に書き込まれ得る。第１の導体１８に供給される電流は、第１の導体１８の周囲に磁界を生成し、第２の導体２０に供給される電流は、第２の導体２０の周囲に磁界を生成する。２つの磁界は、合成される際に、データ層１２の保磁力を超え、それゆえ、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）が所望の向きに設定される（その向きは、第１の導体１８および第２の導体２０に供給される電流の方向に依存する）。その磁化は、論理「１」に対応する向きか、または論理「０」に対応する向きかのいずれかに設定される。
【００３３】
書込み電流が導体１８および２０から除去された後、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）はその向きを保持する。強磁性層５０および５２の磁化ベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）は、書込みプロセスによって影響を及ぼされる可能性があり、その向きを保持する場合も保持しない場合もある。基準層１４が「（磁気的に）非常に軟らかい」場合には、書込み電流が第１の導体１８および第２の導体２０から除去されるときに、磁化ベクトル（Ｍ２ＡおよびＭ２Ｂ）はそれらの磁化の向きを失う可能性がある。
【００３４】
一実施形態では、外部の導電要素２２を用いて書込み動作を補助することができる。書込み動作中に外部の導電要素２２に電流を供給することにより、外部の導電要素２２の周囲の結果としての磁界は、他の２つの磁界と結合し、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）を所望の向きに設定するのを助けることができる。
【００３５】
ステップ５２０では、磁界が基準層１４にかけられ、磁界に概ね直交する基準層１４の１つの層（たとえば、強磁性層５２）において磁化の向き（たとえば、Ｍ２Ａ）が確立される。基準層１４自体は、実質的に同じ保磁力を有し、かつ磁気的に互いに反対方向に結合される第１および第２の層を有する。基準層１４の第１の強磁性層５２の磁化の向きは、データ層１２内の磁化の向きＭ１に概ね平行であるか、または概ね反平行である。
【００３６】
たとえば、外部の導電要素２２に電流が供給されることができ、結果として生じた磁界によって、強磁性層５０および５２の磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂは、特定の向きを有するようになる。外部の導電要素２２は他の導体よりも１つの強磁性層５０または５２から離れているので、各強磁性層５０、５２において１つの方向を助けるためのその優先性によって磁化の向きを知ることができ、その方向は外部の導電要素２２を流れる電流の方向に部分的に依存する。結果として生じた磁界は、データ層１２の磁化ベクトル（Ｍ１）に影響しない。さらに、基準層１４の保磁力は非常に小さいので、外部の導電要素の電流の大きさは、小さくできる。たとえば、平衡状態の合成フェリ磁性体基準層１４の保磁力は、わずか数百Ａ／ｍ（数エルステッド）である。
【００３７】
ステップ５３０では、データ層１２の磁化の向きＭ１を判定するために、第１の強磁性層５２とデータ層１２との間の抵抗が測定される。このようにして、記憶デバイスに格納されたビットが判定される。このステップは、第３の導体２２に電流が供給される際に、磁気トンネル接合１１の両端に電圧を印加することにより達成され得る。第１の導体１８および第２の導体２０を用いて、磁気トンネル接合１１の両端に電圧を印加することができる。その電圧によって、磁気トンネル接合１１にセンス電流が流れる。センシングされる電流（Ｉｓ）は、磁気トンネル接合１１の抵抗に反比例する。したがって、Ｉｓ＝Ｖ／ＲまたはＩｓ＝Ｖ／（Ｒ＋ΔＲ）である。ただし、Ｖは印加される電圧であり、Ｉｓはセンシングされる電流であり、Ｒはデバイス１０の標準的な抵抗であり、ΔＲは平行な磁化の向きと反平行の磁化の向きとの間の抵抗の差である。
【００３８】
ここで図６を参照すると、磁気トンネル接合１１のアレイ６１２を含むＭＲＡＭデバイス６１０が示される。磁気トンネル接合１１は、行および列に配列され、行はｙ方向に沿って延在し、列はｘ方向に沿って延在する。ＭＲＡＭデバイス６１０の図を簡略化するために、比較的少数の磁気トンネル接合１１のみが示される。実際には、任意のサイズのアレイが使用され得る。
【００３９】
ワード線１８として機能する導電要素は、アレイ６１２の一方の面にｘ方向に沿って延在する。ワード線１８は磁気トンネル接合１１のデータ層１２と接触する。ビット線２０として機能する導電要素は、アレイ６１２の隣接する側の面にｙ方向に沿って延在する。ビット線２０は磁気トンネル接合１１の基準層１４と接触している。アレイ６１２の各行に対して１つのワード線１８が存在し、アレイ６１２の各列に対して１つのビット線２０が存在することができる。各磁気メモリトンネル接合１１は、ワード線１８とビット線２０との交点に配置される。
【００４０】
読出し線２２として機能する導電要素もｙ方向に沿って延在する。読出し線２２は、ビット線２０よりもトンネル接合から離れて存在することができ、ビット線２０から絶縁され得る。また、ＭＲＡＭデバイス６１０は、第１の行デコーダ６１４ａおよび第２の行デコーダ６１４ｂと、第１の列デコーダ６１６ａおよび第２の列デコーダ６１６ｂと、読出し／書込み回路６１８とを含む。読出し／書込み回路６１８は、センス増幅器６２０と、グランド接続６２２と、行電流源６２４と、電圧源６２６と、列電流源６２８とを含む。
【００４１】
選択された磁気トンネル接合１１における書込み動作中に、第１の行デコーダ６１４ａは選択されたワード線１８の一端を行電流源６２４に接続し、第２の行デコーダ６１４ｂは選択されたワード線１８の他端をグランドに接続し、第１の列デコーダ６１６ａは選択されたビット線２０の一端をグランドに接続し、第２の列デコーダ６１６ｂは選択されたビット線２０の他端を列電流源６２８に接続する。結果として、選択されたワード線１８およびビット線２０に書込み電流が流れる。書込み電流は磁界を生成し、その磁界によって、磁気トンネル接合１１が切り替わる。また、列デコーダ６１６ａおよび６１６ｂによって、選択された磁気トンネル接合１１を横切る読出し線２２にも書込み電流が流れることができる。この第３の書込み電流は、選択された磁気トンネル接合１１の切り替えを補助する追加の磁界を生成する。
【００４２】
データ層１２の磁化容易軸は、ｙ方向に配向され得る。したがって、データ層１２は、ｙ方向にそれらの磁化ベクトルを有することができる。
【００４３】
選択された磁気トンネル接合１１における読出し動作中に、第１の列デコーダ６１６ａおよび第２の列デコーダ６１６ｂによって、選択された磁気トンネル接合１１を横切る読出し線２２に安定した読出し（基準）電流が流れることができる。読出し電流は磁界を生成し、その磁界によって、磁化ベクトルＭ２ＡおよびＭ２Ｂがワード線１８に平行に向けられることになる。
【００４４】
読出し電流がなおも加えられている間に、第１の行デコーダ６１４ａは電圧源６２６を選択されたワード線１８に接続し、第１の列デコーダ６１６ａは選択されたビット線２０を、センス増幅器６２０の仮想グランド入力に接続する。結果として、選択された磁気トンネル接合１１を通ってセンス増幅器６２０の入力までセンス電流が流れる。このようにして、選択された磁気トンネル接合１１の抵抗が判定され得る。しかしながら、本発明は、磁気トンネル接合１１の抵抗を判定するこの方法には限定されない。
【００４５】
これまで説明されてきた磁気トンネル接合１１は、個別の基準層１４を含み、各基準層１４は、その対応するデータ層１２およびトンネル障壁１６と同じ幾何学的形状を有している。しかしながら、本発明は、データ層およびトンネル障壁と同じ幾何学的形状を有する基準層１４に限定されない。代わりに、基準層１４は、ワード線１８およびビット線２０、または他のものと同じ形状を有することができる。
【００４６】
本発明は特定の実施形態において説明されてきたが、本発明は、そのような実施形態によって限定されるものと解釈されるべきではなく、むしろ特許請求の範囲に従って解釈されるべきであることは理解されたい。
【００４７】
以下においては、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施形態を示す。
１．磁気記憶デバイスのための基準層であって、その基準層が、
第１および第２の磁化の向きに磁化されるように操作可能な磁性材料の第１の層（50）と、
第１および第２の磁化の向きに磁化されるように操作可能な磁性材料の第２の層（52）と、
前記第１の層（50）および前記第２の層（52）が概ね同じ保磁力を有することと、および
前記第１の層（50）と前記第２の層（52）との間にあるスペーサ層（54）とからなり、前記スペーサ層（54）が、前記第１の層（50）と前記第２の層（52）とを互いに反対方向に磁気的に結合するのに適した寸法を有する、基準層。
２．前記第１の層（50）および前記第２の層（52）は、印可される磁界の方向に対してそれらの磁化の向きが概ね直交する傾向があるように構成される、上記１に記載の基準層。
３．前記第１の層（50）および前記第２の層（52）が、強磁性層である、上記１に記載の基準層。
４．前記スペーサ層（54）が導電性であり、磁気的に非伝導性である、上記１に記載の基準層。
５．前記第１の層（50）および前記第２の層（52）が、概ね同じ厚みである、上記１に記載の基準層。
６．磁気記憶デバイスであって、
合成フェリ磁性体基準層（14）と、
第１の磁化の向きおよび第２の磁化の向きを有するデータ層（12）と、
前記基準層（14）と前記データ層（12）との間のトンネル層（16）とからなり、
前記基準層（14）が、
磁性材料の第１の層（50）と、
磁性材料の第２の層（52）と、
前記第１の層（50）および前記第２の層（52）は、前記基準層（14）の正味の磁気モーメントが実質的に０になるように磁化されるように操作可能であることと、
前記第１の層（50）と前記第２の層（52）との間のスペーサ層（54）であって、そのスペーサ層（54）が、前記第１の層（50）と前記第２の層（52）とを互いに反対方向に磁気的に結合するための寸法を有する、スペーサ層とからなり、
前記基準層（14）が２つの安定した磁化の向きを有し、第１の安定した状態では、前記第１の層（50）が第１の方向であり、前記第２の層（52）が逆の方向であり、第２の安定した状態では、前記第１の層（50）が前記逆の方向であり、前記第２の層（52）が前記第１の方向であり、前記方向が印可される磁界に概ね直交する、磁気記憶デバイス。
７．前記データ層（12）の前記磁化の向きに概ね平行であるか、または反平行である、前記第２の層（52）の磁化の向きを生成するための手段をさらに含む、上記８に記載のデバイス。
８．前記第２の層（52）は、前記２つの安定した磁化の向きが前記データ層（12）の前記磁化の向きに対する第１の角度範囲と第２の角度範囲とを含むように、前記データ層（12）に対して配置され、前記トンネル層（16）の両端の電気抵抗が、前記２つの安定した向きに対応する第１および第２の抵抗を有する、上記８に記載のデバイス。
９．磁気記憶デバイスのための合成フェリ磁性体基準層であって、その基準層が、
第１および第２の磁化の向きを有する磁性材料の複数の層（50、52）と、
前記複数の層（50、52）のうちの隣接する層間にある少なくとも１つのスペーサ層（54）であって、その少なくとも１つのスペーサ層（54）が、前記隣接する層を互いに反対方向に磁気的に結合するのに適した寸法を有する、少なくとも１つのスペーサ層（54）とからなり、
前記磁性材料の複数の層（50、52）は、前記基準層（14）の正味の磁気モーメントが実質的に０になるように磁化されるように操作可能である、合成フェリ磁性体基準層。
１０．前記磁性材料の複数の層（50、52）は、印可される磁界の方向に対してそれらの磁化の向きが概ね直交する傾向があるように構成される、上記９に記載の基準層。
【００４８】
【発明の効果】
本発明によれば、従来の磁気記憶デバイスにおいて存在する可能性がある減磁界を最小限に抑えることができ、従来の磁気記憶デバイスよりも低コストで、少ない数の簡単な材料を用いて製造することができる、磁気抵抗メモリセルを用いた情報記憶デバイスを実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による磁気メモリデバイスの図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図２Ｂ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図３Ａ】本発明の実施形態による基準層のためのヒステリシスループの図である。
【図３Ｂ】本発明の実施形態による基準層のための図３Ａのヒステリシスループの拡大された図である。
【図４Ａ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図４Ｂ】本発明の実施形態による基準層の図である。
【図５】本発明の実施形態による磁気メモリデバイスにおいてビットを読み出すプロセスのステップの流れ図である。
【図６】本発明の実施形態による磁気記憶デバイスの図である。
【符号の説明】
12 データ層
14 合成フェリ磁性体基準層
16 トンネル障壁
50、52 強磁性層
54 スペーサ層
Claims (5)
- 磁気記憶デバイスを動作させる方法であって、
ａ）磁気記憶デバイスのデータ層を所定の向きに磁化することにより、前記データ層にデータを格納するステップと、
ｂ）第１と第２の層を有する基準層に磁界を印加することによって、同じ保磁力を有する前記第１と第２の層とが互いに反対の向きに磁気的な結合が保持された状態のまま前記第１の層および前記第２の層の磁化の向きが、前記印加される磁界の向きに対して垂直方向±２度の範囲内に設定されるステップと、
ｃ）前記データ層の磁化の向きを判定するために、前記データ層と前記基準層との間の電気抵抗を測定して、当該測定の結果により格納されたデータのビットが判断されるステップと、を含むことを特徴とする磁気記憶デバイスを動作させる方法。 - 前記ステップｂ）において、磁界を印加されることによって設定された前記第１の層の磁化の向きは、前記データ層の磁化の向きに対して平行方向±２度の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶デバイスを動作させる方法。
- 前記ステップｂ）において、前記基準層の前記第１の層の磁化容易軸に対して平行に磁界を印加することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶デバイスを動作させる方法。
- 前記ステップｂ）において、前記磁界は前記基準層の外部にある導電要素に基準電流を流して生成され、前記導電要素に流れる電流によって印加される磁界が、前記第１の層および前記第２の層のうちで当該導電要素の近くに配置された一方の層でより強いことに基づいて、第１の層および第２の層の磁化の向きが、前記印加される磁界の向きに対して垂直方向±２度の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶デバイスを動作させる方法。
- 前記ステップｃ）において、前記第１の層と前記データ層との間に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の磁気記憶デバイスを動作させる方法。
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