JP4660529B2 - 二重接合磁気メモリデバイスの読み出し方法および二重接合磁気メモリデバイスへの書き込み方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して二重接合磁気メモリデバイスの読み出し方法および書き込み方法に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（「ＭＲＡＭ」）は、短期および長期のデータ記憶のために検討されている不揮発性メモリである。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が少ない。ＭＲＡＭは、ハードドライブのような従来の長期記憶装置よりもはるかに（数桁も）速く読み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、一般的なハードドライブに比べてコンパクトであり、消費電力が少ない。

ＭＲＡＭデバイスは、メモリセルのアレイを含むことができ、この場合、各メモリセルは磁気トンネル接合を含む。その磁気トンネル接合を平行な磁化の向きに設定することにより、選択されたメモリセルに第１の論理値を書き込むことができ、その磁気トンネル接合を反平行な磁化の向きに設定することにより、その選択されたメモリセルに第２の論理値を書き込むことができる。

磁化の向きは、磁気トンネル接合の抵抗に影響を及ぼす。一般的に、磁気トンネル接合は、その磁化の向きが平行である場合に、公称抵抗（Ｒ_Ｎ）を有し、その磁化の向きが反平行であるときに、それより高い抵抗（Ｒ_Ｎ＋ΔＲ_Ｎ）を有する。比ΔＲ_Ｎ／Ｒ_Ｎは、磁気トンネル接合のトンネル磁気抵抗比（ＴＭＲ）と呼ばれる。

１つのメモリセルに格納される論理値は、磁気トンネル接合の抵抗状態を検出することにより読み出され得る。しかしながら、一般的な磁気トンネル接合のＴＭＲは、比較的低くなる傾向がある。ＴＭＲが低いと、２つの抵抗を区別するのが難しくなる可能性がある。したがって、ＴＭＲが低いと、格納された論理値の読み出しの信頼性が低下する。
米国特許第６，２５９，６４４号明細書

本発明は、磁気トンネル接合に基づいたメモリセルの読み出しに関して信頼性を高めることができる二重接合磁気メモリデバイスの読み出し方法および二重接合磁気メモリデバイスへの書き込み方法の提供を目的とする。

本発明の一態様によれば、磁気メモリデバイスは、第１の基準強磁性層を含む第１の磁気トンネル接合と、第２の基準強磁性層を含む第２の磁気トンネル接合と、第１の基準層と第２の基準層との間にある導電性スペーサ層とを含み、第１の基準層および第２の基準層が、反強磁性結合され、第２の磁気トンネル接合の公称抵抗が、第１の磁気トンネル接合の公称抵抗のＫ倍であり、ただしＫが１以外の比例定数であり、結合された基準層の磁化を第１の安定した向きに向けて、磁気メモリデバイスの第１の抵抗を測定するステップと、結合された基準層の磁化を第２の安定した向きに向けて、磁気メモリデバイスの第２の抵抗を測定するステップと、測定された前記第１の抵抗および第２の抵抗を用いて、磁気メモリデバイスに格納された論理値を判定するステップと、を含み、論理値が抵抗の測定値間の差の極性を検査することにより判定される。本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を一例として示す添付図面に関連してなされる、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明による磁気メモリデバイスおよび読出し動作は、従来の磁気トンネル接合および読出し方法よりも優れたいくつかの利点を提供する。本発明の磁気メモリデバイスからのセンス信号は、従来の磁気トンネル接合のＴＭＲを検出することにより判定される等価な信号よりも大きい。センス信号を大きくすることにより、読出し動作の信頼性を高めることができる。また、多数のサンプルを取ることにより、読出し動作の信頼性を向上することもできる。本発明による自己参照の読出し動作は、検出されるＭＴＪ抵抗が外部の基準値と比較される読出し動作よりも信頼性を高めることができる。

図１ａ〜図１ｄを参照する。磁気メモリデバイス８は、スペーサ層３０によって分離される第１の磁気トンネル接合１０および第２の磁気トンネル接合２０を含む。第１の磁気トンネル接合１０は、第１のデータ強磁性（ＦＭ）層１２と、第１の絶縁性トンネル障壁１４と、第１の基準ＦＭ層１６とを含む。第２の磁気トンネル接合２０は、第２のデータ強磁性（ＦＭ）層２２と、第２の絶縁性トンネル障壁２４と、第２の基準ＦＭ層２６とを含む。

第１のデータ層１２は、２つの安定した向きのいずれかに向けられることができる磁化ベクトル（Ｍ１）を有する（例示的な第１の安定した向きは図１ａと図１ｂに示されており、例示的な第２の安定した向きは図１ｃと図１ｄに示される）。第１の基準層１６は、２つの安定した向きのいずれかに向けられることができる磁化ベクトル（Ｍ２）を有する（例示的な第１の安定した向きは図１ａと図１ｃに示されており、例示的な第２の安定した向きは図１ｂと図１ｄに示される）。第１の絶縁性トンネル障壁１４によって、第１のデータ層１２と第１の基準層１６との間に量子力学的トンネル現象が生じることが可能になる。

第１の磁気トンネル接合１０の抵抗は、第１のデータ層１２および第１の基準層１６の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ２）の相対的な向きの関数である。第１の磁気トンネル接合１０は、その磁化の向きが平行であるときにＲ_ＴＪ１の公称抵抗を有し、その磁化の向きが反平行であるときに、それより大きなＲ_ＴＪ１（１＋ＴＭＲ_ＴＪ１）の抵抗を有する。ＴＭＲ_ＴＪ１は、第１の磁気トンネル接合１０のトンネル磁気抵抗比を示す。図１ａおよび図１ｄは、第１の磁気トンネル接合１０の平行な磁化の向きを示し、図２ａおよび図２ｄは、第１の磁気トンネル接合１０の対応する抵抗を示す。図１ｂおよび図１ｃは、第１の磁気トンネル接合１０の反平行な磁化の向きを示し、図２ｂおよび図２ｃは、第１の磁気トンネル接合１０の対応する抵抗を示す。

同様に、第２のデータ層２２は、２つの安定した向きのいずれかに向けられることができる磁化ベクトル（Ｍ４）を有し、第２の基準層２６は２つの安定した向きのいずれかに向けられることができる磁化ベクトル（Ｍ３）を有する。第２の絶縁性トンネル障壁２４によって、第２のデータ層２２と第２の基準層２６との間に量子力学的トンネル現象が生じることが可能になる。

第２の磁気トンネル接合２０の抵抗は、第２のデータ層２２および第２の基準層２６の磁化ベクトル（Ｍ４およびＭ３）の相対的な向きの関数である。第２の磁気トンネル接合２０は、その磁化の向きが平行であるときにＲ_ＴＪ２の公称抵抗を有し、その磁化の向きが反平行であるときに、それより大きなＲ_ＴＪ２（１＋ＴＭＲ_ＴＪ２）の抵抗を有する。ＴＭＲ_ＴＪ２は、第２の磁気トンネル接合２０のトンネル磁気抵抗比を示す。図１ｂおよび図１ｃは、第２の磁気トンネル接合２０の平行な磁化の向きを示し、図２ｂおよび図２ｃは、第２の磁気トンネル接合２０の対応する抵抗を示す。図１ａおよび図１ｄは、第２の磁気トンネル接合２０の反平行な磁化の向きを示し、図２ａおよび図２ｄは、第２の磁気トンネル接合２０の対応する抵抗を示す。

後に明らかになる理由により、第２の磁気トンネル接合２０の公称抵抗（Ｒ_ＴＪ２）は、第１の磁気トンネル接合１０の公称抵抗（Ｒ_ＴＪ１）のＫ倍である。ただし、Ｋは１以外の比例定数である。すなわち、Ｒ_ＴＪ２＝ＫＲ_ＴＪ１であり、Ｋ≠１である。２つの磁気トンネル接合１０および２０のトンネル磁気抵抗比は、概ね同じにすることができる。したがって、ＴＭＲ_ＴＪ１≒ＴＭＲ_ＴＪ２≒ＴＭＲである。比例定数の値は後述される。

スペーサ層３０は、Ｒｕ、Ｒｅ、ＲｈまたはＣｕのような電気的に伝導性で、磁気的に非伝導性の材料から形成され得る。スペーサ層３０のための材料および厚みは、第１の基準ＦＭ層１６と第２の基準ＦＭ層２６との間に強い反強磁性交換結合が生じるように選択される。第１の基準層１６および第２の基準層２６と、その間にあるスペーサ層３０との組み合わせは、人工反強磁性体（ＡＡＦ）１５または合成フェリ磁性体（ＳＦ）１５を形成する。

基準層の磁化ベクトル（Ｍ２およびＭ３）は逆の方向を指すので、ＡＡＦ１５の磁気モーメントはＭＭ_ＡＡＦ＝ＭＭ_２−ＭＭ_３である。ただし、ＭＭ_２は第１の基準層１６の磁気モーメントであり、ＭＭ_３は第２の基準層２６の磁気モーメントであり、ＭＭ_ＡＡＦはＡＡＦ１５の合成磁気モーメントである。磁気モーメントＭＭ_２およびＭＭ_３は近い大きさにすることができ、そのため合成磁気モーメントＭＭ_ＡＡＦは０ではないが、データ層１２または２２のいずれかの磁気モーメントよりも著しく小さくなる。基準層１６および２６の磁気モーメント（ＭＭ_２およびＭＭ_３）は、異なるビット形状、幾何学的形状、組成、厚みなどを用いることにより、異ならせることができる。

ＡＡＦ１５は、ピン留め、または固定されない。したがって、著しく小さい合成磁気モーメントＭＭ_ＡＡＦによって、ＡＡＦ１５の磁化の向きが、データ層の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ４）の向きを変更することなく、その安定した向きの間で切り替えられることが可能になる。一方の安定した向きが図１ａおよび図１ｃに示されており、他方の安定した向きが図１ｂおよび図１ｄに示される。

ＭＭ_２＞ＭＭ_３を有するＡＡＦ１５の例について考えてみる。ＡＡＦ１５に磁界がかけられるとき、ベクトルＭ２はかけられた磁界の方向を指し、ベクトルＭ３は逆の方向を指すであろう。ここで、ＭＭ_３＞ＭＭ_２を有するＡＡＦ１５の例について考えてみる。ＡＡＦ１５に磁界がかけられるとき、ベクトルＭ３はかけられた磁界の方向を指し、ベクトルＭ２は逆の方向を指すであろう。

図２ａ〜図２ｄに示されるように、第１および第２の磁気トンネル接合は、電気的に直列に接続される。したがって、磁気メモリデバイス８の抵抗は、第１の磁気トンネル接合１０および第２の磁気トンネル接合２０の抵抗の和である。

第１の導体３２が、第１の磁気トンネル接合１０の第１のデータ層１２と電気的に接触し、第２の導体３４が、第２の磁気トンネル接合２０の第２のデータ層２２と電気的に接触する。第１の導体３２および第２の導体３４は、直交することができる。これらの導体３２および３４を用いて、書込み動作中にデータ層１２および２２に切替え磁界をかけることができ、読出し動作中にＡＡＦ１５に切替え磁界をかけることができる。

磁気メモリデバイス８の書込み動作中に、第１の導体３２および第２の導体３４に書込み電流が供給される。これらの書込み電流は、第１の導体３２および第２の導体３４の周囲に磁界を生成する。合成された磁界はデータ層１２および２２の保磁力より大きくなり、データ層１２および２２の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ４）が所望の向きに設定される（その向きは第１の導体３２および第２の導体３４に供給される電流の方向に依存するであろう）。その向きは、論理「１」または論理「０」に対応する。たとえば、図１ａおよび図１ｂのデータ層の磁化の向きは、論理「１」に対応することができ、図１ｃおよび図１ｄのデータ層の磁化の向きは、論理「０」に対応することができる。第１の導体３２および第２の導体３４から書込み電流が除かれるとき、データ層１２および２２の磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ４）はそれらの向きを保持する。

データ層１２および２２は同じ合成磁界に暴露されているので、それらの磁化ベクトル（Ｍ１およびＭ４）は同じ向きを有する。しかしながら、それらの対応する基準層１６および２６は、必然的に逆の向きを有する。したがって、磁気トンネル接合１０または２０のうちの一方は平行な磁化の向きを有し、他方の磁気トンネル接合は反平行な磁化の向きを有する。結果として、ビット−ビットバー構成になる。

また、合成磁界によって、ＡＡＦ１５は、ある特定の向きを呈する。この向きは、より大きな磁気モーメントを有する基準層１６または２６によって影響を受ける。ＡＡＦ１５の向きは、書込み動作中には重要ではない。

製造中に、メモリデバイス８は、外部磁界の存在する状態でアニールされ得る。外部磁界は、磁化ベクトルを既知の向きに設定する。

ここで図３を参照すると、磁気メモリデバイス８における非破壊的な、自己参照の２サンプル読出し動作が示される。ＡＡＦ１５がその第１の安定した向きに切り替えられる（３１０）。ＡＡＦ１５は、第１の導体３２および第２の導体３４に読出し電流を供給することにより切り替えられ得る。読出し電流は、磁界を生成し、それらの磁界が合成されるとき、ＡＡＦ１５が切り替わる。ＡＡＦ１５は低い保磁力を有し、その保磁力によって切替え磁界が除かれた後にその磁化を保持することが可能になる。導体３２および３４を用いる代わりに、外部からの切替え磁界を磁気メモリデバイス１８にかけてもよい。切替え磁界は、データ層１２および２２の磁化の向きに影響を与えない。

磁気メモリデバイス８の全抵抗（Ｒ_ＴＯＴ１）が測定される（３１２）。たとえば、導体３２と３４の間に電圧を印加することができる（３１２）。その電圧によって、磁気トンネル接合１０および２０にセンス電流が流れる。センス電流は全抵抗（Ｒ_ＴＯＴ１）に反比例する。

全抵抗が測定された後に、ＡＡＦ１５がその第２の安定した向きに切り替えられ（３１４）、磁気メモリデバイス８の全抵抗（Ｒ_ＴＯＴ２）が測定される（３１６）。

抵抗の差（Ｒ_ＴＯＴ１−Ｒ_ＴＯＴ２）が計算され（３１８）、その差の極性が検査される（３２０）。差の極性はデバイス８に格納された論理値を示す。

その極性がなぜ論理値を示すかを理解するために、図１ａおよび図１ｄに示されるデータ層の磁化の向きについて考えてみる。Ｒ_ＴＪ２＝ＫＲ_ＴＪ１であり、ＴＭＲ_ＴＪ１≒ＴＭＲ_ＴＪ２≒ＴＭＲであるので、以下の式が成り立つ。すなわち、
Ｒ_ＴＯＴ１＝Ｒ_ＴＪ１＋Ｒ_ＴＪ２（１＋ＴＭＲ）＝Ｒ_ＴＪ１（１＋Ｋ＋ＫＴＭＲ）、
Ｒ_ＴＯＴ２＝Ｒ_ＴＪ１（１＋ＴＭＲ）＋Ｒ_ＴＪ２＝Ｒ_ＴＪ１（１＋ＴＭＲ＋Ｋ）、および
（Ｒ_ＴＯＴ１−Ｒ_ＴＯＴ２）＝Ｒ_ＴＪ１（１＋Ｋ＋ＫＴＭＲ−１−ＴＭＲ−Ｋ）
したがって、（Ｒ_ＴＯＴ１−Ｒ_ＴＯＴ２）＝Ｒ_ＴＪ１（ＫＴＭＲ−ＴＭＲ）である。Ｋ＞１である場合には、正の極性がデータ層の磁化の向きを、それゆえ図１ａおよび図１ｂに示される論理値を示す。

ここで図１ｂおよび図１ｃに示されるデータ層の磁化の向きについて考えてみると、
Ｒ_ＴＯＴ１＝Ｒ_ＴＪ１（１＋ＴＭＲ）＋Ｒ_ＴＪ２＝Ｒ_ＴＪ１（１＋ＴＭＲ＋Ｋ）、
Ｒ_ＴＯＴ２＝Ｒ_ＴＪ１＋Ｒ_ＴＪ２（１＋ＴＭＲ）＝Ｒ_ＴＪ１（１＋Ｋ＋ＫＴＭＲ）、および
（Ｒ_ＴＯＴ１−Ｒ_ＴＯＴ２）＝Ｒ_ＴＪ１（１＋ＴＭＲ＋Ｋ−１−Ｋ−ＫＴＭＲ）＝Ｒ_ＴＪ１（ＴＭＲ−ＫＴＭＲ）
したがって、Ｋ＞１である場合には、負の極性がデータ層の磁化の向きを、それゆえ図１ｃおよび図１ｄに示される論理値を示す。

ＡＡＦ１５の切替えの順序が逆であり、Ｋ＞１である場合には、負の極性が図１ａおよび図１ｂに示される論理値を示し、正の極性が図１ｃおよび図１ｄに示される論理値を示す。

比例定数Ｋの値は、読出し回路が２つの抵抗Ｒ_ＴＯＴ１とＲ_ＴＯＴ２とを区別できるようにするのに十分な値でなければならない。その値は部分的には、抵抗測定中の信号レベル（電圧／電流の変化）および雑音レベルに依存する。

また、Ｋの実際の値は工程にも依存する。磁気トンネル接合の抵抗は、絶縁性トンネル障壁の厚みを変更することにより変更され得る。各磁気トンネル接合１０および２０の公称抵抗、それゆえＫの実際の値は部分的には、障壁の厚みを制御する能力に依存する。磁気トンネル接合の抵抗は、絶縁性トンネル障壁の厚みに非常に影響されやすい。障壁の厚みを少し（たとえば、１０％未満）増やしただけでも、磁気トンネル接合の抵抗の大幅な増加を生じる可能性がある。たとえば、１〜２ｎｍのトンネル障壁の場合、障壁の厚みが０．１ｎｍ増えると、磁気トンネル接合の抵抗が２倍になる可能性のあることがわかっている。堆積および処理のばらつきに起因して、接合抵抗に固有のばらつき（＋／−１％程度）が生じる可能性がある。したがって、第１および第２の磁気トンネル接合の抵抗が区別できるようにするために、第１および第２の磁気トンネル接合の公称抵抗は、少なくとも固有のばらつきだけ異ならなければならない。したがって、固有のばらつきは、Ｋの値に対する下限を設定する。

第１の例としては、第１の磁気トンネル接合１０の公称抵抗（Ｒ_ＴＪ１）が１メガオームであり、第２の磁気トンネル接合２０の公称抵抗（Ｒ_ＴＪ２）が２メガオームであり（それによりＫ＝２）、磁気トンネル接合１０および２０の両方のトンネル磁気抵抗比がＴＭＲ＝１５％である。読出し回路は、図１ａおよび図１ｄに示される磁化の向きの場合には１５０キロオーム以内の精度でなければならず、図１ｂおよび図１ｃに示される磁化の向きの場合には−１５０キロオーム以内の精度でなければならない。

第２の例としては、第１の磁気トンネル接合１０の公称抵抗（Ｒ_ＴＪ１）が１メガオームであり、第２の磁気トンネル接合２０の公称抵抗（Ｒ_ＴＪ２）が１．５メガオームであり（それによりＫ＝１．５）、磁気トンネル接合１０および２０の両方のトンネル磁気抵抗比がＴＭＲ＝１５％である。読出し回路は、図１ａおよび図１ｄに示される磁化の向きの場合には７５キロオーム以内の精度でなければならず、図１ｂおよび図１ｃに示される磁化の向きの場合には−７５キロオーム以内の精度でなければならない。

Ｒ_ＴＪ１をＲ_ＴＪ２に近い値にしておくために、Ｋの値はできる限り小さいことが望ましい。しかしながら、Ｋは、適度なセンサ信号対雑音比を与えるように十分に大きくなければならない。

読出し動作は、デバイス８当たり２回、すなわち安定した各ＡＡＦの向きにおいて１回の抵抗測定のみが行われるので、２サンプル動作と見なされる。読出し動作は、磁気トンネル接合１０および２０の内容が上書きされないので、非破壊的であると見なされる。読出し動作は、磁気トンネル接合１０および２０の抵抗が外部の基準値と比較されないので、自己参照であると見なされる。

上述されたデバイス８および読出し動作は、従来の磁気トンネル接合および読出し方法よりも優れたいくつかの利点を提供する。デバイス８からのセンス信号は、従来の磁気トンネル接合のＴＭＲを検出することにより判定される等価な信号よりも大きい。センス信号を大きくすることにより、読出し動作の信頼性を高めることができる。また、多数のサンプルを取ることにより、読出し動作の信頼性が高くなる傾向もある。

自己参照の読出し動作は、検出されるＭＴＪ抵抗が外部の基準値と比較される読出し動作よりも信頼性が高くなる傾向がある。製造上の制約に起因して、一群の磁気トンネル接合の公称抵抗と、それよりも高い抵抗との間に存在する基準値を生成することは困難である可能性がある。

自己参照の非破壊的な読出し動作は、破壊的な読出し動作に比べて速く、信頼性が高く、消費電力が少なくなる傾向がある。破壊的な読出し動作は一般に、磁気トンネル接合に値を書き込むことを伴う。これらの書込みは電力を消費し、時間を要し、書込み誤りの可能性を生じる。

ここで図４を参照する。ＭＲＡＭデバイス４１０は、メモリセル４１４のアレイ４１２を含む。各メモリセル４１４は磁気メモリデバイス８を含む。ワード線４１６がアレイ４１２の行に沿って延在し、ビット線４１８がアレイ４１２の列に沿って延在する。各ワード線４１６は第１のデータ層１２の行に接続され、各列は第２のデータ層２２の列に接続される。各メモリセル４１４、それゆえ各メモリデバイス８は、ワード線４１６とビット線４１８との交点に位置する。比較的少ない数のメモリセル４１４のみが示される。実際には、他のサイズおよび空間配列のアレイを用いることができる。

ＭＲＡＭデバイス４１０はさらに、読出し動作中にアレイ４１２全体に外部からの磁界をかけるための磁界供給源４１９を含む。外部磁界によって、各メモリセル４１４のＡＡＦが切り替わる。磁界供給源４１９は、アレイ４１２に近接したコイルとすることができる。

また、ＭＲＡＭデバイス４１０は、行デコーダ４２０、列デコーダ４２２、および読出し／書込み回路４２４も含む。デコーダ４２０および４２２は、読出しおよび書込み動作中に、ワード線４１６およびビット線４１８を選択する。選択されたメモリセル４１４は、選択されたワード線４１６と選択されたビット線４１８との交点に位置する。

読出し／書込み回路４２４は、複数の読出し回路、すなわちメモリセル４１４の各スライス当たり１つの読出し回路を含むことができる。例示的な読出し回路５１０が図５に示される。例示的な読出し回路５１０は、センス増幅器５１２と、サンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路５１４〜５１６と、コンパレータ５１８とを含む。

センス増幅器５１２は、抵抗（Ｒ_ＴＯＴ１）に比例する第１の出力電圧を生成することにより、選択されたメモリセル４１４の抵抗（Ｒ_ＴＯＴ１）を検出する。Ｓ／Ｈ回路５１４〜５１６は第１の出力電圧を格納する。また、第１の出力電圧はコンパレータ５１８の第１の入力にも加えられる。図６に示されるように、コンパレータ５１８の出力は、第１の出力電圧に応答して上昇し、その後、安定する。

ＡＡＦが切り替えられ、センス増幅器５１２が再び、抵抗（Ｒ_ＴＯＴ２）に比例する第２の出力電圧を生成することにより、選択されたメモリセル４１４の抵抗（Ｒ_ＴＯＴ２）を検出する。第２の出力電圧は、コンパレータ５１８の第２の入力に供給される。図６に示されるように、第１の論理値はコンパレータ５１８の上昇する出力に対応し、第２の論理値はコンパレータ５１８の降下する出力に対応する。

メモリセル４１４は、多数の並列経路を介して互いに結合される。１つの交点において見られる抵抗は、他の行および列内のメモリセル４１４の抵抗と並列な交点にあるメモリセル４１４の抵抗に等しい。したがって、センス増幅器５１２によって測定される抵抗は、寄生電流またはスニークパス電流が読出し動作を妨害する可能性がある交点抵抗網として特徴付けられ得る。ダイオードまたはトランジスタのような遮断デバイスをメモリセル４１４に接続して、寄生電流を遮断することができる。

代替の実施形態では、寄生電流は、本譲受人の特許文献１に開示された「等電位」法を用いることにより処理され得る。等電位法を用いるように構成される場合には、読出し／書込み回路４２４は、選択されないビット線４１８に、選択されたビット線４１８と同じ電位を供給することができるか、または選択されないワード線４１６に、選択されたワード線４１６と同じ電位を供給することができる。

本発明は、アレイ４１２全体に切替え磁界をかけるための磁界供給源４１９に限定されない。供給源４１９の代わりに、ワード線４１６およびビット線４１８を用いてもよい。たとえば、読出し／書込み回路４２４がワード線４１６およびビット線４１８に読出し電流を供給し、読出し電流が磁界を生成し、その磁界によって、選択されたメモリセル４１４のＡＡＦが、その第１の安定した向きに切り替わる。選択されたメモリセル４１４の抵抗が読み出される。その後、選択されたメモリセル４１４のＡＡＦが第２の安定した向きに切り替えられ、選択されたメモリセル４１４の抵抗が再び測定される。２つの測定値を比較して、選択されたメモリセル４１４に格納された論理値が判定される。

しかしながら、磁界供給源４１９は利点を提供する。磁界供給源４１９によって、抵抗を迅速に検出することが可能になる。選択されたメモリセル４１４の抵抗は、選択されたメモリセル４１４のＡＡＦ１５に切替え磁界がかけられている間に測定され得る。

磁界供給源４１９は、切替え磁界が除かれた後にその磁化の向きを保持しないＡＡＦの場合に、さらなる利点を提供する。ＡＡＦ１５は極めて低い保磁力を有することができ、それにより外部磁界のない場合に、熱的なゆらぎ、および他の影響によって、磁化の向きが変化する可能性がある。外部磁界によって、そのようなＡＡＦは、抵抗が測定されている間にその磁化の向きを保持することが可能になる。

本発明は、アレイ４１２全体に切替え磁界をかけるための単一の磁界供給源４１９に限定されない。代わりとして、各ビット線は、図７に示される構造７１０に置き換えられ得る。構造７１０は、ワード線４１６と、誘電体層７１２と、読出し線７１４とを含む。ワード線４１６は、メモリセル４１４の列のデータ層と接触する。読出し線７１４は、ワード線４１６と同じ方向に延在することができる。誘電体層７１２は、ワード線４１６と読出し線７１４との間に電気的絶縁を提供する。読出し動作中に、読出し／書込み回路４２４が読出し線７１４に電流を供給し、その間、ワード線４１６およびビット線４１８を用いて、選択されたメモリセル４１４の抵抗を検出する。したがって、この構造７１０によっても、切替え磁界がかけられている間に抵抗が測定されることが可能になるが、ＡＡＦ切替え磁界がメモリセル４１４の列にかけられ、アレイ４１２全体にかけられない点が異なる。

さらに別の実施形態では、ワード線４１６およびビット線４１８を用いて、切替え磁界をかけるのと同時に、選択されたメモリセルの抵抗を検出することができる。選択されたワード線４１６またはビット線４１８に電流を供給することができ、センス点において適当な電圧基準値を維持して、コモンモードバイアス電流を加えながら、差動電圧を判定することができる。

本発明は、２サンプル読出し動作に限定されない。信頼性をさらに高めるために、さらなるサンプルをとってもよい。

本発明は、３つの層を有するＡＡＦ１５に限定されない。ＡＡＦは、さらなる層を有することができる。たとえば、５層のＡＡＦは、第１の強磁性層と、第１のスペーサ層と、第２の強磁性層と、第２のスペーサ層と、第３の強磁性層とを有することができる。第１のスペーサ層によって、第１および第２の強磁性層の反強磁性結合を可能にし、第２のスペーサ層によって、第２の強磁性層と第３の強磁性層との間の強磁性結合を可能にして、ビット−ビットバー構成を維持する。

本発明は、上述した特定の実施形態に限定されない。代わりに、本発明は添付の特許請求の範囲にしたがって解釈される。

本発明の一実施形態による磁気メモリデバイスの図である。 本発明の一実施形態による磁気メモリデバイスの図である。 本発明の一実施形態による磁気メモリデバイスの図である。 本発明の一実施形態による磁気メモリデバイスの図である。 磁気メモリデバイスの対応する電気的な等価回路の図である。 磁気メモリデバイスの対応する電気的な等価回路の図である。 磁気メモリデバイスの対応する電気的な等価回路の図である。 磁気メモリデバイスの対応する電気的な等価回路の図である。 図１ａ〜図１ｄの磁気メモリデバイスを読み出す方法の図である。 本発明の一実施形態によるＭＲＡＭデバイスの図である。 ＭＲＡＭデバイスのための例示的な読出し回路の図である。 例示的な読出し回路の動作を示す図である。 ワード線／読出し線の構造の図である。

符号の説明

８ 磁気メモリデバイス、
１０、２０ 磁気トンネル接合、
１２、２２ データ強磁性（ＦＭ）層、
１４、２４ 絶縁性トンネル障壁、
１５ 人工反強磁性体（ＡＡＦ）または合成フェリ磁性体（ＳＦ）、
１６、２６ 基準ＦＭ層。

Claims (6)

1. 磁気メモリデバイス（８）を読み出す方法であって、
   磁気メモリデバイス（８）は、
   第１の基準強磁性層（１６）を含む第１の磁気トンネル接合（１０）と、
   第２の基準強磁性層（２６）を含む第２の磁気トンネル接合（２０）と、
   前記第１の基準層と前記第２の基準層との間にある導電性スペーサ層（３０）とを含み、
   前記第１の基準層（１６）および前記第２の基準層（２６）が、反強磁性結合され、
   前記第２の磁気トンネル接合（２０）の公称抵抗が、前記第１の磁気トンネル接合（１０）の公称抵抗のＫ倍であり、ただしＫが１以外の比例定数であり、
   結合された基準層の磁化を第１の安定した向きに向けて、前記磁気メモリデバイスの第１の抵抗を測定するステップ（３１０、３１２）と、
   結合された基準層の磁化を第２の安定した向きに向けて、前記磁気メモリデバイスの第２の抵抗を測定するステップ（３１４、３１６）と、
   測定された前記第１の抵抗および前記第２の抵抗を用いて、前記磁気メモリデバイスに格納された論理値を判定するステップ（３１８、３２０）と、を含み、
   前記論理値が、前記抵抗の測定値間の差の極性を検査することにより判定される（３２０）、方法。
2. 前記第１の磁気トンネル接合（１０）が第１の絶縁性トンネル障壁（１４）を含み、前記第２の磁気トンネル接合（２０）が第２の絶縁性トンネル障壁（２４）を含み、前記第１の絶縁性トンネル障壁（１４）および前記第２の絶縁性トンネル障壁（２４）が、異なる厚みを有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の磁気トンネル接合（１０）および前記第２の磁気トンネル接合（２０）の公称抵抗は、前記第１の磁気トンネル接合（１０）および前記第２の磁気トンネル接合（２０）の抵抗が区別できるようにするために、前記絶縁性トンネル障壁の厚みのばらつきに起因して生じる接合抵抗の固有のばらつきだけ少なくとも異なる、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の磁気トンネル接合（１０）が第１のデータ層（１２）をさらに含み、前記第２の磁気トンネル接合（２０）が第２のデータ層（２２）をさらに含み、前記基準層（１６、２６）および前記スペーサ層（３０）が、ＡＡＦ（１５）を形成し、そのＡＡＦ（１５）の合成磁気モーメントが、前記データ層（１２または２２）のいずれかの磁気モーメントよりも小さい、請求項１に記載の方法。
5. 前記ＡＡＦ（１５）がピン留めされていない、請求項４に記載の方法。
6. 請求項１に記載の磁気メモリデバイスに論理値を書き込む方法であって、
   両方の磁気トンネル接合に切替え磁界を同時に加えることを含み、
   前記切替え磁界によって、前記第１の磁気トンネル接合および前記第２の磁気トンネル接合のデータ層の磁化が、同じ安定した方向に向けられることにより、前記第１の磁気トンネル接合および前記第２の磁気トンネル接合の基準ＦＭ層の磁化が反対の方向に向けられることを有する、方法。

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