JP5002193B2 - 積層されたトグルメモリセルが反対に方向付けられた容易軸バイアスを有する磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents
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Description
[0021]図1は、その磁化方向がトグル書き込みにより切り換えられるSAFフリー層を有する1つのSavtchenkoMTJメモリセルを示す従来技術のMRAMの一部の斜視図である。MTJセルは、第2の書き込み線(WL2)(Y軸に沿って一直線に延びる)と第1の書き込み線(WL1)(X軸に沿って一直線に延びる)との間の交差領域に配置されている。これらの書き込み線は、トグル書き込みを行なうために一連の電流パルスを供給する書き込み回路に接続されている。図1には、1つのMTJセル及び交差領域だけが描かれているが、MRAMにおいては、複数の略平行な第2の書き込み線と、第2の書き込み線と直交し且つ重なり合って複数の交差領域を形成する複数の略平行な第1の書き込み線とが存在する。各交差領域は1つのMTJセルを含んでいる。各MTJセルは、MRAM基板(図示せず)上に形成されるトランジスタに対して電気的に接続されている。図1の実施形態において、各MTJセルは、トランジスタ及び抵抗検出回路又は抵抗読み取り回路への接続を行なう上部電極及び下部電極に対して電気的に接続されている。トランジスタをONにし且つセンス電流ISがMTJセルを通じて流れる際に読み取り回路を用いて抵抗を測定することにより、MTJセルの磁性状態が読み取られ、すなわち、ピン層の磁化方向に対するSAFフリー層の磁化方向が検出される。
[0027]本発明は、前述した従来技術のMRAMに類似するがトグルメモリセルから成るマルチビットメモリスタックを各交差領域に有するMRAM、少ない書き込み電流を用いてスタック内の選択された1つのセルを選択的に書き込むためのトグル書き込み方式、複数のメモリセルのための読み取り方式である。セルは対を成して積み重ねられ、MRAMは各交差領域に少なくとも1つの対を有する。各対におけるSAFフリー層は、平行に位置合わせされたそれらの磁化容易軸を有するとともに、それらの容易軸に沿って反対方向にバイアスがかけられる。単一のトグルメモリセル内のSAFフリー層のバイアスは米国特許第6,633,498 B1号に記載されている。
HSW=[2HK*(2A/M6)]1/2
ここで、Aは表面層間反強磁性交換定数(surface interlayer antiferromagnetic exchange constant)であり、M6は2つの相殺副層のそれぞれの磁化である。
[I1Cos(φj−θ),I1Sin(φj−θ)]
[I2Cos(φj),I2Sin(φj)]
[I3Cos(φj+θ),I3Sin(φj+θ)]
各交差領域に1つのメモリセルしか有さないSavatchenko型MRAMに関して従来技術で説明したトグル書き込みの場合、各書き込み線においては、たった1つの極性及び1つの大きさの書き込み電流で十分である。各交差領域に一対の積み重ねられたメモリセルから成るマルチビットメモリスタックを有する本発明に係るMRAMにおいては、書き込み回路が両方の書き込み線で双方向電流を供給できなければならない。4つの積み重ねられたメモリセルすなわち2つの対(N=2)が存在する場合、スタック中の4つのセルのそれぞれの選択的な書き込みを行なうためには、書き込み回路は、各書き込み線で3つのレベルの電流の大きさを伴って双方向電流を供給できなければならない。しかしながら、本発明のマルチビットMRAMにおいては、各セルにおけるスイッチング磁場がHBだけ減少され、それにより、書き込み電流を少なくでき、低電力のトグル方式MRAMが得られる。
Claims (33)
- 磁気ランダムアクセスメモリであって、
基板と、
前記基板上の複数の第1及び第2の導電線であって、前記第2の線が前記基板と前記第1の線との間に配置され、前記第1の線が、前記第2の線と重なり合うとともに、前記基板から略垂直方向で前記第2の線から離間することにより、複数の交差領域を画成し、前記各交差領域における前記第1の線と前記第2の線とが略直交している、第1及び第2の導電線と、
複数のメモリスタックであって、各メモリスタックが、1つの交差領域に配置されるとともに、(a)ピン強磁性層と、磁化の面内容易軸が前記第1及び第2の線の両方と非平行に位置合わせされた合成反強磁性(SAF)フリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に設けられた非磁性結合層とを有するとともに、前記フリー層がその磁化容易軸と平行な第1の磁気バイアス磁場によってバイアスされる第1のメモリセルと、(b)ピン強磁性層と、磁化の面内容易軸が前記第1のセルの前記フリー層の磁化の容易軸と平行に位置合わせされた合成反強磁性(SAF)フリー層と、前記ピン層と前記フリー層との間に設けられた非磁性結合層とを有するとともに、前記フリー層がその磁化容易軸と平行で且つ前記第1のバイアス磁場と逆平行な第2の磁気バイアス磁場によってバイアスされる第2のメモリセルと、(c)前記2つのメモリセル間に設けられた非磁気分離層とを備える、複数のメモリスタックと、
を具備する磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記第1の磁気バイアス磁場が、前記第1のセルの前記ピン層の正味磁気モーメントによって印加され、前記第2の磁気バイアス磁場が、前記第2のセルの前記ピン層の正味磁気モーメントによって印加される、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2のセルの前記ピン層のそれぞれがSAFピン層である、請求項2に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1のセルの前記フリー層と略同一の平面上にあり且つ一対のバイアス層セグメントを備える第1のバイアス層を更に備え、前記各セグメントが、前記スタックの外側において第1のセル層の前記フリー層の反対側に配置され、また、前記第2のセルの前記フリー層と略同一の平面上にあり且つ一対のバイアス層セグメントを備える第2のバイアス層を更に備え、前記各セグメントが、前記スタックの外側において第2のセル層の前記フリー層の反対側に位置されている、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2のバイアス層のそれぞれが、保磁力が比較的高い強磁性体から成る単一の層を備える、請求項4に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2のバイアス層のそれぞれが、強磁性体から成る層と、この強磁性層と交換結合される反強磁性体から成る層とを備える、請求項4に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記基板がX−Y−Z座標系のX−Y平面と平行であり、前記基板に対して垂直な方向がZ軸と平行であり、前記第1の線が互いに平行であるとともにX軸と平行であり、前記第2の線が互いに平行であるとともにY軸と平行であり、前記各メモリスタック中の前記メモリセルがZ軸と平行に積層されている、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記各メモリセルが、そのフリー・ピン層の磁化方向の平行及び逆平行なアライメント間に電気抵抗差ΔRを有し、前記第1のメモリセルのΔRが、前記第2のメモリセルのΔRと実質的に異なっている、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 各メモリセルが磁気トンネル接合(MTJ)セルであり、各非磁性結合層がトンネルバリアであり、第1のMTJセルのトンネルバリアの厚さが、第2のMTJセルのトンネルバリアの厚さと実質的に異なっている、請求項8に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2のメモリセルがメモリセルの第1の対を構成し、また、メモリセルの第2の対を更に備え、前記第2の対が、そのフリー層の磁化の容易軸が、前記第1の対のフリー層の磁化の容易軸と略直交する方向に向けられている、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2のメモリセルが一対のメモリセルを構成し、また、各スタック中にメモリセルのN個の対を更に備え、Nが3以上であり、N個の全ての対の磁化の容易軸が略等しい角度間隔をもって離間している、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記メモリセルのそれぞれが磁気トンネル接合(MTJ)セルであり、各非磁性結合層がトンネルバリアである、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記各メモリスタック中の前記第1及び第2のセルの前記フリー層の磁化の容易軸が前記第1及び第2の線に対して略45度を成している、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 各セルにおけるSAFフリー層の磁化の容易軸が、セルの形状によって引き起こされる異方性の軸である、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 各セルにおけるSAFフリー層の磁化の容易軸が、SAFフリー層の堆積中に引き起こされる異方性の軸であり、前記第1及び第2のセルが同じ形状及び一致する周長を有する、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記メモリセルが円形状を成している、請求項15に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記基板と前記第2の線との間に複数のトランジスタを更に備え、前記各メモリスタックが1つのトランジスタに対して電気的に接続されている、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記トランジスタに結合され且つ前記メモリスタック両端間の電気抵抗を検出するための回路を更に備える、請求項17に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1及び第2の線へと電流を方向付けるための書き込み回路を更に備える、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記書き込み回路が、交差領域に前記第1及び第2の線によって双方向電流を供給する、請求項19に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記書き込み回路が、前記第1及び第2の線のそれぞれによって3つのレベルの大きさの電流を供給することができる、請求項20に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第1の線のそれぞれが、前記メモリスタックの両側で離間する一対の線を構成している、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記第2の線のそれぞれが、前記メモリスタックの両側で離間する一対の線を構成している、請求項1に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 磁気ランダムアクセスメモリであって、
X−Y−Z座標系のX−Y平面と平行な基板と、
前記基板上でZ軸と平行に位置合わせされた複数のメモリスタックであって、各メモリスタックが、(a)磁化の容易軸がX−Y平面内でX軸及びY軸に対して所定の角度を成して位置合わせされた合成反強磁性(SAF)フリー層と、このフリー層の容易軸と略平行な方向で当該フリー層に対して磁気バイアス磁場を与える非相殺的SAFピン強磁性層と、前記ピン層と前記フリー層との間に設けられたトンネルバリアとを有する第1の磁気トンネル接合(MTJ)メモリセルと、(b)磁化の容易軸が前記第1のセルの前記フリー層の磁化の容易軸と略平行に位置合わせされた合成反強磁性(SAF)フリー層と、このフリー層の容易軸と略平行で且つ前記第1のセルの前記ピン層からのバイアス磁場と略逆平行な方向で当該フリー層に対して磁気バイアス磁場を与える非相殺的SAFピン強磁性層と、前記ピン層と前記フリー層との間に設けられたトンネルバリアとを有する第2のMTJメモリセルと、(c)前記2つのメモリセル間に設けられた非磁気分離層とを備える、複数のメモリスタックと、
X軸と平行な複数の第1の導電書き込み線と、
Y軸と平行な複数の第2の導電書き込み線と、
前記第1及び第2の書き込み線に対して結合され、前記第1及び第2の書き込み線に対して電流を方向付けるための書き込み回路と、
を具備する磁気ランダムアクセスメモリ。 - 前記各メモリスタック中の前記第1及び第2のセルの前記フリー層の磁化の略平行な容易軸が、X軸及びY軸に対して略45度を成している、請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記各セルにおけるSAFフリー層の磁化の容易軸が、セルの形状によって引き起こされる異方性の軸である、請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記各セルが略楕円形状を成しており、前記異方性の軸が前記楕円の長軸に合わせられている、請求項26に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記各スタック中の前記第1及び第2のメモリセルが一対のメモリセルを構成し、また、各スタック中にメモリセルのN個の対を更に備え、Nが2以上であり、各スタック中の隣り合う対間に非磁気分離層が設けられ、各スタック中のN個の対の磁化の略平行な容易軸がZ軸と平行な軸周りに略等しい角度間隔をもって離間している、請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記各メモリセルが、そのフリー・ピン層の磁化方向の平行及び逆平行なアライメント間に電気抵抗差ΔRを有し、前記第1のメモリセルのΔRが、前記第2のメモリセルのΔRと実質的に異なっている、請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記基板上に複数のトランジスタを更に備え、前記各メモリスタックが1つのトランジスタに対して電気的に接続され、前記トランジスタにが、前記メモリスタック両端間の電気抵抗を検出するための読み取り回路が結合されている、請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記書き込み回路が、前記第1及び第2の書き込み線によって双方向電流を供給する、請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 前記書き込み回路が、前記第1及び第2の線のそれぞれによって3つのレベルの大きさの電流を供給することができる、請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
- 請求項24に記載の磁気ランダムアクセスメモリのメモリセルスタックのうちの1つにおける他方のメモリセル内のフリー層の磁化方向を切り換えることなく、一方のメモリセルのフリー層の磁化方向をトグル切り換えする方法であり、バイアス磁場の不存在下で前記各フリー層をその磁化容易軸と平行な書き込み磁場HSWによって切り換えることができ、各非相殺的ピン層がその関連するフリー層に対してバイアス磁場HBを与える方法であって、
前記第1及び第2の書き込み線に沿って一連の電流パルスを印加して、+X方向と+Y方向との間で書き込み磁場HWを形成するステップであって、(HSW−HB)<HW<(HSW+HB)とすることにより、他方のセルのフリー層の磁化方向を切り換えることなく第1のセルのフリー層の磁化方向をトグル切り換えするステップと、
前記第1及び第2の書き込み線に沿って一連の電流パルスを印加して、−X方向と−Y方向との間で書き込み磁場HWを形成するステップであって、(HSW−HB)<HW<(HSW+HB)とすることにより、前記第1のセルのフリー層の磁化方向を切り換えることなく前記他方のセルのフリー層の磁化方向をトグル切り換するステップと、
を備える方法。
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