JP5513008B2 - 楕円接合部を有する磁気ランダムアクセスメモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気メモリの分野に関し、特に、電子システムにデータを記憶するとともに電子システム内のデータを読み取る不揮発性ランダムアクセス磁気メモリに関する。より詳細には、本発明は、磁気トンネル接合に基づくＭＲＡＭと呼ばれる磁気ランダムアクセスメモリおよび熱アシスト書き込み方式（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｓｃｈｅｍｅ）を使用したトンネル接合ベースのＭＲＡＭのメモリセルの形状の改良に関する。

磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、周囲温度で強磁気抵抗を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の発見に伴い、新たに関心の対象となっている。これらＭＲＡＭは、速度（読み書きの持続時間が数ナノ秒）、不揮発性、および電離放射線の影響を受けにくい等の多くの利点を提示する。このため、ＭＲＡＭは、キャパシタの充電状態に基づくより従来的な技術を使用するメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、フラッシュ）に代えてますます使用されるようになっている。

従来のＭＴＪベースのＭＲＡＭでは、メモリセルは、いくつかの磁性金属層と非磁性金属層とが交互になった積層からなる接合部を有する素子からなる。従来のＭＴＪベースのＭＲＡＭ素子の例は特許文献１に記載されている。その最も単純な形態では、ＭＴＪベースのＭＲＡＭの接合部は、絶縁薄層で隔てられた飽和保磁力の異なる２つの磁性層で作られ、基準層である第１の層は固定磁化を特徴とし、記憶層である第２の層は方向可変の磁化を特徴とする。基準層および記憶層の各磁化が非平行の場合、接合部の抵抗は高い。一方、各磁化が平行の場合、抵抗は低くなる。

優先的には、基準層および記憶層はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはそれらの合金等の３ｄ金属で作られる。最終的には、非晶質形態および平坦な界面を得るために、ホウ素を層組成物に添加することができる。絶縁層は、通常、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる。優先的には、基準層自体は、例えば、特許文献２において記載されるように、合成反強磁性層を形成するようにいくつかの層からなることができる。非特許文献１に記載されるような二重トンネル接合を使用することもできる。この場合、記憶層は２つの絶縁薄層の間に挟まれ、２つの基準層が絶縁薄層の各逆側に配置される。

図１は、従来のＭＴＪベースのＭＲＡＭのメモリセル１を示し、記憶層２１、絶縁層２２、および基準層２３を含む接合部２が、選択ＣＭＯＳトランジスタ３とワード電流線４との間に配置される。ビット電流線５がワード電流線４と直交するように配置される。電流がワード電流線４およびビット電流線５の中を流れると、ワード磁場４１およびビット磁場５１がそれぞれ発生する。電流は、通常、１０ｍＡ程度の大きさを有する２〜５ナノ秒の短い電流パルスである。追加の制御電流線６は、各メモリセルを個々にアドレッシングするようにトランジスタ３の開または閉を制御することを目的とする。

書き込みプロセス中、トランジスタ３は遮断モード（オフ）であり、電流は接合部２を流れない。電流パルスの強度およびその同期は、ワード磁場４１とビット磁場５１との組み合わせられた影響の下で、２つの電流線の交差点に配置される記憶層２１のみの磁化を切り替えることができるように調整される。

読み取りプロセス中、トランジスタ３は飽和モード（オン）であり、接合部電流が接合部２を流れ、メモリセル１の接合部抵抗を測定することができる。メモリセル１の状態は、測定された抵抗を基準メモリセルの抵抗と比較することによって決定される。例えば、記憶層２１の磁化が基準層２３の磁化と平行する場合には、低い接合部抵抗が測定され、これは値「０」に対応する。逆に、記憶層２１の磁化が基準層２３の磁化と平行しないと、値「１」に対応する高い接合部抵抗がもたらされる。

この種類の従来のＭＴＪベースのＭＲＡＭの基本構造は、特許文献３および特許文献４に詳細に記載されており、特許文献５がＭＴＪベースのＭＲＡＭ構造に基づくランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の実施態様に関連する。

この構造が書き込みプロセス中に適宜動作することを保証するためには、異方性形態を有し、高いアスペクト比、通常は１．５以上を有するメモリセルを使用する必要がある。このような幾何学的形状は、メモリセルの双安定機能、すなわち選択されたメモリセルと同じ線／列上にある半分選択されたセルとの良好な書き込み選択性および情報の良好な熱／時間的安定性を得るために必要とされる。

特許文献６に記載の改良によれば、メモリセルのアスペクト比は、記憶層を形成する材料の結晶磁気異方性を増大させることによって低減させることができる。これを行うことにより、システムは時間および温度に関して安定であり、メモリセルの両状態がよく定義される。一方、前記メモリセルの磁化をある状態から別の状態に反転させるために必要な書き込み磁場は相当なものであるため、書き込みプロセス中に消費される電力は大きい。逆に、結晶磁気異方性が低い場合、書き込みで消費される電力も低いが、記憶層の熱的および時間的な安定性はもはや保証されない。換言すれば、低消費電力と熱的および時間的な安定性とを同時に保証することができない。

上述したＭＴＪベースのＭＲＡＭ構造に対する別の改良は、特許文献７に記載される熱アシスト書き込み切り替え（ＴＡＳ：ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ａｓｓｉｓｔｅｄ ｗｒｉｔｉｎｇ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）プロセスである。このようなＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭの接合部の独自性は、基準層および記憶層の両方が交換バイアスされることである。より正確には、基準層および記憶層は、隣接する反強磁性基準層および反強磁性記憶層との相互作用によってそれぞれ固定される。熱アシスト書き込みプロセス中、接合部電流パルスが接合部に送られて接合部の温度を上昇させ、強磁性記憶層と反強磁性記憶層との磁気結合が消失する。次に、接合部は冷却され、その間、ワード電流線に電流を流すことによって穏やかな磁場が印加され、記憶層の磁化の反転を可能にする。

従来のＭＴＪベースのＭＲＡＭとは対照的に、ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭ構造は、反強磁性記憶層の固定により、記憶層の大幅に改良された熱安定性を特徴とする。書き込み選択性の改良も、近傍のメモリセルが周囲温度のままであることに比して書き込み対象のメモリセルが選択的に加熱されることによって達成される。ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭ構造では、安定性限界に影響せずに集積密度を高密度化するとともに、メモリセルの加熱に必要な電力が従来のＭＴＪベースのＭＲＡＭ構造において磁化を生成するために必要な電力よりも低いため、消費電力の低減も可能である。

消費電力の点でのＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭのさらなる改良が特許文献８に記載されている。この特許文献では、書き込み磁場が、円形の幾何学的形状のメモリセル接合部を選択することによってさらに低減する。この場合、書き込み磁場は、記憶層の結晶磁気異方性によってのみ与えられ、形状異方性からの寄与がない。しかし、円形幾何学的形状を使用する場合、低消費電力と記憶層の熱的および時間的な安定性とが同時には可能ではない。

円形接合部を使用する恩恵は、低電気抵抗の状態「０」から高電気抵抗の状態「１」にセルに書き込むために克服する必要がある磁気バリア高さのエネルギーを表現することによってよりよく理解することができる。単位容積当たりのバリアエネルギーＥ_ｂは、

として表現することができ、
式中、第１項Ｋは結晶磁気異方性であり、第２項は形状異方性に対応する。第２項内では、ＡＲは、接合部の長さと幅Ｌとの比として定義される接合部のアスペクト比であり、ｔは記憶層の厚さであり、Ｍ_ｓはその飽和磁化である。楕円率は（ＡＲ−１）として定義することができ、％単位で表される。

従来技術の制限は、バリアエネルギーＥ_ｂが接合部のサイズの低減（Ｌが低減し、ＡＲは一定）に伴って増大し、結果として消費電力が大幅に増大することを考えることによって理解することができる。一方、バリアエネルギーＥ_ｂはＡＲの低減（Ｌは一定）に伴って低減し、結果として熱的および時間的な安定性の損失に繋がる。

交換バイアスされる記憶層を有するＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭの場合、動作温度での記憶層の安定性は、反強磁性層との強磁性記憶層の固定によって保証されるが、書き込み温度では固定は消失し、メモリセルに低書き込み磁場で書き込むことができる。円形セル接合部の場合、低書き込み磁場は、低結晶磁気異方性によってのみ得られる。この場合、この接合部幾何学的形状をＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭと組み合わせることにより、低書き込み磁場および良好な熱安定性を同時に得ることができる。

しかし、普通のＭＲＡＭ組み立てプロセスは、例えば、異なる複数の接合層をパターニングする際の精度制限により、大きなメモリセルアレイにわたって完全に円形の接合部を保証することができない。さらに、書き込み磁場の大きさは、接合部の楕円率のばらつきに強く依存する。図２は、従来のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルの場合の接合部のアスペクト比に対する記憶層の書き込み磁場Ｈ_Ｒの依存性を示す。例えば、接合部のアスペクト比がＡＲ＝１．０から１．１に増大する場合、これは、通常の組み立てプロセスからの典型的な１０％のばらつきを表し、書き込み磁場の大きさは２倍超になる。図２の差し込み図は、１．０〜１．１の間に含まれるアスペクト比を有する接合部の上面図を示す。

このようなアスペクト比のばらつきは、円形接合部を有するメモリセルアレイを含む磁気メモリ素子の書き込み磁場を大きくばらつかせ、消費電力を大幅に増大させる。さらに、書き込み磁場が大きく、電流が大きい場合に発生する電流線内のエレクトロマイグレーションの影響が回避され得ない。

米国特許第５６４０３４３号明細書 米国特許第５５８３７２５号明細書 米国特許第４９４９０３９号明細書 米国特許第５１５９５１３号明細書 米国特許第５３４３４２２号明細書 米国特許第５９５９８８０号明細書 米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書 米国特許出願公開第２００６０２９１２７６号明細書 欧州特許第０７２９１５２０号明細書

Ｙ．Ｓａｉｔｏら、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ．２２３（２００１）、ｐ．２９３

したがって、本発明の目的は、従来技術の少なくともいくつかの制限を解消する新しいシステムおよび方法を提案することである。

本発明の別の目的は、熱アシスト切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を使用し、組み立てプロセスによる接合部のアスペクト比に対する書き込み磁場ばらつきの依存性を低減した磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを提供することである。

本発明の課題は、高温閾値より上において調整可能である磁化を有する強磁性記憶層と、固定された磁化を有する基準層と、この記憶層とこの基準層との間に配置されている絶縁層とから構成されている磁気トンネル接合部を備える、熱アシスト切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を使用する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルにおいて、
前記接合部は、異方性形状を有し、
前記強磁性記憶層は、前記磁気トンネル接合部の前記異方性形状の長軸に直交して配向されている結晶磁気異方性を有する結果、前記磁気トンネル接合部の前記異方性形状の長軸に平行に印加された書き込み磁場が、この異方性形状のアスペクト比の増大と共に線形に低減する当該ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルによって解決される。
さらに本発明の課題は、熱アシスト切り替え（ＴＡＳ）式の、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル内にデータを書き込むための方法であって、
前記ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルは、高温閾値より上において調整可能である磁化を有する強磁性記憶層と、固定された磁化を有する基準層と、この記憶層とこの基準層との間に配置されている絶縁層とから構成されている磁気トンネル接合部を備え、
前記セルは、前記磁気トンネル接合部に結合されていて且つワード線を介して制御可能である選択トランジスタと、前記磁気トンネル接合部に電気接続された接続電流線と、ワード電流線とをさらに備え、
前記磁気トンネル接合部は、異方性形状を有し、前記強磁性記憶層は、前記磁気トンネル接合部の前記異方性形状の長軸に直交して配向されている結晶磁気異方性を有する結果、前記磁気トンネル接合部ＭＴＪの前記異方性形状の長軸に平行に印加された書き込み磁場Ｈ_Ｒが、この異方性形状のアスペクト比の増大と共に線形に低減する当該方法によって解決される。

こういった目的は、高温閾値よりも上に調整可能な磁化を有する強磁性記憶層と、固定磁化を有する基準層と、記憶層と基準層との間に配置される絶縁層とを備える磁気トンネル接合部を備えるＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルであって、前記接合部は異方性形状を有し、前記強磁性記憶層は、磁気トンネル接合部の異方性形状の長軸に本質的に直交する配向の結晶磁気異方性を有する、ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルによって達成することもできる。

本発明の一実施形態では、磁気トンネル接合部の異方性形状は、楕円形、矩形、三日月形、半楕円形、または菱形である。

本発明の別の実施形態では、磁気トンネル接合部は、１．０〜１．５の間に含まれるアスペクト比を有する異方性形状を有する。

本発明のさらに別の実施形態では、磁気トンネル接合部は、１．０〜１．１の間に含まれる、または１．０〜１．０５の間に含まれるアスペクト比を有する異方性形状を有する。

本発明は、データをＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルに書き込む方法であって、セルは、磁気トンネル接合部に結合され、ワード線を介して制御可能な選択トランジスタと、磁気トンネル接合部に電気的に接続される接続電流線と、ワード電流線とをさらに備え、本方法は、
磁気トンネル接合部が高温閾値に達するまで磁気トンネル接合部を加熱するステップと、
強磁性記憶層の磁化を、基準層の磁化方向に本質的に平行または非平行の方向に配向するステップと、
強磁性記憶層の磁化が固定される低温閾値まで磁気トンネル接合部を冷却するステップと
を含む、方法も包含する。

本願の文脈の中では、表現「楕円」、「楕円的」、および「楕円率」は概して、楕円、三日月形、半楕円形、菱形、矩形等の異方性形態を有する任意の閉じた形状を指す。

本発明によるＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルの利点は、従来技術によるＭＴＪベースのＭＲＡＭおよびＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルと比較して、組立プロセスに由来する磁気トンネル接合形状異方性のばらつきの影響が低減すること、消費電力が低減すること、および組み立てられたセルのサイズが縮小することを含む。

本発明は、例として与えられ、図に示される実施形態の説明の助けによってよりよく理解されるであろう。

従来技術による磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の概略図を示す。 従来のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルの接合部のアスペクト比に対する記憶層の書き込み磁場の依存性を示す。 本発明の一実施形態による磁気トンネル接合部を備えるＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルを表す。 図３のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルの例示的な磁気トンネル接合部の分解組立図を示す。 強磁性記憶層２１ａの結晶時期異方性軸が接合部の長軸に平行する場合および直交する場合の磁気トンネル接合部のアスペクト比に伴う書き込み磁場のばらつきを表す。 １．５のアスペクト比を有する従来の接合部および１．０および１．０５のアスペクト比をそれぞれ有する本発明の一実施形態による２つの接合部の上面図を示す。

図３は、本発明の一実施形態による熱アシスト切り替え（ＴＡＳ）磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）のメモリセル１を表す。ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１は、選択ＣＭＯＳ選択トランジスタ（ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ＣＭＯＳ ｓｅｌｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３と、トランジスタ３が飽和すなわちオープンモード（オン）であるときに接合部電流パルス３１を接合部２に通す接続電流線７との間に配置される磁気トンネル接合部２を備える。制御電流線６が、各メモリセルに個々にアドレッシングするようにトランジスタ３の開閉を制御するために使用される。ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１は、上で示され、図３の例では接続電流線７に直交するワード電流線４も備える。しかし、ワード電流線４の他の構成も可能である。例えば、ワード電流線４を接続電流線７と平行に、かつ／または接合部２の横または下に配置することも可能である。

例示的な接合部２の分解組立図を図４に示す。接合部２は、好ましくは強磁性記憶層２１ａおよび反強磁性記憶層２１ｂを含む記憶層２１を含む。強磁性記憶層２１ａは、典型的には、１〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、通常、パーマロイ類（Ｎｉ_８０Ｆｅ_２０）、Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０、またはＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉを含有する他の合金から選択される平面磁化（ｐｌａｎａｒ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ）を有する材料で作られる。強磁性記憶層２１ａは、マンガンベースの合金、例えば、ＩｒＭｎまたはＦｅＭｎで作られる反強磁性記憶層２１ｂと交換結合する。反強磁性記憶層２１ｂは、Ｔ_ＢＳ未満の低温閾値、例えば、スタンバイ温度、すなわち加熱がない状態では、強磁性記憶層２１ａの磁化が、数年の期間にわたってその磁化を保持できるのに十分に固定されることを保証するのに十分に高いが、材料劣化および高消費電力をもたらし得る、あらゆる書き込みプロセス中に接合部を過度に加熱する必要があるほどは高くはない遮断温度Ｔ_ＢＳを有する。したがって、例えば、１２０℃〜２２０℃の範囲のＴ_ＢＳが適する。

接合部２は、好ましくは、第１の強磁性基準層２３ａおよび第２の強磁性基準層２３ｃを備える基準層２３も含み、これらは両方ともＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉベースの合金で形成される。２つの強磁性基準層２３ａ、２３ｃは、例えば、ルテニウムで作られる非強磁性基準層２３ｂをこれら基準層の間に挿入することによって反強磁性結合される。好ましくは、ＰｔＭｎまたはＮｉＭｎ等のＭｎベースの合金で形成され、Ｔ_ＢＳよりも高い遮断温度Ｔ_ＢＲを特徴とする反強磁性基準層２４が、第２の強磁性基準層２３ｃの下に提供される。反強磁性基準層２４は、第１の強磁性基準層２３ａの磁気モーメントを配向させ、第２の強磁性基準層２３ｃの磁気モーメントを固定する固定磁場が発生する。上述した基準層構造は、合成反強磁性固定層（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔ ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）の名称の下で現行技術において周知である。他の構成の記憶層２３も可能である。例えば、基準層２３は、上述した反強磁性基準層２４によって固定された単一の強磁性基準層を含むこともできる。

トンネルバリアの役割を果たし、好ましくは、Ａｌ_２Ｏ_３およびＭｇＯを含む族から選択される材料で作られる絶縁層２２が、記憶層２１と基準層２３との間に挿入される。接合部のトンネル抵抗は、絶縁層の厚さに指数的に依存し、接合部の抵抗と面積との積（ＲＡ）によって測定される。ＲＡは、接合部電流３１が接合部を流れるように十分に小さく、かつ反強磁性記憶層２１ｂの温度を遮断温度Ｔ_ＢＳよりも上に上昇させるように十分に高くなければならない。電流密度を強制的に、通常、接合部の温度を最高で１００℃まで上昇させるために必要な１０^５Ａ／ｃｍ^２〜１０^７Ａ／ｃｍ^２の範囲にするために、ＲＡ値は１Ωμｍ^２〜５００Ωμｍ^２程度であるべきである。

別の実施形態では、接合部２には、通常、ＢｉＴｅまたはＧｅＳｂＴｅで作られ、非常に低い熱伝導性を有する少なくとも１つの熱バリア層（図示せず）を接合部２の上および下に追加することができる。これら追加の層の目的は、電極（図示せず）に向かっての熱の放散を制限し、接合部２と接続電流線７との電気接続を確保しながら、接合部を流れる接合部電流３１の加熱効率を増大させることである。ここでは、熱バリア自体は電極に直接、または例えばＴｉＮもしくはＴｉＷＮで作られる導電層を介して電気的に接続される。

熱アシスト書き込みプロセス中、１０^５Ａ／ｃｍ^２〜１０^７Ａ／ｃｍ^２の間に含まれる大きさを有し、数ナノ秒続く接合部電流パルス３１は、接続電流線７および接合部２を通って送られ（トランジスタオンの状態で）、接合部の温度をＴ_ＢＳとＴ_ＢＲとの間にある約１２０℃〜２２０℃の高温閾値まで上昇させ、この高温閾値で、強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの磁気結合が消失し、強磁性記憶層２１ａの磁化は、もはや固定されておらず、自由に調整することが可能になる。次に、接合部２は冷却され、その間、ワード電流線４に電流が流れることによって穏やかなワード磁場４１が印加され、強磁性記憶層２１ａの磁化を磁場４１に従う方向、本質的には基準層２３の磁化配向と本質的に平行または非平行する方向に配向できるようにする。次に、磁気トンネル接合部２は、反強磁性記憶層２１ｂの遮断温度Ｔ_ＢＳよりも低い低温閾値まで冷却され、強磁性記憶層２１ａの磁化は反転方向すなわち書き込み状態に固定される。

本発明によれば、磁気トンネル接合部２は、楕円形状等の異方性形状を有し、強磁性記憶層２１ａは、接合部２の異方性形状の長軸に本質的に直交するように配向された結晶磁気異方性を有する。換言すれば、本発明のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１では、強磁性記憶層２１ａの磁化は、強磁性記憶層２１ａの磁化を自由に調整可能な高温閾値において、接合部２の異方性形状の長軸すなわち容易軸に本質的に直交する方向に配向される。

このような接合部幾何学的形状および結晶磁気配向を使用する利点は、接合部アスペクト比に伴う強磁性記憶層２１ａの書き込み磁場（または保磁場）Ｈ_Ｒのばらつきから見られる。図５は、強磁性記憶層２１ａが楕円の長軸に平行する結晶磁気異方性軸を有する従来のセルの場合（黒丸）と、強磁性記憶層２１ａが楕円の長軸に直交する結晶磁気異方性軸を有する本発明のメモリセル１（白丸）の場合とで、接合部アスペクト比ＡＲに伴うワード磁場４１または書き込み磁場Ｈ_Ｒのばらつきを比較する。ここでは、書き込み磁場Ｈ_Ｒのばらつきは、１．０〜１．１の間に含まれるアスペクト比ＡＲを有する接合部異方性形状に関して計算された。計算は、通常のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１に利用される強磁性記憶層２１ａに対応する標準的な材料パラメータを仮定するとともに、書き込み磁場Ｈ_Ｒが結晶磁気異方性軸に平行に印加されるものと仮定して、ミクロ磁気学シミュレーションによって実行された。計算では、書き込み磁場Ｈ_Ｒが楕円率のばらつきによって影響されず、例えば、円形接合部（ＡＲ＝１．０）の書き込み磁場に対応する結晶磁気異方性値によって本質的に与えられるものとも仮定される。

本発明では、接合部２の形状は楕円形状に制限されず、結晶磁気異方性軸が本質的に接合部２の異方性形状の長軸に本質的に直交する矩形、三日月形、半楕円形、菱形等の異方性のある任意の形状を有することができる。

図５から分かるように、楕円の長軸に本質的に平行する強磁性記憶層２１ａの結晶磁気異方性軸の場合、書き込み磁場Ｈ_Ｒはメモリセルのアスペクト比ＡＲに伴っておおよそ線形に増大する。この場合、製造プロセスによるメモリセルのアスペクト比ＡＲのばらつきは、書き込み磁場Ｈ_Ｒの全体的な増大に繋がるとともに、磁気メモリ素子の消費電力の増大に繋がる。逆に、楕円の長軸に本質的に直交する結晶磁気異方性の場合、書き込み磁場Ｈ_Ｒはアスペクト比ＡＲに伴っておおよそ線形に低減し、メモリセルのアスペクト比ＡＲのばらつきは、磁気メモリセル１の全体的な書き込み磁場Ｈ_Ｒおよび消費電力を低減させる傾向を有する。

本発明の一実施形態では、メモリセルの接合部２は、円形（または正方形等）接合部２に対応する１．０以上、好ましくは１．０〜１．５の間に含まれる値のアスペクト比ＡＲおよび楕円の長軸に直交する強磁性記憶層２１ａの結晶磁気異方性軸を特徴とする。

磁気メモリ素子（表されていない）は、本発明の複数のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１を含むマトリックスを組み立てることによって形成することができ、各メモリセル１の各接合部２は、記憶層２１の側または強磁性記憶層２１ａの側において接続電流線７に接続され、その反対側において、接続電流線７に直交するように配置される制御電流線６に接続される。複数のメモリセル１のうちの１つに書き込むべき場合、電流パルスが１つまたは複数の制御線６内で送られて、対応する制御線６のトランジスタ３のうちの少なくとも１つをオンモードにし、接合部電流パルス３１が、書き込むべきメモリセル１、すなわちアクティブな接続電流線７とアクティブな制御線６との交点に配置されるメモリセル１に対応する各接続線７に送られる。

今日のリソグラフィ組立プロセスを使用して、通常、約＋／−５％の接合部２の形状異方性の最大ばらつきΔ_ｅが得られ得る。これは、例えば、磁気メモリ素子のメモリセル１の１．０から１．１までばらつき、平均アスペクト比が１．０５の接合部２のアスペクト比ＡＲに対応する。図５の例示的な計算では、１．０５のアスペクト比ＡＲを有する異方性形状は、本発明のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１の場合、約２５Ｏｅの書き込み磁場Ｈ_Ｒに対応する。これは、１のアスペクト比ＡＲを有する接合部２の場合に計算されるものと比較して、書き込み磁場値の約３０％の低減を表す。

好ましい実施形態では、メモリセル１の接合部２は、メモリセル組み立てに使用される組立プロセスによって許容される最大形状異方性ばらつき内に含まれるアスペクト比ＡＲと、接合部異方性形状の長軸に直交する強磁性記憶層２１ａの結晶磁気異方性軸とを有する。例えば、メモリセル１の接合部２は、１．０〜１．１の間に含まれるアスペクト比ＡＲを有する。

組立プロセスの続く改良により、メモリ素子内の接合部２のアスペクト比ＡＲのばらつきを等しく小さくすることが可能であり得る。例えば、このような進んだ組立技術を使用して、メモリセル１の接合部２は、１．０〜１．０５の間に含まれる、またはさらに小さなアスペクト比ＡＲを特徴とすることができる。

図６は、１．５のアスペクト比を有する磁場誘起磁気切り替え（ＦＩＭＳ：ｆｉｅｌｄ ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）構造を有する従来の接合部の上面図と、１．０および１．０５のアスペクト比を有する本発明のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１の２つの接合部２とを概略的に比較する。

本発明の別の実施形態では、接合部アスペクト比ＡＲのばらつきは、適切な組立プロセスの使用により、組立プロセスの入念な制御により、かつ／またはアスペクト比のばらつきが可能な限り小さい組立メモリセル１を選択することによって最小にすることができる。ここでは、約１．０または任意の他の値を有するこのような接合部２を含む磁気メモリ素子は、アスペクト比ＡＲのばらつきなしで、または非常に小さなばらつきでもって組み立てることができる。このようなメモリ素子は、接合部アスペクト比ＡＲのばらつきおよび接合部２の異方性形状の長軸に本質的に直交する強磁性記憶層２１ａの結晶磁気異方性軸のばらつきが小さい、または存在しないことの効果が組み合わせられることにより、最小の書き込み磁場Ｈ_Ｒのばらつきを有することができる。

さらに別の実施形態では、メモリ素子の接合部２は、接合部異方性形状の長軸に本質的に平行する強磁性記憶層２１ａの結晶磁気異方性軸を有し、接合部異方性形状のアスペクト比ＡＲのばらつきは非常に小さいか、またはない。

強磁性記憶層２１ａの結晶磁気異方性軸が接合部２の異方性形状の長軸に直交することにより、バリアエネルギーＥ_ｂの結晶磁気異方性項と形状異方性項との競合が生じる。例えば、外部磁場が印加されない場合、強磁性記憶層２１ａの磁気モーメントは、基準層２３の磁気モーメントに対して傾斜し得る。この傾斜は、アスペクト比ＡＲの増大に伴って増大する恐れがあり、読み取り動作中の抵抗値の重大なばらつきに変換されるとともに、低抵抗状態と高抵抗状態との差に対応する読み取りマージンの損失に繋がる。

しかし、本発明のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１を使用する場合、書き込みシーケンスは、書き込み磁場Ｈ_Ｒに対応するワード磁場４１の下で実行される接合部２の最後の冷却ステップを含む。このワード磁場４１は、強磁性記憶層２１ａの磁気状態を「凍結」させ、基準層２３に対する強磁性記憶層２１ａの磁気モーメントの傾斜をはるかに低減させ、読み取りマージンへの影響をはるかに小さくする。例えば、読み取りマージンの２０％未満の損失が、１０％の形状異方性ばらつきを有する接合部２の場合に予想される。

本発明が上述した例示的な実施形態に制限されず、実施形態の他の例も本特許請求の範囲内で可能なことが理解される。

例えば、ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１の他の構成も、接合部２が等方性（円形、正方形等）または異方性（楕円、矩形等）の幾何学的形状で組み立てられ、接合部２の異方性形状の長軸に本質的に直交する強磁性記憶層２１ａの結晶磁気異方性軸を有する場合、本発明の文脈の中で使用することができる。別のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル１の構造の一例は、本出願による未公開の特許文献９に記載されるメモリセルであり、接合部２が、記憶層２１の上に追加された書き込み層を備える。別の例は、汎用熱アシストＭＲＡＭ構造についての特許文献７に記載される接合部であり、書き込みプロセスは１つの磁場と局所加熱との組み合わせによって保証され、記憶層は反強磁性層と交換バイアスされる。

１ メモリセル
２ 磁気トンネル接合部
２１ 記憶層
２１ａ 強磁性記憶層
２１ｂ 反強磁性記憶層
２２ 絶縁層
２３ 基準層
２３ａ 第１の強磁性基準層
２３ｂ 非強磁性基準層
２３ｃ 第２の強磁性基準層
２４ 反強磁性基準層
３ 選択トランジスタ
３１ 接合部電流パルス
４ ワード電流線
４１ ワード磁場
５ ビット電流線
５１ ビット磁場
６ 制御電流線
７ 接続電流線
ＡＲ メモリセルのアスペクト比
ＡＲ−１ メモリセルの楕円率
Ｅ_ｂ バリアエネルギー
Ｈ_Ｒ 強磁性記憶層の書き込み磁場（保持場）
Ｌ 接合部の幅
Ｍ_ｓ メモリセルの飽和磁化
ＲＡ 絶縁層の抵抗と面積との積
ｔ 記憶層の厚さ
Ｔ_ＢＳ 反強磁性記憶層の遮断温度
Ｔ_ＢＲ 反強磁性基準層の遮断温度
Δ_ｅ 接合部異方性の最大ばらつき

Claims (11)

1. 高温閾値より上において調整可能である磁化を有する強磁性記憶層と、固定された磁化を有する基準層と、この記憶層とこの基準層との間に配置されている絶縁層とから構成されている磁気トンネル接合部を備える、熱アシスト切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を使用する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルにおいて、
   前記接合部は、異方性形状を有し、
   前記強磁性記憶層は、前記磁気トンネル接合部の前記異方性形状の長軸に直交して配向されている結晶磁気異方性を有する結果、前記磁気トンネル接合部（ＭＴＪ）の前記異方性形状の長軸に平行に印加された書き込み磁場（Ｈ_Ｒ）が、この異方性形状のアスペクト比の増大と共に線形に低減する当該ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル。
2. 前記磁気トンネル接合部の前記異方性形状は、楕円、矩形、三日月形、半楕円、または菱形である請求項１に記載のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル。
3. 前記磁気トンネル接合部は、１．０〜１．５の間、１．０〜１．１の間、または１．０〜１．０５の間に含まれるアスペクト比を有する異方性形状を成す請求項１または２に記載のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル。
4. 前記磁気トンネル接合部は、１．０５のアスペクト比を有する異方性形状を成す請求項１または２に記載のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル。
5. 前記磁気トンネル接合部は、前記強磁性記憶層に交換結合し、低温閾値より下においてこの強磁性記憶層の磁化を固定し、前記高温閾値より上においてこの強磁性記憶層の磁化を自由にする反強磁性記憶層をさらに備える請求項１〜４のいずれか１項に記載のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル。
6. 前記磁気トンネル接合部は、反強磁性基準層をさらに備え、
   この基準層は、前記反強磁性基準層によって固定されている単一の強磁性基準層を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル。
7. 前記磁気トンネル接合部は、反強磁性基準層をさらに備え、
   この基準層は、非強磁性基準層によって反強磁性結合されている第１の強磁性基準層および第２の強磁性基準層を備え、前記第１および第２の強磁性基準層のうちの少なくとも１つの強磁性基準層が、前記反強磁性基準層によって固定されている請求項１〜５のいずれか１項に記載のＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセル。
8. 請求項１〜７のいずれか１項を特徴とする複数のＴＡＳ ＭＲＡＭセルを備えるアレイから形成される磁気メモリ素子。
9. 熱アシスト切り替え（ＴＡＳ）式の、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）ベースの磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル内にデータを書き込むための方法であって、
   前記ＴＡＳ ＭＴＪベースのＭＲＡＭセルは、高温閾値より上において調整可能である磁化を有する強磁性記憶層と、固定された磁化を有する基準層と、この記憶層とこの基準層との間に配置されている絶縁層とから構成されている磁気トンネル接合部を備え、
   前記セルは、前記磁気トンネル接合部に結合されていて且つワード線を介して制御可能である選択トランジスタと、前記磁気トンネル接合部に電気接続された接続電流線と、ワード電流線とをさらに備え、
   前記磁気トンネル接合部は、異方性形状を有し、前記強磁性記憶層は、前記磁気トンネル接合部の前記異方性形状の長軸に直交して配向されている結晶磁気異方性を有する結果、前記磁気トンネル接合部（ＭＴＪ）の前記異方性形状の長軸に平行に印加された書き込み磁場（Ｈ_Ｒ）が、この異方性形状のアスペクト比の増大と共に線形に低減する当該方法において、
   前記方法は、
   前記磁気トンネル接合部が、高温閾値に達するまで、この磁気トンネル接合部を加熱するステップと、
   前記強磁性記憶層の磁化を、前記基準層の磁化配向と平行または非平行の方向に配向するステップと、
   前記強磁性記憶層の磁化が固定される低温閾値に、前記磁気トンネル接合部を冷却するステップとから成る当該方法。
10. 前記磁気トンネル接合部を加熱することは、前記トランジスタが開モードにあるときに、接合部電流パルスを、前記接続電流線を介して前記磁気トンネル接合部に通電することから成る請求項９に記載の方法。
11. 前記強磁性記憶層の磁化を配向することは、前記ワード電流線に電流を通電することによって生成されたワード磁場によって実施される請求項９または１０に記載の方法。

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