JP5653649B2 - 熱支援書き込み手順および低減された書き込み磁界を備えた磁気メモリ - Google Patents
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Description
本発明は、磁気メモリの分野に関し、特に、電子システムにおいてデータを記憶し読み出すために用いられる不揮発性ランダムアクセス磁気メモリに関する。特に、本発明は、磁気トンネル接合部ベースの、ＭＲＡＭと呼ばれる磁気ランダムアクセスメモリと、電力消費を低減するための、磁気トンネル接合部の製造プロセスの改良に関する。
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）は、周囲温度において強い磁気抵抗を有する磁気トンネル接合の発見と共に、再び関心の対象となっている。これらのＭＲＡＭは、速度（数ナノ秒の書き込みおよび読み出し期間）、不揮発性、および電離放射線に対する非感受性などの多くの利点を提供する。したがって、それらは、コンデンサの荷電状態に基づいた、より従来的な技術を用いるメモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ）にますます取って代わりつつある。
下記ではＭＲＡＭセルと呼ばれる従来の磁気トンネル接合部ベースＭＲＡＭセルには、いくつかの選択可能な磁性および非磁性金属層のスタックからなる磁気トンネル接合部が含まれる。従来のＭＲＡＭ装置の例が、特許文献１に記載されている。それらの最も単純な形態では、ＭＲＡＭセルの磁気トンネル接合部は、薄い絶縁層によって分離された、異なる保磁力の２つの磁気層で作製されるが、この場合に、例えば、磁気層の１つは、固定された磁化によって特徴づけられた強磁性基準層であり、もう一方は、方向を変更できる磁化によって特徴づけられた強磁性記憶層である。強磁性基準層および記憶層のそれぞれの磁化が逆平行の場合には、磁気トンネル接合部の抵抗は高く、低論理状態「０」に対応する。他方で、それぞれの磁化が平行の場合には、磁気トンネル接合部抵抗は低く、高論理状態「１」に対応する。
強磁性基準層および記憶層は、典型的には、Ｆｅ、ＣｏもしくはＮｉまたはそれらの合金などの３ｄ金属で作製される。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、典型的には、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）または酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からなる。好ましくは、特許文献２に記載されているように、強磁性基準層は、合成反強磁性層を形成するいくつかの層からなる。あるいは、例えば、非特許文献１なる参考文献に記載されている接合部のように、二重磁気トンネル接合部を用いることができるが、この接合部では、強磁性記憶層は、２つの薄い絶縁層間に挟まれ、２つの強磁性基準層が、薄い絶縁層の各反対側に位置している。
従来のＭＲＡＭセル１が、図１の例に表されている。セル１には、磁気トンネル接合部２が含まれるが、この接合部２は、強磁性基準層２３と記憶層２１との間に配置された絶縁層２２から形成される。第１の力線４は、強磁性記憶層２１と連通し、第２の電流線５は、第１の電流線４と直角に配置され、強磁性基準層２３と連通する。ＭＲＡＭセル１には、ＣＭＯＳ選択トランジスタ３がさらに含まれるが、このトランジスタ３は、磁気トンネル接合部２に電気的に接続され、かつその開閉は、各ＭＲＡＭセル１に個別にアドレスするためにワード線６によって制御される。
書き込み動作中に、トランジスタ３は閉じられ、電流は接合部２を流れない。第１の界磁電流４１が、第１の電流線４を通過して第１の磁界４２を生成し、第２の界磁電流５１が、第２の電流線５を通過して第２の磁界５２を生成する。第１の界磁電流４１および第２の界磁電流５１の強度および同期は、第１の磁界４２および第２の磁界５２それぞれを合わせた影響の下で、２つの活性電流線４、５の交差部に位置する強磁性記憶層２１の磁化だけが切り替わり、その結果、データの書き込みができるように、調整される。第１の界磁電流４１および第２の界磁電流５１は、典型的には、約１０ｍＡの大きさを有する２〜５ナノ秒の短い電流パルスである。
読み出し動作中に、トランジスタ３は開かれ、センス電流（図示せず）が、第１の電流線４を介して磁気トンネル接合部２を流れ、磁気トンネル接合部抵抗Ｒを測定できるようにする。ＭＲＡＭセル１の論理状態は、典型的には、測定された接合部抵抗Ｒを、１つまたはいくつかの基準メモリセル（同様に図示せず）の抵抗と比較することによって決定される。
図１のＭＲＡＭセルが、書き込み動作中に適切に動作することを保証するために、すなわち、強磁性記憶層２１の磁化の双安定切り替えを得るために、磁気トンネル接合部２は、好ましくは１．５以上のアスペクト比を備えた異方性形態を有しなければならない。接合部２の異方性形態により、線４および５の一方だけによってアドレスされるアレイにおける他のセル１と比較して、２つの活性電流線４、５の交差部に位置するＭＲＡＭセル１の優れた書き込み選択性が可能になる。実際に、異方性形態を備えた接合部２における強磁性記憶層２１の磁化の切り替えは、線４、５によって生成される２つの磁界４２、５２の影響下でのみ可能である。異方性形態を有するＭＲＡＭセル１はまた、書き込まれたデータの優れた熱的および／または時間的安定性を示す。
従来のＭＲＡＭセルの他の例示的な構成が、特許文献３および特許文献４で見られる一方で、特許文献５は、ＭＲＡＭセル構造に基づいたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の実装に関連する。
特許文献６には、ＭＲＡＭセルが記載されている。このＭＲＡＭセルは、強磁性記憶層が高結晶磁気異方性を有する材料で作製されている場合には、小さな形態アスペクト比を有するが、それでも、書き込み動作中の優れた双安定切り替えおよび書き込みデータの優れた熱的および／または時間的安定性を達成する。しかしながら、かかるＭＲＡＭセルの書き込みは、強磁性記憶層の磁化方向を、安定した論理状態から別の状態に切り替えできる高界磁電流を必要とし、高電力消費に帰着する。電力消費の低減は、熱的および時間的な安定性を犠牲にして、結晶磁気異方性を低減することによって、得ることができる。換言すれば、上記の従来のＭＲＡＭセルは、低電力消費ならびに熱的および時間的安定性を同時には実現しない。
熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えたＭＲＡＭセル構成が、特許文献７の文献に記載され、図２ａおよび２ｂに示されている。図２ａの例において、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、磁気トンネル接合部２に電気的に接続された電流線７、および強磁性記憶層２１と連通する電流線７の上方に直角に配置された力線８を有することによって、図１に示されたＭＲＡＭセル１と異なる。
図２ｂにより詳細に示された磁気トンネル接合部２は、隣接する強磁性基準層２３に交換バイアスをかける反強磁性基準層２４を含み、反強磁性基準層２４のブロッキング温度ＴＢＲに対応する温度未満にその磁化を固定する。接合部２にはまた、交換結合する反強磁性記憶層２１ｂが含まれるが、この記憶層２１ｂは、隣接する強磁性記憶層２１の磁化を、反強磁性記憶層２１ｂのブロッキング温度ＴＢＳに対応する温度未満に固定することができる。典型的には、それぞれ、反強磁性基準層２４がＰｔＭｎまたはＮｉＭｎベースの合金で作製されている場合には、約３５０℃までのブロッキング温度ＴＢＲを達成することができ、一方で、反強磁性記憶層がＩｒＭｎベースの合金またはＦｅＭｎベースの合金で作製されている場合には、約２００℃〜１５０℃のブロッキング温度ＴＢＳが達成される。
ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０の書き込み動作中に、磁気トンネル接合部２の温度を上昇させるために、選択トランジスタ３が開いている場合に、加熱電流パルス３１が、電流線７を介し、磁気トンネル接合部２を通して送られる。数ナノ秒続き、かつ１０５Ａ／ｃｍ２〜１０７Ａ／ｃｍ２間に含まれる大きさを有する加熱電流３１を用いることによって、接合部２は、ＴＢＳとＴＢＲとの間にあって１２０℃〜２００℃間に含まれる温度まで加熱することができる。かかる温度において、強磁性記憶層２１と反強磁性記憶層２１ｂとの間の磁気結合は消え、強磁性記憶層２１の磁化を非固定化する。磁気トンネル接合部２の冷却中に、界磁電流８１が、力線４中を伝達され、強磁性記憶層２１の磁化方向を反転できる磁界８２を生成する。
ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、典型的には、共線的な磁界方向に印加される外部磁界がある状態で、強磁性基準層２３および記憶層２１を積層することによって製造される。円が、上から見た磁気トンネル接合部２を示す図３の例に示すように、外部磁界は、（ａ）強磁性基準層２３および（ｂ）強磁性記憶層２１の積層中に、平行な第１の磁界方向１１０および第２の磁界方向１２０（ここでは右を指している）にそれぞれ印加される。磁気トンネル接合部２の様々な層の積層後に、磁気トンネル接合部２は、典型的には３００℃より高い温度でアニールされる。アニールステップ（ｃ）中に、外部磁界は、第１の磁界方向１１０および第２の磁界方向１２０と平行に向けられた第３の磁界方向１３０に印加される。かかる製造プロセスによって、非固定化された強磁性記憶層２１の磁化が強磁性基準層２３の第２の磁化と平行または逆平行であるＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０がもたらされる。
図１のＭＲＡＭセル構成とは対照的に、図２ａおよび２ｂのＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、反強磁性記憶層２１ｂによって交換バイアスをかけられる強磁性記憶層２１のかなり改善された熱的安定性によって特徴づけられる。また、周囲温度のままに留まる隣接するセルと比較して、書き込まれるＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０の選択的加熱ゆえに、書き込み選択性の改善が、達成される。ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、周囲温度において高い磁気異方性を備えた材料、およびセル１０の安定限界に影響を与えずにより高い集積密度を用いることによって、ゼロ磁界におけるより優れた安定性（保持）を可能にする。さらに、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０を用いることによって、電力消費の低減が、書き込み動作中に達成される。なぜなら、セル１０を加熱するために必要な加熱電流３１、および強磁性記憶層２１の磁化を切り替えるために必要な界磁電流８１が、図１のＭＲＡＭセル構成において用いられる第１の界磁電流４１および第２の界磁電流５１より小さいからである。
図４は、図２ａのＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０に対応するヒステリシスループを示すが、図４では、強磁性記憶層２１の磁化Ｍが、強磁性記憶層２１の容易軸（実線）に沿って印加される磁界８２の値Ｈに対してプロットされている。ここで、保磁磁界Ｈｃは、強磁性記憶層２１の磁化を反転するために必要な磁界値に対応する。強磁性記憶層２１の困難軸に沿った、印加磁界を用いた磁化Ｍの変化が、図３に点線によって示されているが、図３では、異方性磁界ＨＡは、強磁性記憶層２１の困難軸に沿った磁化を飽和させるために必要な磁界値に対応する。異方性磁界ＨＡの値は、一般に、保磁磁界Ｈｃより大きい。
保磁磁界Ｈｃは、セルサイズを１００ｎｍサイズの範囲で低減する場合、および例えばナノ秒範囲における短い界磁電流パルス８１に対して、異方性磁界ＨＡの方へ増加することが知られている。これらの条件では、強磁性粒子の磁化の反転は、ストナー-ウルファース（Ｓｔｏｎｅｒ−Ｗｏｈｌｆａｒｔｈ）反転としても知られている一貫した反転メカニズムに接近し、書き込み電流場は、本質的に、異方性磁界ＨＡによって与えられる。
したがって、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０は、例えば、アレイにおけるセル密度を増加させる場合には、セル１０のサイズを低減させると共に電力消費を増加させる難点がある。小さなセル寸法に対して、界磁電流８１はやはり高く、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０の高電力消費をもたらす。
Ｙ． Ｓａｉｔｏ ｅｔ ａｌ．， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｖｏｌ．２２３ （２００１）， ｐ． ２９３
したがって、本発明の目的は、先行技術の少なくともいくつかの制約を克服する、熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを提案することである。
本発明の別の目的は、従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルにおいて用いられる磁界より小さな磁界で書き込みができるＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを提供することである。
本発明によれば、これらの目的は、高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する強磁性記憶層、固定された第２の磁化方向を有する強磁性基準層、ならびに絶縁層であって、強磁性記憶層と基準層との間に配置された絶縁層から形成された磁気トンネル接合部と、ワード線を介して、前記磁気トンネル接合部に電気的に接続され、かつ制御可能な選択トランジスタと、前記磁気トンネル接合部に電気的に接続された電流線と、を含む、熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルであって、強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であることを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルによって達成される。
本発明の一実施形態において、セルには、前記磁気トンネル接合部と連通し、かつ少なくとも界磁電流を伝達する力線がさらに含まれる。
本発明の別の実施形態において、セルは、電流線を介して接合部を通過する加熱電流であって、磁気トンネル接合部を高温閾値に加熱できる加熱電流と、界磁電流の極性に従って第１の磁化を整列させることができる磁界を生成する、力線中を伝達される界磁電流と、によって書き込み可能である。
まだ本発明のさらに別の実施形態において、前記磁気トンネル接合部には、強磁性記憶層の前記第１の磁化を低温閾値で固定し、かつ第１の磁化が、第２の磁化の方向とほぼ直角に整列される高温閾値で、前記第１の磁化を非固定化する反強磁性記憶層がさらに含まれる。
本発明のさらに別の実施形態において、前記磁気トンネル接合部には、強磁性基準層の第２の磁化を、反強磁性基準層のブロッキング温度未満で固定する反強磁性基準層がさらに含まれる。
本発明にはまた、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセルにデータを書き込む方法が含まれ、この方法には、
電流線を介して磁気トンネル接合部に加熱電流を通過させて、磁気トンネル接合部を加熱するステップと、
力線に界磁電流を通過させて、強磁性記憶層の第１の磁化を切り替えるステップと、
磁気トンネル接合部が高温閾値に到達した後で、加熱電流を切って磁気トンネル接合部を冷却するステップと、
磁気トンネル接合部が低温閾値まで冷却された後で、界磁電流を切るステップと、
が含まれる。
電流線を介して磁気トンネル接合部に加熱電流を通過させて、磁気トンネル接合部を加熱するステップと、
力線に界磁電流を通過させて、強磁性記憶層の第１の磁化を切り替えるステップと、
磁気トンネル接合部が高温閾値に到達した後で、加熱電流を切って磁気トンネル接合部を冷却するステップと、
磁気トンネル接合部が低温閾値まで冷却された後で、界磁電流を切るステップと、
が含まれる。
本発明の一実施形態において、界磁電流の通過によって、第１の磁化が、第２の磁化の方向とほぼ直角な初期方向から、第２の磁化の方向とほぼ平行または逆平行の切り替え方向に切り替えられる。
本発明のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルは、従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルで通常必要とされる磁界の２分の１までの磁界を用いて書き込むことができ、結果として電力消費の低減をもたらす。小さな界磁電流が用いられるので、力線において起こり得る電子移動が最小限に抑えられる。
本発明の本明細書において、「強磁性基準層」なる表現は、単一の強磁性基準層に、または合成反強磁性固定層の第１および第２の強磁性基準層に等しく適用される。
本発明は、例として提示され、かつ図によって示される実施形態の説明を用いて、よりよく理解されよう。
本発明の一実施形態による、熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えた磁気トンネル接合部ベース磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１００が、図５ａおよび５ｂに示されている。図２ａのセル１０と同様に、本発明のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００には、第１の磁化２１１を有する強磁性記憶層２１０と第２の磁化２３１を有する強磁性基準層２３０との間に配置された絶縁層２２０から形成された多層磁気トンネル接合部２００が含まれる。磁気トンネル接合部２００は、ワード線（図示せず）によって制御される選択トランジスタ３００と連通する。ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１には、磁気トンネル接合部２００に電気的に接続された電流線７００、および強磁性記憶層２１０と連通する力線４００がさらに含まれる。
本発明の一実施形態において、磁気トンネル接合部２００には、反強磁性基準層（図５ａおよび５ｂには図示せず）が含まれるが、この反強磁性基準層は、隣接する強磁性基準層２３０に交換バイアスをかけ、かつ基準層２３０の第２の磁化２３１を、反強磁性基準層のブロッキング温度ＴＢＲに対応する温度未満で固定する。また、反強磁性記憶層２１０ｂが、強磁性記憶層２１０に隣接して配置され（図５ａおよび５ｂを参照）、強磁性記憶層２１０に交換バイアスをかけ、記憶層２１０の第１の磁化２１１を、反強磁性記憶層２１０ｂのブロッキング温度ＴＢＳ（ＴＢＲより低い）に対応する温度未満で固定する。
好ましくは、強磁性基準層２３０は、Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉベースの合金で形成され、反強磁性基準層は、ＰｔＭｎまたはＮｉＭｎなどのＭｎベースの合金で形成される。強磁性記憶層２１０は、典型的には、１〜１０ｎｍの範囲の厚さを有し、かつパーマロイ（Ｎｉ８０Ｆｅ２０）、Ｃｏ９０Ｆｅ１０の群から、またＦｅ、Ｃｏ、またはＮｉを含む他の合金からも好ましくは選択される、平面磁化を有する材料で作製される。強磁性記憶層２１０は、例えばＩｒＭｎまたはＦｅＭｎのマンガンベース合金で作製された反強磁性記憶層２１０ｂによって交換結合される。
本発明の一実施形態（図示せず）において、磁気トンネル接合部２００には、強磁性基準層２３０ではなく合成反強磁性固定層（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）が含まれる。合成反強磁性固定層には、第１の強磁性基準層および第２の強磁性基準層が含まれ、両方とも、Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉベースの合金で形成される。これらの２つの強磁性基準層は、それらの間に、例えばルテニウムで作製された非強磁性基準層を挿入することによって、反強磁性的に結合される。この構成では、反強磁性基準層は、例えば、第２の強磁性基準層の下に設けられ、第１の強磁性基準層の磁気モーメントを配向させ、ＴＢＲ未満の温度で第２の強磁性基準層の磁気モーメントを固定する固定磁界を生成する。
反強磁性記憶層２１０ｂは、待機温度において、すなわち加熱がない場合に、強磁性記憶層２１０の磁化が、数年の期間にわたってその磁化を保持できるように十分に固定されるのが確実になるほど十分に高いブロッキング温度ＴＢＳを有する。しかしながら、ブロッキング温度ＴＢＳは、書き込みプロセス中に、接合部材料の劣化および／または高電力消費をもたらす可能性がある温度に接合部２００を加熱することを必要にするほど高くはない。ここで、例えば１２０〜２２０℃の範囲のＴＢＳが適切である。
トンネル障壁の役割を果たす絶縁層２２０は、Ａｌ２Ｏ３またはＭｇＯを含む群から選択される材料で作製するのが好ましい。接合部２００のトンネル抵抗Ｒは、絶縁層２２０の厚さに指数関数的に依存し、接合部２００の抵抗−面積の積（ＲＡ）によって測定される。ＲＡは、反強磁性記憶層２１０ｂの温度をそのブロッキング温度ＴＢＳを超えて上昇させるように十分に高い加熱電流３１０を、接合部２００を通して流すために、十分に小さくしなければならない。接合部の温度を１００℃まで上昇させるために一般に必要とされる１０５Ａ／ｃｍ２〜１０７Ａ／ｃｍ２の範囲に加熱電流密度をするために、ＲＡ値は、１〜５００Ω・μｍ２にすべきである。
本発明の一実施形態において、非常に低い熱伝導率を有する少なくとも１つの熱障壁層（図示せず）が、接合部２００の上部および底部に追加される。これらの追加層の目的は、接合部２００を通って流れる加熱電流３１０の熱効率を向上させる一方で、電極（図示せず）の方への熱の拡散を制限し、接合部２００と、接続電流線７００との間の電気的接続を確保することである。
図５ａに示すＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の書き込み動作中に、ＴＢＳを超えＴＢＲ未満に含まれる高温閾値に磁気トンネル接合部２００の温度を上昇させるために、選択トランジスタ３００が開かれている場合に、加熱電流パルス３１０が、電流線７００を介し、磁気トンネル接合部２００を通して送られる。高温閾値では、強磁性記憶層２１０と反強磁性記憶層２１０ｂとの間の磁気結合は消え、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１を非固定化する。しかしながら、この温度では、強磁性基準層２３０の第２の磁化２３１は、反強磁性基準層によって固定されたままである。
本明細書で開示するような、本発明によるＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００において、強磁性記憶層２１０の結晶磁気異方性は、強磁性記憶層２１０を固定する反強磁性層２１０ｂの異方性に対して、および強磁性基準層２３０の結晶磁気異方性に対してほぼ直角である。これは、磁気トンネル接合部２００が高温閾値に加熱される場合に、強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１は、最初、基準層２３０の第２の磁化２３１の方向とほぼ直角に配向されることを意味する。図５ａの例では、第１の磁化方向２１１は、ページに入るように表され、一方で第２の磁化方向２３１は、右の方へ配向されて示されている。第１の磁化２１１および第２の磁化２３１はまた、それぞれ、ページの外へおよび左の方へ引くか、または第１の磁化２１１が第２の磁化２３１とほぼ直角に配向される限りは、任意の他の方向を有することが可能である。
次に、界磁電流４１０の極性に従って、第２の磁化２３１の方向とほぼ平行または逆平行の切り替え方向に第１の磁化２１１を切り替えできる磁界４２０を生成するために、界磁電流４１０が、力線４００中を伝達される。このようにして、データが、メモリセル１００に書き込まれる。次に、加熱電流３１０はターン・オフ（切断）されて、反強磁性記憶層２１０ｂのブロッキング温度ＴＢＳ未満の低温閾値に磁気トンネル接合部２００を冷却する。界磁電流４１０は、磁気トンネル接合部２００が低温閾値に到達するまで維持され、その後ターン・オフ（切断）される。図５ｂの例において、低温閾値では、第１の磁化２１１は、強磁性基準層２３０の第２の磁化２３１と平行な切り替え方向に固定される。
あるいは、界磁電流４１０は、加熱電流３１０がターン・オフ（切断）されるのと同時かまたは後で、しかし第１の磁化の切り替えを可能にするために、磁気トンネル接合部の温度がＴＢＳを超えているときに、流される。
読み出し動作（図示せず）中に、トランジスタ３００はスイッチオンされ、センス電流が、接合部２００の両端にわたる電圧を測定するために電流線７００を介して磁気トンネル接合部２００を通過し、対応する磁気トンネル接合部抵抗Ｒをもたらしている。第１の磁化２１１の方向が、第２の磁化２３１の方向と平行な場合には、低い接合部抵抗Ｒが測定され、逆に、第１の磁化２１１および第２の磁化２３１の方向が逆平行である場合には、高い接合部抵抗Ｒが測定される。
強磁性基準層２３０の結晶磁気異方性とほぼ直角な、強磁性記憶層２１０の結晶磁気異方性は、強磁性基準層２３０の積層中に印加される外部磁界の磁界方向とほぼ直角な磁界方向で印加される外部磁界がある状態で、強磁性記憶層２１０を積層することによって得られる。これは、図６に概略的に示されているが、これらの図では、円は、上から見た磁気トンネル接合部２００を示す。特に、
● 強磁性基準層２３０の積層プロセス中に（図６ａ）、外部磁界は、単純な矢印によって示された第１の磁界方向１１０に印加される。
● 強磁性記憶層２１０の積層中に（図６ｂ）、外部磁界は、第１の磁界方向１１０とほぼ直角な、ページに対して平行に示された第２の磁界方向１２０に印加される。
● 強磁性基準層２３０の積層プロセス中に（図６ａ）、外部磁界は、単純な矢印によって示された第１の磁界方向１１０に印加される。
● 強磁性記憶層２１０の積層中に（図６ｂ）、外部磁界は、第１の磁界方向１１０とほぼ直角な、ページに対して平行に示された第２の磁界方向１２０に印加される。
磁気トンネル接合部２００の様々な層の積層後に、磁気トンネル接合部２００は、典型的には３００℃より高い温度でアニール（焼きなまし）される。アニールステップ（図６ｃ）中に、外部磁界は、第１の磁界方向１１０とほぼ平行に配向され、破線の矢印によって表された第３の磁界方向１３０に印加される。あるいは、第３の磁界方向１３０はまた、第１の磁界方向１１０と逆平行に配向することができる。しかしながら、第２の磁界方向１２０が、第１の磁界方向１１０および第３の磁界方向１３０とほぼ直角に配向される限り、第１の磁界方向１１０、第２の磁界方向１２０、および第３の磁界方向１３０の他の方向が可能である。
本発明の一実施形態において、磁気トンネル接合部２００の様々な層は、スパッタリング技術を用いて積層される。しかしながら、任意の他の積層プロセスもまた、使用することができる。
上記の合成反強磁性固定層が用いられる場合には、外部磁界は、第１および第２の強磁性基準層の両方の積層中に、第１の磁界方向１１０に印加される。
図７は、強磁性記憶層２１０が保持されない温度で第２の磁化２３１とほぼ直角な第１の磁化２１１を有する、本発明のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の強磁性記憶層２１０に対して測定されたヒステリシスループを示す。差し込み図は、対応する第２の磁界方向１２０および第３の磁界方向１３０を示す。磁界Ｈに対してプロットされた磁化Ｍは、強磁性記憶層２１０の、第３の磁界方向１３０と平行な容易軸に沿って（黒丸）、および強磁性記憶層２１０の、第３の磁界方向１３０と直角な困難軸に沿って（白丸）測定される。ここで、容易軸および困難軸の両方とも、強磁性記憶層２１０の平面にある。強磁性記憶層２１０の第１の磁化２１１を切り替えるために必要な磁界は、容易軸に沿って測定されるヒステリシスループにおいて、磁化の増加の始めおよび飽和の始めに決定される磁界値の差異によって与えられる。ここで、第１の磁化２１１は、強磁性基準層２３０の第２の磁化の方向と直角なその初期方向から、第２の磁化方向２３０と平行または逆平行な切り替え方向に切り替えられる。
図８は、図２ａのセル１０などの従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルに対して測定されたヒステリシスループを示す。ここで、強磁性記憶層２１の磁化は、強磁性記憶層２１が保持されない温度で強磁性基準層２３と平行または逆平行である。差し込み図は、対応する第２の磁界方向１２０および第３の磁界方向１３０を示す。図８では、容易軸および困難軸に沿って測定されたヒステリシスループは、黒丸および白丸でそれぞれ示されている。従来のセル１０の記憶層２１の磁化Ｍを、その初期方向から、強磁性基準層２３の磁化方向と逆平行または平行なその切り替え方向に切り替えるために必要な磁界Ｈは、容易軸ヒステリシスループが０と交差する磁界Ｈの２つの値間の差によって決定される。
図７および８の比較は、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の強磁性記憶層２１０の容易軸に沿って測定されたヒステリシスループ（図７）が、従来のセルの強磁性記憶層２１の困難軸に沿って測定されたヒステリシスループ（図８）と同様に振る舞うことを示す。反対に、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の場合における強磁性記憶層２１０の困難軸に沿って測定されたヒステリシスループ（図７）は、従来のセル用の強磁性記憶層２１の容易軸に沿って測定されたヒステリシスループ（図８）と同様に振る舞う。これは、測定されたヒステリシスループの「容易」または「困難」特性が、強磁性記憶層２１、２１０の積層中に印加される外部磁界の第２の磁界方向１２０によって決定されることを示唆する。
より重要なことには、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の第１の磁化２１１を切り替えるために必要な磁界、すなわち異方性磁界は、図２ａの従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１０における強磁性記憶層２１の磁化を切り替えるために必要な磁界の約２分の１である。したがって、本発明の任意の態様によるＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００によって、従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルと比較して電力消費の低減が可能になる。なぜなら、より低い界磁電流４１０を用いて、書き込み動作を実行することができるからである。さらに、小さな界磁電流４１０を用いることによって、特にＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００のサイズが１００ｎｍの範囲に近づく場合に、力線４００において電子移動を受けること、および電子移動の限界に到達することという起こり得るリスクを低減する。
強磁性記憶層２１０の結晶磁気異方性が強磁性基準層２３０の結晶磁気異方性とほぼ直角なＴＡＳベースＭＲＡＭセル１００は、強磁性記憶層２１０が交換バイアスをかけられる場合には、有利である。実際には、強磁性記憶層２１０が交換バイアスをかけられない場合には、第１の磁化２１１は、読み出し動作中に、特に第２の磁化２３１と直角なその平衡状態に戻る。これは、低い読み出しマージンに帰着する。なぜなら、磁気抵抗値が、高抵抗状態と低抵抗状態との間の中間値に対応するからである。強磁性記憶層２１０が交換バイアスをかけられた場合には、第１の磁化２１１は、読み出し動作中に第２の磁化と平行または逆平行に留まり、最大の磁気抵抗値をもたらす。
本発明の任意の態様による複数のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００を含むアレイから、磁気メモリ装置（図示せず）を形成できるが、この磁気メモリ装置では、各ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の各接合部２００は、強磁性記憶層２１０の側で電流線７００に接続され、かつ反対側で、電流線７００と直角に配置されたワード線に接続される。ＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００の１つが書き込まれることになる場合には、電流パルスが、１つまたはいくつかのワード線で送られ、対応するワード線のトランジスタ３００の少なくとも１つをモードＯＮにし、加熱電流パルス３１０が、書き込まれることになるＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００、すなわち活性接続電流線７００および活性ワード線の交差部に配置されたＴＡＳ−ＭＲＡＭセル１００に対応する各電流線７００に送られる。
１ 従来のＭＲＡＭセル
２ 磁気トンネル接合部
２１ 強磁性記憶層
２１ｂ 反強磁性記憶層
２２ 絶縁層
２３ 強磁性基準層
２４ 反強磁性基準層
３ 選択トランジスタ
３１ 加熱電流
４ 第１の力線
４１ 第１の界磁電流
４２ 第１の磁界
５ 第２の電流線
５１ 第２の界磁電流
５２ 第２の磁界
６ ワード線
７ 電流線
８ 従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの力線
８１ 界磁電流
８２ 磁界
１０ 従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル
１００ 本発明のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル
１１０ 第１の磁界方向
１２０ 第２の磁界方向
１３０ 第３の磁界方向
２００ 磁気トンネル接合部
２１０ 強磁性記憶層
２１０ｂ 反強磁性記憶層
２１１ 強磁性記憶層の第１の磁化
２２０ 絶縁層
２３０ 強磁性基準層
２３１ 強磁性基準層の第２の磁化
３００ 選択トランジスタ
３１０ 加熱電流
３２０ 力線
４１０ 界磁電流
４２０ 磁界
７００ 電流線
ＨＡ 異方性磁界
ＨＣ 保磁磁界
ＨＲ 強磁性記憶層の反転磁界
ＴＢＳ 反強磁性記憶層のブロッキング温度
ＴＢＲ 反強磁性基準層のブロッキング温度
Ｍ 磁化
Ｒ 磁気トンネル接合部抵抗
ΔＲ 磁気抵抗
ＲＡ 接合部の抵抗−面積の積
２ 磁気トンネル接合部
２１ 強磁性記憶層
２１ｂ 反強磁性記憶層
２２ 絶縁層
２３ 強磁性基準層
２４ 反強磁性基準層
３ 選択トランジスタ
３１ 加熱電流
４ 第１の力線
４１ 第１の界磁電流
４２ 第１の磁界
５ 第２の電流線
５１ 第２の界磁電流
５２ 第２の磁界
６ ワード線
７ 電流線
８ 従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの力線
８１ 界磁電流
８２ 磁界
１０ 従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル
１００ 本発明のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル
１１０ 第１の磁界方向
１２０ 第２の磁界方向
１３０ 第３の磁界方向
２００ 磁気トンネル接合部
２１０ 強磁性記憶層
２１０ｂ 反強磁性記憶層
２１１ 強磁性記憶層の第１の磁化
２２０ 絶縁層
２３０ 強磁性基準層
２３１ 強磁性基準層の第２の磁化
３００ 選択トランジスタ
３１０ 加熱電流
３２０ 力線
４１０ 界磁電流
４２０ 磁界
７００ 電流線
ＨＡ 異方性磁界
ＨＣ 保磁磁界
ＨＲ 強磁性記憶層の反転磁界
ＴＢＳ 反強磁性記憶層のブロッキング温度
ＴＢＲ 反強磁性基準層のブロッキング温度
Ｍ 磁化
Ｒ 磁気トンネル接合部抵抗
ΔＲ 磁気抵抗
ＲＡ 接合部の抵抗−面積の積
Claims (9)
- 熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルであって、
高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する強磁性記憶層、
固定された第２の磁化方向を有する強磁性基準層、及び、
前記強磁性記憶層と基準層との間に配置された絶縁層から形成された磁気トンネル接合部と、
前記磁気トンネル接合部に電気的に接続されかつワード線を介して制御可能な選択トランジスタと、
前記磁気トンネル接合部に電気的に接続される電流線と、
を備え、
前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性記憶層の面内において、この強磁性記憶層を固定する反強磁性層の異方性及び前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であり、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、前記磁気トンネル接合部が高温閾値に加熱された場合にのみ、前記強磁性記憶層の第１の磁化が、前記強磁性記憶層の面内において、前記基準層の第２の磁化の方向とほぼ直角に配向されるように構成されている磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル。 - 前記セルが、前記磁気トンネル接合部と連通する力線をさらに含む、請求項１に記載のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。
- 前記セルが、
前記電流線を介して前記接合部を流れ、前記磁気トンネル接合部を前記高温閾値に加熱できる加熱電流と、
前記力線を通過し、かつ前記界磁電流の極性に従って前記第１の磁化を整列させることができる磁界を生成する界磁電流と、
によって書き込み可能である、請求項２に記載のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。 - 前記磁気トンネル接合部が、反強磁性基準層であって、そのブロッキング温度未満で前記強磁性基準層の第２の磁化を保持する反強磁性基準層をさらに含む、請求項１に記載のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。
- 前記磁気トンネル接合部が、非強磁性基準層を第１および第２の強磁性基準層の間に挿入することによって反強磁性的に結合される第１および第２の強磁性基準層を備える合成反強磁性固定層を有する、請求項１に記載のＴＡＳ−ＭＲＡＭセル。
- 高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する強磁性記憶層、
固定された第２の磁化方向を有する強磁性基準層、及び、
前記強磁性記憶層と基準層との間に配置された絶縁層から形成された磁気トンネル接合部と、
前記磁気トンネル接合部に電気的に接続されかつワード線を介して制御可能な選択トランジスタと、
前記磁気トンネル接合部に電気的に接続された電流線と、
を含む複数のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルであって、
前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性記憶層の面内において、この強磁性記憶層を固定する反強磁性層の異方性及び前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であり、前記磁気トンネル接合部が高温閾値に加熱された場合にのみ、前記強磁性記憶層の第１の磁化が、前記強磁性記憶層の面内において、前記基準層の第２の磁化の方向とほぼ直角に配向されるように構成されている複数のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを含むアレイから形成された磁気メモリ装置。 - 熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルにデータを書き込む方法であって、
前記ＴＡＳ−ＭＲＡＭセルが、高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する記憶層、
固定された第２の磁化を有する基準層、前記記憶層と基準層との間に配置された絶縁層から形成された磁気トンネル接合部を備え、
前記ＴＡＳ−ＭＲＡＭセルが、
前記磁気トンネル接合部に電気的に接続されかつワード線を介して制御可能な選択トランジスタと、
前記磁気トンネル接合部に電気的に接続された電流線と、
前記磁気トンネル接合部と連通する力線と、
をさらに備え、
前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性記憶層の面内において、この強磁性記憶層を固定する反強磁性層の異方性及び前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であり、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、前記磁気トンネル接合部が高温閾値に加熱された場合にのみ、前記強磁性記憶層の第１の磁化が、前記強磁性記憶層の面内において、前記基準層の第２の磁化の方向とほぼ直角に配向されるように構成されており、
前記方法が、
前記磁気トンネル接合部を加熱するために、電流線を介して、前記磁気トンネル接合部を通る加熱電流を流すステップと、
前記強磁性記憶層の前記第１の磁化を切り替えるために、前記力線に前記界磁電流を通過させるステップと、
前記磁気トンネル接合部が高温閾値に到達した後で、前記磁気トンネル接合部を冷却するために、前記加熱電流を切断するステップと、
前記磁気トンネル接合部が低温閾値まで冷却された後で、前記界磁電流を切るステップと、
を含む方法。 - 界磁電流の前記通過が、前記第１の磁化を、前記強磁性記憶層の面内において、前記第２の磁化の方向とほぼ直角な初期方向から、前記第２の磁化の方向とほぼ平行または逆平行の切り替え方向へ切り替える、請求項７に記載の方法。
- 熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み手順を備えた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを製造する方法であって、
前記ＴＡＳ−ＭＲＡＭセルが、
高温閾値で調整可能な第１の磁化を有する記憶層、
固定された第２の磁化を有する基準層、
前記記憶層と基準層との間に配置された絶縁層から形成された磁気トンネル接合部を備え、
前記強磁性記憶層の結晶磁気異方性が、前記強磁性記憶層の面内において、この強磁性記憶層を固定する反強磁性層の異方性及び前記強磁性基準層の結晶磁気異方性とほぼ直角であり、
前記方法が、
前記第１の磁界方向を有する印加外部磁界を用いて前記基準層を積層するステップと、 前記強磁性記憶層の面内において、前記第１の磁界方向とほぼ直角な第２の磁界方向を有する前記印加外部磁界を用いて前記記憶層を積層するステップと、
前記第１の磁界方向とほぼ平行または逆平行の第３の磁界方向を有する印加外部磁界を用いて前記磁気トンネル接合部をアニールするステップと、
を備える方法。
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