JP5879198B2 - 合成記憶層を有するマルチビットセル - Google Patents

Description

本発明は、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル内の複数のデータビットに書き込むための方法に関する。

可変抵抗材料を採用する記憶装置には、抵抗変化型メモリ（ＲＲＡＭ）、相変化強誘電体メモリ（ＰＲＡＭ）、強誘電体メモリ（ＦＲＡＭ）、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）等がある。上で挙げた不揮発性の記憶装置は、可変抵抗材料の抵抗の変化（ＲＲＡＭ）、アモルファス状態及び結晶状態を呈する相変化材料（ＰＲＡＭ）、異なる偏向状態を呈する強磁性材料（ＦＲＡＭ）並びに／又は異なる磁化状態を呈する強磁性材料の磁気トンネル接合薄膜（ＭＲＡＭ）に基づいてデータを記憶する。

磁気トンネル接合が、室温で強い磁気抵抗を示すので、磁気ランダムアクセスメモリに基づく装置が、新たな関心を得ている。磁気ランダムアクセスメモリには、（数ナノ秒未満の）高い書き込み及び読み出し速度、不揮発性及びイオン化放射に対する鈍感性のような多くの利点がある。いわゆる「磁気抵抗効果」又は巨大磁気抵抗効果を呈する磁気ランダムアクセスメモリが最初に提唱された。このような磁気ランダムアクセスメモリは、交互に磁性と非磁性とである幾つかの金属層をスタックすることによって製造される。巨大磁気抵抗効果は、印加されるべき大きい磁場を不利に必要とし、したがって情報を書き込んで読み出すための大きい電流を必要とする。

磁気トンネル接合を有する磁気ランダムアクセスメモリセルの発展が、これらの磁気ランダムアクセスメモリのパフォーマンス及び操作モードにおける著しい向上を可能にした。このような磁気ランダムアクセスメモリセルは、米国特許第５，６４０，３４３号明細書中に記されている。このような磁気ランダムアクセスメモリセルは、一般に第１強磁性層と第２強磁性層との間にトンネル障壁層を有する磁気トンネル接合から構成される。当該磁気トンネル接合は、その一方の端部が第１電流線に電気接続されていて、その他方の端部が相補性金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）の選択トランジスタに接続されている。磁気ランダムアクセスメモリセルは、第１電流線に対して垂直に配置された第２電流線をさらに有する。

当該第１強磁性層及び第２強磁性層は、これらの強磁性層を非晶質化し且つ当該界面を平坦化するために異なる保持力を有し、好ましくはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉのような３ｄ金属や場合によってはホウ素を含むこれらの元素の合金から製造される。トンネル障壁層は、一般にアルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又はＭｇＯの薄い絶縁層である。各強磁性層は、反強磁性層（図示せず）に接合され得る。この反強磁性層の機能は、この反強磁性層に接合する強磁性層をトラップすることである。その結果、当該接合された強磁性層の磁化方向が、ピン止めされて自由に回転できない。

従来の磁気ランダムアクセスメモリセルの書き込み操作中では、電流が、磁気トンネル接合に通電しないように、選択トランジスタが、遮断モードにセットされている。第１界磁電流が、第１磁場を発生させる第１電流線に通電する。第２界磁電流が、第２磁場を発生させる第２電流線に通電する。当該第１磁場及び第２磁場は、第２磁化層の磁化方向を切り替えるように、したがって磁気ランダムアクセスメモリセルに書き込むように適合されている。複数の磁気ランダムアクセスメモリセルから構成されているアレイでは、第１電流線と第２電流線との交差点に設置されている１つの磁気ランダムアクセスメモリセルだけが、第１磁場と第２磁場との結合の効果の下で書き込まれるか又はアドレス付けされる。このとき、当該書き込み操作は選択的である。

読み出し操作中では、磁気トンネル接合の接合抵抗を測定するために、書き込みセル１の選択トランジスタを飽和モードにセットすることによって、読み出し電流が、この書き込みセルの当該磁気トンネル接合に選択的に通電される。磁気ランダムアクセスメモリセル１の当該磁気抵抗が、測定された接合抵抗を１つの基準磁気ランダムアクセスメモリセルに対して測定された１つの基準抵抗と比較することによって決定され得る。低く測定された接合抵抗（又はレベル状態「０」）が、第１強磁性層の磁化方向に対して平行に指向される第２強磁性層の磁化方向に対応する一方で、高く測定された接合抵抗（又はレベル状態「１」）が、第１強磁性層の磁化方向に対して反平行に指向される第２強磁性層の磁化方向に対応する。高い接合抵抗又はトンネル磁気抵抗の値と低い接合抵抗又はトンネル磁気抵抗の値との差が、複数の強磁性層から構成される材料に依存し、且つ場合によってはこれらの強磁性層に対して実施される熱処理に依存する。トンネル磁気抵抗のうちの７０％を超える部分が、材料及び／又は熱処理の適切な選択によって達成され得る。

上述したように、多重レベルの書き込み操作による磁気ランダムアクセスメモリセルが、２つのレベル状態「０」及び「１」より多い書き込みを可能にする。多重レベル状態の書き込み操作によるこのような磁気ランダムアクセスメモリセルが、米国特許第６，９５０，３３５号明細書中に記されている。ここでは、第２強磁性層又は記憶層の磁化方向が、第１強磁性層又は基準層に対して平行な方向と反平行な方向との間の任意の中間方向に指向され得る。記憶層の磁化を当該中間方向に指向させることは、適切な相対強度を有する磁場を第１電流線と第２電流線との垂直方向に沿って発生させることによって達成され得る。

米国特許出願公開第２００９０７３７４８号明細書は、磁気ランダムアクセスメモリセルを有する集積回路を界磁する。この磁気ランダムアクセスメモリセルは、第１方向に偏向される基準層構造体を有する。自由層構造体が、少なくとも２つの反平行結合強磁性層を有し且つ当該第１方向に対して平行な軸方向に異方性を呈する。少なくとも２つの反平行結合強磁性層のうちの少なくとも１つの反平行結合強磁性が、温度に依存する飽和磁化モーメントを呈する材料から製造される。そして、非磁気トンネル接合層構造体が、基準層構造体と自由層構造体との間に配置されている。

米国特許第５，６４０，３４３号明細書 米国特許第６，９５０，３３５号明細書 米国特許出願公開第２００９０７３７４８号明細書 欧州特許第２２７６０３４号明細書

本出願の明細書は、２データビットより多いデータビットを磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに対して書き込み読み出すための方法を記す。この磁気ランダムアクセスメモリセルは、読み出し磁化方向を呈する読み出し層と、トンネル障壁層と、高温閾値で自由に指向され得る記憶層とから形成された磁気トンネル接合を有し得る。前記記憶層は、第１記憶磁化方向を呈する第１記憶強磁性層と、第２記憶磁化方向を呈する第２記憶強磁性層と、この第１記憶磁化方向とこの第２記憶磁化方向とを磁気的に結合させる記憶反平行結合層とから構成されている。

該発明の方法は：
前記磁気トンネル接合を高温閾値で加熱するステップと、
前記第１記憶磁化方向と前記第２磁化方向とを指向させるステップと、
前記第１記憶磁化方向を固定するため、前記磁気トンネル接合を低温閾値に冷却するステップとから成る。

前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とを前記読み出し磁化方向に対して指向させることによって決定される前記磁気トンネル接合の所定の抵抗状態レベルに到達するように、前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とを指向させるステップは、前記第１記憶磁化を前記第２記憶磁化方向に対して所定の角度に成し、
前記磁気トンネル接合を冷却するステップは、前記第２記憶磁化方向を前記所定の角度に固定させる。

一実施の形態では、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とを指向させるステップが、界磁電流を電流線に通電させることによって外部磁場を印加し、所定の角度が、この外部磁場の大きさ及び方向に応じて決定される。

別の実施の形態では、外部磁場が、第１記憶磁場方向と第２記憶磁場方向との異方向軸に対してほぼ平行に印加され得る。

さらに別の実施の形態では、外部磁場の大きさが、スピンフロップ値未満にでき又はスピンフロップ値に等しくでき又はスピンフロップ値より大きくできる。

さらに別の実施の形態では、外部磁場が、第１記憶磁場方向と第２記憶磁場方向とに対してほぼ垂直に印加され得る。

さらに別の実施の形態では、外部磁場の大きさが、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向との飽和磁場値から下に変更され得る。

さらに別の実施の形態では、磁気トンネル接合が、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向とを低温閾値でピン止めするために適合された反強磁性記憶層をさらに有し得る。

さらに別の実施の形態では、読み出し層の読み出し磁化方向が、記憶磁化方向に対して固定され得、磁気トンネル接合の接合抵抗を測定するために読み出し電流をこの磁気トンネル接合に通電させ得る。

さらに別の実施の形態では、磁気トンネル接合が、読み出し磁化方向をピン止めする反強磁性読み出し層を有し得る。

さらに別の実施の形態では、読み出し層の読み出し磁化方向が、自由に変更され得る方向を有し得る。当該方法は、磁気トンネル接合の第１接合抵抗を測定するために、読み出し磁化方向を整合された第１記憶磁化方向に整合させるステップと、磁気トンネル接合の第２接合抵抗を測定するために、読み出し磁化方向を整合された第２磁化方向に整合させるステップと、前記第１接合抵抗と前記第２接合抵抗との差を決定するステップとをさらに有し得る。

さらに別の実施の形態では、読み出し磁化方向を整合された第１記憶磁化方向に整合させるステップが、第１極性を呈する第１読み出し電流を電流線に通電でき、読み出し磁化方向を整合された第２記憶磁化方向に整合させるステップが、第２極性を呈する第２読み出し電流を電流線に通電できる。

さらに別の実施の形態では、第１記憶強磁性層と第２記憶強磁性層とが、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ又はＮｉＦｅの合金から製造され得、記憶反平行結合層が、ルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅及びイットリウムから成るグループから選択された材料を有する非磁性の層から製造され得る。

別の実施の形態では、第１記憶強磁性層と第２記憶強磁性層とが、約１．５ｎｍ〜約４ｎｍから成る厚さを有し得る。

さらに別の実施の形態では、記憶反平行結合層が、ルテニウムから製造され得且つ約０．６ｎｍ〜２ｎｍ、好ましくは約０．６ｎｍ〜約０．９ｎｍ又は約１．６ｎｍ〜約２ｎｍから成る厚さを有し得る。

さらに別の実施の形態では、第１記憶磁化方向と第２記憶磁化方向との飽和磁場値が、記憶反平行結合層の厚さを変更することによって又は第１記憶強磁性層と第２記憶強磁性層との厚さを変更することによって変更され得る。

ここで開示された方法は、少なくとも４つの異なる状態レベルを磁気ランダムアクセスメモリセル内に記憶することを可能にする。書き込み操作が、単一磁場を発生させるための１つの電流線だけを有する磁気ランダムアクセスメモリセルによって実行され得る。殆どの従来の磁気ランダムアクセスメモリのように、当該電流線に対して垂直に一般的に配置された別の電流線が必要でない。

実施の形態による、読み出し磁気層、トンネル障壁層及び記憶層から形成された磁気トンネル結合から構成されている磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを示す。 実施の形態による、横から見た記憶層の概略的な断面を示す。 実施の形態による、上から見た記憶層の概略的な断面を示す。 実施の形態による、外部磁場の存在中で且つ磁気トンネル接合の加熱時の第１記憶層及び第２記憶層の配列を示す。 実施の形態による、外部磁場の不存在中で且つ磁気トンネル接合の冷却後の第１記憶磁化及び第２記憶磁化の配列を示す。 本発明による、記憶層の磁化曲線を示す。 実施の形態による、横から見た記憶層の概略的な断面を示す。 実施の形態による、上から見た記憶層の概略的な断面を示す。 別の実施の形態による、外部磁場の存在中で且つ磁気トンネル接合の加熱時の第１記憶層及び第２記憶層の配列を示す。 別の実施の形態による、外部磁場の不存在中で且つ磁気トンネル接合の冷却後の第１記憶磁化及び第２記憶磁化の配列を示す。 別の実施の形態による、記憶層の磁化曲線を示す。 さらに別の実施の形態による、外部磁場の存在中で且つ磁気トンネル接合の加熱時の第１記憶層及び第２記憶層の配列を示す。 さらに別の実施の形態による、外部磁場の不存在中で且つ磁気トンネル接合の冷却後の第１記憶磁化及び第２記憶磁化の配列を示す。 さらに別の実施の形態による、記憶層の磁化曲線を示す。

図１は、読み出し磁化方向２１０を呈する読み出し層２１、トンネル障壁層２２、及び記憶磁化方向２３３，２３４を呈する記憶層２３から形成された磁気トンネル接合２から構成されている磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを示す。磁気トンネル接合２に通電する第１電流線が、磁気トンネル接合２の一方の端部に配置されていて且つ加熱電流３１を磁気トンネル接合２に供給するために配置されている。磁気ランダムアクセスメモリセル１は、磁場４２を発生させるための磁界電流４１を通電するために適合された第２電流線５をさらに有してもよい。図１の例では、第２電流線５が、第１電流線４のように磁気トンネル接合２の当該同じ一方の端部に配置されているものの、その向かい側の端部に配置されてもよい。この代わりに、第１電流線４が、加熱電流３１を通電させる機能と磁界電流４１を通電させる機能との双方を満たしてもよい。

図１の実施の形態では、記憶層２３が、第１記憶磁化方向２３３を呈する第１記憶強磁性層２３０と第２記憶磁化方向２３４を呈する第２記憶強磁性層２３１とから構成されている合成記憶層によって示されている。これらの２つの記憶強磁性層２３３，２３４の磁化が、記憶反平行結合層２３２の存在のために反平行の方向で結合されている。２つの記憶強磁性層２３０，２３１とこの記憶反平行結合層２３２とから構成されている記憶層２３は、合成反強磁性記憶層又は「ＳＡＦ」記憶層２３と記される。２つの意億強磁性層２３，２３１は、ＣｏＦｅの合金、ＣｏＦｅＢの合金又はＮｉＦｅの合金から製造され得て且つ一般に約１．５ｎｍ〜約４ｎｍから成る厚さを有する。記憶反平行結合層２３２は、ルテニウム、クロム、レニウム、イリジウム、ロジウム、銀、銅及びイットリウムから成るグループから選択された材料を有する非磁性の分離層を使用して実現され得る。好ましくは、記憶反平行結合層２３２は、ルテニウムから製造され且つ一般に約０．６ｎｍ〜約２ｎｍ、好ましくは約０．６ｎｍ〜約０．９ｎｍ又は約１．６ｎｍ〜約２ｎｍの厚さを有する。

一実施の形態では、読み出し層２１の読み出し磁化方向２１０が、第１磁化方向２３３と第２磁化方向２３４とに対して固定されている。このような読み出し層は、コールドリファレンス層とも記される。図１中に示されなかったものの、読み出し層２１は、第１読み出し強磁性層と第２読み出し強磁性層とから構成されていて、これらの２つの基準強磁性層が読み出し反平行結合層によって反平行の方向で結合されている合成反強磁性読み出し層でもよい。この構造では、トンネル障壁層２２に接触している第１読み出し強磁性層が、ＣｏＦｅＢの合金から製造され得る一方で、第２読み出し強磁性層はＣｏＦｅの合金から製造され得る。この第２読み出し強磁性層は、一般に約１ｎｍ〜約４ｎｍから成る厚さを有し得る。当該読み出し反平行結合層は、Ｒｕから製造され得て且つ一般に約０．６ｎｍ〜約２ｎｍ、好ましくは約０．６ｎｍ〜約０．９ｎｍ又は約１．６ｎｍ〜約２ｎｍから成る厚さを有する。

一実施の形態では、読み出し層２１の読み出し磁化方向２１０が、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とに対して固定されるように、磁気トンネル接合２が、読み出し磁化方向２１０をピン止めする反強磁性読み出し層２５を有する。この反強磁性読み出し層２５は、好ましくはトンネル障壁層２２に対して反対側の読み出し層２１の側面に隣接して配置されている。当該反強磁性読み出し層２５は好ましくは、例えばＰｔＭｎ，ＮｉＭｎ，ＩｒＭｎ及びＦｅＭｎのうちの１つの合金から成るＭｎを母材とした合金から形成され、読み出し磁化方向２１０をピン止めするように配置される。

例えば、トンネル障壁層２２は、特に酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３及び酸化マグネシウムＭｇＯを有するグループ内で選択された酸化物から製造された絶縁層でもよい。

一実施の形態によれば、合成反強磁性記憶層２３では、その磁化方向２３３，２３４が、書き込み操作中に可逆に調整可能である。界磁電流４１の大きさ及び極性に応じて、記憶磁化方向２３３，２３４を整合させるために適合された外部磁場４２を発生させるように、当該書き込み操作は、界磁電流４１を第２電流線５（又は第１電流線４）中に通電させるステップを有する。図１の例では、界磁電流４１は、当該頁の中を指し示すように示されていて、外部磁場４２は、左側を指し示している矢印によって示されている。

一実施の形態では、当該書き込み操作は、例えば第１電流線４を通じて磁気トンネル接合２に加熱電流３１を通電させることによって磁気トンネル接合２を加熱するステップも有する。選択トランジスタが飽和モードにある時に、加熱電流３１が通電されるように、磁気ランダムアクセスメモリセル１は、（図示しなかった）この選択トランジスタをさらに有し得る。当該書き込み操作中では、磁気トンネル接合２が、所定の高温閾値に到達すると、第２記憶磁化方向２３４が、外部磁場４２に整合される。第１記憶磁化方向２３３が、この第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との、記憶反平行結合層２３２を通じた結合にしたがって指向される。次いで、当該磁気トンネル接合２が、低温閾値に冷却される。この低温閾値では、第２記憶磁化方向２３４が、その書き込み状態で固定される。このことは、界磁電流が磁気トンネル接合２に通電しないように、当該選択トランジスタが遮断モードにある時に実行され得る。このような熱アシストされたスイッチング書き込み操作は、米国特許第６，９５０，３３５号明細書中により詳しく記されている。

図１の例では、磁気トンネル接合２が、トンネル障壁層２２に対して反対側の合成反強磁性記憶層２３の側面に隣接された反強磁性記憶層２４をさらに有する。第２記憶磁化方向２３４を低温閾値の温度でピン止め又は固定するように、当該反強磁性記憶層２４が、合成反強磁性記憶層２３を交換／結合するために適合されている。高温閾値では、第２記憶磁化方向２３４が、反強磁性記憶層２４によってもはやピン止めされずに、外部磁場４２の下で自由に調整され得る。この反強磁性記憶層２４は、Ｉｒ又はＦｅＭｎのようなマンガンを母材とした合金又はその他の任意の適した材料から製造され得る。当該高温閾値は、一般に約１５０℃以上である。

図２及び３は、一実施の形態による、第１記憶強磁性層２３０と第２記憶強磁性層２３１とを有する合成反強磁性記憶層２３の、横から見た概略的な横断面（図２）及び上から見た概略的な横断面（図３）を示す。さらに特に、記憶反平行結合層２３２を通じた２つの記憶磁化方向２３３，２３４の磁気結合のために、第１記憶磁化方向２３３が、第２記憶磁化方向２３４に対して反平行に指向されて示されている。図２及び３の例では、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とが、第１記憶強磁性層２３０と第２記憶強磁性層２３１との磁化容易軸に対応する異方性軸６０に対してほぼ平行に整合されている。

図６は、外部磁場４２が異方性軸６０に沿って印加されている場合の、第１記憶強磁性層２３０と第２記憶強磁性層２３１とから構成されている合成反強磁性記憶層２３の磁化曲線を示す。記号Ｂは、外部磁場４２の大きさを表し、記号Ｍは、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との磁化の値を表す。当該磁化曲線は、外部磁場４２のスピンフロップ値Ｂ_ＳＦによって区切られたヒステリシスループを示す。外部磁場４２の大きさが、スピンフロップ値Ｂ_ＳＦに対応する値の上に上昇する時に、第１記憶磁化方向２３３が、第２記憶磁化方向に対してもはや反平行でないものの、第２記憶磁化方向に対して所定の角度αを成す（図４ａ及び４ｂ）。当該外部磁場がさらに増大すると、第１記憶磁化方向２３３が、第２記憶磁化方向２３４に対してほぼ平行に指向されるようになる。第１記憶磁化方向２３３を第２記憶磁場方向２３４に対してほぼ平行に指向させるために要求される外部磁場４２の大きさは、飽和磁場Ｂ_ＳＡＴと呼ばれる。

図４ａ〜ｄは、外部磁場４２が異方性軸６０に沿って印加され且つ磁気トンネル接合２が所定の高温閾値に加熱される時の、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との配列を示す。読み出し層２１も、対応する読み出し磁化方向２１０を示すオフセット円によって図４ａ〜ｄ中に示されている。第２記憶磁化方向２３４は、より大きい大きさを有し、したがって外部磁場４２と一緒に指向される一方で、第１記憶磁化方向２３３は、記憶反平行結合層２３２の結合効果に起因して指向されることが想定される。図５ａ〜５ｄは、磁気トンネル接合２を低温閾値に冷却した後で且つ外部磁場４２の無印加中の、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との配列を示す。図４ｂ及びｃでは、外部磁場４２が、図６の磁化曲線のそれぞれの部分ｂ及びｃによって示された第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とのスピンフロップ値Ｂ_ＳＦの下にある大きさで印加される。さらに特に、図４ｂでは、外部磁場４２が、読み出し磁化方向２１０のうちの１つの磁化方向と同じ方向に印加され且つ第２記憶磁化方向２３４をこの読み出し磁化方向２１０に対してほぼ平行に指向させる。第１記憶磁化方向２３３は、記憶反平行結合層２３２の結合効果に起因して読み出し磁化方向２１０に対してほぼ反平行の指向されるようになる。磁気トンネル接合２の冷却後で且つ外部磁場４２の無印加中では、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との配列が変化していない（図５ｂ）。この配列は、磁気トンネル結合２の高い磁気抵抗に相当し、所定の状態レベル、例えば図５ｂ中の数字１１によって示された第１状態レベルに相当する。図４ｃでは、第１記憶磁化方法２３３が、読み出し磁化方向２１０に対してほぼ平行に指向されるようになるように、外部磁場４２が、図４ｂの例のうちの１つの例と反対の方向に指向されている。図４ｃは、磁気トンネル接合２の低い磁気抵抗に対応し、図５ｃ中の数字「００」によって示された第２状態レベルに相当する。

図４ａ及びｄでは、外部磁場４２が、図６の磁化曲線のそれぞれの部分ａ及びｂによって示されたスピンフロップ値Ｂ_ＳＦに等しいか又はスピンフロップ値Ｂ_ＳＦを超える大きさで印加される。ここでは、第２記憶磁化方向２３４が、外部磁場４２と一緒に指向され、記憶反平行結合層２３２を通じた第１記憶磁化方向２３３に対して所定の角度αを成す。この所定の角度αは、外部磁場４２がスピンフロップ値Ｂ_ＳＦに一致する時に最大であり、外部磁場４２の大きさがスピンフロップ値Ｂ_ＳＦを超えた時に減少する。外部磁場４２が、飽和磁場値Ｂ_ＳＡＴで印加される時に、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とがほぼ平行になる。

さらに特に、図４ａの例では、第２記憶磁化方向２３４が、スピンフロップ値Ｂ_ＳＦの上で且つ飽和磁場値Ｂ_ＳＡＴの下にある大きさを有する外部磁場４２と一緒に指向され、読み出し磁化方向２１０のうちの１つの読み出し磁化方向と反対の方向（図６の磁化曲線の部分ａ）に指向される。ここでは、外部磁場４２が、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とを読み出し磁化方向２１０に対して約１８０°−α／２の角度で指向させる。磁気トンネル接合２を低温度閾値に冷却した後で且つ外部磁場４２の無印加中では、第２記憶磁化方向２３４の方向が変化していない一方で、第１記憶磁化方向２３３が、第２記憶磁化方向２３３に対して反平行に指向されるようになる結果、読み出し磁化方向２１０に対して角度α／２を成す（図５ａ）。この配列は、磁気トンネル接合２の磁気抵抗の第１中間値に対応し、図５ａ中の数字「０１」によって示された第３状態レベルに対応する。

図４ｄの例では、第２記憶磁化方向２３４が、スピンフロップ値Ｂ_ＳＦの上で且つ飽和磁場値Ｂ_ＳＡＴの下にある大きさを有する外部磁場４２と一緒に同様に指向されるものの、読み出し磁化方向２１０のうちの１つの読み出し磁化方向と同じ方向（図６の磁化曲線の部分ｄ）に指向される。この場合、外部磁場４２が、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とを読み出し磁化方向２１０に対して約α／２の角度で指向させる。磁気トンネル接合２を低温度閾値に冷却した後で且つ外部磁場４２の無印加中では、第１記憶磁化方向２３３の方向が、第２記憶磁化方向２３４に対して反平行に指向されるようになる結果、読み出し磁化方向２１０に対して角度１８０°−α／２を成す（図５ｄ）。この配列は、磁気トンネル接合２の磁気抵抗の第２中間値に対応し、図５ｄ中の数字「１０」によって示された第４状態レベルに対応する。

ここで開示された方法は、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との、スピンフロップ値Ｂ_ＳＦ未満の大きさとスピンフロップ値Ｂ_ＳＦ以上との当該２つの反対方向にある外部磁場４２を印加することによって、少なくとも４つの異なる状態レベルを記憶することを可能にする。

上述したような書き込み操作を実行する時に磁気トンネル接合２を加熱するステップは、外部磁場を発生させる第２電流線５だけを使用することによって、当該異なる状態レベルを書き込むことを可能にする。したがって、従来の多くの磁気ランダムアクセスメモリセルのように、第２電流線５に対して垂直に一般的に配置されたもう１つの電流線が必要とされない。さらに、第１電流線４が、加熱電流３１を通電させる機能と磁界電流４１を通電させる機能との双方を満たしている場合は、第１電流線４だけが、当該異なる状態レベルを磁気ランダムアクセスメモリセル１に書き込むために要求される。

従来の技術で知られているように、合成反強磁性記憶層２３内の磁気結合の強さは、非磁性の記憶反平行結合層２３２の厚さに依存する。その結果、外部磁場４２が、スピンフロップ値Ｂ_ＳＦ以上で印加される時に、より大きい角度αが、当該記憶反平行結合層２３２の厚さを調整することによって得られる。

次いで、読み出し操作が、当該書き込まれた状態レベルを読み出すことによって実行され得る。当該読み出し操作中では、磁気トンネル接合２の接合抵抗（Ｒ_ＭＴＪ）を測定するため、読み出し電流３２が、例えば選択トランジスタを飽和モードにセットすることによって第１電流線４を通じて磁気トンネル接合２に選択的に通電される。当該抵抗状態が、測定された接合抵抗（Ｒ_ＭＴＪ）を基準の磁気ランダムアクセスメモリセル（図示せず）に対して測定された基準抵抗と比較することによって決定され得る。

図７〜１１中に示された実施の形態では、外部磁場４２が、合成反強磁性記憶層２３の異方性軸６０に対してほぼ垂直に印加される一方で、磁気トンネル接合２が、所定の高温閾値で加熱される。さらに特に、図７及び８は、当該実施の形態による、第１記憶強磁性層２３０と第２記憶強磁性層２３１とを有する合成反強磁性記憶層２３の横から見た概略的な断面（図７）と上から見た概略的な断面（図８）を示す。記憶反平行結合層２３２を通じた２つの記憶磁化方向２３３，２３４の結合に起因して、第１記憶磁化方向２３３が、第２記憶磁化方向２３４に対して反平行に示されている。この第１記憶磁化方向２３３とこの第２記憶磁化方向２３４とは、異方性軸６０に対してほぼ平行に整合されている。

外部磁場４２が、異方性軸６０に対してほぼ垂直に印加される場合、図１１中の対応する磁化曲線が、図６の磁気曲線のようなヒステリシスループの開口部分と磁化量Ｍの急上昇とを示さない。その代わりに、印加された外部磁場４２が、飽和磁場Ｈ_ＳＡＴに到達するまで、当該磁化Ｍは、印加された外部磁場４２の大きさＢと共に線形に変化する。

外部磁場４２を印加している時の第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との配列が、図９ａ〜９ｄ中に示されている。図１０ａ〜１０ｄは、磁気トンネル接合２を低温閾値に冷却した後で且つ外部磁場４２の無印加中の、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との配列を示す。

さらに特に、図９ａ及び９ｂでは、外部磁場４２が、読み出し磁化方向２１０のうちの１つの読み出し磁化方向に対して反対の方向に（図９の左側に向かって）印加される。第２記憶磁化方向２３４が、外部磁場４２の作用化で第２異方性軸６０に沿ってその最初の上向きの位置から下向きに移動される。第１記憶磁化方向２３３が、第２記憶磁化方向２３４に対して角度αを成すように、第１記憶磁化方向２３３が、その最初の下向きの位置から上向きに移動される。

印加された外部磁場４２が増大すると、角度αの値が減少する。図９ａでは、外部磁場４２の大きさが、図９ｂ中の外部磁場４２より大きく、また第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との成す生じする角度αがより小さい。図９ａでは、第１記憶磁化方向２３３が、読み出し磁化方向２１０に対してほとんど反平行になる。印加された外部磁場４２が、飽和磁場Ｂ_ＳＡＴに対応する大きさに到達した時に、読み出し磁化方向２１０に対してほぼ反平行の第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とが得られる。磁気トンネル接合２を低温閾値に冷却した後で且つ外部磁場４２の無印加中に、第１記憶磁化方向２３３が、第２記憶磁化方向２３４に対してほぼ反平行に指向されるようになる（図１０ａ及び１０ｂ）。図１０ａの構成では、角度α／２が、小さい（読み出し磁化方向２０１に対してほぼ平行である）結果、磁気トンネル接合２の磁気抵抗が小さくなり、図１０ａ中の数字「００」によって示された第１状態レベルに相当する。図１０ｂの構成は、磁気トンネル接合２を第１中間値にさせて数字「０１」によって示された第２状態レベルにさせる。

図９ｃ及び９ｄでは、外部磁場４２が、図９ａ及び９ｂのうちの１つの図に対してほぼ反対方向に印加される。その結果、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とが、読み出し磁化方向２１０に向かって指向される。磁気トンネル接合２を低温閾値に冷却した後で且つ外部磁場４２の無印加中に、第１記憶磁化方向２３３が、読み出し磁化２１０に対して１８０°−α／２の角度に指向されるようになる。その結果、磁気トンネル接合２の磁気抵抗が、第２中間値になり、数字「１０」によって示された第３状態レベルになる。図１０ｄでは、１８０°−α／２の角度の値は、第１記憶磁化方向２３３が読み出し磁化方向２１０に対してほぼ反平行に指向されるようになる値である結果、磁気トンネル接合２の磁気抵抗が大きくなって、数字「１１」によって示された第４状態レベルになる。

外部磁場４２が、異方性軸６０に対してほぼ垂直に印加される図７〜１１の実施の形態では、実際には、外部磁場４２の大きさが、飽和磁場値Ｂ_ＳＡＴに到達するまでに、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との間の角度αの値が、印加された外部磁場４２の大きさと共に連続して減少する。当該飽和磁場値Ｂ_ＳＡＴでは、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４とは、ほぼ平行であり且つ同じ方向に指向される。

このことは、図１２ａ〜１２ａの実施の形態で示されている。この場合、外部磁場４２が、図１４中に示された磁化曲線の部分（ａ）〜（ｄ）に対応して増大する大きさで図１２中の左に向かって印加される時に、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との幾つかの配列が得られる。

さらに特に、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との間の角度αは、外部磁場４２が飽和磁場値Ｂ_ＳＡＴ（図１１の磁化曲線の部分「ａ」）で印加される時の０°に近い値から外部磁場４２が零に近い大きさで印加される時の１８０°に近い値まで変化する。図１２ａ〜１２ｄは、複数の構成を示す。この場合、図１４の磁化曲線のそれぞれの部分（ｂ）〜（ｄ）によって示されているように、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との間の角度αが、外部磁場４２を減少させると共に増大する。図１３ａ〜１３ｄは、磁気トンネル接合２を低温閾値に冷却した後で且つ外部磁場４２の無印加中の、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との配列を示す。

図１３ａでは、第１記憶磁化方向２３３が、磁気トンネル接合２の低い値の磁気抵抗に対応し且つ数字「００」によって示された第１状態レベルに対応する読み出し磁化方向２１０に対してほぼ平行に指向される。図１３ａ〜１３ｄ中に示されたように、第１記憶磁化方向２３３と読み出し磁化方向２１０との間の増大している角度α／２が、数字「００」、「０１」、「１０」及び「１１」によって示された異なる４つの状態レベルに対応する。したがって、図１２〜１４の実施の形態によれば、磁気トンネル接合２が、印加される外部磁場４２を対応する磁化曲線に沿って飽和磁場値Ｂ_ＳＡＴから下に変化させることによって複数の状態レベルで書き込まれ得る。

図１４の磁化曲線の傾斜が、第１記憶磁化方向２３３と第２記憶磁化方向２３４との間の磁気結合を変化させることによって変更され得る。当該変更は、記憶反平行結合層２３２の厚さを変更することによって及び／又は第１記憶強磁性層２３０と第２記憶強磁性層２３１との材料及び厚さを変更することによって達成され得る。例えば、より急こう配の磁化曲線が、第１記憶強磁性層２３０と第２記憶強磁性層２３１との厚さを増大させることによって得られる。急こう配を呈する図１４の磁化曲線は、異なって印加される外部磁場４２において抵抗のより大きい増大を可能にする。その結果、異なる状態レベルの書き込みが、より小さい外部磁場４２によって実行され得る。

図示しなかった別の実施の形態では、読み出し層２１が、低保持力の軟磁性材料から製造される。当該軟磁性材料には、一般に鉄、コバルト、ニッケル又はこれらの合金がある。記憶層２３とは違って、読み出し層２１は、偏向されない。当該読み出し磁化方向２１０が、例えば熱擾乱に起因して自由に変更され得る１つの方向を有する。すなわち、当該方向の大きさが、磁場に自由に整合され得る。

ここでは、読み出し操作が、本出願人による欧州特許第２２７６０３４号中に記されているような自己参照読み出し操作に基づかれ得る。さらに特に、当該読み出し操作は、第１読み出しサイクルでは第１極性を呈する第１読み出し電流を第２電流線５（又は可能ならば第１電流線４）に通電させるステップを有する。当該第１読み出し界磁電流が、この第１読み出し界磁電流の第１極性に応じて読み出し磁化方向２１０を整合された第１磁化方向に整合可能な第１読み出し磁場を誘導させる。次いで、磁気トンネル結合２の結合抵抗Ｒ_１を測定するため、読み出し層２１の整合された第１磁化方向が、当該読み出し電流を磁気トンネル結合２に通電させることによって書き込み状態レベルと比較される。

第２読み出し界磁電流の第２極性に応じて読み出し磁化方向２１０を整合された第２磁化方向に整合可能な第２読み出し磁場を誘導させるため、このような自己参照読み出し操作は、第２読み出しサイクルでは第２極性を呈する第２読み出し界磁電流を第２電流線５（又は第１電流線４）に通電させるステップをさらに有する。磁気トンネル結合２の結合抵抗Ｒ_２を測定するため、読み出し層２１の整合された第２磁化方向が、当該読み出し電流を電流線４経由で磁気トンネル結合２に通電させることによって書き込み状態レベルと比較される。次いで、書き込み状態レベルが、第１抵抗Ｒ_１値と第２抵抗値Ｒ_２との差を測定することによって決定され得る。

図示しなかった別の実施の形態では、第１読み出し電流の交互する極性に応じて、この第１読み出し電流が、交番極性を有し且つ読み出し磁化方向２１０に交互に整合する第１読み出し交番磁場を誘導させる。読み出し磁化方向２１０の磁化方向を完全に切り替えることなしに、当該交互する第１読み出し電流が、この読み出し磁化方向２１０を交互に整合させる。その結果、測定される第１抵抗値Ｒ_１が、変化する読み出し磁化方向２１０と共に交互に変化し、書き込み状態レベルが、変化する第１抵抗値Ｒ_１を交互する第１読み出し電流と比較することによって決定され得る。

１ 磁気ランダムアクセスメモリセル
２ 磁気トンネル接合
２１ 読み出し層
２２ トンネル障壁層
２３ 記憶層
２１０ 読み出し磁化方向
２３０ 第１記憶強磁性層
２３１ 第２記憶強磁性層
２３２ 記憶反平行結合層
２３３ 第１記憶磁化方向
２３４ 第２記憶磁化方向
２４ 反強磁性記憶層
２５ 反強磁性読み出し層
４ 第１電流線
３１ 加熱電流
３２ 読み出し電流
５ 第２電流線
４１ 界磁電流
４２ 外部磁場
６０ 異方性軸

α 角度
Ｂ 外部磁場の値
Ｂ_ＳＡＴ 外部磁場の飽和
Ｂ_ＳＦ 外部磁場のスピンフロップ値
Ｍ 生じる磁化

Claims (9)

1. ２データビット以上のデータビットを磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに対して書き込み読み出すための方法であって、
   当該磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、読み出し磁化方向を呈する読み出し層と、トンネル障壁層と、記憶層と、記憶層に対してトンネル障壁層と反対側に隣接した反強磁性記憶層とから形成され、
   前記記憶層は、第１記憶磁化方向を呈する第１記憶強磁性層と、第２記憶磁化方向を呈する第２記憶強磁性層と、この第１記憶磁化方向とこの第２記憶磁化方向とを磁気的に結合させる記憶反平行結合層とから構成され、前記反強磁性記憶層は、前記記憶層と交換結合して、第２記憶磁化方向が低温閾値の温度でピン止めされ、高温閾値で自由に指向し得るように形成されている当該方法において、
   当該方法は、前記磁気トンネル接合を高温閾値で加熱するステップと、前記第１記憶磁化方向が前記第２記憶磁化方向に対して所定の複数の角度の中の一つの角度を成すとともに、前記第２記憶磁化方向が前記読み出し磁化方向に対して一つの角度を成すように外部磁場を印加することにより、前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向とを指向させるステップと、前記第２記憶磁化方向を前記の所定の角度に固定するとともに、前記第１記憶磁化方向を第２記憶磁化方向に対して反平行に指向させるために、前記磁気トンネル接合を低温閾値に冷却するステップとから成り、
   前記第１記憶磁化方向を前記読み出し磁化方向に対して指向させることによって決定される前記磁気トンネル接合の所定の複数の抵抗状態レベルの中の一つを実現するために、前記所定の複数の角度の中の一つの角度を０°と１８０°の間の如何なる値にすることもでき、この所定の角度が前記外部磁場の大きさ及び方向に応じて決定される、
   方法。
2. 前記外部磁場は、前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向との異方性軸に対してほぼ平行に印加される請求項１に記載の方法。
3. 前記外部磁場の大きさが、スピンフロップ値以下又はスピンフロップ値を超える請求項２に記載の方法。
4. 前記外部磁場は、前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向との異方向軸に対してほぼ垂直に印加される請求項３に記載の方法。
5. 前記外部磁場の大きさは、前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向との飽和磁場値以下の範囲内で変更される請求項４に記載の方法。
6. 前記読み出し層の読み出し磁化方向が、前記記憶磁化方向に対して固定され、さらに、前記磁気トンネル接合の接合抵抗を測定するため、読み出し電流が、この磁気トンネル接合に通電される請求項１に記載の方法。
7. 前記読み出し層の読み出し磁化方向が、自由に変更され得る方向を有し、
   当該方法は、前記磁気トンネル接合の第１接合抵抗を測定するために、前記読み出し磁化方向を整合された第１記憶磁化方向に整合させるステップと、前記磁気トンネル接合の第２接合抵抗を測定するために、前記読み出し磁化方向を整合された第２磁化方向に整合させるステップと、前記第１接合抵抗と前記第２接合抵抗との差を決定するステップとをさらに有する請求項１に記載の方法。
8. 前記読み出し磁化方向を整合された第１記憶磁化方向に整合させるステップは、第１極性を呈する第１読み出し電流を電流線に通電させ、前記読み出し磁化方向を整合された第２記憶磁化方向に整合させるステップは、第２極性を呈する第２読み出し電流を電流線に通電させる請求項７に記載の方法。
9. 前記第１記憶磁化方向と前記第２記憶磁化方向との前記飽和磁場値は、前記記憶反平行結合層の厚さを変更することによって又は前記第１記憶強磁性層と前記第２記憶強磁性層との厚さを変更することによって変更される請求項５に記載の方法。

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