(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱支援書き込み処理を備えるＭＲＡＭタイプの磁気メモリ装置であって、
前記磁気メモリ装置は、複数のメモリセルから構成されていて、
各メモリセルは、データが書き込み処理中に書き込まれ得る磁気記憶層と、この書き込み処理中に何時でもほぼ同じ方向に常にある磁化を有する基準層と、この基準層と前記記憶層との間の絶縁層とから形成された磁気トンネル接合を有する当該磁気メモリ装置において、
前記磁気記憶層は、強磁性記憶層と反強磁性記憶層とを有し、
この磁気トンネル接合は、３ｄ−４ｆアモルファスフェリ磁性合金から成り、且つ３ｄ遷移元素のサブ格子から生じる第一磁化成分と、４ｆ希土類元素のサブ格子から生じる第二磁化成分とから成る合成磁化を呈する書込層をさらに有する結果、前記磁気トンネル接合が、前記反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ１から出発し、接合電流パルスが、前記磁気トンネル接合に通電されることによって、この磁気トンネル接合は、前記ブロック温度ＴＢＳより高く且つ前記書込層の補償温度ＴＣＯＭＰより高く且つ前記書込層のキュリー温度より低い温度Ｔ２に加熱されて前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって前記書込層の前記第一磁化成分が反転され、前記磁気トンネル接合が、前記補償温度ＴＣＯＭＰより低く且つ前記ブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下げられ、前記書込層の前記第二磁化成分が反転され、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより僅かに高い温度Ｔ４に下げられて前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって強磁性記憶層の磁化が反転され、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ５にさらに下げられて前記強磁性記憶層の磁化が凍結されるように、当該熱支援書き込み処理が実行される当該磁気メモリ装置。
【請求項２】
前記書込層の前記合成磁化は、前記書込層の補償温度ＴＣＯＭＰより低い温度において前記第二磁化成分によって支配され、補償温度ＴＣＯＭＰより高い温度において前記第一磁化成分によって支配されることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項３】
前記書込層は、Ｇｄ，Ｓｍ又はＴｂを伴うＣｏ又はＦｅを含有する合金から成ることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項４】
前記磁気トンネル接合は、前記書込層と前記記憶層の間の非磁性のスペーサ層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項５】
前記記憶層は、強磁性記憶層と反強磁性記憶層とから構成され、この反強磁性記憶層は、ブロック温度ＴＢＳを呈し、前記基準層は、このブロック温度ＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲを呈する反強磁性基準層を有することを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ装置。
【請求項６】
前記書込層の前記補償温度ＴＣＯＭＰは、前記反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより高く且つ前記反強磁性基準層のブロック温度ＴＢＲより低いことを特徴とする請求項５に記載の磁気メモリ装置。
【請求項７】
複数のメモリセルから成る磁気メモリ装置に書き込みするための方法であって、
各メモリセルが、前記書き込み処理中に反転され得る磁化を呈する強磁性記憶層と反強磁性記憶層とを有する磁気記憶層と、この書き込み処理中に何時でもほぼ同じ方向に常にある磁化を有する基準層と、この基準層と前記記憶層との間の絶縁層とから形成された磁気トンネル接合を有し、
この磁気トンネル接合は、３ｄ−４ｆアモルファスフェリ磁性合金から成り、且つ３ｄ遷移元素のサブ格子から生じる第一磁化成分と、４ｆ希土類元素のサブ格子から生じる第二磁化成分とから成る合成磁化を呈する書込層をさらに有する当該方法において、
当該方法は、前記磁気トンネル接合が、前記反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ１である工程１と、接合電流パルスが、前記磁気トンネル接合に通電されることによって、この磁気トンネル接合は、前記ブロック温度ＴＢＳより高く且つ前記書込層の補償温度ＴＣＯＭＰより高く且つ前記書込層のキュリー温度より低い温度Ｔ２に加熱され、前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって前記書込層の前記第一磁化成分が反転される工程２と、前記磁気トンネル接合が、前記補償温度ＴＣＯＭＰより低く且つ前記ブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下げられ、前記書込層の前記第二磁化成分が反転される工程３と、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより僅かに高い温度Ｔ４に下げられ、前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって強磁性記憶層の磁化が反転される工程４と、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ５にさらに下げられ、前記強磁性記憶層の磁化が凍結される工程５とから成る当該方法。
【請求項８】
前記反強磁性記憶層は、ブロック温度ＴＢＳを有し、前記磁気トンネル接合が、このブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ１にあるときに、前記書込層の前記合成磁化が、前記第二磁化成分によって支配されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記合成磁化は、前記書込層の、補償温度ＴＣＯＭＰより高い温度と、補償温度ＴＣＯＭＰより低い温度とのそれぞれにおいて、前記第一磁化成分と前記第二磁化成分とによって支配され、
前記第一磁化成分の磁化を反転させることは、前記磁気トンネル接合がブロック温度ＴＢＳより高く且つ補償温度ＴＣＯＭＰより高いものの、前記書込層と前記反強磁性記憶層とのキュリー温度より低い温度Ｔ２で加熱されることによって実行される請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第二磁化成分の磁化を反転させることは、前記磁気トンネル接合が補償温度ＴＣＯＭＰより低いがブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３にあるときに実行され、
前記強磁性記憶層の磁化を反転させることは、前記ブロック温度ＴＢＳより僅かに高い温度Ｔ４において実行され、前記強磁性記憶層の磁化が凍結される請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記磁気トンネル接合は、この磁気トンネル接合を通じて接合電流パルスを通電することによって温度Ｔ２で加熱される請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電子システムでデータを記憶読取るように使用された磁気メモリ、特に非揮発性ランダムアクセス磁気メモリの分野に関する。さらに、特に、この発明は磁気トンネル接合に基づいたＭＲＡＭとして参照された磁気ランダムアクセスメモリと熱支援書き込み構成を使用するトンネル接合ベースＭＲＡＭに使用された接合書き込み処理の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリＭＲＡＭは周辺温度で強い磁石抵抗を有する磁気トンネル接合（ＭＴＪ）の発見による新たな関心の目的であった。これら磁気ランダムアクセスメモリが速度（書き込みと読み取りの数ナノセカンドの期間）、非揮発性、イオン化放射に対する無感性のような多くの利点を表す。結局、それらは充填状態の蓄電器（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ）に基づいたさらに従来技術を使用するメモリを益々と取り替える。
【０００３】
従来のＭＴＪベースＭＲＡＭでは、磁気セルは幾つかの交互に磁気と非磁気金属層のスタックから成る接合を有する要素から成る。従来のＭＴＪベースＭＲＡＭ装置の例は、米国特許第５６４０３４３号明細書（特許文献１）に記載されている。その最も簡単な形態では、ＭＴＪベースＭＲＡＭの接合は、第一層、即ち基準層が一定磁化により特徴付けられ、第二層、即ち記憶層が方向を変化させ得る磁化により特徴付けられる絶縁薄層により分離された異なった強制の二つの磁気層から形成される。基準層と記憶層のそれぞれの磁化が反平行であるならば、接合の抵抗が高い。言い換えると、それぞれの磁化が平行であるならば、抵抗が低くなる。
【０００４】
選択的に、基準層と記憶層が鉄、コバルト或いはニッケル或いはそれら合金のような３ｄ金属から形成されている。偶発的に、硼素がアモルファス形態学と平らなインターフェイスを得るために層組成物に加えられる。典型的には、絶縁層がアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）或いは酸化マグネシウム（ＭｇＯ）から成る。選択的に、基準層がそれ自体に例えば米国特許第５５８３７２５号明細書（特許文献２）に記載される如く幾つかの層から成り、合成非強磁性層を形成する。「磁力と磁気材料のジャーナル」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）第２２３巻（２００１年）、第２９３頁（非特許文献１）に斉藤他により報告書に記載された二重トンネル接合が使用され得る。この場合には、記憶層が二つの薄絶縁層間にサンドイッチになっていて、二つの基準層が薄絶縁層の各対向側面に位置されている。
【０００５】
図１は記憶層２１、絶縁層２２と基準層２３から成る接合２が選択ＣＭＯＳトランジスタ３とワード電流ライン４の間に配置されている従来のＭＴＪベースＭＲＡＭのメモリセル１を示す。ビット電流ライン５はワード電流ライン４と垂直に置かれている。電流がワードライン４とビット電流ライン５に流れるならば、ワードとビット磁界４１と５１がそれぞれに発生される。電流は１０ｍＡの程度の大きさを有する２から５までのナノセカンドの典型的に短い電流パルスである。追加制御電流ライン６がトランジスタ３の開放或いは閉鎖を制御するように意図されて各メモリセルに個々にアドレスする。
【０００６】
書き込み処理中にトランジスタ３がブロックモード（オフ）であり、電流が接合２を通過しない。電流パルスの強度とその同期は、二つの電流ラインの交点に位置された記憶層２１の磁化のみがワード磁界４１とビット磁界５１の組合せ効果の下で切り換えできる。
【０００７】
読取り処理中にトランジスタ３が飽和モード（オン）であり、接合電流が接合２を通って流れてメモリセル１の接合抵抗の測定を可能とする。メモリセル１の状態は基準メモリセル１の抵抗と測定された抵抗とを比較することにより決定される。例えば、記憶層２１の磁化が「０」の値に一致する基準層２３の磁化と平行であるときに、低接合抵抗が測定される。逆に、基準層２３の磁化と反平行である記憶層２１の磁化が「１」の値に一致する高接合抵抗を生じる。
【０００８】
このタイプの従来のＭＴＪベースＭＲＡＭの基礎構造は米国特許第４９４９０３９号明細書（特許文献３）と米国特許第５１５９５１３号明細書（特許文献４）に詳細に記載されている一方、米国特許第５３４３４２２号明細書（特許文献５）はＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に基づいたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）の手段に関する。
【０００９】
上記書き込み機構のタイプは幾つかの不利益を有する。特に記憶層２１の磁化の反転が外界の効果の下で発生されるから、そして反転界が静止的に分布されるから、上或いは下ワード或いはビット電流ライン４、５に沿って発生された磁界の効果により簡単にある近傍接合を偶発的に反転することができる。サブミクロン寸法を有するメモリセルを備える高密度メモリのために、アドレスミスの数が多い。メモリセル大きさの減少は個々の反転界の値の増加を導き、メモリセルを書き込みするより高い電流を必要とし、回路消費を増加させる。結局、二つの電流ラインを使用する書き込みモードが集積密度を制限する。
【００１０】
上記ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に関する改良は、米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書（特許文献６）に記載され且つ図２に表現された熱支援書き込み処理である。そのような熱支援ＭＲＡＭの接合２の特性は、基準層２３と記憶層２１の両方が交換されることである。さらに、正確に基準層２３と記憶層２１が隣接反強磁性基準層２４と反強磁性記憶層２１ｂとの相互作用によりピン止めされ、反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳが反強磁性基準層２４のブロック温度ＴＢＲより小さい。
【００１１】
熱支援書き込み処理中に、１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の間に成形された大きさを有し且つ幾つかのナノセカンドを持続する接合電流パルス３１が接続電流ライン７と接合２（トランジスタＯＮを備える）を通して送られ、接合の温度を約１２０−２００℃に上昇させ、ＴＢＳとＴＢＲの間に横たわり、強磁性記憶層２１と反強磁性記憶層２１ｂの間の磁気連結が消える。接合２が冷却される一方、適度なワード磁界４１がワード電流ライン４に電流を流すことによって印加されて、記憶層２１の磁化の反転を許す。
【００１２】
読取り処理が接合（トランジスタＯＮを備える）を通過する測定電流を形成することにより実施されて、接合抵抗を測定し、前記抵抗値から記憶層の磁化の配向を推論する。測定電流が接合の僅かな加熱を生じる書き込み処理中に使用された電流より低い。
【００１３】
熱支援書き込み処理を備える同様なＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は米国特許出願公開第２００５１８０２０２号明細書（特許文献１３）に開示されている。ここで、磁気要素は強磁性自由層、強磁性ピン止め層、自由層とピン止め層の間のスペーサ層１２０から成る。磁気要素はさらに自由層１３０に交換結合する熱支援スイッチング層から成り、約１５０℃のブロック温度以下の温度に自由層１３０の磁化をピン止める。
【００１４】
従来のＭＴＪベースＭＲＡＭと対照して、上記熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は反強磁性記憶層２１ｂのピン止めによる記憶層２１の著しく改良された熱安定性によって特徴付けられる。改良された書き込み選択性は、周辺温度に残留する近傍メモリセルと比較して、書き込みされるメモリセルの選択的加熱により実施される。熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は、メモリセル１を加熱するのに必要とされた電力が従来のＭＴＪベースＭＲＡＭ構造に磁化を発生させるように必要とされた電力以下であるので、周辺温度で高磁気異方性；安定性限度を影響させることなしにより高い集積密度と；書き込み処理中の減少電力消費を備える材料を使用することにより零磁界（保持）により良い安定性を可能とする。
【００１５】
しかしながら、上記熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭにより、記憶層磁化を切り換えるために適切である磁界を発生させるために、即ち３０−５０Ｏｅのために供給される電流がｍＡ範囲にある。この電流は低電力消費利用にはあまりに大過ぎであり、セル大きさが減少されるときに、連続的に増加する。
【００１６】
記憶層の磁化の切り換え用のスピン偏極電流を使用することにより電流ワードとビットラインの使用を回避する選択的熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭ構造は、米国特許出願公開第２００５０１０４１０１号明細書（特許文献７）、米国特許第６６０３６７７号明細書（特許文献８）と米国特許第６５３２１６４号明細書（特許文献９）に提案されていた。しかしながら、提案された解決手段は、低電力利用のために適していなく、メモリセルの合理的な低アスペクト比を保持しつつ、長期間にわたる情報の安定性を保証できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】米国特許第５６４０３４３号明細書
【特許文献２】米国特許第５５８３７２５号明細書
【特許文献３】米国特許第４９４９０３９号明細書
【特許文献４】米国特許第５１５９５１３号明細書
【特許文献５】米国特許第５３４３４２２号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２００５００２２２８号明細書
【特許文献７】米国特許出願公開第２００５０１０４１０１号明細書
【特許文献８】米国特許第６６０３６７７号明細書
【特許文献９】米国特許第６５３２１６４号明細書
【特許文献１０】米国特許第６３８５０８２号明細書
【特許文献１１】米国特許出願公開第２００５０４０４３３号明細書
【特許文献１２】米国特許第７１２９５５５号明細書
【特許文献１３】米国特許出願公開第２００５１８０２０２号明細書
【非特許文献】
【００１８】
【非特許文献１】「磁力と磁気材料のジャーナル」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ  ａｎｄ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）第２２３巻（２００１年）、第２９３頁。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
この発明の目的は、先行技術の少なくとも幾つかの限定を克服する熱支援書き込み手順を備えて且つ低電力消費であるＭＲＡＭタイプの磁気メモリ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この課題は、熱支援書き込み処理を備えるＭＲＡＭタイプの磁気メモリ装置であって、
前記磁気メモリ装置は、複数のメモリセルから構成されていて、
各メモリセルは、データが書き込み処理中に書き込まれ得る磁気記憶層と、この書き込み処理中に何時でもほぼ同じ方向に常にある磁化を有する基準層と、この基準層と前記記憶層との間の絶縁層とから形成された磁気トンネル接合を有する当該磁気メモリ装置において、
前記磁気記憶層は、強磁性記憶層と反強磁性記憶層とを有し、
この磁気トンネル接合は、３ｄ−４ｆアモルファスフェリ磁性合金から成り、且つ３ｄ遷移元素のサブ格子から生じる第一磁化成分と、４ｆ希土類元素のサブ格子から生じる第二磁化成分とから成る合成磁化を呈する書込層をさらに有する結果、前記磁気トンネル接合が、前記反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ１から出発し、接合電流パルスが、前記磁気トンネル接合に通電されることによって、この磁気トンネル接合は、前記ブロック温度ＴＢＳより高く且つ前記書込層の補償温度ＴＣＯＭＰより高く且つ前記書込層のキュリー温度より低い温度Ｔ２に加熱されて前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって前記書込層の前記第一磁化成分が反転され、前記磁気トンネル接合が、前記補償温度ＴＣＯＭＰより低く且つ前記ブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下げられ、前記書込層の前記第二磁化成分が反転され、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより僅かに高い温度Ｔ４に下げられて前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって強磁性記憶層の磁化が反転され、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ５にさらに下げられて前記強磁性記憶層の磁化が凍結されるように、当該熱支援書き込み処理が実行されることによって解決される。
さらに、この課題は、複数のメモリセルから成る磁気メモリ装置に書き込みするための方法であって、
各メモリセルが、前記書き込み処理中に反転され得る磁化を呈する強磁性記憶層と反強磁性記憶層とを有する磁気記憶層と、この書き込み処理中に何時でもほぼ同じ方向に常にある磁化を有する基準層と、この基準層と前記記憶層との間の絶縁層とから形成された磁気トンネル接合を有し、
この磁気トンネル接合は、３ｄ−４ｆアモルファスフェリ磁性合金から成り、且つ３ｄ遷移元素のサブ格子から生じる第一磁化成分と、４ｆ希土類元素のサブ格子から生じる第二磁化成分とから成る合成磁化を呈する書込層をさらに有する当該方法において、
当該方法は、前記磁気トンネル接合が、前記反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ１である工程１と、接合電流パルスが、前記磁気トンネル接合に通電されることによって、この磁気トンネル接合は、前記ブロック温度ＴＢＳより高く且つ前記書込層の補償温度ＴＣＯＭＰより高く且つ前記書込層のキュリー温度より低い温度Ｔ２に加熱され、前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって前記書込層の前記第一磁化成分が反転される工程２と、前記磁気トンネル接合が、前記補償温度ＴＣＯＭＰより低く且つ前記ブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下げられ、前記書込層の前記第二磁化成分が反転される工程３と、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより僅かに高い温度Ｔ４に下げられ、前記書込層と前記強磁性記憶層との静磁気相互作用によって強磁性記憶層の磁化が反転される工程４と、前記磁気トンネル接合が、前記ブロック温度ＴＢＳより低い温度Ｔ５にさらに下げられ、前記強磁性記憶層の磁化が凍結される工程５とから成ることによって解決される。
【００２１】
一実施例では、書込層の合成磁化が書込層の補償温度ＴＣＯＭＰ以下の温度で第二磁化成分によって支配され、そして補償温度ＴＣＯＭＰ以上の温度で第一磁化成分によって支配される。
【００２２】
一実施例では、書込層が記憶層の頂部に配置され得て、１０乃至１００ｎｓの厚さを有する。
【００２３】
他の実施例では、書込層がＧｄＣｏ，ＳｍＣｏ，或いはＴｂＦｅＣｏから構成されている。
【００２４】
さらに、他の実施例では、磁気トンネル接合がさらに、書込層と記憶層の間の非磁性のスペーサ層から成る。
【００２５】
さらに、他の実施例では、記憶層は、強磁性記憶層と反強磁性記憶層とから成る。強磁性記憶層が永久合金（Ｎｉ８０Ｆｅ２０），Ｃｏ９０Ｆｅ１０，或いはＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉを含有する他の合金から成るグループから選択された強磁性材料から形成され、そして１乃至１０ｎｍの程度の厚さを有する。
【００２６】
さらに、他の実施例では、反強磁性記憶層がＩｒＭｎ或いはＦｅＭｎのようなマンガンベース合金から形成される。反強磁性記憶層がさらに１２０℃から２２０℃までの適度なブロック温度ＴＢＳを有する。
【００２７】
さらに、他の実施例では、基準層は第一強磁性基準層と第二強磁性基準層とから成り、それら第一と第二強磁性基準層の間に非強磁性基準層を挿入することにより反強磁性的に連結されている。強磁性基準層がＦｅ，Ｃｏ，或いはＮｉベース合金から形成される。反強磁性基準層が反強磁性記憶層のブロック温度ＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲを有する。
【００２８】
さらに、他の実施例では、強磁性基準層の一つが反強磁性記憶層によってピン止めされる。反強磁性記憶層がＰｔＭｎ或いはＮｉＭｎから形成される。
【００２９】
さらに、他の実施例では、絶縁層がＡｌ２Ｏ３とＭｇＯから成るグループから選択された材料から形成される。
【００３０】
さらに、他の実施例では、熱障壁層が接合の頂部と底部に加えられる。熱障壁がＢｉＴｅ或いはＧｅＳｂＴｅから形成される。
【００３１】
さらに、他の実施例では、磁気メモリ装置の各メモリセルの各接合が書込層の側で接続電流ラインに接続され、反対側で接続電流ラインと垂直に置かれた制御電流ラインと接続されている。
【００３２】
この開示は、記憶層の磁化を回転させるために、接合電流パルスを使用する接合の加熱と書込層の合成磁化により発生された静磁界とを組合せにより実施された書き込み処理に関する。ここでは、接合を加熱することは強磁性記憶層の反転界の減少を可能とする。
【００３３】
一実施例では、この方法は、強磁性層の磁化とほぼ反平行に書込層の第一磁化成分の磁化を反転させること；
第一磁化成分とほぼ反平行に書込層の第二磁化成分の磁化を反転させること；
書込層の合成磁化に関してほぼ反平行に強磁性記憶層の磁化を反転させることから成る。
【００３４】
この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭは、ワードとビット電流ラインの使用を回避し、結局、かなり低い電力消費を有し、さらに先行技術の従来の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭと比較して容易に一定の割合で減少され得る。さらに、ワードとビット電流ラインが使用されるときの場合には、提案された書き込み処理がスイッチング分野範囲から独立であるから、アドレスミスが減少されて、さらに確実なデータ書き込みが得られる。
【００３５】
熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭにスピン偏極電流を使用する書き込み処理と対照して、この発明の書き込み処理に書込層の磁化により発生された静磁界の使用は、低電流密度によるより良い電力消費性能と、反強磁性記憶層と記憶層との交換結合による接合のより良い熱安定性を生じる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
この発明は、例として与えられ且つ図により例示された実施例の記載によってより良く理解される。
【図１】先行技術による磁気トンネル接合メモリセルの概略図を示す。
【図２】先行技術による熱支援ＭＲＡＭのメモリセルと対応接合を表す。
【図３】この発明によるメモリセルを概略的に例示する。
【図４】この発明による接合を概略的に例示する。
【図５】この発明によるフェリ磁性書込層用の飽和磁化と強制界ＨＷの熱依存性を示す。
【図６】交換結合された強磁性記憶層用の飽和磁化Ｍｓと反転界ＨＲの熱依存性を示す。
【図７】この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭの完全書き込み手順周期を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
この発明のメモリセル１は図３に表現されて、トランジスタ３がオンであるときに、接合２が選択ＣＭＯＳトランジスタ３と接合２を通過する接合電流パルス３１を通す接続電流ライン７の間に置かれている。制御電流ライン６はトランジスタ３の開放と閉鎖を制御するように使用されて各メモリセルに個々にアドレスする。
【００３８】
この発明の接合２の閉鎖図は、図４で与えられる。接合は好ましくは強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとから成る記憶層２１を含有する。強磁性記憶層２１ａは１−１０ｎｍの程度の厚さを有し、典型的に永久合金（Ｎｉ８０Ｆｅ２０），Ｃｏ９０Ｆｅ１０，或いはＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉを含有する他の合金のグループから選択された平らな磁化を有する材料から形成される。強磁性記憶層２１ａは、例えばＩｒＭｎ或いはＦｅＭｎのマンガンベース合金から形成された反強磁性記憶層２１ｂにより交換結合される。反強磁性記憶層２１ｂは十分に高くブロック温度を有し、準備温度で、即ち加熱のない場合に、強磁性記憶層２１ａの磁化が十分にピン止めされ数年間に渡って磁化を保持できるが、しかし、材料低下と高電力消費に生じた各書き込み処理中に接合を過度に加熱するために必要とする高くない。ここで、例えば１２０−２２０℃の範囲のＴＢＳは適している。
【００３９】
接合２は、好ましくは第一強磁性基準層２３ａと第二強磁性基準層２３ｃとから成り、両方がＦｅ、Ｃｏ或いはＮｉベース合金から形成されている基準層２３を含有する。二つの強磁性基準層２３ａと２３ｃは、例えばルテニウムから形成された非強磁性基準層２３ｂをそれらの間に挿入することにより反強磁性的に連結される。好ましくはＰｔＭｎ或いはＮｉＭｎのようなＭｎベース合金から形成され且つＴＢＳより高いブロック温度ＴＢＲによって特徴付けられた反強磁性基準層２４は、第二強磁性基準層２３ｃ以下に備えている。反強磁性基準層２４が第一強磁性基準層２３ａの磁気モーメントを配向させ、ピン止め領域が生成されて、第二強磁性基準層２３ｃの磁気モーメントを固定させる。上記基準層構造が、合成反強磁性のピン止め層として先行技術において周知である。
【００４０】
トンネル障壁の役割を演じて且つ好ましくはＡｌ２Ｏ３とＭｇＯから成るグループから選択された材料から形成された絶縁層２２は、記憶層２１と基準層２３の間に挿入されている。接合のトンネル抵抗が指数的に絶縁層厚さに依存して、接合の抵抗領域生産（ＲＡ）によって測定される。ＲＡは接合を通して電流を流すように、十分に小さくなければならなく、この接合は反強磁性記憶層２１ｂの温度をそのブロック温度ＴＢＳ以上に上昇させるために十分に高い。典型的に１００℃までの接合の温度を上昇させるために必要とされた１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の範囲に電流密度を強制するために、ＲＡ値が１−５００Ωμｍ２の程度である。
【００４１】
この発明によると、書込層８は記憶層２１の頂部にて接合２に挿入されて、非磁性のスペーサ層２１によって記憶層から分離され得る。書込層８は選択的に十分な要素と３ｄ遷移金属と４ｆ希土類材料の間の相対組成物とを選択することにより３ｄ−４ｆアモルファスフェリ磁性合金から形成される。ＭＲＡＭ装置に使用されたそのようなフェリ磁性層は、この発明の装置の異なった目的のために米国特許第４２０４３９６号明細書（特許文献１０）、米国出願公開特許第２００５０４０４３３号明細書（特許文献１１）と米国特許第７１２９５５５号明細書（特許文献１２）の書類に記載されている。
【００４２】
書込層８の合成磁化は３ｄ遷移金属原子のサブ格子から生じる第一成分と４ｆ希土類原子のサブ格子から生じる第二成分に分解され得る。合成磁化は二つのサブ格子磁化成分のベクトル総和に一致する。図５は３ｄ成分用の飽和磁化Ｍ３ｄと４ｆ成分用のＭ４ｆの絶対値の熱依存性と書込層８の合成磁化ＭＴＯＴを示す。対応強制分野ＨＷが示されている。書込層８が補償温度ＴＣＯＭＰであるならば、両磁化成分Ｍ４ｆとＭ３ｄが等しく、全飽和磁化ＭＴＯＴが零であり、反平行に配向される両３ｄと４ｆサブ格子に一致する。これは理論的に無限に増加する強制分野ＨＷに一致する。図５が示すように、合成磁化方向がＴＣＯＭＰ以下の温度で４ｆ成分によって支配され、逆にＴＣＯＭＰ以上の温度で３ｄ金属成分によって支配される。温度が書込層８のキュリー温度に或いはキュリー温度以上に増加されると、熱変動は、合成磁化が零になり、材料が純粋に常磁性であるようになる。
【００４３】
交換結合強磁性記憶層２１ａの反転界ＨＲと総和磁化ＭＳの熱依存性は図６に表現されている。反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳと等しい、或いはＴＢＳより大きい温度で、強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの交換結合は小さい反転界ＨＲを生じるよう消える。強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの対応磁化が図に概略的に示されている。
【００４４】
この発明によると、書き込み処理は１０５Ａ／ｃｍ２と１０７Ａ／ｃｍ２の程度の大きさを有し且つ１００ｎｓ以下を持続する電流パルスを使用する接合２の加熱を組合せ、書込層８の合成磁化ＭＴＯＴと強磁性記憶層２１ａとの間に生じる静磁気相互作用により記憶層２１の磁化を反転させることによって、達成される。反強磁性記憶層２１ｂの交換結合方向の反転がＴＢＳ以上の接合温度で促進される。強磁性記憶層２１ａと反強磁性記憶層２１ｂとの交換結合が消えて、強磁性記憶層２１ａの反転界ＨＲが上記されるように、小さくなる。反強磁性記憶層２１ｂの磁化の反転は、さらに強磁性記憶層２１ａの付近に書込層８を置いて静磁気相互作用を増加することによって、促進される。
【００４５】
この発明の一実施例において、書込層８の厚さと組成が最適化されて、温度の高い安定性を有し且つ温度で周期化されるときに大きな静磁界を発生させる書込層８を得る。ここで、例えば書込層８が厚さ１０−１００ｎｍであり、例えばＧｄＣｏ，ＳｍＣｏ，或いはＴｂＦｅＣｏのようなＧｄ，Ｓｍ或いはＴｂを備えるＣｏ或いはＦｅを含有する合金から形成されている。
【００４６】
この発明の熱支援ＭＴＪベースＭＲＡＭの完全書き込み処理周期は、図７に概略的に表現されている。さらに、特に、図は、飽和磁化Ｍｓと強制分野ＨＷと書込層８の反転界ＨＲと記憶層２１の熱依存性をそれぞれに示す。つまり、書込層８と記憶層２１の対応磁化状態は図７の右手側に概略的に例示されて、湾曲矢印は書込層８と強磁性記憶層２１ａの間に起こる静磁界を表現する。
【００４７】
異なった書き込み処理工程は以下に記載されている。異なった工程は丸付き数字によって図に同じことが確認される。この例では、書込層８の補償温度ＴＣＯＭＰは反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳより高い。
【００４８】
工程１、初期工程−最初の状態では、電流が接合を通って流れなく、接合が準備温度Ｔ１である。このブロック温度ＴＢＳ以下の温度では、書込層８の合成磁化は４ｆ成分の配向によって支配されて、静磁気相互作用による反強磁性記憶層２１ｂの磁化に関して反平行に配向されている。
【００４９】
工程２、書込層３ｄ磁化の反転−接合電流パルス３１が接合２を通して送られ、反強磁性記憶層２１ｂのブロック温度ＴＢＳや書込層８の補償温度ＴＣＯＭＰ以上であるが、しかし二つのそれぞれの層のキュリー温度以下である温度Ｔ２に接合２を加熱する。温度Ｔ２では、書込層８の合成磁化は初期工程の方向に比べて１８０°だけ反転された磁化方向を有する唯一の３ｄ成分に対応し、強磁性記憶層２１ａの磁化と反平行になる。
【００５０】
工程３、書込層４ｆ磁化の反転−接合２温度が書込層８の補償温度ＴＣＯＭＰより低いが、しかしブロック温度ＴＢＳより高い温度Ｔ３に下降されると、書込層磁化の４ｆ成分は初期工程に比較して反転方向に再現して、３ｄ成分と反平行である。温度Ｔ３では、３ｄと４ｆ磁化成分は初期工程における配向に関して１８０°だけ回転される。
【００５１】
工程４、強磁性記憶層の反転−温度が僅かにブロック温度ＴＢＳ以上の温度Ｔ４に下降されると、書込層８の４ｆ磁化成分は静磁気相互作用を誘導するために十分に大きくなり、書込層８の合成磁化に関して反平行方向に強磁性記憶層２１ａの磁化を反転できる。
【００５２】
工程５、最終工程−ブロック温度ＴＢＳ以下の温度Ｔ５にさらに下降されることによって、強磁性記憶層２１ａの磁化は工程４の、反平行に反転された方向に凍結される。この最終工程では、強磁性記憶層２１ａの磁化と書込層８の合成磁化が初期工程におけるそれぞれの配向に関して１８０°だけ回転される。
【００５３】
上記書き込み処理工程からわかったように、強磁性記憶層２１ａ磁化の方向は、強磁性記憶層２１ａの初期磁化方向と独立に各完全書き込み周期（初期工程から最終工程まで）の間に逆転される。結局、「書込み前読取り」工程が各書き込み周期に先立って必要とされメモリセルの初期状態を検知し、その論理状態を推論する。
【００５４】
この発明は上記例示実施例に限定されず、実施の他の例も特許請求の範囲内に可能であることが理解される。
【００５５】
例えば、この発明の他の実施例では、典型的にＢｉＴｅ或いはＧｅＳｂＴｅから形成され（示されていない）且つ非常に低い熱伝導率を有する少なくとも一つの熱障壁層は接合２の頂部や底部に加えられる。これら追加層の目的は、接合２と接続電流ライン７の間に電気接続を保証する電極（示されていない）へ熱の拡散を制限しながら、接合を通って流れる電流の熱効率を増加させることである。ここで、熱障壁自体が直接に、或いは例えばＴｉＮ或いはＴｉＷＮから形成された伝導層を介して電極に電気的に接続される。
【００５６】
磁気メモリ装置（表現されていない）はこの発明の複数のメモリセル１から成るマトリックスを組み立てることによって形成されて、各メモリセル１の各接合２が書込層８の側で接続電流ライン７に接続され、その反対側で接続電流ライン７と垂直に置かれた制御電流ライン６に接続されている。メモリセル１の一つが書き込まれると電流パルスが一つ或いは幾つかの制御電流ライン６に送られ、モードオンで対応制御ライン６のトランジスタ３少なくとも一つに置き、接合電流パルス３１が書き込まれるメモリセル、即ち活性接続電流ライン７と活性制御ライン６の相互作用に置かれたメモリセルに対応する各接続電流ライン７に送られる。
【符号の説明】
【００５７】
１．．．．．メモリセル
２．．．．．接合
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．．．第一強磁性基準層
２３ｂ．．．非強磁性基準層
２３ｃ．．．第二強磁性基準層
２４．．．．反強磁性基準層
３．．．．．トランジスタ
３１．．．．接合電流パルス
４．．．．．ワード電流ライン
４１．．．．ワード磁界
５．．．．．ビット電流ライン
５１．．．．ビット磁界
６．．．．．制御電流ライン
７．．．．．接続電流ライン
８．．．．．書込層
９．．．．．非磁性のスペーサ層
ＨＲ．．．．強磁性記憶層の逆転界
ＨＷ．．．．書込層の強制界
Ｍ３ｄ．．．３ｄサブ格子の磁化成分
Ｍ４ｆ．．．４ｆサブ格子の磁化成分
ＭＳ．．．．飽和磁化
ＭＴＯＴ．．．合成磁化
ＴＢＳ．．．反強磁性記憶層のブロック温度
ＴＢＲ．．．反強磁性基準層のブロック温度
ＴＣＯＭＰ．補償温度
ＴＣＳ．．．反強磁性記憶層のキュリー温度
ＴＣＷ．．．書込層のキュリー温度
Ｔ１．．．．工程１の温度（準備温度）
Ｔ２．．．．工程２の温度
Ｔ３．．．．工程３の温度
Ｔ４．．．．工程４の温度
Ｔ５．．．．工程５の温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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