(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルに書き込み、かつ読み出すための方法において、  当該磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、自由に配向され得る磁化方向を有するセンス層と、最初の安定方向から、切り替えられた安定方向に切り替えされ得る磁化方向を有する記憶層と、前記センス層と前記記憶層との間に配置されている絶縁層と、前記磁気トンネル接合が、反強磁性記憶層のブロッキング温度より上の温度にあるときに、前記記憶層の磁化が配向され得、この磁気トンネル接合が、前記ブロッキング温度より下の温度にあるときに、前記磁化が固定されるように、前記反強磁性記憶層が、前記磁化に交換バイアスをかける当該反強磁性記憶層とから形成された磁気トンネル接合部を有し、 前記記憶層は、前記センス層の磁気結晶異方性にほぼ垂直に配向されている磁気結晶異方性を有し、 前記磁気ランダムアクセスメモリセルは、前記磁気トンネル接合部と作用する力線と、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さらに有し、  当該方法は、  書き込み動作中に、  前記電流線を通じて前記磁気トンネル接合部に通電することによってこの磁気トンネル接合部を加熱し、  この磁気トンネル接合部が、前記ブロッキング温度の上に到達すると、データを前記記憶層に書き込むために、前記記憶層の磁化方向を切り替え、  この磁気トンネル接合部を、前記ブロッキング温度の下の温度に冷却し、  読み出し動作中に、  第１の読み出し磁界の第１の極性に応じて、前記センス層の磁化方向を第１の配向された方向に配向するように、前記第１の読み出し磁界を誘導する第１の読み出し界磁電流を前記力線に供給し、  前記磁気トンネル接合部の第１の抵抗値を測定することによって、当該書き込みデータを前記第１の配向された方向と比較し、  第２の読み出し磁界の、前記第１の極性とは反対の第２の極性に応じて、前記センス層の磁化方向を第２の配向された方向に配向するように、前記第２の読み出し磁界を誘導する第２の読み出し界磁電流を前記力線に供給し、  前記磁気トンネル接合部の第２の抵抗値を測定することによって、当該書き込みデータを前記第２の配向された方向と比較し、  前記第１の抵抗値と前記第２の抵抗値との間の差を決定し、前記第１の読み出し磁界の振幅及び前記第２の読み出し磁界の振幅が、前記第１の抵抗値及び前記第２の抵抗値を線形に変化させる当該方法。
【請求項２】
前記セルは、サンプル／ホールド回路をさらに有し、前記第１の読み出し動作中に決定された前記第１の抵抗値が、このサンプル／ホールド回路内に記憶される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記記憶層の磁化方向の前記切り替えは、切り替え界磁電流を、切り替え磁界を誘導する前記力線に供給することから成り、前記記憶層の前記磁化が、この切り替え磁界に応じて切り替えられる請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記記憶層の磁化方向の前記切り替えは、  飽和磁界を誘導するため、飽和界磁電流を前記力線に通電し、  局所磁界を誘導するため、前記センス層の前記磁化を、前記誘導された飽和磁界に応じた方向に飽和させ、  前記局所磁界に応じて、前記記憶層の前記磁化を切り替える、ことから成る請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記記憶層の磁化方向の前記切り替えは、前記電流線を通じて前記磁気トンネル接合部にスピン偏極書き込み電流を通電することから成る請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記磁気メモリセルは、前記磁気トンネル接合部と電気的に結合された選択トランジスタをさらに有し、  さらに、当該書き込み動作は、このトランジスタを選択することによって、前記電流線を通じて前記磁気トンネル接合部に加熱電流を通電することによって、この磁気トンネル接合部を加熱することから成る請求項１に記載の方法。
【請求項７】
行および列に配列された複数の磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルから成る磁気メモリ装置において、  各磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、センス層と、書き込み動作中に、最初の安定方向から、切り替えられた安定方向に切り替えされ得る磁化方向を有する記憶層と、前記センス層と前記記憶層との間に配置されている絶縁層と、前記磁気トンネル接合が、反強磁性記憶層のブロッキング温度より上の温度にあるときに、前記記憶層の磁化が配向され得、この磁気トンネル接合が、前記ブロッキング温度より下の温度にあるときに、前記磁化が固定されるように、前記反強磁性記憶層が、前記磁化に交換バイアスをかける当該反強磁性記憶層とから形成された磁気トンネル接合部を有し、 磁界を誘導する界磁電流が、読み出し動作中に前記力線に供給されるときに、前記センス層が、自由に配向され得る磁化方向を有し、 前記記憶層は、前記センス層の磁気結晶異方性にほぼ垂直に配向されている磁気結晶異方性を有し、 各磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルは、前記磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルの前記磁気トンネル接合部と行方向に作用する力線と、前記磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の前記磁気トンネル接合部と列方向に電気的に接続された電流線とを有する当該磁気メモリ装置。
【請求項８】
前記磁気メモリ装置は、測定された磁気トンネル接合部の抵抗値を記憶するためにサンプル／ホールド回路をさらに有する回路をさらに備える請求項７に記載の磁気メモリ装置。
【請求項９】
第１の読み出し界磁電流及び／又は第２の読み出し界磁電流が、交番極性を有する請求項７に記載の磁気メモリ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己参照読み出し動作を用いた磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）ベースのセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
最も単純な実装において、磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルには、薄い絶縁層によって分離された２つの磁気層から形成された少なくとも１つの磁気トンネル接合部が備えられるが、この場合に、層の一つ、いわゆる基準層は、磁化は固定されており、第２の層、いわゆる記憶層は、メモリの書き込み時に磁化の方向を変更できることを特徴としている。基準層および記憶層のそれぞれの磁化が逆平行である場合には、磁気トンネル接合部の抵抗は高く（Ｒｍａｘ）、低論理状態「０」に対応する。他方で、それぞれの磁化が平行である場合には、磁気トンネル接合部の抵抗は低くなり（Ｒｍｉｎ）、低論理状態「１」に対応する。ＭＲＡＭセルの論理状態は、その抵抗状態を、好ましくは基準セルまたは基準セルアレイから導き出された基準抵抗Ｒｒｅｆと比較することにより読み出されるが、高論理状態「１」の磁気トンネル接合部抵抗と低論理状態「０」の抵抗との中間で組み合わされる、通常Ｒｒｅｆ＝（Ｒｍｉｎ＋Ｒｍａｘ）／２の基準抵抗を備えている。
【０００３】
従来の実際の実装において、基準層は、隣接する反強磁性基準層と「変換バイアス」されるが、この反強磁性基準層は、そのブロッキング温度ＴＢＲとして周知の臨界温度（この温度の上では変換バイアスは消える）がある。
【０００４】
例えば特許文献１に説明されているように、熱支援切り替え（ＴＡＳ）手順を用いたＭＲＡＭセルの実装において、記憶層も、隣接する反強磁性記憶層と変換バイアスされるが、この反強磁性記憶層のブロッキング温度ＴＢＳ（反強磁性記憶層の変換バイアスが消える温度）は、基準層を固定する反強磁性基準層のブロッキング温度ＴＢＲよりも低い。ブロッキング温度ＴＢＳ未満では、記憶層は、書き込みが困難および／または不可能である。次に、書き込みは、限定するわけではないが、好ましくは、記憶層の磁化を解除するために、加熱電流を磁気トンネル接合部に通過させることにより磁気トンネル接合部を、ＴＢＳを超えるがしかしＴＢＲ未満に加熱し、一方で同時に記憶層の磁化を切り替える手段を適用することによって実行される。この切り替えは、界磁電流によって生成される磁界によってか、またはいわゆるスピン移動トルク（ＳＴＴ）効果よって実行されるが、この場合には、スピン移動トルク電流（ここで、スピンが偏極される）が、磁気トンネル接合部を通過する。次に、磁気トンネル接合部は、ブロッキング温度ＴＢＳ未満に冷却され、記憶層の磁化は、書き込まれた方向で「固定」される。
【０００５】
記憶層の磁化方向を切り替えるために必要な磁界の大きさは、記憶層の保磁力に比例するが、保磁力は、小さな形状では大きく、変換バイアスされた膜では非常に高くなり得る。他方で、スピントルク電流は、加熱電流より低くなければならず、それゆえ、高い加熱電流の使用を強いることになる。なぜなら、スピントルク電流は、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセルでは大きい（＞１ＭＡ／ｃｍ２）からである。
【０００６】
さらに、上記のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの本実装において、ＴＢＲ−ＴＢＳによって定義される書き込み動作温度幅は、通常小さい。実際には、反強磁性基準層が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を得ることができ、一方で反強磁性記憶層がＩｒＭｎベースの合金またはＦｅＭｎベースの合金でそれぞれ作製されている場合には、通常１５０℃〜２００℃の範囲のブロッキング温度ＴＢＳである。
【０００７】
複数のメモリＴＡＳ−ＭＲＡＭセルを備える素子を組み立てることによって形成された磁気メモリ装置の場合、素子の全体にわたる個々のセルの特性は、製造プロセス変動（製造誤差）のため異なる可能性がある。これは、通常約±３０℃以下のブロッキング温度ＴＢＲおよびＴＢＳ分布となり、書き込み動作温度幅をさらに低減する。これらの変動も、様々なＭＲＡＭセルの磁気トンネル接合部の抵抗に直接影響を及ぼし、そこにおいて、測定された磁気トンネル接合部抵抗と基準セル抵抗との間の差Ｒｍｉｎ／ｍａｘ−Ｒｒｅｆを低減する。したがって、高性能および高効率のメモリ装置を製造するために、厳しいプロセス制御が必要とされるが、製造歩留まりおよび／またはコストに影響をあたえる。
【０００８】
さらに、セル近くの局所周囲温度が高くなり得る非常に厳しい環境で磁気メモリ装置が用いられる場合には、２００℃より高いブロッキング温度ＴＢＳを有する反強磁性記憶層を用いることが必要になり、さらに、動作温度幅を低減させる。このような高い局所温度は、単独で、または高周囲温度に加えて、磁気メモリ装置自体もしくは近くの磁気メモリ装置において局所電流により誘発される熱移動によって引き起こされもする。したがって、上記の実装は、宇宙、軍事、自動車などの環境におけるメモリ装置の用途を制限する可能性がある。
【０００９】
高い周囲局所温度はまた、書き込み手順中にＴＢＲを超える加熱温度になり、結果として基準層の磁化を解除し、セルデータを消去してしまう。この状況を回避するために、かつ周囲および／または局所温度変動に対応するために、通常、温度コントローラが、加熱電流を駆動する回路内に導入される。
【００１０】
最後に、書き込み手順の速度は、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの磁気トンネル接合部を加熱できる速度にほぼ依存する。ここで、磁気トンネル接合部に送られる電力が多ければ多いほど、それだけ加熱は速い。なぜなら、高電力加熱は、散逸状態ではなく、断熱状態で実行されるからである。しかしながら、ＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの従来の実装において、加熱速度は、高電力が磁気トンネル接合部に送られる場合には、ＴＢＲ以上の温度を超える可能性があるため制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，９５０，３３５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，３３２，７８１号明細書
【特許文献３】米国特許第７，１２９，５５５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本出願は、先行技術の少なくともいくつかの制限を克服する磁気メモリ装置およびメモリ装置に書き込みかつ読み出すための方法を開示している。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態によれば、センス層、記憶層、およびセンスと記憶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、磁気トンネル接合部とやり取り又は作用する力線と、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ＭＲＡＭセルであって、前記センス層が、可変方向を備えた磁化を有し、前記記憶層が、第１の安定方向から第２の安定方向に切り替えることができる磁化を有し、書き込み動作中に、書き込みデータが、前記記憶層の磁化を切り替えることによって前記記憶層に書き込まれ、読み出し動作中に、第１の極性を有する第１の読み出し界磁電流が、前記第１の極性による第１の配向された磁化方向にセンス層の磁化を配向するために、前記力線を通過し、センス層の前記第１の配向された磁化方向が、磁気トンネル接合部の第１の抵抗値を決定するために電流線を介してセンス電流を前記磁気トンネル接合部に通過させることによって、書き込みデータと比較されるＭＲＡＭセルである。
【００１４】
実施形態において、ＭＲＡＭセルには、さらに、前記磁気トンネル接合部に結合された選択トランジスタであって、トランジスタが選択された場合に、電流線を介して加熱電流を前記磁気トンネル接合部に印加することによって、書き込み動作中に前記磁気トンネル接合部を高温閾値に加熱するように選択可能な選択トランジスタが含まれる。
【００１５】
別の実施形態において、記憶層は、センス層の磁気結晶異方性にほぼ垂直に配向された磁気結晶異方性を有する。
【００１６】
さらに別の実施形態において、磁気メモリ装置には、装置パッケージ、および前記装置パッケージ内に配置されたＭＲＡＭセルアレイが含まれる。
【００１７】
本発明にはまた、
書き込み動作中に、
データを前記記憶層に書き込むために、前記記憶層の磁化を切り替えることと、
読み出し動作中に、
第１の磁界を誘導する、第１の極性を備えた第１の読み出し界磁電流を力線に供給することと、
前記第１の極性による第１の配向された磁化方向に、センス層の前記磁化を配向することと、
前記磁気トンネル接合部の第１の抵抗値を決定するために、センス電流を電流線に通過させることによって、前記書き込みデータを、センス層の前記第１の配向された磁化方向と比較することと、
を含む、ＭＲＡＭセルを読み出すための方法が含まれる。
【００１８】
開示のメモリセルおよび方法によって、小さな読み出し界磁電流を用いること、したがって低電力消費および向上した速度で書き込みおよび読み出し動作を実行することが可能になる。磁気メモリセルおよび装置は、メモリ近くの局所周囲温度が高くなり得る自動車および宇宙／軍事などの用途において、有利に用いることができる。
【００１９】
好ましい実施形態は、例として提供され、かつ図によって示された実施形態の説明の助けを借りて、よりよく理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施形態に従って磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セルを示す。
【図２】別の実施形態に従ってＭＲＡＭを示す。
【図３】実施形態に従い、ＭＲＡＭセルにおいて読み出し動作を実行するための回路を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施形態による磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル１が、図１に表されている。ＭＲＡＭセル１には、センス層２１、記憶層２３、ならびにセンス層２１および記憶層２３間に配置された絶縁層２２から形成された磁気トンネル接合部２が備えられている。ＭＲＡＭセルには、さらに、磁気トンネル接合部２と作用する（やり取りする）力線４、および磁気トンネル接合部２に電気的に接続された電流線７が備えられている。図１の例において、電流線７は、センス層２１の側で磁気トンネル接合部２に接続され、かつ力線４と垂直に示されている。しかしながら、力線４および電流線７の他の構成も可能である。例えば、力線４は、磁気トンネル接合部２の下に配置することができ、記憶層２３は、電流線７と接することができる。図１の例において、ＭＲＡＭセル１は、前記磁気トンネル接合部２に電気的に結合されたＣＭＯＳ選択トランジスタ３も備え、このＣＭＯＳ選択トランジスタ３は、例えば記憶層２３の側にあり、かつ磁気トンネル接合部２に電流を通過させることにより各ＭＲＡＭセル１の個々に対処するためのワード線６によって選択可能である。
【００２２】
好ましくは、記憶層２３は、硬質強磁性材料で作製され、一方でセンス層２１は、低保磁力の軟質強磁性材料で作製される。強磁性材料には、通常、鉄、コバルトニッケルまたはそれらの合金が含まれる。好ましくは、絶縁層２２は、通常ナノメートル範囲の薄層であり、例えばアルミナまたは酸化マグネシウムなどの任意の適切な絶縁材料で形成される。
【００２３】
実施形態において、記憶層２３は、第１の安定方向から第２の安定方向に切り替えることができる磁化を有する。図１の例において、これは、磁気トンネル接合部２に備えられる反強磁性記憶層２４により記憶層２３を固定することによって実行される。特に、好ましくは記憶層２３に隣接して配置される反強磁性記憶層２４は、反強磁性層２４内の温度が反強磁性記憶層２４のブロッキング温度ＴＢＳより低い場合に、記憶層２３の磁化に交換バイアスをかけるかまたは磁化を固定する。反強磁性層２４は、温度がブロッキング温度ＴＢＳを超えた場合には、記憶層２３の磁化を非固定化または解除する。対照的に、センス層２１は、変換バイアスされず、その磁化は、例えば熱運動によって方向を変化でき、したがって、その磁化は、磁界において自由に配向することができる。
【００２４】
ＭＲＡＭセル１の熱支援切り替え（ＴＡＳ）書き込み動作中に、磁気トンネル接合部２は、選択トランジスタ３が通過モードである場合に、電流線７を介して磁気トンネル接合部２に加熱電流３１を印加することによって加熱される。磁気トンネル接合部２は、ブロッキング温度ＴＢＳ以上、例えば１２０℃を超える高温閾値に加熱できるが、この状態では、反強磁性層２４と記憶層２３との間の交換結合は消え、記憶層２３の磁化は、もはや固定化されず、自由に調整することができる。同時にかまたは短時間の遅延後、ひとたび磁気トンネル接合部２が高温閾値に達すると、適度な切り替え界磁電流４１が、力線４を通過する。切り替え界磁電流４１は、書き込みデータを記憶層２３に書き込むために、切り替え磁界４２に従って記憶層２３の磁化を切り替えることができる切り替え磁界４２を誘導する。高閾値温度で、記憶層２３の磁化は、自由に調整され、切り替え動作を容易にすることができる。
【００２５】
磁気トンネル接合部２の温度が高温閾値に達した後で、選択トランジスタ３は、加熱電流３１が前記磁気トンネル接合部２に印加されるのを阻止するために選択解除され（またはブロックモードに設定され）、磁気トンネル接合部２を冷却する。切り替え界磁電流４２は、磁気トンネル接合部２の冷却中に維持することができ、ひとたび磁気トンネル接合部２が、反強磁性層２４のブロッキング温度ＴＢＳ以下の低温閾値に達すると、この切り替え界磁電流４２は、スイッチオフされるが、この低温閾値では、記憶層２３の磁化は、書き込まれた状態で固定される。記憶層２３の磁化が、低温閾値では反強磁性層２４によって変換バイアスされるので、その配向は、熱変動に影響されず、書き込まれたデータを保持している期間は安定している。
【００２６】
記憶層２３の磁化を第１の安定方向から第２の安定方向に切り替えできる、記憶層２３の他の配置が可能である。別の実施形態（図示せず）において、磁気トンネル接合部２は、高アスペクト比、例えば１．５以上を備えた異方性を有する。かかる異方性の磁気トンネル接合部２において、書き込みデータは、上記の反強磁性層２４および／またはＴＡＳ書き込み動作を用いる必要なしに、記憶層２３の磁化を第１の安定方向から第２の安定方向に切り替えることによって、記憶層２３に書き込むことができる。磁気トンネル接合部２の高アスペクト比によって、記憶層の磁化、したがって書き込まれた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が提供される。他方で、記憶層２３の磁化を第１の安定方向から第２の反対の安定方向に切り替えるために必要な切り替え磁界４２は、かなり大きく、したがって、書き込み動作中に消費される電力は、大きくなる可能性がある。
【００２７】
さらに別の実施形態において、ＭＲＡＭセル１の書き込み動作は、選択トランジスタ３が通過モードである場合に、いわゆる「スピン移動トルク」（ＳＴＴ）効果を用い、電流線７を介して書き込み電流４３を磁気トンネル接合部２に通過させることによって実行される。このＳＴＴベース書き込み動作において、書き込み電流４３は、書き込み電流４３の流れ方向にセンス層２１を通過することによって、スピン偏極することが可能である。この場合、記憶層２３を通過する書き込み電流４３の偏極スピンは、大部分、センス層２１の磁化方向に沿って配向されているが、スピン偏極書き込み電流４３の十分な振幅のため、記憶層２３の磁化を切り替えることができる。スピン偏極書き込み電流に基づいたＭＲＡＭセルの書き込み動作が、特許文献２および特許文献３に説明されており、それらの開示が、あらゆる目的のために、その全体において参照により本明細書に援用されている。
【００２８】
代替として、書き込み電流４３は、偏極磁気層（図示せず）を通過する場合にスピン偏極することができる。この場合には、記憶層２３を通過する書き込み電流４３のスピン偏極は、大部分、偏極磁気層の磁化方向に配向されているがこの書き込み電流４３により記憶層２３の磁化を切り替えることができる。
【００２９】
図１に示す実施形態の別の変形において、ＳＴＴベース書き込み動作を用いた記憶層の磁化の切り替えは、上記のように熱によって支援することができる。特に、記憶層２３が、反強磁性層２４によって交換バイアスされる場合には、スピン偏極書き込み電流４３を用いた記憶層の磁化の切り替えは、ＴＡＳ書き込み動作と組み合わせることができる。ここで、書き込み動作中に、磁気トンネル接合部２は、選択トランジスタ３が通過モードである場合に、電流線７を介して加熱電流３１を接合部２に通過させることによって、加熱される。スピン偏極書き込み電流４３は、ひとたび磁気トンネル接合部２が高温閾値に達すると、同時にかまたは短時間の遅延後に磁気トンネル接合部２に供給される。ＴＡＳ書き込み動作は、書き込まれた状態における記憶層の磁化の安定性を改善することができる。
【００３０】
有利なことに、記憶層２３の磁化を切り替えるために必要なスピン偏極書き込み電流４３は、磁気トンネル接合部２の磁気異方性に依存する。特に、スピン偏極電流４３の大きさは、磁気トンネル接合部２のサイズおよび形状とは無関係であり、その磁気異方性の大きさは、磁気トンネル接合部２のサイズが減少する場合にも、一定のままである。対照的に、切り替え磁界４２は、磁気トンネル接合部材料の外部特性であり、磁気トンネル接合部２の配置および磁気トンネル接合部２にあり得る欠陥の存在に依存する。さらに、切り替え界磁電流４１の大きさおよび電力消費は、磁気トンネル接合部２のサイズが減少すると共に増加する。
【００３１】
図２に示す好ましい実施形態において、書き込み動作は、誘導された飽和磁界４２’に従う方向にセンス層２１の磁化を飽和させることができる飽和磁界４２’を誘導するために、飽和界磁電流４１’を力線４に通過させることによって実行される。そして、飽和されたセンス層２１が、閉じた磁束構成において記憶層２３と結合する局所漂遊磁界５５を随時誘導する。次に、記憶層２３の磁化は、前記局所磁界５５に従って、第１の安定方向から第２の安定方向に切り替えられる。記憶層２３とセンス層２１との間の、通常ナノメートル範囲の小さな距離ゆえに、センス層２１と記憶層２３との間の磁気結合は、書き込み動作が切り替え界磁電流４１基づいている場合、力線４と記憶層２３との間の磁気結合よりはるかに効率的である。さらに、センス層２１の材料は、センス層２１の磁化を切り替えるために必要な磁界を最小限にするように選択することができる。
【００３２】
ＭＲＡＭベースのセル１の読み出し動作中に、第１の読み出しサイクルにおいて、界磁電流、ここでは第１の極性を有する第１の読み出し界磁電流５１が、力線４を通過する。第１の読み出し界磁電流５１は、読み出し界磁電流５１の第１の極性に従って、第１の配向された磁化方向にセンス層２１の磁化を配向することができる磁界、ここでは第１の読み出し磁界５２を誘導する。図１のＭＲＡＭセル構成において、センス層２１は、交換バイアスされず、その磁化は、磁界５１において自由に配向することができる。例えば、センス層の磁化の切り替えを容易にするために接合部２を加熱する必要はない。
【００３３】
次に、センス層２１の第１の配向された磁化方向は、選択トランジスタ３が通過モードである場合に、電流線７を介してセンス電流３２を磁気トンネル接合部２に通過させることによって、書き込みデータ、または記憶層２３の切り替えられた磁化と比較される。センス電流３２が通過するときに磁気トンネル接合部２の両端にわたる電圧を測定することによって、磁気トンネル接合部２の対応する第１の抵抗値Ｒ１がもたらされる。センス層２１の磁化が、記憶層２３の磁化方向とほぼ平行に配向されている場合には、第１の抵抗値Ｒ１は小さくなる（Ｒ１＝Ｒｍｉｎ）。他方において、センス層２１の磁化が、記憶層２３の磁化方向とほぼ逆平行に配向されている場合には、測定される第１の抵抗値は高くなる（Ｒ１＝Ｒｍａｘ）。次に、ＭＲＡＭセル１に書き込まれた書き込みデータは、第１の抵抗値Ｒ１を、基準セル（図示せず）または一群の基準セル（同じく図示せず）からの基準抵抗Ｒｒｅｆと比較することによって決定できるが、この場合に、基準抵抗Ｒｒｅｆは、一方が高く他方が低い、第１の抵抗値ＲｍｉｎおよびＲｍａｘの中間の抵抗値を有する。
【００３４】
センス層２１の磁化が自由に配向できるので、センス層の磁化を配向するために必要な第１の読み出し界磁電流５１は、記憶層２３の磁化を切り替えるために用いられる切り替え界磁電流４１または飽和界磁電流４１’よりはるかに低くすることができる。さらに、読み出し動作が、記憶層２３の磁化が安定しているので、例えば反強磁性層２４によって交換バイアスされているので、読み出し動作中に、第１の読み出し界磁電流５１による記憶層２３の切り替えは、起こらない。
【００３５】
別の実施形態において、ＭＲＡＭベースのセル１の読み出し動作には、さらに、第２の読み出し界磁電流５１’を力線４に供給する第２の読み出しサイクルが含まれるが、この第２の読み出し界磁電流５１’は、第１の極性と反対の第２の極性を有する。第２の読み出し界磁電流５１’は、前記第２の読み出し界磁電流５１’の前記第２の極性に従って第２の配向された磁化方向にセンス層２１の磁化を配向できる第２の読み出し磁界５２’を誘導する。
【００３６】
次に、センス層２１の第２の配向された磁化は、選択トランジスタ３が通過モードである場合に、電流線７を介してセンス電流３２を磁気トンネル接合部２に通過させることによって、書き込みデータと比較される。センス電流３２が磁気トンネル接合部２を通過するときに磁気トンネル接合部２の両端にわたる電圧を測定することによって、対応する磁気トンネル接合部２の第２の抵抗値Ｒ２がもたらされる。
【００３７】
図３は、読み出し動作を実行し、かつ、ソーストランジスタＰ１およびミラートランジスタＰ３を備える回路８を示している。ソーストランジスタＰ１は、読み出し動作の第１または第２の読み出しサイクル中に第１または第２の読み出し界磁電流５１、５１’が力線４を通過する場合に、センス電流３２を供給することができる。回路８には、さらに、測定された磁気トンネル接合部抵抗値を記憶するサンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路９が備えられる。例えば、第１の抵抗値Ｒ１に対応する、測定された電流値は、Ｓ／Ｈ回路９に記憶された後、ミラートランジスタＰ３に反映させる。また、図３には、トランジスタＰ２、Ｎ１およびＮ２を備え、測定された電流の反映が示されている。トランジスタＰ２およびＮ１は、電流をトランジスタＮ２にミラーし、このトランジスタＮ２は、センス電流３２にほぼ等しい電流を流す。出力段１０は、磁気抵抗間の差ΔＲにほぼ対応する出力電流（図示せず）を供給する。出力電流は、デジタルデータ出力を生成するために、増幅器（図示せず）によって増幅することができる。
【００３８】
次に、ＭＲＡＭセル１に書き込まれた書き込みデータは、第２の抵抗値Ｒ２と、第１の読み出しサイクルにおいて測定され、Ｓ／Ｈ回路９に記憶された第１の抵抗値Ｒ１との間の差によって決定することができる。第１および第２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２間の差は、磁気トンネル磁気抵抗または磁気抵抗ΔＲとも呼ばれる。例えば、書き込みデータが「１」の論理状態を有する場合で、読み出し動作の第１の読み出しサイクルが、「０」の論理状態を有する第１の読み出し界磁電流５１で実行される場合には、測定される第１の抵抗値は、低い（Ｒ１＝Ｒｍｉｎ）。反対に、読み出し動作の第２の読み出しサイクルが、「１」の論理状態を有する第２の読み出し界磁電流５１’で実行される場合には、測定される第２の抵抗値は、高い（Ｒ１＝Ｒｍａｘ）。したがって、記憶された第１の抵抗値Ｒ１と第２の抵抗値Ｒ２との間の差は、負の磁気抵抗ΔＲをもたらす。反対に、正の磁気抵抗ΔＲは、「０」の書き込みデータ、および上記と同じ読み出し動作シーケンスに対して得られる。第１および第２の読み出しサイクルを含む読み出し動作は、基準セルの利用が必要とされないので、自己参照とも呼ばれる。
【００３９】
代替として、第１および第２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２は、磁気トンネル接合部２の両端にわたって電圧バイアスを印加し、対応するその電流を測定することによって、決定することができる。
【００４０】
さらに別の実施形態（図示せず）において、第１の読み出し界磁電流５１は、交番極性を有し、この第１の読み出し界磁電流５１の交番極性に従って、センス層２１の磁化を交互に配向する交番磁界を誘導する。好ましくは、交番する第１の読み出し界磁電流５１は、センス層２１の磁化を、完全にはその磁化を切り替えずに、交互に配向する。ここで、測定される第１の抵抗値Ｒ１は、センス層２１の変化する磁化と共に交互に変化する。ＭＲＡＭセル１に書き込まれたデータは、変化する第１の抵抗値Ｒ１を、交番する第１の読み出し界磁電流５１と比較することによって決定することができる。例えば、書き込みデータが、記憶層２３の磁化とそれぞれ逆平行および平行に配向されたセンス層２１の磁化に対応する「１」の論理状態を有する場合には、測定された変化する第１の抵抗値Ｒ１は、交番する第１の読み出し界磁電流５１と同相である。反対に、書き込みデータが、記憶層２３の磁化とそれぞれ平行および逆平行に配向されたセンス層２１の磁化に対応する論理状態「０」を有する場合には、測定された変化する第１の抵抗値Ｒ１は、交番する第１の読み出し界磁電流５１と位相がずれる。
【００４１】
実施形態において、磁気メモリ装置には、例えば行および列（縦と横に）に配列された、本明細書に開示の複数のＭＲＡＭセル１が備えられる。磁気メモリ装置には、ＭＲＡＭセル１が配置された装置パッケージを備えることができる。磁気メモリ装置において、力線４は、ＭＲＡＭセル１の磁気トンネル接合部２とやり取り又は作用するように行（縦）に配置され、電流線７は、ＭＲＡＭセル１の磁気トンネル接合部２に列（横）に電気的に接続されている。読み出し動作が、基準セルの利用を必要としないので、メモリ装置の読み出し限界は、ＭＲＡＭセル幅分散に対して、従来のＭＲＡＭセルを備えるメモリ装置ほど敏感ではなく、より大きな素子を用いることができる。
【００４２】
本開示は、様々な修正および代替形態の余地があり、その特定の例が、例として図面に示され、本明細書において詳細に説明されている。しかしながら、本開示が、開示された特定の形態または方法に限定されるべきでなく、反対に、本開示が、全ての修正、均等物および代案をカバーできることを理解されたい。
【００４３】
例えば、実施形態（図示せず）において、記憶層２３は、センス層２１の磁気結晶異方性にほぼ垂直に配向された磁気結晶異方性を有する。かかる構成において、書き込みおよび読み出し動作の前に、センス層２１は、記憶層２３の磁化にほぼ垂直に配向された磁化を有する。この構成は有利である。なぜなら、小さな振幅の第１および／または第２の読み出し磁界５１、５１’が、第１および／または第２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２における線形変動を誘導でき、小さな電圧変動から、または第１および／または第２の抵抗値Ｒ１、Ｒ２の小さな変動から、磁気抵抗ΔＲを決定できるようにするからである。したがって、交番極性を備えた第１および／または第２の読み出し界磁電流５１、５１’を用いることによって、極性が交番しない場合よりも小さな読み出し界磁電流振幅を用いることが可能になる。なぜなら、センス層２１の磁化の方向は、読み出し信号を得るために部分的に切り替えられる必要があるだけだからである。さらに、より小さな読み出し界磁電流振幅を用いることによって、読み出し手順の速度の向上が可能になる。
【００４４】
ＭＲＡＭセル１は、センス層２１がメモリセルの寿命の全体にわたって配向されたままである従来のＭＲＡＭセルには通常のことであるように、製造プロセス中にセンス層２１の磁化を配向する必要はない。ＭＲＡＭセル１において、センス層２１の磁化方向は、自由に変化することができ、読み出し動作中にだけ配向される。したがって、センス層２１は、読み出し動作用に最適化することができる。例えば、センス層２１は、低保磁力および高磁気抵抗ΔＲを有することができる。第１および／または第２の読み出し界磁電流５１、５１’はまた、非常に低い切り替え磁界を有する材料をセンス層２１用に用いることによって、最小限にすることができる。
【００４５】
さらに、磁気トンネル接合部２は、読み出し限界を損なうことなく、プロセス制御、書き込み電力などのパラメータを有利にするために最適化することができる。例えば、絶縁層２２は、製造をより容易にするために、ＭｇＯではなくＡｌ２Ｏ３で作製することができる。記憶層２３および／またはセンス層２１は、より低い切り替え磁界を得るために、ＣｏＦｅＢベースの合金ではなく、ＮｉＦｅベースの合金で作製することができる。
【００４６】
さらに、センス層２１の磁化が固定されないので、磁気トンネル接合部２を加熱できる温度は、（通常約４００℃で生じる）層の相互拡散など、接合部２の磁気層の起こりえる不可逆的構造変化によって、上に対して制限されるだけである。ＴＡＳベース読み出し動作の場合には、加熱電流３１は、反強磁性層２４のブロッキング温度ＴＢＳを超える温度で磁気トンネル接合部２を加熱するためにだけ制御してもよく、周囲温度変動に対して磁気トンネル接合部２を制御することは、必要とされない。したがって、高加熱電流３１は、加熱電流パルス幅が長すぎる場合でも、温度オーバーシュートのリスクなしに、断熱系（断熱システム）で用いることができる。例えば、この断熱領域は、散逸系（散逸システム）よりもはるかに高速で、例えば、従来のＴＡＳ−ＭＲＡＭセルの場合の１０ｎｓ超と比較して、数ナノ秒の幅を有する加熱電流パルス３１を用いることを可能にする。これは、ＳＲＡＭのようなまたはＤＲＡＭのような用途において有利である。
【符号の説明】
【００４７】
１  磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）セル
２  磁気トンネル接合部
２１  センス層
２２  絶縁層
２３  記憶層
２４  反強磁性層
３  選択トランジスタ
３１  加熱電流
３２  センス電流
４  力線
４１  切り替え界磁電流
４１’  飽和界磁電流
４２  切り替え磁界
４２’  飽和磁界
４３  スピン偏極書き込み電流
５１  第１の読み出し界磁電流
５２  第１の読み出し磁界
５１’  第２の読み出し界磁電流
５２’  第２の読み出し磁界
５５  局所磁界
６  ワード線
７  電流線
８  回路
９  サンプル／ホールド（Ｓ／Ｈ）回路
１０  出力段
Ｐ１  ソーストランジスタ
Ｐ３  ミラートランジスタ
Ｎ２  シンクトランジスタ
Ｒ１  磁気トンネル接合部の第１の抵抗値
Ｒ２  磁気トンネル接合部の第２の抵抗値
Ｒｍｉｎ  磁気トンネル接合部の低抵抗
Ｒｍａｘ  磁気トンネル接合部の高抵抗
Ｒｒｅｆ  基準抵抗
ΔＲ  磁気抵抗
ＴＢＲ  反強磁性基準層のブロッキング温度
ＴＢＳ  反強磁性層のブロッキング温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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