(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
フリー層（２０５）と被ピン止め層（２６０）とを備えた磁気トンネル接合デバイス（２００）であって、
前記フリー層は障壁層（２８０）によって前記被ピン止め層から分離されており、
前記フリー層は、
フェリ磁性材料を含むフェリ磁性層（２１０）と、
前記フェリ磁性層に近接した反平行層（２２０）と
を備え、
書き込み時には、前記磁気トンネル接合デバイスを電流によりその補償温度またはその近傍まで加熱して、フェリ磁性層（２１０）中のフェリ磁性材料の磁気モーメントを零またはほぼ零にして、フェリ磁性層（２１０）と反平行層（２２０）の合計磁化を大きくして書き込むようにする、
磁気トンネル接合デバイス（２００）。
【請求項２】
フリー層（２０５）と被ピン止め層（２６０）とを備えた磁気トンネル接合デバイス（２００）であって、
前記フリー層は障壁層（２８０）によって前記被ピン止め層から分離されており、
前記フリー層は、
フェリ磁性材料を含むフェリ磁性層（２１０）と、
前記フェリ磁性層に近接した反平行層（２２０）と
を備え、
書き込み時には、前記磁気トンネル接合デバイスを電流によりその補償温度またはその近傍まで加熱して、補償温度またはその近傍におけるフェリ磁性層（２１０）と反平行層（２２０）の合計磁化を大きくして書き込むようにする、
磁気トンネル接合デバイス（２００）。
【請求項３】
フリー層（２０５）と被ピン止め層（２６０）とを備えた磁気トンネル接合デバイス（２００）であって、
前記フリー層は障壁層（２８０）によって前記被ピン止め層から分離されており、
前記フリー層は、
フェリ磁性材料を含むフェリ磁性層（２１０）と、
前記フェリ磁性層に近接した反平行層（２２０）と
を備え、
書き込み時には、前記磁気トンネル接合デバイスを電流によりその補償温度またはその近傍まで加熱して、フェリ磁性層（２１０）中の第１のフェリ磁性材料または反平行層（２２０）中の第２のフェリ磁性材料の補償温度に近づくにつれ、磁気トンネル接合デバイスのフリー層の温度変化によってフリー層の磁気モーメントが比較的急峻に変化するようにして書き込みがされるようにされている、
磁気トンネル接合デバイス（２００）。
【請求項４】
フリー層（２０５）と被ピン止め層（２６０）とを備えた磁気トンネル接合デバイス（２００）であって、
前記フリー層は障壁層（２８０）によって前記被ピン止め層から分離されており、
前記フリー層は、
フェリ磁性材料を含むフェリ磁性層（２１０）と、
前記フェリ磁性層に近接した反平行層（２２０）と
を備え、
書き込み時には、前記磁気トンネル接合デバイスを電流によりその補償温度またはその近傍まで加熱して、フェリ磁性層（２１０）中の第１のフェリ磁性材料または反平行層（２２０）中の第２のフェリ磁性材料の補償温度に近づくにつれ、フェリ磁性層（２１０）の磁気モーメントと反平行層（２２０）の磁気モーメントが不均衡になるようにして書き込みがされるようにされている、
磁気トンネル接合デバイス（２００）。
【請求項５】
前記フェリ磁性層と前記反平行層とがスペーサ層（２４０）で分離されている、
請求項１〜４の何れかに記載の磁気トンネル接合デバイス。
【請求項６】
前記被ピン止め層が強磁性材料を含んでいて、
前記磁気トンネル接合デバイスがさらに前記被ピン止め層と結合した反強磁性層（２９０）を備えている、
請求項１〜４の何れかに記載の磁気トンネル接合デバイス。
【請求項７】
複数のメモリ・セルを備えたメモリ・アレイであって、
前記メモリ・セルの少なくとも１つが、請求項１〜６の何れかに記載の磁気トンネル接合デバイスである、
メモリ・アレイ。
【請求項８】
メモリ・アレイが、ＭＲＡＭ（磁気ランダム・アクセス・メモリ）アレイである、
請求項７に記載のメモリ・アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記憶装置に関し、特に磁性トンネル接合（magnetic tunnel junction: ＭＴＪ）のフリー層中のフェリ磁性層および反平行層の使い方に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気ランダム・アクセス・メモリ（ＭＲＡＭ）技術では、たとえばＭＴＪから成る記憶セルを用いている。ＭＴＪは一般に間に電気絶縁性の障壁層を挟んだ少なくとも２つの磁性領域すなわち磁性層を備えている。ＭＴＪのデータ記憶機構の基礎をなすのは、上記２つの層の磁化の相対配向と、これらの層に取り付けられた電極によってこの相対配向を識別する能力とである。背景技術として、ギャラガー（Gallagher)らの米国特許第５６５０９５８号（１９９７年７月２２日発行）および米国特許第５６４０３４３号（１９９７年６月１７日発行）が挙げられる。
【０００３】
ＭＴＪは通常、絶縁薄層で分離された２つの強磁性電極を備えたデバイスである。ＭＴＪはスピン偏極電子トンネリング現象に基づいている。上記絶縁薄層は上記２つの強磁性電極間でトンネリングが生じるのに十分なほど薄い。
【０００４】
既存のＭＴＪデバイスは絶縁性トンネリング層（たとえば酸化アルミニウム）で分離された「フリー」強磁性層（たとえばコバルト（Ｃｏ））と「被ピン止め」強磁性層（たとえばコバルト−鉄（Ｃｏ−Ｆｅ））を備えている。「被ピン止め」強磁性層の磁化は当該層の面内に配向され、問題とする範囲の磁界を印加しても回転できないように固定されている。被ピン止め強磁性層は界面交換結合によって、隣接する反強磁性層に固定されている。「フリー」強磁性層の磁化は「被ピン止め」強磁性層の固定磁化に対して「フリー」強磁性層の面内で回転することができる。
【０００５】
トンネリング現象は電子スピンに依存するから、ＭＴＪの磁気応答は上記２つの電極の相対配向とスピン偏極の関数になる。２つの強磁性層と中間トンネル障壁を貫通して垂直に流れるトンネル電流の大きさは、２つの強磁性層の相対磁化方向で決まる。２つの強磁性層の磁軸が互いに同一方向の場合、ＭＴＪデバイスの電気抵抗値は小さくなるから、当該ＭＴＪデバイスを貫通する電流のレベルは大きくなる。２つの強磁性層の磁軸が互いに反対方向の場合、ＭＴＪデバイスの電気抵抗値のレベルが大きくなるから、当該ＭＴＪデバイスを貫通する電流のレベルは小さくなる。したがって、ＭＴＪデバイスを貫通する電流のレベルを測定することにより、フリー層の磁気状態を読み取ることができる。
【０００６】
メモリ・デバイスとして動作中のＭＲＡＭデバイスの読み取りは、ＭＴＪ中の被ピン止め層に対するフリー層すなわち記憶層の磁化の状態を間接的に示すトンネル抵抗値を測定することにより行うことができる。ＭＲＡＭデバイスへの書き込みは、外部磁界を使ってフリー層の磁化を逆方向にすることより行うことができる。いま、フリー層が、自由に回転することができるが、ｘ軸と平行または反平行にするには大きなエネルギーを必要とする単純な単位磁石であるとする。そして、被ピン止め層も同様の単位磁石であるが、＋ｘ方向に固定されているものとする。この場合、ＭＴＪデバイス中のフリー層と被ピン止め層がとりうる相対磁化の状態は、同一方向（平行）と反対方向（反平行）の２つしかない。
【０００７】
これらのデバイスの性能を評価する際には、様々なパラメータが問題となる。第１に、２つの記憶状態間の抵抗値の変動を説明するのに、磁気抵抗（ＭＲ、すなわち２つの状態間の抵抗値変化の百分率）が使われる。歴史的には、ＭＲ値の大きな接合を得るために飽和磁化ＭS の大きな強磁性材料が使われた（たとえばメサヴェイとテッドロウ「フィジックス・レポート」第２３８巻第１７３頁（１９９４年）（R. Meservey and P. M. Tedrow, Phys. Rep. 238, 173(1994))参照）。より近年のものが示すところによれば、Ｃｏ、Ｆｅ、およびＮｉの合金で形成した電極を備えたＭＴＪの飽和磁化の大きさとＭＲとの間に大した関連性はない（モンスマとパーキン「アプライド・フィジックス・レター」第７７巻第７２０頁（２０００年）（D. J. Monsma and S. S. P. Parkin, Appl. Phys. Lett. 77,720(2000)) ）。
【０００８】
第２に、保磁力が問題になる。というのは、記憶セル・アレイ中のワイヤに沿って流れる電流が生成する磁界は記憶層の磁化を回転させることができなければならないからである。メモリ・アレイの容量が増大するにつれ、ＭＴＪの面積は必然的に小さくなり、高密度になる。こうなると、スイッチング磁界（保磁力ＨC とも呼ばれる）は、デバイスの材料、厚さ、アスペクト比、および形状が同じでも、横方向の大きさにほぼ逆比例して大きくなる。したがって、現在の設計方針に従っているとじきに、高密度への要求を満たすために接合の大きさが小さくなる結果、保磁力がとてつもなく大きくなってしまう、という状況に立ち至る。
【０００９】
これらの課題に加え、ＭＴＪデバイスの大きさをサブミクロン領域にしようとすると浮上する別の問題がある。第１に、時間がたつとビットを「消去」してしまいがちな強い反磁界がある。第２に、この反磁界は不均一である。特に、この反磁界はＭＴＪデバイスの端近くで最も強い。したがって、製造が最も難しいこの端近くでＭＴＪデバイスの均一性を制御することが最も重要である。というのは、この磁気素子（ＭＴＪデバイス）の端に小さな欠陥があると、微小磁気構造体にとって望ましくない核形成サイトすなわちピン止めサイトが形成され、接合特性が予測できなくなるからである。第３に、パーマロイなどの多結晶材料を使うと、微結晶の不規則な配向に起因してデバイス特性の変動が大きくなる可能性がある。きわめて小さなデバイスでは、粒状構造に起因する統計的ゆらぎがきわめて顕著になる。これらの粒状物によって、ＭＴＪデバイスの電極間のトンネリング特性も変動する可能性がある。その結果、デバイス特性が変動して不確かなものになる。
【００１０】
この増大しつつある保磁力の問題を低減するために、解決策がいくつか提案されている。第１に、記憶電極の飽和磁化ＭS を小さくすればよい。なぜなら、保磁力ＨC は飽和磁化ＭS と連動するからである。しかし、ＭS の小さな材料（たとえばＣｏまたはＦｅと非磁性元素を合金させた材料）の多くはＭＲが小さい。第２に、磁気電極の厚さを薄くしてもよい。なぜなら、保磁力ＨC は電極の厚さと連動するからである。しかし、現在の接合は電極を今以上に薄くしえないところに来ている。したがって、電極をさらに薄くすることはどう見ても困難である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】メサヴェイとテッドロウ「フィジックス・レポート」第２３８巻第１７３頁（１９９４年）（R. Meservey and P. M. Tedrow, Phys. Rep. 238, 173(1994))
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した点から、保磁力を微調整する自由および相当程度のＭＲを実現する自由を残しながらＭＴＪデバイスを製造する新たな方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の側面では、磁気トンネル接合デバイス（ＭＴＪデバイス）を提供する。このＭＴＪデバイスは障壁層で分離されたフリー層と被ピン止め層を備えている。このＭＴＪデバイスのフリー層はフェリ磁性層と反平行層を備えている。反平行層の磁気モーメントはＭＴＪデバイスの少なくとも所定温度範囲内でフェリ磁性層の磁気モーメントと実質的に反平行である。フェリ磁性層と反平行層はスペーサ層で分離されているか、互いに直接に隣接している。
【００１４】
好適な実例では、反平行層は強磁性材料を含んでいる。しかし、反平行層はフリー層中のフェリ磁性層とは磁気特性が異なるフェリ磁性材料を含んでいてもよい。たとえば、反平行層で用いるフェリ磁性材料の補償温度は、フリー層中のフェリ磁性層の補償温度とは異なる。
【００１５】
本発明の別の実例では、メモリ・アレイが提供される。このメモリ・アレイは複数のメモリ・セルを備えている。これらのメモリ・セルのうちの少なくとも１つはＭＴＪデバイスを備えている。このＭＴＪデバイスはフェリ磁性層と反平行層を備えたフリー層を備えている。反平行層の磁気モーメントはＭＴＪデバイスの少なくとも所定温度範囲内でフェリ磁性層の磁気モーメントと実質的に反平行である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】フェリ磁性材料の典型的な磁化配向を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るＭＴＪデバイスの断面図である。
【図３】（ａ）本発明の一実施形態に係るＭＴＪデバイスの磁化配向を示す断面図である。（ｂ）本発明の一実施形態に係るＭＴＪデバイスの別の磁化配向を示す断面図である。
【図４】本発明の一実施形態により形成した複数のＭＴＪデバイスを備えた磁気メモリ・アレイの少なくとも一部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は鉄（Ｆｅ）原子１２０とテルビウム（Ｔｂ）原子１４０を含む典型的なフェリ磁性材料のブロック１００を示す図である。一般的な理解によれば、フェリ磁性類の材料は一般に２つの副格子、通常はテルビウムなどの希土類金属と鉄などの遷移金属とから成る。低温すなわち補償温度（後述）未満では、図１に長い矢印で示す希土類モーメント１４０ａは図１に短い矢印で示す遷移金属モーメント１２０ａよりも大きい。したがって、ブロック１００には希土類モーメント１４０ａの方向に合計磁化が存在する。しかし、希土類モーメントは、遷移金属モーメントより小さな交換力に支配されているから、温度が上昇すると遷移金属モーメントよりも速く小さくなる。磁気モーメントが小さくなる過程において、上記２つの副格子（すなわち磁気モーメント）が相殺する結果、フェリ磁性材料の合計磁化が零になる中間温度が存在する。この中間温度は補償温度（Ｔcomp）とも呼ばれる。この補償温度の上下では、有限の合計磁化が存在する。補償温度はフェリ磁性材料を構成する合金の組成を調整することにより調整することができる。さらに、使用する構成材料をうまく選択することにより、フェリ磁性材料を構成する合金の保磁力も調整することができる。（保磁力とは磁化の強さの変えにくさの尺度のことである。）
【００１８】
光磁気（ＭＯ）記憶装置に対応させて、フェリ磁性材料の別の特性を説明する。「静止（rest）」状態すなわち材料に書き込みがなされていない状態では、ＭＯ媒体には合計磁気モーメントが存在しない。しかしながら、磁化の状態を探るのに使用するレーザは遷移金属の副格子とのみ強く相互作用する。したがって、合計磁気モーメントが存在しない場合であっても、２つの異なった状態は光学的に区別することができる。
【００１９】
トンネリング信号は、上述したＭＯの例と同様に、２つの副格子のうちの好ましい方の磁化状態に敏感である。さらに、補償温度を動作温度に対して調整することにより、磁化を所定の方向と大きさに設定することができる。それには、フェリ磁性層の構成材料を適切に選択する。これにより、保磁力を目的の用途にとって適切なレベルに効果的に調整することができる。
【００２０】
『フェリ磁性材料を用いた磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junctions Using Ferrimagnetic Materials)』なる名称の米国特許出願第０９／７０８２０７号（２０００年１１月８日出願）において、本発明者らはＭＴＪデバイスにおけるフェリ磁性材料の使い方を開示した。具体的には、この先行出願の好適な実施形態において、本発明者らはＭＲＡＭメモリの選択性を改善する、ＭＴＪのフリー層中のフェリ磁性材料の使い方を開示した。フリー層中にフェリ磁性材料を使用する場合、フェリ磁性層の補償温度またはその近傍の温度では選択した１つの元素以外のすべての元素を静止させておくのが望ましい。これが意味するのは、ＭＲＡＭデバイスの温度環境は慎重に制御する必要があるということである。さもないと、ＭＲＡＭデバイスの磁気特性が変化し、当該デバイスの動作可能範囲を狭める、あるいは動作不能にする可能性がある。この温度制御は、本願の発明者らによる次に示す米国特許および米国特許出願に記載された内蔵熱源と温度制御回路を用いて行うことができる。米国特許第６３８５０８２号（２００２年５月７日発行）：名称『熱支援ＭＲＡＭ（Thermal Assisted MRAM)』。米国特許出願第１０／１２８８３８号（２００２年４月２３日出願）：名称『加熱素子を備えた記憶装置（Memory Storage Device With Heating Element) 』。しかしながら、一般に温度制御方式に依存するようなデバイスでは温度ゆらぎが生じるから、上記のようにした場合、ＭＲＡＭデバイスの性能はこの温度ゆらぎに左右されることになる。
【００２１】
ここで提示するＭＴＪデバイスでは、ＭＴＪデバイスのフリー層中にフェリ磁性層と反平行層の双方を用いている。フリー層の一部としてフェリ磁性層に加え反平行層を用いると、静止モード（すなわちＭＴＪデバイスのフリー層がスイッチング〔すなわち磁化方向の切り換え動作〕をしていないモード）において、ＭＴＪデバイスを補償温度から離れた温度で動作するように構成することが可能になる。上述したように、ＭＴＪデバイスがスイッチングするのは、メモリ・アレイ・デバイスの一部として書き込みを行うときである。ＭＴＪデバイスを書き込み用に選択したら、フリー層中のフェリ磁性層の補償温度に到達あるいは少なくとも近づくようにそれを加熱する。このように構成することにより、選択したＭＴＪデバイスを（補償温度から離れた温度ではなく）補償温度でスイッチングすることが可能になる。これにより、温度ゆらぎを心配しなくとも済むようになる。
【００２２】
図２は本発明の一実施形態に係るＭＴＪデバイス２００の概略図である。ＭＴＪデバイス２００はフリー層２０５と被ピン止め層２６０を備えている。これらフリー層２０５と被ピン止め層２６０は障壁層２８０で分離されている。本発明では、フリー層２０５はフェリ磁性層２１０と反平行層２２０を備えている。
【００２３】
一実施形態では、フリー層２０５はフェリ磁性層２１０と反平行層２２０とを分離するスペーサ層２４０も備えている。したがって、フリー層２０５は図２に示すサンドイッチ状の積層体を形成していてもよい（後述するように別の態様もある）。
【００２４】
あるいは、フリー層２０５にスペーサ層を備えず、フェリ磁性層２１０と反平行層２２０とを互いに直接に隣接させてもよい。この実施形態では、フェリ磁性層２１０と反平行層２２０は互いに直接に交換結合する。理論にこだわるわけではないが、通説によると、反平行層２２０（具体的には反平行層２２０中の強磁性材料）はフェリ磁性層２１０を構成する２つの副格子の一方と交換結合することができる。したがって、補償温度未満の温度では、フェリ磁性層２１０の磁化と反平行層２２０の磁化とでは、フリー層２０５中に合計磁気モーメントは生じない。補償温度超の温度では、上記２つの層の磁気モーメントは加算されるから、選択したＭＴＪと非選択のＭＴＪとをより明確に区別することができるようになる。
【００２５】
当技術分野で知られているように、フェリ磁性層２１０にはフェリ磁性材料が含まれている（これを第１のフェリ磁性材料と呼ぶ。第２のフェリ磁性材料については後述する）。そのようなフェリ磁性材料の例としては、ガドリニウム（Ｇｄ）、Ｔｂ、およびジスプロシウム（Ｄｙ）のうちの少なくとも１つを含み、さらにＦｅおよびＣｏのうちの少なくとも一方を含む合金が挙げられる。
【００２６】
反平行層２２０は強磁性材料を含んでいるのが望ましい。強磁性材料は当技術分野でよく知られている。あるいは、反平行層２２０は、フェリ磁性層２１０に含まれる第１のフェリ磁性材料とは特性が異なる第２のフェリ磁性材料を含んでいてもよい。たとえば、反平行層２２０の厚さと補償温度は、フェリ磁性層２１０中の第１のフェリ磁性材料の磁気モーメントと反平行層２２０中の第２のフェリ磁性材料の磁気モーメントとがＭＲＡＭデバイスの動作温度で均衡するように選択する。さらに、フェリ磁性層２１０中の第１のフェリ磁性材料または反平行層２２０中の第２のフェリ磁性材料の補償温度に近づくにつれ、選択したＭＴＪのフリー層２１０の温度変化によって当該フリー層２１０の磁気モーメントが比較的急峻に変化するようにしてもよい。
【００２７】
反平行層２２０は、ＭＴＪが静止温度のときにその磁気モーメントがフェリ磁性層２１０の磁気モーメントに対して実質的に反平行となるので、そのように呼ばれている。ＭＴＪが静止温度のときとは、当該ＭＴＪが書き込み用に選択されていない（すなわちそのフリー層の磁化を切り換えていない）ときのことである。本来、反平行は（ここで用いているように）反平行層２２０の磁気モーメントとフェリ磁性層２１０の磁気モーメントとが実質的に１８０度をなしていることを意味する。この反平行構成によって、フェリ磁性層２１０の磁気モーメントと反平行層２２０の磁気モーメントとが、たとえばＭＲＡＭの動作温度で相殺することが可能になる。温度変化によって上記２つの磁気モーメントの間に不均衡が生じると、フリー層２０５に合計磁気モーメントが生じる。
【００２８】
フェリ磁性層２１０と反平行層２２０を分離するスペーサ層２４０は（それが用いられている場合には）、非磁性の導電性材料を含んでいるのが望ましい。スペーサ層２４０に用いる材料は熱伝導率が大きい材料、たとえば金属などであるのが望ましい。スペーサ層２４０は直接反平行交換結合をするように選択してもよいし、あるいはフェリ磁性層２１０と反平行層２２０との間の双極子結合に起因する反平行構成が好都合になるように磁気分離を実現するものでもよい。
【００２９】
被ピン止め層２６０は既存のものでよいし、パーマロイその他当技術分野で知られている強磁性材料から成るのが望ましい。ＭＴＪデバイスはさらに固定層２９０を備えている。固定層２９０は被ピン止め層２６０の磁化配向を実質的に固定する層である。たとえば、被ピン止め層２６０が強磁性材料から成る場合、固定層２９０は反強磁性材料であるのが望ましい。障壁層２８０は当技術分野で知られている電気絶縁材料、たとえば酸化アルミニウムなどから成るのが望ましい。
【００３０】
本発明に係るＭＴＪは上述した様々な層群から成る特定の構成に限定されない。たとえば、図２に示すフリー層２０５の好適な構成では、フェリ磁性層２１０はスペーサ層２４０の上に配置され、反平行層２２０はスペーサ層２４０の下に障壁層２８０に隣接して配置されている。上述したように、反平行層２２０は強磁性層であるのが望ましい。強磁性材料を含む反平行層２２０を障壁層２８０に隣接させ、被ピン止め強磁性層２６０に最接近させると、既存のＭＴＪデバイスで行われているように、上記２つの強磁性層の間でトンネリングが生じるようになる。また、ＭＴＪを構成する層群を堆積する際には、ＭＲＡＭトンネル接合に関する多数の研究成果を利用することができる。ＭＴＪデバイスの別の典型的な構成は、フェリ磁性層２１０を障壁層２８０に隣接して配置し、反平行層２２０をスペーサ層２４０の上に配置することである。また、本発明に基づいて、ＭＴＪデバイスの他の構成を案出することもできる。
【００３１】
一実施形態によると、フリー層２０５の合計磁化と被ピン止め層２６０の磁化はそれぞれ、フリー層２０５と被ピン止め層２６０に平行な面に位置している。あるいは、フリー層２０５の合計磁化と被ピン止め層２６０の磁化はそれぞれ、フリー層２０５および被ピン止め層２６０と垂直な面に位置している。別の実施形態によると、フリー層２０５と被ピン止め層２６０は互いにある角度、好ましくは９０度をなして磁化されている。
【００３２】
図３（ａ）と図３（ｂ）は本発明の一実施形態に係るフリー層と被ピン止め層の磁化の配向を示す図である。図に示すフリー層３０２と被ピン止め層３０４はトンネル障壁層３０６（たとえば酸化アルミニウム）で分離されている。フリー層３０２の特徴は図中に矢印３０２ａで示すように配向された磁化である。被ピン止め層３０４は（たとえば強磁性またはフェリ磁性の）磁性材料である。被ピン止め層３０４の磁化は、図中に矢印３０４ａで示すように、矢印３０２ａで示す磁化とある角度をなしている。図３（ａ）と図３（ｂ）に示すように、この角度は約９０度であるのが望ましい。図から理解しうるように、図３（ａ）と図３（ｂ）のＭＴＪデバイスが近くに位置する媒体３０８の磁化中のビット３０８ａを読み取りうるように、矢印３０２ａと矢印３０４ａとの間の角度は非零にする必要がある。
【００３３】
ここでは、ＭＲＡＭアレイなどのメモリ・アレイも提示する。図４は本発明の一実施形態に係るメモリ・アレイを示す図である。図に示すメモリ・アレイは複数のメモリ・セルを備えている。各メモリ・セルは図２に示したものと同じ態様で形成したＭＴＪデバイス２００を備えているのが望ましい。図４から明らかなように、ＭＴＪデバイスは垂直方向に間隔をあけて配置されたワード線１、２、３とビット線４、５、６との交差領域に配置するのが望ましい。図４には３本のワード線と３本のビット線しか示されていないが、実際のメモリ・アレイ中のワード線とビット線の本数はずっと多い。ビット線とワード線は上から見たときに交差領域を形成するように、異なる方向（たとえば９０度をなす方向）に配向するのが望ましい。本発明の好適な実施形態によると、メモリ・アレイ中の１つのＭＴＪデバイス、またはメモリ・アレイ中の一群のＭＴＪデバイスを書き込み用に選択するには、選択したＭＴＪデバイスのみを選択的に加熱する。これにより、隣接するセルに誤って書き込む可能性が低減するから、選択したＭＴＪデバイスのスイッチング特性の質が向上する。
【００３４】
図２に示すフェリ磁性層２１０と反平行層２２０を備えたフリー層２０５を用いると、補償温度未満の温度で動作し、しかも外部磁界の影響を受けないメモリ・アレイ装置（たとえばＭＲＡＭ）から成る静的素子が得られる。フリー層２０５を構成する層群の磁化と厚さは、（フェリ磁性モーメントの温度依存性が小さくなるように補償温度よりも十分低くなるように選んだ）ＭＲＡＭ装置の動作温度で、積層構造をしたフリー層２０５の合計磁化が小さく、あるいは零になるように選択することができる。
【００３５】
選択中、選択したＭＴＪデバイスのフリー層積層体は、たとえば当該ＭＴＪデバイスを貫通する電流により加熱する。これにより、フェリ磁性層２１０中のフェリ磁性材料の磁気モーメントを零またはほぼ零にしうる。この結果、フリー層２１０を構成するフェリ磁性層２１０と（強磁性であることが望ましい）反平行層２２０の合計磁化は急激に大きくなる。この状態で、メモリ・アレイ中の選択したＭＴＪデバイスはかなり小さな磁界でもスイッチングすることができるようになる。したがって、ＭＴＪデバイスをその補償温度またはその近傍まで加熱して当該ＭＴＪデバイスを選択することにより、当該ＭＴＪデバイスのスイッチング磁界を顕著に小さくすることができる。なぜなら、上述したように、ＭＴＪデバイスのフリー層２０５中のフェリ磁性層２１０の磁気モーメントと反平行層２２０の磁気モーメントとが不均衡になるからである。このように、ＭＴＪデバイスの状態を切り換える（メモリ装置の場合には書き込む）のに要する磁界を小さくできるから、メモリ・アレイ中の非選択（すなわち非加熱）のＭＴＪデバイスの状態が不測の変化をきたさないようにしながら、選択したＭＴＪデバイスに所望の状態を正確に書き込む能力が向上する。
【００３６】
このように構成すると、加熱電流による選択の有無を表わすスイッチング磁界の比（すなわちフリー層の磁気モーメントを打ち消す度合いで決まるスイッチング磁界の比）が大きくなるから、選択性が向上する。このフリー層の磁気モーメントを打ち消す度合いは比較的動作温度の影響を受けにくい。なぜなら、従来のように記憶装置を補償温度（またはその近傍）で動作させる必要があった場合に比べて、フェリ磁性材料の磁気モーメントは動作温度の影響を受ける程度がずっと小さいからである。さらに、書き込み磁界を印加する間にデバイスの温度が補償温度を通過する場合、選択性が最大になる。したがって、本発明によれば、既存のＭＴＪデバイスよりも動作温度範囲の広いメモリ・アレイを実現することができる。
【００３７】
以上、好適な実施形態を参照して本発明を説明したが、磁気材料と磁気デバイスの分野の当業者は多数の変更と変形を容易になすことができる。したがって、本発明はそのような変更と変形を特許請求の範囲が包摂する最大限の程度に包含するものであることを理解すべきである。
【符号の説明】
【００３８】
１００  フェリ磁性材料のブロック
１２０  鉄（Ｆｅ）原子
１２０ａ  遷移金属モーメント
１４０  テルビウム（Ｔｂ）原子
１４０ａ  希土類モーメント
２００  ＭＴＪデバイス
２０５  フリー層
２１０  フェリ磁性層
２２０  反平行層
２４０  スペーサ層
２６０  被ピン止め層
２８０  障壁層
２９０  固定層
３０２  フリー層
３０２ａ  矢印
３０４  被ピン止め層
３０４ａ  矢印
３０６  トンネル障壁層
３０８  媒体
３０８ａ  ビット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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