(57)【要約】多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイス（７）において、デバイス（７）は、印加された磁界の存在下において好ましい方向に固定された磁気モーメントベクトル（２０）を有する固定強磁性領域（１９）と、その固定強磁性領域上に配置された非強磁性スペーサ層（２４）と、その非強磁性スペーサ層上に配置された自由強磁性領域（２６）であって、その自由強磁性領域内でＮ個の安定位置を有する自由磁気モーメントベクトル（３０）が提供されるように設計された異方性を有する自由強磁性領域（２６）とを含み、Ｎは三以上の整数であるデバイス（７）。安定位置の数Ｎは自由強磁性領域の形状の異方性により誘導され得るものであり、各Ｎ安定位置は固有の抵抗値を有する。
2005535111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗を有する多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスであって、
基板と、
前記基板上に配置された第一導電線と、
前記第一導電線に近接して配置された固定強磁性領域であって、その固定強磁性領域は、印加された磁界の有無に拘わらず、好ましい方向に固定された固定磁気モーメントベクトルを有する固定強磁性領域と、
前記固定強磁性領域上に配置された非強磁性スペーサ層と、
前記非強磁性スペーサ層上に配置された自由強磁性領域であって、その自由強磁性領域は、印加された磁界の存在下で自由に回転する自由磁気モーメントベクトルを有し、かつその自由磁気モーメントベクトルに対する三以上の安定位置を設定する異方性を有し、その三以上の安定位置は、各位置が固有の抵抗を生成するように、前記固定磁気モーメントベクトルの前記好ましい方向に対して配向されている自由強磁性領域と、
前記第一導電線に対し非ゼロの角度で配置された第二導電線とを備える多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイス。
【請求項２】
前記自由強磁性領域の異方性は、前記自由強磁性領域の形状により付与される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記自由強磁性領域の形状は、極方程式ｒ（θ）＝１＋｜Ａ・ｃｏｓ（Ｎ・θ−α）｜により近似的に定義され、Ｎは整数であり、θは前記第一及び第二導電線に対する度の単位の角度であり、ｒは極座標における距離であり、かつ、角度θの関数であり、αは前記第一導電線に対する突出領域（ｌｏｂｅ）の角度を決定する度の単位の角度であり、かつＡは定数である請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記自由強磁性層の形状は、前記第一導電線に平行に配向された少なくとも一つの突出領域を有する請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記自由強磁性領域の異方性は、前記自由強磁性領域に含まれる材料の内因性の異方性により付与される請求項１に記載の装置。
【請求項６】
多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスであって、
基板と、
ベース電極に近接して配置された第一導電線と、
前記第一導電線に近接して配置された自由強磁性領域であって、その自由強磁性領域は、印加された磁界の存在下で自由に回転する自由磁気モーメントベクトルを有し、かつその自由磁気モーメントベクトルに対する三以上の安定位置を設定する異方性を有し、その三以上の安定位置は、各位置が固有の抵抗を生成するように、固定磁気モーメントベクトルの好ましい方向に対して配向されている自由強磁性領域と、
前記自由強磁性領域上に配置された非強磁性スペーサ層と、
前記非強磁性スペーサ層上に配置された固定強磁性領域であって、その固定強磁性領域は、印加された磁界の有無に拘わらず、好ましい方向に固定された固定磁気モーメントベクトルを有する固定強磁性領域と、
前記第一導電線に対し非ゼロの角度で配置された第二導電線とを含む多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイス。
【請求項７】
多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを製造する方法であって、
表面を画定する基板を提供するステップと、
前記基板の前記表面上でベース電極を支持するステップと、
印加された磁界の有無に拘わらず、好ましい方向に固定された固定磁気モーメントベクトルを有する固定磁気抵抗領域と、三以上の安定位置を備えた自由磁気モーメントベクトルを提供するように設計され、その三以上の安定位置は前記固定磁気モーメントベクトルの前記好ましい方向に対して非ゼロの角度で配向されている形状を有する自由強磁性領域との間に材料層を形成するステップと、
ビット導電線を形成するステップとを備え、前記材料層及び前記自由強磁性領域のうちの一方が前記ベース電極上に配置され、前記ビット導電線が前記材料層及び前記自由強磁性領域の他方の上に配置されている、多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを製造する方法。
【請求項８】
前記三以上の安定位置は前記自由強磁性領域の異方性により設定される請求項７に記載の方法。
【請求項９】
多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに多値を記憶する方法であって、
第一導電体及び第二導電体に隣接した多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスであって、その多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスは非強磁性スペーサ層により分離された第一強磁性領域及び第二強磁性領域を含み、その第一及び第二強磁性領域のうちの少なくとも一方は合成反強磁性領域を含み、かつ時刻ｔ0において好ましい方向に配向された自由磁気モーメントベクトルを有し、その第一及び第二強磁性領域のうちの少なくとも一方は、三以上の安定位置を備えた自由磁気モーメントベクトルを提供する異方性を有し、その第一及び第二強磁性領域のうちの少なくとも一方は、印加された磁界の有無に拘わらず、好ましい方向に配向された固定磁気モーメントベクトルを有し、その三以上の安定位置はその固定磁気モーメントベクトルの好ましい方向に対して非ゼロの角度で配向されている多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供するステップと、
前記三以上の安定位置のうちの一つに、前記自由磁気モーメントベクトルを配向するための第一及び第二電流パルスを印加するステップと、
印加された磁界が存在しない状況で、前記自由磁気モーメントベクトルがＮ個の安定位置のうちの一つに揃うように、第一及び第二電流パルスを停止するステップとを含む多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスに多値を記憶する方法。
【請求項１０】
抵抗を有する多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスにおいて、そのデバイスは、
第一強磁性領域と、
磁気抵抗メモリデバイスを形成するために、前記第一強磁性領域に隣接して配置された第二強磁性領域とを備え、前記第一及び第二強磁性領域のうちの一方は、三以上の磁気モーメントベクトルの安定位置を有する形状を含んでおり、その安定位置は前記第一及び第二強磁性領域のうちの一方の中に含まれる材料の異方性により誘導される抵抗を有する多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体メモリデバイスに関するものであり、より詳細には、本発明は磁界を使用する半導体ランダムアクセスメモリデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体メモリデバイスは、電荷を蓄えることにより、メモリ状態を記憶する。しかしながら、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（以後、“ＭＲＡＭ”と称する）デバイスは、磁性材料又は構造において生み出される磁気モーメントベクトルの方向を使用することにより、メモリ状態を記憶する。このように、ＭＲＡＭデバイスにおけるメモリ状態は、電力ではなく、むしろ磁気モーメントベクトルの方向により保持される。しかしながら、商業として成立するためには、ＭＲＡＭは、現在のメモリ技術に匹敵する程度のメモリ密度を有し、次世代に拡張可能であり、低電圧で動作し、低電力消費量を有し、かつ競争力のある読み出し／書き込み速度を有しなければならない。
【０００３】
従来のＭＲＡＭ技術においては、磁界を印加して、ＭＲＡＭデバイスにおける磁性材料を二つの可能なメモリ状態のどちらかに磁化させることにより、データ記憶は達成される。このように、単一のＭＲＡＭデバイスは、一般に、一ビットの情報を記憶し、メモリ密度を上昇させるには、そのＭＲＡＭデバイスを横方向に関してより小さな寸法にまで縮小する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、そのビットの寸法の縮小に従い、三つの問題が発生する。第一に、所定の形状及び膜の厚さに対するスイッチング磁界は増大し、切り替えのためにより多くの電流が必要とされる。第二に、全スイッチチング容量は減少し、容量及びスイッチング磁界に比例する反転のためのエネルギー障壁は減少する。そのエネルギー障壁とは、磁気モーメントベクトルを一方の状態から他方の状態に切り替える際に必要とされるエネルギー量のことを言う。そのエネルギー障壁によりＭＲＡＭデバイスのデータ保持率及び誤差率は決定され、仮にその障壁が非常に小さいものであるのならば、熱揺らぎにより意図せぬ反転が起こり得る。最後に、スイッチング磁界は形状により生成されるため、ビットのサイズの縮小に従い、そのスイッチング磁界は形状の変化に対してより敏感なものとなる。より小さな寸法ではフォトリソグラフィの拡大・縮小がより困難になることに伴い、ＭＲＡＭデバイスが緊密したスイッチング分布を保持することは難しくなるだろう。
【０００５】
従って、本発明の目的は、新規であり、かつ改良された多値を記憶可能な磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記に特定した目的及び利点、並びに他の目的及び利点を達成するために、多値ＭＲＡＭセルが開示されている。好ましい実施形態において、多値ＭＲＡＭセルは抵抗を有し、第一導電線及びベース電極の間に挟まれた多値ＭＲＡＭデバイスを備えている。さらに、第二導電線がそのベース電極に近接して配置されている。好ましい実施形態において、その多値ＭＲＡＭデバイスはそのベース電極に隣接して配置された固定合成反強磁性領域を含んでいる。その固定合成反強磁性領域は、反強磁性固定層、及び第一導電線に対して第一非ゼロ角度にある好ましい方向に配向された固定磁気モーメントベクトルを有する固定強磁性層を含んでいる。さらに、非強磁性スペーサ層が固定合成反強磁性領域上に配置されている。
【０００７】
自由強磁性領域が非強磁性スペーサ層上に、かつ第二導電線に隣接するように配置されている。その自由強磁性領域は、印加された磁界の存在下で自由に回転する自由磁気モーメントベクトルを有しており、かつ、好ましい実施形態において、以下に説明するように、三以上の、例えば四つの安定位置を許容するように設計された形状を有している。
【０００８】
好ましい実施形態において、自由磁気抵抗領域は、二つの強磁性層の間に挟まれた反強磁性結合スペーサ層を有する三層構造を含んでいる。さらに、第一導電線の目的はビット線として作用することにあり、第二導電線の目的はスイッチ線として作用することにある。これらの導電線は、ＭＲＡＭデバイスに電流パルスを供給して、所望の状態に自由磁気モーメントベクトルを揃えるための磁界を誘導する。
【０００９】
ＭＲＡＭデバイスの多値は、自由強磁性領域内において誘導された異方性により設定される。好ましい実施形態において、複数の磁性状態を設定するために、自由強磁性領域の形状が選択され、第一困難軸が第一導電領域に平行に配向され、第二困難軸が第二導電領域に平行に配向される。結果として、自由磁気モーメントベクトルはこれら二つの方向のどちらにおいても安定しないだろう。
【００１０】
また、好ましい実施形態において、第一容易軸及び第二容易軸の両方が第一困難軸、第二困難軸及び固定磁気モーメントベクトルに対して非ゼロの角度で配向されるように、自由強磁性領域の形状は選択されている。第一容易軸及び第二容易軸はまた、９０°の相対角度で配向されるように選択されている。第一容易軸は第一安定位置及び第三安定位置を設定し、その第一安定位置及び第三安定位置は第一容易軸に沿って反平行に配向されている。第二容易軸は第二安定位置及び第四安定位置を設定し、その第二安定位置及び第四安定位置は第二容易軸に沿って反平行に配向されている。
【００１１】
このように、好ましい実施形態において、形状により誘導された自由強磁性領域の異方性により、四つの安定位置が設定された。しかしながら、自由強磁性領域に三以上の安定位置を設定するのに他の方法が使用可能であることは理解されよう。さらに、ＭＲＡＭデバイスの抵抗は、どの安定位置が自由磁気モーメントベクトルの方向と一致しているのかに依存する。これは、各安定位置が固定磁気モーメントベクトルに対して固有の角度で配向されているためである。それゆえ、四つの安定位置はＭＲＡＭデバイスの抵抗を測定することにより測ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下の図面を併用した以下の好ましい実施形態の詳細な説明から、本発明の前述の、さらなる、より特定の目的及び利点が当業者には直ちに明らかとなるだろう。
以下に、本発明による多値ＭＲＡＭセル５の簡略断面図を示す図１を参照する。多値ＭＲＡＭセル５はベース電極１４と導電線３６との間に挟まれた多値ＭＲＡＭデバイス７を備えており、多値ＭＲＡＭデバイス７は抵抗Ｒを有している。さらに、図示するように、導電線１２がベース電極１４に近接して配置されており、絶縁トランジスタ１０がベース電極１４及び電気接地１３に電気接続されている。
【００１３】
多値ＭＲＡＭデバイス７は、ベース電極１４に隣接して配置された固定合成反強磁性領域１９を含んでいる。固定合成反強磁性領域１９は、ベース電極１４上に配置された反強磁性固定層１６、層１６上に配置された固定強磁性層１７、層１７上に配置された反強磁性結合層１８及び層１８上に配置された固定強磁性層２２を含んでいる。さらに、固定強磁性層２２は、導電線３６に対して第一非ゼロ角度に固定された好ましい方向（図３参照）に配向された固定磁気モーメントベクトル２０を有している。領域１９は、単一の固定層を使用することを含む多くの構造により代替可能であり、この実施形態における四層の使用は例示の目的に過ぎないことは理解されよう。
【００１４】
所定の厚さを有する非強磁性スペーサ層２４が固定合成反強磁性領域１９上に配置されている。非強磁性スペーサ層２４は複数の層を含み得るものであるが、例示の目的のため一層のみとして図示されていることは理解されよう。また、非強磁性スペーサ層２４は、例えばアルミニウム酸化物（ＡｌＯ）のような誘電体材料を含み得るものであり、その場合、多値ＭＲＡＭデバイス７はトンネル接合デバイスのように動作することは理解されよう。典型的な層２４は、固定強磁性層２２及び強磁性層２８の間をスピン偏極されたトンネル電流が流れるのに十分な程度に薄いものである。他の実施形態では、非強磁性スペーサ層２４は、例えば銅（Ｃｕ）のような導電材料を含み得るものであり、その場合、多値ＭＲＡＭデバイス７は巨大磁気抵抗デバイスのように動作する。しかしながら、一般に、非強磁性スペーサ層２４は、十分な磁気抵抗比を有するデバイスをもたらすようないかなる適当な非強磁性材料を含み得るものである。
【００１５】
自由強磁性領域２６が非強磁性スペーサ層２４上に、かつ導電線３６に隣接するように配置されている。強磁性層２８は、印加された磁界の存在下で自由に回転する自由磁気モーメントベクトル３０を有している。好ましい実施形態において、以下に説明するように、自由強磁性領域２６は三以上の安定位置を有する自由磁気モーメントベクトル３０を提供するように設計されている。好ましい実施形態において、自由磁気抵抗領域２６は、強磁性層２８及び強磁性層３４の間に挟まれた反強磁性結合スペーサ層３２を有する三層構造を備えている。
【００１６】
自由磁気抵抗領域２６は四以上の層を含むことが可能であり、この実施形態における三層の使用は例示の目的に過ぎないことは理解されよう。例えば、強磁性層／反強磁性結合スペーサ層／強磁性層／反強磁性結合スペーサ層／強磁性層の五積層の使用もまた可能である。さらに、領域２６は、例えば単一の自由強磁性層のような三未満の層を含むことも可能であることは理解されよう。
【００１７】
好ましい実施形態において、固定強磁性層２２及び強磁性層２８は電子スピンに関して分離したバンド構造を有しており、伝導帯電子の偏極をもたらす。層２２及び２８は、一般に、伝導帯電子のスピン偏極をもたらすような分離したバンド構造を有するいかなる材料をも含み得る。これらの材料のスピン偏極は、磁気モーメントベクトル２０及び３０の相対配向に依存したデバイス構造をもたらす。さらに、一部の実施形態では、固定強磁性層２２及び自由強磁性層２８のうちの少なくとも一方はハーフメタル材料を含み得る。ハーフメタル材料が理想的には１００％のスピン偏極を、実際問題としては一般的に少なくとも８０％のスピン偏極を有することは、当業者にとって周知のことである。ハーフメタル材料の使用は、多値ＭＲＡＭセル５の信号対雑音比を著しく増大させる。
【００１８】
以下に、多値ＭＲＡＭセル５の簡略平面図を示す図２を参照する。多値ＭＲＡＭデバイス７の動作の説明を簡単にするため、図示するように、全ての方向はｘｙ座標系４０により参照される。座標系４０において、角度θは、正のｘ軸に沿って０°、正のｙ軸に沿って９０°、負のｘ軸に沿って１８０°及び負のｙ軸に沿って２７０°となるように定義されている。
【００１９】
さらに、好ましい実施形態において、正のｘ方向に流れる際に、ビット電流ＩBは正となるように定義され、正のｙ方向に流れる際に、スイッチ電流ＩSは正となるように定義されている。導電線１２及び導電線３６の目的は、多値ＭＲＡＭデバイス７に作用する磁界を生成することにある。正のビット電流ＩBは円周状のビット磁界ＨBを誘導し、正のスイッチ電流ＩSは円周状のスイッチ磁界ＨSを誘導する。導電線３６は多値ＭＲＡＭデバイス７の上方にあるため、正のビット電流ＩBの場合、ＨBは多値ＭＲＡＭデバイス７に対し、そのデバイスの平面において、正のｙ方向に加わるだろう。同様に、導電線１２は多値ＭＲＡＭデバイス７の下方に配置されているため、正のスイッチ電流ＩSの場合、ＨSは多値ＭＲＡＭデバイス７に対し、そのデバイスの平面において、正のｘ方向に加わるだろう。
【００２０】
正及び負の電流の定義は任意のものであり、例示の目的及び便宜上ここで定義されていることは理解されよう。電流を反転させることの効果は、多値ＭＲＡＭデバイス７内に誘導される磁界の方向を変化させることにある。電流により誘導される磁界の特性は当業者にとっては周知のことであり、ここではこれ以上説明しない。
【００２１】
前に説明したように、自由強磁性領域２６は、三以上の安定位置を有する自由磁気モーメントベクトル３０を提供するように設計されている。三以上の安定位置を生み出す一つの方法は、自由強磁性領域２６の形状を操作することである。例えば、一実施形態において、自由強磁性領域２６は極方程式ｒ（θ）＝１＋｜Ａ・ｃｏｓ（Ｎ・θ−α）｜により定義される形状を有し得る。ここで、Ｎは近似的に安定位置の半数でありかつ二以上の整数であり、θは導電線１２及び３６に対する角度であり、ｒは極座標における距離で、あり、かつ度の単位における角度θの関数であり、αは導電線１２に関する突出領域（ｌｏｂｅ）の角度を決定する度の単位の角度であり、Ａは定数である。角度θは０°から３６０°の間の範囲の連続値をとり、この実施形態においては、定数Ａは０．１から２．０の間の値をとる。
【００２２】
好ましい実施形態において、少なくとも一つの突出領域が導電線１２（つまり、θ＝９０°）に平行に配向されるように、極関数ｒ（θ）の方程式は選択されている。自由強磁性領域２６の外縁を描く極関数ｒ（θ）は、その領域の基本的形状を示すが、その大きさは示さないことは理解されよう。また、その基本的形状を記述するのに他の方程式も可能であり、三以上の安定状態を設定する形状の異方性を誘導するために他の形状も可能であることは理解されよう。
【００２３】
しかしながら、一般に、異方性を誘導する他の方法も、単独に、若しくは形状の異方性と組み合せにより使用可能であろう。例えば、自由強磁性領域２６に含まれる磁性材料の、一般に、原子レベルのペア秩序に起因すると考えられる内因性の異方性は使用可能である。また、その内因性の異方性の方向は、自由強磁性領域２６の堆積の間に、若しくは堆積の次の焼きなましの間に印加された磁界により設定可能である。自由強磁性領域２６に含まれる磁性材料の磁気結晶異方性もまた、好ましい結晶配向を備えた磁性材料に成長させることにより使用可能であろう。さらに、特定の異方性膜の成長法により誘導された異方性もまた異方性を誘導するのに使用可能であって、その誘導された異方性はクラスター又は結晶成長における形状の非対称性に起因するものと考えられる。
【００２４】
しかしながら、好ましい実施形態において、自由強磁性領域２６の異方性は形状の異方性により付与されることは理解されよう。好ましい実施形態において形状の異方性を使用することは例示の目的のみに過ぎず、異方性を付与し、かつ結果として、三以上の安定状態を自由強磁性領域２６に設定する他の方法も利用可能であることは理解されよう。
【００２５】
好ましい実施形態において、図２に示す多値ＭＲＡＭセル５は、四つの安定状態を有し、Ｎは４に等しく、Ａは０．２に等しく、αは１８０°に等しく、その四つの安定状態は自由強磁性領域２６の形状の異方性により設定されていると仮定されている。さらに、自由強磁性領域２６の形状は、互いに非ゼロの相対角度で配向されている容易軸４４及び容易軸４２を誘導し、好ましい実施形態ではその非ゼロの角度は９０°であると仮定されている。さらに、容易軸４４及び容易軸４２は、固定磁気モーメントベクトル２０（図示略）、導電線３６及び導電線１２に対しても非ゼロの角度で配向されている。
【００２６】
好ましい実施形態ではまた、自由磁気抵抗領域２６の形状は困難軸４６及び困難軸４８を誘導し、困難軸４６は導電線３６と平行に配向され、困難軸４８は導電線１２に平行に配向されていると仮定されている。安定状態の磁化方向は、そのエネルギーを最小化するため、磁化の屈曲又は巻き上がり（ｃｕｒｌｉｎｇ）を伴う複雑なものであるが、この実施形態の磁化方向は、例示の目的のため、上述したように容易軸４２及び４４に沿って、９０°離れて配向されていると仮定されていることは理解されよう。
【００２７】
さらに、一般には、磁化はビットの領域全体に渡って一様に同一方向を向いている訳ではないが、この実施形態では、単に一様であると仮定されていることは理解されよう。このように、容易軸は、単に磁気モーメントベクトルが安定な静止状態にある際に、ＭＲＡＭセル５の中心において配向されている軸であるとして定義されている。
【００２８】
この実施形態において、容易軸４４により安定位置５０及び安定位置５６が設定され、容易軸４２により安定位置５２及び安定位置５４が設定される。それゆえ、安定位置５４は安定位置５６に対して９０°で配向され、安定位置５０は安定位置５６に対して１８０°で配向され、かつ安定位置５２は安定位置５６に対して２７０°で配向されている。このように、この実施形態では、自由磁気モーメントベクトル３０の方向と一致する四つの安定位置が自由磁気抵抗領域２６に設定される。隣り合う安定位置の間の角度は、例示の目的のため、９０°に選択されているが、他の角度も選択可能であることは理解されよう。
【００２９】
自由磁気モーメントベクトル３０と抵抗との間の関係を図３のグラフ８１に示す。同図では、自由磁気モーメントベクトル３０は、Ｒ軸に沿って安定位置５０、５２、５４及び５６に配向されるように示されている。Ｒ軸は固定磁気モーメントベクトル２０の方向とは反平行な方向を向く抵抗軸として定義されている。
【００３０】
多値ＭＲＡＭセル５の抵抗Ｒは、固定磁気モーメントベクトル２０に対する自由磁気モーメントベクトル３０の位置に依存している。例えば磁気トンネル接合又はスピンバルブデバイスのような磁気抵抗デバイスの抵抗は、近似的に磁気モーメントベクトル２０と３０との間の角度φのコサインとして、最小値Ｒminと最大値Ｒmaxとの間で変化し、その関係は、
【００３１】
【数１】
2005535111.tif 000003
【００３２】
のように与えられることは当業者にとっては周知のことである。ｃｏｓ（φ）＝−１となるように、ベクトル２０及び３０が反平行（つまり、φ＝１８０°）の時は、Ｒはその最大値Ｒmaxをとる。ｃｏｓ（φ）＝１となるように、ベクトル２０及び３０が平行（つまり、φ＝０°）の時は、Ｒはその最小値Ｒminをとる。さらに、仮に層２２又は２８の一方の伝導電子が反対の偏極を有していたとすると、その場合、デバイスの原理は不変ではあるが、コサインの依存性の符号が反対になることは当業者には理解されよう。このコサインによる数学的関係は、グラフ８１において、磁気モーメントベクトル２０のＲ軸上への射影として図解される。
【００３３】
好ましい実施形態において、Ｒは、自由磁気モーメントベクトル３０が安定位置５６にある場合は値Ｒ11を、自由磁気モーメントベクトル３０が安定位置５４に保持されている場合は値Ｒ01を、自由磁気モーメントベクトルが安定位置５０に保持されている場合は値Ｒ00を、自由磁気モーメントベクトルが安定位置５２に保持されている場合は値Ｒ10をとる。さらに、この図においてＲ00＜Ｒ01＜Ｒ10＜Ｒ11は理解されよう。
【００３４】
例えば、仮に自由磁気モーメントベクトル３０が安定位置５０に配向されていたとすると、その場合、多値ＭＲＡＭデバイス７はＲ00の抵抗値を有し、その抵抗値は安定位置５０における自由磁気モーメントベクトル３０のＲ軸上への射影である。同様に、安定位置５２、５４及び５６における磁気モーメントベクトル３０の射影は、それぞれに対応するＲ10、Ｒ01及びＲ11の抵抗値を有する。このように、多値ＭＲＡＭデバイス７の状態はその抵抗を測定することにより読み出し可能である。
【００３５】
多値ＭＲＡＭセル５への書き込み法には、導電線１２及び導電線３６に電流を供給して、自由磁気モーメントベクトル３０が好ましい実施形態における四つの安定位置のうちの一つに配向することが含まれる。その書き込み法を十分に説明するために、円周状のビット磁界ＨB及び円周状のスイッチ磁界ＨSの時間発展を説明する特定の例を以下に与える。
【００３６】
以下に、磁気パルスの列１００を示す図４を参照する。図示された磁気パルスの列は、多値ＭＲＡＭセル５に様々な状態を書き込むのに使用される。その書き込み法には、自由磁気モーメントベクトル３０を好ましい実施形態における四つの安定位置のうちの一つに平行な方向に回転させるために、導電線１２及び導電線３６に電流パルスを印加することが含まれる。次いで、その電流パルスは停止され、自由磁気モーメントベクトル３０は四つの安定位置のうちの一つに揃う。
【００３７】
メモリアレイとして、行及び列に配置されたセルの配列に電気接続された線１２及び３６を備えたグリッド上に、複数のＭＲＡＭセルを配置して、交差点配列を形成することが可能であることは理解されよう。従来の二値ＭＲＡＭセルの場合のように、多値ＭＲＡＭセルの場合、そのビットは理想的には、単一の導電線により発生する磁界にさらされた時には、切り替わらない。二つのアクティブな導電線の交差点にあるビットのみが切り替わる状態にあることが望ましい。
【００３８】
好ましい実施形態において、ＭＲＡＭセル５は、９０°に比較して１８０°切り替えるためには非常に強い磁界を必要とする。書き込みに使用される電流は、９０°スイッチングにおける閾値は上回るが、１８０°スイッチングにおいて要求される閾値は下回る磁界を発生するように設計されている。このように、その交差点におけるＭＲＡＭセルのみを切り替える電流パルスの列を線に印加することが可能であり、０°及び／又は９０°スイッチ列の中で磁気モーメントベクトルは、その初期状態に拘わらず、望ましい最終状態に至るまで、移動するだろう。
【００３９】
図４において、例えば、より長いパルスＨBは最終状態が負又は正のｙ方向にあるかどうかを決定し、一方双極パルスＨSは最終状態が正又は負のｘ方向にあるかどうかを決定する。ＭＲＡＭセル５の対称性のため、ＨSパルスが長く、ＨBパルスが短くかつ双極的になるようにＨS及びＨBの役割を入れ替えることによって、等価な書き込み方式を構成することも可能である。仮に、δを短時間パルスの持続時間δ＝ｔi+1−ｔiとすると、その場合、図４に示す書き込み周期の全持続時間は４・δである。任意のビットに対して、その周期のアクティブ部分は、ＨSに関する双極パルスを含む周期の部分のみであるので、極一部が異なる書き込み回路によって、所望の状態を書き込むのに必要な周期のアクティブ部分のみを実行することによっても同一の結果を得ることはできよう。このように、その全周期時間は２・δに削減され得る。
【００４０】
回路における電流パルスは、例えば有限立ち上がり時間、オーバーシュート及びパルス間の有限の分離のような形状及び持続時間における変形を含み得るものであるので、その電流パルスは正確に図４に示したようには発生しないことは当業者には理解されよう。
【００４１】
ＭＲＡＭセル５に書き込む動作の一つの原理は、一方の導電線上に単一の長パルスを、それと同期して、他方の導電線上に双極パルスを有するようにしてＭＲＡＭビットの磁気モーメントを所望の状態に移行させることである。特に、電流パルス間には有限の分離があることが望ましく、それにより、次の電流パルスの開始前に、自由層の磁性状態は平衡状態に移行する。
【００４２】
例えば、ＨSには磁気パルス列１０２及びＨBには磁気パルス列１１２を使用することにより、多値ＭＲＡＭセルには‘１１’状態が書き込まれる。特に、時刻ｔ0において、ＨSはゼロであるが、ＨBは負の値のパルスを発している。一方の書き込み線のみがオンであるため、ＭＲＡＭビットの磁気モーメントは状態を変えないだろう。
【００４３】
時刻ｔ2において、ＨSは負の値のパルスを発しているが、ＨBは正の値のパルスを発している。仮に初期状態が方向５６又は５０にあったならば、その場合、磁気モーメントの方向５４への９０回転がもたらされるだろう。仮に初期状態が方向５４又は５２にあるならば、その場合は回転しない。時刻ｔ3において、負のＨSパルスが終了した時、そのビットは、実質的に図２における軸４２に沿った磁気モーメントを伴い配向されるのみである。時刻ｔ3において、ＨSは正の値のパルスを発しており、ＨBはその正の値に保たれている。これは、自由磁気モーメントベクトル３０が方向５６に向かって配向する効果を有している。時刻ｔ4において、ＨB及びＨSの両方がゼロになり、磁界による力は自由磁気モーメントベクトル３０には働かず、そのモーメントは平衡位置５６に安定する。この図において、ｔ0＜ｔ1＜ｔ2＜ｔ3＜ｔ4は理解されよう。
【００４４】
結果として、自由磁気モーメントベクトル３０は、その異方性のエネルギーを最小にするように、最も近い安定位置、この場合は安定位置５６、に配向するようになるだろう。前述し、かつ図３において図解したように、安定位置５６は‘１１’状態として定義されている。それゆえ、磁気パルス列１０２及び１１２を使用することにより、多値ＭＲＡＭセル５は‘１１’を記憶するようにプログラムされる。同様に、多値ＭＲＡＭセル５は、磁気パルス列１０４及び１１２を使用することにより‘１０’を記憶するように、磁気パルス列１０６及び１１２を使用することにより‘０１’を記憶するように、かつ磁気パルス列１０８及び１１２を使用することにより‘００’を記憶するようにプログラム可能である。この図において使用された状態は任意のものであり、別の定義も可能であることは理解されよう。
【００４５】
このように、多値ＭＲＡＭセル５は、その寸法を縮小することなく、多値を記憶するようにプログラム可能である。結果として、好ましい実施形態において、そのメモリ記憶密度は二倍に増加した。また、好ましい実施形態において、初期記憶状態に拘わらず、ＭＲＡＭデバイスに四つの可能な状態のうちの一つを記憶できる書き込み法が明示された
本明細書において例示の目的のため選択された本実施形態に対する様々な変更及び改良は、当業者により直ちになされるであろう。本発明の技術思想からは逸脱しないそのような改良及び変形の範囲において、それらの改良及び変形は、以下の請求項の公正な解釈によってのみ判断されるその範囲内に含められると意図されている。
【００４６】
当業者が本発明と同じものを理解し、実施できるように、明快かつ簡明な言葉により、本発明を十分に説明した。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明による多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスの断面図。
【図２】本発明による図１に示す多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスの平面図。
【図３】様々な状態における多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスの抵抗値を示すグラフ。
【図４】多値磁気抵抗ランダムアクセスメモリデバイスへの書き込みに使用される様々な電流パルスを示すグラフ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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