(57)【要約】磁束により磁気抵抗記憶装置の有効磁気モーメント・ベクトルを約１８０度回転するために、種々の時点でワード線およびディジット線に電流波形を供給することができるように、ワード線とディジット線の間にサンドイッチ状に挟まれている磁気抵抗記憶装置を提供する工程を含むスケーラブルな磁気抵抗メモリ・セルをスイッチングするための方法。磁気抵抗記憶装置は、反強磁性結合しているＮ個の強磁性層を含む。Ｎはデバイスの磁気的スイッチング容量を変更するために調整することができる。
2005505889.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗記憶装置をスイッチングするための方法であって、
磁気抵抗記憶素子を第１の導体および第２の導体に隣接して設置する工程であって、前記磁気抵抗記憶素子が、トンネル障壁により分離されている第１の磁気領域と第２の磁気領域を含み、前記第１および第２の磁気領域のうちの少なくとも一方が反強磁性結合しているＮ個の強磁性体層を含み、ここで、Ｎが少なくとも２に等しい整数であり、各層が書込モードを提供すべく調整された磁気モーメントを有し、また、前記第１および第２の各磁気領域が、ｔ０の時点で好適な方向を向いているトンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを有する工程と、
ｔ１の時点で前記第１の導体を通る第１の電流の流れをオンにする工程と、
ｔ２の時点で前記第２の導体を通る第２の電流の流れをオンにする工程と、
ｔ３の時点で前記第１の導体を通る前記第１の電流の流れをオフにする工程と、
ｔ４の時点で前記第２の導体を通る前記第２の電流の流れをオフにし、その結果、前記トンネル障壁に隣接する前記磁気モーメント・ベクトルのうちの一方が、ｔ０の時点の前記最初の好適な方向とは異なる方向を向く工程と、からなる方法。
【請求項２】
磁気抵抗記憶装置をスイッチングするための方法であって、
第１の導体および第２の導体に隣接して磁気抵抗記憶素子を設置する工程であって、前記磁気抵抗記憶素子が、トンネル障壁により分離されている、ピン留めされた磁気領域と自由磁気領域を含み、前記自由磁気領域が、強磁性体のＮ個の反強磁性結合層を含み、ここで、Ｎが２以上の整数であり、前記Ｎ個の層が、ある容積を画定し、前記Ｎ個の層の各層が書込モードを提供すべく調整されたモーメントを有し、前記第１および第２の磁気領域のうちの一方のサブ層磁気モーメント分数バランス比が、０≦｜Ｍｂｒ｜≦０．１の範囲内にあり、前記自由磁気領域が、ｔ０の時点で好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを有する工程と、
ｔ１の時点で前記第１および第２の導体のうちの一方にワード電流パルスを印加し、ｔ３の時点で前記ワード電流パルスをオフにし、一方、ｔ２の時点で前記第１および第２の導体のうちの他の一方にディジット線電流パルスをさらに印加し、ｔ４の時点で前記ディジット線電流パルスをオフにし、ここで、ｔ０＜ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４であり、その結果、前記ｔ４の時点で前記トンネル障壁に隣接する前記自由磁気領域の前記磁気モーメント・ベクトルが、ｔ０の時点の前記最初の好適な方向とは異なる方向を向く工程と、を含む方法。
【請求項３】
磁気抵抗素子をスイッチングするための方法であって、
第１の導体および第２の導体に隣接して磁気抵抗素子を設置する工程であって、前記磁気抵抗素子が、トンネル障壁により分離されている自由磁気領域と固定磁気領域とを含み、前記自由磁気領域が、ある容積を画定するＮ個の層の合成反強磁性構造を含み、ここで、Ｎが２以上の整数であり、前記Ｎ個の層の合成反強磁性構造が、ｔ０の時点で好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを含む反強磁性結合している強磁性層を含み、前記Ｎ個の層の合成反強磁性構造がトグル書込モードを提供すべく調整される工程と、
前記磁気抵抗記憶装置の最初の状態を読み取り、前記最初の状態を前記磁気抵抗記憶装置に記憶する新しい状態と比較する工程と、
前記最初の状態と前記記憶する新しい状態が異なる場合のみ、ｔ１の時点で前記第１および第２の導体のうちの一方にワード電流パルスを印加し、ｔ３の時点で前記ワード電流パルスをオフにし、一方、ｔ２の時点で前記第１および第２の導体の他の一方にさらにディジット線電流パルスを印加し、ｔ４の時点で前記ディジット線電流パルスをオフにする工程と、を含む方法。
【請求項４】
書き込むビット位置の論理状態をトグルすることにより情報を記憶するためのアレイを有するメモリ。
【請求項５】
磁気抵抗メモリ・アレイであって、
第１の導体と、
第２の導体と、
前記第１の導体および第２の導体に隣接する磁気抵抗記憶装置とを備え、同磁気抵抗記憶装置が、
ピン留めされている磁気領域と、
トンネル障壁と、
同トンネル障壁により該ピン留めされている磁気領域から分離している自由磁気領域とを含み、同自由磁気領域が、
反強磁性結合しているＮ個の強磁性層を含み、ここで、Ｎが２以上の整数であり、前記Ｎ個の層がある容積を画定し、前記Ｎ個の層の各層が書込モードを提供すべく調整されたモーメントを有し、前記自由な磁気領域およびピン留めされている磁気領域のうちの一方のサブ層磁気モーメント分数バランス比が、０≦｜Ｍｂｒ｜≦０．１の範囲内にあり、前記自由磁気領域が、ｔ０の時点で好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを有する工程と、
ｔ１の時点で前記第１および第２の導体のうちの一方にワード電流パルスを印加し、ｔ３の時点で前記ワード電流パルスをオフにし、一方、ｔ２の時点で前記第１および第２の導体のうちの他の一方にディジット線電流パルスをさらに印加し、ｔ４の時点で前記ディジット線電流パルスをオフにし、ここで、ｔ０＜ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４であり、その結果、前記ｔ４の時点で前記トンネル障壁に隣接する前記自由磁気領域の磁気モーメント・ベクトルが、ｔ０の時点の前記最初の好適な方向とは異なる方向を向く工程と、を含む方法。
【請求項６】
磁気抵抗アレイであって、
第１の導体と、
第２の導体と、
前記第１および第２の導体に隣接する磁気抵抗素子とを備え、同磁気抵抗素子が、
固定磁気領域と、
トンネル障壁と、
前記トンネル障壁により前記固定磁気領域から分離している自由磁気領域とを含み、同自由磁気領域が、ある容積を画定するＮ個の層の合成反強磁性構造を含み、ここで、Ｎが２以上の整数であり、該Ｎ個の層の合成反強磁性構造が、ｔ０の時点で好適な方向を向いている前記トンネル障壁に隣接する磁気モーメント・ベクトルを含む反強磁性結合している強磁性層を含み、該Ｎ個の層の合成反強磁性構造がトグル書込モードを提供すべく調整され、さらに、
前記磁気抵抗記憶装置の最初の状態を読み取り、前記最初の状態を前記磁気抵抗記憶装置に記憶する新しい状態と比較し、前記新しい状態が前記最初の状態と異なる場合のみ、それに応じて前記磁気抵抗素子をプログラムする回路と、を備える磁気抵抗アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体記憶装置に関し、より詳細には、磁界を使用する半導体ランダム・アクセス記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
不揮発性記憶装置は、電子システムでの非常に重要な構成部品である。フラッシュ・メモリは、現在使用されている主要な不揮発性記憶装置である。典型的な不揮発性記憶装置は、情報を記憶するために浮動酸化物層内に捕捉した電荷を利用する。フラッシュ・メモリの問題点としては、高電圧を必要とすることと、プログラミングおよび消去に時間がかかることなどがある。また、フラッシュ・メモリは、メモリが故障するまでの書き込み耐久性が１０４〜１０６サイクルと短い。さらに、妥当なデータ保持を維持するためには、ゲート酸化膜のスケーリング（ｓｃａｌｉｎｇ）が、電子から見たトンネル障壁により制限される。それ故、フラッシュ・メモリは、スケーリングすることができる寸法が制限される。
【０００３】
これらの問題点を克服するために、磁気記憶装置が現在評価されている。このようなデバイスの１つとしては、磁気抵抗ＲＡＭ（以下「ＭＲＡＭ」と呼ぶ）がある。しかし、商業的に実用化するためには、ＭＲＡＭは、現在のメモリ技術に匹敵するメモリ密度を持たなければならないし、将来世代のためにスケーラブルで、低電圧動作で、低消費電力で、競合できる読取／書込速度を有するものでなければならない。
【０００４】
ＭＲＡＭデバイスの場合には、不揮発性メモリ状態の安定性、読取／書込サイクルの反復性、および記憶素子間のスイッチング磁界の均一性が、その設計特性の最も重要な３つの態様である。ＭＲＡＭ内のメモリ状態は電力により維持されるのではなく、磁気モーメント・ベクトルの方向により維持される。データの記憶は、磁界を加えてＭＲＡＭデバイス内の磁気材料を２つの可能なメモリ状態のうちの一方に磁化することにより行われる。データの呼出し（ｒｅｃａｌｌ）は、２つの状態によるＭＲＡＭデバイス内の抵抗の違いを感知することにより行われる。書込みを行うための磁界は、磁気構造体外部のストリップ線路を介して、または磁気構造体自身を介して電流を流すことにより生成される。
【０００５】
ＭＲＡＭデバイスの横寸法が小さくなるにつれて、３つの問題が発生する。第１の問題は、所与の形状および膜の厚さに対してスイッチング磁界が増大して、スイッチングを行うために強い磁界が必要になることである。第２の問題は、全体のスイッチング容積が小さくなるために、反転のためのエネルギー障壁が低減することである。エネルギー障壁という用語は、磁気モーメント・ベクトルを、ある状態から他の状態にスイッチングされるのに必要なエネルギーの量を意味する。エネルギー障壁は、ＭＲＡＭデバイスのデータ保持および誤り率を決定し、障壁が非常に小さい場合には、熱変動（超常磁性）により予期しない反転が起こる恐れがある。エネルギー障壁が小さい場合の大きな問題は、アレイ内のあるＭＲＡＭデバイスを選択的にスイッチングするのが非常に困難になることである。選択性により、他のＭＲＡＭデバイスをうっかりしてスイッチングすることなく、スイッチングを行うことができる。最後に、スイッチング磁界は形状により生成されるので、ＭＲＡＭデバイスのサイズが小さくなるにつれて、形状の変化にさらに敏感になる。寸法が小さくなるとフォトリソグラフィのスケーリングがさらに困難になるので、ＭＲＡＭデバイスは、厳しいスイッチング分配を維持するのが難しくなる。
【０００６】
それ故、従来技術に固有の上記および他の問題点を克服できれば非常に有利である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
それ故、本発明の１つの目的は、磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
本発明の１つの目的は、非常に選択性の高い磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
【０００８】
本発明のもう１つの目的は、誤り率が改善された磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
本発明のもう１つの目的は、形状への依存性が少ないスイッチング磁界を有する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置へ書き込むための新規で改善された方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記および他の目的および利点を達成するための、スケーラブルな磁気抵抗メモリ・アレイに書き込むための方法を開示する。メモリ・アレイは、多数のスケーラブルな磁気抵抗記憶装置からなる。説明を簡単にするために、１つのＭＲＡＭデバイスへの上記書込み方法の適用方法について説明するが、この書込み方法は、任意の数のＭＲＡＭデバイスにも適用できることを理解することができるだろう。
【００１０】
上記書込み方法を説明するために使用するＭＲＡＭデバイスは、磁気抵抗記憶素子に隣接して位置するワード線およびディジット線を含む。磁気抵抗記憶素子は、ディジット線に隣接して位置するピン留めされた磁気領域を含む。トンネル障壁は、ピン留めされた磁気領域上に位置する。次に自由磁気領域は、トンネル障壁上に位置していてワード線に隣接している。好ましい実施形態では、ピン留めされている磁気領域は、好適な方向に固定されたことによって発生する磁気モーメント・ベクトルを有する。また、好ましい実施形態では、自由磁気領域は合成反強磁性（以下「ＳＡＦ」と呼ぶ）層材料を含む。合成反強磁性層材料は、強磁性体のＮ個の反強磁性結合層を含む。ここで、Ｎは２以上の整数である。Ｎ個の層は、Ｎを変化させることにより調整することができる磁気スイッチング容積を画定する。好ましい実施形態の場合には、Ｎ個の強磁性層は、反強磁性結合スペーサ層を、隣接する各強磁性層間にサンドイッチ状に挟むことにより反強磁性結合している。さらに、各Ｎ層は、最適化した書込モードを提供するように調整されたモーメントを有する。
【００１１】
好ましい実施形態では、Ｎは２に等しいので、合成反強磁性層材料は、強磁性層／反強磁性結合スペーサ層／強磁性層からなる３層構造である。３層構造の２つの強磁性層は、それぞれ磁気モーメント・ベクトルＭ１およびＭ２を有し、磁気モーメント・ベクトルは、通常、反強磁性結合スペーサ層の結合により逆平行方向を向いている。反強磁性結合も、ＭＲＡＭ構造内の層の静磁界により生成される。それ故、スペーサ層は、２つの磁気層間の強磁性結合を除去する以上の追加の反強磁性結合を必ずしも提供する必要はない。本発明の書込み方法を説明するために使用するＭＲＡＭデバイスについてのもっと詳細な情報については、同じ日付の「改善されたスケーラビリティのための磁気抵抗ランダム・アクセス・メモリ」（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ  ｆｏｒ  Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ）という名称の同時係属米国特許出願を参照されたい。上記出願は引用によって本明細書の記載に援用する。
【００１２】
ＭＲＡＭデバイス内の２つの強磁性層内の磁気モーメント・ベクトルは、ΔＭ＝（Ｍ２−Ｍ１）で表される合成磁気モーメント・ベクトル、およびサブ層モーメント分数バランス比、Ｍｂｒ＝（Ｍ２−Ｍ１）／（Ｍ２＋Ｍ１）＝ΔＭ／Ｍｔｏｔａｌを提供するために、異なる厚さまたは材料を有することができる。３層構造による合成磁気モーメント・ベクトルは、印加された磁界により自由に回転することができる。磁界がゼロの場合には、合成磁気モーメント・ベクトルは、ピン留めされている基準層の合成磁気モーメント・ベクトルに対して平行または逆平行である磁気異方性により決まるある方向で安定する。「合成磁気モーメント・ベクトル」という用語は、この説明のためだけに、また全体的にバランスがとれたモーメントの場合に対してだけ使用され、合成磁気モーメント・ベクトルは、磁界が存在しない場合にはゼロである。以下に説明するように、トンネル障壁に隣接するサブ層磁気モーメント・ベクトルだけがメモリの状態を決定する。
【００１３】
ＭＲＡＭデバイスを流れる電流は、トンネル障壁に直接隣接している自由およびピン留め層の磁気モーメント・ベクトルの相対的向きにより支配されるトンネル磁気抵抗により異なる。磁気モーメント・ベクトルが平行である場合には、ＭＲＡＭデバイスの抵抗は低く、電圧バイアスがデバイスを通るより大きな電流を誘起する。この状態を「１」と定義する。磁気モーメント・ベクトルが逆平行である場合には、ＭＲＡＭデバイス抵抗は高く、印加電圧バイアスはデバイスを通るより小さな電流を誘起する。この状態を「０」と定義する。これらの定義は任意のもので逆にすることもできるが、この例の場合には、説明のためにこれらの定義を使用することが理解できるだろう。それ故、磁気抵抗メモリにおいては、データの記憶は、ＭＲＡＭデバイス内の磁気モーメント・ベクトルを、ピン留めされている基準層内の磁気モーメント・ベクトルに対して平行な方向および逆平行の方向のうちのいずれかに向けさせる磁界を与えることにより行われる。
【００１４】
スケーラブルなＭＲＡＭデバイスに書込みを行うための方法は、ほぼバランスのとれたＳＡＦ３層構造に対する「スピン・フロップ」現象によるものである。この場合、「ほとんどバランスがとれている」という用語の意味は、サブ層モーメント分数バランス比の大きさが、０≦｜Ｍｂｒ｜≦０．１の範囲内にあると定義される。スピン・フロップ現象は、強磁性層の磁気モーメント・ベクトルを回転することにより印加された磁界内の全磁気エネルギーを低減し、その結果、上記磁気モーメント・ベクトルは、印加された磁界の方向とほぼ直角になるが、依然として相互への逆平行のほうが優勢である。全磁気エネルギーの低減は、印加された磁界の方向での各強磁性磁気モーメント・ベクトルの僅かな振れと結合した回転またはフロップによるものである。
【００１５】
通常、フロップ現象およびタイミングのとれたパルス・シーケンスを使用して、ＭＲＡＭデバイスに対して２つの異なるモード、すなわち、直接書込モードまたはトグル書込モードにより書込みを行うことができる。これらのモードは、以下に説明するように、同じタイミングのとれたパルス・シーケンスにより達成することができるが、印加された磁界の磁気サブ層モーメントおよび極性および大きさの選択の点で異なる。
【００１６】
各書込み方法はそれぞれの利点を有する。例えば、直接書込モードを使用する場合には、ＭＲＡＭデバイスの最初の段階を決定する必要はない。何故なら、書込み中の状態が記憶している状態とは異なる場合だけ、状態がスイッチングされるからである。直接書込み方法は、書込シーケンスがスタートする前に、ＭＲＡＭデバイスの状態を知る必要はないが、この方法の場合には、どちらの状態が必要なのかにより、ワード線およびディジット線の両方の極性を変更する必要がある。
【００１７】
トグル書込み方法を使用する場合には、書込みを行う前にＭＲＡＭデバイスの最初の状態を決定しなければならない。何故なら、同じ極性のパルス・シーケンスがワード線およびディジット線の両方から発生する度に、状態がスイッチングされるからである。それ故、トグル書込モードは、記憶しているメモリ状態を読み取り、この状態を、書き込む新しい状態と比較することにより動作する。比較の後で、記憶している状態と新しい状態が異なる場合だけ、ＭＲＡＭデバイスに書込みが行われる。
【００１８】
ＭＲＡＭデバイスは、磁気異方性軸が、理想的には、ワード線およびディジット線に対して４５度になるように構成することが望ましい。それ故、磁気モーメント・ベクトルＭ１およびＭ２は、ｔ０の時点でワード線およびディジット線の方向に対して４５度の好適な方向を向いている。書込み方法の一例について説明すると、直接書込みまたはトグル書込みを使用して、ＭＲＡＭデバイスの状態をスイッチングするためには、下記の電流パルス・シーケンスが使用される。ｔ１の時点で、ワード電流が増大し、Ｍ１およびＭ２が、スピン・フロップ効果により自分自身を磁界の方向にほぼ直角に整合するために、ワード電流の方向により時計方向または反時計方向に回転を開始する。ｔ２の時点で、ディジット電流がオンになる。ディジット電流は、ディジット線磁界による回転と同じ方向にＭ１およびＭ２がさらに回転するようにある方向に流れる。この時点において、ワード線電流およびディジット線電流の両方がオンになり、その場合、Ｍ１およびＭ２が、電流線に対して４５度である正味の磁界の方向にほぼ直角になる。
【００１９】
一方の電流だけがオンになった場合に、磁界が、Ｍ１およびＭ２を、ワード線またはディジット線に平行な方向にほぼ整合させることを理解することが重要である。しかし、両方の電流がオンになった場合には、Ｍ１およびＭ２は、ワード線およびディジット線に対して４５度の角度にほぼ直角に整合する。
【００２０】
ｔ３の時点で、ワード線電流はオフになり、そのためＭ１およびＭ２は、ディジット線の磁界だけにより回転するだけである。この時点において、Ｍ１およびＭ２は、そのハード軸の不安定な点を過ぎてほぼ回転を終る。ｔ４の時点で、ディジット線電流はオフになり、Ｍ１およびＭ２は好適な異方性軸に沿って整合する。この時点において、Ｍ１およびＭ２は１８０度回転し、ＭＲＡＭデバイスはすでに切り替えられている。それ故、ワード電流およびディジット電流を順次オンおよびオフすることにより、ＭＲＡＭデバイスのＭ１およびＭ２を１８０度回転することができ、その結果、デバイスの状態が切り替わる。
【００２１】
添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態の下記の詳細な説明を読めば、当業者であれば、本発明の上記および他のより特定の目的および利点を容易に理解することができるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明によるＭＲＡＭアレイ３の概略断面図である。この図は、１つの磁気抵抗記憶装置１０しか示していないが、ＭＲＡＭアレイ３は、多数のＭＲＡＭデバイス１０を含むことを理解することができるだろう。１つのデバイスしか図示していないのは、本発明の書込み方法の説明を簡単にするためである。
【００２３】
ＭＲＡＭデバイス１０は、ワード線２０およびディジット線３０によりサンドイッチ状に挟まれている。ワード線２０およびディジット線３０は、電流がそこを通して流れることができるように導電性材料からなる。この図の場合、ワード線２０は、ＭＲＡＭデバイス１０の上に位置していて、ディジット線３０はＭＲＡＭデバイス１０の下に位置していて、ワード線２０に対して９０度の角度の方向を向いている（図２参照）。
【００２４】
ＭＲＡＭデバイス１０は、第１の磁気領域１５、トンネル障壁１６、および第２の磁気領域１７からなる。この場合、トンネル障壁１６は、第１の磁気領域１５と第２の磁気領域１７の間にサンドイッチ状に挟まれている。好ましい実施形態の場合には、磁気領域１５は、２つの強磁性層４５および５５の間にサンドイッチ状に挟まれている反強磁性結合スペーサ層６５を有する３層構造１８からなる。反強磁性結合スペーサ層６５は厚さ８６を有し、強磁性層４５および５５は、それぞれ厚さ４１および５１を有する。さらに、磁気領域１７は、２つの強磁性層４６および５６の間にサンドイッチ状に挟まれている反強磁性結合スペーサ層６６を有する３層構造１９を有する。反強磁性結合スペーサ層６６は厚さ８７を有し、強磁性層４６および５６は、それぞれ厚さ４２および５２を有する。
【００２５】
一般的に、反強磁性結合スペーサ層６５および６６は、元素Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ、Ｃｒ、Ｒｈ、Ｃｕまたはこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。さらに、強磁性層４５、５５、４６および５６は、元素Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、またはこれらの組合せのうちの少なくとも１つを含む。また、磁気領域１５および１７は、３層構造以外の合成反強磁性層材料構造を含むことができ、この実施形態で３層構造を使用しているのは単に説明のために過ぎないことを理解されたい。例えば、このような１つの合成反強磁性層材料構造は、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／強磁性層構造の５層構造からなる。
【００２６】
強磁性層４５および５５は、それぞれ、通常は反強磁性結合スペーサ層６５の結合により逆平行に保持されている磁気モーメント・ベクトル５７および５３を有する。また、磁気領域１５は、合成磁気モーメント・ベクトル４０を有し、磁気領域１７は、合成磁気モーメント・ベクトル５０を有する。合成磁気モーメント・ベクトル４０および５０は、異方性磁化容易軸に沿って、ワード線２０およびディジット線３０から好適には４５度の角度を有することが好ましい、ある角度方向を向いている（図２参照）。さらに、磁気領域１５は自由強磁性領域であるが、このことは、合成磁気モーメント・ベクトル４０が、印加された磁界の存在下で自由に回転することができることを意味する。磁気領域１７は、ピン留めされている強磁性領域であるが、このことは、合成磁気モーメント・ベクトル５０が、中程度の印加された磁界の存在下で自由に回転できないで、基準層として使用されることを意味する。
【００２７】
反強磁性結合層は、各３層構造１８内の２つの強磁性層間に位置しているが、強磁性層は、静磁界または他の機能のような他の手段により、反強磁性結合することができることを理解することができるだろう。例えば、セルのアスペクト比が５またはそれ以下に低減すると、強磁性層は静磁束閉鎖から逆平行に結合される。
【００２８】
好ましい実施形態の場合には、ＭＲＡＭデバイス１０は、非円形平面に対して１〜５の範囲の長さ／幅比を有する３層構造１８を有する。しかし、この実施形態の場合には、平面は円形になっている（図２参照）。好ましい実施形態の場合には、ＭＲＡＭデバイス１０は円形をしているが、それは形状の異方性によるスイッチング磁界への影響を最低限度に低減するためであり、デバイスをもっと小さい横方向の寸法にスケールするために、フォトリソグラフィ処理をもっと使用し易くするためである。しかし、ＭＲＡＭデバイスを、正方形、楕円形、長方形または菱形のような他の形にすることもできるが、円形にしたのは説明を簡単にするためであり、性能を改善するためであることを理解することができるだろう。
【００２９】
さらに、ＭＲＡＭアレイ３の製造中、後続の各層（すなわち、３０、５５、６５等）は、順次デポジトまたは他の方法で形成され、各ＭＲＡＭデバイス１０は、半導体業界では周知の技術のうちの任意のものの選択的デポジト、フォトリソグラフィ処理、エッチング等により形成することができる。少なくとも強磁性層４５および５５のデポジト中、磁界は、このペア（誘起された異方性）に対して好適な容易磁気軸を設定するために与えられる。印加された磁界は、磁気モーメント・ベクトル５３および５７に対して好適な異方性軸を生成する。好適な軸は、以下にすぐに説明するように、ワード線２０とディジット線３０の間に４５度の角度を有するように選択される。
【００３０】
図２について説明すると、この図は、本発明によるＭＲＡＭアレイ３の概略平面図である。ＭＲＡＭデバイス１０の説明を簡単にするために、すべての方向は、図に示すように、ｘ、ｙ座標システム１００で表し、また時計方向の回転９４および反時計方向の回転９６で表す。説明をさらに簡単にするために、ここでも、Ｎは２に等しいと仮定する。そのためＭＲＡＭデバイス１０は、磁気モーメント・ベクトル５３および５７、および合成磁気モーメント・ベクトル４０を含む領域１５内に１つの３層構造を含む。また、領域１５の磁気モーメント・ベクトルだけを示してあるが、それはこれらの磁気モーメント・ベクトルが切り替えられるからである。
【００３１】
本発明の書込み方法の動作を説明するために、磁気モーメント・ベクトルに対する好適な異方性軸５３および５７は、負のｘ方向および負のｙ方向に対して４５度の角度を有し、正のｘ方向および正のｙ方向に対して４５度の角度を有するものと仮定する。一例を挙げて説明すると、図２は、磁気モーメント・ベクトル５３が負のｘ方向および負のｙ方向に対して４５度の角度を有することを示す。磁気モーメント・ベクトル５７は、通常、磁気モーメント・ベクトル５３に対して逆平行になっているので、磁気モーメント・ベクトル５７は、正のｘ方向および正のｙ方向に対して４５度の角度を有する。この最初の向きは、以下にすぐに説明するように、書込み方法のいくつかの例を示すために使用される。
【００３２】
好ましい実施形態の場合には、ワード電流６０は、正のｘ方向に流れている場合は正であると定義され、ディジット電流７０は、正のｙ方向に流れている場合は正であると定義される。ワード線２０およびディジット線３０の目的は、ＭＲＡＭデバイス１０内に磁界を生成することである。正のワード電流６０は、円周方向にワード磁界Ｈｗ８０を誘起し、正のディジット電流７０は、円周方向にディジット磁界ＨＤ９０を誘起する。ワード線２０は、素子の面内で、ＭＲＡＭデバイス１０の上に位置しているので、Ｈｗ８０は、正のワード電流６０に対して正のｙ方向に、ＭＲＡＭデバイス１０に対して供給される。同様に、ディジット線３０は、素子の面内で、ＭＲＡＭデバイス１０の下に位置しているので、ＨＤ９０は、正のディジット電流７０に対して正のｘ方向に、ＭＲＡＭデバイス１０に対して供給される。正および負の電流の流れの定義は任意なもので、本明細書においては説明のためにこのように定義したことを理解することができるだろう。電流の流れの方向を逆にすると、ＭＲＡＭデバイス１０内に誘起される磁界の向きが変化する。電流が誘起した磁界の行動は、当業者にとって周知のものであるので、ここではこれ以上の説明は省略する。
【００３３】
図３について説明すると、この図は、ＳＡＦ３層構造のスイッチング行動のシミュレーションを示す。シミュレーションは、真性異方性を有するほぼ同じモーメント（ほぼバランスのとれたＳＡＦ）を有し、反強磁性結合しているその磁化ダイナミックスがＬａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚの方程式で表される２つの単一領域磁気層からなる。ｘ軸は、エルステッド単位のワード線磁界の大きさであり、ｙ軸は、エルステッド単位のディジット線磁界の大きさである。磁界は、図４に示すように、パルス・シーケンス１００により与えられる。この場合、パルス・シーケンス１００は、時間の関数としてのワード電流６０およびディジット電流７０を含む。
【００３４】
図３は３つの動作領域を示す。領域９２においては、スイッチングは行われない。領域９５内のＭＲＡＭ動作の場合には、直接書込み方法が使用される。直接書込み方法を使用する場合には、ＭＲＡＭデバイスの最初の状態を決定する必要はない。何故なら、この状態は、書き込み中の状態が記憶している状態と異なる場合だけ切り替えられるからである。書き込まれた状態の選択は、ワード線２０およびディジット線３０の両方の電流の方向により決定される。例えば、「１」を書き込みたい場合には、両方の線内の電流の向きを正とする。「１」が素子内にすでに記憶されていて、「１」を書き込んでいる場合には、ＭＲＡＭデバイスの最後の状態は依然として「１」である。さらに、「０」を記憶していて、正の電流で「１」を書き込んでいる場合には、ＭＲＡＭデバイスの最後の状態は「１」である。ワード線およびディジット線の両方に負の電流を流すことにより「０」を書き込む場合にも、類似の結果が得られる。それ故、最初の状態が何であろうと、電流パルスの正しい極性により、いずれの状態も所望する「１」または「０」にプログラムすることができる。本明細書全体を通して、領域９５内の動作は、「直接書込モード」と定義される。
【００３５】
領域９７内のＭＲＡＭ動作の場合には、トグル書込み方法を使用する。トグル書込み方法を使用する場合には、書込みを行う前にＭＲＡＭデバイスの最初の状態を決定する必要がある。何故なら、ワード線２０およびディジット線３０の両方に対して同じ極性の電流パルスを選択している限りは、電流がどちらの方向を向いていようとも、ＭＲＡＭデバイスに書込みを行う度に状態が切り替わるからである。例えば、「１」を最初に記憶している場合には、ワード線およびディジット線を通して１つの正の電流パルス・シーケンスが流れると、デバイスの状態は「０」に切り替わる。記憶している「０」の状態に対して正の電流パルス・シーケンスを反復して供給すると、「０」の状態は「１」に戻る。それ故、記憶素子を所望する状態に書き込むことができるようにするためには、ＭＲＡＭデバイス１０の最初の状態を最初に読み取り、書き込む状態と比較しなければならない。この読取りおよび比較を行うには、情報を記憶するためのバッファおよびメモリ状態を比較するためのコンパレータを含む追加の論理回路を必要とする場合がある。記憶している状態および書き込まれる状態が異なる場合だけ、ＭＲＡＭデバイス１０に対して書込みが行われる。この方法の１つの利点は、異なるビットだけがスイッチングされるだけなので、消費電力が少なくてすむことである。トグル書込み方法を使用する場合のもう１つの利点は、単一極性の電圧しか必要としないので、ＭＲＡＭデバイスを駆動するのにもっと小さなＮチャネル・トランジスタを使用することができることである。本明細書全体を通して、領域９７内の動作を「トグル書込モード」と定義する。
【００３６】
両方の書込み方法は、磁気モーメント・ベクトル５３および５７を、すでに説明した２つの好適な方向のうちの一方に向けることができるように、ワード線２０およびディジット線３０内に電流を供給する工程を含む。２つのスイッチング・モードを完全に解明するために、磁気モーメント・ベクトル５３、５７および４０の時間的展開を示す特定の例について以下に説明する。
【００３７】
図５について説明すると、この図は、パルス・シーケンス１００により、「１」を「０」に書き換えるためのトグル書込モードを示す。この図の場合、ｔ０の時点において、磁気モーメント・ベクトル５３および５７は、図２に示す好適な方向を向いている。この方向を「１」と定義する。
【００３８】
ｔ１の時点で、正のワード電流６０がオンになり、この電流は正のｙ方向を向くＨｗ８０を誘起する。正のＨｗ８０は、ほぼバランスのとれた反整合ＭＲＡＭ３層を「フロップ」させ、印加された磁界の方向に対してほぼ９０度の方向に向ける。強磁性層４５および５５間の有限の反強磁性交換相互作用により、磁気モーメント・ベクトル５３および５７は、磁界方向に小さな角度で傾くことができ、合成磁気モーメント・ベクトル４０は、磁気モーメント・ベクトル５３と５７の間で上記角度の範囲を定め、Ｈｗ８０と整合する。それ故、磁気モーメント・ベクトル５３は、時計方向９４の方向に回転する。合成磁気モーメント・ベクトル４０は、磁気モーメント・ベクトル５３および５７のベクトル追加であるので、磁気モーメント・ベクトル５７も、時計方向９４に回転する。
【００３９】
ｔ２の時点で、正のディジット電流７０がオンになり、この電流は正のＨＤ９０を誘起する。それ故、合成磁気モーメント・ベクトル４０は、同時にＨｗ８０により正のｙ方向およびＨＤ９０により正のｘ方向に向き、これにより有効な磁気モーメント・ベクトル４０が、正のｘ方向および正のｙ方向の間でほぼ４５度の方向を向くまで、時計方向９４にさらに回転する。それ故、磁気モーメント・ベクトル５３および５７も、時計方向９４にさらに回転する。
【００４０】
ｔ３の時点で、ワード電流６０がオフになり、その結果、ＨＤ９０だけが、現在正のｘ方向を向いている合成磁気モーメント・ベクトル４０の方向を決める。両方の磁気モーメント・ベクトル５３および５７は、現在、その異方性ハード軸不安定点を越えた角度の方向をほぼ向いている。
【００４１】
ｔ４の時点で、ディジット電流７０がオフになり、その結果、磁界の力は合成磁気モーメント・ベクトル４０に対して働いていない。それ故、磁気モーメント・ベクトル５３および５７は、異方性エネルギーを最低限度に低減するために、その最も近い好適な方向を向いている。この場合、磁気モーメント・ベクトル５３に対する好適な方向は、正のｙ方向および正のｘ方向に対して４５度の角度を有する。この好適な方向は、またｔ０の時点の磁気モーメント・ベクトル５３の最初の方向から１８０度の角度を有し、「０」と定義する。それ故、ＭＲＡＭデバイス１０は、すでに「０」に切り替えられている。ＭＲＡＭデバイス１０は、ワード線２０およびディジット線３０の両方の負の電流によって、磁気モーメント・ベクトル５３、５７および４０を反時計方向９６に回転することにより、スイッチングすることができることを理解することができるだろう。しかし、図に示すものは単に説明のためだけのものである。
【００４２】
図６について説明すると、この図は、パルス・シーケンス１００により、「０」を「１」に書き換えるためのトグル書込モードを示す。この図は、同じ電流および磁界方向により、ＭＲＡＭデバイス１０の状態を「０」から「１」にスイッチングする機能を示す、すでに説明した各時点ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４における、磁気モーメント・ベクトル５３および５７、および合成磁気モーメント・ベクトル４０を示す。それ故、ＭＲＡＭデバイス１０の状態が、図３の領域９７に対応するトグル書込モードにより書き込まれる。
【００４３】
直接書込モードの場合には、磁気モーメント・ベクトル５３の大きさが、磁気モーメント・ベクトル５７より大きく、そのため磁気モーメント・ベクトル４０が磁気モーメント・ベクトル５３と同じ方向を向いているが、ゼロ・フィールドにおいてはもっと小さい大きさを有するものと仮定する。このアンバランスなモーメントにより、全モーメントを印加された磁界と整合する傾向を有するダイポール・エネルギーは、ほぼバランスがとれているＳＡＦの対称を対称でない状態にすることができる。それ故、所与の極性の電流の１つの方向だけでスイッチングが行われる。
【００４４】
図７について説明すると、この図は、パルス・シーケンス１００による直接書込モードにより、「１」を「０」に書き換える一例を示す。この場合も、メモリの状態は、最初は、負のｘ方向および負のｙ方向に対して４５度の方向を向いている磁気モーメント・ベクトル５３、正のｘ方向および正のｙ方向に対して４５度の方向を向いている磁気モーメント・ベクトル５７を含む「１」である。上記パルス・シーケンスの後で、正のワード電流６０および正のディジット電流７０により、すでに説明したトグル書込モードと類似の方法で書込みが行われる。この場合もモーメントがｔ１の時点で「フロップ」するが、結果としての角度は、アンバランスなモーメントおよび異方性のために、９０度から傾いていることに留意されたい。ｔ４の時点の後で、ＭＲＡＭデバイス１０は、必要に応じて、正のｘ方向および正のｙ方向に４５度の方向を向いている合成磁気モーメント４０により、「０」状態に切り替えられている。負のワード電流６０および負のディジット電流７０により、「０」を「１」に書き込む場合だけ類似の結果が得られる。
【００４５】
図８について説明すると、この図は、新しい状態が、すでに記憶している状態と同じ場合に、直接書込モードによる書込みの一例を示す。この例の場合には、「０」がすでにＭＲＡＭデバイス１０内に記憶されていて、「０」を記憶するために電流パルス・シーケンス１００が反復して供給される。磁気モーメント・ベクトル５３および５７は、ｔ１の時点で「フロップ」しようとするが、アンバランスな磁気モーメントが、印加された磁界に対向して動作するために回転が小さくなる。それ故、逆状態から回転させるための追加のエネルギー障壁が存在する。ｔ２の時点で、優勢なモーメント５３は、正のｘ軸をほぼ整合し、その最初の異方性の方向から４５度より小さくなる。ｔ３の時点で、磁界は正のｘ軸に沿った方向を向く。時計方向にさらに回転するのではなく、システムは、現在、印加された磁界に対するＳＡＦモーメント対称を変更することによりそのエネルギーを低減する。受動モーメント５７はｘ軸を横切り、システムはその元の方向近くに戻った優勢なモーメント５３により安定になる。それ故、ｔ４の時点で磁界が除去されると、ＭＲＡＭデバイス１０内に記憶している状態は、「０」のままである。このシーケンスは、図３内の領域９５として示した直接書込モードの機構を示す。それ故、この慣例の場合、「０」を書き込むには、ワード線６０およびディジット線７０に正の電流を必要とし、逆に「１」を書き込むには、ワード線６０およびディジット線７０に負の電流を必要とする。
【００４６】
もっと強力な磁界が与えられた場合には、最終的には、フロップに関連してエネルギーが低減し、はさみ状部分は、トグル・イベントを防止しているアンバランスなモーメントのダイポール・エネルギーが生成した追加のエネルギー障壁を越える。この時点で、トグル・イベントが起こり、スッチングが領域９７内で行われる。
【００４７】
直接書込モードが使用される領域９５は拡張することができる。すなわち、トグル・モード領域９７を、時点ｔ３およびｔ４が等しいか、できるだけ等しい場合には、もっと強力な磁界に移動させることができる。この場合、ディジット電流７０がオンになった場合に、ワード電流６０がオンになり、次にビット異方性軸と平行に移動した場合には、磁界の方向はビット異方性軸に対して４５度の角度からスタートする。この例は、典型的な磁界供給シーケンスに類似している。しかし、この場合、ワード電流６０およびディジット電流７０は、ほぼ同時にオフになり、その結果、磁界の方向はもはや回転しない。それ故、印加された磁界は、ワード電流６０およびディジット電流７０がオンになった場合、合成磁気モーメント・ベクトル４０がそのハード軸の不安定な点をすでに通過しているような十分大きなものでなければならない。この時点で、トグル書込モード・イベントが発生する可能性は低い。何故なら、この場合には、磁界の方向が以前のように９０度ではなく、４５度に過ぎないからである。立ち下がり時間ｔ３およびｔ４がほぼ同時であることの１つの利点は、磁界の立ち上がり時間ｔ１およびｔ２の順序に追加の制約がないことである。それ故、磁界は任意の順序で、またはほぼ同時にオンにすることができる。
【００４８】
上記書込み方法は、選択性が非常に高い。何故なら、ｔ２の時点とｔ３の時点の間でオンになったワード電流６０およびディジット電流７０の両方を有するＭＲＡＭデバイスだけが状態をスイッチングするからである。図９および図１０は、この機能を示す。図９は、ワード電流６０がオンにならないで、ディジット電流７０がオンになった場合のパルス・シーケンス１００を示す。図１０は、ＭＲＡＭデバイス１０の状態の対応する行動を示す。ｔ０の時点で、磁気モーメント・ベクトル５３および５７、および合成磁気モーメント・ベクトル４０は、図２に示す方向を向いている。パルス・シーケンス１００においては、ディジット電流７０がｔ１の時点でオンになる。この時間の間、ＨＤ９０は、合成磁気モーメント・ベクトル４０を正のｘ方向に向ける。
【００４９】
ワード電流６０は決してオンにならないので、合成磁気モーメント・ベクトル５３および５７は、決してその異方性ハード軸の不安定な点を通って回転しない。その結果、磁気モーメント・ベクトル５３および５７は、ディジット電流７０がｔ３の時点でオフになった場合は、ｔ０の時点における最初の方向である最も近い好適な方向に再度向く。それ故、ＭＲＡＭデバイス１０の状態は切り替わらない。上記類似の時点でワード電流６０がオンになり、ディジット電流７０がオンにならない場合には、同じ結果となることを理解することができるだろう。この機能により、確実にアレイ内の１つのＭＲＡＭデバイスだけが切り替わり、一方、他のデバイスはその最初の状態のまま変わらない。その結果、意図しない切替えを避けることができ、ビットの誤り率が最低限度に低減する。
【００５０】
当業者であれば、説明のために選択し本明細書に記載した実施形態に対する種々の変更および修正を容易に思い付くことができるだろう。このような修正および変更が本発明の精神から逸脱しない限りは、これらの修正および変更は、特許請求の範囲の公平な解釈によってだけ査定される本発明の範囲内に含まれる。
【００５１】
当業者が本発明を理解し、実行することができるような明確で簡潔な用語で本発明を詳細に説明してきた。本発明の特許請求の範囲は添付の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置の概略断面図。
【図２】ワード線およびディジット線を含む磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置の概略平面図。
【図３】磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置で、直接書込モードまたはトグル書込モードを生成する磁界振幅組合わせのシミュレーションを示すグラフ。
【図４】ワード電流およびディジット電流の両方がオンになった場合の、これら両電流のタイミング図を示すグラフ。
【図５】「０」に「１」を書き込む際のトグル書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示す図。
【図６】「１」に「０」を書き込む際のトグル書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示す図。
【図７】「０」に「１」を書き込む際の直接書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示すグラフ。
【図８】すでに「０」である状態に「０」を書き込む際の直接書込モードに対する磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示すグラフ。
【図９】ディジット電流だけがオンになった際のワード電流およびディジット電流のタイミング図を示すグラフ。
【図１０】ディジット電流だけがオンになった際の磁気抵抗ランダム・アクセス記憶装置に対する磁気モーメント・ベクトルの回転を示すグラフ。
【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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